JP5168089B2 - 触媒の診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断に関し、特に、排気ガス中に含まれる可燃成分を酸化する機能を有する触媒の劣化診断に関する。

内燃機関の排気ガス中に含まれる未燃炭化水素を浄化するための触媒として、未燃炭化水素を酸化させる機能を有する、いわゆる酸化触媒が知られている。

酸化触媒の劣化診断について、特許文献１には、酸化触媒の反応熱を推定し、反応熱の大きさに基づいて劣化しているか否かを判定する方法が開示されている。
特開２００３−１０６１４０号公報

しかしながら、特許文献１では温度センサにより触媒前後の温度差を検出して反応熱を推定しており、排気流量の影響が考慮されていないので、診断精度が低い。

そこで、本発明では、酸化触媒の劣化診断を精度よく行うことができる劣化診断装置を提供することを目的とする。

本発明の触媒の診断装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、所定温度以上の場合に排気中の未燃炭化水素を酸化する酸化機能を有する触媒の診断装置である。そして、排気温度と排気流量との積である排気熱量を触媒の入口側及び出口側の排気通路についてそれぞれ算出する排気熱量算出手段と、入口側および出口側の排気熱量に基づいて触媒での酸化反応熱量を推定する酸化反応熱量推定手段と、酸化反応熱量に基づいて触媒の劣化の有無を判定する劣化診断手段と、を備え、劣化診断手段は、所定走行期間中の酸化反応熱量の時間積分値と、劣化診断用の閾値と、を算出し、時間積分値が劣化診断用の閾値より小さいときに触媒が劣化していると判定する。

本発明によれば、排気流量をパラメータとして含む排気熱量を用いて、劣化しているか否かの判定を行うので、排気流量の影響を加味した劣化診断を行うことができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するシステム構成図である。

１はディーゼルエンジン本体、２は各気筒の燃料噴射弁、３は高圧の燃料を蓄える蓄圧室を有する燃料噴射装置（コモンレール式燃料噴射装置）、４は吸気コレクタ、５は吸気通路、１０は排気通路、９は目標再生温度の設定や再生処理時の昇温制御等、種々の制御を行うコントロールユニット、１４はディーゼルエンジン本体１の駆動力を駆動軸に伝達する変速機である。なお、変速機１４は有段変速機、無段変速機のいずれであっても構わない。

燃料噴射弁２には、コモンレール式燃料噴射装置３によって高圧燃料が供給される。また、各燃料噴射弁２は制御手段としてのコントロールユニット（ＥＣＵ）９からの噴射信号に応じて開閉動作し、高圧燃料を気筒内に噴射する。

ディーゼルエンジン本体１の各吸気ポートに接続する吸気コレクタ４には、吸気通路５が接続し、吸気通路５には、上流側からの過給のための可変ノズル式ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、加圧されて高温となった空気を冷却するインタークーラ７、吸気量を制御する吸気絞弁８を配置する。また、排気通路１０には、その上流側から、可変ノズル式ターボチャージャ６のタービン６ｂ、排気中の未燃焼成分（ＨＣ）を酸化処理する酸化触媒１１、ＰＭを補集するフィルタとしてのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１３を順次配置する。

また、排気通路１０のタービン６ｂの上流から分岐して吸気コレクタ４に接続するＥＧＲ通路１５を設け、このＥＧＲ通路１５にはＥＧＲ弁１６を設置し、運転条件に応じて吸気中に還流する排気量を制御する。

ＥＣＵ９には、エンジン回転数を検出するクランク角センサ１７、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ１８、また酸化触媒１１の上流側の排気温度を検出する排気温度センサ１９、同じく下流側の排気温度を検出する排気温度センサ１２、ＤＰＦ１３の下流の排気空燃比を検出する排気空燃比センサ２０、ＤＰＦ１３のベッド温度を検出する温度センサ２１、からの各検出信号が入力される。

そして、これら検出信号に基づいて可変ノズル式ターボチャージャ６の可変ノズルベーンの開度を制御するための信号、ＥＧＲ弁１６の開度を制御するための信号、吸気絞弁８の開度を制御するための信号、燃料噴射弁２による燃料噴射量を制御するための信号、ＤＰＦ再生のための排気温度上昇に必要な燃料供給をする燃料噴射弁２を作動させるための信号等の演算、及びＤＰＦ１３内のＰＭ堆積量の推定及び再生時期の判断、酸化触媒１１の劣化診断等を行う。

ここで、酸化触媒１１の劣化診断について説明する。図２は、酸化触媒１１の劣化診断制御の構成を示すブロック図である。

出口熱量算出部Ｂ１１では、酸化触媒１１の下流側の排気温度センサ１２で検出した出口側温度Ｔｅｘｈ-ｉｎと排気流量Ｑｅｘｈとを乗じて出口側熱量ｈｏｕｔを算出する。排気流量Ｑｅｘｈは、ディーゼルエンジン本体１の吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて算出する。吸入空気量は、吸気絞弁８の開度、機関回転数及びバルブタイミング等に基づいて推定する。なお、エアフローメータを備える場合はその検出値を用いてもよい。また、吸入空気量の検出位置から排気温度センサ１２、１９までの経路長により生じる時間遅れを考慮し、熱量の算出に用いる排気流量Ｑｅｘｈを遅れ時間分だけ前の吸入空気量検出値とすれば、診断精度がより高まる。

入口熱量算出部Ｂ１２では、酸化触媒１１の上流側の排気温度センサ１９で検出した入口側温度Ｔｅｘｈ-ｏｕｔと排気流量Ｑｅｘｈとを乗じて入口側熱量ｈｉｎを算出する。

そして、出入口熱量差算出部Ｂ１３で、出口側熱量ｈｏｕｔと入口側熱量ｈｉｎとの差を算出する。

車速補正量算出部Ｂ１４では、車速に応じた補正量を予め設定したマップに基づいて算出する。ここで用いるマップは、図２中に示したように、車速が高くなるほど補正量が大きくなっている。これは、車速が高くなるほど走行風が強くなり、放熱量が増加するためである。

また、外気温度補正量算出部Ｂ１５では、外気温度に応じた補正量を予め設定したマップに基づいて算出する。ここで用いるマップは、図２中に示したように、外気温度が高くなるほど補正量が小さくなっている。これは、外気温度が高くなると酸化触媒１１からの放熱量が減少するからである。

そして、環境補正項算出部Ｂ１６では、車速補正量及び外気温度補正量に基づいて、酸化触媒１１から放熱される熱量である環境補正項ｈｌｏｓｓを算出する。

触媒反応熱算出部Ｂ１７では、上記の出口側熱量ｈｏｕｔと入口側熱量ｈｉｎとの差を環境補正項ｈｌｏｓｓで補正して触媒反応熱量ｈａを算出する。具体的には、出口側熱量ｈｏｕｔから入口側熱量ｈｉｎを差し引いて、さらに環境補正項ｈｌｏｓｓを差し引く。

積算部Ｂ１８では、触媒反応熱量ｈａの時間積分値（熱量積算値）Σｈａを算出する。

一方、診断閾値補正量算出部Ｂ１９〜Ｂ２１では、それぞれ平均車速、平均出力、燃料噴射量積算値に応じて、後述する診断閾値を算出する。なお、平均出力は、機関回転数及びアクセル開度、つまりクランク角センサ１７及びアクセル開度センサ１８の検出値に基づいて算出する。

診断閾値選択部Ｂ２２で、診断閾値算出部Ｂ１９〜Ｂ２１で算出した診断閾値のいずれかを選択し、選択した診断閾値を劣化判定閾値設定部Ｂ２３で劣化判定閾値として設定する。

劣化診断部Ｂ２４では、熱量積算値Σｈａが劣化判定閾値より大きいか否かを判定し、劣化判定部Ｂ２５では劣化診断部Ｂ２４での結果に基づいて、劣化判定値閾値より大きければ劣化している、小さければ劣化していない、との判定をする。

ここで、酸化触媒１１の劣化と熱量積算値Σｈａとの関係、および診断閾値について説明する。

図３は、熱量積算値Σｈａの絶対値と機関運転時間の関係を示す図であり、実線Ａは酸化触媒１１が劣化していない状態、実線Ｂは酸化触媒１１が劣化している状態を示す。

ｔ０で酸化触媒１１が活性化すると、劣化の有無にかかわらず、時間の経過と共に熱量積算値Σｈａは大きくなっているが、劣化している状態の方が、熱量積算値Σｈａの絶対値が小さくなっている。これは、劣化によって触媒反応熱が小さくなっているためである。

すなわち、酸化触媒１１が劣化すると、劣化前に比べて熱量積算値Σｈａは小さくなる。

図４、図５は、それぞれ大気中に排出されるＨＣ量（テールパイプＨＣ排出量Ｔ．Ｐ．ＨＣ）と熱量積算値Σｈａとの関係、酸化触媒１１内に吸蔵されるＨＣ量（吸蔵ＨＣ量ηＨＣ）と熱量積算値Σｈａとの関係を示している。

図４に示すように、テールパイプＨＣ排出量Ｔ．Ｐ．ＨＣは、熱量積算値Σｈａが小さくなるほど多くなる。また、図５に示すように、吸蔵ＨＣ量ηＨＣは熱量積算値Σｈａが小さくなるほど少なくなる。

そこで、熱量積算値Σｈａを算出し、テールパイプＨＣ排出量Ｔ．Ｐ．ＨＣが許容量以下となる熱量積算値Σｈａ１、または吸蔵ＨＣ量ηＨＣが許容量以上となる熱量積算値Σｈａ２を算出し、これを診断閾値として診断閾値補正量算出部Ｂ１９〜Ｂ２１のように設定することで、酸化触媒１１の劣化を診断することができる。診断閾値は、適用するエンジン及び酸化触媒１１の仕様等に応じて、予め設定するものとする。

なお、診断閾値は、平均車速が高いほど、平均出力が高いほど、燃料噴射量積算値が多いほど、大きくなる。これは、平均車速が高いほど、平均出力が高いほど、または燃料噴射量積算値が大きいほど、ディーゼルエンジン本体１から排出されるＨＣ量が多くなることで触媒反応熱ｈａが大きくなるので、劣化している場合でもその分だけ熱量積算値Σｈａが大きくなるからである。

図６は、上記の劣化診断制御のフローチャートの一例である。この制御は、例えば１トリップ中に１回、または所定時間ごとに実行する。なお、ここでは平均出力に基づいて診断閾値を設定するものとする。

ステップＳ１００では、暖機状態か否かを冷却水温に基づいて判定し、暖機状態であればステップＳ１０１に進み、暖機前であれば判定を繰り返す。

ステップＳ１０１では、酸化触媒１１の出口側熱量ｈｏｕｔおよび入口側熱量ｈｉｎを算出する。本ステップは、上述した出口熱量算出部Ｂ１１及び入口熱量算出部Ｂ１２に相当する。

ステップＳ１０２では、触媒反応熱量ｈａを算出する。本ステップは、上述した出入口熱量差算出部Ｂ１３、触媒反応熱算出部Ｂ１７に相当する。

ステップＳ１０３では、熱量積算値Σｈａを算出する。本ステップは上述した積算部Ｂ１８に相当する。さらに、熱量積算値Σｈａを積算した期間におけるディーゼルエンジン本体１の平均出力を算出する。

ステップＳ１０４では、劣化診断を許可するか否かの判断を行う。劣化診断を許可するのは、熱量を積算する時間が所定時間を経過していること、熱量を積算している期間中の走行距離が所定値を超えていること、または熱量を積算している期間中の出力の積算値が所定値を超えていること、のいずれかが成立した場合とする。許可条件が成立したらステップＳ１０５に進み、成立していなければステップＳ１０１に戻る。本ステップで判定用に用いる所定値は、エンジンや酸化触媒１１の仕様に応じて予め設定しておく。

ステップＳ１０５では、平均出力に応じた診断閾値を設定する。本ステップは診断閾値補正量算出部Ｂ２０に相当する。

ステップＳ１０６では、熱量積算値Σｈａと診断閾値に基づいて劣化診断を行う。本ステップは劣化診断部Ｂ２４に相当する。熱量積算値Σｈａの方が小さければステップＳ１０７に進み、大きければステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０７では、酸化触媒１１は劣化していると判定し、警告灯を点灯する等する。ステップＳ１０８では酸化触媒１１は正常と判定し、上述した各変数をクリアする。本ステップは劣化判定部Ｂ２５に相当する。

上記のように、酸化触媒１１の触媒反応熱を用いて診断を行うので、酸素ストレージ機能やリーンＮＯｘ触媒を備えない場合であっても、劣化診断を行うことが可能である。また、リッチスパイクやポスト噴射等の特別な制御が不要となり、診断のために燃費が悪化することを防止できる。さらに、熱量の時間積算値を用いて診断するので、温度が持つ時定数の大きさに起因する、瞬時値による判定の困難さを回避することができる。

なお、上記説明では、触媒反応熱ｈａを時間積分した熱量積算値Σｈａを用いて劣化判定を行っているが、より簡単な構成にする場合には、触媒反応熱ｈａと閾値とを比較するようにしてもよい。この場合には、診断閾値も平均値や積算値ではなく、瞬間値を用いる。

以上のように、本実施形態によれば次の効果を得ることができる。

（１）内燃機関の排気通路に設けられ、所定温度以上の場合に排気中の未燃炭化水素を酸化する酸化機能を有する触媒の診断装置において、
排気温度Ｔｅｘｈと排気流量Ｑｅｘｈとの積である排気熱量ｈを酸化触媒１１の入口側及び出口側の排気通路についてそれぞれ算出し、入口側および出口側の排気熱量に基づいて酸化触媒１１での酸化反応熱量ｈａを推定し、酸化反応熱量ｈａに基づいて酸化触媒１１の劣化の有無を判定するので、排気流量によらず精度のよい劣化診断が可能となる。また、酸素ストレージ機能を有しない場合や、ＮＯｘ触媒を備えないシステムについての診断も可能である。さらに、触媒反応熱を用いて診断するので、リッチスパイクやポスト噴射等の特別な制御を行うことなく診断することができる。

（２）酸化反応熱量推定手段は、出口側の排気熱量ｈｏｕｔと入口側の排気熱量ｈｉｎとの差を酸化反応熱量ｈａとして算出し、さらに酸化反応熱量ｈａを、車速または外気温度の少なくとも一方に応じて補正するので、酸化反応熱量ｈａを高精度で算出することが可能となり、結果として走行条件等によらず精度のよい劣化診断が可能となる。

（３）所定走行期間中の酸化反応熱量ｈａの時間積分値Σｈａを算出し、これが劣化診断用の閾値より小さいときに酸化触媒１１が劣化していると判定するので、時定数が大きく走行履歴の影響が残り易い排気温度が酸化反応熱量ｈａのパラメータとして含まれていても、精度よく劣化診断を行うことができる。

（４）酸化反応熱量積算中の経過時間、走行距離、または積算出力のいずれかが所定値に達してから劣化の有無を判定するので、温度がもつ時定数の大きさに起因する瞬時値での判定に比べて、精度よく劣化診断を行うことができる。

（５）劣化診断用の閾値を、酸化反応熱量積算中の平均車速、平均出力、または燃料噴射量積算値のいずれかに基づいて算出するので、走行履歴に応じた閾値を用いた診断を行うことができる。

（６）空気が吸入空気量を検出する位置から排気温度を検出する位置まで移動するのに要する時間だけ排気温度検出時よりも前に検出した吸入空気量を、排気熱量ｈａを算出するための排気流量として用いるので、より正確な排気熱量ｈａを算出することができ、結果として高精度の診断が可能となる。

（７）冷却水温度が所定値以下の場合には診断を禁止するので、誤診断を防止することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

システム構成図である。 劣化診断制御のブロック図である。 熱量積算値と走行時間との関係を示す図である。 テールパイプＨＣと熱量積算値との関係を示す図である。 ＨＣ吸蔵量と熱量積算値との関係を示す図である。 劣化診断制御のフローチャートの一例である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン本体
２ 燃料噴射弁
３ 燃料噴射装置（コモンレール式燃料噴射装置）
４ 吸気コレクタ
５ 吸気通路
６ 可変ノズル式ターボチャージャ
７ インタークーラ
８ 吸気絞弁
９ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１０ 排気通路
１１ 酸化触媒
１２ 排気温度センサ
１３ パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１４ 変速機
１５ ＥＧＲ通路
１６ ＥＧＲ弁
１９ 排気温度センサ

Claims (15)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、所定温度以上の場合に排気中の未燃炭化水素を酸化する酸化機能を有する触媒の診断装置において、
   排気温度と排気流量との積である排気熱量を前記触媒の入口側及び出口側の排気通路についてそれぞれ算出する排気熱量算出手段と、
   前記入口側および出口側の排気熱量に基づいて前記触媒での酸化反応熱量を推定する酸化反応熱量推定手段と、
   前記酸化反応熱量に基づいて前記触媒の劣化の有無を判定する劣化診断手段と、
   を備え、
   前記劣化診断手段は、所定走行期間中の前記酸化反応熱量の時間積分値と、劣化診断用の閾値と、を算出し、時間積分値が劣化診断用の閾値より小さいときに前記触媒が劣化していると判定することを特徴とする触媒の診断装置。
2. 前記酸化反応熱量推定手段は、前記出口側の排気熱量と前記入口側の排気熱量との差を酸化反応熱量として算出することを特徴とする請求項１に記載の触媒の診断装置。
3. 前記酸化反応熱量推定手段により算出した酸化反応熱量を、車速または外気温度の少なくとも一方に応じて補正する反応熱量補正手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の触媒の診断装置。
4. 前記反応熱量補正手段は、車速が高いほど補正量を大きくすることを特徴とする請求項３に記載の触媒の診断装置。
5. 前記反応熱量補正手段は、外気温度が高いほど補正量を小さくすることを特徴とする請求項３に記載の触媒の診断装置。
6. 前記劣化診断手段は、前記酸化反応熱量積算中の経過時間、走行距離、または積算出力のいずれかが所定値に達してから前記触媒の劣化の有無を判定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の触媒の診断装置。
7. 前記劣化診断手段は、前記劣化診断用の閾値を前記酸化反応熱量積算中の平均車速、平均出力、または燃料噴射量積算値のいずれかに応じて設定することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の触媒の診断装置。
8. 前記劣化診断手段は、前記酸化反応熱量積算中の平均車速が高いほど、平均出力が高いほど、燃料噴射量積算値が大きいほど、前記劣化診断用の閾値を大きく設定することを特徴とする請求項７に記載の触媒の診断装置。
9. 前記劣化診断装置は、前記反応熱量が劣化診断用の閾値より小さい場合に前記触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の触媒の診断装置。
10. 前記劣化診断装置は、前記劣化診断用の閾値を機関運転状態に基づいて算出することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の触媒の診断装置。
11. 前記機関運転状態は、機関回転数、アクセル開度、燃料噴射量、車速、のいずれか一つまたは二つ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の触媒の診断装置。
12. 前記排気温度は、排気通路中に設けた排気温度検出手段により検出することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の触媒の診断装置。
13. 前記排気流量は、吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて算出することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の触媒の診断装置。
14. 前記排気熱量算出手段は、吸入空気量を検出する位置から排気温度を検出する位置までに要する遅れ時間だけ排気温度検出時よりも前に検出した吸入空気量を、前記排気熱量を算出するための排気流量として用いることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の触媒の診断装置。
15. 冷却水温度が所定値以下の場合に、前記排気熱量算出手段及び前記酸化反応熱量推定手段による演算、または前記劣化診断手段による診断を禁止する禁止手段を備えることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の触媒の診断装置。