JP2006169997A - 触媒の劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯｘトラップ触媒の劣化を的確に判定する。
【解決手段】 ＮＯｘトラップ触媒の触媒温度を検出又は予測し、触媒温度から、劣化前及び劣化後の吸着効率ηＢ、Ａを設定する（Ｓ４）。これらの吸着効率ηＢ、ηＡと、排気中ＮＯｘ量Ｑｎ（Ｓ５）との積により、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量ＢＮＯｘ、ＡＮＯｘを求め（Ｓ６、Ｓ７）、これを所定時間積算して、劣化前及び劣化後のＮＯｘトラップ量ＳＢＮＯｘ、ＳＡＮＯｘを予測する（Ｓ８）。そして、劣化前のＮＯｘトラップ量予測値ＳＢＮＯｘと、劣化後のＮＯｘトラップ量予測値ＳＡＮＯｘとを比較し、その差（ＳＢＮＯｘ−ＳＡＮＯｘ）が所定値＃ＳＬを下回ったときに、劣化と判定する（Ｓ１０、Ｓ１１）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置され、少なくとも酸化機能を有する排気浄化用の触媒（ＮＯｘトラップ触媒を含む）の劣化判定装置に関する。

触媒の劣化判定装置としては、特許文献１に開示されているように、触媒の上流側及び下流側にそれぞれ空燃比センサ（Ｏ２センサ）を配置し、これらの空燃比センサの信号に基づいて、触媒の劣化を判定するシステム（デュアルＯ２センサシステム）がよく知られている。
特開平２−０３０９１５号公報

しかしながら、上記のデュアルＯ２センサシステムは、ガソリンエンジンでよく使用されていることからわかるように、ストイキ運転が必要であり、ディーゼルエンジンのように、通常リーンで運転する場合には、判定ができない。
本発明は、このような実状に鑑み、リーン条件下でも判定可能な触媒の劣化判定装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、少なくとも酸化機能を有する触媒の劣化判定を行う場合に、前記触媒による酸化反応熱量若しくはこれに相当する値を検出又は予測し、前記触媒による酸化反応熱量若しくはこれに相当する値の低下に基づいて前記触媒の劣化を判定する。
また、本発明では、特に、リーン運転時に排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキないしリッチ運転時にトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒の劣化判定を行う場合に、触媒温度を検出又は予測し、触媒温度に応じて新品状態でのＮＯｘ吸着効率を設定し、これに基づいて新品状態でのＮＯｘトラップ量を予測し、また、触媒温度に応じて劣化状態でのＮＯｘ吸着効率を設定し、これに基づいて劣化状態でのＮＯｘトラップ量を予測する。そして、新品状態でのＮＯｘトラップ量予測値と、劣化状態でのＮＯｘトラップ量予測値とを比較し、その差が所定値を下回ったときに、劣化と判定する。

本発明によれば、触媒が劣化すると、触媒での酸化反応が十分に行われなくなり、酸化反応熱量が低下することから、これに基づいて触媒の劣化を的確に判定できる。
また、ＮＯｘトラップ触媒についても、触媒が劣化すると、触媒での酸化反応（特に吸着のためのＮＯ→ＮＯ２の酸化反応）が十分に行われなくなり、触媒温度が低下する。そして、ＮＯｘ吸着効率は、触媒温度に依存し、触媒温度の上昇により吸着効率が低下するが、触媒が劣化すると吸着効率が低下し始める温度が低下し、また、触媒温度が高いときは、新品状態と劣化状態とで吸着効率の差が大きくなるものの、触媒温度が低下すると、新品状態と劣化状態とで吸着効率の差がなくなる。よって、新品状態でのＮＯｘトラップ量と、劣化状態でのＮＯｘトラップ量とを予測し、これらの差が所定値を下回ったときに、劣化と判定することで、ＮＯｘトラップ触媒の劣化を的確に判定できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（ここではディーゼルエンジン）のシステム図である。
ディーゼルエンジン１の吸気通路２には可変ノズル型の過給機（ターボチャージャ）３の吸気コンプレッサが備えられ、吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。

排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ装置により、すなわち、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して、吸気側へ還流される。排気の残りは、可変ノズル型の過給機３の排気タービンを通り、これを駆動する。
ここで、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、三元触媒にＮＯｘ吸着物質を添加してなり、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気空燃比がストイキないしリッチのときに脱離浄化することのできるＮＯｘトラップ触媒１３を配置してある。尚、このＮＯｘトラップ触媒１３では、リーン領域にて、ＮＯｘを吸着しやすいように、白金などの貴金属上でＮＯを酸化して、ＮＯ２の形で吸着物質に貯蔵し、ストイキないしリッチ領域にて、ＮＯ２をＨＣ、ＣＯなどと反応させてＮ２に還元する。

コントロールユニット２０には、エンジン１の制御のため、エンジン回転数Ｎｅ検出用の回転数センサ２１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２２、吸入空気量Ｑａ検出用のエアフローメータ２３、エンジン冷却水温Ｔｗ検出用の水温センサ２４から、信号が入力されている。
また、ＮＯｘトラップ触媒１３の触媒温度（担体温度）Ｔcat を検出する触媒温度センサ２５が設けられ、この信号もコントロールユニット２０に入力されている。但し、ＮＯｘトラップ触媒１３の触媒温度Ｔcat はその下流側などに排気温度センサを設けて、排気温度より間接的に検出するようにしてもよい。

コントロールユニット２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９による燃料噴射の燃料噴射量及び噴射時期制御のための燃料噴射弁９への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号、ＥＧＲ弁１２への開度指令信号、過給機３の可変ノズル機構１５へのノズル開度指令信号等を出力する。
ここにおいて、コントロールユニット２０では、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化判定を行うようにしており、かかる劣化判定について、以下に詳細に説明する。

図２は、ＮＯｘトラップ触媒の触媒温度と吸着効率との関係を、新品状態（劣化前）及び劣化状態（劣化後）のそれぞれの場合について示している。
特に暖機後の温度範囲（触媒温度＃ＴＣ以上）について見ると、劣化前及び劣化後のいずれも、触媒温度の上昇に伴って吸着効率が低下し、逆に見れば触媒温度の低下に伴って吸着効率が上昇する傾向がある。そして、劣化前と劣化後とを比較すると、劣化後は、吸着効率が低下し始める温度がより低くなり、吸着効率の低下度合も大きくなる。

従って、ある高温側の触媒温度ＴＨでの劣化前と劣化後の吸着効率の差Δη(TH)と、これより低温側の触媒温度ＴＬでの劣化前と劣化後の吸着効率の差Δη(TL)とを比較すると、Δη(TH)＞Δη(TL)となる。
一方、ＮＯｘトラップ触媒が劣化すると、触媒での酸化反応（特に吸着のためのＮＯ→ＮＯ２の酸化反応）が十分に行われなくなって、酸化反応熱量が低下し、これにより触媒温度が低下する。従って、ＮＯｘトラップ触媒が劣化すると、触媒温度が低下することで、劣化前と劣化後の吸着効率の差が小さくなる（例えばΔη(TH)→Δη(TL)）。

本発明では、触媒が劣化すると、触媒での酸化反応が十分に行われなくなり、酸化反応熱量が低下することから、酸化反応熱量の低下、若しくは、酸化反応熱量に相当する値である触媒温度の低下に基づいて、触媒の劣化を判定するが、特に、本実施形態では、触媒温度に応じた劣化前の吸着効率を基に予測したＮＯｘトラップ量と、触媒温度に応じた劣化後の吸着効率を基に予測したＮＯｘトラップ量とをそれぞれ算出して、その差を求め、これが所定値より小さくなったときに、触媒での酸化反応熱量の低下による触媒温度の低下があったものとみなして、ＮＯｘトラップ触媒の劣化と判定するのである。

図３はＮＯｘトラップ触媒劣化判定ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎に繰り返し実行される。
Ｓ１では、リーン運転中（ディーゼルエンジンでの通常のリーン燃焼中）か否かを判定し、リーン運転中でない場合は本ルーチンを終了する。リーン運転中の場合にのみＮＯｘのトラップがなされ、図２の特性となるからである。

Ｓ２では、Ｓ（イオウ）被毒解除状態か否かを判定し、Ｓ被毒解除状態でない場合は本ルーチンを終了する。ＮＯｘトラップ触媒がＳ被毒している状態では所望のＮＯｘトラップ性能が発揮されないからである。
尚、Ｓ被毒解除状態か否かは、Ｓ被毒量を別途計算していて、これが所定値以下か否かを判定する。Ｓ被毒量の計算は、例えば、エンジンでの燃料噴射量に予め定めたイオウ濃度を乗じた値（単位時間当たりのＳ被毒量の増分）を積算する一方、定時的に空燃比をリッチ化すると共に燃料噴射時期を遅角するなどして排気温度を上昇させることによりＳ被毒解除処理を行うので、この処理時間などに応じた被毒解除分を減算することで、Ｓ被毒量を求める。

Ｓ３では、触媒温度センサ２５からの信号に基づいて触媒温度を検出し、検出された触媒温度が所定温度＃ＴＣ以上か否かを判定し、触媒温度≧＃ＴＣでない場合は本ルーチンを終了する。ここでの所定温度＃ＴＣは、エンジンの暖機により触媒の浄化効率が所定値（例えば９０％）以上となる活性化温度である。図２の暖機後の温度範囲での触媒温度−吸着効率特性を用いるからである。

Ｓ４では、触媒温度センサ２５により検出された触媒温度Ｔcat に基づき、図２のような特性のテーブルから、劣化前（新品状態）の吸着効率ηＢを検索すると共に、劣化後（劣化状態）の吸着効率ηＡを検索する。
Ｓ５では、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａから排気中ＮＯｘ量Ｑｎを予測する。

Ｓ６では、次式のごとく、排気中ＮＯｘ量Ｑｎに、劣化前の吸着効率ηＢを乗じて、劣化前の単位時間当たりのＮＯｘトラップ量（ＮＯｘトラップ速度）ＢＮＯｘを算出する。
ＢＮＯｘ＝Ｑｎ×ηＢ
Ｓ７では、次式のごとく、排気中ＮＯｘ量Ｑｎに、劣化後の吸着効率ηＡを乗じて、劣化後の単位時間当たりのＮＯｘトラップ量（ＮＯｘトラップ速度）ＡＮＯｘを算出する。

ＡＮＯｘ＝Ｑｎ×ηＡ
Ｓ８では、劣化前の単位時間当たりのＮＯｘトラップ量ＢＮＯｘ、及び、劣化後の単位時間当たりのＮＯｘトラップ量ＡＮＯｘを、それぞれ積算する。
ＳＢＮＯｘ＝Σ（ＢＮＯｘ）
ＳＡＮＯｘ＝Σ（ＡＮＯｘ）
Ｓ９では、積算時間が所定時間に達したか否かを判定し、達していない場合は、そのまま本ルーチンを終了する。

積算時間が所定時間に達した場合、すなわち、所定期間（所定時間）における劣化前のＮＯｘトラップ量ＳＢＮＯｘ、及び、劣化後のＮＯｘトラップ量ＳＡＮＯｘが算出された場合は、Ｓ１０へ進む。
Ｓ１０では、劣化前のＮＯｘトラップ量予測値ＳＢＮＯｘと劣化後のＮＯｘトラップ量予測値ＳＡＮＯｘとを比較し、その差（ＳＢＮＯｘ−ＳＡＮＯｘ）が所定値＃ＳＬ以下か否かを判定する。

ＳＢＮＯｘ−ＳＡＮＯｘ＞＃ＳＬの場合は、図２で触媒温度が高い側であり、酸化反応熱量が多いと判定できるので、ＮＯｘトラップ触媒は正常であるとみなし、Ｓ１２で積算値ＳＢＮＯｘ、ＳＡＮＯｘをクリアして、本ルーチンを終了する。
ＳＢＮＯｘ−ＳＡＮＯｘ≦＃ＳＬの場合は、図２で触媒温度が低い側であり、酸化反応熱量が少ないと判定できるので、ＮＯｘトラップ触媒の劣化と判定して、Ｓ１１で劣化判定フラグをＯＮ状態にし、Ｓ１２で積算値ＳＢＮＯｘ、ＳＡＮＯｘをクリアして、本ルーチンを終了する。

本実施形態によれば、新品状態又は劣化状態でのＮＯｘトラップ量を予測するに際し、触媒温度に応じて新品状態又は劣化状態でのＮＯｘ吸着効率を設定し、排気中ＮＯｘ量との積により、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を求め、これを所定時間積算して、新品状態又は劣化状態でのＮＯｘトラップ量を予測することにより、予測精度を向上できる。
また、本実施形態によれば、前記排気中ＮＯｘ量は、吸入空気量に基づいて予測することにより、的確に予測できる。

また、本実施形態によれば、前記劣化判定は、触媒に流入する排気中の酸素が過剰な状態で実施することにより、判定精度を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、前記劣化判定は、触媒のＳ被毒が解除されている状態で実施することにより、判定精度を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、前記劣化判定は、触媒の温度が所定温度（エンジンの暖機により触媒の浄化効率が所定値以上となる活性化温度）以上の条件で実施することにより、判定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 ＮＯｘトラップ触媒の劣化前・後の触媒温度と吸着効率との関係を示す図 ＮＯｘトラップ触媒劣化判定ルーチンのフローチャート

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ 可変ノズル型の過給機
５ 吸気絞り弁
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１１ ＥＧＲ通路
１２ ＥＧＲ弁
１３ ＮＯｘトラップ触媒
１５ 可変ノズル機構
２０ コントロールユニット
２１ 回転数センサ
２２ アクセル開度センサ
２３ エアフローメータ
２４ 水温センサ
２５ 触媒温度センサ

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、少なくとも酸化機能を有する触媒の劣化判定装置であって、
   前記触媒による酸化反応熱量若しくはこれに相当する値を検出又は予測し、前記触媒による酸化反応熱量若しくはこれに相当する値の低下に基づいて前記触媒の劣化を判定することを特徴とする触媒の劣化判定装置。
2. 前記触媒による酸化反応熱量相当値として、前記触媒の温度を検出又は予測し、前記触媒の温度低下に基づいて前記触媒の劣化を判定することを特徴とする請求項１記載の触媒の劣化判定装置。
3. 前記触媒は、リーン運転時に排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキないしリッチ運転時にトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の触媒の劣化判定装置。
4. 内燃機関の排気通路に配置され、リーン運転時に排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキないしリッチ運転時にトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒の劣化判定装置であって、
   触媒温度を検出又は予測する手段と、
   触媒温度に応じて新品状態でのＮＯｘ吸着効率を設定し、これに基づいて新品状態でのＮＯｘトラップ量を予測する手段と、
   触媒温度に応じて劣化状態でのＮＯｘ吸着効率を設定し、これに基づいて劣化状態でのＮＯｘトラップ量を予測する手段と、を備え、
   新品状態でのＮＯｘトラップ量予測値と、劣化状態でのＮＯｘトラップ量予測値とを比較し、その差が所定値を下回ったときに、劣化と判定することを特徴とする触媒の劣化判定装置。
5. 前記新品状態又は劣化状態でのＮＯｘトラップ量を予測する手段は、触媒温度に応じて新品状態又は劣化状態でのＮＯｘ吸着効率を設定し、排気中ＮＯｘ量との積により、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を求め、これを所定時間積算して、新品状態又は劣化状態でのＮＯｘトラップ量を予測するものであることを特徴とする請求項４記載の触媒の劣化判定装置。
6. 前記排気中ＮＯｘ量は、吸入空気量に基づいて予測することを特徴とする請求項５記載の触媒の劣化判定装置。
7. 前記劣化判定は、前記触媒に流入する排気中の酸素が過剰な状態で実施することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の触媒の劣化判定装置。
8. 前記劣化判定は、前記触媒のイオウ被毒が解除されている状態で実施することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の触媒の劣化判定装置。
9. 前記劣化判定は、前記触媒の温度が所定温度以上の条件で実施することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の触媒の劣化判定装置。
10. 前記所定温度は、内燃機関の暖機により前記触媒の浄化効率が所定値以上となる活性化温度であることを特徴とする請求項９記載の触媒の劣化判定装置。

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