JP4671130B2 - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するために排気通路に触媒が配置されている。このような触媒、例えば三元触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比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理論空燃比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Ｏ_２ストレージ機能を有する。従って、内燃機関の通常運転時、理論空燃比を中心として混合気をリッチ側又はリーン側に交互に振らせると、三元触媒のもつＯ_２ストレージ機能により、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持されるためにＮＯｘが還元され、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出されるためにＨＣおよびＣＯが酸化され、これによりＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化できることになる。

そこで従来より触媒上流側の排気通路に排気空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、排気空燃比がリーンになったときには燃料供給量を増量し、排気空燃比がリッチになったときには燃料供給量を減量させることにより、空燃比を理論空燃比を中心としてリッチ側又はリーン側に交互に振らせ、それによってＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に低減するようにしている。

ところで、三元触媒が劣化すると排気ガス浄化率が低下する。三元触媒の劣化度とＯ_２ストレージ機能の低下度との間には相関関係がある。よって、Ｏ_２ストレージ機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。

かかる原理に基づいて触媒劣化検出を行う装置としては例えば特許文献１に開示されたものがある。この装置は、内燃機関の排気通路に直列に配置された上流触媒と下流触媒のうち下流触媒の異常を判定するものである。上流触媒と下流触媒との間の触媒間空燃比を検出する触媒間センサと、下流触媒の下流の触媒後空燃比を検出する触媒後センサとが設けられる。触媒間センサの出力のリッチからリーンへの又はその逆への切り替えに応じて上流触媒の上流の触媒前空燃比をリーンからリッチへ又はその逆へと切り替えるアクティブ空燃比制御が実行される。そしてこのアクティブ空燃比制御の実行中に触媒後センサから発せられるセンサ出力に基づいて下流触媒の異常が判定される。

特開２００４−１７６６１５号公報

ところで、前述のようなアクティブ空燃比制御の実行中に、内燃機関への燃料供給を停止するフュエルカットが実行されると、排気空燃比が著しくリーンとなるためアクティブ空燃比制御は中断される。しかしながら、内燃機関の用途等によってはその運転中にフュエルカットが比較的頻繁に行われる場合があり、この場合、アクティブ空燃比制御が中断される頻度も高くなり、触媒劣化検出の機会が失われるという問題がある。

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、その目的は、フュエルカットによるアクティブ空燃比制御の中断の頻度を減らし、触媒劣化検出の機会をより多く確保し得る内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
触媒上流側の排気空燃比を所定のリッチ空燃比と所定のリーン空燃比との一方から他方に所定のタイミングで強制的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、
所定のフュエルカット条件が成立したときにフュエルカット要求信号を発生する信号発生手段と、
前記信号発生手段によりフュエルカット要求信号が発生されたときフュエルカットを実行するフュエルカット実行手段と
を備え、
前記フュエルカット実行手段は、前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記フュエルカット要求信号が発生されたとき、前記アクティブ空燃比制御が実行中でないときに前記フュエルカット要求信号が発生されたときに比べ、フュエルカットを遅れて実行する
ことを特徴とする。

この第１の発明によれば、アクティブ空燃比制御の実行中にフュエルカット要求信号が発生されたときは、アクティブ空燃比制御が実行中でないときにフュエルカット要求信号が発生されたときに比べ、フュエルカットが遅れて実行される。このようにフュエルカットが遅延されれば、その遅延時間の間にフュエルカット要求信号がオフされる可能性があり、また、遅延時間分だけアクティブ空燃比制御を継続することができる。よって、アクティブ空燃比制御の中断の頻度を減らし、触媒劣化検出の機会をより多く確保することが可能になる。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記信号発生手段によりフュエルカット要求信号が発生されたとき、点火時期を所定速度で所定の遅角量になるまで遅角する遅角制御手段をさらに備え、
前記フュエルカット実行手段は、前記遅角制御手段による点火時期の遅角量が前記所定遅角量に達したときに前記フュエルカットを実行し、
前記遅角制御手段は、前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記フュエルカット要求信号が発生されたとき、前記アクティブ空燃比制御が実行中でないときに前記フュエルカット要求信号が発生されたときに比べ、前記点火時期の遅角速度を遅くする
ことを特徴とする。

この第２の発明によれば、フュエルカット前に点火遅角が実行され、フュエルカットによるトルクショックを抑制することができる。そして、アクティブ空燃比制御の実行中にフュエルカット要求信号が発生されたときは点火時期の遅角速度が遅くされるので、結果的にフュエルカットが遅延され、第１の発明と同様に触媒劣化検出の機会をより多く確保できるようになる。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記アクティブ空燃比制御の実行により前記触媒の酸素吸蔵容量を算出する酸素吸蔵容量算出手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記フュエルカット要求信号の発生があったか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記フュエルカット要求信号の発生があったと判定されたとき、前記酸素吸蔵容量算出手段によって算出された酸素吸蔵容量の精度の良悪を判定する精度判定手段と
をさらに備えることを特徴とする。

フュエルカット遅延によってアクティブ空燃比制御が継続されたとしても、アクティブ空燃比制御の実行中にフュエルカット要求信号の発生があったときは、吸入空気量が少なくなり、酸素吸蔵容量の算出値に一定の精度を保てない虞がある。この第３の発明によれば、かような場合にも酸素吸蔵容量算出値の精度の良悪を判定するので、精度の良悪に応じて算出値を取捨選択することができ、信頼性の高い触媒劣化検出を行うことが可能になる。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記精度判定手段は、前記算出された酸素吸蔵容量を、吸入空気量に基づいて定まる所定のしきい値と比較して、前記算出された酸素吸蔵容量の精度の良悪を判定することを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記酸素吸蔵容量算出手段により算出された酸素吸蔵容量に基づいて前記触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定手段をさらに備え、
前記触媒劣化判定手段は、前記精度判定手段により算出された酸素吸蔵容量の精度が良と判定されたとき、その算出された酸素吸蔵容量に基づいて前記触媒の劣化判定を行い、前記精度判定手段により算出された酸素吸蔵容量の精度が悪と判定されたとき、その算出された酸素吸蔵容量に基づく前記触媒の劣化判定を行わない
ことを特徴とする。

本発明によれば、フュエルカットによるアクティブ空燃比制御の中断の頻度を減らし、触媒劣化検出の機会をより多く確保することができるという、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。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

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。

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に接続されており、排気管６には、Ｏ_２ストレージ機能を有する三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気空燃比を検出するための触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。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電流信号を出力する。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電圧が急変する特性を持つ。

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、スロットルバルブ１０の開度を検出するスロットル開度センサ１９、吸気圧を検出する吸気圧センサ１６、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。

特にＥＣＵ２０は、スロットル開度制御に際し、アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度ＡＣに基づいて目標スロットル開度ＴＨｔを定め、スロットル開度センサ１９によって検出されるスロットル開度ＴＨがその目標スロットル開度ＴＨｔに一致するようにスロットル開度を制御する。これによってスロットル開度はアクセル開度の増減（開閉）に応じて増減（開閉）されることとなる。

また、ＥＣＵ２０は、所定のフュエルカット条件が成立したときに内部信号としてのフュエルカット要求信号をフラグ等の形態で発生する。このフュエルカット条件とは、１）スロットル開度センサ１９によって検出されるスロットル開度ＴＨが略全閉であること、２）クランク角センサ１４の出力に基づいて計算されるエンジン回転速度ＮＥがアイドルより若干高い所定速度ＮＥ以上であること、の二条件を満たしたときである。こうしてフュエルカット要求信号が発せられると、ＥＣＵ２０は、後述のディレイ制御を行った後、インジェクタ１２の通電を停止してフュエルカットを実行する。

触媒１１は、こ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）Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒上流側の排気空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓになるように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比Ａ／Ｆｓに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔ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、触媒１１についてより詳細に説明する。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Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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、触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより触媒１１の劣化度を検出ないし判定することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、触媒１１が吸蔵し得る酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Strage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

以下、本実施形態における触媒の劣化検出について説明する。

本実施形態では、触媒１１の劣化検出の際にＥＣＵ２０によるアクティブ空燃比制御が実行される。ここでアクティブ空燃比制御とは、触媒上流側の排気空燃比である触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを、所定のリッチ空燃比Ａ／Ｆｒとリーン空燃比Ａ／Ｆｌとの一方から他方に所定のタイミングで強制的に切り替える制御である。

ここで触媒１１の劣化検出は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が所定の活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度は、直接検出してもよいが、本実施形態の場合それをエンジン運転状態に基づき所定のマップ又は関数を用いて推定するようにしている。触媒１１の劣化検出はエンジンの１運転毎に１回実行され、少なくとも続けて２回、触媒１１が劣化状態にあると判定されたときに警告装置が作動させられる。

図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力が実線で示されている。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔが破線で示されている。触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力はそれぞれ触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ及び触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒを表す。

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の切り替えないし振動に追従するようにして、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ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。よって触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも目標空燃比Ａ／Ｆｔと同様にリッチ空燃比Ａ／Ｆｒとリーン空燃比Ａ／Ｆｌとに強制的に且つ交互に切り替えられる。このことから目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ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。例えば理論空燃比Ａ／Ｆｓ＝１４．６、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である。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。

ところで、目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられるタイミングは、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切り替わるタイミングである。ここで図示されるように触媒後センサ１８の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓより小さいリッチ側の空燃比であるときその出力電圧がリッチ判定値ＶＲ以上となり、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓより大きいリーン側の空燃比であるときその出力電圧がリーン判定値ＶＬ以下となる。ここでＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）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。

このような空燃比変化を行う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が算出され、触媒１１の劣化が検出ないし診断される。

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／Ｆｒｒ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、或いは反転される。このように目標空燃比Ａ／Ｆｔは触媒後センサ１８の出力をトリガにして反転される。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入されることとなる。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／Ｆｒｒ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／Ｆｒｒ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。

酸素吸蔵容量ＯＳＣ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目標空燃比Ａ／Ｆｔ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目標空燃比Ａ／Ｆｔ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算出される。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／Ｆｆｒ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／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積分される。こうしてこの酸素放出サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ１即ち放出酸素量が算出される。

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）である。

基本的には、この１回で算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を用い、これを所定のしきい値（触媒劣化判定しきい値）と比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１がしきい値を超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１がしきい値以下ならば劣化、というように触媒の劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態では精度を向上させるため、リーン側でも同様に酸素吸蔵容量（この場合酸素吸収量）を算出し、必要に応じてリッチ側とリーン側とで複数回算出を繰り返し、その平均値をしきい値と比較して最終的な劣化判定を行っている。

具体的には、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、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ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まで積分される。こうしてこの酸素吸収サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ２即ち吸収酸素量が算出される。前回サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と今回サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるはずである。こうして複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，・・・ＯＳＣｎ（例えばｎは５以上）が繰り返し算出され、その平均値ＯＣＳａｖが所定のしきい値ＯＳＣｓと比較される。そして、平均値ＯＣＳａｖがしきい値ＯＳＣｓを超えていれば触媒１１は正常、平均値ＯＣＳａｖがしきい値ＯＳＣｓ以下ならば触媒１１は劣化と判定される。

なお、車両の走行距離等、触媒劣化の進行に相関するパラメータに応じて酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出回数ｎを変化させてもよい。例えば走行距離が比較的少なく明らかに劣化が相当程度進んでいないと想定できる場合はｎを少ない値とし、走行距離が比較的多く劣化が相当程度進んでいる可能性のある場合はｎを多い値とする。

ここで、酸素吸蔵容量ＯＳＣと触媒温度との関係を図５に示す。見られるように、酸素吸蔵容量ＯＳＣは触媒温度が高くなるにつれ大きくなる傾向にある。酸素吸蔵容量ＯＳＣは新品の触媒で最大であり、触媒の劣化が進むにつれ減少してくる。そして、酸素吸蔵容量ＯＳＣがしきい値ＯＳＣｓ以下になった場合、触媒１１は劣化と判定される。

さて、本実施形態においては、前述のようなアクティブ空燃比制御の実行中に、内燃機関への燃料供給を停止するフュエルカットが実行されると、排気空燃比が著しくリーンとなるためアクティブ空燃比制御は中断される。しかしながら、内燃機関の用途によってはその運転中にフュエルカットが比較的頻繁に行われる場合があり、この場合、アクティブ空燃比制御が中断される頻度も高くなり、触媒劣化検出の機会が減少するという問題がある。

例えば、内燃機関が車両に搭載された場合、無段変速機を備えたＣＶＴ車両や手動変速機を備えたＭＴ車両では、トルクコンバータを備えたＡＴ車両より頻繁にフュエルカットが行われる。例えば車両がアクティブ空燃比制御が行われ得るような定速走行状態で運転されている場合を想定すると、ＣＶＴ車両の場合、ＡＴ車両に比べて機関回転速度が低く保たれて運転（ハイギヤーの運転）されるため、ＡＴ車両より減速感が少なく、ドライバが減速感を得るためアクセルを全閉に戻す頻度が高い。また、ＭＴ車両の場合、ＡＴ車両に比べて車重が軽い等の理由で走行負荷が少ないため、アクセルの踏み込みが浅く、アクセルを全閉に戻す頻度が高い。かような理由により、ＣＶＴ車両やＭＴ車両ではＡＴ車両よりアクセルが全閉に戻される頻度が高く、従ってスロットル開度が全閉になる頻度が高く、フュエルカットの頻度が高くなる。このようにＣＶＴ車両やＭＴ車両の場合、ＡＴ車両に比べ、一時的に或いは継続的にフュエルカットされる頻度が高く、アクティブ空燃比制御が中断される頻度が高い。

そこで、フュエルカットによるアクティブ空燃比制御の中断の頻度を減らし、触媒劣化検出の機会をより多く確保するため、本実施形態ではＥＣＵ２０により以下のような実行することとしている。

図６には本実施形態の制御における各値の変化が示される。（Ａ）はフュエルカット要求信号の発生状態を示し、未発生がオフ、発生がオンである。（Ｂ）はフュエルカットの実行状態を示し、非実行がオフ、実行がオンである。（Ｂ）において実線はアクティブ空燃比制御実行中でない場合、破線はアクティブ空燃比制御実行中である場合を示す。

（Ｂ）に示されるように、アクティブ空燃比制御実行中にフュエルカット要求信号が発生されたとき（破線）は、アクティブ空燃比制御実行中でないときにフュエルカット要求信号が発生されたとき（実線）に比べ、フュエルカットが遅れて実行ないし開始される。このようにフュエルカットを遅延（ディレイ）させれば、その遅延時間Δｔの間にアクセルが踏まれ、フュエルカット要求信号がオフする可能性があり、こうなればフュエルカットによるアクティブ空燃比制御の中断を回避できる。また、アクセルが踏まれずフュエルカット要求信号がオフしなかったとしても、遅延時間Δｔ分だけアクティブ空燃比制御を継続することができる。よって、アクティブ空燃比制御の中断の頻度を減らし、触媒劣化検出の機会をより多く確保することが可能になる。

このようなフュエルカットディレイは、ＥＣＵ２０に内蔵のタイマを用いて実施することも可能であるが、本実施形態では次のような手法が採られている。

即ち、本実施形態ではフュエルカット要求信号オンからフュエルカット実行までの間に、トルクショック抑制のための点火時期遅角制御が実行される。図５（Ｃ）は点火時期の変化を示し、実線がアクティブ空燃比制御実行中でない場合、破線がアクティブ空燃比制御実行中である場合である。

アクティブ空燃比制御実行中でない場合（実線）、フュエルカット要求信号がオンされた時（ｔ０）から、点火時期が所定速度で所定の遅角量ΔＩＧになるまで遅角される。そして遅角量がその所定遅角量ΔＩＧに達した時（ｔ１）、フュエルカットが実行される。

一方、アクティブ空燃比制御実行中である場合（破線）は、点火時期が所定遅角量ΔＩＧまで遅角されるときの遅角速度が遅くされる。よって遅角量が所定遅角量ΔＩＧに達するまでの時間が長くなり（ｔ１→ｔ１’、ｔ１’−ｔ１＝Δｔ）、結果的にフュエルカットはディレイされる。

なお、いずれの場合においても、遅角量が所定遅角量ΔＩＧに達した後は、より速い速度で点火時期が進角され、遅角量がゼロに戻される。もっともこのときはフュエルカット中なので、実際の点火は行われず、あくまで点火時期の目標値が元の値に戻されるだけである。このときの進角速度は、アクティブ空燃比制御実行中のときの進角速度をアクティブ空燃比制御実行中でないときの進角速度と異ならせてもよく、例えば前者を後者より遅くしてもよい。

図７にはかかる点火時期遅角制御のフローチャートを示す。この制御はＥＣＵ２０により微小時間毎に繰り返し実行される。まずステップＳ１０１において、フュエルカット要求信号が発生（オン）しているか否かが判断され、発生していないと判断された場合、本フローが終了され、発生していると判断された場合、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２においては、アクティブ空燃比制御実行中か否かが判断される。実行中でないと判断された場合、ステップＳ１０３において遅角速度が所定の基準値に設定され、実行中であると判断された場合、ステップＳ１０４において遅角速度が基準値より低速の所定値に設定される。ステップＳ１０３、Ｓ１０４の後はステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０３、Ｓ１０４で設定された遅角速度で点火時期の遅角が実行される。

ところで、上記のようなフュエルカット遅延制御によってアクティブ空燃比制御が継続されたとしても、その結果得られる酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が比較的悪い精度を有する場合がある。即ち、フュエルカット要求信号が発生しているということは、スロットル開度が略全閉とされていることを意味するが、こうなると吸入空気量が少なく、空燃比が安定しない場合がある。そのため、その空燃比を用いて酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出しても、その酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が一定の精度を保てない場合がある。

そこで本実施形態では、アクティブ空燃比制御の実行中にフュエルカット要求信号の発生があったか否かを判定し、そのフュエルカット要求信号の発生があったと判定されたとき、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの精度の良悪を判定するようにしている。

図８には、ＥＣＵ２０によって実行される精度判定処理のフローチャートが示される。まず最初のステップＳ２０１においては、触媒劣化検出実行中か否かが判定される。実行中でないと判定された場合、本フローが終了され、実行中であると判定された場合、ステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、図４に示したような積分演算による酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出が終了したか否かが判定される。ここで前述したように、本実施形態では複数サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，・・・ＯＳＣｎが算出され、その平均値ＯＣＳａｖがしきい値ＯＳＣｓと比較されて最終的な触媒劣化判定が行われる。一方、このステップＳ２０２でいう酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出終了とは、１サイクルの酸素吸蔵容量（ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，・・・ＯＳＣｎのうちのいずれか）の算出終了を意味しても、複数サイクルの平均値ＯＣＳａｖの算出終了を意味してもよい。本実施形態では前者即ち１サイクルの酸素吸蔵容量の算出終了を意味することとする。

酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出が終了していないと判定された場合、本フローは終了される。他方、酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出が終了していると判定された場合、ステップＳ２０３が実行され、その算出対象となるサイクル中にフュエルカット要求信号の発生があったか否かが判定される。図４を参照して、例えば時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の１サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が算出された場合、その時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間にフュエルカット要求信号の発生があったか否かが判定される。

フュエルカット要求信号の発生がなかったと判定された場合、本フローは終了される。他方、フュエルカット要求信号の発生があったと判定された場合、ステップＳ２０４において、その算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの精度判定が実行される。

この精度判定は、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣを、吸入空気量ＧＡに基づいて定まる所定のしきい値（精度判定しきい値）ＯＳＣｓｓと比較することにより行われる。図９には、実機試験に基づいて予め定められＥＣＵ２０に記憶された吸入空気量ＧＡと精度判定しきい値ＯＳＣｓｓとの関係が示される。この関係はマップ或いは関数の形態で記憶されることができる。図にハッチングで示されるように、精度判定しきい値ＯＳＣｓｓは、一点鎖線で示す値を中心値として所定の幅を持つ値である。そして精度判定しきい値ＯＳＣｓｓは、吸入空気量ＧＡが大ほど大きな値となるように設定されている。一方、ここで問題となるのは吸入空気量ＧＡが略最小の領域である。

ステップＳ２０４においては、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量ＧＡに対応した精度判定しきい値ＯＳＣｓｓが図９の関係から取得され、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣがその精度判定しきい値ＯＳＣｓｓと比較される。そして、図中黒塗りの星印で示されているように、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣが精度判定しきい値ＯＳＣｓｓの範囲外にあるときは、精度が悪いと判定される。他方、白塗りの星印で示されているように、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣが精度判定しきい値ＯＳＣｓｓの範囲内にあるときは、精度が良いと判定される。

こうして、ステップＳ２０４における精度判定の結果、精度が悪いと判定されたときはステップＳ２０６において算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が不採用とされ、その算出結果は無効となる。他方、精度が良いと判定されたときはステップＳ２０５において算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が採用され、その算出結果は有効となる。以上で本フローが終了され、不採用の場合は、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値に基づく触媒の劣化判定が行われない。また採用の場合は、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値に基づく触媒の劣化判定が行われる。

このように、酸素吸蔵容量の算出値に対し精度判定が実行されるので、アクティブ空燃比制御実行中にアクセルが略全閉とされ、吸入空気量が著しく低下しても、その状況下で得られた酸素吸蔵容量算出値に対し取捨選択を行うことができる。そして、精度の良い値のみを採用して信頼性のある劣化検出を行え、言い換えれば精度の悪い値を採用することによる信頼性悪化を確実に防止することが可能になる。

なお、上述の実施形態においては、ＥＣＵ２０及びインジェクタ１２が本発明にいうアクティブ空燃比制御手段を構成し、ＥＣＵ２０が本発明にいう信号発生手段、フュエルカット実行手段、遅角制御手段、酸素吸蔵容量算出手段、判定手段、精度判定手段、触媒劣化判定手段を構成する。また、触媒前センサ１７が、触媒上流側の排気空燃比を検出する触媒前空燃比検出手段を構成し、触媒後センサ１８が、触媒下流側の排気空燃比を検出する触媒後空燃比検出手段を構成する。触媒後センサ１８として、触媒前センサ１７と同様の空燃比センサを用いることも可能である。

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直噴式であったが、吸気ポート（吸気通路）噴射式或いは両噴射方式を兼ね備えるデュアル噴射式の内燃機関にも本発明は適用可能である。

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。 アクティブ空燃比制御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、酸素吸蔵容量の算出方法を説明するための図である。 酸素吸蔵容量と触媒温度との関係を示すグラフであり、触媒劣化判定方法を説明するための図である。 本実施形態の制御における各値の変化を示すタイムチャートである。 点火時期遅角制御のフローチャートである。 精度判定処理のフローチャートである。 吸入空気量と精度判定しきい値との関係を示す図である。

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
７ 点火プラグ
１０ スロットルバルブ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ スロットル開度センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ａ／Ｆｆｒ 触媒前空燃比
Ａ／Ｆｒ リッチ空燃比
Ａ／Ｆｌ リーン空燃比
ＯＳＣ 触媒の酸素吸蔵容量
ＯＳＣｓ 酸素吸蔵容量の劣化判定しきい値
ＯＳＣｓｓ 酸素吸蔵容量の精度判定しきい値
ＧＡ 吸入空気量
ΔＩＧ 所定遅角量
Δｔ 遅延時間

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
   触媒上流側の排気空燃比を所定のリッチ空燃比と所定のリーン空燃比との一方から他方に所定のタイミングで強制的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、
   所定のフュエルカット条件が成立したときにフュエルカット要求信号を発生する信号発生手段と、
   前記信号発生手段によりフュエルカット要求信号が発生されたときフュエルカットを実行するフュエルカット実行手段と
   を備え、
   前記フュエルカット実行手段は、前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記フュエルカット要求信号が発生されたとき、前記アクティブ空燃比制御が実行中でないときに前記フュエルカット要求信号が発生されたときに比べ、フュエルカットを遅れて実行する
   ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
2. 前記信号発生手段によりフュエルカット要求信号が発生されたとき、点火時期を所定速度で所定の遅角量になるまで遅角する遅角制御手段をさらに備え、
   前記フュエルカット実行手段は、前記遅角制御手段による点火時期の遅角量が前記所定遅角量に達したときに前記フュエルカットを実行し、
   前記遅角制御手段は、前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記フュエルカット要求信号が発生されたとき、前記アクティブ空燃比制御が実行中でないときに前記フュエルカット要求信号が発生されたときに比べ、前記点火時期の遅角速度を遅くする
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
3. 前記アクティブ空燃比制御の実行により前記触媒の酸素吸蔵容量を算出する酸素吸蔵容量算出手段と、
   前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記フュエルカット要求信号の発生があったか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記フュエルカット要求信号の発生があったと判定されたとき、前記酸素吸蔵容量算出手段によって算出された酸素吸蔵容量の精度の良悪を判定する精度判定手段と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
4. 前記精度判定手段は、前記算出された酸素吸蔵容量を、吸入空気量に基づいて定まる所定のしきい値と比較して、前記算出された酸素吸蔵容量の精度の良悪を判定することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
5. 前記酸素吸蔵容量算出手段により算出された酸素吸蔵容量に基づいて前記触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定手段をさらに備え、
   前記触媒劣化判定手段は、前記精度判定手段により算出された酸素吸蔵容量の精度が良と判定されたとき、その算出された酸素吸蔵容量に基づいて前記触媒の劣化判定を行い、前記精度判定手段により算出された酸素吸蔵容量の精度が悪と判定されたとき、その算出された酸素吸蔵容量に基づく前記触媒の劣化判定を行わない
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
   

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