JP5800298B2 - 広域走行下における触媒劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのように燃料を燃焼させて回転力を得る内燃機関における、排気管に装着される三元触媒のような排気ガスを浄化する触媒が劣化しているか否かを診断する触媒劣化診断方法に関するものであり、特に、従来の所定回転域における定常走行時に限らずに加速運転・減速運転域等においても診断が可能な広域走行下における触媒劣化診断方法に関する。

従来、例えば内燃機関の排気管に排気ガスの浄化のために備えられた三元触媒のような触媒では、助触媒として添加しているセリア（ＣｅＯ_２）が持つ酸素吸蔵能力（ＯＳＣ）により、突発的な空燃比変動に対して、理論空燃比近傍での酸化反応と還元反応の両立を持続可能とし、高い浄化性能を実現している。

しかしながら、前記触媒機能が低下し、或いは正常に機能していない場合には排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害物が排出されてしまうことになる。そのため、車両に備えられた触媒が劣化しているか否かの診断を走行時に実行することが行われている。

前記触媒の診断方法として、触媒が劣化すると、浄化性能の低下とともにセリアによるＯＳＣも低下し、触媒層に十分な酸素が蓄えられなくなり、触媒の下流に酸素分子が放出され易くなることに着目して触媒が備えられた内燃機関の排気通路における前記触媒の上流側と下流側に排気ガス中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度検出手段と下流側酸素濃度検出手段をそれぞれ備え、内燃機関の所定条件による運転時に、前記上流側酸素濃度検出手段と下流側酸素濃度検出手段により検出した前記排気通路における触媒の上流側と下流側において検出した排気ガス中の連続的な酸素濃度変化を比較することによりＯＳＣの低下を検知して前記触媒の劣化を診断する方法が一般に採用されており、これらの技術に関連する技術が、例えば特開平５―１６３９８９号公報、特開２００１−３４２８２４号公報などに多数が提示されている。

しかしながら、前記公報に提示されている従来の診断方法は、触媒前後での連続的な酸素濃度変化の比較、例えば、酸素濃度変動の回数を計測して比較し、劣化により触媒後の変動数が増加して、ある閾値を超えた時点で故障と判断する方法であり、この診断方法を用いて安定した診断結果を得るためには、比較データを取得する間の走行条件（即ち、診断条件）が連続的に安定している必要があり、例えば、診断条件として７０ｋｍ／ｈ程度で定常走行しているときに診断を実行する必要があり、一般道走行での法定速度が６０ｋｍ/ｈ上限（一部の自動車専用道路を除く）であることから、このような高速走行を行う
機会の少ない我が国の交通事情において、触媒診断の実行率を上げるという観点から、このような診断条件は適していないという問題がある。

特開平５−１６３９８９号公報 特開２００１−３４２８２４号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、前記触媒が備えられた
内燃機関の排気通路における前記触媒の上流側と下流側に備えられた排気ガス中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度検出手段と下流側酸素濃度検出手段を用いることにより、コストの高騰を伴うことなく、中低速での加減速運転の多い一般道路走行を含めた広域走行下における走行時において、触媒の劣化状態の診断を可能にする触媒劣化診断方法を提供することを課題とする。

そこで、前記課題を解決するためになされた本発明は、触媒が備えられた内燃機関の排気通路に排気ガスを浄化する触媒を設け、前記触媒の上流（前）側と下流（後）側に排気ガス中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度検出手段と下流側酸素濃度検出手段をそれぞれ備え、前記内燃機関の所定条件による運転時に、前記上流側酸素濃度検出手段と前記下流側酸素濃度検出手段を用いて、前記排気通路における触媒の上流側と下流側において検出した排気ガス中の酸素濃度変動値の標準的な散らばり具合を比較することにより、前記触媒の劣化を診断する方法であって、前記内燃機関における様々な走行状態の中で、少なくとも前記触媒層の反応雰囲気が空燃比リッチ状態（酸化性物質と還元性物質を比べたときに化学量論的に還元性物質が多い状態）であると判定したときに、前記上流側酸素濃度検出手段と前記下流側酸素濃度検出手段からそれぞれ出力される酸素濃度信号を基にして、前記排気通路における触媒の上流側と下流側における酸素濃度変動値の標準的な散らばり具合を示す標準偏差を算出するとともに、前記算出した標準偏差から触媒劣化指標値（ＩＤＸ）を算出することにより、求められた前記触媒劣化指標値（ＩＤＸ）と触媒劣化指標値に設けた故障の目安となる閾値とを比較することにより前記触媒の劣化を診断することを特徴とする。

本発明によれば、前記排気ガスを浄化する触媒が三元触媒であって、前記触媒診断領域の判定手段として、前記検出した下流側の酸素濃度出力が基準電圧以上である場合に、前記触媒層の反応雰囲気が空燃比リッチ状態であると判定することを特徴とするとともに、コストの高騰を伴うことなく、高速の定常走行時だけでなく、一般道路走行を含めた走行時において必然的に生じる加速走行時において診断を実行することにより、高い診断実行率を実現することができ、触媒の劣化により生じる排気ガスによる大気汚染をより有効に防止することができる。

また、本発明における触媒診断が可能な運転領域であるかどうかの判定手段として、前記検出した下流側の酸素濃度出力が基準電圧以上である場合に、前記触媒層の反応雰囲気が空燃比リッチ状態であると判定できることから、容易に触媒診断が可能な運転領域の判定を行うことができる。前記触媒診断が可能な運転領域の判定手段は、前記触媒下流側酸素濃度検出手段を用いることから追加装置が不要である。

更にまた、本発明では、前記排気通路における触媒の上流側と下流側における酸素濃度検出手段として標準的に装備されている酸素濃度検出センサを用いるが、予め測定した自動車排気中の酸素濃度と空燃比センサによる空燃比の関係を用いて、排気中の酸素濃度を酸素濃度検出センサに替えて空燃比センサにより検知することも可能である。

本発明によれば、触媒劣化検出センサ等の新たな装置の追加を必要とせず、従って低コストで、三元触媒装置の劣化診断を定常走行時だけではなく、走行時において必然的に生じる加速走行時においても実施することができるため、一般道路走行における高い診断実行率を実現することができる。

触媒診断領域の選定手順を示したフロー図である。 本発明の触媒劣化診断システムにおいて、触媒劣化診断を模式的に表した図である。 本発明の触媒劣化診断システムにおいて、触媒劣化診断の実行手順のフロー図である。 本発明の触媒劣化診断システムにおいて、触媒の前後に設置された酸素センサから出力される信号のデータ処理とその算出方法を示したものである。 本発明の触媒劣化診断システムにおいて、触媒診断領域の選定に必要な酸素センサ信号安定領域の選定手順のフロー図である。 実施例の触媒劣化診断に用いられた車両およびエンジンの主要諸元である。 新品触媒の排出量を基準値1とする排出割合によってＴＨＣおよびＮＯｘの排気特性を比較した結果である。 ＪＥ０５モード走行で触媒診断を実施した結果である。（ａ）は、新しい触媒を用いたときの触媒診断の結果である。（ｂ）は、劣化した触媒を用いた場合の触媒診断の結果である。 各劣化触媒の排気特性と劣化指標値ＩＤＸの関係を示したグラフである。 ＪＥ０５モード走行時における触媒装置の前・後での排出ガス温度の推移を示したグラフである。

以下に、本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本発明の触媒診断を実行するために、前記内燃機関における運転条件を判定するため、特に好ましい前提条件において触媒の劣化診断を実行できる状態にあるか否かについての判定を行うためのフローを示すものであり、これらの条件を満たしている場合には、「触媒診断領域にある」と判定し、触媒劣化診断を実行する。

このフローは、所定の時間周期で実行され、まず、触媒の温度を運転の状態から判定する。これは触媒性能の評価に際して、触媒が活性状態になっているかいないかを判断するものであり、通常、例えば三元触媒の活性には、触媒温度が４００℃以上であることが必要であるため、この温度帯に触媒温度があるか否かを、触媒層に温度センサを挿入する等の直接的手段、あるいは走行履歴等の間接手段により判定することが必要となる。具体的には、冷却水温（例えば、８０℃以上）、走行履歴（走行時間：例えば、１０分以上、平均車速：例えば、２０ｋｍ/ｈ以上）、診断時走行状態（例えば、終速度５０ｋｍ/ｈを超える加速走行）、触媒装置近傍の排気管に取り付けた温度センサ信号、酸素センサの内部抵抗値あるいはセンサ素子加熱ヒータの通電率等を利用した触媒温度推定方法によって判定する。前記判定条件を満たさない場合には、触媒診断領域の触媒温度に至ってないものとして、選定終了となり診断をせず、前記条件を満たしている場合（例えば、触媒温度が４００℃を超えている場合）には、次の診断ステップに進む。

尚、診断時走行状態の判定には、空間速度（≒加速条件）を用いることもできる。具体的には、診断領域の瞬時排出ガス流量を算出し、瞬時空間速度（瞬時排出ガス流量/触媒
容積）を算出する。ここから、診断領域の平均空間速度を算出する。そこから、間接的に走行状態（触媒の状態）を判定することも可能であり、特に診断時走行状態の判定手段を限定することを要しない。

前記診断ステップにおいて、運転条件が触媒診断領域の選定の条件を満たしている場合には、次に、触媒層反応雰囲気の確認のステップに進む。これは触媒層の反応雰囲気が前記空燃比リッチ状態にあるか空燃比リーン状態（酸化性物質と還元性物質を比べたときに化学量論的に酸化性物質が多い状態）にあるかを判定するものであり、本発明における重要事項である。

即ち、触媒層の反応雰囲気が前記空燃比リッチ状態にあるか前記空燃比リーン状態にあるかを判定する理由は、前記空燃比リーン状態では、触媒層がＨ_２Ｏによって一時的被毒状態となる場合があり、下流側酸素濃度検出手段により検知する酸素濃度の変動の増大が、前記Ｈ_２Ｏ被毒に起因する触媒の作用面積の一時的な減少による一時的なものなのか、触媒の熱劣化等の劣化による永久的な不活性化によるものなのかが区別ができないため、前記空燃比リーン状態では診断が難しいと考えられるためである。

尚、触媒層の反応雰囲気が空燃比リッチ状態にあるのか空燃比リーン状態にあるのかの判定手段として、例えば下流側の酸素センサ出力の基準電圧を指標とする（例えば、酸素センサ出力が基準電圧（例えば、０．４５Ｖ）以上であれば空燃比リッチ状態と判断する）ことが可能であり、この場合には特別な装置を用いることなく判定することが可能であるが、他の空燃比検出手段により判定してもよい。

次に、前記触媒層の反応雰囲気の確認のステップにおいて有効と判定された場合には、アクセルの踏み込み状態を確認するステップに進む。触媒診断に適するアクセルの踏み込み状態は、エンジン回転数が一定であり、かつブースト圧が一定である状態（定常走行時）、あるいは、エンジン回転数が漸増し、その上、ブースト圧が僅かに減少傾向を示す状態（アクセルの踏み込みが安定した加速走行時）が、考えられる。

図２(ｄ)は、酸素センサ信号安定領域の選定手順のフロー図である。本発明の触媒劣化診断を実行する前の最後のステップである。具体的には、診断領域候補の吸気管内圧力（ブースト）信号データを集計し、移動平均処理を実行する。ここから、ブースト信号の平滑化データを算出し、ブースト信号の変化率を算出する。ここで、ブースト信号の変化率は以下の式より求められる。
上記計算式によって求められたブースト信号の変化率から、酸素センサ信号安定領域の選定を行う。選定条件として、例えば、ブースト信号の変化率を５％以内等に設定して選定する。

そして、前記各診断ステップを満たすと判断された場合には、本発明における所定の診断条件を満たすものとして酸素センサ信号安定領域を選定し、触媒診断領域の選定手順を終了する。

次に、本発明の形態における診断方法について説明する。

一般路上走行において高い診断実行率を実現するためには、加減速運転を含む様々な運転条件で触媒診断を実行可能にすることが望ましい。これを開発目標にして考案した診断方法の概要を図２に示す。触媒前後のセンサより、それぞれの酸素濃度の変動を標準偏差(σ)として算出し、式（１）に従って劣化指標値ＩＤＸを算出する。
IDX＝(σ_F−σ_R)／σ_F …………… Eq．(1)

ここで、σ_Fは触媒上流の、またσ_Rは触媒下流の酸素濃度変動の標準偏差をそれぞれ示
し、値が大きいほど酸素濃度変動値の標準的な散らばり具合が大きくなり、酸素濃度変動が大きいことを示す。新品触媒（図２(ａ)(１)）は下流側に変動がほとんど表れないためσ_R≒０になり、指標値ＩＤＸ＝１を示す。劣化が進行する（図２(ａ)(２)）とＯＳＣが
低下するため触媒前後の酸素濃度の変動が同程度となり、(σ_F−σ_R)≒０より指標値ＩＤＸ≒０を示す。即ち、ＩＤＸが１に近いほど新品状態に近いことを、ＩＤＸが０に近いほどより劣化が進行した状態であることを示す。

触媒劣化診断のフロー図を図２(ｂ)に示す。診断領域の触媒前後での酸素センサ信号データを取得後、触媒前後での酸素センサ信号データの平均値をそれぞれ算出する。それらのデータを用いて、触媒前後での酸素センサ信号データのσ（標準偏差）を算出する。さらに、触媒前後でのσを用いて劣化指標値ＩＤＸを計算し、触媒の劣化状態を判定する。

次に本発明の実施例について説明する。

〔供試車両及び実験装置〕
本実施例に用いた車両の主要諸元を図３に示す．劣化触媒は９５０℃の熱負荷を電気炉で一定時間与えることにより製作した．欧州ＯＢＤ規制ではＣＮＧトラックが対象となっていること、また世界規模で導入台数の増加が予想されることから、試験車両はＣＮＧトラックとした．触媒診断の評価試験は、日本国内向けＣＮＧトラックを用い、一般路上走行に近くなるように、ＪＥ０５試験モードを、シャシダイナモメータ台上で運転して実施した。

〔劣化処理触媒の排気特性〕
供試触媒の熱劣化履歴とＪＥ０５エミッションの関係について以下に示す。日本のＯＢＤ規制ではＮＭＨＣ（非メタン炭化水素）で故障の閾値を規定しているが、本実施例では、燃料に天然ガスを用いることから、天然ガスの主成分のメタンを除外するＮＭＨＣでの評価は適切ではないと考え、ＴＨＣ（全炭化水素）で評価を行った。新品触媒の排出量を基準値１とする排出割合によってＴＨＣおよびＮＯｘの排気特性を比較した結果を図４に示す。ＴＨＣは新品から熱劣化３０時間までは急激な増加傾向を示し、その後は横ばい状態となった。また、ＮＯｘは熱劣化３０時間まで排出量の増加はなく、その後は徐々に増加した。熱劣化３００時間では、新品と比較してＴＨＣは約３５倍、ＮＯｘは約２．５倍の排出量となった。

〔診断方法の検証〕
図５はＪＥ０５モード走行で触媒診断を実施した結果を示している。劣化指標値ＩＤＸの算出では、燃料カット制御時など診断が不可能な運転条件のときはＩＤＸを破棄する処理を施している。新品触媒(図５(ａ))の結果では、触媒後の酸素センサ信号に変化は少ない。これによってＩＤＸは１．０に近い値を示した。また、この傾向は定常運転域だけでなく、加速域などの過渡運転条件においても同様の傾向を示している。次に、熱劣化３０時間触媒の結果(図５(ｂ))からは、触媒後の酸素センサ信号の変動が大きく、ＩＤＸは低い値を示した。図６に、各劣化触媒の排気特性と指標値ＩＤＸの関係を示す。ＴＨＣおよびＮＯｘ排出と劣化指標値ＩＤＸとの間には相関が認められ、ＴＨＣおよびＮＯｘの排出量の増加に伴ってＩＤＸは低下傾向を示すことが確認された。この結果は、ＩＤＸに故障の目安となるある閾値を設定することにより、その値を下回った場合を故障として検知可能であることを示す。以上の結果から、本発明の触媒劣化診断方法は、触媒劣化診断に適用できることが検証された。

なお、本発明においては、触媒劣化指標値（ＩＤＸ）を算出するにあたり、酸素センサを用いたが、排気通路における触媒の上流（前）側と下流（後）側における酸素濃度の変
動量を、予め測定した自動車排気中の酸素濃度と空燃比センサによる空燃比の関係を用いて、空燃比センサにより検知してもよい。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に排気ガスを浄化する触媒を設け、前記触媒の上流（前）側と下流（後）側に排気ガス中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度検出手段と下流側酸素濃度検出手段をそれぞれ備え、前記内燃機関における様々な走行状態の中で、少なくとも前記触媒の触媒層反応雰囲気が空燃比リッチ状態であると判定したときに、前記上流側酸素濃度検出手段と前記下流側酸素濃度検出手段からそれぞれ出力される上流側酸素濃度信号と下流側酸素濃度信号とを基にして、前記排気通路における触媒の上流側と下流側における酸素濃度変動値の標準的な散らばり具合を示す上流側標準偏差と下流側標準偏差を算出するとともに、次の関係式（１）により求めた触媒劣化指標値（ＩＤＸ）と触媒劣化指標値に設けた故障の目安となる閾値とを比較することにより前記触媒の劣化を診断することを特徴とする広域走行下における触媒劣化診断方法。
   
2. 内燃機関の排気通路に排気ガスを浄化する触媒を設け、前記触媒の上流（前）側と下流（後）側に排気ガス中の酸素濃度を検出する少なくとも一方が空燃比センサである上流側酸素濃度検出手段と下流側酸素濃度検出手段をそれぞれ備え、前記内燃機関における様々な走行状態の中で、少なくとも前記触媒の触媒層反応雰囲気が空燃比リッチ状態であると判定したときに、予め測定した自動車排気中の酸素濃度と前記空燃比センサによる空燃比の関係を用いて、前記空燃比センサにより検知する空燃比を基にして、前記排気通路における触媒の上流側と下流側における酸素濃度変動値の標準的な散らばり具合を示す上流側標準偏差と下流側標準偏差を算出するとともに、次の関係式（１）により求めた触媒劣化指標値（ＩＤＸ）と触媒劣化指標値に設けた故障の目安となる閾値とを比較することにより前記触媒の劣化を診断することを特徴とする広域走行下における触媒劣化診断方法。
   
3. 前記排気ガスを浄化する触媒が三元触媒であって、触媒診断領域の判定として、前記検出した下流側の酸素濃度出力が基準電圧以上である場合に、前記触媒層反応雰囲気が空燃比リッチ状態であると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の広域走行下における触媒劣化診断方法。