(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、触媒のＯ２ストレージ能力をより正確に求めることができる技術を提供する。【解決手段】少なくともＯ２ストレージ能力を有する排気浄化触媒と、触媒よりも上流側の排気の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、上流側空燃比検出手段よりも上流側から排気の空燃比を変更する空燃比変更手段（Ｓ１０４）と、触媒の中央よりも下流側で触媒の温度を測定する温度測定手段と、上流側空燃比検出手段により検出させる空燃比がリッチからリーン又はリーンからリッチに変化してから、温度測定手段により測定される温度の変化率が所定値以下となるまでの時間に基づいて触媒のＯ２ストレージ能力を算出するＯ２ストレージ能力算出手段（Ｓ１１３）と、を具備する。【選択図】図３
2008232103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＯ２ストレージ能力を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒よりも上流側の排気の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記上流側空燃比検出手段よりも上流側から排気の空燃比を理論空燃比よりもリッチからリーンに変更するか又はリーンからリッチに変更する空燃比変更手段と、
前記排気浄化触媒の中央よりも下流側で該排気浄化触媒の温度を測定する温度測定手段と、
前記空燃比判定手段により空燃比が変更されるときに、前記上流側空燃比検出手段により検出させる空燃比がリッチからリーン又はリーンからリッチに変化してから、前記温度測定手段により測定される温度の変化率が所定値以下となるまでの時間に基づいて前記排気浄化触媒のＯ２ストレージ能力を算出するＯ２ストレージ能力算出手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気浄化触媒よりも下流側の排気の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記下流側空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記Ｏ２ストレージ能力算出手段により排気浄化触媒のＯ２ストレージ能力を算出するときに前記空燃比制御手段による制御を中止する空燃比制御中止手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関からの排気を浄化する触媒の劣化を判定するために、触媒の上流側に設けられた空燃比センサ（以下、上流側空燃比センサという。）の出力信号がリッチからリーンまたはリーンからリッチに変化してから、触媒の下流側に設けられた空燃比センサ（以下、下流側空燃比センサという。）の出力信号が変化するまでの時間を計測することが知られている。この時間が長いほど触媒のＯ２ストレージ能力が高く、劣化の度合いが低いと判定できる。また、この時間が閾値よりも短くなったときに触媒が劣化していると判定することができる。
【０００３】
なお、Ｏ２ストレージ能力は触媒の温度によって変化するため、触媒の温度を考慮して触媒の劣化判定を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−２４８２２７号公報
【特許文献２】特表２００３−５２４１１０号公報
【特許文献３】特開２００６−２３３７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、下流側空燃比センサの出力信号が変化しても触媒の下流側ではまだ酸素の放出または吸蔵が完了していない場合がある。例えば、触媒に流入する排気の空燃比をリーンからリッチへ変えた場合、触媒では空燃比が低いほど（つまり、還元ガス（例えばＨＣ又はＣＯ）濃度が高いほど）反応速度が速く、空燃比が高いほど反応速度が遅くなる。そして、触媒に流入した還元ガスは該触媒の上流側から酸素と反応するため、該触媒の下流側では還元ガス濃度が低くなる。そのため、触媒の下流側ではＨＣの反応速度が遅くなり、触媒に酸素が吸蔵されているのにも関わらずＨＣの一部が触媒から流出し、下流側空燃比センサの出力信号が変化することがある。つまり、実際よりも酸素の吸蔵量が少ないとして判定される虞がある。
【０００５】
一方、触媒に流入する排気の空燃比をリッチからリーンへ変えた場合、触媒では、先ず上流側で酸素と還元ガスや酸素吸蔵材とが反応するため、触媒の中央よりも下流側では酸素濃度が低くなる。そのため、酸素吸蔵材と酸素との酸化反応速度が遅くなる。これにより、排気浄化触媒への酸素の吸蔵が完了していなくても該排気浄化触媒から流出する排気の空燃比はリッチからリーンへ変わる。つまり、実際よりも酸素の吸蔵量が少ないとして判定される虞がある。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、触媒のＯ２ストレージ能力をより正確に求めることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
少なくともＯ２ストレージ能力を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒よりも上流側の排気の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記上流側空燃比検出手段よりも上流側から排気の空燃比を理論空燃比よりもリッチか
らリーンに変更するか又はリーンからリッチに変更する空燃比変更手段と、
前記排気浄化触媒の中央よりも下流側で該排気浄化触媒の温度を測定する温度測定手段と、
前記空燃比判定手段により空燃比が変更されるときに、前記上流側空燃比検出手段により検出させる空燃比がリッチからリーン又はリーンからリッチに変化してから、前記温度測定手段により測定される温度の変化率が所定値以下となるまでの時間に基づいて前記排気浄化触媒のＯ２ストレージ能力を算出するＯ２ストレージ能力算出手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００８】
上流側空燃比検出手段は、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンに変化したこと、またはリーンからリッチへ変化したことを検出できれば良い。そのため、上流側空燃比検出手段は、排気の空燃比、排気中の酸素濃度、若しくはＨＣ濃度を検出するセンサであっても良い。また、温度測定手段は、温度の変化率を測定できれば良い。温度測定手段は、排気浄化触媒から流出した排気の温度の影響を受けない範囲でより下流側で温度を測定するほど、排気浄化触媒のより広い範囲のＯ２ストレージ能力を求めることができる。
【０００９】
空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーン、またはリーンからリッチに変化すると、まず上流側空燃比検出手段により検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーン、またはリーンからリッチとなる。そして、空燃比がリッチからリーンとされた場合には、酸素が排気浄化触媒に吸蔵されるのにかかる時間に基づいて排気浄化触媒のＯ２ストレージ能力を求めることができる。また、空燃比がリーンからリッチとされた場合には、ＨＣが排気浄化触媒に吸蔵されている酸素との反応が完了するまでにかかる時間によって該排気浄化触媒の劣化判定を行なうことができる。
【００１０】
なお、空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーン、またはリーンからリッチになることを以下、空燃比が反転するという。また、空燃比がリッチからリーン、またはリーンからリッチになるときに排気浄化触媒に流入する排気を以下、反応ガスという。空燃比がリッチからリーンとされるときには、反応ガスは酸素を多く含んでいる。また空燃比がリーンからリッチとされるときには、反応ガスはＨＣ又はＣＯを多く含んでいる。
【００１１】
ここで、排気浄化触媒の中央よりも下流側で反応ガスの反応速度が遅くなり、該排気浄化触媒から反応ガスが流出しても、酸素の放出が完了していない場合や、酸素の吸蔵が完了していない場合には、排気浄化触媒の中央よりも下流側では反応ガスによる反応熱が発生する。つまり、排気浄化触媒の温度が変化している場合には、Ｏ２ストレージ能力により排気浄化触媒にて反応ガスが反応していることになる。そして、排気浄化触媒の下流側において温度変化がなくなったときが酸素の放出または酸素の吸蔵が完了したときである。つまり、上流側空燃比検出手段により検出される空燃比が反転してから、排気浄化触媒の下流側の温度変化がなくなるまでの時間が、本来のＯ２ストレージ能力を表すことになる。
【００１２】
なお、排気浄化触媒の温度変化が全く無くなるまでには時間がかかるため、ある程度温度が変化するときであっても反応ガスの反応が完了したとしても良い。つまり、「温度の変化率が所定値以下となるまで」とは、温度が殆ど変化しなくなるまで、若しくは温度が低下するまでとしても良い。また、「温度の変化率が０以下となるまで」としても良い。
【００１３】
また本発明においては、前記排気浄化触媒よりも下流側の排気の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記下流側空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記Ｏ２ストレージ能力算出手段により排気浄化触媒のＯ２ストレージ能力を算出するときに前記空燃比制御手段による制御を中止する空燃比制御中止手段と、
をさらに備えることができる。
【００１４】
つまり、下流側空燃比検出手段により検出される空燃比が反転したからといって、燃料噴射量等を変更して空燃比制御（例えばフィードバック制御）を行なってしまうと、排気浄化触媒の温度が変化してしまう。これにより、Ｏ２ストレージ能力を正確に求めることが困難となるため、劣化判定時には空燃比制御を中止しても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、触媒のＯ２ストレージ能力をより正確に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・エンジンである。
【００１８】
内燃機関１には、吸気通路２および排気通路３が接続されている。この吸気通路２の途中には、該吸気通路２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。また、この吸入空気量に基づいて排気の量を求めることもできる。
【００１９】
一方、排気通路３の途中には、三元触媒５が備えられている。この三元触媒５は、酸素を貯蔵する機能（Ｏ２ストレージ能力）を有している。この三元触媒５のＯ２ストレージ能力は、混合気の空燃比がリーンになると排気中に存在する過剰酸素を貯蔵し、空燃比がリッチになると貯蔵していた酸素を放出するものである。混合気がリーンになったときには過剰な酸素が三元触媒５に貯蔵され、混合気がリッチになったときには三元触媒５に貯蔵された酸素が放出されるために、該三元触媒５内がストイキに調整され、酸化・還元反応がバランスよく進行する。従って、三元触媒５が貯蔵し得る酸素量の最大値が大きいほど、三元触媒５の浄化能力は高くなる。なお、本実施例においては三元触媒５が、本発明における排気浄化触媒に相当する。なお、三元触媒５は、Ｏ２ストレージ能力を有する他の触媒であっても良い。
【００２０】
内燃機関１には、該内燃機関１の気筒内若しくは吸気通路２内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。この燃料噴射弁６からの燃料噴射量を調節することにより、内燃機関１はリッチ空燃比、理論空燃比、またはリーン空燃比にて運転することができる。これにより、三元触媒５へ流入する排気の空燃比を変動させることができる。
【００２１】
また、三元触媒５よりも上流の排気通路３には、該排気通路３を流通する排気の空燃比を検出する上流側空燃比センサ７が取り付けられている。一方、三元触媒５よりも下流の排気通路３には、該排気通路３を流通する排気の空燃比を検出する下流側空燃比センサ８が取り付けられている。なお、上流側空燃比センサ７から得られる空燃比を以下、上流側空燃比という。また、下流側空燃比センサ８から得られる空燃比を以下、下流側空燃比という。なお、本実施例においては上流側空燃比センサ７が、本発明における上流側空燃比検出手段に相当する。また、本実施例においては下流側空燃比センサ８が、本発明におけ
る下流側空燃比検出手段に相当する。
【００２２】
さらに、三元触媒５の中央よりも下流側には、該三元触媒５の温度を測定する温度センサ９が取り付けられている。温度センサ９は、三元触媒５の下流側のＯ２ストレージ能力を判定するために取り付けられるため、該三元触媒５の下流側端部に近いほど、より広い範囲のＯ２ストレージ能力を判定することができる。しかし、温度センサ９の取り付け位置が下流側端部に近過ぎると、三元触媒５から流出する排気の温度の影響を受けるため、該三元触媒５の温度を正確に測定することが困難となる。そのため本実施例では、三元触媒５の下流側端部よりも５から２０ｍｍの範囲に温度センサ９を取り付ける。なお、本実施例においては温度センサ９が、本発明における温度測定手段に相当する。
【００２３】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００２４】
ＥＣＵ１０には、各種センサ等が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁６が電気配線を介して接続され、該ＥＣＵ１０により燃料噴射弁６が制御される。
【００２５】
ここで、図２は、上流側空燃比がリッチからリーンに変化したときの下流側空燃比と三元触媒５内の温度との推移を示したタイムチャートである。三元触媒５に上流側から順に３つの熱伝対を取り付け夫々「前方」「中央」「後方」で表している。「後方」で表される最も下流側の熱伝対は、本実施例による温度センサ９と同じ位置に取り付けられている。ここで温度変化率とは、単位時間当たりの温度の変化量である。
【００２６】
Ａで示される時間において上流側空燃比がリッチからリーンへ反転している。そして、Ｂで示される時間において下流側空燃比がリッチからリーンへ反転している。つまり、従来では、ＡからＢまでの期間に基づいてＯ２ストレージ能力を算出していた。
【００２７】
しかし、このときには「前方」「中央」「後方」の夫々の温度は上昇している途中であり、温度変化率が大きくなっている。つまり、三元触媒５において酸素の吸蔵が完了していないことを示している。「前方」「中央」の順に温度の変化率が０となったときに、夫々の箇所において酸素の吸蔵が完了している。そして、Ｃで示される時間において「後方」の温度変化率が０となっている。このＣで示される時間までは「後方」にて酸素の吸蔵が行なわれていたと考えられるため、本実施例ではＡからＣの期間に基づいてＯ２ストレージ能力を算出する。
【００２８】
そして、本実施例では三元触媒５の劣化判定を行うために、燃料噴射弁６からの燃料噴射量を変化させる。そして、上流側空燃比がリーンからリッチへ変化してから、温度センサ９により得られる温度の変化率が０となるまでの時間を計測する。この時間に基づいてＯ２ストレージ能力を算出し三元触媒５の劣化判定を行う。
【００２９】
また、上流側空燃比がリッチからリーンへ変化してから、温度センサ９により得られる温度の変化率が０となるまでの時間を計測し、この時間に基づいてＯ２ストレージ能力を算出しても良い。
【００３０】
さらに、上記した２つの方法によりＯ２ストレージ能力を算出し、これらの平均値を用いて三元触媒５の劣化判定を行なってもよい。
【００３１】
なお、Ｏ２ストレージ能力の算出を行なうときには、三元触媒５の状態がいつも同じに
なるようにフューエルカット直後にＯ２ストレージ能力の算出を行なっても良い。つまり、Ｏ２ストレージ能力の算出を行なうときに三元触媒５の状態が異なると、Ｏ２ストレージ能力が小さく算出される虞がある。これに対し、フューエルカット直後では三元触媒５を同じ状態（例えば基準となる状態）に合わせ易くなるため、Ｏ２ストレージ能力を算出し易くできる。
【００３２】
また、空燃比を繰り返し反転させ、２回目以降で算出されるＯ２ストレージ能力を用いてもＯ２ストレージ能力の算出精度を高めることができる。つまり、空燃比を反転させる一回目では、Ｏ２ストレージ能力以外により温度センサ９の出力信号が変動する虞があるため、これを抑制する。
【００３３】
図３は、本実施例における三元触媒５の劣化判定のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に実行される。
【００３４】
ステップＳ１０１では、フューエルカット中であるか否か判定される。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。
【００３５】
ステップＳ１０２では、フューエルカットが終了したか否か判定される。つまり、内燃機関１への燃料の供給が行なわれているか否か判定される。
【００３６】
なお、フューエルカット終了直後では、空燃比を反転させる回数を１回とし、他の場合には空燃比を２回反転させてＯ２ストレージ能力を算出する。つまり、フューエルカット終了直後では、Ｏ２ストレージ能力の算出精度が高くなるため、１回だけ空燃比を反転させてＯ２ストレージ能力が算出される。また、他の場合には、Ｏ２ストレージ能力の算出精度が低くなるため、空燃比を２回反転させて、そのときに算出されるＯ２ストレージ能力の平均値が求められる。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０１へ戻る。
【００３７】
ステップＳ１０３では、下流側空燃比がリッチとなっているか否か判定される。つまり、リッチなのかリーンなのかによってその後の空燃比の目標値が変わるため、現状の空燃比が判定される。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進む。
【００３８】
ステップＳ１０４では、上流側空燃比がリッチからリーンへ反転される。例えば、内燃機関１への燃料噴射量を減少させたり、内燃機関１への吸入空気量を増加させたりする。
【００３９】
ステップＳ１０５では、温度センサ９により検出される温度の変化率が０以下となっているか否か判定される。つまり、三元触媒５の温度が変化していなかったり、温度が低下していたりしているか否か判定される。これにより、三元触媒５の酸素の吸蔵が完了したか否か判定される。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５が再度実行される。
【００４０】
ステップＳ１０６では、上流側空燃比がリーンからリッチへ反転される。フューエルカット終了直後（ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合）には、空燃比のリーンからリッチへの反転が１回だけ行われるが、それ以外では空燃比の反転が２回行なわれる。例えば、内燃機関１への燃料噴射量を増加させたり、内燃機関１への吸入空気量を減少させたりする。
【００４１】
ステップＳ１０７では、温度センサ９により検出される温度の変化率が０以下となって
いるか否か判定される。これにより、三元触媒５からの酸素の放出が完了したか否か判定される。ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１２へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７が再度実行される。
【００４２】
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０６と同じ処理がなされる。
【００４３】
ステップＳ１０９では、ステップＳ１０７と同じ判定が行われ、肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９が再度実行される。
【００４４】
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０４と同じ処理がなされる。
【００４５】
ステップＳ１１１では、ステップＳ１０５と同じ判定が行われ、肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１２へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１１が再度実行される。
【００４６】
ステップＳ１１２では、通常の空燃比制御が行われる。つまり、三元触媒５の劣化判定のための空燃比制御が終了され、例えば下流側空燃比に基づいて内燃機関１への燃料噴射量のフィードバック制御が行われる。なお、本実施例においてはステップＳ１１２の処理を行なうＥＣＵ１０が、本発明における空燃比制御手段に相当する。また、ステップＳ１１２までは通常の空燃比制御を行わないＥＣＵ１０が、本発明における空燃比制御中止手段に相当する。
【００４７】
ステップＳ１１３では、三元触媒５のＯ２ストレージ能力が算出される。フューエルカット終了直後では、空燃比がリーンからリッチに反転してから温度変化率が０となるまでの時間によりＯ２ストレージ能力が算出される。それ以外では、空燃比がリーンからリッチへ反転した場合と、リッチからリーンへ反転した場合と、で夫々Ｏ２ストレージ能力が算出され、この平均値が算出される。
【００４８】
ここでエアフローメータ４により得られる吸入空気量と、上流側空燃比とからにより三元触媒５に流入する酸素量を算出し、上流側空燃比が反転してから温度変化率が０となるまでの間の酸素量の積算値が三元触媒５のＯ２ストレージ能力となる。なお、本実施例においてはステップＳ１１３の処理を行なうＥＣＵ１０が、本発明におけるＯ２ストレージ能力算出手段に相当する。
【００４９】
ステップＳ１１４では、三元触媒５のＯ２ストレージ能力が異常であるか否か判定される。例えば三元触媒５が劣化しているとされるときのＯ２ストレージ能力を閾値として予め実験等により求めておき、ステップＳ１１３で算出された値が閾値以下のときに異常であると判定される。
【００５０】
ステップＳ１１４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１５へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１１６へ進む。
【００５１】
ステップＳ１１５では、三元触媒５の異常を運転者等に知らせるために例えば警告ランプが点灯される。
【００５２】
ステップＳ１１６では、三元触媒５は正常であるとされる。
【００５３】
このようにして、三元触媒５のＯ２ストレージ能力を算出することにより該三元触媒５の劣化判定を行うことができる。なお、本実施例においてはステップＳ１０４，或いは１
０６，１０８，１１０の処理を行なうＥＣＵ１０が、本発明における空燃比変更手段に相当する。
【００５４】
以上説明したように、本実施例によれば、上流側空燃比が反転してから三元触媒５の下流側の温度の変化率が０となるまでの時間に基づいて三元触媒５のＯ２ストレージ能力を算出するため、三元触媒５の劣化判定をより正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
【図２】上流側空燃比がリッチからリーンに変化したときの下流側空燃比と三元触媒内の温度との推移を示したタイムチャートである。
【図３】実施例における三元触媒の劣化判定のフローを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１     内燃機関
２     吸気通路
３     排気通路
４     エアフローメータ
５     三元触媒
６     燃料噴射弁
７     上流側空燃比センサ
８     下流側空燃比センサ
９     温度センサ
１０   ＥＣＵ
【図１】
2008232103.tif 000003
【図２】
2008232103.tif 000004
【図３】
2008232103.tif 000005