(57)【要約】【課題】精度よく触媒コンバータの劣化判定可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】触媒コンバータに流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍値を変調中心空燃比として所定周期及び所定振幅で変調させる排気空燃比変調手段と、触媒コンバータの下流に位置して設けられ、排気空燃比を検出する排気センサと、触媒コンバータの温度を検出する触媒温度検出手段と、排気センサの出力振幅の大きさに基づいて触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段（Ｓ１６，Ｓ１８）とを備え、排気空燃比変調手段は、触媒温度検出手段により検出される触媒コンバータの温度が高いほど変調中心空燃比をストイキオに近づけて変調を行う（Ｓ１２，Ｓ１４）。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設された触媒コンバータと、
前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍値を変調中心空燃比として所定周期及び所定振幅で変調させる排気空燃比変調手段と、
前記触媒コンバータの下流に位置して設けられ、排気空燃比を検出する排気センサと、
前記触媒コンバータの温度を検出または推定する触媒温度検出手段と
前記排気センサの出力振幅の大きさに基づいて前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段とを備え、
前記排気空燃比変調手段は、前記触媒温度検出手段により検出または推定される前記触媒コンバータの温度が高いほど前記変調中心空燃比をストイキオに近づけて変調を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの劣化判定技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化用の触媒コンバータにおいては、触媒の有する酸素ストレージ能力が触媒性能と相関性が高いことから、特にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質を多く含むような触媒コンバータにおいて、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の経時変化を監視することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が採用されている。
【０００３】
この触媒劣化検出方法は、触媒コンバータに流入する排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定周期（例えば、空燃比フィードバック制御の変調周期）、所定振幅で変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒コンバータに吸蔵されるために触媒下流の排気空燃比の応答が遅く或いは振幅が小さく、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒コンバータにあまり吸蔵されることなく排出されるために触媒下流の排気空燃比の応答が速く或いは振幅が大きくなるという特性を利用しており、例えば、触媒下流に設けた酸素センサ（Ｏ２センサ）からの酸素濃度出力値の振幅を検出し、当該検出値が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が低下、即ち触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒コンバータの性能は常時単一なものではなく、触媒コンバータの温度、即ち触媒温度や排気流量等の影響を受けるものである。
従って、触媒コンバータの劣化度合いが同じであっても、触媒コンバータの性能が触媒温度や排気流量等の影響によって異なると、酸素センサや空燃比センサからの出力値の振幅が相違し、例えば触媒温度が高くなるほど出力値の振幅が小さく現れ、近年の厳しい排ガス規制に対し、触媒コンバータの劣化判定を適切に実施できないという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、精度よく触媒コンバータの劣化判定可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に配設された触媒コンバータと、前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍値を変調中心空燃比として所定周期及び所定振幅で変調させる排気空燃比変調手段と、前記触媒コンバータの下流に位置して設けられ、排気空燃比を検出する排気センサと、前記触媒コンバータの温度を検出または推定する触媒温度検出手段と、前記排気センサの出力振幅の大きさに基づいて前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記排気空燃比変調手段は、前記触媒温度検出手段により検出または推定される前記触媒コンバータの温度が高いほど前記変調中心空燃比をストイキオに近づけて変調を行うことを特徴としている。
【０００７】
即ち、通常の内燃機関では、排気空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比寄りになると触媒コンバータのＮＯｘ浄化効率が大きく低下することから、排気空燃比の変調中心空燃比がややリッチ空燃比寄りとなるようにして排気空燃比変調を行うようにし、排気センサの出力振幅の大きさに基づいて触媒コンバータの劣化判定をするようにしているが、本発明では、触媒コンバータの性能は触媒温度の影響を受け、触媒温度が高くなるほど出力値の振幅が小さく現れる現象に着目し、触媒コンバータの温度が高いほど変調中心空燃比をストイキオに近づけて変調を行うようにしている。
【０００８】
このように触媒コンバータの温度が高いほど変調中心空燃比をストイキオに近づけて変調を行うようにすると、図４に示すように、排気センサの出力特性により、同じ変調振幅でもストイキオに近いほど出力振幅が大きく現れることになり、つまり触媒温度の上昇により小さくなった出力振幅が増幅されることになり、触媒温度に依らず常に良好に触媒コンバータの劣化判定を実施可能である。これにより触媒コンバータの劣化判定の精度が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００１０】
同図に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００１１】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。
【００１２】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００１３】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θｔｈを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。
【００１４】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）のいずれかを有するとともにセリア（Ｃｅ）が添加されており、酸素吸蔵機能（Ｏ２ストレージ機能）を有した三元触媒として構成されている。つまり、活性貴金属やセリア（Ｃｅ）は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ２）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ２を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においても担体表面にＯ２を有してＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。
【００１５】
また、排気管２０には、三元触媒３０の上流に位置してＯ２センサ２２が配設されており、さらに、三元触媒３０の下流にもＯ２センサ（排気センサ）２４が配設されている。Ｏ２センサ２２、２４としては、ここでは上記図４に示す特性を示す公知のＯ２センサが使用される。
さらに、三元触媒３０には、例えば担体の直上流に位置して、三元触媒３０の温度を検出する高温センサ（触媒温度検出手段）３２が設けられている。
【００１６】
電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、Ｏ２センサ２２、２４、高温センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００１７】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４の他、警告灯４２等の各種出力デバイスが接続されており、Ｏ２センサ２２からの検出情報等に基づき燃焼空燃比（燃焼Ａ／Ｆ）が設定されると、当該燃焼Ａ／Ｆに応じて燃料噴射量や燃料噴射時期の指令信号が燃料噴射弁６に出力されるとともに吸入空気量の指令信号がスロットル弁１４に出力され、さらに点火時期の指令信号が燃焼順に点火コイル８に出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、スロットル弁１４が適正な開度とされ、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００１８】
また、燃焼Ａ／Ｆが設定されると、三元触媒３０に流入する排気空燃比（排気Ａ／Ｆ）はＯ２センサ２２からの検出情報に基づいてフィードバック制御される。詳しくは、排気Ａ／Ｆは、燃焼Ａ／Ｆを例えば気筒毎の所定周期で所定振幅となるようリッチ空燃比側及びリーン空燃比側に繰り返し変調することによって変調させられ、この際、平均空燃比（変調中心空燃比、平均Ａ／Ｆ）が目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）となるように制御される。より詳しくは、排気Ａ／Ｆがストイキオよりもリーン空燃比寄りになると三元触媒３０のＮＯｘ浄化効率が大きく低下することから、ここでは、ＮＯｘ浄化効率の低下を防止すべく、通常運転時には平均Ａ／Ｆがややリッチ空燃比寄りの理論空燃比近傍値となるように排気空燃比変調が実施される（排気空燃比変調手段）。
【００１９】
以下、このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用、即ち本発明に係る触媒劣化判定の判定手法について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る触媒劣化判定の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに沿い本発明に係る触媒劣化判定の判定手順について詳細に説明する。
【００２０】
なお、本発明に係る触媒劣化判定は、基本的には、従来と同様にフィードバック制御を行い、排気Ａ／Ｆを平均Ａ／Ｆ中心に所定周期、所定振幅で変調させ、このときの触媒コンバータの酸素ストレージ能力の経時変化を監視することで触媒コンバータの劣化を判定するものであり、触媒劣化判定の基本作用等については上述した通りであり説明を省略する。
【００２１】
先ず、ステップＳ１０では、空燃比変調（Ａ／Ｆ変調）を行っているか否かを判別する。ここでは、例えば上記フィードバック制御を行っているか否かを判別する。なお、フィードバック制御の代わりに別途定めた所定周期、所定振幅でＡ／Ｆ変調を行ってもよく、この場合には当該別途定めた所定周期、所定振幅でのＡ／Ｆ変調を行っているか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、Ａ／Ｆ変調が行われておらず劣化判定ができないため、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１２に進む。
【００２２】
ステップＳ１２では、高温センサ３２により検出した三元触媒３０の温度Ｔｃａｔを読み込む。なお、ここでは、高温センサ３２により直接に三元触媒３０の温度Ｔｃａｔを検出するようにしたが、排気温度を求めることができれば当該排気温度から三元触媒３０の温度Ｔｃａｔを推定するようにしてもよく、また、運転条件（エンジン回転速度、体積効率、外気温、車速、吸気管負圧、正味平均有効圧、スロットル開度、吸入空気量、排気流量等）に応じて予めマップ値として求めてもよい。
【００２３】
ステップＳ１４では、上記読み込んだ触媒温度Ｔｃａｔに応じて平均Ａ／Ｆ（変調中心空燃比）をストイキオ側に補正する。具体的には、触媒温度Ｔｃａｔと平均Ａ／Ｆとの関係を示す図３のマップに基づき、触媒温度Ｔｃａｔが高くなるほど平均Ａ／Ｆがストイキオに近づくように設定される。
このように平均Ａ／ＦがストイキオとなるようにしてＡ／Ｆ変調を行うようにすると、上記図４に示すように、平均Ａ／Ｆがリッチ空燃比寄りではＯ２センサ２４の出力振幅はそれほど大きく現れないのであるが、同じ変調振幅（所定振幅）の下で当該出力振幅が大きく現れることになる。
【００２４】
従って、上述した如く三元触媒３０の性能は触媒温度Ｔｃａｔの影響を受け、触媒温度Ｔｃａｔが高くなるほど触媒が活性化して三元触媒３０下流におけるＯ２センサ２４の出力振幅は小さいのであるが、触媒温度Ｔｃａｔが高くなるほど平均Ａ／Ｆをストイキオ側に補正することで、このような小さな出力振幅が増幅して出力されることになり、触媒温度Ｔｃａｔが高いときの三元触媒３０の劣化を良好に判定することが可能となる。
【００２５】
これにより、触媒温度Ｔｃａｔが低温であっても高温であっても、触媒温度Ｔｃａｔに依らず、常に良好に三元触媒３０の劣化判定を実施することが可能となる。
ステップＳ１６では、Ｏ２センサ２４の出力振幅が所定振幅よりも大きいか否か、即ち、三元触媒３０が所定の劣化状態に達しているか否かを判別する（劣化判定手段）。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＯ２センサ２４の出力振幅が所定振幅よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１８に進み、三元触媒３０は劣化していると判定し、警告灯４２を点灯させる。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ２センサ２４の出力振幅が所定振幅以下と判定された場合には、ステップＳ２０に進み、三元触媒３０は劣化していないと判定（劣化判定解除）し、警告灯４２を消灯状態とする。
【００２６】
このように、本発明に係る触媒劣化判定では、触媒温度Ｔｃａｔが高くなるほど平均Ａ／Ｆをストイキオ側に補正してＡ／Ｆ変調を行い、触媒劣化判定を行うようにしている。従って、三元触媒３０の劣化の誤判定が好適に防止されることになり、劣化判定の精度が向上する。
好ましくは、ステップＳ１６でＯ２センサ２４の出力振幅が所定振幅よりも大きいと判定された場合には、この状態が所定時間継続した後にステップＳ１８に進み劣化と判定するのがよく、これにより劣化判定の精度がさらに向上する。
【００２７】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、三元触媒３０の劣化を判定するようにしたが、劣化判定の対象は三元触媒に限られず、ＮＯｘ触媒等如何なる触媒コンバータであってもよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、通常運転時において平均Ａ／Ｆがややリッチ空燃比寄りとなるように排気空燃比変調を実施するようにしたが、燃費等を優先するような場合には、通常運転時において平均Ａ／Ｆがややリーン空燃比寄りのストイキオ近傍値となるようにして排気空燃比変調を実施するようにしてもよく、この場合であっても、図３のマップに基づき平均Ａ／Ｆをストイキオ側に補正してＡ／Ｆ変調を行うことにより、三元触媒３０の劣化の誤判定が防止され、劣化判定の精度が向上する。
【００２９】
また、上記実施形態では、排気センサとして例えばＯ２センサを用いるようにしたが、図４に示すような特性（いわゆるλ特性）を有するリニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）を用いるようにしても同様の効果が得られる。
また、上記実施形態では、エンジン１として筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンを用いるようにしたが、エンジン１は吸気管噴射型ガソリンエンジン、２サイクルガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等如何なるエンジンであってもよい。
【００３０】
また、本発明では、平均Ａ／Ｆをストイキオ側に補正するようにしているが、これはＡ／Ｆ変調の所定周期や所定振幅の補正を排除するものではなく、併せてＡ／Ｆ変調の所定周期や所定振幅の補正を適宜実施するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ストイキオが理論空燃比であるものとして説明したが、ストイキオは図４に示すようにセンサ出力変化が最も大きいＡ／Ｆを示すものであってセンサによっては理論空燃比と異なる場合があり、このようにストイキオと理論空燃比とが異なるようなセンサ、例えば理論空燃比よりもリッチ側或いはリーン側でセンサ出力変化が最大となる特性を有するセンサを用いるようにしても本発明を良好に実現可能である。この場合、センサ出力に基づくストイキオは当該理論空燃比よりもリッチ空燃比或いはリーン空燃比となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの温度が高いほど変調中心空燃比をストイキオに近づけて変調を行うようにするので、触媒温度の上昇により小さくなった排気センサの出力振幅を増幅させるようにでき、触媒温度に依らず常に良好に触媒コンバータの劣化判定を実施することができる。これにより触媒コンバータの劣化判定の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る触媒劣化判定の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】触媒温度Ｔｃａｔと平均Ａ／Ｆとの関係を示すマップである。
【図４】Ｏ２センサの特性を示す図であって、本発明の作用効果を示す図である。
【符号の説明】
１　エンジン
４　点火プラグ
６　燃料噴射弁
１２　排気マニホールド
２０　排気管（排気通路）
２２　Ｏ２センサ
２４　Ｏ２センサ（排気センサ）
３０　三元触媒（触媒コンバータ）
３２　高温センサ（触媒温度検出手段）
４０　ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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