JP7125285B2 - 排気浄化システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、内燃機関と電動モータを駆動源とするハイブリッド車両の排気浄化システムに関する。

車両の内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒が設けられている。特許文献１及び特許文献２は、このような排気浄化触媒の状態を監視する技術を開示する。

特開２０００－１９９４２５号公報 特開２０１２－２４１６５２号公報

ところで、内燃機関と電動モータを駆動源とするハイブリッド車両の開発が進められている。このようなハイブリッド車両では、電動モータのみによって走行するモードが存在する。特に、プラグインハイブリッド車両（ＰＨＶ）では、電動モータのみによる走行期間が長くなる傾向にある。このため、このようなハイブリッド車両では、電動モータのみによる走行期間中に排気浄化触媒が冷えてしまうことが予想される。排気浄化触媒が冷えてしまうと、内燃機関が始動した直後において、排気浄化触媒が正常に作動しない事態が生じ得る。

排気浄化触媒の状態を監視する現在の技術では、このような事態を考慮していない。本願明細書は、内燃機関が始動した直後において、暖気不良等による排気浄化触媒の異常を監視する技術を提供する。

本明細書が開示する排気浄化システムは、内燃機関と電動モータを駆動源とするハイブリッド車両に用いられる。前記ハイブリッド車両には、プラグインハイブリッド車両も含まれる。この排気浄化システムは、前記内燃機関の排気通路に設けられている排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられており、窒素酸化物の濃度を測定可能な排気センサと、前記内燃機関が始動してからの所定期間において、前記排気センサで測定された前記窒素酸化物の検出結果に基づいて異常信号を生成するように構成されている異常信号生成部と、を備えることができる。前記内燃機関が始動してからの前記所定期間において、前記排気浄化触媒が暖気不良等により正常に作動していないと、前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路に窒素酸化物が排出される。上記排気浄化システムは、前記窒素酸化物の濃度を測定可能な前記排気センサを前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路に設けることにより、この窒素酸化物の排出を検出することができる。これにより、上記排気浄化システムは、前記内燃機関が始動した直後において、暖気不良等による前記排気浄化触媒の異常を監視することができる。

上記排気浄化システムでは、前記排気センサが空燃比も測定可能に構成されていてもよい。この場合、前記異常信号生成部は、前記内燃機関が始動してからの前記所定期間において、前記排気センサで測定された前記空燃比及び前記窒素酸化物の検出結果に基づいて前記異常信号を生成するように構成されていてもよい。前記内燃機関が始動してからの前記所定期間において、前記排気浄化触媒が暖気不良等により正常に作動していないと、まず炭化水素が前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路に排出され（即ち、空燃比がリッチとなる）、その後、前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路に窒素酸化物が排出される。この排気浄化システムは、前記排気センサを利用することにより、前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路の前記空燃比と前記窒素酸化物の双方を検出することができる。この排気浄化システムによれば、前記空燃比と前記窒素酸化物の双方の検出結果に基づいて、暖気不良等による排気浄化触媒の異常をより確実に監視することができる。

上記排気浄化システムでは、前記異常信号生成部が、前記排気センサで測定された前記空燃比から換算した炭化水素量と、前記排気センサで測定された前記窒素酸化物の濃度から換算した窒素酸化物量と、の合計値が規定値を超えたときに、前記異常信号を生成するように構成されていてもよい。

上記排気浄化システムでは、前記排気センサが、前記ハイブリッド車両の走行中において常時加熱されるように構成されていてもよい。前記排気センサを常時加熱しておくことで、前記排気センサが常時安定して動作することができ、前記内燃機関が始動した直後の排気ガスを正確に検知することができる。

排気浄化システムの概略構成を示す図である。 下流側排気センサの概略構成を示す断面図である。 下流側排気センサの概略構成を示す断面図であり、図２のIII-III線に対応した断面図である。 上流側排気浄化触媒が十分に暖められている状態において、通常走行モードから加速走行モードに移行した直後の上流側排気センサで測定される空燃比、及び、下流側排気センサで測定される空燃比とＮＯｘ濃度の挙動を示す。 上流側排気浄化触媒が十分に暖められていない状態において、通常走行モードから加速走行モードに移行した直後の上流側排気センサで測定される空燃比、及び、下流側排気センサで測定される空燃比とＮＯｘ濃度の挙動を示す。 上流側排気浄化触媒の異常を監視する制御フローを示す。

図１に、内燃機関１０と電動モータ５０を駆動源とするハイブリッド車両に搭載されている排気浄化システム１の概略構成を示す。排気浄化システム１は、内燃機関１０から排出される排気ガスを浄化するためのものであり、内燃機関１０の排気通路２０に設けられた２つの排気浄化触媒２２，２４、内燃機関１０の排気通路２０に設けられた２つの排気センサ２６，２８、及び、エレクトロニックコントロールユニット（ECU：Electronic Control Unit）３０を備えている。符号２２の排気浄化触媒を上流側排気浄化触媒２２といい、符号２４の排気浄化触媒を下流側排気浄化触媒２４という。また、符号２６の排気センサを上流側排気センサ２６といい、符号２８の排気センサを下流側排気センサ２８という。

排気浄化触媒２２，２４はいずれも、三元触媒である。三元触媒は、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ₂ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有している。三元触媒は、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比（ストイキ）からある程度まで外れたとしても、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化することができる。例えば、内燃機関１０の空燃比がリーンのときは、三元触媒に流入する排気ガス中の酸素及びＮＯｘが増加する。このとき、三元触媒は、ＮＯｘに含まれる酸素を吸蔵することによってＮＯｘを還元し、排気ガスを浄化することができる。一方、内燃機関１０の空燃比がリッチのときは、三元触媒に流入する排気ガス中のＨＣ及びＣＯが増加する。このとき、三元触媒は、吸蔵していた酸素分子を利用してＨＣ及びＣＯを酸化し、排気ガスを浄化することができる。

上流側排気センサ２６は、上流側排気浄化触媒２２よりも上流側の排気通路２０に設けられており、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として構成されている。上流側排気センサ２６は、例えば限界電流式の空燃比センサである。上流側排気センサ２６は、内燃機関１０から排出された排気ガス（上流側排気浄化触媒２２よりも上流側における排気ガス）の空燃比に対応した出力電圧を生成し、その出力電圧信号をＥＣＵ３０に出力する。

下流側排気センサ２８は、上流側排気浄化触媒２２よりも下流側の排気通路２０に設けられており、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）とＮＯｘセンサが一体化したセンサとして構成されている。下流側排気センサ２８の具体的な構成については後述する。下流側排気センサ２８は、上流側排気浄化触媒２２よりも下流側における排気ガスの酸素濃度に対応した出力電圧及びＮＯｘ濃度に対応した出力電圧を生成し、それら出力電圧信号をＥＣＵ３０に出力する。

ＥＣＵ３０の入力側には、クランク角センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、エアフローメータ、上流側排気センサ２６及び下流側排気センサ２８が接続されている。ＥＣＵ３０の出力側には、点火プラグ、インジェクタ、スロットルモータ、触媒加熱ヒータ及びパワーコントロールユニット（PCU：Power Control Unit）４０が接続されている。ＥＣＵ３０は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、内燃機関１０及びＰＣＵ４０の各種制御を実行することができる。例えば、ＥＣＵ３０は、上流側排気センサ２６の出力電圧信号に基づいて、内燃機関１０に供給される混合気の目標空燃比を制御し、上流側排気浄化触媒２２よりも上流側の排気空燃比を燃料リッチ側と燃料リーン側の間で交互に切換える制御（「アクティブ制御」ともいう）を実行することができる。また、後述するように、ＥＣＵ３０は、下流側排気センサ２８の出力に基づいて、暖気不良等による上流側排気浄化触媒２２の異常の監視を実行することができる。

図２及び図３に、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）とＮＯｘセンサが一体化した下流側排気センサ２８の概略構成を示す。図３は、図２のIII-III線に対応した断面図である。下流側排気センサ２８は、被測定ガスＧ１（即ち、内燃機関１０から排出される排気ガス）が導入される被測定ガス室１０２と、大気等の基準ガスＧ２が導入される基準ガス室１０４と、を備えている。被測定ガス室１０２と基準ガス室１０４は、固体電解質体１０６によって隔てられている。固体電解質体１０６は、酸素イオン電導性を有する材料で構成されており、例えばジルコニアで構成されている。被測定ガス室１０２の導入口には、被測定ガスＧ１に対して所定の拡散係数を有する多孔質体１０８が設けられている。被測定ガスＧ１は、この多孔質体１０８を介して被測定ガス室１０２に導入される。多孔質体１０８は、固体電解質体１０６へのガス拡散を律速して飽和電流特性を発現させるために設けられている。

被測定ガス室１０２内の固体電解質体１０６の表面には、ポンプ電極１１２とセンサ電極１１４とモニタ電極１１６が配設されている。ポンプ電極１１２は、被測定ガス室１０２の導入口側に配置されている。ポンプ電極１１２は、ＮＯｘの分解に対して非活性な金属であり、例えばプラチナ（Ｐｔ）と金（Ａｕ）の合金である。センサ電極１１４とモニタ電極１１６は、被測定ガス室１０２の導入口とは反対側に並んで配置されている。センサ電極１１４は、ＮＯｘの分解に対して活性な金属であり、例えばプラチナ（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）の合金である。モニタ電極１１６は、ＮＯｘの分解に対して非活性な金属であり、例えばプラチナ（Ｐｔ）と金（Ａｕ）の合金である。基準ガス室１０４内の固体電解質体１０６の表面には、ポンプ電極１１２とセンサ電極１１４とモニタ電極１１６に対向するように基準電極１１８が配設されている。また、下流側排気センサ２８はさらに、被測定ガス室１０２と基準ガス室１０４に近接する基板１２４内に埋設されたヒータ１２２を備えている。このヒータ１２２は、ＥＣＵ３０に接続されており、ハイブリッド車両が走行しているときに常時加熱されるように、ＥＣＵ３０によって制御されている。これにより、下流側排気センサ２８は、ハイブリッド車両が走行しているときに常時安定して動作することができ、内燃機関１０が始動した直後であっても、排気ガスを正確に検知することができる。

固体電解質体１０６とポンプ電極１１２と基準電極１１８が、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）を構成している。ポンプ電極１１２と基準電極１１８の間に所定電圧を印加すると、酸素ポンプ作用によってポンプ電極１１２と基準電極１１８の間に電流が流れる。上記したように、被測定ガス室１０２の導入口に設けられた多孔質体１０８によって被測定ガス室１０２への排気ガス輸送量が制限されていることから、固体電解質体１０６の電流－電圧特性に飽和電流特性が現れる。このような飽和電流は、限界電流と呼ばれ、空燃比と１対１に対応した大きさを有することができる。したがって、ＥＣＵ３０は、この臨界電流値に基づいて被測定ガスＧ１の空燃比を測定することができる。

固体電解質体１０６とセンサ電極１１４とモニタ電極１１６と基準電極１１８が、ＮＯｘセンサを構成している。上記したように、センサ電極１１４は、ＮＯｘの分解に対して活性な金属で構成されている。このため、ＮＯｘガスの分解によって生じた酸素イオンが、センサ電極１１４から固体電解質体１０６に注入される。このため、センサ電極１１４と基準電極１１８の間に所定電圧を印加すると、酸素ポンプ作用によってポンプ電極１１２と基準電極１１８の間に電流が流れる。ここで、センサ電極１１４から固体電解質体１０６に注入される酸素イオンは、ＮＯｘの分解によって生じた酸素イオンの他に、ポンプ電極１１２で消費されずに被測定ガス室１０２内に残存する酸素に由来した酸素イオンも含んでいる。このため、この残存する酸素に由来した酸素イオンの影響を取り除くために、ＥＣＵ３０は、センサ電極１１４と基準電極１１８の間を流れる臨界電流値からモニタ電極１１６と基準電極１１８の間を流れる臨界電流値を差し引くことで、ＮＯｘ濃度を測定することができる。

このように、下流側排気センサ２８は、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）とＮＯｘセンサが一体化したセンサとして構成されており、空燃比とＮＯｘ濃度を同時に測定することができる。なお、この例に代えて、下流側排気センサ２８は、空燃比を測定可能な空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）とＮＯｘ濃度を測定可能なＮＯｘセンサの別々のセンサで構成されていてもよい。

次に、ＥＣＵ３０が上流側排気浄化触媒２２の異常を監視する技術について説明する。図４及び図５に、電動モータ５０のみで走行するモード（軽負荷の通常走行モード）から電動モータ５０と内燃機関１０を併用して走行するモード（高負荷の加速走行モード）に移行した直後の上流側排気センサ２６で測定される空燃比（「上流側Ａ／Ｆ出力」として示す）、及び、下流側排気センサ２８で測定される空燃比（「下流側Ａ／Ｆ出力」として示す）とＮＯｘ濃度（「下流側ＮＯｘ出力」として示す）の挙動を示す。図４は、上流側排気浄化触媒２２が十分に暖められている状態での挙動を示す。図５は、上流側排気浄化触媒２２が十分に暖められていない状態（暖気不良）での挙動を示す。

図４に示されるように、内燃機関１０が始動して加速走行モードに移行すると、上流側Ａ／Ｆ出力がリーンからリッチに変化する。空燃比がリッチであることは、炭化水素（ＨＣ）が存在することを示す。このことから、内燃機関１０が始動した直後においては、内燃機関１０からＨＣが排気されることが分かる。一方、下流側Ａ／Ｆ出力の空燃比は、上流側Ａ／Ｆ出力の空燃比に追随することなく、概ねストイキに維持されている。上流側排気浄化触媒２２が十分に暖められている状態では、上流側排気浄化触媒２２が正常に作動しており、内燃機関１０から排気されたＨＣが上流側排気浄化触媒２２で浄化されたからである。また、下流側ＮＯｘ出力の変動もなく、ＮＯｘが検出されていない。

図５に示されるように、上流側排気浄化触媒２２が十分に暖められていない状態（暖気不良）では、内燃機関１０から排気されたＨＣが上流側排気浄化触媒２２で浄化されない。このため、下流側Ａ／Ｆ出力の空燃比がリッチとなる。さらに、下流側Ａ／Ｆ出力の空燃比がリッチとなる期間が数秒継続した後に、下流側Ａ／Ｆ出力の空燃比がリッチからリーンに変化すると、下流側ＮＯｘ出力が増加する。下流側ＮＯｘ出力は、一旦増加した後に、やがて略ゼロとなる。このように、上流側排気浄化触媒２２が十分に暖められていない状態（暖気不良）では、内燃機関１０が始動した直後において、まずは下流側Ａ／Ｆ出力の空燃比がリッチとなる期間が継続した後に、下流側ＮＯｘ出力の増減が現れるという特徴的な挙動を示す。このような特徴的な挙動を示す期間は、内燃機関１０が始動してから数秒から数十秒（例えば、約２０秒）である。したがって、この期間の下流側Ａ／Ｆ出力及び下流側ＮＯｘ出力を測定することで、上流側排気浄化触媒２２の暖気不良等の異常を監視することができる。

図６に、上流側排気浄化触媒２２の暖気不良等の異常を監視する制御フローを示す。この異常監視制御は、ＥＣＵ３０が実行するように構成されている。なお、ＥＣＵ３０は、異常信号生成部の一例である。内燃機関１０が始動すると、ＥＣＵ３０は、所定の計測時間（例えば、２０秒）内において測定された下流側Ａ／Ｆ出力からＨＣ量を換算し、さらに、所定の計測時間内において測定された下流側ＮＯｘ出力からＮＯｘ量を換算する（Ｓ１工程）。

次に、ＥＣＵ３０は、換算されたＨＣ量とＮＯｘ量の合計値が規定値よりも大きいか否かを判定する。合計値が規定値よりも大きい場合、ＥＣＵ３０は、異常信号を生成し、その異常信号に基づいて上流側排気浄化触媒２２に異常が生じたことを運転者に報知する。運転者に報知する手段としては、例えばインストルメントパネル上に警告灯として表示してもよい。これにより、運転者は、上流側排気浄化触媒２２の異常（例えば、触媒加熱ヒータの故障等）を知ることができる。

上記の排気浄化システムでは、内燃機関１０が始動してからの所定の計測時間内に測定されたＨＣ量とＮＯｘ量の合計値に基づいて、上流側排気浄化触媒２２の異常の診断を実行している。これは一例であり、下流側排気センサ２８で測定された下流側Ａ／Ｆ出力と下流側ＮＯｘ出力の少なくとも一方の検出結果（量、濃度、濃度変化速度等）に基づいて、上流側排気浄化触媒２２の異常の診断を実行してもよい。例えば、内燃機関１０が始動してからの所定の計測時間内に測定されたＮＯｘ量のみに基づいて、上流側排気浄化触媒２２の異常の診断を実行してもよい。あるいは、内燃機関１０が始動してからの所定の計測時間内に測定された最大のＮＯｘ濃度が規定値を超えたときに、上流側排気浄化触媒２２に異常が生じていると判定してもよい。

また、上記の排気浄化システムでは、内燃機関１０の始動毎に上流側排気浄化触媒２２の異常の診断を実行している。この例に代えて、内燃機関１０の始動毎の検出結果の複数回分の合計値に基づいて、上流側排気浄化触媒２２の異常の診断を実行してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：排気浄化システム
１０：内燃機関
２０：排気通路
２２：上流側排気浄化触媒
２４：下流側排気浄化触媒
２６：上流側排気センサ
２８：下流側排気センサ
３０：ＥＣＵ
４０：ＰＣＵ
５０：電動モータ

Claims (2)

1. 内燃機関と電動モータを駆動源とするハイブリッド車両の排気浄化システムであって、
   前記内燃機関の排気通路に設けられている排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられており、窒素酸化物の濃度を測定可能な排気センサと、
   前記内燃機関が始動してからの所定期間において、前記排気センサで測定された前記窒素酸化物の検出結果に基づいて異常信号を生成するように構成されている異常信号生成部と、を備え、
   前記排気センサは、空燃比も測定可能に構成されており、
   前記異常信号生成部は、前記内燃機関が始動してからの前記所定期間において、前記排気センサで測定された前記空燃比及び前記窒素酸化物の検出結果に基づいて前記異常信号を生成するように構成されており、
   前記異常信号生成部は、前記排気センサで測定された前記空燃比から換算した炭化水素量と、前記排気センサで測定された前記窒素酸化物の濃度から換算した窒素酸化物量と、の合計値が規定値を超えたときに、前記異常信号を生成するように構成されている、排気浄化システム。
2. 前記排気センサは、前記ハイブリッド車両の走行中において常時加熱されるように構成されている、請求項１に記載の排気浄化システム。

Images