(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．内燃機関の排気系に設けられ、通電されて発熱する電気加熱式触媒と、
ｂ．前記電気加熱式触媒の電気抵抗値を示すパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
ｃ．前記パラメータに基づいて前記電気加熱式触媒の消費電力の積算値を算出する積算値算出手段と、
ｄ．前記積算値と比較すべき基準値を設定する基準値設定手段と、
ｅ．前記積算値を前記基準値と比較して前記電気加熱式触媒の異常を検出する異常検出手段と、
および
ｆ．前記内燃機関の特定の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
を備えると共に、前記基準値設定手段は、前記特定の運転状態が検出されたとき、前記検出されたパラメータに応じて前記基準値を修正することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、より具体的には排気系に設けられた電気加熱式触媒の異常を検出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関においては排気ガス浄化装置として、排気系に三元触媒（キャタライザ）を設け、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ成分を低減して浄化を図っているが、触媒温度が活性化温度に至らない場合には浄化作用を期待し得ない。この活性化は、例えば冷間始動時などは長時間を要するため、近時は電気的に加熱してその活性化を促進するようにした電気加熱式触媒が用いられている。
【０００３】
即ち、触媒を担持する触媒担体付近に電熱ヒータを配置する、あるいは触媒担体自体を電熱ヒータ構造としてそれに通電し、抵抗加熱によって加熱する。加熱されたヒータはそこを通過する排気ガス中の未燃焼成分を燃焼させ、それによって排気系雰囲気温度を更に昇温させ、電気加熱式触媒およびその後段に配置された通例の触媒を早期に活性化する。
【０００４】
ところで、このような電気加熱式触媒は、通電回路の電流をモニタして基準値と比較する、ないしは電流と電圧をモニタして電力を求めて基準値と比較することで、一般にその異常を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気加熱式触媒の電気的負荷は小さく、抵抗値で言えば数十から数百ｍΩ程度の微小な値のため、量産バラツキを抑えるのが本来的に困難であった。更に、通電回路に用いるケーブルやセンサの量産バラツキもある。従って、電気加熱式触媒の異常を精度良く検出することが困難であった。
【０００６】
従って、この発明の目的は上記した従来技術の欠点を解消することにあり、電気加熱式触媒の異常を精度良く検出できるようにした内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１項においては、内燃機関の排気系に設けられ、通電されて発熱する電気加熱式触媒と、前記電気加熱式触媒の電気抵抗値を示すパラメータを検出するパラメータ検出手段と、前記パラメータに基づいて前記電気加熱式触媒の消費電力の積算値を算出する積算値算出手段と、前記積算値と比較すべき基準値を設定する基準値設定手段と、前記積算値を前記基準値と比較して前記電気加熱式触媒の異常を検出する異常検出手段と、および前記内燃機関の特定の運転状態を検出する運転状態検出手段と、を備えると共に、前記基準値設定手段は、前記特定の運転状態が検出されたとき、前記検出されたパラメータに応じて前記基準値を修正する如く構成した。
【０００８】
上記の如く、特定の運転状態が検出されたとき、検出されたパラメータに応じて基準値を修正する如く構成したので、個々の電気加熱式触媒の特性に応じて異常判定基準値を厳密に設定することができ、異常検出精度を上げることができる。即ち、電気加熱式触媒は電気的負荷が小さく、抵抗値で言えば数十から数百ｍΩ程度の微小な値であるため、量産バラツキを抑えるのが本来的に困難であり、更に通電回路に用いるケーブルやセンサの量産バラツキもあることから、従来技術においては正常判定範囲が広くなるように基準値を設定せざるを得なかった。その分、異常検出が甘くなり、異常判定精度が低かったが、上記の如く構成したことで、検出精度を上げることができる。
【０００９】
尚、ここで、「特定の運転状態」とは、個々の電気加熱式触媒の特性を検出するに足る運転状態で、例えば量産後の最初の機関始動時、あるいは所定距離走行した後のサービス工場での定期点検時などを意味する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１は、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置を含む内燃機関の制御装置を概略的に示す全体図である。
【００１２】
図において、符号１０は４気筒などの多気筒内燃機関を示し、吸気管１２の先端に配置されたエアクリーナ（図示せず）から導入された吸気は、スロットル弁１４でその流量を調節されつつサージタンクと吸気マニホルド（共に図示せず）を経て、各気筒へ流入される。各気筒の吸気弁（図示せず）の付近には燃料噴射弁１６が設けられて燃料を噴射する。噴射されて吸気と一体となった混合気は、各気筒内で図示しない点火プラグで点火されて燃焼してピストン（図示せず）を駆動する。
【００１３】
燃焼後の排気ガスは、排気弁（図示せず）および排気マニホルド（図示せず）を介して排気管１８に送られる。排気管１８には上流側から順に、電気加熱式触媒（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｈｅａｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）  （以下「ＥＨＣ」と言う）２０、スタート触媒２２および三元触媒２４が配置され、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ成分などを浄化する。尚、スタート触媒２２（ライトオフキャタリストとも通称される）も、主として機関始動直後の排気ガス浄化効率向上のために設けられた、比較的小径で小型の触媒である。
【００１４】
ＥＨＣ２０の本体部、即ち、触媒を担持する担体は、素材を押し出し成形した後、焼結してセラミック化し、次いで厚さ１０ｃｍ程度に裁断して製作される金属セルからなる。図２に示す如く、金属セル２００にはスリット２０２が適宜箇所に穿設され、その間に電流路２０４が形成され、それ自体が電熱ヒータ構造とされる。電流路２０４は両端において正負極端子部２０６，２０８に接続される。
【００１５】
ここで、図１において切換スイッチ２６の端子２６ａが２６ｂに切り換えられると、正負極端子部２０６，２０８はオルタネータ２８に接続され、オルタネータ２８より電流の供給を受けて金属セル２００が発熱する。その結果、ＥＨＣ２０はそこを通過する排気ガス中の未燃焼成分を捕捉して燃焼させ、その化学反応熱で更に昇温して活性化温度に迅速に到達すると共に、排気系の雰囲気温度を昇温させて後段のスタート触媒２２および三元触媒２４の活性化も促進する。
【００１６】
尚、ＥＨＣ２０の金属セル２００の抵抗値は径、厚みないしはスリット数などで決定されるが、逆に言えば、オルタネータ電圧印加型で３５０ｍΩ程度、バッテリ電圧印加型で３５〜１００ｍΩとなるように、径などが決定される。この発明の実施の形態の場合にはオルタネータ２８より電圧が印加されることから、図２において電流路２０４の抵抗値が３５０ｍΩ程度となるように、径、厚さ、スリット２０２の個数が決定されている。
【００１７】
また、排気管１８にはＥＨＣ２０配置位置の上流側に通路３０が接続されており、通路３０の他端には空気ポンプ３２が設けられて２次空気を供給する。空気ポンプ３２は、酸素を供給して未燃焼成分の燃焼を促進し、浄化効率を向上させるためのものである。
【００１８】
図１において内燃機関１０のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）の周囲にはピストン（図示せず）の所定クランク角度ごとに信号を出力するクランク角センサ（図１に「ＮＥ」と示す）３６と、特定気筒の特定クランク角度で信号を出力する気筒判別センサ（図１に「ＣＹＬ」と示す）３８が設けられる。
【００１９】
また、スロットル弁１４にはその開度に応じた信号を出力するスロットル開度センサ（図１に「θＴＨ」と示す）４０が接続されると共に、吸気管１２はスロットル弁１４下流で分岐され、分岐路４２の末端には管内の吸気圧力（絶対圧力）に応じた信号を出力する絶対圧センサ（図１に「ＰＢＡ」と示す）４４が設けられる。
【００２０】
更に、吸気管１２において分岐位置の下流には吸入空気の温度に応じた信号を出力する吸気温センサ（図１に「ＴＡ」と示す）４６が設けられると共に、機関のシリンダブロックなどの適宜位置には機関冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ（図１に「ＴＷ」と示す）４８が設けられる。
【００２１】
更に、排気管１８においては前記した通路３０の上流側に、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する第１のＯ２  センサ（酸素濃度センサ）５０が設けられると共に、スタート触媒２２と三元触媒２４の間には第２のＯ２  センサ５２が設けられる。また、第２のＯ２  センサ５２の付近には、排気系の雰囲気温度に応じた信号を出力する排気温センサ（図１に「Ｔｃａｔ」と示す）５３が設けられる。
【００２２】
ここで、第１、第２のＯ２  センサ５０，５２もヒータ部を備え、通電回路（図１では図示省略）を介して通電されると、検出素子を加熱する。尚、かかるＯ２  センサは例えば特開平１−２３２２４６号ないし特開平２−２４５５０号公報より公知なので、その構造の説明は省略する。
【００２３】
これらセンサ群の出力は、制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と言う）５４に送られる。
【００２４】
ＥＣＵ５４は、入力回路５４ａ、ＣＰＵ５４ｂ、記憶手段５４ｃ、および出力回路５４ｄよりなる。入力回路５４ａは、各種センサからの入力信号波形を整形する、信号レベルを所定レベルに変換する、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する、などの処理を行う。記憶手段５４ｃは、ＣＰＵ５４ｂが実行する各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する。
【００２５】
ＣＰＵ５４ｂは、上述の検出パラメータに基づき、出力回路５４ｄを介して、後述の如く切換スイッチ２６の端子２６ａを端子２６ｂに接続し、オルタネータ２８の出力を接続してＥＨＣ２０へ通電する。オルタネータ２８はレギュレータ５６を備えており、ＣＰＵ５４ｂは出力回路５４ｄを介してデューティパルスをレギュレータ５６に出力し、オルタネータ２８の発電電圧を目標の値に制御する。
【００２６】
ここで切換スイッチ２６の端子２６ａが端子２６ｃに切り換えられると、オルタネータ２８の出力はバッテリ５８の正電極に接続され、バッテリ５８を充電する。バッテリ５８の正電極は線６０を介して前記した空気ポンプ３２のモータ（図示せず）を含む電気負荷に接続される。ＣＰＵ５４ｂはそのモータの制御を通じて空気ポンプ３２の動作を制御すると共に、燃料噴射弁１６の開弁時間を調節することで燃料噴射制御を行う。
【００２７】
図３は、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置の動作を示すフロー・チャートであるが、図示の動作においてはＥＨＣへの通電電流などを検出するので、それについて先に説明する。
【００２８】
図４はＥＨＣへの通電電流および通電電圧検出用の回路図である。同図に示す如く、ＥＨＣの金属セル２００（図示の如く抵抗として示す）の正極端子２０６は電圧源ＶＯ（オルタネータ２８）に接続されており、ＥＣＵ５４からパワートランジスタＴＲにベース電流が供給されると、通電される。金属セル２００の両端電圧はオペアンプＯＰ１を通じて検出され、ＥＣＵ５４に送出される。この明細書ではこの電圧をＶＥＨＣと呼ぶ。
【００２９】
また、パワートランジスタＴＲのエミッタ端子と接地間には電流検出抵抗（シャント抵抗）Ｒｏが接続されており、抵抗Ｒｏの両端電圧からオペアンプＯＰ２を介してヒータ電流が検出され、ＥＣＵ５４に送出される。この明細書ではこの電流をＩＥＨＣと呼ぶ。
【００３０】
ここで、ＩＥＨＣとＶＥＨＣの積を求め、それを積分すれば、ＥＨＣの消費する消費電力の積算値を求めることができる。以下、この消費電力積算値をＷＥＨＣと呼ぶ。尚、上記で、ＥＨＣの抵抗ＲＥＨＣは、
ＲＥＨＣ＝ＶＥＨＣ／（ＩＥＨＣ−ＩＢ）
で求めることができるが、ＩＥＨＣ≫ＩＢであるので、
ＲＥＨＣ≒ＶＥＨＣ／ＩＥＨＣ
で概算することができる。従って、上記でＩＥＨＣおよびＶＥＨＣを検出することは、ＥＨＣ２０の抵抗ＲＥＨＣの値を示すパラメータを検出すると言うことができる。
【００３１】
以下、図３フロー・チャートに戻って説明する。
【００３２】
先ず、Ｓ１０において内燃機関１０の最初の始動か、即ち、量産後の最初の始動か否か判断する。これは具体的には、適宜設けたマニュアルスイッチ（図示せず）を使用してＥＣＵ５４に入力することで行う。
【００３３】
Ｓ１０で肯定されるときはＳ１２に進んでＥＨＣ２０をオン、即ち、ＥＨＣ２０に通電する。これは前述の如く、パワートランジスタＴＲにベース電流ＩＢを供給することで行う。続いてＳ１４に進んでＩＥＨＣ，ＶＥＨＣを検出し、Ｓ１６に進んで両者の積を算出してＥＨＣの消費電力の積算値ＷＥＨＣ〔Ｗ〕を算出する。尚、ＩＥＨＣ，ＶＥＨＣの検出およびＷＥＨＣの算出は所定時間、例えば３０秒、継続して行い、よって得た経時的に増加する値を積分することでＷＥＨＣの積算値を算出する。
【００３４】
続いてＳ１８に進んで算出した積算値ＷＥＨＣが初期上限値（前記した基準値）ＷＡ０未満か否か判断し、肯定されるときはＳ２０に進んで積算値ＷＥＨＣが初期下限値（前記した基準値）ＷＢ０を超えているか否か判断する。そして、Ｓ２０でも肯定されるときはＳ２２に進んで前記した式から抵抗値ＲＥＨＣを算出し、Ｓ２４に進んで補正係数Ｈ０を以下のように算出する。
Ｈ０＝（設計抵抗値／実測抵抗値）
【００３５】
ここで、設計抵抗値はＥＨＣ２０の設計時に求めた値であり、実測抵抗値はＳ２２で算出された抵抗値ＲＥＨＣである。補正係数Ｈ０はこのように設計値と実測値との比に基づいて算出される。設計値と実測値が一致するときは、補正係数は１となる。
【００３６】
続いて、Ｓ２６に進み、算出した補正係数Ｈ０を初期上下限値ＷＡ０，ＷＢ０に乗じ、図５に示す如く、補正（更新）する。この補正（更新）された上下限値をＷＡ１，ＷＢ１と呼ぶ。続いてＳ２８に進んでＥＨＣ２０をオフ、即ち、ＥＨＣ２０への通電を停止する。尚、Ｓ１８またはＳ２０で否定されたときはＳ３０に進み、ＥＨＣ２０が異常（故障）であると判定する。
【００３７】
またＳ１０で機関の最初の始動ではないと判断されるときはＳ３２に進み、ＥＨＣの作動条件、例えば、機関の冷間始動時が成立しているか否か判断し、肯定されるときはＳ３４に進んで図示しない別のルーチンで実行されるＥＨＣの通電制御においてＥＨＣ２０が通電されているか否か判断し、肯定されるときはＳ３６に進んでＩＥＨＣ，ＶＥＨＣを検出し、Ｓ３８に進んで今述べたと同様な手法で積算値ＷＥＨＣを算出する。
【００３８】
続いてＳ４０に進んで積算値ＷＥＨＣが補正上限値ＷＡ１未満か否か判断し、肯定されるときはＳ４２に進んで積算値ＷＥＨＣが補正下限値ＷＢ１を超えるか否か判断する。
【００３９】
そしてＳ４２で肯定されるときはＳ４４に進んでＥＨＣ２０が正常であると判定すると共に、Ｓ４０またはＳ４２で否定されたときはＳ４６に進んでＥＨＣ２０は異常（故障）であると判定する。尚、Ｓ３２あるいはＳ３４で否定されるときは直ちにプログラムを終了する。
【００４０】
尚、図示は省略するが、上記したＥＨＣ２０のヒータ部の通電制御と同時に、前記した空気ポンプ３２を動作させて２次空気を供給する。
【００４１】
この発明の実施の形態は上記の如く、機関始動の初期、例えば量産後の最初の始動時にＥＨＣの通電時の電気抵抗値を算出し、設計値との比に基づいて補正係数を算出し、異常判定用の基準値たる上下限値を補正するようにした。そして、その後の内燃機関の運転状態において通例のＥＨＣの作動時にその消費電力の積算値を算出し、補正した上下限値内にないとき、ＥＨＣが異常と判定するようにした。
【００４２】
先に述べたように、ＥＨＣ２０の金属セル２００の負荷は小さく、抵抗値で言えば数十から数百ｍΩ程度の微小な値で量産バラツキを抑えるのが本来的に困難であり、更に通電回路に用いるケーブルやセンサの量産バラツキもある。従って、従来技術においては、異常判定用の上下限値の幅を大きくして正常と判定できる範囲を大きくせざるを得ない。換言すれば、正常判定範囲を甘くせざるを得ず、異常検出精度の低下を招いていた。
【００４３】
しかしながら、上記のように構成することで、個々のＥＨＣの特性に応じて異常判定用の上下限値を設定することができる。即ち、量産バラツキを補正して正常判定範囲を厳密に設定することができることから、異常検出精度を上げることができる。
【００４４】
ここで、請求項と発明の実施の形態との関係について述べると、図３フロー・チャートのＳ１４およびＳ１６がパラメータ検出手段に、Ｓ１８からＳ２６が基準値設定手段に、Ｓ１８，Ｓ２０，Ｓ４０，Ｓ４２が異常検出手段に、Ｓ１０が運転状態検出手段に相当する。
【００４５】
尚、上記において個々のＥＨＣの特性を検出する意味で、Ｓ１０で機関の最初の始動か、即ち、量産後の最初の始動か否かを判断し、肯定されるとき設計値と実測値との比に応じて基準値を補正するようにしたが、上に述べた趣旨から明らかな如く、基準値の補正は機関の最初の始動時に限られるものではなく、量産後に出荷するまでのどの時点で行っても良く、あるいは出荷後にユーザが所定距離走行した後のサービス工場の定期点検を利用して行ってもよい。その意味で、請求項では『特定の運転状態』と記載した。
【００４６】
更に、ＥＨＣ２０の消費電力の積算値ＷＥＨＣを基準値と比較するようにしたが、抵抗値ＲＥＨＣで比較しても良い。更には、電流値ＩＥＨＣないしは電圧値ＶＥＨＣの一方のみを使用することも、精度が若干低下する点を除けば、可能である。
【００４７】
更に、設計値と実測値との比を求め、それに基づいて補正係数を求め、初期上下限値に乗算して補正（更新）するようにしたが、設計値と実測値との差を求め、初期上下限値に加算して補正（更新）しても良い。
【００４８】
更に、電流を検出する際に、非接触型のホール素子を用いても良い。
【００４９】
更には、電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の例として押し出し成形してなるものを示したが、これに限るものでなく、メタルホイル型と呼ばれる金属材を渦巻き状に重ね合わせてなるものであっても良い。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１項に係る内燃機関の排気ガス浄化装置にあっては、個々の電気加熱式触媒の特性に応じて異常判定基準値を厳密に設定することができ、異常検出精度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置を含む内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１の電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の触媒担体部の説明平面図である。
【図３】図１装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図４】図１装置において電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の通電電流値などを検出する回路の回路図である。
【図５】図３フロー・チャートにおいて異常判定用の比較基準値の補正を示す説明図である。
【符号の説明】
１０    内燃機関
２０    電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
２２    スタート触媒
２４    三元触媒
２６    切換スイッチ
２８    オルタネータ
５４    制御ユニット（ＥＣＵ）
２００  電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の触媒担体部（金属セル）
２０２  スリット
２０４  電流路
２０６  正極端子
２０８  負極端子
【図１】
0003602614.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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