JP2009019558A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フューエルカット（Ｆ／Ｃ）直後リッチ制御に起因する誤診断を防止する。
【解決手段】本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置は、Ｆ／Ｃ終了後の所定タイミングｔ３から空燃比をリッチに制御し、この制御中に触媒から放出される酸素量ＯＳＡａを計測する手段と、Ｆ／Ｃ終了時ｔ２から前記タイミングｔ３までの間に空燃比をリッチに制御する手段と、このＦ／Ｃ直後リッチ制御中に触媒から放出される酸素量ＯＳＡｂを計測する手段とを備える。放出酸素量ＯＳＡｂで放出酸素量ＯＳＡａを補正することにより、触媒の真の酸素吸蔵容量を計測することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の触媒劣化診断装置に係り、特に、フューエルカット後に触媒から放出された酸素量を計測し、この計測値に基づき触媒の劣化を診断する装置に関する。

例えば車両用のガソリンエンジンにおいて、その排気系には排気ガスを浄化するための三元触媒が設置されている。この三元触媒の中には酸素吸蔵能（Ｏ₂ストレージ能）を有するものがあり、これは、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、触媒流入排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、即ちリッチになると吸着保持された酸素を放出する。エンジン運転時には触媒に流入する排気ガスがストイキ近傍となるよう空燃比制御が行われるが、このとき運転条件により実際の空燃比がストイキから多少振れてしまっても、三元触媒による酸素の吸収・放出作用により、そのような空燃比ずれを吸収することができる。

ところで、三元触媒が劣化すると触媒の浄化効率が低下する。一方、三元触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、酸素吸蔵能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。一般的には、触媒に流入する排気ガスの空燃比を強制的にリッチ又はリーンに変化させるアクティブ空燃比制御を行い、このアクティブ空燃比制御中に触媒の酸素吸蔵容量を計測し、触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される。

一方、特許文献１には、Ｃｍａｘ法と異なる方法で触媒劣化診断を行う装置が開示されている。これによれば、フューエルカット中に触媒のリーン成分の吸着量が所定量以上になったときに、フューエルカット終了後に目標空燃比をリッチに切り換えて触媒の酸素吸蔵容量を算出し、この算出した酸素吸蔵容量に基づいて触媒の劣化状態を判定する。フューエルカット中に触媒が自ずと酸素吸蔵状態となるので、フューエルカット後にリッチガスを触媒に供給し、触媒から酸素を放出させ、この放出量でもって触媒の酸素吸蔵容量を計測する。

特許３７５９５６７号公報

ところで、特許文献１に開示されたようなフューエルカット後の触媒劣化診断には、次のような問題があることが本発明者らの試験により判明した。

即ち、一般的に、酸素吸蔵容量の計測には触媒上流に設置された空燃比センサの出力が利用され、この空燃比センサ出力が、フューエルカット終了時のリーン相当値からストイキ相当値に復帰するのを待って計測が行われる。このような待ち時間を設定するのは、ストイキ相当値に復帰する前の空燃比センサ出力が不安定で信頼性に欠けると考えられるからである。

一方、最近では、エミッションの要求から、フューエルカットが終了した時点から空燃比をリッチに制御することが行われている。フューエルカット中には触媒に酸素が吸収され、ときに、触媒が酸素を吸収し尽くした状態、即ち酸素飽和状態になることがある。特に最近では、燃費の要求から、できるだけ長時間（低回転まで）フューエルカットが持続されることから、フューエルカット中に酸素飽和状態になることが多い。この場合、フューエルカット直後に運転条件の都合で空燃比がリーンになると、排気中の過剰酸素を触媒が吸収できず、多量のＮＯｘが触媒下流に排出されてしまう。よってこのようなフューエルカット直後のリーン運転に備えて、できるだけ早く、幾らかでも触媒から酸素を放出させるよう、リッチ制御が行われる。

ところが、こうすると、酸素吸蔵容量計測前の待ち時間中にリッチ制御が行われ、このリッチ制御により触媒から酸素が少量だが放出されてしまう。よって待ち時間後に劣化診断用のリッチ制御を行って触媒から酸素を完全に放出させても、待ち時間中のリッチ制御で放出された分だけ、放出酸素量が少なく計測されてしまう。よって、触媒の酸素吸蔵容量としては真の値より少ない値が計測されてしまい、触媒の酸素吸蔵能が真の能力より低く見積もられてしまう。とりわけ、正常と劣化との境目（クライテリア）付近にありながらなお正常である触媒については、誤って劣化と誤診断してしまう可能性すらある。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、フューエルカット終了直後のリッチ制御により触媒から酸素が放出されてしまうことに起因する誤計測、誤診断を防止し得る内燃機関の触媒劣化診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
内燃機関におけるフューエルカットの終了後の所定のタイミングから空燃比をリッチに制御し、このリッチ制御中に前記触媒から放出される酸素量を計測する第１の計測手段と、
前記フューエルカットの終了時から前記所定のタイミングまでの間に空燃比をリッチに制御するフューエルカット直後リッチ制御手段と、
前記第１の計測手段によって計測された放出酸素量を補正すべく、前記フューエルカット直後リッチ制御手段によるリッチ制御中に前記触媒から放出される酸素量を計測する第２の計測手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置が提供される。

この第１の形態によれば、フューエルカット直後リッチ制御中の放出酸素量が第２の計測手段によって計測される。この計測された放出酸素量により、第１の計測手段によって計測された放出酸素量を補正することで、フューエルカット直後リッチ制御により放出、消費された酸素量を補填し、触媒の真の酸素吸蔵容量を計測することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記第２の計測手段は、前記フューエルカット直後リッチ制御手段によるリッチ制御における目標空燃比と、燃料噴射量とに基づき、前記放出酸素量を計測する
ことを特徴とする。

一般に、放出酸素量の計測には、触媒上流に設置された空燃比センサの出力が利用されるが、かかるフューエルカット直後リッチ制御中だと、センサ出力が未だリーンで復帰の最中であり、その出力を利用することができない。よってこの第２の形態では、センサ出力の代わりに、リッチ制御における目標空燃比と燃料噴射量との値を利用する。これにより放出酸素量を好適に計測することができる。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記第１の計測手段は、触媒上流の排気通路に配置された空燃比センサの出力に基づいて前記放出酸素量を計測し、
前記所定のタイミングは、前記空燃比センサの出力がリーン相当からストイキ相当に復帰した時点である
ことを特徴とする。

本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３のいずれかの形態において、
前記第１の計測手段によって計測された放出酸素量と、前記第２の計測手段によって計測された放出酸素量との和に基づいて、前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段が備えられる
ことを特徴とする。

これにより、第１の計測手段によって計測された放出酸素量を、第２の計測手段によって計測された放出酸素量で補正し、触媒の真の酸素吸蔵容量を求め、これに基づいて精度良く触媒の劣化診断を実行できる。

本発明によれば、フューエルカット終了直後のリッチ制御により触媒から酸素が放出されてしまうことに起因する誤計測、誤診断を防止しできるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した値の信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、理論空燃比を境に出力値が急変する特性を持つ。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆｓ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１に流入する触媒上流側の排気空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓになるように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比Ａ／Ｆｓに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより触媒１１に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

ここで、触媒１１についてより詳細に説明する。図２に示すように、触媒１１においては、図示しない担体基材の表面上にコート材３１が被覆され、このコート材３１に微粒子状の触媒成分３２が多数分散配置された状態で保持され、触媒１１内部で露出されている。触媒成分３２は主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなり、ＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯといった排ガス成分を反応させる際の活性点となる。他方、コート材３１は、排気ガスと触媒成分３２との界面における反応を促進させる助触媒の役割を担うと共に、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば二酸化セリウムＣｅＯ₂やジルコニアからなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリーンであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを敢えて理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数均等に分散配置されており、排気ガスと触媒成分３２との接触確率が高い状態に維持されている。しかしながら、触媒１１が劣化してくると、一部の触媒成分３２に消失が見られるほか、触媒成分３２同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある（図の破線参照）。こうなると排気ガスと触媒成分３２との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。そしてこのほかに、触媒成分３２の周囲に存在するコート材３１の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体が低下する。

このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。そこで本実施形態では、触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより触媒１１の劣化度を検出することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、現状の触媒１１が吸蔵し得る最大酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O₂ Strage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

以下、本実施形態における触媒劣化診断について説明する。

本実施形態では、内燃機関１におけるフューエルカットの終了後の所定のタイミングから混合気ひいては排気ガスの空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ）をリッチに制御し、このリッチ制御中に、触媒１１から放出される酸素量を計測する。以下、ここにいうリッチ制御及び放出酸素量計測をそれぞれ「主リッチ制御」及び「主計測」と称す。

図３に本実施形態の劣化診断の内容を示す。（Ａ）はフューエルカット（Ｆ／Ｃ）フラグのオンオフ状態を示し、Ｆ／Ｃフラグオンのとき内燃機関１に対する燃料噴射を停止するフューエルカットが実行され、Ｆ／Ｃフラグオフのときフューエルカットが停止される。（Ｂ）は触媒前センサ１７の出力値の変化を示し、より具体的には触媒前センサ１７の出力値を触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒに換算した値を示す。（Ｃ）は触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒの変化を示す。（Ｄ）は、前記主計測によって計測される触媒からの放出酸素量ＯＳＡａ（ｇ）を示す。（Ｅ）は、前記主リッチ制御前のＦ／Ｃ直後リッチ制御の最中に計測される触媒からの放出酸素量ＯＳＡｂ（ｇ）を示す。以下、ここにいう放出酸素量の計測を「補計測」と称す。（Ｆ）は、最終的な触媒の酸素吸蔵容量に対応する放出酸素量ＯＳＡａ、ＯＳＡｂの和、即ち合計放出酸素量ＯＳＡａｂ（ｇ）を示す。

図３を参照して、所定のフューエルカット実行条件が成立するとＦ／Ｃフラグオンがオンとなり、フューエルカットが開始される（時刻ｔ１）。このフューエルカット実行条件は例えば１）アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度が略全閉であること、２）クランク角センサ１４の出力に基づいて計算されるエンジン回転速度が、所定のアイドル速度Ｎｉより若干高い所定速度Ｎｆｃより高くなっていること、の二条件を満たしたときに成立する。Ｆ／Ｃフラグオンがオンとなると、ＥＣＵ２０は直ちにインジェクタ１２の通電を停止して燃料噴射を停止し、フューエルカットを開始する。

フューエルカットの実行により排気通路及び触媒には吸入空気がそのまま流され、触媒前空燃比はリーン側の無限大の値となる。従って触媒前センサ１７の出力は、フューエルカットの開始直後にリーン側に変化して上限値に張り付き、その上限値に対応した空燃比を指し示すこととなる。

フューエルカットの実行中は触媒１１に空気が流されるので、触媒１１には空気中の酸素が徐々に吸蔵されていく。そしてやがて、この吸蔵は飽和状態に達する。

その後、フューエルカット実行条件が解除されてＦ／Ｃフラグがオフになると、この時点でフューエルカットが終了される（時刻ｔ２）。これと同時に、混合気の空燃比をストイキよりリッチにするＦ／Ｃ直後リッチ制御が開始される。即ち、ＥＣＵ２０において、内部値としての目標空燃比がストイキよりリッチ側の所定空燃比に設定され、この目標空燃比相当の燃料がインジェクタ１２から噴射される。目標空燃比をＡ／Ｆｔ、エアフローメータ５で検出された吸入空気量をＧａとすると、燃料噴射量ＱはＱ＝Ｇａ／（Ａ／Ｆｔ）で表される。

このＦ／Ｃ直後リッチ制御は、前述したように、エミッションからの要求に基づいて行われるものである。即ち、フューエルカット中に触媒が酸素飽和状態となり、フューエルカット終了直後に運転条件の都合で空燃比がリーンになると、排気中の過剰酸素を触媒が吸収できず、多量のＮＯｘが排出されてしまうからである。このようなＦ／Ｃ直後リッチ制御を行っておけば、触媒から幾分酸素を放出させておくことができ、かかるリーン運転にも対応が可能である。このＦ／Ｃ直後リッチ制御は、劣化診断の有無に拘わらずＦ／Ｃ後常に行われる制御である。この制御は触媒前センサ１７の出力を用いないフィードフォワード制御である。Ｆ／Ｃ直後リッチ制御では、例えば、所定の基準タイミングにおいてストイキ相当の燃料噴射量が噴射され、これとは別の所定のタイミングで、余剰の燃料噴射量が噴射される。この余剰燃料の噴射については、噴射タイミングが基準タイミングと一致ないし同期しないことから、非同期噴射と称される。一般的にはかかるＦ／Ｃ直後リッチ制御は行われず、ストイキ相当の燃料噴射制御が行われることの方が多い。

このＦ／Ｃ直後リッチ制御の開始に伴って、混合気の空燃比は即座にリッチにされるが、触媒前センサ１７の出力は遅れ、たとえ実際の触媒前空燃比がリッチとなっていても、即座にそのリッチ空燃比に対応した値にはならない。触媒前センサ１７の出力は、Ｆ／Ｃ終了時点（ｔ２）でのリーン側上限値から、徐々にリッチ側に移行する。そしてその触媒前センサ出力が、ストイキ空燃比相当の値に達した時点（時刻ｔ３）で、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御が終了され、同時に主リッチ制御が開始される。なお、劣化診断時以外はこの時点で目標空燃比をストイキとしたストイキフィードバック制御が開始される。

主リッチ制御では、ＥＣＵ２０において、目標空燃比がストイキよりリッチ側の所定空燃比（例えば１３．５）に設定され、触媒前センサ１７で検出された実際の空燃比がこの目標空燃比に一致するように、燃料噴射量が制御される。即ち、この主リッチ制御は、触媒前センサ１７の検出値に基づくフィードバック制御である。もっともフィードバック制御が行われても、図示の如く、触媒前センサ１７で検出された実際の空燃比は目標空燃比に対し振れることもある。主リッチ制御の目標空燃比は、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御の目標空燃比と同じでもよいし、異なってもよい。

主リッチ制御が実行されると、触媒にはリッチガスが流され、触媒１１に吸蔵されていた酸素は徐々に放出されていく。このとき排気ガス中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）と放出酸素との間で酸化反応が起こるので、触媒１１の下流にはリッチガスが流出しない。やがて触媒から酸素が放出され尽くすと、リッチガスが触媒下流に流出するようになるので、触媒下流の触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転する（時刻ｔ４）。即ち、触媒後センサ出力はリーン側からリッチ側に移動して所定のリッチ判定値ＶｒｒＲに達する。この時点で主計測が終了され、同時に、主リッチ制御が終了されて目標空燃比がストイキに切り替えられ、通常のストイキフィードバック制御に移行する。

このように、フューエルカット終了後、エミッション目的のＦ／Ｃ直後リッチ制御と、診断目的の主リッチ制御という二つのリッチ制御が続けて連続的に行われる。従来、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御は行われず、その代わりに単に成り行きでストイキ相当の燃料噴射が行われるに過ぎなかった。そして酸素吸蔵容量の計測は主リッチ制御の最中にのみ行われていた。しかし、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御が行われるようになると、これにより触媒の吸蔵酸素が消費され、主計測で計測される酸素吸蔵容量が低下してしまう。よってその酸素消費分を補填するのが本実施形態の目的であり、本実施形態では、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御中の放出酸素量を計測し、これで主計測値を補正する。

主計測では、図３（Ｄ）に示すように、放出酸素量ＯＳＡａが所定周期毎に順次積算されていく。なお触媒における吸蔵可能な酸素量と放出可能な酸素量とは等しいとみなせるので、放出酸素量を調べることで触媒の酸素吸蔵容量を把握できる。

より詳しくは、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当に達した時点ｔ３から、放出酸素量ＯＳＡａの計測が開始される。主リッチ制御により触媒にはリッチガスが供給され、触媒に吸蔵されていた酸素が徐々に放出される。この放出酸素によって排気ガス中のＣＯ，ＨＣといったリッチ成分が酸化され、触媒下流にはリッチ成分が排出されない。よって図３（Ｃ）に示すように、暫くの間、触媒後センサ１８の出力はリッチ側に反転しない。

１周期の放出酸素量ｄＯＳＡａが次式（１）により算出され、この１周期の値が周期毎に積算されていく。

Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆａに燃料噴射量Ｑを乗じると不足分の空気量を計算できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。

主計測を継続すると、やがて触媒から吸蔵酸素が放出され尽くし、排気ガス中のリッチ成分の酸化ができなくなって、触媒の下流側にリッチ成分が漏れ出すようになる。すると、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に変化（反転）し始め、やがてリッチ判定値ＶｒｒＲに達する（時刻ｔ４）。これにより主計測即ち放出酸素量ＯＳＡａの積算が終了し、最終的な積算値が主計測値となる。

一方、主計測前の補計測においては、図３（Ｅ）に示すように、放出酸素量ＯＳＡｂが所定周期毎に順次積算されていく。より詳しくは、Ｆ／Ｃフラグがオンからオフに切り替わった時点ｔ２から、放出酸素量ＯＳＡｂの計測が開始される。Ｆ／Ｃ直後リッチ制御によっても触媒にはリッチガスが供給され、触媒に吸蔵されていた酸素が徐々に放出される。触媒に既に吸蔵されている酸素量に比べ放出酸素量が著しく少ないので、触媒後センサ１８の出力はリッチ側に反転しない。

１周期の放出酸素量ｄＯＳＡｂが次式（２）により算出され、この１周期の値が周期毎に積算されていく。

（Ａ／Ｆｓ−Ａ／Ｆｔ）はストイキ空燃比から目標空燃比を減じて得られる差であり、リッチ制御中なので、目標空燃比はストイキ空燃比より低い値となる。よってその差は正の値となり、その差に燃料噴射量を乗じることで不足分の空気量を計算できる。このように、補計測値の算出に当たって触媒前センサ出力は利用されず、代わりに、目標空燃比と燃料噴射量とに基づき補計測値が算出される。目標空燃比が低いほど、即ちリッチ側であるほど、差（Ａ／Ｆｓ−Ａ／Ｆｔ）が大きくなり、１周期当たりの放出酸素量ｄＯＳＡｂは多くなる。

このようにして補計測を継続すると、やがて触媒前センサ出力がストイキ相当に復帰する（時刻ｔ３）。これと同時にＦ／Ｃ直後リッチ制御と放出酸素量ＯＳＡｂの積算が終了し、最終的に得られた積算値が補計測値となる。

図３（Ｆ）に示すように、主計測値ＯＳＡａと補計測値ＯＳＡｂとの合計の放出酸素量ＯＳＡａｂがＥＣＵ２０により周期的に計算される。この合計放出酸素量ＯＳＡａｂの最終値が、求めるべき酸素吸蔵容量ＯＳＣの値となる。こうして、主計測値ＯＳＡａが補計測値ＯＳＡｂによって補正されることとなる。

こうして触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測されたならば、次にこの酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。そして、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒は劣化というように、触媒の劣化判定がなされる。なお、触媒が劣化と判定された場合には、その事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置を起動させるのが好ましい。

図４は本実施形態の効果を示す試験結果である。横軸にはＦ／Ｃ直後リッチ制御の目標空燃比がとってあり、縦軸には最終的な触媒の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣがとってある。黒丸で示すように、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御中の補計測値ＯＳＡｂを加算しない場合、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御の目標空燃比がよりリッチ側であるほど、主計測前の放出酸素量が増え、最終的な酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが減少する。しかしながら、白丸で示すように、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御中の補計測値ＯＳＡｂを加算した場合、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御の目標空燃比に拘わらず、ほぼ一定の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを得られる。つまりＦ／Ｃ直後リッチ制御中のリッチ度合いに応じた補正を行い、真の触媒酸素吸蔵容量を計測することが可能となる。よって、クライテリア付近の正常触媒に対して、誤って劣化と誤診断することも防止できる。

図５には、以上で説明したような触媒劣化診断のルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により所定周期で繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１において、診断許可フラグがオンであり、且つ診断終了フラグがオフであるか否かが判断される。診断許可フラグは例えば以下の条件が全て満たされたときにオンとなる。
１）触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が活性温度にある。
２）触媒１１が活性温度にある。
３）Ｆ／Ｃフラグがオフである。
４）Ｆ／Ｃ中に触媒１１が飽和状態まで酸素を吸蔵している。

例えば、１）の条件は、両センサについて素子温度に相関する素子インピーダンスを検出することで判断され、２）の条件は触媒１１の温度を推定又は検出することで判断され、４）の条件はＦ／Ｃ中の吸入空気量積算値に基づき判断される。診断終了フラグは、診断が実質的に終了した後の後述のステップＳ１１０でオンされ、それ以外はオフである。

かかるフラグ条件が不成立のときはルーチンが即座に終了となる。他方、フラグ条件が成立のときは、ステップＳ１０２に進んで、現時点が、Ｆ／Ｃフラグオフ時（Ｆ／Ｃ終了時）から触媒前センサ出力がストイキ相当に復帰するまでの間の期間、即ち主計測前の待ち時間（図３のｔ２〜ｔ３の間）の最中であるか否かが判断される。

現時点が待ち時間中であれば、ステップＳ１０３に進んで、Ｆ／Ｃ直後リッチ制御が実行される。また、目標空燃比Ａ／Ｆｔと燃料噴射量Ｑに基づき、前記（２）式に従って放出酸素量ＯＳＡｂが算出、積算され、補計測が実行される。

他方、現時点が待ち時間中でなければ、ステップＳ１０４に進んで、主リッチ制御が実行される。また、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒと燃料噴射量Ｑに基づき、前記（１）式に従って放出酸素量ＯＳＡａが算出、積算され、主計測が実行される。

次に、ステップＳ１０５においては、これら放出酸素量ＯＳＡａ、ＯＳＡｂが加算され、合計放出酸素量ＯＳＡａｂが算出される。なお、図３（Ｄ）〜（Ｆ）に示すように、補計測実行中は主計測値ＯＳＡａがゼロなので、合計放出酸素量ＯＳＡａｂは補計測値ＯＳＡｂに等しくなる。主計測実行中は、最終的な補計測積算値ＯＳＡｂに、その時々の主計測値積算値ＯＳＡａが加算されて合計放出酸素量ＯＳＡａｂが算出される。

この後、ステップＳ１０６においては、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転したか否か、即ち触媒後センサ１８の出力Ｖｒｒがリッチ判定値ＶｒｒＲ以上になったか否かが判断される。

触媒後センサ１８の出力がリッチ反転していない場合、ルーチンが終了される。他方、触媒後センサ１８の出力がリッチ反転した場合、ステップＳ１０７にて、最終的な合計放出酸素量ＯＳＡａｂが劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。

合計放出酸素量ＯＳＡａｂが劣化判定値ＯＳＣｓより大きい場合、ステップＳ１０９にて触媒は正常と判定される。他方、合計放出酸素量ＯＳＡａｂが劣化判定値ＯＳＣｓ以下の場合、ステップＳ１０８にて触媒は劣化と判定される。

最後に、ステップＳ１１０にて、診断終了フラグがオン、診断許可フラグがオフとされ、ルーチンが終了される。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、内燃機関の用途や形式は任意であり、例えば車両用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。触媒後センサに触媒前センサと同様の広域空燃比センサを用いてもよいし、触媒前センサに触媒後センサと同様のＯ₂センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサやＯ₂センサを含め、広く、排気空燃比を検出するセンサを本発明にいう空燃比センサとする。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 本実施形態の触媒劣化診断を説明するためのタイムチャートである。 本実施形態の効果を示す試験結果である。 触媒劣化診断を実行するルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気管
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＡａ 主リッチ制御中の放出酸素量
ＯＳＡｂ Ｆ／Ｃ直後リッチ制御中の放出酸素量
ＯＳＡａｂ 合計放出酸素量
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
Ｑ 燃料噴射量

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
   内燃機関におけるフューエルカットの終了後の所定のタイミングから空燃比をリッチに制御し、このリッチ制御中に前記触媒から放出される酸素量を計測する第１の計測手段と、
   前記フューエルカットの終了時から前記所定のタイミングまでの間に空燃比をリッチに制御するフューエルカット直後リッチ制御手段と、
   前記第１の計測手段によって計測された放出酸素量を補正すべく、前記フューエルカット直後リッチ制御手段によるリッチ制御中に前記触媒から放出される酸素量を計測する第２の計測手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
2. 前記第２の計測手段は、前記フューエルカット直後リッチ制御手段によるリッチ制御における目標空燃比と、燃料噴射量とに基づき、前記放出酸素量を計測する
   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。
3. 前記第１の計測手段は、触媒上流の排気通路に配置された空燃比センサの出力に基づいて前記放出酸素量を計測し、
   前記所定のタイミングは、前記空燃比センサの出力がリーン相当からストイキ相当に復帰した時点である
   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。
4. 前記第１の計測手段によって計測された放出酸素量と、前記第２の計測手段によって計測された放出酸素量との和に基づいて、前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段が備えられる
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。

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