JP3667781B2 - エンジンシステムの診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排気ガス浄化用の触媒コンバ−タおよび排気ガスの空燃比に基づいた制御機構を備えたエンジンシステムに適用可能な診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排出する排気ガス中には窒素酸化物等の有害物質が含まれているため、これを低減するための様々な対策が従来から行われている。
【０００３】
例えば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出し、該検出結果に従ってエンジンの運転をフィ−ドバック制御することによって排気ガス自体を汚れの少ないものとすることが行われている。
【０００４】
また、触媒を用いて有害物質を浄化する排気ガス浄化装置が各種用いられている。さらに、これらの排気ガス浄化装置が正常に機能しているか否かを診断する排気ガス浄化装置の診断装置が各種提案されている。例えば、特開昭６１−２８６５５０号(「内燃機関の空燃比制御装置」）では、前記、触媒コンバータの上・下流側に取り付けた酸素センサ出力周期比、下流側の酸素センサ出力周期、出力幅が所定値を超えた時に触媒コンバータの劣化を検出することを提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
大気中に排出される排気ガスの清浄度には、上記触媒の劣化以外にも、上記酸素センサの劣化も影響してくる。つまり、酸素センサが劣化していると、エンジン自体のフィ−ドバック制御に狂いが生じ、触媒の浄化能力を越えるほど汚れの大きい排気ガスが生じてしまう。すると、以下に触媒自体が未劣化であっても有害物質を処理しきれずに外部に排出されてしまうこととなる。
【０００６】
従って、上記排気ガス浄化装置の診断装置においては、単に触媒自体についてのみ診断を行うのではなく、両者の影響を考慮しなければ診断を正確に行うことができない。
【０００７】
本発明は、酸素センサの劣化を考慮し、触媒の劣化状態（あるいは交換の要否）を正確に診断することのできるエンジンシステムの診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、触媒コンバ−タの後流側に配置された酸素センサは、ほとんど劣化しないとの前提にたってなされたものである。なお、この前提条件は、特開昭６１−２８６５５０にも記載されているとおり、十分な妥当性を有するものである。
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、
エンジンから排出される排気ガス中の有害物質を処理する触媒と、上記触媒によって処理される前の排気ガス中に含まれている特定物質の濃度に応じた信号を出力する触媒前センサと、上記触媒前センサの検出結果に従ってエンジンを制御する制御手段と、を備えたエンジンシステムに対して適用される診断装置において、
上記触媒および上記触媒前センサの劣化状態を診断する診断手段を有し、
上記診断手段は、
上記触媒により処理された後の排気ガス中における上記特定物質の濃度に応じた信号を出力する触媒後センサの出力信号に基づいて、上記触媒の劣化の程度を推定する（以下、該推定によって得られた触媒の劣化の程度を”推定劣化度”という）触媒劣化推定手段と、
上記触媒の上記推定劣化度に応じた、上記触媒による処理後にも残存する上記特定物質の濃度を予め定められた値以下に保つために上記触媒前センサが満たしていなければならない上記触媒前センサの劣化の程度（以下、”触媒前センサ劣化判定レベル”という）を求める手段と、
上記触媒前センサの劣化の程度（以下”触媒前センサ劣化度”という）を求める手段と、
上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断する触媒診断手段と、
を有し、
上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしている場合には、上記触媒診断手段により上記触媒の劣化状態を診断すること、
ことを特徴とする診断装置が提供される。
【００１０】
上記診断手段は、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断する機能を備え、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていた場合には、該機能を起動するものであることが好ましい。
【００１１】
異常を知らせる報知手段をさらに有し、上記診断手段は、予め定められた第１の基準値を備え、該第１の基準値と上記推定劣化度とを比較し、該比較の結果、上記推定劣化度が該第１の基準値を満たしていない場合と、上記触媒前センサ劣化度と上記触媒前センサ劣化判定レベルとを比較し、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていない場合と、のうちの少なくとも一方の場合には、上記報知手段を作動させるものであることが好ましい。
【００１２】
異常を知らせる報知手段をさらに有し、上記診断手段は、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断した結果、異常が発見された場合には、上記報知手段を作動させるものであることが好ましい。
【００１３】
上記推定劣化度の初期値を記憶する初期値記憶手段を有し、上記診断手段は、逐次求めた推定劣化度と、上記初期値との差分を算出するとともに、該差分を予め定められた値と比較し、該比較の結果、該差分が該予め定められた値を越えていた場合には、上記触媒は異常であるとの診断を下すものであることが好ましい。
【００１４】
ここで、上記触媒前センサ劣化度を求める手段は、上記触媒前センサの初期における上記劣化度（以下”初期劣化度”という）を記憶しておき、その後、劣化度を算出した場合には、当該劣化度と上記初期劣化度との差分を求め、該差分の大きさに基づいて上記触媒前センサの劣化状態を診断するものであってもよい。
【００１５】
【作用】
触媒後センサは、触媒により処理された後の排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する。
【００１６】
すると、診断手段は、該触媒後センサの出力信号に基づいて（例えば、出力信号の振幅の大きさに基づいて）、推定劣化度を求める。また、第１の基準値と推定劣化度とを比較し、該推定劣化度が該第１の基準値を満たしていない場合には、上記報知手段を作動させる。
【００１７】
続いて、診断手段は、限界情報を参照して、上記推定劣化度における触媒前センサ劣化判定レベルを求めるとともに、その時点における触媒前センサ劣化度を求める。そして、この触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしているか否かを判定する。その結果、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていない場合には、報知手段を作動させる。
【００１８】
一方、触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていた場合には、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用い、例えば、転換効率を算出する等して、上記触媒の劣化状態を診断する。
【００１９】
【実施例】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【００２０】
まず、最初に、酸素センサ出力の基本的な挙動を図１、図２を用いて説明する。 触媒１を格納した触媒コンバ−タ１’は、この図１には示していないエンジンから排出されてきたガスを浄化すべく、排気管４に設置されている。また、この排気管４には、触媒コンバ−タ１の上流側に触媒前センサ２が、また、下流側には、触媒後センサ３が取り付けられており、触媒１による処理前・後における酸素濃度を検出する構成となっている。なお、上記エンジンは、触媒前センサ２の検出結果を用いて空燃比フィ−ドバック制御を行っているものとする。但し、該フィ−ドバック制御自体は既に広く実施されているものであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２１】
このような装置のもとでの、触媒１の劣化の程度に応じた（すなわち、排気ガス浄化の程度に応じた）酸素センサ２，３の出力の挙動の変化を図２に示す。図２（ａ）は、触媒１が劣化しておらず排気ガスが十分に浄化されている状態を、図２（ｂ）は触媒１が劣化し排気ガスがほとんど浄化されていない状態を示している。触媒前センサ２および触媒後センサ３は、劣化していないものとする。この図から分かるように、触媒前センサ２の出力値は、触媒１の劣化状態に関係なく、エンジンの空燃比制御等に従った周波数で振動している。そして、また、その振幅も基本的には触媒の劣化状態とは無関係である。一方、触媒後センサ３の出力波形は、触媒１によって十分排気ガスが浄化されている場合には、ほぼ一定値を保っている。ところが、触媒１の劣化が著しく、排気ガスの浄化がほとんどなされない状態では、触媒後センサ３の出力波形は、触媒前センサ２の出力波形と、同様の振幅を示す。
【００２２】
本発明の基本的概念を説明する。
【００２３】
本発明においては、触媒１の劣化度診断を、３段階としている。
【００２４】
第１段階においては、触媒後センサ３の出力値(例えば、電圧振幅値)より、第１次のラフな触媒劣化度合を推定する。該推定は、触媒後センサ３は劣化しないとの前提のもとで行われる。触媒後センサ３の出力値は、上記図１に示したとおり、触媒１の劣化状態と関係がある。従って、触媒後センサ３の出力波形の振幅を診ることによって、大まかにではあるが、触媒劣化状態を知ることができる。つまり、上記触媒後センサ３の出力振幅値が大きければ触媒１の劣化が進行していることになる。なお、この第１段階において、触媒１の劣化が著しく、既に排ガス規制値を満たしていないことが明らかな場合には、この段階で即座に運転者に警告する。実際には、該振幅の大きさが一定レベルを越えているか否かを診ることによって該判断を下す。
【００２５】
第２段階では、先に推定した触媒劣化度を基に、触媒前センサ２が十分機能しているか否かを判定するための、排ガス規制値をベースとした劣化検出判定レベルを設定する。また、触媒前センサ２の劣化度を求める。この結果、触媒前センサ２が劣化検出判定レベルを満たしていない場合、診断を中止すると共に、運転者に警告する。該劣化検出判定レベルの設定方法については後ほど図３を用いて詳細に説明する。触媒前センサ２の劣化度の求め方は、特に限定されないが、後述する実施例においては、特願平３−３３８２２０号に記載された方法を用いている。該特願平３−３３８２２０号の方法では、触媒前センサ２の出力信号の自己相関関数の最大値が該触媒前センサ２の劣化状態に応じて変化することに着目し、劣化度を該最大値の関数として定義し求めている。
【００２６】
第３段階では、触媒前センサ２および触媒後センサ３の出力値を用いて触媒１の転換効率を算定し、排ガス規制値を満たしているか否か等の診断を行う。転換効率の算定方法としては、例えば、特願平３−３３８２２０号に記載の技術を用いることができる。但し、該方法に限定されるものではない。
【００２７】
上述の劣化検出判定レベルの設定方法およびその意義を図３を用いて説明する。 図３は、触媒前センサ３および触媒の劣化の程度に応じて、外部に排出される有害物質の濃度がどのように変化するかを示したものである。図中、曲線Ｌ１が触媒１が未劣化状態での特性を示しており、触媒の劣化が進行するに従ってＬ２，Ｌ３へと連続的に変化してゆく。また、該図中、触媒前センサの劣化度とは、未劣化の状態を１とし、劣化が進むにつれて該値を小さくするように定義したものである。そして、センサとして機能しえないほどに完全に劣化した状態を０としている。
【００２８】
触媒前センサ２の劣化度を一定としてみた場合、触媒１が劣化するに従って、外部に排出される有害物質の濃度は高くなってゆく。これは、言うまでもなく、触媒１の浄化能力が低下したことによる。
【００２９】
一方、触媒１の劣化度を一定にしてみた場合、触媒前センサ２が劣化してゆくに従って、同様に、外部に排出される有害物質の濃度は高くなってゆく。これは、エンジンのフィ−ドバック制御等に狂いが生じ、触媒コンバ−タ１’に導入される前の時点での排気ガス中の有害物質の濃度が高くなるからである。これらの点は既に繰返し述べた通りである。
【００３０】
ところで、現在の排気ガス規制は、最終的に外部に排出される有害物質の濃度あるいは量を規制するものである。そのため、触媒１と、触媒前センサ２とを別個に診断したのでは、排気ガス規制を満たしているか否かの判断ができない。そこで、本発明においては、上述した診断の第１の段階で触媒の劣化状態を推定し（すなわち、その時点における触媒１の特性は、上記曲線Ｌ１〜Ｌ４のいずれに該当するのかを推定）、その推定された劣化状態において排気ガス規制を満たすために最低限要求される触媒前センサの劣化度合いを、上記第２段階において劣化判定レベルとして求めている。図３においては、検出規制レベルと、曲線との交点における触媒前センサ２の劣化値が、該劣化判定レベルとなる。例えば、触媒１が未劣化状態（図中、曲線Ｌ１）では、劣化検出判定レベルは０.３程度である。従って、この状態では前センサ２の劣化度が０．３〜１．０であれば排気ガス規制を満たすことができる。ところが、触媒１がある程度劣化した状態（図中曲線Ｌ３）では、劣化検出判定レベルは０.７程度となる。従って、この状態では、触媒前センサ２は劣化度が０．７〜１．０であることが要求される。
【００３１】
図中、曲線４で示される状態は、触媒前センサ２の劣化度合いのいかんによらず検出規制レベルを満たすことができないような状態である。この状態においては、触媒後センサ３の出力値は、別途定められたある一定値を越えるものとなっている。
【００３２】
なお、上記検出規制レベルとは、排気ガス中の有害物質の基準値×１．５の値である。該検出規制レベルは、排出ガス規制値の１．５倍を越える濃度の有害物質が排出されるようになったことを検出できなければならないとの米国カリフォルニア州のＯＢＤII法規制に基づいて示したものである(注:但し、触媒は、ＨＣ排ガス規制値×１．５＋４０００mile走行後のＨＣ排ガス値。また、例えばＯ2センサ検出規制レベルは、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排ガス値×１．５)。従って、実際に検出するべき具体的数値レベルは、各国の法規制等にあわせて変更することは言うまでもない。
【００３３】
以下、本発明の一実施例であるエンジンシステムの診断システムを具体的に説明する。
【００３４】
図４にその全体構成の概要を示す。
【００３５】
エンジン６は燃料と空気との混合気を吸入し燃焼させる。この燃焼後のガスは、排気管４に設けられた触媒コンバ−タ１’で処理された後、外部に排出される。
【００３６】
触媒コンバ−タ１’の前後には、触媒前センサ２、触媒後センサ３が設けられ、それぞれ、排気ガス中の酸素濃度を検出している。
【００３７】
触媒前センサ２，触媒後センサ３としては、本実施例では酸素センサを使用しているが、これに限定されるものではない。
【００３８】
制御装置５は、該センサ２，３の出力信号を用いて、エンジン６に供給する燃料噴射量のフィ−ドバック制御、触媒１および酸素センサ２，３の劣化判定等の各種の処理を行っている。実際の制御装置５は、マイクロコンピュ−タやメモリ５０等の電気的回路から主に構成されている。メモリ５０には、上記制御を実行するにあたって必要となる各種プログラムやデ−タが格納されている。上述した診断において必要となるデ−タ（例えば、図３に示したような、触媒の劣化度−センサの劣化度−有害物質量の関係を示すデ−タ）も該メモリ５０に格納されている。特許請求の範囲においていう”限界情報”とは、該図３に相当するデ−タを意味する。
【００３９】
警告装置７は、制御装置５による診断の結果、なんらかの異常が発見された場合には、その旨を運転手等に知らせるため、警告灯の点灯等を行うものである。
【００４０】
本実施例の診断動作を、図５のフロ−チャ−トと、図６のブロック図とを用いて説明する。なお、ここで述べる動作の大部分は、上記制御回路５によって実行されるものである。
【００４１】
まず、触媒後センサ３の出力値に基づいて触媒劣化度合の推定を行ない（ステップ５０４、ブロック６００）、該推定の結果に基づいて、触媒の状態を判断する（ステップ５０５、ブロック６００）。該推定の結果が、特許請求の範囲においていう”推定劣化度”である。この結果、触媒１が極めて劣化している場合には、”触媒ＮＧ”を示す信号を出力するとともに（ステップ５１０）、この時点で診断を中止し警告灯を点灯する（ステップ５１５、ブロック６１０）。この判断は、例えば、触媒後センサ３の出力信号の振幅等が、予め設定された設定値（注：該設定値が、特許請求の範囲第１項においていう”一定レベル”、第４項においていう”第１の基準値”である。）を越えているか否かなどによって行うことができる。なお、該ステップ５０４乃至ステップ５１５の処理が、上述の第１段階に相当する。
【００４２】
ステップ５０５において、触媒１がさほど劣化していなかった場合には、続いて、この推定した状態の下で、触媒前センサ２が最低限満たしていなければならない劣化判定レベルを決定する（ステップ５２０、ブロック６２０）。さらに、触媒前センサ２の劣化度を求め（ステップ５２５、ブロック６３０）、該劣化度が上記劣化判定レベルを満たしているか否かを判定する（ステップ５３０、ブロック６３０）。なお、ここで求めた触媒前センサの劣化度が特許請求の範囲においていう”触媒前センサ劣化度”に該当するものである。その結果、劣化判定レベルを満たしていなかった場合には、触媒前センサ２が”ＮＧ”（ＮＯ ＧＯＯＤ）であることを示す信号を出力するとともに（ステップ５３５）、この時点で診断を中止し警告等を点灯する（ステップ５４０、ブロック６５０）。なお、該ステップ５２０乃至ステップ５４０の処理が、上述の第２段階に相当する。
【００４３】
ステップ５３０において、劣化判定レベルが満たされていた場合には、触媒前センサは”ＯＫ”であることを出力し（ステップ５４２）、触媒前センサ２および触媒後センサ３の出力信号を用いて、改めて、触媒１の劣化状態の診断を行う（ステップ５４５、ブロック７４０）。該診断は、例えば、転換効率計算等の演算評価を含んで行う。
【００４４】
その結果、触媒１の劣化が著しかった場合には、”触媒ＮＧ”を示す信号を出力する（ステップ５５０）とともに、診断の中止、警告灯の点灯を行う（ステップ５５５、ブロック６６０）。一方、触媒１の劣化が許される範囲内であれば、”触媒ＯＫ”との信号を出力し（ステップ５６０、ブロック６７０）、今回の診断を終了する。
【００４５】
次に、第２の実施例を説明する。
【００４６】
上記第１の実施例は、触媒後センサ３が常に正常に機能することを前提としたものであった。しかし、実際には、センサ自体が劣化しなくても、他のなんらかの要因によって正常に機能しない場合もある。そこで、本実施例は、触媒後センサ３が正常に機能していない場合に、診断を中止し警告灯を点灯することとしたものである。これ以外の点については、基本的には、上記第１の実施例と同様である。
【００４７】
本実施例の動作を図７のフロ−チャ−ト、図８のブロック図を用いて説明する。 まず、最初に、触媒後センサ３が正常に機能しているか否かの判定を行なう（ステップ７００、ブロック１１００）。該判定は、触媒後センサ３の出力値やその振幅を診ることによって行う。例えば、出力値が予め設定された値よりも小さくなっている場合には、異常と判定する。
【００４８】
ステップ７００において、異常と判定された場合には、触媒後センサＮＧの信号を出力するとともに（ステップ７０１）、その時点で診断を中止し、警告等を点灯する（ステップ７０２、ブロック１１００）。
【００４９】
ステップ７００において正常と判定された場合には、ステップ７０４乃至ステップ７６０の処理を実行する。なお、ステップ７０４乃至ステップ７６０の処理は、上記実施例のステップ５０４ないしステップ５６０と全く同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００５０】
上記実施例においては、触媒の劣化度の値（絶対値）そのものを用いて、判定を行っていた。しかし、これに代わって、劣化度の変化量を用いて判定を行っても良い。例えば、触媒を交換した直後に得られた劣化度（初期値）を、メモリ５０に記憶しておく。そして、逐次算出した劣化度と該初期値との差分が、予め定めた所定値を超えた場合には、異常が生じていると診断するようにしてもよい。
【００５１】
触媒前センサの劣化度合に応じて、触媒劣化の判定値(触媒OK,NGを決定する値)を補正するようにすれば、さらに、精度の高い触媒劣化診断が可能である。
【００５２】
なお、上記実施例のような観点（つまり、排気ガス規制を満たすことができるか否か）からではなく、触媒前センサが客観的にみてどの程度劣化しているのかといったことを知りたい場合にも、同様に、触媒前センサの交換直後の劣化度（初期劣化度）を記憶し、該初期値との差分に基づいて診断を下すようにすれば、個々のセンサのバラツキの影響を排除した、より客観的な診断を行うことができる。
【００５３】
上記実施例においては、触媒前センサ２、触媒後センサ３として、出力信号が２値的な酸素センサを用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。排気ガスの状態（例えば、有害物質の濃度、空燃比、等）に応じた出力が得られるセンサであればこれ以外のセンサであってもよい。例えば、酸素濃度に応じて出力信号がほぼリニアに変化する広域酸素センサや、ＣＯセンサ、ＨＣセンサ、ＮＯxセンサ、さらには、触媒の劣化状態を直接検出するセンサ（例えば、特開平３−２６７５１７号記載の触媒劣化検知センサ」）等を用いても良い。当然、これらを組合せて使用することも可能である。
【００５４】
本発明によれば、触媒の劣化度合いに応じて、触媒前センサに要求される能力把握することができる。従って、触媒前センサの劣化度合いを考慮して、より正確な診断を行うことができる。また、診断途中の段階でも、触媒の交換が必要な場合等には、即座に診断を中止するため、無駄な処理を行うことがない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒の劣化度合いに応じて、触媒前センサに要求される能力把握することができる。従って、触媒前センサの劣化度合いを考慮して、より正確な診断を行うことができる。また、診断途中の段階でも、触媒の交換が必要な場合等には、即座に診断を中止するため、無駄な処理を行うことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒後センサと、触媒コンバ−タ１’との位置関係を示す図である。
【図２】前・触媒後センサの出力信号の挙動を示す図である。
【図３】有害物質の排出量と、触媒および触媒前センサの劣化度合との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例である排気ガス浄化装置の診断装置を備えたエンジンシステムの全体構成を示す図である。
【図５】診断動作を示すフロ−チャ−トである。
【図６】診断動作を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施例における診断動作を示すフロ−チャ−トである。
【図８】診断動作を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・・・触媒
２・・・・・触媒前センサ
３・・・・・触媒後センサ
４・・・・・排気管
５・・・・・制御装置
６・・・・・エンジン
５０・・・・・メモリ
【産業上の利用分野】
本発明は、排気ガス浄化用の触媒コンバ−タおよび排気ガスの空燃比に基づいた制御機構を備えたエンジンシステムに適用可能な診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排出する排気ガス中には窒素酸化物等の有害物質が含まれているため、これを低減するための様々な対策が従来から行われている。
【０００３】
例えば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出し、該検出結果に従ってエンジンの運転をフィ−ドバック制御することによって排気ガス自体を汚れの少ないものとすることが行われている。
【０００４】
また、触媒を用いて有害物質を浄化する排気ガス浄化装置が各種用いられている。さらに、これらの排気ガス浄化装置が正常に機能しているか否かを診断する排気ガス浄化装置の診断装置が各種提案されている。例えば、特開昭６１−２８６５５０号(「内燃機関の空燃比制御装置」）では、前記、触媒コンバータの上・下流側に取り付けた酸素センサ出力周期比、下流側の酸素センサ出力周期、出力幅が所定値を超えた時に触媒コンバータの劣化を検出することを提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
大気中に排出される排気ガスの清浄度には、上記触媒の劣化以外にも、上記酸素センサの劣化も影響してくる。つまり、酸素センサが劣化していると、エンジン自体のフィ−ドバック制御に狂いが生じ、触媒の浄化能力を越えるほど汚れの大きい排気ガスが生じてしまう。すると、以下に触媒自体が未劣化であっても有害物質を処理しきれずに外部に排出されてしまうこととなる。
【０００６】
従って、上記排気ガス浄化装置の診断装置においては、単に触媒自体についてのみ診断を行うのではなく、両者の影響を考慮しなければ診断を正確に行うことができない。
【０００７】
本発明は、酸素センサの劣化を考慮し、触媒の劣化状態（あるいは交換の要否）を正確に診断することのできるエンジンシステムの診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、触媒コンバ−タの後流側に配置された酸素センサは、ほとんど劣化しないとの前提にたってなされたものである。なお、この前提条件は、特開昭６１−２８６５５０にも記載されているとおり、十分な妥当性を有するものである。
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、
エンジンから排出される排気ガス中の有害物質を処理する触媒と、上記触媒によって処理される前の排気ガス中に含まれている特定物質の濃度に応じた信号を出力する触媒前センサと、上記触媒前センサの検出結果に従ってエンジンを制御する制御手段と、を備えたエンジンシステムに対して適用される診断装置において、
上記触媒および上記触媒前センサの劣化状態を診断する診断手段を有し、
上記診断手段は、
上記触媒により処理された後の排気ガス中における上記特定物質の濃度に応じた信号を出力する触媒後センサの出力信号に基づいて、上記触媒の劣化の程度を推定する（以下、該推定によって得られた触媒の劣化の程度を”推定劣化度”という）触媒劣化推定手段と、
上記触媒の上記推定劣化度に応じた、上記触媒による処理後にも残存する上記特定物質の濃度を予め定められた値以下に保つために上記触媒前センサが満たしていなければならない上記触媒前センサの劣化の程度（以下、”触媒前センサ劣化判定レベル”という）を求める手段と、
上記触媒前センサの劣化の程度（以下”触媒前センサ劣化度”という）を求める手段と、
上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断する触媒診断手段と、
を有し、
上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしている場合には、上記触媒診断手段により上記触媒の劣化状態を診断すること、
ことを特徴とする診断装置が提供される。
【００１０】
上記診断手段は、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断する機能を備え、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていた場合には、該機能を起動するものであることが好ましい。
【００１１】
異常を知らせる報知手段をさらに有し、上記診断手段は、予め定められた第１の基準値を備え、該第１の基準値と上記推定劣化度とを比較し、該比較の結果、上記推定劣化度が該第１の基準値を満たしていない場合と、上記触媒前センサ劣化度と上記触媒前センサ劣化判定レベルとを比較し、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていない場合と、のうちの少なくとも一方の場合には、上記報知手段を作動させるものであることが好ましい。
【００１２】
異常を知らせる報知手段をさらに有し、上記診断手段は、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断した結果、異常が発見された場合には、上記報知手段を作動させるものであることが好ましい。
【００１３】
上記推定劣化度の初期値を記憶する初期値記憶手段を有し、上記診断手段は、逐次求めた推定劣化度と、上記初期値との差分を算出するとともに、該差分を予め定められた値と比較し、該比較の結果、該差分が該予め定められた値を越えていた場合には、上記触媒は異常であるとの診断を下すものであることが好ましい。
【００１４】
ここで、上記触媒前センサ劣化度を求める手段は、上記触媒前センサの初期における上記劣化度（以下”初期劣化度”という）を記憶しておき、その後、劣化度を算出した場合には、当該劣化度と上記初期劣化度との差分を求め、該差分の大きさに基づいて上記触媒前センサの劣化状態を診断するものであってもよい。
【００１５】
【作用】
触媒後センサは、触媒により処理された後の排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する。
【００１６】
すると、診断手段は、該触媒後センサの出力信号に基づいて（例えば、出力信号の振幅の大きさに基づいて）、推定劣化度を求める。また、第１の基準値と推定劣化度とを比較し、該推定劣化度が該第１の基準値を満たしていない場合には、上記報知手段を作動させる。
【００１７】
続いて、診断手段は、限界情報を参照して、上記推定劣化度における触媒前センサ劣化判定レベルを求めるとともに、その時点における触媒前センサ劣化度を求める。そして、この触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしているか否かを判定する。その結果、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていない場合には、報知手段を作動させる。
【００１８】
一方、触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていた場合には、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用い、例えば、転換効率を算出する等して、上記触媒の劣化状態を診断する。
【００１９】
【実施例】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【００２０】
まず、最初に、酸素センサ出力の基本的な挙動を図１、図２を用いて説明する。 触媒１を格納した触媒コンバ−タ１’は、この図１には示していないエンジンから排出されてきたガスを浄化すべく、排気管４に設置されている。また、この排気管４には、触媒コンバ−タ１の上流側に触媒前センサ２が、また、下流側には、触媒後センサ３が取り付けられており、触媒１による処理前・後における酸素濃度を検出する構成となっている。なお、上記エンジンは、触媒前センサ２の検出結果を用いて空燃比フィ−ドバック制御を行っているものとする。但し、該フィ−ドバック制御自体は既に広く実施されているものであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２１】
このような装置のもとでの、触媒１の劣化の程度に応じた（すなわち、排気ガス浄化の程度に応じた）酸素センサ２，３の出力の挙動の変化を図２に示す。図２（ａ）は、触媒１が劣化しておらず排気ガスが十分に浄化されている状態を、図２（ｂ）は触媒１が劣化し排気ガスがほとんど浄化されていない状態を示している。触媒前センサ２および触媒後センサ３は、劣化していないものとする。この図から分かるように、触媒前センサ２の出力値は、触媒１の劣化状態に関係なく、エンジンの空燃比制御等に従った周波数で振動している。そして、また、その振幅も基本的には触媒の劣化状態とは無関係である。一方、触媒後センサ３の出力波形は、触媒１によって十分排気ガスが浄化されている場合には、ほぼ一定値を保っている。ところが、触媒１の劣化が著しく、排気ガスの浄化がほとんどなされない状態では、触媒後センサ３の出力波形は、触媒前センサ２の出力波形と、同様の振幅を示す。
【００２２】
本発明の基本的概念を説明する。
【００２３】
本発明においては、触媒１の劣化度診断を、３段階としている。
【００２４】
第１段階においては、触媒後センサ３の出力値(例えば、電圧振幅値)より、第１次のラフな触媒劣化度合を推定する。該推定は、触媒後センサ３は劣化しないとの前提のもとで行われる。触媒後センサ３の出力値は、上記図１に示したとおり、触媒１の劣化状態と関係がある。従って、触媒後センサ３の出力波形の振幅を診ることによって、大まかにではあるが、触媒劣化状態を知ることができる。つまり、上記触媒後センサ３の出力振幅値が大きければ触媒１の劣化が進行していることになる。なお、この第１段階において、触媒１の劣化が著しく、既に排ガス規制値を満たしていないことが明らかな場合には、この段階で即座に運転者に警告する。実際には、該振幅の大きさが一定レベルを越えているか否かを診ることによって該判断を下す。
【００２５】
第２段階では、先に推定した触媒劣化度を基に、触媒前センサ２が十分機能しているか否かを判定するための、排ガス規制値をベースとした劣化検出判定レベルを設定する。また、触媒前センサ２の劣化度を求める。この結果、触媒前センサ２が劣化検出判定レベルを満たしていない場合、診断を中止すると共に、運転者に警告する。該劣化検出判定レベルの設定方法については後ほど図３を用いて詳細に説明する。触媒前センサ２の劣化度の求め方は、特に限定されないが、後述する実施例においては、特願平３−３３８２２０号に記載された方法を用いている。該特願平３−３３８２２０号の方法では、触媒前センサ２の出力信号の自己相関関数の最大値が該触媒前センサ２の劣化状態に応じて変化することに着目し、劣化度を該最大値の関数として定義し求めている。
【００２６】
第３段階では、触媒前センサ２および触媒後センサ３の出力値を用いて触媒１の転換効率を算定し、排ガス規制値を満たしているか否か等の診断を行う。転換効率の算定方法としては、例えば、特願平３−３３８２２０号に記載の技術を用いることができる。但し、該方法に限定されるものではない。
【００２７】
上述の劣化検出判定レベルの設定方法およびその意義を図３を用いて説明する。 図３は、触媒前センサ３および触媒の劣化の程度に応じて、外部に排出される有害物質の濃度がどのように変化するかを示したものである。図中、曲線Ｌ１が触媒１が未劣化状態での特性を示しており、触媒の劣化が進行するに従ってＬ２，Ｌ３へと連続的に変化してゆく。また、該図中、触媒前センサの劣化度とは、未劣化の状態を１とし、劣化が進むにつれて該値を小さくするように定義したものである。そして、センサとして機能しえないほどに完全に劣化した状態を０としている。
【００２８】
触媒前センサ２の劣化度を一定としてみた場合、触媒１が劣化するに従って、外部に排出される有害物質の濃度は高くなってゆく。これは、言うまでもなく、触媒１の浄化能力が低下したことによる。
【００２９】
一方、触媒１の劣化度を一定にしてみた場合、触媒前センサ２が劣化してゆくに従って、同様に、外部に排出される有害物質の濃度は高くなってゆく。これは、エンジンのフィ−ドバック制御等に狂いが生じ、触媒コンバ−タ１’に導入される前の時点での排気ガス中の有害物質の濃度が高くなるからである。これらの点は既に繰返し述べた通りである。
【００３０】
ところで、現在の排気ガス規制は、最終的に外部に排出される有害物質の濃度あるいは量を規制するものである。そのため、触媒１と、触媒前センサ２とを別個に診断したのでは、排気ガス規制を満たしているか否かの判断ができない。そこで、本発明においては、上述した診断の第１の段階で触媒の劣化状態を推定し（すなわち、その時点における触媒１の特性は、上記曲線Ｌ１〜Ｌ４のいずれに該当するのかを推定）、その推定された劣化状態において排気ガス規制を満たすために最低限要求される触媒前センサの劣化度合いを、上記第２段階において劣化判定レベルとして求めている。図３においては、検出規制レベルと、曲線との交点における触媒前センサ２の劣化値が、該劣化判定レベルとなる。例えば、触媒１が未劣化状態（図中、曲線Ｌ１）では、劣化検出判定レベルは０.３程度である。従って、この状態では前センサ２の劣化度が０．３〜１．０であれば排気ガス規制を満たすことができる。ところが、触媒１がある程度劣化した状態（図中曲線Ｌ３）では、劣化検出判定レベルは０.７程度となる。従って、この状態では、触媒前センサ２は劣化度が０．７〜１．０であることが要求される。
【００３１】
図中、曲線４で示される状態は、触媒前センサ２の劣化度合いのいかんによらず検出規制レベルを満たすことができないような状態である。この状態においては、触媒後センサ３の出力値は、別途定められたある一定値を越えるものとなっている。
【００３２】
なお、上記検出規制レベルとは、排気ガス中の有害物質の基準値×１．５の値である。該検出規制レベルは、排出ガス規制値の１．５倍を越える濃度の有害物質が排出されるようになったことを検出できなければならないとの米国カリフォルニア州のＯＢＤII法規制に基づいて示したものである(注:但し、触媒は、ＨＣ排ガス規制値×１．５＋４０００mile走行後のＨＣ排ガス値。また、例えばＯ2センサ検出規制レベルは、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排ガス値×１．５)。従って、実際に検出するべき具体的数値レベルは、各国の法規制等にあわせて変更することは言うまでもない。
【００３３】
以下、本発明の一実施例であるエンジンシステムの診断システムを具体的に説明する。
【００３４】
図４にその全体構成の概要を示す。
【００３５】
エンジン６は燃料と空気との混合気を吸入し燃焼させる。この燃焼後のガスは、排気管４に設けられた触媒コンバ−タ１’で処理された後、外部に排出される。
【００３６】
触媒コンバ−タ１’の前後には、触媒前センサ２、触媒後センサ３が設けられ、それぞれ、排気ガス中の酸素濃度を検出している。
【００３７】
触媒前センサ２，触媒後センサ３としては、本実施例では酸素センサを使用しているが、これに限定されるものではない。
【００３８】
制御装置５は、該センサ２，３の出力信号を用いて、エンジン６に供給する燃料噴射量のフィ−ドバック制御、触媒１および酸素センサ２，３の劣化判定等の各種の処理を行っている。実際の制御装置５は、マイクロコンピュ−タやメモリ５０等の電気的回路から主に構成されている。メモリ５０には、上記制御を実行するにあたって必要となる各種プログラムやデ−タが格納されている。上述した診断において必要となるデ−タ（例えば、図３に示したような、触媒の劣化度−センサの劣化度−有害物質量の関係を示すデ−タ）も該メモリ５０に格納されている。特許請求の範囲においていう”限界情報”とは、該図３に相当するデ−タを意味する。
【００３９】
警告装置７は、制御装置５による診断の結果、なんらかの異常が発見された場合には、その旨を運転手等に知らせるため、警告灯の点灯等を行うものである。
【００４０】
本実施例の診断動作を、図５のフロ−チャ−トと、図６のブロック図とを用いて説明する。なお、ここで述べる動作の大部分は、上記制御回路５によって実行されるものである。
【００４１】
まず、触媒後センサ３の出力値に基づいて触媒劣化度合の推定を行ない（ステップ５０４、ブロック６００）、該推定の結果に基づいて、触媒の状態を判断する（ステップ５０５、ブロック６００）。該推定の結果が、特許請求の範囲においていう”推定劣化度”である。この結果、触媒１が極めて劣化している場合には、”触媒ＮＧ”を示す信号を出力するとともに（ステップ５１０）、この時点で診断を中止し警告灯を点灯する（ステップ５１５、ブロック６１０）。この判断は、例えば、触媒後センサ３の出力信号の振幅等が、予め設定された設定値（注：該設定値が、特許請求の範囲第１項においていう”一定レベル”、第４項においていう”第１の基準値”である。）を越えているか否かなどによって行うことができる。なお、該ステップ５０４乃至ステップ５１５の処理が、上述の第１段階に相当する。
【００４２】
ステップ５０５において、触媒１がさほど劣化していなかった場合には、続いて、この推定した状態の下で、触媒前センサ２が最低限満たしていなければならない劣化判定レベルを決定する（ステップ５２０、ブロック６２０）。さらに、触媒前センサ２の劣化度を求め（ステップ５２５、ブロック６３０）、該劣化度が上記劣化判定レベルを満たしているか否かを判定する（ステップ５３０、ブロック６３０）。なお、ここで求めた触媒前センサの劣化度が特許請求の範囲においていう”触媒前センサ劣化度”に該当するものである。その結果、劣化判定レベルを満たしていなかった場合には、触媒前センサ２が”ＮＧ”（ＮＯ ＧＯＯＤ）であることを示す信号を出力するとともに（ステップ５３５）、この時点で診断を中止し警告等を点灯する（ステップ５４０、ブロック６５０）。なお、該ステップ５２０乃至ステップ５４０の処理が、上述の第２段階に相当する。
【００４３】
ステップ５３０において、劣化判定レベルが満たされていた場合には、触媒前センサは”ＯＫ”であることを出力し（ステップ５４２）、触媒前センサ２および触媒後センサ３の出力信号を用いて、改めて、触媒１の劣化状態の診断を行う（ステップ５４５、ブロック７４０）。該診断は、例えば、転換効率計算等の演算評価を含んで行う。
【００４４】
その結果、触媒１の劣化が著しかった場合には、”触媒ＮＧ”を示す信号を出力する（ステップ５５０）とともに、診断の中止、警告灯の点灯を行う（ステップ５５５、ブロック６６０）。一方、触媒１の劣化が許される範囲内であれば、”触媒ＯＫ”との信号を出力し（ステップ５６０、ブロック６７０）、今回の診断を終了する。
【００４５】
次に、第２の実施例を説明する。
【００４６】
上記第１の実施例は、触媒後センサ３が常に正常に機能することを前提としたものであった。しかし、実際には、センサ自体が劣化しなくても、他のなんらかの要因によって正常に機能しない場合もある。そこで、本実施例は、触媒後センサ３が正常に機能していない場合に、診断を中止し警告灯を点灯することとしたものである。これ以外の点については、基本的には、上記第１の実施例と同様である。
【００４７】
本実施例の動作を図７のフロ−チャ−ト、図８のブロック図を用いて説明する。 まず、最初に、触媒後センサ３が正常に機能しているか否かの判定を行なう（ステップ７００、ブロック１１００）。該判定は、触媒後センサ３の出力値やその振幅を診ることによって行う。例えば、出力値が予め設定された値よりも小さくなっている場合には、異常と判定する。
【００４８】
ステップ７００において、異常と判定された場合には、触媒後センサＮＧの信号を出力するとともに（ステップ７０１）、その時点で診断を中止し、警告等を点灯する（ステップ７０２、ブロック１１００）。
【００４９】
ステップ７００において正常と判定された場合には、ステップ７０４乃至ステップ７６０の処理を実行する。なお、ステップ７０４乃至ステップ７６０の処理は、上記実施例のステップ５０４ないしステップ５６０と全く同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００５０】
上記実施例においては、触媒の劣化度の値（絶対値）そのものを用いて、判定を行っていた。しかし、これに代わって、劣化度の変化量を用いて判定を行っても良い。例えば、触媒を交換した直後に得られた劣化度（初期値）を、メモリ５０に記憶しておく。そして、逐次算出した劣化度と該初期値との差分が、予め定めた所定値を超えた場合には、異常が生じていると診断するようにしてもよい。
【００５１】
触媒前センサの劣化度合に応じて、触媒劣化の判定値(触媒OK,NGを決定する値)を補正するようにすれば、さらに、精度の高い触媒劣化診断が可能である。
【００５２】
なお、上記実施例のような観点（つまり、排気ガス規制を満たすことができるか否か）からではなく、触媒前センサが客観的にみてどの程度劣化しているのかといったことを知りたい場合にも、同様に、触媒前センサの交換直後の劣化度（初期劣化度）を記憶し、該初期値との差分に基づいて診断を下すようにすれば、個々のセンサのバラツキの影響を排除した、より客観的な診断を行うことができる。
【００５３】
上記実施例においては、触媒前センサ２、触媒後センサ３として、出力信号が２値的な酸素センサを用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。排気ガスの状態（例えば、有害物質の濃度、空燃比、等）に応じた出力が得られるセンサであればこれ以外のセンサであってもよい。例えば、酸素濃度に応じて出力信号がほぼリニアに変化する広域酸素センサや、ＣＯセンサ、ＨＣセンサ、ＮＯxセンサ、さらには、触媒の劣化状態を直接検出するセンサ（例えば、特開平３−２６７５１７号記載の触媒劣化検知センサ」）等を用いても良い。当然、これらを組合せて使用することも可能である。
【００５４】
本発明によれば、触媒の劣化度合いに応じて、触媒前センサに要求される能力把握することができる。従って、触媒前センサの劣化度合いを考慮して、より正確な診断を行うことができる。また、診断途中の段階でも、触媒の交換が必要な場合等には、即座に診断を中止するため、無駄な処理を行うことがない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒の劣化度合いに応じて、触媒前センサに要求される能力把握することができる。従って、触媒前センサの劣化度合いを考慮して、より正確な診断を行うことができる。また、診断途中の段階でも、触媒の交換が必要な場合等には、即座に診断を中止するため、無駄な処理を行うことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒後センサと、触媒コンバ−タ１’との位置関係を示す図である。
【図２】前・触媒後センサの出力信号の挙動を示す図である。
【図３】有害物質の排出量と、触媒および触媒前センサの劣化度合との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例である排気ガス浄化装置の診断装置を備えたエンジンシステムの全体構成を示す図である。
【図５】診断動作を示すフロ−チャ−トである。
【図６】診断動作を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施例における診断動作を示すフロ−チャ−トである。
【図８】診断動作を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・・・触媒
２・・・・・触媒前センサ
３・・・・・触媒後センサ
４・・・・・排気管
５・・・・・制御装置
６・・・・・エンジン
５０・・・・・メモリ
Claims (6)
- エンジンから排出される排気ガス中の有害物質を処理する触媒と、上記触媒によって処理される前の排気ガス中に含まれている特定物質の濃度に応じた信号を出力する触媒前センサと、上記触媒前センサの検出結果に従ってエンジンを制御する制御手段と、を備えたエンジンシステムに対して適用される診断装置において、
上記触媒および上記触媒前センサの劣化状態を診断する診断手段を有し、
上記診断手段は、
上記触媒により処理された後の排気ガス中における上記特定物質の濃度に応じた信号を出力する触媒後センサの出力信号に基づいて、上記触媒の劣化の程度を推定する（以下、該推定によって得られた触媒の劣化の程度を”推定劣化度”という）触媒劣化推定手段と、
上記触媒の上記推定劣化度に応じた、上記触媒による処理後にも残存する上記特定物質の濃度を予め定められた値以下に保つために上記触媒前センサが満たしていなければならない上記触媒前センサの劣化の程度（以下、”触媒前センサ劣化判定レベル”という）を求める手段と、
上記触媒前センサの劣化の程度（以下”触媒前センサ劣化度”という）を求める手段と、
上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断する触媒診断手段と、
を有し、
上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしている場合には、上記触媒診断手段により上記触媒の劣化状態を診断すること、
を特徴とする診断装置。 - 異常を知らせる報知手段をさらに有し、
上記診断手段は、
予め定められた第１の基準値を備えており、該第１の基準値と上記推定劣化度とを比較し、該比較の結果、上記推定劣化度が該第１の基準値を満たしていない場合と、
上記触媒前センサ劣化度と上記触媒前センサ劣化判定レベルとを比較し、上記触媒前センサ劣化度が上記触媒前センサ劣化判定レベルを満たしていない場合と、
のうちの少なくとも一方の場合には、上記報知手段を作動させるものであること、
を特徴とする請求項１記載の診断装置。 - 異常を知らせる報知手段をさらに有し、
上記診断手段は、上記触媒診断手段により、上記触媒前センサの出力信号および上記触媒後センサの出力信号を用いて上記触媒の劣化状態を診断した結果、異常が発見された場合には、上記報知手段を作動させるものであること、
を特徴とする請求項１記載の診断装置。 - 上記推定劣化度の初期値を記憶する初期値記憶手段を有し、
上記診断手段は、逐次求めた推定劣化度と、上記初期値との差分を算出するとともに、該差分を予め定められた値と比較し、該比較の結果、該差分が該予め定められた値を越えていた場合には、上記触媒診断手段で上記触媒の劣化状態が診断されないうちに、上記触媒は異常であるとの診断を下すものであること、
を特徴とする請求項１記載の診断装置。 - 上記特定物質は、酸素、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ、からなる群のうちの少なくとも一つを含むこと、
を特長とする請求項１から４のいずれか一項に記載の診断装置。 - 上記触媒前センサ劣化度を求める手段は、
上記触媒前センサの初期における上記劣化度（以下”初期劣化度”という）を記憶しておき、その後、劣化度を算出した場合には、当該劣化度と上記初期劣化度との差分を求め、該差分の大きさに基づいて上記触媒前センサの劣化状態を診断すること、
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の診断装置。
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