JP2004108187A - 内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化触媒の酸素蓄積量に基づいて触媒の劣化状態を高精度に診断する。
【解決手段】触媒の酸素蓄積量を算出しつつ目標酸素蓄積量とするように空燃比をフィードバック制御する一方、燃料カット時に、排気空燃比がリーン化されて酸素蓄積量が増大し、触媒の貴金属触媒層（Ｐｔ等）に排気被浄化成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）との間で酸化または還元の反応性が高い状態で蓄積される酸素の蓄積量が最大（飽和状態）となって排気中に放出しはじめると排気中酸素濃度が急増して触媒下流に設けた空燃比センサがリーン判定するので、この判定時に算出されている酸素蓄積量が最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘとなるが、触媒が劣化すると該最大酸素蓄積量が減少するので、該算出した最大酸素蓄積量が劣化判定用のスライスレベルより小さいときは触媒が劣化していると診断する。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三元触媒等の排気浄化用の触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関し、詳しくは、前記触媒の劣化状態を高精度に診断する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に備えた三元触媒等の排気浄化用触媒への酸素蓄積量が多すぎると、排気中のＮＯｘに対して還元処理機能が低下し、酸素蓄積量が少なすぎると、排気中のＨＣ，ＣＯを酸化処理機能が低下する。このため、触媒上流の空燃比センサの出力に基づいて触媒の酸素蓄積量を推定しつつ、該酸素蓄積量を目標酸素蓄積量に維持するように空燃比をフィードバック制御するようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１４３４２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、触媒が劣化すると浄化機能に関与する酸素の蓄積可能な最大蓄積量が低下するため、上記酸素蓄積量による空燃比フィードバック制御の精度も低下する。
従来より触媒の劣化診断は行われており、代表的な診断方式としては、触媒上流に設けた空燃比センサと下流に設けた酸素センサのリッチ・リーン反転周期の比に基づいて、診断するものが知られている。
【０００５】
しかし、上記のように酸素蓄積量を目標酸素蓄積量に維持する空燃比フィードバック制御を行うものでは、触媒上流側の目標空燃比を目標酸素蓄積量が得られるように理論空燃比に対して意図的に変更してフィードバック制御するものであるため、触媒上流側の空燃比がリッチまたはリーン側のいずれかにシフトされることになるので、上記反転周期比が正確に触媒の劣化状態を反映しているとはいえず、誤判定する可能性があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、触媒の劣化状態を正しく診断できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため第１の発明は、排気浄化用の触媒への酸素蓄積量を算出しつつ、機関の燃料カット時に、前記触媒下流の排気空燃比がリーンとなる時点での酸素蓄積量に基づいて、前記触媒の劣化状態を診断する構成としたことにより、診断精度を向上できる。
【０００８】
また、前記触媒下流の排気空燃比がリーンとなる時点を、触媒下流に設けた空燃比センサがリーン判定した時点とすることにより、該判定時点で、排気中の被浄化成分との反応性の高い状態で蓄積される酸素の最大蓄積量を精度良く算出でき、該最大酸素蓄積量に基づいて触媒劣化を高精度に診断できる。
また、第２の発明は、排気浄化用の触媒への酸素蓄積量を目標値とするように空燃比フィードバック制御を行いつつ、機関の燃料カット時に吸入空気量相当値に基づき予測される前記触媒下流の排気空燃比がリーンとなるまでの経過時間より短く設定した所定時間経過時点で、前記触媒下流に設けた空燃比センサがリーン判定したときに、前記触媒が劣化していると診断する構成とする。
【０００９】
これにより、触媒の酸素蓄積量が目標値近傍に維持されている状態から燃料カットを開始すると、該燃料カット後に吸入空気量相当値（吸入空気量の他エンジン回転速度など）によって排気中の被浄化成分との反応性の高い状態で蓄積される酸素量が飽和して触媒下流の排気空燃比がリーン判定されるタイミングを予測でき、触媒が劣化して前記飽和する酸素蓄積量（最大酸素蓄積量）が減少したときは、該予測タイミングより短く設定した所定時間経過時点で、前記空燃比センサがリーン判定されるので、触媒が劣化していることを正確に診断することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比制御装置のシステム構成を示す。
図１において、エンジン（内燃機関）１の吸気通路１１には燃料噴射弁２が設けられており、該燃料噴射弁２から噴射される燃料と空気とが予混合し、シリンダ内に吸気弁３を介して吸引される。シリンダ内の燃焼混合気は、点火栓４による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、排気弁５を介して排気通路６に排出される。
【００１１】
排気通路６には、三元触媒７が介装されており、該三元触媒７は、排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに酸素を吸着し、理論空燃比よりリッチのときに酸素を脱離しつつ、ＨＣ，ＣＯを酸化処理、ＮＯｘを還元処理して浄化する。
また、前記三元触媒７の上流側と下流側には、排気空燃比を検出する第１空燃比センサ８、第２空燃比センサ９が装着されている。例えば、第１空燃比センサ８は応答性を考慮し空燃比を広域に検出できる広域型空燃比センサを使用するのが望ましいが、第２空燃比センサ９は空燃比のリッチ・リーンを検出可能ないわゆる酸素センサを用いればよい。
【００１２】
また、吸気通路１１には、吸入空気量を制御するスロットル弁１２が介装されると共に、該スロットル弁１２の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１３が設けられ、更にその上流には吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４が設けられる。
この他、エンジン回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ１５、エンジン冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１６等が設けられる。
【００１３】
前記各センサの検出信号はコントロールユニット１０に入力され、該コントロールユニット１０は、上記センサ類からの信号に基づいて、前記三元触媒７に蓄積される酸素量（以下酸素蓄積量という）を算出すると共に、排気中被浄化成分との反応性が高い状態で蓄積される酸素の最大蓄積量を求め、該最大酸素蓄積量に基づいて三元触媒７の劣化状態を診断しつつ目標酸素蓄積量を補正しながら設定する。そして、酸素蓄積量を前記目標酸素蓄積量とするように、前記燃料噴射弁２からの燃料噴射量を制御して、空燃比をフィードバック制御する。
【００１４】
図２は、上記空燃比制御のメインフローを示す。
ステップ１では、前記各センサからの検出値に基づいて求められる機関運転状態を読み込む。
ステップ２では、空燃比フィードバック制御の実行条件を判定する。具体的には、前記第１空燃比センサ８、第２空燃比センサ９の活性判定と、三元触媒７の活性判定とを行う。例えば、空燃比センサについては、始動後からの経過時間によって活性温度に達しているかを判定する他、出力値の応答遅れ特性などから判定することができ、三元触媒７については前記温度センサ２１で検出される触媒温度が活性温度に達しているか、あるいは、空燃比センサと同様に始動後経過時間に基づいて活性温度に達しているかを推定して判定することができる。
【００１５】
ステップ２による判定結果に基づいて、ステップ３で空燃比フィードバック制御の実行の可否を判別し、実行可能と判別された場合は、ステップ４で前記三元触媒７の劣化判定を行い、ステップ５で三元触媒７への酸素蓄積量を目標値に維持するように空燃比フィードバック制御を実行する。
図３は、上記ステップ４での劣化判定を行いつつ目標酸素蓄積量を設定するフローを示す。
【００１６】
三元触媒７の貴金属触媒（Ｐｔ等）の触媒などに吸着されて蓄積される酸素は、セリア等のストレージ剤に比較して排気中のＨＣ，ＣＯ等と結合して酸化反応しやすく、また、ＮＯｘ等からＯを奪う還元反応により酸素を吸着しやすい。本発明では、このように、排気中の被浄化成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）との反応性が高い状態で前記三元触媒７に蓄積される酸素の最大蓄積量を算出し、該最大酸素蓄積量に基づいて触媒劣化診断を行う。
【００１７】
ステップ１１では、触媒劣化診断を行う条件、すなわち、前記三元触媒７への最大酸素蓄積量を判定する条件が成立しているかを判定する。具体的には、排気空燃比が最大限リーン状態に維持される燃料カット条件が成立しているかで判定する。
ステップ１１で燃料カット条件が成立していると判定されたときは、ステップ１２へ進み、前記最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘを算出する。
【００１８】
具体的には、図４に示すように、燃料カット制御を開始後、リーン化された排気により三元触媒７への酸素蓄積量ＯＳＣが増加していき、三元触媒７の貴金属等に蓄積されている酸素が飽和状態つまり蓄積可能な最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘに達すると、それ以上貴金属等への蓄積されなくなる結果、排気中の酸素濃度が急増するので、この状態を第２空燃比センサ９で検出してリーン判定し、この時点で後述するフロー（図５のステップ２１）により算出されている酸素蓄積量ＯＳＣを、最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘとして記憶する。ここで、通常の酸素センサによるリーン反転検出は、ストイキ近傍の出力値から大きく離して設定したスライスレベルによって行うが、このようなリーン反転検出時には、セリア等に排気被浄化成分との反応は緩慢な状態で蓄積された酸素まで含めた酸素蓄積量が検出されることとなる。この反応の緩慢な状態で蓄積される酸素は、急加速時など反応性が高い状態で蓄積された酸素では不足する場合に用いられるが、酸素センサがリーン反転した後もさらに蓄積され続け、リーン反転時に算出されている酸素蓄積量では、触媒劣化の指標となりにくい。そこで、本実施形態では、図４に示すように、第２空燃比センサ９の出力が理論空燃比判定領域から僅かに外れたぎりぎりのところにリーン判定スライスレベルを設定し、このスライスレベルをよぎったとき（出力電圧が下回ったとき）に、リーン判定する。このようにすることで、上記反応性が高い酸素の最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘを精度良く算出できる。
【００１９】
ステップ１３では、前記算出した最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘを、触媒劣化判定用の基準値と比較し、ＯＳＣｍａｘが基準値より大きいときは、三元触媒７が劣化していないと判断し、ステップ１４で劣化判定フラグを０にリセットし、ＯＳＣｍａｘが基準値以下のときは劣化していると判断してステップ１５で劣化判定フラグを１にセットする。
【００２０】
かかる診断結果に基づいて、劣化判定フラグが１にセットされているときは（警告灯ＭＩＬを点灯するなどにより）、三元触媒７の劣化を認知して新品に交換することができる。
次いで、ステップ１６では、前記算出した最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘに基づいて目標酸素蓄積量ＯＳＣａを算出する。簡易的には、ＨＣ，ＣＯなどの酸化反応とＮＯｘなどの還元反応とがバランスよく行われるように最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘの１／２を目標酸素蓄積量ＯＳＣとして算出すればよい。
【００２１】
図２に戻って、ステップ５では、上記のようにして設定された目標酸素蓄積量ＯＳＣａとなるように、空燃比をフィードバック制御する。
図５は、上記空燃比フィードバック制御のフローを示す。
ステップ２１では、前記三元触媒７の酸素蓄積量ＯＳＣを次式により算出する。
【００２２】
ＯＳＣ＝｛（λｒ−λｔ）／λｔ｝×Ｑａ×ｏｓ＋ＯＳＣｚ
ただし、λｒ：第１空燃比センサ６で検出される実空燃比、λｔ：理論空燃比、Ｑａ：吸入空気量、ｏｓ：酸素吸着／脱離速度（λｒ＞λｔのときｏｓ＝ｏｓｓ＞０、λｒ＜λｔのときｏｓ＝ｏｐｓ＜０）、ＯＳＣｚ：酸素蓄積量の前回算出値
ステップ２２では、上記酸素蓄積量の算出値ＯＳＣ、前記目標酸素蓄積量ＯＳＣａとの偏差ΔＱｓ（＝ＯＳＣａ−ＯＳＣ）を算出する。
【００２３】
ステップ２３では、前記偏差ΔＱｓに基づき、比例積分微分制御による次式に従って、目標空燃比λａを算出する。
λａ＝［λｔ／｛１−ΔＱｓ・ＰＩＤ／Ｑａ｝−λｒ］／λｒ・ＰＩＤ
ただし、ＰＩＤ：比例積分微分のゲイン
ここで、三元触媒７の酸素蓄積量の算出値Ｏｓが目標酸素蓄積量ＯＳＣより大きいとき（ΔＯｓ＜０）は、目標空燃比λｔはリッチとなり、算出値ＯＳＣが目標酸素蓄積量ＯＳＣａより小さいとき（ΔＯｓ＞０）は、目標空燃比λｔはリーンとなる。
【００２４】
ステップ２４では、燃料噴射量Ｔｉを算出する。
燃料噴射量Ｔｉは、エアフローメータ１４で検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ１０により検出されるエンジン回転速度Ｎｅ等から理論空燃比λｔ（＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を算出し、これに前記目標空燃比λａを乗算して次式のように算出する。
【００２５】
Ｔｉ＝Ｔｐ×λａ
このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、機関回転に同期して、燃料噴射弁３に出力する。
以上示した実施形態によれば、三元触媒７の劣化状態を排気中被浄化成分との反応性が高い酸素の最大蓄積量を算出しつつ高精度に診断しつつ、劣化の進行に応じて減少する最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘに応じて目標酸素蓄積量ＯＳＣａを変更することにより、常時最適な目標酸素蓄積量ＯＳＣａが設定されて高精度な空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００２６】
図６は、三元触媒７の劣化状態を診断する第２の実施形態のフローチャートを示す。
ステップ３１では、前記図３のステップ１１と同様に燃料カット条件が成立しているかを判定する。
ステップ３２では、吸入空気量Ｑａを読み込む。
【００２７】
ステップ３３では、前記空燃比フィードバック制御により目標酸素蓄積量（例えば最大酸素蓄積量の１／２）近傍に制御されている三元触媒７が、非劣化状態で燃料カット後に酸素蓄積量が増大して最大酸素蓄積量に達し、第２空燃比センサ６がリーン判定するタイミングを吸入空気量Ｑａに基づいて予測し（予め吸入空気量Ｑａで割り付けたマップからの検索で行うこともできる）、このタイミングより少し早めの燃料カット後経過時間（所定時間）ｔ０を設定する。
【００２８】
ステップ３４では、燃料カット開始後、前記所定時間ｔ０を経過したかを判定し、経過した時点でステップ３５へ進む。
ステップ３５では、第２空燃比センサ９の出力に基づいてリーン判定しているかを判別する。
ステップ３５でリーン判定していなければ、ステップ３６で三元触媒７は劣化していないと診断して劣化判定フラグを０にリセットし、リーン判定していれば、ステップ３７で三元触媒７は劣化していると診断して劣化判定フラグを１にセットする。
【００２９】
このようにすれば、三元触媒７が劣化して反応性が高い酸素の最大酸素蓄積量ＯＳＣｍａｘが減少したときは、前記吸入空気量Ｑａから予測されるタイミングより早めに設定した所定時間ｔ０経過時点で、第２空燃比センサ９がリーン判定されるので、三元触媒７が劣化していることを正確に診断することができる。
なお、本第２の実施形態で、吸入空気量Ｑａ以外に、燃料カット時の吸入空気量Ｑａに相当する値として例えばエンジン回転速度Ｎｅを用いてもよい（燃料カット時はスロットル全閉なのでエンジン回転速度Ｎｅによって吸入空気量Ｑａが大略定まる）。
【００３０】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断装置において、触媒下流の空燃比センサは、理論空燃比を境に出力が急変する酸素センサであり、理論空燃比判定領域から僅かに外れたリーン判定スライスレベルによってリーン判定することを特徴とする。
【００３１】
このようにすれば、反応性が高い酸素の最大酸素蓄積量を精度良く算出でき、または、該最大酸素蓄積量に良好に対応したリーン判定を行え、触媒劣化診断精度が向上する。
（ロ）請求項３に記載の内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断装置において、吸入空気量相当値が、吸入空気量が大きい値であるほど、前記燃料カット後の所定時間を短く設定することを特徴とする。
【００３２】
このようにすれば、吸入空気量が大きいときは触媒への酸素蓄積速度が増大して短時間で最大酸素蓄積量に達するので、リーン判定予測時間が短縮され、これに応じて所定時間を短く設定することで触媒劣化状態を正しく診断できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンのシステム構成を示す図。
【図２】実施形態の空燃比制御のメインフローを示すフローチャート。
【図３】第１の実施形態における触媒劣化診断を示すフローチャート。
【図４】第１の実施形態における触媒劣化診断の様子を示すタイムチャート。
【図５】同上空燃比制御の空燃比フィードバック制御を示すフローチャート。
【図６】第２の実施形態における触媒劣化診断を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン　　２…燃料噴射弁　　６…排気通路　　７…三元触媒　　８…第１空燃比センサ　　９…第２空燃比センサ　　１０…コントロールユニット
１４…エアフローメータ　　１５…クランク角センサ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気系に装着された排気浄化用の触媒への酸素蓄積量を算出しつつ、機関の燃料カット時に、前記触媒下流の排気空燃比がリーンとなる時点での酸素蓄積量に基づいて、前記触媒の劣化状態を診断することを特徴とする内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断装置。
2. 前記触媒下流の排気空燃比がリーンとなる時点は、触媒下流に設けた空燃比センサがリーン判定した時点であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断装置。
3. 内燃機関の排気系に装着された排気浄化用の触媒への酸素蓄積量を目標値とするように空燃比フィードバック制御を行いつつ、機関の燃料カット時に吸入空気量相当値に基づき前記触媒下流の排気空燃比がリーンとなるまでの経過時間を予測し、該予測された経過時間より短く設定した所定時間経過時点で、前記触媒下流に設けた空燃比センサがリーン判定したときに、前記触媒が劣化していると診断することを特徴とする内燃機関の排気浄化用触媒の劣化診断装置。

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