JP2007247486A - 内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メイン通路とバイパス通路とを切り換える流路切換弁の閉時の漏洩を確実に診断する。
【解決手段】排気浄化装置として、メイン触媒コンバータを下流に備えたメイン通路の一部と並列なバイパス通路に、小型のバイパス触媒コンバータが設けられ、メイン通路を流路切換弁が開閉する。メイン触媒コンバータの上流側および下流側、バイパス触媒コンバータの上流側および下流側に、それぞれ空燃比センサを備える。流路切換弁の漏洩診断は、閉位置において、空燃比フィードバック制御による機関空燃比の周期的変化を利用して行う。バイパス触媒コンバータ上流側の排気空燃比ＡＦＢは、機関空燃比そのままに変化するが、メイン触媒コンバータ上流側の排気空燃比ＡＦＭは、（ａ）のように遅れて変化する。漏洩時には、（ｂ）のように遅れずに変化する。触媒劣化時は（ｃ）のようになる。
【選択図】図２

Description

この発明は、冷間始動直後に、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス通路側に流路切換弁により排気を案内するようにした排気浄化装置に関し、特に、その流路切換弁の漏洩を診断する故障診断装置に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１や特許文献２に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報 特開２００５−１８８３７４号公報

上記のような構成において、流路切換弁による流路切換が不十分な場合、例えば、メイン通路を開閉する流路切換弁が閉位置にあるにも拘わらず排気が漏洩するような場合には、メイン触媒コンバータが未活性の段階で未浄化の排気がそのまま外部へ流出することになり、好ましくない。従って、流路切換弁の漏洩を診断する診断装置が求められている。

なお、上記特許文献２は、流路切換弁のデポジットの付着による流量低下などを検出する方法を提案しているが、未浄化の排気の漏洩を診断することはできない。

この発明は、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気浄化装置において、上記バイパス通路のバイパス触媒コンバータ上流側の排気空燃比を検出する第１の空燃比センサと、上記メイン通路のメイン触媒コンバータ上流側の排気空燃比を検出する第２の空燃比センサと、を備え、上記流路切換弁が閉位置にあるときの両者の検出信号から上記流路切換弁の漏洩を診断することを特徴としている。

本発明の一つの態様では、リッチ，リーンに周期的に変化するように機関空燃比を制御している間に、第１の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの変化に対する第２の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの変化の遅れを求め、これに基づいて流路切換弁の漏洩を診断する。

また本発明の異なる一つの態様では、リッチ，リーンに周期的に変化するように機関空燃比を制御している間に、第１の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの期間の長さと第２の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの期間の長さとを比較して、流路切換弁の漏洩を診断する。

上記のように機関空燃比をリッチ，リーンに周期的に変化させるには、例えば、上記第１の空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御による機関空燃比の周期的な変化を利用することができる。

あるいは、診断時に、所定の周期で機関空燃比を強制的に周期的に変化させるようにしてもよい。なお、このように強制的に周期変化させる場合でも、平均的空燃比は理論空燃比に維持されるので、診断中の排気エミッションの悪化はない。

すなわち、上記構成の排気浄化装置においては、メイン通路を開閉する流路切換弁が閉位置にあると、内燃機関から排出された排気の全量がバイパス通路側へ流れ、バイパス触媒コンバータを通過する。これに対し流路切換弁が開位置にあると、内燃機関から排出された排気の大部分は、通気抵抗の差により、メイン通路側を流れる。

流路切換弁の漏洩の診断は、流路切換弁が閉位置にあるときに、例えば空燃比フィードバック制御による機関空燃比の周期的な変化を利用して行われる。第１の空燃比センサはバイパス触媒コンバータの上流側にあるので、機関空燃比が周期的に変化すると、その検出信号は、機関空燃比とともに周期的に変化する。これに対し、バイパス触媒コンバータの下流側では、触媒が有する酸素ストレージ能力により、排気空燃比の変化が相対的に小さくなり、かつ機関空燃比の変化に対し遅れて変化する。

流路切換弁を通した排気の漏洩がなければ、メイン触媒コンバータ上流側の第２の空燃比センサはバイパス触媒コンバータ通過後の排気のみを受けるので、第２の空燃比センサでの検出空燃比は、上述したように、排気空燃比の周期的な変化に対し、遅れて変化し、かつその変化が小さなものとなる。これに対し、流路切換弁を通した排気の漏洩があると、機関から排出された排気がバイパス触媒コンバータを経ることなく第２の空燃比センサに作用するので、第２の空燃比センサの検出空燃比は、排気空燃比ひいては第１の空燃比センサの検出空燃比と同様の周期ならびにタイミングで変化する。仮に機関の排気ポートから第１の空燃比センサおよび第２の空燃比センサまでの通路長の差が無視できるものとすれば、漏洩がある場合に、両者は全く同じタイミングでリッチ，リーンに反転変化することになる。

従って、リッチ，リーンの変化の遅れ、あるいは、リッチ，リーンの期間の長さ、などによって漏洩の有無あるいはその漏洩の程度などを診断することができる。

なお、上述した酸素ストレージ能力は、触媒劣化によって影響されるが、触媒劣化の場合には、第１の空燃比センサのリッチ，リーンの変化時期と第２の空燃比センサのリッチ，リーンの変化時期とは完全には一致せず、劣化度合に応じて、その遅れが小さくなるので、漏洩の有無と触媒劣化とは容易に識別が可能である。

この発明に係る内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置によれば、流路切換弁を通した排気の漏洩を確実に診断することができ、未浄化の排気の外部への流出を未然に防止することができる。

特に、診断実行中も理論空燃比を中心としてリッチ，リーンに周期的に変化することから平均的空燃比が理論空燃比もしくはその近傍に維持され、排気エミッションの悪化を伴うことがない。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気浄化装置に適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この内燃機関の排気装置の配管レイアウトならびに制御システムを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置の構成を説明する。

内燃機関１のシリンダヘッド１ａには、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。この流路切換弁５は、適宜なアクチュエータ５ａによって開閉駆動される。

一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側でかつ流路切換弁５よりも下流側の合流点９において該メイン通路３に接続されている。

ここで、メイン触媒コンバータ４の入口部ならびに出口部には、それぞれメイン上流側空燃比センサ１０およびメイン下流側空燃比センサ１１が配置されており、バイパス触媒コンバータ８の入口部ならびに出口部には、それぞれバイパス上流側空燃比センサ１２およびバイパス下流側空燃比センサ１３が配置されている。メイン上流側空燃比センサ１０およびメイン下流側空燃比センサ１１は、メイン触媒コンバータ４の活性後に公知の空燃比フィードバック制御を行うためのものであり、基本的に上流側空燃比センサ１０によって機関空燃比（燃料噴射量）が制御され、その制御特性のばらつきの補正などのために下流側空燃比センサ１１の出力信号が利用される。同様に、バイパス上流側空燃比センサ１２およびバイパス下流側空燃比センサ１３は、バイパス触媒コンバータ８を用いる際に公知の空燃比フィードバック制御を行うためのものであり、基本的に上流側空燃比センサ１２によって機関空燃比（燃料噴射量）が制御され、その制御特性のばらつきの補正などのために下流側空燃比センサ１３の出力信号が利用される。これらの空燃比センサ１０〜１３としては、排気空燃比に応じたほぼリニアな出力特性を有するいわゆる広域型空燃比センサ、あるいはリッチ，リーンの２値的な出力特性を有する酸素センサ、のいずれであってもよいが、上述した空燃比制御の際の制御性の上から、上流側空燃比センサ１０，１２は広域型空燃比センサであることが望ましく、また、下流側空燃比センサ１１，１３は、部品コストなどの点から酸素センサを用いることが可能である。上記バイパス上流側空燃比センサ１２は「第１の空燃比センサ」に相当し、上記メイン上流側空燃比センサ１０は「第２の空燃比センサ」に相当する。なお、下流側空燃比センサ１１，１３を用いた空燃比フィードバック制御の補正制御を行わない場合には、これらの下流側空燃比センサ１１，１３を省略することも可能である。

また内燃機関１は、点火プラグ２１を備え、その吸気通路２２には、燃料噴射弁２３が配置されている。さらに、吸気通路２２の上流側に、モータ等のアクチュエータによって開閉駆動される所謂電子制御型スロットル弁２４が配置されているとともに、吸入空気量を検出するエアフロメータ２５がエアクリーナ２６下流に設けられている。

内燃機関１の種々の制御パラメータ、例えば、上記燃料噴射弁２３による燃料噴射量、点火プラグ２１による点火時期、スロットル弁２４の開度、流路切換弁５の開閉状態、などは、エンジンコントロールユニット２７によって制御される。このエンジンコントロールユニット２７には、上述したセンサ類のほか、冷却水温センサ２８、運転者により操作されるアクセルペダルの開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２９、などの種々のセンサ類の検出信号が入力されている。そして、上記流路切換弁５の漏洩の診断が上記エンジンコントロールユニット２７によって適宜に実行される。

このような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、アクチュエータ５ａを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、メイン触媒コンバータ４の触媒が活性したとみなし、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。

次に、上記流路切換弁５の漏洩の診断について説明する。なお、以下の例では、２つの上流側空燃比センサ１０，１２が広域型空燃比センサであり、２つの下流側空燃比センサ１１，１３が酸素センサであって、漏洩診断には、２つの上流側空燃比センサ１０，１２のみが用いられる。

図２は、漏洩診断の一実施例を示すタイムチャートであり、この漏洩診断は、冷間始動後に流路切換弁５が閉じられていて、かつバイパス上流側空燃比センサ１２を用いた空燃比フィードバック制御が開始された後（バイパス触媒コンバータ８の活性後）に実行される。バイパス触媒コンバータ８は上述のように速やかに活性化するので、始動後、短時間で空燃比フィードバック制御が開始される。なお、暖機完了後（メイン触媒コンバータ４の活性後）に一時的に流路切換弁５を閉じて診断を行うことも可能である。

図２の（ａ）は、正常時、つまり漏洩がなくかつバイパス触媒コンバータ８の触媒劣化もない状態におけるバイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢとメイン上流側空燃比センサ１０の検出空燃比ＡＦＭとを対比して示している。公知の空燃比フィードバック制御により、排気空燃比が理論空燃比に収束するように燃料噴射量が周期的に増減変化し、機関空燃比がリッチ，リーンに周期的に変化するが、バイパス上流側空燃比センサ１２は、この機関から排出された排気の影響を直接に受けるので、機関空燃比の変化をそのまま反映した出力信号が得られる。つまり、図示するバイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢは、機関空燃比に対応しており、機関空燃比そのものとみなすこともできる。このようなバイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢの周期変化に対し、メイン上流側空燃比センサ１０の検出空燃比ＡＦＭは、図示するように、理論空燃比を越えてリッチ，リーンとなる期間が短く、かつその変化のタイミングが、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢよりも遅れたものとなる。これは、バイパス触媒コンバータ８の触媒の酸素ストレージ能力によるものであり、排気空燃比がリーンとなったときに酸素が吸収され、排気空燃比がリッチとなったときに酸素が放出されるので、排気空燃比がリッチ，リーンに周期変化しても、バイパス触媒コンバータ８下流では、酸素ストレージ能力が飽和するまで、その変化が現れないのである。

これに対し、図２の（ｂ）は、閉位置にある流路切換弁５を通して排気が漏洩している場合の特性を示している。バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢは、漏洩の有無に影響されないので、（ａ）の正常時と変わりがない。これに対して、メイン上流側空燃比センサ１０には、バイパス触媒コンバータ８を通らずに流路切換弁５から漏洩した排気が作用するので、その検出空燃比ＡＦＭは、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢと同様のタイミングでもってリッチ，リーンに反転するようになる。なお、リッチ，リーンの値つまり周期変化の振幅は、バイパス触媒コンバータ８を通過した排気と混合して希釈されることから、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢの振幅よりも小さなものとなる。

従って、例えば、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢにおけるリッチ，リーンの変化時期に対するメイン上流側空燃比センサ１０の検出空燃比ＡＦＭにおけるリッチ，リーンの変化の遅れΔｔを求め、これが所定の基準値よりも小さい場合には、漏洩と診断することができる。

あるいは、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢにおけるリッチ，リーンの期間の長さｔ１とメイン上流側空燃比センサ１０の検出空燃比ＡＦＭにおけるリッチ，リーンの期間の長さｔ２とを比較して、両者がほぼ等しいときに、漏洩と診断することができる。

勿論、これらの診断は、例えば複数回の空燃比変化についての平均などを求めることによって、より信頼性の高いものとすることができる。なお、図から明らかなように、上記の遅れΔｔは、上記の期間ｔ１，ｔ２の差（ｔ１−ｔ２）に実質的に等しい。

一方、図２の（ｃ）は、バイパス触媒コンバータ８の触媒がある程度劣化したときの検出空燃比ＡＦＭの変化を示している。図示するように、触媒劣化により酸素ストレージ能力が低下すると、メイン上流側空燃比センサ１０の検出空燃比ＡＦＭの基本的な傾向は変わらないものの、より早い時期にリッチ，リーンに変化するようになる。つまり、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢの変化からの遅れΔｔが小さくなり、リッチ，リーンの期間ｔ２も長くなる。ここで、仮に触媒劣化が極端に進行し、酸素ストレージ能力が０となれば、遅れΔｔや期間ｔ２は、図２（ｂ）の場合と識別できないが、実際には、触媒劣化は経時的に徐々に進行するので、ある程度劣化した段階では、遅れΔｔや期間ｔ２が、図２（ａ）の特性と図２（ｂ）の特性との中間の値を示す。従って、この段階で触媒劣化と診断することが可能であり、流路切換弁５の漏洩と確実に識別することができる。

例えば、上記の遅れΔｔが第１の基準値よりも短いときに漏洩ありと診断し、第２の基準値よりも大きいときに漏洩なしと診断し、第１の基準値と第２の基準値との間の所定の範囲（第３の基準値と第４の基準値の間）にあるときには、バイパス触媒コンバータ８の触媒劣化と診断することができる。なお、第３の基準値および第４の基準値を、それぞれ第１の基準値および第２の基準値と等しく設定してもよい。

あるいは、バイパス上流側空燃比センサ１２の検出空燃比ＡＦＢにおけるリッチ，リーンの期間の長さｔ１とメイン上流側空燃比センサ１０の検出空燃比ＡＦＭにおけるリッチ，リーンの期間の長さｔ２とを求め、両者がほぼ等しいときに漏洩ありと診断し、期間ｔ２が期間ｔ１よりも十分に短いときに漏洩なしと診断し、期間ｔ２が期間ｔ１に比較して中間のある範囲にあるときには、バイパス触媒コンバータ８の触媒劣化と診断することができる。

このように上記実施例によれば、通常の空燃比フィードバック制御を継続している中で流路切換弁５の漏洩診断を行うことができ、診断中の排気エミッションの悪化を伴うことがない。また、触媒劣化と識別して、精度の高い漏洩診断を行うことができる。

次に、図３は、漏洩診断の異なる実施例を示すタイムチャートであり、この漏洩診断は、冷間始動後に流路切換弁５が閉じられていて、かつバイパス触媒コンバータ８の活性後に実行されるが、特に、診断のために、機関空燃比を強制的に一定周期かつ一定振幅でリッチ，リーンに変化させるようにしている。

前述した図２と同様に、図３の（ａ）は正常時（漏洩なし、触媒非劣化）、（ｂ）は漏洩時、（ｃ）は触媒劣化時、の特性をそれぞれ示す。診断の原理ならびに手法は、上述した実施例と同様である。

図２で説明した前述の実施例では、機関空燃比のリッチ，リーンの変化の周期や振幅が機関運転条件等によって必ずしも一定とはならないが、この実施例によれば、機関空燃比の変化が一定周期かつ一定振幅のものとなるので、漏洩診断ならびに触媒劣化診断の精度がより高くなる。また、このように機関空燃比を強制的に変化させる場合でも、理論空燃比を挟んでリッチ，リーンに周期的に変化することから、平均的空燃比は理論空燃比近傍に維持され、従って、排気エミッションの悪化を来すことはない。なお、機関空燃比の変化の周期は、図３（ａ）に示すように、触媒の酸素ストレージ能力を考慮して、過度に長くならないように設定することが望ましい。

この発明に係る内燃機関の構成を示す構成説明図。 漏洩診断の一実施例を示すタイムチャート。 漏洩診断の異なる実施例を示すタイムチャート。

符号の説明

３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
９…合流点
１０…メイン上流側空燃比センサ
１１…メイン下流側空燃比センサ
１２…バイパス上流側空燃比センサ
１３…バイパス下流側空燃比センサ
２７…エンジンコントロールユニット

Claims (7)

1. メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気浄化装置において、上記バイパス通路のバイパス触媒コンバータ上流側の排気空燃比を検出する第１の空燃比センサと、上記メイン通路のメイン触媒コンバータ上流側の排気空燃比を検出する第２の空燃比センサと、を備え、上記流路切換弁が閉位置にあるときの両者の検出信号から上記流路切換弁の漏洩を診断することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
2. リッチ，リーンに周期的に変化するように機関空燃比を制御している間に、第１の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの変化に対する第２の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの変化の遅れを求め、これに基づいて流路切換弁の漏洩を診断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
3. リッチ，リーンに周期的に変化するように機関空燃比を制御している間に、第１の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの期間の長さと第２の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの期間の長さとを比較して、流路切換弁の漏洩を診断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
4. 上記第１の空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御による機関空燃比の周期的な変化を利用することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
5. 診断時に、所定の周期で機関空燃比を強制的に周期的に変化させることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
6. 上記の遅れが第１の基準値よりも短いときに漏洩ありと診断し、第２の基準値よりも大きいときに漏洩なしと診断し、第１の基準値と第２の基準値との間の所定の範囲にあるときには、バイパス触媒コンバータの触媒劣化と診断することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
7. 第２の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの期間の長さが第１の空燃比センサにおけるリッチ，リーンの期間の長さとほぼ等しいときに漏洩ありと診断し、相対的に十分に短いときに漏洩なしと診断し、中間の範囲にあるときには、バイパス触媒コンバータの触媒劣化と診断することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
   

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