JP4906393B2 - 内燃機関の触媒劣化検知装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に備えられた触媒の劣化を検知する装置に関するものであり、特に、触媒の酸素蓄積能力に基づいた触媒劣化検知装置に関するものである。
内燃機関の排気系に設置されている、酸素蓄積能力(OSC)を備える触媒の劣化検知手法として、たとえば、特許文献1には、排気の空燃比を一定の周波数で変動させたときの触媒下流側の空燃比の挙動に基づく触媒劣化検知装置が開示されている。
また、特許文献2には、排気の空燃比をリーンからリッチへ、またはリッチからリーンへ変更したときの触媒の上流側および下流側の空燃比を計測し、触媒の下流側の空燃比の推移の時間遅れに基づき、触媒の劣化を判定する装置が開示されている。
また、特許文献3には、各種センサ情報および正常時の触媒のOSCを表すモデルを用いて現在の触媒のOSC能力を算出し、所定のOSC能力以下のものを劣化と判定する手法が開示されている。
特開平7―189780号 特開平7―19033号 特開平7―151002号
しかしながら、特許文献1の手法では、一定の周波数で排気の空燃比を変動させる必要があり、EMの悪化などが懸念される。また、特許文献2の手法では、瞬時値のみで劣化の判定をしなければならず、センサの計測能力のバラツキ、エンジンの運転環境、その他の影響で検出精度が急激に悪化する場合がある。また、特許文献3の手法では、正常な触媒のOSCを表すモデルの設計が非常に複雑であり、モデルの演算のために多くのセンサ情報を必要とする。
本発明の目的は、触媒前後の空燃比に基づき、触媒の劣化を精度良く判定することが可能な触媒劣化検知装置を提供することである。
本発明の提供する触媒劣化検知装置は、内燃機関の排気系に設けられ、排気を浄化する触媒と、前記触媒の上流側および下流側に設けられ、排気中の空燃比を計測する空燃比センサと、目標空燃比に応じて前記空燃比を制御する空燃比制御手段と、前記空燃比の変動に応じて、前記触媒の上流側空燃比および下流側空燃比を用いて、前記触媒の劣化状態を表す触媒モデルのパラメータを同定する同定手段と、前記同定されたパラメータに基づき、前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を有する。
この発明により、同定が容易な劣化触媒モデルを利用して触媒の劣化を判定するので、触媒前後の空燃比に基づいて触媒の劣化を精度良く検知することができる。
本発明の一実施形態では、同定手段が、前記モデルのパラメータの同定に用いる前記上流側空燃比および下流側空燃比のサンプリング数およびサンプリング周期を、排気流量、排気温度、触媒温度、前記目標空燃比の変化度合い、または前記空燃比の変化量のうち少なくとも1つに基づき設定する。
本発明の一実施形態では、劣化判定手段が、前記触媒の酸素吸着量、触媒温度、または前記目標空燃比に応じてしきい値を設定し、前記パラメータとしきい値とを比較して前記触媒の劣化を判定する。
次に図面を参照して本発明による触媒劣化検知装置の実施の形態を説明する。図1は、本発明に係る内燃機関およびその制御装置の構成を示す概略図である。
ディーゼルエンジン1は、各気筒の燃焼室内に高圧燃料を噴射して自然発火させる直噴式エンジンである。ディーゼルエンジン1は、各気筒に取り付けられた、燃焼を噴射するインジェクタ(図示せず)の燃料噴射量および噴射時期を調整することにより、出力を制御する。インジェクタは、運転状態に応じた電子制御ユニット(以下「ECU」という)からの制御指令に基づき、最適なタイミングで燃料を噴射する。
ディーゼルエンジン1の排気管2内には、触媒3が設置されている。触媒3は、リーン時に排出される窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、この吸蔵したNOxをリッチ時に還元浄化するリーンNOx触媒(LNC)である。
触媒3の上流および下流には、それぞれリニア空燃比センサ(LAF)センサ7,8が設置されている。LAFセンサ7,8は、それぞれ触媒3の上流および下流における排気ガスの空燃比に略比例する電気信号を出力する。LAFセンサの出力は、ECU10に送られる。
また、排気管2内には、2次エアーポンプ12が設置されている。2次エアーポンプ12は、排気管2に空気を導入して、排気ガスに空気を混合する。2次エアーポンプ12は、ECU10からの制御指令に基づき、導入する空気量を制御する。
一方、ディーゼルエンジン1の吸気管14には、インテークシャッタ16が設置されている。インテークシャッタ16は、ガソリンエンジンにおけるスロットル弁と同様の機構である。しかし、ディーゼルエンジンの場合、吸気量は通常一定に保たれ、燃料噴射量を調節してエンジン出力を制御する。従って、通常運転時にはインテークシャッタ16は全開の状態である。また、インテークシャッタ16は、排気温度を上昇させたい場合などの特定用途では、閉じ側に制御されて吸気を絞り込む。例えば、触媒3の下流に設置されているディーゼル・パティキュレート・フィルタ(図示せず)において捕集したPMを燃焼させる際に、排気温度を上昇させてPMの燃焼効率を上げるために、インテークシャッタ16は閉じ側に制御されて吸気を絞り込む。
また、吸気管14には、ターボチャージャ18が設置されている。ターボチャージャ18は、モータ18aがコンプレッサ18bを回転させることにより吸気を圧縮する電動ターボチャージャである。ターボチャージャ18は、ECU10からの制御指令に基づき、吸気の圧縮度合いを制御する。ターボチャージャ18によって、同一の排気量でもより多くの空気を取り込めるので、燃焼効率が向上し、出力も増加する。
吸気管14および排気管3の間には、排気ガス再循環装置(EGR)20が設置されている。排気ガスを再び吸気管14に導入して吸入空気と混合させ、燃焼温度を低下させることで、窒素酸化物NOxを低減することができる。再循環させる排気ガスの量は、ECU10によって最適な流量が決定され、EGRバルブ21を調節することにより制御される。EGRバルブ21は、ECU10から送られる制御指令によってバルブ開度を調整し、再循環ガスの量を制御する。本実施形態では、通常運転時には、EGRバルブ21を調整することによって、エンジンへの吸入空気量が制御される。
本実施形態による触媒の劣化を判定するための一連の処理は、上述のハードウェアを利用して、ECU10内に組み込まれたソフトウェアプログラムによって実行される。
ECU10は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース10a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するCPU10b、読取り専用メモリ(ROM)および一時記憶用のランダムアクセスメモリ(RAM)を有するメモリ10c、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース10dを備えるコンピュータである。メモリ10cのROMには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納される。
本発明に従う触媒劣化検出を実施するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ10cのROMに格納されている。このROMは、EEPROMのような書替え可能なROMであっても良い。RAMには、CPU2bによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。
次に、本発明の一実施形態による触媒劣化検知手法について説明する。
図2は、目標空燃比をリーンからリッチに変更したときの、触媒前後の空燃比の過渡応答を示すグラフである。グラフの縦軸はLAFセンサ7,8の出力を示しており、正方向に進むほど空燃比がリーンの状態を表す。符号31で示す線が、触媒の上流側のLAFセンサの計測値であり、触媒上流側の空燃比を表す。符号33で示す線が、触媒の下流側のLAFセンサの計測値であり、触媒下流側の空燃比を表す。
図2を参照すると、目標空燃比をリーンからリッチへ切り替えて空燃比制御を実施すると、正常な触媒では、符号35で示す領域のように、触媒の酸素蓄積能力(OSC)に起因する特徴的な空燃比の差が触媒前後に現れる。触媒は、空燃比がリーンのときには触媒内に酸素を蓄積しており、空燃比が理論空燃比を超えてリッチになると、触媒内に蓄積されている酸素を放出する。触媒が酸素を放出している間は、触媒下流側の酸素量が多くなり、触媒の下流側の空燃比33は上流側31に比べてリーン側になる。このとき、上流側空燃比31および下流側空燃比33の間に領域35のような特徴的な偏差が生じる。
一方、触媒が劣化している場合には、リーン時に触媒内に酸素が蓄積されないので、領域35のような特徴は現れない。触媒下流側の空燃比は、上流側空燃比の変化に追従する。そして、触媒の劣化が進むほど、上流側空燃比および下流側空燃比の偏差が小さくなる。
領域35で示すような正常触媒の特徴は、エンジンの運転環境などさまざまな要素によって挙動が決まるので、精度良くモデル化するには多くのセンサ情報を必要とし、また、モデルの設計も非常に複雑である。一方、劣化触媒の場合、下流側空燃比は上流側の変化に追従するだけなのでモデル化は容易である。
本実施形態では、劣化触媒のモデルを作成し、このモデルと実際の触媒前後の空燃比とを比較して、実空燃比の挙動が劣化触媒モデルに近いほど、触媒が劣化していると判定する。
図3は、本実施形態で用いる劣化触媒のモデルを示す図である。触媒の上流側空燃比をX、下流側空燃比をYとすると、劣化触媒モデルは、次式のように表される。
Y=β・X (1)
ここで、βは任意の定数である。βが1に近いほど、触媒前後の空燃比は近い値をとり、触媒の劣化が進んでいることを示す。
本実施形態では、所定のサンプリング数およびサンプリング周期で、上流側空燃比X1〜Xnおよび下流側空燃比Y1〜Ynを計測して、これらのデータを用いて劣化触媒モデルのパラメータβを同定する。
本実施形態では、パラメータβの同定に最小二乗法を用いる。すなわち、(1)式で算出した劣化触媒モデルの出力と、下流側空燃比の計測値Yiとの差の二乗和Serrorが最小となるパラメータβを求める。Serrorは次式のように表される。
Figure 0004906393
(2)式は以下のように展開できる。
Figure 0004906393
ここで、
Figure 0004906393
である。
(2)’式より、Serrorはβの二次関数であり、図4のように表される。Serrorは、パラメータβが(3)式で示すような極小点βminをとるときに、極小値Serror = bをとる。
Figure 0004906393
ここで、Serrorの極小点βminは、今回の同定において、劣化触媒モデルを最も良く表している最適な同定パラメータである。(3)式より、同定パラメータβminは、LAFセンサで計測した上流側空燃比X1〜Xnおよび下流側空燃比Y1〜Ynから算出することができる。
本実施形態では、(3)式より算出した同定パラメータβminの大きさによって触媒の劣化を判定する。触媒が劣化している場合には、触媒の下流側の空燃比は上流側のものに追従するので、βminは1に近い値をとる。触媒が正常な場合には、図2の領域35で示したように、上流側および下流側の空燃比に大きな偏差が生じるので、βminは1から離れた大きな値をとる。
図5は、劣化触媒モデルの同定パラメータβminの特性を示すグラフである。グラフの横軸は、βminの同定用にLAFセンサの計測値をサンプリングしたときの触媒上流側の空燃比であり、グラフの縦軸は、(3)式で算出した同定パラメータβminである。図中の菱形の点は、正常な触媒による特性を示しており、丸型の点は、劣化した触媒による特性を示している。結線されている点群は、それぞれ、リーン時に触媒に吸着している酸素量が同一のものである。
図5を参照すると、触媒が劣化しているときには、同定パラメータβminは、正常時に比べて1の値の方向へ集中していることがわかる。したがって、たとえば図5の直線39のように判定用のしきい値を設定すれば、触媒が劣化している可能性のある領域を、同定パラメータβminによって切り出すことが可能である。
図6は、本実施形態による触媒劣化判定処理のフローチャートである。
ステップS101において、触媒劣化判定を実行するための条件が整っているかどうかが確認される。触媒劣化判定条件は、例えば、排ガス温度または触媒温度が所定範囲内にあること、エンジンの運転状態(エンジン回転数または負荷)から推定されるNOx排出量が所定値以上であること、エンジン回転数、負荷、エンジン水温または吸気温度などのエンジンの運転条件が所定範囲内にあること、触媒の劣化検知要求を受けたこと、排ガス流量、触媒前後の酸素濃度、または排ガス温度から推定される触媒に吸着した酸素量が所定値以上であること、などが挙げられる。これらの項目の一部または全てを満足するときに、触媒劣化判定条件が成立する。触媒劣化判定条件が成立するときには、ステップS103に進み、触媒劣化判定が開始される。触媒劣化判定条件が成立しないときは、処理を終了する。
ステップS103において、目標空燃比をリッチに設定して、排気の空燃比をリッチにする制御が開始される。この処理は、ポスト噴射、インテークシャッタ閉弁、またはEGR導入などを実行して排気中の燃料の割合を上げてリッチ状態にする。
ステップS105において、触媒上流側および下流側の空燃比が判定開始しきい値を超えたかどうかが確認される。この判定開始しきい値は、理論空燃比近傍に設定され、空燃比が判定開始しきい値より小さくなるとリッチとなる。空燃比が判定開始しきい値より小さい場合には、ステップS107に進み、判定開始しきい値より大きい場合には処理を終了する。
ステップS107において、触媒の酸素吸着量および目標空燃比に基づいて判定しきい値が設定される。判定しきい値は、以下のような手順で設定される。
まず、図5の直線39で示すように、触媒上流側の空燃比(LAFセンサ出力)に応じた特性をもつ正常判定用および劣化判定用のベースしきい値データがメモリ10cから読み出される。
次に、酸素吸着量および目標空燃比に基づいて補正係数が求められる。補正係数は、目標空燃比が小さい(リッチ)ほど大きい値になるよう設定され、また、酸素吸着量が大きいほど大きい値になるように設定される。補正係数は、例えば図7に示すような目標空燃比および酸素吸着量に基づく補正係数マップを用いて求められる。
さらに、正常判定用および劣化判定用のベースしきい値データにそれぞれ補正係数を掛けることにより、正常判定しきい値データおよび劣化判定しきい値データが算出される。
ステップS109において、劣化触媒モデルの同定に用いるための、上流側空燃比および下流側空燃比のサンプリング数およびサンプリング周期が設定される。サンプリング数およびサンプリング周期は、たとえば図8(a)および(b)に示すように、排気流量、排気または触媒の温度、目標空燃比の大きさ、または空燃比の変化量に基づくマップを利用して設定される。
ステップS111において、LAFセンサからのサンプリングが実施され、計測したLAFセンサ出力X〜X、Y〜Yを用いて、(3)式により同定パラメータβminが算出される。なお、触媒下流側のLAFセンサ出力Y〜Yについては、触媒通過による時間遅れが排気流量に基づいて算出される。そして、この時間遅れを考慮して、触媒上流側のLAFセンサ出力X〜Xに対応する触媒下流側のLAFセンサ出力Y〜Yが計測される。
ステップS113において、同定パラメータβminが正常判定しきい値より大きいかどうかが確認される。正常判定しきい値は、同定パラメータβminが算出された時点の触媒上流側の空燃比(LAFセンサ出力)に応じて、ステップS107で算出された正常判定しきい値データの中から選択される。同定パラメータβminが正常判定しきい値より大きいとき、ステップS115に進み触媒は正常であると判定される。同定パラメータβminが正常判定しきい値以下のとき、ステップS117に進む。
ステップS117において、同定パラメータβminが劣化判定しきい値より小さいかどうかが確認される。劣化判定しきい値は、同定パラメータβminが算出された時点の触媒上流側の空燃比(LAFセンサ出力)に応じて、ステップS107で算出された劣化判定しきい値データの中から選択される。同定パラメータβminが劣化判定しきい値より小さいとき、ステップS119に進み触媒は劣化していると判定される。同定パラメータβminが劣化判定しきい値以上の場合は、同定パラメータβminは正常触媒の領域にも劣化触媒の領域にも含まれないので、ステップS121に進み、触媒劣化判定が保留される。
本実施形態では、図2の符号35で示す領域において上述の触媒劣化判別処理を行った後に、さらに第2の触媒劣化判別処理を実施することができる。図2を参照すると、正常な触媒では、排気の空燃比が目標空燃比に到達したあと(過渡領域35の後)、空燃比が安定した状態になると、符号37で示す領域のように、触媒上流側の空燃比31と下流側の空燃比33との間に一定の偏差が残る状態が一定時間継続するという特徴がある。触媒の活性度が高いほどこの偏差は大きく、長時間継続する。
ここで、劣化触媒モデルの同定パラメータβminについて考えると、領域37においても、正常な触媒では偏差が大きいのでβminは1より大きな値となる。一方、触媒の劣化が進行するほど偏差が小さくなり、βminの値は1に近づく。
このようなβminの特徴を利用して、空燃比が過渡状態から定常状態へ移ったときに、劣化触媒モデルの同定パラメータβminに基づいて第2の触媒劣化判定を実施する。
図9は、本実施形態による第2の触媒劣化判定処理のフローチャートである。
ステップS201において、第2の触媒劣化判定を実行するための条件が整っているかどうかが確認される。触媒劣化判定条件は、例えば、図6を参照して説明した過渡状態中の触媒劣化判定処理において触媒劣化判定が「保留」されていること、または現在の排気の空燃比と目標空燃比との偏差が所定範囲内にあること、が挙げられる。これらの項目の全てを満足するときに、触媒劣化判定条件が成立する。触媒劣化判定条件が成立するときには、ステップS203に進み、第2の触媒劣化判定が開始される。触媒劣化判定条件が成立しないときは、処理を終了する。
ステップS203において、触媒の酸素吸着量および目標空燃比に基づいて判定しきい値が設定される。この判定しきい値は、過渡状態中の触媒劣化判定処理で用いたものよりも小さい値をとるように設定される。第2判定しきい値は、以下のような手順で設定される。
まず、触媒上流側の空燃比(LAFセンサ出力)に応じた特性をもつ正常判定用および劣化判定用の第2ベースしきい値データがメモリ10cから読み出される。第2の触媒劣化判定を実施する段階では、空燃比は既にリッチ側で定常状態になっており、触媒上流側の空燃比と下流側の空燃比との偏差は過渡状態時よりも小さくなる。したがって、算出される同定パラメータβminも過渡状態時より1に近い値をとるようになるので、第2のベースしきい値データは、図5の直線39で示した過渡状態時のベースしきい値データよりも小さい値に設定される。
次に、排気温度および目標空燃比に基づいて補正係数を求める。補正係数は、目標空燃比が小さい(リッチ)ほど大きい値になるよう設定され、また、排気温度が大きいほど大きい値になるように設定される。補正係数は、例えば図10に示すような目標空燃比および排気温度に基づく補正係数マップを用いて求められる。
さらに、正常判定用および劣化判定用の第2ベースしきい値データにそれぞれ補正係数を掛けることにより、第2正常判定しきい値データおよび第2劣化判定しきい値データが算出される。
ステップS205において、所定のサンプリング周期およびサンプリング数で、LAFセンサからのサンプリングが実施され、計測したLAFセンサ出力X〜X、Y〜Yを用いて、(3)式により同定パラメータβminが算出される。なお、触媒下流側のLAFセンサ出力Y〜Yについては、触媒通過による時間遅れが排気流量に基づいて算出される。そして、この時間遅れを考慮して、触媒上流側のLAFセンサ出力X〜Xに対応する触媒下流側のLAFセンサ出力Y〜Yが計測される。
ステップS207において、安定条件が成立しているかどうかが確認される。この安定条件は、空燃比が過渡状態を通過して、図2の領域37で示す定常状態になっているかどうかを判定する指標である。安定条件は具体的には、触媒前後差圧ΔA/Fの変動値d(ΔA/F)/dt、または、同定パラメータβminの変動値d(βmin)/dtが、0近傍の所定範囲内にある状態が一定時間経過すること、である。安定条件が成立するとき、ステップS209に進み、安定条件が成立しないとき、処理を終了する。
ステップS209において、同定パラメータβminが第2の正常判定しきい値より大きいかどうかが確認される。第2の正常判定しきい値は、同定パラメータβminが算出された時点の触媒上流側の空燃比(LAFセンサ出力)に応じて、ステップS203で算出された第2正常判定しきい値データの中から選択される。同定パラメータβminが第2の正常判定しきい値より大きいとき、ステップS211に進み触媒は正常であると判定される。同定パラメータβminが第2の正常判定しきい値以下のとき、ステップS213に進む。
ステップS213において、同定パラメータβminが第2の劣化判定しきい値より小さいかどうかが確認される。第2の劣化判定しきい値は、同定パラメータβminが算出された時点の触媒上流側の空燃比(LAFセンサ出力)に応じて、ステップS203で算出された第2劣化判定しきい値データの中から選択される。同定パラメータβminが第2の劣化判定しきい値より小さいとき、ステップS215に進み触媒は劣化していると判定される。同定パラメータβminが第2の劣化判定しきい値以上の場合は、同定パラメータβminは正常触媒の領域にも劣化触媒の領域にも含まれないので、ステップS217に進み、触媒劣化判定が保留される。
以上にこの発明を具体的な実施例について説明した。しかし、この発明はこのような実施例に限定されるものでない。上述の実施形態では、ディーゼルエンジンにおける還元触媒の劣化判定について説明したが、ガソリンエンジンの三元触媒にも本発明の劣化判定手法は適用可能である。
本発明に係る内燃機関およびその制御装置の構成を示す概略図である。 目標空燃比をリーンからリッチに変更したときの、触媒前後の空燃比の過渡応答を示すグラフである。 本実施形態で用いる劣化触媒のモデルを示す図である。 劣化触媒モデルおよび測定空燃比の誤差の二乗和Serrorと、パラメータβとの関係を示すグラフである。 劣化触媒モデルの同定パラメータβminの特性を示すグラフである。 本実施形態による触媒劣化判定処理のフローチャートである。 酸素吸着量および目標空燃比と、判定しきい値の補正係数との関係を示す図である。 排気流量、排気または触媒温度、目標空燃比、空燃比変化量と、サンプリング周期およびサンプリング点数との関係を示す図である。 本実施形態による第2の触媒劣化判定処理のフローチャートである。 排気温度および目標空燃比と、第2の判定しきい値の補正係数との関係を示す図である。
符号の説明
1 内燃機関(エンジン)
5 触媒
7,8 LAFセンサ
10 ECU

Claims (1)

  1. 内燃機関の排気系に設けられ、排気を浄化する触媒と、
    前記触媒の上流側および下流側に設けられ、排気中の空燃比を計測する空燃比センサと、
    目標空燃比に応じて前記空燃比を制御する空燃比制御手段と、
    前記空燃比の変動に応じて、前記触媒の上流側空燃比および下流側空燃比を用いて、前記触媒の劣化状態を表す触媒モデルのパラメータを同定する同定手段と、
    前記同定されたパラメータに基づき、前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを有し、
    前記触媒モデルがY=βXで表され、
    ここで、Xは前記上流側空燃比であり、Yは前記下流側空燃比であり、βは前記パラメータであり、
    前記劣化判定手段が、前記触媒の酸素吸着量、触媒温度、または前記目標空燃比に応じてしきい値を設定し、前記パラメータと該しきい値とを比較して前記触媒の劣化を判定し、前記しきい値は、前記上流側空燃比に応じた特性をもつベースしきい値に、前記目標空燃比が小さいほど大きい値になるよう設定され、前記酸素吸着量が大きいほど大きい値になるように設定される補正係数を乗ずることにより算出される、
    内燃機関の触媒劣化検知装置。
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