JP2005240716A

JP2005240716A - 触媒の劣化診断装置

Info

Publication number: JP2005240716A
Application number: JP2004053326A
Authority: JP
Inventors: Asami Takaku; 麻美高久; Manabu Miura; 学三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】リーン空燃比であっても精度よく触媒の劣化判定を行えるようにする。
【解決手段】排気通路２に設けられ排気中の有害成分を浄化する触媒４２と、触媒上流側の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段４３と、触媒下流側の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段４４とを備える。そして、リーン運転時に上流側、下流側空燃比検出手段４３、４４の出力から算出した各空気過剰率の偏差を所定の基準値と比較して触媒４２の劣化を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼルエンジンやガソリンエンジンに用いられる触媒の劣化診断装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンではエンジンから排出される有害成分を浄化するため排気通路に触媒を備えているが、使用に伴い触媒が劣化すると正規の浄化機能が得られなくなる。そこで、触媒に劣化が生じたか否かを診断するようにしたものがある（特許文献１参照）。
特開平７−１０９９１８号公報

ところで、上記の特許文献１に記載の装置では、触媒の劣化が進むと酸化還元反応が低下し、触媒上流の酸素濃度が同じても下流の酸素濃度が異なることに着目し、リーン目標空燃比に制御中に、触媒下流側の空燃比センサの出力の基準値からの偏差を見ることにより、触媒の劣化を判定するようにしたものである。

しかし、この場合には、空燃比が目標リーン空燃比にフィードバック制御されていることを前提とし、かつ予め決められた基準値との偏差に基づいて判定しているので、触媒の個々のバラツキに対応できず、必ずしも精度の高い劣化判定が得られない。

本発明はかかる問題を解決し、リーン空燃比であっても精度よく触媒の劣化判定を行えるようにした触媒の劣化診断装置を提供することを目的とする。

本発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の触媒劣化診断装置であって、排気通路に設けられ排気中の有害成分を浄化する触媒と、前記触媒上流側の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、前記触媒下流側の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、リーン運転時に前記上流側、下流側空燃比検出手段の出力から算出した各空気過剰率の偏差を所定の基準値と比較して触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備える。

リーン運転時に触媒で排気中のＨＣ、ＣＯなどが酸化され、これにより生じた水分が触媒に付着したときに発生する酸素イオンが触媒の劣化と共に減少するという現象に基づき、触媒の下流側と上流側の空気過剰率の偏差が劣化時ほど小さくなることに着目し、これら空気過剰率の偏差を所定の判定基準値と比較し、基準値よりも偏差が小さいときには触媒が劣化しているものと判定するようにしたので、触媒の劣化を正確に診断することができる。とくに触媒上流と下流の空燃比を検出し、これらから算出した空気過剰率の偏差を基準値と比較するので、判定時の空燃比に多少の変動があっても、あるいは触媒の個体差があっても、触媒の劣化診断が精度よく行える。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す概略構成図である。

図１において、１はディーゼルエンジンで、排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、ステップモータ５により駆動されるＥＧＲ弁６を備えている。ステップモータ５は、エンジンコントローラ３１からの制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようにしている。

エンジン１にはコモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。この燃料噴射装置１０は、主に燃料タンク（図示しない）、サプライポンプ１４、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられるノズル１７からなり、サプライポンプ１４により加圧された燃料は蓄圧室１６にいったん蓄えられ、この蓄圧室１６の高圧燃料が各気筒に設けたノズル１７へと分配される。

ノズル１７（燃料噴射弁）は、電磁的に駆動される針弁を備え、ソレノイドがＯＦＦ時には、針弁が着座状態にあるが、ソレノイドＯＮ状態になると針弁が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。ソレノイドのＯＦＦからＯＮへの切換により燃料の噴射開始時期が、またＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室１６の圧力が同じであればＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。

ＥＧＲ通路４の開口部下流の排気通路２に、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン２２と吸気を圧縮するコンプレッサ２３とを同軸で連結した可変容量ターボ過給機２１を備える。タービン２２のスクロール入口に、図示しないがアクチュエータにより駆動される可変ノズルが設けられ、エンジンコントローラ３１により、可変ノズルは低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン２２に導入される排気の流速を高めるノズル開度に、高回転速度側では排気を抵抗なくタービン２２に導入させノズル開度（全開状態）に制御する。

コレクタ３ａ入口には、図示しないアクチュエータにより駆動される吸気絞弁８が設けられている。

アクセル開度を検出するアクセルセンサ３２、エンジン回転速度とクランク角度を検出するセンサ３３、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ３４、吸入空気量を検出するエアフローメータ３５からの信号が入力されるエンジンコントローラ３１では、これらの信号に基づいて運転状態に応じて最適な目標ＥＧＲ率と目標過給圧とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。

排気通路２には排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ４１が設置される。フィルタ４１のパティキュレートの堆積量が所定値に達すると、排気温度を上昇させてフィルタ４１に堆積しているパティキュレートを燃焼除去して再生するため、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比やリッチ空燃比へと切換える。

フィルタ４１の上流側にはＨＣトラップ触媒４２を備える。このＨＣトラップ触媒４２は排気の低温時にＨＣをトラップしておき、排気が所定温度以上になるとこのトラップしていたＨＣを脱離して放出しつつ排気中の酸素を用いて酸化して浄化する機能を有するものである。なお、触媒活性後は通常の酸化触媒として機能する。

ＨＣトラップ触媒４２の前後に広域空燃比センサ４３、４４を設け、これら触媒４２上流側の広域空燃比センサ（以下単に「上流側センサ」という）４３と触媒下流側の広域空燃比センサ（以下単に「下流側センサ」という）４４の出力に基づいて、前記エンジン今ローラ３１が触媒劣化診断を行う。この場合、ディーゼルエンジンではリーン空燃比での運転が主であるので、リーン空燃比での運転時に上流側センサ４３、下流側センサ４４により検出される触媒前後の空気過剰率に基づいてＨＣトラップ触媒４２に劣化が生じているか否かを判定する。３６は触媒４２の温度を検出する温度センサである。

触媒４２の劣化診断原理は次の通りである。

リーン空燃比での運転時にＨＣトラップ触媒４２の劣化診断が可能になったのは、本発明者らによる、触媒４２についての実験による新たな知見に基づくものである。これについて説明すると、図２は所定のリーン運転モードに従ってエンジンを運転したときの触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率が実際にどのように変化したのか、時間の経過を含めて、そのようすを示している。

排気空燃比をリーン側の略一定値に制御したときに、触媒上流側の空気過剰率よりも下流側の空気過剰率が大きくなる。しかも、この空気過剰率の差は、触媒劣化時には触媒新品時より小さくなる傾向がある。

これには次のような理由が考えられる。

ディーゼルエンジン１から排出される有害成分は低温時にはＨＣとＣＯが主であり、これらを触媒で酸化することによって、無害なＨ₂Ｏ、ＣＯ₂へと変換する。この場合に、Ｈ₂Ｏすなわち水分は、触媒である貴金属（例えば白金）に付着して水素Ｈ₂と酸素イオンＯ^2-とに電離し、この酸素イオン分を下流側広域空燃比センサ４４が酸素として感じてしまうため、下流側センサ４４では上流側センサ４３より酸素濃度が多い出力をするものと考えられる。言い換えると、空気過剰率が１．０を超える領域においてＨ₂Ｏのような酸素イオン由来成分に起因して触媒前後で空気過剰率の差が生じる。

そして、触媒新品時ほど触媒金属に付着したＨ₂Ｏから、より多くの水素Ｈ₂と酸素イオンＯ^2-とが電離し、この影響を受けて触媒４２の前後での空気過剰率の差が大きくなるものと想定できる。

なお、図２に示す触媒の特性は、ＨＣトラップ触媒４２に固有のものであるのかどうかを確かめるため、他の触媒（ＮＯｘトラップ触媒、三元触媒、酸化触媒等）についても同様の実験をしてみたところ、触媒の種類を問わず、触媒であれば同様の特性が得られることが判明している。従って、本実施形態では主にリーン空燃比で運転するディーゼルエンジンへの適用例を述べるが、リーン空燃比で運転することがあり、かつ排気通路に触媒を備えるガソリンエンジンについても本発明を適用できる。

上記の上流側センサ４３と下流側センサ４４（広域空燃比センサ）とは、それぞれ上流側と下流側の空燃比検出手段及び酸素イオン由来成分検出手段として機能し、また、出力が理論空燃比を境にして比較的大きく変化する酸素センサであっても、リーン領域で酸素濃度に応じてある程度の出力変化があるので、これも空燃比検出手段及び酸素イオン由来成分検出手段として用いることは可能である。

ここで、エンジンコントローラ３１により実行される触媒の診断内容を、図３、図４のフローチャートにより詳述する。まず、図３は触媒劣化診断の開始を行うためのもので、一定時間毎に繰り返し実行する。

ステップＳ１では前記した各種センサ類の信号に基づいて運転状態の読み込みを行い、ステップＳ２で排気流量が所定流量、つまり図５に示すような排気流量よりも大きいかどうか判定する。所定流量よりも小さいときは、ステップＳ４に移行して触媒劣化判定を禁止する。所定流量とは、その流量よりも小さいときは、触媒劣化前と劣化後とでのＨＣの転化率が変化しない領域であり、触媒下流の酸素イオン発生率がＨＣの転化率に依存して変化するので、転化率が同じならば触媒が劣化しても、判定結果に差異が無くなり、つまり正確な判定ができなくなるためである。

所定流量よりも大きいときは、ステップＳ３に進んで触媒温度が所定温度よりも高いかどうかの判定を行う。所定温度よりも高いときには、ステップＳ５に移行して触媒４２の劣化判断を禁止する。所定の温度とは、図６に示すように、その温度よりも高いと触媒４２の劣化前と劣化後とでのＨＣの転化率が変化しなくなる領域であり、上記と同じく劣化判定の結果に差異が出ないためである。

所定温度よりも低いときは、ステップＳ６に移行して触媒劣化診断を開始する。

図４は触媒劣化診断を行うためのもので、一定時間毎に繰り返し実行する。

ステップＳ１１ではリーン運転条件にあるかどうかの判定を行い、リーン以外では触媒４２の前後での空気過剰率の変化が少なく、正確な劣化判定が行えないので、診断を行わずにルーチンを終了する。

ステップＳ１１でリーン運転条件にある場合は、ステップＳ１２に進んで触媒劣化判断のために、まず触媒４２の上流側センサ４３と下流側センサ４４の出力に基づいて、それぞれの上、下流の空気過剰率λＦとλＲを算出し、さらに下流側の空気過剰率λＲと、上流側の空気過剰率λＦとの偏差であるΔλを、Δλ＝λＲ−λＦとして算出する。

次にステップＳ１３では、触媒４２の劣化判定の基準値Δλｔを算出する。このΔλｔは、前記上流の空気過剰率と下流の空気過剰率の偏差の間にある値である。なお、この判定基準値であるΔλｔは、触媒１２の仕様等を考慮して設定される。

ステップＳ１４で上記したΔλと所定値Δλｔとを比較し、Δλが所定値Δλｔよりも大きいときは、ステップＳ１５に進んで触媒１２は劣化していないものとして、触媒劣化フラグは立てない。触媒４２の機能が正常であれば、上記したとおり、触媒４２での酸素イオン発生率が高まり、触媒上流よりも下流での酸素濃度が高くなる。したがって、下流側の空気過剰率λＲと上流側の空気過剰率λＦとの差であるΔλは、触媒４２が新品時ほど大きく、劣化するに伴い小さくなる。したがってΔλが所定値Δλｔよりも大きいときは触媒４２は劣化がなく正常な状態である判定することができる。

これに対して、ステップＳ１５でΔλがΔλｔよりも大きくないときは、ステップＳ１６に進んで触媒４２が劣化していると判定し、ステップＳ１７で触媒劣化フラグを立て、これに基づいて触媒４２の劣化を報知したり警告したりする。

このようにして、リーン空燃比での運転時に触媒劣化診断が行われ、触媒４２の上流側と下流側の排気空燃比に基づいて空気過剰率が演算され、下流側と上流側の空気過剰率の差であるΔλが、劣化基準判定値であるΔλｔよりも大きいときは、触媒による酸素イオンの発生率が高く、触媒４２が正常に機能していると判定され、これに対して、ΔλがΔλｔよりも小さいときは、触媒４２による酸素イオンの発生率が小さく、触媒４２は劣化しているものと判定される。

なお、上記図４の触媒劣化診断において、リーン空燃比での運転中に劣化診断を開始しているが、この場合、劣化判定時の空燃比を、触媒４２での酸素イオンの発生確率が高くなるように、リーン空燃比のなかで、排気中により多くの酸素イオン由来成分が含まれる、すなわち還元剤としてのＨＣを多く含む空燃比に設定してもよい。すなわち、ストイキ空燃比までは濃くなることはないが、やや濃いめのリーン空燃比とすることで、触媒４２に流入する排気中に含まれるＨＣやＣＯが増えると、それだけ触媒反応時に発生するＨ₂Ｏも増え、触媒金属に触れて電離する酸素イオンの発生量も多くなる。このため、同一空燃比でも、触媒４２の上流と下流の空気過剰率の偏差が大きくなり、触媒４２の劣化判定をより精度よく行える。

なお、このようにディーゼル機関から排出される未燃物である還元剤は、リーン領域での空燃比を濃くすることにより増やせるが、例えば、ＣＯ（一酸化炭素）は機関燃焼室内での燃焼によって生成し、ＨＣ（炭化水素）については、排気通路内に燃料噴射することにより生成することもできる。

以上のように本実施形態によれば、リーン運転時に触媒４２で排気中のＨＣ、ＣＯなどが酸化され、これにより生じた水分が触媒４２に付着したときに発生する酸素イオンが触媒の劣化と共に減少するという現象に基づき、触媒の下流側と上流側の空気過剰率の偏差が劣化時ほど小さくなることに着目し、これら空気過剰率の偏差を所定の判定基準値と比較し、基準値よりも偏差が小さいときには触媒４２が劣化しているものと判定するようにしたので、触媒４２の劣化を正確に診断することができる。とくに触媒上流と下流の空燃比を検出し、これらの偏差を基準値と比較するので、判定時の空燃比に多少の変動があっても、あるいは触媒４２の個体差があっても、触媒４２の劣化診断が精度よく行える。

また、触媒４２の劣化診断は、排気流量が所定値以下で、触媒４２の劣化のいかんにかかわらずＨＣの転化率が変化しない領域では、触媒４２での酸素イオン発生に影響を及ぼすＨＣ量の変化が無いために、正確な劣化診断が行えないので、診断を禁止することでその誤診断を防ぎ、信頼性を向上させられる。

同じように、触媒４２でのＨＣの転化率が同じになってしまう排気温度が所定値以上の領域では、診断を禁止することにより、誤った診断を回避し、信頼性を高めている。

また、触媒４２の劣化判定にとっては、触媒４２に付着するＨＣ、ＣＯ、すなわち還元剤が多いほど酸素イオンの発生率が高まり、上流側と下流側での空気過剰率の偏差も大きくなるので、判定の精度が高められる。したがって、劣化判定時にはリーン空燃比の範囲内で排気中の還元剤の量ができるだけ多くなるように、例えば、機関での燃焼空燃比を制御したり、排気通路内に燃料噴射を行うことにより、精度のよい劣化判定を実施することが可能となる。

なお、上記実施形態では、本発明をディーゼル機関に適用した例を示したが、これに限らず、リーンバーンするガソリン機関にも当然に適用できる。また、触媒としては、ＨＣトラップ触媒だけでなく、ＮＯｘトラップ触媒、三元触媒、酸化触媒等についても同様に劣化診断の対象とすることができる。

本発明の触媒劣化診断装置は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどに適用できる。

本発明の一実施形態を示す概略構成図である。所定の運転モードに従ってディーゼルエンジンを運転したときの触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率の変化を示す波形図である。触媒の劣化判定の制御内容を示すフローチャートである。同じくフローチャートである。触媒劣化判定開始時の排気流量特性を示す特性図である。触媒劣化判定開始時の触媒温度特性を示す特性図である。

符号の説明

１エンジン
２排気通路
３１エンジンコントローラ
３３クランク角センサ
４２ＨＣトラップ触媒
４３上流側センサ（上流側空燃比検出手段、酸素イオン由来成分検出手段）
４４下流側センサ（下流側空燃比検出手段、酸素イオン由来成分検出手段）

Claims

内燃機関において、
排気通路に設けられ排気中の有害成分を浄化する触媒と、
前記触媒上流側の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記触媒下流側の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
リーン運転時に前記上流側、下流側空燃比検出手段の出力から算出した各空気過剰率の偏差を所定の基準値と比較して触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
を備えることを特徴とする触媒の劣化診断装置。
前記下流側空燃比検出手段は酸素イオン由来成分を含む空燃比を検出する広域空燃比センサまたは酸素センサである請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
排気流量が所定流量よりも小さい場合は前記触媒の劣化判定を禁止する請求項１または２に記載の触媒の劣化診断装置。
前記触媒の温度が所定温度よりも高い場合は前記触媒の劣化判定を禁止する請求項１〜３のいずれか一つに記載の触媒の劣化診断装置。
前記触媒の劣化判定は、排気中の還元剤の量が通常のリーン空燃比よりも多くなる状態で実施する請求項１〜４のいずれか一つに記載の触媒の劣化診断装置。
前記還元剤は、一酸化炭素あるいは炭化水素の少なくともいずれか一方である請求項５に記載の触媒の劣化診断装置。
前記一酸化炭素は機関の燃焼によって生成する請求項６に記載の触媒の劣化診断装置。
前記炭化水素は排気通路内への燃料噴射によって生成する請求項６に記載の触媒の劣化診断装置。