JP4417732B2

JP4417732B2 - 排気浄化装置の劣化判定装置

Info

Publication number: JP4417732B2
Application number: JP2004008159A
Authority: JP
Inventors: 典男鈴木; 勝治和田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-01-15
Also published as: JP2005201143A

Description

本発明は、内燃機関の排気系に配設され窒素酸化物を低減させる排気浄化装置の劣化状態を判定する装置に関する。

ディーゼルエンジンは、圧縮比が高く、筒内の燃料に対する酸素および窒素の割合が高いため窒素酸化物を生成しやすい。また、リーンバーンエンジンでは、希薄燃焼が行われるため、燃料に対する空気の割合が多い。よって、リーンバーンエンジンにおいても燃焼時における熱により空気中の窒素が空気中の酸素によって酸化され窒素酸化物（ＮＯｘ）を生成しやすい。

排気ガス中の窒素酸化物を低減するための触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が知られている。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、リーン雰囲気中において窒素酸化物を吸収する。そして、触媒に入る排気ガスを間欠的にリッチ雰囲気とすると、吸収した窒素酸化物を還元して浄化する（特許文献１）。

また、特許文献２には、通常時の数倍の還元剤を供給した際のリーンＮＯｘ触媒の温度に基づいて劣化検知を行う手法が開示されている。
特許第２８４５１０３号公報特開２００１−５９４１３号公報

しかしながら、上述の手法ではリーンＮＯｘ触媒の劣化検知を行うごとに、通常に比べて大量の還元剤をエンジンに供給する必要がある。このように劣化検知の際に還元剤を大量に供給することは、燃費およびエミッションの悪化を招くおそれがある。

したがって、本発明は、エミッションおよび燃費の悪化を最小限にしつつ、精度の高い排気浄化装置の劣化判定装置を提供することを目的とする。

本発明の排気浄化装置の劣化判定装置は、発明の一形態（請求項１）によると、排気ガスの空燃比がリーンのときに窒素酸化物を吸収し、排気ガスの空燃比がリッチのときに吸収した窒素酸化物を還元する排気浄化装置の劣化判定装置であって、前記排気浄化装置に供給される排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記排気浄化装置に吸収された窒素酸化物の推定量を求める推定手段と、前記排気浄化装置の温度を検出する温度検出手段と、前記排気ガスがリッチのときの前記空燃比と前記吸収された窒素酸化物の推定量とに基づいて、前記排気浄化装置の発熱量を求める算出手段と、求められた前記発熱量と検出された前記温度とに基づいて前記排気浄化装置の劣化を判定する判定手段と、を備える。これによると、求められた排気浄化装置の発熱量と実際の排気浄化装置の温度とに基づいて排気ガスのリッチ時における排気浄化装置の窒素酸化物の還元能力を監視する。よって、求められた発熱量に比して温度上昇量が小さいときは窒素酸化物の吸収能力および還元能力が落ちているとして、排気浄化装置が劣化していると判定することができ、窒素酸化物センサを配することなく安価で応答性の高い排気浄化装置の劣化判定を行うことができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項２）による排気浄化装置の劣化判定装置において、前記判定手段は、前記発熱量から推定される排気浄化装置の温度変化量と、検出された前記温度の変化量との差が、所定のしきい値よりも大きいときに前記排気浄化装置を劣化していると判定する。これによると、発熱量による排気浄化装置の温度変化量と実際の排気浄化装置の温度変化量との差が大きいときに排気浄化装置が劣化していると判定することができ、安価で正確に排気浄化装置の劣化判定を行うことができる。

１．構成
図面を参照しつつ、本発明である排気浄化装置の劣化判定装置の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、車両に搭載されるディーゼルエンジンおよびその制御装置の全体的な構成図である。ここでは、ディーゼルエンジンを例として説明するが、ガソリンエンジンにおいても同様にして排気浄化装置の劣化判定装置を構成できる。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）100は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース100b、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ100a、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ100d、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース100cを備えている。メモリ100dのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う制御のためのプログラムは、該ＲＯＭに格納される。ＲＯＭは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ100aによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に格納される。

ＥＣＵ100に向けて送られた信号は入力インタフェース100bに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ100aは、変換されたデジタル信号を、メモリ100dに格納されているプログラムに従って処理し、車両の各部へ送るための制御信号を作り出す。出力インタフェース100cは、これらの制御信号を、スロットル106、燃料噴射装置110、およびその他不図示の各部へと送る。

また、ＥＣＵ100は、後述のプロセスを実行することによって、ＬＮＣに吸収される窒素酸化物量の推定、排気浄化装置の予測発熱量の算出、および排気浄化装置の劣化の判定を行う機能を有する。

ディーゼルエンジン101には、燃料噴射装置110が取り付けられておりＥＣＵ100の制御により燃料の噴射タイミングおよび燃料噴射量が制御される。燃料の噴射タイミングおよび燃料噴射量は予めメモリ100dに格納されている。燃料噴射装置110は、不図示のコモンレール（蓄圧室）に接続されており、ＥＣＵ100からの信号により、圧縮行程後上死点付近で筒内へ燃料の噴射（メイン噴射）を行う。また、燃料噴射装置110は、ＥＣＵ100からの信号により燃料噴射量を制御して、周期的に燃料量をリッチ（リッチスパイク）にすることもできる。さらに、燃料噴射装置110は、ＥＣＵ100からの信号によりポスト噴射を行うこともできる。ポスト噴射とは、メイン噴射が終了した後の膨張行程および排気行程において追加的に行う燃料噴射である。ポスト噴射を行うと、この燃料のエネルギーはエンジンの出力に変換されず、多くが熱エネルギーなどの排気エネルギーとなる。よって、この排気ガスの熱によってＮＯｘ触媒などの排気系部位が暖められることとなり、サルファによって被毒した触媒を再生することができる。また、排気行程において燃料噴射すると、未燃焼燃料が多く排気ガスとして放出される。排気系に酸化触媒がある場合、この未燃焼燃料は酸化触媒において酸化され熱へと変化する。よって、このときも排気ガスによってＮＯｘ触媒などの排気系部位を暖めることができる。

ディーゼルエンジン101には、クランク角センサ107が設けられている。クランク角センサ107は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ100に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ100は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン101の回転数NEを算出する。尚、ＥＣＵ100のメモリには、エンジン出力とトルク値のマップが格納されており、算出されたエンジン回転数から適宜これらを求めることができるようになっている。

ＬＮＣ（リーンＮＯｘ触媒）107は、窒素酸化物を低減させる排気浄化装置であってＮＯｘ吸蔵還元型触媒である。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、リーン時に排出されるＮＯｘを吸蔵しておき、リッチ時において吸蔵したＮＯｘを還元浄化する。ＬＮＣにおいて、リーン時に排出されるＮＯがＰｔ（白金）表面上においてＮＯ_２に酸化され、吸蔵成分に硝酸塩として吸蔵される。次に、リッチの領域において、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２などのガスにより吸蔵されていたＮＯｘが還元浄化される。尚、吸蔵したＮＯｘを還元する際に、空燃比をリッチにする必要があるため、このときトルク段差が発生しないように、かつ、吸蔵ＮＯｘ量に応じてリッチ化するタイミングが最適となるようＥＣＵ100によって制御される。

また、空燃比検出手段としての排気ガスセンサ108が排気系に取り付けられている。排気ガスセンサ108は、ここでは例としてＬＡＦセンサ（広域空燃比センサ）であり、エンジン101から排出される排気ガスに対して、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出し、ＥＣＵ100に検出した空燃比を送る。

ＬＮＣ107には、温度検出手段である温度センサ109が取り付けられており取得されたＬＮＣ107の温度がＥＣＵ100に送られる。尚、本実施形態では、ＬＮＣ107に温度センサ109が取り付けられているが、ＬＮＣ107の温度とＬＮＣの下流の排気ガス温度がほぼ同じ温度であるとみなし、ＬＮＣ107の下流の排気系に温度センサ109を取り付けることとしてＬＮＣの温度を検知することとしてもよい。

エアフローメータ111がスロットル110の上流に取り付けられており、検出された吸入空気量がＥＣＵ100へと送られる。

ディーゼルエンジン102には、粒子状物質（パティキュレート）を捕集するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）102が取り付けられている。ＤＰＦ102は、セラミック、金属製不織布等の耐熱性を有する多孔質のフィルタ壁からなり、排気の流れ方向に排気流路を形成する多数の流路を有している。多孔質の孔径は、１０ミクロン程度であり、排気中に含まれる粒子状物質は、排気が多孔質のフィルタ壁を通過する際に捕集される。具体的には、排気流路のそれぞれは、排気流れ方向の上流端または下流端のうち一方が閉塞されている。上流端が閉塞された流路と下流端が閉塞された流路とが交互に互いに隣接して配設されている。このため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、それぞれのＤＰＦの上流端が解放された（下流端が閉塞された）流路に流入し、流路相互を隔てる多孔質のフィルタ壁を通過して下流端が解放された流路に流入し下流端からＤＰＦ外に流出するようになっている。

尚、不図示としたものもあるが、このディーゼルエンジン101を運転するために必要な他のセンサ類（水温センサ105、スロットル開度センサ112、吸気管圧力センサ）や、各種装置（スロットルバルブ106、コモンレール（蓄圧室））がエンジンの各部に取り付けられている。

２．ＬＮＣの劣化検知プロセス
図２のフローチャートを参照しつつ、ＬＮＣの異常・劣化検知のプロセスを説明する。

メインプログラムから、ＬＮＣの異常・劣化検知のルーチンが呼び出されると、ＥＣＵ100は、エンジン101が現在リッチスパイク中であるか否かを判定する（S201）。ここで、リッチスパイクとは、燃料の供給量を増加させて空燃比を一時的にリッチ状態にすることをいう。ＬＮＣを搭載した車両では通常、周期的にリッチスパイクを行い、ＬＮＣを再生化している。本実施形態では、このリッチスパイクが行われる時を利用してＬＮＣの劣化の判定を行っている。リッチスパイクの時期は、トルク変動がドライバビリティに影響を与えないアイドリング時において主に行われる。この空燃比のリッチスパイクは、リッチスパイクフラグが１にセットされていることを条件として、他のルーチン（不図示）によって実行される。よって、ＥＣＵ100は、メモリ100dのリッチスパイクフラグを参照し、リッチスパイクフラグが１（リッチスパイク中）であるか否かについて判定し、リッチスパイク中でないときはプロセスを終了する。一方、リッチスパイク中のときは、プロセスをS202へと進める。

本実施形態において、最終的にＬＮＣが劣化していると判定されるまで、ＬＮＣの劣化判定手法について同様の手法を２回繰り返す。これは、一度ＬＮＣが劣化していると判定された場合であっても、単にＬＮＣに硫黄化合物が付着しており、ＮＯｘの浄化性能が落ちているだけの場合があるからである。よって、本実施形態では、一度ＬＮＣの劣化を判定し（S203からS206）、劣化していると判定されたときは、暫定的に劣化しているとしておき、その後、ＬＮＣの再生処理を行う。そして、再度ＬＮＣの劣化の判定を行う（S208からS211）。

よって、本実施形態では、一度すでに暫定的にＬＮＣが劣化していると判定されたか否かを判定するために、暫定劣化フラグを設けている。そして、既に一度ＬＮＣが劣化していると判定したときは、暫定劣化フラグに１がセットされる。

ＥＣＵ100は、S202において、暫定劣化フラグが１であるか否かを判定する。ここでは、暫定劣化フラグに１はセットされていないため、ＥＣＵ100は、リッチスパイク中の排気系における空燃比、およびＬＮＣにおける窒素酸化物の吸着量に基づいてＬＮＣの温度変化量の予測を行う（S203）。

予測されるＬＮＣの温度変化量は、各種マップによる触媒モデルを用いて次のように算出される。まず、ＥＣＵ100は、ＬＮＣに吸収されていると推定される窒素酸化物の推定量をメモリ100dから読み出す。吸収された窒素酸化物の推定量は、次のようにしてバックグラウンドにおいてＥＣＵ100によって逐次推定されメモリ100dに格納されている。メモリ100dのＲＯＭ部分には、燃料噴射量およびエンジン回転数から単位時間当たりの瞬間の窒素酸化物の排出量を与える窒素酸化物排出量マップが記憶されている。このマップは、予め燃料噴射量およびエンジン回転数に対する単位時間あたりの窒素酸化物の排出量を実験的に求めて作成される。次に、ＥＣＵ100は、現在の燃料噴射量およびエンジン回転数を取得し、窒素酸化物排出量マップを参照して、このときの窒素酸化物の単位時間あたりの排出量を特定する。そして、ＥＣＵ100は、特定した窒素酸化物の単位時間あたりの排出量に微小時間（窒素酸化物の推定量を算出する演算周期）を乗じた値を順次積算していき、ＬＮＣに吸収された窒素酸化物の推定量を算出する。

メモリ100dのＲＯＭ部分には、窒素酸化物量および空燃比から予測発熱量を与える予測発熱量マップが記憶されている。このマップは、予め窒素酸化物量および空燃比に対する予測発熱量を実験的に求めて作成されている。ＥＣＵ100は、ＬＡＦセンサ108から空燃比を取得する。そして、上述において取得した空燃比およびＬＮＣに吸収された窒素酸化物の推定量に基づいて予測発熱量マップを参照して予測発熱量を求める。

上述のようにＬＮＣが発する予測発熱量が求められると、この予測発熱量およびＬＮＣが有する熱容量に基づいて、ＥＣＵ100は所定の演算周期でＬＮＣの温度変化量を演算し、順次メモリ100dに格納する。そして、S203において、ＥＣＵ100は、メモリ100dから所定の期間ｄにおける温度変化量を読み出し、これらを加算して所定の期間ｄにおける温度変化量Δｔ’を求める。

ＬＮＣの予測された温度変化量が求められると、次にＥＣＵ100は、以下のようにしてＬＮＣの実温度の変化量を取得する（S204）。前述の通り、ＬＮＣ107には温度センサ109が取り付けられている。また、バックグラウンドにおいてＥＣＵ100が所定のサンプリングレートでＬＮＣ107の温度を取得して、取得した温度を順次メモリ100dに格納している。ＥＣＵ100は、メモリ100dから所定時間前におけるＬＮＣ107の温度と現在のＬＮＣ107の温度とを読み出す。そして、現在の温度から所定時間前の温度を減算して所定の期間ｄにおけるＬＮＣの実温度の変化量Δｔを求める。

次にＥＣＵ100は、予測したＬＮＣの温度変化量Δｔ’と、ＬＮＣの実温度変化量Δｔとの差を算出して、この差が所定のしきい値（許容温度差）を超えているか否かについて判定する（S205）。そして、温度変化量の差が許容温度差を超えているときは、暫定的にＬＮＣが劣化していると判定して暫定劣化フラグを１に設定する（S206）。ここで、温度変化量の差が大きいときにＬＮＣが劣化したと判定するのは、温度差が大きいときはリッチスパイクを実施しているにもかかわらず、ＬＮＣの還元反応の程度が低く、その結果ＬＮＣの温度上昇が小さくなっているためである。尚、許容温度差は、ＬＮＣが劣化していると判定するのに適した温度差として予め実験的に求められ、メモリ100dに格納されている。

一方、許容温度差を超過していないとき、ＥＣＵ100は、ＬＮＣが劣化していないとしてプロセスを終了する。

尚、ＬＮＣの実温度変化は、触媒モデルにおける温度変化よりも応答が遅く温度変化が遅れる。よって、S205において同時期における温度変化量の差と許容温度差とを比較するのではなく、異なる時期（触媒モデルの温度変化は、ＬＮＣの実温度変化よりも過去のものを使用するなど）における温度変化量の差と許容温度差とを比較することとしてもよい。

暫定劣化フラグに１が設定されると、ＬＮＣの再生処理が必要であるため他のルーチン（不図示）によってサルファを除去すべく再生処理が行われる。具体的には、ＥＣＵ100が燃料噴射装置を制御してポスト噴射を実行して排気ガスの温度を上昇させ、高温の排気ガスによってＬＮＣに付着した硫黄化合物を燃焼させるようにする。ここで、ＬＮＣの再生処理を行うこととしているのは、ＬＮＣに付着したサルフェートの影響により、ＬＮＣの還元能力が一時的に低下しているだけの場合があるからである。

そして、所定の期間、再生処理が行われ再生処理が終了すると他のルーチン（不図示）によってサルファ再生済フラグに１がセットされる。一方、再生処理が終了していないときは、サルファ再生済フラグに０がセットされる。

つぎに、メインプログラムより、再びＬＮＣの異常・劣化検知ルーチンが呼び出されると、ＥＣＵ100は、エンジン101がリッチスパイク中であるか否かを判定する（S201）。リッチスパイク中であるか否かの判定は、前述と同様であるので説明を省略する。

次に、ＥＣＵ100は、暫定劣化フラグが１であるか否かについて判定する（S202）。暫定劣化フラグは、前回の本プロセスの実行において１がセットされているので、プロセスをS207へと進める。次に、ＥＣＵ100は、サルファ再生済フラグを参照してサルファの再生が完了しているか否かについて判定する。ここで、サルファ再生済フラグが１でないとき、ＥＣＵ100は、本プロセスを終了する。

一方、サルファ再生済フラグが１のとき、ＥＣＵ100はＬＮＣの温度変化量の予測を行う（S208）。次に、ＥＣＵ100は、実際のＬＮＣの温度変化量を取得する（S209）。そして、温度変化量の差が所定値（許容温度差）を超過したか否かについて判定する（S210）。S208からS210までのルーチンは、S203からS205までのルーチンを同様であるので説明を省略する。

温度変化量の差が許容温度差を超えているとき、ＥＣＵ100は、ＬＮＣが劣化しているとして、触媒劣化フラグに１をセットする（S211）。また、触媒劣化フラグに１がセットされたとき、ＬＮＣが劣化したことを知らせるように車両における所定のランプを点灯させることとしてもよい。

一方、温度変化量の差が許容温度差を超過していないとき、ＥＣＵ100は、プロセスをS212へと進める。そして、本プロセスによって１にセットされた暫定劣化フラグを０にリセットする（S212）。そして、本プロセスを終了する。

本実施形態においてS206で暫定的にＬＮＣを劣化していると判定しているが、別の実施形態として、S206において最終的にＬＮＣが劣化しているものと判定することとしてもよい。この場合、S202およびS207からS212までのフローは削除され、一度の判定によってＬＮＣの劣化状態を判定することとなる。

これによると、求められたＬＮＣの発熱量と実際のＬＮＣの温度とに基づいて排気ガスのリッチ時におけるＬＮＣの窒素酸化物の還元能力を監視する。よって、求められた発熱量に比して温度上昇量が小さいときは窒素酸化物の吸収能力および還元能力が落ちているとして、ＬＮＣが劣化していると判定することができ、窒素酸化物センサを配することなく安価で応答性の高いＬＮＣの劣化判定を行うことができる。また、リッチスパイクが行われたときを利用してＬＮＣの劣化を判定するので、従来よりもエミッションおよび燃費を悪化させることなく劣化判定を実行することができる。

本発明の一実施形態に従う、ディーゼルエンジンおよびその制御装置の概略図。この発明の一実施形態に従う、ＬＮＣの劣化検知のフローチャート。

Claims

排気ガスの空燃比がリーンのときに窒素酸化物を吸収し、排気ガスの空燃比がリッチのときに吸収した窒素酸化物を還元する排気浄化装置の劣化判定装置であって、
前記排気浄化装置に供給される排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記排気浄化装置に吸収された窒素酸化物の推定量を求める推定手段と、
前記排気浄化装置の温度を検出する温度検出手段と、
リッチスパイク中に、検出された前記排気ガスの空燃比と前記吸収された窒素酸化物の推定量とに基づいて、前記排気浄化装置の予測発熱量を求める算出手段と、
求められた前記予測発熱量とリッチスパイク中に検出された前記温度とに基づいて前記排気浄化装置の劣化を判定する判定手段と、
を備える排気浄化装置の劣化判定装置。
前記判定手段は、前記予測発熱量から推定される排気浄化装置の温度変化量と、検出された前記温度の変化量との差が、所定のしきい値よりも大きいときに前記排気浄化装置を劣化していると判定する請求項１記載の排気浄化装置の劣化判定装置。