JP3075001B2

JP3075001B2 - 内燃機関の触媒劣化診断装置

Info

Publication number: JP3075001B2
Application number: JP05049757A
Authority: JP
Inventors: 洋一岸本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 2000-08-07
Anticipated expiration: 2015-08-07
Also published as: JPH06264726A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、触媒コンバータの上
流側と下流側とに配設された空燃比センサを利用して、
触媒の劣化状態を診断するようにした内燃機関の触媒劣
化診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の触媒コンバータの上流側およ
び下流側にそれぞれ空燃比センサ例えばＯ₂センサを配
設し、上流側Ｏ₂センサの出力信号を主にして空燃比フ
ィードバック制御を実行するとともに、両センサの出力
信号の比較から触媒の劣化を診断するようにした装置
が、例えば特開昭６３−９７８５２号公報や特開昭６３
−２０５４４１号公報に開示されている。

【０００３】すなわち、空燃比フィードバック制御の実
行中には、主に上流側Ｏ₂センサの出力信号に基づいて
例えば疑似的な比例積分制御により燃料供給量が制御さ
れるので、上流側Ｏ₂センサの出力信号は図７の（ａ）
に示すように、周期的にリッチ，リーンの反転を繰り返
す。これに対し、触媒コンバータの下流側では、触媒の
Ｏ₂ストレージ能力により残存酸素濃度の変動が非常に
緩やかなものとなるので、下流側Ｏ₂センサの出力信号
としては、図７の（ｂ）に示すように、上流側Ｏ₂セン
サに比べて変動幅が小さく、かつ周期が長くなる。

【０００４】しかし、触媒コンバータにおける触媒が劣
化してくると、Ｏ₂ストレージ能力の低下により、触媒
コンバータ上流側と下流側とで酸素濃度がそれほど変わ
らなくなり、その結果、下流側Ｏ₂センサの出力信号
は、図７の（ｃ）に示すように、上流側Ｏ₂センサの出
力に近似した周期で反転を繰り返すようになり、かつそ
の変動幅も大きくなってくる。

【０００５】従って、上記公報に記載の装置では、上流
側Ｏ₂センサのリッチ，リーンの反転周期Ｔ１と下流側
Ｏ₂センサのリッチ，リーンの反転周期Ｔ２との比（Ｔ
１／Ｔ２）を求め、この比が所定値以上となった時に、
触媒が劣化したものと判定するようにしている。

【０００６】このような触媒の劣化診断は、一般に、機
関回転数や負荷等の運転条件や冷却水温等が所定の診断
条件を満たす場合に限って行われるようになっている。

【０００７】尚、下流側Ｏ₂センサの出力信号は、上述
した触媒劣化診断のほかに、上流側Ｏ₂センサの出力信
号に基づく空燃比フィードバック制御の全体的な空燃比
の偏りの学習補正等にも用いられるのが一般的である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】触媒のＯ₂ストレージ
能力は、触媒の温度に大きく左右され、特に触媒活性化
温度以下の低温状態では、Ｏ₂ストレージ能力が非常に
低い。つまり、触媒温度が低い状態で上述した触媒劣化
診断が実行されると、触媒の転化性能が残存していても
劣化と誤判定されることがある。従って、このような低
温状態での誤判定を防止するためには、高速高負荷運転
がある程度の期間継続したことなどを条件として、診断
時に触媒が確実に高温状態となっているようにする必要
がある。しかしながら、このように触媒劣化診断を行う
診断条件を厳しく設定すると、実際に診断条件が成立す
る頻度が非常に少なくなってしまい、例えば一回の走行
の間に触媒劣化診断を実行し得る可能性が低くなってし
まう。

【０００９】逆に、触媒劣化診断が比較的頻繁に実行さ
れるように診断条件を緩く設定すると、外気温などの条
件によっては触媒温度が十分な温度となっておらずに誤
判定を生じる虞れがある。

【００１０】すなわち、短時間の走行の間に触媒劣化診
断を確実に実行することと誤判定防止との両立を図るこ
とが困難であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
触媒劣化と診断したときに、さらに、内燃機関の点火時
期を強制的に遅角させた状態で運転を行い、排気温度を
高めて触媒温度を確実に活性化温度以上に保った状態で
再度診断を行うようにした。すなわち、この発明に係る
内燃機関の触媒劣化診断装置は、図１に示すように、排
気通路に介装された触媒コンバータの上流側に配設され
た上流側空燃比センサ１と、触媒コンバータの下流側に
配設された下流側空燃比センサ２と、内燃機関の種々の
条件が第１の診断条件を満たしているか否かを判別する
第１の診断条件判別手段３と、この第１の診断条件成立
時に、上記上流側空燃比センサ１の出力信号と下流側空
燃比センサ２の出力信号とを用いて触媒の劣化を診断す
る第１の診断手段４と、この第１の診断手段４により触
媒劣化と診断したときに内燃機関の点火時期を強制的に
遅角させる遅角補正手段５と、この遅角した状態で運転
した後に、この遅角状態で所定の期間運転したことを条
件の一つに含む第２の診断条件が成立したか否かを判別
する第２の診断条件判別手段６と、この第２の診断条件
成立時に、上記上流側空燃比センサ１の出力信号と下流
側空燃比センサ２の出力信号とを用いて触媒の劣化を最
終的に判定する第２の診断手段７と、を備えたことを特
徴としている。

【００１２】

【作用】触媒劣化診断を行っていない通常の運転時に
は、内燃機関の点火時期は機関運転条件に応じた最適値
に制御されているが、この状態で運転中に、機関の運転
領域や冷却水温等の種々の条件が所定の第１の診断条件
を満たしていると第１の診断条件判別手段３により判別
されると、第１の診断手段４による触媒劣化診断が実行
される。これは、例えば空燃比フィードバック制御に伴
う上流側空燃比センサ１の出力信号の反転周期と下流側
空燃比センサ２の出力信号の反転周期との比較などによ
り診断される。

【００１３】そして、この第１の診断手段４により触媒
劣化と診断したときには、遅角補正手段５により点火時
期が最適点火時期よりも強制的に遅角補正され、この状
態で内燃機関が運転される。この点火時期の遅角に伴い
排気温度が上昇し、触媒コンバータの温度が高くなる。
この状態で運転中に、機関の運転領域や冷却水温等の種
々の条件が所定の第２の診断条件を満たしていると第２
の診断条件判別手段６により判別されると、第２の診断
手段７による触媒劣化診断が実行される。これは、第１
の診断手段４と同様に、例えば空燃比フィードバック制
御に伴う上流側空燃比センサ１の出力信号の反転周期と
下流側空燃比センサ２の出力信号の反転周期との比較な
どにより診断される。この第２の診断手段７により触媒
劣化と診断した場合には、最終的に触媒劣化と判断され
る。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。

【００１５】図２は、この発明の一実施例の機械的構成
を示す構成説明図であって、１１は内燃機関、１２はそ
の吸気通路、１３は排気通路を示している。上記吸気通
路１２には、各吸気ポートへ向けて燃料を供給する燃料
噴射弁１４が気筒毎に配設されているとともに、上流側
の集合部にスロットル弁１５が介装されており、かつそ
の上流側に、吸入空気量を検出する例えば熱線式のエア
フロメータ１６が配設されている。

【００１６】上記排気通路１３には、例えば三元触媒を
用いた触媒コンバータ１７が介装されているとともに、
該触媒コンバータ１７よりも上流位置に上流側Ｏ₂セン
サ１８が、下流位置に下流側Ｏ₂センサ１９がそれぞれ
配設されている。この空燃比センサとしてのＯ₂センサ
１８，１９は、排気中の残存酸素濃度に応じた起電力を
発生するもので、特に、理論空燃比を境に起電力がステ
ップ状に急変する特性を有している。

【００１７】また、２０は内燃機関１１の冷却水温を検
出する水温センサ、２１は機関回転数を検出するために
設けられた所定クランク角毎にパルス信号を発するクラ
ンク角センサ、２２は車速センサをそれぞれ示してい
る。

【００１８】上述した各種センサの検出信号が入力され
るコントロールユニット２３は、いわゆるマイクロコン
ピュータシステムを用いたもので、Ｏ₂センサ１８，１
９に基づく燃料噴射弁１４の噴射量制御つまりフィード
バック制御方式による空燃比制御を実行するとともに、
図示せぬ点火プラグの点火時期を機関運転条件に応じて
制御している。また、後述するような触媒の劣化診断を
行い、所定レベル以上の劣化と判定した場合には、警告
灯２４を点灯させるようになっている。

【００１９】次に、上記実施例における作用について説
明する。

【００２０】先ず、空燃比制御の概略を説明する。この
空燃比制御は、エアフロメータ１６が検出した吸入空気
量Ｑとクランク角センサ２１が検出した機関回転数Ｎと
から基本パルス幅Ｔｐ（基本噴射量）を、Ｔｐ＝（Ｑ／Ｎ）×ｋ（但しｋは定数）として演算し、かつこれに種々の増量補正やフィードバ
ック補正を加えて燃料噴射弁１４の駆動パルス幅Ｔｉ
（噴射量）を決定するのであり、具体的には次式によっ
てパルス幅Ｔｉが求められる。

【００２１】Ｔｉ＝Ｔｐ×ＣＯＥＦ×α＋ＴｓここでＣＯＥＦは各種増量補正係数であり、例えば水温
に応じた水温増量補正、高速高負荷時の空燃比補正など
からなる。Ｔｓは、燃料噴射弁１４の無効時間を補償す
るようにバッテリ電圧に応じて付加される電圧補正係数
である。

【００２２】また、αは主に上流側Ｏ₂センサ１８の検
出信号に基づいて演算されるフィードバック補正係数で
ある。すなわち、上流側Ｏ₂センサ１８の出力信号を所
定のスライスレベル（理論空燃比に対応する）と比較
し、かつそのリーン側およびリッチ側への反転に基づく
疑似的な比例積分制御によって求められる値で、１以上
であればリッチ側へ、１以下であればリーン側へ空燃比
が制御される。従って、この比例積分制御の結果、上流
側Ｏ₂センサ１８の出力信号は、図７の（ａ）に示すよ
うに１〜２Ｈｚ程度の周期で変化することになる。

【００２３】一方、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号
は、後述する触媒の劣化診断のほかに、上流側Ｏ₂セン
サ１８によるフィードバック制御の全体的な片寄りの補
正のために用いられる。すなわち、下流側Ｏ₂センサ１
９の出力信号についても、そのリッチ，リーンの反転に
基づいて同様に疑似的な比例積分制御がなされ、第２補
正係数αｉが求められる。そして、この第２補正係数α
ｉを用いて、前述したフィードバック補正係数αの比例
積分制御における比例分を学習補正するのである。尚、
この結果、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号は、触媒が
劣化していない限りは、図７の（ｂ）に示すように比較
的長い周期でもってリッチ，リーンの反転を繰り返すよ
うになる。

【００２４】一方、内燃機関１１の点火時期は、機関回
転数Ｎと基本噴射量Ｔｐとをパラメータとする点火進角
値マップに基づいて逐次設定される。

【００２５】次に、図３〜図５のフローチャートに基づ
いて触媒の劣化診断について説明する。尚、各フローチ
ャートに示すルーチンは、それぞれ所定期間毎に繰り返
し実行される。

【００２６】図３は、触媒劣化診断全体の流れを示すメ
インフローチャートであって、先ず、ステップ１（図で
はＳ１等と略記する）では、触媒劣化診断が終了してい
るか否かを診断終了フラグに基づいて判定する。尚、こ
の診断終了フラグは、内燃機関１１の運転終了時、つま
りキーオフ時にリセットされる。診断が完了していない
状態、つまり診断終了フラグが０であれば、ステップ２
以降へ進み、内燃機関１１の種々の条件が所定の診断条
件を満たしているか否かを順次判別する。診断条件は、
診断の前提となる条件を規定した診断許可条件と、診断
を実行する運転領域を規定した診断領域条件とに大別さ
れ、ステップ２〜ステップ４が診断許可条件に、ステッ
プ５〜ステップ７が診断領域条件にそれぞれ該当する。
具体的には、ステップ２では、各センサ、つまり上流側
Ｏ₂センサ１８、下流側Ｏ₂センサ１９、水温センサ２
０、クランク角センサ２１および車速センサ２２の総て
が正常であるか否かを判別する。次に、ステップ３で
は、水温センサ２２で検出された水温ＴＷが所定値以上
であるか否かを判別する。そして、ステップ４では、後
述する触媒温度ポイントＰが所定値以上であるか否かを
判別する。

【００２７】更に、ステップ５ではそのときの機関回転
数Ｎが所定値以上であるか否か、ステップ６では負荷
（例えば基本噴射量Ｔｐ）が所定値以上であるか否か、
ステップ７では車速が所定範囲内であるか否かをそれぞ
れ判別する。これらの各条件がいずれか１つでもＮＯの
場合は、触媒劣化診断は行わない。そして、総ての条件
を満たす場合にのみステップ８へ進み、触媒劣化診断を
実行する。

【００２８】上記ステップ４における触媒温度ポイント
Ｐは、触媒温度を推定するための指標となるもので、図
４に示すサブルーチンによって逐次求められる。

【００２９】すなわち、機関回転数Ｎが所定値Ｎ１以上
（ステップ２１）でかつ負荷に相当する基本噴射量Ｔｐ
が所定値Ｔｐ１以上（ステップ２２）である場合には、
ステップ２３へ進み、触媒温度ポイントＰをインクリメ
ントする。またそれ以外の領域であれば、ステップ２４
へ進み、触媒温度ポイントＰをデクリメントする。これ
は、排気の通流により触媒コンバータ１７が加熱される
か冷却されるかを考慮したもので、図６に示すように、
排気による加熱効果を期待できる高速高負荷側の領域を
触媒温度ポイントＰの加算領域とし、逆に排気の通流に
より触媒コンバータ１７が冷却される可能性のある低速
側の領域および低負荷側の領域を触媒温度ポイントＰの
減算領域としてある。従って、この触媒温度ポイントＰ
の加減算を常時繰り返すことにより、その時の触媒温度
を概ね推定することができるのである。

【００３０】ステップ８の触媒劣化診断としては、種々
の方式があるが、例えば、図７に示したように、上流側
Ｏ₂センサ１８の出力信号のリッチ，リーンの反転周期
Ｔ１と下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号のリッチ，リー
ンの反転周期Ｔ２との比（Ｔ２／Ｔ１）を適宜な期間内
で求め、これをＯ₂ストレージ能力を示す値として用い
るようにしている。

【００３１】そして、ステップ９で、上述した反転周期
の比の算出が終了したら、ステップ１０へ進み、検出し
たＯ₂ストレージ能力が所定値以上あるか否かを判定す
る。具体的には、上述した反転周期の比が所定値以上で
あるか否かを判定する。ここで、Ｏ₂ストレージ能力が
所定値以上であれば、ステップ１１へ進み、触媒が正常
であると判定し、かつステップ１７で診断終了フラグを
セットするとともに、後述する点火時期リタードフラグ
をクリアして一連の処理を終了する。

【００３２】一方、ステップ１０で、Ｏ₂ストレージ能
力が所定値より低いと判定した場合には、ステップ１２
へ進み、前回測定されたＯ₂ストレージ能力の値と比較
して、所定値以上低下しているか否かを判定する。ここ
で、ＮＯである場合には、ステップ１３へ進み触媒が劣
化しているものと判定し、警告灯２４を点灯する。

【００３３】ステップ１２で、Ｏ₂ストレージ能力の値
が前回の値に比較して急激に低下している場合は、経時
的な劣化ではなく測定時の触媒温度が十分でなかった可
能性が高いので、ステップ１４，１５へ進み、点火時期
リタードフラグをセットする。そして、ステップ１６
で、前述した触媒温度ポイントＰをクリアした後に、一
連の触媒劣化診断を再度実行する。

【００３４】図５は、点火時期制御のサブルーチンを示
しており、ステップ３１で、前述したように点火進角値
マップから機関回転数Ｎおよび基本噴射量Ｔｐに応じた
点火時期が求められる。そして、点火時期リタードフラ
グがクリアされている状態では、ステップ３１で求めた
点火時期がそのまま用いられる。これに対し、点火時期
リタードフラグが１にセットされていれば、ステップ３
２からステップ３３へ進み、所定クランク角だけ点火時
期を強制的に遅角補正する。

【００３５】従って、ステップ１５，１６を経て再度触
媒劣化診断を行う際には、点火時期が遅角した状態で運
転されるため、排気温度が上昇し、触媒コンバータ１７
を積極的に加熱することができる。特に、ステップ１６
で触媒温度ポイントＰを一旦クリアすることにより、図
４に示すサブルーチンによって再び触媒温度ポイントが
所定値に達するまで触媒劣化診断の実行を待つ形となる
が、図６に示した加算領域および減算領域が同一であっ
ても、各領域における排気温度が点火時期の遅角により
上昇しているため、触媒温度ポイントＰが所定値に達し
た段階（ステップ４）では、確実に触媒活性化温度以上
となる。

【００３６】従って、この再度実行される触媒劣化診断
においては、触媒温度が低いことによる誤診断の虞れは
なく、劣化しているか否かを確実に判定できる。すなわ
ち、このように触媒温度を高めた状態でＯ₂ストレージ
能力が所定値以上に得られれば（ステップ１０）、触媒
は劣化していないものと判定する（ステップ１１）。ま
た、このように触媒温度を高めた状態でも、Ｏ₂ストレ
ージ能力が所定値以下であれば、ステップ１２，１４を
経てステップ１３へ進み、触媒が劣化しているものと判
定する。

【００３７】尚、ステップ１７で点火時期リタードフラ
グがクリアされることにより、点火時期の強制的な遅角
は解除され、最適点火時期の制御へ復帰する。

【００３８】このように上記実施例では、最初の診断時
に触媒劣化の疑いがある場合に、点火時期を強制的に遅
角させ、触媒コンバータ１７を積極的に加熱した後に診
断を再度実行するので、誤判定が確実に防止される。ま
た、この場合でも、触媒温度ポイントＰ自体は通常の条
件で判別されるため、診断の機会が減少することはな
く、通常の走行の間に確実に触媒劣化診断を行うことが
できる。

【００３９】また、上記実施例では、点火時期の強制的
な遅角を伴う診断に先立って通常の点火時期のもとで診
断を行い、Ｏ₂ストレージ能力が十分である場合には、
その時点で診断を確定するようにしているので、点火時
期の遅角に伴う燃費の悪化等を最小限のものにすること
ができる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係る内燃機関の触媒劣化診断装置によれば、点火時期
の遅角に伴う排気温度の上昇によって触媒コンバータを
積極的に加熱することができ、触媒温度が低温な状態で
の誤診断を防止できる。特に、運転領域等の診断条件を
過度に厳しく設定せずに触媒温度を高めることができる
ため、触媒劣化診断の機会，頻度を低減させずに劣化診
断の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る触媒劣化診断装置の構成を示す
クレーム対応図。

【図２】この発明の一実施例の機械的構成を示す構成説
明図。

【図３】触媒劣化診断の全体の流れを示すメインフロー
チャート。

【図４】触媒温度ポイントＰのカウント用のサブルーチ
ンを示すフローチャート。

【図５】点火時期の補正のサブルーチンを示すフローチ
ャート。

【図６】触媒温度ポイントＰの加算領域および減算領域
を示す特性図。

【図７】上流側Ｏ₂センサおよび下流側Ｏ₂センサの出力
信号を示す波形図。

【符号の説明】

１…上流側空燃比センサ２…下流側空燃比センサ３…第１の診断条件判別手段４…第１の診断手段５…遅角補正手段６…第２の診断条件判別手段７…第２の診断手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に介装された触媒コンバータの
上流側に配設された上流側空燃比センサと、触媒コンバータの下流側に配設された下流側空燃比セン
サと、内燃機関の種々の条件が第１の診断条件を満たしている
か否かを判別する第１の診断条件判別手段と、この第１の診断条件成立時に、上記上流側空燃比センサ
の出力信号と下流側空燃比センサの出力信号とを用いて
触媒の劣化を診断する第１の診断手段と、この第１の診断手段により触媒劣化と診断したときに内
燃機関の点火時期を強制的に遅角させる遅角補正手段
と、この遅角した状態で運転した後に、この遅角状態で所定
の期間運転したことを条件の一つに含む第２の診断条件
が成立したか否かを判別する第２の診断条件判別手段
と、この第２の診断条件成立時に、上記上流側空燃比センサ
の出力信号と下流側空燃比センサの出力信号とを用いて
触媒の劣化を最終的に判定する第２の診断手段と、を備
えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。