JP2008088962A - 触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カット時についても触媒コンバータが受ける熱量を正確に算出することができ、確実に熱劣化を抑制することのできる触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置を提供すること。
【解決手段】通常運転時には排気流量及び排気温度に応じた熱量指標ａを算出し（Ｓ３）、燃料カット時には燃料カット経過時間Ｔｆに応じて補正した熱量指標ｂを算出し（Ｓ８）、これらの熱量指標ａ、ｂを積算して総熱量指標ｃを求め（Ｓ１０）、当該総熱量指標ｃが走行距離に応じて設定される上限総熱量指標ｃmaxより大であるか否かを判別することで熱劣化の判定を行い（Ｓ１３）、熱劣化と判定した場合にはスロット開度制限制御（Ｓ１５）及び燃料カット時間短縮制御（Ｓ１６）を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気通路に触媒コンバータを備えた内燃機関において、当該触媒コンバータの熱劣化を抑制する技術に関する。

内燃機関（以下エンジンともいう）の排気通路に設けられている触媒コンバータは、高温且つ酸化雰囲気（リーン空燃比）状態が続くことでシンタリング（担体に担持された粒子が高温下で互いに凝集して粒子径が大きくなる現象）等により熱劣化し、排気浄化性能が低下するという問題がある。
例えば、車両の減速時にエンジンへの燃料供給を全気筒または一部気筒について一時的に停止する所謂燃料カットを行うことで排気空燃比がリーン空燃比となりやすく、上記問題が顕著となるおそれがある。

しかし、触媒コンバータにおける排気浄化性能の判定は、例えば当該触媒コンバータの下流に設けたＯ_２センサにより酸素濃度を検出することで行っているが、当該判定では排気浄化性能の低下が熱劣化によるものか、または酸素被毒等の一時的な性能低下であるかの判断が困難である。
そこで、Ｏ_２センサを用いず、排気温度及び排気流量から触媒コンバータが受ける熱量を算出し熱劣化を検出する構成が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２２７３８９号公報

しかしながら、燃料カットを行う車両において燃料カット時の排気温度は、燃料カット経過時間に応じて変化するため、燃料カット時の熱量を正確に算出するのは困難であるという問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料カット時についても触媒コンバータが受ける熱量を正確に算出することができ、確実に熱劣化を抑制することのできる触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の触媒熱劣化判定装置では、車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒コンバータと、車両が所定の運転状態にあるときに内燃機関への燃料供給を停止する燃料噴射制御手段と、前記内燃機関の排気流量を検出する排気流量検出手段と、前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記内燃機関へ燃料供給を行っている場合には、前記排気流量検出手段より検出される排気流量及び前記排気温度検出手段により検出される排気温度に基づき前記触媒コンバータが受ける燃料供給時の熱量指標を算出し、前記燃料噴射制御手段により燃料供給を停止している場合には、前記排気流量及び排気温度基づき算出される熱量指標に対して燃料供給停止開始からの経過時間に応じて設定された補正係数を用いて燃料供給停止時の熱量指標を算出する熱量指標算出手段と、該熱量指標算出手段により算出された熱量指標を積算し総熱量指標を算出する総熱量指標算出手段と、前記内燃機関の運転期間に応じた上限総熱量指標を設定する上限総熱量指標設定手段と、前記熱量指標積算手段により算出された総熱量指標が前記上限熱量指標設定手段により設定された上限総熱量指標より大である場合に熱劣化と判定する熱劣化判定手段とを備えたことを特徴としている。

つまり、通常運転時には排気流量及び排気温度から熱量指標を算出し、燃料供給停止時（燃料カット時）には排気流量及び排気温度から算出される熱量指標に対して燃料カット経過時間に応じた補正係数を用いて熱量指標を算出し、これら通常運転時及び燃料カット時の熱量指標を積算した総熱量指標をエンジンの運転期間に応じて設定される上限総熱量指標を比較して熱劣化を判定する。

請求項２の触媒熱劣化判定装置では、請求項１において、前記上限総熱量指標設定手段は、前記運転期間としての前記車両の走行距離により前記上限総熱量指標を設定することを特徴としている。
請求項３の触媒熱劣化抑制装置では、請求項１または２において、前記熱劣化判定手段により熱劣化と判定された場合、前記触媒コンバータに流入する排気空燃比のリーン化を抑制する熱劣化抑制制御手段を備えたことを特徴としている。

請求項４の触媒熱劣化抑制装置では、請求項３において、前記熱劣化抑制制御手段は、前記燃料噴射制御手段による燃料供給の停止時間を短縮させることで前記排気空燃比のリーン化を抑制することを特徴としている。
請求項５の触媒熱劣化抑制装置では、請求項３または４において、前記内燃機関のスロットル開度を制御し吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、前記熱劣化抑制制御手段は、前記吸入空気量制御手段のスロットル開度を制限することで前記排気空燃比のリーン化を抑制することを特徴している。

上記手段を用いる本発明の請求項１の触媒熱劣化判定装置によれば、通常運転時には排気熱量及び排気温度から熱量指標を算出し、燃料カット時には排気流量及び排気温度から算出される熱量指標に対して燃料カット経過時間に応じた補正係数を用いて熱量指標を算出することで、燃料カット経過時間によって変化する燃料カット時の熱量を正確に算出することができる。

また、これら通常運転時及び燃料カット時の熱量指標を積算した総熱量指標とエンジンの運転期間に応じて設定される上限総熱量指標とを比較し、確実に熱劣化を判定することができる。
請求項２の触媒熱劣化判定装置によれば、運転期間としての車両の走行距離により上限総熱量指標を設定することで制御を簡単なものにすることができる。

請求項３の触媒熱劣化抑制装置によれば、熱劣化の判定に応じて、排気空燃比のリーン化を抑制することで熱劣化を抑制することができる。
請求項４の触媒熱劣化抑制装置によれば、熱劣化の判定に応じて、燃料カット時間の短縮を行うことで十分に熱劣化を抑制することができる。
請求項５の触媒熱劣化抑制装置によれば、熱劣化を判定したときにスロットル開度を制限することで、排気流量を低減し触媒コンバータに流入する熱エネルギを抑え、より一層触媒コンバータの熱劣化を抑制させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る触媒熱劣化抑制装置の概略構成図が示されている。
エンジン１（内燃機関）は、４気筒が直列に並んで構成され１８０°ＣＡ毎に等間隔で爆発する吸気管噴射型の４サイクル直列４気筒型エンジンであり、図１にはそのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１はシリンダブロック２にシリンダヘッド４が載置されて構成されている。当該シリンダブロック２に形成されている気筒１０内にはピストン１２が上下摺動可能に嵌挿されている。当該ピストン１２はコンロッド１４を介してクランクシャフト１６に連結されている。当該クランクシャフト１６には、クランク角を検出するクランク角センサ１８が設けられている。

また、シリンダヘッド２、気筒１０、ピストン１２により燃焼室２０が形成されている。そして、シリンダヘッド２には燃焼室２０内に電極部が臨むようにして点火プラグ２２が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、燃焼室２０と連通しエンジン１の幅方向一側に延びる吸気ポート２４が形成されており、当該吸気ポート２４内に臨むようにして、燃料噴射を行う燃料噴射弁２６が設けられている。

また、シリンダヘッド２には、燃焼室２０と連通しエンジン１の幅方向他側に延びる排気ポート２８が形成されている。
さらに、シリンダヘッド２には、燃焼室２０と吸気ポート２４、及び燃焼室２０と排気ポート２８との連通と遮断を行う吸気バルブ３０及び排気バルブ３２が設けられている。
また、エンジン１の一側には吸気ポート２４と連通するように、吸気マニホールド４０が接続されており、当該吸気マニホールド４０の一端には吸気管４２が接続されている。

当該吸気管４２内には、吸入空気量を検出するエアフローセンサ（ＡＦＳ）４４が設けられており、当該ＡＦＳ４４の吸気下流側には吸入空気量を調節する電子スロットルバルブ（ＥＴＶ）４６及び当該ＥＴＶ４６のスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）４７（排気流量検出手段）が設けられている。さらに、当該吸気管４２の端部にはエアクリーナ４８が設けられている。

一方、エンジン１の他側には、排気ポート２８と連通するように排気マニホールド５０が接続されており、当該排気マニホールド５０の一端には排気管５２が接続されている。
当該排気管５２には三元触媒５４（触媒コンバータ）が設けられている。当該三元触媒５４は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）のいずれかを有して構成され、ＨＣ、ＣＯを酸化するとともにＮＯxを還元、除去する機能を有している。

また、排気管５２において、三元触媒５４の排気上流側には排気温度を検出する排気温度センサ５６（排気温度検出手段）が設けられており、三元触媒５４の排気下流側には排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサ５７がそれぞれ設けられている。
また、当該エンジン１を搭載している車両にはアクセルペダルの操作量、即ちアクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）５８、及び当該車両の走行距離を検出する走行距離センサ５９が設けられている。

そして、上記クランク角センサ１８、点火プラグ２２、燃料噴射弁２６、ＡＦＳ４４、ＥＴＶ４６、ＴＰＳ４７、排気温度センサ５６、Ｏ_２センサ５７、ＡＰＳ５８、走行距離センサ５９等の各種装置や各種センサ類はＥＣＵ（電子コントロールユニット）６０と電気的に接続されており、当該ＥＣＵ６０は各種センサ類からの各情報に基づき各種装置を作動制御する。

例えば、ＥＣＵ６０は、ＡＰＳ５８より検出されるアクセル開度に基づきＥＴＶ４６のスロットル開度の制御を行う（吸入空気量制御手段）。
また、ＥＣＵ６０は、車両の減速時において、燃料噴射弁２６からの燃料供給を停止する所謂燃料カット制御を行う（燃料噴射制御手段）。なお、ＥＣＵ６０にはタイマが設けられており、燃料カット制御開始からの経過時間をカウントする機能を有している。

さらに、ＥＣＵ６０は、三元触媒５４の熱劣化を判定し（熱劣化判定手段）、当該判定結果に応じて熱劣化抑制制御（熱劣化抑制制御手段）を行う。なお、ＥＣＵ６０は当該熱劣化判定とともに、Ｏ_２センサ５７により三元触媒５４の酸素被毒の判定を行い、当該酸素被毒判定に応じて酸素被毒パージ制御も行う。
以下このように構成された本発明に係る触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置の作用について説明する。

図２乃至７を参照すると、図２及び図３には本発明に係る触媒熱劣化抑制装置の制御ルーチンを示したフローチャート、図４には排気温度及び排気流量に基づく熱量指標マップ、図５には燃料カット時の熱量指標影響係数マップ、図６には通常運転から燃料カットへ移行する際の各運転状態を示したタイムチャート、図７には走行距離に応じた上限総熱量指標マップがそれぞれ示されている。以下、当該図４乃至７を参照しながら図２、３のフローチャートに沿って説明する。

まず、ステップＳ１では、クランク角センサ１８により検出されるクランク角情報から算出した回転速度情報、ＡＰＳ５８により検出されるアクセル開度情報から算出したエンジン負荷、排気温度センサ５６により検出される排気温度情報、及びＴＰＳ４７により検出されるスロットル開度から算出した排気流量情報をそれぞれ取得する。
続くステップＳ２では、燃料カット制御を行っているか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち燃料カット中ではなく通常運転中である場合はステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、図４に示す熱量指標マップから通常運転時における熱量指標ａを求め、ステップＳ４に進む（熱量指標算出手段）。なお、図４の熱量指標マップは排気温度及び排気流量から熱量指標が求められるものであり、排気温度が高く、排気流量が多いほど熱量指標の値が高くなるよう設定されている。
ステップＳ４では、燃料カット時の熱量指標ｂの値を０に設定し、ステップＳ１０に進む。

一方、上記ステップＳ２の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち燃料カット中である場合には、図３に示すステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、図４に示す熱量指標マップから熱量指標ｂmapを求め、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、ＥＣＵ６０内にあるタイマよりカウントされる燃料カット開始からの経過時間Ｔｆを取得し、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、上記ステップＳ６で取得した燃料カット経過時間Ｔｆと図５に示す熱量指標影響係数マップから、熱量指標影響係数ｂinfを求める。なお、図５の熱量指標影響係数マップは、燃料カット時における熱量指標を求めるための補正係数であり、当該熱量影響係数ｂinfは燃料カット開始直後に最大値をとり、以降燃料カット経過時間Ｔｆが増加するにつれて値が低下するよう設定されている。これは、燃料カット開始直後は三元触媒５４上に存在するＨＣ等と大量の酸素が反応して熱量を発生させるが、その後、三元触媒５４上のＨＣ等が少なくなるにつれ発生する熱量も小さくなり、最終的にＨＣ等がなくなった時点で熱量も０となるためである。

続くステップＳ８では、上記熱量指標ｂmapと上記熱量影響指標係数ｂinfの積より燃料カット時における熱量指標ｂを算出し、図２のステップＳ９に進む（熱量指標算出手段）。
ステップＳ９では、通常運転中の熱量指標ａの値を０に設定し、ステップＳ１０に進む。

そして、ステップＳ１０では、当該ルーチンの実行周期毎に通常運転時の熱量指標ａと燃料カット時の熱量指標ｂとを加算、即ち積算し総熱量指標ｃを算出する（総熱量指標算出手段）。
つまり、ここで図６を参照すると、アクセル操作ＯＮ時、即ち通常運転時であるＡ期間においては、排気温度及び排気流量に応じて変化する熱量指標ａを積算する。

一方、アクセル操作ＯＦＦ時、即ち燃料カット時である期間Ｂでは、図４の熱量指標マップにより排気温度及び排気流量に応じた燃料指標ｂmapを燃料カット時間に応じた熱量影響指標係数ｂinfにより補正して求められる熱量指標ｂを積算する。
続いて、ステップＳ１１では、走行距離センサ５９により検出される走行距離情報を取得し、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では図７に示す上限総熱量指標マップより、走行距離に応じた上限総熱量指標ｃmaxを設定し、ステップＳ１３に進む（上限総熱量指標設定手段）。
ステップＳ１３では、上記ステップＳ１０において算出した総熱量指標ｃが、上記ステップＳ１２で設定した上限総熱量指標ｃmaxより大であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、即ち総熱量指標ｃが上限総熱量指標ｃmax以下である場合は、ステップＳ１４に進み、通常のエンジン制御を行うものとし、当該ルーチンをリターンする。

一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち総熱量指標ｃが上限総熱量指標ｃmaxより大である場合には熱劣化と判定し、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、ＥＶＴ４６を制御しスロットル開度を制限することで吸入空気量を減少させリーン化を抑制する。
続くステップＳ１６では、燃料カットの時間を短縮するよう制御し、リーン化を抑制する。そして、当該ルーチンをリターンし、総熱量指標ｃが上限総熱量指標ｃmax以下となるまで上記ステップＳ１５、１６のスロットル開度制限制御及び燃料カット時間短縮制御を行う。

このように上記ステップＳ１５でのスロットル開度制限制御及びステップＳ１６での燃料カット時間短縮制御を行うことで、排気空燃比のリーン化を抑制、すなわちリッチ化させ、三元触媒５４の熱劣化を抑制させる。
以上のように当該制御では、通常運転時には排気熱量及び排気温度から熱量指標ａを算出し、燃料カット時には排気流量及び排気温度から算出される熱量指標ｂmapに対して燃料カット経過時間Ｔｆに応じた補正係数ｂinfを用いて熱量指標を算出することで、燃料カット経過時間Ｔｆによって変化する燃料カット時の熱量を正確に算出することができる。

そして、当該総熱量指標ｃが上限総熱量指標ｃmax以下となるまで、スロット開度制限制御及び燃料カット時間短縮制御を行うことで熱劣化を確実に防止することができる。
さらに、Ｏ_２センサ５７による劣化判定も併せて行うことで、酸素被毒による劣化等も防止することができる。
以上のように、本発明に係る触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置では、燃料カット時の熱量を正確に算出することができ、確実に熱劣化を抑制することができる。

以上で本発明に係る触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、エンジン１は吸気ポート内に燃料噴射を行うＭＰＩエンジンであるが、例えば燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射型エンジンであっても構わない。
また、上記実施形態では、排気通路にＯ_２センサ５７を設け酸素被毒判定を行っているが、Ｏ_２センサ５７を設けず推定により酸素被毒パージ制御を行うことも可能であり、また酸素被毒パージ制御を行わないようにしても構わない。

また、上記実施形態では、エンジンの運転期間を走行距離により算出しているが、運転期間の算出はこれに限られるものではなく、例えばＥＣＵ６０のタイマによりエンジンの稼働時間をカウントすることでエンジンの運転期間を算出しても構わない。
また、上記実施形態では、ステップＳ１６において、燃料カット時間短縮制御を行っているが、これは燃料カットを禁止する制御としても構わない。

本発明に係る触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置の概略構成図である。 本発明に係る触媒熱劣化判定装置及び触媒熱劣化抑制装置の制御ルーチンを示したフローチャートの一部である。 図２に続く制御ルーチンを示すフローチャートの残部である。 排気温度及び排気流量に基づく熱量指標マップである。 燃料カット時の熱量指標影響係数マップである。 通常運転から燃料カットへ移行する際の各運転状態を示したタイムチャートである。 走行距離に応じた上限総熱量指標マップである。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１０ 気筒
１８ クランク角センサ
２０ 燃焼室
２２ 点火プラグ
２６ 燃料噴射弁
４４ エアフローセンサ（ＡＦＳ）
４６ 電子スロットルバルブ（ＥＴＶ）
４７ スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）（排気流量検出手段）
５４ 三元触媒
５６ 排気温度センサ（排気温度検出手段）
５７ Ｏ_２センサ
５８ アクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）
５９ 走行距離センサ
６０ ＥＣＵ（燃料噴射制御手段、熱量指標算出手段、総熱量指標算出手段、上限総熱量指標設定手段、熱劣化判定手段、熱劣化抑制制御手段、吸入空気量制御手段）

Claims (5)

1. 車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒コンバータと、
   車両が所定の運転状態にあるときに内燃機関への燃料供給を停止する燃料噴射制御手段と、
   前記内燃機関の排気流量を検出する排気流量検出手段と、
   前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
   前記内燃機関へ燃料供給を行っている場合には、前記排気流量検出手段より検出される排気流量及び前記排気温度検出手段により検出される排気温度に基づき前記触媒コンバータが受ける燃料供給時の熱量指標を算出し、前記燃料噴射制御手段により燃料供給を停止している場合には、前記排気流量及び排気温度基づき算出される熱量指標に対して燃料供給停止開始からの経過時間に応じて設定された補正係数を用いて燃料供給停止時の熱量指標を算出する熱量指標算出手段と、
   該熱量指標算出手段により算出された熱量指標を積算し総熱量指標を算出する総熱量指標算出手段と、
   前記内燃機関の運転期間に応じた上限総熱量指標を設定する上限総熱量指標設定手段と、
   前記熱量指標積算手段により算出された総熱量指標が前記上限熱量指標設定手段により設定された上限総熱量指標より大である場合に熱劣化と判定する熱劣化判定手段とを備えたことを特徴とする触媒熱劣化判定装置。
2. 前記上限総熱量指標設定手段は、前記運転期間としての前記車両の走行距離により前記上限総熱量指標を設定することを特徴とする請求項１記載の触媒熱劣化判定装置。
3. 請求項１または２に記載の触媒熱劣化判定装置を備えた触媒熱劣化抑制装置において、
   前記熱劣化判定手段により熱劣化と判定された場合、前記触媒コンバータに流入する排気空燃比のリーン化を抑制する熱劣化抑制制御手段を備えたことを特徴とする触媒熱劣化抑制装置。
4. 前記熱劣化抑制制御手段は、前記燃料噴射制御手段による燃料供給の停止時間を短縮させることで前記排気空燃比のリーン化を抑制することを特徴とする請求項３記載の触媒熱劣化抑制装置。
5. 前記内燃機関のスロットル開度を制御し吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、
   前記熱劣化抑制制御手段は、前記吸入空気量制御手段のスロットル開度を制限することで前記排気空燃比のリーン化を抑制することを特徴とする請求項３または４記載の触媒熱劣化抑制装置。

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