JP2018173074A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気浄化装置は、排気浄化触媒20と、排気浄化触媒20下流のNOxセンサ46及び空燃比センサ41と、制御・診断装置とを備える。制御・診断装置は、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定すると共に、目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに行う。制御・診断装置は、NOxセンサの出力に基づいて排気浄化触媒の異常診断を行うと共に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには排気浄化触媒の異常診断を行うが、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには排気浄化触媒の異常診断を行わない。
【選択図】図7
Description
≪内燃機関全体の説明≫
図1は、本発明の第一実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1を参照すると1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉する。
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置における基本的な空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。すなわち、本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
OED=0.23×Qi×(AFup−AFR) …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比、AFRは制御中心となる空燃比(本実施形態では、基本的には理論空燃比)をそれぞれ表している。
図3を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図3は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、積算酸素過不足量ΣOED、及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
図4は、空燃比補正量設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔(例えば、数msec)で実行される。
ところで、上述したように構成された排気浄化触媒20、24は、排気浄化触媒20、24が長期間に亘って使用されたり、排気浄化触媒20、24が長時間に亘って高温に曝されたりすると、大きく劣化する。具体的には、排気浄化触媒20、24の担体に微粒子状に分散して担持されていた触媒貴金属がシンタリングによって結合し、触媒活性が低下する。
ところで、上述したように、本実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定している状態で下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比以下になると、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられる(図3の時刻t1やt3)。したがって、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えるときには、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAはほぼゼロとなっている。加えて、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えてから、実際に上流側排気浄化触媒20にリーン空燃比の排気ガスが流入するまでには或る程度の時間がかかる。したがって、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒20にリーン空燃比の排気ガスが流入するまでの間には、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがほぼゼロとなっている状態で、未燃HCやCOを含んだリッチ空燃比の排気ガスが一時的に上流側排気浄化触媒20に流入することになる。
本実施形態では、NOxセンサ46によって検出されるNOx濃度に基づいて上流側排気浄化触媒20の異常診断を行う。特に、本実施形態では、NOxセンサ46によって検出されたNOx濃度Cnoxが予め定められた判定基準値Cnoxref以上である場合には、触媒貴金属のシンタリングに伴う上流側排気浄化触媒20の劣化(上流側排気浄化触媒20の回復不能な劣化。以下、「永久劣化」ともいう)度合いが高く、上流側排気浄化触媒20に異常が生じていると判定する。加えて、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であって上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときには上流側排気浄化触媒20の異常診断を行い、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには上流側排気浄化触媒20の異常診断を行わないようにしている。換言すると、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときのNOxセンサ46の出力には基づかずに、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときのNOxセンサ46の出力に基づいて、永久劣化の度合いを推定し、これにより上流側排気浄化触媒20の異常診断を行っていると言える。
図8は、上流側排気浄化触媒20の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。
次に、図9及び図10を参照して、第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置と異なる部分を中心に説明する。
次に、図11を参照して、第三実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第三実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置と異なる部分を中心に説明する。
次に、図12〜図15を参照して、第四実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第四実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第一実施形態から第三実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、これら実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
ところで、上流側排気浄化触媒20の劣化には、上述したような触媒貴金属のシンタリングによる劣化に加えて、上流側排気浄化触媒20に排気ガス中の硫黄成分が吸蔵されることによって生じるS被毒劣化が挙げられる。
上述したように、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比に設定すると共に上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがゼロ近傍になっていないとき(すなわち、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵能力により上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となっているとき)には、上流側排気浄化触媒20から流出するNOxの濃度が高いほど、上流側排気浄化触媒20が大きく劣化していると判断することができる。また、HC被毒を考慮しなければ、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン空燃比に設定すると共に上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmax近傍になっていないとき(すなわち、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵能力により上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となっているとき)にも、上流側排気浄化触媒20から流出するNOxの濃度が高いほど、上流側排気浄化触媒20が大きく劣化していると判断することができる。すなわち、上流側排気浄化触媒20から流出するNOxの濃度に基づいて上流側排気浄化触媒20の劣化度合いを推定することができる。
以上のような現象を考慮すると、上流側排気浄化触媒20から流出するNOxの濃度に基づいて上流側排気浄化触媒20の永久劣化による劣化度合いを推定することができる。ただし、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、上述したようにHC被毒によりNOx濃度から上流側排気浄化触媒20の劣化度合いを正確に推定できないことがある。そこで、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときのNOxセンサ46の出力には基づかずに、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときのNOxセンサ46の出力に基づいて、上流側排気浄化触媒20の永久劣化による劣化度合いを推定する。
次に、図16〜図19を参照して、第五実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第五実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第三実施形態及び第四実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、これら実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
ところで、上述したように、上流側排気浄化触媒20の劣化には、大きく分けて永久劣化とS被毒劣化が含まれる。このうち、永久劣化については、第四実施形態に係る手法によりその劣化度合いを推定することができる。しかしながら、第四実施形態に係る手法ではS被毒劣化による劣化度合いを推定することはできない。そこで、本実施形態では、S被毒劣化による劣化度合いを推定する手法を提供する。
そこで、本実施形態によれば、まず、上流側排気浄化触媒20の総劣化度合いを推定する総劣化度合い推定制御が行われる。本実施形態における総劣化度合い推定制御では、上流側排気浄化触媒20の吸蔵可能酸素量又は吸蔵可能酸素量に応じて変化するパラメータ(例えば、積算酸素過不足量)に基づいて、上流側排気浄化触媒20の総劣化度合いが推定される。上流側排気浄化触媒20の吸蔵可能酸素量又はこれに応じて変化するパラメータは、例えば、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下の状態からリーン判定空燃比AFlean以上になるまでに上流側排気浄化触媒20に吸蔵された酸素量又はこの酸素量に応じて変化するパラメータの値、又は下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上の状態からリッチ判定空燃比AFrich以下になるまでに上流側排気浄化触媒20から放出された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値として算出される。
次に、図20及び図21を参照して、第六実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第六実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第五実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第五実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
そこで、本実施形態における総劣化度合い推定制御では、空燃比補正量AFCがリッチ設定空燃比AFCrichからリーン設定空燃比AFCleanに切り替えられた後、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられた後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比に到達するまでの収束期間において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnの少なくとも一部の挙動に基づいて、上流側排気浄化触媒20の総劣化度合いが推定される。具体的には、上述したように、上記収束期間における下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnの最小値に基づいて、この最小値が低いほど総劣化度合いが低いものとして総劣化度合いが推定される。或いは、上記収束期間における出力空燃比AFdwnの理論空燃比との差の積分値に基づいて、この積分値が大きいほど総劣化度合いが低いものとして総劣化度合いが推定される。
次に、図22及び図23を参照して、第七実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第七実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第五実施形態及び第六実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第五実施形態及び第六実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
ところで、内燃機関に供給される燃料中の硫黄成分含有率は、燃料毎に異なる。硫黄成分含有率の高い燃料を用いる場合にはS被毒劣化が生じ易く、一方、硫黄成分含有率の低い燃料を用いる場合にはS被毒劣化が生じにくい。このため、燃費の悪化や上流側排気浄化触媒20の浄化性能の低下を抑制するためには、硫黄成分含有率に応じて内燃機関の制御を変更する必要がある。例えば、硫黄成分含有率の高い燃料を用図いる場合には、硫黄成分含有率の低い燃料を用いる場合と比べて、リッチ設定空燃比のリッチ度合いを高くすると共にリーン設定空燃比のリーン度合いを低くすることが考えられる。このように、燃料中の硫黄成分含有率に応じて内燃機関の制御を変更するためには、燃料中の硫黄成分含有率を推定することが必要になる。
そこで、本実施形態では、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する上流側排気浄化触媒20のS被毒劣化による劣化度合いの推移に基づいて、内燃機関に供給されている燃料中の硫黄成分含有率を推定する含有率推定制御が実行される。特に、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する上流側排気浄化触媒20のS被毒劣化による劣化度合いが大きいほど(S被毒劣化による劣化度合いの上昇率が高いほど)、燃料中の硫黄成分含有率は高いものとして推定される。
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
19 排気マニホルド
20 上流側排気浄化触媒
24 下流側排気浄化触媒
31 ECU
40 上流側空燃比センサ
41 下流側空燃比センサ
46 NOxセンサ
Claims (9)
- 内燃機関の排気通路に設けられて触媒貴金属を担持する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒内又は該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられたNOxセンサと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を制御すると共に、前記NOxセンサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の状態を推定する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に設定すると共に、前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を前記空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行い、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの前記NOxセンサの出力には基づかずに、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの前記NOxセンサの出力に基づいて、触媒貴金属のシンタリングに伴う前記排気浄化触媒の回復不能な劣化の度合いを推定する第1劣化度合い推定制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御装置は、前記回復不能な劣化度合いに基づいて前記排気浄化触媒の異常診断を行うと共に、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには前記排気浄化触媒の異常診断を行うが、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには前記排気浄化触媒の異常診断を行わない、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記制御装置は、前記第1劣化度合い推定制御において、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからリーン空燃比に切り替えるまでの前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である期間のうち、目標空燃比の切り替え時期から離れた中央の期間における前記NOxセンサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の回復不能な劣化の度合いを推定する、請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記制御装置は、前記NOxセンサの出力によらずに、前記回復不能な劣化と前記排気浄化触媒の硫黄被毒による回復可能な劣化とを含む前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する第2劣化度合い推定制御を実行し、
前記制御装置は、前記第2劣化度合い推定制御によって推定された総劣化度合いと、前記第1劣化度合い推定制御によって推定された回復不能な劣化の度合いとに基づいて、前記排気浄化触媒の回復可能な劣化の度合いを推定する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御装置は、前記NOxセンサの出力によらずに、前記回復不能な劣化と前記排気浄化触媒の硫黄被毒による回復可能な劣化とを含む前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する第2劣化度合い推定制御を実行し、
前記制御装置は、前記第1劣化度合い推定制御によって推定された回復不能な劣化の度合いに基づいて前記回復不能な劣化の度合いが大きくなるほど大きくなるように被毒基準値を設定し、前記第2劣化度合い推定制御によって推定された総劣化度合いが前記被毒基準値以上になると前記排気浄化触媒が硫黄被毒していると判定する、請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサを更に具備し、
前記制御装置は、前記第2劣化度合い推定制御において、前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下の状態から理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になるまでに前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値、又は前記空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上の状態からリッチ判定空燃比以下になるまでに前記排気浄化触媒から放出された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値に基づいて、前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する、請求項4又は5に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサを更に具備し、
前記制御装置は、前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を前記空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行い、
前記制御装置は、前記第2劣化度合い推定制御において、前記目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられた後に前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの前記空燃比センサの出力空燃比の少なくとも一部の挙動に基づいて、前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する、請求項4又は5に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御装置は、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する前記排気浄化触媒の回復可能な劣化の度合いの推移に基づいて、前記内燃機関に供給されている燃料の硫黄含有率を推定する含有率推定制御を実行する、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記制御装置は、前記排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる硫黄離脱処理を実行し、
前記含有率推定制御は、前記硫黄離脱処理の完了後に開始される、請求項8に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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