JP2009150367A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができる内燃機関の触媒劣化診断装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化診断装置であって、触媒の下流において検出される酸素濃度に基づいて、内燃機関に供給される空気と燃料との空燃比を強制的にリッチ側とリーン側との間で変化させるアクティブ空燃比制御手段と、アクティブ空燃比制御手段による空燃比制御時における触媒の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能に基づき触媒の劣化を診断する診断手段とを備える内燃機関の触媒劣化診断装置において、アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリーン側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を減少させるＮＯｘ成分減少制御手段を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、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触媒劣化診断装置に関する。

一般に車両用の内燃機関においては、その排気系に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：ＯＳＣ）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、すなわ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、触媒に流入する排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、すなわちリッチになると吸着保持された酸素を放出するという特性を有している。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た場合でも、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し浄化効率を維持することができる。

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り、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。そこで、触媒に流入する排気ガスの空燃比を強制的にリッチ側及びリーン側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わせて、リッチ側制御時における触媒の酸素放出能力とリーン側制御時における酸素吸着能力とを平均することにより酸素吸蔵能（容量）を求め、この酸素吸蔵能に基づいて触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１３３２６４号公報

ところで、このＣｍａｘ法においては、アクティブ空燃比制御でのリーン側制御時に触媒に酸素を吸着させる酸素吸着能力と、リッチ側制御時に触媒から酸素を放出させる酸素放出能力とに基づき酸素吸蔵能を求めるようにしているが、リーン側制御時において触媒に酸素吸着能力が残存しているにもかかわらず、ＮＯｘの影響で酸素センサがリーン反転してしまい、計測により得られる酸素吸着能力が実際の酸素吸着能力よりも小さくなってしまうということが判明した。

より詳しくは、空燃比がリッチ側からリーン側に切り替えられて酸素の吸着作用が行われている間には、排気ガス中のＨＣ、ＣＯなどの未燃成分によりＮＯｘから酸素が奪われてＮＯｘの還元作用が行われる。しかし、触媒の酸素吸着能力が飽和に近づくと、排気ガス中のＨＣ、ＣＯなどの未燃成分は吸着されにくくなった排気ガス中の酸素により酸化されて消費されることからＮＯｘの還元作用が低下し、そのまま触媒を通り抜けることになる。すると、ジルコニア素子を基材として構成される酸素センサは、Ｏ₂のみならずＮＯｘにも反応する特性を有しているので、この触媒を通り抜けたＮＯｘに反応してその下流に設けられた酸素センサがリーン反転してしまうのである。これは、触媒に流入するＮＯｘ量が多い場合には顕著となる。

その結果として、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒の酸素吸蔵能が実際の酸素吸蔵能に比べ小さくなってしまう。この酸素吸着能力は触媒の劣化が進む程低下するので、劣化触媒程、計測された酸素吸蔵能値と実際の酸素吸蔵能との乖離比率が大きくなり、触媒の正常か異常かの判定が困難となって誤判定を招く可能性が増大するという問題があった。

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、その目的は、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができる内燃機関の触媒劣化診断装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置の一形態は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化診断装置であって、該触媒の下流において検出される酸素濃度に基づいて、内燃機関に供給される空気と燃料との空燃比を強制的にリッチ側とリーン側との間で変化させるアクティブ空燃比制御手段と、該アクティブ空燃比制御手段による空燃比制御時における前記触媒の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能に基づき前記触媒の劣化を診断する診断手段と、を備える内燃機関の触媒劣化診断装置において、
前記アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリーン側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を減少させるＮＯｘ成分減少制御手段を備えることを特徴とする。

上記形態の内燃機関の触媒劣化診断装置によれば、アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリーン側制御時において、ＮＯｘ成分減少制御手段により内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分が減少される。このＮＯｘ成分が減少された出ガスが触媒に流入すると、酸素吸着期間ではＮＯｘのほぼ全量が還元されるのでＮＯｘが触媒を通り抜けるのが遅延される。この結果、触媒の下流に設けられた酸素センサが、酸素が吸着しきれない状態でリーン反転することが抑制される。かくて、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒の酸素吸蔵能と実際の酸素吸蔵能との乖離が小さくなるので、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができる。

ここで、前記ＮＯｘ成分減少制御手段によるＮＯｘ成分減少制御は、前記触媒の酸素吸蔵能が所定値を下回ったときに実行されることが好ましい。

この形態によれば、無用なＮＯｘ成分減少制御が回避されるので燃費悪化を最小限に抑えることができる。

なお、前記ＮＯｘ成分減少制御手段は、点火時期を当該運転状態での最適点火時期から遅らせるものであってもよい。

また、前記ＮＯｘ成分減少制御手段による点火時期の遅角制御時には、該遅角制御に伴うトルク低下を補償すべく吸入空気量増大制御が実行されることが好ましい。

さらに、前記アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時には、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を増大させるＮＯｘ成分増大制御手段を備えることが好ましい。

この形態によれば、アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時において、ＮＯｘ成分増大制御手段により内燃機関から排出される出ガスに含まれるＮＯｘ成分が増大される。このＮＯｘ成分が増大された出ガスが触媒に流入すると、酸素放出期間でＮＯｘが触媒を通り抜けるのが促進される。この結果、触媒の下流に設けられた酸素センサが、酸素が放出しきれない状態でリッチ反転することが抑制される。かくて、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒の酸素吸蔵能と実際の酸素吸蔵能との乖離が小さくなるので、誤判定の可能性を低減し診断精度のさらなる向上を図ることができる。

また、前記ＮＯｘ成分減少又は増大制御手段は、内燃機関が排気還流（ＥＧＲ）装置を備える場合には、ＥＧＲ量を増大又は減少させるものであってもよい。なお、ＥＧＲ量を増大又は減少させるためには、内燃機関が吸気弁及び／又は排気弁の開閉タイミングを変更可能な、いわゆる可変タイミング機構を備える場合、吸排気弁のオーバラップを大きく又は小さくすることによって、いわゆる内部ＥＧＲ量を増大又は減少させるようにしてもよい。

本発明によれば、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができるという、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、本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置の実施形態のシステム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の内部で燃料及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は車両に搭載された多気筒エンジン（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及び各排気弁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。

本実施形態では、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ている。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、Ｏ₂ストレージ機能（酸素吸蔵能）を有する三元触媒からなる触媒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の上流側と下流側とにそれぞれ、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサ、すなわち触媒前センサ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、排気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を持つ。

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、及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。

触媒１１は、これに流入す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）ｓ＝１４．６）近傍のときにＮＯｘ ，ＨＣ及びＣＯを同時に浄化する、いわゆる三元触媒である。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１に流入する排気ガスの空燃比すなわち触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比に一致するように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ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、触媒１１についてより詳細に説明する。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及び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着放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば酸化セリウム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及び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着し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素の吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯといった三つの排気ガス成分を同時に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／Ｆ）ｆｒ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、すなわ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、触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより触媒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能値（ＯＳＣ値又はＣｍａｘ）の大きさによって表される。

以下、本実施形態におけるメインルーチンにおいて実行される触媒劣化診断についてまず説明する。

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、触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒは、所定の中心空燃比（Ａ／Ｆ）ｃを境にリッチ側及びリーン側に強制的に（アクティブに）交互に切り替えられる。なおリッチ側に変化されたときの空燃比をリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ、リーン側に変化されたときの空燃比をリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌ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／Ｆ）ｆｒがリッチ側又はリーン側に変化されているときに触媒の酸素吸蔵能値ＯＳＣ（＝Ｃｍａｘ）が計測される。

なお、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と、クランク角センサ１４の出力に基づいて検出される機関回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）とで規定される運転状態、及び吸入空気量Ｇａの累積値などに基づいて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、触媒１１の温度を推定する。

図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力が実線で示されている。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが破線で示されている。触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力値はそれぞれ触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒ及び触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒの値に対応する。

図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは、中心空燃比としての理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓ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／Ｆ）ｒ）と、理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓ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／Ｆ）ｌ）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／Ｆ）ｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒも、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ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／Ｆ）ｔと触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒ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。例えば理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓ＝１４．６、リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ＝１４．１、リーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５である。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、すなわちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。

ところで、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが切り替えられるタイミングは、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である。ここで図示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧は理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓを境に急変し、触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓより小さいリッチ側の空燃比であるときその出力電圧がリッチ判定値ＶＲ以上となり、触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓより大きいリーン側の空燃比であるときその出力電圧がリーン判定値ＶＬ以下となる。ここでＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）である。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧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／Ｆ）ｔはリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌからリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ１８の出力電圧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／Ｆ）ｔはリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒからリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに切り替えられる。

このような空燃比変化を行う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の酸素吸蔵能値ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。

図３を参照すると、時刻ｔ１より前では目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌ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では酸素を吸着し続けているが、一杯に酸素を吸着した時点でそれ以上酸素を吸着できなくなり、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／Ｆ）ｒｒ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／Ｆ）ｔがリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒに切り替えられ、或いは反転される。このように目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは触媒後センサ１８の出力をトリガにして反転される。

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／Ｆ）ｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒ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／Ｆ）ｒｒ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／Ｆ）ｔがリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに切り替えられる。

酸素吸蔵能ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸着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／Ｆ）ｔ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／Ｆ）ｔ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能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／Ｆ）ｔがリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ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／Ｆ）ｆｒがリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒに切り替わる。そして触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ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能値ｄＯＳＣ（酸素吸蔵能値の瞬時値）が算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵能値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期間における酸素吸蔵能値すなわち放出酸素量が計測される。

（１） ｄＯＳＣ＝Δ（Ａ／Ｆ）×Ｑ×Ｋ＝{（Ａ／Ｆ）ｆｒ−（Ａ／Ｆ）ｓ}×Ｑ×Ｋ
ここで、Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差Δ（Ａ／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。

基本的には、この１回で計測された酸素吸蔵能値ＯＳＣを用い、これを所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較し、酸素吸蔵能値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば正常、酸素吸蔵能値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば劣化、というように触媒１１の劣化を判定できる。

しかしながら、精度を向上させるために、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリーン側となっている酸素吸着期間でも同様に酸素吸蔵能値（この場合酸素吸蔵量）を計測し、これら酸素吸蔵能値の平均値を１吸放出サイクルに係る１単位の酸素吸蔵能値として計測する。そしてさらに、吸放出サイクルを複数回繰り返し、複数単位の酸素吸蔵能値を得、その平均値を最終的な酸素吸蔵能値の計測値とし、劣化判定値と比較して、最終的な劣化判定を行ってもよい。なお、触媒が劣化と判定されたときにはその事実をユーザ（ドライバ）に告知するため、図示しない警告装置（チェックランプ等）を作動させるのが好ましい。

酸素吸着期間における酸素吸蔵能値（酸素吸蔵量）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／Ｆ）ｔがリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに切り替えられた後、触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ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能値ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵能値ｄＯＳＣが積算される。こうして、この酸素吸着期間における酸素吸蔵能値ＯＳＣすなわち吸蔵酸素量（図４のＯＳＣ２）が計測される。酸素放出期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ１と酸素吸着期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるはずである。

ところが、前述したように、アクティブ空燃比制御の実行の際のリーン側制御時においては、酸素吸着能力が飽和に近づくと、触媒１１を通り抜けるＮＯｘに反応してその下流に設けられた酸素センサが早期にリーン反転してしまうことから、この酸素吸着期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ２は実際の酸素吸蔵能よりも小さくなりやすい。

そこで、本実施の形態では、この酸素吸着期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ２が実際の酸素吸蔵能を精度よく反映すべくＮＯｘの通り抜けを遅延させるようにしている。以下に、本実施形態に係る劣化診断処理を実行するルーチンのサブルーチンとして実行されるＮＯｘ成分減少制御の一形態を、図5のフローチャートを参照して説明する。このＮＯｘ成分減少制御もＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ５０１では、劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中であるか否かが判断される。なお、劣化診断処理ルーチンは基本条件が成立しているとの判定により開始され、例えば、吸入空気量Ｇａ及び機関回転速度Ｎｅの変動幅が所定範囲内であるなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ触媒１１及び触媒前後センサ１７，１８が所定の活性化温度に達していれば、基本条件の成立となる。そこで、この基本条件が成立しアクティブ空燃比制御が実行中である場合にはステップＳ５０２に進む。

ステップＳ５０２においては、このアクティブ空燃比制御において空燃比のリーン側制御中であるか否かが判断される。ステップＳ５０２において、リーン側制御中であると判定されるとステップＳ５０３に進み、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を減少させるＮＯｘ成分減少制御が実行される。

他方、ステップＳ５０１において上述の劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中でないと判定されたとき、及びステップＳ５０２においてリーン側制御中でないと判定されたときはステップＳ５０４に進み、それぞれ上述のＮＯｘ成分減少制御が実行されないか、又は停止される。

ここで、上記ＮＯｘ成分減少制御の実施形態についてさらに詳しく説明する。図1に示すシステムの内燃機関１においては、ＥＣＵ２０は、例えばエアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａと、クランク角センサ１４の出力に基づいて検出される機関回転速度Ｎｅとにより規定される運転状態に対応させて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、その運転状態において所望の出力が得られるように、点火プラグ７による点火時期などを最適値に制御する。したがって、吸入空気量Ｇａと機関回転速度Ｎｅとにより規定される運転状態において、ＮＯｘ成分減少制御が実行されないときは、点火プラグ７による最適点火時期として圧縮上死点（ＴＤＣ）前の所定の角度Ｘ（例えば上死点前４０）°ＣＡ（クランク角）で点火される。この場合、燃焼室３内では通常の燃焼がなされ、図6に示すように、ＮＯｘ成分の減少はほとんど見込めない。これに対し、ＮＯｘ成分減少制御が実行されるときは、圧縮上死点前の所定の角度Ｙ（例えば上死点前５）°ＣＡまで遅角されて点火される。このように点火タイミングを当該運転状態での最適点火時期から遅らせると燃焼室３内の燃焼が緩慢となり、図6に示すように、燃焼ガス中のＮＯｘ成分が減少されることになる。なお、本実施形態では、点火プラグ７による点火タイミングを当該運転状態での最適点火時期から遅らせるように機能する部位がＮＯｘ成分減少制御手段を構成している。

このように、ステップＳ５０３におけるＮＯｘ成分減少制御により内燃機関１から排出される出ガスに含まれるＮＯｘ成分が減少され、このＮＯｘ成分が減少された出ガスが触媒１１を流通すると、リーン側制御時における酸素吸着期間ではＮＯｘのほぼ全量が還元されるので、ＮＯｘが触媒１１を通り抜けるのが遅延される。この結果、触媒１１の下流に設けられた触媒後センサ１８が、酸素が吸着しきれない状態でリーン反転することが抑制される。かくて、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒１１の酸素吸蔵能値と実際の酸素吸蔵能との乖離が小さくなるので、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上が図られるのである。

次に、上述したＮＯｘ成分減少制御の他の形態を、図７のフローチャートを参照して説明する。このＮＯｘ成分減少制御の他の形態もＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。このＮＯｘ成分減少制御の他の形態は、ＮＯｘ成分減少制御に伴う燃費悪化を最小限に抑えるためのものである。すなわち、この他の形態では触媒１１の劣化診断がより正確に必要な場合にのみＮＯｘ成分減少制御を実行し、無用なＮＯｘ成分減少制御を回避するようにしている。

そこで、ステップＳ７０１では、前形態と同様に、劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中であるか否かが判断され、実行中である場合にはステップＳ７０２に進む。そして、ステップＳ７０２においては、前トリップにおいて求められ、記憶されていた触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいか否かが判定される。詳しくは、前回の走行時に行われた触媒１１の劣化診断処理において計測により求められ、ＥＣＵ２０の不揮発性ＲＡＭなどの記憶装置に記憶されていた前トリップでの酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいか否かが判定されるのである。この所定値Ａとしては、新品状態の触媒１１の酸素吸蔵能に対し所定の割合にある酸素吸蔵能値とすることができる。酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいときはステップＳ７０３に進み、前形態と同様に、アクティブ空燃比制御において空燃比のリーン側制御中であるか否かが判断される。ステップＳ７０３において、リーン側制御中であると判定されるとステップＳ７０４に進み、前形態と同様に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を減少させるＮＯｘ成分減少制御が実行される。

他方、ステップＳ７０１において上述の劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中でないと判定されたとき、ステップＳ７０２において酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さくはないと判定されたとき、及びステップＳ７０３においてリーン側制御中でないと判定されたときは、それぞれステップＳ７０５に進み、前形態と同様に、上述のＮＯｘ成分減少制御が実行されないか、又は停止される。かくて、本他の形態では、触媒１１の劣化診断がより正確に必要な場合にのみＮＯｘ成分減少制御が実行され、無用なＮＯｘ成分減少制御が回避されるので、燃費の悪化が最小限に抑えられる。

なお、図５又は図７のフローチャートを用いて説明したＮＯｘ成分減少制御においては、当該運転状態における最適点火時期から所定のクランク角（Ｘ−Ｙ）°ＣＡ遅らせるようにしたが、この点火時期の遅角制御に伴い内燃機関１のトルクが低下するおそれがあるので、このようなトルク低下を補償すべく上述のステップＳ５０３及びステップＳ７０4で実行されるＮＯｘ成分減少制御と同時に、電子制御式スロットルバルブ１０の開度を若干大きくするなどして、吸入空気量を増大する制御が実行されることが好ましい。

また、内燃機関１が不図示の排気還流（ＥＧＲ）装置を備える場合、上述のリーン側制御時にＥＧＲ量を増大するようにして、このように機能する部位をＮＯｘ成分減少制御手段として構成してもよい。なお、ＥＧＲ量を増大するためには、内燃機関１が吸気弁Ｖｉ及び／又は排気弁Ｖｅの開閉タイミングを変更可能な、いわゆる可変バルブタイミング機構を備える場合、吸排気弁のオーバラップを大きくすることによってもよい。いわゆる内部ＥＧＲが増大するからである。上述のＮＯｘ成分減少制御手段のいずれによっても、燃焼ガス中のＮＯｘ成分を減少させることが可能である。

さらに、本発明に係る劣化診断処理ルーチンの他の実施形態を、図８のフローチャートを参照して説明する。

この劣化診断処理ルーチンの他の実施形態は、上述のリーン側制御時におけるＮＯｘ成分減少制御に加え、リッチ側制御時におけるＮＯｘ成分増量制御を実行することにより、触媒１１の正常か異常かの劣化診断をより精度よく行い得るようにしたものである。

そこで、この劣化診断処理ルーチンの他の実施形態では、ステップＳ８０１において、前形態と同様に、劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中であるか否かが判断され、実行中である場合にはステップＳ８０２に進む。そして、ステップＳ８０２においては、前トリップにおいて求められ記憶されていた触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいか否かが判定される。詳しくは、前回の走行時に行われた触媒１１の劣化診断処理において計測により求められ、ＥＣＵ２０の不揮発性ＲＡＭなどの記憶装置に記憶されていた前トリップでの酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいか否かが判定される。この所定値Ａとしては、前述のように新品状態の触媒１１の酸素吸蔵能に対し所定の割合にある酸素吸蔵能値とすることができる。酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいときはステップＳ８０３に進み、アクティブ空燃比制御において空燃比のリーン側制御中であるかリッチ側制御中であるかが判断される。ステップＳ８０３において、リーン側制御中であると判定されるとステップＳ８０５に進み、リッチ側制御中であると判定されるとステップＳ８０６に進む。

ここで、ステップＳ８０１において上述の劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中でないと判定されたとき、及びステップＳ８０２において前トリップでの酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さくはないと判定されたときは、それぞれステップＳ８０４に進み、当該運転状態に適したＥＧＲ量となるべくＥＧＲ通常制御が実行される。かくて、このＥＧＲ通常制御状態では内燃機関１から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分が触媒１１により適切に浄化処理され得る量（以下、「ＮＯｘ適量」と称す）となるように、ＥＧＲ量が制御される。

一方、上述のステップＳ８０３においてリーン側制御中であると判定されたときに進むステップＳ８０５では、内燃機関１から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を「ＮＯｘ適量」より減少させるＮＯｘ成分減少制御としてＥＧＲ増量制御が実行される。また、ステップＳ８０３においてリッチ側制御中であると判定されたときに進むステップＳ８０６では、内燃機関１から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を「ＮＯｘ適量」より増大させるＮＯｘ成分増大制御としてＥＧＲ減量制御が実行される。

この実施形態によれば、アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリーン側制御時においてＥＧＲ増量制御が実行され、内燃機関１から排出される出ガスに含まれるＮＯｘ成分が減少されるのに加えて、リッチ側制御時においてＥＧＲ減量制御が実行され、内燃機関１から排出される出ガスに含まれるＮＯｘ成分が増大される。前述したように、リーン側制御時において、このＮＯｘ成分が減少された出ガスが触媒１１に流入すると、酸素吸着期間でＮＯｘが触媒１１を通り抜けるのが遅延される結果、触媒１１の下流に設けられた触媒後センサ１８が、酸素が吸着しきれない状態でリーン反転することが抑制される。また、リッチ側制御時においてこのＮＯｘ成分が増大された出ガスが触媒に流入すると、酸素放出期間でＮＯｘが触媒１１を通り抜けるのが促進される結果、触媒１１の下流に設けられた触媒後センサ１８が、酸素が放出しきれない状態でリッチ反転することが抑制される。このように、リーン側制御時及びリッチ側制御時のいずれにおいても触媒後センサ１８の過早期反転が抑制される。かくて、本実施形態によれば、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒の酸素吸蔵能と実際の酸素吸蔵能との乖離がより小さくなるので、誤判定の可能性を低減し診断精度のさらなる向上を図ることができる。

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。

本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置のシステム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、酸素吸蔵能値の計測方法を説明するための図である。 本発明の実施形態におけるＮＯｘ成分減少制御の一形態を示すフローチャートである。 点火時期と出ガス中のＮＯｘ成分との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態におけるＮＯｘ成分減少制御の他の形態を示すフローチャートである。 本発明に係る劣化診断処理ルーチンの他の実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気管
７ 点火プラグ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１７ 触媒前センサ（空燃比センサ）
１８ 触媒後センサ（酸素（Ｏ₂）センサ）
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化診断装置であって、該触媒の下流において検出される酸素濃度に基づいて、内燃機関に供給される空気と燃料との空燃比を強制的にリッチ側とリーン側との間で変化させるアクティブ空燃比制御手段と、該アクティブ空燃比制御手段による空燃比制御時における前記触媒の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能に基づき前記触媒の劣化を診断する診断手段と、を備える内燃機関の触媒劣化診断装置において、
   前記アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリーン側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を減少させるＮＯｘ成分減少制御手段を備え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ＮＯｘ成分減少制御手段によるＮＯｘ成分減少制御は、前記触媒の酸素吸蔵能が所定値を下回ったときに実行され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ＮＯｘ成分減少制御手段は、点火時期を当該運転状態での最適点火時期から遅らせるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
4. 前記ＮＯｘ成分減少制御手段による点火時期の遅角制御時には、該遅角制御に伴うトルク低下を補償すべく吸入空気量増大制御が実行されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
5. 前記アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＮＯｘ成分を増大させるＮＯｘ成分増大制御手段を備えることを特徴とする請求項１ないし４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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