JP3549147B2

JP3549147B2 - 天然ガス用内燃機関の触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JP3549147B2
Application number: JP33828297A
Authority: JP
Inventors: 誠一細貝; 宏久保田; 茂夫樋代
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: US6092369A; JPH11159375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス用内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスを浄化する触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に装着された触媒の下流側に設けた酸素濃度センサの出力に応じて機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御し、その時の酸素濃度センサ出力の変化周期が判定基準値より短いときに触媒が劣化していると判定する触媒劣化検出装置において、前記判定基準値を触媒温度に応じて設定するようにしたものが、従来より知られている（特開平５−２４８２２７号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら内燃機関に供給する燃料として、ガソリンではなく圧縮天然ガス（ＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ、以下「ＣＮＧ」という）を用いる場合、上記従来の装置では以下のような問題があった。
【０００４】
ＣＮＧの主成分はメタンであるが、メタンは触媒で酸化されにくいため、機関から排出される未燃メタンは触媒の下流側にも一部が排出される。そのとき、酸素濃度センサの電極温度が高いと、未燃メタンが電極付近で燃焼する反応（ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ）が促進され、酸素が消費されるために、電極付近の酸素分圧が変化し、酸素濃度センサの出力電圧の変化周期が短くなる傾向を示す。図１１は、この特性を示す図であり、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３なる関係を有する。この図から明らかなように酸素濃度センサ素子温ＴＳＯ２が上昇するほど、周期ＴＰＲＤが短くなる傾向を示す。
【０００５】
上記従来の装置では、触媒温度に応じて劣化判定値を変更しているが、酸素濃度センサの温度は考慮していないため、ＣＮＧを燃料とする内燃機関に適用した場合には、触媒が劣化していないにもかかわらず、劣化していると誤判定する場合があった。
【０００６】
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、ＣＮＧを燃料とする内燃機関の排気系に装着される触媒の劣化を正確に検出することができる触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、天然ガス用内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスの浄化を行う触媒と、該触媒の下流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、該酸素濃度検出手段の出力に応じて前記機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段と、該空燃比制御手段による空燃比フィードバック制御時の前記酸素濃度検出手段の出力の変化周期が、判定基準値より短いとき前記触媒が劣化していると判定する触媒劣化判定手段とを有する天然ガス用内燃機関の触媒劣化検出装置において、前記空燃比フィードバック制御時の前記酸素濃度検出手段の出力の最大値及び該最大値の平均値の少なくとも一方に応じて前記判定基準値を設定する判定基準値設定手段を有することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、空燃比フィードバック制御時の酸素濃度検出手段の出力の最大値及び該最大値の平均値の少なくとも一方に応じて判定基準値が設定される。図１１に示すように酸素濃度検出手段の温度が上昇すると、酸素濃度検出手段の出力が低下するので、この出力に応じて判定基準値を設定することにより、酸素濃度検出手段の近傍におけるメタンの酸化の影響を排除して触媒の劣化を正確に検出することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る天然ガス用内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御用電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１１】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射の開弁時間が制御される。燃料噴射弁６は、燃料通路２０を介して燃料であるＣＮＧを貯蔵するＣＮＧタンク２２に接続されており、燃料通路２０の途中には、燃料噴射弁６に供給するＣＮＧの圧力を調整するプレッシャレギュレータ２１が設けられている。
【００１２】
一方、スロットル弁３の直ぐ下流には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ７が設けられており、この絶対圧センサ７により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ＥＣＵ５に供給される。また、その下流には吸気温（ＴＡ）センサ８が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１３】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ９はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。エンジン回転数（ＮＥ）センサ１０及びＣＲＫセンサ１１はエンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲に取付けられている。エンジン回転数センサ１０はエンジン１のクランク軸の１８０度回転毎に所定のクランク角度位置でパルス（以下「ＴＤＣ信号パルス」という）を出力し、ＣＲＫセンサ１１は所定のクランク角毎、例えば４５度のクランク角度位置で信号パルス（以下「ＣＲＫ信号パルス」という）を出力するものであり、これらの各信号パルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１４】
排気管１２には排気ガスを浄化する三元触媒（以下単に「触媒」という）１３が設けられ、触媒１３は、フロント触媒１３ａとリア触媒１３ｂとから成る。触媒１３の上流位置には、酸素濃度検出手段としての上流側Ｏ２センサ１４が装着されているとともに、フロント触媒１３ａとリア触媒１３ｂとの間には酸素濃度検出手段としての下流側Ｏ２センサ１５が装着され、それぞれ排気ガス中の酸素濃度を検出してその検出値に応じた電気信号（ＰＶＯ２，ＳＶＯ２）がＥＣＵ５に供給される。また触媒１３にはその温度を検出する触媒温度（ＴＣＡＴ）センサ１６が装着され、検出された触媒温度ＴＣＡＴに対応する電気信号がＥＣＵに供給される。
【００１５】
なお、下流側Ｏ２センサ１５は、リア触媒１３ｂの下流側に装着してもよい。ＥＣＵ５にはさらに、エンジン１が搭載された車両の速度を検出する車速センサ（ＶＨ）１７、大気圧（ＰＡ）センサ１８が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。
【００１６】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路５ａ、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）５ｂ、ＣＰＵ５ｂで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段５ｃ、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路５ｄ等から構成される。
【００１７】
ＣＰＵ５ｂは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、空燃比フィードバック制御領域や空燃比フィードバック制御を行わない複数の特定運転領域（以下「オープンループ制御領域」という）の種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、下記数式（１）に基づき、前記ＴＤＣ信号パルスに同期する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
【００１８】
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＯ２×Ｋ１＋Ｋ２ …（１）
ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁５の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴＩマップを検索して決定される。ＴＩマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。すなわち、基本燃料量ＴＩＭは、エンジンの吸入空気量（重量流量）にほぼ比例する値を有する。
【００１９】
ＫＯ２は空燃比補正係数（以下、単に「補正係数」という）であり、空燃比フィードバック制御時、Ｏ２センサ１４，１５により検出された排気ガス中の酸素濃度に応じて求められ、さらにオープンループ制御領域では各運転領域に応じた値に設定される。
【００２０】
Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
【００２１】
ＣＰＵ５ｂは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路５ｄを介して燃料噴射弁６に供給する。
【００２２】
次に、触媒１３の劣化判定（劣化モニタ）について説明する。
【００２３】
この触媒１３の劣化モニタを行う場合のフィードバック制御は下流側Ｏ２センサ１５の出力ＳＶＯ２のみに基づいて行われる。そして出力ＳＶＯ２が所定の基準電圧ＳＶＲＥＦに対してリーン側からリッチ側へ反転した時点から出力ＳＶＯ２が逆方向に反転した時点までの時間ＴＬ、及び出力ＳＶＯ２が基準電圧ＲＶＲＥＦに対してリッチ側からリーン側へ反転した時点から出力ＳＶＯ２が逆方向に反転した時点までの時間ＴＲが計測され、これらの時間ＴＬ，ＴＲに基づいて触媒１３の劣化が判定される（図７参照）。
【００２４】
図２及び３は、触媒劣化モニタ処理の全体構成を示すフローチャートであり、本処理はＣＰＵ５ｂで所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に実行される。
【００２５】
ステップＳ１０１では、劣化モニタを実行するための前提条件（以下「前条件」という）が成立していることを「１」で示す前条件フラグＦＭＣＮＤが「１」か否かを判別し、ＦＭＣＮＤ＝０であるときは直ちに本処理を終了する。
【００２６】
ここで図４を参照して、前条件判定処理（前条件フラグＦＭＣＮＤの設定を行う処理）を説明する。
【００２７】
先ず、ステップＳ２１では、モニタ許可フラグＦＧＯ６７が「１」か否かを判別する。このモニタ許可フラグＦＧＯ６７は、触媒劣化モニタ以外の例えばＯ２センサ劣化モニタ、フュエル系異常モニタ等が実行中のとき「０」に設定され、他のモニタが実行されていないとき「１」に設定されるフラグである。モニタ許可フラグＦＧＯ６７が「０」であって、他のモニタが実行中のときは、タイマｔＣＡＴＭに所定時間ＴＣＡＴＭを設定してスタートさせ、前条件不成立（ＦＭＣＮＤ＝０）とする。
【００２８】
モニタ許可フラグＦＧＯ６７が「１」であって触媒劣化モニタが許可されているときは、リミットフラグＦＫＯ２ＬＭＴが「１」か否かを判別する。リミットフラグＦＫＯ２ＬＭＴは、補正係数ＫＯ２が所定上限値又は下限値に所定時間以上貼り付いている（ＫＯ２リミット貼り付き状態の）とき「１」に設定されるフラグである。
【００２９】
ＦＫＯ２ＬＭＴ＝１であってＫＯ２リミット貼り付き状態のときは、触媒劣化モニタの終了を「１」で示す終了フラグＦＤＯＮＥを「１」に設定して前記ステップＳ３０に進む。
【００３０】
ＦＫＯ２ＬＭＴ＝０であってＫＯ２リミット貼り付き状態でないときは、さらに吸気温ＴＡが所定上下限値ＴＡＣＡＴＣＨＫＨ（例えば１００℃）、ＴＡＣＡＴＣＨＫＬ（例えば−０．２℃）の範囲内にあるか否か、エンジン水温ＴＷが所定上下限値ＴＷＣＡＴＣＨＫＨ（例えば１００℃）、ＴＷＣＡＴＣＨＫＬ（例えば８０℃）の範囲内にあるか否か、エンジン回転数ＮＥが所定上下限値ＮＥＣＡＴＣＨＫＨ（例えば３５００ｒｐｍ）、ＮＥＣＡＴＣＨＫＬ（例えば１０００ｒｐｍ）の範囲内にあるか否か、吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定上下限値ＰＢＣＡＴＣＨＫＨ（例えば５１０ｍｍＨｇ）、ＰＢＣＡＴＣＨＫＬ（例えば３００ｍｍＨｇ）の範囲内にあるか否か、車速Ｖが所定上下限値ＶＣＡＴＣＨＫＨ（例えば８０ｋｍ／ｈ）、ＶＣＡＴＣＨＫＬ（例えば３２ｋｍ／ｈ）の範囲内にあるか否かを判別し（ステップＳ２５）、これらの運転パラメータのすべてが所定上下限値の範囲内にあるときは、さらに触媒１３の温度ＴＣＡＴが所定範囲（例えば３５０℃〜８００℃）内にあるか否かを判別する（ステップＳ２６）。この触媒温度ＴＣＡＴは、センサの検出値を用いるが、エンジン運転状態に応じて推定した温度値を用いてもよい。
【００３１】
触媒温度ＴＣＡＴが所定範囲内にあるときはさらに、当該車両がクルーズ状態にあるか否かを判別する（ステップＳ２７）。この判別は、例えば車速Ｖの変動が０．８ｋｍ／ｓｅｃ以下の状態が所定時間（例えば２秒）継続したか否か判別することにより行う。そして車両がクルーズ状態あるときは、吸気管内絶対圧ＰＢＡの変動量ΔＰＢ４（例えば５ｍｓｅｃの間の変化量）が所定値ＰＢＣＡＴ（例えば１６ｍｍＨｇ）以下か否かを判別する（ステップＳ２８）。ここで変動量ΔＰＢ４が所定値ＰＢＣＡＴ以下のときは、さらに上流側Ｏ２センサ出力ＰＶＯ２に基づくフィードバック制御の実行中か否かを判別する（ステップＳ２９）。
【００３２】
そして、ステップＳ２５〜Ｓ２９のいずれかの答が否定（ＮＯ）のときは、前記ステップＳ３０に進む一方、すべての答が肯定（ＹＥＳ）のとき、即ち運転状態が所定の状態となったときは、ステップＳ３０でスタートしたタイマｔＣＡＴＭのカウント値が「０」か否かを判別する。最初はｔＣＡＴＭ＞０なので、前条件不成立となり（ステップＳ３２）、運転状態が所定の状態となってから所定時間ＴＣＡＴＭ（例えば５秒）経過したとき、前条件成立と判定され、前条件フラグＦＭＣＮＤを「１」に設定して（ステップＳ３３）、本処理を終了する。
【００３３】
図２に戻り、ＦＭＣＮＤ＝１であって前条件が成立しているときは、終了フラグＦＤＯＮＥが「１」か否かを判別し（ステップＳ１０２）、ＦＤＯＮＥ＝１であるときは直ちに本処理を終了する。ＦＤＯＮＥ＝０であるときは、ＳＶＯ２周期計測処理を実行する（ステップＳ１０３）。
【００３４】
図６は、この周期計測処理のフローチャートであるが、ＦＭＣＮＤ＝１かつＦＤＯＮＥ＝０であるときは、下流側Ｏ２センサ１５の出力ＳＶＯ２に応じて空燃比補正係数ＫＯ２を算出し、空燃比フィードバック制御を実行するので、先ず図５を参照して、ＫＯ２算出処理を説明する。
【００３５】
図５のステップＳ４１では、出力ＳＶＯ２と基準電圧ＳＶＲＥＦとの大小関係が反転したか否かを判別し、反転したときは、出力ＳＶＯ２が基準電圧ＳＶＲＥＦより低いか否かを判別する（ステップＳ４２）。そして、ＳＶＯ２＜ＳＶＲＥＦであるときは、補正係数ＫＯ２の直前値にリッチ側スペシャルＰ項ＰＲＳＰを加算する一方、ＳＶＯ２＞ＳＶＲＥＦであるときは、補正係数ＫＯ２の直前値からリーン側スペシャルＰ項を減算する比例制御を行う（ステップＳ４３、Ｓ４４）。
【００３６】
ステップＳ４１の答が否定（ＮＯ）のときは、出力ＳＶＯ２が基準電圧ＳＶＲＥＦより低いか否かを判別し（ステップＳ４５）、ＳＶＯ２＜ＳＶＲＥＦであるときは、補正係数ＫＯ２の直前値にスペシャルＩ項ＩＲＳＰを加算する一方、ＳＶＯ２＞ＳＶＲＥＦであるときは、補正係数ＫＯ２の直前値からスペシャルＩ項ＩＬＳＰを減算する積分制御を行う（ステップＳ４６、Ｓ４７）。
【００３７】
図５の処理により、下流側Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２及び補正係数ＫＯ２は図７に示すように周期的に変化する。以下センサ出力ＳＶＯ２の変化周期を「ＳＶＯ２周期」という。
【００３８】
次に図６を参照して、ＳＶＯ２周期計測処理を説明する。
【００３９】
ステップＳ５１では、本処理の最初の実行時であることを「０」で示す初期化フラグＦＣＡＴＭＳＴが「０」か否かを判別する。最初はＦＣＡＴＭＳＴ＝０であるので、ステップＳ５２に進み、このフラグＦＣＡＴＭＳＴを「１」に設定し、次いで各種パラメータの初期化を行う（ステップＳ５３）。すなわち、周期の計測回数をカウントするカウンタｎＴ、周期計測を開始したことを「１」で示す計測開始フラグＦＣＡＴＭＯＮ、時間ＴＬの積算値ＴＬＳＵＭ及び時間ＴＲの積算値ＴＲＳＵＭをいずれも「０」に設定する。続くステップＳ５４では、周期計測用アップカウントタイマｔｍＳＴＲＧをクリア（「０」に設定）し、ステップＳ５５に進む。
【００４０】
本処理の次回以降の実行時は、ＦＣＡＴＭＳＴ＝１であるので、ステップＳ５１から直ちにステップＳ５５に進む。
【００４１】
ステップＳ５５では、下流側Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２と基準電圧ＳＶＲＥＦとの大小関係が反転したか否かを判別し、反転していないときは直ちに本処理を終了する。また反転したときは、計測開始フラグＦＣＡＴＭＯＮが「１」か否かを判別し（ステップＳ５６）、最初はＦＣＡＴＭＯＮ＝０であるので、このフラグＦＣＡＴＭＯＮを「１」に設定するとともに、計測管理フラグＦＣＡＴＭＥＡＳを「０」に設定して、ステップＳ６４に進む。計測管理フラグＦＣＡＴＭＥＡＳは、時間ＴＬまたはＴＲのどちらから計測を開始しても、偶数回の計測を実行する（すなわち、積算値ＴＲＳＵＭとＴＬＳＵＭの演算を同じ回数行う）のために設けたフラグである。ステップＳ６４では、タイマｔｍＳＴＲＧをクリアして本処理を終了する。
【００４２】
ステップＳ５６でＦＣＡＴＭＯＮ＝１であるときは、出力ＳＶＯ２が基準電圧ＳＶＲＥＦより高いか否かを判別し（ステップＳ５８）、ＳＶＯ２＞ＳＶＲＥＦであるときは、積算値ＴＲＳＵＭの直前値にタイマｔｍＳＴＲＧの値を加算することにより積算値ＴＲＳＵＭを算出し（ステップＳ５９）、ＳＶＯ２＜ＳＶＲＥＦであるときは、積算値ＴＬＳＵＭの直前値にタイマｔｍＳＴＲＧの値を加算することにより積算値ＴＬＳＵＭを算出して（ステップＳ６０）、ステップＳ６１に進む。出力ＳＶＯ２の反転直後のタイマｔｍＳＴＲＧの値は、図６に示すように、時間ＴＬ又はＴＲに相当するので、（ＴＲＳＵＭ＋ＴＬＳＵＭ）がＳＶＯ２周期（センサ出力の反転周期）の積算値となる。
【００４３】
ステップＳ６１では、計測管理フラグＦＣＡＴＭＥＡＳが「１」か否かを判別する。最初はＦＣＡＴＭＥＡＳ＝０であるので、このフラグＦＣＡＴＭＥＡＳを「１」に設定して（ステップＳ６３）、前記ステップＳ６４に進む。また、ＦＣＡＴＭＥＡＳ＝１であって、今回の計測が偶数回目のときは、カウンタｎＴを「１」だけインクリメントし、フラグＦＣＡＴＭＥＡＳを「０」に戻して（ステップＳ６２）、前記ステップＳ６４に進む。
【００４４】
図２に戻り、ステップＳ１０４では、図８に示すＳＶＯ２ＭＡＸ検出処理を実行する。この処理は、下流側Ｏ２センサ１５の出力ＳＶＯ２の最大値ＳＶＯ２ＭＡＸを検出するとともにその積算値ＳＶＯ２ＭＡＸＩを算出する処理である。
【００４５】
図８のステップＳ８１では、本処理の最初の実行時であることを「０」で示す初期化フラグＦＭＡＸが「０」か否かを判別する。最初はＦＭＡＸ＝０であるので、ステップＳ８２に進み、このフラグＦＭＡＸを「１」に設定し、次いで最大値ＳＶＯ２ＭＡＸを検出した回数をカウントするカウンタｎＭＡＸ、積算値ＳＶＯ２ＭＡＸＩをともに「０」に設定し（ステップＳ８３）、ステップＳ８４に進む。
【００４６】
本処理の次回以降の実行時は、ＦＭＡＸ＝１であるので、ステップＳ８１から直ちにステップＳ８４に進む。
【００４７】
ステップＳ８４では、下流側Ｏ２センサ出力の今回値ＳＶＯ２（ｎ）から前回値ＳＶＯ２（ｎ−１）を減算することにより、変化量ＤＳＶＯ２を算出し、次いで変化量ＤＳＶＯ２の符号が正かる負に変化したか否かを判別する（ステップＳ８５）。この答が否定（ＮＯ）のときは直ちに本処理を終了し、肯定（ＹＥＳ）のときは、最大値ＳＶＯ２ＭＡＸを前回値ＳＶＯ２（ｎ−１）に設定する（ステップＳ８６）。次いで下記式により積算値ＳＶＯ２ＭＡＸＩを算出するとともに（ステップＳ８７）、カウンタｎＭＡＸを「１」だけインクリメントして（ステップＳ８８）、本処理を終了する。
【００４８】
ＳＶＯ２ＭＡＸＩ＝ＳＶＯ２ＭＡＸＩ＋ＳＶＯ２ＭＡＸ
図２に戻り、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で検出した最大値ＳＶＯ２ＭＡＸが所定出力値ＳＶＯ２ＭＥＴ以下か否かを判別する。所定出力値ＳＶＯ２ＭＥＴは、図１１に示すように、下流側Ｏ２センサ１５の温度ＴＳＯ２が低いとき（ＴＳＯ２＝Ｔ１（例えば４００℃より低い温度））のセンサ出力の最大値（＝約１．０Ｖ）と、温度ＴＳＯ２が上昇したとき（ＴＳＯ２＝Ｔ２（例えば５００℃））の最大値の中間程度の値に設定される。
【００４９】
ステップＳ１０５でＳＶＯ２ＭＡＸ≦ＳＶＯ２ＭＥＴであって、温度ＴＳＯ２が高いときは、下流側Ｏ２センサ１５の近傍におけるメタンの酸化の影響が無視できない程度であることを「１」で示す酸化促進フラグＦＳＯ２ＭＥＴを「１」に設定し（ステップＳ１０７）、ＳＶＯ２ＭＡＸ＞ＳＶＯ２ＭＥＴであるときは、酸化促進フラグＦＳＯ２ＭＥＴを「０」に設定して（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０８に進む。
【００５０】
ステップＳ１０８ではカウンタｎＴの値、すなわち周期の計測回数が所定値ＮＴＬＭＴ（例えば３）以上か否かを判別し、ｎＴ＜ＮＴＬＭＴである間は直ちに本処理を終了する。このようにして、ＳＶＯ２周期計測処理及びＳＶＯ２ＭＡＸ検出処理が繰り返し実行され、ｎＴ＝ＮＴＬＭＴとなるとステップＳ１０９に進む。
【００５１】
ステップＳ１０９では下記数式（２）により、ＮＴＬＭＴ回計測したＳＶＯ２周期の平均値として判定時間ＴＣＨＫを算出する。なお、所定値ＮＴＬＭＴは「１」としてもよく、その場合には判定時間ＴＣＨＫは計測値そのものである。
【００５２】
本実施の形態においては、酸素濃度検出手段の出力変化周期を代表するパラメータとして判定時間ＴＣＨＫが用いられる。
【００５３】
ＴＣＨＫ＝（ＴＬＳＵＭ＋ＴＲＳＵＭ）／ｎＴ …（２）
続くステップＳ１１０では、下記数式（３）により触媒１３の酸素蓄積能力を表す第１の判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸを算出し、バッテリでバックアップされた（イグニッションスイッチをオフしても記憶内容が消えない）リングバッファに格納する。
【００５４】
ＯＳＣＩＮＤＥＸ＝ＴＣＨＫ×ＧＡＩＲＳＵＭ …（３）
ここで、ＧＡＩＲＳＵＭは、排気ガス流量を代表するパラメータの、ＳＶＯ２周期計測期間中の積算値（以下「流量積算値」という）であり、図９の処理により算出される。図９の処理はＴＤＣ信号パルスの発生毎に実行される。
【００５５】
同図のステップＳ７１では、終了フラグＦＤＯＮＥが「１」か否かを判別し、ＦＤＯＮＥ＝０であるときは、計測開始フラグＦＣＡＴＭＯＮが「１」か否かを判別する（ステップＳ７２）。そして、ＦＤＯＮＥ＝１であって触媒劣化モニタが終了しているとき又はＦＣＡＴＭＯＮ＝０であってＳＶＯ２周期の計測を開始していないときは、流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭを「０」に設定して（ステップＳ７３）、本処理を終了する。
【００５６】
一方ＦＤＯＮＥ＝０かつＦＣＡＴＭＯＮ＝１であるときは、下記数式（４）により、流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭを算出する（ステップＳ７４）。
【００５７】
ＧＡＩＲＳＵＭ＝ＧＡＩＲＳＵＭ＋ＴＩＭ …（４）
ここで、右辺のＧＡＩＲＳＵＭは前回算出値、ＴＩＭは前記数式（１）の基本燃料量である。基本燃料量ＴＩＭは前述したように吸入空気量に比例する値を有し、吸入空気量は排気ガス流量とほぼ等しいので、排気ガス流量を代表するパラメータとして用いている。これにより、吸入空気量センサ又は排気ガス流量センサを設けることなく、排気ガス流量の積算値に相当するパラメータを得ることができる。
【００５８】
このようにして算出した流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭを判定時間ＴＣＨＫに乗算することにより判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸを算出し、これを用いて触媒の劣化判定を行うことより、エンジン運転状態の影響を受け難くなり、エンジン運転状態の広い範囲に亘って正確な劣化判定を行うことが可能となる。
【００５９】
ここで、判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸにより触媒１３の酸素蓄積能力、すなわち最大酸素蓄積量を正確に把握することができる理由を以下に説明する。
【００６０】
図７においてセンサ出力ＳＶＯ２が基準電圧ＳＶＲＥＦより高い期間（ＴＬ）は、触媒に酸素が蓄積される期間であるが、このとき補正係数ＫＯ２は時間経過に対して直線的に減少するように制御されるので、排気ガス中の空気過剰率λは、時間に対してほぼ直線的に増加すると考えられる。したがって、排気ガス流量の積算値に対応する流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭに判定時間ＴＣＨＫを乗算することにより算出される判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸは、判定時間ＴＣＨＫの期間中に触媒１３に蓄積される酸素量に比例するパラメータとなる。なお、厳密には判定時間ＴＣＨＫの約１／２が酸素を蓄積する期間であり、残りの約１／２が酸素を放出する期間であるが、判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸが、触媒１３の酸素蓄積能力にほぼ比例するということにかわりはない。
【００６１】
図２に戻り、ステップＳ１１１では、判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸの算出回数をカウントするカウンタｎｄｅｔｅｃｔを「１」だけインクリメントする。このカウント値ｎｄｅｔｅｃｔは、判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸと同様に、バッテリでバックアップされたメモリに格納される。
【００６２】
続くステップＳ１１２では、ステップＳ１１０で算出した第１の判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸが第１の判定基準値ＬＭＴＤＣ以上か否かを判別し、ＯＳＣＩＮＤＥＸ≧ＬＭＴＤＣであるときは、直ちにステップＳ１１４に進む。またＯＳＣＩＮＤＥＸ＜ＬＭＴＤＣであるときは、触媒１３が劣化していると判定し、第１の判定（ステップＳ１１２）で劣化と判定したことを示すべく、第１のＯＫフラグＦＯＫＤＣを「０」に設定するとともに第１の劣化フラグＦＮＧＤＣを「１」に設定して（ステップＳ１１３）、ステップＳ１１４に進む。
【００６３】
ステップＳ１１４では、カウント値ｎｄｅｔｅｃｔが所定値ｎＤＣ（例えば６）以上か否かを判別し、ｎｄｅｔｅｃｔ＜ｎＤＣであるときは直ちに、またｎｄｅｔｅｃｔ≧ｎＤＣであるときはｎｄｅｔｅｃｔ＝ｎＤＣとして（ステップＳ１１５）、ステップＳ１２１（図３）に進む。
【００６４】
ステップＳ１２１では、下記数式（５）により、第１の判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸの移動平均値ＯＳＣＭＡを算出し、この移動平均値ＯＳＣＭＡを第２の判定パラメータとする。
【００６５】
ＯＳＣＭＡ＝｛ＯＳＣＩＮＤＥＸ（ｎ）＋ＯＳＣＩＮＤＥＸ（ｎ−１）＋…＋ＯＳＣＩＮＤＥＸ（ｎ−ｎｄｅｔｅｃｔ＋１）｝／ｎｄｅｔｅｃｔ…（５）
ここで、（ｎ）は今回値を示し、（ｎ−１）は前回値、（ｎ−ｎｄｅｔｅｃｔ＋１）は、（ｎｄｅｔｅｃｔ−１）回前の算出値を示す。なお、第１の判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸは、前述したようにバッテリでバックアップされたリングバッファに順次格納されている。また、ＯＳＣＩＮＤＥＸのリングバッファは、当初は「０」に初期化されており、算出値が格納されるとバッテリが取り外される等の事態が発生しない限り、過去の算出値が保持される。
【００６６】
続くステップＳ１２２では、酸化促進フラグＦＳＯ２ＭＥＴが「１」であるか否かを判別し、ＦＯ２ＭＥＴ＝１であって下流側Ｏ２センサ１５の近傍におけるメタンの酸化の影響が無視できない程度であるときは、直ちにステップＳ１２８に進む。ステップＳ１２８では、カウント値ｎｄｅｔｅｃｔに応じて図１０に丸（○）で示すＬＭＴＭＡＭＥＴテーブルを検索し、酸化促進時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＭＥＴを算出する。ＬＭＴＭＡＭＥＴテーブルは、カウント値ｎｄｅｔｅｃｔが増加するほど第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＭＥＴが減少するように（劣化と判定しにくくなる方向に）設定され、かつ後述する通常時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＮより小さい値に設定されている。続くステップＳ１２９では、第２の判定基準値ＬＭＴＭＡを、ステップＳ１２８で算出した酸化促進時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＭＥＴに設定してステップＳ１３０に進む。
【００６７】
ステップＳ１２２でＦＳＯ２ＭＥＴ＝０であるときは、下記式により、ステップＳ１０４で検出したＯ２センサ出力ＳＶＯ２の最大値ＳＶＯ２ＭＡＸの平均値ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥを算出する（ステップＳ１２３）。
【００６８】
ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥ＝ＳＶＯ２ＭＡＸＩ／ｎＭＡＸ
次いで平均値ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥが、前記所定出力値ＳＶＯ２ＭＥＴ以下か否かを判別し（ステップＳ１２４）、ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥ≦ＳＶＯ２ＭＥＴであるときは、酸化促進フラグＦＳＯ２ＭＥＴを「１」に設定して（ステップＳ１２５）、前記ステップＳ１２８に進む一方、ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥ＞ＳＶＯ２ＭＥＴであるときは、メタンの酸化の影響は無視しうる程度であるので、ステップＳ１２６に進んで、カウント値ｎｄｅｔｅｃｔに応じて図１０に×で示すＬＭＴＭＡＮテーブルを検索し、通常時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＮを算出する。ＬＭＴＭＮテーブルは、カウント値ｎｄｅｔｅｃｔが増加するほど第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＮが減少するように設定され、かつ前記酸化促進時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＭＥＴより大きい値に設定されている。続くステップＳ１２７では、第２の判定基準値ＬＭＴＭＡを、ステップＳ１２６で算出した通常時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＮに設定してステップＳ１３０に進む。
【００６９】
なお、前記第１の判定基準値ＬＭＴＤＣは、ｎｄｅｔｅｃｔ＝１のときの通常時用の第２の判定基準値ＬＭＴＭＡＮ（すなわち、第２の判定基準値ＬＭＴＭＡの中で最も劣化と判定し易い基準値）より小さな値（劣化と判定しにくい値）に設定されている。
【００７０】
次いでステップＳ１２１で算出した第２の判定パラメータＯＳＣＭＡが第２の判定基準値ＬＭＴＭＡ以上か否かを判別し（ステップＳ１３０）、ＯＳＣＭＡ≧ＬＭＴＭＡであるときは、正常と判定して、第２のＯＫフラグＦＯＫＭＡを「１」に設定して（ステップＳ１３１）、ステップＳ１３３に進む。またＯＳＣＭＡ＜ＬＭＴＭＡであるときは、触媒１３が劣化していると判定し、第２のＯＫフラグＦＯＫＭＡを「０」に設定するとともに第２の劣化フラグＦＮＧＭＡを「１」に設定して（ステップＳ１３２）、ステップＳ１３３に進む。ステップＳ１３３では、劣化モニタの終了を示すべく終了フラグＦＤＯＮＥ＝１に設定して、本処理を終了する。
【００７１】
図２の処理は、イグニッションスイッチがオンされると所定時間毎に実行されるが、エンジンが始動されてステップＳ１０８からＳ１３３の処理が１回実行されると、以後はステップＳ１０８からＳ１３３処理は実行されなくなる。その後エンジンが停止され、再度始動されると、またステップＳ１０８からＳ１３３の判定処理が１回実行される。すなわち、イグニッションスイッチがオンされから、エンジンが始動され、停止するまでの期間を１運転期間とすると、１運転期間に１回劣化判定が実行される。そして、本実施形態では、図示しない処理により、第１の劣化フラグＦＮＧＤＣが２回連続して「１」となったとき、または第２の劣化フラグＦＮＧＭＡが２回連続して「１」となったとき、劣化判定を確定し、運転者に触媒の劣化を警告するランプを点灯させるようにしている。これ以外の場合は、警告ランプを点灯させない。
【００７２】
以上のように、本実施形態では、下流側Ｏ２センサ１５の出力ＳＶＯ２の最大値ＳＶＯ２ＭＡＸまたは最大値ＳＶＯ２ＭＡＸの平均値ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥが、所定出力値ＳＶＯ２ＭＥＴ以下であって下流側Ｏ２センサ１５の近傍におけるメタンの酸化の影響が無視できない程度であるとき、すなわち第２の劣化判定パラメータＯＳＣＭＡが触媒１３が正常であっても減少する傾向を示すときは、第２の判定基準値ＬＭＴＭＡをより小さな値（ＬＭＴＭＡＭＥＴ）に変更するようにしたので、触媒１３が正常であるに劣化していると誤判定することを防止し、より正確な劣化検出を行うことができる。
【００７３】
また、ステップＳ１１２で、第１の判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸの今回算出値による劣化判定を行うことにより、第２の判定パラメータＯＳＣＭＡによる判定ではすぐに検出されないおそれのある突然の劣化（例えば失火に起因する異常燃焼による劣化、質の悪い燃料に起因する被毒による劣化など）をも早急に検出することが可能となる。すなわち、第２の判定パラメータＯＳＣＭＡは、移動平均値であるので、第１の判定パラメータＯＳＣＩＮＤＥＸの過去値が正常で、今回のみ劣化を示すような値に低下したときは、ＯＳＣＭＡ値はそれほど低下しないため、サンプルの回数が増えないとその突然の劣化を検出できない可能性があるが、ステップＳ１１２の判定により、そのような劣化も早急に検出することができる。
【００７４】
本実施形態では、図５の処理が空燃比制御手段に相当し、図２、３のステップＳ１０３、Ｓ１０９、Ｓ１１０、Ｓ１１１、Ｓ１２１、Ｓ１３０〜Ｓ１３２が触媒劣化判定手段に相当し、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７、Ｓ１２２〜Ｓ１２９が判定基準値設定手段に相当する。
【００７５】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、下流側Ｏ２センサ１５の出力ＳＶＯ２の最大値ＳＶＯ２ＭＡＸの平均値ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥを用いて、メタンの酸化促進の影響を判定する（ステップＳ１２４）ようにしたが、センサ出力ＳＶＯ２そのものの平均値ＳＶＯ２ＡＶＥを用いて判定するようにしてもよい。ただし、最大値の平均値ＳＶＯ２ＭＡＸＡＶＥを用いる方が、センサ出力ＳＶＯ２の変化特性、すなわちデューティ（高レベルである期間と低レベルである期間の比率）の影響を受けないので、より正確な判定を行うことができる。
【００７６】
また、図２のステップＳ１０５の判定閾値と、図３のステップＳ１２４の判定閾値を、同一の所定出力値ＳＶＯ２ＭＥＴとしたが、異なる判定閾値を使用してもよい。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、空燃比フィードバック制御時の酸素濃度検出手段の出力の最大値及び該最大値の平均値の少なくとも一方に応じて、触媒の劣化判定に使用する判定基準値が設定されるので、酸素濃度検出手段の近傍におけるメタンの酸化の影響を排除して触媒の劣化を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる天然ガス用内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】触媒の劣化判定を行う処理のフローチャートである。
【図３】触媒の劣化判定を行う処理のフローチャートである。
【図４】触媒の劣化判定を行うための前提条件を判定する処理のフローチャートである。
【図５】触媒の劣化判定処理中において空燃比補正係数（ＫＯ２）を算出する処理のフローチャートである。
【図６】触媒下流側にＯ２センサの出力の変化周期を計測する処理のフローチャートである。
【図７】空燃比補正係数及びＯ２センサ出力の推移を示す図である。
【図８】Ｏ２センサ出力の最大値を検出する処理のフローチャートである。
【図９】排気ガス流量を代表するパラメータの積算値（ＧＡＩＲＳＵＭ）を算出する処理のフローチャートである。
【図１０】図３の処理で使用するテーブルを示す図である。
【図１１】Ｏ２センサの温度とＯ２センサの出力特性との関係を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１天然ガス用内燃機関
５電子コントロールユニット（ＥＣＵ）（空燃比制御手段、触媒劣化判定手段、判定基準値設定手段）
６燃料噴射弁
１２排気管
１３三元触媒
１５下流側Ｏ２センサ（酸素濃度検出手段）

Claims

天然ガス用内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスの浄化を行う触媒と、該触媒の下流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、該酸素濃度検出手段の出力に応じて前記機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段と、該空燃比制御手段による空燃比フィードバック制御時の前記酸素濃度検出手段の出力の変化周期が、判定基準値より短いとき前記触媒が劣化していると判定する触媒劣化判定手段とを有する天然ガス用内燃機関の触媒劣化検出装置において、
前記空燃比フィードバック制御時の前記酸素濃度検出手段の出力の最大値及び該最大値の平均値の少なくとも一方に応じて前記判定基準値を設定する判定基準値設定手段を有することを特徴とする天然ガス用内燃機関の触媒劣化検出装置。