JP2005256702A - 触媒装置劣化評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒装置の上流と下流とにＯ_２センサを設けて、それぞれのＯ_２センサの出力から触媒装置の数学モデルを使用して触媒装置の劣化を評価する場合、上流側のＯ_２センサの出力が頻繁に変化するため、Ｏ_２センサに代えてコストの高い空燃比センサを用いることになった。
【解決手段】燃料を燃焼させることにより生成される燃焼ガスを浄化する触媒装置の、上流側に燃焼ガス中の酸素量に反応して信号を出力する第一検出器を、下流側に燃焼ガス中の酸素量に反応して信号を出力する第二検出器をそれぞれ設け、燃焼ガスを触媒装置に通過させた際の第一検出器と第二検出器とがそれぞれ出力する信号に基づいて触媒装置の数学モデルを逐次同定し、数学モデルの変数に基づいて触媒装置の劣化状態を評価する触媒劣化評価方法であって、第一検出器及び第二検出器が出力する信号それぞれからその変化の中心値を抽出する処理を行い、抽出したそれぞれの中心値に基づいて触媒装置の数学モデルを逐次同定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両などで使用される内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒装置の劣化状態を評価する方法に関するものである。

従来、例えば自動車に搭載される内燃機関すなわちエンジンから排出される排気ガスを浄化するために、エンジンに接続される排気通路に触媒装置を装備することが知られている。このような触媒装置は、経年変化などにより劣化すると、一酸化炭素や炭化水素などの排気ガス中の有害物質の排出量が増加するため、自動車の使用中に故障診断ができるようにすることが求められている。このような使用中の故障診断の方法として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。

この特許文献１のものは、触媒装置の上流側及び下流側に排ガスセンサを配置し、ぞれぞれの排気ガスセンサから出力されたデータに基づき、排気通路のモデルのパラメータの値を同定し、同定により得られたパラメータの同定値のばらつき度合いを表すパラメータの値に基づいて触媒装置の劣化状態を評価するものである。

このような構成において、触媒装置の上流側の排ガスセンサは、排気ガス中における空燃比を検出する空燃比センサであり、下流側の排ガスセンサは、排気ガス中の特定成分すなわち酸素の含有量を検出するＯ_２センサである。
特開２００１−１８２５２８

ところで、自動車に搭載されるエンジンにあっては、空燃比の検出と触媒装置の劣化状態を評価する（検出する）ために、従来から触媒装置の上流側と下流側とにそれぞれＯ_２センサを配置するものが知られている。触媒装置の上流側では、エンジンから排出された排気ガスが直接Ｏ_２センサに接触するため、そのＯ_２センサの出力は、排気ガスの変化つまり空燃比の変化を敏感に反映するものである。一方、触媒装置の下流側においては、触媒装置により排気ガスが一旦集積されるため排気ガスの変化は平均化され、したがってＯ_２センサの出力は、上流側のものに比較して穏やかなものになる。

このような構成において、触媒装置の劣化検出は、定常運転状態において燃料量を強制的に増減して空燃比をリッチあるいはリーンにし、その時の下流側のＯ_２センサの反応時間を検出して行っている。触媒装置が劣化してくると、強制的に変化させた空燃比に対するＯ_２センサの反応時間が短くなるので、劣化を検出することができる。このような方法では、過渡運転状態のように急激に空燃比が変化する運転状態では、実際に触媒装置に導入される排気ガスの空燃比が変化しているため、反応時間の短縮が過渡運転時の空燃比の変化によるものなのか、触媒装置の劣化によるものなのか判断が不可能になり、触媒装置の劣化を検出することが困難になった。

そこで、このようなＯ_２センサを触媒装置の上流と下流とに配置した構成に対して、上記した特許文献１に示される触媒装置の評価方法を当てはめると、触媒装置の上流に配置するＯ_２センサが出力するデータが頻繁に変化するために、下流に配置されたＯ_２センサが出力するデータと同期せず、それらデータを使用して同定を行うことが困難になる。このため、上記特許文献１にあっては、触媒装置の上流に配置する排ガスセンサとして、触媒装置に進入する排ガスを生成した混合気の空燃比を表す出力を発生するいわゆる空燃比センサを使用し、このような不具合を解消している。しかしながら、Ｏ_２センサと空燃比センサとを比較した場合、空燃比センサは高価であるため、製造コストを上昇させることになった。

本発明は、以上のような不具合を解消するためになされたものである。

すなわち、本発明の触媒装置劣化評価方法は、燃料を燃焼させることにより生成される燃焼ガスを浄化する触媒装置の、上流側に燃焼ガス中の酸素量に反応して信号を出力する第一検出器を、下流側に燃焼ガス中の酸素量に反応して信号を出力する第二検出器をそれぞれ設け、燃焼ガスを触媒装置に通過させた際の第一検出器と第二検出器とがそれぞれ出力する信号に基づいて触媒装置の数学モデルを逐次同定し、数学モデルの変数に基づいて触媒装置の劣化状態を評価する触媒劣化評価方法であって、第一検出器及び第二検出器が出力する信号それぞれからその変化の中心値を抽出する処理を行い、抽出したそれぞれの中心値に基づいて触媒装置の数学モデルを逐次同定することを特徴とする。

本発明において数学モデルとは、触媒装置を線形化して入力に対する出力の関係を数式化したもので、複数の変数すなわちパラメータを含んで形成されている。本発明における数学モデルは、触媒装置が劣化していない、言い換えれば使用を開始した直後の状態に対応して基本となるモデルを作成しておくものである。この数学モデルを逐次同定する場合、本発明にあっては、入力は第一検出器が出力する信号の変化の中心値であり、出力は第二検出器が出力する信号の変化の中心値である。

このような構成であれば、第一検出器と第二検出器とのそれぞれが出力する信号の例えば周期の変化が異なっていても、その変化の中心値を抽出することにより両方の中心値の相関性を高くすることが可能になる。したがって、数学モデルを用いる逐次同定を容易にすることが可能になる。

処理を簡素化するためには、中心値を抽出する処理が、第一及び第二検出器が出力する信号それぞれから所定周波数を下回る信号を相互に同期して濾過し、濾過したそれぞれの信号から逐次同定に用いる信号を抽出するものが好ましい。

本発明は、以上説明した構成であるので、第一及び第二検出器が出力する信号それぞれからその変化の中心値を抽出する処理を行うことで、第一検出器と第二検出器とをＯ_２センサにより構成した場合であっても、精度よく触媒装置の劣化を評価することができる。従って、触媒装置の劣化を評価するための構成を安価にすることが可能になる。

また、中心値を抽出する処理を、第一及び第二検出器が出力する信号それぞれから所定周波数を下回る信号を相互に同期して濾過し、濾過したそれぞれの信号から逐次同定に用いる信号を抽出する構成とすれば、逐次同定に用いる信号の抽出が容易になり、触媒装置の効率のよい動作状態において劣化の評価を実施することができ、触媒装置の評価精度を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜４を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態を適用する内燃機関すなわちエンジン１を含む電子制御装置２の全体構成を示すブロック図である。エンジン１は、例えば車両特には自動車に搭載される３気筒や４気筒あるいは６気筒などの多気筒のものである。このエンジン１は、例えば燃料噴射式のもので、吸気管圧力とエンジン回転数とに基づいて燃料噴射量の基本量を設定し、その基本量をエンジン温度（エンジン冷却水温）や要求量などに応じて補正するとともに、排気ガス中の空燃比に基づいて補正して燃料噴射量を設定するものである。

このようなエンジンにおいて、エンジンが運転された際に生成される燃焼ガスは排気ガスとなって、排気ポート１１から排気管路３を形成する排気マニホルド３１、触媒装置３２及び排気管３３を介して排出されるものである。排気ポート１１に連通するとともに触媒装置３２に連通する排気マニホルド３１は、触媒装置３２の上流側に位置し、上流側の第一検出器であるフロントＯ_２センサ４が取り付けてある。触媒装置３２の下流には排気管３３が接続され、その排気管３３の触媒装置３２に近い位置に下流側の第二検出器であるリアＯ_２センサ５が取り付けてある。

フロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５は、エンジン１の運転状態を検出する吸気圧センサ、回転数センサ、水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサなどの各種のセンサ（図１において一括して示す）６とともに、エンジン１の運転状態を制御する電子制御装置２に電気的に接続される。電子制御装置２は、マイクロプロセッサ２１、ＲＯＭ２２とＲＡＭ２３とを備えてなるメモリ２４、入力インターフェース２５、及び出力インターフェース２６を備えている。フロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５から出力されるそれぞれの出力信号すなわちフロント出力信号Ｏｆ及びリア出力信号Ｏｒは、上述の各種のセンサ６が出力する出力信号とともに、入力インターフェース２５により受け付けられて、電子制御装置２で処理される。なお、フロント出力信号Ｏｆ及びリア出力信号Ｏｒは、以下に説明する触媒装置３２の劣化評価のため以外に、空燃比を制御する目的に対しても使用されるものである。

図２を交えて、フロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５が出力するフロント出力信号Ｏｆ及びリア出力信号Ｏｒについて説明する。フロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５は、エンジン１から排気された燃焼ガスつまり排気ガスと接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じて例えばほぼ１ボルトとほぼ０ボルトとの値の信号を出力する。このようなフロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５の場合は、排気ガス中の酸素濃度に比例する信号を出力するものではない。そして、フロントＯ_２センサ４は、エンジン１から排気された排気ガスに直接的に接触して排気ガス中の酸素に反応するため、図２の（ａ）に示すように、排気間隔（タイミング）に応じてフロント出力信号Ｏｆが短い周期で、つまり短時間の間に繰り返し変化する。これに対してリアＯ_２センサ５の出力するリア出力信号Ｏｒは、排気ガスが触媒装置３２に一時的に蓄積されて排気のタイミングに影響されなくなるため、図２の（ｂ）に示すように、フロント出力信号Ｏｆの周期に対して長い周期で変化する。

電子制御装置２は、メモリ２４のＲＯＭ２２に格納されているプログラムにより、例えば目標となる空燃比となるようにエンジン回転数と吸気管圧力とに基づいて燃料噴射量を決定し、決定した燃料噴射量に基づいて出力インターフェース２６を介して図示しない燃料噴射弁に制御信号を出力して、目標空燃比となるようにエンジン１の運転状態を制御するとともに、以下に説明する機能を発揮するものである。図３に、電子制御装置２が発揮する機能を、機能ブロック図により図示する。

第一及び第二信号処理部Ｆ１，Ｆ２は、入力インターフェース２５を介して入力されたフロント出力信号Ｏｆ及びリア出力信号Ｏｒから、その変化の中心値を抽出するものである。この第一及び第二信号処理部Ｆ１，Ｆ２は相互に同期して動作し、フロント出力信号Ｏｆ及びリア出力信号Ｏｒから所定周波数を下回る低周波成分だけを濾過し、濾過した低周波成分から同定に必要な入力データ及びその入力データに時系列において対応する出力データを抽出する構成である。入力データとは、メモリ２４のＲＯＭ２２に格納されている触媒装置３２の数学モデルを同定するに際して入力されるデータであり、出力データとは、触媒装置３２の数学モデルを同定するに際して入力されるデータである。なお、所定周波数は、触媒装置３２のローパスフィルタとして機能する場合の特性に応じて適合により設定される。

同定部Ｆ３は、第一及び第二信号処理部Ｆ１，Ｆ２から出力される入力データと出力データとに基づいて、触媒装置３２の数学モデルを同定する。同定は、入力データを用いて、数学モデルのモデル出力が出力データにほぼ一致するように、数学モデルの変数であるパラメータを調整することにより行う。すなわち、数学モデルは、触媒装置３２の挙動を、数式例えば状態方程式を用いて表現するものである。この数学モデルは、触媒装置３２が劣化していない、言い換えれば使用を開始した直後の状態に対応して基本となるモデルである。そして、同定部Ｆ３は、フロントＯ_２センサ４が出力する信号を入力データとし、リアＯ_２センサ５が出力する信号を出力データとして、モデル出力が出力データにほぼ一致するように、数学モデルに含まれるパラメータを調整する。

触媒劣化判定部Ｆ５は、数学モデルのパラメータに基づいて触媒装置３２の劣化を評価（判定）するための触媒劣化パラメータを演算し、演算して得られた触媒劣化パラメータを基準となる値と比較することにより触媒装置３２の劣化を評価する。この場合、触媒劣化パラメータは、種々のものが考えられ、数学モデルのパラメータを演算処理したもの、あるいはそのままを採用するものなどであってよい。

以上の構成において、触媒装置３２の劣化評価は、以下の手順により行われる。図４を交えて劣化評価プログラムを説明する。この劣化評価プログラムは、エンジン１の運転中に実行されるもので、実行することによりリアルタイムで触媒装置３２の劣化を評価するものである。なお、数学モデルの設定及び逐次同定については、現代制御理論において知られている各種のものを適用するものであってよい。

まずステップＳ１において、フロントＯ_２センサ４から出力されるフロント出力信号Ｏｆを受け付ける。同様にして、ステップＳ２において、リアＯ_２センサ５から出力されるリア出力信号Ｏｒを受け付ける。このフロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５のフロント及びリア出力信号Ｏｆ，Ｏｒの受付は、同時に行われる。

次に、ステップＳ３において、受け付けたフロント出力信号Ｏｆをローパスフィルタ処理する。このフロント出力信号Ｏｆのローパスフィルタ処理により、フロント出力信号Ｏｆの変化の中心値を抽出するものである。このフロント出力信号Ｏｆの中心値の変化は、図２の（ｂ）に示したリアＯ_２センサ５の出力信号波形に近似したものである。同様にして、ステップＳ４において、受け付けたリア出力信号Ｏｒをローパスフィルタ処理する。このリア出力信号Ｏｒのローパスフィルタ処理により、リアＯ_２センサ５の出力信号Ｏｒの変化の中心値を抽出する。上述したように、リア出力信号Ｏｒの変化は、緩やかなものであるので、ローパスフィルタ処理を行った後に得られる中心値の変化も、ほぼ同形である。このように、フロント出力信号Ｏｆとリア出力信号Ｏｒとを同一のローパスフィルタ処理を行うことにより、入力データと出力データとを同期して抽出することが可能になる。

ステップＳ５では、ローパスフィルタ処理により得られたフロント出力信号Ｏｆの中心値から所定の周期で入力データを抽出（リサンプリング）する。同様に、ステップＳ６では、ローパスフィルタ処理により得られたリア出力信号Ｏｒの中心値から所定の周期で入力データを抽出する。この場合、リサンプリング処理は、フロント出力信号Ｏｆとリア出力信号Ｏｒとを同一のサンプリングタイミングで実行することにより、両出力信号の同期を取っている。以上に説明したステップＳ３〜ステップＳ６における処理は、いわゆるデシメーション処理と呼ばれるものである。

この後、ステップＳ７において、リサンプリング処理により得られた入力データと出力データとを用いて、触媒装置３２の数学モデルの同定処理すなわち逐次同定処理を行う。同定処理は、上述のステップＳ３〜Ｓ４において得られた入力データを数学モデルに入力し、その結果としての数学モデルにより出力されるモデル出力と上述のステップＳ５〜Ｓ６において得られた出力データとを比較し、比較の一致度が最良となるパラメータ（の数値）を求めるものである。

次に、ステップＳ８において、同定処理により得られたパラメータに基づいて、触媒劣化パラメータを算出する。触媒劣化パラメータは、例えば数学モデルにおけるすべてのパラメータを合計したものを採用するものであってよい。あるいは、数学モデルにおける特定のパラメータに例えば係数を乗じるなどの計算処理を施して得られるもの、又は数学モデルの特定のパラメータ自体であってもよい。

ステップＳ９では、算出した触媒劣化パラメータに基づいて、触媒装置３２の劣化を評価（判定）する。触媒劣化パラメータによる触媒装置３２の劣化の評価は、例えば触媒劣化パラメータの周波数対利得（ゲイン）に基づいて、設定された周波数における利得が基準値を超える状態になった場合に触媒装置３２が劣化したと評価するものである。なお、触媒装置３２が劣化したとの評価を行った場合には、たとえば発光ダイオードを点灯あるいは点滅させることにより、評価結果を目視で確認し得るようにするものであってよい。このような構成であれば、車両を運転している場合に触媒装置３２の劣化状態を、エンジン１の運転状態の如何にかかわらず把握することができる。

このような構成によれば、エンジン１が運転中に、フロントＯ_２センサ４及びリアＯ_２センサ５が出力するフロント出力信号Ｏｆ及びリア出力信号Ｏｒをローパスフィルタ処理した後に、数式モデルの逐次同定処理に必要な入力データ及び出力データを抽出しているので、いわゆる空燃比センサを使用しなくとも、空燃比センサに比較して安価なＯ_２センサを用いて触媒装置３２の劣化を評価することができる。しかも、エンジン１が定常運転状態、過渡運転状態の如何にかかわらず、エンジン１の運転中は触媒装置３２の劣化を常時評価することができる。

この場合に、フロント出力信号Ｏｆとリア出力信号Ｏｒとの時間的な変化の中心値を抽出するデシメーション処理しているので、フロント出力信号Ｏｆとリア出力信号Ｏｒとの変化に著しい差があっても、その変化の相関性を高くすることができる。このため、例えばフロント出力信号Ｏｆを所定の時間間隔でサンプリングする場合に、フロント出力信号Ｏｆが空燃比のリッチな状態を示すあるいはリーンな状態を示す信号レベルのみをサンプリングすると言った不具合を解消することができ、逐次同定処理を容易に行うことができるものとなる。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態おいては、第一検出器及び第二検出器にＯ_２センサを使用するものを説明したが、排気ガス中の空燃比を検出し得るものであればよく、例えば空燃比センサを使用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図。 同実施形態のフロント出力信号Ｏｆとリア出力信号Ｏｒとの波形図。 同実施形態の制御装置における機能を示す機能ブロック図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…エンジン
２…電子制御装置
４…フロントＯ_２センサ
５…リアＯ_２センサ
Ｆ１…第一信号処理部
Ｆ２…第二信号処理部
Ｆ３…同定部
Ｆ４…触媒劣化判断部

Claims (2)

1. 燃料を燃焼させることにより生成される燃焼ガスを浄化する触媒装置の、上流側に燃焼ガス中の酸素量に反応して信号を出力する第一検出器を、下流側に燃焼ガス中の酸素量に反応して信号を出力する第二検出器をそれぞれ設け、燃焼ガスを触媒装置に通過させた際の第一検出器と第二検出器とがそれぞれ出力する信号に基づいて触媒装置の数学モデルを逐次同定し、数学モデルの変数に基づいて触媒装置の劣化状態を評価する触媒劣化評価方法であって、
   第一検出器及び第二検出器が出力する信号それぞれからその変化の中心値を抽出する処理を行い、
   抽出したそれぞれの中心値に基づいて触媒装置の数学モデルを逐次同定する触媒装置劣化評価方法。
2. 中心値を抽出する処理が、第一及び第二検出器が出力する信号それぞれから所定周波数を下回る信号を相互に同期して濾過し、濾過したそれぞれの信号から逐次同定に用いる信号を抽出することである請求項１記載の触媒装置劣化評価方法。

Images