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特許7124771ラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システム
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-16
(45)【発行日】2022-08-24
(54)【発明の名称】ラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システム
(51)【国際特許分類】
   F02D 45/00 20060101AFI20220817BHJP
   F01N 3/18 20060101ALI20220817BHJP
【FI】
F02D45/00 368F
F02D45/00 345
F01N3/18 C
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2019042439
(22)【出願日】2019-03-08
(65)【公開番号】P2020143648
(43)【公開日】2020-09-10
【審査請求日】2021-08-31
(73)【特許権者】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】特許業務法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西方 彰朗
(72)【発明者】
【氏名】村澤 直人
【審査官】津田 真吾
(56)【参考文献】
【文献】特表2011-511197(JP,A)
【文献】特開2016-056731(JP,A)
【文献】特開2006-002635(JP,A)
【文献】国際公開第2014/207854(WO,A1)
【文献】特開2018-131993(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02D 1/00 - 45/00
F01N 1/00 - 99/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
NOx吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第1のラムダセンサーの検出結果である第1の検出結果と、前記NOx吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第2のラムダセンサーの検出結果である第2の検出結果と、を入力するステップと、
前記NOx吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第1の検出結果及び前記第2の検出結果のそれぞれが、第1の値から第2の値に減少するのに要した減少時間、又は、第3の値から第4の値に増加するのに要した増加時間を求めるステップと、
前記第1の検出結果の前記減少時間と前記第2の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第1の検出結果の前記増加時間と前記第2の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第1のラムダセンサー及び前記第2のラムダセンサーの応答性を判断するステップと、
を含み、
リーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に実行する前記ステップのうち、リッチ制御からリーン制御に移行した際に実行する前記ステップを、リーン制御からリッチ制御に移行した際に実行する前記ステップよりも優先して実行する、
ラムダセンサーの応答性診断方法。
【請求項2】
前記減少時間の差、又は、前記増加時間の差が所定値以上の場合、前記第1及び第2のラムダセンサーのうち、前記減少時間が長かった方、又は、増加時間が長かった方のラムダセンサーの応答性が低下していると判断する、
請求項1に記載のラムダセンサーの応答性診断方法。
【請求項3】
NOx吸蔵還元型触媒と、
前記NOx吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第1のラムダセンサーと、
前記NOx吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第2のラムダセンサーと、
前記第1のラムダセンサーの検出結果である第1の検出結果と、前記第2のラムダセンサーの検出結果である第2の検出結果と、を入力する入力部と、
前記NOx吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第1の検出結果及び前記第2の検出結果のそれぞれが、第1の値から第2の値に減少するのに要した減少時間、又は、第3の値から第4の値に増加するのに要した増加時間を求める、減少/増加時間算出部と、
前記第1の検出結果の前記減少時間と前記第2の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第1の検出結果の前記増加時間と前記第2の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第1のラムダセンサー及び前記第2のラムダセンサーの応答性を判断する判断部と、
を具備し、
前記判断部は、前記応答性を、前記減少時間の差よりも前記増加時間の差を優先して用いて判断する、
排気浄化システム。
【請求項4】
前記判断部は、前記減少時間の差、又は、前記増加時間の差が所定値以上の場合、前記第1及び第2のラムダセンサーのうち、前記減少時間が長かった方、又は、増加時間が長かった方のラムダセンサーの応答性が低下していると判断する、
請求項に記載の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の空燃比を監視するラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気浄化装置として、NOx吸蔵還元型触媒(Lean NOx Trap:以下「LNT」と称する)が知られている(例えば、特許文献1を参照)。LNTは、排気ガスの空燃比がリーンな状態においては、排気ガス中のNOxを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチな状態においては、当該吸蔵したNOxを排気ガス中のCO又はHC等と反応させて、窒素等の無害なガスに還元して放出する。LNTについては、例えば特許文献1、2などに記載されている。
【0003】
LNTでは、一般に、排気ガスの空気過剰率(λ)を検出するためにラムダセンサーが設けられている。ラムダセンサーにより検出される空気過剰率(λ)は、λ=(実際の混合気の空燃比/理論空燃比)により求めることができる。内燃機関のエンジン制御部は、ラムダセンサーにより検出された空気過剰率(λ)と目標とする空燃比である目標平均空燃比とを基にエンジンを制御する。因みに、ディーゼルエンジンの制御では、特にリッチ時(LNT還元時)に、空気過剰率(λ)を指標としたエンジン制御が行われる。ラムダセンサー、および、ラムダセンサーを用いたエンジンの制御については、例えば特許文献3などに記載されている。
【0004】
このようにラムダセンサーは、エンジンの空燃比の制御に重要な役割を果たすので、その応答性能が正常であるか否かを常時監視しておきたい要求がある。ラムダセンサーの応答性能を診断する方法としては、燃料カット時(Qカット時)のラムダセンサーの出力値の変化を評価する方法がある。具体的には、燃料をカットしてから、ラムダセンサーの出力値が所定値に到達するまでの時間を計測し、この時間が長いほど応答性が低下していると診断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2017-203409号公報
【文献】特開2019-007424号公報
【文献】特開2011-185097号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上述のラムダセンサーの診断方法は、燃料カットにより酸素濃度が急激に上昇したときのラムダセンサーの応答性を観測することを基本原理としている。しかしながら、燃料カット時における酸素濃度の変化幅はそもそも小さいので、単純に燃料カット時のラムダセンサーの出力値に基づいてラムダセンサーの応答性を診断しようとすると、高い信頼性の診断を行うことは困難な場合がある。
【0007】
例えば、想定している、燃料カット前の排ガス酸素濃度が10%程度であり、燃料カット後の排ガス酸素濃度が21%程度であるとする。このような想定している排ガス酸素濃度であれば、燃料カット時における酸素濃度の変化幅を確保できるので問題は生じない。しかし、燃料カット前の排ガス酸素濃度は、ドライバーのアクセル操作などに大きく依存する。燃料カット前の排ガス酸素濃度が例えば10%を大きく下回れば、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化は大きくなるので、応答性診断の信頼性が高まるが、燃料カット前の排ガス酸素濃度が例えば10%を大きく上回ると、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化は小さくなるので、応答性診断の信頼性が低下する。
【0008】
具体的には、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化が小さいと、ラムダセンサーの出力値が燃料カット時から所定値に到達するまでの時間が、ラムダセンサーの応答性が良い場合と悪い場合とでほとんど変わらなくなってしまい、その結果、応答性を評価するのが困難となり、診断の信頼性が低下する。
【0009】
これを回避するために、燃料カット時の排ガス酸素濃度の変化が大きいときのみ、例えば燃料カット前の排ガス酸素濃度が10%を大きく下回ったときのみ応答性診断を行うことが考えられる。しかしながら、このようにすると応答性診断の頻度が少なくなるので、結果的に応答性診断の信頼性が低下することになる。
【0010】
本発明の目的は、ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上し得る、ラムダセンサーの応答性診断方法、及び排気浄化システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明のラムダセンサーの応答性診断方法の一つの態様は、
NOx吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第1のラムダセンサーの検出結果である第1の検出結果と、前記NOx吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第2のラムダセンサーの検出結果である第2の検出結果と、を入力するステップと、
前記NOx吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第1の検出結果及び前記第2の検出結果のそれぞれが、第1の値から第2の値に減少するのに要した減少時間、又は、第3の値から第4の値に増加するのに要した増加時間を求めるステップと、
前記第1の検出結果の前記減少時間と前記第2の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第1の検出結果の前記増加時間と前記第2の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第1のラムダセンサー及び前記第2のラムダセンサーの応答性を判断するステップと、
を含む。
【0012】
本発明の排気浄化システムの一つの態様は、
NOx吸蔵還元型触媒と、
前記NOx吸蔵還元型触媒の上流側に設けられた第1のラムダセンサーと、
前記NOx吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた第2のラムダセンサーと、
前記第1のラムダセンサーの検出結果である第1の検出結果と、前記第2のラムダセンサーの検出結果である第2の検出結果と、を入力する入力部と、
前記NOx吸蔵還元型触媒がリーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に、前記第1の検出結果及び前記第2の検出結果のそれぞれが、第1の値から第2の値に減少するのに要した減少時間、又は、第3の値から第4の値に増加するのに要した増加時間を求める、減少/増加時間算出部と、
前記第1の検出結果の前記減少時間と前記第2の検出結果の前記減少時間の差、又は、前記第1の検出結果の前記増加時間と前記第2の検出結果の前記増加時間の差に基づいて、前記第1のラムダセンサー及び前記第2のラムダセンサーの応答性を判断する判断部と、
を具備する。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、NOx吸蔵還元型触媒の上流側及び下流側のラムダセンサーの出力値の減少、又は、増加に要する時間の差分を比較するようにしたので、ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】実施の形態のラムダセンサーの応答性診断方法が適用される排気浄化システムの要部構成を示した図
図2】実施の形態によるラムダセンサーの応答性能の診断を実現するためのECUの機能ブロック図
図3】リッチスパイク時におけるラムダセンサーの検出結果を示す波形図
図4図3の波形図のうちリーン制御からリッチ制御に移行する区間(移行区間1)近傍の波形を拡大した図
図5】一方のラムダセンサーの応答性が低下した場合の波形図
図6】ECUによって実行される診断処理手順を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0016】
<1>排気浄化システムの構成
図1は、本実施の形態のラムダセンサーの応答性診断方法が適用される排気浄化システム100の要部構成を示した図。本実施形態では、一例として、本発明のラムダセンサーの応答性診断方法をディーゼルエンジン10の排気浄化システム100に適用した態様ついて説明する。但し、本実施形態に係るラムダセンサーの応答性診断方法は、ディーゼルエンジン10の排気浄化システム100に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。
【0017】
排気浄化システム100は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン10の排気ガス中のNOxを浄化する。
【0018】
エンジン10は、例えば、燃焼室、及び、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置を含んで構成される。エンジン10は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン10には、燃焼室内に空気を導入する吸気管20と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管30と、が接続されている。
【0019】
排気浄化システム100は、LNT(Lean NOx Trap)101、DPF(Diesel Particulate Filter)102、SCR(Selective Catalytic Reduction)103及びECU(Electronic Control Unit)110を有する。また、実際上、排気浄化システム100は、尿素水噴射装置などの他の構成も有するが、図1ではこれらの構成は省略されている。
【0020】
LNT101は、排気ガスの空燃比がリーンな状態においては、排気ガス中のNOxを吸蔵する。そして、LNT101は、排気ガスの空燃比がリッチな状態において、当該吸蔵したNOxを排気ガス中のCO又はHC等と反応させて、窒素等の無害なガスに還元して放出する。なお、LNT101は、飽和状態に近づくとNOxを吸蔵し得る効率が低下する。そのため、LNT101のNOxの吸蔵状態は、ECU110によって監視されており、定期的に、LNT101の再生(リッチスパイクとも称される)が実行される。
【0021】
DPF102は、排気に含まれる粒子状物質を捕集する。
【0022】
SCR103は、尿素水噴射装置(図示せず)から供給される尿素水が加水分解したアンモニアを吸着すると共に、当該吸着したアンモニアによって排気ガス中からNOxを選択的に還元浄化する。
【0023】
ECU110は、排気浄化システム100の動作を制御する。ECU110は、エンジン10の燃料噴射装置の噴射を制御する。また、ECU110は、LNT101のNOxの吸蔵状態の情報に基づいて、リッチスパイクを実現するためのリッチ制御などを行う。
【0024】
ECU110は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ECU110の後述する各機能は、例えば、CPUがROM、RAM等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。
【0025】
なお、ECU110は、尿素水噴射装置(図示せず)等の状態の取得や、その制御を行う。またECU110は、LNT101の上流側に設けられたラムダセンサー121、LNT101の下流側に設けられたラムダセンサー122や、図示しない他のセンサーからセンサー情報を取得し、当該センサー情報に基づいて、排気管30を通流する排気ガスの状態、LNT101の状態、DPF102の状態、及びSCR103の状態等を検出する。
【0026】
<2>本実施の形態によるラムダセンサーの応答性診断
ECU110は、ラムダセンサー121、122の応答性能を診断する機能を有する。
【0027】
図2は、本実施の形態によるラムダセンサーの応答性能の診断を実現するためのECU110の機能ブロック図を示す。上述したようにこの機能は、ソフトウェアによって実現してもよく、専用のハードウェア回路によっても実現してもよい。
【0028】
図3は、リッチスパイク時におけるラムダセンサー121、122の検出結果λ1、λ2を示す波形図である。
【0029】
図4は、図3の波形図のうち、リーン制御からリッチ制御に移行する区間(移行区間1)近傍の波形を拡大した図である。
【0030】
図2に示されているように、ECU110は、入力部111と、減少/増加時間算出部112と、判断部113と、を有する。
【0031】
入力部111は、ラムダセンサー121の検出結果λ1と、ラムダセンサー122の検出結果λ2と、を入力する。
【0032】
減少/増加時間算出部112は、LNT101がリーン制御からリッチ制御に移行した際(図3の移行区間1に相当)、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際(図3の移行区間2に相当)に、検出結果λ1、λ2のそれぞれが、第1の値X1(図4)から第2の値X2(図4)に減少するのに要した減少時間Δt1、Δt2、又は、第3の値X3から第4の値X4に増加するのに要した増加時間Δt3、Δt4を求める。
【0033】
ここで、上記値X1とX2は、移行区間1における検出結果λ1、λ2の両方が存在する範囲でできるだけ離れた値であることが好ましい。同様に、上記値X3とX4は、移行区間2における検出結果λ1、λ2の両方が存在する範囲でできるだけ離れた値であることが好ましい。本実施の形態の場合、一例として、X1=1.4に設定され、X2=1.1に設定されている。
【0034】
なお、増加時間Δt3、Δt4も減少時間Δt1、Δt2と同様に求めることができるのは明らかなので、図では、値X1、X2及び減少時間Δt1、Δt2のみを示した。
【0035】
判断部113は、検出結果λ1の減少時間Δt1と検出結果λ2の減少時間Δt2の差|Δt1-Δt2|、又は、検出結果λ1の増加時間Δt3と検出結果λ2の増加時間Δt4の差|Δt3-Δt4|に基づいて、ラムダセンサー121、122の応答性を判断する。判断部113は、判断結果を例えば車両のインジケーター(図示せず)などに出力する。
【0036】
図6は、ECU110によって実行される診断処理手順を示すフローチャートである。
【0037】
ECU110は、ステップS1において、LNT101がリーン制御からリッチ制御に移行したか否か、又は、リッチ制御からリーン制御に移行したか否かを判断する。ここで、ECU110は、どのタイミングでリッチスパイクが行われるのかを把握しているので、リーン制御からリッチ制御への移行タイミング、及び、リッチ制御からリーン制御への移行タイミングも把握している。因みに、リッチスパイクは、一般に30分に数回程度行われる。よって、本実施の形態の応答性診断も30分に数回程度行われることになる。ただし、この回数はLNT101のNOxの吸蔵状態などに応じて変わる。
【0038】
ECU110は、ステップS1で肯定結果が得られると、ステップS2に進む。ECU110の減少/増加時間算出部112は、ステップS2において、図4に示したように、検出値λ1からΔt1を、検出値λ2からΔt2を算出する。
【0039】
続くステップS3において、ECU110の判断部113は、減少時間Δt1と減少時間Δt2の差|Δt1-Δt2|を、所定の閾値Th1と比較する。判断部113は、差|Δt1-Δt2|が閾値Th1未満の場合(ステップS3;NO)、ステップS4に移って、ラムダセンサー121、122の応答性は正常であると判断とする。
【0040】
これに対して、判断部113は、差|Δt1-Δt2|が閾値Th1以上の場合(ステップS3;YES)、ステップS5に移る。判断部113は、ステップS5において、Δt1とΔt2の大きさを比較する。判断部113は、Δt1がΔt2より大きいと判断した場合(ステップS5;YES)、ステップS6に移って、ラムダセンサー121の応答性が低下していると判断する。一方、判断部113は、ステップS5で否定結果が得られた場合(ステップS5;NO)、ステップS7に移って、ラムダセンサー122の応答性が低下していると判断する。
【0041】
ここで、ステップS4のように、ラムダセンサー121、122の応答性が正常であると判断されるのは、例えば図4に示したようなλ1、λ2が得られた場合である。一方、ステップS7のように、ラムダセンサー122の応答性が低下していると判断されるのは、例えば図5に示したようなλ1、λ2が得られた場合である。つまり、λ2の傾きがなだらかな場合である。なお、ステップS6のように、ラムダセンサー121の応答性が低下していると判断されるのは、図示はしていないが、λ1の傾きがなだらかな場合である。
【0042】
因みに、図4などにおいて、下流側のラムダセンサー122の検出結果λ2が従竜側のラムダセンサー121の検出結果λ1よりも時間軸で僅かに遅れる方向にシフトしているのは、ラムダセンサー122がラムダセンサー121よりも下流側に設けられており、その距離を排ガス移動するのに時間かかるためである。
【0043】
<3>まとめ
以上説明したように、本実施の形態によれば、2つのラムダセンサー121、122の減少、又は、増加に要する時間Δt1、Δt2(Δt3、Δt4)の差分|Δt1、Δt2|(|Δt3、Δt4|)に基づいて応答性の低下しているラムダセンサーの有無を比較し、さらに、差分が閾値Th1以上の場合には、減少、又は、増加に要する時間が長かった方のラムダセンサーの応答性が低下していると判断するようにしたことにより、ラムダセンサーの応答性診断の信頼性を向上できるようになる。
【0044】
ここで、上述の実施の形態のラムダセンサーの応答性診断方法は、LNT101の上流側及び下流側のラムダセンサーの両方の応答性が同時に同程度低下することはないということを前提としている。このような前提の下、2つのラムダセンサーの検出結果を比較することで応答性の低下しているラムダセンサーを見つけるようにしている。
【0045】
ところで、図3及び図4などから分かるように、リッチ制御区間ではLNT101の再生が進んでいくと下流側のラムダセンサー122の検出結果λ2の値も下がっていく。つまり、λ2の値はリッチ制御の開始時点よりも終了時点の方が小さくなる。この結果、減少時に設定するX1、X2よりも、増加に設定するX3、X4の方が、離れた値とすることができる。つまり、(X1-X2)<(X3-X4)とすることができる。
【0046】
これを考慮すると、上述の実施の形態で説明した差分を用いた応答性の診断は、リッチ制御からリーン制御に移行した際に実行することが、より好ましい。勿論、上述の実施の形態で説明した差分を用いた応答性の診断は、リーン制御からリッチ制御に移行した際、又は、リッチ制御からリーン制御に移行した際のいずれか、或いは、リーン制御からリッチ制御に移行した際、及び、リッチ制御からリーン制御に移行した際の両方で実行することができる。
【0047】
さらに、ラムダセンサー121、122のセンサー特性は、リッチ制御からリーン制御に移行した際と、リーン制御からリッチ制御に移行した際とで異なる場合が多いので、この点を考慮すると、リーン制御からリッチ制御に移行した際、及び、リッチ制御からリーン制御に移行した際の両方で実行することがより好ましい。このようにすることで、応答性診断の診断精度をより向上させることができる。
【0048】
上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【0049】
上述の実施の形態では、本発明のラムダセンサーの応答性診断方法をリッチスパイク時に実行する場合について述べたが、本発明のラムダセンサーの応答性診断方法は例えば燃料カット時(Qカット時)に実行するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明は、排気浄化システムに設けられたラムダセンサーの応答性診断する方法及び装置として好適である。
【符号の説明】
【0051】
10 エンジン
20 吸気管
30 排気管
100 排気浄化システム
101 LNT(Lean NOx Trap)
102 DPF(Diesel Particulate Filter)
103 SCR(Selective Catalytic Reduction)
110 ECU(Electronic Control Unit)
111 入力部
112 減少/増加時間算出部
113 判断部
121、122 ラムダセンサー
図1
図2
図3
図4
図5
図6