JP2819068B2 - 触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法 - Google Patents

触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法

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Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は請求の範囲第１項の上位概念による、排ガス
触媒コンバータの加熱用燃焼器系の検査方法に関する。
内燃機関の有害物質の放出は、ラムダ閉ループ制御装
置と関連した三元触媒を用いた触媒反応処理によって効
果的に低減することができる。しかしながらこれに対し
ては、閉ループ制御装置のラムダプローブも、触媒コン
バータもその作動温度に達していることが重要な前提条
件となる。これらの排気ガス清浄装置の２つの構成要素
を迅速にその作動温度にもたらすことに対しては、既に
種々の加熱方法が提案されている。
触媒コンバータに比べて僅かな質量しか有さないラム
ダプローブを電気的な加熱装置を用いて加熱することに
対しては技術的な問題は特に生じないが、触媒の短期間
行うべき加熱に対する自動車搭載電源からの電気エネル
ギの供給には、多くの場合車両電流装置の容量を越える
ものがある。
HCとCOからなる有害物質全体の70％〜80％は、内燃機
関のコールドスタートフェーズ期間中に排出されるが、
このコールドスタートフェーズ期間中の有害物質の排出
をさらに低減させるために、ドイツ連邦共和国特許公開
第4132814号公報からは次のような手段が公知である。
すなわち触媒よりも前の排気系に、内燃機関の燃料が供
給される付加的な燃焼器を設け、この付加的燃焼器（以
下単に燃焼器と称す）によって触媒を約300℃の作動温
度（ライトオフ温度）まで急速に加熱する手段が公知で
ある。可及的に短い加熱期間を達成するために、この燃
焼器は触媒の直前に配設される。燃料は内燃機関の燃料
循環系の分配路から供給され、燃焼に必要な空気は、今
日ではしばしば標準装備されている二次空気導入装置に
よって供給される。このような二次空気導入装置は、慣
例的手法で排気ガスの予備酸化を行うために排気バルブ
近傍の内燃機関の排気系に空気を導入するために用いら
れる。
このような燃焼器は内燃機関の排気系全体を構成する
部材の一部であり、さらにこの燃焼器も固有の排出物質
を伴うものなので、その機能性については有害物質排出
に関して維持されるべき限界値を監視する必要がある。
燃焼器での安全な点火の他にも燃焼器における空気過剰
率がこの燃焼器固有の有害物質排出に影響を及ぼす。そ
の他にも燃焼器の空気過剰率は触媒コンバータの加熱特
性にも影響を与える。従って燃焼器の空気過剰率は最終
的に排気ガスにも関係してくるため、適切な手段で監視
する必要がある。
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の触媒コン
バータ加熱用燃焼器系の検査方法において、燃焼器の機
能性に関する確かな診断が簡単な方法で可能となるよう
に改善を行うことである。
前記課題は請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発
明によって解決される。本発明の別の有利な実施例は従
属請求項に記載される。
燃焼器の機能性に対する基準として、燃焼器の空気過
剰率が用いられ、この空気過剰率を２つのラムダプロー
ブの信号から導出することにより、燃焼器の正常な機能
に関する簡素で低コストな判定手段が得られるものとな
る。前記２つのラムダプローブのうちの１つは燃焼器の
前の触媒コンバータ上流側に設けられ、もう１つは触媒
コンバータ後方に配設されている。これらのラムダプロ
ーブは、最近の内燃機関においては排ガスに係わる部分
のオンボード診断のためにいずれにせよ設けられるもの
である。
実施例の説明 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、燃焼器を用いて加熱される触媒コンバータ
と、該触媒コンバータの前後にそれぞれ１つのラムダプ
ローブを有した内燃機関のブロック回路図である。図２
は、本発明による方法の実施の際の時間に依存した複数
の信号経過を示した図である。なお図１には本発明によ
る方法の理解に必要な主要部分のみが示されている。
図１には符号10で内燃機関が示されている。この内燃
機関10は吸気管11と排気管12を有している。この吸気管
11に配設されている空気質量計13は、内燃機関10によっ
て吸入された空気質量を測定する。この空気質量計は、
この場合ホットワイヤ式又はホットフィルム式空気質量
計として構成される。排気管12には、内燃機関10の排ガ
ス内に含まれるHC,CO,NOx成分の転化に用いられる三元
触媒14の上流側に第１のラムダプローブLS1の形の酸素
センサが挿入されている。この酸素センサは排ガス中の
残留酸素濃度に依存して出力信号ULS1を内燃機関10の電
子制御装置16に送出する。その他にも三元触媒14下流側
の排気管12のさらなる延在部に第２のラムダプローブLS
2が設けられている。この第２のラムダプローブLS2は、
触媒コンバータ14を通って洗浄された排ガス中の残留酸
素濃度に依存して出力信号ULS2を送出する。この場合ラ
ムダプローブとして有利にはいわゆる電圧跳躍型プロー
ブが利用される。このプローブでは、空気過剰率λ＝１
の理論空燃比のもとで出力信号の跳躍が見られる。例え
ば出力電圧は、リッチな混合気組成（λ＜１）の場合の
高い値（900〜1000mV）から、リーンな混合気組成（λ
＞１）の場合の低い値（100〜200mV）までの範囲を有し
ている（ZrO2−ラムダプローブ）。
さらに、空気過剰率λ＝１の理論空燃比の際の電気抵
抗に跳躍的な作用が生じる電圧跳躍型プローブも使用可
能である（TiO2−プローブ）。
簡単化の理由から以下の実施例の説明で単に“ラムダ
プローブがリッチないしリーンな混合気状態を指示す
る”と記載した場合には、ラムダプローブの出力電圧
が、濃厚ないし希薄な混合気組成状態を表す値をとって
いるものとする。
触媒コンバータ14の前に配設されているラムダプロー
ブLS1が、従来方式で内燃機関の燃料空気混合気のラム
ダ閉制御ループのための制御装置として使用されている
のに対して、触媒コンバータ14より前のラムダプローブ
LS1の出力信号ULS1と、触媒コンバータ14より後のラム
ダプローブLS2の出力信号ULS2の評価によって、触媒コ
ンバータ14の機能性ないしは効率を検査することが可能
である。この場合は触媒効率の尺度として、例えば２つ
のプローブの出力信号の差を用いたり（ドイツ連邦共和
国特許公開第3830515号公報）、リッチからリーン又は
リーンからリッチへの切換わり毎の２つのプローブの出
力信号間の時間遅延を用いること（ドイツ連邦共和国特
許公開第4101616号公報）が可能である。
さらに内燃機関10の適切な個所に、機関回転数の検出
のためのセンサ18と冷却剤温度センサ19が設けられてい
る。これらのセンサの出力側は、インターフェースを介
して内燃機関10の電子制御装置16の相応の入力側に接続
されている。このような内燃機関の電子制御装置（これ
は燃料噴射の他にさらに別の目的、例えば排気系構成要
素のオンボード診断等にも用いられる）自体は公知であ
るため、以下の明細書では本発明と関係のある構成部分
とその作用のみを取り上げる。
電子制御装置16の中核は、マイクロコンピュータであ
る。このマイクロコンピュータは、所定のプログラムに
従って所要の機能を制御する。いわゆるエアフロー方式
によるエンジン制御では、センサ（空気質量計13及び回
転数センサ18）から供給され相応の回路で処理された信
号を用いて、空気質量と回転数から基本噴射期間又は基
準噴射期間が算出され、さらに別の動作パラメータ（例
えば吸気管の圧力と温度、冷却剤の温度、バッテリー電
圧等）に依存して基準噴射期間の補正が次のように実施
される。すなわち基本的にラムダ閉ループ制御を用いて
理論空燃比（λ＝１）に相応する燃料空気混合気が得ら
れるように実施される。それに従って内燃機関10のため
の燃料が、１つ又は複数の噴射ノズル20を介して吸気管
11内へ噴射される。
電動エアーポンプ（このポンプはしばしば二次空気導
入用エアーポンプとして称される）21は、ここでは図示
されていない吸気路を介して新鮮な空気を導入し、この
付加的な空気を必要に応じて、一方では二次空気導入路
22を介して内燃機関10の排気管12内へ供給し、他方では
燃焼器空気導入路23を介して触媒コンバータ14の外部的
加熱に用いられる燃焼器24内へ供給する。この燃焼器24
には、燃料カットバルブ25を備えた管路26を介して内燃
機関10の燃料が供給される。燃焼器24は実質的に、燃焼
ノズルと点火装置を備えた燃焼室からなっている。燃焼
ノズルには二次空気導入用エアーポンプ21によって供給
される燃焼用の空気と、内燃機関の燃料循環系から供給
される燃料が供給される。点火装置は点火電極を含んで
いる。この点火電極は燃焼室内に達しており、電子制御
装置16からの点火パルスによって点火を行う。燃焼器系
のさらなる構成要素、例えば調量バルブ、エアーカット
バルブ、プレッシャーレギュレータ等は、本発明による
方法の理解には必要ないので簡略化の理由からここでは
図示を省いている。この種の燃焼器の詳細な構造やその
制御は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第413281
4号公報に記載されている。
時点t0（図２、エンジンスタート）では内燃機関10が
始動され、電子制御装置16からの相応の信号を介して、
二次空気導入用エアーポンプ21の投入接続と燃焼器24の
点火が行われる。二次空気導入用エアーポンプ21は、燃
焼に必要な空気が燃焼器24の燃焼室に得られるまでの所
期のスタートアップ期間を必要とするので、燃焼器24に
対する燃料は、時点t1（図２、燃焼器スタート）までの
遅延時間T_BRの経過後にはじめて燃料カットバルブ24の
開放によって供給される。この期間中は公知の方法で二
次空気の導入と、燃焼器24の点火装置の監視が例えば点
火装置の二次電圧の監視によって行われる。この監視の
結果から、点火ミスや二次空気の未供給又は不足が識別
された場合には、燃焼器24への燃料供給が中断される。
燃焼器に対する点火と二次空気の供給が正常であること
が識別された場合には、燃焼器への燃料供給は継続され
る。燃料供給が開始された後では、燃焼器の点火プラグ
における点火電圧を介して燃焼過程の監視が行われる。
既に燃焼期間中に燃焼器−空気過剰率の診断を実施し
得るために、２つのラムダプローブLS1,LS2が、エンジ
ンスタート時点（時点t0）から最大加熱出力で作動され
る。プローブ加熱系のサイクリックな作動が行われるな
らば、これは２つのラムダプローブLS1,LS2が100％のデ
ューティ比で作動されることを意味する。検査状態で求
められ実質的にラムダプローブの構成と組み付け場所に
依存する所定の期間T_LDの経過後では、２つのラムダプ
ローブはその作動温度まで加熱され、これによって出力
信号“リーン／リッチ”の送出が内燃機関10の三元触媒
14の前後の排気ガス中の残留酸素濃度に応じて可能とな
る。
しかしながら、既に前述した条件に加えて２つのラム
ダプローブやラムダ閉ループ制御装置又は長期適合化シ
ステムの診断エラーが記録されていない場合には、燃焼
器−空気過剰率の診断は、期間T_LDの経過後の時点t2か
ら開始される。これに対しては電子制御装置16に含まれ
ているエラーメモリ27の内容が読み出され相応に評価さ
れる。
燃焼器空気過剰率（以下では燃焼器ラムダλBRとも称
す）の診断の開始時点（時点t2）では、２つのラムダプ
ローブLS1,LS2の出力信号ULS1,ULS2の目下の値に依存し
て以下の４つの異なるケースが挙げられる。
ケース１ −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリーンな
混合気状態（空気過剰率λULS1＞１）を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2もリーンな
混合気状態（空気過剰率λULS2＞１）を指示する ケース２ −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリッチな
混合気状態（空気過剰率λULS1＜１）を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2もリッチな
混合気状態（空気過剰率λULS2＜１）を指示する ケース３ −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリッチな
混合気状態（空気過剰率λULS1＜１）を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2はリーンな
混合気状態（空気過剰率λULS2＞１）を指示する ケース４ −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリーンな
混合気状態（空気過剰率λULS1＞１）を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2はリッチな
混合気状態（空気過剰率λULS2＜１）を指示する 従来の燃焼器系（例えばドイツ連邦共和国特許出願公
開第4132814号公報）の場合では付加的な二次空気が排
気路における排気ガスの流れ方向で見て燃焼器の前に導
入されており、その他にも燃焼器は空気過剰率λ＝1.05
で作動されるべきなので、通常はケース１が発生する。
このケースの場合では時点t2から燃焼器空気過剰率の診
断のために、燃料空気混合気が濃厚化される。この濃厚
化は係数TI_BRに関して行われる。この係数は値１から
出発してステップ毎に以下の式に従って高められる。
TI_BRnew＝TI_BRalt＋TI_BRINC この場合前記符号TI_BRINCは、固定の絶対値であり、
この値分だけ濃厚化係数の値が所定の時間単位毎に高め
られる。
前記濃厚化は、次のような場合に終了する。すなわち
２つのラムダプローブLS1,LS2の出力信号ULS1,ULS2がリ
ッチな混合気状態を指示している場合か、又は２つのラ
ムダプローブが既にリッチな混合気状態を識別している
か否かにかかわらず濃厚化に対する所定の限界値TI_BR_
MAXに達している場合には終了する。この２つの場合で
は濃厚化係数TI_BRが再び1.0の値におかれる。
ラムダプローブLS2の信号が、濃厚化係数TR_BRの最大
値TR_BRMAXまでの濃厚化の間に、リッチな混合気組成状
態を指示しない場合には、ラムダプローブLS1の出力信
号ULS1が濃厚化に基づいてリッチな混合気状態を指示す
る値をとっていても、燃焼器24の空気過剰率にエラーが
生じているものとして段階付けされる。
それに対してラムダプローブLS1の出力信号ULS1が濃
厚化の間にその初期状態からジャンプ（これはリーンな
混合気状態からリッチな混合気状態への移行を表す）し
ない場合には、内燃機関に供給された混合気の空気過剰
率のエラーか又はラムダプローブLS1自体のエラーが考
えられる。このような場合には診断が中断され、次の燃
焼器スタートの際に繰り返されて、エラーメモリ27には
エントリーされない。
図２中、ラムダプローブLS1の出力信号ULS1がリッチ
な混合気状態を指示する（時点t3）濃厚化係数TI_BRに
対する値は、TI_F1として表されており、またラムダプ
ローブLS2の出力信号ULS2がリッチな混合気状態を指示
する（時点t4）濃厚化係数TI_BRに対する値は、TI_F2と
して表されている。これらの値TI_F1,TI_F2は電子制御
装置16のメモリ28内に中間記憶されている。
さらに時点t3とt4（ここでは出力信号ULS1,ULS2がリ
ッチな混合気状態を指示する）の検出が行われ、両時点
の差分形成からプローブ切換の間の期間T_SUが算出さ
れ、この値も燃焼器空気過剰率のさらなる診断のために
メモリ28に中間記憶される。この期間T_SUは、初めにラ
ムダプローブLS1がリッチな混合気状態を指示し続いて
ラムダプローブLS2がリッチな混合気状態を指示した場
合（例えば図２、ケース１）には正となる。また期間T_
SUは、初めにラムダプローブLS2がリッチな混合気状態
を指示し、続いてラムダプローブLS1がリッチな混合気
状態を指示した場合には負となる。
ラムダプローブLS1からラムダプローブLS2までの排気
ガスの通過期間を考慮するために、濃厚化係数TI_F2
（この値のもとではラムダプローブLS2がリッチな混合
気状態を指示する）が以下の式に従って補正される。
TI_FK2＝TI_F2−(TI_F2−TI_F1)＊TI_LS/TI_SU この場合は補正された濃厚化係数が符号TI_FK2で表さ
れ、２つのラムダプローブの間の排ガス通過期間を考慮
するむだ時間が符号T_LSで表されている。
濃厚化係数TI_F1と、補正された濃厚化係数TI_FK2を
用いて燃焼器の空気過剰率（燃焼器ラムダ）λBRが以下
のように算出される。
λBR＝(ML_BKM/ML_BR＊14.7)＊(TI_FAK2＊TI_FK2−TI_FAK1＊TI_F1)＋１ 前記ML_BKMは、診断中に内燃機関に供給され空気質量
計によって測定された空気質量流であり、 前記ML_BRは、診断中に燃焼器に供給された空気質量
流（所定値）であり、 前記TI_FAK1,2は、内燃機関の暖機のために時点t3な
いしt4（ここでは２つのラムダプローブの出力信号がリ
ッチな混合気状態を指示する）にて電子制御装置に供給
されたその他の濃厚化係数全体を表す。
燃焼器の機能性を判断するために、前記式に従って算
出された燃焼器空気過剰率λBRが所定の限界値と比較さ
れる。算出された空気過剰率λBRが所定の限界値から外
れている場合には、 λBR_MAX＜λBR＜λBR_MIN （例えば：λBR_MAX＝1.15,λBR_MIN＝0.95） 燃焼器24の確かな機能がもはや補償されず、電子制御装
置16のエラーメモリ27への相応のエントリーが行われ
る。同時にこの検査の結果が自動車のドライバに音響的
又は光学的手段によって通知され、内燃機関10の次の始
動の際に燃焼器を用いた触媒コンバータの加熱が抑圧さ
れる。
これに対して診断開始前に２つのラムダプローブLS1,
LS2がリッチな混合気状態（ケース２）を指示した場合
には、時点t2から燃焼器空気過剰率λBRの診断のため
に、内燃機関10の燃料空気混合気が希薄化される。この
希薄化も係数TI_BRに関して行われる。この係数は値１
から出発して以下の式に従って低減される。
TI_BRnew＝TI_BRalt−TI_BRINC この希薄化は、次のような場合に終了する。すなわち
２つのラムダプローブがリーンな混合気状態を識別する
か、又は２つのラムダプローブが既にリーンな混合気状
態を識別しているか否かにかかわらず希薄化に対する所
定の限界値TI_BR_MINに達している場合には終了する。
この２つの場合では希薄化係数TI_BRが再び1.0の値にお
かれる。
ラムダプローブLS2の信号が希薄化期間中にTI_BRの限
界値TI_BR_MINに達し、ラムダプローブLS1が希薄化に基
づいて既にリーンな混合気状態を識別しているにもかか
わらず、電圧のジャンプがみられない場合には、燃焼器
24の空気過剰率にエラーが生じているものとして段階付
けされる。
それに対してラムダプローブLS1の出力信号ULS1が希
薄化の間にジャンプしない場合には、内燃機関に供給さ
れた混合気の空気過剰率のエラーか又はラムダプローブ
LS1自体のエラーが考えられる。このような場合には診
断が中断され、次の燃焼器始動の際に繰り返されて、エ
ラーメモリ27にはエントリーされない。
ラムダプローブLS1,LS2がリーン状態を識別する（電
圧ジャンプの際の希薄化係数）値は、電圧ジャンプの間
の期間と同じように検出され、さらなる評価がケース１
の場合に示されたように行われる。
ラムダプローブLS1とLS2が診断の開始前に互に異なる
混合気組成状態を指示する場合、すなわちラムダプロー
ブLS1はリッチな混合気状態を指示し、ラムダプローブL
S2はリーンな混合気状態を指示する（ケース３）場合に
は、ケース１に基づいて記載した診断は、方向性の同じ
プローブ信号のもとでしか実施できないので、ラムダプ
ローブLS1の信号の状態が、内燃機関の燃料空気混合気
の希薄化（ケース３）ないしは濃厚化（ケース４）によ
って変更されなければならない。このことは前記２つの
ケース1,2のもとで説明したような希薄化機能ないし濃
厚化機能でもって行われる。このフェーズ期間中に、触
媒コンバータの前のラムダプローブLS1の信号状態が変
化することなく希薄化係数ないし濃厚化係数がその限界
値に達した場合には、診断が中断される。
限界値ないで希薄化ないし濃厚化によって触媒コンバ
ータ前のラムダプローブLS1が、触媒コンバータの後の
ラムダプローブLS2と同じ混合気組成状態を指示した場
合には、前記ケース１及び２のもとで記載した方式でさ
らなる診断が行われる。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01N 3/20 - 3/24 F01N 9/00 F02D 41/14 310

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関の排気管に配設され燃料空気混合
    気で作動される、内燃機関の排ガス触媒コンバータ加熱
    用燃焼器系の機能性の検査方法であって、 第１及び第２のラムダプローブを有しており、前記第１
    のラムダプローブは排ガス触媒コンバータの上流側に配
    設され、前記第２のラムダプローブは排ガス触媒コンバ
    ータの下流側に配設されており、 前記２つのラムダプローブは、そのつどの排ガス中の残
    留酸素濃度に応じてそれぞれ出力信号を送出し、該送出
    信号の状態はリッチ又はリーンな混合気組成状態を表す
    ものである形式の、触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検
    査方法において、 ２つのラムダプローブ（LS1,LS2）の出力電圧（ULS1,UL
    S2）の信号状態（リッチ／リーン）を検出し、 前記信号状態に依存して内燃機関（10）の燃料空気混合
    気を、濃厚化係数ないし希薄化係数（TI_BR）を用いて
    前記２つのラムダプローブ（LS1,LS2）の信号状態が変
    化するまで濃厚化ないし希薄化し、 前記濃厚化ないし希薄化の際に生じた、濃厚化係数ない
    し希薄化係数に対する値（TI_F1,TI_F2）を検出し、 前記値（TI_F1,TIF2）と、検査中に燃焼器（24）および
    内燃機関（10）に供給された空気質量（ML_BR,ML_BKM）
    とから、燃焼器（24）の空気過剰率（λBR）を決定し、 前記燃焼器（24）の空気過剰率（λBR）を所定の限界値
    （λBR_MIN,λBR_MAX）と比較し、前記燃焼器（24）の
    空気過剰率（λBR）が前記限界値から外れている場合に
    は、該燃焼器（24）を現時点で正常に機能していないも
    のとして評価することを特徴とする、触媒加熱用燃焼器
    系の検査方法。
  2. 【請求項２】前記濃厚化係数ないし希薄化係数（TI_B
    R）をステップ毎に限界値（TI_BR_MAX,TI_BR_MIN）まで
    変化させる、請求の範囲第１項記載の方法。
  3. 【請求項３】触媒コンバータ（14）の後のラムダプロー
    ブ（LS2）の出力信号（ULS2）の信号状態が変化する濃
    厚化係数ないし希薄化係数（TI_F2）を、２つのラムダ
    プローブ（LS1,LS2）の間の排気ガスの通過時間から得
    られたむだ時間（T_LS）分だけ補正する、請求の範囲第
    １項記載の方法。
  4. 【請求項４】濃厚化係数ないし希薄化係数（TI_F1,TI_F
    2）を、内燃機関（10）の暖機運転を考慮した暖機係数
    （TI_FAK1,TI_FAK2）を用いて補正する、請求の範囲第
    １項又は３項記載の方法。
  5. 【請求項５】前記濃厚化係数ないし希薄化係数（TI_F1,
    TI_F2）に対する限界値（TI_BR_MAX,TI_BR_MIN）内で、
    触媒コンバータ（14）の前のラムダプローブ（LS1）の
    出力信号（ULS1）の信号状態が変化しない場合には、前
    記方法を中断する、請求の範囲第１項記載の方法。
  6. 【請求項６】前記２つのラムダプローブ（LS1,LS2）
    を、燃焼器（24）の検査開始前に所定の期間（T_LS）だ
    け加熱する、請求の範囲第１項記載の方法。
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