JP2010180735A - 触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】診断領域を狭めることなく、触媒劣化の判定を正確に行える触媒の劣化診断装置を提供する。
【解決手段】触媒３の酸素ストレージ量に基づいて触媒３の劣化を診断する制御装置６は、温度測定手段１２により検出されたセンサ素子温度に基づいて酸素ストレージ量を補正し、補正された酸素ストレージ量が所定のしきい値に満たない場合に、触媒３の劣化を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する触媒の劣化診断を行う触媒の劣化診断装置に関するものである。

ガソリンエンジンなどの内燃機関の排気を浄化するために、三元触媒が広く用いられている。この三元触媒には、触媒性能の向上のため金属セリウム等の酸素吸着成分を担持させている。この酸素吸着成分による酸素ストレージ量を診断することによって、触媒の劣化を検出する方法が従来から用いられている（特許文献１、参照）。

特開２００７−１１３５２８号公報

前述の特許文献１のように、検出された酸素ストレージ量を積算し、これを所定値と比較することによって、触媒の劣化を検出している。ところで、触媒の酸素ストレージ量は、排気ガス中の酸素を酸素センサにより検出することによって行われる。

一方で、この酸素センサの出力値は、運転状態により変動する。そのため、酸素ストレージ量の積算値も運転状態により変動する。しかしながら、これを一つの診断クライテリアで判定する場合は、劣化の切り分けが困難であるという問題があった。

従来は、診断領域を狭めることによって、このような運転状態の変動に対応していた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、診断領域を狭めることなく、触媒劣化の判定を正確に行える触媒の劣化診断装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によると、内燃機関１の排気通路２に備えられる触媒３と、触媒３の上流側に備えられる上流側空燃比検出手段４と、触媒の３下流側に備えられる下流側空燃比検出手段５と、車速、アクセル開度、アクセル開度、スロットル開度、内燃機関の負荷及び吸入空気量の少なくとも一つを含む運転状態を検出する運転状態検出手段６と、上流側空燃比検出手段４によって検出された空燃比を下流側空燃比検出手段５によって検出された空燃比をフィードバックすることにより算出される触媒３の酸素ストレージ量に基づいて触媒３の劣化を診断する制御装置６と、を備え、制御装置６は、運転状態検出手段６により検出された運転状態に基づいて酸素ストレージ量を補正し、補正された酸素ストレージ量が所定のしきい値に満たない場合に、触媒３の劣化を判定することを特徴とする。

本発明によると、触媒の酸素ストレージ能力の劣化に対して、酸素ストレージ量としきい値とを比較するだけでなく、運転状態（例えば、車速、アクセル開度、スロットル開度、エンジン負荷、吸入空気量等）に応じて酸素ストレージ量の補正を行う。このようにすることによって、触媒３の劣化診断の検出性能を向上することができる。

本発明の実施形態の触媒の診断装置の構成図である。 本発明の実施形態の触媒の劣化診断フローチャートである。 本発明の実施形態の酸素ストレージ指数を補正する例を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態の触媒の診断装置の構成図である。

内燃機関（エンジン）１は、吸気管７及び排気管２が接続される。

排気管２は、触媒３を備える。この触媒３の排気の流れ上流側には、上流側空燃比検出手段としてのフロント空燃比センサ４が備えられる。また、触媒３の排気の流れ下流側には、下流側空燃比検出手段としてのリア空燃比センサ５が備えられる。

エンジン１の吸気管７は、スロットル弁８と、スロットル弁８により調整された吸入空気量を測定するエアフローメータ９とを備える。

フロント空燃比センサ４は、排気中の酸素濃度に応じたリニアな出力特性をもつ。また、リア空燃比センサ５は、酸素の有無に応じてより敏感に出力が変化する特性をもつ。

また、リア空燃比センサ５は、このリア空燃比センサ５のセンサ素子温度を検出する温度検出手段としてのセンサ素子温度計１２を備える。

触媒３は、白金等の貴金属を担持したいわゆる三元触媒である。この触媒３は、雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを最大効率で浄化する。

エンジン１は、冷却水の温度を検出する温度センサ１０を備える。また、触媒３は、触媒温度を検出する温度センサ１１を備える。これら温度センサ１０、１１は、エンジン１の運転状態と共に触媒３の活性化状態などを判定するため等に用いられる。

また、触媒３には、触媒担体に酸化セリウム（セリア）等の酸素ストレージ剤が担持されている。この酸素ストレージ剤は、流入する排気の空燃比に応じて酸素を保持したり、放出したりする機能（酸素ストレージ機能）をもつ。

コントローラ６は、これらのセンサ出力に基づいてエンジン１に供給する燃料の空燃比を制御すると共に、後述する触媒の劣化診断処理を行う。

コントローラ６は、ＣＰＵ及びその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして構成されており、エアフローメータ９、フロント空燃比センサ４及びリア空燃比センサ５の出力に基づいて触媒３の酸素ストレージ量を演算し、このストレージ量が目標値となるように空燃比をフィードバック制御する制御装置として機能する。

具体的には、コントローラ６は、演算した酸素ストレージ量が目標値よりも少ないときは、目標空燃比をリーン側に制御することで酸素ストレージ量を増やす。逆に、目標値よりも多いときは、目標空燃比をリッチ側に制御することで酸素ストレージ量を減らす。これらの制御を繰り返すことで、目標値に一致させる。

なお、このとき、演算誤差などによって演算された酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれを生じる。これに対して、リア空燃比センサ５が検出する酸素濃度に基づいて、例えばエンジンの燃料カット時などに、燃料カットの制御に移行してから所定のタイミングで演算された酸素ストレージ量のリセットを行い、ずれを修正する。

また、コントローラ６は、エアフローメータ９から吸入空気量Ｑを検出する。また、スロットル弁８から開度（スロットル開度ＴＶＯ）を検出する。また、アクセルペダル１３から開度（アクセル開度ＡＰＯ）を検出する。また速度センサ１４によって車速ＶＳＰを検出する。また、エンジン１の回転速度Ｎｅ、車速ＶＳＰ等から、エンジン１の負荷（トルク）Ｔｅを検出する。すなわち、コントローラ６が、様々な運転状態を検出する運転状態検出手段として構成されている。

次に、コントローラ６による触媒３の酸素ストレージ量の算出方法について説明する。

まず、触媒３の上流側の空燃比センサ４が検出した排気空燃比から換算して、排気中の酸素の過剰する割合又は不足する割合である酸素過剰率を算出する。この酸素過剰率は、ストイキのときをゼロとして、リーン側で正、リッチ側で負の値となる。

この酸素過剰率とそのときの吸入空気量とから、触媒３に吸収される酸素量又は放出される酸素量を、予め記憶されたマップやテーブルから取得する。この酸素量の値を積算することにより、触媒３の酸素ストレージ量が推定される。

下流側の空燃比がリーン側のときは、触媒３の酸素ストレージ量が飽和保持量に達しているので、それ以上の酸素量の保持はできず、そのまま下流に流れ出る。この状態から空燃比がストイキよりもリッチ側になると、酸素の不足量に応じて保持酸素量は最大値から減っていく。

また、下流側の空燃比がリッチのときは、酸素ストレージ量がゼロであり、その状態から空燃比がリーン側になると、そのときの酸素過剰量に応じて触媒３の酸素ストレージ量が増加していく。

このようにして、フロント空燃比センサ４により推定した酸素ストレージ量を、リア空燃比センサ５によりフィードバック補正することによって、触媒３の酸素ストレージ量を求めることができる。これを積算することによって、現在の酸素ストレージ量を算出することができる。

ここで、触媒３が劣化して酸素ストレージ能力が低下した場合、酸素ストレージ量が低下する。そこで、コントローラ６は、酸素ストレージ量の低下を判定し、所定の閾値を下回った場合に触媒３が劣化したと判定する。触媒の劣化を判定した場合は、例えば運転者にメンテナンスを促すためのアラームやメッセージを通知する。

次に、触媒３の劣化の診断方法について説明する。

コントローラ６は、前述のような方法により触媒の酸素ストレージ量を算出する。そして、この積算値と所定の定数とを乗じることにより、触媒３の酸素ストレージ能力を示す値である酸素ストレージ指数を算出する。

そして、所定の周期で、コントローラ６は、触媒の診断処理を実行する。この触媒の診断処理では、算出した酸素ストレージ指数と所定の閾値とを比較し、酸素ストレージ指数が所定の閾値に満たない場合は、酸素ストレージ能力が低下していると判断し、触媒３が劣化していると診断する。

ここで、コントローラ６は、エンジン１の運転に関する多種多様な制御を行っており、また、触媒３の劣化診断の優先度は低いため、一つのパラメータでの診断により触媒３の劣化を判定していた。一方で、酸素ストレージ量は、エンジン１のさまざまな運転状態（車速ＶＳＰ、アクセル開度ＡＰＯ、スロットル開度ＴＶＯ、負荷Ｔｅ、吸入空気量Ｑ等）により変動する。

そこで、本発明の実施形態では、以下に説明するように、エンジン１の運転状態に応じた補正を行うことで、触媒３の劣化診断の精度を高めるように構成した。

図２は、本発明の実施形態のコントローラ６で実行される触媒３の劣化診断のフローチャートである。

本フローチャートの処理は、コントローラ６において、エンジン１の運転中に所定の周期で実行される。

まず、コントローラ６は、触媒劣化診断の処理開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。

この処理開始条件とは、例えば、エンジン１が運転中である、暖機が終了している、触媒３が活性化している、等の条件である。

処理開始条件が成立していると判定した場合は次のステップＳ１０２に移行し、成立していないと判定した場合は本ステップＳ１０１の処理を繰り返す。

ステップＳ１０２では、コントローラ６は、前述のように触媒３の酸素ストレージ量を算出する。これに所定の定数を乗じることで、触媒３が劣化しているか否かの判断に用いられる酸素ストレージ指数に換算する。

次に、コントローラ６は、各種のセンサにより、エンジン１の運転状態を検出する（Ｓ１０３）。具体的には、車速ＶＳＰ、アクセル開度ＡＰＯ、スロットル開度ＴＶＯ、負荷Ｔｅ、吸入空気量Ｑ等を検出する。

次に、コントローラ６は、触媒３が劣化しているか否かの判断の基準となるしきい値を設定する（Ｓ１０４）。またこのとき、検出された各種センサの値に基づいて、ステップＳ１０２で算出された酸素ストレージ指数を補正する。

例えば、後述する図３に示す例のように、算出された酸素ストレージ指数に対して、車速に応じた補正を行う。

なお、酸素ストレージ指数を補正するのではなく、触媒３が劣化しているか否かの判断の基準となるしきい値を、エンジン１の運転状態に応じて補正してもよい、例えば、車速が高い場合はしきい値を大きくして、センサ素子温度による酸素ストレージ量の変動を補償する。

次に、コントローラ６は、ステップＳ１０２において算出された酸素ストレージ指数と、ステップＳ１０４で設定されたしきい値とを比較して、触媒３の劣化を診断する（Ｓ１０５）。

酸素ストレージ指数がしきい値よりも大きい場合は触媒３の酸素ストレージ能力は十分であり、触媒３は劣化していないと診断し、正常判定として、処理を終了する（Ｓ１０６）。

一方、酸素ストレージ量がしきい値よりも小さい場合は、触媒３の酸素ストレージ能力が十分でなく、触媒３が劣化していると診断し、異常判定として、処理を終了する（Ｓ１０７）。

以上のような処理によって、触媒３の劣化診断を行う。特に、酸素ストレージ能力の劣化に対して、検出された酸素ストレージ指数としきい値とを比較するだけでなく、エンジン１の運転状態に応じて補正を行うことによって、触媒３の劣化診断の検出性能を向上することができる。

図３は、エンジン１の車速に応じて、酸素ストレージ指数を補正する例を示す説明図である。

この図３は、菱形のドットで示される実線が、触媒正常時の酸素ストレージ指数とリア空燃比センサ５のセンサ素子温度との関係を示す。また、円形のドットで示される実線が、触媒劣化時の酸素ストレージ指数とリア空燃比センサ５のセンサ素子温度との関係を示す。

また、一点鎖線は、触媒３劣化しているか否かを判定する酸素ストレージ指数のしきい値を示す。

この図３に示す例では、車速Ｖｓｐが５０〜７０ｋｍ／ｈ付近では、正常触媒に対して劣化触媒の酸素ストレージ指数がしきい値に対して大きく下回っており。劣化であることを判定することができる。

一方で、車速が８０〜１００ｋｍ／ｈ付近では、劣化触媒の酸素ストレージ指数がしきい値を超えてまで上昇している。この車速領域では触媒３が劣化してるか否かの切り分けが困難なため、従来は、この温度領域を診断対象から外していた。

そこで、本発明の実施形態では、前述のように酸素ストレージ指数を車速Ｖｓｐにより補正した。

この結果、図３の点線で示すように、正常触媒及び劣化触媒が、しきい値に対して容易に判別され、この温度領域での劣化診断が精度高く行える。

このように、酸素ストレージ指数を車速で補正することによって、従来、診断領域を狭めることによって対応していた状況においても、触媒３の劣化診断を精度高く行うことができる。

なお、前述のように、酸素ストレージ指数ではなく、触媒３の劣化診断の指標となるしきい値を車速Ｖｓｐ等、エンジ１の運転状態で補正することによって、従来、診断領域を狭めることによって対応していた状況においても、触媒劣化診断を行うことができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態では、触媒３の劣化診断を行う際に、エンジン１の運転状態（例えば、車速ＶＳＰ、アクセル開度ＡＰＯ、スロットル開度ＴＶＯ、負荷Ｔｅ、吸入空気量Ｑ等に応じて、診断パラメータである酸素ストレージ量を補正、又は、診断指標であるしきい値を補正するので、触媒３の劣化診断の検出精度が高まる。また、触媒３の劣化診断の診断領域を拡大することにより、劣化診断の頻度を高くすることができる。これにより、触媒劣化の誤診断を回避することができるので、触媒３のマージンを広く取る必要がなくなり、触媒の容量やグレードを低くすることができる。これにより、触媒３の原価を削減でき、コストを低減することができる。

１ エンジン
２ 排気通路
３ 触媒
４ フロント空燃比センサ（上流側空燃比検出手段）
５ リア空燃比センサ（下流側空燃比検出手段）
６ コントローラ（制御装置、運転状態検出手段）
７ 吸気通路
８ スロットル弁
９ エアフローメータ
１０ 温度センサ
１１ 温度センサ
１３ アクセルペダル

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に備えられる触媒と、
   前記触媒の上流側に備えられる上流側空燃比検出手段と、
   前記触媒の下流側に備えられる下流側空燃比検出手段と、
   車速、アクセル開度、スロットル開度、内燃機関の負荷及び吸入空気量の少なくとも一つを含む運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記上流側空燃比検出手段によって検出された空燃比を、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比をフィードバックすることにより算出される前記触媒の酸素ストレージ量に基づいて前記触媒の劣化を診断する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて前記酸素ストレージ量を補正し、
   前記補正された酸素ストレージ量が所定のしきい値に満たない場合に、前記触媒の劣化を判定することを特徴とする触媒の劣化診断装置。
2. 内燃機関の排気通路に備えられる触媒と、
   前記触媒の上流側に備えられる上流側空燃比検出手段と、
   前記触媒の下流側に備えられる下流側空燃比検出手段と、
   車速、アクセル開度、スロットル開度、内燃機関の負荷及び吸入空気量の少なくとも一つを含む運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記上流側空燃比検出手段によって検出された空燃比を、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比をフィードバックすることにより算出される前記触媒の酸素ストレージ量に基づいて、前記触媒の劣化を診断する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記触媒が劣化しているか否かを判定する前記酸素ストレージ量のしきい値を設定し、
   前記補正された酸素ストレージ量が前記しきい値に満たない場合に、前記触媒の劣化を判定することを特徴とする触媒の劣化診断装置。