JP2001073747A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 NOx浄化装置の上流側及び下流側にセンサ
を配置して、NOx浄化装置の劣化度合を判定する場合
において、従来より正確な判定を行うことができるよう
にした排気浄化装置を提供する。 【解決手段】 内燃機関1の排気系には、三元触媒1
4、二値型O2センサ18,NOx浄化装置15,二値
型O2センサ19がこの順序で配置されている。空燃比
をリッチ化した場合における、O2センサ18の出力の
変化時点からO2センサ19の出力変化時点までのタイ
マ計測値tmMON2と、空燃比をリーンに戻した場合
における、O2センサ18の出力の変化時点からO2セ
ンサ19の出力変化時点までのタイマ計測値tmMON
3とに基づいて、補正タイマ計測値tmMON2Cが算
出され(S75)、NOx浄化装置15の劣化が判定さ
れる(S76,S77)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関し、特に窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄
化装置を備え、窒素酸化物浄化装置の劣化判定機能を有
する排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関に供給する混合気の空燃比を理
論空燃比よりリーン側に設定する(いわゆるリーン運転
を実行する)と、窒素酸化物(以下「NOx」という)
の排出量が増加する傾向があるため、機関の排気系にN
Oxを吸収するNOx吸収剤を内蔵するNOx浄化装置
を設け、排気の浄化を行う技術が従来より知られてい
る。このNOx吸収剤は、空燃比が理論空燃比よりリー
ン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い(NO
xが多い)状態(以下「排気リーン状態」という)にお
いては、NOxを吸収する一方、逆に空燃比が理論空燃
比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的
低い状態(以下「排気リッチ状態」という)において
は、吸収したNOxを放出する特性を有する。このNO
x吸収剤を内蔵するNOx浄化装置は、排気リッチ状態
においては、NOx吸収剤から放出されるNOxはH
C、COにより還元されて、窒素ガスとして排出され、
またHC、COは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素とし
て排出されるように構成されている。
【0003】また排気を浄化する手段としては、酸化還
元作用を有する三元触媒も広く使用されており、排気系
の上流側から順に三元触媒及びNOx浄化装置を設ける
とともに、NOx浄化装置の上流側及び下流側に空燃比
センサを配置し、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃
比に変化させたとき、あるいは逆にリッチ空燃比からリ
ーン空燃比に変化させたときの2つの空燃比センサ出力
に基づいてNOx浄化装置の劣化を判定するようにした
排気浄化装置が、従来より知られている(特開平11−
93744号公報)。
【0004】この従来の装置では、空燃比をリーン空燃
比からリッチ空燃比に変化させたときまたはその逆に変
化させたときに、NOx浄化装置の上流側及び下流側に
配置した空燃比センサ出力が理論空燃比相当の値を保持
する期間を計測し、該計測した期間に基づいて劣化判定
が行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置では、空燃比センサ特性のばらつきを考慮して
いないため、計測結果が応答特性のばらつきによって変
化し、劣化判定が不正確となる場合があった。すなわち
上記従来の装置では、NOx浄化装置の上流側(三元触
媒下流側)に設けた空燃比センサ出力が理論空燃比相当
の値を保持する期間RCUと、NOx浄化装置の下流側
に設けた空燃比センサ出力が理論空燃比相当の値を保持
する期間RCDとを計測し、時間TSTR=RCD−R
CUにより、NOx浄化装置の劣化が判定されるが、こ
の時間TSTRは、例えば2つの空燃比センサの一方の
応答特性が速く、他方の応答特性が遅い場合と、その逆
の場合とでは、異なった値となり、劣化判定の精度を低
下させる。
【0006】本発明はこの点に着目してなされたもので
あり、NOx浄化装置の上流側及び下流側にセンサを配
置して、NOx浄化装置の劣化度合を判定する場合にお
いて、従来より正確な判定を行うことができるようにし
た排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項1に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けら
れ、排気リーン状態において排気中の窒素酸化物を吸収
し、排気リッチ状態において吸収した窒素酸化物を還元
する窒素酸化物浄化手段を備えた排気浄化装置におい
て、前記窒素酸化物浄化手段の上流側に設けられ、排気
中の酸素濃度を検出する第1の酸素濃度センサと、前記
窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気中の酸素
濃度を検出する第2の酸素濃度センサと、前記機関に供
給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側からリ
ッチ側に切り換えた後に、前記第1の酸素濃度センサの
出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、前
記第2の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す
値となる時点までの第1の応答遅れ時間を計測する第1
の計測手段と、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側か
らリーン側に切り換えた後に、前記第1の酸素濃度セン
サの出力値がリーン空燃比を示す値に変化した時点か
ら、前記第2の酸素濃度センサの出力値がリーン空燃比
を示す値となる時点までの第2の応答遅れ時間を計測す
る第2の計測手段と、前記第1及び第2の応答遅れ時間
に基づいて前記窒素酸化物浄化手段の劣化を判定する劣
化判定手段とを備えることを特徴とする。
【0008】この構成によれば、機関に供給する混合気
の空燃比を理論空燃比よりリーン側からリッチ側に切り
換えた後に、第1の酸素濃度センサの出力値がリッチ空
燃比を示す値に変化した時点から、第2の酸素濃度セン
サの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第
1の応答遅れ時間と、空燃比を理論空燃比よりリッチ側
からリーン側に切り換えた後に、第1の酸素濃度センサ
の出力値がリーン空燃比を示す値に変化した時点から、
第2の酸素濃度センサの出力値がリーン空燃比を示す値
となる時点まで第2の応答遅れ時間とが計測され、これ
らの第1及び第2の応答遅れ時間に基づいて窒素酸化物
浄化手段の劣化が判定される。ここで第2の応答遅れ時
間は、窒素酸化物浄化手段が劣化しているか否かには、
大きく依存せず、酸素濃度センサの特性ばらつきが反映
されることが、実験的に確認されているので、窒素酸化
物浄化手段の劣化度合が反映される第1の応答遅れ時間
とともに、第2の応答遅れ時間を用いて劣化判定を行う
ことにより、酸素濃度センサの特性ばらつきの影響を排
除して、より正確な判定を行うことが可能となる。
【0009】より具体的には、第2の応答遅れ時間に応
じて第1の応答遅れ時間を補正し、該補正後の第1の応
答遅れ時間に応じて劣化を判定するとよい。またその場
合には、第1の応答遅れ時間の計測時点から、第2の応
答遅れ時間の計測時点までの期間における前記機関の運
転状態の変化に応じて補正係数を算出し、該補正係数に
より前記第2の応答遅れ時間を補正し、該補正後の第2
の応答遅れ時間を用いて前記第1の応答遅れ時間の補正
を行うことが望ましい。
【0010】また第1の酸素濃度センサの上流側に三元
触媒が設けられている場合には、三元触媒の劣化度合を
判定する三元触媒劣化判定手段を設け、前記補正後の第
1の応答遅れ時間及び前記三元触媒の劣化度合とに基づ
いて窒素酸化物浄化手段の劣化を判定することが望まし
い。
【0011】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図1は、本発明の実施の一形態にか
かる排気浄化装置を含む、内燃機関(以下「エンジン」
という)及びその制御装置の全体構成図であり、例えば
4気筒のエンジン1の吸気管2の途中にはスロットル弁
3が配されている。スロットル弁3にはスロットル弁開
度(θTH)センサ4が連結されており、当該スロット
ル弁3の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御
用電子コントロールユニット(以下「ECU」という)
5に供給する。
【0012】燃料噴射弁6はエンジン1とスロットル弁
3との間かつ吸気管2の図示しない吸気弁の少し上流側
に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃
料ポンプに接続されていると共にECU5に電気的に接
続されて当該ECU5からの信号により燃料噴射弁6の
開弁時間が制御される。
【0013】一方、スロットル弁3の直ぐ下流には負荷
検出手段としての吸気管内絶対圧(PBA)センサ8が
設けられており、この絶対圧センサ8により電気信号に
変換された絶対圧信号は前記ECU5に供給される。ま
た、その下流には吸気温(TA)センサ9が取付けられ
ており、吸気温TAを検出して対応する電気信号を出力
してECU5に供給する。
【0014】エンジン1の本体に装着されたエンジン水
温(TW)センサ10はサーミスタ等から成り、エンジ
ン水温(冷却水温)TWを検出して対応する温度信号を
出力してECU5に供給する。エンジン1の図示しない
カム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数
(NE)センサ11及び気筒判別(CYL)センサ12
が取り付けられている。エンジン回転数センサ11は、
エンジン1の各気筒の吸入行程開始時の上死点(TD
C)に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で
(4気筒エンジンではクランク角180゜毎に)TDC
信号パルスを出力し、気筒判別センサ12は、特定の気
筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力
するものであり、これらの各信号パルスはECU5に供
給される。
【0015】排気管13には三元触媒14と、窒素酸化
物浄化手段としてのNOx浄化装置15とが上流側から
この順序で設けられている。三元触媒は、酸素蓄積能力
を有し、エンジン1に供給される混合気の空燃比が理論
空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比
較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、
逆にエンジン1に供給される混合気の空燃比が理論空燃
比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、
HC、CO成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸
素により排気中のHC,COを酸化する機能を有する。
【0016】NOx浄化装置15は、NOxを吸収する
NOx吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内
蔵する。NOx吸収剤としては、エンジン1に供給され
る混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定さ
れ、排気中の酸素濃度が比較的高い(NOxが多い)排
気リーン状態においては、NOxを吸蔵する一方、逆に
エンジン1に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近
傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の
酸素濃度が比較的低い排気リッチ状態においては、吸蔵
したNOxを放出する特性を有する吸蔵式のもの、ある
いは排気リーン状態においてはNOxを吸着し、排気リ
ッチ状態において還元する吸着式のものを使用する。N
Ox浄化装置15は、排気リーン状態においては、NO
x吸収剤にNOxを吸収させる一方、排気リッチ状態に
おいては、NOx吸収剤から放出されるNOxがHC、
COにより還元されて、窒素ガスとして排出され、また
HC、COは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排
出されるように構成されている。吸蔵式のNOx吸収剤
としては、例えば酸化バリウム(Ba0)が使用され、
吸着式のNOx吸収剤としては、例えばナトリウム(N
a)とチタン(Ti)またはストロンチウム(Sr)と
チタン(Ti)が使用され、触媒としては吸蔵式及び吸
着式のいずれにおいても、例えばロジウム(Rh)、パ
ラジウム(Pd)、白金(Pt)などの貴金属が使用さ
れる。
【0017】NOx吸収剤のNOx吸収能力の限界、す
なわち最大NOx吸収量まで、NOxを吸収すると、そ
れ以上NOxを吸収できなくなるので、適時NOxを放
出させて還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還
元リッチ化を実行する。三元触媒14の上流位置には、
比例型空燃比センサ17(以下「LAFセンサ17」と
いう)が装着されており、このLAFセンサ16は排気
中の酸素濃度(空燃比)にほぼ比例した電気信号を出力
し、ECU5に供給する。
【0018】三元触媒14とNOx浄化装置15との間
及びNOx浄化装置15の下流位置には、それぞれ二値
型酸素濃度センサ(以下「O2センサ」という)18,
19が装着されており、これらのセンサの検出信号はE
CU5に供給される。このO2センサ18,19は、そ
の出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性
を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベル
となり、リーン側で低レベルとなる。
【0019】エンジン1は、吸気弁及び排気弁のバルブ
タイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バ
ルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタ
イミングとの2段階に切換可能なバルブタイミング切換
機構30を有する。このバルブタイミングの切換は、弁
リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選
択時は2つの吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比
を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した
燃焼を確保するようにしている。
【0020】バルブタイミング切換機構30は、バルブ
タイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この
油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがECU5に接続
されている。油圧センサの検出信号はECU5に供給さ
れ、ECU5は電磁弁を制御してエンジン1の運転状態
に応じたバルブタイミングの切換制御を行う。
【0021】ECU5は、各種センサからの入力信号波
形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナロ
グ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する
入力回路5a、中央演算処理回路(以下「CPU」とい
う)5b、CPU5bで実行される各種演算プログラム
及び演算結果等を記憶する記憶手段5c、前記燃料噴射
弁6に駆動信号を供給する出力回路5d等から構成され
る。
【0022】CPU5bは、上述の各種エンジンパラメ
ータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別す
るとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、
次式(1)に基づき、前記TDC信号パルスに同期して
開弁作動する燃料噴射弁6の燃料噴射時間TOUTを演
算する。 TOUT=TiM×KCMD×KLAF×K1+K2…(1) ここに、TiMは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁6
の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数NE及び吸
気管内絶対圧PBAに応じて設定されたTiマップを検
索して決定される。Tiマップは、エンジン回転数NE
及び吸気管内絶対圧PBAに対応する運転状態におい
て、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃
比になるように設定されている。
【0023】KCMDは目標空燃比係数であり、エンジ
ン回転数NE、スロットル弁開度θTH、エンジン水温
TW等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。
目標空燃比係数KCMDは、空燃比A/Fの逆数、すな
わち燃空比F/Aに比例し、理論空燃比のとき値1.0
をとるので、目標当量比ともいう。また目標空燃比係数
KCMDは、後述するように還元リッチ化を実行すると
きは、空燃比をリッチ化するリッチ化所定値KCMDR
に設定される。
【0024】KLAFは、フィードバック制御の実行条
件が成立するときは、LAFセンサ17の検出値から算
出される検出当量比KACTが目標当量比KCMDに一
致するようにPID制御により算出される空燃比補正係
数である。K1及びK2は夫々各種エンジンパラメータ
信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数で
あり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加
速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定
される。CPU5bは上述のようにして求めた燃料噴射
時間TOUTに基づいて燃料噴射弁6を開弁させる駆動
信号を出力回路5dを介して燃料噴射弁6に供給する。
【0025】図2は、前記式(1)に適用される目標空
燃比係数KCMDを算出する処理のフローチャートであ
る。本処理は一定時間毎にCPU5bで実行される。ス
テップS21では、リーン運転中か否か、すなわち通常
制御時に後述するステップS28で記憶された目標空燃
比係数KCMDの記憶値KCMDBが「1.0」より小
さいか否かを判別する。その結果、KCMDB≧1.0
であってリーン運転中でないときは、直ちにステップS
25に進み、還元リッチ化実行中であることを「1」で
示すリッチ化フラグFRROKを「0」に設定し、さら
に後述するステップS32で参照するダウンカウントタ
イマtmRRに還元リッチ化時間TRR(例えば5〜1
0秒)をセットしてスタートさせる(ステップS2
6)。次いで、通常制御、すなわちエンジン運転状態に
応じて目標空燃比係数KCMDの設定を行う(ステップ
S27)。目標空燃比係数KCMDは、基本的には、エ
ンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて算
出し、エンジン水温TWの低温状態や所定の高負荷運転
状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。
次いでステップS27で算出した目標空燃比係数KCM
Dを記憶値KCMDBとして記憶して(ステップS2
8)、本処理を終了する。
【0026】ステップS21でKCMDB<1.0であ
ってリーン運転中であるときは、エンジン回転数NE及
び吸気管内絶対圧PBAに応じて、次のステップS23
で使用する増分値ADDNOxを決定する(ステップS
22)。増分値ADDNOxは、リーン運転中に単位時
間当たりに排出されるNOx量に対応するパラメータで
あり、エンジン回転数NEが増加するほど、また吸気管
内絶対圧PBAが増加するほど、増加するように設定さ
れている。
【0027】ステップS23では、下記式にステップS
22で決定した増分値ADDNOxを適用し、NOx量
カウンタCNOxをインクリメントする。これによりN
Ox排出量、すなわちNOx吸収剤に吸収されたNOx
量に相当するカウント値が得られる。 CNOx=CNOx+ADDNOx
【0028】続くステップS24では、NOx量カウン
タCNOxの値が、許容値CNOxREFを越えたか否
かを判別する。この答が否定(NO)であるときは、前
記ステップS25に進み、通常制御、すなわちエンジン
運転状態に応じた目標空燃比係数KCMDの設定を行
う。許容値CNOxREFは、NOx吸収剤の最大NO
x吸収量より若干小さいNOx量に対応する値に設定さ
れる。
【0029】ステップS24で、CNOx>CNOxR
EFとなると、リッチ化フラグFRROKを「1」に設
定し(ステップS30)、目標空燃比係数KCMDを空
燃比14.0相当程度の値に対応するリッチ化所定値K
CMDRに設定し、還元リッチ化を実行する(ステップ
S31)。そして、タイマtmRRの値が「0」か否か
を判別し(ステップS32)、tmRR>0である間は
直ちに本処理を終了し、tmRR=0となるとリッチ化
フラグFRROKを「0」に設定するとともにNOx量
カウンタCNOxの値を「0」にリセットする(ステッ
プS33)。これにより、次回からはステップS24の
答が否定(NO)となるので、通常制御に移行する。
【0030】図2の処理によれば、リーン運転可能なエ
ンジン運転状態においては、図3に示すように間欠的に
(時刻t1〜t2,t3〜t4及びt5〜t6の期間)
還元リッチ化が実行され、NOx浄化装置15のNOx
吸収剤に吸収されたNOxが適宜放出される。
【0031】図4及び5は、三元触媒14及びNOx浄
化装置15の劣化判定を行う処理のフローチャートであ
る。本処理は、所定時間(例えば10msec)毎に実
行される。ステップS40では、この劣化判定が終了し
たことを「1」で示す終了フラグFNOXMENDが
「1」か否かを判別し、FNOXMEND=1であって
既に劣化判定が終了しているときは、ステップS45に
進む。またFNOXMEND=0であって劣化判定が終
了していないときは、後述する第2のアップカウントタ
イマtmMON2による計測が終了したことを「1」で
示す計測完了フラグFLRが「1」であるか否かを判別
し(ステップS41)、FLR=1であるときは、直ち
にステップS62(図5)に進む。
【0032】ステップS41でFLR=0であるとき
は、リーン運転の実行条件成立後、所定時間TLBCN
Tが経過したか否かを判別し(ステップS42)、経過
していないときはステップS45に進み、経過している
ときはリッチ化フラグFRROKが「1」か否かを判別
する(ステップS43)。FRROK=0であって還元
リッチ化が実行されないときは、ステップS45に進
み、劣化モニタフラグFCATMONを「0」に設定
し、次いで劣化判定用の第1のアップカウントタイマt
mMON1、第2のアップカウントタイマtmMON2
及び第3のアップカウントタイマtmMON3をそれぞ
れ「0」に設定するとともに、これらのタイマtmMO
N1、tmMON2またはtmMON3による計測が開
始されたことを「1」で示す第1〜第3のタイマ作動フ
ラグFTMR1、FTMR2及びFTMR3、並びに前
記計測完了フラグFLRをいずれも「0」に設定して
(ステップS47)、本処理を終了する。
【0033】ステップS43でFRROK=1であって
還元リッチ化が実行されているときは、劣化モニタフラ
グFCATMONを「1」に設定し(ステップS4
4)、LAFセンサ17の出力VLAFが所定出力値V
LAFREF(例えば理論空燃比相当の値)より高い
(空燃比リッチを示す)か否かを判別する(ステップS
46)。VLAF≦VLAFREFである間は前記ステ
ップS47に進み、VLAF>VLAFREFとなると
ステップS48に進んで、第1のタイマ作動フラグFT
MR1が「1」か否かを判別する。最初はFTMR1=
0であるので、第1のタイマtmMON1をスタートさ
せるとともに、第1のタイマ作動フラグFTMR1を
「1」に設定して(ステップS49)、ステップS50
に進む。その後は、FTMR1=1となるのでステップ
S48から直ちにステップS50に進む。
【0034】ステップS50では、O2センサ18の出
力SVO2が理論空燃比相当の値より若干高い所定出力
値SVO2REFより高いか否かを判別する。最初は、
空燃比リッチ化の影響が三元触媒14の下流側には表れ
ないのでSVO2≦SVO2REFであり、直ちにステ
ップS62に進み、リッチ化フラグFRROKが「0」
か否かを判別する。そしてFRROK=1であって還元
リッチ化実行中は、直ちに本処理を終了する。
【0035】ステップS50で、SVO2>SVO2R
EFとなると、タイマtmMON1を停止させ(ステッ
プS51)、第2のタイマ作動フラグFTMR2が
「1」であるか否かを判別する。最初はFTMR2=0
であるので、第2のタイマtmMON2をスタートさせ
るとともに、第2のタイマ作動フラグFTMR2を
「1」に設定して(ステップS53)、ステップS54
に進む。その後は、FTMR2=1となるのでステップ
S52から直ちにステップS54に進む。
【0036】ステップS54では、O2センサ19の出
力TVO2が理論空燃比相当の値より若干高い所定出力
値TVO2REFより高いか否かを判別する。最初は、
空燃比リッチ化の影響がNOx浄化装置15の下流側に
は表れないのでTVO2≦TVO2REFであり、直ち
にステップS62に進み、リッチ化フラグFRROKが
「0」か否かを判別する。そしてFRROK=1であっ
て還元リッチ化実行中は、直ちに本処理を終了する。
【0037】ステップS54で、TVO2>TVO2R
EFとなると、タイマtmMON2を停止させ、計測完
了フラグFLRを「1」に設定し(ステップS55)、
ステップS62を経由して本処理を終了する。計測完了
フラグFLRが「1」に設定されると、ステップS41
から直ちにステップS62に進む処理を繰り返し、還元
リッチ化が終了すると、すなわち目標空燃比係数KCM
Dがリッチ化所定値KCMDRから1.0より小さいリ
ーン空燃比相当の値に変更されると、FRROK=0と
なるので、ステップS62からステップS63に進み、
O2センサ18の出力SVO2が前記所定出力値SVO
2REFより低いか否かを判別する。そしてSVO2≧
SVO2REFである間は直ちに本処理を終了し、SV
O2<SVO2REFとなると、第3のタイマ作動フラ
グFTMR3が「1」であるか否かを判別する(ステッ
プS64)。最初はFTMR3=0であるので、第3の
タイマtmMON3をスタートさせるとともに、第3の
タイマ作動フラグFTMR3を「1」に設定して(ステ
ップS65)、ステップS66に進む。その後は、FT
MR3=1となるのでステップS64から直ちにステッ
プS66に進む。
【0038】ステップS66では、O2センサ19の出
力TVO2が前記所定出力値TVO2REFより低いか
否かを判別する。TVO2≧TVO2REFである間は
直ちに本処理を終了し、TVO2<TVO2REFとな
ると、第3のタイマtmMON3を停止させ(ステップ
S67)、第1のタイマtmMON1の値が第1の判定
基準時間TWCREFより小さいか否かを判別する(ス
テップS70)。タイマtmMON1の値は、その値が
小さいほど三元触媒14が劣化していること、すなわち
三元触媒14の劣化度合を示すので、tmMON1≧T
WCREFであるときは、三元触媒14は正常と判定し
(ステップS72)、tmMON1<TWCREFであ
るときは、三元触媒14が劣化していると判定し(ステ
ップS71)、ステップS73に進む。
【0039】ステップS73では、第1のタイマtmM
ON1の値に応じて図6に示すKMON2テーブルを検
索し、三元触媒補正係数KMON2を算出する。KMO
N2テーブルは、第1のタイマtmMON1の値が小さ
くなるほど、すなわち三元触媒14の劣化度合が大きく
なるほど、三元触媒補正係数KMON2が増加するよう
に設定されている。続くステップS74では、直前の還
元リッチ化の開始時点から現時点までの期間におけるエ
ンジン運転状態の変化、具体的にはエンジン回転数NE
の変化量DNE及び吸気管内絶対圧PBAの変化量DP
BAに応じて、運転状態補正係数KMON3を算出す
る。運転状態補正係数KMON3は、エンジン運転状態
がほとんど変化していなければ1.0に設定され、エン
ジン1の排気流量が増加する方向にエンジン運転状態が
変化したときは、1.0より小さい値に設定され、逆に
排気流量が減少する方向に変化したときは、1.0より
大きな値に設定される。
【0040】続くステップS75では、下記式(2)に
より補正タイマ値tmMON2Cを算出する。 tmMON2C=tmMON2×KMON2 −tmMON3×KMON3 (2) 第2のタイマtmMON2の値は、小さいほどNOx浄
化装置15が劣化度合が進んでいることを示すが、三元
触媒14の劣化度合によって変化するため、三元触媒の
劣化度合に応じた三元触媒補正係数KMON2を乗算す
ることにより、三元触媒の劣化度合の影響を除くように
している。また第2及び第3のタイマtmMON2,t
mMON3の値には、O2センサ18及び19の応答特
性(応答時間)のばらつきによるずれと、排気がO2セ
ンサ18からO2センサ19まで達するのに要する時間
とが含まれている。2つのタイマ値に含まれるO2セン
サ18及び19の応答特性のばらつきによるずれは、t
mMON2及びtmMON3を計測する短時間の間はほ
ぼ一定と考えられるが、排気がO2センサ18からO2
センサ19まで移動する移動時間は排気流速に依存する
ため、エンジン運転状態の変化に応じて変化すると考え
られる。そこで、運転状態補正係数KMON3を第3の
タイマtmMON3の値に乗算して補正し、補正後のタ
イマ値(=tmMON3×KMON3)を、式(2)の
右辺第1項から減算することにより、O2センサ18,
19の応答特性のばらつきの影響及び排気の移動時間の
影響を除くようにし、より正確な劣化判定を可能として
いる。
【0041】タイマtmMON3により計測される時間
は、NOx浄化装置15の劣化度合には大きく依存せ
ず、主としてO2センサ18,19の遅延特性のばらつ
きが反映されることが実験的に確認されている。ステッ
プS76では、補正タイマ値tmMON2Cが第2の判
定基準時間TNOXREFより小さいか否かを判別す
る。第2のタイマtmMON2の値は、その値が小さい
ほどNOx浄化装置15が劣化していることを示すの
で、tmMON2C>TNOXREFであるときは、N
Ox浄化装置15は正常と判定し(ステップS78)、
tmMON2C≦TNOXREFであるときは、NOx
浄化装置15が劣化していると判定する(ステップS7
7)、次いで終了フラグFNOXMENDを「1」に設
定して(ステップS79)、本処理を終了する。
【0042】第1の判定基準時間TWCREFは、例え
ば三元触媒14の酸素蓄積能力が新品の50%程度とな
ったときの遅れ時間に対応するように実験により決定さ
れ、第2の判定基準時間TNOXREFは、例えばNO
x吸収剤のNOx吸収能力が熱劣化によってほとんどな
くなった状態(完全熱劣化状態)の遅れ時間に対応する
ように実験により決定される。なお、補正タイマ値tm
MON2Cは、新品の状態、50Kマイル走行時の状
態、NOx吸収剤が硫黄被毒した状態、完全熱劣化状態
の順に小さくなるので、第2の判定基準時間TNOXR
EFは、50Kマイル走行時の状態あるいは硫黄被毒状
態を判定するためにより長い時間に設定するようにして
もよい。
【0043】図4,5の処理によれば、リーン運転が継
続し所定時間TLBCNT経過して、NOx吸収剤に劣
化検出が可能な量までNOxを吸収させた後において還
元リッチ化が実行されるときに(空燃比をリーン空燃比
からリッチ空燃比に変化させるときに)、図7に示すよ
うに、三元触媒14の上流側に設けられたLAFセンサ
17の出力LAFが所定出力値VLAFREFを越えた
時点t11から、三元触媒14の下流側に設けられたO
2センサ18の出力SVO2が所定出力値SVO2RE
Fを越える時点t12までの第1の遅れ時間TMON1
が第1のタイマtmMON1により計測され、次いで、
O2センサ18の出力SVO2が所定出力値SVO2R
EFを越えた時点t12から、NOx浄化装置15の下
流側に設けられたO2センサ19の出力TVO2が所定
出力値TVO2REFを越える時点t13までの第2の
遅れ時間TMON2が第2のタイマtmMON2により
計測される。さらに還元リッチ化を終了するとき(空燃
比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させるとき)
に、O2センサ18の出力SVO2が所定出力値VO2
REFを下回った時点t14から、O2センサ19の出
力TVO2が所定出力値TVO2REFを下回る時点t
15までの第3の遅れ時間TMON3が計測される。な
お、NOx吸収剤の劣化検出が可能なNOx量とは、例
えば劣化判定の基準をNOxの吸収能力がほとんどなく
なった状態を判定するように設定する場合には、そのよ
うな状態において吸収可能なNOx量以上のNOx量で
あり、新品の50%程度の吸収能力となった状態を判定
する場合には、最大吸収量の50%以上のNOx量であ
る。
【0044】第1の遅れ時間TMON1は、三元触媒1
4の劣化度合を示すパラメータである。また、第2の遅
れ時間TMON2は、NOx吸収剤に吸収されたNOx
が全て放出されるの要する時間に対応しており、NOx
吸収剤のNOx吸収能力を示している。すなわち、第2
の遅れ時間TMON2が短いほど、NOx吸収能力が低
下していることを示すので、これを用いてNOx浄化装
置15の劣化判定を行うことができる。ただし、本実施
形態では、NOx浄化装置15の上流側に配置される三
元触媒14の劣化度合によって第2の遅れ時間TMON
2が変化すること、より具体的には、三元触媒14の劣
化度合が大きいほど、その下流側において酸素濃度が低
下するタイミングが早くなり、かつ還元作用を有するH
C、COの濃度も大きくなることにより、NOx吸収剤
に吸収されたNOx量が同じであってもその還元に要す
る時間、すなわちが第2の遅れ時間TMON2が短くな
ることを考慮し、三元触媒補正係数KMON2よりタイ
マ値tmMON2(=第2の遅れ時間TMON2)を補
正し、補正タイマ値tmMON2Cが、が判定基準時間
TNOXREFより低下したとき、NOx吸収剤の劣化
と判定するようにしている。これにより、三元触媒14
の劣化度合に拘わらず、NOx浄化装置15の劣化判定
を正確に行うことができる。
【0045】さらに本実施形態では、第3の遅れ時間T
MON3をエンジン運転状態の変化(時刻t11からt
15間での期間内における変化)に応じた運転状態補正
係数KMON3で補正して、該補正後の第3の遅れ時間
TMON3を三元触媒補正係数KMON2による補正後
の第2の遅れ時間TMON2から減算するようにしたの
で、O2センサ18,19の応答特性のばらつきの影響
を排除して、より正確な劣化判定を行うことができる。
【0046】このように本実施形態では、NOx浄化装
置15の上流側に配置された三元触媒14の劣化度合に
応じて、第2の遅れ時間TMON2を補正し、さらに第
3の遅れ時間TMON3により補正を行い、補正後の遅
れ時間(tmMON2C)によりNOx浄化装置15の
劣化を判定するようにしたので、三元触媒14の劣化度
合やO2センサの特性ばらつきの影響を受けることな
く、正確な劣化判定を行うことができる。
【0047】本実施形態では、O2センサ18,19が
それぞれ第1及び第2の酸素濃度センサに相当する。ま
た、図4のステップS50、S52〜S55が第1の計
測手段に相当し、図5のステップS62〜S67が第2
の計測手段に相当し、図5のステップS73〜S78が
劣化判定手段に相当する。また、第2の遅れ時間TMO
N2が、請求項1の第1の応答遅れ時間に対応し、第3
の遅れ時間TMON3が、請求項1の第2の応答遅れ時
間に対応する。
【0048】なお、本発明は上述した実施形態に限るも
のではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述し
た実施形態では、第1〜第3の遅れ時間TMON1、T
MON2及びTMON3の1回の計測値を用いて劣化判
定を行うようにしたが、例えば10回程度の複数回第1
〜第3の遅れ時間TMON1,TMON2,TMON3
の計測を行い、その平均値を用いて判定することが望ま
しい。
【0049】また三元触媒14の劣化度合を判定する手
法は、例えば特開平6−212955号公報に示される
ような他の公知の手法を使用するようにしてもよい。ま
た上述した実施形態では、三元触媒14の劣化度合に応
じて第2の遅れ時間TMON2(tmMON2)を補正
するようにしたが、これに代えて第2の判定基準時間T
NOXREFを三元触媒14の劣化度合に応じて補正す
るようにしてもよい。その場合には、三元触媒の劣化度
合が大きくなるほど判定基準時間TNOXREFが減少
するように補正する。
【0050】また還元リッチ化を実行するときのリッチ
化所定値KCMDRをエンジン運転状態に応じて変更す
る場合には、遅れ時間TMON1,TMON2は、KC
MDR値の影響を受けるので、劣化判定に使用する判定
基準時間TWCREF及びTNOXREFをKCMDR
値が増加するほど、小さな値に設定することが望まし
い。
【0051】また上述した実施形態では、三元触媒14
の上流側に比例型空燃比センサ(酸素濃度センサ)17
を設け、NOx浄化装置15の上流側及び下流側に二値
型の酸素濃度センサ18及び19を設けるようにした
が、酸素濃度センサのタイプ及び配置はどのような組み
合わせを採用してもよい。例えばすべての酸素濃度セン
サを比例型あるいは二値型としてもよい。また上述した
実施形態では、三元触媒が設けられている排気浄化シス
テムを示したが、本発明は三元触媒が設けられていない
排気浄化システムにも適用可能である。
【0052】
【発明の効果】以上詳述したように請求項1に記載の発
明によれば、機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃
比よりリーン側からリッチ側に切り換えた後に、第1の
酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化
した時点から、第2の酸素濃度センサの出力値がリッチ
空燃比を示す値となる時点までの第1の応答遅れ時間
と、空燃比を理論空燃比よりリッチ側からリーン側に切
り換えた後に、第1の酸素濃度センサの出力値がリーン
空燃比を示す値に変化した時点から、第2の酸素濃度セ
ンサの出力値がリーン空燃比を示す値となる時点まで第
2の応答遅れ時間とが計測され、これらの第1及び第2
の応答遅れ時間に基づいて窒素酸化物浄化手段の劣化が
判定される。第2の応答遅れ時間は、窒素酸化物浄化手
段が劣化しているか否かには、大きく依存せず、酸素濃
度センサの特性ばらつきが反映されるので、窒素酸化物
浄化手段の劣化度合が反映される第1の応答遅れ時間と
ともに、第2の応答遅れ時間を用いて劣化判定を行うこ
とにより、酸素濃度センサの特性ばらつきの影響を排除
して、より正確な判定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその
制御装置の構成を示す図である。
【図2】目標空燃比係数(KCMD)を算出する処理の
フローチャートである。
【図3】リーン運転中における目標空燃比係数の設定を
説明するためのタイムチャートである。
【図4】三元触媒及びNOx浄化装置の劣化判定を行う
処理のフローチャートである。
【図5】三元触媒及びNOx浄化装置の劣化判定を行う
処理のフローチャートである。
【図6】図5の処理で使用するテーブルを示す図であ
る。
【図7】酸素濃度センサの出力値の推移と遅れ時間(T
MON1,TMON2,TMON3)を説明するための
タイムチャートである。
【符号の説明】
1 内燃機関 5 電子コントロールユニット(第1の計測手段、第2
の計測手段、劣化判定手段) 6 燃料噴射弁 13 排気管 14 三元触媒 15 NOx浄化装置(窒素酸化物浄化手段) 18 二値型O2センサ(第1の酸素濃度センサ) 19 二値型O2センサ(第2の酸素濃度センサ)
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年9月14日(1999.9.1
4)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0039
【補正方法】変更
【補正内容】
【0039】ステップS73では、第1のタイマtmM
ON1の値に応じて図6に示すKMON2テーブルを検
索し、三元触媒補正係数KMON2を算出する。KMO
N2テーブルは、第1のタイマtmMON1の値が小さ
くなるほど、すなわち三元触媒14の劣化度合が大きく
なるほど、三元触媒補正係数KMON2が増加するよう
に設定されている。続くステップS74では、直前の還
元リッチ化の開始時点から現時点までの期間におけるエ
ンジン運転状態の変化、具体的にはエンジン回転数NE
の変化量DNE及び吸気管内絶対圧PBAの変化量DP
BAに応じて、運転状態補正係数KMON3を算出す
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 45/00 368 F02D 45/00 368G Fターム(参考) 3G084 AA04 BA09 BA13 BA23 DA02 DA27 EA04 EA07 EA11 EB11 EB22 EC01 FA02 FA11 FA20 FA30 FA38 FA39 3G091 AA12 AA17 AA23 AA28 AB03 AB05 AB06 BA33 CB02 DB07 DB08 DB10 EA30 EA33 EA34 FB10 FB12 GB02Y GB03Y GB05W GB06W GB07W HA08 HA36 HA37 HA42 3G301 HA15 HA19 JA02 JA03 JA08 JB09 LA07 LC01 LC08 MA01 MA11 NA08 NB03 ND01 ND17 NE14 NE15 NE23 PA07Z PA10Z PD03A PD04A PD09A PD09B PD09Z PE01Z PE03Z PE04Z PE05Z PE08Z

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の排気系に設けられ、排気リー
    ン状態において排気中の窒素酸化物を吸収し、排気リッ
    チ状態において吸収した窒素酸化物を還元する窒素酸化
    物浄化手段を備えた排気浄化装置において、 前記窒素酸化物浄化手段の上流側に設けられ、排気中の
    酸素濃度を検出する第1の酸素濃度センサと、 前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気中の
    酸素濃度を検出する第2の酸素濃度センサと、 前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリ
    ーン側からリッチ側に切り換えた後に、前記第1の酸素
    濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した
    時点から、前記第2の酸素濃度センサの出力値がリッチ
    空燃比を示す値となる時点までの第1の応答遅れ時間を
    計測する第1の計測手段と、 前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側からリーン側に切
    り換えた後に、前記第1の酸素濃度センサの出力値がリ
    ーン空燃比を示す値に変化した時点から、前記第2の酸
    素濃度センサの出力値がリーン空燃比を示す値となる時
    点までの第2の応答遅れ時間を計測する第2の計測手段
    と、 前記第1及び第2の応答遅れ時間に基づいて前記窒素酸
    化物浄化手段の劣化を判定する劣化判定手段とを備える
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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