JP3962892B2 - Exhaust purification device - Google Patents

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの劣化判定の技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化用の触媒コンバータにおいては、触媒に付加された酸素ストレージ能力が触媒性能（ＨＣ浄化性能）と相関性が高いことから、特にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質を多く含むような触媒コンバータにおいては、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の変化を検出することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が広く知られている。
【０００３】
この触媒劣化検出方法では、触媒コンバータに流入する排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定周期、振幅で変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒コンバータに吸蔵されるために触媒下流の排気空燃比の応答が遅く、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒コンバータにあまり吸蔵されることなく排出されて触媒下流の排気空燃比の応答が速くなるという特性を利用しており、例えば、触媒下流に設けた酸素センサ（Ｏ2センサ）或いは空燃比センサ（ＬＡＦＳ）からの酸素濃度出力値の周波数または周期を検出し、当該検出値が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が低下、即ち触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような空燃比の変調による触媒劣化検出方法は、セリア等の酸素吸蔵物質を多く含み十分な酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータには有効であるが、セリア等を多く含まず酸素ストレージ能力のもともと低い弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、劣化していなくても触媒コンバータに酸素があまり吸蔵されないために触媒下流の排気空燃比の応答が速く、劣化検出は困難なものとなっている。
【０００５】
つまり、酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータの場合には、破過量（触媒コンバータの許容酸素吸蔵量）が多いために排気空燃比の変調によってリーン空燃比となる期間が比較的長くてもリッチ空燃比に切り換わるまで酸素は触媒コンバータに吸蔵され続け、さらにリッチ空燃比では吸蔵された酸素がＨＣやＣＯの酸化に使用され続けることになり、触媒下流では酸素濃度出力値は殆ど変動せず、故に、酸素ストレージ能力が低下して触媒下流の酸素濃度出力値が変動し始めたら破過量が減少し触媒コンバータは劣化したと判定できるのであるが、弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、酸素ストレージは主に貴金属によるものであって破過量が少ないために、すぐに破過量を越え、リーン空燃比とされている間であっても余剰の酸素が触媒コンバータから多量に排出されて触媒下流の酸素濃度出力値が変化し、さらにリッチ空燃比中においても吸蔵された酸素がすぐに酸化剤として使用し尽くされ、やはり触媒下流の酸素濃度出力値が変化して変動し、劣化状態を明確に区別することができないという問題がある。
【０００６】
そして、この傾向は、排気流量が多くなるほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大することから顕著であり、それ故、弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、特に排気流量が高流量であるときの劣化判定が極めて困難となっている。
そこで、このような問題を改善すべく、例えば、空燃比フィードバック制御の空燃比変調において、特定の劣化診断時には当該空燃比フィードバック制御に用いられる補正係数設定用制御定数を酸素ストレージ量に応じて変更するように構成した装置が特開平５−９８９４５号公報等により提案されている。
【０００７】
しかしながら、当該公報に示される空燃比フィードバック制御の空燃比変調は、もともと不安定なものであり、補正係数設定用制御定数を変更したとしても破過量を越えてしまう可能性が高く、正確な劣化判定ができないおそれがある。また、当該公報に開示の構成では、予め設定された特定のタイミングでしか触媒の劣化判定を行うことができないため、触媒コンバータの劣化を十分にモニタリングすることができないという欠点がある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、酸素ストレージ能力の低い触媒コンバータであっても容易にして常時精度よく確実に劣化判定可能な排気浄化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定の周期、振幅で強制変動させる空燃比強制変動手段と、前記触媒コンバータの酸素ストレージについての現在の破過量或いは破過量相関値を検出する破過量検出手段と、該破過量検出手段により検出される現在の破過量或いは破過量相関値に基づき前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記酸素ストレージ量はリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間に相関して増減するものであって、前記空燃比強制変動手段は、該リーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴としている。
【００１２】
従って、酸素ストレージ量の相関値であるリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、時間値に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これらの変化や変動を確実に検出可能となり、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１３】
また、請求項２の発明では、前記空燃比強制変動手段は、前記所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴としている。
【００１４】
従って、酸素ストレージ量の相関値である所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率となるよう空燃比を切り換えることになり、周期に対する時間比率に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、上記同様、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これらの変化や変動を確実に検出可能となり、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１５】
好ましくは、前記空燃比強制変動手段は、前記リーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が０．３以下且つ０．０５以上となるよう空燃比を変調させるのがよい。
このようにすれば、リーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が０．３以下且つ０．０５以上となるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３）、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３）となるよう空燃比を切り換えることになり、実験により求めた時間比率に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、上記同様に、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１６】
つまり、図４を参照すると、所定の周期に対するリーン空燃比時間比率と触媒下流に設けた破過量検出手段としてのＯ2センサの出力振幅との関係が示されているが、このように、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３の範囲）、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３の範囲、即ちリーン空燃比時間比率にすると０．７〜０．９５の範囲）とされると、通常は実線で示すようにＯ2センサの出力振幅、即ち排気空燃比の変動が小さく抑えられ、この範囲では、触媒コンバータが劣化すると、Ｏ2センサの出力振幅（破線）が非劣化時の出力振幅（実線）に対して顕著となり、触媒コンバータの劣化を容易にして常時判定可能となるのである。
【００１７】
また、請求項３の発明では、前記空燃比強制変動手段は、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほどリーン空燃比時間とリッチ空燃比時間との和である前記所定の周期を短くして空燃比を変調させることを特徴としている。
従って、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大し、早期に酸素ストレージ量が破過量に達するが、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど所定の周期を短くして空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、排気流量或いは排気流量相関値に因らず、触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、上記同様に、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１８】
つまり、図５を参照すると、例えばリーン空燃比時間比率が０．３である場合の空燃比強制変動の周期と触媒下流に設けたＯ2センサの出力振幅との関係が排気流量毎（低流量時及び高流量時）にそれぞれ破線と実線で示されているが、このように、排気流量が高流量である場合には、低流量である場合に比べてＯ2センサの出力振幅が大きくなり始める周期が短いことから、図６に示すマップに基づき、排気流量が大きく高流量であるほど周期を短くする。これにより、通常の非劣化時にはＯ2センサの出力振幅、即ち排気空燃比の変動が小さく抑えられ、触媒コンバータの劣化を容易にして常時判定可能となるのである。
【００１９】
また、好ましくは、前記空燃比強制変動手段は、前記所定の周期が０．８秒以下となるようにして空燃比を変調させるのがよい。
このようにすれば、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大し、早期に酸素ストレージ量が破過量に達するが、所定の周期を０．８秒以下とすることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、実験により求めた所定の周期に基づき、排気流量或いは排気流量相関値に因らず、図５に示すように触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、やはり、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定可能である。
【００２０】
また、請求項４の発明では、前記破過量検出手段は、前記触媒コンバータ下流に設けられて酸素濃度を検出する排ガスセンサであることを特徴としている。
従って、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これら変化、変動が触媒下流の排ガスセンサで容易に検出され、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく確実に判定可能である。
【００２１】
また、請求項５の発明では、前記劣化判定手段は、前記排ガスセンサからの出力値の変動幅或いは変動幅相関値を破過量相関値として前記触媒コンバータの劣化を判定することを特徴としている。
従って、触媒下流の排ガスセンサを用いれば、特に触媒下流の排気空燃比の変動幅を容易に検出でき、当該変動幅に基づけば、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下して破過量が減少し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく判定可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００２３】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００２４】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００２５】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２６】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００２７】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）のいずれかを有している。
【００２８】
なお、活性貴金属は、酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有しており、つまり、排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ2）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ2を吸着し、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においてもストレージＯ2によりＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたＯ2により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可能である。但し、これらの活性貴金属は、セリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質ほどのＯ2ストレージ能力は有していない。このような三元触媒３０を弱Ｏ2ストレージ能力の触媒コンバータと呼ぶ。
【００２９】
また、排気管２０の三元触媒３０下流には、Ｏ2センサ（破過量検出手段、排ガスセンサ）２４が配設されている。Ｏ2センサ２４は、酸素濃度に応じて出力電圧が変化するものであり、空燃比がリーン空燃比のときには低い電圧値を示す一方、理論空燃比近傍で急増して空燃比がリッチ空燃比のときには高い電圧値を示すようなセンサである。
【００３０】
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８及びＯ2センサ２４等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００３１】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００３２】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本実施例の排気浄化装置では、三元触媒３０の能力を十分発揮するために、通常運転時には、ＥＣＵ４０によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている。つまり、ここでは、図２に示すように、空燃比Ａ／Ｆを一定期間（リーン時間）に亘りリーン空燃比とした後一定期間リッチ空燃比とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている（空燃比強制変動手段）。なお、変調波形は、ここでは方形波であるが三角波であってもよい。
【００３３】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ2ストレージ機能によりＯ2が吸蔵され、排気空燃比がリッチ空燃比のときにはＮＯxが良好に浄化されるとともに吸蔵されたＯ2によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
そして、本実施例の排気浄化装置では、通常運転時には、いつでも三元触媒３０の劣化判定を行うことが可能である。
【００３４】
図３を参照すると、触媒劣化判定の手順を示す触媒劣化判定ルーチンがフローチャートで示されており（劣化判定手段）、以下、本発明に係る触媒劣化判定について説明する。
上述したように、触媒劣化判定においては空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で変動させることが必要である。この点、本実施例では、上記の如く、通常運転時には排気浄化効率を向上させるために空燃比を強制変動させるようにしており、触媒劣化判定は可能である。
【００３５】
そして、このような空燃比強制変動実施のもと、先ずステップＳ１０では、触媒最適化制御を行う。
図７に示すように、触媒下流に設けた酸素センサ、即ちＯ2センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間には、Ｏ2センサ２４の出力値が所定範囲となるように空燃比をバランスよく変調制御すると高いＮＯx浄化効率が得られるという関係があることが確認されており、ここでは、このように変調度合いを調整することで三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るようにする。
【００３６】
具体的には、例えば平均Ａ／Ｆが所定値（ストイキ近傍等）となるようにしながらリーン空燃比とリッチ空燃比との値を調整することで空燃比をバランスよく変調制御し、Ｏ2センサ２４の出力値が所定範囲となるようにする。
また、同時に、当該出力値の所定範囲内において、三元触媒３０のＯ2ストレージ量が触媒劣化の大きいときの破過量（触媒コンバータの許容酸素吸蔵量）以上且つ触媒劣化の小さいときの破過量以下（（触媒劣化大時破過量）≦（Ｏ2ストレージ量）≦（触媒劣化小時破過量））となるように空燃比強制変動の変調度合いを調整する。
【００３７】
つまり、リーン空燃比において吸蔵される酸素量が破過量に達するまえに、或いはリッチ空燃比において放出される酸素量が破過量に達するまえに空燃比が切り換わるようにし、少なくとも空燃比がリーン空燃比及びリッチ空燃比のいずれか一方にあるときには三元触媒３０下流の酸素濃度が変化せず、Ｏ2センサ２４の出力が変動しないように空燃比強制変動の変調度合いを調整しＯ2ストレージ量を制御する。
【００３８】
具体的には、Ｏ2ストレージ量とリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間とは相関して増減するため、上述した図４に基づき、変調周期に対するリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間の時間比率（（リーン空燃比時間）／（周期））、即ち空燃比デューティが触媒劣化大時破過量に対応する値（０．０５）以上且つ触媒劣化小時破過量に対応する値（０．３）以下の範囲となるように変調度合を調整する。つまり、リーン空燃比時間の時間比率が値（０．０５）以上且つ値（０．３）以下の範囲または値（０．７）以上且つ値（０．９５）以下の範囲となるように変調度合を調整する。
【００３９】
また、図５に基づき上述したように、排気流量が多くなるほど早期にＯ2ストレージ量が破過量に達することから、図６のマップに従い、排気流量が大きいほど変調周期を短くして空燃比を変動させるようにする（（周期）＝ｆ（排気流量））。なお、この際、排気流量については実際に測定してもよいが、排気流量として排気流量相関値（例えば、車速、体積効率、吸入空気量、正味平均有効圧、空気弁開度、エンジン回転速度等）を用いるようにする。
【００４０】
また、図５から明らかなように、変調周期を０．８秒以下にすれば排気流量に拘わらずＯ2センサ２４の出力変動を十分に小さく抑えられるため、変調周期は０．８秒以下に固定してもよい。但し、変調周期をあまり短くし過ぎると、三元触媒３０上流において変調がぼやけて空燃比変調度合いが小さくなるという現象が起こるため、このような現象が発生しないよう、変調周期は、少なくとも０．３秒以上とし、当該０．３秒以上且つ０．８秒以下の範囲とするのがよい。但し、触媒上流の空燃比変調を周波数の関数として予めマップ値として推定している場合は、触媒下流空燃比の振幅の代わりに振幅率（触媒下流空燃比振幅／触媒上流空燃比振幅）によって触媒劣化判定を行うことにより、０．３秒の下限の制約を撤廃することもできる。
【００４１】
なお、変調度合を調整する際のリーン空燃比時間の時間比率や変調周期は、瞬時値であってもよいし、平均的な値であってもよい。
このようにＯ2センサ２４の出力振幅が小さくなるように変調度合いを調整しておくと、その後、破過量が減少して三元触媒３０下流の酸素濃度が変化し始め、Ｏ2センサ２４の出力変動が大きくなったときに、当該出力変動を確実に検出することができ、三元触媒３０のＯ2ストレージ能力が低下したことを容易に検出可能となる。
【００４２】
ステップＳ１１では、触媒劣化判定を開始するか否かを判別する。本実施例では、例えば、所定期間毎に或いは所定走行距離毎に劣化判定を行うようにしており、ここでは、所定期間が経過したか或いは所定走行距離に達したか否かを判別する。なお、触媒劣化判定は空燃比強制変動中に常時行うことも可能であり、その場合には当該ステップＳ１１の判別を省略してもよい。
【００４３】
ステップＳ１１の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１２に進み、Ｏ2センサ２４の出力値を検査し、当該Ｏ2センサ２４の出力値に基づき三元触媒３０のＯ2ストレージ能力が低下したか否かを判別する。
破過量が減少して三元触媒３０下流の酸素濃度が変化し始めると、図８（ｂ）に示すように、空燃比強制変動に対応したＯ2センサ２４の出力変動の振幅（変動幅）Ｗが、図８（ａ）に示すＯ2ストレージ能力が高いときの振幅Ｗminよりも大きくなる。従って、具体的には、次の１）乃至４）の何れかの条件を満たすか否かを判別することによってＯ2ストレージ能力が低下したか否かを判別する。１）（Ｏ2センサ出力振幅）≧（所定値Ａ）
２）（（Ｏ2センサ出力）≦（所定値Ｂ1）となる時間）≦（所定値Ｂ2）
３）（（（Ｏ2センサ出力）≦（所定値Ｃ1）となる時間）/（（Ｏ2センサ出力）
≧（所定値Ｃ2）となる時間））≦所定値Ｃ3
４）（（Ｏ2センサ出力振幅）/（空燃比強制変調幅））≧所定値Ｄ
そして、上述した如くＯ2ストレージ能力と三元触媒３０の触媒性能（ＨＣ浄化性能）とは相関性が高いことから、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記１）乃至４）の何れかの条件が成立し、Ｏ2ストレージ能力が低下したと判定された場合には、ステップＳ１３に進み、三元触媒３０は劣化したものと判定する。
【００４４】
一方、ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ2ストレージ能力は低下していないとみなされる場合には、三元触媒３０は未だ劣化しておらず正常な状態にあると判定する。
このようにして触媒劣化判定が行われるが、本発明の排気浄化装置では、上述したように、三元触媒３０が未だ劣化していないときのＯ2ストレージ量を積極的に制御すべく、三元触媒３０の破過量に応じて空燃比変動の変調度合いを調整し、三元触媒３０が劣化していないときには三元触媒３０下流のＯ2センサ２４の出力値変動を小さく抑えるようにしている。
【００４５】
従って、当該排気浄化装置によれば、破過量が減少し三元触媒３０のＯ2ストレージ能力が低下したことを容易にして確実に検出することが可能であり、三元触媒３０の劣化を常時精度よく判定することができる。
また、本発明の排気浄化装置では、三元触媒３０の上流側にＯ2センサを設けることなく、三元触媒３０下流のＯ2センサ２４のみによって三元触媒３０の劣化を判定するようにしている。従って、簡素且つ低コストにして精度の高い触媒劣化判定を行うことができる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、弱Ｏ2ストレージ能力の三元触媒３０を例に説明したが、セリア（Ｃｅ）を含んだ三元触媒においても、セリア（Ｃｅ）の含有量が少ないような場合もあり、本発明を有効に適用することができるし、触媒コンバータは三元触媒に限定されるものではない。
また、上記実施形態では、Ｏ2センサ２４によって三元触媒３０のＯ2ストレージ能力の低下を検出するようにしたが、Ｏ2センサ２４の代わりに空燃比センサ（ＬＡＦＳ等）を用いるようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、通常運転時において空燃比を強制変動させるようにしたが、例えば、通常運転時には空燃比フィードバック制御を行うようにし、触媒劣化判定時にのみ空燃比を強制変動させるようにしてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の排気浄化装置によれば、酸素ストレージ量の相関値であるリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、時間値に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動を小さく抑えることができる。これにより、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定することができる。
【００４９】
これにより、その後、触媒コンバータの酸素ストレージについての現在の破過量或いは破過量相関値、即ち許容酸素吸蔵量が減少したことが観測されると、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなるが、このような変化や変動を確実に検出可能となり、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを常時安定して精度よく判定することができる。
【００５１】
また、請求項２の排気浄化装置によれば、酸素ストレージ量の相関値である所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率となるよう空燃比を切り換えることになり、周期に対する時間比率に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動を小さく抑えることができる。これにより、上記同様、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定することができる。
【００５３】
また、請求項３の排気浄化装置によれば、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大し、早期に酸素ストレージ量が破過量に達するが、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど所定の周期を短くして空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、排気流量或いは排気流量相関値に因らず、触媒下流の排気空燃比の変動を小さく抑えることができる。これにより、上記同様に、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定することができる。
【００５５】
また、請求項４の排気浄化装置によれば、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これら変化、変動を触媒下流の排ガスセンサで容易に検出でき、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下して破過量が減少し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく確実に判定することができる。
【００５６】
また、請求項５の排気浄化装置によれば、触媒下流の排ガスセンサを用いれば、特に触媒下流の排気空燃比の変動幅を容易に検出でき、当該変動幅に基づけば、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下して破過量が減少し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。
【図３】触媒劣化判定ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】所定の周期に対するリーン空燃比時間比率と触媒下流に設けたＯ2センサの出力振幅との関係を示す図である。
【図５】空燃比強制変動の周期と触媒下流に設けたＯ2センサの出力振幅との関係を排気流量毎（低流量時及び高流量時）に示した図である。
【図６】排気流量と周期との関係を示すマップである。
【図７】触媒下流に設けたＯ2センサの出力値とＮＯx浄化効率との関係を示す図である。
【図８】Ｏ2ストレージ能力の低下に伴うＯ2センサの出力変動の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
２４ Ｏ2センサ（破過量検出手段、排ガスセンサ）
３０ 三元触媒（触媒コンバータ）
４０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device, and more particularly to a technique for determining deterioration of a catalytic converter.
[0002]
[Related technology]
In the exhaust gas catalytic converter, the oxygen storage capacity added to the catalyst has a high correlation with the catalytic performance (HC purification performance), so that the catalytic converter particularly contains a large amount of oxygen storage material such as ceria (Ce). Is widely known as a method for detecting deterioration of a catalytic converter by detecting a change in the oxygen storage capacity.
[0003]
In this catalyst deterioration detection method, if the exhaust air-fuel ratio flowing into the catalytic converter is modulated with a predetermined period and amplitude between the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio, oxygen is stored in the catalytic converter if the oxygen storage capacity is high. The response of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst is slow, while if the oxygen storage capacity is low, oxygen is discharged without being stored in the catalytic converter so much that the response of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst is accelerated. For example, an oxygen sensor (O2Sensor) or air-fuel ratio sensor (LAFS) detects the frequency or cycle of the oxygen concentration output value, and if the detected value is equal to or greater than a predetermined reference value, it is determined that the oxygen storage capacity is reduced, that is, the catalytic converter has deteriorated. Like to do.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the catalyst deterioration detection method by the modulation of the air-fuel ratio as described above is effective for a catalytic converter that contains a large amount of oxygen storage material such as ceria and has sufficient oxygen storage capacity, but does not contain much ceria and the like. Catalytic converters with weak oxygen storage capacity that are originally low in capacity have a fast response to the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst because oxygen is not stored much in the catalytic converter even if it has not deteriorated, making it difficult to detect deterioration. .
[0005]
In other words, in the case of a catalytic converter having an oxygen storage capability, a rich air-fuel ratio is obtained even when the lean air-fuel ratio is relatively long due to modulation of the exhaust air-fuel ratio due to a large amount of breakthrough (allowable oxygen storage amount of the catalytic converter). Oxygen continues to be occluded in the catalytic converter until it is switched to, and in the rich air-fuel ratio, the occluded oxygen will continue to be used for oxidation of HC and CO, and the oxygen concentration output value hardly fluctuates downstream of the catalyst. If the oxygen storage capacity declines and the oxygen concentration output value downstream of the catalyst begins to fluctuate, it can be determined that the amount of breakthrough has decreased and the catalytic converter has deteriorated. Because it is due to precious metals and the amount of breakthrough is small, the breakthrough amount is quickly exceeded, and even if the lean air-fuel ratio is assumed, surplus A large amount of oxygen is discharged from the catalytic converter, the oxygen concentration output value downstream of the catalyst changes, and even in the rich air-fuel ratio, the stored oxygen is immediately used up as an oxidant, and again the oxygen concentration output downstream of the catalyst There is a problem that the value changes and fluctuates, and the deterioration state cannot be clearly distinguished.
[0006]
This tendency is remarkable because the amount of oxygen flowing into the catalytic converter per unit time and the amount of HC and CO increase as the exhaust gas flow rate increases. Therefore, in the catalytic converter having a weak oxygen storage capacity, the exhaust gas flow rate is particularly large. It is very difficult to judge deterioration when the flow rate is high.
Therefore, in order to improve such problems, for example, in air-fuel ratio modulation of air-fuel ratio feedback control, the control coefficient for correction coefficient setting used for the air-fuel ratio feedback control is changed according to the oxygen storage amount at the time of specific deterioration diagnosis. An apparatus configured to do so is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-98945.
[0007]
However, the air-fuel ratio modulation of the air-fuel ratio feedback control disclosed in the publication is inherently unstable, and even if the correction coefficient setting control constant is changed, there is a high possibility that the breakthrough amount will be exceeded, and accurate deterioration will occur. Judgment may not be possible. In addition, the configuration disclosed in the publication has a drawback that the deterioration of the catalytic converter cannot be sufficiently monitored because the deterioration of the catalyst can be determined only at a specific timing set in advance.
[0008]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to purify exhaust gas that can be easily and accurately determined for deterioration even with a catalytic converter having a low oxygen storage capacity. To provide an apparatus.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the catalytic converter provided in the exhaust passage of the internal combustion engine and the air-fuel ratio are forcibly varied at a predetermined cycle and amplitude between the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio. Air-fuel ratio forced variation means, breakthrough amount detection means for detecting the current breakthrough amount or breakthrough amount correlation value for oxygen storage of the catalytic converter, and current breakthrough amount or breakthrough amount correlation detected by the breakthrough amount detection means Deterioration determining means for determining deterioration of the catalytic converter based on the value,The oxygen storage amount increases or decreases in correlation with the lean air-fuel ratio time or the rich air-fuel ratio time,The air-fuel ratio forced fluctuation means isThe lean air-fuel ratio time or the rich air-fuel ratio time is smaller than a breakthrough time corresponding to a predetermined breakthrough amount when the catalytic converter is not deteriorated and more than a breakthrough time corresponding to a breakthrough amount when the catalytic converter is deteriorated. bigThe air-fuel ratio is modulated so that
[0012]
  Therefore, the lean air-fuel ratio time or the rich air-fuel ratio time, which is the correlation value of the oxygen storage amount, isPredeterminedLess than the breakthrough time corresponding to the breakthrough amount at the time of non-degradation and the catalytic converterPredeterminedBy modulating the air-fuel ratio to be larger than the breakthrough time corresponding to the breakthrough amount at the time of deterioration, the lean air-fuel ratio time usually reaches the breakthrough time before the lean air-fuel ratio time reaches the breakthrough time. The air-fuel ratio is switched in advance, and the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be easily suppressed based on the time value. As a result, when the oxygen concentration in the downstream of the catalyst begins to change and the fluctuation of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst becomes large, these changes and fluctuations can be reliably detected, and the oxygen storage capacity of the catalytic converter decreases and the catalytic converter deteriorates. This makes it easy to make accurate determinations at all times.
[0013]
  Claims2In the invention, the air-fuel ratio forced fluctuation means has a lean air-fuel ratio time ratio or rich air-fuel ratio time ratio with respect to the predetermined cycle smaller than a time ratio corresponding to a predetermined amount of breakthrough when the catalytic converter is not deteriorated, and The air-fuel ratio is modulated so as to be larger than the time ratio corresponding to the breakthrough amount at the time of predetermined deterioration of the catalytic converter.
[0014]
  Therefore, the lean air-fuel ratio time ratio or the rich air-fuel ratio time ratio with respect to a predetermined period, which is the correlation value of the oxygen storage amount, isPredeterminedSmaller than the time ratio corresponding to the amount of breakthrough during non-degradation andPredeterminedBy modulating the air / fuel ratio to be larger than the time ratio corresponding to the breakthrough amount at the time of deterioration, the lean air / fuel ratio time ratio usually corresponds to the breakthrough amount, or the rich air / fuel ratio time ratio corresponds to the breakthrough amount. The air-fuel ratio is switched so that the time ratio becomes the same, and the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be easily suppressed based on the time ratio with respect to the cycle. As a result, as described above, when the oxygen concentration downstream of the catalyst starts to change and fluctuations in the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst increase, these changes and fluctuations can be reliably detected, and the oxygen storage capacity of the catalytic converter decreases and the catalyst It is possible to easily determine that the converter has deteriorated and to always accurately determine.
[0015]
  PreferablyThe air-fuel ratio forced fluctuation means modulates the air-fuel ratio so that the lean air-fuel ratio time ratio or rich air-fuel ratio time ratio becomes 0.3 or less and 0.05 or more.Good.
  If you do thisBy modulating the air-fuel ratio so that the lean air-fuel ratio time ratio or the rich air-fuel ratio time ratio becomes 0.3 or less and 0.05 or more, the lean air-fuel ratio time ratio usually corresponds to the time ratio corresponding to the breakthrough amount ( 0.05 to 0.3), or the air-fuel ratio is switched so that the rich air-fuel ratio time ratio becomes a time ratio (0.05 to 0.3) corresponding to the breakthrough amount. Accordingly, the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be easily reduced. As a result, as described above, the catalytic converter can be easily deteriorated and can always be accurately determined.
[0016]
That is, referring to FIG. 4, the lean air-fuel ratio time ratio with respect to a predetermined cycle and O as a breakthrough amount detection means provided downstream of the catalyst.2The relationship with the output amplitude of the sensor is shown. As described above, the time ratio (range of 0.05 to 0.3) corresponding to the breakthrough amount or the rich air / fuel ratio time ratio When the time ratio corresponding to the breakthrough amount is set (in the range of 0.05 to 0.3, that is, in the range of 0.7 to 0.95 in terms of the lean air-fuel ratio time ratio), it is usually O as shown by the solid line.2The fluctuation of the output amplitude of the sensor, that is, the exhaust air / fuel ratio is suppressed to be small. In this range, if the catalytic converter deteriorates, O2The output amplitude (broken line) of the sensor becomes conspicuous with respect to the output amplitude (solid line) at the time of non-deteriorating, and the catalytic converter can be easily deteriorated and can always be determined.
[0017]
  Claims3In this invention, the air-fuel ratio forced fluctuation means modulates the air-fuel ratio by shortening the predetermined period, which is the sum of the lean air-fuel ratio time and the rich air-fuel ratio time, as the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value is larger. It is characterized by.
  Therefore, as the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value increases, the oxygen amount and HC, CO amount flowing into the catalytic converter per unit time increase, and the oxygen storage amount reaches the breakthrough amount at an early stage. By adjusting the air-fuel ratio by shortening the predetermined period as the value of the air-fuel ratio increases, the air-fuel ratio is normally adjusted before the lean air-fuel ratio time reaches the breakthrough time or before the rich air-fuel ratio time reaches the breakthrough time. Therefore, regardless of the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value, the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be suppressed to a small value. As a result, as described above, the catalytic converter can be easily deteriorated and can always be accurately determined.
[0018]
That is, referring to FIG. 5, for example, the period of forced air-fuel ratio fluctuation when the lean air-fuel ratio time ratio is 0.3 and the O provided downstream of the catalyst.2The relationship with the output amplitude of the sensor is indicated by a broken line and a solid line for each exhaust flow rate (at low flow rate and high flow rate). O compared to some cases2Since the cycle at which the output amplitude of the sensor begins to increase is short, the cycle is shortened as the exhaust flow rate increases and the flow rate increases based on the map shown in FIG. As a result, O during normal non-deterioration2The fluctuation in the output amplitude of the sensor, that is, the exhaust air-fuel ratio is suppressed to a small level, so that the catalytic converter can be easily deteriorated and can always be determined.
[0019]
  Also,PreferablyThe air-fuel ratio forced fluctuation means modulates the air-fuel ratio so that the predetermined period is 0.8 seconds or less.It is good.
  If you do thisAs the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value increases, the amount of oxygen flowing into the catalytic converter per unit time and the amount of HC and CO increase, and the oxygen storage amount reaches the breakthrough amount at an early stage. In general, the air-fuel ratio is switched before the lean air-fuel ratio time reaches the breakthrough time or before the rich air-fuel ratio time reaches the breakthrough time. Therefore, regardless of the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value, the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst is suppressed to a small value as shown in FIG. As a result, the deterioration of the catalytic converter can be facilitated and the determination can always be made with high accuracy.
[0020]
  Claims4In this invention, the breakthrough amount detecting means is an exhaust gas sensor that is provided downstream of the catalytic converter and detects an oxygen concentration.
  Therefore, when the oxygen concentration downstream of the catalyst begins to change and the exhaust air-fuel ratio fluctuations downstream of the catalyst increase, these changes and fluctuations are easily detected by the exhaust gas sensor downstream of the catalyst, and the oxygen storage capacity of the catalytic converter decreases and the catalyst It is possible to accurately and reliably determine that the converter has deteriorated with a simple configuration without providing a separate sensor.
[0021]
  Claims5In the invention, the deterioration determination means determines the deterioration of the catalytic converter using the fluctuation range of the output value from the exhaust gas sensor or the fluctuation range correlation value as a breakthrough amount correlation value.
  Therefore, if the exhaust gas sensor downstream of the catalyst is used, the fluctuation range of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst can be easily detected. Based on the fluctuation range, the oxygen storage capacity of the catalytic converter is reduced and the breakthrough amount is reduced. It is possible to accurately determine that the converter has deteriorated with a simple configuration without providing a separate sensor.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1, there is shown a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device according to the present invention mounted on a vehicle. Hereinafter, the configuration of the exhaust emission control device according to the present invention will be described based on the same drawing.
[0023]
As shown in the figure, the engine main body (hereinafter simply referred to as the engine) 1 includes, for example, fuel injection in the intake stroke (intake stroke injection) and fuel injection in the compression stroke (compression stroke) by switching the fuel injection mode. An in-cylinder injection type spark ignition gasoline engine capable of performing injection) is employed. This in-cylinder injection type engine 1 is easily operated at a stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric), an operation at a rich air-fuel ratio (rich air-fuel ratio operation), and an operation at a lean air-fuel ratio (lean air-fuel ratio operation). Is feasible.
[0024]
As shown in the figure, the cylinder head 2 of the engine 1 is provided with an electromagnetic fuel injection valve 6 together with a spark plug 4 for each cylinder, so that fuel can be directly injected into the combustion chamber. .
An ignition coil 8 that outputs a high voltage is connected to the spark plug 4. Further, a fuel supply device (not shown) having a fuel tank is connected to the fuel injection valve 6 via a fuel pipe 7. More specifically, the fuel supply device is provided with a low pressure fuel pump and a high pressure fuel pump, whereby fuel in the fuel tank is supplied to the fuel injection valve 6 at a low fuel pressure or a high fuel pressure. Can be injected from the fuel injection valve 6 into the combustion chamber at a desired fuel pressure. At this time, the fuel injection amount is determined from the fuel discharge pressure Pinj of the high-pressure fuel pump and the opening time of the fuel injection valve 6, that is, the fuel injection time Tinj.
[0025]
An intake port is formed in the cylinder head 2 in a substantially upright direction for each cylinder, and one end of the intake manifold 10 is connected so as to communicate with each intake port. Further, an exhaust port is formed in the cylinder head 2 in a substantially horizontal direction for each cylinder, and one end of the exhaust manifold 12 is connected so as to communicate with each exhaust port.
[0026]
The in-cylinder injection type engine 1 is already known, and therefore, the detailed description of the configuration is omitted.
As shown in the figure, the intake manifold 10 is provided with an electromagnetic throttle valve 14 for adjusting the amount of intake air, and a throttle position sensor (TPS) 16 for detecting the opening θth of the throttle valve 14. An air flow sensor 18 for measuring the intake air amount is interposed upstream of the throttle valve 14. A Karman vortex airflow sensor is used as the airflow sensor 18.
[0027]
On the other hand, an exhaust pipe (exhaust passage) 20 is connected to the exhaust manifold 12, and a three-way catalyst (catalytic converter) 30 is interposed in the exhaust pipe 20 as an exhaust purification catalyst device.
The three-way catalyst 30 has copper (Cu), cobalt (Co), silver (Ag), or platinum (Pt) as an active noble metal on a support.
[0028]
The active noble metal has an oxygen storage function (O2Storage function), that is, in an oxidizing atmosphere where the exhaust air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio, oxygen (O2) Is absorbed, the exhaust air-fuel ratio becomes rich and the reducing atmosphere becomes O.2As a result, the three-way catalyst 30 is stored in a storage atmosphere even in a reducing atmosphere.2Thus, HC (hydrocarbon) and CO (carbon monoxide) can be oxidized and removed. That is, the three-way catalyst 30 can purify HC and CO in an oxidizing atmosphere as well as stored O 2.2Thus, not only NOx purification but also HC and CO can be purified even in a reducing atmosphere. However, these active noble metals have an oxygen content as high as oxygen storage materials such as ceria (Ce).2Does not have storage capability. Such a three-way catalyst 30 is weak O2Called a storage converter catalytic converter.
[0029]
Further, downstream of the three-way catalyst 30 of the exhaust pipe 20 is O2A sensor (breakthrough amount detection means, exhaust gas sensor) 24 is disposed. O2The sensor 24 has an output voltage that changes according to the oxygen concentration, and exhibits a low voltage value when the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio, while it rapidly increases near the theoretical air-fuel ratio and is high when the air-fuel ratio is a rich air-fuel ratio. It is a sensor that indicates a voltage value.
[0030]
An ECU (electronic control unit) 40 including an input / output device, a storage device (ROM, RAM, nonvolatile RAM, etc.), a central processing unit (CPU), a timer counter, and the like is installed. Comprehensive control of the combustion control device including 1 is performed.
On the input side of the ECU 40, the above-described TPS 16, air flow sensor 18, and O2Various sensors such as the sensor 24 are connected, and detection information from these sensors is input.
[0031]
On the other hand, various output devices such as the fuel injection valve 6 and the ignition coil 8 described above are connected to the output side of the ECU 40, and the fuel injection calculated based on detection information from various sensors is connected to these various output devices. The amount, fuel injection timing, ignition timing, etc. are output, respectively, whereby an appropriate amount of fuel is injected from the fuel injection valve 6 at an appropriate timing, and spark ignition is performed at an appropriate timing by the spark plug 4.
[0032]
The operation of the exhaust emission control device according to the present invention configured as described above will be described below.
In the exhaust purification system of the present embodiment, in order to fully demonstrate the capability of the three-way catalyst 30, during normal operation, the ECU 40 forcibly alternates the air-fuel ratio between the rich air-fuel ratio and the lean air-fuel ratio. ing. That is, here, as shown in FIG. 2, the air-fuel ratio A / F is modulated to be a lean air-fuel ratio for a certain period (lean time) and then to a rich air-fuel ratio for a certain period, and the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio are modulated. The fuel ratio is periodically repeated (air-fuel ratio forced variation means). The modulation waveform is a square wave here, but may be a triangular wave.
[0033]
As a result, when the exhaust air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio, HC and CO are well purified and the three-way catalyst 30 O2O by storage function2Is stored, and when the exhaust air-fuel ratio is a rich air-fuel ratio, NOx is well purified and the stored O2As a result, HC and CO are continuously purified.
In the exhaust purification system of this embodiment, it is possible to determine the deterioration of the three-way catalyst 30 at any time during normal operation.
[0034]
Referring to FIG. 3, a catalyst deterioration determination routine showing a procedure for determining catalyst deterioration is shown in a flow chart (deterioration determination means). Hereinafter, the catalyst deterioration determination according to the present invention will be described.
As described above, in the catalyst deterioration determination, it is necessary to change the air-fuel ratio between the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio. In this regard, in the present embodiment, as described above, the air-fuel ratio is forcibly changed in order to improve the exhaust purification efficiency during normal operation, and the catalyst deterioration can be determined.
[0035]
Then, under such forced air-fuel ratio variation, first, in step S10, catalyst optimization control is performed.
As shown in FIG. 7, an oxygen sensor provided downstream of the catalyst, that is, O2Between the output value of the sensor 24 and the NOx purification efficiency, O2It has been confirmed that there is a relationship that high NOx purification efficiency can be obtained if the air-fuel ratio is controlled in a balanced manner so that the output value of the sensor 24 falls within a predetermined range. Here, the degree of modulation is adjusted in this way. Thus, the exhaust purification efficiency of the three-way catalyst 30 is optimized.
[0036]
Specifically, for example, the air-fuel ratio is modulated and controlled in a balanced manner by adjusting the values of the lean air-fuel ratio and the rich air-fuel ratio while adjusting the average A / F to a predetermined value (near the stoichiometric range).2The output value of the sensor 24 is set within a predetermined range.
At the same time, within the predetermined range of the output value, O of the three-way catalyst 302More than the breakthrough amount when the amount of storage is large (catalytic converter allowable oxygen storage amount) and less than the breakthrough amount when the catalyst deterioration is small ((catalyst large breakthrough amount) ≤ (O2The modulation degree of the air-fuel ratio forced fluctuation is adjusted so that (storage amount) ≦ (passage amount when catalyst deterioration is small)).
[0037]
In other words, the air-fuel ratio is switched before the amount of oxygen stored at the lean air-fuel ratio reaches the breakthrough amount, or before the amount of oxygen released at the rich air-fuel ratio reaches the breakthrough amount, and at least the air-fuel ratio becomes lean. The oxygen concentration downstream of the three-way catalyst 30 does not change when the fuel ratio is at one of the fuel ratio and the rich air fuel ratio.2Adjust the degree of modulation of the air-fuel ratio forced fluctuation so that the output of the sensor 24 does not fluctuate.2Control the amount of storage.
[0038]
Specifically, O2Since the storage amount and the lean air-fuel ratio time increase or decrease in correlation, the time ratio of the lean air-fuel ratio time or rich air-fuel ratio time to the modulation period ((lean air-fuel ratio time) based on FIG. 4 described above. / (Cycle)), that is, modulation is performed so that the air-fuel ratio duty is in a range not less than a value (0.05) corresponding to the overflow amount when the catalyst deterioration is large and not more than a value (0.3) corresponding to the overflow amount when the catalyst deterioration is small. Adjust the degree. In other words, the modulation is performed so that the time ratio of the lean air-fuel ratio time is in a range not less than (0.05) and not more than (0.3) or not less than (0.7) and not more than (0.95). Adjust the degree.
[0039]
Further, as described above with reference to FIG.2Since the storage amount reaches the breakthrough amount, according to the map of FIG. 6, the modulation cycle is shortened and the air-fuel ratio is changed as the exhaust flow rate increases ((cycle) = f (exhaust flow rate)). At this time, the exhaust flow rate may be actually measured, but the exhaust flow rate correlation value (for example, vehicle speed, volumetric efficiency, intake air amount, net average effective pressure, air valve opening, engine rotation speed) Etc.).
[0040]
Further, as is apparent from FIG. 5, if the modulation period is 0.8 seconds or less, O2In order to suppress the output fluctuation of the sensor 24 sufficiently small, the modulation period may be fixed to 0.8 seconds or less. However, if the modulation period is too short, the modulation is blurred in the upstream of the three-way catalyst 30 and the degree of air-fuel ratio modulation is reduced. Therefore, the modulation period is at least 0. It is good to set it as 3 seconds or more and the said 0.3 second or more and 0.8 second or less range. However, when the air-fuel ratio modulation upstream of the catalyst is estimated in advance as a map value as a function of frequency, the catalyst is determined by the amplitude rate (catalyst downstream air-fuel ratio amplitude / catalyst upstream air-fuel ratio amplitude) instead of the catalyst downstream air-fuel ratio amplitude. By performing the deterioration determination, the lower limit of 0.3 seconds can be removed.
[0041]
The time ratio of the lean air-fuel ratio time and the modulation period when adjusting the modulation degree may be instantaneous values or average values.
O2If the degree of modulation is adjusted so that the output amplitude of the sensor 24 becomes small, then the breakthrough amount decreases and the oxygen concentration downstream of the three-way catalyst 30 begins to change, and O2When the output fluctuation of the sensor 24 becomes large, the output fluctuation can be reliably detected.2It becomes possible to easily detect that the storage capacity is reduced.
[0042]
In step S11, it is determined whether or not catalyst deterioration determination is to be started. In this embodiment, for example, the deterioration determination is performed every predetermined period or every predetermined traveling distance. Here, it is determined whether the predetermined period has elapsed or the predetermined traveling distance has been reached. It should be noted that the catalyst deterioration determination can always be performed during the air-fuel ratio forced fluctuation, and in this case, the determination in step S11 may be omitted.
[0043]
If the determination result in step S11 is true (Yes), the process proceeds to step S12, and O2The output value of the sensor 24 is inspected and the O2Based on the output value of the sensor 24, the O of the three-way catalyst 302It is determined whether or not the storage capacity is reduced.
When the amount of breakthrough decreases and the oxygen concentration downstream of the three-way catalyst 30 begins to change, as shown in FIG.2The amplitude (variation width) W of the output fluctuation of the sensor 24 is O shown in FIG.2It becomes larger than the amplitude Wmin when the storage capacity is high. Therefore, specifically, by determining whether or not any of the following conditions 1) to 4) is satisfied, O2It is determined whether or not the storage capacity is reduced. 1) (O2Sensor output amplitude) ≧ (predetermined value A)
2) ((O2Sensor output) ≤ (predetermined value B1) time) ≤ (predetermined value B2)
3) (((O2(Sensor output) ≦ (predetermined value C1) time) / ((O2Sensor output)
≧ (time when predetermined value C2))) ≦ predetermined value C3
4) ((O2Sensor output amplitude) / (air-fuel ratio forced modulation width)) ≧ predetermined value D
And as mentioned above, O2Since the storage capacity and the catalyst performance (HC purification performance) of the three-way catalyst 30 are highly correlated, the determination result is true (Yes), and any of the above conditions 1) to 4) is satisfied, and O2When it is determined that the storage capacity has decreased, the process proceeds to step S13, and it is determined that the three-way catalyst 30 has deteriorated.
[0044]
On the other hand, if the determination result in step S12 is false (No),2When it is considered that the storage capacity has not decreased, it is determined that the three-way catalyst 30 has not yet deteriorated and is in a normal state.
In this way, the catalyst deterioration determination is performed. However, in the exhaust gas purification apparatus of the present invention, as described above, when the three-way catalyst 30 is not yet deteriorated,2In order to positively control the storage amount, the modulation degree of the air-fuel ratio fluctuation is adjusted according to the breakthrough amount of the three-way catalyst 30, and when the three-way catalyst 30 is not deteriorated, the downstream of the three-way catalyst 302The output value fluctuation of the sensor 24 is kept small.
[0045]
Therefore, according to the exhaust gas purification apparatus, the amount of breakthrough is reduced and the three-way catalyst 30 O2It is possible to easily and reliably detect that the storage capacity has deteriorated, and it is possible to always determine the deterioration of the three-way catalyst 30 with high accuracy.
Further, in the exhaust purification device of the present invention, the upstream side of the three-way catalyst 30 is O2Without providing a sensor, O downstream of the three-way catalyst 302Only the sensor 24 determines the deterioration of the three-way catalyst 30. Accordingly, it is possible to perform the catalyst deterioration determination with high accuracy with simple and low cost.
[0046]
In the above embodiment, weak O2Although the three-way catalyst 30 with storage capacity has been described as an example, even in a three-way catalyst containing ceria (Ce), the content of ceria (Ce) may be low, and the present invention is effectively applied. However, the catalytic converter is not limited to a three-way catalyst.
In the above embodiment, O2The sensor 24 is used to2Detected a drop in storage capacity, but O2Instead of the sensor 24, an air-fuel ratio sensor (LAFS or the like) may be used.
[0047]
In the above embodiment, the air-fuel ratio is forcibly changed during normal operation. For example, air-fuel ratio feedback control is performed during normal operation, and the air-fuel ratio is forcibly changed only at the time of catalyst deterioration determination. Also good.
[0048]
【The invention's effect】
  As explained in detail above, according to the exhaust emission control device of claim 1 of the present invention,The lean air-fuel ratio time or rich air-fuel ratio time, which is the correlation value of the oxygen storage amount, is smaller than the breakthrough time corresponding to the predetermined breakthrough amount of the catalytic converter and corresponds to the breakthrough amount at the predetermined deterioration of the catalytic converter By changing the air / fuel ratio to be greater than the breakthrough time, it is usually possible to switch the air / fuel ratio before the lean air / fuel ratio reaches the breakthrough time or before the rich air / fuel ratio reaches the breakthrough time. Thus, the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be easily suppressed based on the time value. As a result, it is possible to easily determine that the catalytic converter has deteriorated due to a decrease in the oxygen storage capacity of the catalytic converter and to always accurately determine the catalytic converter.
[0049]
As a result, when it is observed that the current breakthrough amount or the breakthrough amount correlation value for the oxygen storage of the catalytic converter, that is, the allowable oxygen storage amount is decreased, the oxygen concentration downstream of the catalyst starts to change, and the downstream of the catalyst Although fluctuations in the exhaust air-fuel ratio increase, such changes and fluctuations can be reliably detected, and it is possible to always stably and accurately determine that the catalytic converter has deteriorated due to a decrease in the oxygen storage capacity of the catalytic converter. .
[0051]
  Claims2According to the exhaust gas purification apparatus of the present invention, the lean air-fuel ratio time ratio or rich air-fuel ratio time ratio with respect to a predetermined period, which is a correlation value of the oxygen storage amount, is smaller than the time ratio corresponding to the predetermined breakthrough amount of the catalytic converter. In addition, by modulating the air-fuel ratio so as to be larger than the time ratio corresponding to the breakthrough amount at the time of the predetermined deterioration of the catalytic converter, the lean air-fuel ratio time ratio is usually set to the time ratio corresponding to the breakthrough amount or the rich air-fuel ratio time. The air-fuel ratio is switched so that the ratio becomes a time ratio corresponding to the breakthrough amount, and the fluctuation of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be easily suppressed based on the time ratio with respect to the cycle. As a result, as described above, it is possible to easily determine that the oxygen storage capacity of the catalytic converter has deteriorated and the catalytic converter has deteriorated, and to always accurately determine.
[0053]
  Claims3According to this exhaust gas purification apparatus, the larger the exhaust gas flow rate or the exhaust gas flow rate correlation value, the larger the oxygen amount and HC, CO amount flowing into the catalytic converter per unit time, and the oxygen storage amount reaches the breakthrough amount early. By adjusting the air-fuel ratio by shortening the predetermined cycle as the flow rate or exhaust flow correlation value increases, the lean air-fuel ratio time usually reaches the breakthrough time before the lean air-fuel ratio time reaches the breakthrough time. The air-fuel ratio is switched before reaching, and fluctuations in the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be kept small regardless of the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value. As a result, as described above, the catalytic converter can be easily deteriorated and can always be accurately determined.
[0055]
  Claims4According to this exhaust gas purification apparatus, when the oxygen concentration downstream of the catalyst begins to change and fluctuations in the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst increase, these changes and fluctuations can be easily detected by the exhaust gas sensor downstream of the catalyst, It is possible to accurately and reliably determine that the storage capacity is reduced, the amount of breakthrough is reduced, and the catalytic converter is deteriorated without providing a separate sensor.
[0056]
  Claims5According to this exhaust gas purification apparatus, if the exhaust gas sensor downstream of the catalyst is used, especially the fluctuation range of the exhaust air-fuel ratio downstream of the catalyst can be easily detected. Based on the fluctuation range, the oxygen storage capacity of the catalytic converter is reduced. It is possible to accurately determine that the amount of breakthrough has decreased and the catalytic converter has deteriorated with a simple configuration without providing a separate sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device according to the present invention mounted on a vehicle.
FIG. 2 is a diagram showing a modulation waveform of an air-fuel ratio (A / F).
FIG. 3 is a flowchart showing a catalyst deterioration determination routine.
FIG. 4 shows a lean air-fuel ratio time ratio with respect to a predetermined period and O provided downstream of the catalyst.2It is a figure which shows the relationship with the output amplitude of a sensor.
FIG. 5 shows the period of forced air-fuel ratio fluctuation and O provided downstream of the catalyst.2It is the figure which showed the relationship with the output amplitude of a sensor for every exhaust gas flow rate (at the time of the low flow rate and the high flow rate).
FIG. 6 is a map showing a relationship between an exhaust flow rate and a cycle.
FIG. 7 shows O provided downstream of the catalyst.2It is a figure which shows the relationship between the output value of a sensor, and NOx purification efficiency.
FIG. 82O as storage capacity declines2It is a figure which shows the change of the output fluctuation of a sensor.
[Explanation of symbols]
1 Engine body
24 O2Sensor (breakthrough amount detection means, exhaust gas sensor)
30 Three-way catalyst (catalytic converter)
40 ECU (Electronic Control Unit)

Claims (5)

内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、
空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定の周期、振幅で強制変動させる空燃比強制変動手段と、
前記触媒コンバータの酸素ストレージについての現在の破過量或いは破過量相関値を検出する破過量検出手段と、
該破過量検出手段により検出される現在の破過量或いは破過量相関値に基づき前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段とを備え、
前記酸素ストレージ量はリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間に相関して増減するものであって、
前記空燃比強制変動手段は、該リーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴とする排気浄化装置。A catalytic converter provided in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An air-fuel ratio forcibly varying means for forcibly varying the air-fuel ratio with a predetermined period and amplitude between a lean air-fuel ratio and a rich air-fuel ratio;
Breakthrough amount detection means for detecting a current breakthrough amount or a breakthrough amount correlation value for oxygen storage of the catalytic converter;
Deterioration determining means for determining deterioration of the catalytic converter based on a current breakthrough amount or a breakthrough amount correlation value detected by the breakthrough amount detection means,
The oxygen storage amount increases or decreases in correlation with the lean air-fuel ratio time or the rich air-fuel ratio time,
The air-fuel ratio forced variation means has a lean air-fuel ratio time or a rich air-fuel ratio time that is shorter than a breakthrough time corresponding to a predetermined breakthrough amount when the catalytic converter is not deteriorated and is broken when the catalytic converter is deteriorated. An exhaust emission control device that modulates an air-fuel ratio so as to be longer than a breakthrough time corresponding to an excessive amount . 前記空燃比強制変動手段は、前記所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。The air-fuel ratio forced variation means is configured such that the lean air-fuel ratio time ratio or the rich air-fuel ratio time ratio with respect to the predetermined cycle is smaller than a time ratio corresponding to a predetermined amount of breakthrough when the catalytic converter is not deteriorated and the predetermined ratio of the catalytic converter. exhaust gas purification device in which the is characterized by modulating the air-fuel ratio to be greater than the time ratio corresponding to the breakthrough amount of time deterioration, according to claim 1. 前記空燃比強制変動手段は、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほどリーン空燃比時間とリッチ空燃比時間との和である前記所定の周期を短くして空燃比を変調させることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。The air-fuel ratio forcibly changing means modulates the air-fuel ratio by shortening the predetermined period, which is the sum of the lean air-fuel ratio time and the rich air-fuel ratio time, as the exhaust flow rate or the exhaust flow rate correlation value increases. The exhaust emission control device according to claim 1 . 前記破過量検出手段は、前記触媒コンバータ下流に設けられて酸素濃度を検出する排ガスセンサであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の排気浄化装置。The exhaust gas purification device according to any one of claims 1 to 3, wherein the breakthrough amount detection means is an exhaust gas sensor that is provided downstream of the catalytic converter and detects an oxygen concentration. 前記劣化判定手段は、前記排ガスセンサからの出力値の変動幅或いは変動幅相関値を破過量相関値として前記触媒コンバータの劣化を判定することを特徴とする、請求項４記載の排気浄化装置。5. The exhaust emission control device according to claim 4 , wherein the deterioration determination means determines deterioration of the catalytic converter using a fluctuation range or fluctuation range correlation value of an output value from the exhaust gas sensor as a breakthrough amount correlation value.
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