JP2010168923A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の酸素吸蔵容量を計測する際の計測値の低下を抑制する。
【解決手段】触媒後センサ出力Ｖｒの反転に応答して触媒上流側空燃比Ａ／Ｆｆをリッチ・リーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する。反転周期毎に触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを計測し、これら計測値に基づき触媒の劣化を判定する。アクティブ空燃比制御における空燃比の切替タイミングを遅延させ、且つ、触媒後センサ出力の反転回数に基づき遅延時間Ｄを設定する。遅延時間分だけ酸素吸蔵容量計測値を増大でき、また、酸素吸蔵容量計測値が計測初期と常に同等となるよう酸素吸蔵容量計測値を増大でき、計測値の低下を抑制できる。
【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、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（Ｏ_２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、かかる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、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互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１参照）。

特開平５−１３３２６４号公報

前記Ｃｍａｘ法においては、触媒の下流側に排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサが設けられ、この触媒後センサの出力が反転するのに応答して、触媒上流側の空燃比がリッチ及びリーンに交互に切り替えられる。そして、触媒後センサ出力の反転周期毎に酸素吸蔵容量が計測され、この計測された複数の酸素吸蔵容量の値に基づき触媒の劣化が判定される。

ところが、本発明者らの鋭意研究の結果によれば、１診断時に複数の酸素吸蔵容量を計測していく過程で酸素吸蔵容量計測値が徐々に低下していくことがあることが判明した。本来、ある時点で触媒が有する酸素吸蔵容量は固有の一定値であるので、その計測値も一定であるべきである。しかし実際にはその計測値が徐々に低下していくことがあり、これは好ましくない事態であるばかりでなく診断精度にも影響を与える。

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、その一の目的は、複数の酸素吸蔵容量を計測する際の酸素吸蔵容量計測値の低下を抑制し、診断精度を確保することができ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、
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、
前記触媒の下流側の排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力が反転するのに応答して、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記触媒後センサ出力の反転周期毎に、前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された複数の酸素吸蔵容量の値に基づき、前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
前記アクティブ空燃比制御における空燃比の切替タイミングを遅延させ、且つ、前記触媒後センサ出力の反転回数に基づき遅延時間を設定する遅延手段と、
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。

かかる遅延を実行することで、その遅延時間分だけ酸素吸蔵容量計測値を増大することができる。そして触媒後センサ出力の反転回数に基づき遅延時間を設定すれば、酸素吸蔵容量計測値が計測初期と常に同等となるように酸素吸蔵容量計測値を増大することが可能となる。よって酸素吸蔵容量計測値の低下を抑制すると共に診断精度を確保することができる。

好ましくは、前記遅延手段は、前記触媒後センサ出力の反転回数が増大するほど長い前記遅延時間を設定する。

これによれば、反転回数の増大につれ酸素吸蔵容量計測値が徐々に低下するという特性に合わせて、酸素吸蔵容量計測値が計測初期と常に同等となるよう、酸素吸蔵容量計測値の増大量を徐々に増大することができる。よって実状に即した好ましい遅延が実行可能となる。

好ましくは、前記遅延手段は、前記触媒後センサ出力がリッチに反転したときに前記遅延を実行し、且つ前記触媒後センサ出力がリーンに反転したときには前記遅延を実行しない。

酸素吸蔵容量計測値が徐々に低下する理由は、触媒上流側空燃比のリッチ制御終了付近でリッチガスが早めに漏れ出しているからと考えられる。よってこの好ましい形態によれば、リッチ制御終了時である触媒後センサ出力のリッチへの反転時のみ遅延を実行するので、必要且つ十分な遅延が実行可能となる。

好ましくは、前記触媒劣化診断装置が、前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、前記遅延手段は、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値にも基づいて前記遅延時間を設定する。

触媒を通過する排ガス流量が多いほど、触媒からリッチガスが漏れ出すタイミングが早くなり、酸素吸蔵容量計測値の低下は強まる傾向にある。しかしながらこの好ましい形態によれば、排ガス流量の相関値である吸入空気量にも基づいて遅延時間を設定するので、かかる排ガス流量に基づく低下を抑制するよう、遅延時間が設定可能となる。

好ましくは、前記遅延手段は、前記触媒の劣化度に相関するパラメータにも基づいて前記遅延時間を設定する。

触媒の劣化度が大きいほど必要な遅延時間は短くなる傾向にある。この好ましい形態によれば、触媒の劣化度に相関するパラメータにも基づいて遅延時間を設定するので、触媒の劣化度を考慮した適切な遅延時間が設定可能となる。

好ましくは、前記パラメータが、前回診断時に算出された前記複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値である。この前回診断時に算出された平均値が現在の触媒の劣化度を最も良く反映した値だからである。

本発明によれば、複数の酸素吸蔵容量を計測する際の酸素吸蔵容量計測値の低下を抑制し、診断精度を確保することができるという、優れた効果が発揮される。

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。 触媒劣化診断時におけるアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイムチャートである。 図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 触媒前センサ及び触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 酸素吸蔵容量計測値の低下傾向を示すグラフである。 遅延を説明するためのタイムチャートである。 反転回数に基づく補正係数を算出するためのマップを示す図である。 触媒劣化診断処理の手順を示すフローチャートである。 吸入空気量に基づく補正係数を算出するためのマップを示す図である。 触媒劣化度に基づく補正係数を算出するためのマップを示す図である。

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（内燃機関に流入する空気量）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に接続されている。これら排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側に、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒即ち上流触媒１１及び下流触媒１９が直列に設けられている。上流触媒１１の上流側及び下流側ないし直前及び直後には、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センサ１７及び触媒後センサ１８が設けられている。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Ｏ_２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（Ｚ特性）を持つ。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力特性を図５に示す。

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。

ＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７により検出された空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、燃焼室３に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する。一方、触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆｓ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。よってＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定し、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比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、劣化診断の対象となる上流触媒１１についてより詳細に説明する。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ＣｅＯ_２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；O_２ 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、触媒１１の上流側の空燃比、即ち燃焼室３内の混合気の空燃比ひいては触媒１１に供給される排気ガスの空燃比は、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリッチ及びリーンにアクティブに（強制的に）且つ交互に切り替えられる。なおリッチ側に切り替えられているときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に切り替えられているときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。

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。

以下、図３及び図４を用いて、上流触媒１１の酸素吸蔵容量の計測方法を説明する。図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御を実行したときの、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力挙動を実線で示す。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔを破線で示す。図３（Ａ）に示される触媒前センサ１７の出力値は触媒前空燃比Ａ／Ｆｆに換算した値である。また図３（Ｂ）に示される触媒後センサ１８の出力値はその出力値自体、即ち出力電圧Ｖｒの値である。

図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ）と、そこからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比Ａ／Ｆｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。そしてこの目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆも、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対し僅かな時間遅れを伴って切り替わる。このことから目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとは時間遅れがあること以外等価であることが理解されよう。

図示例においてリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。例えばリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５とされる。通常の空燃比制御の場合に比べ、アクティブ空燃比制御の場合は空燃比の振り幅が大きく、即ちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。

目標空燃比Ａ／Ｆｔは、触媒後センサ１８の出力が反転するのに応答して切り替えられる。基本的に、目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる時期ないしタイミングは、触媒後センサ１８の出力がリッチからリーンに、又はリーンからリッチに反転するタイミングと同時である。図示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒは理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。そして当該出力電圧Ｖｒの反転時期、即ち当該出力電圧Ｖｒがリッチ側に反転した時期及びリーン側に反転した時期を定めるため、当該出力電圧Ｖｒに関する二つの反転しきい値ＶＲ，ＶＬが予め定められている。ここでＶＲをリッチ判定値、ＶＬをリーン判定値という。ＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）とされる。出力電圧Ｖｒがリーン側即ち減少方向に変化してリーン判定値ＶＬに達した時、出力電圧Ｖｒはリーン側に反転したとみなされ、触媒後センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒは少なくとも理論空燃比よりリーンであると判断される。他方、出力電圧Ｖｒがリッチ側即ち増大方向に変化してリッチ判定値ＶＲに達した時、出力電圧Ｖｒはリッチ側に反転したとみなされ、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒは少なくとも理論空燃比よりリッチであると判断される。図５に示すように、リッチ判定値ＶＲはストイキ相当値Ｖｓｔよりも大きな（リッチ側の）値であり、リーン判定値ＶＬはストイキ相当値Ｖｓｔよりも小さな（リーン側の）値である。リッチ判定値ＶＲとリーン判定値ＶＬとにそれぞれ対応する空燃比の間の狭い領域Ｙ（これを遷移領域という）に理論空燃比が含まれている。なお出力電圧Ｖｒからは触媒後空燃比Ａ／Ｆｒが理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出できるのみで、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒの絶対値まで検出するのは困難である。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。このように、触媒後センサ１８の出力がリーン又はリッチに反転する毎に空燃比がリッチ又はリーンにアクティブに切替制御される。

このアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次のようにして触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。

図３を参照して、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌとされ、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ているが、一杯に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。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリーン側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ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、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。よって触媒１１の下流側にはほぼ理論空燃比Ａ／Ｆｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリッチにならないことから、触媒後センサ１８の出力は反転しない。触媒１１から酸素が放出され続けるとやがて触媒１１からは全ての吸蔵酸素が放出され尽くし、その時点でそれ以上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Ａ／Ｆｒがリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

このように、触媒後センサ出力Ｖｒがリーンに反転したのに応答して触媒１１の上流側の空燃比がリッチに切り替えられ、また、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチに反転したのに応答して触媒１１の上流側の空燃比がリーンに切り替えられる。

触媒１１の有する酸素吸蔵容量が大きいほど、酸素を吸収或いは放出し続けることのできる時間が長くなる。つまり、触媒が劣化していない場合は触媒後センサ出力Ｖｒの反転周期（例えばｔ１からｔ２までの時間）が長くなり、触媒の劣化が進むほどその反転周期は短くなる。

そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量ＯＳＣが以下のようにして計測される。図４に示すように、時刻ｔ１で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられた直後、僅かに遅れて実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替わる。そして触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に触媒後センサ出力Ｖｒが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積算される。こうしてこのリッチ制御中の反転周期において、最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ（この場合、図４にＯＳＣ１で示される放出酸素量）が計測される。

ここで、Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じるとストイキに対し不足又は過剰分の空気量を算出できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンとなっているリーン制御中でも同様に酸素吸蔵容量（この場合、図４にＯＳＣ２で示される吸蔵酸素量）が計測される。そして目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ・リーンと交互に切り替えられ、リッチ制御とリーン制御が交互に行われる度に、酸素吸蔵容量が計測される。こうして複数の酸素吸蔵容量計測値が得られたならば、その平均値ＯＳＣａｖが算出される。

なお、リーン制御中における酸素吸蔵容量の計測については、図４に示すように、時刻ｔ２で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられた後、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側に反転する時点ｔ３まで、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが積算される。そして最終的な積算値が、当該リーン制御中の反転周期において計測された酸素吸蔵容量の値となる。酸素放出時と酸素吸蔵時とで酸素吸蔵容量の計測値はほぼ等しい値となるのが理想的である。

次に、酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖに基づき触媒の劣化判定がなされる。即ち、平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、平均値ＯＳＣａｖ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、前述したように、１診断時に複数の酸素吸蔵容量を計測していく過程で、酸素吸蔵容量計測値が徐々に低下していくことがある。これを示すのが図６の試験結果である。（Ｃ）に見られるように、アクティブ空燃比制御を実行して反転周期毎に酸素吸蔵容量を計測していくにつれ、その計測値ＯＳＣは徐々に低下している。ここで反転周期とは、触媒後センサ出力Ｖｒが、リッチ・リーンの区別無く、１回反転してから次に反転するまでの期間をいい、例えば図３に示すｔ１からｔ２までの期間をいう。

この理由は次の通りと考えられる。触媒における酸素放出速度が酸素吸蔵速度よりも遅いため、リッチ制御中では、触媒が充分に酸素を放出しきる前にリッチガスが触媒から漏れ出す傾向にある。よって触媒後センサ１８がこのリッチガスに反応し、触媒が充分に酸素を放出しきる前に触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に反転する傾向にある。触媒が充分に酸素を放出しきっていないと、次のリーン制御中でも触媒が酸素を充分に吸蔵することができない。この酸素吸放出を繰り返すと、触媒内で酸素吸放出に使われる領域が徐々に少なくなっていき、その結果、計測される酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が徐々に低下する。

しかし本来、触媒の持つ酸素吸蔵容量の大きさは劣化度に応じた固有値であるので、その計測値も一定であるべきであり、上記の結果は実際の状態を反映した好ましいものとはいえない。しかも、複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値も減少することから、本来正常と診断すべき触媒を誤って劣化と診断してしまう誤診断にも繋がりかねず、診断精度にも影響することになる。

そこで本実施形態では、かかる問題を解決すべく、アクティブ空燃比制御における空燃比の切替タイミングを遅延或いはディレイさせ、且つ、触媒後センサ出力Ｖｒの反転回数に基づき遅延時間を設定することとしている。以下、これについて説明する。

図７に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチに反転した時（ｔ２）、前述の基本態様ではこれと同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられる（破線参照）。しかし、遅延が実行される場合には、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチに反転した時（ｔ２）から所定の遅延時間Ｄだけ遅れた時刻ｔ２’において目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられる（二点鎖線参照）。このように遅延が実行されると、リッチ制御中の反転周期がｔ１〜ｔ２からｔ１〜ｔ２’へと遅延時間Ｄだけ長くなり、その分、積算時間が増えて、計測される酸素吸蔵容量の値が増大する。

なお、時刻ｔ２’以降のリーン制御中で積算ないし計測が開始されるのは、前述の基本態様と同様、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１’からである。

そして、遅延時間Ｄは、触媒後センサ出力Ｖｒの反転回数に基づき設定される。これにより、酸素吸蔵容量計測値が計測初期と常に同等となるように酸素吸蔵容量計測値を増大することが可能となる。よって酸素吸蔵容量計測値の低下を抑制すると共に診断精度を確保することができる。

特に図６に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒの反転回数Ｎが増大するほど、計測される酸素吸蔵容量の値は徐々に低下する。よってこの結果に鑑み、触媒後センサ出力Ｖｒの反転回数が増大するほど長い遅延時間Ｄが設定される。これにより、酸素吸蔵容量計測値が徐々に低下していくのに合わせて、酸素吸蔵容量計測値が計測初期と常に同等となるよう、酸素吸蔵容量計測値の増大量を徐々に増すことが可能となり、実状に即した好ましい遅延が実行可能となる。

また、前述したように、酸素吸蔵容量計測値が徐々に低下する理由はリッチ制御終了付近におけるリッチガスの早期漏出に起因すると考えられる。そこで本実施形態では、触媒後センサ出力Ｖｒがリーンからリッチに反転したときのみ遅延を実行し、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチからリーンに反転したときには遅延を実行しない。こうすると、リッチへの反転時には遅延を実行して触媒からの酸素放出を充分行わしめ、これによって次のリーン制御中における酸素吸蔵を充分行わせることができる。また、リーンへの反転時にも遅延を行うと、逆に、リーン制御終了付近でリーンガスが無駄に漏れ出してエミッションが悪化する可能性があるが、リッチへの反転時のみとすることでこれも回避できる。こうして必要且つ十分な遅延が実行可能となる。

このように、本実施形態によれば、触媒後センサ出力Ｖｒの反転回数が増大しても計測開始時と同等の比較的大きな酸素吸蔵容量を計測し続けることが可能となり、酸素吸蔵容量計測値の低下を抑制することができる。また、複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値の減少をも抑制できるため、正常な触媒を誤って劣化とする誤診断を未然に防止し、充分な診断精度を確保することができる。

なお、アクティブ空燃比制御の開始時付近では、空燃比等の諸条件が不安定であり酸素吸蔵容量を正確に計測できない可能性があることから、酸素吸蔵容量を計測しないこととしている。即ち、図６の例では、時刻ｔ０からアクティブ空燃比制御が開始されているが、酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測開始となるのは、触媒後センサ出力Ｖｒが所定回数Ｎｘの反転を終えた時刻ｔ１からである。時刻ｔ０〜ｔ１の間は計測が行われず、所謂捨て山とされる。なおリッチからリーンへの反転、およびリーンからリッチへの反転のいずれも区別無く１回の反転としてカウントする。図示例ではＮｘ＝２である。そして計測開始と同時に遅延が実行開始される。但し本実施形態の場合、実際に遅延が行われるのはリッチへの反転時のみである。

遅延時間Ｄは次式（２）に基づき設定される。

即ち、遅延時間Ｄ（ｍｓ）は、基準値としての１（ｍｓ）に補正係数α１を乗じて得られる値である。補正係数α１は、図８に示すような所定のマップ（関数でもよい。以下同様。）に従い、現在カウントされている反転回数Ｎｘに基づいて算出される。

このマップによれば、反転回数Ｎが所定値Ｎｘに達した時から始まる１反転周期、即ち初回の反転周期において、補正係数α１＝１であり、仮にこの反転周期がリッチ制御の反転周期であれば、その終了時付近でＤ＝１×１＝１（ｍｓ）の遅延が行われる。そして反転回数Ｎの増加と共に、補正係数α１が徐々に増加していき（図示例では比例的に増加）、遅延時間Ｄも徐々に増加していく。マップの各値は、試験結果等に基づき、初回の反転周期と常に同等な計測値が得られるように予め定められる。

なお、ここでは遅延時間Ｄを、基準値と補正係数α１の積としたが、代替的に、遅延時間Ｄを、基準値と補正量α１’の和としてもよい。この場合、基準値を０（ｍｓ）にすると共に、図８のマップの縦軸の１を０に置き換えることができ、こうすると、初回の反転周期で遅延時間Ｄ＝０（ｍｓ）即ち遅延無し、その後の反転周期で遅延時間Ｄが徐々に増加する。

次に、図９を参照しつつ、ＥＣＵ２０によって実行される劣化診断処理の手順を説明する。

まずステップＳ１０１では、診断の実行に適した前提条件が成立しているか否かが判断される。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と、クランク角センサ１４の出力に基づき計算された機関回転速度Ｎｅとの変動幅が所定範囲内にあるなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ、上流触媒１１及び各センサ１７，１８が活性状態にあれば、前提条件成立となる。なお前提条件についてはここで述べた例に限られない。前提条件が成立していない場合には待機状態となり、前提条件が成立した場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、前述の如き遅延時間Ｄの設定と、遅延時間Ｄを適宜付加したアクティブ空燃比制御と、触媒後センサ出力Ｖｒの反転周期毎の酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測とが実行される。

次いでステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で計測された複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣの平均値ＯＳＣａｖが算出され、この平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。

ＯＳＣａｖ＞ＯＳＣｓのときには、ステップＳ１０４に進んで触媒１１は正常と判定され、ＯＳＣａｖ≦ＯＳＣｓのときには、ステップＳ１０５に進んで触媒１１は劣化と判定される。

次に、変形例を述べる。

先ず第１変形例について説明する。触媒１１を通過する排ガス流量が多いほど、触媒１１からリッチガスが漏れ出すタイミングが早くなり、計測される酸素吸蔵容量ＯＳＣの値も小さくなる傾向がある。従って、排ガス流量が多いほど図６に示したような酸素吸蔵容量計測値の低下は強まる傾向にある。

そこで、かかる低下を抑制するため、この第１変形例では、排ガス流量の相関値である吸入空気量Ｇａにも基づいて遅延時間Ｄを設定する。この場合遅延時間Ｄは次式（３）に基づき設定される。

即ち、遅延時間Ｄ（ｍｓ）は、基準値としての１（ｍｓ）に、前述の反転回数Ｎに基づく補正係数α１と、吸入空気量Ｇａに基づく補正係数α２とを乗じて得られる値である。補正係数α２は、図１０に示すような所定のマップに従い、反転周期毎に、エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａに基づいて算出される。

このマップによれば、吸入空気量Ｇａの増加と共に、補正係数α２が徐々に増加し（図示例では比例的に増加）、遅延時間Ｄひいては酸素吸蔵容量計測値も徐々に増加していく。よって排ガス流量が多いほど酸素吸蔵容量計測値が低下するという特性に応じた適切な遅延が実行可能となる。

なお、この第１変形例においても、図９に示した手順に従って触媒劣化診断がなされる。

次に第２変形例について説明する。触媒１１の劣化度が大きいほど、必要な遅延時間Ｄは短くなる傾向にあり、逆に触媒１１の劣化度を考慮しないで遅延時間Ｄを定めると、触媒１１の劣化度が大きい場合に遅延時間Ｄが長すぎて無駄に燃料が消費されたり過剰なリッチガス漏れでエミッションが悪化したりする。

そこで、かかる問題を解決するため、この第２変形例では、触媒１１の劣化度に相関するパラメータにも基づいて遅延時間Ｄを設定する。

ここでいうパラメータとしては、前回診断時に算出された複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖが用いられる。この値が現在の触媒１１の劣化度を最も良く反映した値だからである。但し、必ずしも前回の値とする必要はなく、例えば２回前或いは３回前の値としたり、直近の複数回の平均値ＯＳＣａｖの平均値としてもよい。要は比較的最近の値であればよく、現在の触媒劣化度を大凡反映した値であればよい。代替的に、車両の走行距離や積算燃料噴射量等を用いることも可能である。

この第２変形例において、遅延時間Ｄは次式（４）に基づき設定される。

即ち、遅延時間Ｄ（ｍｓ）は、基準値としての１（ｍｓ）に、前述の補正係数α１，α２と、触媒劣化度に相関するパラメータに基づく補正係数α３とを乗じて得られる値である。補正係数α３は、図１１に示すような所定のマップに従い、反転周期毎に、前回診断時の平均値ＯＳＣａｖに基づいて算出される。

このマップによれば、触媒劣化度の増大と共に、補正係数α３が徐々に減少していき（図示例では比例的に減少）、遅延時間Ｄが徐々に減少していく。よって触媒劣化度が大きいほど必要な遅延時間Ｄが短くなるという特性に応じた適切な遅延が実行可能となる。

なお、この第２変形例においても、図９に示した手順に従って触媒劣化診断がなされる。

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。また、前記実施形態では遅延時間の設定ないし変更を１反転周期毎に行ったが、複数の反転周期毎（例えば２反転周期毎、４反転周期毎）に行ってもよい。さらに、エミッション悪化等の他の不具合がないような条件下であれば、触媒後センサ出力のリーンへの反転時にも遅延を実行して良い。第２変形例において、吸入空気量Ｇａに基づく補正係数α２を省略し、遅延時間Ｄを式：Ｄ＝１×α１×α３から設定することも可能である。

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。

１ 内燃機関
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
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＣａｖ 複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値
ＯＳＣｓ 劣化判定値
Ｖｒ 触媒後センサ出力
ＶＲ リッチ判定値
ＶＬ リーン判定値
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
Ｄ 遅延時間
Ｎ 反転回数
Ｇａ 吸入空気量

Claims (6)

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、
   前記触媒の下流側の排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
   前記触媒後センサの出力が反転するのに応答して、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記触媒後センサ出力の反転周期毎に、前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記計測手段により計測された複数の酸素吸蔵容量の値に基づき、前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
   前記アクティブ空燃比制御における空燃比の切替タイミングを遅延させ、且つ、前記触媒後センサ出力の反転回数に基づき遅延時間を設定する遅延手段と、
   を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記遅延手段は、前記触媒後センサ出力の反転回数が増大するほど長い前記遅延時間を設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化診断装置。
3. 前記遅延手段は、前記触媒後センサ出力がリッチに反転したときに前記遅延を実行し、且つ前記触媒後センサ出力がリーンに反転したときには前記遅延を実行しない
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
   前記遅延手段は、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値にも基づいて前記遅延時間を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の触媒劣化診断装置。
5. 前記遅延手段は、前記触媒の劣化度に相関するパラメータにも基づいて前記遅延時間を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の触媒劣化診断装置。
6. 前記パラメータが、前回診断時に算出された前記複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値である
   ことを特徴とする請求項５記載の触媒劣化診断装置。

Images