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発明の名称 内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置及び触媒劣化判定方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−9889(P2007−9889A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−195366(P2005−195366)
出願日 平成17年7月4日(2005.7.4)
代理人 【識別番号】100075513
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜
発明者 井上 季明
要約 課題
上流のマニホールド触媒にかかわらず、下流の床下触媒の劣化判定を正確に行うことができる内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置及び触媒劣化判定方法を提供する。

解決手段
内燃機関10の排気通路30に設けられる第1触媒31と、第1触媒31よりも排気通路30の下流に設けられる第2触媒32と、第1触媒31の劣化状態を検出する第1触媒状態検出手段(S10,S20)と、検出した第1触媒の劣化状態に基づいて、第2触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定手段(S50)と、第2触媒32の劣化状態を検出する第2触媒状態検出手段(S60)と、検出した第2触媒の劣化状態と、設定した第2触媒の劣化基準値とを比較して、第2触媒の劣化を判定する第2触媒劣化判定手段(S70)とを備える。
特許請求の範囲
【請求項1】
内燃機関の排気通路に設けられる第1の触媒と、
前記第1の触媒よりも排気通路の下流に設けられる第2の触媒と、
前記第1の触媒の劣化状態を検出する第1触媒状態検出手段と、
検出した第1の触媒の劣化状態に基づいて、前記第2の触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定手段と、
前記第2の触媒の劣化状態を検出する第2触媒状態検出手段と、
検出した第2の触媒の劣化状態と、設定した第2の触媒の劣化基準値とに基づいて、前記第2の触媒の劣化を判定する第2触媒劣化判定手段と、
を備える内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項2】
前記劣化基準値設定手段は、前記第1の触媒が劣化しているほど、第2の触媒の劣化を判定しにくくなるように劣化基準値を設定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項3】
前記第1の触媒の上流に配置され、第1の触媒に流入する排ガスの空燃比を検出する第1空燃比センサと、
前記第1の触媒と第2の触媒の間に配置され、第1の触媒から流出し第2の触媒に流入する排ガスの空燃比を検出する第2空燃比センサと、
前記第2の触媒の下流に配置され、第2の触媒から流出する排ガスの空燃比を検出する第3空燃比センサと、
を備え、
前記第1触媒状態検出手段は、前記第1空燃比センサ及び第2空燃比センサに基づいて、前記第1の触媒の劣化状態を検出し、
前記第2触媒状態検出手段は、前記第2空燃比センサ及び第3空燃比センサに基づいて、前記第2の触媒の劣化状態を検出する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項4】
前記第2の触媒の内部温度を検出する第2触媒温度検出手段を備え、
前記劣化基準値設定手段は、前記第2の触媒の内部温度が高いほど、第2の触媒の劣化を判定しやすくなるように劣化基準値を設定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項5】
内燃機関の排気通路に設けられる第1の触媒の劣化状態を検出する第1触媒状態検出工程と、
検出した第1の触媒の劣化状態に基づいて、その第1の触媒よりも排気通路の下流に設けられる第2の触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定工程と、
前記第2の触媒の劣化状態を検出する第2触媒状態検出工程と、
検出した第2の触媒の劣化状態と、設定した第2の触媒の劣化基準値とに基づいて、前記第2の触媒の劣化を判定する第2触媒劣化判定工程と、
を備える内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関用排気浄化システムの触媒の劣化を判定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
排気浄化性能を向上させるために、排気通路に2つの触媒(マニホールド触媒及び床下触媒)を配置する排気浄化装置がある。このような排気浄化装置では、マニホールド触媒の上流に第1空燃比センサを配し、マニホールド触媒及び床下触媒の間に第2空燃比センサを配し、床下触媒の下流に第3空燃比センサを配する。そして、第1空燃比センサ及び第2空燃比センサの出力に基づいてマニホールド触媒の劣化度合を検出し、第1空燃比センサ及び第3空燃比センサの出力に基づいてマニホールド触媒及び床下触媒の劣化度合を検出し、両検出に基づいて床下触媒の劣化度合を推定していた(特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平8−218854号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかし、前述した従来の排気浄化装置では、床下触媒の劣化度合の推定は、マニホールド触媒の劣化の影響を受けるので、正確に推定することができなかった。
【0004】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、上流のマニホールド触媒にかかわらず、下流の床下触媒の劣化判定を正確に行うことができる内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置及び触媒劣化判定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【0006】
本発明は、内燃機関(10)の排気通路(30)に設けられる第1の触媒(31)と、前記第1の触媒(31)よりも排気通路(30)の下流に設けられる第2の触媒(32)と、前記第1の触媒(31)の劣化状態を検出する第1触媒状態検出手段(ステップS10,S20)と、検出した第1の触媒の劣化状態に基づいて、前記第2の触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定手段(ステップS50)と、前記第2の触媒(32)の劣化状態を検出する第2触媒状態検出手段(ステップS60)と、検出した第2の触媒の劣化状態と、設定した第2の触媒の劣化基準値とを比較して、前記第2の触媒の劣化を判定する第2触媒劣化判定手段(ステップS70)とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、上流側の第1の触媒の劣化状態に基づいて、下流側の第2の触媒の劣化基準値を設定するようにしたので、第2の触媒が劣化しているか否かを正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明による内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置の第1実施形態を示す概略構成図である。
【0009】
エンジン10の吸気通路20には、スロットル弁21と燃料噴射弁22とが設けられ、排気通路30には、マニホールド触媒31と、床下触媒32とが設けられる。エンジン10はコントローラ50によって制御される。コントローラ50はクランク角センサ(ポジションセンサ12と位相センサ13からなる)の信号、エアフローメータ23の吸入空気流量の信号、水温センサ14の信号を入力し、これらの信号に基づいて燃料噴射弁22の燃料噴射量及び噴射時期を制御し、また点火プラグ11による火花点火の時期を制御する。
【0010】
コントローラ50は中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ50を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。
【0011】
マニホールド触媒31は、触媒担体がセリア等の酸素貯蔵材で被覆されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素を吸収又は放出する機能(以下「酸素ストレージ機能」という)を有するとともに、触媒雰囲気が理論空燃比付近のときに窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)を同時に浄化する酸素ストレージタイプの三元触媒である。
【0012】
マニホールド触媒31は、酸素ストレージ量が飽和量に達したり、逆に酸素を全く保持しない状態になるとNOx、HC、COの浄化効率が低下する。そこで、コントローラ50は、マニホールド触媒31の上流のフロント広域空燃比センサ(以下「フロントA/Fセンサ」という)41の出力と、下流のリアO2センサ42の出力とに基づいてマニホールド触媒31の酸素ストレージ量を演算し、マニホールド触媒31の酸素ストレージ量を一定にすることでマニホールド触媒31の転換効率が最大となるようにエンジンの空燃比を制御する。
【0013】
床下触媒32は、触媒温度が低いときにHCを吸着(トラップ)し高くなったらHCを脱離するHC吸着材と、触媒温度が高くなったら活性化してHCを酸化する三元触媒とを組み合わせたHCトラップ触媒である。HCトラップ触媒は、触媒温度が低いときはHCをトラップし、触媒温度が高くなって活性化したらトラップしているHCを脱離しながらCO2、H2Oに酸化する。床下触媒32の内部温度は温度センサ44で検出される。
【0014】
ところで、マニホールド触媒31及び床下触媒32が劣化すると、排気を浄化できなくなるので、劣化度合に応じて交換しなければならない。
【0015】
そこでコントローラ50は、マニホールド触媒31及び床下触媒32の劣化を検出したら、警告ランプを点灯し、ドライバに触媒交換を促す。
【0016】
フロントA/Fセンサ41及びリアO2センサ42の出力に基づいて、酸素ストレージタイプの三元触媒(マニホールド触媒31)の劣化を判定する方法は公知であるが、概略次のようにして行う(詳細は例えば特表2003-524110号参照)。なお以下では酸素ストレージタイプの三元触媒を単に三元触媒という。
【0017】
三元触媒がストレージ可能な最大酸素量(最大酸素貯蔵量)が多ければ触媒は劣化していないが、最大酸素貯蔵量が判定基準値を下回ったときは触媒は劣化したと判定する。
【0018】
三元触媒の最大酸素貯蔵量を直接検出することはできない。そこでエアフロメータ23、フロントA/Fセンサ41及びリアO2センサ42の出力に基づいて算出する。そこで算出方法の理解を容易にするために、まず酸素ストレージタイプの三元触媒の特性について説明する。
【0019】
三元触媒は、酸素を迅速に貯蔵/放出する貴金属(Pt、Rh、PD等)と、酸素を緩やかに貯蔵/放出する酸素貯蔵材(セリア等)とで構成される。酸素貯蔵材は貴金属に比べて貯蔵/放出速度は遅いが、多量の酸素を貯蔵/放出することができる。
【0020】
三元触媒で貯蔵/放出される酸素量のうち、貴金属で貯蔵/放出される酸素量を高速成分量HO2とし、酸素貯蔵材で貯蔵/放出される酸素量を低速成分量LO2として説明する。
【0021】
三元触媒が酸素を貯蔵するときは、優先的に貴金属で行われる。すなわち、高速成分量HO2が飽和量に達するまでは低速成分量LO2はほぼゼロであり、高速成分量HO2のみが触媒に流入する排気の空燃比に応じて増加する。そして高速成分量HO2が飽和量に達した後は、酸素は酸素貯蔵材で貯蔵され、低速成分量LO2が触媒に流入する排気の空燃比に応じて増加する。
【0022】
三元触媒が酸素を放出するときも、優先的に貴金属で行われる。すなわち、高速成分量HO2に対する低速成分量LO2の比率(LO2/HO2)が所定値に達するまでは、高速成分量HO2が触媒に流入する排気の空燃比に応じて減少する。そしてLO2/HO2が所定値に達した後は、酸素は貴金属及び酸素貯蔵材から放出され、LO2/HO2が一定のまま、高速成分量HO2及び低速成分量LO2の両方が減少する。
【0023】
三元触媒は、このような特性を有するので、コントローラは、触媒をリッチ雰囲気にして、触媒の酸素貯蔵量をゼロにする。このときリアO2センサ42はリッチを出力する。次に排気空燃比をリーンにする。そしてリアO2センサ42の出力がリッチからリーンに反転するまでに、触媒に流入し高速成分量HO2及び低速成分量LO2として触媒に貯蔵される酸素量をエアフロメータ23及びフロントA/Fセンサ41の出力に基づいて積算することで最大酸素貯蔵量を算出することができる。この最大酸素貯蔵量が判定基準値を下回るときは、三元触媒が劣化していると判定する。
【0024】
またリアO2センサ42及びサードO2センサ43の出力に基づいて、触媒(床下触媒32)の劣化の判定方法も公知であるが、概略次のようにして行う。この判定方法について図2を参照して説明する。
【0025】
リアO2センサ42の出力電圧がリッチ側スライスレベルに到達してから、リーン側スライスレベルに到達するまでの時間(t3−t1)を計測する。
【0026】
またリアO2センサ42の出力電圧がリッチ側スライスレベルに到達して以降であって、サードO2センサ43の出力電圧がリッチ側スライスレベルに到達してから、リーン側スライスレベルに到達するまでの時間(t4−t2)を計測する。
【0027】
そこで劣化判定パラメータHCCATNG#として以下を算出する。
【0028】
【数1】


【0029】
この劣化判定パラメータHCCATNG#が判定基準値HCCATNGを下回るときは、触媒(床下触媒32)が劣化していると判定する。
【0030】
続いてコントローラ50の具体的な制御ロジックについてフローチャートに沿って説明する。
【0031】
図3は、第1実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【0032】
コントローラ50は、フロントA/Fセンサ41、リアO2センサ42及びサードO2センサ43が活性化したことを検出したら、以下の制御を開始する。なお活性化したか否かは、エンジン始動後の時間に基づいて、又はセンサの出力電圧に基づいて判定する。またコントローラ50は、キーオン状態でかつ、フロントA/Fセンサ41、リアO2センサ42及びサードO2センサ43が活性化している間は、例えば10ミリ秒ごとに繰り返し本制御を実行する。
【0033】
ステップS10では、コントローラ50は、マニホールド触媒31の最大酸素貯蔵量(劣化判定パラメータ)MANIAGE#を算出する。
【0034】
ステップS20では、コントローラ50は、最大酸素貯蔵量MANIAGE#に基づいてマニホールド触媒31の劣化レベルを分類する。具体的には図4に基づいて劣化レベルを1〜8までの8段階に分類する。
【0035】
ステップS30では、コントローラ50は、マニホールド触媒31の劣化レベルが劣化レベル8であるか否かを判定する。劣化レベル8であるときにはステップS40へ進んでからステップS50へ進み、劣化レベル8以外であればステップS40へ進むことなくステップS50へ進む。
【0036】
ステップS40では、コントローラ50は、マニホールド触媒劣化警告ランプを点灯する。
【0037】
ステップS50では、マニホールド触媒31の劣化レベルに基づいて床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を設定する。具体的には図4に基づいて劣化レベルに応じて床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を設定する。図4について補足説明すると、マニホールド触媒31がほとんど劣化していないにもかかわらず(例えば劣化レベル1)、床下触媒32の劣化が検出されるときには床下触媒32自体が劣化している。そこで床下触媒32の劣化パラメータHCCATNG#の変動を早めに検出できるように、床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を小さめに設定する。一方、マニホールド触媒31の劣化レベルが進んでいるときには(例えば劣化レベル7)、本来床下触媒32は劣化していないにもかかわらず、床下触媒32の劣化パラメータHCCATNG#の変動が生じている可能性がある。そこで床下触媒32の劣化パラメータHCCATNG#の変動検出が早すぎてしまうことを防止するために、床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を大きめに設定する。
【0038】
ステップS60では、コントローラ50は、床下触媒32の劣化パラメータHCCATNG#を算出する。具体的には上述の式(1)に基づいて算出する。
【0039】
ステップS70では、コントローラ50は、劣化パラメータHCCATNG#が劣化判定値HCCATNGを上回っているか否かを判定する。下回ったらステップS80へ進む。
【0040】
ステップS80では、コントローラ50は、床下触媒劣化警告ランプを点灯する。
【0041】
本実施形態によれば、床下触媒32の劣化判定値(HCCATNG)を、マニホールド触媒31の劣化レベルに基づいて変更するようにした。したがって床下触媒32が劣化しているか否かを正確に検出することができ、床下触媒の交換タイミングを正しく判定することができる。
【0042】
(第2実施形態)
図5は、第2実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【0043】
なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【0044】
本実施形態では、ステップS50で、マニホールド触媒31の劣化レベルに基づいて床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を設定した後、ステップS51で床下触媒32の内部温度CATBED#を検出する。そしてステップS52で図6の特性図に基づいて補正係数NGTHOS#を求め、ステップS53でそのNGTHOS#で床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を補正する。なお補正係数NGTHOS#を求める際の内部温度は、診断中の平均値を使用するとよい。
【0045】
本実施形態によれば、床下触媒32の内部温度CATBED#をも考慮するようにしたので、床下触媒32が劣化しているか否かを一層正確に検出することができる。
【0046】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【0047】
例えば上記実施形態では床下触媒としてHCトラップ触媒を例示して説明したが、触媒の種類はそれに限られず、NOxトラップ触媒などのその他の触媒であってもよい。
【0048】
また上記実施形態では、マニホールド触媒31の劣化判定は、マニホールド触媒31の上流のフロントA/Fセンサ41と、下流のリアO2センサ42とに基づいて行っているが、床下触媒32の劣化判定と同様に、マニホールド触媒31の上下流ともにO2センサを配置し、それらのO2センサの出力変化に基づいてマニホールド触媒31の劣化を判定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1】本発明による内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置の第1実施形態を示す概略構成図である。
【図2】リアO2センサ及びサードO2センサの出力に基づく床下触媒の劣化の判定方法を説明する図である。
【図3】第1実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図4】マニホールド触媒の劣化レベルと、床下触媒劣化基準値HCCATNGとの関係を示す図である。
【図5】第2実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図6】床下触媒の内部温度CATBED#と、補正係数NGTHOS#との関係を示す図である。
【符号の説明】
【0050】
10 エンジン(内燃機関)
12 ポジションセンサ(クランク角センサ)
13 位相センサ(クランク角センサ)
14 水温センサ
20 吸気通路
23 エアフローメータ
30 排気通路
31 マニホールド触媒(第1の触媒)
32 床下触媒(第2の触媒)
41 フロント広域空燃比センサ(第1空燃比センサ)
42 リアO2センサ(第2空燃比センサ)
43 サードO2センサ(第3空燃比センサ)
44 温度センサ(第2触媒温度検出手段)
50 コントローラ
ステップS10,S20 第1触媒状態検出手段/第1触媒状態検出工程
ステップS50 劣化基準値設定手段/劣化基準値設定工程
ステップS60 第2触媒状態検出手段/第2触媒状態検出工程
ステップS70 第2触媒劣化判定手段/第2触媒劣化判定工程




 

 


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