JP4042690B2

JP4042690B2 - 内燃機関の触媒劣化診断装置

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Publication number: JP4042690B2
Application number: JP2003418043A
Authority: JP
Inventors: 孝宏内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: EP1544441A1; US7159385B2; JP2005180201A; EP1544441B1; DE602004019382D1; US20050150208A1

Description

この発明は、内燃機関の触媒劣化診断装置に関し、更に詳しくは、触媒劣化診断の精度を向上できる内燃機関の触媒劣化診断装置に関する。

空燃比を強制的に変動させて触媒劣化を検出する手段において、その空燃比の変調を、酸素ストレージ量が劣化触媒の破過量（触媒の許容酸素吸蔵量）と正常触媒の破過量の間になるように設定する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この酸素吸蔵量は、触媒下流に設けられた酸素センサにより排気ガス中の酸素濃度を検出することによって算出される。

特開２００２−１３００１８号公報

しかしながら、従来の内燃機関の触媒劣化診断装置では、上記触媒劣化判断の開始時における酸素吸蔵量が不確定であるため、正常な触媒であっても上記酸素センサの出力変動が発生する場合があり、触媒の劣化を正確に診断できない虞があるという課題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、触媒劣化診断の精度を向上できる内燃機関の触媒劣化診断装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、内燃機関の排気系に設けられた触媒に付与する酸素変化量に基づいて当該内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチまたはリーンに振って設定し、このリッチまたはリーンへの振り幅を、劣化した前記触媒では酸素貯蔵量がほぼ飽和するように設定し、正常な前記触媒では酸素貯蔵量が飽和しない程度に設定し、前記触媒下流の酸素濃度検出手段の検出値に基づいて前記触媒の劣化を診断する内燃機関の触媒劣化診断装置において、前記空燃比を最初にリッチに振る場合には、前記触媒の酸素貯蔵量がほぼゼロになるまで振ることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、内燃機関の排気系に設けられた触媒に付与する酸素変化量に基づいて当該内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチまたはリーンに振って設定し、このリッチまたはリーンへの振り幅を、劣化した前記触媒では酸素貯蔵量がほぼ飽和するように設定し、正常な前記触媒では酸素貯蔵量が飽和しない程度に設定し、前記触媒下流の酸素濃度検出手段の検出値に基づいて前記触媒の劣化を診断する内燃機関の触媒劣化診断装置において、前記空燃比を最初にリーンに振る場合には、前記触媒の酸素貯蔵量がほぼ飽和するまで振ることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項３に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記リッチまたはリーンへの振り幅は、当該リッチの振り幅が当該リーンの振り幅よりも大きく設定されることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、前記リッチまたはリーンに振る制御を開始してから所定期間は触媒劣化診断を行わないことを特徴とするものである。

この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置（請求項１）によれば、空燃比を最初にリッチに振る場合に、触媒の酸素貯蔵量をほぼゼロ状態でリセットすることで、触媒劣化診断の開始時における酸素貯蔵量を確定でき、触媒の劣化診断を精度良く行うことができる。

この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置（請求項２）によれば、空燃比を最初にリッチまたはリーンに振る場合に、触媒の酸素貯蔵量をほぼ飽和状態でリセットすることで、触媒劣化診断の開始時における酸素貯蔵量を確定でき、触媒の劣化診断を精度良く行うことができる。

また、この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置（請求項３）によれば、触媒の酸素吸蔵能力が酸素放出能力を上回るという能力誤差が触媒の劣化診断に与える悪影響を抑制することができる。

また、この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置（請求項４）によれば、酸素濃度検出手段の検出値が不安定な時の触媒異常診断を行わないようにすることができ、触媒異常の検出性が低下するのを抑制することができる。

以下に、この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図３は、本実施例に係る内燃機関の触媒劣化診断装置を搭載する内燃機関を示す模式図である。図３に示すように、内燃機関１０には、吸気通路３０および排気通路２０が設けられている。排気通路２０には、排気ガスを浄化するために、三元触媒触媒である上流側触媒２１と下流側触媒２２とが直列に配置されている。すなわち、内燃機関１０から排出される排気ガスは、先ず上流側触媒２１で浄化され、この上流側触媒２１で浄化しきれなかった排気ガスが下流側触媒２２によって浄化されるようになっている。

これらの触媒２１，２２は、所定量の酸素を吸蔵することができ、排気ガス中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を用いてそれらを酸化し、また、排気ガス中に窒素酸化物（ＮＯｘ）等の酸化成分が含まれている場合には、それらを還元し、放出された酸素を吸蔵することができるように構成されている。

また、上流側触媒２１の上流には、排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサ（以下、「メインＯ₂センサ」と記す）２３が設けられている。すなわち、このメインＯ₂センサ２３は、上流側触媒２１に流入する排気ガスの酸素濃度に基づいて内燃機関で燃焼された混合気の空燃比を検出するものである。

また、上流側触媒２１の下流には、排気ガス中の酸素濃度検出手段である空燃比センサ（以下、「サブＯ₂センサ」と記す）２４が設けられている。すなわち、このサブＯ₂センサ２４は、上流側触媒２１を流出した排気ガスの酸素濃度に基づいて、燃料リッチな排気ガス（ＨＣ、ＣＯを含む排気ガス）であるか、あるいは燃料リーンな排気ガス（ＮＯｘを含む排気ガス）であるか否かを検出するものである。また、上流側触媒２１には、排気ガス温度を検出する温度センサ（図示せず）も設けられている。

なお、吸気通路３０には、エアフィルタ３１、吸気温度を検出する吸気温センサ３２、吸気量を検出するエアフロメータ３３、スロットルバルブ３４、スロットル開度を検出するスロットルセンサ３５、スロットルバルブ３４の全閉状態を検出するアイドルスイッチ３６、サージタンク３７、燃料噴射弁３８等が設けられている。

また、電子制御装置（ＥＣＵ）４１は、上記Ｏ₂センサ２３，２４や車速センサ３９、冷却水温センサ４０等の各種センサが接続され、これらのセンサ出力値に基づいて内燃機関１０を制御するとともに、触媒劣化診断を行うように構成されている。

本実施例は、上記のような構成のメインＯ₂センサ２３およびサブＯ₂センサ２４を用い、空燃比をリッチまたはリーンに強制的に操作（以下、「アクティブＡ／Ｆ制御」と称する）し、理論空燃比に対し所定の酸素量の過不足を触媒に付与して、その時のサブＯ₂センサ２４の出力の軌跡長（触媒劣化検出の特性値）に基づいて触媒の酸素ストレージ能力（以下、ＯＳＣと略称する）を判断し、触媒劣化診断を以下のように行うものである。なお、後述する図１および図２において、このメインＯ₂センサ２３の検出値に基づく目標空燃比（Ａ／Ｆ）へのフィードバック制御を、「メインＦＢ目標Ａ／Ｆ」と記す。

すなわち、以下に触媒劣化診断の制御動作について図１に基づいて説明する。ここで、図１は、本実施例に係る制御動作を示すフローチャートである。図１に示すように、先ず、アクティブＡ／Ｆ制御の実行条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ１０）。実行条件が成立していないならば（ステップＳ１０否定）、スタートに戻り、実行条件が成立しているならば（ステップＳ１０肯定）、制御の初期条件の調整が完了しているか否かを判断する（ステップＳ１１）。

この初期条件調整ルーチンは、図２に示すように、触媒２１の初期化処理終了のフラグｘｉｎｉｔがＯＮとなっているか否かを判断し（ステップＳ３１）、ＯＮとなっているならば（ステップＳ３１肯定）、図１に示すメインルーチンのステップＳ１１に戻り、ステップＳ１２に進む。ここで、図２は、初期条件調整の制御ルーチンを示すフローチャートである。

一方、上記フラグｘｉｎｉｔがＯＮとなっていないならば（ステップＳ３１否定）、初期化処理を実行すべく、メインＦＢ目標Ａ／Ｆをリッチにセットする（ステップＳ３２）。たとえば、通常のストイキ制御時の目標Ａ／Ｆが１４．６程度であるならば、１４．１程度となるように制御目標値をリッチに設定する。このようにメインＦＢ目標Ａ／Ｆを先ずリッチ側にセットすることにより、触媒２１の酸素吸蔵量をほぼゼロにし、酸素を吸蔵できる状態にリセットする。これにより、三元触媒の特性上、急激に増加し易いＮＯｘ排出量を抑制することができる。

そして、触媒２１に付与した酸素変化量ｅｏｓａを積算する（ステップＳ３３）。すなわち、次式（１）に示すように、触媒に付与した酸素変化量の積算値ｅｏｓａを算出する。ここで、カッコ中のｎは整数（以下、同様）、Δｏｓａは所定の変化量である。
ｅｏｓａ[ｎ＋１]＝ｅｏｓａ[ｎ]＋Δｏｓａ・・・・・・・・・（１）

つぎに、この触媒２１に付与した酸素変化量が所定値以上か否かを判断する（ステップＳ３４）。所定値以上でないならば（ステップＳ３４否定）、スタートに戻り、所定値以上ならば（ステップＳ３４肯定）、初期化処理終了のフラグｘｉｎｉｔをＯＮにセットし（ステップＳ３５）、図１に示すメインルーチンのステップＳ１１に戻る。

上記のように初期条件の調整が完了しているならば（ステップＳ１１肯定）、上記ステップＳ１０の実行条件成立後、初回のメインＦＢ目標Ａ／Ｆが変更されたか否かを判断する（ステップＳ１２）。初回のメインＦＢ目標Ａ／Ｆが変更されたならば（ステップＳ１２肯定）、メインＦＢ目標Ａ／Ｆをリーンへセットする（ステップＳ１３）。たとえば、通常のストイキ制御時の目標Ａ／Ｆが１４．６程度であるならば、１５．１程度となるように制御目標値をリーンに設定する。

一方、初回のメインＦＢ目標Ａ／Ｆが変更されていないならば（ステップＳ１２否定）、触媒２１に付与した酸素変化量ｅｏｓａを積算する（ステップＳ１４）。すなわち、上式（１）に示した場合と同様に、触媒に付与した酸素変化量の積算値ｅｏｓａを算出する。

つぎに、この触媒に付与した酸素変化量が所定値以上か否かを判断する（ステップＳ１５）。所定値以上でないならば（ステップＳ１５否定）、スタートに戻り、所定値以上ならば（ステップＳ１５肯定）、現在のメインＦＢ目標Ａ／Ｆがリーンか否かを判断する（ステップＳ１６）。たとえば、通常のストイキ制御時の目標Ａ／Ｆが１４．６程度であるならば、現在のメインＦＢ目標Ａ／Ｆが１５．１程度であるか否かを判断する。

このステップＳ１５における触媒２１に付与する酸素変化量の所定値は、図４に示すように、触媒２１の温度と吸入空気量（負荷）により整理したマップに基づいて設定されている。ここで、図４は、触媒に付与する酸素変化量を触媒温度と吸入空気量により整理したものを示すマップである。

たとえば、触媒に付与する酸素変化量は、定常走行における場合を基準とすると、触媒が高温かつ吸入空気量が小さい場合には大きな値に設定され、触媒が低温かつ吸入空気量が大きい場合には小さな値に設定される。これにより、過渡運転状態において過大な酸素変化量付与により正常触媒２１のサブＯ₂センサ２４出力が反転し、検出Ｓ／Ｎ比が低下するのを抑制することができるとともに、サブＯ₂センサ２４の不要なリーン出力によりＮＯｘエミッションが悪化するのを抑制することができる。

なお、触媒２１に付与する酸素変化量の所定値を、上記のように触媒２１の温度と吸入空気量（負荷）により整理したマップに基づいて設定するのではなく、上記ステップＳ１４における触媒に付与した酸素変化量の積算過程において、各演算タイミング毎に触媒温度と吸入空気量（負荷）に応じた所定の重み付け係数を乗じることによって設定してもよい。

また、このステップＳ１５における酸素変化量の所定値は、目標Ａ／Ｆをリッチに制御しているときには、リーンに制御しているときに比べて大きな値となるように設定されている。これにより、触媒２１の酸素吸蔵能力が酸素放出能力を上回るという能力誤差が触媒２１の劣化診断に与える悪影響を抑制することができる。すなわち、目標Ａ／Ｆをリッチまたはリーンに振動制御しているときに、その振動中心がリーン側にシフトして正常触媒２１のサブＯ₂センサ２４出力が反転し、検出Ｓ／Ｎ比が低下するのを抑制することができる。また、サブＯ₂センサ２４の不要なリーン出力によりＮＯｘエミッションが悪化するのを抑制することができる。

現在のメインＦＢ目標Ａ／Ｆがリーンであるならば（ステップＳ１６肯定）、メインＦＢ目標Ａ／Ｆをリッチへセットする（ステップＳ１７）。たとえば、通常のストイキ制御時の目標Ａ／Ｆが１４．６程度であるならば、１４．１程度となるように制御目標値を設定する。

そして、次式（２）に示すように、メインＦＢ目標Ａ／Ｆの反転回数であるカウンタカウントｅｃｈａｎｔｅｎを１つ増やす（ステップＳ１８）。
ｅｃｈａｎｔｅｎ[ｎ＋１]＝ｅｃｈａｎｔｅｎ[ｎ]＋１・・・・・（２）

つぎに、触媒２１に付与した酸素変化量の積算値ｅｏｓａを、次式（３）に示すように、クリアする（ステップＳ１９）。
ｅｏｓａ[ｎ]＝０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

一方、ステップＳ１６において、現在のメインＦＢ目標Ａ／Ｆがリーンでないならば（ステップＳ１６否定）、メインＦＢ目標Ａ／Ｆをリーンへセットする（ステップＳ２５）。たとえば、通常のストイキ制御時の目標Ａ／Ｆが１４．６程度であるならば、１５．１程度となるように制御目標値を設定する。

そして、次式（４）に示すように、メインＦＢ目標Ａ／Ｆの反転回数（カウンタカウント）ｅｃｈａｎｔｅｎを１つ増やす（ステップＳ２６）。
ｅｃｈａｎｔｅｎ[ｎ＋１]＝ｅｃｈａｎｔｅｎ[ｎ]＋１・・・・・（４）

つぎに、触媒２１に付与した酸素変化量の積算値ｅｏｓａを、次式（５）に示すように、クリアする（ステップＳ２７）。
ｅｏｓａ[ｎ]＝０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）

このように、現在のメインＦＢ目標Ａ／Ｆがリーンであるならばリッチにセットして反転し（ステップＳ１６肯定、ステップＳ１７）、リッチであるならばリーンにセットして反転するように制御する（ステップＳ１６否定、ステップＳ２５）。

そして、触媒２１に付与した酸素変化量の積算値ｅｏｓａをクリアしたら（ステップＳ１９、Ｓ２７）、メインＦＢ目標Ａ／Ｆの反転回数ｅｃｈａｎｔｅｎが、次式（６）に示すように、所定の軌跡長積算許可回数に到達したか否かを判断する（ステップＳ２０）。
ｅｃｈａｎｔｅｎ[ｎ] ≧ 所定値・・・・・・・・・・・・（６）

メインＦＢ目標Ａ／Ｆの反転回数ｅｃｈａｎｔｅｎが所定の軌跡長積算許可回数に到達していないならばスタートに戻り（ステップＳ２０否定）、所定の軌跡長積算許可回数に到達したならば（ステップＳ肯定２０）、サブＯ₂センサ２４の出力の軌跡長ｅｏｘｓｉｎｔを、次式（７）に示すように積算する（ステップＳ２１）。ここで、Δｏｘｓは軌跡長の変化量である。
ｅｏｘｓｉｎｔ[ｎ＋１]＝ｅｏｘｓｉｎｔ[ｎ]＋Δｏｘｓ・・・（７）

このように、制御開始後に上記所定の反転回数となるまでサブＯ₂センサ２４の出力の軌跡長を積算しないようにすることにより、当該センサ２４の出力データが不安定な時の触媒異常診断を行わないようにすることができ、触媒異常の検出性が低下するのを抑制することができる。なお、ステップＳ２０において、上記のように所定の反転回数で判断するのではなく、所定時間が経過してから上記軌跡長を積算するようにしてもよい。

つぎに、メインＦＢ目標Ａ／Ｆの反転回数ｅｃｈａｎｔｅｎが、次式（８）に示すように、所定の判定許可回数に到達したか否かを判断する（ステップＳ２２）。
ｅｃｈａｎｔｅｎ[ｎ] ≧ 所定値・・・・・・・・・・・・（８）

メインＦＢ目標Ａ／Ｆの反転回数ｅｃｈａｎｔｅｎが所定の判定許可回数に到達していないならばスタートに戻り（ステップＳ２２否定）、所定の判定許可回数に到達しているならば（ステップＳ２２肯定）、更にサブＯ₂センサ２４の出力の軌跡長ｅｏｘｓｉｎｔが、次式（９）に示すように、所定値以上か否かを判断する（ステップＳ２３）。
ｅｏｘｓｉｎｔ[ｎ] ≧ 所定値・・・・・・・・・・・・・（９）

サブＯ₂センサ２４の出力の軌跡長ｅｏｘｓｉｎｔが所定値以上ならば（ステップＳ２３肯定）、触媒２１が異常であると判定し（ステップＳ２４）、所定値未満であるならば（ステップＳ２３否定）、触媒２１が正常であると判定して（ステップＳ２４）、スタートに戻る。

つぎに、本発明による効果について図５および図６に基づいて説明する。ここで、図５は、従来技術を適用した場合におけるサブＯ₂センサの出力の軌跡長と平均吸入空気量との関係を示すグラフであり、触媒２１の正常・異常の検出Ｓ／Ｎ比を示したものである。また、図６は、本実施例におけるサブＯ₂センサの出力の軌跡長と平均吸入空気量との関係を示すグラフであり、触媒２１の正常・異常の検出Ｓ／Ｎ比を示したものである。なお、図中における黒塗りの四角印は異常触媒の場合を示し、黒塗りおよび白抜きの丸印は正常触媒の場合を示している。

両図を比較して分かるように、本実施例では、従来技術を適用した場合に比べて触媒の正常・異常の検出Ｓ／Ｎ比を改善することができ、触媒劣化診断の精度を向上することができる。

なお、エミッションの悪化を更に抑制すべく、図７に示すように、上記図１において示したステップＳ１５とステップＳ１６との間に、サブＯ₂センサ２４の出力が反転したか否かを判断するステップＳ４０を付加することができる。ここで、図７は、他の制御動作例を示すフローチャートである。

すなわち、触媒２１に付与した酸素変化量が所定値に到達する前にサブＯ₂センサ２４の出力が反転したならば（ステップＳ４０肯定）、ステップＳ１６に移行し、触媒２１に付与した酸素変化量が所定値に到達する前にサブＯ₂センサ２４の出力が反転していないならば（ステップＳ４０否定）、スタートに戻るように制御する。その他の制御ステップは、上記図１の場合と同様である。

これにより、触媒２１のＯＳＣを超えた目標Ａ／Ｆ入力状態（時間）を極力削減することができ、エミッションの悪化を更に抑制することができる。

また、上記実施例においては、触媒２１の初期化処理として、図２のステップＳ３２において示したように、メインＦＢ目標Ａ／Ｆを先ずリッチ側にセットしてから図１のステップＳ１２以降を実行するものとして説明したが、これに限定されず、リーン側にセットしてから以降の制御を実行することもできる。

この場合、上記実施例の場合と比べると、サブＯ₂センサ２４の不要なリーン出力によりＮＯｘエミッションが若干悪化する虞もあるが、上述した従来技術の場合と比べると、サブＯ₂センサ２４の出力の軌跡長の安定化は図れるので、エミッション悪化の度合いを少なくすることができる。

以上のように、この発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、触媒の劣化を精度良く診断できるとともに、エミッションの悪化を抑制できる内燃機関に有用である。

本実施例に係る制御動作を示すフローチャートである。初期条件調整の制御ルーチンを示すフローチャートである。本実施例に係る内燃機関の触媒劣化診断装置を搭載する内燃機関を示す模式図である。触媒に付与する酸素変化量を触媒温度と吸入空気量により整理したものを示すマップである。従来技術を適用した場合におけるサブＯ₂センサの出力の軌跡長と平均吸入空気量との関係を示すグラフである。本実施例におけるサブＯ₂センサの出力の軌跡長と平均吸入空気量との関係を示すグラフである。他の制御動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
２０排気通路
２１上流側触媒
２２下流側触媒
２３メインＯ₂センサ
２４サブＯ₂センサ（酸素濃度検出手段）
３０吸気通路
３３エアフロメータ
４１電子制御装置
ｅｏｓａ触媒に付与した酸素変化量
ｅｏｘｓｉｎｔサブＯ₂センサの出力の軌跡長

Claims

内燃機関の排気系に設けられた触媒に付与する酸素変化量に基づいて当該内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチまたはリーンに振って設定し、このリッチまたはリーンへの振り幅を、劣化した前記触媒では酸素貯蔵量がほぼ飽和するように設定し、正常な前記触媒では酸素貯蔵量が飽和しない程度に設定し、前記触媒下流の酸素濃度検出手段の検出値に基づいて前記触媒の劣化を診断する内燃機関の触媒劣化診断装置において、
前記空燃比を最初にリッチに振る場合には、前記触媒の酸素貯蔵量がほぼゼロになるまで振ることを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
内燃機関の排気系に設けられた触媒に付与する酸素変化量に基づいて当該内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチまたはリーンに振って設定し、このリッチまたはリーンへの振り幅を、劣化した前記触媒では酸素貯蔵量がほぼ飽和するように設定し、正常な前記触媒では酸素貯蔵量が飽和しない程度に設定し、前記触媒下流の酸素濃度検出手段の検出値に基づいて前記触媒の劣化を診断する内燃機関の触媒劣化診断装置において
前記空燃比を最初にリーンに振る場合には、前記触媒の酸素貯蔵量がほぼ飽和するまで振ることを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
前記リッチまたはリーンへの振り幅は、当該リッチの振り幅が当該リーンの振り幅よりも大きく設定され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。
前記リッチまたはリーンに振る制御を開始してから所定期間は触媒劣化診断を行わないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。