(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気経路に設置された三元触媒と、前記三元触媒の上流に設置された限界電流式の第１センサと、前記三元触媒の下流に設置された限界電流式の第２センサとを備える内燃機関に適用され、
前記内燃機関の空燃比を、理論空燃比よりも燃料過多なリッチ空燃比に制御するリッチ空燃比制御手段と、
前記内燃機関の空燃比が前記リッチ空燃比に制御された状態で、前記第１センサの出力と、前記第２センサの出力とを検出する出力検出手段と、
前記第１センサの出力と前記第２センサの出力との差が、基準値より大きい場合に、前記三元触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、
を備え、
前記三元触媒は、酸素を吸蔵又は放出する機能を有し、
前記内燃機関の空燃比を、理論空燃比よりも燃料不足な状態となるリーン空燃比に制御するリーン空燃比制御手段と、
前記リーン空燃比にされた時点から、前記第１センサの出力と前記第２センサの出力との差が所定値より小さくなるまでの期間である、酸素吸蔵期間を検出する手段と、
前記酸素吸蔵期間に基づいて、基準時間を設定する手段と、
を更に備え、
前記出力検出手段は、前記リッチ空燃比にされた時点からの経過時間が前記基準時間に達した後、前記第１センサの出力と前記第２センサの出力とを検出することを特徴とする触媒劣化診断装置。
【請求項２】
前記三元触媒の温度が所定の活性温度に達する前である触媒活性前に、前記第１センサの出力と、前記第２センサの出力とを検出する手段と、
前記触媒活性前の前記第１センサの出力と前記第２センサの出力とに応じて、前記第１センサの出力特性と前記第２センサの出力特性とをあわせるように補正する手段と、
を更に備え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。
【請求項３】
前記リッチ空燃比制御手段は、内燃機関の燃料カット運転が実行された後に、空燃比を前記リッチ空燃比に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は触媒劣化診断装置に関する。更に具体的には、内燃機関の排気経路に配置された触媒の劣化を検出する触媒劣化診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の排気経路に触媒が設置され、触媒の上流、下流の排気ガスの空燃比を検出し、これに基づき空燃比制御を行うシステムが開示されている。この特許文献１には、触媒は、新しいとき（フレッシュ触媒）には水素を発生させる性質を有し、この性質は、触媒の劣化と共に弱まることが開示されている。そして特許文献１には、空燃比制御に対する水素の影響を補償するべく、触媒下流への水素の排出に関する情報を検知することが開示されている。
【０００３】
具体的に、特許文献１には、触媒下流への水素の排出に関する情報の検出手法として、触媒下流に水素センサを設置し、水素センサの出力に応じて直接的に検出することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献１には、触媒下流への水素の排出に関する情報の他の検出手法として、次の手法が開示されている。即ち、燃料カット運転の後、空燃比がリッチに制御され触媒に貯蔵された酸素を放出させる処理が実行され、その時のセンサ出力の変化が検出される。ここで触媒が劣化していなければ触媒下流には水素が排出される。従って、触媒が劣化していなければ、触媒下流の空燃比センサの出力は急速にリッチ出力に変化する。しかしこのセンサ出力の急速な変化は、触媒の劣化に起因する場合もある。
【０００５】
このため、特許文献１のシステムでは、空燃比がリッチからリーン切り替えられた場合のセンサ出力の変化が検出される。この出力変化に基づき、水素の生成とは無関係に触媒の劣化が判定される。そして、空燃比がリッチに制御された場合に検出されたセンサ出力の急変が、触媒の劣化によるものか、水素の生成によるものかが区別され、水素の排出に関する情報が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２０３８３号公報
【特許文献２】特開２００７−２３１７７９号公報
【特許文献３】特開２０００−００８９２０号公報
【特許文献４】特開２００１−１２４７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、特許文献１に記載されているように、触媒が新しい場合には、触媒下流へ多くの水素が排出される。このことを利用し、水素センサを触媒下流に設置して、水素センサにより水素の排出をモニターすることで触媒の劣化診断を行うことが考えられる。水素排出量は、触媒の劣化と相関が高く、水素排出量を触媒劣化診断の指標として用いることで、高い精度で触媒の劣化診断を行うことができると考えられる。しかし、水素の排出量に応じて触媒の劣化診断を行うためには、触媒下流への水素排出量をある程度正確に把握する必要がある。しかし、そのために別途水素センサを設置することは、コストアップにつながるため、好ましいことではない。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決することを目的とし、触媒劣化検出のために別途、水素センサ等を設置することなく、より高い精度で触媒の劣化検出をすることができるよう改良した、触媒劣化診断装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するための触媒劣化診断装置であって、排気経路に設置された三元触媒と、三元触媒の上流に設置された限界電流式の第１センサと、三元触媒の下流に設置された限界電流式の第２センサとを備える内燃機関に適用される。本発明の触媒劣化診断装置は、内燃機関の空燃比を、理論空燃比よりも燃料過多なリッチ空燃比に制御するリッチ空燃比制御手段を備えると共に、内燃機関の空燃比がリッチ空燃比に制御された状態で、第１センサの出力と、第２センサの出力とを検出する出力検出手段と、検出された第１センサの出力と第２センサの出力との差が、基準値より大きい場合に、三元触媒の劣化を検出する劣化検出手段を備える。
【００１０】
本発明の触媒劣化診断装置は、更に、三元触媒の温度が所定の活性温度に達する前である触媒活性前に、第１センサの出力と、第２センサの出力とを検出する手段と、触媒活性前の第１センサの出力と第２センサの出力とに応じて、第１センサの出力特性と第２センサの出力特性とをあわせるように補正する手段と、を備えるものであってもよい。
【００１１】
また、本発明の触媒劣化診断装置におけるリッチ空燃比制御手段は、内燃機関の燃料カット運転が実行された後に、空燃比をリッチ空燃比に制御するものとしてもよい。
【００１２】
また、本発明の触媒劣化診断装置は、三元触媒が酸素を吸蔵又は放出する機能を有するものに適用することができる。この場合において、触媒劣化診断装置は、内燃機関の空燃比を、理論空燃比よりも燃料不足な状態となるリーン空燃比に制御するリーン空燃比制御手段と、リーン空燃比にされた時点から、第１センサの出力と第２センサの出力との差が所定値より小さくなるまでの期間である、酸素吸蔵期間を検出する手段とを備えるものとしてもよい。この場合、触媒劣化診断装置は、酸素吸蔵期間に基づいて、基準時間を設定する手段を更に備え、出力検出手段が、リッチ空燃比にされた時点からの経過時間が基準時間に達した後、第１センサの出力と第２センサの出力とを検出するものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
リッチ雰囲気下において、触媒が正常に機能している状態では水素が多く生成され、触媒の劣化が進むにつれて水素生成量が減少する。また、触媒下流のリッチ成分の少ない環境下では、水素が少ない場合には触媒上流側のセンサ出力とのズレが大きくなりやすい。この点、本発明によれば、リッチ雰囲気下における触媒上下流の第１、第２センサの出力差を検出して比較する。これにより、触媒下流には排出される水素量をある程度把握することができ、触媒の劣化を高い精度で診断することができる。
【００１４】
また、触媒活性前に第１センサの出力特性と第２センサの出力特性とをあわせる補正を行う場合、第１、第２センサのそれぞれが有する個体差による第１、第２センサの出力特性のずれを予め排除することができる。従って、第１センサと第２センサとの出力に基づき、高い精度で触媒の劣化診断を行うことができる。
【００１５】
また、本発明において、内燃機関の燃料カット運転が実行された後に、空燃比をリッチ空燃比に制御して、触媒劣化診断を行うものによれば、空燃比をリッチに制御する場合におけるエミッションの低減を図ることができる。
【００１６】
また、本発明において、リーン空燃比に制御している状態で、触媒の酸素吸蔵期間を検出し、これに基づき、触媒劣化診断に用いるセンサ出力を検出するタイミングを判断するための基準時間を設定するものであれば、触媒が酸素吸蔵能を発揮している状態で生じる第１センサと第２センサとの出力差によって触媒が劣化しているとの誤判定がなされることを、確実に防止することができる。また、センサ出力の検出タイミングは、その時の触媒の状態に応じた触媒吸蔵期間に基づき設定された基準時間を基準として判断される。このため、不要に基準時間を長く設定する必要がなくなり、触媒の劣化診断の機会をより確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１における、触媒上流側の空燃比センサの出力特性と、触媒が正常/劣化のそれぞれの場合における触媒下流側の空燃比センサの出力特性とを説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２における、触媒上流側の空燃比センサの出力特性と、触媒が正常/劣化のそれぞれの場合における触媒下流側の空燃比センサの出力特性とを説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１９】
実施の形態１．
［本実施の形態１のシステムの全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。図１のシステムは車両等に搭載されて用いられる。図１において、内燃機関２の排気経路４には、触媒６が設置されている。排気経路４の触媒６より上流側には空燃比センサ１０（第１センサ）が設置されている。排気経路４の触媒６より下流側に、空燃比センサ１２（第２センサ）が設置されている。
【００２０】
なお、便宜的に、以下の実施の形態において、触媒６の上流側の空燃比センサ１０を「Ｆｒセンサ１０」、下流側の空燃比センサ１２を「Ｒｒセンサ１２」とも称することとする。また、Ｆｒセンサ１０及びＲｒセンサ１２との両者を指すとき、単に「上下センサ」とも称することとする。
【００２１】
図１のシステムは制御装置１４を備えている。制御装置１４は、内燃機関２のシステム全体を総合制御する。制御装置１４の出力側には各種アクチュエータが接続され、入力側には空燃比センサ１０、１２等の各種センサが接続される。
【００２２】
制御装置１４は、センサ信号を受けて排気ガスの空燃比や機関回転数、その他内燃機関２の運転に必要な種々の情報を検出すると共に、所定の制御プログラムに従って各アクチュエータを操作する。なお、制御装置１４に接続されるアクチュエータやセンサは多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
【００２３】
［触媒６の作用について］
触媒６は三元触媒である。正常に機能している状態において、触媒６は、流入する排気ガス空燃比が理論空燃比（以下「ストイキ」とも称する）付近にある場合に排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する。
【００２４】
更に、触媒６は、排気ガス空燃比がリーン（即ち、ストイキより酸素過多な状態）のときに排気ガス中の酸素を吸着貯蔵して、窒素酸化物（ＮＯｘ）等のリーン成分を還元すると共に、排気ガス空燃比がリッチ（即ち、ストイキより酸素不足な状態）のときに吸蔵した酸素を放出して、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）等のリッチ成分を酸化する。これにより、排気ガスをストイキ近傍のガスに浄化することができる。
【００２５】
また、触媒６は、新しい時には、ＨＣ又はＣＯと、水（Ｈ２Ｏ）とを反応させることで水素（Ｈ２）を発生させる。そして、この反応によるＨ２の量は、触媒６の劣化が進行するにつれて、減少していく。つまり、触媒６が新しい状態では、触媒６の下流側に流れる排気ガスに含まれるＨ２の割合が多く、Ｈ２の割合は、触媒６の劣化が進行するにつれて減少する。
【００２６】
［上下センサの機能について］
上下センサは、１セル型の限界電流式のセンサである。上下センサそれぞれは、排気極と大気極との一対の電極と、この電極間に挟まれた固体電解質膜とを有している。また、排気極上には拡散層が形成されている。上下センサに所定の電圧が印加されると、検出対象となる排気ガスの酸素濃度に応じて固体電解質膜中を酸素イオン（Ｏ２−）が移動し、移動した酸素濃度に応じた限界電流が流れる。
【００２７】
より具体的に、上下センサに所定の電圧が印加された状態において、検出対象となる排気ガスの空燃比がリーン空燃比の時には、拡散層を通過した排気極側の酸素がイオン化される。Ｏ２−は、排気極から大気極側に向けて固体電解質膜中を移動する。上下センサには、排気極から大気極に移動したＯ２−の量に応じた限界電流が流れ、上下センサの出力はこの限界電流に応じたものとなる。
【００２８】
一方、排気ガス空燃比がリッチ空燃比の時、排気ガス中に存在するＨＣ、ＣＯ等のリッチ成分やＨ２が拡散層を通過して排気極に到達する。一方、大気極側では酸素がイオン化される。Ｏ２−は、大気極から排気極側に向けて固体電解質膜を移動し、排気極のＨＣやＣＯ、Ｈ２と反応する。検出対象となる排気ガスの空燃比がリッチ空燃比のとき、上下センサには、この反応により固体電解質膜を移動したＯ２−の量に応じた限界電流が流れ、上下センサの出力は、この限界電流に応じたものとなる。
【００２９】
なお、上下センサの出力としては、この限界電流（ＩＬ）（又はこれに準じた出力）が検出される。一般的には、上下センサの出力が検出され、出力と空燃比との関係を定めたマップや関数等に従って、出力に対応する空燃比が求められる。しかしながら、説明の簡略化のため、以下の実施の形態では、上下センサの出力が直接空燃比の値を示すものとして説明する。
【００３０】
ところで、Ｈ２は、Ｒｒセンサ１２の出力に影響を与える他の成分、ＨＣ、ＣＯ等のリッチ成分や、Ｏ２よりも速い速度で拡散層を移動する。従ってＨ２が多量に存在するリッチ空燃比の排気ガスに対して、上下センサの出力は実際の空燃比よりリッチ側にシフトしやすい。但し、本実施の形態１では、上下センサは排気ガス中に多量にＨ２が存在する環境を想定し、Ｈ２を含む排気ガスに対し正しい空燃比を発するよう補償されたものを用いるものとする。
【００３１】
［本実施の形態１の制御について］
このシステムにおいて制御装置１４が実行する制御には、空燃比センサ１０、１２の出力に基づく触媒６の劣化を診断と、触媒６の劣化診断の精度向上のための、空燃比センサ１０、１２のセンサ出力特性の補正とが含まれる。
【００３２】
＜触媒の劣化診断＞
図２は、本発明の実施の形態１において、空燃比をリーンからリッチに強制的に変化させた場合のＦｒセンサ１０とＲｒセンサ１２の出力について説明するための図である。また、図２において横軸は時間、縦軸上側は内燃機関２の空燃比制御において設定される目標空燃比、縦軸下側はその目標空燃比に制御された場合の各センサの出力値である。また、図２において、線（ａ）はＦｒセンサ１０の出力、線（ｂ）は、触媒６が正常な場合のＲｒセンサ１２の出力、線（ｃ）は触媒が劣化している場合のＲｒセンサ１２の出力を表している。なお、ここではＦｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２は共に正常であるものとする。以下、図２を参照し、本実施の形態１における触媒６の劣化診断について説明する。
【００３３】
図２の例では、時刻Ｔ０において、内燃機関２の空燃比がリーンからリッチに切り替えられている。触媒６より上流に設置されたＦｒセンサ１０は、浄化前の排気ガスを検出対象とする。従って、図２に示されるように、時刻Ｔ０において、目標空燃比がリーンからリッチに切り替えられると、早い段階で、リッチ出力を示すようになる。
【００３４】
一方、空燃比がリッチに切り替えられたＴ０直後、触媒６は、空燃比がリーンに制御されている期間中に吸蔵した酸素を放出することで、排気ガス中のリッチ成分を酸化して、排気ガスをストイキ近傍のガスに浄化する。従って、空燃比がリッチに切り替えられた後も、触媒６に酸素が吸蔵されている間（以下「酸素吸蔵期間」とも称する）は、触媒６の下流にストイキ近傍の排気ガスが排出される。
【００３５】
従って、触媒６による浄化後の排気ガスを検出対象とする触媒６下流のＲｒセンサ１２は、目標空燃比がリーンからリッチに切り替えられた後も、触媒６に酸素が吸蔵されている間は、ストイキ近傍の出力を示す（図２の線（ｂ）及び（ｃ））。やがて、触媒６が吸蔵した酸素を全て放出すると、触媒６はリッチ成分を酸化できない状態となり、触媒６の下流と触媒６の上流とで、排気ガスの空燃比が概ね同じとなる。
【００３６】
このとき触媒６が正常である場合には、図２の線（ｂ）に示されるように、Ｒｒセンサ１２は、触媒６が比較的早い段階でリッチ出力を示し始め、やがて、Ｒｒセンサ１２の出力とＦｒセンサ１０の出力とは一致するようになる。一方、図２の線（ｃ）に示されるように、触媒６が劣化している場合、触媒６が吸蔵した酸素を放出した後も、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２との出力との間にずれが生じる。この正常な触媒６と劣化した触媒６との下流で生じるＲｒセンサ１２の出力ずれは、以下のように考えられる。
【００３７】
上記したように触媒６は、吸蔵された酸素がすべて放出された後でも、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分を燃焼させることで排気ガスを浄化する。その結果、酸素吸蔵期間後は、触媒６の上流と下流とで排気ガス空燃比は概ね一致するものの、触媒６下流の排気ガスに含まれるＨＣやＣＯ、Ｈ２の量自体は、上流側の排気ガスに比べごく僅かなものとなる。このように触媒６下流の、ＨＣやＣＯ、Ｈ２の量がごく微量となる環境下では、排気極でのＨＣ、ＣＯやＨ２と、大気極側から移動したＯ２−との反応が進みにくい状態となるため、センサ出力は実際の酸素濃度よりもリーンにずれた出力を発しやすい。
【００３８】
ところが、触媒６が新しい状態では、触媒６においてＨ２が生成され下流に排出される。このため、下流側の排気ガスに含まれるＨ２の割合が多くなる。Ｈ２は、他のリッチ成分に比べ拡散速度が速く、速い段階で拡散層を通過して排気極に到達する。従って、触媒６下流のリッチ成分の量がごく僅かとなる環境下でも、拡散速度の速いＨ２により、排気極でのＨ２とＯ２−との反応が進む。従って、Ｒｒセンサ１２の出力は、Ｈ２が多い排気ガス環境下に設置された触媒６上流のＦｒセンサ１０の出力と、一致したものとなる。
【００３９】
一方、触媒６が劣化してＨ２が生成されない状態となると、触媒６下流の排気ガス中のＨ２量も少ない状態となる。このため、排気極側へのＯ２−の移動は進みにくく、Ｒｒセンサ１２の出力は、上流側のＨ２が多い環境下にあるＦｒセンサ１０の出力に比べてリーン側にシフトされたものとなる。
【００４０】
以上より、排気ガスがリッチ空燃比に制御され酸素吸蔵期間が経過した後の、触媒６の上流と下流の排気ガス空燃比が同じとなった状態における、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力との差は、触媒６により生成されたＨ２量の差とある程度の相関を有すると考えられる。そして、触媒６におけるＨ２の生成量は、触媒６の劣化度合いと相関を有する。従って、本実施の形態における触媒６の劣化診断では、リッチ空燃比に切り替えられてから基準時間が経過した後のＦｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力との差（出力差）を検出し、その出力差が基準値以上であった場合に、触媒６の劣化を検出する。
【００４１】
なお、この判定における出力差に対する基準値は、劣化度合いが許容範囲の境界にある触媒６の下流に設置されたＲｒセンサ１２の出力値と、触媒６上流側のＦｒセンサ１０の出力との差をシミュレーション等により求め、これに基づいて、適宜設定すればよい。つまりこの値は、触媒６のどの程度の劣化を許容するかに応じて定めることができる適合値である。
【００４２】
また、基準時間は、正常な触媒の酸素吸蔵期間に基づいて設定される時間であり、本実施の形態では、基準時間は予めシミュレーション等により適正な値（例えば、５秒以上）に設定され、制御装置１４に記憶される。酸素吸蔵期間は、触媒６が酸素を吸蔵しうる期間又は酸素を放出し得る期間であり、空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた後、下流側にリーンな排気ガスを排出するようになるまでの期間、あるいは空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた後、下流側にリッチな排気ガスを排出されるようになるまでの期間に基づいて、設定される時間である。
【００４３】
＜上下センサの出力の補正＞
ところで上記の触媒６の劣化診断の制御においては、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力の差をパラメータとして劣化診断を行う。従って、正しく劣化診断を行うためには、Ｆｒセンサ１０の出力特性とＲｒセンサ１２の出力特性とが一致していることが望ましい。即ち、Ｆｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２との回路誤差や劣化等により生じる出力特性の個体差は予め除去し、同じ排気ガスを検出対象とする場合に、上下センサの出力と応答速度とが同じとなるように調整しておくことが望まれる。
【００４４】
従って、実施の形態１のシステムでは、触媒６の劣化診断に先立って、Ｆｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２の出力特性を一致させる補正を行う。具体的に、ストイキ点をあわせる補正と、触媒６の暖機前の補正とが実行される。
【００４５】
Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２とのストイキでの出力が一致するように、ストイキ点の補正値を算出し学習させる。ストイキ点に対する補正は、上下センサそれぞれの回路による出力誤差を補正するものである。これによりＦｒセンサ１０のストイキ点とＲｒセンサ１２のストイキ点とが一致するようにシフト補正される。
【００４６】
更に、上記の触媒６の暖機前の補正を加えることで、２点補正を行う。触媒６の暖機前は、排気ガスが浄化されずに触媒６下流に流出する。つまり触媒６の暖機前であれば、触媒６の上流でＦｒセンサ１０の検出対象となった排気ガスが、未浄化のまま触媒６下流に送られる。従って、Ｆｒセンサ１０の検出対象であった排気ガスを、そのままＲｒセンサ１２の検出対象とすることができる。従って、触媒６暖機前のタイミングを利用することで、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２の基本的な出力特性をあわせる補正を実行することができる。
【００４７】
更に具体的には、触媒６の暖機前にＦｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力とを検出し、たとえば、両出力の差を平均化して、Ｆｒセンサ１０の出力、Ｒｒセンサ１２の出力に対する補正値として学習させる。あるいは、Ｆｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２の応答性を検出し、両センサの応答性が一致するように補正値を検出し、これを学習させる。なお、これらの補正値は、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との間の容積分の遅れを加味した上で算出されるものとする。
【００４８】
このように、ストイキ点の補正と触媒暖機前のセンサ出力に基づく補正との２点で補正を行うことで、上下センサの出力特性を高い精度で一致させることができる。そして、このような補正の後のセンサを用いることで、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との間に生じる出力差に影響する他の要因を排除することができ、より正確に、触媒６から発生するＨ２の影響を捉え、触媒６の劣化診断を実行することができる。
【００４９】
図３及び図４は、本発明の実施の形態において制御装置１４が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは、上下センサの出力を補正するための制御ルーチンであり、内燃機関２の運転中、一定の演算周期で繰り返し実行される。
【００５０】
図３のルーチンでは、まず、補正完了フラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１０）。補正完了フラグは、このルーチンの後述する処理によりＦｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力特性をあわせる補正が完了した場合にＯＮされ、内燃機関２の停止時には初期化されＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ１０において、補正完了フラグ＝ＯＦＦであることが認められない場合、既にセンサ補正が完了しているため、今回の処理はこのまま終了する。
【００５１】
ステップＳ１０において補正完了フラグ＝ＯＦＦであることが認められると、次に、内燃機関２の始動後、触媒６の暖機前の状態であるか否かが判別される（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において触媒６の暖機前であることが認められると、次に、Ｆｒセンサ１０及びＲｒセンサ１２の出力がそれぞれ検出される（Ｓ１４）。
【００５２】
次に、暖機前のセンサ補正が行われる（Ｓ１６）。センサ補正はＦｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力との出力差が求められ、上下センサの出力が一致するように補正値が求められ、学習されることで実行される。なお、補正値は、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力差をなまし処理したり、あるいは、既に学習されている前回までの補正値との間で平均化したりするなどして求められる。この補正値により上下センサぞれぞれの出力が補正されることとなる。
【００５３】
ステップＳ１２において、触媒６の暖機前であることが認められない場合、又は、ステップＳ１６において、触媒６の暖機前のセンサ補正が行われた場合、次に、ストイキ点補正用に設定された所定の電圧を印加した場合におけるＦｒセンサ１０及びＲｒセンサの出力がそれぞれ検出される（Ｓ１８）。
【００５４】
次に、ストイキ点センサ補正が行われる（Ｓ２０）。ストイキ点センサ補正は、上下センサの回路に含まれる誤差を除去し、ストイキ点に対する出力を一致させる補正であり、ステップＳ２０において検出されたＦｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２の出力に応じた補正値が求められる。具体的に、補正値は、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力差をなまし処理したり、あるいは、既に学習されている前回までの補正値との間で平均化したりするなどして求められる。この補正値により上下センサそれぞれの出力がシフト補正されることとなる。
【００５５】
その後、センサ補正完了フラグがＯＮとされる（Ｓ２２）。このフラグは、この後、内燃機関２が停止することで初期化されＯＦＦとされる。その後、今回のセンサ補正の処理が終了する。
【００５６】
次に、図４の触媒６の劣化診断の制御ルーチンについて説明する。図４のルーチンは、内燃機関２の運転中、一定の演算周期で繰り返し実行されるルーチンである。図４のルーチンでは、補正完了フラグがＯＮとなっているか否かが判別される（Ｓ１００）。補正完了フラグは、図３のルーチンにより今回の内燃機関２の始動後、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２の出力特性をあわせる補正が完了した場合にＯＮとされるフラグである。ステップＳ１００において、補正の完了が認められない場合には、今回の処理は一旦終了する。
【００５７】
ステップＳ１００において、補正完了フラグ＝ＯＮの成立が認められると、次に、劣化診断完了フラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１０２）。劣化診断完了フラグは、後述する処理により、内燃機関２の始動後、触媒６の劣化診断が完了した場合にＯＮとされるフラグであり、内燃機関２の停止時に初期化されＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ１０２において、劣化診断完了フラグ＝ＯＦＦの成立が認められない場合には、今回の処理は終了する。
【００５８】
一方、ステップＳ１０２において、劣化診断完了フラグ＝ＯＦＦの成立が認められると、次に、前提条件が成立したか否かが判別される（Ｓ１０４）。前提条件は、例えば、触媒６及び上下センサが活性化し、かつ、触媒６の温度が一定以内（例えば６００〜７００℃）に維持されているか等、触媒６の劣化診断を適正に実行するための条件である。より具体的な条件は、予め制御装置１４に記憶されている。ステップＳ１０４において前提条件の成立が認められない場合、今回の処理は終了する。
【００５９】
一方、ステップＳ１０４において前提条件の成立が認められると、次に、空燃比が所定のリッチ空燃比（例えばＡ/Ｆ＝１４．３以上）に制御される（Ｓ１０６）。ここでは、目標空燃比が触媒６の劣化診断用に予め設定されたリッチ空燃比に設定され、Ｆｒセンサ１０の出力に基づき、この空燃比にフィードバック制御される。
【００６０】
次に、ステップＳ１０６においてリッチ空燃比に切り替えられてからの経過時間が基準時間に達したか否かが判別される（Ｓ１０８）。ここで、基準時間は、制御装置１４に記憶された時間であり、基準時間を越えたか否かを判別することで、触媒６が吸蔵する酸素を全て放出した状態になっているか否かが判別されることとなる。
【００６１】
ステップＳ１０８において、経過時間＞基準時間の成立が認められない場合には、経過時間＞基準時間の成立が認められるまでの間、ステップＳ１０８の判別処理が一定時間ごとに繰り返し実行される。
【００６２】
ステップＳ１０８において、経過時間＞基準時間の成立が認められると、次に、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力とがそれぞれ検出される（Ｓ１１０）。次に、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力の差（出力差）が基準値より大きいか否かが判別される（Ｓ１１２）。ここで基準値は制御装置１４に予め記憶されている値である。この判別により、触媒６下流にある程度のＨ２が排出されている状態であるか、即ち、触媒６が劣化していないか否かが判別される。
【００６３】
ステップＳ１１２においてＦｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力差が、基準値より大きい場合には、触媒６が劣化していることが認められる（Ｓ１１４）。この場合、ＭＩＬの点灯など、所定の処理が実行される。一方、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力との差が、基準値以下の場合には、触媒６は正常と判別される（Ｓ１１６）。ステップＳ１１４又はステップＳ１１６の判定後、劣化診断完了フラグがＯＮとされ（Ｓ１１８）、今回の処理は終了する。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、触媒６が生成するＨ２の影響を的確に把握して、それに基づき触媒６の劣化の判定を行うことができる。触媒６において生成されるＨ２量は、触媒６の劣化状態との相関の強いため、より高い精度で触媒６の劣化診断を行うことができる。また、この触媒６の劣化診断の制御は水素センサ等、特別なセンサの設置を不要とし、空燃比制御に用いられる空燃比センサを用いて行うことができる。従って、触媒６の劣化診断のためのコスト増加を抑制することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態１では、原則としてはストイキ点の補正と触媒６の暖機前の上下センサの出力の補正とを行った上で、触媒６の劣化の判定を行う場合について説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、他の手段により上下センサの出力特性が一致するように補正するものであってもよい。他の補正としては、上記した触媒６の暖機前の補正に加えて、触媒６の暖機後の燃料カット中の出力を検出し、大気に対するセンサ出力を検出することで、上下センサの出力特性を補正することができる。但し、本実施の形態では、空燃比がリッチに制御されている場合におけるセンサ出力に基づき触媒６の劣化診断を行うものであるから、リッチ雰囲気下での出力差に基づく補正は好ましくない。センサの補正については、以下の実施の形態２においても同様である。
【００６６】
また、上記の通り、センサ出力特性の事前の補正は、触媒６から排出されるＨ２の影響をより的確に把握するためのものであるが、しかし、本発明は、このような補正を行うものに限られるものではなく、上下センサの出力特性を一致させる補正を行わずに、触媒６の劣化の判定を行うものであってもよい。これは、以下の実施の形態２においても同様である。
【００６７】
また、本実施の形態１では、内燃機関２の始動から停止の間に、上下センサの補正と、触媒６の劣化診断とが、それぞれ１度行われる場合について説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、内燃機関２の始動から停止の間に、複数回のセンサ補正と、触媒６の劣化診断が行われるものでもよい。あるいは、例えば、触媒６の積算使用時間や運転時間、走行距離、吸気量等をパラメータとする一定のタイミングで、触媒６劣化診断や上下センサの補正を行うものであってもよい。これは、以下の実施の形態２においても同様である。
【００６８】
また、本実施の形態１では、前提条件が成立した場合に、強制的にリッチ空燃比に制御して、触媒６の劣化診断を行う場合について説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば、燃料カット運転が所定時間継続されたことを条件とし、所定時間の燃料カット運転後に、リッチ空燃比に切り替えて触媒６の劣化診断を行うこととしてもよい。これにより、強制的にリッチ制御を行うことによるエミッションの低下を、効果的に防止することができる。
【００６９】
また、本実施の形態１では、便宜的に、リッチ空燃比に切り替えてから基準時間経過後のタイミングで、一度、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力を検出し、この出力差に応じて触媒６の劣化を判定する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、基準時間経過後に複数回、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサの出力とを検出して、上下センサのそれぞれの出力を平均化したものを、触媒６の劣化判定のためのパラメータとして用いてもよい。特に、Ｆｒセンサ１０は脈動やガス変動の影響を受けやすいため、このように複数回の出力を平均化して用いることで、より正確に触媒６の劣化判定を行うことができる。これは、以下の実施の形態２においても同様である。
【００７０】
実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、実施の形態１のシステムと同一の構成を有している。また、実施の形態２のシステムにおいても、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた後、基準時間経過後のＦｒセンサ１０、とＲｒセンサ１２との出力差に応じて、触媒６の劣化検出を行う。実施の形態２の制御は、実施の形態１の制御における「基準時間」を設定する制御を含む点を除き、実施の形態１のシステムにおける制御と同一である。ここで「基準時間」は、触媒６の劣化診断に用いる上下センサの出力を検出するタイミングであるか否かを判断するための基準となる値である。
【００７１】
図５は、本発明の実施の形態２における制御について説明するためのタイミングチャートであり、空燃比を一定時間ごとに所定のリッチ空燃比とリーン空燃比との間で、切り替える制御を行った場合の、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力変化について説明するための図である。また、図５において横軸は時間、縦軸上側は目標空燃比、縦軸下側は目標空燃比に制御された場合の各センサの出力値である。また、図５において、線（ａ）はＦｒセンサ１０の出力、線（ｂ）は、触媒６が正常に機能している場合のＲｒセンサ１２の出力、線（ｃ）は触媒６が劣化している場合のＲｒセンサ１２の出力を表している。なお、ここではＦｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２は共に正常なものを用いている。
【００７２】
本実施の形態２では、制御装置１４は、所定の周期（たとえば、５秒以上）で、内燃機関２の目標空燃比を、リッチ空燃比（例えば、１４．１）とリーン空燃比（例えば、１５．１）との間で切り替えるアクティブ制御を実行する。
【００７３】
このアクティブ制御中、例えば図５に示される例では、触媒６が吸蔵する酸素のほとんどを放出する時間（酸素吸蔵期間）の後、時刻Ｔ１において、空燃比がリッチ空燃比（例えば、１４．１）からリーン空燃比（例えば、１５．１）に切り替えられる。このとき、触媒６の上流側では排気ガスの空燃比は、容積分の遅れはあるものの、ただちにリーンに変化する。
【００７４】
一方、時刻Ｔ１でリッチからリーンに切り替えられると、触媒６は排気ガスのリーン成分を還元して浄化する。触媒６が酸素を吸蔵している間は、リーン空燃比の排気ガスがストイキ近傍に浄化されるため、触媒６下流にはストイキ近傍の排気ガスが流出する。従って、この間Ｒｒセンサ１２の出力は、ストイキ近傍の値を示す。
【００７５】
やがて、触媒６はリーン成分を還元できない状態となり、触媒６の上流側と同じ空燃比の排気ガスが流出しはじめる。排気ガス空燃比がリーンの場合、Ｈ２が発生しない。このため、触媒６が正常であっても、劣化していても、触媒６が酸素を吸蔵できない状態となった後には、上下センサの出力が一致することとなる。
【００７６】
従って、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた後、Ｒｒセンサ１２の出力がＦｒセンサ１０の出力と概ね一致するまでの期間を、酸素吸蔵期間ＴＯＳＣとして検出することができる。この期間は、リーン成分を還元して酸素を吸蔵しうる期間であり、逆に、吸蔵した酸素を放出してリッチ成分を酸化しうる期間とも考えられる。つまり、酸素吸蔵期間ＴＯＳＣの経過後であれば、触媒６はリッチ成分を酸化できず、触媒６の上流から下流への排気ガスの空燃比の変化がない（あるいはごく僅か）領域となると考えられる。
【００７７】
従って、本実施の形態２では、目標空燃比がリーン空燃比に制御されている間に、酸素吸蔵期間ＴＯＳＣを検出し、この酸素吸蔵期間ＴＯＳＣに応じて、基準時間を設定する。その後、リッチ空燃比に切り替えられた時刻Ｔ２を起点とする経過時間が、設定された基準時間に達した後の検出タイミングＴ３で、上下センサの出力を検出し、触媒６の劣化診断を行う。触媒６の劣化診断の手法は、実施の形態１と同様である。
【００７８】
酸素吸蔵期間ＴＯＳＣは、触媒６の劣化状態に応じて変化するが、本実施の形態２では、リーン空燃比に制御している間に、酸素吸蔵期間ＴＯＳＣを検出している、そして、検出された酸素吸蔵期間ＴＯＳＣに基づいて、触媒６の劣化診断のための上下センサの出力を検出する。従って、触媒６上流と下流との排気ガスの空燃比が同一となった後の、早い段階で、触媒６の劣化診断を行うことができる。これにより、触媒６の劣化診断の実行の機会を増加させることができる。
【００７９】
図６は、本発明の実施の形態２において制御装置１４が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンは、内燃機関２の運転中、図４のルーチンに替えて、一定の演算周期で繰り返し実行されるルーチンであり、図４のルーチンのＳ１０４の処理の後、Ｓ１０６の処理に代えて、Ｓ２０２〜Ｓ２０８の処理を有する点を除いて、図４のルーチンと同じものである。
【００８０】
具体的に、ステップＳ１０４において前提条件が成立した後、まずアクティブ制御が実行される（Ｓ２０２）。アクティブ制御は、一定周期で、目標空燃比を所定のリッチ目標空燃比とリーン目標空燃比との間で切り替える制御である。リッチ目標空燃比及びリーン目標空燃比は、制御装置１４に記憶されている。
【００８１】
次に、目標空燃比がリーン空燃比であるかが判別される（Ｓ２０４）。ステップＳ２０４において、リーン空燃比であることが認められない場合、再びＳ２０４の処理に戻され、リーン空燃比であることが認められるまで、Ｓ２０４の判別処理が繰り返される。
【００８２】
ステップＳ２０４において、リーン空燃比であることが認められると、次に、Ｆｒセンサ１０の出力と、Ｒｒセンサ１２の出力とが検出される（Ｓ２０６）。その後、Ｒｒセンサ１２の出力とＦｒセンサ１０の出力との差（出力差）が、所定値より小さいか否かが判別される（Ｓ２０８）。ここで、所定値は、Ｒｒセンサ１２とＦｒセンサ１０の出力とが概ね一致していると認められる誤差程度の小さな値であり、予め設定され制御装置１４に記憶されている。
【００８３】
ステップＳ２０８において、出力差＜所定値の成立が認められない場合、再びステップＳ２０６においてＦｒセンサ１０、Ｒｒセンサ１２の出力が検出され、その出力に基づいてＳ２０８の判別が行われる。ステップＳ２０８において、出力差＜所定値の成立が認められるまでの間、このステップＳ２０６とＳ２０８の処理が繰り返される。
【００８４】
ステップＳ２０８において、出力差＜所定値の成立が認められると、次に、基準時間が算出される（Ｓ２１０）。ここで基準時間は、触媒６劣化診断において、Ｆｒセンサ１０とＲｒセンサ１２との出力を検出するためのタイミングを判断するための時間である。基準時間は、アクティブ制御において、目標空燃比がリッチからリーンに切り替えられた時点から、ステップＳ２０８において、出力差＜所定値の成立が認められた時点までの時間に基づいて、制御装置１４に予め設定された所定の算出手法により算出される。
【００８５】
次に、目標空燃比がリッチ空燃比となっているか否かが判別される（Ｓ２１２）。ステップＳ２１２において、リッチ制御中であることが認められない場合には、ステップＳ２１２の判別が再び実行される。ステップＳ２１２の判別処理は、リッチ制御中であることが認められるまでの間、一定周期で繰り返し実行される。
【００８６】
ステップＳ２１２においてリッチ制御中であることが認められると、次に、ステップＳ１０８に進み、今回、リーンからリッチに切り替えられた時点からの経過時間が、基準時間を越えたか否かが判別される。ステップＳ１０８において、経過時間＞基準時間の成立が認められない場合、経過時間が基準時間に達するまでの間、ステップＳ１０８の判別処理が繰り返し実行される。
【００８７】
一方、ステップＳ１０８において、経過時間＞基準時間の成立が認められた場合、リッチ空燃比に切り替えられた後、触媒６が吸蔵した酸素を全て放出したものと判断できる。従って、この後、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２の処理に従って、触媒６の劣化判定が実行される。
【００８８】
以上説明したように、実施の形態２によれば、触媒６の劣化判定のためのセンサ出力の検出タイミングを、触媒６の現在の酸素吸蔵能力に応じたものとすることができる。これにより、Ｆｒセンサ１０の出力とＲｒセンサ１２の出力との間に生じるずれが、触媒６が正常に機能して酸素吸蔵能力を発揮していることに起因するために生じる触媒６の上下流の排気ガス空燃比の違いに起因するものであるか、触媒６が吸蔵する酸素を放出した後の触媒６の上下流のＨ２の濃度の違いに起因するものかを区別することができ、触媒６の劣化診断における誤判定を抑制することができる。また、触媒６ごとに、その都度、基準時間を設定することができる。従って、触媒６のその時の状態に応じた必要十分な基準時間とすることができるため、触媒６の劣化判定の機会をより確実に確保することができる。
【００８９】
なお、本実施の形態２においては、基準時間を、リーン空燃比に切り替えられた時点から、Ｒｒセンサ１２の出力とＦｒセンサ１０との出力差が所定値より小さくなる時点までの期間に基づいて算出する場合について説明した。しかし、本発明において基準時間の設定方法はこれに限るものではなく、例えば、空燃比の切り替え時点Ｔ１から、Ｒｒセンサ１２の出力が、その時の目標空燃比に応じた所定のリーン出力より大きくなるまでの時間に基づいて設定するものであってもよい。また、基準時間の算出方法についても、求められた酸素吸蔵時間に応じて設定するものであればよい。また、例えば、アクティブ制御における目標空燃比を所定の範囲に分けて、その範囲ごとに、マップ等により基準時間が設定されるものであってもよい。
【００９０】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、本発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本発明に必ずしも必須のものではない。
【符号の説明】
【００９１】
２  内燃機関
６  触媒
１０  空燃比センサ（Ｆｒセンサ）
１２  空燃比センサ（Ｒｒセンサ）
１４  制御装置
【図１】
0005761127.tif 000002
【図２】
0005761127.tif 000003
【図３】
0005761127.tif 000004
【図４】
0005761127.tif 000005
【図５】
0005761127.tif 000006
【図６】
0005761127.tif 000007