(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりも精度の高い触媒劣化診断を行う触媒劣化診断装置を提供する。【解決手段】コントロールユニット２３は、エアフロメータ１６によって検出される吸入空気量と、空燃比センサ１８の出力信号の出力積算値によって得られる触媒状態とを主要な因子として、触媒劣化判定に用いる閾値を設定する。そして、空燃比センサ１８と空燃比センサ１９の出力差異に基づく指標値と閾値との比較により触媒１７の劣化を判定する。【選択図】図２
2009024617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設置された触媒の劣化を診断するための触媒劣化診断装置であって、
触媒の上流側の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度または空燃比を検出する第１センサと、
触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度または空燃比を検出する第２センサと、
触媒温度が所定の基準値以上であることを条件として触媒の診断開始を決定し、当該診断中では、前記第１センサと前記第２センサの出力差異に基づく指標値を閾値と比較することにより触媒の劣化有無を判定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、触媒の診断開始の決定の際、触媒劣化判断における前記閾値を、リッチ状態またはリーン状態のいずれかであるかを示す触媒の状態と、内燃機関の吸入空気量とに応じて設定する、
触媒劣化診断装置。
【請求項２】
内燃機関の始動からの前記第１センサの出力積算値に基づいて、触媒がリッチ状態またはリーン状態のいずれかであるかを推定し、
触媒がリーン状態であるほど、触媒が劣化有と判定しにくくなるように前記閾値を設定する、
請求項１記載の触媒劣化診断装置。
【請求項３】
内燃機関の吸入空気量が少ないほど、触媒が劣化有と判定しにくくなるように前記閾値を設定する、
請求項１または２記載の触媒劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に設置された触媒の劣化の診断を適切に行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に設けられる触媒の上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサ（またはＯ2センサ）を配設し、上流側の空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比フィードバック制御を実行するとともに、両センサの出力信号の比較から触媒の劣化を診断するようにした触媒劣化診断装置が、例えば特許文献１、２に開示されている。この触媒劣化診断は、触媒の劣化度合と触媒のＯ2ストレージ能力（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）とが十分な相関関係を有することを利用して行われる。
【０００３】
この従来の触媒劣化診断方法について、図１を参照して説明する。
空燃比フィードバック制御の実行中には、主に上流側の空燃比センサの出力信号に基づいて例えば疑似的な比例積分制御により燃料供給量が制御されるので、上流側の空燃比センサの出力信号は図１の（ａ）に示すように、周期的にリッチ，リーンの反転を繰り返す。触媒のＯＳＣが低下していない場合には、残存酸素濃度の変動が非常に緩やかなものとなるので、触媒の下流側の空燃比センサの出力信号は、図１の（ｂ）に示すように、上流側の空燃比センサに比べて変動幅が小さく、かつ周期が長いものとなる。
【０００４】
一方、触媒のＯＳＣが低下してくると、触媒の上流側と下流側とで酸素濃度がそれ程変わらなくなり、その結果、下流側の空燃比センサの出力信号は、図１の（ｃ）に示すように、上流側の空燃比センサの出力に近似した周期で反転を繰り返すようになる。従って、下流側の空燃比センサのリッチ，リーンの反転周期Ｔ２と、上流側の空燃比センサのリッチ，リーンの反転周期Ｔ１との比（Ｔ２／Ｔ１）を指標値（触媒の劣化度合いを示す値）として求め、この比が所定の閾値以下となったときに、触媒が劣化したと判定することができる。
【０００５】
特許文献３には、触媒劣化の有無の判定に用いる指標値を、内燃機関の吸入空気量によって補正するようにした触媒劣化診断装置が開示されている。
【特許文献１】特開平６−７４０２５号公報
【特許文献２】特開平５−２４８２２７号公報
【特許文献３】特開２００３−２３９７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の触媒劣化診断装置では、触媒劣化の判定に用いる閾値が診断中に一定であるか、または、触媒劣化の判定に用いる指標値を内燃機関の吸入空気量によって補正する程度のものであり、いったん触媒劣化診断を開始すると触媒の状態に応じた精度の高い劣化判定が行われていない。そのため、従来の触媒劣化診断装置では、触媒が劣化していないにもかかわらず触媒が劣化したと誤判定する虞がある。
【０００７】
上述した観点から、本発明の目的は、従来よりも精度の高い触媒劣化診断を行う触媒劣化診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、内燃機関の排気通路に設置された触媒の劣化を診断するための触媒劣化診断装置であって、第１センサと、第２センサと、制御部とを備えている。第１センサは、触媒の上流側の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度または空燃比を検出する。第２センサは、触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度または空燃比を検出する。制御部は、触媒温度が所定の基準値以上であることを条件として触媒の診断開始を決定し、当該診断中では、第１センサと第２センサの出力差異に基づく指標値を閾値と比較することにより触媒の劣化有無を判定する。ここで、制御部は、触媒の診断開始の決定の際、触媒劣化判断における前記閾値を、リッチ状態またはリーン状態のいずれかであるかを示す触媒の状態と、内燃機関の吸入空気量とに応じて設定する。
【０００９】
触媒が正常であったとしても、リッチ状態またはリーン状態のいずれかであるかを示す触媒の状態と、内燃機関の吸入空気量次第で、指標値が触媒劣化有りの判定を行う方向に変化することに着目し、この触媒劣化診断装置では、触媒の状態と吸入空気量に応じて、触媒劣化判定に用いる閾値を最適に設定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりも精度の高い触媒劣化診断を行うことができ、触媒が劣化したと誤判定する可能性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の触媒劣化診断装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、本実施形態の触媒劣化診断装置のシステム構成を示す図である。図２に示す触媒劣化診断装置は、内燃機関１１の排気通路１３に設置された触媒１７の劣化を診断するためのものである。
【００１２】
＜触媒劣化診断装置の構成＞
先ず、図２を参照すると、内燃機関１１の吸気通路１２には、吸気ポートへ向けて燃料を供給する燃料噴射弁１４が気筒毎に配設されているとともに、スロットル弁１５が介装されており、その上流側に、吸入空気量を検出する例えば熱線式のエアフロメータ１６が配設されている。
【００１３】
排気通路１３には、触媒１７が介装されているとともに、触媒１７よりも上流位置に上流側の空燃比センサ１８（第１センサ）が、下流位置に下流側の空燃比センサ１９（第２センサ）がそれぞれ配設されている。この空燃比センサ１８，１９は、排気中の残存酸素濃度に応じた起電力を発生するもので、特に、理論空燃比を境に起電力がステップ状に急変する特性を有している。
【００１４】
また、内燃機関１１には、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ２０が配設されている。クランク角センサ２１は所定クランク角毎にパルス信号を発しており、機関回転数を検出するために設けられている。触媒１７の下流側の排気通路１３には、排気温度を検出するための排気温度センサ２２が配設され、これによって触媒１７の温度が間接的に検出（推定）される。
【００１５】
上述した各種センサの検出信号が入力されるコントロールユニット２３（制御部）は、マイクロコントローラを主体として構成され、空燃比センサ１８，１９に基づく燃料噴射弁１４の噴射量制御、すなわち、フィードバック制御方式による空燃比制御を実行するとともに、触媒の劣化診断を行い、劣化有りと判定した場合には警告灯２４を点灯させるように構成されている。
【００１６】
本実施形態の触媒劣化診断装置において、触媒劣化有無の判定に用いる指標値（触媒の劣化度合いを示す値）は、従来のものを適用することができる。例えば図１に示したように、上流側の空燃比センサ１８の出力信号のリッチ，リーンの反転周期をＴ１、下流側の空燃比センサ１９の出力信号のリッチ，リーンの反転周期Ｔ２としたときに、周期Ｔ２と周期Ｔ１との比（Ｔ２／Ｔ１）を指標値として求め、この比が閾値以下となったときに触媒の劣化有りと判定する。なお、本実施形態の触媒劣化診断装置の指標値はこれに限られない。例えば上記引用文献１〜３に記載された指標値を適用するようにしてもよい。
【００１７】
本実施形態の触媒劣化診断装置は、内燃機関１１（エンジン）の始動後、常時触媒１７の状態（リッチ状態またはリーン状態の触媒状態）をモニタしており、その触媒状態に応じて、触媒劣化判定に用いる閾値を逐次更新していく点に特徴がある。そこで、先ず、触媒劣化診断装置における触媒状態の検出方法について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態の触媒劣化診断装置における触媒状態の検出方法を説明するための図であり、エンジン始動後の上流側の空燃比センサ１８の出力信号を示している。
【００１８】
エンジン始動の時刻ｔ０後、空燃比フィードバック制御が行われるため、上流側の空燃比センサ１８の出力信号は、図３に示すように周期的にリッチ，リーンの反転を繰り返す。コントロールユニット２３では、エンジン始動の時刻ｔ０からの空燃比センサ１８の出力信号を積分した値（出力積算値）を求め、これにより、触媒１７がリッチである期間（以下、「リッチ期間」と表記する。）と、触媒１７がリーンである期間（以下、「リーン期間」と表記する。）とを算出する。ほぼ理論空燃比に制御されている場合（図３における時刻ｔ０〜ｔ１の期間）には、リッチ側およびリーン側の出力信号が相殺されて出力積算値がほぼ０（時間）に近く、かかる期間ではリッチ期間とリーン期間とが共に０（時間）に近い値となっている。一方、図３において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間では触媒１７がリッチ状態となっており、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、リッチ期間が例えば０（時間）から１（時間）に増加することになる。
【００１９】
このように、コントロールユニット２３では、上流側の空燃比センサ１８の出力信号をモニタすることにより、リッチ状態またはリーン状態の触媒状態だけでなく、各状態が継続している期間（上述したリッチ期間またはリーン期間）も算出するようにしている。
なお、後述する閾値ＴＨＤの設定の際には、リッチ期間またはリーン期間を、触媒劣化診断装置が適用される車両に応じて換算した、車両換算期間が用いられる。これは、触媒の熱環境が車両ごとに異なり、そのために触媒の熱環境を代表する温度（代表温度）が車両ごとに異なるためである。この代表温度は、車両取付状態における触媒の実測温度に基づいて予め求めておく。
【００２０】
例えば触媒がリッチ状態であるときには、空燃比（Ａ／Ｆ）＝１３．８で、かつ、触媒が代表温度である場合に、リッチ期間に対して所定の補正演算を施すことによって車両換算期間を算出する。また、触媒がリーン状態であるときには、空燃比（Ａ／Ｆ）＝１５．０で、かつ、触媒が代表温度である場合に、リーン期間に対して所定の補正演算を施すことによって車両換算期間を算出する。
【００２１】
次に、本実施形態の触媒劣化診断装置における閾値の設定方法について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態の触媒劣化診断装置における閾値の設定方法を図解した図である。なお、図４では、縦軸に示す指標値ＩＤＸが下方向に進むにつれて触媒のＯＳＣが低下する（触媒の劣化大）ことを意味する。
【００２２】
本実施形態の触媒劣化診断装置では、エアフロメータ１６により検出される吸入空気量と、上述した方法で検出された触媒状態（リッチ状態またはリーン状態）とを主要な因子として、後述するように触媒劣化判定に用いる閾値が設定される。その際、図４に示すように、エアフロメータ１６によって検出される吸入空気量が少ないほど、閾値を小さくする。すなわち、吸入空気量が少ないほど、触媒が劣化有と判定しにくくなるように閾値を設定する。また、触媒１７がリーン状態であればあるほど、閾値を小さくする。すなわち、触媒１７がリーン状態であればあるほど、触媒が劣化有と判定しにくくなるように閾値を設定する。
【００２３】
なお、吸入空気量が少ないほど、触媒が劣化有と判定しにくくなるように閾値を設定し、触媒１７がリーン状態であればあるほど、触媒が劣化有と判定しにくくなるように閾値を設定するのは、触媒劣化の誤検出防止のためである。この点について以下説明する。
【００２４】
吸入空気量はエアフロメータ１６の出力信号を積分することによって算出しているが、エアフロメータ１６の出力信号が小さい場合には、算出する吸入空気量の精度が高くないため、空燃比制御の精度も低下する。そのため、吸入空気量が少ない場合は、空燃比制御の結果として得られる指標値（前述したＴ２／Ｔ１）自体の精度も低下するため、触媒劣化の誤検出防止の観点から、触媒が劣化有と判定しにくくなるようにすることが好ましい。
【００２５】
一方、触媒がリーン状態の場合には、触媒内の空気量が多過ぎるために、空気に対する吸着能力が低下する（空気が多過ぎて処理しきれなくなる）、すなわち、触媒のＯＳＣが低下する。また、触媒内の空気量が多い場合には、触媒に含まれる希金属が酸化することで希金属のＯＳＣが低下する。この結果、触媒が正常であっても（劣化しなくても）、触媒がリーン状態であればあるほど、触媒のＯＳＣが低下することになる。そのため、触媒がリーン状態である場合には、触媒劣化の誤検出防止の観点から、触媒が劣化有と判定しにくくなるようにすることが好ましい。
【００２６】
＜触媒劣化診断装置の動作＞
次に、本実施形態の触媒劣化診断装置の動作について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の触媒劣化診断装置の動作を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、コントロールユニット２３によって定期的に実行される。
【００２７】
コントロールユニット２３は、先ず触媒１７の温度を推定し（ステップＳ１）、触媒温度が所定の基準値未満である場合には（ステップＳ２のＮＯ）、診断を中止することを決定する（ステップＳ８）。なお、ステップＳ１における触媒温度の推定方法は、例えば上記特許文献３に開示されているような公知の方法を用いる。触媒温度が所定の基準値以上である場合には（ステップＳ２のＹＥＳ）、触媒劣化診断を開始することを決定する（ステップＳ３）。
【００２８】
コントロールユニット２３は、エンジン始動後から上流側の空燃比センサ１８の出力信号をモニタしており、その出力積算値に基づいて触媒１７がリーン状態であるかリッチ状態であるかを検出し（ステップＳ４）、触媒１７がリーン状態である場合には、リーン状態に応じた閾値を設定し（ステップＳ５）、触媒１７がリッチ状態である場合には、リッチ状態に応じた閾値を設定し（ステップＳ６）。そして、ステップＳ５またはＳ６で設定された閾値に基づいて触媒劣化判定を実行する（ステップＳ７）。すなわち、ステップＳ７では、ステップＳ５またはＳ６で設定された閾値と、空燃比センサ１８，１９の各出力信号の周期から逐次算出している指標値（前述したＴ２／Ｔ１）とを比較し、指標値＜閾値となった場合には触媒劣化有りと判定する。
【００２９】
なお、コントロールユニット２３は、触媒１７のリッチ期間またはリーン期間を算出するとともに、車両ごとに予め設定された換算係数に基づいて車両換算期間を逐次算出している。そして、本実施形態の触媒劣化診断装置では、車両換算期間と吸入空気量とに基づき、例えば図６に示すような閾値設定表に従って閾値が設定される。なお、図６において、吸入空気量のＡ〜Ｃはそれぞれ吸入空気量のレベル（Ａ＜Ｂ＜Ｃ）を意味する。図４を参照して説明したように、本実施形態の触媒劣化診断装置では、吸入空気量が少ないほど閾値ＴＨＤが小さくなり、かつ、触媒１７がリーン状態であればあるほど閾値ＴＨＤが小さくなるように、図６におけるＰ１〜Ｐ１８の中のいずれかの値が閾値ＴＨＤとして選択される。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の触媒劣化診断装置では、吸入空気量と触媒状態（リッチ状態またはリーン状態）とを主要な因子として、触媒劣化判定に用いる閾値が設定される。これにより、触媒劣化の判定に用いる閾値が常に適切に設定されるので、触媒劣化の誤判定（警告灯点灯）の可能性を低減させることができる。また、リッチまたはリーンの各触媒状態では、状態の継続期間（上記リッチ期間もしくはリーン期間）、又は、その車両換算期間に応じて閾値をきめ細かく設定することが触媒劣化判定精度を高める上で好ましい。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成及びシステムは本実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更や、他のシステムへの適応なども含まれる。例えば、本実施形態における空燃比センサ１８，１９は、酸素濃度を検出するＯ２センサで代用することができる。また、排気温度センサによって触媒温度を推定せず、触媒の温度を直接検出するセンサを設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の触媒劣化診断装置における触媒劣化判定の原理を説明するための図である。
【図２】実施形態の触媒劣化診断装置のシステム構成を示す図である。
【図３】実施形態の触媒劣化診断装置における触媒状態の検出方法を説明するための図である。
【図４】本実施形態の触媒劣化診断装置における閾値の設定方法を図解した図である。
【図５】本実施形態の触媒劣化診断装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】閾値設定表の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１…内燃機関
１２…吸気通路
１３…排気通路
１４…燃料噴射弁
１５…スロットル弁
１６…エアフロメータ
１７…触媒
１８…上流側の空燃比センサ
１９…下流側の空燃比センサ
２０…水温センサ
２１…クランク角センサ
２２…排気温度センサ
２３…コントロールユニット
２４…警告灯
【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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