JP5404600B2 - 内燃機関の排気管の触媒コンバータの作動状態を制御する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の内燃機関の排気ガスの処理の分野に関する。内燃機関はリーン燃焼エンジン、特にジーゼルエンジンまたはガソリンエンジンとすることができる。
更に詳細には、本発明は、排気管に設置される触媒コンバータの作動状態をチェックする分野に関する。

内燃機関からは、ガスが大気に放出される前に処理する必要がある窒素酸化物、未燃焼炭化水素、及び一酸化炭素のような汚染物質を含む排気ガスが排出される。
自動車には、機関の排気管に配置され、かつ一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を酸化することができる触媒コンバータが搭載される場合が多い。

自動車には更に普通、触媒コンバータの作動状態をチェックして、触媒コンバータが正しく作動していることをチェックし、そして運転者にどのような異常についても警告を出すことができる装置が搭載される。
異常の原因の中で、触媒コンバータの経年変化によって、未燃焼炭化水素及び一酸化炭素が水及び二酸化炭素に変換される効率が低下し、この低下は、とりわけ、触媒コンバータの汚染物質を処理するための活性表面積の減少に起因する。従って、これにより、酸化反応の活性化温度の、特に変換効率が５０％以上になるときの温度が上昇する。

欧州特許第ＥＰ−１３２３９０５号（ルノー特許）には、コンバータが燃料を噴射することにより活性化される構成の内燃機関の排気管の触媒コンバータの作動状態をチェックし、そして触媒コンバータ内の酸化反応により発生する熱の量を表わす変数の値を、触媒コンバータの作動温度をモニタリングすることによりチェックし、そして燃料を、正しく作動している触媒コンバータの活性化温度に対応する温度で噴射する方法が提案されている。

本発明は、排気管触媒の作動に関するチェックを改善することを目的としている。
本発明は、触媒コンバータの作動状態を特に高精度に、かつ正確にチェックすることを提案する。

内燃機関の排気管の触媒コンバータの作動状態をチェックする方法は、燃料を前記排気管に噴射することにより前記コンバータを活性化させるステップと、そして前記触媒コンバータ内の酸化反応により発生する熱の量を表わす変数の値をチェックするステップを含む。温度モデルは、前記触媒コンバータの測定作動温度に基づいて校正される。燃料は、運転条件が満たされる場合に噴射される。前記コンバータの下流における測定温度と前記コンバータの下流におけるモデル化温度との差の積分が計算される。前記積分の値は、前記触媒コンバータの作動状態を表わす。

一つの実施形態では、前記方法は、テスト期間に亘っての前記コンバータの下流における前記測定温度と前記コンバータの下流における前記モデル化温度との差の積分を閾値と比較することにより、この比較に基づいて、前記触媒コンバータの前記作動状態に関する診断を推定するステップを含む。
一つの実施形態では、前記閾値は、前記機関の運転条件の関数として変化することができる閾値である。
別の実施形態では、前記閾値は、前記機関の動作点に関して一定の値である。

一つの実施形態では、燃料噴射中の前記運転条件に適合しない場合に、前記チェックによって、（触媒コンバータに）悪影響が及んでいることが判定される。
一つの実施形態では、燃料噴射中の前記運転条件として、主燃料インジェクタ、または燃料を排気管に噴射するインジェクタが満足に作動すること、燃料供給ポンプが満足に作動すること、及び温度センサが満足に作動することを挙げることができる。従って、前記触媒コンバータの作動を表わすデータを持つことができるようになる。

一つの実施形態では、燃料噴射中の前記運転条件として、コンバータ温度が、新品の前記コンバータの、及び劣化状態の前記コンバータの活性化温度よりも高く、かつ劣化状態のコンバータが、新品のコンバータの作動に近い態様で作動するときの高温よりも低いことを挙げることができる。噴射される燃料の量は、或る範囲に収まる。
一つの実施形態では、前記排気管への前記燃料噴射は、前記機関のシリンダと前記コンバータとの間で噴射するインジェクタにより行なわれる。これは、前記インジェクタで気化された炭化水素が触媒コンバータを通り抜けることを意味する。噴射される燃料の量を減らすことができる。チェック期間を短くすることができる。

一つの実施形態では、前記温度は、前記コンバータの上流において測定され、そして前記温度をフィルタ処理することにより、活性化していない触媒コンバータ（触媒相を含まない）が、当該コンバータの出口において有することになる温度をモデル化する。当該フィルタ処理は、前記排気質量流量によって変わり、遅延フィルタ処理または無遅延フィルタ処理である。
一つの実施形態では、燃料を噴射しながら、未燃焼炭化水素の質量流量を前記触媒コンバータの入口で一定に保持する。

内燃機関の排気管の触媒コンバータの作動状態をチェックする装置は、前記コンバータの上流及び下流における温度を求める手段と、燃料を前記機関の前記排気管に噴射する手段と、前記触媒コンバータの測定作動温度に基づいて温度モデルを校正する手段と、そして前記コンバータの下流における測定温度と前記コンバータの下流におけるモデル化温度との差の積分を計算する手段を備える。前記コンバータの上流及び下流において支配的な温度を求める前記手段は、前記コンバータの上流に配置されるセンサと、そして前記コンバータの下流の温度を推定する推定器を備えることができる。

一つの実施形態では、前記装置は車両に搭載される。
別の実施形態では、前記装置は、車両とは別体のテストツールを備え、当該テストツールは、前記計算手段の校正手段を含む。

本発明によって、触媒コンバータの作動状態は、効果的な態様でチェックすることができ、かつ異なるタイプの車両に適するように適合させることができる。当該チェックは、停止している、機関が運転状態にある、かつ診断ツールが接続される接続先の車両に対して実行することができる。
本発明は、完全に非制限的な例を通して与えられ、かつ添付の図面に示される多くの実施形態に関する詳細な記述を分析することにより一層深く理解される。

図１は、チェック装置に接続される触媒コンバータが設置された排気管が配管される内燃機関の模式図である。 図２は、図１の別の形態の図である。 図３は、未燃焼炭化水素の変換効率を温度の関数として表わす曲線を示すことにより、チェックするのに好ましい作動ゾーンを定義している図である。 図４は、作動ステップのフロー図である。

図１から分かるように、内燃機関１０には、一列に並んだ４つのシリンダ４が配設される。シリンダ１２には空気が吸気マニホールド１４から供給され、吸気マニホールド１４自体には、エアフィルタ（図示せず）及びターボコンプレッサ１８が配設される配管１６を通って給気されて、機関に供給される空気を過給気する。
排気マニホールド２０は、燃焼により発生する排気ガスを回収し、そして排気ガスを外部に、ターボコンプレッサ１８のタービンを介して、そして排気管２２を介して放出する。

エンジン給気回路部及び排気回路部を備える排気ガス再循環回路２３は、排気ガスの或る部分を取り出し、そして吸気マニホールド１４に再噴射して燃焼により発生する窒素酸化物の量を制限すると同時に、排気ガス中の煤の生成を回避する。再循環回路２３は、再循環排気ガスの流れを調整するバルブ２４を含むことができる。
排気管２２は、パティキュレートフィルタ（図示せず）及び触媒コンバータ２５を含み、触媒コンバータ２５は、還元分子、特に一酸化炭素ＣＯ及び未燃焼炭化水素ＨＣを酸化する。

触媒コンバータ２５は、従来タイプとすることができるので、以下の記述では、詳細に説明することはしない。触媒コンバータ２５はモノリシック構造を有することができる。触媒コンバータ２５には、触媒相、例えば貴金属を含浸し、かつ排気ガスに接触する大きな表面積を有する通気路を設けることができる。
触媒コンバータ２５の作製に用いるモノリス（多孔体）を、パティキュレートフィルタに、またはＮＯ_Ｘトラップに組み込むことができる。従って、一酸化炭素の酸化、及び未燃焼炭化水素ＨＣの酸化による排気ガスの後処理と、粒子状物質及び窒素酸化物ＮＯ_Ｘの後処理とを関連付けることができる。

機関１０は、前記機関１０の運転条件をチェックすることができる、特に当該機関の運転パラメータを調整し、そして触媒コンバータ２５の作動状態をチェックすることができる車載コンピュータ２６を備える。
機関１０には、過給圧センサ２８と、吸気マニホールド１４への吸気温度を検出するセンサ３０と、そして給気管１６に配置される流量センサ３２を配設することができる。機関の、そして給気回路のこれらのセンサ、及び主要機能部品はコンピュータ２６に接続される。

コンピュータは、先行する学習段階で取得され、かつ特に、故障検出の閾値に対応する収集データが保存されるメモリ記憶手段と、そして触媒コンバータ内での後噴射により発生する化学反応から放出される熱の量を閾値と比較することによりチェックするソフトウェア手段を備える。
当該装置は更に、コンバータ２５の下流の排気ガスの温度を測定し、かつガス流の中に予め、コンバータ２５に出来る限り近く配置されるセンサ３４と、そしてコンバータ２５の上流の排気ガスの温度を測定するセンサ３６を備える。センサ３４及び３６はコンピュータ２６に接続される。センサ３４及び３６はサーミスタを含むことができる。

図１に示す実施形態では、触媒コンバータの作動状態をチェックするために行なわれる燃料噴射は、燃料をシリンダ１２に噴射するように構成されるインジェクタ３８により行なわれる。インジェクタ３８もコンピュータ２６により制御される。
図２に示す実施形態では、当該装置は、ターボコンプレッサ１８のタービンとコンバータ２５の上流のセンサ３６との間に配置される更に別のインジェクタ４０を備える。更に別のインジェクタ４０は、燃料を、例えば気化状態で排気ガスの流れに噴射することができる。更に別のインジェクタ４０によって、チェックテストを行なっている間に一時的に、排気ガス中の未燃焼炭化水素の量を増やすことができる。

図３は、未燃焼炭化水素の変換効率が入口温度によって変わる様子を表わす２つの曲線を示している。曲線Ａまたは上側の曲線は、活性状態の触媒コンバータの作動を表わす。曲線Ｂまたは下側の曲線は、劣化状態の触媒コンバータの作動を表わす。約２５０°の温度よりも高い温度では、曲線Ａ及びＢは、比較的安定、かつ単調な微増ゾーンを示しており、この場合、７５〜８０％の範囲で変化する、活性状態の触媒コンバータの変換効率と、約４０〜４５％の範囲である、劣化状態の触媒コンバータが示す変換効率との乖離が、約３０〜４０個の温度において、ほぼ一定になっていることが分かる。このゾーンは、約２５０〜４００°の温度範囲にある。例えば、約１５０〜２５０°の低い温度では、曲線ＡとＢとの乖離は更に大きくなる。それにも拘らず、変換効率の値が相対的に大きく変化することにより診断が可能になるが、診断が若干難しくなる。従って、２５０°よりも高い触媒コンバータ温度が、チェック方法の作動条件として選択されることが好ましい。

図４に示すように、当該方法は３つの主要ステップを含み、これらのステップはそれぞれ、再校正ステップ５０、遅れ噴射作動ステップ５１、及び熱情報３の処理ステップ５２である。第１ステップ５０によってモデル化温度を測定温度に基づいて再校正して、遅れ噴射シーケンス中の相対的な乖離のみを、診断リクエスト５３の受信時に測定することができる。ステップ５０によって更に、システム温度センサのバラツキを全て、除去することができる。第１ステップ５０によって、モデル化温度と測定温度との差を所定センサに対応してメモリに記憶させることができる。次に、この差を再積分して、第３ステップでモデル化される温度を構成することができる。第１ステップ５０では、学習条件５４、例えばエンジン運転範囲、コンバータの出口でモデル化される温度とコンバータの出口で測定される温度との乖離の安定性を検証し、カウンタを初期化し（５５）、学習条件５４と同様とすることができる学習条件５６を検証して、カウンタのデクリメント（５７）を可能にし、そして次に、カウンタがゼロ５８になると、第２ステップ５１に、遅れ噴射を作動させるリクエスト５９を生成することにより進む。別の表現をすると、満足できる入力条件は、初期化５５とゼロ処理５８との間の期間中に検証される。

遅れ噴射を作動させる第２ステップ５１は、エンジンの動作に固有のパラメータ、及び触媒コンバータの作動に固有のパラメータを検証した後に始まり、これらのパラメータは特に、コンバータの両端での温度、排気ガスの質量流量などである。「診断条件」として知られるこれらのパラメータの検証によって、診断中のパラメータの所定の安定性、従って診断の再現性を確保することができる。診断条件６０は、初期化され（６１）、そしてカウントダウンする（６２）カウンタによってカウントダウンされる所定期間に亘って満足できる条件に維持される必要がある。カウンタがゼロにならない限り、診断条件が再度、テスト６３を通して検証される。

噴射は、カウンタがゼロになるとテスト６４に従って指示される。噴射は、ステップ６５で作動させる。更に詳細には、触媒コンバータの温度条件を調整することができる。触媒コンバータの温度は、活性状態の触媒コンバータの活性化温度、及び判定対象の劣化触媒コンバータの活性化温度よりも高くする必要がある。触媒コンバータの温度は、図３に具体的に示す診断ゾーンに、例えば２５０〜４００℃の範囲に収まる必要がある。遅れて噴射される燃料の量は、高効率の触媒コンバータを劣化触媒コンバータから明確に見分けるために十分多くする必要がある。後噴射燃料の量は、上限値よりも小さくして、触媒変換反応が、触媒相が被毒の影響を受けることにより、例えば触媒コンバータの上流の炭化水素の濃度を極めて高くすることにより阻止されるということがないようにする必要がある。

更に、触媒コンバータが冷間時に、炭化水素を吸蔵する能力を有する場合、冷間時に吸蔵される炭化水素が確実に吸蔵部分から予め除去されていることが好ましい。炭化水素が除去されていない場合、反応に関与する炭化水素の量に対する制御が不十分になることになり、従って、この診断によって、劣化触媒コンバータが正常であると判定される危険が生じる。触媒コンバータの入口温度及び／又は出口温度に関する条件によって、この危険を未然に防ぐことができる。

一つの実施形態では、未燃焼炭化水素の質量流量は、触媒コンバータの上流で遅れ噴射の期間中に一定に保持される。遅れ噴射は、テスト中止基準が満たされる場合に、例えば運転者が、運転者の足をスロットルから離した場合に停止する。センサ３５により測定される下流温度が所望範囲から外れる場合、テストを中止する。下流温度が所望範囲から外れない場合は、テストを継続する。噴射される量は、エンジン速度により、そして場合によっては、排気ガス再循環率により、次式に従って変更することができる：

上の式では、ｎはエンジン速度であり、そしてτ_ＥＧＲは排気ガス再循環率である。

別の実施形態では、排気ガス再循環バルブ２４はステップ２の間は閉じる。この場合、噴射される量は、次式に従ってエンジン速度の関数となる：

熱情報を処理する第３ステップ５２は、遅れ噴射と同時に始めることができる。第３ステップ５２では、簡単な診断結果を返す。コンピュータ２６は、基準を計算する（６６）：コンバータの下流における測定温度とコンバータの下流におけるモデル化温度との差のテスト期間に亘る積分を、次式を使用して行なう：

次に、このようにして計算された値をステップ６７で閾値と比較する。比較の結果によって、触媒コンバータ２５の浄化率が満足できる値になっているかどうかを判断する。触媒コンバータ２５は、対応するディスプレイで、例えば車両計器パネルで、使用に適すると判定される（７０）、または劣化していると判定される（７１）。

一つの特定の実施形態によれば、多数の閾値をマップに記録することができ、このマップは、触媒コンバータのパラメータ、特に上流の温度、下流の温度、ガスの質量流量、噴射される炭化水素の量などによって変わる。
別の実施形態では、診断は、所定のエンジン動作点に関して行なわれる。従って、診断フェーズに入る条件は、後噴射の第２ステップを始める前に一定の長さの時間に亘って検証する必要がある。

一つの実施形態では、テストの開始に続いて、エンジンのパラメータ、及び触媒コンバータのパラメータのような所定の動作条件をテストの期間に亘ってモニタリングする。これらの動作条件によって、確実にテストをテスト仕様に従って実行することができる。これらの条件が満たされない場合、テストが失敗に終わったと判定され、そしてテスト結果は出力に供給されることがない。これらの動作条件は、これも図３に示すように、温度に関するテストにより検証することができる（６８）。
活性化していない触媒コンバータのモデルをコンピュータが使用することにより、活性化していない触媒コンバータの出口において支配的な温度を定常的に推定することができる。このモデルでは、入力で、入口温度、及び排気の質量流量のような入力変数を受信し、そして出力で、触媒コンバータのモデル化出口温度を返す。コンバータの上流における温度に関する情報は、１次フィルタによってフィルタ処理することができ、１次フィルタの時定数は、排気の質量流量によって変わるマップによって決定される。

別の実施形態では、フィルタの時定数は予め決定され、そして一定に維持される。
フィルタの出力では、信号を、排気ガスの質量流量によって変わる或る期間だけ遅延させる。最後に、第１ステップ中に学習した温度のオフセットを、最初の２つの処理演算から得られる温度に加算する。次に、これによって、コンバータのモデル化出口温度が得られる。

確実に、診断が正しく作用するようにするために、コンピュータ２６は、インジェクタが正しく作動し、燃料供給ポンプが正しく作動し、燃料を排気管に噴射するシステムが、当該システムが配設されるとした場合に、正しく作動し、触媒コンバータの上流及び下流の温度センサが正しく作動し、そして排気ガス再循環量が正しく調整されていることを保証する。これらの診断中止基準に対してテスト６９を、テスト６８及び計算６６と並行して行なうことができる。
更に詳細には、チェック方法は、車両がエンジンを運転している状態で停止している場合に実行することができる。この目的のために、車両とは別体であり、かつ車両に、例えば診断コネクタを介して接続することができる診断ツールを提供することができる。このような場合においては、当該方法の３つのステップは、テストツールにより制御され、当該テストツールは、温度モデルを校正する手段と、コンバータの下流における測定温度とコンバータの下流におけるモデル化温度との差の積分を計算する手段と、そして燃料の噴射をコンピュータ２６で制御する手段を備える。

別の表現をすると、コンバータの出口温度のモデル化は測定温度に基づいて校正される。チェックを行なって、診断に必要な条件が確実に満たされるようにする。これらの条件が満たされる場合、追加の燃料噴射を、トルクを生じない噴射フェーズにおける、例えば９０°よりも大きいクランク角におけるシリンダのインジェクタによる遅れ噴射によって行なう、またはシリンダの外側に位置する、例えば排気マニホールドに設置され、かつ場合によっては、パティキュレートフィルタを再生し易くするために利用することもできる更に別のインジェクタまたは気化器を設置することにより行なう。追加噴射を行なっている間、燃焼ガス再循環バルブは強制的に閉じ位置にする、または作動状態に保持することができる。追加噴射は、所定の期間に亘って行なわれる。同時に、温度を測定し、そしてコンバータの下流における測定温度とコンバータの下流における推定温度との差の積分を計算する。積分の計算から得られる値が閾値よりも大きい場合、コンバータは、使用に適すると判定される。当該値が閾値よりも大きくない場合、触媒コンバータが劣化していると判定される。
従って、これにより、触媒コンバータの浄化率を非常に効果的にチェックすることができる。

Claims (8)

1. 内燃機関（１０）の排気管の触媒コンバータ（２５）の作動状態をチェックする方法であって、
   運転条件が満たされる場合に、燃料を前記排気管に噴射することにより触媒コンバータ（２５）を活性化させるステップと、
   触媒コンバータ（２５）の上流における測定温度と、前記排気管に噴射される燃料の質量流量とに基づいて、活性化していない触媒コンバータ（２５）の下流におけるモデル化温度を推定するステップと、
   触媒コンバータ（２５）の下流における測定温度と前記モデル化温度との差の積分値を取得するステップと、
   前記積分値と閾値との比較結果に基づいて、触媒コンバータ（２５）の作動状態を診断するステップと、を含む方法。
2. 前記閾値は、前記機関（１０）の運転条件の関数として変化することができる閾値である、または前記機関（１０）の動作点に関して一定の値である、請求項１に記載の方法。
3. 燃料噴射中の前記運転条件は、主燃料インジェクタ（３８）、または、燃料を排気管に噴射するインジェクタ（４０）が満足に作動すること、燃料供給ポンプが満足に作動すること、温度センサが満足に作動すること、触媒コンバータ（２５）の温度が、新品の触媒コンバータ及び劣化状態の触媒コンバータの活性化温度より高く、劣化状態の触媒コンバータが、新品の触媒コンバータの作動に近い態様で作動する高温よりも低いこと、噴射される燃料の量が常にある範囲に収まること、の少なくとも一つである、
   請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記排気管への前記燃料噴射は、機関（１０）のシリンダと触媒コンバータ（２５）との間で噴射するインジェクタ（４０）により行なわれる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 燃料を噴射しながら、未燃焼炭化水素の質量流量を触媒コンバータ（２５）の入口で一定に保持する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 内燃機関（１０）の排気管の触媒コンバータ（２５）の作動状態をチェックする装置であって、
   運転条件が満たされる場合に、燃料を前記排気管に噴射することにより触媒コンバータ（２５）を活性化させる手段と、
   触媒コンバータ（２５）の上流における測定温度と、前記排気管に噴射される燃料の質量流量とに基づいて、活性化していない触媒コンバータ（２５）の下流におけるモデル化温度を推定する手段と、
   触媒コンバータ（２５）の下流における測定温度と前記モデル化温度との差を積分して、積分値を取得する手段と、
   前記積分値と閾値との比較結果に基づいて、触媒コンバータ（２５）の作動状態を診断する手段と、を含む装置。
7. 車両に搭載される、請求項６に記載の装置。
8. 車両とは別体のテストツールの構成部品を形成する、請求項６に記載の装置。

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