JP5057240B2 - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の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三元触媒からなる触媒の劣化を診断する装置に関する。

例えば車両用ガソリンエンジンにおいて、その排気系には排気ガスを浄化するために三元触媒からなる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、そのような空燃比ずれを吸収することができる。

ところで、触媒が劣化するとエミッションが悪化する。一般的に、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強制的にリッチ又はリーン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２００６−１７０７８号公報

しかしながら、触媒の劣化度即ちエミッションの悪化度と、酸素吸蔵能の低下度との間に良好な相関関係が存在しない場合がある。例えば、触媒のレイアウト等の都合で、排ガス流量が少ないとき（例えば低負荷時）には触媒内でガスが均等に流れるが、排ガス流量が多いとき（例えば高負荷時）には触媒内でガスの流れが偏ってしまう場合がある。この場合、排ガス流量が多いときに排ガス流が集中する触媒の一部箇所が極端に熱劣化し、酸素吸蔵容量を計測してもこれが少なく計測されてしまうことがある。しかし、エミッション上重要なのはエンジン始動直後の暖機中であり、このときには通常低負荷運転されるので、触媒の劣化していない部分も十分に活用でき、エミッションはそれほど悪化しない。つまり酸素吸蔵能の観点からは触媒が劣化しているように見えても、実用上はそれほど劣化していないということが起こり得る。

また、排ガス成分（ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ）の浄化反応と、触媒における酸素吸放出反応とは必ずしも一致していない。このこともエミッションと酸素吸蔵能との相関関係がうまくとれない一つの要因である。

本来、触媒の排ガス成分浄化能を直接検出して劣化診断するのが理想的であり、酸素吸蔵能を検出するやり方はあくまで間接的な方法とならざるを得ない。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒の排ガス成分浄化能を直接検出して高精度な診断を行える内燃機関の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三元触媒からなる触媒の劣化を診断する装置であって、
前記内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記触媒に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度を変化させる供給ＮＯｘ可変手段と、
前記触媒に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度又はこれに相関するパラメータを検知する供給ＮＯｘ検知手段と、
前記触媒から排出された排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するセンサと
を備え、
前記空燃比制御手段により空燃比を所定の目標空燃比に一定に制御すると共に前記供給ＮＯｘ可変手段によりＮＯｘ濃度を変化させ、このとき、前記センサの出力が所定値に達した時点において、前記供給ＮＯｘ検知手段により検知された前記ＮＯｘ濃度又はパラメータの値を取得し、当該値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化の有無を判定する
ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置が提供される。

これにおいては、排ガス成分の一つであるＮＯｘに着目し、触媒のＮＯｘ浄化能を実質的に検出することによって触媒の劣化診断を行う。即ち、空燃比を所定の目標空燃比に一定に制御すると共に、触媒に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度（供給ＮＯｘ濃度）を変化させ、このとき、センサの出力が所定値に達した時点において、供給ＮＯｘ濃度又はこれに相関するパラメータの値を取得する。そして、当該値を所定の劣化判定値と比較して触媒の劣化の有無を判定する。

センサの出力が、触媒から排出された排気ガスのＮＯｘ濃度（排出ＮＯｘ濃度）を表すので、一定の排出ＮＯｘ濃度に対する供給ＮＯｘ濃度又はパラメータの値が検知される。これは実質的に触媒のＮＯｘ浄化率を検知することと同義である。従って本発明によれば、エミッションに関連する触媒の劣化を高精度で診断することができる。Ｃｍａｘ法のように触媒の酸素吸蔵能を検出して間接的に診断するものではないため、触媒劣化度と酸素吸蔵能との間に良好な相関関係がとれていない場合でも正確な診断を実施することが可能である。

好ましくは、前記センサが、酸素に感応して空燃比を検出する空燃比センサからなる。

本発明者らの研究結果によれば、かかる空燃比センサでもＮＯｘ濃度が検出可能であることが判明した。従ってかかる空燃比センサを利用して排出ＮＯｘ濃度を検知することにより、部品数低減、コスト削減等が図れる。

好ましくは、前記供給ＮＯｘ可変手段が、吸気弁及び排気弁のバルブオーバーラップを変化させる可変動弁装置を備え、前記供給ＮＯｘ検知手段が前記バルブオーバーラップの値を検知する。

バルブオーバーラップを変化させると内部ＥＧＲ量が変化し、内燃機関の燃焼室から排出されるＮＯｘ量、即ち燃焼室から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度が変化する。よってこの特性を利用して、供給ＮＯｘ濃度を変化させることができる。この場合、バルブオーバーラップの値は供給ＮＯｘ濃度に相関する好適なパラメータとなるので、バルブオーバーラップの値を検知することにより供給ＮＯｘ濃度を間接的に検知できる。

代替的に、前記供給ＮＯｘ可変手段が、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路内に環流させるためのＥＧＲ装置を備え、前記供給ＮＯｘ検知手段がＥＧＲ率の値を検知するのも好ましい。

排気通路から吸気通路への排気環流量を変化させることによっても、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度が変化する。よってこの特性を利用して、供給ＮＯｘ濃度を変化させることができる。この場合、ＥＧＲ率の値は供給ＮＯｘ濃度に相関する好適なパラメータとなるので、ＥＧＲ率の値を検知することにより供給ＮＯｘ濃度を間接的に検知できる。

好ましくは、前記目標空燃比がストイキである。これにより診断時のエミッションの悪化を防止することができる。

好ましくは、前記空燃比制御手段が、空燃比を前記目標空燃比に一定に制御する前に、空燃比を前記目標空燃比よりもリッチな値に制御する。

酸素吸蔵能を有する触媒の場合では、かかるリッチ制御により、触媒に吸蔵されている酸素を予め排出しておくのが好適である。

本発明によれば、触媒の排ガス成分浄化能を直接検出して高精度な診断を行えるという、優れた効果が発揮される。

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。但し、内燃機関１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。

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。ここで吸気弁Ｖｉには、可変動弁装置としての可変バルブタイミング機構（以下ＶＶＴと称す）２１が付設され、吸気弁Ｖｉの開閉タイミングが可変となっている。すなわちＶＶＴ２１は、吸気弁Ｖｉの作用角（開弁状態となっているクランク角範囲）を一定に保ったまま、吸気弁Ｖｉの開閉タイミングを全気筒同時に変更可能であり、より具体的にはクランクシャフトに対するカムシャフトの位相差を変更するものである。吸気弁Ｖｉの開閉タイミングが可変である結果、吸気弁Ｖｉと排気弁Ｖｅとのバルブオーバーラップも可変となる。なお代替的に或いは付加的に、排気弁Ｖｅ側にＶＶＴが設けられていてもよい。可変動弁装置にはこれらＶＶＴ以外に、バルブリフトをも同時に可変とする機構等が含まれる。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（上流触媒）１１が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。触媒１１の上流側と下流側にそれぞれ排気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。なお、触媒後センサ１８の下流側にも、前記触媒１１と同様の構成の触媒（下流触媒）１９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ある。図２には触媒前センサ１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆに比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比がストイキであるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）であり、このストイキを境に空燃比−電圧特性の傾きが変化する。

他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ２センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する所謂Ｚ特性を有している。図３には触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒはストイキを境に過渡的に変化し、排気ガスの空燃比がストイキよりリーンのときには０．１Ｖ程度の低い電圧を示し、排気ガスの空燃比がストイキよりリッチのときには０．９Ｖ程度の高い電圧を示す。これらのほぼ中間の電圧Ｖｒｅｆｒ＝０．４５Ｖをストイキ相当値とし、センサ出力電圧ＶｒがＶｒｅｆｒより高いときには排気空燃比はストイキよりリッチ、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより低いときには排気空燃比はストイキよりリーンというように、排気空燃比を検出している。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２及びＶＶＴ２１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、クランクシャフトの位相（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、吸気側カムシャフトの位相（カム角）を検出するカム角センサ（図示せず）、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及びＶＶＴ２１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、吸気弁Ｖｉの開閉タイミング等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

触媒１１は、これに供給される排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）近傍のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、燃焼室３に供給される混合気の空燃比をストイキに制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、ストイキに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するよう、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。

なお、かかる触媒前センサ１７の出力に基づくメイン空燃比制御に加えて、ＥＣＵ２０は、触媒後センサ１８の出力に基づくサブ空燃比制御をも実行する。具体的にはＥＣＵ２０は、触媒後センサ１８により検出された空燃比がストイキに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するよう、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。メイン空燃比制御が極めて短い時間周期で実行されるのに対し、サブ空燃比制御は比較的長い時間周期で実行される。メイン空燃比制御を実行していても、触媒前センサ１７の製品バラツキや劣化等により実際の中心空燃比がストイキからずれる場合があるので、このずれを補正する目的でサブ空燃比制御が同時に行われる。

ここで、Ｏ２センサからなる触媒後センサ１８について詳述する。図４に示すように、触媒後センサ１８は、排気通路内に配置された試験管状の検出素子３１を備えている。検出素子３１は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、センサカバー３２を通過してきた排気ガスに曝される。図５に示すように、検出素子３１は、内外の表面に電極３３Ａ，３３Ｂが被覆された固体電解質３４により形成されている。固体電解質３４は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質を指し、例えばジルコニア（例えばＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃）からなる。また電極３３Ａ，３３Ｂは、触媒能を有する貴金属を含み、本実施形態では多孔質白金電極からなる。外側電極３３Ｂの外表面は耐久性向上のために多孔質セラミックス層３５で覆われている。検出素子３１の内側の大気室３６は外部と連通され、大気が導入されるようになっている。大気室３６には、検出素子３１を加熱して早期に活性させるためのヒータ（図示せず）が設けられ、ヒータはＥＣＵ２０によって加熱制御される。

検出素子３１の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて内外の電極３３Ａ，３３Ｂで電子の移動が生じ、その結果、検出素子３１に起電力が発生する。こうして触媒後センサ１８は、外側電極３３Ｂに接触する酸素に感応して出力を発生し、より具体的には、雰囲気ガスの酸素濃度に応じた出力を発生し、雰囲気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外側の電極３３Ｂに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内側の電極３３Ａが正極、外側の電極３３Ｂが負極となる。

ちなみにＯ２センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプのＯ２センサがある。そしてその多くでは、上記と同様の原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成、すなわち基準ガス（大気）と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。

次に、触媒１１の構成を説明する。図６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。

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。なお、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も減少し、酸素吸蔵能も低下する。

次に、触媒１１の劣化診断について説明する。
かかる触媒１１の劣化診断については、触媒１１の劣化度と酸素吸蔵能との間の相関関係を利用するやり方、即ちＣｍａｘ法が一般的である。これに対し、本実施形態では、触媒１１の排ガス浄化能を直接検出して触媒１１の劣化を診断する。具体的に述べると、排ガス成分の一つであるＮＯｘに着目し、触媒１１のＮＯｘ浄化率を実質的に検出することによって、触媒１１の劣化診断を行う。

ここで本実施形態では、Ｏ２センサからなる触媒後センサ１８が排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するという特性があることに着目し、触媒後センサ１８によって、触媒１１から排出された排気ガスのＮＯｘ濃度（以下、排出ＮＯｘ濃度という）を検出するようにしている。図７には触媒後センサ１８のＮＯｘ濃度に対する出力特性を示し、図示するように、ＮＯｘ濃度の変化に応じて、触媒後センサ出力Ｖｒは、空燃比のときと類似のＺ特性を持って変化する。但し、図３に示したような空燃比の場合と比較して、触媒後センサ出力Ｖｒの変化は緩慢であり、即ちＺ特性の感度は鈍い。触媒後センサ出力Ｖｒは、空燃比が高まるにつれストイキを境にその値が大きな値から小さな値に変化したのと同様に、ＮＯｘ濃度が高まるにつれストイキ相当のＮＯｘ濃度を境にその値が大きな値から小さな値に変化する傾向にある。

このように、本来サブ空燃比制御用である触媒後センサ１８を排出ＮＯｘ濃度検出に利用することにより、専用のＮＯｘセンサが不要となり、部品数低減、コスト削減等が図れる。もっとも、専用のＮＯｘセンサで排出ＮＯｘ濃度を検出することも可能である。

ここで、触媒後センサ１８の出力ＶｒがＮＯｘ濃度に応じて変化する理由を説明する。一般に、ＮＯｘがＮ₂，Ｏ₂に解離する反応は、次式で表されるような、濃度バランスによっていずれの方向にも進む平衡反応である。なお、このときの反応速度は比較的遅く、また平衡状態は温度によっても変化する。
Ｎ₂＋Ｏ₂⇔２ＮＯ
２ＮＯ＋Ｏ₂⇔２ＮＯ₂

そして、ＮＯｘ濃度が高いほど、ＮＯｘの酸素への解離が進みやすくなるので、酸素に感応する触媒後センサ１８も、低いリーン側の値を出力しやすくなると考えられる。また、触媒後センサ１８の外側電極３３Ｂ、即ち白金にＮＯｘが触れると、白金のＮＯｘ分解能によりＮＯｘが酸素に分解されるので、触媒後センサ１８は低い値を出力しやすくなると考えられる。なお、白金のＮＯｘ分解能はそれほど高いものではないので、白金によるＮＯｘの酸素への分解反応は比較的低速で起こる。この反応速度は貴金属の種類に応じて異なるものである。以上の理由により、触媒後センサ１８の出力ＶｒはＮＯｘ濃度に応じて変化すると考えられる。

なお、外側電極表面上でのＮＯｘの酸素への分解反応を促進するため、外側電極３３Ｂの表面に、ＮＯｘ分解能の高い触媒、例えばロジウムＲｈ等の貴金属を配設してもよい。

以下、本実施形態における劣化診断処理を図８を参照しつつ説明する。図示するルーチンはＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ１０１では、触媒劣化判定要求の有無が判断される。即ちここでは、後述する触媒劣化判定（ステップＳ１０９、Ｓ１１０）が現トリップ中に既になされたか否かが実質的に判断される。なされていなければ触媒劣化判定要求有りとしてステップＳ１０２に進む。なされていれば触媒劣化判定要求無しとして待機状態となる。本実施形態では、１トリップ当たりに１回、触媒劣化判定を行うようにしており、現トリップ中に触媒劣化判定がなされていなければ触媒劣化判定要求有り、現トリップ中に触媒劣化判定がなされていれば触媒劣化判定要求無しとしている。なお、トリップとはエンジンの始動から停止までの期間をいう。

ステップＳ１０２では、触媒劣化診断を行うの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、次の条件１）〜４）が全て成立したときに前提条件成立となる。前提条件が成立していなければ待機状態となり、前提条件が成立していればステップＳ１０３に進む。
１）吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅが所定範囲内に維持されているなど、エンジンが定常運転状態にあること。
２）触媒１１及び触媒前後センサ１７，１８が活性時相当の所定温度範囲内となっていること。
３）燃焼室３から排出された排気ガスのＮＯｘ濃度推定値が所定範囲内にあること。このＮＯｘ濃度推定はエンジン運転状態（例えば吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅ）に基づいて行われる。
４）ＶＶＴ２１による吸気弁Ｖｉのバルブタイミング変更が許容されていること。即ち、ノッキングやエミッションの観点からバルブタイミング変更が禁止されるエンジン運転状態があり、このようなエンジン運転状態になっていなければ、バルブタイミング変更が許容される。

ステップＳ１０３では、燃焼室３に供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆが強制的にリッチに制御され、具体的には、メイン空燃比制御における目標空燃比Ａ／Ｆｔが、ストイキより小さな（リッチ側の）所定値に設定される。かかる強制リッチ制御を行う理由は、触媒１１にリッチな排気ガスを供給し、触媒１１に吸蔵されている酸素を放出ないし排出するためである。

次のステップＳ１０４では、触媒後センサ１８の出力Ｖｒが所定のリッチ判定値ＶｒＲを上回ったか否かが判断される。即ち、図７に示すように、リッチ判定値ＶｒＲはストイキ相当値Ｖｒｅｆｒより高いリッチ側の値に設定されており、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶｒＲを上回ったということは、触媒１１に吸蔵されていた酸素がほぼ全て放出され、触媒１１に供給されたリッチガスが触媒１１を素通りして触媒後センサ１８により検出されたことを意味する。従って触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶｒＲを上回っていれば、触媒１１における吸蔵酸素の放出が完了したとみなし、ステップＳ１０５に進む。逆に、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶｒＲを上回っていなければ、ステップＳ１０３に戻って強制リッチ制御を継続する。

ステップＳ１０５では、燃焼室３に供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆがストイキに制御され、具体的には、メイン空燃比制御における目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキに設定される。このように制御空燃比を一定値に固定、具体的にはストイキに固定することにより、特にＣｍａｘ法の如く空燃比をリッチ・リーンに振るアクティブ空燃比制御を行う場合に比べ、エミッションの悪化を防止することができる。

次のステップＳ１０６では、ＶＶＴ２１が制御され、吸気弁Ｖｉ及び排気弁Ｖｅのバルブオーバーラップが変化させられる。具体的には、バルブオーバーラップが大きな値から小さな値へと徐々に減少していくように、ＶＶＴ２１が制御される。

一般に、バルブオーバーラップを増大させると内部ＥＧＲ量が増え、燃焼室３から排出されるＮＯｘ量、即ち燃焼室３から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度が減少する。逆に、バルブオーバーラップを減少させると内部ＥＧＲ量が減り、排気ガスのＮＯｘ濃度が増大する。よってバルブオーバーラップと、燃焼室３から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度、即ち触媒１１に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度（以下、供給ＮＯｘ濃度という）との間には、図９に示すような相関関係がある。よって本実施形態では、この相関関係を予め実験的に把握しておくと共にマップ（関数でもよい）としてＥＣＵ２０に記憶しておき、バルブオーバーラップを検知することにより、供給ＮＯｘ濃度を間接的に検知する。バルブオーバーラップは供給ＮＯｘ濃度に相関するパラメータである。バルブオーバーラップは、ＶＶＴ２１の制御状態に基づき検知され、例えばＶＶＴ２１の制御目標値に基づいて検知することができるし、或いはカム角センサによって検出された実際のカム角に基づいて検知することもできる。

このステップＳ１０６では、空燃比が一定のストイキに制御されたまま、バルブオーバーラップが徐々に減少させられ、供給ＮＯｘ濃度が徐々に増大されていく。かかるＮＯｘ濃度変化の最中に、触媒後センサ１８の出力Ｖｒが継続的にモニタリングされる。

次に、ステップＳ１０７において、触媒後センサ１８の出力Ｖｒが所定のリーン判定値ＶｒＬを下回ったか否か（リーン判定値ＶｒＬより少ない値に達したか否か）が判断される。図７に示すように、リーン判定値ＶｒＬはストイキ相当値Ｖｒｅｆｒより低いリーン側の値に設定されており、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶｒＬを下回ったということは、あるレベルを超えるＮＯｘが触媒１１から排出されたことを意味する。触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶｒＬを下回っていなければ、ステップＳ１０６に戻ってバルブオーバーラップ減少制御を継続する。

他方、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶｒＬを下回ったならば、ステップＳ１０８に進んで、その下回った時点において検知されたバルブオーバーラップの値が取得される。そしてこの取得されたバルブオーバーラップの値が、所定の劣化判定値ＯＬｓ（図９参照）と比較される。この劣化判定値ＯＬｓは、正常と劣化の境目にある触媒（クライテリア触媒）に対応した値として予め定められている。バルブオーバーラップの値が劣化判定値ＯＬｓ未満であれば、リーン判定値ＶｒＬ相当の排出ＮＯｘ濃度Ｙ（図７参照）に対して供給ＮＯｘ濃度が高い、即ちＮＯｘ浄化率は高いことを意味するから、ステップＳ１０９において触媒１１は正常と判定する。他方、バルブオーバーラップの値が劣化判定値ＯＬｓ以上であれば、リーン判定値ＶｒＬ相当の排出ＮＯｘ濃度Ｙに対して供給ＮＯｘ濃度が低い、即ちＮＯｘ浄化率は低いことを意味するから、ステップＳ１１０において触媒１１は劣化と判定する。

図１０には、正常触媒、クライテリア触媒及び劣化触媒の各場合について、供給ＮＯｘ濃度と排出ＮＯｘ濃度の関係、即ちＮＯｘ浄化率が示されている。図示するように、クライテリア触媒の場合に、リーン判定値ＶｒＬ相当の排出ＮＯｘ濃度Ｙと供給ＮＯｘ濃度Ｘ２とが対応するとする。この場合、同じ排出ＮＯｘ濃度Ｙに対して供給ＮＯｘ濃度がＸ２より高いＸ３であるとき、触媒は正常と判定され、他方、同じ排出ＮＯｘ濃度Ｙに対して供給ＮＯｘ濃度がＸ２以下のＸ１であるとき、触媒は劣化と判定される。

次に、他の実施形態について説明する。なおこの他の実施形態は前記実施形態と一部が相違するのみなので、以下、相違点を中心に説明を行う。

図１１に示すように、本実施形態では、ＶＶＴ２１が省略され、その代わりに供給ＮＯｘ濃度を変化させる手段としてＥＧＲ装置４０が設けられている。ＥＧＲ装置４０は、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路内に環流させるためのものであり、排気管６及びサージタンク８を接続するＥＧＲ管４１と、ＥＧＲ管４１に設けられ排気環流量を調節するためのＥＧＲバルブ４２とを有する。ＥＧＲバルブ４２はＥＣＵ２０によってその開度が制御される。ＥＧＲバルブ４２の開度が増大されると、排気環流量即ちＥＧＲガス流量が増大させられ、燃焼室３から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度、即ち触媒１１に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度が減少する。従って、ＥＧＲバルブ４２の開度を変化させることによって供給ＮＯｘ濃度を変化させることができる。

本実施形態では、ＥＧＲバルブ４２の開度を変化させ、ＥＧＲ率を変化させることによって、供給ＮＯｘ濃度を変化させる。ＥＧＲ率は、供給ＮＯｘ濃度に相関するパラメータとして用いられ、ＥＣＵ２０により検知される。即ちＥＣＵ２０は、エンジン運転状態（例えば吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅ）とＥＧＲバルブ開度に基づき、予め記憶してあるマップ又は関数に従い、ＥＧＲ率を検知する。なおＥＧＲ率＝排気還流量／（吸入空気量＋排気還流量）である。

図１２に、他の実施形態における劣化診断処理のルーチンを示す。図示するルーチンもＥＣＵ２０により実行される。

ステップＳ２０１は前記ステップＳ１０１と同様である。続くステップＳ２０２は、前記ステップＳ１０２に対し、前述の条件４）のみが異なり、前述の条件４）は次の条件４）’に置き換えられる。
４）’ＥＧＲ率の変更が許容されていること。
即ち、ノッキングやエミッションの観点からＥＧＲ率変更が禁止されるエンジン運転状態があり、このようなエンジン運転状態になっていなければ、ＥＧＲ率の変更が許容される。

続くステップＳ２０３〜Ｓ２０５は前記ステップＳ１０３〜Ｓ１０５と同様である。次のステップＳ２０６では、ＥＧＲバルブ４２が制御され、ＥＧＲ率が変化させられる。具体的には、ＥＧＲ率が大きな値から小さな値へと徐々に減少していくように、ＥＧＲバルブ４２が閉弁方向に制御される。ＥＧＲ率と供給ＮＯｘ濃度との間には図１３に示すような相関関係がある。本実施形態では、この相関関係を予め実験的に把握しておくと共にマップ（関数でもよい）としてＥＣＵ２０に記憶しておき、ＥＧＲ率を検知することにより、供給ＮＯｘ濃度を間接的に検知する。本実施形態ではＥＧＲ率が供給ＮＯｘ濃度に相関するパラメータとなる。ＥＧＲ率が徐々に減少させられることにより、供給ＮＯｘ濃度は徐々に増大されていく。かかる供給ＮＯｘ濃度変化の最中に、触媒後センサ１８の出力Ｖｒが継続的にモニタリングされる。

ステップＳ２０７は前記ステップＳ１０７と同様である。ステップＳ２０７において、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶｒＬを下回った（リーン判定値ＶｒＬより少ない値に達した）ならば、ステップＳ２０８に進んで、その下回った時点において検知されたＥＧＲ率の値を取得する。そしてこの取得したＥＧＲ率の値を所定の劣化判定値Ｒｓ（図１３参照）と比較する。この劣化判定値Ｒｓも前記同様、クライテリア触媒に対応した値として予め定められている。ＥＧＲ率の値が劣化判定値Ｒｓ未満であれば、ステップＳ２０９において触媒１１は正常と判定する。他方、ＥＧＲ率の値が劣化判定値Ｒｓ以上であれば、ステップＳ２１０において触媒１１は劣化と判定する。

以上述べたように、本発明の実施形態によれば、触媒の排ガス成分浄化能、特にＮＯｘ浄化能を直接検出して診断を行うので、エミッションの悪化と関連する触媒の劣化を直接的に検出、診断することができ、エミッションの観点から高精度な診断を行うことができる。また、排出ＮＯｘ濃度が一定の所定値に達したときの供給ＮＯｘ濃度を検知し、即ち、実質的には触媒のＮＯｘ浄化率を検知し、その結果に基づいて劣化判定するので、エミッションに関係する触媒の劣化を高精度で診断することができる。Ｃｍａｘ法のように触媒の酸素吸蔵能を利用するものではないため、触媒の劣化度即ちエミッションの悪化度と、酸素吸蔵能の低下度との間に良好な相関関係がとれていない場合にあっても、正確な診断を実施することが可能である。

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、上述の実施形態では供給ＮＯｘ濃度が小さな値から大きな値に変化するように供給ＮＯｘ濃度（バルブオーバーラップ、ＥＧＲ率）を変化させたが、逆方向に変化させてもよく、即ち供給ＮＯｘ濃度が大きな値から小さな値に変化するように供給ＮＯｘ濃度を変化させてもよい。しかしながら、こうすると初期の段階で供給ＮＯｘ濃度が大きな値であり、触媒１１からのＮＯｘの吹き抜けが懸念されることから、変化の方向は本実施形態のように、小さな値から大きな値に変化させるようにするのが好ましい。もっとも、ＮＯｘの吹き抜けが起こっても下流側の触媒１９でそのＮＯｘを除去できるような場合であれば特に問題はない。また、供給ＮＯｘ濃度検知手段として、触媒１１の上流側に別途ＮＯｘセンサを設けてもよく、このＮＯｘセンサで供給ＮＯｘ濃度を直接検知してもよい。上述の実施形態では供給ＮＯｘ濃度を変化させる際に目標空燃比ないし制御空燃比をストイキに固定したが、必ずしもストイキでなくてもよい。例えば供給ＮＯｘ濃度が増えるようストイキより若干リーンの値に固定してもよいし、少なくとも強制リッチ制御時の制御空燃比よりリーン側の値に固定してもよい。上述の実施形態では、ＶＶＴ２１及びＥＧＲ装置４０の一方により供給ＮＯｘ濃度を変化させたが、ＶＶＴ２１及びＥＧＲ装置４０の両方により供給ＮＯｘ濃度を変化させてもよい。

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。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 触媒前センサの出力特性を示すグラフである。 触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 触媒後センサの取付状態を示す部分断面図である。 図４のＶ部拡大断面図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 触媒後センサのＮＯｘ濃度に対する出力特性を示すグラフである。 触媒劣化診断処理のフローチャートである。 バルブオーバーラップと供給ＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。 供給ＮＯｘ濃度と排出ＮＯｘ濃度の関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態の構成を示す概略図である。 他の実施形態における触媒劣化診断処理のフローチャートである。 ＥＧＲ率と供給ＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気管
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）
４０ ＥＧＲ装置
Ｖｉ 吸気弁
Ｖｅ 排気弁
Ｖｒ 触媒後センサ出力
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
ＶｒＬ リーン判定値
ＯＬｓ、Ｒｓ 劣化判定値

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置された三元触媒からなる触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   前記触媒に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度を変化させる供給ＮＯｘ可変手段と、
   前記触媒に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度又はこれに相関するパラメータであるバルブオーバーラップもしくはＥＧＲ率の値を検知する供給ＮＯｘ検知手段と、
   前記触媒から排出された排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するセンサと
   を備え、
   前記空燃比制御手段により空燃比を所定の目標空燃比に一定に制御すると共に前記供給ＮＯｘ可変手段によりＮＯｘ濃度を変化させ、このとき、前記センサの出力が所定値に達した時点において、前記供給ＮＯｘ検知手段により検知された前記ＮＯｘ濃度又は前記バルブオーバーラップもしくは前記ＥＧＲ率の値を取得し、当該値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化の有無を判定する
   ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
2. 前記センサが、酸素に感応して空燃比を検出する空燃比センサからなることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
3. 前記供給ＮＯｘ可変手段が、吸気弁及び排気弁のバルブオーバーラップを変化させる可変動弁装置を備え、前記供給ＮＯｘ検知手段が前記バルブオーバーラップの値を検知することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
4. 前記供給ＮＯｘ可変手段が、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路内に環流させるためのＥＧＲ装置を備え、前記供給ＮＯｘ検知手段が前記ＥＧＲ率の値を検知することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
5. 前記目標空燃比がストイキであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
6. 前記空燃比制御手段が、空燃比を前記目標空燃比に一定に制御する前に、空燃比を前記目標空燃比よりもリッチな値に制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。

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