JPH06508414A - 触媒の機能能力を判断する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒の機能能力を判断する方法と装置 以下は、内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する方法と 装置に関するものである。

技術の状況 ＤＥ　−Ａ　−２４４４３３４（ＵＳ　−Ａ　−３９６９９３２）には、触媒の 貯蔵能力を表す時間測定により触媒の機能能力をめる方法と装置が記載されてい る。まず、触媒は、関連する内燃機関を十分な長さにわたって希薄運転すること によって、完全に酸素で充填される。その後エンジンが所定の運転条件で濃厚運 転され、それによって触媒に貯蔵されている酸素が消費される。触媒が、供給さ れる排ガスにまだ酸素を供給できる間は、触媒から出される排ガスはラムダ値が １になっている。

しかし酸素が使い尽くされると、触媒の出口では濃厚な混合気を示すラムダ値が 測定される。濃厚運転の開始から触媒の出口で濃厚な混合気が認められる時点ま での期間は、触媒の老化状態を示す量になる。すなわち、この期間が短くなるほ ど、触媒の老化は著しくなる。測定された期間が所定の期間を下回った場合には 、触媒はもはや機能し得ないと判断される。

他の方法によれば、触媒の機能能力を判定するために、触媒の前方と後方で検出 されたラムダ値信号が互いに関連付けられる。すなわち例えばＤＥ　−Ａ　−２ ３０４６２２（ＵＳ　−Ａ　−３９６２８６６）には、上述の２つの信号の振幅 間の差を用いて機能能力を判定することが記載されている。この差がしきい値よ り低くなったら、触媒はもはや機能し得ないとされる。ＤＥ　−Ａ　−３５００ ５９４によれば、差の代わりに振幅の比が使用され、その場合にこの比がさらに 平均されている。

上述の特許に関連する公報の出願時点から、業界は長い間、触媒の機能能力を確 実に判断することに努力はしているが、しかしながらまだすべての場合を満足さ せる方法は見つけられていない。従って、内燃機関の排ガス内で作動される触媒 の機能能力を判断する他の方法と装置を見いだすことが望まれている。

本発明の説明 本発明の第１の方法は、 触媒温度が新しい触媒の転換開始温度より低い状態から内燃機関が運転され、 エンジンの排ガスによって温められた触媒がどの温度で転換を開始するかが検出 され、 検出された転換開始温度が、新しい触媒の転換開始温度より高い所定の基準温度 と比較され、 検出された転換開始温度が基準温度より低い場合に、触媒が機能し得ると判断さ れることを特徴としている。

本発明の第２の方法は、 触媒温度が新しい触媒の転換開始温度より低い状態から内燃機関が所定の運転条 件で運転され、 新しい触媒の転換開始温度より高い基準温度に達するために触媒が必要とする期 間が測定され、 測定された期間が所定の基準期間と比較され、測定された期間が基準期間より短 い場合に、触媒が機能し得ると判断されることを特徴としている。

本発明の第３の方法は、 触媒温度が新しい触媒の転換開始温度より低い状態から内燃機関が運転され、 触媒の温度の変化が、内燃機関と触媒の運転パラメータのそれぞれ実際値が入力 されるモデルから推定され、モデルから推定された温度が、新しい触媒の転換開 始温度より高い基準温度に達したときに、触媒の実際の温度が検出され、 触媒の実際の温度が推定値より高い場合に、触媒が機能し得ると判断されること を特徴としている。

本発明装置は上述の各工程を実施する装置を有する。

本発明方法と装置は次のような認識に基づいている。すなわち、触媒が関連する 内燃機関の冷間始動後に内燃機関からの熱い排ガスによって加熱される場合には 、これは、はぼ触媒の熱容量、エンジンから供給される熱および触媒から発生す る熱に関係する所定の加熱率で行われる。触媒が転換開始温度に達すると、特に 酸化可能な排ガス成分が触媒に貯蔵されている酸素によって燃焼することによっ て、触媒自体が熱を発生する。こうなると、触媒の温度は、エンジンからの排ガ スに保有されている熱量によって加熱される場合よりもがなり急激に上昇する。

転換開始温度は触媒の老化状態とがなり密接な関係があることが明らかにされて いる。従って、新しい触媒の場合には古い触媒の場合よりも新しい触媒の転換開 始温度より高い所定の基準温度に、かなり早く到達する。

本発明の第１の方法では、転換開始温度が触媒の老化に関係しているという認識 が直接利用されている。それに対して第２と第３の方法はさらに感麿がいい。と いうのは触媒の老化に伴って上昇する転換開始温度だけでなく、転換動特性もそ の結果に取り入れられるからである。この転換動特性は、触媒の老化が進むにつ れて同様に劣化するので、転換が始まった場合でも、古い触媒の場合には新しい 触媒の場合のように急速に温度が上昇しない。この時間的な特性は、内燃機関と 触媒を正確に設定された運転条件で運転し、基準温度に達するまでの期間を測定 することによって調べることができ、あるいはモデルから触媒がいつ基準温度に 達していなければならないかを推定し、それが実際に存在するかどうかを検出す ることによって調べることができる。

図面 第１図は、異なる程度で老化した３つの触媒の温度上昇の時間特性に関する線図 である。

第２図は、触媒の後方に配置された酸素センサの出力信号の時間特性に関する線 図であって、その信号特性は、時間的にｗｇ１図の新しい触媒の特性に相関され ている。

第３図は、触媒の老化状態の機能能力を判定する第１の方法と第１の装置を説明 するブロック図である。

第４図は、第３図のブロック図の機能ブロックによってどのような処理が実施さ れるかを示すフローチャート図である。

第５図と第６図は、第３図および第４図と同様であるが、触媒の機能能力を判定 する第２の方法と装置に関するものである。

第７図と第８図は、触媒の機能能力を判定する第３の方法と装置に関するもので ある。

実施例の説明 第１図は、比較的低負荷で運転される内燃機関の排ガスによって加熱される場合 に触媒が暖まる時間的な推移を示すものである。触媒を２０°Ｃから３００℃に 加熱するために約５分必要になる。それによってほぼ比較的新しい触媒の転換開 始温度に達する。この温度から酸化可能な排ガス成分が燃焼され、その際に公知 のように熱が発生するので、触媒はこの熱によってさらに加熱される。従って触 媒の温度は、暖かい排ガスによって単に暖められた場合にそうであったよりもか なり急激に上昇する。新しい触媒のこの比較的急激な温度上昇が点線で示されて おり、一方もはや転換を行わない非常に古い触媒の単なる加熱によって得られる 温度の変化が実線で示されている。触媒が中程度に老化している場合には、その 触媒は転換開始温度が大きくなり、例えば３５０°Ｃの転換開始温度になり、燃 焼熱によってもたらされる温度上昇は、新しい触媒の場合はど急激ではない。こ れが第１図に一点鎖線で示されている。

第２図には、第１図に示す新しい触媒の温度特性と時間的に相関させて、触媒の 出口に配置された酸素センサの出力信号の特性が図示されている。約３０秒後に は、加熱されたセンサがセンサを通過する排ガスのラムダ値を正確に測定できる 温度に達する。同様なことが、内燃機関をラムダ閉ループ制御する触媒の前に配 置されたセンサについてもいえる。この時点までエンジンは濃厚な混合気で運転 され、これが第２図では後方のセンサによって測定された信号に対し点線だけで 図示されている。というのは、この初期期間においてはセンサは本来は他の特性 の信号を出力するからである。センサが動作温度に達すると、センサは数秒の周 期で希薄と濃厚およびその逆の変化を行う２位置動作制御の変動を示す。触媒が 時点ｔＣＯＮＶでその転換開始温度に達すると、即ち約５分後に、やや平均化さ れた変動の振幅がだんだんと小さくなって、値「１」のラムダ値に閉ループ制御 が行われるものと仮定して、ついには完全に転換可能な状態に達し連続して値ｒ ｌＪが維持される。

第１図と第２図から、３つの方法とそれに関連する装置が導き出され、それにつ いて第３図と第４図、第５図と第６図および第７図と第８図を用いて詳しく説明 する。第１の方法においては、触媒がいつ転換を開始したかを調べ、関連する触 媒温度を検出し、かつそれが所定の基準温度θ−ＣＯＭＰより低いかどうかが調 べられる。第１図においてはこの基準温度は、一点鎖線の温度線を有する中程度 に老化した触媒の転換開始温度とほぼ一致するように設定されている。実際の触 媒の転換開始の際に実際に測定された温度がこの基準温度より低い場合には、そ の触媒は機能し得ると判断される。２位置動作制御の場合には転換開始は、触媒 の後方に配置された酸素センサの出力信号の変動振幅を用いてめることができる 。

第２の方法においては、エンジンと触媒は正確に設定された運転条件、例えば第 １図に示すカーブの前提となった運転条件で運転される。その場合、上述の基準 温度θ−ＣＯＭＰに関連して、処理の開始時点とまだ使用可能な触媒の転換開始 時点との差に対応する基準期間Δｔ　ＣＯＭＰが割り当てられる。実際に測定さ れた転換開始までの期間が基準期間より短い場合には、それは触媒が機能し得る ことを示している。

第３の方法においては、触媒の温度特性がモデルを用いて推定される。その場合 に転換開始温度に達した後のモデルと転換の際に発生する熱に関して、まだ使用 できる触媒が前提とされる。触媒がこのモデルによる基準温度に達した場合には 、直接温度を測定することによるか、あるいは触媒がすでに転換をしているかを 調べることにより、実際の温度が検出される。実際の温度が基準温度より高いこ とが明らかにされた場合には、それは触媒が機能し得ることを示すものである。

上述の方法の代わりに、触媒がいつ基準温度に達するかを調べることもできる。

そのときモデルから予測される温度がめれる。この温度が実際の温度より低い場 合には、それは実際に調べた触媒がモデルの前提となっているまだ使用できる触 媒よりも良好に転換を行うことを示すものである。従って、その触媒は機能し得 ると判断される。

第３図に示すブロック図は、触媒の前方に配置された酸素センサ１１．Ｖとその 後方に配置された酸素センサ１１．Ｈを有する触媒１０を示すものである。これ らのセンサは以下においては前方のセンサないし後方のセンサという。触媒１ｏ の温度は温度センサ１２によって測定される。検出ブロック１３において、触媒 が転換開始温度に達したかどうかが調べられ、そうである場合にはその温度θ− ＣＯＮＶが検出される。比較／判断ブロック１４．１においてこの温度が基準温 度θ−ＣＯＭＰと比較される。実際の触媒の転換開始温度θ−ＣＯＮＶが基準温 度θＣＯＭＰより低い場合には、比較／判断ブロック１４．１は、触媒が機能し 得ることを示す判断信号ＢＳを出力する。

以上簡単に述べた処理を、第４図を用いて詳細に説明する。

ステップｓ４．１において後方と前方のラムダセンサによって測定されたラムダ 値λ−Ｈ１λ−■が測定される（出力される電圧を直接使用することも可能であ る）。その後（ステップ５４２）、後方ないし前方のセンサによって検出される 平均ラムダ値変動の比に対応する判断量ＢＧが計算される。ステップｓ４゜３に おいて、判断量がまだしきい値ＢＧ　ＳＷ以下に減少していないことが検出され た場合には、それは触媒がまだ正しく転換をしていないことを示すものである。

その場合にはステップｓ４．１から５４．３までが繰り返される。そしてステッ プｓ４゜３において触媒が良好に転換をしていることが明らかにされた場合には 、関連する温度θ−ＣＯＮＶが測定され（ステップｓ４゜４）、この温度が基準 温度θ−ＣＯＭＰより低いかが調べられる（ステップｓ４．５）。そうである場 合には、処理が終了される。

そうでない場合には、欠陥ステップｓｆにおいて欠陥指示が出力され、エンジン と触媒とを備えた自動車の運転者に、触媒を検査すべきことを知らせる欠陥ラン プが点灯される。

第５図のブロック図には、触媒１０、触媒に固定された温度センサＩ２、内燃機 関１３、噴射装置３４、及び絞り弁装置Ｉ５が設けられており、絞り弁装置から は絞り弁角度信号αが出力される。開始信号ＳｔＳを用いてエンジン制御ブロッ ク１６によって、制御シーケンスが実行され、それにより内燃機関が所定の条件 、特に平均的な負荷のアイドリングで運転される。これにより触媒が比較的ゆっ くりと暖められ、それによって触媒の転換開始の時点をかなり良好な相対精度で 測定することができる。この時間測定は、エンジンの始動から、温度センサ１２ によって検出された触媒温度が第１図を用いて説明した基準温度に達する時点ま での期間を検出する時間測定ブロック１７によって行われる。

比較／判断ブロック１４．２において、測定された期間Δｔが基準期間Δｔ　Ｃ ＯＭＰより大きいかどうかが調べられる。その場合、基準期間は、空気温度θ− Ｌ１気圧ｐｔ、および内燃機関１３に供給される燃料のオクタン価ＯＺに従って 基準期間を定める基準期間設定ブロック１日から出力される。上述の比較条件が 満たされた場合には、比較／判断ブロック１４．２は、触媒ＩＯが機能し得るこ とを示す判断信号ＢＳを出力する。

以上第５図を参照して簡単に説明した処理を、今度は第６図を用いて詳細に説明 する。内燃機関の始動後ステップｓ６．　ｌにおいて関連する時点１０が検出さ れる。その後触媒温度θ−Ｋが測定され（ステップ５６２）、この温度が基準温 度θ−ＣＯＭＰを越えたかどうかが調べられる（ステップｓ６．３）。そうでな い場合には触媒が基準温度を越えるまで、ステップｓ６，２と５６゜３が繰り返 される。関連する時点ｔ　Ｃ０ＮＶが検出され、上述の２つの時点間の差が検出 される。この差が、所定の運転条件において所定の初期条件から出発して基準温 度θ−ＣＯＭＰに達するのに触媒が要した期間である。ステップ３６．５におい て、この期間Δｔが基準期間Δｔ　ＣＯＭＰより小さいかどうかが調べられる。

そうである場合には処理が終了され、そうでない場合には図４に関して説明した 欠陥ステップｓｆが実施される。

上述の処理は工場における調査に適している。設定された開始条件が満たされた 場合、例えば触媒温度が３０°Ｃより低（、かつエンジン温度が５０°Ｃより低 い場合には、処理が開始され、車両が静止した状態で正確に設定された運転条件 で実施される。

それに対して第７図と第８図を用いて説明する方法は、車両の走行運転において も実施することができる。その場合、触媒の温度特性はモデルによってンミュレ ーンヨンされる。そのためにはまず触媒の熱容量が既知でなければならない。さ らにエンジンから触媒に供給される熱量を推定しなければならない。これはエン ジンに供給される燃料量を検出して、触媒に供給される燃焼エネルギの割合を計 算することによって最も良好に行われる。燃焼エネルギの割合は、それぞれエン ジンの負荷状態と回転数ｎに関係する。従ってそれぞれ小さい単位時間に対して 燃料量、負荷および回転数から、触媒に供給される熱量をめることができる。こ の熱量を加算することによって、処理の開始から触媒に供給された総熱員をめる ことができる。さらに、触媒が周囲へ放出する熱量も推定しなければならない。

この種の熱量モデルから推定された触媒の温度は、第１図と第２図に関連して説 明したように、実際の温度と比較される。この方法は、温度モデルが正確に動作 するほど、より正確な結果が得られる。

第７図に示すブロック図には、触媒１０、前方のラムダセンサｌｌＶ、後方のラ ムダセンサ１１．Ｈ，噴射装置１８、絞り弁装置１５、回転数センサ１９および エンジン温度センサ２０が示されている。制御を行うために、開始信号ブロック ２１、温度モデルブロック２２、第１の比較器２３．１および第２の比較器２３ ２が設けられている。開始信号ブロック２１は、開始信号ＳｔＳによって要求さ れ、その場合エンジン温度θ−Ｍがしきい値より低い場合に、判断処理を開始さ せる。触媒の温度を測定し、その温度がしきい値より低い場合にのみ処理を開始 させるようにすると、さらに信頼できるものになる。

第７図と第８図の関連では、触媒がほぼ周囲温度にある場合にのみ処理を開始さ せることが考えられている。処理の開始から温度モデルブロック２２によって上 述の量α、ｎ、　ｔｉ、ＯＬ、ｐＬおよびＯＺを用いて触媒に対する推定温度θ −ＭＯＤがめられる。この温度は第１の比較ブロック２３において、上述のよう に選択された基準温度θ−ＣＯＭＰと比較される。

この条件が満たされた場合には、判断装置２４によって触媒がすでに転換を行っ ているかどうかが調べられる。これは、第４図に関連してすでに説明したように 、信号λ−Ｈと、場合によってはさらに信号λ−Ｖを用いて行われる。

第８図のフローチャートを用いて、第７図を用いて簡単に説明した処理を詳細に 説明する。処理の開始後に、ステップｓ８゜１においてエンジン温度θ−Ｍが測 定される。この温度がステップｓ８．２で調べたしきい温度θ−８Ｗを越えてい る場合には、処理は即刻終了される。というのはその場合には触媒がすでにその 転換開始温度を越えて暖まっている可能性が大きいかあ。

らぞ１ｏそれに対して、冷間始動の場合には、内燃機関と触媒の運転パラメータ の値が測定される（ステップｓ８．３）。検出した値と触媒の温度用モデルを用 いて推定触媒温度θ−ＭＯＤがめられる（ステップ５８４）。

その後、推定された温度が上述の基準温度θ−ＣＯＭＰに達したかどうかが調べ られる（ステップｓ８．５）。そうでない場合にはステップＳ８．３からＳ８， ５が繰り返される。逆の場合には、触媒がすでに転換を行っているかどうかを調 べるステップｓ４．１から５４．３に完全に対応するステップ５８．３からｓ８ ．５が実施される。ステップ５８．８において、基準温度θ−ＣＯＭＰに達して いるにもかかわらず、触媒がまだ転換を行っていないことが判明した場合には、 第４図の同様に記載されたステップに相当する欠陥ステップｓｆへ進む。触媒が 正常に転換している場合には、その後あるいはステップＳ８，８の後直接、処理 の終了に達する。

以上説明した方法においては、欠陥ステップｓｆで直接欠陥指示を点灯させるこ とが前提になっている。しかし所定回数の検査シーケンスの間に所定数の欠陥指 示に達した場合に初めて欠陥指示を行うようにすることもできる。その場合、所 定回数の検査シーケンスの間にさらに欠陥指示が発生しなかった場合には、計数 された欠陥指示の数を再び減少させることもできる。本発明方法により出力され る欠陥指示をどのように処理するかという方法は重要ではなく、ただ欠陥を検出 するために、触媒はその機能能力が劣化するほど、転換熱の発生が遅くかつ緩慢 になるという認識を利用していることが重要である。

第５図と第６図に示す実施例においては、時間測定は温度センサ１２の信号を利 用して行うことが前提とされている。しかし処理の開始から、ステップ５４．１ から８４．３に示すシーケンスによって触媒が所定どうり転換を行なっているこ とが明らかにされるまでの期間を測定することも可能である。その場合には、そ のようにして検出された期間が基準期間Δｔ　ＣＯＭＰと比較される。

同様に逆に、第７図と第８図を用いて説明した方法において、判断ブロック２４ において、比較ブロック２３で調べられた条件が満たされた場合に触媒が所定ど うり転換を行うかどうかを調査せずに、触媒温度が基準温度θ−ＣＯＭ　Ｐより 高いかどうかｎを調べることも可能である。

ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、４ ＦｒＧ、６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する方法におい て、 触媒温度が新しい触媒の転換開始温度より低い状態から内燃機関が運転され、 エンジンの排ガスによって温められた触媒がどの温度で転換を開始するかが検出 され、 検出された転換開始温度が、新しい触媒の転換開始温度より高い所定の基準温度 と比較され、 検出された転換開始温度が基準温度より低い場合に、触媒が機能し得ると判断さ れることを特徴とする触媒の機能能力を判断する方法。 ２）内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する方法におい て、 触媒温度が新しい触媒の転換開始温度より低い状態から内燃機関が所定の運転条 件で運転され、 新しい触媒の転換開始温度より高い基準温度に達するために触媒が必要とする期 間が測定され、 測定された期間が所定の基準期間と比較され、測定された期間が基準期間より短 い場合に、触媒が機能し得ると判断されることを特徴とする触媒の機能能力を判 断する方法。 ３）基準期間が、空気温度、気圧、燃料のオクタン価のような運転パラメータに 関係することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の方法。 ４）内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する方法におい て、 触媒温度が新しい触媒の転換開始温度より低い状態から内燃機関が運転され、 触媒の温度の変化が、内燃機関と触媒の運転パラメータのそれぞれ実際値が入力 されるモデルから推定され、モデルから推定された温度が、新しい触媒の転換開 始温度より高い基準温度に達したときに、触媒の実際の温度が検出され、 触媒の実際の温度が基準温度より高い場合に、触媒が機能し得ると判断されるこ とを特徴とする触媒の機能能力を判断する方法。 ５）内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する装置におい て、 内燃機関の排ガスにようて暖められた触媒がどの温度で転換を開始するかを調べ る検出装置（１３）と、検出された転換開始温度を新しい触媒の転換開始温度よ り高い基準温度と比較して、検出された転換開始温度が基準温度より低い場合に 、触媒が機能し得ると判断する比較／判断装置（１４．１）と、 を備えたことを特徴とする触媒の機能能力を判断する装置。 ６）内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する装置におい て、 所定の運転条件で内燃機関を運転するエンジン制御装置（１６）と、 新しい触媒の転換開始温度より高い基準温度に達するために触媒が必要とする期 間を測定する時間測定装置（１７）と、測定された期間を所定の基準期間と比較 して、測定された期間が基準期間より短い場合に、触媒が機能し得ると判断する 比較／判断装置（１４．２）と、 を備えたことを特徴とする触媒の機能能力を判断する装置。 ７）内燃機関の排ガス通路内で作動される触媒の機能能力を判断する装置におい て、 内燃機関および触媒の運転パラメータのそれぞれ実際の値が入力されるモデルか ら、内燃機関の排ガスによって暖められる触媒の温度を推定する温度モデル装置 （２２）と、モデルから推定された温度が、新しい触媒の転換開始温度より高い 基準温度に達した場合に、比較信号を出力する比較装置（２３）と、 比較信号に応答して触媒の実際の温度を調べ、実際の温度が基準温度より高い場 合には触媒が機能し得ると判断する判断装置（２４）と、 を備えたことを特徴とする触媒の機能能力を判断する装置。