JP4716188B2

JP4716188B2 - 内燃機関の触媒異常診断装置

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Publication number: JP4716188B2
Application number: JP2006310462A
Authority: JP
Inventors: 徹木所
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: JP2008128005A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する触媒異常診断装置に関する。

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運転条件により混合気がリッチ側又はリーン側に振れてしまっても、触媒表面は理論空燃比に保たれ、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、空燃比が理論空燃比を中心として制御されるためリッチ側又はリーン側に交互に振れてしまっても、それによってＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に低減されるようになっている。

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、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。この装置においては、空燃比を理論空燃比に対してリーンからリッチに又はその逆に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御が実行され、このアクティブ空燃比制御の実行中に三元触媒が吸蔵可能な酸素量即ち酸素吸蔵容量が算出される。この算出された酸素吸蔵容量は所定の劣化判定値と比較され、酸素吸蔵容量が劣化判定値を超えていれば触媒正常、酸素吸蔵容量が劣化判定値以下のときには触媒劣化と判定される。

一方、車載用等の内燃機関の電子制御システムにおいては、各種構成部品やシステム等の異常を検出する目的で異常診断装置が装備されている。この種の異常診断装置では、所定時間毎、あるいは所定クランク角度毎に異常診断が実行されるのが一般的である。

特許文献２には、異常の発生頻度を増大させる各種要因のいずれかが発生した場合、マイクロコンピュータの処理負荷の増加を抑えるべく、その要因に対応する異常診断について処理間隔を短くし、それ以外の異常診断について処理間隔を長くする技術が開示されている。

また、他の従来技術として、例えば特許文献３には、システムの異常診断を複数回実行して異常検出回数が所定値に達したときにはじめて同システムを異常である旨判定する装置が開示されている。この場合、エンジンが始動されてから停止されるまでの期間、即ちトリップが短い場合、１回の異常検出がなされる前にエンジンが停止されてしまうことがあり、そのようなショートトリップが繰り返されると異常検出回数が所定値になかなか達せず、最終的な異常判定ができなかったりその判定が遅れたりするという課題がある。特許文献４には、異常診断の実行頻度を監視し、その実行頻度が不足すると判断したときに、異常診断条件（実行条件、診断方法、判定条件）を実行頻度が増加するように変更することが開示されている。

特開平５−１３３２６４号公報特開２００２−６１５３５号公報特開２００１−３４９２３９号公報特開２００３−１９３９００号公報

ところで、前述の異常診断装置には次のような問題がある。例えば、車両に搭載された内燃機関において、特定の部品が故障し、点火系や燃料供給系に異常が発生すると、その異常が異常診断装置、特に電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）によって検出され、ユーザーへの警告のため例えばチェックランプが点灯される。こうなるとユーザーは整備工場に車両を搬入し、整備工場では、ＥＣＵに記憶された診断コードと修理書に従って、故障部品を交換し、異常状態を解消する。

ところが、その異常が、触媒の二次的な異常（以下、二次異常という）の要因となるような一次的な異常（以下、一次異常という）である場合だと以下の問題がある。即ち、エンジン失火や空燃比異常等のように、その一次異常が、触媒にダメージを与えて触媒の劣化を促進させたり、触媒の故障を後に招来するような一次異常であると、その一次異常の原因となった部品が交換されて車両がユーザーに返却されても、その後、触媒の許容できない劣化（完全劣化）や故障が発生し、このことが異常診断装置で検出されてチェックランプが点灯し、再度ユーザーが整備工場に車両を搬入し、触媒を交換しなければならない事態が起こり得る。これはユーザーに二度手間を掛けることとなり、好ましくない。一次異常の発生後に即座に触媒の二次異常（完全劣化又は故障）が発生すれば、この触媒の二次異常が異常診断装置で検出されて触媒の同時交換が可能である。しかし、そのような即座の二次異常ではなく、例えば数週間、数ヶ月といった一定期間を経て将来的に発生する潜在的な二次異常の場合に問題となる。しかも、一次異常発生から触媒が交換されるまでの間、排気エミッションが悪化した状態で車両が運転されてしまう可能性もある。

この問題を解決するには、一次異常の発生後に、触媒の潜在的な二次異常を速やかに検出し、一次異常の原因となった部品の交換と同時に触媒の交換を済ませてしまうことが適切である。

これに対し、前記特許文献に開示されたような技術ではこの問題を解決することができない。例えば、特許文献２に開示されたような技術では、一次異常の発生後に触媒の異常診断の処理間隔を短くすることはできるものの、触媒が即座に完全劣化していたり故障していた場合ならともかく、その手前の段階での潜在的な触媒の二次異常を検出することができない。

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、触媒の二次異常の要因となるような一次異常が発生した場合に、その後速やかに、触媒の潜在的な二次異常を検出することができる内燃機関の触媒異常診断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の発明に係る内燃機関の触媒異常診断装置は、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化指標値を計測し、この劣化指標値に基づいて触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段と、
前記触媒の二次異常の要因となるような一次異常を検出する一次異常検出手段と、
該一次異常検出手段により前記一次異常が検出されたとき、その一次異常検出前後に前記触媒劣化検出手段により計測された前記劣化指標値に基づき、前記触媒の劣化進行の有無を判定する劣化進行判定手段と、
該劣化進行判定手段により前記触媒の劣化進行有りと判定されたとき、前記触媒を異常と判定する触媒異常判定手段と
を備えたことを特徴とする。

この第１の発明に係る内燃機関の触媒異常診断装置によれば、触媒の二次異常の要因となるような一次異常が検出されたとき、その検出後、触媒劣化検出手段により劣化指標値が計測される。そしてこの一次異常検出後に計測された劣化指標値と、一次異常検出前に計測された劣化指標値とに基づき触媒の劣化進行の有無が判定され、劣化進行有りと判定されたときに触媒が異常と判定される。

このように、一次異常が検出された場合には、その後速やかに、触媒の劣化進行の有無が判定され、この判定結果に基づいて触媒の異常が検出される。よって、触媒に実際に起こっている二次異常を検出できるほか、触媒が完全劣化や故障に至る手前の段階であっても、そのことが劣化進行ありということで判定でき、触媒の潜在的な二次異常をも効果的に検出することができる。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記一次異常検出手段による前記一次異常の検出後、同一トリップ内において、前記触媒劣化検出手段が前記劣化指標値を計測し、その計測された劣化指標値を用いて前記劣化進行判定手段が前記触媒の劣化進行の有無を判定し、この判定結果に応じて前記触媒異常判定手段が前記触媒の異常判定を行うことを特徴とする。

これにより、一次異常検出後、その検出時と同一トリップ内で即座に触媒異常を検出することができる。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記一次異常検出手段により前記一次異常が検出されたとき、同一トリップ内の一次異常検出時より前に前記触媒劣化検出手段によりなされた触媒正常判定を無効化する正常判定無効化手段をさらに備えたことを特徴とする。

触媒劣化検出手段による触媒が正常か劣化かの判定が１トリップ当たりに１回実行される場合、一次異常検出時と同一トリップ内の一次異常検出時より前に正常判定が行われているときは、その後、同一トリップ内での劣化検出が行われず、劣化指標値の計測も行われない。しかしながら、この第３の発明によれば、一次異常検出時より前の同一トリップ内で行われた正常判定が無効化される。これにより触媒劣化検出手段による劣化指標値の計測を再度実行することが可能になる。

また、第４の発明は、第１乃至第３いずれかの発明において、
前記触媒劣化検出手段による触媒劣化検出を実行させるための所定の前提条件の成立の有無を判定する前提条件成立判定手段と、
前記一次異常検出手段により前記一次異常が検出されたとき、前記前提条件を緩和させる前提条件緩和手段と
をさらに備えたことを特徴とする。

これにより、一次異常が検出されたときには触媒劣化検出の機会、即ち劣化指標値の計測の機会をより多く確保することができるようになり、触媒の異常検出をしやすくすることができる。

本発明によれば、触媒の二次異常の要因となるような一次異常が発生した場合に、その後速やかに、触媒の潜在的な二次異常を検出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、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、前記内燃機関システムの各種構成部品の異常を検出する異常診断装置としても機能する。ＥＣＵ２０は、ＲＯＭに格納される各種プログラムに従い、前述の及び前述以外の各種構成部品（センサ、アクチュエータ、ハーネス等を含む）の異常診断を実施し、異常検出時には、その異常の種類や箇所に応じた診断コードをＲＡＭに記憶するとともに、異常の発生をユーザーに知らせるため警告装置（例えばチェックランプ）を作動させる。後の修理段階で診断コードが読み取られ、部品の修理、交換等に適宜利用される。

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、触媒に流入する触媒上流側の排気ガスの空燃比（以下、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒという）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。

ＥＣＵ２０は、異常診断の一つとして触媒１１の劣化検出を実行する。触媒の劣化検出方法としては様々な方法を採用し得るが、本実施形態では、触媒劣化に伴いその酸素吸蔵能が低下する特性に着目して、触媒の酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Storage Capacity、単位はｇ）を検出ないし計測し、その値に基づき劣化を検出する。酸素吸蔵容量とは、現状の触媒が吸蔵し得る最大酸素量のことであり、かかる劣化検出方法はＣｍａｘ法と称される。検出された酸素吸蔵容量の値は触媒の劣化度を表す劣化指標値となる。この劣化検出に当たっては、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アクティブ空燃比制御が実行される。以下、本実施形態の触媒劣化検出方法を詳しく説明する。

まず、触媒１１の劣化検出は、所定の前提条件が成立したときに開始される。この前提条件は、例えば、１）内燃機関が定常運転状態にあること、２）触媒が活性温度域にあること、のいずれの条件をも満たたしたときに成立する。１）に関して、内燃機関が定常運転状態にあるか否かは、例えば、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量ＧＡの値が所定範囲内に収まっているか否かで判定することができる。２）に関して、触媒１１の温度は、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。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、クランク角センサ１４の出力に基づいて算出される機関回転速度ＮＥ、及びスロットル開度センサ１９の検出値に基づいて算出される機関負荷ＫＬの少なくとも一つに基づいて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、触媒１１の温度を推定する。こうして検出又は推定された触媒１１の温度が、触媒１１の活性温度域にあたる所定の下限温度Ｔｃ１以上且つ上限温度Ｔｃ２以下であるとき、２）の条件が満たされる。なお、前提条件はここで述べたものに限定されず、他の条件を適宜追加してもよい。

本実施形態の場合、触媒１１の劣化検出は内燃機関の１トリップ当たりに１回実行され、少なくとも２回（２トリップ）連続で触媒１１が劣化と判定されたときに最終的な劣化判定がなされ、チェックランプ等の警告装置が作動させられる。なお１トリップとは１回のエンジンの始動から停止までの期間をいう。

次に、アクティブ空燃比制御と、その実行に伴ってなされる触媒劣化判定について説明する。図２（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２（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２（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。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２（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の劣化が判定される。

図２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３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を所定の劣化判定値と比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値を超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値以下ならば劣化、というように触媒の劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態の劣化判定では、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）を算出する。即ち、リッチ側とリーン側とで最低１回ずつ酸素吸蔵容量を算出し、その平均値を劣化判定値と比較して最終的な劣化判定を行っている。

リーン側については、図３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。

このようにして、複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，・・・ＯＳＣｎ（ｎは２以上の整数）が繰り返し算出され、その平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。そして、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば触媒１１は正常、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒１１は劣化と判定される。これから分かるように、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが触媒の劣化度を表す劣化指標値をなすこととなる。

なお、触媒の劣化検出方法はここで述べたようなＣｍａｘ法以外の方法も採用し得る。例えば、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に振動させたとき、触媒劣化度が高いほど、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒも触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒに追従して振動する傾向があることが知られている。そこで、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを強制的に振動させ、このときの触媒前センサ１７と触媒後センサ１８との出力軌跡長の比を算出し、この比を所定の劣化判定値と比較して触媒の劣化を検出する方法がある。これを軌跡長比に基づく劣化検出法という。ここで、出力軌跡長とは、センサ出力値の微小時間毎の変化量を所定期間積算した値である。この方法によれば、（出力軌跡長比）＝（触媒後センサ出力軌跡長）／（触媒前センサ出力軌跡長）と定義した場合、触媒劣化度が高いほど出力軌跡長比は大きくなる。この場合、出力軌跡長比が劣化指標値をなすこととなる。

或いは、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを予め決められたやり方で一定時間強制的に振動させ、このときの触媒後センサ１８の出力軌跡長自体を所定の劣化判定値と比較して触媒の劣化を検出する方法がある。これを軌跡長に基づく劣化検出法という。この方法によれば、触媒劣化度が高いほど出力軌跡長は長くなる。この場合、出力軌跡長が劣化指標値をなすこととなる。

或いは、触媒１１の下流側に特定の排ガス成分（ＨＣ，ＮＯｘ等）の濃度を検出する排ガスセンサを設け、この排ガスセンサでその成分濃度を検出し、これを所定の劣化判定値と比較して触媒の劣化を検出する方法がある。これを排ガス成分に基づく劣化検出法という。この方法は、触媒劣化度が高いほどその浄化率が低下し、成分濃度が高くなるという考え方に基づく。この場合、成分濃度が劣化指標値をなすこととなる。

さて、前述したように、例えば点火系の故障に起因したエンジン失火や、燃料供給系の故障に起因した空燃比異常などのように、触媒の二次異常を発生させる要因となるような一次異常が発生した場合、その一次異常の原因を除去したとしても、その後一定期間を経て触媒の完全劣化や故障といった二次異常が発生し、ユーザーに車両搬入の二度手間を課したり、悪い排気エミッションで車両が運転されたりする問題がある。この問題を解決するには、一次異常の発生後に触媒が二次異常に至る可能性があるかどうかを速やかに検出し、一次異常の原因となった部品の交換と同時に触媒の交換を済ませてしまうことが適切である。

そこでこれを達成すべく、本実施形態では以下の如き触媒異常診断を実行することとしている。

図４は、触媒異常診断の第１の形態に係るルーチンのフローチャートを示す。まずステップＳ１０１では、ＥＣＵ２０により、詳しくは前述したようなＥＣＵ２０の有する異常診断機能により、一次異常が検出されたか否かが判定される。例えば、エンジン失火が検出された場合や、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが異常値となったことが検出された場合に、判定はＹＥＳとなる。一次異常が検出されなかった場合には本ルーチンが終了され、検出された場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、前述したような触媒劣化検出前提条件（例えば前記条件１）及び２））が成立しているか否かが判定される。成立していない場合には本ルーチンが終了され、成立している場合にはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、前述のＣｍａｘ法による触媒劣化検出が実行される。この触媒劣化検出実行により劣化指標値としての酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが計測される。但し、ここでの触媒劣化検出では、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖの計測が行われるだけであって、その計測された酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖと劣化判定値との比較、及びこの比較に基づく劣化判定は実行されない。

次のステップＳ１０４では、触媒劣化の進行の有無が判定される。即ち、通常の触媒劣化検出では、計測された酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値と比較されて触媒の劣化が判定される。しかしながら、ここでの場合のように、一次異常が検出された場合には、そのような通常の劣化判定は行われず、代わりに、一次異常発生に起因して触媒の劣化が進行したか否か、より具体的には触媒の劣化進行速度が通常より速くなったか否かが判定される。具体的には、ＥＣＵ２０に記憶されている前回トリップで算出された前回の酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが取得され、この前回の酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖから今回の酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖが減じられる。そしてその差が所定値以上、つまり酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖの今回値が前回値から実質的に低下しているのであれば、触媒の劣化進行ありと判定され、ステップＳ１０５に進む。逆に、その差が所定値未満、つまり酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖの今回値が前回値から実質的に低下していないのであれば、触媒の劣化進行なしと判定され、本ルーチンが終了される。

一次異常の発生によって生じる触媒の劣化が大きいほど、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖの今回値は前回値より低くなる。そして、触媒の劣化進行の有無を判別するための今回値及び前回値の差のしきい値は、触媒に実際に起こっている二次異常（即ち、触媒が実際に完全劣化若しくは故障に陥っている）のみならず、触媒が将来二次異常に達するであろうといった潜在的な二次異常（即ち、触媒が完全劣化若しくは故障に至る手前の段階にある）をも検出し得る値として設定されている。

ステップＳ１０４で劣化進行ありと判定された場合、その劣化進行の要因は既に発生した一次異常にあり、触媒の二次異常が実際に発生しているか、又は潜在的な二次異常が発生しているとみなされる。いずれにしても、ステップＳ１０５で触媒は異常（二次異常）であると判定され、その触媒異常に対応する診断コードがＥＣＵ２０に記憶される。そして、チェックランプ等の警告装置が作動させられる。

こうなると、一次異常に対応する診断コードと触媒異常に対応する診断コードとがＥＣＵ２０に記憶されると共に、ユーザーに対しては車両の整備工場への搬送が促される。一旦車両が整備工場に搬送されれば、整備工場では、それら診断コードに従って一次異常の原因となった部品と、触媒とが交換される。従って、ユーザーに二度手間を掛けることが防止される。ユーザーは警告後速やかに車両を搬送すると思われるので、排気エミッションが悪化した状態での車両走行時間が最小限に抑制される。

このように、触媒の二次異常の要因となるような一次異常が発生した場合、その後速やかに、触媒の実際の二次異常、さらには潜在的な二次異常をも検出することができる。特に、触媒が完全劣化や故障に至る手前の段階であっても、そのことが劣化進行ありということで検出されるので、触媒の潜在的な二次異常をも効果的に検出することが可能である。

また、通常の触媒劣化検出では、最終的な劣化検出に複数トリップを要する。これに対し上記触媒異常検出では、一次異常検出後、その検出時と同一トリップ内で異常検出を実行できるので、通常の触媒劣化検出よりも早期に触媒異常を検出することができる。また、一次異常検出時と同一トリップ内で車両が整備工場に搬送されたような場合にも、既に触媒の異常検出がなされているので、触媒の同時交換が可能である。

次に、触媒異常診断の第２の形態を説明する。図５は、この第２の形態に係るルーチンのフローチャートを示す。まずステップＳ２０１において、前記ステップＳ１０１同様、一次異常が検出された場合、次のステップＳ２０２において、既に触媒正常判定がなされているか否かが判定される。そのような正常判定がなされている場合にはステップＳ２０３でその正常判定が無効化（クリア）された後、ステップＳ２０４に進む。他方、そのような正常判定がなされていない場合にはステップＳ２０３がスキップされ、ステップＳ２０４に進む。

前述したように、通常の触媒劣化検出においては触媒が正常か劣化かの判定が１トリップ当たりに１回実行される。よって既に正常判定が行われている場合、その後、同一トリップ内では劣化検出が行われない。しかしながらここでは、一次異常が検出された場合、その一次異常検出時より前の同一トリップ内で行われた正常判定が無効化される。これにより触媒劣化検出を再度実行し、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖを再度計測することが可能になる。

ステップＳ２０４では、触媒劣化検出実行のための前提条件が緩和される。前述のように、この前提条件は、１）内燃機関が定常運転状態にあること、２）触媒が活性温度域にあること、のいずれの条件をも満たしたときに成立する。しかしながら、ステップＳ２０４では、例えば１）の条件にかかる吸入空気量の許容範囲が拡大されたり、２）の条件にかかる触媒温度の許容範囲が拡大されたりして、前提条件が緩和される。これにより、触媒劣化検出の機会即ち酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖの計測の機会をより多く確保することができ、触媒の二次異常を検出しやすくすることができる。

なお、一次異常検出後の劣化指標値を、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖから１回の酸素吸蔵容量ＯＳＣに変更してもよく、こうすると劣化指標値の計測条件が緩和され、触媒の二次異常をより検出しやすくすることができる。

次に、ステップＳ２０５において、触媒劣化検出実行のための緩和後の前提条件が成立したか否かが判断される。成立してなければ本ルーチンが終了され、成立していればステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では前記ステップＳ１０３と同様に触媒劣化検出が実行され、その後ステップＳ２０７において前記ステップＳ１０４と同様に、前回トリップよりも、触媒の劣化が進行したか否かが判断される。そして、劣化進行がなければ本ルーチンが終了され、他方、劣化進行があればステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では前記ステップＳ１０５同様、触媒が異常であると判定される。そしてその触媒異常に対応する診断コードがＥＣＵ２０に記憶され、チェックランプ等の警告装置が作動させられ、本ルーチンが終了される。

このように、この第２の形態では、一次異常検出前に同一トリップ内で正常判定がなされていた場合にはそれが無効化される。これにより触媒劣化検出を再度実行し、触媒の異常を検出することが可能になる。また、触媒劣化検出に際しての前提条件が緩和されるので、触媒の二次異常の早期検出を促すことが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、ＥＣＵ２０が本発明にいう触媒劣化検出手段、一次異常検出手段、劣化進行判定手段、触媒異常判定手段、正常判定無効化手段、前提条件成立判定手段、前提条件緩和手段を構成する。

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。前記実施形態では触媒後センサ１８として所謂Ｏ_２センサを用いたが、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。同様に、前記実施形態では触媒前センサ１７として所謂空燃比センサを用いたが、触媒後センサ１８と同様のＯ_２センサを用いることも可能である。

前記実施形態においては、酸素吸蔵容量平均値ＯＳＣａｖの今回値と前回値との差に基づいて触媒劣化進行の有無を判別したが、他の方法を用いてもよく、例えばそれら今回値と前回値との比に基づいて触媒劣化進行の有無を判別してもよい。また、前記実施形態においては、劣化検出値として複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣの平均値ＯＳＣａｖを用いたが、例えばそのような平均値ではなく、一つの酸素吸蔵容量ＯＳＣを用いてもよい。また、前記実施形態においては、一次異常が検出されたとき同一トリップ内で触媒の異常判定を行うようにしたが、必ずしも同一トリップ内で触媒の異常判定を行う必要はない。さらに、本発明が適用される触媒は必ずしも三元触媒に限らず、他の触媒であってもよい。

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。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。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２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。触媒異常診断の第１の形態に係るルーチンのフローチャートである。触媒異常診断の第２の形態に係るルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
６排気管
１１触媒
１２インジェクタ
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ酸素吸蔵容量
ＯＳＣａｖｅ酸素吸蔵容量平均値
ＯＳＣｓ劣化判定値

Claims

内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化指標値を計測し、この劣化指標値に基づいて触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段と、
前記触媒の二次異常の要因となるような一次異常を検出する一次異常検出手段と、
該一次異常検出手段により前記一次異常が検出されたとき、その一次異常検出前後に前記触媒劣化検出手段により計測された前記劣化指標値に基づき、前記触媒の劣化進行の有無を判定する劣化進行判定手段と、
該劣化進行判定手段により前記触媒の劣化進行有りと判定されたとき、前記触媒を異常と判定する触媒異常判定手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒異常診断装置。
前記一次異常検出手段による前記一次異常の検出後、同一トリップ内において、前記触媒劣化検出手段が前記劣化指標値を計測し、その計測された劣化指標値を用いて前記劣化進行判定手段が前記触媒の劣化進行の有無を判定し、この判定結果に応じて前記触媒異常判定手段が前記触媒の異常判定を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒異常診断装置。
前記一次異常検出手段により前記一次異常が検出されたとき、同一トリップ内の一次異常検出時より前に前記触媒劣化検出手段によりなされた触媒正常判定を無効化する正常判定無効化手段をさらに備えた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異常診断装置。
前記触媒劣化検出手段による触媒劣化検出を実行させるための所定の前提条件の成立の有無を判定する前提条件成立判定手段と、
前記一次異常検出手段により前記一次異常が検出されたとき、前記前提条件を緩和させる前提条件緩和手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の内燃機関の触媒異常診断装置。