JP2009264184A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒間空燃比ばらつきに起因した誤診断を防止する。
【解決手段】多気筒内燃機関の排気通路に配置された触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを計測し、この計測値を劣化判定値ＯＳＣｓと比較して触媒の劣化診断を行う装置において、気筒間の空燃比ばらつき度合いに関するパラメータ（インバランス割合）を検出し、この検出値に基づき酸素吸蔵容量計測値又は劣化判定値を補正する。空燃比ばらつきに起因する酸素吸蔵容量計測値の低下分を補償し、正常な触媒を誤って劣化とする誤診断を防止できる。
【選択図】図７

Description

本発明は、触媒の劣化を診断するための装置に係り、特に、多気筒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ための装置に関する。

例えば車両用の内燃機関において、その排気系には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。この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。例えばガソリンエンジンで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、酸素吸蔵能を有する三元触媒を使用すると、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蔵・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、触媒が劣化すると触媒の浄化効率が低下する。一方、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、燃焼室内の混合気ひいて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切り替え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の実行に伴って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。

例えば特許文献１には、かかるＣｍａｘ法を採用する触媒劣化診断装置において、触媒下流に設置した酸素センサの異常をも考慮するものが開示されている。

特開２００６−１８３５９１号公報

ところで、本発明者らは、鋭意研究の結果、多気筒内燃機関において気筒間の空燃比ばらつきが発生すると、触媒の酸素吸蔵容量計測値が低下することを新たに見出した。従ってこのような空燃比ばらつきを考慮せずに触媒の劣化診断を行うと、正常な触媒に対して劣化と誤診断する可能性がある。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、誤って劣化と誤診断してしまわないようにする必要がある。

そこで本発明は、かかる実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、気筒間空燃比ばらつきに起因した誤診断を未然に防止し得る触媒劣化診断装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
多気筒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、
前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記酸素吸蔵容量の計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
気筒間の空燃比ばらつき度合いに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
前記インバランスパラメータの検出値に基づき、前記酸素吸蔵容量の計測値又は前記劣化判定値を補正する補正手段と
を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

これによれば、インバランスパラメータの検出値に基づき酸素吸蔵容量計測値又は劣化判定値が補正され、補正された酸素吸蔵容量計測値と劣化判定値との比較、又は酸素吸蔵容量計測値と補正された劣化判定値との比較により、触媒の劣化が判定される。空燃比ばらつきの影響を無くすように酸素吸蔵容量計測値又は劣化判定値が補正されるので、空燃比ばらつきに起因した誤診断を未然に防止することが可能となる。

好ましくは、前記補正手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記酸素吸蔵容量の計測値をより増大側に補正するか、又は前記劣化判定値をより減少側に補正する。

本発明者らの研究結果によれば、空燃比ばらつき度合いが増大するほど酸素吸蔵容量計測値が低下することが判明した。そこで空燃比ばらつき度合いの増大方向にインバランスパラメータが変化するにつれ、酸素吸蔵容量計測値をより増大側に補正するか、又は劣化判定値をより減少側に補正すれば、空燃比ばらつき度合いに応じた適切な補正を実行することができ、空燃比ばらつきに起因した誤診断を一層確実に防止することが可能となる。

好ましくは、前記パラメータ検出手段は、前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサの出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づき、前記インバランスパラメータを算出する。

気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど、触媒前空燃比センサ出力の変動及び振幅が大きくなり、触媒前空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積が増大する。そこでこの相関性を利用し、触媒前空燃比センサ出力の軌跡長又は軌跡面積に基づいてインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
前記パラメータ検出手段が、
前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサと、
前記触媒の下流側に配置された触媒後空燃比センサと、
前記触媒前空燃比センサにより検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるような主空燃比制御及び前記触媒後空燃比センサにより検出された空燃比を前記目標空燃比に一致させるような補助空燃比制御を実行する空燃比制御手段であって、前記触媒後空燃比センサの出力に基づき前記補助空燃比制御のための制御量を算出する空燃比制御手段と、
前記算出された制御量に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
を備える。

気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど補助空燃比制御における制御量が、空燃比をよりリッチ側に補正するような増大側の値に変化するという特性がある。よってこの特性を利用し、当該制御量に基づきインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
前記パラメータ検出手段が、
前記触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量を検出する手段と、
前記検出された吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
を備える。

気筒間空燃比ばらつきが発生すると、吸蔵酸素量と放出酸素量の対称関係が崩れ、一方に対し他方が大きくなる。よってこのことを利用し、吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づきインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記インバランスパラメータがインバランス割合からなり、当該インバランス割合が式：ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ（但し、ＩＢはインバランス割合、Ｑｉｂはインバランス気筒の燃料噴射量、Ｑｓはバランス気筒の燃料噴射量）により表される。

このインバランス割合は、気筒間空燃比ばらつきに関するパラメータ即ちインバランスパラメータとして特に好適である。

本発明によれば、気筒間空燃比ばらつきに起因した誤診断を未然に防止できるという、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、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。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内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は自動車用の多気筒内燃機関であり、より具体的には並列４気筒の火花点火式内燃機関即ちガソリンエンジンである。但し本発明が適用可能な内燃機関はこのようなものに限られず、多気筒内燃機関であれば気筒数、形式等は特に限定されない。

図示しないが、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と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。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４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、電子制御式のスロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、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の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、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排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる触媒１１，１９が直列に取り付けられている。上流触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前空燃比センサ１７及び触媒後空燃比センサ１８が設置されている（以下、それぞれを単に触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８という）。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前及び直後の位置の排気通路に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。このように上流触媒１１の上流側の排気合流部に単一の触媒前センサ１７が設置されている。

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１６、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。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

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ある。図２には触媒前センサ１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、検出した排気空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）に比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比がストイキであるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）であり、このストイキを境に空燃比−電圧特性の傾きが変化する。

他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図３には触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒはストイキを境に過渡的に変化し、排気空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）がストイキよりリーンのときには０．１Ｖ程度の低い電圧を示し、排気空燃比がストイキよりリッチのときには０．９Ｖ程度の高い電圧を示す。これらのほぼ中間の電圧Ｖｒｅｆｒ＝０．４５Ｖをストイキ相当値とし、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより高いときには排気空燃比はストイキよりリッチ、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより低いときには排気空燃比はストイキよりリーンというように、排気空燃比を検出している。

上流触媒１１及び下流触媒１９は、それぞ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／Ｆ＝１４．６）近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。加えて、上流触媒１１及び下流触媒１９は、排気中に混入する水素Ｈ₂も酸化（燃焼）して浄化する。

上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比制御がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ１７によって検出された排気空燃比を所定の目標空燃比であるストイキに一致させるような主空燃比制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ１８によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。

一方、本実施形態では、特に車載状態（オンボード；onboard）で、上流触媒１１の劣化を診断する装置が具備されている。ここで診断対象となる上流触媒１１について詳しく述べる。なお下流触媒１９も上流触媒１１と同様に構成されている。

図４に示すように、触媒１１においては、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／Ｆｆが理論空燃比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／Ｆｆを敢えて理論空燃比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、特にエミッションへの影響が大きい上流触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより、上流触媒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 Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

本実施形態の触媒劣化診断は前述のＣｍａｘ法によるものを基本とする。そして触媒１１の劣化診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御において、混合気の空燃比ひいては触媒前空燃比Ａ／Ｆｆは、所定の中心空燃比であるストイキを境にリッチ側及びリーン側にアクティブに（強制的に）交互に切り替えられる。このアクティブ空燃比制御実行中に触媒１１の吸蔵酸素量と放出酸素量とが複数ずつ計測され、その平均値が最終的な酸素吸蔵容量ＯＳＣとして求められる。そしてこの酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、ＯＳＣ＞ＯＳＣｓなら触媒１１は正常、ＯＳＣ≦ＯＳＣｓなら触媒１１は劣化と診断される。

なお、触媒１１の劣化診断は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度（触媒床温）の計測については、温度センサを用いて直接検出してもよいが、本実施形態の場合内燃機関の運転状態から推定することとしている。例えばＥＣＵ２０は、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａに基づいて、予め設定されたマップ等を利用し、触媒１１の温度Ｔｃを推定する。なお、吸入空気量Ｇａ以外のパラメータ、例えばエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）などを触媒温度推定に用いるパラメータに含めてもよい。アクティブ空燃比制御時には目標空燃比Ａ／Ｆｔをストイキよりリッチ又はリーンな値とする主空燃比制御のみが行われており、補助空燃比制御は行われない。

吸蔵酸素量と放出酸素量との計測について図５を参照しつつ説明する。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ（破線）と、触媒前センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ（実線）を示す。また（Ｂ）は触媒後センサ出力電圧Ｖｒを示す。（Ｃ）は触媒１１から放出された酸素量即ち放出酸素量ＯＳＡａの積算値を示し、（Ｄ）は触媒に吸蔵された酸素量即ち吸蔵酸素量ＯＳＡｂの積算値を示す。

図示するように、アクティブ空燃比制御の実行により、触媒に流入する排気ガスの空燃比は所定のタイミングで強制的にリーン及びリッチに交互に切り替えられる。例えば時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリーン（例えば１５．１）に設定され、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸収し続け、排気中のリーン成分（ＮＯｘ）を還元して浄化するが、飽和状態即ち満杯まで酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転し、触媒後センサ１８の出力がストイキ相当値Ｖｒｅｆｒに達する（時刻ｔ１）。この時点で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリッチ（例えば１４．１）に切り替えられる。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入される。このとき触媒１１では、それまで吸蔵していた酸素を放出し続け、排気中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）を酸化して浄化するが、やがて触媒１１から全ての吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比がリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力がストイキ相当値Ｖｒｅｆｒに達する（時刻ｔ２）。この時点で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に切り替えられる。このようにして、空燃比のリッチ・リーンへの切替えが繰り返し実行される。

（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の放出サイクルでは、極短い所定周期毎の放出酸素量ＯＳＡａが順次積算されていく。より詳しくは、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当値に達した時刻ｔ１１から、触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転した（Ｖｒｅｆｒに達した）時刻ｔ２まで、１演算周期毎の放出酸素量ｄＯＳＡ（ｄＯＳＡａ）が次式（１）により計算され、この１演算周期毎の値が周期毎に積算されていく。こうして１放出サイクルで得られた最終的な積算値が、触媒の酸素吸蔵容量に相当する放出酸素量ＯＳＡａの計測値となる。

Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じると過剰又は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。

時刻ｔ２〜ｔ３の吸蔵サイクルでも同様に、（Ｄ）に示すように、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当値に達した時刻ｔ２１から、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転した（Ｖｒｅｆｒに達した）時刻ｔ３まで、１演算周期毎の吸蔵酸素量ｄＯＳＡ（ｄＯＳＡｂ）が前式（１）により計算され、この１演算周期毎の値が周期毎に積算されていく。こうして１吸蔵サイクルで得られた最終的な積算値が、触媒の酸素吸蔵容量に相当する吸蔵酸素量ＯＳＡｂの計測値となる。こうして放出サイクルと吸蔵サイクルを繰り返すことにより、複数ずつの放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとが計測、取得される。

触媒が新品に近いほど、触媒が酸素を放出或いは吸蔵し続けることのできる時間が長くなり、大きな放出酸素量ＯＳＡａ或いは吸蔵酸素量ＯＳＡｂの計測値が得られる。また、原理上は、触媒が放出できる酸素量と吸蔵できる酸素量とが等しいので、放出酸素量ＯＳＡａの計測値と吸蔵酸素量ＯＳＡｂの計測値も等しい。

相隣接する一対の放出サイクルと吸蔵サイクルとで計測された放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとの平均値が求められ、これが１吸放出サイクルに係る１単位の酸素吸蔵容量の計測値とされる。そして複数の吸放出サイクルについて複数単位の酸素吸蔵容量計測値が求められ、その平均値が最終的な酸素吸蔵容量の計測値として算出される。なお、より単純に、複数の放出酸素量ＯＳＡａの平均値と複数の吸蔵酸素量ＯＳＡｂの平均値との平均値を最終的な酸素吸蔵容量計測値としてもよい。

次に、この酸素吸蔵容量計測値を用いて触媒の劣化判定がなされる。即ち、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒は劣化と判定される。なお、触媒が劣化と判定された場合、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。

ところで、例えば全気筒のうちの一部の気筒のインジェクタ１２が劣化或いは故障するなどして、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生したとする。例えば＃１気筒が他の＃２、＃３及び＃４気筒よりも燃料噴射量が多くなり、その空燃比がリッチ側にずれる場合等である。こうした場合、気筒間空燃比ばらつきが無い場合に比べ、より少ない値の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが得られることが本発明者らの研究結果により判明した。

図６に示すように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、１エンジンサイクル間（＝７２０°ＣＡ）での排気空燃比の変動が大きくなる。（Ｂ）の空燃比線図ａ，ｂ，ｃはそれぞればらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス割合でリッチずれ、及び１気筒のみ５０％のインバランス割合でリッチずれの場合の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの検出値を示す。見られるように、ばらつきの程度が大きくなるほど、ストイキを中心とした空燃比変動の振幅が大きくなる。

ここでインバランス割合（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いに関するパラメータである。即ち、インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレを起こしている気筒（インバランス気筒）の燃料噴射量がどれくらいの割合で、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合をＩＢ、インバランス気筒の燃料噴射量をＱｉｂ、バランス気筒の燃料噴射量即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合ＩＢが大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつき度合いは大きい。

かかる排気空燃比の変動が生じると、アクティブ空燃比制御時に空燃比をリッチ又はリーンの目標値に制御していても、触媒に供給される実際のガスが微視的に見てリーン・リッチと変動するので、その影響で触媒後センサ１８の出力Ｖｒが空燃比ばらつきが無いときより早く反転してしまう。そしてその結果、空燃比ばらつきが無いときに比べ、より少ない値の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測されてしまう。こうなる理由は、インバランス気筒から極端にリッチ又はリーンのガスが排出されたとき、特に酸素の放出又は吸蔵終了直前において、触媒の反応速度がそのような極端にリッチ又はリーンのガスに追いつかず、リッチガス又はリーンガスが触媒下流に漏れ出して触媒後センサ出力Ｖｒがより早く反転するからと考えられる。

図７にはインバランス割合（％）と酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ（ｇ）との関係を示す。図示の結果は正常な触媒についてのものであり、図中の三角及び丸は、インバランス気筒を異なる気筒に設定したときのデータである。見られるように、インバランス割合が０％からずれるほど、即ち空燃比ばらつき度合いが大きくなるほど、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは低下する傾向にある。

そこで本実施形態では、インバランス割合を検出すると共にこの検出値に基づいて酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを補正し、この補正された酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを劣化判定値ＯＳＣｓと比較して、触媒１１の劣化を判定する。この補正により、空燃比ばらつきに起因した酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの低下分を補償し、本来の空燃比ばらつきが無いとした場合の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを得、診断時の誤判定、特に正常な触媒を誤って劣化とする誤判定を未然に防止することができる。

図７の結果によれば、空燃比ばらつき度合いが増大するほど、即ちインバランス割合が０％から離れるほど、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣがより低下する。そこで本実施形態では、インバランス割合が０％から離れるにつれ、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣをより増大側に補正する。これにより空燃比ばらつき度合いに応じた適切な補正を実行し、空燃比ばらつきに起因した誤判定を一層防止することが可能となる。

［インバランス割合の検出］
ここで、インバランス割合の検出について説明する。
まず、インバランス割合検出の第１の態様について説明する。図６に示したように、気筒間空燃比ばらつきの度合いが大きくなるほど、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの変動の振幅が大きくなる。そこで触媒前センサ１７の出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づきインバランス割合が検出される。空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長とは、図６に示すように、所定のサンプリング間隔Δ間における触媒前センサ出力の変化量ΔＡ／Ｆｆを所定時間Δｔ積算して得られる値である。また空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡面積とは、所定の基準値（本実施形態ではストイキ）と実際の空燃比センサ出力との差の絶対値ΔＡ／Ｆｆ’をサンプリング間隔Δ毎に所定時間Δｔ積算して得られる値である。空燃比ばらつき度合いが大きくなるほど、触媒前センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積が大きくなっていく。そこで当該軌跡長又は軌跡面積を計測し、予め定められたマップ又は関数を用いて、インバランス割合の値が求められる。なおここでは触媒前センサ出力として、触媒前センサ出力電圧Ｖｆを空燃比に換算して得られる触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの値を用いたが、触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｆ自身を直接用いてもよい。

次に、インバランス割合検出の第２の態様について説明する。この態様では、気筒間空燃比ばらつき度合いが大きくなるほど補助空燃比制御における制御量が、空燃比をよりリッチ側に補正するような増大側の値に更新されていくという特性を利用して、その制御量に基づきインバランス割合の値を検出する。

補助空燃比制御における制御量を取得する際には、ストイキをそれぞれ目標空燃比とする主空燃比制御及び補助空燃比制御が実行される。ここでこれら空燃比制御について説明する。

図８に空燃比制御のメインルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により１エンジンサイクル（＝７２０°クランク角）毎、もしくは所定のサンプリング間隔毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、燃焼室内混合気の空燃比をストイキとするような基本の燃料噴射量即ち基本噴射量Ｑｂが算出される。基本噴射量Ｑｂは例えば、エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａに基づき、式：Ｑｂ＝Ｇａ／１４．６により算出される。

ステップＳ１０２では触媒前センサ１７の出力（出力電圧）Ｖｆが取得される。ステップＳ１０３では、このセンサ出力Ｖｆとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆ（図２参照）との差、即ち触媒前センサ出力差ΔＶｆ＝Ｖｆ−Ｖｒｅｆｆが算出される。

ステップＳ１０４では、この触媒前センサ出力差ΔＶｆに基づき、図９に示したようなマップ（関数でもよい、以下同様）から主空燃比補正量（補正係数）Ｋｆが算出される。触媒前センサ出力差ΔＶｆ及び主空燃比補正量Ｋｆは、主空燃比制御のための制御量をなす。例えばゲインをＰｆとするとＫｆ＝Ｐｆ×ΔＶｆで表される。そしてステップＳ１０５では、図１０に示すような別ルーチンで設定された補助空燃比補正量Ｋｒの値が取得される。最後に、ステップＳ１０６にて、各気筒のインジェクタ１２から噴射すべき最終的な燃料噴射量即ち最終噴射量Ｑｆｎｌが式：Ｑｆｎｌ＝Ｋｆ×Ｑｂ＋Ｋｒにより算出される。

図９のマップによれば、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより大きい（ΔＶｆ＞０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、１に対しより大きな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより小さい（ΔＶｆ＜０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、１に対しより小さな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。こうして、触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比をストイキに一致させるような主空燃比フィードバック制御が実行される。

ステップＳ１０６で得られた最終噴射量Ｑｆｎｌの値は、全気筒に対し一律に用いられる。即ち、１エンジンサイクルもしくは所定のサンプリング間隔の間、最終噴射量Ｑｆｎｌに等しい量の燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射され、次のエンジンサイクルもしくはサンプリング間隔では新たに計算された最終噴射量Ｑｆｎｌの燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射される。

なお、周知のように、最終噴射量Ｑｆｎｌの算出に当たっては他の補正（水温補正、バッテリ電圧補正等）を追加することも可能である。

図１０には補助空燃比補正量の設定ルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期（例えば１６ミリ秒）で繰り返し実行される。

まずステップＳ２０１では、ＥＣＵ２０に装備されたタイマのカウントが実行され、ステップＳ２０２では、触媒後センサ１７の出力（出力電圧）Ｖｒが取得される。ステップＳ２０３では、このセンサ出力Ｖｒとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒ（図３参照）との差、即ち触媒後センサ出力差ΔＶｒ＝Ｖｒｅｆｒ−Ｖｒが算出され、この触媒後センサ出力差ΔＶｒが前回積算値に積算される。図１１には触媒後センサ出力差ΔＶｒとその積算の様子を示す。

ステップＳ２０４では、タイマ値が所定値ｔｓを超えたか否かが判断される。所定値ｔｓを超えていなければルーチンが終了される。

タイマ値が所定値ｔｓを超えている場合、ステップＳ２０５で、この時点での触媒後センサ出力差積算値ΣΔＶｒが、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇとして更新記憶される。そしてステップＳ２０６で、この触媒後センサ学習値ΔＶｒｇに基づき、図１２に示したようなマップから、補助空燃比補正量Ｋｒが算出され、この補助空燃比補正量Ｋｒが更新記憶される。触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒは、補助空燃比制御のための制御量をなす。例えばゲインをＰｒとするとＫｒ＝Ｐｒ×ΔＶｒｇで表される。最後に、ステップＳ２０７にて、触媒後センサ出力差積算値ΣΔＶｒ及びタイマがリセットされる。

触媒後センサ出力差ΔＶｒを所定時間ｔｓの間積算する理由は、触媒後センサ出力Ｖｒのストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒに対する時間平均的なズレ量を検知するためである。積算時間を規定する所定値ｔｓは１エンジンサイクル若しくは１サンプリング間隔より遙かに長い時間であり、よって触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒの更新は１エンジンサイクル若しくは１サンプリング間隔より遙かに長い周期で行われる。

図１２のマップによれば、触媒後センサ出力Ｖｒが時間平均的にストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒより小さい（ΔＶｒｇ＞０）ほど、即ち実際の触媒後空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、０に対しより大きな補正量Ｋｒが得られ、最終噴射量算出の際に基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒後センサ出力Ｖｒが時間平均的にストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒより大きい（ΔＶｒｇ＜０）ほど、即ち実際の触媒後空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、０に対しより小さな補正量Ｋｒが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。こうして、触媒後センサ１８によって検出された触媒後空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比フィードバック制御が実行される。触媒前センサ１７の劣化等の理由で主空燃比フィードバック制御を実行してもその結果がストイキからズレることがあるので、このズレを補正する目的で、補助空燃比フィードバック制御が実行される。

ところで、インジェクタ等の燃料供給系やエアフローメータ等の空気系に全気筒に影響を及ぼすような異常が発生し、全気筒の空燃比が等しく一律にズレた場合、主空燃比制御によってそのズレを解消できる。例えば、燃料噴射量が全体的にストイキ相当量より＋５％ずれている（即ち、全ての気筒において燃料噴射量がストイキ相当量より＋５％ずつずれている）と、主空燃比制御におけるフィードバック補正量はその＋５％ズレを補正するような値、即ち−５％相当の補正量となり、これにより全気筒の空燃比ズレを解消できる。

一方、燃料供給系や空気系が全体的にずれているのではなく、気筒間にばらつきが発生している場合を考える。図１３は、１気筒（＃１気筒）のみが他の３気筒（＃２〜＃４気筒）よりも空燃比リッチ側にずれている場合を示す。例えば、＃１気筒のインジェクタに異常が発生し、＃１気筒の燃料噴射量がストイキ相当量から大きく２０％ずれており、他方、＃２〜＃４気筒では正常で、燃料噴射量がストイキ相当量であるとする。このときトータルで見れば２０％のずれであり（２０＋０＋０＋０＝２０）、これは、全気筒が５％ずつずれているときと同じとなるはずである（５＋５＋５＋５＝２０）。

しかし、１気筒のみ大きくリッチ側にずれているときの方が、全気筒で少なく均等にリッチ側にずれているときよりも、燃焼室から発生する水素量が多くなる。そしてこの水素量が多くなった分、排気中の酸素濃度が減少することから、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、１気筒のみずれているときの方が全気筒均等にずれているときよりもリッチ側にずれることとなる。

図１４には、ストイキ相当量を基準噴射量Ｑｓとした場合のある１気筒におけるインバランス割合（％）と、当該１気筒の燃焼室で発生する水素量（ｇ）との関係を示す。図示するように、インバランス割合が増加するほど、発生水素量は二次関数的に増加する。よって１気筒のみリッチ側に２０％ずれた場合の方が、全気筒が５％ずつずれた場合よりトータルでの発生水素量が多くなり、触媒前センサ出力Ｖｆはよりリッチ側の値を示すようになる。

トータルとして同等のずれであっても、気筒間に空燃比ばらつきのある場合の方が、全体がずれている場合よりもエミッションが悪化する。例えば後者で、全気筒が５％ずつずれている場合には、例えば主空燃比フィードバック制御で−５％の補正を行えば、全気筒一律に５％ずれを解消することができる。しかし前者で、１気筒のみ２０％ずれている場合には、主空燃比フィードバック制御で−５％の補正をしても、＃１気筒＝１５％、＃２気筒＝−５％、＃３気筒＝−５％、＃４気筒＝−５％のずれとなり、トータルではズレが解消しているように見えるが（１５＋（−５）＋（−５）＋（−５）＝０）、気筒別に見ればズレているのであり、よって気筒単位でエミッションが悪化する。

一方、主空燃比フィードバック制御では、トータルとしての触媒前空燃比を検出してこれをストイキとするよう制御するため、主空燃比フィードバック制御の補正量からは、気筒間空燃比ばらつきが発生していることを検出することができない。つまり気筒間空燃比ばらつきが発生していても、トータルでのズレ量がゼロであれば補正量もゼロとなり、見掛け上はあたかも主空燃比フィードバック制御が問題なく正常に行われているように見えてしまう。

そこで、気筒間空燃比ばらつきがある場合に全体がずれている場合よりも水素量が多くなり、触媒前センサ出力Ｖｆがリッチ側にずれるという特性を利用して、以下のようにしてインバランス割合を検出することとしている。

排気中に水素が含まれている場合、この排気に触媒を作用させることにより、排気中の水素を酸化（燃焼）して浄化することができる。そして、触媒を通過せず水素が浄化されていない排気の空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）を触媒前センサ１７で検出し、触媒を通過し水素が浄化された排気の空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）を触媒後センサ１８で検出する。触媒前センサ１７で検出された空燃比は、触媒後センサ１８で検出された空燃比よりも、水素の影響でリッチ側にずれる。逆に言えば、触媒後センサ１８で検出された空燃比は、触媒前センサ１７で検出された空燃比よりも、水素の影響でリーン側にずれる。そこでこのリーン側へのずれ（乖離）状態に基づき、インバランス割合が検出される。

分かり易くいうと、触媒後センサ１８で検出された空燃比が真の排気空燃比と言えるものであり、触媒前センサ１７で検出された空燃比は、真の排気空燃比に水素分が加わって見掛け上リッチにずれた排気空燃比である。言ってしまえば、触媒前センサ１７が騙されているのである。一部気筒の残部気筒に対する空燃比リッチずれ量が多いほど、水素分は二次関数的に多くなる。よって触媒後センサ１８の検出空燃比に対する触媒前センサ１７の検出空燃比のリッチ側へのズレ量、即ち触媒前センサ１７の検出空燃比に対する触媒後センサ１８の検出空燃比のリーン側へのズレ量に基づき、インバランス割合を検出できるのである。

図１３に示すように、例えば＃１気筒のみでインジェクタに異常が発生し、＃１気筒の空燃比が他の＃２〜＃４気筒の空燃比より大きくリッチ側にずれているとする。このとき主空燃比フィードバック制御が実行されているので、全気筒の排ガスが合流した後のトータルの排ガスの空燃比は、図１３（Ａ）に示すように、ストイキ近傍に制御されている。即ち、触媒前センサ出力Ｖｆはストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆの近傍となっている。しかしながら、＃１気筒の空燃比はストイキより大きくリッチであり、＃２〜＃４気筒の空燃比はストイキよりリーンであり、全体のバランスとしてストイキ近傍になっているに過ぎない。しかも＃１気筒から水素が多量に発生される結果、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、真の空燃比よりもリッチ側にずれた空燃比を誤ってストイキとして表示している。

他方、水素を含む排ガスが触媒１１を通過すると、水素が浄化されてその影響が取り除かれる。従って、図１３（Ｂ）に示すように、触媒後センサ１８の出力Ｖｒは、真の空燃比、即ちストイキよりリーンの空燃比を表示することとなる。即ち、触媒後センサ出力Ｖｒはストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒよりリーン側の低い値となる。

別の見方をすると、例えば全体で２５という触媒前空燃比検出値のリッチズレを補正するため、主空燃比フィードバック制御で−２５のリーン補正を行い、触媒前空燃比検出値のリッチズレを０とする。しかし、２５のうちの５は純粋な空燃比ずれではなく水素の影響によるもので、主空燃比フィードバック制御は５だけリーン側に補正しすぎである。よって触媒後空燃比はリーンに５だけずれる結果となる。

よって、主空燃比フィードバック制御により触媒前空燃比がストイキに制御されているにも拘わらず、触媒後センサ１８からは、ストイキよりリーンの触媒後空燃比が継続的に検出されるようになる（即ち、触媒後センサ出力がリーンに張り付く）。

なお、触媒後センサ１８がストイキよりリーンの排気空燃比を検出すると、補助空燃比フィードバック制御によるリッチ補正がなされ、燃料噴射量が全気筒一律に増量される。すると触媒前空燃比検出値のリッチずれはさらに大きくなり、触媒後空燃比はリーンに維持される。こうしてやがては、ばらつきの程度に見合った主空燃比補正量及び補助空燃比補正量に収束していく。

ところで、図１０〜図１２を用いて説明したように、補助空燃比フィードバック制御においては、所定時間毎に（即ち所定の更新速度で）、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇと補助空燃比補正量Ｋｒとが学習ないし更新される。ここで一部気筒のインジェクタの故障等により気筒間空燃比ばらつきが発生すると、触媒後センサ出力Ｖｒが継続的にリーンな値となるので、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒは、大きなリーンずれをストイキに戻すような大きな正の値となる。

これを示すのが図１５である。図１５は、インバランス割合と触媒後センサ学習値ΔＶｒｇとの関係を調べた試験結果である。インバランス割合はリッチずれのときが正、リーンずれのときが負である。図示するように、インバランス割合がリッチずれ方向に大きくなるほど、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇはより大きな値、即ち空燃比をよりリッチ側に補正するような値となる。なお、インバランス割合がリーンずれ方向に大きくなるときにも同様の傾向が見られる。

そこで、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇがばらつきの程度に見合った一定値に収束した後の触媒後センサ学習値ΔＶｒｇの値を取得し、この値と、図１５に類似の予め定められたマップから、インバランス割合の値が求められる。

なお、代替的に、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇに基づいて算出される補助空燃比補正量Ｋｒに基づいてインバランス割合の値を求めてもよい。

このインバランス割合検出方法によれば、触媒前後の空燃比センサに高い応答性が要求されず、高速のデータサンプルや処理能力の高いＥＣＵも不要である。また外乱に強く、ロバスト性が高く、機関運転条件やセンサ設置位置にも制約がない。従って非常に実用的であり、高精度な検出が可能である。

次にインバランス割合検出の第３の態様について説明する。図５を用いて説明したように、原理的には、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く、従ってアクティブ空燃比制御の実行に伴って計測される放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとは等しいはずである。つまり両者は対称の関係にある。ところが、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、この対称関係が崩れ、両者は非対称となる。即ち、触媒前センサ１７の出力は水素の影響で真の値よりリッチ側にずれた値である。このため触媒に実際に与えられている排気ガスの空燃比は、触媒前センサ１７で検出される見掛け上の空燃比より若干リーンである。よって、放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとの計測値は等しくならず、前者は後者より大きくなる。

よってこのことを利用してインバランス割合の検出を行う。即ち、放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとをそれぞれ計測すると共に、これら計測値の比Ｒ＝ＯＳＡａ／ＯＳＡｂを算出し、この比Ｒと、予め定められたマップから、インバランス割合の値が求められる。比Ｒが大きくなるほどインバランス割合も大きくなる。なお、比Ｒの代わりに両者の差（ＯＳＡａ−ＯＳＡｂ）を用いてもよいし、複数の放出酸素量ＯＳＡａの平均値と複数の吸蔵酸素量ＯＳＡｂの平均値とに基づいてこれら比又は差を算出してもよい。

上記第１〜第３の態様のほか、代替的に、触媒上流側の排気ガス中の水素濃度を水素濃度センサにより検出してその検出値に基づいてインバランス割合を検出しても良い。気筒間空燃比ばらつきが発生すると排気中水素濃度が急増し、インバランス割合と排気中水素濃度との間に相関関係が見られるからである。

［触媒劣化診断］
次に、図１６を参照しつつ、ＥＣＵ２０によりなされる触媒劣化診断処理について説明する。

まずステップＳ３０１では、診断を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件は、例えば、エンジンの暖機が終了しており、触媒前後のセンサ１７，１８が活性化しており、且つ上下流の触媒１１，１９が活性化しているときに成立となる。エンジン暖機終了の条件は例えば検出水温が所定値（例えば７５℃）以上となっていることである。触媒前後センサ活性化の条件は、ＥＣＵ２０により検出される両センサのインピーダンスがそれぞれ所定の活性温度相当の値になっていることである。上下流触媒活性化の条件は、両触媒の推定触媒温度が所定の活性温度になったことである。

前提条件が成立していない場合には、前提条件が成立するまで待機状態となる。他方、前提条件が成立した場合、ステップＳ３０２において酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。この酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測は、前記前提条件の成立に加え、エンジンが定常運転状態になっているときに実行される。例えば、検出された吸入空気量Ｇａと機関回転速度Ｎｅとの変動幅が所定範囲内にあるとき、エンジンが定常運転状態になっていると判断される。

次いでステップＳ３０３では、上述の第１〜第３の態様のいずれかに従って、インバランス割合ＩＢの値が検出、取得される。ここで第３の態様に従う場合、ステップＳ３０２で既に計測された放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂの値を流用することが可能である。例えば複数の放出酸素量の平均値ＯＳＡａ’と、複数の吸蔵酸素量の平均値ＯＳＡｂ’との比Ｒ＝ＯＳＡａ’／ＯＳＡｂ’に基づいて、インバランス割合ＩＢの値を求めることができる。

次いで、ステップＳ３０４に進み、検出されたインバランス割合ＩＢの値に対応した酸素吸蔵容量補正係数（以下ＯＳＣ補正係数という）Ｋ１の値が、図１７に示したような所定のマップから算出、取得される。このＯＳＣ補正係数Ｋ１は、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを補正すべく、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣに乗じられる補正値である。図１７に示すように、インバランス割合が０（％）のときはＯＳＣ補正係数Ｋ１が１で、実質的に補正は行われない。しかし、インバランス割合が０（％）からプラス側或いはマイナス側に離れるほど、ＯＳＣ補正係数Ｋ１は１よりも増加していき、結果的に酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣはより増大側に補正される。ＯＳＣ補正係数Ｋ１は、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを、空燃比ばらつきが無い（即ちインバランス割合が０（％））のときの値にするように予め設定されている。これにより補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣに気筒間空燃比ばらつきの影響が加味されるようになり、また、実際の空燃比ばらつき度合いに応じた酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの低下分を適切に補償することが可能となる。

次いでステップＳ３０５において、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣにＯＳＣ補正係数Ｋ１が乗じられて酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正され、即ち補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’＝Ｋ１・ＯＳＣが算出される。

次いでステップＳ３０６では、補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が劣化判定値ＯＳＣｓより大きい場合、ステップＳ３０７において上流触媒１１は正常と判定される。他方、補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が劣化判定値ＯＳＣｓ以下の場合、ステップＳ３０８において上流触媒１１は劣化と判定される。以上で診断処理が終了する。

［他の実施形態］
次に、他の実施形態について説明する。以下、前記実施形態との相違点を中心に説明を行う。

前記実施形態では、空燃比ばらつき度合いに応じた酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの低下分を補償するよう、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを増大側に補正した。これに対し、当該他の実施形態では、空燃比ばらつき度合いに応じた酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの低下分だけ、劣化判定値ＯＳＣｓを減少側に補正する。これによっても、空燃比ばらつきにより低下した酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが誤って劣化判定値ＯＳＣｓ以下となるのを防止でき、診断時の誤判定、特に正常な触媒を誤って劣化とする誤判定を未然に防止することができる。

以下、図１８を参照しつつ、ＥＣＵ２０によりなされる触媒劣化診断処理の別の例について説明する。

ステップＳ４０１〜Ｓ４０３は前記ステップＳ３０１〜Ｓ３０３と同様である。次のステップＳ４０４では、検出されたインバランス割合ＩＢの値に対応した劣化判定値補正係数Ｋ２の値が、図１９に示したような所定のマップから算出、取得される。この補正係数Ｋ２は、劣化判定値ＯＳＣｓを補正すべく、劣化判定値ＯＳＣｓに乗じられる補正値である。図１９に示すように、インバランス割合が０（％）のときは補正係数Ｋ２が１で、実質的に補正は行われない。しかし、インバランス割合が０（％）からプラス側或いはマイナス側に離れるほど、補正係数Ｋ２は１よりも減少していき、結果的に劣化判定値ＯＳＣｓはより減少側に補正される。劣化判定値補正係数Ｋ２は、空燃比ばらつき度合い（即ちインバランス割合の０（％）からのズレ量）に応じた酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの低下分だけ、劣化判定値ＯＳＣｓを減少するような値に予め設定されている。これにより補正後の劣化判定値ＯＳＣｓに気筒間空燃比ばらつきの影響が加味されるようになる。

次いでステップＳ４０５において、劣化判定値ＯＳＣｓに補正係数Ｋ２が乗じられて劣化判定値ＯＳＣｓが補正され、即ち補正後の劣化判定値ＯＳＣｓ’＝Ｋ２・ＯＳＣｓが算出される。

次いでステップＳ４０６では、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正後の劣化判定値ＯＳＣｓ’と比較される。酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正後の劣化判定値ＯＳＣｓ’より大きい場合、ステップＳ４０７において上流触媒１１は正常と判定される。他方、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正後の劣化判定値ＯＳＣｓ’以下の場合、ステップＳ４０８において上流触媒１１は劣化と判定される。以上で診断処理が終了する。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、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、上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンや両噴射方式を兼ね備えたデュアル噴射式エンジンにも、本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒前に広域空燃比センサを用い、触媒後にＯ₂センサを用いたが、例えば触媒後に広域空燃比センサを用いたり、触媒前にＯ₂センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサ及びＯ₂センサを含め、広く、排気の空燃比を検出するためのセンサを空燃比センサというものとする。インバランスパラメータは前記インバランス割合以外のパラメータであってもよい。前記実施形態では酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ又は劣化判定値ＯＳＣｓに補正係数を乗じてそれらを補正したが、それらに補正値を加算或いは減算することによりそれらを補正しても良い。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。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。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。 触媒前センサの出力特性を示すグラフである。 触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 触媒の構成を示す概略断面図である。 酸素吸蔵容量の計測方法を説明するためのタイムチャートである。 気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた排気空燃比の変動を示すグラフである。 インバランス割合と酸素吸蔵容量計測値との関係を示すグラフである。 空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。 主空燃比補正量の算出マップである。 補助空燃比補正量の設定ルーチンを示すフローチャートである。 触媒後センサ出力差とその積算の様子を示すグラフである。 補助空燃比補正量の算出マップである。 １気筒が他の３気筒よりも空燃比リッチ側にずれている場合を示す図である。 インバランス割合と水素量の関係を示すグラフである。 インバランス割合と触媒後センサ学習値との関係を示すグラフである。 触媒劣化診断処理のフローチャートである。 インバランス割合と酸素吸蔵容量（ＯＳＣ）補正係数との関係を規定したマップである。 他の実施形態に係る触媒劣化診断処理のフローチャートである。 インバランス割合と劣化判定値補正係数との関係を規定したマップである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１４ 排気マニフォールド
１７ 触媒前空燃比センサ
１８ 触媒後空燃比センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＡａ 放出酸素量
ＯＳＡｂ 吸蔵酸素量
ＯＳＣｓ 劣化判定値
ＩＢ インバランス割合
Ｋ１ 酸素吸蔵容量補正係数
Ｋ２ 劣化判定値補正係数

Claims (6)

1. 多気筒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、
   前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記酸素吸蔵容量の計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
   気筒間の空燃比ばらつき度合いに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
   前記インバランスパラメータの検出値に基づき、前記酸素吸蔵容量の計測値又は前記劣化判定値を補正する補正手段と
   を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記補正手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記酸素吸蔵容量の計測値をより増大側に補正するか、又は前記劣化判定値をより減少側に補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化診断装置。
3. 前記パラメータ検出手段は、前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサの出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づき、前記インバランスパラメータを算出する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
   前記パラメータ検出手段が、
   前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサと、
   前記触媒の下流側に配置された触媒後空燃比センサと、
   前記触媒前空燃比センサにより検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるような主空燃比制御及び前記触媒後空燃比センサにより検出された空燃比を前記目標空燃比に一致させるような補助空燃比制御を実行する空燃比制御手段であって、前記触媒後空燃比センサの出力に基づき前記補助空燃比制御のための制御量を算出する空燃比制御手段と、
   前記算出された制御量に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の触媒劣化抑制装置。
5. 前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
   前記計測手段が、前記触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量を計測してこれらに基づいて前記酸素吸蔵容量を算出するものであり、
   前記パラメータ検出手段が、前記計測手段によって計測された吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づき、前記インバランスパラメータを算出するものである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の触媒劣化診断装置。
6. 前記インバランスパラメータがインバランス割合からなり、当該インバランス割合が式：ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ（但し、ＩＢはインバランス割合、Ｑｉｂはインバランス気筒の燃料噴射量、Ｑｓはバランス気筒の燃料噴射量）により表されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の触媒劣化診断装置。

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