(57)【要約】【課題】温度センサによって簡易に触媒の劣化状況を検出することができる内燃機関を提供する。【解決手段】三元触媒２を備えたガスエンジン１において、三元触媒２の上流と下流とに上流温度センサ２１、下流温度センサ２２が設けられ、これら上流温度センサ２１と下流温度センサ２１との温度差ΔＴが所定値以下になるか否かに基づいて三元触媒２の劣化を検出する制御部１０を具備するものである。制御部１０は、ガスエンジン１における回転数、負荷、空気過剰率および点火時期と、前記所定値との相関関係を示す制御マップに、実測される温度差が前記所定値以下であるか否か当てはめて触媒の劣化を検出する。【選択図】図１
2014062510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、
触媒の上流と下流とに温度センサが設けられ、
これら上流温度センサによって測定される上流温度と下流温度センサによって測定される下流温度との温度差が所定値以下になるか否かに基づいて触媒の劣化を検出する制御部を具備することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
制御部は、触媒使用当初の上流温度および下流温度の温度差と、内燃機関における回転数、負荷、空気過剰率および点火時期との相関関係を示す制御マップに、前記測定される温度差を当てはめて所定値以下になるか否かを検出する請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
制御部は、内燃機関が、高回転の場合、高負荷の場合、空気過剰率がストイキよりリッチ側にある場合のうち、少なくともいずれか一つの状況で、制御マップに前記温度差を当てはめる請求項２記載の内燃機関。
の内燃機関。
【請求項４】
制御部は、触媒の劣化を検出した場合に触媒劣化を通報する通報手段を有する請求項１ないし３の何れか一に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、触媒の劣化状態を検出することができる内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、酸化能力を有する排気浄化触媒として、例えば酸素吸蔵触媒や三元触媒が知られている。このような触媒は、空燃比がストイキからリッチ側にずれた場合には、自身が吸蔵している酸素を気相に放出し、リーン側にずれた場合には、気相中の酸素を取り込んで吸蔵することで、排気ガスの浄化能力を発揮する。
【０００３】
したがって、触媒が劣化してしまうと、酸素の吸蔵や放出が行われなくなり、排気ガスの浄化能力が無くなってしまうこととなる。
【０００４】
そこで、従来より、触媒の劣化状態を判定するために、触媒の前後に酸素センサを設け、これらの酸素センサから得られる情報を算定式に当てはめて触媒の劣化状態を算出するようになされた触媒の劣化状態の判定方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５６４０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の技術では、酸素センサを用いて触媒の劣化を判定するために、複雑な算定式で計算して触媒の劣化を判定しなければならない。
【０００７】
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、温度センサによって簡易に触媒の劣化状況を検出することができる内燃機関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】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関は、酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、触媒の上流と下流とに温度センサが設けられ、これら上流温度センサによって測定される上流温度と下流温度センサによって測定される下流温度との温度差が所定値以下になるか否かに基づいて触媒の劣化を検出する制御部を具備するものである。
【０００９】
上記内燃機関において、制御部は、触媒使用当初の上流温度および下流温度の温度差と、内燃機関における回転数、負荷、空気過剰率および点火時期との相関関係を示す制御マップに、前記測定される温度差を当てはめて所定値以下になるか否かを検出するものであってもよい。
【００１０】
上記内燃機関において、制御部は、内燃機関が、高回転の場合、高負荷の場合、空気過剰率がストイキよりリッチ側にある場合のうち、少なくともいずれか一つの状況で、制御マップに前記温度差を当てはめるものであってもよい。
【００１１】
上記内燃機関において、制御部は、触媒の劣化を検出した場合に触媒劣化を通報する通報手段を有するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、触媒の劣化状態が検出できるので、排気の浄化性能が維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る内燃機関の全体の構成の概略を示す概略図である。
【図２】図１に示す内燃機関の三元触媒付近の構成を示す概略図である。
【図３】ある運転状況における内燃機関のトルクと、温度センサによって測定される温度との関係を示すグラフである。
【図４】図３に示す状況における内燃機関のトルクと、排気ガス濃度との関係を示すグラフである。
【図５】図３に示す状況における内燃機関のトルクと、上流温度センサおよび下流温度センサによって測定される温度の温度差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明に係るガスエンジン１の全体構成の概略を示し、図２は同ガスエンジン１の三元触媒２付近の構成を示し、図３はある運転状況におけるトルクと、上流温度センサ２１および下流温度センサ２２によって測定される上流温度Ｔ１および下流温度Ｔ２との関係を示し、図４は、図３に示す状況におけるトルクと排気ガス濃度との関係を示し、図５は図３に示す状況におけるトルクと、上流温度Ｔ１および下流温度Ｔ２の温度差ΔＴとの関係を示している。
【００１６】
このガスエンジン１は、三元触媒２の排気上流と排気下流とにそれぞれ温度センサ２１，２２が設けられ、これら上流温度センサ２１によって測定される上流温度Ｔ１と下流温度センサ２２によって測定される下流温度Ｔ２との温度差ΔＴに基づいて触媒の劣化を検出する制御部１０を具備している。
【００１７】
ガスエンジン１は、吸気経路１１ａにターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが設けられており、Ａ／Ｆバルブ１３を介してミキサー１４で空気と混合された燃料ガスは、コンプレッサ１２ａで過給され、インタークーラ１５、スロットルバルブ１６を介してシリンダヘッド１７の吸気口１７ａへと導入される。シリンダヘッド１７の排気口１７ｂから排気経路１１ｂへ排出された排気ガスは、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂを経て三元触媒２を通過して排気される。
【００１８】
三元触媒２は、図２に示すように、排気経路１１ｂに設けられた浄化装置２０内に担持されるように設けられている。この三元触媒２の上流側には温度センサ２１が設けられ、下流側には温度センサ２２が設けられており、三元触媒２を通過前後の排気ガスの上流温度Ｔ１および下流温度Ｔ２から、温度差ΔＴを測定することができるようになされている。
【００１９】
この温度差ΔＴは、制御部１０に入力され、制御部１０は、この温度差ΔＴの情報を基に三元触媒２が有効に機能しているか、または劣化して機能しなくなっているかを判断して、当該三元触媒２の劣化を検出することができるようになされている。
【００２０】
すなわち、排気口１７ｂから排気経路１１ｂを経て三元触媒２を通過する排気ガスは、三元触媒２に吸蔵されていた酸素が放出されることによって分解されることとなる。この酸化反応によって排気ガスが分解される際、発熱するため、三元触媒２が有効に機能しているのであれば、三元触媒２の上流側に設けられた温度センサ２１によって測定される温度Ｔ１よりも、下流側に設けられた温度センサ２２によって測定される温度Ｔ２の方が高くなり、温度差ΔＴを生じることとなる。また、この温度差ΔＴは、排気ガスの酸化反応によって引き起こされるものであるため、各運転状況における排気ガスとの間に相関関係を生じることとなる。
【００２１】
したがって、新しい三元触媒２を使用開始した当初は、運転状況の変化、例えば、図４に示すようなトルク変動時の排気ガス（ＣＯ，ＮＯｘ，ＴＨＣ）の総量に対し、図５に示すように、温度差ΔＴｒは比例関係を示すこととなる。そのため、制御部１０は、現在のトルクにおける上流温度Ｔ１および下流温度Ｔ２を測定し、その温度差ΔＴが、排気ガス量から想定される使用開始当初の温度差ΔＴｒになっているか否かを図５に示すような制御マップに当てはめて検出することによって、三元触媒２の劣化を検出することができる。すなわち、判定時に実測されたトルクを図５に示すような制御マップのトルクに当てはめた際の、当該制御マップの温度差ΔＴｒよりも、そのトルクにおいて実際に計測される温度差ΔＴの方が所定値以上小さい場合は、酸化反応が十分に行われていないこととなり、三元触媒２が劣化しているということになる。
【００２２】
この制御部１０による三元触媒２の劣化の検出は、通報手段３を介して通報される。この通報は、ランプの点滅によって行うものであってもよいし、警報音の発生によって行うものであってもよいし、これらを併用して通知するものであってもよい。
【００２３】
また、三元触媒２の劣化を検出したとしても、直ちに使用不能になるわけではなく、三元触媒２の寿命は、排気ガスを十分に浄化できなくなった場合、つまり制御マップの温度差ΔＴｒよりも測定される温度差ΔＴがある程度小さくなった場合に決まる。したがって、制御部１０では、実測される温度差ΔＴが制御マップの温度差ΔＴｒよりもある所定値以上小さくなった場合に三元触媒２が寿命に達したと判断して、通報手段３を介して再度通報される。この通報は、ランプの点滅によって行うものであってもよいし、警報音の発生によって行うものであってもよいし、ガスエンジン１の停止によって行うものであってもよいし、これらのうちの幾つかを併用して通知するものであってもよい。
【００２４】
なお、所定値の設定、すなわち、実測される温度差ΔＴが制御マップの温度差ΔＴｒからどの程度小さくなった場合に三元触媒２の寿命と判断するかについては、ガスエンジン１の構成や設置環境や運転状況によって異なるため、それらを考慮して決定する。この所定値の設定は、制御部１０に入力されている制御マップの温度差ΔＴｒから数℃低く検出されれば劣化と設定することもできるし、制御マップの温度差ΔＴｒから数％低く検出されれば劣化と設定することもできる。この設定は、単に数値設定するだけで簡単に行うことができる。
【００２５】
また、三元触媒２が劣化すると実測される温度差ΔＴは、制御マップの温度差ΔＴｒよりも小さくなるため、実測される温度差ΔＴが制御マップの温度差ΔＴｒよりも大きくなることは無いが、万が一大きくなるようなことがあれば、別の問題となる。したがって、実測される温度差ΔＴが、制御マップの温度差ΔＴｒよりも、ある所定値以上大きくなった場合についても、異常を検出するように設定しておいてもよい。
【００２６】
なお、上記ではトルク変動における温度差ΔＴｒの制御マップを示しているが、この制御マップとしては、回転数変動における温度差ΔＴｒの制御マップであってもよい。
【００２７】
ただし、実際の温度差ΔＴを制御マップの温度差ΔＴｒと比較して三元触媒２の劣化を検出するにあたり、トルク変動の場合は、図４に示すように、排気ガス濃度が濃くなって温度差ΔＴｒが生じやすくなる低トルク域または高トルク域で判断する方がより好ましく、空燃比の場合は、排気ガス濃度が濃くなって温度差ΔＴｒが生じやすくなる空燃比、すなわちストイキよりもリッチ側にずれた空燃比で判断する方がより好ましく、回転数変動の場合は、排気ガスの絶対量が多くなり、温度差ΔＴｒが生じやすくなる高回転域で判断する方がより好ましい。
【００２８】
また、三元触媒２は、当該三元触媒２に吸蔵されていた酸素が枯渇すると、排気ガスの酸化反応を起こせなくなってしまう。したがって、ガスエンジン１は、リーン運転やパータベーション運転によって三元触媒２が酸素を十分に吸蔵した状態にしておく必要がある。また、三元触媒２の劣化の判定は、このように酸素を十分に吸蔵した状態にした後にタイミングを合わせて行うことが好ましい。
【００２９】
このようにして構成される本発明のガスエンジン１は、三元触媒２を通過する前後の排気ガスの上流温度Ｔ１および下流温度Ｔ２を上流温度センサ２１および下流温度センサ２２によって測定するだけの簡単な構成で、三元触媒２が劣化を起こしているか否かを制御部１０によって検出することができる。
【００３０】
また、実測される温度差ΔＴが、制御マップの温度差ΔＴｒからどの程度小さくなるかの所定値を設定しておけば、劣化による三元触媒２の交換時期も知ることができる。
【００３１】
さらに、三元触媒２の劣化を知ることができるので、知らないうちに三元触媒２が劣化して排気浄化機能が低下するといったことも防止することができる。
【００３２】
このガスエンジン１の用途としては、ガスヒートポンプ装置（図示省略）の駆動源として好適に使用することができる。この際、ガスヒートポンプ装置は、冬場や夏場は高負荷が必要とされるが、春や秋の季節には中低負荷で十分対応できる。しかも、ガスエンジン１は、高負荷が必要とされる場合は、複数台のコンプレッサーを駆動しており、逆に低負荷の場合は、一台のコンプレッサーを駆動しているのか通常である。したがって、このガスエンジン１を使用してガスヒートポンプ装置を構成する場合は、中低負荷の場合には、リーン運転を行い、高負荷が必要となった場合にはストイキ運転に切り替えて対応することができるようになされたものであることがさらに好ましい。この場合、高負荷時には、ストイキ運転するため熱効率は低下するが、複数台のコンプレッサーを駆動したりすることで機械効率が高くなるので、熱効率は、中低負荷時のリーン運転と同等となる。当然、この中低負荷時の熱効率は、リーン運転するため優れている。したがって、通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の高効率化を図ることができることとなる。
【００３３】
また、このガスエンジン１は、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、コージェネレーション装置は、通常運転時はリーン運転を行い、高負荷となる熱主運転に切り替える際に、ストイキ運転を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。
【００３４】
なお、本実施の形態において、ガスエンジン１の具体的な構成については、特に図１に示すものに限定されるものではなく、例えば、ターボチャージャ１２やインタークーラ１５の無いガスエンジン１であってもよい。また、Ａ／Ｆバルブ１３の構成についても、リーン運転用、ストイキ運転用にそれぞれ複数のバルブを有するガスエンジン１であってもよい。
【００３５】
また、本実施の形態においては、ガスエンジン１について述べているが、内燃機関の形式については、酸化能力を有する排気浄化触媒（例えば、酸素吸蔵触媒、三元触媒）を用いるものであれば、ガスエンジン１に限定されるものではなく、例えば、ディーゼルエンジン、その他、各種のエンジンであってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  ガスエンジン
１０  制御部
２  三元触媒
２１  上流温度センサ
２２  下流温度センサ
３  通報手段
Ｔ１  上流温度
Ｔ２  下流温度
ΔＴ  実測される温度差
ΔＴｒ  制御マップの温度差
【図１】
2014062510.tif 000003
【図２】
2014062510.tif 000004
【図３】
2014062510.tif 000005
【図４】
2014062510.tif 000006
【図５】
2014062510.tif 000007