JP5780202B2

JP5780202B2 - 触媒異常診断装置

Info

Publication number: JP5780202B2
Application number: JP2012096845A
Authority: JP
Inventors: 北浦　浩一; 浩一北浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: JP2013224610A

Description

本発明は、触媒の異常診断に係り、特に、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装置に関する。

例えば自動車用内燃機関において、その排気系には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。この触媒の中には酸素吸蔵能（Ｏ_２ストレージ能）を有するものがある。この酸素吸蔵能を有する触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ）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蔵し、排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、即ちリッチになると吸蔵した酸素を放出する。例えばガソリンエンジンでは触媒に流入する排気ガスがストイキ近傍となるよう空燃比制御が行われるが、酸素吸蔵能を有する三元触媒を使用すると、運転条件により実際の空燃比がストイキから多少ズレてしまっても、三元触媒の酸素吸蔵・放出作用により、かかる空燃比ズレを吸収することができる。

一方、触媒が劣化すると触媒の浄化率が低下する。触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間には相関関係がある。よって、酸素吸蔵能の低下を検出することで触媒の劣化ないし異常を検出することができる。一般的には、触媒上流側の空燃比をリッチおよびリーンに交互に制御するアクティブ空燃比制御を行い、それらリーン制御中およびリッチ制御中に前記触媒が吸放出する酸素量を計測し、この酸素量に基づき触媒の異常を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１６８９２３号公報

ところでこのＣｍａｘ法では、触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサを設け、触媒後センサの出力が反転するのと同時にリーン制御とリッチ制御を切り替え、且つ酸素量の計測を終了するようにしている。

しかしながら酸素量の計測に際しては、実際には吸放出されていない酸素量が併せて計測されてしまうという計測誤差の問題がある。特に、従来のＣｍａｘ法だと、異常触媒の場合に、正常触媒の場合に比べ、触媒後センサ出力反転直前における誤差割合が大きくなり、計測値が真の値より大きくなる傾向が強まる。こうなると、実際には異常な触媒を正常と誤診断することに繋がりかねない。また正常触媒と異常触媒の間での酸素量計測値の差を拡大することができず、特にこれらの差が元々小さい触媒の場合では、十分な診断精度を確保できない虞がある。

そこで本発明は以上の事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、計測誤差を縮小して診断精度を向上し、誤診断を抑制し得る触媒異常診断装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
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装置であって、
触媒下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
触媒上流側の空燃比をリーン空燃比およびリッチ空燃比に交互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、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記触媒が吸放出する酸素量を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記酸素量に基づき前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
を備え、
前記触媒後センサは、検出素子と、該検出素子を覆う孔付きカバーとを有し、ヒステリシス特性を伴ってストイキを境に出力が急変する特性を有する酸素センサからなり、
前記アクティブ空燃比制御手段は、空燃比をリーン空燃比およびリッチ空燃比の一方から他方に切り替えるとき、その途中で空燃比をストイキに一時的に切り替え、そのストイキに切り替えている最中に前記触媒後センサの出力が、前記触媒後センサのヒステリシス特性線上におけるストイキに対応する所定値に達した時、空燃比を前記他方に切り替える
ことを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。

好ましくは、前記アクティブ空燃比制御手段は、
前記触媒後センサの出力が所定のリーン判定値に達した時に、空燃比をリーン空燃比からストイキに切り替え、その後、前記触媒後センサの出力が、リッチ側に変化して、前記リーン判定値付近の前記所定値をなす所定のリーンストイキ判定値に達した時に、空燃比をストイキからリッチ空燃比に切り替える。

好ましくは、前記リーンストイキ判定値は、前記リーン判定値よりリーン側の値である。

好ましくは、前記リーンストイキ判定値は、前記触媒後センサの検出素子の温度に応じて変更される。

好ましくは、前記計測手段は、空燃比がリッチ空燃比に切り替えられている最中に前記触媒が放出する酸素量を計測する。

好ましくは、前記アクティブ空燃比制御手段は、
前記触媒後センサの出力が所定のリッチ判定値に達した時に、空燃比をリッチ空燃比からストイキに切り替え、その後、前記触媒後センサの出力が、リーン側に変化して、前記リッチ判定値付近の前記所定値をなす所定のリッチストイキ判定値に達した時に、空燃比をストイキからリーン空燃比に切り替える。

好ましくは、前記リッチストイキ判定値は、前記リッチ判定値よりリッチ側の値である。

好ましくは、前記リッチストイキ判定値は、前記触媒後センサの検出素子の温度に応じて変更される。

好ましくは、前記計測手段は、空燃比がリーン空燃比に切り替えられている最中に前記触媒が吸蔵する酸素量を計測する。

本発明によれば、計測誤差を縮小して診断精度を向上し、誤診断を抑制することができるという、優れた作用効果が発揮される。

本発明の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。基本方法におけるアクティブ空燃比制御のタイムチャートである。基本方法における酸素吸蔵容量の計測方法を示すタイムチャートである。触媒前センサ及び触媒後センサの出力特性を示すグラフである。リッチ制御時の試験結果を示すタイムチャートであり、正常触媒の場合である。リッチ制御時の試験結果を示すタイムチャートであり、異常触媒の場合である。触媒後センサの部分断面図である。リッチ制御からリーン制御に切り替えたときの試験結果を示すタイムチャートである。吸入空気量と触媒後センサの応答時間との関係を示すグラフである。吸入空気量と吸蔵酸素量の最終積算値との関係を示すグラフである。吸入空気量と酸素吸蔵容量との関係を示すグラフである。本実施形態のアクティブ空燃比制御方法を説明するためのタイムチャートである。基本方法における計測値と実際値を示すタイムチャートである。本実施形態における計測値と実際値を示すタイムチャートである。本実施形態の異常診断処理を示すフローチャートである。リーンストイキ判定値を算出するためのマップを示す。リッチストイキ判定値を算出するためのマップを示す。

以下、本発明の好適実施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、内燃機関たるエンジン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。本実施形態のエンジン１は自動車用多気筒エンジン（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。

エンジン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。

各気筒の吸気ポートは吸気マニホールド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、エンジンに流入する単位時間当たりの空気量すなわち吸入空気量Ｇａ（ｇ／ｓ）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とが設けられている。なお吸気ポート、吸気マニホールド、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。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタすなわち燃料噴射弁１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。これら排気ポート、排気マニホールド及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側に、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒、即ち上流触媒１１及び下流触媒１９が直列に設けられている。例えば、上流触媒１１は排気マニホールドの直後に配置され、下流触媒１９は車両の床下などに配置される。

上流触媒１１の上流側及び下流側に、それぞれ、酸素濃度に基づいて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設けられている。図５に示すように、触媒前センサ１７は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値の信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は酸素センサ（Ｏ_２センサ）からなり、理論空燃比を境に出力値が急変する特性（Ｚ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、エンジン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、インジェクタ１２、スロットルバルブ１０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。

上流触媒１１及び下流触媒１９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、例えばＡ／Ｆｓ＝１４．６）のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。よってこの特性に合わせて、ＥＣＵ２０は、エンジンの通常運転時、上流触媒１１の上流側の排気ガスの空燃比がストイキに一致するよう、燃焼室３に供給される混合気の空燃比（具体的にはインジェクタ１２からの燃料噴射量）を触媒前センサ１７の出力に基づきフィードバック制御する。

ここで、異常診断の対象となる上流触媒１１についてより詳細に説明する。なお下流触媒１９も上流触媒１１と同様に構成されている。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担持され、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やジルコニアからなる。なお、「吸蔵」と同義で「吸収」または「吸着」を用いることもある。

例えば、触媒内の雰囲気ガスが理論空燃比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が還元され、浄化される。他方、触媒内の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この放出された酸素によりＨＣおよびＣＯが酸化され、浄化される。

この酸素吸放出作用により、通常のストイキ空燃比制御に際して実際の空燃比がストイキに対して多少ばらついたとしても、このばらつきを吸収することができる。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように多数の触媒成分３２が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との接触確率が低下し、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の酸素吸蔵能低下度との間には相関関係がある。そこで本実施形態では、特にエミッションへの影響が大きい上流触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより、上流触媒１１の劣化度を検出し、上流触媒１１の異常を診断することとしている。ここで触媒１１の酸素吸蔵能は、現状の触媒１１が吸蔵または放出し得る酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

［異常診断の基本方法］
本実施形態の異常診断は、前述のＣｍａｘ法に基づき、以下の方法を基本とする。異常診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。すなわちＥＣＵ２０は、触媒上流側の空燃比、具体的には燃焼室３内の混合気の空燃比を、中心空燃比であるストイキＡ／Ｆｓを境に、リッチおよびリーンに交互に制御する。これにより、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比も、リッチおよびリーンに交互に制御されることとなる。

また、アクティブ空燃比制御および診断は、所定の前提条件が満たされているときに限って実行される。この前提条件については後述する。

以下、図３及び図４を用いて、上流触媒１１の酸素吸蔵容量の計測方法を説明する。

図３（Ａ）において、破線は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、実線は触媒前センサ１７の出力（但し触媒前空燃比Ａ／Ｆｆへの換算値）を示す。また図３（Ｂ）において、実線は触媒後センサ１８の出力（但しその出力電圧Ｖｒ）を示す。

図示するように、時刻ｔ１より前では、空燃比をリーンに切り替えるリーン制御が実行されている。このとき、目標空燃比Ａ／Ｆｔは所定のリーン空燃比Ａ／Ｆｌ（例えば１５．１）とされ、触媒１１には、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリーンガスが供給されている。このとき触媒１１は酸素を吸蔵し続けているが、飽和状態即ち満杯まで酸素を吸蔵した時点でそれ以上酸素を吸蔵できなくなる。この結果、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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリーン側に変化し、出力電圧Ｖｒが所定のリーン判定値ＶＬ（例えば０．２Ｖ）に達した時点ｔ１で、目標空燃比Ａ／Ｆｔが所定のリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ（例えば１４．１）に切り替えられる。これにより空燃比制御はリーン制御からリッチ制御に切り替えられ、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリッチガスが供給されるようになる。

リッチガスが供給されると、触媒１１は吸蔵酸素を放出し続ける。やがて触媒１１から吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で触媒１１は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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリッチ側に変化し、出力電圧Ｖｒが所定のリッチ判定値ＶＲ（例えば０．６Ｖ）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。これにより空燃比制御はリッチ制御からリーン制御に切り替えられ、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリーンガスが供給されるようになる。

再び、触媒１１が満杯まで酸素を吸蔵し、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達すると、その時点ｔ３で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、リッチ制御が開始される。

こうして、触媒後センサ１８の出力が反転する毎に、リーン制御とリッチ制御とが交互に繰り返し実行される。隣り合うリーン制御とリッチ制御の組をアクティブ空燃比制御の１周期とする。アクティブ空燃比制御は所定のＮ周期（Ｎは２以上の整数）実行される。

ここでリーン判定値ＶＬは、リーン制御からリッチ制御への切替タイミングを規定する。このリーン判定値ＶＬは、図５にも示すように、触媒後センサ出力のストイキ相当値Ｖｓｔよりも小さい（リーン側の）値に予め定められている。

同様に、リッチ判定値ＶＲは、リッチ制御からリーン制御への切替タイミングを規定する。このリッチ判定値ＶＲは、図５にも示すように、触媒後センサ出力のストイキ相当値Ｖｓｔよりも大きい（リッチ側の）値に予め定められている。

このアクティブ空燃比制御の実行中、次の方法で触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の有する酸素吸蔵容量が大きいほど、酸素を吸蔵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触媒後センサ出力Ｖｒ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そ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が次のように計測される。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／Ｆｆ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／ＦｆがストイキＡ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に触媒後センサ出力Ｖｒが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の演算周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが逐次的に算出され、且つこの酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで逐次的に積算される。こうして、リッチ制御時における最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ、すなわち図４にＯＳＣｂで示す放出酸素量が計測される。

Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じるとストイキに対し不足又は過剰分の空気量を算出できる。σは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

リーン制御時にも同様に酸素吸蔵容量、すなわち図４にＯＳＣａで示す吸蔵酸素量が計測される。そしてリッチ制御とリーン制御が交互に行われる度に、放出酸素量と吸蔵酸素量が交互に計測される。

こうして複数ずつの放出酸素量と吸蔵酸素量との計測値が得られたならば、次の方法により触媒の正異常判定が行われる。

まずＥＣＵ２０は、これら放出酸素量と吸蔵酸素量との計測値の平均値ＯＳＣａｖを算出する。そしてこの平均値ＯＳＣａｖを所定の異常判定値αと比較する。ＥＣＵ２０は、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値αより大きいときには触媒１１を正常と判定し、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値α以下のときには触媒１１を異常と判定する。なお触媒を異常と判定した場合、その事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置（図示せず）を起動させるのが好ましい。

［本実施形態の異常診断方法］
次に、本実施形態の異常診断方法を説明する。なお「酸素吸蔵容量ＯＳＣ」および「酸素量」とは、「吸蔵酸素量ＯＳＣａ」と「放出酸素量ＯＳＣｂ」を包括する用語である。

前述したように、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測に際しては、実際には吸放出されていない酸素量が併せて計測されてしまうという計測誤差の問題がある。特に、従来のＣｍａｘ法だと、異常触媒の場合に、正常触媒の場合に比べ、触媒後センサ出力反転直前における誤差割合が大きくなり、計測値が真の値より大きくなる傾向が強まる。こうなると、実際には異常な触媒を正常と誤診断する可能性がある。

この点を図６および図７を用いて詳しく説明する。図６は正常触媒の場合、図７は異常触媒の場合である。両図は、リーン制御からリッチ制御に切り替えたときの試験結果を示している。但し、触媒後センサ出力Ｖｒが反転しても（すなわちリッチ判定値ＶＲに達しても）リーン制御への切り替えは行っていない。

両図において、（Ａ）には目標空燃比Ａ／Ｆｔと、触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ（線ａ）と、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ（線ｂ）とを示す。ここでは触媒前センサ１７と同様の空燃比センサを触媒下流側に試験用に設置し、この試験用空燃比センサにより検出された空燃比を触媒後空燃比Ａ／Ｆｒとしている。

（Ｂ）には触媒後センサ出力Ｖｒを示し、（Ｃ）には放出酸素量ＯＳＣｂの積算値を示す。触媒後センサ出力Ｖｒは０〜１（Ｖ）の範囲内で変化し得る。触媒後センサ出力Ｖｒのリッチ判定値ＶＲは０．６（Ｖ）である。

まず図６の正常触媒の場合を説明する。触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが低下してストイキ（＝１４．６）に到達した時点ｔ１から、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に移動してリッチ判定値ＶＲに到達する時点ｔ３まで、放出酸素量ＯＳＣｂが積算される。この放出酸素量ＯＳＣｂの時刻ｔ３での最終積算値は、（Ａ）に示す領域ｃの面積で表すことができる。この領域ｃは、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの、ストイキ（１４．６）と触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとで挟まれた領域である。

一方、この期間ｔ１〜ｔ３内において、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒはストイキより若干リッチとなっている。ストイキと触媒後空燃比Ａ／Ｆｒとで挟まれた領域ｄの面積が、触媒で実際に処理しきれなかったリッチガスの部分、言い換えれば触媒から放出できなかった酸素の量（便宜上ＯＳＣｅとする）を表す。この領域ｄの面積が、時刻ｔ３における全放出酸素量ＯＳＣｂのうちの誤差分に相当する。

領域ｃの面積（ＯＳＣｂ）から、領域ｄの面積（ＯＳＣｅ）を差し引いて得られた値が、実際に触媒から放出された酸素量を表すことになる。このように、計測された放出酸素量ＯＳＣｂには、実際には放出されていない酸素量ＯＳＣｅが含まれている。

なお図１に示した本実施形態の装置構成では、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒの絶対値まで検出できる空燃比センサがないので、誤差分自体を単独で計測することができない。便宜上、ストイキと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとで挟まれた領域ｃを放出酸素量ＯＳＣｂとして計測しているのである。

ところで、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒと触媒後センサ出力Ｖｒに着目すると、時刻ｔ１と時刻ｔ３の間の時刻ｔ２において、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリッチ側に低下し始め、触媒後センサ出力Ｖｒのリッチ側への上昇速度ないし変化率が増大し始めている。これは、時刻ｔ２で触媒の酸素放出が実質的に終了し、その後は触媒に残存している酸素が比較的ゆっくりと放出されていることを意味すると考えられる。或いは、時刻ｔ２で触媒のメインの酸素放出が終了し、その後は副次的な残存酸素の放出が行われていることを意味すると考えられる。

もっとも、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間でも、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの間には差があり、実際に酸素が放出され、リッチガスが処理されている。よってこの期間ｔ２〜ｔ３で計測された放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分が占める割合は比較的少ないものと考えられる。そして正常触媒の場合、全期間ｔ１〜ｔ３で計測される全放出酸素量の値が大きいことから、この全放出酸素量のうち、期間ｔ２〜ｔ３内の誤差分が占める割合は比較的少ないと考えられる。

（Ｃ）に、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅを概略的に示す。時刻ｔ３における全放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅの割合は比較的少ない。

これとは対照的に、図７に示す異常触媒の場合だと、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間の期間において、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの間には差が殆ど無い。これは、触媒が実質的に酸素を放出していないことを意味する。しかしながら、この期間ｔ２〜ｔ３でも、ストイキと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの差が積算され、あたかも触媒が酸素を放出しているかのように放出酸素量ＯＳＣｂが計測されている。

よってこの期間ｔ２〜ｔ３で計測された放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分が占める割合は非常に多いと考えられる。そして異常触媒の場合、全期間ｔ１〜ｔ３で計測される全放出酸素量の値が比較的小さいことから、この全放出酸素量のうち、期間ｔ２〜ｔ３内の誤差分が占める割合も多いものと考えられる。

（Ｃ）に、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅを概略的に示す。時刻ｔ３における全放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅの割合は多い。

このように、基本方法だと、異常触媒の場合に、正常触媒の場合に比べ、触媒後センサ出力反転直前における誤差割合が大きくなり、計測値の真の値に対する増加割合も大きくなる。こうなると、実際には異常な触媒を正常と誤診断する可能性がある。

また、正常触媒と異常触媒の間での酸素量計測値の差を拡大することができず、特にこれらの差が元々小さい触媒の場合では、十分な診断精度を確保できない虞がある。近年では、触媒の貴金属量を低減する傾向にあり、こうした触媒では、正異常触媒間での吸放出可能な酸素量の差が元々小さい。よって誤差割合が大きいと、正異常触媒間での微妙な酸素量の差を見分けることができず、十分な診断精度を確保できない虞がある。

当然ながら、正常と異常の境目（クライテリア）に対してやや正常側にある劣化の進んだ正常触媒と、やや異常側にある異常触媒との間でも、吸放出可能な酸素量の差が小さい。よって誤差割合が大きいとこれらの微妙な酸素量の差を見分けることができず、十分な診断精度を確保できない虞がある。

ところで、この問題の原因の一つに、触媒後センサ１８の応答性が比較的良くないことが挙げられる。

図８に示すように、触媒後センサ１８は、排気管６内に配置されるコップ形の検出素子３１を有し、この検出素子３１が孔付カバー３２で覆われる構造となっている。検出素子３１の図示しない内表面あるいは内側電極は大気（空気）に露呈され、検出素子３１の外表面あるいは外側電極はカバー３２内に露呈されている。カバー３２外の排気ガスは、カバー３２の孔３３を通じてカバー３２内に浸入する。検出素子３１の内外表面間の酸素分圧の差、言い換えれば、検出素子３１の内表面の雰囲気ガスである大気と、検出素子３１の外表面の雰囲気ガスである排気ガスとの酸素分圧の差に応じて、起電力が発生する。この起電力に基づいて排気ガスの空燃比が検出される。排気ガスの酸素濃度が少ないほど、すなわち排気ガスの空燃比がリッチであるほど、起電力が大きくなる。

このように触媒後センサ１８は、検出素子３１の外側雰囲気ガスの空燃比に応じて起電力を発生し、どちらかといえば受動的に雰囲気ガスの空燃比に対応した出力を発生するものである。よって仮にカバー３２の外側雰囲気ガスがリッチガスに変化したとしても、このリッチガスがカバー３２内に浸入し、カバー３２内の既存ガスと交換され、触媒後センサ１８がカバー内リッチガスに対応した起電力を発生するまでに時間的な遅れが存在する。この遅れが応答遅れであり、この応答遅れは、広域空燃比センサからなる触媒前センサ１７の応答遅れよりも大きい。触媒前センサ１７が所定電圧を印加されてむしろ積極的に雰囲気ガスの空燃比に対応した出力を発生し得るからである。

また、上記問題の原因の一つに、触媒後センサ１８がヒステリシス特性を有することも挙げられる。

図５に示すように、触媒後センサ１８は、定性的には実線で示すような単一特性を有するが、実際上あるいは動的には一点鎖線で示すようなヒステリシス特性を有し、出力がリーン側に変化するときとリッチ側に変化するときとでストイキ付近の過渡特性が異なる。例えばリーン側に変化するときには、実線で示す単一特性よりも遅れてリーン側に変化し、逆も同様である。このヒステリシス特性によっても触媒後センサ出力Ｖｒの応答遅れが発生し、これに起因して計測誤差が生じる。

図６および図７の例において、触媒後センサ出力Ｖｒの線図が触媒後空燃比Ａ／Ｆｒの線図（線ｂ）と一致しないのも、これらの理由による。

図７の例において、仮にリッチガスが触媒から顕著に漏れ出した時刻ｔ２で、瞬時に触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達すれば、応答遅れによる計測誤差は大幅に抑制される。しかしながら実際にはそうならないために応答遅れによる計測誤差が顕著となる。

なお図６および図７の例はリッチ制御の場合であるが、リーン制御の場合にも同様の問題がある。

一方、上述の基本方法には、触媒を通過するガスの流量が多いほど、正異常触媒間の計測酸素量の差が縮小し、その差を見分けることが困難になるという問題もある。

図９は、リッチ制御からリーン制御に切り替えたときの試験結果を示し、（Ａ）には触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ、（Ｂ）には触媒後センサ出力Ｖｒ、（Ｃ）には吸蔵酸素量ＯＳＣａの積算値を示す。切り替えは時刻ｔ１で行われている。

（Ｂ）および（Ｃ）における４本の線図は、それぞれ、触媒を通過するガス流量、すなわちその代用値である吸入空気量Ｇａを変化させた場合の各吸入空気量に対応したデータを示す。１から４に向かうにつれ吸入空気量Ｇａは多くなる。また、図９に対応して、吸入空気量Ｇａと触媒後センサ１８の応答時間との関係を図１０に示し、吸入空気量Ｇａと吸蔵酸素量ＯＳＣａの最終積算値との関係を図１１に示す。

これら図から理解されるように、吸入空気量Ｇａが多くなるにつれ触媒後センサ１８の応答時間は短くなり、その応答性は良くなる。よってより早いタイミングで触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達し、リーンに反転する。

すると吸蔵酸素量ＯＳＣａの積算時間が短くなるのでその最終積算値は減少するとも考えられるが、実際にはそうならない。なぜなら、上記（１）式において、燃料噴射量Ｑが吸入空気量Ｇａに比例するので、吸入空気量Ｇａが多くなると燃料噴射量Ｑも多くなり、演算周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが増大するからである。よって積算時間短縮と演算周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣの増大とのバランスにおいて、後者が前者を上回り、その結果、吸入空気量Ｇａが多くなると吸蔵酸素量ＯＳＣａの最終積算値は増加する。

このように吸蔵酸素量ＯＳＣａの最終積算値が増加すると、その最終積算値における応答遅れ誤差分も増加する。応答遅れが生じている間にも比較的大きな演算周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣ（吸蔵酸素量ＯＳＣａ）が時々刻々と積算されてしまうからである。この結果、吸入空気量Ｇａが多くなるほど正異常触媒間の計測酸素量の差が縮小する。

図１２には、吸入空気量Ｇａと、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値との関係を表す試験結果を示す。図中、計測値とは、触媒後センサ１８を用い上述の基本方法に従って計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を意味する。また実際値とは、酸素センサからなる触媒後センサ１８の代わりに試験用空燃比センサを用い、上述の基本方法に従って計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を意味する。

試験用空燃比センサの方が触媒後センサ１８よりも応答性が良く、試験用空燃比センサを用いて計測された値はほぼ正確な酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を示すと考えられる。よって実際値は真値にほぼ近い値であると言える。もっとも、吸入空気量Ｇａの変化に応じて温度条件等の他の条件が変化するので、図示される実際値は吸入空気量Ｇａの変化に応じて一定とならず若干変化している。

正常触媒および異常触媒ともに、計測値は実際値を上回り、吸入空気量Ｇａの増加につれ増加する傾向にある。しかし、異常触媒の方が正常触媒よりも、吸入空気量Ｇａの増加に対する計測値の増加傾向が強く（つまり傾き大）、吸入空気量Ｇａが多いほど計測値が実際値から離れる傾向にある。すなわち、既に酸素吸蔵容量が減少した異常触媒では、触媒後センサ１８の低応答性に起因する計測誤差の割合が、吸入空気量Ｇａが多くなるにつれ増大する傾向にある。

このため、正異常触媒間の計測値の差ａが、吸入空気量Ｇａが多くなるほど縮小し、吸入空気量Ｇａが多い高空気量領域では両者の差を見分けるのが困難になっている。

そこで以上の問題に鑑み、本実施形態では、触媒後センサ１８の応答性に起因する誤差割合を縮小するため、次のようにアクティブ空燃比制御の制御方法を変更する。まず概略的に述べると、空燃比（具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔ）をリーン空燃比およびリッチ空燃比の一方から他方に切り替えるとき、その途中で空燃比をストイキに一時的に切り替える。そしてストイキに切り替えている最中に触媒後センサ出力Ｖｒがストイキを示すような所定値に達した時、空燃比を他方に切り替える。

このように中間にストイキ制御を介在させることによって、触媒後センサ１８の検出素子３１の外側雰囲気ガスをリーンガスまたはリッチガスからストイキガスに交換し、触媒後センサ出力Ｖｒをストイキガスに対応する出力に一旦変化させることができる。そしてこの出力変化を終えた時点、すなわち触媒後センサ出力Ｖｒがストイキを示すような所定値に達した時点で、空燃比を他方に切り替えることにより、触媒後センサ出力Ｖｒを、他方のリッチガスまたはリーンガスに対応した出力に即座に変化させることができる。

よって触媒後センサ１８の応答遅れの影響を格段に少なくし、その応答性に起因する誤差割合を縮小し、酸素吸蔵容量計測値を真値により近づけることができる。結果的に、計測誤差を縮小して診断精度を向上し、誤診断を抑制することができる。そして高空気量領域において正異常触媒間の計測値の差を拡大し、元々の両者の差が微妙であってもその差を正確に見分けることが可能となる。

仮に基本方法のように、ストイキを介在させること無く空燃比を一方から他方に一気に切り替えてしまうと、前述したように、特に低貴金属触媒やクライテリア付近の触媒のように酸素吸蔵容量が少ない場合には、酸素吸放出が早期に終了しても触媒後センサ出力Ｖｒの反転が大きく遅れてしまい、誤差割合が大きくなってしまう。

しかし、本実施形態の方法では、ストイキを介在させることにより触媒後センサ出力Ｖｒを２ステップで変化させ、一旦ストイキを示すような所定値まで変化させた上で、そこからリーンまたはリッチ判定値まで変化させる。故に触媒後センサ１８の応答遅れの影響を格段に少なくすることが可能である。

以下、本実施形態のアクティブ空燃比制御方法を図１３を参照して詳細に説明する。

図中、（Ａ）には酸素吸蔵容量ＯＳＣ（吸蔵酸素量ＯＳＣａまたは放出酸素量ＯＳＣｂ）の積算値を示し、（Ｂ）には触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆと目標空燃比Ａ／Ｆｔとを示す。（Ｃ）には試験用空燃比センサによって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒを便宜上示し、（Ｄ）には触媒後センサ出力Ｖｒを示す。

例えば、時刻ｔ４において触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達したため、これと同時に、目標空燃比Ａ／Ｆｔが、リーン空燃比からストイキに切り替えられる。これは基本方法において、目標空燃比Ａ／Ｆｔをリーン空燃比からリッチ空燃比に一気に切り替えるのとは対照的である。

目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキに切り替えられ、ストイキ制御が実行されている最中、触媒後センサ出力Ｖｒは始めにリーン側（値の小さい方）に変化し、その後リッチ側（値の大きい方）に変化する。このリッチ側への変化中、触媒後センサ出力Ｖｒが所定のリーンストイキ判定値ＶＢに達した時刻ｔ５で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキからリッチ空燃比に切り替えられ、空燃比制御がストイキ制御からリッチ制御に切り替えられる。

リーンストイキ判定値ＶＢは、ストイキを示すような触媒後センサ出力Ｖｒの値であり、リーン判定値ＶＬ付近の値である。特に本実施形態において、リーンストイキ判定値ＶＢは、リーン判定値ＶＬよりも僅かにリーン側の値に設定されている（例えば０．１８Ｖ）。なおリーン判定値ＶＬは、リーン制御中に触媒後空燃比がストイキよりも完全にリーンになったことを示す値である。

図５に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒは、ストイキに対しリーン側からリッチ側に変化するとき、実線で示す単一特性線を横切って一点鎖線で示すヒステリシス特性線ｂに沿って移動する。このとき、リーンストイキ判定値ＶＢは好ましくは、ヒステリシス特性線ｂ上におけるストイキに対応する値となる。

但し、リーン判定値ＶＬとリーンストイキ判定値ＶＢは、試験結果やセンサ特性等を考慮して予め設定される適合値である。触媒後センサ１８の出力特性およびヒステリシス特性はセンサに応じて異なり、図５に示した例のようにならない場合もある。よって状況に応じて、代替的に、リーンストイキ判定値ＶＢは、リーン判定値ＶＬに等しい値としてもよいし、リーン判定値ＶＬよりリッチ側で且つ単一特性線（実線）上におけるストイキ相当値Ｖｓｔよりリーン側の値としてもよい。

触媒後センサ出力Ｖｒがリーンストイキ判定値ＶＢに達したということは、触媒後センサ１８のカバー３２の外側にあるストイキガスがカバー３２内に浸入し、カバー３２内の既存ガスと交換され、カバー内ストイキガスに対応した起電力を触媒後センサ１８が発生したことを意味する。本実施形態では、一旦この状態を確保した上で次のステップであるリッチへの切り替えを行う。

なお図１３に示すように、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒは時刻ｔ５においてストイキに達している。このことからも、触媒後センサ出力Ｖｒがリーンストイキ判定値ＶＢに達したタイミングが、触媒後センサ１８がストイキを示すような出力を発生するタイミングであることが分かる。

次に、リッチ空燃比に切り替えられた時刻ｔ５の後には、基本方法と同様の方法で、酸素吸蔵容量ＯＳＣ（この場合は放出酸素量ＯＳＣｂ）が積算計測される。そして、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに達した時刻ｔ６に、酸素吸蔵容量ＯＳＣの積算が終了され、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比からストイキに切り替えられる。これによりアクティブ空燃比制御の一方の半周期（ｔ４〜ｔ６）、すなわち、リーン空燃比からストイキを経てリッチ空燃比に切り替え、酸素吸蔵容量を計測するという一連のプロセスが終了する。

アクティブ空燃比制御の他方の半周期、すなわち、リッチ空燃比からストイキを経てリーン空燃比に切り替え、酸素吸蔵容量を計測するという一連のプロセスも、同様の方法で行われる。これは図中のｔ２〜ｔ４の期間に該当する。これについて以下に説明する。

時刻ｔ２において触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達したと同時に、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比からストイキに切り替えられ、ストイキ制御が実行される。

この間、触媒後センサ出力Ｖｒは始めにリッチ側に変化し、その後リーン側に変化する。リーン側への変化中、触媒後センサ出力Ｖｒが所定のリッチストイキ判定値ＶＡに達した時刻ｔ３で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキからリーン空燃比に切り替えられ、空燃比制御がストイキ制御からリーン制御に切り替えられる。

リッチストイキ判定値ＶＡは、ストイキを示すような触媒後センサ出力Ｖｒの値であり、リッチ判定値ＶＲ付近の値である。特に本実施形態において、リッチストイキ判定値ＶＡは、リッチ判定値ＶＲよりも僅かにリッチ側の値に設定されている（例えば０．６６Ｖ）。なおリッチ判定値ＶＲは、リッチ制御中に触媒後空燃比がストイキよりも完全にリッチになったことを示す値である。

図５に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒは、ストイキに対しリッチ側からリーン側に変化するとき、実線で示す単一特性線を横切って一点鎖線で示すヒステリシス特性線ａに沿って移動する。このとき、リッチストイキ判定値ＶＡは好ましくは、ヒステリシス特性線ａ上におけるストイキに対応する値となる。

但し、リッチ判定値ＶＲとリッチストイキ判定値ＶＡは、試験結果やセンサ特性等を考慮して予め設定される適合値である。触媒後センサ１８の出力特性およびヒステリシス特性はセンサに応じて異なり、図５に示した例のようにならない場合もある。よって状況に応じて、代替的に、リッチストイキ判定値ＶＡは、リッチ判定値ＶＲに等しい値としてもよいし、リッチ判定値ＶＲよりリーン側で且つ単一特性線（実線）上におけるストイキ相当値Ｖｓｔよりリッチ側の値としてもよい。

触媒後センサ出力Ｖｒがリッチストイキ判定値ＶＡに達したということは、触媒後センサ１８のカバー３２の外側にあるストイキガスがカバー３２内に浸入し、カバー３２内の既存ガスと交換され、カバー内ストイキガスに対応した起電力を触媒後センサ１８が発生したことを意味する。本実施形態では、一旦この状態を確保した上で次のステップであるリーンへの切り替えを行う。

なお図１３に示すように、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒは時刻ｔ３において実質的にストイキに達したと考えることができる。このことからも、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチストイキ判定値ＶＡに達したタイミングが、触媒後センサ１８がストイキを示すような出力を発生するタイミングであることが分かる。

次に、リーン空燃比に切り替えられた時刻ｔ３の後には、基本方法と同様の方法で、酸素吸蔵容量ＯＳＣ（この場合は吸蔵酸素量ＯＳＣａ）が積算計測される。そして、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに達した時刻ｔ４に、酸素吸蔵容量ＯＳＣの積算が終了され、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比からストイキに切り替えられる。この後は前述した通りである。

図１４および図１５は、それぞれ、基本方法と本実施形態の場合の同一触媒に対する計測値と実際値を示す。

図１４に示す基本方法の場合、リーン制御期間ｔ１〜ｔ４のうち、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキよりリーンとなっている期間ｔ２〜ｔ４＝Δｔ１が酸素吸蔵容量ＯＳＣの積算期間である。この期間Δｔ１が酸素吸蔵容量の計測値を表す。

もっとも、時刻ｔ３から、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがストイキよりリーンとなっており、触媒からリーンガスが漏れ出している。従ってｔ２〜ｔ３の期間Δｔ２が酸素吸蔵容量の実際値を表し、その後の期間は、触媒後センサ１８の応答遅れに起因する計測誤差分を表していると考えられる。

図から分かるように、酸素吸蔵容量の計測値に対する実際値の割合は少なく、計測値に対する計測誤差分の割合は多い。

同様のことがリッチ制御期間ｔ４〜ｔ７についても言える。酸素吸蔵容量ＯＳＣの積算期間は、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキよりリッチとなっているｔ５〜ｔ７の期間Δｔ３であり、この期間Δｔ３は酸素吸蔵容量の計測値を表す。

一方、時刻ｔ６から、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがストイキよりリッチとなっており、触媒からリッチガスが漏れ出している。従ってｔ５〜ｔ６の期間Δｔ４が酸素吸蔵容量の実際値を表し、その後の期間は、触媒後センサ１８の応答遅れに起因する計測誤差分を表していると考えられる。

これに対し、図１５に示す本実施形態の場合だと、時刻ｔ１で触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達しても、その後、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン側に変化してリッチストイキ判定値ＶＡに達する時刻ｔ２までの間、ストイキ制御が実行され、触媒後センサ出力Ｖｒがストイキを示すような値に変化あるいは復帰するまでの待ち時間が設定される。そしてその上で、時刻ｔ２においてリーン制御が開始される。

リーン制御の開始から触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキよりリーンとなっているため、リーン制御期間ｔ２〜ｔ４＝Δｔ１は酸素吸蔵容量ＯＳＣの積算期間を表し、且つ酸素吸蔵容量の計測値を表す。

一方、時刻ｔ３から、触媒からのリーンガスの漏れ出しが開始していると考えられる。従ってｔ２〜ｔ３の期間Δｔ２が酸素吸蔵容量の実際値を表し、その後の期間は、触媒後センサ１８の応答遅れに起因する計測誤差分を表していると考えられる。

もっとも、リーン制御の開始時点ｔ２において、触媒後センサ出力Ｖｒは既にストイキを示すようなリッチストイキ判定値ＶＡとなっている。このため、次の反転タイミングを定めるリーン判定値ＶＬまで早く変化することができ、これにより計測誤差分を減少することができる。

結果的に、酸素吸蔵容量の計測値に対する実際値の割合を多くし、計測値に対する計測誤差分の割合を少なくすることができる。

同様に、時刻ｔ４で触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達しても、その後、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に変化してリーンストイキ判定値ＶＢに達する時刻ｔ５までの間、ストイキ制御が実行され、触媒後センサ出力Ｖｒがストイキを示すような値に変化あるいは復帰するまでの待ち時間が設定される。そしてその上で、時刻ｔ５においてリッチ制御が開始される。

リッチ制御の開始から触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキよりリッチとなっているため、リッチ制御期間ｔ５〜ｔ７＝Δｔ３は酸素吸蔵容量ＯＳＣの積算期間を表し、且つ酸素吸蔵容量の計測値を表す。

一方、時刻ｔ６から、触媒からのリッチガスの漏れ出しが開始していると考えられる。従ってｔ５〜ｔ６の期間Δｔ４が酸素吸蔵容量の実際値を表し、その後の期間は、触媒後センサ１８の応答遅れに起因する計測誤差分を表していると考えられる。

もっとも、リッチ制御の開始時点ｔ５において、触媒後センサ出力Ｖｒは既にストイキを示すようなリーンストイキ判定値ＶＢとなっている。このため、次の反転タイミングを定めるリッチ判定値ＶＲまで早く変化することができ、これにより計測誤差分を減少することができる。

［本実施形態の異常診断処理］
次に、ＥＣＵ２０が実行する本実施形態の異常診断処理を図１６を参照して説明する。

ステップＳ１０１では、診断許可フラグがオンであるか否かが判断される。診断許可フラグとは、診断実行の前提条件が成立した場合にオンとなるフラグである。前提条件は次の各条件が成立したときに成立する。
（１）上流触媒１１が活性化している。
（２）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性化している。
（３）エンジンが定常運転中である。
（４）現トリップ中で診断が未完了である。

条件（１）は、上流触媒１１の触媒温度Ｔｃが所定の活性温度域に入っている場合に成立する。触媒温度Ｔｃは、エンジン運転状態に基づきＥＣＵ２０により推定されるが、温度センサで直接検出してもよい。

条件（２）は、ＥＣＵ２０によって推定される触媒前センサ１７および触媒後センサ１８の検出素子の温度が所定の活性温度域に入っている場合に成立する。

条件（３）は、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数と、エアフローメータ５により検出される吸入空気量Ｇａの所定時間中の変動幅が所定値以内に収まっている場合に成立する。

条件（４）について、トリップとは、エンジンの１回の始動から停止までの期間をいう。本実施形態では１トリップ当たりに１回、診断を実行するようにしており、現トリップ中で未だ診断が１回も完了していない場合に（４）が成立する。

診断許可フラグがオンでない場合（オフの場合）、待機状態となる。他方、診断許可フラグがオンの場合には、ステップＳ１０２において、アクティブ空燃比制御の初回目標空燃比（Ａ／Ｆｔ）の設定履歴が有るか否かが判断される。

設定履歴がない場合には、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５を経てステップＳ１０６に進み、設定履歴がある場合には直接ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０３では、触媒後センサ出力Ｖｒがストイキ相当値Ｖｓｔ以上であるか否かが判断される。ここでストイキ相当値Ｖｓｔとは、図５に示すように、実線で示す単一特性におけるストイキ相当の触媒後センサ出力Ｖｒの値をいい、先のリッチストイキ判定値ＶＡおよびリーンストイキ判定値ＶＢとは異なる値である。

触媒後センサ出力Ｖｒがストイキ相当値Ｖｓｔ以上である場合、すなわち現時点の触媒後センサ出力Ｖｒが単一特性においてストイキからリッチ側の空燃比を示す場合、ステップＳ１０４において、初回の目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に設定され、リーン制御が実行される。すなわち、現時点の触媒後センサ出力Ｖｒに対し逆側の空燃比からアクティブ空燃比制御が開始される。

他方、触媒後センサ出力Ｖｒがストイキ相当値Ｖｓｔ以上でない場合、すなわち現時点の触媒後センサ出力Ｖｒが単一特性においてストイキよりリーン側の空燃比を示す場合、ステップＳ１０５において、初回の目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比に設定され、リッチ制御が実行される。

このようにステップＳ１０４またはＳ１０５で初回の目標空燃比Ａ／Ｆｔが設定されたら、以降、ステップＳ１０２において初回目標空燃比設定履歴有りとなるので、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５はスキップされることとなる。

ステップＳ１０６では、現時点の目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比か否か、すなわちリッチ制御実行中であるか否かが判断される。目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比の場合、ステップＳ１２２に進み、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比でない場合（リーン空燃比の場合）、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬ以下になったか否か、すなわち触媒後センサ出力Ｖｒがリーン側に反転したか否かが判断される。触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬ以下になっていなければ待機状態となり、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬ以下になったならば、ステップＳ１０８で目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキに設定され、ストイキ制御が開始される。

この初回のストイキ制御開始前には、単にステップＳ１０４からのリーン制御が実行されているだけであり、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測は実行されない。所謂捨て山である。こうした空のリーン制御を実行し、触媒に完全に酸素を吸蔵させてからストイキ制御を開始することで、初期条件を一定とし、計測精度の向上が図れる。

ステップＳ１０８の後、ステップＳ１０９において、リーンストイキ判定値ＶＢが図１７に示すような所定のマップに従い、触媒後センサ１８の検出素子温度Ｔｒに基づいて算出される。検出素子温度ＴｒはＥＣＵ２０によって推定された値である。

すなわち、ここではリーンストイキ判定値ＶＢを一定値とせず、触媒後センサ１８の検出素子温度Ｔｒに応じて変更するようにしている。排気空燃比が一定であっても、触媒後センサ１８の検出素子温度Ｔｒに応じて触媒後センサ出力Ｖｒが若干変化するので、これに合わせて、リーンストイキ判定値ＶＢも検出素子温度Ｔｒに応じて変更している。

触媒後センサ出力Ｖｒは、検出素子温度Ｔｒが高いほど低下する傾向にある。よってこの特性に合わせてリーンストイキ判定値ＶＢも、図１７に示すように、検出素子温度Ｔｒが高いほど低下させるようにしている。こうした変更を行うことにより、検出素子温度Ｔｒの変化を考慮した最適なリーンストイキ判定値ＶＢを設定することが可能である。

但し、この場合もリーンストイキ判定値ＶＢはリーン判定値ＶＬに常に近い値である。そしてリーンストイキ判定値ＶＢが常にリーン判定値ＶＬより僅かに小さい値となるよう、リーンストイキ判定値ＶＢを設定することが可能である。

次に、ステップＳ１１０において、リッチ側に変化中の触媒後センサ出力Ｖｒがリーンストイキ判定値ＶＢ以上に達したか否かが判断される。達してない場合にはステップＳ１０８に戻り、達した場合にはステップＳ１１１に進んで目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比に設定され、リッチ制御が開始される。

リッチ制御開始後、ステップＳ１１２において、触媒前センサ１７によって検出される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ未満となっているか否かが判断される。なっていなければステップＳ１１１に戻って待機状態となり、なっていればステップＳ１１３に進んで酸素吸蔵容量ＯＳＣ、ここでは放出酸素量ＯＳＣｂが積算計測される。

次いで、ステップＳ１１４において、リッチ側に変化中の触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲ以上に達したか否かが判断される。達してない場合にはステップＳ１１１に戻り、達した場合にはステップＳ１１５に進んで放出酸素量ＯＳＣｂの積算が終了される。

そして、ステップＳ１１６において、吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂの両方が計測済みであるか否かが判断される。計測済みでなければステップＳ１２２に進み、計測済みであればステップＳ１１７に進む。

計測済みでない場合、ステップＳ１２２〜Ｓ１３１において、ステップＳ１０７〜Ｓ１１６とはリッチとリーンが逆の処理が行われる。

すなわち、ステップＳ１２２では、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲ以上になったか否か、すなわち触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に反転したか否かが判断される。なっていなければ待機状態となり、なっていればステップＳ１２３で目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキに設定され、ストイキ制御が開始される。

この後ステップＳ１２４において、リッチストイキ判定値ＶＡが図１８に示すような所定のマップに従い、触媒後センサ１８の検出素子温度Ｔｒに基づいて算出される。

すなわち、リッチストイキ判定値ＶＡも一定値ではなく、触媒後センサ１８の検出素子温度Ｔｒに応じて変更される。検出素子温度Ｔｒが高いほど触媒後センサ出力Ｖｒが低下するという特性に合わせて、リッチストイキ判定値ＶＡも、図１８に示すように、検出素子温度Ｔｒが高いほど低下させられる。こうした変更を行うことにより、検出素子温度Ｔｒの変化を考慮した最適なリッチストイキ判定値ＶＡを設定することが可能である。

リッチストイキ判定値ＶＡはリッチ判定値ＶＲに常に近い値である。そしてリッチストイキ判定値ＶＡが常にリッチ判定値ＶＲより僅かに大きい値となるよう、リッチストイキ判定値ＶＡを設定することが可能である。

次に、ステップＳ１２５において、リーン側に変化中の触媒後センサ出力Ｖｒがリッチストイキ判定値ＶＡ以下に達したか否かが判断される。達してない場合にはステップＳ１２３に戻り、達した場合にはステップＳ１２６に進んで目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に設定され、リーン制御が開始される。

リーン制御開始後、ステップＳ１２７において、触媒前センサ１７によって検出される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキより大きくなっているか否かが判断される。なっていなければステップＳ１２６に戻って待機状態となり、なっていればステップＳ１２８に進んで酸素吸蔵容量ＯＳＣ、ここでは吸蔵酸素量ＯＳＣａが積算計測される。

次いで、ステップＳ１２９において、リーン側に変化中の触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬ以下に達したか否かが判断される。達してない場合にはステップＳ１２６に戻り、達した場合にはステップＳ１３０に進んで吸蔵酸素量ＯＳＣａの積算が終了される。

そして、ステップＳ１３１において、吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂの両方が計測済みであるか否かが判断される。計測済みでなければステップＳ１０８に進み、計測済みであればステップＳ１１７に進む。

ステップＳ１１７では、計測済みの吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂに基づき酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が算出される。すなわち、吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂの和を２で割って単純平均化し、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が算出される（ＯＳＣ＝（ＯＳＣａと＋ＯＳＣｂ）／２）。

次いでステップＳ１１８では、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が所定の異常判定値αと比較される。ＯＳＣ＞αならステップＳ１２０において上流触媒１１は正常と判定され、ステップＳ１２１に進む。ＯＳＣ≦αならステップＳ１１９において上流触媒１１は異常と判定され、ステップＳ１２１に進む。

ステップＳ１２１では診断許可フラグがオフされ、これにより診断処理が終了される。

この診断処理を図１３の例に当て嵌めて説明する。前提条件が成立して診断許可フラグがオンになった時点で、触媒後センサ出力Ｖｒがストイキ相当値Ｖｓｔ未満となっていたので、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比に設定され（ステップＳ１０５）、リッチ制御が実行される。図１３の時刻ｔ１はこのリッチ制御の途中段階を示している。この初回の制御がリッチ制御なので、図１６においてはステップＳ１０６からステップＳ１２２に移行する。

やがて時刻ｔ２にて触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達すると、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキに設定され（ステップＳ１２３）、ストイキ制御が実行される。

その後、時刻ｔ３にて触媒後センサ出力Ｖｒがリーン側に変化してリッチストイキ判定値ＶＡに達すると、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に設定され（ステップＳ１２６）、リーン制御が実行される。このリーン制御中、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキより大きくなっている期間において、吸蔵酸素量ＯＳＣａが積算計測される（ステップＳ１２８）。

やがて時刻ｔ４にて触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達すると、吸蔵酸素量ＯＳＣａの積算が終了される（ステップＳ１３０）。この時点では未だ吸蔵酸素量ＯＳＣａの計測しか終了していないので、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキに設定され（ステップＳ１０８）、ストイキ制御が実行される。

その後、時刻ｔ５にて触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に変化してリーンストイキ判定値ＶＢに達すると、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比に設定され（ステップＳ１１１）、リッチ制御が実行される。このリッチ制御中、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキより小さくなっている期間において、放出酸素量ＯＳＣｂが積算計測される（ステップＳ１１３）。

やがて時刻ｔ６にて触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達すると、放出酸素量ＯＳＣｂの積算が終了される（ステップＳ１１５）。この時点では、吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂの両方が計測済みなので、これら両者の値が平均化され、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が算出される（ステップＳ１１７）。

そして酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が異常判定値αと比較され（ステップＳ１１８）、この比較結果に応じて上流触媒１１の正常または異常が判定される（ステップＳ１１９，Ｓ１２０）。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関の用途や形式等は任意であり、自動車用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。上記の説明ではリーン側とリッチ側若しくは吸蔵側と放出側の一方のみしか説明していない箇所があるが、この一方に対する説明によって他方も理解されることが当業者にとって明らかであろう。

図１６に示した診断処理の例では、簡単化のため、吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂを１回ずつ計測して診断を行った。しかしながら当然に、精度向上のため、リーン制御とリッチ制御を繰り返し実行し、吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂを複数回ずつ計測してその平均値を算出し、当該平均値に基づいて診断を行ってもよい。この場合、各リーン制御と各リッチ制御の間にストイキ制御が介在されることとなる。

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。

１内燃機関（エンジン）
５エアフローメータ
６排気管
１１上流触媒
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）

Claims

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装置であって、
触媒下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
触媒上流側の空燃比をリーン空燃比およびリッチ空燃比に交互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、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記触媒が吸放出する酸素量を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記酸素量に基づき前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
を備え、
前記触媒後センサは、検出素子と、該検出素子を覆う孔付きカバーとを有し、ヒステリシス特性を伴ってストイキを境に出力が急変する特性を有する酸素センサからなり、
前記アクティブ空燃比制御手段は、空燃比をリーン空燃比およびリッチ空燃比の一方から他方に切り替えるとき、その途中で空燃比をストイキに一時的に切り替え、そのストイキに切り替えている最中に前記触媒後センサの出力が、前記触媒後センサのヒステリシス特性線上におけるストイキに対応する所定値に達した時、空燃比を前記他方に切り替える
ことを特徴とする触媒異常診断装置。
前記アクティブ空燃比制御手段は、
前記触媒後センサの出力が所定のリーン判定値に達した時に、空燃比をリーン空燃比からストイキに切り替え、その後、前記触媒後センサの出力が、リッチ側に変化して、前記リーン判定値付近の前記所定値をなす所定のリーンストイキ判定値に達した時に、空燃比をストイキからリッチ空燃比に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
前記リーンストイキ判定値は、前記リーン判定値よりリーン側の値である
ことを特徴とする請求項２に記載の触媒異常診断装置。
前記リーンストイキ判定値は、前記触媒後センサの検出素子の温度に応じて変更される
ことを特徴とする請求項２または３に記載の触媒異常診断装置。
前記計測手段は、空燃比がリッチ空燃比に切り替えられている最中に前記触媒が放出する酸素量を計測する
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
前記アクティブ空燃比制御手段は、
前記触媒後センサの出力が所定のリッチ判定値に達した時に、空燃比をリッチ空燃比からストイキに切り替え、その後、前記触媒後センサの出力が、リーン側に変化して、前記リッチ判定値付近の前記所定値をなす所定のリッチストイキ判定値に達した時に、空燃比をストイキからリーン空燃比に切り替える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
前記リッチストイキ判定値は、前記リッチ判定値よりリッチ側の値である
ことを特徴とする請求項６に記載の触媒異常診断装置。
前記リッチストイキ判定値は、前記触媒後センサの検出素子の温度に応じて変更される
ことを特徴とする請求項６または７に記載の触媒異常診断装置。
前記計測手段は、空燃比がリーン空燃比に切り替えられている最中に前記触媒が吸蔵する酸素量を計測する
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。