JP2013221432A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒劣化診断の高い実施頻度を確保しつつ、信頼性の高い診断を行うことが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】触媒コンバータＭ２の上流に配設された空燃比センサＭ３の出力信号を触媒コンバータＭ２の下流に配設された酸素濃度センサＭ４の出力信号相当値に変換する際に、酸素濃度センサＭ４の出力が理論空燃比相当値になるように内燃機関への目標空燃比を初期値から補正した量を用いて空燃比センサＭ３の出力を補正して、触媒コンバータＭ２が完全に劣化した状態における酸素濃度センサＭ４の出力信号を推定し、その推定した信号と、実際の酸素濃度センサＭ４の出力の波形の近似度から触媒コンバータＭ２の劣化を判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、運転者に触媒劣化を警告する機能を備えた内燃機関の制御装置に関するものである。

従来の内燃機関の制御装置に於ける触媒劣化検出装置として、触媒コンバータの上流側に空燃比センサを配設すると共に、触媒コンバータの下流側に酸素濃度センサを配設し、空燃比センサの出力を酸素濃度センサの空燃比対出力電圧の関係に基づいて出力変換して、触媒コンバータが完全に劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定を行い、この酸素濃度センサ出力の推定値と実際の酸素濃度センサ出力値との近似度を触媒コンバータの劣化判定パラメータとして生成し、この生成した劣化判定パラメータに基づいて劣化判定手段により触媒コンバータの劣化を判定するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された従来の触媒劣化検出装置によれば、上流側に広域空燃比センサを用いることにより、触媒劣化の診断時に触媒コンバータへ供給する酸素の量、あるいは触媒コンバータで消費する酸素の量を正確に把握して調整できるため、故障と判定すべき触媒コンバータの酸素吸蔵能力（以下、ＯＳＣと称する）を超過し、かつ正常と判定すべき触媒コンバータのＯＳＣを超過させることなく、酸素量を変動させることが出来る。その結果、故障と判定すべき触媒コンバータの下流には酸素が溢れる、あるいは酸素が完全に欠乏する現象が生じるので、触媒コンバータの下流の酸素濃度は大きく変化する。一方で、正常と判定すべき触媒コンバータの下流には酸素濃度をほぼ一定と保つことが出来る。

従って、触媒コンバータの劣化度合い（故障あるいは正常）に応じて、触媒コンバータの下流での酸素濃度の変動に大きく変化を与えることが出来るため、触媒コンバータが完全に劣化した場合の酸素濃度センサの出力の推定値と実際の酸素濃度センサの出力の近似度を触媒コンバータの劣化判定パラメータとして用いることにより、非常に信頼性の高い診断結果を得ることが出来る。

また、別の従来の触媒劣化診断装置として、下流側空燃比センサの出力に基づいてサブ空燃比フィードバック制御に用いる定数を算出する定数演算手段と、この算出した定数と上流側空燃比センサ出力とに基づいて機関の空燃比をフィードバック制御するサブ空燃比フィードバック制御手段を有し、サブ空燃比フィードバック制御手段による制御の実行中の所定期間内での下流側空燃比センサの出力波形と所定値とで囲まれる部分の面積と、下流側空燃比センサの出力波形の軌跡長との、少なくとも一方に基づいて三元触媒の劣化を判別する触媒劣化判定手段と、前述の定数演算手段により算出されたサブ空燃比フィードバック制御に用いる定数の値が所定のガード値に達したときに触媒劣化判定手段による触媒劣化判定を禁止する禁止手段とを備えた技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に開示された従来の触媒劣化診断装置によれば、前述したような、実際の空燃比に対して上流側酸素濃度センサあるいは、上流側空燃比センサの出力にリッチ側へのズレが生じる場合においては、そのズレが大きいときに触媒劣化の診断を禁止するので、正常な触媒コンバータを誤って故障品と判定することを防止することが出来る。

特許第４５７８５４４号公報 特許第２０８２２７６号公報

特許文献１に開示された従来の触媒劣化診断装置では、触媒コンバータの上流に配設された空燃比センサと触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサを利用して、酸素濃度センサの出力が予め設定した目標値となるように内燃機関の空燃比を制御する、いわゆるサブ空燃比フィードバック制御で得られた「中心Ａ／Ｆ（すなわち、理論空燃比）」を基準として診断時の空燃比制御を実施する場合、触媒コンバータの劣化判定パラメータの精度が低下し、ひいては触媒コンバータの診断結果の信頼性が低下する、という課題があった。

以下、この点について具体的に説明する。サブ空燃比フィードバック制御開始直後は、触媒コンバータ上流側に配設された空燃比センサの出力が予め設定された目標空燃比初期値となるように、内燃機関の空燃比が制御される。なお、この目標空燃比初期値は、内燃機関の空燃比が理論空燃比近傍、すなわち触媒コンバータへの酸素の供給あるいは触媒コンバータでの酸素の消費のいずれもが行われない空燃比となるように設定されている。また、触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサの目標値も前述の目標空燃比初期値同様に、内燃機関の空燃比が理論空燃比近傍となるように予め設定されている。従って、空燃比センサの出力にズレ（誤差）が生じない場合には、空燃比センサの出力が目標空燃比初期値となるように内燃機関の空燃比制御を行うことにより、触媒コンバータ下流に配設された酸素濃度センサの出力は自ずと目標値に一致する。

一方、空燃比センサの出力にズレが生じる場合、サブ空燃比フィードバック制御を開始した直後は、触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサの出力は予め設定した目標値とはならずに、サブ空燃比フィードバック制御を実施する過程で内燃機関の空燃比が初期値から徐々に修正され、酸素濃度センサの出力が目標値と収束していく。

ここで、実際の空燃比に対して空燃比センサの出力にリッチ側へのズレが生じる場合について説明する。図１５は、サブ空燃比フィードバック制御による、空燃比センサ出力と実際の空燃比と酸素濃度センサの出力の挙動を示したタイミングチャートである。図１５に於いて、サブ空燃比フィードバック制御開始直後（時刻ｔａ）には、空燃比センサの出力は目標空燃比初期値に設定されるが、空燃比センサの出力のリッチ側へのズレにより、実際の空燃比は理論空燃比よりもリーンとなる。この結果、触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサの出力は、理論空燃比を示す目標値よりも低い値となる。

この後、サブ空燃比フィードバック制御を継続することにより、酸素濃度センサの出力を上昇させて目標値に近づくように、すなわち、サブ空燃比フィードバック制御開始直後と比べてリッチとなるように内燃機関の空燃比が調整される。この結果、空燃比センサの出力はサブ空燃比フィードバック制御開始直後に比べてリッチ側に収束することになる（時刻ｔｂ）。

また、同じ原理により、実際の空燃比に対して空燃比センサの出力にリーン側へのズレが生じる場合は、空燃比センサの出力はサブ空燃比フィードバック制御開始直後と比べてリーンとなるように内燃機関の空燃比が調整されるため、空燃比センサの出力はサブ空燃比フィードバック制御開始直後と比べてリーン側に収束することになる。

これらの現象をまとめると、空燃比センサの出力が実際の空燃比に対してズレを生じる
場合、サブ空燃比フィードバック制御を実施することにより、実際の内燃機関の空燃比は理論空燃比近傍に収束する一方で、空燃比センサの出力は、目標空燃比初期値よりも空燃比センサのズレと同じ方向にズレた値で収束することが判る。

前述の特許文献１に開示された従来の装置では、特許文献１の図４に示す空燃比センサの出力を酸素濃度センサの空燃比対出力電圧の関係を基に出力変換して、触媒コンバータが完全に劣化した場合の酸素濃度センサの出力の推定を行なうようにしている。触媒劣化診断は、サブ空燃比フィードバック制御により、空燃比センサの出力が収束した値を中心Ａ／Ｆとして空燃比をリッチ、リーンの交互に空燃比を操作することにより実施されるため、空燃比センサの出力にズレが生じない場合は、空燃比センサ出力が目標空燃比初期値、すなわち理論空燃比近傍に収束した状態で診断が実施される。

図１６Ａは、空燃比センサの出力と触媒劣化時酸素濃度センサ出力の関係を示す説明図、図１６Ｂは、酸素濃度センサの出力の推定値の挙動を示すタイミングチャート、図１６Ｃは、実際の酸素濃度センサの出力の挙動を示すタイミングチャートである。前述の触媒コンバータが完全に劣化した状態での酸素濃度センサ出力の推定は、図１６Ａに示すように理論空燃比を中心とした空燃比制御範囲を基に算出されるので、時間に対する酸素濃度センサ出力推定値の推移は図１６Ｂに示すように目標値（すなわち、理論空燃比相当値）を中心としてリッチ、リーンの両方に大きく変動する挙動となる。

なお、診断の対象となる触媒コンバータが正常な場合はＯＳＣが大きいため、触媒コンバータの上流側の空燃比の操作に対して触媒コンバータ下流側の空燃比の変化は小さくなり、実際の酸素濃度センサの出力は図１６Ｃに示すように目標値を中心としてリッチ、リーンの両方に小さく変動する挙動となる。従って、触媒コンバータが完全に劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値の波形と実際の酸素濃度センサの出力波形の近似度は、特に振幅の大きさにおいて低く、この近似度を基に触媒コンバータの劣化度合いを示す値として算出された「劣化判定パラメータ」は小さい値となる。すなわち、正常な触媒コンバータに対して、確実に正常判定することが出来る。

図１７Ａは、空燃比センサの出力と触媒劣化時酸素濃度センサ出力の関係を示す説明図、図１７Ｂは、酸素濃度センサ出力の推定値の挙動を示すタイミングチャート、図１７Ｃは、酸素濃度センサ出力の挙動を示すタイミングチャートである。実際の空燃比に対して空燃比センサの出力にリッチ側へのズレが生じる場合では、サブ空燃比フィードバック制御により、空燃比センサ出力が目標空燃比初期値からリッチ側へズレて収束した状態で診断が実施される。この結果、触媒コンバータが完全に劣化した状態の酸素濃度センサ出力の推定は、図１７Ａに示すように、理論空燃比からリッチ側へズレた点（診断時の中心Ａ／Ｆ）を中心とした空燃比制御範囲を基に算出されるので、時間に対する酸素濃度センサ出力推定値の推移は図１７Ｂに示すように目標値からリッチ側へズレた点（すなわち、高電圧側にシフトした点）を中心として、リッチ側に偏った領域で小さく変動する挙動となる。

なお、診断の対象となる触媒コンバータへの空燃比は、サブ空燃比フィードバックによって空燃比センサの出力のズレを補償しているため、前述の空燃比センサの出力にズレが生じない場合と同様に、理論空燃比を中心としてリッチ、リーンの交互に操作される。このため、触媒コンバータが正常な場合は、前述の空燃比センサの出力にズレが生じない場合と同様に、実際の酸素濃度センサの出力は図１７Ｃに示すように目標値を中心として小さく変動する挙動となる。従って、触媒コンバータが完全に劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値の波形と、実際の酸素濃度センサの出力波形の近似度は特に振幅の大きさにおいて高くなり、「劣化判定パラメータ」は大きい値となる。このため、正常な触媒コンバータであるにもかかわらず劣化度合いが高いと判定することになり、誤って故障品と
して判定してしまう可能性が高くなる、すなわち、触媒コンバータの診断結果の信頼性が低下してしまうという課題があった。

一方、特許文献２に開示された従来の装置では、例えば実際の空燃比に対して上流側酸素濃度センサあるいは上流側空燃比センサの出力にリッチ側へのズレが生じる場合において、そのズレが大きいときには診断を禁止するので、診断結果の誤りを回避することはできるが、診断の実施頻度が低下してしまうという課題があった。

この発明は、従来の内燃機案制御装置に於ける前述の様な課題を解決するためになされたものであり、触媒劣化診断の高い実施頻度を確保しつつ、信頼性の高い診断を行うことが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的としたものである。

この発明による内燃機関の制御装置は、
内燃機関の排気通路に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータと、
前記触媒コンバータの上流に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
前記触媒コンバータの下流に配設され、前記触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記空燃比センサの出力と前記酸素濃度センサの出力とに基づいて、前記触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断手段と、
を備え、
前記触媒劣化診断手段は、
前記空燃比センサの出力と前記内燃機関の運転状態とに基づいて、前記触媒コンバータへ供給する酸素量若しくは前記触媒コンバータで消費する酸素量を算出する相対酸素ストレージ量算出手段と、
前記相対酸素ストレージ量算出手段の算出結果に基づいて、前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側との交互に操作する空燃比制御手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒コンバータが劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値を出力する触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段と、
前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の出力と前記酸素濃度センサの出力の近似度に基づいて、劣化判定パラメータを算出する劣化判定パラメータ算出手段と、
前記劣化判定パラメータ算出手段から算出された前記劣化判定パラメータの値が所定の値を超過した場合に、前記触媒コンバータの状態を劣化として判定する劣化判定手段と、
前記酸素濃度センサの出力が目標値となるように、前記内燃機関の目標空燃比の初期値を補正する補正値を算出する中心Ａ／Ｆ補正手段と、
前記中心Ａ／Ｆ補正手段により算出された前記補正値に応じて、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の前記推定値を補正する空燃比センサ出力補正手段と、
を有する、
ことを特徴とすることを特徴とするものである。

この発明による内燃機関の制御装置によれば、触媒劣化診断手段は、空燃比センサの出力と内燃機関の運転状態とに基づいて、触媒コンバータへ供給する酸素量若しくは前記触媒コンバータで消費する酸素量を算出する相対酸素ストレージ量算出手段と、前記相対酸素ストレージ量算出手段の算出結果に基づいて、前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側との交互に操作する空燃比制御手段と、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒コンバータが劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値を出力する触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段と、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の出力と前記酸素
濃度センサの出力の近似度から触媒の劣化度を劣化判定パラメータとして算出する劣化判定パラメータ算出手段と、前記劣化判定パラメータ算出手段から算出された劣化判定パラメータの値が所定の値を超過した場合に、前記触媒コンバータの状態を劣化として判定する劣化判定手段と、前記酸素濃度センサの出力が目標値となるように、前記内燃機関の目標空燃比の初期値を補正する中心Ａ／Ｆ補正手段と、前記中心Ａ／Ｆ補正手段の補正値に応じて、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の前記推定値を補正する空燃比センサ出力補正手段とを有しているので、空燃比センサの出力ズレが生じる場合でも、触媒劣化診断の高い実施頻度を確保しつつ、触媒コンバータの劣化度合いとの相関性が高い劣化判定パラメータを用いて信頼性の高い診断結果を得ることができる。

この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関および内燃機関の制御装置の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置における、触媒劣化酸素濃度センサ出力推定手段の構成を示す構成図である。 酸素濃度センサの、空燃比と出力電圧の関係を示す説明図である。 酸素濃度センサの、空燃比と出力の関係を２次元テーブル化した説明図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 空燃比センサの出力と触媒劣化時酸素濃度センサの出力の関係を示す説明図である。 空燃比センサの出力と触媒劣化時酸素濃度センサの出力の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図８における処理の一部分の詳細を示すフローチャートである。 図８における処理の別の一部分の詳細を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図１０における処理の一部分の詳細を示すフローチャートである。 図１０における処理の別の一部分の詳細を示すフローチャートである。 図１０における処理の、さらに別の一部分の詳細を示すフローチャートである。 図１０における処理の、さらにまた別の一部分の詳細を示すフローチャートである。 酸素濃度センサの出力の振幅を積算する過程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図１２の処理の一部分の詳細を示すフローチャートである。 図１２の処理の別の一部分の詳細を示すフローチャートである。 酸素濃度センサの出力とその出力をフィルタ処理した出力で囲まれる面積を示す説明図である。 空燃比制御と触媒酸素吸蔵量の相対変化量と酸素濃度センサの出力の関係を示したタイミングチャートである。 サブ空燃比フィードバック制御による、空燃比センサの出力と実際の空燃比と酸素濃度センサの出力の挙動を示したタイミングチャートである。 空燃比センサの出力と触媒劣化時酸素濃度センサの出力の関係を示す説明図である。 酸素濃度センサ出力の推定値の挙動を示すタイミングチャートである。 実際の酸素濃度センサ出力の挙動を示すタイミングチャートである。 空燃比センサの出力と触媒劣化時酸素濃度センサの出力の関係を示す説明図である。 酸素濃度センサの出力の推定値の挙動を示すタイミングチャートである。 実際の酸素濃度センサの出力の挙動を示すタイミングチャートである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図、図２は、この発明の実施の形態１による内燃機関および内燃機関の制御装置の構成を示す構成図である。図１および図２において、内燃機関Ｍ１の排気系に設けられた触媒コンバーＭ１は、内燃機関Ｍ１の排気ガスを浄化する。空燃比センサＭ３は、触媒コンバータＭ２の上流に設けられ、内燃機関Ｍ１から排出される排気ガスの空燃比を検出する。触媒コンバータＭ２の下流に設けられた酸素濃度センサＭ４は、内燃機関の排気ガスの酸素濃度を検出する。

また、クランク角センサ１は、内燃機関Ｍ１のクランクシャフトの角度位置を検出する。エアーフローセンサ２は、内燃機関Ｍ１の吸気系に設けられ、内燃機関Ｍ１が吸入する空気量の量を計測する。インジェクタ３は、内燃機関Ｍ１のシリンダ内へ燃料を供給する。点火プラグ４は、内燃機関Ｍ１のシリンダ内部に供給された燃料を火花により点火する。内燃機関の制御装置（以下、ＥＣＵと称する）５は、クランク角センサ１やエアーフローセンサ２等の出力に基づいて、内燃機関Ｍ１の運転状態を検出して供給燃料量や点火時期を制御しつつ、触媒コンバータＭ２の劣化状態を検出する。

ＥＣＵ５は、図１に示すように、内部に触媒劣化診断手段５１を備えている。触媒劣化診断手段５１は、空燃比センサＭ３の出力と酸素濃度センサＭ４の出力とに基づいて、触媒コンバータＭ２の劣化を診断するものである。

触媒劣化診断手段５１は、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５と、劣化判定パラメータ算出手段Ｍ６と、劣化判定手段Ｍ７と、相対酸素ストレージ量算出手段Ｍ８と、空燃比制御手段Ｍ９と、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２とを備えている。なお、図１において、Ｍ１０は、ＥＣＵ５内に設けられた運転状態検出手段、Ｍ１１は、同じくＥＣＵ５内に設けられた燃料噴射量調整手段である。

中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２は、後述する触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ１５の出力を補正するための中心Ａ／Ｆの補正量を算出する。この中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２の動作の詳細は後述する。触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５は、触媒コンバータＭ２の上流に配設された空燃比センサＭ３の出力を基に、触媒コンバータＭ２が完全に劣化した状態における酸素濃度センサＭ４の出力信号を推定する。

劣化判定パラメータ算出手段Ｍ６は、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５により算出された推定出力と、実際の酸素濃度センサＭ４の出力信号すなわち実出力とを比較して、推定出力の実出力に対する近似度を劣化判定パラメータとして算出する。劣化判定手段Ｍ７は、劣化判定パラメータ算出手段Ｍ６により算出された劣化判定パラメータの値と予め実験的に設定された所定の劣化判定基準値とを比較し、劣化判定パラメータが当該
劣化判定基準値を上回っている場合に、触媒コンバータＭ２が「劣化」していると判定する。この点について詳細に説明すると次の様になる。

一般に、触媒コンバータＭ２の排ガス浄化能力は、触媒コンバータＭ２が有する最大酸素吸蔵量と相関性が高く、最大酸素吸蔵量が低下すると排ガスの浄化能力は低下する。一方、最大酸素吸蔵量が低下してくると、内燃機関Ｍ１に対して空燃比をリッチ／リーンの交互に反転操作した際に得られる酸素濃度センサＭ４の出力信号は、高電圧側（例えば約１［Ｖ］）および低電圧側（例えば約０［Ｖ］）の交互に変動するようになる。触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５により算出される推定出力は、触媒の最大酸素吸蔵量がほとんど無くなった状態における酸素濃度センサＭ４の挙動が算出されるため、内燃機関Ｍ１に対して空燃比をリッチ／リーンの交互に反転操作すると、高電圧側（例えば約１［Ｖ］）および低電圧側（例えば約０［Ｖ］）の交互に極めて大きく変動する。

従って、内燃機関Ｍ１に対して空燃比をリッチ／リーンの双方向に反転操作した際に得られる実際の酸素濃度センサＭ４の出力と、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５で算出される出力とから求まる劣化判定パラメータの値が大きい程（すなわち、両出力の近似度が高い程）、触媒コンバータＭ２の浄化能力が低い、すなわち、触媒コンバータＭ２が「劣化」したと判断できる。劣化判定手段Ｍ７で触媒コンバータＭ２を「劣化」と判定した場合には、故障ランプ等を点灯し、運転者に触媒コンバータＭ２の故障を知らしめる。

次に、運転状態検出手段Ｍ１０は、内燃機関Ｍ１に配される各種センサ、例えば、クランク角センサ１の出力であるクランク角、エアーフローセンサ２の出力である吸入空気量から、例えば回転速度や充填効率等の内燃機関の運転状態を検出する。中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２は、酸素濃度センサＭ４の出力が予め設定された目標値となるように、内燃機関Ｍ１の目標空燃比初期値からの補正量を算出する。相対酸素ストレージ量算出手段Ｍ８は、空燃比センサＭ３と運転状態検出手段Ｍ１０の検出値と中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２の出力に基づいて、触媒コンバータＭ２への酸素の供給量および触媒コンバータＭ２で消費する酸素の消費量を算出する。

空燃比制御手段Ｍ９は、相対酸素ストレージ量算出手段Ｍ８の算出結果を参照して、内燃機関Ｍ１の目標Ａ／Ｆを、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２によって補正されたＡ／Ｆを基準として、リッチあるいはリーンに設定するものである。燃料噴射量調整手段Ｍ１１は、通常、運転状態検出手段Ｍ１０が検出した運転状態を基に中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２によって補正されたＡ／Ｆを基準として、内燃機関Ｍ１へインジェクタ３を介して噴射する燃料の量を調整するものであるが、触媒劣化診断の実施時には、空燃比制御手段Ｍ９からの指令とあわせて燃料の量を調整する。

中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２の処理には、例えばサブ空燃比フィードバック制御が利用される。サブ空燃比フィードバック制御とは、酸素濃度センサＭ４の出力と予め決められた酸素濃度センサ出力目標値（例えば理論空燃比相当の電圧）との偏差量に応じて、内燃機関Ｍ１の目標空燃比を目標空燃比初期値から修正する量を調整することにより、酸素濃度センサＭ４の出力を予め決められた目標値に収束させるフィードバック制御のことである。このサブ空燃比フィードバック制御を利用することで、内燃機関Ｍ１の目標空燃比に初期値を設定した状態で、酸素濃度センサＭ４の出力が予め設定された目標値から偏差が発生しても、この偏差を内燃機関Ｍ１の目標空燃比の設定にフィードバックすることにより、徐々に偏差が解消される。このサブ空燃比フィードバック制御により偏差が解消された時点で得られる内燃機関Ｍ１の目標空燃比の初期値からの修正量が、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２によって算出される補正量である。

次に空燃比センサＭ３の出力にズレが生じる際の、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２によって算出される補正量について説明する。空燃比センサＭ３の出力が真の空燃比に対してリッチ側にズレる場合、内燃機関Ｍ１の目標空燃比を、予め理論空燃比となるように設定した初期値に設定すると、空燃比センサＭ３の出力が目標空燃比初期値となるように、燃料噴射量調整手段Ｍ１１が燃料量を調整するが、実際の内燃機関Ｍ１の空燃比は、空燃比センサＭ３がリッチ側へズレている分だけリーン側にズレることになる。この結果、酸素濃度センサＭ４の出力はリーン側の出力、すなわち目標値より小さい値となり、目標値との偏差が生じる。なお、酸素濃度センサＭ４の目標値は、理論空燃比となるように予め設定されている値である。

ここで、前述のサブ空燃比フィードバック制御を利用すると、酸素濃度センサＭ４の出力と目標値の偏差を内燃機関Ｍ１への目標空燃比設定にフィードバックし、この目標空燃比を初期値から徐々に修正していくことにより酸素濃度センサＭ４の出力と目標値との偏差は解消される。この結果、内燃機関Ｍ１の目標空燃比における初期値からの修正量は、空燃比センサＭ３の出力のズレ量と一致する。すなわち、空燃比センサＭ３の出力のズレ量がリッチ側にβの場合は、内燃機関Ｍ１の目標空燃比の修正量（すなわち中心Ａ／Ｆ補正手段の補正量）は、リッチ側へβとなる。

なお、中心Ａ／Ｆ補正Ｍ１２の処理には、前述のサブ空燃比フィードバック制御以外の方法も用いることが出来る。酸素濃度センサＭ４の出力が目標値となるように内燃機関Ｍ１の目標空燃比を補正する簡易的な方法として、例えば燃料カット復帰時の酸素濃度センサＭ４の応答時間を利用する方法がある。この方法では、燃料カット復帰時に酸素濃度センサＭ４が低電圧から所定電圧まで上昇するのに要する時間が、予め決められた基準時間に対して長い場合は、空燃比センサＭ３の出力がリッチ側にズレが生じて内燃機関Ｍ１のＡ／Ｆがリーン気味になっていると判断し、内燃機関Ｍ１の目標空燃比の初期値をリッチ側に補正する。一方で、基準時間に対して短い場合は、反対の事象が発生いると判断し、内燃機関Ｍ１の目標空燃比の初期値をリーン側に補正する。この方法を使うと、前述のサブ空燃比フィードバック補正を用いる方法より、比較的早い時間で補正量を算出することが出来る。

次に、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５の構成の詳細について説明する。図３は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置における、触媒劣化酸素濃度センサ出力推定手段の構成を示す構成図である。図３において、空燃比センサ出力補正手段Ｍ５１は、空燃比センサＭ３の出力から中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２で算出された補正量を減算する。Ｍ５２は、後述するＡ／Ｆ→λＯ２出力変換手段である。空燃比センサ出力補正手段Ｍ５１の具体的な処理内容は、空燃比センサＭ３の出力Ａ／Ｆｉｎに対して、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２で算出された補正量Ｃａｆを減算し、Ａ／Ｆ→λＯ２出力変換手段Ｍ５２への入力Ａ／Ｆｉｎ＿ｃを算出することである。すなわち、空燃比センサ出力補正手段Ｍ５１は、［Ａ／Ｆｉｎ＿ｃ＝Ａ／Ｆｉｎ−Ｃａｆ］の処理を行う。

Ａ／Ｆ→λＯ２出力変換手段Ｍ５２は、酸素濃度センサＭ４のＡ／Ｆと出力電圧の特性を用いて、空燃比センサＭ３からの出力を電圧に変換するものである。図４は、酸素濃度センサの、空燃比と出力電圧の関係を示す説明図である。図５は、酸素濃度センサの、空燃比と出力の関係を２次元テーブル化した説明図で、図４の特性を２次元テーブル（ＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤ）に置き換えたものである。Ａ／Ｆ→λＯ２出力変換手段Ｍ５２では、図４に示す特性および図５に示す２次元テーブル（ＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤ）を利用して、入力Ａ／Ｆｉｎ＿ｃからＲＯ２ｅ［Ｖ］を算出する。

ここで、空燃比センサＭ３の出力にズレが生じる際の、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５の処理について説明する。図７Ａ、図７Ｂは、空燃比センサの出力と触媒劣
化時酸素濃度センサの出力の関係を示す説明図である。図７Ａにおいて、前述のとおり、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２にサブ空燃比フィードバック制御を利用した場合、空燃比センサＭ３の出力のズレ量がリッチ側にβの場合は、内燃機関Ｍ１の目標空燃比の修正量（すなわち、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２の補正量）は、リッチ側へβ（すなわち、−β）となる。従って、サブ空燃比フィードバック制御により、酸素濃度センサＭ４の出力が目標値に収束した状態における空燃比センサＭ３の出力Ａ／Ｆｉｎは、理論空燃比をＡ／Ｆ＿ｔｈとすると、［Ａ／Ｆｉｎ＝Ａ／Ｆ＿ｔｈ−β］となる。

もし、空燃比センサＭ３の出力を、前述したＡ／Ｆ→λＯ２出力変換手段Ｍ５２の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤにそのまま適用すると、触媒劣化診断中の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤへの入力は［Ａ／Ｆｉｎ±α］となる。ここで、αは触媒劣化診断中の中心Ａ／Ｆからのリッチ、リーンの空燃比制御幅である。この結果、触媒劣化時酸素濃度センサ出力手段Ｍ５の出力は、図７Ａ中のＡで示した範囲で変動することとなり、図７Ｂ中のＡ１で示した理論空燃比を中心として得た触媒劣化時酸素濃度センサ出力手段Ｍ５の出力変動範囲よりも小さくなってしまうことがわかる。

一方、この発明における触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５では、空燃比センサＭ３の出力Ａ／Ｆｉｎを空燃比センサ出力補正手段Ｍ５１によって、中心Ａ／Ｆ補正手段の補正量を減算してからＡ／Ｆ→λＯ２出力変換手段Ｍ５２の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤに適用するため、触媒劣化診断中の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤへの入力は、

Ａ／Ｆ＿ｃ±α＝｛Ａ／Ｆｉｎ−（−β）｝±α
＝｛（Ａ／Ｆ＿ｔｈ−β）−（−β）｝±α
＝Ａ／Ｆ＿ｔｈ±α

となり、空燃比センサＭ３の出力ズレが無い状態、すなわち理論空燃比を中心に変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤを適用した結果と等価となる。

同様に、空燃比センサＭ３の出力のズレ量がリーン側にβの場合は、内燃機関Ｍ１の目標空燃比の修正量は、リーン側へβ（すなわち、＋β）となる。前述と同様に、空燃比センサＭ３の出力Ａ／Ｆｉｎを中心Ａ／Ｆ補正手段の補正量を減算してからＡ／Ｆ→λＯ２出力変換手段Ｍ５２の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤに適用すると、触媒劣化診断中の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤへの入力は、

Ａ／Ｆ＿ｃ±α＝｛Ａ／Ｆｉｎ−（＋β）｝±α
＝｛（Ａ／Ｆ＿ｔｈ＋β）−（＋β）｝±α
＝Ａ／Ｆ＿ｔｈ±α

となり、やはり空燃比センサＭ３の出力ズレが無い状態、すなわち理論空燃比を中心に変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤを適用した結果と等価となる。

従って、空燃比センサ出力補正手段Ｍ５１を用いることにより、触媒コンバータＭ２の劣化判定パラメータ算出の基準となる触媒劣化時酸素濃度センサ出力手段Ｍ５の出力は、空燃比センサＭ３の出力のズレの有無にかかわらず、常に理論空燃比を中心Ａ／Ｆとして空燃比制御した結果と等価な値とすることができる。

次に、前述のこの処理の流れを説明する。図６は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図６において、まず、ステップＳ６０１にて、空燃比センサＭ３からＡ／Ｆｉｎを読み出す。読み出したＡ／Ｆｉｎは、ステップＳ６０２において、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１２で算出された補正量Ｃａｆを用いて、［Ａ／Ｆｉｎ＿ｃ＝Ａ／Ｆｉｎ−Ｃａｆ］の式で補正される。ステップＳ６０３では、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段Ｍ５の出力ＲＯ２ｅを、補正された空燃比センサＭ３の出力Ａ／Ｆｉｎ＿ｃとＡ／Ｆ⇒λＯ２出力変換手段Ｍ５２の変換テーブルＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤを用いて、［ＲＯ２ｅ＝ＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤ（Ａ／Ｆｉｎ＿ｃ）］として算出する。

ここで、一連の触媒劣化診断の処理の内容について説明する。図８は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャート、図８Ａは、図８における処理の一部分の詳細を示すフローチャート、図８Ｂは、図８における処理の別の一部分の詳細を示すフローチャートである。なお、触媒劣化診断は大別して、下記（ａ）と（ｂ）の２つの操作を同時並行的に実施する。
（ａ）触媒コンバータＭ２に対して酸素を供給し若しくは消費する操作。
（ｂ）空燃比センサＭ３の出力を基に、触媒劣化時の酸素濃度センサＭ４の出力を推定し、その推定値と実際の酸素濃度センサＭ４の出力との近似度を、劣化診断パラメータとして算出、すなわち、触媒劣化判定の処理、を行なう操作。

まず、図８を用いて、触媒コンバータＭ２に対して酸素を消費し若しくは供給する、という操作の内容を説明する。ただし、内燃機関Ｍ１が、空燃比センサＭ３と酸素濃度センサＭ４を利用して、サブ空燃比フィードバック制御を実施していることを前提としている。この運転状態が所定の時間継続した場合に、触媒劣化診断が実施される。まず、ステップＳ８０１で、診断の継続時間を示す診断実施時間を初期化する。ステップＳ８０２では、触媒コンバータＭ２に吸蔵されている酸素量を示す触媒酸素吸蔵量（以下、Ｏ２Ｓ量と称する）の相対変化量（以下、相対Ｏ２Ｓ量と称する）を「０」にリセットする。このＯ２Ｓ量の値は、触媒コンバータＭ２に対して酸素を供給する、すなわち、理論空燃比よりもリーン側で運転すると増加し、反対に消費する、すなわち、理論空燃比よりもリッチ側で運転すると減少する値である。

一定の期間、内燃機関Ｍ１を理論空燃比で運転させると、触媒コンバータＭ２中のＯ２Ｓ量は、触媒コンバータＭ２が有する最大酸素吸蔵量の約半分で安定することが知られている。従って、ステップＳ８０２の処理が実施される状況においては、触媒コンバータＭ２中のＯ２Ｓ量は、その触媒コンバータが有する最大酸素吸蔵量の約半分となっている。

ステップＳ８０３では、触媒劣化診断の実施条件が継続しているかどうかを判断し、ＹＥＳの場合はステップＳ８０４に進む。一方、ＮＯの場合は処理を終了する。ステップＳ８０４、Ｓ８０５では、それぞれ、内燃機関Ｍ１のＡ／Ｆをリッチ化、リーン化する制御を実施する。これらの制御の目的は、診断対象となる触媒コンバータＭ２に対して、酸素を消費、あるいは、供給することで、触媒コンバータＭ２の酸素吸蔵能力（ＯＳＣ）量を調整することである。触媒コンバータＭ２の最大酸素吸蔵量の範囲内で、ＯＳＣ量が増減しても、触媒コンバータ下流の酸素濃度は、ほぼ一定となるため、酸素濃度センサＭ４の出力はほとんど変化しない。すなわち、触媒コンバータＭ２の劣化度合いが小さい場合は、ステップＳ８０４、Ｓ８０５によるＯＳＣ量の増減操作によっても、酸素濃度センサＭ４の出力に変化は得られない。

一方、触媒コンバータＭ２の劣化度合いが大きい場合は、触媒コンバータＭ２の最大酸素吸蔵量が少なくなっているため、前述のＯＳＣ量の増減操作によって、触媒コンバータＭ２の下流の酸素濃度が大きく変化する。この結果、酸素濃度センサＭ４の出力は大きく変動することになる。

ステップＳ８０６では、触媒劣化診断の期間が所定の時間を経過したかどうかを判断し、ＹＥＳの場合は、一連の触媒コンバータＭ２に対する酸素の消費、供給の操作を完了する。一方、ＮＯの場合は、触媒劣化診断を継続すべくステップＳ８０３に戻る。

次に、ステップＳ８０４の処理の詳細について説明する。図８Ａは、図８におけるステップＳ８０４での処理の詳細を示している。この処理は、触媒コンバータＭ２の酸素を消費する、すなわちＯＳＣ量を減少させることを目的としている。ステップＳ８Ａ０１で、サブ空燃比フィードバック制御で得られた中心Ａ／Ｆすなわち理論空燃比から所定量αだけリッチ側に目標Ａ／Ｆを設定する。この操作により、ＥＣＵ５は空燃比センサＭ２の出力が目標Ａ／Ｆに一致するように、インジェクタ３の燃料噴射量を調整する。この結果、内燃機関Ｍ１の空燃比は理論空燃比よりリッチとなる。

ステップＳ８Ａ０２では、相対Ｏ２Ｓ量を算出する。相対Ｏ２Ｓ量は、触媒劣化診断が開始された時点からのＯ２Ｓ量の増減を示すものであり、ステップＳ８Ａ０１で内燃機関Ｍ１の空燃比がリッチ側に操作されていることから、次第に減少していく。なお、相対Ｏ２Ｓ量を求める式は、次式のとおりである。

相対Ｏ２Ｓ量（ｔ）
＝相対Ｏ２Ｓ量（ｔ−１）
＋｛実Ａ／Ｆ（ｔ）−中心Ａ／Ｆ｝÷中心Ａ／Ｆ×Ｑａ（ｔ）×ΔＴ×０．２３

ここで、「実Ａ／Ｆ」は内燃機関Ｍ１の実際の空燃比、「中心Ａ／Ｆ」は、サブ空燃比フィードバック制御で得られた理論空燃比、「Ｑａ」は、内燃機関Ｍ１の単位時間当たりの吸入空気量、「ΔＴ」は、相対Ｏ２Ｓ量を算出する時間間隔（例えば、１０［ｍｓｅｃ］）、「０．２３」は、「Ｑａ」中の酸素の質量比率（すなわち、大気中の酸素の質量比率）、各項の「ｔ」は時刻を表すパラメータである。

ステップＳ８Ａ０３では、ステップＳ８Ａ０２で求めた相対Ｏ２Ｓ量が目標Ｏ２Ｓ量（−側）以下となったかどうか判断する。ここで、目標Ｏ２Ｓ量（−側）は、劣化触媒の最大酸素吸蔵量の１／２より大きく、かつ、正常な触媒の最大酸素吸蔵量の１／２より小さくなるように予め設定されている。これは、触媒コンバータＭ２の下流の酸素濃度が、劣化触媒の場合に低く（すなわち、酸素濃度センサＭ４の出力は高電圧）、正常な触媒の場合に理論空燃比相当（すなわち、酸素濃度センサの出力は中間電圧）となることを狙って設定されている。

なお、触媒の最大酸素吸蔵量は正の数であり、目標Ｏ２Ｓ量（−側）は便宜上、負の数となるため、符号を付した状態の大小関係は次の様になる。

（−１）×ＯＳＣ＿Ｎ÷２＜目標Ｏ２Ｓ量（−側）＜（−１）×ＯＳＣ＿Ｄ÷２

ここで、ＯＳＣ＿Ｎは、正常触媒の最大酸素吸蔵量、ＯＳＣ＿Ｄは、劣化触媒の最大酸素吸蔵量である。

ステップＳ８Ａ０３の判断がＹＥＳの場合は、Ａ／Ｆリッチ化制御を完了して処理を終了する。一方、ＮＯの場合は、Ａ／Ｆリッチ化制御を継続すべく、ステップＳ８Ａ０１に戻る。

次に、図８におけるステップＳ８０５の処理の詳細について説明する。図８Ｂは、図８におけるステップＳ８０５での処理の詳細を示している。この処理は、触媒コンバータＭ２に酸素を供給する、すなわち、ＯＳＣ量を増加させることを目的としている。ステップ
Ｓ８Ｂ０１で、サブ空燃比フィードバック制御で得られた中心Ａ／Ｆ（すなわち、理論空燃比）から所定量αだけリーン側に目標Ａ／Ｆを設定する。この操作により、ステップＳ８Ａ０１のＥＣＵ５によるインジェクタ３の制御の結果と同様に、内燃機関Ｍ１の空燃比は理論空燃比よりリーンとなる。ステップＳ８Ｂ０２での処理内容は、ステップＳ８Ａ０２と同じであるため説明は割愛する。

ステップＳ８Ｂ０３では、ステップＳ８Ｂ０２で求めた相対Ｏ２Ｓ量が目標Ｏ２Ｓ量（＋側）以上となったかどうか判断する。ここで、目標Ｏ２Ｓ量（＋側）は、劣化触媒の最大酸素吸蔵量の１／２より大きく、かつ、正常な触媒の最大酸素吸蔵量の１／２より小さくなるように予め設定されている。これは、触媒コンバータＭ２の下流の酸素濃度が、劣化触媒の場合に高く（すなわち、酸素濃度センサＭ４の出力は低電圧）、正常な触媒の場合に理論空燃比相当（すなわち、酸素濃度センサの出力は中間電圧）となることを狙って設定されている。

ステップＳ８Ｂ０３の判断がＹＥＳの場合はＡ／Ｆリッチ化制御を完了して処理を終了する。一方、ＮＯの場合はＡ／Ｆリッチ化制御を継続すべく、ステップＳ８Ｂ０１に戻る。

次に、前述の図８のステップＳ８０４およびＳ８０５のＡ／Ｆ操作による、相対Ｏ２量の挙動と酸素濃度センサＭ４の出力の挙動について説明する。図１４は、空燃比制御と触媒酸素吸蔵量の相対変化量と酸素濃度センサの出力の関係を示したタイミングチャートである。図１４において、時刻ｔ０で、触媒劣化診断が開始される。時刻ｔ０以前はサブ空燃比フィードバック制御が所定時間以上継続しているため、触媒コンバータＭ２のＯＳＣ量は触媒の持つ最大酸素吸蔵量の約半分となっている。

時刻ｔ０からステップＳ８０４のＡ／Ｆリッチ化制御を実施することにより、相対Ｏ２Ｓ量は低下する。ここで、触媒コンバータＭ２が劣化している場合は、相対Ｏ２Ｓ量の低下量が劣化触媒の最大酸素吸蔵量の１／２（図中では一点鎖線で記載）を下回ると、診断開始時に触媒コンバータＭ２内に蓄えられていた酸素は全て消費され、触媒コンバータＭ２の下流にリッチガスが放出される。この際、酸素濃度センサＭ４は高電圧側の出力となる。

触媒コンバータＭ２が正常である場合は、この時点で触媒コンバータＭ２内に充分な酸素が残されているため、触媒コンバータ内の酸化還元反応は可能であり、理論空燃比相当のガスが放出される。従って、触媒コンバータＭ２が正常の場合は酸素濃度センサＭ４の出力は変動しない。

更に、Ａ／Ｆリッチ化制御を継続すると、相対Ｏ２Ｓ量が目標Ｏ２Ｓ（−側）に達するタイミング（すなわち時刻ｔ１）で、ステップＳ８Ａ０１〜Ｓ８Ａ０３で示されたステップＳ８０４の処理は完了し、次のステップＳ８０５に進む。

時刻ｔ１からステップＳ８０５のリーン化制御を実施すると、相対Ｏ２Ｓ量は徐々に減少から増加方向に変化する。図１４では、最も相対Ｏ２Ｓ量が小さくなるタイミングにおいても、相対Ｏ２Ｓ量の診断開始時（すなわち０）からの減少量は、正常触媒の最大酸素吸蔵量の１／２より少ないため、触媒コンバータ下流Ｍ５にリッチガスが放出されることは無い。すなわち、酸素濃度センサＭ４の出力は変動しない。

一方で、触媒コンバータＭ２が劣化している場合は、実際のＡ／Ｆが理論空燃比よりリーン側になったタイミングから酸素濃度センサの出力が中間電圧に戻る。これは、前述のリッチ化制御で触媒コンバータＭ２内で完全に欠乏していた酸素がリーン化制御によって供給されて酸化還元反応が可能となり、触媒コンバータＭ２下流に理論空燃比相当のガスが排出されるようになったからである。このままリーン化制御を継続すると、触媒コンバータＭ２の下流からリーンガスが放出され、酸素濃度センサＭ４の出力は低電圧側に変化する。

これは、リーン化制御の継続により、最大酸素吸蔵量を超える酸素が供給され、触媒内での酸化還元反応が出来なくなったことに起因する。つまり、Ａ／Ｆリーン化制御により、触媒コンバータＭ２に酸素が供給され始めてから、劣化触媒の最大触媒吸蔵量に達するまでの間は、酸素濃度センサＭ４の出力は理論空燃比相当の中間電圧で維持され、さらにＡ／Ｆリーン化制御を継続すると酸素濃度センサＭ４の出力は低電圧となる。

Ａ／Ｆリーン化制御により、相対Ｏ２Ｓ量が目標Ｏ２Ｓ（＋側）に達するタイミング（すなわち時刻ｔ２）でステップＳ８Ｂ０１〜Ｓ８Ｂ０３で示されたステップＳ８０５の処理は完了し、次のステップＳ８０６に進む。なお、触媒コンバータＭ２が正常である場合は、この時点においても触媒内の酸素は飽和しきっていないため、触媒コンバータ２内の酸化還元反応は可能であり、理論空燃比相当のガスが放出し続ける。従って、正常触媒の場合はリーン化制御においても酸素濃度センサＭ４の出力は変動しない。

前述のように、触媒劣化診断が実施される期間中に、ステップＳ８０４、Ｓ８０５による相対Ｏ２Ｓ量を制御対象としてＡ／Ｆリッチ化制御、リーン化制御を実施することにより、劣化触媒に対してのみ、酸素濃度センサＭ４の出力を変動させることができる。

次に、前述の触媒劣化検出用Ａ／Ｆ制御（ステップＳ８０１からＳ８０６まで）と同時並行的に実施される触媒劣化判定の処理を説明する。触媒劣化判定では、触媒コンバータの劣化度合いを示す劣化判定パラメータＳＩＡＭＰが、予め、劣化した触媒を基に設定した劣化判定基準値以上となる事で、触媒の劣化状態を判定する。劣化判定パラメータＳＩＡＭＰは、触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定Ｍ５で得られる出力ＲＯ２ｅと、酸素濃度センサＭ４で得られる出力ＲＯ２の波形近似度を基に求められる。この波形近似度を算出するために、さらに振幅比ＡＭＰＲと面積比ＳＩＲといった２種類の指標値を算出する。

まず、振幅比ＡＭＰＲの算出方法について説明する。ＡＭＰＲは、［ＡＭＰＲ＝ΣＡＭＰＲＯ２÷ΣＡＭＰＲＯ２ｅ］の式で求められる。ここで、ΣＡＭＰＲＯ２はＲＯ２の波形の振幅を積算して求めたもの、ΣＡＭＰＲＯ２ｅは触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定Ｍ５で得られる出力ＲＯ２ｅの波形の振幅を積算して求めたもの、である。

ΣＡＭＰＲＯ２の算出方法について説明する。図１１は、酸素濃度センサの出力の振幅を積算する過程を示す説明図である。酸素濃度センサＭ４の出力が予め定められた電圧値を横切る（以下、反転する、と称する）毎に、直前で求められた酸素濃度センサＭ４の出力ＲＯ２の最大値と最小値から振幅ＡＭＰＲＯ２を算出し、ΣＡＭＰＲＯ２に積算していく。図１１では、この反転タイミングを、ｔ１、ｔ２…で表しており、このタイミングでのΣＡＭＰＲＯ２の算出結果を示している。この操作を触媒劣化診断条件が継続する間繰り返す。ΣＡＭＰＲＯ２ｅの算出の仕方は、前述のΣＡＭＰＲＯ２に準じており、対象波形をＲＯ２の代わりにＲＯ２ｅとして読み替える。反転タイミングは、また、酸素濃度センサＭ４の出力ではなく、空燃比センサＭ３の出力が予め定められたＡ／Ｆ値を横切る（反転する）タイミングが適用される。

次に、面積比ＳＩＲの算出方法について説明する。面積比ＳＩＲは、［ＳＩＲ＝ΣＳ＿ＲＯ２÷ΣＳ＿ＲＯ２ｅ］の式で求められる。ここで、ΣＳ＿ＲＯ２はＲＯ２の波形と、ＲＯ２にフィルタを通して得られた波形ＲＯ２Ｆとで囲まれた面積、ΣＳ＿ＲＯ２ｅはＲＯ２ｅの波形と、ＲＯ２ｅにフィルタを通して得られた波形ＲＯ２ｅＦとで囲まれた面積
、である。

ΣＳ＿ＲＯ２の算出方法について説明する。ＲＯ２ＦはＲＯ２より次の式で求められる。

ＲＯ２Ｆ（ｔ）＝Ｋ２×ＲＯ２Ｆ（ｔ−１）＋｛１−Ｋ２｝×ＲＯ２（ｔ）

ここで、Ｋ２はフィルタ定数である。
次に所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に、

ΣＳ＿ＲＯ２（ｔ）＝ΣＳ＿ＲＯ２（ｔ−１）＋｜ＲＯ２（ｔ）−ＲＯ２Ｆ（ｔ）｜

として、触媒劣化診断実施条件が終了するまでΣＳ＿ＲＯ２（ｔ）の算出を継続する。

図１３は、酸素濃度センサの出力とその出力をフィルタ処理した出力で囲まれる面積を示す説明図である。前述の算出の結果、図１３に示すように、ＲＯ２とＲＯ２Ｆで囲まれた面積として、ΣＳ＿ＲＯ２が求まる。ΣＳ＿ＲＯ２ｅ（ｔ）の算出の仕方も、前述のΣＳ＿ＲＯ２に準じており、対象波形をＲＯ２の代わりにＲＯ２ｅとして読み替える。

振幅比ＡＭＰＲ、面積比ＳＩＲは共に、ＲＯ２とＲＯ２ｅの波形の近似度が高いほど、「１．０」に近づく。触媒の劣化状態を判定する劣化判定パラメータＳＩＡＭＰは、［ＳＩＡＭＰ＝ＡＭＰＲ×ＳＩＲ］で求められるため、ＡＭＰＲ、ＳＩＲと同様に、ＲＯ２とＲＯ２ｅの波形の近似度が高いほど「１．０」に近づく。一方で、ＲＯ２とＲＯ２ｅの波形の近似度が低い場合は、ＳＩＡＭＰの値は「０」に近づく。例えば、触媒コンバータＭ２が正常である場合、前述した触媒劣化検出用Ａ／Ｆ制御を適用しても、酸素濃度センサＭ４の変動量は極めて少なく、振幅の変動量を「０」と仮定すると、前述したΣＡＭＰＲＯ２は「０」となり、ＡＭＰＲも「０」となる。この結果、ＳＩＡＭＰも「０」になる。従って、診断と対象となる触媒コンバータＭ２の劣化度に応じて、劣化判定パラメータＳＩＡＭＰは「０」〜「１」の値をとることが分かる。

ここで、内燃機関Ｍ１の排ガスが、法令の定めた値を超過する程度まで劣化した触媒を、前述した装置を用いて計測した場合に、［ＳＩＡＭＰ＝０．５］が得られたならば、劣化判定基準値を「０．４」とすることで、法令の定めた値を超過する前に、対象となる触媒コンバータＭ２を劣化として判定出来る。

次に、前述した一連の触媒劣化判定の処理の詳細について説明する。図９は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図９において、まず、触媒劣化診断の実施条件が成立した場合に、ステップＳ９０１で振幅比ＡＭＰＲ、面積比ＳＩＲを「０」に初期化しておく。また、ＡＭＰＲ、ＳＩＲの算出過程で使用する各種パラメータ（後述する）も同様に「０」に初期化しておく。次に、ステップＳ９０２で触媒劣化診断の実施条件が継続して成立しているかどうかを判断する。ＹＥＳの場合は、既にステップＳ６０１〜６０３で説明した、触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの推定を行なう。ＮＯの場合は処理を終了する。ステップＳ６０１〜Ｓ６０３で触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅを算出した後、ステップＳ９０３で振幅比ＡＭＰＲの算出を行なう。ここで、ステップＳ９０３での処理の詳細を、以下に説明する。

図１０は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１０Ａは、図１０における処理の一部分の詳細を示すフローチャートである。図１０Ｂは、図１０における処理の別の一部分の詳細を示すフローチャートである。図１０Ｃは、図１０における処理の、さらに別の一部分の詳細を示すフローチャートである。図１０Ｄは、図１０における処理の、さらにまた別の一部分の詳細を示すフローチャートである。

図１０において、ステップＳ１００１では、触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの最大値、最小値の更新を行なう。この処理は、図１０Ａにその詳細を示しており、図１０Ａにおいて、ステップＳ１０ａ０１で、触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅが、この時点までの触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの最大値ＲＯ２ｅＭＸ以上かどうか判断する。ＹＥＳの場合は、ステップＳ１０ａ０２に進み、ＲＯ２ｅＭＸにＲＯ２ｅを代入して処理を終了する。ＮＯの場合はステップＳ１０ａ０３に進み、この時点までの触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの最小値ＲＯ２ｅＭＮ以下かどうか判断する。ＹＥＳの場合は、ステップＳ１０ａ０４に進み、ＲＯ２ｅＭＮにＲＯ２ｅを代入して処理を終了する。ＮＯの場合は、そのまま処理を終了する。

図１０において、ステップＳ１００２では、酸素濃度センサ出力ＲＯ２の最大値、最小値の更新を行なう。この処理は図１０Ｂにその詳細を示しており、図１０Ｂにおいて、対象が触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅと酸素濃度センサ出力ＲＯ２で異なる以外は、本質的に図１０Ａの処理内容と同じであるため、説明を割愛する。

図１０において、ステップＳ１００３では、空燃比センサＭ３の出力が反転した際の触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの振幅の積算処理を行なう。この処理は図１０Ｃにその詳細を示しており、図１０Ｃにおいて、ステップＳ１０ｃ０１では、空燃比センサＭ３の出力が反転したかどうかを判断する。ＹＥＳの場合はステップＳ１０ｃ０２へ進む。ＮＯの場合はそのまま処理を終了する。ステップＳ１０ｃ０２では、触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの反転方向に関して、リッチからリーン方向へ反転したかどうかを判断する。ＹＥＳの場合は、ステップＳ１０ｃ０３では、この時点での触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅの最大値ＲＯ２ｅＭＸと最小値ＲＯ２ｅＭＮの差より、振幅ＡＭＰＲＯ２ｅを求める。この後、ステップＳ１０ｃ０４で、最小値ＲＯ２ｅＭＮに最大値ＲＯ２ｅＭＸを代入することによりＲＯ２ｅＭＮをリセットする。

ステップＳ１０ｃ０５は、ステップＳ１０ｃ０３と同じ処理である。ステップＳ１０ｃ０５の後、ステップＳ１０ｃ０６に進み、最大値ＲＯ２ｅＭＸに最小値ＲＯ２ｅＭＮを代入することによりＲＯ２ｅＭＸをリセットする。ステップＳ１０ｃ０７では、ステップＳ１０ｃ０３あるいはＳ１０ｃ０５で求めた振幅をΣＡ＿ＲＯ２ｅとして積算し、処理を終了する。

図１０において、ステップＳ１００４では、酸素濃度センサＭ４の出力が反転した際のＲＯ２の振幅の積算処理を行なう。この処理は図１０Ｄでその詳細を示しており、図１０Ｄにおいて、反転判断の対象が空燃比センサと酸素濃度センサで異なること、また、処理する波形の対象が触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅと酸素濃度センサ出力ＲＯ２で異なる以外は、本質的に図１０Ｃの処理内容と同じであるため、説明を割愛する。

図１０において、ステップＳ１００５では、ステップＳ１００３、Ｓ１００４で求めた振幅積算値ΣＡ＿ＲＯ２ｅ、ΣＡ＿ＲＯ２から、振幅比ＡＭＰＲを［ＡＭＰＲ＝ΣＡ＿ＲＯ２÷ΣＡ＿ＲＯ２ｅ］で求め、処理を終了する。

ここで、再び図９に戻って触媒劣化判定の処理を説明する。図９において、ステップＳ９０４で面積比ＳＩＲの算出を行なう。図１２は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の処理の流れを示すフローチャートであり、ステップＳ９０４での処理の詳
細を示している。図１２Ａは、図１２の処理の一部分の詳細を示すフローチャート、図１２Ｂは、図１２の処理の別の一部分の詳細を示すフローチャートである。図１２において、ステップＳ１２０１では、触媒劣化時酸素濃度センサ出力の推定値ＲＯ２ｅによって囲まれた面積ΣＳ＿ＲＯ２ｅを求める。この処理は図１２Ａでその詳細を示している。

図１２Ａにおいて、ステップＳ１２ａ０１で触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅにフィルタを適用した出力ＲＯ２ｅＦを求める。これは、下記の式により求める。

ＲＯ２ｅＦ（ｔ）＝Ｋ２×ＲＯ２ｅＦ（ｔ−１）＋｛１−Ｋ２｝×ＲＯ２ｅ（ｔ）

次にステップＳ１２ａ０２において、式を演算し、

｜ＲＯ２ｅ（ｔ）−ＲＯ２ｅＦ（ｔ）｜

ΣＳ＿ＲＯ２ｅ（ｔ）に積算する。この処理は、所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）に行なわれるので、ΣＳ＿ＲＯ２ｅは、ＲＯ２ｅ（ｔ）とＲＯ２Ｆｅ（ｔ）で囲まれた面積となる。

図１２において、ステップＳ１２０２では、酸素濃度センサ出力ＲＯ２によって囲まれた面積ΣＳ＿ＲＯ２を求める。この処理は図１２Ｂにその詳細を示しており、図１２Ｂにおいて、対象が触媒劣化時酸素濃度センサ出力ＲＯ２ｅと酸素濃度センサ出力ＲＯ２で異なる以外は、本質的に図１２Ａの処理内容と同じであるため、説明を割愛する。

図１２において、ステップＳ１２０３では、ステップＳ１２０１とＳ１２０２で求めた面積ΣＳ＿ＲＯ２ｅ、ΣＳ＿ＲＯ２から、面積比ＳＩＲを［ＳＩＲ＝ΣＳ＿ＲＯ２÷ΣＳ＿ＲＯ２ｅ］で求め、処理を終了する。

ここで、再度、図９に戻って触媒劣化判定の処理を説明する。ステップＳ９０５では、触媒劣化診断の実施条件成立時間が所定時間継続しているかどうか判断する。ＹＥＳの場合は、ステップＳ９０６に進み、劣化判定パラメータＳＩＡＭＰを下記の式にて算出する。

ＳＩＡＭＰ＝ＳＩＲ×ＡＭＰＲ

ステップＳ９０５での判定がＮＯの場合は、ステップＳ９０２に戻って診断を継続する。ステップＳ９０７で劣化判定パラメータＳＩＡＭＰが劣化判定基準値（例えば、「０．４」）より大きいかどうかを判断し、ＹＥＳの場合はステップＳ９０８で劣化と判定して処理を終了する。ＮＯの場合はステップＳ９０９で正常と判定して処理を終了する。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、中心Ａ／Ｆ補正手段で得た内燃機関の目標空燃比の補正量の大きさに応じて触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定値を補正するので、空燃比センサの出力に大きくズレが生じた場合でも診断を禁止することなく、触媒劣化時の酸素濃度センサの出力を正確に推定することができる。従って、高い診断頻度を確保しつつ、触媒コンバータの劣化度合いとの相関性が高い劣化判定パラメータを用いて信頼性の高い診断結果を得ることができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態１を適宜、変形、省略する
ことが可能である。

１ クランク角センサ
２ エアーフローセンサ
３ インジェクタ
４ 点火プラグ
５ ＥＣＵ
Ｍ１ 内燃機関
Ｍ２ 触媒コンバータ
Ｍ３ 空燃比センサ
Ｍ４ 酸素濃度センサ
Ｍ５ 触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段
Ｍ６ 劣化判定パラメータ算出手段
Ｍ７ 劣化判定手段
Ｍ８ 相対Ｏ２ストレージ量算出手段
Ｍ９ 空燃比制御手段
Ｍ１０ 運転状態検出手段
Ｍ１１ 燃料噴射量調整手段
Ｍ１２ 中心Ａ／Ｆ補正手段
Ｍ５１ 空燃比センサ出力補正手段
Ｍ５２ Ａ／Ｆ→λＯ２出力変換手段

この発明による内燃機関の制御装置は、
内燃機関の排気通路に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータと、
前記触媒コンバータの上流に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
前記触媒コンバータの下流に配設され、前記触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記空燃比センサの出力と前記酸素濃度センサの出力とに基づいて、前記触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断手段と、
を備え、前記酸素濃度センサの出力が予め設定した目標値となるように前記内燃機関の空燃比を制御するようにした内燃機関の制御装置であって、
前記触媒劣化診断手段は、
前記空燃比センサの出力と前記内燃機関の運転状態とに基づいて、前記触媒コンバータへ供給する酸素量若しくは前記触媒コンバータで消費する酸素量を算出する相対酸素ストレージ量算出手段と、
前記相対酸素ストレージ量算出手段の算出結果に基づいて、前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側との交互に操作する空燃比制御手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒コンバータが劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値を出力する触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段と、
前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の出力と前記酸素濃度センサの出力の近似度に基づいて、劣化判定パラメータを算出する劣化判定パラメータ算出手段と、
前記劣化判定パラメータ算出手段から算出された前記劣化判定パラメータの値が所定の値を超過した場合に、前記触媒コンバータの状態を劣化として判定する劣化判定手段と、
前記酸素濃度センサの出力が前記目標値となるように、前記内燃機関の前記空燃比を制御するための目標空燃比の初期値を補正する補正値を算出する中心Ａ／Ｆ補正手段と、
前記中心Ａ／Ｆ補正手段により算出された前記補正値に応じて、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の前記推定値を補正する空燃比センサ出力補正手段と、
を有し、
前記空燃比センサ出力補正手段は、
前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段における前記空燃比センサの出力を触媒劣化時の前記酸素濃度センサの出力に変換する処理に対して、その処理の入力となる前記空燃比センサの出力から、前記中心Ａ／Ｆ補正手段にて算出された補正値を減算することにより、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の推定値を補正する、
ことを特徴とするものである。

この発明による内燃機関の制御装置によれば、触媒劣化診断手段は、空燃比センサの出力と内燃機関の運転状態とに基づいて、触媒コンバータへ供給する酸素量若しくは前記触媒コンバータで消費する酸素量を算出する相対酸素ストレージ量算出手段と、前記相対酸素ストレージ量算出手段の算出結果に基づいて、前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側との交互に操作する空燃比制御手段と、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒コンバータが劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値を出力する触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段と、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の出力と前記酸素濃度センサの出力の近似度から触媒の劣化度を劣化判定パラメータとして算出する劣化判定パラメータ算出手段と、前記劣化判定パラメータ算出手段から算出された劣化判定パラメータの値が所定の値を超過した場合に、前記触媒コンバータの状態を劣化として判定する劣化判定手段と、前記酸素濃度センサの出力が前記目標値となるように、前記内燃機関の前記空燃比を制御するための目標空燃比の初期値を補正する補正値を算出する中心Ａ／Ｆ補正手段と、前記中心Ａ／Ｆ補正手段の補正値に応じて、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の前記推定値を補正する空燃比センサ出力補正手段とを有し、前記空燃比センサ出力補正手段は、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段における前記空燃比センサの出力を触媒劣化時の前記酸素濃度センサの出力に変換する処理に対して、その処理の入力となる前記空燃比センサの出力から、前記中心Ａ／Ｆ補正手段にて算出された補正値を減算することにより、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の推定値を補正するようにしているので、空燃比センサの出力ズレが生じる場合でも、触媒劣化診断の高い実施頻度を確保しつつ、触媒コンバータの劣化度合いとの相関性が高い劣化判定パラメータを用いて信頼性の高い診断結果を得ることができる。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータと、
   前記触媒コンバータの上流に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記触媒コンバータの下流に配設され、前記触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
   前記空燃比センサの出力と前記酸素濃度センサの出力とに基づいて、前記触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断手段と、
   を備え、
   前記触媒劣化診断手段は、
   前記空燃比センサの出力と前記内燃機関の運転状態とに基づいて、前記触媒コンバータへ供給する酸素量若しくは前記触媒コンバータで消費する酸素量を算出する相対酸素ストレージ量算出手段と、
   前記相対酸素ストレージ量算出手段の算出結果に基づいて、前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側との交互に操作する空燃比制御手段と、
   前記空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒コンバータが劣化した場合の酸素濃度センサ出力の推定値を出力する触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段と、
   前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の出力と前記酸素濃度センサの出力の近似度に基づいて、劣化判定パラメータを算出する劣化判定パラメータ算出手段と、
   前記劣化判定パラメータ算出手段から算出された前記劣化判定パラメータの値が所定の値を超過した場合に、前記触媒コンバータの状態を劣化として判定する劣化判定手段と、
   前記酸素濃度センサの出力が目標値となるように、前記内燃機関の目標空燃比の初期値を補正する補正値を算出する中心Ａ／Ｆ補正手段と、
   前記中心Ａ／Ｆ補正手段により算出された前記補正値に応じて、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の前記推定値を補正する空燃比センサ出力補正手段と、
   を有する、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記空燃比センサ出力補正手段は、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段における前記空燃比センサの出力を触媒劣化時の前記酸素濃度センサの出力に変換する処理に対して、その処理の入力となる前記空燃比センサの出力から、前記中心Ａ／Ｆ補正手段にて算出された補正値を減算することにより、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の推定値を補正する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記空燃比センサ出力補正手段は、前記触媒劣化時酸素濃度センサ出力推定手段の一部分を構成している、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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