JPH09503273A - 触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法 - Google Patents

触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法に関する。本発明では、燃焼器空気過剰率の診断のために、燃焼器の作動の間内燃機関の燃料空気混合気を目下の混合気状態に依存して濃厚化又は希薄化させ、触媒コンバータの前後に配設されたラムダプローブからのその時の信号状態を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法 従来の技術 本発明は請求の範囲第1項の上位概念による、排ガス触媒コンバータの加熱用 燃焼器系の検査方法に関する。 内燃機関の有害物質の放出は、ラムダ閉ループ制御装置と関連した三元触媒を 用いた触媒反応処理によって効果的に低減することができる。しかしながらこれ に対しては、閉ループ制御装置のラムダプローブも、触媒コンバータもその作動 温度に達していることが重要な前提条件となる。これらの排気ガス清浄装置の2 つの構成要素を迅速にその作動温度にもたらすことに対しては、既に種々の加熱 方法が提案されている。 触媒コンバータに比べて僅かな質量しか有さないラムダプローブを電気的な加 熱装置を用いて加熱することに対しては技術的な問題は特に生じないが、触媒の 短期間行うべき加熱に対する自動車搭載電源からの電気エネルギの供給には、多 くの場合車両電流装置の容量を越えるものがある。 HCとCOからなる有害物質全体の70%〜80%は、内燃機関のコールドス タートフェーズ期間中に排出されるが、このコールドスタートフェーズ期間中の の有害物質の排出をさらに低減させるために、ドイツ連邦共和国特許公開第41 32814号公報からは次のような手段が公知である。すなわち触媒よりも前の 排気系に、内燃機関の燃料が供給される付加的な燃焼器を設け、この付加的燃焼 器(以下単に燃焼器と称す)によって触媒を約300℃の作動温度(ライトオフ 温度)まで急速に加熱する手段が公知である。可及的に短い加熱期間を達成する ために、この燃焼器は触媒の直前に配設される。燃料は内燃機関の燃料循環系の 分配路から供給され、燃焼に必要な空気は、今日ではしばしば標準装備されてい る二次空気導入装置によって供給される。このような二次空気導入装置は、慣例 的手法で排気ガスの予備酸化を行うために排気バルブ近傍の内燃機関の排気系に 空気を導入するために用いられる。 このような燃焼器は内燃機関の排気系全体を構成する部材の一部であり、さら にこの燃焼器も固有の排出物質を伴うものなので、その機能性については有害物 質排出に関して維持されるべき限界値を監視する必要がある。燃焼器での完全な 点火の他にも燃焼器における空気過剰率がこの燃焼器固有の有害物質排出に影響 を及ぼす。その他にも燃焼器の空気過剰率は触媒コンバータの加熱特性にも影響 を与える。従って燃焼器の空気過剰率は最終的に排気ガスにも関係してくるため 、適切な手段で監視する必要がある。 本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の触媒コンバータ加熱用燃焼器系の 検査方法において、燃焼器の機能性に関する確かな診断が簡単な方法で可能とな るように改善を行うことである。 前記課題は請求の範囲第1項の特徴部分に記載の本発明によって解決される。 本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。 燃焼器の機能性に対する基準として、燃焼器の空気過剰率が用いられ、この空 気過剰率を2つのラムダプローブの信号から導出することにより、燃焼器の正常 な機能に関する簡素で低コストな判定手段が得られるものとなる。前記2つのラ ムダプローブのうちの1つは燃焼器の前の触媒コンバータ上流側に設けられ、も う1つは触媒コンバータ後方に配設されている。これらのラムダプローブは、最 近の内燃機関においては排ガスに係わる部分のオンボード診断のためにいずれに せよ設けられるものである。 実施例の説明 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。 図1は、燃焼器を用いて加熱される触媒コンバータと、該触媒コンバータの前 後にそれぞれ1つのラムダプローブを有した内燃機関のブロック回路図である。 図2は、本発明による方法の実施の際の時間に依存した複数の信号経過を示した 図である。なお図1には本発明による方法の理解に必要な主要部分のみが示され ている。 図1には符号10で内燃機関が示されている。この内燃機関10は吸気管11 と排気管12を有している。この吸気管11に配設されている空気質量計13は 、内燃機関10によって吸入された空気質量を測定する。この空気質量計は、こ の場合ホットワイヤ式又はホットフィルム式空気質量計として構成される。排気 管12には、内燃機関10の排ガス内に含まれるHC,CO,NOx成分の転化に 用いられる三元触媒14の上流側に第1のラムダプローブLS1の形の酸素セン サが挿入されている。この酸素センサは排ガス中の残留酸素濃度に依存して出力 信号ULS1を内燃機関10の電子制御装置16に送出する。その他にも三元触 媒14下流側の排気管12のさらなる延在部に第2のラムダプローブLS2が設 けられている。この第2のラムダプローブLS2は、触媒コンバータ14を通っ て洗浄された排ガス中の残留酸素濃度に依存して出力信号ULS2を送出する。 この場合ラムダプローブとして有利にはいわゆる電圧跳躍型プローブが利用され る。このプローブでは、空気過剰率λ=1の理論空燃比のもとで出力信号の跳躍 が見られる。例えば出力電圧は、リッチな混合気組成(λ<1)の場合の高い値 (900〜1000mV)から、リーンな混合気組成(λ>1)の場合の低い値 (100〜200mV)までの範囲を有している(ZrO2−ラムダプローブ) 。 さらに、空気過剰率λ=1の理論空燃比の際の電気抵抗に跳躍的な作用が生じ る電圧跳躍型プローブも使用可能である(TiO2−プローブ)。 簡単化の理由から以下の実施例の説明で単に“ラムダプローブがリッチないし リーンな混合気状態を指示する”と記載した場合には、ラムダプローブの出力電 圧が、濃厚ないしは希薄な混合気組成状態を表す値をとっているものとする。 触媒コンバータ14の前に配設されているラムダプローブLS1が、従来方式 で内燃機関の燃料空気混合気のラムダ閉制御ループのための制御装置として使用 されているのに対して、触媒コンバータ14より前のラムダプローブLS1の出 力信号ULS1と、触媒コンバータ14より後のラムダプローブLS2の出力信 号ULS2の評価によって、触媒コンバータ14の機能性ないしは効率を検査す ることが可能である。この場合は触媒効率の尺度として、例えば2つのプローブ の出力信号の差を用いたり(ドイツ連邦共和国特許公開第3830515号公報 )、リッチからリーン又はリーンからリッチへの切換わり毎の2つのプローブの 出力信号間の時間遅延を用いること(ドイツ連邦共和国特許公開第410161 6号公報)が可能である。 さらに内燃機関10の適切な個所に、機関回転数の検出のためのセンサ18と 冷却剤温度センサ19が設 けられている。これらのセンサの出力側は、インターフェースを介して内燃機関 10の電子制御装置16の相応の入力側に接続されている。このような内燃機関 の電子制御装置(これは燃料噴射の他にさらに別の目的、例えば排気系構成要素 のオンボード診断等にも用いられる)自体は公知であるため、以下の明細書では 本発明と関係のある構成部分とその作用のみを取り上げる。 電子制御装置16の中核は、マイクロコンピュータである。このマイクロコン ピュータは、所定のプログラムに従って所要の機能を制御する。いわゆるエアフ ロー方式によるエンジン制御では、センサ(空気質量計13及び回転数センサ1 8)から供給され相応の回路で処理された信号を用いて、空気質量と回転数から 基本噴射期間又は基準噴射期間が算出され、さらに別の動作パラメータ(例えば 吸気管の圧力と温度、冷却剤の温度、バッテリー電圧等)に依存して基準噴射期 間の補正が次のように実施される。すなわち基本的にラムダ閉ループ制御を用い て理論空燃比(λ=1)に相応する燃料空気混合気が得られるように実施される 。それに従って内燃機関10のための燃料が、1つ又は複数の噴射ノズル20を 介して吸気管11内へ噴射される。 電動エアーポンプ(このポンプはしばしば二次空気導入用エアーポンプと称さ れる)21は、ここでは図 示されていない吸気路を介して新鮮な空気を導入し、この付加的な空気を必要に 応じて、一方では二次空気導入路22を介して内燃機関10の排気管12内へ供 給し、他方では燃焼器空気導入路23を介して触媒コンバータ14の外部的加熱 に用いられる燃焼器24内へ供給する。この燃焼器24には、燃料カットバルブ 25を備えた管路26を介して内燃機関10の燃料が供給される。燃焼器24は 実質的に、燃焼ノズルと点火装置を備えた燃焼室からなっている。燃焼ノズルに は二次空気導入用エアーポンプ21によって供給される燃焼用の空気と、内燃機 関の燃料循環系から供給される燃料が供給される。点火装置は点火電極を含んで いる。この点火電極は燃焼室内に達しており、電子制御装置16からの点火パル スによって点火を行う。燃焼器系のさらなる構成要素、例えば調量バルブ、エア ーカットバルブ、プレッシャーレギュレータ等は、本発明による方法の理解には 必要ないので簡略化の理由からここでは図示を省いている。この種の燃焼器の詳 細な構造やその制御は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第4132814 号公報に記載されている。 時点t0(図2、エンジンスタート)では内燃機関10が始動され、電子制御 装置16からの相応の信号を介して、二次空気導入用エアーポンプ21の投入接 続と燃焼器24の点火が行われる。二次空気導入用エアーポンプ21は、燃焼に 必要な空気が燃焼器24の 燃焼室に得られるまでの所期のスタートアップ期間を必要とするので、燃焼器2 4に対する燃料は、時点t1(図2、燃焼器スタート)までの遅延時間T_BR の経過後にはじめて燃料カットバルブ24の開放によって供給される。この期間 中は公知の方法で二次空気の導入と、燃焼器24の点火装置の監視が例えば点火 装置の二次電圧の監視によって行われる。この監視の結果から、点火ミスや二次 空気の未供給又は不足が識別された場合には、燃焼器24への燃料供給が中断さ れる。燃焼器に対する点火と二次空気の供給が正常であることが識別された場合 には、燃焼器への燃料供給は継続される。燃料供給が開始された後では、燃焼器 の点火プラグにおける点火電圧を介して燃焼過程の監視が行われる。 既に燃焼期間中に燃焼器−空気過剰率の診断を実施し得るために、2つのラム ダプローブLS1,LS2が、エンジンスタート時点(時点t0)から最大加熱 出力で作動される。プローブ加熱系のサイクリックな作動が行われるならば、こ れは2つのラムダプローブLS1,LS2が100%のデューティ比で作動され ることを意味する。検査状態で求められ実質的にラムダプローブの構成と組み付 け場所に依存する所定の期間T_LDの経過後では、2つのラムダプローブはそ の作動温度まで加熱され、これによって出力信号“リーン/リッチ”の送出が内 燃機関10の三元触媒14 の前後の排気ガス中の残留酸素濃度に応じて可能となる。 しかしながら、既に前述した条件に加えて2つのラムダプローブやラムダ閉ル ープ制御装置又は長期適合化システムの診断エラーが記録されていない場合には 、燃焼器−空気過剰率の診断は、期間T_LDの経過後の時点t2から開始され る。これに対しては電子制御装置16に含まれているエラーメモリ27の内容が 読み出され相応に評価される。 燃焼器空気過剰率(以下では燃焼器ラムダλBRとも称す)の診断の開始時点( 時点t2)では、2つのラムダプローブLS1,LS2の出力信号ULS1,UL S2の目下の値に依存して以下の4つの異なるケースが挙げられる。 ケース1 −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリーンな混合気状態(空気過剰 率λULS1>1)を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2もリーンな混合気状態(空気過剰 率λULS2>1)を指示する ケース2 −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリッチな混合気状態(空気過剰 率λULS1<1)を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2もリッチな混合気状態(空気過剰 率λULS2<1)を指示する ケース3 −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリッチな混合気状態(空気過剰 率λULS1<1)を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2はリーンな混合気状態(空気過剰 率λULS2>1)を指示する ケース4 −触媒コンバータの前のラムダプローブLS1がリーンな混合気状態(空気過剰 率λULS1>1)を指示し、 −触媒コンバータの後のラムダプローブLS2はリッチな混合気状態(空気過剰 率λULS2<1)を指示する 従来の燃焼器系(例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第4132814号公 報)の場合では付加的な二次空気が排気路における排気ガスの流れ方向で見て燃 焼器の前に導入されており、その他にも燃焼器は空気過剰率λ=1.05で作動 されるべきなので、通常はケース1が発生する。このケースの場合では時点t2 から燃焼器空気過剰率の診断のために、燃料空気混合気が濃厚化される。この濃 厚化は係数TI_BRに関 して行われる。この係数は値1から出発してステップ毎に以下の式に従って高め られる。 TI_BRnew=TI_BRalt+TI_BRINC この場合前記符号TI_BRINCは、固定の絶対値であり、この値分だけ濃厚化 係数の値が所定の時間単位毎に高められる。 前記濃厚化は、次のような場合に終了する。すなわち2つのラムダプローブL S1,LS2の出力信号ULS1,ULS2がリッチな混合気状態を指示している 場合か、又は2つのラムダプローブが既にリッチな混合気状態を識別しているか 否かにかかわらず濃厚化に対する所定の限界値TI_BR_MAXに達している 場合には終了する。この2つの場合では濃厚化係数TI_BRが再び1.0の値 におかれる。 ラムダプローブLS2の信号が、濃厚化係数TRBRの最大値TR_BRMAX までの濃厚化の間に、リッチな混合気組成状態を指示しない場合には、ラムダプ ローブLS1の出力信号ULS1が濃厚化に基づいてリッチな混合気状態を指示 する値をとっていても、燃焼器24の空気過剰率にエラーが生じているものとし て段階付けされる。 それに対してラムダプローブLS1の出力信号ULS1が濃厚化の間にその初 期状態からジャンプ(これはリーンな混合気状態からリッチな混合気状態への移 行を表す)しない場合には、内燃機関に供給された混 合気の空気過剰率のエラーか又はラムダプローブLS1自体のエラーが考えられ る。このような場合には診断が中断され、次の燃焼器スタートの際に繰り返され て、エラーメモリ27にはエントリーされない。 図2中、ラムダプローブLS1の出力信号ULS1がリッチな混合気状態を指 示する(時点t3)濃厚化係数TI_BRに対する値は、TI_F1として表さ れており、またラムダプローブLS2の出力信号ULS2がリッチな混合気状態 を指示する(時点t4)濃厚化係数TI_BRに対する値は、TI_F2として 表されている。これらの値TI_F1,TI_F2は電子制御装置16のメモリ 28内に中間記憶されている。 さらに時点t3とt4(ここでは出力信号ULS1,ULS2がリッチな混合 気状態を指示する)の検出が行われ、両時点の差分形成からプローブ切換の間の 期間T_SUが算出され、この値も燃焼器空気過剰率のさらなる診断のためにメ モリ28に中間記憶される。この期間T_SUは、初めにラムダプローブLS1 がリッチな混合気状態を指示し続いてラムダプローブLS2がリッチな混合気状 態を指示した場合(例えば図2、ケース1)には正となる。また期間T_SUは 、初めにラムダプローブLS2がリッチな混合気状態を指示し、続いてラムダプ ローブLS1がリッチな混合気状態を指示した場合には負となる。 ラムダプローブLS1からラムダプローブLS2までの排気ガスの通過期間を 考慮するために、濃厚化係数TI_F2(この値のもとではラムダプローブLS 2がリッチな混合気状態を指示する)が以下の式に従って補正される。 TI_FK2=TI_F2-(TI_F2-TI-F1)*TI_LS/TI_SU この場合は補正された濃厚化係数が符号TI_FK2で表され、2つのラムダプ ローブの間の排ガス通過期間を考慮するむだ時間が符号T_LSで表されている 。 濃厚化係数TI_F1と、補正された濃厚化係数TI_FK2を用いて燃焼器 の空気過剰率(燃焼器ラムダ)λBRが以下のように算出される。 λBR=(ML_BKM/ML_BR*14.7)*(TI_FAK2*TI_FK2-TI_FAK1*TI-F1)+1 前記ML_BKMは、診断中に内燃機関に供給され空気質量計によって測定され た空気質量流であり、 前記ML_BRは、診断中に燃焼器に供給された空気質量流(所定値)であり、 前記TI_FAK1,2は、内燃機関の暖機のために時点t3ないしt4(ここ では2つのラムダプローブの出力信号がリッチな混合気状態を指示する)にて電 子制御装置に供給されたその他の濃厚化係数全体を表す。 燃焼器の機能性を判断するために、前記式に従って 算出された燃焼器空気過剰率λBRが所定の限界値と比較される。算出された空気 過剰率λBRが所定の限界値から外れている場合には、 λBR_MAX<λBRBR_MIN (例えば:λBR_MAX=1.15,λBR_MIN=0.95) 燃焼器24の確かな機能がもはや補償されず、電子制御装置16のエラーメモリ 27への相応のエントリーが行われる。同時にこの検査の結果が自動車のドライ バに音響的又は光学的手段によって通知され、内燃機関10の次の始動の際に燃 焼器を用いた触媒コンバータの加熱が抑圧される。 これに対して診断開始前に2つのラムダプローブLS1,LS2がリッチな混 合気状態(ケース2)を指示した場合には、時点t2から燃焼器空気過剰率λBR の診断のために、内燃機関10の燃料空気混合気が希薄化される。この希薄化も 係数TI_BRに関して行われる。この係数は値1から出発して以下の式に従っ て低減される。 TI_BRnew=TI_BRalt-TI_BRINC この希薄化は、次のような場合に終了する。すなわち2つのラムダプローブが リーンな混合気状態を識別するか、又は2つのラムダプローブが既にリーンな混 合気状態を識別しているか否かにかかわらず希薄化に対する所定の限界値TI_ BR_MINに達している場合には終了する。この2つの場合では希薄化係数T I_BRが再び1.0の値におかれる。 ラムダプローブLS2の信号が希薄化期間中にTI_BRの限界値TI_BR _MINに達し、ラムダプローブLS1が希薄化に基づいて既にリーンな混合気 状態を識別しているにもかかわらず、電圧のジャンプがみられない場合には、燃 焼器24の空気過剰率にエラーが生じているものとして段階付けされる。 それに対してラムダプローブLS1の出力信号ULS1が希薄化の間にジャン プしない場合には、内燃機関に供給された混合気の空気過剰率のエラーか又はラ ムダプローブLS1自体のエラーが考えられる。このような場合には診断が中断 され、次の燃焼器始動の際に繰り返されて、エラーメモリ27にはエントリーさ れない。 ラムダプローブLS1,LS2がリーン状態を識別する(電圧ジャンプの際の 希薄化係数)値は、電圧ジャンプの間の期間と同じように検出され、さらなる評 価がケース1の場合に示されたように行われる。 ラムダプローブLS1とLS2が診断の開始前に互に異なる混合気組成状態を 指示する場合、すなわちラムダプローブLS1はリッチな混合気状態を指示し、 ラムダプローブLS2はリーンな混合気状態を指示する(ケース3)場合には、 ケース1に基づいて記載した診断は、方向性の同じプローブ信号のもとでしか実 施できないので、ラムダプローブLS1の信号の状態 が、内燃機関の燃料空気混合気の希薄化(ケース3)ないしは濃厚化(ケース4 )によって変更されなければならない。このことは前記2つのケース1,2のも とで説明したような希薄化機能ないし濃厚化機能でもって行われる。このフェー ズ期間中に、触媒コンバータの前のラムダプローブLS1の信号状態が変化する ことなく希薄化係数ないし濃厚化係数がその限界値に達した場合には、診断が中 断される。 限界値ないで希薄化ないし濃厚化によって触媒コンバータ前のラムダプローブ LS1が、触媒コンバータの後のラムダプローブLS2と同じ混合気組成状態を 指示した場合には、前記ケース1及び2のもとで記載した方式でさらなる診断が 行われる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.内燃機関の排気管に配設され燃料空気混合気で作動される、内燃機関の排 ガス触媒コンバータ加熱用燃焼器系の機能性の検査方法であって、 第1及び第2のラムダプローブを排ガス触媒コンバータの上流側ないし下流側 に有し、前記ラムダプローブは、そのつどの排ガス中の残留酸素濃度に応じてそ れぞれ出力信号を送出し、該送出信号の状態はリッチ又はリーンな混合気組成状 態を表すものである形式の、触媒コンバータ加熱用燃焼器系の検査方法において 、 2つのラムダプローブ(LS1,LS2)の出力電圧(ULS1,ULS2)の 信号状態(リッチ/リーン)を検出し、 前記信号状態に依存して内燃機関(10)の燃料空気混合気を、濃厚化係数な いし希薄化係数(TI_BR)を用いて前記2つのラムダプローブ(LS1,L S2)の信号状態が変化するまで濃厚化ないし希薄化し、 前記濃厚化ないし希薄化の際に生じた、濃厚化係数ないし希薄化係数に対する 値(TI_F1,TIF2)を検出し、 前記値(TI_F1,TIF2)と、検査中に燃焼器(24)および内燃機関 (10)に供給された空気 質量(ML_BR,ML_BKM)とから、燃焼器(24)の空気過剰率(λBR )を決定し、 前記燃焼器(24)の空気過剰率(λBR)を所定の限界値(λBR_MIN,λB R _MAX)と比較し、前記燃焼器(24)の空気過剰率(λBR)が前記限界値 から外れている場合には、該燃焼器(24)を現時点で正常に機能していないも のとして段階付けすることを特徴とする、触媒加熱用燃焼器系の検査方法 2.前記濃厚化係数ないし希薄化係数(TI_BR)をステップ毎に限界値( TI_BR_MAX,TI_BR_MIN)まで変化させる、請求の範囲第1項 記載の方法。 3.触媒コンバータ(14)の後のラムダプローブ(LS2)の出力信号(U LS2)の信号状態が変化する濃厚化係数ないし希薄化係数(TI_F2)を、 2つのラムダプローブ(LS1,LS2)の間の排気ガスの通過時間から得られ たむだ時間(T_LS)分だけ補正する、請求の範囲第1項記載の方法。 4.濃厚化係数ないし希薄化係数(TI_F1,TI_F2)を、内燃機関( 10)の暖機運転を考慮した暖機係数(TI_FAK1,TI_FAK2)を用 いて補正する、請求の範囲第1項又は3項記載の方法。 5.前記濃厚化係数ないし希薄化係数(TI_F1 ,TI_F2)に対する限界値(TI_BR_MAX,TI_BR_MIN)内 で、触媒コンバータ(14)の前のラムダプローブ(LS1)の出力信号(UL S1)の信号状態が変化しない場合には、前記方法を中断する、請求の範囲第1 項記載の方法。 6.前記2つのラムダプローブ(LS1,LS2)を、燃焼器(24)の検査 開始前に所定の期間(T_LS)だけ加熱する、請求の範囲第1項記載の方法。
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