JP2654856B2

JP2654856B2 - 触媒劣化診断装置

Info

Publication number: JP2654856B2
Application number: JP2253127A
Authority: JP
Inventors: 光浩三宅; 徹橋本; 晃高橋; 修堀江; 秀昭片柴; 安之牧川; 稔西田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH04131762A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は排ガスの浄化装置、特に、三元触媒の経時劣
化を検出して適時に劣化状態を警告することができる触
媒劣化診断装置に関する。

（従来の技術）エンジンの排気路の排ガス中にはCO,HC,NO_X等の成分
が残留しており、これら物質を無害化すべく、三元触媒
が排気路上に装着されている。

この三元触媒は排ガスの空燃比がストイキオ近傍に保
たれている場合にCO,HC,NO_Xのいずれの浄化率をも高比
率に保つことが出来る。そこで、この種排ガスシステム
では空燃比をストイキオを中心とした狭いウィンドウ域
内に制御すべく、リーン、リッチの判定信号をO₂センサ
より、あるいは空燃比情報をリニアに出力するリニア空
燃比センサより取り込み、これら空燃比情報に基づき燃
料供給量をフィードバック制御している。

しかし、このような三元触媒は使用により劣化するの
で、従来の排気浄化装置には三元触媒の劣化を診断する
手段が装着されていた。

例えば、特開昭63ー231252号公報に開示された装置で
は、三元触媒の上流と下流位置に一対のO₂センサを配
し、両センサ出力の振幅が触媒の新品時と経時劣化時と
で異なることに基づき、触媒劣化を判定しています。更
に、特開昭60ー231155号公報に開示される装置では、三
元触媒の上流の調整センサと下流位置の検査センサとの
各出力信号の振幅に基づき、センサ調整装置の動作点を
変化させることが出来、しかも触媒劣化をも検出するこ
とができるものとなっています。

このような各劣化診断装置によれば、三元触媒の劣化
を検出して、適時に劣化警告をすることが出来、これに
応じて三元触媒の交換を行なえるようにしている。

（発明が解決しようとする課題）しかし、これら従来装置では、各センサ出力を取り込
む場合に、特定の運転状態、又は一定の運転状態が一定
時間継続することが必要であり、このため任意の時間に
劣化判定が出来ず、しかも劣化判定の精度が比較的低く
問題となっていた。

本発明の目的は、任意の時間に劣化判定が精度よく出
来る触媒劣化診断装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上述の目的を達成するために、第１の発明は、排ガス
通路の触媒上流の空燃比情報を出力する上流リニア空燃
比センサと、上記触媒上流の排ガス温度情報を出力する
上流温度センサと、上記触媒を通過する排ガスの触媒反
応に基づき触媒通過後の理論排ガス濃度及び理論排ガス
温度をそれぞれ算出すると共にこれら値に応じた予測空
燃比あるいは予測排ガス温度の少なくとも一つを算出す
る反応値算出手段と、上記予測空燃比と下流空燃比セン
サからのセンサ下流空燃比とに基づき触媒の劣化を判定
する手段、あるいは、上記予測排ガス温度と下流温度セ
ンサからのセンサ下流排ガス温度とに基づき触媒の劣化
を判定する手段の内のいずれか一方の劣化判定手段と、
上記触媒劣化判定情報に基づき触媒劣化警告を発する触
媒劣化警告手段とを備えたことを特徴とする。

第２の発明は、特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化
診断装置において、上記劣化判定手段が上記予測空燃比
と上記センサ下流空燃比とが設定空燃比に達する時点の
偏差に基づき触媒の劣化判定をすることを特徴とする。

第３の発明は、特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化
診断装置において、上記劣化判定手段が設定時点での上
記予測空燃比と上記センサ下流空燃比との偏差に基づき
触媒の劣化判定をすることを特徴とする。

第４の発明は、特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化
診断装置において、上記劣化判定手段が上記予測空燃比
の極大極小振れ幅と上記センサ下流空燃比の極大極小振
れ幅とのピーク値偏差に基づき触媒の劣化判定をするこ
とを特徴とする。

第５の発明は、特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化
診断装置において、上記劣化判定手段が上記予測空燃比
と上記センサ下流空燃比との偏差の積分値に基づき触媒
の劣化判定をすることを特徴とする。

第６の発明は、排ガス通路の触媒上流の空燃比情報を
出力する上流空燃比センサと、上記触媒上流の排ガス温
度情報を出力する上流温度センサと、上記触媒を通過す
る排ガスの触媒反応に基づき触媒通過後の理論排ガス濃
度及び理論排ガス温度をそれぞれ算出すると共にこれら
値に応じた予測空燃比あるいは予測排ガス温度の少なく
とも一つを算出する反応値算出手段と、上記反応値算出
手段が上記理論排ガス濃度及び上記理論排ガス温度の算
出の際に用いる触媒反応劣化定数を増減設定する劣化定
数算出手段と、上記触媒反応劣化定数に基づき上記触媒
の劣化を判定する触媒劣化判定手段とを有し、上記劣化
定数算出手段は、上記予測空燃比と上記センサ下流空燃
比との偏差、あるいは、上記予測排ガス温度とセンサ下
流排ガス温度との偏差を排除すべく上記触媒反応劣化定
数を設定することを特徴とする。

（作用）第１の発明によれば、反応値算出手段が理論排ガス濃
度及び理論排ガス温度を算出すると共に、これら値に応
じた予測空燃比あるいは予測排ガス温度の少なくとも一
つを算出し、劣化判定手段が予測空燃比あるいは予測排
ガス温度とセンサ下流空燃比あるいはセンサ下流排ガス
温度とに基づき触媒の劣化を判定し、触媒劣化警告手段
が触媒劣化判定情報に基づき触媒劣化警告を発するの
で、触媒劣化を任意の時間に判定できる。

第２の発明によれば、劣化判定手段が予測空燃比と上
記センサ下流空燃比とがそれぞれ設定空燃比に達する時
点の偏差である遅れ時間を算出するので、その遅れ時間
に基づき触媒の劣化判定をすることができる。

第３の発明によれば、劣化判定手段が、設定時点での
予測空燃比と上記センサ下流空燃比との偏差を算出する
ので、その偏差に基づき触媒の劣化判定をすることがで
きる。

第４の発明によれば、劣化判定手段が予測空燃比の極
大極小振れ幅と上記センサ下流空燃比の極大極小振れ幅
とのピーク偏差を算出するので、そのピーク偏差に基づ
き触媒の劣化判定をすることができる。

第５の発明によれば、劣化判定手段が予測空燃比とセ
ンサ下流空燃比との偏差の積分値である偏差面積を算出
するので、その偏差面積に基づき触媒の劣化判定をする
ことができる。

第６の発明によれば、反応値算出手段が理論排ガス濃
度及び理論排ガス温度を算出するとともにこれらの値に
応じた予測空燃比あるいは予測排ガス温度の少なくとも
一つを算出し、劣化定数算出手段が予測空燃比とセンサ
下流空燃比、あるいは予測排ガス温度とセンサ下流排ガ
ス温度との偏差を排除すべく、触媒反応劣化定数を算出
するので、劣化判定手段が任意の時間に劣化定数に基づ
き触媒の劣化を判定でき、触媒劣化警告手段が触媒劣化
判定情報に基づき触媒劣化警告を発することができる。

（実施例）第１図の触媒劣化診断装置はエンジン１の排気路２に
配設された触媒コンバータ３に付設される。

この触媒コンバータ３はその内部に周知の三元触媒４
を収容し、この三元触媒４に達する排ガスの酸化及び還
元反応を促進させて、即ち、触媒反応を促進させ、排ガ
スを無害化させている。

触媒コンバータ３の上流側のコンバータ入口近傍には
上流リニア空燃比センサとしてのリニアO₂センサ５及び
触媒上流の排ガス温度情報を出力する上流温度センサ６
が、下流側のコンバータ出口近傍には下流空燃比センサ
としてのλ型のO₂センサ７及び下流温度センサ８がそれ
ぞれ対設されている。

ここで両空燃比センサ5,7の出力波はそれぞれ信号処
理手段9,10により整形増幅され、両温度センサ6,8の出
力はそれぞれA/D変換器11,12でデジタル化され、各出力
信号はコントローラ13に出力される。更に、吸入空気量
QI情報がエアフローセンサ15よりコントローラ13に出力
される。

コントローラ13はその要部がマイクロコンピュータで
構成され、適時に入力信号を取り込み、劣化警告の出力
を駆動回路131を介して発する入出力回路132と、後述の
劣化診断プログラムや設定値を記憶処理した記憶回路13
3と、後述の劣化判定プログラムに沿って、劣化判定制
御を行なう制御回路134とを備える。なお。駆動回路131
には触媒劣化警告手段の一部をなす触媒劣化警告灯14が
接続されている。

このようなコントローラ13は、反応値算出手段と、触
媒劣化判定手段と、触媒劣化警告手段としての機能を備
える。

反応値算出手段は触媒を通過する排ガスの触媒反応に
基づき触媒通過後の理論排ガス濃度及び理論排ガス温度
をそれぞれ算出する。触媒劣化判定手段は理論排ガス濃
度に対応する予測空燃比と上記触媒下流の下流空燃比セ
ンサからのセンサ下流空燃比とに基づき触媒の劣化を判
定する。触媒劣化警告手段は触媒劣化判定情報に基づき
触媒劣化警告灯14を駆動させる。

ここで、反応値算出手段は触媒通過前の触媒上流の排
ガス流量Q1と、上流排ガス温度T1と、上流排ガス中の酸
素濃度より上流排ガス中に含まれるCO,HC,NOの各成分濃
度cCO1,cHC1,cNO1を取り込み、下記のモデルシミュレー
ション計算により、後述各単位触媒片通過時点毎のデー
タを求め、その上で触媒下流の理論排ガス流量Q2と、下
流理論排ガス温度T2と、下流排ガスの各成分理論濃度cC
O2,cHC2,cNO2を算出するという機能を果たすもので、以
下にこの反応値算出手段の働きを具体的に説明する。

ここでは、モデルシミュレーション計算により触媒入
口より出口を通過するまでの複数の位置（時間）での排
ガス濃度、排ガス温度等の変化値を順次算出して、三元
触媒全体としての排ガス濃度、排ガス温度等の変化値を
算出することとなる。このため、複数個の単位触媒片毎
のデータを採る必要がある。そこで第２図に示すよう
に、三元触媒が新品のものと見做し、その三元触媒４を
複数個の単位触媒片401に分割し、例えば、単位触媒片4
01の容量が100ccに設定された場合、実車の三元触媒が1
000ccであるとすれば、単位触媒片が10個に分割される
ものと見做すこととなる。

その上で、モデルシミュレーション計算が第４図に示
すシミュレーションフローチャートに沿って行なわれ
る。

即ち、ステップa1で、単位触媒片401の個数（ここで
は10個と仮定する）と容量（ここでは100ccと仮定す
る）が初期設定される。

この後ステップa2では、触媒上流の排気ガス流量QI、
流入する排ガスの上流排ガス温度T1、各排ガス成分濃度
cCO1,cHC1,cNO1を取り込む。

この内、排気ガス流量Q1はエアフローセンサ15の吸入
空気量QIに応じた値として所定の算出マップ（第３図参
照）より算出され、上流排ガス温度T1は上流温度センサ
６により取り込まれる。更に、各排ガス成分濃度cCO1,c
HC1,cNO1は、リニアO₂センサ５により取り込まれた空燃
比情報に基づき算出される。この場合、空燃比情報に基
づき排ガス中のCO,HC,NOxの各成分配分を算出出来る所
定の成分配分算出マップが予め作成されており、そのマ
ップ（図示せず）が利用されることとなる。

この後ステップa3では、単位触媒片401毎のサンプリ
ング時間Δｔの設定とサンプリング経過時間タイマtcの
クリアが成される。ここで、サンプリング時間Δｔは下
式により算出される。

Δｔ＝VSCAT/Q1 ここで、VSCATは単位触媒片401の容量を、Q1は排気ガ
ス流量をそれぞれ示しており、サンプリング時間Δｔ値
は単位容量の排ガスが単位触媒片401を通過するまでの
時間を示している。

ステップa4では単位触媒片401に達した排ガスの各触
媒反応に伴うデータが10個に分割された単位触媒片401
毎に順次算出される。

ここでは第一の単位触媒片401に流入した排ガスの触
媒反応をまず説明する。

第一の単位触媒片401に流入した排ガスの内、 COの浄化反応は 2CO＋O₂ー2CO₂＋67.636Kcal/mol HCの浄化反応は C₃H₈＋5O₂ー3CO₂＋4H₂O＋530.605Kcal/mol NOxの浄化反応は NO＋COー1/2×N₂＋CO₂＋115.652Kcal/mol により示される様に行なわれる。

この時の各反応速度式（各濃度の時間微分式）は
（１），（２），（３）により示される。

COの反応速度式 dCA/dt＝RCO×KCO（Ｔ）×〔CO〕^ACO×〔O₂〕^BCO …（１）ここで、RCOは劣化定数（０〜１にありここでは１に設
定）を、KCO（Ｔ）は反応速度定数（アレニウスの式）
を、ACOは触媒により定まる反応次数（ここでは1.0に設
定）を、BCOは触媒により定まる反応次数（ここでは0.0
に設定）を、Ｔは上流温度センサ６からの排ガスの絶対
温度を示す。

なお、アレニウスの式は KCO（Ｔ）＝Ａ×exp（−Ea/R/T）であり、ここでＡは頻度因子（34.467に設定）を、Eaは
活性化エネルギーを、Ｒはガス定数を、Ea/Rは10.761と
算出される。

HCの反応速度式 dCA/dt＝RHC×KHC（Ｔ）×〔HC〕^AHC×〔O₂〕^BHC …（２）ここで、RHCは劣化定数（０〜１にありここでは１に設
定）を、KHC（Ｔ）は反応速度定数（アレニウスの式）
を、AHCは反応次数（ここでは1.35に設定）を、BHCは反
応次数（ここでは−0.35に設定）を、Ｔは絶対温度を示
す。

なお、アレニウスの式 KHC（Ｔ）＝Ａ×exp（−Ea/R/T）ここで,Aは頻度因子（669.144に設定）を、Ea/Rは4944.
132と算出される。

NOの反応速度式 dCA/dt＝RNO×KNO（Ｔ）×〔NO〕^ANO×〔CO〕^BNO …（３）ここで、RNOは劣化定数（０〜１にありここでは１に設
定）を、KNO（Ｔ）は反応速度定数（アレニウスの式）
を、ANOは反応次数（ここでは1.04に設定）を、BNOは反
応次数（ここでは−0.04に設定）を、Ｔは絶対温度を示
す。

なお、アレニウスの式 KNO（Ｔ）＝Ａ×exp（−Ea/R/T）ここで,Aは頻度因子（669.144に設定）を、Ea/Rは4944.
132と算出される。

なおこのような各成分の反応に伴い、特に、CO反応と
HC反応の両反応はO₂を同時に消費するので、COとC₃H₈の
反応に使用されるO₂を分配する必要がある。

O₂の分配は下式により算出される。

CO用のO₂＝O₂×CO/（C₃H₃＋CO） C₃H₈用のO₂＝O₂×C₃H₈／（C₃H₈＋CO）更に、単位触媒片401内のO₂ストレージ状態が算出され
る。ここではO₂の濃度が下式で判定される。この場合、
まず、COが必要とするO₂濃度は、COの濃度の1/2、HCが
必要とするO₂濃度はC₃H₈の濃度の５倍となる。そして、 O₂＞2CO＋C₃H₈/5 （リーン） O₂＜2CO＋C₃H₈/5 （リッチ）即ち、O₂濃度が、COの濃度の２倍と、C₃H₈の濃度の1/
5とを加算した値以上の濃度ではリーンと判定し、O₂濃
度が、COの濃度の２倍と、C₃H₈の濃度の1/5倍とを加算
した値以下の濃度ではリッチと判定する。

単位触媒片401内がリッチと判定された場合、その時
は、単位触媒片401にストレージされているO₂量が必要O
₂量よりも大きい時は必要O₂量だけを放出する。逆に、
小さい時は全てのO₂量を放出する。

単位触媒片401内がリーンと判定された場合、その時
は、流入O₂量から必要O₂量を差し引いたものを過剰O₂量
とする。過剰量が単位触媒片の余剰ストレージ容量より
小さければ全量をストレージする。逆に、大きければス
トレージ可能分だけを貯蔵する。なおこのO₂ストレージ
状態の判定は第５図のO₂ストレージ判定ルーチンで行な
われる。

ここで、流入O₂濃度cO₂と、排ガス中のCO,HCが必要と
する必要O₂濃度cO₂rとが比較され、リッチではステップ
b2に進み、単位触媒片401（ｉ）（ここでは１）の現ス
トレージ量cO₂s（ｉ）が不足分O₂difo2 1を上回ってい
るとステップb3に進む。逆に下回っているとステップb4
に進む。現ストレージ量が十分であるとしてステップb3
に達すると、ここでは現ストレージ量より不足分O₂difO
₂が消費され、その残量が新たな現ストレージ量cO₂s
（ｉ）とされ、他方、現ストレージ量が不十分とされて
ステップb4に達すると、ここでは現O₂濃度が現ストレー
ジ量cO₂s（ｉ）分だけ増加される。この時、現ストレー
ジ量cO₂s（ｉ）は０となる。

他方、流入O₂濃度cO₂と、CO,HCが必要とする必要O₂濃
度cO₂rとが比較され、リーンではステップb5に進み、こ
こでの余剰分O₂濃度difO₂2は流入O₂濃度cO₂より必要O₂
濃度cO₂rを引いた値となっている。そして現ストレージ
量cO₂s（ｉ）に余剰分O₂濃度difO₂2を加算した値よりも
許容ストレージ容量fulO₂が大きければステップb6に、
そうでないとステップb7に進む。

許容ストレージ容量fulO₂が大きくステップb6に達す
ると、現ストレージ量cO₂s（ｉ）はこれに余剰分O₂濃度
difO₂2を加算した値に更新され、現O₂濃度cO₂（流出O₂
濃度cO₂となる）は０となる。逆に許容ストレージ容量f
ulO₂が小さくステップb7に達すると、現ストレージ量cO
₂s（ｉ）は許容ストレージ容量fulO₂となり、あふれたO
₂のため、現O₂濃度cO₂（流出O₂濃度cO₂となる）は、余
剰分O₂濃度difO₂2より許容ストレージ容量fulO₂を引い
た残りを加算することにより更新される。

次に、単位触媒片401の熱収支を説明する。

ここで、各反応方程式（１），（２），（３）より、
CO,HC,NOの各反応熱は、それぞれ、67.636,530.605,11
5.652Kcal/molである。

各成分CO,HC,NOの各反応生成熱は単位触媒片前後の濃
度差から下式のように求めることができる。

反応生成熱＝〔ガス流量（1/sec）×サンプリング時
間（sec）〕/22.4（1/mol）×濃度差（％）/100×反応
熱（Kcal/mol）更に、単位触媒片401の流出排ガスの温度上昇分を求め
る。

温度上昇（℃）＝〔反応生成熱（Kcal）−放熱量（Kc
al）〕／〔流入排ガス（mol）×比熱（Kcal/℃×mo
l）〕 …（４）ここで、反応生成熱（Kcal）は各成分CO,HC,NOの各反
応生成熱の加算値となり、放熱量は下記（５）式とな
り、流入排ガス量（mol）は排気ガス流量Q1に応じた値
となる。

なお、単位触媒片の放熱量は表面積と外気との温度差
に比例する。触媒表面積を変化させた時の表面積と放熱
量の関係は次式で表される。

放熱量（cal/Kcal）＝〔2.9E−５×表面積（mm²）−
0.1381〕×〔流入ガス温度（℃）−外気温度（℃）〕／
（450−20）（℃） …（５）ここで〔2.9E−５×表面積（mm²）−0.1381〕は触媒
毎に実験的に求めた値となる。

（４）式で求めた温度上昇分が流入熱量に加わり流出
熱量（℃）となり、次の単位触媒片401に供給される。

このような第１の単位触媒片401の各計算が完了する
とステップa5に進み、サンプリング経過時間タイマtcの
カウントがサンプリング時間Δｔだけ加算され、ステッ
プa4に戻る。このステップa4では、第１の単位触媒片40
1からのデータである流入濃度、流入排ガス温度、流入
排ガス量に基づき、再度第１の単位触媒片401で行なっ
たと同様の算出処理がなされ、第２の単位触媒片401か
らの流出濃度、流出排ガス温度、流出排ガス量が新たな
データとして算出される。そして、サンプリング経過時
間タイマtcが10Δｔに達した時点でステップa6に進む。

このステップa6では、排ガス通過方向に順次並ぶ単位
触媒片401の列の内の排気路下流側の最後の単位触媒片4
01の流出排ガス量、流出濃度、流出排ガス温度を三元触
媒４通過後の排ガスの成分データと見做す。そして、各
値を理論排ガス流量Q2と、下流排ガスの各成分理論濃度
cCO2,cHC2,cNO2と、下流理論排ガス温度T2と見做し、各
アドレスにストアする。

このように、反応値算出手段がモデルシミュレーショ
ン計算により三元触媒４通過後の排ガスの成分データ、
Q2、cCO2,cHC2,cNO2、T2（この値がTp予測排ガス温度と
なる）を求めた後。触媒劣化判定手段が理論排ガス濃度
cCO2,cHC2,cNO2に対応する予測空燃比λ２と、触媒下流
のO₂センサ７からのセンサ下流空燃比λｓとに基づき触
媒の劣化を判定し、触媒劣化警告手段が触媒劣化判定情
報に基づき触媒劣化警告灯14を駆動させる。

以下、第１図の触媒劣化診断装置の作動を第６図の触
媒劣化診断処理のフローチャート及び第７図の空燃比特
性線図に沿って説明する。

ここでは、ステップc1でタイムカウンタTCをセット
し、リニアO₂センサ５の上流空燃比がリッチからリーン
又はリーンからリッチに変化したか否か判断し、変化す
るのを待つ。変化すると（第７図の時点ta参照）タイム
カウンタTCをスタートする。ステップc4では運転状態検
出処理に入る。ここでは図示しない回転数センサよりエ
ンジン回転数を、エアフローセンサ15より吸入空気量QI
を，上流温度センサ６より上流排気ガス温度T1を取り込
む。更に、リニアO₂センサ５の出力に基づきセンサ上流
空燃比λ１を算出し、所定エリアにストアする。そし
て、流入排ガス濃度である上流排ガスの各成分濃度cCO
1,cHC1,cNO1を所定のガスデータマップ（図示せず）に
沿って上流空燃比λ１に基づき算出する。この後、ステ
ップc7では、モデルシミュレーション計算がなされ、こ
こで算出された三元触媒４通過後の下流排ガスの各成分
理論濃度cCO2,cHC2,cNO2を得る。更に、各成分理論濃度
cCO2,cHC2,cNO2に応じた、即ち、理論排ガス濃度に対応
する予測空燃比λ２が図示しない所定のデータマップに
基づき算出される。更に、この予測空燃比λ２はO₂セン
サ７の出力に対応する値に換算される。

ステップc8に進むと、下流のO₂センサ７の出力が設定
値（差分の出やすい値で良く、ここでは0.5V（λ＝1.
0）に設定）に成ったか否かを判断し、なるとその時の
カウンタ値をアドレスdt1にセットする（第７図の時点t
b参照）。更に、予測空燃比λ２が設定値（差分の出や
すい値で良く、ここでは0.5に設定）に成ったか否かを
判断し、なるとその時のカウンタ値をアドレスdt2にセ
ットする（第７図の時点tc参照）。

ステップc12に達すると、ここではアドレスdt1とアド
レスdt2に値がストアされたかを判定し、ストアされる
とステップc13に進み、そのカウント値の差分dt（＝|dt
1−dt2|）が算出される。更にステップc14では予め設定
されている判定値txを差分dtが上回るか否かを判定す
る。触媒が劣化しない間はステップc14よりステップc1
に戻り、劣化が判定されるとステップc15に達し、触媒
劣化警告灯14が駆動され、制御が終わる。

上述の処においてステップc13で算出された差分dtが
直接判定値txと比較されたが、これに代えて、ステップ
c16の平均化処理を行なってからその平均差分dtaと判定
値txとが比較されるように構成されても良い。この平均
化処理では平均差分がdta（＝（１−α）dta＋αdt）と
して算出される。即ち、前回の平均差分dtaを（１−
α）倍し、これに今回の差分dtをα倍したものを加え、
平均差分dtaを更新する。この場合、αは適宜設定さ
れ、例えば0.1に設定される。

更に、この実施例では、ステップc8よりステップc12
の間の、O₂センサ７のセンサ下流空燃比及び予測空燃比
λ２の遅れ時間dtに基づき劣化判定をしたが、これに代
えて、設定時点（例えば予測空燃比λ２が設定値0.5に
達した時点tc）でのセンサ下流空燃比を取り込み、両値
の差分Δλ（第７図参照）を算出し、その値が適宜設定
される設定値を上回っていると劣化判定するという構成
を採ることもできる。

更に、第１図の触媒劣化診断装置のコントローラが行
なう触媒劣化診断処理を第６図の遅れ時間比較に基づく
劣化判定に代えて、第７図及び第８図に示すようなセン
サ下流空燃比と予測空燃比λ２の差分積分値である面積
Ａに基づき劣化判定をするように構成しても良い。この
場合を第11図の触媒劣化診断処理のフローチャート及び
第７図の空燃比特性線図に沿って説明する。

ここでは、まず、ステップd1で運転状態検出処理に入
り、ステップd2でセンサ上流空燃比λ１の算出処理に入
り、ステップd3で上流空燃比λ１に応じた上流排ガスの
各成分濃度の算出処理に入り、ステップd4ではモデルシ
ミュレーション計算により三元触媒４通過後の下流排ガ
スの各成分理論濃度cCO2,cHC2,cNO2の算出と、その値に
応じた予測空燃比λ２及びその値に応じたO₂センサの出
力換算処理に入る。これらステップd1よりd4までは第６
図の上述のステップc4よりc7までの処理と同様に行なわ
れる。

ステップd5に達すると、センサ上流空燃比λ１がリッ
チからリーンに変化するのを待ち、時点taで変化すると
ステップd6に達する。ここでは、センサ下流空燃比と予
測空燃比λ２の各出力の差分daをもとめ、ステップd7に
てアドレスＡの値にΔｔ当りの面積増加分（da）を加算
して更新する。ステップd8においては、センサ上流空燃
比λ１がリーンからリッチに変化するのを待ち、時点td
（第８図に同様の時点を示した）で変化するとステップ
d9に進み、センサ下流空燃比と予測空燃比λ２の差分の
積分値のストアされたアドレスＡの値が判定値Axと比較
される。アドレスＡの値が判定値Axを下回っている間は
ステップd1に戻り、再度劣化判定が実行され、上回ると
ステップd10に進み、触媒劣化警告灯14が駆動され、制
御が終わる。

上述の処においてステップd8で算出された偏差面積Ａ
が直接判定値Axと比較されたが、これに代えて、ステッ
プd11の平均化処理を行なってからその平均偏差面積Aa
と判定値Axと比較されるように構成されても良い。この
平均化処理では平均偏差面積Aa（＝（１−α）Aa＋α
Ａ）として算出される。即ち、前回求めた平均偏差面積
Aaを（１−α）倍し、これに今回求めた偏差面積Ａをα
倍したものを加え、平均偏差面積Aaを更新する。この場
合、αは適宜設定され、例えば0.1に設定される。

第１図の触媒劣化診断装置は上流空燃比センサとして
リニアO₂センサ５を、下流空燃比センサとしてλ型O₂セ
ンサ７を用いていたが、これに代えて、上下流のセンサ
を共に、リニアO₂センサとして触媒劣化診断装置を構成
しても良い。

ここでは、一対のリニアO₂センサを備える触媒劣化診
断装置による触媒劣化診断処理のフローチャートを第12
図に、その空燃比特性線図を第８図に示した。

ここでは、まず、ステップe1で運転状態検出処理に入
り、ステップe2でセンサ上流空燃比λ１の算出処理に入
り、ステップe3で上流空燃比λに応じた上流排ガスの各
成分濃度の算出処理に入り、ステップe4ではモデルシミ
ュレーション計算により三元触媒４通過後の下流排ガス
の各成分理論濃度cCO2,cHC2,cNO2の算出と、その値に応
じた予測空燃比λ２及びその値に応じたリニアO₂センサ
の出力換算処理に入る。これらステップe1よりe4までは
第６図の上述のステップc4よりc7までの処理と同様に行
なわれる。

この後、ステップe5では予測空燃比λ２のリニアO₂セ
ンサの出力換算値（第８図に破線で示した）の極小値の
算出を行ない、極小値が得られるとアドレスdp1にスト
アする。ステップe7に達すると予測空燃比λ２のリニア
O₂センサの出力換算値（第８図に破線で示した）の極大
値の算出を行ない、極大値が得られるとアドレスdp2に
ストアする。ステップe9に達すると下流のリニアO₂セン
サ７のセンサ下流空燃比（第８図に１点鎖線で示した）
の出力の極小値の算出を行ない、極小値が得られるとア
ドレスdo1にストアする。ステップe11に達すると下流の
リニアO₂センサ７のセンサ下流空燃比（第８図に１点鎖
線で示した）の出力の極大値の算出を行ない、極大値が
得られるとアドレスdo2にストアする。

ステップe13に達すると、ここではアドレスdp1,dp2,d
o1,do2に各値がストアされるのを待ち、ストアされると
ステップe14に進む。ステップd14では予測空燃比λ２の
極大極小振れ幅Δd0（＝do1−do2）とセンサ下流空燃比
の極大極小振れ幅Δdp（＝dp1−dp2）とのピーク値偏差
｜Δd0−Δdp|が算出され、そのピーク値偏差が直接判
定値dxと比較される。

触媒が劣化せずピーク値偏差｜Δd0−Δdp|が判定値d
xを下回っている間はステップe1に戻り、劣化が判定さ
れ、上回るとステップe15に進み、触媒劣化警告灯14が
駆動され、制御が終わる。

上述の処においてステップe13でストアされたアドレ
スdp1,dp2,do1,do2の各値が直接判定値dxと比較された
が、これに代えて、ステップe16の平均化処理を行なっ
てからその平均化されたアドレスdp1,dp2,do1,do2の各
値が判定値dxと比較されるように構成されても良い。こ
の平均化処理では各アドレスdp1,dp2,do1,do2の値は適
宜設定されるそれぞれの取り込み比率αに基づき取り込
まれる。

更に、第１図の触媒劣化診断装置のコントローラが行
なう触媒劣化診断処理を第12図のピーク値比較に基づく
劣化判定に代えて、第13図のようなセンサ下流空燃比と
予測空燃比λ２の差分積分値である面積A1に基づき劣化
判定をするように構成しても良い。この場合を第13図の
触媒劣化診断処理のフローチャート及び第８図の空燃比
特性線図に沿って説明する。

ここでは、ステップf1でタイムカウンタがセットされ
る。その後ステップf2では運転状態検出処理に入り、ス
テップf3でセンサ上流空燃比λ１の算出処理に入り、ス
テップf4で上流空燃比λ１に応じた上流排ガスの各成分
濃度の算出処理に入り、ステップf5ではモデルシミュレ
ーション計算により三元触媒４通過後の下流排ガスの各
成分理論濃度cCO2,cHC2,cNO2の算出と、その値に応じた
予測空燃比λ２及びその値に応じたリニアO₂センサ７の
出力換算処理に入る。これらステップf2よりf5までは第
６図のステップc4よりc7までの処理と同様に行なわれ
る。

ステップf6に達すると、ここでは、センサ下流空燃比
と予測空燃比λ２の各出力の差分daを求め、アドレスＡ
の値にΔｔ当りの面積増加分（da）を加算して更新す
る。ステップf8においては、一定時間（この値は上流空
燃比λ１の半サイクル、あるいは数サイクル相当とさ
れ、一定値に前以て設定される）の経過を待ち、時間経
過によりステップf9に進む。ステップf9では上流空燃比
と予測空燃比λ２の差の積分値がストアされたアドレス
Ａの値が判定値Axと比較される。アドレスＡの値が判定
値Axを下回っている間はステップf1に戻り、再度劣化判
定が実行され、上回るとステップf10に進み、触媒劣化
警告灯14が駆動され、制御が終わる。

上述の処においてステップf8で算出された偏差面積Ａ
が直接判定値Axと比較されたが、これに代えて、ステッ
プf11の平均化処理を行なってからその平均偏差面積Aa
と判定値Axとが比較されるように構成されても良い。こ
の平均化処理では平均偏差面積Aa（＝（１−α）Aa＋α
Ａ）として算出される。即ち、前回求めた平均偏差面積
Aaを（１−α）倍し、これに今回求めた偏差面積Ａをα
倍したものを加え、平均偏差面積Aaを更新する。この場
合、αは適宜設定され、例えば0.1に設定される。

更に、第１図の触媒劣化診断装置のコントローラが行
なう触媒劣化診断処理ではセンサ下流空燃比と予測空燃
比λ２に基づき劣化判定を行なっていたがセンサ下流排
ガス温度Toと予測排ガス温度Tpにに基づき劣化判定を行
なうように構成しても良い。この場合を第13図の触媒劣
化診断処理のフローチャート及び第９図の空燃比特性線
図に沿って説明する。

ここでは、まず、ステップg1で運転状態検出処理に入
る。ここでは図示しない回転数センサよりエンジン回転
数を、エアフローセンサ15より吸入空気量QIを，上流温
度センサ６より上流排気ガス温度T1を取り込む。更に、
ステップg2でリニアO₂センサ５の出力に基づきセンサ上
流空燃比λ１を算出し、所定エリアにストアする。そし
て、ステップg3で流入排ガス濃度である上流排ガスの各
成分濃度cCO1,cHC1,cNO1とを所定のガスデータマップ
（図示せず）に沿って上流空燃比λ１に基づき算出す
る。この後ステップg4では、モデルシミュレーション計
算により算出された三元触媒４通過後の下流排ガスの予
測排ガス温度Tpを求め、その値の平均化処理（第９図中
に２点鎖線で示した）を行なう。この平均化処理では平
均予測排ガス温度▲▼が（＝（１−α）▲▼＋
αTp）として算出される。即ち、前回の予測排ガス温度
▲▼を（１−α）倍し、これに今回の予測排ガス温
度Tpをα倍したものを加えて、予測排ガス温度▲▼
を更新する。この場合、αは適宜設定され、例えば0.1
に設定される。

ステップg5では下流排ガス温度センサ８より下流排ガ
ス温度Toが取り込まれ、この値も平均化処理（第９図中
に２点鎖線で示した）される。この平均化処理では平均
下流排ガス温度▲▼が（＝（１−α）▲▼＋α
To）として算出される。即ち、前回の平均下流排ガス温
度▲▼を（１−α）倍し、これに今回の予測排ガス
温度Toをα倍したものを加えて、平均下流排ガス温度▲
▼を更新する。この場合、αは適宜設定され、例え
ば0.1に設定される。

ステップg6に達するとここでは平均予測排ガス温度Tp
と平均下流排ガス温度▲▼の差分が算出され、その
差分が判定値Txを下回っている間はステップg1に戻り、
サイド劣化判定が実行され、上回るとステップg7に進
み、触媒劣化警告灯14が駆動され、制御が終わる。

更に、第１図の触媒劣化診断装置のコントローラが行
なう触媒劣化診断処理ではセンサ下流空燃比と予測空燃
比λ２あるいは平均予測排ガス温度▲▼と平均下流
排ガス温度▲▼に基づき劣化判定を行なっていた
が、上述の触媒の反応速度式（１），（２），（３）中
の劣化定数RCO,RHC,RNOに基づき劣化判定を行なうよう
に構成しても良い。この場合使用されるコントローラ13
は上述の反応値算出手段、と触媒劣化判定手段と、触媒
劣化警告手段に加えて、反応値算出手段が理論排ガス濃
度及び理論排ガス温度の算出の際に用いる触媒反応劣化
定数を増減設定する劣化定数算出手段としての機能をも
備える。

この場合、劣化定数RCO,RHC,RNOは０乃至１の範囲で
変動操作されるものとする。この場合を第15図の触媒劣
化診断処理のフローチャート、第７図及び第８図の空燃
比特性線図及び第10図の劣化定数Ｒの波形図に沿って説
明する。なお、ここでは３つの劣化定数RCO,RHC,RNOを
同一値として制御するものとし、これらを劣化定数Ｒと
して説明する。

ここでは、まず、ステップh1で運転状態検出処理に入
り、ステップh2でセンサ上流空燃比λ１の算出処理に入
り、ステップh3で上流空燃比λ１に応じた上流排ガスの
各成分濃度の算出処理に入り、ステップh4ではモデルシ
ミュレーション計算により三元触媒４通過後の下流排ガ
スの各成分理論濃度cCO2,cHC2,cNO2の算出と、その値に
応じた予測空燃比λ２及びその値に応じたO₂センサの出
力換算処理に入る。これらステップh1よりh4までは第６
図の上述のステップc4よりc7までの処理と同様に行なわ
れる。

ステップh5に達すると、センサ上流空燃比λ１がリッ
チからリーンに変化するのを待ち、時点taで変化すると
ステップh6に達する。ここでは、センサ下流空燃比と予
測空燃比λ２の各出力の差分daをもとめ、アドレスＡの
値（偏差面積Ａ）にΔｔ当りの面積増加分（Δｔ×da）
を加算して更新する。ステップh8においては、センサ上
流空燃比λ１がリーンからリッチに変化するのを待ち、
時点td（第８図に同様の時点を示した）で変化するとス
テップh9に進む。このステップh9では、現偏差面積Ａを
ゼロにするよう、劣化定数Ｒに応じたＰゲインを設定
し、その上でＩゲインを設定し経時的に偏差面積Ａをゼ
ロに収束させるように劣化定数ＲをPI制御する。このよ
うな劣化定数Ｒの変化により、下流排ガスの各成分理論
濃度cCO2,cHC2,cNO2が変化し、これら値に応じて算出さ
れる予測空燃比λ２はセンサ下流空燃比側に近づく。な
お第10図にはPI制御される劣化定数Ｒの経時変化が示さ
れている。

この後、ステップh10に達すると現劣化定数Ｒが判定
値Rhと比較される。劣化定数Ｒが判定値Rhを上回ってい
る間はステップh1に戻り、再度劣化判定が実行され、下
回るとステップh11に進み、触媒劣化警告灯14が駆動さ
れ、制御が終わる。

上述の処では、センサ下流空燃比と予測空燃比λ２の
偏差面積をゼロに収束させるべく劣化定数ＲがPI制御さ
れていたが、これに代えて、センサ下流空燃比と予測空
燃比λ２の遅れ時間dt（第６図参照）や、設定時点での
両値の差分Δλ（第７図参照）や、平均予測排ガス温度
▲▼と平均下流排ガス温度▲▼の差分等をゼロ
に収束させるべく劣化定数ＲがPI制御される構成として
も良い。

（発明の効果）以上のように、第１の発明によれば、理論排ガス濃度
及び理論排ガス温度を算出すると共にこれらの値に応じ
た予測空燃比あるいは予測排ガス温度の少なくとも一つ
を算出するので、予測空燃比あるいは予測排ガス温度と
センサ下流空燃比あるいはセンサ下流排ガス温度とに基
づき触媒の劣化を判定し、触媒劣化警告を任意の時間に
精度良く行なうことが出来る。

第２の発明によれば、予測空燃比とセンサ下流空燃比
とがそれぞれ設定空燃比に達する時点の偏差である遅れ
時間を算出するので、その遅れ時間に基づき触媒の劣化
を判定し、触媒劣化警告を任意の時間に精度良く行なう
ことが出来る。

第３の発明によれば、設定時点での予測空燃比とセン
サ下流空燃比との出力偏差を算出するので、その出力偏
差に基づき触媒の劣化を判定し、触媒劣化警告を任意の
時間に精度良く行なうことが出来る。

第４の発明によれば、予測空燃比の極大極小振れ幅と
センサ下流空燃比の極大極小振れ幅とのピーク値偏差を
算出するので、そのピーク値偏差に基づき触媒の劣化を
判定し、触媒劣化警告を任意の時間に精度良く行なうこ
とが出来る。

第５の発明によれば、予測空燃比とセンサ下流空燃比
との偏差の積分値である偏差面積を算出するので、その
偏差面積に基づき触媒の劣化を判定し、触媒劣化警告を
任意の時間に精度良く行なうことが出来る。

第６の発明によれば、理論排ガス濃度及び理論排ガス
温度を算出すると共にこれらの値に応じた予測空燃比あ
るいは予測排ガス温度の少なくとも一つを算出し、予測
空燃比とセンサ下流空燃比との偏差あるいは予測排ガス
温度とセンサ下流排ガスの温度との偏差を排除すべく、
触媒反応劣化定数を算出するので、その劣化定数に基づ
き触媒の劣化を判定し、触媒劣化警告を任意の時間に精
度良く行なうことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は触媒劣化診断装置の全体概略構成図、第２図は
同上触媒劣化診断装置内の三元触媒で行なわれる排ガス
の触媒反応をモデルシミュレーション計算する場合の三
元触媒分割説明図、第３図は排ガス流量算出マップの特
性線図、第４図は同上三元触媒内排ガスの触媒反応をモ
デルシミュレーション計算する場合の制御処理を示すフ
ローチャート、第５図は同上排ガスの触媒反応をモデル
シミュレーション計算する場合のO₂ストレージ量判定処
理のフローチャート、第６図は同上触媒劣化診断装置の
行なう触媒劣化診断制御処理のフローチャート、第７
図、第８図は本発明の各々異なる実施例としての触媒劣
化診断装置で制御される予測、センサ上流、センサ下流
の各空燃比の波形図、第９図は本発明のその他の実施例
としての触媒劣化診断装置で制御される予測、センサ上
流、センサ下流の各排ガス温度の波形図、第10図は本発
明の実施例としての触媒劣化診断装置で制御される劣化
定数の波形図、第11図乃至第15図は各々異なる実施例と
しての触媒劣化診断装置で用いる各触媒劣化診断制御処
理のフローチャートである。１……エンジン、３……触媒コンバータ、４……三元触
媒、５……リニアO₂センサ、6,8……温度センサ、７…
…O₂センサ、13……コントローラ、14……触媒劣化警告
灯、Q1……排ガス流量、RCO,RHC,RNO……劣化定数、λ
１……センサ上流空燃比、λ２……予測空燃比、To……
センサ下流排ガス温度、Tp……予測排ガス温度、T1……
センサ上流排ガス温度、cCO1,cHC1,cNO1……上流排ガス
の各成分濃度、cCO2,cHC2,cNO2……下流排ガスの各成分
理論濃度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋晃東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者堀江修東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者片柴秀昭兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社産業システム研究所内 (72)発明者牧川安之兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社産業システム研究所内 (72)発明者西田稔兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社産業システム研究所内 (56)参考文献特開昭63−231252（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−65568（ＪＰ，Ｕ) 特公昭53−46478（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排ガス通路の触媒上流の空燃比情報を出力
する上流リニア空燃比センサと、上記触媒上流の排ガス
温度情報を出力する上流温度センサと、上記触媒を通過
する排ガスの触媒反応に基づき触媒通過後の理論排ガス
濃度及び理論排ガス温度をそれぞれ算出すると共にこれ
ら値に応じた予測空燃比あるいは予測排ガス温度の少な
くとも一つを算出する反応値算出手段と、上記予測空燃
比と下流空燃比センサからのセンサ下流空燃比とに基づ
き触媒の劣化を判定する手段、あるいは、上記予測排ガ
ス温度と下流温度センサからのセンサ下流排ガス温度と
に基づき触媒の劣化を判定する手段の内のいずれか一方
の劣化判定手段と、上記触媒劣化判定情報に基づき触媒
劣化警告を発する触媒劣化警告手段とを備えた触媒劣化
診断装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化診断
装置において、上記劣化判定手段が上記予測空燃比と上
記センサ下流空燃比とが設定空燃比に達する時点の偏差
に基づき触媒の劣化判定をすることを特徴とする触媒劣
化診断装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化診断
装置において、上記劣化判定手段が設定時点での上記予
測空燃比と上記センサ下流空燃比との偏差に基づき触媒
の劣化判定をすることを特徴とする触媒劣化診断装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化診断
装置において、上記劣化判定手段が上記予測空燃比の極
大極小振れ幅と上記センサ下流空燃比の極大極小振れ幅
とのピーク値偏差に基づき触媒の劣化判定をすることを
特徴とする触媒劣化診断装置。
【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の触媒劣化診断
装置において、上記劣化判定手段が上記予測空燃比と上
記センサ下流空燃比との偏差の積分値に基づき触媒の劣
化判定をすることを特徴とする触媒劣化診断装置。
【請求項６】排ガス通路の触媒上流の空燃比情報を出力
する上流空燃比センサと、上記触媒上流の排ガス温度情
報を出力する上流温度センサと、上記触媒を通過する排
ガスの触媒反応に基づき触媒通過後の理論排ガス濃度及
び理論排ガス温度をそれぞれ算出すると共にこれら値に
応じた予測空燃比あるいは予測排ガス温度の少なくとも
一つを算出する反応値算出手段と、上記反応値算出手段
が上記理論排ガス濃度及び上記理論排ガス温度の算出の
際に用いる触媒反応劣化定数を増減設定する劣化定数算
出手段と、上記触媒反応劣化定数に基づき上記触媒の劣
化を判定する触媒劣化判定手段とを有し、上記劣化定数
算出手段は、上記予測空燃比と上記センサ下流空燃比と
の偏差、あるいは、上記予測排ガス温度とセンサ下流排
ガス温度との偏差を排除すべく上記触媒反応劣化定数を
設定することを特徴とする触媒劣化診断装置。