JPH04112949A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、触媒コンバータの上流側と下流側とに配設
された空燃比センサを利用して、触媒の劣化状態を診断
するようにした内燃機関の触媒劣化診断装置、特に左右
バンクのそれぞれにプリ触媒を備えたＶ型内燃機関や水
平対向型内燃機関における触媒劣化診断装置に関する。

従来の技術 内燃機関の触媒コンバータの上流側および下流側にそれ
ぞれ空燃比センサ例えば０．センサを配設し、上流側Ｏ
，センサの出力信号を主にして空燃比フィードバック制
御を実行するとともに、両センサの出力信号の比較から
触媒の劣化を診断するようにした装置が、例えば特開昭
６３−２０５４４１号公報に開示されている。

すなわち、空燃比フィードバック制御の実行中には、主
に上流側Ｏ，センサの出力信号に基づいて例えば疑似的
な比例積分制御により燃料供給量が制御されるので、上
流側Ｏ，センサの出力信号は第５図の（２Ｌ）に示すよ
うに、周期的にリッチ。

リーンの反転を繰り返す。これに対し、触媒コンバータ
の下流側では、触媒の０．ストレージ能力により残存酸
素濃度の変動が非常に緩やかなものとなるので、下流側
Ｏ，センサの出力信号としては、第５図の（ｂ）に示す
ように、上流側Ｏ，センサに比べて変動幅か小さく、か
つ周期が長くなる。

しかし、触媒コンバータにおける触媒が劣化してくると
、０．ストレージ能力の低下により、触媒コンバータ上
流側と下流側とで酸素濃度がそれ程変わらなくなり、そ
の結果、下流側Ｏ，センサの出力信号は、第５図の（ｃ
）に示すように、上流側Ｏ，センサの出力に近似した周
期で反転を繰り返すようになり、かつその変動幅も大き
くなって（る。

従って、上記公報に記載の装置では、上流側Ｏ，センサ
のリッチ、リーンの反転周期ＴＩと下流側Ｏ，センサの
リッチ、リーンの反転周期Ｔ２との比（ＴＩ／Ｔ２）を
求め、この比が所定値以上となったときに、触媒が劣化
したものと判定するようにしている。

尚、下流側０．センサの出力信号は、上述した触媒劣化
診断のほかに、上流側Ｏ，センサの出力信号に基づく空
燃比フィードバック制御の全体的な空燃比の片寄りの学
習補正等にも用いられるのが一般的である。

発明が解決しようとする課題 ところで、Ｖ型６気筒やＶ型８気筒等の■型内燃機関あ
るいは水平対向型内燃機関では、特開平１−８３３２号
公報に見られるように、右バンクおよび左バンクの各排
気通路に独立したブリ触媒を設けるとともに、両者の合
流部より下流側に１個のメイン触媒を設けた触媒ノステ
ムが採用される場合かある。

このような構成では、各ブリ触媒の１．流側にそれぞれ
上流側Ｏ，センサを配し、かつメイン触媒の下流側に１
個の下流側Ｏ，センサを配して、両者の比較から触媒の
劣化診断が行われることになる。

しかしながら、このようなＶ全内燃機関等では、各バン
ク毎に独立して空燃比フィードバック制御が実行される
ので、単に上流側Ｏ，センサの出力と下流側Ｏ，センサ
の出力とを比較しても、空燃比フィードバック制御の状
況によっては正確な劣化診断がなし得ない。

例えば、右バンクの実際の空燃比のリッチ、リーンの反
転と、左バンクのリッチ、リーンの反転とが、互いに打
ち消し合うような周期で行われていたとすると、仮に触
媒が劣化していたとしても、下流側Ｏ，センサの出力は
非常に平滑化された形となってしまい、誤診断を生じる
。

また逆に、両バンクのリッチ、リーンの反転が全く同一
のタイミングで生じたとすると、それだけメイン触媒に
至る残存酸素濃度の変化の振幅が大きくなるので、触媒
が正常であっても、下流側０、センサの出力の振幅が大
きくなり、「劣化」と誤診断され易くなる。

課題を解決するための手段 この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、第１図
に示すように、内燃機関ｌの左右バンクｌａ、１ｂに独
立して設けたブリ触媒の上流側にそれぞれ配設された上
流側空燃比センサ２，２と、メイン触媒の下流側に配設
された下流側空燃比センサ３と、主に上記上流側空燃比
センサ２．２における検出空燃比のリッチ、リーンの反
転に基づいて各バンクＩａ、Ｉｂ毎に空燃比をフィード
バック制御するフィードバック制御手段４，４とを備え
ている。そして、片バンクづつ空燃比フィードバック制
御を停止し、そのバンクの空燃比を理論空燃比近傍の略
一定値に固定する診断用空燃比クランプ手段５と、他方
のバンクの空燃比を、上記フィードバック制御手段４．
４もしくは他の強制的な手段により周期的に変化させる
診断用空燃比制御手段６と、この空燃比が周期変化する
バンクの上流側空燃比センサ２の出力と下流側空燃比セ
ンサ３の出力とを比較して触媒の劣化を判定する判定手
段７とを備えて構成されている。

作用 上記構成では、主に上流側空燃比センサ２．２の出力信
号に基づいて内燃機関１の空燃比がバンクＩａ、Ｉｂ毎
にフィードバック制御される。詳しくは、比例積分制御
等により微小な変動を繰り返しつつ理論空燃比近傍に保
たれる。

そして、触媒の劣化診断に際しては、片バンクづつフィ
ードバック制御が停止され、当該バンクの空燃比が理論
空燃比近傍の略一定値に固定される。この状態で、他方
のバンクの空燃比を周期的に変化させ、これに伴う上流
側空燃比センサ２の出力変化と下流側空燃比センサ３の
出力変化とを比較することで、そのバンクの触媒劣化が
診断できる。

実施例 以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。

第２図は、この発明をＶ型６気筒内燃機関１１に適用し
た一実施例を示す構成説明図であって、内燃機関１１の
右バンク１１ａ、左バンクＩｌｂの間に位置する吸気コ
レクタ１２が各気筒の吸気ポートに接続されているとと
もに、各吸気ポートへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁
１３が各気筒毎に配設されている。上記吸気コレクタＩ
２には、吸気通路１４が接続されており、その通路中に
スロットル弁１５が介装されているとともに、これより
上流側に、吸入空気量を検出する例えば熱線式のエアフ
ロメータ１６が配設されている。

また右バンクｌｌａ、左バンクＩｌｂの各排気通路１７
．１８には、例えば三元触媒を用いたプリ触媒１９．２
０がそれぞれ介装されており、かつこのプリ触媒１９，
２０の下流側において、両排気通路１７．１８が１本の
排気通路２１として合流している。そして、この下流側
の排気通路２１には、同じく三元触媒からなる１個のメ
イン触媒２２が介装されている。

上記プリ触媒１９２０の上流側には、それぞれ上流側０
２センサ２３．２４が配設されている。

またメイン触媒２２の下流側に、下流側Ｏ，センサ２５
が配設されている。この空燃比センサとしての０．セン
サ２３，２４．２５は、排気中の残存酸素濃度に応じた
起電力を発生するもので、特に理論空燃比を境に起電力
が急変し、理論空燃比より過濃側（リッチ側）で高レベ
ル（約ＩＶ程度）に、希薄側（リーン側）で低レベル（
約１００ｚ■程度）となる。

また、２６は内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ
、２７は機関回転数を検出するために設けられた所定ク
ランク角毎にパルス信号を発するクランク角センサを示
している。

上述した各種センサの検出信号が入力されるコントロー
ルユニット２８は、所謂マイクロコンピュータシステム
を用いたもので、０．センサ２３〜２５に基づく燃料噴
射弁１３の噴射量制御つまりフィードバック制御方式に
よる空燃比制御を各バンクＩＩａ、１１ｂ毎に実行する
とともに、後述するような触媒の劣化診断を行い、所定
レベル以上の劣化と判定した場合には警告灯２９を点灯
させるようになっている。

次に上記実施例における作用について説明する。

先ず、空燃比制御の概略を説明する。この空燃比制御は
、エアフロメータ１６が検出した吸入空気量とクランク
角センサ２７が検出した機関回転数とから基本パルス幅
Ｔｐ（基本噴射量）を演算し、かつこれに種々の増量補
正やフィードバック補正を加えて各バンクＩｌａ、Ｉｌ
ｂの燃料噴射弁１３の駆動パルス幅Ｔｉ（噴射量）を決
定するのであり、具体的には次式によってパルス幅Ｔｉ
が求められる。

Ｔｉ＝ＴｐＸＣＯＥＦＸα’−、Ｔｓ ここでＣ０ＥＦは各種増量補正係数であり、例えば水温
に応じた水温増量補正、高速高負荷時の空燃比補正など
からなる。Ｔｓは、燃料噴射弁１３の無効時間を補償す
るようにバッテリ電圧に応じて付加される電圧補正係数
である。

また、αは主に上流側０．センサ２３．２４の検出信号
に基づいて各バンク＋１ａ、ｌｌｂ毎に演算されるフィ
ードバック補正係数である。すなわち、０．センサ２３
．２４の出力信号を所定のスライスレベル（理論空燃比
に対応する）と比較し、かつそのリーン側およびリッチ
側への反転に基づく疑似的な比例積分制御によって求め
られる値で、１以上であればリッチ側へ、１以下であれ
ばリーン側へ空燃比が制御される。

第６図の（２Ｌ）は、上流側０．センサ２３，２４の出
力信号の一例を示し、（ｂ）はこれに対応するフィード
バック補正係数αの変化を示している。上記フィードバ
ック補正係数αは、上述したように疑似的な比例積分制
御により求められるもので、Ｏ，センサの出力が所定の
スライスレベルを横切ってリッチ側からリーン側へ反転
すると、補正係数αには一定の比例分ＰＬが加算され、
かつ所定の積分定数ＩＬによる傾きで積分分が徐々に加
算されて行く。このフィードバック補正係数αは、萌述
したように基本燃料噴射量Ｔｐに乗じられるので、実際
の空燃比は徐々に濃化する。そして、次にＯ，センサの
出力がリーン側からリッチ側へ反転すると、補正係数α
から一定の比例分ＰＲが減算され、かつ所定の積分定数
ＩＲによる傾きで積分分が徐々に減算されて行く。この
ような作用の繰り返しによって、実際の空燃比は、１〜
３Ｈｚ程度の周波数で変化しつつ略理論空燃比近傍に維
持される。

尚、何らかの燃料増量を行う必要がある低水温時や高速
高負荷時、あるいは減速中のフューエルカット時等には
上記フィードバック補正係数αが１にクランプされ、実
質的にオーブンループ制御となる。

一方、下流側０．センサ２５の出力信号は、後述する触
媒の劣化診断のほかに、上流側Ｏ，センサ２３，２４に
よるフィードバック制御の全体的な片寄りの学習補正の
ために用いられる。

すなわち、上述した上流側０．センサ２３，２４による
フィードバック制御の結果、空燃比が全体としてリッチ
傾向であれば、下流側０．センサ２５の出力信号はリッ
チ側で連続したものとなる。

また空燃比が全体としてリーン傾向であれば、下流側Ｏ
，センサ２５の出力信号はリーン側で連続したものとな
る。従って、この空燃比の全体的な片寄りの傾向に応じ
て、各運転領域に予め学習値ＬＰを割り付けておき、リ
ッチ−リーン反転時の比例分ＰＬおよびリーン→リッチ
反転時の比例分ＰＲを、それぞれ、 Ｐ　ｔ、＝　Ｐ　Ｌ＋　Ｌ　Ｐ Ｐ　Ｒ＝　Ｐ　Ｒ−Ｌ　Ｐ として補正するのである。尚、比例分Ｐｔ、、ＰＲに代
えて、あるいはこれに加えて積分定数ＩＬ、ＩＲを補正
することもできる。そして、上記の学習値ＬＰは、各運
転領域の区画内に一定期間とどまっていたときに学習更
新する。つまり、下流側Ｏ。

センサ２５の出力信号がなおもリッチ側にあれば、学習
値ＬＰから所定量ΔＬ　Ｐ　ｓ＋を差し引き、新たな学
習値ＬＰとして更新する。同様に、下流側０２センサ２
５の出力信号がなおもリーン側にあれば、学習値ＬＰに
所定量ΔＬ　Ｐ　Ｌを加算して、新たな学習値ＬＰとし
て更新する。

従って、上流側Ｏ，センサ２３．２４の経年変化や各部
の個体差による全体的な空燃比の片寄りが一層精度良く
、かつ応答性良く補正される。尚、上記の学習値ＬＰの
学習更新の度に、各運転領域の区画に対応する学習カウ
ンタがインクリメントされ、その値から十分に学習が進
行した状態か否かを判別できるようになっている。

次に、第３図は上記コントロールユニット２８において
実行される触媒の劣化診断のプログラムを示すメインフ
ローチャートであり、以下、これを説明する。尚、この
ルーチンは例えば一定時間毎あるいは一定クランク角毎
に繰り返し実行される。

先ず、ステップｌでは診断条件が成立しているか否かを
判定する。この条件としては、例えば、■機関の暖機が
完了していること、■下流側Ｏｔセンサ２５が活性化し
ていること（これは当該センサ２５の出力レベルから判
定される）、■機関運転条件が空燃比フィードバック制
御域内であること、■機関回転数や負荷が定常状態にあ
ること、等があり、これら総ての条件が成立している場
合にのみステップ２以降へ進んで診断を行う。

上記の条件が不成立の場合は診断は行わず、また診断が
途中まで進行している場合は一旦中断する（ステップ１
４）。

ステップ２では、前述した学習カウンタの値から、その
運転領域での学習値ＬＰの学習更新が十分に行われてい
るか判定する。学習カウンタの値が所定値以上であれば
ステップ３へ進む。ここで、学習カウンタの値が所定値
未満の場合は、診断のために一方のバンクの空燃比フィ
ードバック制御を停止した際に当該バンクの空燃比が理
論空燃比からかなりずれている可能性があり、正確な触
媒の診断を行えないので、診断は行わない。

次に、ステップ３では、フラグＰＲの状態を判定する。

このフラグＰＲは、右バンクｌｌａ側の診断が終了した
ことを示すもので、その診断終了萌はｒＦＲ＝ｏＢであ
るから、ステップ４へ進み、左バンクＩｌｂの空燃比フ
ィードバック制御を停止する。つまり左バンク１１ｂ側
のフィードバック補正係数αを一定値に固定し、オーブ
ンループ制御とする。詳しくは、第７図に示すように、
フィードバック補正係数αのクランプ直前の４周期にお
ける８個のピーク値α、〜α８を記憶しておき、そのピ
ーク値の平均値αＡＶにフィードバック補正係数αを固
定する。従って、以後の左バンク１１ｂ側のオープンル
ープ制御には、それまでの学習の影響が反映され、左バ
ンク１１ｂ側独での空燃比は理論空燃比近傍に精度良く
保たれる。

そして、このように左バンクＩｌｂの空燃比を略一定値
に固定した状態で、右バンクｌ１２Ｌ側の触媒の診断を
行う（ステップ５）。

第４図のフローチャートは、上記の診断処理の詳細を示
すもので、右バンクｌｌａ側の上流側Ｏ，センサ２３の
リッチ、リーンの反転周波数ｆ。

と下流側Ｏ，センサ２５のリッチ、リーンの反転周波数
ｆ、とを用いて、両者の反転回数比Ｈ２ＲＡＴＥを次式
のように求める（ステップ２１）っＨＺ　ＲＡ　Ｔ　Ｅ
　＝　ｆ　ｔ／　ｆつまり、この実施例では、触媒の診
断のために、右バンクＩｌａ側の空燃比フィードバック
制御をそのまま継続するので、右ハングＩｌａ側の上流
側０．センサ２３の出力はリッチ側、リーン側に周期的
に反転する。そして、触媒の劣化が進行すると、空燃比
の周期的な変動の影響を受けて、下流側０．センサ２５
の反転周波数ｆ、が高くなるので、上記反転回転数比Ｈ
ｚＲＡＴＥが大となる。

また、このとき、他方の左バンクＩｌｂの空燃比は略一
定であるから、下流側０．センサ２５の反転周波数ｆ、
に殆ど影響を与えることがない。

そして、ステップ２２で上記反転回数比Ｈ２ＲＡＴＥを
所定の判定基準値ＨｚＮＧと比較し、判定基準値ＨｚＮ
Ｇ未満であれば、触媒が劣化していないものと判断し、
警告灯２９は点灯させない。

また後述するカウンタＣＮＴの値をクリアする（ステッ
プ２６．２７）。

これに対し、反転回数比Ｈ２ＲＡＴＥが判定基準値Ｈｚ
ＮＧ以上であれば、カウンタＣＮＴの値をインクリメン
トし、かつこれを所定の判定回数ＣＮＴＮＧと比較する
（ステップ２３．２４）。

そして、所定回数ＣＮＴＮＧに達した場合、つまり所定
回数連続してＨ７ＲＡＴＥ≧ＨｚＮＧの状態が検出され
たら、触媒が劣化しているものと判断し、警告灯２９を
点灯させるとともに、その状況をメモリに記憶する。

尚、反転周波数ｆ１．ｆｔのほかに、反転周期や出力電
圧の振幅などを比較して触媒の劣化の有無を判定するよ
うにしても良い。

上記のような右バンクＩｌａ側の診断は、所定期間（例
えば２０〜３０秒程度）行う（ステップ６）。そして、
所定期間経過時点で、フラグＰＲをＰＲ＝　１としくス
テップ７）、かつ左バンク１１ｂ側のフィードバック補
正係数αのクランプを解除する。つまり、左バンク１１
ｂ側の空燃比フィードバック制御を再開する（ステップ
８）。

以上で、右バンクｌｌａ側の診断が終了するので、次ｊ
こ右バンクｌｌａ側のフィードバック補正係数αを一定
値つまり直前４周期のピーク値の平均値α、νにクラン
プしくステップ９）、この状態で左バンク１１ｂ側の触
媒の診断を行う（ステップ１０）。この診断処理は、第
４図に示した右バンクＩｌａ側の診断処理と同様である
ので、その詳細な説明は省略する。

この左バンクＩｌｂ側の診断もやはり所定期間（例えば
２０〜３０秒程度）行う（ステップ１１）。そして所定
期間経過時点で、フラグＦＲをＦＲ＝Ｏとしくステップ
Ｉ２）、かつ右バンク１１ａ側のフィードバック補正係
数αのクランプを解除して右バンク１１ａ側の空燃比フ
ィードバック制御を再開する（ステップ１３）。

このように上記実施例では、右バンク１１ａ１左バンク
ｌｌｂのフィードバック補正係数αを片側づつクランプ
して当該バンクの空燃比を理論空燃比近傍の略一定値に
固定し、その間に他方のバンクの空燃比をフィードバッ
ク制御により周期的に変動させて、各上流側０．センサ
２３．２４の出力と下流側Ｏ，センサ２５の出力との比
較から触媒の劣化が各バンク毎に診断される。従って、
一対のプリ触媒１９．２０のいずれか一方のみが劣化し
ている場合でも正確に診断てき、かつ両バンクの空燃比
変動か干渉して誤診断を招くようなことがない。

特に、上記実施例では、下流側Ｏ，センサ２５の出力信
号に基づく学習補正が十分に進行した段階で、その学習
を反映させた形で一方のバンクのフィードバック補正係
数αがクランプされるため、当該バンクのベース空燃比
の片寄りの影響が確実に排除され、誤診断の可能性が非
常に低くなる。

尚、上記実施例では、各バンク１１ａ、１１ｂの診断を
行うに際して、通常の空燃比フィードバック制御に伴う
空燃比変化を利用するようにしているが、例えば触媒診
断のために、一方のバンクの空燃比を強制的に周期変化
させるようにしても良い。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係る内燃機関
の触媒劣化診断装置によれば、Ｖ型もしくは水平対向型
内燃機関において、片パンクづつ空燃比フィードバック
制御を停止し、その状態で他方のバンクの空燃比を周期
変化させて診断を行うので、いずれか一方のバンクのブ
リ触媒が劣化している場合でも確実に判定することがで
きる。

また、両バンクの空燃比変化の干渉による誤診断を防止
でき、信頼性の高い劣化診断が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示すクレーム対応図、第２図
はこの発明の一実施例を示す構成説明図、第３図および
第４図はこの実施例における触媒劣化診断のプログラム
を示すフローチャート、第５図は触媒コンバータの上流
側Ｏ，センサと下流側０、センサの出力信号を比較して
示す波形図、第６図は上流側Ｏ，センサの出力信号とフ
ィードバック補正係数αとを対比して示す波形図、第７
図はフィードバック補正係数αのクランプ時の説明図で
ある。 ■・・・内燃機関、２・・上流側空燃比センサ、３・・
・下流側空燃比センサ、４・・・フィードバック制御手
段、５・・・診断用空燃比クランプ手段、６・・・診断
用空燃比制御手段、７・・・判定手段。 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対のバンクの各排気通路にそれぞれ介装された
   プリ触媒と、両バンクの排気通路の合流部より下流側に
   介装されたメイン触媒と、上記プリ触媒の上流側にそれ
   ぞれ配設された一対の上流側空燃比センサと、上記メイ
   ン触媒の下流側に配設された下流側空燃比センサと、主
   に上記上流側空燃比センサにおける検出空燃比のリッチ
   ，リーンの反転に基づいて各バンク毎に空燃比をフィー
   ドバック制御するフィードバック制御手段とを備えてな
   る内燃機関において、片バンクづつ空燃比フィードバッ
   ク制御を停止し、そのバンクの空燃比を理論空燃比近傍
   の略一定値に固定する診断用空燃比クランプ手段と、他
   方のバンクの空燃比を上記フィードバック制御手段もし
   くは他の強制的な手段により周期的に変化させる診断用
   空燃比制御手段と、この空燃比が周期変化するバンクの
   上流側空燃比センサの出力と下流側空燃比センサの出力
   とを比較して触媒の劣化を判定する判定手段とを備えた
   ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。