JP2012082710A - Noxセンサの劣化検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、選択還元型触媒より下流の排気通路にNOセンサが配置された構成において、NOセンサの劣化を検出または判定可能な技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、内燃機関の排気通路に配置された三元触媒と、前記三元触媒より下流の排気通路に配置された選択還元型触媒と、前記選択還元型触媒より下流の排気通路に配置されたNOセンサと、を備え、前記三元触媒へ流入する排気の空燃比をリッチにするための処理であるリッチ処理を実行し、該リッチ処理の実行開始から規定時間以内に前記NOセンサの測定値が閾値以上に達しないことを条件に、NOセンサが劣化していると判定するようにした。
【選択図】図3

Description

本発明は、三元触媒と選択還元型触媒とを含む排気浄化装置の下流に配置されるNOセンサの劣化を検出する技術に関する。
希薄燃焼式内燃機関の排気を浄化するシステムとして、三元触媒と、吸蔵還元型NO触媒と、選択還元型触媒と、を上流側から順に配置したシステムが知られている(たとえば、特許文献1を参照)。
特開2008−303759号公報
上記した構成において、選択還元型触媒から排出される窒素酸化物(NO)量を目標値以下に抑えるために排気の空燃比をフィードバック制御すること、或いは選択還元型触媒の劣化度合いを検出することなどを目的として、選択還元型触媒より下流の排気通路にNOセンサを配置する構成が考えられる。このような構成においては、NOセンサの劣化を検出或いは判定することも重要である。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、選択還元型触媒より下流の排気通路にNOセンサが配置された構成において、NOセンサの劣化を検出または判定することができる技術の提供にある。
本発明は、上記した課題を解決するために、NOセンサが排気中のNOに加え、排気中のアンモニア(NH)にも反応する点に着目した。
リッチ雰囲気の排気が三元触媒へ流入したときに、排気中のNOが炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)により還元される。その際、排気中に含まれる窒素(N)が水素(H)と反応してアンモニア(NH)を生成する。その結果、NOセンサへ到達するNOは極僅かな量となる。一方、アンモニア(NH)は、選択還元型触媒に吸着される。そのため、NOセンサへ到達するアンモニア(NH)の量も極僅かな量となる。ただし、選択還元型触媒の吸着能には限りがあるため、選択還元型触媒の吸着能が飽和した後はNOセンサへ到達するアンモニア(NH)が増加する。よって、選択還元型触媒の吸着能が飽和した後は、NOセンサの測定値が増加する。
そこで、本発明に係わるNOセンサの劣化検出システムは、三元触媒へ流入する排気の空燃比をリッチ雰囲気にするためのリッチ処理を実行し、前記リッチ処理の実行開始からNOセンサの測定値が閾値以上に増加するまでの時間をパラメータとしてNOセンサの劣化を検出するようにした。
詳細には、本発明にかかるNOセンサの劣化検出システムは、
内燃機関の排気通路に配置された三元触媒と、
前記三元触媒より下流の排気通路に配置された選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒より下流の排気通路に配置されたNOセンサと、
前記三元触媒へ流入する排気の空燃比をリッチにするための処理であるリッチ処理を実行するリッチ処理手段と、
前記リッチ処理手段によるリッチ処理が開始されてから規定時間以内に前記NOセンサの測定値が閾値以上に達しないことを条件に、前記NOセンサが劣化していると判定する判定手段と、
を備えるようにした。
なお、ここでいう「閾値」は、選択還元型触媒の吸着能が飽和した後にNOセンサへ到達し得るアンモニア(NH)の量(以下、「正常値」と称する)に基づいて決定される値であり、たとえば、前記した正常値からマージンを差し引いた値である。また、ここでいう「規定時間」は、リッチ処理の実行開始から正常な選択還元型触媒の吸着能が飽和するまでに要する時間(以下、「飽和時間」と称する)に基づいて決定される時間であり、たとえば、前記した飽和時間にマージンを加算した時間である。
かかる発明によれば、リッチ処理の実行開始から規定時間以内に選択還元型触媒により吸着しきれなくなったアンモニア(NH)がNOセンサへ到達することになる。その結果、NOセンサが正常であれば、NOセンサの測定値はリッチ処理の実行開始から規定時間以内に閾値以上へ増加する。一方、NOセンサが劣化していれば、NOセンサの規定値はリッチ処理の実行開始から規定時間以内に閾値以上まで増加しなくなる。
なお、選択還元型触媒の劣化に伴い該選択還元型触媒の吸着能が低下すると、NOセンサの測定値が増加し始めるタイミングが早くなる。そのため、NOセンサの劣化度合いが軽微である場合は、NOセンサが劣化しているにもかかわらず、NOセンサの測定値が規定時間以内に閾値以上に増加する可能性がある。そこで、NOセンサの測定値が閾値以上となるタイミングが規定時間以内となる場合は、リッチ処理終了後に排気の空燃比をリーンにするためのリーン処理を行い、その際のNOセンサの測定値が前記閾値より小さい下限値未満であれば、NOセンサが劣化していると判定するようにしてもよい。かかる構成によれば、選択還元型触媒の吸着能が劣化している場合であっても、NOセンサの劣化を検出することが可能となる。
本発明に係わるNOセンサの劣化検出システムにおいて、リッチ処理手段によるリッチ処理は、三元触媒へ流入する排気の空燃比をスライトリッチにする処理としてもよい。ここでいう「スライトリッチ」は、理論空燃比より若干低い空燃比であり、たとえば、14.3程度の空燃比である。かかる構成によれば、リッチ処理による燃料消費量の増加や余剰の炭化水素(HC)による排気エミッションの増加を抑制しつつ、NOセンサの劣化を検出することができる。
また、本発明は、三元触媒と、吸蔵還元型NO触媒と、選択還元型触媒と、NOセンサとを上流側から順に配置された構成に適用することも可能である。かかる構成によれば、リッチ処理実行中において三元触媒で還元しきれなかったNOが吸蔵還元型NO触媒において還元されるようになるため、NOセンサへ到達するNOの量をより少なくすることができる。さらに、吸蔵還元型NO触媒においてNOが還元される際にもアンモニア(NH)が生成されるため、選択還元型触媒およびNOセンサへ供給されるアンモニア(NH)の量をより多くすることができる。その結果、NOセンサの劣化をより確実に検出することが可能になる。
本発明によれば、選択還元型触媒より下流の排気通路にNOセンサが配置された構成において、NOセンサの劣化を検出または判定することができる。
本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 排気の空燃比がリーンからリッチへ切り換えられた場合における第2排気浄化装置へ流入するNHの量とNOセンサの測定値の経時変化を示す図である。 NOセンサの劣化検出を行う際にECUが実行するルーチンを示すフローチャートである。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は、本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、リーン空燃比の混合気を燃焼可能な圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)または火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)である。
内燃機関1には、排気通路2が接続されている。排気通路2には、三元触媒を含むスタートコンバータ3が配置されている。スタートコンバータ3より下流の排気通路2には、吸蔵還元型NO触媒を含む第1排気浄化装置4が配置されている。吸蔵還元型NO触媒は、酸素過剰雰囲気(リーン雰囲気)の排気が流入したときは排気中の窒素酸化物(NO)を吸蔵し、還元雰囲気(リッチ雰囲気)の排気が流入したときはNOを放出しつつ排気中の炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)によりNOを還元する。
第1排気浄化装置4より下流の排気通路2には、選択還元型触媒を含む第2排気浄化装置5が配置されている。選択還元型触媒は、アンモニア(NH)を含むリッチ雰囲気の排気が流入したときは排気中のアンモニア(NH)を吸着(吸蔵)し、リーン雰囲気の排気が流入したときは排気中のNOをNHにより還元させる。
また、スタートコンバータ3より上流の排気通路2には、スタートコンバータ3へ流入する排気の空燃比を測定するA/Fセンサ6が取り付けられている。スタートコンバータ3と第1排気浄化装置4との間の排気通路2には、排気中に含まれる酸素の濃度を測定するOセンサ7が取り付けられている。これらA/Fセンサ6およびOセンサ7の測定値は、ECU9へ入力されるようになっている。ECU1は、前記した各種センサの測定値に従って内燃機関1の運転状態(たとえば、燃料噴射量や燃料噴射時期などを)を制御するための電子制御ユニットである。
ここで、排気の空燃比がリーンであるときは、排気中のHCやCOは三元触媒や吸蔵還元型NO触媒により酸化され、排気中のNOの一部は三元触媒により還元されるとともに残りのNOは吸蔵還元型NO触媒に吸蔵される。なお、吸蔵還元型NO触媒が吸蔵可能なNO量には限りがあるため、吸蔵還元型NO触媒の吸蔵能が飽和する前に該吸蔵還元型NO触媒に吸蔵されたNOを還元させる必要がある。これに対し、ECU9は、排気の空燃比をリーンからリッチへ切り換えるリッチ処理を周期的に実行する。
排気の空燃比がリッチにされたときは、排気中のHCやCOの一部は三元触媒において排気中のNOやOによって酸化され、残りのHCやCOは吸蔵還元型NO触媒において該吸蔵還元型NO触媒から放出されたNOによって酸化される。つまり、排気中に含まれるHCやCOは、吸蔵還元型NO触媒に吸蔵されたNOの還元剤として機能する。
なお、三元触媒および吸蔵還元型NO触媒においてNOが還元される際に、排気中
の窒素(N)と水素(H)が反応してNHが生成される。三元触媒および吸蔵還元型NO触媒において生成されたNHは、排気とともに第2排気浄化装置5へ流入し、選択還元型触媒に吸着される。選択還元型触媒に吸着されたアンモニア(NH)は、排気の空燃比がリーンに戻されたときに、排気中のNOを還元させる。つまり、選択還元型触媒は、三元触媒や吸蔵還元型NO触媒において還元または吸蔵しきれなかったNOをNHにより還元させる。その結果、大気中へ排出されるNOやNHを可及的に少なくすることができる。
ところで、上記したような排気系においては、第2排気浄化装置5から排出されるNO量を目標量以下に抑えるために排気の空燃比をフィードバック制御すること、或いは第2排気浄化装置5に含まれる選択還元型触媒の劣化度合いを検出すること、などを目的して、第2排気浄化装置5より下流の排気通路2にNOセンサ8が配置されることが望ましい。
第2排気浄化装置5より下流の排気通路2にNOセンサ8が配置される構成においては、NOセンサ8の劣化を検出或いは判定することも必要である。以下、本実施例におけるNOセンサ8の劣化検出方法について述べる。
本実施例におけるNOセンサ8の劣化検出方法は、NOセンサ8が排気中のNOと同様にNHにも反応する点、および選択還元型触媒がNHを吸着する点に着目したものである。
内燃機関1から排出される排気の空燃比がリッチにされると、スタートコンバータ3および第1排気浄化装置4において排気中のNOが還元されるとともに、NHが生成される。そのため、第2排気浄化装置5へ流入する排気は、NOを殆ど含まずにNHを含むガスとなる。このような性状の排気が第2排気浄化装置5へ流入すると、排気中のNHが選択還元型触媒に吸着される。
選択還元型触媒の吸着能には限界があるため、排気の空燃比がリッチに維持され続けると、選択還元型触媒の吸着能が飽和する。選択還元型触媒の吸着能が飽和した後は、該選択還元型触媒によって吸着しきれないNHが第2排気浄化装置5から排出され、NOセンサ8に到達する。つまり、選択還元型触媒の吸着能が飽和する前はNOセンサ8へ到達するNHの量が極僅かな量で安定するが、選択還元型触媒の吸着能が飽和した後はNOセンサ8へ到達するNHの量が増加する。
ここで、内燃機関1から排出される排気(スタートコンバータ3へ流入する排気)の空燃比がリーンからリッチへ切り換えられた場合における第2排気浄化装置5へ流入するNHの量(流入NH量)とNOセンサ8の測定値(センサ値)の経時変化を図2に示す。図2中の実線はNOセンサ8が正常であるときのセンサ値を示し、図2中の一点鎖線はNOセンサ8が劣化しているときのセンサ値を示す。
図2において、排気の空燃比がリーンからリッチへ切り換えられた時点(図2中のt0)から輸送遅れ時間Δtが経過したとき(図2中のt1)に、流入NH量が増加し始める。ここでいう「輸送遅れ時間Δt」は、排気が内燃機関1から第2排気浄化装置5へ到達するまでに要する時間である。
流入NH量が増加し始める時点t1から選択還元型触媒の吸着能が飽和する時点(図2中のt2)までの期間は、排気中のNHが選択還元型触媒に吸着されるため、センサ値が略零で安定する。選択還元型触媒の吸着能が飽和した後は、選択還元型触媒が排気中のNHを吸着しきれなくなる。よって、NOセンサ8が正常であれば、センサ値が急
速に増加して流入NH量より若干低い値(図2中のV0)まで増加する(図2中のt3)。なお、以下では、センサ値V0を「正常値V0」と称する。一方、NOセンサ8が劣化している場合は、選択還元型触媒の吸着能が飽和した後におけるセンサ値の増加速度が正常時より緩慢になるとともに、センサ値が正常値V0まで増加し難くなる。
そこで、本実施例では、内燃機関1から排出される排気の空燃比をリーンからリッチへ切り換えるリッチ処理を実行し、該リッチ処理の実行開始時点t0から規定時間以内にセンサ値が閾値に到達しないことを条件に、NOセンサ8が劣化していると判定するようにした。なお、ここでいうリッチ処理は、吸蔵還元型NO触媒に吸蔵されたNOを還元するためのリッチ処理であってもよいし、そのようなリッチ処理から独立して行われてもよい。
前記した閾値は、選択還元型触媒の吸着能が飽和した後にNOセンサ8へ到達し得るアンモニア(NH)の量(正常値V0)に基づいて決定される値であり、たとえば、正常値V0からマージンαvを減算した値Vs(=V0−αv)である。また、前記した規定時間は、リッチ処理の実行開始から選択還元型触媒の吸着能が飽和するまでに要する時間(飽和時間)に基づいて決定される時間であり、たとえば、前記飽和時間に所定のマージンを加算した時間である。より好ましくは、前記した規定時間は、前述した図2中のt1からt3までの所要時間Tに所定のマージンαtを加算した値Ts(=T+αt)である。
ここで、上記した正常値V0や所要時間Tは、内燃機関1の運転条件(たとえば、機関負荷や機関回転数)に応じて変化する。そのため、上記した閾値Vs及び規定時間Tsは、内燃機関1の運転条件(機関負荷や機関回転数)を引数とするマップにより求められるようにしてもよい。その際、閾値Vsと運転条件との関係、並びに規定時間Tsと運転条件との関係は、予め実験などを用いた適合処理によって求めておくものとする。
また、前述したリッチ処理における排気の空燃比は14.3程度のスライトリッチに調整されることが好ましい。これは、リッチ処理における排気の空燃比が理論空燃比から大幅に低下されると、排気中に含まれるHC、CO、NHの量が過多となり、大気中へ排出されるHC、CO、NHの量が増加する可能性があるからである。
リッチ処理の実行方法としては、内燃機関1で燃焼に供される混合気の空燃比をスライトリッチにする方法、内燃機関1の燃焼室からスタートコンバータ3に至る経路の何れかの位置において排気中へ燃料を添加する方法、などを用いることができる。
ところで、選択還元型触媒の吸着能が劣化すると、リッチ処理の実行開始からセンサ値が閾値Vsに到達するまでの時間は、前記した規定時間Tsより短くなる。そのため、NOセンサ8の劣化度合いが軽微である場合などは、リッチ処理の実行開始からセンサ値が閾値Vs以上に到達するまで時間が規定時間Ts以内に収まってしまう可能性がある。その場合、NOセンサ8の劣化を検出することが困難となる。
これに対し、本実施例では、センサ値が規定時間Ts以内に閾値Vs以上まで増加した場合は、排気の空燃比をリッチからリーンへ切り換えるリーン処理を実行し、リーン処理実行後のセンサ値が下限値未満であれば、NOセンサ8が劣化していると判定するようにした。前記した下限値は、前記閾値Vsより小さい値であり、選択還元型触媒の吸着能が劣化している場合に該選択還元型触媒から排出されるNO量Anoxに基づいて決定される値であり、たとえば、前記したNO量Anoxから所定のマージンαaを差し引いた値Vmin(=Anox−αa)である。このような方法によれば、選択還元型触媒が劣化している場合であっても、NOセンサ8の劣化を検出することができる。
以下、NOセンサの劣化検出手順について図3に沿って説明する。図3は、NOセンサ8の劣化検出を行う際にECU9が実行するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めECU9のROMなどに記憶されているルーチンであり、吸蔵還元型NO触媒に吸蔵されたNOを還元するためのリッチ処理が行われるときに実行されるルーチンである。
図3のルーチンにおいて、ECU9は、先ずS101で排気の空燃比をスライトリッチにすべく内燃機関1を制御する。ECU9がS101の処理を実行することにより、本発明に係わるリッチ処理手段が実現される。
S102では、ECU9は、カウンタCの値をインクリメントする。カウンタCは、リッチ処理実行開始時点からの経過時間を計測するためのカウンタである。続いて、ECU9は、S103へ進み、NOセンサ8の測定値(センサ値)Vを読み込む。S104では、ECU9は、前記S103で読み込まれたセンサ値Vが閾値Vs以上であるか否かを判別する。
前記S104において否定判定された場合(V<Vs)は、ECU9は、前記したS102以降の処理を再度実行する。一方、前記S104において肯定判定された場合(V≧Vs)は、ECU9は、S105へ進み、カウンタCの計測時間Cが規定時間Tsを超えているか否かを判別する。
前記S105において肯定判定された場合(C>Ts)は、ECU9は、S106へ進み、NOセンサ8が劣化していると判定する。その場合、ECU9は、車両の室内に設けられた警告灯の点灯やディスプレイにNOセンサ8の劣化を示す情報を表示させるようにしてもよい。
一方、前記S105において否定判定された場合(C≦Ts)は、ECU9は、S107へ進む。S107では、ECU9は、排気の空燃比をリッチからリーンに切り換えるリーン処理を実行する。言い換えれば、ECU9は、S107においてリッチ処理の実行を終了させる。
S108では、ECU9は、NOセンサ8の測定値(センサ値)Vを読み込む。S109では、ECU9は、前記S108で読み込まれたセンサ値Vが下限値Vminより小さいか否かを判別する。S109において肯定判定された場合(V<Vmin)は、ECU9は、S110へ進み、選択還元型触媒およびNOセンサ8が劣化していると判定する。その場合、ECU9は、車両の室内に設けられた警告灯の点灯やディスプレイにNOセンサ8および選択還元型触媒の劣化を示す情報を表示させるようにしてもよい。
一方、前記S109において否定判定された場合(V≧Vmin)は、ECU9は、S111ヘ進み、NOセンサ8が正常であって、選択還元型触媒が劣化していると判定する。その場合、ECU9は、車両の室内に設けられた警告灯の点灯やディスプレイに選択還元型触媒の劣化を示す情報を表示させるようにしてもよい。
なお、ECU9が前述したS102乃至S111の処理を実行することにより、本発明に係わる判定手段が実現される。
ECU9は、前記したS106、S110、またはS111の処理を実行した後に、S112へ進み、カウンタCの計測時間を零にリセットする。
以上述べたようなルーチンに従ってNOセンサ8の劣化検出が行われると、選択還元型触媒の劣化状態にかかわらず、NOセンサ8の劣化を検出することが可能となる。
1 内燃機関
2 排気通路
3 スタートコンバータ
4 第1排気浄化装置
5 第2排気浄化装置
6 A/Fセンサ
7 Oセンサ
8 NOセンサ

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に配置された三元触媒と、
    前記三元触媒より下流の排気通路に配置された選択還元型触媒と、
    前記選択還元型触媒より下流の排気通路に配置されたNOセンサと、
    前記三元触媒へ流入する排気の空燃比をリッチにするための処理であるリッチ処理を実行するリッチ処理手段と、
    前記リッチ処理手段によるリッチ処理が開始されてから規定時間以内に前記NOセンサの測定値が閾値以上に達しないことを条件に、前記NOセンサが劣化していると判定する判定手段と、
    を備えるNOセンサの劣化検出システム。
  2. 請求項1において、前記リッチ処理手段によるリッチ処理が開始されてから規定時間以内に前記NOセンサの測定値が閾値以上に達した場合に、リッチ処理終了後に排気の空燃比をリーンにするためのリーン処理を行うリーン処理手段をさらに備え、
    前記判定手段は、前記リーン処理手段によるリーン処理の実行中における前記NOセンサの測定値が前記閾値より小さい下限値未満であれば、前記NOセンサが劣化していると判定するNOセンサの劣化検出システム。
  3. 請求項1または2において、前記リッチ処理手段は、リッチ処理中に三元触媒へ流入する排気の空燃比をスライトリッチに調整するNOセンサの劣化検出システム。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項において、前記三元触媒と前記選択還元型触媒との間の排気通路には、吸蔵還元型NO触媒が配置されるNOセンサの劣化検出システム。
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