JP2018141417A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三元触媒の劣化度合いが高くなったことを早期に検出する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置された三元触媒３２、三元触媒の温度を検出する温度センサ３５、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３４、機関吸入空気量を検出する吸入空気量センサ２５、三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ３６、及び、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するとともに、このときの機関運転状態を検出し、検出された機関運転状態における基準アンモニア濃度を算出し、検出されたアンモニア濃度が基準アンモニア濃度よりも高いときに三元触媒の劣化度合いがあらかじめ定められた設定度合いよりも高いと判断する、電子制御ユニット４０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に配置された三元触媒と、三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと、を備え、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときにおいて、三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が公称値よりも小さく、かつ、三元触媒から流出する排気ガス中の一酸化炭素濃度が基準値よりも大きいときに、三元触媒が劣化していると判断する、内燃機関が公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−０９６７２１号公報

特許文献１は、三元触媒の劣化度合いが高くなるにつれて三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が低くなる、との知見を基礎としている。ところが、詳しくは後述するが、本願発明者らによれば、三元触媒の劣化度合いが高くなるにつれてアンモニア濃度が低くなるのは、三元触媒の劣化度合いがかなり大きくなったとき、すなわち三元触媒が失活する直前であり、三元触媒の劣化度合いが比較的低いときには、三元触媒の劣化度合いが高くなるにつれてアンモニア濃度が高くなることが判明したのである。

したがって、特許文献１では、三元触媒の劣化度合いがかなり大きくなるまで、すなわち三元触媒の排気浄化性能がかなり低下するまで、三元触媒が劣化していると判断されない。一方、三元触媒の劣化度合いがかなり大きくなる前であっても、三元触媒の排気浄化性能が要求性能よりも低い場合がある。したがって、三元触媒の劣化度合いが比較的低いときに、すなわち早期に、三元触媒の劣化度合いが高くなったことを検出する必要がある。特許文献１では、三元触媒の劣化度合いが高くなったことを早期に検出することはできない。

本発明によれば、機関排気通路内に配置された三元触媒と、前記三元触媒の温度、前記三元触媒に流入する排気ガスの空燃比、及び、機関吸入空気量を含む機関運転状態を検出するように構成されている運転状態センサと、前記三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するように構成されているアンモニアセンサと、電子制御ユニットであって、前記三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに前記三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するとともに、このときの前記機関運転状態を検出し、検出された前記機関運転状態における基準アンモニア濃度を算出し、検出された前記アンモニア濃度が前記基準アンモニア濃度よりも高いときに前記三元触媒の劣化度合いがあらかじめ定められた設定度合いよりも高いと判断する、ように構成されている電子制御ユニットと、を備えた、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

三元触媒の劣化度合いが高くなったことを早期に検出することができる。

内燃機関の全体図である。 アンモニア濃度と三元触媒の劣化度合いとの関係の一例を示す線図である。 基準アンモニア濃度ＣＡＲ及び設定度合いＤＤＲの一例を示す線図である。 本発明による実施例の触媒劣化検出制御を実行するためのフローチャートである。 本発明による実施例の触媒劣化検出制御を実行するためのフローチャートである。 本発明による別の実施例の触媒劣化検出制御を実行するためのフローチャートである。 本発明による別の実施例の触媒劣化検出制御を実行するためのフローチャートである。

図１を参照すると、１は内燃機関、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気ポート、７は吸気弁、８は排気ポート、９は排気弁、１０は燃料噴射弁、１１は点火栓、をそれぞれ示す。図１に示される例では、燃料噴射弁１０は燃焼室５内に燃料を直接噴射するように、燃焼室５内に配置される。

吸気ポート６は吸気枝管２０を介してサージタンク２１に連結され、サージタンク２１は吸気ダクト２２を介してエアクリーナ２３に連結される。吸気ダクト２２内にはスロットル弁２４が配置される。また、スロットル弁２４上流の吸気ダクト２２内には吸入空気量を検出するように構成されている吸入空気量センサ又はエアフロメータ２５が配置される。

一方、排気ポート８は排気マニホルド３０を介して排気管３１に連結され、排気管３１は三元触媒３２の入口に連結される。三元触媒３２の出口には排気管３３が連結される。三元触媒３２上流の排気管３１には、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比を検出するように構成されている空燃比センサ３４が配置される。なお、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比は、三元触媒３２よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された燃料及び空気の比である。また、三元触媒３２下流の排気管３３には、三元触媒３２から流出する排気ガスの温度を検出するように構成されている温度センサ３５が配置される。三元触媒３２から流出する排気ガスの温度は三元触媒３２の温度を表している。別の実施例（図示しない）では、温度センサ３５は三元触媒３２内又は三元触媒３２上流の排気管３１内に配置される。また、三元触媒３２下流の排気管３３には、三元触媒３２から流出する排気ガス中のアンモニア濃度（又は、排気ガス単位量あたりのアンモニア量）を検出するように構成されているアンモニアセンサ３６が配置される。別の実施例（図示しない）では、アンモニアセンサ３６は三元触媒３２内に配置される。更に別の実施例（図示しない）では、アンモニアセンサ３６は、主として排気ガス中のアンモニア以外の成分（例えば、ＮＯｘ）の濃度を検出するように構成されているセンサであって、アンモニアに対し感度を有するセンサから構成される。

本発明による実施例では更に、車両ドライバに警報を伝えるように構成されている警報器３７が設けられる。警報器３７は例えば、ランプ、ブザーなどから構成される。

更に図１を参照すると、電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。吸入空気量センサ２５、空燃比センサ３４、温度センサ３５、及びアンモニアセンサ３６の出力電圧はそれぞれ対応するＡ／Ｄ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に、クランク角を検出するように構成されているクランク角センサ５１が入力ポート４５に接続される。一方、出力ポート４６はそれぞれ対応する駆動回路４８を介して、燃料噴射弁１０、点火栓１１、スロットル弁２４のアクチュエータ、及び警報器３７にそれぞれ接続される。

本発明による実施例では、機関運転状態は、三元触媒３２の温度、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比、及び吸入空気量を含む。三元触媒３２の温度は温度センサ３５によって検出される。三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比は空燃比センサ３４によって検出される。吸入空気量は吸入空気量センサ２５によって検出される。

したがって、温度センサ３５、空燃比センサ３４、及び吸入空気量センサ２５を運転状態センサと総称すると、本発明による実施例では、三元触媒３２の温度、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比、及び、機関吸入空気量を含む機関運転状態を検出するように構成されている運転状態センサを備えている、ということになる。

本発明による実施例では、機関運転状態は更に、三元触媒３２の被毒度合いを含む。三元触媒３２の被毒度合いは例えば被毒度合いは燃料噴射量の積算値に基づいて検出又は算出される。すなわち、例えばＨＣ、イオウ、煤といった排気ガス中の成分が三元触媒３２に付着又は堆積すると、三元触媒３２の排気浄化性能が低下する。すなわち、三元触媒３２が被毒される。この場合、三元触媒３２の被毒度合いが高くなるにつれて、三元触媒３２の排気浄化性能が低くなる。本発明による実施例では、三元触媒３２の被毒度合いがあらかじめ定められた限界値を越えると、再生制御が行われる。その結果、三元触媒３２の被毒度合いが低下又は回復され、したがって三元触媒３２の排気浄化性能が上昇又は回復される。

一方、三元触媒３２が劣化したときにも、三元触媒３２の排気浄化性能が低下する。しかしながら、三元触媒３２が劣化したときには三元触媒３２の排気浄化性能を回復させることは困難である。そこで本発明による実施例では、触媒劣化検出が行われる。具体的には、三元触媒３２の劣化度合いがあらかじめ定められた設定度合いよりも高いか否かが判断される。その上で、三元触媒３２の劣化度合いが設定度合いよりも高いと判断されたときには、警報器３７がオンにされ、それにより三元触媒３２の劣化度合いが設定度合いよりも高いことが車両ドライバに知らされる。これに対し、三元触媒３２の劣化度合いが設定度合いよりも高いと判断されないときには、警報器３７はオフにされる。

三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであると、三元触媒３２は流入する排気ガス中のＮＯｘ及び水素Ｈ_２からアンモニアＮＨ_３を生成する。このときのアンモニア濃度は三元触媒３２の劣化度合いを表している。このことを、図２を参照しながら説明する。

図２は、三元触媒３２の劣化度合いＤＤと、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに三元触媒３２から流出する排気ガス中のアンモニア濃度ＣＡとの関係の一例を示している。図２に示されるように、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが比較的低いときには、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれてアンモニア濃度ＣＡは上昇する。三元触媒３２の劣化度合いＤＤが更に高くなると、今度は、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれてアンモニア濃度ＣＡは低下する。三元触媒３２の劣化度合いＤＤが更に高くなると、図２にＸで示されるようにアンモニア濃度ＣＡはゼロとなる。言い換えると、三元触媒３２が失活する。

アンモニア濃度ＣＡがこのように変化するのは次の理由によると考えられる。すなわち、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、三元触媒３２ではアンモニアの生成だけでなく、アンモニアの分解も生じており、アンモニア生成分とアンモニア分解分との差分が三元触媒３２から流出する。この場合、三元触媒３２が劣化度合いＤＤが比較的低いときには、三元触媒３２が劣化度合いＤＤが高くなるにつれて、三元触媒３２のアンモニア生成能力よりもアンモニア分解能力が低下する。このため、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれてアンモニア濃度ＣＡが上昇する。一方、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが更に高くなると、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれて三元触媒３２のアンモニア生成能力も低下する。したがって、アンモニア濃度ＣＡが次第に低下する。

一方、上述したように、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれて、三元触媒３２の排気浄化性能が低下する。このため、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが比較的低いときに、すなわち早期に、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなったことを検出するのが好ましい。

そこで本発明による実施例では、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれてアンモニア濃度ＣＡが上昇する範囲、例えば図２に示される範囲Ａ内に上述の設定度合いがあらかじめ設定され、この設定度合いに対応するアンモニア濃度ＣＡが基準アンモニア濃度として算出される。図３には設定度合いＤＤＲ及び基準アンモニア濃度ＣＡＲの一例が示される。その上で、実際のアンモニア濃度ＣＡが検出され、アンモニア濃度ＣＡが基準アンモニア濃度ＣＡＲよりも高いときに、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが設定度合いＤＤＲよりも高いと判断される。このようにすると、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなったことを早期に検出することができる。

本発明による実施例では、アンモニア濃度ＣＡは、機関暖機が完了しており、かつ、三元触媒３２の温度（以下、触媒温度という。）があらかじめ定められた設定温度範囲内にあり、かつ、吸入空気量があらかじめ定められた設定空気量範囲内にあり、かつ、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と言う。）があらかじめ定められた設定空燃比範囲内にあるときに、アンモニアセンサ３６によりアンモニア濃度ＣＡが検出される。このようにすると、アンモニア濃度ＣＡを高精度で検出することができ、したがって高精度で触媒劣化検出を行うことができる。

設定温度範囲の下限は例えば５００℃である。設定温度範囲の上限は例えば６００℃である。設定空気量範囲の下限は例えば５ｇ／ｓである。設定空気量範囲の上限は例えば１５ｇ／ｓである。設定空燃比範囲の下限は例えば１４．４５である。設定空燃比範囲の上限は例えば１４．５５である。すなわち、本発明による実施例では、三元触媒３２が十分に活性しており、かつ、アイドリング運転又は低負荷運転が行われており、かつ、排気空燃比が理論空燃比（１４．６）よりもリッチのときに、アンモニア濃度ＣＡが検出される。

一方、基準アンモニア濃度ＣＡＲは、アンモニア濃度ＣＡが検出されたときの機関運転状態に基づいて算出される。本発明による実施例では、機関運転状態は上述したように、触媒温度、吸入空気量、排気空燃比、及び、三元触媒３２の被毒度合いから構成される。すなわち、触媒温度、吸入空気量、及び排気空燃比、及び三元触媒３２の被毒度合いが検出され、検出された機関運転状態と例えばマップ又は関数式とを用いて基準アンモニア濃度ＣＡＲが算出される。

したがって、概念的に表現すると、本発明による実施例の電子制御ユニット４０は、三元触媒３２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに三元触媒３２から流出する排気ガス中のアンモニア濃度ＣＡを検出するとともに、このときの機関運転状態を検出し、検出された機関運転状態における基準アンモニア濃度ＣＡＲを算出し、検出されたアンモニア濃度ＣＡが基準アンモニア濃度ＣＡＲよりも高いときに三元触媒３２の劣化度合いＤＤがあらかじめ定められた設定度合いＤＤＲよりも高いと判断するように構成されている。

アンモニア濃度ＣＡが基準アンモニア濃度ＣＡＲよりも高いときに三元触媒３２の劣化度合いＤＤが設定度合いＤＤＲよりも高いと判断するということは、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれてアンモニア濃度ＣＡが上昇する範囲に設定度合いＤＤＲが設定されていることを意味する。これに対し、アンモニア濃度ＣＡが基準アンモニア濃度ＣＡＲよりも低いときに三元触媒３２の劣化度合いＤＤが設定度合いＤＤＲよりも高いと判断するということは、三元触媒３２の劣化度合いＤＤが高くなるにつれてアンモニア濃度ＣＡが低下する範囲に設定度合いＤＤＲが設定されていることを意味する。これらは、構成を全く異にしている。

図４及び図５は本発明による実施例の触媒劣化検出制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図４及び図５を参照すると、ステップ１００では、機関暖機が完了しているか否かが判別される。機関暖機が完了しているときにはついでステップ１０１に進み、触媒温度が検出される。続くステップ１０２では触媒温度が設定温度範囲内にあるか否かが判別される。触媒温度が設定温度範囲内にあるときには次いでステップ１０３に進み、吸入空気量が検出される。続くステップ１０４では吸入空気量が設定空気量範囲内にあるか否かが判別される。吸入空気量が設定空気量範囲内にあるときには次いでステップ１０５に進み、排気空燃比が検出される。続くステップ１０６では排気空燃比が設定空燃比範囲内にあるか否かが判別される。排気空燃比が設定空燃比範囲内にあるときには次いでステップ１０７に進み、三元触媒３２の被毒度合いが検出される。

続くステップ１０８ではアンモニア濃度ＣＡが検出される。続くステップ１０９では、基準アンモニア濃度ＣＡＲが算出される。続くステップ１１０では、アンモニア濃度ＣＡが基準アンモニア濃度ＣＡＲよりも高いか否かが判別される。ＣＡ＞ＣＡＲのときには次いでステップ１１１に進み、警報器３７がオンにされる。これに対し、ステップ１００において機関暖機が完了していないとき、ステップ１０２において触媒温度が設定温度範囲内にないとき、ステップ１０４において吸入空気量が設定空気量範囲内にないとき、ステップ１０６において排気空燃比が設定空燃比範囲内にないとき、又は、ステップ１１０においてＣＡ≦ＣＡＲのときには、次いでステップ１１２に進み、警報器３７がオフにされる。

次に、本発明による別の実施例を説明する。以下では、上述した本発明による実施例との相違点について説明する。

本発明による別の実施例では、あらかじめ定められた設定期間内に、アンモニア濃度ＣＡの検出及び基準アンモニア濃度ＣＡＲの算出が繰り返される。次いで、この設定期間内に検出されたアンモニア濃度ＣＡの平均値ＣＡａｖｅ及び設定期間内に算出された基準アンモニア濃度ＣＡＲの平均値ＣＡＲａｖｅがそれぞれ算出される。次いで、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅが平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅよりも高いか否かが判別される。

平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅが平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅよりも高いときには、次いで平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅ及び平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅにそれぞれ連続性があるか否かが判別される。一例では、前回算出された平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅに対する今回算出された平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅの偏差がしきい値よりも小さいときに、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅに連続性があると判断され、それ以外は連続性がないと判断される。また、前回算出された平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅに対する今回算出された平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅの偏差がしきい値よりも小さいときに、平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅに連続性があると判断され、それ以外は連続性がないと判断される。平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅに連続性がないときには、例えばアンモニア濃度ＣＡが正確に検出されていないおそれがある。また、平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅに連続性がないときには、例えば機関運転状態が正確に検出されていないおそれがある。そこで本発明による別の実施例では、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅ及び平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅにそれぞれ連続性があるときに、警報器３７がオンにされ、それ以外は警報器３７がオフにされる。

本発明による別の実施例では、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅと平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅとが比較される。また、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅ又は平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅに連続性がないときには、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅが平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅよりも高くても、警報器３７がオンにされない。したがって、触媒劣化検出がより高精度で行われる。

図６及び図７は本発明による別の実施例の触媒劣化検出制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図６及び図７を参照すると、ステップ１００では、機関暖機が完了しているか否かが判別される。機関暖機が完了しているときにはついでステップ１０１に進み、触媒温度が検出される。続くステップ１０２では触媒温度が設定温度範囲内にあるか否かが判別される。触媒温度が設定温度範囲内にあるときには次いでステップ１０３に進み、吸入空気量が検出される。続くステップ１０４では吸入空気量が設定空気量範囲内にあるか否かが判別される。吸入空気量が設定空気量範囲内にあるときには次いでステップ１０５に進み、排気空燃比が検出される。続くステップ１０６では排気空燃比が設定空燃比範囲内にあるか否かが判別される。排気空燃比が設定空燃比範囲内にあるときには次いでステップ１０７に進み、三元触媒３２の被毒度合いが検出される。

続くステップ１０８ではアンモニア濃度ＣＡが検出される。続くステップ１０９では、基準アンモニア濃度ＣＡＲが算出される。続くステップ１０９ａでは設定期間が経過したか否かが判別される。設定期間が経過したときには次いでステップ１０９ｂに進み、設定期間における平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅが算出される。続くステップ１０９ｃでは、設定期間における平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅが算出される。続くステップ１１０ａでは、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅが平均基準アンモニア濃度ＣＡＲａｖｅよりも高いか否かが判別される。ＣＡａｖｅ＞ＣＡＲａｖｅのときには次いでステップ１１０ｂに進み、平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅに連続性があるか否かが判別される。平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅに連続性があるときには次いでステップ１１１に進み、警報器３７がオンにされる。これに対し、ステップ１００において機関暖機が完了していないとき、ステップ１０２において触媒温度が設定温度範囲内にないとき、ステップ１０４において吸入空気量が設定空気量範囲内にないとき、ステップ１０６において排気空燃比が設定空燃比範囲内にないとき、ステップ１０９ａにおいて設定期間が経過していないとき、ステップ１１０ａにおいてＣＡａｖｅ≦ＣＡＲａｖｅのとき、又は、ステップ１１０ｂにおいて平均アンモニア濃度ＣＡａｖｅに連続性がないときには、次いでステップ１１２に進み、警報器３７がオフにされる。

１ 内燃機関
２５ 吸入空気量センサ
３２ 三元触媒
３４ 空燃比センサ
３５ 温度センサ
３６ アンモニアセンサ
４０ 電子制御ユニット

Claims (1)

1. 機関排気通路内に配置された三元触媒と、
   前記三元触媒の温度、前記三元触媒に流入する排気ガスの空燃比、及び、機関吸入空気量を含む機関運転状態を検出するように構成されている運転状態センサと、
   前記三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するように構成されているアンモニアセンサと、
   電子制御ユニットであって、
   前記三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに前記三元触媒から流出する排気ガス中のアンモニア濃度を検出するとともに、このときの前記機関運転状態を検出し、
   検出された前記機関運転状態における基準アンモニア濃度を算出し、
   検出された前記アンモニア濃度が前記基準アンモニア濃度よりも高いときに前記三元触媒の劣化度合いがあらかじめ定められた設定度合いよりも高いと判断する、
   ように構成されている電子制御ユニットと、
   を備えた、内燃機関の排気浄化装置。

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