JP2002030922A - 排気浄化触媒の劣化状態診断装置 - Google Patents
排気浄化触媒の劣化状態診断装置Info
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Abstract
に関し、触媒の浄化能力の低下を的確に判定できるよう
にする。 【解決手段】内燃機関の排気通路3に設けられた排気浄
化触媒6と、排気浄化触媒6の上流の排気空燃比を理論
空燃比近傍の基準値を中心に周期的に変動させる空燃比
制御手段201と、排気浄化触媒6の下流の排気空燃比
に相関する状態量を検出する排気センサ3aと、排気セ
ンサ3aからの出力のうち基準値に対するリッチ側の振
幅を算出し、リッチ側振幅に基づき触媒6の劣化状態を
診断する診断手段202とをそなえて構成する。
Description
用いて好適の、排気浄化触媒の劣化状態診断装置に関す
る。
媒に付加された酸素ストレージ能力(酸素吸蔵能力又は
OSC)が触媒性能と相関があることを利用して、酸素
ストレージ能力の劣化を検出することで触媒劣化を検出
する手法が知られている。例えば特公平7−26528
号公報には、触媒に流入する排気空燃比がパータベーシ
ョン(振動)した場合、酸素ストレージ能力が高いと触
媒下流の排気空燃比の応答が遅く、また、酸素ストレー
ジ能力が低いと触媒下流の排気空燃比の応答が速くなる
という特性に着目し、触媒下流に配置されたO2 センサ
あるいは空燃比センサ(LAFS)の出力の変化周期
(周波数)を検出し、ある基準値以上だと触媒劣化であ
ると判定するようにした技術が開示されている。
媒の上流に設けたO2 センサ出力に基づいて内燃機関の
空燃比をフィードバック制御している状態において、触
媒下流に設けたリニアO2 センサの出力に基づき当量比
の変化幅を算出し、空燃比フィードバック制御のフィー
ドバック補正係数変化幅(上流側空燃比の変化幅)に対
する当量比変化幅(下流側空燃比の変化幅)が設定値を
上回ると触媒の劣化と判定する技術が開示されている。
媒上流の酸素濃度を理論空燃比を中心に変動させても触
媒が正常であれば触媒下流の酸素濃度は大きく変化しな
いが、触媒が劣化すると触媒上流の酸素濃度変化に追従
して触媒下流の酸素濃度も大きく変動する現象に着目し
たものである。この現象は触媒の有する酸素ストレージ
能力(OSC)に起因するものであり、十分な酸素スト
レージ能力が維持されている状態では酸素雰囲気で酸素
を吸着し、還元雰囲気で酸素を放出するため触媒下流の
酸素濃度の変動は少ないが、酸素ストレージ能力が低下
すると酸素の吸着及び放出反応が低下するため、流入す
る排気に連動して酸素濃度が大きく変動することにな
る。したがって、上記従来技術は触媒の酸素ストレージ
能力の低下を検出して触媒の劣化と判定する技術であ
る。
うな従来の技術のうち、特公平7−26528号公報に
開示された技術では、酸素ストレージ能力(OSC)を
検出しているため、直接触媒の劣化を判定することはで
きなかった。例えば、耐OSC性能の高い触媒に対して
は、正確な触媒劣化状態を得ることはできないという課
題がある。
は、酸素ストレージ能力は触媒による浄化作用を補助す
るものでしかないため、触媒による浄化反応の低下を的
確に判定するものではなかった。本発明は、このような
課題に鑑み創案されたもので、触媒の浄化能力の低下を
的確に判定できるようにした、排気浄化触媒の劣化状態
診断装置を提供することを目的とする。
排気浄化触媒の劣化状態診断装置では、空燃比制御手段
により内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の
上流側の排気空燃比を理論空燃比近傍の基準値を中心に
周期的に変動させて、このときの排気浄化触媒の下流側
の排気空燃比に相関する状態量を排気センサで検出す
る。なお、排気空燃比に相関する状態量としては、排気
空燃比自体でもよいし、排気中の酸素量(酸素濃度)や
水素量(水素濃度)でもよい。
の出力のうち上記基準値に対するリッチ側の振幅が算出
され、このリッチ側振幅に基づいて例えば触媒の浄化能
力や酸素吸蔵能力の低下状態が診断される。また、請求
項2記載の本発明の排気浄化触媒の劣化状態診断装置で
は、空燃比制御手段により内燃機関の排気通路に設けら
れた排気浄化触媒の上流側の排気空燃比を理論空燃比近
傍の基準値を中心に周期的に変動させて、このときの排
気浄化触媒の下流側の排気空燃比に相関する状態量を排
気センサで検出する。なお、排気空燃比に相関する状態
量としては、排気空燃比自体でもよいし、排気中の酸素
量(酸素濃度)や水素量(水素濃度)でもよい。
の出力のうち上記基準値に対するリッチ側の振幅とリー
ン側の振幅とが算出され、両振幅を相対的に評価するこ
とで触媒の浄化能力の低下状態が診断される。ここで、
リッチ側及びリーン側の振幅を相対的に評価する手法と
しては、例えば両振幅の差を用いたり、両振幅の比を用
いたりすることが考えられる。
触媒の劣化状態診断装置では、空燃比制御手段により内
燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の上流側の
排気空燃比を理論空燃比近傍の基準値を中心に周期的に
変動させて、このときの排気浄化触媒の下流側の排気空
燃比に相関する状態量を排気センサで検出する。なお、
排気空燃比に相関する状態量としては、排気空燃比自体
でもよいし、排気中の酸素量(酸素濃度)や水素量(水
素濃度)でもよい。
の出力のうち上記基準値に対するリーン側の振幅が算出
され、このリーン側振幅に基づいて触媒の酸素吸蔵能力
の低下状態が診断される。
形態について説明する。まず、第1実施形態にかかる排
気浄化触媒の劣化状態診断装置について説明すると、図
1に示すように、本装置はここでは筒内噴射型内燃機関
に適用されている。この筒内噴射型内燃機関について簡
単に説明すると、燃焼室1には、吸気弁4を介して吸気
通路2が接続され、また、排気弁5を介して排気通路3
が接続されている。また、吸気通路2には、エアクリー
ナ2a,吸入空気量を検出するエアフローセンサ(AF
S)2b,吸入空気量を制御するスロットル弁2c,ス
ロットル弁2cの開度を検出するスロットルポジション
センサ(TPS)2d等が設けられている。また、排気
通路3には、排気浄化触媒としての三元触媒(以下、単
に触媒ともいう)6が設けられており、触媒6の下流側
には、排気中のO2濃度を検出するO2 センサ(排気セ
ンサ)3aが設けられている。また、燃焼室1には、イ
ンジェクタ8が燃焼室1へ燃料を直接噴射すべくその開
口を燃焼室1に臨ませて配置されている。
の開度に応じエアクリーナ2aを通じて吸入された空気
が、吸気通路2及び吸気弁4を介して燃焼室1内に吸入
され、ECU(制御手段)20からの信号に基づいてイ
ンジェクタ8から噴射された燃料と混合されるようにな
っている。そして、燃焼室1内で点火プラグ7を適宜の
タイミングで点火させて混合気を燃焼させたのち、燃焼
室1内から排気弁5を介して排気通路3へ排気ガスが排
出され、触媒6で浄化されてから図示しないマフラで消
音されて排出されるようになっている。
b,TPS2d,O2 センサ3a,触媒温度センサ3b
のほかに、例えば、クランクシャフト9に付設されたク
ランク角検出装置9aや、シリンダブロック内のウォー
タジャケット1b内に挿設されエンジンの冷却水温を検
出する冷却水温センサ1c等の種々のセンサが設けられ
ており、これらのセンサからの検出情報がECU20へ
送られるようになっている。
内で吸入空気を縦渦流(逆タンブル流)として生成する
ことにより、点火プラグ7近傍に少量の燃料を集めて層
状燃焼させ、混合気全体としては極めてリーンな空燃比
での燃焼(希薄燃焼)が可能に構成されており、燃料噴
射の態様として、ストイキよりもリーンな空燃比下で運
転を行なうリーン運転モードと、空燃比が理論空燃比
(ストイキ)近傍となるように、触媒6の上流側のO2
センサ(図示省略)からの検出情報等に基づいてフィー
ドバック制御を行なうストイキ運転モードと、ストイキ
よりもリッチな空燃比で運転を行なうリッチ運転モード
とが設定されている。
CU20により運転状態に応じて行なわれるようになっ
ている。つまり、ECU20は、TPS2d及びクラン
ク角検出手段9aの検出情報に基づいてエンジン負荷P
e及びエンジン回転速度Ne(運転状態)を計算し、こ
の運転状態に応じてエンジンの運転モードを設定するよ
うになっており、エンジン負荷Pe及びエンジン回転速
度Neが大きくなるほど、リーン運転,ストイキ運転,
リッチ運転の順に運転モードを設定するようになってい
る。
と、図1に示すように、ECU20には触媒6の上流の
排気空燃比A/Fを周期的に変動させる空燃比制御手段
201と、触媒6の劣化状態を診断する診断手段202
とが設けられている。ここで、空燃比制御手段201
は、O2 センサ3aからの排気空燃比情報に基づいて空
燃比をフィードバック制御を実行する際に、所定の基準
値を中心にして空燃比を周期的にパータベーション(振
動)させるものである。なお、上記基準値としては、こ
こでは理論空燃比が適用されており、以下では、この基
準値を中心A/Fという。このときの排気センサ3aか
らの出力特性は、例えば図2に示すようになるが、診断
手段202では、この検出情報のうち中心A/Fに対す
るリッチ側の振幅とリーン側の振幅とをそれぞれ算出
し、この算出結果から触媒6の劣化状態(この場合は、
特に貴金属の劣化状態)を判定するようになっているの
である。
て、まず各振動周期毎に排気空燃比のリッチ側及びリー
ン側の最大値が取り込まれ、これらの値と中心A/Fと
の差(即ち、中心A/Fに対する振幅)が算出されるよ
うになっている。そして、これらの差の値のうち、所定
期間内における最大値が、それぞれリッチ側振幅RAF
と及びリーン側振幅LAFとして設定されるようになっ
ている。
お、下式において、最大値{A−B}は、所定期間にお
けるAとBとの差の最大値を表している。 RAF=最大値{中心A/F−リッチ側センサ値} LAF=最大値{リーン側センサ値−中心A/F} また、診断手段202では、これらの算出結果を用いて
貴金属劣化指標を算出するようになっている。具体的に
は、本実施形態では、貴金属劣化指標をリッチ側振幅R
AFとリーン側振幅LAFとの差(RAF−LAF)と
して算出するようになっているそして、この貴金属劣化
指標が所定値(第1の所定値)よりも大きければ、貴金
属が劣化したと判定するようになっているのである。
水性ガス反応による生成H2 は、触媒6のストレージO
2 あるいはNOxにより酸化浄化されるが、貴金属の劣
化が進むと浄化されずに排出され、O2 センサ3aの電
極部への拡散H2 が増大し、センサ出力がリッチシフト
して、中心A/Fに対するリッチ側の振れ幅が大きくな
るという知見に基づいたものである。つまり、H2 分子
はO2 分子より小さいため拡散速度が大きく、O2 より
も先に電極部に到達し、この結果、O2 不足の状態とな
りセンサ出力はリッチ側の出力を示すのである。
の時には、通常は触媒6に吸蔵された酸素(ストレージ
O2 )の放出により触媒6の下流の排気空燃比がリーン
化されてリッチ側の振れ幅(リッチ側振幅RAF)が小
さくなり、触媒6の上流側の排気空燃比がリーンの時に
は、触媒6の酸素ストレージ能力(OSC)により排気
中の酸素(O2 )が吸蔵され、触媒6の下流側排気空燃
比はリッチ化されてリーン側の振れ幅(リーン側振幅L
AF)が小さくなるが、OSCが低下していると、OS
Cに起因する上記触媒6の下流側排気空燃比のリーン化
及びリッチ化が緩和されて、触媒6の上流側排気空燃比
がリッチの時は、下流側排気空燃比のリッチ側の振れ幅
が大きくなり、上流側排気空燃比がリーンの時には下流
側排気空燃比のリーン側の振れ幅が大きくなる。
属劣化とOSC劣化との情報を、リーン側振幅LAFは
主にOSC劣化情報を含んでいる。したがって、上述の
ように、中心A/F(基準値)に対するリッチ側振幅R
AFとリーン側振幅LAFとを算出して両振幅RAF,
LAFを相対的に評価することで、触媒6の貴金属劣化
状態を独立して判定することができるのである。
媒の劣化状態診断装置は上述のように構成されているの
で、例えば図3に示すようなフローチャートにしたがっ
て、触媒6の貴金属劣化状態が診断される。まず、フィ
ードバック制御が開始されると、ステップS1でO2 セ
ンサ3aからの出力情報に基づいて、中心A/Fに対す
るリッチ側の振幅RAFとリーン側の振幅LAFとがそ
れぞれ算出される。
指標としてリッチ側振幅RAFとリーン側振幅LAFと
の差が算出される。そして、ステップS3で、この貴金
属劣化指標が所定値(第1の所定値)よりも大きいか否
かが判定され、第1の所定値よりも大きいとステップS
4で貴金属が劣化したと判定される。また、貴金属劣化
指標が第1の所定値以下であれば、ステップS5に進
み、貴金属劣化と判定されることなくリターンする。
る排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれば、貴金属の
劣化による触媒劣化を確実に判定することができるとい
う利点がある。また、上述のような簡素な構成により、
コストの上昇や重量の増加を伴うこともないという利点
も有している。次に、本発明の第2実施形態について説
明すると、上記第1実施形態が主に触媒6の貴金属劣化
を診断するものであるのに対して、この第2実施形態
は、主に触媒6の貴金属劣化と酸素ストレージ能力(O
SC)の劣化とを診断する点が異なっている。また、こ
の第2実施形態は、全体的には上述した第1実施形態と
略同様に構成されており、触媒6の劣化判定に用いるパ
ラメータのみが異なっている。このため、以下では主に
第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部
分については説明を省略する。
ック制御による運転状態になると、空燃比制御手段20
1により、所定の基準値(中心A/F)を中心にして空
燃比を周期的にパータベーションさせるとともに、診断
手段202では、中心A/Fに対するリッチ側の振幅を
算出し、この算出結果から触媒6の劣化状態を判定する
ようになっている。
て、第1実施形態と同様の手法によりリッチ側振幅RA
Fが算出されるようになっている。そして、診断手段2
02では、このリッチ側振幅RAFを触媒6の劣化指標
として適用するようになっている。すなわち、この触媒
劣化指標RAFが所定値(第2の所定値)よりも大きけ
れば、触媒6が劣化したと判定するようになっているの
である。
Fは貴金属劣化とOSC劣化との情報を含んでいるから
である。そこで、本第2実施形態では、上述のようにリ
ッチ側振幅RAFを触媒劣化指標として用いることによ
り、触媒6の貴金属劣化とOSC劣化とを同時に判定す
ることができるのである。
媒の劣化状態診断装置は上述のように構成されているの
で、例えば図4に示すようなフローチャートにしたがっ
て、触媒6の酸化能力劣化状態が診断される。まず、フ
ィードバック制御が開始されると、ステップS11でO
2 センサ3aからの出力情報に基づいて、中心A/Fに
対するリッチ側の振幅RAFが算出される。
指標に上記ステップS11で算出されたリッチ側振幅R
AFが設定される。そして、ステップS13で、この触
媒劣化指標が所定値(第2の所定値)よりも大きいか否
かが判定され、第2の所定値よりも大きいとステップS
14で触媒6の貴金属劣化又はOSC劣化、もしくは両
方の劣化と判定される。また、触媒劣化指標が第2の所
定値以下であれば、ステップS15に進み、触媒劣化と
判定されることなくリターンする。
る排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれば、触媒6の
貴金属劣化とOSC劣化とを同時に判定することができ
るという利点がある。また、上述のような簡素な構成に
より、コストの上昇や重量の増加を伴うこともないとい
う利点もある。次に、上記第2実施形態の変形例につい
て説明すると、この変形例は、主に触媒6の酸素ストレ
ージ能力(OSC)の劣化を判定するものであって、リ
ッチ側振幅RAFの代わりにリーン側振幅LAFを触媒
劣化指標として適用したものである。
Fと所定値(第3の所定値)とを比較することで、触媒
6のOSC劣化を判定することができるのである。これ
は、前述した通り、リーン側振幅LAFは主にOSC劣
化情報を含んでいるからである。したがって、上述のよ
うにリーン側振幅LAFを触媒劣化指標として用いるこ
とにより、触媒6の浄化能力の低下と酸素吸蔵能力の低
下を別々に診断できる利点がある。
たが、本発明の実施の形態は上述のものに限定されるも
のではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更
可能である。例えばリッチ側振幅RAF及びリーン側振
幅LAFの算出手法は上述のものに限定されるものでは
なく、所定期間内におけるリッチ側及びリーン側のセン
サ値の最大値と中心A/Fとの差の平均値をRAF,L
AFとして設定してもよい。また、上述では、貴金属劣
化指標をリッチ側振幅RAFとリーン側振幅LAFとの
差として求めているが、両者の比(RAF/LAF)を
貴金属劣化指標として設定してもよい。また、触媒6の
劣化を判定するための判定値(第1,第2,及び第3の
所定値)は、触媒6の性能や諸元に応じて適宜設定する
ことができる。
してはO2 センサに限定されるものではなく、触媒6の
下流の排気空燃比に相関する状態量を検出するセンサで
あればA/Fセンサ(空燃比センサ)やH2 センサ等の
ガスセンサを適用してもよい。また、本発明は、ディー
ゼルエンジン及びガソリンエンジンのいずれにも適用可
能であるほか、3元触媒及びNOx触媒等全ての触媒に
適用可能である。さらには、上述の各実施形態では、劣
化指標が判定値を超えたか否かで触媒6の劣化判定を行
なっているが、この劣化指標の変化をモニタすることで
触媒6の劣化度合いをリニアに判定するようにしてもよ
い。
では中心A/F(リッチ側の振れの最大値とリーン側の
振れの最大値との間)を用いているが、実際の振れの平
均値を基準値として用いてもよい。また、その他にも、
例えば貴金属の劣化と相関があるように基準値を変更し
てもよい。
発明の排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれば、触媒
上流の排気空燃比を理論空燃比近傍の基準値を中心に周
期的に変動させている状態で触媒下流の排気空燃比の上
記基準値に対するリッチ側の振幅を算出して触媒の劣化
状態を診断するため、例えば触媒の浄化能力及び酸素吸
蔵能力の低下を確実に診断することができる利点があ
る。
媒の劣化状態診断装置によれば、触媒の浄化能力の低下
状態を確実に診断できる利点がある。また、請求項3記
載の本発明の排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれ
ば、触媒の酸素吸蔵能力の低下状態を確実に診断できる
利点がある。
劣化状態診断装置が適用される内燃機関の構成を示す模
式図である。
劣化状態診断装置におけるセンサ出力の一例を示す図で
ある。
劣化状態診断装置の作用を説明するためのフローチャー
トである。
劣化状態診断装置の作用を説明するためのフローチャー
トである。
Claims (3)
- 【請求項1】 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄
化触媒と、 上記排気浄化触媒の上流の排気空燃比を理論空燃比近傍
の基準値を中心に周期的に変動させる空燃比制御手段
と、 上記排気浄化触媒の下流の排気空燃比に相関する状態量
を検出する排気センサと、 上記排気センサからの出力に基づいて上記基準値に対す
るリッチ側の振幅を算出し、上記リッチ側振幅に基づき
上記触媒の劣化状態を診断する診断手段とをそなえたこ
とを特徴とする、排気浄化触媒の劣化状態診断装置。 - 【請求項2】 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄
化触媒と、 上記排気浄化触媒の上流の排気空燃比を理論空燃比近傍
の基準値を中心に周期的に変動させる空燃比制御手段
と、 上記排気浄化触媒の下流の排気空燃比に相関する状態量
を検出する排気センサと、 上記排気センサからの出力に基づいて上記基準値に対す
るリッチ側の振幅とリーン側の振幅とを算出し、両振幅
を相対的に評価して上記触媒の劣化状態を診断する診断
手段とをそなえたことを特徴とする、排気浄化触媒の劣
化状態診断装置。 - 【請求項3】 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄
化触媒と、 上記排気浄化触媒の上流の排気空燃比を理論空燃比近傍
の基準値を中心に周期的に変動させる空燃比制御手段
と、 上記排気浄化触媒の下流の排気空燃比に相関する状態量
を検出する排気センサと、 上記排気センサからの出力に基づいて上記基準値に対す
るリーン側の振幅を算出し、上記リーン側の振幅に基づ
いて上記触媒の酸素吸蔵能力の劣化状態を診断する診断
手段とをそなえたことを特徴とする、排気浄化触媒の劣
化状態診断装置。
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