JP7021984B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、触媒装置の異常を診断する技術に関する。

特許文献１には、触媒装置と、触媒装置上流の第１酸素センサと、第１酸素センサの出力に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する手段と、触媒装置下流の第２の酸素センサと、第２酸素センサの出力を閾値と比較して計数した反転回数に基づいて触媒装置の劣化を判定する手段と、フィードバック制御される空燃比を第２酸素センサの出力に基づいて補正する手段と、この補正値に基づいて第２酸素センサの反転回数の計数に用いる閾値を増減させる手段と、を備える、触媒劣化判定装置が開示されている。

特開平０７－１８９６６４号公報

しかし、触媒装置下流の空燃比センサの検出出力の反転回数に基づき触媒装置の異常（劣化）を判定する劣化判定装置では、空燃比がリッチ又はリーンに偏っている場合、触媒下流の空燃比センサの出力を反転させるために空燃比を大きく変動させる必要が生じ、係る空燃比変動によって内燃機関の運転性や排気性状が低下する可能性があった。

本発明は、従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、空燃比変動を抑制しつつ触媒装置の異常の有無を判定できる、内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明によれば、その１つの態様において、触媒装置の異常の有無を診断するときに、空燃比を周期的に変動させるとともに平均空燃比をリッチ側若しくはリーン側へ徐々にシフトさせ、酸素センサの検出信号の出力範囲内で前記酸素センサの平均出力を所定値だけ変化させるのに要した空燃比のシフト操作量が判定値を超えるときに、前記触媒装置の異常発生に対応する異常情報を設定する。

上記発明によると、触媒装置下流の空燃比センサの平均出力に基づき診断するから、空燃比変動を抑制しつつ触媒装置の異常の有無を判定でき、触媒診断に伴って内燃機関の運転性や排気性状が低下することを抑制できる。

内燃機関のシステム構成を示す図である。 制御装置による触媒装置の診断処理を示すフローチャートである。 診断処理における目標空燃比、酸素センサの検出出力、シフト学習分の変化を示すタイムチャートである。 触媒装置の異常判定値のマップを示す図である。 診断処理において酸素センサの平均出力を変化させるパターンを説明するための図である。 診断処理におけるシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの漸増（漸減）処理を説明するための図である。 診断処理におけるシフト学習分ＡＦＳＨＯＳのステップ幅の予測演算を説明するための線図である。 酸素ストレージ能力の低下に因る酸素センサの検出出力の変化を説明するためのタイムチャートである。 触媒装置が正常であるとき及び酸素ストレージ能力が低下した状態での酸素センサの平均出力とシフト操作量との相関を示す線図である。 制御装置による触媒装置の診断解除処理を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、車両用の内燃機関１１の一態様を示すシステム構成図である。
図１において、内燃機関１１の吸気は、空気流量計１２、電制スロットル弁１３、コレクタ１４の順に通過し、その後、各気筒に備わる吸気管１５、吸気弁１６を介して燃焼室１７に吸引される。

燃料噴射弁２１は、各気筒の吸気管１５にそれぞれ設置され、吸気管１５（吸気ポート）内に燃料を噴射する。なお、内燃機関１１を、燃料噴射弁２１が燃焼室１７内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関とすることができる。
また、内燃機関１１は、点火コイル２２、点火プラグ２３を有する点火装置２４を各気筒にそれぞれ備える。

そして、燃焼室１７内の混合気は、点火プラグ２３が発生する火花により着火燃焼し、燃焼により燃焼室１７内にて生じた排気ガスは、排気弁２５を介して各気筒に備わる排気管２６に排出される。
内燃機関１１は、排気管２６の集合部の直下に配置され、酸素ストレージ能力を有する三元触媒を内蔵した第１触媒装置３１（マニ触媒）と、第１触媒装置３１の下流の排気ダクト３２に配置され、酸素ストレージ能力を有する三元触媒を内蔵した第２触媒装置３３（床下触媒）とを有する。

また、内燃機関１１は、第１触媒装置３１の上流側に配置され、第１触媒装置３１上流の排気空燃比に対応する検出信号ＲＡＢＦを出力する空燃比センサ３４と、第１触媒装置３１の下流側に配置され、第１触媒装置３１下流の排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを示す検出信号ＶＯ２Ｒを出力する酸素センサ３５とを備える。
つまり、空燃比センサ３４は、第１触媒装置３１上流の排気空燃比を検出する第１空燃比センサであり、酸素センサ３５は、第１触媒装置３１下流の排気空燃比を検出する第２空燃比センサである。

なお、酸素センサ３５が出力する検出信号ＶＯ２Ｒは２値の電圧信号であり、酸素センサ３５は、第１触媒装置３１下流の排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときにハイレベルの電圧信号を出力し、第１触媒装置３１下流の排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにローレベルの電圧信号を出力する。
また、内燃機関１１は、排気管２６とコレクタ１４とを連通させる排気還流管４１と、排気還流管４１の開口面積を調整する排気還流制御弁４２とを有する排気還流装置４３を備える。

制御装置５１は、マイクロプロセッサやメモリを有するコンピュータを備え、各種センサからの検出信号を演算処理して、燃料噴射弁２１による燃料噴射、電制スロットル弁１３の開度、点火プラグ２３による点火、排気還流制御弁４２の開度などを制御する機能をソフトウェアとして備える。
制御装置５１は、空燃比センサ３４、酸素センサ３５の検出信号ＲＡＢＦ、ＶＯ２Ｒを受けるとともに、空気流量計１２が出力する内燃機関１１の吸入空気流量ＱＡを示す検出信号、クランク角センサ５２が出力するクランクシャフト５３の回転角位置ＰＯＳを示す検出信号、水温センサ５４が出力する内燃機関１１の冷却水温度ＴＷに示す検出信号、アクセル開度センサ５５が出力するアクセルペダル５６の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣ）を示す検出信号などを受ける。

制御装置５１は、クランクシャフト５３の回転角位置ＰＯＳに基づき機関回転速度ＮＥを算出し、吸入空気流量ＱＡ及び機関回転速度ＮＥに基づき機関負荷を求める。
そして、制御装置５１は、機関負荷、機関回転速度ＮＥ、冷却水温度ＴＷなどの機関運転条件に応じて点火時期及び目標ＥＧＲ量を算出し、点火時期に応じて点火コイル２２に点火信号を出力し、目標ＥＧＲ量に応じて排気還流制御弁４２に開度制御信号を出力する。

また、制御装置５１は、アクセル開度ＡＣＣなどから電制スロットル弁１３の目標開度を算出し、この目標開度に応じて電制スロットル弁１３のスロットルモータを駆動制御する。
更に、制御装置５１は、１燃焼サイクルで燃料噴射弁２１から噴射させる燃料量に比例する燃料噴射パルス幅ＴＩ（ms）、及び、噴射タイミングを演算し、噴射タイミングにおいて燃料噴射パルス幅ＴＩの噴射パルス信号（空燃比制御信号）を燃料噴射弁２１に出力して、内燃機関１１の空燃比を制御する。

以下では、制御装置５１による燃料噴射パルス幅ＴＩの演算処理を詳述する。
制御装置５１は、数１にしたがって燃料噴射パルス幅ＴＩを演算する。

数１において、ＴＰは基本燃料噴射パルス幅、ＴＦＢＹＡは増量係数（燃空比補正係数）、ＡＬＰＨＡは空燃比フィードバック係数、ＫＢＬＲＣは空燃比学習補正値である。

制御装置５１は、機関回転速度ＮＥ、吸入空気流量ＱＡに基づき、理論空燃比相当分の燃料噴射量に相当する基本燃料噴射パルス幅ＴＰを数２にしたがって演算する。
なお、数２において、ｋは燃料噴射弁２１の噴射特性に応じた噴射率である。

また、制御装置５１は、機関回転速度ＮＥや機関負荷（基本燃料噴射パルス幅ＴＰ）などの機関運転状態に基づいて増量係数ＴＦＢＹＡを演算する。
なお、制御装置５１は、目標空燃比を理論空燃比（ストイキ）とする機関運転領域、換言すれば、空燃比フィードバック制御条件では、増量係数ＴＦＢＹＡを1.0に設定し、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチに設定する機関運転領域（例えば、高負荷、高回転領域）では増量係数ＴＦＢＹＡをＴＦＢＹＡ＞1.0に設定し、燃料噴射量を増量する。

また、制御装置５１は、第１触媒装置３１上流の空燃比センサ３４が出力する検出信号ＲＡＢＦから求めた空燃比ＡＦＳＡＦを、シフトマップ値ＡＦＳＭＡＰ及びシフト学習分ＡＦＳＨＯＳで補正して空燃比ＡＦＲを求め（ＡＦＲ＝ＡＦＳＡＦ＋ＡＦＳＭＡＰ＋ＡＦＳＨＯＳ）、この空燃比ＡＦＲが目標空燃比（理論空燃比）に近づくように空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡを演算する。
制御装置５１は、例えば、空燃比ＡＦＲと目標空燃比との偏差に基づく比例積分動作（ＰＩ動作）によって空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡを演算する。

このように、制御装置５１は、空燃比センサ３４（第１空燃比センサ）の出力に基づいて空燃比を制御する制御部としての機能を備える。
シフトマップ値ＡＦＳＭＡＰは、空燃比センサ３４の検出ばらつきを補正するための補正値であり、制御装置５１は、機関負荷及び機関回転速度ＮＥで複数に区分される運転領域毎にシフトマップ値ＡＦＳＭＡＰを記憶するマップを備え、当該マップからそのときの機関負荷及び機関回転速度ＮＥに対応するシフトマップ値ＡＦＳＭＡＰを検索する。

シフト学習分ＡＦＳＨＯＳは、空燃比センサ３４の検出出力と実際の空燃比との相関が経時的にずれることに対処するための補正値で、制御装置５１は、第１触媒装置３１下流の酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに応じてシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを変更する。
つまり、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒ（電圧信号）が、ハイレベル／ローレベルを区別するための閾値を超えていて、第１触媒装置３１下流での排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであることを示すとき、制御装置５１は、空燃比センサ３４の検出信号ＲＡＢＦから求めた空燃比ＡＦＳＡＦをリッチに修正する方向にシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを徐々に変化させる。

また、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒが閾値を下回り、第１触媒装置３１下流での排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであることを示すとき、制御装置５１は、空燃比センサ３４の検出信号ＲＡＢＦから求めた空燃比ＡＦＳＡＦをリーンに修正する方向にシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを徐々に変化させる。
更に、制御装置５１は、空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡの平均値を機関負荷及び機関回転速度ＮＥで複数に区分される運転領域毎に空燃比学習補正値ＫＢＬＲＣとして更新可能に記憶するマップを備え、当該マップからそのときの運転条件に対応する空燃比学習補正値ＫＢＬＲＣを検索して、燃料噴射パルス幅ＴＩを演算する。
ここで、制御装置５１は、空燃比学習補正値ＫＢＬＲＣによる燃料噴射パルス幅ＴＩの補正によって、空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡを初期値である1.0付近に収束させることになる。

制御装置５１は、前述のように、第１触媒装置３１上流の空燃比センサ３４の検出信号ＲＡＢＦ、及び、第１触媒装置３１下流の酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに基づき、内燃機関１１の空燃比を制御するとともに、係る空燃比制御を利用して第１触媒装置３１の異常（触媒劣化による酸素ストレージ能力の低下）の有無を診断する機能を有する。
以下では、制御装置５１による第１触媒装置３１の診断処理を詳述する。

図２のフローチャートは、制御装置５１による診断処理のメインルーチンを示し、図３のタイムチャートは、診断処理における目標空燃比、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒ、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳの変化を例示する。
制御装置５１は、まず、ステップＳ１０１で、第１触媒装置３１についての診断処理の許可条件が成立しているか否かを判断する。

ステップＳ１０１で、制御装置５１は、例えば、以下の条件（１）－（４）が全て成立しているときに、診断処理の許可条件が成立していると判断する。
・条件（１）：「空燃比センサ３４、酸素センサ３５、空気流量計１２、クランク角センサ５２などの空燃比制御（燃料噴射量制御）に関与する各種センサそれぞれについての診断で異常（故障）を診断していない。」
・条件（２）：「制御装置５１の自己診断で異常を診断していない。」
・条件（３）：「冷却水温度ＴＷが所定温度範囲内（例えば、70℃－120℃）である。」
・条件（４）：「酸素センサ３５のイニシャライズが完了している。」

条件（１）は、空燃比制御に関わる各種センサが故障していて制御装置５１が空燃比制御を正常に実施できない状態では、第１触媒装置３１の異常診断も正常に実施できないので、空燃比制御に関わる各種センサが正常であることを、診断処理の許可条件とする。
条件（２）は、制御装置５１を構成するコンピュータなどの異常によって診断処理を正しく実行できない状態で、制御装置５１が第１触媒装置３１の異常診断を実施してしまうことを抑止するための診断条件である。

条件（３）は、内燃機関１１が冷機状態や過熱状態ではなく、制御装置５１が、理論空燃比を目標空燃比とする空燃比フィードバック制御を行う条件で、診断処理を実施するための診断条件である。
条件（４）は、基準酸素濃度の雰囲気下における酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに基づく、検出信号ＶＯ２Ｒの校正が完了しているか否かを判断するもので、出力特性の経時的なドリフトが診断精度に影響することを抑止するための診断条件である。

制御装置５１は、ステップＳ１０１で第１触媒装置３１についての診断処理の許可条件が成立していると判断すると、ステップＳ１０２に進み、内燃機関１１の運転状態が診断領域条件を満たしているか否かを判断する。
ステップＳ１０２で、制御装置５１は、例えば、以下の条件（５）－（７）が全て成立する状態が設定時間以上継続しているときに、内燃機関１１の運転状態が診断領域条件を満たしていると判断する。
・条件（５）：「定常条件」
・条件（６）：「第１診断領域条件」
・条件（７）：「第２診断領域条件」

条件（５）の「定常条件」は、制御装置５１による診断が内燃機関１１の定常運転状態であるときに行われるようにし、内燃機関１１の過渡運転に伴う空燃比変動に影響されて第１触媒装置３１の異常が誤診断されることを抑止するための診断条件である。
制御装置５１は、例えば、以下の条件（5-1）－（5-3）が全て成立するときに、条件（５）の「定常条件」の成立を判断する。
・条件（5-1）：「機関回転速度ＮＥの所定時間での変化量の絶対値が設定値以下である。」
・条件（5-2）：「基本燃料噴射パルス幅ＴＰ（機関負荷）の所定時間での変化量の絶対値が設定値以下である。」
・条件（5-3）：「第１触媒装置３１の温度（推定温度）が活性判定温度を超える状態が設定時間以上継続している。」
つまり、制御装置５１は、機関回転速度ＮＥ及び機関負荷が略一定で、かつ、第１触媒装置３１の温度が活性温度以上で安定しているときに、条件（５）の「定常条件」の成立を判断する。

また、条件（６）の「第１診断領域条件」は、主に、内燃機関１１が第１触媒装置３１の診断処理に適した領域で運転されていることを診断領域条件とするものである。
制御装置５１は、例えば、以下の条件（6-1）－（6-5）が全て成立するときに、条件（６）の「第１診断領域条件」の成立を判断する。
・条件（6-1）：「機関回転速度ＮＥが所定領域内（例えば、1000rpm－2200rpm）である。」
・条件（6-2）：「基本燃料噴射パルス幅ＴＰ（機関負荷）が所定領域内である。」
・条件（6-3）：「車速が設定速度（例えば、40km/h－50km/h）を超えている。」
・条件（6-4）：「内燃機関１１の吸入空気流量が許容最大値を下回っている。」
・条件（6-5）：「空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡの平均値が1.0を含む所定範囲内である。」
つまり、制御装置５１は、内燃機関１１が所定の負荷・回転領域で運転されている走行状態で、しかも、空燃比が安定しているときに、条件（６）の「第１診断領域条件」の成立を判断する。

なお、車輪の駆動源として内燃機関１１及び電動モータを備えるパラレル方式のハイブリッド車両において、制御装置５１は、内燃機関１１と車輪との間での動力伝達が遮断された状態（電動モータによる走行状態）であるときに、条件（６）の「第１診断領域条件」の成立を判断することができる。
内燃機関１１と車輪との間での動力伝達が遮断された状態であれば、診断に伴う内燃機関１１のトルク変動などが車両の運転性に影響することを抑止できる。

また、条件（７）の「第２診断領域条件」は、内燃機関１１の空燃比のフィードバック制御状態であることを診断領域条件とするものである。
制御装置５１は、例えば、以下の条件（7-1）－（7-2）が全て成立する状態が所定時間以上継続しているときに、条件（７）の「第２診断領域条件」の成立を判断する。
・条件（7-1）：「減速燃料カット中でない（アイドルスイッチがオフである）。」
・条件（7-2）：「空燃比フィードバック制御中である。」
つまり、制御装置５１は、燃料噴射弁２１による燃料噴射が行われて燃焼サイクルが実行される状態で、かつ、空燃比センサ３４の出力に基づく燃料噴射量の補正によって実空燃比を目標空燃比（理論空燃比）に近づける制御を実施しているときに、条件（７）の「第２診断領域条件」の成立を判断する。

制御装置５１は、ステップＳ１０１で、診断処理の許可条件が成立していると判断し、更に、ステップＳ１０２で、内燃機関１１の運転状態が診断条件を満たしていると判断すると、第１触媒装置３１の診断処理を実施できると判断し、ステップＳ１０３以降の診断処理に進む。
制御装置５１は、ステップＳ１０３で、空燃比フィードバック制御における目標空燃比を、通常の目標空燃比（目標空燃比＝理論空燃比）から、理論空燃比を中心に一定周期でリッチ側及びリーン側に変動する診断用目標空燃比に切り替え、この診断用目標空燃比と空燃比ＡＦＲとの比較に基づき空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡを演算する。

診断用目標空燃比は、図３に示しように、理論空燃比よりもリッチである所定のリッチ空燃比を一定時間保持した後、理論空燃比よりもリーンである所定のリーン空燃比にまでステップ的に切り替わり、リーン空燃比を一定時間保持した後リッチ空燃比にまでステップ的に切り替わることを繰り返すことで周期的な変動を示す、目標空燃比である。
制御装置５１は、周期的に変動する診断用目標空燃比に基づく空燃比フィードバック係数ＡＬＰＨＡの演算を開始するときに、ステップＳ１０４に進み、診断用目標空燃比に切り替える前のシフト学習分ＡＦＳＨＯＳをメモリに保存する。

制御装置５１は、第１触媒装置３１の診断処理中において、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに基づくシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの更新を停止し、後述するように、検出信号ＶＯ２Ｒの平均値を設定値だけ変化させるようにシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを変更する。そして、制御装置５１は、診断処理が完了して目標空燃比を通常の目標空燃比に戻すと、メモリに保存していた診断開始前のシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを初期値として、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに基づくシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの更新処理を再開する。

制御装置５１は、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳをメモリに保存した後、ステップＳ１０５に進み、診断用目標空燃比に基づき空燃比フィードバック制御が行われる状態における酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒの中心値ＶＯ２ＲＣ（第２空燃比センサの平均出力）を計測する。
つまり、制御装置５１が周期的に変動する診断用目標空燃比に基づき空燃比フィードバック制御を行うことで排気空燃比が変動し、係る排気空燃比の変動に応じて酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒが変動することになり、制御装置５１は、このときの検出信号ＶＯ２Ｒの平均的な値を中心値ＶＯ２ＲＣとして求める。

制御装置５１は、例えば、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒのリッチ側のピーク値（極大値）とリーン側のピーク値（極小値）との平均値を、中心値ＶＯ２ＲＣ（平均出力）として算出する。
なお、制御装置５１は、図３の時刻ｔ１で診断処理を開始して診断用目標空燃比に切り替えると、時刻ｔ２で空燃比シフト操作を開始するまでの間で、最初の中心値ＶＯ２ＲＣ演算を行い、時刻ｔ２以後も中心値ＶＯ２ＲＣの演算を周期的に行う。

制御装置５１は、次のステップＳ１０６で、診断用目標空燃比と空燃比ＡＦＲとの比較に基づく空燃比フィードバック制御における空燃比の制御中心（平均空燃比）を、リッチ方向若しくはリーン方向に徐々にシフトさせる診断用空燃比シフト処理を実施する。
このように、制御装置５１は、第１触媒装置３１の異常の有無を診断するときに、空燃比センサ３４の出力に基づき制御する空燃比を、周期的に変動させるとともに平均空燃比をリッチ側若しくはリーン側へ徐々にシフトさせるシフト操作部としての機能を備える。

ここで、制御装置５１は、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒの中心値ＶＯ２ＲＣ（平均出力）を所定値だけ変化させるように、平均空燃比のシフト操作を実施する。
詳細には、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させるように、つまり、中心値ＶＯ２ＲＣが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａに一致する状態から診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂまで変化するように、又は、中心値ＶＯ２ＲＣが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂに一致する状態から診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａまで変化するように、空燃比ＡＦＲを補正するシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを徐々に変化させる（図３参照）。

ここで、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａは、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂよりもリッチ側の検出信号ＶＯ２Ｒである（ＶＯ２ＲＣ-Ａ＞ＶＯ２ＲＣ-Ｂ）。
制御装置５１は、診断用目標空燃比に切り替えた後で空燃比シフト処理を開始する前における中心値ＶＯ２ＲＣ（以下、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉと称する。）に基づき、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとを定める。

図４は、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａ、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂの選定に用いるマップを示す。
制御装置５１は、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒの出力範囲を一定幅で複数に区切ったときのいずれの領域に初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉ（初期平均出力）が含まれるかを判断し、該当する領域の上下の境界値を診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａ、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとして定める。

例えば、検出信号ＶＯ２Ｒの出力範囲が200mVから800mVで、係る出力範囲が100mV幅で６領域に区切られる場合に、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉが400mV＜ＶＯ２ＲＣ-Ｉ≦500mVであれば400mV、500mVが境界値となり、制御装置５１は、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａ＝500mV、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂ＝400mVと定める。
図５は、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとで挟まれる領域内で中心値ＶＯ２ＲＣを変化させるパターンを示す。

図５のパターン１では、制御装置５１は、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとのうち初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉにより近い一方の境界値（診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂ）を、中心値ＶＯ２ＲＣを最初に到達させる目標に定めて、係る到達目標にまで中心値ＶＯ２ＲＣを変化させるための制御中心（平均空燃比）のシフト方向（シフト学習分ＡＦＳＨＯＳを変化させる方向）を設定し、係るシフト方向に向けてシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを徐々に変化させる。

中心値ＶＯ２ＲＣが初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉにより近い一方の境界値（診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂ）に達すると、制御装置５１は、シフト方向を反転させて中心値ＶＯ２ＲＣを他方の境界値（診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａ）に向けて変化させる。
このように、制御装置５１は、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとのうちの最初の到達目標を、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉにより近い側に設定するので、中心値ＶＯ２ＲＣの変化領域を予め規定しつつ、中心値ＶＯ２ＲＣを効率よく変化させることができ、診断処理に要する時間を短くできる。

図５のパターン２は、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの中間値である場合である。この場合、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを最初に到達させる目標として、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとのいずれを選択してもよい。
図５のパターン３は、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとのいずれか一方に一致する場合である。この場合、制御装置５１は、他方の境界値に向けて中心値ＶＯ２ＲＣを変化させるシフト操作を開始することになる。

図６は、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳの操作方法を示す。
制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させるためにシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを徐々に変化させるシフト操作において、図６に示すように、一定周期毎に所定のステップ幅だけシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを変化させる。

ここで、制御装置５１は、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳを一定周期毎に変化させるステップ幅を固定値とすることができ、また、内燃機関１１の吸入空気流量などの運転条件に応じてステップ幅を変更することができる。
制御装置５１は、吸入空気流量に応じてステップ幅を変更する場合、吸入空気流量が多いほどステップ幅をより小さく設定することで、平均空燃比をリッチ側若しくはリーン側へ徐々にシフトさせる速度を内燃機関１１の吸入空気流量が多いときほど遅くする。

係る吸入空気流量に応じたステップ幅の設定により、シフト操作に対する排気空燃比の感度が吸入空気流量に応じて異なることに対処でき、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させるためにシフト操作を安定して行える。
また、図７は、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳを一定周期毎に変化させるステップ幅の学習処理を説明するための図である。

制御装置５１は、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳを設定回数だけ変化させても、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの一方から他方まで中心値ＶＯ２ＲＣが変化しないときに、それまでのシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの変化代に対する中心値ＶＯ２ＲＣのシフト量の傾向から、到達目標に達するのに要求されるステップ幅を予測し、予測したステップ幅だけシフト学習分ＡＦＳＨＯＳをステップ変化させる。
このようにしてステップ幅が変更される構成では、オーバーシュートの発生を抑止しつつ、中心値ＶＯ２ＲＣを速やかに診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させることができる。

ステップＳ１０６で、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させるようにシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを変化させて、中心値ＶＯ２ＲＣが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａに達したときのシフト学習分ＡＦＳＨＯＳと、中心値ＶＯ２ＲＣが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂに達したときのシフト学習分ＡＦＳＨＯＳとをサンプリングする。

そして、次のステップＳ１０７で、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａに達したときのシフト学習分ＡＦＳＨＯＳと、中心値ＶＯ２ＲＣが診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂに達したときのシフト学習分ＡＦＳＨＯＳとの差として、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させるのに要したシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの変化幅ΔＡＦＳＨＯＳを求める。
次いで、制御装置５１は、ステップＳ１０８に進み、変化幅ΔＡＦＳＨＯＳが判定値以上であるか否かを判断する。

制御装置５１は、変化幅ΔＡＦＳＨＯＳが判定値ＳＬ以上である場合、ステップＳ１０９に進んで、第１触媒装置３１の異常（触媒劣化による酸素ストレージ能力の低下）を判定し、次のステップＳ１１０では、第１触媒装置３１の異常発生に対応する異常情報（エラーコード）を設定して、メモリに保存する。
つまり、制御装置５１は、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒの中心値ＶＯ２ＲＣ（第２空燃比センサの平均出力）を所定値だけ変化させるのに要したシフト操作量に相当する変化幅ΔＡＦＳＨＯＳが判定値ＳＬを超えるときに、第１触媒装置３１の異常発生に対応する異常情報を設定する異常情報設定部としての機能を備える。

制御装置５１は、前記異常情報を、第１触媒装置３１の異常のみを表す情報として設定することができ、また、第１触媒装置３１の異常を含む排気系の異常を表す情報として設定することができる。
また、異常情報は、車両の運転者に異常発生を警告する警告装置の作動条件として用いられ、また、車両の整備・点検において診断履歴として読み出される構成とすることができる。
なお、制御装置５１は、変化幅ΔＡＦＳＨＯＳの大きさに応じて第１触媒装置３１の劣化度合を複数段階に判別することができる。

一方、制御装置５１は、変化幅ΔＡＦＳＨＯＳが判定値ＳＬ未満である場合、ステップＳ１１１に進んで、第１触媒装置３１の正常（酸素ストレージ作用の正常）を判定する。
そして、制御装置５１は、第１触媒装置３１の正常／異常の判別を終えると、ステップＳ１１２に進み、空燃比フィードバック制御における目標空燃比を周期的に変動する診断用目標空燃比から通常の目標空燃比に戻し、更に、メモリに保存していた診断開始前のシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを初期値として、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに基づくシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの更新処理を再開する。

ここで、制御装置５１は、ステップＳ１０８で変化幅ΔＡＦＳＨＯＳと比較する判定値ＳＬを、図４に示すように、酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒの中心値ＶＯ２ＲＣを変化させた領域（診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａ、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂ）、及び、吸入空気流量に応じて設定する。
これは、第１触媒装置３１の酸素ストレージ作用の正常であっても、変化幅ΔＡＦＳＨＯＳが、中心値ＶＯ２ＲＣを変化させた領域及び吸入空気流量に応じて異なる値になるためである。

図８は、第１触媒装置３１の診断のために診断用目標空燃比に基づく空燃比フィードバックが実施されているときの酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒの変化特性を示す図である。
第１触媒装置３１が正常で所期の酸素ストレージ能力を有する場合、空燃比を理論空燃比からリッチ側或いはリーン側にシフトさせると、第１触媒装置３１の上流側での排気空燃比の変動は下流側で出難くなる。これに対し、第１触媒装置３１が劣化し酸素ストレージ能力が低下すると、空燃比を理論空燃比からリッチ側、リーン側にシフトさせた場合でも、第１触媒装置３１下流の排気空燃比の振幅が出やすくなる。

このため、第１触媒装置３１が正常であるときに比べ、劣化によって酸素ストレージ能力が低下すると、空燃比のシフト操作に対する中心値ＶＯ２ＲＣの変化は緩やかになる。
そこで、制御装置５１は、空燃比のシフト操作に対する中心値ＶＯ２ＲＣ（平均出力）の変化が閾値よりも緩いときに、第１触媒装置３１の異常発生（劣化）を判定する。
係る構成の触媒診断処理では、第１触媒装置３１下流の酸素センサ３５の平均出力に基づき診断するから、空燃比がリッチ又はリーンに偏っている場合でも、空燃比変動を抑制しつつ第１触媒装置３１の異常（劣化）の有無を判定でき、触媒診断に伴って内燃機関１１の運転性や排気性状が低下することを抑制できる。

図９は、空燃比のシフト操作量と中心値ＶＯ２ＲＣとの相関が、第１触媒装置３１の劣化による酸素ストレージ能力の低下によって変化する様子を示す。
図９に示すように、第１触媒装置３１が正常で所期の酸素ストレージ能力を有する場合、僅かなシフト操作によって中心値ＶＯ２ＲＣは、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａから所定値だけ離れた診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂにまで変化する。

これに対し、第１触媒装置３１が劣化して酸素ストレージ能力が低下すると、同じ診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａから診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂにまで中心値ＶＯ２ＲＣを変化させるのに要するシフト操作量が正常時よりも拡大する。
したがって、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させるのに要するシフト操作量が、正常時には超えることがない判定値ＳＬ以上になったときに、第１触媒装置３１の劣化によってその酸素ストレージ能力が低下していることを推定できる。

なお、制御装置５１は、中心値ＶＯ２ＲＣを診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａと診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとの間で変化させている途中で、変化幅ΔＡＦＳＨＯＳが判定値ＳＬを超えると判断できるときに、シフト操作を中断して第１触媒装置３１の異常を判定し、診断処理を終わらせることができる。

図１０のフローチャートは、制御装置５１による診断解除処理の流れを示す。
制御装置５１は、ステップＳ２０１で、前記ステップＳ１０１で判断した診断許可条件と前記ステップＳ１０２で判断した診断領域条件との少なくとも一方が不成立になっているか否かを判断する。

そして、診断許可条件及び診断領域条件がともに成立している場合、制御装置５１は、そのまま本ルーチンを終了させて診断処理を継続する。
一方、診断許可条件と診断領域条件との少なくとも一方が不成立になっている場合、制御装置５１は、ステップＳ２０２に進む。

制御装置５１は、ステップＳ２０２で、第１触媒装置３１の診断処理の中止を判断し、空燃比フィードバック制御における目標空燃比を、周期的に変動する診断用目標空燃比から通常の目標空燃比（理論空燃比）に戻す。
また、制御装置５１は、ステップＳ２０２からステップＳ２０３に進み、診断開始前のシフト学習分ＡＦＳＨＯＳをメモリから読み出し、読み出したシフト学習分ＡＦＳＨＯＳを初期値として酸素センサ３５の検出信号ＶＯ２Ｒに基づくシフト学習分ＡＦＳＨＯＳの更新処理を再開する。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、ステップＳ１０１での診断許可条件やステップＳ１０２での診断領域条件などは、診断処理条件の一態様であり、例示した条件に限定されるものではない。
また、制御装置５１は、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉが含まれる規定領域の境界値を診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ａ、診断用設定値ＶＯ２ＲＣ-Ｂとする構成に限定されず、初期中心値ＶＯ２ＲＣ-Ｉから所定値だけ離れた設定値に向けて中心値ＶＯ２ＲＣを変化させるように、空燃比のシフト操作を実施することができる。

また、第１触媒装置３１の異常発生に対応する異常情報の設定には、触媒異常を含む排気系の異常を車両の運転者に知らせる警報装置の作動処理などが含まれる。
また、平均空燃比をリッチ側若しくはリーン側へ徐々にシフトさせるシフト操作は、シフト学習分ＡＦＳＨＯＳを変更する処理に限定されず、結果的に、第１触媒装置３１上流側の排気空燃比をリッリ方向又はリーン方向にシフトさせることができる各種の補正処理が含まれ、例えば、制御装置５１は、空燃比フィードバックのＰＩ動作における積分定数の変更などによってシフト操作を行うことができる。

１１…内燃機関、２１…燃料噴射弁、３１…第１触媒装置（触媒装置）、３４…空燃比センサ（第１空燃比センサ）、３５…酸素センサ（第２空燃比センサ）、５１…制御装置

Claims (4)

1. 排気管に配置され、酸素ストレージ能力を有する触媒装置と、
   前記触媒装置の上流側の前記排気管に配置され、前記触媒装置の上流側の排気空燃比に対応する検出信号を出力する空燃比センサと、
   前記触媒装置の下流側の前記排気管に配置され、前記触媒装置の下流側の排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ、リーンを示す検出信号を出力する酸素センサと、
   を有する内燃機関に適用される制御装置であって、
   前記空燃比センサが出力する検出信号に基づいて空燃比を制御する制御部と、
   前記触媒装置の異常の有無を診断するときに、前記制御部によって制御される空燃比を周期的に変動させるとともに平均空燃比をリッチ側若しくはリーン側へ徐々にシフトさせるシフト操作部と、
   前記酸素センサの検出信号の出力範囲内で前記酸素センサの平均出力を所定値だけ変化させるのに要した空燃比のシフト操作量が判定値を超えるときに、前記触媒装置の異常発生に対応する異常情報を設定する異常情報設定部と、
   を有する、内燃機関の制御装置。
2. 前記シフト操作部は、
   前記制御部における目標空燃比を、周期的に変動する診断用目標空燃比に設定し、
   前記制御部が前記診断用目標空燃比と比較する前記空燃比センサの出力を補正するためのシフト補正量を徐々に変化させる、
   請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記シフト操作部は、前記制御部が前記診断用目標空燃比に基づき空燃比を制御する状態であって前記平均空燃比をシフトさせる操作の開始前における前記酸素センサの平均出力である初期平均出力に基づき、前記酸素センサの平均出力を変化させる領域を設定する、
   請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記シフト操作部は、前記酸素センサの出力範囲を区分する複数領域のうちの前記初期平均出力が含まれる領域を、前記酸素センサの平均出力を変化させる領域として選択し、
   選択した領域を挟む２つの境界値のうち前記初期平均出力がより近い一方の境界値に、前記酸素センサの平均出力が到達するようにシフト操作を行った後、他方の境界値に前記酸素センサの平均出力が到達するようにシフト操作を行う、
   請求項３記載の内燃機関の制御装置。

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