(57)【要約】【課題】プレ酸化触媒の劣化診断におけるロバスト性の向上を図る。【解決手段】排気管９途中の酸化触媒１２及びパティキュレートフィルタ１１（後処理装置）より上流側に備えられて排気ガス７中の未燃燃料分を酸化反応させることで排気温度を上昇させるように機能するプレ酸化触媒１３の劣化診断方法に関し、ディーゼルエンジン１（エンジン）側でポスト噴射を実施することにより排気ガス７中に未燃燃料分を添加し、その添加した未燃燃料分の投入エネルギーに見合う理論発熱量の積算値と、前記プレ酸化触媒１３における実発熱量の積算値とを計算し、該実発熱量の積算値を前記理論発熱量の積算値で除算して前記プレ酸化触媒１３での発熱効率を求め、この発熱効率を指標として該発熱効率が所定の閾値より低い時に前記プレ酸化触媒１３の劣化による異常を判定する。【選択図】図１
2016017502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管途中の後処理装置より上流側に備えられて排気ガス中の未燃燃料分を酸化反応させることで排気温度を上昇させるように機能するプレ酸化触媒の劣化診断方法であって、エンジン側でポスト噴射を実施することにより排気ガス中に未燃燃料分を添加し、その添加した未燃燃料分の投入エネルギーに見合う理論発熱量の積算値と、前記プレ酸化触媒における実発熱量の積算値とを計算し、該実発熱量の積算値を前記理論発熱量の積算値で除算して前記プレ酸化触媒での発熱効率を求め、この発熱効率を指標として該発熱効率が所定の閾値より低い時に前記プレ酸化触媒の劣化による異常を判定することを特徴とするプレ酸化触媒の劣化診断方法。
【請求項２】
プレ酸化触媒での酸化反応における変換効率と燃料の理論的な発熱率とを乗算して理論発熱率を求め、該理論発熱率を積分して理論発熱量の積算値を求めると共に、排気ガスの熱仕事率とプレ酸化触媒の熱仕事率とプレ酸化触媒での熱損失率とを合算して実発熱率を求め、該実発熱率を積分して実発熱量の積算値を求めることを特徴とする請求項１に記載のプレ酸化触媒の劣化診断方法。
【請求項３】
排気ガスの流量とプレ酸化触媒の上下流温度差と排気ガスの定圧比熱とを乗算して排気ガスの熱仕事率を求めると共に、単位時間当たりのプレ酸化触媒の温度変化量とプレ酸化触媒の質量とプレ酸化触媒の比熱とを乗算してプレ酸化触媒の熱仕事率を求め、更には、プレ酸化触媒の温度から外気温度を減算して得た温度差に熱損失係数を乗算してプレ酸化触媒の熱損失率を求めることを特徴とする請求項２に記載のプレ酸化触媒の劣化診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレ酸化触媒の劣化診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されて、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。
【０００５】
即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。
【０００６】
ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。
【０００７】
そこで、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を別途装備し、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で、ディーゼルエンジン側の燃料噴射制御により排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。
【０００８】
つまり、この燃料添加で生じたＨＣガスが前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
【０００９】
この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するのが一般的であるが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加することも可能である。
【００１０】
一方、この種の燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生を行うに際し、車型によっては、ディーゼルエンジンから離れた位置にしかパティキュレートフィルタの搭載スペースを確保できないケースがあり、このようなケースでは、特に雨天や冬期等の外気温度が低い場合に、ディーゼルエンジンからパティキュレートフィルタまで排気ガスを導く間に排気管や排気ブレーキ等の補機からの放熱により排気温度が低下し、パティキュレートフィルタの強制再生を行い得る運転領域が通常より狭まる虞れがある。
【００１１】
このため、一般的にアフターターボキャタリスト（ＡＴＣ:After Turbo Catalyst）と呼称されている比較的小型のプレ酸化触媒を排気管の上流側に新たに装備し、ディーゼルエンジンから排出されて間もない高温の排気ガスをプレ酸化触媒に導入することで、排気温度の低い軽負荷時等でも比較的容易にプレ酸化触媒の触媒床温度を上げて活性を高め、該プレ酸化触媒にて排気ガス中の未燃燃料分を酸化反応させ、その反応熱により排気温度を上昇させることが既に提案されている。
【００１２】
尚、斯かるパティキュレートフィルタの強制再生に関連する先行技術文献情報としては本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１９３８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、近年においては、車両の排ガス対策システムにおける故障発生の有無を監視し、故障発生時には警告灯などを点灯させて運転者に故障の発生を報知すると共に、故障内容を記録しておく車載式故障診断装置（オンボードダイアグノーシス：onboard diagnosis:略称ＯＢＤ）の装備が各国で義務付けられており、前記プレ酸化触媒についても劣化診断を行うことが求められているが、該プレ酸化触媒の劣化診断を行うにあたっては、所定量のポスト噴射を実施してプレ酸化触媒の上下流温度差（上流側の排気温度と下流側の排気温度との差）を確認し、想定される上下流温度差よりも実測の温度差が顕著に少ない場合に前記プレ酸化触媒が劣化により性能低下しているものとして診断しているものの、この診断方法におけるロバスト性（頑強性。システムに外乱や不確かさが存在しても安定性や速応性等の性能が維持されること。）が十分ではないことが懸念されている。
【００１５】
即ち、この種のプレ酸化触媒には、その果たすべき目的からしてそれほど大きな触媒サイズが求められておらず、比較的小さな触媒サイズのもので機能的には十分であるため、所定量のポスト噴射を実施しても、前記プレ酸化触媒での酸化反応による昇温が軽微であり、十分なロバスト性が確保されているとは言えないところがあった。
【００１６】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、プレ酸化触媒の劣化診断におけるロバスト性の向上を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、排気管途中の後処理装置より上流側に備えられて排気ガス中の未燃燃料分を酸化反応させることで排気温度を上昇させるように機能するプレ酸化触媒の劣化診断方法であって、エンジン側でポスト噴射を実施することにより排気ガス中に未燃燃料分を添加し、その添加した未燃燃料分の投入エネルギーに見合う理論発熱量の積算値と、前記プレ酸化触媒における実発熱量の積算値とを計算し、該実発熱量の積算値を前記理論発熱量の積算値で除算して前記プレ酸化触媒での発熱効率を求め、この発熱効率を指標として該発熱効率が所定の閾値より低い時に前記プレ酸化触媒の劣化による異常を判定することを特徴とするものである。
【００１８】
而して、このようにした場合、プレ酸化触媒の劣化を診断するための指標として、実発熱量の積算値を理論発熱量の積算値で除算して求めた発熱効率を用いているので、その積算の途中で生じた外乱や不確かさが及ぼす影響は極めて軽微なものとなり、前記プレ酸化触媒の劣化診断におけるロバスト性が大幅に向上されることになる。
【００１９】
また、本発明においては、プレ酸化触媒での酸化反応における変換効率と燃料の理論的な発熱率とを乗算して理論発熱率を求め、該理論発熱率を積分して理論発熱量の積算値を求めると共に、排気ガスの熱仕事率とプレ酸化触媒の熱仕事率とプレ酸化触媒での熱損失率とを合算して実発熱率を求め、該実発熱率を積分して実発熱量の積算値を求めることが可能である。
【００２０】
更に、このようにする場合には、排気ガスの流量とプレ酸化触媒の上下流温度差と排気ガスの定圧比熱とを乗算して排気ガスの熱仕事率を求めると共に、単位時間当たりのプレ酸化触媒の温度変化量とプレ酸化触媒の質量とプレ酸化触媒の比熱とを乗算してプレ酸化触媒の熱仕事率を求め、更には、プレ酸化触媒の温度から外気温度を減算して得た温度差に熱損失係数を乗算してプレ酸化触媒の熱損失率を求めることが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
上記した本発明のプレ酸化触媒の劣化診断方法によれば、プレ酸化触媒の劣化診断におけるロバスト性の大幅な向上を図ることができ、従来よりも確実で信頼性の高いプレ酸化触媒の劣化診断を行うことができるので、該プレ酸化触媒の劣化による大幅な性能低下時に直ちに交換等の措置を採ることができ、前記プレ酸化触媒の性能低下により排気温度を適切に昇温させることができない事態を早期に解決することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】本形態例におけるプレ酸化触媒の劣化診断のタイムスケジュールである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４が更にインタクーラ６へと送られて冷却され、該インタクーラ６から図示しないインテークマニホールドへと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
【００２５】
また、このディーゼルエンジン１の各シリンダから排出された排気ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。
【００２６】
そして、この排気ガス７が流通する排気管９の途中には、ケーシング１０が介装されており、該ケーシング１０内における後段には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１１が収容され、また、ケーシング１０内におけるパティキュレートフィルタ１１の直前位置には、フロースルー型の酸化触媒１２が収容されており、これら酸化触媒１２とパティキュレートフィルタ１１とにより後処理装置が構成されるようになっている。
【００２７】
更に、ターボチャージャ２のタービン２ｂ出口に近い排気管９にも、フロースルー型のプレ酸化触媒１３が配置され、該プレ酸化触媒１３により排気ガス７中の未燃燃料分を酸化反応させて排気温度を上昇させることにより、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を行い得る運転領域が極力広く確保されるようにしてあり、また、このプレ酸化触媒１３と前記酸化触媒１２との間の排気管９には、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を実施するための燃料添加手段としてインジェクタ１４が貫通装着されている。
【００２８】
一方、前記プレ酸化触媒１３の劣化診断を行うにあたっては、車両が停車したアイドリング状態において、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１５の制御装置１６による燃料噴射制御が通常モードから診断モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射が実行されるようになっている。
【００２９】
つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス７中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加され、この未燃燃料分が排気ガス７と共にディーゼルエンジン１から排出されて前記プレ酸化触媒１３にて酸化処理されることになる。
【００３０】
そして、前記制御装置１６におけるプレ酸化触媒１３の劣化診断は、前記燃料噴射装置１５によるポスト噴射で添加した未燃燃料分の投入エネルギーに見合う理論発熱量（ポスト噴射による燃料添加量から計算）の積算値と、前記プレ酸化触媒１３における実発熱量（排気温度から計算）の積算値とを計算し、該実発熱量の積算値を前記理論発熱量の積算値で除算して前記プレ酸化触媒１３での発熱効率を求め（下記の式１を参照）、この発熱効率を指標として該発熱効率が所定の閾値より低い時に前記プレ酸化触媒１３の劣化による異常を判定するようになっている。
［数１］
プレ酸化触媒発熱効率＝実発熱量積算値÷理論発熱量積算値…（１）
【００３１】
より具体的には、図２にタイムスケジュールを示している通り、前記制御装置１６におけるプレ酸化触媒１３の劣化診断は、車両が走行状態から停車状態に移行してから所定の安定期間（発熱が安定するまでの期間）が経過した後で開始されるようになっており、その開始から所定時間が経過したところで診断を行うようになっている。
【００３２】
また、前述の式１において、理論発熱量の積算値を求めるにあたっては、プレ酸化触媒１３での酸化反応における変換効率と燃料の理論的な発熱率とを乗算して理論発熱率を求め（下記の式２を参照）、これにより得られた理論発熱率を積分して求めるようにすれば良い（下記の式３を参照）。
［数２］
理論発熱率＝プレ酸化触媒変換効率×燃料発熱率…（２）
［数３］
理論発熱量の積算値＝Σ（理論発熱率）…（３）
【００３３】
ここで、前述の式２におけるプレ酸化触媒の変換効率とは、排気ガス７の流速や温度の影響によりポスト噴射での添加燃料の全てが酸化反応しないことを考慮した変換効率のことを指し、制御装置１６内における排気ガス７の流速と温度の二次元マップから読み出されるようになっている。
【００３４】
更に、前述の式１において、実発熱量の積算値を求めるにあたっては、排気ガス７の熱仕事率とプレ酸化触媒１３の熱仕事率とプレ酸化触媒１３での熱損失率とを合算して実発熱率を求め（下記の式４参照）、これにより得られた実発熱率を積分して求めるようにすれば良い（下記の式５を参照）。
［数４］
実発熱率＝排気ガス熱仕事率＋プレ酸化触媒熱仕事率＋プレ酸化触媒熱損失率…（４）
［数５］
実発熱量の積算値＝Σ（実発熱率）…（５）
【００３５】
尚、前述の式４における排気ガス熱仕事率とは、排気ガス７の流量とプレ酸化触媒１３の上下流温度差と排気ガス７の定圧比熱とを乗算して求められたものであり（下記の式６を参照）、ここで用いられている排気ガス７の流量とプレ酸化触媒１３の上下流温度差は、前記制御装置１６にてマスフローセンサ１７及び温度センサ１８，１９からの検出信号に基づき常に把握されているものである。
［数６］
排気ガス熱仕事率＝排気ガス流量×プレ酸化触媒上下流温度差×定圧比熱…（６）
【００３６】
即ち、前記マスフローセンサ１７は、吸気管５のエアクリーナ３直後に装備されて吸気４の流量を検出するものであるが、この吸気４の流量を前述の式６における排気ガス７の流量の代用値（必要に応じ吸気４の流量に温度補正をかけても良い）として用いるようにしている。
【００３７】
また、上流側の温度センサ１８により検出された前記プレ酸化触媒１３の入口温度と、下流側の温度センサ１９により検出された酸化触媒１２の入口の温度から推測される前記プレ酸化触媒１３の出口温度とが比較され、前記プレ酸化触媒１３の上下流温度差が前記制御装置１６内で常に把握されるようになっているので、この上下流温度差を前述の式６に用いるようにしている。
【００３８】
更に、前述の式４におけるプレ酸化触媒熱仕事率とは、単位時間当たりのプレ酸化触媒１３の温度変化量とプレ酸化触媒１３の質量とプレ酸化触媒１３の比熱とを乗算して求められたものであり（下記の式７を参照）、ここで用いられているプレ酸化触媒１３の温度（触媒温度）は、前記制御装置１６内で把握されているプレ酸化触媒１３の入口温度と出口温度（推定値）を足して２で割ったものとしている。
［数７］
プレ酸化触媒熱仕事率＝単位時間当たりの触媒温度変化量×触媒質量×触媒比熱…（７）
【００３９】
また、前述の式４におけるプレ酸化触媒熱損失率とは、前述のプレ酸化触媒１３の温度から外気温度を減算して得た温度差に熱損失係数を乗算して求められたものであり（下記の式８を参照）、ここで用いられている熱損失係数は、車速に応じ放熱量が増えることを考慮した補正係数のことを指し、制御装置１６内における制御テーブルから車速に応じて読み出されるようになっている。
［数８］
プレ酸化触媒熱損失率＝（触媒温度−外気温度）×熱損失係数…（８）
【００４０】
尚、車速はエンジン回転数やギヤ段に応じて制御装置１６内で常に監視されているものであり、また、外気温度は、前記マスフローセンサ１７に内蔵されている温度センサ（図示せず）により常に監視されているものである（流量の測定に温度補正が必要）。
【００４１】
而して、このようにした場合、プレ酸化触媒１３の劣化を診断するための指標として、実発熱量の積算値を理論発熱量の積算値で除算して求めた発熱効率を用いているので、その積算の途中で生じた外乱や不確かさが及ぼす影響は極めて軽微なものとなり、前記プレ酸化触媒１３の劣化診断におけるロバスト性が大幅に向上されることになる。
【００４２】
従って、上記形態例によれば、プレ酸化触媒１３の劣化診断におけるロバスト性の大幅な向上を図ることができ、従来よりも確実で信頼性の高いプレ酸化触媒１３の劣化診断を行うことができるので、該プレ酸化触媒１３の劣化による大幅な性能低下時に直ちに交換等の措置を採ることができ、前記プレ酸化触媒１３の性能低下により排気温度を適切に昇温させることができない事態を早期に解決することができる。
【００４３】
尚、本発明のプレ酸化触媒の劣化診断方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示例ではターボチャージャのタービン出口の直後にプレ酸化触媒を装備した例を示しているが、該プレ酸化触媒は、ターボチャージャを搭載しない自然吸気エンジンの排気管の上流側に装備されたものであっても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４４】
１      ディーゼルエンジン（エンジン）
７      排気ガス
９      排気管
１１    パティキュレートフィルタ（後処理装置）
１２    酸化触媒（後処理装置）
１３    プレ酸化触媒
【図１】
2016017502.tif 000003
【図２】
2016017502.tif 000004