JP4984250B2

JP4984250B2 - 内燃機関の触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JP4984250B2
Application number: JP2007255127A
Authority: JP
Inventors: 栄記守谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009085079A

Description

本発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガス中の未燃成分を酸化し、大気に放出されないように浄化するために排気通路に触媒が配置されている。このような触媒の酸化能力を走行中に検出し、故障時には運転者に通知するようにしなければならない。

そこで、触媒の酸化能力を走行中に検出する方法として、排気管内に燃料を定量添加し、酸化触媒上で酸化させ、その結果、得られる熱量を検出し、触媒の劣化の度合いを診断する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、最近は、一の車両で用いられる燃料はガソリンのほか、アルコール燃料、バイオディーゼル燃料など多種多様化され、これにより、発熱量の異なる燃料に切り替えられたときには、触媒が正常に作用していても、触媒で得られる熱量は異なる。昨今では、バイオ燃料をはじめ、様々な混合燃料が主流になりつつあるため、燃料の発熱量は一定とは限らない。このため、例えば、特許文献２では、燃料の発熱量に関連する発熱量関連値を検出し、当該発熱量関連値を内燃機関の制御に反映させることで、燃料の性状変化に対応する技術を開示している。

特開２００６−２９１７４２号公報特開２００４−２３９１７３号公報

ところで、排気管内に燃料を定量添加し、酸化触媒上で酸化させ、その結果、得られる熱量を検出し、触媒の劣化の度合いを診断する方法では、触媒に添加する燃料の燃料性状が変化すると、触媒で発生する発熱量が変化し、触媒劣化の誤検出が発生する可能性がある。すなわち、燃料性状が変化すると、酸化触媒の劣化検出時に酸化剤として投入した添加燃料の発熱量が分からないため、触媒で発熱した発熱量を検出したとしても、単位燃料当たりの発熱量が判定できない。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、より精密な触媒劣化検出が可能な内燃機関の触媒劣化検出装置を提供する。

本発明に係る内燃機関の触媒劣化検出装置は、添加燃料の供給により触媒を発熱させて、前記触媒の劣化を検出する内燃機関の触媒劣化検出装置であって、前記添加燃料の発熱量を算出する添加燃料発熱量算出手段と、前記触媒に発生する発熱量を算出する触媒熱量算出手段と、算出された前記添加燃料の発熱量及び前記触媒に発生する発熱量に基づいて、前記触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、添加燃料の燃料性状が変化しても、添加燃料の発熱量を算出してこれを触媒の劣化を検出するための判断材料の一つとすることにより、より精密な触媒劣化検出が可能となる。

上記構成において、前記添加燃料発熱量算出手段は、前記添加燃料の発熱量を内燃機関における燃料の燃焼状態から算出する、構成を採用できる。

本発明によれば、より精密な触媒劣化検出が可能な内燃機関の触媒劣化検出装置が得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る触媒劣化検出装置が適用される内燃機関の一例を示す概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。また、点火プラグ７に隣接して燃焼室３内の圧力を検出する筒内圧センサ５０が設けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。

そして、吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側には、触媒１１に燃料を添加するための添加燃料弁６０が設置され、下流側には排気ガスの温度を検出するための排気温センサ１８が設置されている。添加燃料弁６０が供給する添加燃料は、インジェクタ１２から噴射される燃料を収容するタンクから供給される。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、添加燃料弁６０等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、排気温センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。尚、ＥＣＵ２０は、触媒劣化検出装置としても機能する。

触媒１１は、酸化能を有する酸化触媒から構成され、例えば、白金やパラジウム等の貴金属を触媒成分として用いるものなどが使用される。この触媒１１を用いることにより、酸素（O₂）の存在下、排気ガス中の一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）が酸化除去される。

新品状態の触媒１１では、細かい粒子状の触媒成分が多数均等に分散配置されており、排気ガスと触媒成分との接触確率が高い状態に維持されている。しかしながら、触媒１１が劣化してくると、一部の触媒成分に消失が見られるほか、触媒成分同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある。こうなると排気ガスと触媒成分との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。

以下、ＥＣＵ２０による触媒劣化検出処理について図２に示すフローチャートを参照して説明する。尚、図２に示す処理は、所定期間毎に繰り返し実行される。

先ず、図２に示すように、現在の状態が触媒劣化検出モードかを判断する（ステップＳ１）。触媒劣化検出モードとは、触媒１１の劣化検出を行うか否かを規定するモードであり、例えば、内燃機関１の駆動毎に、１回だけ触媒劣化検出モードがオンされ、触媒劣化検出を行う。このとき、触媒１１の劣化検出のために、所定量の添加燃料が触媒１１へ供給される。尚、触媒劣化検出の検出頻度は、これに限定されるわけではなく、適宜変更可能である。

次いで、内燃機関の単位燃料噴射量当たりの熱発生量ｑを検出する（ステップＳ２）。ここで、燃料噴射量をτ、内燃機関の熱発生量をＱとすると、単位燃料噴射量当たりの熱発生量ｑは、次式（１）で計算される。
ｑ＝Ｑ／τ …（１）

図３は、アルコール（エタノール）をガソリンに混合したアルコール混合燃料のアルコール濃度と燃料噴射量τ／発熱量Ｑとの関係を示すグラフである。

図３から分かるように、燃料の性状（ここでは、アルコール濃度）が変化すると、発熱量Ｑも変化し、燃料噴射量τ／発熱量Ｑはリニアに変化するのがわかる。

燃料噴射量τは、インジェクタ１２の噴射時間に略比例するので、インジェクタ１２の噴射時間から求めることができる。

また、内燃機関の熱発生量Ｑは、例えば、筒内圧センサ５０から得られる圧力Ｐ、クランク角から得られる容積Ｖ及び比熱比κから、次式（２）により近似的に求めることができる。
Ｑ＝ΔＰＶ^κ …（２）

（２）式で熱量Ｑを求めると、計算式が簡単であるので、オンボードの故障検出が可能となる。

熱量Ｑを求めるための他の方法としては、例えば、内燃機関１にイオンセンサを設置し、イオンセンサからのイオン電流を検出することにより、熱量Ｑを推定することができる。尚、周知技術であるので詳細説明は省略する。

また、内燃機関１における熱発生率を積分することにより、熱量Ｑを計算することも可能である。

次いで、触媒１１の発熱量Ｑ_catを検出する（ステップＳ３）。
触媒１１の発熱量Ｑ_catは、例えば、図４に示すように、触媒１１を通過した排気温の温度勾配、すなわち、温度上昇値に略比例する。したがって、排気温センサ１８の検出する温度をモニターし、温度上昇値を検出することにより、触媒１１の発熱量Ｑ_cat
を求めることができる。

ここで、触媒１１の発熱量Ｑ_catは、図５に示すように、触媒１１へ供給する燃料添加量に略比例する。また、触媒１１が何らかの原因で劣化すると、触媒１１の発熱量Ｑ_catは低下する。したがって、検出した発熱量Ｑ_catと所定の閾値とを比較して、発熱量Ｑ_catが閾値よりも低ければ、触媒１１が劣化していると判断できる。

しかしながら、発熱量Ｑ_catは、触媒１１の劣化だけでなく、添加燃料の性状（発熱量）によっても変化する。

このため、本実施形態では、ステップＳ２において求めた単位燃料噴射量当たりの熱発生量ｑを用いて、検出した発熱量Ｑ_catの値を正規化する（ステップＳ４）。言い換えれば、検出した発熱量Ｑ_catの値を単位燃料噴射量当たりの熱発生量ｑを用いて補正する。正規化した発熱量Ｑ’は、次式（３）で表される。
Ｑ’＝Ｑ_cat／ｑ …（３）

次いで、正規化した熱量Ｑ’を所定の閾値αと比較し（ステップＳ５）、熱量Ｑ’が閾値αよりも低い場合には、触媒１１が故障と判定する（ステップＳ６）。すなわち、算出された添加燃料の発熱量ｑ及び触媒１１に生ずる発熱量Ｑ_catに基づいて、触媒１１の劣化を検出する。

上記実施形態では、添加燃料弁により、添加燃料を触媒１１へ供給する場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、インジェクタ（燃料噴射弁）１２からいわゆるポスト噴射する場合にも本発明を適用できる。

上記実施形態では、内燃機関としてガソリンエンジンを例示したが、これに限定されるわけではなく、ディーゼルエンジン等にも当然ながら本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態に係る触媒劣化検出装置が適用される内燃機関の一例を示す概略図である。ＥＣＵ２０による触媒劣化検出処理を示すフローチャートである。アルコールをガソリンに混合したアルコール混合燃料のアルコール濃度と燃料噴射量τ／発熱量Ｑとの関係を示すグラフである。触媒１１の発熱量Ｑ_catと温度上昇値との関係を示すグラフである。触媒１１の発熱量Ｑ_catと触媒１１へ供給する燃料添加量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…内燃機関
５…エアフローメータ
６…排気管
１１…触媒
１２インジェクタ
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５０…筒内圧センサ
６０…添加燃料弁
Ｖｅ…排気弁
Ｖｉ…吸気弁
Ｑ…内燃機関の熱発生量
Ｑ_cat…触媒の発熱量
τ…インジェクタの燃料噴射量
ｑ…単位燃料噴射量当たりの熱発生量
Ｑ’…Ｑ_catをｑで正規化した熱量

Claims

添加燃料の供給により触媒を発熱させて、前記触媒の劣化を検出する内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
内燃機関における前記添加燃料の単位燃料噴射量あたりの熱発生量ｑを算出する添加燃料発熱量算出手段と、
前記触媒に発生する発熱量Ｑcatを算出する触媒熱量算出手段と、
算出された前記添加燃料の熱発生量ｑを用いて前記触媒に発生する発熱量Ｑcatを正規化した発熱量Ｑ’を算出し、この正規化した発熱量Ｑ’から前記触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
前記添加燃料発熱量算出手段は、前記添加燃料の発熱量を内燃機関における燃料の燃焼状態から算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
前記触媒は、酸化触媒であり、前記添加燃料は、酸化剤として前記触媒に添加される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。