JP2998533B2

JP2998533B2 - 内燃機関の触媒劣化診断装置

Info

Publication number: JP2998533B2
Application number: JP5323563A
Authority: JP
Inventors: 健一後藤; 洋一岸本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 2000-01-11
Anticipated expiration: 2015-01-11
Also published as: JPH07180534A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、触媒コンバータの上
流側と下流側とにそれぞれ配設された空燃比センサを利
用して、触媒の劣化状態を診断するようにした内燃機関
の触媒劣化診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の触媒コンバータの上流側およ
び下流側にそれぞれ空燃比センサ例えばＯ₂センサを配
設し、上流側Ｏ₂センサの出力信号を主にして空燃比フ
ィードバック制御を実行するとともに、両センサの出力
信号の比較から触媒の劣化を診断するようにした装置
が、例えば特開昭６３−９７８５２号公報や特開昭６３
−２０５４４１号公報に開示されている。

【０００３】すなわち、空燃比フィードバック制御の実
行中には、主に上流側Ｏ₂センサの出力信号に基づいて
例えば疑似的な比例積分制御により燃料供給量が制御さ
れるので、上流側Ｏ₂センサの出力信号は図７中の
（ａ）に示す如く、周期的にリッチ，リーンの反転を繰
り返す。これに対し、触媒コンバータの下流側では、触
媒のＯ₂ストレージ能力により残存酸素濃度の変動が非
常に緩やかになるので、下流側Ｏ₂センサの出力信号と
しては、図７中の（ｂ）に示すように、上流側Ｏ₂セン
サに比べて変動幅が小さく、かつ周期が長くなる。

【０００４】しかし、触媒コンバータにおける触媒が劣
化してくると、Ｏ₂ストレージ能力の低下により、触媒
コンバータ上流側と下流側とで酸素濃度がそれほど変わ
らなくなり、その結果、下流側Ｏ₂センサの出力信号
は、図７中の（ｃ）に示すように、上流側Ｏ₂センサの
出力に近似した周期で反転を繰り返すようになり、かつ
その変動幅も大きくなってくる。

【０００５】従って、前記公報に記載の装置では、上流
側Ｏ₂センサのリッチ，リーンの反転周期Ｔ１と下流側
Ｏ₂センサのリッチ，リーンの反転周期Ｔ２との比（Ｔ
１／Ｔ２）を求め、この比が所定値以上となった時に、
触媒が劣化したものと判定するようにしている。

【０００６】一方、触媒のＯ₂ストレージ能力は、触媒
の温度に大きく左右され、特に触媒活性化温度以下の低
温状態では、Ｏ₂ストレージ能力が非常に低い。つま
り、触媒温度が低い状態で上述した触媒劣化診断が実行
されると、触媒の転化性能が残存していても劣化と誤判
定されることがある。

【０００７】そこで、従来の装置では、機関が高速高負
荷運転を所定時間以上継続したか否か等を判断すること
により、触媒温度を推定し、この推定温度が活性化温度
以上になった場合に、劣化診断を行うようになってい
る。

【０００８】また、このような機関の運転状態に基づく
触媒温度の推定の代わりに、触媒コンバータに熱電対等
の温度センサを特別に設け、これにより、直接的に触媒
温度を検出するようにしたものも、例えば特公昭５８−
３３３６８号公報等によって知られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】機関の運転状態から触
媒温度を推定した後に劣化診断を行う装置にあっては、
外気温が低い場合や触媒コンバータに水等がかかった場
合に、誤診断する可能性がある。

【００１０】すなわち、外気温が低い場合や雨水等が触
媒コンバータにかかった場合には、触媒コンバータの実
温度が低下するが、推定温度は専ら機関の運転状態に依
存するため、実温度と推定温度との間に差異が生じる。
従って、機関の運転状態から温度を推定するものでは、
これらの外乱に対応することができず、活性化温度に達
していない触媒コンバータを診断して劣化と判定する可
能性がある。

【００１１】一方、触媒温度検出用に温度センサを設け
れば、常に実温度を直接測定できるため、このような問
題は生じない。しかしながら、この場合には、別体の温
度センサを新たに設ける必要があるため、装置の全体構
成が複雑化し、製造コストも増大する。特に、触媒温度
は数百度にも達し、使用雰囲気が過酷であるため、安価
なサーミスタ等を容易に用いることができず、温度セン
サの取り付けに要する費用は大きい。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、触媒
温度のみによって加熱された下流側空燃比センサの出力
信号から触媒温度を間接的に求めることとした。すなわ
ち、本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、排気
通路に介装された触媒コンバータの上流側に配設された
上流側空燃比センサ１と、触媒コンバータの下流側に配
設されたヒータ５を有する下流側空燃比センサ２と、前
記上流側空燃比センサ１の出力信号と下流側空燃比セン
サ２の出力信号とを用いて触媒の劣化を診断する診断手
段３とを備えた内燃機関の触媒劣化診断装置において、
前記診断手段３が触媒劣化と判定したときに、前記下流
側空燃比センサ２のヒータ５への通電を停止し、このヒ
ータ５による加熱停止後の下流側空燃比センサ２の出力
信号が所定の範囲内にある場合は前記触媒コンバータが
所定温度に達していないと判定して前記診断手段３によ
る再診断を要求する触媒温度確認手段４を設けたことを
特徴としている。

【００１３】

【作用】上流側空燃比センサ１と下流側空燃比センサ２
との出力信号を用いて、例えば両信号の反転回数の比等
から診断手段３が触媒劣化の判定を下すと、触媒温度確
認手段４は、下流側空燃比センサ２のヒータ５に対する
通電を停止し、この通電停止後の下流側空燃比センサ２
の出力信号を読込む。

【００１４】ここで、触媒温度が活性化温度に達してい
る場合には、この高い触媒温度によって下流側空燃比セ
ンサ２が加熱，保温されるため、該下流側空燃比センサ
２の出力信号に実質的変化は生じない。一方、触媒温度
が低下している場合に、ヒータ５への通電を停止する
と、下流側空燃比センサ２の温度も低下するため、該下
流側空燃比センサ２の出力信号の振幅が小さくなる。す
なわち、リッチ，リーンにおける変化幅が小さくなる。

【００１５】従って、触媒温度確認手段４は、専ら触媒
温度のみで加熱，保温された下流側空燃比センサ２の出
力信号が所定の範囲内にある場合には、触媒温度が所定
の温度以下であると間接的に検出することができ、これ
により誤診断を回避すべく、診断手段３に再診断を要求
する。

【００１６】また、前記下流側空燃比センサをジルコニ
ア管式空燃比センサとして構成すれば、ヒータによる強
制的加熱停止後に、すなわち、低温状態でも、所定の基
準電圧を得ることができるため、リーン状態時の出力と
区別することができ、触媒温度を間接的に知ることがで
きる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図１〜図６に基
づいて詳細に説明する。

【００１８】図２は、この発明の一実施例の機械的構成
を示す構成説明図であって、内燃機関１１には吸気通路
１２，排気通路１３が設けられている。吸気通路１２に
は、各吸気ポートへ向けて燃料を供給する燃料噴射弁１
４が気筒毎に配設されているとともに、上流側の集合部
にスロットル弁１５が介装されており、かつその上流側
には、吸入空気量を検出する例えば熱線式のエアフロメ
ータ１６が配設されている。

【００１９】前記排気通路１３には、例えば三元触媒を
用いた触媒コンバータ１７が介装されているとともに、
該触媒コンバータ１７よりも上流位置に上流側Ｏ₂セン
サ１８が、下流位置に下流側Ｏ₂センサ１９がそれぞれ
配設されている。

【００２０】この空燃比センサとしての各Ｏ₂センサ１
８，１９は、排気中の残存酸素濃度に応じた起電力を発
生するもので、例えばジルコニア管式のＯ₂センサが使
用され、特に、理論空燃比を境に起電力がステップ状に
急変するとともに、常温程度で例えば２８０ｍＶ程度の
基準電圧を発生させる特性を有している。

【００２１】また、各センサ１８，１９にはジルコニア
管の内外に設けられたＰｔ触媒（いずれも図示せず）を
加熱して活性化させるためのヒータ１８Ａ，１９Ａがそ
れぞれ設けられている。

【００２２】２０は内燃機関１１の冷却水温を検出する
水温センサ、２１は機関回転数を検出するために設けら
れた所定クランク角毎にパルス信号を発するクランク角
センサ、２２は車速センサをそれぞれ示している。

【００２３】上述した各種センサの検出信号が入力され
るコントロールユニット２３は、いわゆるマイクロコン
ピュータシステムを用いたもので、Ｏ₂センサ１８，１
９に基づく燃料噴射弁１４の噴射量制御つまりフィード
バック制御方式による空燃比制御を実行するとともに、
後述の触媒劣化診断を行うものである。

【００２４】また、このコントロールユニット２３は、
各Ｏ₂センサ１８，１９のヒータ１８Ａ，１９Ａへの通
電を個別に制御可能なヒータ制御回路２４を備えてお
り、このヒータ制御回路２４は、例えば車載電源の電流
を断接するリレー及び該リレーを駆動するトランジスタ
等を含んで構成されている。なお、通常は、印加電流の
オンオフ制御で足りるが、これに限らず時間比例制御も
可能である。

【００２５】次に、前記実施例における作用について説
明する。

【００２６】先ず、空燃比制御の概略を説明する。この
空燃比制御は、エアフロメータ１６が検出した吸入空気
量Ｑとクランク角センサ２１が検出した機関回転数Ｎと
から基本パルス幅Ｔｐ（基本噴射量）を、Ｔｐ＝（Ｑ／Ｎ）×ｋ（但しｋは定数）として演算し、かつこれに種々の増量補正やフィードバ
ック補正を加えて燃料噴射弁１４の駆動パルス幅Ｔｉ
（噴射量）を決定するのであり、具体的には次式によっ
てパルス幅Ｔｉが求められる。

【００２７】Ｔｉ＝Ｔｐ×ＣＯＥＦ×α＋ＴｓここでＣＯＥＦは各種増量補正係数であり、例えば水温
に応じた水温増量補正、高速高負荷時の空燃比補正など
からなる。Ｔｓは、燃料噴射弁１４の無効時間を補償す
るようにバッテリ電圧に応じて付加される電圧補正係数
である。

【００２８】また、αは主に上流側Ｏ₂センサ１８の検
出信号に基づいて演算されるフィードバック補正係数で
ある。すなわち、上流側Ｏ₂センサ１８の出力信号を所
定のスライスレベル（理論空燃比に対応する）と比較
し、かつそのリーン側およびリッチ側への反転に基づく
疑似的な比例積分制御によって求められる値で、１以上
であればリッチ側へ、１以下であればリーン側へ空燃比
が制御される。従って、この比例積分制御の結果、上流
側Ｏ₂センサ１８の出力信号は、図７中の（ａ）に示す
ように１〜２Ｈｚ程度の周期で変化することになる。

【００２９】一方、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号
は、後述する触媒の劣化診断のほかに、上流側Ｏ₂セン
サ１８によるフィードバック制御の全体的な片寄りの補
正のために用いられる。

【００３０】すなわち、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信
号についても、そのリッチ，リーンの反転に基づいて同
様に疑似的な比例積分制御がなされ、第２補正係数αｉ
が求められる。そして、この第２補正係数αｉを用い
て、前述したフィードバック補正係数αの比例積分制御
における比例分を学習補正するのである。なお、この結
果、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号は、触媒が劣化し
ていない限りは、図７中の（ｂ）に示すように比較的長
い周期でもってリッチ，リーンの反転を繰り返すように
なる。

【００３１】ここで、下流側Ｏ₂センサ１９の出力特性
について図３を参照して説明する。

【００３２】この下流側Ｏ₂センサ１９は、その出力が
温度依存性を有するため、温度が低い場合は、図３中に
示す如く、例えば２８０ｍＶ程度の基準電圧Ｖ₀を発生
し、温度上昇に伴って、そのリッチ時の電圧値，リーン
時の電圧値を変化させる。

【００３３】上述した通り、触媒が劣化していない場合
に、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号は、リッチ，リー
ンの反転を長い周期で繰り返すため、本実施例では、こ
の下流側Ｏ₂センサ１９の温度が触媒コンバータ１７の
活性化温度と略等しい温度Ｔに達したときにおけるリッ
チ状態の出力信号，リーン状態の出力信号に、上限値Ｖ
_H，下限値Ｖ_Lをそれぞれ設定している。

【００３４】従って、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号
の最大値あるいは最小値のいずれかを知ることにより、
該下流側Ｏ₂センサ１９の温度が触媒活性化温度と略等
しいか否かを判断することができる。

【００３５】次に、図４，図５のフローチャートに基づ
いて触媒の劣化診断について説明する。なお、各フロー
チャートに示すルーチンは、それぞれ所定期間毎に繰り
返し実行される。

【００３６】図４は、触媒劣化診断全体の流れを示すメ
インルーチンであって、先ず、ステップ１（図ではＳ１
等と略記する）では、触媒劣化診断が終了しているか否
かを診断終了フラグに基づいて判定する。

【００３７】なお、この診断終了フラグは、内燃機関１
１の運転終了時、つまりキーオフ時にリセットされる。
診断が完了していない状態、つまり診断終了フラグが０
であれば、ステップ２以降へ進み、内燃機関１１の種々
の条件が所定の診断条件を満たしているか否かを順次判
別する。診断条件は、診断の前提となる条件を規定した
診断許可条件と、診断を実行する運転領域を規定した診
断領域条件とに大別され、ステップ２〜ステップ４が診
断許可条件に、ステップ５〜ステップ７が診断領域条件
にそれぞれ該当する。

【００３８】具体的には、ステップ２では、各センサ、
すなわち上流側Ｏ₂センサ１８、下流側Ｏ₂センサ１９、
水温センサ２０、クランク角センサ２１および車速セン
サ２２が正常であるか否かを判別する。次に、ステップ
３では、水温センサ２２で検出された水温ＴＷが所定値
以上であるか否かを判別する。そして、ステップ４で
は、後述する触媒温度ポイントＰが所定値以上であるか
否かを判別する。

【００３９】更に、ステップ５ではそのときの機関回転
数Ｎが所定値以上であるか否か、ステップ６では負荷
（例えば基本噴射量Ｔｐ）が所定値以上であるか否か、
ステップ７では車速が所定範囲内であるか否かをそれぞ
れ判別する。これらの各条件がいずれか１つでもＮＯの
場合は、触媒劣化診断は行わない。そして、総ての条件
を満たす場合にのみステップ８へ進み、触媒劣化診断を
実行する。

【００４０】ここで、上述した触媒温度ポイントＰにつ
いて説明する。前記ステップ４における触媒温度ポイン
トＰは、触媒温度を推定するための指標となるもので、
図５に示すサブルーチンによって逐次求められる。

【００４１】すなわち、機関回転数Ｎが所定値Ｎ１以上
（ステップ２１）でかつ負荷に相当する基本噴射量Ｔｐ
が所定値Ｔｐ１以上（ステップ２２）である場合には、
ステップ２３へ進み、触媒温度ポイントＰをインクリメ
ントする。またそれ以外の領域であれば、ステップ２４
へ進み、触媒温度ポイントＰをデクリメントする。

【００４２】これは、排気の通流により触媒コンバータ
１７が加熱されるか冷却されるかを考慮したもので、図
６に示すように、排気による加熱効果を期待できる高速
高負荷側の領域を触媒温度ポイントＰの加算領域とし、
逆に排気の通流により触媒コンバータ１７が冷却される
可能性のある低速側の領域および低負荷側の領域を触媒
温度ポイントＰの減算領域としてある。従って、この触
媒温度ポイントＰの加減算を常時繰り返すことにより、
その時の触媒温度を概ね推定することができるのであ
る。

【００４３】さて、図４中のステップ８の触媒劣化診断
としては、種々の方式があるが、例えば、図７に示した
ように、上流側Ｏ₂センサ１８の出力信号のリッチ，リ
ーンの反転周期Ｔ１と下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号
のリッチ，リーンの反転周期Ｔ２との比（Ｔ２／Ｔ１）
を適宜な期間内で求め、この値から正常（ＯＫ），劣化
（ＮＧ）のいずれかの判定を下す。

【００４４】そして、ステップ９では、前記ステップ８
での判定結果が「ＯＫ」であるか否かを判断し、「Ｎ
Ｇ」であるときはステップ１０に移って触媒温度の間接
測定を行う。

【００４５】すなわち、ステップ１０では、ヒータ制御
回路２４を介して下流側Ｏ₂センサ１９のヒータ１９Ａ
への通電を停止する。これにより、下流側Ｏ₂センサ１
９は、触媒コンバータ１７の触媒温度によってのみ加
熱，保温されることになり、やがて触媒温度と略等しい
温度になって平衡する。

【００４６】次のステップ１１では、下流側Ｏ₂センサ
１９からの出力信号を読込み、この出力信号が上限値Ｖ
_Hと下限値Ｖ_Lとの間の所定の範囲内にあるか否か、換言
すれば、この出力信号が上限値Ｖ_Hを上回るか、あるい
は下限値Ｖ_Lを下回っているかを判断する。

【００４７】すなわち、触媒コンバータ１７の温度が活
性化温度に達している場合には、図７中の（ｃ）に示す
如く、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号は比較的早い周
期で変化するが、温度が十分で検出感度が高いため、そ
の振幅レベルが大きく、上限値Ｖ_Hと下限値Ｖ_Lとの範囲
を越えることになる。これに対し、触媒コンバータ１７
の温度が活性化温度を下回っている場合には、図３中に
二点鎖線で示す如く、下流側Ｏ₂センサ１９の出力信号
の検出感度が低下して振幅レベルが小さくなるため、上
限値Ｖ_Hと下限値Ｖ_Lとの間に収まることになる。

【００４８】従って、前記ステップ１１で所定範囲内に
あるか否かを判定することにより、下流側Ｏ₂センサ１
９を介して、間接的に触媒コンバータ１７の温度が活性
化温度であるか否かを検出することができる。

【００４９】そして、このステップ１１で「ＮＯ」と判
定したときは、触媒温度が活性化温度に達していると間
接的に検出された場合であって、かつ、前記ステップ８
で触媒劣化と判定された場合であるから、次のステップ
１２では、前記ステップ８の劣化判定を正当と評価し、
触媒コンバータ１７が劣化していると確定する。

【００５０】一方、前記ステップ８での判定が「ＯＫ」
である場合、すなわちステップ９で「ＹＥＳ」と判定し
た場合は、何等問題はないため、その評価をそのまま受
け入れる。つまり、触媒コンバータ１７が活性化温度に
達し、かつ正常に触媒反応を行っている場合でなけれ
ば、上流側Ｏ₂センサ１８の反転回数と下流側Ｏ₂センサ
１９の反転回数とに大きな差異が発生せず、「ＯＫ」と
判定されないため、この場合は、そのまま「ＯＫ」とし
て受け入れることができる。

【００５１】最後に、ステップ１４では、終了処理を行
う。具体的には、前記ステップ１２で「ＮＧ」が確定し
た場合には警告灯２５を点灯させたり、また、終了フラ
グをセットしたりして一連のプログラムを終了する。

【００５２】このように本実施例によれば、下流側Ｏ₂
センサ１９の出力信号を利用することにより、触媒コン
バータ１７の温度が活性化温度に達しているか否かを間
接的に測定することができる。

【００５３】この結果、外気温が低下していたり、雨水
等が触媒コンバータ１７にかかったり等の外乱が生じた
場合でも、触媒コンバータ１７の温度が診断可能な温度
にあるか否かを間接的ながら確実に検出することがで
き、誤診断を未然に防止することができる。

【００５４】また、本実施例では、触媒温度検出用の専
用温度センサを必要としないため、全体構造を複雑化す
ることなく、極めて簡易な構成で低コストに誤診断を防
止することができる。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係る内燃機関の触媒劣化診断装置によれば、下流側空燃
比センサの出力信号を利用して、触媒コンバータが所定
温度に達したか否かを間接的に測定することができるた
め、触媒温度が低温な状態での誤診断を未然に防止する
ことができる。特に、別体の温度センサを必要としない
ため、全体構造を簡素化しつつ低コストで診断装置の信
頼性を向上することができる。

【００５６】また、前記下流側空燃比センサをジルコニ
ア管式空燃比センサとして構成したため、ヒータ停止後
の低温状態でも、所定の基準電圧を得ることができる。
従って、リーン状態においても、容易に触媒温度の間接
測定が可能となり、速やかな劣化診断を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る触媒劣化診断装置の構成を示す
クレーム対応図。

【図２】この発明の一実施例の機械的構成を示す構成説
明図。

【図３】下流側Ｏ₂センサの温度と出力との関係を示す
特性図。

【図４】触媒劣化診断の全体の流れを示すメインルーチ
ンを示す流れ図。

【図５】触媒温度ポイントＰのカウント用のサブルーチ
ンを示す流れ図

【図６】触媒温度ポイントＰの加算領域および減算領域
を示す特性図。

【図７】上流側Ｏ₂センサおよび下流側Ｏ₂センサの出力
信号を示す波形図。

【符号の説明】

１…上流側空燃比センサ２…下流側空燃比センサ３…診断手段４…触媒温度確認手段５…ヒータ

フロントページの続き (56)参考文献特開平７−42590（ＪＰ，Ａ) 特開平５−248227（ＪＰ，Ａ) 特開平５−44556（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−32162（ＪＰ，Ａ) 特開平３−148057（ＪＰ，Ａ) 特開平６−323133（ＪＰ，Ａ) 特開平５−296088（ＪＰ，Ａ) 特開平５−312074（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/14 310 F01N 3/20 F02B 77/08 G01M 15/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に介装された触媒コンバータの
上流側に配設された上流側空燃比センサと、触媒コンバ
ータの下流側に配設されたヒータを有する下流側空燃比
センサと、前記上流側空燃比センサの出力信号と下流側
空燃比センサの出力信号とを用いて触媒の劣化を診断す
る診断手段とを備えた内燃機関の触媒劣化診断装置にお
いて、前記診断手段が触媒劣化と判定したときに、前記下流側
空燃比センサのヒータへの通電を停止し、このヒータに
よる加熱停止後の下流側空燃比センサの出力信号が所定
の範囲内にある場合は前記触媒コンバータが所定温度に
達していないと判定して前記診断手段による再診断を要
求する触媒温度確認手段を設けたことを特徴とする内燃
機関の触媒劣化診断装置。
【請求項２】前記下流側空燃比センサをジルコニア管
式空燃比センサとして構成としたことを特徴とする請求
項１に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。