JP2017089461A

JP2017089461A - 触媒の劣化判定装置

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Publication number: JP2017089461A
Application number: JP2015218567A
Authority: JP
Inventors: 健太今岡; Kenta Imaoka; 淳也北田; Junya Kitada; 松永　英雄; Hideo Matsunaga; 英雄松永
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-11-06
Also published as: JP6610874B2

Abstract

【課題】精度良い触媒劣化判定を可能にする。【解決手段】エンジン１の排気通路７の排気浄化触媒３より排気下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出するリヤＯ2センサ１１と、吸気量を検出するエアフローセンサ６と、所定の燃料カット条件が成立した際にエンジン１への燃料供給を停止するエンジンコントロールユニット１０と、を備え、エンジンコントロールユニット１０は更に、燃料カット条件の成立から排気の空燃比をリッチ空燃比にする所定期間待機してから燃料供給の停止を行ない、リヤＯ2センサ１１の出力値Ｖが計測終了電圧Ｖro以下になるまでの排気浄化触媒３を通過する空気量の積算値に基づいて、排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量を推定して、排気浄化触媒３の劣化判定をする。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化判定技術に関する。

例えば車両に搭載された内燃機関の排気通路には触媒が設けられており、当該触媒は、内燃機関の排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）等の不要な成分を浄化する機能を有している。これらの触媒は、使用に伴って浄化効率が低下するため、劣化を検出、表示して修理を促す劣化判定機能を車両に装備することが必要とされている。

触媒の劣化判定の手法としては、触媒の劣化に伴って低下する酸素吸蔵作用（酸素ストレージ作用）に基づいて行なうことが知られている。例えば、特許文献１には、触媒の上流側と下流側の排気通路に、排気中の酸素濃度を検出するＯ2センサ（酸素濃度センサ）を夫々設け、燃料カット等により排気空燃比を変化させたときの上流側Ｏ2センサの検出した波形の変動から下流側Ｏ2センサの検出した波形の変動までの時間に基づいて酸素吸蔵作用を推定して、触媒の劣化判定を行なう劣化判定装置が記載されている。

特開２００６−３２９１１３号公報

しかし、特許文献１のようにＯ2センサの検出値に基づいて触媒の劣化判定を行なう装置では、Ｏ2センサが劣化した場合には、正確に劣化判定を行なうことが困難である。特に上流側Ｏ2センサでは、触媒の上流側であることから、例えば排気中の成分が付着して、検出精度が低下する可能性が高い。
また、劣化判定を行なう際に例えば内燃機関の回転速度が変動して排気流量が変動する可能性があり、このように排気流量が変動した場合でも、触媒劣化判定を正確に行なうことが必要である。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、精度良い劣化判定が可能な触媒の劣化判定装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、本願発明の触媒の劣化判定装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵作用を有する触媒の劣化判定装置であって、前記排気通路の前記触媒より排気下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器と、所定の燃料カット条件が成立した際に前記内燃機関への燃料供給を停止する燃料供給制御部と、前記触媒を通過する空気量を検出する空気量検出器と、前記燃料供給制御部により前記燃料供給の停止を開始してから前記酸素濃度検出器により検出した前記酸素濃度が第１の所定値以上になるまでの前記空気量の積算値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵容量を推定し、当該酸素吸蔵容量に基づいて前記触媒の劣化判定をする触媒劣化判定部と、を備え、前記燃料供給制御部は、前記燃料カット条件の成立から排気空燃比をリッチ空燃比にする所定期間待機してから前記燃料供給の停止を行なうことを特徴とする。

また、好ましくは、前記触媒劣化判定部において推定した前記酸素吸蔵容量を記憶する記憶部を備え、前記燃料供給制御部は、前記記憶部に記憶した前回酸素吸蔵容量に基づいて、前記リッチ空燃比又は／及び前記所定期間を変更するとよい。
また、好ましくは、前記リッチ空燃比は、前記前回酸素吸蔵容量が小さくなるに伴って大きく設定されるとよい。

また、好ましくは、前記所定期間は、前記前回酸素吸蔵容量が小さくなるに伴って短く設定されるとよい。
また、好ましくは、前記燃料供給の停止の開始時において前記酸素濃度検出器により検出した排気中の酸素濃度が第２の所定値以上の場合に、前記触媒劣化判定部による触媒の劣化判定を規制する劣化判定規制部を備えるとよい。

本願発明の触媒の劣化判定装置によれば、燃料カット条件が成立して燃料供給が停止する前に排気空燃比をリッチにする所定期間を設けるので、触媒における酸素吸蔵量を０にしてから燃料供給を停止することができる。したがって、触媒の上流側の酸素濃度を検出しなくとも、下流側の酸素濃度検出器による検出値に基づいて、酸素吸蔵容量を推定することが可能であり、触媒の劣化判定を行なうことができる。

更に、燃料供給の停止を開始してから触媒を通過する空気量の積算値に基づいて酸素吸蔵容量が推定されるので、空気量が変動しても、正確に酸素吸蔵容量を推定することが可能であり、触媒の劣化判定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸排気系、及び排気浄化触媒の劣化判定装置の概略構成図である。本実施形態の劣化判定制御要領を示すフローチャートである。リッチ化係数の設定用のマップの一例である。劣化判定制御時における各種数値及び作動の変化の一実施例を示すタイミングチャートである。酸素吸蔵容量に基づく排気浄化触媒の劣化判定方法の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１（内燃機関）の吸排気系、及び劣化判定装置２の概略構成図である。
本実施形態の劣化判定装置２は、車両に搭載された走行駆動用のエンジン１の排気浄化触媒３の劣化判定を行なうものである。

図１に示すように、本実施形態のエンジン１の吸気通路４には、吸気流量を制御するスロットルバルブ５と、吸気量を検出するエアフローセンサ６(空気量検出器)が備えられている。
スロットルバルブ５は、エンジンコントロールユニット１０（燃料供給制御部、触媒劣化判定部、記憶部、劣化判定規制部）によって作動制御され、吸気通路４の流路面積を調整することで吸気流量を制御する。詳しくは、エンジン１の負荷（要求出力トルク）が大きいほど流路面積を大きくし、負荷が小さくなる程流路面積を小さくするように制御される。

エンジン１の排気通路７には、排気浄化触媒３が備えられている。
排気浄化触媒３は、例えば公知の三元触媒のように、エンジン１の排気を浄化するための触媒であり、酸素吸蔵能力を有している。
排気浄化触媒３の下流側の排気通路７には、排気中の酸素濃度を検出するリヤＯ2センサ１１(酸素濃度検出器)が設けられている。リヤＯ2センサ１１は、酸素濃度が上昇するに伴って出力電圧が低下する。なお、このリヤＯ2センサ１１は空燃比を検出する空燃比センサでもよい。リヤＯ2センサ１１は、検出した酸素濃度を電圧値としてエンジンコントロールユニット１０に出力する。

また、エンジン１には、エンジン１の回転速度を検出するクランク角センサ１２が設けられている。
エンジンコントロールユニット１０は、エンジン１の制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等（記憶部））、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成される。エンジンコントロールユニット１０は、エアフローセンサ６、クランク角センサ１２から検出値を入力するとともに、アクセルセンサ１３からアクセル操作量、その他ブレーキ操作や車速等の車両情報を入力して、エンジン１に燃料を供給する燃料噴射弁１４、スロットルバルブ５を作動制御して、エンジン１の空燃比制御を行う。

エンジンコントロールユニット１０は、燃料カット条件が成立している場合に、燃料噴射弁１４からの燃料噴射を停止させる燃料カット制御を行なう（燃料供給制御部）。燃料カット条件は、例えばアクセル操作量が０、ブレーキ操作中、車速が所定値以下の減速中である場合等、エンジン１からの出力が不要である条件に相当する。
更に、本実施形態では、エンジンコントロールユニット１０は、排気浄化触媒３の劣化判定機能を有している（触媒劣化判定部）。なお、当該劣化判定機能により排気浄化触媒３が劣化していると判定された場合には、車両の運転席に設けられた警告灯や表示パネル１５等によって乗員等に報知する。

排気浄化触媒３の劣化判定は、燃料カット制御を行なった際に、リヤＯ2センサ１１の検出値に基づいて判定をする。
図２は、エンジンコントロールユニット１０によって行なわれる本実施形態の劣化判定制御要領を示すフローチャートである。また、図３は、リッチ化係数Krの設定用のマップの一例である。

本ルーチンは、燃料カット開始条件が成立している状態で繰り返し実行される。
始めにステップＳ１０では、ディレー期間中であるか否かを判別する。ディレー期間(所定期間)は、燃料カット開始条件が成立してから実際に燃料カット制御が開始されるまでの待機時間である。なお、このディレー期間は、後述するステップＳ６０において実施される目標空燃比(排気空燃比)をリッチ（リッチ空燃比）とするリッチ化制御によって、排気浄化触媒３の酸素吸蔵量が０になるような時間(点火回数)に設定する。ディレー期間中でない場合には，ステップＳ２０に進む。ディレー期間中である場合には、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ２０では、後述するステップＳ７０において減算する排気通路遅れ空気量Ｑed（現状の排気通路遅れ空気量Ｑed(n)）が０以下であるか否かを判別する。排気通路遅れ空気量Ｑedが０以下である場合には、ステップＳ３０に進む。排気通路遅れ空気量Ｑedが０より大きい場合には、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、リヤＯ2センサ１１から現在の出力値Ｖ(n)を入力し、当該出力値Ｖ(n)が計測終了電圧Ｖro（第１の所定値）以下であるか否かを判別する。計測終了電圧Ｖroは、排気浄化触媒３に酸素吸蔵容量を超えて酸素が供給された場合における、リヤＯ2センサ１１の出力値に設定すればよい。出力値Ｖ(n)が計測終了電圧Ｖro以下、即ち排気浄化触媒３に酸素吸蔵容量を超えて酸素が供給されて酸素濃度が高い状態である場合には、ステップＳ４０に進む。出力値Ｖ(n)が計測終了電圧Ｖroより大きい、即ち排気浄化触媒３に酸素吸蔵容量を超えて酸素が供給されておらず酸素濃度が低い状態である場合には、ステップＳ８０に進む。なお、リヤＯ2センサ１１から入力した現在の出力値Ｖ(n)は、メモリに記憶しておく。

ステップＳ４０では、メモリに記憶されている、排気通路遅れ空気量Ｑedが０以下になってから１回目に検出した出力値Ｖ(1)が故障判定許可電圧Ｖhi（第２の所定値）より大きいか否かを判別する。１回目の出力値Ｖ(1)が故障判定許可電圧Ｖhiより大きい場合には、ステップＳ５０に進む。１回目の出力値Ｖ(1)が故障判定許可電圧Ｖhi以下である場合には、本ルーチンをリターンする。なお、このステップＳ４０において、出力値Ｖ(1)が故障判定許可電圧Ｖhi以下である場合に本ルーチンをリターンする制御が、本発明の劣化判定規制部に該当する。

ステップＳ５０では、ステップＳ９０において演算した酸素供給量ｄＯＳの積算値ΣｄＯＳを排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量ＯＳＣの推定値とする。そして、本ルーチンを終了する。
ステップＳ６０では、リッチ化制御を行なう。リッチ化制御は、排気浄化触媒３の酸素吸蔵量を０にするために、通常の空燃比に対して排気空燃比をリッチにする制御であり、ここでは、エンジン１をアイドリング運転した状態で、燃料噴射量、あるいはインジェクタ駆動時間にリッチ化係数Ｋrを乗算した値から算出した空燃比を目標空燃比とする制御である。なお、リッチ化係数Ｋrは、図３に示すように、前回の演算された酸素吸蔵容量ＯＳＣに基づいて設定される。前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ（前回酸素吸蔵容量）が小さくなるに伴って、リッチ化係数Ｋrを小さく設定する。そして、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ７０では、排気通路遅れ空気量Ｑedについて減算する。詳しくは、下記式（1）のように、前回の排気通路遅れ空気量Ｑed(n-1)から今回までの吸入空気量Ｑ×Ｔを減算して、今回の排気通路遅れ空気量Ｑed(n)を求める。なお、下記式（１）において、Ｑは今回エアフローセンサ２８により検出した吸入空気量であり、Ｔは前回の吸入空気量の検出から今回の検出までの時間である単位時間である。吸入空気量Ｑ×Ｔについては下限値を０とする。

Ｑed(n)＝Ｑed(n-1)−Ｑ×Ｔ・・・式（１）
排気通路遅れ空気量Ｑedの初期設定値Ｑed（0）は、燃料カット開始時に、あらかじめ計測した排気浄化触媒３までの排気通路７の容積に設定される。したがって、式（1）により、排気通路遅れ空気量Ｑedの初期設定値Ｑed（0）から、単位時間Ｔ毎に吸入空気量Ｑの分を減算して、その残量を現在の排気通路遅れ空気量Ｑed（n)として演算する。

そして、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ８０では、単位時間Ｔ当たりの排気浄化触媒３の酸素供給量ｄＯＳを演算する。酸素供給量ｄＯＳは、下記式（2）により、エアフローセンサ６によって検出した吸入空気量Ｑに基づいて演算される。
ｄＯＳ＝Ｑ×Ｔ×０．２３／３２・・・式（２）
そして、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、酸素供給量積算値ΣｄＯＳを演算する。詳しくは、下記式（3）で示すように、酸素供給量積差値ΣdＯＳは、前回演算した酸素供給量積差値ΣdＯＳ(n-1)に、ステップＳ８０において演算した酸素供給量dＯＳを加算して求める。
ΣdＯＳ＝ΣdＯＳ(n-1)+dＯＳ・・・式（３）
そして、本ルーチンをリターンする。

以上のように制御することで、燃料カット毎に排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量ＯＳＣが演算される。そして、エンジンコントロールユニット１０は、この演算した酸素吸蔵容量ＯＳＣがあらかじめ設定された判定閾値Ａ未満である場合に劣化判定をし、判定閾値Ａ以上である場合には劣化していない正常判定をする。
図４は、燃料カット時に実行した劣化判定制御時における各種数値及び作動の変動経緯の一例を示すタイムチャートである。

図４では、燃料カット開始条件、燃料カット、目標空燃比(リッチ化係数)、リヤＯ2センサ出力値Ｖ、排気通路遅れ空気量Ｑed、酸素供給量積算値ΣdＯＳ、酸素吸蔵容量ＯＳＣについての推移を示している。
図４に示すように、燃料カット開始条件が成立してから（図４中ａ）、目標空燃比をアイドリング空燃比にリッチ化係数Ｋrを積算した値に制御するリッチ化制御が所定期間(ディレー期間)行なわれる（図４中ａ-ｂ）。これにより、排気浄化触媒３の酸素吸蔵量が０になり、リヤＯ2センサ１１の出力値Ｖが故障判定許可電圧Ｖhiまで上昇する。それから燃料カットが開始され、排気通路遅れ空気量Ｑedが初期設定値Ｑed(0）から低下していき、０になってから酸素供給量積算値ΣdＯＳが上昇していく（図４中ｃ）。そしてリヤＯ2センサ１１の検出値が閾値Ｖro以下に低下したときに、そのときの酸素供給量積算値ΣdＯＳが排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量ＯＳＣとなる。図４中の実線で示したように、酸素吸蔵容量ＯＳＣが判定閾値Ａ以上である場合には触媒正常と判定し（図４中ｅ）、図３中の破線で示したように、酸素吸蔵容量ＯＳＣが判定閾値Ａ未満である場合には劣化判定をする(図４中ｄ)。

このように、燃料カットする前にリッチ制御するディレー期間を設けるので、排気浄化触媒３における酸素吸蔵量を０にしてから燃料カットを開始することができる。したがって、排気浄化触媒３の上流側の酸素濃度を検出しなくとも、下流側のリヤＯ2センサ１１による検出値に基づいて、酸素吸蔵容量ＯＳＣを推定することが可能であり、排気浄化触媒３の劣化判定を行なうことができる。これにより、排気浄化触媒３の上流側と下流側の両方で酸素濃度を検出する必要がないので、上流側センサが劣化しても触媒の劣化判定精度は悪化しない。また、排気中の各種成分等による影響を受け難い下流側のリヤＯ2センサ１１による検出値に基づいて排気浄化触媒３の劣化判定を行なうことから、検出精度を向上し、劣化判定精度を向上させることができる。

また、酸素供給量積算値ΣdＯＳに基づいて排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量ＯＳＣを演算しているので、空気量が変動しても、正確に酸素吸蔵容量ＯＳＣを推定することが可能であり、排気浄化触媒３の劣化判定精度を向上させることができる。
更に、この酸素吸蔵容量ＯＳＣを推定する際に、燃料カット開始してからの吸入空気量、即ち排気浄化触媒３を通過する空気量を排気通路容積である初期設定値Ｑed（0）から減算し、この減算した値である排気通路遅れ空気量Ｑedが０以下になった後の空気量を積算して排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量ＯＳＣを推定しているので、排気浄化触媒３の上流側の排気通路７の容積によってリヤＯ2センサ１１の出力値の応答が遅れる影響を排除して、排気浄化触媒３の酸素吸蔵容量ＯＳＣをより正確に推定することができる。

また、ディレー期間におけるリッチ化係数Ｋrを前回推定した酸素吸蔵容量ＯＳＣに基づいて設定しているので、ディレー期間において排気浄化触媒３の酸素吸蔵量を０にするのに必要十分な運転にすることができる。例えば、前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣが小さくなるに伴って、リッチ化係数Ｋrを小さくすることで、ディレー期間における燃料消費を抑制することができる。

図５は、酸素吸蔵容量ＯＳＣに基づいて排気浄化触媒３の劣化判定を行なう際の判定方法の説明図である。図５では、複数の燃料カット及び劣化判定を順次行なった際に、劣化判定を成立させる場合と成立させない場合での酸素吸蔵容量ＯＳＣの推移の一例を示している。
図５に示すように、本実施形態では、図２のフローチャートに示す制御によって排気浄化触媒３の劣化判定がされた場合に、一回のみの劣化判定で劣化判定を成立させるのではなく、複数回以上連続して劣化判定がされた場合に劣化判定を成立させる。例えば図５中の破線で示すように、燃料カットを複数回行ない、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値Ａを下回った劣化判定の回数をカウントし、劣化判定がＢ回連続した場合に劣化判定を成立させる。

このように、複数（Ｂ）回以上連続して酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値Ａを下回った場合にのみ劣化判定を成立させることで、リヤＯ2センサ１１の検出が不安定である場合等による劣化の誤判定を防止することができ、劣化判定精度を向上させることができる。
なお、本願発明は、上記実施形態に限定するものでない。例えば、上記実施形態では、吸気側のエアフローセンサ６によって検出した値を用いて酸素吸蔵容量ＯＳＣを推定しているが、排気浄化触媒３に流入する排気流量が検出あるいは推定可能であれば、その排気流量を用いて酸素吸蔵容量ＯＳＣを推定してもよい。

また、上記実施形態では、複数回連続して劣化判定された場合に、触媒劣化判定を成立定させるが、複数回の酸素吸蔵容量ＯＳＣの平均値を求め、当該平均値が劣化判定値Ａを下回った場合に劣化判定を成立させてもよい。
また、リッチ化係数をディレー期間内で変化させてもよい。例えば、ディレー期間開始時にリッチ化係数を１付近に低く抑え、ディレー期間内で時間経過とともにリッチ化係数を上昇させるようにしてもよい。このようにすれば、ディレー期間開始時におけるリッチ化係数の大幅な上昇を抑え、エンジン１の出力変動を抑えることができる。

また、ディレー期間におけるリッチ化係数Ｋrは、前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣに拘らず、
一定の値でもよい。あるいは、リッチ化係数Ｋrを一定の値にして、前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣの推定値に基づいてディレー期間の長さを変更してもよい。例えば前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣが少なくなるに伴ってディレー期間を短くするように設定すれば、リッチ化係数Ｋrを変更することと同様に、燃料消費を抑制することができる。

また、本実施形態では、エンジン１の排気通路７に１つ設けられた排気浄化触媒３に対して劣化判定を行なうが、排気通路に複数設けられた排気浄化触媒に対しても適用可能である。排気通路に排気浄化触媒が複数設けられた場合には、最上流の排気浄化触媒に対して劣化判定が可能である。また、Ｏ2センサを複数のうちの最上流以外の排気浄化触媒の下流に設けた場合には、Ｏ2センサより上流側の触媒全体としての劣化判定が可能である。

以上のように、本願発明は、酸素吸蔵作用を有する触媒に対して広く適用することができる。

１エンジン(内燃機関)
３排気浄化触媒（触媒）
６エアフローセンサ(空気量検出器)
７排気通路
１０エンジンコントロールユニット（燃料供給制御部、触媒劣化判定部、記憶部、劣化判定規制部）
１１リヤＯ2センサ（酸素濃度検出器）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵作用を有する触媒の劣化判定装置であって、
前記排気通路の前記触媒より排気下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器と、
所定の燃料カット条件が成立した際に前記内燃機関への燃料供給を停止する燃料供給制御部と、
前記触媒を通過する空気量を検出する空気量検出器と、
前記燃料供給制御部により前記燃料供給の停止を開始してから前記酸素濃度検出器により検出した前記酸素濃度が第１の所定値以上になるまでの前記空気量の積算値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵容量を推定し、当該酸素吸蔵容量に基づいて前記触媒の劣化判定をする触媒劣化判定部と、を備え、
前記燃料供給制御部は、前記燃料カット条件の成立から排気空燃比をリッチ空燃比にする所定期間待機してから前記燃料供給の停止を行なうことを特徴とする触媒の劣化判定装置。
前記触媒劣化判定部において推定した前記酸素吸蔵容量を記憶する記憶部を備え、
前記燃料供給制御部は、前記記憶部に記憶した前回酸素吸蔵容量に基づいて、前記リッチ空燃比又は／及び前記所定期間を変更することを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化判定装置。
前記リッチ空燃比は、前記前回酸素吸蔵容量が小さくなるに伴って大きく設定されることを特徴とする請求項２に記載の触媒の劣化判定装置。
前記所定期間は、前記前回酸素吸蔵容量が小さくなるに伴って短く設定されることを特徴とする請求項２または３に記載の触媒の劣化判定装置。
前記燃料供給の停止の開始時において前記酸素濃度検出器により検出した排気中の酸素濃度が第２の所定値以上の場合に、前記触媒劣化判定部による触媒の劣化判定を規制する劣化判定規制部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の触媒の劣化判定装置。