JP4380745B2

JP4380745B2 - 内燃機関の触媒の劣化度合い取得装置

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Publication number: JP4380745B2
Application number: JP2007188990A
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Inventors: 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-12-09
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Also published as: JP2009024613A; US20090019834A1; US7698886B2

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配設された酸素吸蔵機能を有する触媒の劣化度合い取得装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路に配設された酸素吸蔵機能を有する触媒（三元触媒）は、燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化し、触媒の劣化が進行するほど触媒が吸蔵し得る酸素の最大量である最大酸素吸蔵量は低下する。換言すると、最大酸素吸蔵量は触媒の劣化度合いを示す指標となり得る。従って、触媒の最大酸素吸蔵量が推定（検出）できれば、推定した最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化度合いを取得することができる。

このような知見に基づき、例えば、特許文献１に記載の装置は、触媒に流入するガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御して触媒の酸素吸蔵量を「０」にしておき、その後、同ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンな所定のリーン空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達して触媒下流の空燃比センサの出力がリーンを示す値に切換わる時点までの期間に亘って触媒に単位時間当りに流入した酸素量を積算することで、最大酸素吸蔵量を推定する。或いは、触媒に流入するガスの空燃比を上記所定のリーン空燃比に制御して酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量としておき、その後、同ガスの空燃比を上記所定のリッチ空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が「０」となって触媒下流の空燃比センサの出力がリッチを示す値に切換わる時点までの期間に亘って触媒内で単位時間当りに放出（消費）された酸素量を積算することで、最大酸素吸蔵量を推定する。そして、このように推定された最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化度合いが取得されるようになっている。ここで、「空燃比センサの出力がリーン（又は、リッチ）を示す」状態は、空燃比センサの出力が理論空燃比よりリーン（又は、リッチ）な空燃比であることを示す状態を意味する。以下、このように触媒に流入するガスの空燃比を、上記所定のリッチ空燃比、及び上記所定のリーン空燃比のうち何れか一方から他方へ強制的に切換える制御を「空燃比アクティブ制御」と称呼する。
特開２００３−９７３３４号公報

ところで、一般に、理論空燃比よりリッチ、及び理論空燃比よりリーンのうち何れか一方から他方への排ガスの空燃比の変化に対する空燃比センサの出力の変化（切換わり）の応答の程度は、空燃比センサの個体特性、劣化等に起因して、ばらつき易い特性を有する。従って、触媒下流の空燃比センサの出力がリーンを示す値、又は、リッチを示す値に切換る時点が、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する時点、又は「０」となる時点から偏移し易い。このため、最大酸素吸蔵量の推定誤差が発生し、触媒の劣化度合いを精度良く取得することが困難であるという問題があった。

従って、本発明の目的は、触媒よりも下流の排気通路に配設された空燃比センサの出力がリーンを示す値、又は、リッチを示す値に切換る時点に少なくとも基づいて、触媒の劣化度合いを取得する触媒の劣化度合い取得装置において、空燃比センサの出力の変化の応答の程度がばらつき易い場合であっても、触媒の劣化度合いを精度良く取得できるものを提供することにある。

本発明に係る触媒の劣化度合い取得装置は、内燃機関の排気通路に配設された酸素吸蔵機能を有する触媒と、前記触媒よりも下流の前記排気通路に配設されて前記触媒から流出するガスの空燃比に応じた値を出力する下流側空燃比センサと、前記触媒よりも上流の前記排気通路に配設されて前記触媒に流入するガスの空燃比に応じた値を出力する上流側空燃比センサと、を備えた内燃機関に適用される。

ここにおいて、下流側空燃比センサは、起電力式（濃淡電池型）の酸素濃度センサであってもよいし、限界電流式の酸素濃度センサであってもよい。上流側空燃比センサは、限界電流式の酸素濃度センサであることが好適である。

本発明に係る触媒の劣化度合い取得装置の特徴は、前記下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態に切換る時点にて前記触媒に流入するガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比から理論空燃比よりもリーンな所定のリーン空燃比に切換え、前記下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態に切換る時点にて前記触媒に流入するガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比から理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に切換え、前記触媒に流入するガスの空燃比の切換後に前記下流側空燃比センサの出力が切換る時点、及び前記上流側空燃比センサの出力を少なくとも利用して、前記触媒が吸蔵し得る酸素の最大量である最大酸素吸蔵量を推定する最大酸素吸蔵量推定手段と、前記内燃機関に吸入される空気の流量が互いに異なる複数の値の各々である場合においてそれぞれ推定される複数の前記最大酸素吸蔵量と、前記空気の流量の前記複数の値とに基づいて、前記空気の流量の増加に対する前記推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度を前記触媒の劣化度合いとして取得する触媒劣化度合い取得手段とを備えたことにある。

ここにおいて、「内燃機関に吸入される空気の流量」は、例えば、内燃機関に吸入される空気（新気）の質量流量（ｇ／ｓ）、内燃機関に吸入される空気（新気）の体積流量（ｃｃ／ｓ）等であって、これらに限定されない。

一般に、上記「空燃比アクティブ制御」で触媒に流入するガスの空燃比が上記所定のリッチ空燃比に制御される場合において、内燃機関に吸入される空気の流量が大きいことで触媒に流入するガスの流量が大きく、また、触媒の劣化度合いが大きい場合、減少していく触媒の酸素吸蔵量が「０」になる時点より前の時点で（即ち、減少していく触媒の酸素吸蔵量が「０」より大きい所定の酸素吸蔵量となった時点で）メタンＣＨ_４等の軽質な（分子量の小さい）未燃成分の触媒からの流出が開始し、空燃比センサの出力がリッチを示す値へ切換る傾向がある。

従って、この場合における空燃比センサの出力がリーンを示す値に維持される期間と、上述した触媒の酸素吸蔵量が「０」になる時点よりも前の時点でメタンＣＨ_４等の軽質な未燃成分の流出の開始がないと仮定した場合における空燃比センサの出力がリーンを示す値に維持される期間との時間差（即ち、上記触媒の酸素吸蔵量が「０」になる時点と同時点より早く到来する空燃比センサの出力がリッチを示す値へ切換る時点との時間差）に応じた分だけ、最大酸素吸蔵量推定手段により推定される触媒の最大酸素吸蔵量は、真の触媒の最大酸素吸蔵量より小さい値となる（図４を参照）。

また、空燃比センサの出力がリッチを示す値へ切換った後、触媒に流入するガスの空燃比が上記所定のリーン空燃比に制御される場合、触媒の酸素吸蔵量が上記「「０」より大きい所定の酸素吸蔵量」から増加していくため、この場合における空燃比センサの出力がリッチを示す値に維持される期間と、上述した触媒の酸素吸蔵量が「０」になる時点よりも前の時点でメタンＣＨ_４等の軽質な未燃成分の流出の開始がないと仮定した場合における空燃比センサの出力がリッチを示す値に維持される期間との時間差は、上記時間差と同じになる。従って、この場合においても、上記時間差に応じた分だけ、最大酸素吸蔵量推定手段により推定される触媒の最大酸素吸蔵量は、真の触媒の最大酸素吸蔵量より小さい値となる（図４を参照）。

ここで、内燃機関に吸入される空気の流量が大きいほど、また、触媒の劣化度合いが大きいほど、上記時間差が大きくなり推定される最大酸素吸蔵量がより小さくなるという傾向がある。即ち、触媒の劣化度合いが大きいほど、上記空気の流量の増加に対する上記時間差の増加の程度が大きくなり、上記空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度が大きくなる傾向がある（図５を参照）。

また、触媒の劣化度合いが同一である場合、上述した空燃比センサの出力の変化の応答の程度にばらつきがある場合であっても、上記空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度は略同一である（図５の１点鎖線、及び２点鎖線を参照）。以上のことから、上記空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度は、上述した空燃比センサの出力の変化の応答の程度にばらつきがあるか否かにかかわらず、触媒の劣化度合いを精度良く表す値となり得る。換言すれば、上記空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度を取得すれば、触媒の劣化度合いを精度良く知ることができる。

上記構成は、かかる知見に基づくものである。これによれば、上記空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度が触媒の劣化度合いとして取得される。従って、上述した空燃比センサの出力の変化の応答の程度のばらつきに起因する最大酸素吸蔵量の推定誤差が発生する場合であっても、触媒の劣化度合いを精度良く取得することができる。

本発明に係る触媒の劣化度合い取得装置においては、触媒劣化度合い取得手段が、前記内燃機関に吸入される空気の流量が互いに異なる２つの値の各々である場合においてそれぞれ推定される２つの前記最大酸素吸蔵量と、前記空気の流量の前記２つの値とに基づいて、前記空気の流量の増加に対する前記推定される最大酸素吸蔵量の減少勾配を前記触媒の劣化度合いとして取得するように構成されることが好適である。

これによれば、上記空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度（この場合、減少勾配）を取得するのに必要な、最大酸素吸蔵量と空気の流量の値との組み合わせの個数を最小限のものとすることができる。従って、簡易かつ迅速に触媒の劣化度合いを精度良く取得することができる。この場合、空気の流量の互いに異なる２つの値の相違の程度（例えば、２つの値の差、２つの値の比等）が大きいほど、空気の流量の増加に対する推定される最大酸素吸蔵量の減少勾配は、より精度良く触媒の劣化を表す値となる。従って、上記２つの値の相違の程度が大きいほど、より精度良く触媒の劣化を取得することができる。

以下、本発明による内燃機関の触媒の劣化度合い取得装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る触媒の劣化度合い取得装置を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともにインテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ３９を備えている。

吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、及びスロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａを備えている。

排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ５２、エキゾーストパイプ５２に配設された触媒５３を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。

触媒５３は、所謂、プラチナＰｔ等の貴金属からなる活性成分を担持する三元触媒装置である。触媒５３は、触媒に流入するガスがほぼ理論空燃比であるとき、ＣＯ，ＨＣなどの未燃ガスを酸化するとともに、ＮＯｘを還元する機能を有する。更に、触媒５３は、酸素を吸蔵（貯蔵）する酸素吸蔵機能を有し、この酸素吸蔵機能により空燃比が理論空燃比から偏移したとしても未燃ガス及びＮＯｘを浄化することができる。この酸素吸蔵機能は、触媒の担体であるセリアＣｅＯ_２によってもたらされる。

一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、上流側空燃比センサ６６、下流側空燃比センサ６７、及びアクセル開度センサ６８を備えている。

熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、機関に吸入される空気流量Gaを表す信号を出力するようになっている。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともにクランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、運転速度NEを表す。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。

上流側空燃比センサ６６は、排気通路であって触媒５３よりも上流側に配設されている。上流側空燃比センサ６６は、所謂「限界電流式酸素濃度センサ」であって、触媒５３に流入する排ガスの空燃比（以下、「触媒上流空燃比」と称呼する。）を検出し、図２に実線にて示したように、空燃比Ａ／Ｆに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧である出力値Vabyfs(V)を出力するようになっている。特に、正常状態では、空燃比が理論空燃比であるときに出力値Vabyfs(V)は値Vstoich(V)になるようになっている。図２から明らかなように、上流側空燃比センサ６６によれば、広範囲にわたる空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出することができる。

下流側空燃比センサ６７は、排気通路であって触媒５３よりも下流側に配設されている。下流側空燃比センサ６７は、所謂「起電力式（濃淡電池型）酸素濃度センサ」である。図３に示したように、下流側空燃比センサ６７は、触媒５３から流出するガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ及びリーンのとき略０．９(V)（最大値）及び略０．１(V)（最小値）の電圧をそれぞれ出力し、触媒５３から流出するガスの空燃比が理論空燃比であるときは０．５(V)の電圧を出力するようになっている。

アクセル開度センサ６８は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。

電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びにＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６８と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６８からの信号を供給するとともに、ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、インジェクタ３９、及びスロットル弁アクチュエータ４３ａに駆動信号を送出し、また、触媒５３の交換を運転者に促すための警告ランプ８２に点灯指示の信号を送出するようになっている。

（触媒の劣化度合いの取得の概要）
次に、上記のように構成された触媒の劣化度合い取得装置が行う触媒５３の劣化度合いの取得の概要について説明する。

この触媒の劣化度合い取得装置（以下、「本装置」と称呼する。）は、後述する所定の触媒劣化度合い取得条件が成立した場合、触媒５３の劣化度合いを取得するための空燃比制御（以下、「空燃比アクティブ制御」と称呼する。）を実行する。一方、上記触媒劣化度合い取得条件が不成立である場合、原則的に、上流側空燃比センサ６６、及び下流側空燃比センサ６７の出力値Vabyfs、及びVoxsに基づいて、触媒上流空燃比が理論空燃比に一致するように空燃比フィードバック制御が実行される。

図４は、時刻ｔ０において「空燃比アクティブ制御」が開始される場合における、触媒上流空燃比、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxs、及び触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡの変化の一例を示したタイムチャートである。本装置による「空燃比アクティブ制御」では、先ず、触媒上流空燃比が理論空燃比よりリーンな空燃比（所定のリーン空燃比）に制御されることで触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡが増加していき、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大酸素吸蔵量に達して下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsがリーンを示す値（略０．１（Ｖ））に反転する（切換る）時点（時刻ｔ１を参照）において、触媒上流空燃比が理論空燃比よりリッチな空燃比（所定のリッチ空燃比）に制御される。

その後、触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していき、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsがリッチを示す値（略０．９（Ｖ））に反転する（切換る）時点（時刻ｔ２，ｔ２’を参照）において、触媒上流空燃比が理論空燃比よりリーンな空燃比に制御される。このように、下流側空燃比センサ６７の出力がリーンを示す値からリッチを示す値（又は、その逆）へ切換る時点にて、触媒上流空燃比が理論空燃比よりリッチな空燃比から理論空燃比よりリーンな空燃比（又は、その逆）に強制的に切換るように制御される。

下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsがリーンを示す値に維持されている期間に亘って触媒５３内で放出（消費）された酸素の総量、又は下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsがリッチを示す値に維持されている期間に亘って触媒５３内に流入した酸素の総量が、触媒５３の最大酸素吸蔵量と等しいとみなすことができる。

ここで、上述した触媒５３内で放出（消費）された酸素、又は、触媒５３内に流入した酸素の単位時間当たりの量δＯ_２は、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsから求められる触媒上流空燃比の理論空燃比からの偏移δＡ／Ｆと、単位時間当たりの燃料噴射量Fiと、大気中に含まれる酸素の重量割合（＝０．２３）との積で表される（下記(1)式を参照）。従って、酸素の単位時間当たりの量δＯ_２が下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsがリーン、又はリッチを示す値に維持されている期間に亘り積算されることで、触媒５３の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを推定することができる（下記(2)式を参照）。
δＯ_２＝０．２３・Fi・δＡ／Ｆ・・・(1)
Ｃｍａｘ＝ΣδＯ２・・・(2)

なお、「空燃比アクティブ制御」による最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの推定についての詳細な説明は、例えば、特開２００４−７６６８１号公報にて開示されているため、ここでは省略する。このように、本装置は、「空燃比アクティブ制御」を実行するとともに、上記(1),(2)式を利用して最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを推定する。

ところで、「空燃比アクティブ制御」が実行される際、一般に、触媒上流空燃比が理論空燃比よりリッチな空燃比に制御される場合において、空気流量Gaが大きいことで触媒５３に流入する排ガスの流量が大きく、また、触媒５３の劣化度合いが大きい場合、減少していく触媒５３内の酸素吸蔵量ＯＳＡが「０」になる（触媒５３内に吸蔵されていた酸素が全て放出（消費）される）時点より前の時点で、触媒５３からメタンＣＨ_４等の軽質な（分子量の小さい）未燃成分の触媒５３からの流出が開始し、下流側空燃比センサ６７の出力がリッチを示す値へ切換る傾向がある。

即ち、図４の実線にて示すように、空気流量Gaが大きく、触媒５３の劣化度合いが大きい場合、時刻ｔ１以降減少していく酸素吸蔵量ＯＳＡが「０」より大きい量ＯＳＡ１に達する時刻ｔ２において、上述した触媒５３からの軽質な未燃成分の流出が開始することで、リーンを示す値に維持されていた下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsがリッチを示す値に反転する。

この場合、期間ｔ１〜ｔ２に亘る上記酸素の量δＯ_２の積算により推定される最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは、酸素吸蔵量ＯＳＡが「０」に達する時点より前の時点で触媒５３からの軽質な未燃成分の流出が開始しないと仮定した場合の変化を表す１点鎖線における、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsの反転時刻ｔ２’と、時刻ｔ２との時間差δｔに応じた分だけ触媒５３の真の最大酸素吸蔵量より小さい。

なお、時刻ｔ２からリッチを示す値に維持されていた下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが再びリーンを示す値に反転する時刻ｔ３までの期間は、触媒上流空燃比が理論空燃比よりリーンな空燃比に制御されることで、時刻ｔ２以降酸素吸蔵量ＯＳＡが上記量ＯＳＡ１（＞０）から増加していくため、図４の１点鎖線における期間ｔ２〜ｔ３に対応する期間ｔ２’〜ｔ３’よりも上記時間差δｔだけ短い。従って、期間ｔ２〜ｔ３に亘る上記酸素の量δＯ_２の積算により推定される最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘも、上記時間差δｔに応じた分だけ触媒５３の真の最大酸素吸蔵量より小さい。

ここで、空気流量Gaが大きいほど、また、触媒５３の劣化度合いが大きいほど、上述した触媒５３からの軽質な未燃成分の流出開始タイミングがより早くなる傾向がある。従って、空気流量Gaが大きいほど、また、触媒劣化度合いが大きいほど、上記時間差δｔがより長くなることで、推定される最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘもより小さくなる。

図５は、空気流量Ga及び触媒５３の劣化度合いと、推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの関係を示したグラフである。図５の実線から理解できるように、触媒５３の劣化の度合いが大きいほど、空気流量Gaの増加に対する推定される最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配（減少する程度）はより小さくなる。以下、空気流量Gaの増加に対する推定される最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配を、単に「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」と称呼する。

ところで、一般に、理論空燃比よりリッチ、及び理論空燃比よりリーンのうち何れか一方から他方への排ガスの空燃比の変化に対する下流側空燃比センサ６７の出力の変化（切換わり）の応答の程度は、下流側空燃比センサの個体特性、劣化等に起因して、ばらつき易い特性を有する。従って、下流側空燃比センサ６７の出力が反転する（切換わる）時点、即ち、下流側空燃比センサ６７の出力がリーンを示す値、又はリッチを示す値に維持されている期間もばらつき易い。このため推定される最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの値もばらつき易い。

触媒５３の劣化度合いが同一である場合、上述した下流側空燃比センサ６７の出力の変化の応答の程度にばらつきがある場合であっても、上記「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」は略同一となる傾向がある。

例えば、上記下流側空燃比センサ６７の出力の応答の程度が大きく、理論空燃比よりリーン、及び理論空燃比よりリッチのうち何れか一方から他方への排ガスの空燃比の変化に対して下流側空燃比センサ６７の出力が迅速に反転する（切換わる）場合、下流側空燃比センサ６７の出力がリーンを示す値、又はリッチを示す値に維持される期間が短くなるため最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが小さい値に推定される（図５の１点鎖線を参照）。

一方、上記下流側空燃比センサ６７の出力の応答の程度が小さく、理論空燃比よりリーン、及び理論空燃比よりリッチのうち何れか一方から他方への排ガスの空燃比の変化に対して下流側空燃比センサ６７の出力が大きい遅れをもって反転する（切換わる）場合、下流側空燃比センサ６７の出力がリーンを示す値、又はリッチを示す値に維持される期間が長くなるため最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが大きい値に推定される（図５の２点鎖線を参照）。

これらの場合であっても、上記応答の程度の大きさにかかわらず、触媒５３の劣化度合いが同一であれば上記「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」は略同一となる。即ち、図５の１点鎖線、２点鎖線、及び１点鎖線と２点鎖線とに挟まれる実線における各「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」は、それぞれ略同一のものとなる傾向がある。

以上のことから、上記「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」は、上述した下流側空燃比センサ６７の出力の変化の応答の程度のばらつきが発生している場合であっても、触媒５３の劣化度合いを精度良く表すことができる指標となり得、「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」が大きいほど触媒５３の劣化度合いが大きいということができる。

そこで、本装置は、空気流量Gaが互いに異なる２つの値の各々である場合において、上記「空燃比アクティブ制御」及び上記(1),(2)式を利用してそれぞれ推定される２つの最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘと、上記空気流量Gaの２つの値とに基づいて、上記「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」を求める。加えて、本装置は、「最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配」に基づいて触媒５３の劣化度合いが、触媒５３の交換が要求される程度のものか否かも判定する。

（実際の作動）
以下、このような処理を行う本装置の実際の作動のうち、触媒５３の劣化度合いの取得、及び触媒５３の劣化判定について、図６に示したフローチャートを参照しながら説明していく。

ＣＰＵ７１は、図６にフローチャートにより示した触媒５３の劣化度合いの取得、及び触媒５３の劣化判定を行うルーチンを繰り返し実行するようになっている。ＣＰＵ７１はステップ６００から処理を開始してステップ６０５に進んで上記触媒劣化度合い取得条件が成立しているか否かを判定する。ここで、触媒劣化度合い取得条件は、本例では、冷却水温THWが所定温度以上であり、図示しない車速センサにより得られた車速が所定の高車速以上であり、スロットル弁開度TAの変化速度が所定量以下であり、空気流量Gaが一定である、機関が定常運転されている場合であって、更に、前回の触媒劣化検出から所定時間以上が経過した場合に成立する。なお、空気流量Gaが一定とは、空気流量Gaの変化速度が所定の量（微小値）以下であることを意味する。

上記触媒劣化度合い取得条件が不成立である場合、ＣＰＵ７１はステップ６０５にて「Ｎｏ」と判定し、直ちにステップ６９５に進み本ルーチンを一旦終了する。この場合、上記「空燃比アクティブ制御」が実行されることなく（即ち、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが推定・更新されることなく）、上流側空燃比センサ６６、及び下流側空燃比センサ６７の出力値Vabyfs、及びVoxsに基づいて触媒上流空燃比を理論空燃比に制御する空燃比フィードバック制御が実行される。

一方、上記触媒劣化度合い取得条件が成立している場合、ＣＰＵ７１はステップ６１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６１０に進み、上記「空燃比アクティブ制御」及び上記(1),(2)式を利用して、触媒５３の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを推定・取得し、第１最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１の値を取得された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新するとともに、第１空気流量Ga1の値を、この最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを推定した際にエアフローメータ６１により取得されていた空気流量Ga（の平均値）に更新する。また、ＣＰＵ７１は、更新された第１最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１、及び第１空気流量Ga1をバックアップＲＡＭ７４に記憶する。

次に、ＣＰＵ７１はステップ６１５に進んで、空気流量Gaがステップ６１０にて記憶されている第１空気流量Ga1と異なる値であって、一定であるか否かを判定する。

ステップ６１５における空気流量Gaについての条件が不成立である場合、ＣＰＵ７１はステップ６１５にて「Ｎｏ」と判定して再びステップ６１５に進み、再び空気流量Gaについての条件が成立しているか否かの判定を行う。

一方、ステップ６１５における空気流量Gaの条件が成立している場合、ＣＰＵ７１はステップ６１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６２０に進み、上記「空燃比アクティブ制御」及び上記(1),(2)式を利用して、触媒５３の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを推定・取得し、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２の値を取得された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新するとともに、第２空気流量Ga2の値を、この最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを推定した際にエアフローメータ６１により取得されていた空気流量Ga（の平均値）に更新する。また、ＣＰＵ７１は、更新された第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２、及び第２空気流量Ga2をバックアップＲＡＭ７４に記憶する。これらのステップ６１０，６２０が最大酸素吸蔵量取得手段の一部に対応する。

次いで、ＣＰＵ７１はステップ６２５に進み、バックアップＲＡＭ７４に記憶されている第１、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１，Ｃｍａｘ２及び第１、第２空気流量Ga1,Ga2と、ステップ６２５内に記載の式とに基づいて、上記最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘを求める（図５を参照）。このステップ６２５が触媒劣化度合い取得手段の一部に対応する。

続いて、ＣＰＵ７１はステップ６３０に進んで、ステップ６２５にて求められた最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが、劣化判定基準勾配gradＣｍａｘ１より大きいか否か判定する。劣化判定基準勾配gradＣｍａｘ１は、触媒５３の交換が要求されない触媒５３の劣化度合いの範囲における同劣化度合いの上限値に対応する最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘである。

最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが、劣化判定基準勾配gradＣｍａｘ１以下である場合、ＣＰＵ７１はステップ６３５にて「Ｎｏ」と判定して直ちにステップ６９５に進み本ルーチンを一旦終了する。

一方、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが、劣化判定基準勾配gradＣｍａｘ１より大きい場合、ＣＰＵ７１はステップ６３０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６３５に進んで、触媒５３の交換を運転者に促す点灯を表示するよう警告ランプ８２に指示した後、ステップ６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の触媒の劣化度合い取得装置の実施形態によれば、空気流量Gaが互いに異なる第１、第２空気流量Ga1,Ga2の各々である場合において、上記「空燃比アクティブ制御」を利用してそれぞれ推定される第１、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１，Ｃｍａｘ２と、第１、第２空気流量Ga1,Ga2とに基づいて、空気流量Gaの増加に対する最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが触媒５３の劣化度合いとして求められる。

ここで、空気流量Gaの増加に対する最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘは、触媒の劣化度合いが大きいほど大きくなる（図５の実線を参照）。また、触媒５３の劣化度合いが同一である場合、理論空燃比よりリッチ、及び理論空燃比よりリーンのうち何れか一方から他方への排ガスの空燃比の変化に対する下流側空燃比センサ６７の出力の変化の応答の程度にばらつきがある場合であっても、空気流量Gaの増加に対する最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘは略同一となる傾向がある（図５の１点鎖線、及び２点鎖線を参照）。

従って、下流側空燃比センサ６７の出力の応答の程度にばらつきがある場合であっても、上記最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが取得されることで、精度良く触媒５３の劣化度合いを取得することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２及び第２空気流量Ga2の更新に際し、空気流量Gaが、第１空気流量Ga1と異なり且つ一定となったとき、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２がそのときに推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新され、第２空気流量Ga2がそのときに一定である空気流量Gaに更新されるが、これに代えて、空気流量Gaと第１空気流量Ga1との差の絶対値が所定値以上となり且つその空気流量Gaが一定となったとき、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２がそのときに推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新され、第２空気流量Ga2がそのときに一定である空気流量Gaに更新されるように構成されてもよい。この場合、上記所定値が大きいほど、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが触媒５３の劣化度合いをより精度よく表すものとなり得る。

また、上記実施形態においては、第１、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１，Ｃｍａｘ２及び第１、第２空気流量Ga1,Ga2の更新に際し、触媒劣化度合い取得条件が成立したとき、第１最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１がそのときに推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新され、第１空気流量Ga1がそのときに一定である空気流量Gaに更新され、その後、空気流量Gaが、第１空気流量Ga1と異なり且つ一定となったとき、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２がそのときに推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新され、第２空気流量Ga2がそのときに一定である空気流量Gaに更新されるが、これに代えて、触媒劣化度合い取得条件が成立したとき、空気流量Gaが所定の第１空気流量Ga1（一定値）となるよう制御され、第１最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１がこのときに推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新され、その後、空気流量Gaが上記所定の第１空気流量Ga1よりも所定の量だけ大きい、又は小さい所定の第２空気流量Ga2（一定値）となるように制御され、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２がこのときに推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに更新されるように構成されてもよい。この場合も、上記所定の量が大きいほど、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが触媒５３の劣化度合いをより精度よく表すものとなり得る。

加えて、上記実施形態においては、空気流量Gaが互いに異なる第１、第２空気流量Ga1,Ga2の各々である場合においてそれぞれ推定される第１、第２最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１，Ｃｍａｘ２と、第１、第２空気流量Ga1,Ga2とに基づいて、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの減少勾配gradＣｍａｘが求められているが、これに代えて、空気流量Gaが互いに異なる３つ以上の値各々である場合においてそれぞれ推定される３つ以上の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘと、上記空気流量Gaの３つ以上の値とに基づいて、例えば、所定の多項式近似により空気流量Gaと推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの関係を表す２次以上の次数をもつ曲線を求め、その曲線における空気流量Gaの所定の増加幅に対する最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの変化率（減少率）の平均値が触媒５３の劣化度合いとして求められてもよい。また、例えば、最小自乗法等により空気流量Gaと推定された最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの関係を表す直線を求め、その直線の勾配が触媒５３の劣化度合いとして求められてもよい。

本発明の実施形態に係る触媒の劣化度合い取得装置を内燃機関に適用したシステム全体の概略構成図である。図１に示した上流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したグラフである。図１に示した下流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したグラフである。図１に示した触媒の劣化度合い取得装置が、触媒の最大酸素吸蔵量を推定するための空燃比アクティブ制御を実行する際の、触媒上流空燃比、下流側空燃比センサの出力値、及び触媒の酸素吸蔵量の変化の一例を示したタイムチャートである。内燃機関に吸入される空気の流量及び触媒の劣化度合いと、推定される最大酸素吸蔵量との関係を示したグラフである。図１に示したＣＰＵが実行する、触媒の劣化度合いの取得、及び触媒の劣化判定の実行のためのプログラムを示したフローチャートである。

符号の説明

１０…内燃機関、５２…エキゾーストパイプ（排気管）、５３…触媒、６７…下流側空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ

Claims

内燃機関の排気通路に配設された酸素吸蔵機能を有する触媒と、
前記触媒よりも下流の前記排気通路に配設されて前記触媒から流出するガスの空燃比に応じた値を出力する下流側空燃比センサと、
前記触媒よりも上流の前記排気通路に配設されて前記触媒に流入するガスの空燃比に応じた値を出力する上流側空燃比センサと、
を備えた内燃機関に適用され、
前記下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態に切換る時点にて前記触媒に流入するガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比から理論空燃比よりもリーンな所定のリーン空燃比に切換え、前記下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態に切換る時点にて前記触媒に流入するガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比から理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に切換え、
前記触媒に流入するガスの空燃比の切換後に前記下流側空燃比センサの出力が切換る時点、及び前記上流側空燃比センサの出力を少なくとも利用して、前記触媒が吸蔵し得る酸素の最大量である最大酸素吸蔵量を推定する最大酸素吸蔵量推定手段と、
前記内燃機関に吸入される空気の流量が互いに異なる複数の値の各々である場合においてそれぞれ推定される複数の前記最大酸素吸蔵量と、前記空気の流量の前記複数の値とに基づいて、前記空気の流量の増加に対する前記推定される最大酸素吸蔵量の減少の程度を前記触媒の劣化度合いとして取得する触媒劣化度合い取得手段と、
を備えた内燃機関の触媒の劣化度合い取得装置。
請求項１に記載の内燃機関の触媒の劣化度合い取得装置において、
前記触媒劣化度合い取得手段は、
前記内燃機関に吸入される空気の流量が互いに異なる２つの値の各々である場合においてそれぞれ推定される２つの前記最大酸素吸蔵量と、前記空気の流量の前記２つの値とに基づいて、前記空気の流量の増加に対する前記推定される最大酸素吸蔵量の減少勾配を前記触媒の劣化度合いとして取得するように構成された内燃機関の触媒の劣化度合い取得装置。