JP2007198251A

JP2007198251A - 触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JP2007198251A
Application number: JP2006017605A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Suzuki; 裕介鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】エンジンの運転条件に影響されることなく、触媒の劣化判定を精度良く実行可能な触媒劣化判定装置を提供する。
【解決手段】触媒への還元剤の供給を開始（ステップ１０４）した後、触媒下流の水素濃度の最大値を検出する（ステップ１０８）。還元剤供給開始から所定時間Ｔ２経過後、水素濃度の最大値が所定値よりも小さいか否かを判別する（ステップ１１２）。このステップ１０２で水素濃度最大値が所定値よりも小さいと判別された場合には、触媒が劣化していると判定される（ステップ１１４）。一方、水素濃度最大値が所定値以上であると判別された場合には、触媒が正常であると判定される（ステップ１１６）。
【選択図】図４

Description

本発明は、触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置に関する。

触媒の上流側及び下流側に水素センサをそれぞれ設けた装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この装置によれば、空燃比をリッチからリーンへ変化させた後、触媒上流側水素センサが変化してから触媒下流側水素センサが変化するまでの時間差に基づいて、触媒の劣化状態が判定されている。

特開２００２−４７９１９号公報

しかしながら、上記装置では、エンジンの運転条件によっては時間差が短くなってしまい、触媒の劣化判定を精度良く行うことができない場合がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、エンジンの運転条件に影響されることなく、触媒の劣化判定を精度良く実行可能な触媒劣化判定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
触媒下流の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
触媒の劣化検出時に、空燃比をリーンからリッチに制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比制御手段により空燃比がリーンからリッチに制御された後、前記水素濃度検出手段により検出された水素濃度の最大値もしくは積算値が基準値よりも小さい場合に、触媒が劣化していると判定する劣化判定手段とを備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、空燃比をリーンからリッチに制御した後で、触媒下流の水素濃度の最大値もしくは積算値が基準値よりも小さい場合に、触媒が劣化していると判定される。よって、エンジンの運転条件に影響される微小な時間差の検出をすることなく、触媒の劣化判定を行うことができる。従って、エンジンの運転条件に影響されることなく、触媒の劣化判定を精度良く実行することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

［システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。本実施の形態１のシステムは、内燃機関（以下「エンジン」ともいう。）１を備えている。内燃機関１は複数の気筒２を有しているが、図１には、そのうちの１気筒のみを示している。

内燃機関１は、内部にピストン４を有するシリンダブロック６を備えている。シリンダブロック６には、内燃機関１の冷却水温Twを検出する冷却水温センサ８が設けられている。ピストン４は、クランク機構を介してクランクシャフト１０と接続されている。クランクシャフト１０の近傍には、クランク角センサ１２が設けられている。クランク角センサ１２は、クランクシャフト１０の回転角度（以下「クランク角」という。）CAを検出するように構成されている。

シリンダブロック６の上部にはシリンダヘッド１４が組み付けられている。ピストン４上面からシリンダヘッド１４までの空間は燃焼室１６を形成している。シリンダヘッド１４には、燃焼室１６内の混合気に点火する点火プラグ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃焼室１６内に直接燃料を噴射するインジェクタ２０が設けられている。

シリンダヘッド１４は、燃焼室１６と連通する吸気ポート２２を備えている。この吸気ポート２２と燃焼室１６との接続部には吸気バルブ２４が設けられている。吸気ポート２２には、吸気通路２６が接続されている。

吸気通路２６の途中にはスロットルバルブ２８が設けられている。スロットルバルブ２８は、スロットルモータ３０により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ２８は、アクセル開度センサ３２により検出されるアクセル開度AAに基づいて駆動されるものである。スロットルバルブ２８の近傍にはスロットル開度を検出するスロットル開度センサ３４が設けられている。

スロットルバルブ２８の上流には、エアフロメータ３６が設けられている。エアフロメータ３６は吸入空気量Gaを検出するように構成されている。エアフロメータ３６の上流にはエアクリーナ３８が設けられている。

また、シリンダヘッド１４は、燃焼室１６と連通する排気ポート４０を備えている。排気ポート４０と燃焼室１６との接続部には排気バルブ４２が設けられている。排気ポート４０には排気通路４４が接続されている。排気通路４４には、排気ガスを浄化する触媒４６が設けられている。

触媒４６は、吸蔵材（例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属等）によりＮＯｘを吸蔵すると共に、リッチスパイク制御によりＮＯｘを窒素に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ触媒）である。触媒４６の吸蔵材には、Ｈ_２Ｏの吸着能（酸素吸着能）を向上させる目的でセリア等が導入されている。このセリア等の導入により、触媒４６は、後述する水性ガスシフト反応により水素を生成する能力を有している。

触媒４６には、触媒温度を検出する触媒温度検出センサ４８が設けられている。触媒４６の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ５０が設けられている。排気触媒４６の下流には、水素濃度を検出する水素濃度センサ５２が設けられている。

また、本実施の形態１のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０の出力側には、点火プラグ１８、インジェクタ２０、スロットルモータ３０等が接続されている。ＥＣＵ６０の入力側には、冷却水温センサ８、クランク角センサ１２、アクセル開度センサ３２、スロットル開度センサ３４、エアフロメータ３６、触媒温度センサ４８、空燃比センサ５０、水素濃度センサ５２等が接続されている。
ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づいて、燃料噴射制御や点火時期制御のような内燃機関全体の制御を実行する。また、ＥＣＵ６０は、クランク角センサ１２の出力に基づいて、機関回転数NEを算出する。また、ＥＣＵ６０は、アクセル開度センサ３２により検出されるアクセル開度AA等に基づいて、機関負荷KLを算出する。

［本実施の形態の特徴］
上記システムによれば、リーンバーン運転を行うことができる。このリーンバーン運転時に燃焼室１６から排出されるＮＯｘは、触媒４６において貴金属（例えば、白金等）を介して吸蔵材に吸蔵される。触媒４６のＮＯｘ吸蔵能は有限であるため、所定のタイミングで触媒４６に吸蔵されたＮＯｘを還元する必要がある。燃料リッチな排気ガスを触媒４６に流入させることにより、つまり、触媒４６に還元剤を供給することにより、ＮＯｘが窒素に還元される。すなわち、リッチスパイク制御を実行することで、触媒４６に吸蔵されたＮＯｘを窒素に還元した後、触媒４６から排出することができる。これにより、触媒４６が再生される。しかし、この触媒再生によっても、触媒４６のＮＯｘ吸蔵能が回復しない場合がある。そこで、所定のタイミングで、触媒４６の劣化判定を行う必要がある。

既述した従来技術によれば、空燃比をリッチからリーンへ変化させた後、触媒上流側水素センサが変化してから触媒下流側水素センサが変化するまでの時間差に基づいて、触媒の劣化判定が実行されている。しかし、エンジンの運転条件によっては、時間差が微小となってしまい、触媒の劣化判定を精度良く実行することができない場合がある。

ところで、本発明者の知見によれば、触媒４６が正常である場合には、リッチスパイク制御時に、下式（１）のような水性ガスシフト反応の反応速度が高い。この水性ガスシフト反応により生じた水素は、触媒４６におけるＮＯｘの還元に使用されると共に、触媒４６から排出される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（１）
触媒４６の劣化が進行するに連れて、触媒４６での水性ガスシフト反応が低くなる。その結果、触媒４６から排出される水素の量も低下することとなる。

図２及び図３を参照して、触媒の劣化判定方法について説明する。図２は、触媒が正常である場合において、リッチスパイク時の触媒下流の水素濃度変化を説明するためのタイミングチャートである。図３は、触媒が劣化している場合において、リッチスパイク時の触媒下流の水素濃度変化を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図２（Ａ）及び図３（Ａ）は、空燃比センサ４８により検出される触媒上流の排気空燃比を示す図であり、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）は、水素濃度センサ５０により検出される触媒下流の水素濃度を示す図である。

図２（Ａ）に示すように、時刻ｔ１０において、排気空燃比がリーンでの定常運転が行われている。その後、時刻ｔ１１において、インジェクタ２０からの燃料噴射量が増大されて、排気空燃比がリーンからリッチに制御される。これにより、触媒４６への還元剤（例えば、ＣＯ，ＨＣ等）の供給が開始される。この還元剤は、触媒４６におけるＮＯｘから窒素への還元に用いられると共に、触媒４６における上記水性ガスシフト反応による水素の生成に用いられる。触媒４６で生成された水素は、ＮＯｘから窒素への還元に用いられるが、還元剤が触媒４６に十分作用すると、つまり、ＮＯｘの還元がある程度進行すると、触媒４６から排出される。その結果、図２（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１２において、触媒下流の水素濃度が上昇し始める。その後、水素濃度が徐々に上昇し、時刻ｔ１３において、水素濃度が最大値Cmaxとなる。その後、時刻ｔ１４まで、水素濃度は徐々に減少する。

ところが、触媒４６が劣化した場合（ＮＯｘ吸蔵能が低下した場合）には、図３（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１３における水素濃度の最大値Cmaxは、触媒が正常である場合に比して著しく小さくなる。

そこで、本実施の形態によれば、リッチスパイク制御時の触媒下流の水素濃度最大値Cmaxに基づいて、触媒４６の劣化判定が実行される。具体的には、水素濃度最大値Cmaxが所定値よりも小さい場合には触媒が劣化していると判定され、水素濃度最大値Cmaxが所定値以上である場合には触媒が正常であると判定される。このため、既述した先行技術のように、エンジンの運転条件に影響される時間差を検出することなく、触媒４６の劣化判定を行うことができる。従って、エンジンの運転条件に影響されることなく、触媒劣化判定を実行することはできる。

［本実施の形態における具体的処理］
図４は、本実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図４に示すルーチンによれば、先ず、エンジンが定常運転中であるか否かを判別する（ステップ１００）。このステップ１００では、機関回転数NEが一定であり、負荷KLが一定であり、空燃比がリーンかつ一定である場合に、定常運転中であると判別される。ステップ１００でエンジンが定常運転中でないと判別された場合には、本ルーチンを終了する。

上記ステップ１００でエンジンが定常運転中であると判別された場合には、触媒４６に還元剤を供給するか否か、つまり、リッチスパイク制御を実行するか否かを判別する（ステップ１０２）。ＥＣＵ６０は、本ルーチンとは別のルーチンによって、前回リッチスパイク制御を実行してからの走行距離又は走行時間をカウントしている。このステップ１０２では、このカウントされた走行距離又は走行時間が、ＥＣＵ６０内に予め格納された所定値以上である場合に、触媒４６に吸蔵された酸化物を還元する必要性、又は、触媒４６の劣化判定を行う必要性が有ると判別される。つまり、この場合には、リッチスパイク制御を実行する必要があると判別される。
ステップ１０２で触媒４６に還元剤を供給しないと判別された場合、つまり、リッチスパイク制御を実行する必要がないと判別された場合には、本ルーチンを終了する。

上記ステップ１０２で触媒４６に還元剤を供給すると判別された場合には、空燃比センサ４８により検出される排気空燃比が所定の空燃比となるように、還元剤の供給を開始する（ステップ１０４）。すなわち、空燃比をリーンからリッチにするリッチスパイク制御が開始される。

その後、還元剤の供給を開始してから所定時間T1が経過したか否かを判別する（ステップ１０６）。この所定時間T1は、還元剤が触媒４６に作用するまでの間、水素濃度センサによる水素濃度の検出を禁止するために確保される時間である（図２（Ｂ），図３（Ｂ）参照）。ステップ１０６で還元剤供給開始から所定時間T1が経過していないと判別された場合には、本ルーチンを終了する。

ステップ１０６で還元剤供給開始から所定時間T1が経過したと判別された場合には、水素濃度の最大値の検出を行う（ステップ１０８）。
その後、還元剤の供給を開始してから所定時間T2が経過したか否かを判別する（ステップ１１０）。この所定時間T2は、リッチスパイク制御において触媒４６からの水素の排出が終了していると推定される時間である。ステップ１１０で還元剤供給開始から所定時間T2が経過していないと判別された場合には、本ルーチンを終了する。これにより、所定時間T2が経過するまでの検出時間中は、水素濃度の最大値Cmaxの検出が逐次実行される。

ステップ１１０で還元剤供給開始から所定時間T2が経過したと判別された場合には、水素濃度の最大値Cmaxが所定値よりも小さいか否かを判別する（ステップ１１２）。ここで、ＥＣＵ６０は、ＥＣＵ６０内に予め記憶されたマップを参照して、還元剤供給後の空燃比、触媒温度、エンジン条件（NE,KL）に応じた所定値を読み出し、この読み出した所定値と水素濃度最大値Cmaxとを比較する。

このステップ１１２で水素濃度最大値Cmaxが所定値よりも小さいと判別された場合には、触媒４６における水性ガスシフト反応の反応速度が低いと判断される。この場合、触媒４６が劣化していると判定される（ステップ１１４）。
一方、ステップ１１２で水素濃度最大値Cmaxが所定値以上であると判別された場合には、触媒４６における水性ガスシフト反応の反応速度が十分高いと判断される。この場合、触媒４６が正常であると判定する（ステップ１１６）。

以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、触媒４６への還元剤供給開始から所定時間Ｔ１経過後〜所定時間Ｔ２経過までの間において、触媒下流の水素濃度の最大値Cmaxが検出される。そして、この最大値Cmaxが所定値よりも小さい場合には、触媒４６が劣化していると判断される。この水素濃度の最大値Cmaxは、エンジンの運転条件に影響を受けることなく、確実に検出することができる。よって、エンジンの運転条件に影響を受けることなく、触媒４６の劣化判定を行うことができる。

ところで、図４に示すルーチンでは、水素濃度の最大値Cmaxが所定値よりも小さい場合に触媒４６が劣化していると判定しているが、図５に示すルーチンのように、検出期間内の水素濃度を積算し（ステップ１１８）、その水素濃度積算値が所定値よりも小さい場合に触媒が劣化していると判定してもよい（ステップ１２０，１１４）。この水素濃度積算値に基づく手法は、触媒で水素が発生しにくい場合に特に有効である。さらに、水素濃度最大値と水素濃度積算値のそれぞれを基準値と比較して、両方の比較結果に基づいて触媒の劣化判定を行うようにしてもよい。

また、本実施の形態では、ＮＯｘ触媒４６を備えたシステムについて説明したが、ＮＯｘ触媒４６の上流に始動時触媒として三元触媒を更に備えたシステムや、ＤＰＮＲ（Diesel Paticulate-NOx Reduction）触媒を備えたシステムに対しても本発明を適用することができる。これらの場合も、上記実施の形態と同様の効果が得られる。

また、触媒４６のＮＯｘ吸蔵能が低下する場合だけでなく、触媒４６が硫黄被毒された場合も水性ガスシフト反応の反応速度が低下する。よって、本発明を硫黄被毒の検出にも適用することができる。

尚、本実施の形態において、ＥＣＵ６０が、ステップ１０４の処理を実行することにより第１の発明における「空燃比制御手段」が、ステップ１１２及び１１４の処理を実行することにより第１の発明における「劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。触媒が正常である場合において、リッチスパイク時の触媒下流の水素濃度変化を説明するためのタイミングチャートである。触媒が劣化している場合において、リッチスパイク時の触媒下流の水素濃度変化を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態の変形例において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
４ピストン
６シリンダブロック
８冷却水温センサ
１０クランクシャフト
１２クランク角センサ
１４シリンダヘッド
１６燃焼室
１８点火プラグ
２０吸気ポート
２２吸気バルブ
２４吸気通路
２６インジェクタ
２８スロットルバルブ
３０スロットルモータ
３２アクセル開度センサ
３４スロットル開度センサ
３６エアフロメータ
３８エアクリーナ
４０排気ポート
４２排気バルブ
４４排気通路
４６浄化触媒
４８触媒温度センサ
５０空燃比センサ
５２水素濃度センサ
６０ＥＣＵ

Claims

触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
触媒下流の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
触媒の劣化検出時に、空燃比をリーンからリッチに制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比制御手段により空燃比がリーンからリッチに制御された後、前記水素濃度検出手段により検出された水素濃度の最大値もしくは積算値が基準値よりも小さい場合に、触媒が劣化していると判定する劣化判定手段とを備えたことを特徴とする触媒劣化検出装置。