JP3743370B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の所属分野】
本発明は、触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【0002】
【発明の背景】
日本国特許庁に1997年に出願された特開平9−228873号は、三元触媒に吸収されている酸素量(以下、「酸素貯蔵量」)をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素貯蔵量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術を開示する。
【0003】
三元触媒のNOx、CO、HCの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要がある。もし、触媒の酸素貯蔵量を一定に保持されるなら、触媒に流入する排気がリーン側にずれているときは排気中の酸素が触媒に吸収され、リッチ側にずれているときは触媒に吸収されている酸素が放出されるので、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【0004】
したがって、このような制御を行う排気浄化装置において、触媒の転換効率を高く維持するために酸素貯蔵量を正確に演算することが要求され、酸素貯蔵量を演算する種々の手法が提案されている。
【0005】
【発明の概要】
しかしながら、従来の技術ではエンジンの運転状態における触媒特性の変化を考慮しないで酸素貯蔵量が演算されていたため、例えば触媒温度の変化に伴って酸素貯蔵量の演算結果に誤差が発生する。結果として、空燃比制御の精度が低下したり排気エミッションが悪化したりするおそれがあった。さらに、触媒が劣化したとき、最大酸素貯蔵量が減少するため目標量が相対的に適正値からずれて触媒の転化効率が低下し、すなわち経時的な排気性能の低下を起こすおそれがあった。
【0006】
本発明の目的は、上記の課題を解決することであり、触媒の高い転換効率が維持される排気浄化装置を提供することである。
【0007】
上記課題を解決するために本発明は、エンジンの排気通路に設けられた触媒と、前記触媒に流入する排気特性を検出するセンサと、マイクロプロセッサとを備え、前記マイクロプロセッサは、前記触媒に酸素が吸収あるいは前記触媒から酸素が放出される酸素の吸収放出速度が速い高速成分と前記吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量のうちから、前記酸素貯蔵量の高速成分を前記検出された排気特性を用いて演算し、演算された前記酸素貯蔵量の高速成分に基づき、前記酸素貯蔵量の高速成分が所定の目標値となるようにエンジンの目標空燃比を演算し、前記酸素貯蔵量の高速成分の所定期間の積算値に基づいて触媒の劣化を判定するようにプログラムされるエンジンの排気浄化装置を提供する。
【0008】
さらに本発明は、エンジンの排気通路に設けられた触媒と、前記触媒に流入する排気特性を検出するセンサと、前記触媒から流出する排気特性を検出する第2センサと、マイクロプロセッサとを備え、前記マイクロプロセッサは、前記触媒に酸素が吸収あるいは前記触媒から酸素が放出される酸素の吸収放出速度が速い高速成分と前記吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量のうちから、前記酸素貯蔵量の高速成分を前記検出された排気特性を用いて演算する一方、前記第2センサを介して検出した触媒からの排気空燃比がリーン判定値を超えたときは前記酸素貯蔵量の高速成分を最大値に、リッチ判定値を超えたときには前記酸素貯蔵量の高速成分を最小値に、それぞれ初期化するリセット処理を行い、演算された前記酸素貯蔵量の高速成分に基づき、前記酸素貯蔵量の高速成分が所定の目標値となるようにエンジンの目標空燃比を演算し、前記リセット処理の頻度を判定値と比較し、前記頻度が判定値よりも大となったときに触媒の劣化と判定するようにプログラムされるエンジンの排気浄化装置を提供する。
【0009】
【好ましい実施例の説明】
図1を参照すると、排気管2には触媒3と、触媒3に位置するフロント広域空燃比センサ4(以下、フロントA/Fセンサという。)と、リアO2センサ5と、コントローラ6とが設けられる。
【0010】
エンジン1の吸気管7には、スロットル弁8と、スロットル弁8によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ9とが設けられている。加えて、エンジン1の回転速度を検出するクランク角センサ12が設けられる。
【0011】
触媒3は三元触媒機能を有し、触媒雰囲気が理論空燃比のときにNOx、HC及びCOを最大効率で浄化する。触媒担体がセリア等の酸素貯蔵材で被覆されており、触媒3は流入する排気の空燃比に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能(以下、「酸素貯蔵機能」)を有している。
【0012】
ここで触媒3の酸素貯蔵は、それぞれの貴金属(Pt、Rh、PD等)に吸収/放出される高速成分HO2と、酸素貯蔵材に吸収/放出される低速成分LO2とに分けることができる。低速成分LO2は高速成分HO2に比べて多くの酸素を貯蔵/放出することができるが、その貯蔵/放出速度は高速成分HO2に比べて遅いという特性を有している。
【0013】
さらに、これら高速成分HO2及び低速成分LO2は、以下の特性を有している。
【0014】
−酸素吸収時は、高速成分HO2に優先して酸素が吸収され、高速成分HO2が最大容量HO2MAXに達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分LO2に酸素が吸収され始める。
【0015】
−酸素放出時は、高速成分HO2に対する低速成分LO2の比(LO2/HO2)が所定値未満の場合、すなわち高速成分が比較的多い場合は高速成分HO2から優先して酸素が放出され、高速成分HO2に対する低速成分LO2の比が所定値以上の場合は高速成分HO2に対する低速成分LO2の比が変化しないよう高速成分HO2及び低速成分LO2の両方から酸素が放出される。
【0016】
図2は、触媒の酸素の貯蔵/放出特性を示す。
縦軸は、高速成分HO2(貴金属に吸収された酸素量)を示し、横軸は、低速成分LO2(酸素貯蔵材に吸収された酸素量)を示す。
通常の運転状態において、低速成分LO2はほぼゼロであり、高速成分HO2のみが図2において矢印A1で示すように触媒中に流入する排気の空燃比に応じて変化する。高速成分HO2は、例えば、高速成分HO2の最大吸収量の半分となるように制御される。
【0017】
しかしながら、エンジンへの燃料供給停止が実施されたとき、またはエンジンが暖機状態(ホットリスタート)から再始動されたとき、高速成分HO2は最大吸収量に達し、そして酸素は低速成分LO2に吸収される(図2において矢印A2で示す。)。酸素貯蔵量は点X1から点X2に変化する。
【0018】
酸素が点X2から放出されるとき、酸素は、優先的に高速成分HO2から放出される。高速成分HO2に対する低速成分LO2の比率が所定値に達したとき(図2においてX3で示す。)、酸素は高速成分HO2に対する低速成分LO2の比率が変化しないように、すなわち図中の線L上を移動しつつ酸素が放出されるように、高速成分HO2と低速成分LO2の両方から放出される。ここで線L上では、高速成分HO2が1に対して低速成分LO2が5から15、好ましくは約10である。
【0019】
図1を参照すると、触媒3の上流に設けられたフロントA/Fセンサ4は、触媒3に流入する排気の空燃比に応じて電圧を出力する。触媒3の下流に設けられたリアO2センサ5は、触媒3の下流の排気空燃比がしきい値としての理論空燃比に対してリッチかリーンかを検出する。簡易的なO2センサが触媒3の下流に設けられる。しかし、空燃比を連続的に検出できるA/Fセンサが代わりに設置されてもよい。
【0020】
エンジン1には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ10が取り付けられている。検出された冷却水温はエンジン1の運転状態を判断するのに用いられる。また触媒3の触媒温度を推定するのにも用いられる。
【0021】
コントローラ6はマイクロプロセッサ、RAM、ROM、I/Oインターフェース等で構成される。コントローラ6はエアフローメータ9、フロントA/Fセンサ4及び冷却水温センサ10の出力に基づき、触媒3の酸素貯蔵量(高速成分HO2及び低速成分LO2)を演算する。
【0022】
コントローラ6は、演算した酸素貯蔵量の高速成分HO2が所定量(例えば高速成分の最大容量HO2MAXの半分)よりも多いときは、エンジン1の空燃比をリッチ側に変化させ、触媒3に流入する排気の空燃比をリッチ側に変化させ、高速成分HO2を減少させる。逆に、所定量よりも少ないときはエンジン1の空燃比をリーン側にシフトさせ、触媒3に流入する排気の空燃比をリーン側に変化させ、高速成分HO2を増大させ、酸素貯蔵量の高速成分HO2が一定に保たれるように維持する。
【0023】
演算誤差により演算された酸素貯蔵量と実際の酸素貯蔵量との間にずれが生じるが、コントローラ6は触媒3下流の空燃比に基づき所定のタイミングで酸素貯蔵量の演算値のリセットを行い、実際の酸素貯蔵量とのずれを修正する。
【0024】
具体的には、リアO2センサ5の出力に基づき触媒3下流の空燃比がリーンであると判定されたときは、少なくとも高速成分HO2は最大となっていると判断し、高速成分HO2を最大容量にリセットする。また、触媒3下流の空燃比がリッチであるとリアO2センサ5によって判定されたときは、高速成分HO2のみならず低速成分LO2からの酸素放出も行われなくなっていることから、低速成分HO2及び高速成分LO2を最小容量にリセットする。
【0025】
次に、コントローラ6によって行われる制御について詳述する。
【0026】
まず、酸素貯蔵量の演算について説明し、その後で、酸素貯蔵量演算値のリセット、酸素貯蔵量に基づくエンジン1の空燃比制御について説明する。
【0027】
図3に示されるルーチンによれば、ステップS1で、エンジンの各種運転条件パラメータとして、冷却水温センサ10、クランク角センサ12とエアフローメータ9の出力が読み込まれる。ステップS2で、触媒3の温度TCATがそれらパラメータに基づき推定される。そして、ステップS3で、推定された触媒温度TCATと触媒活性温度TACTo(たとえば、300℃)とを比較することによって触媒3が活性化したか否かが判断される。
【0028】
その結果、触媒活性温度TACToに達していると判断されたときは、触媒3の酸素貯蔵量の演算を行うべくステップS4のルーチンに進む。触媒活性温度TACToに達しないと判断されたときは、触媒3は酸素の吸収/放出作用を行わないとして処理を終了する。
【0029】
ステップS4では、酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチン(図4)が実行されて触媒3に流入する排気中の酸素過不足量O2INが演算される。ステップS5では、酸素貯蔵量の高速成分の酸素放出率Aを演算するためのサブルーチン(図5)が実行され、高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【0030】
さらに、ステップS6では酸素貯蔵量の高速成分HO2を演算するためのサブルーチン(図6)が実行され、酸素過不足量O2INと高速成分の酸素放出率Aに基づき高速成分HO2及び高速成分HO2として吸収されずに低速成分LO2に溢れるオーバフロー酸素量OVERFLOWが演算される。
【0031】
ステップS7では、ステップS6で演算されたオーバフロー酸素量OVERFLOWに基づき触媒3に流入する排気中の酸素過不足量O2INが全て高速成分HO2として吸収されたか否かを判断する。そして、酸素過不足量O2INが高速成分として完全に吸収された場合(OVERFLOW=0)は処理を終了するが、そうでない場合はステップS8へ進んで低速成分LO2を演算するためのサブルーチン(図7)が実行され、高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー酸素量OVERFLOWに基づき低速成分LO2が演算される。
【0032】
ここでは触媒温度TCATはエンジン1の冷却水温、エンジン負荷、エンジン回転速度等から推定されるようにしているが、図1に示すように触媒3に温度センサ11を取り付け、触媒3の温度を直接測定するようにしてもよい。
【0033】
触媒温度TCATが活性温度TACToよりも低いときは酸素貯蔵量を演算しないようにしているが、ステップS3を無くして、触媒温度TCATの影響を高速成分の酸素放出率Aや後述する低速成分の酸素貯蔵放出率Bに反映するようにしても良い。
【0034】
次に、ステップS4から6及びステップS8で実行されるサブルーチンについて説明する。
【0035】
図4は、触媒3に流入する排気の酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒3上流の空燃比とエンジン1の吸入空気量に基づき触媒3に流入する排気の酸素過不足量O2INが演算される。
【0036】
まずステップS11で、フロントA/Fセンサ4の出力とエアフローメータ9の出力が読み込まれる。
【0037】
つぎに、ステップS12ではフロントA/Fセンサ4の出力が所定の変換テーブルを用いて触媒3に流入する排気の過不足酸素濃度FO2に変換される。ここで過不足酸素濃度FO2とは、理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度である。排気空燃比が理論空燃比に等しいときはゼロで、理論空燃比よりリッチ側で負、理論空燃比よりリーン側で正の値をとる。
【0038】
ステップS13ではエアフローメータ9の出力が所定の変換テーブルを用いて吸入空気量Qに変換され、ステップS14ではステップS13で演算した吸入空気量Qは触媒3に流入する排気の過不足酸素量O2INを演算するためにステップS12で演算した過不足酸素濃度FO2を乗じられる。
【0039】
過不足酸素濃度FO2が上記特性を有することから、過不足酸素量O2INは、触媒3に流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【0040】
図5は、酸素貯蔵量の高速成分の酸素放出率Aを演算するためのサブルーチンを示す。このサブルーチンでは、高速成分HO2からの酸素放出速度が低速成分LO2の影響を受けることから、低速成分LO2に応じて高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【0041】
まず、ステップS21で高速成分に対する低速成分の比LO2/HO2が所定値AR(たとえば、AR=10)より小さいか否かが判断される。判断の結果、比LO2/HO2が所定値ARより小さいと判断された場合、すなわち、高速成分HO2が低速成分LO2に対して比較的多い場合はステップS22へ進み、高速成分HO2から酸素が放出されるとして高速成分の酸素放出率Aに1.0がセットされる。
【0042】
これに対し、比LO2/HO2が所定値ARよりも小さくないと判断された場合は、高速成分HO2に対する低速成分LO2の比が変化しないよう高速成分HO2及び低速成分LO2から酸素が放出されるので、ステップS23へ進んで高速成分の酸素放出率Aとして比LO2/HO2が変化しないような値が演算される。
【0043】
図6は、酸素貯蔵量の高速成分HO2を演算するためのサブルーチンを示す。このサブルーチンでは触媒3に流入する排気の酸素酸素過不足量O2INと高速成分の酸素放出率Aに基づき高速成分HO2が演算される。
【0044】
まず、ステップS31では酸素過不足量O2INの値に基づき高速成分HO2が酸素を吸収する状態にあるか、あるいは酸素を放出する状態にあるかが判断される。
【0045】
触媒3に流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量O2INがゼロより大きい場合、高速成分HO2が吸収する状態にあると判断される。そして、ステップS32に進み、次式(1)により高速成分HO2が演算される。
【0046】
【数1】
HO2=HO2z+O2IN (1)
ここで、HO2z:高速成分HO2の前回値
一方、酸素過不足量O2INがゼロ以下の値で、高速成分が酸素を放出する状態にあると判断された場合はステップS33に進み、次式(2)により高速成分HO2が演算される。
【0047】
【数2】
HO2=HO2z+O2IN×A (2)
ここで、A:高速成分HO2の酸素放出率
ステップS34、S35で、演算されたHO2が高速成分の最大容量HO2MAXを超えていないか、あるいは最小容量HO2MIN(=0)以下になっていないかが判断される。
【0048】
高速成分HO2が最大容量HO2MAX以上になっている場合はステップS36に進み、高速成分HO2として吸収されることなく溢れ出るオーバフロー酸素量(過剰量)OVERFLOWが次式(3)により演算される。
【0049】
【数3】
OVERFLOW=HO2−HO2MAX (3)
そして、高速成分HO2が最大容量HO2MAXに制限される。
【0050】
また、高速成分HO2が最小容量HO2MIN以下になっている場合はステップS37に進み、高速成分HO2として吸収されないオーバフロー酸素量(不足量)OVERFLOWが次式(4)により演算される。
【0051】
【数4】
OVERFLOW=HO2−HO2MIN (4)
そして、高速成分HO2が最小容量HO2MINに制限される。なお、ここでは最小容量HO2MINとして0が与えられているから、高速成分HO2をすべて放出した状態で不足する酸素量が負のオーバフロー酸素量として算出されることになる。
【0052】
また、高速成分HO2が最大容量HO2MAXと最小容量HO2MINの間にあるときは、触媒3に流入した排気の酸素過不足量O2INは、全て高速成分HO2として吸収されるので、オーバフロー酸素量OVERFLOWにはゼロが設定される。
【0053】
ここで、高速成分HO2が最大容量HO2MAXを越え、あるいは最小容量HO2MIN以下となって高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー酸素量OVERFLOWは、低速成分LO2として吸収される。
【0054】
図7は酸素貯蔵量の低速成分LO2を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは、高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー酸素量OVERFLOWに基づき低速成分LO2が演算される。
【0055】
これによると、ステップS41では低速成分LO2が次式(5)により演算される。
【0056】
【数5】
LO2=LO2z+OVERFLOW×B (5)
ここで、LO2z:低速成分LO2の前回値
B:低速成分の酸素貯蔵放出率
ここで、低速成分の酸素貯蔵放出率Bは1以下の正の値に設定されるが、実際には貯蔵と放出とで異なる特性を有する。さらに実際の貯蔵放出率は触媒温度TCAT、低速成分LO2の影響を受けるので、貯蔵率と放出率とをそれぞれ分離して設定するようにしても良い。その場合、オーバフロー酸素量OVERFLOWが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素貯蔵放出率Bは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が小さいほど大きな値に設定される。また、オーバフロー酸素量OVERFLOWが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Bは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が大きいほど大きな設定される。
【0057】
ステップS42、S43では、高速成分HO2の演算時と同様に、演算された低速成分LO2がその最大容量LO2MAXを超えていないか、あるいは最小容量LO2MIN(=0)以下になっていないかが判断される。
【0058】
最大容量LO2MAXを超えている場合はステップS44に進み、低速成分LO2から溢れる酸素過不足量O2OUTが次式(6)により演算される。
【0059】
【数6】
O2OUT=LO2−LO2MAX (6)
そして低速成分LO2が最大容量LO2MAXに制限される。酸素過不足量O2OUTはそのまま触媒3の下流に流出する。
【0060】
低速成分LO2が最小容量以下になっている場合はステップS45へ進み、低速成分LO2が最小容量LO2MINに制限される。
【0061】
次に、コントローラ6が行う酸素貯蔵量の演算値のリセットについて説明する。所定条件下で酸素貯蔵量の演算値のリセットを実行することにより、それまでに蓄積された演算誤差が解消され、酸素貯蔵量の演算精度を高めることが可能となる。
【0062】
図8はリセット条件を判断するためのルーチンの詳細を示す。このルーチンは、触媒3下流の排気空燃比から酸素貯蔵量(高速成分HO2及び低速成分LO2)のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグFrich及びフラグFleanのセットを行うものである。
【0063】
まず、ステップS51で触媒3下流の排気空燃比を検出するリアO2センサ5の出力が読み込まれる。そして、ステップS52でリアO2センサ出力RO2とリーン判定しきい値LDTが比較され、ステップS53で、リッチ判定しきい値RDTとの比較が行われる。
【0064】
比較の結果、リアO2センサ出力RO2がリーン判定しきい値LDTを下回っていた場合はステップS54に進んでフラグFleanに酸素貯蔵量のリーンリセット条件が成立したことを示す「1」が設定される。また、リアO2センサ出力RO2がリッチ判定しきい値RDTを上回っていた場合はステップS55に進んでフラグFrichに酸素貯蔵量のリッチリセット条件が成立したことを示す「1」が設定される。
【0065】
リアO2センサ出力RO2がリーン判定しきい値LDTとリッチ判定しきい値RDTの間にあるときはステップS56に進んで、フラグFlean及びFrichにリーンリセット条件、リッチリセット条件が不成立であることを示す「0」が設定される。
【0066】
図9は酸素貯蔵量をリセットするためのルーチンの内容を示す。
【0067】
これによると、ステップS61、S62でフラグFlean及びFrichの値の変化に基づきリーンリセット条件あるいはリッチリセット条件が成立したか否かが判断される。
【0068】
そして、フラグFleanが「0」から「1」に変化し、リーンリセット条件が成立したと判断された場合はステップS63に進み、酸素貯蔵量の高速成分HO2が最大容量HO2MAXにリセットされる。このとき、低速成分LO2のリセットは行わない。一方、フラグFrichが「0」から「1」に変化し、リッチリセット条件が成立したと判断された場合はステップS64に進み、酸素貯蔵量の高速成分HO2及び低速成分LO2がそれぞれ最小容量HO2MIN、LO2MINにリセットされる。
【0069】
このような条件でリセットを行うのは、低速成分LO2の酸素吸収速度が遅いため、高速成分HO2が最大容量に達すると低速成分LO2が最大容量に達していなくても酸素が触媒下流に溢れることから、触媒下流の排気空燃比がリーンになった時点では少なくとも高速成分HO2は最大容量になっていると考えられるからである。
【0070】
触媒下流の排気空燃比がリッチになる時点では、緩やかに酸素を放出する低速成分LO2からも酸素が放出されていないといえ、高速成分HO2、低速成分LO2共に酸素を殆ど保持しておらず最小容量になっていると考えられるからである。
【0071】
さらに、コントローラ6が行う空燃比制御(酸素貯蔵量一定制御)について説明する。
【0072】
図10は酸素貯蔵量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示す。
【0073】
これによると、まずステップS71で、現在の酸素貯蔵量の高速成分HO2が読み込まれ、ステップS72で、現在の高速成分HO2と高速成分の目標値TGHO2の偏差DHO2(=触媒3が必要としている酸素過不足量)が演算される。高速成分の目標値TGHO2は、例えば高速成分の最大容量HO2MAXの2分の1に設定される。
【0074】
ステップS73では、演算された偏差DHO2が空燃比相当の値に換算され、エンジン1の目標空燃比T−A/Fが設定される。
【0075】
したがって、このルーチンによると、酸素貯蔵量の高速成分HO2が目標とする量に満たない場合はエンジン1の目標空燃比がリーンに設定され、酸素貯蔵量(高速成分HO2)は増加させられる。これに対し、高速成分HO2が目標とする量を超えている場合はエンジン1の目標空燃比がリッチに設定され、酸素貯蔵量(高速成分HO2)は減少させられる。
【0076】
次に、上記制御を行うことによる全体的な作用について説明する。
【0077】
本発明に係る排気浄化装置にあっては、エンジン1が始動されると触媒3の酸素貯蔵量の演算が開始し、触媒3の転換効率を最大に維持すべく触媒3の酸素貯蔵量が一定となるようにエンジン1の空燃比制御が行われる。
【0078】
具体的には、酸素吸収時は、高速成分HO2が優先して吸収し、高速成分HO2が吸収しきれない状態となったら低速成分LO2が吸収し始めるとして演算が行われる。酸素放出時は、低速成分LO2と高速成分HO2の比(LO2/HO2)が一定割合AR以下の場合は高速成分HO2から優先して酸素が放出されるとし、比LO2/HO2が一定割合になったら、その比LO2/HO2を保つように低速成分LO2と高速成分HO2の両方から酸素が放出されるとして酸素貯蔵量の演算を行う。
【0079】
演算された酸素貯蔵量の高速成分HO2が目標値よりも多いときは、コントローラ6はエンジン1の空燃比をリッチ側に制御して高速成分HO2を減少させ、目標値よりも少ないときは空燃比をリーン側に制御して高速成分HO2を増大させる。
【0080】
この結果、酸素貯蔵量の高速成分HO2が目標とする値に保たれるので、触媒3に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分HO2から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒3の転換効率が最大に保たれる。
【0081】
さらに、演算誤差が累積すると演算された酸素貯蔵量が実際の酸素貯蔵量とずれてくるが、触媒3下流がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素貯蔵量(高速成分HO2及び低速成分LO2)のリセットが行われ、演算値と実際の酸素貯蔵量とのずれが修正される。
【0082】
図11は上記酸素貯蔵量一定制御を行ったときの高速成分HO2の変化の様子を示したものである。
【0083】
この場合、時刻t1では、リアO2センサ5aの出力がリーン判定しきい値以下となりリーンリセット条件が成立するので、高速成分HO2が最大容量HO2MAXにリセットされる。ただし、このとき低速成分LO2は最大になっているとは限らないので低速成分LO2のリセットは行われない(図示せず)。
【0084】
時刻t2、t3では、リアO2センサ5aの出力がリッチ判定しきい値以上となってリッチリセット条件が成立するので、酸素貯蔵量の高速成分HO2が最小容量(=0)にリセットされる。このとき低速成分LO2も最小容量にリセットされる(図示せず)。
【0085】
このように、触媒3の下流の排気の空燃比がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素貯蔵量の演算値のリセットが行われ、実際の酸素貯蔵量とのずれが修正される結果、触媒の酸素貯蔵量の演算精度がさらに向上し、酸素貯蔵量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められ、触媒の転換効率を高く維持される。
【0086】
以上は本発明が前提とする排気浄化装置の一例を示したもので、本発明ではこのような触媒の酸素貯蔵量を一定に制御する排気浄化装置において、その触媒の劣化を精度良く判定することを目的としている。以下、この点につき図12以下の図面を用いて説明する。
【0087】
図12は触媒劣化判定のための第1の実施形態の処理ルーチンであり、図10の空燃比制御の処理と同期して周期的に実行される。また、図13は前記処理ルーチンが実行された時の酸素貯蔵量がどのように変化するかを示した図である。この実施形態では、基本的には酸素貯蔵量の高速成分を予め定めた回数だけサンプリングし、その積算値から算出した酸素貯蔵量の平均値が触媒の劣化を判定するために所定の判定値と比較される。
【0088】
この処理では、まずステップS81で、劣化判定の許可条件を判断する。これは例えば触媒3が活性状態にあるか否かを水温または触媒温度等に基づいて判断し、触媒活性状態のときには劣化判定を許可することでなされる。酸素貯蔵量の積算値SUMHO2と積算数管理のためのカウンタCsumをそれぞれ0に初期化し、次の劣化判定領域条件の判断に移行する(ステップS82、S83)。劣化判定領域条件は、例えばエンジン回転速度、燃料噴射量、車速、空燃比制御状態などである。判定は、これらから判定される運転条件が予め定めた条件にあるか否かにより行う。この方法では、減速時の燃料カット中などの判定に不適当である運転条件を除外され、適切な劣化判定が行い得るようにしている。劣化判定許可条件を満たさない場合には今回の処理を終了し、条件を満たすまで待機状態となる。
【0089】
触媒の劣化が判定されるときは、まずステップS84で酸素貯蔵量が上述したリッチリセット後の制御中であるか、またはリーンリセット後の制御中であるかを判定する。これは、例えば図9の処理で使用されるフラグFrichおよびFleanを参照することで判定する。すなわち、フラグFrich=1かつFlean=0のときには制御はリッチリセット後になされており、Frich=0かつFlean=1のときには制御はリーンリセット後である。ここで、制御がリッチリセット後である場合には、ステップS85で積算値SUMHO2に酸素貯蔵量HO2が加算されSUMHO2を更新する処理を行う。一方、制御がリーンリセット後である場合には、触媒の最大酸素貯蔵量HO2MAXから酸素貯蔵量HO2を減じた結果が積算値SUMHO2に加算されSUMHO2を更新する(ステップS86)。なお、図13で記号Rはリッチリセット時、記号Lはリーンリセット時を示しており、この例では劣化判定処理はリッチリセットの直前に開始している。
【0090】
ステップS87、S88で、上記積算値SUMHO2の演算処理は、カウンタ値Csumが予め定めたサンプリング回数Ncに達するまで繰り返し行われる。すなわち、この処理により、単位時間当たりの酸素貯蔵量HO2をNc回だけ積算する。
【0091】
次に、このようにして求めた積算値SUMHO2が酸素貯蔵量HO2の平均値AVHO2を演算するためにサンプリング回数Ncで除され(ステップS89)、この平均値AVHO2は予め定めた判定値との比較される。もしAVHO2>判定値であれば劣化は許容レベルであるのでそのまま今回の処理を終了し、AVHO2<判定値であれば触媒は劣化していると判定する(ステップS810、S811)。この劣化判定の結果は、例えば車両の自己診断装置に記憶させる。もしくはモニターランプ等により運転者にリアルタイムで警告するようにしてもよい。図13では平均値AVHO2が判定値よりも大きく、すなわち触媒劣化はOKの判定結果を示している。
【0092】
このように本実施例では、触媒の酸素貯蔵は、Pt、Rh、Pd等の触媒貴金属に比較的高速で吸収または放出される高速成分と、セリア等の酸素貯蔵材に比較的低速で吸収または放出される低速成分とに分けられる。高速成分は触媒からの貯蔵率または放出率(以下「貯蔵放出率」という。)が低速成分に比較して高いので、空燃比変化や触媒劣化に対する貯蔵量変化が敏感である。したがって、酸素貯蔵量の高速成分の積算結果を用いることにより、応答良く触媒の劣化を判定することができる。
【0093】
酸素貯蔵量の積算値から劣化判定を行う手法としては、積算値そのものに対する判定基準値を設けて判定するものとしてもよいが、積算値から酸素貯蔵量の平均値を算出し、これを判定値と比較して判定をする。これにより信頼度の高い劣化判定を可能とする。
【0094】
酸素貯蔵量の演算結果など、空燃比および酸素貯蔵量の制御過程で用いられるものの他には劣化を判定するための検出パラメータを処理する必要がない。そのため劣化判定のための処理プログラムを簡素化できる。
【0095】
さらに、酸素貯蔵量の全量を、酸素の吸収放出率が比較的高い高速成分と酸素の吸収放出率が高速成分よりも低い低速成分とから演算するように構成した。そのため、さらに精度良く触媒の劣化を判定することができる。
【0096】
図14は触媒劣化判定のための第2の実施形態の処理ルーチンであり、図10の空燃比制御の処理と同期して周期的に実行される。また、図15は前記処理ルーチン実行時の酸素貯蔵量がどのように変化するかを示したタイムチャートである。この実施形態では、酸素貯蔵量の高速成分をリセット処理毎に予め定めた回数だけサンプリングし、その積算値から算出した酸素貯蔵量の平均値を判定値と比較することで触媒の劣化を判定する。
【0097】
この処理では、まず図12と同様にして劣化判定の許可条件を判断し(ステップS91)、触媒活性状態で劣化判定が許可される時には、酸素貯蔵量の積算値SUMHO2と積算数管理のためのカウンタCresをそれぞれ0に初期化する。次の劣化判定領域条件の判断に移行する(ステップS92、S93)。劣化判定領域条件は図12と同様であり、エンジン回転速度を含む各種運転状態パラメータに基づいて判定する。劣化判定許可条件を満たさない場合には今回の処理を終了し、条件が満たされるまで待機状態となる。
【0098】
触媒の劣化判定では、まずリッチリセットまたはリーンリセットが行われるか否かを図9の処理で使用されるフラグFrichおよびFleanを参照して判断する(ステップS94)。ここでフラグFrichが0から1に反転したときにはリッチリセットが、Fleanが0から1に反転したときはリーンリセットがそれぞれなされる。リーンリセット処理がなされる場合には、リセット直前の酸素貯蔵量HO2が積算値SUMHO2に加算され、SUMHO2を更新する(ステップS95)。これに対してリッチリセット処理がなされる場合には、リセット直前の酸素貯蔵量HO2が最大酸素貯蔵量HO2MAXから減じたものを積算値SUMHO2に加算されSUMHO2を更新する(ステップS96)。
【0099】
上記積算値SUMHO2の演算処理は、カウンタ値Cresが予め定めた回数Nrに達するまで繰り返し行われる(ステップS97、S98)。すなわち、この処理により、リッチリセットまたはリーンリセットの処理がNr回行われる間のリセット直前の酸素貯蔵量HO2が積算される。
【0100】
次に、このようにして求めた積算値SUMHO2を検出回数Nrで除して酸素貯蔵量HO2の平均値AVHO2を演算し(ステップS99)、この平均値AVHO2と予め定めた判定値との比較に基づき、AVHO2>判定値であれば劣化レベルは許容であるのでそのまま今回の処理を終了し、AVHO2<判定値であれば触媒は劣化していると判定する(ステップS910、S911)。この劣化判定結果は、例えば車両の自己診断装置に記憶させる。またはモニターランプ等により運転者にリアルタイムで警告するようにしてもよい。図15では平均値AVHO2が判定値よりも大きく、すなわち劣化なしの判定結果を示している。
【0101】
本実施例のように、酸素貯蔵量を初期化するリセット処理毎の酸素貯蔵量を積算して劣化を判定するように構成した場合には、リセット処理毎に、例えばその直前の酸素貯蔵量を検出してこれを積算してゆくことにより、リセット処理に伴い大きく変動した酸素貯蔵量を除外して積算値を求めることができ、したがってより精度の高い劣化検出が行える。リセットがなされたかどうかに関わらず予め定めた時間帯またはサンプリング回数の間の酸素貯蔵量の積算値を求めるように構成してもよく、その場合にはリセット処理を待たずに劣化判定が可能となるので劣化判定時間を短縮することができる。
【0102】
図16は触媒劣化判定のための第3の実施形態の処理ルーチンであり、図10の空燃比制御の処理と同期して周期的に実行される。この実施形態では、高速成分のリセット処理の頻度を検出し、これを判定値と比較することで触媒の劣化を判定する。
【0103】
この処理では、まず図12と同様にして劣化判定の許可条件を判断し(ステップS101)、触媒活性状態の劣化判定が許可された時には、リセット処理間隔の積算値SUMTintと積算数管理のためのカウンタCintはそれぞれ0に初期化されたのち、次の劣化判定領域条件の判断に移行する(ステップS102、S103)。前記劣化判定領域条件は図12と同様であり、エンジン回転速度を含む各種運転状態パラメータに基づいて判定される。前記劣化判定許可条件が満たされない場合には今回の処理を終了し、条件が満たされるまで待機状態となる。
【0104】
触媒の劣化判定にあたっては、まずリッチリセットまたはリーンリセットの有無を検出し、何れかの処理がなされたときには次のリセット処理が開始されるまでの時間Tintが計測される(ステップS104)。これは、例えば図9の処理で使用されるフラグFrichおよびFleanを参照して、図13のRL間または図15のLR間の時間を計測する。
【0105】
次いで、この時間計測を1回行う毎に計測結果Tintは積算値SUMTintに加算されてSUMTintを更新するとともに、カウンタ値Cintを加算する。この処理を、カウンタ値Cintが予め定めた回数Niに達するまで繰り返し、すなわちリセット処理時間間隔TintをNi回分だけ積算する(ステップS105、S107)。
【0106】
次に、このようにして求めた積算値SUMTintは検出回数Niで除されリセット時間間隔の平均値AVINTを演算する(ステップS108)。この平均値AVHINTは予め定めた判定値と比較される。AVINT>判定値であれば劣化レベルが許容であるのでそのまま今回の処理を終了し、AVINT<判定値であれば触媒劣化であると判定する(ステップS109、S110)。この劣化判定結果は、例えば車両の自己診断装置に記憶させるか、またはこの結果に基づいてモニターランプ等により運転者にリアルタイムで触媒劣化を警告する。
【0107】
この実施形態では、触媒の劣化が進行すると酸素貯蔵量が減少することから空燃比制御の過程で触媒内雰囲気の空燃比変動幅が大きくなり、リーン判定値またはリッチ判定値が超えられる頻度、すなわちリセット処理の頻度が増大する。したがって、このリセット処理の頻度を監視し、これが予め定めた基準値よりも大となったことで触媒の劣化判定を行う。
【0108】
また、酸素貯蔵量の演算結果など、空燃比および酸素貯蔵量の制御過程で用いられるものの他には劣化判定のための検出パラメータを処理する必要がないので、劣化判定のための処理プログラムを簡素化できる利点もある。
【0109】
さらに、酸素貯蔵量の全量を、酸素の吸収放出率が比較的高い高速成分と酸素の吸収放出率が高速成分よりも低い低速成分とから演算するように構成したため、さらに精度良く触媒の劣化を判定することができる。
【0110】
日本国特許出願2000−49185号(2000年2月25日出願)の全内容はここに引用例として包含される。
【0111】
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明にかかるエンジンの排気浄化装置は、排気酸素センサの出力反転に依存することなく触媒の劣化判定が可能なエンジンの排気浄化装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】 触媒の放出特性を示す図である。
【図3】 触媒の酸素貯蔵量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図4】 触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図5】 高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図6】 酸素貯蔵量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図7】 酸素貯蔵量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図8】 リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図9】 酸素貯蔵量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図10】 酸素貯蔵量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図11】 酸素貯蔵量一定制御を行ったときにリア酸素センサ出力、高速成分の変化する様子を示したタイムチャートである。
【図12】 触媒の劣化判定に関する第1の実施形態の処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図13】 上記第1の実施形態による処理の様子を示した図である。
【図14】 図12に類似するが、触媒の劣化判定に関する第2の実施形態の処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図15】 図13に類似するが、上記第2の実施形態による処理の様子を示したタイムチャートである。
【図16】 図12に類似するが、触媒の劣化判定に関する第3の実施形態の処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
Claims (13)
- エンジンの排気浄化装置であって、
エンジンの排気通路に設けられた触媒と、
前記触媒に流入する排気特性を検出するセンサと、
マイクロプロセッサとを備え、
前記マイクロプロセッサは、
前記触媒に酸素が吸収あるいは前記触媒から酸素が放出される酸素の吸収放出速度が速い高速成分と前記吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量のうちから、前記酸素貯蔵量の高速成分を前記検出された排気特性を用いて演算し、
演算された前記酸素貯蔵量の高速成分に基づき、前記酸素貯蔵量の高速成分が所定の目標値となるようにエンジンの目標空燃比を演算し、
前記酸素貯蔵量の高速成分の所定期間の積算値に基づいて触媒の劣化を判定するようにプログラムされることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置において、
さらに前記触媒から流出する排気特性を検出する第2センサを備え、
前記マイクロプロセッサは、この第2センサを介して検出した触媒からの排気空燃比がリーン判定値を超えたときは前記酸素貯蔵量の高速成分を最大値に、リッチ判定値を超えたときには前記酸素貯蔵量の高速成分を最小値に、それぞれ初期化するリセット処理を行うように制御し、
前記リセット処理毎の前記酸素貯蔵量の高速成分の積算値に基づいて触媒の劣化を判定するようにプログラムされることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1または2に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記マイクロプロセッサは、前記酸素貯蔵量の高速成分の積算値の平均値とその判定値とを比較し、前記積算値が判定値以下であるときに触媒劣化と判定するようにさらにプログラムされることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - エンジンの排気浄化装置であって、
エンジンの排気通路に設けられた触媒と、
前記触媒に流入する排気特性を検出するセンサと、
前記触媒から流出する排気特性を検出する第2センサと、
マイクロプロセッサとを備え、
前記マイクロプロセッサは、
前記触媒に酸素が吸収あるいは前記触媒から酸素が放出される酸素の吸収放出速度が速い高速成分と前記吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量のうちから、前記酸素貯蔵量の高速成分を前記検出された排気特性を用いて演算する一方、前記第2センサを介して検出した触媒からの排気空燃比がリーン判定値を超えたときは前記酸素貯蔵量の高速成分を最大値に、リッチ判定値を越えたときには酸素貯蔵量の高速成分を最小値に、それぞれ初期化するリセット処理を行い、
演算された前記酸素貯蔵量の高速成分に基づき、前記酸素貯蔵量の高速成分が所定の目標値となるようにエンジンの目標空燃比を演算し、
前記リセット処理の頻度を判定値と比較し、前記頻度が判定値よりも大となったときに触媒の劣化と判定するようにプログラムされることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1、4の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置において、
排気特性は、空燃比または酸素濃度であることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 触媒の劣化判定方法であって、
前記触媒に酸素が吸収あるいは前記触媒から酸素が放出される酸素の吸収放出速度が速い高速成分と前記吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量のうちから、前記酸素貯蔵量の高速成分を前記触媒に流入する排気特性を用いて演算し、
演算された前記酸素貯蔵量の高速成分に基づき、前記酸素貯蔵量の高速成分が所定の目標値となるようにエンジンの目標空燃比を演算し、
前記酸素貯蔵量の高速成分の所定期間の積算値に基づいて触媒の劣化を判定することを特徴とする触媒の劣化判定方法。 - 触媒の劣化判定方法であって、
前記触媒に酸素が吸収あるいは前記触媒から酸素が放出される酸素の吸収放出速度が速い高速成分と前記吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量のうちから、前記酸素貯蔵量の高速成分を前記触媒に流入する排気特性を用いて演算し、
前記触媒から流出する排気空燃比がリーン判定値を超えたときは前記酸素貯蔵量の高速成分を最大値に、リッチ判定値を超えたときには前記酸素貯蔵量の高速成分を最小値に、それぞれ初期化するリセット処理を行い、
演算された前記酸素貯蔵量の高速成分に基づき、前記酸素貯蔵量の高速成分が所定の目標値となるようにエンジンの目標空燃比を演算し、
前記リセット処理の頻度を判定値と比較し、
前記頻度が判定値よりも大となったときに触媒の劣化と判定することを特徴とする触媒の劣化判定方法。 - 請求項1または4に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記酸素貯蔵量の高速成分は、触媒に流入する排気特性と高速成分の吸収放出速度に基づき演算されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項6または7に記載の触媒の劣化判定方法において、
前記酸素貯蔵量の高速成分は、触媒に流入する排気特性と高速成分の吸収放出速度に基づき演算されることを特徴とする触媒の劣化判定方法。 - 請求項1または4に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記触媒の酸素吸収時には、高速成分に優先して酸素が吸収され、高速成分が最大容量に達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分に酸素が吸収されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1、4または10のいずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記触媒の酸素放出時には、高速成分に対する低速成分の比が所定値未満の場合は高速成分から優先して酸素が放出され、高速成分に対する低速成分の比が所定値以上の場合は高速成分に対する低速成分の比が変化しないよう高速成分及び低速成分の両方から酸素が放出されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項6または7に記載の触媒の劣化判定方法において、
触媒の酸素貯蔵は、酸素の吸収放出速度が比較的高い前記高速成分と高速成分より遅い低速成分に区分され、
前記触媒の酸素吸収時には、高速成分に優先して酸素が吸収され、高速成分が最大容量に達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分に酸素が吸収されることを特徴とする触媒の劣化判定方法。 - 請求項6、7または12のいずれか一つに記載の触媒の劣化判定方法において、
触媒の酸素貯蔵は、酸素の吸収放出速度が比較的高い前記高速成分と高速成分より遅い低速成分に区分され、
前記触媒の酸素放出時には、高速成分に対する低速成分の比が所定値未満の場合は高速成分から優先して酸素が放出され、高速成分に対する低速成分の比が所定値以上の場合は高速成分に対する低速成分の比が変化しないよう高速成分及び低速成分の両方から酸素が放出されることを特徴とする触媒の劣化判定方法。
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