JP4440824B2 - 触媒コンバータの劣化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気の浄化を行う触媒コンバータの劣化を検出する劣化検出装置に関する。

内燃機関の排気系に触媒コンバータを設け、排気を浄化することは広く行われている。触媒コンバータは、長期間使用するとその浄化性能が劣化してくるので、その劣化を検出する手法が、従来より種々提案されている。

例えば機関運転中に強制的に空燃比を変化させ、触媒コンバータの下流側に配置された酸素濃度センサの出力に基づいて劣化を判定する手法は、広く知られているが、空燃比の強制変更は、トルクの変動や排気特性の悪化を招くおそれがある。
特許文献１には、触媒コンバータの入口付近の温度を検出する温度センサと、触媒コンバータの内部または出口の温度を検出する温度センサとを設け、２つの温度センサの出力値に基づいて触媒の劣化を判定する手法が示されている。

この手法によれば、内燃機関の停止時点から所定時間経過した時点において、２つの温度センサにより検出される温度の差が、所定値より小さいとき、触媒が劣化したと判定される。
特開平７−１８０５３６号公報

上記従来の手法は、機関停止時に判定を行うものであるため、機関作動中に空燃比を強制変更する場合の不具合を解消することができる。しかしながら、温度センサにより検出される温度は、触媒コンバータの劣化状態だけでなく、機関停止時の触媒温度や外気温にも影響されるため、判定精度の点で改善の余地があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、機関作動中に劣化判定を行う場合の不具合を解消し、かつ判定精度を向上させることができる触媒コンバータの劣化検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気系（４）に設けられた、排気を浄化する触媒コンバータ（１１）の劣化を検出する、触媒コンバータ（１１）の劣化検出装置において、前記触媒コンバータ（１１）の近傍に設けられた酸素濃度センサ（２３）と、前記機関の停止後に前記酸素濃度センサ（２３）により検出される酸素濃度（ＯＸＹＣ）に応じて、前記触媒コンバータ（１１）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。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置において、前記劣化判定手段は、前記機関の停止後における前記酸素濃度の時間変化率（ＡＬＴ）に応じて、前記判定を行うことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置において、前記劣化判定手段は、前記機関の停止後における前記酸素濃度の最小値（Ｌｍ）に応じて、前記判定を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置において、前記劣化判定手段は、前記機関の停止時点から、前記酸素濃度が上昇して所定値（ＬＴＨ）に達する時点までの時間（ＴＲ）に応じて、前記判定を行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置において、前記劣化判定手段は、前記機関の停止後における前記酸素濃度の積分値（ＩＮＴ）に応じて、前記判定を行うことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置において、前記劣化判定手段は、前記機関の停止直前に前記触媒コンバータに燃焼物を供給することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の停止後に、触媒コンバータの近傍に設けられた酸素濃度センサにより検出される酸素濃度に応じて、触媒コンバータの劣化が判定される。機関停止直後においては、触媒コンバータ内に残っている未燃燃料成分の酸化反応がおきるため、触媒コンバータ近傍の酸素濃度が低下する傾向があり、触媒コンバータが劣化するほど酸素濃度の低下量が減少することが確認されている。したがって、触媒コンバータ近傍における酸素濃度の変化傾向を監視することにより、劣化判定を正確に行うことができる。また機関停止後に判定が行われるので、機関作動中の劣化判定を行う場合の不具合を解消できる。

請求項２に記載の発明によれば、機関の停止後における酸素濃度の時間変化率に応じて、前記判定が行われる。酸素濃度の時間変化率（絶対値）は、触媒コンバータが劣化するほど減少する傾向がある。したがって、酸素濃度の時間変化率を監視することにより、触媒コンバータの劣化を正確に判定できる。

請求項３に記載の発明によれば、機関の停止後における酸素濃度の最小値に応じて、前記判定が行われる。機関の停止後における酸素濃度の最小値は、触媒コンバータが劣化するほど大きくなる傾向がある。したがって、酸素濃度の最小値を監視することにより、触媒コンバータの劣化を正確に判定できる。

請求項４に記載の発明によれば、機関の停止時点から、酸素濃度が上昇して所定値に達する時点までの期間に応じて、前記判定が行われる。酸素濃度が上昇して所定値に達する時点までの時間は、触媒コンバータが劣化するほど短くなる傾向がある。したがって、酸素濃度が上昇して所定値に達する時点までの期間を監視することにより、触媒コンバータの劣化を正確に判定できる。

請求項５に記載の発明によれば、機関の停止後における酸素濃度の積分値に応じて、前記判定が行われる。酸素濃度の積分値は、触媒コンバータが劣化するほど増加する傾向がある。したがって、酸素濃度の積分値を監視することにより、触媒コンバータの劣化を正確に判定できる。

請求項６に記載の発明によれば、機関の停止直前に触媒コンバータに燃焼物が供給される。機関停止時の触媒温度が高いときは、触媒コンバータ内の吸着剤の吸着作用が低下するため、機関作動中に吸着した燃料成分（ＨＣ）を保持できなくなる。その結果、触媒コンバータが劣化していないにも拘わらず、検出酸素濃度が高くなり、劣化していると誤判定する可能性がある。機関停止直後に燃焼物を供給することにより、このような高温時の誤判定を防止することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる触媒コンバータを備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１６の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及び過給機８を備えている。過給機８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。
タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ５及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ（スロットル弁）３が設けられている。インテークシャッタ３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ２０により、開閉制御される。

排気管４のタービン１０の上流側と、吸気管２のインテークシャッタ５の下流側との間には、排気を吸気管２に還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）７が設けられている。ＥＧＲ弁７は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

排気管４の、タービン１０の下流側には、排気中の酸素濃度ＯＸＹＣを検出する酸素濃度センサ２３と、排気を浄化する触媒コンバータ１１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１２とが上流側からこの順序で設けられている。

酸素濃度センサ２３は、触媒コンバータ１１の近傍に設けられている。触媒コンバータ１１は、排気中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進するための酸化触媒を内蔵する。ただし、触媒コンバータ１１は、酸素蓄積能力を有しないことが望ましい。なお、触媒コンバータ１１は、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着剤及びＮＯｘの還元作用が付加されたものであってもよい。

ＤＰＦ１２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレートであるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスや金属多孔体が使用される。ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理が適時実行される。再生処理は、例えばポスト噴射（排気行程での燃料噴射）を実行することにより行われる。すなわち、触媒コンバータ１１の酸化触媒によりポスト噴射された燃料の酸化が促進され、ＤＰＦ１２に流入する排気温が上昇し、堆積したパティキュレートが燃焼する。

さらにエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２２、エンジン１の吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ（図示せず）などが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン１の回転数ＮＥは、クランク角度位置センサの出力から算出される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁７などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

次に図２を参照して、本実施形態における触媒コンバータ１１の劣化判定手法を説明する。エンジン１の停止直後においては、触媒コンバータ１１の吸着剤に吸着されている炭化水素の酸化反応がおきるため、図２に実線（浄化率ＣＥ＝９９％）で示すように、酸素濃度センサ２３により検出される、触媒コンバータ１１近傍の酸素濃度ＯＸＹＣが、時間経過とともに徐々に減少する。図２において時刻ｔ０がエンジン１の停止時点である。

吸着されていた炭化水素の酸化が終わると、酸素濃度ＯＸＹＣは徐々に増加し、もとのレベルに戻る。図２の破線は、触媒コンバータ１１が劣化した状態（浄化率ＣＥ＝６０％）の特性を示す。このように、触媒コンバータ１１が劣化すると、エンジン停止後の酸素濃度ＯＸＹＣの低下量が減少することが確認されている。

そこで本実施形態では、計測された酸素濃度ＯＸＹＣ（図２に細い実線で示す）の最小値Ｌｍを下記式（１）に適用して、浄化率ＣＥを算出し、浄化率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ（例えば６５％）以下となったとき、触媒コンバータ１１が劣化したと判定するようにしている。
ＣＥ＝｛（Ｌｍ−Ｌ９９）／（Ｌ６０−Ｌ９９）｝（６０−９９）＋９９
（１）
ここでＬ６０は、浄化率６０％まで劣化した触媒コンバータに対応する酸素濃度ＯＸＹＣの最小値であり、Ｌ９９は浄化率９９％の触媒コンバータに対応する酸素濃度ＯＸＹＣの最小値である。

図３は、上述した判定手法を用いて触媒コンバータ１１の劣化判定を行う手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、劣化判定実行条件が成立するか否かを判別する。具体的には、エンジン１の作動中において、エンジン冷却水温、排気温、吸気温、吸入空気量、エンジン回転数、車速（エンジン１で駆動される車両の走行速度）などの運転パラメータが所定範囲内にあり、かつ酸素濃度センサ２３の異常が検出されておらず、かつエンジン１の停止時間が所定範囲内にあるとき、劣化判定実行条件が成立する。劣化判定実行条件が成立していないときは、直ちに本処理を終了する。

ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であって、劣化判定実行条件が成立しているときは、エンジン１が停止しているか否かを判別する。エンジン１の作動中は直ちに本処理を終了し、エンジン１が停止していれば、ステップＳ１３以下を実行する。

ステップＳ１３では、インテークシャッタ３を閉じて、外部から空気が流入しないようにする。ステップＳ１４では、酸素濃度センサ２３により酸素濃度ＯＸＹＣを計測する。ステップＳ１５では、酸素濃度ＯＸＹＣの最小値Ｌｍを、前記式（１）に適用し、浄化率ＣＥを算出する。

ステップＳ１６では、浄化率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下か否かを判別し、浄化率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるときは、触媒コンバータ１１が劣化したと判定する（ステップＳ１７）。一方、浄化率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨより大きいときは、触媒コンバータ１１は正常と判定する（ステップＳ１８）。

以上のように本実施形態では、触媒コンバータ１１の上流側近傍に配置された酸素濃度センサ２３により、エンジン１の停止後に検出される酸素濃度ＯＸＹＣの最小値Ｌｍに基づいて、触媒コンバータ１１の浄化率ＣＥが算出され、浄化率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるとき、触媒コンバータ１１が劣化したと判定される。このようにエンジン１の停止後に判定を行うことにより、エンジン作動中の劣化判定を行う場合の不具合を解消することができる。また触媒コンバータ１１近傍における酸素濃度に応じて判定を行うことにより、従来の手法に比べて判定精度を向上させることができる。

（変形例）
図４は、触媒コンバータ１１の温度（以下「触媒温度」という）ＴＣＡＴを変化させたときの、エンジン停止後の酸素濃度ＯＸＹＣの経時変化を示すタイムチャートである。ただし、図２に比べて時間軸が拡大されており、図４に示される時間範囲は、図２より狭くなっている。ラインＬ１は、触媒コンバータが無いときの特性を示し、ラインＬ３及びＬ４は、それぞれ触媒温度ＴＣＡＴが１５０℃及び２００℃の状態における特性を示す。またラインＬ２は、触媒温度ＴＣＡＴが３００℃の状態における特性を示す。この特性から明らかなように、触媒温度ＴＣＡＴが高くなると、酸素濃度の低下量が減少し、触媒コンバータ１１が劣化したのと同じような特性を示す。これは、触媒温度ＴＣＡＴが高くなると、触媒コンバータ１１の吸着剤の吸着能力が低下し、燃料の未燃成分（未燃ＨＣ）を保持できなくなるためと考えられる。

そこで、本変形例では、触媒温度ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサを触媒コンバータ１１に取付け、触媒温度センサにより検出される触媒温度ＴＣＡＴが高いときは、エンジン１の停止直前に炭化水素（燃焼物）を触媒コンバータ１１に供給し、酸化反応が起きやすくなるようにして、劣化判定を行うようにしている。

図５は、図３に示すフローチャートにステップＳ２１、Ｓ２２及びＳ２３を追加したものである。ステップＳ２１では、エンジンスイッチがオフされたか否かを判別し、この答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに本処理を終了する。エンジンスイッチがオフされたときは、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＣＡＴＨ（例えば２５０℃）以上であるか否かを判別し、この答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちにステップＳ１１に進む。ステップＳ２２の答が肯定（ＹＥＳ）であって、触媒温度ＴＣＡＴが高いときは、ＥＧＲ弁７を開弁することにより、排気還流通路６内に残っている未燃燃料成分を触媒コンバータ１１に供給する（ステップＳ２３）。なお、これだけでは燃焼物量が不十分であるときは、燃料噴射弁１６により微量の燃料噴射を実行して、触媒コンバータ１１に燃料を供給することが望ましい。

本変形例によれば、触媒温度ＴＣＡＴが３００℃の状態でも、図４にラインＬ５で示すように、酸素濃度ＯＸＹＣが十分に低下するので、正常であるのに劣化していると誤判定することを防止することができる。

（その他の変形例）
上述した実施形態では、エンジン停止後に検出される酸素濃度ＯＸＹＣの最小値Ｌｍに応じて浄化率ＣＥを算出するようにしたが、以下に説明するような手法により、浄化率ＣＥを算出するようにしてもよい。

図６（ａ）に示すように時刻ｔ０から、検出される酸素濃度ＯＸＹＣが所定濃度ＬＴＨに復帰するまでの復帰時間ＴＲ（ＴＲ６０：浄化率６０％の場合，ＴＲ９９：浄化率９９％の場合）と、浄化率ＣＥとは、図７に示すようにほぼ比例するので、時刻ｔ０から酸素濃度ＯＸＹＣが所定濃度ＬＴＨに復帰するまでの復帰時間ＴＲを求め、図７に示す関係を用いて浄化率ＣＥを求めるようにしてもよい。

また、酸素濃度変化特性の時間微分値の絶対値（以下「傾きパラメータ」という）ＡＬＴは、時刻ｔ０の直後において最大となり、図６（ｂ）に示すように、触媒コンバータ１１の浄化率が高いほど、傾きパラメータＡＬＴは大きくなる。この傾きパラメータＡＬＴも、浄化率ＣＥとほぼ比例する関係を有するので、傾きパラメータＡＬＴに応じて、図７に示す関係を用いて浄化率ＣＥを求める。

また、図６（ｃ）に示すように所定積分期間ＴＩＮＴ内において検出される酸素濃度ＯＸＹＣの時間積分値に相当するパラメータ（以下「積分値パラメータ」という）ＩＮＴを求め、積分値パラメータＩＮＴに応じて浄化率ＣＥを求めるようにしてもよい。例えば、図６（ｃ）に示すハッチング領域の面積が、浄化率９９％の場合の積分値パラメータＩＮＴに相当する。

浄化率ＣＥが高くなるほど、積分値パラメータＩＮＴは減少する傾向があるため、積分値パラメータＩＮＴと、浄化率ＣＥとの関係を予め実験的に求めて、テーブルとしてＥＣＵ２０の記憶回路に記憶しておき、計測される積分値パラメータＩＮＴに応じて、テーブル検索により浄化率ＣＥが求められる。

また上述した判定パラメータ、すなわち酸素濃度の最小値Ｌｍ、復帰時間ＴＲ、傾きパラメータＡＬＴ、または積分値パラメータＩＮＴを、浄化率ＣＥに変換することなく、これらの判定パラメータに対応した判定閾値をそれぞれ設定して、判定パラメータと、対応する判定閾値との関係から、触媒コンバータ１１の劣化を判定するようにしてもよい。すなわち、最小値Ｌｍを判定パラメータとして用いる場合には、最小値Ｌｍが対応する判定閾値ＬｍＴＨ以上であるとき、触媒コンバータ１１が劣化したと判定し、復帰時間ＴＲを判定パラメータとして用いる場合には、復帰時間ＴＲが対応する判定閾値ＴＲＴＨ以下であるとき、触媒コンバータ１１が劣化したと判定し、傾きパラメータＡＬＴを判定パラメータとして用いる場合には、傾きパラメータＡＬＴが対応する判定閾値ＡＬＴＴＨ以下であるとき、触媒コンバータ１１が劣化したと判定し、積分値パラメータＩＮＴを判定パラメータとして用いる場合には、積分値パラメータＩＮＴが対応する判定閾値ＡＬＴＴＨ以上であるとき、触媒コンバータ１１が劣化したと判定する。

上述した実施形態では、ＥＣＵ２０が劣化判定手段を構成する。具体的には、図３または図５に示す手順を実行する演算処理が劣化判定手段に相当する。

なお、酸素濃度センサ２３は、触媒コンバータ１１の下流側近傍に設けるようにしてもよい。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンの排気系に設けられる触媒コンバータの劣化検出にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 触媒コンバータの劣化判定手法を説明するためのタイムチャートである。 劣化判定の手順を示すフローチャートである。 触媒コンバータの温度の影響を説明するためのタイムチャートである。 図３に示す手順の変形例のフローチャートである。 他の変形例を説明するためのタイムチャートである。 判定パラメータ（ＴＲ，ＡＬＴ）と、触媒コンバータの浄化率（ＣＥ）との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気管
１１ 触媒コンバータ
２０ 電子制御ユニット（劣化判定手段）
２３ 酸素濃度センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に設けられた、排気を浄化する触媒コンバータの劣化を検出する、触媒コンバータの劣化検出装置において、
   前記触媒コンバータの近傍に設けられた酸素濃度センサと、
   前記機関の停止後に前記酸素濃度センサにより検出される酸素濃度に応じて、前記触媒コンバータ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コンバータの劣化検出装置。
2. 前記劣化判定手段は、前記機関の停止後における前記酸素濃度の時間変化率に応じて、前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置。
3. 前記劣化判定手段は、前記機関の停止後における前記酸素濃度の最小値に応じて、前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置。
4. 前記劣化判定手段は、前記機関の停止時点から、前記酸素濃度が上昇して所定値に達する時点までの時間に応じて、前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置。
5. 前記劣化判定手段は、前記機関の停止後における前記酸素濃度の積分値に応じて、前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置。
6. 前記劣化判定手段は、前記機関の停止直前に前記触媒コンバータに燃焼物を供給することを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータの劣化検出装置。

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