JP2024048517A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の劣化度合を正確に判定することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】空気と燃料との混合気を燃焼して動力を出力するとともに、燃焼によって生じた排ガスを吸蔵還元型の触媒によって浄化し、触媒が触媒の雰囲気中の酸素の吸蔵と温度の上昇とによって劣化する触媒である、内燃機関の制御装置において、雰囲気が、触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気であることを、混合気の空燃比に基づいて推定するように構成されており（ステップＳ２）、触媒が酸素を吸蔵する雰囲気は、酸素濃度が所定値以上のリーン雰囲気であり（ステップＳ３）、リーン雰囲気への変化が推定された時点の触媒の温度を検出し（ステップＳ４）、リーン雰囲気での酸素の吸蔵量と触媒の温度とに基づいて、触媒の劣化進行度を求める（ステップＳ５）。【選択図】図２

Description

この発明は、排気通路に触媒を備える内燃機関の制御装置に関するものである。

特許文献１には、燃料カット制御後に流入した排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を行うことで、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置が記載されている。通常、燃料カット制御後にリッチ制御を実施すると、上流側触媒の酸素吸蔵量の減少に伴い、下流側空燃比センサの出力空燃比は、理論空燃比よりもリーンな値から理論空燃比に収束し、その後に理論空燃比よりもリッチな値に変化する。

特許文献１に記載の触媒劣化検出装置によると、上述した燃料カット制御後にリッチ制御を行ったときに、上流側触媒の表面上における空燃比が上流側触媒の酸素の放出により、理論空燃比近傍になっているときの流出排ガスの空燃比の変動を検出することによって上流側触媒の劣化度合を判定することができ、また、リッチ制御にすることによって上流側触媒の酸素吸蔵量を減少させることができるので、排気エミッションの悪化を抑制することができる、とされている。

特開２０１９－１０５１８７号公報

特許文献１に記載された内燃機関の制御装置では、触媒の下流側に空燃比センサを設けており、触媒から流出する排ガスの空燃比の変動から触媒の劣化度合を判定している。

しかしながら、触媒の下流側センサは、ある程度暖機が行われないと活性しないので、活性していない状態では誤判定する可能性がある。またセンサは、その下流側の全体の雰囲気での空燃比を検出することができず、特定の限られた箇所における雰囲気での空燃比を検出する。これに対して排ガス中の空気量あるいは空燃比は特定箇所ごとにばらついているのが通常である。そのため、センサによって検出した空燃比は必ずしも正確ではなく、これが要因となって下流側センサでの検出値に基づいて触媒の劣化度合を判定するのでは判定精度に劣る課題があった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、触媒の劣化度合を正確に判定することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とするものである。

この発明は、上記の目的を達成するために、空気と燃料との混合気を燃焼して動力を出力するとともに、燃焼によって生じた排ガスを吸蔵還元型の触媒によって浄化し、前記触媒が前記触媒の雰囲気中の酸素の吸蔵と温度の上昇とによって劣化する触媒である、内燃機関の制御装置であって、前記雰囲気が、前記触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気であることを、前記混合気の空燃比に基づいて推定するように構成されており、前記触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気は、酸素濃度が所定値以上のリーン雰囲気であり、前記リーン雰囲気への変化が推定された時点の前記触媒の温度を検出し、前記リーン雰囲気での前記酸素の吸蔵量と前記触媒の温度とに基づいて、前記触媒の劣化進行度を求めることを特徴とするものである。

また、この発明は、前記触媒の劣化進行度を積算し、前記劣化進行度の積算値に基づいて、前記触媒の劣化の程度を判定してよい。

また、この発明は、前記触媒の雰囲気中の酸素濃度を検出するセンサを更に備え、前記触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気であることの推定を、前記混合気の空燃比と前記センサの検出値との論理和によって行ってよい。

この発明の内燃機関の制御装置によれば、酸素の吸蔵と温度の上昇とによって劣化する触媒の雰囲気が、触媒が酸素を吸蔵する雰囲気（例えばリーン雰囲気）であることを、混合気の空燃比に基づいて推定するように構成されていることによって、触媒付近に設けられるセンサによる検出ではなく、触媒よりも上流側の混合気の空燃比による推定を行う。したがって、雰囲気中の混合気における濃淡の偏りによる検出のばらつきを抑制することができるので、触媒の劣化の度合を正確に判定することができる。

また、雰囲気の酸素濃度が所定値以上のリーン雰囲気において、リーン雰囲気への変化が推定された時点の触媒温度を検出し、その触媒温度と、リーン雰囲気での酸素吸蔵量とに基づいて、触媒の劣化進行度を求めることができる。具体的には、リーン雰囲気では、雰囲気中の酸素が増大する状態に変化し、さらに触媒温度が高い状態になると、触媒に含まれるセリアなどの貴金属が焼結（シンタリング）しやすく、すなわち貴金属の粒子が大きくなって浄化できる表面積が小さくなり、結果的に浄化効率が悪化し、触媒の劣化が進行したと推定することができる。

さらに、触媒付近に設けられるセンサでは、ある程度暖機が行われないと活性しないので、活性していない状態では触媒の劣化度が誤判定しやすくなることに対して、この発明は暖機せずに混合気の空燃比によってリーン雰囲気を推定して触媒の劣化の程度を判定することができるので、誤判定する可能性を抑制することができる。

また、この発明の内燃機関の制御装置によれば、リーン雰囲気での酸素吸蔵量と触媒温度とに基づいて、触媒の劣化進行度を求め、その劣化進行度を積算することによって、触媒の劣化進行による浄化効率の悪化を判定することができる。

また、この発明の内燃機関の制御装置によれば、混合気の空燃比によってリーン雰囲気を推定して触媒の劣化の程度を判定する手法と、触媒の雰囲気中の酸素濃度を検出するセンサの検出値から触媒の劣化の程度を判定する手法との論理和によって行うことで、運転条件や環境条件に応じてより適切な判定を行うことができる。言い換えれば、センサが、局部的に生じる劣化を進行させる雰囲気を検出した場合には、その検出結果を触媒の判定に反映させることができるので、より確実に触媒の劣化を判定することが可能になる。

この発明の実施例の構成を説明するための模式図である。 この発明の実施例で実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。 図２の制御例を実行した場合のタイムチャートを説明するための図である。

この発明の実施例における内燃機関の制御装置について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下に説明する実施例は、この発明を実施した場合の一例に過ぎないのであって、この発明を限定するものではない。

図１は、この発明の実施例の構成を説明するための模式図であり、内燃機関（以下、エンジンと記す）１は、一例としてガソリンエンジンであり、ガソリンと空気との混合気を燃焼させて動力を出力する。

エンジン１の気筒２には、吸気通路３を介して接続されているインテークマニホールド４から吸気が導入される。吸気通路３とインテークマニホールド４との間にはスロットルバルブ５が設けられている。気筒２内では、インテークマニホールド４から導入された吸気と、インジェクタ６から噴射された燃料とを含む混合気が図示しない点火装置の火花放電によって燃焼される。混合気の燃焼によって各気筒２内で生じた排ガスは、エキゾーストマニホールド７を介して接続されている排気通路８に排出される。排気通路８には、少なくとも触媒９が設けられている。

スロットルバルブ５は、スロットル開度センサ１０によってスロットルバルブ５の開度を電気的に制御できる弁であって、「全開」と「全閉」との二つの状態に切り替わる弁、あるいは適宜の開度に設定できる弁である。

インジェクタ６は、電気的に制御されてガソリンなどの炭化水素系の液体燃料を瞬間的に噴霧する従来知られている燃料噴射装置であり、図示しない吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式インジェクタであってもよいし、あるいは燃焼室の内部（筒内）に燃料を直接噴射する筒内噴射式インジェクタであってもよい。

触媒９は、少なくとも窒素酸化物を硝酸態窒素として捕捉した後に還元して無害化する機能を有する吸蔵還元型の排気浄化触媒であって、炭化水素や一酸化炭素などの環境汚染物質を酸化させる酸化触媒の機能を兼ね備えていてもよい。また、触媒温度センサ１１によって触媒９の温度を管理し、触媒９の下流側に設けられた雰囲気センサ１２によって、触媒９から流出する排ガス雰囲気中の酸素濃度を検出している。

さらに、エンジン１を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）１３が設けられている。ＥＣＵ１３は、マイクロコンピュータやメモリなどを主体として構成され、入力されたデータや予め記憶しているデータを使用して演算を行い、その演算の結果を制御指令信号として出力するように構成されている。

図１に示すＥＣＵ１３は、機能的構成として少なくとも、空燃比取得部１４、酸素吸蔵量推定部１５、リーン雰囲気判定部１６、触媒温度検出部１７、触媒劣化進行度算出部１８、そして劣化進行度積算部１９を制御する機能を備えている。

空燃比取得部１４は、燃焼室に近い上流側の混合気の空燃比を取得する機能を有している。空燃比を取得する一例として、吸入空気量と燃料噴射量とから算出することができる。吸入空気量は、例えばスロットル開度センサ１１の検出信号に基づいて検出してもよいし、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて検出してもよい。燃料噴射量は、電気的に制御されているインジェクタ６からの検出信号に基づいて検出することができる。

酸素吸蔵量推定部１５は、触媒９の雰囲気中の酸素濃度から吸蔵推定量を算出する機能を有している。触媒９の雰囲気中における酸素濃度から吸蔵推定量を算出する一例として、吸入空気量と燃料噴射量とに基づく空燃比の酸素の割合から、ＥＣＵ１３に予め記憶されている酸素吸蔵量マップによって触媒９で吸蔵されている酸素量を推定することができる。

リーン雰囲気判定部１６は、酸素吸蔵量推定部１５によって求められた酸素吸蔵量が、所定しきい値を超えたか否かを判断する機能を有している。これは、所定しきい値以上である場合はリーン雰囲気であることを判定し、触媒９の雰囲気がリーンの状態であるか否かを判定している。なお、この所定しきい値は、一例としてＥＣＵ１３に予め記憶されている酸素吸蔵量マップによって推定することができる。

触媒温度検出部１７は、触媒９の温度を触媒温度センサ１１によって検出する機能を有している。

触媒劣化進行度算出部１８は、酸素吸蔵量推定部１５と触媒温度検出部１７とによって求められたデータに基づいて、触媒９の劣化進行度を算出する機能を有している。具体的には、リーン雰囲気では、雰囲気中の酸素が増大する状態に変化し、さらに触媒温度が高い状態になると、触媒９に含まれるセリアなどの貴金属が焼結（シンタリング）しやすく、すなわち貴金属の粒子が大きくなって浄化できる表面積が小さくなり、結果的に浄化効率が悪化し、触媒９の劣化が進行したと推定することができる。

劣化進行度積算部１９は、リーン雰囲気判定部１６によってリーン雰囲気であることが判定された回数と、触媒温度検出部１７によって求められたデータとを積算することによって、触媒９の劣化進行度の積算値を推定することができる。

図２は、上述した構成における制御の一例を説明するためのフローチャートであって、前述したＥＣＵ１３によって実行される。図２にフローチャートで示す制御は、エンジン１が運転されているときに上記のＥＣＵ１３によって繰り返し実行される。図２に示す制御例では、まず、空燃比を取得する（ステップＳ１）。空燃比の取得の一例として、この発明の実施例においては吸入空気量と燃料噴射量とから燃焼室に近い上流側の混合気の空燃比を算出することができ、空燃比取得部１４によって取得される。

次に、触媒９の酸素吸蔵量を推定する（ステップＳ２）。吸入空気量と燃料噴射量とに基づく空燃比の酸素の割合から、触媒９の雰囲気中における酸素濃度から吸蔵推定量を算出することができ、酸素吸蔵量推定部１５によって算出される。

続いて、ステップＳ２で算出された触媒９の酸素吸蔵推定量が、所定のしきい値を超えたか否かを判断する（ステップＳ３）。これは、所定しきい値を超えている場合はリーン雰囲気であることを判定し、触媒９の雰囲気がリーンの状態であるか否かを判定することができ、リーン雰囲気判定部１６によって判断することができる。このステップＳ３で否定的に判断された場合には、触媒９の雰囲気がリーン状態ではないので、特に制御を行うことなく図２に示すルーチンを一旦終了する。

それとは反対に、このステップＳ３で肯定的に判断された場合、すなわちステップＳ２で算出した触媒９の酸素吸蔵推定量が、所定しきい値を超えていると判断された場合には、触媒９の温度を検出する（ステップＳ４）。触媒９の劣化要因の一つである触媒９の温度がどのくらい上昇しているかを触媒温度センサ１１によって検出する。

次に、触媒９の劣化進行度を算出する（ステップＳ５）。触媒９の劣化進行度は、ステップＳ２で算出された触媒９の酸素吸蔵推定量と、ステップＳ４で検出された触媒９の温度とに応じて触媒９の劣化の度合を算出することができ、触媒劣化進行度算出部１８によって算出される。

続いて、触媒９の劣化進行度を積算する（ステップＳ６）。これは、ステップＳ３において触媒９の酸素吸蔵推定量が所定のしきい値を超えた回数と、ステップＳ４で検出された触媒９の温度とに応じて触媒９の劣化度合を積算し、触媒９の劣化進行度の積算値を算出することができ、劣化進行度積算部１９によって算出される。触媒９の劣化度合を積算した後、このフローチャートを終了する。

次に、上記の図２の制御例を実行した場合のタイムチャートについて説明する。図３は、そのタイムチャートを示す図であって、雰囲気センサ１２の活性状態、雰囲気センサ１２によるリーン雰囲気判定、触媒９の酸素吸蔵推定量、本発明のリーン雰囲気判定、触媒９の温度、ならびに、触媒９の劣化進行度をそれぞれ示している。また、雰囲気センサ１２のみによるリーン雰囲気判定は従来技術であって、触媒９の酸素吸蔵推定量によるリーン雰囲気判定は本発明である。なお、実施例として本発明の触媒９の酸素吸蔵推定量によるリーン雰囲気判定と、雰囲気センサ１２によるリーン雰囲気判定との２つの手法を同時に用いてよい。同時に用いる場合は、酸素吸蔵推定量によるリーン雰囲気判定と雰囲気センサ１２によるリーン雰囲気判定との論理和によって行い、運転条件や環境条件に応じてより適切な判定を行うことができる。言い換えれば、雰囲気センサ１２が、局部的に生じる劣化を進行させる雰囲気を検出した場合には、その検出結果を触媒９の判定に反映させることができるので、より確実に触媒９の劣化を判定することができる。

まず、エンジン１が始動し所定時間経過すると、触媒９の酸素吸蔵推定量（ステップＳ２）がリーン雰囲気判定しきい値を超え（ステップＳ３：ＹＥＳ）、リーン雰囲気であると判定される（ｔ１時点）。このときの触媒９の温度（ステップＳ４）と触媒９の酸素吸蔵推定量とに応じて触媒９の劣化度合が定められる（ステップＳ５）。

一方で、雰囲気センサ１２は、暖機が不十分であるため、センサがまだ活性状態に至っていない。よって本来触媒９の雰囲気がリーン雰囲気の状態であっても、センサによる判定ができずに誤判定する可能性がある。

しばらくして、再び触媒９の酸素吸蔵推定量がリーン雰囲気判定しきい値を超え、リーン雰囲気であると判定される（ｔ２時点）。このときの触媒９の温度と触媒９の酸素吸蔵推定量とに応じて触媒９の劣化度合が定められ、かつ触媒９の酸素吸蔵推定量が所定のしきい値を超えた回数と、触媒９の温度とに応じて触媒９の劣化度合を積算される（ステップＳ６）。ｔ１時点における触媒９の温度（Ｔ１）よりも、ｔ２時点における触媒９の温度（Ｔ２）の方が高くなっているので、ｔ２時点における触媒９の劣化度合が高くなって積算されている。すなわち、触媒９の温度が高いほど劣化進行度が上がることによって、触媒９の劣化の度合を適切なタイミングで正確に判定することができるので、これ以上触媒９の劣化を進行させないように、燃料カット制御などのリーン化制御の実行を制限し、排気エミッションの悪化を防止することができる。

一方で、雰囲気センサ１２は、活性状態になり、リーン雰囲気であると判定されたとしても（ｔ３時点）、雰囲気中の混合気における濃淡の偏りによる検出のばらつきによって応答の遅れが生じやすく、適切なタイミングで判定することができない場合がある。しかしながら、本発明における酸素吸蔵推定量によるリーン雰囲気判定では、触媒９よりも上流側の混合気の空燃比による推定を行うので、雰囲気中の混合気における濃淡の偏りによる検出のばらつきを抑制することができるので、触媒９の劣化の度合を正確に判定することができる。

なお、この発明は上述した実施例に限定されないのであって、この発明の目的の範囲で適宜に変更して実施することができる。

１ エンジン
２ 気筒
３ 吸気通路
４ インテークマニホールド
５ スロットルバルブ
６ インジェクタ
７ エキゾーストマニホールド
８ 排気通路
９ 触媒
１０ スロットル開度センサ
１１ 触媒温度センサ
１２ 雰囲気センサ
１３ ＥＣＵ
１４ 空燃比取得部
１５ 酸素吸蔵量推定部
１６ リーン雰囲気判定部
１７ 触媒温度検出部
１８ 触媒劣化進行度算出部
１９ 劣化進行度積算部

Claims (3)

1. 空気と燃料との混合気を燃焼して動力を出力するとともに、燃焼によって生じた排ガスを吸蔵還元型の触媒によって浄化し、前記触媒が前記触媒の雰囲気中の酸素の吸蔵と温度の上昇とによって劣化する触媒である、内燃機関の制御装置であって、
   前記雰囲気が、前記触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気であることを、前記混合気の空燃比に基づいて推定するように構成されており、
   前記触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気は、酸素濃度が所定値以上のリーン雰囲気であり、
   前記リーン雰囲気への変化が推定された時点の前記触媒の温度を検出し、
   前記リーン雰囲気での前記酸素の吸蔵量と前記触媒の温度とに基づいて、前記触媒の劣化進行度を求める
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記触媒の劣化進行度を積算し、
   前記劣化進行度の積算値に基づいて、前記触媒の劣化の程度を判定する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記触媒の雰囲気中の酸素濃度を検出するセンサを更に備え、
   前記触媒が前記酸素を吸蔵する雰囲気であることの推定を、前記混合気の空燃比と前記センサの検出値との論理和によって行う
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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