JP3587137B2

JP3587137B2 - Exhaust gas purification equipment

Info

Publication number: JP3587137B2
Application number: JP2000192653A
Authority: JP
Inventors: 大須賀　　稔; 護藤枝; 伸夫栗原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JP2001020728A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気系に設けたＮＯｘ浄化触媒の評価方法及びその評価装置及びその触媒効率制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来提案されているＮＯｘ浄化触媒の効率低下や劣化を推定する方法としては、特開平４−２６５４１４号公報にみられるように、自動車の走行距離をパラメータとし、走行距離がある値以上になるとＮＯｘ浄化触媒の効率が充分低下したと見なしていた。
【０００３】
また、ＮＯｘ浄化触媒に使用されるＨＣの量が不足している時にＨＣの量を増加する方法が特開平３−２２９９１４号公報で提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では走行距離等で触媒の評価を行っているため正確な評価ができないといった問題がある。また、異なる特性の触媒の双方の診断を正しく評価することについての配慮がなされていない。
【０００５】
また、ＨＣの量の不足に関しては触媒の評価と関係なくＨＣの量を制御していたので、これも正確な状態でＨＣの量の制御ができないという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、リーン内燃機関の排ガスダクトに設けられ、リーン空燃比でＮＯｘを浄化する触媒と、リーン燃焼内燃機関の排ガス浄化触媒を評価する装置を備えた排ガス浄化装置であって、内燃機関がリーン運転であるかどうかを判断する手段と、リーン運転であると判断したときに触媒の評価を開始する手段と、センサを用いて該触媒の下流における排ガス中の酸素の濃度が該ＮＯｘ触媒に入るガス中の酸素濃度よりも大きいことを検出して、該触媒の劣化を診断する手段を備えることを特徴とする排ガス浄化装置により解決される。
【０００７】
また、上記課題は、リーン内燃機関の排ガスダクトに設けられ、リーン空燃比でＮＯｘを浄化する触媒を含む複合触媒システムと、リーン燃焼内燃機関の排ガス浄化触媒を評価する装置を備えた排ガス浄化装置であって、内燃機関がリーン運転であるかどうかを判断する手段と、リーン運転であると判断したときに触媒の評価を開始する手段と、センサを用いて該触媒の下流における排ガス中の酸素の濃度が該ＮＯｘ触媒に入るガス中の酸素濃度よりも大きいことを検出して、該触媒の劣化を診断する手段を備えることを特徴とする排ガス浄化装置によっても解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の全体システムの一実施例を示す。エンジン１の排気管２に触媒３が設置されている。触媒３はリーン空燃比でのＮＯｘを浄化するリーンＮＯｘ触媒４と理論空燃比でＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣを浄化する三元触媒又は酸化触媒５が配置されている。この両者を切換弁６で運転状態により使いわけるように構成する。リーンＮＯｘ触媒としては例えば、銅−ゼオライト系に金属を担持したものが考えられる。この触媒は一般的に高温，リッチ空燃比で劣化するという特性を持っている。このため、出力運転域，始動暖機時等ではリーンＮＯｘ触媒をバイパスした方が良い場合がある。このため切換弁６を設けている。リーン運転域では、切換弁６を閉じて排気ガスをリーンＮＯｘ触媒に供給するようにする。また、混合気が濃くなるエンジンの出力運転域，始動暖機時には切換弁６を開いて、排気ガスを後流の三元触媒あるいは酸化触媒に供給するようにする。このリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘの転換効率を検出するために、例えば触媒３の前後に排気ガス状態を検出するセンサ７，８を設けている。このセンサ７，８は例えば空気過剰率λ＝１でステップ的に出力が変化する酸素センサや、空気過剰率に比例して出力が変化する空燃比センサでもよい。この両者のセンサの検出値はコントロールユニット９に取り込まれて、その比較結果により触媒の浄化効率あるいは劣化度を推定する。エアクリーナ１０から流入する空気はその量を空気量センサ１１により測定されたあと、電動モータ１２で駆動されるスロットル１３を介してコレクター１４に流入する。その後独立吸気管１５を通りエンジン１に吸入される。吸気ポート部１６には、スワール生成のためのバイパス通路１７と分流弁１８が設けられている。リーン運転領域では、燃焼室内に旋回流つまりスワールを形成し燃焼を改善する必要がある。このため、このようなときは分流弁１８を閉じて空気をバイパス通路１７を通るようにする。空気に偏流が起こるので結果的に燃焼室内にスワールが生成される。燃料は燃料噴射弁１９から供給される。混合気への点火は点火プラグ２０で行われる。エンジンの回転数検出のためのクランク角検出器２１がクランク軸２２に設けられている。
【０００９】
図２にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘのＮ_２への転換効率を示した。図２（Ａ）は触媒温度と転換効率の関係を示したものである。この触媒はある温度範囲で高い効率を示す。しかし、この高い効率を示す温度は触媒が劣化すると高温側に移行するという特性がある。この様子を図２（Ｂ）に示す。最高効率を示す温度が走行距離が多くなるつまり劣化するに従って高くなっているのがわかる。また、図３（Ａ）に排気ガス内のＨＣ量と転換効率の関係を示す。ある量のＮＯｘに対してはＨＣ量に最適な値があり、この点になるようにＨＣ量を制御する方が高い浄化率が得られる。しかし、この最高転換率を示すＨＣ量も図３（Ｂ）に示すように劣化すると変化してしまう。このことから劣化を検出してＨＣ量をそれに応じて変化させる必要がある。
【００１０】
次に、触媒の転換効率，劣化度を検出する方法について説明する。図４（Ａ）に示したように、排気管３内に設置されたリーンＮＯｘ触媒４のエンジン側３０の排気ガス成分は、ＮＯｘ還元に関するもののみをあげるとＮＯｘ，ＨＣ，Ｏ_２となる。図４（Ｂ）にガスの分子を模式的に示した。窒素はＮ，未燃炭化水素はＨＣ，酸素は○印で示した。触媒上では、ＨＣと酸素が反応して、中間生成物（四角で囲んだＨＣで表示。）となりこれがＮＯｘに作用してＮ_２に分解する。このため、触媒の下流３１の排気ガスはＮ_２，Ｈ_２Ｏ，ＣＯ_２となり、ＮＯｘは還元されていることがわかる。この場合図４（Ｂ）に示したように、触媒の前後で酸素の濃度が変化する。したがって転換効率の変化を検出する検出法の一例としては、このリーンＮＯｘ触媒前後の酸素濃度を検出する方法が考えられる。
【００１１】
図５に検出の原理を示す。図５（Ａ）に示したように酸素濃度を検出するセンサ７，８を触媒の前後に装着する。センサ７，８の構成は、例えばジルコニアの固体電解質３２の両側に白金電極３３ａ，３３ｂが設けられている。この電極のうちの排気ガス側の電極３３ａの排気側にガスの拡散を律する拡散抵抗体３４が形成されている。電極３３ａを接地側として排気管３等の筺体に接続する構成とする。この場合、もう一方の電極に所定の電位を印加するとこの時の電流値が排気ガス側の酸素濃度に比例するようになる。つまり電流値を検出することによって酸素濃度を測定できる。センサ８の構成，動作原理もセンサ７と同じである。
【００１２】
図５（Ｂ）に排気ガス組成の模式図を示した。（イ）のように反応前には窒素，ＨＣ，酸素が共存している。しかし、センサ７の電極３３ａ上では、白金の触媒作用でＨＣがほぼ完全に酸化される、このため（ロ）に示したように検出される酸素濃度は、反応した酸素が少なくなっている一点鎖線で囲んだ量となる。一方触媒４の後流では（ハ）に示したように、ＨＣはほぼ完全に反応し、なおかつＮＯｘの還元により分解した酸素があるために、検出される酸素濃度は一点鎖線で囲んだ量となるので（ロ）の状態よりは多くなっている。このため（ロ）（ハ）の一点鎖線で囲んだ酸素量を比較するとわかるように、触媒４の前後で検出される酸素量が異なっている。図５（Ｃ）に示したように酸素量を検出するセンサの信号は、異なった値を示すようになる。
【００１３】
図６に劣化度あるいは転換効率の検出の原理を示す。図６（Ａ）は装置の概略である。センサ７，８の電極３３ｂに所定の電圧Ｖを印加する、この時固定抵抗Ｒ_１，Ｒ_２に流れた電流の電圧降下分をＶ_１，Ｖ_２として差動増幅器３６，３７で検出する。このＶ_１，Ｖ_２がそれぞれのセンサ７，８の固体電解質３２に流れる電流値すなわち検出される酸素濃度である。このＶ_１，Ｖ_２の差を再び差動増幅器３９で検出する。この差Ｖ_２−Ｖ_１が劣化度に関連する値である。このセンサは、図６（Ｂ）に示したように、酸素濃度によって出力が変化するものなので、触媒４の前後の酸素濃度の差が検出できる。その様子を図６（Ｃ），図６（Ｄ）に示す。Ｖ_２の方が酸素濃度が多い分だけ高い出力となっている。ここで、触媒前のセンサ７の出力Ｖ_１は空燃比制御に用いることができる。もちろん、触媒後センサ８の出力Ｖ_２をも併せ空燃比制御に用いてもよい。またここでは、Ｖ_１とＶ_２の差を差動増幅器３９で検出しているが、Ｖ_１，Ｖ_２をアナログ−ディジタル変換器で変換しマイクロコンピュータに取り込んで、その差分を演算処理により求めてもよい。その場合のフローチャートを説明する。まず初めに図７は空燃比制御する場合のフローチャートである。まずステップ１００でＶ_１を測定し、ステップ１１０で図７（Ｂ）に示したような目標空燃比（Ａ／Ｆ）に対するセンサの目標出力Ｖｒｅｆを、エンジン回転数Ｎと負荷のマップから検索してくる。ステップ１２０でＶ_１とＶｒｅｆを比較し、Ｖ_１が大きければ現在の空燃比が目標よりリーン側になっていると判断して、ステップ１３０で燃料噴射量Ｔｉを増加して空燃比をリッチ側に移行する。また、Ｖ_１が小さい場合は、現在の空燃比がリッチ側になっていると判断しステップ１４０でＴｉを減少する。以上のようにＴを決定してステップ１５０で燃料噴射弁１９に出力する。このようにして、転換効率あるいは劣化を検出するセンサを用いて空燃比制御が実現できる。
【００１４】
次に図８に触媒の劣化を検出するためのフローを示す。ステップ２１０でＶ_１，Ｖ_２を測定し両者の差を演算する。次にステップ２２０でこの差が所定値以下の場合、ステップ２３０に進み触媒によるＮ_２の還元作用による酸素の増加分が少なかったと判断し触媒が劣化したと推測する。つまり、劣化と判断しその劣化度を表示する。触媒前後の酸素濃度差、つまりＶ_１，Ｖ_２の差が大きい方が触媒の還元作用が強く、劣化していないことになる。
【００１５】
図９に精度を向上した劣化判定法を示す。ステップ３００でＶ_１，Ｖ_２の差を計算し、ステップ３１０で触媒温度Ｔｃまたは排気ガス温度がある範囲内になっているかを判定する。これは、図２に示すように、触媒の転換効率は温度に依存するので温度が変わった場合効率の低下と判断する可能性があるためである。このため、いつも所定の温度範囲内にある場合のみ劣化判定を実現するようにする。またこのことは、センサの温度特性を無視できるという意味においても有効である。温度がある範囲内にあると判断した後の劣化判定は図８と同じである。つまり、ステップ３２０でＶ_２−Ｖ_１の差が基準値以下であればステップ３３０で劣化と判定し、更にステップ３４０でこの差に対応した劣化度を表示する。
【００１６】
次に図１０に別の検出法を示す。ここで用いるセンサは図１０（Ｂ）に示すように酸素濃度（空燃比）に対して非線形な出力特性を持つ酸素センサである。このようなセンサの場合は、センサ７，８の排気側の電極４０ａ上に設けられた拡散膜４２は簡単なもので十分である。具体的には図５の拡散膜３４より薄い層でよい。図１０（Ａ）に示した装置では、このような出力が２値形の酸素センサを用いている。このようなセンサでは排気側の電極４０ａを接地し、もう一方の電極４０ｂに発生する電圧（起電力）Ｖ_１，Ｖ_２を検出する。この両者のセンサの電圧の差を基に劣化度を検出する。より具体的には図１０（Ｂ）にあるように排気ガスが理論空燃比よりうすい時のＶ_１，Ｖ_２を測定し、差動増幅器４４で出力値の差を検出するようになっている。しかし、前述したように、マイクロコンピュータに取り込んで両者の差を演算で求めてもよい。この差により触媒の劣化度を推定する。図１０（Ｃ），図１０（Ｄ）にＶ_１，Ｖ_２の出力例を示す。触媒後の出力は図１０（Ｄ）に示したように、ガス中に酸素が相対的に多く含まれているので、図１０（Ｃ）に示した出力値より小さくなっている。このＶ_１，Ｖ_２の差が劣化度に関連した指標となる。
【００１７】
図１１に更に別の実施例を示す。この場合は前置触媒５３と後流の後置触媒５４を直列に配置した構成のもので、センサ５０，５１，５２をそれぞれ３個配置した。前置触媒５３の効率および劣化はセンサ５０，５１で前述した方法で検出する。また、後置触媒５４の効率および劣化はセンサ５１，５２でまたは、センサ５０，５２で検出するようにする。このような配置にすることにより、複合触媒システムの劣化診断が可能になる。触媒の種類としては前置触媒５３をＮＯｘ還元触媒として後置触媒５４を三元触媒または酸化触媒とする。この場合、ＮＯｘ還元触媒５３の劣化を判断する方法は前述したようにセンサ５０，５１の検出出力を比較することにより行う。また、後置触媒５４の劣化判断にはセンサ５１，５２の信号を使用するか、またはセンサ５０，５２を用いて後置触媒５４の診断をしてもよい。センサ５０，５１，５２の信号はマイクロコンピュータ９に取り込まれ、演算処理される。この場合の制御フローチャートを図１２に示す。ＮＯｘ還元触媒５４はリーン運転域でＮＯｘ浄化の触媒作用を示すので、ステップ４００でリーン運転域を判断してリーン運転域の場合は診断モードを開始する。つまりステップ４１０で触媒５３の前後のセンサ５０，５１の信号Ｖ_１，Ｖ_２を測定しステップ４２０で劣化度を診断する。この診断は図８，図９のフローチャートを用いる。その後該当触媒の劣化度をステップ４３０で表示する。また、後置触媒の場合はステップ４４０で空気過剰率λ＝１での運転時に劣化を判断する。この運転状態の時にはステップ４５０でセンサ５０，５２の出力Ｖ_１，Ｖ_３を測定し、その信号を基にステップ４６０で劣化を診断する。またこの場合、センサ５１，５２の出力Ｖ_２，Ｖ_３を測定して同様に劣化を判断してもよい。以上のように、複数の触媒を用いる複合触媒システムでは、それぞれの触媒が作用する領域の時にその触媒の効率または劣化を診断する方法がよい。
【００１８】
図１３に更に別の実施例を示した。この場合は、複数の触媒が並列に配置されている。触媒５５，５６は並列に配置されており、負荷や電動で動作するアクチュエータ５８で駆動される切換弁５７で運転状態に応じて選択的にガスを流す触媒を選択する。例えば、触媒５６に排気ガスが流れるように切換弁５７Ａが開かれていると、触媒５５には排気ガスが流れないように切換弁５７Ｂが閉じている。この場合は、触媒５６が動作すべき運転状態の時に、センサ５８，５９の信号を基に触媒５６の効率や劣化を判断する。また、切換弁５７Ａ，５８Ｂを回転することにより、触媒５５にガスが流れるようにした場合は、触媒５６にはガスが流れなくなる。この場合は、触媒５５の動作すべき運転状態の時にセンサ５８，５９の信号を基に触媒５５の効率や劣化を判断する。アクチュエータ５８の動作、センサ５８，５９の信号の取り込み、演算はマイクロコンピュータ９で行う。
【００１９】
その場合のフローチャートを図１４に示す。図１３の触媒の一方をＮＯｘ還元触媒、もう一方を三元触媒あるいは酸化触媒とした場合について説明する。まずステップ５００でリーン運転域かどうかを判断し、リーン運転域の場合はステップ５１０で切換弁５７Ａを動作させＮＯｘ還元触媒に排ガスを供給する。その後条件が成立したらステップ５２０でセンサ５８，５９の信号を測定してステップ５３０でＮＯｘ触媒用の劣化診断を行いステップ５４０で診断結果を表示する。
【００２０】
また、リーン運転以外の場合はステップ５５０で切換弁５７Ａを閉じ、逆に切換弁５７Ｂを開くように切り換えて三元触媒に排気ガスを流すようにする。その後、ステップ５６０で理論空燃比λ＝１の運転状態であるかどうかを判断し、λ＝１の場合はステップ５７０でセンサ５８，５９の信号を測定してステップ５８０で三元触媒用の劣化診断を行い、その後ステップ５４０で診断結果を表示する。
【００２１】
図１５に更に別の方法を示した。センサ６１の一方に触媒６０の上流のガスを導き、もう一方の面に触媒下流のガスを導くように構成し、一個のセンサで触媒前後のガス中の酸素濃度の差を検出するようにしている。ここで、排気管３のガスのほとんどは触媒に流れる。しかし、その一部は通路６２を流れてセンサ６１の一方側に設けられたチャンバ６３に導かれる。そのガスは、触媒の前流に設けたベンチュリ６５の吸引作用で、通路６２，チャンバ６３，通路６４と流れる。
【００２２】
一方センサ６１の排気管側には、触媒６０の後流のガスが導かれる。このセンサ６１の構造を図１５（Ｂ）に示す。センサの左側には触媒上流のガスが導かれ、右側には触媒後流のガスが導かれるようにする。このセンサはジルコニアの固体電解質６６の両側に白金の電極６７ａ，６７ｂが設けられており、さらにその外側には多孔質の保護膜６８ａ，６８ｂが設けられている。固体電解質６６の両側とも触媒作用があり、ＨＣを酸化させることができる。このようにすることにより、固体電解質６６では酸化した後の残存酸素を検出することになる。この場合両側の酸素濃度の差を検出すればよいので、酸素濃淡電池である固体電解質は好都合である。更に、一方側の電極６７ｂを接地し、もう一方の電極６７ａの電位を測定すれは、その検出値は酸素の濃度差を示すことになる。この測定した電位はマイクロコンピュータ９に取り込んで処理される。
【００２３】
センサ６１の更に具体的構成を図１６に示す。保護管７０の中にセンサが配置されている。触媒後流の排気ガス側の電極６７ｂは絶縁材７１にプリントされた導線を介して保護管７０により接地される。また、もう一方の触媒前流の排気ガス側の電極６７ａはコネクタ部６９から外部に導かれる。センサ本体は排気管７２に固定的に捩じ込まれる。このような構成にすることにより、触媒前後の排気ガスをセンサのそれぞれの面に導くことができる。このセンサは酸素濃淡電池なのでセンサの両側の酸素濃度の差によって、図１６（Ｂ）のような特性を示す。センサが劣化しない場合は、図５に示したようにＮＯｘの酸素が還元されるので、触媒後流の排ガス中の酸素濃度が大きくなる。センサの両側の酸素濃度差が大きい場合は、（イ）のようにセンサの出力は低くなる。一方、両側の酸素濃度差が小さい場合は、固体電解質６６に起電力が発生し（ロ）のように出力は大きくなる。このため、図１６（Ｃ）に示したように経過時間がたつにつれて、センサの出力は大きくなる。これを検出すれば、触媒の劣化を検出できる。このように、一個のセンサで検出すると、検出面が温度的に同一になっているので検出の温度依存性が少なくなり、検出精度が向上する。
【００２４】
図１７に検出のフローチャートを示す。まずステップ６００でリーン運転域かどうか判断し、さらにリーン運転の場合はステップ６１０で排気ガス温度Ｔｇがある所定値内にあるかどうかを判断する。温度がある所定値の範囲内になっている場合はセンサも活性化されているし、触媒の温度依存性を回避することができる。このようにセンサが活性化する温度のみを選ぶことによりセンサにヒータを設ける必要がなくなる。その後、ステップ６２０でセンサの出力を測定し、ステップ６３０で劣化度を判定する。この判定法は、検出したセンサの出力値がある基準値以上かあるいは以下かを判定することで行える。そしてステップ６４０で劣化度を判定してその度合い表示する。
【００２５】
図１８に更に別の実施例を示す。リーン運転時には、切換弁６を閉じることにより排気ガスはＮＯｘ還元触媒４に流れ、その後流にある三元触媒５に流れる。
【００２６】
この時、切換弁６を多少ガスが漏れるように作っておき、図１６（Ａ）に示すようなセンサ７３に触媒４に上流のガスが流れるようにする。また、センサ７３のもう一方の面には触媒４を通ったガスが流れるようになっている。センサの信号はマイクロコンピュータ９に取り込まれて演算処理される。また、切換弁６を開くと排気ガスはＮＯｘ還元触媒４には流れずに三元触媒にのみ流れるようになる。
【００２７】
図１９に別の実施例を示す。ここでは、切換弁６の上流に図１６（Ａ）に示すようなセンサ７３を配置する。この切換弁６は、マイクロコンピュータ９の指令により駆動装置７４を介して駆動される。センサ７３には触媒前後のガスが導かれるようになる。切換弁６の位置をセンサ７３の後流に持ってきたのは、センサ７３の触媒前流側の面に触媒４後流のガスが流れ込まないようにするためである。
【００２８】
図２０に更に別の実施例を示した。リーン運転時は切換弁７５を開いて排気ガスをＮＯｘ還元触媒４に流す。この場合、センサ７８の触媒４の後流の排気ガス面には触媒後流のガスが流れるようになる。しかし、切換弁７５からはガスが少し排気管７６の方に流れるので、センサ７８の触媒４の前流排気ガス面には触媒上流のガスが流れるようになっている。リーン運転以外の運転状態では切換弁７５を点線のように切り換えて排気ガスを排気管７６の方に流す。排気管７６には三元触媒５が配置されている。このような構成でも一個のセンサで触媒の劣化を検出できる。
【００２９】
次に触媒の劣化および効率を検出した後に効率を向上させるためのエンジン制御法について説明する。図２１はそのシステムの全体面である。触媒４の前後にセンサ７，８が取り付けられている。また、ガスの温度を検出するセンサ８０が排気管に取り付けられている。触媒の劣化をセンサ７，８の出力から判断したあとに、図２で示したように、効率が最高となる温度，ＨＣ濃度に制御する必要がある。このための方法について説明する。温度を制御する方法としては、一つとしてエンジン１の冷却水８６の循環を制御する方法がある。制御弁８７により冷却水の循環量を少なくするとエンジン１の燃焼温度が上がって排気温度が上昇する。つまり触媒４が劣化したと判断されたら冷却水の循環を制御して排気ガス温度を上昇させ、効率の低下を防止する。また、温度を制御する別の方法は、点火装置８４，点火プラグ２０による点火時期を制御することが考えられる。点火時期を遅らせると排気温度は上昇する。つまり、触媒が劣化したら点火時期を多少遅らせて排気温度を上昇させ効率の低下を防止する。また、劣化により要求ＨＣ量が変化するので、劣化した場合はＨＣ量を増加しなければならない。その方法を次に説明する。噴射弁１９の燃料噴射タイミングを変化させるとＨＣ排出量が変化するので、劣化した場合はコントローラ９により設定燃料噴射タイミングを変化させる。さらに、噴射弁１９が気流により燃料を微粒化するエアアシスト噴射弁の場合は、アシストエアを減量するか停止すると燃料の微粒化が悪くなるので、ＨＣ排出量が増加する。また、分流弁１８が閉じてスワール通路１７を吸気を通すようにすると燃焼室内に旋回流が生成され燃料が改善される。このため、分流弁１８を半開きにすることにより、スワール通路１７以外を通る空気を増加させることにより、燃焼を悪化させる。このことによりＨＣ排出量が増大する。
【００３０】
さらに、冷却水の循環量を多くしエンジンを冷却するとＨＣ排出量が増加する。また、点火時期を早めてもＨＣ排出量は増加するので、触媒が劣化したらその劣化の度合いに応じて点火時期を早めてもよい。また、排気側でも触媒温度，ＨＣ排出量を増大することができる。燃料タンク８２内の上部に溜っている燃料の気化分をポンプ８３などで触媒上流の排気管に供給する。気化燃料はＨＣなので、触媒に供給することで触媒の効率を向上することができる。さらに、気化燃料は軽質のＨＣなので燃焼しやすく、燃焼することによって触媒温度が上昇する。
【００３１】
温度を上昇させる別の方法として、触媒を電気ヒータ８８で加熱する方法がある。コントローラ９からの信号により駆動回路８１でヒータに電気を供給する。ヒータが加熱され、触媒温度は上昇し効率は向上する。このヒータは触媒の担体を導電性の材料で作って、電気を流すようにしてもよい。
【００３２】
図２２に触媒の温度を変える別の方法を示した。これは排気管３に燃焼器を設けた構成を採用しているもので、点火装置のための駆動回路９０からの電圧で点火プラグ９１で火花が形成される。燃料噴射弁９２から燃料が燃焼器９３内に噴射される。また、燃焼器９３にはポンプ９４で空気を供給する。チャンバ９３に噴射された燃料は、点火プラグ９１により着火されて触媒前の排気管内に火炎が形成される。この火炎により触媒の温度が上昇する。また、図中には電気ヒータ８８の構成も示されている。触媒４の外側を包むようにして電気ヒータ８８を構成することにより触媒を加熱することができる。尚、それぞれの方法は、組み合わせてもよいがそれぞれ独立でもよい。つまり、どれか一つの方法のみでも成立する。
【００３３】
図２３に制御のフローチャートを示す。ステップ７１０で触媒の劣化度を検出したら、ステップ７２０でその劣化度に応じてＨＣの増減が必要かを判断する。必要と判断された場合はステップ７３０で劣化度に応じてＨＣの増減量を決定する。その後、ステップ７４０で図２１，図２２に示したＨＣ増減手段のどれか一つまたはいくつかを組み合わせて触媒へのＨＣ供給量を増減する。一般的にＮＯｘ還元触媒が劣化した場合は、その効率を確保するために触媒へのＨＣ供給量は増加させる必要がある。尚、ステップ７１０で、触媒の劣化度を検出したら、ステップ７５０でその劣化度を表示する。
【００３４】
図２４に触媒の温度を変更させるための制御フローを示す。ステップ８００で触媒の劣化度を検出したら劣化度を表示するとともに、ステップ８１０で触媒動作温度を変更する必要があるかどうか判断する。必要と判断するとステップ８２０で温度変化量を決定したら、ステップ８３０で図２１，図２２に示した温度変更手段のどちらか一つまたはいくつかを組み合わせて触媒の温度を変更する。その後、ステップ８４０で所定温度になったかどうかを判断し、所定温度になったらフローを終わる。
【００３５】
図２５に触媒の転換効率が常に最高の状態になるように制御する方法のフローを示す。まずステップ９００でリーン運転域かどうかを判断し、リーン運転の場合は次にステップ９１０で定常運転かどうかを判断する。リーン運転中で定常運転の場合は、ステップ９２０で触媒の効率を測定するセンサの信号をリードし、ステップ９３０で触媒の転換効率を見積もる。次にステップ９４０で効率が低くなっている場合は、ステップ９５０で触媒温度，ＨＣ供給量をかえる効率変更変手段によりそれぞれのパラメータを制御する。その後、ステップ９６０で効率が向上したかどうか判断し、向上した場合はパラメータを変更したままにして終了し、また、効率が向上しなかったら、ステップ９７０でパラメータを変更しないまえの状態に戻して終わる。このようにすることにより、常に転換効率のよい状態でエンジンを運転することができる。
【００３６】
図２６に効率，劣化度の別の検出法を示す。図２６（Ａ）において触媒４前後のセンサ７，８の出力信号の変動幅ΔＶを比較するものである。図２６（Ｂ），図２６（Ｃ）に示すように触媒４の上流の酸素濃度が変動している場合、その変動の状況はセンサ７の変動幅ΔＶ_１の大きさでわかる。触媒が新しい場合は、ＮＯｘ還元の反応が活発なために触媒４後流の酸素濃度も大きく変動する。しかし、触媒が劣化してくるとＮＯｘの還元作用が鈍くなるので、酸素濃度の変化はあまりなくなる。そこで、触媒４後流のセンサ８の出力信号の変動幅ΔＶ_２が小さくなる。この変動幅の変化を検出して、触媒の劣化度を検出する。そのフローチャートを図２７に示す。ステップ１０００でリーン運転域でかどうか判定し、リーン運転域で触媒が所定温度域であるとステップ１０１０で判定すると、ステップ１０２０でΔＶ_１，ΔＶ_２を検出して計算する。その後ステップ１０３０でΔＶ_２／ΔＶ_１を計算する。次にステップ１０４０でこの値が所定値以下の場合は効率が低下したと判断し、ステップ１０５０で劣化度表示を行うと共にステップ１０６０で効率向上手段を動作させる。尚、効率を判断する場合は、効率向上手段の制御を省略することができる。
【００３７】
図２８に更に別の劣化度，効率の検出手段を示す。図２８（Ａ）においてエンジン１に供給される空燃比を、燃料噴射弁１９の噴射量，スロットル開度を故意に変えることにより変化させて、その時の触媒４の前後のセンサ７，８の信号の挙動の差から触媒の劣化度を検出する。図２８（Ｂ）に示したように、空燃比をステップ的に変化させた場合、センサ７，８の出力もステップ的に変化する。しかし、触媒が劣化している場合には、触媒前後のセンサ７，８の応答の違いが、劣化していない場合に比べ変化して来る。例えば、図中の実線は空燃比に対して線形な出力を示すセンサの挙動を示したものであるが、応答の時定数τの違いが劣化すると大きくなる。また、点線は通常の酸素センサの出力の挙動を示したものであるが、ここでも応答の時定数τの違いが劣化すると大きくなる。図２８（Ｃ）は供給側の空燃比をランダムもしくはある規則に従って変化させる。この時のセンサ７，８の信号の変化の相関性から触媒の劣化度を検出する。センサ８の信号がセンサ７の信号に比べて大きく崩れて（鈍って）いる場合は、触媒が劣化していると判断できる。その時のフローチュートを図２９に示す。ステップ１１００でリーン運転域及び定常運転と判断すると、ステップ１１１０で触媒が所定温度域か判断する。次にこれを満足するとステップ１１２０でエンジンへの供給空燃比を変更する。次にステップ１１３０でこの時の触媒前後のセンサの信号Ｖ_１，Ｖ_２の変化時間τの挙動の違いから、図２８に示した方法で触媒の劣化度を検出する。ステップ１１４０で劣化している場合は、ステップ１１５０で劣化度を表示し、次にステップ１１６０で図２１，図２２に示した効率を向上する手段を動作させる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、各触媒に対して使用動作環境に適した的確な診断が可能となる。また効率の低下を回避するようにエンジン制御を実行することができ、高い排気浄化特性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】全体のシステム図。
【図２】触媒の転換効率の特性図。
【図３】触媒の転換効率の特性図。
【図４】触媒浄化の原理を説明する図。
【図５】本発明の劣化検出の原理を説明する図。
【図６】本発明の検出方法の概要図。
【図７】本発明のフローチャート。
【図８】本発明のフローチャート。
【図９】本発明のフローチャート。
【図１０】本発明の他の検出方法の概要図。
【図１１】本発明の他の検出装置の概要図。
【図１２】図１１の制御のフローチャート。
【図１３】本発明の他の検出装置の概要図。
【図１４】図１３の制御のフローチャート。
【図１５】本発明の他の検出方法の概要図。
【図１６】図１５の検出用センサの構成図。
【図１７】図１５の制御のフローチャート。
【図１８】本発明の他の検出方法の概要図。
【図１９】本発明の他の検出方法の概要図。
【図２０】本発明の他の検出方法の概要図。
【図２１】全体のシスシム図。
【図２２】全体のシスシム図。
【図２３】図２１，図２２の制御のフローチャート。
【図２４】図２１，図２２の制御のフローチャート。
【図２５】図２１，図２２の制御のフローチャート。
【図２６】本発明の他の検出方法の概要図。
【図２７】図２６の制御のフローチャート。
【図２８】本発明の他の検出方法の概要図。
【図２９】図２８の制御のフローチャート。
【符号の説明】
４…ＮＯｘ還元触媒または三元触媒、５…三元または酸化触媒、７，８…センサ、９…コントロールユニット、１７…スワール生成通路、３２…固体電解質、３４…拡散抵抗体、５０，５１，５２…センサ、５７…排気切換弁、８２…燃料タンク、８８…ヒータ、９１…点火プラグ、９２…燃料噴射弁。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for evaluating a NOx purification catalyst provided in an exhaust system of an internal combustion engine, an apparatus for evaluating the catalyst, and a method for controlling the catalyst efficiency.
[0002]
[Prior art]
As a method of estimating the efficiency reduction or deterioration of the NOx purifying catalyst conventionally proposed, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-265414, the mileage of an automobile is used as a parameter. It was considered that the efficiency of the purification catalyst was sufficiently reduced.
[0003]
Further, a method of increasing the amount of HC when the amount of HC used for the NOx purification catalyst is insufficient is proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-229914.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional technique has a problem that accurate evaluation cannot be performed because the catalyst is evaluated based on the traveling distance or the like. Also, no consideration is given to correctly evaluating the diagnosis of both catalysts having different characteristics.
[0005]
Further, regarding the shortage of the amount of HC, since the amount of HC is controlled irrespective of the evaluation of the catalyst, there is a problem that the amount of HC cannot be controlled in an accurate state.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The above issues are An exhaust gas purifying apparatus provided in an exhaust gas duct of a lean internal combustion engine and comprising a catalyst for purifying NOx at a lean air-fuel ratio and a device for evaluating the exhaust gas purifying catalyst of the lean internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is in a lean operation. Means for judging whether or not the operation is lean, means for starting the evaluation of the catalyst when it is determined that the operation is lean, and the concentration of oxygen in the exhaust gas downstream of the catalyst using a sensor. An exhaust gas purifying apparatus characterized by comprising means for detecting that the catalyst concentration is higher than the oxygen concentration and diagnosing deterioration of the catalyst. Will be resolved.
[0007]
In addition, the above problems An exhaust gas purification apparatus comprising: a composite catalyst system provided in an exhaust gas duct of a lean internal combustion engine and including a catalyst for purifying NOx at a lean air-fuel ratio; and an apparatus for evaluating an exhaust gas purification catalyst of a lean combustion internal combustion engine. Means for judging whether the operation is lean operation, means for starting evaluation of the catalyst when it is judged that the operation is lean operation, and the concentration of oxygen in the exhaust gas downstream of the catalyst using the sensor, Exhaust gas purifying apparatus, characterized in that the exhaust gas purifying apparatus is provided with a means for detecting that the concentration is higher than the oxygen concentration in the gas entering the apparatus and diagnosing the deterioration of the catalyst. Therefore, it is also solved.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows an embodiment of the overall system of the present invention. A catalyst 3 is provided in an exhaust pipe 2 of the engine 1. The catalyst 3 includes a lean NOx catalyst 4 for purifying NOx at a lean air-fuel ratio and a three-way catalyst or an oxidation catalyst 5 for purifying NOx, CO and HC at a stoichiometric air-fuel ratio. The switching valve 6 is used depending on the operation state. As the lean NOx catalyst, for example, a catalyst in which a metal is supported on a copper-zeolite system is considered. This catalyst generally has the property of deteriorating at high temperatures and rich air-fuel ratios. For this reason, it may be better to bypass the lean NOx catalyst in the output operation range, during startup warm-up, and the like. For this purpose, a switching valve 6 is provided. In the lean operation region, the switching valve 6 is closed to supply the exhaust gas to the lean NOx catalyst. In addition, the switching valve 6 is opened at the time of the engine output operation region where the air-fuel mixture becomes rich, or at the time of start-up warm-up, so that the exhaust gas is supplied to the downstream three-way catalyst or the oxidation catalyst. In order to detect the NOx conversion efficiency of the lean NOx catalyst, for example, sensors 7 and 8 are provided before and after the catalyst 3 to detect an exhaust gas state. The sensors 7 and 8 may be, for example, an oxygen sensor whose output changes stepwise at an excess air ratio λ = 1, or an air-fuel ratio sensor whose output changes in proportion to the excess air ratio. The detection values of these two sensors are taken into the control unit 9 and the purification efficiency or the degree of deterioration of the catalyst is estimated based on the comparison result. The amount of air flowing from the air cleaner 10 is measured by an air amount sensor 11 and then flows into a collector 14 via a throttle 13 driven by an electric motor 12. Thereafter, it is sucked into the engine 1 through the independent intake pipe 15. The intake port section 16 is provided with a bypass passage 17 for swirl generation and a flow dividing valve 18. In the lean operation region, it is necessary to form a swirling flow or swirl in the combustion chamber to improve combustion. Therefore, in such a case, the flow dividing valve 18 is closed to allow the air to pass through the bypass passage 17. The swirling of the air results in swirl being generated in the combustion chamber. Fuel is supplied from a fuel injection valve 19. The ignition of the air-fuel mixture is performed by a spark plug 20. A crank angle detector 21 for detecting the engine speed is provided on a crank shaft 22.
[0009]
FIG. 2 shows the NOx N of the lean NOx catalyst. ₂ The conversion efficiency was shown. FIG. 2A shows the relationship between the catalyst temperature and the conversion efficiency. This catalyst shows high efficiency in a certain temperature range. However, there is a characteristic that the temperature at which the efficiency is high shifts to a high temperature side when the catalyst is deteriorated. This state is shown in FIG. It can be seen that the temperature at which the maximum efficiency is obtained increases as the traveling distance increases, that is, deteriorates. FIG. 3A shows the relationship between the amount of HC in the exhaust gas and the conversion efficiency. There is an optimum value for the HC amount for a certain amount of NOx, and a higher purification rate can be obtained by controlling the HC amount so as to reach this point. However, the HC amount showing the highest conversion rate also changes when degraded as shown in FIG. From this, it is necessary to detect deterioration and change the HC amount accordingly.
[0010]
Next, a method for detecting the conversion efficiency and the degree of deterioration of the catalyst will be described. As shown in FIG. 4A, exhaust gas components on the engine side 30 of the lean NOx catalyst 4 installed in the exhaust pipe 3 include NOx, HC, O ₂ It becomes. FIG. 4B schematically illustrates gas molecules. Nitrogen is indicated by N, unburned hydrocarbons by HC, and oxygen by ○. On the catalyst, HC reacts with oxygen to form an intermediate product (represented by HC enclosed in a square), which acts on NOx to form N ₂ Decompose into For this reason, the exhaust gas downstream of the catalyst 31 is N ₂ , H ₂ O, CO ₂ It can be seen that NOx is reduced. In this case, as shown in FIG. 4B, the oxygen concentration changes before and after the catalyst. Therefore, as an example of a detection method for detecting a change in the conversion efficiency, a method for detecting the oxygen concentration before and after the lean NOx catalyst can be considered.
[0011]
FIG. 5 shows the principle of detection. As shown in FIG. 5A, sensors 7 and 8 for detecting the oxygen concentration are mounted before and after the catalyst. In the configuration of the sensors 7 and 8, for example, platinum electrodes 33a and 33b are provided on both sides of a zirconia solid electrolyte 32, for example. A diffusion resistor 34 that controls gas diffusion is formed on the exhaust side of the electrode 33a on the exhaust gas side of the electrodes. The electrode 33a is configured to be connected to a housing such as the exhaust pipe 3 as a ground side. In this case, when a predetermined potential is applied to the other electrode, the current value at this time becomes proportional to the oxygen concentration on the exhaust gas side. That is, the oxygen concentration can be measured by detecting the current value. The configuration and operation principle of the sensor 8 are the same as those of the sensor 7.
[0012]
FIG. 5B shows a schematic diagram of the exhaust gas composition. Before the reaction, nitrogen, HC and oxygen coexist as shown in (a). However, on the electrode 33a of the sensor 7, HC is almost completely oxidized by the catalytic action of platinum. Therefore, as shown in (b), the detected oxygen concentration is a point at which the reacted oxygen decreases. It is the amount enclosed by the chain line. On the other hand, in the downstream side of the catalyst 4, as shown in (c), HC reacts almost completely, and there is oxygen decomposed by reduction of NOx, so that the detected oxygen concentration is the amount enclosed by the one-dot chain line. Therefore, it is more than the state of (b). Therefore, as can be seen by comparing the oxygen amounts enclosed by the dashed lines (b) and (c), the oxygen amounts detected before and after the catalyst 4 are different. As shown in FIG. 5C, the signal of the sensor for detecting the amount of oxygen has a different value.
[0013]
FIG. 6 shows the principle of detecting the degree of deterioration or conversion efficiency. FIG. 6A is an outline of the apparatus. A predetermined voltage V is applied to the electrodes 33b of the sensors 7 and 8; ₁ , R ₂ The voltage drop of the current flowing through ₁ , V ₂ Are detected by the differential amplifiers 36 and 37. This V ₁ , V ₂ Is the current value flowing through the solid electrolyte 32 of each of the sensors 7 and 8, that is, the detected oxygen concentration. This V ₁ , V ₂ Is detected by the differential amplifier 39 again. This difference V ₂ -V ₁ Is a value related to the degree of deterioration. As shown in FIG. 6B, the output of this sensor changes depending on the oxygen concentration, so that the difference between the oxygen concentration before and after the catalyst 4 can be detected. The state is shown in FIGS. 6C and 6D. V ₂ Has a higher output because of the higher oxygen concentration. Here, the output V of the sensor 7 before the catalyst ₁ Can be used for air-fuel ratio control. Of course, the output V of the post-catalyst sensor 8 ₂ May also be used for air-fuel ratio control. Here, V ₁ And V ₂ Is detected by the differential amplifier 39, ₁ , V ₂ May be converted by an analog-to-digital converter and taken into a microcomputer, and the difference may be obtained by arithmetic processing. A flowchart in that case will be described. First, FIG. 7 is a flowchart in the case of performing the air-fuel ratio control. First, in step 100, V ₁ The target output Vref of the sensor with respect to the target air-fuel ratio (A / F) as shown in FIG. 7B is retrieved from a map of the engine speed N and the load in step 110. V at step 120 ₁ And Vref, and V ₁ Is larger, it is determined that the current air-fuel ratio is leaner than the target, and the fuel injection amount Ti is increased in step 130 to shift the air-fuel ratio to the rich side. Also, V ₁ Is smaller, it is determined that the current air-fuel ratio is on the rich side, and Ti is decreased in step 140. T is determined as described above, and is output to the fuel injection valve 19 in step 150. In this manner, air-fuel ratio control can be realized using a sensor that detects conversion efficiency or deterioration.
[0014]
Next, FIG. 8 shows a flow for detecting deterioration of the catalyst. V at step 210 ₁ , V ₂ And calculate the difference between the two. Next, if the difference is equal to or smaller than the predetermined value in step 220, the process proceeds to step 230, where N ₂ It was determined that the amount of increase in oxygen due to the reduction action of the catalyst was small, and it was presumed that the catalyst had deteriorated. That is, it is determined that the battery has deteriorated, and the degree of the deterioration is displayed. The difference in oxygen concentration before and after the catalyst, that is, V ₁ , V ₂ The larger the difference is, the stronger the reducing action of the catalyst is, and the more the catalyst is not degraded.
[0015]
FIG. 9 shows a deterioration determination method with improved accuracy. V at step 300 ₁ , V ₂ Is calculated, and in step 310, it is determined whether the catalyst temperature Tc or the exhaust gas temperature is within a certain range. This is because, as shown in FIG. 2, since the conversion efficiency of the catalyst depends on the temperature, when the temperature changes, it may be determined that the efficiency is reduced. For this reason, the deterioration determination is always realized only when the temperature is within the predetermined temperature range. This is also effective in the sense that the temperature characteristics of the sensor can be ignored. Deterioration determination after determining that the temperature is within a certain range is the same as in FIG. That is, at step 320, V ₂ -V ₁ If the difference is equal to or smaller than the reference value, it is determined in step 330 that deterioration has occurred, and in step 340, the degree of deterioration corresponding to the difference is displayed.
[0016]
Next, FIG. 10 shows another detection method. The sensor used here is an oxygen sensor having a non-linear output characteristic with respect to the oxygen concentration (air-fuel ratio) as shown in FIG. In the case of such a sensor, a simple diffusion film 42 provided on the electrode 40a on the exhaust side of the sensors 7 and 8 is sufficient. Specifically, a layer thinner than the diffusion film 34 in FIG. 5 may be used. In the device shown in FIG. 10A, such an output uses a binary oxygen sensor. In such a sensor, the electrode 40a on the exhaust side is grounded, and the voltage (electromotive force) V generated on the other electrode 40b. ₁ , V ₂ Is detected. The degree of deterioration is detected based on the difference between the voltages of the two sensors. More specifically, as shown in FIG. 10 (B), V when the exhaust gas is thinner than the stoichiometric air-fuel ratio. ₁ , V ₂ Is measured, and the difference between the output values is detected by the differential amplifier 44. However, as described above, the difference between the two may be obtained by calculation by taking it into the microcomputer. The degree of deterioration of the catalyst is estimated from this difference. FIGS. 10C and 10D show V ₁ , V ₂ Here is an output example. As shown in FIG. 10 (D), the output after the catalyst is smaller than the output value shown in FIG. 10 (C) because the gas contains a relatively large amount of oxygen. This V ₁ , V ₂ Is an index related to the degree of deterioration.
[0017]
FIG. 11 shows still another embodiment. In this case, the front catalyst 53 and the downstream catalyst 54 are arranged in series, and three sensors 50, 51 and 52 are arranged respectively. The efficiency and deterioration of the pre-catalyst 53 are detected by the sensors 50 and 51 by the method described above. Further, the efficiency and deterioration of the post-catalyst 54 are detected by the sensors 51 and 52 or by the sensors 50 and 52. With such an arrangement, deterioration diagnosis of the composite catalyst system can be performed. As the type of catalyst, the pre-catalyst 53 is a NOx reduction catalyst, and the post-catalyst 54 is a three-way catalyst or an oxidation catalyst. In this case, the method of determining the deterioration of the NOx reduction catalyst 53 is performed by comparing the detection outputs of the sensors 50 and 51 as described above. In addition, the signals of the sensors 51 and 52 may be used to determine the deterioration of the post-catalyst 54, or the sensors 50 and 52 may be used to diagnose the post-catalyst 54. The signals from the sensors 50, 51, and 52 are taken into the microcomputer 9 and subjected to arithmetic processing. FIG. 12 shows a control flowchart in this case. Since the NOx reduction catalyst 54 exhibits the catalytic action of NOx purification in the lean operation region, the lean operation region is determined in step 400, and the diagnosis mode is started in the lean operation region. That is, in step 410, the signals V of the sensors 50 and 51 before and after the catalyst 53 are output. ₁ , V ₂ Is measured, and in step 420, the degree of deterioration is diagnosed. This diagnosis uses the flowcharts of FIGS. Thereafter, the degree of deterioration of the corresponding catalyst is displayed in step 430. In the case of a post-catalyst, deterioration is determined in step 440 during operation at the excess air ratio λ = 1. In this operation state, the output V of the sensors 50 and 52 is ₁ , V ₃ Is measured, and deterioration is diagnosed at step 460 based on the signal. In this case, the output V of the sensors 51 and 52 ₂ , V ₃ May be measured to determine the deterioration in the same manner. As described above, in a composite catalyst system using a plurality of catalysts, a method of diagnosing the efficiency or deterioration of the catalyst in a region where each catalyst acts is preferable.
[0018]
FIG. 13 shows still another embodiment. In this case, a plurality of catalysts are arranged in parallel. The catalysts 55 and 56 are arranged in parallel, and a switching valve 57 driven by a load or an electrically operated actuator 58 selects a catalyst through which gas flows selectively according to an operation state. For example, when the switching valve 57A is opened so that the exhaust gas flows through the catalyst 56, the switching valve 57B is closed so that the exhaust gas does not flow through the catalyst 55. In this case, when the catalyst 56 is in an operation state in which it should operate, the efficiency and deterioration of the catalyst 56 are determined based on the signals of the sensors 58 and 59. When the gas flows through the catalyst 55 by rotating the switching valves 57A and 58B, the gas stops flowing through the catalyst 56. In this case, the efficiency or deterioration of the catalyst 55 is determined based on the signals from the sensors 58 and 59 when the catalyst 55 is in an operating state in which the catalyst 55 should operate. The operation of the actuator 58, the capture of signals from the sensors 58 and 59, and the calculation are performed by the microcomputer 9.
[0019]
FIG. 14 shows a flowchart in that case. A case where one of the catalysts in FIG. 13 is a NOx reduction catalyst and the other is a three-way catalyst or an oxidation catalyst will be described. First, it is determined in step 500 whether or not the engine is in a lean operation range. If the engine is in a lean operation range, the switching valve 57A is operated in step 510 to supply exhaust gas to the NOx reduction catalyst. Thereafter, when the condition is satisfied, the signals of the sensors 58 and 59 are measured in step 520, the deterioration diagnosis for the NOx catalyst is performed in step 530, and the diagnosis result is displayed in step 540.
[0020]
In the case other than the lean operation, the switching valve 57A is closed in step 550, and the switching valve 57B is switched to open, so that the exhaust gas flows through the three-way catalyst. Thereafter, it is determined in step 560 whether or not the engine is operating at the stoichiometric air-fuel ratio λ = 1. If λ = 1, the signals of the sensors 58 and 59 are measured in step 570, and the deterioration of the three-way catalyst is determined in step 580. Diagnosis is performed, and then the result of the diagnosis is displayed in step 540.
[0021]
FIG. 15 shows still another method. A gas upstream of the catalyst 60 is guided to one of the sensors 61 and a gas downstream of the catalyst is guided to the other surface, and the difference in oxygen concentration in the gas before and after the catalyst is detected by one sensor. I have. Here, most of the gas in the exhaust pipe 3 flows to the catalyst. However, a part thereof flows through the passage 62 and is guided to the chamber 63 provided on one side of the sensor 61. The gas flows through the passage 62, the chamber 63, and the passage 64 by the suction action of the venturi 65 provided upstream of the catalyst.
[0022]
On the other hand, a gas downstream of the catalyst 60 is guided to the exhaust pipe side of the sensor 61. The structure of the sensor 61 is shown in FIG. The gas upstream of the catalyst is led to the left side of the sensor, and the gas downstream of the catalyst is led to the right side of the sensor. In this sensor, platinum electrodes 67a and 67b are provided on both sides of a zirconia solid electrolyte 66, and porous protective films 68a and 68b are provided outside the electrodes. Both sides of the solid electrolyte 66 have a catalytic action and can oxidize HC. In this way, the solid electrolyte 66 detects residual oxygen after oxidation. In this case, a solid electrolyte which is an oxygen concentration cell is convenient because a difference between oxygen concentrations on both sides may be detected. Further, when one electrode 67b is grounded and the potential of the other electrode 67a is measured, the detected value indicates a difference in oxygen concentration. The measured potential is taken into the microcomputer 9 and processed.
[0023]
FIG. 16 shows a more specific configuration of the sensor 61. A sensor is arranged in the protection tube 70. The electrode 67b on the exhaust gas side downstream of the catalyst is grounded by a protective tube 70 via a conductive wire printed on the insulating material 71. Further, the other electrode 67 a on the exhaust gas side upstream of the catalyst is guided to the outside from the connector section 69. The sensor body is fixedly screwed into the exhaust pipe 72. With such a configuration, the exhaust gas before and after the catalyst can be guided to each surface of the sensor. Since this sensor is an oxygen concentration cell, it exhibits characteristics as shown in FIG. 16B depending on the difference in oxygen concentration on both sides of the sensor. If the sensor does not deteriorate, the oxygen of NOx is reduced as shown in FIG. 5, so that the oxygen concentration in the exhaust gas downstream of the catalyst increases. When the difference between the oxygen concentrations on both sides of the sensor is large, the output of the sensor becomes low as shown in FIG. On the other hand, when the difference between the oxygen concentrations on both sides is small, an electromotive force is generated in the solid electrolyte 66, and the output increases as shown in (b). Therefore, as shown in FIG. 16C, the output of the sensor increases as the elapsed time increases. If this is detected, deterioration of the catalyst can be detected. As described above, when detection is performed by one sensor, the detection surfaces are the same in temperature, so that the temperature dependency of the detection is reduced, and the detection accuracy is improved.
[0024]
FIG. 17 shows a flowchart of the detection. First, at step 600, it is determined whether or not the engine is in a lean operation range. In the case of lean operation, at step 610, it is determined whether or not the exhaust gas temperature Tg is within a predetermined value. When the temperature is within a certain range, the sensor is also activated, and the temperature dependence of the catalyst can be avoided. By selecting only the temperature at which the sensor is activated, it is not necessary to provide a heater in the sensor. Thereafter, the output of the sensor is measured in step 620, and the degree of deterioration is determined in step 630. This determination method can be performed by determining whether the output value of the detected sensor is equal to or greater than a certain reference value. In step 640, the degree of deterioration is determined and displayed.
[0025]
FIG. 18 shows still another embodiment. During the lean operation, the exhaust gas flows to the NOx reduction catalyst 4 by closing the switching valve 6, and then flows to the three-way catalyst 5 located downstream.
[0026]
At this time, the switching valve 6 is made to leak gas to some extent so that the gas upstream of the catalyst 4 flows through the sensor 73 as shown in FIG. Further, the gas passing through the catalyst 4 flows on the other surface of the sensor 73. The signal of the sensor is taken into the microcomputer 9 and subjected to arithmetic processing. When the switching valve 6 is opened, the exhaust gas does not flow to the NOx reduction catalyst 4 but flows only to the three-way catalyst.
[0027]
FIG. 19 shows another embodiment. Here, a sensor 73 as shown in FIG. 16A is arranged upstream of the switching valve 6. The switching valve 6 is driven via a driving device 74 by a command from the microcomputer 9. The gas before and after the catalyst is led to the sensor 73. The position of the switching valve 6 is brought downstream of the sensor 73 in order to prevent gas downstream of the catalyst 4 from flowing into the surface of the sensor 73 on the upstream side of the catalyst.
[0028]
FIG. 20 shows still another embodiment. During the lean operation, the switching valve 75 is opened to flow the exhaust gas to the NOx reduction catalyst 4. In this case, the gas downstream of the catalyst 4 flows on the exhaust gas surface downstream of the catalyst 4 of the sensor 78. However, since a small amount of gas flows from the switching valve 75 toward the exhaust pipe 76, the gas upstream of the catalyst flows on the exhaust gas surface of the sensor 78 in front of the catalyst 4. In an operation state other than the lean operation, the switching valve 75 is switched as indicated by a dotted line to flow exhaust gas toward the exhaust pipe 76. The three-way catalyst 5 is disposed in the exhaust pipe 76. Even with such a configuration, deterioration of the catalyst can be detected by one sensor.
[0029]
Next, an engine control method for improving efficiency after detecting catalyst deterioration and efficiency will be described. FIG. 21 is an overall view of the system. Sensors 7 and 8 are attached before and after the catalyst 4. Further, a sensor 80 for detecting the temperature of the gas is attached to the exhaust pipe. After judging the deterioration of the catalyst from the outputs of the sensors 7 and 8, it is necessary to control the temperature and the HC concentration at which the efficiency becomes maximum as shown in FIG. A method for this will be described. One method of controlling the temperature is to control the circulation of the cooling water 86 of the engine 1. If the amount of cooling water circulated by the control valve 87 is reduced, the combustion temperature of the engine 1 rises and the exhaust gas temperature rises. That is, when it is determined that the catalyst 4 has deteriorated, the circulation of the cooling water is controlled to increase the exhaust gas temperature, thereby preventing the efficiency from decreasing. Another method of controlling the temperature is to control the ignition timing of the ignition device 84 and the ignition plug 20. If the ignition timing is delayed, the exhaust gas temperature rises. That is, when the catalyst is deteriorated, the ignition timing is slightly delayed to increase the exhaust gas temperature and prevent the efficiency from lowering. Further, since the required HC amount changes due to the deterioration, the HC amount must be increased when the required HC amount is deteriorated. The method will be described below. When the fuel injection timing of the injection valve 19 is changed, the amount of HC emission changes. Therefore, when the fuel injection timing is deteriorated, the controller 9 changes the set fuel injection timing. Further, in the case where the injection valve 19 is an air-assisted injection valve that atomizes fuel by air flow, if the amount of assist air is reduced or stopped, atomization of fuel becomes worse, and the amount of HC emission increases. When the flow dividing valve 18 is closed to allow the intake air to flow through the swirl passage 17, a swirling flow is generated in the combustion chamber, and the fuel is improved. For this reason, by making the flow dividing valve 18 half-open, the amount of air passing through portions other than the swirl passage 17 is increased, thereby deteriorating combustion. This increases the amount of HC emissions.
[0030]
Further, when the amount of cooling water circulated is increased to cool the engine, the amount of HC emission increases. Further, since the amount of HC emission increases even if the ignition timing is advanced, if the catalyst is deteriorated, the ignition timing may be advanced according to the degree of the deterioration. Also, the catalyst temperature and the amount of HC emission can be increased on the exhaust side. The fuel vaporized in the upper portion of the fuel tank 82 is supplied to an exhaust pipe upstream of the catalyst by a pump 83 or the like. Since the vaporized fuel is HC, the efficiency of the catalyst can be improved by supplying the fuel to the catalyst. Further, since the vaporized fuel is light HC, it is easy to burn, and the burning raises the catalyst temperature.
[0031]
As another method of increasing the temperature, there is a method of heating the catalyst with an electric heater 88. The driving circuit 81 supplies electricity to the heater according to a signal from the controller 9. The heater is heated, the catalyst temperature rises, and the efficiency improves. In this heater, the catalyst carrier may be made of a conductive material so that electricity flows.
[0032]
FIG. 22 shows another method of changing the temperature of the catalyst. This employs a configuration in which a combustor is provided in the exhaust pipe 3, and a spark is formed by a spark plug 91 by a voltage from a drive circuit 90 for an ignition device. Fuel is injected into the combustor 93 from the fuel injection valve 92. Air is supplied to the combustor 93 by a pump 94. The fuel injected into the chamber 93 is ignited by the ignition plug 91 and a flame is formed in the exhaust pipe before the catalyst. The flame raises the temperature of the catalyst. Further, the configuration of the electric heater 88 is also shown in the drawing. By configuring the electric heater 88 so as to wrap the outside of the catalyst 4, the catalyst can be heated. The methods may be combined or may be independent. In other words, any one of the methods is valid.
[0033]
FIG. 23 shows a flowchart of the control. When the degree of deterioration of the catalyst is detected in step 710, it is determined in step 720 whether the amount of HC needs to be increased or decreased according to the degree of deterioration. If it is determined that it is necessary, the amount of increase or decrease of HC is determined in step 730 according to the degree of deterioration. Thereafter, in step 740, the HC supply amount to the catalyst is increased or decreased by combining one or some of the HC increasing / decreasing means shown in FIGS. Generally, when the NOx reduction catalyst is deteriorated, it is necessary to increase the amount of HC supplied to the catalyst in order to secure the efficiency. When the degree of deterioration of the catalyst is detected in step 710, the degree of deterioration is displayed in step 750.
[0034]
FIG. 24 shows a control flow for changing the temperature of the catalyst. When the degree of deterioration of the catalyst is detected in step 800, the degree of deterioration is displayed, and in step 810, it is determined whether or not the catalyst operating temperature needs to be changed. When it is determined that it is necessary, the temperature change amount is determined in step 820, and in step 830, the temperature of the catalyst is changed by combining one or some of the temperature changing means shown in FIGS. Thereafter, it is determined in step 840 whether the temperature has reached a predetermined temperature, and when the temperature has reached the predetermined temperature, the flow ends.
[0035]
FIG. 25 shows a flow of a method for controlling the conversion efficiency of the catalyst to always be the highest state. First, it is determined in step 900 whether or not the engine is in a lean operation range. If the engine is in a lean operation, it is determined in step 910 whether or not the engine is in a steady operation. In the case of the steady operation during the lean operation, the signal of the sensor for measuring the efficiency of the catalyst is read in step 920, and the conversion efficiency of the catalyst is estimated in step 930. Next, if the efficiency is low in step 940, each parameter is controlled in step 950 by an efficiency changing means for changing the catalyst temperature and the HC supply amount. Thereafter, it is determined in step 960 whether or not the efficiency has been improved. If the efficiency has been improved, the process is terminated with the parameter changed. If the efficiency has not been improved, the process returns to the state before changing the parameter in step 970. Ends. By doing so, the engine can always be operated with high conversion efficiency.
[0036]
FIG. 26 shows another method for detecting the efficiency and the degree of deterioration. In FIG. 26A, the variation width ΔV of the output signals of the sensors 7 and 8 before and after the catalyst 4 is compared. When the oxygen concentration upstream of the catalyst 4 fluctuates as shown in FIGS. 26B and 26C, the state of the fluctuation is the fluctuation width ΔV of the sensor 7. ₁ You can tell by the size of When the catalyst is new, the oxygen concentration downstream of the catalyst 4 fluctuates greatly because the NOx reduction reaction is active. However, when the catalyst deteriorates, the reducing action of NOx becomes slow, so that the change in the oxygen concentration is not much. Therefore, the fluctuation width ΔV of the output signal of the sensor 8 downstream of the catalyst 4 ₂ Becomes smaller. By detecting the change in the fluctuation range, the degree of deterioration of the catalyst is detected. The flowchart is shown in FIG. In step 1000, it is determined whether or not the catalyst is in a lean operation range. When it is determined in step 1010 that the catalyst is in a predetermined temperature range in the lean operation range, ΔV is determined in step 1020. ₁ , ΔV ₂ Is detected and calculated. Then, at step 1030, ΔV ₂ / ΔV ₁ Is calculated. Next, in step 1040, when this value is equal to or less than the predetermined value, it is determined that the efficiency has decreased. When the efficiency is determined, control of the efficiency improving means can be omitted.
[0037]
FIG. 28 shows another means for detecting the degree of deterioration and efficiency. In FIG. 28A, the air-fuel ratio supplied to the engine 1 is changed by intentionally changing the injection amount of the fuel injection valve 19 and the throttle opening, and the signals of the sensors 7 and 8 before and after the catalyst 4 at that time are changed. The degree of catalyst deterioration is detected from the difference in the behavior of the catalyst. As shown in FIG. 28 (B), when the air-fuel ratio is changed stepwise, the outputs of the sensors 7 and 8 also change stepwise. However, when the catalyst has deteriorated, the difference in response between the sensors 7 and 8 before and after the catalyst changes compared to when the catalyst has not deteriorated. For example, the solid line in the figure shows the behavior of the sensor that shows a linear output with respect to the air-fuel ratio, and becomes larger as the difference in the response time constant τ deteriorates. The dotted line shows the behavior of the output of a normal oxygen sensor, but also becomes large when the difference in the response time constant τ is deteriorated. FIG. 28 (C) changes the air-fuel ratio on the supply side randomly or according to a certain rule. The degree of deterioration of the catalyst is detected from the correlation between the changes in the signals of the sensors 7 and 8 at this time. If the signal from the sensor 8 is greatly distorted (dulled) compared to the signal from the sensor 7, it can be determined that the catalyst has deteriorated. The flow chart at that time is shown in FIG. If it is determined in step 1100 that the operation is in the lean operation range or the steady operation, it is determined in step 1110 whether the catalyst is in a predetermined temperature range. Next, when this is satisfied, the air-fuel ratio supplied to the engine is changed in step 1120. Next, at step 1130, the signal V of the sensor before and after the catalyst at this time is ₁ , V ₂ The degree of deterioration of the catalyst is detected by the method shown in FIG. If it has deteriorated in step 1140, the degree of deterioration is displayed in step 1150, and then in step 1160 the means for improving the efficiency shown in FIGS. 21 and 22 is operated.
[0038]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the exact diagnosis suitable for the operating environment used for each catalyst is attained. In addition, engine control can be performed so as to avoid a decrease in efficiency, and high exhaust purification characteristics can be maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall system diagram.
FIG. 2 is a characteristic diagram of conversion efficiency of a catalyst.
FIG. 3 is a characteristic diagram of conversion efficiency of a catalyst.
FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of catalyst purification.
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of deterioration detection according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram of a detection method of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram of another detection device of the present invention.
FIG. 12 is a flowchart of the control in FIG. 11;
FIG. 13 is a schematic diagram of another detection device of the present invention.
FIG. 14 is a flowchart of the control in FIG. 13;
FIG. 15 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram of the detection sensor of FIG. 15;
FIG. 17 is a flowchart of the control in FIG. 15;
FIG. 18 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 19 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 20 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 21 is an overall syssim diagram.
FIG. 22 is an overall system diagram.
FIG. 23 is a flowchart of the control in FIGS. 21 and 22.
FIG. 24 is a flowchart of the control in FIGS. 21 and 22.
FIG. 25 is a flowchart of the control in FIGS. 21 and 22;
FIG. 26 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 27 is a flowchart of the control in FIG. 26;
FIG. 28 is a schematic diagram of another detection method of the present invention.
FIG. 29 is a flowchart of the control in FIG. 28;
[Explanation of symbols]
4 NOx reduction catalyst or three-way catalyst, 5 three-way or oxidation catalyst, 7, 8 sensor, 9 control unit, 17 swirl generation passage, 32 solid electrolyte, 34 diffusion resistor, 50, 51, 52: sensor, 57: exhaust switching valve, 82: fuel tank, 88: heater, 91: spark plug, 92: fuel injection valve.

Claims

An exhaust gas purifying apparatus provided in an exhaust gas duct of a lean internal combustion engine and comprising a catalyst for purifying NOx at a lean air-fuel ratio and a device for evaluating the exhaust gas purifying catalyst of the lean internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is in a lean operation. Means for judging whether the operation is lean, means for starting the evaluation of the catalyst when it is determined that the operation is lean, and the concentration of oxygen in the exhaust gas downstream of the catalyst using a sensor. An exhaust gas purifying apparatus comprising: means for detecting that the concentration is higher than the oxygen concentration and diagnosing deterioration of the catalyst.

An exhaust gas purifying apparatus provided with an exhaust gas duct of a lean internal combustion engine and including a catalyst for purifying NOx at a lean air-fuel ratio and a device for evaluating an exhaust gas purifying catalyst of a lean internal combustion engine, comprising: Means for determining whether the engine is in lean operation, means for starting evaluation of the catalyst when it is determined that the engine is in lean operation, and the concentration of oxygen in the exhaust gas downstream of the catalyst using the sensor and the NOx catalyst. An exhaust gas purifying apparatus comprising: means for detecting that the concentration of oxygen is higher than the oxygen concentration of gas entering the apparatus, and diagnosing deterioration of the catalyst.