JPH07247831A

JPH07247831A - 内燃機関の触媒劣化診断装置

Info

Publication number: JPH07247831A
Application number: JP6041070A
Authority: JP
Inventors: Satoru Takeyama; 哲武山; Yuki Nakajima; 祐樹中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】機関のノッキング発生時において、ノッキング
に起因する触媒劣化の誤診断を防止する。【構成】ノッキングセンサから検出されるノッキング信
号のＯＮ・ＯＦＦ状態を判定し（Ｓ１２）、ノッキング
信号がＯＦＦであれば、触媒劣化判定ルーチンに進み
（Ｓ１３〜Ｓ１７）、ノッキング信号がＯＮであれば、
所定時間、触媒劣化の判定を停止する（Ｓ１４）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機関の排気通路に介装
された排気浄化触媒の上流側と下流側とに配設された空
燃比センサを利用して、触媒の劣化状態を診断するよう
にした内燃機関の触媒劣化診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関の触媒劣化診断装置にあ
っては、例えば、特開平４−１４４９号公報等に示すよ
うなものが提案されている。即ち、このものは、触媒の
上流側及び下流側に夫々空燃比センサを配設し、主とし
て上流側空燃比センサの出力信号により空燃比フィード
バック制御を行うと共に、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ものであり、空燃比
フィードバック制御の実行中には、主に上流側空燃比セ
ンサの出力信号に基づいて、例えば、擬似的な比例・積
分制御により燃料供給が制御されるので、上流側空燃比
センサの出力信号は、図５（ａ）に示すように、周期的
にリッチ・リーンを繰り返す。

【０００３】これに対して触媒の下流側では、触媒のＯ
₂ストレージ能力により残存酸素濃度の変動が非常に緩
やかなものとなるので、下流側空燃比センサの出力信号
は、図５（ｂ）に示すように、上流側空燃比センサの出
力信号に比べて変動幅が小さく、かつ、周期が長くな
る。しかし、触媒が劣化してくるとＯ₂ストレージ能力
の低下により触媒の上流側と下流側とで、酸素濃度がそ
れほど変わらなくなり、その結果、図５（ｃ）に示すよ
うに、下流側空燃比センサの出力信号は、上流側空燃比
センサの出力信号に近似した周期で反転を繰り返すよう
になり、かつ、その変動幅も大きくなってくる。

【０００４】したがって、この反転回数に着目し、下流
側空燃比センサの反転回数と上流側空燃比センサの反転
回数の比を求め、該反転回数比が一定値を越えると触媒
が劣化していると判定するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、機関にノッ
キングが発生するとシリンダ内で自発着火により燃焼温
度が上昇すると共に、酸素の大量消費が行われ、ＨＣが
減少しＮＯｘが増加することになる。このため、ノッキ
ング時の排気成分としては一時的なリーン状態となり、
これを上流側及び下流側空燃比センサが共に検知し、一
時的に触媒劣化時と近似した反転回数比を検出し、触媒
が劣化していないにもかかわらず劣化していると誤判定
してしまうといった問題点があった。

【０００６】そこで、本発明はかかる従来の問題点に鑑
みなされたものであり、機関のノッキング発生時におい
て、触媒劣化の誤診断を防止した内燃機関の触媒劣化診
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】このため、請求項１の発
明は、図１に示すように、機関の排気通路に介装された
排気浄化触媒と、該触媒の上流側及び下流側に夫々配設
され、機関混合気の空燃比を検出する上流側及び下流側
空燃比検出手段と、主に前記上流側空燃比検出手段から
の信号に基づいて機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比
に近づけるようにフィードバック制御する空燃比フィー
ドバック制御手段と、前記上流側空燃比検出手段と下流
側空燃比検出手段からの信号に基づき排気浄化触媒の劣
化を判定する劣化判定手段と、を備えた内燃機関の触媒
劣化診断装置において、機関の振動に対応したノッキン
グ信号を検出するノッキング検出手段と、該機関のノッ
キング信号検出時に、前記排気浄化触媒の劣化判定を停
止する劣化判定停止手段と、を含んで構成される。

【０００８】また、前記劣化判定手段は、前記上流側空
燃比検出手段と下流側空燃比検出手段とのリッチ・リー
ンの反転回数比を求める反転回数比算出手段と、該反転
回数比に基づき排気浄化触媒の劣化を判定する手段と、
を備えるように構成するとよい。また、前記劣化判定停
止手段により排気浄化触媒の劣化判定を停止し、所定時
間経過後にノッキング信号を検出しなくなったら、劣化
判定手段による排気浄化触媒の劣化判定を再開するよう
にするとよい。

【０００９】また、前記ノッキング検出手段は、一定周
波数のローパスフィルタを通し、一定スライスレベルを
越えた時にノッキングＯＮ状態として２次信号を出力す
る回路を備えるように構成することもできる。

【００１０】

【作用】かかる構成によれば、例えば、通常は、反転回
数比算出手段により触媒の上流側及び下流側に夫々配設
された上流側及び下流側空燃比検出手段のリッチ・リー
ンの反転回数比を求め、該反転回数比に基づき劣化判定
手段が排気浄化触媒の劣化を判定する。即ち、反転回数
比が所定値を越えていれば、排気浄化触媒が劣化してい
ると判定する。

【００１１】しかし、機関にノッキングが発生するとシ
リンダ内で自発着火により燃焼温度が上昇すると共に、
酸素の大量消費が行われ、ＨＣが減少しＮＯｘが増加す
ることになる。このため、ノッキング時の排気成分とし
ては一時的なリーン状態となり、これを上流側及び下流
側空燃比センサが共に検知し、一時的に触媒劣化時と近
似した反転回数比を検出し、触媒が劣化していないにも
かかわらず劣化していると誤判定してしまう虞がある。

【００１２】そこで、ノッキング検出手段により機関の
ノッキング信号が検出されると、劣化判定停止手段が前
記排気浄化触媒の劣化判定を所定時間停止する。そし
て、所定時間停止後にノッキング信号を検出しなくなっ
たら、劣化判定手段による排気浄化触媒の劣化判定を再
開するこれにより、触媒劣化の誤診断が防止される。

【００１３】尚、前記ノッキング検出手段は、一定周波
数のローパスフィルタを通し、一定スライスレベルを越
えた時にノッキングＯＮ状態として２次信号を出力する
回路を備えることにより、通常機関の振動として出力さ
れるノッキング信号に含まれている高周波数成分を除去
することができる。尚、排気浄化触媒の劣化判定は、上
流側及び下流側空燃比検出手段の出力信号の振幅比から
判定する等種々の手段を用いることができる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図２において、機関１にはエアクリーナ２から
吸気ダクト３、スロットル弁４及び吸気マニホールド５
を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の各ブ
ランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けられてい
る。この燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁
し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、コントロールユニット１２からの駆動パルス信号に
より通電されて開弁し、燃料ポンプから圧送されてプレ
ッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料
を、機関１に噴射供給する。

【００１５】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８、排気
ダクト９、排気浄化触媒としての三元触媒１０を介して
排気が大気中に排出される。ここで、三元触媒１０は排
気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯ_X（ＮＯ，ＮＯ₂）の還
元を行って排気を浄化しているものである。

【００１６】コントロールユニット１２は、ＣＰＵ，Ｒ
ＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス
等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各
種センサからの入力信号を受け、後述の如く演算処理し
て、燃料噴射弁６の作動を制御すると共に、触媒１０の
劣化診断を行なう。前記各種のセンサとしては、吸気ダ
クト３中にエアフローメータ１３が設けられていて、機
関１の吸入空気流量Ｑａに応じた信号を出力する。

【００１７】また、図２で図示しないディストリビュー
タには、クランク角センサ１４が内蔵されており、該ク
ランク角センサ１４から機関回転と同期して出力される
クランク単位角信号を一定時間カウントして、または、
クランク基準角信号の周期を計測して機関回転速度Ｎを
検出する。また、機関１のウオータジャケットの冷却水
温度Ｔw を検出する水温センサ１５設けられており、機
関１のシリンダヘッドには、該シリンダヘッド壁の振動
を検出して電圧として出力するノッキング検出手段とし
てのノッキングセンサ１６が設けられている。

【００１８】また、触媒１０の上流側及び下流側には空
燃比検出手段としての上流側酸素センサ３１及び下流側
酸素センサ３２が設けられている。この酸素センサ３
１，３２は、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化
するセンサであり、例えば、大気に対する排気中の酸素
濃度比に応じた起電力を発生する構成となっている。そ
して、かかる酸素センサ３１，３２の内、上流側酸素セ
ンサ３１の出力値に基づいて燃焼用混合気の空燃比を目
標空燃比（理論空燃比）を中心として以下のようにして
フィードバック制御するようになっている。

【００１９】即ち、エアフロメータにより検出される機
関の吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ等の機関回
転速度センサにより検出される機関回転速度Ｎとから基
本燃料供給量Ｔp （＝Ｋ・Ｑａ／ＮここでＫは、定
数）を演算し、更に、機関温度等の機関運転状態に応じ
た各種補正係数ＣＯＥＦと、空燃比フィードバック補正
係数αと、バッテリ電圧による電磁式燃料噴射弁の有効
開弁時間の変化を補正するための補正分Ｔｓとをそれぞ
れ演算し、これらにより前記基本燃料供給量Ｔpを補正
演算して最終的な燃料供給量Ｔｉ（＝Ｔｐ・ＣＯＥＦ・
α＋Ｔｓ）を設定する。

【００２０】尚、前記各種補正係数ＣＯＥＦは、例え
ば、ＣＯＥＦ＝１＋Ｋ_MR＋Ｋ_TW＋Ｋ_AS＋Ｋ_AI＋・・・な
る式で演算されるものであり、ここで、Ｋ_MRは空燃比補
正係数、Ｋ_TWは水温増量補正係数、Ｋ_ASは始動及び始動
後増量補正係数、Ｋ_AIはアイドル後増量補正係数であ
る。そして、このようにして設定された燃料供給量Ｔｉ
に相当するパルス幅の駆動パルス信号を各気筒毎に設け
た電磁式燃料噴射弁に所定タイミングで出力することに
より、機関に所定の量の燃料を噴射供給する。

【００２１】前記空燃比フィードバック補正係数αは、
機関の吸入混合気の空燃比を目標空燃比（例えば、理論
空燃比）に制御するためのものであり、この空燃比フィ
ードバック補正係数αの値は、比例・積分制御により変
化させて安定した制御となるようにしている。即ち、混
合気を理論空燃比で燃焼させたときの排気中の酸素濃度
比により起電力が急変し、リッチ混合気側で起電力が高
く、リーン混合気側では起電力が低くなる酸素センサを
機関の排気マニホールドの集合部に設け、かかる酸素セ
ンサからの出力電圧と理論空燃比相当の基準電圧（スラ
イスレベル）とを比較して、機関吸入混合気の空燃比が
理論空燃比に対してリッチかリーンかを判定する。

【００２２】そして、例えば空燃比がリーン（リッチ）
の場合には、空燃比フィードバック補正係数αを所定の
積分分（Ｉ分）ずつ徐々に上げて（下げて）いき、燃料
供給量Ｔｉを増量（減量）補正することで空燃比を理論
空燃比に制御する。尚、空燃比のリッチ・リーンの反転
時には空燃比フィードバック補正係数αを前記積分分
（Ｉ分）よりも大きな比例分（Ｐ分）だけ変化させて、
制御応答性を高めるようにしている。

【００２３】このように、空燃比センサからの信号に基
づく空燃比フィードバック補正が、空燃比を目標空燃比
（理論空燃比）付近に制御するように行なわれるのは、
排気系に介装され、排気中のＣＯ，ＨＣを酸化すると共
に、ＮＯ_xを還元して浄化する排気浄化触媒（三元触
媒）の転化効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼時の排気
状態で有効に機能するように設定されているためであ
る。

【００２４】また、コントロールユニット１２に内蔵さ
れたマイクロコンピュータのＣＰＵは、図３のフローチ
ャートに示すＲＯＭ上のプログラムに従って触媒１０の
劣化診断を行なう。尚、本実施例において、反転回数比
算出手段、劣化判定手段、劣化判定停止手段としての機
能は、図３のフローチャートに示すようにコントロール
ユニット12がソフトウェア的に備えている。

【００２５】図３のフローチャートに示すプログラム
は、触媒の劣化判定及び劣化判定停止を行なうためのプ
ログラムを示す。尚、このルーチンは、所定周期（例え
ば１０ｍｓ）毎に実行される。先ず、ステップ１１（以
下「Ｓ１１」という。）では、機関が触媒の劣化を診断
できる許可運転状態、即ち、機関がアイドル運転状態及
び高負荷運転状態を除く、低負荷、低・中回転状態にあ
るか否かを判定する。

【００２６】そして、低負荷、低・中回転状態にあれ
ば、Ｓ１２で、ノッキングセンサ１６から検出されるノ
ッキング信号のＯＮ・ＯＦＦ状態を判定する。即ち、通
常機関１の振動として出力されるノッキング信号には、
高周波数成分が多く含まれているので、一定周波数のロ
ーパスフィルタを通すことにより一定スライスレベルを
越えた時にノッキングＯＮ状態として２次信号を出力す
る回路を設けることにより判定を行なう。そして、ノッ
キング信号がＯＦＦであれば、Ｓ１３以下の触媒劣化判
定ルーチンに進み、ノッキング信号がＯＮであれば、Ｓ
１４で所定時間、触媒劣化の判定を停止した後Ｓ１１か
らのステップを繰り返す。

【００２７】Ｓ１３では、上流側酸素センサ３１の反転
周波数ｆ₂と下流側酸素センサ３２の反転周波数ｆ₁の
比（ＨＺＲＡＴＥ＝ｆ₂／ｆ₁）を算出する。Ｓ１５で
は、上記ステップで算出されたＨＺＲＡＴＥを劣化判定
値ＣＮＧＨＺと比較する。なお、ＨＺＲＡＴＥは、触媒
の劣化が進むと下流側酸素センサ３２の反転周波数ｆ₁
が増加し、劣化が進行して触媒としての機能を失うまで
になると、該下流側酸素センサ３２の反転周波数ｆ₁が
上流側酸素センサ３１の反転周波数ｆ₂に近づくことに
よりＨＺＲＡＴＥ＝１に近づくことになるが、この劣化
判定値ＣＮＧＨＺは、実験値として求められ設定され
る。そして、ＨＺＲＡＴＥ＞ＣＮＧＨＺであれば、Ｓ１
６で、触媒が劣化していると判定し、ＨＺＲＡＴＥ＜Ｃ
ＮＧＨＺであれば、触媒は劣化状態にないので本ルーチ
ンを終了する。

【００２８】Ｓ１６で、劣化と判定されると、Ｓ１７に
進み劣化表示を行なう。これは、本実施例の場合、例え
ば、警告灯１７を点灯することにより行われる。尚、以
上において、Ｓ１２及びＳ１４が劣化判定停止手段とし
て、Ｓ１３〜Ｓ１６までが劣化判定手段として機能す
る。このように、ノッキング信号が検出されると、劣化
判定を停止するようにしたのは、以下の理由による。

【００２９】即ち、機関にノッキングが発生するとシリ
ンダ内で自発着火により燃焼温度が上昇すると共に、酸
素の大量消費が行われ、ノッキング時の排気成分として
は一時的なリーン状態となる。特に、ノッキングは、全
ての気筒で同時に起こることが少なく、特定の気筒でノ
ッキングが始まることが多い。更に、全ての燃焼行程で
起こるものではなく、軽いノッキング時は、特に数行程
の中で１回起きるというように不規則に起こりやすい。
このため、ノッキング時の上流側酸素センサ３１の出力
波形は、図４（ｃ）に示すように、正常時の出力波形
（ａ）に比べて波形の頂部に細かいリーンスパイクがの
る波形となり、不規則となる。このリーンスパイクは、
触媒が劣化しておらず正常に機能している場合でも、触
媒内では吸収しきれないので、下流側酸素センサ３２の
出力波形は、図４（ｄ）に示すように、振幅は弱まるが
弱いうねりを残した形となる。特に、特定気筒が数サイ
クルに１回ノッキングを起こすと、正常時のフィードバ
ック周波数と同期することになるため、下流側酸素セン
サ３２に周波数信号が残り、結果的に上流側酸素センサ
３１の反転周波数ｆ₂と下流側酸素センサ３２の反転周
波数ｆ₁の比（ＨＺＲＡＴＥ）が上昇して触媒劣化の誤
診断をすることになる。

【００３０】また、ノッキングは、低負荷、低回転時に
おいても所謂軽ノックとして多く発生するので、触媒劣
化の誤診断の可能性が高い。更に、触媒の劣化初期状態
では、Ｏ₂ストレージ能力の低下により下流側酸素セン
サ３２の反転周波数ｆ₁が高くなるので、更に触媒劣化
の誤診断の可能性が高くなる。

【００３１】したがって、ノッキング信号検出時には、
触媒劣化の判定を停止することにより、ノッキングに起
因する触媒劣化の誤診断を防止することができる。尚、
排気浄化触媒の劣化判定は、以下のようにしてもよい。
判定フローを図６に示す。尚、図６中前記図３のステッ
プと同一ステップについては、同一符号を付して説明を
省略する。

【００３２】上流側酸素センサ３１の出力信号の振幅
（リッチ側の最大値とリーン側の最小値との差）と下流
側酸素センサ３２の出力信号の振幅（リッチ側の最大値
とリーン側の最小値との差）との比を算出し（Ｓ２
３）、この算出値を所定の劣化判定値と比較し（Ｓ２
５）、算出値が判定値よりも小さければ劣化したと判定
し（Ｓ２６）、判定値よりも大きければ劣化していない
判定する。触媒が劣化すると、下流側酸素センサ３２の
出力信号サインカーブを描くように変化し、劣化が進む
とその振幅が大きくなることに着目したものであり、か
かる構成にとっても前記実施例と同様にノッキングに起
因する触媒劣化の誤診断を防止することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機関のノッキング信号検出時に、排気浄化触媒の劣化判
定を停止する劣化判定停止手段を備えたので、ノッキン
グ時の一時的なリーン状態における、触媒劣化時と近似
した反転回数比に起因する触媒劣化の誤診断を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一構成を示すブロック図。

【図２】本発明の全体構成を示すシステム概略図。

【図３】本発明の第１の動作例を示すフローチャー
ト。

【図４】機関のノッキング前とノッキング後におけ
る、触媒の上流側酸素センサと下流側酸素センサの出力
信号を比較した波形図。

【図５】触媒の劣化前と劣化後における、上流側酸素
センサと下流側酸素センサの出力信号を比較した波形
図。

【図６】本発明の第２の動作例を示すフローチャー
ト。

【符号の説明】

１機関２エアクリーナ３吸気ダクト４スロットル弁５吸気マニホールド６燃料噴射弁７点火栓８排気マニホールド９排気ダクト 10 触媒 12 コントロールユニット 13 エアフロメータ 14 クランク角センサ 15 水温センサ 16 ノッキングセンサ 17 警告灯 31 上流側酸素センサ 32 下流側酸素センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関の排気通路に介装された排気浄化触媒
と、該触媒の上流側及び下流側に夫々配設され、機関混合気
の空燃比を検出する上流側及び下流側空燃比検出手段
と、主に前記上流側空燃比検出手段からの信号に基づいて機
関吸入混合気の空燃比を理論空燃比に近づけるようにフ
ィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段
と、前記上流側空燃比検出手段と下流側空燃比検出手段から
の信号に基づき排気浄化触媒の劣化を判定する劣化判定
手段と、を備えた内燃機関の触媒劣化診断装置において、機関の振動に対応したノッキング信号を検出するノッキ
ング検出手段と、該機関のノッキング信号検出時に、前記排気浄化触媒の
劣化判定を停止する劣化判定停止手段と、を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の触媒劣
化診断装置。
【請求項２】前記劣化判定手段は、前記上流側空燃比検
出手段と下流側空燃比検出手段とのリッチ・リーンの反
転回数比を求める反転回数比算出手段と、該反転回数比に基づき排気浄化触媒の劣化を判定する手
段と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機
関の触媒劣化診断装置。
【請求項３】前記劣化判定停止手段により排気浄化触媒
の劣化判定を停止し、所定時間経過後にノッキング信号
を検出しなくなったら、劣化判定手段による排気浄化触
媒の劣化判定を再開することを特徴とする請求項１又は
２記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
【請求項４】前記ノッキング検出手段は、一定周波数の
ローパスフィルタを通し、一定スライスレベルを越えた
時にノッキングＯＮ状態として２次信号を出力する回路
を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つ
に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。