JP2005188374A

JP2005188374A - 内燃機関の排気浄化装置およびバイパスバルブの故障検出方法

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Publication number: JP2005188374A
Application number: JP2003430272A
Authority: JP
Inventors: Koji Morita; 晃司森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP4305174B2

Abstract

【課題】機関空燃比、上流側触媒のＯ_２ストレージ量を精度よく制御することできるバイパスガス量を調整可能なバイパス触媒システムを有する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】バイパスガスの量を調節可能なバイパス触媒システムを有する排気浄化装置において、空燃比制御手段が、バイパスガスの量、上流側触媒の上流側に備えられた上流側空燃比検出手段の検出値および下流側に備えられた下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて、上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて内燃機関の気筒内の空燃比を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の触媒浄化装置に関し、特に、バイパス触媒システムを備えたものに関する。

内燃機関の排気浄化装置として、図７に示すように排気通路１０２に２つの触媒（１０３、１０４）を直列に設置し、さらに上流側触媒１０３をバイパスするバイパス通路１０５を備え、低負荷時には上流側触媒１０３側に、高負荷時にはバイパス通路１０５を介して直接下流側触媒１０４に排気ガスを流入させるように構成された、いわゆるバイパス触媒システムがある（例えば、特許文献１参照。）。そして、排気ガスを上流側触媒１０３に流入させるかバイパス通路１０５を介して直接下流側触媒１０４に流入させるかはバイパスバルブ１０６を切り換えることによって調整される。

また、上流側触媒１０３および下流側触媒１０４各々の排気流れ方向の直前に空燃比センサ（１０７、１０８）を備え、上流側触媒１０３に排気を流入させているときは上流側触媒１０３の直前に配置された空燃比センサ１０７の出力値に基づいて、下流側触媒１０４に直接排気ガスを流入させているときは下流側触媒１０４の直前に配置された空燃比センサ１０８の出力値に基づいて、ＥＣＵ１０９が気筒内の空燃比を制御している。

一方、従来から、触媒の上流側と下流側に空燃比センサを備え、基本的には上流側に備えられた上流側空燃比センサの出力値に基づいて気筒内の空燃比を制御し、下流側に備えられた空燃比センサの出力値に基づいて上流側空燃比センサの出力値のばらつきやガス当りの影響を補正することが行われている。
特開平１０−２０５３７４号公報特開平８−２４０１４０号公報特開平９−１６２５３号公報

図７に示した排気浄化装置においても、上流側触媒１０３の上流側と下流側に空燃比センサ（１０７、１０８）を備えていることから、上流側触媒１０３に排気ガスを流入させている場合には、上流側空燃比センサ１０７の出力値に基づいて気筒内の空燃比を制御し、下流側に備えられた下流側空燃比センサ１０８の出力値に基づいて上流側空燃比センサ１０７の出力値のばらつきやガス当りの影響を補正することも可能である。

しかしながら、バイパスバルブ１０６の位置を上流側触媒１０３側にのみ排気ガスを流入させるように制御しているにもかかわらず、バイパスバルブ１０６が故障していることによりバイパス通路１０５側にも排気ガスが流入し、上流側触媒１０３を通過せずに直接下流側空燃比センサ１０８、下流側触媒１０４を通過するおそれがある。

そして、かかる場合であって、バイパス通路１０５を介して直接下流側空燃比センサ１０８を通過する排気ガスの空燃比と上流側触媒１０３を通過した後の排気ガスの空燃比に差がある場合は、ＥＣＵ１０９は下流側空燃比センサ１０８の出力値は上流側触媒１０３を通過した後の排気の空燃比であると認識することから、適切に気筒内の空燃比を制御できなくなる。

同様に、上流側触媒１０３が、その内部に適量の酸素を吸蔵することができ、排気ガス
にＮＯｘが含まれているときは、酸素を吸蔵することでそのＮＯｘを還元し、また、排気ガスにＨＣやＣＯが含まれているときは、酸素を放出することでそれらを酸化することができる触媒である場合は、Ｏ_２ストレージ量を適切な量に制御することができなくなる。

また、図７に示した排気浄化装置におけるバイパスバルブ１０６は、排気ガスを上流側触媒１０３に流入させるかバイパス通路１０５を介して直接下流側触媒１０４に流入させるかを切り換えるものであるが、排気浄化の観点からは、排圧の上昇に起因して内燃機関の性能が低下しない範囲で、できる限り多くの排気ガスを上流側触媒を通過させることが望ましい。そのためには、内燃機関の運転状態に応じてバイパス通路を流通する排気ガス量（以下、「バイパスガス量」という。）を調節できるようにすることが好ましい。

しかし、かかる構成においては、上流側触媒を通過せずに下流側触媒に流入する排気ガスと上流側触媒を通過して下流側触媒に流入する排気ガスとが合流した排気ガスの空燃比を下流側空燃比センサが検出することから、上流側触媒の上下流に備えられた両空燃比センサの出力値に基づいて精度よく気筒内の空燃比、上流側触媒のＯ_２ストレージ量を制御することが困難となる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気筒内の空燃比、上流側触媒のＯ_２ストレージ量を精度よく制御することができるバイパスガス量を調整可能なバイパス触媒システムを有する内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

また、バイパス触媒システムがバイパスバルブを用いてバイパスガス量を調整する構成である場合において、当該バイパスバルブの故障検出方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、内燃機関の排気通路に直列的に備えられた、上流側に位置する上流側触媒および下流側に位置する下流側触媒と、排気ガスの一部を、前記上流側触媒を迂回させ前記下流側触媒の上流側で他の排気ガスと合流させるバイパス通路と、当該バイパス通路を流通する排気ガスであるバイパスガスの量を調節するバイパスガス量調節手段と、前記上流側触媒の上流側に備えられ排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、前記下流側触媒の上流側であって前記排気通路と前記バイパス通路の合流点の下流側に備えられ排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、前記バイパスガスの量を推定するバイパスガス量推定手段と、当該バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量、前記上流側空燃比検出手段の検出値および前記下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて、前記上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記内燃機関の気筒内の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする。

排気ガスの一部を、前記上流側触媒を迂回させ前記下流側触媒の上流側で他の排気ガスと合流させるバイパス通路と、当該バイパス通路を流通する排気ガスであるバイパスガスの量を調節するバイパスガス量調節手段とを有するいわゆるバイパス触媒システムを備えた排気浄化装置においも、バイパスガス量調節手段によりバイパスガスが零に調節されている場合は、従来と同様に、空燃比制御手段が、上流側触媒の上流側に備えられた上流側空燃比検出手段の検出値を、下流側に備えられた下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて内燃機関の気筒内の空燃比（以下、「機関空燃比」という。）を精度よく制御することができる。

また、機関空燃比と上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比は等しいので、上流側触媒
が、その内部に適量の酸素を吸蔵することができ、排気ガスにＮＯｘが含まれているときは、酸素を吸蔵することでそのＮＯｘを還元し、また、排気ガスにＨＣやＣＯが含まれているときは、酸素を放出することでそれらを酸化することができる触媒である場合は、空燃比制御手段が機関空燃比を精度よく制御することで、上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を精度よく制御することができ、Ｏ_２ストレージ量を適切な量に制御することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、バイパス通路を排気ガスが流通する場合においても、空燃比制御手段が、バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量、バイパスガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段の検出値および下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて、上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて機関空燃比を制御するので、精度よく機関空燃比あるいはＯ_２ストレージ量を適切な量に制御することができる。

具体的に、前記空燃比制御手段は、前記バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量および前記上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて、（１）前記下流側空燃比検出手段の検出値に基づく前記上流側空燃比検出手段の検出値の補正量を補正し、当該補正された前記上流側空燃比検出手段の検出値の補正量に基づいて前記上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、あるいは（２）前記下流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記内燃機関の気筒内の空燃比を制御することが好適である。

下流側空燃比検出手段を通過するバイパスガス量および当該バイパスガスの空燃比を把握できれば、下流側空燃比検出手段の検出値の内バイパスガスの影響による値を把握することができるので、好適に下流側空燃比検出手段の検出値に基づく上流側空燃比検出手段の検出値の補正量、あるいは下流側空燃比検出手段の検出値を補正することができる。

そして、前記下流側空燃比検出手段は排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサであり、前記空燃比制御手段は、前記バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量および前記上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて推定したバイパスガス中の酸素量に基づいて、（１）前記下流側空燃比検出手段の検出値に基づく前記上流側空燃比検出手段の検出値の補正量を補正すること、あるいは（２）前記下流側空燃比検出手段の検出値を補正することが好適である。

また、前記バイパスガス量調節手段は、前記バイパス通路の流路面積を変更可能なバイパスバルブと当該バイパスバルブの開度を制御するバルブ開度制御手段を備え、前記内燃機関の気筒内の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記バイパスバルブの開度を検出するバルブ開度検出手段と、をさらに備え、前記バイパスガス量推定手段は、前記バルブ開度検出手段が検出したバイパスバルブの開度および前記吸入空気量検出手段にて検出された吸入空気量に基づいてバイパスガス量を推定するものであることが好適である。

バイパスガス量は、バイパスバルブの開度および内燃機関から排出される排気ガス量によって推定することができ、内燃機関から排出される排気ガス量は吸入空気量とほぼ等しいと考えてよいので、バイパスガス量はバルブ開度検出手段が検出したバイパスバルブの開度および前記吸入空気量検出手段にて検出された吸入空気量に基づいて精度よく推定することができる。

本発明に係るバイパスバルブの故障を検出する方法にあっては、前記内燃機関のクラン
ク軸の回転数がほぼ一定である定常運転であるときに、前記バルブ開度制御手段がバイパスバルブの開度を所定量だけ変化させ、バイパスバルブが当該所定量だけ変化する間に検出された前記下流側空燃比センサの検出値の変化量が閾値よりも小さい場合に、バイパスバルブが故障していると検出することを特徴とする。

ここで、バイパスバルブの故障としては、バルブにデポジットがありバイパス通路を流通する排気ガスの抵抗となっている場合を例示することができる。

そして、定常運転であるときにバイパスバルブの開度を所定量だけ変化させると、バイパスバルブが正常であるときは、上流側触媒で反応していないバイパスガスの量が変動するため、下流側空燃比センサの検出値もそれにしたがって所定値だけ変動するはずである。ゆえに、バイパスバルブが所定量だけ変化する間に検出された下流側空燃比センサの検出値の変化量が閾値よりも小さい場合には、実際のバイパスガス量が所定量変動していないことを検出することができ、バイパスバルブにデポジットがある等の故障が生じていることを確実に検出することができる。これにより、排圧が上昇することに起因して内燃機関の出力性能が低下することあるいは誤って機関空燃比が制御されることを防止することができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、バイパスガス量を調整可能なバイパス触媒システムを有する場合においても、気筒内の空燃比、上流側触媒のＯ_２ストレージ量を精度よく制御することができる。

また、本発明に係るバイパスバルブの故障検出方法によれば、バイパスバルブの故障を確実に検出することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を以下の実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１の排気浄化装置の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式の内燃機関（ガソリン機関）であり、自動車等に搭載される機関である。そして、内燃機関１の排気通路２には、２つの触媒、すなわち排気通路２の上流側に設けられた上流側触媒３と下流側に設けられた下流側触媒４が直列に設置されている。

触媒３、４は、その内部に適量の酸素を吸蔵することができ、排気ガスにＮＯｘが含まれているときは、酸素を吸蔵することでそのＮＯｘを還元し、また、排気ガスにＨＣやＣＯが含まれているときは、酸素を放出することでそれらを酸化することができる三元触媒である。

また、本実施の形態に係る排気浄化装置はいわゆるバイパス触媒システムを有しており、排気通路２には、上流側触媒３の上流において分岐し、上流側触媒３を迂回して下流側触媒４の上流において再度合流するようにバイパス通路５が接続されている。そして、バイパス通路５には、当該バイパス通路５の流路面積を変更可能なバイパスバルブ６が備え
られており、当該バイパスバルブ６は後述するＥＣＵ１５によりその開度が制御される。ゆえに、ＥＣＵ１５がバイパスバルブ６の開度を制御することによりバイパス通路５を流通する排気ガス（以下、「バイパスガス」という。）の量、すなわちバイパスガス量を調節することが可能であり、ＥＣＵ１５およびバイパスバルブ６はバイパスガス量調節手段として機能する。

そして、バイパスバルブ６の開度が零でバイパス通路５の流路が閉ざされている場合は、バイパス通路５には排気ガスが流れずに排気通路２のみに排気ガスが流れ、内燃機関から排出された排気ガス全てが上流側触媒３を通過する。一方、バイパスバルブ６の開度が零ではなくバイパス通路５の流路が開かれている場合は、内燃機関１からの排気ガスの内バイパスバルブ６の開度に応じた分の量だけバイパスガスとしてバイパス通路５を流通すると共に、残りの排気ガスが上流側触媒３を通過する。そして、下流側触媒４の上流で、バイパスガスと上流側触媒３を通過した排気ガスが合流し、合流したガスが下流側触媒４を通過する。なお、上流側触媒３を通過した排気ガスであって、バイパスガスと合流する前の排気ガスを「合流前ガス」と称する。

排気通路２のバイパス通路５への分岐点より上流には、内燃機関１から排出された直後の排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力特性を有するメインＡ／Ｆセンサ７（上流側空燃比検出手段）が設けられている。また、上流側触媒３の下流であって排気通路２とバイパス通路５との合流点の下流には、排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを検出するための、いわゆるＺ特性を有する酸素濃度センサであるサブＯ_２センサ８（下流側空燃比検出手段）が設けられている。そして、この機関は、基本的には上流側に備えられたメインＡ／Ｆセンサ７の出力値に基づいて気筒内の空燃比（以下、「機関空燃比」という。）を制御し、下流側に備えられたサブＯ_２センサ８の出力値に基づいてメインＡ／Ｆセンサ７の出力値のばらつきやガス当りの影響を補正するフィードバック制御を実施する機関である。

一方、吸気系においては、吸気通路９を流通する空気の流量を調節するスロットルバルブ１０が設けられおり、その開度が後述するＥＣＵ１５により制御される。そして、エアクリーナ１１を通過して吸気通路９に流入してきた空気がスロットルバルブ１０でその流量が調節されて気筒内に吸入される。そして、スロットルバルブ１０の下流の吸気通路９に、吸入空気量（ＧＡ）を検出するための吸入空気量検出手段としてのエアフローメータ１２が取り付けられている。

また、内燃機関１の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁１３を備えており、当該燃料噴射弁１３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁１３が開弁し、図示しない燃料タンクから供給される燃料が吸気ポートへ噴射されるようになっている。

さらに、内燃機関１には出力軸（クランク軸）の回転位相を検出するクランクポジションセンサ１４が設けられている。このクランクポジションセンサ１４から発生されるパルスは後述するＥＣＵ１５に入力され、ＥＣＵ１５は、一定時間毎にクランク軸の回転数（以下、「機関回転数」という。）を算出する。

このように構成されたバイパス触媒システムを有する排気浄化装置を備えた内燃機関には、電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１５が併設されている。

ＥＣＵ１５には、上述したメインＡ／Ｆセンサ７や、サブＯ_２センサ８、エアフローメータ１２、クランクポジションセンサ１４、バイパスバルブの開度を検出するバルブ開度センサ（バルブ開度検出手段）１６等が電気的に接続され、それらの出力信号がＥＣＵ１
５へ入力されるようになっている。更に、ＥＣＵ１５には、上述したバイパスバルブ６、スロットルバルブ１０、燃料噴射弁１３等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１５が指令信号を出力することにより、バイパスバルブ６およびスロットルバルブ１０の開度、燃料噴射弁１３から噴射される燃料量を制御することが可能になっている。

機関空燃比は、気筒内に吸入されるガス量（気筒内に内燃機関外からの空気しか吸入されない場合は吸入空気量）および気筒内に供給される燃料量にて定まることから、所望の機関空燃比になるように前記スロットルバルブ１０の開度および燃料噴射弁１３を制御可能なＥＣＵ１５が空燃比制御装置（空燃比制御手段）として機能する。また、ＥＣＵ１５はバイパスバルブ６の開度をも制御することからバルブ開度制御手段としても機能する。

ここで、上述したようなバイパス触媒システムにおいては、低負荷時には排気ガスをより確実に浄化すべく、バイパスバルブ６の開度を零にして内燃機関から排出される排気ガス全てが上流側触媒３を通過するようにする。そして、要求される負荷が上昇するのに応じて、その負荷に応え得るようにバイパスバルブ６の開度を大きくするようにする。つまり、その開度は、上流側触媒３を排気ガスが通過することで排圧が上昇するのに起因して、内燃機関の出力が要求される負荷に応えることができなくならないように設定されるものであり、機関回転数および負荷毎に決定される。

一方、上述したように、上流側触媒３は、その内部に適量の酸素を吸蔵することができ、排気ガスにＮＯｘが含まれている場合は、酸素を吸蔵することでそのＮＯｘを還元し、また、排気ガスにＨＣやＣＯが含まれている場合は、酸素を放出することでそれらを酸化することができる三元触媒である。

この三元触媒のＯ_２ストレージ能力は、排気ガスがリーン状態にあるときに過剰分の酸素を吸蔵し、排気ガスがリッチ状態にあるときに不足分の酸素を放出することにより、排気ガスを浄化するものであるが、このような能力は有限なものである。従って、Ｏ_２ストレージ能力を効果的に利用するためには、排気ガスの空燃比が次にリッチ状態又はリーン状態のいずれとなってもいいように、触媒中に吸蔵されている酸素の量（Ｏ_２ストレージ量）を所定量（例えば、最大酸素吸蔵量の半分）に維持することが肝要であり、そのように維持されていれば、常に一定のＯ_２吸蔵・放出作用が可能となり、結果として触媒による一定の酸化・還元能力が常に得られる。

そして、Ｏ_２ストレージ量を所定量に維持するには、上流側触媒３から排出される排気ガスの空燃比（従って、上流側触媒３に流入する排気ガスの空燃比）が、理論空燃比に極めて近い状態となるように制御する必要がある。

そこで、本実施の形態の空燃比制御装置は、バイパスバルブ６の開度が零で、内燃機関からの排気ガスが全て上流側触媒３を通過する場合においては、内燃機関１からの排気ガスに関する状態量の一つであるサブＯ_２センサ８の検出値が理論空燃比に略相当する目標値となるように、サブＯ_２センサ８の検出値（即ち、上流側触媒３下流の排気ガスの空燃比）にも基づいて機関空燃比をフィードバック制御する。なお、機関空燃比と上流側触媒３の上流側における排気ガスの空燃比、すなわちメインＡ／Ｆセンサ７により検出される空燃比は等しいので、本空燃比制御装置は上流側触媒３の上流側の排気ガスの空燃比をフィードバック制御しているとも言える。

より具体的には、空燃比制御装置は、サブＯ_２センサ８の検出値が理論空燃比よりリーンの空燃比を表す値となると、サブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）してサブフィードバック制御量（以下、「サブＦ／Ｂ制御量」という。）を求め、当該サブＦ／Ｂ制御量分だけメインＡ／Ｆセンサ７の
検出値を補正する。これにより、実際の機関空燃比が、メインＡ／Ｆセンサ７の検出値に基づく空燃比（検出空燃比）よりも見かけ上リーン側であるように設定される。

そして、その補正した見かけ上の空燃比が理論空燃比である目標空燃比と等しくなるように内燃機関に供給する燃料量（燃料噴射量）を調整するためのフィードバック補正量を算出し、内燃機関の一吸気行程における筒内吸入空気量に相当する値を理論空燃比で除した値に応じて決定される基本噴射量を前記算出したフィードバック補正量により補正することで、機関空燃比のフィードバック制御を実行する。

同様に、サブＯ_２センサ８の検出値が理論空燃比よりリッチの空燃比を表す値となると、サブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）してサブＦ／Ｂ制御量を求め、同サブＦ／Ｂ制御量分だけメインＡ／Ｆセンサ７の出力を補正し、これにより、実際の機関空燃比が、メインＡ／Ｆセンサ７の検出空燃比よりも見かけ上リッチ側であるように設定し、その補正した見かけ上の空燃比が理論空燃比である目標空燃比と等しくなるように内燃機関に供給する燃料量（燃料噴射量）を調整するためのフィードバック補正量を算出し、内燃機関の一吸気行程における筒内吸入空気量に相当する値を理論空燃比で除した値に応じて決定される基本噴射量を前記算出したフィードバック補正量により補正することで、機関空燃比のフィードバック制御を実行する。

バイパスバルブ６の開度が零で、内燃機関からの排気ガスが全て上流側触媒３を通過する場合は、上述したようにメインＡ／Ｆセンサ７の検出空燃比をサブＯ_２センサ８の検出空燃比で補正することで精度よく機関空燃比（上流側触媒３の上流側の排気ガスの空燃比）を制御することができるが、バイパスバルブ６の開度が零ではない場合は、上流側触媒３を通過せずにバイパス通路５を流通してサブＯ_２センサ８を通過する排気ガス、つまりバイパスガスが存在することから、本来なら上流側触媒３通過時に触媒反応で消費される酸素が、バイパス通路５を流通してそのままサブＯ_２センサ８で検出されることとなる。その結果、排気ガス全てが上流側触媒３を通過する場合よりもバイパスガスの分サブＯ_２センサ８の検出値がリーンの空燃比を表す値となり、メインＡ／Ｆセンサ７の検出空燃比よりも見かけ上バイパスガスの分リーン側であるように設定され、設定された見かけ上の空燃比が理論空燃比である目標空燃比と等しくなるように内燃機関に供給する燃料量（燃料噴射量）を調整するためのフィードバック補正量を算出してしまう。

そこで、本実施の形態においては、以下のようにして、バイパスガス量に応じて上述したサブＦ／Ｂ制御量を補正し、補正したサブＦ／Ｂ制御量に基づいてフィードバック制御を実行するようにする。

具体的に、本実施の形態のフィードバック制御の供給燃料量（燃料噴射量）を決定するための制御ルーチンのフローチャートを示したのが図２である。本制御ルーチンは、予めＥＣＵ１５のＲＯＭに記憶されており、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサ１４からのパルス信号の入力などをトリガーとした割り込み処理としてＥＣＵ１５が実行するようにするものである。

本ルーチンにおいて、先ずＥＣＵ１５は、ステップ（以下、「Ｓ」という。）１０１において、バイパスバルブ６の開度を検出する。これは、バルブ開度センサ１６にて検出するものである。

その後Ｓ１０２に進み、バイパスガス量を推定する。これは、バイパスバルブ６の開度、気筒内に吸入される吸入空気量およびバイパスガス量との間には図３に示すような相関関係があるので、予め導き出されＲＯＭに記憶されたこの関係と、Ｓ１０１にて検出され
たバイパスバルブ６の開度、エアフローメータ１２にて検出された吸入空気量とに基づいて推定するものである。このように、本ステップがバイパスガス量推定手段として機能する。

その後Ｓ１０３に進み、バイパス通路５を流通するバイパスガス中の酸素量を推定する。これは、メインＡ／Ｆセンサ７の検出空燃比より内燃機関から排出された直後の排気ガスの空燃比、すなわちバイパスガスの空燃比を把握することができるので、当該バイパスガスの空燃比およびＳ１０２にて推定されたバイパスガス量とから推定するものである。

その後Ｓ１０４へ進み、サブＦ／Ｂ制御量を補正する補正値を算出する。これは、バイパスガス中の酸素量と当該補正値との間には図４に示すような相関関係があるので、予め導き出されＲＯＭに記憶されたこの関係と、Ｓ１０３にて推定されたバイパスガス中の酸素量とに基づいて算出するものである。なお、図４に示すように、バイパスガス中の酸素量が零、つまりバイパスバルブ６の開度が零である場合は、当該補正値は零となり、バイパスガス中の酸素量が多い程、当該補正値はリッチ側に補正する値が大きくなる。

その後Ｓ１０５へ進み、サブＦ／Ｂ制御量を算出する。これは、上述したようにサブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して求めた値をＳ１０４にて算出した補正値で補正するものである。

例えば、バイパスバルブ６の開度が零でない場合、つまりバイパスガスがサブＯ_２センサ８を通過する場合は、サブＯ_２センサ８は合流前ガスの空燃比に相当する値よりもリーンの空燃比を示す値を検出し、当該検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して求められた値が、Ｓ１０４にて算出された補正値によりリッチ側に補正されてサブＦ／Ｂ制御量として算出される。一方、バイパスバルブ６の開度が零である場合は、Ｓ１０４にて算出される補正値は零となり、また、バイパスガスがサブＯ_２センサ８を通過しないので、サブＯ_２センサ８は上流側触媒３を通過した排気ガスの空燃比に相当する値を検出する。そのため、サブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して求められた値が、サブＦ／Ｂ制御量として算出される。

その後Ｓ１０６へ進み、内燃機関に供給する燃料量（燃料噴射量）を決定する。これは、先ず、Ｓ１０５にて算出したサブＦ／Ｂ制御量分だけメインＡ／Ｆセンサ７の検出値を補正して、実際の機関空燃比を設定する。その後、設定された機関空燃比が理論空燃比である目標空燃比と等しくなるように内燃機関に供給する燃料量を調整するためのフィードバック補正量を算出し、内燃機関の一吸気行程における筒内吸入空気量に相当する値を理論空燃比で除した値に応じて決定される基本噴射量を、前記算出したフィードバック補正量により補正することで決定するものである。

以上のようにして燃料噴射量が決定されると、ＥＣＵ１５は、当該決定された燃料量を噴射するように燃料噴射弁１３を制御する。

このようにすることで、バイパス触媒システムを備えた排気浄化装置においても、機関空燃比を精度よくフィードバック制御することができる。同様に、上流側触媒３のＯ_２ストレージ量も最適な量に制御することができる。

なお、図２に示したフローチャートにおいては、Ｓ１０４にてメインＡ／Ｆセンサ７の検出値を補正するサブＦ／Ｂ制御量をさらに補正する補正値を算出し、Ｓ１０５にて当該補正値を考慮してサブＦ／Ｂ制御量を算出しているが、特にこれに限定されるものではなく、Ｓ１０４では、Ｓ１０３にて推定したバイパスガス中の酸素量に基づいてサブＯ_２セ
ンサ８の検出値自体を補正する補正値を算出し、Ｓ１０５では、当該補正値により補正されたサブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）してサブＦ／Ｂ制御量を算出してもよい。かかる場合には、バイパスガス中の酸素量とサブＯ_２センサ８の検出値を補正する補正値との相関関係を予め導き出して、ＲＯＭに記憶しておくようにする。

また、上流側触媒３の下流であって排気通路２とバイパス通路５との合流点の下流に、酸素濃度センサであるサブＯ_２センサ８を設けているが、当該酸素濃度センサの代わりに排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力特性を有する空燃比センサを設けてもよいことはいうまでもない。

上述したフィードバック制御は、バイパスバルブ６が正常である場合には有効である。しかし、例えば、バイパスバルブ６にデポジットが存在する場合には、バイパスバルブ６が開いていてもそのデポジットが抵抗となり、Ｓ１０２にて推定するバイパスガス量と実際のバイパスガス量にずれが生じることとなる。そして、かかる場合には精度よくフィードバック制御を実行することが困難となる。また、バイパス通路５を所望量の排気ガスが流通しないため、排圧が上昇して所望の出力性能が得られなくなる。

そのため、バイパス触媒システムを備え、サブＯ_２センサ８の検出値にも基づいてサブフィードバック制御を行なう内燃機関においては、バイパスバルブ６の故障を検出することが重要となる。

そこで、次に、バイパスバルブの故障検出方法について説明する。概略としては、ＥＣＵ１５が、定常運転時にバイパスバルブ６の開度が零から最大になるまで強制的に駆動させ、その間に変化したサブＯ_２センサ８の検出値の変化量が閾値より小さい場合に、バイパスバルブ６が故障していると検出するものである。

バイパスバルブ６が正常である場合は、定常運転時にバイパスバルブ６の開度を零から最大になるまで強制的に駆動させると、バイパスガス量が増加するので、サブＯ_２センサ８の検出値もそれにしたがってリーン側に所定値変化する。それゆえ、サブＯ_２センサ８の実際の検出値の変化量が所定値よりも小さいということは、バイパスバルブ６にデポジットが存在する等の理由によりバイパスガスが所定量増加していないことを意味する。本実施の形態に係るバイパスバルブの故障検出方法は、かかる性質を利用するものである。

以下に、本実施の形態に係るバイパスバルブの故障検出方法について図５に示したフローチャートに基づいて説明する。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１５のＲＯＭに記憶されており、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサ１４からのパルス信号の入力などをトリガーとした割り込み処理としてＥＣＵ１５が実行するようにするものである。

本ルーチンにおいて、先ずＥＣＵ１５は、Ｓ２０１において、内燃機関１の運転状態が定常運転であるか否かを判別する。ここで、定常運転とは、機関回転数がほぼ一定である（機関回転数の変動が予め定められた所定の範囲内である）状態をいう。内燃機関１の運転状態が定常運転であるか否かを判別する方法としては、クランクポジションセンサ１４からのパルスに基づいて算出する機関回転数が所定時間ほぼ一定であるか否かを判別することを例示することができる。そして、本ステップで肯定判別された場合はＳ２０２へ進む。

Ｓ２０２においては、バイパスバルブ６の開度が零から最大になるまで強制的に駆動させる。その後、Ｓ２０３において、バイパスバルブ６の開度が零から最大になるまで強制
的に駆動させている間に検出されるサブＯ_２センサ８の検出値の変化量を算出する。

その後、Ｓ２０４に進み、本ステップにおいてバイパスバルブ６が故障しているか否かを判断するための閾値を決定する。ここで、閾値は、バイパスバルブ６が正常である場合に、バイパスバルブ６を開度零から開度が最大になるまで強制的に駆動させた場合のサブＯ_２センサ８の検出値の変化量であり、機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比をパラメータとする値である。そしてかかる閾値を、機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比ごとに予め導き出してマップを作成し、ＲＯＭに記憶しておく。又は、バイパスバルブ６が正常である場合のサブＯ_２センサ８の検出値の変化量よりもフィードバック制御に影響ない限度で小さく設定した値でも良い。そして、本ステップでは、現時点の運転状態で検出された機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比に相当する値を閾値として決定する。

その後Ｓ２０５へ進み、Ｓ２０３で算出されたサブＯ_２センサ８の検出値の変化量がＳ２０４で決定された閾値よりも小さいか否かを判別する。そして、肯定判別された場合にはＳ２０６へ進み、否定判別された場合にはＳ２０７へ進む。

Ｓ２０６においては、バイパスバルブ６が異常であると検出し、本ルーチンの実行を終了する。Ｓ２０３にて算出された変化量がＳ２０４で決定された閾値よりも小さいということは、バイパスバルブ６の開度の割にはバイパスガス量が少ないということを意味し、これはバイパスバルブ６にデポジットが存在する等の異常があることを意味するからである。

一方、Ｓ２０６にて否定判別された場合にはＳ２０７へ進み、バイパスバルブ６が正常であると検出し、本ルーチンの実行を終了する。Ｓ２０３にて算出された変化量がＳ２０４で決定された閾値以上であるということは、バイパスバルブ６の開度に適当な量のバイパスガスが流通していることを意味し、これはバイパスバルブ６が正常であることを意味するからである。

Ｓ２０１で否定判別された場合は本ルーチンの実行を終了する。内燃機関が定常運転でない場合、つまり、機関回転数が所定の範囲以上に変動している場合は、Ｓ２０３で算出する変化量とＳ２０４で決定する閾値のずれがバイパスバルブ６の故障によるものなのか、機関回転数の変動によるものかを判別するのが困難だからである。

なお、上述したバイパスバルブの故障検出方法においては、サブＯ_２センサ８の検出値の変化量を算出し、当該変化量が閾値より小さいか否かを判別してバイパスバルブ６の異常を検出しているが、特にかかる場合に限定されるものではなく、サブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して求めた値の変化量が閾値より小さいか否かで判別しても良い。

ただし、かかる場合の閾値は、バイパスバルブ６が正常である場合に、バイパスバルブ６を開度零から開度が最大になるまで強制的に駆動させた場合の、サブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して求めた値の変化量であり、機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比をパラメータとする値である。そしてかかる閾値を、機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比ごとに予め導き出してマップを作成し、ＲＯＭに記憶しておく。又は、バイパスバルブ６が正常である場合のサブＯ_２センサ８の検出値サブＯ_２センサ８の検出値と理論空燃比に略相当する目標値との偏差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して求めた値の変化量よりもフィードバック制御に影響ない限度で小さく設定した値でも良い。そして、Ｓ２０４では、現時点の運転状態で検出された機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比に
相当する値を閾値として決定する。

また、上述したバイパスバルブの故障検出方法においては、バイパスバルブ６の開度を零から最大になるまで強制的に駆動させる場合について述べたが、特にかかる場合に限定されるものではなく、所定の開度だけ強制的に駆動させ、かかる間のサブＯ_２センサ８の検出値の変化量が閾値より小さいか否かで検出しても良い。ただし、かかる場合は、機関回転数、吸入空気量およびバイパスガスの空燃比に加え、前記所定の開度もパラメータとして閾値を決定する必要がある。

また、上述したバイパスバルブの故障検出方法において、バイパスバルブ６が異常であると検出された場合には、ウォーニングランプを点灯する等して当該内燃機関１が搭載された車両等の使用者に知らせるようにすることが好適である。

実施の形態に係るバイパス触媒システムを有する内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。供給燃料量を決定するための制御ルーチンのフローチャートを示す図である。バイパスバルブ開度、バイパスガス量及び吸入空気量の関係を示す図である。バイパスガス中の酸素量とサブＦ／Ｂ制御量の補正値の関係を示す図である。バイパスバルブの故障検出方法に係る制御ルーチンのフローチャートを示す図である。バイパスバルブ開度とサブＯ_２センサの検出値の変化量の関係を示す図である。従来の技術に係るバイパス触媒システムを有する内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１内燃機関
２排気通路
３上流側触媒
４下流側触媒
５バイパス通路
６バイパスバルブ
７メインＡ／Ｆセンサ
８サブＯ_２センサ
９吸気通路
１０スロットルバルブ
１１エアクリーナ
１２エアフローメータ
１３燃料噴射弁
１４クランクポジションセンサ
１５ＥＣＵ
１６バルブ開度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に直列的に備えられた、上流側に位置する上流側触媒および下流側に位置する下流側触媒と、
排気ガスの一部を、前記上流側触媒を迂回させ前記下流側触媒の上流側で他の排気ガスと合流させるバイパス通路と、
当該バイパス通路を流通する排気ガスであるバイパスガスの量を調節するバイパスガス量調節手段と、
前記上流側触媒の上流側に備えられ排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記下流側触媒の上流側であって前記排気通路と前記バイパス通路の合流点の下流側に備えられ排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記バイパスガスの量を推定するバイパスガス量推定手段と、
当該バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量、前記上流側空燃比検出手段の検出値および前記下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて、前記上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記内燃機関の気筒内の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御手段は、前記バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量および前記上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて、前記下流側空燃比検出手段の検出値に基づく前記上流側空燃比検出手段の検出値の補正量を補正し、当該補正された前記上流側空燃比検出手段の検出値の補正量に基づいて前記上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記内燃機関の気筒内の空燃比を制御す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装置。
前記下流側空燃比検出手段は排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサであり、
前記空燃比制御手段は、前記バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量および前記上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて推定したバイパスガス中の酸素量に基づいて、前記下流側空燃比検出手段の検出値に基づく前記上流側空燃比検出手段の検出値の補正量を補正することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御手段は、前記バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量および前記上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記下流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された下流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記上流側空燃比検出手段の検出値を補正し、当該補正された上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて前記内燃機関の気筒内の空燃比を制御す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装置。
前記下流側空燃比検出手段は排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサであり、
前記空燃比制御手段は、前記バイパスガス量推定手段にて推定したバイパスガスの量および前記上流側空燃比検出手段の検出値に基づいて推定したバイパスガス中の酸素量に基づいて前記下流側空燃比検出手段の検出値を補正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記バイパスガス量調節手段は、前記バイパス通路の流路面積を変更可能なバイパスバルブと当該バイパスバルブの開度を制御するバルブ開度制御手段を備え、
前記内燃機関の気筒内の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記バイパスバルブの開度を検出するバルブ開度検出手段と、をさらに備え、
前記バイパスガス量推定手段は、前記バルブ開度検出手段が検出したバイパスバルブの
開度および前記吸入空気量検出手段にて検出された吸入空気量に基づいてバイパスガス量を推定するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
請求項６に記載のバイパスバルブの故障を検出する方法であって、
前記内燃機関のクランク軸の回転数がほぼ一定である定常運転であるときに、前記バルブ開度制御手段がバイパスバルブの開度を所定量だけ変化させ、バイパスバルブが当該所定量だけ変化する間に検出された前記下流側空燃比センサの検出値の変化量が閾値よりも小さい場合に、バイパスバルブが故障していると検出することを特徴とするバイパスバルブの故障検出方法。