JP4253294B2 - エンジンの自己診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの自己診断装置に係り、特に、エンジンの排気通路に備えられた排気浄化用触媒の診断を低コストで高精度に行うことができるようにされたエンジンの自己診断装置に関する。

近年、北米、欧州、日本国内等の自動車用エンジンの自己診断規制強化に伴い、エンジンの排気性能に関わる各デバイスの診断精度も高精度化が要求されつつある。特に、エンジンから排出される排気の特定成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化する触媒の診断精度は重要である。一般に、触媒は、所定温度以上で排気浄化機能を発揮する。排気浄化率が所定値以上となる状態を、触媒ライトオフ（もしくは触媒活性化）と呼ぶが、従来の触媒診断対象は、触媒ライトオフ後の浄化性能であった。一方、近年、触媒及び触媒制御の高性能化に伴い、エンジンから排出される排気の前記特定成分の量は、エンジンが始動してから触媒がライトオフするまでの期間に排出される量が支配的となりつつある。このことから、触媒のライトオフ性能を診断することが重要である。

触媒の性能を診断する装置として、下記特許文献１には、触媒下流に設けられたＨＣセンサ等の排気成分センサによりエンジンの運転状態及び触媒の動作状態に対応した排気成分濃度を検出し、この検出値に基づいて、例えば、触媒のライトオフ性能を診断する装置が提案されている。

また、下記特許文献２では、触媒下流にＯ_２センサと触媒の温度を検出するセンサを備え、触媒下流Ｏ_２センサに基づき触媒の性能を診断する際、検出触媒温度に基づいて触媒性能を診断する基準値を変更するようにされた診断装置が提案されている。

しかしながら、上記診断装置のいずれも、排気成分センサもしくは温度センサ等、新たなセンサの追加が必要であり、装置コストが高くなるおそれがある。

一方、下記特許文献３では、触媒上下流に配在されたＯ_２センサの出力信号の相関から、触媒内の酸素貯蔵性能が活性化する時期を検出し、該検出時期に基づいて、触媒ライトオフ性能を診断する装置が提案されている。

かかる診断装置においては、触媒ライトオフ前に触媒下流のＯ_２センサを活性化させる必要がある。しかしながら、実際には、触媒内の水分により、センサがクラッキングなどの不具合を起こさないように、触媒内の水分が十分に蒸発した後に、触媒下流のセンサをヒートアップするのが一般的であり、したがって、上記診断装置の如く、触媒ライトオフ前に触媒下流のＯ_２センサを活性化させるには、該センサの改良が必要となる。

また、下記特許文献４では、触媒ライトオフ中は、触媒下流Ｏ_２センサ（Ａ／Ｆセンサ）が十分に活性化していないことに鑑み、触媒下流Ｏ_２センサの温度に応じて診断判定値を変更する装置が提供されている。

しかしながら、かかる診断装置においても、触媒ライトオフ時に、ある程度まで、触媒Ｏ_２センサが活性化している必要があり、前述の診断装置と同様に、センサクラッキングのリスクを持つことになる。また、触媒下流のセンサ活性化途中で診断を行うので、診断精度も低下することが懸念される。

また上記診断装置は、いずれも、ライトオフ時の特性を直接検出するようにされているので、触媒のライトオフ性能劣化すなわち触媒自体が劣化したのか、触媒を昇温させる手段の性能が低下したのかは区別できないという問題もあった。

本発明は、上記した如くの従来の問題に鑑みてなされもので、その目的とするところは、触媒のライトオフ性能を低コストでかつ高精度に診断することのできるエンジンの自己診断装置を提供することにある。

特開２００３−１７６７１４号公報 特開平５−２４８２２７号公報 特開２００１−３１７３４５号公報 特開平９−１５８７１３号公報

前記目的を達成するべく、本発明に係るエンジンの自己診断装置は、排気浄化用触媒の温度もしくは該触媒に流入する排気ガスの温度が所定温度範囲にあるとき、前記触媒の性能Ａを直接的もしくは間接的に検出する手段と、この検出された触媒性能Ａに基づいて、前記触媒の温度が前記所定温度範囲外にあるときにおける前記触媒の性能Ｂを推定する手段と、を具備するエンジンの自己診断装置であって、前記触媒の温度を昇温させる手段と、触媒温度推定手段と、触媒下流に配在されたＯ _２ センサ、Ａ／Ｆセンサ、もしくは排気センサと、前記Ｏ _２ センサ、Ａ／Ｆセンサ、もしくは排気センサの出力信号にもとづいて、前記触媒の浄化率が所定値以上となって前記触媒がライトオフしているか否かを直接検出する手段と、前記触媒温度推定手段による推定触媒温度が、前記触媒性能Ｂを示す推定ライトオフ温度に達した際に、前記触媒ライトオフ直接検出手段において前記触媒がライトオフしていることが検出されないとき、前記触媒昇温手段が異常と判定する異常判定手段と、を具備して構成される。

本発明では、触媒ライトオフ後の該触媒の性能診断（検出）を行い、該性能診断結果に基づいて、触媒ライトオフ前もしくはライトオフ中の性能を推定し診断する。ここで、触媒のライトオフ後の静的（定常）性能は、一般に、それに用いられている貴金属の比表面積（分散性）から、ほぼ支配的に決まる。一方、触媒のライトオフ性能もその貴金属の比表面積から、ほぼ支配的に決まる。したがって、触媒ライトオフ後の性能を検出すれば、間接的に触媒ライトオフ前もしくはライトオフ中の性能を推定することが可能である（図１、図１７参照）。
更に、触媒のライトオフが遅くなった場合、触媒のライトオフ性能が劣化したのか、それとも触媒の早期活性化（昇温）手段が劣化したのかを区別することを図るものである。具体的には、触媒推定温度（実温度ではない）が、前記した推定ライトオフ温度に達している場合、触媒は（正常に）ライトオフしているはずだが、別途、Ｏ _２ センサもしくはＡ／Ｆセンサもしくは排気センサ等で、触媒がライトオフしているか否かを検出し、このとき、ライトオフしていないときは、触媒がライトオフ温度にまで達していないと判断し、該触媒の昇温手段が異常であると判定する。

これから記載する第２態様〜第１８態様、及び、第２０〜第２３態様は、いずれも参考例２〜１８、及び、参考例２０〜２３を意味する。
第２態様（参考例２）は、前記触媒は少なくとも三元触媒を持っていることを特徴とする。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第３態様は、前記触媒は、その温度が所定温度範囲にあるときにＨＣを吸着し、その温度が所定温度以上となったときに前記吸着ＨＣを脱離するとともに、その吸着・脱離ＨＣを浄化するＨＣ吸着燃焼触媒とされる。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第４態様は、前記触媒は、リーンＮＯｘ触媒とされる。

すなわち、上記第２、第３、及び第４態様の触媒は、いずれも貴金属を用いている触媒であるので、第１態様に記載の診断原理が適用できる。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第５態様は、前記触媒の温度を直接的もしくは間接的に検出する手段と、該検出手段により検出される前記触媒の温度が、排気浄化率が所定値以上となる温度範囲にあるとき、前記触媒性能Ａを直接的もしくは間接的に検出する手段と、前記触媒性能Ａに基づいて、前記検出手段により検出される前記触媒の温度が、排気浄化率が所定値以下となる温度範囲にあるときにおける前記触媒性能Ｂを推定する手段と、を備える（図２参照）。

すなわち、本態様は、前述のようにライトオフ後とライトオフ前の温度範囲を排気浄化率が所定値以上、所定値以下で規定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第６態様は、前記触媒性能Ｂは、排気浄化率が所定値以上となる触媒温度Ｔ０とされていることを特徴としている（図３参照）。

すなわち、本態様は、直接検出されたライトオフ後の触媒性能から推定される触媒性能Ｂを具体的にライトオフ温度と規定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第７態様は、排気浄化率が所定値以上となる前記触媒温度Ｔ０が所定温度以上になったとき、前記触媒が劣化したと判定する触媒劣化判定手段を備える（図４参照）。

すなわち、本態様では、推定されるライトオフ温度が所定温度以上となったとき、エンジン始動から触媒ライトオフまでの時間が長期化し、排気の特定成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）が増大するため、該触媒が劣化した判定するようにされる。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第８態様では、前記触媒がＨＣ吸着燃焼触媒とされ、前記触媒劣化判定手段は、排気浄化率が所定値以上となる前記触媒温度Ｔ０が所定温度以上になったとき、前記ＨＣ吸着燃焼触媒が劣化したと判定するようにされる（図４参照）。

すなわち、ＨＣ吸着燃焼触媒の機能は、ＨＣ吸着性能と吸着ＨＣ浄化性能に大別されるが、一般に、貴金属を主成分とする吸着ＨＣ浄化性能が先に劣化する。したがって、ＨＣ吸着燃焼触媒中の吸着ＨＣ浄化性能のライトオフ性能を診断することが、すなわちＨＣ吸着燃焼触媒の劣化診断となることに鑑みてなされたものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第９態様では、前記触媒がリーンＮＯｘ触媒とされ、前記触媒劣化判定手段は、排気浄化率が所定値以上となる前記触媒温度Ｔ０が所定温度以上になったとき、前記リーンＮＯｘ触媒が劣化したと判定するようにされる（図４参照）。

すなわち、本態様は、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ貯蔵性能のライトオフ性能も該触媒内の貴金属に依存することに鑑みてなされものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１０態様では、前記触媒性能Ａは、排気浄化性能とされる（図５参照）。

すなわち、本態様は、触媒が所定温度以上となった後（ライトオフ後）に検出する性能は、触媒の排気浄化性能であることを規定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１１態様では、前記触媒性能Ａは、酸素貯蔵性能とされる（図６参照）。

すなわち、本態様は、触媒が所定温度以上となった後（ライトオフ後）の検出する性能は、触媒内の酸素貯蔵性能であることを規定するものである。触媒の酸素貯蔵性能（ＯＳＣ性能）は、それに用いられている貴金属の比表面積（分散性）及びセリア（もしくはジルコニア）等の助触媒の担持量の双方から決まる。助触媒の担持量は、初期性能からほとんど変化しないため、ＯＳＣ性能は、貴金属のシンタリング（凝集）からほぼ決まる。したがって、ＯＳＣ性能を診断することで、貴金属のシンタリング度を得、もって、該触媒のライトオフ性能（触媒性能Ｂ）を推定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１２態様では、前記触媒性能Ａが排気浄化性能とされ、前記触媒性能Ｂは排気浄化率が所定値以上となる触媒温度Ｔ０とされる（図７参照）。

すなわち、本態様は、触媒が所定温度以上となった後（ライトオフ後）に検出する性能は、触媒の排気浄化性能であることを規定し、さらに、ライトオフ後の排気浄化性能から推定される触媒性能Ｂを具体的にライトオフ温度と規定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１３態様では、前記触媒性能Ａが酸素貯蔵性能とされ、前記触媒性能Ｂは排気浄化率が所定値以上もしくは酸素貯蔵性能が所定値以上となる触媒温度Ｔ０とされる（図８参照）。

すなわち、本態様は、触媒が所定温度以上となった後（ライトオフ後）に検出する性能は、触媒の酸素貯蔵性能であることを規定し、さらに、ライトオフ後の酸素貯蔵性能から推定される触媒性能Ｂを具体的にライトオフ温度と規定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１４態様は、前記触媒下流に排気成分検出手段を備えていることを特徴としている（図９参照）。

すなわち、本態様は、排気成分検出手段により触媒下流の排気成分を直接検出し、それに基づいてライトオフ後の触媒浄化率を検出し、検出された浄化性能に基づいて、ライトオフ性能を推定するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１５態様は、前記触媒下流にＯ_２センサもしくはＡ／Ｆセンサを備えていることを特徴としている（図１０参照）。

すなわち、本態様では、Ｏ_２センサもしくはＡ／Ｆセンサにより、触媒下流のＡ／Ｆを直接検出し、それに基づいてライトオフ後の触媒の浄化性能を検出し、検出された浄化性能に基づいて、ライトオフ性能を推定する。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１６態様は、前記Ｏ_２センサもしくはＡ／Ｆセンサからの出力信号に基づいて、前記触媒の酸素貯蔵性能を検出する手段を備える（図１１参照）。

すなわち、本態様では、Ｏ_２センサもしくはＡ／Ｆセンサにより、触媒下流のＡ／Ｆを直接検出し、それに基づいてライトオフ後の触媒の酸素貯蔵性能を検出し、検出された酸素貯蔵性能に基づいて、ライトオフ性能を推定する。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１７態様では、前記触媒上流のＯ_２濃度もしくは空燃比を所定周波数で振動させる手段と、前記Ｏ_２センサもしくは空燃比センサの出力信号の所定周波数成分を演算する手段と、前記所定周波数成分に基づいて、前記触媒の酸素貯蔵性能を検出する手段とを備える（図１２参照）。

すなわち、触媒上流のＯ_２濃度もしくは空燃比を所定周波数で振動させたとき、触媒（酸素貯蔵性能）がライトオフしていれば、触媒下流のＯ_２濃度もしくは空燃比の振動は、該触媒の酸素貯蔵性能により上流とは異なる挙動を示す。かかる知見に基づき本態様では、触媒下流のＯ_２濃度もしくは空燃比の振動を周波数解析することで酸素貯蔵性能を検出し、検出された酸素貯蔵性能に基づいて、ライトオフ性能を推定する。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１８態様は、前記触媒上流のＯ_２濃度もしくは空燃比を所定値変化させる手段と、前記触媒上流のＯ_２濃度もしくは空燃比が所定値変化してから、触媒下流Ｏ_２センサの出力信号が所定値変化するまでの応答遅れ時間を演算する応答遅れ時間演算手段と、前記応答遅れ時間に基づいて、前記触媒の酸素貯蔵性能を検出する手段と、を備える（図１３参照）。

すなわち、触媒上流のＯ_２濃度もしくは空燃比を所定値変化させたとき、触媒（酸素貯蔵性能）がライトオフしていれば、触媒下流のＯ_２濃度もしくは空燃比が変化するまでの応答遅れ時間は、該触媒の酸素貯蔵性能に依存する。かかる知見に基づき本態様では、触媒下流のＯ_２濃度もしくは空燃比が変化するまでの応答遅れ時間を求めることで酸素貯蔵性能を検出し、検出された酸素貯蔵性能に基づいて、ライトオフ性能を推定する。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第２０態様は、前記触媒の性能Ａ及び／又はＢあるいはそれに関連する情報を報知する手段を備える。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第２１態様は、前記触媒性能Ａ及びＢに基づいて、エンジン制御パラメータを補正する手段を備える（図１５参照）。

すなわち、前記のようにして求められる触媒の性能に応じて、エンジンの制御パラメータを補正し、エンジンから排出される排気の特定成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のより一層の低減化を図るものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第２２態様は、前記触媒性能Ｂとされる、排気浄化率が所定値以上となる触媒温度Ｔ０に基づいて、前記触媒温度を昇温する手段の制御パラメータを補正する手段を備える（図１６参照）。

すなわち、本態様は、前記のようにして推定される触媒のライトオフ性能に応じて、例えばエンジン始動時の制御パラメータを補正するものである。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第２３態様は、前記触媒温度を昇温する手段の制御パラメータは、点火時期のリタード量及び／又は点火時期をリタードさせる期間とされる（図１６参照）。

すなわち、本態様では、前記のようにして推定される触媒のライトオフ性能に応じて、例えば触媒早期活性化のために点火時期のリタード量あるいは点火時期をリタードさせる期間を補正する。

一方、本発明に係る自動車は、前記した如くの構成とされたエンジンの自己診断装置を装備してなる。

本発明に係るエンジンの自己診断装置では、触媒ライトオフ後の触媒性能Ａを検出・診断し、該検出・診断結果に基づいて、ライトオフ前もしくはライトオフ中の触媒性能（触媒性能Ｂ）を推定するようにされるので、センサの追加もしくはその改良等を必要とすることなく、触媒のライトオフ性能を低コストでかつ高精度に診断することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、第１実施形態〜第３実施形態は、本発明を説明するための参考例であり、第４実施形態が本発明の実施形態である。

［第１実施形態］
図１８は、本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１実施形態を、車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図である。
図示のエンジン１０は、例えば４つの気筒を有する多気筒エンジンであって、シリンダ１２と、このシリンダ１２の各気筒＃１、＃２、＃３、＃４内に摺動自在に嵌挿されたピストン１５と、を有し、該ピストン１５上方には燃焼室１７が画成される。燃焼室１７には、点火プラグ３５が臨設されている。

燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路２０の始端部に設けられたエアクリーナ２１から取り入れられ、エアフローセンサ２４を通り、電制スロットル弁２５を通ってコレクタ５６に入り、このコレクタ５６から前記吸気通路２０の下流端（吸気ポート）に配在された吸気弁２８を介して各気筒#１、#２、#３、#４の燃焼室１７に吸入される。また、前記吸気通路２０の下流端には、燃料噴射弁３０が臨設されている。

燃焼室１７に吸入された空気と燃料噴射弁３０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ３５により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排ガス）は、燃焼室１７から排気弁４８を介して排気通路４０の上流部分を形成する個別通路部４０Ａに排出され、その個別通路部４０Ａから排気集合部４０Ｂを通って排気通路４０に配備された三元触媒５０に流入して浄化された後、外部に排出される。

また、排気通路４０における三元触媒５０より下流側にはＯ_２センサ５１が配在され、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部４０Ｂ付近にはＡ／Ｆセンサ５２が配在されている。

前記Ａ／Ｆセンサ５２は、排気中に含まれる酸素の濃度に対して線形の出力特性を持つ。排気中の酸素濃度と空燃比の関係はほぼ線形になっており、したがって、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ５２により、前記排気集合部４０Ｂにおける空燃比を求めることが可能となる。また、前記Ｏ_２センサ５１からの信号により、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを求めることができる。

また、燃焼室１７から排気通路４０に排出された排気ガスの一部は、必要に応じてＥＧＲ通路４１を介して吸気通路２０に導入され、吸気通路２０の分岐通路部を介して各気筒の燃焼室１７に還流される。前記ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲ率を調整するためのＥＧＲバルブ４２が介装されている。

そして、本実施形態の自己診断装置１においては、エンジン１０の種々の制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１００が備えられている。

コントロールユニット１００は、基本的には、図１９に示される如くに、ＣＰＵ１０１、入力回路１０２、入出力ポート１０３、ＲＡＭ１０４、ＲＯＭ１０５等で構成される。

コントロールユニット１００には、入力信号として、エアフローセンサ２４により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ３４により検出されるスロットル弁２５の開度に応じた信号、クランク角センサ３７から得られるクランクシャフト１８の回転（エンジン回転数）・位相をあらわす信号、排気通路４０における触媒５０より下流側に配在されたＯ_２センサ５１により検出される排気ガス中の酸素濃度に応じた信号、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部４０Ｂに配在されたＡ／Ｆセンサ５２により検出される酸素濃度（空燃比）に応じた信号、シリンダ１２に配設された水温センサ１９により検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、アクセルセンサ３６から得られるアクセルペダル３９の踏み込み量（運転者の要求トルクを示す）に応じた信号、車速センサ２９から得られる当該エンジン１０が搭載された自動車の車速に応じた信号等が供給される。

コントロールユニット１００においては、Ａ／Ｆセンサ５２、Ｏ_２センサ５１、スロットルセンサ３４、エアフローセンサ２４、クランク角センサ３７、水温センサ１６、及びアクセルセンサ３６、等の各センサの出力が入力され、入力回路１０２にてノイズ除去等の信号処理を行った後、入出力ポート１０３に送られる。入力ポートの値はＲＡＭ１０４に保管され、ＣＰＵ１０１内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ１０５に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ操作量を表す値はＲＡＭ１０４に保管された後、出力ポート１０３に送られる。

点火プラグ３５に対する作動信号は点火出力回路１１６内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時点である。出力ポート１０３にセットされた点火プラグ３５用の信号は点火出力回路１１６で点火に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグ３５に供給される。また、燃料噴射弁３０の駆動信号（空燃比制御信号）は開弁時ＯＮ、閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路１１７で燃料噴射弁３０を開弁するのに十分なエネルギーに増幅されて燃料噴射弁３０に供給される。電制スロットル弁２５の目標開度を実現する駆動信号は、電制スロットル弁駆動回路１１８を経て、電制スロットル弁２５に送られる。

コントロールユニット１００ではＡ／Ｆセンサ５２の信号から三元触媒５０上流の空燃比を算出し、Ｏ_２センサ５１の信号から、触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを算出する。また、両センサ５１、５２の出力を用いて触媒５０の浄化効率が最適となるよう燃料噴射量もしくは吸入空気量を逐次補正するフィードバック制御を行う。

次に、コントロールユニット１００が実行する触媒５０の性能診断を具体的に説明する。

図２０は、第１実施形態の制御システム図で、コントロールユニット１００は、機能ブロック図で示されている如くの、基本燃料噴射量演算手段１１０、空燃比補正項演算手段１２０、劣化診断許可判定手段１３０、触媒特性Ａ（ライトオフ後の酸素貯蔵性能）検出手段１４０、及び、触媒特性Ｂ（ライトオフ温度）推定手段１５０、を備えている。

コントロールユニット１００は、通常時は、基本燃料噴射量Ｔｐ及び空燃比補正項Ｌａｌｐｈａにより全気筒の空燃比が理論空燃比となるように各気筒＃１〜＃４に対する燃料噴射量Ｔｉを演算する。それに対し、劣化診断許可時は、目標空燃比を所定周波数で振動させ、Ａ／Ｆセンサ５２とＯ_２センサ５１、それぞれの出力信号の所定周波数成分に基づいて、三元触媒５０のライトオフ後の酸素貯蔵性能（触媒性能Ａ）の検出を行い、さらにその結果に基づいて、ライトオフ温度を推定する。

以下、各処理手段を詳細に説明する。

＜基本燃料噴射量演算手段１１０（図２１）＞
本演算手段１１０は、エンジンの流入空気量に基づいて任意の運転条件において目標トルクと目標空燃比を同時に実現する燃料噴射量を演算する。具体的には、図２１に示されるように基本燃料噴射量Ｔｐを演算する。ここにＫは定数であり、流入空気量に対して常に理論空燃比を実現するよう調節させる値である。またＣｙｌはエンジンの気筒数を表す。

＜劣化診断許可判定手段１３０（図２２）＞
本許可判定手段１３０では、三元触媒５０の劣化診断の許可判定を行う。

具体的には図２２に示されるように、Ｔｗｎ≧Ｔｗｎｄａｇ、ＮｅｄａｇＨ≧Ｎｅ≧ＮｅｄａｇＬ、ＱａｄａｇＨ≧Ｑａ≧ＱａｄａｇＬ、ΔＮｅ≦ＤＮｅｄａｇ、ΔＱａ≦Ｄｑａｄａｇ、及び、Ｔｃａｔ≧Ｔｃａｔｄａｇの全てを満たすとき、劣化診断許可フラグＦｐｄａｇ＝１とし、診断を許可する。それ以外のときは診断禁止し、Ｆｐｄａｇ＝０とする。

ここに、Ｔｗｎ：エンジン冷却水温、Ｎｅ：エンジン回転数、Ｑａ：流入空気量、
ΔＮｅ：エンジン回転数変化率、ΔＱａ：流入空気量変化率、Ｔｃａｔ：触媒推定温度、である。

ΔＮｅ及びΔＱａは前回ｊｏｂで演算される値と今回ｊｏｂで演算される値との差としてもよい。また触媒温度は、それに流入する排気ガスの温度に応じたものとなり、排気ガスの温度は、流入空気量Ｑａ（燃料噴射量）などに応じたものとなるので、前記触媒温度は、Ｔｗｎ、Ｑａ、Ｑａの積算値などを用いて推定することができる。詳細については、すでに多くの方法が提案されており、書物、文献などもあるので、ここでは詳述しない。Ｔｃａｔｄａｇは、三元触媒５０が十分にライトオフしている温度に設定するのがよい。

＜空燃比補正項演算手段１２０（図２３）＞
本演算手段１２０では、Ａ／Ｆセンサ５２で検出される空燃比に基づいて、任意の運転条件において触媒５０入口の空燃比が目標空燃比となるようＦ／Ｂ（フィードバック）制御する。具体的には、図２３に示されるように、目標空燃比演算手段１３１により設定された目標空燃比ＴａｂｆとＡ／Ｆセンサ検出空燃比Ｒａｂｆとの偏差Ｄｌｔａｂｆから、空燃比補正項ＬａｌｐｈａをＰＩ制御により演算する。空燃比補正項Ｌａｌｐｈａは前述の基本燃料噴射量Ｔｐに乗ぜられる。

＜目標空燃比演算手段１２１（周波数応答）（図２４）＞
本演算手段１２１では、周波数応答方式の目標空燃比を演算する。具体的には、図２４に示される処理にて行う。すなわちＦｐｄａｇ＝１のとき、目標空燃比Ｔａｂｆ１Ｌと目標空燃比Ｔａｂｆ１Ｒを周波数ｆａ［Ｈｚ］で切り換えるものである。それ以外は、通常の目標空燃比Ｔａｂｆ０とする。本実施形態では、Ｔａｂｆ０は理論空燃比相当の値とし、Ｔａｂｆ１Ｒは理論空燃比から所定値リッチにシフトした値とし、Ｔａｂｆ１Ｌは理論空燃比から所定値リーンにシフトした値とする。Ｔａｂｆ１Ｒ（Ｌ）及びｆａの値は、実験から診断精度、排気性能（エミッション特性）の双方から決めるのが望ましい。

＜ライトオフ後の酸素貯蔵性能検出手段１４０（周波数応答）（図２５）＞
本演算手段１４０では、ライトオフ後の酸素貯蔵性能を検出する。具体的には、図２５に示される処理にて行う。Ａ／Ｆセンサ５２の出力Ｒａｂｆ及びリアＯ_２センサの出力ＲＶＯ２の周波数成分を演算する周波数成分演算手段１４１と、該周波数成分に基づいて、三元触媒５０の酸素貯蔵性能を演算する酸素貯蔵性能演算手段１４２から構成される。

次に、前記周波数成分演算手段１４１及び酸素貯蔵性能演算手段１４２を説明する。

＜周波数成分演算手段１４１（図２６）＞
本演算手段１４１では、Ａ／Ｆセンサ５２の出力Ｒａｂｆ及びＯ_２センサ５１の出力ＲＶＯ２の周波数成分を演算する。具体的には、図２６に示されるように、ＲａｂｆとＲＶＯ２の信号から、ＤＦＴ(Discrete Fourier Transform)を用いて、周波数ｆａ［Ｈｚ］のパワー（Ｐｏｗｅｒ１，Ｐｏｗｅｒ２）及び位相（Ｐｈａｓｅ１，Ｐｈａｓｅ２）を演算するものである。

＜酸素貯蔵性能演算手段１４２（図２７）＞
本演算手段１４２では、三元触媒５０の酸素貯蔵性能の演算を行う。具体的には、図２７に示されるように、Ｐｈａｓｅ２―Ｐｈａｓｅ１及びＰｏｗｅｒ２／Ｐｏｗｅｒ１からマップを参照してライトオフ後性能劣化指数Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０を求める。Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０を求める際に用いるマップは、該触媒の酸素貯蔵性能に対する排気性能の関係から決めるのがよく、実験的に決めるのが好ましい。また、Ｐｈａｓｅ２―Ｐｈａｓｅ１≧（所定値Ａ）、かつ、（Ｐｏｗｅｒ２／Ｐｏｗｅｒ１）≧（所定値Ｂ）のとき、酸素貯蔵性能（触媒性能）が限界まで劣化したと判断し、ライトオフ後性能劣化フラグＦｄｅｔ０＝１とする。なお、劣化限界を表す所定値Ａ及び所定値Ｂは、目標とする排気性能（診断性能）に応じて決めることになる。

＜ライトオフ温度推定手段１５０（図２８）＞
本演算手段１５０では、三元触媒５０のライトオフ温度の演算（推定）を行う。具体的には、図２８に示されるように、ライトオフ後性能劣化指数Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０からマップなどを用いてライトオフ温度（推定）Ｔ０を求める。Ｔ０を求める際に用いるマップは、例えば、図１７に示されるように実験結果から、ライトオフ後の酸素貯蔵性能の劣化代とライトオフ温度の変化代（上昇代）から決めるのがよいが、触媒モデルなどを用いて推定することも考えられる。また、Ｔ０≧（所定値Ｃ）もしくはライトオフ後性能劣化フラグＦｄｅｔ０＝１のとき、三元触媒５０が性能限界を超えたとして、例えば、外部に報知するための劣化報知灯２７を点灯させるべく、劣化報知灯点灯フラグＦｄｅｔ＝１とする。なお、触媒５０の（ライトオフ性能）の劣化限界を表す所定値Ｃは、目標とする排気性能（診断性能）に応じて決めることになる。

以上の説明から理解されるように、本実施形態の自己診断装置１０では、目標空燃比を所定周波数で振動させ、Ａ／Ｆセンサ５２とＯ_２センサ５１の出力信号の所定周波数成分に基づいて、三元触媒５０のライトオフ後の酸素貯蔵性能（触媒性能Ａ）の検出を行い、さらにその結果に基づいて、ライトオフ温度（触媒性能Ｂ）を推定するようにされるので、センサの追加もしくはその改良等を必要とすることなく、触媒のライトオフ性能を低コストでかつ高精度に診断することができる。

［第２実施形態］
図２９は、第２実施形態の制御システム図で、第１実施形態と同様に、コントロールユニット１００は、機能ブロック図で示されている如くの、基本燃料噴射量演算手段１１０、空燃比補正項演算手段１２０、劣化診断許可判定手段１３０（以上は第１実施形態と同じ）、触媒特性Ａ（ライトオフ後の酸素貯蔵性能）検出手段２４０、及び、触媒特性Ｂ（ライトオフ温度）推定手段２５０、を備えている。

コントロールユニット１００は、通常時、基本燃料噴射量Ｔｐ及び空燃比補正項Ｌａｌｐｈａにより全気筒の空燃比が理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量Ｔｉを演算する。以上は第１実施形態と同じであるが、本実施形態では、劣化診断許可時は、空燃比を所定値だけ、所定時間、理論空燃比からシフトし、Ａ／Ｆセンサ５２とＯ_２センサ５１の応答遅れ時間に基づいて、三元触媒５０のライトオフ後の酸素貯蔵性能（触媒性能Ａ）の検出を行い、さらにその結果に基づいて、ライトオフ温度（触媒性能Ｂ）を推定する。

以下、第１実施形態とは異なる処理を行う手段２２１、２４０、２５０を詳細に説明する。

＜目標空燃比演算手段２２１（ステップ応答）（図３０）＞
本演算手段２２１は、第１実施形態の空燃比補正項演算手段１２０（図２３参照）に備えられる目標空燃比演算手段１２１（図２４参照）に代わるもので、本実施形態の目標空燃比演算手段２２１では、具体的には図３０に示される処理を行う。すなわち、Ｆｐｄａｇ＝１のとき、目標空燃比を診断時用目標空燃比Ｔａｂｆ１とする。それ以外は、通常の目標空燃比Ｔａｂｆ０とする。すなわち、Ａ／Ｆセンサ５２の出力がＴａｂｆ１相当になってからＯ_２センサ５１の出力がＴａｂｆ１相当になるまでには、応答遅れ時間が発生するが、これは、三元触媒５０の酸素貯蔵（放出）性能に依存する。なお、本実施形態では、Ｔａｂｆ０は理論空燃比相当の値とし、Ｔａｂｆ１は理論空燃比から所定値リーンにシフトした値とする。Ｔａｂｆ１の値は、実験から診断精度、排気性能の双方から決めるのが望ましい。

＜ライトオフ後の酸素貯蔵性能検出手段２４０（ステップ応答）（図３１）＞
本演算手段２４０では、ライトオフ後の酸素貯蔵性能を検出する。具体的には、図３１に示される如くに、Ａ／Ｆセンサ５２の出力ＲａｂｆからＯ_２センサ５１の出力ＲＶＯ２までの応答遅れ時間を演算する応答遅れ時間演算手段２４１と、該応答遅れ時間に基づいて、三元触媒５０の酸素貯蔵性能を演算する酸素貯蔵性能演算手段２４２とから構成される。

次に、前記応答遅れ時間演算手段２４１及び酸素貯蔵性能演算手段２４２を詳細に説明する。

＜応答遅れ時間演算手段２４１（図３２）＞
本演算手段２４１では、Ａ／Ｆセンサ５２の出力ＲａｂｆからリアＯ_２センサの出力ＲＶＯ２までの応答遅れ時間を演算する。具体的には、図３２に示されるように、目標空燃比演算手段で演算されるＦｐｄａｇ＝１のとき、Ｒａｂｆ＞Ｔａｂｆ１−Ｋ＿Ｔａｂｆ１となってから、ＲＶＯ２＜ＫＲＶＯ２となるまでの時間を応答遅れ時間Ｔ＿ｄｅｔとするものである。

＜酸素貯蔵性能演算手段２４２（図３３）＞
本演算手段２４２では、三元触媒５０の酸素貯蔵性能の演算を行う。具体的には、図３３に示されるように、応答遅れ時間Ｔ＿ｄｅｔ及び空気量Ｑａからマップを参照してライトオフ後性能劣化指数Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０を求める。Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０を求める際に用いるマップは、該触媒の酸素貯蔵性能に対する排気性能の関係から決めるのがよく、実験的に決めるのが好ましい。また、Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０≧Ｉｎｄ＿ｄｅｔ＿ＮＧのとき、酸素貯蔵性能（触媒性能）が限界まで劣化したと判断し、ライトオフ後性能劣化フラグＦｄｅｔ０＝１とする。なお、劣化限界を表すＩｎｄ＿ｄｅｔ＿ＮＧは、目標とする排気性能（診断性能）に応じて決めることになる。

＜ライトオフ温度推定手段２５０＞
第１実施形態と略同じ構成であるので、詳細な説明は省略する。

［第３実施形態］
図３４は、第３実施形態の制御システム図で、第１、第２実施形態と同様に、コントロールユニット１００は、機能ブロック図で示されている如くの、基本燃料噴射量演算手段１１０、空燃比補正項演算手段１２０、劣化診断許可判定手段１３０（以上は第１実施形態と同じ）、触媒特性Ａ（ライトオフ後の酸素貯蔵性能）検出手段３４０、及び、触媒特性Ｂ（ライトオフ温度）推定手段３５０、を備えている。なお、本実施形態では、三元触媒５０の下流には、Ｏ_２センサではなく、ＮＯｘセンサ５３を備えており、コントロールユニット１００には、ＮＯｘセンサ５３からの出力信号も供給されている。

コントロールユニット１００は、通常時、基本燃料噴射量Ｔｐ及び空燃比補正項Ｌａｌｐｈａにより全気筒の空燃比が理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量Ｔｉを演算する。以上は第１実施形態と同じであるが、本実施形態では、劣化診断許可時は、目標空燃比を所定周波数で振動させ、ぞのときのＮＯｘセンサ５３の出力に基づいて、三元触媒５０のライトオフ後の排気浄化性能（触媒性能Ａ）の検出を行い、さらにその結果に基づいて、ライトオフ温度（触媒性能Ｂ）を推定する。

前述した第１及び第２実施形態とは異なる処理を行う手段３４０、３５０を詳細に説明する。

＜ライトオフ後の排気浄化性能検出手段３４０（図３５）＞
本検出手段３４０では、ライトオフ後の排気浄化性能を検出する。具体的には、図３５に示される処理にて行う。ＮＯｘセンサ５３の出力値ＲＮＯｘ及び空気量Ｑａからマップを参照してライトオフ後性能劣化指数Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０を求める。Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０を求める際に用いるマップは、該触媒のＮＯｘ浄化性能から決めるのがよく、実験的に決めるのが好ましい。また、Ｉｎｄ＿ｄｅｔ０≧Ｉｎｄ＿ｄｅｔ＿ＮＧのとき、酸素貯蔵性能（触媒性能）が限界まで劣化したと判断し、ライトオフ後性能劣化フラグＦｄｅｔ０＝１とする。なお、劣化限界を表すＩｎｄ＿ｄｅｔ＿ＮＧは、目標とする排気性能（診断性能）に応じて決めることになる。

＜ライトオフ温度推定手段３５０（図３４）＞
第１、第２実施形態のものとほぼ同じであるので、詳細な説明を省略する。
なお、本実施形態では、ＮＯｘセンサを用いているが、例えば、ＨＣセンサ、ＣＯセンサ等を用いても、同様の処理が可能である。

［第４実施形態］
図３６は、第４実施形態の制御システム図で、第１〜第３実施形態と同様に、コントロールユニット１００は、機能ブロック図で示されている如くの、基本燃料噴射量演算手段１１０、空燃比補正項演算手段１２０、劣化診断許可判定手段４３０、触媒特性Ａ（ライトオフ後の酸素貯蔵性能）検出手段４４０、及び、触媒特性Ｂ（ライトオフ温度）推定手段４５０、触媒温度推定手段４６０、触媒ライトオフ検出手段４７０、触媒昇温手段と異常判定手段４８０と、を有し、さらに、推定ライトオフ温度に基づいて、始動時の点火時期のリタード量及び点火時期をリタードさせる期間を設定する点火時期設定手段１６０を備えている。前記Ｏ _２ センサ５１の出力信号にもとづいて、触媒ライトオフ検出手段４７０が前記触媒５０の浄化率が所定値以上となって前記触媒５０がライトオフしているか否かを直接検出し、前記触媒温度推定手段４６０による推定触媒温度が、前記触媒性能Ｂを示す推定ライトオフ温度に達した際に、前記触媒ライトオフ検出手段４５０において前記触媒５０がライトオフしていることが検出されないとき、前記触媒昇温手段４８０が異常と判定する。本実施形態では、劣化診断許可判定手段４３０、触媒特性Ｂ（ライトオフ温度）推定手段４５０は、図３７、図３８に示される如くの構成とされ、前述した実施形態では備えられていなかった点火時期設定手段１６０は、以下に述べる如くの構成となっている。

＜点火時期設定手段１６０（図３９）＞
本設定手段１６０では、点火時期を設定する。具体的には、図３９に示される処理を行う。Ｔｐ（基本燃料噴射量）及びＮｅ（エンジン回転数）から基本点火時期ＡＤＶ０を決める。また、触媒推定温度がライトオフ温度に達していないとき、すなわち、Ｔｃａｔ≦Ｔ０のとき、ライトオフ温度Ｔ０に応じて、マップを参照した値を点火時期のリタード量ＡＤＶＲＴＤとする。基本点火時期ＡＤＶ０から点火時期のリタード量ＡＤＶＲＴＤを減じた値を点火時期ＡＤＶとする。

なお、上記実施形態では、三元触媒を用いているが、それに限られることはなく、三元性能を持つ触媒であれば本発明は適用可能である。すなわち、ＨＣ吸着燃焼触媒、リーンＮＯｘ触媒等にも適用可能である。特に、ＨＣ吸着燃焼触媒においては、そのライトオフ温度が該触媒の性能を決める重要な要因であることから、本発明の適用が有用であることを付言しておく。

本発明に係るエンジンの自己診断装置の第１〜第４態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第５態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第６態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第７〜第９態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１０態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１１態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１２態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１３態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１４態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１５態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１６態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１７態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１８態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第１９態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第２１態様の説明に供される図。 本発明に係る自己診断装置の第２２、２３態様の説明に供される図。 本発明の診断原理の説明に供される、触媒温度とＯＳＣ指数との関係を示す図。 本発明に係る自己診断装置の第１実施形態をそれが適用されたエンジンと共に示す図。 本発明の実施形態におけるコントロールユニットの内部構成図。 第１実施形態の制御システム図。 第１実施形態における基本燃料噴射量演算手段の説明に供される図。 第１実施形態における劣化診断許可判定手段の説明に供される図。 第１実施形態における空燃比補正項演算手段の説明に供される図。 第１実施形態における目標空燃比演算手段の説明に供される図。 第１実施形態におけるライトオフ後の酸素貯蔵性能検出手段の説明に供される図。 第１実施形態における周波数成分演算手段の説明に供される図。 第１実施形態における酸素貯蔵性能演算手段の説明に供される図。 第１実施形態におけるライトオフ温度推定手段の説明に供される図。 第２実施形態の制御システム図。 第２実施形態における目標空燃比演算手段の説明に供される図。 第２実施形態におけるライトオフ後の酸素貯蔵性能検出手段の説明に供される図。 第２実施形態における応答遅れ時間演算手段の説明に供される図。 第２実施形態における酸素貯蔵性能演算手段の説明に供される図。 第３実施形態の制御システム図。 第３実施形態におけるライトオフ温度推定手段の説明に供される図。 第４実施形態の制御システム図。 第４実施形態における劣化診断許可判定手段の説明に供される図。 第４実施形態におけるライトオフ温度推定手段の説明に供される図。 第４実施形態における点火時期設定手段の説明に供される図。

符号の説明

１０ エンジン
１７ 燃焼室
１９ 水温センサ
２０ 吸気通路
２４ エアフローセンサ
２５ 電制スロットル弁
２８ スロットル開度センサ
３０ 燃料噴射弁
３４ スロットル開度センサ
３５ 点火プラグ
３６ アクセル開度センサ
３７ クランク角（エンジン回転数）センサ
４０ 排気通路
４０Ｂ 排気集合部
５０ 三元触媒
５１ Ｏ_２センサ
５２ Ａ／Ｆセンサ
５３ ＮＯｘセンサ
１００ コントロールユニット
１１０ 基本燃料噴射量演算手段
１２０ 空燃比補正項演算手段
１３０ 劣化診断許可判定手段
１４０、２４０、３４０、４４０ ライトオフ後の酸素貯蔵性能検出手段
１５０、２５０、３５０、４５０ ライトオフ温度推定手段

Claims (1)

1. 排気浄化用触媒の温度もしくは該触媒に流入する排気ガスの温度が所定温度範囲にあるとき、前記触媒の性能Ａを直接的もしくは間接的に検出する手段と、この検出された触媒性能Ａに基づいて、前記触媒の温度が前記所定温度範囲外にあるときにおける前記触媒の性能Ｂを推定する手段と、を具備するエンジンの自己診断装置であって、
   前記触媒の温度を昇温させる手段と、触媒温度推定手段と、触媒下流に配在されたＯ_２センサ、Ａ／Ｆセンサ、もしくは排気センサと、前記Ｏ_２センサ、Ａ／Ｆセンサ、もしくは排気センサの出力信号にもとづいて、前記触媒の浄化率が所定値以上となって前記触媒がライトオフしているか否かを直接検出する手段と、前記触媒温度推定手段による推定触媒温度が、前記触媒性能Ｂを示す推定ライトオフ温度に達した際に、前記触媒ライトオフ直接検出手段において前記触媒がライトオフしていることが検出されないとき、前記触媒昇温手段が異常と判定する異常判定手段と、を具備していることを特徴とするエンジンの自己診断装置。

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