JP2010185371A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒後センサの劣化影響を排除して酸素吸蔵容量の計測精度を向上する。
【解決手段】触媒下流側の空燃比を検出する触媒後センサの出力Ｖｒの反転に応答して、触媒上流側の空燃比をリッチ・リーンに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する。触媒後センサ出力Ｖｒの反転周期毎に触媒の酸素吸蔵容量を計測し、その反転周期内において触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっている期間ｔ１１〜ｔ１２に酸素吸蔵容量を計測する。触媒後センサ出力の反転期間を計測期間から除いて触媒後センサの劣化影響を排除する。
【選択図】図６

Description

本発明は、触媒の劣化を診断するための装置に係り、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（Ｏ₂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、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーン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）。

特開平５−１３３２６４号公報

前記Ｃｍａｘ法においては、触媒の下流側に排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサが設けられ、この触媒後センサの出力が反転するのに応答して、触媒上流側の空燃比がリッチ及びリーンに交互に切り替えられる。そして、触媒後センサ出力の反転周期毎に酸素吸蔵容量が計測され、この計測値に基づき触媒の劣化が判定される。

ところで、触媒が劣化していくと、通常これと同様に触媒後センサも劣化していく。触媒後センサが劣化するとその応答性が悪化し、特に出力反転時の出力変化が遅くなり、触媒の劣化度を正確に検出できないことがある。つまり、真の触媒劣化度に、触媒後センサ劣化相当分の触媒劣化度が加わって検出されてしまい、真の触媒劣化度を正確に検出できないことがある。

そこで本発明は、触媒後センサの劣化による影響を排除して酸素吸蔵容量の計測精度を向上し得る触媒劣化診断装置を提供することを目的の一つとするものである。

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、
前記触媒の下流側の排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力が反転するのに応答して、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーン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、
前記触媒後センサ出力の反転周期毎に前記触媒の酸素吸蔵容量を計測し、且つ、当該反転周期内において前記触媒後センサ出力が定常となっている期間に前記酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
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、触媒後センサ出力が反転する期間を計測期間から除くことができ、触媒後センサの応答性悪化の影響を排除することができる。よって触媒後センサの劣化による影響を排除し、酸素吸蔵容量の計測精度を向上することができる。

好ましくは、前記計測手段は、前記触媒後センサ出力の微分値に基づき、前記触媒後センサ出力が定常となっているか否かを判定する。この場合好ましくは、前記計測手段は、前記微分値が所定時間、ゼロを含む所定範囲内であるとき、前記触媒後センサ出力が定常となっていると判定する。

触媒後センサ出力が定常となると、その微分値はゼロ近傍の値となる。よって微分値を用いることで触媒後センサ出力が定常となっているか否かを好適に判定することができる。

代替的に、前記計測手段は、前記触媒後センサ出力の微分値を更に微分してなる２階微分値に基づき、前記触媒後センサ出力が定常となっているか否かを判定する。この場合好ましくは、前記計測手段は、前記２階微分値が所定時間、ゼロを含む所定範囲内であるとき、前記触媒後センサ出力が定常となっていると判定する。

触媒後センサ出力が定常となると、その２階微分値もゼロ近傍の値となる。よって２階微分値を用いることでも触媒後センサ出力が定常となっているか否かを好適に判定することができる。特に、この２階微分値を用いると、触媒後センサ出力がほぼ安定しているが一定ではなく、ゆっくりと徐変している場合でも定常を判定することができる。

代替的に、前記計測手段は、前記触媒後センサ出力の微分値と、当該微分値を更に微分してなる２階微分値とに基づき、前記触媒後センサ出力が定常となっているか否かを判定する。この場合好ましくは、前記計測手段は、前記微分値が第１の所定時間、ゼロを含む第１の所定範囲内であり、且つ、前記２階微分値が第２の所定時間、ゼロを含む第２の所定範囲内であるとき、前記触媒後センサ出力が定常となっていると判定する。

本発明によれば、触媒後センサの劣化による影響を排除して酸素吸蔵容量の計測精度を向上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。 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。 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。 本実施形態の酸素吸蔵容量計測方法を説明するためのタイムチャートである。 通常のＣｍａｘ法における酸素吸蔵容量計測値の推移を示す図である。 本実施形態における酸素吸蔵容量計測値の推移を示す図である。 定常判定の第１の態様を説明するためのタイムチャートである。 酸素吸蔵容量計測処理のルーチンを示すフローチャートである。 定常判定の第２の態様を説明するためのタイムチャートである。 定常判定の第３の態様を説明するためのタイムチャートである。

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における燃焼室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、および排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅ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（内燃機関に流入する空気量）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に接続されている。これら排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。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。上流触媒１１の上流側及び下流側ないし直前及び直後の位置には、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が設けられている。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Ｏ₂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。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力特性を図５に示す。

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。

ＥＣＵ２０は、通常、触媒前センサ１７により検出された空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、燃焼室３に供給される混合気の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（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ＣｅＯ₂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；O₂ 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、触媒１１の上流側の空燃比、即ち燃焼室３内の混合気の空燃比ひいては触媒１１に供給される排気ガスの空燃比は、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリッチ及びリーンにアクティブに（強制的に）且つ交互に切り替えられる。なおリッチ側に切り替えられているときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に切り替えられているときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。

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。

以下、図３及び図４を用いて、通常のＣｍａｘ法による上流触媒１１の酸素吸蔵容量の計測方法を説明する。図３（Ａ），（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。このことから目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとは時間遅れがあること以外等価であることが理解されよう。

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。通常の空燃比制御の場合に比べ、アクティブ空燃比制御の場合は空燃比の振り幅が大きく、即ちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。

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答して切り替えられる。図５に示したように、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がリーンからリッチに或いはリッチからリーン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）とされる。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触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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。リッチ判定値ＶＲとリーン判定値ＶＬとにそれぞれ対応する空燃比の間の狭い領域Ｙ（これを遷移領域という）に理論空燃比が含まれている。なお出力電圧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、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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の出力がリーン又はリッチに反転するのと同時に空燃比がリッチ又はリーンにアクティブに切替制御される。

このアクティブ空燃比制御を実行しつつ、通常のＣｍａｘ法では、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、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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。

触媒１１の有する酸素吸蔵容量が大きいほど、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が理論空燃比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が時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積算される。こうしてこのリッチ制御中の１反転周期ｔ１〜ｔ２において、最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ（この場合、図４にＯＳＣ１で示される放出酸素量）が計測される。

ここで、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。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンとなっているリーン制御中でも同様に酸素吸蔵容量（この場合、図４にＯＳＣ２で示される吸蔵酸素量）が計測される。そして目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ・リーンと交互に切り替えられ、リッチ制御とリーン制御が交互に行われる度に、酸素吸蔵容量が計測される。こうして複数の酸素吸蔵容量計測値が得られたならば、その平均値ＯＳＣａｖが算出される。

なお、リーン制御中における酸素吸蔵容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。そして最終的な積算値が、当該リーン制御中の反転周期において計測された酸素吸蔵容量の値となる。酸素放出時と酸素吸蔵時とで酸素吸蔵容量の計測値はほぼ等しい値となるのが理想的である。

次に、酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖに基づき触媒の劣化判定がなされる。即ち、平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、平均値ＯＳＣａｖ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、新品状態から触媒１１が劣化していくと、これと同様に触媒後センサ１８も通常劣化していく。触媒後センサ１８が劣化するとその応答性が悪化し、特に出力反転時の出力変化が遅くなり、触媒の劣化度を正確に検出できないことがある。

すなわち、応答性が悪化した触媒後センサ１８の場合、リッチ制御またはリーン制御の終了直前における反転時の出力変化速度が遅くなり、その分、微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣの積算時間が長くなる。よって、応答性が悪化していないセンサの場合よりも大きな酸素吸蔵容量の値が計測されてしまう。つまり真の触媒劣化度に、触媒後センサ劣化相当分の触媒劣化度が加わって検出されてしまう。これが計測精度の低下をもたらし、ひいては劣化した触媒を誤って正常と判定する誤診断をも引き起こす可能性がある。

なお、出力反転時の出力変化速度が遅くなる理由として、触媒後センサ１８の劣化による出力低下も一つの原因と考えられる。また、触媒１１が劣化すると特にリッチ制御（酸素放出）の終了時直前に触媒の反応速度が供給ガス量に対して追いつかない所謂吹き抜けが生じる傾向があり、このことも一つの原因と考えられる。

そこで本実施形態では、かかる問題に対処すべく、前述の通常のＣｍａｘ法の特に計測部分に改良を施し、触媒後センサ出力の反転周期内において触媒後センサ出力が定常となっている期間に酸素吸蔵容量を計測することとしている。以下、これについて説明する。

図６に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒが反転するタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４毎に目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる。ここで１反転周期とは、触媒後センサ出力Ｖｒが１回反転してから次に反転するまでの期間、例えばｔ１からｔ２までの期間をいう。１反転周期内において、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測すなわち微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣの積算は、白抜き矢印で示すような、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっている（或いは安定している）期間ｔ１１〜ｔ１２，ｔ２１〜ｔ２２，ｔ３１〜ｔ３２に実行される。なお（Ｃ）には吸蔵酸素量の積算値を参考までに示す。

この手法によると、触媒後センサ出力Ｖｒが反転する期間（例えばｔ１２〜ｔ２）、および反転直後の出力変動期間（例えばｔ２〜ｔ２１）を、酸素吸蔵容量計測期間から除くことができ、触媒後センサ１８の応答性悪化および出力低下の影響を排除することができる。これにより、触媒後センサ１８の劣化による影響を排除し、酸素吸蔵容量の計測精度を向上することができる。また誤診断をも未然に防止することができる。

この手法によれば、通常のＣｍａｘ法よりも計測期間が短くなり、小さな酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が計測される。しかし、それでも触媒の正常時と劣化時とで酸素吸蔵容量の計測値に相対差が出るため、特に問題はない。むしろ、触媒後センサ１８の劣化影響が排除される結果、正常時と劣化時とで酸素吸蔵容量計測値の相対差が大きくなり、診断精度は向上する可能性がある。

図７および図８には、通常のＣｍａｘ法および本実施形態における酸素吸蔵容量計測値の推移を示す。（Ａ）には新品触媒の場合を示し、（Ｂ）には、新品触媒よりも劣化しているがなお正常とみなせるような正常劣化触媒の場合を示し、（Ｃ）には、正常劣化触媒よりもさらに劣化していて劣化と判定しなければならない異常劣化触媒の場合を示す。図中の領域Ａは、計測値のうち、触媒の持つ正味の酸素吸蔵容量に相当する分を示し、領域Ｂは、計測値のうち、触媒後センサ１８の劣化影響分を示す。

図７に示すように、通常のＣｍａｘ法の場合だと、触媒後センサ１８の劣化影響分が計測値に含まれ、このセンサ劣化影響分は最初は小さいが、触媒およびセンサが劣化するに従って次第に大きくなり、計測値のうち徐々に大きな割合を占めていくようになる。言い換えれば、触媒およびセンサが劣化するに従ってセンサ劣化影響分による計測値の誤差が次第に大きくなっていく。一方、触媒劣化診断では、（Ｂ）の正常劣化触媒と（Ｃ）の異常劣化触媒とを精度良く区別することが必要である。

他方、図８に示すように、本実施形態の場合だと、触媒後センサ１８の劣化影響分が計測値に含まれないので、常に正味の酸素吸蔵容量が計測されることになる。この場合、（Ｂ）の正常劣化触媒と（Ｃ）の異常劣化触媒との計測値の相対的な差Ｃ２は、図７に示した通常のＣｍａｘ法の場合の相対的な差Ｃ１より大きくなり、むしろ、正常劣化触媒と異常劣化触媒との区別が容易となる可能性がある。これが、診断精度が向上する可能性があるとする一つの理由である。

なお、通常のＣｍａｘ法よりも酸素吸蔵容量計測値が小さくなるため、劣化判定のためのしきい値である劣化判定値ＯＳＣｓも通常のＣｍａｘ法より小さくする必要がある。その値自体は、実験等を通じて好適な値に適合される。

ところで、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっている期間に酸素吸蔵容量を計測するためには、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっているか否かを判定する必要がある。そこで本実施形態では以下の第１〜第３の態様のいずれかに基づき、かかる定常判定を実行している。

定常判定の第１の態様は、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値Ｖｒ’を用いるものである。これは図９に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となるとその微分値Ｖｒ’がゼロ近傍の値になるという特性に着目したものである。

図示するように、ＥＣＵ２０は、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値Ｖｒ’を常時計算しており、ある時点（今回）における触媒後センサ出力Ｖｒ_nから１演算周期前（前回）の触媒後センサ出力Ｖｒ_n-1を減じてその差をある時点（今回）における微分値Ｖｒ’_nとする。

そしてＥＣＵ２０は、微分値Ｖｒ’が所定時間Δｔ、ゼロを含む所定範囲内であるとき、具体的には−α≦Ｖｒ’≦＋α（但しαは微小な正の所定値）の範囲にあるとき、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっていると判定する。

図９に示すように、この判定方法に基づく定常期間は図中のｔ１１〜ｔ１２，ｔ２１〜ｔ２２，ｔ３１〜ｔ３２の期間であり、これら各定常期間で酸素吸蔵容量の計測が実行される。具体的には、例えばｔ１１〜ｔ１２の定常期間について、ＥＣＵ２０は、微分値Ｖｒ’が所定時間Δｔ、−α≦Ｖｒ’≦＋αの範囲にあると判断した時点で、その−α≦Ｖｒ’≦＋αの範囲に最初に入った時点ｔ１１を定常期間の始期と定め、当該時点ｔ１１に遡って（つまり所定時間Δｔだけ遡って）計測ないし積算を開始する。この際、ＥＣＵ２０は、バッファに予め記憶しておいた触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ等のデータを使用する。所定時間Δｔの経過を待つ理由は、触媒後センサ出力Ｖｒの反転直後は触媒後センサ出力Ｖｒが変動しており、その微分値Ｖｒ’がＰで示すように一時的或いは瞬間的に−α≦Ｖｒ’≦＋αの範囲に入ることがあり、このときを定常期間と判定してしまうのを避けるためである。こうして計測ないし積算は、定常期間の終期、すなわち微分値Ｖｒ’がその後最初に−α≦Ｖｒ’≦＋αの範囲から外れる時点ｔ１２まで実行される。

図１０に、この第１の態様に係る酸素吸蔵容量計測処理のルーチンを示す。図示するルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、診断ないし計測の実行に適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａと、クランク角センサ１４の出力に基づき計算された機関回転速度Ｎｅとの変動幅が所定範囲内にあるなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ、上流触媒１１及び各センサ１７，１８が活性状態にあれば、前提条件成立となる。なお前提条件についてはここで述べた例に限られない。

前提条件が成立していない場合には、ステップＳ１０８に進んで、通常の空燃比制御が実行される。すなわち、目標空燃比Ａ／Ｆｔが例えばストイキに設定され、空燃比がストイキにフィードバック制御される。

他方、前提条件が成立した場合にはステップＳ１０２に進み、アクティブ空燃比制御が実行される。

次いでステップＳ１０３において、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチまたはリーンに反転したか否かが判断される。反転した場合にはステップＳ１０４に進んで目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンまたはリッチに切り替えられ、空燃比がリーンまたはリッチに制御される。そしてその後ステップＳ１０５に進む。

他方、反転していない場合にはステップＳ１０４がスキップされ、直接ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５においては、前述の手法により、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっているか否かが判断される。すなわち、微分値Ｖｒ’が所定時間Δｔ、−α≦Ｖｒ’≦＋αの範囲にあると判断した場合には、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっていると判断され、そうでなければ触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっていないと判断される。

定常となっていると判断された場合には、ステップＳ１０６に進んで、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測ないし積算が実行される。この計測ないし積算は、前述したように、微分値Ｖｒ’が最初に−α≦Ｖｒ’≦＋αの範囲に入った時点に遡って開始される。他方、定常となっていないと判断された場合には、ステップＳ１０７に進んで、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値ないし積算値が初期化され、すなわちゼロとされる。以上でルーチンが終了する。

これにより、リッチ制御時とリーン制御時とで複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。この後ＥＣＵ２０は、通常のＣｍａｘ法同様、これら複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖを算出し、当該平均値ＯＳＣａｖを所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較する。平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒を正常と判定し、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒を劣化と判定する。

なお、この平均値ＯＳＣａｖに基づく方法以外も可能である。例えば、リッチ制御時とリーン制御時とでそれぞれ放出酸素量と吸蔵酸素量とを個別に計測すると共に、これらを計測毎に更新し、最終的な更新値の平均値を求め、この平均値を所定の劣化判定値と比較する方法が可能である。

次に、定常判定の第２の態様を説明する。この第２の態様は、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値Ｖｒ’をさらに微分してなる２階微分値Ｖｒ”を用いる。これは図１１に示すように、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となるとその２階微分値Ｖｒ”もゼロ近傍の値になるという特性に着目したものである。

図示するように、ＥＣＵ２０は、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値Ｖｒ’と、２階微分値Ｖｒ”とを常時計算しており、ある時点（今回）における微分値Ｖｒ’_nから１演算周期前（前回）の微分値Ｖｒ’_n-1を減じてその差をある時点（今回）における２階微分値Ｖｒ”_nとする。

そしてＥＣＵ２０は、２回微分値Ｖｒ”が所定時間Δｔ、ゼロを含む所定範囲内であるとき、具体的には−γ≦Ｖｒ”≦＋γ（但しγは微小な正の所定値）の範囲にあるとき、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっていると判定する。

図１１に示すように、この判定方法に基づく定常期間は図中のｔ１１〜ｔ１２，ｔ２１〜ｔ２２，ｔ３１〜ｔ３２の期間であり、これら各定常期間で酸素吸蔵容量の計測が実行される。例えばｔ１１〜ｔ１２の定常期間について、ＥＣＵ２０は、２階微分値Ｖｒ”が所定時間Δｔ、−γ≦Ｖｒ”≦＋γの範囲にあると判断した時点で、その−γ≦Ｖｒ”≦＋γの範囲に最初に入った時点ｔ１１を定常期間の始期と定め、当該時点ｔ１１に遡って（つまり所定時間Δｔだけ遡って）計測ないし積算を開始する。この際、ＥＣＵ２０は、バッファに予め記憶しておいた触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ等のデータを使用する。所定時間Δｔの経過を待つ理由は、前記同様、触媒後センサ出力Ｖｒの反転直後に２階微分値Ｖｒ”が一時的或いは瞬間的に−γ≦Ｖｒ”≦＋γの範囲に入ったときを定常期間と判定してしまうのを避けるためである。こうして計測ないし積算は、２階微分値Ｖｒ”がその後最初に−γ≦Ｖｒ”≦＋γの範囲を外れる時点ｔ１２、すなわち定常期間の終期まで実行される。

この２階微分値Ｖｒ”に基づく方法でも、触媒後センサ出力Ｖｒが定常か否かを好適に判定することができる。

また、この２階微分値Ｖｒ”に基づく方法によれば、触媒後センサ出力Ｖｒがほぼ安定しているが一定ではなく、ゆっくりと徐変している場合でも定常を判定することが可能である。この点は後述の第３の態様の項で述べる。

この第２の態様でも、図１０に示したルーチンにより酸素吸蔵容量計測処理を行うことが可能である。この場合、ステップＳ１０５の定常判定の際に、第１の態様で述べた微分値Ｖｒ’等に代わって２階微分値Ｖｒ”等が用いられる。

次に、定常判定の第３の態様を説明する。この第３の態様は、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値Ｖｒ’と２階微分値Ｖｒ”との両方を用いるものである。

すなわち、図１２に示すように、ＥＣＵ２０は、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値Ｖｒ’と、２階微分値Ｖｒ”とを常時計算している。そしてＥＣＵ２０は、微分値Ｖｒ’が第１の所定時間Δｔ１、ゼロを含む第１の所定範囲内であり、且つ、２階微分値Ｖｒ”が第２の所定時間Δｔ２、ゼロを含む第２の所定範囲内であるとき、触媒後センサ出力Ｖｒが定常となっていると判定する。ここで第１の所定範囲は−β≦Ｖｒ’≦＋β（但しβは微小な正の所定値）で規定され、第２の所定範囲は−γ≦Ｖｒ”≦＋γで規定される。

特に、第１の所定範囲を定める所定値βは、第１の態様の所定値αよりも大きくされ、その範囲は拡大されている。また所定値βは、２階微分値Ｖｒ”の第２の所定範囲を定める所定値γよりも大きくされるのが好ましく、すなわち第１の所定範囲は第２の所定範囲より大きいのが好ましい。

図１２に示すように、この判定方法に基づく定常期間は図中のｔ１０１〜ｔ１０２（またはｔ１２），ｔ２０１〜ｔ２０２，ｔ３０１〜ｔ３０２の期間であり、これら各定常期間で酸素吸蔵容量の計測が実行される。例えばｔ１０１〜ｔ１０２の定常期間に関し、ｔ１０１の前のｔ１１で微分値Ｖｒ’は既に第１の所定範囲内にあるが、この時点ではまだ２階微分値Ｖｒ”が第２の所定範囲内にないので、定常期間とはされない。２階微分値Ｖｒ”が第２の所定範囲に入った時点ｔ１０１ではじめて定常期間（特にその始期）とされ、この時点ｔ１０１から計算ないし積算が開始される。なお、この場合もＥＣＵ２０は、後者の２階微分値Ｖｒ”が第２の所定時間Δｔ２、−γ≦Ｖｒ”≦＋γの範囲にあると判断した時点で、ｔ１０１に遡って計測ないし積算を開始する。勿論、微分値Ｖｒ’が２階微分値Ｖｒ”よりも後に所定範囲内に入った場合は順番が逆転する。

この計測ないし積算は、微分値Ｖｒ’と２階微分値Ｖｒ”の少なくともいずれか一方が所定範囲を外れる時点ｔ１０２まで実行される。図示例では、両者がｔ１２或いはｔ１０２で同時に所定範囲を外れており、この時点で定常期間が終了し、計算ないし積算が終了される。

この第３の態様でも、図１０に示したルーチンにより酸素吸蔵容量計測処理を行うことが可能である。この場合、ステップＳ１０５の定常判定の際に、第１の態様で述べた微分値Ｖｒ’等に代わって微分値Ｖｒ’および２階微分値Ｖｒ”等が用いられる。

この微分値Ｖｒ’および２階微分値Ｖｒ”の両方に基づく方法でも、触媒後センサ出力Ｖｒが定常か否かを好適に判定することができる。

また前述したように、２階微分値Ｖｒ”を用いると、触媒後センサ出力Ｖｒがほぼ安定しているが一定ではなく、ゆっくりと徐変している場合でも定常を判定することができる。

すなわち、吸入空気量が大きい場合等には、排ガス流量が多くなり、触媒の反応速度が若干追いつかず軽度の吹き抜け状態となることがある。この場合、図１２（Ａ）にＱで示すように、触媒後センサ出力Ｖｒが反転後、ゆっくりと微小な変化を続ける。すると微分値Ｖｒ’が、図１２（Ｂ）にＲで示すように、第１の態様で述べたような所定範囲−α≦Ｖｒ’≦＋αに入らず、微分値Ｖｒ’のみに基づくやり方では計測不可能となることが起こり得る。

しかし、２階微分値Ｖｒ”を用いると、触媒後センサ出力Ｖｒが徐変していても微分値Ｖｒ’が定常であれば、２階微分値Ｖｒ”が所定範囲−γ≦Ｖｒ”≦＋γに入るようになり、計測が可能となる。これにより計測の機会を安定して確保し、診断頻度の向上も図ることができる。

また、かかる徐変のケースだと、図１２（Ｂ）にＲで示すように、微分値Ｖｒ’が第１の態様の所定範囲−α≦Ｖｒ’≦＋αから外れた範囲で定常状態となることがある。よってこの第３の態様では、この場合も計測を可能とするため、第１の態様よりも広い所定範囲−β≦Ｖｒ’≦＋βを設定している。

そして、微分値Ｖｒ’と２階微分値Ｖｒ”の両方を用いる本態様では、定常判定の精度を向上できる可能性がある。すなわち、触媒後センサ１８の応答性が悪化していると、センサ出力反転時にセンサ出力が定常となっていないのに、２階微分値Ｖｒ”が第２の所定範囲に入る機会が増えることが考えられる。この場合に２階微分値Ｖｒ”のみだと定常と誤判定してしまう虞があるが、微分値Ｖｒ’を組み合わせることでかかる誤判定を抑制できる可能性がある。

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。また、前記実施形態では触媒後センサ出力の微分値および２階微分値の少なくとも一方に基づき定常判定を行ったが、これ以外の方法も可能である。例えば、触媒後センサ出力自体に基づいて定常判定してもよく、触媒後センサ出力が所定時間、所定範囲内にあるときに定常と判定してもよい。

微分値または２階微分値の所定範囲は、前記実施形態ではゼロを中心に対称に設定したが（例えばゼロを中心に±αの範囲）、非対称に設定することも可能である。

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
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
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
Ｖｒ 触媒後センサ出力
Ｖｒ’ 微分値
Ｖｒ” ２階微分値
Δｔ 所定時間
Δｔ１ 第１の所定時間
Δｔ２ 第２の所定時間
α 所定値
β 所定値
γ 所定値

Claims (7)

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、
   前記触媒の下流側の排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
   前記触媒後センサの出力が反転するのに応答して、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーン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、
   前記触媒後センサ出力の反転周期毎に前記触媒の酸素吸蔵容量を計測し、且つ、当該反転周期内において前記触媒後センサ出力が定常となっている期間に前記酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記計測手段は、前記触媒後センサ出力の微分値に基づき、前記触媒後センサ出力が定常となっているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化診断装置。
3. 前記計測手段は、前記微分値が所定時間、ゼロを含む所定範囲内であるとき、前記触媒後センサ出力が定常となっていると判定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記計測手段は、前記触媒後センサ出力の微分値を更に微分してなる２階微分値に基づき、前記触媒後センサ出力が定常となっているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化診断装置。
5. 前記計測手段は、前記２階微分値が所定時間、ゼロを含む所定範囲内であるとき、前記触媒後センサ出力が定常となっていると判定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の触媒劣化診断装置。
6. 前記計測手段は、前記触媒後センサ出力の微分値と、当該微分値を更に微分してなる２階微分値とに基づき、前記触媒後センサ出力が定常となっているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化診断装置。
7. 前記計測手段は、前記微分値が第１の所定時間、ゼロを含む第１の所定範囲内であり、且つ、前記２階微分値が第２の所定時間、ゼロを含む第２の所定範囲内であるとき、前記触媒後センサ出力が定常となっていると判定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の触媒劣化診断装置。

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