JP4453394B2

JP4453394B2 - 触媒の劣化診断装置

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Publication number: JP4453394B2
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Authority: JP
Inventors: 学三浦
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Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
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Description

本発明はディーゼルエンジンやガソリンエンジンに用いられる触媒の劣化診断装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンではエンジンから排出される有害成分を浄化するため排気通路に触媒を備えているが、この触媒は劣化するので、触媒に劣化が生じたか否かを診断するものがある（特許文献１参照）。
特開平７−１０３０３９号公報

ところで、上記の特許文献１に記載の装置はガソリンエンジンに適用したものであり、この装置では排気通路に設けられる三元触媒の前後に、理論空燃比を境にして出力が２値的に変化するいわゆる酸素センサを備えさせ、この触媒前後の２つの酸素センサ出力に基づいて三元触媒に劣化が生じたか否かを判定する構成としているので、三元触媒に劣化が生じたか否かを判定するためには空燃比を理論空燃比付近へと戻してやる必要がある。

このため、上記の特許文献１に記載の装置をリーン空燃比での運転を主とするディーゼルエンジンに適用するに際しても触媒に劣化が生じたか否かを判定するためには空燃比を理論空燃比付近へと戻さなければならず、空燃比をリーン空燃比より理論空燃比へと戻すことで燃費が悪化する。さらに、ディーゼルエンジンでは運転条件によっては理論空燃比での運転が困難な条件が存在するため理論空燃比への運転を制限されることになり、触媒に劣化が生じたか否かを判定する機会が少なくなってしまう。

そこで、ディーゼルエンジンを対象として設けられるＨＣトラップ触媒について本発明者が各種の実験を行い、その実験結果に検討を加えたところリーン空燃比での運転時にも触媒に劣化が生じたか否かを判定し得ることを始めて見出した。その始めて見出した知見を説明すると、図２は所定の運転モードに従ってディーゼルエンジンを運転したときの触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率が実際にどのように変化したのかを示している。ここで、触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率はそれぞれ触媒の前後に設けた広域空燃比センサにより検出している。

同図においてＡの区間では目標空気過剰率を１．４程度、Ｂの区間になると目標空気過剰率を１．９程度で運転している。このとき、触媒入口の実際の空気過剰率はＡ区間で１．４程度、Ｂ区間になると１．９程度で振れている（目標空気過剰率とほぼ同じ）のに対して、触媒出口の実際の空気過剰率はＡ、Ｂの各区間とも触媒入口の空気過剰率より大きな側（リーン側）にシフトしており、かつ触媒出口の空気過剰率と触媒入口の空気過剰率との差をみると、Ａ区間よりもＢ区間のほうが大きくなっていることがわかる。本来、触媒入口と触媒出口で空気過剰率は同じあるはずであるので、このように触媒前後で空気過剰率差が生じることは特異な現象である。

このためさらに検討したところ図３に示す実験結果が得られた。すなわち、横軸に触媒入口の空気過剰率を、縦軸に触媒出口の空気過剰率から触媒入口の空気過剰率の差（触媒前後の空気過剰率差）を採ったとき、触媒入口の空気過剰率を１．０より大きくするほど（つまり理論空燃比よりリーン側にするほど）触媒前後の空気過剰率の差が大きくなる特性を有すると共に、触媒劣化時になると触媒前後の空気過剰率の差が触媒新品時よりも小さくなる、という知見を得たのである。従って、図３に示す特性を用いれば、空気過剰率が１．０より大きな領域（つまり理論空燃比よりリーン側の領域）でも触媒の劣化診断が可能になる。

ここで、空気過剰率が１．０を超える領域において触媒前後で空気過剰率の差が生じる原因は今のところ正確につかめていないのであるが、次のようなものであると考えられる。すなわち、ディーゼルエンジンから排出される有害成分は低温時にはＨＣとＣＯが主であり、これらを触媒で酸化することによって、無害なＨ₂Ｏ、ＣＯ₂へと変換する。この場合に、水Ｈ₂Ｏは触媒である貴金属（例えば白金）に付着して水素Ｈ₂と酸素イオンＯ^2-とに電離し、この酸素イオン分を広域空燃比センサが酸素として感じてしまうために触媒下流側の広域空燃比センサでは触媒上流側の広域空燃比センサより酸素濃度が多いとする出力をするものと考えられる。言い換えると、空気過剰率が１．０を超える領域において水Ｈ₂Ｏのような酸素イオン由来成分に起因して触媒前後で空気過剰率の差が生じるものと考えられる。なお、図３に示す触媒の特性は、ＨＣトラップ触媒に固有のものであるのかどうかを確かめるため、他の触媒（ＮＯｘトラップ触媒、三元触媒、酸化触媒等）についても同様の実験をしてみたところ、触媒の種類を問わず、触媒であれば図３に示す特性と同様の特性が得られることが判明している。従って、後述する実施形態では主にリーン空燃比で運転するディーゼルエンジンに適用した場合で述べるが、リーン空燃比で運転することがあるガソリンエンジンであって排気通路に触媒を備えるガソリンエンジンについても本発明を適用できる。

このため、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンを対象として、理論空燃比よりリーン側の領域において触媒前後の酸素イオン由来成分を検出し、この検出される触媒前後の酸素イオン由来成分の差が所定値（劣化判定しきい値）を下回る場合に触媒に劣化が生じたとものと診断することが考えられる。

しかしながら、上記の所定値をリーン空燃比での運転時における触媒入口または触媒出口の空燃比、触媒に流入する排気流量、触媒の担体温度といった触媒の排気状態量に関係なく一定値で設定したのでは誤診断が生じることがある。例えば、触媒入口または触媒出口の空燃比が理論空燃比近くのリーン空燃比であるときの運転時に前記所定値を適合したのでは、触媒入口または触媒出口の空燃比が理論空燃比より大きく離れたリーン空燃比であるときの運転時に、触媒に劣化が生じているのにまだ触媒には劣化が生じていないとする誤診断が生じ、この逆に触媒入口または触媒出口の空燃比が理論空燃比より大きく離れたリーン空燃比であるときの運転時に前記所定値を適合したのでは、触媒入口または触媒出口の空燃比が理論空燃比の近くのリーン空燃比であるときの運転時に、触媒に劣化がまだ生じていないのに触媒に劣化が生じたとする誤診断が生じる。

そこで本発明は、リーン空燃比での運転時にも排気通路に設けられる触媒に劣化が生じたか否かを診断し得ると共に、触媒の排気状態量が相違しても触媒の劣化診断に誤診断が生じないようにする装置を提案することを目的とする。

本発明は、排気通路に排気中の有害成分を浄化し得る触媒を備え、運転時の空燃比をリーン空燃比とそれ以外の空燃比とに任意に切換え、リーン空燃比に切換えての運転時に前記触媒前後の酸素イオン由来成分を検出し、この酸素イオン由来成分検出手段により検出される触媒前後の酸素イオン由来成分の差が所定値を下回る場合に前記触媒に劣化が生じたと判定すると共に、前記所定値を前記触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率に応じ触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率が大きくなるほど大きくなる値で算出するように構成する。

本発明によれば、排気通路に排気中の有害成分を浄化し得る触媒を備え、運転時の空燃比をリーン空燃比とそれ以外の空燃比とに任意に切換え、リーン空燃比に切換えての運転時に触媒前後の酸素イオン由来成分を検出し、この検出される触媒前後の酸素イオン由来成分の差が所定値を下回る場合に触媒に劣化が生じたと判定すると共に、前記所定値を、触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率に応じて算出するように構成するので、リーン空燃比での運転時にも触媒に劣化が生じたか否かを診断することが可能なり、診断のために空燃比を理論空燃比に戻す必要がないことから燃費を悪化させることがなく、さらに所定値を触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率に応じて適切に与えることが可能になることから触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率が相違しても、触媒に劣化が生じてないのに触媒に劣化が生じたとする誤診断や、触媒に劣化が生じているのに触媒に劣化が生じていないとする誤診断を避けることができる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す概略構成図である。

図１において、１はディーゼルエンジンで、排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、ステップモータ５により駆動されるＥＧＲ弁６を備えている。ステップモータ５は、エンジンコントローラ３１からの制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようにしている。

エンジンにはコモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。この燃料噴射装置１０は、主に燃料タンク（図示しない）、サプライポンプ１４、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられるノズル１７からなり、サプライポンプ１４により加圧された燃料は蓄圧室１６にいったん蓄えられ、この蓄圧室１６の高圧燃料が気筒数分のノズル１７へと分配される。

ノズル１７（燃料噴射弁）は、針弁、ノズル室、ノズル室への燃料供給通路、リテーナ、油圧ピストン、リターンスプリングなどからなり、油圧ピストンへの燃料供給通路に三方弁（図示しない）が介装されている。三方弁（電磁弁）のＯＦＦ時には、針弁が着座状態にあるが、三方弁がＯＮ状態になると針弁が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。つまり三方弁のＯＦＦからＯＮへの切換時期により燃料の噴射開始時期が、またＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室１６の圧力が同じであればＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。

ＥＧＲ通路４の開口部下流の排気通路２に、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン２２と吸気を圧縮するコンプレッサ２３とを同軸で連結した可変容量ターボ過給機２１を備える。タービン２２のスクロール入口に、図示しないがアクチュエータにより駆動される可変ノズルが設けられ、エンジンコントローラ３１により、可変ノズルは低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン２２に導入される排気の流速を高めるノズル開度（傾動状態）に、高回転速度側では排気を抵抗なくタービン２２に導入させノズル開度（全開状態）に制御する。

コレクタ３ａ入口には、図示しないアクチュエータにより駆動される吸気絞り弁４２が設けられている。

アクセルセンサ３２、エンジン回転速度とクランク角度を検出するセンサ３３、水温センサ３４、エアフローメータ３５からの信号が入力されるエンジンコントローラ３１では、これらの信号に基づいて目標ＥＧＲ率と目標過給圧とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。

排気通路２には排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ４１が設置される。フィルタ４１のパティキュレートの堆積量が所定値に達すると、排気温度を上昇させてフィルタ４１に堆積しているパティキュレートを燃焼除去するため、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比やリッチ空燃比へと切換える。

フィルタ４１の上流側にはＨＣトラップ触媒４２を備える。このＨＣトラップ触媒４２は排気の低温時にＨＣをトラップしておき、排気が所定温度以上になるとこのトラップしていたＨＣを脱離して放出しつつ排気中の酸素を用いて酸化して浄化する機能を有するものである。

こうしたＨＣトラップ触媒４２を備えるエンジンを前提として、本発明ではＨＣトラップ触媒４２の前後に広域空燃比センサ４３、４４（酸素イオン由来成分検出手段）を設け、リーン空燃比での運転時にこの広域空燃比センサ４３、４４により検出される触媒前後の空気過剰率に基づいてＨＣトラップ触媒４２に劣化が生じているか否かを診断する。

このように、リーン空燃比での運転時にＨＣトラップ触媒４２の劣化診断が可能になったのは触媒４２についての実験による新たな知見に基づくものである。これについて説明すると、図２は所定の運転モードに従ってエンジンを運転したときの触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率が実際にどのように変化したのかを示している。同図においてＡの区間では目標空気過剰率を１．４程度、Ｂの区間では目標空気過剰率を１．９程度で運転している。このとき、触媒入口の実際の空気過剰率はＡ区間で１．４程度、Ｂ区間で１．９程度で振れている（目標空気過剰率とほぼ同じ）のに対して、触媒出口の実際の空気過剰率はＡ、Ｂの区間とも触媒入口の空気過剰率より大きな側（リーン側）にシフトしており、かつ触媒出口の空気過剰率と触媒入口の空気過剰率との差をみると、Ａ区間よりもＢ区間のほうが大きいことがわかる。本来、触媒前後で空気過剰率は同じあるはずであるので、このように触媒前後で空気過剰率差が生じることは特異な現象である。

このためさらに検討したところ図３に示した実験結果が得られた。すなわち、横軸に触媒入口の空気条率を、縦軸に触媒出口の空気過剰率から触媒入口の空気過剰率の差（触媒前後の空気過剰率差）を採ったとき、触媒入口の空気過剰率を１．０より大きくするほど（つまり理論空燃比よりリーン側にするほど）触媒前後の空気過剰率の差が大きくなる特性を有すると共に、触媒劣化時になると触媒前後の空気過剰率の差が触媒新品時より小さくなる、という知見を得たのである。従って、図３に示す特性を用いれば、空気過剰率が１．０より大きな領域（つまり理論空燃比よりリーン側の領域）でも触媒４２の劣化診断が可能になるのである。

ここで、空気過剰率が１．０を超える領域において触媒４２前後で空気過剰率の差が生じる原因は今のところ正確につかめていないのであるが、次のようなものであると考えられる。すなわち、ディーゼルエンジン１から排出される有害成分は低温時にはＨＣとＣＯが主であり、これらを触媒で酸化することによって、無害なＨ₂Ｏ、ＣＯ₂へと変換する。この場合に、水Ｈ₂Ｏは触媒である貴金属（例えば白金）に付着して水素Ｈ₂と酸素イオンＯ^2-とに電離し、この酸素イオン分を下流側広域空燃比センサ４４が酸素として感じてしまうために触媒下流側空燃比センサ４４では触媒上流側空燃比センサ４３より酸素濃度が多いとする出力をするものと考えられる。言い換えると、空気過剰率が１．０を超える領域において水Ｈ₂Ｏのような酸素イオン由来成分に起因して触媒前後で空気過剰率の差が生じるものと考えられる。なお、図３に示す触媒の特性は、ＨＣトラップ触媒４２に固有のものであるのかどうかを確かめるため、他の触媒（ＮＯｘトラップ触媒、三元触媒、酸化触媒等）についても同様の実験をしてみたところ、触媒の種類を問わず、触媒であれば図３に示す特性と同様の特性が得られることが判明している。従って、実施形態では主にリーン空燃比で運転するディーゼルエンジンで述べるが、リーン空燃比で運転することがあり、かつ排気通路に触媒を備えるガソリンエンジンについても本発明を適用できる。

エンジンコントローラ３１により実行されるこの制御を図４のフローチャートにより詳述する。図４は触媒劣化判定を行うためのもので、一定時間毎に実行する。

ステップ１では運転条件がリーン条件にあるか否かをみる。ディーゼルエンジンは、主にリーン条件で運転するものであるが、上記のフィルタ４１を再生するときにはリーン空燃比や理論空燃比に近い空燃比へと制御するので、こうした条件ではそのまま今回の処理を終了し、触媒劣化診断を実行しない。

運転条件がリーン条件にあるときにはステップ２に進み、触媒前後の空気過剰率ＬＭＤＦｒ（ｎ）、ＬＭＤＲｒ（ｎ）、エアフローメータ３５により検出される吸入空気量ＱＡＣ、別のフローにおいて算出されている燃料噴射量ＱＦ、センサ３３により検出されるエンジン回転速度ＮＥ、センサ４５により検出される触媒担体の温度（以下「触媒温度」という。）ＴＭＰＣＡＴを読み込む。

ここで、空気過剰率は広域空燃比センサ４３、４４により検出される空燃比を理論空燃比（１４．７）で除算することでもとめることができる。また、ＬＭＤＦｒ、ＬＭＤＲｒに付した「ｎ」は今回値を表す。

ステップ３ではカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）（図４のフローを始めて実行するタイミングであるいはエンジン始動時にゼロに初期設定）をインクリメントする。このカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）は触媒前後の空気過剰率のサンプリング数を計測するためのものである。

ステップ４ではこのカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）と所定値＃ＴＪＵＤＧＥを比較する。カウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）が所定値＃ＴＪＵＤＧＥと一致しないときにはステップ５に進み触媒入口の平均空気過剰率ＬＭＤａｖｅＦｒ、触媒出口の平均空気過剰率ＬＭＤａｖｅＲｒをそれぞれ次式により算出する。

ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ）＝｛ＬＭＤＦｒ＋（ｎ−１）
×ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ−１）｝／ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）
…（１）
ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ）＝｛ＬＭＤＲｒ＋（ｎ−１）
×ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ−１）｝／ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）
…（２）
ただし、ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ）：ＬＭＤａｖｅＦｒの今回値、
ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ）：ＬＭＤａｖｅＲｒの今回値、
ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ−１）：ＬＭＤａｖｅＦｒの前回値、
ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ−１）：ＬＭＤａｖｅＲｒの前回値、
ステップ６ではこれら触媒出口と触媒入口の平均空気過剰率の差を触媒前後の空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤとして次式により算出する。

ＤＥＬＴＡＬＭＤ＝ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ）− ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ）
…（３）
（３）式のＤＥＬＴＡＬＭＤの値は図４のフローが実行される条件では常に正の値を採る。

ステップ７では次式により触媒４２を流れる排気流量Ｑｅｘｈを算出する。

Ｑｅｘｈ＝ＱＡＣ×ＮＥ／１２０×ＣＹＬ＋ＱＦ …（４）
ただし、ＣＹＬ：気筒数、
ステップ８では触媒劣化時の触媒前後の空気過剰率差に相当する劣化判定基本しきい値ＳＨＡＧＥＤＬＭＤを算出する。これは、触媒出口の平均空気過剰率の今回値であるＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ）または触媒入口の平均空気過剰率の今回値であるＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ）から図５を内容とするテーブルを検索することにより求める。図５に示したように劣化判定基本しきい値ＳＨＡＧＥＤＬＭＤは触媒入口または触媒出口の空気過剰率が大きくなるほど大きくなる値である。これは、図３に示したように、触媒前後の空気過剰率差が触媒入口の空気過剰率が大きくなるほど大きくなることに対応させたものである。

ステップ９では劣化判定しきい値の排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨと温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴとを算出する。排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨは排気流量Ｑｅｘｈから図６を内容とするテーブルを検索することにより、また温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴは触媒温度ＴＭＰＣＡＴから図７を内容とするテーブルを検索することにより求める。図６に示したように排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨは排気流量Ｑｅｘｈが少なくなるほど１．０より大きくなる値である。これは、排気流量が多い場合より排気流量が少ない場合のほうが触媒のＨＣ低減率が上昇するので、排気流量が少ない場合にも排気流量が多い場合に適合した劣化判定基本しきい値を用いたのでは、劣化判定しきい値が小さ過ぎて触媒がまだ劣化していないのに劣化したとの誤診断が生じ得るので、これを避けるために劣化判定しきい値を大きくするためである。

図７に示したように温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴは触媒温度ＴＭＰＣＡＴが高くなるほど１．０より大きくなる値である。これは、触媒温度が低い場合より触媒温度が高い場合のほうが触媒のＨＣ低減率が上昇するので、触媒温度が高い場合にも触媒温度が低い場合に適合した劣化判定基本しきい値を用いたのでは、劣化判定しきい値が小さ過ぎて触媒がまだ劣化していないのに劣化したとの誤診断が生じ得るので、これを避けるために劣化判定しきい値を大きくするためである。このように、上記の劣化判定基本しきい値ＳＨＡＧＥＤＬＭＤは排気流量が多くかつ触媒温度が低い場合に予め適合している。

ステップ１０では劣化判定基本しきい値に２つの補正係数を乗算することによって、つまり次式により劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤを算出する。

ＳＨＡＧＥＤ＝ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ×ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ
×ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ …（５）
なお、実施形態では触媒入口または触媒出口の空気過剰率、触媒を流れる排気流量、触媒温度の３つのパラメータから劣化判定しきい値を算出するようにしているが、いずれか１つのパラメータに基づいて劣化判定しきい値を算出するようにしてもかまわない。

ステップ１１ではこの劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤと上記の触媒前後の空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤとを比較する。空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤが劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ以上であれば触媒４２はまだ劣化していないと判断してステップ１３に進み触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｆａｌｓｅとし、これに対して空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤが劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ未満になれば触媒４２が劣化したと判断して、ステップ１２に進み触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｔｒｕｅとする。すなわち、触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｔｒｕｅは触媒４２が劣化したことを、触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｆａｌｓｅは触媒４２が劣化してないことを表す。

一方、ステップ４でカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）が所定値＃ＴＪＵＤＧＥと一致するときにはステップ１４に進んでカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）をゼロにリセットして今回の処理を終了する。このようにカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）が所定値＃ＴＪＵＤＧＥと一致するたびにカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）をゼロにリセットするのは次の理由からである。すなわち、触媒前後の平均空気過剰率を算出するにはサンプリング数で除算するが、その際のサンプリング数があまり大きくならないようにするためである。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、排気通路２に排気中の有害成分を浄化し得るＨＣトラップ触媒４２を備え、運転時の空燃比をリーン空燃比とそれ以外の空燃比（リッチ空燃比や理論空燃比）とに任意に切換えて運転する一方、リーン空燃比に切換えての運転時に、酸素イオン由来成分としての触媒４２前後の空気過剰率を検出し、この検出される触媒４２前後の空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤが所定値としての劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤを下回る場合に触媒４２に劣化が生じたと判定するので（図４のステップ１１、１２参照）、リーン空燃比での運転時にも触媒４２に劣化が生じたか否かを診断することが可能となり、診断のために従来装置のように空燃比を理論空燃比に戻す必要がないことから燃費を悪化させることがない。

さらに所定値としての劣化判定しきい値を、触媒４２の排気状態量としての触媒入口または触媒出口の空気過剰率ＬＭＤＦｒ（ｎ）、ＬＭＤＲｒ（ｎ）に応じて算出するので（図４のステップ８及び図５参照）、所定値を触媒４２の排気状態量に応じて適切に与えることが可能になることから、触媒４２の排気状態量が相違しても触媒４２に劣化が生じてないのに触媒４２に劣化が生じたとする誤診断や、触媒４２に劣化が生じているのに触媒４２に劣化が生じていないとする誤診断を避けることができる。

本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、触媒４２の排気状態量は触媒入口または触媒出口の空気過剰率ＬＭＤＦｒ（ｎ）、ＬＭＤＲｒ（ｎ）であるので（図４のステップ８及び図５参照）、触媒入口または触媒出口の空気過剰率ＬＭＤＦｒ（ｎ）、ＬＭＤＲｒ（ｎ）が相違しても、触媒４２に劣化が生じてないのに触媒４２に劣化が生じたとする誤診断や、触媒４２に劣化が生じているのに触媒４２に劣化が生じていないとする誤診断を避けることができる。

本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、触媒の排気状態量は触媒４２に流入する排気流量Ｑｅｘｈであるので（図４のステップ９及び図６参照）、触媒４２に流入する排気流量Ｑｅｘｈが相違しても、触媒４２に劣化が生じてないのに触媒４２に劣化が生じたとする誤診断や、触媒４２に劣化が生じているのに触媒４２に劣化が生じていないとする誤診断を避けることができる。

本実施形態（請求項４に記載）の発明によれば、触媒の排気状態量は触媒温度ＴＭＰＣＡＴであるので（図４のステップ９及び図７参照）、触媒温度ＴＭＰＣＡＴが相違しても、触媒４２に劣化が生じてないのに触媒４２に劣化が生じたとする誤診断や、触媒４２に劣化が生じているのに触媒４２に劣化が生じていないとする誤診断を避けることができる。

図８、図１２は第２、第３実施形態のフローで、第１実施形態の図４と置き換わるものである。図４と同一部分には同一のステップ番号をつけている。

第１実施形態では触媒前後空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤと劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤとの比較により触媒が劣化したか否かの判定を行ったが、第２、第３の実施形態では、触媒前後空気過剰率差の分散ＶＡＲＬＭＤ、触媒前後空気過剰率差の偏差ＳＴＤＥＶＬＭＤとそれに対応する劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２、ＳＨＡＧＥＤ３との比較により触媒が劣化したか否かの判定を行ううようにしたものである。

詳細には第２、第３の実施形態では、図８、図１２においてステップ４でカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）が所定値＃ＴＪＵＤＧＥと一致しないときにステップ２１に進み触媒前後の空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｎ）を、
ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｎ）＝ＬＭＤＲｒ（ｎ）− ＬＭＤＦｒ（ｎ）
…（６）
の式により算出してこれをステップ２２でメモリに格納して今回の処理を終了する。

ステップ２１、２２の操作を繰り返すうちやがてカウンタ値ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）が所定値＃ＴＪＵＤＧＥと一致したとき第２実施形態では図８のステップ４よりステップ２３に進んで次式により触媒前後空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｎ）の分散ＶＡＲＬＭＤを、また第３実施形態では図１２のステップ４よりステップ３１に進んで次式により触媒前後空気過剰率差ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｎ）の偏差ＳＴＤＥＶＬＭＤを算出する。

ＶＡＲＬＭＤ＝Σ（ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｉ）−ＬＭＤａｖｅ）
／（ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）−１）
…（７）
ＳＴＤＥＶＬＭＤ＝√｛Σ（ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｉ）−ＬＭＤａｖｅ）
／（ＴＪＵＤＧＥ（ｎ）−１）｝
…（８）
ただし、ＬＭＤａｖｅ：ＤＥＬＴＡＬＭＤ２（ｎ）の所定期間の平均値、
第２実施形態において図８のステップ２４〜２６、第３実施形態において図１２のステップ３２〜３４は第１実施形態において図４のステップ８〜１０と同様である。すなわち、第２実施形態において図８のステップ２４では触媒劣化時の触媒前後空気過剰率差の分散に相当する劣化判定基本しきい値ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ２を算出する。これは、触媒出口の平均空気過剰率ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ）または触媒入口の平均空気過剰率ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ）から図９を内容とするテーブルを検索することにより求める。また、第３実施形態において図１２のステップ３２では触媒劣化時の触媒前後空気過剰率差の偏差に相当する劣化判定基本しきい値ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ３を算出する。これは、触媒出口の平均空気過剰率ＬＭＤａｖｅＲｒ（ｎ）または触媒入口の平均空気過剰率ＬＭＤａｖｅＦｒ（ｎ）から図１３を内容とするテーブルを検索することにより求める。図９、図１３に示したように劣化判定基本しきい値ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ２、ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ３の値は空気過剰率が大きくなるほど大きくなる値である。これは、触媒前後の空気過剰率差が、空気過剰率が大きくなるほど大きくなることに対応させたものである。

第２実施形態において図８のステップ２５では劣化判定しきい値の排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ２と温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ２とを算出し、図８のステップ２６で劣化判定基本しきい値に２つの補正係数を乗算することによって、つまり次式により劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２を算出する。

ＳＨＡＧＥＤ２＝ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ２×ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ２
×ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ２…（８）
第３実施形態において図１２のステップ３３では劣化判定しきい値の排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ３と温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ３とを算出し、図１２のステップ３４で劣化判定基本しきい値に２つの補正係数を乗算することによって、つまり次式により劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ３を算出する。

ＳＨＡＧＥＤ３＝ＳＨＡＧＥＤＬＭＤ３×ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ３
×ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ３…（９）
そして、第２実施形態において図８のステップ２７ではこの劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２と上記の触媒前後の空気過剰率差の分散ＶＡＲＬＭＤとを比較する。触媒前後の空気過剰率差の分散ＶＡＲＬＭＤが劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２以上であれば触媒４２はまだ劣化していないと判断して図８のステップ１３に進み触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｆａｌｓｅとし、これに対して空気過剰率差の分散ＶＡＲＬＭＤが劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２未満になれば触媒４２が劣化したと判断して、図８のステップ１２に進み触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｔｒｕｅとする。また、第３実施形態において図１２のステップ３５ではこの劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ３と上記の触媒前後の空気過剰率差の偏差ＳＴＤＥＶＬＭＤとを比較する。触媒前後の空気過剰率差の偏差ＳＴＤＥＶＬＭＤが劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２以上あれば触媒４２はまだ劣化していないと判断して図１２のステップ１３に進み触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｆａｌｓｅとし、これに対して空気過剰率差の偏差ＳＴＤＥＶＬＭＤが劣化判定しきい値ＳＨＡＧＥＤ２未満になれば触媒４２が劣化したと判断して、図１２のステップ１２に進み触媒劣化フラグＦＡＧＥＤ＝Ｔｒｕｅとする。

第２実施形態において上記の排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ２は排気流量Ｑｅｘｈから図１０を内容とするテーブルを検索することにより、また温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ２は触媒温度ＴＭＰＣＡＴから図１１を内容とするテーブルを検索することにより、また第３実施形態において上記の排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ３は排気流量Ｑｅｘｈから図１４を内容とするテーブルを検索することにより、また温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ３は触媒温度ＴＭＰＣＡＴ図１５を内容とするテーブルを検索することにより求める。図１０、図１４に示したように排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ２、ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨ３を排気流量Ｑｅｘｈが少なくなるほど１．０より大きくなる値としたのは、第１実施形態において排気流量補正係数ＳＨＡＧＥＤＱＥＸＨを排気流量Ｑｅｘｈが少なくなるほど１．０より大きくなる値とした理由と同じである。図１１、図１５に示したように温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ２、ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴ３を触媒温度ＴＭＰＣＡＴが高くなるほど１．０より大きくなる値としたのは、第１実施形態において温度補正係数ＳＨＡＧＥＤＴＣＡＴを触媒温度ＴＭＰＣＡＴが高くなるほど１．０より大きくなる値とした理由と同じである。

このように、第２、第３の実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

実施形態では、酸素イオン由来成分検出手段が広域空燃比センサである場合で説明したが、これに限られるものでなく、理論空燃比を境にして出力が２値的に変化するいわゆる酸素センサを用いてもかまわない。これは、酸素センサに理論空燃比付近を除くリーン空燃比域において酸素センサ出力が空燃比に対してわずかでも変化すれば、広域空燃比センサと同様に扱うことができるためである。

実施形態形態では、空気過剰率を用いる場合で説明したが、空燃比を用いてもかまわないことはいうまでもない。

請求項１に記載の空燃比切換手段の機能は図１のエンジンコントローラ３１により、触媒劣化判定手段の機能は図４のステップ１１、１２により、排気状態量算出手段の機能は図４のステップ８、９、１０により果たされている。

本発明の一実施形態を示す概略構成図。所定の運転モードに従ってディーゼルエンジンを運転したときの触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率の変化を示す波形図。リーン空燃比域での触媒前後の空気過剰率差の特性図。第１実施形態の触媒劣化判定を説明するためのフローチャート。第１実施形態の劣化判定基本しきい値の特性図。第１実施形態の排気流量補正係数の特性図。第１実施形態の温度補正係数の特性図。第２実施形態の触媒劣化判定を説明するためのフローチャート。第２実施形態の劣化判定基本しきい値の特性図。第２実施形態の排気流量補正係数の特性図。第２実施形態の温度補正係数の特性図。第３実施形態の触媒劣化判定を説明するためのフローチャート。第３実施形態の劣化判定基本しきい値の特性図。第３実施形態の排気流量補正係数の特性図。第３実施形態の温度補正係数の特性図。

符号の説明

１エンジン
３１エンジンコントローラ
３３クランク角センサ
４２ＨＣトラップ触媒
４３触媒入口広域空燃比センサ（酸素イオン由来成分検出手段）
４４触媒出口広域空燃比センサ（酸素イオン由来成分検出手段）
４５温度センサ

Claims

排気通路に設けられ排気中の有害成分を浄化し得る触媒と、
運転時の空燃比をリーン空燃比とそれ以外の空燃比とに任意に切換える空燃比切換手段と、
リーン空燃比に切換えての運転時に前記触媒前後の酸素イオン由来成分を検出する酸素イオン由来成分検出手段と、
この酸素イオン由来成分検出手段により検出される触媒前後の酸素イオン由来成分の差が所定値を下回る場合に前記触媒に劣化が生じたと判定する触媒劣化判定手段と、
前記所定値を前記触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率に応じ触媒入口または触媒出口の空燃比または空気過剰率が大きくなるほど大きくなる値で算出する所定値算出手段と
を備えることを特徴とする触媒の劣化診断装置。
前記所定値を触媒に流入する排気流量に基づいても算出することを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
前記所定値を触媒担体の温度に基づいても算出することを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
前記酸素イオン由来成分の差は前記触媒前後の所定区間における平均空燃比または前記触媒前後の所定区間における平均空気過剰率の差であることを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
前記酸素イオン由来成分の差は前記触媒前後の所定区間における空燃比差の分散または前記触媒前後の所定区間における空気過剰率差の分散であることを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
前記酸素イオン由来成分の差は前記触媒前後の所定区間における空燃比差の偏差または前記触媒前後の所定区間における空気過剰率差の偏差であることを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
前記酸素イオン由来成分検出手段は、広域空燃比センサまたは酸素センサであることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の触媒の劣化診断装置。