JP2010159701A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒劣化診断に際し、実空燃比の目標空燃比に対するばらつきに起因した誤診断を防止する。
【解決手段】触媒上流側の空燃比センサにより検出される実空燃比Ａ／Ｆｆが、リーン及びリッチに交互に切り替えられる目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するよう、触媒上流側の空燃比を制御する。この空燃比制御の実行に伴って触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを計測する。実空燃比Ａ／Ｆｆの目標空燃比Ａ／Ｆｔに対する偏差に基づき酸素吸蔵容量計測値を補正し、この補正後の値に基づき触媒の劣化を判定する。空燃比ばらつきによる酸素吸蔵容量計測値の誤差を補償し、空燃比ばらつきに起因した誤診断を未然に防止できる。
【選択図】図６

Description

本発明は触媒劣化診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断するための装置に関する。

例えば車両用の内燃機関において、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）を有するものがあり、これは、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着保持し、触媒流入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着保持された酸素を放出する。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振れてしまっても、三元触媒による酸素の吸蔵・放出作用により、かかる空燃比ずれを吸収することができる。

ところで、触媒が劣化すると触媒の浄化効率が低下する。一方、触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、酸素吸蔵能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。一般的には、燃焼室内の混合気ひいては触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を行い、このアクティブ空燃比制御の実行に伴って触媒の酸素吸蔵容量を計測し、触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−３１８６１号公報

ところで、アクティブ空燃比制御においては、触媒に流入する排気ガスの実際の空燃比が、リッチ側及びリーン側に交互に切り替えられる目標空燃比に一致するように空燃比制御がなされる。しかし、エンジンの運転状態のばらつきにより、実際の空燃比が目標空燃比に対してばらつくことがあり、この空燃比ばらつきがあると、空燃比ばらつきがないときの値に対して誤差を含む酸素吸蔵容量の値が計測されてしまうことがある。そしてこの誤差を含む酸素吸蔵容量計測値に基づいて劣化判定する結果、正常な触媒を誤って劣化と判定したり、劣化した触媒を誤って正常と判定したりする誤診断が発生する場合がある。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、実際の空燃比が目標空燃比に対しばらつく空燃比ばらつきに起因した誤診断を防止し得る触媒劣化診断装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
前記触媒の上流側に配置された空燃比センサと、
前記空燃比センサにより検出される実空燃比が、所定のタイミングでリーン側及びリッチ側に交互に切り替えられる目標空燃比に一致するよう、前記触媒の上流側の空燃比を制御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手段による空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記空燃比センサによって検出された実空燃比の前記目標空燃比に対する偏差に基づき、前記計測手段により計測された酸素吸蔵容量の値を補正する補正手段と、
前記補正手段により補正された前記酸素吸蔵容量の値に基づき、前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

これによれば、実空燃比の目標空燃比に対する偏差に基づき酸素吸蔵容量計測値が補正されるので、空燃比ばらつきによる酸素吸蔵容量計測値の誤差を補償し、空燃比ばらつきに起因した誤診断を未然に防止することができる。

好ましくは、前記補正手段は、前記目標空燃比がリーン側又はリッチ側とされているときの所定期間における前記偏差の平均値に基づき、前記酸素吸蔵容量の値を補正する。これによると、適切な補正を実行して診断精度を向上することが可能となる。

好ましくは、前記補正手段は、前記目標空燃比がリーン側のとき、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリーン側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより減少側に補正し、且つ、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリッチ側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより増大側に補正する。

好ましくは、前記補正手段は、前記目標空燃比がリッチ側のとき、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリッチ側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより減少側に補正し、且つ、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリーン側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより増大側に補正する。

本発明によれば、実際の空燃比が目標空燃比に対しばらつく空燃比ばらつきに起因した誤診断を防止することができるという、優れた効果が発揮される。

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。 触媒劣化診断時のアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイムチャートである。 図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 平均ストイキ空燃比差と酸素吸蔵容量計測値との関係を示すグラフである。 触媒劣化診断時における各値の推移を示すタイムチャートである。 酸素吸蔵容量計測値の補正処理に関するフローチャートである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

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（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気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒１１，１９が直列に取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。上流触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した値の信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ_２センサからなり、理論空燃比を境に出力値が急変する特性（Ｚ特性）を持つ。なお触媒後センサ１８は上流触媒１１と下流触媒１９の間に設置されている。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。またＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４の出力に基づいてエンジン回転速度Ｎｅを検出する。

ＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように空燃比をフィードバック制御する。一方、触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比Ａ／Ｆｓ（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ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定し、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比に一致するようにインジェクタ１２から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより触媒１１に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

ここで、劣化診断の対象である上流触媒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保持され、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収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。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１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が還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆを敢えて理論空燃比を中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数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との接触確率の低下を引き起こし、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の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。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が吸蔵し得る最大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。

本実施形態の触媒劣化診断は前述のＣｍａｘ法によるものを基本とする。そして触媒１１の劣化診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御において、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、所定のタイミングで、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリッチ側及びリーン側にアクティブ且つ交互に切り替えられる。そして触媒前センサ１７により検出される実空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが、目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するよう、触媒１１の上流側の空燃比（具体的には混合気の空燃比）が制御される。なおリッチ側の空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側の空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。このアクティブ空燃比制御によって触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがリッチ側又はリーン側に制御されている最中に触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の劣化診断は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度（触媒床温）の計測については、温度センサを用いて直接検出してもよいが、本実施形態の場合内燃機関の運転状態から推定することとしている。例えばＥＣＵ２０は、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａに基づいて、予め設定されたマップを利用し、触媒１１の温度Ｔｃを推定する。なお、吸入空気量Ｇａ以外のパラメータ、例えばエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）などを触媒温度推定に用いるパラメータに含めてもよい。

図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御を実行したときの、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力挙動を実線で示す。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔを破線で示す。図３（Ａ）に示される触媒前センサ１７の出力値は触媒前空燃比Ａ／Ｆｆに換算した値である。また図３（Ｂ）に示される触媒後センサ１８の出力値はその出力値自体、即ち出力電圧Ｖｒの値である。

図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ）と、そこからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比Ａ／Ｆｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。そしてこの目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆも、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対し僅かな時間遅れを伴って切り替わる。

図示例においてリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。例えばリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５とされる。なおリッチ振幅及びリーン振幅を総称して「振幅」といい、符号「Ａ」で表す。

目標空燃比Ａ／Ｆｔは、触媒後センサ１８の出力が反転するのに応じて切り替えられる。目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる時期ないしタイミングは、触媒後センサ１８の出力がリッチからリーンに、又はリーンからリッチに切り替わるタイミングと同時である。図示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒは理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。そして当該出力電圧Ｖｒの反転時期、即ち当該出力電圧Ｖｒがリッチ側に反転した時期及びリーン側に反転した時期を定めるため、当該出力電圧Ｖｒに関する二つの反転しきい値ＶＲ，ＶＬが予め定められている。ここでＶＲをリッチ判定値、ＶＬをリーン判定値という。ＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）である。出力電圧Ｖｒがリーン側即ち減少方向に変化してリーン判定値ＶＬに達した時、出力電圧Ｖｒはリーン側に反転したとみなされ、触媒後センサ１８によって検出された空燃比は少なくとも理論空燃比よりリーンであると判断される。他方、出力電圧Ｖｒがリッチ側即ち増大方向に変化してリッチ判定値ＶＲに達した時、出力電圧Ｖｒはリッチ側に反転したとみなされ、空燃比は少なくとも理論空燃比よりリッチであると判断される。なおリッチ判定値ＶＲはストイキ相当値よりも大きな（リッチ側の）値であり、リーン判定値ＶＬはストイキ相当値よりも小さな（リーン側の）値である。基本的に、出力電圧Ｖｒからは触媒後空燃比Ａ／Ｆｒが理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出できるのみで、空燃比の絶対値まで検出するのは困難である。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。このように、触媒後センサ１８の出力がリーン側又はリッチ側に反転する毎に空燃比がリッチ側又はリーン側に切り替えられる。

このアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次のようにして触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。

図３を参照して、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌとされ、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸収し続けているが、一杯に酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリーン側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入されることとなる。このとき触媒１１では、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。よって触媒１１の下流側にはほぼ理論空燃比Ａ／Ｆｓの排気ガスが流出し、当該下流側のガスがリッチにならないことから、触媒後センサ１８の出力は反転しない。触媒１１から酸素が放出され続けるとやがて触媒１１からは全ての吸蔵酸素が放出され尽くし、その時点でそれ以上酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒下流側の空燃比がリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

酸素吸蔵容量ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸収或いは放出し続けることのできる時間が長くなる。つまり、触媒が劣化していない場合は目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期（例えばｔ１からｔ２までの時間）が長くなり、触媒の劣化が進むほど目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期は短くなる。

そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量ＯＳＣが以下のようにして計測される。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が理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定のサンプリング周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが算出され、且つこのサンプリング周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積算される。こうしてこの酸素放出サイクルにおいて、最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ、即ち放出酸素量が計測される。

ここで、Ｑは燃料噴射量、ΔＡ／Ｆｓはストイキ空燃比差である。ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓは、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側のとき即ちリーン制御中にはΔＡ／Ｆｓ＝Ａ／Ｆｆ−Ａ／Ｆｓで表され、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側のとき即ちリッチ制御中にはΔＡ／Ｆｓ＝Ａ／Ｆｓ−Ａ／Ｆｆで表される。ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓに燃料噴射量Ｑを乗じて得られる値がストイキに対する不足又は過剰分の空気量である。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

原理上は、１回のサイクルで計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣを用い、これを所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば劣化、というように触媒の劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態では診断精度を向上させるため、複数のサイクルで計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣを用いて診断を行うようにしている。即ち、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側となっている酸素吸蔵サイクルでも同様に酸素吸蔵容量（この場合吸蔵酸素量）を計測し、且つ、複数の酸素放出サイクルと酸素吸蔵サイクルとでそれぞれ酸素吸蔵容量を計測し、これら酸素吸蔵容量の平均値を最終的な酸素吸蔵容量計測値としている。

なお、酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量（吸蔵酸素量）の計測については、図４に示すように、時刻ｔ２で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられた後、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側に反転する時点ｔ３まで、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが積算される。こうしてこの酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ即ち吸蔵酸素量（図４のＯＳＣ２）が計測される。酸素放出サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と酸素吸蔵サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるのが理想的である。

次に、最終的な酸素吸蔵容量計測値を用いて触媒の劣化判定がなされる。即ち、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒は劣化と判定される。なお、触媒が劣化と判定された場合、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を起動させるのが好ましい。

さて、前述したように、エンジン運転状態のばらつきにより実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに対してばらつくと、ばらつきがないときの値に対して誤差を含む酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が計測されてしまい、誤診断が発生する場合がある。

これを詳しく説明する。図５は、ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの平均値（平均ストイキ空燃比差）ΔＡ／Ｆｓａｖと、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣとの関係を示す試験結果としてのグラフである。平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖは、リッチ・リーンを問わず、１回のリッチ制御中またはリーン制御中の所定期間に取得された複数サンプルのストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの合計値（具体的には積算値）をサンプル数で除して平均化した値である。図中の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣについては、吸入空気量及び触媒温度により補正された後の値が示されている。

見られるように、平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが、基準値としての振幅Ａに等しい値即ち０．５に対してずれると、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣもその基準値相当の値からずれる。平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが基準値より大きくなると酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは基準値相当の値より増大し、平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが基準値より小さくなると酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは基準値相当の値より減少する傾向にある。なお、ストイキ空燃比差および振幅を「深さ」と言うとすると、実際のリッチ深さ及びリーン深さが基準値より大きくなると酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは基準値相当の値より増大し、実際のリッチ深さ及びリーン深さが基準値より小さくなると酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは基準値相当の値より減少する傾向にある。図示例の場合、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖに対して比例関係にあり、ＯＳＣ＝０．１４５７・ΔＡ／Ｆｓａｖ＋０．１０３８なる関係が成立している。

そこで、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対する実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆのばらつきに起因した誤診断を防止すべく、本実施形態においては、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの目標空燃比Ａ／Ｆｔに対する偏差に基づいて酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを補正し、この補正された酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’に基づき触媒１１の劣化を判定するようにしている。これにより、空燃比ばらつきによる酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの誤差を補償することができ、空燃比ばらつきに起因した誤診断を未然に防止することができる。

上記偏差は、ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓと振幅Ａとの差（ΔＡ／Ｆｓ―Ａ）で表される。この差は、実際の触媒前空燃比と目標空燃比との差（リーン制御中の場合Ａ／Ｆｆ−Ａ／Ｆｔ、リッチ制御中の場合Ａ／Ｆｔ−Ａ／Ｆｆ）に等しい。本実施形態では、適切な補正を実行し診断精度を向上する観点から、リッチ制御中又はリーン制御中の所定期間におけるストイキ空燃比差の平均値ΔＡ／Ｆｓａｖと、振幅Ａとの差（ΔＡ／Ｆｓａｖ―Ａ、これを平均差という）を求め、この平均差に基づいて酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを補正する。この平均差は、所定期間における差（ΔＡ／Ｆｓ―Ａ）の平均値、即ち偏差の平均値を表す。

図６には、触媒劣化診断時における各値の推移を示す。（Ａ）には目標空燃比Ａ／Ｆｔと、触媒前センサ１７により検出された実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの値を示す。（Ｂ）には触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒを示し、（Ｃ）にはストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓを示し、（Ｄ）にはストイキ空燃比差の積算値ΣΔＡ／Ｆｓを示す。

まず、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達すると（時刻ｔ１）、これと同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ（本実施形態では１４．１）からリーン空燃比Ａ／Ｆｌ（本実施形態では１５．１）に切り替えられ、リーン制御が開始される。そしてその後、実際の触媒前空燃比Ａ／ＦｆがストイキＡ／Ｆｓに達した時（時刻ｔ２）から、サンプリング周期τ毎に、ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの値が取得され、且つこのストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの値が積算されていく。

やがて触媒後センサ出力Ｖｒが反転し、リーン判定値ＶＬに達すると（時刻ｔ３）、これと同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、リッチ制御が開始されると共に、ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの取得とその積算が終了される。ストイキ空燃比差の最終的な積算値ΣΔＡ／Ｆｓは、今回のリーン制御中に計測された酸素吸蔵容量の値を補正するために用いられる。その後、実際の触媒前空燃比Ａ／ＦｆがストイキＡ／Ｆｓに達した時（時刻ｔ４）から、サンプリング周期τ毎のストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの取得とその積算とが開始される。

以降同様に、触媒後センサ出力Ｖｒが反転してリッチ判定値ＶＲに達すると（時刻ｔ５）、これと同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられ、ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの取得とその積算が終了される。

例えばリーン制御中（ｔ１〜ｔ３）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌに一定に維持されているものの、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆは図示するようにエンジン運転状態のばらつきに起因して目標空燃比Ａ／Ｆｔに対しばらついている。そして実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが平均的に見て目標空燃比Ａ／Ｆｔからリーン側にずれていると、ずれの無いときに比べて酸素吸蔵容量計測値が大きくなり、逆にリッチ側にずれていると酸素吸蔵容量計測値が小さくなる傾向にある。そこで、これら実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆと目標空燃比Ａ／Ｆｔとの偏差ないしずれに基づき、ずれ分の誤差を解消するよう、酸素吸蔵容量計測値が補正される。具体的には、ストイキ空燃比差の最終的な積算値ΣΔＡ／Ｆｓをサンプル数で除して平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖを求め、この平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖと振幅Ａ（本実施形態では０．５）との差に基づき、酸素吸蔵容量計測値が補正される。

以下、図７を参照しつつ、酸素吸蔵容量計測値の補正処理について説明する。図示するルーチンはＥＣＵ２０により所定のサンプリング周期τ（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１において、リッチ制御中であるか否かが判断され、リッチ制御中であるときはステップＳ１０２に、リッチ制御中でないとき（リーン制御中であるとき）はステップＳ１０９に、それぞれ進む。

リッチ制御中の場合、ステップＳ１０２において、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲより小さいか否かが判断される。Ｖｒ＜ＶＲのときには、ステップＳ１０３に進んで、実際に検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以下であるか否かが判断される。触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以下でないときは、ルーチンが終了される。触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以下であるときは、ステップＳ１０４においてストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの積算が実行され、次いでステップＳ１０５において酸素吸蔵容量ＯＳＣ（放出酸素量）の積算が実行され、ルーチンが終了される。

他方、ステップＳ１０２においてＶｒ≧ＶＲのときには、ステップＳ１０６に進んで、その時点での酸素吸蔵容量積算値が今回計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値として算出される。

次いでステップＳ１０７において、この酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正される。補正後の酸素吸蔵容量ＯＳＣ’は次式（２）により算出される。

αは補正係数であり、本実施形態では図５の結果に基づきα＝０．１４５７とされる。式中の平均差（ΔＡ／Ｆｓａｖ−Ａ）が、実際の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆと目標空燃比Ａ／Ｆｔとの偏差の平均値となる。式（２）によると、実際値である平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが振幅Ａより大きいほど、即ち実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比（１４．１）に対しリッチ側にずれているほど、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣがより減少側に補正され、実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比に等しいときと同じとなるようにされる。また、実際値である平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが振幅Ａより小さいほど、即ち実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比（１４．１）に対しリーン側にずれているほど、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣがより増大側に補正され、実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比に等しいときと同じとなるようにされる。なお平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが振幅Ａと等しいとき、即ち実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比と等しいときには、補正が実質的に行われない。

この後、ステップＳ１０８において目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側に切り替えられ、ルーチンが終了される。

リーン制御中もリッチ制御中と同様である。ステップＳ１０９においては、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬより大きいか否かが判断される。Ｖｒ＞ＶＬのときには、ステップＳ１１０に進んで、実際に検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以上であるか否かが判断される。触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以上でないときは、ルーチンが終了され、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以上であるときは、ステップＳ１１１に進んでストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓの積算が実行され、次いでステップＳ１１２において酸素吸蔵容量ＯＳＣ（吸蔵酸素量）の積算が実行され、ルーチンが終了される。

他方、ステップＳ１０９においてＶｒ≦ＶＬのときには、ステップＳ１１３に進んで、その時点での酸素吸蔵容量積算値が今回計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値として算出される。

次いでステップＳ１１４において、この酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正される。補正後の酸素吸蔵容量ＯＳＣ’は前式（２）により算出される。これによると、実際値である平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが振幅Ａより大きいほど、即ち実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比（１５．１）に対しリーン側にずれているほど、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣがより減少側に補正され、実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比に等しいときと同じとなるようにされる。また、実際値である平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが振幅Ａより小さいほど、即ち実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比（１５．１）に対しリッチ側にずれているほど、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣがより増大側に補正され、実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比に等しいときと同じとなるようにされる。なお平均ストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓａｖが振幅Ａと等しいとき、即ち実際の平均的な触媒前空燃比が目標空燃比と等しいときには、補正が実質的に行われない。

この後、ステップＳ１１５において目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側に切り替えられ、ルーチンが終了される。

こうしてリッチ制御中及びリーン制御中における複数の補正後酸素吸蔵容量ＯＳＣ’が算出されたならば、これら補正後酸素吸蔵容量ＯＳＣ’の平均値が算出され、当該平均値が劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。そして平均値が劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば触媒１１は正常と判定され、平均値が劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒１１は劣化と判定される。これにより空燃比ばらつきによる誤差を解消し、誤診断を未然に防止することができる。

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は任意であり、例えば車両用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。前記実施形態では偏差を表す値としてストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓと振幅Ａとの差（ΔＡ／Ｆｓ―Ａ）を用いたが、これに限らず、例えばストイキ空燃比差ΔＡ／Ｆｓと振幅Ａとの比｛（ΔＡ／Ｆｓ）／Ａ｝を用いてもよい。この場合、図５のグラフを容易に書き換えることができ、補正係数αも容易に算出可能であることが明らかであろう。

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
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
Ａ／Ｆｆ 触媒前空燃比
ΔＡ／Ｆｓａｖ 平均ストイキ空燃比差
Ａ 振幅

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記触媒の上流側に配置された空燃比センサと、
   前記空燃比センサにより検出される実空燃比が、所定のタイミングでリーン側及びリッチ側に交互に切り替えられる目標空燃比に一致するよう、前記触媒の上流側の空燃比を制御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手段による空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記空燃比センサによって検出された実空燃比の前記目標空燃比に対する偏差に基づき、前記計測手段により計測された酸素吸蔵容量の値を補正する補正手段と、
   前記補正手段により補正された前記酸素吸蔵容量の値に基づき、前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記補正手段は、前記目標空燃比がリーン側又はリッチ側とされているときの所定期間における前記偏差の平均値に基づき、前記酸素吸蔵容量の値を補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化診断装置。
3. 前記補正手段は、前記目標空燃比がリーン側のとき、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリーン側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより減少側に補正し、且つ、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリッチ側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより増大側に補正する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記補正手段は、前記目標空燃比がリッチ側のとき、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリッチ側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより減少側に補正し、且つ、前記実空燃比が前記目標空燃比に対しリーン側にずれているほど、前記酸素吸蔵容量の計測値をより増大側に補正する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の触媒劣化診断装置。

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