(57)【要約】【課題】診断装置に関し、ＤＯＣの劣化診断を高精度に行う。【解決手段】排気中のＨＣを酸化するＤＯＣ１５と、ＤＯＣ１５の入口排気温度を検出する温度センサ１８と、ＤＯＣ１５の出口排気温度を検出する温度センサ１９と、外気温度を検出する温度センサ３６と、温度センサ１８，１９の検出値に基づいてＤＯＣ１５の上流側及び下流側の排気熱量差を演算すると共に、温度センサ１８，１９，３６の検出値に基づいてＤＯＣ１５から外気に放出される熱損失量を演算し、これら排気熱量差と熱損失量とを加算してＤＯＣ１５内でのＨＣ発熱量を演算するＨＣ発熱率演算部４１と、演算したＨＣ発熱量に基づいてＤＯＣ１５の劣化状態を判定するＤＯＣ劣化判定部４２とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられて、排気中に含まれる少なくとも炭化水素を酸化する酸化触媒と、
前記酸化触媒に流入する入口排気温度を検出する第１温度検出手段と、
前記酸化触媒から流出する出口排気温度を検出する第２温度検出手段と、
前記酸化触媒の外気温度を検出する第３温度検出手段と、
少なくとも前記第１及び第２温度検出手段の検出値に基づいて前記酸化触媒の上流側及び下流側の排気熱量差を演算すると共に、少なくとも前記第１、第２及び第３温度検出手段の検出値に基づいて前記酸化触媒から外気に放出される熱損失量を演算し、これら排気熱量差と熱損失量とを加算して前記酸化触媒内での炭化水素の発熱量を推定する発熱量推定手段と、
推定された前記発熱量に基づいて、前記酸化触媒の劣化状態を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする診断装置。
【請求項２】
前記発熱量推定手段は、自然対流の熱伝達率を含む第１モデル式及び、強制対流の熱伝達率を含む第２モデル式に基づいて前記熱損失量を演算する
請求項１に記載の診断装置。
【請求項３】
前記酸化触媒は、車体下部に設けられる筒状の触媒ケース内に収容され、
前記強制対流の熱伝達率は、強制対流を前記触媒ケースの下面に影響する平板上の乱流と仮定したヌセルト数に基づいて設定される
請求項２に記載の診断装置。
【請求項４】
前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、
前記発熱量推定手段は、前記フィルタに堆積した粒子状物質を焼却除去する強制再生時に前記発熱量を推定する
請求項１から３の何れか一項に記載の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、診断装置に関し、特に、内燃機関の排気系に設けられる酸化触媒の劣化診断に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化触媒として、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化窒素（ＮＯ）を酸化する酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）が知られている。また、排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）等も知られている。
【０００３】
ＤＰＦでは、ＰＭ堆積量が所定値に達すると、上流側のＤＯＣに未燃燃料（ＨＣ）を供給して酸化させ、排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させてＰＭを焼却除去するいわゆる強制再生が実行される。そのため、ＤＯＣのＨＣ酸化能力が低下すると、強制再生を実行してもＤＰＦに堆積したＰＭを十分に焼却除去できない可能性がある。また、ＤＰＦの再生能力が低下すると、再生インターバルの短縮や排圧上昇等が引き起こされて、燃費の悪化等を招く可能性もある。そのため、ＤＯＣのＨＣ酸化能力を車載状態（On-Board）で診断することが好ましい。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＤＯＣの上流側及び下流側に排気温度センサを設け、これら排気温度センサで検出される排気温度差からＤＯＣ内の酸化による発熱量を推定して、ＤＯＣのＨＣ酸化能力を診断する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０６１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、ＤＯＣは車体下部に配置された排気管の触媒ケース内に収容されているため、ＤＯＣ内の酸化熱は走行風等の影響を受けてその一部が外気に放熱される。そのため、ＤＯＣの上流側及び下流側の排気温度差のみに基づいてＤＯＣ内の発熱量を推定する従来技術では、ＤＯＣから外気に放出される熱損失量を考慮していないため、高精度な診断を行えない可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、ＤＯＣの劣化診断を高精度に行える診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の診断装置は、内燃機関の排気系に設けられて、排気中に含まれる少なくとも炭化水素を酸化する酸化触媒と、前記酸化触媒に流入する入口排気温度を検出する第１温度検出手段と、前記酸化触媒から流出する出口排気温度を検出する第２温度検出手段と、前記酸化触媒の外気温度を検出する第３温度検出手段と、少なくとも前記第１及び第２温度検出手段の検出値に基づいて前記酸化触媒の上流側及び下流側の排気熱量差を演算すると共に、少なくとも前記第１、第２及び第３温度検出手段の検出値に基づいて前記酸化触媒から外気に放出される熱損失量を演算し、これら排気熱量差と熱損失量とを加算して前記酸化触媒内での炭化水素の発熱量を推定する発熱量推定手段と、推定された前記発熱量に基づいて、前記酸化触媒の劣化状態を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記発熱量推定手段は、自然対流の熱伝達率を含む第１モデル式及び、強制対流の熱伝達率を含む第２モデル式に基づいて前記熱損失量を演算することが好ましい。
【００１０】
また、前記酸化触媒は、車体下部に設けられる筒状の触媒ケース内に収容され、前記強制対流の熱伝達率は、強制対流を前記触媒ケースの下面に影響する平板上の乱流と仮定したヌセルト数に基づいて設定されてもよい。
【００１１】
また、前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、前記発熱量推定手段は、前記フィルタに堆積した粒子状物質を焼却除去する強制再生時に前記発熱量を推定してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の診断装置によれば、ＤＯＣの劣化診断を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。
【図２】ＤＯＣに供給されたＨＣの酸化によるエネルギ保存を説明する模式的な図である。
【図３】強制対流の影響によるＤＯＣの熱損失を説明する模式的な側面図である。
【図４】正常なＤＯＣと劣化したＤＯＣのＨＣ酸化能力（ＨＣ浄化性能）を比較した図である。
【図５】本実施形態の診断装置による制御内容を示すフローチャートである。
【図６】他の実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る診断装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１５】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。
【００１６】
吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ３０、ＭＡＦセンサ３１、過給機のコンプレッサ３２ａ、インタークーラ３３が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機のタービン３２ｂ、前段後処理装置１４、後段後処理装置２０が設けられている。なお、図１中において、符号３６は外気温度センサを示している。外気温度センサ３６は、本発明の第３温度検出手段の一例として好ましい。
【００１７】
前段後処理装置１４は、円筒状の触媒ケース１４ａ内に排気上流側から順に、ＤＯＣ１５と、ＤＰＦ１６とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ１５の上流側には排気管内噴射装置１３、ＤＯＣ１５の上流側にはＤＯＣ入口温度センサ１８、ＤＯＣ１５の下流側にはＤＯＣ出口温度センサ１９がそれぞれ設けられている。さらに、ＤＰＦ１６の前後には、ＤＰＦ１６の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ１７が設けられている。
【００１８】
排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。
【００１９】
ＤＯＣ１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。また、ＤＯＣ１５は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ2を生成することで、排気中のＮＯに対するＮＯ2の比率を増加させる。
【００２０】
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によりＤＯＣ１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。ＰＭ堆積量は、差圧センサ１７のセンサ値から求めることができる。
【００２１】
ＤＯＣ入口温度センサ１８は、本発明の第１温度検出手段の一例であって、ＤＯＣ１５に流入する上流側の排気温度（以下、入口排気温度）を検出する。ＤＯＣ出口温度センサ１９は、本発明の第２温度検出手段の一例であって、ＤＯＣ１５から流出する下流側の排気温度（以下、出口排気温度）を検出する。これら温度センサ１８，１９の検出値は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。
【００２２】
後段後処理装置２０は、排気上流側から順に、尿素水噴射装置２１と、円筒状のケース２０ａ内に配置されたＳＣＲ２２とを備えて構成されている。
【００２３】
尿素水噴射装置２１は、ＥＣＵ４０から出力される指示信号に応じて、前段後処理装置１４と後段後処理装置２０との間の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ3に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。
【００２４】
ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に鉄ゼオライトを担持して形成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるＮＨ3を吸着すると共に、吸着したＮＨ3で通過する排気ガス中からＮＯｘを還元浄化する。
【００２５】
ＥＣＵ４０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、ＥＣＵ４０は、ＨＣ発熱率演算部４１と、ＤＯＣ劣化判定部４２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２６】
ＨＣ発熱率演算部４１は、本発明の発熱量推定手段の一例であって、ＤＰＦ１６の強制再生時にＤＯＣ１５で酸化されるＨＣの発熱率を演算する。以下、発熱率の詳細な演算手順を説明する。
【００２７】
図２に示すように、強制再生時に排気管内噴射装置１３からＤＯＣ１５に供給されたＨＣの実発熱量Ｃactは、ＤＯＣ１５の上流側の排気エネルギＱinと下流側の排気エネルギＱoutとの排気エネルギ差ΔＱに、ＤＯＣ１５から外気に放出される熱損失量Ｑlostを加算することで得られる。
【００２８】
上流側の排気エネルギＱinは、以下の数式１に基づいて演算され、下流側の排気エネルギＱoutは以下の数式２に基づいて演算される。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
【数２】
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【００３１】
数式１，２において、ｃexhは排気比熱を示している。また、ｍexhは排気流量であって、ＭＡＦセンサ３１の検出値及びエンジン１０の燃料噴射量等から取得される。なお、排気流量ｍexhは、排気流量センサ（不図示）等から直接的に取得してもよい。ＴDOC_inはＤＯＣ１５の入口排気温度であって、ＤＯＣ入口温度センサ１８で取得される。ＴDOC_outはＤＯＣ１５の出口排気温度であって、ＤＯＣ出口温度センサ１９で取得される。
【００３２】
熱損失量Ｑlostは、自然対流による熱損失量Ｑnaturalと、強制対流による熱損失量Ｑforcedとの総和（Ｑlost＝Ｑnatural＋Ｑforced）と仮定することができる。
【００３３】
自然対流による熱損失量Ｑnaturalは、以下の数式３に基づいて演算される。
【００３４】
【数３】
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【００３５】
数式３において、ＡsはＤＯＣ１５の外周面（又は、触媒ケース１４ａのＤＯＣ１５が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。ＴDOC_brickはＤＯＣ１５の内部温度であって、入口排気温度ＴDOC_inと出口排気温度ＴDOC_outとの平均値として取得される。Ｔambientは外気温度であって、外気温度センサ３６で取得される。ｈnは自然対流の熱伝達率であって、以下の数式４から得られる。
【００３６】
【数４】
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【００３７】
数式４において、ｋは空気の熱伝導率を示している。ＬnはＤＯＣ１５の代表長さであって、ＤＯＣ１５の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕnは、自然対流のヌセルト数を示している。
【００３８】
一般的に、ＤＯＣ１５は円柱状であって、さらにＤＯＣ１５を収容する触媒ケース１４ａは略円筒状に形成されている。そのため、ＤＯＣ１５内で発生した酸化熱は、これらＤＯＣ１５や触媒ケース１４ａの円筒外周面の全面を介して外気に放熱されると考えられる。自然対流による放熱が、軸心を水平方向に向けた円筒外周面の全面から伝わると仮定すると、ヌセルト数Ｎｕnは、グラスホス数：Ｇｒ、プラントル数：Ｐｒとする以下の数式５から得られる。
【００３９】
【数５】
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【００４０】
強制対流による熱損失量Ｑforcedは、以下の数式６に基づいて演算される。
【００４１】
【数６】
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【００４２】
数式６において、ＡfはＤＯＣ１５の外周面（又は、触媒ケース１４ａのＤＯＣ１５が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。ＴDOC_brickはＤＯＣ１５の内部温度であって、入口排気温度ＴDOC_inと出口排気温度ＴDOC_outとの平均値として取得される。Ｔambientは外気温度であって、外気温度センサ３６で取得される。ｈfは強制対流の熱伝達率であって、以下の数式７から得られる。
【００４３】
【数７】
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【００４４】
数式７において、ＬfはＤＯＣ１５の代表長さであって、ＤＯＣ１５の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕfは、強制対流のヌセルト数を示している。
【００４５】
図３に示すように、一般的にＤＯＣ１５を収容した触媒ケース１４ａは車体のシャシフレームＳの下部に固定され、その前方には変速機ＴＭ等が配置されている。そのため、走行時に車体前方から下部に流れ込む走行風は、ＤＯＣ１５（又は、触媒ケース１４ａ）の下面部にのみ影響を与える平板上の乱流と仮定することができる。すなわち、強制対流のヌセルト数Ｎｕfは、平板上の乱流熱伝達式を解いて導かれる以下の数式８から得られる。
【００４６】
【数８】
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【００４７】
数式８において、Ｒｅはレイノルズ数を示している。レイノルズ数Ｒｅは、空気の平均速度：ｖ、空気密度：ρ、ＤＯＣ１５の代表長さ：Ｌ、動粘性係数：μとする以下の数式９から得られる。
【００４８】
【数９】
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【００４９】
ＨＣ発熱率演算部４１は、上述の数式１に基づいて演算した上流側の排気エネルギＱinと、上述の数式２に基づいて演算した下流側の排気エネルギＱoutとの排気エネルギ差ΔＱに、上述の数式３〜９に基づいて演算した熱損失量Ｑlostを加算することで、強制再生時におけるＤＯＣ１５内のＨＣ実発熱量Ｃactを演算する。そして、ＨＣ実発熱量Ｃactを排気管内噴射（又はポスト噴射）の理論発熱量Ｃtheoで除算することで、ＤＯＣ１５内でのＨＣ実発熱率ＣACT%を演算する。
【００５０】
ＤＯＣ劣化判定部４２は、ＨＣ発熱率演算部４１で演算されたＨＣ実発熱率ＣACT%に基づいて、ＤＯＣ１５の劣化状態を判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により求めた、ＤＯＣ１５内で所定量のＨＣが略完全に酸化した場合のＨＣ発熱率閾値ＣSTD%が記憶されている。ＤＯＣ劣化判定部４２は、ＨＣ発熱率閾値ＣSTD%とＨＣ実発熱率ＣACT%との差ΔＣ%がＤＯＣ１５の劣化を示す所定の上限閾値ΔＣMAXに達すると、ＤＯＣ１５のＨＣ酸化能力（ＨＣ浄化性能）を劣化状態と判定する。なお、ＤＯＣ１５のＨＣ浄化性能が劣化した状態とは、図４に示すように、例えば、経年劣化等により正常時のＨＣ浄化率に対して差が生じる（触媒活性温度が高温側にシフトする）状態をいう。
【００５１】
次に、図５に基づいて、本実施形態の診断装置による制御フローを説明する。
【００５２】
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、例えば、ＤＰＦ１６の前後差圧に基づいて、ＤＰＦ１６に堆積したＰＭ堆積量ＰＭdepoが上限値ＰＭMAXに達したか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭdepoが上限値ＰＭMAXに達した場合、本制御はＳ１１０に進む。
【００５３】
Ｓ１１０では、排気管内噴射装置１３による排気管内噴射（又は、ポスト噴射）が開始されて、ＤＰＦ１６の強制再生が実行される。
【００５４】
Ｓ１２０では、上流側の排気エネルギＱinと下流側の排気エネルギＱoutとの排気エネルギ差ΔＱに、外気に放熱される熱損失量Ｑlostを加算することで、ＤＯＣ１５内のＨＣ実発熱量Ｃactが演算される。さらに、Ｓ１３０では、Ｓ１２０で演算したＨＣ実発熱量Ｃactを理論発熱量Ｃtheoで除算することで、ＨＣ実発熱率ＣACT%が演算される。
【００５５】
Ｓ１４０では、Ｓ１３０で演算したＨＣ実発熱率ＣACT%とＨＣ発熱率閾値ＣSTD%とを比較するＤＯＣ１５の劣化判定が実行される。ＨＣ発熱率閾値ＣSTD%とＨＣ実発熱率ＣACT%との差ΔＣ%が上限閾値ΔＣMAXに達していない場合、本制御はＳ１００に戻される。すなわち、次回の強制再生までＤＯＣ１５の劣化判定は保留される。一方、差ΔＣ%が上限閾値ΔＣMAXに達している場合は、Ｓ１５０でＤＯＣ１５のＨＣ酸化能力（ＨＣ浄化性能）を劣化状態と判定して、本制御はリターンされる。
【００５６】
次に、本実施形態に係る診断装置による作用効果を説明する。
【００５７】
従来技術では、ＤＯＣの上流側及び下流側の排気温度差からＤＯＣ内のＨＣ発熱量を推定することで、ＨＣ酸化能力の劣化状態を診断している。しかしながら、ＤＯＣの上流側及び下流側の排気温度差のみに基づいたＨＣ発熱量の推定では、ＤＯＣから外気に放出される熱損失量を考慮していないため、高精度な診断を行えない課題がある。
【００５８】
これに対し、本実施形態の診断装置では、ＤＯＣ１５の上流側の排気エネルギＱinと下流側の排気エネルギＱoutとの排気エネルギ差ΔＱに、ＤＯＣ１５から外気に放出される熱損失量Ｑlostを加算することで、ＤＯＣ１５内のＨＣ実発熱量Ｃactを演算するように構成されている。
【００５９】
したがって、本実施形態の診断装置によれば、外部への熱損失量Ｑlostを考慮に入れたＨＣ実発熱量Ｃactを演算することが可能となり、ＤＯＣ１５の劣化診断精度を向上することができる。
【００６０】
また、本実施形態の診断装置では、ＤＯＣ１５から外気への熱損失量Ｑlostは、自然対流の熱伝達率ｈnを含むモデル式（数式３〜５）と、強制対流の熱伝達率ｈfを含むモデル式（数式６〜９）とに基づいて演算される。このうち、自然対流の熱伝達率ｈnは、ＤＯＣ１５の円筒外周面の全面から放熱されると仮定したヌセルト数Ｎｕnから設定され、強制対流の熱伝達率ｈfは、ＤＯＣ１５の下面部に影響を与える平板上の乱流と仮定したヌセルト数Ｎｕfから設定される。すなわち、ＤＯＣ１５や触媒ケース１４ａの形状、走行風の影響等を考慮したモデル式に基づいて、熱損失量Ｑlostを正確に演算するように構成されている。
【００６１】
したがって、本実施形態の診断装置によれば、自然対流や強制対流による影響を考慮してＨＣ実発熱量Ｃactを高精度に演算することが可能となり、ＤＯＣ１５のＨＣ酸化能力を高精度に診断することができる。
【００６２】
また、本実施形態の診断装置では、ＤＯＣ１５のＨＣ酸化性能の診断をＤＰＦ１６の強制再生時に実行するように構成されている。
【００６３】
したがって、本実施形態の診断装置によれば、ＤＯＣ１５の診断のみを目的とした排気管内噴射（又は、ポスト噴射）が不要となり、燃費の悪化を効果的に抑止することができる。
【００６４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００６５】
例えば、図６に示すように、前段後処理装置１４にＤＯＣ１５のみを備え、ＤＰＦ１６や排気管内噴射装置１３を省略した構造にも適用することが可能である。この場合は、図５に示すフローチャートのＳ１００，１１０（ＤＰＦ強制再生）を省略して、エンジン１０によるポスト噴射等を実行すればよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  エンジン
１３  排気管内噴射装置
１５  ＤＯＣ（酸化触媒）
１６  ＤＰＦ
１８  ＤＯＣ入口温度センサ（第１温度検出手段）
１９  ＤＯＣ出口温度センサ（第２温度検出手段）
３６  外気温度センサ（第３温度検出手段）
４０  ＥＣＵ
４１  ＨＣ発熱率演算部（発熱量推定手段）
４２  ＤＯＣ劣化判定部（判定手段）
【図１】
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【図２】
2015059472.tif 000013
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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