(57)【要約】  【課題】触媒の上流と下流とに設けたセンサを用いて劣化判定を行うものにおける、判定精度の向上を図る。  【解決手段】内燃機関が、排気系に設けられる触媒の上流及び下流に排気ガス用空燃比センサを備え、少なくとも触媒の下流に設けられる排気ガス用空燃比センサがセラミックのコーティング層を有する酸素センサであり、空燃比をリーンまたはリッチに変化させたときの酸素センサの空燃比検出結果に基づいて触媒の劣化判定を行う内燃機関の触媒劣化判定方法であって、リッチまたはストイキな空燃比での運転状態からリーンな空燃比での運転状態に変更して触媒劣化判定を開始する際に、触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態及び触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態から触媒劣化判定開始までの運転状態に基づいて前記触媒劣化判定時における空燃比検出結果を補正する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関が、排気系に設けられる触媒の上流及び下流に排気ガス用空燃比センサを備え、少なくとも触媒の下流に設けられる排気ガス用空燃比センサがセラミックのコーティング層を有する酸素センサであり、空燃比をリーンまたはリッチに変化させたときの酸素センサの空燃比検出結果に基づいて触媒の劣化判定を行う内燃機関の触媒劣化判定方法であって、リッチまたはストイキな空燃比での運転状態からリーンな空燃比での運転状態に変更して触媒劣化判定を開始する際に、触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態及び触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態から触媒劣化判定開始までの運転状態に基づいて前記触媒劣化判定時における空燃比検出結果を補正する内燃機関の触媒劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒の劣化状態を、２つの空燃比センサを用いて診断する内燃機関の触媒劣化判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などに搭載される内燃機関にあっては、排気ガスを浄化するために、その排気通路に触媒を備えるものである。この触媒は、空燃比がほぼ理論空燃比に維持されている場合に、最も高い排気ガス浄化性能を発揮する。このため、このような触媒を備える内燃機関にあっては、触媒の上流と下流とにそれぞれ空燃比センサを配置し、各空燃比センサにより得られる情報に基づいて空燃比をフィードバック制御や触媒の劣化判定をするようにしている。
【０００３】
触媒の劣化判定は、上流側の空燃比センサが検出した情報と、下流側の空燃比センサが検出した情報とに基づいて行われている。例えば特許文献１のものでは、設定された触媒診断領域に運転状態がある場合に、上流側空燃比センサの出力と下流側空燃比センサの出力とを比較し、少なくとも２つ以上の触媒診断領域において劣化状態の検出結果が劣化を示すときに触媒が劣化したことを判定する構成である。
【０００４】
しかしながら、このように２つ以上の触媒診断領域に基づく判定方法にあっては、現時点の運転領域が触媒の劣化診断に適している領域であっても、以前の運転領域の影響により触媒の劣化診断結果が異なることがある。つまり、異なる２つ以上の触媒診断領域において、同一の劣化判断結果であった場合に劣化を判定するものであるので、各触媒診断領域間の時間経過によりそれぞれの触媒診断領域での結果が異なると、誤判定を誘発する可能性がある。
【０００５】
一般的に、リッチな空燃比での運転の後では、下流側の空燃比センサ、特には酸素センサの場合、酸素の検出を阻害する成分が酸素センサ表面に付着する。このように酸素センサ表面にそのような成分が付着すると、付着したそれらの成分が酸素センサ表面から離脱しないと酸素を検知するための酸素センサの反応が鈍く、また遅れるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７‐２４７８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は以上の点に着目し、触媒の劣化判定精度の向上を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の内燃機関の触媒劣化判定方法は、内燃機関が、排気系に設けられる触媒の上流及び下流に排気ガス用空燃比センサを備え、少なくとも触媒の下流に設けられる排気ガス用空燃比センサがセラミックのコーティング層を有する酸素センサであり、空燃比をリーンまたはリッチに変化させたときの酸素センサの空燃比検出結果に基づいて触媒の劣化判定を行う内燃機関の触媒劣化判定方法であって、リッチまたはストイキな空燃比での運転状態からリーンな空燃比での運転状態に変更して触媒劣化判定を開始する際に、触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態及び触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態から触媒劣化判定開始までの運転状態に基づいて前記触媒劣化判定時における空燃比検出結果を補正することを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、リッチまたはストイキな空燃比での運転状態からリーンな空燃比での運転状態に変更して触媒劣化判定を開始する際に、触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態において酸素センサのコーティング層に異物が付着していることを考慮して、その異物の付着を推定して空燃比変動検出結果を補正することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上説明したような構成であり、コーティング層を有する酸素センサを使用して触媒の劣化判定を行う場合にあって、その劣化判定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の内燃機関の構成を示す図
【図２】同実施形態の制御手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に、一気筒の構成を概略的に示すこの実施形態における内燃機関１００は、例えば自動車に搭載される火花点火式のものである。内燃機関１００の吸気系１には、アクセルペダルの踏み込み量に応じて作動するスロットル弁１１を設けており、スロットル弁１１の下流にはサージタンク１３を有する吸気マニホルド１２を取り付けている。サージタンク１３には吸気管圧力を検出するための圧力センサ７１を配している。サージタンク１３より下流の吸気系１には、吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３が取り付けてある。燃料噴射弁３は、後述する電子制御装置４により開閉を制御される。
【００１４】
排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、排気ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。三元触媒５２は特に、酸素ストレージ能力を有するものである。そして、三元触媒５２の上流位置にフロント空燃比センサ５３を、またその下流位置にはリアＯ2センサ５４をそれぞれ配置している。フロント空燃比センサ５３及びリアＯ2センサ５４は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。リアＯ2センサ５４は、固体電解質の表裏に電極を取り付け、排気ガスが接触する表側の電極の保護のためにセラミックのコーティング層を備えるものである。
【００１５】
シリンダ２上部に形成される燃焼室の天井部には、吸気バルブ２１、排気バルブ２２及び点火プラグ２３が配置される。
【００１６】
電子制御装置４は、内燃機関の運転を制御するもので、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インターフェース４３、出力インターフェースなどを有するコンピュータシステムである。
【００１７】
入力インターフェース４３には、圧力センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブの開度を検出するためのスロットルセンサ７４から出力されるスロットル開度信号ｄ、冷却水の温度を検出するための水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、フロント空燃比センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｇ、リアＯ2センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｈなどが入力される。一方、出力インターフェース４４からは、インジェクタ３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍなどが出力される。
【００１８】
中央演算装置４１は、記憶装置４２にあらかじめ格納されているプログラムを実行し、運転に必要な各種情報を上記の各センサから取得し、燃料噴射量や点火時期などを制御する。そのような制御において、フロント空燃比センサ５３から出力する上流側空燃比信号ｇを用いて、従来と同様に空燃比のフィードバック制御を実行する。又、中央演算装置４１は、三元触媒５２の劣化を判定するために、記憶装置４２に格納されている、リッチまたはストイキな空燃比での運転状態からリーンな空燃比での運転状態に変更して触媒劣化判定を開始する際に、触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態及び触媒劣化判定開始前におけるリッチな空燃比での運転状態から触媒劣化判定開始までの運転状態に基づいて触媒劣化判定時における空燃比検出結果を補正し、補正後の空燃比検出結果に基づいて劣化判定を行う劣化判定プログラムを実行する。
【００１９】
この実施形態における三元触媒５２の劣化判定は、三元触媒５２の酸素吸蔵量ＯＳＡを測定することにより行うものである。酸素吸蔵量ＯＳＡは、空燃比を、リッチからまたはストイキから強制的にリーンに変化させ、フロント空燃比センサ５３がリーンである空燃比を検出してから、リアＯ2センサ５４が酸素を検出するまでの時間差に基づいて算出する。従って、この実施形態においては、空燃比検出結果としては、酸素吸蔵量ＯＳＡとなる。
【００２０】
図２により、三元触媒５２の劣化判定の手順を説明する。なお、劣化判定プログラムは
リッチな空燃比での運転状態が存在し、且つ設定された三元触媒５２の劣化判定開始のタイミングとなった際に実行するものである。例えば、加速運転により空燃比がリッチである運転が終了した時点と劣化判定開始のタイミングとが一致する場合は、空燃比がリッチである運転の終了時点から劣化判定プログラムを実行し、空燃比がリッチである運転が終了した後、理論空燃比またはリーン空燃比で通常走行を行っている間に劣化判定開始のタイミングとなった場合は、そのタイミングで劣化判定プログラムを実行する。
【００２１】
この劣化判定プログラムの実行に先立って、リアＯ2センサ５４に付着する異物である水素が劣化判定に及ぼす影響を相殺するために必要な演算を実施する。
【００２２】
通常、セラミックのコーティング層を有するリアＯ2センサ５４では、空燃比がリッチである運転状態において、セラミックのコーティング層に当該コーティング層を酸素が通過することを阻害する水素が付着する。このように水素が付着すると、リアＯ2センサ５４による酸素検出が遅れる。このため、リアＯ2センサ５４の出力が実際の空燃比の変更後反転するまでの遅延時間に基づいて三元触媒５２の劣化を判定する場合、このような水素の付着に起因する酸素検出の遅れが生じると、正確な判定が困難になる。
【００２３】
このようなコーティング層への水素の付着の影響を排除するために、上記の空燃比がリッチである運転状態にある期間の空燃比（瞬時値）と燃料噴射量（瞬時値）とリッチである運転時間とを計測する。これらの値は、空燃比がリッチである運転状態における酸素吸蔵量ＯＳＡの誤差分（以下、ＯＳＡ誤差増分と称する）を演算するためのものである。また、空燃比がリッチである運転が終了した後、理論空燃比またはリーン空燃比で通常走行を行っている間に劣化判定開始のタイミングとなった場合にあっては、空燃比がリッチである運転の終了から、劣化判定開始のタイミングまでの運転状態における酸素吸蔵量ＯＳＡの誤差分（以下、ＯＳＡ誤差減少分と称する）についても演算する。ＯＳＡ誤差減少分とは、空燃比がリッチである運転状態においてリアＯ2センサ５４に付着した水素が、理論空燃比またはリーン空燃比での運転中にリアＯ2センサ５４から離脱するものに起因する。
【００２４】
ＯＳＡ誤差増分及びＯＳＡ誤差減少分は、次式により演算する。
ＯＳＡ誤差増分＝∫Ｆ１（ｔ）ｄｔ
ＯＳＡ誤差減少分＝∫Ｆ２（ｔ）ｄｔ
ただし、
Ｆ１（ｔ）＝（α×Ａ／Ｆｉ）×（β×燃料噴射量ｉ）
Ｆ２（ｔ）＝（γ×Ａ／Ｆｉ）×（δ×燃料噴射量ｉ）
α、β、γ、δは、係数。Ａ／Ｆｉは、リアＯ2センサ５４が計測した空燃比の瞬時値。燃料噴射量ｉは、その瞬時値。
【００２５】
なお、ＯＳＡ誤差増分については、上限値を設定しておく。これは、空燃比がリッチでの運転状態が長くなるとＯＳＡ誤差増分は大きくなるが、コーティング層に水素が付着限度量まで付着すると、それ以上は付着しないことに起因する。また、ＯＳＡ誤差減少分は、空燃比がリッチである運転が終了した時点と劣化判定開始のタイミングとが一致する場合にあっては、０となり、酸素吸蔵量ＯＳＡの誤差分はＯＳＡ誤差増分のみとなる。
【００２６】
まず、ステップＳ１では、空燃比を強制的にリーンに変更する。ステップＳ２では、空燃比をリーンに変更したことにより、リアＯ2センサ５４が出力する下流側空燃比信号ｈが反転するまでの間の諸元を計測する。この場合の諸元とは、三元触媒５２の酸素吸蔵量ＯＳＡを演算するために必要な因子である、リアＯ2センサ５４が検出した実際の空燃比と理論空燃比との偏差、燃料噴射量、フロント空燃比センサ５３が出力する上流側空燃比信号ｇの反転時点から下流側空燃比信号ｈの反転時点までの時間差を指すものである。
【００２７】
ステップＳ３では、空燃比をリーンに変更してから所定時間経過後に空燃比をリッチに変更する。ステップＳ４では、空燃比をリッチに変更したことにより、下流側空燃比信号ｈが反転するまでの間の諸元を計測する。この場合の諸元は、ステップＳ２におけるものと同じである。
【００２８】
ステップＳ５では、計測した諸元により、空燃比をリーンに変更した場合と、空燃比をリッチに変更した場合とのそれぞれの酸素吸蔵量ＯＳＡを上述した誤差分による補正も含めて演算する。誤差分を補正する前の、空燃比をリーンに変更した場合の第一酸素吸蔵量ＯＳＡと、空燃比をリッチに変更した場合の第二酸素吸蔵量ＯＳＡとの演算は、下記の式により行う。なお、第一酸素吸蔵量ＯＳＡを演算する場合においては、ステップＳ２において計測した諸元を、また第二酸素吸蔵量ＯＳＡを演算する場合においては、ステップＳ４において計測した諸元を、それぞれ代入するものである。
ＯＳＡ＝ΔＡ／Ｆ×燃料噴射量×ｋ×Δｔ
ただし、
ΔＡ／Ｆは、リアＯ2センサ５４が検出した実際の空燃比と理論空燃比との偏差。Δｔは、上流側空燃比信号ｇの反転時点から下流側空燃比信号ｈの反転時点までの時間差。
【００２９】
得られた各酸素吸蔵量ＯＳＡは、次式により誤差分を補正する。空燃比をリーンに変更した場合の酸素吸蔵量ＯＳＡを、リーン酸素吸蔵量ＯＳＡと称し、空燃比をリッチに変更した場合の酸素吸蔵量ＯＳＡを、リッチ酸素吸蔵量ＯＳＡと称する。
リーン酸素吸蔵量ＯＳＡ＝第一酸素吸蔵量ＯＳＡ−（ＯＳＡ誤差増分−ＯＳＡ誤差減少分）
リッチ酸素吸蔵量ＯＳＡ＝第二酸素吸蔵量ＯＳＡ−（ＯＳＡ誤差増分−ＯＳＡ誤差減少分）
なお、この誤差分による各酸素吸蔵量ＯＳＡの補正は、空燃比がリッチである運転状態とその後の劣化判定開始のタイミングまでの運転状態における、リアＯ2センサ５４に付着している水素の量に応じてリアＯ2センサ５４において生じる誤差を補正するものである。従って、ＯＳＡ誤差増分からＯＳＡ誤差減少分を減算した値が、０及び正の値である場合、つまりリアＯ2センサ５４に水素が付着している場合にのみ実施するものである。
【００３０】
ステップＳ６では、ステップＳ５において得られたリーン酸素吸蔵量ＯＳＡとリッチ酸素吸蔵量ＯＳＡとの平均値を算出する。ステップＳ７では、ステップＳ６において得られた平均値つまり平均酸素吸蔵量ＯＳＡａｖに基づいて、三元触媒５２の劣化を判定する。平均酸素吸蔵量ＯＳＡａｖが判定値以上であれば、三元触媒５２は劣化していないと判定し、判定値未満であれば、劣化していると判定する。
【００３１】
このような構成によれば、例えば加速運転により空燃比がリッチでの運転が行われて、リアＯ2センサ５４に水素が付着して酸素の検出反応に遅れが生じても、空燃比がリッチでの運転状態における水素の付着状態及びその後の運転状態による水素の離脱状態を、空燃比の瞬時値及び燃料噴射量の瞬時値を積算して得る誤差分（ＯＳＡ誤差増分及び誤差減少分）として演算する。そして誤差分により、第一酸素吸蔵量ＯＳＡと第二酸素吸蔵量ＯＳＡとを補正して、三元触媒５２の劣化を判定するための平均酸素吸蔵量ＯＳＡａｖを演算するので、劣化を判定するに際して、空燃比がリッチでの運転状態及びその後の劣化判定開始のタイミングまでの運転状態におけるリアＯ2センサ５４の検出遅れを劣化の判定に反映させることができる。従って、三元触媒５２の劣化の判定の精度を向上させることができる。
【００３２】
また、このような誤差分の補正を行うことにより、リアＯ2センサ５４に付着した水素が離脱するまで劣化判定の開始を遅らせる必要がないので、迅速に三元触媒５２の劣化を判定することができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。
【００３５】
例えば、前記第一酸素吸蔵量ＯＳＡを検出するために、空燃比を強制的にリーンへ変化させている期間を、水素がリアＯ2センサ５４のセラミックコーティング層から酸素吸蔵量の測定に影響を及ぼさない程度まで離脱する所定期間となるように設定すれば、その後に続けて測定する空燃比をリッチに変更した場合の前記第二酸素吸蔵量ＯＳＡは、ＯＳＡの誤差分を補正することなくリッチ酸素吸蔵量ＯＳＡとして触媒劣化判定の演算に利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の活用例として、排気系に触媒を備える内燃機関が挙げられる。
【符号の説明】
【００３７】
４…電子制御装置
５…排気系
５２…三元触媒
５３…フロント空燃比センサ
５４…リアＯ2センサ
【図１】
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【図２】
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