JP3940202B2 - 内燃機関の排気ガス系統内に設けられた触媒の機能する能力の判定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス内の有害物質の転換のために使用される触媒の診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
法規は触媒のような有害物質エミッションに関連する自動車部品のオンボード診断を要求している。これに関しては、たとえば米国特許第４６２２８０９号から、触媒の下流側に設けられた酸素感応排気ガスセンサの信号振幅を触媒状態の判定の際に考慮に入れることが既知である。既知の方法は、触媒が排気ガス内の酸素含有量に影響を及ぼす平均化作用に基づいている。触媒内を流れる排気ガスが酸素リッチの場合、触媒は過剰の酸素をある限度内で蓄積することができ、排気ガス内の酸素がリーンの場合、逆に酸素を放出することができる。したがって、内燃機関に対する燃空比の既知の制御方式において典型的に発生するような、触媒の上流側における排気ガス内の酸素含有量の振動は触媒によりダンピングされ、すなわちその振幅が低減される。触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサが酸素含有量の著しい振動を記録したとき、ダンピング作用の損失により有害物質変換能力の低下が発生するので、これは触媒の劣化の兆候として評価される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
得られた診断結果の確実性および再現性の点で、その信頼性がさらに改善される触媒診断方法を提供することが本発明の課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による内燃機関の排気ガス系統内に設けられた触媒の機能する能力の判定方法においては、触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサの信号の実際値が測定される。そして、本発明の判定方法は、触媒の上流側で測定された値から前記排気ガスセンサの信号の期待値が形成されるステップと、実際値の期待値からの偏差に対する尺度が形成されるステップと、この尺度に基づいて触媒の機能する能力が判定されるステップとを備えることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面に示す実施形態により詳細に説明する。
【０００６】
詳細には、図１は、吸気管２、負荷測定手段３、燃料供給手段４、回転速度センサ５、排気系統６、触媒７、排気ガスセンサ８および９、制御装置１０およびエラー指示手段１１を備えた内燃機関１を示す。
【０００７】
制御装置１０は、負荷測定手段３の信号ＭＬ、回転速度センサ５の信号ｎおよび両方の排気ガスセンサ８及び９の信号ＵＳＶＫおよびＵＳＨＫを受け取り、これらの信号等から燃料供給信号ｔｉ、たとえば燃料供給手段としての噴射弁４を操作するための噴射パルス幅を形成する。さらに、吸い込まれた空気質量流量ＭＬおよび回転速度ｎの関数として燃料供給手段４に対する操作信号ｔｉの基本値ｔｌを決定してもよい。この基本値は、さらに閉ループ制御回路内において制御操作量ＦＲにより乗算補正され、その制御操作量ＦＲは既知のようにＰＩ制御方式を使用してセンサ信号ＵＳＶＫの目標値からの偏差に基づき発生される。燃料供給信号ｔｉを形成するとき、さらに、たとえば目標値を形成するために信号ＵＳＨＫを考慮してもよい。
【０００８】
この技術的周辺図において、図２に示す本発明による方法の実施形態が実行される。それに従い、上位のエンジン制御プログラム即ちメインプログラムから到達されたステップＳ２．１において、触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサ９の信号の実際値ＵＳＨＫ ＩＳＴが測定される。ステップＳ２．２は、触媒の上流側で測定可能な、触媒内への酸素の吸収に影響を与える値を測定する。このような値の例は吸込空気質量流量ＭＬおよび制御操作量ＦＲである。ステップＳ２．２において測定された値から、ステップＳ２．３において、触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサ９の信号の期待値ＵＳＨＫ ＥＷが計算される。この場合、まだ良好と判断すべき触媒の（仮定の）影響が期待値の形成の基礎になっている。続いてステップＳ２．４において、期待値ＵＳＨＫ ＥＷおよび実際値ＵＳＨＫ ＩＳＴの差の関数として触媒判定値ＤＫＡＴ Ｉが形成される。触媒が期待値の形成の基礎となっているまだ健全なモデル触媒よりもさらに健全な場合、実際値は期待値より小さくなる。ＤＫＡＴ Ｉの形成が差ＵＳＨＫ ＥＷ−ＵＳＨＫ ＩＳＴの符号を含むという前提のもとで、ステップＳ２．５においてＤＫＡＴ Ｉが正であるとき、ステップＳ２．６において触媒は健全であると判定される。これに対しＤＫＡＴ Ｉが負であるとき、ステップＳ２．７において触媒は劣化していると判定され、場合により図１のエラー指示手段１１が作動されてこの状態を指示する。言い換えると、触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサ９の信号の実際値が測定され、触媒の上流側で測定された値から前記排気ガスセンサ９の信号の期待値が形成され、実際値の期待値からの偏差に対する尺度が形成され、この尺度に基づいて触媒の機能する能力が判定されるという方法により触媒が判定される。
【０００９】
この偏差に対する尺度が所定の時間間隔の後に所定のしきい値を超えたとき、触媒の機能が劣化していると判定されることは有利である。
【００１０】
触媒の上流側で測定される値として、触媒の上流側に設けられた排気ガスセンサ８の信号に基づく値、および内燃機関により吸い込まれる混合物の量を示す信号が使用されることが有利である。
【００１１】
実際値の期待値からの偏差に対する尺度として、時間的に順次に続く実際値と期待値との間の差の値が合計（積分）されてもよい。
【００１２】
図３は本発明の詳細な実施形態を機能ブロック線図で示している。ブロック３．１において、上流側センサの信号ＵＳＶＫから前記の制御操作量ＦＲが形成される。ブロック３．２は制御操作量の変動部分Ｗ（ＦＲ）をフィルタリングする。これはたとえば制御操作量ＦＲの瞬間値と平均値との差を形成することにより行うことができる。変動部分は排気ガスの酸素含有量に対する尺度に基づく大きさおよびその符号を示す。典型的な時間線図が図４に示されている。結合点３．３において、吸い込まれた空気質量流量ＭＬとの乗算により値ＫＡＴｉｎが得られ、その値ＫＡＴｉｎは触媒内への酸素の正または負の吸収量に対する尺度である。ＭＬの時間線図が図５に示され、積ＫＡＴｉｎの時間線図が図６に示されている。ブロック３．４におけるこの値の積分はその時点の触媒の酸素充満状態に対する尺度を与えている。この場合、積分は、まだ使用可能な触媒に対して典型的なような限界まで行われる。このような触媒は、たとえば、量Ｘ０の酸素を蓄積することができ、この値が積分により到達されると、積分結果は積分方向が逆転するまで一定に保持される。この間、触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサ９の信号に対する期待値ＵＳＨＫ ＥＷはステップＳ３．５において形成され、当該期待値ＵＳＨＫ ＥＷは酸素がリッチな排気ガスを特徴づけるレベルに維持される。このことから、既に充満された触媒がそれ以上に酸素の吸収を行わないことが特定される。ＦＲの符号が変化したとき、ＫＡＴｉｎもまたその符号を変化し、ブロック３．４における積分方向は逆転する。触媒があらかじめ酸素で充満されている場合、このとき酸素は放出される。触媒の酸素が空になったことを積分値が示した場合、ステップＳ３．５において、期待値ＵＳＨＫ ＥＷは酸素がリーンな排気ガスを特徴づける値に直ちに変化する。その後、触媒状態に対する仮定に基づき、さらに触媒の上流側で測定可能な、触媒内への酸素の吸収を示す値に基づき、モデル化された触媒の充満状態の関数として、信号に対する期待値ＵＳＨＫ ＥＷが形成される。このように形成された下流側センサの信号に対する期待値ＵＳＨＫ ＥＷの時間線図が図７に示されている。図８は同じ条件下で測定された触媒の下流側のセンサの信号の時間線図を示す。両方の信号時間線図の比較により、モデルにより形成された期待値（図７）が測定された実際値（図８）と所望のとおり類似していることがわかる。ブロック３．６において期待値ＵＳＨＫ ＥＷの振幅ＡＨＫＦが求められ、ここで、後に説明するようなある停止条件が存在した場合に、ＡＨＫＦの形成を中断することができる。スイッチ３．７はこの中断の可能性を記号で示している。同様にブロック３．８において実際値ＵＳＨＫ ＩＳＴの振幅ＡＨＫが求められるが、ここでは中断されることはない。両方の振幅の時間線図が図９に示され、この場合、形成は時点ｔ０で開始し、前記停止条件が存在したとき中断されている。
【００１３】
ブロック３．９において振幅値の差の形成が行われる。続いてブロック３．９におけるこの差が積分され、ブロック３．１１においてしきい値と比較され、この場合、スイッチ３．１３および３．１４は閉じていると仮定する。比較結果の関数としてエラー指示ランプ３．１２が点灯される。
【００１４】
エラー指示ランプが点灯される条件を、４つの異なる劣化を示す触媒に対する期待値と実際値との差の積分の時間線図を示す図１０により説明する。
【００１５】
ライン▲１▼は、期待値の形成の基礎となっているモデル触媒とほぼ同じ劣化状態にある実際の触媒に対応している。それに応じて、測定された実際値とモデルにより形成された期待値との間の差は、従ってその差の積分は、小さくなる。０の付近を経過するライン▲１▼はまた、モデル触媒に等しく、したがって有害物質の変換要求をほぼ満たしている触媒を示している。
【００１６】
ライン▲２▼はモデル触媒よりも健全な新触媒に対応している。新触媒は、排気ガスの酸素含有量の振動振幅をモデル触媒よりも著しくダンピングする。したがって、測定された実際値は、期待値より小さく、そのため図３の点３．９の符号決定における（実際値−期待値）の差の値は０より小さくなる。言い換えると、明らかに０ラインの下側を経過するライン▲２▼はさらに健全な触媒を示している。
【００１７】
ライン▲３▼およびライン▲４▼においてはこれとは逆の関係が存在し、ライン▲３▼およびライン▲４▼は劣化している触媒を示している。いずれの場合も、測定された実際値は、まだ健全な触媒の基礎となっている期待値より大きくなっている。
【００１８】
この関係から、劣化した触媒と健全な触媒との間を経過するしきい値により、まだ健全な触媒を既に劣化した触媒から区別することができる。この場合、しきい値の位置たとえば０の値は図３における点３．９の符号の取り決めの関数であり、また期待値形成の基礎となっているモデルの仮定の関数である。たとえば新触媒が期待値形成の基礎となっている場合、０付近を通る推移は実際の新触媒のところ近くに結果として生じる。この場合、触媒の劣化度は測定された経過を示すラインの０ラインからの距離で測定され、このときすべてのラインが０ラインの上側を経過することになるであろう。
【００１９】
上記の説明は、スイッチ３．１３および３．１４が閉じているかまたはこれらのスイッチが存在していない場合に対応する、減算位置３．９とエラー指示ランプ３．１２との間が結合された信号経路に関して行ってきた。
【００２０】
しかしながら、診断結果の信頼性および再現性をさらに向上するために、図示のスイッチ３．１３ないし３．１５をブロック３．１６ないし３．１９と組み合わせた機能はとくに有利である。この配置の機能は、ある停止条件が存在したときに診断機能を中断することにある。停止条件は、内燃機関の特定の運転範囲において、たとえば負荷ＭＬおよび回転速度ｎが高いときに診断を中断することにある。この方法は、たとえばエンジンがλ＝１制御以外の運転範囲において運転されるときに有意義である。この条件がブロック３．１９に示され、ブロック３．１９はその条件に基づいてスイッチ３．１３および３．１５を開く。スイッチ３．１３が開くことによりＤＫＡＴ Ｉの形成を中断し、またスイッチ３．１５を開くことによりブロック３．１６ないし３．１８における時間測定を停止させる。この場合、時間測定は、所定の診断時間間隔の経過後にはじめてスイッチ３．１４を閉じることによりブロック３．１１におけるしきい値比較を可能にすることを目的として行われ、この場合、診断時間間隔はスイッチ３．１３及び３．１４が開いているときに停止フェーズにより短縮されることはない。その他の停止条件として、ＫＡＴｉｎの値を使用してもよい。この値がたとえば所定の最大値を超えたとき、場合によりまだ充満されていない触媒が高いＫＡＴｉｎ値と結合された単位時間当たりの酸素吸収量を完全に蓄積することができず、したがって触媒の下流側においてもなお酸素が測定可能となるであろう。診断結果を誤らせることがある触媒の過負荷のこのケースを除外するために、ここでスイッチ３．１３および３．１５が開かれる。
【００２１】
言い換えると、差の積分または差の合計は、触媒が排気ガス内の酸素含有量を一定に保持するように作用しないときに中断される。
【００２２】
この中断は、たとえば、単位時間当たり触媒内に流入する酸素過剰量または酸素不足量が所定の最大値を超えたときに行ってもよい。
【００２３】
単位時間当たりの触媒内に流入する酸素過剰量または酸素不足量は、単位時間当たり内燃機関により吸い込まれる空気量と、混合物制御回路の設定値の、化学量論的中性混合物組成に対応する値からの偏差との積として形成してもよい。
【００２４】
さらに、触媒の酸素充満度が所定の最大値を超えたとき、または所定の最小値を下回ったとき、積分が中断される。
【００２５】
この場合、所定の最大値は、まだ機能する能力を有する触媒の最大酸素蓄積能力に対応すべきである。
【００２６】
触媒の酸素充満度は、単位時間当たり内燃機関により吸い込まれる空気量と、混合物制御回路の設定量の、化学量論的中性混合物組成に対応する値からの偏差との積の積分により形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術的周辺図である。
【図２】本発明による方法の実施形態としての流れ図である。
【図３】本発明による方法の一実施形態の機能ブロック線図である。
【図４】図３の３．２のＷ（ＦＲ）のフィルタリングブロックの出力で検出可能な信号即ち制御操作量ＦＷの変動部分Ｗ（ＦＷ）の時間線図である。
【図５】図３における空気質量流量ＭＬの時間線図である。
【図６】図３の３．３の結合点の出力で検出可能な信号即ち積ＫＡＴｉｎの時間線図である。
【図７】図３の３．５のＵＳＨＫ ＥＷ形成ブロックの出力で検出可能な信号即ち下流側センサの信号に対する期待値ＵＳＨＫ ＥＷの時間線図である。
【図８】図３における、下流側センサの信号に対する実際値ＵＳＨＫ ＩＳＴの時間線図である。
【図９】図３の３．６のＡＨＫＦ形成ブロック及び３．８のＡＨＫ形成ブロックの出力において検出可能な信号即ち期待値ＵＳＨＫ ＥＷの振幅ＡＨＫＦ及び実際値ＵＳＨＫ ＩＳＴの振幅ＡＨＫの時間線図である。
【図１０】図３の３．１０のＤＫＡＴ Ｉの形成ブロックの出力において検出可能な信号であって４つの異なる劣化を示す触媒に対する期待値と実際値との差の積分の時間線図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 吸気管
３ 負荷測定手段
４ 燃料供給手段（噴射弁）
５ 回転速度センサ
６ 排気系統
７ 触媒
８、９ 排気ガスセンサ
１０ 制御装置
１１ エラー指示手段
３．１ ＦＲ形成ブロック
３．２ Ｗ（ＦＲ）のフィルタリングブロック
３．３ 結合点（乗算要素）
３．４ 積分ブロック
３．５ ＵＳＨＫ ＥＷ形成ブロック
３．６ ＡＨＫＦ形成ブロック
３．７、３．１３、３．１４、３．１５ スイッチ
３．８ ＡＨＫ形成ブロック
３．１０ ＤＫＡＴ Ｉの形成ブロック
３．１２ エラー指示ランプ
３．１６ クロック発生器
３．１７ カウンタ

Claims (10)

1. 内燃機関の排気ガス系統内に設けられた触媒の機能する能力の判定方法であって、触媒の下流側に設けられた排気ガスセンサの信号の実際値が測定される、判定方法において、
   触媒の上流側で測定された値から前記排気ガスセンサの信号の期待値が形成されるステップと、
   実際値の期待値からの偏差に対する尺度が形成されるステップと、
   この尺度に基づいて触媒の機能する能力が判定されるステップと
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス系統内に設けられた触媒の機能する能力の判定方法。
2. 所定の時間間隔後において偏差に対する尺度が所定のしきい値を超えたとき、触媒に機能する能力がないと判定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 触媒の上流側で測定される値として、触媒の上流側に設けられた排気ガスセンサの信号に基づく値と、前記内燃機関により吸い込まれた混合物の量を示す信号とを使用することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 実際値の期待値からの偏差に対する尺度として、時間的に順次に続く実際値と期待値との差の値が合計又は積分されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 触媒が排気ガス内の酸素含有量を一定に保持するように作用していないとき、合計が中断されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 触媒の酸素充満度が所定の最大値を超えたとき、または所定の最小値を下回ったとき、合計が中断されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 所定の最大値が、まだ機能する能力を有する触媒の最大酸素蓄積能力に対応することを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 単位時間当たり触媒内に流入する酸素過剰量または酸素不足量が所定の最大値を超えたとき、合計が中断されることを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 単位時間当たり触媒内に流入する酸素過剰量または酸素不足量が、単位時間当たり内燃機関により吸い込まれる空気量と、混合物制御回路の設定値の、化学量論的中性混合物組成に対応する値からの偏差との積として形成されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 触媒の酸素充満度が、単位時間当たり内燃機関により吸い込まれる空気量と、混合物制御回路の設定値の、化学量論的中性混合物組成に対応する値からの偏差との積の積分により形成されることを特徴とする請求項７記載の方法。

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