触媒異常判定方法
【課題】排気ガス浄化用の触媒の正常／異常の判定の精度をより向上させる。
【解決手段】触媒３の上流に設けられた第一の空燃比センサ１１、及び同触媒３の下流に設けられた第二の空燃比センサ１２の出力を参照して、触媒３の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、内燃機関２を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加え、または前記判定閾値を引き下げる補正を加えることとした。
【解決手段】触媒３の上流に設けられた第一の空燃比センサ１１、及び同触媒３の下流に設けられた第二の空燃比センサ１２の出力を参照して、触媒３の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、内燃機関２を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加え、または前記判定閾値を引き下げる補正を加えることとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する触媒の正常／異常を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを酸化、ＮＯxを還元して無害化する三元触媒が装着されている。
【０００３】
触媒は、排気ガス熱等により経年劣化し、酸素吸蔵（ストレージ）能力の減退を招く。触媒による排気ガスの浄化率は、触媒内に吸着できる酸素量に依存する。触媒の劣化が進行すると、排気ガスに含まれる有害物質の量も増大する。一方で、触媒の劣化は、車両自体の運転性能にはほとんど影響を与えない。それ故、異常な排出ガス車が長期間、無意識に使用され続けるおそれがある。
【０００４】
上記の事象に対処するべく、近時では、触媒の経年劣化の度合いを自己診断する機能を車両に実装することが通例となっている。
【０００５】
既に知られている通り、触媒の上流及び下流にそれぞれ設けられた各空燃比センサの出力信号の挙動を対比することで、触媒の酸素吸蔵能力を推測することが可能である（下記特許文献１を参照）。即ち、空燃比がリーンからリッチへ、またはリッチからリーンへと切り替わった際の、上流側センサの出力信号の変動と下流側センサの出力信号の変動との時間差を計測し、その時間差に基づいて触媒の酸素吸蔵能力を推算する。時間差が大きいほど、つまり下流側センサの出力信号の変動が遅れているほど、触媒の酸素吸蔵能力が大きいと考えられる。
【０００６】
ところが、このような酸素吸蔵能力の推測手法を用いて触媒の正常／異常判定を行うと、未だ性能を保持している触媒であるにもかかわらず、劣化した触媒であるとの誤った判定を下してしまうことがあった。誤判定を回避するためには、触媒の仕様策定にあたって触媒の酸素吸蔵能力を過大に確保せざるを得ず、触媒の寸法の大形化や、貴金属使用量の増大によるコスト増を招いてしまっていた。
【０００７】
誤判定の原因を究明するべく、本願発明者が研究を進めた結果、以下の事実が判明した；
車両が加速している最中においては、排気ガスの流量が増加するとともに、その排気ガスが触媒の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態となる。さすれば、触媒の一部分でのみ酸素の吸蔵または脱離が発生し、上流側センサの出力信号の変動に対する下流側センサの出力信号の変動の遅れもまた小さくなる。車両の加速中に触媒の診断が実行される結果、触媒の酸素吸蔵能力が実態よりも小さく見積もられ、経年劣化により酸素吸蔵能力を失った触媒であると判定されることがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−１３３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、触媒の正常／異常の判定の精度をより向上させることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上述した判明事実に鑑み、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられた第一の空燃比センサ、及び同触媒の下流に設けられた第二の空燃比センサの出力を参照して、触媒の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、内燃機関を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加え、または前記判定閾値を引き下げる補正を加えることとした。
【００１１】
車両の加速中は、触媒の現在温度が予想到達温度と比較して低くなる傾向にある。従って、触媒の現在温度を推定または計測し、その温度値が予想温度に対して低いほど、前記酸素吸蔵能力値を割り増し、または前記判定閾値を引き下げるものとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、触媒の正常／異常の判定の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における触媒異常判定装置の構成要素を説明する図。
【図２】同触媒異常判定装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】吸気量と触媒の予想温度との関係を示す図。
【図４】パラメータｅｄｔｓｃと酸素吸蔵能力値の補正係数との関係を示す図。
【図５】同触媒異常判定装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。
【図６】本発明の変形例の一を明らかにする、パラメータｅｄｔｓｃと判定閾値との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の触媒異常判定装置１は、内燃機関２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを無害化する触媒３の経年劣化の度合いを診断するものであって、図１に示すように、触媒３の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ１１と、触媒３の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ１２と、両空燃比センサ１１、１２の出力信号を参照して触媒３の正常／異常を判定する判定部１３とを具備する。
【００１５】
図２に、ハードウェア構成の概要を示す。内燃機関２は、車両に搭載される多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関２で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド４１、排気管４２及び触媒３を通じて大気中に排出される。触媒３の上流にある第一の空燃比センサ１１、触媒３の下流にある第二の空燃比センサ１２はそれぞれ、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ2センサであってもよい。
【００１６】
第一の空燃比センサ１１及び第二の空燃比センサ１２は、吸気負圧センサ、エンジン回転数センサ、車速センサ、冷却水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置（ＥＣＵ）５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ｉ／Ｏインタフェース５４等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース５４は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、Ａ／Ｄ変換回路及び／またはＤ／Ａ変換回路を含む。プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。しかして、電子制御装置５は、プログラムに従い、判定部１３としての機能を発揮する。
【００１７】
電子制御装置５は、第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２やその他のセンサから出力される信号を、Ｉ／Ｏインタフェース５４を介して受信する。そして、要求される燃料噴射量を算出し、この要求燃料噴射量に対応した制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁２１に入力、内燃機関２の燃料噴射を制御する。要求燃料噴射量は、吸気管内負圧及びエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた環境補正、並びに空燃比フィードバック制御による補正を加えて、最終的に決定する。
【００１８】
その上で、判定部１３たる電子制御装置５は、触媒３の酸素吸蔵能力の大きさを推算するとともに、推算した酸素吸蔵能力値を所定の判定閾値と比較して、触媒の正常／異常を判定する。
【００１９】
触媒３の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関２の気筒に空燃比リーンの混合気を供給し、触媒３の酸素吸蔵能力の上限まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒３に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。
【００２０】
第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの時間差をＴ1とおき、このＴ1の間に供給した混合気の総量をＧ1、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／Ｆ1とおくと、Ｔ1の間に触媒３中で不足した酸素量は、
α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇ1
となる。αは、空気中に占める酸素の割合（≒０．２１）である。Ｔ1における、単位時間当たりの吸気量をＧaとおけば、
α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇa・Ｔ1
となる。上式の値は、触媒３の酸素吸蔵能力と同義となる。
【００２１】
あるいは、内燃機関２の気筒に空燃比リッチの混合気を供給し、触媒３に酸素を吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒３に吸着するためである。
【００２２】
第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの時間差をＴ2とおき、このＴ2の間に供給した混合気の総量をＧ2、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／Ｆ2とおくと、Ｔ2の間に触媒３中で過剰となった酸素量は、
α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇ2
となる。Ｔ2における、単位時間当たりの吸気量をＧbとおけば、
α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇb・Ｔ2
となる。上式の値もまた、触媒３の酸素吸蔵能力と同義となる。
【００２３】
吸気量ＧaまたはＧbは、第一の空燃比センサ１１を介して検出した混合気の空燃比に、電子制御装置５にて算出した要求燃料噴射量を乗じて算定することができる。吸気量ＧaまたはＧbを、吸気管内負圧及びエンジン回転数から推定するようにしてもよい。内燃機関２の吸気通路にエアフローメータを設け、吸気量ＧaまたはＧbを直接に計測しても構わない。
【００２４】
さらに、推算した触媒３の酸素吸蔵能力の値を、所定の判定閾値と比較する。酸素吸蔵能力値が判定閾値を下回っているならば、触媒３が異常である、即ち触媒３が劣化して酸素吸蔵能力を失ったものと判定し、その旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知する。例えば、電子制御装置５がＩ／Ｏインタフェース５４を介して電気信号を出力し、コックピット内で発光デバイスを点灯または点滅させる。
【００２５】
但し、上に述べた触媒３の酸素吸蔵能力の推測手法では、車両の加速中に実行された場合に、触媒３の酸素吸蔵能力を実態よりも小さく見積もってしまうことがある。車両が加速している最中においては、排気ガスの流量が増加するとともに、排気ガスが触媒３の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態となる。このため、触媒３の一部分でのみ酸素の吸蔵または脱離が発生し、第一の空燃比センサ１１の出力信号の変動に対する第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動の遅れ時間Ｔ1またはＴ2もまた小さくなる。結果、酸素吸蔵能力の推算値が実態よりも小さくなり、未だ性能を保持している触媒３であるにもかかわらずその推算値が判定閾値を下回ってしまうおそれがある。
【００２６】
そこで、本実施形態では、車両が加速中である場合、推算した酸素吸蔵能力の値に、これを割り増しする補正を加えることとしている。
【００２７】
車両の加速中は、触媒の温度が比較的低下する傾向にある。判定部１３たる電子制御装置５は、触媒３の現在温度の値が低いほど酸素吸蔵能力値を割り増しした上、判定閾値との比較を行う。
【００２８】
詳述すると、本実施形態では、酸素吸蔵能力値の補正の指標として、下式で表されるパラメータｅｄｔｓｃを参酌する。
ｅｄｔｓｃ＝（現時点での触媒３の温度）−（現状の吸気量ＧaまたはＧbが継続した場合に到達すると予想される触媒３の温度）
上式の右辺第二項である触媒３の予想到達温度は、マップデータを参照して知得する。電子制御装置５のＲＯＭ５２には予め、吸気量ＧaまたはＧbと、触媒３の温度との関係を定めたマップデータが記憶されている。図３に、マップデータを例示する。このマップは、吸気量ＧaまたはＧbに対して予想される触媒３の温度を適合により求めたものである。電子制御装置５は、吸気量ＧaまたはＧbをキーとしてマップを検索し、触媒３の予想温度を得る。
【００２９】
上式の右辺第一項である触媒３の現在温度もまた、マップデータを基にして算出する。例えば、吸気量ＧaまたはＧbが４である状況が続いており、そこから吸気量ＧaまたはＧbが８に急変した場合を想定する。触媒３の温度変化は、吸気量ＧaまたはＧbの変動に対して遅れる。吸気量ＧaまたはＧbが変動した時点での触媒３の温度は、おそらくは変動前の吸気量ＧaまたはＧb（＝４）に対応した４８０℃に近い。その後、触媒３の温度は変動後の吸気量ＧaまたはＧb（＝８）に対応した５６０℃に向けて上昇してゆくことになるが、上昇過程における触媒３の現在温度は、触媒３の温度の単位時間当たりの変化量（換言すれば、変化速度。この変化速度は、加速中であるか減速中であるかによって異なり、また各種環境条件に応じて増減し得る）を吸気量ＧaまたはＧbの変動時点からの経過時間で積分した値を、吸気量ＧaまたはＧbの変動時点での温度に加算したものとなる。
【００３０】
このように、マップを参照して吸気量ＧaまたはＧbの変動前の温度及び変動後の温度を得、さらに温度の変化速度、吸気量ＧaまたはＧbの変動からの経過時間を加味することで、触媒３の現在温度を推定することが可能である。尤も、触媒３近傍の温度に応じた出力信号を出力する触媒温度センサが別途設けられているのであれば、当該センサを介して触媒３の現在温度を実測し、これを以て上式の右辺第一項の値とすることができる。
【００３１】
パラメータｅｄｔｓｃは、吸気量ＧaまたはＧbの変動の急激さ、つまりは車両の加減速の度合いを示していると言える。吸気量ＧaまたはＧbの変動が少ない、または変動していてもそれが緩やかである場合では、上式の右辺第一項が第二項に近い値となり、ｅｄｔｓｃが０に近づく。車両が定速走行しているときのｅｄｔｓｃは、ほぼ０である。翻って、吸気量ＧaまたはＧbが急増減した場合には、一時的に右辺第一項と第二項との間に乖離が生じ、ｅｄｔｓｃの絶対値も大きくなる。車両の加速中は吸気量ＧaまたはＧbが増大し、それに対応して触媒３の予想到達温度も高くなるが、実際の温度がこれに追いついていない間はｅｄｔｓｃが負値となる。
【００３２】
電子制御装置５は、パラメータｅｄｔｓｃの値が低くなるほど、酸素吸蔵能力の推算値を割り増し補正する。電子制御装置５のＲＯＭ５２には予め、ｅｄｔｓｃと、酸素吸蔵能力値の補正係数との関係を定めたマップデータが記憶されている。図４に、マップデータを例示する。電子制御装置５は、ｅｄｔｓｃをキーとしてマップを検索し、補正係数を得、この補正係数を推算した酸素吸蔵能力値に乗算する。図４に則して言えば、ｅｄｔｓｃが−８０℃のとき、推算した酸素吸蔵能力値を１．２倍した上で判定閾値と比較、触媒３の正常／異常を判定する。
【００３３】
図５に、触媒３の異常判定の手順を示す。電子制御装置５は、内燃機関２の気筒に供給する混合気の空燃比をリッチからリーンへ、またはリーンからリッチへと切り替えた際の、第一の空燃比センサ１１の出力信号の変動と第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動との時間差Ｔ1またはＴ2を計測する（ステップＳ１）。並びに、当該時間差Ｔ1またはＴ2の期間における吸気量ＧaまたはＧbを、推定または計測する（ステップＳ２）。これらに基づき、触媒３の酸素吸蔵能力値（α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇa・Ｔ1）または（α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇb・Ｔ2）を推算する（ステップＳ３）。
【００３４】
また、吸気量ＧaまたはＧbに対応した触媒３の予想温度をマップデータから知得し（ステップＳ４）、その予想温度を触媒３の現在温度から減算してパラメータｅｄｔｓｃを求める（ステップＳ５）。次いで、ｅｄｔｓｃに対応した補正係数をマップデータから知得し（ステップＳ６）、その補正係数をステップＳ３にて推算した酸素吸蔵能力値に乗算する（ステップＳ７）。
【００３５】
そして、ステップＳ７にて得た補正済み酸素吸蔵能力値を、判定閾値と比較する（ステップＳ８）。補正済み酸素吸蔵能力値が判定閾値を下回っているならば、触媒３が異常である旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知し（ステップＳ９）、触媒３の交換を促す。
【００３６】
本実施形態によれば、内燃機関２の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒３の上流に設けられた第一の空燃比センサ１１、及び同触媒３の下流に設けられた第二の空燃比センサ１２の出力を参照して、触媒３の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒３が異常であると判定する触媒異常判定方法において、内燃機関２を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加えることとしたため、加速中に排気ガスが触媒３の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態に起因した酸素吸蔵能力の推算値の低下を補い、触媒３の実態に合致した的確な判定を下すことが可能となる。依然として酸素吸蔵能力を有している触媒３を劣化触媒であると誤判定してしまうおそれが小さくなることから、触媒３が過剰品質となる問題を解消することができ、触媒３の寸法の小形化、貴金属使用量の削減によるコスト減を実現することができる。
【００３７】
触媒３の現在温度を推定または計測し、その温度値が予想到達温度に対して低いほど前記酸素吸蔵能力値を割り増しするようにしているため、車両の加速の度合いに応じて推定酸素吸蔵能力の推算値を嵩上げでき、判定精度の一層の向上を見込める。
【００３８】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、補正係数を、酸素吸蔵能力の推算値に乗算するものとしていたが、これを酸素吸蔵能力の推算値に加算するオフセット値としても構わない。この場合にも、触媒３の温度値またはｅｄｔｓｃが低いほど、オフセット値を大きくとることが好ましい。
【００３９】
また、上記実施形態では、車両の加速中にあって酸素吸蔵能力値を割り増し補正するようにしていたが、酸素吸蔵能力値を割り増すのではなく、酸素吸蔵能力値と比較する判定閾値を引き下げるようにしても構わない。この場合、図６に示しているように、ｅｄｔｓｃが低いほど、判定閾値を低くする。
【００４０】
車両が加速中であるか否かは、触媒３の温度以外の指標（吸気量、エンジン回転数の変化量、アクセルペダルの踏込量等）を参照して判断してもよいことは言うまでもない。
【００４１】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、車両に搭載される内燃機関に付帯する排気ガス浄化用の触媒の劣化診断に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…触媒異常判定装置
１１…第一の空燃比センサ
１２…第二の空燃比センサ
１３、５…判定部（電子制御装置）
２…内燃機関
３…触媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する触媒の正常／異常を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを酸化、ＮＯxを還元して無害化する三元触媒が装着されている。
【０００３】
触媒は、排気ガス熱等により経年劣化し、酸素吸蔵（ストレージ）能力の減退を招く。触媒による排気ガスの浄化率は、触媒内に吸着できる酸素量に依存する。触媒の劣化が進行すると、排気ガスに含まれる有害物質の量も増大する。一方で、触媒の劣化は、車両自体の運転性能にはほとんど影響を与えない。それ故、異常な排出ガス車が長期間、無意識に使用され続けるおそれがある。
【０００４】
上記の事象に対処するべく、近時では、触媒の経年劣化の度合いを自己診断する機能を車両に実装することが通例となっている。
【０００５】
既に知られている通り、触媒の上流及び下流にそれぞれ設けられた各空燃比センサの出力信号の挙動を対比することで、触媒の酸素吸蔵能力を推測することが可能である（下記特許文献１を参照）。即ち、空燃比がリーンからリッチへ、またはリッチからリーンへと切り替わった際の、上流側センサの出力信号の変動と下流側センサの出力信号の変動との時間差を計測し、その時間差に基づいて触媒の酸素吸蔵能力を推算する。時間差が大きいほど、つまり下流側センサの出力信号の変動が遅れているほど、触媒の酸素吸蔵能力が大きいと考えられる。
【０００６】
ところが、このような酸素吸蔵能力の推測手法を用いて触媒の正常／異常判定を行うと、未だ性能を保持している触媒であるにもかかわらず、劣化した触媒であるとの誤った判定を下してしまうことがあった。誤判定を回避するためには、触媒の仕様策定にあたって触媒の酸素吸蔵能力を過大に確保せざるを得ず、触媒の寸法の大形化や、貴金属使用量の増大によるコスト増を招いてしまっていた。
【０００７】
誤判定の原因を究明するべく、本願発明者が研究を進めた結果、以下の事実が判明した；
車両が加速している最中においては、排気ガスの流量が増加するとともに、その排気ガスが触媒の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態となる。さすれば、触媒の一部分でのみ酸素の吸蔵または脱離が発生し、上流側センサの出力信号の変動に対する下流側センサの出力信号の変動の遅れもまた小さくなる。車両の加速中に触媒の診断が実行される結果、触媒の酸素吸蔵能力が実態よりも小さく見積もられ、経年劣化により酸素吸蔵能力を失った触媒であると判定されることがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−１３３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、触媒の正常／異常の判定の精度をより向上させることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上述した判明事実に鑑み、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられた第一の空燃比センサ、及び同触媒の下流に設けられた第二の空燃比センサの出力を参照して、触媒の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、内燃機関を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加え、または前記判定閾値を引き下げる補正を加えることとした。
【００１１】
車両の加速中は、触媒の現在温度が予想到達温度と比較して低くなる傾向にある。従って、触媒の現在温度を推定または計測し、その温度値が予想温度に対して低いほど、前記酸素吸蔵能力値を割り増し、または前記判定閾値を引き下げるものとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、触媒の正常／異常の判定の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における触媒異常判定装置の構成要素を説明する図。
【図２】同触媒異常判定装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】吸気量と触媒の予想温度との関係を示す図。
【図４】パラメータｅｄｔｓｃと酸素吸蔵能力値の補正係数との関係を示す図。
【図５】同触媒異常判定装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。
【図６】本発明の変形例の一を明らかにする、パラメータｅｄｔｓｃと判定閾値との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の触媒異常判定装置１は、内燃機関２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを無害化する触媒３の経年劣化の度合いを診断するものであって、図１に示すように、触媒３の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ１１と、触媒３の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ１２と、両空燃比センサ１１、１２の出力信号を参照して触媒３の正常／異常を判定する判定部１３とを具備する。
【００１５】
図２に、ハードウェア構成の概要を示す。内燃機関２は、車両に搭載される多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関２で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド４１、排気管４２及び触媒３を通じて大気中に排出される。触媒３の上流にある第一の空燃比センサ１１、触媒３の下流にある第二の空燃比センサ１２はそれぞれ、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ2センサであってもよい。
【００１６】
第一の空燃比センサ１１及び第二の空燃比センサ１２は、吸気負圧センサ、エンジン回転数センサ、車速センサ、冷却水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置（ＥＣＵ）５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ｉ／Ｏインタフェース５４等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース５４は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、Ａ／Ｄ変換回路及び／またはＤ／Ａ変換回路を含む。プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。しかして、電子制御装置５は、プログラムに従い、判定部１３としての機能を発揮する。
【００１７】
電子制御装置５は、第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２やその他のセンサから出力される信号を、Ｉ／Ｏインタフェース５４を介して受信する。そして、要求される燃料噴射量を算出し、この要求燃料噴射量に対応した制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁２１に入力、内燃機関２の燃料噴射を制御する。要求燃料噴射量は、吸気管内負圧及びエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた環境補正、並びに空燃比フィードバック制御による補正を加えて、最終的に決定する。
【００１８】
その上で、判定部１３たる電子制御装置５は、触媒３の酸素吸蔵能力の大きさを推算するとともに、推算した酸素吸蔵能力値を所定の判定閾値と比較して、触媒の正常／異常を判定する。
【００１９】
触媒３の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関２の気筒に空燃比リーンの混合気を供給し、触媒３の酸素吸蔵能力の上限まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒３に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。
【００２０】
第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの時間差をＴ1とおき、このＴ1の間に供給した混合気の総量をＧ1、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／Ｆ1とおくと、Ｔ1の間に触媒３中で不足した酸素量は、
α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇ1
となる。αは、空気中に占める酸素の割合（≒０．２１）である。Ｔ1における、単位時間当たりの吸気量をＧaとおけば、
α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇa・Ｔ1
となる。上式の値は、触媒３の酸素吸蔵能力と同義となる。
【００２１】
あるいは、内燃機関２の気筒に空燃比リッチの混合気を供給し、触媒３に酸素を吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒３に吸着するためである。
【００２２】
第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの時間差をＴ2とおき、このＴ2の間に供給した混合気の総量をＧ2、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／Ｆ2とおくと、Ｔ2の間に触媒３中で過剰となった酸素量は、
α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇ2
となる。Ｔ2における、単位時間当たりの吸気量をＧbとおけば、
α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇb・Ｔ2
となる。上式の値もまた、触媒３の酸素吸蔵能力と同義となる。
【００２３】
吸気量ＧaまたはＧbは、第一の空燃比センサ１１を介して検出した混合気の空燃比に、電子制御装置５にて算出した要求燃料噴射量を乗じて算定することができる。吸気量ＧaまたはＧbを、吸気管内負圧及びエンジン回転数から推定するようにしてもよい。内燃機関２の吸気通路にエアフローメータを設け、吸気量ＧaまたはＧbを直接に計測しても構わない。
【００２４】
さらに、推算した触媒３の酸素吸蔵能力の値を、所定の判定閾値と比較する。酸素吸蔵能力値が判定閾値を下回っているならば、触媒３が異常である、即ち触媒３が劣化して酸素吸蔵能力を失ったものと判定し、その旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知する。例えば、電子制御装置５がＩ／Ｏインタフェース５４を介して電気信号を出力し、コックピット内で発光デバイスを点灯または点滅させる。
【００２５】
但し、上に述べた触媒３の酸素吸蔵能力の推測手法では、車両の加速中に実行された場合に、触媒３の酸素吸蔵能力を実態よりも小さく見積もってしまうことがある。車両が加速している最中においては、排気ガスの流量が増加するとともに、排気ガスが触媒３の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態となる。このため、触媒３の一部分でのみ酸素の吸蔵または脱離が発生し、第一の空燃比センサ１１の出力信号の変動に対する第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動の遅れ時間Ｔ1またはＴ2もまた小さくなる。結果、酸素吸蔵能力の推算値が実態よりも小さくなり、未だ性能を保持している触媒３であるにもかかわらずその推算値が判定閾値を下回ってしまうおそれがある。
【００２６】
そこで、本実施形態では、車両が加速中である場合、推算した酸素吸蔵能力の値に、これを割り増しする補正を加えることとしている。
【００２７】
車両の加速中は、触媒の温度が比較的低下する傾向にある。判定部１３たる電子制御装置５は、触媒３の現在温度の値が低いほど酸素吸蔵能力値を割り増しした上、判定閾値との比較を行う。
【００２８】
詳述すると、本実施形態では、酸素吸蔵能力値の補正の指標として、下式で表されるパラメータｅｄｔｓｃを参酌する。
ｅｄｔｓｃ＝（現時点での触媒３の温度）−（現状の吸気量ＧaまたはＧbが継続した場合に到達すると予想される触媒３の温度）
上式の右辺第二項である触媒３の予想到達温度は、マップデータを参照して知得する。電子制御装置５のＲＯＭ５２には予め、吸気量ＧaまたはＧbと、触媒３の温度との関係を定めたマップデータが記憶されている。図３に、マップデータを例示する。このマップは、吸気量ＧaまたはＧbに対して予想される触媒３の温度を適合により求めたものである。電子制御装置５は、吸気量ＧaまたはＧbをキーとしてマップを検索し、触媒３の予想温度を得る。
【００２９】
上式の右辺第一項である触媒３の現在温度もまた、マップデータを基にして算出する。例えば、吸気量ＧaまたはＧbが４である状況が続いており、そこから吸気量ＧaまたはＧbが８に急変した場合を想定する。触媒３の温度変化は、吸気量ＧaまたはＧbの変動に対して遅れる。吸気量ＧaまたはＧbが変動した時点での触媒３の温度は、おそらくは変動前の吸気量ＧaまたはＧb（＝４）に対応した４８０℃に近い。その後、触媒３の温度は変動後の吸気量ＧaまたはＧb（＝８）に対応した５６０℃に向けて上昇してゆくことになるが、上昇過程における触媒３の現在温度は、触媒３の温度の単位時間当たりの変化量（換言すれば、変化速度。この変化速度は、加速中であるか減速中であるかによって異なり、また各種環境条件に応じて増減し得る）を吸気量ＧaまたはＧbの変動時点からの経過時間で積分した値を、吸気量ＧaまたはＧbの変動時点での温度に加算したものとなる。
【００３０】
このように、マップを参照して吸気量ＧaまたはＧbの変動前の温度及び変動後の温度を得、さらに温度の変化速度、吸気量ＧaまたはＧbの変動からの経過時間を加味することで、触媒３の現在温度を推定することが可能である。尤も、触媒３近傍の温度に応じた出力信号を出力する触媒温度センサが別途設けられているのであれば、当該センサを介して触媒３の現在温度を実測し、これを以て上式の右辺第一項の値とすることができる。
【００３１】
パラメータｅｄｔｓｃは、吸気量ＧaまたはＧbの変動の急激さ、つまりは車両の加減速の度合いを示していると言える。吸気量ＧaまたはＧbの変動が少ない、または変動していてもそれが緩やかである場合では、上式の右辺第一項が第二項に近い値となり、ｅｄｔｓｃが０に近づく。車両が定速走行しているときのｅｄｔｓｃは、ほぼ０である。翻って、吸気量ＧaまたはＧbが急増減した場合には、一時的に右辺第一項と第二項との間に乖離が生じ、ｅｄｔｓｃの絶対値も大きくなる。車両の加速中は吸気量ＧaまたはＧbが増大し、それに対応して触媒３の予想到達温度も高くなるが、実際の温度がこれに追いついていない間はｅｄｔｓｃが負値となる。
【００３２】
電子制御装置５は、パラメータｅｄｔｓｃの値が低くなるほど、酸素吸蔵能力の推算値を割り増し補正する。電子制御装置５のＲＯＭ５２には予め、ｅｄｔｓｃと、酸素吸蔵能力値の補正係数との関係を定めたマップデータが記憶されている。図４に、マップデータを例示する。電子制御装置５は、ｅｄｔｓｃをキーとしてマップを検索し、補正係数を得、この補正係数を推算した酸素吸蔵能力値に乗算する。図４に則して言えば、ｅｄｔｓｃが−８０℃のとき、推算した酸素吸蔵能力値を１．２倍した上で判定閾値と比較、触媒３の正常／異常を判定する。
【００３３】
図５に、触媒３の異常判定の手順を示す。電子制御装置５は、内燃機関２の気筒に供給する混合気の空燃比をリッチからリーンへ、またはリーンからリッチへと切り替えた際の、第一の空燃比センサ１１の出力信号の変動と第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動との時間差Ｔ1またはＴ2を計測する（ステップＳ１）。並びに、当該時間差Ｔ1またはＴ2の期間における吸気量ＧaまたはＧbを、推定または計測する（ステップＳ２）。これらに基づき、触媒３の酸素吸蔵能力値（α・ΔＡ／Ｆ1・Ｇa・Ｔ1）または（α・ΔＡ／Ｆ2・Ｇb・Ｔ2）を推算する（ステップＳ３）。
【００３４】
また、吸気量ＧaまたはＧbに対応した触媒３の予想温度をマップデータから知得し（ステップＳ４）、その予想温度を触媒３の現在温度から減算してパラメータｅｄｔｓｃを求める（ステップＳ５）。次いで、ｅｄｔｓｃに対応した補正係数をマップデータから知得し（ステップＳ６）、その補正係数をステップＳ３にて推算した酸素吸蔵能力値に乗算する（ステップＳ７）。
【００３５】
そして、ステップＳ７にて得た補正済み酸素吸蔵能力値を、判定閾値と比較する（ステップＳ８）。補正済み酸素吸蔵能力値が判定閾値を下回っているならば、触媒３が異常である旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知し（ステップＳ９）、触媒３の交換を促す。
【００３６】
本実施形態によれば、内燃機関２の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒３の上流に設けられた第一の空燃比センサ１１、及び同触媒３の下流に設けられた第二の空燃比センサ１２の出力を参照して、触媒３の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒３が異常であると判定する触媒異常判定方法において、内燃機関２を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加えることとしたため、加速中に排気ガスが触媒３の一部分に集中して流れる「吹き抜け」状態に起因した酸素吸蔵能力の推算値の低下を補い、触媒３の実態に合致した的確な判定を下すことが可能となる。依然として酸素吸蔵能力を有している触媒３を劣化触媒であると誤判定してしまうおそれが小さくなることから、触媒３が過剰品質となる問題を解消することができ、触媒３の寸法の小形化、貴金属使用量の削減によるコスト減を実現することができる。
【００３７】
触媒３の現在温度を推定または計測し、その温度値が予想到達温度に対して低いほど前記酸素吸蔵能力値を割り増しするようにしているため、車両の加速の度合いに応じて推定酸素吸蔵能力の推算値を嵩上げでき、判定精度の一層の向上を見込める。
【００３８】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、補正係数を、酸素吸蔵能力の推算値に乗算するものとしていたが、これを酸素吸蔵能力の推算値に加算するオフセット値としても構わない。この場合にも、触媒３の温度値またはｅｄｔｓｃが低いほど、オフセット値を大きくとることが好ましい。
【００３９】
また、上記実施形態では、車両の加速中にあって酸素吸蔵能力値を割り増し補正するようにしていたが、酸素吸蔵能力値を割り増すのではなく、酸素吸蔵能力値と比較する判定閾値を引き下げるようにしても構わない。この場合、図６に示しているように、ｅｄｔｓｃが低いほど、判定閾値を低くする。
【００４０】
車両が加速中であるか否かは、触媒３の温度以外の指標（吸気量、エンジン回転数の変化量、アクセルペダルの踏込量等）を参照して判断してもよいことは言うまでもない。
【００４１】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、車両に搭載される内燃機関に付帯する排気ガス浄化用の触媒の劣化診断に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…触媒異常判定装置
１１…第一の空燃比センサ
１２…第二の空燃比センサ
１３、５…判定部（電子制御装置）
２…内燃機関
３…触媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられた第一の空燃比センサ、及び同触媒の下流に設けられた第二の空燃比センサの出力を参照して、触媒の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、
内燃機関を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加え、または前記判定閾値を引き下げる補正を加えることを特徴とする触媒異常判定方法。
【請求項２】
触媒の現在温度を推定または計測し、その温度値が予想到達温度に対して低いほど、前記酸素吸蔵能力値を割り増し、または前記判定閾値を引き下げる請求項１記載の触媒異常判定方法。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられた第一の空燃比センサ、及び同触媒の下流に設けられた第二の空燃比センサの出力を参照して、触媒の酸素吸蔵能力を推定または計測し、その酸素吸蔵能力値が所定の判定閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定する触媒異常判定方法において、
内燃機関を搭載した車両が加速中である場合には、そうでない場合と比較して、前記酸素吸蔵能力値を割り増しする補正を加え、または前記判定閾値を引き下げる補正を加えることを特徴とする触媒異常判定方法。
【請求項２】
触媒の現在温度を推定または計測し、その温度値が予想到達温度に対して低いほど、前記酸素吸蔵能力値を割り増し、または前記判定閾値を引き下げる請求項１記載の触媒異常判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２０８５５９（Ｐ２０１１−２０８５５９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７６２１０（Ｐ２０１０−７６２１０）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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