JP2012202211A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い診断精度を確保しながらも、劣化診断の頻度を高めることのできる触媒劣化診断装置を提供する。
【解決手段】電子制御ユニット１０は、機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて三元触媒７の劣化診断を行う。そして電子制御ユニット１０は、通常は、前トリップで計測済みの診断データと現トリップで計測した診断データとに基づいて三元触媒７の劣化診断を行うことで、診断に必要な各トリップの診断データ計測数を減らすとともに、前トリップと現トリップとの間に、診断データの計測に使用する酸素センサー９のセンサー特性が変化したことが確認されたときには、現トリップで計測した診断データのみに基づいて三元触媒７の劣化診断を行うことで、診断データの計測過程にセンサー特性が変化したことによる診断精度の悪化を回避している。
【選択図】図１

Description

本発明は、機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置に関する。

車載等の内燃機関の排気系には、排気の有害成分を浄化する触媒が設置されている。こうした触媒は、その長期使用に応じて劣化し、排気浄化能力が低下する。そのため、車載等の内燃機関では、機関運転中に触媒の劣化診断を行うようにしている。

こうした触媒の劣化診断は、例えば、次の態様で行うことができる。触媒には、排気中の酸素濃度が高いときには、排気中の酸素を吸蔵するとともに、その吸蔵した酸素を排気中の酸素濃度が低いときに放出する酸素吸蔵能を備えており、劣化が進行すると、そうした酸素吸蔵能が低下する。触媒の酸素吸蔵能が高いときには、触媒上流側の酸素濃度を変化させても、触媒から排出される排気の酸素濃度は、その酸素吸蔵能により均されるため、触媒下流側の酸素濃度に変化が表れるまでにはある程度の長い時間を要することになる。一方、触媒が劣化してその酸素吸蔵能が低下すれば、触媒下流側の酸素濃度に変化が表れるまでの時間は短くなる。そこで、触媒上流の排気の酸素濃度が変化してから触媒下流の排気中の酸素濃度の検出値に変化が確認されるまでの時間を劣化診断データとして用いて触媒の劣化診断を行うことができる。

なお、触媒の劣化診断方法としては、例えば特許文献１に見られるように、触媒の上流及び下流に酸素濃度センサーをそれぞれ設け、それらのセンサー値の極性反転回数や出力波形面積の比を劣化診断データとして用いるなどの様々な方法が提案されている。いずれにせよ、正確な劣化診断を行うには、ある程度の数の劣化診断データを計測する必要がある。

一方、診断データには、内燃機関の運転状態の変動が外乱として反映されてしまうことがある。そこで上記文献１には、診断データの計測に、あえて応答の遅いセンサーを使用することで、機関運転状態の変動が診断データに反映され難くすることが示されている。

特開２００１−１２３８７８号公報

ところで、近年には、触媒劣化診断の精度向上が求められており、診断精度を高めるには、機関回転速度、吸入空気量、排気温度などにより規定される診断データの計測条件に厳しい条件を設定する必要がある。しかしながら、厳しい計測条件を設定すれば、診断データの計測の機会は減少することになり、劣化診断に時間が掛かるようになる。そしてその結果、必要とされる頻度で劣化診断を行うことが困難となるようになる。例えば、イグニッションスイッチがオンとされてからオフとされるまでの１トリップの間に、少なくとも一回の劣化診断を行おうとしても、診断データの計測機会が少なければ、必要数のデータをそのトリップ中に集めることができずに、劣化診断を完遂できないことが多くなる。ましてや、特許文献１のように、応答の遅いセンサーを診断データの計測に使用すれば、データ計測に要する時間が益々長くなり、劣化診断の頻度を更に減少させてしまうことになる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、高い診断精度を確保しながらも、劣化診断の頻度を高めることのできる触媒劣化診断装置を提供することにある。

上記のように、機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて触媒の劣化診断を行う場合、診断精度を高めるべく診断データの計測条件を厳しくすれば、単一のトリップでは、必要数の診断データを集めることができず、診断を完遂できなくなることがある。その場合にも、先のトリップにおいて計測した診断データも、現トリップにおける劣化の診断に使用するようにすれば、トリップ中の劣化診断の完遂をし易くすることができる。

一方、診断データの計測に使用するセンサーの特性（例えば応答性など）が変化した場合には、その変化前に計測したデータとその変化後に計測したデータとを同列に扱ってしまえば、診断結果が不適切なものとなってしまう。

その点、機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置としての請求項１に記載の発明では、先のトリップで計測済みの診断データと現トリップで計測した診断データとに基づいて触媒の劣化診断を行うとともに、先のトリップと現トリップとの間で診断データの計測に使用するセンサーのセンサー特性の変化が確認されたときには、現トリップで計測した前記診断データのみに基づいて前記触媒の劣化診断を行うようにしている。

また機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置としての請求項２に記載の発明では、上記規定数から先のトリップで計測済みの診断データの数を減算した数を、劣化診断のために現トリップで計測の必要な前記診断データの数として設定するとともに、先のトリップと現トリップとの間で診断データの計測に使用するセンサーのセンサー特性の変化が確認されたときには、劣化診断のために現トリップで計測の必要な診断データの数として上記規定数を設定するようにしている。

更に機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置としての請求項３に記載の発明では、先のトリップと現トリップとの間で診断データの計測に使用するセンサーのセンサー特性の変化が無いことを条件に、先のトリップに計測した診断データと現トリップで計測した診断データとを併せ用いて触媒の劣化診断を行うようにしている。

これらの構成では、基本的には、複数のトリップに跨って計測した診断データを用いて診断が行われるようになる。そのため、診断精度を向上すべく、診断データの計測条件を厳しくした場合にも、劣化診断完遂の頻度が高められるようになる。一方、センサーの特性がトリップ間で変化した場合には、先のトリップで計測した診断データは診断に使用しないため、診断データ計測中のセンサー特性の変化による診断精度の悪化を回避することも可能となる。したがって、上記各構成によれば、高い診断精度を確保しながらも、劣化診断の頻度を高めることができるようになる。

なお、診断データとしては、例えば請求項４によるような、触媒上流の排気の酸素濃度の変化が確認されてから触媒下流の排気の酸素濃度の変化が確認されるまでの時間や、請求項５によるような、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を強制的に変化させてから、その空燃比の変化に応じた変化が、触媒下流の排気中の酸素濃度に表れるまでの時間などを用いることができる。

また請求項６によるように、触媒の劣化診断の完了後に、次回以降のトリップにおける劣化診断に使用すべく診断データの計測を継続するようにすれば、必要数の診断データの確保がより容易となり、劣化診断完遂の頻度がより高められるようになる。

本発明の一実施の形態に係る触媒劣化診断装置の構成を模式的に示す略図。 同実施の形態に適用される触媒劣化診断ルーチンの処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の触媒劣化診断装置を具体化した一実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本実施の形態の触媒劣化診断装置の構成を説明する。

同図に示すように、本実施の形態の触媒劣化診断装置の適用される内燃機関では、吸気中に燃料を噴射するインジェクター１がその吸気ポート２に設置されている。吸気ポート２は、燃焼室４に接続され、その燃焼室４には、その内部に導入された燃料と空気との混合気を点火する点火プラグ３が配設されている。そして燃焼室４は、排気ポート５を介して排気管６に接続されている。

排気管６には、排気を浄化する三元触媒７が設置されている。三元触媒７は、プラチナ、パラジウム、ロジウムを触媒として使用して、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化する。より詳しくは、三元触媒７は、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素に、窒素酸化物を窒素に、それぞれ酸化、還元することで、排気の浄化を行う。こうした三元触媒７は、燃焼される混合気の空燃比が、酸素を余剰せずに燃料が完全燃焼する理論空燃比であるときに最大限の排気浄化能力を発揮するようになっている。

排気管６の三元触媒７の上流には、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する空燃比センサー８が設置され、また三元触媒７の下流には、規定の濃度を跨いで排気の酸素濃度が変化したときに出力が変化する酸素センサー９が設定されている。これら空燃比センサー８及び酸素センサー９の出力は、機関制御用の電子制御ユニット１０に入力されている。

電子制御ユニット１０は、機関制御のための各種演算処理を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、機関制御用のプログラムやデータの記憶された読込専用メモリー（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果やセンサーの検出結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）を備えている。そして電子制御ユニット１０は、機関制御の一環として、機関運転中に三元触媒７の劣化診断を実施する。

続いて、本実施の形態での三元触媒７の劣化診断の詳細を説明する。
本実施の形態での三元触媒７の劣化診断は、次の態様で行われる。まず電子制御ユニット１０は、燃焼される混合気の空燃比を強制的に変化させる。混合気の空燃比が変化すると、燃焼室４から排出される排気の酸素濃度が変わり、その変化はまず、三元触媒７の上流に設けられた空燃比センサー８の出力の変化として検出される。

また、燃焼室４から排出される排気の酸素濃度の変化は、三元触媒７の下流に設けられた酸素センサー９の出力にも表れる。ただし、三元触媒７の酸素吸蔵能により、三元触媒７から排出された排気の酸素濃度に変化が表れるまでには、ある程度の時間を要する。そしてその時間の長さは、三元触媒７の酸素吸蔵能の高いほど長くなる。一方、三元触媒７の酸素吸蔵能は、劣化の進行に応じて低下する。したがって、空燃比の変化の影響が触媒上流の空燃比センサー８の出力に表れてから触媒下流の酸素センサー９の出力に表れるまでの時間から、三元触媒７の劣化を診断することができる。

本実施の形態では、空燃比センサー８の出力の変化が確認されてから酸素センサー９の出力の変化が確認されるまでの時間を計測し、その時間を診断データとして三元触媒７の劣化診断を行っている。より詳しくは、上記のような診断データの計測を規定数行い、計測した各診断データの平均値から、予め確認しておいた酸素センサー９の応答遅れ時間を減算した値に基づいて三元触媒７の劣化診断を行っている。

ここで機関回転速度、吸入空気量、排気温度などに違いあれば、排気の流量、流速が変わるため、三元触媒７の劣化度合いが一定でも、空燃比を変化させてから触媒下流の排気の酸素濃度に変化が生じるまでの時間が変わってしまう。そのため、診断に使用する各診断データの計測条件にばらつきがあれば、正確な診断を行うことはできないことになる。したがって、診断精度を確保するには、診断データの計測条件を厳しく限定する必要がある。しかしながら、診断データの計測条件を厳しくすれば、イグニッションスイッチがオンとされてからオフとされるまでの１トリップのうちに計測可能な診断データ数が限られてしまい、１トリップの間に触媒劣化診断を完遂することが困難となってしまう。

そこで、本実施の形態では、次のようにして、背反の関係にある診断精度と診断完遂の頻度との両立を図っている。すなわち、本実施の形態では、現在のトリップ（以下、現トリップと記載する）で計測された診断データに加え、前回のトリップ（以下、前トリップと記載する）に計測しておいた診断データも使用することで、診断に必要な数の計測データを確保するようにしている。この場合、劣化診断に必要な規定数から前トリップで計測済みの診断データの数を減算した数の診断データを現トリップで計測しさえすれば、三元触媒７の劣化診断を行うことが可能となる。

このように、劣化診断に使用する診断データの計測を、複数トリップを跨いで行えば、計測条件を厳しくても、劣化診断完遂の頻度を高めることができる。しかしながら、こうした場合には、次の問題がある。すなわち、酸素センサー９にも劣化が生じ、その結果、応答性などのセンサー特性が変化して、酸素センサー９の応答遅れ時間が変化することがある。上述したように、三元触媒７の劣化診断は、計測した各診断データの平均値から酸素センサー９の応答遅れ時間を減算した値に基づいて行われる。そのため、酸素センサー９の応答遅れ時間が現状とは異なる状況で計測された診断データが混じっていれば、正確な診断はできなくなる。

そこで、本実施の形態では、診断データの計測に先立って、前トリップと現トリップとの間に酸素センサー９のセンサー特性が変化していないか確認している。そして酸素センサー９のセンサー特性に変化が無いときに限って、前トリップで計測済みの診断データを三元触媒７の劣化診断に使用するようにしている。すなわち、本実施の形態では、前トリップで計測済みの診断データと現トリップで計測した前記診断データとに基づいて三元触媒７の劣化診断を行うとともに、診断データの計測に使用する酸素センサー９の前トリップからのセンサー特性の変化が確認されたときには、現トリップで計測した診断データのみに基づいて三元触媒７の劣化診断を行っている。

こうした本実施の形態では、通常は、劣化診断に必要な規定数から前トリップで計測済みの診断データの数を減算した数が、劣化診断のために現トリップで計測の必要な診断データの数として設定される。ただし、前トリップと現トリップとの間に、診断データの計測に使用する酸素センサー９のセンサー特性の変化が確認されたときには、劣化診断のために現トリップで計測の必要な診断データの数として上記規定数が設定されるようになっている。

続いて、こうした本実施の形態に適用される触媒劣化診断ルーチンの詳細を説明する。図２にフローチャートの示される触媒劣化ルーチンは、三元触媒７が活性化している、内燃機関の暖機が完了している、などの触媒劣化診断の実行条件が成立した後に、電子制御ユニット１０により実行される。

さて、本ルーチンが開始されると、まずステップＳ１００において、現トリップで酸素センサー９の応答性（応答遅れ時間）が確定されているか否かが判定される。ここで、酸素センサー９の応答性が確定されていなければ（Ｓ１００：ＮＯ）、ステップＳ１０１において前トリップで確定された酸素センサー９の応答性を読み込んだ上でステップＳ１０２の処理に移行され、確定されていれば（Ｓ１００：ＹＥＳ）、そのままステップＳ１０２の処理に移行される。

ステップＳ１０２に処理が移ると、そのステップＳ１０２において、前トリップで計測済みの診断データの数が読み込まれる。そして、ステップＳ１０３において、ここで読み込んだ前トリップで計測済みの診断データ数を、劣化診断に必要な規定数から減算した数が、診断を行うために現トリップで計測の必要な診断データ数として設定される。

続いて、ステップＳ１０４において、前トリップと現トリップとの間で、酸素センサー９の応答性が変化しているか否かが判定される。ここで、応答性に変化が無ければ（Ｓ１０４：ＮＯ）、そのままステップＳ１０７に処理が移行される。一方、応答性の変化があれば（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、ステップＳ１０５において前トリップで計測した診断データの破棄が行われ、ステップＳ１０６において、現トリップで計測の必要な診断データ数が、診断に必要な診断データの規定数にリセットされた上で、ステップＳ１０７に処理が移行される。

ステップＳ１０７に処理が移ると、そのステップＳ１０７において、診断データの計測が行われる。診断データの計測は、計測した診断データ数が、先に設定された必要データ数以上となるまで（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、繰り返し実施される。

必要数の診断データの計測が完了すると、ステップＳ１０９において、計測された診断データに基づいて、三元触媒７の劣化診断が行われる。そして、劣化診断の完了後は、時間が許す限り、次トリップのための診断データの計測が行われる（Ｓ１１０）。

以上の本実施の形態の触媒劣化診断装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態では、通常は、前トリップで計測済みの診断データと現トリップで計測した診断データとに基づいて三元触媒７の劣化診断を行っている。その一方で、前トリップと現トリップとの間で、診断データの計測に使用する酸素センサー９のセンサー特性の変化が確認されたときには、現トリップで計測した診断データのみに基づいて三元触媒７の劣化診断を行っている。すなわち、本実施の形態では、前トリップと現トリップとの間で、診断データの計測に使用する酸素センサー９のセンサー特性の変化が無いことを条件に、前トリップに計測した診断データと現トリップで計測した診断データとを併せ用いて三元触媒７の劣化診断を行っている。こうした本実施の形態では、通常は、診断に必要な規定数から前トリップで計測済みの診断データ数を減算した数を、劣化診断のために現トリップで計測の必要な診断データの数として設定している。ただし、診断データの計測に使用する酸素センサー９の前トリップからのセンサー特性の変化が確認されたときには、劣化診断のために現トリップで計測の必要な前記診断データの数として上記規定数を設定している。

こうした本実施の形態では、基本的には、複数のトリップに跨って計測した診断データを用いて診断が行われる。そのため、診断精度を向上すべく、診断データの計測条件を厳しくした場合にも、劣化診断完遂の頻度が高められるようになる。一方、本実施の形態では、前トリップと現トリップとの間で、診断データの計測に使用される酸素センサー９のセンサー特性が変化した場合には、前トリップで計測した診断データは診断に使用されないようになる。そのため、診断データ計測中のセンサー特性の変化による診断精度の悪化を回避することもできる。したがって、本実施の形態によれば、高い診断精度を確保しながらも、劣化診断の頻度を高めることができるようになる。

（２）本実施の形態では、三元触媒７の劣化診断の完了後に、次回以降のトリップにおける劣化診断に使用すべく診断データの計測を継続するようにしている。そのため、必要数の診断データの確保がより容易となり、劣化診断完遂の頻度がより高められるようになる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、前トリップと現トリップとの間で、酸素センサー９のセンサー特性に変化が無いときには、前トリップで計測した診断データと現トリップで計測した診断データとに基づいて三元触媒７の劣化診断を行うようにしていた。前トリップと現トリップとで計測した診断データだけでは、劣化診断に必要な診断データ数の確保が困難な場合には、前々回あるいはそれ以前のトリップで計測した診断データも劣化診断に使用するようにしても良い。いずれにせよ、先のトリップで計測した診断データを劣化診断に使用することとし、劣化診断に使用する診断データの計測を複数のトリップに跨って行うようにすれば、診断データの計測条件を厳しく設定しても、必要数の診断データを確保して劣化診断完遂の頻度を高めることができる。その一方で、先のトリップと現トリップとの間で酸素センサー９のセンサー特性の変化が確認されたときには、先のトリップで計測した診断データを使用せず、現トリップで計測した診断データのみを用いて劣化診断を行うようにすれば、診断データの計測過程でセンサー特性が変化したことによる診断精度の悪化を回避することも可能となる。

・上記実施の形態では、劣化診断の完了後に、次回以降のトリップにおける劣化診断に使用するための診断データの計測を継続するようにしていた。各トリップでの劣化診断に使用する診断データの重複を許容する場合などには、劣化診断が完了した時点で診断データの計測を終了することも可能である。

・上記実施の形態では、触媒上流の排気の酸素濃度の変化が確認されてから触媒下流の排気の酸素濃度の変化が確認されるまでの時間を診断データとして三元触媒７の劣化診断を行っていた。同様の劣化診断は、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を強制的に変化させてから、その空燃比の変化に応じた変化が、触媒下流の排気中の酸素濃度に表れるまでの時間を診断データとして用いても行うことが可能である。

・触媒劣化の診断を上記実施の形態とは異なる態様で行うようにしても良い。例えば、酸素センサー９以外のセンサーを診断データの計測に使用して劣化診断を行うことも可能である。そうした場合であれ、劣化診断に使用する診断データの計測を複数のトリップに跨って行うようにすれば、診断データの計測に厳しい条件を設定しても、必要数の計測データを揃えることが可能となり、診断精度と診断完遂頻度とを両立することができる。その一方で、先のトリップと現トリップとの間で、診断データの計測に使用するセンサーの特性が変化した場合には、現トリップで計測した診断データのみを用いて劣化診断を行うこととすれば、診断データ計測過程でセンサー特性が変化したことによる診断精度の悪化を回避することも可能となる。

・本発明の劣化診断は、三元触媒以外の排気浄化触媒の劣化診断にも同様に適用することができる。

１…インジェクター、２…吸気ポート、３…点火プラグ、４…燃焼室、５…排気ポート、６…排気管、７…三元触媒、８…空燃比センサー、９…酸素センサー、１０…電子制御ユニット。

Claims (6)

1. 機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置において、
   先のトリップで計測済みの前記診断データと現トリップで計測した前記診断データとに基づいて前記触媒の劣化診断を行うとともに、先のトリップと現トリップとの間で前記診断データの計測に使用するセンサーのセンサー特性の変化が確認されたときには、現トリップで計測した前記診断データのみに基づいて前記触媒の劣化診断を行う
   ことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置において、
   前記規定数から先のトリップで計測済みの前記診断データの数を減算した数を、劣化診断のために現トリップで計測の必要な前記診断データの数として設定するとともに、先のトリップと現トリップとの間で前記診断データの計測に使用するセンサーのセンサー特性の変化が確認されたときには、劣化診断のために現トリップで計測の必要な前記診断データの数として前記規定数を設定する
   ことを特徴とする触媒劣化診断装置。
3. 機関運転中に計測した規定数の診断データに基づいて排気浄化用の触媒の劣化診断を行う触媒劣化診断装置において、
   先のトリップと現トリップとの間で前記診断データの計測に使用するセンサーのセンサー特性の変化が無いことを条件に、先のトリップに計測した前記診断データと現トリップで計測した前記診断データとを併せ用いて前記触媒の劣化診断を行う
   ことを特徴とする触媒劣化診断装置。
4. 前記診断データは、触媒上流の排気の酸素濃度の変化が確認されてから触媒下流の排気の酸素濃度の変化が確認されるまでの時間である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒劣化診断装置。
5. 前記診断データは、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を強制的に変化させてから、その空燃比の変化に応じた変化が、触媒下流の排気の酸素濃度に確認されるまでの時間である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒劣化診断装置。
6. 前記触媒の劣化診断の完了後にも、次回以降のトリップにおける劣化診断に使用すべく前記診断データの計測を継続する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒劣化診断装置。

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