(57)【要約】【課題】より精度の高い劣化判断が可能な触媒劣化検出装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒３と、酸化触媒３に燃料を添加する燃料添加弁８とを有する排気浄化システムにおける酸化触媒３の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、燃料添加弁８が酸化触媒３へ要求された量の燃料の添加を完了した後に、酸化触媒３から下流へ放出される放出熱量を算出し、算出された放出熱量に基いて、酸化触媒３の劣化を判断する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒に燃料を添加する燃料添加手段とを有する排気浄化システムにおける酸化触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記燃料添加手段が前記酸化触媒への燃料の添加を終了した時点以降の前記酸化触媒から下流へ放出される熱量のうち、燃料の酸化により生じた熱量分を算出する放出熱量算出手段と、
前記放出熱量算出手段により算出された放出熱量に基いて、前記酸化触媒の劣化を判断する劣化判断手段と、
を有する触媒劣化検出装置。
【請求項２】
前記酸化触媒に導入されるガスの温度を検出する入ガス温度検出手段と、前記酸化触媒から排出されるガスの温度を検出する出ガス温度検出手段と、をさらに有し、
前記放出熱量算出手段は、前記入ガス温度検出手段及び前記出ガス温度検出手段の検出する入ガス温度及び出ガス温度を利用して、前記放出熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項３】
前記放出熱量算出手段は、前記入ガス温度検出手段により検出される前記入ガス温度と前記酸化触媒を通過するガス量とに基いて、前記燃料の添加が実施されないと想定した場合の前記酸化触媒から排出されるガスの出ガス温度を推定し、
推定した出ガス温度と前記出ガス温度検出手段により検出される出ガス温度との温度差に基いて、単位時間当たりの放出熱量を逐次算出し、
前記温度差が所定の範囲に収まる時点まで、逐次算出される単位時間当たりの放出熱量を積算して合計の放出熱量とする、
ことを特徴とする請求項２に記載の触媒劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化システムにおける触媒劣化検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関における燃料の燃焼によって生成される粒子状物質が大気中に放出されないように内燃機関の排気通路に粒子状物質の捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。しかし、フィルタでの粒子状物質の捕集量が増大してフィルタ詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発するおそれがある。
【０００３】
そこで、フィルタ上流に酸化触媒を設け、この酸化触媒に燃料を供給し、そのときに発生した酸化熱により下流のフィルタを加熱して粒子状物質を酸化させフィルタの再生を行っている。このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、酸化触媒での酸化熱により均一にフィルタを加熱することで、フィルタに捕集された粒子状物質を除去し、フィルタの詰まりを解消することが可能となる（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
ところで、上記した酸化触媒は、長期間使用すると、熱により劣化し、酸化能力が低下する。酸化触媒の酸化能力が低下すると、必要な役割を果たすことができないおそれがある。このため、酸化触媒の劣化検出が重要である。酸化触媒の劣化検出方法としては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２は、触媒に供給された燃料の酸化反応に伴って発生した酸化発熱量を、触媒の上流および下流で検出された排ガスの温度に基づいて算出し、算出した酸化発熱量が所定の判定値よりも小さいときに、触媒が劣化していると判定する技術を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５３６０６号公報
【特許文献２】特開２００３−１０６１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような触媒の劣化判断技術では、劣化した触媒であっても燃料の酸化により温度上昇し、触媒が正常な場合とそれほど温度差がない場合もあり、精度の高い劣化判断ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、より精度の高い劣化判断が可能な触媒劣化検出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】
本発明に係る触媒劣化検出装置は、内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒に燃料を添加する燃料添加手段とを有する排気浄化システムにおける酸化触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、前記燃料添加手段が前記酸化触媒への燃料の添加を終了した時点以降から前記酸化触媒から下流へ放出される熱量のうち、燃料の酸化により生じた熱量分を算出する放出熱量算出手段と、前記放出熱量算出手段により算出された放出熱量に基いて、前記酸化触媒の劣化を判断する劣化判断手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、酸化触媒へ要求された量の燃料の添加すると、酸化触媒では燃料の酸化により発熱し、酸化触媒の温度が上昇し、燃料の添加を終了した時点では、酸化触媒に熱量が蓄積される。そして、酸化触媒の酸化能力は上流側から下流側に向けて劣化していき、酸化触媒が劣化すると、その発熱する領域は酸化触媒が正常な場合に比べて小さくなるため、蓄えられる熱量も小さくなる。酸化触媒に蓄えられた熱量は、排気ガスの熱量とともに下流へ放出されるので、下流への放出熱量のうち燃料の酸化により生じた熱量を算出することで、燃料の酸化により酸化触媒に蓄えられた熱量を算出でき、この熱量に基いて劣化判断することで、より精度の高い劣化判断が可能となる。
【００１０】
上記構成において、前記酸化触媒に導入されるガスの温度を検出する入ガス温度検出手段と、前記酸化触媒から排出されるガスの温度を検出する出ガス温度検出手段と、をさらに有し、前記放出熱量算出手段は、前記入ガス温度検出手段及び前記出ガス温度検出手段の検出する入ガス温度及び出ガス温度を利用して、前記放出熱量を算出する、構成を採用できる。
【００１１】
上記構成において、前記放出熱量算出手段は、前記入ガス温度検出手段により検出される前記入ガス温度と前記酸化触媒を通過するガス量とに基いて、前記燃料の添加が実施されないと想定した場合の前記酸化触媒から排出されるガスの出ガス温度を推定し、推定した出ガス温度と前記出ガス温度検出手段により検出される出ガス温度との温度差に基いて、単位時間当たりの放出熱量を逐次算出し、前記温度差が所定の範囲に収まる時点まで、逐次算出される単位時間当たりの放出熱量を積算して合計の放出熱量とする、構成を採用できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、より精度の高い劣化判断が可能な触媒劣化検出装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。  
図１は、本発明が適用される内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。
内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関である。内燃機関１において燃焼により生成された排気は、内燃機関１から排気通路２へと排出される。排気通路２の途中には、貴金属等の酸化機能を有する酸化触媒３と、酸化触媒３の下流側の排気通路２には排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ４が設けられている。
【００１４】
また、酸化触媒３の上流側の排気通路２には、排気通路を流れる排気に燃料を供給することにより酸化触媒３に燃料を添加する燃料添加弁８が設けられている。
【００１５】
内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）９が併設されている。このＥＣＵ９は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。また、ＥＣＵ９は、放出熱量算出手段及び劣化判断手段を構成する。
【００１６】
ＥＣＵ９には、アクセル開度センサ１０、クランクポジションセンサ１１等、内燃機関１の運転状態を検出する種々のセンサが電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。
【００１７】
また、酸化触媒３の上流側の排気通路２に酸化触媒３に導入される排気ガスの温度を検出する入ガス温度センサ５が、酸化触媒３の下流側の排気通路２に酸化触媒３から排出されるガスの温度を検出する出ガス温度センサ６が設けられており、ＥＣＵ９はこれらのセンサと電気的に接続されている。
【００１８】
ＥＣＵ９には、燃料添加弁８が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ９からの指令に従って燃料添加弁８から排気通路２を流れる排気に供給される燃料量等が制御される。  
図１には図示されていないが内燃機関１に備えられている燃料噴射弁もＥＣＵ９と電気的に接続され、ＥＣＵ９からの指令に従って燃料噴射弁からの燃料の噴射時期や噴射量が制御される。
【００１９】
上記のように構成される内燃機関１の排気系においては、排気中に含まれる粒子状物質は、フィルタ４によって捕集される。フィルタ４において捕集された粒子状物質を除去するためには、燃料添加弁３から酸化触媒３へ燃料を添加したり、または、内燃機関１における燃料噴射時期や燃料噴射量を制御したりすることで、酸化触媒３に燃料を供給して酸化触媒３において酸化熱を発生させる。そして、この酸化熱によって高温となった排気ガスをフィルタ４に流入させることで、フィルタ４に捕集された粒子状物質を酸化除去する。
【００２０】
次に、本発明の一実施形態に係る触媒劣化検出の原理について図２を参照して説明する。  
図２において、（１）のグラフは酸化触媒３が正常なときの出ガス温度センサ６の検出する出ガス温度であり、（２）のグラフは酸化触媒３が劣化しているときの出ガス温度センサ６の検出する出ガス温度であり、（３）のグラフは燃料を添加しないときの出ガス温度である。尚、（１）〜（３）のグラフは、実際には、排気ガスの温度に応じて変動するが、説明の便宜上ほぼ一定の値としている。
【００２１】
先ず、酸化触媒３の劣化検出のために、酸化触媒３へ燃料を添加すると、酸化触媒３は燃料の酸化により発熱し、図２に示すように、出ガス温度センサ６の検出する出ガス温度は上昇する。この温度上昇時において、酸化触媒３が正常な場合と劣化した場合とを比較したとき、その温度差は比較的小さい。この理由としては、酸化触媒３の劣化は上流側から下流側に向けて進行すると考えられることから、劣化しているほど、発熱する領域が下流側に位置することになる。このため、正常な酸化触媒３では、酸化触媒３の全体に熱が伝導した後、出ガス温度センサ６に熱が到達するのに、劣化した場合と比べて時間がかかる。このため、正常時と劣化時との差異は比較的小さい。
【００２２】
また、図２において、酸化触媒３への燃料の添加中に、出ガス温度がほぼ定常値をとる定常状態では、酸化触媒３が正常な場合と劣化した場合との出ガス温度を比較したとき、いわゆるＯＢＤ規制が強化されると、劣化検出に高い精度が要求されるため（劣化の度合いが小さくても劣化を検出する必要があるため）、正常時と劣化時との出ガス温度の温度差は今後一層小さくなる。
【００２３】
一方、酸化触媒３への燃料の添加の終了後においては、出ガス温度はある時間を経過した後に低下していく。酸化触媒３が正常な場合と劣化した場合とを比較したとき、酸化触媒３が劣化しているときには、その発熱領域は下流側に偏っており発熱領域が相対的に小さいので、出ガス温度が一定温度まで低下するのに必要な時間は比較的短かい。正常時には酸化触媒３の発熱領域が広範囲であるので、出ガス温度が一定温度まで低下するのに必要な時間は比較的長くなる。  
このため、図２の領域ＡＲ１，領域ＡＲ２に示すように、燃料の添加終了時点から酸化触媒３から下流に放出される燃料の酸化により生じた放出熱量に着目すると、正常時（領域ＡＲ１の面積）と劣化時（領域ＡＲ２の面積）との差を拡大することができる。すなわち、領域ＡＲ１，領域ＡＲ２の面積は、燃料の添加終了時点において酸化触媒３に蓄えられた燃料の酸化により生じた熱量に対応している。  
したがって、本実施形態では、酸化触媒３から下流に放出される燃料の酸化により生じた放出熱量を、燃料の添加終了時点から算出し、算出した放出熱量に基いて、酸化触媒３の劣化を判断する。
【００２４】
次に、ＥＣＵ９による触媒劣化検出処理の一例を図３に示すフローチャートを参照して説明する。  
先ず、酸化触媒３の劣化検出を要求する劣化検出要求フラグがオンしているかを判断し（ステップＳ１）、次いで、酸化触媒３への燃料の要求添加量Ｇｒｐを算出する（ステップＳ２）。劣化検出要求フラグがオンしていない場合は、本検出処理ルーチンを終了する。劣化検出フラグは劣化検出が未完了であるとき、酸化触媒が活性化している時、温度センサが活性している時などが条件とされる。  
要求添加量Ｇｒｐ（ｇ／ｓ）は、酸化触媒３を通過するガス量Ｇａ（ｇ／ｓ）、酸化触媒３の上昇温度ΔＴ（℃）、ガス比熱Ｃｖ、低位発熱量Ｌ（ｇ／Ｊ）から、次式（１）により算出できる。尚、上昇温度ΔＴ（℃）は例えば、１００〜２００℃程度である。通過ガス量Ｇａは、図１には示さなかった内燃機関１の吸気通路内の空気量を検出するエアフローメータや吸気絞り弁の開度から推定できる。  
Ｇｒｐ＝Ｇａ×ΔＴ×Ｃｖ×Ｌ  …（１）
【００２５】
次いで、燃料添加弁８からの燃料の添加を実施する（ステップＳ３）。ＥＣＵ９は、算出した要求添加量Ｇｒｐが添加されるように、所定の期間燃料添加弁８を制御する。
【００２６】
次いで、燃料の添加が実施されないと想定した場合の酸化触媒３からの排気ガスの推定出ガス温度Ｔ0’を求める（ステップＳ４，Ｓ５）。推定出ガス温度Ｔ0’は、入ガス温度センサ５により検出される入ガス温度Ｔinと酸化触媒３を通過するガス量Ｇａとに基いて次式（２）、（３）により算出する。尚、Ｃcatは酸化触媒３の熱容量であり、Ｅallは単位時間当たり（たとえば、１秒）の酸化触媒３の有する熱量と酸化触媒３を通過する排気ガスの有するエネルギーの総量である。  
Ｅall＝Ｇａ×Ｔin×Ｃｖ＋Ｃcat×Ｔ0’…（２）
Ｔ0’＝Ｅall／（Ｇａ×Ｃｖ＋Ｃcat）…（３）
【００２７】
次いで、推定出ガス温度Ｔ0’と出ガス温度センサ６が検出する実際の出ガス温度Ｔ0との温度差ΔＴｒを次式（４）により算出する（ステップＳ６）。  
ΔＴｒ＝Ｔ0−Ｔ0’…（４）
【００２８】
次いで、求めた温度差ΔＴｒが一定値を越えているかを判断する（ステップＳ７）。すなわち、燃料の添加により、酸化触媒３の出ガス温度Ｔ0が必要な温度差ΔＴｒだけ上昇したかを判断する。
【００２９】
酸化触媒３の出ガス温度Ｔ0が必要な温度差ΔＴｒだけ上昇した場合には、燃料の添加を終了する（ステップＳ７、Ｓ８）。  
次いで、燃料の添加終了時点から酸化触媒３から下流に放出される燃料の酸化により生じた放出熱量Ｅｈを初期化する（ステップＳ９）。
【００３０】
次いで、温度差ΔＴｒを再度計算する(ステップＳ１０)。すなわち、ステップＳ４、Ｓ５において説明した式（２）、（３）を用いて新たに検出されるガス通過量Ｇａ及び入ガス温度Ｔinから推定出ガス温度Ｔ0’を算出し、式（４）を用いてこの推定出ガス温度Ｔ0’と新たに検出された出ガス温度Ｔ0とから温度差ΔＴｒを算出する。したがって、温度差ΔＴｒは、検出された入ガス温度Ｔinと出ガス温度Ｔ0を利用して算出される。
【００３１】
次いで、放出熱量Ｅｈを算出する（ステップＳ１１）。  
放出熱量Ｅｈは、ΔＴｒ×Ｇａで表される単位時間あたりの放出熱量を積算することにより算出される。
【００３２】
次いで、温度差ΔＴｒが所定の範囲に収まったかを判断する（ステップＳ１２）。この処理は、酸化触媒３から添加された燃料の酸化により生じた熱の放出が完了したかを判断するために実行する。すなわち、温度差ΔＴｒが所定の範囲に収まった場合には、酸化触媒３から添加された燃料の酸化により生じた熱の放出が完了したと判断する。温度差ΔＴｒが所定の範囲に収まらない場合には、温度差ΔＴｒの算出を逐次実行する。
【００３３】
次いで、ステップＳ１１で算出した放出熱量Ｅｈが所定値を超えているかを判断する（ステップＳ１３）。この処理は、酸化触媒３が劣化しているかを判別するために実行する。  
放出熱量Ｅｈが所定値を超えている場合には、酸化触媒３が正常と判断して触媒劣化フラグをオフし（ステップＳ１４）、放出熱量Ｅｈが所定値未満の場合には、酸化触媒３が劣化していると判断して触媒劣化フラグをオンする（ステップＳ１５）。
【００３４】
図４は、本実施形態に係る触媒劣化検出装置の検出性能を示す図であり、酸化触媒３の正常時の放出熱量に対する劣化時の放出熱量の割合を示している。  
比較例は、燃料の添加中の出ガス温度の積分から酸化触媒３の放出熱量を算出したものである。また、本実施形態と比較例とで酸化触媒３は同じ劣化状態とした。  
図４から分かるように、本実施形態の触媒劣化検出によれば、酸化触媒３の正常時と劣化時との違いが比較例に比べて拡大しているのがわかる。
【００３５】
上記実施形態では、燃料添加手段として燃料添加弁８を例に挙げて説明したが、例えば、内燃機関での燃料噴射時期等の燃焼条件を制御することで排気中に含まれる燃料成分量を増量することにより燃料添加手段を構成することもできる。  
また、上記実施形態では、触媒の劣化判断のために、燃料を強制的に添加する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の目的で触媒に燃料を添加した際に上記の劣化検出処理を実行することも可能である。
【００３６】
また、上記実施形態では、放出熱量Ｅｈの積算を、燃料の添加完了時点から温度差ΔＴｒが所定の範囲に収まる時点に至る期間の間逐次実行する構成としたが、これに限定されるわけではなく、例えば、燃料の添加完了時点から所定時間経過する時点までの期間とし、この期間を燃料の酸化により生じた熱の放出が完了するのに必要な期間に応じて適宜設定してもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、放出熱量Ｅｈに基いて劣化を判断したが、燃料の添加終了時点から温度差ΔＴｒが一定の範囲に収まる時点までの時間、すなわち、燃料の添加終了時点から燃料の酸化により生じた熱の放出が完了するまでに要する時間に基いて、酸化触媒３の劣化を判断することも可能である。
【００３８】
また、上記実施形態では、燃料の添加終了時点から酸化触媒の劣化判断のための放出熱量の算出を開始したが、これに限定されるわけではなく、劣化状態と正常状態を区別できる範囲で、放出熱量の算出開始時点を燃料の添加終了時点よりも遅らせることも可能である。
【００３９】
また、上記実施形態では、ステップＳ１２において、放出熱量Ｅｈの算出終了時点を温度差ΔＴｒが所定値の範囲に収まる時点としたが、これに限定されるわけではなく、放出熱量の算出終了時点を燃料の添加終了時点を基準として所定時点に予め設定しておくことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明が適用される内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る触媒劣化検出方法を説明するためのグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係る触媒劣化検出処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る触媒劣化検出装置の検出性能を示す表である。
【符号の説明】
【００４１】
１…内燃機関
２…排気通路
３…酸化触媒
４…フィルタ
５…入ガス温度センサ
６…出ガス温度センサ
８…燃料添加弁（燃料添加手段）
９…ＥＣＵ（放出熱量算出手段、劣化判断手段）
１０…アクセル開度センサ
１１…クランクポジションセンサ
１３…フィルタ
【図１】
2009156049.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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