JP4411755B2

JP4411755B2 - 排気浄化触媒の劣化状態診断装置

Info

Publication number: JP4411755B2
Application number: JP2000216477A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村; 拓也岡本; 公二郎岡田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2020-07-17
Also published as: JP2002030922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の車両に用いて好適の、排気浄化触媒の劣化状態診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、触媒劣化の判定手法としては、触媒に付加された酸素ストレージ能力（酸素吸蔵能力又はＯＳＣ）が触媒性能と相関があることを利用して、酸素ストレージ能力の劣化を検出することで触媒劣化を検出する手法が知られている。例えば特公平７−２６５２８号公報には、触媒に流入する排気空燃比がパータベーション（振動）した場合、酸素ストレージ能力が高いと触媒下流の排気空燃比の応答が遅く、また、酸素ストレージ能力が低いと触媒下流の排気空燃比の応答が速くなるという特性に着目し、触媒下流に配置されたＯ₂センサあるいは空燃比センサ（ＬＡＦＳ）の出力の変化周期（周波数）を検出し、ある基準値以上だと触媒劣化であると判定するようにした技術が開示されている。
【０００３】
また、特許公報２７５９８２１号には、触媒の上流に設けたＯ₂ センサ出力に基づいて内燃機関の空燃比をフィードバック制御している状態において、触媒下流に設けたリニアＯ₂センサの出力に基づき当量比の変化幅を算出し、空燃比フィードバック制御のフィードバック補正係数変化幅（上流側空燃比の変化幅）に対する当量比変化幅（下流側空燃比の変化幅）が設定値を上回ると触媒の劣化と判定する技術が開示されている。
【０００４】
この技術は、フィードバック制御により触媒上流の酸素濃度を理論空燃比を中心に変動させても触媒が正常であれば触媒下流の酸素濃度は大きく変化しないが、触媒が劣化すると触媒上流の酸素濃度変化に追従して触媒下流の酸素濃度も大きく変動する現象に着目したものである。この現象は触媒の有する酸素ストレージ能力（ＯＳＣ）に起因するものであり、十分な酸素ストレージ能力が維持されている状態では酸素雰囲気で酸素を吸着し、還元雰囲気で酸素を放出するため触媒下流の酸素濃度の変動は少ないが、酸素ストレージ能力が低下すると酸素の吸着及び放出反応が低下するため、流入する排気に連動して酸素濃度が大きく変動することになる。したがって、上記従来技術は触媒の酸素ストレージ能力の低下を検出して触媒の劣化と判定する技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術のうち、特公平７−２６５２８号公報に開示された技術では、酸素ストレージ能力（ＯＳＣ）を検出しているため、直接触媒の劣化を判定することはできなかった。例えば、耐ＯＳＣ性能の高い触媒に対しては、正確な触媒劣化状態を得ることはできないという課題がある。
【０００６】
また、特許公報２７５９８２１号の技術では、酸素ストレージ能力は触媒による浄化作用を補助するものでしかないため、触媒による浄化反応の低下を的確に判定するものではなかった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、触媒の浄化能力の低下を的確に判定できるようにした、排気浄化触媒の劣化状態診断装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の排気浄化触媒の劣化状態診断装置では、空燃比制御手段により内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の上流側の排気空燃比を理論空燃比近傍の基準値を中心に周期的に変動させて、このときの排気浄化触媒の下流側の排気中における酸素濃度を排気センサで検出する。
【０００９】
そして、診断手段により、排気センサで検出された上記酸素濃度のうち上記基準値に対するリッチ側の振幅とリーン側の振幅とが算出され、両振幅を相対的に評価することで触媒に担持された貴金属及び上記触媒の酸素吸蔵能力の劣化状態が診断される。ここで、リッチ側及びリーン側の振幅を相対的に評価する手法としては、例えば両振幅の差を用いたり、両振幅の比を用いたりすることが考えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施形態について説明する。
まず、第１実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置について説明すると、図１に示すように、本装置はここでは筒内噴射型内燃機関に適用されている。この筒内噴射型内燃機関について簡単に説明すると、燃焼室１には、吸気弁４を介して吸気通路２が接続され、また、排気弁５を介して排気通路３が接続されている。また、吸気通路２には、エアクリーナ２ａ，吸入空気量を検出するエアフローセンサ（ＡＦＳ）２ｂ，吸入空気量を制御するスロットル弁２ｃ，スロットル弁２ｃの開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）２ｄ等が設けられている。また、排気通路３には、排気浄化触媒としての三元触媒（以下、単に触媒ともいう）６が設けられており、触媒６の下流側には、排気中のＯ₂濃度を検出するＯ₂センサ（排気センサ）３ａが設けられている。また、燃焼室１には、インジェクタ８が燃焼室１へ燃料を直接噴射すべくその開口を燃焼室１に臨ませて配置されている。
【００１３】
このような構成により、スロットル弁２ｃの開度に応じエアクリーナ２ａを通じて吸入された空気が、吸気通路２及び吸気弁４を介して燃焼室１内に吸入され、ＥＣＵ（制御手段）２０からの信号に基づいてインジェクタ８から噴射された燃料と混合されるようになっている。そして、燃焼室１内で点火プラグ７を適宜のタイミングで点火させて混合気を燃焼させたのち、燃焼室１内から排気弁５を介して排気通路３へ排気ガスが排出され、触媒６で浄化されてから図示しないマフラで消音されて排出されるようになっている。
【００１４】
なお、このエンジンには、上述のＡＦＳ２ｂ，ＴＰＳ２ｄ，Ｏ₂センサ３ａ，触媒温度センサ３ｂのほかに、例えば、クランクシャフト９に付設されたクランク角検出装置９ａや、シリンダブロック内のウォータジャケット１ｂ内に挿設されエンジンの冷却水温を検出する冷却水温センサ１ｃ等の種々のセンサが設けられており、これらのセンサからの検出情報がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
【００１５】
ここで、筒内噴射エンジンでは、燃焼室１内で吸入空気を縦渦流（逆タンブル流）として生成することにより、点火プラグ７近傍に少量の燃料を集めて層状燃焼させ、混合気全体としては極めてリーンな空燃比での燃焼（希薄燃焼）が可能に構成されており、燃料噴射の態様として、ストイキよりもリーンな空燃比下で運転を行なうリーン運転モードと、空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍となるように、触媒６の上流側のＯ₂センサ（図示省略）からの検出情報等に基づいてフィードバック制御を行なうストイキ運転モードと、ストイキよりもリッチな空燃比で運転を行なうリッチ運転モードとが設定されている。
【００１６】
また、このような運転モードの選択は、ＥＣＵ２０により運転状態に応じて行なわれるようになっている。つまり、ＥＣＵ２０は、ＴＰＳ２ｄ及びクランク角検出手段９ａの検出情報に基づいてエンジン負荷Ｐｅ及びエンジン回転速度Ｎｅ（運転状態）を計算し、この運転状態に応じてエンジンの運転モードを設定するようになっており、エンジン負荷Ｐｅ及びエンジン回転速度Ｎｅが大きくなるほど、リーン運転，ストイキ運転，リッチ運転の順に運転モードを設定するようになっている。
【００１７】
次に、本発明の要部構成について説明すると、図１に示すように、ＥＣＵ２０には触媒６の上流の排気空燃比Ａ／Ｆを周期的に変動させる空燃比制御手段２０１と、触媒６の劣化状態を診断する診断手段２０２とが設けられている。
ここで、空燃比制御手段２０１は、Ｏ₂センサ３ａからの排気空燃比情報に基づいて空燃比をフィードバック制御を実行する際に、所定の基準値を中心にして空燃比を周期的にパータベーション（振動）させるものである。なお、上記基準値としては、ここでは理論空燃比が適用されており、以下では、この基準値を中心Ａ／Ｆという。
このときの排気センサ３ａからの出力特性は、例えば図２に示すようになるが、診断手段２０２では、この検出情報のうち中心Ａ／Ｆに対するリッチ側の振幅とリーン側の振幅とをそれぞれ算出し、この算出結果から触媒６の劣化状態（この場合は、特に貴金属の劣化状態）を判定するようになっているのである。
【００１８】
具体的には、フィードバック制御中において、まず各振動周期毎に排気空燃比のリッチ側及びリーン側の最大値が取り込まれ、これらの値と中心Ａ／Ｆとの差（即ち、中心Ａ／Ｆに対する振幅）が算出されるようになっている。そして、これらの差の値のうち、所定期間内における最大値が、それぞれリッチ側振幅ＲＡＦと及びリーン側振幅ＬＡＦとして設定されるようになっている。
【００１９】
これを式で表すと、下式のようになる。なお、下式において、最大値｛Ａ−Ｂ｝は、所定期間におけるＡとＢとの差の最大値を表している。
ＲＡＦ＝最大値｛中心Ａ／Ｆ−リッチ側センサ値｝
ＬＡＦ＝最大値｛リーン側センサ値−中心Ａ／Ｆ｝
また、診断手段２０２では、これらの算出結果を用いて貴金属劣化指標を算出するようになっている。具体的には、本実施形態では、貴金属劣化指標をリッチ側振幅ＲＡＦとリーン側振幅ＬＡＦとの差（ＲＡＦ−ＬＡＦ）として算出するようになっている
そして、この貴金属劣化指標が所定値（第１の所定値）よりも大きければ、貴金属が劣化したと判定するようになっているのである。
【００２０】
これは、エンジンから排出されるＨ₂及び水性ガス反応による生成Ｈ₂は、触媒６のストレージＯ₂あるいはＮＯｘにより酸化浄化されるが、貴金属の劣化が進むと浄化されずに排出され、Ｏ₂センサ３ａの電極部への拡散Ｈ₂が増大し、センサ出力がリッチシフトして、中心Ａ／Ｆに対するリッチ側の振れ幅が大きくなるという知見に基づいたものである。つまり、Ｈ₂分子はＯ₂分子より小さいため拡散速度が大きく、Ｏ₂よりも先に電極部に到達し、この結果、Ｏ₂不足の状態となりセンサ出力はリッチ側の出力を示すのである。
【００２１】
一方、触媒６の上流の排気空燃比がリッチの時には、通常は触媒６に吸蔵された酸素（ストレージＯ₂ ）の放出により触媒６の下流の排気空燃比がリーン化されてリッチ側の振れ幅（リッチ側振幅ＲＡＦ）が小さくなり、触媒６の上流側の排気空燃比がリーンの時には、触媒６の酸素ストレージ能力（ＯＳＣ）により排気中の酸素（Ｏ₂ ）が吸蔵され、触媒６の下流側排気空燃比はリッチ化されてリーン側の振れ幅（リーン側振幅ＬＡＦ）が小さくなるが、ＯＳＣが低下していると、ＯＳＣに起因する上記触媒６の下流側排気空燃比のリーン化及びリッチ化が緩和されて、触媒６の上流側排気空燃比がリッチの時は、下流側排気空燃比のリッチ側の振れ幅が大きくなり、上流側排気空燃比がリーンの時には下流側排気空燃比のリーン側の振れ幅が大きくなる。
【００２２】
以上のように、リッチ側振幅ＲＡＦは貴金属劣化とＯＳＣ劣化との情報を、リーン側振幅ＬＡＦは主にＯＳＣ劣化情報を含んでいる。
したがって、上述のように、中心Ａ／Ｆ（基準値）に対するリッチ側振幅ＲＡＦとリーン側振幅ＬＡＦとを算出して両振幅ＲＡＦ，ＬＡＦを相対的に評価することで、触媒６の貴金属劣化状態を独立して判定することができるのである。
【００２３】
本発明の第１実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置は上述のように構成されているので、例えば図３に示すようなフローチャートにしたがって、触媒６の貴金属劣化状態が診断される。
まず、フィードバック制御が開始されると、ステップＳ１でＯ₂ センサ３ａからの出力情報に基づいて、中心Ａ／Ｆに対するリッチ側の振幅ＲＡＦとリーン側の振幅ＬＡＦとがそれぞれ算出される。
【００２４】
次に、ステップＳ２に進んで、貴金属劣化指標としてリッチ側振幅ＲＡＦとリーン側振幅ＬＡＦとの差が算出される。そして、ステップＳ３で、この貴金属劣化指標が所定値（第１の所定値）よりも大きいか否かが判定され、第１の所定値よりも大きいとステップＳ４で貴金属が劣化したと判定される。また、貴金属劣化指標が第１の所定値以下であれば、ステップＳ５に進み、貴金属劣化と判定されることなくリターンする。
【００２５】
このように、本発明の第１実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれば、貴金属の劣化による触媒劣化を確実に判定することができるという利点がある。また、上述のような簡素な構成により、コストの上昇や重量の増加を伴うこともないという利点も有している。
次に、本発明の第２実施形態について説明すると、上記第１実施形態が主に触媒６の貴金属劣化を診断するものであるのに対して、この第２実施形態は、主に触媒６の貴金属劣化と酸素ストレージ能力（ＯＳＣ）の劣化とを診断する点が異なっている。また、この第２実施形態は、全体的には上述した第１実施形態と略同様に構成されており、触媒６の劣化判定に用いるパラメータのみが異なっている。このため、以下では主に第１実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００２６】
さて、この第２実施形態では、フィードバック制御による運転状態になると、空燃比制御手段２０１により、所定の基準値（中心Ａ／Ｆ）を中心にして空燃比を周期的にパータベーションさせるとともに、診断手段２０２では、中心Ａ／Ｆに対するリッチ側の振幅を算出し、この算出結果から触媒６の劣化状態を判定するようになっている。
【００２７】
具体的には、フィードバック制御中において、第１実施形態と同様の手法によりリッチ側振幅ＲＡＦが算出されるようになっている。そして、診断手段２０２では、このリッチ側振幅ＲＡＦを触媒６の劣化指標として適用するようになっている。すなわち、この触媒劣化指標ＲＡＦが所定値（第２の所定値）よりも大きければ、触媒６が劣化したと判定するようになっているのである。
【００２８】
これは、前述した通り、リッチ側振幅ＲＡＦは貴金属劣化とＯＳＣ劣化との情報を含んでいるからである。
そこで、本第２実施形態では、上述のようにリッチ側振幅ＲＡＦを触媒劣化指標として用いることにより、触媒６の貴金属劣化とＯＳＣ劣化とを同時に判定することができるのである。
【００２９】
本発明の第２実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置は上述のように構成されているので、例えば図４に示すようなフローチャートにしたがって、触媒６の酸化能力劣化状態が診断される。
まず、フィードバック制御が開始されると、ステップＳ１１でＯ₂ センサ３ａからの出力情報に基づいて、中心Ａ／Ｆに対するリッチ側の振幅ＲＡＦが算出される。
【００３０】
次に、ステップＳ１２に進んで、触媒劣化指標に上記ステップＳ１１で算出されたリッチ側振幅ＲＡＦが設定される。そして、ステップＳ１３で、この触媒劣化指標が所定値（第２の所定値）よりも大きいか否かが判定され、第２の所定値よりも大きいとステップＳ１４で触媒６の貴金属劣化又はＯＳＣ劣化、もしくは両方の劣化と判定される。また、触媒劣化指標が第２の所定値以下であれば、ステップＳ１５に進み、触媒劣化と判定されることなくリターンする。
【００３１】
このように、本発明の第２実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれば、触媒６の貴金属劣化とＯＳＣ劣化とを同時に判定することができるという利点がある。また、上述のような簡素な構成により、コストの上昇や重量の増加を伴うこともないという利点もある。
次に、上記第２実施形態の変形例について説明すると、この変形例は、主に触媒６の酸素ストレージ能力（ＯＳＣ）の劣化を判定するものであって、リッチ側振幅ＲＡＦの代わりにリーン側振幅ＬＡＦを触媒劣化指標として適用したものである。
【００３２】
そして、この場合には、リーン側振幅ＬＡＦと所定値（第３の所定値）とを比較することで、触媒６のＯＳＣ劣化を判定することができるのである。
これは、前述した通り、リーン側振幅ＬＡＦは主にＯＳＣ劣化情報を含んでいるからである。したがって、上述のようにリーン側振幅ＬＡＦを触媒劣化指標として用いることにより、触媒６の浄化能力の低下と酸素吸蔵能力の低下を別々に診断できる利点がある。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は上述のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えばリッチ側振幅ＲＡＦ及びリーン側振幅ＬＡＦの算出手法は上述のものに限定されるものではなく、所定期間内におけるリッチ側及びリーン側のセンサ値の最大値と中心Ａ／Ｆとの差の平均値をＲＡＦ，ＬＡＦとして設定してもよい。また、上述では、貴金属劣化指標をリッチ側振幅ＲＡＦとリーン側振幅ＬＡＦとの差として求めているが、両者の比（ＲＡＦ／ＬＡＦ）を貴金属劣化指標として設定してもよい。また、触媒６の劣化を判定するための判定値（第１，第２，及び第３の所定値）は、触媒６の性能や諸元に応じて適宜設定することができる。
【００３４】
また、触媒６の下流側の排気センサ３ａとしてはＯ₂センサに限定されるものではなく、触媒６の下流の排気空燃比に相関する状態量を検出するセンサであればＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）やＨ₂センサ等のガスセンサを適用してもよい。
また、本発明は、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンのいずれにも適用可能であるほか、３元触媒及びＮＯｘ触媒等全ての触媒に適用可能である。さらには、上述の各実施形態では、劣化指標が判定値を超えたか否かで触媒６の劣化判定を行なっているが、この劣化指標の変化をモニタすることで触媒６の劣化度合いをリニアに判定するようにしてもよい。
【００３５】
また、Ｏ₂センサ３ａの基準値として上記では中心Ａ／Ｆ（リッチ側の振れの最大値とリーン側の振れの最大値との間）を用いているが、実際の振れの平均値を基準値として用いてもよい。また、その他にも、例えば貴金属の劣化と相関があるように基準値を変更してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の排気浄化触媒の劣化状態診断装置によれば、触媒上流の排気空燃比を理論空燃比近傍の基準値を中心に周期的に変動させている状態で触媒下流の排気空燃比の上記基準値に対するリッチ側の振幅とリーン側の振幅を算出して触媒の劣化状態を診断するため、例えば触媒に担持された貴金属及び酸素吸蔵能力の低下を確実に診断することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置が適用される内燃機関の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置におけるセンサ出力の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる排気浄化触媒の劣化状態診断装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
３排気通路
３ａ排気センサ（Ｏ₂センサ）
６排気浄化触媒
２０制御手段（ＥＣＵ）
２０１空燃比制御手段
２０２診断手段

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒と、
上記排気浄化触媒の上流の排気空燃比を理論空燃比近傍の基準値を中心に周期的に変動させる空燃比制御手段と、
上記排気浄化触媒の下流の排気中における酸素濃度を検出する排気センサと、
上記排気センサで検出された上記酸素濃度に基づいて上記基準値に対するリッチ側の振幅とリーン側の振幅とを算出し、両振幅の差が第１の所定値よりも大きければ上記触媒に担持された貴金属が劣化したと診断し、リッチ側の振幅が第２の所定値よりも大きければ、前記触媒に担持された貴金属と酸素吸蔵能力が劣化したと診断する診断手段とをそなえた
ことを特徴とする、排気浄化触媒の劣化状態診断装置。