WO2023199508A1 - 内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関制御装置は、排ガスの空燃比から求められた内燃機関の燃焼ガスがリーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化し始める積算開始位置から、積算開始位置より前から増加又は減少していた酸素濃度が反転する積算停止位置までの期間で三元触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を積算する。

Description

内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法

　本発明は、内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法に関する。

　従来、内燃機関の排気管に三元触媒を備え、三元触媒の前後に組みつけられた排ガスセンサによって、三元触媒内の酸素貯蔵状態を捉え、酸素貯蔵状態の検出結果に応じて空燃比を補正する制御技術が知られている。この制御技術では、内燃機関に吸入される空気量と排ガスの空燃比と理論空燃比との差分値との積の時間積分によって捉えられた酸素貯蔵状態に基づいて、空燃比のリッチ補正が決定される。さらに、三元触媒の下流に組みつけられた排ガスセンサが、三元触媒の下流に放出される酸素の有無を検知することで、空燃比制御のフィードバック補正を実施する。以下の説明では、三元触媒を「触媒」とも略称する。

特開２０１７－３１８３３号公報 特開２０１２－５７５４５号公報

　触媒内の酸素貯蔵能は触媒の劣化が進行するにつれて変化する。酸素貯蔵能の変化は、電子制御装置により行われる空燃比補正制御の実行有無の判定処理に影響を与えるため、電子制御装置は、触媒の劣化度合いを正確に診断する必要がある。電子制御装置は、触媒の劣化状態の診断を誤判定すると、最適な空燃比の補正制御を実施できず、酸素貯蔵能を適切な範囲に維持することができなくなる。

　特許文献１に記載された技術では、触媒の上流側に設けられた空燃比センサおよび触媒の下流側に設けられた酸素センサにおけるリーン空燃比とリッチ空燃比の反転（変動）回数に基づいて触媒の劣化を判定する。しかしながら、特許文献１に記載された技術は、酸素センサの劣化によるセンサ信号の遅れ影響が考慮されていない。このため、触媒は劣化状態であるにも関わらず、センサ信号が遅れると、正常時のセンサ信号に類似した波形となることから、電子制御装置が触媒劣化を誤診断するという課題があった。

　このような課題に対して、特許文献２に記載された技術では、触媒の下流側の排気通路に配置された酸素センサの応答遅れの影響を除くことで診断精度を向上させていた。特許文献２に記載された技術では、前回トリップのセンサ応答時間計測値を用いて触媒の酸素吸蔵容量を補正して触媒劣化を判定することで、酸素センサの劣化影響を除外している。しかし、酸素センサが劣化していた場合においても、一度、劣化状態の酸素センサから信号を受信する必要がある。この場合、電子制御装置は、触媒劣化に応じた補正制御を実施できず、補正制御を実施できない期間はエミッション性能（内燃機関のテールパイプから排出されるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの排出量低減性能）が悪化しても対応できないおそれがあった。そこで、触媒劣化の誤診断を防ぐためには、触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を正確に求める必要があった。

　本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、三元触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を正確に求めることを目的とする。

　本発明に係る内燃機関制御装置は、排気管内に設けられた三元触媒の上流に配置され、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、三元触媒の下流に配置され、排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサとを備える内燃機関を制御するものである。この内燃機関制御装置は、空燃比から求められた内燃機関の燃焼ガスがリーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化し始める積算開始位置から、積算開始位置より前から増加又は減少していた酸素濃度が反転する積算停止位置までの期間で三元触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を積算する酸素貯蔵量積算部を備える。

　本発明によれば、三元触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を正確に求めることで、触媒劣化の誤診断を防ぐことが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る内燃機関制御システムの全体概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係るＥＣＵのハードウェア構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るＥＣＵの内部構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る後処理システムの構成例を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る排ガスの当量比と空燃比センサの出力との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る排ガスの当量比とリア酸素センサの出力との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るＨ_２Ｏ（水）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ_２（二酸化炭素）、Ｈ_２（水素）、Ｏ_２（酸素）の当量比に対する傾向を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の当量比に対する傾向を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る後処理システムで使用される三元触媒（セリア系）の主な反応過程を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る触媒活性化温度以上における排ガス当量比に対する三元触媒の浄化効率の傾向を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る触媒上流当量比、触媒下流当量比、リア酸素センサ２２の出力挙動を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るリア酸素センサの出力特性のヒステリシス性を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るリア酸素センサの出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る触媒劣化度合いと三元触媒の酸素貯蔵能力との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る三元触媒の酸素貯蔵割合と、三元触媒のＮＯｘ浄化効率との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る新品触媒と劣化触媒を用いた場合における、触媒上流当量比、触媒下流当量比、酸素貯蔵割合、リア酸素センサの出力挙動の比較結果を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るリア酸素センサが新品状態である時の、リア酸素センサの出力であるセンサ電圧の変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るリア酸素センサが劣化状態である時の、リア酸素センサの出力であるセンサ電圧の変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る劣化状態であるリア酸素センサのセンサ電圧の遅れを除外する方法を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射量が減少する時（リッチからリーン）の酸素貯蔵量の積算開始及び停止のタイミングの例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射量が減少する時（リーンからリッチ）の酸素貯蔵量の積算開始及び停止のタイミングの例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る酸素貯蔵量の積算を停止するフローチャートである。 従来の技術を用いた触媒状態の診断結果の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る技術を用いた触媒状態の診断結果の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る酸素貯蔵量積算部の構成例を示すブロック図である。

　以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
　図１は、内燃機関制御システム１００の全体概略構成図である。

　内燃機関制御システム１００は、内燃機関１、流量センサ２、ターボ過給機３、エアバイパス弁４、インタークーラ５、過給温度センサ６、スロットル弁７、吸気マニホールド８、過給圧センサ９、流動強化弁１０、吸気バルブ１１、排気バルブ１３、燃料噴射弁１５、点火プラグ１６、ノックセンサ１７、クランク角度センサ１８、ウェイストゲート弁１９、フロント空燃比センサ２０、排気浄化触媒（三元触媒）２１、リア酸素センサ２２、ＥＧＲ（Exhausted Gas Recirculation）管２３、ＥＧＲクーラ２４、ＥＧＲ弁２５、温度センサ２６、差圧センサ２７及びＥＣＵ（Engine Control Unit：内燃機関制御装置）２８を備えている。なお、リア酸素センサ２２は、空燃比センサへ置換可能である。

　内燃機関１には吸気流路及び排気流路が連通している。吸気流路には、吸気の流量を検出する流量センサ２と、流量センサ２に内蔵された吸気温度センサが組み付けられている。吸気温度センサは、吸気温度を計測する。
　ターボ過給機３は、コンプレッサ３ａとタービン３ｂとによって構成され、コンプレッサ３ａが吸気流路に接続され、タービン３ｂが排気流路に接続されている。ターボ過給機３のタービン３ｂは、内燃機関１からの排出ガスの有するエネルギをタービン翼の回転エネルギに変換する。ターボ過給機３のコンプレッサ３ａは、タービン翼と連結されたコンプレッサ翼の回転によって、吸入流路から流入した吸入空気を圧縮する。

　インタークーラ５は、ターボ過給機３のコンプレッサ３ａの下流に設けられ、コンプレッサ３ａにより断熱圧縮されて上昇した吸入空気の吸気温度を冷却する。過給温度センサ６は、インタークーラ５の下流に組み付けられ、インタークーラ５によって冷却された吸入空気の温度（過給温度）を計測する。

　スロットル弁７は、インタークーラ５の下流に設けられ、吸入流路を絞り、内燃機関１のシリンダに流入する吸入空気量を制御する。スロットル弁７は、ドライバによるアクセルペダル踏量とは独立して弁開度の制御が可能な電子制御式バタフライ弁により構成される。スロットル弁７の下流には、過給圧センサ９が組み付けられた吸気マニホールド８が連通している。

　なお、スロットル弁７の下流に設けられた吸気マニホールド８とインタークーラ５とが一体化した構成としてもよい。この場合、コンプレッサ３ａの下流からシリンダに至るまでの容積を小さくできるので、加減速の応答性向上や制御性向上が可能になる。

　流動強化弁１０は、吸気マニホールド８の下流に配置され、シリンダに吸入される吸入空気に偏流を生じさせることによって、シリンダ内部の流れの乱れを強化させる。後述する排ガス再循環燃焼を実施する際に、流動強化弁を閉じることで乱流燃焼を促進、安定化させる。内燃機関１は吸気バルブ１１及び排気バルブ１３を備えている。

　吸気バルブ１１及び排気バルブ１３は、バルブ開閉の位相を連続的に可変とするための可変動弁機構をそれぞれ有している。吸気バルブ１１及び排気バルブ１３の可変動弁機構には、バルブの開閉位相を検知するためのセンサ１２，１４がそれぞれ組み付けられている。内燃機関１のシリンダには、シリンダ内に直接燃料を噴射する直噴式の燃料噴射弁１５が備えられている。なお、燃料噴射弁１５は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射方式であってもよい。

　内燃機関１のシリンダには、シリンダ内に電極部を露出させ、スパークによって可燃混合気を引火する点火プラグ１６が組み付けられている。ノックセンサ１７は、シリンダブロックに設けられ、燃焼室内で発生する燃焼圧力振動を起因として生じるシリンダブロック振動を検出することで、ノックの有無を検出する。クランク角度センサ１８は、クランク軸に組み付けられ、クランク軸の回転角度に応じた信号を、回転速度を示す信号としてＥＣＵ２８へ出力する。

　フロント空燃比センサ２０は、ターボ過給機３のタービン３ｂの下流であって、排気管内に設けられた三元触媒（排気浄化触媒２１）の上流に配置されている。そして、空燃比センサ（フロント空燃比センサ２０）は、排ガスから検出した排ガス組成、すなわち空燃比を示す信号をＥＣＵ２８へ出力する。排気浄化触媒２１は、三元触媒であり、フロント空燃比センサ２０の下流に備えられている。排気浄化触媒２１は、排ガス中の一酸化炭素、窒素化合物及び未燃炭化水素等の有害排出ガス成分を触媒反応によって浄化する。排気浄化触媒２１の下流には、リア酸素センサ２２が配置されている。リア酸素センサ２２は、排気浄化触媒２１による浄化後の排ガスに含まれる酸素の有無、すなわち排ガスの酸素濃度を検出する。以下、排気浄化触媒２１を三元触媒、又は触媒とも呼ぶ。

　ターボ過給機３には、エアバイパス弁４及びウェイストゲート弁１９が備えられている。エアバイパス弁４は、コンプレッサ３ａの下流からスロットル弁７の上流部までの圧力が過剰に上昇することを防ぐために、コンプレッサ３ａの上流と下流とを結ぶバイパス流路上に配置される。過給状態でスロットル弁７が急激に閉止された場合には、ＥＣＵ２８の制御に従ってエアバイパス弁４が開かれることにより、コンプレッサ３ａの下流部の圧縮された吸入空気がバイパス流路を通ってコンプレッサ３ａの上流部に逆流される。その結果、過給圧を直ちに低下させることで、サージングとよばれる現象を防止でき、コンプレッサ３ａの破損を適切に防止する。

　ウェイストゲート弁１９は、タービン３ｂの上流と下流とを結ぶバイパス流路上に配置される。ウェイストゲート弁１９は、ＥＣＵ２８の制御によって、過給圧に対して自由に弁開度が制御可能な電動式の弁である。過給圧センサ９により検知された過給圧に基づいてＥＣＵ２８によってウェイストゲート弁１９の開度が調整されると、排ガスの一部がバイパス流路を通過することにより、排ガスがタービン３ｂに与える仕事を減じることができる。その結果、ウェイストゲート弁１９は、過給圧を目標圧に保持することができる。

　ＥＧＲ管２３は、排気浄化触媒２１の下流部の排気流路と、コンプレッサ３ａの上流部の吸気流路とを連通し、排気浄化触媒２１の下流から排ガスを分流して、コンプレッサ３ａの上流部へ還流する。ＥＧＲ管２３に備えられたＥＧＲクーラ２４は、排ガスを冷却する。ＥＧＲ弁２５は、ＥＧＲクーラ２４の下流に備えられ、排ガスの流量を制御する。ＥＧＲ管２３には、ＥＧＲ弁２５の上流部の排ガスの温度を検出する温度センサ２６と、ＥＧＲ弁２５の上流と下流との差圧を検出する差圧センサ２７とが設けられている。

　ＥＣＵ２８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器、ドライバ回路等を有し、内燃機関制御システム１００の各構成要素を制御したり、各種のデータ処理を実行したりする演算回路である。ＥＣＵ２８には、上述した各種のセンサと各種のアクチュエータとが接続されている。ＥＣＵ２８は、スロットル弁７、吸気バルブ１１及び排気バルブ１３、燃料噴射弁１５、ＥＧＲ弁２５等のアクチュエータの動作を制御する。また、ＥＣＵ２８は、各種センサから入力された信号に基づいて、内燃機関１の運転状態を検知して、運転状態に応じて決定したタイミングで点火プラグ１６に点火させる。

［内燃機関制御装置のハードウェア構成例］
　図２は、ＥＣＵ２８のハードウェア構成例を示すブロック図である。

　ＥＣＵ２８は入力回路２０１、入出力ポート２０２、ＲＡＭ２０３、ＲＯＭ２０４、ＣＰＵ２０５、スロットル弁駆動回路２０６、燃焼噴射弁駆動回路２０７、及び点火出力回路２０８を備える。

　入力回路２０１には、各種センサからの出力信号が入力される。図２では、スロットル弁７のスロットルセンサ、流量センサ２、過給温度センサ６、過給圧センサ９、バルブ開閉位相センサ１２，１４、ノックセンサ１７、クランク角度センサ１８、フロント空燃比センサ２０及びリア酸素センサ２２等の出力信号が、ＥＣＵ２８の入力回路２０１に入力される例が示される。入力回路２０１に入力された信号は入出力ポート２０２に送信される。

　入出力ポート２０２に送信された信号はＲＡＭ２０３に記憶され、ＣＰＵ２０５で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０４に予め書き込まれており、ＣＰＵ２０５により実行される。ＲＯＭ２０４は、ＣＰＵ２０５が動作するために必要なプログラムやデータ等を記録しており、ＥＣＵ２８によって実行されるプログラムを格納したコンピューター読取可能な非一過性の記憶媒体の一例として用いられる。

　ＣＰＵ２０５が制御プログラムに従い演算した制御信号は、スロットル弁駆動回路２０６、燃焼噴射弁駆動回路２０７、点火出力回路２０８などの各装置へ出力される。
　スロットル弁駆動回路２０６は、スロットル弁７の開閉駆動を制御するための駆動信号をスロットル弁７に出力する。
　燃焼噴射弁駆動回路２０７は、燃料噴射タイミングでの燃料噴射弁１５の開閉駆動を制御するための駆動信号を燃料噴射弁１５に出力する。
　点火出力回路２０８は、点火タイミングでの点火プラグ６の点火を制御するための駆動信号を点火出力回路２０８に出力する。

＜ＥＣＵの内部構成例＞
　図３は、ＥＣＵ２８の内部構成例を示すブロック図である。ＥＣＵ２８の各種の機能を有しているが、ここでは、ＥＣＵ２８が、空燃比センサ信号とリア酸素センサ信号に基づいて、目標空燃比を求める機能について説明する。

　ＥＣＵ２８は、積算停止判定部１２０、酸素流量推定部１３１、積算開始判定部１３２、酸素貯蔵量積算部１３３、触媒劣化診断部１３４及び空燃比補正部１３５を備える。

　始めに、積算停止判定部１２０の内部構成例について説明する。
　積算停止判定部（積算停止判定部１２０）は、酸素貯蔵量の積算処理における積算停止位置を判定する。この積算停止判定部１２０は、微分値判定部１２１、電圧値判定部１２２、及び条件判定部１２３を備える。

　微分値判定部１２１は、リア酸素センサ電圧の微分値を判定するものである。この微分値判定部１２１は、微分器１２１ａ及び判定部１２１ｂを有する。
　微分器１２１ａは、リア酸素センサ２２から入力するリア酸素センサ電圧信号に基づいて、リア酸素センサ電圧の微分値を演算する。微分値は、酸素濃度センサ（リア酸素センサ２２）が出力する電圧値の変化方向に応じて正又は負の符号を有している。そして、空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合、又はリーンである場合とで、微分値閾値の正負の符号が異なる。

　判定部１２１ｂは、リア酸素センサ電圧の微分値と、微分値閾値とを比較して、リア酸素センサ電圧の微分値が微分値閾値より大きくなったタイミングを、微分値の立ち上がりタイミング（ＯＮ）として検出する。そこで、判定部１２１ｂは、リア酸素センサ電圧の微分値及び微分値閾値は、絶対値に変換される。微分値の立ち上がりタイミングは、条件判定部１２３に出力される。

　電圧値判定部１２２は、リア酸素センサ電圧が所定値の範囲内であるか否かを検出するものである。この電圧値判定部１２２は、電圧下限判定部１２２ａ、電圧上限判定部１２２ｂ及び電圧範囲判定部１２２ｃを有する。

　電圧下限判定部１２２ａは、リア酸素センサ２２から入力するリア酸素センサ電圧信号に基づいて、リア酸素センサ電圧と、電圧下限閾値とを比較する。そして、電圧下限判定部１２２ａは、リア酸素センサ電圧が電圧下限閾値以上であれば、電圧範囲判定部１２２ｃにＯＮ信号を出力する。

　電圧上限判定部１２２ｂは、リア酸素センサ２２から入力するリア酸素センサ電圧信号に基づいて、リア酸素センサ電圧と、電圧上限閾値とを比較する。そして、電圧上限判定部１２２ｂは、リア酸素センサ電圧が電圧上限閾値未満であれば、電圧範囲判定部１２２ｃにＯＮ信号を出力する。

　電圧範囲判定部１２２ｃは、電圧下限判定部１２２ａと電圧上限判定部１２２ｂの双方からＯＮ信号が入力されると（ＡＮＤ条件）、電圧範囲内信号（ＯＮ信号）を条件判定部１２３に出力する。

　条件判定部１２３は、微分値判定部１２１と電圧値判定部１２２の双方からＯＮ信号が入力されると（ＡＮＤ条件）、酸素貯蔵量積算部１３３に積算停止信号を出力する。積算停止信号は、酸素貯蔵量積算部１３３における酸素貯蔵量の積算処理の停止を指示する信号であり、酸素貯蔵量の積算停止のタイミングを表す。

　次に、積算停止判定部１２０以外の機能部の構成例について説明する。
　酸素流量推定部（酸素流量推定部１３１）は、排ガスの流量と、空燃比センサ信号から求めた空燃比とに基づいて、排ガスの酸素流量を推定する。推定した酸素流量は、酸素貯蔵量積算部１３３に出力される。
　積算開始判定部（積算開始判定部１３２）は、空燃比センサ信号から求めた空燃比に基づいて、酸素貯蔵量の積算開始を判定する。そして、積算開始判定部１３２は、酸素貯蔵量積算部１３３に酸素貯蔵量の積算開始を指示するための積算開始信号を出力する。

　酸素貯蔵量積算部（酸素貯蔵量積算部１３３）は、積算開始位置から積算停止位置までの期間で三元触媒（排気浄化触媒２１）が貯蔵する酸素貯蔵量を積算する。積算開始位置は、積算開始信号により指示される。また、積算停止位置は、積算停止信号により指示される。積算開始位置は、フロント空燃比センサ２０が検出した空燃比から求められた内燃機関（内燃機関１）の燃焼ガスがリーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化し始めるタイミングである。積算停止位置は、積算開始位置より前から増加又は減少していた酸素濃度が反転するタイミングである。そこで、酸素貯蔵量積算部１３３は、積算開始信号が入力されると、酸素流量に基づいて酸素貯蔵量の積算を開始し、積算停止信号が入力されると、酸素貯蔵量の積算を停止する。このように酸素貯蔵量積算部（酸素貯蔵量積算部１３３）は、酸素流量、積算開始位置及び積算停止位置に基づいて、酸素貯蔵量を積算する。このため、酸素貯蔵量積算部１３３が酸素貯蔵量を正確に求めることが可能となる。そして、酸素貯蔵量積算部１３３は、積算した酸素貯蔵量を推定酸素貯蔵量として触媒劣化診断部１３４に出力する。

　触媒診断部（触媒劣化診断部１３４）は、酸素貯蔵量（推定酸素貯蔵量）に基づいて、三元触媒（排気浄化触媒２１）の状態を診断して診断結果を出力する。三元触媒の劣化診断の診断結果は、空燃比補正部１３５に出力される。ここで、診断結果は、三元触媒（排気浄化触媒２１）の状態ごとに割り当てられる状態レベル値として表される。この状態レベル値は、三元触媒の劣化状態を表す。例えば、三元触媒が新品であれば劣化しておらず状態レベル値に「１」が割り当てられ、劣化していれば状態レベル値に「２」が割り当てられる。他にも劣化状態を細分化して、三元触媒の劣化が進んでいなければ状態レベル値に「２１」が割り当てられ、劣化が進んでいれば状態レベル値に「２２」が割り当てられるようにしてもよい。また、状態レベル値として、英字、又は英数字の組み合わせで表してもよい。

　空燃比補正部（空燃比補正部１３５）は、空燃比目標値と、診断結果に応じて、内燃機関（内燃機関１）の目標空燃比を補正して、補正後目標空燃比を出力する。そして、空燃比補正部１３５は、演算した空燃比の目標値を、補正後目標空燃比として出力する。診断結果が状態レベル値として表されるため、空燃比目標値補正部１３５は、予め状態レベル値に応じた目標空燃比の補正量をテーブル化することで、目標空燃比の補正処理を早めることができる。
　その後、ＥＣＵ２８は、補正後目標空燃比に合わせて、内燃機関１の出力制御を行う。

＜後処理システムの構成例＞
　次に、内燃機関の排ガスを浄化する後処理システム１１０の構成例について、図４Ａ～図４Ｃを参照して説明する。

　図４Ａは、後処理システム１１０の構成例を示す概略図である。
　上述したように後処理システム１１０では、排気浄化触媒２１として三元触媒が用いられる。三元触媒の浄化効率を最適点に保持することを目的として、三元触媒の上流部と下流部とに、それぞれ排ガス組成を検出するためのセンサが備えられる。例えば、後処理システム１１０は、上流部（フロント）にフロント空燃比センサ２０を備え、下流部（リア）にリア酸素センサ２２を備える。この構成によれば、フロント空燃比センサ２０が三元触媒に流入する排ガスの空燃比を計測できる。また、リア酸素センサ２２が触媒浄化後の排ガスに含まれる酸素の有無を検知することができる。

　図４Ｂは、排ガスの当量比（＝理論空燃比／空燃比）とフロント空燃比センサ２０の出力との関係を説明する図である。図４Ｂの横軸は当量比、縦軸はフロント空燃比センサ２０の出力をとる。

　当量比が増加するほど（言い換えれば、排ガスがリッチ化するほど）、フロント空燃比センサ２０の出力（空燃比センサ出力）が減少する傾向を示す。ＥＣＵ２８は、図４Ｂに示す「当量比と空燃比センサ出力」の関係を予め取得することによって、排ガスのリーン状態からリッチ状態まで広範囲に精度良く当量比を検出することが可能である。

　図４Ｃは、排ガスの当量比とリア酸素センサ２２の出力との関係を説明する図である。図４Ｃの横軸は当量比、縦軸はリア酸素センサ出力をとる。

　リア酸素センサ出力は、リア酸素センサ電圧とも読み替えられ、排ガスに含まれる酸素濃度と空気中の酸素濃度との濃度差に伴う起電力により変化する。リア酸素センサ出力は、リーン条件では概ね最小起電力を示し、リッチ条件では最大起電力を示す。そのため触媒制御では、リア酸素センサ出力が理論空燃比（当量比１．０）にて急変する特性を有する。リア酸素センサ出力の変化タイミングを捉え、この変化タイミングを空燃比制御へフィードバックすることで、ＥＣＵ２８は、排ガスの当量比を理論空燃比の近傍に保持することができる。

＜排ガスの化学種濃度＞
　図５Ａと図５Ｂは、排ガスの化学種濃度の当量比に対する傾向を説明する図である。
　図５Ａは、Ｈ_２Ｏ（水）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ_２（二酸化炭素）、Ｈ_２（水素）、Ｏ_２（酸素）の当量比に対する傾向を説明する図である。
　図５Ｂは、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の当量比に対する傾向を説明する図である。図５Ａと図５Ｂの横軸は当量比、縦軸は排ガスの化学種の濃度をとる。

　図５Ａに示すように、炭化水素系燃料の燃焼ガス組成は、理論空燃比を境にしてリッチ側ではＣＯ（一酸化炭素）及びＨ_２（水素）が増加し、リーン側ではＯ_２（酸素）が増加する傾向を示す。一方、図５Ｂに示すように、ＮＯｘ（窒素酸化物）は、理論空燃比の若干リーン側で極大値を示し、そのリーン側及びリッチ側で減少する傾向を示す。

　図５Ａと図５Ｂに示すように、燃料と空気（酸素）が過不足なく供給される理論空燃比条件においても、高温な燃焼ガス中では、Ｈ_２Ｏ（水）やＣＯ_２（二酸化炭素）に至らずにＣＯ（一酸化炭素）やＮＯｘ（窒素酸化物）が一定量排出される。このために、後処理システム１１０によって排ガスを適切に浄化処理する必要がある。

＜三元触媒の反応過程＞
　図６は、後処理システム１１０で使用される三元触媒（セリア系）の主な反応過程を説明する図である。図６に示す反応過程では、係数の記載を省略する。

　三元触媒反応過程は主に、酸化反応、ＮＯｘ還元反応、酸素貯蔵・放出反応からなる。酸化反応では、リッチ条件あるいは高温条件で生成するＣＯ、Ｈ_２、ＨＣが酸素と反応し、無害なＣＯ_２とＨ_２Ｏが生成される。未燃炭化水素（ＨＣ）にはメタン、プロパン、エチレン、ブタンなどの成分が含まれ、それぞれ異なる速度で反応が進行する。

　ＮＯｘ還元反応は、主にＣＯとＮＯとの反応で表され、無害なＣＯ_２とＮ_２が生成される。
　酸素貯蔵・放出反応では、触媒材料であるＣｅ（セリウム）を介して、酸素（Ｏ_２）の貯蔵・放出とＨＣ、ＣＯ及びＮＯの各酸化・還元反応が進行する。すなわち、二酸化セリウム（ＣｅＯ_２）とＣＯ及びＨＣとの反応によって、無害なＣＯ_２とＨ_２Ｏが生成されるとともに、三酸化二セリウム（Ｃｅ_２Ｏ_３）とＮＯとの反応によって、無害なＮ２が生成される。このとき、同時に生成されるＣｅＯ_２とＣｅ_２Ｏ_３とのバランスによって、三元触媒の酸素貯蔵割合Ψが規定される。すなわち、触媒中のＣｅ_２Ｏ_３が全てＣｅＯ_２となると、ＮＯとの反応ができず、ＮＯが浄化できない。

　このように、三元触媒の浄化効率を適切に保持するためには、ＣｅＯ_２とＣｅ_２Ｏ_３とのバランス、すなわち酸素貯蔵割合Ψを所定値に保持する必要がある。上述した全ての反応過程は、触媒温度に強く依存するため、ＥＣＵ２８は、内燃機関１の始動後に早期に活性化温度以上となるように、触媒温度管理を適切に実施する必要がある。

　なお、本実施形態で示すシステムでは、セリア系の三元触媒を用いる構成としているが、本発明はこれに限定されるものではない。類似の効果を示す他の材料を用いた触媒でも、制御モデルの定数を調整することによって、発明の構成を変えることなく、同様の効果を奏することができる。また、触媒反応には、図６に示した反応過程以外にも、水性ガスシフト反応などが用いられる場合がある。これらの反応過程についても、ＥＣＵ２８は、制御モデル定数を調整して対応することができる。

　図７は、触媒活性化温度以上における排ガス当量比に対する三元触媒の浄化効率の傾向を説明する図である。図７の横軸に当量比、縦軸に触媒浄化率をとる。そして、図７より、当量比がリーンからリッチに変化した場合におけるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの触媒浄化率が示される。また、触媒浄化効率は、１００％に近いほど、排ガス中の成分が浄化され、排出されないことを表している。

　このグラフでは、三元触媒の浄化効率特性は理論空燃比を境にして変化することが示される。リーン条件下では、ＣＯとＨＣの浄化効率は概ね９０％以上に保持される。一方で、当量比が減少するに従い、ＮＯｘの浄化効率が減少する。また、リッチ側では、当量比が増加するにしたがってＨＣ及びＣＯの浄化効率が減少する傾向を示す。一方で、当量比が増加するに従い、ＮＯｘの浄化効率が減少する。理論空燃比の近傍では、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯのいずれの浄化効率も９０％以上を達成できる。そこで、理論空燃比の近傍の点を「三元点」と呼ぶ。ＥＣＵ２８は、三元点である理論空燃比に当量比を保つことによって三元触媒の浄化効率を高位に保つ制御を実施している。

　図８は、触媒上流当量比、触媒下流当量比、リア酸素センサ２２の出力挙動を説明する図である。図８の横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比、触媒下流当量比、リア酸素センサ出力をとる。ここでは、当量比１．０を中心にして、空燃比をリーン側、リッチ側に時間的にステップ変動させた際の触媒上流及び下流当量比、及び触媒下流に設置されたリア酸素センサ２２の出力挙動が示される。

　図８のステップ（１）では、触媒上流及び下流当量比は１．０であり、リア酸素センサ２２の出力は一定値である。当量比が理論空燃比に設定されている場合においても、触媒下流にはごく微量の酸素が排出されることによって、中間状態に保持される。

　図８のステップ（２）では、リーン側に変動したことにより、触媒上流及び下流当量比が１．０より低下する。ここで、触媒上流当量比は、直ちに低下するのに対し、触媒下流当量比は、徐々に遅れて低下する。また、リア酸素センサ２２の出力は遅れ期間を経た後、最小値側に急激に変化する。

　図８のステップ（３）では、リッチ側に変動したことにより、触媒上流及び下流当量比が１．０より増加する。ここで、触媒上流当量比は、直ちに増加するのに対し、触媒下流当量比は、徐々に遅れて増加する。また、リア酸素センサ２２の出力は、触媒下流当量比より大きい遅れを伴った後に急激に変化するヒステリシス性３１を示す。

　図８のステップ（４）では、ステップ（２）と同様に、リーン側に変動したことにより、触媒上流及び下流当量比が１．０より低下する。ここで、触媒上流当量比は、直ちに低下するのに対し、触媒下流当量比は、徐々に遅れて低下する。また、リア酸素センサ２２の出力は、触媒下流当量比より大きい遅れを伴った後に急激に変化するヒステリシス性３２を示す。

　このように、リーンからリッチへの変化と、リッチからリーンへの変化では、触媒下流当量比の遅れ時間と、リア酸素センサ２２の出力の遅れ時間が異なる傾向を持つ。この傾向は、図６で述べた三元触媒のＣｅＯ_２とＣｅ_２Ｏ_３の反応速度が異なることに起因している。また、反応速度は触媒温度や排ガス流量に依存するので、上述したヒステリシス性３１，３２についても触媒温度と排ガス流量によって変化する。

　図９は、リア酸素センサ２２の出力特性のヒステリシス性を説明する図である。このグラフは、横軸に当量比、縦軸にリア酸素センサ２２の出力をとる。

　リア酸素センサ２２の静特性については図４Ｃを参照して説明した通りである。一方、リア酸素センサ２２自身も触媒材料が使用されているので、酸素の検出遅れによるヒステリシス性を有している。すなわち、リーンからリッチ状態に急激に変化する場合には、センサ出力の変化タイミングの当量比がリッチ側にシフトする。一方、リッチからリーン状態に急激に変化する場合には、センサ出力の変化タイミングの当量比がリーン側にシフトする。

　さらに、上述したリア酸素センサ２２の挙動は、リア酸素センサ２２を構成する材料の特性劣化や温度の影響を受ける。例えば、リア酸素センサ２２の経年劣化により、リア酸素センサ出力に遅れが生じる。制御モデルでは、触媒の劣化のみならず、リア酸素センサ２２の劣化や温度の影響を含んだ動特性の変化を考慮する必要がある。

　図１０は、リア酸素センサ２２の出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化を説明する図である。図１０の横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比、リア酸素センサ出力、触媒下流ＮＯｘ濃度、触媒下流ＨＣ濃度をとる。図１０では、理論空燃比で制御された状態から、モータリング運転（燃料カット）期間を経て、再び理論空燃比状態でファイアリング運転（内燃機関運転）を実施する場合におけるリア酸素センサ２２の出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化が示される。

　図１０のステップ（１）では、触媒上流当量比は１．０であり、リア酸素センサ２２の出力は一定値である。また、触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度は低い状態である。

　図１０のステップ（２）では、燃料カットが実施されるため、リア酸素センサ２２の出力が低下し、触媒上流及び下流当量比が１．０より低下する。図５Ｂに示したように、リーン状態では、ＮＯｘ濃度が低い。また、図７に示したように、リーン状態では、ＨＣの触媒浄化率が高いので、ＨＣ濃度が低くなる。

　図１０のステップ（３）では、再度、理論空燃比によるファイアリング運転が開始される。ここでは、ストイキメトリ制御、適正なリッチ補正、過剰なリッチ補正の順に、リア酸素センサ２２の出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化について説明する。

（ストイキメトリ制御）
　ストイキメトリ制御がされた時のリア酸素センサ２２の出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化は実線で示される。図８に示したように、リーン状態からリッチ状態への変化に対して、リア酸素センサ２２の出力は遅れを伴って増加する。触媒下流のＮＯｘ濃度は、リア酸素センサ２２の出力が復帰するまでの遅れ期間に瞬間的に増加したＮＯｘが排出される挙動を示す。一方、触媒下流のＨＣ濃度は、ほぼ変化していないため、ＨＣの排出が防止される。

（適正なリッチ補正）
　適正なリッチ補正がされた時のリア酸素センサ２２の出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化は破線で示される。燃料カット後、再度ファイアリング運転を開始する際に、一旦リッチ補正が実施されると、触媒上流当量比がリッチ状態となる。リア酸素センサ２２の出力は、ストイキメトリ制御よりも早く当量比に到達する。また、触媒下流のＮＯｘ濃度とＨＣ濃度は、ほぼ変化していないため、ＮＯｘとＨＣの排出が防止される。

（過剰なリッチ補正）
　過剰なリッチ補正がされた時のリア酸素センサ２２の出力と触媒下流のＮＯｘ濃度及びＨＣ濃度の時間的変化は粗い破線で示される。リア酸素センサ２２は触媒の下流ガスの酸素状態を検出している。このため、過剰なリッチ補正がされると、リア酸素センサ２２の出力が反応する時点において、既に触媒の内部状態は、酸素貯蔵状態が最大又は最小状態にまで変化している。また、過剰なリッチ補正がされると、図５Ｂに示したようにＮＯｘ濃度が低くなり、図７に示したようにＮＯｘの触媒浄化率が増加するので、ＮＯｘの排出が防止される。

　一方で、図５Ｂに示したようにＨＣ濃度が高くなり、図７に示したようにＨＣの触媒浄化率が低下しているので、ＨＣが排出される。つまり、リア酸素センサ２２の出力が反応した後にリッチ補正を停止する制御方法をとると、触媒にとってはリッチ補正の停止タイミングが遅すぎるために、ＨＣを適切に防止できない。そのことから、内燃機関の空燃比制御においては、外部からは直接観測できない触媒内部の状態を考慮して、適切な期間のリッチ補正制御を施す必要がある。

　図１１は、触媒劣化度合いと三元触媒の酸素貯蔵能力との関係を説明する図である。図１１の横軸は触媒劣化度合い、縦軸は酸素貯蔵能力をとる。

　触媒劣化とは、熱的な影響や燃料に含まれる硫黄による被毒の影響を受けて、三元触媒の触媒作用が低下した状態をいう。三元触媒が新品である時は、三元触媒の酸素貯蔵能力が高い。しかし、触媒劣化が進行するにしたがって、三元触媒の酸素貯蔵能力が低下する傾向がある。

　以下、酸素貯蔵能力の変化が三元触媒の浄化作用に与える影響について述べる。
　図１２は、三元触媒の酸素貯蔵割合と、三元触媒のＮＯｘ浄化効率との関係を説明する図である。図１２の横軸は酸素貯蔵割合、縦軸はＮＯｘ浄化効率をとる。図１２では、新品の三元触媒のＮＯｘ浄化効率の変化を実線で表し、劣化した三元触媒のＮＯｘ浄化効率の変化を破線で表す。

　酸素貯蔵割合が小さい時は、新品の三元触媒と、劣化した三元触媒のいずれも酸素貯蔵割合が高い。また、新品の三元触媒の方が、劣化した三元触媒よりもＮＯｘ浄化効率が高い。

　酸素貯蔵割合が所定値を超過すると、新品の三元触媒と、劣化した三元触媒のいずれもＮＯｘ浄化効率が著しく低下する。これは、図６を参照して説明したように、ＮＯｘ浄化には、触媒中のＣｅ_２Ｏ_３が重要であり、Ｃｅ_２Ｏ_３が全て反応してＣｅＯ_２に変化すると、Ｃｅ_２Ｏ_３がＮＯとの反応ができず、ＮＯが浄化されないためである。このことから、図７を参照して説明したように、三元触媒の触媒浄化効率を高位に保つためには、触媒入口の排ガス空燃比を三元点に保つのみならず、酸素貯蔵割合が所定の範囲内となるように、触媒入口の排ガス空燃比を適宜、補正制御する必要がある。酸素貯蔵割合の所定の範囲内とは、図１２に示すように、触媒劣化時は劣化時制御範囲３６、触媒新品時は新品時制御範囲３５として表され、新品時制御範囲３５の方が劣化時制御範囲３６よりも広い。

　図１３は、新品触媒と劣化触媒を用いた場合における、触媒上流当量比、触媒下流当量比、酸素貯蔵割合、リア酸素センサ２２の出力挙動の比較結果を説明する図である。図１３は横軸を時間、縦軸を触媒上流当量比、触媒下流当量比、酸素貯蔵割合、リア酸素センサ出力をとる。図１３では、新品触媒と劣化触媒の使用時に当量比１．０を中心にして、空燃比をリーン側、リッチ側に時間的にステップ変動させた際の触媒下流に設置されたリア酸素センサ２２の出力挙動が示される。なお、図中の破線グラフは劣化触媒を表し、実線グラフは新品触媒を表している。

　図１３のステップ（１）では、触媒上流及び下流当量比は１．０であり、リア酸素センサ２２の出力は一定値である。当量比が理論空燃比に設定されている場合においても、触媒下流にはごく微量の酸素が排出されることによって、中間状態に保持される。

　図１３のステップ（２）では、リーン側に変動したことにより、触媒上流及び下流当量比が１．０より低下する。ここで、触媒上流当量比は、直ちに低下するのに対し、触媒下流当量比は、徐々に遅れて低下する。また、新品触媒の酸素貯蔵量は多いので、新品触媒の触媒下流当量比の変化は、劣化触媒の触媒下流当量比の変化よりも遅れている。また、劣化触媒の酸素貯蔵量は少ないので、劣化触媒の酸素貯蔵割合がすぐに飽和するのに対し、新品触媒の酸素貯蔵割合が飽和するまでに時間がかかる。このため、リア酸素センサ２２の出力は、劣化触媒の方が、新品触媒よりも早く変化する。

　図１３のステップ（３）では、リッチ側に変動したことにより、触媒上流及び下流当量比が１．０より増加する。ここで、触媒上流当量比は、直ちに増加するのに対し、触媒下流当量比は、徐々に遅れて増加する。また、新品触媒の当量比の変化は、劣化触媒の当量比の変化よりも遅れている。

　図１３のステップ（４）では、ステップ（２）と同様に、リーン側に変動したことにより、触媒上流及び下流当量比が１．０より低下する。ここで、触媒上流当量比は、直ちに低下するのに対し、触媒下流当量比は、徐々に遅れて低下する。また、酸素貯蔵割合とリア酸素センサ２２の出力は、新品触媒の変化が劣化触媒の変化よりも遅れている。

　図１３に示したように、劣化触媒は、新品触媒と比較して空燃比のリーン変化とリッチ変化に対するリア酸素センサ２２の出力挙動の遅れが減少している。これは、触媒の酸素貯蔵割合の時間的推移で説明することができる。すなわち、劣化によって触媒の酸素貯蔵能力が減少することによって、より早く酸素貯蔵割合が最大値、又は最小値に達することで、触媒下流への酸素放出挙動が早められ、リア酸素センサ２２の出力挙動の遅れが減少するからである。したがって、図１０を参照して説明した、燃料カットから復帰した後のリッチ補正期間は、触媒の劣化状態を考慮して設定される必要がある。

　図１４Ａと図１４Ｂは、リア酸素センサ２２の劣化による触媒診断への影響を示す説明図である。

　劣化触媒の推定酸素貯蔵量は、空燃比がリーンからリッチへ切り替わる時を酸素貯蔵量の積算開始（図中のＳｔａｒｔの位置）とし、空燃比がリーンからリッチへ切り替わる時（図中のＲｅｓｅｔの位置）を、酸素貯蔵量の積算停止としている。

　図１４Ａは、リア酸素センサ２２が新品状態である時の、リア酸素センサ電圧の変化を示す図である。リア酸素センサ２２は、触媒劣化状態に応じたリア酸素センサ電圧を出力しており、Ｒｅｓｅｔ位置でリア酸素センサ電圧が元の値に戻っているため、正しく触媒診断が実施される。

　図１４Ｂは、リア酸素センサ２２が劣化状態である時の、リア酸素センサ電圧の変化を示す図である。リア酸素センサ２２は、リア酸素センサ電圧の立ち上がりが遅くなる。このため、本来、図１４Ａに示したＲｅｓｅｔ位置を酸素貯蔵量の積算停止時期としなければならないのに、図１４Ｂのセンサ劣化による遅れ分４１に示すように、Ｓｔｏｐ位置より遅れたＲｅｓｅｔ位置でリア酸素センサ電圧が元の値に戻っている。このため、酸素貯蔵量の積算停止時期が遅れ、過剰な酸素貯蔵量が演算されてしまう。これにより、触媒は劣化状態にも関わらず、触媒診断は多くの酸素を貯蔵できると判断し、触媒が新品状態であると誤診断をしてしまう。

　図１５は、劣化状態であるリア酸素センサ電圧の遅れを除外する方法を説明する図である。図１５の横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比とリア酸素センサ出力をとる。図１５では、リア酸素センサ２２のヒステリシス特性を利用し、劣化状態のリア酸素センサ２２が出力するリア酸素センサ電圧の遅れを除外する方法が示される。

　図１５の上側に触媒上流当量比を示し、図１５の下側にリア酸素センサ電圧の変化の様子をリア酸素センサ出力として示す。リア酸素センサ２２は、リア酸素センサ電圧の出力が遅れ（ヒステリシス性）を伴うスイッチ的な非線形特性を有している。例えば、図１５の上側の触媒上流当量比に示されるように、リーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化すると、リア酸素センサ出力が遅れて変化する。

　リア酸素センサ出力が図１５の両矢印の範囲で表されるバンド５１内に入ると、リア酸素センサ出力の値が一気に反転する。本実施形態に係るＥＣＵ２８の積算停止判定部１２０（図３を参照）は、積算停止位置を判定する機能を有しており、リア酸素センサ出力がバンド５１に入った時点で反転する特性を利用して、リア酸素センサ電圧の立ち上がりタイミングを捉える。

＜酸素貯蔵量の積算開始及び停止のタイミング＞
　ＥＣＵ２８の酸素貯蔵量積算部（酸素貯蔵量積算部１３３）は、酸素濃度センサ（リア酸素センサ２２）が出力する電圧値が電圧上限閾値及び電圧下限閾値の範囲内に入り、かつ電圧値の微分値が微分値閾値を超えた時に、積算停止判定部（積算停止判定部１２０）から信号が入力されるタイミングを積算停止位置とする。例えば、酸素貯蔵量積算部１３３は、リア酸素センサ電圧がバンド５１の閾値内に入ったこと、かつ、センサ電圧値の時間微分値がある閾値以上になったことを満たした時に酸素貯蔵量の積算を停止する処理を行う。そこで、酸素貯蔵量の積算開始及び停止のタイミングについて、図１６と図１７を参照して説明する。

　図１６は、燃料噴射量が減少する時（リッチからリーン）の酸素貯蔵量の積算開始及び停止のタイミングの例を示す説明図である。

　図１４Ａと図１４Ｂに示したように、リア酸素センサ２２の電圧立ち上がりタイミングはリア酸素センサ２２の劣化に影響されない。このため、ＥＣＵ２８の積算停止判定部１２０は、リア酸素センサ２２の電圧立ち上がりタイミングを正確に捉えることで、酸素貯蔵量積算の停止タイミングを的確に捉えることができる。そこで、リア酸素センサ電圧が所定値の範囲（バンド５１）内に入ったことと、リア酸素センサ電圧の微分値がある閾値以上であることを満たすＡＮＤ条件が成立した瞬間を酸素貯蔵量積算の停止タイミングとする。

　また、積算停止判定部１２０の電圧値判定部１２２は、リア酸素センサ２２が所定値の範囲（バンド５１）内に入ったことを捉えることで、リア酸素センサ電圧の立ち上がりタイミングを検知する。また、積算停止判定部１２０の微分値判定部１２１は、センサ電圧の微分値が閾値以上であることを捉えることで、微分値の立ち上がりタイミングを検知する。

　図１６では、燃料噴射量が減少した時点（Ｓｔａｒｔ）が酸素貯蔵量の積算を開始するタイミングを表す。図１６は、リア酸素センサ電圧が増加し、所定値の範囲（バンド５１）から出た後、反転したリア酸素センサ電圧が減少して所定値の範囲（バンド５１）内に入った時点（Ｓｔｏｐ）が酸素貯蔵量の積算を停止するタイミングを表す。

　リア酸素センサ電圧が所定値の範囲（バンド５１）内に入った時点（Ｓｔｏｐ）では、リア酸素センサ電圧の微分値が負の値をとるが、判定部１２１ｂにより絶対値に変換されている。リア酸素センサ電圧の微分値及び微分値閾値が絶対値に変換されていることから、判定部１２１ｂは、リア酸素センサ電圧の微分値と微分値閾値との比較を容易にできる。このため、微分値判定部１２１、微分値が微分値閾値を超えたタイミングを、リア酸素センサ電圧が所定値の範囲（バンド５１）内に入ったタイミングとして捉えることができる。

　そして、酸素貯蔵量積算部１３３は、リッチからリーンに変化するＳｔａｒｔ位置から酸素貯蔵量の積算を開始し、Ｓｔｏｐ位置で積算を停止する。触媒劣化診断部１３４は、酸素貯蔵量積算部１３３が求めた推定酸素貯蔵量を基に触媒の劣化診断を行う。

　図１７は、燃料噴射量が減少する時（リーンからリッチ）の酸素貯蔵量の積算開始及び停止のタイミングの例を示す説明図である。

　図１７では、燃料噴射量が増加した時点（Ｓｔａｒｔ）が酸素貯蔵量の積算を開始するタイミングを表す。図１７は、リア酸素センサ電圧が減少し、所定値の範囲（バンド５１）から出た後、反転したリア酸素センサ電圧が増加して所定値の範囲（バンド５１）内に入った時点（Ｓｔｏｐ）が酸素貯蔵量の積算を停止するタイミングを表す。リア酸素センサ電圧が所定値の範囲（バンド５１）内に入った時点（Ｓｔｏｐ）では、リア酸素センサ電圧の微分値が正の値をとる。このため、積算停止判定部１２０は、微分値が微分値閾値を超えたタイミングを、リア酸素センサ電圧が所定値の範囲（バンド５１）内に入ったタイミングとして捉えることができる。

　そして、酸素貯蔵量積算部１３３は、リーンからリッチに変化するＳｔａｒｔ位置から酸素貯蔵量の積算を開始し、Ｓｔｏｐ位置で積算を停止する。触媒劣化診断部１３４は、酸素貯蔵量積算部１３３が求めた推定酸素貯蔵量を基に触媒の劣化診断を行う。

　図１８は、酸素貯蔵量の積算を停止するフローチャートである。酸素貯蔵量の積算は、リア酸素センサ電圧がバンド５１の閾値内に入ったこと、かつ、リア酸素センサ電圧の時間微分値がある微分値閾値以上になったことを満たした時に停止される。ここでは、図３を参照しながら各機能部の処理について説明する。

　始めに、積算開始判定部１３２は、空燃比センサ信号に基づいて、空燃比が反転したことを検知する（Ｓ１）。空燃比の反転とは、内燃機関の燃焼ガスがリーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化し始めることである。この時、酸素流量推定部１３１は、空燃比センサ信号と排ガス流量に基づいて酸素流量を推定している。そして、酸素貯蔵量積算部１３３は、酸素貯蔵量の積算を開始する（Ｓ２）。

　次に、微分値判定部１２１の微分器１２１ａは、リア酸素センサ２２から入力するリア酸素センサ信号に基づいて、リア酸素センサ電圧の微分値を算出する（Ｓ３）。次に、電圧値判定部１２２は、リア酸素センサ２２から入力するリア酸素センサ信号に基づいて、リア酸素センサ電圧が指定範囲（電圧下限閾値及び電圧上限閾値の範囲内）に入ったか確認する（Ｓ４）。ステップＳ４と並行して、微分値判定部１２１は、リア酸素センサ電圧の微分値（絶対値）がある微分値閾値以上であるかを確認する（Ｓ５）。

　次に、積算停止判定部１２０は、ステップＳ４，Ｓ５が同時に成立するかを判定する（Ｓ６）。ステップＳ４，Ｓ５が同時に成立していなければ（Ｓ６のＮＯ）、再びステップＳ３に戻って処理が繰り返される。ステップＳ４，Ｓ５が同時に成立していれば（Ｓ６のＹＥＳ）、積算停止判定部１２０は、酸素貯蔵量積算部１３３に対して積算停止信号を出力する。

　酸素貯蔵量積算部１３３は、積算停止信号が入力されると、酸素貯蔵量の積算を停止する（Ｓ７）。その後、酸素貯蔵量積算部１３３は、積算した酸素貯蔵量を推定酸素貯蔵量として、触媒劣化診断部１３４に出力する。触媒劣化診断部１３４は、推定酸素貯蔵量に基づいて触媒の劣化診断を行い（Ｓ８）、診断結果を空燃比補正部１３５に出力する。

　そして、空燃比補正部１３５は、入力した空燃比目標値に対し、診断結果に応じた空燃比補正値を演算して（Ｓ９）、本処理を終了する。なお、空燃比補正部１３５は、演算した空燃比補正値に基づいて、補正後の目標空燃比を出力する。

　図１９Ａと図１９Ｂは、従来の技術による効果と、本実施形態に係るＥＣＵ２８による効果を説明する図である。ここでは、リア酸素センサ２２の劣化による触媒診断への影響を示す。また、触媒とリア酸素センサ２２は、いずれも劣化しているものとする。

　図１９Ａは、従来の技術を用いた触媒状態の診断結果の例を示す図である。図１９Ａは、図１４Ｂと同じである。
　上述したように従来の技術では、リア酸素センサ２２の劣化による遅れ分４１の影響があるため、リア酸素センサ電圧が遅れて出力される。このため、従来のＥＣＵは、燃料噴射量が増加した時点（Ｓｔａｒｔ）から燃料噴射量が減少した時点（Ｒｅｓｅｔ）まで酸素貯蔵量を積算しており、過剰な酸素貯蔵量を演算していた。これにより、従来のＥＣＵの触媒診断では、触媒が劣化状態にも関わらず、触媒が多くの酸素を貯蔵できると判断することで、触媒を新品状態であると誤診断をしてしまう。

　図１９Ｂは、本実施形態に係る技術を用いた触媒状態の診断結果の例を示す図である。
　本実施形態に係るＥＣＵ２８は、リア酸素センサ電圧が所定値の範囲内に入ったことと、リア酸素センサ電圧の微分値がある閾値以上であることを満たすことを捉える。このため、ＥＣＵ２８は、リア酸素センサ２２の劣化に影響されることなく、リア酸素センサ電圧の立ち上がりタイミングを検知できる。そして、ＥＣＵ２８は、酸素貯蔵量積算の停止タイミングを的確に捉え、触媒の状態に応じた酸素貯蔵量を求めることができる。

　また、ＥＣＵ２８は、リア酸素センサ電圧の微分値の立ち上がりタイミングを検出することでリア酸素センサ２２の劣化による遅れ分を極力排除できる。この方法は、微分操作に伴うノイズの影響を受けやすく、触媒状態の誤診断となるおそれがある。そこで、ＥＣＵ２８は、リア酸素センサ電圧の微分値の立ち上がりタイミングと、リア酸素センサ２２が所定値の範囲内とのＡＮＤ条件とすることで、微分操作に伴うノイズの影響を排除でき、触媒状態の誤診断を防止することが可能となる。

　また、リア酸素センサ２２の特性上、リア酸素センサ電圧がある電圧値（例えば０．１５Ｖや０．６５Ｖ付近）を推移することもある。このため、ＥＣＵ２８は、閾値だけでは判定できず、微分値も利用することでリア酸素センサ電圧に過渡的な動きがあるかどうかを捉える。両者をＡＮＤ条件とすることで適切な酸素貯蔵量積算の停止タイミングとすることができる。

　以上説明した第１の実施形態に係るＥＣＵ２８は、酸素貯蔵量積算開始後、リア酸素センサ電圧が既定の閾値範囲内（バンド５１）に入ったこと及び、リア酸素センサ電圧の時間微分値がある微分値閾値以上になったことを捉えることにより、酸素貯蔵量積算の停止タイミングを的確に捉え、触媒状態に応じた酸素貯蔵量を求めることができる。微分値の立ち上がりタイミングを検出することでリア酸素センサ劣化による遅れ分を極力排除できる。また、微分値の立ち上がりタイミングとリア酸素センサが所定値の範囲内とのＡＮＤ条件とすることで、微分操作に伴うノイズの影響を排除でき、誤診断を防止できる。このため、ＥＣＵ２８は、三元触媒の浄化効率を高位に保ち、エミッション性能の悪化を防止することができる。

［第２の実施形態］
　図３に示した第１の実施形態に係る酸素貯蔵量積算部１３３では、積算された推定酸素貯蔵量に基づいて、触媒劣化診断部１３４が三元触媒の劣化を診断し、空燃比補正部１３５が補正後目標空燃比を演算する例を示した。ここでは、推定酸素貯蔵量を求める別の実施形態について説明する。

　図２０は、第２の実施形態に係る酸素貯蔵量積算部１３３Ａの内部構成例を示すブロック図である。酸素貯蔵量積算部１３３Ａは、三元触媒の酸素貯蔵量を推定するための異なる複数の酸素貯蔵量モデルを有する構成としている。

　酸素貯蔵量積算部１３３Ａは、新品触媒酸素貯蔵量モデル１３６、劣化触媒酸素貯蔵量モデル１３７及びモデル選択部１３８を備える。複数の酸素貯蔵量モデル（新品触媒酸素貯蔵量モデル１３６、劣化触媒酸素貯蔵量モデル１３７）は、三元触媒（排気浄化触媒２１）の状態に応じてモデル選択部１３８により選択される。
　新品触媒酸素貯蔵量モデル１３６は、酸素流量推定部１３１から入力する酸素流量に基づいて、新品触媒が貯蔵可能な酸素貯蔵量を推定するモデルである。
　劣化触媒酸素貯蔵量モデル１３７は、酸素流量推定部１３１から入力する酸素流量に基づいて、劣化触媒が貯蔵可能な酸素貯蔵量を推定するモデルである。

　モデル選択部（モデル選択部１３８）は、触媒劣化診断部１３４から入力する診断結果に応じて、複数の酸素貯蔵量モデル（新品触媒酸素貯蔵量モデル１３６、劣化触媒酸素貯蔵量モデル１３７）から選択した一つの酸素貯蔵量モデルにより酸素貯蔵量を積算する。このモデル選択部１３８は、劣化診断の結果が新品であれば、酸素貯蔵量を推定するモデルとして新品触媒酸素貯蔵量モデル１３６を選択し、積算開始信号が入力し、積算停止信号が入力するまで新品触媒酸素貯蔵量モデル１３６を用いて酸素貯蔵量を積算する。一方、モデル選択部１３８は、劣化診断の結果が劣化であれば、酸素貯蔵量を推定するモデルとして劣化触媒酸素貯蔵量モデル１３７を選択し、積算開始信号が入力し、積算停止信号が入力するまで劣化触媒酸素貯蔵量モデル１３７を用いて酸素貯蔵量を積算する。

　モデル選択部１３８が積算した酸素貯蔵量は、推定酸素貯蔵量として、触媒劣化診断部１３４に出力される。そして、触媒劣化診断部１３４により再び触媒劣化診断が行われる。また、図３に示したように、触媒劣化診断部１３４による診断結果は、空燃比補正部１３５に出力される。

　以上説明した第２の実施形態に係る酸素貯蔵量積算部１３３Ａは、触媒劣化の診断結果に基づいて新品触媒と劣化触媒の酸素貯蔵量モデルを切り替えて、推定酸素貯蔵量を求めることができる。酸素貯蔵量モデルは、新品、劣化以外にも、三元触媒の使用時間に合わせて小劣化、大劣化に合わせた複数の酸素貯蔵量モデルを用意することで、三元触媒の劣化状態に合わせた推定酸素貯蔵量を求めることが可能となる。

　なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
　例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するためにシステムの構成を詳細かつ具体的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ない。また、本実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

　１…内燃機関、２０…フロント空燃比センサ、２１…排気浄化触媒、２２…リア酸素センサ、２８…ＥＣＵ、１００…内燃機関制御システム、１１０…後処理システム、１２０…積算停止判定部、１２１…微分値判定部、１２２…電圧値判定部、１２３…条件判定部、１３１…酸素流量推定部、１３２…積算開始判定部、１３３…酸素貯蔵量積算部、１３４…触媒劣化診断部、１３５…空燃比補正部

Claims (9)

1. 　排気管内に設けられた三元触媒の上流に配置され、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記三元触媒の下流に配置され、前記排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサとを備える内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
   　前記空燃比から求められた前記内燃機関の燃焼ガスがリーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化し始める積算開始位置から、前記積算開始位置より前から増加又は減少していた前記酸素濃度が反転する積算停止位置までの期間で前記三元触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を積算する酸素貯蔵量積算部を備える
   　内燃機関制御装置。
2. 　前記積算停止位置を判定する積算停止判定部と、
   　前記排ガスの流量及び前記空燃比に基づいて、前記排ガスの酸素流量を推定する酸素流量推定部と、
   　前記空燃比に基づいて前記積算開始位置を判定する積算開始判定部と、を備え、
   　前記酸素貯蔵量積算部は、前記酸素流量、前記積算開始位置及び前記積算停止位置に基づいて、前記酸素貯蔵量を積算する
   　請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 　前記酸素貯蔵量積算部は、前記酸素濃度センサが出力する電圧値が電圧上限閾値及び電圧下限閾値の範囲内に入り、かつ前記電圧値の微分値が微分値閾値を超えた時に、前記積算停止判定部から信号が入力されるタイミングを前記積算停止位置とする
   　請求項２に記載の内燃機関制御装置。
4. 　前記微分値は、前記酸素濃度センサが出力する電圧値の変化方向に応じて正又は負の符号を有し、前記空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合、又はリーンである場合とで、前記微分値閾値の正負の符号が異なる
   　請求項３に記載の内燃機関制御装置。
5. 　前記微分値及び前記微分値閾値は、絶対値に変換されている
   　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
6. 　前記酸素貯蔵量に基づいて、前記三元触媒の状態を診断して診断結果を出力する触媒診断部と、
   　空燃比目標値と、前記診断結果とに応じて、前記内燃機関の目標空燃比を補正して、補正後目標空燃比を出力する空燃比補正部と、を備える
   　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
7. 　前記診断結果は、前記三元触媒の状態ごとに割り当てられる状態レベル値として表される
   　請求項６に記載の内燃機関制御装置。
8. 　前記酸素貯蔵量積算部は、
   　前記三元触媒の状態に応じて選択される複数の酸素貯蔵量モデルと、
   　前記診断結果に応じて、複数の前記酸素貯蔵量モデルから選択した一つの前記酸素貯蔵量モデルにより前記酸素貯蔵量を積算するモデル選択部と、を備える
   　請求項６に記載の内燃機関制御装置。
9. 　排気管内に設けられた三元触媒の上流に配置され、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記三元触媒の下流に配置され、前記排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサとを備える内燃機関を制御する内燃機関制御装置で行われる内燃機関制御方法であって、
   　前記空燃比から求められた前記内燃機関の燃焼ガスがリーンからリッチ、又はリッチからリーンに変化し始める積算開始位置から、前記積算開始位置より前から増加又は減少していた前記酸素濃度が反転する積算停止位置までの期間で前記三元触媒が貯蔵する酸素貯蔵量を積算する処理を行う
   　内燃機関制御方法。

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