JP2008121428A - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に関し、触媒の浄化能の低下を高い精度で検出することを目的とする。
【解決手段】触媒温度が検出温度域内で安定しているか否かが判別される（ステップ１０２）。触媒温度が検出温度域内で安定していないと判別された場合には、次に、触媒温度が検出温度域より低いか否かが判別される（ステップ１０４）。触媒温度が検出温度域より低いと判別された場合には、次に、触媒を加熱するヒーターへの通電がＯＮされる（ステップ１０６）。ヒーターがＯＮされ、触媒温度が検出温度域内で安定した場合には、所定量の燃料が排気ガス中に添加され（ステップ１０８）、触媒劣化検出処理が開始される（ステップ１１０）。燃料添加の前後における触媒温度上昇量が判定値以上である場合には、触媒は正常であると判定される。一方、温度上昇量が判定値未満である場合には、触媒は劣化していると判定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に関する。

内燃機関の排気通路に酸化触媒を配置することにより、排気ガス中のＨＣ、ＣＯなどを低減するようにした排気浄化システムが知られている。この酸化触媒が劣化すると、流入したＨＣ、ＣＯ等を酸化反応させる能力（酸化能力）が低下する。このため、酸化反応による発熱量が少なくなる。特開２００５−９０３２４号公報に開示された排気浄化システムは、このことを利用して酸化触媒の劣化を検出するようにしている。すなわち、このシステムでは、酸化触媒の上流側の排気ガスに燃料（ＨＣ）を添加したときに、酸化触媒を通過した排気ガスの温度が所定温度以下である場合には、酸化触媒が劣化していると判定する。

特開２００５−９０３２４号公報 特開平１０−１８４３４４号公報

触媒の酸化能力（浄化能力）は、触媒の温度と共に増加する。このため、劣化した触媒であっても、触媒の温度が高い場合には、十分な酸化能力を発揮する。逆に、触媒の温度が低いと、正常な触媒であっても、酸化能力を十分に発揮することができない。上記従来の排気浄化システムは、このことについての配慮が十分でないため、触媒の劣化を高精度に検出することが困難であり、未だ改良の余地を残している。

今後は、排気浄化システムの故障や劣化を車両上で自動的に診断することを要求するＯＢＤ(On-Board Diagnostic)規制が更に強化されることが予想されている。この規制強化を乗り越えるためには、触媒の劣化を更に高い精度で検出することが必要とされている。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒の浄化能の低下を高い精度で検出することのできる内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用の触媒と、
前記触媒の温度を検出または推定する触媒温度取得手段と、
前記触媒の劣化を検出する触媒劣化検出処理を実行する触媒劣化検出手段と、
前記触媒劣化検出処理の開始に先立って、前記触媒の温度が所定の検出温度域内に入るように、前記触媒の温度を制御する触媒温度制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記触媒劣化検出手段は、
前記触媒に流入する排気ガス中に未燃燃料が含まれる状態となるように燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料供給手段により燃料が供給された場合の前記触媒の温度上昇量に基づいて、前記触媒の浄化能の低下を判定する判定手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記触媒温度制御手段は、前記触媒での化学反応を伴わない方法で前記触媒を加熱する加熱手段を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記触媒劣化検出処理は、前記触媒の酸化能力の低下を検出する処理であり、
前記検出温度域の下限値は、前記触媒の酸化能力の活性開始温度以上の温度であり、
前記検出温度域の上限値は、前記触媒の酸化能力が飽和する温度より十分に低い温度であることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用の触媒の劣化を検出する触媒劣化検出処理の開始に先立って、触媒の温度が所定の検出温度域内に入るように、触媒の温度を制御することができる。この所定の検出温度域は、触媒の劣化度合いが小さい場合であっても、正常触媒と比べて浄化能の差が大きく出易いような温度域に設定される。第１の発明によれば、触媒温度がそのような温度域に入るように制御した上で触媒劣化検出処理を行うことができるので、触媒の劣化度合いが小さい場合であっても、その劣化を精度良く検出することができる。

第２の発明によれば、触媒に流入する排気ガス中に未燃燃料が含まれる状態となるように燃料が供給された場合の触媒の温度上昇量に基づいて、触媒の浄化能の低下を判定することができる。これにより、触媒の浄化能、特に触媒の酸化能力を精度良く判定することができる。

第３の発明によれば、触媒温度を検出温度域内に制御するに際し、触媒での化学反応を伴わない方法で触媒を加熱することができる。これにより、加熱量が触媒の劣化度合いによって変化することがないので、触媒温度を精度良く制御することができる。

第４の発明によれば、触媒の酸化能力の低下を検出する場合において、検出温度域の下限値を、触媒の酸化能力の活性開始温度以上の温度とし、検出温度域の上限値を、触媒の酸化能力が飽和する温度より十分に低い温度とすることができる。このような検出温度域においては、触媒の劣化度合いが小さい場合であっても、正常触媒と比べて、酸化能力の差が大きく出易い。このため、触媒の酸化能力の低下度合いが小さい場合であっても、その低下を精度良く検出することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、ディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０の排気通路１２の途中には、第１触媒（ヒーター付き触媒）１４と、第２触媒１６とが配置されている。第１触媒１４および第２触媒１６は、共に、ＨＣやＣＯを酸化させて浄化する酸化触媒としての機能を有している。第２触媒１６は、第１触媒１４より大容量の触媒である。この第２触媒１６は、第１触媒１４の下流側に近接（隣接）して設置されている。

第１触媒１４には、ヒーター（電気ヒーター）１８が一体的に設けられている。ヒーター１８の設置方法としては、例えば、第１触媒１４の触媒担体を金属で構成し、その触媒担体をヒーター１８として利用することができる。ヒーター１８に通電することにより、第１触媒１４を直接に加熱することができる。また、第１触媒１４を加熱すると、第１触媒１４を通る排気ガスにその熱が伝わる。そして、その加熱された排気ガスが第２触媒１６に流入することで、第２触媒１６が加熱される。すなわち、ヒーター１８に通電することにより、第２触媒１６をも間接的に加熱することができる。

第１触媒１４より上流側の排気通路１２には、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加弁２０が設置されている。また、第２触媒１６の出口付近には、排気ガス温度を検出する温度センサ２２と、排気空燃比を検出する空燃比センサ２４とが設置されている。

本システムは、更に、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述したヒーター１８および各センサが電気的に接続されているほか、ディーゼル機関１０が備える各種のアクチュエータおよびセンサが電気的に接続されている。

［実施の形態１の特徴］
本システムでは、ディーゼル機関１０から排出される排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等を第１触媒１４および第２触媒１６で酸化させることにより、これらを浄化することができる。しかしながら、第１触媒１４や第２触媒１６が劣化するに伴い、その酸化能力（浄化能）は徐々に低下していく。そこで、本システムは、第１触媒１４および第２触媒１６の劣化（酸化能力の低下）を検出するため、以下に説明するような触媒劣化検出処理を実行する。

触媒劣化検出処理では、まず、燃料添加弁２０から燃料を噴射することにより、排気ガス中に所定量の燃料を添加する。この添加された燃料は、第１触媒１４および第２触媒１６において排気ガス中の酸素と酸化反応（燃焼）し、反応熱を発生する。このため、排気ガス中に燃料を添加すると、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が上昇する。第１触媒１４および第２触媒１６の温度は、温度センサ２２で検出される排気ガス温度と相関している。よって、第１触媒１４および第２触媒１６の温度上昇量は、温度センサ２２で検出される排気ガス温度から求めることができる。

第１触媒１４および第２触媒１６の酸化能力が低下すると、排気ガス中に添加された燃料のうち、第１触媒１４および第２触媒１６で酸化される割合が低下する。つまり、酸化されずに第１触媒１４および第２触媒１６をすり抜ける燃料の割合が増加する。このため、排気ガス中に同じ量の燃料を添加した場合であっても、第１触媒１４および第２触媒１６の酸化能力が低下していると、第１触媒１４および第２触媒１６の温度上昇量は小さくなる。よって、第１触媒１４および第２触媒１６の温度上昇量が、正常な場合に比して小さかった場合には、酸化能力が低下していると判断することができる。

図２は、第１触媒１４および第２触媒１６の酸化能力と、第１触媒１４および第２触媒１６の温度との関係の一例を示す図である。図２中、実線は第１触媒１４および第２触媒１６が正常な場合のグラフであり、破線は第１触媒１４および第２触媒１６が僅かに劣化している場合のグラフである。

一般に、触媒の酸化能力は、触媒が劣化している場合であっても、触媒温度が高くなると、正常な触媒とほぼ同程度まで十分に発揮されるという性質がある。つまり、触媒の温度が高い状況では、正常な触媒と、劣化した触媒とで、酸化能力に違いが現れにくい。特に、図２に示す例のように、第１触媒１４および第２触媒１６の劣化度合いが僅かである場合には、比較的高い温度の領域（例えば３００℃程度以上）では、正常な触媒に比して酸化能力がほとんど低下しない。このため、触媒の劣化を検出することが困難となる。

これに対し、図２中の「検出温度域」のような比較的低い温度の領域（例えば２５０℃付近の領域）では、劣化度合いが僅かな場合であっても、正常な触媒に比して酸化能力の低下が比較的大きく認められる。よって、第１触媒１４および第２触媒１６の温度がこの検出温度域内にある場合に触媒劣化検出処理を実行すれば、劣化度合いが僅かであっても、その劣化を精度良く検出することが可能となる。なお、図２に示すように、検出温度域の下限値は、第１触媒１４および第２触媒１６の活性開始温度（図２に示す例では２００℃）以上の温度に設定されることが好ましく、検出温度域の上限値は第１触媒１４および第２触媒１６の酸化能力が飽和する温度（図２に示す例では３５０℃程度）より十分低い温度に設定されることが好ましい。

図３は、ディーゼル機関１０を搭載した車両の走行中における第１触媒１４および第２触媒１６の温度変化の一例を示す図である。図３中の実線は、第１触媒１４および第２触媒１６の温度を制御しない場合、つまりヒーター１８が常にＯＦＦの場合の第１触媒１４および第２触媒１６の温度変化を示している。触媒劣化（酸化能力の低下）を検出するのに適した上記の検出温度域は狭いため、図３に示すように、通常は、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内で安定する状態が出現することは稀である。このため、上記のような高精度の触媒劣化検出処理を実行する機会が少ないという問題がある。

特に、ディーゼル機関１０は、一般に、排気温度が低い傾向にあるため、図３に示すように、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域の下限値より低くなることが多い。そして、ディーゼル機関１０の排気量が大きい場合ほど、走行時の機関負荷が相対的に小さくなるため、この傾向は更に顕著になる。

そこで、本実施形態では、触媒劣化検出処理を実行する場合には、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内に入るように、ヒーター１８によって第１触媒１４および第２触媒１６を加熱することとした。すなわち、通常であれば第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域の下限値より低くなるような状況のとき、ヒーター１８によって第１触媒１４および第２触媒１６を加熱することにより、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内で安定するように制御することとした。

第１触媒１４および第２触媒１６の温度を検出温度域内まで上昇させる場合に、ヒーター１８から排気ガスに加えるべきエネルギーErgは、下記式により算出することができる。
Erg＝Ga×κ×（目標温度−流入ガス温度） ・・・（１）

ただし、上記（１）式中、Gaは排気ガス流量である。このGaはディーゼル機関１０に備えられたエアフローメータの信号などに基づいて算出することができる。κは排気ガスの比熱であり、既知の値である。「目標温度」は検出温度域内の所定の温度である。「流入ガス温度」は第１触媒１４に流入する排気ガスの温度である。この流入ガス温度は、機関負荷および機関回転速度と相関するので、予めＥＣＵ３０に記憶したマップに基づいて算出することができる。あるいは、第１触媒１４の上流に設けた温度センサによって、流入ガス温度を直接に求めても良い。

一方、ヒーター１８に通電するべき電力Entは、上記Ergを用いて、下記式により算出することができる。
Ent＝ｋ×Erg ・・・（２）

ただし、上記（２）式中、ｋは、１より大きい定数であり、電力が熱量に転換される際の効率に関する値である。

図３中の破線は、流入ガス温度が目標温度より低い場合に、上記（２）式で算出される電力Entをヒーター１８に通電する触媒温度制御を実行した場合における第１触媒１４および第２触媒１６の温度変化の一例を示す図である。このような触媒温度制御を実行した場合には、図３に示すように、例えば始動直後の暖機時や、低負荷時など、排気温度が低い場合に、第１触媒１４および第２触媒１６の温度を上昇させ、検出温度域内で安定させることができる。よって、高精度の触媒劣化検出処理を実行する機会を作り出すことができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図４に示すルーチンによれば、まず、検出終了フラグがＯＮになっているか否かが判別される（ステップ１００）。検出終了フラグがＯＮになっている場合には、触媒劣化検出処理が既に終了していると判断できる。この場合には、触媒劣化検出処理を実行する必要がないため、そのまま今回の処理サイクルが終了される。

一方、検出終了フラグがＯＦＦである場合には、次に、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内で安定しているか否かが判別される（ステップ１０２）。第１触媒１４および第２触媒１６の温度は、温度センサ２２で検出される排気ガス温度から推定することができる。あるいは、第１触媒１４や第２触媒１６に温度センサを設置して、触媒温度を直接に検出してもよい。

上記ステップ１０２で、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内で安定していないと判別された場合には、次に、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域より低いか否かが判別される（ステップ１０４）。その結果、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域より低くないと判別された場合には、上記ステップ１０２以下の処理が再度実行される。一方、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域より低いと判別された場合には、次に、ヒーター１８への通電がＯＮされる（ステップ１０６）。この場合、ヒーター１８への電力供給量は、上記（１）および（２）式により、算出される。

上記ステップ１０６の処理に続いて、上記ステップ１０２以下の処理が再度実行される。ヒーター１８がＯＮされると、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内で安定し易くなる。第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内で安定すると、上記ステップ１０２の判断が肯定される。上記ステップ１０２の判断が肯定された場合には、続いて、燃料添加弁２０から、所定量の燃料が排気ガス中に添加され（ステップ１０８）、触媒劣化検出処理が開始される（ステップ１１０）。

触媒劣化検出処理においては、まず、排気ガス中への燃料添加の前後における第１触媒１４および第２触媒１６の温度上昇量が検出される。次いで、その温度上昇量が所定の判定値と比較される。そして、温度上昇量が判定値以上である場合には、第１触媒１４および第２触媒１６は正常であると判定される。一方、温度上昇量が判定値未満である場合には、第１触媒１４および第２触媒１６は劣化していると判定される。

上記ステップ１１０の処理に続いて、触媒劣化検出処理が終了（完了）したか否かが判別される（ステップ１１２）。触媒劣化検出処理が終了した場合には、検出終了フラグがＯＮとされる（ステップ１１４）。一方、何らかの理由（例えば触媒温度が途中で検出温度域外となった場合など）により、触媒劣化検出処理が未完である場合には、検出終了フラグがＯＦＦとされる（ステップ１１６）。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内にある状態で触媒劣化検出処理を行うことができる。前述したように、検出温度域では、劣化度合いが小さい場合であっても酸化能力に差が出易い。よって、第１触媒１４および第２触媒１６の劣化度合いが小さい場合であっても、その劣化を精度良く検出することができる。このため、厳しいＯＢＤ規制に対応する上で有利である。

また、本実施形態によれば、ヒーター１８によって第１触媒１４および第２触媒１６の温度を制御することにより、第１触媒１４および第２触媒１６が検出温度域内にある機会を積極的に作り出すことができる。このため、触媒劣化検出処理を実行する機会が確実に訪れるようにすることができ、ディーゼル機関１０の運転開始後、触媒劣化検出を早期に終了することができる。

なお、本実施形態では、電気ヒーター（ヒーター１８）を用いて第１触媒１４および第２触媒１６の温度を制御しているが、触媒内での化学反応（燃焼等）を伴わない方法、すなわち触媒の劣化度合いによって発熱量が変化しないような方法であれば、他の方式のヒーターで第１触媒１４および第２触媒１６の温度を制御してもよい。

また、本実施形態では、ヒーター１８によって第１触媒１４を直接に加熱し、第２触媒１６については間接的に加熱されるように構成されているが、第１触媒１４および第２触媒１６の区別をせず、触媒全体をヒーターによって直接加熱するようにしてもよい。あるいは、触媒をヒーターで直接加熱することをせず、触媒上流の排気ガスを加熱することで、触媒全体が間接的に加熱されるようにしてもよい。

また、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域より高い場合に、第１触媒１４および第２触媒１６を冷却することで、第１触媒１４および第２触媒１６の温度が検出温度域内に入るように制御することとしてもよい。第１触媒１４および第２触媒１６を冷却する機構としては、例えば、第１触媒１４および第２触媒１６の上流側に、排気ガスを遠回りさせることによって冷却可能なバイパス通路を設ける機構が挙げられる。この場合、そのバイパス通路に排気ガスを流して排気ガスを冷却することにより、第１触媒１４および第２触媒１６の温度を低下させることができる。

また、本実施形態において、第１触媒１４および第２触媒１６は、酸化触媒に限らず、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、三元触媒などの触媒であってもよい。すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒や三元触媒も酸化能力を有しているが、それらの酸化能力の低下を検出する場合にも、本実施形態を適用可能である。

また、本発明は、ディーゼル機関１０の触媒劣化検出装置に限らず、ガソリン機関等の火花点火内燃機関の触媒劣化検出装置にも適用可能である。

また、排気燃料添加を行う方法としては、燃料添加弁２０を用いる方法に限らず、排気行程で筒内に燃料を噴射する方法（ポスト噴射）や、リーン燃焼気筒とリッチ燃焼気筒とを混在させる方法などを用いてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、第１触媒１４および第２触媒１６が前記第１の発明における「触媒」に、燃料添加弁２０が前記第２の発明における「燃料供給手段」に、ヒーター１８が前記第３の発明における「加熱手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ３０が、温度センサ２２の出力に基づいて第１触媒１４および第２触媒１６の温度を推定することにより前記第１の発明における「触媒温度取得手段」が、上記ステップ１０８および１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「触媒劣化検出手段」が、上記ステップ１０２，１０４および１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「触媒温度制御手段」が、排気燃料添加の前後における触媒温度上昇量に基づいて触媒酸化能力の低下を判定することにより前記第２の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 触媒の酸化能力と、触媒温度との関係の一例を示す図である。 車両の走行中における触媒の温度変化の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１２ 排気通路
１４ 第１触媒
１６ 第２触媒
１８ ヒーター
２０ 燃料添加弁
２２ 温度センサ
２４ 空燃比センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用の触媒と、
   前記触媒の温度を検出または推定する触媒温度取得手段と、
   前記触媒の劣化を検出する触媒劣化検出処理を実行する触媒劣化検出手段と、
   前記触媒劣化検出処理の開始に先立って、前記触媒の温度が所定の検出温度域内に入るように、前記触媒の温度を制御する触媒温度制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
2. 前記触媒劣化検出手段は、
   前記触媒に流入する排気ガス中に未燃燃料が含まれる状態となるように燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段により燃料が供給された場合の前記触媒の温度上昇量に基づいて、前記触媒の浄化能の低下を判定する判定手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
3. 前記触媒温度制御手段は、前記触媒での化学反応を伴わない方法で前記触媒を加熱する加熱手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
4. 前記触媒劣化検出処理は、前記触媒の酸化能力の低下を検出する処理であり、
   前記検出温度域の下限値は、前記触媒の酸化能力の活性開始温度以上の温度であり、
   前記検出温度域の上限値は、前記触媒の酸化能力が飽和する温度より十分に低い温度であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。

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