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JP2016108979A - 触媒劣化診断方法 - Google Patents

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JP2016108979A JP2014244958A JP2014244958A JP2016108979A JP 2016108979 A JP2016108979 A JP 2016108979A JP 2014244958 A JP2014244958 A JP 2014244958A JP 2014244958 A JP2014244958 A JP 2014244958A JP 2016108979 A JP2016108979 A JP 2016108979A
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Abstract

【課題】酸化触媒の劣化の程度の診断を精度よく行える方法を提供する。【解決手段】内燃機関の排気経路に設けられて内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の、劣化の程度を診断する方法が、内燃機関が定常運転状態にある任意のタイミングにおいて、排気経路の触媒よりも下流側において検知される対象ガスの濃度と、当該タイミングでの触媒の温度に対応する触媒における酸化もしくは吸着の程度を表す指標値の許容範囲に対応させてあらかじめ定められた、当該タイミングでの触媒の温度に対応する対象ガスの濃度についての閾値とを比較することにより、触媒に許容される程度を越えた劣化が生じているか否かを診断する、ようにした。【選択図】図10

Description

本発明は、未燃炭化水素ガスを酸化もしくは吸着する触媒の劣化の程度を診断する方法に関する。
従来、自動車用の排気ガス浄化システムのOBD(機能診断)、すなわち当該システムにおいて触媒が正常に動いているかどうかを診断する機能に関しては、自動車会社を中心に数多くの特許出願がなされていたが、大半は、排ガス温度センサ、酸素センサ、広域酸素濃度センサ(λセンサ)、NOxセンサ、PMセンサを用いたもので、診断対象は、三元触媒、酸化触媒、NOx吸蔵触媒、NOx選択還元触媒、ディーゼルすす捕集フィルタ(DPF)であった(例えば、特許文献1ないし特許文献5参照)。
一方、自動車排気ガス測定用の炭化水素ガスセンサ(HCセンサ)として、種々の原理・類型のものが、研究・開発されている。例えば、ゼオライト触媒におけるNOxの浄化制御に適用可能な、分子量の大きなHC(炭化水素)を選択的に検出可能な半導体型のHCセンサがすでに公知である(例えば、特許文献6参照)。HCセンサとしてはその他、接触燃焼型、酸素濃度差検知型、限界電流型、混成電位型のものなどが広く知られており、西暦2000年前後をピークに多数の特許出願がなされていた。
ただし、それらのHCセンサは主に、理論当量比(空気過剰率λ=1)燃焼またはリーンバーン(希薄燃焼式、λ>1)のガソリンエンジンに搭載される排気ガス浄化装置(TWC:三元触媒、NSC:NOx吸蔵触媒)の浄化性能検査やディーゼルエンジンにおける未燃炭化水素噴射量の制御などに使用することが想定されていた。
特開2001−263048号公報 特開2005−240716号公報 特開2012−036860号公報 特開2012−241594号公報 特開平7−103039号公報 特許第2876793号公報
西暦2010年代に入って、北米において排気ガス規制が強化され、なかでも、ディーゼルエンジン車両に対する酸化触媒のOBDが、将来的には義務付けられる状況となっている。具体的には、ディーゼルエンジン用の酸化触媒に対し、ディーゼルエンジンの排気雰囲気であるO(酸素)過剰雰囲気でNMHC(Nom Methane HydroCarbon:非メタン炭化水素)を対象とするOBDを行う必要が生じてきている。
しかしながら、特許文献1ないし特許文献5に開示されているような、従来公知のセンサを使用する手法の場合、係るOBDに対応できないか、あるいは、間接的に診断を行うことができるに過ぎないという問題がある。
例えば、特許文献1に開示されているのは、酸化触媒における未燃炭化水素の変換(酸化燃焼)能力が低下した場合には発熱エネルギーも低下する、という関係性を利用する手法である。概略的にいえば、排気経路における酸化触媒の前後(上流側および下流側)に配置した排ガス温度センサにおいて燃料噴射時に生じる温度差ΔTを測定し、その値から酸化触媒における未燃炭化水素の変換(酸化燃焼)能力の劣化度合いを間接的に診断するというものである。
しかしながら、係る方法の場合、実使用時の排気ガス温度および排気ガス流量の変化による誤差要因が大きすぎるという問題や、また発熱を促すための燃料噴射量が多量であり燃費悪化は免れないという問題がある。
また、特許文献2に開示されているのは、酸化触媒における未燃炭化水素の変換能力が低下した場合に酸化燃焼時の酸素の消費量が変化するということを利用する手法である。概略的にいえば、排気経路における酸化触媒の前後に配置された2つの広域酸素濃度センサ(λセンサ)の出力値λF、λRの差Δλ、または2つの酸素センサの出力値(起電力値)の差に基づいて、酸化触媒における酸素の消費量を測定し、その値の変化から酸化触媒上での未燃炭化水素の変換能力の劣化度合いを間接的に診断するというものである。
しかしながら、O過剰雰囲気であるディーゼル排気における酸素濃度は10%(=100000ppm)程度であるのに対し、酸化触媒が変換する(酸化燃焼させる)炭化水素の量(濃度)は通常、数百ppm程度であり、係る微量の炭化水素を燃焼させる場合に消費される酸素の量(濃度)もせいぜい数百ppm程度に過ぎない。このことはすなわち、空燃比センサもしくは酸素センサを用いて酸化触媒の劣化を診断するには、ppmオーダーの酸素の消費量変化に相当するΔλもしくは起電力差を精度よく算出する必要があることを意味するが、そもそも、空燃比センサおよび酸素センサにおいては、そこまでの測定精度が得られない。
また、特許文献3に開示されているのは、NOを酸化してNOとする酸化触媒について、排気経路に当該酸化触媒の下流側にNOxセンサを配置し、その出力値(起電力値)と、あらかじめ定められたマップとに基づいて、酸化触媒の劣化度合いを判定する手法である。
しかしながら、係る手法によって酸化触媒のNO酸化能力を診断することはできたとしても、係る診断の結果を、未燃炭化水素の変換(酸化燃焼)能力の診断に適用することはできない。なぜならば、貴金属触媒および吸蔵材の機能が各種ガス(例えばHC、CO、NOなど)に対して相異なるために、それぞれのガスにおける排ガス温度と変換率(酸化能力)の関係も異なり、それらの間に明確な相関はないからである。
加えて、エンジン排出直後の排気中のNOx値に推定値を用いていることや、係る推定値の設定に際して、エンジン回転数とエンジン負荷以外の要素を考慮していないことなどから、使用状況によっては推定精度が著しく低くなる可能性も考えられる。
また、特許文献4に開示されているのは、排ガス温度センサとλセンサとをともに酸化触媒の前後に配置し、酸化触媒の正常時におけるHC吸蔵能量の推定値から得られる必要酸素量と、センサの出力値に基づいて演算される、実際に酸化触媒が消費する酸素の量である実酸素消費量の推定値とに基づいて、酸化触媒の劣化度合いを診断する方法である。
しかしながら、係る手法では、あくまで推定値に基づく診断を行っているに過ぎず、各センサからの信号の誤差の影響は免れず、診断精度が低いという問題がある。
また、特許文献5に開示されているのは、ガソリンエンジンのTWCまたはNSCを診断対象とするシステムである。特許文献5には、O過剰な状態であるディーゼル排気中における酸化触媒診断について、何ら開示されてはいない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、酸化触媒の劣化の程度の診断を精度よく行える方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、第1の発明は、内燃機関の排気経路に設けられて前記内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の、劣化の程度を診断する方法であって、前記内燃機関が定常運転状態にある任意のタイミングにおいて、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において検知される前記対象ガスの濃度と、前記タイミングでの前記触媒の温度に対応する前記触媒における酸化もしくは吸着の程度を表す指標値の許容範囲に対応させてあらかじめ定められた、前記タイミングでの前記触媒の温度に対応する前記対象ガスの濃度についての閾値とを比較することにより、前記触媒に許容される程度を越えた劣化が生じているか否かを診断する、ことを特徴とする。
第2の発明は、第1の発明の触媒劣化診断方法であって、前記排気経路での前記触媒の上流側近傍における前記対象ガスの濃度をNuとし、前記排気経路での前記触媒の下流側近傍における前記対象ガスの濃度をNlとするときに、前記触媒において生じる酸化もしくは吸着の程度を、変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nuなる算出式で定義される変換率を指標値として表すものとする場合において、前記触媒において許容される前記変換率の範囲である許容変換率範囲があらかじめ前記触媒の取り得る温度に応じて定められてなるとともに、前記触媒の取り得る温度について、当該温度における前記許容変換率範囲の下限値と、前記内燃機関が定常運転状態にある場合に前記触媒の前記上流側近傍において前記対象ガスが取り得る濃度範囲である上流側ガス濃度範囲の上限値とを、前記算出式に代入することによって算出される前記Nlの値が、前記閾値として定められてなり、前記内燃機関が前記定常運転状態にある前記任意のタイミングで、前記上流側において前記対象ガスを含む前記排ガスの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒から排出されるタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記下流側における前記対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出工程と、前記ガス濃度算出工程において算出した前記下流側における前記対象ガスの濃度と、前記温度測定工程における測定値に基づいて特定される前記触媒の温度と、当該触媒の温度での前記閾値とに基づいて、前記触媒における劣化の程度を診断する診断工程と、を行い、前記診断工程においては、前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値以下である場合に、前記触媒においては許容される程度を越えた劣化は生じていないと診断し、前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値よりも大きい場合に、前記触媒において許容される程度を越えた劣化が生じていると診断する、ことを特徴とする。
第3の発明は、第1の発明の触媒劣化診断方法であって、前記排気経路での前記触媒の上流側近傍における前記対象ガスの濃度をNuとし、前記排気経路での前記触媒の下流側近傍における前記対象ガスの濃度をNlとするときに、前記触媒において生じる酸化もしくは吸着の程度を、変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nuなる算出式で定義される変換率を指標として表すものとする場合において、前記触媒において許容される前記変換率の範囲である許容変換率範囲があらかじめ前記触媒の取り得る温度に応じて定められてなるとともに、前記触媒の取り得る温度について、当該温度における前記許容変換率範囲の下限値と、前記内燃機関が定常運転状態にある場合に前記触媒の前記上流側近傍において前記対象ガスが取り得る濃度範囲である上流側ガス濃度範囲の上限値とを、前記算出式に代入することによって算出される前記Nlの値が、前記閾値として定められてなり、前記内燃機関が前記定常運転状態にある前記任意のタイミングで、前記上流側において前記対象ガスを含む前記排ガスの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒から排出されるタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記下流側における前記対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出工程と、前記ガス濃度算出工程において算出した前記下流側における前記対象ガスの濃度と、前記温度測定工程における測定値に基づいて特定される前記触媒の温度と、当該触媒の温度での前記閾値とに基づいて、前記触媒における劣化の程度を診断する診断工程と、をこの順に繰り返して行い、前記診断工程において、前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値以下となる場合が所定の基準回数以下である場合には、前記触媒においては許容される程度を越えた劣化は生じていないと診断し、前記診断工程において、前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値以下となる場合が所定の基準回数よりも大きい場合には、前記触媒において許容される程度を越えた劣化が生じていると診断する、ことを特徴とする。
第4の発明は、内燃機関の排気経路に設けられて前記内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の、劣化の程度を診断する方法であって、前記内燃機関が定常運転状態にある任意のタイミングにおいて、前記排気経路の前記触媒よりも上流側および下流側のそれぞれにおいて前記対象ガスを検知して前記対象ガスの濃度を算出し、得られた算出結果に基づいて前記触媒における酸化もしくは吸着の程度を表す指標値と、前記タイミングでの前記触媒の温度に対応する前記指標値についての閾値とを比較することにより、前記触媒に許容される程度を越えた劣化が生じているか否かを診断する、ことを特徴とする。
第5の発明は、第4の発明の触媒劣化診断方法であって、前記排気経路での前記触媒の上流側近傍における前記対象ガスの濃度をNuとし、前記排気経路での前記触媒の下流側近傍における前記対象ガスの濃度をNlとするときに、前記触媒において生じる酸化もしくは吸着の程度を、変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nuなる算出式で定義される変換率を前記指標値として表すものとする場合において、前記触媒において許容される前記変換率の範囲である許容変換率範囲があらかじめ前記触媒の取り得る温度に応じて定められてなるとともに、前記触媒の取り得る温度について、当該温度における前記許容変換率範囲の下限値が前記閾値として定められてなり、前記内燃機関が定常運転状態にある前記任意のタイミングで、前記上流側において前記対象ガスを含む前記排ガスの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒に達する直前のタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも上流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記上流側における前記対象ガスの濃度を算出する第1のガス濃度算出工程と、前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒から排出されるタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記下流側における前記対象ガスの濃度を算出する第2のガス濃度算出工程と、前記第1および第2のガス濃度算出工程において算出された前記触媒の上流側および下流側における前記対象ガスの濃度値から前記触媒における変換率を算出する変換率算出工程と、前記変換率算出工程において算出された変換率と、前記温度測定工程における測定値に基づいて特定される前記触媒の温度と、当該触媒の温度での前記閾値とに基づいて、前記触媒における劣化の程度を診断する診断工程と、を行い、前記診断工程においては、前記変換率算出工程において算出された前記変換率が前記閾値以上である場合に、前記触媒においては許容される程度を越えた劣化は生じていないと診断し、前記変換率算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値よりも小さい場合に、前記触媒において許容される程度を越えた劣化が生じていると診断する、ことを特徴とする。
第6の発明は、第1ないし第5の発明のいずれかの触媒劣化診断方法であって、前記対象ガスの検知に、検知電極がPt−Au合金なることで前記検知電極における触媒活性が不能化されてなる混成電位型の炭化水素ガスセンサを用いる、ことを特徴とする。
第1ないし第6の発明によれば、エンジンシステムにおいてディーゼル機関であるエンジン本体部からの排気管の途中に設けられてなり、排ガス中の未燃炭化水素ガスを酸化もしくは吸着させる酸化触媒における、触媒能の劣化の程度を、排気管において酸化触媒の下流側近傍位置に設けた炭化水素ガスセンサによって直接に測定した当該位置における未燃炭化水素ガス濃度に基づいて、リアルタイムにかつ優れた精度で診断することができる。
第1の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1を含んで構成されるディーゼルエンジンシステム1000の概略構成を模式的に示す図である。 HCセンサ100の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 酸化触媒600の温度と変換率との関係を模式的に示す図である。 Fresh品とAged品とを使用した場合について、上流側から未燃炭化水素ガス濃度が略同じ実排気ガス(HC、CO、Oを含有)を試験用ガスとして流したときの、HCセンサ100による出力値を示す図である。 図4に示したHCセンサ100による検出に際し、HCセンサ100よりも下流側においてガス分析計を用いてガス分析を行った結果を示すグラフである。 変換率プロファイルPaの他の例を模式的に示す図である。 酸化触媒600としてAged品を設けたエンジンシステム1000を一定条件で運転している途中で、燃料噴射弁301から極微量の燃料を短時間噴射したときの、HCセンサ100における出力値の変化を、HCセンサ100の近傍に付設したガス分析計における炭化水素ガス濃度の変化と併せて示す図である。 ΔT法を適用するために必要な出力値の変化の様子を示す図である。 Δλ法を適用するために必要な出力値の変化の様子を示す図である。 Passive OBDによる診断の手順の一例を示す図である。 酸化触媒600の温度が温度T2より高い酸化領域にある場合の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率について示す図である。 酸化触媒600の温度が温度T1以下の吸着領域にある場合の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率の場合について示す図である。 Active OBDによる診断の手順の一例を示す図である。 酸化触媒600の温度が酸化領域にある場合の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率について示す図である。 酸化触媒600の温度が吸着領域にある場合の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率の場合について示す図である。 酸化触媒600の温度が200℃のときについて、Fresh品とAged品とを対象にActive OBDによる診断を行ったときの、HCセンサ出力の診断前後における時間変化を例示する図である。 酸化触媒600の温度が150℃のときについて、Fresh品とAged品とを対象にActive OBDによる診断を行ったときの、HCセンサ出力の診断前後における時間変化を例示する図である。 Fresh品とAged品について図16に例示したHCセンサ出力を取得したときの、排ガスGの成分をガス分析計にて分析した結果を示す図である。 第2の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS2を含んで構成されるエンジンシステム2000の概略構成を模式的に示す図である。 酸化触媒診断システムDS2によってPassive OBDを行う場合の手順の一例を示す図である。 酸化触媒600の温度が200℃の場合における、Fresh品でのHCセンサ出力を例示する図である。 酸化触媒600の温度が200℃の場合における、Aged品でのHCセンサ出力を例示する図である。
<第1の実施の形態>
<システムの概要>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1を含んで構成されるディーゼルエンジンシステム(以下、単にエンジンシステムとも称する)1000の概略構成を模式的に示す図である。
酸化触媒診断システムDS1は主として、炭化水素ガスセンサ(以下、HCセンサとも称する)100と、温度センサ110と、エンジンシステム1000全体の動作を制御する制御装置である電子制御装置200とを備える。
エンジンシステム1000は、酸化触媒診断システムDS1のほか、内燃機関の一種たるディーゼル機関であるエンジン本体部300と、エンジン本体部300に燃料を噴射する複数の燃料噴射弁301と、燃料噴射弁301に対し燃料噴射を指示するための燃料噴射指示部400と、エンジン本体部300で生じた排ガス(エンジン排気)Gを外部へと排出する排気経路をなす排気管500と、排気管500の途中に設けられ、排ガスG中の未燃炭化水素ガスを酸化もしくは吸着させる白金やパラジウムなどの酸化触媒600とを、主として備える。なお、本実施の形態においては、相対的な意味において、排気管500においてその一方端側であるエンジン本体部300に近い位置を上流側と称し、エンジン本体部300と反対側に備わる排気口510に近い位置を下流側と称する。
エンジンシステム1000は、典型的には自動車に搭載されるものであり、係る場合において、燃料噴射指示部400はアクセルペダルである。
エンジンシステム1000においては、電子制御装置200が燃料噴射弁301に対し、燃料噴射指示信号sg1を発するようになっている。燃料噴射指示信号sg1は通常、エンジンシステム1000の動作時(運転時)に、燃料噴射指示部400から電子制御装置200に対し与えられる、所定量の燃料の噴射を要求する燃料噴射要求信号sg2に応じて発せられる(例えば、アクセルペダルが踏み込まれて、アクセル開度、吸気酸素量、エンジン回転数およびトルク等の多数のパラメーターを勘案した最適な燃料噴射が要求される)が、これに加えて、酸化触媒診断システムDS1の動作のために、燃料噴射指示信号sg1が発せられる場合もある。
また、エンジン本体部300から電子制御装置200に対しては、エンジン本体部300の内部における種々の状況をモニターするモニター信号sg3が、与えられるようになっている。
なお、エンジンシステム1000において、ディーゼル機関であるエンジン本体部300から排出される排ガスGは、酸素濃度が10%程度であるO(酸素)過剰雰囲気のガスである。係る排ガスGは、具体的には、酸素および未燃炭化水素ガスのほか、窒素酸化物や、すす(黒鉛)などを含んでいる。なお、本明細書において、酸化触媒600における吸着もしくは酸化の処理対象となるガス(対象ガス)である未燃炭化水素ガスには、C、C、n−C8などの典型的な炭化水素ガス(化学式上、炭化水素に分類されるもの)に加えて、一酸化炭素(CO)も含むものとする。また、HCセンサ100は、COを含め、対象ガスを好適に検知できるものである。ただし、CHは除外される。
なお、エンジンシステム1000においては、酸化触媒600以外にも、排気管500の途中に一または複数の他の浄化装置700を備えていてもよい。
酸化触媒診断システムDS1は、酸化触媒600の劣化の程度(より詳細には、酸化触媒600の触媒能の劣化の程度)を診断対象とするものである。酸化触媒600は、上流側から流れてきた排ガスG中の未燃炭化水素ガスを吸着もしくは酸化することで、該未燃炭化水素ガスが排気管500先端の排気口510から流出することを抑制するべく設けられてなるが、その触媒能(具体的には吸着能および酸化能)は経時的に劣化する。係る劣化が生じると、酸化触媒600で捕捉されずに下流側へと流れる未燃炭化水素ガスの量が増えてしまい好ましくない。本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1は、酸化触媒600を通過した未燃炭化水素ガスをHCセンサ100によって検知することで、酸化触媒600の触媒能の劣化の程度を診断するものとなっている。
酸化触媒診断システムDS1は、上述のように、HCセンサ100と、温度センサ110とを含んでなるが、前者は排気管500において酸化触媒600よりも下流側に配設されて当該箇所における未燃炭化水素ガス濃度を検知し、後者は酸化触媒600よりも上流側に配設されて当該箇所における排ガスGの温度(排気温度)を検知する。HCセンサ100と、温度センサ110とはいずれも、一方端部が排気管500内に挿入される態様にて配設されてなる。
概略的には、酸化触媒診断システムDS1においては、電子制御装置200が、HCセンサ100から発せられたHC検知信号sg11と、温度センサ110から発せられた排気温度検知信号sg12とに基づいて、酸化触媒600に劣化が生じているか否かを診断するようになっている。HCセンサ100の構成例および劣化診断の詳細については後述する。一方、温度センサ110については、一般的なエンジンシステムにおいて排気温度の測定に用いられるような、従来公知のものを使用すればよい。
なお、電子制御装置200は、例えばメモリやHDDなどからなる図示しない記憶部を有してなり、係る記憶部には、エンジンシステム1000および酸化触媒診断システムDS1の動作を制御するプログラムの他、後述する酸化触媒600の劣化の程度を診断する際に使用される閾値データなどが記憶されてなる。
<HCセンサの構成例>
図2は、本実施の形態において使用するHCセンサ100の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。図2(a)は、HCセンサ100の主たる構成要素であるセンサ素子101の長手方向に沿った垂直断面図である。また、図2(b)は、図1(a)のA−A’位置におけるセンサ素子101の長手方向に垂直な断面を含む図である。
本実施の形態において使用するHCセンサ100は、いわゆる混成電位型のガスセンサである。HCセンサ100は、概略的にいえば、ジルコニア(ZrO)等の酸素イオン伝導性固体電解質たるセラミックスを主たる構成材料とするセンサ素子101の表面に設けた検知電極10と、該センサ素子101の内部に設けた基準電極20との間に、混成電位の原理に基づいて両電極近傍における測定対象たるガス成分の濃度の相違に起因して電位差が生じることを利用して、被測定ガス中の当該ガス成分の濃度を求めるものである。
なお、被測定ガス中に複数種類の未燃炭化水素ガスが存在する場合は、検知電極10と基準電極20の間に生じる電位差はそれら複数種類の未燃炭化水素ガスの全てが寄与した値となるので、求められる濃度値も、それら複数種類の未燃炭化水素ガスの濃度の総和となる。
また、センサ素子101には、上述した検知電極10および基準電極20に加えて、基準ガス導入層30と、基準ガス導入空間40と、表面保護層50とが主に設けられてなる。
なお、本実施の形態においては、センサ素子101が、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質からなる第1固体電解質層1と、第2固体電解質層2と、第3固体電解質層3と、第4固体電解質層4と、第5固体電解質層5と、第6固体電解質層6との6つの層を、図面視で下側からこの順に積層した構造を有し、かつ、主としてそれらの層間あるいは素子外周面に他の構成要素を設けてなるものとする。なお、それら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
以下の説明においては、便宜上、図面視で第6固体電解質層6の上側に位置する面をセンサ素子101の表面Saと称し、第1固体電解質層1の下側に位置する面をセンサ素子101の裏面Sbと称する。また、HCセンサ100を使用して被測定ガス中の未燃炭化水素ガスの濃度を求める際には、センサ素子101の一方端部である先端部E1から少なくとも検知電極10を含む所定の範囲が、被測定ガス雰囲気中に配置され、他方端部である基端部E2を含むその他の部分は、被測定ガス雰囲気と接触しないように配置される。
検知電極10は、被測定ガスを検知するための電極である。検知電極10は、Auを所定の比率で含むPt、つまりはPt−Au合金と、ジルコニアとの多孔質サーメット電極として形成されてなる。係る検知電極10は、センサ素子101の表面Saであって、長手方向の一方端部たる先端部E1寄りの位置に平面視略矩形状に設けられてなる。
また、検知電極10は、その構成材料たるPt−Au合金の組成を好適に定めることによって未燃炭化水素ガスに対する触媒活性が不能化されてなる。つまりは、検知電極10での未燃炭化水素ガスの分解反応を抑制させられてなる。これにより、HCセンサ100においては、検知電極10の電位が、当該未燃炭化水素ガスに対して選択的に、その濃度に応じて変動する(相関を有する)ようになっている。換言すれば、検知電極10は、未燃炭化水素ガスに対しては、電位の濃度依存性が高い一方で、他の被測定ガスの成分に対しては電位の濃度依存性が小さいという特性を有するように、設けられてなる。これは、検知電極10の導電性成分(貴金属成分)として、主成分である白金(Pt)に加えて金(Au)を含有させることで実現される。
具体的には、検知電極10におけるAuの存在比(Au存在比)が0.3以上となるように、検知電極10を形成する。係る態様にて検知電極10が形成されてなることで、HCセンサ100においては、検知電極10を基準電極20と同様にPtとジルコニアとのサーメット電極として形成する場合に比して、検出感度が高められてなる。これにより、HCセンサ100においては、上述したようにエンジン本体部300で生じる酸素過剰雰囲気の排ガスGに含まれる未燃炭化水素ガスが検知対象である場合においても、該未燃炭化水素ガスを良好な検出感度で検出できるようになっている。
なお、本明細書において、Au存在比とは、検知電極10を構成する貴金属粒子の表面のうち、Ptが露出している部分に対する、Auが被覆している部分の面積比率を意味している。Ptが露出している部分の面積と、Auによって被覆されてなる部分の面積が等しいときに、Au存在比は1となる。本明細書においては、XPS(X線光電子分光法)により得られるAuとPtとについての検出ピークのピーク強度から、相対感度係数法を用いてAu存在比を算出するものとする。
なお、Au存在比が0.3以上である場合、検知電極10においては、検知電極10を構成する貴金属粒子の表面にAuが濃化した状態となっている。より詳細には、PtリッチなPt−Au合金粒子の表面近傍に、AuリッチなPt−Au合金が形成された状態となっている。係る状態が実現されてなる場合に、検知電極10における触媒活性が好適に不能化され、検知電極10の電位の未燃炭化水素ガス濃度依存性が高められる。
なお、検知電極10における貴金属成分とジルコニアとの体積比率は、5:5から8:2程度であればよい。
また、HCセンサ100がその機能を好適に発現するには、検知電極10の気孔率が10%以上30%以下であり、検知電極10の厚みは、5μm以上であることが好ましい。特に、気孔率が15%以上25%以下であり、厚みが25μm以上45μm以下であることがより好ましい。
また、検知電極10の平面サイズは適宜に定められてよいが、例えば、センサ素子長手方向の長さが0.2mm〜10mm程度で、これに垂直な方向の長さが1mm〜5mm程度であればよい。
基準電極20は、センサ素子101の内部に設けられた、被測定ガスの濃度を求める際に基準となる平面視略矩形状の電極である。基準電極20は、Ptとジルコニアとの多孔質サーメット電極として形成されてなる。
基準電極20は、気孔率が10%以上30%以下であり、厚みが5μm以上15μm以下であるように形成されればよい。また、基準電極20の平面サイズは、図2に例示するように検知電極10に比して小さくてもよいし、検知電極10と同程度でもよい。
基準ガス導入層30は、センサ素子101の内部において基準電極20を覆うように設けられた、多孔質のアルミナからなる層であり、基準ガス導入空間40は、センサ素子101の基端部E2側に設けられた内部空間である。基準ガス導入空間40には、未燃炭化水素ガス濃度を求める際の基準ガスとしての大気(酸素)が外部より導入される。
これら基準ガス導入空間40と基準ガス導入層30は互いに連通しているので、HCセンサ100が使用される際には基準ガス導入空間40および基準ガス導入層30を通じて基準電極20の周囲が絶えず大気(酸素)で満たされるようになっている。それゆえ、HCセンサ100の使用時、基準電極20は、常に一定の電位を有してなる。
なお、基準ガス導入空間40および基準ガス導入層30は周囲の固体電解質によって被測定ガスと接触しないようになっているので、検知電極10が被測定ガスに曝されている状態であっても、基準電極20が被測定ガスと接触することはない。
図2に例示する場合であれば、センサ素子101の基端部E2の側において第5固体電解質層5の一部が外部と連通する空間とされる態様にて基準ガス導入空間40が設けられてなる。また、第5固体電解質層5と第6固体電解質層6との間においてセンサ素子101の長手方向に延在させる態様にて基準ガス導入層30が設けられてなる。そして、センサ素子101の重心の図面視下方の位置に、基準電極20が設けられてなる。
表面保護層50は、センサ素子101の表面Saにおいて少なくとも検知電極10を被覆する態様にて設けられた、アルミナからなる多孔質層である。表面保護層50は、HCセンサ100の使用時に被測定ガスに連続的に曝されることによる検知電極10の劣化を抑制する電極保護層として設けられてなる。図2に例示する場合においては、表面保護層50は、検知電極10のみならず、センサ素子101の表面Saのうち先端部E1から所定の範囲を除くほぼ全ての部分を覆う態様にて設けられてなる。
また、図2(b)に示すように、HCセンサ100においては、検知電極10と基準電極20との間の電位差を測定可能な電位差計60が備わっている。なお、図2(b)においては検知電極10および基準電極20と電位差計60との間の配線を簡略化して示しているが、実際のセンサ素子101においては、基端部E2側の表面Saもしくは裏面Sbに図示しない接続端子がそれぞれの電極に対応させて設けられてなるとともに、それぞれの電極と対応する接続端子とを結ぶ図示しない配線パターンが表面Saおよび素子内部に形成されてなる。そして、検知電極10および基準電極20と電位差計60とは配線パターンおよび接続端子を通じて電気的に接続されてなる。本実施の形態においては、電位差計60で測定される検知電極10と基準電極20との間の電位差がHC検知信号sg11となる。なお、係る電位差をHCセンサ出力とも称する。
さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75とを備えている。
ヒータ電極71は、センサ素子101の裏面Sb(図2においては第1固体電解質層1の下面)に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極71を図示しない外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。
ヒータ72は、センサ素子101の内部に設けられた電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
図2に例示する場合であれば、ヒータ72は第2固体電解質層2と第3固体電解質層3とに上下から挟まれた態様にて、かつ、基端部E2から先端部E1近傍の検知電極10の下方の位置に渡って埋設されてなる。これにより、センサ素子101全体を固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2固体電解質層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3固体電解質層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
圧力放散孔75は、第3固体電解質層3を貫通し、基準ガス導入空間40に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
以上のような構成を有するHCセンサ100を用いて被測定ガスたるエンジン本体部300からの排ガスGにおける未燃炭化水素ガス濃度を求める際には、上述したように、センサ素子101のうち先端部E1から少なくとも検知電極10を含む所定の範囲のみを、エンジンシステム1000の排気管500内に配置する一方で、基端部E2の側は当該空間とは隔絶させて配置し、基準ガス導入空間40に対し大気(酸素)を供給する。また、ヒータ72によりセンサ素子101を適宜の温度300℃〜800℃に、好ましくは400℃〜700℃、より好ましくは400℃〜600℃に加熱する。
係る状態においては、被測定ガス(排ガスG)に曝されてなる検知電極10と大気中に配置されてなる基準電極20との間に電位差が生じる。ただし、上述のように、大気(酸素濃度一定)雰囲気下に配置されてなる基準電極20の電位は一定に保たれている一方で、検知電極10の電位は、被測定ガス(排ガスG)中の未燃炭化水素ガスに対して選択的に濃度依存性を有するものとなっているので、その電位差(HCセンサ出力)は実質的に、検知電極10の周囲に存在する被測定ガスの濃度に応じた値となる。それゆえ、未燃炭化水素ガス濃度と、センサ出力との間には一定の関数関係(これを感度特性と称する)が成り立つ。
そこで、酸化触媒診断システムDS1においては、係る関数関係が成り立つという前提のもと、HCセンサ100からの出力であるHC検知信号sg11を用いて、酸化触媒600の劣化診断を行うようになっている。
すなわち、あらかじめそれぞれの未燃炭化水素ガス濃度が既知である、相異なる複数の混合ガスを被測定ガスとしてセンサ出力を測定することで、感度特性を実験的に特定し、電子制御装置200に記憶させておく。そして、被測定ガス中の未燃炭化水素ガスの濃度に応じて時々刻々変化するHCセンサ出力を、電子制御装置200において感度特性に基づき未燃炭化水素ガス濃度に換算することによって、酸化触媒600の下流側における未燃炭化水素ガス濃度をほぼリアルタイムで求めることができる。電子制御装置200においては、係る未燃炭化水素ガス濃度に基づいて、酸化触媒600の劣化の程度が診断される。
あるいは、未燃炭化水素ガス濃度への換算を省略し、HC検知信号sg11として与えられたHCセンサ出力値(電位差値)そのものを劣化診断に用いる態様であってもよい。
<酸化触媒の特性と劣化診断の基本的考え方>
次に、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1による劣化診断の対象たる酸化触媒600の特性と、劣化診断の基本的な考え方について説明する。
初めに、酸化触媒600の特性について説明する。図3は、酸化触媒600の温度(触媒温度)と変換率との関係(変換率プロファイル)を模式的に示す図である。図3においては、使用初期(未使用もしくは使用を開始したばかりの)の酸化触媒600(Fresh品もしくは単にFreshとも称する)の変換率プロファイルPfと、一定期間使用された酸化触媒600(Aged品もしくは単にAgedとも称する)の変換率プロファイルPaとを模式的に示している。
なお、変換率とは、酸化触媒600における触媒能の指標となる値であり、酸化触媒600の上流側近傍における未燃炭化水素ガスの濃度を上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuとし、下流側近傍における未燃炭化水素ガスの濃度を下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとするときに、以下の(式1)で定義される。
変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nu・・・・・(式1)
すなわち、変換率は、酸化触媒600の上流側から流入した未燃炭化水素ガスのうち、酸化触媒600から下流側へと流出しなかったものの比率を表す。変換率が高い酸化触媒600ほど、優れた触媒能を有しているということになる。
より具体的には、ある温度T1(おおよそ150℃)以下の温度範囲(図3における吸着領域)では、酸化触媒600は専ら未燃炭化水素ガスを吸着させる作用(吸着能)を有しており、ある温度T2(通常は150℃と200℃の間)以上の温度範囲(図3における酸化領域)において、本来の機能である未燃炭化水素ガスを酸化させる能力(酸化能)を好適に発揮するものとなっている。そして、温度T1と温度T2の間の温度範囲(図3における中間領域)では、温度が高くなるほど吸着能が弱まり酸化能が強まるものとなっている。それゆえ、変換率は、上流側から酸化触媒600に流入した未燃炭化水素ガスのうち、酸化触媒600において吸着または酸化される割合を表す値ということになる。
図3に示すように、Fresh品の変換率プロファイルPfは通常、酸化領域において最も変換率が高く(概ね90%程度)、吸着領域における変換率は酸化領域よりも小さくなっている。しかも、吸着領域の上限温度T1(おおよそ150℃)において変換率は最小となり、中間領域においては温度が高いほど変換率が高くなる傾向がある。
ただし、酸化触媒600の温度は、エンジン本体部300から排出され排気管500を通じて流入する排ガスGの温度(排気温度)によって時々刻々と代わり得るものであり、それゆえ、実際の変換率も、時々刻々と変化するものとなっている。
Fresh品の時は高い変換率を有していた酸化触媒600も、使用を継続していくとやがて劣化していく。すなわち、使用を継続してAged品となるにつれ、酸化触媒600の変換率は温度によらず低下する。Aged品の変換率プロファイルPaは、吸着領域と酸化領域の間における変換率の大小関係についてはFresh品の変換率プロファイルPfと概ね同じであるものの、同じ温度でみれば変換率が変換率プロファイルPfよりも低下したものとなる。
このように酸化触媒600の使用を継続した結果として、所定のレベルを超えて変換率が低下してしまうと、酸化触媒600が本来意図された機能を発揮し得ないものとなる。例えば、エンジンシステム1000が自動車に搭載されるものであれば、当該自動車が環境基準を満たさなくなるなどの不具合が生じる。本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1は、所定の基準に基づいて、Aged品たる酸化触媒600に問題となる程度(交換する必要がある、など)に劣化が生じているか否かを診断することで、エンジンシステム1000におけるAged品からFresh品への酸化触媒600の交換をタイムリーに行えるようにするものである。
概念的には、図3に示すような、変換率の閾値を温度ごとに定めた閾値プロファイルTに相当するデータ(閾値データ)をあらかじめ用意し、酸化触媒診断システムDS1を構成する電子制御装置200に記憶させておいたうえで、診断対象たる酸化触媒600について温度および変換率を求めるようにすれば、得られた変換率が当該温度における係る閾値よりも小さい場合に、当該酸化触媒600は劣化している、と診断することが可能である。
ただし、変換率を実際に算出するためには、酸化触媒600の上下流側の双方における未燃炭化水素ガスの濃度を求める必要があるところ、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1は、酸化触媒600の上流側にはHCセンサを備えていない。本実施の形態においては、酸化触媒600の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuがある一定の範囲にあることを利用し、酸化触媒600の下流側に設けたHCセンサ100における出力値(HC検知信号sg11)に基づいて求められる下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlと、上流側に設けた温度センサ110からの排気温度検知信号sg12によって特定される酸化触媒600の温度と、あらかじめ当該温度に応じて定められたうえで電子制御装置200の記憶部に記憶されてなる下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlについての閾値データとに基づいて、酸化触媒600の劣化の程度を診断するようになっている。すなわち、酸化触媒600を経た排ガスGにおける未燃炭化水素ガスの濃度を直接の診断対象として劣化診断を行うようになっている。具体的な診断の内容については後述する。
図4は、同じディーゼルエンジンシステム1000にFresh品である酸化触媒600を使用した場合とAged品である酸化触媒600を使用した場合の双方について、上流側から未燃炭化水素ガス濃度が略同じ実排気ガス(HC、CO、Oを含有)を試験用ガスとして流したときの、HCセンサ100による出力値を示す図である。なお、酸化触媒600の温度は200℃としている。図4に示すように、Fresh品では出力がほぼ0mVに近いのに対して、Aged品では200mVという出力が得られている。係る結果は、Fresh品においては未燃炭化水素ガスがほぼ全て酸化されたのに対して、Agde品においては未燃炭化水素ガスの酸化が完全にはなされずに残り、そのまま排出されたことを意味している。
また、図5は、図4に示したHCセンサ100による検出に際し、HCセンサ100よりも下流側においてガス分析計を用いてガス分析を行った結果を示すグラフである。なお、図5の左縦軸の「THC」とは、COを除く炭化水素ガス(典型的な炭化水素ガス)のトータルという意味である(以降の図においても同様)。図5からは、THCおよびCOについてそれぞれ、Aged品における測定濃度値がFresh品における測定濃度値に比して、ΔHCおよびΔCOだけ大きいことが確認される。上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuは一定であるので、図4および図5に示す結果は、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1を用いた場合には、Aged品において酸化触媒600における変換率に劣化が生じていることを、HCセンサ100による排ガスG中の未燃炭化水素ガスに対する直接測定の結果に基づいて検知できることを示唆している。具体的な診断手法の詳細については後述する。
なお、Fresh品の方が未燃炭化水素ガスが多く酸化されているために、厳密にいえば酸素濃度についてはFresh品の方が大きくなるはずであるが、図5においてはFreshの場合とAged品の場合とでほとんど差異がない。これは、酸化によって発生する酸素の濃度(ppmオーダー)が、上流側より流入させた試験用ガスにもともと存在する酸素の濃度(%オーダー)に比して十分に小さいためである。
また、図3に示したAged品の変換率プロファイルPaは、全ての温度において変換率プロファイルPfにおける値よりも略一定値だけ小さい値をとるものとなっているが、これはあくまで例示である。図6は、変換率プロファイルPaの他の例を模式的に示す図である。すなわち、Aged品については、その変換率プロファイルPaが、図6(a)に示すように酸化領域に比して吸着領域における劣化の程度が大きいものとなることや、その逆に、図6(b)に示すように吸着領域に比して酸化領域における劣化の程度が大きいものとなることもある。それゆえ、図6(a)に示す場合であれば、温度T1以下の温度域において生じている劣化をタイムリーに検知することが好ましく、図6(b)に示す場合であれば、温度T2以上の温度域において生じている劣化をタイムリーに検知することが好ましい。
<他手法との対比>
次に、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1において行う、HCセンサ100による排ガスG中の未燃炭化水素ガスを直接測定する手法が奏する、他の酸化触媒診断手法に対する有利な効果について説明する。
図7は、酸化触媒600としてAged品を設けたエンジンシステム1000を一定条件で運転している途中で、燃料噴射弁301から極微量の燃料を短時間噴射したときの、HCセンサ100における出力値の変化を、HCセンサ100の近傍に付設したガス分析計における炭化水素ガス濃度の変化と併せて示す図である。なお、図7の右縦軸の単位の「ppmc」とは、炭素原子を基準とした炭化水素ガス濃度をppmなる単位で表していることを示すものである。
係る極微量の燃料噴射を行うと、エンジン本体部300の運転に伴って定常的に排出される排ガスGに加えて、噴射された燃料がエンジン本体部300の内部で気化されて重畳的に排気管500へと排出されるので、瞬間的には定常状態よりも高い濃度で未燃炭化水素ガスが酸化触媒600へと送られることになる。なお、より詳細には、燃料の噴射は、エンジン回転数が2500rpmでトルクが20Nmであるエンジンシステム1000において、ポスト噴射にて、遅れ角88°、噴射量1mg/1ストローク、噴射時間6秒という条件で行った。なお、温度センサ110の出力値から特定される酸化触媒600の温度は200℃であった。
図7からは、HCセンサ100の出力プロファイルおよびガス分析計の出力プロファイルの双方に燃料噴射に対応したピークがみられるとともに、両者のプロファイル形状が時間軸に対してほぼ一致していることがわかる。このことは、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1が、未燃炭化水素ガスの濃度変動に対する応答性に優れているものであって、未燃炭化水素ガスを優れた精度でかつリアルタイムに検出できることを、指し示しており、ひいては、酸化触媒600の劣化診断を迅速に行い得るものであることを、意味している。
一方、図8および図9はそれぞれ、比較のために示す、図7に示した結果と同じ条件のもとで得た、ΔT法およびΔλ法を適用するために必要な出力値の変化の様子を示す図である。
図8に示す結果は、温度センサ110によって酸化触媒600の上流側の温度を測定するとともに、酸化触媒600の下流側にも別個の温度センサを評価用に付設して該下流側での温度を測定することで、得られたものである。図8からは、上下流双方において燃料噴射に応じた温度上昇が生じたことが検知されてなるが、ピーク位置には配置位置の相違に起因した不可避的なずれが生じているほか、下流側の方が時間軸に対してピークがブロードであった。また、温度ピークの差はほとんどなかった。なお、図示は省略するが、燃料噴射量を大きくした場合にようやく、2つのピークの温度値に違いが確認された。
係る結果からは、ΔT法に比べ、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1によって行う診断手法の方が、測定精度および診断の迅速性において優れているということができる。
また、図9に示す結果は、酸化触媒600の上下流側のそれぞれにλセンサを評価用に付設するとともに、図7に示す測定に用いたガス分析計についても酸化触媒600の上下流側のそれぞれに付設し、それらλセンサおよびガス分析計による測定することで、得られたものである。図9に示す4つのプロファイルのうち、上下流のガス分析計の出力プロファイルを対比すると、燃料噴射に伴う酸素濃度の減少分が下流側の方が大きいことから、酸化触媒600における未燃炭化水素ガスの酸化によって酸素の減少が生じていたことは確認される。ところが、上下流のλセンサの出力プロファイルを対比すると、燃料噴射に伴うλ値の減少の度合いには相違がない。λセンサは未燃炭化水素と酸素が燃焼した後の残留酸素濃度を測定するので、原理上、上下流のλセンサで出力差は発生しない。
係る結果は、2つのλセンサによっては、酸化触媒600における未燃炭化水素ガスの酸化による酸素の減少が、捉えられていないことを指し示している。このことは、つまり、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1は、Δλ法によっては行い得ない酸化触媒600の劣化の程度の診断を実現可能なものであるということを意味する。
<具体的診断手法−Passive OBDとActive OBD>
続いて、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1において行う酸化触媒600の劣化の程度の診断の具体的な手法について説明する。本実施の形態において行う診断手法は、Passive OBDとActive OBDとの2つに大別され、目的に応じて適宜に使い分けられ、あるいは、併用される。
本実施の形態において、Passive OBDとは、概略的にいえば、通常運転中のエンジン本体部300が排気管500を通じて排ガスGを連続的に排出している状態をそのまま利用して、診断を行う手法である。それゆえ、Passive OBDにおいて診断に利用される未燃炭化水素ガスは、係る排ガスGに含まれているもののみである。
Passive OBDは、エンジン本体部300が通常の運転状態にある限りにおいて、任意のタイミングで行い得る。あるいは、特段の実行指示を与えずとも、酸化触媒診断システムDS1が自動で断続的にもしくは連続的に行う態様であってもよい。ただし、HCセンサ100による検知対象たる未燃炭化水素ガスの濃度が、エンジン本体部300から排出された排ガスG中における濃度を超えることはないため、特に、Aged品でも比較的変換率が高い酸化領域においては、その検出量が小さくなる傾向がある。場合によってはこの点が診断精度に影響することがある。
一方、本実施の形態において、Active OBDとは、概略的にいえば、エンジン本体部300の運転中に意図的に極微量かつ短時間の燃料噴射を生じさせることによって診断用の炭化水素ガスを生じさせ、これによって形成された当該診断用の炭化水素ガス雰囲気を対象に、診断を行う手法である。すなわち、Active OBDにおいて診断に利用される炭化水素ガス雰囲気は、通常の排ガスGに含まれる未燃炭化水素ガスに、係る診断用の炭化水素ガスを重畳させたものである。ただし、以降の説明においては、便宜上、診断用の炭化水素ガスについても未燃炭化水素ガスと称することがある。Active OBDを行うと、たとえ酸化触媒600が変換率の高いFresh品であったとしても、Passive OBDに比してHCセンサ100における未燃炭化水素ガスの検出量は大きくなるので、より確実に診断を行うことが可能となる。
なお、Active OBDでは意図的に燃料噴射を行うために、エンジンシステム1000における燃費確保という点からは一見マイナスであるようにも見受けられるが、後述するように、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1において行う燃料噴射の総量は、エンジンシステム1000において他の目的で行われる燃料噴射や、他の診断手法を実施する際の燃料噴射の場合に比して十分に小さく、燃費への影響は最小限に留まる。
<Passive OBDの手順例>
図10は、Passive OBDによる診断の手順の一例を示す図である。Passive OBDによる診断は、まず、温度センサ110によって酸化触媒600の上流側近傍における排ガスGの温度(排気温度)を確認することから始まる(ステップS1)。より詳細には、電子制御装置200が温度センサ110から発せられる排気温度検知信号sg12を取得することにより、排気温度が特定される。係る排気温度は、その時点における酸化触媒600の温度とみなされる。
続いて、電子制御装置200が、あらかじめその記憶部に記憶されてなるPassive OBD用の閾値データから、係る排気温度に対応したPassive OBD用の未燃炭化水素ガス濃度の閾値を呼び出す(ステップS2)。閾値は、酸化触媒600の取り得る温度範囲(概ね−40℃〜1000℃)内の全ての温度においてあらかじめ定められてなる。閾値の与え方には特段の制限はないことから、酸化触媒600の温度(排気温度)の連続関数として与えられる態様であってもよいし、温度範囲ごとに固定値として与えられる態様であってもよい。
そして、HCセンサ100において、酸化触媒600の下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlを測定する(ステップS3)。より詳細には、温度センサ110によって温度が測定された排ガスGが酸化触媒600に達し、内部において未燃炭化水素ガスの吸着もしくは酸化が生じた後、その残りが下流側へと排出されたタイミングで、HCセンサ100において検知電極10と基準電極20との間に生じている電位差(HCセンサ出力)を、電子制御装置200がHC検知信号sg11として取得し、その電位差値とあらかじめ特定されてなるHCセンサ100の感度特性とに基づいて、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlを算出する。
なお、温度センサ110による排気温度の確認と、HCセンサ100による下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定とは、並行して行われる態様であってもよい。
下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定と閾値の呼び出しとがなされると、電子制御装置200は測定値と閾値とを比較し(ステップS4)、前者の方が大きい場合(ステップS4でYES)、酸化触媒600には問題となる程度(交換する必要がある、など)に劣化が生じている(NGである)と診断し(ステップS5)、後者の方が大きい場合(ステップS4でNO)は、そのような劣化は生じてはいない(OKである)と診断する(ステップS6)。
NGと診断されたか、OKと診断されたかによらず、診断の終了後さらに診断を繰り返す場合(ステップS7でYES)は、再び、温度センサ110による排気温度の確認から処理を繰り返す。そうでない場合は、そのまま診断を終了する(ステップS7でNO)。
<Passive OBDによる診断の詳細>
図10に示した手順によって酸化触媒600の劣化の程度を診断できる理由を、特に、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定値と閾値との比較によって診断が行える理由を、図11および図12に基づいて説明する。
まず、図11は、酸化触媒600の温度が温度T2より高い酸化領域にある場合(以下、当該温度をTaとする)の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率について示す図である。例えば、Ta=200℃である。
一方、図12は、酸化触媒600の温度が温度T1以下の吸着領域にある場合(以下、当該温度をTbとする)の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率の場合について示す図である。例えば、Tb=150℃である。
変換率は、上述した(式1)にて定義されることから、図11および図12のように横軸に上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuを取り、縦軸に下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlを取った場合、変換率は直線の傾きの関数となる。具体的には、酸化触媒600の変換率が高いほど、直線の傾きが小さいという関係にある。なお、図11および図12においては上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuを上流HC濃度と記載し、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlを下流HC濃度と記載している(図14、および図15においても同様)。
なお、本実施の形態においては、酸化触媒600に問題となるような劣化が生じていないものと規定される(許容される)変換率の範囲を、許容変換率範囲と称する。許容変換率範囲は酸化触媒600の状態を踏まえて、任意に定め得るが、通常、上限は100%であるので、実質的には、下限値のみが任意に定められる。
温度Taでの例を示す図11においては、変換率が90%、70%、20%である場合の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの関係についてそれぞれ、細実線、破線、太実線にて示している。なお、温度Taの場合においては、変換率が90%であるものがFresh品であるとする。例えば、変換率90%のFresh品の場合であれば、酸化触媒600の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuが1000ppmであるときに酸化触媒600の下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlは100ppmとなる。
一方、温度Tbでの例を示す図12においては、変換率が50%、30%、10%である場合の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの関係についてそれぞれ、細実線、破線、太実線にて示している。なお、温度Tbの場合においては、変換率が50%であるものがFresh品であるとする。ちなみに、上述したように、吸着領域における変換率は通常、酸化領域における変換率よりも小さい。
また、上述したように、本実施の形態においては、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuは、エンジン本体部300の運転状況によって絶えず変動するものの、概ね所定の濃度範囲内で変動することが経験的にわかっている。図11および図12においては、400ppm以上1000ppm以下の範囲が、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの変動範囲(以下、上流HC濃度変動範囲と称する)R1であるとする。このことは、本実施の形態においては測定を行わないためにPassive OBDによる診断がなされる際の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの具体的な値は特定されないものの、当該濃度値は必ず上流HC濃度変動範囲R1の範囲内の値であるとみなせるということを意味する。
いま、図11に示す温度Taの場合において、変換率が70%以上であれば当該酸化触媒600には問題となるような劣化が生じていないものと規定する。この場合、70%以上という範囲が許容変換率範囲ということになる。係る許容変換率範囲を満たす酸化触媒600についての下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定値は、300ppm以下となる。なぜならば、変換率が70%以上の場合、図11において(式1)に相当する直線の傾きは必ず、(1000、300)なる点を通る変換率70%のときの直線の傾きよりも小さくなるからである。
このことはすなわち、HCセンサ100による下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定値と比較される閾値を300ppmと定めておけば、実際の変換率が70%以上という許容変換率範囲にある酸化触媒600は全て確実に、Passive OBDにおいてはOKと診断されるということを意味する。
なお、係る温度Taの場合においては、閾値が300ppmと定められてなることで、実際の変換率が20%未満の酸化触媒600においては、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuが上流HC濃度変動範囲R1内のどの値であろうと、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値は300ppmより大きくなる。このことはすなわち、閾値が300ppmと定められた場合、実際の変換率が20%未満の酸化触媒600については、全て確実に、Passive OBDにおいてNGと診断されることを意味する。
一方、図12に示す温度Tbの場合においては、酸化触媒600の温度が吸着領域にあることに鑑みて、30%以上という変換率の範囲が許容変換率範囲とされ、閾値が温度Taの場合よりも高い700ppmとされてなる。係る場合においても、変換率が30%以上という許容変換率範囲をみたす限りにおいては、酸化触媒600には問題となるような劣化は生じてはおらず、確実にOKと診断されることになる。
ただし、係る温度Tbの場合においては、仮に酸化触媒600の変換率が0%であってもOKと診断されることがあり得る。なぜならば、変換率が0%の場合、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの取り得る値は上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと同じ400ppm以上1000ppm以下となるため、閾値の700ppmより小さくなることがあるからである。それゆえ、温度Taの場合とは異なり、確実にNGと診断されるような状況は生じない。
これらに対し、例えば、図11において二点鎖線で示す直線Lのように、温度Taでの酸化触媒600の実際の変換率が20%以上70%未満である場合、Passive OBDにおいてNGと診断されるかOKと診断されるかは、値としては不明な診断時の実際の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuに依存する。より詳細には、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が300ppmとなる場合を境に、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が400ppmに近い場合には、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が300ppm未満となる(直線Lにおいて300ppm未満の範囲となる)ためにOKと診断され、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が1000ppmに近い場合には、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が300ppm以上となる(直線Lにおいて300ppm以上の範囲となる)ためにNGと診断されることになる。
同様に、温度Tbでの変換率が0%以上30%未満の場合は、Passive OBDにおいてNGと診断されるかOKと診断されるかは、診断時の実際の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値に依存する。より詳細には、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が700ppmとなる場合を境に、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が400ppmに近い場合には、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が700ppm未満となる(直線Lにおいて700ppm未満の範囲となる)ためにOKと診断され、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が1000ppmに近い場合には、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が700ppm以上となる(直線Lにおいて700ppm以上の範囲となる)ためにNGと診断されることになる。
これらは、酸化触媒600の実際の変換率が、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlについて閾値を定める際の基準となっている許容変換率範囲の下限値(温度Taの場合であれば70%、温度Tbの場合であれば30%)よりも小さいにもかかわらず、当該酸化触媒600についてOKと診断されることが起こり得ることを意味する。しかしながら、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値は上流HC濃度変動範囲R1の範囲内で任意に変動するところ、実際の変換率が小さいほど、上流HC濃度変動範囲R1においてNGと診断される濃度範囲は大きいことから、NGと診断される確率も大きいものと推定される。すなわち、OKと誤診断される頻度が高いのは、実際の変換率が閾値を定める際の基準値である許容変換率範囲の下限値に近い場合であると考えられる。このことは、Passive OBDによる診断を行う際の閾値は、任意に定め得る許容変換率範囲に応じて定まるものであるところ、あらかじめ下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの閾値を小さめに(つまりは閾値を与える変換率を大きめに)設定しておけば、つまりは閾値を安全サイドに設定しておけば、多少の誤診断が生じたとしても、実使用上の問題は小さいということを、示唆している。
あるいは、たとえ一度の診断でたまたまOKと誤診断されてしまうことがあったとしても、必要に応じて繰り返しの診断を行うようにすれば、劣化が進んで実際の変換率が小さい酸化触媒600ほど、NGと診断される頻度(確率)は大きくなると考えられる。それゆえ、図10の手順において繰り返しの診断を行うことを選択するとともに、診断を行うたびにその結果を電子制御装置200の図示しない記憶部に蓄積し、係る蓄積結果に基づいて酸化触媒600の劣化の程度を判断するようにすることで、実使用上の検出精度を高める対応も考えられる。例えば、所定の診断回数のうち、NGと診断される頻度がある基準回数以下である場合には、酸化触媒600には問題となる劣化は生じていないと診断し、ある基準回数を上回る場合には酸化触媒600には問題となる劣化は生じていると診断する態様であってもよい。なお、繰り返しの診断を行う場合は、診断の都度、酸化触媒600の温度は変動し得るので、用いられる閾値も、診断の都度異なり得ることになる。
もしくは、Fresh品の段階から断続的に(経時的に)診断を行うようにすれば、当初は連続してOKと診断されるもののやがてはNGと診断される場合が起こるものと考えられ、そのタイミングに多少の先後が生じることはあるにせよ、酸化触媒600の劣化の発生を捉えることができる。
以上のことは、本実施の形態において行うPassive OBDによる診断のように、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlに対してのみ閾値を設定する態様であっても、求められる診断精度に照らして実用上十分な精度で、酸化触媒600の劣化の程度について診断を行うことが可能であることを意味する。
<Active OBDの手順例>
図13は、Active OBDによる診断の手順の一例を示す図である。Active OBDによる診断は、まず、Passive OBDと同様、温度センサ110によって酸化触媒600の上流側近傍における排ガスGの温度(排気温度)を確認することから始まる(ステップS11)。より詳細には、電子制御装置200が温度センサ110から発せられる排気温度検知信号sg12を取得することにより、排気温度が特定される。係る排気温度は、その時点における酸化触媒600の温度とみなされる。
続いて、電子制御装置200が、あらかじめその記憶部に記憶されてなるActive OBD用の閾値データから、係る排気温度に対応したActive OBD用の未燃炭化水素ガス濃度の閾値を呼び出す(ステップS12)。Active OBDの場合も、閾値は、酸化触媒600の取り得る温度範囲(概ね−40℃〜1000℃)内の全ての温度においてあらかじめ定められてなる。閾値の与え方には特段の制限はないことから、酸化触媒600の温度(排気温度)の連続関数として与えられる態様であってもよいし、温度範囲ごとに固定値として与えられる態様であってもよい。
次に、電子制御装置200が燃料噴射弁301に対し、燃料噴射指示信号sg1を発することによって、燃料噴射弁301から極微量かつ短時間の燃料噴射を生じさせる(ステップS13)。より詳細には、係る燃料噴射は、エンジン本体部300のエンジンサイクルにおけるポスト噴射のタイミングで行う。また、単位噴射量は1〜3(mg/injection)であることが好ましく、噴射時間は、1〜6(sec)であることが好ましく、総噴射量は、15〜130(mg)であることが好ましい。特に、総噴射量が50〜65(mg)であることが好ましい。係る場合、燃料噴射量を抑えつつ、Active OBDによる診断を好適に行うことが可能となる。なお、総噴射量は以下の(式2)により算出される。
総噴射量(mg)=単位噴射量(mg/injection)×噴射時間(sec)
×エンジン回転数(rpm)/120・・・・・・・(式2)
また、表1に、総噴射量の主な例を示す。
表1に示すように、排気温度がおおよそ150℃となるエンジン回転数が2000(rpm)の場合、および、排気温度がおおよそ200℃となるエンジン回転数が2500(rpm)の場合であれば、ともに、単位噴射量が3(mg/injection)で噴射時間が1(sec)の場合に総噴射量は50〜65(mg)の範囲内の値となる。
なお、表1には比較のため、自動車の排気管に通常取り付けられてなるDPF(ディーゼル微粒子捕集フィルター)を対象に行われる、該DPFを再生するための燃料噴射の場合(DPF再生モード)の例についても併記している。表1に例示するように、係るDPF再生モードが、排気温度がおおよそ150℃となるエンジン回転数が2000(rpm)という状況で行われる場合、単位噴射量が6(mg/injection)程度の噴射が、150(sec)程度の噴射時間でなされる。係る場合の総噴射量は15000(mg)程度となる。この値は、本実施の形態においてActive OBDによる診断を行う場合の総噴射量の数百倍であることから、本実施の形態において行うActive OBDにおける燃料消費量は、実用上極めて少ないということができる。
このような極微量の燃料噴射がなされると、エンジン本体部300の運転に伴って定常的に排出される排ガスGに加えて、噴射された燃料についてもエンジン本体部300の内部で気化されて重畳的に排気管500へと排出され、定常状態よりも高い濃度の未燃炭化水素ガスが酸化触媒600へと送られる。
そして、係る燃料噴射にリンクさせたタイミングで、より詳細には、燃料噴射に伴って生じた高濃度の未燃炭化水素ガスを含む排ガスGが酸化触媒600に達し、内部において該排ガスG中の未燃炭化水素ガスに対する吸着もしくは酸化が生じた後、その残りが下流側へと排出されたタイミングにて、Passive OBDの場合と同様、HCセンサ100において、酸化触媒600の下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlを測定する(ステップS14)。
以降の手順は、Passive OBDの場合と同様である。すなわち、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定と閾値の呼び出しとがなされると、電子制御装置200は測定値と閾値とを比較し(ステップS15)、前者の方が大きい場合(ステップS15でYES)、酸化触媒600には問題となる程度(交換する必要がある、など)に劣化が生じている(NGである)と診断し(ステップS16)、後者の方が大きい場合(ステップS15でNO)は、そのような劣化は生じてはいない(OKである)と診断する(ステップS17)。
NGと診断されたか、OKと診断されたかによらず、診断の終了後さらに診断を繰り返す場合(ステップS18でYES)は、再び、温度センサ110による排気温度の確認から処理を繰り返す。そうでない場合は、そのまま診断を終了する(ステップS18でNO)。
<Active OBDによる診断の詳細>
図13に示した手順によるActive OBDでの診断について、その特徴を、図14ないし図18に基づいて説明する。
まず、図14は、酸化触媒600の温度が酸化領域にある場合(以下、当該温度をTcとする)の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率について示す図である。例えば、Tc=200℃である。図14においては、変換率が90%、80%、70%である場合の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの関係についてそれぞれ、細実線、破線、太実線にて示している。なお、温度Tcの場合においては、変換率が90%であるものがFresh品であるとする。
一方、図15は、酸化触媒600の温度が吸着領域にある場合(以下、当該温度をTdとする)の、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとの関係を、いくつかの変換率の場合について示す図である。例えば、Td=150℃である。図15においては、変換率が50%、30%、10%である場合の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの関係についてそれぞれ、細実線、破線、太実線にて示している。なお、温度Tdの場合においては、変換率が50%であるものがFresh品であるとする。
なお、図14および図15においては図11および図12よりも高濃度側にまで座標範囲を広げているが、酸化触媒600における変換率はあくまで(式1)に従うことから、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が大きくなったとしても、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlは上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuに対し線形性を有する。それゆえ、図14および図15に示すように、酸化触媒600の変換率の大小は、図11および図12と同様、直線の傾きの大小によって表されてなる。
Active OBDによる診断は、下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlがあらかじめ定めた閾値を超えるか否かによってNGかOKかを診断するという点においては、Passive OBDによる診断と共通する。
しかしながら、Active OBDによる診断の場合、燃料噴射がなされたうえで診断が実行されるため、診断実行時の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuは、Passive OBDによる診断の際に利用される上流HC濃度変動範囲R1も高くなる。
図16および図17は、Fresh品とAged品とを対象にActive OBDによる診断を行ったときの、HCセンサ100からの出力値(HCセンサ出力)の診断前後における時間変化を例示する図である。図16は酸化触媒600の温度が酸化領域に属する200℃のときの図であり、図17は酸化触媒600の温度が吸着領域に属する150℃のときの図である。なお、前者の燃料噴射の条件は、単位噴射量が1(mg/injection)で噴射時間が6(sec)であり、後者の燃料噴射の条件は、単位噴射量が3(mg/injection)で噴射時間が1(sec)であった。
図16および図17のいずれも、横軸の時間が約20秒のところで、燃料噴射がなされており、その後数秒のタイミングでHCセンサ出力が増大している。この出力値の増大するタイミングで、Active OBDによる診断用に電子制御装置200によってHCセンサ出力が取得される。なお、図16および図17の縦軸は実際のHCセンサ出力たる電圧値の単位である「mV」となっている。Active OBDの実行に際しては、上述のように、このように電圧値として表されたHCセンサ出力から濃度値が演算されて、閾値と比較される。
Active OBDの実行の際にはこのようにHCセンサ出力に大きな変動が生じることを鑑み、図14および図15においては係るActive OBDの際に上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuが取り得る濃度範囲を、燃料噴射時の上流HC濃度変動範囲R2として表している。すなわち、Active OBDによる診断では、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuが係る上流HC濃度変動範囲R2の範囲内にあるときに、HCセンサ100によって測定される下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定値が、所定の閾値と対比されることになる。
図14および図15においては、燃料噴射時の上流HC濃度変動範囲R2として、3850ppm以上4150ppm以下の範囲を例示している。なお、燃料噴射時の上流HC濃度変動範囲R2については、燃料噴射の条件に応じて、その中心値と、当該中心値と上下限値との差分値の値を特定することができることが、あらかじめ経験的にわかっている。図14および図15に例示する場合であれば、4000ppmを中心とする±150ppmの範囲が、燃料噴射時の上流HC濃度変動範囲R2として定められていることになる。
このように、Active OBDによる診断の場合、対象となる上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの濃度範囲がPassive OBDによる診断の場合よりも高濃度側にあるため、診断の際に用いる下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの閾値も、Passive OBDによる診断の場合よりも高い値となる。
例えば、図14には、温度TcについてのPassive OBDおよびActive OBDによる診断の際の閾値がそれぞれ、300ppm、1000ppmとされてなる場合を例示してなる。この場合、変換率が70%の酸化触媒600については、上流HC濃度変動範囲R2の範囲において下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定値が1000ppmを超えるため、Active OBDにおいては確実にNGと診断されることになる。
また、図15には、温度TdについてのPassive OBDおよびActive OBDによる診断の際の閾値がそれぞれ、700ppm、3000ppmとされてなる場合を例示してなる。この場合、変換率が10%の酸化触媒600については、上流HC濃度変動範囲R2の範囲において下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの測定値が3000ppmを超えるため、Active OBDにおいては確実にNGと診断されることになる。
なお、図14に示す温度Tcの場合においてActive OBDでは確実にNGと診断される変換率70%の酸化触媒600は、閾値が300ppmとされてなるPassive OBDを行った場合には確実にOKと診断されるものである。
同様に、図15に示す温度Tdの場合においてActive OBDでは確実にNGと診断される変換率10%の酸化触媒600は、閾値が700ppmとされてなるPassive OBDを行った場合には、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの実際の値によってOKと診断されることもNGと診断されることもあり得るものである。
前者においてPassive OBDを行った場合に確実にNGとの診断がなされるのは、変換率が20%未満の場合に限られ、後者に至ってはPassive OBDにおいて確実にNGと診断されることがないことを鑑みると、Active OBDによれば、劣化の程度の診断を、Passive OBDに比してより精度よく(シビアな基準で)行えるといえる。これは、上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が大きいために必然的に下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlの値が大きくなるActive OBDにおいては、変換率の差がHCセンサ100における測定値の差に及ぼす影響が大きいことの効果である。
これらのことは、Passive OBDによる診断と、Active OBDによる診断とを、それぞれの閾値を適切に定めつつ併用して行うことで、酸化触媒600の劣化の診断をより精度よく行えることを示唆している。
なお、係る併用は、特に、酸化触媒600の温度が酸化領域にあるときに効果的なものとなる。なぜならば、酸化触媒600の温度が酸化領域にあるときの変換率は、吸着領域にあるときとは異なりAged品であっても比較的高く、また特に、定常運転時においては上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuの値が小さいために、多くの場合、酸化領域においてPassive OBDを行う際のFresh品とAged品とのHCセンサ出力の差分(例えば図16におけるΔ1)は小さくなる傾向があるのに対し、Active OBDを実行した場合には、Fresh品とAged品とのHCセンサ出力の差分は大きくなる(例えば図16におけるΔ2)からである。
ちなみに、酸化触媒600の温度が吸着領域にあるときも同様に、Passive OBDを行う際のFresh品とAged品とのHCセンサ出力の差分(例えば図17におけるΔ3)よりもActive OBDを実行した場合の差分(例えば図17におけるΔ4)の方が大きい傾向にあるが、前者の絶対値がそもそも比較的大きいために、Passive OBDとActive OBDとでの差異は酸化領域におけるものに比べると小さい。
また、Active OBDには、燃料噴射の際の総噴射量を違えることで得られる効果もある。例えば、図14に示す温度Tcの場合においては、上流HC濃度変動範囲R2よりも高濃度である5000ppm以上5300ppm以下の範囲に、上流HC濃度変動範囲R3が定められてなる。閾値の値が上述した上流HC濃度変動範囲R2を対象とする場合と同様に1000ppmであった場合、上流HC濃度変動範囲R2を対象とする場合にはOKと診断されることがあり得た変換率が80%未満の酸化触媒600が、確実にNGと診断されることになる。このことは、上流HC濃度変動範囲R2と上流HC濃度変動範囲R3とを併用することで、変換率が70%未満の酸化触媒600と、変換率が70%以上80%未満の酸化触媒600と、変換率が80%以上の酸化触媒600とを、判別できることを意味する。
同様に、図15に示す温度Tdの場合においては、上流HC濃度変動範囲R2よりも高濃度である5350ppm以上5650ppm以下の範囲に、上流HC濃度変動範囲R4が定められてなる。閾値の値が上述した上流HC濃度変動範囲R2を対象とする場合と同様に3000ppmであった場合、変換率が30%未満の酸化触媒600についてもNGと診断されることになる。
このように、燃料噴射の際の総噴射量を違えた複数回のActive OBDを行うことで、passive OBDでは行うことが困難な、より詳細な劣化の診断が可能となる。
また、図18は、Fresh品とAged品について図16に例示したHCセンサ出力を取得したときの、排ガスGの成分をガス分析計にて分析した結果を示す図である。
図16においては、Active OBDのために燃料噴射がなされたことを受けて、HCセンサ出力値が変動していたが、図18においても、燃料噴射に対応した変動が生じている。ただし、図18に示す場合において、未燃炭化水素ガスに含まれるガス成分のうち、燃料に応じて大きく変動しているのは、Aged品についての、COを除く典型的な炭化水素ガスであるTHCのグラフのみである。係る結果からは、Aged品の酸化領域における酸化の劣化は、主として当該炭化水素に対する酸化能の劣化によるものであると推定される。なお、酸化触媒600の触媒能の温度依存性は、対象とするガス成分によって異なることが知られており、図18に示す結果は、これを裏付けるものであるともいえる。また、係る結果は、Active OBDを酸化領域で実行するにあたって、酸化触媒600の温度を意図的に違えた場合、特定のガス成分に対する酸化能の劣化の程度について、判別が可能となることを示唆している。
以上、説明したように、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムによれば、エンジンシステムにおいてディーゼル機関であるエンジン本体部からの排気管の途中に設けられてなり、排ガス中の未燃炭化水素ガスを酸化もしくは吸着させる酸化触媒における、触媒能の劣化の程度を、該触媒能の指標である変換率を算出することなく、排気管において酸化触媒の下流側近傍位置に設けた炭化水素ガスセンサによって直接に測定した当該位置における未燃炭化水素ガス濃度に基づいて、リアルタイムにかつ優れた精度で診断することができる。
特に、エンジン本体部が通常の運転状態にあるときをそのまま利用して診断を行うPassive OBDによれば、エンジン本体部の運転中の任意のタイミングで、かつ、診断のために燃料を消費することなく、酸化触媒の劣化について診断することができる。また、繰り返しの診断を行うことで、診断の精度をより高めることができる。
また、極微量の燃料を噴射することにより酸化触媒に流入する未燃炭化水素ガスの濃度を意図的に高めた状態で診断を行うActive OBDによれば、Passive OBDよりも優れた精度で酸化触媒の劣化について診断することができる。
<第2の実施の形態>
上述した第1の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1は、酸化触媒600の劣化の程度の診断を、変換率を実際に算出することなく行うものであったが、本実施の形態においては、変換率を実際に算出することにより酸化触媒600の劣化の程度の診断を行う態様について説明する。
図19は、本発明の第2の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS2を含んで構成されるエンジンシステム2000の概略構成を模式的に示す図である。
本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS2およびエンジンシステム2000は、排気管500において、酸化触媒診断システムDS2での診断対象たる酸化触媒600の上下流側近傍の双方にそれぞれHCセンサ100Aおよび100Bを設けるようにしたほかは、第1の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1およびエンジンシステム1000と同様の構成を有する。それゆえ、本実施の形態においては、各構成要素の詳細に関する説明は省略する。なお、酸化触媒診断システムDS2においては、酸化触媒600の下流側近傍に設けたHCセンサ100Bが第1の実施の形態に係るHCセンサ100と同様に、電子制御装置200に対してHC検知信号sg11を発するものとし、酸化触媒600の上流側近傍に設けたHCセンサ100Aについても、電子制御装置200に対してHC検知信号sg21を発するものとする。
図20は、酸化触媒診断システムDS2によってPassive OBDを行う場合の手順の一例を示す図である。
まず、第1の実施の形態におけるPassive OBDと同様、温度センサ110によって酸化触媒600の上流側近傍における排ガスGの温度(排気温度)を確認することから始まる(ステップS21)。より詳細には、電子制御装置200が温度センサ110から発せられる排気温度検知信号sg12を取得することにより、排気温度が特定される。係る排気温度は、その時点における酸化触媒600の温度とみなされる。
続いて、電子制御装置200が、あらかじめその記憶部に記憶されてなるPassive OBD用の閾値データから、係る排気温度に対応した変換率の閾値を呼び出す(ステップS22)。本実施の形態においては、変換率に関する閾値が、酸化触媒600の取り得る温度範囲(概ね−40℃〜1000℃)内の全ての温度においてあらかじめ定められてなる。また、本実施の形態においては、許容変換率範囲の下限値がそのまま閾値となる。閾値の与え方には特段の制限はないことから、酸化触媒600の温度(排気温度)の連続関数として与えられる態様であってもよいし、温度範囲ごとに固定値として与えられる態様であってもよい。なお、係る場合の閾値は、酸化触媒600の触媒能に図3に示したような温度依存性があることに鑑みて設定される。通常は、酸化領域における閾値は吸着領域における閾値よりも大きめに設定される。
次に、2つのHCセンサ100A、100Bによって、酸化触媒600の上流側未燃炭化水素ガス濃度Nuと下流側未燃炭化水素ガス濃度Nlとを測定する(ステップS23)。より詳細には、温度センサ110によって温度が測定された排ガスGが酸化触媒600に達する直前のタイミングで、HCセンサ100Aによる測定を行い、酸化触媒600において該排ガスG中の未燃炭化水素ガスに対する吸着もしくは酸化が生じた後、その残りが下流側へと排出されたタイミングで、HCセンサ100Bによる測定を行う。
図21および図22はそれぞれ、酸化触媒600の温度が200℃の場合における、Fresh品とAged品でのHCセンサ出力を例示する図である。図21および図22からは、Aged品の方が上下流の出力の差異が大きいことが確認される。
2つのHCセンサ100A、100Bにおける測定値を取得すると、電子制御装置200は、それらの値を用い、(式1)に基づいて変換率を算出する(ステップS24)。
そして、電子制御装置200は算出された変換率と閾値とを比較し(ステップS25)、前者の方が大きい場合(ステップS25でYES)、酸化触媒600には問題となる程度(交換する必要がある、など)に劣化が生じている(NGである)と診断し(ステップS26)、後者の方が大きい場合(ステップS25でNO)は、そのような劣化は生じてはいない(OKである)と診断する(ステップS27)。
NGと診断されたか、OKと診断されたかによらず、診断の終了後さらに診断を繰り返す場合(ステップS28でYES)は、再び、温度センサ110による排気温度の確認から処理を繰り返す。そうでない場合は、そのまま診断を終了する(ステップS28でNO)。
このように、本実施の形態におけるPassive OBDの場合、変換率を実際に算出して、問題となる劣化の有無を診断することから、第1の実施の形態におけるPassive OBDに比して、信頼性のより高い診断を行うことができる。例えば、図20においては一の閾値と変換率とが比較されるが、閾値が多段に設定されて、酸化触媒600の劣化の程度が段階的に診断される態様であってもよい。
なお、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS2においても、第1の実施の形態に係る酸化触媒診断システムDS1と同様、Active OBDによる診断を行うことは構成上可能ではあるが、上述のようにPassive OBDによる診断が精度よく行えることから、第1の実施の形態と比べると、極微量とはいえ燃料噴射を伴うActive OBDを積極的に行うメリットは小さいといえる。
以上、説明したように、本実施の形態に係る酸化触媒診断システムによれば、酸化触媒の上下流側双方に炭化水素ガスセンサを配置してなることで、エンジン本体部の通常運転中に両炭化水素ガスセンサの測定値に基づいて酸化触媒の変換率を算出し、係る算出値とあらかじめ設定しておいた閾値とを比較した結果に基づいて、酸化触媒に問題となる劣化が生じているか否かを診断することができるので、燃料噴射を行わないPassive OBDにおいて信頼性の高い診断を行うことが可能となる。
10 検知電極
20 基準電極
60 電位差計
100、100A、100B HC(炭化水素ガス)センサ
101 センサ素子
110 温度センサ
200 電子制御装置
300 エンジン本体部
301 燃料噴射弁
400 燃料噴射指示部
500 排気管
510 排気口
600 酸化触媒
700 浄化装置
1000、2000 (ディーゼル)エンジンシステム
DS1、DS2 酸化触媒診断システム
G 排ガス
Pa (Aged品の)変換率プロファイル
Pf (Fresh品の)変換率プロファイル
T 閾値プロファイル
sg1 燃料噴射指示信号
sg2 燃料噴射要求信号
sg3 モニター信号
sg11 検知信号
sg12 排気温度検知信号
sg21 検知信号

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気経路に設けられて前記内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の、劣化の程度を診断する方法であって、
    前記内燃機関が定常運転状態にある任意のタイミングにおいて、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において検知される前記対象ガスの濃度と、前記タイミングでの前記触媒の温度に対応する前記触媒における酸化もしくは吸着の程度を表す指標値の許容範囲に対応させてあらかじめ定められた、前記タイミングでの前記触媒の温度に対応する前記対象ガスの濃度についての閾値とを比較することにより、前記触媒に許容される程度を越えた劣化が生じているか否かを診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  2. 請求項1に記載の触媒劣化診断方法であって、
    前記排気経路での前記触媒の上流側近傍における前記対象ガスの濃度をNuとし、前記排気経路での前記触媒の下流側近傍における前記対象ガスの濃度をNlとするときに、前記触媒において生じる酸化もしくは吸着の程度を、
    変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nu
    なる算出式で定義される変換率を指標値として表すものとする場合において、
    前記触媒において許容される前記変換率の範囲である許容変換率範囲があらかじめ前記触媒の取り得る温度に応じて定められてなるとともに、
    前記触媒の取り得る温度について、当該温度における前記許容変換率範囲の下限値と、前記内燃機関が定常運転状態にある場合に前記触媒の前記上流側近傍において前記対象ガスが取り得る濃度範囲である上流側ガス濃度範囲の上限値とを、前記算出式に代入することによって算出される前記Nlの値が、前記閾値として定められてなり、
    前記内燃機関が前記定常運転状態にある前記任意のタイミングで、前記上流側において前記対象ガスを含む前記排ガスの温度を測定する温度測定工程と、
    前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒から排出されるタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記下流側における前記対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出工程と、
    前記ガス濃度算出工程において算出した前記下流側における前記対象ガスの濃度と、前記温度測定工程における測定値に基づいて特定される前記触媒の温度と、当該触媒の温度での前記閾値とに基づいて、前記触媒における劣化の程度を診断する診断工程と、
    を行い、
    前記診断工程においては、
    前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値以下である場合に、前記触媒においては許容される程度を越えた劣化は生じていないと診断し、
    前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値よりも大きい場合に、前記触媒において許容される程度を越えた劣化が生じていると診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  3. 請求項1に記載の触媒劣化診断方法であって、
    前記排気経路での前記触媒の上流側近傍における前記対象ガスの濃度をNuとし、前記排気経路での前記触媒の下流側近傍における前記対象ガスの濃度をNlとするときに、前記触媒において生じる酸化もしくは吸着の程度を、
    変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nu
    なる算出式で定義される変換率を指標として表すものとする場合において、
    前記触媒において許容される前記変換率の範囲である許容変換率範囲があらかじめ前記触媒の取り得る温度に応じて定められてなるとともに、
    前記触媒の取り得る温度について、当該温度における前記許容変換率範囲の下限値と、前記内燃機関が定常運転状態にある場合に前記触媒の前記上流側近傍において前記対象ガスが取り得る濃度範囲である上流側ガス濃度範囲の上限値とを、前記算出式に代入することによって算出される前記Nlの値が、前記閾値として定められてなり、
    前記内燃機関が前記定常運転状態にある前記任意のタイミングで、前記上流側において前記対象ガスを含む前記排ガスの温度を測定する温度測定工程と、
    前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒から排出されるタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記下流側における前記対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出工程と、
    前記ガス濃度算出工程において算出した前記下流側における前記対象ガスの濃度と、前記温度測定工程における測定値に基づいて特定される前記触媒の温度と、当該触媒の温度での前記閾値とに基づいて、前記触媒における劣化の程度を診断する診断工程と、
    をこの順に繰り返して行い、
    前記診断工程において、前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値以下となる場合が所定の基準回数以下である場合には、前記触媒においては許容される程度を越えた劣化は生じていないと診断し、
    前記診断工程において、前記ガス濃度算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値以下となる場合が所定の基準回数よりも大きい場合には、前記触媒において許容される程度を越えた劣化が生じていると診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  4. 内燃機関の排気経路に設けられて前記内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の、劣化の程度を診断する方法であって、
    前記内燃機関が定常運転状態にある任意のタイミングにおいて、前記排気経路の前記触媒よりも上流側および下流側のそれぞれにおいて前記対象ガスを検知して前記対象ガスの濃度を算出し、得られた算出結果に基づいて前記触媒における酸化もしくは吸着の程度を表す指標値と、前記タイミングでの前記触媒の温度に対応する前記指標値についての閾値とを比較することにより、前記触媒に許容される程度を越えた劣化が生じているか否かを診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  5. 請求項4に記載の触媒劣化診断方法であって、
    前記排気経路での前記触媒の上流側近傍における前記対象ガスの濃度をNuとし、前記排気経路での前記触媒の下流側近傍における前記対象ガスの濃度をNlとするときに、前記触媒において生じる酸化もしくは吸着の程度を、
    変換率(%)=100×(Nu−Nl)/Nu
    なる算出式で定義される変換率を前記指標値として表すものとする場合において、
    前記触媒において許容される前記変換率の範囲である許容変換率範囲があらかじめ前記触媒の取り得る温度に応じて定められてなるとともに、
    前記触媒の取り得る温度について、当該温度における前記許容変換率範囲の下限値が前記閾値として定められてなり、
    前記内燃機関が定常運転状態にある前記任意のタイミングで、前記上流側において前記対象ガスを含む前記排ガスの温度を測定する温度測定工程と、
    前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒に達する直前のタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも上流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記上流側における前記対象ガスの濃度を算出する第1のガス濃度算出工程と、
    前記温度測定工程において温度の測定がなされた前記排ガスが前記触媒から排出されるタイミングで、前記排気経路の前記触媒よりも下流側において前記対象ガスを検知し、当該検知結果に基づいて前記下流側における前記対象ガスの濃度を算出する第2のガス濃度算出工程と、
    前記第1および第2のガス濃度算出工程において算出された前記触媒の上流側および下流側における前記対象ガスの濃度値から前記触媒における変換率を算出する変換率算出工程と、
    前記変換率算出工程において算出された変換率と、前記温度測定工程における測定値に基づいて特定される前記触媒の温度と、当該触媒の温度での前記閾値とに基づいて、前記触媒における劣化の程度を診断する診断工程と、
    を行い、
    前記診断工程においては、
    前記変換率算出工程において算出された前記変換率が前記閾値以上である場合に、前記触媒においては許容される程度を越えた劣化は生じていないと診断し、
    前記変換率算出工程において算出された前記対象ガスの濃度が前記閾値よりも小さい場合に、前記触媒において許容される程度を越えた劣化が生じていると診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の触媒劣化診断方法であって、
    前記対象ガスの検知に、検知電極がPt−Au合金なることで前記検知電極における触媒活性が不能化されてなる混成電位型の炭化水素ガスセンサを用いる、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
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