JP4556367B2 - Engine exhaust purification device and method for judging purification - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気浄化装置及びその浄化性能判定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車用エンジンの燃焼室から排気通路に排出される排気ガスには、NOx(窒素酸化物)、HC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、PM(大気浮遊物質)等の大気汚染物質が含まれているので、これらの大気汚染物質を浄化するため、排気通路には排気ガス浄化触媒を用いた排気浄化装置が設けられる。そして、かかる排気ガス浄化触媒を用いて、HC、CO及びPMは酸化により浄化され、NOxは還元により浄化される、なお、NOxを還元するには、NOxから酸素を奪う還元成分(還元剤)が不可欠であるが、自動車用エンジンでは、排気ガス中のHCが還元成分として利用される。
【0003】
ところで、一般に、排気ガス浄化触媒は熱あるいは被毒により次第に劣化し、その活性が低下する。したがって、自動車用エンジンでは、排気ガス浄化触媒の浄化性能ないしは劣化度を適宜把握することが必要である。かくして、特開平8−284648号公報には、排気ガス浄化触媒下流に設けられたO2センサの出力のエンジン始動後における活性化の遅延度合いに基づいて、排気ガス浄化触媒の低温活性の低下を検出し、これに基づいて排気ガス浄化触媒の劣化診断を行うようにした触媒劣化診断装置が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば特開平8−284648号公報に開示されているような従来の触媒劣化診断装置では、排気ガス浄化触媒の浄化性能ないしは劣化度を精度良く判定することは困難であるといった問題がある。本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、排気ガス浄化触媒の低温における浄化性能ないしは劣化度、容易にかつ精度良く判定することができる手段を提供することを解決すべき課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるエンジンの排気浄化装置は、(i)エンジンの排気通路に配置され、酸化性能を有する触媒(三元触媒、四元触媒、あるいはNOxトラップ触媒又はNOx還元触媒を含む貴金属触媒等)と、(ii)触媒上流の排気ガス中のO2濃度を検出(又は推定)する上流側O2濃度検出手段と、(iii)触媒下流の排気ガス中のO2濃度を検出(又は推定)する下流側O2濃度検出手段と、(iv)上流側O2濃度検出手段によって検出された上流側O2濃度と、下流側O2濃度検出手段によって検出された下流側O2濃度とに基づいて触媒の浄化性能(ないしは劣化度)を判定する浄化性能判定手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、(v)触媒温度を検出(又は推定)する触媒温度検出手段と、(vi)触媒上流の排気ガス中の還元成分(還元剤)濃度を、高濃度状態と低濃度状態との間を移行するよう変化させる排気ガス組成変更手段(O2濃度を変化させて還元成分濃度を変化させるものも含む)とが設けられていて、(vii)浄化性能判定手段は、排気ガス組成変更手段によって還元成分濃度が変化させられている場合において、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲(例えば、触媒の還元成分浄化率が所定値となる触媒温度(ライトオフ温度)より低い所定温度範囲)外にあるときに検出された上流側O2濃度と下流側O2濃度とに基づいて(偏差、変化度合い偏差等)、触媒の浄化性能(ないしは劣化度)を判定するようになっていることを特徴とするものである。
【0006】
一般に、酸化性能を有するこの種の触媒は、その温度(触媒温度)が低いときには不活性状態にある。そして、触媒温度が上昇してある温度に達したときに活性化され始める(以下、この温度を「活性化開始温度」という。)。さらに、触媒温度が上昇するとこれに伴って活性化度合いが高まり、ある温度以上では完全に活性状態となる(以下、この温度を「活性化完了温度」という。)。ただし、活性化開始温度と活性化完了温度とはさほど大きくは異ならない(例えば、20℃)。なお、触媒の活性化度合いないしは浄化率が所定値(例えば、50%)に達する触媒温度は、「ライトオフ温度」と呼ばれる。ここで、活性化開始温度、活性化完了温度及びライトオフ温度は、触媒が劣化すればするほど高くなる(ただし、上限はある)。
【0007】
他方、触媒上流の還元成分濃度を、高濃度状態から低濃度状態に、あるいは低濃度状態から高濃度状態に移行させた場合、還元成分のO2消費量が変わるので、上流側O2濃度及び下流側O2濃度はそれぞれ変化する。そして、例えばゼオライト系触媒では、そのライトオフ温度付近で、上流側O2濃度変化量と下流側O2濃度変化量との差(以下、「O2濃度変化量差」という。)が大きくなり、これより低温側及び高温側ではいずれもO2濃度変化量差は小さくなる。すなわち、O2濃度変化量差が最も大きいときの触媒温度が、ほぼ該触媒のライトオフ温度を示すことになる。
また、アルミナ系触媒の場合は、ライトオフ温度に近い温度域では、触媒の活性化度合いが大きくなるほどO2濃度変化量差が大きくなる。すなわち、O2濃度変化量差がある特定値であるときの触媒温度が、ほぼ該触媒のライトオフ温度を示すことになる。
なお、このとき、ゼオライト系触媒触媒にしろ、アルミナ系触媒にしろ、触媒が活性化するのにしたがって、上流側O2濃度の絶対値に対して、下流側O2濃度の絶対値は当然ながら平均的に減少する。
【0008】
したがって、この排気浄化装置においては、触媒の浄化性能を判定すべき上記所定温度範囲を、例えば、未劣化触媒のライトオフ温度よりやや低い温度から、完全に劣化した触媒のライトオフ温度よりやや高い温度までの範囲に設定すれば、O2濃度変化量差に基づいて該触媒のライトオフ温度を容易にかつ正確に把握することができる。例えば、ゼオライト系触媒の場合は、O2濃度変化量差が最大となる触媒温度がほぼライトオフ温度である。また、アルミナ系触媒の場合は、O2濃度変化量差が上記特定値となる触媒温度がほぼライトオフ温度である。そして、このライトオフ温度から、該触媒の低温での浄化性能ないしは劣化度を容易かつ正確に判定することができる。よって、この排気浄化装置によれば、触媒の浄化性能ないしは劣化度を、容易にかつ精度良く判定することができる。
【0009】
上記排気浄化装置においては、浄化性能判定手段が、還元成分濃度が低濃度状態であるときの上流側O2濃度の代表値(例えば、ピーク値、平均値等)と高濃度状態であるときの上流側O2濃度の代表値との差である第1代表値差と、還元成分濃度が低濃度状態であるときの下流側O2濃度の代表値と高濃度状態であるときの下流側O2濃度の代表値との差である第2代表値差とに基づいて、触媒の浄化性能を判定するようになっているのが好ましい。このようにすれば、触媒の浄化性能ないしは劣化度の判定精度が向上する。
この場合、浄化性能判定手段が、上記第1代表値差と上記第2代表値差との間の偏差が所定範囲外となるときの触媒温度が、所定温度を超えたときに触媒が劣化していると判定するようになっているのがより好ましい。
【0010】
上記排気浄化装置において、浄化性能判定手段は、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲にあるときに、触媒の浄化性能を判定するようになっているのが好ましい。
【0011】
上記排気浄化装置においては、排気ガス組成変更手段が、触媒温度が所定温度より低い状態と該所定温度より高い状態との間を移行する移行期間内(過渡時)において、所定周期で(例えば、1〜10s)還元成分濃度を増減(例えば、1000ppmの差で)させるようになっているのが好ましい。このようにすれば、触媒の浄化性能ないしは劣化度をより精度良く確実に判定することができる。
【0012】
上記排気浄化装置においては、排気ガス組成変更手段が、触媒温度が上記所定温度より低い状態であるときに加速が開始された後、所定期間にわたって(例えば、触媒が活性化するまで)還元成分濃度を増減させるようになっているのが好ましい。このようにすれば、触媒の浄化性能ないしは劣化度を、一層精度良く、確実に判定することができる。なお、ディーゼルエンジンでは排気ガス温度が比較的低いが、加速時には排気ガス温度が上昇するので、このようにすれば、触媒の浄化性能ないしは劣化度を確実に判定することができる。
【0013】
上記排気浄化装置においては、上記移行期間内では、上流側O2濃度を低減するO2濃度低減手段(例えば、ポスト噴射、着火リタード)が設けられているのが好ましい。このようにすれば、触媒の浄化性能ないしは劣化度を、さらに精度良く判定することができる。
【0014】
本発明にかかるエンジンの排気浄化装置の浄化性能判定方法は、(i)エンジンの排気通路に配置され酸化性能を有する触媒と、触媒上流の排気ガス中のO2濃度を検出する上流側O2センサと、触媒下流の排気ガス中のO2濃度を検出する下流側O2センサとを備えたエンジンの排気浄化装置について、(ii)上流側O2センサによって検出された上流側O2濃度と、下流側O2センサによって検出された下流側O2濃度とに基づいて触媒の浄化性能を判定するようにした浄化性能判定方法において、(iii)触媒上流の排気ガス中の還元成分濃度を、高濃度状態と低濃度状態との間を移行するよう変化させる一方、(iv)還元成分濃度を変化させている場合において、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲外にあるときに、上流側O2濃度と下流側O2濃度とに基づいて触媒の浄化性能を判定するようにしたことを特徴とするものである。
この浄化性能判定方法によれば、前記の排気浄化装置の場合と同様の理由により、触媒の浄化性能ないしは劣化度を、容易にかつ精度良く判定することができる。
【0015】
本発明にかかるもう1つのエンジンの排気浄化装置(制御装置)は、(i)エンジンの排気通路に配置され、酸化性能を有する触媒と、(ii)触媒上流の排気ガス中のO2濃度を検出する上流側O2濃度検出手段と、(iii)触媒下流の排気ガス中のO2濃度を検出する下流側O2濃度検出手段と、(iv)上流側O2濃度検出手段によって検出された上流側O2濃度と、下流側O2濃度検出手段によって検出された下流側O2濃度とに基づいてエンジンの制御状態を変更する制御状態変更手段とを備えたエンジンの排気浄化装置(制御装置)において、(v)触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、(vi)触媒上流の排気ガス中の還元成分濃度を、高濃度状態と低濃度状態との間を移行するよう変化させる排気ガス組成変更手段とが設けられていて、(vii)制御状態変更手段が、排気ガス組成変更手段によって上記還元成分濃度が変化させられている場合において、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲外にあるときに検出された上流側O2濃度と下流側O2濃度とに基づいて、エンジンの制御状態を変更するようになっていることを特徴とするものである。
【0016】
この排気浄化装置によれば、前記の排気浄化装置の場合と同様の理由により、O2濃度変化量差に基づいて触媒のライトオフ温度ひいては触媒の浄化性能ないしは劣化度を容易かつ正確に把握することができ、これに応じてエンジンの制御状態を好ましく変更することができる。このため、エンジンの制御性を向上させることができ、かつエミッション性能を高めることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図1に示すように、自動車用の多気筒ディーゼルエンジン1(以下、「エンジン1」という。)の各気筒(1つのみ図示)おいては、吸気行程で吸気通路2から燃焼室3内に燃料燃焼用のエアが吸入される。この燃焼室3内のエアは、圧縮行程でピストン4によって圧縮され、高温・高圧状態となる。そして、圧縮行程上死点付近ないし膨張行程で、燃料噴射弁5から燃焼室3内の高温・高圧のエア中に燃料(軽油等)が噴射され、この燃料は自己着火して燃焼する。なお、後で説明するように、燃料噴射は基本噴射(メイン噴射)とポスト噴射とに2分割して行われる。燃料の燃焼によって生じた燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気行程で排気通路6に排出される。このような行程が繰り返されてピストン4が往復運動し、このピストン4の往復運動はクランク軸7の回転運動に変換される。
【0018】
燃料噴射弁5は噴射口が燃焼室3に臨むように配置され、燃焼室3内に直接燃料を噴射する。ここで、燃料噴射弁5は燃料供給通路8に接続されている。燃料供給通路8には、クランク軸7によって駆動される高圧燃料ポンプ9と、各気筒に燃料を分配する燃料分配器10とが介設されている。高圧燃料ポンプ9は、燃料供給通路8内の燃料圧が所定値以上に保持されるように作動する。
【0019】
吸気通路2には、該吸気通路2から燃焼室3へのエアの流れを調整する調整弁11(開閉弁)が設けられている。また、図示していないが、吸気通路2には、エアの流れ方向にみて、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナと、エア流量を検出するエアフローセンサとが設けられている。なお、エンジン1には、エンジン水温(エンジン温度)を検出する水温センサ18が設けられている。
【0020】
排気通路6には、排気ガス中のHC、CO、NOx等を浄化するために、酸化性能(酸化促進機能)及び還元性能(還元促進機能)を有する、ゼオライト系の触媒(以下、単に「触媒」という。)を用いた排気浄化装置12(触媒コンバータ)が介設され、この排気浄化装置12には、触媒温度を検出する触媒温度センサ13が付設されている。そして、排気浄化装置12(触媒)の上流と下流とには、それぞれ、排気通路6内の排気ガス中のO2濃度を検出する上流側O2センサ14(リニアO2センサ)と下流側O2センサ15(リニアO2センサ)とが設けられている。
【0021】
ここで、触媒の担体(母材)には、多孔性のMFI(ゼオライト)が用いられている。そして、このMFIは、触媒貴金属としてPt(白金)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)等を担持している。なお、触媒の担体として、MFIに代えて、多孔性のβ型ゼオライト、あるいは多孔性のY型ゼオライトを用いてもよい。MFI、βゼオライト、Y型ゼオライト等のゼオライトは、いずれも、所定温度(例えば、200〜240℃)以下ではHCをトラップ(吸着)する一方、所定温度を超えるとこのHCを放出するといった性質を有している。
【0022】
また、エンジン1には、排気通路6内の排気ガスの一部をEGRガスとして吸気通路2に還流させるEGR通路16が設けられている。このEGR通路16には、EGRガス流量を制御するEGR制御弁17が介設されている。これにより、排気通路6内の排気ガスの一部を、EGR制御弁17により流量調節しながら吸気通路2に還流させることができる。したがって、燃焼室3にはエンジン外部から導入されるエア(新気)と、EGR制御弁17を経由するEGRガス(排気ガス)とが吸入される。
【0023】
さらに、エンジン1には、各種エンジン制御を行うとともに、排気浄化装置12(触媒)の浄化性能ないしは劣化度の判定(モニタ制御)を行うコントロールユニット20が設けられている。このコントロールユニット20は、特許請求の範囲に記載された浄化性能判定手段、排気ガス組成変更手段、O2濃度低減手段、制御状態変更手段等を含むエンジン1の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて、後で説明するモニタ制御、燃料制御等の各種制御を行うようになっている。以下、図2〜図9に示すフローチャートを参照しつつ、コントロールユニット20によって実行されるモニタ制御及び燃料制御の具体的な制御手法を説明する。
【0024】
まず、図2〜図3に示すフローチャートを参照しつつ、モニタ制御の制御手法を説明する。
このモニタ制御では、ステップS1で、触媒温度センサ13によって検出される触媒温度Tcat、上流側O2センサ14によって検出される上流側O2濃度Oxup(n)、下流側O2センサ15によって検出される下流側O2濃度Oxdn(n)等の各種制御情報(データ)が入力される。
【0025】
次に、ステップS2で、触媒温度Tcatが、第1触媒温度Tcat10より高くかつ第2触媒温度Tcat20より低い(Tcat10<Tcat<Tcat20)か否かが判定される。
フレッシュ触媒(全く劣化していない触媒)は、触媒温度Tcatが活性化開始温度(例えば、200℃)より低いときには不活性状態にあり、HC浄化率はほぼ0であるが、触媒温度Tcatが活性化開始温度以上になると触媒温度Tcatの上昇に伴って触媒活性ないしはHC浄化率が上昇する。そして、触媒は、触媒温度Tcatが活性化完了温度(例えば、220℃)以上になると完全に活性状態となり、HC浄化率はほぼ100%となる。なお、HC浄化率が所定値(例えば、50%)に達するライトオフ温度は、活性化開始温度と活性化完了温度の間となる(例えば、210℃)。
【0026】
そして、触媒が劣化すると、その劣化度が大きくなるほど、活性化開始温度、活性化完了温度及びライトオフ温度が高くなる。例えば、完全に劣化した触媒では、活性化開始温度、活性化完了温度及びライトオフ温度は、フレッシュ触媒に比べて数10℃(例えば、40℃)高くなる。なお、劣化触媒では、触媒温度が活性化完了温度以上となっても、HC浄化率は100%には達しない。
ここで、第1触媒温度Tcat10は、フレッシュ触媒のライトオフ温度よりやや低い温度に設定され、第2触媒温度Tcat2 0は、ほぼ完全に劣化した触媒のライトオフ温度、あるいはこれよりやや高い温度に設定される。
【0027】
ステップS2で、Tcat10<Tcat<Tcat2 0であると判定された場合は(YES)、ステップS3〜S14で、O2濃度変化量差ΔOxが所定の閾値ΔOxav0を超える場合の触媒温度Tcat(n)を記憶するといったデータ処理が行われる。
まず、ステップS3〜S6では、モニタ制御開始後に第1基準時間t10が経過するまでの期間(HC濃度が高濃度状態にある期間)における上流側O2濃度平均値Oxup1avと下流側O2濃度平均値Oxdn1avとが算出される。
【0028】
図12(a)に示すように、モニタ制御が行われているときには、HC添加制御信号が所定の周期でオン・オフされ、これに伴って触媒上流のHC濃度は、高濃度状態と低濃度状態とを所定の周期で交代させる。ここで、HC添加制御信号がオンとなり触媒上流のHC濃度が高濃度状態となる時間幅をτ1(例えば、0.5〜5s)とし、HC添加制御信号がオフとなり触媒上流のHC濃度が低濃度状態となる時間幅をτ2(例えば、0.5〜5s)とすれば、第1基準時間t10は、時間幅τ1に対応する。なお、後で説明する第2基準時間t20は、時間幅(τ1+τ2)に対応する。
【0029】
具体的には、ステップS3で、モニタ制御開始後の経過時間tが第1基準時間t10未満であるか否かが判定され、第1基準時間t10未満であれば(YES)、第1基準時間t10に達するまでステップS4で繰り返し上流側O2濃度Oxup(n)と下流側O2濃度Oxdn(n)とが記憶される。
【0030】
そして、ステップS5で、経過時間tが第1基準時間t10に達したか否かが判定され、第1基準時間t10に達していれば(YES)、ステップS6で、期間(0〜t10)すなわちHC濃度が高濃度状態である期間における上流側O2濃度平均値Oxup1avと下流側O2濃度平均値Oxdn1avとが算出される(平均化)。
【0031】
次に、ステップS7〜S10では、第1基準時間t10が経過した後、第2基準時間t20が経過するまでの期間(HC濃度が低濃度状態にある期間)における上流側O2濃度平均値Oxup2avと下流側O2濃度平均値Oxdn2avとが算出される。
具体的には、ステップS7で、モニタ制御開始後の経過時間tが第1基準時間t10を超えかつ第2基準時間t20未満である(t10<t<t20)か否かが判定され、t10<t<t20であれば(YES)、第2基準時間t20に達するまでステップS8で繰り返し上流側O2濃度Oxup(n)と下流側O2濃度Oxdn(n)とが記憶される。
【0032】
そして、ステップS9で、経過時間tが第2基準時間t20に達したか否かが判定され、第2基準時間t20に達していれば(YES)、ステップS10で、期間(t10〜t20)すなわちHC濃度が低濃度状態である期間における上流側O2濃度平均値Oxup2avと下流側O2濃度平均値Oxdn2avとが算出される(平均化)。
【0033】
次に、ステップS11で、次の式1、式2により、HC濃度が低濃度状態であるときの上流側O2濃度平均値Oxup2avと高濃度状態であるときの上流側O2濃度平均値Oxup1avとの差ΔOxup(以下、「上流側O2濃度差ΔOxup」という。)と、HC濃度が低濃度状態であるときの下流側O2濃度平均値Oxdn2avと高濃度状態であるときの下流側O2濃度平均値Oxdn1avとの差ΔOxdn(以下、「下流側O2濃度差ΔOxdn」という)とが算出される。
ΔOxup←Oxup2av− Oxup1av…………………………………式1
ΔOxdn←Oxdn2av− Oxdn1av…………………………………式2
【0034】
続いて、ステップS12で、次の式3により、上流側O2濃度差ΔOxupと下流側O2濃度差ΔOxdnとに基づいて、O2濃度変化量差ΔOxが算出される。
ΔOx←ΔOxup−ΔOxdn…………………………………………式3
【0035】
そして、ステップS13で、O2濃度変化量差ΔOxが所定の閾値ΔOxav0を超えているか否かが判定され、超えていれば(YES)、ステップS14で今回の触媒温度Tcat(n)が記憶される。なお、O2濃度変化量差ΔOxが閾値ΔOxav0以下であれば、ステップS14をスキップして、ステップS1に復帰する。
このように、ステップS2〜S14では、Tcat10〜Tcat20の範囲内で、O2濃度変化量差ΔOxが閾値ΔOxav0を超える場合の触媒温度Tcat(n)が記憶され続ける。
【0036】
ところで、前記ステップS2で、触媒温度Tcatが、第1触媒温度Tcat10以下であるか、又は第2触媒温度Tcat2 0以上であると判定された場合は(NO)、ステップS15〜S21で、触媒が劣化しているか否かが判定される。
具体的には、ステップS15でO2濃度変化量差ΔOxがリセットされた後、ステップS16で、前回はTcat10<Tcat<Tcat2 0であったか否かが判定される。そして、前回Tcat10<Tcat<Tcat2 0であった場合は(YES)、ステップS17〜S21で、触媒が劣化しているか否かが判定される。なお、前回Tcat10<Tcat<Tcat2 0でなかった場合は(NO)、ステップS1に復帰する。
【0037】
ステップS17では、前記のステップS14で記憶された各触媒温度Tcat(n)が読み出される。続いて、ステップS18で、これらの触媒温度Tcat(n)が平均化されて、触媒温度平均値Tcat(n)avが算出される。そして、ステップS19で、触媒温度平均値Tcat(n)avが所定の閾値Tcat(n)av0より大きいか否かが判定され、Tcat(n)av>Tcat(n)av0であれば(YES)、ステップS20で触媒は劣化していると判定される。他方、Tcat(n)av≦Tcat(n)av0であれば(NO)、ステップS21で触媒は正常であると判定される。なお、このように触媒の浄化性能ないしは劣化度の判定が行われた後、このモニタ制御は終了する。つまり、この判定は、1回の走行で1回だけ行われる。触媒はさほど急速に劣化することはないからである。
【0038】
このように、このモニタ制御では、O2濃度変化量差ΔOxが閾値ΔOxav0を超える場合における触媒温度平均値Tcat(n)avが高いときには触媒が劣化していると判定され、低いときには触媒は正常であると判定されるが、その理由はおよそ次のとおりである。
すなわち、前記のとおり、触媒は劣化するとその劣化度に応じてライトオフ温度(活性化開始温度、活性化完了温度も)が高くなる。したがって、ライトオフ温度が所定の閾値より高いか否かにより、触媒が劣化しているか、正常であるかを判定することができる。
【0039】
他方、ゼオライト系触媒では、そのライトオフ温度付近で、O2濃度変化量差ΔOxが大きくなり、これより低温側及び高温側ではいずれもO2濃度変化量差ΔOxは小さくなる。したがって、O2濃度変化量差ΔOxが最も大きいときの触媒温度は、ほぼ触媒のライトオフ温度を示すことになる。
【0040】
図10(a)〜(c)に、それぞれ、ゼオライト系のフレッシュ触媒について、触媒上流のHC濃度を図12(a)に示すようなパターンで増減させた場合における、160℃付近、200℃付近及び240℃付近での上流側O2濃度Oxup及び下流側O2濃度Oxdnの時間に対する変化特性を示す。
なお、図10(a)〜(c)、図11(a)〜(c)は、上流側O2濃度と下流側O2濃度とについて、O2濃度が低い状態を基準としてそろえて相対比較したものである。つまり、ライトオフ時や活性時には、触媒が活性化しているため、上流側O2濃度に対する下流側O2濃度の平均O2濃度の絶対値は平均的に減少しているので、これを是正してΔOxの判断が容易となるようにデータに加工処理を施している。
このフレッシュ触媒は、160℃付近では不活性状態であり、200℃付近ではほぼライトオフ状態であり、240℃付近では完全な活性状態である。図10(a)〜(c)から明らかなとおり、このフレッシュ触媒では、そのライトオフ温度付近(200℃付近)では、O2濃度変化量差ΔOx(=ΔOxup−ΔOxdn)が非常に大きくなっている。また、これより低温側の160℃付近及び高温側の240℃付近では、いずれもO2濃度変化量差ΔOxは小さくなっている。
【0041】
また、図11(a)〜(c)に、それぞれ、ゼオライト系の劣化触媒について、触媒上流のHC濃度を図12(a)に示すようなパターンで増減させた場合における、200℃付近、240℃付近及び280℃付近での上流側O2濃度Oxup及び下流側O2濃度Oxdnの時間に対する変化特性を示す。この劣化触媒は、200℃付近では不活性状態にあり、240℃付近ではほぼライトオフ状態にあり、280℃付近では完全な活性状態にある。図11(a)〜(c)から明らかなとおり、この劣化触媒では、そのライトオフ温度付近(240℃付近)では、O2濃度変化量差ΔOx(=ΔOxup−ΔOxdn)が非常に大きくなっている。また、これより低温側の200℃付近及び高温側の280℃付近では、いずれもO2濃度変化量差ΔOxは小さくなっている。
【0042】
図15(a)、(b)に、ゼオライト系触媒を用いた場合において、触媒上流のHC濃度を所定の周期で繰り返し増減させた場合における、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の変化特性を示す。なお、図15(a)、(b)、(d)は、上流側及び下流側のO2濃度を、それぞれ、HC増量時の値を基準としてそろえて、相対比較したものである。ここで、図15(a)はライトオフ時のものであり、図15(b)は活性時のものである。
また、図15(c)に、ゼオライト系触媒上流のHC濃度を所定の周期で繰り返し増減させつつ触媒温度を上昇させた場合における、O2濃度変化量差ΔOxの時間に対する変化特性を示す。
【0043】
図15(a)〜(c)から明らかなとおり、ゼオライト系触媒では、O2濃度変化量差ΔOxは、そのライトオフ温度付近で最も大きくなり、これより低温側及び高温側では、いずれもO2濃度変化量差ΔOxは小さくなっている。このように、O2濃度変化量差ΔOxがライトオフ温度付近で最大となるのは、必ずしも明らかではないが、およそ次の理由によるものと考えられる。すなわちライトオフ時には、触媒金属(貴金属)は完全には活性化しておらず、HC増量時にゼオライト上に一時的に取り込まれたHCが燃焼せずにたまる。この後HCカットによりO2濃度が増加することにより、たまったHCが一気にO2と反応する。このたまったHCが燃焼する分だけ多くO2が反応して減少する。
これに対して、活性時は、触媒金属も完全に活性化しており、HC増量時にゼオライト上にたまるHCも少ないので、上流側と下流側とでO2濃度に大きな差はなくなるものと考えられる。
【0044】
図15(d)に、ライトオフ時において、ゼオライト系触媒上流のHC濃度を低濃度状態から高濃度状態に変化させた後、高濃度状態を継続した場合における、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の変化特性の相対比較を示す。図15(d)から明らかなとおり、O2濃度を高濃度状態にした直後からしばらくは下流側O2濃度は大きく低下している。これは、O2濃度を高濃度状態にした直後は、ゼオライト触媒の表面に付着していたHCの放出により急激な燃焼が起こるからである。しかしながら、この後、時間の経過に伴って下流側O2濃度は上昇し、最終的には上流側O2濃度と下流側O2濃度の差はほとんでなくなる。これは、ゼオライト触媒に付着していたHCが次第になくなり、O2消費量が減少するからである。
したがって、ゼオライト触媒のモニタ制御においても、触媒上流のHC濃度を繰り返し増減させることが必要ないしは有効であるといえる。
【0045】
このように、ゼオライト系触媒では、劣化の有無ないしは度合いにかかわらず、そのライトオフ温度近傍では、O2濃度変化量差ΔOxが大きくなる。したがって、劣化の有無ないしは度合いにかかわらず、O2濃度変化量差ΔOxが大きくなったときの触媒温度Tcatは、ほぼそのライトオフ温度を示すことになる。
さすれば、ゼオライト系触媒を用いたエンジン1のモニタ制御における触媒温度平均値Tcat(n)avは、ほぼ該触媒のライトオフ温度を示していることになる。したがって、このモニタ制御によれば、触媒のライトオフ温度を容易にかつ正確に把握することができ、その浄化性能ないしは劣化度を、容易にかつ精度良く判定することができる。
【0046】
以下、図4〜図6に示すフローチャートを参照しつつ、燃料制御の制御手法を説明する。
この燃料制御では、まずステップS31で、触媒温度センサ13によって検出される触媒温度Tcat、上流側O2センサ14によって検出される上流側O2濃度Oxup(n)、下流側O2センサ15によって検出される下流側O2濃度Oxdn(n)、水温センサ18によって検出されるエンジン水温Tw等の各種制御情報(データ)が入力される。
【0047】
次に、ステップS32で、アクセル開度(負荷)とエンジン回転数とに応じて、燃料の基本噴射量Qmb(メイン噴射量)と基本噴射時期Imb(メイン噴射時期)とが演算(セット)される。続いて、ステップS33で、燃料のポスト噴射量Qpbとポスト噴射時期Ipbとが演算(セット)される。燃料の基本噴射とポスト噴射とは、0.05〜1.0msの休止間隔でもって実行される。ポスト噴射は、高負荷・高回転時におけるスモークの発生を低減するためのフォローアップ噴射として行われ、あるいはNOx還元触媒に対してNOx還元用のHCを供給するために行われる。なお、燃料を多段噴射してもよく、またポスト噴射を行わない(1段噴射)ようにしてもよい。
【0048】
そして、ステップS34で、モニタ制御(ライトオフモニタ)が終了したか否かが判定される。モニタ制御が終了していなければ(NO)、ステップS35で、触媒温度Tcatが、第1触媒温度Tcat10より高くかつ第2触媒温度Tcat2 0より低い(Tcat10<Tcat<Tcat2 0)か否かが判定される。そして、Tcat10<Tcat<Tcat2 0であれば(YES)、モニタ制御を補助するための燃料制御(以下、「モニタ補助燃料制御」という。)が行われる。つまり、今回の走行(エンジン1の運転)において、モニタ制御がまだ終了しておらず、かつモニタ制御においてステップS1〜S14が繰り返し実行されているときにのみ、モニタ補助燃料制御が行われる。その他の場合は、ステップS32〜S33でセットされた燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づいて、普通の燃料噴射が行われる。
【0049】
モニタ補助燃料制御が行われる場合は、まず、ステップS36で、前回は触媒温度Tcatが第1触媒温度Tcat10以下であったか否かが判定される。前回触媒温度Tcatが第1触媒温度Tcat10以下であった場合(YES)、すなわち前回はモニタ補助燃料制御がまだ行われていなかった場合は、ステップS37でフラグFcatinに1がセットされた後、ステップS39〜S49でモニタ補助燃料制御が実行される。フラグFcatinは、モニタ補助燃料制御が行われているときに1がセットされるフラグである。
【0050】
ステップS36で、前回触媒温度Tcatが第1触媒温度Tcat10を超えていた場合は(NO)、ステップS38で、フラグFcatinが1であるか否かが判定される。そして、フラグFcatinが1であれば、ステップS39〜S49でモニタ補助燃料制御が実行される。
【0051】
モニタ補助燃料制御が行われる場合は、まず、ステップS39とステップS40とで、それぞれ、アクセル開度変化量Δαが所定値Δα01を超えているか否かと、アクセル開度αが所定値α01を超えているか否かとが判定される。ここで、Δα≦Δα01でありかつα≦α01であれば(ステップS39、S40ともNO)、すなわち定常状態(非加速状態)でありかつ中・低負荷状態である場合は、触媒の温度上昇速度が小さいので、ステップS41で、ポスト噴射量Qpbが所定値Qpcqだけ増量され、又は基本噴射時期Imbが所定値Imcqだけ遅角させられ、排気ガスないし触媒の温度上昇が促進される。この場合、所定値Qpcqは、排気ガス中のO2濃度が低下するよう好ましく設定される。
【0052】
ここで、ポスト噴射量Qpb又は基本噴射時期Imbを変更するのではなく、基本噴射量Qmbを所定値Qmcqだけ増量し、又は排気ガス温度が上昇する方向にポスト噴射時期Ipbを所定値Ipcqだけ遅角又は進角させてもよい(IpbがATDC15°CAより進角していれば遅角させ、ATDC15°CAより遅角していれば進角させる。)。この場合、所定値Qmcqは、排気ガス中のO2濃度が低下するよう好ましく設定される。また、ポスト噴射がフォローアップ噴射であれば、基本噴射時期Imbの遅角に合わせてポスト噴射時期Ipbも遅角される。
なお、EGR量を増加させ、あるいは調整弁11(スロットル弁)を開弁して触媒温度上昇を促進してもよい。
【0053】
他方、ステップS39でΔα>Δα01であると判定された場合(YES)、又はステップS40でα>α01であると判定された場合(YES)、すなわち加速状態又は高負荷状態である場合は、排気ガス温度ないし触媒温度は自然に上昇するので、ステップS41をスキップする。
【0054】
次に、ステップS42でモニタ制御開始後の経過時間tのカウント値が1だけインクリメントされる(t←t+1)。続いて、ステップS43で、経過時間tが第1基準時間t10を超えているか否かが判定される。経過時間tが第1基準時間t10を超えていなければ(NO)、ステップS46で、触媒上流の排気ガス中のHC濃度を高めるためにポスト噴射増量値Qpobdに設定値αがセットされ、又は基本噴射時期遅角値Imobdに設定値γがセットされる。なお、ポスト噴射増量値Qpobd又は基本噴射時期遅角値Imobdを用いるのではなく、基本噴射増量値Qmobdに設定値βをセットし、又はポスト噴射時期遅角値Ipobdに設定値δをセットしてもよい。これにより、触媒上流の排気ガス中のHC濃度が高濃度状態にセットされることになる。
【0055】
ステップS43で、経過時間tが第1基準時間t10を超えていると判定された場合は(YES)、ステップS44で、経過時間tが第2基準時間t20であるか否かが判定される。経過時間tが第2基準時間t20でなければ(NO)、ステップS47で、触媒上流の排気ガス中のHC濃度を低濃度状態にするため、ポスト噴射増量値Qpobdに0がセットされ、又は基本噴射時期遅角値Imobdに0がセットされる。なお、ポスト噴射増量値Qpobd又は基本噴射時期遅角値Imobdを用いるのではなく、基本噴射増量値Qmobd又はポスト噴射時期遅角値Ipobdを用いる場合は、これらに0がセットされる。
また、ステップS44で、経過時間tが第2基準時間t20あると判定された場合は、ステップS45で経過時間tが0にリセットされる(t←0)。
【0056】
次に、ステップS48で、次の式4〜式7により、最終基本噴射量Qmt、最終基本噴射時期Imt、最終ポスト噴射量Qpt及び最終ポスト噴射時期Iptが設定される。この後、ステップS49で、最終基本噴射量Qmt及び最終基本噴射時期Imtで基本噴射が実行され、最終ポスト噴射量Qpt及び最終ポスト噴射時期Iptでポスト噴射が実行される。
Qmt←Qmb+Qmobd………………………………………………式4
Qpt←Qpb+Qpobd…………………………………………………式5
Imt←Imb+Imobd…………………………………………………式6
Ipt←Ipb+Ipobd……………………………………………………式7
【0057】
ところで、前記のステップS38で、フラグFcatinが1でないと判定された場合は(NO)、ステップS50で、前回は触媒温度Tcatが第2触媒温度Tcat2 0以上であったか否かが判定される。前回触媒温度Tcatが第2触媒温度Tcat2 0以上であった場合(YES)、すなわち触媒温度Tcatが前回以前に第2基準温度Tcat2 0以上となった後、今回再び第2基準温度Tcat2 0未満となっている場合は、ステップS51でフラグFcatdeに1がセットされた後、ステップS53〜S55で排気ガス温度ないしは触媒温度が低下するよう、燃料噴射量又は燃料噴射時期が補正される。フラグFcatdeは、かかる補正が行われているときに1がセットされるフラグである。
【0058】
ステップS50で、前回触媒温度Tcatが第2触媒温度Tcat2 0未満であった場合は(NO)、ステップS52で、フラグFcatdeが1であるか否かが判定される。そして、フラグFcatdeが1であれば、ステップS53〜S55で、排気ガス温度ないしは触媒温度が低下するよう、燃料噴射量又は燃料噴射時期が補正される。
【0059】
排気ガス温度ないし触媒温度が低下するよう、燃料噴射量又は燃料噴射時期が補正される場合は、まず、ステップS53とステップS54とで、それぞれ、アクセル開度変化量Δαが所定値Δα02(負の値)より小さいか否かと、アクセル開度αが所定値α02より小さいか否かとが判定される。ここで、Δα≧Δα02でありかつα≧α02であれば(ステップS53、S54ともNO)、すなわち非減速状態でありかつ中・高負荷状態である場合は、触媒の温度低下速度が小さいので、ステップS55でポスト噴射量Qpbが所定値Qpcq’だけ減量され、又は基本噴射時期Imbが所定値Imcq’だけ進角させられ、触媒の温度低下が促進される。
【0060】
ここで、ポスト噴射量Qpb又は基本噴射時期Imbを変更するのではなく、基本噴射量Qmbを所定値Qmcq’だけ減量し、又は排気ガス温度が低下する方向にポスト噴射時期Ipbを所定値Ipcq’だけ遅角又は進角させてもよい。
なお、2次エアを供給又は増加させて、触媒温度の低下を促進してもよい。
【0061】
また、ステップS53でΔα<Δα02であると判定された場合(YES)、又はステップS54でα<α02であると判定された場合(YES)、すなわち減速状態又は低負荷状態である場合は、排気ガス温度ないし触媒温度は自然に低下するので、ステップS55をスキップする。
なお、前記のステップS52で、フラグFcatdeが1でないと判定された場合は(NO)、ステップS56でフラグFcatinが0にリセットされ、ステップS53〜S55をスキップする。
【0062】
ところで、図2〜図6に示すモニタ制御及び燃料制御では、触媒の浄化性能ないしは劣化度が判定されるようになっている。しかしながら、この判定に代えて、あるいはこの判定に加えて、モニタ制御により把握される触媒の状態に基づいてエンジン1の制御状態を変更するようにしてもよい。
例えば、図7に示すように、図4に示すフローチャートのステップS33とステップS34との間にステップT1〜T3を挿入し、エンジン1の冷機時には、触媒温度平均値Tcat(n)avに基づいて触媒温度の上昇を促進するといった制御を行ってもよい。
【0063】
この場合は、ステップT1で、エンジン水温Twが所定値Tw0未満であるか否かが判定され、Tw<Tw0であれば(YES)、すなわち冷機時であれば、ステップT2で、触媒温度Tcatが触媒温度平均値Tcat(n)avに所定値ΔTcatを加えた値を超えているか否かが判定される。そして、Tcat≦Tcat(n)av+ΔTcatであれば(NO)、ステップT3でポスト噴射量Qpbが所定値Qpbcoldだけ増量され、又は基本噴射時期Imbが所定値Imbcoldだけ遅角され、排気ガス温度ひいては触媒温度の上昇が促進される。なお、基本噴射量Qmbを所定値Qmbcoldだけ増量して、排気ガス温度ひいては触媒温度の上昇を促進するようにしてもよい。
【0064】
なお、ここで、エンジン1の制御状態の変更のみを行い、触媒の浄化性能ないしは劣化度の判定を行わない場合は、図2に示すモニタ制御のステップS19〜S22を削除すればよい(両方行う場合は、ステップS19〜S22は残す)。
【0065】
前記の実施の形態では、排気浄化装置12にゼオライト系触媒が用いられているが、アルミナ系触媒を用いる場合は、ゼオライト系触媒を用いる場合とはモニタ制御の制御手法が若干異なる。そこで、以下では、アルミナ系触媒を用いた場合のモニタ制御を説明する。
【0066】
前記のとおり、ゼオライト系触媒では、劣化の有無ないしは度合いにかかわらず、そのライトオフ温度近傍ではO2濃度変化量差ΔOxが大きくなる。したがって、劣化の有無ないしは度合いにかかわらず、O2濃度変化量差ΔOxが大きくなったときの触媒温度Tcatは、ほぼそのライトオフ温度を示すことになる。
これに対して、アルミナ系触媒(Pt、Rh、Pd等の貴金属触媒がアルミナ担体に担持された触媒)の場合は、ライトオフ温度付近では、触媒の活性化度合いが大きくなるほどO2濃度変化量差ΔOxが大きくなる。すなわち、O2濃度変化量差ΔOxが、ライトオフ温度に対応するある特定値(範囲)であるときの触媒温度が、ほぼ該触媒のライトオフ温度を示すことになる。
【0067】
したがって、アルミナ系触媒を用いた場合のモニタ制御では、O2濃度変化量差ΔOxが設定値ΔOx1より大きくかつ設定値ΔOx2より小さいときの触媒温度を記憶すればよい。なお、設定値ΔOx1ないし設定値ΔOx2は、フレッシュ触媒のライトオフ温度に対応する。
具体的には、図9に示すように、アルミナ系触媒を用いた場合のモニタ制御のフローチャートは、図2に示すフローチャートのステップS12を「ΔOx←ΔOxdn−ΔOxup」に変更するとともに、ステップS13を、O2濃度変化量差ΔOxが設定値ΔOx1より大きくかつ設定値ΔOx2より小さいか否かを判定するステップT21に取り替えたものとなる。
【0068】
図12(a)〜(c)に、それぞれ、アルミナ系触媒上流のHC濃度を所定の周期で増減させた場合において、触媒温度が200℃、220℃及び250℃のときの下流側O2濃度及びHC濃度の経時変化を示す。これらの図も、図10、図11の場合と同様に、ΔOxを相対比較しやすいようにデータを加工して示したものである。図12(a)〜(c)から明らかなとおり、アルミナ系触媒の下流側O2濃度の変化特性は、図10ないし図11に示すゼオライト系触媒の変化特性とは大きく異なる。
【0069】
図13(a)〜(c)に、アルミナ系触媒を用いた場合において、触媒上流のHC濃度を所定の周期で繰り返し増減させた場合における、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の変化特性を示す。なお、図13(a)〜(c)、図14(b)は、上流側O2濃度及び下流側O2濃度を、それぞれHCカット時のO2濃度値を基準としてそろえて、相対比較したものである。また、図13(a)は不活性時のものであり、図13(b)はライトオフ時のものであり、図13(c)は活性時のものである。
また、図14(a)に、触媒上流のHC濃度を所定の周期で繰り返し増減させた場合におけるO2濃度変化量差ΔOxの触媒温度に対する変化特性を示す。
【0070】
図13(a)〜(c)及び図14(a)から明らかなとおり、ライトオフ温度に近い温度域では、触媒温度が高くなるほど、O2濃度変化量差ΔOxが大きくなっている。なお、図14(a)において触媒温度T1〜T2はライトオフ温度範囲であり、設定値ΔOx1及び設定値ΔOx2は、それぞれ、T1及びT2に対応する値である。この理由は明らかではないが、ゼオライトとは異なり、HCを一時的に表面に取り込む能力が劣るアルミナでは、排気ガス中のHCと触媒金属とが直接接触しやすく、ライトオフ時には、HC増量によりHCとO2とが直接反応してO2が減少する一方、活性時には、触媒金属の酸化性がさらに増して、よりO2が減少するためであると考えられる。
【0071】
図14(b)に、ライトオフ時において、アルミナ系触媒上流のHC濃度を低濃度状態から高濃度状態に変化させた後、高濃度状態を継続した場合における、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の変化特性を示す。図14(b)から明らかなとおり、HC濃度を高濃度状態にした直後からしばらく下流側O2濃度は大きく低下している。これは、HC濃度を高濃度状態にした直後は、HCの急増により急激な燃焼が起こる(着火する)からである。
【0072】
しかしながら、この後、時間の経過に伴って下流側O2濃度は上昇し、最終的には(おおむね60秒程度)上流側O2濃度と下流側O2濃度の差はほとんでなくなる。これは、酸化反応が次第に平衡状態となり、O2消費量が減少するからである。
したがって、このモニタ制御においては、触媒上流のHC濃度を繰り返し増減させることが必要ないしは有効であるといえる。
【0073】
また、図8に示すように、排気浄化装置12に用いられる触媒がNOxトラップ触媒(貴金属とBa等のアルカリ土類金属、アルカリ金属をアルミナに担持させた触媒)である場合は、図4に示すフローチャートのステップS33とステップS34との間にステップT11〜T18を挿入すればよい。
この場合は、まずステップT11で、触媒温度Tcatが触媒温度平均値Tcat(n)avに所定値ΔTcatを加えた値を超えているか否かが判定される。そして、Tcat≦Tcat(n)av+ΔTcatであれば(NO)、ステップT12〜T18でNOxトラップ制御が行われる。
【0074】
すなわち、まずステップT12で、NOxトラップ触媒のNOxトラップ量NOが推定される。続いて、ステップT13で、推定されたNOxトラップ量NOが所定の閾値NO0を超えているか否かが判定される。ここで、NO>NO0であれば(YES)、ステップT14でカウンタTNOxのカウントが開始され、ないしは続行される。カウンタTNOxは、NOxトラップ触媒にNOxを放出させる際に燃料噴射量を増量すべき期間をカウントするためのカウンタである。
なお、ステップT13で、NO≦NO0であると判定された場合は(NO)、ステップT15で、カウンタTNOxがカウント中であるか否かが判定され、カウント中であれば(YES)、ステップT14〜T18が実行される。
【0075】
次に、ステップT16で、カウンタTNOxのカウント値が設定値TNOx0を超えているか否かが判定される。ここで、カウンタTNOxのカウント値が設定値TNOx0を超えていなければ(NO)、ステップT17で、NOxトラップ触媒にNOxを放出させてこれを浄化するために、基本噴射量Qmb(又はポスト噴射量Qpb)が増量される(リッチとなる)。
【0076】
他方、ステップT16で、カウンタTNOxのカウント値が設定値TNOx0を超えていれば(YES)、ステップT18でカウンタTNOxのカウント値がリセットされるとともに、NOxトラップ量NO(推定値)が0にリセットされる。
【0077】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、排気ガス浄化触媒の浄化性能ないしは劣化度を、容易にかつ精度良く判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンのシステム構成図である。
【図2】 ゼオライト系触媒を用いた排気浄化装置のモニタ制御の制御手法を示すフローチャートである。
【図3】 ゼオライト系触媒を用いた排気浄化装置のモニタ制御の制御手法を示すフローチャートである。
【図4】 燃料制御の制御手法を示すフローチャートである。
【図5】 燃料制御の制御手法を示すフローチャートである。
【図6】 燃料制御の制御手法を示すフローチャートである。
【図7】 燃料制御の制御手法の変形例を示すフローチャートである。
【図8】 燃料制御の制御手法の変形例を示すフローチャートである。
【図9】 アルミナ系触媒を用いた排気浄化装置のモニタ制御の制御手法を示すフローチャートである。
【図10】 (a)〜(c)は、それぞれ、ゼオライト系のフレッシュ触媒を用いた場合における、不活性状態、ライトオフ状態及び活性状態での、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【図11】 (a)〜(c)は、それぞれ、ゼオライト系の劣化触媒を用いた場合における、不活性状態、ライトオフ状態及び活性状態での、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【図12】 (a)〜(c)は、それぞれ、アルミナ系触媒を用いた場合における、不活性状態、ライトオフ状態及び活性状態での、下流側O2濃度及び下流側HC濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【図13】 (a)〜(c)は、それぞれ、アルミナ系触媒を用いた場合における、不活性状態、ライトオフ状態及び活性状態での、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【図14】 (a)はアルミナ系触媒における、O2濃度変化量差ΔOxの触媒温度に対する変化特性を示すグラフであり、(b)はHC濃度を繰り返し増減させない場合における、ライトオフ状態での上流側O2濃度及び下流側O2濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【図15】 (a)〜(b)はそれぞれゼオライト系触媒を用いた場合におけるライトオフ状態及び活性状態での、上流側O2濃度及び下流側O2濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフであり、(c)はゼオライト系触媒におけるO2濃度変化量差ΔOxの時間に対する変化特性を示すグラフであり、(d)はHC濃度を繰り返し増減させない場合における、ライトオフ状態での上流側O2濃度及び下流側O2濃度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
1…エンジン(ディーゼルエンジン)、2…吸気通路、3…燃焼室、4…ピストン、5…燃料噴射弁、6…排気通路、7…クランク軸、8…燃料供給通路、9…高圧燃料ポンプ、10…燃料分配器、11…調整弁、12…排気浄化装置、13…触媒温度センサ、14…上流側O2センサ、15…下流側O2センサ、16…EGR通路、17…EGR制御弁、18…水温センサ、20…コントロールユニット。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an engine exhaust purification device and a purification performance determination method thereof.
[0002]
[Prior art]
The exhaust gas discharged from the combustion chamber of an automobile engine into the exhaust passage contains air pollutants such as NOx (nitrogen oxide), HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), and PM (airborne matter). In order to purify these air pollutants, an exhaust gas purification device using an exhaust gas purification catalyst is provided in the exhaust passage. Then, using such an exhaust gas purification catalyst, HC, CO, and PM are purified by oxidation, and NOx is purified by reduction. In addition, in order to reduce NOx, a reducing component (reducing agent) that deprives oxygen from NOx. However, in an automobile engine, HC in exhaust gas is used as a reducing component.
[0003]
By the way, in general, the exhaust gas purification catalyst gradually deteriorates due to heat or poisoning, and its activity is lowered. Therefore, in an automobile engine, it is necessary to appropriately grasp the purification performance or degree of deterioration of the exhaust gas purification catalyst. Thus, JP-A-8-284648 discloses
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a conventional catalyst deterioration diagnosis device as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-284648 has a problem that it is difficult to accurately determine the purification performance or the degree of deterioration of the exhaust gas purification catalyst. The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides a means for easily and accurately determining the purification performance or the degree of deterioration of an exhaust gas purification catalyst at a low temperature. It should be a challenge.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
An engine exhaust gas purification apparatus according to the present invention, which has been made to solve the above-described problems, includes: (i) a catalyst (three-way catalyst, four-way catalyst, or NOx trap catalyst) disposed in an exhaust passage of an engine and having oxidation performance. Noble metal catalyst including NOx reduction catalyst) and (ii) O in exhaust gas upstream of the catalyst2Upstream O to detect (or estimate) concentration2Concentration detection means; and (iii) O in exhaust gas downstream of the catalyst2Downstream O to detect (or estimate) concentration2Concentration detection means, and (iv) upstream O2Upstream O detected by the concentration detection means2Concentration and downstream O2The downstream O detected by the concentration detection means2And (v) a catalyst temperature detecting means for detecting (or estimating) the catalyst temperature in an engine exhaust purification apparatus comprising a purification performance determining means for determining a catalyst purification performance (or degree of deterioration) based on the concentration, (Vi) Exhaust gas composition changing means (O) for changing the reducing component (reducing agent) concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst so as to shift between the high concentration state and the low concentration state.2(Vii) the purifying performance determining means is a catalyst in the case where the reducing component concentration is changed by the exhaust gas composition changing means. A predetermined temperature range in which the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined level (for example, a predetermined temperature range lower than the catalyst temperature (light-off temperature) at which the reduction component purification rate of the catalyst is a predetermined value)OutsideUpstream O detected when2Concentration and downstream O2Based on the concentration (deviation, change degree deviation, etc.), the purification performance (or deterioration degree) of the catalyst is determined.
[0006]
In general, this type of catalyst having oxidation performance is in an inactive state when its temperature (catalyst temperature) is low. Then, activation starts when the catalyst temperature rises to a certain temperature (hereinafter, this temperature is referred to as “activation start temperature”). Further, when the catalyst temperature rises, the degree of activation increases accordingly, and when the catalyst temperature rises above a certain temperature, the catalyst is completely activated (hereinafter, this temperature is referred to as “activation completion temperature”). However, the activation start temperature and the activation completion temperature are not so different (for example, 20 ° C.). The catalyst temperature at which the degree of activation or the purification rate of the catalyst reaches a predetermined value (for example, 50%) is called “light-off temperature”. Here, the activation start temperature, the activation completion temperature, and the light-off temperature become higher as the catalyst deteriorates (however, there is an upper limit).
[0007]
On the other hand, when the reducing component concentration upstream of the catalyst is changed from the high concentration state to the low concentration state or from the low concentration state to the high concentration state, the reducing component O2As consumption changes, upstream O2Concentration and downstream O2Each concentration varies. For example, in the case of a zeolitic catalyst, the upstream O is around the light-off temperature.2Concentration change and downstream O2Difference from density change (hereinafter referred to as “O2This is called “density difference”. ) Becomes larger, and both the low temperature side and the high temperature side are O2The difference in density change is reduced. That is, O2The catalyst temperature when the difference in concentration change is the largest indicates the light-off temperature of the catalyst.
In the case of an alumina-based catalyst, in the temperature range close to the light-off temperature, the greater the degree of activation of the catalyst, the more O2The difference in density change increases. That is, O2The catalyst temperature at which the concentration variation difference is a specific value almost indicates the light-off temperature of the catalyst.
At this time, whether it is a zeolite-based catalyst or an alumina-based catalyst, as the catalyst is activated, the upstream O2For the absolute value of concentration, downstream O2The absolute value of the concentration naturally decreases on average.
[0008]
Therefore, in this exhaust purification device, the predetermined temperature range in which the purification performance of the catalyst should be determined is, for example, slightly higher than the light-off temperature of the undegraded catalyst, and slightly higher than the light-off temperature of the completely deteriorated catalyst. If set to the range up to the temperature, O2Based on the difference in concentration variation, the light-off temperature of the catalyst can be easily and accurately grasped. For example, in the case of a zeolitic catalyst, O2The catalyst temperature at which the difference in concentration change is maximum is almost the light-off temperature. In the case of an alumina catalyst, O2The catalyst temperature at which the difference in concentration change becomes the specific value is almost the light-off temperature. From this light-off temperature, it is possible to easily and accurately determine the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst at a low temperature. Therefore, according to this exhaust gas purification apparatus, the purification performance or deterioration degree of the catalyst can be easily and accurately determined.
[0009]
In the exhaust emission control device, the purification performance determination means includes the upstream O when the reducing component concentration is in the low concentration state.2Typical values of concentration (for example, peak value, average value, etc.) and upstream O when in a high concentration state2The first representative value difference, which is the difference from the representative value of the concentration, and the downstream O when the reducing component concentration is in the low concentration state.2Typical value of concentration and downstream O when in high concentration state2It is preferable to determine the purification performance of the catalyst based on the second representative value difference that is the difference from the representative value of the concentration. In this way, the determination performance of the catalyst purification performance or the degree of deterioration is improved.
In this case, the purification performance determination means has a predetermined range of deviation between the first representative value difference and the second representative value difference.OutsideMore preferably, it is determined that the catalyst has deteriorated when the catalyst temperature exceeds the predetermined temperature.
[0010]
In the exhaust purification apparatus,The purification performance judging means judges the purification performance of the catalyst when the catalyst temperature is in a predetermined temperature range where the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined degree.It is preferable to be.
[0011]
In the exhaust emission control device, the exhaust gas composition changing means has a predetermined period (for example, in a transition period) in which the catalyst temperature transitions between a state where the catalyst temperature is lower than the predetermined temperature and a state where the catalyst temperature is higher than the predetermined temperature (for example, during transition). 1 to 10 s) It is preferable that the reducing component concentration is increased or decreased (for example, by a difference of 1000 ppm). In this way, the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst can be determined more accurately and reliably.
[0012]
In the exhaust gas purification apparatus, the exhaust gas composition changing means starts the acceleration when the catalyst temperature is lower than the predetermined temperature, and then reduces the reducing component concentration over a predetermined period (for example, until the catalyst is activated). It is preferable to increase or decrease. In this way, the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst can be determined more accurately and reliably. In addition, although the exhaust gas temperature is relatively low in a diesel engine, the exhaust gas temperature rises during acceleration, so that the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst can be reliably determined.
[0013]
In the exhaust purification apparatus, the upstream side O is within the transition period.2O to reduce concentration2Concentration reducing means (for example, post injection, ignition retard) is preferably provided. In this way, the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst can be determined with higher accuracy.
[0014]
The method for determining the purification performance of the engine exhaust purification system according to the present invention includes: (i) a catalyst that is disposed in the exhaust passage of the engine and has oxidation performance; and O in the exhaust gas upstream of the catalyst.2Upstream O to detect concentration2Sensor and O in exhaust gas downstream of catalyst2Downstream side O to detect concentration2Engine exhaust purification device equipped with sensor (ii) upstream O2Upstream O detected by sensor2Concentration and downstream O2Downstream side O detected by the sensor2And (iii) reducing component concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst between a high concentration state and a low concentration state. On the other hand, (iv) when the reducing component concentration is changed, the catalyst temperature is within a predetermined temperature range in which the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined levelOutsideO2Concentration and downstream O2The purification performance of the catalyst is determined based on the concentration.
According to this purification performance determination method, it is possible to easily and accurately determine the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst for the same reason as in the case of the exhaust purification apparatus.
[0015]
Another engine exhaust purification device (control device) according to the present invention includes (i) a catalyst that is disposed in the exhaust passage of the engine and has oxidation performance, and (ii) O in exhaust gas upstream of the catalyst.2Upstream O to detect concentration2Concentration detection means; and (iii) O in exhaust gas downstream of the catalyst2Downstream side O to detect concentration2Concentration detection means, and (iv) upstream O2Upstream O detected by the concentration detection means2Concentration and downstream O2The downstream O detected by the concentration detection means2In an engine exhaust purification device (control device) comprising a control state change means for changing the control state of the engine based on the concentration, (v) catalyst temperature detection means for detecting the catalyst temperature, and (vi) upstream of the catalyst Exhaust gas composition changing means for changing the concentration of the reducing component in the exhaust gas so as to shift between a high concentration state and a low concentration state, and (vii) the control state changing means includes the exhaust gas composition When the reducing component concentration is changed by the changing means, the catalyst temperature is within a predetermined temperature range in which the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined degree.OutsideUpstream O detected when2Concentration and downstream O2The control state of the engine is changed based on the concentration.
[0016]
According to this exhaust gas purification device, O, for the same reason as in the case of the exhaust gas purification device,2Based on the concentration variation difference, the light-off temperature of the catalyst, and hence the purification performance or degree of deterioration of the catalyst can be easily and accurately grasped, and the control state of the engine can be preferably changed accordingly. For this reason, the controllability of the engine can be improved and the emission performance can be improved.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described.
As shown in FIG. 1, in each cylinder (only one is shown) of an automobile multi-cylinder diesel engine 1 (hereinafter referred to as “
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
In the
[0021]
Here, porous MFI (zeolite) is used for the catalyst carrier (base material). And this MFI carries Pt (platinum), Rh (rhodium), Pd (palladium), etc. as a catalyst noble metal. As the catalyst carrier, porous β-type zeolite or porous Y-type zeolite may be used instead of MFI. Zeolite such as MFI, β-zeolite, and Y-type zeolite has the property of trapping (adsorbing) HC at a predetermined temperature (for example, 200 to 240 ° C.) or less and releasing the HC when the temperature exceeds a predetermined temperature. Have.
[0022]
Further, the
[0023]
Further, the
[0024]
First, a control method for monitor control will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS.
In this monitor control, the catalyst temperature Tcat detected by the
[0025]
Next, in step S2, the catalyst temperature Tcat is changed to the first catalyst temperature Tcat.TenHigher and second catalyst temperature Tcat20Lower (TcatTen<Tcat <Tcat20) Or not.
FThe Resh catalyst (a catalyst that has not deteriorated at all) is in an inactive state when the catalyst temperature Tcat is lower than the activation start temperature (for example, 200 ° C.), and the HC purification rate is almost 0, but the catalyst temperature Tcat is active. When the temperature becomes higher than the catalyst start temperature, the catalyst activity or the HC purification rate increases as the catalyst temperature Tcat increases. The catalyst is completely activated when the catalyst temperature Tcat is equal to or higher than the activation completion temperature (for example, 220 ° C.), and the HC purification rate is almost 100%. Note that the light-off temperature at which the HC purification rate reaches a predetermined value (for example, 50%) is between the activation start temperature and the activation completion temperature (for example, 210 ° C.).
[0026]
When the catalyst deteriorates, the activation start temperature, activation completion temperature, and light-off temperature increase as the degree of deterioration increases. For example, in a completely deteriorated catalyst, the activation start temperature, the activation completion temperature, and the light-off temperature are several tens of degrees C. (for example, 40.degree. C.) higher than the fresh catalyst. In the case of a deteriorated catalyst, the HC purification rate does not reach 100% even when the catalyst temperature is equal to or higher than the activation completion temperature.
Here, the first catalyst temperature TcatTenIs set to a temperature slightly lower than the light-off temperature of the fresh catalyst, and the second catalyst temperature Tcat2 0Is set to a light-off temperature of the catalyst that is almost completely deteriorated or slightly higher.
[0027]
In step S2, TcatTen<Tcat <Tcat2 0(YES), in steps S3 to S14, O2Density change amount difference ΔOx is a predetermined threshold value ΔOxav0Data processing is performed such as storing the catalyst temperature Tcat (n) in the case of exceeding.
First, in steps S3 to S6, the first reference time t after the monitor control is started.10Upstream O in the period until the elapse of time (period in which the HC concentration is in a high concentration state)2Concentration average value Oxup1av and downstream O2Concentration average value Oxdn1av is calculated.
[0028]
Figure12As shown in (a), when the monitor control is being performed, the HC addition control signal is turned on / off at a predetermined cycle, and accordingly, the HC concentration upstream of the catalyst is in a high concentration state and a low concentration state. Are changed at predetermined intervals. Here, the time width during which the HC addition control signal is turned on and the HC concentration upstream of the catalyst is in a high concentration state is expressed as τ1(For example, 0.5 to 5 s), and the time width during which the HC addition control signal is turned off and the HC concentration upstream of the catalyst is in the low concentration state is τ2(For example, 0.5 to 5 s), the first reference time t10Is the time width τ1Corresponding to The second reference time t described later20Is the time width (τ1+ Τ2).
[0029]
Specifically, in step S3, the elapsed time t after the start of monitor control is the first reference time t.10It is determined whether or not it is less than the first reference time t10If less than (YES), the first reference time t10Repeatedly in step S4 until O reaches2Concentration Oxup (n) and downstream O2The density Oxdn (n) is stored.
[0030]
In step S5, the elapsed time t is changed to the first reference time t.10Whether the first reference time t is reached or not is determined.10(YES), in step S6, the period (0 to t10) That is, upstream O during the period when the HC concentration is in a high concentration state2Concentration average value Oxup1av and downstream O2Concentration average value Oxdn1av is calculated (averaged).
[0031]
Next, in steps S7 to S10, the first reference time t10After the elapse of the second reference time t20Upstream O in a period until lapse of time (period in which the HC concentration is in a low concentration state)2Concentration average value Oxup2av and downstream O2Concentration average value Oxdn2av is calculated.
Specifically, in step S7, the elapsed time t after the start of monitor control is the first reference time t.10And the second reference time t20Is less than (t10<T <t20) Or not, and t10<T <t20If (YES), the second reference time t20Until it reaches the upstream O in step S82Concentration Oxup (n) and downstream O2The density Oxdn (n) is stored.
[0032]
In step S9, the elapsed time t is changed to the second reference time t.20Whether or not the second reference time t is reached.20(YES), in step S10, the period (t10~ T20) That is, upstream O during the period when the HC concentration is in a low concentration state2Concentration average value Oxup2av and downstream O2Concentration average value Oxdn2av is calculated (averaged).
[0033]
Next, in step S11, the upstream O when the HC concentration is in a low concentration state is obtained by the following
ΔOxup ← Oxup2av− Oxup1av ……………………………………
ΔOxdn ← Oxdn2av− Oxdn1av ……………………………………
[0034]
Subsequently, in step S12, the upstream O2Concentration difference ΔOxup and downstream O2Based on the concentration difference ΔOxdn, O2A density change amount difference ΔOx is calculated.
ΔOx ← ΔOxup−ΔOxdn …………………………………………
[0035]
In step S13, O2Density change amount difference ΔOx is a predetermined threshold value ΔOxav0If it exceeds (YES), the current catalyst temperature Tcat (n) is stored in step S14. O2Density change difference ΔOx is the threshold ΔOxav0If it is below, step S14 is skipped and the process returns to step S1.
Thus, in steps S2 to S14, Tcat10~ Tcat20Within the range of O2Density change difference ΔOx is the threshold ΔOxav0The catalyst temperature Tcat (n) in the case of exceeding is continuously memorized.
[0036]
In step S2, the catalyst temperature Tcat is changed to the first catalyst temperature Tcat.TenOr the second catalyst temperature Tcat2 0When it is determined as above (NO), it is determined in steps S15 to S21 whether or not the catalyst is deteriorated.
Specifically, in step S15, O2After the density change amount difference ΔOx is reset, the previous time is Tcat in step S16.Ten<Tcat <Tcat2 0It is determined whether or not. And last time TcatTen<Tcat <Tcat2 0If it is (YES), in steps S17 to S21, it is determined whether or not the catalyst has deteriorated. The previous TcatTen<Tcat <Tcat2 0If not (NO), the process returns to step S1.
[0037]
In step S17, each catalyst temperature Tcat (n) stored in step S14 is read. Subsequently, in step S18, these catalyst temperatures Tcat (n) are averaged to calculate a catalyst temperature average value Tcat (n) av. In step S19, the catalyst temperature average value Tcat (n) av is set to a predetermined threshold value Tcat (n) av.0It is determined whether it is greater than Tcat (n) av> Tcat (n) av0If so (YES), it is determined in step S20 that the catalyst has deteriorated. On the other hand, Tcat (n) av ≦ Tcat (n) av0If (NO), it is determined in step S21 that the catalyst is normal. Note that after the determination of the purification performance or the degree of deterioration of the catalyst is made in this way, the monitor control ends. That is, this determination is performed only once in one run. This is because the catalyst does not deteriorate so rapidly.
[0038]
Thus, in this monitor control, O2Density change difference ΔOx is the threshold ΔOxav0When the catalyst temperature average value Tcat (n) av in the case of exceeding is high, it is determined that the catalyst is deteriorated, and when it is low, it is determined that the catalyst is normal. The reason is as follows.
That is, as described above, when the catalyst deteriorates, the light-off temperature (the activation start temperature and the activation completion temperature also) increases according to the degree of deterioration. Therefore, it can be determined whether the catalyst is degraded or normal depending on whether the light-off temperature is higher than a predetermined threshold.
[0039]
On the other hand, in the case of a zeolitic catalyst, O near the light-off temperature.2The concentration change difference ΔOx becomes large, and both the low temperature side and the high temperature side are O.2The density change amount difference ΔOx becomes small. Therefore, O2The catalyst temperature when the concentration change amount difference ΔOx is the largest indicates the light-off temperature of the catalyst.
[0040]
Figure10(A) to (c)TheFor the Olite fresh catalyst, the concentration of HC upstream of the catalyst is shown.12The upstream O at around 160 ° C., around 200 ° C., and around 240 ° C. when increased or decreased in a pattern as shown in (a).2Concentration Oxup and downstream O2The change characteristic with respect to time of density Oxdn is shown.
Figure10(A)-(c), figure11(A) to (c) are upstream O2Concentration and downstream O2Concentration and O2Relative comparisons are made with reference to the low concentration state. That is, when the light is off or activated, the catalyst is activated.2Downstream O against concentration2Average density O2Since the absolute value of the concentration decreases on average, the data is processed so that it can be corrected and ΔOx can be easily determined.
ThisThis fresh catalyst is in an inactive state at around 160 ° C., is almost in a light-off state at around 200 ° C., and is completely active at around 240 ° C. Figure10As is clear from (a) to (c), in this fresh catalyst, near the light-off temperature (around 200 ° C.), O2The density change amount difference ΔOx (= ΔOxup−ΔOxdn) is very large. Further, in the vicinity of 160 ° C. on the low temperature side and 240 ° C. on the high temperature side, both are O2The density change amount difference ΔOx is small.
[0041]
Also figure11(A) to (c)TheFor Olite-based deteriorated catalysts, the HC concentration upstream of the catalyst is plotted.12The upstream O at around 200 ° C., around 240 ° C., and around 280 ° C. when increased or decreased in a pattern as shown in (a).2Concentration Oxup and downstream O2Shows the change characteristics of concentration Oxdn with time. ThisThe deteriorated catalyst is in an inactive state near 200 ° C., is almost in a light-off state near 240 ° C., and is in a completely active state near 280 ° C. Figure11As is clear from (a) to (c), thisdeteriorationIn the case of a catalyst, near the light-off temperature (around 240 ° C.), O2The density change amount difference ΔOx (= ΔOxup−ΔOxdn) is very large. Further, in the vicinity of 200 ° C. on the lower temperature side and 280 ° C. on the higher temperature side, both are O2The density change amount difference ΔOx is small.
[0042]
Figure15In (a) and (b), when a zeolite-based catalyst is used, the upstream O in the case where the HC concentration upstream of the catalyst is repeatedly increased or decreased in a predetermined cycle.2Concentration and downstream O2The change characteristic of density is shown. Figure15(A), (b), (d) are upstream and downstream O2Each concentration is a relative comparison using the values at the time of HC increase as a reference. Where15(A) is at the time of light-off.15(B) is when activated.
Also figure15(C) shows a case where the catalyst temperature is raised while repeatedly increasing / decreasing the HC concentration upstream of the zeolite catalyst in a predetermined cycle.2The change characteristics with respect to time of the density change amount difference ΔOx are shown.
[0043]
Figure15As is clear from (a) to (c), in the zeolitic catalyst, O2The density change difference ΔOx is the largest near the light-off temperature, and both the low temperature side and the high temperature side are O2The density change amount difference ΔOx is small. Thus, O2Although it is not necessarily clear that the density change amount difference ΔOx becomes the maximum near the light-off temperature, it is considered to be due to the following reason. That is, at the time of light-off, the catalytic metal (noble metal) is not completely activated, and the HC temporarily taken in on the zeolite does not burn when the amount of HC is increased. After this, O cut by HC cut2As the concentration increases, the accumulated HC becomes O at once.2React with. As much as the accumulated HC burns, O2Decreases in response.
On the other hand, when activated, the catalytic metal is also fully activated, and less HC accumulates on the zeolite when the amount of HC is increased.2It is considered that there is no significant difference in density.
[0044]
Figure15In (d), at the time of light-off, after changing the HC concentration upstream of the zeolite catalyst from the low concentration state to the high concentration state, the upstream O in the case where the high concentration state is continued.2Concentration and downstream O2A relative comparison of the concentration change characteristics is shown. Figure15As is clear from (d), O2Immediately after setting the concentration to a high concentration state, for a while, downstream O2The concentration is greatly reduced. This is O2This is because immediately after the concentration is made high, rapid combustion occurs due to the release of HC adhering to the surface of the zeolite catalyst. However, after this, the downstream O2Concentration rises and eventually upstream O2Concentration and downstream O2The difference in density is almost eliminated. This is because the HC adhering to the zeolite catalyst gradually disappears, and O2This is because consumption is reduced.
Therefore, it can be said that it is necessary or effective to repeatedly increase or decrease the HC concentration upstream of the catalyst also in the monitor control of the zeolite catalyst.
[0045]
Thus, in the case of a zeolitic catalyst, in the vicinity of the light-off temperature, regardless of the presence or absence or degree of deterioration, O2The density change amount difference ΔOx increases. Therefore, regardless of the presence or degree of deterioration, O2The catalyst temperature Tcat when the concentration change amount difference ΔOx becomes large substantially indicates the light-off temperature.
In other words, the catalyst temperature average value Tcat (n) av in the monitor control of the
[0046]
Hereinafter, the control method of fuel control will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS.
In this fuel control, first, in step S31, the catalyst temperature Tcat detected by the
[0047]
Next, in step S32, the fuel basic injection amount Qmb (main injection amount) and the basic injection timing Imb (main injection timing) are calculated (set) according to the accelerator opening (load) and the engine speed. The Subsequently, in step S33, the fuel post injection amount Qpb and the post injection timing Ipb are calculated (set). The basic fuel injection and the post-injection are executed with a pause interval of 0.05 to 1.0 ms. The post injection is performed as follow-up injection for reducing the generation of smoke at the time of high load and high rotation, or for supplying HC for NOx reduction to the NOx reduction catalyst. The fuel may be injected in multiple stages, or post injection may not be performed (single stage injection).
[0048]
In step S34, it is determined whether or not the monitor control (light-off monitor) is finished. If the monitor control is not finished (NO), the catalyst temperature Tcat is changed to the first catalyst temperature Tcat in step S35.TenHigher and second catalyst temperature Tcat2 0Lower (TcatTen<Tcat <Tcat2 0) Or not. And TcatTen<Tcat <Tcat2 0If so (YES), fuel control for assisting monitor control (hereinafter referred to as “monitor auxiliary fuel control”) is performed. That is, in the current travel (operation of the engine 1), the monitor auxiliary fuel control is performed only when the monitor control is not yet finished and the steps S1 to S14 are repeatedly executed in the monitor control. In other cases, normal fuel injection is performed based on the fuel injection amount and fuel injection timing set in steps S32 to S33.
[0049]
When the monitor auxiliary fuel control is performed, first, in step S36, the previous catalyst temperature Tcat is the first catalyst temperature Tcat.TenIt is determined whether or not: The previous catalyst temperature Tcat is the first catalyst temperature Tcat.TenIf it is below (YES), that is, if the monitor auxiliary fuel control has not been performed previously, 1 is set in the flag Fcatin in step S37, and then the monitor auxiliary fuel control is executed in steps S39 to S49. Is done. The flag Fcatin is a flag that is set to 1 when the monitor auxiliary fuel control is being performed.
[0050]
In step S36, the previous catalyst temperature Tcat is changed to the first catalyst temperature Tcat.TenIf it exceeds (NO), it is determined in step S38 whether or not the flag Fcatin is 1. If the flag Fcatin is 1, monitor auxiliary fuel control is executed in steps S39 to S49.
[0051]
When the monitor auxiliary fuel control is performed, first, in steps S39 and S40, the accelerator opening change amount Δα is set to a predetermined value Δα.01And the accelerator opening α is a predetermined value α.01It is determined whether or not the value exceeds. Where Δα ≦ Δα01And α ≦ α01(NO in both steps S39 and S40), that is, in the steady state (non-accelerated state) and in the middle / low load state, the rate of temperature rise of the catalyst is small. Is increased by the predetermined value Qpcq, or the basic injection timing Imb is retarded by the predetermined value Imcq, and the temperature rise of the exhaust gas or the catalyst is promoted. In this case, the predetermined value Qpcq is equal to O in the exhaust gas.2It is preferably set so that the concentration decreases.
[0052]
Here, instead of changing the post injection amount Qpb or the basic injection timing Imb, the basic injection amount Qmb is increased by a predetermined value Qmcq, or the post injection timing Ipb is delayed by a predetermined value Ipcq in the direction in which the exhaust gas temperature rises. The angle may be advanced or the angle may be advanced (retard if Ipb is advanced from
The catalyst temperature rise may be promoted by increasing the EGR amount or opening the adjustment valve 11 (throttle valve).
[0053]
On the other hand, Δα> Δα in step S39.01(Yes), or α> α in step S4001If it is determined that the exhaust gas temperature or the catalyst temperature naturally rises (YES), that is, in the acceleration state or the high load state, step S41 is skipped.
[0054]
Next, in step S42, the count value of the elapsed time t after the start of the monitor control is incremented by 1 (t ← t + 1). Subsequently, in step S43, the elapsed time t is changed to the first reference time t.10It is determined whether or not the value exceeds. The elapsed time t is the first reference time t10If it does not exceed (NO), in step S46, the set value α is set to the post injection increase value Qpobd to increase the HC concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst, or the set value is set to the basic injection timing retard value Imobd. γ is set. Instead of using the post injection increase value Qpobd or the basic injection timing retard value Imobd, set the set value β to the basic injection increase value Qmobd or set the set value δ to the post injection timing retard value Ipobd. Also good. As a result, the HC concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst is set to a high concentration state.
[0055]
In step S43, the elapsed time t is the first reference time t.10(YES), in step S44, the elapsed time t is the second reference time t.20It is determined whether or not. The elapsed time t is the second reference time t20If not (NO), in step S47, the post-injection increase value Qpobd is set to 0 or the basic injection timing retard value Imobd is set to 0 in order to bring the HC concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst into a low concentration state. Set. When the basic injection increase value Qmobd or the post injection timing retard value Ipobd is used instead of the post injection increase value Qpobd or the basic injection timing retard value Imobd, 0 is set to them.
In step S44, the elapsed time t is changed to the second reference time t.20If it is determined that there is, the elapsed time t is reset to 0 in step S45 (t ← 0).
[0056]
Next, in step S48, the final basic injection amount Qmt, the final basic injection timing Imt, the final post injection amount Qpt, and the final post injection timing Ipt are set by the following
Qmt ← Qmb + Qmobd ………………………………………………
Qpt ← Qpb + Qpobd …………………………………………………
Imt ← Imb + Imobd …………………………………………………
Ipt ← Ipb + Ipobd ……………………………………………………
[0057]
By the way, when it is determined in step S38 that the flag Fcatin is not 1 (NO), in step S50, the previous catalyst temperature Tcat is the second catalyst temperature Tcat.2 0It is determined whether or not this is the case. The previous catalyst temperature Tcat is the second catalyst temperature Tcat.2 0If this is the case (YES), that is, the catalyst temperature Tcat is the second reference temperature Tcat before the previous time2 0After the above, the second reference temperature Tcat again2 0If it is less, the flag Fcatde is set to 1 in step S51, and then the fuel injection amount or the fuel injection timing is corrected so that the exhaust gas temperature or the catalyst temperature decreases in steps S53 to S55. The flag Fcatde is a flag that is set to 1 when such correction is performed.
[0058]
In step S50, the previous catalyst temperature Tcat is changed to the second catalyst temperature Tcat.2 0If it is less than (NO), it is determined in step S52 whether the flag Fcatde is 1 or not. If the flag Fcatde is 1, the fuel injection amount or the fuel injection timing is corrected in steps S53 to S55 so that the exhaust gas temperature or the catalyst temperature decreases.
[0059]
When the fuel injection amount or the fuel injection timing is corrected so that the exhaust gas temperature or the catalyst temperature is lowered, first, in steps S53 and S54, the accelerator opening change amount Δα is set to a predetermined value Δα, respectively.02Whether the accelerator opening α is smaller than (negative value) or not and the predetermined value α02It is determined whether or not it is smaller. Where Δα ≧ Δα02And α ≧ α02(NO in both steps S53 and S54), that is, in the non-decelerating state and in the middle / high load state, the temperature decrease rate of the catalyst is small, so that the post injection amount Qpb is a predetermined value Qpcq ′ in step S55. Or the basic injection timing Imb is advanced by a predetermined value Imcq ′ to promote a decrease in the catalyst temperature.
[0060]
Here, instead of changing the post injection amount Qpb or the basic injection timing Imb, the basic injection amount Qmb is decreased by a predetermined value Qmcq ′, or the post injection timing Ipb is decreased to a predetermined value Ipcq ′ in a direction in which the exhaust gas temperature decreases. Only the retarded angle or the advanced angle may be set.
In addition, you may accelerate | stimulate the fall of a catalyst temperature by supplying or increasing secondary air.
[0061]
In step S53, Δα <Δα02Is determined (YES) or α <α in step S5402If it is determined (YES), that is, if the vehicle is in a deceleration state or a low load state, the exhaust gas temperature or the catalyst temperature naturally decreases, so step S55 is skipped.
If it is determined in step S52 that the flag Fcatde is not 1 (NO), the flag Fcatin is reset to 0 in step S56, and steps S53 to S55 are skipped.
[0062]
By the way, in the monitor control and the fuel control shown in FIGS. 2 to 6, the purification performance or the deterioration degree of the catalyst is determined. However, instead of this determination or in addition to this determination, the control state of the
For example, as shown in FIG. 7, steps T1 to T3 are inserted between step S33 and step S34 of the flowchart shown in FIG. 4, and when the
[0063]
In this case, at step T1, the engine water temperature Tw is a predetermined value Tw.0Whether or not is less than Tw <Tw0If (YES), that is, if the engine is cold, it is determined in step T2 whether or not the catalyst temperature Tcat exceeds a value obtained by adding a predetermined value ΔTcat to the catalyst temperature average value Tcat (n) av. If Tcat ≦ Tcat (n) av + ΔTcat (NO), the post injection amount Qpb is increased by the predetermined value Qpbcold in step T3, or the basic injection timing Imb is retarded by the predetermined value Imbcold, and the exhaust gas temperature and thus the catalyst Increase in temperature is promoted. Note that the basic injection amount Qmb may be increased by a predetermined value Qmbcold to promote an increase in the exhaust gas temperature and thus the catalyst temperature.
[0064]
Here, when only the control state of the
[0065]
In the above-described embodiment, a zeolite-based catalyst is used in the
[0066]
As described above, in the case of a zeolitic catalyst, O is near the light-off temperature regardless of the presence or absence or degree of deterioration.2The density change amount difference ΔOx increases. Therefore, regardless of the presence or degree of deterioration, O2The catalyst temperature Tcat when the concentration change amount difference ΔOx becomes large substantially indicates the light-off temperature.
In contrast, in the case of an alumina-based catalyst (a catalyst in which a noble metal catalyst such as Pt, Rh, or Pd is supported on an alumina carrier), the degree of activation of the catalyst increases as the degree of activation of the catalyst increases near the light-off temperature.2The density change amount difference ΔOx increases. That is, O2The catalyst temperature when the concentration change amount difference ΔOx is a specific value (range) corresponding to the light-off temperature substantially indicates the light-off temperature of the catalyst.
[0067]
Therefore, in the monitor control when an alumina catalyst is used, O2Density change difference ΔOx is set value ΔOx1Larger and set value ΔOx2What is necessary is just to memorize | store the catalyst temperature when it is smaller. Set value ΔOx1Or set value ΔOx2Corresponds to the light-off temperature of the fresh catalyst.
Specifically, as shown in FIG. 9, in the flowchart of the monitor control when the alumina catalyst is used, step S12 of the flowchart shown in FIG. 2 is changed to “ΔOx ← ΔOxdn−ΔOxup”, and step S13 is changed. , O2Density change difference ΔOx is set value ΔOx1Larger and set value ΔOx2This is replaced with step T21 for determining whether or not it is smaller.
[0068]
Figure12In (a) to (c), when the HC concentration upstream of the alumina catalyst is increased or decreased in a predetermined cycle, the downstream O when the catalyst temperature is 200 ° C., 220 ° C., and 250 ° C.2The time course of concentration and HC concentration is shown. These figures are also figure10The figure11As in the case of, data is processed and shown so that ΔOx can be easily compared relatively. Figure12As is clear from (a) to (c), the downstream side O of the alumina catalyst2The concentration change characteristics10Or figure11This is very different from the change characteristics of the zeolite-based catalyst.
[0069]
Figure13In the case of using an alumina catalyst in (a) to (c), the upstream O in the case where the HC concentration upstream of the catalyst is repeatedly increased or decreased at a predetermined cycle2Concentration and downstream O2The change characteristic of density is shown. Figure13(A)-(c), figure14(B) is upstream O2Concentration and downstream O2Concentration, O at the time of HC cut2Relative comparisons are made using density values as a reference. Also figure13(A) is when inactive,13(B) is at the time of light-off.13(C) is when activated.
Also figure14In (a), O in the case where the HC concentration upstream of the catalyst is repeatedly increased or decreased at a predetermined cycle.2The change characteristic with respect to the catalyst temperature of the concentration variation difference ΔOx is shown.
[0070]
Figure13(A)-(c) and figure14As apparent from (a), in the temperature range close to the light-off temperature, the higher the catalyst temperature, the more O2The density change amount difference ΔOx is large. Figure14Catalyst temperature T in (a)1~ T2Is the light-off temperature range, and the set value ΔOx1And set value ΔOx2Respectively, T1And T2Is a value corresponding to. The reason for this is not clear, but unlike zeolite, HC in the exhaust gas is in direct contact with alumina, which has a poor ability to temporarily incorporate HC into the surface. And O2Reacts directly with O2On the other hand, when activated, the catalytic metal oxidizability further increases and more O2It is thought that this is because of the decrease.
[0071]
Figure14(B) In the light-off state, when the HC concentration upstream of the alumina catalyst is changed from the low concentration state to the high concentration state and then the high concentration state is continued, the upstream O2Concentration and downstream O2The change characteristic of density is shown. Figure14As is clear from (b), the downstream side O for a while immediately after the HC concentration was changed to a high concentration state.2The concentration is greatly reduced. This is because immediately after the HC concentration is brought to a high concentration state, rapid combustion occurs (ignitions) due to a rapid increase in HC.
[0072]
However, after this, the downstream O2Concentration rises and eventually (approximately 60 seconds) upstream O2Concentration and downstream O2The difference in density is almost eliminated. This is because the oxidation reaction gradually becomes an equilibrium state, and O2This is because consumption is reduced.
Therefore, in this monitor control, it can be said that it is necessary or effective to repeatedly increase or decrease the HC concentration upstream of the catalyst.
[0073]
In addition, as shown in FIG. 8, when the catalyst used in the
In this case, first, at step T11, it is determined whether or not the catalyst temperature Tcat exceeds a value obtained by adding a predetermined value ΔTcat to the catalyst temperature average value Tcat (n) av. If Tcat ≦ Tcat (n) av + ΔTcat (NO), NOx trap control is performed in steps T12 to T18.
[0074]
That is, first, at step T12, the NOx trap amount NO of the NOx trap catalyst is estimated. Subsequently, in step T13, the estimated NOx trap amount NO is changed to a predetermined threshold NO.0It is determined whether or not the value exceeds. Where NO> NO0If so (YES), the counter T in step T14NOxCounting starts or continues. Counter TNOxIs a counter for counting a period during which the fuel injection amount should be increased when NOx is released by the NOx trap catalyst.
In step T13, NO ≦ NO0(NO), in step T15, the counter TNOxIs being counted. If counting is in progress (YES), steps T14 to T18 are executed.
[0075]
Next, at step T16, the counter TNOxCount value is set value TNOx0It is determined whether or not the value exceeds. Where counter TNOxCount value is set value TNOx0If it does not exceed (NO), in step T17, the basic injection amount Qmb (or the post injection amount Qpb) is increased (becomes rich) in order to purify the NOx trap catalyst by releasing NOx.
[0076]
On the other hand, in step T16, the counter TNOxCount value is set value TNOx0If it exceeds (YES), in step T18 the counter TNOxAnd the NOx trap amount NO (estimated value) is reset to zero.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to easily and accurately determine the purification performance or the degree of deterioration of the exhaust gas purification catalyst.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of a diesel engine equipped with an exhaust emission control device according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a control method of monitor control of an exhaust purification device using a zeolite catalyst.
FIG. 3 is a flowchart showing a control method of monitor control of an exhaust purification device using a zeolite catalyst.
FIG. 4 is a flowchart showing a control method of fuel control.
FIG. 5 is a flowchart showing a control method of fuel control.
FIG. 6 is a flowchart showing a control method of fuel control.
FIG. 7 is a flowchart showing a modification of the control method of fuel control.
FIG. 8 is a flowchart showing a modification of the control method of fuel control.
FIG. 9 is a flowchart showing a control method of monitor control of an exhaust purification apparatus using an alumina-based catalyst.
FIGS. 10 (a) to 10 (c) respectively show upstream O in the inactive state, light-off state, and active state when a zeolite-based fresh catalyst is used.2Concentration and downstream O2It is a graph which shows the change characteristic of density with respect to time.
FIGS. 11A to 11C are diagrams showing upstream side O, in an inactive state, a light-off state, and an active state, respectively, when a zeolite-based deterioration catalyst is used.2Concentration and downstream O2It is a graph which shows the change characteristic of density with respect to time.
FIGS. 12 (a) to (c) show the downstream O in the inactive state, light-off state, and active state, respectively, when using an alumina-based catalyst.2It is a graph which shows the change characteristic with respect to time of a density | concentration and downstream HC density | concentration.
FIGS. 13A to 13C are diagrams showing upstream side O, in an inactive state, a light-off state, and an active state, respectively, when an alumina-based catalyst is used.2Concentration and downstream O2It is a graph which shows the change characteristic of density with respect to time.
FIG. 14 (a) shows O in an alumina catalyst.26 is a graph showing a change characteristic of the concentration change amount difference ΔOx with respect to the catalyst temperature, and (b) shows the upstream O in the light-off state when the HC concentration is not repeatedly increased or decreased.2Concentration and downstream O2It is a graph which shows the change characteristic of density with respect to time.
FIGS. 15A to 15B are diagrams showing upstream O in a light-off state and an active state when a zeolite catalyst is used, respectively.2Concentration and downstream O2It is a graph which shows the change characteristic of a density | concentration with respect to time, (c) is O in a zeolitic catalyst.26 is a graph showing a change characteristic with respect to time of a concentration change amount difference ΔOx, and FIG. 6D is an upstream side O in a light-off state when the HC concentration is not repeatedly increased or decreased.2Concentration and downstream O2It is a graph which shows the change characteristic of density with respect to time.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (9)
触媒上流の排気ガス中のO2濃度を検出する上流側O2濃度検出手段と、
触媒下流の排気ガス中のO2濃度を検出する下流側O2濃度検出手段と、
上流側O2濃度検出手段によって検出された上流側O2濃度と、下流側O2濃度検出手段によって検出された下流側O2濃度とに基づいて触媒の浄化性能を判定する浄化性能判定手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
触媒上流の排気ガス中の還元成分濃度を、高濃度状態と低濃度状態との間を移行するよう変化させる排気ガス組成変更手段とが設けられていて、
上記浄化性能判定手段は、排気ガス組成変更手段によって上記還元成分濃度が変化させられている場合において、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲外にあるときに検出された上流側O2濃度と下流側O2濃度とに基づいて、触媒の浄化性能を判定するようになっていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。A catalyst that is disposed in the exhaust passage of the engine and has oxidation performance;
Upstream O 2 concentration detection means for detecting O 2 concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst;
Downstream O 2 concentration detection means for detecting the O 2 concentration in the exhaust gas downstream of the catalyst;
The upstream O 2 concentration detected by the upstream O 2 concentration detector, and determining purification performance determining means for purifying performance of the catalyst on the basis of the downstream O 2 concentration downstream O 2 concentration detected by the detection means In an exhaust emission control device for an engine equipped with
Catalyst temperature detecting means for detecting the catalyst temperature;
Exhaust gas composition changing means for changing the reducing component concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst so as to shift between a high concentration state and a low concentration state is provided,
The purification performance determination means is detected when the catalyst temperature is outside a predetermined temperature range where the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined degree when the reducing component concentration is changed by the exhaust gas composition changing means. An engine exhaust purification system characterized in that the purification performance of a catalyst is determined based on an upstream O 2 concentration and a downstream O 2 concentration.
触媒上流の排気ガス中の還元成分濃度を、高濃度状態と低濃度状態との間を移行するよう変化させる一方、
上記還元成分濃度を変化させている場合において、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲外にあるときに、上流側O2濃度と下流側O2濃度とに基づいて触媒の浄化性能を判定するようにしたことを特徴とする浄化性能判定方法。A catalyst that is disposed in the exhaust passage of the engine and has oxidation performance, an upstream O 2 sensor that detects the O 2 concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst, and a downstream O that detects the O 2 concentration in the exhaust gas downstream of the catalyst exhaust purification device for an engine and a second sensor, the upstream O 2 concentration detected by the upstream O 2 sensor, on the basis of the downstream O 2 concentration detected by the downstream O 2 sensor purifying catalyst In the purification performance determination method for determining performance,
While the reducing component concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst is changed to shift between a high concentration state and a low concentration state,
When the reducing component concentration is changed, when the catalyst temperature is outside a predetermined temperature range in which the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined level, the catalyst is based on the upstream O 2 concentration and the downstream O 2 concentration. A purification performance determination method characterized in that the purification performance of the water is determined.
触媒上流の排気ガス中のO2濃度を検出する上流側O2濃度検出手段と、
触媒下流の排気ガス中のO2濃度を検出する下流側O2濃度検出手段と、
上流側O2濃度検出手段によって検出された上流側O2濃度と、下流側O2濃度検出手段によって検出された下流側O2濃度とに基づいてエンジンの制御状態を変更する制御状態変更手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
触媒上流の排気ガス中の還元成分濃度を、高濃度状態と低濃度状態との間を移行するよう変化させる排気ガス組成変更手段とが設けられていて、
上記制御状態変更手段が、排気ガス組成変更手段によって上記還元成分濃度が変化させられている場合において、触媒温度が触媒の酸化性能が所定度合い以下である所定温度範囲外にあるときに検出された上流側O2濃度と下流側O2濃度とに基づいて、エンジンの制御状態を変更するようになっていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。A catalyst that is disposed in the exhaust passage of the engine and has oxidation performance;
Upstream O 2 concentration detection means for detecting O 2 concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst;
Downstream O 2 concentration detection means for detecting the O 2 concentration in the exhaust gas downstream of the catalyst;
The upstream O 2 concentration detected by the upstream O 2 concentration detector, a control state changing means for changing a control state of the engine based on the downstream O 2 concentration detected by the downstream O 2 concentration detector In an exhaust emission control device for an engine equipped with
Catalyst temperature detecting means for detecting the catalyst temperature;
Exhaust gas composition changing means for changing the reducing component concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst so as to shift between a high concentration state and a low concentration state is provided,
The control state change means is detected when the catalyst temperature is outside a predetermined temperature range where the oxidation performance of the catalyst is not more than a predetermined degree when the reducing component concentration is changed by the exhaust gas composition changing means. An engine exhaust purification system that changes a control state of an engine based on an upstream O 2 concentration and a downstream O 2 concentration.
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