JPH09195754A

JPH09195754A - 内燃機関の触媒活性判定装置

Info

Publication number: JPH09195754A
Application number: JP8007354A
Authority: JP
Inventors: Akira Uchikawa; 晶内川
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-29

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒の活性状態を高精度に判定する。【解決手段】機関負荷Ｔｐ及び機関回転速度Ｎｅに基づ
いて、触媒の熱収支を演算する（Ｓ11〜Ｓ13）。そし
て、前記熱収支の結果がプラスの所定値以上であるとき
には（Ｓ14）、更に、触媒の下流側に設けられた酸素セ
ンサに基づく活性判定を行う。具体的には、触媒の上流
側に設けられた酸素センサと前記下流側酸素センサとに
基づく空燃比フィードバック制御中において（Ｓ16）、
前記下流側酸素センサの出力変化速度が所定値以下であ
る否かを判別する（Ｓ17，Ｓ18）。ここで、前記変化速
度が所定値以下であるときには、触媒の活性を判定し
（Ｓ20）、前記熱収支の結果が所定値未満であるか、又
は、前記変化速度が所定値を越えている場合には、触媒
の非活性を判定する（Ｓ19）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の触媒活性
判定装置に関し、詳しくは、機関の排気通路に設けられ
た触媒の活性状態を、触媒の温度を検出することなく間
接的に検出するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、始動からの経過時間や冷却水温度
に基づいて触媒の活性状態を推定する方法が知られてい
る（特開平６−１２９２４１号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、始動か
らの経過時間や冷却水温度に基づいて触媒活性を推定す
る構成の場合、例えば始動直後に急加速されると、冷却
水温度又は始動からの経過時間と触媒温度との相関関係
が通常時とは異なる特性を示すようになって、冷却水温
度又は始動からの経過時間により活性判定されるよりも
実際の活性時期が早まることがあった。

【０００４】また、始動後にアイドル状態のまま放置さ
れるような場合には、冷却水温度又は始動からの経過時
間から触媒活性が推定されても、実際には触媒が活性化
していない場合があった。このように、従来の活性判定
方法では、高精度に触媒活性を判定させることが困難で
あった。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、触媒の活性状態を高精度に推定できる内燃機関の
触媒活性判定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため請求項１の発明
にかかる内燃機関の触媒活性判定装置は、機関の排気通
路に設けられた触媒の活性状態を判定する装置であっ
て、図１に示すように構成される。図１において、下流
側酸素センサは、前記触媒の下流側に設けられ、排気中
の酸素濃度に感応して出力が変化するセンサである。

【０００７】また、運転条件検出手段は、機関の運転条
件を検出する。ここで、熱収支演算手段は、運転条件検
出手段で検出される機関の運転条件に基づいて前記触媒
における受熱量及び放熱量を推定し、該推定結果に基づ
いて前記触媒における熱収支を演算する。そして、活性
判定手段は、前記下流側酸素センサの出力と、前記熱収
支演算手段で演算された熱収支とに基づいて前記触媒の
活性状態を判定する。

【０００８】即ち、冷却水温度や始動からの経過時間と
は相関しない触媒の温度状態を、触媒の熱収支に基づい
て推定させるものであり、例えばアイドル放置された場
合には、触媒の受熱量が僅かであるか、又は、受熱量が
放熱量を上回るものとして、触媒の温度変化を推定させ
る。更に、触媒の酸素ストレージの効果が活性状態に相
関して変化するので、かかる酸素ストレージ効果に影響
される触媒下流側の酸素濃度を、下流側酸素センサで検
出させ、活性状態での酸素ストレージ効果に見合う出力
が、前記下流側酸素センサから出力されるかを判断させ
ることで、活性判定精度の一層の向上を図る。

【０００９】請求項２記載の発明では、前記運転条件検
出手段が、少なくとも機関負荷及び機関回転速度を検出
する構成とした。かかる構成によると、機関負荷と機関
回転速度とに応じて変化する排気温に対応して触媒の熱
収支を推定させることが可能となる。請求項３記載の発
明では、前記触媒の上流側に設けられ、排気中の酸素濃
度に感応して出力が変化する上流側酸素センサと、該上
流側酸素センサ及び前記下流側酸素センサの出力に基づ
いて機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバ
ック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備え
た内燃機関において、前記活性判定手段が、前記空燃比
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
御中における前記下流側酸素センサの出力の変化速度
と、前記熱収支演算手段で演算された熱収支とに基づい
て前記触媒の活性状態を判定する構成とした。

【００１０】かかる構成によると、前記空燃比のフィー
ドバック制御に伴って、触媒下流側の酸素濃度が目標空
燃比相当の酸素濃度を中心に変動することになるが、触
媒が活性化していて酸素ストレージ効果が充分に発揮さ
れると、触媒下流側の酸素濃度は上流側に比して応答遅
れを示すことになり、下流側酸素センサの出力の変化速
度は非活性時に比べて遅くなる。従って、空燃比フィー
ドバック制御中の下流側酸素センサの出力変化速度に基
づいて、触媒における酸素ストレージ効果、引いては、
活性状態を判定できることになる。

【００１１】請求項４記載の発明では、前記活性判定手
段が、前記下流側酸素センサの出力の変化速度が所定値
以下であって、かつ、前記熱収支演算手段で演算された
熱収支において受熱量から放熱量を減算した熱量が所定
値以上であるときに、前記触媒が活性状態であると判定
する構成とした。即ち、熱収支からは、触媒が活性温度
に達していると推定され、かつ、下流側酸素センサの出
力が、触媒の活性状態での酸素ストレージ効果に見合う
応答遅れを示す場合にのみ、触媒が活性化しているもの
と判断する。

【００１２】請求項５記載の発明では、前記活性判定手
段による判定結果に応じて、前記空燃比フィードバック
制御手段における目標空燃比を変更する目標空燃比変更
手段を設ける構成とした。かかる構成によると、触媒に
おけるＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯの浄化率は、活性状態に応じ
て変化するから（図５参照）、目標空燃比を活性状態に
応じて変更することで、触媒における浄化率の不足を補
って、排気性状を良好に保てる。例えばＨＣの浄化率が
ＮＯｘ，ＣＯの浄化率に比して特に低下する触媒の非活
性時（低排温時）には、目標空燃比を通常に比してリー
ン化すれば、ＨＣの排出量を抑制できることになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。図２は内燃機関のシステム構成を示す図である。
この図２において、内燃機関１には、エアクリーナ２か
ら吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホールド
５を介して空気が吸入される。

【００１４】吸気マニホールド５のブランチ部には各気
筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。前記燃料噴射弁
６は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて
閉弁する電磁式燃料噴射弁であって、後述するコントロ
ールユニット12からの噴射パルス信号により通電されて
開弁し、図示しない燃料ポンプから圧送されプレッシャ
レギュレータにより所定の圧力に調整された燃料を吸気
マニホールド５内に噴射供給する。

【００１５】機関１の燃焼室にはそれぞれ点火栓７が設
けられていて、これにより火花点火して混合気を着火燃
焼させる。そして、機関１からは、排気マニホールド
８，排気ダクト９，排気浄化用の三元触媒10及びマフラ
ー11を介して排気が排出される。前記三元触媒10は、酸
素ストレージ効果を有するものであって、排気成分中の
ＣＯ，ＨＣを酸化し、また、ＮＯx を還元して、他の無
害な物質に転換する触媒であり、機関吸入混合気を理論
空燃比で燃焼させたときに両転換効率が最も良好なもの
となる。

【００１６】コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスを
含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種の
センサからの検出信号を入力して、後述の如く演算処理
して、燃料噴射弁６の作動を制御する。前記各種のセン
サとしては、吸気ダクト３中に熱線式或いはフラップ式
などのエアフローメータ13が設けられていて、機関１の
吸入空気量Ｑに応じた電圧信号を出力する。

【００１７】また、クランク角センサ14が設けられてい
て、所定ピストン位置毎の基準角度信号ＲＥＦと、単位
角度毎の単位角度信号ＰＯＳとを出力する。ここで、前
記基準角度信号ＲＥＦの発生周期、或いは、所定時間内
における前記単位角度信号ＰＯＳの発生数を計測するこ
とより、機関回転速度Ｎｅを算出することができる。ま
た、機関１のウォータジャケットの冷却水温度Ｔｗを検
出する水温センサ15が設けられている。

【００１８】尚、上記エアフローメータ13，クランク角
センサ14，水温センサ15が、運転条件検出手段に相当す
る。更に、前記三元触媒10の上流側となる排気マニホー
ルド８の集合部に第１酸素センサ16（上流側酸素セン
サ）が設けられており、また、前記三元触媒10の下流側
でマフラー11の上流側には第２酸素センサ17（下流側酸
素センサ）が設けられている。

【００１９】前記第１酸素センサ16及び第２酸素センサ
17は、機関吸入混合気の空燃比と密接な関係にある排気
中の酸素濃度に感応して出力値が変化する公知のセンサ
（例えばジルコニアチューブ型酸素センサ）である。こ
こにおいて、コントロールユニット12に内蔵されたマイ
クロコンピュータのＣＰＵは、前記各センサによって検
出される吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとに基づい
て基本燃料噴射量Ｔｐを演算する一方、冷却水温度Ｔｗ
などに基づいて前記基本燃料噴射量Ｔｐを補正するため
の各種補正係数ＣＯＥＦを演算設定する。

【００２０】また、空燃比フィードバック制御手段とし
ての機能を有するコントロールユニット12は、所定のフ
ィードバック制御条件が成立しているときには、前記基
本噴射量Ｔｐを補正するための空燃比フィードバック補
正係数ＬＭＤを、前記第１酸素センサ16及び第２酸素セ
ンサ17の出力に基づいて以下のようにして演算する。例
えば特開平４−７２４３８号公報に開示されるように、
上流側の第１酸素センサ16で検出される実際の空燃比が
目標空燃比（通常は理論空燃比）に近づくように、空燃
比フィードバック補正係数ＬＭＤを比例・積分制御する
一方、下流側の第２酸素センサ17で検出される実際の空
燃比が目標空燃比（通常は理論空燃比）に近づくよう
に、前記比例・積分制御における比例操作量（比例分
Ｐ）を補正する。

【００２１】但し、第２酸素センサ17を用いた空燃比フ
ィードバック制御を、上記の比例操作量の補正に限定す
るものではなく、前記比例制御を行なうタイミング（空
燃比の反転検出から比例制御を実行するまでの遅延時
間）を第２酸素センサ17の検出結果に基づいて修正する
構成などであっても良い。そして、前記基本燃料噴射量
Ｔｐを前記各種補正係数ＣＯＥＦ，空燃比フィードバッ
ク補正係数ＬＭＤ、更には、バッテリ電圧による補正分
Ｔｓなどによって補正して最終的な燃料噴射量Ｔｉ（Ｔ
ｉ＝Ｔｐ×ＣＯＥＦ×ＬＭＤ＋Ｔｓ）を求め、該燃料噴
射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パルス信号を燃料噴
射弁６に所定タイミングで出力する。

【００２２】更に、前記コントロールユニット12には、
図３のフローチャートに示すように、前記三元触媒10の
活性状態を判別し、該判別結果に基づいて前記下流側の
第２酸素センサ17の出力に基づく比例操作量（比例分
Ｐ）の補正制御における目標空燃比を変更し（目標空燃
比変更手段）、また、前記比例操作量の補正量の学習を
制御する。

【００２３】図３のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）では、
前記第１，第２酸素センサ16，17の出力に基づく空燃比
フィードバック制御中であるか否かを判別し、空燃比フ
ィードバック制御中であるときにステップ２へ進む。ス
テップ２では、後述するようにして三元触媒10の活性・
非活性の判定を行う。

【００２４】ステップ３では、前記判定結果に基づい
て、前記下流側の第２酸素センサ17の出力に基づく比例
操作量の補正制御における目標空燃比を設定する。この
部分が目標空燃比変更手段に相当する。具体的には、例
えば、触媒10が活性状態であるときには、通常に理論空
燃比を目標空燃比とするが、触媒10が非活性状態である
ときには、ＨＣの浄化率が他のＣＯ，ＮＯｘに比して低
下するから（図５参照）、前記目標空燃比を理論空燃比
よりもリーン化させる（例えば空気過剰率λ＝1.05）。
更に、触媒10の活性・非活性の判別に加え、機関が高速
運転されているか否かを判別し、高速運転時であって排
気温が高いときには、目標空燃比を理論空燃比よりもリ
ッチ化させる（例えば空気過剰率λ＝0.95）構成として
も良い。

【００２５】ステップ４では、前記ステップ３におい
て、第２酸素センサ17に基づく空燃比制御の目標空燃比
が理論空燃比に設定されたか否かを判別する。そして、
目標空燃比が理論空燃比であるときには、ステップ５へ
進み、前記比例操作量の補正値を、機関負荷と機関回転
速度とに基づいて区分される運転領域毎に学習して、前
記運転領域毎の学習値を更新する空燃比学習を行わせ
る。

【００２６】一方、目標空燃比が理論空燃比でない場合
には、ステップ６へ進み、前記学習更新を禁止し、目標
空燃比が異なる条件での補正結果が誤学習されることを
回避する。前記ステップ２における触媒10の活性判定
は、図４のフローチャートに従って行われる。尚、熱収
支演算手段，活性判定手段としての機能は、前記図４の
フローチャートに示すように、コントロールユニット12
がソフトウェア的に備えている。

【００２７】図４のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ11では、機関負荷を代表する基本燃料噴射量Ｔｐ
や機関回転速度Ｎｅなどを読み込む。ステップ12〜14の
処理は、三元触媒10の熱収支に基づく活性・非活性の判
別を示すものであり、ステップ12では、基本燃料噴射量
Ｔｐと機関回転速度Ｎｅとに基づいて予め記憶されてい
る触媒10における受熱量及び放熱量のマップを参照し、
現在のＴｐ，Ｎｅでの受熱量又は放熱量を検索する。

【００２８】具体的には、高負荷，高回転側で排温が比
較的高いために放熱量よりも受熱量が多い領域では熱量
がプラスの値として記憶されており、低負荷，低回転側
で排温が比較的低いために受熱量よりも放熱量が多い領
域では熱量がマイナスの値として記憶されている。尚、
機関負荷，機関回転速度の他に、冷却水温度，大気温，
車速などに基づいて受熱量，放熱量を求めても良い。

【００２９】ステップ13では、前記ステップ12で求めた
熱量の時系列的な総和（プラス熱量の総和−マイナス熱
量の総和の絶対値）、即ち、熱収支を演算する。そし
て、ステップ14では、前記ステップ13で演算した熱収支
が、プラス側の所定値Ａ以上になっているか否かを判別
する。ここで、前記熱収支がプラス側の所定値Ａ以上に
なっていない場合には、ステップ19へ進み、触媒10の非
活性を判定するが、前記熱収支がプラス側の所定値Ａ以
上になっている場合でも、直ちに活性判定することな
く、ステップ15へ進む。

【００３０】ステップ15では、下流側の第２酸素センサ
17の出力をモニタする。ステップ16では、前記下流側の
第２酸素センサ17及び上流側の第１酸素センサ16を用い
た空燃比フィードバック制御中であるか否かを判別し、
フィードバック制御中であるときにはステップ17へ進む
が、フィードバック制御中でないときには、そのまま本
ルーチンを終了させる。

【００３１】ステップ17では、前記下流側の第２酸素セ
ンサ17の出力の変化速度を、例えばセンサ出力のピーク
位置から所定のスライスレベルを横切るまでの時間と、
かかる時間内における出力変化量とに基づいて算出す
る。三元触媒10は酸素ストレージ効果を有し、活性時に
は前記酸素ストレージ効果によって、触媒上流側の酸素
濃度変化に対して触媒下流側の酸素濃度変化に応答遅れ
が生じるが、非活性時には前記酸素ストレージ効果の低
下によって前記応答遅れの度合いが減少する。従って、
触媒10が活性している場合には、非活性時に比して、第
２酸素センサ17の出力の変化速度は比較的遅くなり、前
記変化速度に基づいて活性度合いを判定できることにな
る。

【００３２】そこで、ステップ18では、前記ステップ17
で求めた変化速度と所定値とを比較し、変化速度が所定
値を上回っている場合には、触媒が非活性状態にあって
酸素ストレージ効果が低いものと判断し、ステップ19へ
進んで触媒10の非活性を判定する。一方、ステップ18
で、変化速度が所定値を下回っていると判別された場合
には、熱収支から活性に充分な温度上昇が推定され、か
つ、第２酸素センサ17の出力が前記活性状態を裏付けて
いることになるので、ステップ20へ進んで、触媒10の活
性を判定する。

【００３３】このように、熱収支によって触媒10の活性
状態が推定され、更に、空燃比フィードバック制御中の
第２酸素センサ17の出力が触媒の活性状態を裏付けてい
るときに限って、触媒10の活性が判定される構成であれ
ば、触媒10の活性・非活性を精度良く判定できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によると、触媒における熱収支と、触媒の活性状態に
よる酸素ストレージ効果の変化に影響される下流側酸素
センサの出力とに基づいて、触媒の活性状態を判定する
構成としたので、高精度な活性判定が行えるという効果
がある。

【００３５】請求項２記載の発明によると、機関負荷と
機関回転速度とに応じて変化する熱収支に対応して、精
度の良い活性判定が行えるという効果がある。請求項３
記載の発明によると、触媒の活性状態による酸素センサ
の出力変化速度の違いを精度良く検出でき、以て、前記
変化速度に基づく活性判定の精度を向上させることがで
きるという効果がある。

【００３６】請求項４記載の発明によると、熱収支から
活性に充分な熱量が得られたことが判別され、かつ、下
流側酸素センサの出力の変化速度が、触媒の活性による
酸素ストレージ効果の発揮を示すときにのみ、最終的に
触媒活性を判定するから、高精度な活性判定が行えると
いう効果がある。請求項５記載の発明によると、活性状
態による排気浄化率の違いに対応して目標空燃比を変更
することで、非活性時においても、最大限に排気性状を
改善できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の基本構成を示すブロック
図。

【図２】実施形態のシステム構成図。

【図３】触媒の活性判定に基づく空燃比制御の様子を示
すフローチャート。

【図４】触媒の活性判定の様子を示すフローチャート。

【図５】排気温度（触媒活性状態）と排気浄化率との相
関を示す線図。

【符号の説明】

１機関６燃料噴射弁 10 三元触媒 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 第１酸素センサ（上流側酸素センサ） 17 第２酸素センサ（下流側酸素センサ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関の排気通路に設けられた触媒の活性状
態を判定する装置であって、前記触媒の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度に感応
して出力が変化する下流側酸素センサと、機関の運転条件を検出する運転条件検出手段と、該運転条件検出手段で検出される機関の運転条件に基づ
いて前記触媒における受熱量及び放熱量を推定し、該推
定結果に基づいて前記触媒における熱収支を演算する熱
収支演算手段と、前記下流側酸素センサの出力と、前記熱収支演算手段で
演算された熱収支とに基づいて前記触媒の活性状態を判
定する活性判定手段と、を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の触媒活
性判定装置。
【請求項２】前記運転条件検出手段が、少なくとも機関
負荷及び機関回転速度を検出する構成であることを特徴
とする請求項１記載の内燃機関の触媒活性判定装置。
【請求項３】前記触媒の上流側に設けられ、排気中の酸
素濃度に感応して出力が変化する上流側酸素センサと、該上流側酸素センサ及び前記下流側酸素センサの出力に
基づいて機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィー
ドバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備えた内燃機関において、前記活性判定手段が、前記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中における前記下流
側酸素センサの出力の変化速度と、前記熱収支演算手段
で演算された熱収支とに基づいて前記触媒の活性状態を
判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃
機関の触媒活性判定装置。
【請求項４】前記活性判定手段が、前記下流側酸素セン
サの出力の変化速度が所定値以下であって、かつ、前記
熱収支演算手段で演算された熱収支において受熱量から
放熱量を減算した熱量が所定値以上であるときに、前記
触媒が活性状態であると判定することを特徴とする請求
項３記載の内燃機関の触媒活性判定装置。
【請求項５】前記活性判定手段による判定結果に応じ
て、前記空燃比フィードバック制御手段における目標空
燃比を変更する目標空燃比変更手段を設けたことを特徴
とする請求項３又は４に記載の内燃機関の触媒活性判定
装置。