JPH11229854A

JPH11229854A - 内燃機関の触媒活性開始温度検出装置及び触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JPH11229854A
Application number: JP10033105A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Kashiwanuma; 信明栢沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】精度良く触媒活性開始温度を検出するととも
に、触媒暖機過程において精度良く触媒の劣化を判定す
る。【解決手段】第１の態様では、酸化還元能力すなわち
触媒作用の小さな金属を電極として有する酸素濃度セン
サ７７を触媒より下流側の排気通路に設け、酸素濃度セ
ンサの出力特性がＺ特性に変化する時点を検出し、その
時点における触媒温度を触媒活性開始温度とし、その触
媒活性開始温度が所定値よりも高いときに触媒劣化あり
と判定する。また、第２の態様では、触媒活性後にその
反応熱により触媒温度が急激に上昇する時点を検出し、
その時点における触媒温度を触媒活性開始温度とし、そ
の触媒活性開始温度が所定値よりも高いときに触媒劣化
ありと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスを浄化す
べく内燃機関の排気通路に設けられた触媒の活性開始温
度を検出する装置と、その触媒活性開始温度に基づき触
媒の劣化を検出する装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車用内燃機関において
は、排気ガス浄化対策として、不完全燃焼成分であるＨ
Ｃ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）の酸化と、空気
中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯ
_x（窒素酸化物）の還元とを同時に促進する三元触媒が
利用されている。そのような三元触媒による酸化・還元
能力を高めるためには、機関の燃焼状態を示す空燃比
（Ａ／Ｆ）を理論空燃比近傍（ウィンドウ）に制御する
必要がある。そのため、機関における燃料噴射制御にお
いては、排気ガス中の残留酸素濃度に基づき空燃比が理
論空燃比よりもリッチかリーンかを感知するＯ₂センサ
（酸素センサ）を設け、そのセンサ出力に基づいて燃料
量を補正する空燃比フィードバック制御が行われてい
る。

【０００３】かかる空燃比フィードバック制御では、酸
素濃度を検出するＯ₂センサをできるだけ燃焼室に近い
箇所、すなわち触媒コンバータより上流側に設けている
が、そのＯ₂センサの出力特性のばらつきを補償するた
めに、触媒コンバータより下流側に第２のＯ₂センサを
更に設けたダブルＯ₂センサシステムも実現されてい
る。すなわち、触媒下流側では、排気ガスは十分に攪拌
されており、その酸素濃度も三元触媒の作用によりほぼ
平衡状態にあることにより、下流側Ｏ₂センサの出力
は、上流側Ｏ₂センサの出力よりも緩やかに変化し、従
って混合気全体のリッチ／リーン傾向を示す。ダブルＯ
₂センサシステムは、触媒上流側Ｏ₂センサによるメイ
ン空燃比フィードバック制御に加え、触媒下流側Ｏ₂セ
ンサによるサブ空燃比フィードバック制御を実施するも
のであり、メイン空燃比フィードバック制御による空燃
比補正係数を、下流側Ｏ₂センサの出力に基づいて修正
することにより、上流側Ｏ₂センサの出力特性のばらつ
きを吸収し、空燃比制御精度の向上を図っている。

【０００４】以上のような精密な空燃比制御を実施して
も、排気ガスの熱の作用や鉛等の被毒の作用により触媒
が劣化してくると、十分な排気ガス浄化性能を得ること
はできない。そこで、従来より、種々の触媒劣化検出装
置が提案されている。その一つは、触媒下流側Ｏ₂セン
サによって暖機後のＯ₂ストレージ効果（過剰の酸素を
保持し未燃焼排気物の浄化に利用する機能）の低下を検
出することにより、触媒の劣化を診断するものである。
すなわち、触媒の劣化は、結果として暖機後の浄化性能
の低下を誘発するが、この装置は、間接的にＯ₂ストレ
ージ効果の低下を浄化性能の低下と推定するものであ
り、下流側Ｏ₂センサの出力信号を使用して、その軌跡
長、振幅、周波数等を求め、Ｏ₂ストレージ効果の低下
を検出し、触媒の劣化を検出する。

【０００５】しかし、上記の技術は、Ｏ₂ストレージ能
力の低下を利用して間接的に触媒の劣化を検出するもの
であり、精度良く触媒浄化性能を検出するものではな
い。また、ＨＣ等の排気エミッションは、触媒の暖機過
程においてかなりの割合が排出されるにもかかわらず、
上記の技術は、触媒の暖機後に触媒劣化判定を行うもの
であるため、大気汚染に対する影響度の大きい暖機過程
の触媒浄化性能が検出されていないこととなる。

【０００６】一方、触媒の劣化が進むほど触媒の活性開
始温度が上昇するという知見を利用した触媒劣化検出装
置も提案されている。特表平6-508414号公報は、触媒下
流側のＯ₂センサの出力の変動と触媒上流側のＯ₂セン
サの出力の変動との比を検出し、その比が一定値以下に
低下する時点における触媒温度を求め、その温度を触媒
活性開始温度とみなして触媒劣化判定を行う装置を開示
している。この装置によれば、触媒暖機過程における触
媒浄化性能を検出することが可能となるが、やはり下流
側及び上流側の各Ｏ₂センサの出力に基づき間接的にＯ
₂ストレージ能力を判定し、触媒活性開始を判断してい
るため、検出精度が悪いという問題が残る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】かかる実情に鑑み、本
発明の目的は、排気通路に排気浄化用の触媒を備えた内
燃機関において、従来技術に比してより直接的に精度良
く触媒活性開始を検出してその触媒活性開始時点におけ
る触媒温度を触媒活性開始温度とする触媒活性開始温度
検出装置を提供するとともに、その触媒活性開始温度検
出装置によって検出される触媒活性開始温度に基づき触
媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様によれば、排気通路に排気浄化
用の触媒を設けるとともに機関の空燃比を理論空燃比近
傍に制御しうる内燃機関において触媒の活性開始温度を
検出する装置であって、該触媒の温度を検出する触媒温
度検出手段と、該触媒より下流側の排気通路に設けら
れ、酸化還元能力の小さな金属を電極として有する酸素
濃度センサと、該触媒の暖機過程において該触媒の作用
をも含めた前記酸素濃度センサの出力特性が変化する時
点での前記触媒温度検出手段の出力を触媒活性開始温度
と判断する触媒活性開始温度判断手段と、を具備する、
内燃機関の触媒活性開始温度検出装置が提供される。

【０００９】上述の如く構成された、本発明の第１の態
様に係る、内燃機関の触媒活性開始温度検出装置におい
ては、酸化還元能力すなわち触媒作用の小さな金属を電
極として有する酸素濃度センサが、触媒より下流側の排
気通路に設けられる。かかる酸素濃度センサは、その上
流にある触媒の作用をも考慮すると、触媒が不活性状態
から活性状態へと変化するときに、排気ガスの空燃比に
対する出力特性が急変し、理論空燃比を境にして出力が
大きく変化するＺ字状の特性（いわゆるＺ特性）を呈す
るようになる。この装置では、酸素濃度センサの出力特
性がＺ特性に変化する時点を検出することにより、精度
良く触媒活性開始が判定され、その触媒活性開始時点に
おける触媒温度が触媒活性開始温度と判断される。そし
て、かかる触媒活性開始温度検出装置を備えた触媒劣化
検出装置においては、上述の如く検出される触媒活性開
始温度が所定値よりも高いときに触媒が劣化していると
判断される。

【００１０】また、本発明の第２の態様によれば、排気
通路に排気浄化用の触媒を設けるとともに機関の空燃比
を理論空燃比近傍に制御しうる内燃機関において触媒の
活性開始温度を検出する装置であって、該触媒の温度を
検出する触媒温度検出手段と、該触媒の暖機過程におい
て前記触媒温度検出手段の出力の上昇率が所定値を超え
る時点での前記温度検出手段の出力を触媒活性開始温度
と判断する触媒活性開始温度判断手段と、を具備する、
内燃機関の触媒活性開始温度検出装置が提供される。

【００１１】触媒の温度は、活性前は排気ガスの熱によ
り上昇するだけであるが、活性後には更に触媒の反応熱
が加わって急激に上昇するようになる。上述の如く構成
された、本発明の第２の態様に係る、内燃機関の触媒活
性開始温度検出装置においては、触媒温度の上昇率が所
定値を超える時点を検出することにより、精度良く触媒
活性開始が判定され、その触媒活性開始時点における触
媒温度が触媒活性開始温度と判断される。かかる触媒活
性開始温度検出装置を備えた触媒劣化検出装置において
は、上述の如く検出される触媒活性開始温度が所定値よ
りも高いときに触媒が劣化していると判断される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１３】まず、本発明の第１の態様に基づく第１実
施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形
態に係る電子制御式内燃機関の全体概要図である。内燃
機関１は、直列多気筒４ストロークサイクルレシプロガ
ソリン機関であって、車両に搭載されるものである。機
関１は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３を備
えている。シリンダブロック２には、上下方向へ延びる
複数個のシリンダ４が紙面の厚み方向へ並設され、各シ
リンダ４内には、ピストン５が往復動可能に収容されて
いる。各ピストン５は、コネクティングロッド６を介し
共通のクランクシャフト７に連結されている。各ピスト
ン５の往復運動は、コネクティングロッド６を介してク
ランクシャフト７の回転運動に変換される。

【００１４】シリンダブロック２とシリンダヘッド３と
の間において、各ピストン５の上側は燃焼室８となって
いる。シリンダヘッド３には、その両外側面と各燃焼室
８とを連通させる吸気ポート９及び排気ポート１０がそ
れぞれ設けられている。これらのポート９及び１０を開
閉するために、シリンダヘッド３には吸気バルブ１１及
び排気バルブ１２がそれぞれ略上下方向への往復動可能
に支持されている。また、シリンダヘッド３において、
各バルブ１１，１２の上方には、吸気側カムシャフト１
３及び排気側カムシャフト１４がそれぞれ回転可能に設
けられている。カムシャフト１３及び１４には、吸気バ
ルブ１１及び排気バルブ１２を駆動するためのカム１５
及び１６が取り付けられている。カムシャフト１３及び
１４の端部にそれぞれ設けられたタイミングプーリ１７
及び１８は、クランクシャフト７の端部に設けられたタ
イミングプーリ１９へタイミングベルト２０により連結
されている。

【００１５】吸気ポート９には、エアクリーナ３１、ス
ロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホル
ド３４等を備えた吸気通路３０が接続されている。機関
１外部の空気（外気）は、燃焼室８へ向けて吸気通路３
０の各部３１，３２，３３及び３４を順に通過する。吸
気マニホルド３４には、各吸気ポート９へ向けて燃料を
噴射するインジェクタ４０が取付けられている。燃料
は、燃料タンク４１に貯蔵されており、そこから燃料ポ
ンプ４２によりくみ上げられ、燃料配管４３を経てイン
ジェクタ４０に供給される。そして、インジェクタ４０
から噴射される燃料と吸気通路３０内を流れる空気とか
らなる混合気は、吸気バルブ１１を介して燃焼室８へ導
入される。

【００１６】この混合気に着火するために、シリンダヘ
ッド３には点火プラグ５０が取付けられている。点火時
には、点火信号を受けたイグナイタ５１が、点火コイル
５２の１次電流の通電及び遮断を制御し、その２次電流
が、点火ディストリビュータ５３を介して点火プラグ５
０に供給される。

【００１７】燃焼した混合気は、排気ガスとして排気バ
ルブ１２を介して排気ポート１０に導かれる。排気ポー
ト１０には、排気マニホルド６１、触媒コンバータ６２
等を備えた排気通路６０が接続されている。触媒コンバ
ータ６２には、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）
及びＣＯ（一酸化炭素）の酸化と、空気中の窒素と燃え
残りの酸素とが反応して生成されるＮＯ_x（窒素酸化
物）の還元とを同時に促進する三元触媒が収容されてい
る。こうして触媒コンバータ６２において浄化された排
気ガスが大気中に排出される。

【００１８】機関１には以下の各種センサが取付けられ
ている。シリンダブロック２には、機関１の冷却水の温
度（冷却水温ＴＨＷ）を検出するための水温センサ７４
が取付けられている。吸気通路３０においてエアクリー
ナ３１の近傍には、吸入空気の温度（吸気温ＴＨＡ）を
検出するための吸気温センサ７３が取付けられている。
吸気通路３０において、スロットルバルブ３２の近傍に
は、その軸の回動角度（スロットル開度ＴＡ）を検出す
るためのスロットル開度センサ７２が設けられている。
サージタンク３３には、その内部の圧力（吸気圧ＰＭ）
を検出するための吸気圧センサ７１が取付けられてい
る。

【００１９】ディストリビュータ５３には、クランクシ
ャフト７の回転に同期して回転する２個のロータが内蔵
されており、クランクシャフト７の基準位置を検出する
ために一方のロータの回転に基づいてクランク角（Ｃ
Ａ）に換算して７２０°ＣＡごとに基準位置検出用パル
スを発生させるクランク基準位置センサ８０が設けら
れ、また、クランクシャフト７の回転速度（機関回転速
度ＮＥ）を検出するために他方のロータの回転に基づい
て３０°ＣＡごとに回転速度検出用パルスを発生させク
ランク角センサ８１が設けられている。

【００２０】排気通路６０の途中の触媒上流側には、排
気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンか
を検出するための、いわゆるＺ特性を有するＯ₂センサ
７５が取付けられている。Ｏ₂センサには、ジルコニア
Ｏ₂センサとチタリアＯ₂センサとがあり、以下では、
ジルコニアＯ₂センサを用いた例を説明するが、チタリ
アＯ₂センサを用いてもよい。ジルコニアＯ₂センサ
は、試験管状のジルコニア素子（ＺｒＯ₂）の両面に白
金電極を設け、電極の保護のため電極の外側をセラミッ
クスでコーティングしたものであり、内側には酸素濃度
の高い空気を導入するとともに、外側を酸素濃度の低い
排出ガスに接触させるようにして使用される。

【００２１】ジルコニア素子は、高温で内外面の酸素濃
度差があると起電力を発生させる性質を有し、酸素濃度
差が大きいほどその起電力は大きくなる。ところで、理
論空燃比よりリッチな混合気が燃焼したときでも、排出
ガス中には若干の酸素が存在するため、十分な起電力は
発生しない。そこで、酸化還元能力すなわち触媒作用を
持つ白金が電極として使用されている。すなわち、リッ
チ混合気が燃焼したときの排出ガスが白金に触れると、
白金の触媒作用により、残存する低濃度のＯ₂は排出ガ
ス中のＣＯやＨＣと反応し、排出ガス側電極表面のＯ₂
はほとんどなくなり、両電極表面の酸素濃度差は非常に
大きくなり、約１Ｖ程度の起電力が発生する。一方、リ
ーン混合気が燃焼したときには、高濃度のＯ₂と低濃度
のＣＯ及びＨＣとがあるため、それらが反応しても余剰
のＯ₂が排出ガス側電極表面に存在し、両電極表面の酸
素濃度差は小さく、ほとんど起電力は発生しない。した
がって、理論空燃比を境に起電力が大きく変化すること
となる。図２における曲線Ｃ₁は、空気過剰率λとＯ₂
センサ出力電圧との関係、すなわちＯ₂センサの出力特
性（いわゆるＺ特性）を示している。

【００２２】また、触媒下流側には、酸化還元能力の小
さな金属を電極として有する酸素濃度センサ７７が設け
られている。この酸素濃度センサ７７は、酸化還元能力
（触媒作用）を持たないか又はその能力が小さい銅、ア
ルミ、鉄等の金属から形成された電極によって、前述し
たＯ₂センサ７５の白金電極を置換したものである。し
たがって、前述の説明から明らかなように、酸素濃度セ
ンサ７７では、理論空燃比（λ＝１）近傍の空燃比に対
する起電力変化は小さくなる。すなわち、酸素濃度セン
サ７７は、排出ガス側電極に触れる排出ガスの空気過剰
率λに対して、図２中の曲線Ｃ₂に示すような出力特性
を示す。ところが、酸素濃度センサ７７の上流側にある
触媒６２の作用を考慮に入れると、触媒が活性化した後
には、Ｏ ₂センサにおける排出ガス側白金電極の酸化還
元機能を触媒が果たすこととなる。すなわち、上流側の
触媒の存在までをも考慮した、酸素濃度センサ７７の出
力特性は、Ｏ₂センサ７５の出力特性を示す曲線Ｃ₁と
ほぼ同様の曲線Ｃ₃（図２）に示されるものとなる。

【００２３】以上のように、酸素濃度センサ７７は、触
媒活性前には曲線Ｃ₂に示される出力特性を呈する一
方、触媒活性後には曲線Ｃ₃に示される出力特性（Ｚ特
性）を呈することとなる。このことは、酸素濃度センサ
７７の出力特性がＺ特性に変化する時点を検出すること
により、触媒活性開始時点を知ることができることを意
味している。本発明の第１の態様では、酸素濃度センサ
７７の特性変化時点を検出し、その時点での触媒温度を
触媒活性開始温度として検出し、その触媒活性開始温度
が所定値よりも高い場合に触媒が劣化したと判定する。
なお、図１に示されるように、触媒の温度として触媒床
温を検出する温度センサ７８が設けられている。

【００２４】図３は、本発明の第１実施形態においてＥ
ＣＵ９０によって実行される触媒活性開始温度及び劣化
検出ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。
このルーチンは、所定の時間周期で実行される。まず、
ステップ１０２では、触媒暖機過程にあるか否かを判定
する。詳細には、例えば、水温センサ７４によって検出
される冷却水温及び触媒床温センサ７８によって検出さ
れる触媒床温がそれぞれ所定値より低く、かつ、後述の
ステップ１１４でセットされるべき触媒暖機完了フラグ
Ｆ_TWCが０（オフ）のとき、触媒暖機過程にあると判定
する。触媒暖機過程にない、すなわち触媒暖機完了後で
あると判定されるときには、本ルーチンを終了し、一
方、触媒暖機過程にあると判定されるときには、ステッ
プ１０４に進む。

【００２５】ステップ１０４では、酸素濃度センサ７７
の出力電圧Ｖ_Oを検出する。次いで、ステップ１０６で
は、酸素濃度センサ７７が触媒活性前の出力特性（図２
の曲線Ｃ₂）を呈する状態にあるか、あるいは触媒活性
後の出力特性（Ｚ特性）（図２の曲線Ｃ₃）を呈する状
態にあるかを、検出されたＶ_Oが所定の判定基準値Ｖ _OR
より小さいか否かに基づき判定する。すなわち、Ｖ_O＜
Ｖ_OR のときには、触媒活性前であるとみなして本ルー
チンを終了し、一方、Ｖ_O≧Ｖ_ORのときには、触媒活性
後であるとみなしてステップ１０８に進む。通常、Ｏ₂
センサ７５の出力電圧に基づき空燃比フィードバック制
御を行う際のリッチ／リーン判定基準値は０．４Ｖ〜
０．４５Ｖであるが、上述の判定基準値Ｖ_ORはそれより
小さい０．３Ｖ程度にすることが好ましい。触媒が活性
化しても、残存酸素（Ｏ₂）及び不完全燃焼ガス（Ｃ
Ｏ，ＨＣ）が存在するため、酸素濃度センサ７７の出力
はＯ₂センサの出力より小さくなるためである。なお、
図２の曲線Ｃ₂及びＣ₃から明らかなように、この判定
は排気ガスの空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりリッチ
であるときに判定可能であるが、Ｏ₂センサ７５による
空燃比フィードバック制御により、排気ガスはリッチ状
態及びリーン状態を繰り返しているため、本ルーチンの
周期的実行により触媒活性開始は必ず検出される。

【００２６】ステップ１０８では、触媒床温センサ７８
によって触媒床温Ｔ_TWCを検出する。検出された触媒床
温Ｔ_TWCは、触媒活性開始温度を表している。次いで、
ステップ１１０では、その触媒活性開始温度Ｔ_TWCを所
定の判定基準値Ｔ_R1（例えば、２５０°Ｃ）と比較す
る。Ｔ_TWC≧Ｔ_R1のときには、触媒の劣化に起因して触
媒活性開始温度が高くなっているとみなして、ステップ
１１２に進み、所定のアラームランプ９８（図１参照）
を点灯した後、ステップ１１４に進む一方、Ｔ_TW _C＜Ｔ
_R1のときには、触媒劣化なしとみなして直接ステップ１
１４に進む。最後のステップ１１４では、触媒暖機完了
フラグＦ_TWCを１（オン）に設定する。かくして、第１
実施形態によれば、触媒暖機過程において、より直接的
に精度良く触媒の活性開始温度及び劣化が検出されるこ
ととなる。

【００２７】次に、本発明の第１の態様に基づく第２実
施形態について説明する。前述の第１実施形態では、出
力電圧Ｖ_Oが判定基準値Ｖ_ORと比較されることにより、
酸素濃度センサ７７の出力特性の変化が検出された。し
かし、図２における曲線Ｃ₂から曲線Ｃ₃への出力特性
変化は、出力電圧Ｖ_Oが大きく変化するのを検出するこ
とによっても検出することが可能である。そこで、第２
実施形態においては、本ルーチンの今回の走行で検出さ
れた出力電圧Ｖ_Oと、本ルーチンの前回の走行で検出さ
れていた出力電圧Ｖ_OOとの差が、所定の判定基準値ΔＶ
_ORと比較され、“Ｖ_O−Ｖ_OO≧ΔＶ_OR”が成立すると
き、出力特性の変化が起こったと判定される。

【００２８】図４は、第２実施形態に係る触媒活性開始
温度及び劣化検出ルーチンの処理手順を示すフローチャ
ートである。同図におけるステップ１５２、１５４、１
５８、１６０、１６２及び１６４は、第１実施形態に係
る図３におけるステップ１０２、１０４、１０８、１１
０、１１２及び１１４とそれぞれ同一である。相違する
ステップについて説明すると、ステップ１５６では、
“Ｖ_O−Ｖ_OO≧ΔＶ_OR”が成立するか否かが判定され、
成立するときには、触媒が活性化したとみなされ、ステ
ップ１５８に進み、一方、不成立のときには、ステップ
１６６に進む。ステップ１６６では、次回の判定に備
え、Ｖ_OがＶ_OOとして記憶され、本ルーチンが終了す
る。

【００２９】次に、本発明の第１の態様に基づく第３実
施形態について説明する。前述の第１及び第２実施形態
では、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンのとき
には、たとえ触媒が活性化していても、酸素濃度センサ
の出力が小さいため、活性を検出することができず、し
たがって、活性開始検出がやや遅れる可能性がある。そ
こで、第３実施形態においては、第１又は第２実施形態
と同様に触媒の活性開始温度及び劣化を検出する処理を
行うとともに、触媒床温が所定の温度に達したときに空
燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御するように空燃
比制御を変更する処理を併せて行い、触媒の活性開始温
度及び劣化の検出精度を向上させる。

【００３０】図５は、本発明の第３実施形態において、
かかる空燃比制御を実現すべく、ＥＣＵ９０によって実
行される燃料噴射量算出ルーチンの処理手順を示すフロ
ーチャートである。まず、ステップ２０２では、従来の
制御と同様に、運転状態に応じて燃料噴射量を算出す
る。次いで、ステップ２０４では、触媒暖機過程にある
か否かを判定し、触媒暖機過程にないときには本ルーチ
ンを終了し、触媒暖機過程にあるときにはステップ２０
６に進む。ステップ２０６では、触媒床温センサ７８に
よって触媒床温Ｔ_TWCを検出する。次いで、ステップ２
０８では、検出された触媒床温Ｔ_TWCを所定の判定基準
値Ｔ_R0（例えば、２００°Ｃ）と比較し、Ｔ_TWC＜Ｔ_R0
のときには本ルーチンを終了する一方、Ｔ_TWC≧Ｔ_R0の
ときには空燃比が理論空燃比よりもリッチになるよう
に、ステップ２０２で算出された燃料噴射量を補正し
て、本ルーチンを終了する。

【００３１】次に、本発明の第１の態様に基づく第４実
施形態について説明する。前述の第１、第２及び第３実
施形態では、触媒が破損等してその浄化性能が失われて
いる場合、触媒活性開始を検出することができないた
め、劣化を判定することは不可能となる。そこで、第４
実施形態においては、触媒がたとえある程度劣化してい
ても活性化すべきかなりの高温に触媒床温が達した時点
においても、酸素濃度センサ７７の出力電圧Ｖ_Oの判定
基準値Ｖ_ORへの到達（すなわち触媒活性）が検出されて
いない場合、触媒異常と判定し、アラームランプ９８を
点灯する。

【００３２】図６は、本発明の第４実施形態においてＥ
ＣＵ９０によって実行される触媒活性開始温度及び劣化
検出ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。
まず、ステップ３０２では、触媒暖機過程にあるか否か
を判定し、触媒暖機過程にないと判定されるときには、
本ルーチンを終了し、一方、触媒暖機過程にあると判定
されるときには、ステップ３０４に進む。ステップ３０
４では、酸素濃度センサ７７の出力電圧Ｖ_Oを検出す
る。次いで、ステップ３０６では、触媒床温センサ７８
によって触媒床温Ｔ_TWCを検出する。次いで、ステップ
３０８では、酸素濃度センサ７７の出力電圧Ｖ_Oを判定
基準値Ｖ_ORと比較し、Ｖ_O≧Ｖ_OR のとき、すなわち触
媒活性後であるとみなされるときには、ステップ３１０
に進み、一方、Ｖ_O＜Ｖ_ORのとき、触媒活性前であると
みなされるときには、ステップ３１２に進む。

【００３３】ステップ３１０では、触媒床温Ｔ_TWC（こ
の場合、触媒活性開始温度）を判定基準値Ｔ_R1（例え
ば、２５０°Ｃ）と比較し、Ｔ_TWC≧Ｔ_R1のときには、
触媒の劣化に起因して触媒活性開始温度が高くなってい
るとみなして、ステップ３１４に進み、アラームランプ
９８を点灯した後、ステップ３１６に進む一方、Ｔ_TWC
＜Ｔ_R1のときには、触媒劣化なしとみなして直接ステッ
プ３１６に進む。ステップ３１６では、触媒暖機完了フ
ラグＦ_TWCを１（オン）に設定する。また、ステップ３
０８において触媒活性前であると判定されたときに実行
されるステップ３１２では、触媒床温Ｔ_TWCを所定の判
定基準値Ｔ_R2（例えば、３００°Ｃ）と比較し、Ｔ_TWC
≧Ｔ_R2のときには、触媒の活性開始が検出されないまま
当然活性化しているはずの触媒床温に達したと判断され
るため、触媒異常ありとみなして、ステップ３１４に進
み、アラームランプ９８を点灯した後、ステップ３１６
に進む一方、Ｔ_TWC＜Ｔ_R2のときには、本ルーチンを終
了する。

【００３４】次に、本発明の第１の態様に基づく第５実
施形態について説明する。今まで説明してきた実施形態
は、シングルＯ₂センサシステムに本発明の第１の態様
を適用したものであったが、第５実施形態は、ダブルＯ
₂センサシステムに本発明の第１の態様を適用したもの
である。第１〜第４実施形態では、前述のように、排気
ガスの空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりリーンである
ときには、触媒が活性化していても、酸素濃度センサ７
７の出力が小さいため、活性状態を正確に判定すること
ができない。そこで、第５実施形態では、触媒下流側に
あるサブＯ₂センサを利用し、サブＯ₂センサがリッチ
と判定しているときのみ、触媒の活性検出及び劣化検出
を行うようにして、検出精度を向上させる。

【００３５】図７は、第５実施形態に係る電子制御式内
燃機関の全体概要図であり、触媒コンバータ６２の下流
側に第２のＯ₂センサ、すなわちサブＯ₂センサ７６が
設けられている点のみ、図１と相違する。また、図８
は、本発明の第５実施形態においてＥＣＵ９０によって
実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの処
理手順を示すフローチャートである。まず、ステップ４
０２では、触媒暖機過程にあるか否かを判定し、触媒暖
機過程にないと判定されるときには、本ルーチンを終了
し、一方、触媒暖機過程にあると判定されるときには、
ステップ４０４に進む。ステップ４０４では、サブＯ₂
センサ７６の出力電圧Ｖ_Sを検出する。次いで、ステッ
プ４０６では、検出されたＶ_Sを所定の判定基準値Ｖ_SR
（例えば、０．４５Ｖ）と比較し、Ｖ_S≧Ｖ_SRのとき、
すなわち排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチであ
ると判定されるときには、ステップ４０８に進み、一
方、Ｖ _S＜Ｖ_SRのとき、すなわち排気ガスの空燃比が理
論空燃比よりリーンであると判定されるときには、ステ
ップ４２０に進む。

【００３６】ステップ４０８、４１０、４１２、４１
４、４１６及び４１８は、前述した図３におけるステッ
プ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２及び１１４
と同様に、触媒の活性開始温度検出及び劣化判定を行う
ステップである。一方、ステップ４２０では、触媒床温
センサ７８によって触媒床温Ｔ_TWCを検出する。次のス
テップ４２２では、検出された触媒床温Ｔ_TWCを前述の
判定基準値Ｔ_R1（例えば、２５０°Ｃ）と比較する。そ
して、Ｔ_TWC≧Ｔ_R1のとき、すなわち触媒床温が劣化判
定のための基準温度に達してしまったときには、ステッ
プ４１８に進み、触媒暖機完了フラグＦ_TWCを１（オ
ン）に設定した後、本ルーチンを終了する。一方、Ｔ
_TWC＜Ｔ_R1のときには、そのまま本ルーチンを終了す
る。

【００３７】次に、本発明の第１の態様に基づく第６実
施形態について説明する。前述の第５実施形態において
は、サブＯ₂センサ７６及び触媒劣化判定用の酸素濃度
センサ７７が備えられている。ところで、酸素濃度セン
サ７７は、触媒活性化後においては、触媒と一体となっ
て、排気ガスの空燃比に対して、Ｏ₂センサと同様の出
力特性を呈するようになる。そこで、第６実施形態にお
いては、触媒活性化後、酸素濃度センサ７７が、空燃比
フィードバック制御用のサブＯ₂センサとして使用さ
れ、サブＯ₂センサ７６が削除される。これにより、コ
ストダウンが図られる。なお、ダブルＯ₂センサシステ
ムによる空燃比フィードバック制御は、周知のため、こ
こではその説明を省略する。

【００３８】次に、本発明の第１の態様に基づく第７実
施形態について説明する。前記した第５実施形態（図
７）において、触媒劣化判定用の酸素濃度センサ７７
は、前述のように、Ｏ₂センサにおける白金電極を、触
媒作用を奏することのない金属により形成された電極
に、置き換えただけのものである。そこで、第７実施形
態においては、図９に示されるように、絶縁帯により排
気ガス側電極を分割し、一方の電極を白金で形成し、他
方の電極を触媒作用のない金属で形成したセンサを使用
することにより、空燃比フィードバック制御用のサブＯ
₂センサ７６の機能と、触媒劣化判定用の酸素濃度セン
サ７７の機能とを一つのセンサで実現する。

【００３９】以上、本発明の第１の態様に係る実施形態
について説明してきたが、メイン空燃比制御用のセンサ
として、Ｏ₂センサ７５に代え、空燃比をリニアに検出
可能な空燃比センサ（全域空燃比センサ、リニアＡ／Ｆ
センサなどと呼ばれる）を使用する内燃機関にも、本発
明は適用可能である。また、理論空燃比近傍に制御され
る運転領域を有するリーンバーンエンジン（希薄燃焼機
関）に対しても、劣化検出時に理論空燃比に制御される
ならば、本発明を適用可能である。

【００４０】次に、本発明の第２の態様に基づく第８実
施形態について説明する。触媒の温度は、活性前は排気
ガスの熱により上昇するだけであるが、活性後には更に
触媒の反応熱が加わって急激に上昇するようになる。第
８実施形態では、触媒温度の上昇率が所定値を超える時
点を検出し、その時点における触媒温度すなわち触媒活
性開始温度に基づき触媒の劣化を判定する。

【００４１】図１０は、第８実施形態に係る電子制御式
内燃機関の全体概要図であり、酸素濃度センサ７７が設
けられていないという点のみ、図１と相違する。また、
図１１は、本発明の第８実施形態においてＥＣＵ９０に
よって実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチ
ンの処理手順を示すフローチャートである。このルーチ
ンは、時間Ｐの周期で実行される。

【００４２】まず、ステップ５０２では、触媒暖機過程
にあるか否かを判定する。詳細には、例えば、水温セン
サ７４によって検出される冷却水温及び触媒床温センサ
７８によって検出される触媒床温がそれぞれ所定値より
低く、かつ、後述のステップステップ５１４でセットさ
れるべき触媒暖機完了フラグＦ_TWCが０（オフ）のと
き、触媒暖機過程にあると判定する。触媒暖機過程にな
い、すなわち触媒暖機完了後であると判定されるときに
は、本ルーチンを終了し、一方、触媒暖機過程にあると
判定されるときには、ステップ５０４に進む。

【００４３】ステップ５０４では、本ルーチンの前回の
走行により検出された触媒床温Ｔ_TW _Cを他の変数Ｔ_TWCO
として記憶する。次いで、ステップ５０６では、触媒床
温センサ７８によって現在の触媒床温Ｔ_TWCを検出す
る。次いで、ステップ５０８では、触媒床温の上昇率
“（Ｔ_TWC−Ｔ_TWCO）／Ｐ”を所定の判定基準値ΔＴ
（例えば、１°Ｃ／ｓｅｃ）と比較し、“（Ｔ_TWC−Ｔ
_TWCO）／Ｐ＜ΔＴ”のとき、すなわち触媒活性前である
と判定されるときには、本ルーチンを終了し、一方、
“（Ｔ_TWC−Ｔ_TWCO）／Ｐ≧ΔＴ”のとき、すなわち触
媒活性後であると判定されるときには、ステップ５１０
に進む。

【００４４】ステップ５１０では、現在の触媒床温Ｔ
_TWCを触媒活性開始温度とみなして、Ｔ_TWCを所定の判
定基準値Ｔ_R1（例えば、２５０°Ｃ）と比較する。Ｔ
_TWC≧Ｔ _R1のときには、触媒の劣化に起因して触媒活性
開始温度が高くなっていると判断されるため、ステップ
５１２に進み、アラームランプ９８を点灯した後、ステ
ップ５１４に進む一方、Ｔ_TWC＜Ｔ_R1のときには、触媒
劣化なしとみなして直接ステップ５１４に進む。最後の
ステップ５１４では、触媒暖機完了フラグＦ_TWCを１
（オン）に設定する。かくして、第８実施形態によれ
ば、触媒床温の上昇率に基づき、精度良く触媒の活性開
始温度及び劣化が検出されることとなる。

【００４５】次に、本発明の第２の態様に基づく第９実
施形態について説明する。前述の第８実施形態において
は、触媒床温の上昇率が１回でも判定基準値以上となる
と、触媒が活性化したと判定されてしまうため、誤判定
をする可能性がある。そこで、第９実施形態において
は、上昇率が基準値以上となっていることが複数回（例
えば、５回）連続して検出されたときに、初めて基準値
以上となった時点での触媒床温を触媒活性開始温度とす
ることにより、検出精度を向上させる。

【００４６】図１２は、本発明の第９実施形態において
ＥＣＵ９０によって実行される触媒活性開始温度及び劣
化検出ルーチンの処理手順を示すフローチャートであ
る。まず、ステップ６０２、６０４及び６０６は、前述
の図１１におけるステップ５０２、５０４及び５０６と
同じである。次いで、ステップ６０８は、図１１のステ
ップ５０８と同じ判定処理を行うが、触媒活性前である
と判定されるときには、ステップ６１０に進み、所定の
カウンタＣ_TTWCを０に初期化した後、本ルーチンを終了
し、一方、触媒活性後であると判定されるときには、ス
テップ６１２に進む。

【００４７】ステップ６１２では、Ｃ_TTWC＝０が成立す
るか否かを判定し、Ｃ_TTWC＝０のとき、すなわち初めて
触媒活性が検出されたときには、ステップ６１４に進
み、そのときの触媒床温Ｔ_TWCを変数Ｔ_ASに代入して記
憶し、ステップ６１６に進む一方、Ｃ_TTWC≠０のときに
は、直ちにステップ６１６に進む。ステップ６１６で
は、カウンタＣ_TTWCの値をインクリメントし、次のステ
ップ６１８では、Ｃ_TTWCが所定の回数Ｎ_C（例えば、
５）に達したか否かを判定し、Ｃ_TTWC≠Ｎ_Cのときには
本ルーチンを終了し、一方、Ｃ_TTWC＝Ｎ_Cのときにはス
テップ６２０に進む。ステップ６２０、６２２及び６２
４では、Ｔ_ASを触媒活性開始温度として、図１１のステ
ップ５１０、５１２及び５１４と同様の処理を行う。か
くして、Ｎ_C回連続して触媒床温の上昇率が基準値を超
えたときのみ、触媒活性開始と判定されるため、信頼性
が向上する。

【００４８】次に、本発明の第２の態様に基づく第１０
実施形態について説明する。前述の第８及び第９実施形
態においては、触媒床温の上昇率に関する判定基準値Δ
Ｔは、固定値であった。しかし、触媒活性化後に触媒の
温度の上昇率を急激に増大せしめる反応熱は、触媒に流
入する排気ガスの流量が大きいほど、また、排気ガスの
温度が高いほど、多く発生する。そこで、排気ガスの流
量及び／又は温度に応じて判定基準値ΔＴを可変にし、
より正確に活性開始を検出することが好ましい。第１０
実施形態においては、機関負荷として吸気圧センサ７１
によって検出される吸気圧ＰＭと、クランク角センサ８
１の出力に基づき算出される機関回転速度ＮＥとを、排
気ガスの流量及び温度を間接的に反映する量として採用
し、図１３に示されるようなマップを準備し、吸気圧Ｐ
Ｍと回転速度ＮＥとに応じて判定基準値ΔＴを可変に
し、触媒活性の判定精度を向上させる。具体的には、図
１１のステップ５０８又は図１２のステップ６０８にお
いて使用されるΔＴが、その時点における吸気圧ＰＭと
回転速度ＮＥとに応じて図１３のマップに基づき決定さ
れる。

【００４９】また、更には、暖機増量、加速増量等が行
われておらず、理論空燃比へのフィードバック制御が行
われている条件下でのみ、触媒活性開始温度の検出及び
触媒劣化の判定を行うようにすれば、処理の精度が更に
向上する。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
精度良く触媒活性開始温度を検出することが可能になる
とともに、触媒暖機過程において精度良く触媒劣化を検
出することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る電子制御式内燃機
関の全体概要図である。

【図２】空気過剰率とセンサ出力電圧との関係を説明す
るための特性図である。

【図３】本発明の第１実施形態においてＥＣＵによって
実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの処
理手順を示すフローチャートである。

【図４】本発明の第２実施形態においてＥＣＵによって
実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの処
理手順を示すフローチャートである。

【図５】本発明の第３実施形態においてＥＣＵによって
実行される燃料噴射量算出ルーチンの処理手順を示すフ
ローチャートである。

【図６】本発明の第４実施形態においてＥＣＵによって
実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの処
理手順を示すフローチャートである。

【図７】本発明の第５実施形態に係る電子制御式内燃機
関の全体概要図である。

【図８】本発明の第５実施形態においてＥＣＵによって
実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの処
理手順を示すフローチャートである。

【図９】本発明の第７実施形態に係る、空燃比フィード
バック制御用と触媒劣化判定用とに併用可能なセンサを
説明するための模式的な図である。

【図１０】本発明の第８実施形態に係る電子制御式内燃
機関の全体概要図である。

【図１１】本発明の第８実施形態においてＥＣＵによっ
て実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの
処理手順を示すフローチャートである。

【図１２】本発明の第９実施形態においてＥＣＵによっ
て実行される触媒活性開始温度及び劣化検出ルーチンの
処理手順を示すフローチャートである。

【図１３】本発明の第１０実施形態に係る、吸気圧ＰＭ
と回転速度ＮＥとに応じて触媒床温上昇率に関する判定
基準値ΔＴを定めるマップを示す図である。

【符号の説明】

１…直列多気筒４ストロークサイクルレシプロガソリン
機関２…シリンダブロック３…シリンダヘッド４…シリンダ５…ピストン６…コネクティングロッド７…クランクシャフト８…燃焼室９…吸気ポート１０…排気ポート１１…吸気バルブ１２…排気バルブ１３…吸気側カムシャフト１４…排気側カムシャフト１５…吸気側カム１６…排気側カム１７，１８，１９…タイミングプーリ２０…タイミングベルト３０…吸気通路３１…エアクリーナ３２…スロットルバルブ３３…サージタンク３４…吸気マニホルド４０…インジェクタ４１…燃料タンク４２…燃料ポンプ４３…燃料配管５０…点火プラグ５１…イグナイタ５２…点火コイル５３…点火ディストリビュータ６０…排気通路６１…排気マニホルド６２…触媒コンバータ７１…吸気圧センサ７２…スロットル開度センサ７３…吸気温センサ７４…水温センサ７５…メインＯ₂センサ７６…サブＯ₂センサ７７…酸素濃度センサ７８…触媒床温センサ８０…クランク基準位置センサ８１…クランク角センサ９０…機関ＥＣＵ９８…アラームランプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に排気浄化用の触媒を設けると
ともに機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御しうる内燃
機関において触媒の活性開始温度を検出する装置であっ
て、該触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、該触媒より下流側の排気通路に設けられ、酸化還元能力
の小さな金属を電極として有する酸素濃度センサと、該触媒の暖機過程において該触媒の作用をも含めた前記
酸素濃度センサの出力特性が変化する時点での前記触媒
温度検出手段の出力を触媒活性開始温度と判断する触媒
活性開始温度判断手段と、を具備する、内燃機関の触媒活性開始温度検出装置。
【請求項２】前記触媒活性開始温度判断手段は、該触
媒の暖機過程において前記酸素濃度センサの出力が所定
値を超える時点での前記触媒温度検出手段の出力を触媒
活性開始温度と判断するものである、請求項１に記載の
内燃機関の触媒活性開始温度検出装置。
【請求項３】Ｏ₂センサを有し該Ｏ₂センサの出力を
基準値と比較することにより理論空燃比への空燃比フィ
ードバック制御を行う内燃機関に対して適用され、前記
触媒活性開始温度判断手段における前記所定値が前記基
準値より小さな値である、請求項２に記載の内燃機関の
触媒活性開始温度検出装置。
【請求項４】前記触媒活性開始温度判断手段は、該触
媒の暖機過程において前記酸素濃度センサの出力の変化
量が所定値を超える時点での前記触媒温度検出手段の出
力を触媒活性開始温度と判断するものである、請求項１
に記載の内燃機関の触媒活性開始温度検出装置。
【請求項５】前記触媒温度検出手段の出力が所定温度
に達したときに空燃比をリッチに制御する手段を更に具
備する、請求項１に記載の内燃機関の触媒活性開始温度
検出装置。
【請求項６】前記触媒活性開始温度判断手段によって
触媒活性開始温度の判断がなされないまま前記触媒温度
検出手段の出力が所定温度に達したとき触媒に異常があ
ると判断する手段を更に具備する、請求項１に内燃機関
の触媒活性開始温度検出装置。
【請求項７】触媒より下流の排気通路に空燃比制御用
のＯ₂センサを備える内燃機関に対して適用され、前記
触媒活性開始温度判断手段は、該Ｏ₂センサがリッチと
判定しているときのみ触媒活性開始温度の判断を行う、
請求項１に記載の内燃機関の触媒活性開始温度検出装
置。
【請求項８】前記酸素濃度センサが、触媒活性化後、
空燃比フィードバック制御用のセンサとして使用され
る、請求項１に記載の内燃機関の触媒活性開始温度検出
装置。
【請求項９】触媒より下流の排気通路に空燃比制御用
のＯ₂センサを備える内燃機関に対して適用され、前記
酸素濃度センサは、該Ｏ₂センサの排気側電極を分割し
て一部を酸化還元能力の小さな金属で置換することによ
り形成されている、請求項１に記載の内燃機関の触媒活
性開始温度検出装置。
【請求項１０】排気通路に排気浄化用の触媒を設ける
とともに機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御しうる内
燃機関において触媒の活性開始温度を検出する装置であ
って、該触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、該触媒の暖機過程において前記触媒温度検出手段の出力
の上昇率が所定値を超える時点での前記温度検出手段の
出力を触媒活性開始温度と判断する触媒活性開始温度判
断手段と、を具備する、内燃機関の触媒活性開始温度検出装置。
【請求項１１】前記触媒活性開始温度判断手段は、前
記上昇率が所定値を超える状態が所定時間連続して検出
されたときに前記上昇率が所定値を初めて超えた時点で
の前記温度検出手段の出力を触媒活性開始温度と判断す
る、請求項１０に記載の内燃機関の触媒活性開始温度検
出装置。
【請求項１２】前記所定値が、排気流量に応じて変更
される、請求項１０に記載の内燃機関の触媒活性開始温
度検出装置。
【請求項１３】前記所定値が、排気温度に応じて変更
される、請求項１０に記載の内燃機関の触媒活性開始温
度検出装置。
【請求項１４】前記触媒活性開始温度判断手段は、理
論空燃比へのフィードバック制御が実行されているとき
のみ触媒活性開始温度の判断を行う、請求項１０に記載
の内燃機関の触媒活性開始温度検出装置。
【請求項１５】請求項１から請求項１４までのいずれ
か１項に記載の触媒活性開始温度検出装置と、該触媒活
性開始温度検出装置によって検出される触媒活性開始温
度が所定値よりも高いとき触媒が劣化していると判断す
る触媒劣化判断手段と、を具備する、内燃機関の触媒劣
化検出装置。