JP2019027397A - 内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新たなセンサを追加することなく、触媒の活性状態を判定することができ、コストの点でも有利な内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法を提供する。【解決手段】第２酸素センサ２０Ｂに設けられ、通電によって第２酸素センサ２０Ｂを加熱する第２ヒータ４４ｂと、触媒の上流側の排ガス温度を推定する第１排ガス温度推定部６０Ａと、第２ヒータ４４ｂに通電開始直後に計測した電流値から触媒の下流側の排ガス温度を推定する第２排ガス温度推定部６０Ｂと、第１排ガス温度推定部６０Ａで推定された上流側の排ガス温度と、第２排ガス温度推定部６０Ｂで推定された下流側の排ガス温度とに基づいて、触媒２２の活性状態を判定する触媒活性状態判定部６２とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、触媒の下流側に設置された酸素センサを利用した内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法に関する。

特許文献１記載の触媒の劣化検知装置は、燃料が希薄なリーンバーンの状態が続くエンジンシステムにおいても、触媒コンバータにおける触媒の劣化を検知できる装置を提供することを課題としている。

当該課題を解決するため、特許文献１では、触媒の領域を通過した排気ガスの温度を検出する温度センサと、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段の出力信号に基づいて触媒の劣化度合を判定する判定値を設定する判定値設定手段と温度センサの出力信号及び判定値設定手段の出力信号に基づいて触媒の劣化を判別する劣化判別手段とを備えた判別回路とを設けるようにしている。

特許第４０４２０７１号公報

一般に、触媒が浄化性能を発揮するためには、一定以上の温度に設定する必要があり、そのための熱は排ガスによって供給される。また、触媒の劣化検知を行うためには、触媒が活性状態であるかどうかを推定することが必須となる。

従来では、触媒の活性状態の推定をエンジン負荷状態（スロットル開度やエンジン回転数）をベースに行っていた。

しかしながら、自動二輪車等の場合、構造上、触媒が配置される排気管は、外部に剥き出し状態であることから、エンジン負荷以外にも気温、気流、被水の有無等によっても触媒の温度が変化するため、触媒の活性状態の推定は困難である。もちろん、触媒の温度を検知するための新たなセンサを追加することも考えられるが、コストがかかるという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、新たなセンサを追加することなく、触媒の活性状態を判定することができ、コストの点でも有利な内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法を提供することを目的とする。

［１］ 第１の本発明に係る内燃機関の触媒活性状態判定装置は、排気流路と、前記排気流路内に設けられた触媒と、前記触媒の下流に配置された酸素センサとを具備した内燃機関の触媒活性状態判定装置において、前記酸素センサに設けられ、通電によって前記酸素センサを加熱するヒータと、前記触媒の上流側の排ガス温度を推定する第１温度推定手段と、前記ヒータに通電開始直後に計測した電流値から前記触媒の下流側の排ガス温度を推定する第２温度推定手段と、前記第１温度推定手段で推定された前記上流側の排ガス温度と、前記第２温度推定手段で推定された前記下流側の排ガス温度とに基づいて、前記触媒の活性状態を判定する触媒活性状態判定手段とを有することを特徴とする。

これにより、酸素センサを加熱するヒータの電流値に基づいて、触媒の下流側の排ガス温度を推定するため、新たなセンサを追加することなく、触媒の活性状態を推定することができ、コストの低廉化も図ることができる。

［２］ 第１の本発明において、前記第１温度推定手段は、前記内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関を駆動させる際に検出する環境温度に基づいて、前記上流側の排ガス温度を推定してもよい。これにより、触媒の上流側の排ガス温度も、新たなセンサを追加することなく推定することができ、コストの低廉化に寄与する。

［３］ 第１の本発明において、前記第２温度推定手段は、前記ヒータに通電した後に、所定時間にわたって前記ヒータへの通電を停止し、再度、前記ヒータに通電した直後に計測した電流値に基づいて、前記下流側の排ガス温度を推定してもよい。ヒータに通電すると、自己発熱で温度が上昇するため、ヒータを排ガス温度と同じ温度になるまで停止させ、通電開始直後の電流値を計測することで、下流側の排ガス温度を推定することができる。

［４］ 第２の本発明に係る内燃機関の触媒活性状態判定方法は、排気流路と、前記排気流路内に設けられた触媒と、前記触媒の下流に配置された酸素センサとを具備した内燃機関の触媒活性状態判定方法において、前記酸素センサは、通電によって前記酸素センサを加熱するヒータを具備し、前記触媒の上流側の排ガス温度を推定するステップと、前記ヒータに通電開始直後に計測した電流値から前記触媒の下流側の排ガス温度を推定するステップと、推定された前記上流側の排ガス温度と、推定された前記下流側の温度とに基づいて、前記触媒の活性状態を判定するステップとを有することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法によれば、新たなセンサを追加することなく、触媒の活性状態を判定することができ、コストの点でも有利になる。

本実施の形態に係る触媒活性状態判定装置が適用される車両を示す概略構成図である。 触媒活性状態判定装置の構成を示すブロック図である。 図３Ａは触媒活性状態判定装置の処理動作を示すタイムチャートであり、図３Ｂは触媒活性状態判定装置で使用するマップを示す説明図であり、図３Ｃは排ガス温度の増減量とヒータ抵抗値の増減量との関係を示す説明図である。 図４Ａは触媒の劣化診断も含めた触媒活性状態判定装置の処理動作を示すフローチャートであり、図４Ｂは第２排ガス温度推定部での処理動作を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法の実施の形態例を図１〜図４Ｂを参照しながら説明する。

先ず、本実施の形態に係る触媒活性状態判定装置１０が適用される車両１２（自動二輪車を含む）は、図１に示すように、エンジン１４の排気ポート１６に接続された排気管１８の上流側に設置された第１酸素センサ２０Ａと、排気管１８の下流側に設置された触媒２２と、触媒２２の下流側に設置された第２酸素センサ２０Ｂとを有する。車両１２には、第１酸素センサ２０Ａ及び第２酸素センサ２０Ｂのほか、各種センサが設置される。例えばエンジン回転数センサ３０、吸気圧センサ３２、スロットル開度センサ３４、冷却水温センサ３６、大気温センサ３８等が設置される。

また、車両１２は、バッテリ４０と、マイコン４２と、第１酸素センサ２０Ａ内に設けられた第１ヒータ４４ａに通電する第１駆動回路４６Ａと、第２酸素センサ２０Ｂ内に設けられた第２ヒータ４４ｂに通電する第２駆動回路４６Ｂと、第２駆動回路４６Ｂを通じて第２酸素センサ２０Ｂの第２ヒータ４４ｂに流れる電流（ヒータ電流）を読み出す電流読出回路４８とを有する。少なくともマイコン４２、第１駆動回路４６Ａ、第２駆動回路４６Ｂ及び電流読出回路４８はＥＣＵ５０（電子制御装置；Electronic Control Unit）に組み込まれている。

マイコン４２は、各種機能実現部を備える。なお、機能実現部は、この実施の形態では、ＣＰＵ（中央処理ユニット）が記憶装置に記憶されているプログラムを実行することにより機能が実現されるソフトウエア機能部であるが、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路からなるハードウエア機能部により実現することもできる。

各種機能実現部は、図２に示すように、第１排ガス温度推定部６０Ａと、第２排ガス温度推定部６０Ｂと、触媒活性状態判定部６２と、触媒劣化診断部６４とを有する。

第１排ガス温度推定部６０Ａは、排気管１８のうち、触媒２２の上流側の排ガス温度を推定する。例えば排気管１８のうち、排気ポート１６の近傍（排気ポート部７０と記す）の排ガス温度を推定する。この推定は、エンジン１４の負荷状態及びエンジン１４を駆動させる際に検出する環境温度に基づいて、上流側の排ガス温度を推定する。具体的には、エンジン回転数センサ３０、吸気圧センサ３２、スロットル開度センサ３４、冷却水温センサ３６、大気温センサ３８等からの各種センサ値に基づいて推定する。

第２排ガス温度推定部６０Ｂは、排気管１８のうち、触媒２２の下流側の排ガス温度を推定する。例えば排気管１８のうち、第２酸素センサ２０Ｂの付近（第２酸素センサ部７２と記す）の排ガス温度を推定する。この推定は、エンジン１４の駆動後に第２ヒータ４４ｂに通電した後に、所定時間にわたって第２ヒータ４４ｂへの通電を停止し、再度、第２ヒータ４４ｂに通電した直後に計測した電流値に基づいて、下流側の排ガス温度を推定する。

例えば図３Ａのタイムチャートに示すように、第２酸素センサ２０Ｂの第２ヒータ４４ｂへの通電が行われている期間Ｔａでは、第２酸素センサ２０Ｂのヒータ温度は排ガス温度よりも高くなっている。そして、ヒータ温度から第２酸素センサ部７２の排ガス温度を推定するためには、先ず、時点ｔ１において、第２ヒータ４４ｂへの通電を停止する。第２ヒータ４４ｂへの通電が停止されると、第２酸素センサ２０Ｂのヒータ温度が徐々に低下し、所定時間Ｔｂが経過した時点ｔ２で、第２酸素センサ２０Ｂのヒータ温度は、周辺温度、すなわち、第２酸素センサ部７２の排ガス温度とほぼ一致するようになる。ほぼ一致とは、ヒータ温度が第２酸素センサ部７２の排ガス温度の±３０°の範囲をいう。この所定時間Ｔｂは、予め実験やシミュレーション等にて求めることができる。

上記時点ｔ２において、第２ヒータ４４ｂへの通電を再開する。この第２ヒータ４４ｂへの通電に伴って、第２ヒータ４４ｂのヒータ温度とヒータ抵抗値も上昇することとなる。そのため、本実施の形態では、第２ヒータ４４ｂへの通電を開始した直後のヒータ電流を電流読出回路４８（図２参照）を介して読み出して、ヒータ電流値を得る。

通電再開した際のヒータ電流値を取得することで、第２ヒータ４４ｂのヒータ抵抗値が計測可能となり、このヒータ抵抗値からヒータ温度、すなわち、第２酸素センサ部７２の排ガス温度が推定可能となる。この具体的な手法については後述する。

一方、触媒活性状態判定部６２は、第１排ガス温度推定部６０Ａで推定された排気ポート部７０の排ガス温度と、第２排ガス温度推定部６０Ｂで推定された第２酸素センサ部７２の排ガス温度とに基づいて、触媒２２の活性状態を判定する。

この判定は、図２及び図３Ｂに示すマップ７４を用いる。このマップ７４は、横軸に例えば排気ポート部７０の排ガス温度、縦軸に例えば第２酸素センサ部７２の排ガス温度を設定する。そして、実際の車両１２を用いて、実験等を実施して、触媒２２の活性領域に対応した排気ポート部７０の排ガス温度と第２酸素センサ部７２の排ガス温度の関係をプロットし、触媒２２の不活性領域に対応した排気ポート部７０の排ガス温度と第２酸素センサ部７２の排ガス温度の関係をプロットする。マップ７４の特徴としては、第２酸素センサ部７２の排ガス温度が高い領域に触媒活性領域が設定され、第２酸素センサ部７２の排ガス温度が低い領域に触媒不活性領域が設定される傾向にある。このマップ７４を用いることで、精度の高い触媒２２の活性状態の判定を行うことができる。

触媒劣化診断部６４は、触媒活性状態判定部６２において触媒２２が活性状態であると判定された場合に起動し、第１酸素センサ２０Ａからのセンサ値及び第２酸素センサ２０Ｂからのセンサ値に基づいて、触媒２２の酸素貯蔵量を計測する。そして、触媒２２の酸素貯蔵量が予め設定された規定量以上であれば、触媒２２が正常であると診断し、触媒２２の酸素貯蔵量が規定量未満であれば、触媒２２が劣化していると診断する。

なお、触媒２２が活性状態であると判定された場合に触媒劣化診断部６４を起動するのは、以下の理由による。触媒２２が不活性状態であると、触媒２２の酸素貯蔵量が低下する。この状態で、触媒劣化診断部６４を起動すると、触媒２２の不活性状態が原因で触媒２２の酸素貯蔵量が低下しているのにも拘わらず、触媒２２が劣化していると誤って診断するおそれがあるからである。

次に、本実施の形態に係る触媒活性状態判定装置１０の処理動作について図４Ａ及び図４Ｂのフローチャートも参照しながら説明する。

先ず、図４ＡのステップＳ１において、第１排ガス温度推定部６０Ａは、エンジン回転数センサ３０、吸気圧センサ３２、スロットル開度センサ３４、冷却水温センサ３６、大気温センサ３８等からの各種センサ値に基づいて排気ポート部７０の排ガス温度を推定する。

ステップＳ２において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を推定する。

具体的には、図４ＢのステップＳ１０１において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、第２駆動回路４６Ｂ（図２参照）に停止信号を出力して、第２酸素センサ２０Ｂの第２ヒータ４４ｂへの通電を停止する。

ステップＳ１０２において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、第２ヒータ４４ｂへの通電停止状態を所定時間Ｔｂ（図３Ａ参照）だけ待つ。

ステップＳ１０３において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、所定時間Ｔｂが経過した時点ｔ２で、第２ヒータ４４ｂへの通電を開始する。

ステップＳ１０４において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、予め設定された待ち時間の経過を待つ。この待ち時間は、マイコン４２のＡ／Ｄ変換待ち等を考慮しつつも、第２ヒータ４４ｂが昇温しない程度の時間に設定することが好ましい。例えば１０ｍｓｅｃ等が挙げられる。

ステップＳ１０５において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、第２酸素センサ２０Ｂのヒータ電流を電流読出回路４８（図２参照）を介して読み出して、ヒータ電流値を取得する。

ステップＳ１０６において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、第２駆動回路４６Ｂに停止信号を出力して、第２酸素センサ２０Ｂの第２ヒータ４４ｂへの通電を停止する。

ステップＳ１０７において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、電源電圧値をヒータ電流値で除算して、第２ヒータ４４ｂのヒータ抵抗値を取得する。

ステップＳ１０８において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、取得したヒータ抵抗値と予め設定した平温時におけるヒータ抵抗値との差分を演算し、得られた差分に基づいて、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を算出する。

図３Ｃに示すように、排ガス温度の増減量（上昇量及び下降量）とヒータ抵抗値の増減量（増加量及び減少量）との間には一次関数の関係があるため、上記差分から排ガス温度の増減量（温度変化分）を容易に算出することができる。その結果、平温を基準に温度変化分を加算あるいは減算することで、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を容易に算出することができる。

ステップＳ１０８での処理が終了した段階で、図４ＡのステップＳ３に進み、触媒活性状態判定部６２は、触媒２２の活性状態を判定する。この判定は、上述したように、ステップＳ１で得られた排気ポート部７０の排ガス温度と、ステップＳ２で得られた第２酸素センサ部７２の排ガス温度と、図３Ｂのマップ７４を用いて行われる。

ステップＳ４において、触媒２２が活性状態でないと判定された場合は（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ１以降の処理に戻る。すなわち、触媒２２が活性状態と判定されるまで、ステップＳ１〜ステップＳ４の処理を繰り返す。

そして、ステップＳ４において、触媒２２が活性状態であると判定された段階で（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ５に進み、触媒劣化診断部６４は、第１酸素センサ２０Ａからのセンサ値及び第２酸素センサ２０Ｂからのセンサ値に基づいて、触媒２２の酸素貯蔵量を計測する。そして、触媒２２の酸素貯蔵量が予め設定された規定量以上であれば、触媒２２が正常であると診断し、触媒２２の酸素貯蔵量が規定量未満であれば、触媒２２が劣化していると診断する。

このように、本実施の形態に係る触媒活性状態判定装置１０は、排気管１８と、排気管１８内に設けられた触媒２２と、触媒２２の下流に配置された第２酸素センサ２０Ｂとを具備する。そして、この触媒活性状態判定装置１０は、第２酸素センサ２０Ｂに設けられ、通電によって第２酸素センサ２０Ｂを加熱する第２ヒータ４４ｂを有する。また、触媒活性状態判定装置１０は、触媒２２の上流側の排ガス温度（排気ポート部７０の排ガス温度）を推定する第１排ガス温度推定部６０Ａと、第２ヒータ４４ｂに通電開始直後に計測した電流値から触媒２２の下流側の排ガス温度（第２酸素センサ部７２の排ガス温度）を推定する第２排ガス温度推定部６０Ｂとを有する。さらに、触媒活性状態判定装置１０は、第１排ガス温度推定部６０Ａで推定された排気ポート部７０の排ガス温度と、第２排ガス温度推定部６０Ｂで推定された第２酸素センサ部７２の排ガス温度とに基づいて、触媒２２の活性状態を判定する触媒活性状態判定部６２を有する。

これにより、第２酸素センサ２０Ｂを加熱する第２ヒータ４４ｂのヒータ電流値に基づいて、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を推定するため、新たなセンサを追加することなく、触媒２２の活性状態を推定することができ、コストの低廉化も図ることができる。

本実施の形態において、第１排ガス温度推定部６０Ａは、エンジン１４の負荷状態及びエンジン１４を駆動させる際に検出する環境温度に基づいて、排気ポート部７０の排ガス温度を推定する。これにより、排気ポート部７０の排ガス温度も、新たなセンサを追加することなく推定することができ、コストの低廉化に寄与する。

本実施の形態において、第２排ガス温度推定部６０Ｂは、第２ヒータ４４ｂに通電した後に、所定時間Ｔｂにわたって第２ヒータ４４ｂへの通電を停止し、再度、第２ヒータ４４ｂに通電した直後に計測したヒータ電流値に基づいて、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を推定する。

第２ヒータ４４ｂに通電すると、自己発熱で温度が上昇するため、第２ヒータ４４ｂを排ガス温度と同じ温度になるまで停止させ、通電開始直後のヒータ電流値を計測することで、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を推定することができる。

本実施の形態に係る触媒活性状態判定方法に適用される内燃機関は、排気管１８と、排気管１８内に設けられた触媒２２と、触媒２２の下流に配置された第２酸素センサ２０Ｂとを具備し、さらに、第２酸素センサ２０Ｂに設けられ、通電によって第２酸素センサ２０Ｂを加熱する第２ヒータ４４ｂを有する。

そして、触媒活性状態判定方法は、触媒２２の上流側の排ガス温度（排気ポート部７０の排ガス温度）を推定するステップと、第２ヒータ４４ｂに通電開始直後に計測したヒータ電流値から触媒２２の下流側の排ガス温度（第２酸素センサ部７２の排ガス温度）を推定するステップと、推定された排気ポート部７０の排ガス温度と、推定された第２酸素センサ部７２の排ガス温度とに基づいて、触媒２２の活性状態を判定するステップとを有する。

これにより、第２酸素センサ２０Ｂを加熱する第２ヒータ４４ｂのヒータ電流値に基づいて、第２酸素センサ部７２の排ガス温度を推定するため、新たなセンサを追加することなく、触媒２２の活性状態を推定することができ、コストの低廉化も図ることができる。

なお、本発明に係る内燃機関の触媒活性状態判定装置及び内燃機関の触媒活性状態判定方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…触媒活性状態判定装置 １２…車両
１４…エンジン １６…排気ポート
１８…排気管 ２０Ａ…第１酸素センサ
２０Ｂ…第２酸素センサ ２２…触媒
４４ａ…第１ヒータ ４４ｂ…第２ヒータ
６０Ａ…第１排ガス温度推定部 ６０Ｂ…第２排ガス温度推定部
６２…触媒活性状態判定部 ６４…触媒劣化診断部
７０…排気ポート部 ７２…第２酸素センサ部

Claims (4)

1. 排気流路と、前記排気流路内に設けられた触媒と、前記触媒の下流に配置された酸素センサとを具備した内燃機関の触媒活性状態判定装置において、
   前記酸素センサに設けられ、通電によって前記酸素センサを加熱するヒータと、
   前記触媒の上流側の排ガス温度を推定する第１温度推定手段と、
   前記ヒータに通電開始直後に計測した電流値から前記触媒の下流側の排ガス温度を推定する第２温度推定手段と、
   前記第１温度推定手段で推定された前記上流側の排ガス温度と、前記第２温度推定手段で推定された前記下流側の排ガス温度とに基づいて、前記触媒の活性状態を判定する触媒活性状態判定手段とを有することを特徴とする内燃機関の触媒活性状態判定装置。
2. 請求項１記載の触媒活性状態判定装置において、
   前記第１温度推定手段は、前記内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関を駆動させる際に検出する環境温度に基づいて、前記上流側の排ガス温度を推定することを特徴とする内燃機関の触媒活性状態判定装置。
3. 請求項１又は２記載の触媒活性状態判定装置において、
   前記第２温度推定手段は、前記ヒータに通電した後に、所定時間にわたって前記ヒータへの通電を停止し、再度、前記ヒータに通電した直後に計測した電流値に基づいて、前記下流側の排ガス温度を推定することを特徴とする内燃機関の触媒活性状態判定装置。
4. 排気流路と、前記排気流路内に設けられた触媒と、前記触媒の下流に配置された酸素センサとを具備した内燃機関の触媒活性状態判定方法において、
   前記酸素センサは、通電によって前記酸素センサを加熱するヒータを具備し、
   前記触媒の上流側の排ガス温度を推定するステップと、
   前記ヒータに通電開始直後に計測した電流値から前記触媒の下流側の排ガス温度を推定するステップと、
   推定された前記上流側の排ガス温度と、推定された前記下流側の温度とに基づいて、前記触媒の活性状態を判定するステップとを有することを特徴とする内燃機関の触媒活性状態判定方法。

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