JPH0674025A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

内燃機関の触媒劣化診断装置

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JPH0674025A
JPH0674025A JP4228107A JP22810792A JPH0674025A JP H0674025 A JPH0674025 A JP H0674025A JP 4228107 A JP4228107 A JP 4228107A JP 22810792 A JP22810792 A JP 22810792A JP H0674025 A JPH0674025 A JP H0674025A
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upstream
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 触媒の劣化診断を定量的に行えるようにし、
良否の判定基準を最適に設定できるようにする。 【構成】 三元触媒コンバータの上流,下流に、上流側
2センサと下流側O2センサとを有し、通常は上流側O
2センサの出力に基づいて空燃比が制御される。診断時
には、実空燃比がリッチ,リーンに大きく振れるように
下流側O2センサの出力に基づいて空燃比制御が行われ
る。触媒が非劣化ならO2ストレージ能力により、下流
側O2センサの出力の反転は上流側O2センサの出力反転
よりも遅れるが、劣化すると、その反転遅れ期間が短く
なるので、これに基づいて劣化判定がなされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、三元触媒コンバータ
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
媒劣化診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の三元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O2センサ
を配設し、上流側O2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号公報や特開平
3−57862号公報に開示されている。
【0003】これは触媒の劣化度合と触媒のO2ストレ
ージ能力とが十分な相関関係を有することを利用したも
のであって、空燃比フィードバック制御の実行中には、
主に上流側O2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O2センサの出力信号は図11の(a)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、三元触媒コンバータの下流側では、触媒のO2
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O2センサの出力信号とし
ては、図11の(b)に示すように、上流側O2センサ
に比べて変動幅が小さく、かつ周期が長くなる。
【0004】しかし、三元触媒コンバータにおける触媒
が劣化してくると、O2ストレージ能力の低下により、
三元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O2センサの出力
信号は、図11の(c)に示すように、上流側O2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くる。
【0005】従って、上記公報に記載の装置では、上流
側O2センサのリッチ,リーンの反転周期T1と下流側
2センサのリッチ,リーンの反転周期T2との比(T
1/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。
【0006】尚、下流側O2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O2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。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のように単に下流側空燃比センサの反転周期によって触
媒劣化を診断する方法では、劣化度合の定量的な判定は
行えず、良否の判定基準を任意に設定することができな
い。つまり、図12にO2ストレージ能力と反転周期比
との関係を示したように、触媒がある程度劣化すると、
下流側空燃比センサのリッチ,リーンの反転は上流側空
燃比センサのリッチ,リーンの反転と略同調してしま
い、これより劣化の少ない領域でもあるいは劣化の大き
な領域でもそれ以上きめ細かな劣化度合の診断を行うこ
とができない。従って、転化性能が残存していても劣化
と判定される場合が生じるとともに、判定精度が低い、
という不具合があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
2ストレージ能力による触媒下流側でのリッチ,リー
ンの反転の遅れに着目し、これから触媒の劣化度合を判
定するようにした。すなわち、この発明に係る内燃機関
の触媒劣化診断装置は、図1に示すように、排気通路に
介装された三元触媒コンバータの上流側に配設された上
流側空燃比センサ1と、三元触媒コンバータの下流側に
配設された下流側空燃比センサ2と、所定の診断時に、
下流側空燃比センサ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略理論空燃比となるように燃料供
給量を補正する空燃比制御手段3と、上流側空燃比セン
サ1における検出空燃比のリッチ,リーンの反転から下
流側空燃比センサ2における検出空燃比のリッチ,リー
ンの反転までの遅れ期間を検出する反転遅れ検出手段4
と、この反転遅れ期間に基づいて触媒劣化を判定する判
定手段5とを備えたことを特徴としている。
【0009】また請求項2の発明では、上記反転遅れ期
間内の吸入空気量を積分し、その大小に基づいて判定を
行うようにした。請求項3の発明では、この吸入空気量
積分値を更に空燃比でもって補正するようにした。
【0010】請求項4の発明では、触媒温度を検出する
温度検出手段を設け、上記判定手段5における劣化判定
基準を触媒温度に応じて補正するようにした。
【0011】
【作用】通常は主に上流側空燃比センサ1の検出空燃比
に基づいて燃料供給量がフィードバック制御されるが、
触媒の診断時には、下流側空燃比センサ2の検出空燃比
に基づいて燃料供給量がフィードバック制御される。こ
のフィードバック制御に伴い、実際の空燃比はリッチ,
リーンに周期的に反転し、その平均空燃比が略理論空燃
比となる。特に、微少な空燃比変化の影響が現れにくい
触媒下流側での検出空燃比変化に基づいて制御を行うこ
とにより、実際の空燃比のリッチ,リーンの変動は大き
くなり、かつ周期も長くなる。つまり、触媒のO2スト
レージ能力を上廻るように、排気中の酸素が不足してい
る状態および過剰な状態が交互に確実に得られる。
【0012】このような実際の空燃比変化に対し、触媒
上流に位置する上流側空燃比センサ1では、排気中の酸
素濃度変化の影響をそのまま受ける。これに対し、触媒
下流に位置する下流側空燃比センサ2では、触媒のO2
ストレージ能力によって酸素濃度変化が遅れて現れる。
つまり、酸素の過剰な排気が触媒を通過すると、初期に
は酸素が触媒に吸着されるので、O2ストレージ能力を
越えた時点で初めて下流側空燃比センサ2に影響が現れ
る。同様に、酸素不足な排気が触媒を通過すると、その
前に蓄えられていた酸素が放出されるので、放出され尽
くすまでは下流側空燃比センサ2の検出空燃比がリッチ
に変化しない。
【0013】従って、上流側空燃比センサ1における検
出空燃比のリッチ,リーンの反転に対し、下流側空燃比
センサ2における検出空燃比のリッチ,リーンの反転は
遅れて生じることになり、特にO2ストレージ能力が高
いほど、その反転遅れ期間は長くなる。そのため、この
反転遅れ期間に基づいて触媒劣化度合が定量的に示さ
れ、任意のレベルでもって劣化判定を行うことができ
る。
【0014】上記の反転遅れ期間は、触媒を通過する排
気量の大小に左右される。そのため、反転遅れ期間内の
吸入空気量を積分すれば、その値が触媒劣化度合を一層
正確に示すものとなる。
【0015】また反転遅れ期間の間に触媒を通過する排
気の酸素濃度は、実際の空燃比によって逐次変化する
が、これによっても反転遅れ期間が影響を受ける。その
ため、実際の空燃比でもって吸入空気量積分値を補正す
れば、更に正確なものとなる。
【0016】一方、触媒温度が低いときには、O2スト
レージ能力が相対的に低下する。そのため、判定手段5
における劣化判定基準を触媒温度に応じて補正すれば、
その影響を排除できる。
【0017】
【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。
【0018】図2はこの発明の一実施例の機械的構成を
示す構成説明図であって、11は内燃機関、12はその
吸気通路、13は排気通路を示している。上記吸気通路
12には、吸気ポートへ向けて燃料を供給する燃料噴射
弁14が気筒毎に配設されているとともに、スロットル
弁15が介装されており、その上流側に、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。
【0019】上記排気通路13には、三元触媒コンバー
タ17が介装されているとともに、該三元触媒コンバー
タ17よりも上流位置に上流側O2センサ18が、下流
位置に下流側O2センサ19がそれぞれ配設されてい
る。この空燃比センサとしてのO2センサ18,19
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ステップ状に急
変する特性を有している。
【0020】また、20は内燃機関の冷却水温を検出す
る水温センサ、21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。22は三元触媒コンバータ17
下流側の排気温度を検出する排気温度センサであり、こ
れによって三元触媒コンバータ17の温度が間接的に検
出される。
【0021】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23は、所謂マイクロコンピュ
ータシステムを用いたもので、O2センサ18,19に
基づく燃料噴射弁14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24を点灯させるようにな
っている。
【0022】次に上記実施例における作用について説明
する。
【0023】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Qとクランク角センサ21が検出した機関回転数Nと
から基本パルス幅Tp(基本噴射量)を、 Tp=(Q/N)×k (但し、kは定数) として、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燃料噴射弁14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。
【0024】Ti=Tp×COEF×α+Ts ここでCOEF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14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。
【0025】また、αは主に上流側O2センサ18の検
出信号に基づいて演算されるフィードバック補正係数で
ある。すなわち、上流側O2センサ18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。
【0026】図3の(a)は、上流側O2センサ18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、上流側O2センサ18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、前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
上流側O2センサ18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、1〜2Hz程度の周期で変化しつ
つ略理論空燃比近傍に維持される。
【0027】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、実質的にオープンループ制御となる。
【0028】一方、下流側O2センサ19の出力信号
は、後述する触媒の劣化診断のほかに、上流側O2セン
サ18によるフィードバック制御の全体的な片寄りの補
正のために用いられる。
【0029】すなわち、下流側O2センサ19の出力信
号についても、そのリッチ,リーンの反転に基づいて同
様に疑似的な比例積分制御がなされ、第2補正係数αi
が求められる。そして、この第2補正係数αiを用い
て、前述したフィードバック補正係数αの演算における
比例分PLおよびPRを、それぞれ、 PL=PL+αi PR=RR−αi として補正するのである。尚、この結果、下流側O2
ンサ19の出力信号は比較的長い周期でもってリッチ,
リーンの反転を繰り返すようになる。
【0030】次に、図4のフローチャートに基づいて触
媒の劣化診断について説明する。尚、実際には、上流側
2センサ18と下流側O2センサ19の反転周期の比に
基づいて予備的な診断を行い、ここである程度劣化して
いると判断した場合にのみ図4に示す本発明の診断を実
行するようにしている。
【0031】先ずステップ1では、診断を行うべき所定
の運転状態か否か判定する。ここで所定の運転状態に該
当しなければ、劣化診断は行わない。
【0032】診断を行うべき所定運転状態であれば、ス
テップ2へ進み、空燃比制御を下流側O2センサ19の
出力信号に基づくフィードバック制御に切り換える。こ
れは、前述した上流側O2センサ18による空燃比制御
と同様に行われ、下流側O2センサ19の出力信号のリ
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
分制御によってフィードバック補正係数αが求められ
る。そして、このフィードバック補正係数αを基本燃料
噴射量Tpに乗じることで、実際の空燃比が周期的に変
化しつつその平均空燃比が略理論空燃比となる。ここ
で、三元触媒コンバータ17下流側では、触媒のO2
トレージ能力により微少な空燃比変化の影響が現れにく
くなるため、下流側O2センサ19の検出空燃比に基づ
いて制御を行うと、図5に示すように、実際の空燃比の
リッチ,リーンの変動が大きくなり、かつ周期も長くな
る。
【0033】このような下流側O2センサ19による空
燃比制御に切り換えた後に、ステップ3,ステップ5
で、上流側O2センサ18の出力信号のリッチ,リーン
の反転および下流側O2センサ19の出力信号のリッ
チ,リーンの反転を検出し、かつ両者間の遅れ時間T
(図5参照)を反転の度に計測する(ステップ4)。こ
の遅れ時間Tは、前述したように触媒のO2ストレージ
能力が高いほど長くなる。そして、ステップ6で、反転
の度に計測された遅れ時間Tの平均値TAVを移動平均と
して求める。
【0034】また、ステップ7では、遅れ時間Tの計測
を行った反転回数を求め、かつステップ8で、この反転
回数に対する判定基準値詳しくはOK判定基準値とNG
判定基準値とを所定のデータテーブルに基づいて決定す
る。上記OK判定基準値は、触媒が劣化していないと断
定できるレベルであり、NG判定基準値は、触媒が劣化
していると断定できるレベルである。これらの基準値
は、反転回数に対し図6に示すような特性で与えられて
いる。
【0035】これらの判定基準値を用いて、ステップ9
で先ず遅れ時間平均値TAVをNG判定基準値と比較す
る。ここでNG判定基準値未満であれば直ちに触媒劣化
と判定し、警告灯24を点灯する(ステップ10)。ま
たNG判定基準値以上であった場合には、ステップ11
へ進んでOK判定基準値と比較する。ここでOK判定基
準値より大であれば、直ちに触媒非劣化と判定(ステッ
プ12)する。このように触媒劣化あるいは触媒非劣化
と判定した場合には、その時点で劣化診断処理を終了
し、空燃比制御を通常の制御つまり上流側O2センサ1
8による制御に復帰させる。
【0036】一方、遅れ時間平均値TAVが、NG判定基
準値〜OK判定基準値の間にある場合には、判定を保留
し、再度遅れ時間Tの計測等を繰り返す。すなわち、図
6に遅れ時間平均値TAVの一例を示したように、NG判
定基準値未満あるいはOK判定基準値より大となるまで
遅れ時間Tの計測等が繰り返されるようになっており、
この結果、劣化が非常に小さい場合あるいは劣化が非常
に大きい場合には早期に診断が終了し、かつ劣化度合が
微妙な場合には、遅れ時間Tの計測を複数回繰り返すこ
とで精度良く判定が行えるのである。従って、下流側O
2センサ19による空燃比制御の期間が可及的に短くな
り、排気組成に及ぼす悪影響が最小限のものとなる。
【0037】このように反転の遅れ時間Tに着用した劣
化診断によれば、触媒のO2ストレージ能力に対し図7
のように遅れ時間Tが変化するため、任意の劣化度合で
もって良否判定を行うことができる。
【0038】次に、図8のフローチャートは、この発明
の異なる実施例を示している。この実施例では、上流側
2センサ18の出力信号の反転(ステップ3)から下
流側O2センサ19の出力信号の反転(ステップ5)ま
での遅れ時間の間に、逐次変化する内燃機関11の吸入
空気量Qを積分し(ステップ4)、その積分値QIの平
均値QIAVを判定パラメータとして用いるようにしてい
る。この吸入空気量Qの積分値QIは、遅れ時間の間に
三元触媒コンバータ17を通過した排気量に相当するの
で、機関回転数Nが種々異なるような場合でも触媒のO
2ストレージ能力を正しく示すことになり、一層正確な
判定が行える。尚、基本燃料噴射量Tpは前述したよう
にQ/Nに比例するので、この基本燃料噴射量Tpある
いは最終的な噴射量Tiを、遅れ期間内の1回転毎に積
算しても吸入空気量Qの積分値QIを求めることが可能
である。
【0039】図9のフローチャートは、遅れ期間内の吸
入空気量Qの積分値QIを更に空燃比でもって補正する
ようにした実施例を示している。この実施例では、空燃
比を前述したフィードバック補正係数αでもって示すよ
うにしており、遅れ期間の間に逐次フィードバック補正
係数αを読み込む(ステップ4a)とともに、吸入空気
量Qを読み込み(ステップ4b)、かつ一定時間毎に、
QI=QI+Q×(1−α)の演算を行って(ステップ
4c)積分値QIを求めている。従って、空燃比が上記
遅れ期間に及ぼす影響が相殺され、触媒のO2ストレー
ジ能力を更に精度良く判定できる。
【0040】機関始動直後のように触媒温度が低いとき
には、触媒のO2ストレージ能力は相対的に低下する。
図10は、このような触媒温度を考慮してOK判定基準
値およびNG判定基準値を設定するようにした実施例を
示している。例えば、排気温度センサ22によって検出
された排気温度が高い場合には、図10の実線の特性に
沿って各判定基準値が設定される。排気温度が中間の場
合には、破線の特性に沿って各判定基準値が設定され
る。そして排気温度が低い場合には、一点鎖線の特性に
沿って各判定基準値が設定される。
【0041】この実施例によれば、触媒温度が低い場合
でも触媒の劣化度合を精度良く判定することが可能であ
り、劣化度合が小さいにも拘わらず温度に依存するO2
ストレージ能力の低下により劣化と誤判定してしまうこ
とがない。
【0042】
【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、三元触媒
コンバータの劣化度合の定量的な判定が可能であり、良
否の判定基準を任意の点に設定できる。従って、触媒の
転化性能が残存しているにも拘わらず劣化と判定された
り、触媒の転化性能が排気性能上不十分であるにも拘わ
らず非劣化と判定される、といった不具合がなく、適切
な劣化判定が可能となる。
【0043】また吸入空気量の積分値あるいはこれを空
燃比でもって補正した値を判定パラメータとして用いる
ようにすれば、判定精度が更に向上する。
【0044】また、判定基準を触媒温度で補正するよう
にすれば、触媒の低温時にも劣化診断が可能となり、か
つ温度に起因する誤判定を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る触媒劣化診断装置の構成を示す
クレーム対応図。
【図2】この発明の一実施例の機械的構成を示す構成説
明図。
【図3】通常の空燃比制御における上流側O2センサの
出力信号とフィードバック補正係数とを対比して示す波
形図。
【図4】触媒劣化診断の流れを示すフローチャート。
【図5】診断時の下流側O2センサによる空燃比制御に
おけるフィードバック補正係数等の変化を示す波形図。
【図6】反転回数と判定基準値との関係を示す特性図。
【図7】触媒のO2ストレージ能力と遅れ時間との関係
を示す特性図。
【図8】吸入空気量の積分値を判定パラメータとする実
施例を示すフローチャート。
【図9】吸入空気量積分値を空燃比でもって補正する実
施例を示すフローチャート。
【図10】触媒温度により判定基準値を変えるようにし
た図6と同様の特性図。
【図11】従来の劣化診断方法を説明する波形図。
【図12】従来の診断におけるO2ストレージ能力と反
転周期比との関係を示す特性図。
【符号の説明】
1…上流側空燃比センサ 2…下流側空燃比センサ 3…空燃比制御手段 4…反転遅れ検出手段 5…判定手段

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気通路に介装された三元触媒コンバー
    タの上流側に配設された上流側空燃比センサと、三元触
    媒コンバータの下流側に配設された下流側空燃比センサ
    と、所定の診断時に、下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略理論空燃比
    となるように燃料供給量を補正する空燃比制御手段と、
    上流側空燃比センサにおける検出空燃比のリッチ,リー
    ンの反転から下流側空燃比センサにおける検出空燃比の
    リッチ,リーンの反転までの遅れ期間を検出する反転遅
    れ検出手段と、この反転遅れ期間に基づいて触媒劣化を
    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。
  2. 【請求項2】 上記反転遅れ期間内の吸入空気量を積分
    し、その大小に基づいて判定を行うようにしたことを特
    徴とする請求項1記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
  3. 【請求項3】 吸入空気量積分値を空燃比でもって補正
    するようにしたことを特徴とする請求項2記載の内燃機
    関の触媒劣化診断装置。
  4. 【請求項4】 触媒温度を検出する温度検出手段を設
    け、上記判定手段における劣化判定基準を触媒温度に応
    じて補正することを特徴とする請求項1〜3のいずれか
    に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
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