JP5418123B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路中に燃料を供給する機能を有する排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路中に設けられる触媒は、有害成分の浄化に適した活性温度範囲を有する。触媒の温度がこの活性温度範囲から外れているときには、浄化能力が著しく低下する。

特許文献１が開示する装置では、触媒を活性化させる目的から、排気通路中の触媒の上流に、インジェクタとバーナとが設けられている。触媒の温度が活性温度よりも低くなっている場合に、インジェクタから供給される燃料にバーナで点火することにより、触媒の温度が上昇する。しかし、インジェクタの異常（例えば、堆積したデポジットに起因する開固着や閉固着）を検出する手段は提供されていない。

特許文献２が開示する装置では、燃焼室に燃料を供給するためのインジェクタの故障を検出するために、排ガスの空燃比を参照している。しかし、空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサは、検出可能な活性温度範囲を有するから、活性温度範囲から外れているときには、当該特許文献２が開示する装置では空燃比を参照することによる異常検出をすることができない。

特開２００１‐１０７７２１号公報 特開２００６‐００２６２９号公報

本発明は上記又は他の従来の技術の１又は２以上の問題点を解決し、インジェクタの異常を検出するための新規な手段を提供することを目的とする。

本発明の１態様は、内燃機関の排気通路内に燃料を供給するための燃料供給手段と、前記燃料供給手段から供給された燃料を燃焼させるための着火手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路内であって前記燃料供給手段及び前記着火手段よりも下流側に設けられた温度センサと、前記温度センサの検出した温度に基づいて、前記燃料供給手段が異常であるかを判定する判定手段と、を更に備えたことを特徴とする。

この態様では、燃料供給手段から排気通路内に燃料が供給されているときに、着火手段を作動させて燃料を着火させることにより、排気通路内の温度が上昇する。温度センサの検出した排気通路内の温度が、正常時に推定される温度の領域から上あるいは下に外れている場合に、燃料供給手段が異常である旨（例えば燃料供給手段がインジェクタである場合には、弁体が開固着又は閉固着している旨）を判定することができる。

前記判定手段は、前記温度の変化量が燃料供給指示量に応じて定められた第１上限値よりも大きい場合に異常と判定してもよい。

この場合には、簡易な構成により、燃料供給指示量の情報に応じた好適な判定を行うことができる。

前記判定手段は、前記温度の変化量が、燃料供給指示量に応じて定められた第２上限値であって前記第１上限値よりも小さい第２上限値よりも大きい状態が所定時間より長く継続している場合に異常と判定してもよい。

この場合には、温度領域に応じた適切な判定を行うことができる。

前記判定手段は、前記温度の変化量が、燃料供給指示量に応じて定められた第１下限値よりも小さい状態が所定時間より長く継続している場合に異常と判定してもよい。

この場合には、簡易な構成により、燃料供給指示量の情報に応じた好適な判定を行うことができる。

前記判定手段は、前記温度の変化量が燃料供給指示量に応じて定められた第２下限値であって前記第１下限値よりも小さい第２下限値よりも小さい場合に異常と判定してもよい。

この場合には、温度領域に応じた適切な判定を行うことができる。

本発明の第１実施形態の概念図である。 排気温度の変化量と各基準値との関係を示すグラフである。 基準値マップの設定例を示すグラフである。 異常検出処理を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について以下に説明する。図１において、第１実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、エンジン１、吸気管２及び排気管３を有する。エンジン１はディーゼル内燃機関であるが、他の形式の内燃機関であってもよい。

吸気管２にはスロットル弁４及びサージタンク５が配置されている。スロットル弁４はスロットルアクチュエータ７によって駆動される。エンジン１の燃焼室に向けて、走行用のインジェクタ６が設けられている。

排気管３は、図１において左側が上流側であってエンジン１に接続されており、図中右側が下流側であって不図示のマフラーに接続されている。排気管３内には触媒１１が設けられている。触媒１１は、例えば酸化触媒、三元触媒又はＮＯx触媒から構成されており、基材にはコージェライトあるいはメタルが用いられている。

触媒１１より上流側の排気管３内には、触媒加熱用のインジェクタ１２がその噴射口を排気管３内部に臨ませて設置されている。インジェクタ１２には、燃料タンク１３内の燃料がポンプ１４を介して供給される。なお、燃焼を促進させるために、外部から排気管３の内部に燃焼用空気を供給するための管路、制御弁及びコンプレッサを設けても良い。

インジェクタ１２よりも下流側の排気管３内には、グロープラグ１５が設けられている。グロープラグ１５には、これに給電するための直流電源１６及び昇圧回路１７が接続されている。着火手段としてはグロープラグに代えてセラミックヒータを用いてもよい。

触媒１１よりも上流側の排気管３内には、排気温センサ１８が設置されている。排気温センサ１８は、温度により抵抗値が変化するサーミスタを有し、排気温の変化をサーミスタの抵抗値変化で検出する。

触媒１１よりも下流側の排気管３内には、Ａ／Ｆセンサ１９が設置されている。Ａ／Ｆセンサ１９は、酸素イオン伝導性材料（例えばジルコニア）からなるシート状の固体電解質素子、及び当該固体電解質素子を挟んだ一対の電極を有するものであり、排ガス中の酸素濃度に比例した出力を発生する。Ａ／Ｆセンサ１９は、内蔵されたヒータによって固体電解質を直接加熱するいわゆる積層型のものであるが、大気層を介して間接的に固体電解質を加熱するいわゆるコップ型であってもよい。

触媒１１よりも下流側の排気管３と、サージタンク５よりも下流側の吸気管２とを結んで、ＥＧＲ（排ガス再循環）通路２０が設けられている。ＥＧＲ通路２０には、排ガスを冷却するためのインタークーラ２１と、流量を制御するためのＥＧＲ制御弁２２とが配置されている。

スロットルアクチュエータ７、ポンプ１４、グロープラグ１５、昇圧回路１７及びＥＧＲ制御弁２２の動作は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）３０によって制御される。

ＥＣＵ３０は周知のワンチップマイクロプロセッサであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性記憶装置、入出力インターフェイス、Ａ／Ｄコンバータ及びＤ／Ａコンバータを備えている。ＥＣＵ３０の入力インターフェイスには、エンジン運転状態及び操作入力状態を含む車両の状態を検出する各種のセンサが電気的に接続され、信号が入力される。このような各種のセンサには、上述した排気温センサ１８及びＡ／Ｆセンサ１９のほか、エアフローメータ、スロットル開度センサ、クランク角センサ、アクセルペダルセンサが含まれる。

ＥＣＵ３０の出力インターフェイスには、インジェクタ６，１２、ポンプ１４、昇圧回路１７及びＥＧＲ制御弁２２が電気的に接続され、制御信号が出力される。ＥＣＵ３０は、エアフローメータ、スロットル開度センサ、クランク角センサ及びアクセルペダルセンサを含む車両の状態とくにエンジンの動作状態を示すパラメータに基づいて、燃料供給指示量を算出し、指示量に応じた時間だけインジェクタ６，１２を開くべく制御信号を出力する。この制御信号に従って、燃料供給指示量に応じた量の燃料がインジェクタ６，１２から供給される。

ＥＣＵ３０のＲＯＭには、各種プログラム及び基準値・初期値が格納されている。ＲＯＭに格納されている基準値は、後述する処理に使用される温度変化量（上昇量）の基準値である第１上限値Ｔｈ１、第２上限値Ｔｈ２、第１下限値Ｔｃ１、及び第２下限値Ｔｃ２（図２参照）を含む。またＥＣＵ３０のＲＯＭには、予め作成された基準値マップが格納されている。この基準値マップには、燃料供給指示量と、排気通路燃焼の開始前の温度であるベース温度Ｔ０と、第１上限値Ｔｈ１、第２上限値Ｔｈ２、第１下限値Ｔｃ１、及び第２下限値Ｔｃ２とが互いに関連付けて記憶されている。基準値マップは三次元のデータマップであるが、図３は或るベース温度Ｔ０についての燃料供給指示量と各基準値との関係を概略的に示している。

ＥＣＵ３０は、エンジン始動時のクランキング前に、予備加熱処理を行う。この予備加熱処理では、ポンプ１４を運転するとともにインジェクタ１２を開いて燃料を排気管３内に噴射し、同時にグロープラグ１５に通電する。インジェクタ１２から噴射された混合気はグロープラグ１５によって着火され、燃焼する。この燃焼により発生した火炎Ｆは触媒１１を加熱する。

インジェクタ１２による燃焼を所定時間行ったならば、ＥＣＵ３０は、ポンプ１４を停止するとともにインジェクタ１２を閉じて燃焼を停止する。その後、すぐにスタータスイッチをＯＮにしてエンジンをクランキングし始動する。

以上の予備加熱処理と並行して、ＥＣＵ３０は、以下のインジェクタ異常検出処理を行う。図４において、ＥＣＵ３０は、温度センサ１８からの温度Ｔを読み込み、排気通路燃焼の開始前の温度であるベース温度Ｔ０として記憶する（Ｓ１０）。次に、ＥＣＵ３０は、上記の予備加熱処理における燃料供給があったかを判断し（Ｓ２０）、供給がない場合には処理をリターンする。

燃料供給があった場合には、次にその供給に係る燃料供給指示量をＲＡＭに読み込み（Ｓ３０）、上述した基準値マップの参照により、燃料供給指示量及びベース温度Ｔ０に応じた第１上限値Ｔｈ１、第２上限値Ｔｈ２、第１下限値Ｔｃ１、及び第２下限値Ｔｃ２を設定する（Ｓ４０）。

次にＥＣＵ３０は、排気温センサ１８からの温度Ｔを再び読み込み（Ｓ５０）、現在の温度Ｔからベース温度Ｔ０を減算して得られる温度変化量ΔＴが、第１上限値Ｔｈ１より大であるかを判断する（Ｓ６０）。肯定の場合には、開固着処理が行われる（Ｓ１１０）。この開固着処理は、以下の処理のうち１又は２以上のものを含むことができる。
（１）グロープラグ１５の通電を停止すること。
（２）インジェクタ１２の使用を禁止すること。
（３）ＥＧＲバルブ２２の開度及びスロットル弁４の開度の増大による排気流量の増量。これによって着火性が低下し、排気管又は排気部品の火炎Ｆによる損傷や溶損が抑制される。
（４）空燃比の制御（リッチ又はストイキ化）による排ガス中の酸素濃度の抑制。これによって燃焼性が低下し、排気管又は排気部品の火炎Ｆによる損傷や溶損が抑制される。
（５）ＥＣＵ３０の不揮発性記憶装置内の所定の開固着フラグのオン動作。この開固着フラグは、ＥＣＵ３０に車内ネットワークバスを介して接続されたメータコンピュータによって参照され、開固着フラグがオンの場合には車室内のディスプレイ装置（不図示）に故障メッセージが出力され表示される。

ステップＳ６０で否定の場合、すなわち温度変化量ΔＴが第１上限値Ｔｈ１以下である場合は、次にＥＣＵ３０は、温度変化量ΔＴが第２上限値Ｔｈ２より大であり且つ予め定められた基準時間ａが経過しているかを判断する（Ｓ７０）。本実施形態では、第２上限値Ｔｈ２は第１上限値Ｔｈ１よりも小さい値である。肯定、すなわち温度変化量ΔＴが第２上限値Ｔｈ２より大である時間が基準時間ａを超えて継続している場合には、上述の開固着処理（Ｓ１１０）が行われる。

ステップＳ７０で否定、すなわち温度変化量ΔＴが第２上限値Ｔｈ２以下の場合には、次にＥＣＵ３０は、温度変化量ΔＴが第２下限値Ｔｃ２よりも小であるかを判断する（Ｓ８０）。肯定の場合には、閉固着処理が行われる（Ｓ１００）。この閉固着処理は、以下の処理のうち１又は２以上のものを含むことができる。
（１）グロープラグ１５の通電を停止すること。
（２）インジェクタ１２の使用を禁止すること。
（３）ＥＣＵ３０の不揮発性記憶装置内の所定の閉固着フラグのオン動作。この閉固着フラグは、ＥＣＵ３０に車内ネットワークバスを介して接続されたメータコンピュータによって参照され、閉固着フラグがオンの場合には車室内のディスプレイ装置（不図示）に故障メッセージが出力され表示される。

ステップＳ８０で否定の場合、すなわち温度変化量ΔＴが第２下限値Ｔｃ２以上である場合は、次にＥＣＵ３０は、温度変化量ΔＴが第１下限値Ｔｃ１より小であり且つ予め定められた基準時間ｂが経過しているかを判断する（Ｓ９０）。本実施形態では、第１下限値Ｔｃ１は第２上限値Ｔｃ２よりも大きい値である。肯定すなわち温度変化量ΔＴが第２下限値Ｔｃ２より小である時間が基準時間ｂを越えて継続している場合には、上述の閉固着処理（Ｓ１００）が行われる。基準時間ｂは、基準時間ａと同じ値であっても異なる値であってもよい。基準時間ａ，ｂは固定値であっても、車両の状態を表すパラメータ（例えば、排気温Ｔ及び／又はエンジン水温）に応じて動的に取得されてもよい。

ステップＳ９０で否定、すなわち温度変化量ΔＴが第２上限値Ｔｈ２以下かつ第１下限値Ｔｃ１以上であるか、あるいは基準時間が経過していない場合には、正常として処理がリターンされる。

以上の処理の結果、温度変化量ΔＴが第１上限値Ｔｈ１より大である場合（Ｓ６０）、及び第２上限値Ｔｈ２を上回った状態が基準時間ａにわたって継続している場合（Ｓ７０）には、開固着と判断されて相当する処理が行われる（Ｓ１１０）。また、温度変化量ΔＴが第２下限値Ｔｃ２より小である場合（Ｓ８０）、及び第１下限値Ｔｃ１を下回った状態が基準時間ｂにわたって継続している場合（Ｓ９０）には、閉固着と判断されて相当する処理が行われる（Ｓ１００）。したがって、Ａ／Ｆセンサ１９が検出可能な活性温度範囲から外れているとき、あるいは故障しているときであっても、異常を検出することができる。

上記実施形態では、排気温センサ１８の検出した温度Ｔに基づいてインジェクタ１２の異常を検出するため、エンジン１の冷間始動時など空燃比に基づく異常検出が困難な状態において有利であるが、温度Ｔに基づく異常検出とＡ／Ｆセンサ１９の検出した空燃比に基づく異常検出とを併用してもよい。空燃比に基づく異常検出は、例えば以下の手順によって行うことができる：（１）Ａ／Ｆセンサ１９により検出された排ガスの空燃比と目標空燃比との間のずれ量を算出し、（２）ずれ量の正負及び大きさに応じて、ずれ量が小さくなるように、燃料供給指示量（または噴射時間）に乗算するための補正係数を設定し、（３）その補正係数が所定の基準領域から外れている場合に異常と判定する。また、排ガスの温度Ｔ又は車両の状態を示す他のパラメータに基づいて、温度Ｔに基づく異常検出と空燃比に基づく異常検出とを切り替えてもよい。

本発明における第１上限値、第２上限値、第１下限値及び第２下限値は、温度変化量ΔＴの値でなく、温度値であってもよい。この場合には、制御の過程でベース温度Ｔ０を参照しなくてもよい。本発明による装置は、第１上限値、第２上限値、第１下限値及び第２下限値による判定のうち少なくとも一つを行うものであってもよい。

３ 排気管
１１ 触媒
６，１２ インジェクタ
１４ ポンプ
１５ グロープラグ
１８ 排気温センサ
１９ Ａ／Ｆセンサ
２０ ＥＧＲ通路
２２ ＥＧＲバルブ
３０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路内に燃料を供給するための燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段から供給された燃料を燃焼させるための着火手段と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路内であって前記燃料供給手段及び前記着火手段よりも下流側に設けられた温度センサと、
   前記温度センサの検出した温度に基づいて、前記燃料供給手段が異常であるかを判定する判定手段と、
   を更に備え、
   前記判定手段は、前記燃料供給手段及び着火手段による排気通路燃焼の開始前からの前記温度の変化量が、燃料供給指示量に応じて定められた第１上限値よりも大きい場合、及び、当該温度の変化量が、燃料供給指示量に応じて定められた第２上限値であって前記第１上限値よりも小さい第２上限値よりも大きい状態が所定時間より長く継続している場合に、異常と判定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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