JP5272512B2 - 排気バイパス弁の故障診断装置及び故障診断方法 - Google Patents

Description

この発明は、内燃エンジンの排気通路を切り換える排気バイパス弁の故障診断に関する。

車両用内燃エンジンの排気浄化に関して、特許文献１は、排気管に上流触媒と下流触媒とを直列に設け、上流触媒を迂回するバイパス通路と、バイパス通路を開閉する排気バイパス弁を備えた排気浄化装置を開示している。

特許文献１による排気浄化装置において、下流触媒は車両の床下に配置され，上流触媒は内燃エンジンの近傍に配置される。内燃エンジンの冷間始動においては、早期に活性化する上流触媒を経由して排気を排出すべく排気バイパス弁を閉じる。上流触媒は排気に含まれる酸素を貯留する酸素貯留機能を備える。排気中の酸素濃度が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化させるのに不足している場合には、上流触媒は貯留した酸素を放出してＨＣやＣＯの酸化を可能にする。暖機により下流触媒が活性化した後はバイバス弁を開き、内燃エンジンの排気を上流触媒を介さずバイパス通路を介して直接下流触媒に導くようにしている。

特許文献２はこうした排気浄化装置において、バイバス弁の排気の漏れを検出する故障診断装置を開示している。

この故障診断装置は、排気が上流触媒を通過し、内燃エンジンの燃焼室に供給される混合気の空燃比を上流触媒の上流の酸素濃度に基づきフィードバック制御している状態で、次のようにして排気バイパス弁の漏れを診断する。

すなわち、排気が上流触媒を通過する場合には、上流触媒はリーン空燃比相当の排気に含まれる酸素を貯留し、貯留した酸素をリッチ空燃比相当の排気に放出する。上流触媒のこのような酸素の貯留・放出作用のもとでは、上流触媒の上流の酸素濃度の変動周波数に対して上流触媒の下流の酸素濃度の変動周波数は明らかに低くなる。一方、排気が上流触媒をバイパスする場合には、両者の変動周波数は等しくなる。

特許文献２による故障診断装置は排気が上流触媒を通過しているにも関わらず、上流触媒の上流の酸素濃度の変動周波数と上流触媒の下流の酸素濃度の変動周波数との間に大きな違いがなければ、排気バイパス弁に漏れが生じていると判定して警報を発する。
特開２００５−１８８３７４号公報 特開平９−２０９７４４号公報

空燃比のフィードバック制御には一般に比例積分制御が適用される。比例積分制御のもとでは、内燃エンジンの燃焼室で燃焼する混合気の空燃比が目標空燃比である理論空燃比を中心にリッチとリーンの間で反転する。

特許文献２による故障診断装置は、空燃比フィードバック制御中の上流触媒の上流と下流の酸素濃度の変動周波数を用いて診断を下す。そのため、診断には、フィードバック制御中の空燃比を理論空燃比を横切る形でリッチからリーン及びリーンからリッチへと、少なくとも複数回に渡って反転させる必要がある。

しかしながら、診断条件がこのように限定されると、診断を行なう機会が限られることは避けられない。

この発明の目的は、したがって、診断機会の増加を含む診断装置の機能向上を図ることである。

以上の目的を達成するために、この発明は、排気管に設けた酸素貯留能力を有する下流触媒と、下流触媒の上流において排気管に設けた排気バイパス弁と、排気バイパス弁をバイパスするバイパス通路に設けた酸素貯留能力を有する上流触媒と、を備えた内燃エンジンに適用する排気バイパス弁の故障診断装置において、下流触媒に酸素を貯留させるように、内燃エンジンへの燃料供給を制御する酸素貯留操作手段と、内燃エンジンが燃焼する混合気の空燃比を、上流触媒の上流の排気組成に基づきフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、空燃比フィードバック制御手段による空燃比フィードバック制御のもとで排気バイパス弁を閉鎖する排気バイパス弁閉鎖手段と、上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持されているかどうかを判定する理論空燃比判定手段と、排気バイパス弁が閉鎖され、上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持された状態で、所定の診断許可時間が経過した時点における下流触媒の酸素濃度が所定のリッチスライスレベルを超えている場合に、排気バイパス弁が故障していると判定する故障判定手段と、を備えている。

この発明はまた、上記の内燃エンジンに適用する排気バイパス弁の故障診断方法において、下流触媒に酸素を貯留させるように、内燃エンジンへの燃料供給を制御し、内燃エンジンが燃焼する混合気の空燃比を、上流触媒の上流の排気組成に基づきフィードバック制御し、空燃比のフィードバック制御のもとで排気バイパス弁を閉鎖し、上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持されているかどうかを判定し、排気バイパス弁が閉鎖され、上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持された状態で、所定の診断許可時間が経過した時点における下流触媒の酸素濃度が所定のリッチスライスレベルを超えている場合に、排気バイパス弁が故障していると判定している。

上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持された状態で、所定の診断許可時間が経過した時点における下流触媒の酸素濃度が所定のリッチスライスレベルを超えている場合に排気バイパス弁が故障していると診断するので、空燃比を何度も判定させることなく、排気バイパス弁の故障を診断できる。したがって、この発明により排気バイパス弁の故障の診断機会を増やすことが可能となる。

図１はこの発明を適用する内燃エンジン１の排気システムを示す。

車両用の内燃エンジン１はエアクリーナ２を介して吸気通路３に吸い込んだ空気を、吸気スロットル４及び吸気コレクタ５を介して各気筒の吸気ポート６に供給する。

空気は内燃エンジン１のピストンストロークに応じて吸気ポート６から燃焼室に吸い込まれ、その途中で燃料噴射弁７から噴射される燃料と混合して混合気を形成する。

混合気は燃焼室で燃焼して、燃焼エネルギーでピストンを駆動する。燃焼後の混合気は排気として排気通路８に排出される。

排気通路８には、排気バイパス弁９と車両の床下に格納される下流触媒１０とが直列に配置される。

また、排気バイパス弁９をバイパスするバイパス通路１１が設けられる。バイパス通路１１には内燃エンジン１に近接する位置に上流触媒１２が設けられる。なお、この実施形態においては、前記特許文献１の排気浄化装置と異なり、上流触媒１２を設ける通路をバイパス通路１１と称している。

上流触媒１２の途中からは、排気の一部を吸気に還流する排気還流（ＥＧＲ）通路１３が分岐する。ＥＧＲ通路１３は吸気コレクタ５に接続される。ＥＧＲ通路１３の途中には排気還流量を調整するＥＧＲ弁１４が設けられる。

上流触媒１２は三元触媒とともにセリアなど酸素吸着材を用いて構成される。内燃エンジン１の冷間始動直後には、一般にリッチ空燃比の混合気を用いて燃焼が行なわれる。この時点では、下流触媒１０は暖機されておらず活性化していないため、内燃エンジン１から排出される排気を浄化することはできない。

そのために、内燃エンジン１はこうした条件では排気バイパス弁９を閉じて、排気を上流触媒１２に導く。上流触媒１２は内燃エンジン１に近接しているために早期に活性化する。酸素貯留機能を有することから、リッチ空燃比相当の排気に対して貯留した酸素を放出し、触媒雰囲気を理論空燃比付近に調整することで、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）の酸化と、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを行なって排気を浄化する。

下流触媒１０が排気の高温によって暖機され、十分に活性化すると、排気バイパス弁９が開く。以後、排気は開放されたバイバス弁９を介して、バイパス通路１１を通らずに、直接下流触媒１０に流入し、下流触媒１０において浄化される。

このための、排気バイパス弁９の操作はコントローラ１５により行なわれる。

コントローラ１５は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

コントローラ１５は排気バイパス弁９の開閉操作を行なうだけでなく、吸気スロットル４の開度や燃料噴射弁７の燃料噴射量と噴射タイミングを制御する。さらにはこれらの制御を通じて、内燃エンジン１に供給される混合気の空燃比をも制御する。

そのために、コントローラ１５には、上流触媒１２の上流のバイバス通路１１の排気組成から空燃比を検出する空燃比（Ａ／Ｆ）センサ１６、上流触媒１２の下流のバイバス通路１１の酸素濃度を検出する酸素（Ｏ₂）センサ１８、下流触媒１０の上流の排気通路８の排気組成から空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ１９、下流触媒１０の途中の排気の酸素濃度を検出するＯ₂センサ２０、内燃エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ２１から、検出データがそれぞれ信号入力される。なお、Ａ／Ｆセンサ１６、１９は広域空燃比センサと呼ばれるセンサで構成される。広域空燃比センサは空燃比をリーンからリッチまで幅広く検出可能な公知のセンサである。Ｏ₂センサ１８、２０は排気組成から混合気の空燃比がリッチかリーンかを判別する公知のセンサである。

コントローラ１５は、排気バイパス弁９を閉じた状態では、上流触媒１２の上流のＡ／Ｆセンサ１６の検出する空燃比に基づき、燃焼室に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する。コントローラ１５は排気バイパス弁９が開いた状態では、下流触媒１０の上流のＡ／Ｆセンサ１９の検出する空燃比に基づき、燃焼室に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する。

コントローラ１５はまた、空燃比制御を通じて、排気バイパス弁９に故障が生じていないかどうかを診断する。

排気バイパス弁９のこの故障診断アルゴリズムについて次に説明する。

コントローラ１５は下流触媒１０が未活性の運転条件で、排気バイパス弁９を閉じ、排気を上流触媒１２に導く。一方。コントローラ１５は内燃エンジン１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比の近傍に制御する。この場合の空燃比制御には、Ａ／Ｆセンサ１６が検出する空燃比に基づくフィードバック制御が適用される。

図２はコントローラ１５が実行する故障診断の基本アルゴリズムを説明するタイミングチャートである。

排気バイパス弁９を閉じた状態で、空燃比のフィードバック制御を行なう場合、コントローラ１５は上流触媒１２の上流のＡ／Ｆセンサ１６の検出空燃比に基づき燃料噴射弁７の燃料噴射量を制御する。

上流触媒１２は酸素貯留能力を備えているため、内燃エンジン１から排出される排気の組成によらず、上流触媒１２の下流のＯ₂センサ１８の出力は酸素貯留量がゼロにならない限りは、図２の（Ｂ）に示すように理論空燃比付近で安定する。したがって、下流触媒１０の途中のＯ₂センサ２０の出力も同様に理論空燃比で安定するはずである。

しかし、排気バイパス弁９が完全に閉鎖していないと、内燃エンジン１の排気の一部が上流触媒１２を介さずに直接下流触媒１０に流入することになる。この排気がリッチ空燃比相当の場合には、下流触媒１０に流入する排気全体の組成がリッチ側に変化する。下流触媒１０にも酸素の貯留能力があるので、下流触媒１０の途中のＯ₂センサ２０の出力信号は直ちにリッチスライスレベルを超えることはない。しかし、下流触媒１０が貯留酸素を放出し尽くすと、Ｏ₂センサ２０の出力信号はリッチスライスレベルを突破する。したがって、上流触媒１２の下流のＯ₂センサ１８の出力がリーンスライスレベルとリッチスライスレベルの範囲に収束した状態で、所定の診断許可時間が経過した時点のＯ₂センサ２０の出力信号がリッチスライスレベルを超えていれば、排気バイパス弁９に故障が発生していると見なすことができる。

診断許可時間は、コントローラ１５があらかじめ分かっている触媒の最大酸素貯留量（ＯＳＣ）から、経年変化による減少量を差し引くことで推定する。

図３は上記のアルゴリズムに基づく、コントローラ１５が実行する排気バイパス弁９の故障診断ルーチンを示す。

コントローラ１５はこのルーチンを内燃エンジン１の運転中に一定の時間間隔で実行する。一定の時間間隔は例えば１０ミリ秒とする。

ステップＳ１でコントローラ１５は、内燃エンジン１が燃料カット状態で運転されているかどかを判定する。排気バイパス弁９の故障診断に先立ち、触媒の酸素貯留量を最大にしておくためにこの判定を行なう。燃料カットが行なわれていない場合は、コントローラ１５は以後のステップに進むことなくルーチンを終了する。

内燃エンジン１が燃料カット状態で運転されている場合には、コントローラ１５はステップＳ２で下流触媒１０の酸素貯留容量を推定する。新品状態の触媒のＯＳＣは触媒の仕様から既知の値として与えておくことができる。職場の経年変化に基づくＯＳＣ減少量も実験的にあらかじめ設定することができる。コントローラ１５はステップＳ２で、下流触媒１０を構成する触媒の新品時のＯＳＣから経年変化に基づくＯＳＣ減少量を差し引くことで下流触媒１０の酸素貯留容量を推定する。

次のステップＳ３で、コントローラ１５は推定した酸素貯留容量が所定量を上回っているかどうかを判定する。触媒の酸素貯留能力が余りにも低下している場合には、排気バイパス弁９に漏れがあるかどうかを正確に診断することができない。そのため、推定した酸素貯留容量が所定量を上回らない場合には、コントローラ１５は診断を行なわずにルーチンを終了する。

ステップＳ３で酸素貯留容量が所定量を上回っている場合には、コントローラ１５はステップＳ４で診断許可時間を計算する。診断許可時間は触媒が貯留した酸素をすべて放出するのに要する時間に相当する。これは酸素貯留容量に応じてあらかじめ設定されており、許可時間マップとしてコントローラ１５のＲＯＭに格納される。コントローラ１５はステップＳ４で酸素貯留容量からマップを検索して診断許可時間を設定する。

次のステップＳ５で、コントローラ１５は内燃エンジン１の吸入空気量変化が所定変化量以下であるかどうかを判定する。この判定は、エアフローメータ２１が検出する吸入空気量に基づき行なわれる。吸入空気量が大幅に変動する状態では、診断に誤差が入りやすいので、診断を行なわないようにするのである。この判定により、コントローラ１５は排気バイパス弁９の故障診断の実行を、例えば内燃エンジン１のアイドル運転時や、車両の高速道路の巡航走行時のような内燃エンジン１の安定した運転条件に限定する。

ステップＳ５で吸入空気量変化が所定変化量以下の場合には、コントローラ１５はステップＳ６で、空燃比フィードバック制御を実行中かどうかの判定を行う。空燃比フィードバック制御を実行中でなければ、コントローラ１５は以後のステップに進むことなくルーチンを終了する。故障診断のためには空燃比フィードバック制御が不可欠だからである。

ステップＳ６で空燃比フィードバック制御を実行中と判定した場合には、コントローラ１５はステップＳ７で排気バイパス弁９を閉鎖する。

次のステップＳ８で、コントローラ１５は上流触媒１２の下流のＯ₂センサ１８の検出値が理論空燃比を中心とするウインドウ内にあるかどうかを判定する。

ステップＳ８で、Ｏ₂センサ１８の検出値が理論空燃比を中心とするウインドウ内に存在しなければ、コントローラ１５はそのままルーチンを終了する。ステップＳ８で、Ｏ₂センサ１８の検出値が理論空燃比を中心とするウインドウ内に存在する場合には、コントローラ１５はステップＳ９でタイマを参照して診断許可時間が経過したかどうかを判定する。このタイマはステップＳ８の判定が否定的から肯定的に転じた時点でリセットされるものとする。

ステップＳ９の判定の結果、診断許可時間が経過していなければ、コントローラ１５はステップＳ１１でタイマをインクリメントした後にルーチンを終了する。

ステップＳ９の判定の結果、診断許可時間が経過している場合には、コントローラ１５はステップＳ１０で下流触媒１０の途中のＯ₂センサ２０の出力がリッチスライスレベルを上回っているかどうかを判定する。

Ｏ₂センサ２０の出力がリッチスライスレベルを上回っている場合には、コントローラ１５は排気バイパス弁９が故障していると判定し、ステップＳ１２で故障フラグを１にセットした後、ルーチンを終了する。

Ｏ₂センサ２０の出力がリッチスライスレベルを上回っていない場合には、コントローラ１５は排気バイパス弁９は故障していないと判定し、ステップＳ１３で故障フラグをゼロにリセットした後、ルーチンを終了する。

以上のルーチンの実行により、コントローラ１５は空燃比をリッチからリーン及びリーンからリッチへと何度も反転させることなく、排気バイパス弁９の故障診断を行なうことができる。また、排気バイパス弁９の故障診断のために格別の部品を追加する必要もない。

コントローラ１５は、排気バイパス弁９故障診断を吸入空気量の変化の少ない運転条件に限って行なうので、故障診断はコントローラ１５が実行する空燃比制御や触媒の貯留酸素量の制御に影響を及ぼしにくく、空燃比制御や触媒の貯留酸素量の制御精度を損なわない。

コントローラ１５は、燃料カットを行った後に排気バイパス弁９の故障診断を行なうので、下流触媒１０が確実に酸素貯留容量まで酸素を貯留した状態とすることができる。その上で、酸素貯留容量から診断許可時間を設定し、診断許可時間の経過時点でのＯ₂センサ２０の出力から排気バイパス弁９の故障を診断するので精度の良い診断が行なえる。また、下流触媒１０の酸素貯留容量が所定量を下回る場合には診断を行なわないので、さらに高い診断精度を得ることができる。

なお、図３のルーチンにおいて、ステップＳ１が酸素貯留操作手段を構成し，ステップＳ２が推定手段を構成し、ステップＳ３が第１の禁止手段を構成し、ステップＳ４が計算手段を構成し、ステップＳ５が第２の禁止手段を構成し、ステップＳ６が空燃比フィードバック制御手段を構成し，ステップＳ７が排気バイパス弁閉鎖手段を構成し，ステップＳ８が理論空燃比判定手段を構成し，ステップＳ１０が故障判定手段を構成する。

以上、この発明を特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は特定の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

以上の実施形態においては、制御に必要なパラメータをそれぞれセンサを用いて検出しているが、この発明はパラメータの取得方法には依存せず、パラメータを用いてクレームされた制御を実行するいかなる装置にも適用可能である。

この発明を適用する内燃エンジンの排気システムの概略構成図である。 この発明による排気バイパス弁の故障診断のアルゴリズムを説明するタイミングチャートである。 この発明によるコントローラが実行する故障診断ルーチンを説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃エンジン
２ エアクリーナ
３ 吸気通路
４ 吸気スロットル
５ 吸気コレクタ
６ 吸気ポート
７ 燃料噴射弁
８ 排気通路
９ 排気バイパス弁
１０ 下流触媒
１１ バイバス通路
１２ 上流触媒
１３ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ弁
１５ コントローラ
１６ Ａ／Ｆセンサ
１８ Ｏ₂センサ
１９ Ａ／Ｆセンサ
２０ Ｏ₂センサ
２１ エアフローメータ

Claims (8)

1. 排気管に設けた酸素貯留能力を有する下流触媒と、下流触媒の上流において排気管に設けた排気バイパス弁と、排気バイパス弁をバイパスするバイパス通路に設けた酸素貯留能力を有する上流触媒と、を備えた内燃エンジンに適用する排気バイパス弁の故障診断装置において、
   下流触媒に酸素を貯留させるように、内燃エンジンへの燃料供給を制御する酸素貯留操作手段と、
   内燃エンジンが燃焼する混合気の空燃比を、上流触媒の上流の排気組成に基づきフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
   空燃比フィードバック制御手段による空燃比フィードバック制御のもとで排気バイパス弁を閉鎖する排気バイパス弁閉鎖手段と、
   上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持されているかどうかを判定する理論空燃比判定手段と、
   排気バイパス弁が閉鎖され、上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持された状態で、所定の診断許可時間が経過した時点における下流触媒の酸素濃度が所定のリッチスライスレベルを超えている場合に、排気バイパス弁が故障していると判定する故障判定手段と、
   を備えたことを特徴とする排気バイパス弁の故障診断装置。
2. 酸素貯留操作手段は内燃エンジンへの燃料供給をカットする燃料カット手段で構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気バイパス弁の故障診断装置。
3. 下流触媒の酸素貯留容量を推定する推定手段と、下流触媒の酸素貯留容量に基づき所定の診断許可時間を計算する計算手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気バイパス弁の故障診断装置。
4. 推定手段は予め与えられる下流触媒の最大酸素貯留量から、経年変化に伴う減少量を差し引くことで、下流触媒の酸素貯留容量を推定することを特徴とする請求項３に記載の排気バイパス弁の故障診断装置。
5. 所定の診断許可時間は下流触媒が酸素貯留容量相当の貯留酸素を放出する時間に相当することを特徴とする請求項３または４に記載の排気バイパス弁の故障診断装置。
6. 下流触媒の酸素貯留容量が所定量を下回る場合には、故障判定手段による排気バイパス弁の故障判定を禁止する第１の禁止手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の排気バイパス弁の故障診断装置。
7. 内燃エンジンの吸入空気量の変化が所定値を超える場合に故障判定手段による排気バイパス弁の故障判定を禁止する第２の禁止手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の排気バイパス弁の故障診断装置。
8. 内燃エンジンの排気管に設けた酸素貯留能力を有する下流触媒と、下流触媒の上流において排気管に設けた排気バイパス弁と、排気バイパス弁をバイパスするバイパス通路に設けた酸素貯留能力を有する上流触媒と、を備えた内燃エンジンに適用する排気バイパス弁の故障診断方法において、
   下流触媒に酸素を貯留させるように、内燃エンジンへの燃料供給を制御し、
   内燃エンジンが燃焼する混合気の空燃比を、上流触媒の上流の排気組成に基づきフィードバック制御し、
   空燃比のフィードバック制御のもとで排気バイパス弁を閉鎖し、
   上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持されているかどうかを判定し、
   排気バイパス弁が閉鎖され、上流触媒の下流側の排気の組成が理論空燃比の近傍に維持された状態で、所定の診断許可時間が経過した時点における下流触媒の酸素濃度が所定のリッチスライスレベルを超えている場合に、排気バイパス弁が故障していると判定する、
   ことを特徴とする内燃エンジンの排気バイパス弁の故障診断方法。

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