JP3318702B2

JP3318702B2 - 内燃機関の触媒劣化診断装置

Info

Publication number: JP3318702B2
Application number: JP11164095A
Authority: JP
Inventors: 徹佐久間
Original assignee: 株式会社ユニシアジェックス
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 2002-08-26
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH08303234A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の触媒劣化診断
装置に関し、詳しくは、触媒の上流側及び下流側にそれ
ぞれ設けられた酸素センサの出力反転比に基づいて、前
記触媒の劣化を診断する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、排気浄化用に排気系に設けら
れる三元触媒の上流側と下流側とにそれぞれ酸素センサ
を設け、これらの２つの酸素センサの検出値を用いて空
燃比をフィードバック制御するものが種々提案されてい
る（特開平４−７２４３８号公報等参照）。

【０００３】また、上記のようにして触媒の上流側と下
流側とにそれぞれ設けた酸素センサを用いて空燃比フィ
ードバック制御を行なっているとき、即ち、目標空燃比
に対するリッチ状態とリーン状態とを繰り返す状態のと
きには、触媒の酸素ストレージ効果によって、上流側の
酸素センサの出力変動周期（周波数）に対して下流側の
酸素センサの出力変動周期（周波数）が長くなる（小さ
くなる）傾向を示し、触媒が劣化して前記酸素ストレー
ジ効果が低下すると、下流側の酸素センサの出力変動周
期（周波数）が上流側の値に近づくようになる。

【０００４】そこで、空燃比フィードバック制御中にお
ける両酸素センサの出力反転比に基づいて触媒の劣化
（酸素ストレージ効果の低下）を診断することが行なわ
れていた。前記反転比は、例えば、上流側酸素センサの
出力反転数が規定数に達する間における下流側酸素セン
サの出力反転数として求められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、前記触媒の劣
化診断においては、温度が低く触媒が非活性の状態であ
ると、劣化時と同様な反転比を示すため、触媒が活性温
度に達していて活性状態にあることが診断の前提条件と
される。このため、触媒温度が活性温度にまで昇温され
る運転領域を診断運転領域として特定したり、機関負荷
や機関回転数などの運転条件に基づいて触媒温度を推定
し、該推定された温度が所定の活性温度に達している状
態のときに診断を行わせる構成としていた。

【０００６】ところで、前述のように触媒が活性温度に
達していることを推定して劣化診断を行わせる構成の場
合、活性・非活性の境界を例えば転換効率に基づいて設
定していたが、活性温度領域内の比較的温度の低い状態
では、充分に高い転換効率を示すものの触媒出口の酸素
濃度が不安定となる不完全な活性状態が存在することが
ある（図５及び図６参照）。

【０００７】前述のように触媒出口での酸素濃度が不安
定な触媒の不完全活性状態では、下流側酸素センサの出
力にチャタリングが発生し（図７参照）、これによって
前記反転比が触媒劣化時と同様な値を示して、正常触媒
に対して劣化判定を下してしまう惧れがあった。本発明
は上記問題点に鑑みなされたものであり、触媒の活性状
態が不完全で下流側酸素センサの出力にチャタリングが
発生しても、触媒劣化が誤診断されることを回避できる
ようにすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため請求項１の発明
にかかる内燃機関の触媒劣化診断装置は、図１に示すよ
うに構成される。図１において、第１及び第２の酸素セ
ンサは、機関排気通路の途中に介装される排気浄化触媒
の上流側及び下流側にそれぞれ設けられ、排気中の酸素
濃度に感応して出力値が変化するセンサである。

【０００９】そして、空燃比フィードバック制御手段
は、少なくとも前記第１の酸素センサの出力値に基づい
て機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比に近づける方向
に機関への燃料供給量をフィードバック制御する。ここ
で、加重平均手段は、下流側の第２酸素センサの出力を
加重平均する。一方、加重重み設定手段は、活性度検出
手段で検出される前記排気浄化触媒の活性度に相関する
パラメータに応じて前記加重平均手段における加重重み
を設定する。

【００１０】そして、劣化診断手段は、前記上流側の第
１酸素センサの出力と前記加重平均手段で加重平均され
た下流側の第２酸素センサの出力との反転比に基づいて
前記排気浄化触媒の劣化を診断する。請求項２の発明に
かかる内燃機関の触媒劣化診断装置では、前記活性度検
出手段が、前記排気浄化触媒の活性度に相関するパラメ
ータとして、前記排気浄化触媒の温度を検出する構成と
した。

【００１１】請求項３の発明にかかる内燃機関の触媒劣
化診断装置では、前記活性度検出手段が、前記排気浄化
触媒の温度を、機関負荷及び機関回転数を少なくとも含
む機関運転条件に基づいて推定する構成とした。

【００１２】

【作用】請求項１の発明にかかる内燃機関の触媒劣化診
断装置によると、空燃比フィードバック制御中に、触媒
上流側及び下流側の酸素センサ出力の反転比に基づいて
触媒劣化の診断を行うが、前記劣化診断に用いる下流側
酸素センサの出力は、触媒の活性状態に応じた加重重み
に従って加重平均される。

【００１３】即ち、不完全な活性状態では、触媒出口の
酸素濃度が不安定となって下流側酸素センサの出力にチ
ャタリングが発生するので（図６参照）、酸素センサ出
力を比較的大きく鈍らすことが望まれるが、完全活性状
態で（図６参照）酸素センサ出力を大きく鈍らすと、下
流側酸素センサの反転を正確に捉えることができなくな
り、診断精度を低下させてしまうことになる。そこで、
下流側酸素センサ出力を加重平均するときの加重重み
を、触媒の活性度に応じて変化させ、チャタリング影響
の回避を図りつつ、出力反転を確実に捉えることができ
るようにした。

【００１４】請求項２の発明にかかる内燃機関の触媒劣
化診断装置によると、触媒の活性度は触媒温度に相関す
るので、触媒温度を検出し、該検出された触媒温度に応
じて加重重みを変化させる。請求項３の発明にかかる内
燃機関の触媒劣化診断装置によると、活性度に相関する
触媒温度を直接的に検出するのではなく、機関負荷及び
機関回転数を少なくとも含む機関運転条件に基づいて推
定して間接的に検出する構成とした。

【００１５】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図２において、内燃機関１には、エアクリーナ２
から吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホール
ド５を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の
ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられてい
る。前記燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁
し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、後述するコントロールユニット12からの噴射パルス
信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプか
ら圧送されプレッシャレギュレータにより所定の圧力に
調整された燃料を吸気マニホールド５内に噴射供給す
る。

【００１６】機関１の燃焼室にはそれぞれ点火栓７が設
けられていて、これにより火花点火して混合気を着火燃
焼させる。そして、機関１からは、排気マニホールド
８，排気ダクト９，排気浄化用の三元触媒10（排気浄化
触媒）及びマフラー11を介して排気が排出される。前記
三元触媒10は、酸素ストレージ効果を有するものであっ
て、排気成分中のＣＯ，ＨＣを酸化し、また、ＮＯx を
還元して、他の無害な物質に転換する触媒であり、機関
吸入混合気を理論空燃比で燃焼させたときに両転換効率
が最も良好なものとなる。

【００１７】コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスを
含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種の
センサからの検出信号を入力して、後述の如く演算処理
して、燃料噴射弁６の作動を制御する。前記各種のセン
サとしては、吸気ダクト３中に熱線式或いはフラップ式
などのエアフローメータ13が設けられていて、機関１の
吸入空気量Ｑに応じた電圧信号を出力する。

【００１８】また、クランク角センサ14が設けられてい
て、所定ピストン位置毎の基準角度信号ＲＥＦと、単位
角度毎の単位角度信号ＰＯＳとを出力する。ここで、前
記基準角度信号ＲＥＦの発生周期、或いは、所定時間内
における前記単位角度信号ＰＯＳの発生数を計測するこ
とより、機関回転数Ｎｅを算出することができる。ま
た、機関１のウォータジャケットの冷却水温度Ｔｗを検
出する水温センサ15が設けられている。

【００１９】更に、前記三元触媒10の上流側となる排気
マニホールド８の集合部に第１酸素センサ16が設けられ
ており、また、前記三元触媒10の下流側でマフラー11の
上流側には第２酸素センサ17が設けられている。前記第
１酸素センサ16及び第２酸素センサ17は、排気中の酸素
濃度に感応して出力値が変化する公知のセンサ（例えば
ジルコニアチューブ型酸素センサ）であり、理論空燃比
を境に排気中の酸素濃度が急変することを利用し、理論
空燃比に対する排気空燃比のリッチ・リーンを検出し得
るリッチ・リーンセンサである。

【００２０】本実施例において、前記第１及び第２の酸
素センサ16，17は、空燃比が理論空燃比よりもリッチで
あるときには、１Ｖ付近の高い電圧（リッチ出力）を出
力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには
０Ｖ付近の低い電圧（リーン出力）を出力するものとす
る。ここにおいて、コントロールユニット12に内蔵され
たマイクロコンピュータのＣＰＵは、前記各センサによ
って検出される吸入空気流量Ｑと機関回転数Ｎｅとに基
づいて基本燃料噴射量Ｔｐを演算する一方、冷却水温度
Ｔｗなどに基づいて前記基本燃料噴射量Ｔｐを補正する
ための各種補正係数ＣＯＥＦを演算設定する。

【００２１】また、空燃比フィードバック制御手段とし
ての機能を有するコントロールユニット12は、所定のフ
ィードバック制御条件が成立しているときには、前記基
本噴射量Ｔｐを補正するための空燃比フィードバック補
正係数ＬＭＤを、前記第１酸素センサ16及び第２酸素セ
ンサ17の出力に基づいて以下のようにして演算する。即
ち、例えば特開平４−７２４３８号公報に開示されるよ
うに、上流側の第１酸素センサ16の出力に基づいて判別
される目標空燃比に対するリッチ・リーンに応じて、比
例・積分制御により空燃比フィードバック補正係数ＬＭ
Ｄを、実際の空燃比が目標空燃比（理論空燃比）近づく
方向に設定する一方、下流側の第２酸素センサ17で検出
される目標空燃比に対するリッチ・リーンに基づき、前
記比例・積分制御における比例操作量（比例分Ｐ）を補
正する。

【００２２】但し、第２酸素センサ17を用いた空燃比フ
ィードバック制御を、上記の比例操作量の補正に限定す
るものではなく、前記比例制御を行なうタイミング（空
燃比の反転検出から比例制御を実行するまでの遅延時
間）を第２酸素センサ17の検出結果に基づいて修正する
構成や、第１酸素センサ16の出力に基づいてリッチ・リ
ーン判定に用いる基準レベルを、第２酸素センサ17の出
力に基づいて修正する構成などであっても良い。

【００２３】そして、前記基本燃料噴射量Ｔｐを前記各
種補正係数ＣＯＥＦ，空燃比フィードバック補正係数Ｌ
ＭＤ、更には、バッテリ電圧による補正分Ｔｓなどによ
って補正して最終的な燃料噴射量Ｔｉを求め、該燃料噴
射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パルス信号を燃料噴
射弁６に所定タイミングで出力する。一方、前記コント
ロールユニット12には、図３のフローチャートに示すよ
うに、前記三元触媒10の劣化を診断する自己診断機能が
備えられている。

【００２４】尚、本実施例において、加重平均手段，活
性度検出手段，加重重み設定手段，，劣化診断手段とし
ての機能は、前記図３のフローチャートに示すように、
コントロールユニット12がソフトウェア的に備えてい
る。図３のフローチャートにおいて、ステップ１（図中
ではＳ１としてある。以下同様）では、機関負荷を代表
する基本燃料噴射量Ｔｐと機関回転数Ｎｅとに対応して
定常運転時の触媒温度Ｔｃを予め記憶したマップを参照
し、定常時の触媒温度Ｔｃを設定する。

【００２５】ステップ２では、前回の加重平均結果と、
今回ステップ１で求められた触媒温度とを加重平均し、
該加重平均値を今回の触媒温度の推定値とする。かかる
加重平均処理は、運転条件の変化に対して触媒温度が遅
れて追従することに対応するためのものである。ステッ
プ３では、前記推定された触媒温度が所定温度以上であ
ること、酸素センサ16，17が正常な活性状態にあって前
記空燃比フィードバック制御が行われていること、冷却
水温度Ｔｗが所定温度以上であること、更に、所定の診
断運転領域内であることなどの診断条件が成立している
か否かを判別する。

【００２６】診断条件が成立している場合には、ステッ
プ４へ進み、前記触媒温度の推定値に基づいて、第２酸
素センサ17の加重平均処理における加重重みを設定す
る。前記三元触媒10は、その温度上昇に伴って活性度が
上昇するので（図５参照）、前記推定温度は、三元触媒
10の活性度に相関するパラメータであり、本実施例で
は、前記推定温度が高くなるに従って前回値に対する加
重重み（重み付け）を軽くして、推定温度が低いときほ
ど酸素センサ17の出力変化を大きく鈍らすようにしてあ
る。

【００２７】そして、次のステップ５では、前記ステッ
プ４で設定された加重重みに基づいて、下流側酸素セン
サ17の出力を加重平均する。かかる加重平均処理によっ
て、三元触媒10の転換効率に基づき活性状態と認められ
る温度状態であっても、触媒温度が比較的低い不完全な
活性状態であるため触媒出口の酸素濃度が不安定である
ときには、下流側酸素センサ17の出力変化を鈍らして、
前記触媒の不完全活性による酸素濃度変動の影響を抑制
する。

【００２８】ステップ６では、上流側の第１酸素センサ
16の出力と下流側の第２酸素センサ17の出力との反転比
Ｘを算出する。具体的には、第１酸素センサ16の出力の
反転回数が所定回数となる間において、第２酸素センサ
17の出力が反転した回数を、反転比Ｘとするものであ
り、前記第２酸素センサ17の反転回数は、前記加重平均
された出力に基づいて計数する。

【００２９】ステップ７では、前記反転比Ｘと所定値Ｘ
ｓとを比較し、反転比Ｘが所定値Ｘｓ以上である場合に
は、ステップ８へ進み、触媒の劣化状態を判定する。ま
た、前記反転比Ｘが所定値Ｘｓ未満であるときには、ス
テップ９へ進み、触媒の非劣化状態を判定する。上記の
劣化診断における診断結果は、運転者にランプ等で知ら
せるようにしても良いし、また、コントロールユニット
12内に診断情報として記憶保持させ、整備時等において
任意に診断来歴が読み出せるようにしても良い。

【００３０】ここで、触媒10が不完全活性状態であるた
めに、触媒出口の酸素濃度が不安定となり、以て、下流
側の第２酸素センサ17の出力にチャタリングが発生して
も、前記不完全活性状態を触媒温度に基づいて推定し
て、加重平均処理における前回値に対する加重重みを重
くして第２酸素センサ17の出力変化を鈍らすので、前記
チャタリングによる出力変動を触媒劣化によるものであ
ると誤診断することを回避し得る。また、完全活性時に
は前記加重重みを軽くするので、下流側の第２酸素セン
サ17の出力反転を確実に捉えることができる。

【００３１】尚、上記実施例では、触媒温度を機関運転
条件に基づいて推定したが、触媒温度を直接的に検出す
るセンサを設け、該センサで検出される触媒温度に基づ
いて加重重みを設定させる構成としても良い。また、上
記実施例では、機関運転条件（機関負荷，機関回転数）
に基づいて触媒温度を推定し、この推定結果に基づいて
第２酸素センサ17の出力を加重平均するときの加重重み
を設定させる構成としたが、触媒温度に相関する機関負
荷，回転数に基づいて直接的に加重重みを設定させる構
成としても良く、かかる構成の実施例（第２実施例）
を、図４のフローチャートに基づいて説明する。

【００３２】図４のフローチャートにおいて、ステップ
11では、診断条件が成立しているか否かを判別し、診断
条件が成立しているときには、ステップ12へ進む。ステ
ップ12では、機関負荷を代表する基本燃料噴射量Ｔｐと
機関回転数Ｎｅとに対応して加重重みを予め記憶したマ
ップから、現在の基本噴射量Ｔｐと回転数Ｎｅとに対応
する加重重みを検索する。

【００３３】前記加重重みのマップは、基本燃料噴射量
Ｔｐと機関回転数Ｎｅとに基づいて推定される定常時の
触媒温度に対応して設定されており、触媒温度が低くな
る低負荷・低回転時ほど前回値に対する加重重みを重く
して、第２酸素センサ17の出力をより鈍らすようにして
ある。ステップ13では、前記加重重みのマップ上で加重
重みを参照した格子が、基本燃料噴射量Ｔｐ又は／及び
機関回転数Ｎｅの変動によって変化してから所定時間内
であるか否かを判別する。

【００３４】基本燃料噴射量Ｔｐ又は／及び機関回転数
Ｎｅの変動があると、これに伴って触媒温度が変化する
が、定常時の温度に到達するまでには応答遅れが生じ
る。従って、基本燃料噴射量Ｔｐ又は／及び機関回転数
Ｎｅの変動に伴って直ちに変化後の運転条件に対応する
加重重みを用いると、実際の触媒温度に対応しない加重
重みを用いることになってしまう。

【００３５】そこで、前記ステップ13で、機関運転条件
の変動後の所定時間内であると判別されたとき、即ち、
触媒温度変化の応答遅れ時間内であるときには、ステッ
プ14へ進んで、変動前の運転条件に対応して設定されて
いた加重重みをそのまま継続的に用いるものとする。一
方、機関運転条件の変動後の所定時間が経過していると
きには、触媒温度が機関運転条件に基づいて推定される
温度に到達しているものと判断してステップ15へ進み、
今回ステップ12で求めた加重重みをそのまま用いるもの
とする。

【００３６】ステップ16では、前述のようにして基本燃
料噴射量Ｔｐと機関回転数Ｎｅとに基づいて設定された
加重重みを用いて、下流側酸素センサ17の出力を加重平
均する。かかる加重平均処理によって、三元触媒10の転
換効率に基づき活性状態と認められる温度状態であって
も、触媒温度が比較的低い不完全な活性状態であるため
触媒出口の酸素濃度が不安定であるときには、下流側酸
素センサ17の出力変化を鈍らして、前記触媒の不完全活
性による酸素濃度変動の影響を抑制できる。また、完全
活性時には前記加重重みを軽くするので、下流側の第２
酸素センサ17の出力反転を確実に捉えることができる。

【００３７】ステップ17では、上流側の第１酸素センサ
16の出力と下流側の第２酸素センサ17の出力との反転比
Ｘを算出する。ステップ18では、前記反転比Ｘと所定値
Ｘｓとを比較し、反転比Ｘが所定値Ｘｓ以上である場合
には、ステップ19へ進み、触媒の劣化状態を判定する。
また、前記反転比Ｘが所定値Ｘｓ未満であるときには、
ステップ20へ進み、触媒の非劣化状態を判定する。

【００３８】尚、上記各実施例では、上流側の第１酸素
センサ16の出力反転回数を基準とする下流側の第２酸素
センサ17の出力反転回数を反転比として、該反転比を診
断用パラメータとして劣化診断を行わせる構成とした
が、反転周期の比或いは反転周波数の比を、出力反転比
として診断を行わせる構成としても良い。また、上記各
実施例では、第１酸素センサ16と共に第２酸素センサ17
を用いて空燃比フィードバック制御を行う構成とした
が、第１酸素センサ16のみを用いて空燃比フィードバッ
ク制御を行う構成であっても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
かかる内燃機関の触媒劣化診断装置によると、触媒の不
完全な活性状態で触媒出口の酸素濃度が不安定となって
下流側酸素センサの出力にチャタリングが発生しても、
該チャタリング影響を回避した上で触媒劣化を診断させ
ることができ、かつ、触媒の完全活性時に出力反転を確
実に捉えて触媒劣化を診断できるという効果がある。

【００４０】請求項２の発明にかかる内燃機関の触媒劣
化診断装置によると、触媒の活性度は触媒温度に相関す
るので、触媒温度の検出結果に基づいて適正な加重重み
を設定させることができるという効果がある。請求項３
の発明にかかる内燃機関の触媒劣化診断装置によると、
活性度に相関するパラメータとしての触媒温度を、機関
負荷及び機関回転数を少なくとも含む機関運転条件に基
づいて推定して、適正な加重重みを設定させることがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明にかかる診断装置の基本構成を
示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例を示すシステム概略図。

【図３】第１実施例の触媒劣化診断制御を示すフローチ
ャート。

【図４】第２実施例の触媒劣化診断制御を示すフローチ
ャート。

【図５】触媒温度，転換率，活性状態の相関を示す図。

【図６】活性状態による酸素センサ出力状態の変化を示
す図。

【図７】活性状態と反転回数との相関を示す図。

【符号の説明】

１機関６燃料噴射弁 10 三元触媒（排気浄化触媒） 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 第１酸素センサ 17 第２酸素センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/20 F02D 41/14 F02D 45/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機関排気通路の途中に介装される排気浄化
触媒の上流側及び下流側にそれぞれ設けられ、排気中の
酸素濃度に感応して出力値が変化する第１及び第２の酸
素センサと、少なくとも前記第１の酸素センサの出力値に基づいて機
関吸入混合気の空燃比を目標空燃比に近づける方向に機
関への燃料供給量をフィードバック制御する空燃比フィ
ードバック制御手段と、を備えた内燃機関において、前記下流側の第２酸素センサの出力を加重平均する加重
平均手段と、前記排気浄化触媒の活性度に相関するパラメータを検出
する活性度検出手段と、該活性度検出手段で検出された前記パラメータに応じて
前記加重平均手段における加重重みを設定する加重重み
設定手段と、前記上流側の第１酸素センサの出力と前記加重平均手段
で加重平均された下流側の第２酸素センサの出力との反
転比に基づいて前記排気浄化触媒の劣化を診断する劣化
診断手段と、を含んで構成され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】前記活性度検出手段が、前記排気浄化触媒
の活性度に相関するパラメータとして、前記排気浄化触
媒の温度を検出することを特徴とする請求項１記載の内
燃機関の触媒劣化診断装置。
【請求項３】前記活性度検出手段が、前記排気浄化触媒
の温度を、機関負荷及び機関回転数を少なくとも含む機
関運転条件に基づいて推定することを特徴とする請求項
２記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。