(57)【要約】      （修正有）【課題】触媒劣化判定の目的で実施するアクティブ制御の開始当初段階の無駄な周期を削減する。【解決手段】触媒下流の空燃比センサの出力が所定のリーン判定値を下回った後その出力の変化量が所定値に達した時点ＴSから、あるいは、触媒下流の空燃比センサの出力が所定のリッチ判定値を上回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御を開始することとした。上記の時点は、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していることが保証される時点、または触媒から酸素を完全に放出していることが保証される時点である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照して、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させたときの触媒の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、
前記空燃比センサの出力が所定のリーン判定値を下回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、あるいは、前記空燃比センサの出力が所定のリッチ判定値を上回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させる制御を開始することを特徴とする触媒異常判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する触媒の正常／異常を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを酸化、ＮＯxを還元して無害化する三元触媒が装着されている。
【０００３】
触媒は、排気ガス熱等により経年劣化し、酸素吸蔵能力（ＯＳＣ：Ｏ2  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ）の減退を招く。触媒による排気ガスの浄化率は、触媒内に吸着できる酸素量に依存する。触媒の劣化が進行すると、排気ガスに含まれる有害物質の量も増大する。一方で、触媒の劣化は、車両自体の運転性能にはほとんど影響を与えない。それ故、異常な排出ガス車が長期間、無意識に使用され続けるおそれがある。
【０００４】
上記の事象に対処するべく、近時では、触媒の経年劣化の度合いを自己診断する機能を車両に実装することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。既に知られている通り、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状況の下で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリッチに操作し、しかる後に触媒下流の空燃比センサの出力信号がリッチに切り替わるまでの時間差を計測することで、触媒の酸素吸蔵能力（最大放出量）を推算することが可能である。また、触媒から酸素を完全に放出した状況の下で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリーンに操作し、しかる後に触媒下流の空燃比センサの出力信号がリーンに切り替わるまでの時間差を計測することによっても、酸素吸蔵能力（最大吸蔵量）の推算が可能である。
【０００５】
実際には、アイドリング状態、定常運転状態、その他特定の運転状態にあるときに、空燃比フィードバック制御を一時的に止め、空燃比を意図的に振動させて触媒の劣化診断を行う。この劣化診断では、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒がその酸素の全てを放出するのに要した時間、及び、酸素を吸蔵していない触媒が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間をそれぞれ一回以上計測し、計測した時間の平均値を求めて現状における触媒の酸素吸蔵能力とする。そして、その酸素吸蔵能力値を所定の閾値と比較して、触媒が劣化していないかどうかを判断する。以降、これをアクティブ制御と呼称する。
【０００６】
図６に示しているように、アクティブ制御では、触媒下流の空燃比センサの出力電圧をリーン／リッチ判定値と比較して触媒下流の空燃比がリーンであるかリッチであるかを判定しつつ、空燃比センサの出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで制御目標空燃比をリーンとし、空燃比センサの出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで制御目標空燃比をリッチとする。このシークエンスにより、酸素放出時間Ｔ1及び酸素吸蔵時間Ｔ2を反復連続的に計測することができる。
【０００７】
しかしながら、アクティブ制御の開始当初の段階では、触媒下流の空燃比センサの出力の切り替わりの時点で、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していることは保証されず、及び／または、触媒から酸素を完全に放出していることも保証されない。故に、アクティブ制御の開始当初の一周期ないし二周期程度（図中符号ＴVで示す）は酸素放出時間Ｔ1及び酸素吸蔵時間Ｔ2の計測を行わず、いわば「捨てて」いた。その分だけ、アクティブ制御を実行している期間が長くなるので、燃費面での不利を招く上、排気ガス中の有害物質の増加につながるきらいがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−１３３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、アクティブ制御の開始当初の段階における無駄な周期を削減することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照して、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させたときの触媒の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、前記空燃比センサの出力が所定のリーン判定値を下回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、あるいは、前記空燃比センサの出力が所定のリッチ判定値を上回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させる制御を開始することとした。
【００１１】
即ち、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していることが保証される時点、または触媒から酸素を完全に放出していることが保証される時点から、アクティブ制御を開始するようにしたのである。本発明によれば、アクティブ制御を実行している期間を従前よりも短縮することができ、燃費面での不利の回避、排気ガス中の有害物質の増加の抑制に資する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、触媒劣化判定の目的で実施するアクティブ制御の開始当初段階の無駄な周期を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における触媒異常判定装置の構成要素を説明する図。
【図２】同触媒異常判定装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】触媒劣化診断のためのアクティブ制御の内容を示すタイミングチャート。
【図４】吸気量と触媒の予想温度との関係を示す図。
【図５】パラメータｅｄｔｓｃと酸素吸蔵能力値の補正係数との関係を示す図。
【図６】従来のアクティブ制御の内容を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の触媒異常判定装置１は、内燃機関２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを無害化する触媒３の経年劣化の度合いを診断するものであって、図１に示すように、触媒３の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ１１と、触媒３の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ１２と、両空燃比センサ１１、１２の出力信号を参照して触媒３の正常／異常を判定する判定部１３とを具備する。
【００１５】
図２に、ハードウェア構成の概要を示す。内燃機関２は、車両に搭載される多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関２で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド４１、排気管４２及び触媒３を通じて大気中に排出される。触媒３の上流にある第一の空燃比センサ１１、触媒３の下流にある第二の空燃比センサ１２はそれぞれ、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ2センサであってもよい。
【００１６】
第一の空燃比センサ１１及び第二の空燃比センサ１２は、吸気負圧センサ、エンジン回転数センサ、車速センサ、冷却水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置（ＥＣＵ）５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ｉ／Ｏインタフェース５４等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース５４は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、Ａ／Ｄ変換回路及び／またはＤ／Ａ変換回路を含む。プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。電子制御装置５は、プログラムに従い、判定部１３としての機能を発揮する。
【００１７】
電子制御装置５は、第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２やその他のセンサから出力される信号を、Ｉ／Ｏインタフェース５４を介して受信する。そして、要求される燃料噴射量を算出し、この要求燃料噴射量に対応した制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁２１に入力、内燃機関２の燃料噴射を制御する。要求燃料噴射量は、吸気管内負圧及びエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた環境補正、並びに空燃比フィードバック制御による補正を加えて、最終的に決定する。
【００１８】
その上で、判定部１３たる電子制御装置５は、触媒３の酸素吸蔵能力の大きさを推算するとともに、推算した酸素吸蔵能力値を所定の判定閾値と比較して、触媒の正常／異常を判定する。
【００１９】
触媒３の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関２の気筒に空燃比リーンの混合気を供給し、触媒３の酸素吸蔵能力の上限まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒３に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。
【００２０】
第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの時間差をＴ1とおき、このＴ1の間に供給した混合気の総量をＧ1、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／Ｆ1とおくと、Ｔ1の間に触媒３中で不足した酸素量は、
α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇ1
となる。αは、空気中に占める酸素の割合（≒０．２１）である。Ｔ1における、単位時間当たりの吸気量をＧaとおけば、
α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇa・Ｔ1
となる。上式の値は、触媒３の酸素吸蔵能力と同義となる。
【００２１】
あるいは、内燃機関２の気筒に空燃比リッチの混合気を供給し、触媒３に酸素を吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒３に吸着するためである。
【００２２】
第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの時間差をＴ2とおき、このＴ2の間に供給した混合気の総量をＧ2、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／Ｆ2とおくと、Ｔ2の間に触媒３中で過剰となった酸素量は、
α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇ2
となる。Ｔ2における、単位時間当たりの吸気量をＧbとおけば、
α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇb・Ｔ2
となる。上式の値もまた、触媒３の酸素吸蔵能力と同義となる。
【００２３】
吸気量ＧaまたはＧbは、第一の空燃比センサ１１を介して検出した混合気の空燃比に、電子制御装置５にて算出した要求燃料噴射量を乗じて算定することができる。吸気量ＧaまたはＧbを、吸気管内負圧及びエンジン回転数から推定するようにしてもよい。内燃機関２の吸気通路にエアフローメータを設け、吸気量ＧaまたはＧbを直接に計測しても構わない。
【００２４】
本実施形態では、アイドリング状態、定常運転状態、その他特定の運転状態にあるときに、空燃比フィードバック制御を一時的に止め、空燃比を意図的に振動させるアクティブ制御を実施して触媒３の劣化診断を行う。
【００２５】
アクティブ制御では、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達した、即ち第二空燃比センサ１２の出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリーンに設定し、触媒３に流入するガスの空燃比を強制的にリーン化する。そして、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が所定のリーン判定値に到達する、即ち第二の空燃比センサ１２の出力が再度リーンへと切り替わるまでの経過時間Ｔ2を計測する。リッチ判定値とリーン判定値とは、同一の値であってもよく、相異なる値であってもよい。
【００２６】
並びに、第二の空燃比センサ１２の出力がリッチからリーンへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリッチに設定し、触媒３に流入するガスの空燃比を強制的にリッチ化する。そして、第二の空燃比センサ１２の出力が再度リッチへと切り替わるまでの経過時間Ｔ1を計測する。
【００２７】
しかして、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒３がその酸素の全てを放出するのに要した時間Ｔ1、及び、酸素を吸蔵していない触媒３が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間Ｔ2をそれぞれ一回以上計測して、計測した時間Ｔ1、Ｔ2の平均値を求め、これを現状における触媒３の酸素吸蔵能力とする。
【００２８】
但し、アクティブ制御の開始時点は、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が上記のリッチ判定値またはリーン判定値に到達した時点とはしない。通常の空燃比フィードバック制御中に第二の空燃比センサ１２の出力がリッチ判定値またはリーン判定値に到達したとしても、それは触媒３に酸素吸蔵能力一杯まで酸素が吸着したこと、または触媒３から酸素が完全に脱離したことを必ずしも意味しないからである。よって、本実施形態では、電子制御装置５が、アクティブ制御の開始以前にも第二の空燃比センサ１２の出力を恒常的に監視して、図３に示すように、第二の空燃比センサ１２の出力がリーン判定値を下回った後その出力の変化量（単位時間当たり変化量、微分係数、変化速度）が所定値に達した時点ＴSから、あるいは、第二の空燃比センサ１２の出力がリッチ判定値を上回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、アクティブ制御の実行を開始する。
【００２９】
さらに、推算した触媒３の酸素吸蔵能力の値を、所定の閾値と比較する。酸素吸蔵能力値が閾値を下回っているならば、触媒３が異常である、即ち触媒３が劣化して酸素吸蔵能力を失ったものと判定し、その旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知する。例えば、電子制御装置５がＩ／Ｏインタフェース５４を介して電気信号を出力し、コックピット内で発光デバイスを点灯または点滅させる。
【００３０】
ところで、上に述べた触媒３の酸素吸蔵能力の推測手法では、車両の加速中に実行された場合に、触媒３の酸素吸蔵能力を実態よりも小さく見積もってしまうことがある。車両が加速している最中においては、排気ガスの流量が増加するとともに、排気ガスが触媒３の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態となる。このため、触媒３の一部分でのみ酸素の吸蔵または脱離が発生し、第一の空燃比センサ１１の出力信号の変動に対する第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動の遅れ時間Ｔ1またはＴ2もまた小さくなる。結果、酸素吸蔵能力の推算値が実態よりも小さくなり、未だ性能を保持している触媒３であるにもかかわらずその推算値が閾値を下回ってしまうおそれがある。
【００３１】
そこで、車両が加速中である場合には、推算した酸素吸蔵能力の値に、これを割り増しする補正を加えることとする。
【００３２】
車両の加速中は、触媒の温度が比較的低下する傾向にある。判定部１３たる電子制御装置５は、触媒３の現在温度の値が低いほど酸素吸蔵能力値を割り増しした上、閾値との比較を行う。
【００３３】
詳述すると、本実施形態では、酸素吸蔵能力値の補正の指標として、下式で表されるパラメータｅｄｔｓｃを参酌する。
ｅｄｔｓｃ＝（現時点での触媒３の温度）−（現状の吸気量ＧaまたはＧbが継続した場合に到達すると予想される触媒３の温度）
上式の右辺第二項である触媒３の予想到達温度は、マップデータを参照して知得する。電子制御装置５のＲＯＭ５２には予め、吸気量ＧaまたはＧbと、触媒３の温度との関係を定めたマップデータが記憶されている。図４に、マップデータを例示する。このマップは、吸気量ＧaまたはＧbに対して予想される触媒３の温度を適合により求めたものである。電子制御装置５は、吸気量ＧaまたはＧbをキーとしてマップを検索し、触媒３の予想温度を得る。
【００３４】
上式の右辺第一項である触媒３の現在温度もまた、マップデータを基にして算出する。例えば、吸気量ＧaまたはＧbが４である状況が続いており、そこから吸気量ＧaまたはＧbが８に急変した場合を想定する。触媒３の温度変化は、吸気量ＧaまたはＧbの変動に対して遅れる。吸気量ＧaまたはＧbが変動した時点での触媒３の温度は、おそらくは変動前の吸気量ＧaまたはＧb（＝４）に対応した４８０℃に近い。その後、触媒３の温度は変動後の吸気量ＧaまたはＧb（＝８）に対応した５６０℃に向けて上昇してゆくことになるが、上昇過程における触媒３の現在温度は、触媒３の温度の単位時間当たりの変化量（換言すれば、変化速度。この変化速度は、加速中であるか減速中であるかによって異なり、また各種環境条件に応じて増減し得る）を吸気量ＧaまたはＧbの変動時点からの経過時間で積分した値を、吸気量ＧaまたはＧbの変動時点での温度に加算したものとなる。
【００３５】
このように、マップを参照して吸気量ＧaまたはＧbの変動前の温度及び変動後の温度を得、さらに温度の変化速度、吸気量ＧaまたはＧbの変動からの経過時間を加味することで、触媒３の現在温度を推定することが可能である。尤も、触媒３近傍の温度に応じた出力信号を出力する触媒温度センサが別途設けられているのであれば、当該センサを介して触媒３の現在温度を実測し、これを以て上式の右辺第一項の値とすることができる。
【００３６】
パラメータｅｄｔｓｃは、吸気量ＧaまたはＧbの変動の急激さ、つまりは車両の加減速の度合いを示していると言える。吸気量ＧaまたはＧbの変動が少ない、または変動していてもそれが緩やかである場合では、上式の右辺第一項が第二項に近い値となり、ｅｄｔｓｃが０に近づく。車両が定速走行しているときのｅｄｔｓｃは、ほぼ０である。翻って、吸気量ＧaまたはＧbが急増減した場合には、一時的に右辺第一項と第二項との間に乖離が生じ、ｅｄｔｓｃの絶対値も大きくなる。車両の加速中は吸気量ＧaまたはＧbが増大し、それに対応して触媒３の予想到達温度も高くなるが、実際の温度がこれに追いついていない間はｅｄｔｓｃが負値となる。
【００３７】
電子制御装置５は、パラメータｅｄｔｓｃの値が低くなるほど、酸素吸蔵能力の推算値を割り増し補正する。電子制御装置５のＲＯＭ５２には予め、ｅｄｔｓｃと、酸素吸蔵能力値の補正係数との関係を定めたマップデータが記憶されている。図５に、マップデータを例示する。電子制御装置５は、ｅｄｔｓｃをキーとしてマップを検索し、補正係数を得、この補正係数を推算した酸素吸蔵能力値に乗算する。図５に則して言えば、ｅｄｔｓｃが−８０℃のとき、推算した酸素吸蔵能力値を１．２倍した上で閾値と比較、触媒３の正常／異常を判定する。補正係数を乗じた補正済み酸素吸蔵能力値が閾値を下回っているならば、触媒３が異常である旨を運転者に報知して触媒３の交換を促すのである。
【００３８】
本実施形態によれば、内燃機関２の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒３の下流に設けられた空燃比センサ１２の出力を参照して、触媒３に流入するガスの空燃比を強制的に変動させたときの触媒３の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の閾値を下回ったときに触媒３が異常であると判定する触媒異常判定方法において、前記空燃比センサ１２の出力が所定のリーン判定値を下回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、あるいは、前記空燃比センサ１２の出力が所定のリッチ判定値を上回った後その出力の変化量が所定値に達した時点から、触媒３に流入するガスの空燃比を強制的に変動させるアクティブ制御を開始することとしたため、当該アクティブ制御の開始時点で、触媒３に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していることが保証され、または触媒３から酸素を完全に放出していることが保証される。従って、アクティブ制御の開始当初の一周期ないし二周期程度を捨てる必要がなくなり、アクティブ制御の実行期間を従前よりも短縮できるようになる。
【００３９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、車両に搭載される内燃機関に付帯する排気ガス浄化用の触媒の劣化診断に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…触媒異常判定装置
１２…触媒下流の空燃比センサ
１３、５…判定部（電子制御装置）
２…内燃機関
３…触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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