JPH06159044A

JPH06159044A - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JPH06159044A
Application number: JP4318145A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Nishio; 治之西尾; Toshio Ishii; 俊夫石井
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】複数の触媒が直列に設置されている排気浄化シ
ステムにおいて各々の触媒の劣化診断を容易かつ的確に
行えるシステムおよび、診断方法を提供することを目的
とする。【構成】劣化診断を行う触媒の、上流部に設置した触媒
には排気ガスを流さず、バイパスを通すことによって、
上流部の触媒による排気ガスの悪影響を防ぐ。【効果】複数の触媒が直列に設置されている排気浄化シ
ステムにおいて、下流部の触媒の劣化診断結果が、上流
部の触媒による影響が小さいため、上流部の触媒と同等
の診断方法により容易かつ的確に診断が行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸素濃度センサあるい
は空燃比センサ（以降は代表して酸素濃度センサとす
る）や触媒を使用する内燃機関排気ガス浄化装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気を浄化する装置は、おも
に触媒によって行う。従来、触媒は、排気管に少なくて
も１つ設置されていたが、近年、排気ガス規制がますま
す厳しくなってきているため、種々の工夫がされてきて
いる。特に、低温始動時においては、触媒が活性化され
ていないため、二次空気の導入や、触媒の複数化などに
よって、早期活性化が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の触媒を
使用した排気ガス浄化システムにおいて、触媒が劣化し
た場合、排気ガスの浄化転換効率は低下する。

【０００４】この問題を解決するためには、触媒の劣化
状態を判定することが必要である。なお、このような触
媒劣化判定のための技術としては、たとえば、特開平2
−3091号に記載されている「内燃機関の触媒劣化判定装
置」がある。これは、触媒の前と後に酸素濃度センサ
（注：この場合の酸素濃度センサは２値である）を設
け、前側の酸素濃度センサの出力値が反転してから、後
側のセンサの出力値が反転するまでの時間差を測定して
いる。そして、該時間差の大きさに基づいて触媒の劣化
状態を判定するものである。具体的には、時間差が小さ
ければ、触媒が劣化状態であると判断するものである。

【０００５】しかしながら、特開平2−3091 号に記載さ
れている「内燃機関の触媒劣化判定装置」などに示され
ている触媒の劣化診断装置において、上記従来技術にも
記載されているような複数の触媒を設置した場合は、正
常に触媒の劣化を診断できないという、問題があった。
なぜならば、複数の触媒を直列に設置した場合、排気管
の上流側にある触媒の診断は可能であるが、該上流側の
触媒より下流側にある触媒の診断は、排気ガスが既に上
流側の触媒によって浄化されているため、下流側の触媒
の前側の酸素濃度センサの出力値の変動は小さく、下流
側の触媒の後側酸素濃度センサとの相関がとりにくい。
また、それだけでなく、上流側触媒の劣化度によって下
流側触媒の前側酸素濃度センサの出力値も大きく変わる
ため、下流側触媒の診断結果が異なってくる。下流側触
媒の前側酸素濃度センサを上流側触媒の前側酸素濃度セ
ンサと共通にすると、上流側および、下流側触媒の総合
的な劣化の診断を行っていることになり、下流側の触媒
単体の劣化診断を行うことにはならない。

【０００６】本発明は、このような問題を解決しようと
してなされたもので、触媒に性能劣化を生じたかを内燃
機関の運転中に診断することを容易とした内燃機関の排
気浄化システムおよび、触媒劣化診断方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、排気ガスを複数の触媒に
より浄化する内燃機関の排気浄化システムで、触媒劣化
の検出を必要としたシステムに対し、下述の手段により
解決される。

【０００８】複数の触媒を直列に設置した内燃機関の排
気浄化システムにおいて、各触媒の劣化診断を行うた
め、各触媒の前後に酸素濃度センサを設置する。そし
て、各触媒に対し、並列にバイパスを設ける。このバイ
パスは、触媒の劣化診断時に診断を行う対象触媒の上流
部に位置する触媒による排気ガス成分の浄化を防ぐため
に用いるため、最下流の触媒に対しては、設けなくても
良い。そして、排気ガスをバイパスに通すか否かを判断
する制御装置と、その制御信号によって作動するバルブ
を各バイパスに設置する。

【０００９】

【作用】通常運転を行うときは、バイパス部に設けたバ
ルブを閉じることにより、排気ガスは、バイパス部を通
らず、触媒を通って排出される。そのため、排気ガス
は、触媒によって浄化される。

【００１０】触媒の劣化診断を行う際、最上流の触媒に
対しては、バイパス部に設置したバルブを閉じたまま、
該触媒の前後の酸素濃度センサによって、触媒の劣化診
断を行う。

【００１１】下流にある触媒の劣化診断を行うときは、
診断を行う触媒より上流部にある触媒と並列に設置され
たバイパスのバルブを開放することにより、排気ガスは
バイパス部を通るため、上流の触媒の影響が小さい排気
ガスによって診断を行うことができる。そのため、任意
の触媒の前後の酸素濃度センサによって、劣化診断を容
易かつ的確に行うことができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の内燃機関の排気浄化システム
を図に示す実施例に基づき説明する。

【００１３】図１は本発明である排気浄化システムを搭
載した内燃機関のシステムの基本構成図である。内燃機
関は、エアクリーナ１を通過する吸入空気とインジェク
タ２によって噴射される燃料を混合気としインテークマ
ニホールド３を通過して燃焼室内に取り入れる。取り入
れられた混合気は、内燃機関の圧縮，爆発，膨張行程の
後、排気される。その排気ガス中の酸素濃度を知るた
め、第１酸素濃度センサ５をエキゾーストマニホールド
４、もしくは、エキゾーストマニホールド４の直後に取
り付ける。第１酸素濃度センサ５の後に排気ガスを浄化
するために触媒を設置するのだが、この排気浄化システ
ムでは、第１触媒６と第２触媒７を直列に設置する。ま
た、触媒の劣化情報を知るために、第１触媒と第２触媒
との間に第２酸素濃度センサ８を、第２触媒の後に第３
酸素濃度センサ９を設置する。そして、第１触媒の前か
ら、第１触媒と第２酸素濃度センサの間をバイパス１０
でつなぎ、バイパス中に排気ガスをバイパスに通すか否
かを制御するための制御バルブ１１を設置する。内燃機
関制御装置１２は、内燃機関の運転に関する制御を行
い、第１酸素濃度センサの出力を用いて、適切な燃料噴
射料を計算しインジェクタの制御及び、バルブ１１の開
閉は、この内燃機関制御装置によって行う。また、診断
装置１３は、内燃機関及び内燃機関周辺装置の劣化及び
故障診断を行うものであり、第１触媒及び第２触媒の劣
化診断は、この診断装置によって行われる。診断装置
は、内燃機関制御装置によって代替しても良い。

【００１４】触媒の劣化を調べる方法は幾通りか有る
が、ここでは、触媒前後の酸素濃度センサの出力値を用
いて相関を計算し、その結果、相関が低いときは、触媒
が効率良く排気ガスを浄化転換しているものと判断し、
相関が高いときは、触媒の排気ガス浄化転換効率が劣化
しているものと判断する。

【００１５】排気ガス浄化システムの劣化を検出するに
は、第１触媒と第２触媒を合わせて１つの触媒と仮定し
たときの劣化度と、第１触媒及び、第２触媒それぞれの
劣化度を検知する必要がある。

【００１６】前者の第１触媒と第２触媒の総合的な劣化
度合いを求めるには、第１酸素濃度センサの出力と第３
酸素濃度センサの出力との相関を求めれば良い。

【００１７】後者の場合、第１触媒の劣化診断を行う場
合、第１酸素濃度センサと第２酸素濃度センサを用い
て、相関を求めることにより診断することができるが、
触媒と並列に設置したバイパスを使用しない従来方式に
よると、第２触媒の劣化診断も第１触媒の診断同様に第
２酸素濃度センサと第３酸素濃度センサとの相関を求め
ようとしても、排気ガスが既に第１触媒によって浄化さ
れているため、第２酸素濃度センサの出力値の変動は小
さく、第３酸素濃度センサとの相関がとりにくい。ま
た、それだけでなく、第１触媒の劣化度によって第２酸
素濃度センサの出力値も大きく変わるため、第２酸素濃
度センサと第３酸素濃度センサの出力の相関値も異なっ
てくる。

【００１８】そこで、第２触媒の劣化診断を行うときに
は、バイパス部にあるバルブを開け、排気ガスをバイパ
スに通すことによって第２酸素濃度センサの出力値の変
動を大きくし、第３酸素濃度センサの出力との相関を容
易に求められるようにするだけでなく、第１触媒の劣化
度に結果を左右されることなく第２触媒の診断を第１触
媒の診断と同等の方法で行うことができる。しかし、バ
イパス部のバルブを開けている間、排気ガスの浄化を行
う箇所が第２触媒のみとなるため、第２触媒の活性化状
況や、バイパス部のバルブの開放時間などは十分に注意
する必要がある。以上のバルブコントロールのフローチ
ャートを図２に示す。

【００１９】また、このバイパスの用途は、触媒の劣化
診断に用いるだけでなく、急加速時などは、バイパス部
のバルブを開け、排気ガスをバイパスを通すことによ
り、内燃機関システムの排圧を一時的に下げ、内燃機関
の過渡特性などをあげることができる。但し、この場合
は、排気ガスの浄化を行う箇所が第２触媒のみとなるた
め、第２触媒の活性化状況や、劣化度、バイパス部のバ
ルブの開放時間などは十分に注意する必要がある。この
バルブコントロールのフローチャートを図３に示す。

【００２０】この他のバイパスの利用方法として、バイ
パスのバルブが開放状態時、バイパス直後の酸素濃度セ
ンサの出力値は、バイパス直前の酸素濃度センサの出力
に対し、出力波形は等しく、排気ガスがバイパス部を通
過する時間分の遅れをもった形となるはずである。つま
り、バイパスのバルブが開放状態時、バイパス直前の酸
素濃度センサの出力とバイパス直後の酸素濃度センサと
の相関をとり、あらかじめ設定した値よりも小さい相関
であった場合は、バイパス前後どちらかの酸素濃度セン
サが故障もしくは劣化したと判断することができる。

【００２１】内燃機関の排気浄化システムにおいて、第
１触媒が内燃機関の低温始動時の排気ガスの浄化を主た
る目的として容量の小さいものを設置しかつ、第２触媒
の容量が十分に大きい場合、たとえば、低温始動時を考
慮して、２次空気を導入し、第１触媒に容量の小さな酸
化触媒をおく場合などは、内燃機関の始動時などの第２
触媒が低温で十分に活性化されていない場合や、第１触
媒の劣化診断時などにのみ、第１触媒の使用を許可し、
バイパス部のバルブを閉じることによって、第１触媒に
排気ガスを通過させて第１触媒で排気ガスの浄化を行
う。第２触媒の温度があがり十分に活性化された場合
や、第１触媒の劣化診断が終了した場合など、第１触媒
の使用目的が達成された時点で、バイパス部のバルブを
開け、バイパス部に排気ガスを通過させて、第１触媒に
必要以上の排気ガスを通過させないようにすることによ
って、内燃機関の燃料に微量含まれる鉛や硫黄などの有
害成分から第１触媒の被毒を抑えたり、内燃機関の失火
時に排気される未燃焼ガスによる第１触媒の劣化を抑え
ることができる。この時のバルブコントロールのフロー
チャートを図４に示す。ここで、第２触媒の活性化判定
は、第２触媒を通った直後の排気ガスの温度を測定し判
断する方法や、始動時からの燃料噴射量の積算値より判
断することができる。

【００２２】Ｖ型エンジンなどのようにエキゾーストマ
ニホールドが複数個存在する場合、図５に示すようにエ
キゾーストマニホールドの数だけ図１の排気浄化システ
ムを設置する方法があげられる。この場合のバルブコン
トロールは、前述のバルブコントロールで行うことがで
きる。図２に対応するフローチャートを図６に、図３に
対応するフローチャートを図７に、図４に対応するフロ
ーチャートを図８に示す。

【００２３】また、エキゾーストマニホールドが複数個
存在する場合、設置する触媒の数や、配置の関係，内燃
機関の制御方式などにより、図５に示すもののほかに、
図９に示すものや、図１０に示すものも考えられる。

【００２４】図５に示すシステムの場合は、第２酸素濃
度センサは第１触媒の劣化診断時のほかに、第２触媒の
劣化診断時にも使用できた。しかし、図９に示すシステ
ムの場合は、第２触媒の劣化診断には使用できるが、第
１触媒の劣化診断には使用できない。なぜならば、第１
酸素濃度センサの出力に影響を与える排気ガスの流出源
は１つであるのに対し、第２酸素濃度センサの出力に影
響を与える排気ガスの流出源は２つ有るため、このまま
では正常に触媒前後の酸素濃度センサの出力の相関をと
ることができない。そのため、第１触媒と他エキゾース
ト側の排気管と合流点との間に第４酸素濃度センサを設
置する必要が有り、第１触媒の劣化診断を行う際は、第
１酸素濃度センサの出力と第４酸素濃度センサの出力と
の相関をとればよい。

【００２５】また、３個以上の触媒が直列に設置されて
いる内燃機関の排気浄化システムにおいて、触媒の劣化
診断に対応するためのシステムとして、たとえば、図１
１に示すものが考えられる。

【００２６】この場合、通常運転時および、第１触媒劣
化診断時、全触媒総合劣化診断時は、全バルブを閉じ
る。第２触媒劣化診断時は、第１バルブは開け、第２バ
ルブは閉じる。第３触媒劣化診断時は、全バルブを開け
る。このようにすることによって、前述のような方法で
容易に触媒の劣化診断を行うことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、触媒を複数個設置した
内燃機関の排気浄化システムにおいて、個々の触媒に対
して、その性能劣化の検出を容易にかつ的確に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の排気浄化システム基本構成図であ
る。

【図２】基本システムによる触媒の劣化診断のバルブ制
御フローチャートである。

【図３】基本システムによる排圧制御フローチャートで
ある。

【図４】低温始動用触媒使用時の触媒の劣化診断のバル
ブ制御フローチャートである。

【図５】内燃機関の排気浄化システム例１を示す図であ
る。

【図６】システム例１による触媒の劣化診断のバルブ制
御フローチャートである。

【図７】システム例１による排圧制御フローチャートで
ある。

【図８】システム例１で低温始動用触媒使用時の触媒の
劣化診断のバルブ制御フローチャートである。

【図９】内燃機関の排気浄化システム例２を示す図であ
る。

【図１０】内燃機関の排気浄化システム例３を示す図で
ある。

【図１１】内燃機関の排気浄化システム例４を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…エアクリーナ、２…インジェクタ、３…インテーク
マニホールド、４…エキゾーストマニホールド、５…第
１酸素濃度センサ、６…第１触媒、７…第２触媒、８…
第２酸素濃度センサ、９…第３酸素濃度センサ、１０…
バイパス、１１…制御バルブ、１２…内燃機関制御装
置、１３…診断装置、１４…第４酸素濃度センサ、１５
…第３触媒、１６…第５酸素濃度センサ、１７…内燃機
関。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井俊夫茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気ガスを直列に設置された少
なくとも２つ以上の触媒によって浄化する手段１，該装
置の各々の触媒の性能劣化を検出する手段２，該触媒と
並列にバイパスを設置する手段３，該バイパス部に流れ
る排気ガスの流量を制御するバルブを設置する手段４、
よりなることを特徴とした内燃機関の排気浄化システ
ム。
【請求項２】該バイパスを最下流部の触媒以外のすべて
の触媒に対し設置することを特徴とする請求項１記載の
内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】内燃機関の通常運転時には該バイパス部に
設置した制御バルブを閉じ、触媒の劣化診断時に、診断
を行う触媒の上流部にある該制御バルブを開放し診断を
行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄
化システム。
【請求項４】排気管内の下流部の触媒が活性化されてい
ないときには、前記触媒より上流部にあるバイパスの制
御バルブを閉じ、該排気管内の下流部の触媒が活性化さ
れたときには、前記触媒より上流部にあるバイパスの制
御バルブを開放することを特徴とした請求項１記載の内
燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】排気管内の上流部の触媒の劣化診断を行う
際、該触媒に並列に設置されたバイパスの制御バルブを
閉じることを特徴とした請求項４記載の内燃機関の排気
浄化システム。
【請求項６】内燃機関の排圧を制御するために該バイパ
スに設置した制御バルブを制御することを特徴とした請
求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。