JP3687126B2 - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、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】
内燃機関の排気通路に介装される触媒コンバータの上流側及び下流側にそれぞれ空燃比センサ（一般的にはＯ₂ センサ）を配設し、上流側空燃比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共に、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、例えば特開平２−３０９１５号、特開平５−１０６４９３号、特開平５−１０６４９４号に開示されている。
【０００３】
すなわち、空燃比フィードバック制御の実行中には、主に上流側空燃比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、上流側空燃比センサの出力は、図10の(a) に示すように、周期的にリッチ・リーンを繰り返す。これに対し、触媒コンバータの下流では、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、下流側空燃比センサの出力は、図10の(b) に示すように、上流側空燃比センサの出力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、触媒コンバータの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、下流側空燃比センサの出力信号は、図10の(c) に示すように、上流側空燃比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、前記公報に記載の装置では、上流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転するまでのリーン側応答遅れ時間ＴＬ、及び、上流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転するまでのリッチ側応答遅れ時間ＴＲを計測し、▲１▼ＴＬが所定値以下の場合、▲２▼ＴＲが所定値以下の場合、▲３▼ＴＬとＴＲとの和が所定値以下の場合、▲４▼ＴＬとＴＲとの平均値が所定値以下の場合に、触媒が劣化したものと判定するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の触媒劣化診断装置にあっては、触媒作用がわずかではあるが残っている触媒（中劣化触媒）と、触媒作用が無くなってしまった触媒（大劣化触媒）とを精度よく判別して、前者を「正常」、後者を「劣化」と診断することができないという問題点があった。
【０００７】
その理由を以下に述べる。
図11は、本発明者らの実験により、中劣化触媒と大劣化触媒とについて、リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとをサンプリングし、縦軸をＴＬ、横軸をＴＲとして、プロットしたものである。
図11によれば、大劣化触媒の場合は、中心Ａ／Ｆや周波数、振幅が微妙に変化しても触媒作用が無いために、そのプロット点の集団はほとんど変化しない。大劣化触媒の場合のばらつきを式で表すと、ＴＬ＝一定、ＴＲ＝一定となる。
【０００８】
これに対して中劣化触媒の場合は、中心Ａ／Ｆや周波数、振幅の微妙な変化に対して触媒作用のためにプロット点がばらつくことになる。中劣化触媒の場合のばらつきを式で表すと、ＴＬ＋ＴＲ＝一定（図11(b) 参照）、若しくはＴＬ×ＴＲ＝一定（図11(c) 参照）となる。
従って、大劣化触媒の場合のプロット点の集団と中劣化触媒の場合のプロット点の中心付近とが重なる場合は、ＴＬの平均値、ＴＲの平均値、ＴＬとＴＲとの和、ＴＬとＴＲとの和の平均値等は全て同一となり、従来の手法では大劣化触媒と中劣化触媒とを精度良く判別しきれないのである。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、大劣化触媒と中劣化触媒とを精度よく判別可能な内燃機関の触媒劣化診断装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、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11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12と、少なくとも上流側空燃比センサからの信号に基づいて機関への燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、を備える内燃機関において、下記Ａ〜Ｄの手段を設けて、触媒劣化診断装置を構成する。
【００１１】
（Ａ）所定の診断条件にて、上流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転するまでのリーン側応答遅れ時間ＴＬを計測するリーン側応答遅れ時間計測手段
（Ｂ）所定の診断条件にて、上流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転するまでのリッチ側応答遅れ時間ＴＲを計測するリッチ側応答遅れ時間計測手段
（Ｃ）リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとの差の分散を算出する分散算出手段
（Ｄ）前記分散が所定値以下の場合に触媒の劣化と判定する触媒劣化判定手段。
【００１３】
請求項２に係る発明では、リーン側応答遅れ時間計測手段Ａとリッチ側応答遅れ時間計測手段Ｂとを用い、分散算出手段Ｃにて、リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとの商の分散を算出し、触媒劣化判定手段Ｄにて、ＴＬとＴＲとの商の分散が所定値以下の場合に触媒の劣化と判定する構成とする。
【００１４】
【作用】
請求項１、２に係る発明では、触媒の劣化度がある程度大きくなった場合の現象に着目して、リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとを計測し、請求項１に係る発明では、ＴＬとＴＲとの差（ＴＬ−ＴＲもしくはＴＲ−ＴＬ）の分散、請求項２に係る発明ではＴＬとＴＲとの商（ＴＬ／ＴＲもしくはＴＲ／ＴＬ）の分散を算出し、これらの分散を所定値と比較して判定する。すなわち、これらの分散が所定値を超えているときは、正常（中劣化触媒）と判定し、所定値以下になると劣化（大劣化触媒）と診断する。これにより、これまでＴＬ、ＴＲ、ＴＬ＋ＴＲなどの平均値を所定値と比較するだけではできなかった中劣化触媒と大劣化触媒との判別が可能となる。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
図２はシステム図である。
内燃機関１の吸気通路２には、スロットル弁３が介装されると共に、その下流側に各気筒毎に吸気ポートへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁４が設けられている。排気通路５には、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ６が介装されている。
【００１６】
前記燃料噴射弁４は、コントロールユニット７からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅によって燃料噴射量が制御され、この燃料噴射量の制御により空燃比が制御される。
この燃料噴射量の制御のため、コントロールユニット７には各種のセンサから信号が入力されている。
【００１７】
前記各種のセンサとしては、吸気通路２のスロットル弁３上流に、吸入空気流量Ｑａを検出する例えば熱線式のエアフローメータ８が設けられている。
また、基準クランク角信号と単位クランク角信号とを出力するクランク角センサ９が設けられ、基準クランク角信号の周期などから機関回転数Ｎｅを算出可能である。
【００１８】
また、機関１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ10が設けられている。
更に、排気通路５の触媒コンバータ６上流に、上流側空燃比センサ11が設けられると共に、触媒コンバータ６下流に、下流側空燃比センサ12が設けられている。
これらの空燃比センサ11，12は、具体的にはＯ₂ センサであって、排気中の残存酸素濃度に応じた起電力を発生し、特に理論空燃比を境に起電力が急変して、理論空燃比よりリッチ側で高レベル（約１Ｖ程度）、リーン側で低レベル（約 100ｍＶ程度）となる。よって、リッチ・リーンを検出することができる。
【００１９】
ここにおいて、コントロールユニット７に内蔵のマイクロコンピュータは、前記各種のセンサからの信号に基づいて燃料噴射弁４による燃料噴射量を制御して空燃比制御を行う。また、触媒コンバータ６の劣化診断を行って、所定レベル以上の劣化と診断した場合には警告灯13を点灯させる。
空燃比制御について、図３のフローチャートにより説明する。本フローが空燃比制御手段に相当する。
【００２０】
ステップ１（図にはＳ１と記してある。以下同様）では、エアフローメータ８からの信号に基づいて検出される吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ９からの信号に基づいて算出される機関回転数Ｎｅとから、機関に吸入される空気量に対応する理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算する。
【００２１】
ステップ２では、主に上流側空燃比センサ11の出力信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを演算する。すなわち、上流側空燃比センサ11の出力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、かつそのリーン側及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空燃比フィードバック補正係数αを求める。
【００２２】
ステップ３では、次式のごとく、基本燃料噴射量Ｔｐに対し空燃比フィードバック補正などを加えて、最終的な燃料噴射量Ｔｉを演算する。
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
ここで、ＣＯＥＦは各種増量補正係数であり、例えば水温Ｔｗ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は燃料噴射弁の無効噴射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分である。
【００２３】
燃料噴射量Ｔｉが演算されると、これが出力用レジスタにセットされる。これにより、機関回転に同期した所定のタイミングでこのＴｉのパルス幅をもつ駆動パルス信号が燃料噴射弁４に出力されて、燃料噴射が行われる。
図４の(a) は上流側空燃比センサ11の出力信号の一例を示し、(b) はこれに対応する空燃比フィードバック補正係数αの変化を示している。
【００２４】
空燃比フィードバック補正係数αは、前述のように疑似的な比例積分制御により求められるもので、上流側空燃比センサ11の出力が所定のスライスレベルＳＬを横切ってリッチ側からリーン側へ反転すると、空燃比フィードバック補正係数αには一定の比例分Ｐ_L が加算され、その後は所定の積分定数Ｉ_L による傾きで積分分が徐々に加算されていく。この空燃比フィードバック補正係数αは、前述のように基本燃料噴射量Ｔｐに乗じられるので、実際の空燃比は徐々にリッチ化する。そして、次に上流側空燃比センサ11の出力が再びスライスレベルＳＬを横切ってリーン側からリッチ側へ反転すると、空燃比フィードバック補正係数αから一定の比例分Ｐ_R が減算され、その後は所定の積分定数Ｉ_R による傾きで積分分が徐々に減算されていく。これにより、実際の空燃比は徐々にリーン化する。このような作用の繰り返しによって、実際の空燃比は１〜２Hz程度の周期で変化しつつ理論空燃比近傍に維持される。
【００２５】
ここで、下流側空燃比センサ12は、リッチ・リーンの検出により、前記比例分Ｐ_L ，Ｐ_R を補正するためなどに用いられる。
尚、なんらかの燃料増量を行う必要がある低水温時や高速高負荷時、あるいは減速中の燃料カット時などには、空燃比フィードバック補正係数αが１にクランプされ、実質的にオープンループ制御となる。
【００２６】
次に、触媒劣化診断について、図５〜図７のフローチャートにより説明する。
図５は応答遅れ時間計測ルーチンのフローチャートである。
ステップ11では、診断許可条件か否かを判定する。ここで、診断許可条件とは、▲１▼機関始動時の水温が所定値以上であること、▲２▼機関暖機完了後所定時間経過していること、▲３▼上流側空燃比センサ11及び下流側空燃比センサ12が活性化していること、▲４▼上流側空燃比センサ11の出力の反転周期と下流側空燃比センサ12の出力の反転周期との比が所定値以下になったこととし、これらの条件を全て満たしている場合のみ、ステップ12へ進む。
【００２７】
尚、診断許可条件において、上流側空燃比センサ11の出力の反転周期と下流側空燃比センサ12の出力の反転周期との比が所定値以下になったことを条件とするのは、触媒がある程度劣化して、上流側空燃比センサ11の出力に対し下流側空燃比センサ12の出力がほぼ同期していることを確認する必要があるからである。
ステップ12では、診断領域か否かを判定する。ここで、診断領域とは、▲１▼車速が所定範囲内、▲２▼機関回転数が所定範囲内、▲３▼機関負荷（基本燃料噴射量）が所定範囲内、▲４▼車速、機関回転数及び機関負荷の変化速度が所定範囲内であることとし、これらの条件を全て満たしている場合のみ、ステップ13へ進む。
【００２８】
ステップ13では、上流側空燃比センサ11の出力信号ＶＯ₂ を読込み、これをスライスレベルＳＬと比較して、ＶＯ₂ ≧ＳＬ（リッチ）か否かを判定する。
ＶＯ₂ ≧ＳＬ（リッチ）のときは、ステップ14へ進んで、前回もリッチか否かを判定する。
ここで、前回がリッチでない場合は、リーンからリッチへの反転時であるので、ステップ15でタイマＴＲをリセットする。
【００２９】
ＶＯ₂ ＜ＳＬ（リーン）のときは、ステップ16へ進んで、前回もリーンか否かを判定する。
ここで、前回がリーンでない場合は、リッチからリーンへの反転時であるので、ステップ17でタイマＴＬをリセットする。
尚、タイマＴＲ，ＴＬは所定時間（ΔＴ）毎に実行される計時ルーチンにより、時間経過と共に増大されるようになっている。この計時ルーチンを図６に示してある。
【００３０】
ステップ18では、下流側空燃比センサ12の出力信号ＲＶＯ₂ を読込み、これをスライスレベルＳＬと比較して、ＲＶＯ₂ ≧ＳＬ（リッチ）か否かを判定する。
ＲＶＯ₂ ≧ＳＬ（リッチ）のときは、ステップ19へ進んで、前回もリッチか否かを判定する。
ここで、前回がリッチでない場合は、リーンからリッチへの反転時である。従って、このときのタイマＴＲの値は、上流側空燃比センサ11の出力がリーンからリッチに反転してから（ステップ15）、下流側空燃比センサ12の出力がリーンからリッチに反転するまでのリッチ側応答遅れ時間を示している。よって、ステップ20でタイマＴＲの値をメモリにストアした後、ステップ21でタイマＴＲをリセットする。
【００３１】
ＲＶＯ₂ ＜ＳＬ（リーン）のときは、ステップ22へ進んで、前回もリーンか否かを判定する。
ここで、前回がリーンでない場合は、リッチからリーンへの反転時である。従って、このときのタイマＴＬの値は、上流側空燃比センサ11の出力がリッチからリーンに反転してから（ステップ17）、下流側空燃比センサ12の出力がリッチからリーンに反転するまでのリーン側応答遅れ時間を示している。よって、ステップ23でタイマＴＬの値をメモリにストアした後、ステップ24でタイマＴＬをリセットする。
【００３２】
これにより、図８を参照し、上流側空燃比センサ11の出力がリッチからリーンに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転するまでのリーン側応答遅れ時間ＴＬと、上流側空燃比センサ11の出力がリーンからリッチに反転してから、下流側空燃比センサ12の出力がリーンからリッチに反転するまでのリッチ側応答遅れ時間ＴＲとが、メモリにストアされる。これらＴＬ，ＴＲはそれぞれ最新のデータが常に所定の個数ストアされるようにする。
【００３３】
ここで、本ルーチンによる計測では上流側空燃比センサ11の出力と下流側空燃比センサ12の出力とが１周期以上ずれる場合には計測できないが、上流側空燃比センサ11の出力と下流側空燃比センサ12の出力とがほぼ同期している状況において、１周期以上ずれることはないので、問題はない。
尚、ステップ13，16，17，18，22，23の部分がリーン側応答遅れ時間計測手段に相当し、ステップ13，14，15，18，19，20の部分がリッチ側応答遅れ時間計測手段に相当する。
【００３４】
図７は触媒劣化判定ルーチンのフローチャートである。
ステップ31では、リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとの差ＴＬ−ＴＲ（もしくはＴＲ−ＴＬ）の分散を求める。
すなわち、Ｘ＝ＴＬ−ＴＲ（もしくはＸ＝ＴＲ−ＴＬ）として、次式により、Ｘの分散ＢＵＮＳＡＮを求める。
【００３５】
ＢＵＮＳＡＮ＝〔Σ（Ｘ−Ｘ_AVE ）² 〕／ｎ
但し、ｎはＸの総数、Ｘ_AVE はＸの平均値
尚、リーン側応答遅れ時間ＴＬの分散を求めるようにしてもよい。この場合は、Ｘ＝ＴＬとして、上記の式により、分散ＢＵＮＳＡＮを求める。
また、リッチ側応答遅れ時間ＴＲの分散を求めるようにしてもよい。この場合は、Ｘ＝ＴＲとして、上記の式により、分散ＢＵＮＳＡＮを求める。
【００３６】
また、リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとの商ＴＬ／ＴＲ（もしくはＴＲ／ＴＬ）の分散を求めるようにしてもよい。この場合は、Ｘ＝ＴＬ／ＴＲ（もしくはＸ＝ＴＲ／ＴＬ）として、上記の式により、分散ＢＵＮＳＡＮを求める。
ステップ32では、算出された分散ＢＵＮＳＡＮを所定値ＣＡＴＮＧと比較し、ＢＵＮＳＡＮ≦ＣＡＴＮＧか否かを判定する。
【００３７】
ＢＵＮＳＡＮ＞ＣＡＴＮＧの場合は、ステップ33へ進み、「正常」（中劣化触媒）と判定して、警告灯13を消灯させる。
これに対し、ＢＵＮＳＡＮ≦ＣＡＴＮＧの場合は、ステップ34へ進み、「劣化」（大劣化触媒）と判定して、警告灯13を点灯させる。
分散と触媒劣化度との間には、図９に示すような関係があるため、分散が所定値以下となったときは、触媒劣化度大、すなわち大劣化触媒と診断するのである。
【００３８】
尚、ステップ31の部分が分散算出手段に相当し、ステップ32〜34の部分が触媒劣化判定手段に相当する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１、２に係る発明によれば、リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとを計測して、ＴＬとＴＲとの差の分散、又は、ＴＬとＴＲとの商の分散を算出し、これらの分散に基づいて判定を行うことで、触媒劣化度の判別、すなわち中劣化触媒と大劣化触媒との判別を精度よく行うことが可能となるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の一実施例を示すシステム図
【図３】 燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート
【図４】 空燃比フィードバック補正係数の説明図
【図５】 応答遅れ時間計測ルーチンのフローチャート
【図６】 計時ルーチンのフローチャート
【図７】 触媒劣化判定ルーチンのフローチャート
【図８】 応答遅れ時間の説明図
【図９】 分散と触媒劣化度との関係を示す図
【図１０】 上流側及び下流側空燃比センサの出力について示す図
【図１１】 リーン側及びリッチ側応答遅れ時間の関係を示す図
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ スロットル弁
４ 燃料噴射弁
５ 排気通路
６ 触媒コンバータ
７ コントロールユニット
８ エアフローメータ
９ クランク角センサ
10 水温センサ
11 上流側空燃比センサ
12 下流側空燃比センサ
13 警告灯

Claims (2)

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、少なくとも上流側空燃比センサからの信号に基づいて機関への燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、を備える内燃機関において、
   所定の診断条件にて、上流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転するまでのリーン側応答遅れ時間ＴＬを計測するリーン側応答遅れ時間計測手段と、
   所定の診断条件にて、上流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転するまでのリッチ側応答遅れ時間ＴＲを計測するリッチ側応答遅れ時間計測手段と、
   リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとの差の分散を算出する分散算出手段と、
   前記分散が所定値以下の場合に触媒の劣化と判定する触媒劣化判定手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
2. 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、少なくとも上流側空燃比センサからの信号に基づいて機関への燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、を備える内燃機関において、
   所定の診断条件にて、上流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリッチからリーンに反転するまでのリーン側応答遅れ時間ＴＬを計測するリーン側応答遅れ時間計測手段と、
   所定の診断条件にて、上流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転してから、下流側空燃比センサの出力がリーンからリッチに反転するまでのリッチ側応答遅れ時間ＴＲを計測するリッチ側応答遅れ時間計測手段と、
   リーン側応答遅れ時間ＴＬとリッチ側応答遅れ時間ＴＲとの商の分散を算出する分散算出手段と、
   前記分散が所定値以下の場合に触媒の劣化と判定する触媒劣化判定手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。

Images