JP2020143648A - ラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上すること。【解決手段】排気浄化装置のＥＣＵ１１０は、ラムダセンサー１２１、１２２の検出結果λ１、λ２を入力する入力部１１１と、ＬＮＴ１０１がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、λ１、λ２のそれぞれが、第１の値Ｘ１から第２の値Ｘ２に減少するのに要した減少時間Δｔ１、Δｔ２、又は、第３の値Ｘ３から第４の値Ｘ４に増加するのに要した増加時間Δｔ３、Δｔ４を求める、減少／増加時間算出部１１２と、λ１の減少時間Δｔ１とλ２の減少時間Δｔ２の差｜Δｔ１−Δｔ２｜、又は、λ１の増加時間Δｔ３とλ２の増加時間Δｔ４の差｜Δｔ３−Δｔ４｜に基づいて、ラムダセンサー１２１、１２２の応答性を判断する判断部１１３と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の空燃比を監視するラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化装置として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（Lean NOx Trap：以下「ＬＮＴ」と称する）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ＬＮＴは、排気ガスの空燃比がリーンな状態においては、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチな状態においては、当該吸蔵したＮＯｘを排気ガス中のＣＯ又はＨＣ等と反応させて、窒素等の無害なガスに還元して放出する。ＬＮＴについては、例えば特許文献１、２などに記載されている。

ＬＮＴでは、一般に、排気ガスの空気過剰率（λ）を検出するためにラムダセンサーが設けられている。ラムダセンサーにより検出される空気過剰率（λ）は、λ＝（実際の混合気の空燃比／理論空燃比）により求めることができる。内燃機関のエンジン制御部は、ラムダセンサーにより検出された空気過剰率（λ）と目標とする空燃比である目標平均空燃比とを基にエンジンを制御する。因みに、ディーゼルエンジンの制御では、特にリッチ時（ＬＮＴ還元時）に、空気過剰率（λ）を指標としたエンジン制御が行われる。ラムダセンサー、および、ラムダセンサーを用いたエンジンの制御については、例えば特許文献３などに記載されている。

このようにラムダセンサーは、エンジンの空燃比の制御に重要な役割を果たすので、その応答性能が正常であるか否かを常時監視しておきたい要求がある。ラムダセンサーの応答性能を診断する方法としては、燃料カット時（Ｑカット時）のラムダセンサーの出力値の変化を評価する方法がある。具体的には、燃料をカットしてから、ラムダセンサーの出力値が所定値に到達するまでの時間を計測し、この時間が長いほど応答性が低下していると診断する。

特開２０１７−２０３４０９号公報 特開２０１９−００７４２４号公報 特開２０１１−１８５０９７号公報

ところで、上述のラムダセンサーの診断方法は、燃料カットにより酸素濃度が急激に上昇したときのラムダセンサーの応答性を観測することを基本原理としている。しかしながら、燃料カット時における酸素濃度の変化幅はそもそも小さいので、単純に燃料カット時のラムダセンサーの出力値に基づいてラムダセンサーの応答性を診断しようとすると、高い信頼性の診断を行うことは困難な場合がある。

例えば、想定している、燃料カット前の排ガス酸素濃度が１０％程度であり、燃料カット後の排ガス酸素濃度が２１％程度であるとする。このような想定している排ガス酸素濃度であれば、燃料カット時における酸素濃度の変化幅を確保できるので問題は生じない。しかし、燃料カット前の排ガス酸素濃度は、ドライバーのアクセル操作などに大きく依存する。燃料カット前の排ガス酸素濃度が例えば１０％を大きく下回れば、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化は大きくなるので、応答性診断の信頼性が高まるが、燃料カット前の排ガス酸素濃度が例えば１０％を大きく上回ると、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化は小さくなるので、応答性診断の信頼性が低下する。

具体的には、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化が小さいと、ラムダセンサーの出力値が燃料カット時から所定値に到達するまでの時間が、ラムダセンサーの応答性が良い場合と悪い場合とでほとんど変わらなくなってしまい、その結果、応答性を評価するのが困難となり、診断の信頼性が低下する。

これを回避するために、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化が大きいときのみ、例えば燃料カット前の排ガス酸素濃度が１０％を大きく下回ったときのみ応答性診断を行うことが考えられる。しかしながら、このようにすると応答性診断の頻度が少なくなるので、結果的に応答性診断の信頼性が低下することになる。

本発明の目的は、ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上し得る、ラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システムを提供することである。

本発明のラムダセンサーの応答性診断方法の一つの態様は、
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第１のラムダセンサーの検出結果である第１の検出結果と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第２のラムダセンサーの検出結果である第２の検出結果と、を入力するステップと、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第１の検出結果及び前記第２の検出結果のそれぞれが、第１の値から第２の値に減少するのに要した減少時間、又は、第３の値から第４の値に増加するのに要した増加時間を求めるステップと、
前記第１の検出結果の前記減少時間と前記第２の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第１の検出結果の前記増加時間と前記第２の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第１のラムダセンサー及び前記第２のラムダセンサーの応答性を判断するステップと、
を含む。

本発明の排気浄化システムの一つの態様は、
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第１のラムダセンサーと、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第２のラムダセンサーと、
前記第１のラムダセンサーの検出結果である第１の検出結果と、前記第２のラムダセンサーの検出結果である第２の検出結果と、を入力する入力部と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第１の検出結果及び前記第２の検出結果のそれぞれが、第１の値から第２の値に減少するのに要した減少時間、又は、第３の値から第４の値に増加するのに要した増加時間を求める、減少／増加時間算出部と、
前記第１の検出結果の前記減少時間と前記第２の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第１の検出結果の前記増加時間と前記第２の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第１のラムダセンサー及び前記第２のラムダセンサーの応答性を判断する判断部と、
を具備する。

本発明によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側及び下流側のラムダセンサーの出力値の減少、又は、増加に要する時間の差分を比較するようにしたので、ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上し得る。

実施の形態のラムダセンサーの応答性診断方法が適用される排気浄化システムの要部構成を示した図 実施の形態によるラムダセンサーの応答性能の診断を実現するためのＥＣＵの機能ブロック図 リッチスパイク時におけるラムダセンサーの検出結果を示す波形図 図３の波形図のうちリーン制御からリッチ制御に移行する区間（移行区間１）近傍の波形を拡大した図 一方のラムダセンサーの応答性が低下した場合の波形図 ＥＣＵによって実行される診断処理手順を示すフローチャート

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞排気浄化システムの構成
図１は、本実施の形態のラムダセンサーの応答性診断方法が適用される排気浄化システム１００の要部構成を示した図。本実施形態では、一例として、本発明のラムダセンサーの応答性診断方法をディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に適用した態様ついて説明する。但し、本実施形態に係るラムダセンサーの応答性診断方法は、ディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。

排気浄化システム１００は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン１０の排気ガス中のＮＯｘを浄化する。

エンジン１０は、例えば、燃焼室、及び、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置を含んで構成される。エンジン１０は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン１０には、燃焼室内に空気を導入する吸気管２０と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管３０と、が接続されている。

排気浄化システム１００は、ＬＮＴ（Lean NOx Trap）１０１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０２、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）１０３及びＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１０を有する。また、実際上、排気浄化システム１００は、尿素水噴射装置などの他の構成も有するが、図１ではこれらの構成は省略されている。

ＬＮＴ１０１は、排気ガスの空燃比がリーンな状態においては、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する。そして、ＬＮＴ１０１は、排気ガスの空燃比がリッチな状態において、当該吸蔵したＮＯｘを排気ガス中のＣＯ又はＨＣ等と反応させて、窒素等の無害なガスに還元して放出する。なお、ＬＮＴ１０１は、飽和状態に近づくとＮＯｘを吸蔵し得る効率が低下する。そのため、ＬＮＴ１０１のＮＯｘの吸蔵状態は、ＥＣＵ１１０によって監視されており、定期的に、ＬＮＴ１０１の再生（リッチスパイクとも称される）が実行される。

ＤＰＦ１０２は、排気に含まれる粒子状物質を捕集する。

ＳＣＲ１０３は、尿素水噴射装置（図示せず）から供給される尿素水が加水分解したアンモニアを吸着すると共に、当該吸着したアンモニアによって排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

ＥＣＵ１１０は、排気浄化システム１００の動作を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１０の燃料噴射装置の噴射を制御する。また、ＥＣＵ１１０は、ＬＮＴ１０１のＮＯｘの吸蔵状態の情報に基づいて、リッチスパイクを実現するためのリッチ制御などを行う。

ＥＣＵ１１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ＥＣＵ１１０の後述する各機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。

なお、ＥＣＵ１１０は、尿素水噴射装置（図示せず）等の状態の取得や、その制御を行う。またＥＣＵ１１０は、ＬＮＴ１０１の上流側に設けられたラムダセンサー１２１、ＬＮＴ１０１の下流側に設けられたラムダセンサー１２２や、図示しない他のセンサーからセンサー情報を取得し、当該センサー情報に基づいて、排気管３０を通流する排気ガスの状態、ＬＮＴ１０１の状態、ＤＰＦ１０２の状態、及びＳＣＲ１０３の状態等を検出する。

＜２＞本実施の形態によるラムダセンサーの応答性診断
ＥＣＵ１１０は、ラムダセンサー１２１、１２２の応答性能を診断する機能を有する。

図２は、本実施の形態によるラムダセンサーの応答性能の診断を実現するためのＥＣＵ１１０の機能ブロック図を示す。上述したようにこの機能は、ソフトウェアによって実現してもよく、専用のハードウェア回路によっても実現してもよい。

図３は、リッチスパイク時におけるラムダセンサー１２１、１２２の検出結果λ１、λ２を示す波形図である。

図４は、図３の波形図のうち、リーン制御からリッチ制御に移行する区間（移行区間１）近傍の波形を拡大した図である。

図２に示されているように、ＥＣＵ１１０は、入力部１１１と、減少／増加時間算出部１１２と、判断部１１３と、を有する。

入力部１１１は、ラムダセンサー１２１の検出結果λ１と、ラムダセンサー１２２の検出結果λ２と、を入力する。

減少／増加時間算出部１１２は、ＬＮＴ１０１がリーン制御からリッチ制御に移行した際（図３の移行区間１に相当）、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際（図３の移行区間２に相当）に、検出結果λ１、λ２のそれぞれが、第１の値Ｘ１（図４）から第２の値Ｘ２（図４）に減少するのに要した減少時間Δｔ１、Δｔ２、又は、第３の値Ｘ３から第４の値Ｘ４に増加するのに要した増加時間Δｔ３、Δｔ４を求める。

ここで、上記値Ｘ１とＸ２は、移行区間１における検出結果λ１、λ２の両方が存在する範囲でできるだけ離れた値であることが好ましい。同様に、上記値Ｘ３とＸ４は、移行区間２における検出結果λ１、λ２の両方が存在する範囲でできるだけ離れた値であることが好ましい。本実施の形態の場合、一例として、Ｘ１＝１．４に設定され、Ｘ２＝１．１に設定されている。

なお、増加時間Δｔ３、Δｔ４も減少時間Δｔ１、Δｔ２と同様に求めることができるのは明らかなので、図では、値Ｘ１、Ｘ２及び減少時間Δｔ１、Δｔ２のみを示した。

判断部１１３は、検出結果λ１の減少時間Δｔ１と検出結果λ２の減少時間Δｔ２の差｜Δｔ１−Δｔ２｜、又は、検出結果λ１の増加時間Δｔ３と検出結果λ２の増加時間Δｔ４の差｜Δｔ３−Δｔ４｜に基づいて、ラムダセンサー１２１、１２２の応答性を判断する。判断部１１３は、判断結果を例えば車両のインジケーター（図示せず）などに出力する。

図６は、ＥＣＵ１１０によって実行される診断処理手順を示すフローチャートである。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１において、ＬＮＴ１０１がリーン制御からリッチ制御に移行したか否か、又は、リッチ制御からリーン制御に移行したか否かを判断する。ここで、ＥＣＵ１１０は、どのタイミングでリッチスパイクが行われるのかを把握しているので、リーン制御からリッチ制御への移行タイミング、及び、リッチ制御からリーン制御への移行タイミングも把握している。因みに、リッチスパイクは、一般に３０分に数回程度行われる。よって、本実施の形態の応答性診断も３０分に数回程度行われることになる。ただし、この回数はＬＮＴ１０１のＮＯｘの吸蔵状態などに応じて変わる。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１で肯定結果が得られると、ステップＳ２に進む。ＥＣＵ１１０の減少／増加時間算出部１１２は、ステップＳ２において、図４に示したように、検出値λ１からΔｔ１を、検出値λ２からΔｔ２を算出する。

続くステップＳ３において、ＥＣＵ１１０の判断部１１３は、減少時間Δｔ１と減少時間Δｔ２の差｜Δｔ１−Δｔ２｜を、所定の閾値Ｔｈ１と比較する。判断部１１３は、差｜Δｔ１−Δｔ２｜が閾値Ｔｈ１未満の場合（ステップＳ３；ＮＯ）、ステップＳ４に移って、ラムダセンサー１２１、１２２の応答性は正常であると判断とする。

これに対して、判断部１１３は、差｜Δｔ１−Δｔ２｜が閾値Ｔｈ１以上の場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）、ステップＳ５に移る。判断部１１３は、ステップＳ５において、Δｔ１とΔｔ２の大きさを比較する。判断部１１３は、Δｔ１がΔｔ２より大きいと判断した場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）、ステップＳ６に移って、ラムダセンサー１２１の応答性が低下していると判断する。一方、判断部１１３は、ステップＳ５で否定結果が得られた場合（ステップＳ５；ＮＯ）、ステップＳ７に移って、ラムダセンサー１２２の応答性が低下していると判断する。

ここで、ステップＳ４のように、ラムダセンサー１２１、１２２の応答性が正常であると判断されるのは、例えば図４に示したようなλ１、λ２が得られた場合である。一方、ステップＳ７のように、ラムダセンサー１２２の応答性が低下していると判断されるのは、例えば図５に示したようなλ１、λ２が得られた場合である。つまり、λ２の傾きがなだらかな場合である。なお、ステップＳ６のように、ラムダセンサー１２１の応答性が低下していると判断されるのは、図示はしていないが、λ１の傾きがなだらかな場合である。

因みに、図４などにおいて、下流側のラムダセンサー１２２の検出結果λ２が従竜側のラムダセンサー１２１の検出結果λ１よりも時間軸で僅かに遅れる方向にシフトしているのは、ラムダセンサー１２２がラムダセンサー１２１よりも下流側に設けられており、その距離を排ガス移動するのに時間かかるためである。

＜３＞まとめ
以上説明したように、本実施の形態によれば、２つのラムダセンサー１２１、１２２の減少、又は、増加に要する時間Δｔ１、Δｔ２（Δｔ３、Δｔ４）の差分｜Δｔ１、Δｔ２｜（｜Δｔ３、Δｔ４｜）に基づいて応答性の低下しているラムダセンサーの有無を比較し、さらに、差分が閾値Ｔｈ１以上の場合には、減少、又は、増加に要する時間が長かった方のラムダセンサーの応答性が低下していると判断するようにしたことにより、ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上できるようになる。

ここで、上述の実施の形態のラムダセンサーの応答性診断方法は、ＬＮＴ１０１の上流側及び下流側のラムダセンサーの両方の応答性が同時に同程度低下することはないということを前提としている。このような前提の下、２つのラムダセンサーの検出結果を比較することで応答性の低下しているラムダセンサーを見つけるようにしている。

ところで、図３及び図４などから分かるように、リッチ制御区間ではＬＮＴ１０１の再生が進んでいくと下流側のラムダセンサー１２２の検出結果λ２の値も下がっていく。つまり、λ２の値はリッチ制御の開始時点よりも終了時点の方が小さくなる。この結果、減少時に設定するＸ１、Ｘ２よりも、増加に設定するＸ３、Ｘ４の方が、離れた値とすることができる。つまり、（Ｘ１−Ｘ２）＜（Ｘ３−Ｘ４）とすることができる。

これを考慮すると、上述の実施の形態で説明した差分を用いた応答性の診断は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に実行することが、より好ましい。勿論、上述の実施の形態で説明した差分を用いた応答性の診断は、リーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際のいずれか、或いは、リーン制御からリッチ制御に移行した際、及び、リッチ制御からリーン制御に移行した際の両方で実行することができる。

さらに、ラムダセンサー１２１、１２２のセンサー特性は、リッチ制御からリーン制御に移行した際と、リーン制御からリッチ制御に移行した際とで異なる場合が多いので、この点を考慮すると、リーン制御からリッチ制御に移行した際、及び、リッチ制御からリーン制御に移行した際の両方で実行することがより好ましい。このようにすることで、応答性診断の診断精度をより向上させることができる。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上述の実施の形態では、本発明のラムダセンサーの応答性診断方法をリッチスパイク時に実行する場合について述べたが、本発明のラムダセンサーの応答性診断方法は例えば燃料カット時（Ｑカット時）に実行するようにしてもよい。

本発明は、排気浄化システムに設けられたラムダセンサーの応答性診断する方法及び装置として好適である。

１０ エンジン
２０ 吸気管
３０ 排気管
１００ 排気浄化システム
１０１ ＬＮＴ（Lean NOx Trap）
１０２ ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）
１０３ ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）
１１０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
１１１ 入力部
１１２ 減少／増加時間算出部
１１３ 判断部
１２１、１２２ ラムダセンサー

Claims (5)

1. ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第１のラムダセンサーの検出結果である第１の検出結果と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第２のラムダセンサーの検出結果である第２の検出結果と、を入力するステップと、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第１の検出結果及び前記第２の検出結果のそれぞれが、第１の値から第２の値に減少するのに要した減少時間、又は、第３の値から第４の値に増加するのに要した増加時間を求めるステップと、
   前記第１の検出結果の前記減少時間と前記第２の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第１の検出結果の前記増加時間と前記第２の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第１のラムダセンサー及び前記第２のラムダセンサーの応答性を判断するステップと、
   を含むラムダセンサーの応答性診断方法。
2. 前記減少時間の差、又は、前記増加時間の差が所定値以上の場合、前記第１及び第２のラムダセンサーのうち、前記減少時間が長かった方、又は、増加時間が長かった方のラムダセンサーの応答性が低下していると判断する、
   請求項１に記載のラムダセンサーの応答性診断方法。
3. リーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に実行する前記ステップのうち、リッチ制御からリーン制御に移行した際に実行する前記ステップを、リーン制御からリッチ制御に移行した際に実行する前記ステップよりも優先して実行する、
   請求項１又は２に記載のラムダセンサーの応答性診断方法。
4. ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第１のラムダセンサーと、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第２のラムダセンサーと、
   前記第１のラムダセンサーの検出結果である第１の検出結果と、前記第２のラムダセンサーの検出結果である第２の検出結果と、を入力する入力部と、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第１の検出結果及び前記第２の検出結果のそれぞれが、第１の値から第２の値に減少するのに要した減少時間、又は、第３の値から第４の値に増加するのに要した増加時間を求める、減少／増加時間算出部と、
   前記第１の検出結果の前記減少時間と前記第２の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第１の検出結果の前記増加時間と前記第２の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第１のラムダセンサー及び前記第２のラムダセンサーの応答性を判断する判断部と、
   を具備する排気浄化システム。
5. 前記判断部は、前記減少時間の差、又は、前記増加時間の差が所定値以上の場合、前記第１及び第２のラムダセンサーのうち、前記減少時間が長かった方、又は、増加時間が長かった方のラムダセンサーの応答性が低下していると判断する、
   請求項４に記載の排気浄化システム。

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