JP2013163996A - 触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素センサの出力特性を変更可能にすると共に、酸素センサの応答性の低下による触媒の劣化診断精度の低下を防止できるようにする。
【解決手段】上流側触媒１８の下流側に下流側酸素センサ２１を設置したシステムにおいて、下流側酸素センサ２１の外部に設けた定電流回路によりセンサ電極間に定電流を流すことで酸素センサ２１の出力特性を変更できるようにする。また、エンジン１１の燃料カット時に下流側酸素センサ２１のセンサ応答時間を検出し、このセンサ応答時間が判定値を越えている場合に、下流側酸素センサ２１のセンサ電極間に電圧を印加して定電流を流すように定電流回路を制御してセンサ応答時間を減少させる方向に下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させる。これにより、下流側酸素センサ２１の応答性が低下したときに、下流側酸素センサ２１の応答性を高める方向に出力特性を変化させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排出ガス浄化用の触媒の下流側に設置された下流側排出ガスセンサの出力に基づいて触媒の劣化診断を行う触媒の劣化診断装置に関する発明である。

内燃機関の排出ガス浄化システムでは、排出ガス浄化用の触媒の排出ガス浄化率を高めることを目的として、排出ガス浄化用の触媒の上流側と下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ（空燃比センサ又は酸素センサ）を設置し、これらの排出ガスセンサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御するようにしたものがある。

ところで、酸素センサ等の排出ガスセンサは、排出ガスの空燃比がリッチ／リーンで変化する際に、実際の空燃比の変化に対してセンサ出力の変化に遅れが生じるのが実状であり、検出応答性の点で改善の余地が残されている。

そこで、例えば、特許文献１（特公平８−２０４１４号公報）に記載されているように、酸素センサ等のガスセンサの内部に、少なくとも１つの補助電気化学電池を組み込み、この補助電気化学電池をガスセンサの一方の電極に接続して、補助電気化学電池に印加電流を与えてイオンポンピングを行うことで、印加電流に応じてガスセンサの出力特性を変化させて検出応答性を高めることができるようにしたものがある。

また、触媒の劣化診断技術として、例えば、内燃機関に供給する混合気の空燃比をリッチ側に制御するリッチ燃焼制御とリーン側に制御するリーン燃焼制御を交互に実行して、所定期間における下流側排出ガスセンサ（触媒の下流側に設置した排出ガスセンサ）の出力の積算値と上流側排出ガスセンサ（触媒の上流側に設置した排出ガスセンサ）の出力の積算値との比率を算出し、この比率を所定の異常判定値と比較して触媒の劣化（例えば酸素吸蔵能力の低下）の有無を判定する劣化診断を行うようにしたものがある。

特公平８−２０４１４号公報

しかし、上述したように下流側排出ガスセンサの出力を用いて触媒の劣化診断を行うシステムでは、経時劣化等により下流側排出ガスセンサの応答性が低下すると、触媒の劣化時でも下流側排出ガスセンサの応答性の低下により下流側排出ガスセンサの出力が触媒の正常時と同じような挙動を示すようになるため、劣化した触媒を劣化無し（正常）と誤判定してしまう可能性がある。このため、下流側排出ガスセンサの応答性低下の判定値を厳しく設定する必要が生じ、下流側排出ガスセンサの耐久寿命（応答性低下と判定されて交換されるまでの期間）が短くなる等の不具合が懸念される。

また、上記特許文献１では、ガスセンサの出力特性を変化させる技術が開示されているが、この技術では、ガスセンサの内部に補助電気化学電池を組み込む必要があるため、補助電気化学電池を備えていない一般的なガスセンサに対してセンサ構造を大きく変更する必要があり、実用化にあたっては、ガスセンサの設計変更が強いられたり、ガスセンサの製造コストが高くなる等の不都合が生じる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、下流側排出ガスセンサの大幅な設計変更やコストアップを招くことなく下流側排出ガスセンサの出力特性を変更可能にすると共に、下流側排出ガスセンサの応答性の低下による触媒の劣化診断精度の低下を防止することができる触媒の劣化診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排出ガス浄化用の触媒と、この触媒の下流側に設置され、一対のセンサ電極間に固体電解質体が設けられたセンサ素子により排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する下流側排出ガスセンサとを備え、少なくとも下流側排出ガスセンサの出力に基づいて触媒の劣化診断を行う触媒の劣化診断装置において、センサ電極間に定電流を流して下流側排出ガスセンサの出力特性を変更する定電流供給手段と、内燃機関の燃料噴射を停止する燃料カット時に下流側排出ガスセンサの出力が所定のリッチ側閾値から所定のリーン側閾値まで変化するのに要する時間（以下「センサ応答時間」という）を検出するセンサ応答時間検出手段と、このセンサ応答時間検出手段で検出したセンサ応答時間が所定の判定値を越えている場合に、センサ電極間に電圧を印加して定電流を流すように定電流供給手段を制御してセンサ応答時間を減少させる方向に下流側排出ガスセンサの出力特性を変化させるセンサ応答時間補正手段とを備えた構成としたものである。

この構成では、定電流供給手段によりセンサ電極間に電圧を印加して定電流を流すことで下流側排出ガスセンサの出力特性を変更することができる。この場合、下流側排出ガスセンサの内部に補助電気化学電池等を組み込む必要がないため、下流側排出ガスセンサの大幅な設計変更やコストアップを招くことなく下流側排出ガスセンサの出力特性を変化させることができる。

また、内燃機関の燃料カット時にセンサ応答時間を検出し、このセンサ応答時間が所定の判定値を越えている場合に、センサ電極間に電圧を印加して定電流を流すように定電流供給手段を制御してセンサ応答時間を減少させる方向に下流側排出ガスセンサの出力特性を変化させることで、下流側排出ガスセンサの応答性が低下したときに、下流側排出ガスセンサの応答性を高める方向に出力特性を変化させることができる。これにより、触媒の劣化時に下流側排出ガスセンサの応答性の低下により下流側排出ガスセンサの出力が触媒の正常時と同じような挙動を示すことを回避することができ、劣化した触媒を劣化無し（正常）と誤判定することを防止することができる。その結果、下流側排出ガスセンサの応答性の低下による触媒の劣化診断精度の低下を防止することができ、触媒の劣化診断精度を向上させることができる。また、下流側排出ガスセンサの応答性低下の判定値をあまり厳しく設定する必要がなくなり、下流側排出ガスセンサの耐久寿命（応答性が低下したと判定されて交換されるまでの期間）を長くすることができるという利点もある。

この場合、請求項２のように、センサ応答時間が判定値を越えているときに触媒の劣化診断を禁止し、センサ応答時間が判定値以下に減少したときに触媒の劣化診断を許可する劣化診断許可手段を備えるようにすると良い。このようにすれば、センサ応答時間が判定値以下に減少したときに、下流側排出ガスセンサの応答性の補正が完了しと判断して、触媒の劣化診断を許可するようにできる。

また、請求項３のように、センサ応答時間が判定値を越えてセンサ電極間に電圧が印加された場合、次の燃料カット時にセンサ応答時間を再検出し、この再検出したセンサ応答時間が判定値を越えている場合、センサ電極間に印加する電圧を更にセンサ応答時間の減少方向に変化させるようにしても良い。このようにすれば、内燃機関の始動後に最初のセンサ印加電圧（センサ電極間に印加する電圧）が適正値（センサ応答時間を判定値以下にできる電圧）に達していない場合でも、センサ印加電圧が適正値に達するようにセンサ印加電圧を補正することができる。

この場合、請求項４のように、燃料カット時にセンサ応答時間を再検出する処理と、センサ電極間に印加する電圧を更にセンサ応答時間の減少方向に変化させる処理を、センサ応答時間が判定値以下に減少するまで繰り返すようにすると良い。このようにすれば、センサ印加電圧が適正値に達するまでセンサ印加電圧の補正を繰り返すことができる。

また、請求項５のように、センサ電極間に印加する電圧をセンサ応答時間の減少方向に変化させる処理を所定回数繰り返してもセンサ応答時間が判定値以下に減少しない場合（つまり触媒の劣化診断が許可されない場合）には、下流側排出ガスセンサの異常有りと判定するセンサ異常判定手段を備えるようにしても良い。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図２はセンサ素子の断面構成を示す断面図である。 図３は排出ガスの空燃比（空気過剰率λ）とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図である。 図４はセンサ素子周辺のガス成分の状態を示す概略図である。 図５はセンサ出力の挙動を説明するタイムチャートである。 図６はセンサ素子周辺のガス成分の状態を示す概略図である。 図７はリーン応答性／リッチ応答性を高める場合における酸素センサの出力特性図である。 図８は下流側酸素センサの応答性の低下による不具合を説明する図である。 図９はセンサ応答時間補正制御の実行例を説明するタイムチャートである。 図１０はセンサ応答時間補正ルーチンの処理の流れを示すフローチャート（その１）である。 図１１はセンサ応答時間補正ルーチンの処理の流れを示すフローチャート（その２）である。 図１２はセンサ応答時間検出ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１３と、このスロットルバルブ１３の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１４とが設けられている。また、エンジン１１の各気筒毎に、それぞれ筒内噴射又は吸気ポート噴射を行う燃料噴射弁１５が取り付けられ、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ１６が取り付けられている。各点火プラグ１６の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管１７には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の上流側触媒１８と下流側触媒１９が設けられている。更に、上流側触媒１８の上流側には、排出ガスのリッチ／リーンを検出する上流側酸素センサ２０が設置され、上流側触媒１８の下流側（上流側触媒１８と下流側触媒１９との間）には、排出ガスのリッチ／リーンを検出する下流側酸素センサ２１（下流側排出ガスセンサ）が設置されている。

また、本システムには、エンジン１１のクランク軸（図示せず）が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２２や、エンジン１１の吸入空気量を検出する空気量センサ２３や、エンジン１１の冷却水温を検出する冷却水温センサ２４等の各種のセンサが設けられている。クランク角センサ２２の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）２５に入力される。このＥＣＵ２５は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

次に、図２に基づいて酸素センサ２１の構成を説明する。
酸素センサ２１は、コップ型構造のセンサ素子３１を有しており、実際には当該センサ素子３１は素子全体が図示しないハウジングや素子カバー内に収容される構成となっており、エンジン１１の排気管１７内に配設されている。

センサ素子３１において、固体電解質層３２（固体電解質体）は、断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極層３３が設けられ、内表面には大気側電極層３４が設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ₂ 、ＨｆＯ₂ 、ＴｈＯ₂ 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｙｂ₂ Ｏ₃ 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極層３３，３４は共に白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。これらの電極層３３，３４が一対の対向電極（センサ電極）となっている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は大気室３５となっており、その大気室３５内にはヒータ３６が収容されている。このヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するのに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子３１全体が加熱される。酸素センサ２１の活性温度は、例えば３５０〜４００℃程度である。尚、大気室３５は、大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。

センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極層３３側）が排気雰囲気、固体電解質層３２の内側（電極層３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極層３３，３４間で起電力が発生する。つまり、センサ素子３１では、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。これにより、酸素センサ２１は、排出ガスの酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。

図３に示すように、センサ素子３１は、空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に対してリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、燃料リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、燃料リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。

図２に示すように、センサ素子３１の排気側電極層３３は接地され、大気側電極層３４にはマイコン２６が接続されている。排出ガスの空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子３１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号がマイコン２６に対して出力される。マイコン２６は、例えばＥＣＵ２５内に設けられており、センサ検出信号に基づいて空燃比を算出する。尚、マイコン２６は、上述した各種センサの検出結果に基づいてエンジン回転速度や吸入空気量を算出するようにしても良い。

ところで、エンジン１１の運転時には、排出ガスの実空燃比が逐次変化し、例えばリッチとリーンとで繰り返し変化することがある。こうした実空燃比の変化に際し、酸素センサ２１の検出応答性が低いと、それに起因してエンジン性能に影響が及ぶことが懸念される。例えば、エンジン１１の高負荷運転時において排出ガス中のＮＯｘ量が意図よりも増えてしまう等が生じる。

実空燃比がリッチとリーンとで変化する際の酸素センサ２１の検出応答性について説明する。エンジン１１から排出される排出ガスにおいて実空燃比（上流側触媒１８の下流側の実空燃比）がリッチ／リーンで変化する際には排出ガスの成分組成が変わる。このとき、その変化の直前における排出ガス成分の残留により、変化後の空燃比に対する酸素センサ２１の出力変化（すなわちセンサ出力の応答性）が遅くなる。具体的には、リッチからリーンへの変化時には、図４（ａ）に示すように、リーン変化直後にリッチ成分であるＨＣ等が排気側電極層３３付近に残留し、このリッチ成分により、センサ電極でのリーン成分（ＮＯｘ等）の反応が妨げられる。その結果、酸素センサ２１としてリーン出力の応答性が低下する。また、リーンからリッチへの変化時には、図４（ｂ）に示すように、リッチ変化直後にリーン成分であるＮＯｘ等が排気側電極層３３付近に残留し、このリーン成分により、センサ電極でのリッチ成分（ＨＣ等）の反応が妨げられる。その結果、酸素センサ２１としてリッチ出力の応答性が低下する。

酸素センサ２１の出力変化を図５のタイムチャートで説明する。図５において、実空燃比がリッチ及びリーンで変化すると、その実空燃比の変化に応じてセンサ出力（酸素センサ２１の出力）がリッチガス検出値（０．９Ｖ）とリーンガス検出値（０Ｖ）とで変化する。但し、この場合、実空燃比の変化に対してセンサ出力は遅れを伴い変化する。図５では、リッチ→リーンの変化時には、実空燃比の変化に対してセンサ出力がＴＤ１の遅れで変化し、リーン→リッチの変化時には、実空燃比の変化に対してセンサ出力がＴＤ２の遅れで変化するようになっている。

そこで、本実施例では、図２に示すように、大気側電極層３４に定電流供給手段としての定電流回路２７を接続し、その定電流回路２７による定電流Ｉｃｓの供給をマイコン２６により制御して、一対のセンサ電極間（排気側電極層３３と大気側電極層３４との間）に所定方向で電流を流すことで、酸素センサ２１の出力特性を変更して検出応答性を変化させるようにしている。この場合、マイコン２６は、一対のセンサ電極間に流れる定電流Ｉｃｓの向きと量とを設定し、その設定した定電流Ｉｃｓが流れるように定電流回路２７を制御する。

詳しくは、定電流回路２７は、大気側電極層３４に対して、正逆両方向いずれかの向きで定電流Ｉｃｓを供給するものであり、更にその定電流量を可変に調整できるものである。例えば、マイコン２６は、ＰＷＭ制御等によりセンサ電極間（排気側電極層３３と大気側電極層３４との間）に印加する電圧を制御して定電流Ｉｃｓを可変に制御する。この場合、定電流回路２７では、マイコン２６から出力されるデューティ信号に応じて定電流Ｉｃｓが調整され、その電流量調整された定電流Ｉｃｓがセンサ電極間に流れることとなる。

尚、本実施例では、排気側電極層３３→大気側電極層３４の向きに流れる定電流Ｉｃｓを負の定電流（−Ｉｃｓ）、大気側電極層３４→排気側電極層３３の向きに流れる定電流Ｉｃｓを正の定電流（＋Ｉｃｓ）としている。

例えば、リッチからリーンへの変化時の検出応答性（リーン感度）を高める場合には、図６（ａ）に示すように、固体電解質層３２内を通じて大気側電極層３４から排気側電極層３３に酸素が供給されるように定電流Ｉｃｓ（負の定電流Ｉｃｓ）が流される。この場合、大気側から排気側に酸素が供給されることにより、排気側電極層３３の周囲に存在（残留）しているリッチ成分（ＨＣ）について酸化反応が促進され、それに伴いリッチ成分をいち早く除去できる。これにより、排気側電極層３３においてリーン成分（ＮＯｘ）が反応しやすくなり、結果として酸素センサ２１のリーン出力の応答性が向上する。

また、リーンからリッチへの変化時の検出応答性（リッチ感度）を高める場合には、図６（ｂ）に示すように、固体電解質層３２内を通じて排気側電極層３３から大気側電極層３４に酸素が供給されるように定電流Ｉｃｓ（正の定電流Ｉｃｓ）が流される。この場合、排気側から大気側に酸素が供給されることにより、排気側電極層３３の周囲に存在（残留）しているリーン成分（ＮＯｘ）について還元反応が促進され、それに伴いリーン成分をいち早く除去できる。これにより、排気側電極層３３においてリッチ成分（ＨＣ）が反応しやすくなり、結果として酸素センサ２１のリッチ出力の応答性が向上する。

図７は、リーン変化時の検出応答性（リーン感度）を高める場合、及びリッチ変化時の検出応答性（リッチ感度）を高める場合における酸素センサ２１の出力特性（起電力特性）を示す図である。

リーン変化時の検出応答性（リーン感度）を高める場合において、上記のとおり固体電解質層３２内を通じて大気側電極層３４から排気側電極層３３に酸素が供給されるように負の定電流Ｉｃｓが流されると（図６（ａ）参照）、図７の（ａ）に示すように、出力特性線がリッチ側にシフトする（より詳細には、リッチ側かつ起電力減少側にシフトする）。この場合、実際の空燃比がストイキ近傍のリッチ域にあってもセンサ出力がリーン出力となる。これは、酸素センサ２１の出力特性として、リーン変化時の検出応答性（リーン感度）が高められていることを意味する。

また、リッチ変化時の検出応答性（リッチ感度）を高める場合において、上記のとおり固体電解質層３２内を通じて排気側電極層３３から大気側電極層３４に酸素が供給されるように正の定電流Ｉｃｓが流されると（図６（ｂ）参照）、図７の（ｂ）に示すように、出力特性線がリーン側にシフトする（より詳細には、リーン側かつ起電力増加側にシフトする）。この場合、実際の空燃比がストイキ近傍のリーン域にあってもセンサ出力がリッチ出力となる。これは、酸素センサ２１の出力特性として、リッチ変化時の検出応答性（リッチ感度）が高められていることを意味する。

また、ＥＣＵ２５は、所定の触媒劣化診断実行条件が成立したときに、エンジン１１に供給する混合気の空燃比をリッチ側に制御するリッチ燃焼制御とリーン側に制御するリーン燃焼制御を交互に実行して、所定期間における下流側酸素センサ２１の出力の積算値と上流側酸素センサ２０の出力の積算値との比率を触媒劣化診断パラメータとして算出し、この比率を所定の異常判定値と比較して上流側触媒１８の劣化（例えば酸素吸蔵能力の低下）の有無を判定する劣化診断を行う。

しかし、上述したように下流側酸素センサ２１の出力を用いて上流側触媒１８の劣化診断を行うシステムでは、図８に破線で示すように、経時劣化等により下流側酸素センサ２１の応答性が低下すると、上流側触媒１８の劣化時でも下流側酸素センサ２１の応答性の低下により下流側酸素センサ２１の出力が上流側触媒１８の正常時と同じような挙動を示すようになるため、劣化した上流側触媒１８を劣化無し（正常）と誤判定してしまう可能性がある。このため、下流側酸素センサ２１の応答性低下の判定値を厳しく設定する必要が生じ、下流側酸素センサ２１の耐久寿命（応答性低下と判定されて交換されるまでの期間）が短くなる等の不具合が懸念される。

そこで、本実施例では、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）により後述する図１０乃至図１２の各ルーチンを実行することで、エンジン１１の燃料噴射を停止する燃料カット時に下流側酸素センサ２１の出力が所定のリッチ側閾値から所定のリーン側閾値まで変化するのに要する時間（以下「センサ応答時間」という）を検出して、このセンサ応答時間が所定の判定値を越えているか否かを判定し、センサ応答時間が判定値を越えていると判定した場合に、下流側酸素センサ２１のセンサ電極間に電圧を印加して定電流を流すように定電流回路２７を制御してセンサ応答時間を減少させる方向に下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させるセンサ応答時間補正制御を実行する。これにより、下流側酸素センサ２１の応答性が低下したときに、下流側酸素センサ２１の応答性を高める方向に出力特性を変化させることができる。

具体的には、図９のタイムチャートに示すように、燃料カット中に下流側酸素センサ２１の出力がリッチ側閾値からリーン側閾値まで低下するのに要する時間をセンサ応答時間Ｔs として検出し、このセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えているか否か（判定値Ｔnormよりも大きいか否か）を判定する。センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定された場合には、その時点ｔ1 で、下流側酸素センサ２１の応答性が低下していると判断して、触媒劣化診断許可フラグをオフに維持（又はリセット）して、上流側触媒１８の劣化診断を禁止する。

更に、下流側酸素センサ２１のセンサ印加電圧Ｖs （センサ電極間に印加する電圧）を初期値（−Ｖ0 ）に設定し、下流側酸素センサ２１のセンサ電極間にセンサ印加電圧Ｖs （＝−Ｖ0 ）を印加して定電流を流すように定電流回路２７を制御することで、センサ応答時間Ｔs を減少させる方向に下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させる。この場合、下流側酸素センサ２１のリーン感度を高めてリーン応答性（リーンガスに対する検出応答性）を高める方向にセンサ印加電圧Ｖs （負の電圧）を印加して定電流（負の定電流）を流すように定電流回路２７を制御する。

この後、次の燃料カット中にセンサ応答時間Ｔs を再検出し、この再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えているか否か（判定値Ｔnormよりも大きいか否か）を判定する。再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定された場合には、まだセンサ印加電圧Ｖs が適正値（センサ応答時間Ｔs を判定値Ｔnorm以下にできる電圧）に達していないと判断して、センサ印加電圧Ｖs を前回値よりも所定補正量ΔＶだけ減少補正することで、センサ印加電圧Ｖs を更にセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させる。
Ｖs ＝Ｖs −ΔＶ

このように、燃料カット時にセンサ応答時間Ｔs を再検出する処理と、センサ印加電圧Ｖs を更にセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させる処理（センサ印加電圧Ｖs を前回値よりも所定補正量ΔＶだけ減少補正する処理）を、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnorm以下に減少するまで繰り返す。

その後、再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値norm以下に減少したと判定された場合には、その時点ｔ2 で、下流側酸素センサ２１の応答性の補正が完了しと判断して、触媒劣化診断許可フラグをオンにセットして、上流側触媒１８の劣化診断を許可する。

そして、触媒劣化診断時のリーン側センサ印加電圧Ｖs(lean) とリッチ側センサ印加電圧Ｖs(rich) を次式により算出する。
Ｖs(lean) ＝−Ｖ0 −ΔＶ×（ＲＣ−１）
Ｖs(rich) ＝Ｖ0 ＋ΔＶ×（ＲＣ−１）
ここで、ＲＣは、センサ印加電圧Ｖs の補正回数（後述する補正処理カウンタのカウント値）である。

以上説明した本実施例のセンサ応答時間補正制御は、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）によって図１０乃至図１２の各ルーチンに従って実行される。以下、これらの各ルーチンの処理内容を説明する。

［センサ応答時間補正ルーチン］
図１０及び図１１に示すセンサ応答時間補正ルーチンは、ＥＣＵ２５の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうセンサ応答時間補正手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、燃料カット中であるか否かを判定し、燃料カット中であると判定されたときに、ステップ１０２に進み、後述する図１２のセンサ応答時間検出ルーチンを実行して、センサ応答時間Ｔs （下流側酸素センサ２１の出力がリッチ側閾値からリーン側閾値まで低下するのに要する時間）を検出する。

この後、ステップ１０３に進み、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えているか否か（判定値Ｔnormよりも大きいか否か）を判定し、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnorm以下であると判定された場合には、下流側酸素センサ２１の応答性が確保されていると判断して、下流側酸素センサ２１のセンサ印加電圧Ｖs を通常値（例えば０）に維持したまま、ステップ１０４に進み、触媒劣化診断許可フラグをオンにセットして、上流側触媒１８の劣化診断を許可する。

一方、上記ステップ１０３で、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定された場合には、下流側酸素センサ２１の応答性が低下していると判断して、ステップ１０５に進み、触媒劣化診断許可フラグをオフに維持（又はリセット）して、上流側触媒１８の劣化診断を禁止する。

この後、ステップ１０６に進み、下流側酸素センサ２１のセンサ印加電圧Ｖs を初期値（−Ｖ0 ）に設定する。
Ｖs ＝−Ｖ0

そして、下流側酸素センサ２１のセンサ電極間にセンサ印加電圧Ｖs （＝−Ｖ0 ）を印加して定電流を流すように定電流回路２７を制御することで、センサ応答時間Ｔs を減少させる方向に下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させる。
この後、ステップ１０７に進み、センサ印加電圧Ｖs の補正回数をカウントする補正処理カウンタのカウント値ＲＣを「１」にセットする。

この後、図１１のステップ１０８に進み、次の燃料カット中であるか否かを判定し、次の燃料カット中であると判定されたときに、ステップ１０９に進み、後述する図１２のセンサ応答時間検出ルーチンを実行して、センサ応答時間Ｔs を再検出する。

この後、ステップ１１０に進み、再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えているか否か（判定値Ｔnormよりも大きいか否か）を判定し、再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定された場合には、まだセンサ印加電圧Ｖs が適正値に達していないと判断して、ステップ１１１に進み、補正処理カウンタのカウント値ＲＣが所定値Ｎよりも小さいか否かを判定する。

このステップ１１１で、補正処理カウンタのカウント値ＲＣが所定値Ｎよりも小さいと判定された場合には、ステップ１１２に進み、センサ印加電圧Ｖs を前回値よりも所定補正量ΔＶだけ減少補正することで、センサ印加電圧Ｖs を更にセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させる。
Ｖs ＝Ｖs −ΔＶ

そして、下流側酸素センサ２１のセンサ電極間にセンサ印加電圧Ｖs （＝Ｖs −ΔＶ）を印加して定電流を流すように定電流回路２７を制御することで、センサ応答時間Ｔs を減少させる方向に下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させる。

この後、ステップ１１３に進み、補正処理カウンタのカウント値ＲＣを「１」だけインクリメントした後、上記ステップ１０８に戻る。これにより、燃料カット時にセンサ応答時間Ｔs を再検出する処理と、センサ印加電圧Ｖs を更にセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させる処理（センサ印加電圧Ｖs を前回値よりも所定補正量ΔＶだけ減少補正する処理）を、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnorm以下に減少するまで繰り返す。

その後、上記ステップ１１０で、再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値norm以下に減少したと判定されたときに、下流側酸素センサ２１の応答性の補正が完了しと判断して、ステップ１１４に進み、触媒劣化診断時のリーン側センサ印加電圧Ｖs(lean) とリッチ側センサ印加電圧Ｖs(rich) を次式により算出する。
Ｖs(lean) ＝−Ｖ0 −ΔＶ×（ＲＣ−１）
Ｖs(rich) ＝Ｖ0 ＋ΔＶ×（ＲＣ−１）

この後、ステップ１１５に進み、触媒劣化診断許可フラグをオンにセットして、上流側触媒１８の劣化診断を許可する。
触媒劣化診断実行条件が成立して上流側触媒１８の劣化診断を行う場合には、リッチ燃焼制御とリーン燃焼制御を交互に実行する際に、下流側酸素センサ２１のセンサ印加電圧Ｖs をリッチ側センサ印加電圧Ｖs(rich) とリーン側センサ印加電圧Ｖs(lean) との間で交互に切り換える。

これに対して、上記ステップ１１１で、補正処理カウンタのカウント値ＲＣが所定値Ｎ以上であると判定された場合、つまり、センサ印加電圧Ｖs をセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させる処理を所定回数（Ｎ回）繰り返してもセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnorm以下に減少しない場合（つまり上流側触媒１８の劣化診断が許可されない場合）には、下流側酸素センサ２１に何らかの異常が発生していると判断して、ステップ１１６に進み、下流側酸素センサ２１の異常有りと判定する。

この場合、ステップ１０４，１０５，１１５の処理が特許請求の範囲でいう劣化診断許可手段としての役割を果たし、ステップ１１６の処理が特許請求の範囲でいうセンサ異常判定手段としての役割を果たす。

［センサ応答時間検出ルーチン］
図１２に示すセンサ応答時間検出ルーチンは、前記図１０及び図１１のセンサ応答時間補正ルーチンのステップ１０２及びステップ１０９で実行されるサブルーチンであり、特許請求の範囲でいうセンサ応答時間検出手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ２０１で、燃料カット開始後に下流側酸素センサ２１の出力が所定のリッチ側閾値（例えば０．７Ｖ）以下に低下したか否かを判定し、下流側酸素センサ２１の出力がリッチ側閾値以下に低下したと判定された時点で、ステップ２０２に進み、センサ応答時間Ｔs を計測する応答時間カウンタのカウント値をインクリメントする。

この後、ステップ２０３に進み、燃料カット開始後に下流側酸素センサ２１の出力が所定のリーン側閾値（例えば０．１Ｖ）以下に低下したか否かを判定し、下流側酸素センサ２１の出力がリーン側閾値よりも高いと判定されれば、上記ステップ２０２に戻り、応答時間カウンタのカウント値をインクリメントする処理を繰り返す。

その後、上記ステップ２０３で、下流側酸素センサ２１の出力がリーン側閾値以下に低下したと判定された時点で、ステップ２０４に進み、応答時間カウンタのカウント値（つまり下流側酸素センサ２１の出力がリッチ側閾値からリーン側閾値まで低下するのに要した時間）をセンサ応答時間Ｔs として記憶した後、ステップ２０５に進み、応答時間カウンタのカウント値を「０」にリセットする。

以上説明した本実施例では、下流側酸素センサ２１の外部に設けた定電流回路２７によりセンサ電極間に定電流を流すことで、下流側酸素センサ２１の出力特性を変更してリーン応答性やリッチ応答性を高めることができる。しかも、下流側酸素センサ２１の内部に補助電気化学電池等を組み込む必要がないため、大幅な設計変更やコストアップを招くことなく下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させることができる。

また、エンジン１１の燃料カット時にセンサ応答時間Ｔs を検出し、このセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定した場合に、下流側酸素センサ２１のセンサ電極間にセンサ印加電圧Ｖs を印加して定電流を流すように定電流回路２７を制御してセンサ応答時間Ｔs を減少させる方向に下流側酸素センサ２１の出力特性を変化させるようにしたので、下流側酸素センサ２１の応答性が低下したときに、下流側酸素センサ２１の応答性を高める方向に出力特性を変化させることができる。これにより、図９のタイムチャートに示すように、上流側触媒１８の劣化時に下流側酸素センサ２１の応答性の低下により下流側酸素センサ２１の出力が上流側触媒１８の正常時と同じような挙動を示すことを回避して、上流側触媒１８の正常時と劣化時との間で触媒劣化診断パラメータの差を大きくすることが可能となり、劣化した上流側触媒１８を劣化無し（正常）と誤判定することを防止することができる。その結果、下流側酸素センサ２１の応答性の低下による上流側触媒１８の劣化診断精度の低下を防止することができ、上流側触媒１８の劣化診断精度を向上させることができる。また、下流側酸素センサ２１の応答性低下の判定値をあまり厳しく設定する必要がなくなり、下流側酸素センサ２１の耐久寿命（応答性が低下したと判定されて交換されるまでの期間）を長くすることができるという利点もある。

また、本実施例では、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定されてセンサ電極間に電圧が印加された場合、次の燃料カット時にセンサ応答時間Ｔs を再検出し、この再検出したセンサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnormを越えていると判定した場合、センサ印加電圧Ｖs を更にセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させるようにしたので、エンジン始動後に最初のセンサ印加電圧Ｖs が適正値（センサ応答時間Ｔs を判定値Ｔnorm以下にできる電圧）に達していない場合でも、センサ印加電圧Ｖs が適正値に達するようにセンサ印加電圧Ｖs を補正することができる。

更に、本実施例では、燃料カット時にセンサ応答時間Ｔs を再検出する処理と、センサ印加電圧Ｖs を更にセンサ応答時間Ｔs の減少方向に変化させる処理を、センサ応答時間Ｔs が判定値Ｔnorm以下に減少するまで繰り返すようにしたので、センサ印加電圧Ｖs が適正値に達するまでセンサ印加電圧Ｖs の補正を繰り返すことができる。

尚、上記実施例では、リッチ燃焼制御とリーン燃焼制御を交互に実行して、所定期間における下流側酸素センサ２１の出力の積算値と上流側酸素センサ２０の出力の積算値との比率を触媒劣化診断パラメータとして算出し、この比率を異常判定値と比較して上流側触媒１８の劣化の有無を判定する劣化診断を行うシステムに本発明を適用したが、触媒の劣化診断方法は、これに限定されず、適宜変更しても良く、本発明は、少なくとも触媒の下流側に設置された下流側排出ガスセンサの出力を用いて触媒の劣化診断を行うシステムに適用することができる。

また、上記実施例では、酸素センサ２１（センサ素子３１）の大気側電極層３４に定電流回路２７を接続する構成としたが、これに限定されず、例えば、酸素センサ２１（センサ素子３１）の排気側電極層３３に定電流回路２７を接続する構成としたり、或は、排気側電極層３３と大気側電極層３４の両方に定電流回路２７を接続する構成としても良い。

また、上記実施例では、コップ型構造のセンサ素子３１を有する酸素センサ２１を用いたシステムに本発明を適用したが、これに限定されず、例えば、積層構造型のセンサ素子を有する酸素センサを用いたシステムに本発明を適用しても良い。

また、上記実施例では、上流側触媒の下流側に酸素センサを設置したシステムに本発明を適用したが、本発明は、上流側触媒や酸素センサに限定されず、排出ガス浄化用の触媒の下流側に排出ガスセンサ（酸素センサや空燃比センサ）を設置したシステムに適用することができる。

１１…エンジン（内燃機関）、１７…排気管、１８…上流側触媒、２１…下流側酸素センサ（下流側排出ガスセンサ）、２５…ＥＣＵ（センサ応答時間検出手段，センサ応答時間補正手段，劣化診断許可手段，センサ異常判定手段）、２６…マイコン、２７…定電流回路（定電流供給手段）、３１…センサ素子、３２…固体電解質層（固体電解質体）、３３…排気側電極層（センサ電極）、３４…大気側電極層（センサ電極）

Claims (5)

1. 内燃機関の排出ガス浄化用の触媒と、前記触媒の下流側に設置され、一対のセンサ電極間に固体電解質体が設けられたセンサ素子により排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する下流側排出ガスセンサとを備え、少なくとも前記下流側排出ガスセンサの出力に基づいて前記触媒の劣化診断を行う触媒の劣化診断装置において、
   前記センサ電極間に定電流を流して前記下流側排出ガスセンサの出力特性を変更する定電流供給手段と、
   前記内燃機関の燃料噴射を停止する燃料カット時に前記下流側排出ガスセンサの出力が所定のリッチ側閾値から所定のリーン側閾値まで変化するのに要する時間（以下「センサ応答時間」という）を検出するセンサ応答時間検出手段と、
   前記センサ応答時間検出手段で検出したセンサ応答時間が所定の判定値を越えている場合に、前記センサ電極間に電圧を印加して定電流を流すように前記定電流供給手段を制御して前記センサ応答時間を減少させる方向に前記下流側排出ガスセンサの出力特性を変化させるセンサ応答時間補正手段と
   を備えていることを特徴とする触媒の劣化診断装置。
2. 前記センサ応答時間が前記判定値を越えているときに前記触媒の劣化診断を禁止し、前記センサ応答時間が前記判定値以下に減少したときに前記触媒の劣化診断を許可する劣化診断許可手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の触媒の劣化診断装置。
3. 前記センサ応答時間検出手段は、前記センサ応答時間が前記判定値を越えて前記センサ電極間に電圧が印加された場合、次の燃料カット時に前記センサ応答時間を再検出し、
   前記センサ応答時間補正手段は、前記センサ応答時間検出手段で再検出したセンサ応答時間が前記判定値を越えている場合、前記センサ電極間に印加する電圧を更に前記センサ応答時間の減少方向に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒の劣化診断装置。
4. 前記センサ応答時間検出手段により前記燃料カット時に前記センサ応答時間を再検出する処理と、前記センサ応答時間補正手段により前記センサ電極間に印加する電圧を更に前記センサ応答時間の減少方向に変化させる処理を、前記センサ応答時間が前記判定値以下に減少するまで繰り返すことを特徴とする請求項３に記載の触媒の劣化診断装置。
5. 前記センサ電極間に印加する電圧を前記センサ応答時間の減少方向に変化させる処理を所定回数繰り返しても前記センサ応答時間が前記判定値以下に減少しない場合には、前記下流側排出ガスセンサの異常有りと判定するセンサ異常判定手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の触媒の劣化診断装置。

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