JP4453836B2 - エンジンの触媒劣化診断装置及びその方法および排気ガス浄化用の触媒装置 - Google Patents

エンジンの触媒劣化診断装置及びその方法および排気ガス浄化用の触媒装置 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関（エンジン）の触媒劣化診断装置及びその方法、並びに、排気ガス浄化用の触媒装置に係り、特に、エンジンの排気通路に設けられる排気ガス浄化用の三元触媒の劣化判定を行う触媒劣化診断装置及びその方法、並びに、排気ガス浄化用の触媒装置に関する。
排気管に複数個の排気ガス浄化用の触媒を配置されたエンジンにおける触媒の劣化診断は、エンジン排気ポートに一番近い位置に設置された触媒の前後に各々酸素センサを設置し、この二つの酸素センサの出力によって行っている。酸素センサの出力によって対象の触媒がＮＧ（劣化）と判定された場合には、複数個全ての触媒が交換されている。
また、他の従来技術として、排気通路に前触媒（上流側触媒）と後触媒（下流側触媒）を設定し、酸素センサを、前触媒の上流側と、前後触媒の中間部と、後触媒の下流側に、各々設置し、前触媒の前後の酸素センサによって前触媒の診断を行い、前触媒の上流側の酸素センサと後触媒の下流側の酸素センサによって前触媒と後触媒との全体の診断を行う診断装置がある（例えば、特許文献１）。
特許第３１５１３６８号
排気規制が年々厳しくなり、これに伴い触媒をＮＧと判定する劣化判定のレベルが低くなってきており、少し劣化した状態でＮＧを判定しなければならない。
しかしなから、従来技術では、触媒の僅かな劣化を的確に検出することができず、このため、年々厳しくなる排気規制に対応した触媒劣化診断を的確に行うことが難しくなってきている。
また、排気管に複数個の触媒を配置されている従来の触媒システムの劣化診断では、前触媒がＮＧと判定されたレベルで、後触媒も交換されてしまうため、触媒交換のコストが高くなってしまう。また、酸素センサを各触媒の前後に設定しても、システムコストが上昇してしまう。
本発明は、前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、年々厳しくなる排気規制に対応できる触媒劣化診断を的確に行うことができ、コスト低減も図ることができる触媒劣化診断装置及びその方法および排気ガス浄化用の触媒装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の触媒劣化診断装置は、第１の触媒と第２の触媒を有し、前記第１の触媒の前および前記第１の触媒と前記第２の触媒の間に特定の排気成分を検出するセンサを備えた内燃機関の触媒劣化診断装置であって、前記第１の触媒と前記第２の触媒は三元触媒であり、前記第１の触媒は排気ガスの流れで見て上流側に配置され、前記第１の触媒の容量は前記第２の触媒の容量より小さく設定されており、前記第１の触媒の劣化または交換にともなって前記第２の触媒の劣化度合いが蓄積するものとして定義した、前記第１の触媒の劣化特性と前記第２の触媒の劣化特性との関係を予め定めておき、前記第１の触媒の前に設けられた前記センサの出力より前記第１の触媒の劣化度合を演算し、当該劣化度合より前記第１の触媒の劣化を判定し、前記第１の触媒の劣化度合および前記関係に基づいて前記第２の触媒の劣化を判定する。
本発明による内燃機関の触媒劣化診断装置は、好ましくは、前記第１の触媒の劣化特性と前記第２の触媒の劣化特性の関係を予め定めるに際して、前記第１の触媒と前記第２の触媒の間に存在する空間の体積を、前記第２の触媒の劣化に寄与する要素に付加する。
本発明による内燃機関の触媒劣化診断装置において、前記特定の排気成分を検出するセンサは、排気ガスに含まれる酸素の有無に対して２値の出力を出力するＯ２センサ、あるいは、排気ガスに含まれる酸素濃度あるいは燃料濃度に対応した信号を出力するセンサである。
前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の触媒劣化診断方法は、第１の触媒と第２の触媒を有し、前記第１の触媒の前および前記第１の触媒と前記第２の触媒の間に特定の排気成分を検出するセンサを備えた内燃機関の触媒劣化診断方法であって、前記第１の触媒と前記第２の触媒は三元触媒であり、前記第１の触媒は排気ガスの流れで見て上流側に配置され、前記第１の触媒の容量は前記第２の触媒の容量より小さく設定されており、前記第１の触媒の劣化または交換にともなって前記第２の触媒の劣化度合いが蓄積するものとして定義した、前記第１の触媒の劣化特性と前記第２の触媒の劣化特性との関係を予め定めておき、前記第１の触媒の前に設けられた前記センサの出力より前記第１の触媒の劣化度合を演算し、当該劣化度合より前記第１の触媒の劣化を判定し、前記第１の触媒の劣化度合および前記関係に基づいて前記第２の触媒の劣化を判定する。
前記目的を達成するために、本発明による触媒装置は、内燃機関の排気通路に設けられる排気ガス浄化用の触媒装置であって、上述の内燃機関の触媒劣化診断装置を備え、前記第１の触媒の容量を前記第２の触媒の容量より小さくする比率が、前記第１の触媒と前記第２の触媒の、新品時のトータル時の未燃焼ガス転換効率と、触媒がＮＧと判定される時の未燃焼ガスの転換効率の比率から設定されている。
本発明による触媒装置は、好ましくは、前記第１の触媒と前記第２の触媒が同一の筐体に納められている。
触媒は、内燃機関の排気ポートに近い前方より劣化していくことが分っている。そこで、本発明では、触媒を新品時のトータル時の未燃焼ガス転換効率と、触媒がＮＧと判定される時の、未燃焼ガスの転換効率の比率により分割することにより、トータル的には少しの劣化でも、酸素センサを設置する前触媒は劣化が早く、劣化度を検出し易いこととなる。後触媒の劣化は、前触媒の劣化度合及び交換回数から得るため、前触媒が劣化したからといって交換されることもなくなる。
本発明による触媒劣化診断装置が適用される内燃機関（エンジン）の一つの実施形態を、図１を参照して説明する。
エンジン２０１は、吸気系に、吸入空気量を計量するスロットル絞り弁２０２と、スロットル絞り弁２０２をバイパスして吸気管２０４に接続された流路の流路面積を制御してエンジン２０１のアイドル時の回転数を制御するアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣバルブ）２０３と、吸気管２０４内の圧力を検出する吸気管圧力センサ２０５と、エンジン２０１の要求する燃料を噴射供給する燃料噴射弁２０６とを有する。
エンジン２０１には、シリンダ（燃焼室）２０７内に供給された空気と燃料との混合気の点火を行う点火栓２０８と、エンジン制御装置２５０が出力する点火信号に基づいて点火栓２０８に点火エネルギを供給する点火コイル（点火モジュール）２０９が設けられている。
また、エンジン２０１には、カム角度を検出するカム角度センサ２１０、冷却水温を検出する水温センサ２１１が設けられている。
排気管２２１には、一つの筐体２２２内に分割配置された三元触媒による前触媒（上流側触媒＝第１の触媒）２２３と、三元触媒による後触媒（下流側触媒＝第２の触媒）２２４とを有する。
つまり、排気ガス浄化用の触媒装置が、前触媒２２３と後触媒２２４とに分割され、排気管２２１の排気ガス流れで見て後触媒２２４より上流側にある前触媒（上流側触媒）２２３の容量が後触媒（下流側触媒）２２４の容量より小さい。そして、筐体２２２内において、前触媒２２３と後触媒２２４との間には中間空間２２５が画定されている。
排気管２２１の前触媒２２３より上流側（排気管２２１における排気ガス流れで見て）には、排気ガス中の酸素濃度を検出し２値の信号を出力する前Ｏ２センサ２２６が設けられている。また、筐体２２２には、中間空間２２５における排気ガス中の酸素濃度を検出し２値の信号を出力する後Ｏ２センサ２２７が設けられている。
エンジン２０１の運転、停止は、メインスイッチであるイグニッションキイスイッチ２１２により行われる。
なお、本実施形態では、エンジン２０１のアイドリング回転数は、アイドルスピードコントロールバルブ２０３によって制御しているが、スロットル絞り弁２０２をモータ等で制御するものにした場合には、スロットル絞り弁２０２によってアイドリング回転数を制御でき、アイドルスピードコントロールバルブ２０３は不要となる。
エンジン２０１の空燃比制御を含む燃料制御、点火時期制御、アイドル制御ならびに触媒劣化診断は、エンジン制御装置２５０により行われる。
エンジン制御装置２５０は、例えば、マイクロコンピュータによる電子制御式のものであり、図２に示されているように、エンジン２０１に設置された各センサの電気的信号をデジタル演算処理用の信号に変換、及びデジタル演算用の制御信号を実際のアクチュエータの駆動信号に変換するＩ／ＯＬＳＩ２５１と、Ｉ／ＯＬＳＩ２５１からのデジタル演算処理用の信号よりエンジン２０１の状態を判断し、エンジン２０１の要求する燃料量、点火時期、触媒劣化診断等を予め定められた手順に基づいて演算処理し、その計算された値をＩ／ＯＬＳＩ２５１に送る演算装置（ＭＰＵ）２５２と、演算装置２５２の制御手順及び制御定数を格納した不揮発性のメモリ（ＥＰ−ＲＯＭ）２５３と、演算装置２５２の計算結果等を格納する揮発性のメモリ（ＲＡＭ）２５４から構成される。
なお、揮発性メモリ２５４には、イグニッションスイッチ２１２がオフで、エンジン制御装置２５０にバッテリ電源より電力が供給されない場合でも、メモリ内容を保存することを目的としたバックアップ電源が接続されることもある。
本実施形態では、エンジン制御装置２５０は、水温センサ２１１、カム角センサ２１０、クランク角センサ２１３、前Ｏ２センサ２２６、後Ｏ２センサ２２７、吸気管圧力センサ２０５、スロットル開度センサ２１４、イグニッションスイッチ２１２の各々より信号を入力し、燃料噴射弁２０６に燃料噴射指令信号を、点火コイル２０９に点火指令信号を、アイドルスピードコントロールバルブ２０３に開度指令信号を出力する共に、触媒劣化診断結果に応じて故障診断表示手段２６１に表示指令を出力する。
つぎに、本発明による触媒劣化診断方法を実行するエンジン制御装置２５０の制御ブロックの一つの実施形態を、図３を参照して説明する。
エンジン制御装置２５０は、コンピュータプログラムを実行することにより、エンジン回転数計算手段１０１、基本燃料計算手段１０２、基本燃料補正係数計算手段１０３、基本点火時期計算手段１０４、ＩＳＣ制御手段１０５、加減速判定手段１０６、空燃比帰還制御係数計算手段１０７、触媒劣化検出手段（触媒劣化診断手段）１０８、基本燃料補正手段１０９、点火時期補正手段１１０を、ソフトフェア的に具現化する。
エンジン回転数計算手段１０１は、エンジン２０１の所定のクランク角度位置に設定されたクランク角センサ２１３の電気的な信号、おもにパルス信号変化の単位時間当たりの入力数をカウントし、演算処理することによってエンジン２０１の単位時間当りの回転数を計算する。
基本燃料計算手段１０２は、エンジン回転数計算手段１０１によって演算されたエンジン回転数と、エンジン２０１の吸気管２０４に設置された吸気管圧力センサ２０５によって検出される吸気管圧力（エンジン負荷）より、エンジン２０１が要求する基本燃料を計算する。
基本燃料補正係数計算手段１０３は、エンジン回転数計算手段１０１によって演算されたエンジン回転数と、吸気管圧力センサ２０５によって検出される吸気管圧力（エンジン負荷）より、基本燃料計算手段１０２によって計算された基本燃料のエンジン２０１の各運転領域における補正係数を計算する。
基本点火時期計算手段１０４は、エンジン回転数計算手段１０１によって演算されたエンジン回転数と、吸気管圧力センサ２０５によって検出される吸気管圧力（エンジン負荷）に応じてエンジン２０１の最適点火時期をマップ検索等で決定する。
ＩＳＣ制御手段１０５は、エンジン２０１のアイドリング回転数を所定値に保つためにアイドリング時の目標回転数を設定し、ＩＳＣバルブ２０３への目標流量及びＩＳＣ点火時期補正量を演算する。ＩＳＣ制御手段１０５はＩＳＣバルブ２０３へ目標流量によるＩＳＣバルブ信号を出力する。これにより、アイドリング時の目標流量となるように、ＩＳＣバルブ２０３が駆動される。
加減速判定手段１０６は、スロットル開度センサ２１４が出力する電気的信号を処理し、スロットル開度変化量よりエンジン２０１が加速か減速状態にあるかを判断し、加減速時の点火時期補正量を演算する。
空燃比帰還制御係数計算手段１０７は、前触媒２２３の上流側の前Ｏ２センサ２２６のセンサ信号、エンジン回転数、吸気管圧力、及びエンジン水温から、空燃比帰還制御を行う。
触媒劣化検出手段１０８は、前触媒２２３の上流側の前Ｏ２センサ２２６のセンサ信号、前触媒２２３の下流側の後Ｏ２センサ２２７のセンサ信号、エンジン回転数、吸気管圧力、及びエンジン水温をもとに、前触媒２２３の劣化度合を判定し、更に、その判定結果に基づいて後触媒２２４の劣化度合を判定する。触媒劣化検出手段１０８は、劣化度合に基づくＮＧ／ＯＫ判定により、運転者に触媒の異常を知らしめるべく、故障診断表示手段２６１に表示指令を出力する。
基本燃料補正手段１０９は、基本燃料計算手段１０２によって計算された基本燃料に対して、基本燃料補正係数計算手段１０３の補正係数と、空燃比帰還制御係数計算手段１０７の空燃比帰還制御係数等を用いて基本燃料に対して補正を施し、補正後の燃料量による燃料噴射指令信号を各気筒の燃料噴射弁２０６へ出力する。これにより、燃料噴射弁２０６が所要の燃料量の燃料を各気筒に噴射供給する。
点火時期補正手段１１０は、基本点火時期計算手段１０４で決定された基本点火時期に対して、ＩＳＣ制御手段１０５のＩＳＣ点火時期補正量と、加減速判定手段１０６の加減速時点火時期補正量等等を用いて基本点火時期に対して補正を施し、補正後の点火時期指令信号を各気筒の点火コイル２０９へ出力する。これにより、各気筒の点火栓２０８が所要の点火時期をもって火花放電し、シリンダ内に流入した混合気の点火が行われる。
尚、本実施形態では、吸気管圧力を検出して燃料制御を成立させているが、エンジン２０１の吸入空気量を検出しても燃料制御は成立する。
触媒劣化検出手段１０８が含む前触媒劣化度合演算処理部の詳細な一つの実施形態を、図４を参照して説明する。
触媒劣化検出手段１０８は、フィルタリング処理部５０１と、ホールド時間設定部５０２と、サンプリング・ホールド処理部５０３と、もう一つのフィルタリング処理部５０４と、サンプリング処理部５０５と、相関値演算部５０６と、劣化度合演算部５０７とを有する。
フィルタリング処理部５０１は、前Ｏ２センサ２２６の出力電圧にフィルタリングを施す。フィルタリングは加重平均等により実施される。
ホールド時間設定部５０２は、エンジン回転数と吸気管圧力により、前Ｏ２センサ２２６と後Ｏ２センサ２２７の出力位相を合わせるホールド時間をマップ検索する。
サンプリング・ホールド処理部５０３は、フィルタリング処理部５０１によってフィルタリングされた前Ｏ２センサ出力をサンプリングし、ホールド時間設定部５０２によって設定されたホールド時間により、前Ｏ２センサ２２６の出力と後Ｏ２センサ２２７の出力との位相を合わせる処理を行う。
フィルタリング処理部５０４は、後Ｏ２センサ２２７の出力電圧にフィルタリングを施す。フィルタリングは、前Ｏ２センサ２２６の出力電圧のフィルタリングと同様に、加重平均等により実施される。
サンプリング処理部５０５は、フィルタリング処理部５０４によってフィルタリングされた後Ｏ２センサ出力をサンプリングする。
相関値演算部５０６は、サンプリング・ホールド処理部５０３よりの前Ｏ２センサ２６のサンプリング値と、サンプリング処理部５０５よりの後Ｏ２センサ２２７のサンプリング値とで、所定区間毎に相関値Ｃを計算する。
この相関値Ｃの計算は、下式（１）により行われる。
Figure 0004453836
ここで、Ｐｒｅ ： 前Ｏ２センサのサンプリング値
Ｐｏｓｔ： 後Ｏ２センサのサンプリング値
劣化度合演算部５０７は、相関値演算部５０６によって演算された所定区間毎の相関値Ｃより、触媒の劣化度合（劣化判定値）Ｄを決定する。
図５は、前後Ｏ２センサ出力の相関値Ｃと劣化度合Ｄとの関係の一例を示している。
ライン６０１は相関値Ｃと劣化度合Ｄの中央値を示している。相関値Ｃと劣化度合Ｄは、ライン６０１を中心として、個々のばらつきにより、ライン６０２〜６０３のある程度の幅を持つこととなる。
排気規制１の時の劣化度合ＤのＮＧのしきい値は、ライン６０４となり、ばらつき１の幅６０５を考慮すると、触媒劣化をＮＧと判定する相関値Ｃのしきい値は、排気規制１でのしきい値６０６となる。これに対して排気規制２の時の劣化度合ＤのＮＧのしきい値は、ライン６０７となり、ばらつき２の幅６０８を考慮すると、触媒劣化をＮＧと判定するための相関値Ｄのしきい値は設定できないこととなる。
図６（ａ）〜（ｃ）は、一般例の触媒において、触媒ＮＧと判定すべき場合の前後Ｏ２センサ出力の挙動の一例を示している。
図６（ａ）に示されているように、一般の触媒７０１の前後に前Ｏ２センサ７０２と後Ｏ２センサ７０３が設置されている。
図６（ｂ）のチャート７０４は、前Ｏ２センサ７０２の出力であり、エンジンの制御装置の空燃比帰還制御により、所定の電圧を中心として振れている。
これに対して、触媒７０１が大きく、且つ排気規制的にはＮＧレベルに劣化しているものの、全体としての劣化はそれほどでないため、後Ｏ２センサ７０３の出力は、図６（ｃ）にチャート７０５によっ示されているように、それほど触れない。これにより、触媒劣化判定のための相関値は、０に近い、小さな値となる。
図７（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の触媒において、触媒ＮＧと判定すべき場合の前後Ｏ２センサ出力の挙動の一例を示している。
図７（ａ）に示されているように、本実施形態の触媒装置は、一つの筐体２２２内に、前後二つに分割された前触媒２２３と後触媒２２４が納められ、前触媒２２３と後触媒２２４との間に画定された中間空間２２５に後Ｏ２センサ２２７が設置されている。前Ｏ２センサ２２６は、前触媒２２３より上流側に設置されている。
前Ｏ２センサ２２６の出力は、図７（ｂ）にチャート８０６によって示されているように空燃比帰還制御により、所定の電圧を中心として振れている。
これに対して、触媒全体が、排気規制的にＮＧレベルに劣化している場合には、前触媒２２３の劣化度が後触媒２２４の劣化度より大きいため、中間空間２２５に設置された後Ｏ２センサ２２７の振れ幅は、図７（ｃ）にチャート８０８によって示されているように、前述の図６の例での設置位置８０５の場合（図７（ｄ）にチャート８０８によって示されている）に比して大きい振れ幅となる。これにより、触媒劣化判定のための相関値は、ある程度大きな値を示すことになる。
図８に、再度、前後Ｏ２センサ出力の相関値Ｃと劣化度合Ｄとの関係の一例を示す。
触媒と前後Ｏ２センサの構成を、図７（ａ）に示されている構成とすることで、排気規制的にＮＧレベルとなる劣化度合のしきい値は、領域９０５から領域９０７に移行することができ、相関値のしきい値を設定することが容易となる。
つまり、前触媒２２３と後触媒２２４とに分割したことから、前触媒２２３は分割しない時よりも劣化が早く、全体として僅かな劣化でも、ＮＧを検出することが可能となる。
図９は、図７（ａ）に示されている本実施形態（本発明）の触媒装置における前触媒劣化度合と後触媒劣化度合の関係の一例を示している。
ライン１００１は、前触媒２２３の劣化度合を表す前後Ｏ２センサ出力の相関値である。ＮＧ判定となるしきい値１００２となると、故障診断表示手段２６１に、交換を促す表示が出るため、前触媒２２３は交換され、前触媒２２３の劣化度合は、交換に従い零復帰することになる。
これに対して、後触媒２２４は、ライン１００５に示す如く、劣化が遅く、本実施形態によれば、後触媒２２４の劣化度合がＮＧのレベル１００６となるのは、前触媒２２３が２回交換された後の時点１００７である。
尚、この後触媒２２４の劣化特性は、前触媒２２３と後触媒２２４の距離、中間空間２２５の空間容積等により異なり、実車で後触媒２２４が劣化したと判定された時の前触媒２２３の劣化度を用いてもよい。
本実施形態では、図９に示されている前触媒劣化度合と後触媒劣化度合との関係に基づき、後触媒２２４の劣化度合は、前触媒劣化度合の積算値を後触媒劣化指標とし、後触媒劣化指標によって後触媒劣化のＮＧ／ＯＫを行う。
図１０は、前触媒劣化度合と、前触媒劣化度合積算値（後触媒劣化指標）との関係の一例を示している。
前触媒２２３の劣化度合１１０１は、しきい値１１０２になると交換され、劣化度合は零復帰する。前述の図９の後触媒劣化のＮＧレベル時点は１１０３であり、前触媒劣化度合積算値１１０１がその時点に相当するしきい値１１０５に達した時に、後触媒２２４がＮＧと判定し、故障診断表示手段２６１によって交換を促すようにする。
後触媒２２４が交換された後は、前触媒劣化度合積算値をクリアし、再度積算を開始し、再度、しきい値１１０５に達した時に、後触媒２２４を交換するように、故障診断表示を行う。
図１１は、本実施形態の触媒装置の触媒分割の一例を示している。前触媒２２３と後触媒２２４は、ともに円柱状をなしており、前触媒２２３の軸長をＬ１、後触媒２２４の軸長を、前触媒２２３の軸長Ｌ１より長いＬ２としている。この軸長の違いにより前触媒２２３の容量は後触媒２２４より小さい。前触媒２２３と後触媒２２４との間には、軸長Ｌ３による中間空間２２５が存在する。
前触媒２２３と後触媒２２４の合計による劣化特性に対する前触媒２２３の関係の導出する。
触媒が新品の時のＨＣ転換効率をＥｆｎｅｗ、触媒ＮＧ時のＨＣ転換効率をＥｆｎｇ（とすると、前触媒２２３と後触媒２２４の分割比Ｌ１：Ｌ２は、下式（２）により表される。尚、ここでいうＨＣ転換効率は、前触媒２２３と後触媒２２４の合計の転換効率を指す。
Ｌ１：Ｌ２ ＝
｛（Ｅｆｎｅｗ−Ｅｆｎｇ）／Ｅｆｎｅｗ｝：（Ｅｆｎｇ／Ｅｆｎｅｗ） …（２）
Ｅｆｎｅｗ＝９０％、Ｅｆｎｇ＝７０％とした場合、Ｌ１：Ｌ２＝２２％：７８％となり、余裕を見た分割比は、Ｌ１：Ｌ２＝３０％：７０％となる。
このように、触媒装置が、前触媒２２３と後触媒２２４とに、新品時の転換効率、ＮＧ時の転換効率、及びエミッション測定値から、所定の分割比で分割されており、前触媒２２３の容量が後触媒２２４より小さくなっている。
また、中間空間２２５の体積が大きいほど、前触媒２２３の劣化に比して後触媒２２４の劣化が遅くなるから、図９に示されている前触媒劣化度合と後触媒劣化度合との関係は、中間空間２２５の体積を考慮して設定する。
つまり、前触媒２２３と後触媒２２４の合計による劣化特性に対する前触媒２２３の関係の導出に際して、中間空間２２５の体積を、後触媒２２４の劣化に寄与する要素に付加する。
図１２は、前触媒２２３と後触媒２２４のＯＫ／ＮＧ判定処理部（触媒劣化診断装置）の一つの構成例を示している。
本実施形態のＯＫ／ＮＧ判定処理部は、前触媒劣化判定値演算部１４０１と、前触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０２と、前触媒ＮＧ→ＯＫ反転回数カウンタ１４０５と、ＮＧ→ＯＫ反転回数しきい値設定器１４０６と、比較器１４０７と、後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９と、前触媒劣化判定値積算部１４１１と、前触媒劣化判定積算値記憶部１４１４と、スイッチ１４０８、１４１２、１４１３を有する。
前触媒劣化判定値演算部１４０１は、例えば、図４に示されている前触媒劣化度合演算処理部により構成され、前Ｏ２センサ出力、後Ｏ２センサ出力、吸気管圧力、及びエンジン回転数を入力し、相関計算により、前触媒の劣化判定値（劣化度合）を計算する。
前触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０２は、前触媒劣化判定値演算部１４０１によって算出された前触媒劣化判定値より前触媒２２３のＯＫ／ＮＧを判定する。
前触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０２によってＮＧと判定された場合には、故障診断表示手段２６１による診断表示によって、その旨を運転者に知らせ、前触媒ＮＧのコードを記憶手段２６２に書き込み、更に、前触媒ＮＧ→ＯＫ反転回数カウンタ１４０５の前触媒ＮＧ→ＯＫ反転回数のカウント値を一つインクリメントする。
比較器１４０７は、ＮＧ→ＯＫ反転回数しきい値設定器１４０６に設定されているＮＧ→ＯＫ反転回数のしきい値と前触媒ＮＧ→ＯＫ反転回数カウンタ１４０５のカウント値ととを比較する。この比較において、反転回数のカウント値がしきい値より大きい場合には、スイッチ１４０８により、前触媒劣化判定値演算部１４０１による前触媒２２３の劣化判定値を後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９に入力する。
前触媒劣化判定値積算部１４１１は、前触媒劣化判定値演算部１４０１によって演算された前触媒２２３の劣化判定値（劣化度合）を積算する。この積算は、後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９によって後触媒２２４のＮＧが判定され、スイッチ１４１３がオフするまで行われ、この時点での積算値が前触媒劣化判定積算記憶値としてスイッチ１４１２を介して前触媒劣化判定積算値記憶部１４１４に書き込まれる。
後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９は、前触媒劣化判定値演算部１４０１によって演算された前触媒２２３の劣化判定値、あるいは前触媒劣化判定値積算部１４１１によって積算された前触媒劣化判定積算値によって後触媒２２４のＯＫ／ＮＧ判定を行う。
後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９によって後触媒２２４がＮＧと判定された場合には、、故障診断表示手段２６１による診断表示によって、その旨を運転者に知らせ、後触媒ＮＧのコードを記憶手段２６３に書き込む。
なお、記憶手段２６２、２６３は、同一の記憶手段であり、前触媒ＮＧコードと後触媒ＮＧコードのメモリアドレスが異なるだけである。
図１３は、前触媒２２３と後触媒２２４のＯＫ／ＮＧ判定処理部（触媒劣化診断装置）の他の構成例を示している。なお、図１３において、図１２に対応する部分は、図１２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
本実施形態が、前述の図１２の実施形態と異なる点は、図１２の実施形態が前触媒ＮＧ→ＯＫ反転回数をカウントするのに対し、本実施形態では、前触媒２２３の交換回数をカウントすることである。
本実施形態では、前触媒２２３の交換回数をカウントする前触媒交換回数カウンタ１５０５と、交換回数しきい値設定器１５０６と、交換回数しきい値設定器１５０６に設定されている交換回数しきい値と前触媒交換回数カウンタ１５０５のカウント値とを比較する比較器１５０７が設けられており、比較器１５０７の出力は、前述の図１２の実施形態と同様に、スイッチ１４０８を制御する。前触媒交換回数カウンタ１５０５のカウント値の更新は、前触媒２２３を交換した際に、ディーラー等で手動入力によって行われる。
後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９の詳細を、図１４を参照して説明する。
後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９は、後触媒ＯＫ／ＮＧ判定済判別部１６０１と、比較器１６０４と、比較器１６０４の入力を切り替えるスイッチ１６０２、１６０３を有する。
後触媒ＯＫ／ＮＧ判定済判別部１６０１は、後触媒２２４のＮＧ判定が過去になされたか否かを判別すものであり、まだ一度もＮＧ判定していない場合には、図１２あるいは図１３に示されている構成のもとに、スイッチ１６０２、１６０３により、比較器１６０４の入力として、比較値に前触媒劣化判定値（劣化度合）が、しきい値に前触媒劣化判定しきい値が選択され、両者の比較が比較器１６０４によって行われる。
比較器１６０４に入力される前触媒劣化判定値が前触媒劣化判定しきい値より大きい場合には、後触媒２２４をＮＧと判定する。
これに対し、過去に一度でもＮＧ判定されている場合には、スイッチ１６０２、１６０３により、比較器１６０４に入力として、前触媒劣化判定積算値が、しきい値に前触媒劣化判定積算記憶値が選択され、両者の比較が比較器１６０４によって行われる。
比較器１６０４に入力される前触媒劣化判定積算値が前触媒劣化判定積算記憶値より大きい場合には、後触媒をＮＧと判定する。
本実施形態の触媒劣化判定を含むエンジン制御装置２５０が行う全体的な制御の処理フローを、図１５のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ１７０１では、クランク角センサ２１３の電気的な信号、おもにパルス信号変化の単位時間当たりの入力数をカウントし、演算処理によりエンジン回転数を計算する。そして、ステップ１７０２では、吸気管圧力センサ２０５からの出力で吸気管圧力を読み込む。
つぎに、ステップ１７０３では、前記エンジン回転数と前記吸気管圧力に基づいて基本燃料量の計算を行う。
つぎに、ステップ１７０４では、前記エンジン回転数と前記吸気管圧力に基づいて基本燃料補正係数の検索を行う。
つぎに、ステップ１７０５では、触媒前の前Ｏ２センサ２２６の出力を読み込む。
つぎに、ステップ１７０６では、前Ｏ２センサ２２６の出力信号を元に、目標とする空燃比となるように空燃比帰還制御を行い、空燃比帰還制御係数を求める。
つぎに、ステップ１７０７では、触媒後の後Ｏ２センサ２２７の出力を読み込む。
つぎに、ステップ１７０８では、前記前Ｏ２センサ出力と前記後Ｏ２センサ出力による相関計算で、前触媒２２６の劣化度合（劣化判定値）を計算する。
つぎに、ステップ１７０９では、前述の前触媒２２３の劣化度合から、後触媒２２４の劣化度合を計算する。
つぎに、ステップ１７１０では、前記基本燃料補正係数と前記空燃比帰還制御係数により前記基本燃料量を補正する。そして、ステップ１７１１では、前記補正された燃料量を噴射する燃料量をしてセットする。
つぎに、ステップ１７１２では、アイドル時の目標エンジン回転数を計算する。そして、ステップ１７１３では、前記目標回転数から、ＩＳＣバルブ２０３の目標流量を計算する。
つぎに、ステップ１７１４では、アイドル時の回転変動を抑えるための点火時期補正量を計算する。
つぎに、ステップ１７１５では、ＩＳＣバルブ２０３の目標流量をＩＳＣバルブ２０３へ出力し、ＩＳＣバルブ２０３を制御する。
つぎに、ステップ１７１６では、スロットル開度を読み込む。そして、ステップ１７１７では、読み込んだスロットル開度の時間変化量を求め、加減速の判定を行う。
つぎに、ステップ１７１８では、前記加減速判定に基づいて、加減速時の点火時期補正量を計算する。
つぎに、ステップ１７１９では、基本点火時期を計算する。そして、ステップ１７２０では、前記基本点火時期に、計算されたアイドル時、加減速時の点火時期補正を施し、最終点火時期とする。そして、ステップ１７２１では、前記最終点火時期をセットし、要求される点火時期で点火を行う。
次に、図４に示されている前触媒劣化度合演算処理部による前触媒の触媒劣化度合演算の処理フローを、図１６のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ１８０１では前Ｏ２センサ２２６の出力を読み込む。そして、ステップ１８０２では、前Ｏ２センサ２２６の出力にフィルタリングを施す。
つぎに、ステップ１８０３では、エンジン回転数と吸気管圧力を読込み、そして、ステップ１８０４では、前記エンジン回転数と前記吸気管圧力により、触媒前後のＯ２センサ出力の位相を合わせるホールド時間をマップ検索する。そして、ステップ１８０５では、前Ｏ２センサ２２６のフィルタリング値に対して、ホールド時間を反映してサンプリングを行う。
つぎに、ステップ１８０６では、後Ｏ２センサ２２７の出力を読込む。そして、ステップ１８０７では、後Ｏ２センサ２２７の出力にフィルタリングを施す。そして、ステップ１８０８では、後Ｏ２センサ２２７のフィルタリング値をサンプリングする。
つぎに、ステップ１８０９では、前記触媒前後のＯ２センサのフィルタリング値のサンプル値により所定区間の相関値を計算する。この相関値の計算は、前述の式（１）により行われる。
つぎに、ステップ１８１０では、前記相関値により前触媒２２６の劣化判定値（劣化度合）を決定する。
次に、図１２に示されている前触媒２２３と後触媒２２４のＯＫ／ＮＧ判定処理部によるＯＫ／ＮＧ判定の処理フローを、図１７のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ１９０１では、触媒前後のＯ２センサ２２６、２２７の出力を読み込む。そして、ステップ１９０２では、エンジン回転数と吸気管圧力を読み込む。
つぎに、ステップ１９０３では、前述の触媒前後のＯ２センサ出力、前記エンジン回転数、及び吸気管圧力により、前触媒２２６の劣化判定値を計算する。この劣化判定値は、図１６に示されている処理フローにより、前後Ｏ２センサの出力の相関値より算出する。
つぎに、ステップ１９０４では、前記劣化判定値により、前触媒２２３の劣化ＯＫ／ＮＧの判定を行う。
つぎに、ステップ１９０５では、ステップ１９０４の判定結果のＯＫ／ＮＧにより分岐する。この判定結果がＮＧの場合には、ステップ１９０７に進み、前触媒ＮＧのＮＧコード１を記憶し、つぎのステップ１９０８で、故障表示手段２６１による故障警告を行う。
前触媒２２３の判定結果がＯＫの場合には、ステップ１９０６に進み、故障警告を解除する。
つぎに、ステップ１９０９では、前触媒２２３の劣化判定値の積算記憶値があるか否かを判断する。積算記憶値がない場合には、ステップ１９１０に進み、前触媒２２３の劣化判定がＮＧ→ＯＫに反転したか否かを判断する。
反転した場合には、ステップ１９１１に進み、ＮＧ→ＯＫ反転回数をカウントし、ステップ１２で反転回数がしきい値以上か否か判断する。反転回数がしきい値以上の場合には、ブロック１９１３に進み、前触媒２２３の劣化判定値を読み込む。そして、ステップ１９１４では、前記前触媒２２３の劣化判定値により、後触媒２２４の劣化判定のＯＫ／ＮＧを判断する。
つぎに、ステップ１９１５では、ステップ１９１４の判定結果のＯＫ／ＮＧにより分岐する。この判定結果がＮＧの場合には、ステップ１９１７に進み、後触媒ＮＧのＮＧコード２を記憶し、つぎのステップ１９１８で、故障表示手段２６１による故障警告を行う。
後触媒２２４の判定結果がＯＫの場合には、ステップ１９１６に進み、故障警告を解除する。
前述のステップ１９０９において、前触媒２２３の劣化判定積算記憶値が有りと判定された場合には、ステップ１９１９に進み、劣化判定積算記憶値と前触媒劣化判定積算値（しきい値）との比較により、後触媒２２４のＯＫ／ＮＧを判定する。
前触媒劣化判定積算値が劣化判定積算記憶値より大きい場合は、後触媒ＮＧであり、その場合には、ステップ１９１７、１９１８で、後触媒ＮＧのコード２を記憶し、故障警告を行う。これに対し、前触媒劣化判定積算値が劣化判定積算記憶値以下で有る場合には、ステップ１９１６に進み、故障警告の解除を行う。
図１８は、図１２に示されているＮＧ判定処理部による前触媒劣化判定値積算と判定値記憶の処理フローを示している。
まず、ステップ２００１では、前触媒劣化判定値を読み込む。そして、ステップ２００２では、前触媒劣化判定値を積算する。
つぎに、ステップ２００３では、後触媒２２４のＮＧが判定されたか否かを判定する。後触媒２２４のＮＧが判定された直後は、ステップ２００４に進み、前述の積算値を記憶し、そしてステップ２００５では、積算を停止する。
次に、図１３に示されている前触媒２２３と後触媒２２４のＯＫ／ＮＧ判定処理部によるＯＫ／ＮＧ判定の処理フローを、図１９のフローチャートを参照して説明する。なお、図１９において、図１７に対応するステップは、図１７に付したステップ番号と同じステップ番号を付けて、その説明を省略する。
この処理フローでは、手動入力される前触媒交換信号の有無をステップ２１１０で判別し、ステップ２１１１で、交換回数のカウント値をインクリメントする。そして、ステップ２１１２では、そのカウント値がしきい値以上であるか否かを判別し、後触媒２２４の劣化のＯＫ／ＮＧの判定に移る。
このこと以外は、図１７に示されているフローチャートの処理フローと同じである。
ように構成されている。
次に、図１４に示されている後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部１４０９による後触媒ＯＫ／ＮＧ判定の処理フローを、図２０のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ２２０１では、後触媒２２４の劣化ＮＧの判定を既にしたか否か判断する。ＮＧの判定をしていない場合には、ステップ２２０２に進み、前触媒劣化判定値を比較値に、ステップ２２０３で前触媒劣化判定しきい値をしきい値に選択する。
これに対し、ＮＧの判定がされていた場合には、ステップ２２０４に進み、前触媒劣化判定積算値を比較値に、ステップ２２０５で前触媒劣化判定積算記憶値をしきい値に選択する。
つぎに、ステップ２２０６では、比較値がしきい値以上か否かを判断し、比較値がしきい値以上である場合には、ステップ２２０７で後触媒２２４がＮＧと判定し、比較値がしきい値以上でない場合には、ステップ２２０８で後触媒がＯＫと判定する。
上述したように、触媒装置を、前触媒２２３と後触媒２２４とに、新品時の転換効率、ＮＧ時の転換効率、及びエミッション測定値から、所定の分割比で分割し、分割された前触媒２２３の前方と分割点にＯ２センサ２２６、２２７を設定し、前後Ｏ２センサの出力比較により、触媒の劣化を診断するから、前触媒は分割しない時より劣化が早く、全体として僅かな劣化でも、ＮＧを検出することが可能となる。そして、後触媒２２４の劣化度合は、前触媒２２３の劣化度合及び交換回数から得るため、前触媒２２３が劣化したからといって交換されることもなくなる。
なお、上述の実施形態では、前触媒２２３と後触媒２２４とが一つの筐体２２２内に納められているが、本発明装置は、これに限られることはなく、図２１に示されているように、前触媒２２３と後触媒２２４とが別個の筐体２２２Ａ、２２２Ｂに納められていてもよい。なお、図２１において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
また、Ｏ２センサ２２６、２２７に代えて、排気ガスに含まれる酸素濃度あるいは燃料濃度に対応した信号を出力するセンサを用いることもできる。
本発明による触媒劣化診断装置を適用される内燃機関（エンジン）の一つの実施形態を示す全体構成図。 本発明による触媒劣化診断装置を適用される内燃機関の制御装置の一つの実施形態を示すブロック図。 本発明による触媒劣化診断方法を実行するエンジン制御装置の制御ブロック図。 本発明による触媒劣化診断方法を実施する触媒劣化検出手段が含む前触媒劣化度合演算処理部の一つの実施形態を示すブロック図。 前後Ｏ２センサ出力の相関値と劣化度合との関係の一例を示すグラフ。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明以外の一般例の触媒装置の構成図と、触媒ＮＧと判定すべき場合の前後Ｏ２センサの出力の挙動の一例を示したグラフ。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明による触媒装置の構成図と、触媒ＮＧと判定すべき場合の前後Ｏ２センサの出力の挙動を示したグラフ、（ｄ）は後Ｏ２センサの出力の比較例を示したグラフ。 本発明による触媒装置における前後Ｏ２センサ出力の相関値と劣化度合との関係の一例を示したグラフ。 本発明による触媒装置における前触媒劣化度合と後触媒劣化度合の関係の一例を示したグラフ。 本発明による触媒劣化診断装置における前触媒劣化度合と、前触媒劣化度合積算値（後触媒劣化指標）との関係の一例を示したグラフ。 本発明による触媒装置の触媒分割例を示す説明図。 本発明による触媒劣化診断装置の前触媒と後触媒のＯＫ／ＮＧ判定処理部の一つの構成例を示すブロック図。 本発明による触媒劣化診断装置の前触媒と後触媒のＯＫ／ＮＧ判定処理部の他の構成例を示すブロック図。 本発明による触媒劣化診断装置の後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部の詳細を示すブロック図。 本実施形態の触媒劣化判定を含むエンジン制御装置が行う全体的な制御の処理フローを示すフローチャート。 本実施形態の前触媒劣化度合演算処理部による前触媒の触媒劣化度合演算の処理フローを示すフローチャート。 本実施形態の前触媒と後触媒のＯＫ／ＮＧ判定処理部によるＯＫ／ＮＧ判定の処理フローを示すフローチャート。 ＮＧ判定処理部による前触媒劣化判定値積算と判定値記憶の処理フローを示すフローチャート。 他の実施形態の前触媒と後触媒のＯＫ／ＮＧ判定処理部によるＯＫ／ＮＧ判定の処理フローを示すフローチャート。 本実施形態の後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部による後触媒ＯＫ／ＮＧ判定の処理フローを示すフローチャート。 本発明による触媒劣化診断装置を適用される内燃機関（エンジン）の他の実施形態を示す全体構成図。本発明の燃料制御装置が、制御するエンジン回りの他の例。
符号の説明
１０２ 基本燃料計算手段
１０７ 空燃比帰還制御係数計算手段
１０８ 触媒劣化検出手段
１０７ 空燃比帰還制御係数計算手段
１０９ 基本燃料補正手段
２０１ エンジン
２０５ 吸気管圧力センサ
２０６ 燃料噴射弁
２０８ 点火栓
２１１ 水温センサ
２１０ カム角度センサ
２１３ クランク角センサ
２１４ スロットル開度センサ
２２２ 筐体
２２３ 前触媒
２２４ 後触媒
２２５ 中間空間
２２６ 前Ｏ２センサ
２２７ 後Ｏ２センサ
２５０ エンジン制御装置
２６１ 故障診断表示手段
５０１ フィルタリング処理部
５０２ ホールド時間設定部
５０３ サンプリング・ホールド処理部
５０４ フィルタリング処理部
５０５ サンプリング処理部
５０６ 相関値演算部
５０７ 劣化度合演算部
１４０１ 前触媒劣化判定値演算部
１４０２ 前触媒ＯＫ／ＮＧ判定部
１４０５ 前触媒ＮＧ→ＯＫ反転回数カウンタ
１４０６ ＮＧ→ＯＫ反転回数しきい値設定器
１４０７ 比較器
１４０９ 後触媒ＯＫ／ＮＧ判定部
１４１１ 前触媒劣化判定値積算部
１４１４ 前触媒劣化判定積算値記憶部
１５０５ 前触媒交換回数カウンタ
１５０６ 交換回数しきい値設定器
１５０７ 比較器
１６０１ 後触媒ＯＫ／ＮＧ判定済判別部
１６０４ 比較器

Claims (7)

  1. 第１の触媒と第２の触媒を有し、前記第１の触媒の前および前記第１の触媒と前記第２の触媒の間に特定の排気成分を検出するセンサを備えた内燃機関の触媒劣化診断装置であって、
    前記第１の触媒と前記第２の触媒は三元触媒であり、
    前記第１の触媒は排気ガスの流れで見て上流側に配置され、前記第１の触媒の容量は前記第２の触媒の容量より小さく設定されており、
    前記第１の触媒の劣化または交換にともなって前記第２の触媒の劣化度合いが蓄積するものとして定義した、前記第１の触媒の劣化特性と前記第２の触媒の劣化特性との関係を予め定めておき、
    前記第１の触媒の前に設けられた前記センサの出力より前記第１の触媒の劣化度合を演算し、
    当該劣化度合より前記第１の触媒の劣化を判定し、
    前記第１の触媒の劣化度合および前記関係に基づいて前記第２の触媒の劣化を判定する
    ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
  2. 前記第１の触媒の劣化特性と前記第２の触媒の劣化特性の関係を予め定めるに際して、前記第１の触媒と前記第２の触媒の間に存在する空間の体積を、前記第２の触媒の劣化に寄与する要素に付加することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
  3. 前記特定の排気成分を検出するセンサは、排気ガスに含まれる酸素の有無に対して２値の出力を出力するＯ2センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
  4. 前記特定の排気成分を検出するセンサは、排気ガスに含まれる酸素濃度あるいは燃料濃度に対応した信号を出力するセンサであることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの触媒劣化診断装置。
  5. 第１の触媒と第２の触媒を有し、前記第１の触媒の前および前記第１の触媒と前記第２の触媒の間に特定の排気成分を検出するセンサを備えた内燃機関の触媒劣化診断方法であって、
    前記第１の触媒と前記第２の触媒は三元触媒であり、
    前記第１の触媒は排気ガスの流れで見て上流側に配置され、前記第１の触媒の容量は前記第２の触媒の容量より小さく設定されており、
    前記第１の触媒の劣化または交換にともなって前記第２の触媒の劣化度合いが蓄積するものとして定義した、前記第１の触媒の劣化特性と前記第２の触媒の劣化特性との関係を予め定めておき、
    前記第１の触媒の前に設けられた前記センサの出力より前記第１の触媒の劣化度合を演算し、
    当該劣化度合より前記第１の触媒の劣化を判定し、
    前記第１の触媒の劣化度合および前記関係に基づいて前記第２の触媒の劣化を判定する
    ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断方法。
  6. 内燃機関の排気通路に設けられる排気ガス浄化用の触媒装置であって、
    請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置を備え、
    前記第１の触媒の容量を前記第２の触媒の容量より小さくする比率が、前記第１の触媒と前記第２の触媒の、新品時のトータル時の未燃焼ガス転換効率と、触媒がＮＧと判定される時の未燃焼ガスの転換効率の比率から設定されていることを特徴とする触媒装置。
  7. 前記第１の触媒と前記第２の触媒が同一の筐体に納められていることを特徴とする請求項６に記載の触媒装置。
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