JP3564064B2 - Diagnosis device for engine exhaust gas purification device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、空燃比センサあるいは酸素濃度センサ(以降は代表して空燃比センサとする)や触媒コンバータを使用するエンジン排気ガス浄化装置の診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンの排気を浄化する装置は、主に、触媒コンバ−タと空燃比フィ−ドバック制御装置とからなる。触媒コンバータは、排気中に含まれるHC、NOx、COを除去するため排気管部に設置するものである。また、空燃比フィードバック制御装置は、触媒コンバ−タの機能を充分に発揮させるには空燃比を一定に保つ必要があるので、触媒コンバータの上流に酸素センサを設置して空燃比の燃料供給量を制御するためのものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のような通常の三元触媒システムでは、触媒コンバータの上流に設けられる酸素センサに性能劣化を生ずると、空燃比が理論空年比を中心としたある狭い範囲からはずれるので、有害成分の転換効率が落ちる。また、触媒コンバータそのものが性能劣化を生ずると空燃比が正確に管理されたとしても有害成分の転換効率が落ちてしまうという問題があった。
【0004】
この問題を解決するためには、触媒の劣化状態を判定することが必要である。しかしながら、これらの性能劣化を運転中に診断して迅速な対応を可能にする診断装置は、まだ確立されていなかった。
【0005】
なお、このような触媒劣化判定のための技術としては、例えば、特開平2−3091号に記載されている「内燃機関の触媒劣化判定装置」がある。これは、触媒の前と後に酸素センサ(注:この場合の酸素センサは二値センサである)を設け、前側の酸素センサの出力値が反転してから、後側のセンサの出力値が反転するまでの時間差を測定している。そして、該時間差の大きさに基づいて触媒の劣化状態を判定するものである。具体的には、時間差が小さければ、触媒が劣化状態であると判断するものである。
【0006】
本発明は、このような従来の課題を解決しようとしてなされたもので、空燃比センサ,酸素センサや触媒コンバータに性能劣化を生じたかを運転中に診断することのできるエンジン排気ガス浄化装置の診断装置および診断方法を提供するところを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたもので、その一態様としては、エンジン排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整する空燃比制御装置を有するエンジンを対象とした、排気ガスを触媒により浄化するエンジン排気ガス浄化装置の診断装置であって、上記触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する前空燃比センサと、上記触媒の排気ガス下流側における空燃比を検出する後空燃比センサと、上記前空燃比センサと上記後空燃比センサとの出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる特徴波形抽出手段と、上記特徴波形抽出手段を通過した上記信号の相関関数を算出する相関関数算出手段と、上記相関関数の値に基づいて上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【0008】
本発明の他の態様としては、エンジン排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整する空燃比制御装置を有するエンジンを対象とした、排気ガスを触媒により浄化するエンジン排気ガス浄化装置の診断装置であって、上記触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する前空燃比センサと、上記触媒の排気ガス下流側における空燃比を検出する後空燃比センサと、上記前空燃比センサの出力信号の自己相関関数φxxを計算し出力する自己相関関数算出手段と、上記前空燃比センサの出力信号と上記後空燃比センサの出力信号との相互相関関数φxyを計算し出力する相互相関関数算出手段と、上記相互相関関数φxyのある値と、上記自己相関関数φxxのある値と、の比を逐次劣化指標Φiとして出力する劣化指標算出手段と、上記逐次劣化指標Φiと予め設定された基準値とを比較することにより、上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【0009】
この場合、上記劣化指標算出手段は、所定の期間毎に、当該期間内の上記相互相関関数φxyの最大値(φxy)maxと、当該期間内の自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxとの比を上記逐次劣化指標Φiとして出力するものであってもよい。
【0010】
また、上記劣化指標算出手段は、過去所定回数分の上記逐次劣化指標の平均値を算出して、これを最終劣化指標として出力する機能を有し、上記触媒状態判定手段は、上記逐次劣化指標Φiに代わって、該最終劣化指標と、予め設定された基準値とを比較することにより上記触媒の劣化状態を判定するものであってもよい。
【0011】
また、エンジンの回転数および/または上記触媒の温度を検出する運転状態検出手段を有し、上記劣化指標算出手段は、上記運転状態検出手段の検出結果を係数として、上記最終劣化指標を算出するものであってもよい。
【0012】
さらには、上記前空燃比センサと上記後空燃比センサとの出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる特徴波形抽出手段を有し、上記自己相関関数算出手段と、上記相互相関関数手段とは、上記特徴波形抽出手段を通過した後の信号をもとにして、自己相関関数φxx、相互相関関数φxyを算出することが好ましい。なお、上記特徴波形抽出手段は、ハイパスフィルタ、帯域通過フィルタであってもよい。
【0013】
また、エンジンのクランク角度を検知するクランク角度検知手段を有し、上記前空燃比センサは、上記クランク角度検知手段の検知したクランク角度に対応してデ−タのサンプリングを実行することが好ましい。
【0014】
本発明の他の態様としては、エンジン排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整する空燃比制御装置を有するエンジンを対象とした、排気ガスを触媒により浄化するエンジン排気ガス浄化装置の診断装置であって、上記触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する空燃比センサと、上記空燃比センサの出力信号の自己相関関数φxxを計算し出力する自己相関関数算出手段と、上記自己相関関数φxxの値を、予め設定された基準値と比較することにより上記空燃比センサの劣化状態を判定するセンサ状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【0015】
この場合、所定の期間毎に、上記自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxを算出し、過去所定回数分の該(φxx)maxの平均値を算出してセンサ劣化指標として出力するセンサ劣化指標算出手段を有し、上記センサ状態判定手段は、該センサ劣化指標と、予め設定された基準値とを比較することにより上記空燃比センサの劣化状態を判定することが好ましい。
【0016】
また、上記空燃比センサの出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる特徴波形抽出手段を有し、上記自己相関関数算出手段は、上記特徴波形抽出手段を通過した後の信号をもとにして、自己相関関数φxxを算出することが好ましい。なお、上記特徴波形抽出手段は、ハイパスフィルタ、帯域通過フィルタであってもよい。
【0017】
本発明の他の態様としては、エンジン排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整する空燃比制御装置を有するエンジンを対象とした、排気ガスを触媒により浄化するエンジン排気ガス浄化装置の診断装置であって、上記触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する前空燃比センサと、上記触媒の排気ガス下流側における空燃比を検出する後空燃比センサと、上記前空燃比センサの出力信号の自己相関関数φxxを計算し出力する自己相関関数算出手段と、上記前空燃比センサの出力信号と上記後空燃比センサの出力信号との相互相関関数φxyを計算し出力する相互相関関数算出手段と、上記相互相関関数φxyのある値と、上記自己相関関数φxxのある値と、の比を逐次劣化指標Φiとして出力する劣化指標算出手段と、上記逐次劣化指標Φiと予め設定された基準値とを比較することにより、上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段と、上記自己相関関数φxxの値を予め設定された基準値と比較することにより、上記前空燃比センサの劣化状態を判定するセンサ状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【0018】
本発明の他の態様としては、エンジン排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整する空燃比制御装置を有するエンジンを対象とした、排気ガスを触媒により浄化するエンジン排気ガス浄化装置の診断方法であって、所定の期間ごとに、触媒上流側の空燃比の測定デ−タの自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxと、触媒上流側の空燃比の測定デ−タと触媒下流側の空燃比の測定デ−タとの相互相関関数φxyの最大値(φxy)maxと、の比を算出し、該比の値を予め決められた基準値と比較することにより、触媒劣化状態を判断することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断方法が提供される。
【0019】
本発明の他の態様としては、空燃比センサによりエンジン排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整する空燃比制御装置を有するエンジンを対象とした、排気ガスを触媒により浄化するエンジン排気ガス浄化装置の診断方法であって、所定の期間ごとに、触媒上流側の空燃比の測定デ−タの自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxを算出し、該最大値(φxx)maxを予め決められた基準値と比較することにより、空燃比センサの劣化状態を判断することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断方法が提供される。
【0020】
【作用】
前空燃比センサと後空燃比センサは、クランク角度検知手段の検知したクランク角度に対応して触媒上流側と下流側との空燃比を検出し出力する。特徴波形抽出手段は、この出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる。
【0021】
自己相関関数算出手段は、上記特徴波形抽出手段を通過した信号の自己相関関数φxxを計算し出力する。一方、相互相関関数手段は、特徴波形抽出手段を通過した前空燃比センサの出力信号と後空燃比センサの出力信号との相互相関関数φxyを計算し、出力する。
【0022】
劣化指標算出手段は、所定の期間毎に、当該期間内における相互相関関数φxyの最大値(φxy)maxと、当該期間内における自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxと、の比を算出し逐次劣化指標Φiとする。さらに、過去所定回数分の上記逐次劣化指標Φiの平均値を算出して、これを最終劣化指標として出力する。なお、この場合、劣化指標算出手段は、上記運転状態検出手段の検出結果を係数として、上記最終劣化指標を算出してもよい。
【0023】
触媒状態判定手段は、逐次劣化指標Φiあるいは最終劣化指標と、予め設定された基準値とを比較し、触媒の劣化状態を判定する。
【0024】
他の態様について説明する。
【0025】
空燃比センサは、触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する。
【0026】
特徴波形抽出手段は、空燃比センサの出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる。
【0027】
自己相関関数算出手段は、特徴波形抽出手段を通過した後の信号の自己相関関数φxxを算出し、所定の期間毎に、当該期間内における該自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxを出力する。
【0028】
センサ劣化指標算出手段は、過去所定回数分の上記(φxx)maxの平均値を算出してセンサ劣化指標として出力する。
【0029】
センサ状態判定手段は、所定の期間毎に、上記(φxx)maxあるいはセンサ劣化指標を、予め設定された基準値と比較し、空燃比センサの劣化状態を判定する。
【0030】
【実施例】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【0031】
まず、本実施例の概念を図1を用いて説明する。
【0032】
なお、本実施例の診断装置は、触媒コンバ−タ2と、その前後に配置された空燃比センサたるO2センサ3,4と、該O2センサ3,4の出力に基づいて空燃比フィ−ドバックを行う燃料噴射制御手段7等を有するシステムを対象とするものである。
【0033】
空燃比センサとして、本実施例においては、O2センサ3,4を使用している。なお、本明細書中「酸素センサ」、「O2センサ」とは、酸素濃度を二値的に検知するものではなく、酸素濃度をリニアに検出可能な、いわゆるラムダセンサのことを指す。具体的には、ジルコニア、チタニアなどのセンサである。
【0034】
まず、前提となるシステムにおける制御を説明する。
【0035】
燃料噴射制御手段7は、燃料噴射計算手段9と、出力手段10と、空燃比フィ−ドバック計算手段とを含んで構成される。燃料噴射量計算手段9は、エンジン1の負荷(たとえば吸入空気量Qa)を検出するセンサ5の検出値と、回転数Neを検出するセンサ6の検出値とに基づいて下記の数1に従って基本の噴射量F0を求る。
【0036】
【数1】
F0=k0Qa/Ne
F0:基本噴射量
Qa:吸入空気量
Ne:回転数
一方、空燃比フィ−ドバック計算手段8は、触媒コンバータ2の上流に設けられた空燃比センサ(以下「前O2センサ」という)3の出力を所定のタイミングでサンプリングし、その検出値に応じて補正信号αを発生する。
【0037】
上記燃料噴射量計算手段9は、基本の噴射量F0に補正信号αを加味して噴射量Fを求める(数2参照)。そして、これを出力手段10で電圧デューティ信号に変えて燃料噴射弁に印加する。
【0038】
【数2】
F=k0Qa/Ne(1+α)
F :噴射量
F0:基本噴射量
Qa:吸入空気量
Ne:回転数
α :補正信号
このような制御により、触媒コンバータ2の上流では、常時、空燃比がストイキ前後の値で摂動している。
【0039】
本実施例の診断装置は、この空燃比フィ−ドバック制御による空燃比の摂動を触媒コンバータ劣化診断のテスト信号に利用している。すなわち、触媒コンバータ2が劣化していなければ、触媒の酸化・還元作用により触媒コンバータ2の後流では空燃比の摂動が少なくなる。一方、触媒コンバータ2が劣化すると後流の空燃比摂動が上流のものに近づいて来る。このように触媒コンバータの前後における空燃比摂動の類似性に着目して劣化を診断している。
【0040】
そして、この類似性を評価を、相関関数を用いて行う劣化診断手段11を設けた点に最大の特徴を有するものである。
【0041】
劣化診断手段11は、まず、前O2センサ3および後O2センサ4の出力から直流成分等の触媒コンバータ2の劣化とは直接関係しない成分、つまり、相関関数を用いた演算を行う際に誤差の原因となりうる成分、を特徴波形抽出手段12で取り除く。ここで、特徴波形抽出手段12としては、微分フィルタ、高周波域通過フィルタあるいは帯域通過フィルタが適切である。なお、これ以降、前O2センサ3に起因する信号は符号xで、また、後O2センサ4に起因する信号は符号yで示す。
【0042】
つぎに、自己相関関数計算手段13によって、数3にしたがって、前O2センサ3の出力信号xの自己相関関数φxxを計算する。また、相互相関関数計算手段14によって、数4に従い、前O2センサ3の出力信号xと後O2センサ4の出力信号yとの間の相互相関関数φxyを計算する。
【0043】
【数3】
φxx(τ)=∫x(t)x(t−τ)dt
【0044】
【数4】
φxy(τ)=∫x(t)y(t−τ)dt
そして、更に、位相τを相関関数の積分区間(0〜T)で変えて、φxyの最大値(φxy)maxと、φxxの最大値(φxx)maxとを求める。そして、これらの値を用いて、触媒コンバ−タ2および前O2センサ3の劣化を判定する。
【0045】
触媒コンバ−タ2の劣化判定は、触媒コンバ−タ判定手段16によりなされる。触媒コンバータ劣化判定手段16は、数5にしたがって逐次劣化指標Φiを計算し、これを予め決められた基準値と比較することにより触媒コンバータの劣化を判定する。
【0046】
【数5】
Φi=(φxy)max/(φxx)max
すなわち、触媒が劣化すると、触媒コンバータ2の前後における空燃比摂動の類似度が増すため、逐次劣化指標Φiは大きくなる(1に近づく)。
【0047】
一方、前O2センサ3の劣化判定は、空燃比センサ劣化判定手段15によりなされる。空燃比センサ劣化判定手段15は、(φxx)maxを劣化指標として空燃比センサの劣化を判定する。すなわち、前O2センサ3が劣化すると、空燃比センサの応答が遅れるため最大値(φxx)maxが小さくなってくるため、該値を監視して、予め決められた基準値と比較することにより、劣化を検知する。なお、図4に空燃比センサが劣化していない状態と、劣化した状態とにおける、前O2センサ3の出力の周波数毎のパワ−スペクトルを示した。劣化した状態では、ピ−クが低周波数側にずれており、応答速度が遅くなっていることがわかる。
【0048】
本実施例の診断装置をより具体的に説明する。
【0049】
該診断装置そのものは、A/D変換器を内臓するシングルチップマイクロコンピュータと、高周波領域通過フィルタとにより主に構成されるものである。
【0050】
高周波領域通過フィルタは、上記特徴波形抽出手段12A,Bに該当するものである。
【0051】
マイクロコンピュ−タは、内蔵されたソフトウエアに従って動作することにより、上記説明した各手段、自己相関関数計算手段13、触媒コンバ−タ劣化判定手段16等の機能をを実現するものである。
【0052】
但し、ハ−ドウエア構成はこれに限定されるものではない。
【0053】
該診断装置の動作を、図2を参照しつつ説明する。なお、該図中、各ブロックには、該ブロックにおいて行われる処理に該当する図1の各手段と同じ番号を付している。
【0054】
まず、触媒コンバ−タ2の劣化判定動作を説明する。
【0055】
前O2センサ3の出力信号(以下「前O2センサ信号」という)114と、後O2センサ4の出力信号(以下、「後O2センサ信号」という)102とを、同期してA/D変換器18によりデジタルデータに変換する。
【0056】
つぎに、高周波域通過フィルタでそれぞれの信号から診断に外乱となる直流成分を除去する(ブロック12A,12B)。ここで、両者のフィルタは同一特性のものとする。図3に、特徴波形抽出の実例を示す。O2センサの電圧信号に含まれる直流成分は除去されているが、制御周期は保存されている。また、これらの信号の周波数ごとのパワ−スペクトルを示したのが図4である。いずれの信号も診断に外乱となる空燃比フィ−ドバック制御周波数よりも低周波数成分を除去している。
【0057】
なお、本実施例においては、低周波成分のみをカットしているが、上述したとおり帯域通過フィルタを用いて空燃比フィ−ドバック制御周波数帯よりも高周波成分をもカットしてもよい。この場合、相関関数の算出に用いる周波数帯は、空燃比フィ−ドバック制御周波数を含むある一定幅の周波数帯のみとなるため、より正確な判定が可能となる。
【0058】
続いて、前O2センサ信号114から得られた信号x(t)105のt=0 時点での自己相関関数φxx(0)を求める(ブロック13)。なお、ここで、φxx(0)を求めているのは、自己相関関数φxxは、t=0 において最大値(φxx)maxをとるからである。
【0059】
また、前O2センサ信号114から得られた信号x(t)と、後O2センサ信号102とから得られた信号y(t)とから相互相関関数φxy(τ)を一定の積分区間Tにおいて求める(ブロック14)。ここで積分区間Tは、その区間でエンジン回転数の変動が所定の範囲を超えないように、あらかじめ設定しておく。
【0060】
そして、当該積分区間Tにおけるφxy(τ)の最大値(φxy)maxを探し、該(φxy)maxを用いて、逐次劣化指標Φi(=(φxy)max/φxx(0)、数5参照)を計算する(ブロック16A、図5参照)。なお、逐次劣化指標Φiの位相τ、言い替えれば、(φxy)/φxx(0)が最大値をとる位相τは、運転条件や機差で変動するため、Φiはデ−タを実際に探索することにより得る。
【0061】
そして、Φiをメモリ(RAM)に記憶しておき、次の積分区間Tにおいても同様の処理によりΦi+1を求める。
【0062】
以上のような操作をn回繰り返して、Φiの平均値を求める。そして、該平均値を、触媒コンバータ2の最終劣化指標Iとする。なお、この最終劣化指標Iを算出する際には、各種運転条件による補正係数k1,k2をも加味して行われる(ブロック16B、16C,16D,下記数6参照)
【0063】
【数6】
I=(Σk1k2Φi)/n
I :最終劣化指標
k1:エンジン負荷による補正系数
k2:触媒温度による補正系数
Φi:逐次劣化指標
n:測定回数
なお、k1、k2は、あらかじめマップデータとしてメモリ(ROM)に記憶しておく。
【0064】
続いて、この劣化指標Iを、あらかじめ定めた劣化判定レベルIDと比較して、劣化状態を判定する。劣化指標Iが劣化判定レベルIDよりも大きい場合には劣化と判断する(ブロック16E)。
【0065】
ここで逐次劣化指標Φiをそのまま使用せず、その平均値、すなわち最終劣化指標Iを用いるのは、通常走行中、エンジン回転数や負荷が変動すると、図6の如く、逐次劣化指標Φiも影響を受けて変動するからである。つまり、一定時間、一定回転回数あるいは一定負荷帯ごとの逐次劣化指標Φiを求めて累積し、その平均値を最終劣化指標Iとすることにより、全運転域での劣化判定を可能としている。但し、ある程度運転状態が限定されるような場合には、逐次劣化指標Φiをそのまま用いて、判定を行っても構わない。
【0066】
次に、前O2センサ3の劣化判定動作を説明する。
【0067】
該判定動作は、前O2センサ信号の自己相関関数φxxのみを用いて行う。自己相関関数は、上述したとおり、t=0において、最大値(φxx)maxをとるが、該最大値(φxx)maxは前O2センサ3が劣化するとその値が小さくなってくる。
したがって、該(φxx)maxを検出し、予め決められた基準値と比較することにより、前O2センサ3の劣化を検知することができる。
【0068】
なお、自己相関関数φxxを求める際に使用するデ−タには、触媒コンバ−タ劣化判定の場合と同様に、空燃比フィ−ドバック制御周波数帯よりも低周波数成分を除去する。図4に該低周波数成分を除去する前と、除去後とのパワ−スペクトルを示した。
【0069】
ここでは最大値(φxx)maxをそのまま使用しているが、触媒コンバ−タ2の劣化判断の場合と同じように、該最大値(φxx)maxの平均値を用いて判断することとしてもよい。
【0070】
ここでは、劣化の可能性の高い前O2センサ3について述べたが、後O2センサ4にも同様に適用可能である。
【0071】
なお、前O2センサ3や後O2センサ4からのサンプリングは、ある一定時間ごとに行ってもよい。また、エンジンのクランク角を検知するセンサを設けて、クランク角度に対応して行ってもよい。触媒コンバ−タ2の劣化判定を行う場合には、該クランク角度に対応してのサンプリングを行うことが、より好ましい。これは、触媒コンバ−タ2の劣化判定を行う場合には、上述したとおり空燃比フィ−ドバック制御周波数よりも低周波数の成分を、カットしているが、この空燃比フィ−ドバック制御周波数は、エンジンの回転数に応じて変更されるものだからである。つまり、クランク角度に対応してサンプリングを行う場合には、回転数の変更による影響を受けないため、何等の修正も必要ないが、一定時間毎にサンプリングを行う場合には、修正が必要となるからである。一方、前O2センサ3の劣化特性は、センサそのものの状態に依存するのみであって、エンジン回転数による影響は受けないため、前O2センサ3の劣化判定においてはいずれの方法でも同様である。
【0072】
以上説明した上記実施例においては、自動車の通常走行中にエンジンの排気浄化制御機器である触媒コンバータおよび空燃比センサ、酸素センサの劣化を診断できる。また、信号の類似性判断において、相関関数を使用しているため、周波数、振幅等を用いて判断する場合に較べてノイズに強い。
【0073】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、自動車の通常走行中にエンジンの排気浄化制御機器である触媒コンバータおよび空燃比センサ、酸素センサの劣化を診断できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図2】本実施例の動作を示す説明図である。
【図3】本実施例における特徴波形抽出を示す説明図である。
【図4】特徴波形抽出の作用を説明するための周波数毎のパワ−スペクトル図である。
【図5】触媒コンバータ劣化判定の作用を説明するための特性図である。
【図6】触媒コンバータ劣化判定の作用を説明するための特性図である。
【符号の説明】
2:触媒コンバータ、 3:前O2センサ、 4:後O2センサ、 12:特徴波形抽出手段、 13:自己相関関数計算手段、 14:相互相関関数計算手段、 15:O2センサ劣化判定手段、 16:触媒コンバータ劣化判定手段、
17:判定結果出力手段、 Φi:逐次劣化指標、 I:最終劣化指標、 ID:劣化判定レベル
x:触媒コンバータの上流に設けられる空燃比センサ(前O2センサ)の出力
y:触媒コンバータの下流に設けられる空燃比センサ(後O2センサ)の出力
φxx:信号xの自己相関関数
φxy:信号xと信号yとの相互相関関数[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a diagnostic device for an engine exhaust gas purification device using an air-fuel ratio sensor or an oxygen concentration sensor (hereinafter, referred to as an air-fuel ratio sensor) or a catalytic converter.
[0002]
[Prior art]
The device for purifying the exhaust of the engine mainly comprises a catalytic converter and an air-fuel ratio feedback control device. The catalytic converter is installed in an exhaust pipe to remove HC, NOx, and CO contained in exhaust gas. Also, the air-fuel ratio feedback control device needs to keep the air-fuel ratio constant in order to fully exert the function of the catalyst converter. Therefore, an oxygen sensor is installed upstream of the catalyst converter to supply the fuel at the air-fuel ratio. It is for controlling.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional three-way catalyst system such as the above-mentioned conventional technology, if the performance of the oxygen sensor provided upstream of the catalytic converter is deteriorated, the air-fuel ratio deviates from a certain narrow range centered on the stoichiometric ratio, thereby causing harmful components. Conversion efficiency decreases. Further, when the performance of the catalytic converter itself deteriorates, there is a problem that the conversion efficiency of harmful components is reduced even if the air-fuel ratio is accurately controlled.
[0004]
In order to solve this problem, it is necessary to determine the state of deterioration of the catalyst. However, a diagnostic device that diagnoses these performance deteriorations during operation and enables quick response has not been established yet.
[0005]
As a technique for such catalyst deterioration determination, for example, there is a "catalyst deterioration determination apparatus for an internal combustion engine" described in JP-A-2-3091. This is because an oxygen sensor is provided before and after the catalyst (note: the oxygen sensor in this case is a binary sensor), the output value of the front oxygen sensor is inverted, and then the output value of the rear sensor is inverted. It measures the time lag until you do it. Then, the deterioration state of the catalyst is determined based on the magnitude of the time difference. Specifically, if the time difference is small, it is determined that the catalyst is in a deteriorated state.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and is directed to a diagnosis of an engine exhaust gas purifying apparatus capable of diagnosing whether performance has deteriorated in an air-fuel ratio sensor, an oxygen sensor, or a catalytic converter during operation. It is intended to provide an apparatus and a diagnostic method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to achieve the above object, and in one aspect, an air-fuel ratio in an engine exhaust gas is detected, and a fuel injection amount is adjusted so as to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. A diagnostic device for an engine exhaust gas purifying device for purifying exhaust gas with a catalyst, which is intended for an engine having an air-fuel ratio control device to perform, comprising: a front air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio on an exhaust gas upstream side of the catalyst; From the output signals of the rear air-fuel ratio sensor that detects the air-fuel ratio on the exhaust gas downstream side of the catalyst and the front air-fuel ratio sensor and the rear air-fuel ratio sensor, the air-fuel ratio control frequency band of the air-fuel ratio control device is A characteristic waveform extracting means for attenuating a signal in a low frequency band, a correlation function calculating means for calculating a correlation function of the signal having passed through the characteristic waveform extracting means, and Diagnostic apparatus for an engine exhaust gas purifying apparatus; and a catalyst state judging means for judging the deterioration state of the medium is provided.
[0008]
Another aspect of the present invention is directed to an engine having an air-fuel ratio control device that detects an air-fuel ratio in engine exhaust gas and adjusts a fuel injection amount so as to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. A diagnostic device for an engine exhaust gas purifying device for purifying exhaust gas with a catalyst, comprising: a front air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio on an exhaust gas upstream side of the catalyst; and an air-fuel ratio on an exhaust gas downstream side of the catalyst. The auto-correlation function φ of the output signal of the front air-fuel ratio sensor and the rear air-fuel ratio sensor to be detectedxxAuto-correlation function calculating means for calculating and outputting a cross-correlation function φ between an output signal of the front air-fuel ratio sensor and an output signal of the rear air-fuel ratio sensor.xyCross-correlation function calculating means for calculating and outputtingxyAnd the autocorrelation function φxxAnd the ratio of the value toiDegradation index calculating means for outputting asiAnd a reference value set in advance to provide a diagnostic device for an engine exhaust gas purifying device, characterized by having a catalyst state determining means for determining the deterioration state of the catalyst.
[0009]
In this case, the deterioration index calculating means performs the cross-correlation function φxyMaximum value (φxy)maxAnd the autocorrelation function φ within the periodxxMaximum value (φxx)maxWith the above sequential deterioration index ΦiMay be output.
[0010]
Further, the deterioration index calculating means has a function of calculating an average value of the sequential deterioration indexes for a predetermined number of times in the past, and outputting the average value as a final deterioration index. ΦiAlternatively, the deterioration state of the catalyst may be determined by comparing the final deterioration index with a preset reference value.
[0011]
Further, there is provided an operating state detecting means for detecting an engine speed and / or a temperature of the catalyst, and the deterioration index calculating means calculates the final deterioration index using the detection result of the operating state detecting means as a coefficient. It may be something.
[0012]
Further, a characteristic waveform extracting means for attenuating a signal in a frequency band lower than an air-fuel ratio control frequency band of the air-fuel ratio control device from output signals of the front air-fuel ratio sensor and the rear air-fuel ratio sensor, The autocorrelation function calculation means and the cross-correlation function means use an autocorrelation function φ based on the signal after passing through the characteristic waveform extraction means.xx, The cross-correlation function φxyIs preferably calculated. Note that the characteristic waveform extracting means may be a high-pass filter or a band-pass filter.
[0013]
Further, it is preferable that the vehicle has a crank angle detecting means for detecting a crank angle of the engine, and the front air-fuel ratio sensor executes data sampling corresponding to the crank angle detected by the crank angle detecting means.
[0014]
Another aspect of the present invention is directed to an engine having an air-fuel ratio control device that detects an air-fuel ratio in engine exhaust gas and adjusts a fuel injection amount so as to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. A diagnostic device for an engine exhaust gas purifying device for purifying exhaust gas with a catalyst, comprising: an air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio on an exhaust gas upstream side of the catalyst; and an autocorrelation function φ of an output signal of the air-fuel ratio sensor.xxAutocorrelation function calculating means for calculating and outputtingxxAnd a sensor state judging means for judging the deterioration state of the air-fuel ratio sensor by comparing the value of the air-fuel ratio sensor with a preset reference value.
[0015]
In this case, the autocorrelation function φxxMaximum value (φxx)maxIs calculated, and (φxx)maxA sensor deterioration index calculating means for calculating an average value of the sensor deterioration index and outputting the sensor deterioration index as a sensor deterioration index. The sensor state determining means compares the sensor deterioration index with a preset reference value to obtain the air-fuel ratio. It is preferable to determine the deterioration state of the sensor.
[0016]
The apparatus further includes a characteristic waveform extracting unit configured to attenuate a signal in a frequency band lower than an air-fuel ratio control frequency band of the air-fuel ratio control device from the output signal of the air-fuel ratio sensor. Based on the signal after passing through the waveform extracting means, the autocorrelation function φxxIs preferably calculated. Note that the characteristic waveform extracting means may be a high-pass filter or a band-pass filter.
[0017]
Another aspect of the present invention is directed to an engine having an air-fuel ratio control device that detects an air-fuel ratio in engine exhaust gas and adjusts a fuel injection amount so as to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. A diagnostic device for an engine exhaust gas purifying device for purifying exhaust gas with a catalyst, comprising: a front air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio on an exhaust gas upstream side of the catalyst; and an air-fuel ratio on an exhaust gas downstream side of the catalyst. The auto-correlation function φ of the output signal of the front air-fuel ratio sensor and the rear air-fuel ratio sensor to be detectedxxAuto-correlation function calculating means for calculating and outputting a cross-correlation function φ between an output signal of the front air-fuel ratio sensor and an output signal of the rear air-fuel ratio sensor.xyCross-correlation function calculating means for calculating and outputtingxyAnd the autocorrelation function φxxAnd the ratio of the value toiDegradation index calculating means for outputting asiAnd a reference value set in advance to compare the autocorrelation function φ with the catalyst state determination means for determining the deterioration state of the catalyst.xxAnd a sensor state judging means for judging the deterioration state of the front air-fuel ratio sensor by comparing the value of the pre-air-fuel ratio sensor with a preset reference value. .
[0018]
Another aspect of the present invention is directed to an engine having an air-fuel ratio control device that detects an air-fuel ratio in engine exhaust gas and adjusts a fuel injection amount so as to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. A method for diagnosing an engine exhaust gas purifying apparatus for purifying exhaust gas with a catalyst, wherein an autocorrelation function φ of measurement data of an air-fuel ratio on an upstream side of the catalyst is provided at predetermined time intervals.xxMaximum value (φxx)maxCross-correlation function between the measured data of the air-fuel ratio on the upstream side of the catalyst and the measured data of the air-fuel ratio on the downstream side of the catalystxyMaximum value (φxy)maxAnd calculating a ratio of the catalyst ratio and comparing the ratio value with a predetermined reference value to determine a catalyst deterioration state.
[0019]
According to another aspect of the present invention, an engine having an air-fuel ratio control device that detects an air-fuel ratio in engine exhaust gas with an air-fuel ratio sensor and adjusts a fuel injection amount so as to maintain the air-fuel ratio in exhaust gas at a predetermined value. A method for diagnosing an engine exhaust gas purifying apparatus for purifying exhaust gas with a catalyst, wherein the autocorrelation function φ of measurement data of the air-fuel ratio on the upstream side of the catalyst is provided at predetermined intervals.xxMaximum value (φxx)maxIs calculated, and the maximum value (φxx)maxIs compared with a predetermined reference value to determine the state of deterioration of the air-fuel ratio sensor.
[0020]
[Action]
The front air-fuel ratio sensor and the rear air-fuel ratio sensor detect and output the air-fuel ratio between the upstream side and the downstream side of the catalyst in accordance with the crank angle detected by the crank angle detecting means. The characteristic waveform extracting means attenuates a signal in a frequency band lower than the air-fuel ratio control frequency band of the air-fuel ratio control device from the output signal.
[0021]
The autocorrelation function calculating means calculates the autocorrelation function φ of the signal passing through the characteristic waveform extracting means.xxIs calculated and output. On the other hand, the cross-correlation function means is a cross-correlation function φ between the output signal of the front air-fuel ratio sensor and the output signal of the rear air-fuel ratio sensor that has passed through the characteristic waveform extraction means.xyIs calculated and output.
[0022]
The deterioration index calculating means calculates the cross-correlation function φ for each predetermined period.xyMaximum value (φxy)maxAnd the autocorrelation function φ within the periodxxMaximum value (φxx)max, And the sequential deterioration index ΦiAnd Further, the sequential deterioration index Φ for a predetermined number of times in the pastiIs calculated, and this is output as the final deterioration index. In this case, the deterioration index calculating means may calculate the final deterioration index using the detection result of the operating state detecting means as a coefficient.
[0023]
The catalyst state determination means determines the sequential deterioration index ΦiAlternatively, the final deterioration index is compared with a preset reference value to determine the deterioration state of the catalyst.
[0024]
Another embodiment will be described.
[0025]
The air-fuel ratio sensor detects an air-fuel ratio on the exhaust gas upstream side of the catalyst.
[0026]
The characteristic waveform extracting means attenuates a signal in a frequency band lower than the air-fuel ratio control frequency band of the air-fuel ratio control device from the output signal of the air-fuel ratio sensor.
[0027]
The autocorrelation function calculation means calculates the autocorrelation function φ of the signal after passing through the characteristic waveform extraction means.xxIs calculated, and for each predetermined period, the autocorrelation function φ within the periodxxMaximum value (φxx)maxIs output.
[0028]
The sensor deterioration index calculating means calculates the above (φxx)maxIs calculated and output as a sensor deterioration index.
[0029]
The sensor state determination means performs the above (φxx)maxAlternatively, the deterioration state of the air-fuel ratio sensor is determined by comparing the sensor deterioration index with a preset reference value.
[0030]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
First, the concept of the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0032]
The diagnostic apparatus according to the present embodiment includes a
[0033]
As the air-fuel ratio sensor, in this embodiment, O2Sensors 3 and 4 are used. In this specification, “oxygen sensor”, “O2The term “sensor” refers to a so-called lambda sensor capable of detecting the oxygen concentration linearly without detecting the oxygen concentration in a binary manner. Specifically, it is a sensor such as zirconia and titania.
[0034]
First, control in the premise system will be described.
[0035]
The fuel injection control means 7 includes a fuel injection calculation means 9, an output means 10, and an air-fuel ratio feedback calculation means. The fuel injection amount calculation means 9 is based on the following equation 1 based on the detection value of the
[0036]
(Equation 1)
F0= K0Qa / Ne
F0: Basic injection amount
Qa: Intake air volume
Ne: rotation speed
On the other hand, the air-fuel ratio feedback calculation means 8 is provided with an air-fuel ratio sensor (hereinafter referred to as "front O") provided upstream of the catalytic converter 2.23) is sampled at a predetermined timing, and a correction signal α is generated in accordance with the detected value.
[0037]
The fuel injection amount calculating means 9 calculates the basic injection amount F0The injection amount F is obtained by taking into account the correction signal α (see Expression 2). Then, this is converted into a voltage duty signal by the output means 10 and applied to the fuel injection valve.
[0038]
(Equation 2)
F = k0Qa / Ne (1 + α)
F: injection amount
F0: Basic injection amount
Qa: Intake air volume
Ne: rotation speed
α: correction signal
Due to such control, the air-fuel ratio is constantly perturbed upstream and downstream of the
[0039]
The diagnostic device of this embodiment uses the perturbation of the air-fuel ratio by the air-fuel ratio feedback control as a test signal for diagnosing deterioration of the catalytic converter. That is, if the
[0040]
The greatest feature is that the degradation diagnostic means 11 for evaluating this similarity using a correlation function is provided.
[0041]
First, the deterioration diagnosis means 112
[0042]
Next, the auto-correlation function calculating means 13 calculates O2Autocorrelation function φ of output signal x of
[0043]
(Equation 3)
φxx(Τ) = ∫x (t) x (t−τ) dt
[0044]
(Equation 4)
φxy(Τ) = ∫x (t) y (t−τ) dt
Further, by changing the phase τ in the integration interval (0 to T) of the correlation function, φxyMaximum value (φxy)maxAnd φxxMaximum value (φxx)maxAnd ask. Then, using these values, the
[0045]
The deterioration judgment of the
[0046]
(Equation 5)
Φi= (Φxy)max/ (Φxx)max
That is, when the catalyst deteriorates, the similarity of the air-fuel ratio perturbation before and after the
[0047]
On the other hand, before O2The deterioration determination of the
[0048]
The diagnostic device according to the present embodiment will be described more specifically.
[0049]
The diagnostic device itself mainly includes a single-chip microcomputer having an A / D converter and a high-frequency bandpass filter.
[0050]
The high-frequency region pass filter corresponds to the characteristic waveform extracting means 12A and 12B.
[0051]
The microcomputer realizes the functions of the above-described units, the autocorrelation
[0052]
However, the hardware configuration is not limited to this.
[0053]
The operation of the diagnostic device will be described with reference to FIG. In the figure, each block is assigned the same number as each unit in FIG. 1 corresponding to the processing performed in the block.
[0054]
First, the operation for determining the deterioration of the
[0055]
Previous O2The output signal of the sensor 3 (hereinafter referred to as “previous O2Sensor signal) 114 and after O2The output signal of the sensor 4 (hereinafter referred to as “the rear O2A /
[0056]
Next, a DC component which is a disturbance for diagnosis is removed from each signal by a high-frequency band-pass filter (
[0057]
In this embodiment, only low-frequency components are cut. However, as described above, band-pass filters may be used to cut higher-frequency components than the air-fuel ratio feedback control frequency band. In this case, the frequency band used for calculating the correlation function is only a frequency band having a certain width including the air-fuel ratio feedback control frequency, so that more accurate determination can be made.
[0058]
Then, before O2Autocorrelation function φ at time t = 0 of signal x (t) 105 obtained from sensor signal 114xxFind (0) (block 13). Here, φxx(0) is determined by the autocorrelation function φxxIs the maximum value (φ at t = 0)xx)maxBecause it takes
[0059]
Also, before O2The signal x (t) obtained from the sensor signal 114 and the subsequent O2From the signal y (t) obtained from the sensor signal 102 and the cross-correlation function φxy(Τ) is determined in a fixed integration interval T (block 14). Here, the integration section T is set in advance so that the fluctuation of the engine speed does not exceed a predetermined range in that section.
[0060]
Then, φ in the integration section Txy(Τ) maximum value (φxy)maxAnd find the (φxy)max, The sequential deterioration index Φi(= (Φxy)max/ Φxx(0), see Equation 5) (block 16A, see FIG. 5). Note that the sequential deterioration index ΦiPhase τ, in other words (φxy) / ΦxxSince the phase τ at which (0) takes the maximum value varies depending on operating conditions and machine differences, ΦiIs obtained by actually searching for data.
[0061]
And ΦiIs stored in a memory (RAM), and in the next integration period T, Φi + 1Ask for.
[0062]
By repeating the above operation n times, ΦiFind the average value of Then, the average value is used as the final deterioration index I of the
[0063]
(Equation 6)
I = (Σk1k2Φi) / N
I: Final deterioration index
k1: Correction factor depending on engine load
k2: Correction coefficient by catalyst temperature
Φi: Sequential deterioration index
n: Number of measurements
Note that k1, K2Are previously stored in a memory (ROM) as map data.
[0064]
Subsequently, the deterioration index I is set to a predetermined deterioration determination level I.DThe deterioration state is determined by comparing with. The deterioration index I is equal to the deterioration determination level IDIf it is larger than this, it is determined that the image has deteriorated (
[0065]
Where the sequential deterioration index ΦiIs not used as it is, but the average value, that is, the final deterioration index I is used when the engine speed and the load fluctuate during normal running, as shown in FIG.iIs also affected and fluctuates. That is, the sequential deterioration index Φ for a certain time, a certain number of rotations, or a certain load zone.iAre obtained and accumulated, and the average value is used as the final deterioration index I, thereby making it possible to determine the deterioration in the entire operation range. However, when the operation state is limited to some extent, the sequential deterioration index ΦiMay be used as it is to make the determination.
[0066]
Next, before O2The operation of determining the deterioration of the
[0067]
The determination operation is based on the previous O2Autocorrelation function φ of sensor signalxxPerform using only As described above, the autocorrelation function has a maximum value (φxx)max, But the maximum value (φxx)maxIs O2As the
Therefore, the (φxx)maxIs detected and compared with a predetermined reference value to obtain2The deterioration of the
[0068]
Note that the autocorrelation function φxxAs in the case of the catalyst converter deterioration determination, a frequency component lower than the air-fuel ratio feedback control frequency band is removed from the data used when determining the value. FIG. 4 shows power spectra before and after removing the low frequency component.
[0069]
Here, the maximum value (φxx)maxIs used as it is, but as in the case of determining the deterioration of the
[0070]
In this case, the O2The
[0071]
In addition, before O2Sensor 3 or rear O2The sampling from the sensor 4 may be performed at regular intervals. Further, a sensor for detecting the crank angle of the engine may be provided, and the detection may be performed according to the crank angle. When determining the deterioration of the
[0072]
In the above-described embodiment, deterioration of the catalytic converter, the air-fuel ratio sensor, and the oxygen sensor, which are the exhaust gas purification control devices of the engine, can be diagnosed during the normal running of the vehicle. In addition, since the correlation function is used in the signal similarity determination, it is more resistant to noise than when the determination is made using the frequency, amplitude, and the like.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to diagnose the deterioration of the catalytic converter, the air-fuel ratio sensor, and the oxygen sensor, which are the exhaust gas purification control devices of the engine, during normal running of the vehicle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the operation of the present embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating extraction of a characteristic waveform according to the present embodiment.
FIG. 4 is a power spectrum diagram for each frequency for explaining the operation of feature waveform extraction.
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining the function of determining catalytic converter deterioration.
FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining an operation of determining catalytic converter deterioration.
[Explanation of symbols]
2: Catalytic converter, 3: Front O2Sensor, 4: rear O2Sensor, 12: characteristic waveform extracting means, 13: autocorrelation function calculating means, 14: cross-correlation function calculating means, 15: O2Sensor deterioration determining means, 16: catalytic converter deterioration determining means,
17: judgment result output means, Φi: Sequential deterioration index, I: final deterioration index, ID: Deterioration judgment level
x: air-fuel ratio sensor provided upstream of the catalytic converter (before O2Sensor) output
y: air-fuel ratio sensor (rear O) provided downstream of the catalytic converter2Sensor) output
φxx: Autocorrelation function of signal x
φxy: Cross-correlation function between signal x and signal y
Claims (2)
上記触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する前空燃比センサと、
上記触媒の排気ガス下流側における空燃比を検出する後空燃比センサと、
排気ガス中の空燃比を所定値に保つようにフィードバック制御しているときに、上記前空燃比センサと上記後空燃比センサの出力信号の位相(τ)の関数となる相関関数を求める相関関数算出手段と、
上記相関関数の値に基づいて上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段と、
を有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置。An engine for purifying exhaust gas with a catalyst for an engine having an air-fuel ratio control device that detects an air-fuel ratio in the engine exhaust gas and adjusts a fuel injection amount to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. A diagnostic device for an exhaust gas purification device,
A front air-fuel ratio sensor that detects an air-fuel ratio on the exhaust gas upstream side of the catalyst,
A rear air-fuel ratio sensor that detects an air-fuel ratio on the exhaust gas downstream side of the catalyst,
A correlation function for obtaining a correlation function that is a function of the phase (τ) of the output signal of the front air-fuel ratio sensor and the rear air-fuel ratio sensor during feedback control so as to maintain the air-fuel ratio in the exhaust gas at a predetermined value. Calculating means;
Catalyst state determination means for determining the deterioration state of the catalyst based on the value of the correlation function,
A diagnostic device for an engine exhaust gas purifying device, comprising:
前記相関関数に基づく指標値を定め、前記指標値と予め定められた劣化判定基準値とを比較することにより、触媒の劣化状態を判定する触媒劣化判定手段をさらに有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置。 An engine exhaust system further comprising: a catalyst deterioration determining unit that determines an index value based on the correlation function, and compares the index value with a predetermined degradation determination reference value to determine a catalyst degradation state. Diagnosis device for gas purification equipment.
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