JP5835478B2

JP5835478B2 - 触媒劣化判定システム

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Publication number: JP5835478B2
Application number: JP2014518110A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎青木; 北浦　浩一; 浩一北浦; 剛林下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: EP2857663A4; JPWO2013179373A1; US20150152769A1; WO2013179373A1; CN104350263A; US9670819B2; EP2857663A1; CN104350263B

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化触媒の劣化判定を行うシステムに関する。

通常、内燃機関では排気浄化のために排気通路に排気浄化触媒が設けられる。その中でも、酸素吸蔵能を有する触媒、例えば三元触媒等は、過剰酸素の吸蔵によるＮＯｘ浄化や、吸蔵している酸素の放出によるＨＣ、ＣＯの酸化除去を可能とする。このように酸素吸蔵を有する排気浄化触媒では、触媒に流れ込む排気の空燃比を理論空燃比を中心として空燃比をリッチ側又はリーン側に交互に振らせることで、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの同時浄化を実現しようとしている。

ところで排気浄化触媒にいては、触媒が劣化すると排気浄化能力が低下するため、劣化がある程度進行すると、触媒の交換等のメンテナンスが必要となる。そして、三元触媒のように酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒では、その酸素吸蔵能の低下を検出して触媒劣化判断を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。当該技術では、排気浄化触媒の下流に設けられた空燃比センサの検出値を基に、排気浄化触媒に流れ込む排気の空燃比について、リーン側からリッチ側への移行とリッチ側からリーン側への移行とが交互に繰り返される。そして、そのときの排気空燃比の偏差および排気浄化触媒を流れる排気流量とに基づいて、排気浄化触媒の酸素吸蔵能が算出され、当該酸素吸蔵能に基づいて触媒の劣化判定が行われる。

特開平５−１３３２６４号公報特開２００９−２１５９２４号公報特開２００９−３６１７２号公報特開２００８−２９８０４４号公報特開昭６３−１９５３５１号公報

酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定を行うために、排気浄化触媒に流れ込む排気の空燃比について、リーン側からリッチ側への移行と、リッチ側からリーン側への移行とを交互に繰り返す制御（以下、「アクティブ空燃比制御」と称する）を行い、その際の排気空燃比の推移等から排気浄化触媒の酸素吸蔵能を算出するＣｍａｘ法が、従来より利用されている。このアクティブ空燃比制御では、排気浄化触媒における酸素の吸蔵限度、および放出限度を迎えたタイミングで、上記の排気空燃比移行の切り替えを行うのが好ましく、そのため、通常、排気浄化触媒の下流側に、排気空燃比や排気中の酸素濃度を検出するセンサが配置される。

ここで、Ｃｍａｘ法で排気浄化触媒の酸素吸蔵能を算出するために排気浄化触媒の下流側に酸素濃度センサを設ける場合、酸素濃度センサの出力が、実際のセンサ周囲の雰囲気の空燃比とずれる場合があり、アクティブ空燃比制御における移行モードの切り替えタイミングがずれてしまうおそれがある。酸素濃度センサは、検出のための電極近傍における水素分子の挙動やＨＣ等のリッチガス成分の存在の影響を受けやすく、そのため、雰囲気中のリッチガス成分濃度が増加すると、酸素濃度センサの出力も過度にリッチ側の出力を行ってしまう「リッチ側過出力特性」が見出せる。そのため、正確なアクティブ空燃比制御の実施が困難となり、排気浄化触媒の正確な劣化判定に影響を及ぼし得る。

また、昨今は、排気浄化触媒に使用されるＰｔ等の貴金属量を低減させる傾向が強い。そのため、排気浄化触媒が本来的に発揮できる酸素吸蔵能は低下してしまい、劣化状態にある排気浄化触媒の酸素吸蔵能と、正常な排気浄化触媒の酸素吸蔵能との差が縮まった結果、排気浄化触媒の正確な劣化判定が困難な状況になっている。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定をより正確に行い得る触媒劣化判定システムを提供することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するべく、酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定のためにアクティブ空燃比制御を行う際の、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比の変化率が所定の変化率以下となるように制限することとした。このように排気空燃比の変化率が制限されることで、当該排気空燃比は徐変することになり、排気浄化触媒において酸素吸蔵、酸素放出反応を行う時間を確保することができ、排気浄化触媒の下流側に設けられた酸素濃度センサの雰囲気改善が図られる。その結果、排気浄化触媒の劣化判定において、酸素濃度センサのリッチ側過出力特性の影響を軽減することができる。

詳細には、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定システムであって、前記排気浄化触媒に流れ込む排気の空燃比を調整する排気空燃比調整手段と、前記排気浄化触媒から流れ出る排気中の酸素濃度を検出するセンサであって、排気中のリッチガス成分が増加するに従い該排気における酸素濃度をよりリッチ空燃比側の酸素濃度として検出する所定の検出特性を有する酸素濃度センサと、前記排気空燃比調整手段によって排気空燃比をリーン空燃比側からリッチ空燃比側へ移行させるリッチ移行モードと、該排気空燃比調整手段によって排気空燃比をリッチ空燃比側からリーン空燃比側へ移行させるリーン移行モードと、を前記酸素濃度センサによって検出される排気中の酸素濃度に基づいて切り替える空燃比移行手段であって、該リッチ移行モードと該リーン移行モードのうち少なくとも該リーン移行モードにおける排気空燃比の変化率が所定の変化率以下に制限され、且つ、該リッチ移行モードにおける排気空燃比の変化率が、該リーン移行モードにおける排気空燃比の変化率より大きく設定される、空燃比移行手段と、前記空燃比移行手段によって前記リッチ移行モードと前記リーン移行モードが実行されるときの前記排気浄化触媒における酸素吸蔵能に基づいて、該排気浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備える。

本発明に係る触媒劣化判定システムでは、内燃機関の排気通路を流れる排気浄化を行う排気浄化触媒であって、酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定を行う。酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒としては、三元触媒を例示できる。三元触媒は、それに流れ込む排気空燃比がリーン状態であるときは排気中の酸素を吸蔵し、排気空燃比がリッチ状態であるときは吸蔵していた酸素の放出を行う。そのため、流れ込む排気空燃比がストイキ近傍であるときに、排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの浄化が可能となる。

ここで、上記触媒劣化判定システムでは、従来のＣｍａｘ法を改良した方法（以下、「改良したＣｍａｘ法」と称する。）により、排気浄化触媒の酸素吸蔵能を算出する。この改良したＣｍａｘ法は、アクティブ空燃比制御での移行モード切り替えを判断するための酸素濃度センサの上記所定の特性、すなわちリッチ側過出力特性の影響を軽減するものである。詳細には、空燃比移行手段によって、アクティブ空燃比制御で行われるリッチ移行モードとリーン移行モードのうち少なくともリーン移行モードにおいて、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比が緩やかに変動（目的とするリーン側の空燃比に緩やかに移行）するように、当該排気空燃比の変化率が所定の変化率に制限される。

リーン移行モード時は、本来は、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比がリッチ側からリーン側に移行していく過程で、当初リッチガス成分が排気浄化触媒から漏れ出すとともに、次第に排気中の酸素の吸蔵が行われ最終的に排気浄化触媒での酸素吸蔵が最大限行われると、排気浄化触媒からリーンガス成分（酸素濃度が高い排気）が漏れ出してくることになる。ここで、従来のＣｍａｘ法で行われているアクティブ空燃比制御では、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比をステップ状に急変（増加）させるため、排気浄化触媒における酸素吸蔵の反応を十分に行わせることが困難となり、排気中にリッチガス成分とリーンガス成分が混在して漏れ出す場合がある。そのような場合、排気浄化触媒の下流側に設けられた酸素濃度センサは、上記所定の特性の影響を受け、本来の排気空燃比よりもリッチ側の出力をしてしまい、Ｃｍａｘ法における適切な移行モードの切り替えが阻害されてしまう。

しかしながら、本発明に係る劣化判定システムでは、リーン移行モード時には、空燃比移行手段によって、排気浄化触媒においては、流入する排気の空燃比の変化率が所定変化率以下に制限され、徐々に変動していくことによって、排気浄化触媒での酸素吸蔵を確実に行わせることができる。そのため、排気浄化触媒から流れ出る排気、すなわち酸素濃度センサが検出のために晒される排気において、上述したようにリッチガス成分とリーンガス成分の漏れ出すタイミングが本来あるべきタイミング、すなわち、両ガス成分が混在しにくいタイミングとされる。その結果、酸素濃度センサの上記所定の特性の影響を軽減した、排気浄化触媒の酸素吸蔵能の算出が、本発明に係る改良したＣｍａｘ法では可能となる。

そのため、劣化判定手段による排気浄化触媒の酸素吸蔵能に基づいた劣化判定を、より正確に行うことができる。なお、劣化判定手段による判定は、改良したＣｍａｘ法により算出された酸素吸蔵能と、基準となる酸素吸蔵能とを比較することで行うようにしてもよい。

また、上記空燃比移行手段は、リッチ移行モードにおいても、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比が緩やかに変動（目的とするリッチ側の空燃比に緩やかに移行）するように、当該排気空燃比の変化率が所定の変化率に制限されてもよい。リッチ移行モード時は、本来は、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比がリーン側からリッチ側に移行していく過程で、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素が放出されるため、排気浄化触媒から流れ出る排気空燃比は、放出された酸素の分だけリーン側の空燃比となる。ここで、従来のＣｍａｘ法で行われているアクティブ空燃比制御では、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比をステップ状に急変（減少）させるため、排気浄化触媒における酸素放出の反応を十分に行うことが困難となり、リッチ移行モードでの酸素放出が不十分となり、排気浄化触媒から流れ出る排気中のリッチガス成分の量が多くなる。そのような場合、排気浄化触媒の下流側に設けられた酸素濃度センサは、上記所定の特性の影響を受け、本来の排気空燃比よりもリッチ側の出力をしてしまい、Ｃｍａｘ法における適切な移行モードの切り替えが阻害されてしまう。

しかしながら、空燃比移行手段によって、リッチ移行モードでも排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比の変化率を所定変化率以下に制限し、徐々に変動させることで、排気浄化触媒での酸素放出を確実に行わせることができる。そのため、排気浄化触媒から流れ出る排気、すなわち酸素濃度センサが検出のために晒される排気において、いたずらにリッチガス成分量が増加することを回避できる。その結果、酸素濃度センサの上記所定の特性の影響を軽減した、排気浄化触媒の酸素吸蔵能の算出が、本発明に係る改良したＣｍａｘ法では可能となる。

さらに、上記空燃比移行手段は、リッチ移行モードにおける排気空燃比の変化率が、リーン移行モードにおける排気空燃比の変化率より大きく設定される。その結果、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比について、リッチ移行モード時の方がより早く目的とするリッチ側の空燃比に移行し、リーン移行モードの方がより遅く目的とするリーン側の空燃比に移行する。排気浄化触媒において、そこに流れ込む排気空燃比がストイキからリッチ側の空燃比となる場合には排気浄化触媒からのＮＯｘ放出量が増加するが、上記のようにリッチ移行モード時の移行をより速く行うことで、その際のＮＯｘ放出量を抑制することができる。

また、リーン移行モードおよびリッチ移行モードにおける排気空燃比の変化率の上限となる所定の変化率は、排気浄化触媒における酸素吸蔵、酸素放出の反応時間を好適に確保できるように設定されるのが好ましい。

ここで、上記触媒劣化判定システムにおいて、前記空燃比移行手段は、前記リーン移行モード時および前記リッチ移行モード時で、前記排気空燃比の変化率が前記所定の変化率以下に制限されるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行ってもよい。すなわち、アクティブ空燃比制御に含まれる両移行モードで、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比の変動が徐変されるように排気中の空燃比が調整される。

また、上記の、両移行モードで排気空燃比を徐変する形態に代えて、本発明に係る触媒劣化判定システムにおいて、前記空燃比移行手段は、前記リーン移行モード時は、前記排気空燃比の変化率が前記所定の変化率以下に制限されるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行い、前記リッチ移行モード時は、前記リーン移行モードから前記リッチモードへの切り替え直後に、前記排気空燃比が、該リッチ移行モードにおける到達目的である所定のリッチ空燃比となるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行うようにしてもよい。すなわち、アクティブ制御において、リーン移行モードでは、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比を徐変させる一方で、リッチ移行モードでは、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比が所定のリッチ空燃比に直ちに至るように、排気中の空燃比が調整される。

したがって、リッチ移行モードでは、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比が移行モード切り替え直後にステップ状に変化するように、排気中の空燃比が調整されることになる。このようにすることで、特に、リッチ移行モード時に排気浄化触媒の内部の排気空燃比を、比較的深いリッチ状態とすることができ、排気浄化触媒におけるＳ被毒の進行抑制、またはＳ被毒の解消促進が図られ、エミッション向上が期待できる。また、このように排気浄化触媒のＳ被毒状態を少なくとも小康状態とすることができるため、排気浄化触媒の排気浄化能が維持され、酸素濃度センサが、多くのリッチガス成分が含まれる排気に晒される可能性を軽減することにもなる。

また、上記触媒劣化判定システムにおいて、前記空燃比移行手段は、前記リーン移行モードが行われる期間であって、前記リッチ移行モードから該リーンモードへの切り替え直後から、前記排気空燃比がストイキ近傍の空燃比に至るまでの所定期間においては、前記排気空燃比の変化率が前記所定の変化率以下に制限されるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行い、そして、前記リーン移行モード時において前記所定期間が終了すると、該所定期間の終了直後に、前記排気空燃比が、該リーン移行モードにおける到達目的である所定のリーン空燃比となるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行うようにしてもよい。すなわち、リーン移行モードに切り替えられてから排気空燃比がストイキ近傍となるまでの前半の過程においては、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比を徐変し、その後の過程においては、排気空燃比がステップ状に変動し、可及的速やかに排気空燃比の移行が行われる。

このような構成を採用することで、リーン移行モードにおいても、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比がリーン状態となる時間を可及的に短くすることができる。したがって、特に内燃機関におけるＮＯｘの発生を抑制することができる。

ここで、上述までの触媒劣化判定システムにおいて、前記所定の変化率は、前記酸素濃度センサにおける排気中のリッチガス成分およびリーンガス成分との応答速度に基づいて設定されてもよい。これにより、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比の推移と、その推移を制御するための酸素濃度センサの出力推移との間の誤差を低減することができ、より正確な排気浄化触媒の酸素吸蔵能の算出が可能となる。

また、上述までの触媒劣化判定システムにおいて、前記酸素濃度センサの温度が高くなるに従い、前記所定の変化率を大きく補正する補正手段を、更に備えるように構成してもよい。酸素濃度センサの温度が高くなるとその検出感度が高くなるため、排気浄化触媒に流れ込む排気空燃比の変化率が大きくなっても、好適な検出精度を保持しながら酸素濃度検出が可能となる。したがって、上記補正手段を備えることで、アクティブ空燃比制御における排気空燃比の変化率の値を適切なものとでき、以て、正確な排気浄化触媒の酸素吸蔵能の算出が可能となる。

また、上述までの触媒劣化判定システムにおいて、前記排気浄化触媒に流れ込む排気の流量が多くなるに従い、前記所定の変化率を小さく補正する補正手段を、更に備えるように構成してもよい。排気流量が多くなると排気浄化触媒における酸素吸蔵、酸素放出の反応を十分に行えない場合がある。そこで、そのような場合には、アクティブ空燃比制御における排気空燃比の変化率をより小さくすることで、酸素濃度センサによる好適な検出精度を保持しながらの酸素濃度検出が可能となる。したがって、上記補正手段を備えることで、アクティブ空燃比制御における排気空燃比の変化率の値を適切なものとでき、以て、正確な排気浄化触媒の酸素吸蔵能の算出が可能となる。

また、本発明に係る触媒劣化判定システムを、上述までのシステムとは異なり、以下のように構成してもよい。すなわち、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定システムであって、前記排気浄化触媒に流れ込む排気の空燃比を調整する排気空燃比調整手段と、前記排気浄化触媒から流れ出る排気中の酸素濃度を検出するセンサであって、排気中のリッチガス成分が増加するに従い該排気における酸素濃度をよりリッチ空燃比側の酸素濃度として検出する所定の検出特性を有する酸素濃度センサと、前記排気空燃比調整手段によって排気空燃比をリーン空燃比側からリッチ空燃比側へ移行させるリッチ移行モードと、該排気空燃比調整手段に
よって排気空燃比をリッチ空燃比側からリーン空燃比側へ移行させるリーン移行モードと、を前記酸素濃度センサによって検出される排気中の酸素濃度に基づいて切り替える空燃比移行手段であって、該リッチ移行モードと該リーン移行モードにおける排気空燃比の変化率が所定の変化率以下に制限される、空燃比移行手段と、前記空燃比移行手段によって前記リッチ移行モードと前記リーン移行モードが実行されるときの前記排気浄化触媒における酸素吸蔵能に基づいて、該排気浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備える。

このように本発明を構成しても、先に述べた発明と同様に、リッチ移行モードおよびリーン移行モードにおいて、排気浄化触媒での酸素吸蔵、酸素放出を確実に行わせることができるため、酸素濃度センサの上記所定の特性の影響を軽減した、排気浄化触媒の酸素吸蔵能の算出が可能となる。また、先に述べた発明に関し適用された上述までの構成は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、上記発明にも適用することが可能である。

酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定をより正確に行い得る触媒劣化判定システムを提供する。

本発明に係る内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化判定システムの概略構成を示す図である。図１に触媒劣化判定システムにおいて、触媒の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を算出するためのＣｍａｘ法のモデルを示す図である。酸素濃度センサにおける、リーンガス成分の種類に応じた出力特性を示す図である。酸素濃度センサにおける、リッチガス成分の含有量に応じた出力特性を示す図である。従来技術に係る、Ｃｍａｘ法でアクティブ空燃比制御を行った際の、三元触媒に流入する排気空燃比の推移、酸素濃度センサの出力推移、三元触媒下流の空燃比推移、三元触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの含有量推移を示す図である。従来技術に係る、Ｃｍａｘ法でアクティブ空燃比制御を行った際の、三元触媒に流入する排気空燃比の推移、酸素濃度センサの出力推移、三元触媒下流の空燃比推移、三元触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ、ＨＣの含有量推移を、内燃機関で使用される燃料の硫黄含有分の有無ごとに示す図である。本発明の第一の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートである。図７に示す触媒劣化判定制御が行われた際の、三元触媒に流入する排気空燃比の推移、酸素濃度センサの出力推移、三元触媒下流の空燃比推移、三元触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの含有量推移を示す図である。本発明の第二の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートである。本発明の第三の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートである。図１０に示す触媒劣化判定制御が行われた際の、三元触媒に流入する排気空燃比の推移、酸素濃度センサの出力推移、三元触媒下流の空燃比推移、三元触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの含有量推移を示す図である。本発明の第四の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートである。本発明の第五の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートである。図１３に示す触媒劣化判定制御で行われる補正処理のための補正係数と、内燃機関の吸気流量、酸素濃度センサのセンサ温度との相関を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施形態に係る触媒劣化判定システムの概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、燃料噴射を行う燃料噴射弁６と点火プラグ（不図示）を有する火花点火式内燃機関である。内燃機関１の吸気通路２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４と、電子制御式スロットルバルブ５とが組み込まれている。そして、スロットルバルブ５の下流側に、上記燃料噴射弁６が設置される。また、内燃機関１の排気通路３には、酸素吸蔵能を有する三元触媒７が取り付けられている。三元触媒７の上流側に三元触媒７に流れ込む排気の空燃比を検出するための空燃比センサ８と、三元触媒７の下流側に当該三元触媒７から流れ出る排気に含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度センサ９が設けられている。空燃比センサ８は、いわゆる広域空燃比センサからなり、比較的広範囲にわたる空燃比を連続的に検出可能で、その検出レンジにおいて排気空燃比に比例した値の信号を出力する。一方で、酸素濃度センサ９は、理論空燃比（ストイキ近傍）を境に出力値が急変する特性（Ｚ特性）を持つ。なお、酸素濃度センサ９の特性の詳細については、後述する。

図１に示す触媒劣化判定システムには、上述のスロットルバルブ５及び燃料噴射弁６等の内燃機関１に関する構成を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）２０が設けられている。この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。ＥＣＵ２０には、図示されるように、エアフローメータ４、スロットルバルブ５、燃料噴射弁６、図示されない点火プラグ、空燃比センサ８、酸素濃度センサ９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１０、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１１、その他の各種センサが、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、スロットルバルブ５、燃料噴射弁６等を制御し、内燃機関１における点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

ここで三元触媒７は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを同時に浄化する。そのため、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の通常運転時には、三元触媒７に流入する排気の空燃比が概ねストイキとなるように、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより三元触媒７に流入する排気ガスの空燃比はストイキ近傍に保たれ、三元触媒７において最大の排気浄化性能が発揮されるようになる。

一般に、三元触媒７は、担体基材の表面上にコート材が被覆され、このコート材に微粒子状のＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなる触媒成分が分散配置された状態で保持されている。また、コート材は、排気と触媒成分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ともに、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵、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。そのため、三元触媒７は、自身に流入する排気の空燃比に応じて、排気中の酸素を吸蔵し、また、吸蔵している酸素を放出する。ここで、三元触媒７が、熱劣化等の不可逆的な劣化に冒されると、触媒成分と排気との接触効率が低下する等の理由により、排気浄化能が低下するとともに、触媒成分の周囲に存在するコート材の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体も低下する。そのため、三元触媒７の劣化の程度は、自身が持つ酸素吸蔵能の低下度と相関関係を有することになり、以て、三元触媒７の酸素吸蔵能の程度（ＯＳＣ：Ｏ _２ＳｔｒａｇｅＣａｐａｃｉｔｙ）に基づいて、三元触媒７の劣化程度を判定することが可能である。

そこで、図２に基づいて、三元触媒７の劣化判定のために、そのＯＳＣを算出する方法（以下、「Ｃｍａｘ法」と称する）について説明するとともに、図３〜図６に基づいて、本出願人が新たに見出したＣｍａｘ法における課題について説明する。図２の上段（ａ）図は、三元触媒７に流入する排気の空燃比に関する推移を示す図であり、特に線Ｌ１は、燃料噴射弁６からの燃料噴射を介して調整される三元触媒７に流入する排気の空燃比に関する、ＥＣＵ２０からの指令（目標空燃比）の推移を表したものであり、線Ｌ２は、空燃比センサ８で検出される、実際に三元触媒７に流入した排気の空燃比の推移を表したものである。また、図２の下段（ｂ）図の線Ｌ３は、三元触媒７の下流側に設けられた酸素濃度センサ９の出力推移を表したものである。上記の通り、酸素濃度センサ７は、排気空燃比がストイキ近傍を境にその出力値が急変する特性を有している。

ここで、Ｃｍａｘ法では、酸素濃度センサ９の出力がリッチ側出力となったとき、およびリーン側出力となったときに、三元触媒７に流入する排気の空燃比が、それぞれ所定のリーン空燃比ＡＦＬ、所定のリッチ空燃比ＡＦＲとなるように調整が行われる。図２に示す例では、酸素濃度センサ９の出力がストイキレベルを横切ったときに、その出力が、リッチ側出力又はリーン側出力となったことを意味する。具体的には、時間ｔＲにおいて酸素濃度センサ９の出力推移がリーン側からリッチ側に横切ったことから、時間ｔＲにて酸素濃度センサ９の出力がリッチ出力となったことになる。したがって、この時間ｔＲにて、ＥＣＵ２０から燃料噴射弁６を介して、三元触媒７に流入する排気空燃比が所定のリーン空燃比ＡＦＬとなるように指令（目標空燃比）が出され、その結果、実際の排気空燃比が線Ｌ２の推移を辿る。

更に、時間が経過すると、上記の通り三元触媒７の目標空燃比が所定のリーン空燃比ＡＦＬに設定されている結果、時間ｔＬにおいて酸素濃度センサ９の出力推移がリッチ側からリーン側にストイキレベルを横切ることになる。そこで、時間ｔＬにて酸素濃度センサ９の出力がリーン出力となったと判断し、この時間ｔＬにて、ＥＣＵ２０から燃料噴射弁６を介して、三元触媒７に流入する排気空燃比が所定のリッチ空燃比ＡＦＲとなるように指令（目標空燃比）が出される。そのため、時間ｔＬを経過した後、三元触媒７に流入する実際の排気空燃比も所定のリッチ空燃比ＡＦＲに近づくことになる。

このようにＣｍａｘ法では、酸素濃度センサ８の出力に応じて、三元触媒７に流入する排気空燃比の調整について、リーン側からリッチ側へ移行されるモードと、リッチ側からリーン側へ移行されるモードが行われる。そこで、前者を「リッチ移行モード」と称し、後者を「リーン移行モード」と称することとする。そして、Ｃｍａｘ法では、リーン移行モードにおいて、三元触媒７に流入する排気空燃比がストイキ〜リーン側の空燃比であるときには、排気中の酸素が三元触媒７に吸蔵され、その吸蔵量が限界値に到達したときに三元触媒７から酸素を多く含む排気（リーン排気）が漏れ出してくると考える。そのため、図２（ａ）で示される斜線領域Ｍ１は、三元触媒７の酸素吸蔵量の最大値を表わすことになる。一方で、リッチ移行モードにおいて、三元触媒７に流入する排気空燃比がストイキ〜リッチ側の空燃比であるときには、三元触媒７に吸蔵されていた酸素が放出され、その放出が完了したときに三元触媒７から酸素量が少ない排気（リッチ排気）が漏れ出してくると考える。そのため、図２（ａ）で示される斜線領域Ｍ２は、三元触媒７の酸素放出量の最大値を表わすことになる。

原理的には、斜線領域Ｍ１で表わされる三元触媒７の酸素吸蔵量と、斜線領域Ｍ２で表わされる三元触媒７の酸素放出量とは同じになるが、算出誤差を低減させるために、当該酸素吸蔵量と当該酸素放出量との平均値を、三元触媒７のＯＳＣとする。なお、酸素吸蔵量および酸素放出量の具体的な算出については、空燃比センサ８の検出値とストイキ空燃比との差分（空燃比差分）に燃料噴射弁６からの燃料噴射量、空気における酸素の割合等のパラメータを利用して算出でき、これらの算出方法は公知であるため、詳細な説明は割愛する。

このようにＣｍａｘ法では、三元触媒７の下流側に設けられている酸素濃度センサ９の出力値に基づいて、三元触媒７に流入する排気空燃比の調整に関する、リッチ移行モードとリーン移行モードが実行される。ここで、酸素濃度センサ９には、上記の通り、いわゆるＺ特性が存在する。このＺ特性は、検出対象ガスの空燃比がストイキ近傍を境にセンサの出力値が急変する特性であるが、当該特性は、検出対象ガスに含まれるリーンガス成分（酸素濃度センサ９のリーン側出力に寄与するガス成分）の種類によって変動する。ここで、リッチガス成分（酸素濃度センサ９のリッチ側出力に寄与するガス成分）であるＣＯに対する二つのリーンガス成分（Ｏ _２、ＮＯ）をスイープしたときの酸素濃度センサ９の出力特性の違いを、図３に示す。図３の横軸は、各リーンガス成分での過剰率λを表し、縦軸は、酸素濃度センサ９の出力電圧を表わす。なお、酸素濃度センサ９においては、検出対象ガス中の酸素濃度が低くなるほど、すなわち当該ガスの空燃比がリッチ側であるほど、その出力電圧が高くなる。

図３に示すように、リーンガス成分としてＮＯを含む方が、リーンガス成分としてＯ _２を含む場合よりも、酸素濃度センサ９の出力の急変点が過剰率λが大きい方へ、すなわちリーン側にずれることになる。このことから、酸素濃度センサ９は、検査対象ガスに同量のリッチガス成分であるＣＯが含まれてもリーンガス成分の種類によって、その出力特性は変動し得るものであって、特に、検査対象ガスに含まれるＮＯ等のＮＯｘ量が増えると、リーンガス成分に対する検出感度が低下する傾向が見出せる。

また、酸素濃度センサ９の出力特性は、リッチガス成分濃度に対する依存性も有する。例えば、リッチガス成分であるＣＯに対するリーンガス成分としてのＯ _２をスイープしたときの酸素濃度センサ９の出力特性の、ＣＯの含有量に関する違いを図４に示す。図４の横軸は、リーンガス成分としてのＯ _２での過剰率λを表し、縦軸は、酸素濃度センサ９の出力電圧を表わす。そして、リッチガス成分ＣＯの含有量が２００ｐｐｍのケースと、５０ｐｐｍのケースごとに、酸素濃度センサ９の出力特性がそれぞれ図４に表わされている。

図４に示すように、リッチガス成分であるＣＯの含有量が多くなるほど、酸素濃度センサ９の出力電圧が高くなる。それとともに、過剰率λが小さくなる場合の出力特性（すなわち、リッチガス成分濃度が高くなる場合の出力特性）と、過剰率λが大きくなる場合の出力特性（すなわち、リッチガス成分濃度が低くなる場合の出力特性）とのずれ、すなわち出力特性のヒステリシスが、ＣＯの含有量が多くなるほど顕著となる。このことから、酸素濃度センサ９は、検査対象ガスにおけるリッチガス成分濃度に対して強い依存性が存在し、そのリッチガス成分濃度が高くなるほど、酸素濃度センサ９の出力電圧がより高く出る傾向、すなわちリッチガス成分に対する検出感度の顕著化が見出せる。

そして、このような出力特性を有する酸素濃度センサ９を用いて、図２に示すＣｍａｘ法により三元触媒７のＯＳＣを算出すると、当該ＯＳＣの算出が正確に行われない可能性があることを、本出願人は見出した。当該可能性について、図５に基づいて説明する。図５は、従来のＣｍａｘ法により三元触媒７のＯＳＣを算出しようとする際の、各パラメータの推移を示す。具体的には、図５（ａ）は、三元触媒７に流入する排気空燃比の推移を示す図であり、特に、線Ｌ５１は、燃料噴射弁６からの燃料噴射を介して調整される三元触媒７に流入する排気の空燃比に関する、ＥＣＵ２０からの指令（目標空燃比）の推移を表したものであり、線Ｌ５２は、空燃比センサ８で検出される、実際に三元触媒７に流入した排気の空燃比の推移を表したものである。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）の線Ｌ５１で示される指令（目標空燃比）に基づいた排気空燃比の調整が行われているときの、酸素濃度センサ９による検出値の推移を示す図である。また、図５（ｃ）は、同じように、図５（ａ）の線Ｌ５１で示される指令（目標空燃比）に基づいた排気空燃比の調整が行われているときの、三元触媒７内の空燃比の推移を示す図である。また、図５（ｄ）は、同じように、図５（ａ）の線Ｌ５１で示される指令（目標空燃比）に基づいた排気空燃比の調整が行われているときの、三元触媒７から流れ出る排気に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの含有量推移を示す図である。

図５に示すＣｍａｘ法では、図２に示すケースと同じように、酸素濃度センサ９の出力が、リッチ出力となったとき、又はリーン出力となったときに、線Ｌ５１で示されるＥＣＵ２０からの目標空燃比が、ステップ状に変化する。したがって、この場合、三元触媒７に流入する排気空燃比の調整に関するリーン移行モードとリッチ移行モードがステップ状に交互に切り替わることになる。このような場合、三元触媒７が急激な排気空燃比の変動に晒されるため、三元触媒７内での酸素吸蔵、放出を十分に行い得る環境が形成されにくくなる。そのため、図５（ｄ）に示すように、三元触媒７から流出するガスに、リーンガス成分であるＮＯｘと、リッチガス成分であるＣＯ、ＨＣが混在して存在することになり、上述した、酸素濃度センサ９の、リーンガス成分に対する検出感度の低下傾向と、リッチガス成分濃度に対する強い依存性により、酸素濃度センサ９において、実際の排気空燃比は弱リッチの空燃比であるにもかかわらず強リッチの空燃比に対応する出力電圧を示してしまう特性が現れる。この酸素濃度センサ９によるリッチ空燃比に対して過出力してしまう特性を、「リッチ側過出力特性」と称する。

このリッチ側過出力特性により、Ｃｍａｘ法実行時に、三元触媒７の内部が十分なリッチ空燃比の状態（例えば、図２に示す所定のリッチ空燃比ＡＦＲの状態）に至らなかったり、もしくは至ったとしてもその状態に留まる時間が比較的短くなったりする。図５に示す例においても、図５（ｃ）で示すように、三元触媒７の内部の排気空燃比について、リッチ側の到達空燃比がリッチ側の到達空燃比より浅い状態、すなわちストイキ空燃比を基準としたときの排気空燃比のリッチ側へのシフト量が小さい状態となっている。

このように、Ｃｍａｘ法において、酸素濃度センサ９が有する上記特性に起因して、三元触媒７の内部の排気空燃比が十分なリッチ状態に至らないと、結果として、三元触媒７の酸素放出量が小さく算出されることになり、以て、三元触媒７のＯＳＣ算出の精度低下を招くことになる。また、三元触媒７のＯＳＣが本来のＯＳＣより小さく算出されることで、三元触媒７が劣化していないにもかかわらず、劣化したものと誤って判定しかねない。そのため、三元触媒７のＯＳＣ算出に当たりＣｍａｘ法を利用する場合には、酸素濃度センサ９の上記特性を十分に考慮する必要がある。

また、排気中の硫黄成分（Ｓ成分）により三元触媒７が硫黄被毒（Ｓ被毒）した場合、結果として三元触媒７の排気浄化能が低下するため、三元触媒７から流れ出る排気中のリッチガス成分（ＨＣ等）の量が増え、酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性により、Ｃｍａｘ法でのリッチ移行モード実行時に、三元触媒７の内部の空燃比が浅い状態となってしまう。その結果、三元触媒７のＯＳＣが小さく算出されてしまう。

この三元触媒７のＳ被毒によるＯＳＣ算出精度の低下について、図６に基づいて具体的に説明する。図６は、従来のＣｍａｘ法により三元触媒７のＯＳＣを算出しようとする際の、Ｓ成分をほとんど含まない正常燃料を使用したケースと、Ｓ成分を２００ｐｐｍ程度含むＳ含有燃料を使用したケースにおける、各パラメータの推移を示す。なお、各パラメータの推移において、Ｓ含有燃料を使用したケースの推移には、参照番号に「Ｓ」を添付し、正常燃料を使用したケースの推移には、「Ｓ」の添付は行わないものとする。そして、図６（ａ）は、三元触媒７に流入する排気空燃比の推移を示す図であり、特に、線Ｌ６１は、燃料噴射弁６からの燃料噴射を介して調整される三元触媒７に流入する排気の空燃比に関する、ＥＣＵ２０からの指令（目標空燃比）の推移を表したものであり、線Ｌ６２は、空燃比センサ８で検出される、実際に三元触媒７に流入した排気の空燃比の推移を表したものである。また、図６（ｂ）の推移線Ｌ６３は、図６（ａ）の線Ｌ６１で示される指令（目標空燃比）に基づいた排気空燃比の調整が行われているときの、酸素濃度センサ９による検出値の推移を示す図である。また、図６（ｃ）の推移線Ｌ６４は、同じように、図６（ａ）の線Ｌ６１で示される指令（目標空燃比）に基づいた排気空燃比の調整が行われているときの、三元触媒７内の空燃比の推移を示す図である。また、図６（ｄ）の推移線Ｌ６５、Ｌ６６は、同じように、図６（ａ）の線Ｌ６１で示される指令（目標空燃比）に基づいた排気空燃比の調整が行われているときの、三元触媒７から流れ出る排気に含まれるＮＯｘ、ＨＣの含有量推移を示す図である。そして、線Ｌ６１Ｓ、線Ｌ６２Ｓ、線Ｌ６３Ｓ、線Ｌ６４Ｓ、線Ｌ６５Ｓで示される推移は、線Ｌ６１、Ｌ６２、Ｌ６３．Ｌ６４、Ｌ６５で示される各パラメータ推移の、Ｓ含有燃料使用時の推移に対応するものである。

図６（ｄ）に示すように、Ｓ含有燃料では燃料中にＳ成分が比較的高く含まれることから、三元触媒７がＳ被毒し、その排気浄化能が低下することで、三元触媒７から流出する排気中のＮＯｘ濃度やＨＣ濃度が高くなる。その結果、酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性により、図６（ｂ）に示すように、リーン移行モードが開始されると、Ｓ含有燃料を使用したケースでは酸素濃度センサ９のリッチ出力が、正常燃料を使用したケースよりも長く続かず、以て、図６（ｃ）に示すように、Ｓ含有燃料を使用したケースでは、三元触媒７の内部の空燃比が、正常燃料を使用したケースよりも浅い状態となる。そのため、図６（ａ）で示される排気空燃比の推移から算出される三元触媒７のＯＳＣが、本来のＯＳＣよりも低い値に算出されることになる。

更に、酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性の結果、図６（ｃ）に示すように三元触媒７の内部を十分なリッチ空燃比の状態に至らしめることが難しくなることから、Ｃｍａｘ法を行っている過程において、Ｓ被毒が生じている三元触媒７の当該Ｓ被毒の解消を図ることが難しくなる。そのため、更に三元触媒７から流れ出る排気中のリッチガス成分が増え、酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性がより顕著となる悪循環に陥る可能性がある。

このように、図２や図５等に示す従来のＣｍａｘ法では、酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性により、三元触媒７のＯＳＣを本来のＯＳＣより小さく算出するおそれがある。本出願人は、この従来のＣｍａｘ法による課題を解決し、より正確な三元触媒７のＯＳＣ算出を可能とする制御を発明した。正確なＯＳＣ算出は、適切な三元触媒７の劣化判定に資するものであるため、極めて有用なものと考えられる。そこで、本発明に係るＯＳＣの算出、および当該算出ＯＳＣに基づいた三元触媒７の劣化判定制御の具体的な実施例について、図７に基づいて説明する。図７は、ＥＣＵ２０によって行われる触媒劣化判定制御のフローチャートであり、当該制御は、ＥＣＵ２０によって所定の時間毎に繰り返し実行される。このＥＣＵ２０は、実質的にはＣＰＵ、メモリ等を含むコンピュータに相当し、そこで制御プログラムが実行されることで図７に示すフローチャートに係る制御や後述の各種の制御が実行される。

また、図８は、図７に示す触媒劣化判定制御が行われているときの、本発明に係る改良したＣｍａｘ法により三元触媒７のＯＳＣを算出しようとする際の、各パラメータの推移を示す。なお、図８に示す各パラメータの表示形態は、図５に示す各パラメータの表示形態と同じである。したがって、図８（ａ）に示す線Ｌ８１は、燃料噴射弁６からの燃料噴射を介して調整される三元触媒７に流入する排気の空燃比に関する、ＥＣＵ２０からの指令（目標空燃比）の推移を表したものであり、線Ｌ８２は、空燃比センサ８で検出される、実際に三元触媒７に流入した排気の空燃比の推移を表したものである。また、図８（ｂ）は、図５（ｂ）と同じように酸素濃度センサ９による検出値の推移を示す図である。また、図８（ｃ）は、図５（ｃ）と同じように、三元触媒７内の空燃比の推移を示す図である。また、図８（ｄ）は、図５（ｄ）と同じように、三元触媒７から流れ出る排気に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの含有量推移を示す図である。

先ず、Ｓ１０１では、アクティブ空燃比制御が開始される。当該アクティブ空燃比制御は、三元触媒７のＯＳＣをＣｍａｘ法にて算出するために、三元触媒７に流れ込む排気空燃比を、ストイキ空燃比（１４．６）を中心として、積極的に所定のリーン空燃比ＡＦＬ（例えば、１５）と所定のリッチ空燃比ＡＦＲ（例えば、１４）との間で変動させる制御である。そして、アクティブ空燃比制御において、排気空燃比をリーン側からリッチ側に移行させる移行モードを「リッチ移行モード」と称し、反対に、排気空燃比をリッチ側からリーン側に移行させる移行モードを「リーン移行モード」と称する。なお、本実施例では、後述するように、アクティブ空燃比制御における排気空燃比の変化は、いわゆる徐変であり、そのため図８（ａ）の線Ｌ８１で示されるように、ＥＣＵ２０から出される指令（目標空燃比）も、リーン移行モードおよびリッチ移行モードにおいて、緩やかに変化することになる。この排気空燃比の徐変が、本発明に係る「排気空燃比の変化率が所定の変化率に制限された状態」に相当する。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、アクティブ空燃比制御における移行モードが、リッチ移行モードか否かが判定される。Ｓ１０２で肯定判定されるとＳ１０３〜Ｓ１０７の処理が行われ、Ｓ１０２で否定判定されるとＳ１０８〜Ｓ１１２の処理が行われる。なお、前者は、リッチ移行モードの際の排気空燃比の徐変および三元触媒７の酸素放出量の算出に関する一連の処理であり、後者は、リーン移行モードの際の排気空燃比の徐変および三元触媒７の酸素吸蔵量の算出に関する一連の処理である。

そこで、先ず、Ｓ１０３〜Ｓ１０７の処理について説明する。Ｓ１０３では、リッチ移行モード時において、三元触媒７における酸素放出量が積算される。酸素放出量の積算については、図２に基づいて説明したように、実際に三元触媒７に流入する排気空燃比の推移および排気流量等に基づいて行われる。次に、Ｓ１０４では、リッチ移行モードからリーン移行モードに切り替えられるタイミングか否かが判定される。具体的には、酸素濃度センサ９の出力電圧が、切替閾値のリッチ出力ＶＲ（例えば、０．７Ｖ）を超えた場合には、切替タイミングに到達したと判定される。そこで、Ｓ１０４で肯定判定されるとＳ１０７へ進み、リーン移行モードへの切り替えが行われる。

一方で、Ｓ１０４で否定判定されると、リッチ移行モードが継続されることを意味し、Ｓ１０５へ進む。そして、Ｓ１０５では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ΔＡＦＲだけ減少される。ΔＡＦＲとしては、例えば０．００２が設定され、本実施例のアクティブ空燃比制御では空燃比の変動幅が１であるから、Ｓ１０５では目標空燃比を０．２％減少されることになる。後述するように、Ｓ１０５の処理は目標空燃比が所定のリッチ空燃比ＡＦＲに到達するまで繰り返されるため、その結果、図８（ａ）の線Ｌ８１で示すように、目標空燃比は徐変（減少）することになる。このように目標空燃比が徐変されることで、リッチ移行モードにおいて、三元触媒７に流れ込む排気空燃比の変化率が所定の変化率以下に制限された状態、換言すると、三元触媒７に流れ込む排気空燃比が、所定のリッチ空燃比ＡＦＲに向かって緩やかに減少していく状態が形成されることになる。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。Ｓ１０６では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から出される目標空燃比が、所定のリッチ空燃比ＡＦＲに到達したか否かが判定される。Ｓ１０６で肯定判定されるとＳ１０７へ進み、リーン移行モードへの切り替えが行われ、一方でＳ１０６で否定判定されるとＳ１１３へ進む。

次に、Ｓ１０８〜Ｓ１１２の処理について説明する。Ｓ１０８では、リーン移行モード時において、三元触媒７における酸素吸蔵量が積算される。酸素吸蔵量の積算については、Ｓ１０３の酸素放出量の積算処理と同様である。次に、Ｓ１０９では、リーン移行モードからリッチ移行モードに切り替えられるタイミングか否かが判定される。具体的には、酸素濃度センサ９の出力電圧が、切替閾値のリッチ出力ＶＬ（例えば、０．２Ｖ）を下回った場合には、切替タイミングに到達したと判定される。そこで、Ｓ１０９で肯定判定されるとＳ１１２へ進み、リッチ移行モードへの切り替えが行われる。

一方で、Ｓ１０９で否定判定されると、リーン移行モードが継続されることを意味し、
Ｓ１１０へ進む。そして、Ｓ１１０では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から出される目標空燃比が、ΔＡＦＬだけ増加される。ΔＡＦＬとしては、例えばＳ１０５で示したΔＡＦＲと同じように、０．００２が設定される。これにより、Ｓ１１０の処理は目標空燃比が所定のリーン空燃比ＡＦＬに到達するまで繰り返されるため、その結果、図８（ａ）の線Ｌ８１で示すように、目標空燃比は徐変（増加）することになる。このように目標空燃比が徐変されることで、リーン移行モードにおいて、三元触媒７に流れ込む排気空燃比の変化率が所定の変化率以下に制限された状態、換言すると、三元触媒７に流れ込む排気空燃比が、所定のリーン空燃比ＡＦＬに向かって緩やかに増加していく状態が形成されることになる。Ｓ１１０の処理が終了すると、Ｓ１１１へ進む。Ｓ１１１では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から出される目標空燃比が、所定のリーン空燃比ＡＦＬに到達したか否かが判定される。Ｓ１１１で肯定判定されるとＳ１１２へ進み、リッチ移行モードへの切り替えが行われ、一方でＳ１１１で否定判定されるとＳ１１３へ進む。

Ｓ１１３では、三元触媒７のＯＳＣ算出が完了したか否かが判定される。例えば、Ｓ１０３の酸素放出量の積算によるリッチ移行モード時の三元触媒７の酸素放出量の算出と、Ｓ１０８の酸素吸蔵量の積算によるリーン移行モード時の三元触媒７の酸素吸蔵量の算出がそれぞれ所定回数行われた場合、Ｓ１１３では肯定判定される。Ｓ１１３で肯定判定されるとＳ１１４へ進み、否定判定されるとＳ１０２以降の処理が繰り返される。

Ｓ１１４では、三元触媒７のＯＳＣに基づいて、その劣化判定が行われる。三元触媒７のＯＳＣには、上記のようにそれぞれ所定回数算出された三元触媒７の酸素放出量と酸素吸蔵量の平均値を利用する。そして、三元触媒７のＯＳＣが、劣化基準となる所定のＯＳＣより低い場合には、三元触媒７は劣化していると判定される。なお、三元触媒７が劣化判定された場合には、ユーザに対してそのことを知らせることが望ましい。

このように図７に示す触媒劣化判定制御では、三元触媒７のＯＳＣを算出するに当たって、アクティブ空燃比制御でのリッチ移行モードおよびリーン移行モードにおいて、三元触媒７に流入する排気空燃比は徐変減少、徐変増加される。その結果、各移行モードで以下に示すように、より正確な三元触媒７のＯＳＣ算出が可能となる。

（１）リッチ移行モード時
三元触媒７から流出する排気においては、流入する排気の空燃比が徐変減少されることによって、三元触媒７に吸蔵されている酸素を放出するための反応時間を十分に確保することができる。そのため、流出排気において、リッチガス成分が急激に増加することを避け、その増加速度が緩和される。このように三元触媒７内の空燃比を徐々に減少（リッチ移行）させることで、三元触媒７がある程度、硫黄被毒していたとしても、そこに吸蔵されている酸素を放出するのに必要な時間は確保し得る。

上記のように、三元触媒７からの流出排気においてリッチガス成分の増加を緩和させることで、三元触媒７の下流側に設けられている酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性の影響は軽減される。そのため、酸素濃度センサ９が晒される雰囲気において、本来はリッチガス成分が少ないにもかかわらずリッチ成分が多いと誤って判断してリーン移行モードへの切り替えが過度に早く行われてしまうことを回避することができる。この結果、本実施例では図８（ｃ）に示すように、リッチ移行モードにより三元触媒７の内部の空燃比状態を、十分に且つ比較的長い時間にわたってリッチ状態とすることができ、従来技術に係る図５（ｃ）に示す空燃比推移と比べても、その違いは明確である。そして、酸素濃度センサ９のリッチ側過出力特性にかかわらず三元触媒７の内部を十分にリッチ状態に到達させることで、三元触媒７の正確なＯＳＣ算出が期待される。

（２）リーン移行モード時
三元触媒７においては、流入する排気の空燃比が徐変増加されることによって、三元触媒７への酸素の吸蔵が徐々に進行する。このとき、三元触媒７からの流出排気に含まれるリッチガス成分濃度は、図８（ｄ）に示すように一時的に増加するが、直ちに減少に転じる。そして、三元触媒７で酸素吸蔵の飽和を迎えた頃に、リッチガス成分濃度は極めて低くなるとともに、三元触媒７からの流出排気中の酸素濃度が増加し始め、図８（ｃ）に示すように、酸素濃度センサ９がリーン出力をすることになる。

このように、三元触媒７からの流出排気におけるリッチガス成分とリーンガス成分（酸素濃度が高い排気）の出現タイミングが、図５に示すケースよりも明確になる。酸素濃度センサ９においては、上記のリッチ側過出力特性により、センサ雰囲気がある程度明確なリーン状態とならないと、実際のリーン空燃比に近い出力を出すことができないが、上記の通り、流入排気の空燃比の徐変増加によって、流出排気においてリッチガス成分とリーンガス成分の出現の区切りが明確になるため、実際の排気空燃比に近いリーン出力を行うことが可能となる。この結果、三元触媒７における酸素吸蔵の飽和タイミングを、的確に酸素濃度センサ９が捉えることができるため、三元触媒７の正確なＯＳＣ算出が期待される。

なお、上記実施例では、アクティブ空燃比制御において、リッチ移行モードでは排気空燃比をΔＡＦＲで減少させ、リーン移行モードでは排気空燃比をΔＡＦＬで増加させている。これらの徐変減少量ΔＡＦＲ、徐変増加量ΔＡＦＬは、それぞれ、酸素濃度センサ９におけるリッチガス成分に対する応答時間、酸素濃度センサ９におけるリーンガス成分に対する応答時間に基づいて設定すればよい。すなわち、酸素濃度センサ９のリッチガス成分に対する応答時間、又はリーンガス成分に対する応答時間よりも緩やかに三元触媒７に流入する排気空燃比をΔＡＦＲ又はΔＡＦＬで徐変させることで、三元触媒７に流入する排気空燃比の推移と、当該推移を制御することになる酸素濃度センサ９の出力推移との間の誤差を低減することができ、以て改良されたＣｍａｘ法に基づいた三元触媒７の正確なＯＳＣ算出、および正確な三元触媒７の劣化判定が可能となる。

なお、実用的には、酸素濃度センサ９の固体差を考慮して、酸素濃度センサ９のリッチガス成分およびリーンガス成分に対する応答時間に関する公差の範囲において、最も遅い応答時間に基づいて、徐変減少量ΔＡＦＲ、徐変増加量ΔＡＦＬを設定すればよい。

本発明の第二の実施例について、図９に基づいて説明する。図９は、第二の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートであり、図７に示す触媒劣化判定制御に含まれる処理と同一の処理については、それと同一の参照番号を付すことでその詳細な説明は割愛する。ここで、図９に示す触媒劣化判定制御では、図７に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１０５の処理に代えて、Ｓ２０１の処理が行われ、同じく図７に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１１０の処理に代えて、Ｓ２０２の処理が行われる。

具体的には、リッチ移行モード時において、Ｓ１０４で否定判定されるとＳ２０１へ進み、Ｓ２０１では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ΔＡＦＲだけ減少される。なお、Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。また、リーン移行モード時においては、Ｓ１０９で否定判定されるとＳ２０２へ進み、Ｓ２０２では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ΔＡＦＬだけ増加される。なお、Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ１１１へ進む。そして、ΔＡＦＲとΔＡＦＬの相関については、ΔＡＦＲ＞ΔＡＦＬとされ、例えば、ΔＡＦＲ＝０．００５、ΔＡＦＬ＝０．００２とすることができる。

以上より、図９に示す触媒劣化判定制御が行われると、アクティブ空燃比制御において三元触媒７に流入する排気空燃比は、図７に示す触媒劣化判定制御と同じように徐変減少、徐変増加される。しかし、上記の通り、アクティブ空燃比制御に関しΔＡＦＲ＞ΔＡＦＬという相関が設定されるため、リッチ移行モード時の排気空燃比の変化率（変化速度の絶対値）は、リーン移行モード時の排気空燃比の変化率（変化速度の絶対値）よりも速く設定されることになる。酸素濃度センサ９は上記のリッチ側過出力特性を有しているため、リッチ空燃比の排気に対する応答速度はリーン空燃比の排気に対する応答速度よりも速い。そのためΔＡＦＲをΔＡＦＬよりも大きく設定しても、図８（ｃ）に示す三元触媒７の内部の空燃比推移と同程度の空燃比推移を実現することが可能である。また、ΔＡＦＲの値をより大きく設定することで、リッチ移行モードに要する時間を短縮でき、三元触媒７の内部の空燃比がストイキ近傍からリッチ空燃比となることによるＮＯｘの放出量を抑制することができる。

本発明の第三の実施例について、図１０に基づいて説明する。図１０は、第三の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートであり、図７に示す触媒劣化判定制御に含まれる処理と同一の処理については、それと同一の参照番号を付すことでその詳細な説明は割愛する。ここで、図１０に示す触媒劣化判定制御では、図７に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１０５、Ｓ１０６の処理に代えて、Ｓ３０１の処理が行われ、同じく図７に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１１０の処理に代えて、Ｓ３０２の処理が行われる。

また、図１１は、図１０に示す触媒劣化判定制御が行われているときの、本発明に係る改良したＣｍａｘ法により三元触媒７のＯＳＣを算出しようとする際の、各パラメータの推移を示す。なお、図１１に示す各パラメータの表示形態は、図５および図８に示す各パラメータの表示形態と同じである。したがって、図１１（ａ）に示す線Ｌ９１は、燃料噴射弁６からの燃料噴射を介して調整される三元触媒７に流入する排気の空燃比に関する、ＥＣＵ２０からの指令（目標空燃比）の推移を表したものであり、線Ｌ９２は、空燃比センサ８で検出される、実際に三元触媒７に流入した排気の空燃比の推移を表したものである。また、図１１（ｂ）は、図５（ｂ）と同じように酸素濃度センサ９による検出値の推移を示す図である。また、図１１（ｃ）は、図５（ｃ）と同じように、三元触媒７内の空燃比の推移を示す図である。また、図１１（ｄ）は、図５（ｄ）と同じように、三元触媒７から流れ出る排気に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの含有量推移を示す図である。

ここで、図１０に示す触媒劣化判定制御では、リッチ移行モード時において、Ｓ１０４で否定判定されるとＳ３０１へ進み、Ｓ３０１では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、リッチ移行モードでの到達目標である所定のリッチ空燃比ＡＦＲに設定される。一方で、リーン移行モード時においては、Ｓ１０９で否定判定されるとＳ３０２へ進み、Ｓ３０２では、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ΔＡＦＬだけ増加される。そして、Ｓ３０２の処理が終了すると、Ｓ１１１へ進む。

以上より、図１０に示す触媒劣化判定制御が行われると、図１１（ａ）に示すように、アクティブ空燃比制御においてリーン移行モード時は、三元触媒７に流入する排気空燃比は徐変増加されるが、リッチ移行モード時では三元触媒７に流入する排気空燃比はステップ状に急変している。すなわち、アクティブ空燃比制御に関し、リーン移行モードとリッチ移行モードのうちリーン移行モードにおいてのみ、三元触媒７に流入する排気空燃比を徐変させている。酸素濃度センサ９は上記のリッチ側過出力特性を有しているため、リッチ空燃比の排気に対する応答速度はリーン空燃比の排気に対する応答速度よりも速い。したがって、リッチ移行モード時の三元触媒７への流入排気の空燃比をステップ状に変化させても、リーン移行モード時は当該排気空燃比を徐変増加しているため、図１１（ｃ）に示すように、三元触媒７の内部の空燃比を十分にリッチ空燃比状態としている。そのため、空燃比の徐変増加による三元触媒７のＯＳＣのある程度正確な算出を可能としながら、エミッション悪化の抑制（特に、ＮＯｘ抑制）や、三元触媒７のＳ被毒の進行抑制、もしくは三元触媒７のＳ被毒の解消等、内燃機関１のエミッション向上も同時に促進することが可能となる。

本発明の第四の実施例について、図１２に基づいて説明する。図１２は、第四の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートであり、図７、図１０に示す触媒劣化判定制御に含まれる処理と同一の処理については、それと同一の参照番号を付すことでその詳細な説明は割愛する。ここで、図１２に示す触媒劣化判定制御では、図１０に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１１１の処理に代えて、Ｓ４０１、Ｓ４０２の処理が行われる。

具体的には、Ｓ３０２の処理が終了するとＳ４０１へ進む。Ｓ４０１では、Ｓ３０２の処理により増加された、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ストイキ空燃比に到達しているか否かが判定される。Ｓ４０１で肯定判定されるとＳ４０２へ進み、Ｓ４０２では、当該目標空燃比が、リーン移行モードでの到達目標である所定のリーン空燃比ＡＦＬに、ステップ状に増加される。Ｓ４０２の処理が終了すると、Ｓ１１３へ進む。一方で、Ｓ４０１で否定判定されるとＳ４０２の処理は迂回され、Ｓ１１３へ進む。

以上より、図１１に示す触媒劣化判定制御が行われると、アクティブ空燃比制御に関し、リッチ移行モードでは、目標空燃比は、当初からステップ状に所定のリッチ空燃比ＡＦＲに設定され、リーン移行モードでは、目標空燃比は、リッチ側空燃比からストイキまでは、ΔＡＦＬで徐変増加され、ストイキ到達以降は、ステップ状に所定のリーン空燃比ＡＦＬに増加される。すなわち、リーン移行モードにおいて、ストイキからリーン側空燃比までの領域において、目標空燃比は速やかに増加されることになる。この結果、図１２に示す触媒劣化判定制御に従えば、第三の実施例と同じように、三元触媒７の正確なＯＳＣ算出と、内燃機関１のエミッション向上を実現しつつ、更に、排気空燃比がリーン状態となる時間を短縮できるため、よりＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。

本発明の第五の実施例について、図１３に基づいて説明する。図１３は、第五の実施例に係る触媒劣化判定制御のフローチャートであり、図７に示す触媒劣化判定制御に含まれる処理と同一の処理については、それと同一の参照番号を付すことでその詳細な説明は割愛する。ここで、図１３に示す触媒劣化判定制御では、図７に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１０５の処理に代えて、Ｓ５０１、Ｓ５０２の処理が行われ、同じく図７に示す触媒劣化判定制御におけるＳ１１０の処理に代えて、Ｓ５０３、Ｓ５０４の処理が行われる。

具体的には、リッチ移行モード時において、Ｓ１０４で否定判定されるとＳ５０１へ進み、Ｓ５０１では、後述するＳ５０２で使用される目標空燃比の徐変減少量ΔＡＦＲの補正が行われる。そして、その後Ｓ５０２へ進み、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ΔＡＦＲだけ減少される。なお、Ｓ５０２の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。また、リーン移行モード時においても、Ｓ１０９で否定判定されるとＳ５０３へ進み、Ｓ５０３では、後述するＳ５０４で使用される目標空燃比の徐変増加量ΔＡＦＬの補正が行われる。そして、その後Ｓ５０４へ進み、アクティブ空燃比制御に関しＥＣＵ２０から燃料噴射弁６に対して出される指令である目標空燃比が、ΔＡＦＬだけ増加される。なお、Ｓ５０４の処理が終了すると、Ｓ１１１へ進む。

このように本実施例では、Ｓ５０１、Ｓ５０３で、目標空燃比を徐変減少又は徐変増加させるΔＡＦＲ、ΔＡＦＬの値に関する補正処理が行われる。そしてＳ５０１、Ｓ５０３で行われる補正処理は、本質的には同一の処理であるから、図１４に基づいてまとめて説明する。図１４の上段（ａ）図は、三元触媒７に流れ込む排気流量に関連する、内燃機関１の吸入空気流量と、補正係数Ｋ１との相関を示す図である。当該補正係数Ｋ１は、補正前のΔＡＦＲ、ΔＡＦＬに乗じることで、補正後のΔＡＦＲ、ΔＡＦＬを算出するための係数である。三元触媒７に流れ込む排気流量が大きくなると、三元触媒７における酸素の吸蔵、放出反応をより確実に行えるように、その反応時間をより長く確保するのが好ましい。そこで、エアフローメータ４で検出される吸気流量が大きくなるほど、補正係数Ｋ１は小さくなるように設定され、この結果、目標空燃比の徐変減少および徐変増加が、より緩やかに行われることになる。

次に、図１４の下段（ｂ）図は、酸素濃度センサ９のセンサ温度と、補正係数Ｋ２との相関を示す図である。当該補正係数Ｋ２は、補正前のΔＡＦＲ、ΔＡＦＬに乗じることで、補正後のΔＡＦＲ、ΔＡＦＬを算出するための係数である。酸素濃度センサ９のセンサ温度が高くなるほど、リッチガス成分、リーンガス成分に対する酸素濃度センサ９の応答性が高くなる。そこで、酸素濃度センサ９のセンサ温度が高くなるほど、補正係数Ｋ２は大きくなるように設定され、この結果、目標空燃比の徐変減少および徐変増加が、より速やかに行われることになる。

以上より、図１３に示す触媒劣化判定制御が行われると、アクティブ空燃比制御において三元触媒７に流入する排気空燃比は、図７に示す触媒劣化判定制御と同じように徐変減少、徐変増加され、三元触媒７の正確なＯＳＣ算出に寄与する。更に、その排気空燃比の徐変減少、徐変増加の程度が、吸気流量および／または酸素濃度センサ９のセンサ温度に基づいて補正されることで、アクティブ空燃比制御における排気空燃比の変化率がより適切な値となり、変化率が過度に早くなることで三元触媒７のＯＳＣの算出精度が低下したり、変化率が過度に遅くなることで三元触媒７のＯＳＣ算出に要する時間が長期化したりするのを回避することができる。特に、ＯＳＣ算出のために行われるアクティブ空燃比制御は、三元触媒７において、本来、効率よく排気浄化が行えるストイキ近傍の空燃比から積極的に排気空燃比を変動させるものであるため、本実施例による三元触媒７のＯＳＣ算出に要する時間の長期化回避は、実用的にも有用である。

１・・・・内燃機関
２・・・・吸気通路
３・・・・排気通路
４・・・・エアフローメータ
６・・・・燃料噴射弁
７・・・・三元触媒
８・・・・空燃比センサ
９・・・・酸素濃度センサ
２０・・・・ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定システムであって、
前記排気浄化触媒に流れ込む排気の空燃比を調整する排気空燃比調整手段と、
前記排気浄化触媒から流れ出る排気中の酸素濃度を検出するセンサであって、排気中のリッチガス成分が増加するに従い該排気における酸素濃度をよりリッチ空燃比側の酸素濃度として検出する所定の検出特性を有する酸素濃度センサと、
前記排気空燃比調整手段によって排気空燃比をリーン空燃比側からリッチ空燃比側へ移行させるリッチ移行モードと、該排気空燃比調整手段によって排気空燃比をリッチ空燃比側からリーン空燃比側へ移行させるリーン移行モードと、を前記酸素濃度センサによって検出される排気中の酸素濃度に基づいて切り替える空燃比移行手段であって、該リッチ移行モードと該リーン移行モードのうち少なくとも該リーン移行モードにおける排気空燃比の変化率が所定の変化率以下に制限され、且つ、該リッチ移行モードにおける排気空燃比の変化率が、該リーン移行モードにおける排気空燃比の変化率より大きく設定される、空燃比移行手段と、
前記空燃比移行手段によって前記リッチ移行モードと前記リーン移行モードが実行されるときの前記排気浄化触媒における酸素吸蔵能に基づいて、該排気浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、
を備える、触媒劣化判定システム。
前記空燃比移行手段は、
前記リーン移行モード時および前記リッチ移行モード時で、前記排気空燃比の変化率が前記所定の変化率以下に制限されるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行う、
請求項１に記載の触媒劣化判定システム。
前記空燃比移行手段は、
前記リーン移行モード時は、前記排気空燃比の変化率が前記所定の変化率以下に制限されるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行い、
前記リッチ移行モード時は、前記リーン移行モードから前記リッチ移行モードへの切り替え直後に、前記排気空燃比が、該リッチ移行モードにおける到達目的である所定のリッチ空燃比となるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行う、
請求項１に記載の触媒劣化判定システム。
前記空燃比移行手段は、
前記リーン移行モードが行われる期間であって、前記リッチ移行モードから該リーン移行モードへの切り替え直後から、前記排気空燃比がストイキ近傍の空燃比に至るまでの所定期間においては、前記排気空燃比の変化率が前記所定の変化率以下に制限されるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行い、
前記リーン移行モード時において前記所定期間が終了すると、該所定期間の終了直後に、前記排気空燃比が、該リーン移行モードにおける到達目的である所定のリーン空燃比となるように、前記排気空燃比調整手段による排気空燃比の調整を行う、
請求項３に記載の触媒劣化判定システム。
前記所定の変化率は、前記酸素濃度センサにおける排気中のリッチガス成分およびリーンガス成分との応答速度に基づいて設定される、
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。
前記酸素濃度センサの温度が高くなるに従い、前記所定の変化率を大きく補正する補正手段を、
更に備える、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。
前記排気浄化触媒に流れ込む排気の流量が多くなるに従い、前記所定の変化率を小さく補正する補正手段を、
更に備える、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。