JP4344907B2

JP4344907B2 - Exhaust purification equipment

Info

Publication number: JP4344907B2
Application number: JP2000336115A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村; 公二郎岡田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: JP2002138821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの劣化を診断する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化用の触媒コンバータにおいては、触媒に付加された酸素ストレージ能力がＨＣ浄化性能、即ち触媒性能と相関性が高いことから、特にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質を多く含むような触媒コンバータにおいては、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の変化を検出することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が広く知られている。
【０００３】
この触媒劣化検出方法では、触媒コンバータに流入する排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定周期、振幅で空燃比変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒コンバータに吸蔵されるために触媒下流の排気空燃比の応答が遅く、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒コンバータにあまり吸蔵されることなく排出されて触媒下流の排気空燃比の応答が速くなるという特性を利用しており、例えば、触媒下流に設けた酸素センサ（Ｏ₂センサ）或いは空燃比センサ（ＬＡＦＳ）からの酸素濃度出力値の周波数または周期を検出し、当該検出値が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が低下、即ち触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている（特開平５−１７９９３５号公報等）。
【０００４】
しかしながら、主触媒コンバータを排気通路の後方に設けるとともに小型触媒コンバータを内燃機関の排気マニホールド近傍にも設けるような排気浄化装置では、小型触媒コンバータにある程度の容積があるため、排ガスが主触媒コンバータに達したときには空燃比変調が緩和されており、酸素ストレージ能力が低下しても主触媒コンバータ下流における排気空燃比の応答がそれほど速くならず、精度の高い劣化判定は困難である。
【０００５】
また、上記空燃比の変調による触媒劣化検出方法は、セリア等の酸素吸蔵物質を多く含み十分な酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータには有効であるが、ＮＯx吸蔵触媒のようにセリア等を多く含まず酸素ストレージ能力のもともと低い弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、触媒コンバータに酸素があまり吸蔵されないために、劣化していなくても触媒下流の排気空燃比の応答が速くなり、やはり劣化検出は困難である。
【０００６】
このようなことから、酸素ストレージ能力を監視する以外に触媒の劣化を判定する方法が求められており、例えば、触媒の周囲雰囲気が還元雰囲気であるときのＮＯx浄化能力を監視することで触媒の劣化を判定する方法が知られている（特開平１１−２２９８４９号公報等）。
この方法は、ＨＣの酸化反応もＮＯxの還元反応も共に同一の貴金属が関与していると考えられることから、ＮＯx浄化性能を診断することによって、貴金属の状態、ひいてはＨＣ浄化性能、即ち触媒の劣化を診断しようというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷運転時のような還元雰囲気状態においては、ＣＯ等の還元剤が貴金属に吸着しやすいためにＮＯxの貴金属への吸着が阻害され易いという問題があり、また、上記セリア（Ｃe）はＣeＯ₂の状態では水性ガス反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂＋ＣＯ₂）を促進し、これにより生成されたＨ₂は（２ＮＯ＋２Ｈ₂ → Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ）のように反応してＮＯxを浄化するのであるが、還元雰囲気中にはＣＯが多いことから水性ガス反応の不活性（ＣeＯ₂＋ＣＯ → Ｃe₂Ｏ₃＋ＣＯ₂）が起こり、この状態では水性ガス反応が促進されずにその分ＮＯxの浄化効率が低下するという問題がある（これらを総称して還元被毒という）。
【０００８】
従って、ＮＯx浄化能力を監視する上記従来の劣化診断方法では、空燃比を変調させたとしても、還元雰囲気期間が長いと、実際には触媒が劣化しておらず酸化雰囲気にすればＮＯx浄化能力が回復するにも拘わらず、触媒が劣化したと誤って判定してしまうおそれがあり、当該方法は触媒劣化診断方法としてそれほど信頼性の高いものではない。
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、精度よく劣化判定可能な排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、前記内燃機関の空燃比を所定の周期、振幅で強制的に変動可能な空燃比強制変動手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられて排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの出力値が、前記触媒コンバータの浄化効率が最適値を示す範囲として予め設定された第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、前記空燃比強制変動手段により空燃比を変動させることで前記触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御する触媒最適化手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられたＮＯxセンサと、前記触媒最適化手段により前記触媒コンバータが最適な状態にあるとき、前記ＮＯxセンサからのＮＯx排出量に応じて前記触媒コンバータの劣化度合いを診断する劣化診断手段とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
従って、触媒コンバータの下流側に設けられた酸素センサの出力値に基づけば、触媒コンバータの排ガスの浄化状況を知ることができ、先ず、触媒最適化手段により、酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータの浄化効率の最適化が図られる。そして、触媒最適化手段によって触媒コンバータが排ガスの浄化に最適な状態に制御されていれば、触媒コンバータが還元雰囲気にあっても上記還元被毒の影響なくＮＯx浄化能力が高く維持されることになるが、触媒コンバータがこのようにＮＯx浄化能力が高い状況にも拘わらず、触媒コンバータ下流のＮＯxセンサによりＮＯxの排出が検出されると、その排出の程度に応じ、上述したＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化との関係に基づいて触媒コンバータの劣化度合いが診断される。
【００１５】
ここに、本発明の請求項１は次のような所見に基づきなされており、以下当該請求項１における触媒最適化手法について詳しく述べる。
空燃比強制変動手段によって内燃機関の空燃比を変動させると、排気空燃比が周期的にリーン空燃比とリッチ空燃比間で変動することになり酸化雰囲気と還元雰囲気とが交互に発生してＨＣ、ＣＯ及びＮＯxがそれぞれ浄化されることになるのであるが、その際、出願人が触媒コンバータ（三元触媒）の下流に設けた酸素センサの出力値を調査したところ、図６に示すように、酸素センサの出力値とＮＯx浄化効率との間には一定の関係があることが確認された。
【００１６】
つまり、空燃比をある変調度合いでリッチ空燃比とリーン空燃比とに周期的に変動させると、図６に実線で示すように、酸素センサ（例えば、デンソー製０６５５００−２９９１またはこれと同等の出力電圧特性を有するＯ₂センサ）の出力値の大部分が第１所定値（０．５５Ｖ（ボルト））以上第２所定値（０．８５Ｖ（ボルト））以下の一定範囲ではＮＯx浄化効率が最適値（ＮＯxの殆どが浄化される状態）を示すことが確認された。
【００１７】
このようなことから、酸素センサの出力値が第１所定値（０．５５Ｖ）以上第２所定値（０．８５Ｖ）以下の所定範囲となるように変調度合いを設定して空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で変動させるようにすれば、ＮＯx浄化効率を還元被毒の影響なく最適の状態に維持することが可能となる。故に、第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００１８】
また、請求項２の発明では、前記触媒最適化手段は、前記酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、該所定範囲内に前記出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させるとともに、前記内燃機関の運転変化に伴う排気輸送遅れの増加に応じて前記所定範囲の上限値が大側にシフトする特性に倣って、前記排気輸送遅れが大きいほど前記出力値の目標値を前記所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることを特徴としている。
従って、触媒最適化手段により酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、所定範囲内に出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させ、この際、排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることにより、排気輸送遅れにより目標値に対する制御応答性が鈍化したとしても、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化が図られる。そして、このような最適な状態でありながら、ＮＯxセンサによってＮＯxの排出が検出されると、劣化診断手段により、触媒コンバータに異常があるとみなされ、その排出の程度に応じて触媒コンバータの劣化度合いが診断される。
【００１９】
ここに、本発明の請求項２は次のような所見に基づきなされており、以下当該請求項２における空燃比強制変動手法について詳しく述べる。
出願人の実験によれば、内燃機関回転速度が小さいときのように排気流速が遅く排気輸送遅れが大きい場合には、輸送遅れが小さい場合に比べてＮＯx浄化効率が最適値（ＮＯxの殆どが浄化される状態）を示す一定の出力範囲が大側に広がることが確認されている。つまり、図６には排気輸送遅れが大の場合のＮＯx浄化効率が実線で示され、排気輸送遅れが小の場合のＮＯx浄化効率が破線で示されているが、このように、排気輸送遅れが大きくなるにつれてＮＯx浄化効率が最適値を示す酸素センサの出力値の上限値が大側にシフトする。そして、その上限値の最大値が第２所定値（０．８５Ｖ）近傍となる。
【００２０】
また一方、酸素センサの出力値について制御目標値を定めてフィードバック制御を実施した場合、排気輸送遅れが大きくなり応答性が鈍化すると、制御目標値からのバラツキが大きくなる。つまり、図６に実線矢印で示すように排気輸送遅れが小さければ制御目標値からのバラツキは小さく、排気輸送遅れが大きくなるとバラツキは大きくなる。そして、このように制御目標値からのバラツキが大きくなると、制御目標値が同一のままでは排気輸送遅れが大きい場合に一時的に酸素センサの出力が第１所定値（０．５５Ｖ）から外れ、ＮＯx浄化効率が低くなってしまうことが生じうる。
【００２１】
しかしながら、触媒コンバータの浄化効率の最適化を図るためには、当該制御目標値からのバラツキの範囲についても所定範囲内に納めることが必要である。従って、上述の如くＮＯx浄化効率が最適値を示す出力範囲が大側にシフトするという特性を参酌すると、排気輸送遅れが小さいときには酸素センサの出力値の目標値を比較的第１所定値（０．５５Ｖ）側に設定しておくのがよく、一方、排気輸送遅れが大きくなるにつれて当該目標値を大側にシフトして設定するのがよいと考えられる。
【００２２】
このようなことから、図７を参照すると実験に基づくマップが示されているが、当該図７のマップに示すように排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させるようにすれば、排気輸送遅れにより目標値に対する応答性が鈍化し制御目標値からのバラツキが大きくなったとしても、図６に破線矢印で示すように酸素センサの出力の大部分は常に第１所定値（０．５５Ｖ）以上の所定範囲内に収まることになり、これにより確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００２３】
また、請求項３の発明では、前記第１所定値は０．５５ボルトであり、前記第２所定値は０．８５ボルトであることを特徴としている。
従って、空燃比強制変動手段により酸素センサの出力値の大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能である。
【００２４】
つまり、上述した実験結果に基づけば、酸素センサ（例えば、デンソー製０６５５００−２９９１またはこれと同等の出力電圧特性を有するＯ₂センサ）において、上記第１所定値は０．５５Ｖであり、第２所定値は０．８５Ｖであり、故に０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内であれば、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００２６】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００２７】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００２８】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２９】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００３０】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）のいずれかを有するとともにセリア（Ｃe）が添加されており、酸素吸蔵機能（Ｏ₂ストレージ機能）を有した三元触媒として構成されている。つまり、活性貴金属やセリア（Ｃe）は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ₂）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ₂を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においても担体表面にＯ₂を有してＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。また、活性貴金属は、排気空燃比がリッチ空燃比である還元雰囲気において、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂（水素）等の還元剤を吸着し、排気空燃比がリーン空燃比となり酸化雰囲気となってもその還元剤を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は酸化雰囲気においても担体表面に還元剤を有してＮＯx（窒素酸化物）を還元除去可能である。即ち、Ｏ₂ストレージ機能とともに還元剤ストレージ機能を有した当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のことＮＯxを浄化でき、吸蔵されたＯ₂により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可能である。
【００３１】
また、排気管２０には、排気流速を測定する流速センサ２２が配設されており、さらに、三元触媒３０の下流にはＯ₂センサ（第１の排ガスセンサ、酸素センサ）２４及びＮＯxセンサ（第２の排ガスセンサ）２６が配設されている。Ｏ₂センサ２４としては、ここではデンソー製のＯ₂センサ（型番号０６５５００−２９９１または２３４０００−８１８１または２３４０００−８２１１）或いはこれと同等の出力特性を有するＯ₂センサが使用される。ＮＯxセンサ２６はＮＯx量を検出するものである。
【００３２】
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、流速センサ２２、Ｏ₂センサ２４及びＮＯxセンサ２６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００３３】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００３４】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本発明に係る排気浄化装置では、三元触媒３０の能力を最大限発揮するために、ＥＣＵ４０によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている。つまり、ここでは、図２に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）を一定期間（リーン時間）に亘りリーン空燃比（例えば値１６）とした後一定期間リッチ空燃比（例えば値１４）とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている（空燃比強制変動手段）。なお、変調波形は、ここでは矩形波であるが三角波であってもよい。
【００３５】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ₂ストレージ機能によりＯ₂が吸蔵され且つ還元剤ストレージ機能によりＮＯxが浄化され、一方、排気空燃比がリッチ空燃比のときには還元剤が吸蔵されるとともにＮＯxが良好に浄化され且つ吸蔵されたＯ₂によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
【００３６】
さらに、本発明では、上述したように触媒下流に設けた酸素センサ、即ちＯ₂センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間に一定の関係があることが確認されたことに基づき、Ｏ₂センサ２４の出力に基づいて三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るようにしており（触媒最適化手段）、このように三元触媒３０の排気浄化効率が最適化された状態で、やはり触媒下流に設けたＮＯxセンサ２６の出力情報に基づき三元触媒３０の劣化診断を行うようにしている（劣化診断手段）。
【００３７】
図３を参照すると、Ｏ₂センサ２４の出力に応じた触媒最適化制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに基づき本発明に係る触媒最適化制御の制御手順について説明する。
ステップＳ１０では、先ず、Ｏ₂センサ２４が活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ₂センサ２４が活性状態にない場合には当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１２に進む。
【００３８】
ステップＳ１２では、次式(1)から現在の空燃比の変調度合い、即ち周期Ｔに対するリーン空燃比の時間（リーン時間ｔl）の比である空燃比デューティＤを求め、当該デューティＤが所定値Ｄ1より小さいか否か（Ｄ＜Ｄ1）を判別する。
（空燃比デューティ）Ｄ＝（リーン時間）ｔl／（周期）Ｔ …(1)
なお、リーン空燃比の値とリッチ空燃比の値は上述した所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）にそれぞれ固定する必要はなく、各運転条件に応じて最適な値とするようにしてもよい。
【００３９】
また、周期Ｔについては、固定値（例えば１sec）であってもよいし、運転状態（例えば、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、排気マニホールド圧、冷却水温、潤滑油温の少なくともいずれか一つ）に応じて変更するようにしてもよい。また、時間ベースであってもよいし、燃焼サイクルベースであってもよい。
【００４０】
さらに、リーン空燃比時とリッチ空燃比時のトルク差がないように空燃比、点火時期等を設定すると、フィーリングが改善される。
上述したように、三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るべく空燃比を変調制御するためには、Ｏ₂センサ２４の出力値（出力Ｓ）が０．５５Ｖ（第１所定値）から０．８５Ｖ（第２所定値）の間の最適範囲になるように空燃比の変調度合い、即ちデューティＤを設定すればよい。そして、出力Ｓを当該所望の範囲内とすることができるデューティＤの上限（Ｄ2）、下限（Ｄ1）は実験により予め設定されている。
【００４１】
つまり、当該ステップＳ１２において、判別値である所定値Ｄ1は出力Ｓの上限値０．８５Ｖに対応したデューティＤ1である。
ところが、吸気流量計、燃料噴射弁等の誤差により、実際のリーン空燃比あるいはリッチ空燃比が所望の範囲から外れている場合があり、このとき、空燃比の変調度合いを調整しても出力Ｓを０．５５Ｖ（第１所定値）から０．８５Ｖ（第２所定値）の範囲内とすることができない。
【００４２】
そこで、ステップＳ１２ではデューティＤが本制御の出力Ｓの上限に対応したデューティＤ1より小さいか否か、即ち出力Ｓを当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリーン側にずれている可能性の有無を判別する。
ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ1より小さいと判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００４３】
ステップＳ１４では、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも小さいか否か（Ｓ＜Ｓ1＋ΔＳ1）を判別する。
制御目標値Ｓ1は上記０．５５Ｖと０．８５Ｖの範囲内となる値であり、不感帯ΔＳ1は例えば０．０１Ｖとする。
ところで、上述したように、制御目標値を定めてフィードバック制御を行うと、排気輸送遅れが大きい場合、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓの制御目標値に対するバラツキが大きくなる。つまり、出力Ｓの制御目標値からのバラツキによって出力Ｓが一時的に制御目標上限値を越えてしまうことになる。
【００４４】
従って、実際には、このバラツキを含めて出力Ｓの大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内に収まるよう、図６に示したように、出力Ｓの制御目標値Ｓ1を設定するようにしている。つまり、ＮＯx浄化効率が最適値を示す出力範囲は、排気輸送遅れが小さいときには狭く排気輸送遅れが大きいときには大側に拡大することから、図７のマップに基づき、排気輸送遅れが小さいときにはＯ₂センサ２４の出力Ｓの目標値を下限値０．５５Ｖ寄りに設定し、排気輸送遅れが大きくなるにつれて当該目標値を大側にシフトして設定する。
【００４５】
ここに、排気輸送遅れは、排気流速、吸入空気量、車速、酸素センサ上流排気系容積、内燃機関回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、吸気マニホールド圧、排気温度及び排気流量のいずれによっても検出可能であるが、ここでは、流速センサ２２により検出される排気流速情報に基づいて排気輸送遅れを検出する。即ち、排気流速が大きければ排気輸送遅れは小さく、一方排気流速が小さければ排気輸送遅れは大きいと判断する。
【００４６】
なお、出力ＳはＯ₂センサ２４の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。この場合、例えば空燃比の変調周期間の平均値を用いてもよいし、所定期間の平均値を用いてもよい。
通常ならば、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリッチとなっており、出力Ｓは制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）を越えるはずある。しかしながら、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも小さい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリーン空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１６に進む。
【００４７】
ステップＳ１６では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(2)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）の指令値を実際値との整合を図るべくリッチ側に補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリッチ化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)＋Ｇ1 …(2)
ここに、Ｇ1は補正ゲインであり、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００４８】
そして、ステップＳ１２乃至ステップＳ１６は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）以上と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ３０に進み、出力Ｓが制御目標値Ｓ1となるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りに調整する。
【００４９】
変調度合いの調整方法としては、空燃比デューティＤを変える方法、酸化剤或いは還元剤の供給度合い（即ち空燃比Ａ／Ｆ）を変える方法等が考えられるが、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(3)に示すように、リーン空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを大きくすることにより平均Ａ／Ｆをリーン化して変調度合いを調整する。
【００５０】
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)＋Ｇ3 …(3)
ここに、Ｇ3は補正ゲインであり、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
ところで、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓは、図５に実線で示すように、空気過剰率に対し非線形であって空気過剰率１．０近傍で急変するものであり、このような非線形な制御対象を制御することは困難である。
【００５１】
そこで、ここでは、制御目標値の範囲（０．５５Ｖ〜０．８５Ｖ）が主として空気過剰率１．０よりも小側の領域であることから、図５中に破線で示すように、出力Ｓに対応する疑似出力を設定し出力Ｓを線形化して出力Ｓ方向のスパンを広げ、その疑似出力上に疑似目標値を設定するようにし、これにより制御を容易且つ精度の高いものにしている。
【００５２】
そして、このステップＳ３０は、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが目標値に到達するまで、即ちバラツキを含めて大部分の出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるまで繰り返し実行される。
これにより、三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
上記ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でデューティＤが所定値Ｄ1以上と判定された場合には、次にステップＳ１８に進む。
【００５３】
ステップＳ１８では、今度はデューティＤが所定値Ｄ2より大きいか否か（Ｄ＞Ｄ２）を判別する。
判別値である所定値Ｄ2は上述したように出力Ｓの下限値０．５５Ｖに対応したデューティＤ2であり、ここではデューティＤが本制御の出力Ｓの下限に対応したデューティＤ2より大きいか否か、即ち出力Ｓを当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリッチ側にずれている可能性の有無を判別する。
【００５４】
ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ2より大きいと判定された場合には、次にステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも大きいか否か（Ｓ＞Ｓ1−ΔＳ1）を判別する。
通常ならば、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリーンとなっており、出力Ｓは制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）を下回るはずある。しかしながら、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも大きい場合には、上記同様、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリッチ空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ２２に進む。
【００５５】
ステップＳ２２では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(4)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）の指令値を実際値との整合を図るべくリーン補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリーン化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)−Ｇ2 …(4)
ここに、Ｇ2は補正ゲインであり、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００５６】
そして、上記ステップＳ１２乃至ステップＳ１６と同様、ステップＳ１８乃至ステップＳ２２は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）で出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）以下と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ２６に進み、出力Ｓが制御目標値Ｓ1となるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りに調整する。
【００５７】
上記ステップＳ３０と同様、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(5)に示すように、リッチ空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを小さくすることにより平均Ａ／Ｆをリッチ化して変調度合いを調整する。
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)−Ｇ4 …(5)
ここに、Ｇ4は補正ゲインであり、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００５８】
そして、このステップＳ２６は、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが目標値に到達するまで、即ちバラツキを含めて大部分の出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるまで繰り返し実行される。
これにより、やはり三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
このように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０において空燃比デューティＤが変更されると、当該デューティＤは所定値Ｄ1以上所定値Ｄ2以下の範囲に入るようになる。従って、この場合には、ステップＳ１８の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、次にステップＳ２４に進む。
【００５９】
ステップＳ２４では、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも小さいか否か（Ｓ＜Ｓ1−ΔＳ1）を判別する。
同じく、ステップＳ２８では、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも大きいか否か（Ｓ＞Ｓ1＋ΔＳ1）を判別する。
ステップＳ２４、ステップＳ２８の判別結果がそれぞれ真（Ｙｅｓ）の場合には、前述したように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０で空燃比の変調度合いが調整され、その結果、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓが不感帯ΔＳ1内のバラツキを許容して制御目標値Ｓ1に一致する。
【００６０】
これにより、Ｏ₂センサ２４の出力Ｓを常に当該出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるよう制御できることになり、三元触媒３０の浄化効率を安定して最適な状態に維持することができる。
つまり、ステップＳ２４及びステップＳ２８の判別結果がともに偽（Ｎｏ）となった場合には、ステップＳ３２において、触媒最適と判定し、三元触媒３０が最適化されたことを記憶する。
【００６１】
さらに、図４を参照すると、触媒劣化診断の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに基づき本発明に係る触媒劣化診断の制御手順について説明する。
ステップＳ４０では、上記触媒最適化制御の実施により、三元触媒３０が最適化された状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記ステップＳ３２の実行により触媒最適と判定された場合には、次にステップＳ４２に進む。
【００６２】
ステップＳ４２では、ＮＯxセンサ２６により検出されるＮＯx量情報に基づき、ＮＯx量が所定量Ｘ1を越えているか否か（（ＮＯx量）＞Ｘ1）を判別する。
ステップＳ４２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、三元触媒３０が最適化されているにも拘わらずＮＯx量が所定量Ｘ1を越えていると判定されるような場合には、上記ＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づき、三元触媒３０が劣化して浄化機能が低下していると考えられる。つまり、図８に示すように、最適化されて高く維持されていたＮＯx浄化効率（実線）が二点鎖線で示すように低下していると考えられる。
【００６３】
従って、この場合には、次のステップＳ４４において触媒劣化と診断する。具体的には、異常ランプを点灯する等して運転者に異常を知らせ、修理を促す。
一方、ステップＳ４０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、三元触媒３０が最適化された状態にないので、当該劣化診断を行うことなく当該ルーチンを抜ける。また、ステップＳ４２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、触媒下流にＮＯxが殆ど排出されておらず、三元触媒３０はＮＯx浄化効率を高く維持して劣化していないと判定できるので、やはり当該ルーチンを抜ける。
【００６４】
以上のように、本発明の排気浄化装置では、一旦三元触媒３０を最適化し、ＮＯx浄化効率を最適値にした状態で、三元触媒３０下流のＮＯxの排出状況を監視するようにしている。従って、触媒下流に設けたＮＯxセンサ２４によりＮＯxが所定量Ｘ1を越えて排出されていることが検出されると、ＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づいて直ちに三元触媒３０が劣化したと診断できることになり、容易にして精度よく適正に触媒劣化診断を行うことができる。
【００６５】
なお、上記実施形態では、触媒最適化制御において、式(2)乃至式(5)に基づき上下限Ａ／Ｆ及び平均Ａ／Ｆをリッチ化或いはリーン化したが、これらリッチ化及びリーン化の処理を比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つを用いて行うようにしてもよく、また、現代制御理論を用いて行うようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、排気通路に三元触媒３０のみ配設された場合を説明したが、本発明は、排気通路に三元触媒が複数配設された場合にも適用可能である。例えば、排気管後方に通常の三元触媒（後方触媒）を配するとともにエンジン１の近傍に三元触媒（前方触媒）を配し、それぞれの三元触媒の直下流にＯ₂センサを設けるようにし、低温始動時のような後方触媒を十分に活性できないような状況下では前方触媒下流のＯ₂センサの出力値を用いて触媒最適化制御を行い、一方、後方触媒が十分活性した後は当該後方触媒下流のＯ₂センサの出力値を用いて触媒最適化制御を行うように切換えて触媒劣化診断を行うようにしてもよい。なお、この切換えは運転状態（例えば、冷却水温、始動後経過時間、後方触媒温度、前方触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ）に基づいて行えばよく、Ｏ₂センサの出力値を完全に切換えることなく上記運転状態に応じて各Ｏ₂センサの出力値にそれぞれ重み付けをするようにしてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、三元触媒３０としてセリア（Ｃe）の添加された三元触媒を用いるようにしたが、セリア（Ｃe）が添加されていないような酸素吸蔵能力の低い三元触媒であっても、酸素吸蔵能力に拘わらず、本発明を好適に適用可能である。
また、ここでは、触媒コンバータとして一般的な三元触媒を例に説明したが、触媒コンバータはＮＯx選択還元型三元触媒であってもよいし、ＮＯx吸蔵触媒であってもよく、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、触媒下流のＯ₂センサ２４を用いて触媒最適化制御を行うようにしたが、Ｏ₂センサ２４の代わりにＡ／Ｆセンサ等の排ガスセンサを触媒下流に設け、当該排ガスセンサからの情報に基づき触媒最適化制御を行うようにしてもよい。
また、触媒下流のＯ₂センサにより空燃比を制御することは、Ｏ₂センサ上流の触媒等によって機関燃焼空燃比の変化に対しての遅れが大きくなる傾向にある。従って、この遅れが問題となる場合には、触媒上流にさらにＯ₂センサ或いはＡ／Ｆセンサ等の排ガスセンサを取り付け、その出力を基に補正を行うようにしてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンを例に説明したが、当該発明をディーゼルエンジンに適用するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、Ｏ_２センサ２４とＮＯxセンサ２６とをそれぞれ個別に設けるようにしたが、構造上Ｏ_２センサの機能を有するタイプのＮＯxセンサ（例えば、限界電流方式或いは混成電位方式）のみを設けるようにしてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの下流側に設けられた酸素センサの出力値に基づけば、触媒コンバータの排ガスの浄化状況を知ることができ、触媒最適化手段により、この酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御できる。そして、このように触媒コンバータのＮＯx浄化能力が高い状況にも拘わらず、触媒コンバータ下流のＮＯxセンサによってＮＯxの排出が検出された場合には、劣化診断手段により、触媒コンバータに異常があるとみなすことができ、その排出の程度に応じ、上述したＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づいて触媒コンバータの劣化度合いを精度よく適正に診断することができる。
【００７２】
また、請求項２の排気浄化装置によれば、触媒最適化手段により酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、所定範囲内に出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させ、この際、排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることにより、排気輸送遅れにより目標値に対する制御応答性が鈍化したとしても、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることができる。
【００７３】
また、請求項３の排気浄化装置によれば、空燃比強制変動手段により酸素センサの出力値の大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。
【図３】Ｏ₂センサの出力に応じた触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る触媒劣化診断の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】Ｏ₂センサの出力Ｓの線形化手法を示す図である。
【図６】三元触媒下流に設けたＯ₂センサの出力とＮＯx浄化効率との関係を示す実験結果である。
【図７】排気輸送遅れに応じたＯ₂センサの出力値の目標値を示すマップである。
【図８】触媒劣化時のＮＯx浄化効率の低下を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン本体
４点火プラグ
６燃料噴射弁
１０吸気マニホールド
１２排気マニホールド
１４スロットル弁
１６スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）
１８エアフローセンサ
２０排気管（排気通路）
２２流速センサ
２４Ｏ_２センサ（酸素センサ）
２６ＮＯxセンサ
３０三元触媒（触媒コンバータ）
４０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device, and more particularly to a technique for diagnosing deterioration of a catalytic converter.
[0002]
[Related background]
In the catalytic converter for exhaust purification, since the oxygen storage capacity added to the catalyst has a high correlation with the HC purification performance, that is, the catalytic performance, the catalytic converter particularly containing a large amount of oxygen storage material such as ceria (Ce). Is widely known as a method for detecting deterioration of a catalytic converter by detecting a change in the oxygen storage capacity.
[0003]
In this catalyst deterioration detection method, when the exhaust air / fuel ratio flowing into the catalytic converter is modulated at a predetermined period and amplitude between the lean air / fuel ratio and the rich air / fuel ratio, oxygen is stored in the catalytic converter if the oxygen storage capacity is high. Therefore, the response of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst is slow, while when the oxygen storage capacity is low, oxygen is discharged without being stored in the catalytic converter so much that the response of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst becomes faster. For example, an oxygen sensor (O₂Sensor) or air-fuel ratio sensor (LAFS) detects the frequency or cycle of the oxygen concentration output value, and if the detected value is equal to or greater than a predetermined reference value, it is determined that the oxygen storage capacity is reduced, that is, the catalytic converter has deteriorated. (JP-A-5-179935, etc.).
[0004]
However, in an exhaust purification device in which the main catalytic converter is provided behind the exhaust passage and the small catalytic converter is also provided near the exhaust manifold of the internal combustion engine, the small catalytic converter has a certain volume. When it reaches, the air-fuel ratio modulation is relaxed, and even if the oxygen storage capacity is reduced, the response of the exhaust air-fuel ratio downstream of the main catalytic converter does not become so fast, and it is difficult to determine deterioration with high accuracy.
[0005]
In addition, the catalyst deterioration detection method based on the modulation of the air-fuel ratio is effective for a catalytic converter that contains a large amount of oxygen storage material such as ceria and has a sufficient oxygen storage capacity, but includes a large amount of ceria such as a NOx storage catalyst. In a catalytic converter with low oxygen storage capacity, which is originally low in oxygen storage capacity, oxygen is not stored much in the catalytic converter, so the response of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst is quick even if it is not deteriorated, and deterioration detection is still difficult. It is.
[0006]
For this reason, there is a need for a method for determining deterioration of the catalyst in addition to monitoring the oxygen storage capacity. For example, the NOx purification capacity when the ambient atmosphere of the catalyst is a reducing atmosphere is monitored. A method for determining deterioration is known (Japanese Patent Laid-Open No. 11-229849, etc.).
In this method, since it is considered that the same noble metal is involved in both the HC oxidation reaction and the NOx reduction reaction, by diagnosing the NOx purification performance, the state of the noble metal, and hence the HC purification performance, that is, the catalyst It is intended to diagnose deterioration.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a reducing atmosphere state such as during high-load operation, there is a problem that adsorption of NOx to the noble metal tends to be hindered because a reducing agent such as CO is easily adsorbed to the noble metal, and the ceria (Ce). Is CeO₂In the state of water gas reaction (CO + H₂O → H₂+ CO₂) And the resulting H₂Is (2NO + 2H₂  → N₂+ 2H₂Oxidation to purify NOx, but since there is a lot of CO in the reducing atmosphere, the inertness of the water gas reaction (CeO₂+ CO → Ce₂O_Three+ CO₂In this state, there is a problem that the water gas reaction is not promoted and the purification efficiency of NOx is lowered correspondingly (these are collectively referred to as reductive poisoning).
[0008]
Therefore, in the above conventional deterioration diagnosis method for monitoring the NOx purification capacity, even if the air-fuel ratio is modulated, if the reducing atmosphere period is long, the catalyst is not actually deteriorated and the NOx purification capacity can be obtained if the oxidation atmosphere is used. In spite of the recovery, there is a risk of erroneously determining that the catalyst has deteriorated, and this method is not very reliable as a catalyst deterioration diagnosis method.
[0009]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust purification device capable of accurately determining deterioration.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the invention of claim 1, a catalytic converter provided in an exhaust passage of an internal combustion engine,An air-fuel ratio forced variation means capable of forcibly varying the air-fuel ratio of the internal combustion engine with a predetermined period and amplitude;Provided downstream of the catalytic converterSensor to detect oxygen concentration in exhaust gasWhen,The air-fuel ratio forcibly varying means so that the output value of the oxygen sensor falls within a predetermined range between a first predetermined value and a second predetermined value that is set in advance as a range in which the purification efficiency of the catalytic converter exhibits an optimum value. By changing the air-fuel ratio byCatalyst optimization means for controlling the catalytic converter to an optimum state for exhaust gas purification, and provided downstream of the catalytic converterNOx sensorAnd when the catalytic converter is in an optimal state by the catalyst optimization means,According to the NOx emissions from the NOx sensorA deterioration diagnosis means for diagnosing the deterioration degree of the catalytic converter is provided.
[0012]
  ObedienceWhatBased on the output value of the oxygen sensor provided downstream of the catalytic converter, it is possible to know the exhaust gas purification status of the catalytic converter. First, the output value of the oxygen sensor is equal to or higher than the first predetermined value by the catalyst optimization means. The purification efficiency of the catalytic converter can be optimized by changing the air-fuel ratio so as to be within a predetermined range equal to or less than the second predetermined value. AndIf the catalytic converter is controlled to the optimum state for exhaust gas purification by the catalyst optimization means, the NOx purification capability can be maintained high without being affected by the reduction poisoning even if the catalytic converter is in a reducing atmosphere. When the NOx emission is detected by the NOx sensor downstream of the catalytic converter in spite of the high NOx purification capacity of the catalytic converter, the above-mentioned NOx purification performance, precious metal and catalyst are determined according to the degree of the emission. The degree of deterioration of the catalytic converter is diagnosed based on the relationship with the deterioration of the catalyst.
[0015]
  What is claimed is:1Is based on the following findings, and the following claims1The catalyst optimization method is described in detail.
  When the air-fuel ratio of the internal combustion engine is varied by the air-fuel ratio forced variation means, the exhaust air-fuel ratio periodically varies between the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio, and an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere are alternately generated to generate HC. CO and NOx are purified respectively. At that time, the applicant investigated the output value of the oxygen sensor provided downstream of the catalytic converter (three-way catalyst), as shown in FIG. It has been confirmed that there is a certain relationship between the output value of the oxygen sensor and the NOx purification efficiency.
[0016]
That is, when the air-fuel ratio is periodically changed between a rich air-fuel ratio and a lean air-fuel ratio with a certain degree of modulation, an oxygen sensor (for example, DENSO 0655500-2991 or an output equivalent to this is obtained as shown by a solid line in FIG. O with voltage characteristics₂In a certain range where most of the output value of the sensor is not less than the first predetermined value (0.55 V (volt)) and not more than the second predetermined value (0.85 V (volt)), the NOx purification efficiency is the optimum value (most of NOx is It was confirmed to show a state to be purified).
[0017]
For this reason, the degree of modulation is set so that the output value of the oxygen sensor falls within a predetermined range between the first predetermined value (0.55 V) and the second predetermined value (0.85 V), and the air-fuel ratio is set to rich air. By varying between the fuel ratio and the lean air-fuel ratio, the NOx purification efficiency can be maintained in an optimum state without being affected by the reduction poisoning. Therefore, it is possible to optimize the purification efficiency of the catalytic converter by changing the air-fuel ratio so that it falls within a predetermined range between the first predetermined value and the second predetermined value.
[0018]
  Claims2In the invention ofCatalyst optimizationMeans,The output value of the oxygen sensor is within a predetermined range between a first predetermined value and a second predetermined value.In addition, the air-fuel ratio is varied based on feedback control in which the target value of the output value is set within the predetermined range, and the upper limit value of the predetermined range is set in accordance with an increase in exhaust transport delay accompanying a change in operation of the internal combustion engine. Following the characteristic of shifting to the large side,The larger the exhaust transport delay, the larger the target value of the output value within the predetermined range, and the air-fuel ratio is varied.
  Therefore,Catalyst optimizationThe output value of the oxygen sensor is within a predetermined range between the first predetermined value and the second predetermined value by the means.Based on feedback control that sets a target output value within a specified rangeBy varying the air-fuel ratio, the larger the exhaust transport delay is, the larger the target value of the output value is set within a predetermined range and the air-fuel ratio is varied. Even if it slows down, the purification efficiency of the catalytic converter can be reliably optimized. And while being in this optimal state,NOx sensorByNOx emissionsIs detected by the deterioration diagnosis means that there is an abnormality in the catalytic converter.DischargeThe degree of deterioration of the catalytic converter is diagnosed in accordance with the degree of.
[0019]
  What is claimed is:2Is based on the following findings, and the following claims2The air-fuel ratio forced variation method in is described in detail.
  According to the applicant's experiment, when the exhaust gas flow rate is slow and the exhaust transport delay is large, such as when the rotational speed of the internal combustion engine is small, the NOx purification efficiency is the optimum value (most of NOx is smaller than when the transport delay is small. It has been confirmed that a certain output range indicating the state to be purified) extends to the large side. That is, in FIG. 6, the NOx purification efficiency when the exhaust transport delay is large is shown by a solid line, and the NOx purification efficiency when the exhaust transport delay is small is shown by a broken line. As the value increases, the upper limit value of the output value of the oxygen sensor at which the NOx purification efficiency shows the optimum value shifts to the larger side. Then, the maximum value of the upper limit value is in the vicinity of the second predetermined value (0.85V).
[0020]
On the other hand, when the control target value is determined for the output value of the oxygen sensor and the feedback control is performed, if the exhaust transport delay becomes large and the response becomes slow, the variation from the control target value becomes large. That is, as shown by the solid line arrow in FIG. 6, the variation from the control target value is small if the exhaust transport delay is small, and the variation is large if the exhaust transport delay is large. When the variation from the control target value becomes large in this way, the output of the oxygen sensor temporarily deviates from the first predetermined value (0.55 V) when the exhaust transport delay is large if the control target value remains the same. The NOx purification efficiency may be lowered.
[0021]
However, in order to optimize the purification efficiency of the catalytic converter, it is necessary to keep the variation range from the control target value within a predetermined range. Therefore, in consideration of the characteristic that the output range in which the NOx purification efficiency shows the optimum value shifts to the large side as described above, the target value of the output value of the oxygen sensor is set to the first predetermined value (0) when the exhaust transport delay is small. .55V) side is preferable, and on the other hand, it is considered that the target value should be shifted to the larger side and set as the exhaust transport delay increases.
[0022]
For this reason, referring to FIG. 7, a map based on an experiment is shown. As shown in the map of FIG. 7, the target value of the output value is set to a larger side within a predetermined range as the exhaust transport delay increases. If the air-fuel ratio is set to vary, even if the response to the target value becomes slow due to the delay in exhaust transportation and the variation from the control target value increases, the oxygen sensor of the oxygen sensor is shown in FIG. Most of the output always falls within a predetermined range equal to or higher than the first predetermined value (0.55 V), which makes it possible to reliably optimize the purification efficiency of the catalytic converter.
[0023]
  Claims3In the invention, the first predetermined value is 0.55 volts, and the second predetermined value is 0.85 volts.
  Therefore, the purification efficiency of the catalytic converter is reliably optimized by changing the air-fuel ratio so that the majority of the output value of the oxygen sensor falls within the predetermined range of 0.55 V to 0.85 V by the air-fuel ratio forced fluctuation means. Can be achieved.
[0024]
That is, based on the experimental results described above, an oxygen sensor (for example, DENSO 065500-2991 or an output voltage characteristic equivalent thereto)₂In the sensor), the first predetermined value is 0.55V and the second predetermined value is 0.85V. Therefore, if it is within the range of 0.55V to 0.85V, the purification efficiency of the catalytic converter is reliably ensured. Optimization can be achieved.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1, there is shown a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device according to the present invention mounted on a vehicle. Hereinafter, the configuration of the exhaust emission control device according to the present invention will be described based on the same drawing.
[0026]
As shown in the figure, the engine main body (hereinafter simply referred to as the engine) 1 includes, for example, fuel injection in the intake stroke (intake stroke injection) and fuel injection in the compression stroke (compression stroke) by switching the fuel injection mode. An in-cylinder injection type spark ignition gasoline engine capable of performing injection) is employed. This in-cylinder injection type engine 1 can be easily operated at a stoichiometric air fuel ratio (stoichio) or at a rich air fuel ratio (rich air fuel ratio operation), or at a lean air fuel ratio (lean air fuel ratio operation). Is feasible.
[0027]
As shown in the figure, the cylinder head 2 of the engine 1 is provided with an electromagnetic fuel injection valve 6 together with a spark plug 4 for each cylinder, so that fuel can be directly injected into the combustion chamber. .
An ignition coil 8 that outputs a high voltage is connected to the spark plug 4. Further, a fuel supply device (not shown) having a fuel tank is connected to the fuel injection valve 6 via a fuel pipe 7. More specifically, the fuel supply device is provided with a low pressure fuel pump and a high pressure fuel pump, whereby fuel in the fuel tank is supplied to the fuel injection valve 6 at a low fuel pressure or a high fuel pressure. Can be injected from the fuel injection valve 6 into the combustion chamber at a desired fuel pressure. At this time, the fuel injection amount is determined from the fuel discharge pressure Pinj of the high-pressure fuel pump and the opening time of the fuel injection valve 6, that is, the fuel injection time Tinj.
[0028]
An intake port is formed in the cylinder head 2 in a substantially upright direction for each cylinder, and one end of an intake manifold 10 is connected so as to communicate with each intake port. Further, an exhaust port is formed in the cylinder head 2 in a substantially horizontal direction for each cylinder, and one end of the exhaust manifold 12 is connected so as to communicate with each exhaust port.
[0029]
The in-cylinder injection type engine 1 is already known, and therefore, the detailed description of the configuration is omitted.
As shown in the figure, the intake manifold 10 is provided with an electromagnetic throttle valve 14 for adjusting the amount of intake air, and a throttle position sensor (TPS) 16 for detecting the opening θth of the throttle valve 14. An air flow sensor 18 for measuring the intake air amount is interposed upstream of the throttle valve 14. A Karman vortex airflow sensor is used as the airflow sensor 18.
[0030]
On the other hand, an exhaust pipe (exhaust passage) 20 is connected to the exhaust manifold 12, and a three-way catalyst (catalytic converter) 30 is interposed in the exhaust pipe 20 as an exhaust purification catalyst device.
The three-way catalyst 30 has any one of copper (Cu), cobalt (Co), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh) as an active noble metal on a support and ceria (Ce). ) And oxygen storage function (O₂It is configured as a three-way catalyst having a storage function. That is, active noble metals and ceria (Ce) are oxygen (O 2) in an oxidizing atmosphere whose exhaust air-fuel ratio is lean.₂) Is absorbed, the exhaust air-fuel ratio becomes rich and the reducing atmosphere becomes O.₂Thus, the three-way catalyst 30 has a property of maintaining O on the support surface even in a reducing atmosphere.₂It is possible to oxidize and remove HC (hydrocarbon) and CO (carbon monoxide). In addition, the active noble metal contains HC, CO, H in a reducing atmosphere where the exhaust air-fuel ratio is a rich air-fuel ratio.₂It has a property of adsorbing a reducing agent such as (hydrogen) and maintaining the state in which the reducing agent is adsorbed even when the exhaust air-fuel ratio becomes a lean air-fuel ratio and becomes an oxidizing atmosphere. Has a reducing agent on the surface of the carrier even in an oxidizing atmosphere, and NOx (nitrogen oxide) can be reduced and removed. That is, O₂The three-way catalyst 30 having a reducing agent storage function as well as a storage function can purify NOx as well as HC and CO in an oxidizing atmosphere, and can store the stored O 2.₂Thus, not only NOx purification but also HC and CO can be purified even in a reducing atmosphere.
[0031]
The exhaust pipe 20 is provided with a flow rate sensor 22 for measuring the exhaust flow rate.₂A sensor (first exhaust gas sensor, oxygen sensor) 24 and a NOx sensor (second exhaust gas sensor) 26 are provided. O₂Here, as the sensor 24, DENSO's O₂Sensor (model number 0655500-2991 or 234000-8181 or 234000-8211) or O having the same output characteristics₂A sensor is used. The NOx sensor 26 detects the amount of NOx.
[0032]
An ECU (electronic control unit) 40 including an input / output device, a storage device (ROM, RAM, nonvolatile RAM, etc.), a central processing unit (CPU), a timer counter, and the like is installed. Comprehensive control of the combustion control device including 1 is performed.
On the input side of the ECU 40, the above-described TPS 16, air flow sensor 18, flow velocity sensor 22, O₂Various sensors such as the sensor 24 and the NOx sensor 26 are connected, and detection information from these sensors is input.
[0033]
On the other hand, various output devices such as the fuel injection valve 6 and the ignition coil 8 described above are connected to the output side of the ECU 40, and the fuel injection calculated based on detection information from various sensors is connected to these various output devices. The amount, the fuel injection timing, the ignition timing, etc. are output, respectively, whereby an appropriate amount of fuel is injected from the fuel injection valve 6 at an appropriate timing, and spark ignition is performed at an appropriate timing by the spark plug 4.
[0034]
The operation of the exhaust emission control device according to the present invention configured as described above will be described below.
In the exhaust purification apparatus according to the present invention, in order to maximize the performance of the three-way catalyst 30, the ECU 40 forcibly and alternately varies the air-fuel ratio between the rich air-fuel ratio and the lean air-fuel ratio. That is, here, as shown in FIG. 2, the air / fuel ratio (A / F) is set to a lean air / fuel ratio (for example, value 16) over a certain period (lean time), and then a rich air / fuel ratio (for example, value 14) for a certain period. Thus, the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio are periodically repeated (air-fuel ratio forced variation means). The modulation waveform is a rectangular wave here, but may be a triangular wave.
[0035]
As a result, when the exhaust air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio, HC and CO are well purified and the three-way catalyst 30 O₂O by storage function₂NOx is purified by the reducing agent storage function, and when the exhaust air-fuel ratio is rich, the reducing agent is occluded and NOx is well purified and occluded.₂As a result, HC and CO are continuously purified.
[0036]
Furthermore, in the present invention, as described above, the oxygen sensor provided downstream of the catalyst, that is, O₂Based on the confirmation that there is a certain relationship between the output value of the sensor 24 and the NOx purification efficiency, O₂The exhaust purification efficiency of the three-way catalyst 30 is optimized based on the output of the sensor 24 (catalyst optimization means). In this state, the exhaust purification efficiency of the three-way catalyst 30 is optimized. Again, the deterioration diagnosis of the three-way catalyst 30 is performed based on the output information of the NOx sensor 26 provided downstream of the catalyst (deterioration diagnosis means).
[0037]
Referring to FIG.₂A control routine of the catalyst optimization control according to the output of the sensor 24 is shown in a flowchart, and the control procedure of the catalyst optimization control according to the present invention will be described below based on the flowchart.
In step S10, first, O₂It is determined whether or not the sensor 24 is in an active state. The discrimination result is false (No) and O₂When the sensor 24 is not in the active state, the routine is exited. On the other hand, when the determination result is true (Yes), the process proceeds to step S12.
[0038]
In step S12, an air-fuel ratio duty D, which is the ratio of the current air-fuel ratio modulation degree, that is, the ratio of the lean air-fuel ratio time (lean time tl) to the period T, is obtained from the following equation (1), and the duty D is a predetermined value D1. It is determined whether or not it is smaller (D <D1).
(Air-fuel ratio duty) D = (lean time) tl / (cycle) T (1)
Note that the lean air-fuel ratio value and the rich air-fuel ratio value do not need to be fixed to the above-described predetermined lean air-fuel ratio (for example, value 16) and predetermined rich air-fuel ratio (for example, value 14), respectively. The optimum value may be set.
[0039]
Further, the period T may be a fixed value (for example, 1 sec), or an operation state (for example, exhaust flow rate, intake flow rate, vehicle speed, catalyst temperature, exhaust pipe temperature, engine rotation speed, net average effective pressure, illustrated). The average effective pressure, the volumetric efficiency, the exhaust manifold pressure, the cooling water temperature, and the lubricating oil temperature may be changed in accordance with each other. Further, it may be time-based or combustion cycle-based.
[0040]
Furthermore, when the air-fuel ratio, ignition timing, etc. are set so that there is no torque difference between the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio, the feeling is improved.
As described above, in order to modulate and control the air-fuel ratio in order to optimize the exhaust purification efficiency of the three-way catalyst 30, O₂The degree of modulation of the air-fuel ratio, that is, the duty D is set so that the output value (output S) of the sensor 24 falls within the optimum range between 0.55 V (first predetermined value) and 0.85 V (second predetermined value). That's fine. The upper limit (D2) and lower limit (D1) of the duty D that can make the output S within the desired range are set in advance by experiments.
[0041]
That is, in step S12, the predetermined value D1, which is the discriminant value, is the duty D1 corresponding to the upper limit value 0.85V of the output S.
However, the actual lean air-fuel ratio or rich air-fuel ratio may deviate from the desired range due to errors in the intake flow meter, fuel injection valve, etc .. At this time, even if the degree of modulation of the air-fuel ratio is adjusted, the output S Cannot be within the range of 0.55V (first predetermined value) to 0.85V (second predetermined value).
[0042]
Therefore, in step S12, whether the duty D is smaller than the duty D1 corresponding to the upper limit of the output S of this control, that is, the air-fuel ratio shifts to the lean side so that the output S cannot be controlled within the desired range. Determine whether or not there is a possibility.
If the determination result in step S12 is true (Yes) and it is determined that the duty D is smaller than the predetermined value D1, the process proceeds to step S14.
[0043]
In step S14, O₂It is determined whether or not the output S of the sensor 24 is smaller than the control target upper limit value (S1 + ΔS1) (S <S1 + ΔS1).
The control target value S1 is a value within the range of 0.55V and 0.85V, and the dead zone ΔS1 is set to 0.01V, for example.
By the way, as described above, when the control target value is determined and the feedback control is performed, if the exhaust transport delay is large, O₂The variation of the output S of the sensor 24 with respect to the control target value increases. That is, the output S temporarily exceeds the control target upper limit value due to the variation of the output S from the control target value.
[0044]
Therefore, in practice, the control target value S1 of the output S is set as shown in FIG. 6 so that most of the output S including this variation falls within the range of 0.55V to 0.85V. I have to. That is, the output range in which the NOx purification efficiency shows the optimum value is narrow when the exhaust transport delay is small and widened when the exhaust transport delay is large. Therefore, based on the map of FIG.₂The target value of the output S of the sensor 24 is set close to the lower limit value of 0.55 V, and the target value is set to the larger side as the exhaust transport delay increases.
[0045]
Here, exhaust transport delay includes exhaust flow velocity, intake air volume, vehicle speed, oxygen sensor upstream exhaust system volume, internal combustion engine rotation speed, net average effective pressure, illustrated average effective pressure, volumetric efficiency, intake manifold pressure, exhaust temperature, and exhaust gas. Although it can be detected by any of the flow rates, here, the exhaust transport delay is detected based on the exhaust flow velocity information detected by the flow velocity sensor 22. That is, it is determined that the exhaust transport delay is small if the exhaust flow rate is large, while the exhaust transport delay is large if the exhaust flow rate is small.
[0046]
The output S is O₂Although an instantaneous value of the sensor 24 is used, an average value obtained by performing a smoothing process may be used. In this case, for example, an average value during the modulation period of the air-fuel ratio may be used, or an average value for a predetermined period may be used.
Normally, if the determination result in step S12 is true (Yes), the command value of the air-fuel ratio is excessively rich, and the output S should exceed the control target upper limit value (S1 + ΔS1). However, when the determination result of step S12 is true (Yes) but the determination result of step S14 is true (Yes) and the output S is smaller than the control target upper limit value (S1 + ΔS1), the intake flow meter, the fuel injection If a control error occurs between the actual value and measured value of the fuel injection amount and intake air amount due to an abnormality in the valve, etc., and the actual air-fuel ratio is closer to the lean air-fuel ratio than the air-fuel ratio command value Conceivable. Therefore, if the determination result in step S14 is true (Yes), the process proceeds to step S16.
[0047]
In step S16, the air-fuel ratio command value is corrected by the following equation (2) so that the air-fuel ratio command value matches the actual air-fuel ratio. That is, the command values of the predetermined lean air-fuel ratio (for example, value 16) and the predetermined rich air-fuel ratio (for example, value 14) are corrected to the rich side so as to match the actual values. That is, the upper / lower limit A / F rich correction is performed.
(Correction A / F) (n) = (Correction A / F) (n-1) + G1 (2)
Here, G1 is a correction gain, and O₂It increases or decreases according to the deviation between the output S of the sensor 24 and the control target value S1.
[0048]
Steps S12 to S16 are repeated until the air-fuel ratio command value matches the actual air-fuel ratio.
On the other hand, if the determination result in step S14 is false (No) and the output S is determined to be greater than or equal to the control target upper limit value (S1 + ΔS1), the command value of the air / fuel ratio is matched with the actual air / fuel ratio. Conceivable. Therefore, in this case, the process proceeds to step S30, and the degree of modulation of the air-fuel ratio is adjusted so that the output S becomes the control target value S1. That is, the average A / F shown in FIG. 2 is adjusted closer to the lean air-fuel ratio by adjusting the degree of modulation of the air-fuel ratio.
[0049]
As a method of adjusting the modulation degree, a method of changing the air-fuel ratio duty D, a method of changing the supply degree of the oxidizing agent or reducing agent (that is, the air-fuel ratio A / F), and the like can be considered. Here, the air-fuel ratio duty D is changed. By adopting this method, as shown in the following expression (3), the time ratio of the lean air-fuel ratio is increased, that is, by increasing the air-fuel ratio duty D, the average A / F is made lean to adjust the modulation degree.
[0050]
D (n) = D (n-1) + G3 (3)
Here, G3 is a correction gain, and O₂It increases or decreases according to the deviation between the output S of the sensor 24 and the control target value S1.
By the way, O₂The output S of the sensor 24 is non-linear with respect to the excess air ratio and changes suddenly in the vicinity of the excess air ratio 1.0 as shown by the solid line in FIG. It is difficult.
[0051]
Therefore, here, since the range of the control target value (0.55 V to 0.85 V) is mainly a region on the side smaller than the excess air ratio 1.0, the output S as shown by the broken line in FIG. Is set, the output S is linearized to widen the span in the output S direction, and a pseudo target value is set on the pseudo output, thereby making the control easy and accurate.
[0052]
And this step S30 is O₂The process is repeated until the output S of the sensor 24 reaches the target value, that is, until most of the output S including the variation is within the range of 0.55V to 0.85V.
Thereby, the purification efficiency of the three-way catalyst 30 is optimized.
If the determination result in step S12 is false (No) and it is determined that the duty D is greater than or equal to the predetermined value D1, the process proceeds to step S18.
[0053]
In step S18, it is determined whether the duty D is greater than a predetermined value D2 (D> D2).
The predetermined value D2, which is the discriminant value, is the duty D2 corresponding to the lower limit value 0.55V of the output S as described above. Here, whether or not the duty D is greater than the duty D2 corresponding to the lower limit of the output S of this control. That is, it is determined whether or not there is a possibility that the air-fuel ratio is shifted to the rich side so that the output S cannot be controlled within the desired range.
[0054]
If it is determined that the determination result in step S18 is true (Yes) and the duty D is greater than the predetermined value D2, the process proceeds to step S20.
In step S20, O₂It is determined whether or not the output S of the sensor 24 is larger than the control target lower limit value (S1−ΔS1) (S> S1−ΔS1).
Normally, if the determination result in step S18 is true (Yes), the command value of the air-fuel ratio is excessively lean, and the output S should be below the control target lower limit value (S1−ΔS1). However, if the determination result of step S18 is true (Yes), but the determination result of step S20 is true (Yes) and the output S is larger than the control target lower limit value (S1−ΔS1), the air-fuel ratio is similar to the above. It is considered that the actual air-fuel ratio is close to the rich air-fuel ratio with respect to the command value. Therefore, if the determination result of step S20 is true (Yes), the process proceeds to step S22.
[0055]
In step S22, the air-fuel ratio command value is corrected by the following equation (4) so that the air-fuel ratio command value matches the actual air-fuel ratio. That is, the lean correction is performed so as to match the command values of the predetermined lean air-fuel ratio (for example, value 16) and the predetermined rich air-fuel ratio (for example, value 14) with the actual values. That is, the upper / lower limit A / F lean correction is performed.
(Correction A / F) (n) = (Correction A / F) (n-1) -G2 (4)
Here, G2 is a correction gain, and O₂It increases or decreases according to the deviation between the output S of the sensor 24 and the control target value S1.
[0056]
Similar to steps S12 to S16, steps S18 to S22 are repeatedly executed until the air-fuel ratio command value matches the actual air-fuel ratio.
On the other hand, if the determination result in step S20 is false (No) and the output S is determined to be equal to or less than the control target lower limit (S1-ΔS1), the air-fuel ratio command value and the actual air-fuel ratio are matched. It is thought that there is. Therefore, in this case, the process proceeds to step S26, and the degree of modulation of the air-fuel ratio is adjusted so that the output S becomes the control target value S1. That is, the average A / F shown in FIG. 2 is adjusted closer to the rich air-fuel ratio by adjusting the degree of modulation of the air-fuel ratio.
[0057]
As in step S30, here, a method of changing the air-fuel ratio duty D is adopted, and as shown in the following equation (5), the time ratio of the rich air-fuel ratio is increased, that is, the average is obtained by decreasing the air-fuel ratio duty D. A / F is enriched to adjust the degree of modulation.
D (n) = D (n-1) -G4 (5)
Here, G4 is a correction gain, and O₂It increases or decreases according to the deviation between the output S of the sensor 24 and the control target value S1.
[0058]
And this step S26 is O₂The process is repeated until the output S of the sensor 24 reaches the target value, that is, until most of the output S including the variation is within the range of 0.55V to 0.85V.
Thereby, the purification efficiency of the three-way catalyst 30 is also optimized.
Thus, when the air-fuel ratio duty D is changed in step S26 or step S30, the duty D enters a range between a predetermined value D1 and a predetermined value D2. Therefore, in this case, the determination result in step S18 is false (No), and the process proceeds to step S24.
[0059]
In step S24, O₂It is determined whether or not the output S of the sensor 24 is smaller than the control target lower limit value (S1−ΔS1) (S <S1−ΔS1).
Similarly, in step S28, O₂It is determined whether or not the output S of the sensor 24 is larger than the control target upper limit value (S1 + ΔS1) (S> S1 + ΔS1).
If the determination results in steps S24 and S28 are true (Yes), the air-fuel ratio modulation degree is adjusted in step S26 or step S30 as described above.₂The output S of the sensor 24 is allowed to vary within the dead zone ΔS1, and coincides with the control target value S1.
[0060]
As a result, O₂The output S of the sensor 24 can be controlled so that the output S is always within the range of 0.55V to 0.85V, and the purification efficiency of the three-way catalyst 30 can be stably maintained in an optimum state.
That is, if the determination results in steps S24 and S28 are both false (No), it is determined in step S32 that the catalyst is optimal, and the fact that the three-way catalyst 30 has been optimized is stored.
[0061]
Further, referring to FIG. 4, a control routine for catalyst deterioration diagnosis is shown in a flowchart, and a control procedure for catalyst deterioration diagnosis according to the present invention will be described based on the flowchart.
In step S40, it is determined whether or not the three-way catalyst 30 is in an optimized state by performing the catalyst optimization control. If the determination result is true (Yes) and it is determined that the catalyst is optimal by executing step S32, the process proceeds to step S42.
[0062]
In step S42, based on the NOx amount information detected by the NOx sensor 26, it is determined whether or not the NOx amount exceeds a predetermined amount X1 ((NOx amount)> X1).
If the determination result in step S42 is true (Yes), and it is determined that the NOx amount exceeds the predetermined amount X1 even though the three-way catalyst 30 is optimized, the NOx purification performance described above. Based on the relationship between the deterioration of the noble metal and the catalyst, it is considered that the three-way catalyst 30 is deteriorated and the purification function is lowered. That is, as shown in FIG. 8, it is considered that the NOx purification efficiency (solid line) that has been optimized and maintained high is reduced as indicated by a two-dot chain line.
[0063]
Therefore, in this case, the catalyst is diagnosed as being deteriorated in the next step S44. Specifically, an abnormality lamp is turned on to notify the driver of the abnormality and prompt repair.
On the other hand, if the determination result in step S40 is false (No), the three-way catalyst 30 is not in an optimized state, and the routine is exited without performing the deterioration diagnosis. Further, when the determination result in step S42 is false (No), almost no NOx is discharged downstream from the catalyst, and it can be determined that the three-way catalyst 30 maintains high NOx purification efficiency and has not deteriorated. After that, the routine is exited.
[0064]
As described above, in the exhaust purification apparatus of the present invention, the NOx emission state downstream of the three-way catalyst 30 is monitored while the three-way catalyst 30 is once optimized and the NOx purification efficiency is set to the optimum value. . Therefore, when it is detected by the NOx sensor 24 provided downstream of the catalyst that NOx has been discharged beyond the predetermined amount X1, the three-way catalyst 30 is immediately activated based on the relationship between NOx purification performance, precious metal and catalyst deterioration. It can be diagnosed that the catalyst has deteriorated, and the catalyst deterioration diagnosis can be performed easily, accurately and appropriately.
[0065]
In the above embodiment, in the catalyst optimization control, the upper / lower limit A / F and the average A / F are enriched or leaned based on the formulas (2) to (5). The processing may be performed using at least one of proportional control, integral control, and differential control, or may be performed using modern control theory.
[0066]
In the above embodiment, the case where only the three-way catalyst 30 is disposed in the exhaust passage has been described. However, the present invention is also applicable to the case where a plurality of three-way catalysts are disposed in the exhaust passage. For example, an ordinary three-way catalyst (rear catalyst) is disposed behind the exhaust pipe, and a three-way catalyst (front catalyst) is disposed in the vicinity of the engine 1.₂If a sensor is provided and the rear catalyst cannot be fully activated, such as during cold start, the O downstream of the front catalyst₂The catalyst optimization control is performed using the output value of the sensor. On the other hand, after the rear catalyst is sufficiently activated, O downstream of the rear catalyst is detected.₂The catalyst deterioration diagnosis may be performed by switching to perform the catalyst optimization control using the output value of the sensor. This switching may be performed based on the operating state (for example, at least one of cooling water temperature, elapsed time after start-up, rear catalyst temperature, front catalyst temperature, exhaust temperature).₂Depending on the above operating conditions without completely switching the output value of the sensor,₂You may make it weight each output value of a sensor.
[0067]
In the above embodiment, a three-way catalyst to which ceria (Ce) is added is used as the three-way catalyst 30, but a three-way catalyst having a low oxygen storage capacity such that no ceria (Ce) is added. Even if it exists, this invention can be applied suitably irrespective of oxygen storage capacity.
Also, here, a general three-way catalyst has been described as an example of a catalytic converter, but the catalytic converter may be a NOx selective reduction type three-way catalyst, a NOx storage catalyst, or these. A combination of these may be used.
[0068]
Further, in the above embodiment, O downstream of the catalyst.₂The catalyst optimization control is performed using the sensor 24.₂Instead of the sensor 24, an exhaust gas sensor such as an A / F sensor may be provided downstream of the catalyst, and catalyst optimization control may be performed based on information from the exhaust gas sensor.
Also, O downstream of the catalyst₂Controlling the air-fuel ratio with a sensor is₂There is a tendency that a delay with respect to a change in the engine combustion air-fuel ratio becomes large due to the catalyst or the like upstream of the sensor. Therefore, if this delay becomes a problem, O₂An exhaust gas sensor such as a sensor or an A / F sensor may be attached, and correction may be performed based on the output.
[0069]
  Moreover, in the said embodiment, although the cylinder injection type spark ignition type gasoline engine was demonstrated to the example, you may make it apply the said invention to a diesel engine.
  In the above embodiment, O₂Sen24 and NOx Sen26 is provided separately, but O is structurally₂Only a type of NOx sensor having a sensor function (for example, a limiting current method or a mixed potential method) may be provided.
[0070]
【The invention's effect】
  As explained in detail above, according to the exhaust emission control device of claim 1 of the present invention, it is provided downstream of the catalytic converter.Output value of oxygen sensorBased on the above, it is possible to know the purification status of exhaust gas from the catalytic converter, and the catalyst optimization meansBy varying the air-fuel ratio so that the output value of the oxygen sensor is within a predetermined range of the first predetermined value or more and the second predetermined value or less,The catalytic converter can be controlled to an optimum state for exhaust gas purification. And like this catalytic converterNOx sensor downstream of catalytic converter despite the high NOx purification capacityByNOx emissionsIs detected, the deterioration diagnosis means can consider that the catalytic converter is abnormal,Based on the above-mentioned relationship between NOx purification performance, precious metal and catalyst deterioration depending on the degree of emissionThus, the degree of deterioration of the catalytic converter can be diagnosed accurately and appropriately.
[0072]
  MaClaim2According to the exhaust purification device ofCatalyst optimizationThe output value of the oxygen sensor is within a predetermined range between the first predetermined value and the second predetermined value by the means.Based on feedback control that sets a target output value within a specified rangeBy varying the air-fuel ratio, the larger the exhaust transport delay is, the larger the target value of the output value is set within a predetermined range and the air-fuel ratio is varied. Even if it slows down, the purification efficiency of the catalytic converter can be reliably optimized.
[0073]
  Claims3According to the exhaust gas purification apparatus of the present invention, the air-fuel ratio is fluctuated by the air-fuel ratio forced fluctuation means so that most of the output value of the oxygen sensor is within a predetermined range of 0.55 V to 0.85 V, so that the catalytic converter is surely obtained. The purification efficiency can be optimized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device according to the present invention mounted on a vehicle.
FIG. 2 is a diagram showing a modulation waveform of an air-fuel ratio (A / F).
[Figure 3] O₂It is a flowchart which shows the control routine of the catalyst optimization control according to the output of a sensor.
FIG. 4 is a flowchart showing a control routine for catalyst deterioration diagnosis according to the present invention.
FIG. 5₂It is a figure which shows the linearization method of the output S of a sensor.
FIG. 6 shows O provided downstream of the three-way catalyst.₂It is an experimental result which shows the relationship between the output of a sensor, and NOx purification efficiency.
[Fig. 7] O according to exhaust transport delay₂It is a map which shows the target value of the output value of a sensor.
FIG. 8 is a diagram showing a decrease in NOx purification efficiency during catalyst deterioration.
[Explanation of symbols]
    1 Engine body
    4 Spark plug
    6 Fuel injection valve
  10 Intake manifold
  12 Exhaust manifold
  14 Throttle valve
  16 Throttle position sensor (TPS)
  18 Air flow sensor
  20 Exhaust pipe (exhaust passage)
  22 Flow rate sensor
  24 O₂Sensor(acidElementary sensor)
  26 NOx SenS
  30 Three-way catalyst (catalytic converter)
  40 ECU (Electronic Control Unit)

Claims

A catalytic converter provided in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An air-fuel ratio forced variation means capable of forcibly varying the air-fuel ratio of the internal combustion engine with a predetermined period and amplitude;
An oxygen sensor for detecting oxygen concentration in the exhaust gas provided downstream of the catalytic converter,
The air-fuel ratio forcibly varying means so that the output value of the oxygen sensor falls within a predetermined range between a first predetermined value and a second predetermined value that is set in advance as a range in which the purification efficiency of the catalytic converter exhibits an optimum value. Catalyst optimization means for controlling the catalytic converter to an optimum state for exhaust gas purification by varying the air-fuel ratio by
A NOx sensor provided downstream of the catalytic converter;
A deterioration diagnosis means for diagnosing the degree of deterioration of the catalytic converter according to the amount of NOx discharged from the NOx sensor when the catalyst converter is in an optimum state by the catalyst optimization means;
An exhaust emission control device comprising:

The catalyst optimization means, so that the output value of the oxygen sensor is within a predetermined range of the second predetermined value or higher than the first predetermined value, the feedback control targeted values of the output values within the predetermined range Based on the characteristic that the upper limit value of the predetermined range shifts to the larger side in accordance with the increase in exhaust transport delay accompanying the change in operation of the internal combustion engine, the output increases as the exhaust transport delay increases. and wherein varying the air-fuel ratio the target value of the value is set to the larger side within the predetermined range, the exhaust gas purification apparatus according to claim 1.

The exhaust emission control device according to claim 1 or 2 , wherein the first predetermined value is 0.55 volts, and the second predetermined value is 0.85 volts.