JP3316137B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
される有害排気を浄化する触媒コンバータを備えた排気
浄化装置に係り、さらに詳細には、その触媒の劣化診断
技術に関する。
ス中の有害成分(例えば、HC,CO,NOx)の規制
が強化されるに伴い、その排気ガスの浄化に用いる触媒
の劣化診断技術も種々提案されている。
NOxの還元と、HC,COの酸化処理を同時に処理す
る3元触媒がある。また、排気浄化を高めるために、メ
インの触媒コンバータのほかに、プリ触媒コンバータを
設けたもの等が提案されている。
としては、例えば、特開平5−248227号公報に記
載のように、排気管に設置した触媒コンバータの上流,
下流に排気センサ(例えばO2センサ)を設け、上流側
O2センサと下流側O2センサの相関(例えば、空燃比を
リーンからリッチ或いはリッチからリーンに反転させた
場合の上流側O2センサの出力反転から下流側O2センサ
の出力反転までの時間計測値、上流側O2センサと下流
側O2センサの出力比,応答比,位相差等)から触媒コ
ンバータの劣化を診断する技術が知られている。
素ストレージの能力に着目し、酸素ストレージ能力を定
量化することにより、触媒の劣化判定を行っている。す
なわち、触媒の排気浄化率が高いほど(酸素ストレージ
能力が高いほど)、上流側(触媒前)の排気センサの出
力に対する下流側(触媒後)の排気センサの相関係数が
低く、応答性は遅くなり、また、下流側排気センサの出
力が低くなる特徴を利用して触媒の劣化判定を行ってい
る。
は300℃近辺の温度で酸素ストレージが飽和(触媒の
100%活性化)するのに対して、熱劣化が進行すると
酸素ストレージ能力が徐々に低下することにより、30
0〜550℃の範囲では酸素ストレージ能力が未だ10
0%活性化の状態に達せず、それ以上の温度で100%
活性化の状態となることもある(この場合も、従来は良
品の触媒コンバータとして扱っている)ため、その良
品,劣化品の判定値を、その診断時の温度状態に対応し
て決定する手法を導入して誤診断になるのを防止してい
る。
用排気浄化装置の診断装置では、エンジンの排気通路に
上流側から順次に複数の触媒体を配列したものにおい
て、最上流側に位置する触媒体の上流側と複数の触媒体
の各々の間と最下流側に位置する触媒体の下流側とにそ
れぞれ排気センサを設け、所定の診断条件(例えば、機
関運転状態が機関負荷と機関回転数とにより設定される
診断領域内にあること、暖機が完了していること、一定
車速時であること等)が成立する場合、各排気センサの
出力する各検出信号より求めた排気浄化装置の全体浄化
率と特定の触媒体を除く残余の触媒体の各々の残余浄化
率とより特定の触媒体の浄化率を求めて、これを基準値
と比較して触媒コンバータの劣化状態を判定する技術が
提案されている。
媒の診断技術には、そのほかにも、特開平5−9894
5号公報、特開平5−98946号公報、特開平5−9
8947号公報、特開平5−98948号公報、特開平
5−98949号公報、特開平5−106493号公
報、特開平5−106494号公報、特開平5−163
989号公報、特開平5−180043号公報、特開平
6−173661号公報等に述べられている。
の触媒コンバータの劣化診断技術は、触媒活性後の浄化
率,すなわち飽和する酸素ストレージ能力の定量から判
定するものであった。
ら、排気ガス規制値に対して増々厳しい要求がなされて
おり、この厳しい排気ガス規制値に適合した排気浄化装
置として、メインの触媒コンバータのほかに、活性化を
早めるよう設定された早期活性化触媒コンバータと、活
性後の浄化効率を確保するプリ触媒コンバータを設置し
たものが提案されている。
的には、メイン及びプリ触媒コンバータ同様に3元触媒
コンバータ等が利用されるが、エンジン始動から活性化
温度に到達するまでの時間を早めるために、例えば、電
気加熱手段を設けたり、酸化反応促進触媒を混在させた
り、熱容量の小さいものを使用してできるだけエンジン
に接近して使用する等の配慮がなされており、エンジン
始動からメインの触媒コンバータ,プリ触媒コンバータ
等が活性化温度に到達する前に活性化温度に達して、エ
ンジン始動からできるだけ早い時期に排気浄化機能が働
くようにしたものである。
タ(特に早期活性化触媒コンバータ)の早期活性化機能
についても診断する必要があるが、現状の触媒診断技術
では、この要求に対処し得ない。その理由は、従来の触
媒診断技術は、触媒が活性化温度に到達した後の排気浄
化率から触媒劣化診断を行うものであり、エンジン始動
からどのくらいの時間で触媒が活性化したのかをモニタ
ーする技術を有していないためである。
目的は、メインの触媒コンバータの他に早期活性化触媒
コンバータを備えて厳しい排気ガス規制値に適合できる
ようなエンジン排気浄化装置においても、的確な触媒の
劣化診断を可能にすることにある。
触媒コンバータとしてプリ触媒コンバータ及び早期活性
化触媒コンバータを設けた場合、それらの触媒の劣化診
断の症状を区別して特定可能にすることにある。
を達成するために、基本的には、次のような発明を提案
する。
て、排気ガスを浄化するための触媒コンバータの前後に
配置される排気センサと、前記触媒コンバータの温度を
検出或いは推定する手段と、前記触媒コンバータの前後
における前記排気センサの出力信号の相関係数を求め、
この相関係数と触媒温度から前記触媒コンバータの排気
浄化率特性を求める手段と、前記排気浄化率特性の立ち
上がり特性を、予め記憶した基準の排気浄化率特性の立
ち上がり特性と比較することにより触媒コンバータの劣
化を判別する触媒診断手段と、を備えて成る。
のような排気浄化装置を提案する。
に補助触媒コンバータが配置され、該補助触媒コンバー
タは、活性化を早めるよう設定された早期活性化触媒コ
ンバータと、活性後の浄化効率を確保するプリ触媒コン
バータとを構成要素とするエンジンの排気浄化装置にお
いて、前記補助触媒コンバータの上流,下流のうち少な
くとも下流側に排気センサが配置され、且つ、前記補助
触媒コンバータの温度を検出或いは推定する手段と、前
記補助触媒コンバータの温度及び前記排気センサのデー
タを入力して触媒温度に対する排気浄化率の立ち上がり
特性と、立ち上がり特性後の定常特性とを求め、前記立
ち上がり特性を基準の立ち上がり特性と比較してその比
較結果の特性上のずれ量が所定量以上の場合には、前記
早期活性化触媒コンバータが劣化したものと特定し、前
記定常特性が所定量以上低下している場合には前記プリ
触媒コンバータの定常特性が劣化しているものと判定す
る触媒診断手段と、を備えて成る。
軸)と排気浄化率(縦軸)との関係を示す。排気浄化率
(換言すれば酸素ストレージ能力)は触媒温度が上昇す
るにつれて高まり、やがて飽和して定常特性に落ち着
く。従来は、この定常特性の排気浄化率(酸素ストレー
ジ能力の定量)を求めて(劣化モードB)それが基準値
より下回る場合には、触媒コンバータの劣化(ここでの
劣化とは、交換が必要な程度のものである)であるとの
判定を下していた。
る前の触媒温度−排気浄化率の立ち上がり特性(活性化
特性と称することもある)を基準の立ち上がり特性(例
えば新品の立ち上がり特性)と比較することで、触媒コ
ンバータの劣化を診断する(劣化モードA)。このよう
な劣化モードAの触媒診断方式は、触媒コンバータの劣
化の進行につれて、触媒温度に対する排気浄化率の立ち
上がり特性が高温側にシフトする特徴を利用したもの
で、この診断方式によれば、触媒の早期活性化機能の劣
化進行を判別することができる。
は、できるだけエンジンの近くに設置したり、ヒータ等
を使用して早期活性化が図られており、経時的に熱劣化
する傾向にある。
媒コンバータとプリ触媒コンバータで構成した場合であ
っても、共通の排気センサ(補助触媒コンバータの上流
側と下流側に配置の排気センサ、或いは下流側だけの排
気センサ)と触媒温度センサのデータを用いて、図3の
劣化モードA,Bのいずれも求めることができる。劣化
モードAの量が所定値以上の場合には、早期活性化触媒
が充分に機能していないので、早期活性化触媒が交換に
必要な程度に劣化しているものと判別する。一方、劣化
モードAについては劣化量が許容範囲であるが、劣化モ
ードBの量が所定値以上である場合には、活性化後のプ
リ触媒が充分に機能していないので、この場合にはプリ
触媒が交換に必要な程度に劣化しているものと判別す
る。
て説明する。
御システムのブロック図、図2はそのうちのエンジン排
気浄化装置の触媒劣化診断を行うコントロールユニット
のブロック構成図である。
ントロールユニット12には、吸気系の空気量センサ1
及びスロットルセンサ2の検出信号、エンジン13から
は回転センサ11及び水温センサ4の検出信号、排気系
からは排気センサ5(補助触媒コンバータ8の上流側に
ある排気センサで、以下、触媒前排気センサと称する)
及び排気センサ6(補助触媒コンバータ8の下流側にあ
る排気センサで、以下、触媒後排気センサと称する)の
検出信号、触媒温度センサ10の検出信号が入力され
る。14は吸気通路、15は排気通路である。
サ1からの信号(エンジン吸入空気量Qa),スロット
ルセンサ2からの信号(絞り弁の開度TH),水温セン
サ4からの信号(エンジン冷却水温TW),触媒前排気
センサ5からの信号Gf(空燃比信号),回転センサ1
1からの信号(エンジン回転数N)に基づいて、エンジ
ンに供給すべき燃料量が計算され、その燃料供給信号が
インジェクタ3に出力される。
補助触媒コンバータ8(早期活性化触媒コンバータ8
A,プリ触媒コンバータ8B)とメイン触媒コンバータ
9で浄化される。なお、触媒コンバータについて、以下
単に触媒と称する。
のはプリ触媒8B,メイン触媒9と同様のもの(例えば
3元触媒)が使用されるが、熱容量が小さく、エンジン
13に近い位置に設置して、冷機状態でエンジンを始動
したときでもできるだけ早く触媒が暖まり、活性化が早
まることで排気ガスの浄化開始が早められようにしてあ
る。
期加熱されるものでもよく、また、酸化反応促進触媒を
用いて早期加熱化されるようにしてもよい。プリ触媒8
Bは、触媒の浄化効率を確保する触媒であり、早期活性
化触媒8Aで浄化しきれない有害排気を浄化する。通常
はメイン触媒9より小型で熱容量が小さいので、暖まる
のも比較的早い。メイン触媒9は、早期活性化触媒8A
とプリ触媒8Bで浄化しきれない有害排気を浄化する。
で、メイン触媒9の前段に設置される補助触媒8を構成
し、このような補助触媒のうち特に早期活性化触媒8A
を備えることで、エンジン冷機時の有害排気の排出を大
幅に少なくでき、北米の排気規制強化ULEVに適合で
きる(なお、プリ触媒8Bとメイン触媒9だけでは排気
規制強化ULEVを満足することは困難である)。
場合には、厳しい排気ガス規制に対処し得るために早期
活性化が正常に機能しているかどうかも診断する必要性
が生じる。
化触媒8Aとプリ触媒8Bを診断対象とし、その診断の
ため、補助触媒8の上,下流(排気通路における早期活
性化触媒8Aの上流とプリ触媒8Bの下流)に排気セン
サ5,6をそれぞれ配置し、早期活性化触媒8Aについ
ては図3に示す劣化モードAの診断を、プリ触媒8Bに
ついては劣化モードBについて診断する。
いるため、排気温度も比較的低く、かつ浄化された排気
にさらされることが多いので、殆ど劣化することはな
い。
Bについて説明する。
示したものである。
が低下し、これにより、触媒温度に対する排気浄化率の
立ち上がり特性が高温側にシフトしたり(劣化モード
A),立上り後の定常特性においても全体の浄化率が下
がったり(劣化モードB)する。
は、補助触媒コンバータ8の下流側排気センサ6に相当
する)の信号から知ることのできる現象を示す。排気浄
化率が高くなるほど(酸素ストレージ能力が高いほ
ど)、触媒下流の未燃の炭化水素濃度(HC濃度)や触
媒前後の排気センサ信号の相関係数が低く、また、触媒
後排気センサ6の信号の応答性は遅くなる。したがっ
て、これらをモニターすることにより、排気浄化率を算
出できる。
信号Gf,Grの相関係数から排気浄化率を算出する場
合について説明する。
媒前後排気センサ5,6の信号Gf,Grの変化の様子
と、これに併せて触媒温度Tcat,触媒の排気浄化率,
触媒後のHC濃度,触媒前後の排気センサ信号の相関係
数を示す。
は、触媒前排気センサ5の出力信号Gfに基づきフィー
ドバック制御されるが、空燃比フィードバック制御は目
標の空燃比を中心に燃料の増減を繰り返すために、触媒
前排気センサ5の信号Gfは周期的に変動する。
は、初めは触媒前排気センサ5の出力信号Gfと同じ波
形で変動するが、触媒の温度上昇に伴い触媒の浄化率が
高まるために、それに伴い変動が小さく、ゆっくりにな
る。これは浄化率が高まるに従い、触媒の酸素ストレー
ジ効果が上がって、触媒後排気センサ6の信号Grの応
答が遅くなるためである。したがって、触媒前後排気セ
ンサ信号Gf,Grの相関係数と触媒温度Tcatの関
係から、図3の浄化率特性を求めることができる。
び定常特性)について、予め新品の触媒(ここでは、早
期活性化触媒8Aとプリ触媒8Bとで構成される補助触
媒コンバータ8)について求めておき、これを基準の立
ち上がり特性及び定常特性としてコントロールユニット
12に記憶しておく。
る補助触媒コンバータ8の立ち上がり特性や定常特性を
触媒前後排気センサ信号Gf,Grの相関係数と触媒温
度Tcatの関係から算出し、その算出値(モニター
値)を記憶しておく。このモニター特性(診断対象とな
る補助触媒コンバータ8の立ち上がり特性,定常特性の
それぞれ)を基準特性と比較すれば、劣化モードAの劣
化か、劣化モードBの劣化を知ることができる。
Aの劣化が主な原因であり、劣化モードBの場合はプリ
触媒8Bの劣化が主な原因である。
ての診断をコントロールユニット12を用いて次のよう
にして行っている。
た触媒診断装置の構成を示す機能ブロック図で、コント
ロールユニット12の演算部により触媒診断手段20を
構成し、この触媒診断手段20は、排気浄化率検出機
能,触媒劣化モード判別機能,触媒の診断・警報信号発
生機能を備える。
気センサ信号Gf,触媒後排気センサ信号Gr,触媒温
度Tcatを入力して、Tcatの推移とGf,Grの相関デ
ータとから図3で示すような触媒の排気浄化率特性を求
める。
性化触媒8Aの立ち上がり特性の劣化(劣化モード
A)、プリ触媒8Bの定常特性の劣化(劣化モードB)
を判別する。
て基準特性と比較し、劣化モードAの劣化量ΔA(例え
ば、図3の高温側へのシフト量ΔTcat)が所定量以上
の場合には早期活性化触媒8Aの劣化、劣化モードBの
劣化量ΔBが所定量以上の場合にはプリ触媒8Bの劣化
と触媒別診断を行い、それぞれの診断結果を記憶すると
共に、交換が必要な劣化量である場合には、警報信号を
発生する。これにより、本発明では、早期活性化触媒8
A,プリ触媒8Bのどちらが故障しているかを共通の排
気センサ5,6を用いて識別できる。また、故障してい
る触媒のみの交換が可能である。
a、燃料供給量、エンジン始動からの経過時間などから
推定した温度を用いてもよい。活性化触媒12が電流や
高周波で加熱される場合はその電力量の積分値から温度
を推定してもよい。また、それらの推定値の代わりに推
定値に用いたデータを直接用いてもよい。
ーチャートを示す。この制御のフローは所定周期毎に繰
り返し実行される。
に吸入される吸入空気量Qa,エンジン冷却水温TW,
触媒前排気センサ信号Gf,触媒後排気センサ信号G
r,触媒温度Tcat,エンジン回転数Nを取り込む。
fに基づく空燃比制御を行う。
は、冷機運転の目安となる温度)の比較により、触媒
(ここでは、早期活性化触媒8A,プリ触媒8Bの補助
触媒8を対象とする)が冷えた状態である場合はステッ
プ103に進む。ステップ103で触媒前後排気センサ
5,6の信号Gf,Grの相関係数を算出する。
図4の特性から排気浄化率を算出する。ステップ105
でTcat≧Thot(Thotは、暖機運転の目安となる温
度)の比較により、補助触媒8が所定以上、暖まったか
判別し、暖まった場合はステップ106で排気浄化率と
触媒温度の関係(図3の排気浄化率特性)を求め、劣化
モードAの劣化量△A(ΔAは高温側へのシフト量ΔT
catに相当する)と劣化モードBの劣化量△Bを求め
る。
テップ107で温度に対する排気浄化率の立ち上がりの
劣化量ΔAが基準特性からαだけ高温側にシフトした場
合(ΔA>α)、ステップ108で早期活性化触媒8A
が交換必要な程度の劣化(触媒故障)と判定(NG判
定)し、判定結果を記憶して警報する。そうでない場合
はステップ109でOK判定し、記憶する。
化量△Bが所定値β以上かどうか判定し、β以上の場合
はステップ111でプリ触媒8BのNG判定を行い、判
定結果を記憶して警報する。そうでない場合はステップ
112でOK判定し、記憶する。最後にステップ113
で触媒診断完了フラグをセットし終了する。ステップ1
02で触媒が暖まりつつある状態の時はステップ114
で触媒診断完了フラグがセットされているかをみて、セ
ットされているときは終わる。触媒完了フラグがセット
されていない場合はステップ103に進み、排気浄化率
の算出を続行する。
ドAの診断は、次のようにしてもよい。基準の立ち上が
り特性(例えば新品の触媒の排気浄化率の立ち上がり特
性)の代表点となる触媒温度Tcatoとその時の排気浄化
率Cを特定して、そのTcatoに対するモニターされた排
気浄化率C´と浄化率Cとを比較し、C´がCに対して
所定値以上低くなった場合、または、モニターした立ち
上がり特性の勾配が基準の立ち上がり特性の勾配θに比
べて所定値以上に低くなった場合に早期活性化触媒8A
の故障と判断してもよい。
結果は識別できるような別々のコードで記憶される。ま
た、図3に示すような新品触媒の温度に対する基準の浄
化率特性はコントロールユニット12に記憶されてお
り、これにより浄化率モニター値との比較を可能にして
いる。
わりに触媒後排気センサ信号Gfの応答性、触媒後の未
燃の炭化水素濃度(HC濃度)などを用いて、これと触
媒温度との関係で排気浄化率特性を求めてもよい。
する。
るまでの間の排気浄化率の立ち上がり特性を求めて、早
期活性化触媒8Aについては、早期活性化機能の劣化度
を正確に診断するので、今後の厳しい排気ガス規制(例
えば北米排気規制ULEV)に適合した排気浄化装置に
対応し得る触媒診断を可能にする。
ついても診断するので、早期活性化触媒8A,プリ触媒
8Bに対して症状別の劣化診断を可能にし、劣化した部
分の触媒のみの交換が可能となる。
を用いて行うことができる。
バータの他に早期活性化触媒コンバータ(補助触媒コン
バータ)を備えて厳しい排気ガス規制値に適合できるよ
うなエンジン排気浄化装置においても、早期活性化触媒
の機能に対して的確な触媒の劣化診断を可能にする。
に補助触媒コンバータとしてプリ触媒コンバータ及び早
期活性化触媒コンバータを設けた場合、それらの触媒の
劣化診断を症状別に識別して特定することができ、触媒
の的確な交換を可能にする。
成図。
ク構成図。
係数の関係を示す説明図。
温度,触媒浄化率,触媒後のHC濃度,センサ信号相関
関係と併せて示す説明図。
ト。
ェクタ、4…水温センサ、5…触媒前排気センサ、6…
触媒後排気センサ、8…補助触媒コンバータ、8A…早
期活性化触媒、8B…プリ触媒、9…メイン触媒、10
…触媒温度センサ、12…コントロールユニット(触媒
劣化診断手段)。
Claims (6)
- 【請求項1】 排気ガスを浄化するための触媒コンバー
タの前後に配置される排気センサと、前記触媒コンバー
タの温度を検出或いは推定する手段と、前記触媒コンバ
ータの前後における前記排気センサの出力信号の相関係
数を求め、この相関係数と触媒温度から前記触媒コンバ
ータの排気浄化率特性を求める手段と、前記排気浄化率
特性の立ち上がり特性を、予め記憶した基準の排気浄化
率特性の立ち上がり特性と比較することにより触媒コン
バータの劣化を判別する触媒診断手段と、を備えて成る
ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 【請求項2】 前記触媒コンバータは、メインの触媒コ
ンバータの上流に配置され、熱容量がメインの触媒コン
バータより小さく、エンジンの近くに設置されて、エン
ジンの熱により早く暖まるようにして活性化を早めるよ
うにした補助的な早期活性化触媒コンバータである請求
項1記載のエンジンの排気浄化装置。 - 【請求項3】 メインの触媒コンバータの前段に補助触
媒コンバータが配置され、該補助触媒コンバータは、活
性化を早めるよう設定された早期活性化触媒コンバータ
と、活性後の浄化効率を確保するプリ触媒コンバータと
を構成要素とするエンジンの排気浄化装置において、 前記補助触媒コンバータの上流,下流のうち少なくとも
下流側に排気センサが配置され、 且つ、前記補助触媒コンバータの温度を検出或いは推定
する手段と、 前記補助触媒コンバータの温度及び前記排気センサのデ
ータを入力して触媒温度に対する排気浄化率の立ち上が
り特性と、立ち上がり特性後の定常特性とを求め、前記
立ち上がり特性を基準の立ち上がり特性と比較してその
比較結果の特性上のずれ量が所定量以上の場合には、前
記早期活性化触媒コンバータが劣化したものと特定し、
前記定常特性が所定量以上低下している場合には前記プ
リ触媒コンバータの定常特性が劣化しているものと判定
する触媒診断手段と、を備えて成ることを特徴とするエ
ンジンの排気浄化装置。 - 【請求項4】 前記触媒診断手段は、(1)診断対象の
触媒コンバータの触媒温度に対する排気浄化率の立ち上
がり特性が基準の立ち上がり特性よりも高温側に所定量
以上シフトした場合、または、(2)基準の立ち上がり
特性の代表点となる触媒温度Tcato及びその時の基準の
排気浄化率Cを特定して、診断対象の触媒コンバータの
前記代表触媒温度Tcatoにおける排気浄化率C´が前記
排気浄化率Cに対して所定値以上低くなった場合、また
は、(3)診断対象の触媒コンバータの温度に対する排
気浄化率の立ち上がり特性が基準の立ち上がり特性の勾
配θに比べて所定値以上低くなった場合を条件に、交換
が必要な触媒劣化を判定するよう設定してある請求項1
ないし請求項3のいずれか1項記載のエンジンの排気浄
化装置。 - 【請求項5】 前記診断対象の触媒コンバータの温度
は、エンジンに吸入される吸入空気量、燃料供給量、触
媒の活性化を早める触媒に加えられる電力、エネルギー
のいずれかの積算値、エンジン始動からの経過時間、エ
ンジンの回転数、負荷、エンジン冷却水温度のいずれか
に基づいて推定されるように設定してある請求項1ない
し請求項4のいずれか1項記載のエンジンの排気浄化装
置。 - 【請求項6】 前記触媒劣化が判定されると警報を発す
るように設定してある請求項1ないし請求項5のいずれ
か1項記載のエンジンの排気浄化装置。
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