(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガス中の空燃比を検出し、排気ガス中の空燃比を所定値に保つように燃料噴射量を調整し、前記排気ガスを触媒により浄化するものにおいて、
エンジンパラメータを検出し、
定常状態では前記エンジンパラメータに基づいて定常状態モデルによって定常状態下の触媒温度を推定し、
過渡状態では前記エンジンパラメータに基づいて時定数が異なる２つの過渡状態モデルによって得られる異なった２つの触媒温度に基づき過渡状態下の触媒温度を推定することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の触媒温度推定方法。
【請求項２】
請求項１において、
過渡状態では前記過渡状態モデルによって得られる異なった２つの触媒温度を加算して過渡状態下の触媒温度を推定することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の触媒温度推定方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記過渡状態モデルの初期値は、前記定常状態モデルで得られた触媒温度であることを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の触媒温度推定方法。
【請求項４】
請求項１において、
前記定常状態モデルに使用されるエンジンパラメータは、エンジン回転数と負荷であることを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の触媒温度推定方法。
【請求項５】
請求項１において、
前記過渡状態モデルは、出力が線形であることを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の触媒温度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、空燃比センサあるいは酸素濃度センサ（以降は代表して空燃比センサとする）や触媒コンバータを使用するエンジン排気ガス浄化装置の診断方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気を浄化する装置は、主に、触媒コンバータと空燃比フィードバック制御装置とからなる。触媒コンバータは、排気中に含まれるＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯを除去するため排気管部に設置するものである。また、空燃比フィードバック制御装置は、触媒コンバータの機能を充分に発揮させるには空燃比を一定に保つ必要があるので、触媒コンバータの上流に酸素センサを設置して空燃比の燃料供給量を制御するためのものである。三元触媒システムでは、触媒コンバータの上流に設けられる酸素センサに性能劣化を生ずると、空燃比が理論空燃比を中心としたある狭い範囲からはずれるので、有害成分の転換効率が落ちる。また、触媒コンバータそのものが性能劣化を生ずると空燃比が正確に管理されたとしても有害成分の転換効率が落ちる。このような触媒劣化判定のための技術としては、例えば、特開平5−171924 号公報に記載されている。触媒の排気ガス上流側における空燃比を検出する前空燃比センサと、上記触媒の排気ガス下流側における空燃比を検出する後空燃比センサと、上記前空燃比センサと上記後空燃比センサとの出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる特徴波形抽出手段と、上記特徴波形抽出手段を通過した上記信号の相関関数を算出する相関関数算出手段と、上記相関関数の値に基づいて上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
触媒コンバータの性能は触媒温度により影響を受ける。触媒温度が低いと転換効率が落ちる。従って触媒の性能劣化を診断する場合にこの触媒温度を考慮しないと、エンジンの回転数，負荷などの運転条件により触媒温度が変化して低くなると性能劣化と識別できずに誤診断してしまう恐れがあった。これを解決するには前述の特開平5−171924 号公報に記載されているように温度センサを設置して診断結果を補正することが必要になる。しかしながら、この触媒温度センサには０〜８００℃もの広範囲な測定領域が要求されることから、診断システムのコスト高を招くという技術的課題があった。
【０００４】
この問題を解決するためには、触媒温度センサを用いずに、たとえば他の用途で既に測定されている信号を利用して推定することが必要になる。しかしながら、この触媒性能劣化を運転中に診断するための、触媒温度の精度良い推定を可能にする手段は、まだ確立されていなかった。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題を解決しようとしてなされたもので、運転中に触媒温度推定を実行することにより、触媒コンバータに性能劣化を生じかたを正確に診断することができるエンジン排気ガス浄化装置の診断方法および診断装置を提供するところを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたもので、複数のエンジンパラメータを検出し；
前記複数のエンジンパラメータに基づいて、触媒温度または触媒設置付近の排気ガス温度を求め；
上記触媒温度または触媒設置付近の排気ガス温度を指標として、前記触媒の劣化を判断するものである。
【０００７】
本発明の一態様としては、エンジンの燃料噴射制御に用いられる回転数と負荷を利用して定常状態の触媒温度を推定する手段を設ける。この定常温度推定手段は、実エンジンでの定常運転時の試験結果を回転数と負荷の２次元マップデータとして記憶しておくことにより容易に作成される。次に、車の走行中においても触媒温度を正しく求めるために、過渡状態の触媒温度を推定する手段を設けて、定常温度推定手段で得られた結果を修正する。さらにこの過渡温度推定手段では、調整が容易でかつ精度向上をはかるために、非線形特性を複数の線形特性を結合することにより記述する。上記の定常温度推定手段と過渡温度推定手段により求められた値に基づいて触媒の温度を推定し、劣化状態を正しく判定する触媒状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【０００８】
また、上記触媒温度推定手段は、定常温度推定手段と過渡温度推定手段により触媒の温度を推定する場合、さらに推定精度の向上をはかるために、エンジン始動時には触媒や配管に溜っている水分の持つ潜熱に応じた温度上昇のむだ時間手段を設け、上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【０００９】
また、上記過渡温度推定手段は、排気ガスにより加熱される温度上昇過程と大気への放熱で冷却される温度下降過程とで遅れ時定数を切り替える手段を設け、上記触媒の劣化状態を判定する触媒状態判定手段とを有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【００１０】
また、上記触媒温度推定手段は、エンジン冷却水温度，吸気温度，車速の変化に応じた触媒温度推定値補正手段、
を有することを特徴とするエンジン排気ガス浄化装置の診断装置が提供される。
【００１１】
【作用】
特開平2−3091 号に記載されている手段でまず触媒診断を実行する。
【００１２】
前空燃比センサと後空燃比センサは、クランク角度検知手段の検知したクランク角度に対応して触媒上流側と下流側との空燃比を検出し出力する。特徴波形抽出手段は、この出力信号から、上記空燃比制御装置の空燃比制御周波数帯よりも低周波数帯の信号を減衰させる。
【００１３】
自己相関関数算出手段は、上記特徴波形抽出手段を通過した信号の自己相関関数φxxを計算し出力する。一方、相互相関関数手段は、特徴波形抽出手段を通過した前空燃比センサの出力信号と後空燃比センサの出力信号との相互相関関数
φxyを計算し、出力する。
【００１４】
劣化指標算出手段は、所定の期間毎に、当該期間内における相互相関関数φxyの最大値(φxy)maxと、当該期間内における自己相関関数φxxの最大値(φxx)maxと、の比を算出し逐次劣化指標Φi とする。さらに、過去所定回数分の上記逐次劣化指標Φi の平均値を算出して、これを劣化指標として出力する。
【００１５】
エンジンの回転数と吸入空気量を検出し、これらに応じてまず定常温度推定手段により、エンジンの運転状態（回転数，負荷）が安定したときの触媒温度を出力する。エンジン始動時の温度上昇むだ時間手段を介して、過渡温度推定手段により運転状況に即応した触媒温度を出力する。次に、触媒温度推定値補正手段によりエンジン冷却水温度，吸気温度，車速の変化に応じた精度の良い触媒温度推定値を出力する。
【００１６】
触媒温度比較手段により、触媒温度推定値があらかじめ設定された所定値を超えた場合に触媒診断の結果である劣化指標を出力する。
【００１７】
【実施例】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【００１８】
まず、本発明の概念を図１を用いて説明する。
【００１９】
なお、本実施例の診断装置は、触媒コンバータ２と、その前後に配置された空燃比センサたるＯ2センサ３，４と、該Ｏ2センサ３の出力に基づいて空燃比フィードバックにより燃料噴射制御を行うシステムを対象とするものである。
【００２０】
本実施例の診断装置は、この空燃比フィードバック制御による空燃比の摂動を触媒コンバータ劣化診断のテスト信号に利用している。すなわち、触媒コンバータ２が劣化していなければ、触媒の酸化・還元作用により触媒コンバータ２の後流では空燃比の摂動が少なくなる。一方、触媒コンバータ２が劣化すると後流の空燃比摂動が上流のものに近づいて来る。このように触媒コンバータの前後における空燃比摂動の類似性に着目して劣化を診断している。
【００２１】
そして、この類似性の評価を、相関関数を用いて行う。
【００２２】
まず、本発明の実施例における触媒の診断方法を説明する。
【００２３】
前Ｏ2センサ３の出力信号（以下「前Ｏ2センサ信号」という）１１４と、
後Ｏ2センサ４の出力信号（以下、「後Ｏ2センサ信号」という）１０２とを、同期してＡ／Ｄ変換器１８によりデジタルデータに変換する。
【００２４】
つぎに、高周波域通過フィルタでそれぞれの信号から診断に外乱となる直流成分を除去する（ブロック１２Ａ，１２Ｂ）。ここで、両者のフィルタは同一特性のものとする。いずれの信号も診断に外乱となる空燃比フィードバック制御周波数よりも低周波数成分を除去する。
【００２５】
続いて、前Ｏ2 センサ信号１１４から得られた信号ｘ(ｔ)１０５のｔ＝０時点での自己相関関数φxx(０)を求める（ブロック１３）。なお、ここで、φxx(０)を求めているのは、自己相関関数φxxは、ｔ＝０において最大値（φxx)maxをとるからである。
【００２６】
【数１】
φxx(τ)＝∫ｘ(ｔ)ｘ(ｔ−τ)ｄｔ
また、前Ｏ2センサ信号１１４から得られた信号ｘ(ｔ)と、後Ｏ2センサ信号
１０２とから得られた信号ｙ(ｔ)とから相互相関関数φxy(τ)を一定の積分区間Ｔにおいて求める（ブロック１４）。
【００２７】
【数２】
φxy(τ)＝∫ｘ(ｔ)ｙ(ｔ−τ)ｄｔ
ここで積分区間Ｔは、その区間でエンジン回転数の変動が所定の範囲を超えないように、あらかじめ設定しておく。
【００２８】
そして、当該積分区間Ｔにおけるφxy(τ)の最大値（φxy)maxを探し、該    （φxy)maxを用いて、逐次劣化指標Φi(＝(φxy)max／φxx(０）、数５参照）を計算する（ブロック１６Ａ，図５参照）。
【００２９】
【数３】
Φi＝(φxy)max／(φxx)max
なお、逐次劣化指標Φiの位相τ、言い替えれば、（φxy)／φxx(０)が最大値をとる位相τは、運転条件や機差で変動するため、Φi はデータを実際に探索することにより得る。
【００３０】
そして、Φi をメモリ（ＲＡＭ）に記憶しておき、次の積分区間Ｔにおいても同様の処理によりΦi+1 を求める。
【００３１】
以上のような操作をｎ回繰り返して、Φi の平均値を求める。そして、該平均値を、触媒コンバータ２の最終劣化指標Ｉとする。なお、この最終劣化指標Ｉを算出する際には、各種運転条件による補正係数ｋ1，ｋ2をも加味して行う（ブロック１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ，下記数４参照）。
【００３２】
【数４】
Ｉ＝(Σｋ1ｋ2Φi)／ｎ
Ｉ ：最終劣化指標
ｋ1：エンジン負荷による補正系数
ｋ2：触媒温度による補正系数
Φi：逐次劣化指標
ｎ ：測定回数
なお、ｋ1，ｋ2は、あらかじめマップデータとしてメモリ（ＲＯＭ）に記憶しておく。
【００３３】
続いて、この劣化指標Ｉを、あらかじめ定めた劣化判定レベルＩD と比較して、劣化状態を判定する。劣化指標Ｉが劣化判定レベルＩD よりも大きい場合には劣化と判断する（ブロック１６Ｅ）。
【００３４】
ここで逐次劣化指標Φi をそのまま使用せず、その平均値、すなわち最終劣化指標Ｉを用いるのは、通常走行中、エンジン回転数や負荷が変動すると、逐次劣化指標Φi も影響を受けて変動するからである。つまり、一定時間，一定回転回数あるいは一定負荷帯ごとの逐次劣化指標Φi を求めて累積し、その平均値を最終劣化指標Ｉとすることにより、全運転域での劣化判定を可能としている。但し、ある程度運転状態が限定されるような場合には、逐次劣化指標Φi をそのまま用いて、判定を行っても構わない。
【００３５】
さて本実施例とするところは、上記の補正係数ｋ2 を求めるための触媒温度
ＴCAT を推定する手段２０にある。触媒温度推定手段２０の実施例を図２で示す。推定手段の動作を以下で説明する。
【００３６】
まず、定常モデル２０１により定常触媒温度ＴCAT、0 をもとめる。ここで定常モデル２０１は、エンジン回転数と負荷（例、吸入空気量）が一定の状態で触媒温度を予め測定し、マップデータとして記憶装置に記憶しておく。あるいはエンジン回転数と負荷の関数としてエンジンの発熱量を予め計算してマップデータとして記憶してもよい。
【００３７】
所定時間マスク２０２は、エンジン始動後の時間を計測し、所定の時間を経過するまではゼロを出力し、それ以降は１を出力する。このむだ時間ｔ0 は、始動前後の運転状態に応じて定める。エンジン水温Ｔw，吸気温度ＴAに対してマップデータとして記憶しておく。基本的にはエンジン水温Ｔwと吸気温度ＴAの差異が少なくなるに従ってむだ時間t0を大きく定める。また他の方法として、始動後の燃料量積算値ＳＦi を逐次演算し、所定の値に達したならばむだ時間t0を打ち切るものとし、この所定値をエンジン水温Ｔwと吸気温度ＴAの差異が少なくなるに従って大きく定めるやり方もある。ここで燃料量積算値ＳＦi については負荷の積算値でもよい。
【００３８】
いずれにしても乗算器２０３の出力ＴCAT、1 は数５となる。
【００３９】
【数５】
ＴCAT、1＝Ｔw (ｔ≦ｔ0)
ＴCAT、1＝ＴCAT、0 (ｔ＞ｔ0)
ここで、エンジン水温Ｔw は図示しないセンサにて検出する。
【００４０】
遅れモデル２０４(１)，２０４(２)は数６，数７に従って演算により求める。
【００４１】
【数６】
ＴCAT、2、1＝(１−１／τ)ＴCAT、2、1＋ξ／τＴCAT、1
【００４２】
【数７】
ＴCAT、2、2＝(１−１／ζτ)ＴCAT、2、2＋(１−ξ)／ζτＴCAT、1
ここで、ＴCAT、2、1およびＴCAT、2、2の初期値はＴCAT、1 とする。
【００４３】
またτ，ξ，ζの求め方を図３に示す。図３は、スロットルをステップ状に突変させた時の触媒温度の測定値である。測定条件は定常モデルを測定する時と同じである。触媒温度変化の時定数を複数個所、たとえば立上り時定数τとζ倍の時定数の２個所を測定する。ζ＝１０を目安とする。これらから図３で示すようにしてξを求める。
【００４４】
また図３では、温度上昇を示したが、スロットルをステップ状に閉じた時の温度降下の遅れ時定数を同様にして求め、温度降下遅れ時間τd２０６ を温度上昇遅れ時間τu２０７ とは別に記憶しておき、これらを正負判定２０５で切り替える。
【００４５】
【数８】
τ＝τu (ＴCAT、2−ＴCAT、1＜０)
【００４６】
【数９】
τ＝τd (ＴCAT、2−ＴCAT、1≧０)
加算器２０９により遅れモデル２０４(１)と２０４(２)の出力を加算して触媒推定温度ＴCAT、3を求める（数１０）。
【００４７】
【数１０】
ＴCAT、3＝ＴCAT、2、1＋ＴCAT、2、2
次に、図示しないセンサによって検出されるエンジン水温Ｔw，吸気温度ＴA，車速Ｖspの影響を考慮して数１１〜数１２に従って触媒推定温度ＴCAT、3 を修正して、触媒推定温度ＴCAT を求める。
【００４８】
【数１１】
ＴCAT、4＝ＴCAT、3−(Ｔw−Ｔw、0)
ここでＴw、0は、定常モデルを測定した時のエンジン水温Ｔwである。
【００４９】
【数１２】
ＴCAT、5＝ＴCAT、4−η(ＴA−ＴA、0)
ここでＴA、0は、定常モデルを測定した時の吸気温度ＴAである。
【００５０】
またηは車速に応じて予め設定した感度係数である（数１３）。
【００５１】
【数１３】
η＝Ｆ(Ｖsp)
ここでＦ(Ｖsp)は定常モデルを測定した時の吸気温度ＴA の測定条件で、車速または空気流速を変えたときの触媒温度を測定して、実験式またはマップデータとして記憶させる。
【００５２】
【発明の効果】
図４に本発明による触媒温度推定の効果を実測値と比較して示す。運転条件は米国試験モードである。推定温度は全体にわたり実測値と良く一致している。
【００５３】
以上のように本発明によれば、自動車の通常走行中に触媒温度を正確に推定して、エンジンの排気浄化制御機器である触媒コンバータ劣化を誤ること無く診断できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例の特徴部分の詳細ブロック図である。
【図３】本実施例におけるパラメータを定めるための説明図である。
【図４】触媒温度推定の作用を説明するための特性図である。
【符号の説明】
２…触媒コンバータ、３…前Ｏ2センサ、４…後Ｏ2センサ、１３…自己相関関数計算手段、１４…相互相関関数計算手段、１６…触媒コンバータ劣化判定手段、１７…判定結果出力手段、２０…温度推定手段、Φi …逐次劣化指標、Ｉ…最終劣化指標、ＩD …劣化判定レベル、ｘ…触媒コンバータの上流に設けられる空燃比センサ（前Ｏ2 センサ）の出力、ｙ…触媒コンバータの下流に設けられる空燃比センサ（後Ｏ2 センサ）の出力、φxx…信号ｘの自己相関関数、φxy…信号ｘと信号ｙとの相互相関関数。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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