(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒内がリッチ雰囲気であって前記内燃機関のフューエルカットが実行された場合に、前記排気浄化触媒の触媒床温を測定し、排気中の酸素が該排気浄化触媒に吸蔵される時に発生する吸蔵反応熱を検出する吸蔵反応熱検出手段と、
前記吸蔵反応熱検出手段による前記吸蔵反応熱の検出時期に基づいて前記排気浄化触媒の劣化度合いを判定する劣化度合い判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定システム。
【請求項２】
前記劣化度合い判定手段は、前記吸蔵反応熱の検出時期に基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵能を推定し、推定された酸素吸蔵能に基づいて該排気浄化触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化判定システム。
【請求項３】
前記劣化度合い判定手段は、更に、前記吸蔵反応熱検出手段により測定された前記触媒床温に基づいて前記劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の触媒劣化判定システム。
【請求項４】
前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比か否かを判定するリーン判定手段を更に備え、
前記劣化度合い判定手段は、前記流入する排気空燃比がリーン空燃比であると判定されてから前記吸蔵反応熱が検出されるまでの反応熱検出期間に基づいて前記排気浄化触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の触媒劣化判定システム。
【請求項５】
前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比か否かを判定するリーン判定手段と、
前記流入する排気空燃比がリーン空燃比であると判定されてから前記吸蔵反応熱が検出されるまでの反応熱検出期間に基づいて、前記吸蔵反応熱検出手段の配置位置よりも上流側において吸蔵された上流部吸蔵量を算出する上流部吸蔵量算出手段と、
を更に備え、
前記劣化度合い判定手段は、排気浄化触媒全体に対する触媒前端部から前記配置位置までの容積比および前記上流部吸蔵量に基づいて前記排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の触媒劣化判定システム。
【請求項６】
前記吸蔵反応熱検出手段は、前記排気浄化触媒における排気流れ方向に複数設けられ、
前記劣化度合い判定手段は、前記複数のうち選択された二の吸蔵反応熱検出手段によって検出された前記吸蔵反応熱の検出時期の差である反応熱検出遅れ期間に基づいて前記排気浄化触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の触媒劣化判定システム。
【請求項７】
前記吸蔵反応熱検出手段は、前記排気浄化触媒における排気流れ方向に複数設けられ、
前記複数のうち選択された二の吸蔵反応熱検出手段によって検出された前記吸蔵反応熱の検出時期の差である反応熱検出遅れ期間に基づいて、前記二の吸蔵反応熱検出手段によって挟まれる領域において吸蔵された中間部吸蔵量を算出する中間部吸蔵量算出手段を、
更に備え、
前記劣化度合い判定手段は、排気浄化触媒全体に対する前記二の吸蔵反応熱検出手段によって挟まれる領域の容積比および前記中間部吸蔵量に基づいて前記排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の触媒劣化判定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の触媒劣化判定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の内燃機関から排出される排気中の有害成分（例えば、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）の規制が強化されるに伴い、排気中の有害成分を排気浄化触媒によって浄化する技術が提案されている。ここで、排気浄化触媒としては、代表的なものにＮＯｘの還元と、ＨＣ，ＣＯの酸化処理を同時に処理する三元触媒がある。
【０００３】
上記三元触媒は酸素吸蔵能（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を有しており、排気
中の酸素を吸蔵・放出する性質を有している。より詳しくは、三元触媒に流入する排気空燃比がリッチ空燃比の場合には三元触媒に吸蔵されている酸素が放出されることで排気中のＨＣやＣＯが酸化される。一方、排気空燃比がリーン空燃比の場合には三元触媒に酸素が吸蔵されることでＮＯｘが還元される。なお、「吸蔵」には吸着および吸収の概念が含まれるものである。
【０００４】
上記のような酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒が劣化すると、その酸素吸蔵能が低下して排気浄化能力が悪化する。酸素吸蔵能と触媒の劣化度合いとには相関関係があるため、排気浄化触媒の酸素吸蔵能に基づいて触媒が劣化しているか否かを判定する劣化判定制御を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００５】
特許文献１には、排気浄化触媒に流入する排気空燃比がリッチ側からリーン側へと、あるいはリーン側からリッチ側へと周期的に反転させる空燃比制御を行う。すなわち、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が反転した後、同触媒から流出する排気の空燃比が反転するまでの期間の長さに基づいて触媒が劣化しているか否かが判定される。
【０００６】
しかしながら、上記空燃比制御を実施している最中においても運転者の要求によって内燃機関の運転状態は変化するため、運転状態の変化が空燃比制御に影響を及ぼす場合がある。つまり、触媒の劣化判定制御に係る判定精度が悪化する虞があった。また、内燃機関の運転状態に関わらず強制的に空燃比制御を実行するとドライバビリティが悪化する虞もあった。
【特許文献１】特開平６−７４０２５号公報
【特許文献２】特開２００６−２７５００７号公報
【特許文献３】特許第２５５７４７７号公報
【特許文献４】特開２００５−９８２０５号公報
【特許文献５】特開２００５−１４００１１号公報
【特許文献６】特開２００２−１８８４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気浄化触媒の劣化度合いを精度良く判定するとともに、劣化度合いの判定を行う際に内燃機関の運転状態に影響を及ぼすことに起因してドライバビリティが悪化することを抑制できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために本発明における内燃機関の触媒劣化判定システムは、以下の
手段を採用した。即ち、
内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒内がリッチ雰囲気であって前記内燃機関のフューエルカットが実行された場合に、前記排気浄化触媒の触媒床温を測定し、排気中の酸素が該排気浄化触媒に吸蔵される時に発生する吸蔵反応熱を検出する吸蔵反応熱検出手段と、
前記吸蔵反応熱検出手段による前記吸蔵反応熱の検出時期に基づいて前記排気浄化触媒の劣化度合いを判定する劣化度合い判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、排気浄化触媒内がリッチ雰囲気にある状態においてフューエルカット（燃料カット）が実行される際に、排気浄化触媒の劣化度合いが判定される。ここで、排気浄化触媒内がリッチ雰囲気にあるとは、排気浄化触媒の内部がリッチ雰囲気になっている状態を意味しており、例えば内燃機関の負荷（トルク）の増大等に伴ってリッチ空燃比の排気が排気浄化触媒に流入することにより、排気浄化触媒に吸蔵されていた酸素が放出され、酸素吸蔵量が略零になっている状態が例示できる。また、排気浄化触媒の劣化度合いとは、排気浄化触媒の劣化の程度を意味する。
【００１０】
このような状態で、例えば内燃機関に減速要求がなされる場合等、フューエルカットが実行されると、排気浄化触媒には空気と略同等な酸素濃度の排気が流入することになる。そして、排気浄化触媒に対し、リッチ空燃比の排気が流入していた状態から、過剰酸素をより多く含んだ排気が流入する状態に移行することで、排気に含まれる過剰酸素が排気浄化触媒において吸蔵される酸素吸蔵反応が起こる。
【００１１】
ここで、上記の酸素吸蔵反応は発熱反応であるため、排気浄化触媒において酸素吸蔵反応が発生した位置における触媒床温が上昇する。本発明では、フューエルカットの実行前においては、排気浄化触媒内がリッチ雰囲気になっている状態であるため、先ず同触媒の前端部近傍のみにおいて酸素吸蔵反応が発生することになる。
【００１２】
そして、前端部近傍における酸素吸蔵量が増大すると、前端部近傍のみでは酸素をそれ以上吸蔵することが困難となる。その結果、過剰酸素を含んだ状態の排気が前端部近傍の領域を下流側にすり抜け、排気浄化触媒内のより下流側の領域において酸素吸蔵反応が生じるようになる。つまり、酸素吸蔵反応の発生箇所が経時とともに排気浄化触媒の上流側から下流側に向かって移行することになる。
【００１３】
ここで、排気浄化触媒の酸素吸蔵能とは、同触媒における酸素吸蔵能力の高さを表す概念である。また、本発明における酸素吸蔵能は、排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を意味していても良いし、同触媒の部分的な領域に係る酸素吸蔵能を意味していても良い。そして、排気浄化触媒の酸素吸蔵能が高いほど、酸素吸蔵反応の発生箇所が下流側に移行する速さが遅くなる。そこで、本発明においては、吸蔵反応熱検出手段によって上記の吸蔵反応熱を検出し、この吸蔵反応熱の検出時期に基づいて排気浄化触媒の劣化度合いを判定することとした。
【００１４】
ここで、排気浄化触媒の劣化度合いが高いほど酸素吸蔵能が低下する傾向がある。そこで、本発明においては、吸蔵反応熱の検出時期が遅くなるほど排気浄化触媒の酸素吸蔵能が高いと判断される。すなわち、排気浄化触媒の劣化度合いが低いと判定される。一方、吸蔵反応熱の検出時期が速いほど排気浄化触媒の酸素吸蔵能が低く、排気浄化触媒の劣化度合いが高いと判定される。つまり、本発明によれば、排気浄化触媒の劣化度合いを好適に判定することができる。
【００１５】
本発明においては、内燃機関の運転状態が変更されることに伴い、リッチ空燃比の排気
が排気浄化触媒に流入している状態から、過剰酸素を多く含んだ排気が流入する状態に移行するタイミングを利用して触媒の劣化度合いを判定するため、わざわざ排気空燃比に係る制御を実行する必要がない。従って、排気浄化触媒の劣化度合いを判定する際に、内燃機関の運転状態に影響を及ぼす虞がなく、ドライバビリティが悪化することを抑制できる。
【００１６】
また、本発明者等の鋭意研究によって上記の酸素吸蔵反応の発生時期は内燃機関にフューエルカットが実行されてから概ね１秒程度の範囲に収まることが解っている。つまり、本発明によれば、運転状態がフューエルカット状態から復帰するまでの短期間に劣化度合いに係る判定を完了することができる。従って、内燃機関の運転状態の影響を受けることなく触媒の劣化度合いを判定できるので、判定精度が悪化することを抑制できる。
【００１７】
ここで、本発明における劣化度合い判定手段は、吸蔵反応熱の検出時期に基づいて排気浄化触媒の酸素吸蔵能を推定しても良い。例えば、排気浄化触媒の排気流れ方向における吸蔵反応熱の検出位置（吸蔵反応熱検出手段の配置位置）毎に、吸蔵反応熱の検出時期と排気浄化触媒の酸素吸蔵能との関係を予め実験的に求めておき、吸蔵反応熱の検出時期に基づいて排気浄化触媒の酸素吸蔵能を推定しても良い。
【００１８】
そして、本発明においては、推定された酸素吸蔵能に基づいて該排気浄化触媒の劣化度合いを判定しても良い。つまり、例えば排気浄化触媒の酸素吸蔵能が所定の閾値以下である場合に同触媒が劣化していると判定しても良い。ここでの閾値は、排気浄化触媒における触媒機能が低下するほど劣化度合いが高くなるときの酸素吸蔵能であり、予め実験的に求めておいても良い。また、触媒が劣化しているか否かだけの判定ではなく、複数の閾値を設定することによって排気浄化触媒の劣化度合いをより詳細に判定しても良い。
【００１９】
ここで、排気浄化触媒の酸素吸蔵能は同触媒の触媒床温の違いによって影響を受けると考えられる。例えば、触媒床温が低い場合（例えば、４００℃）に比べて高い場合（例えば、６００℃）の方が排気浄化触媒の酸素吸蔵能は高くなる。そこで、本発明における劣化度合い判定手段は、更に、吸蔵反応熱検出手段により測定された触媒床温に基づいて排気浄化触媒の劣化度合いを判定しても良い。
【００２０】
例えば、吸蔵反応熱の検出時期に基づいて酸素吸蔵能を推定する場合には、触媒床温に応じて酸素吸蔵能を補正しても良い。本発明によれば、排気浄化触媒の触媒床温が大きく相違しても同触媒の劣化度合いをより精度良く推定することができる。
【００２１】
また、本発明においては、流入排気空燃比がリーン空燃比か否かを判定するリーン判定手段を更に備えても良い。これにより、排気浄化触媒の前端部における酸素吸蔵反応が開始するタイミングを精度良く把握することができる。そして、劣化度合い判定手段は、流入排気空燃比がリーン空燃比であると判定されてから吸蔵反応熱が検出されるまでの反応熱検出期間に基づいて排気浄化触媒の劣化度合いを判定しても良い。
【００２２】
すなわち、反応熱検出期間は、排気浄化触媒の前端部と吸蔵反応熱検出手段の配置位置とにおける酸素吸蔵反応が発生する時期の差を意味する。従って、反応熱検出期間が長いほど吸蔵反応熱検出手段の配置位置よりも上流側の領域における酸素吸蔵量（以下、「上流部吸蔵量」ともいう。）が多いことを意味する。そこで本発明では、上流部吸蔵量に閾値を設定し、閾値との大小関係によって排気浄化触媒の劣化度合いを判定しても良い。
【００２３】
また、上流部吸蔵量と排気浄化触媒の酸素吸蔵能は相関があるため、上流部吸蔵量に基づいて酸素吸蔵能を推定し、推定された酸素吸蔵能に基づいて劣化度合いを判定しても良い。そこで、本発明においては、上記反応熱検出期間に基づいて上流部吸蔵量を算出する
上流部吸蔵量算出手段を、更に備えても良い。例えば、反応熱検出期間において排気浄化触媒に流入した排気に含まれる酸素量の積分値に基づいて上流部吸蔵量を算出しても良い。
【００２４】
そして、本発明における劣化度合い判定手段は、排気浄化触媒全体に対する触媒前端部から前記配置位置までの容積比および上流部吸蔵量に基づいて前記排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を推定しても良い。すなわち、上流部吸蔵量を上記容積比で除すことによって排気浄化触媒全体に係る酸素吸蔵能を精度良く推定できる。これにより、排気浄化触媒の劣化度合いを好適に判定することができる。
【００２５】
また、本発明において、吸蔵反応熱検出手段は、排気浄化触媒における排気流れ方向に複数設けられても良い。そして、劣化度合い判定手段は、複数のうち選択された二の吸蔵反応熱検出手段によって検出された吸蔵反応熱の検出時期の差である反応熱検出遅れ期間に基づいて排気浄化触媒の劣化度合いを判定しても良い。なお、上記二の吸蔵反応熱検出手段は、複数のうちから任意に選択することができる。
【００２６】
ここで、反応熱検出遅れ期間が長いほど、上記二の吸蔵反応熱検出手段によって挟まれた領域（以下、「検出位置中間部」ともいう。）における酸素吸蔵量（以下、「中間部吸蔵量」ともいう。）が多いことを意味する。そこで本発明では、中間部吸蔵量に閾値を設定し、この閾値との大小関係によって排気浄化触媒の劣化度合いを判定しても良い。
【００２７】
また、中間部吸蔵量と排気浄化触媒の酸素吸蔵能は相関があるため、中間部吸蔵量に基づいて排気浄化触媒の酸素吸蔵能を推定し、推定された酸素吸蔵能に基づいて劣化度合いを判定しても良い。そこで本発明においては、検出遅れ期間に基づいて上記中間部吸蔵量を算出する中間部吸蔵量算出手段を、更に備えても良い。例えば、検出遅れ期間において排気浄化触媒に流入した排気に含まれる酸素量の積分値と検出遅れ期間とを乗じることによって精度良く中間部吸蔵量を算出することができる。
【００２８】
そして、劣化度合い判定手段は、排気浄化触媒全体に対する検出位置中間部の容積比および中間部吸蔵量に基づいて排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を推定しても良い。すなわち、中間部吸蔵量を上記容積比で除すことによって排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を算出することができる。これにより、排気浄化触媒の劣化度合いを好適に判定することができる。
【００２９】
また、本発明においては、検出位置中間部毎に中間部吸蔵量を算出しても良い。これによれば、各中間部吸蔵量を和算することによって排気浄化触媒の全体に係る酸素吸蔵能を算出し、排気浄化触媒の劣化度合いを好適に判定することができる。また、検出位置中間部毎の劣化度合いを判定できるので、排気浄化触媒の排気流れ方向における劣化度合いの分布を取得することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明にあっては、排気浄化触媒の劣化度合いを精度良く判定することができる。また、劣化度合いの判定を行う際に内燃機関の運転状態に影響を及ぼすことに起因してドライバビリティが悪化することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００３２】
ここでは、本発明を車両駆動用のガソリンエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関１と、その吸排気系および制御系の概略構成を示す図である。図１においては、内燃機関１の内部は省略されている。
【００３３】
内燃機関１には、該内燃機関１に流入する吸気が流通する吸気通路２が接続されている。また、内燃機関１には、該内燃機関１からの排気が流通する排気通路３が接続され、この排気通路３は下流にて図示しないマフラーに接続されている。排気通路３の途中には、内燃機関１からの排気を浄化する三元触媒４が設けられている。排気通路３における三元触媒４よりも上流側には、三元触媒４に流入する排気の空燃比（以下、「流入排気空燃比」という。）ＡＦｉｎと、該三元触媒４をから流出した排気の空燃比（以下、「流出排気空燃比」という。）ＡＦｏｕｔを検出する上流空燃比センサ５および下流空燃比センサ６が設けられている。また、三元触媒４には該三元触媒４の触媒床温を検出する熱電対７が設けられている。
【００３４】
上記の三元触媒４は、セリア（ＣｅＯ２）等を成分とした酸素吸蔵能（ＯＳＣ：Oxygen
Storage Capacity）を有しており、排気中の酸素を吸蔵・放出する性質を有している。
すなわち、流入排気空燃比ＡＦｉｎがリッチ空燃比である場合には三元触媒４に吸蔵されている酸素が放出されることで排気中のＨＣやＣＯが酸化される。一方、流入排気空燃比ＡＦｉｎがリーン空燃比である場合には三元触媒４に酸素が吸蔵されることでＮＯｘが還元される。本実施例においては三元触媒４が本発明における排気浄化触媒に相当する。
【００３５】
上記構成の排気浄化システムにおいては、内燃機関１から排出された排気は三元触媒４において排気中の有害物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ）が浄化された後、マフラーを介して大気中に放出される。
【００３６】
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及び吸排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。こ
のＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態等を制御するほか、後述する三元触媒４の劣化度合いを判定する劣化度合い判定制御を行うユニットである。
【００３７】
ＥＣＵ１０には、図示しないクランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサなどの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類のほか、上流空燃比センサ５、下流空燃比センサ６、熱電対７が電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。
【００３８】
また、ＥＣＵ１０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。
【００３９】
次に、本実施例における劣化度合い判定制御について説明する。三元触媒４における酸素吸蔵能は、触媒の劣化度合いが高くなると低下することが知られている。そして、三元触媒４は排気中の酸素の吸蔵・放出作用によって該排気に含まれる有害物質を浄化するため、酸素吸蔵能が低下すると排気の浄化性能が悪化してしまう。そこで、本実施例において、三元触媒４に対する劣化度合い判定制御を実行することとした。
【００４０】
本実施例においては、三元触媒４内がリッチ雰囲気にある状態であって且つ内燃機関１にフューエルカットＦ／Ｃが実行される際に劣化度合い判定制御が実施される。図２は、本実施例における劣化度合い判定制御が実施される際の触媒内部の雰囲気状態および触媒
に流出入する排気空燃比の説明図である。
【００４１】
図２（ａ）は、内燃機関１の負荷（トルク）の増大等に伴い燃料噴射量が増量され、流入排気空燃比ＡＦｉｎがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈに維持されている状態を表している。この状態においては三元触媒４に吸蔵されている酸素が排気中に放出され、この状態が維持されると触媒全体における吸蔵酸素量Ｃｏが略零になる。その結果、三元触媒４内の全域がリッチ雰囲気（図中、ハッチングにより図示）となり、三元触媒４からはリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈの排気が流出することになる。
【００４２】
図２（ｂ）は、内燃機関１にフューエルカットＦ／Ｃが実行されることにより流入排気空燃比ＡＦｉｎがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈからリーン空燃比ＡＦｌｅａｎに移行した後の状態を表す。本実施例において、リーン空燃比ＡＦｌｅａｎにおける排気の酸素濃度は空気の酸素濃度と略同等であっても良い。流入排気空燃比ＡＦｉｎがリーン空燃比ＡＦｌｅａｎとなると、排気中の過剰酸素は先ず三元触媒４の前端部において吸蔵される。
【００４３】
しかしながら、三元触媒４の前端部のみでは排気中の過剰酸素を吸蔵することが困難となると、三元触媒４の排気流れ方向におけるより下流側の部分にて酸素が吸蔵されるようになる。ここで、酸素吸蔵反応の発生箇所をＸ１により図示すると、位置Ｘ１より上流側の領域および下流側の領域においては酸素吸蔵反応が殆ど生じない。すなわち、位置Ｘ１よりも上流側の領域（以下、「上流側領域」という。）Ａｕｐにおいては、既に吸蔵できる限界まで酸素が吸蔵されており、これ以上の酸素を上流側領域Ａｕｐにおいて吸蔵することができない。また、位置Ｘ１よりも下流側の領域（以下、「下流側領域」という。）Ａｌｏｗにおいては、位置Ｘ１において排気中の過剰酸素が吸蔵されてしまうため、酸素吸蔵反応が生じない。
【００４４】
その結果、三元触媒４は下流側領域Ａｌｏｗにおいてリッチ雰囲気に維持されるとともに、流出排気空燃比ＡＦｏｕｔが依然リッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈに維持される。そして、更に時間が経過して図２（ｃ）の状態に移行すると、酸素吸蔵反応の発生箇所がより下流側のＸ２に移行する。その結果、リッチ雰囲気に維持される領域が図２（ｂ）の状態に比べて縮小することになる。そして、最終的に三元触媒４全体で吸蔵可能な最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘの酸素が吸蔵された後は、図２（ｄ）に示すように流出排気空燃比ＡＦｏｕｔはリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈからリーン空燃比ＡＦｌｅａｎに移行する。
【００４５】
ここで、三元触媒４の触媒床温ＴＨｃに着目すると、酸素吸蔵反応は発熱反応であるため、酸素吸蔵反応が発生した箇所において触媒床温ＴＨｃが上昇する。より詳しくは、酸素吸蔵反応によって発生した熱量は排気によって奪われるので、触媒床温ＴＨｃは短時間だけ上昇することになる。酸素吸蔵反応の発生箇所は三元触媒４の上流側から下流側の方向に次第に移行するため、三元触媒４において吸蔵反応熱ＴＨｃａの発生する箇所も上流側から下流側に向かって移行することになる。
【００４６】
そこで、本実施例に係る劣化度合い判定制御では、三元触媒４内がリッチ雰囲気にある状態において内燃機関１にフューエルカットＦ／Ｃが実行された後、熱電対７の出力値に基づいて吸蔵反応熱ＴＨｃａを検出する。そして、吸蔵反応熱ＴＨｃａの検出時期に基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを推定し、三元触媒４の劣化度合いを判定することとした。本実施例においては熱電対７が本発明における吸蔵反応熱検出手段に相当する。
【００４７】
ここで、図３は、本実施例における劣化度合い判定制御を実施するときのフューエルカットＦ／ＣのＯＮ−ＯＦＦ（ａ）、流入排気空燃比ＡＦｉｎ（ｂ）、触媒床温ＴＨｃ（ｃ）の時間推移を例示したタイムチャートである。
【００４８】
図３（ａ）に示すように、時間ｔ０においてフューエルカットＦ／ＣがＯＮの状態、つまりフューエルカットＦ／Ｃが実行される。ここで、時間ｔ０前においては図２（ａ）で示した状態であることを前提とする。つまり、三元触媒４全体がリッチ雰囲気であり、流入排気空燃比ＡＦｉｎおよび流出排気空燃比ＡＦｏｕｔがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈに維持されている。
【００４９】
時点ｔ０においてフューエルカットＦ／Ｃが実行されると、ＥＣＵ１０は上流空燃比センサ５の出力値に基づいて流入排気空燃比ＡＦｉｎを検出し、該流入排気空燃比ＡＦｉｎがリーン空燃比ＡＦｌｅａｎであるか否かを判定する。本実施例においてはＥＣＵ１０が本発明におけるリーン判定手段に相当する。
【００５０】
そして時点ｔ１において、ＥＣＵ１０によって流入排気空燃比ＡＦｉｎがリーン空燃比ＡＦｌｅａｎに移行したと判定されると、ＥＣＵ１０は熱電対７の出力値に基づいて吸蔵反応熱ＴＨｃａを検出する。そして、流入排気空燃比ＡＦｉｎがリーン空燃比ＡＦｌｅａｎに移行したと判定された時点ｔ１から吸蔵反応熱ＴＨｃａが検出される時点ｔ２までの期間に相当する反応熱検出期間Δｔが計測される。
【００５１】
ここで、図４は、本実施例における劣化度合い判定制御を実行する時の反応熱検出期間Δｔと最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘとの関係を例示した図である。本実施例においては、図示のような反応熱検出期間Δｔと最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘとの関係が格納されたマップを参照して、最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを推定することとした。本実施例では、反応熱検出期間Δｔが長いほど最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが多くなるように推定される。最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘは本発明における酸素吸蔵能に相当する。
【００５２】
ここで、三元触媒４の排気流れ方向における熱電対７の配置位置によって反応熱検出期間Δｔと最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘとの関係が異なるため、熱電対７の配置位置に応じて予め上記マップを実験的に構築しておく。本実施例においては反応熱検出期間Δｔが本発明における反応熱検出期間に相当する。
【００５３】
また、三元触媒４の触媒床温ＴＨｃの違いにより最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘは異なると考えられる。触媒床温ＴＨｃが低い場合（例えば、４００℃）に比べて高い場合（例えば、６００℃）の方が三元触媒４の最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが多くなる。
【００５４】
そこで、本実施例においては、劣化度合い判定制御を実行したときにおける触媒床温ＴＨｃよって最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを補正しても良い。具体的には、反応熱検出期間Δｔと触媒床温ＴＨｃと最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘとの関係を予め実験的に求めておき、反応熱検出期間Δｔと触媒床温ＴＨｃとに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを推定しても良い。これにより、劣化度合い判定制御を実行するごとに三元触媒４の触媒床温ＴＨｃが相違しても、触媒床温ＴＨｃに応じて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを精度良く推定できる。
【００５５】
上記のように、三元触媒４の最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが推定されるとＥＣＵ１０は最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが基準酸素吸蔵量Ｃｏｂ以下であるか否かを判定する。基準酸素吸蔵量Ｃｏｂとは、三元触媒４の触媒機能が低下するほど劣化度合いが高くなるときの酸素吸蔵量であり、予め実験的に求めておく。そして、最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが基準酸素吸蔵量Ｃｏｂ以下である場合には、三元触媒４が劣化していると判定される。その場合に、警告表示等によって運転者に報知しても良い。本実施例においては、上記劣化度合い判定制御を実行するＥＣＵ１０が本発明における劣化度合い判定手段に相当する。
【００５６】
既述したように、図４に示すようなマップに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを推定する例について説明したが、これに限定される趣旨ではない。例えば、反応熱検出期間Δ
ｔに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを算出しても良い。
【００５７】
すなわち、本実施例における反応熱検出期間Δｔは、熱電対７の配置位置よりも上流側の領域において酸素を吸蔵し続けることができた期間とみることができる。そこで、本実施例では、熱電対７の配置位置よりも上流側の領域において吸蔵された酸素量である上流部酸素吸蔵量Ｃｏｕｐを反応熱検出期間Δｔに基づいて算出する。より具体的には、反応熱検出期間Δｔに亘り三元触媒４に流入した排気に含まれる酸素量の積分値に反応熱検出期間Δｔを乗じて上流部酸素吸蔵量Ｃｏｕｐが算出される。酸素量の積分値は図示しないエアフローメータの出力値に基づいて算出される。酸素量は吸入空気量に酸素分圧を乗じることにより求められる。
【００５８】
そして、上流部酸素吸蔵量Ｃｏｕｐを三元触媒４全体に対する上流側領域Ａｕｐの容積比で除すことによって最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが算出される。本実施例においては、上流部酸素吸蔵量Ｃｏｕｐが本発明における上流部吸蔵量に相当し、上流部酸素吸蔵量Ｃｏｕｐを算出するＥＣＵ１０が上流部吸蔵量算出手段に相当する。
【００５９】
また、本実施例においては、反応熱検出期間Δｔに基づいて三元触媒４の酸素吸蔵能を推定、あるいは算出しているが、反応熱検出期間Δｔの長さに基づいて三元触媒４の劣化度合いを判定しても良い。例えば、反応熱検出期間Δｔが予め定められる閾値よりも短い場合に三元触媒４が劣化していると判定しても良い。
【００６０】
以下、ＥＣＵ１０によって実行される触媒劣化判定制御について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。図５は本実施例における劣化度合い判定制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ１０内のＲＯＭに記憶されたプログラムであり、所定期間毎に実行される。
【００６１】
本ルーチンが実行されると、まずステップＳ１０１では、上流空燃比センサ５の出力値に基づいて流入排気空燃比ＡＦｉｎがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈであるか否か判定される。肯定判定された場合には、三元触媒４に吸蔵されている酸素が放出されているか、既に全ての酸素が放出された後であると判断され、ステップＳ１０２に進む。否定判定された場合には、三元触媒４に酸素が吸蔵されつつある状態であり、触媒の劣化度合いを判定する条件が整っていないと判断され、本ルーチンを一旦終了する。
【００６２】
ステップＳ１０２では、下流空燃比センサ６の出力値に基づいて流出排気空燃比ＡＦｏｕｔがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈであるか否か判定される。本ステップにおいて肯定判定された場合には、三元触媒４の内部全体がリッチ雰囲気であると判断され、ステップＳ１０３に進む。一方、否定判定された場合には、三元触媒４に吸蔵されている酸素が残存していると判断され、本ルーチンを一旦終了する。
【００６３】
ステップＳ１０３では、内燃機関１にフューエルカットＦ／Ｃが実行されたか否か判定される。本ステップにおいて肯定判定された場合には、ステップＳ０１４に進む。一方、否定判定された場合には、フューエルカットＦ／Ｃが実行されるまで本ステップの処理を繰り返し実行する。あるいは、本ステップで否定判定された場合に、本ルーチンを一旦抜けるようにしても良い。
【００６４】
ステップＳ１０４では、上流空燃比センサ５の出力値に基づいて流入排気空燃比ＡＦｉｎがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈからリーン空燃比ＡＦｌｅａｎに移行したか否か判定される。本ステップで肯定判定された場合には、三元触媒４に酸素が吸蔵され始めたと判断され、ステップＳ１０５に進む。一方、否定判定された場合には、肯定判定されるまで本ステップの処理を繰り返し実行する。
【００６５】
ステップＳ１０５では、熱電対７からの出力信号に基づいて触媒床温ＴＨｃの検出が開始されるとともに、反応熱検出期間Δｔの計測が開始される。本ステップの処理が終わるとステップＳ１０６に進む。
【００６６】
ステップＳ１０６では、熱電対７からの出力信号に基づいて吸蔵反応熱ＴＨｃａが検出されたか否か判定される。本ステップにおいて肯定判定された場合には、ステップＳ１０７に進む。一方、否定判定された場合には、ステップＳ１０５の処理に戻り、反応熱検出期間Δｔの計測が継続される。
【００６７】
ステップＳ１０７では反応熱検出期間Δｔの計測を終了するとともに、ステップＳ１０５から本ステップにおいて取得した反応熱検出期間Δｔに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが算出される。最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘの算出については既述のため、詳しい説明を割愛する。
【００６８】
ステップＳ１０８では、算出された最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘに基づいて三元触媒４の劣化度合いが判定される。すなわち、最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが基準酸素吸蔵量Ｃｏｂ以下であるか否かにより上記判定が行われる。最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが基準酸素吸蔵量Ｃｏｂ以下である場合には、三元触媒４が劣化していると判定され、劣化していることが警告灯等により運転者に報知される。一方、最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが基準酸素吸蔵量Ｃｏｂよりも多い場合には三元触媒４は劣化していないと判定される。本ステップの処理が終わると本ルーチンを一旦終了する。
【００６９】
以上のように、本実施例における劣化度合い判定制御によれば、反応熱検出期間Δｔに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを精度良く算出できるので、三元触媒４が劣化しているか否かを好適に判定することができる。ここで、本実施例では、反応熱検出期間Δｔを複数回に亘って計測し、これらの値の平均化処理を実行しても良い。そして、この反応熱検出期間Δｔの平均値に基づいて三元触媒４が劣化しているか否かを判定しても良い。
【００７０】
また、本発明者等の鋭意研究によって反応熱検出期間Δｔは概ね１秒程度の範囲に収まることが解っている。つまり、本実施例における劣化度合い判定制御によれば、内燃機関１の運転状態がフューエルカット状態から復帰するまでの短期間に触媒の劣化判定を完了することができる。つまり、内燃機関１の運転状態の影響を受けないで、上記判定制御の精度を高めることができる。
【００７１】
また、内燃機関１の運転状態の変更に伴い、流入排気空燃比ＡＦｉｎがリッチ空燃比ＡＦｒｉｃｈからリーン空燃比ＡＦｌｅａｎに移行するタイミングを利用するため、わざわざ空燃比に係る制御を行う必要がない。つまり、劣化度合い判定制御を実施する際にドライバビリティが悪化する虞がない。
【実施例２】
【００７２】
次に、図６、図７を参照して実施例２について説明する。本実施例における内燃機関の触媒劣化判定システムのハード構成は、熱電対が三元触媒４の排気流れ方向に複数設けられている点で実施例１と相違しており、その他の構成は同様である。
【００７３】
図６は、本実施例に係る三元触媒４における熱電対の第１の配置例を示した図である。第１の配置例では、三元触媒４の排気流れ方向における上流側、中央部、下流側に配置されている。上流側から上流熱電対７ａ、中央熱電対７ｂ、下流熱電対７ｃと称し、排気流れ方向における位置をそれぞれＹ１、Ｙ２、Ｙ３により図中に示す。これらの熱電対（７ａ〜７ｃ）はＥＣＵ１０に電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に
入力される。
【００７４】
実施例１において説明したように、酸素吸蔵反応は三元触媒４の上流側から下流側に向かって移行するため、吸蔵反応熱ＴＨｃａの検出時期がそれぞれの熱電対で相違する。具体的には、上流熱電対７ａ、中央熱電対７ｂ、下流熱電対７ｃの順に吸蔵反応熱ＴＨｃａが検出される。
【００７５】
本実施例に係る劣化度合い判定制御では、上流熱電対７ａ、中央熱電対７ｂ、下流熱電対７ｃのうち任意に選択される二の熱電対によって検出される吸蔵反応熱ＴＨｃａの検出時期の差である反応熱検出遅れ期間Δｔｄに基づいて、三元触媒４の劣化度合いが判定される。
【００７６】
なお、本実施例に係る劣化度合い判定制御においても、三元触媒４内がリッチ雰囲気となっている状態であって、且つ内燃機関１にフューエルカットＦ／Ｃが実行された場合に、吸蔵反応熱ＴＨｃａが検出される点は実施例１と同様である。ここで、例示的に中央熱電対７ｂに対する下流熱電対７ｃについて考えると、ＥＣＵ１０は、少なくとも中央熱電対７ｂおよび下流熱電対７ｃの出力値に基づき、それぞれの位置で発生する吸蔵反応熱ＴＨｃａを検出する。中央熱電対７ｂおよび下流熱電対７ｃが、複数のうち選択された二の吸蔵反応熱検出手段に相当する。
【００７７】
そして、中央熱電対７ｂの位置において吸蔵反応熱ＴＨｃａが検出されてから下流熱電対７ｃの位置において吸蔵反応熱ＴＨｃａが検出されるまでの期間を求め、反応熱検出遅れ期間Δｔｄとする。本実施例においては反応熱検出遅れ期間Δｔｄが本発明における反応熱検出遅れ期間に相当する。
【００７８】
ここで、反応熱検出遅れ期間Δｔｄは、中央熱電対７ｂおよび下流熱電対７ｃに挟まれた領域（以下、「下流側熱電対間領域」という。）Ａｍｉｄｌｏｗで酸素を吸蔵し続けることができた期間を意味する。そして、反応熱検出遅れ期間Δｔｄが長いほど下流側熱電対間領域Ａｍｉｄｌｏｗにおける酸素吸蔵量Ｃｏが多くなるため、三元触媒４全体の最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘも多くなると判断される。
【００７９】
本実施例においては、反応熱検出遅れ期間Δｔｄと最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘの関係を予め実験的に求めておき、反応熱検出遅れ期間Δｔｄに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを推定することとした。すなわち、反応熱検出遅れ期間Δｔｄが長いほど最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが多くなるように推定される。そして、最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが基準酸素吸蔵量Ｃｏｂ以下であるか否か判定され、肯定判定された場合に三元触媒４が劣化していると判定される。
【００８０】
ここで、本実施例においては、下流側熱電対間領域Ａｍｉｄｌｏｗにおいて吸蔵された酸素量である下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗを算出し、下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを算出しても良い。
【００８１】
より具体的には、反応熱検出遅れ期間Δｔｄに亘り三元触媒４に流入した排気に含まれる酸素量の積分値に反応熱検出遅れ期間Δｔｄを乗じて下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗが算出される。そして、下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗを三元触媒４全体に対する下流側熱電対間領域Ａｍｉｄｌｏｗの容積比
で除し、最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが算出される。
【００８２】
本実施例においては、下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗが本発明における中間部吸蔵量に相当し、下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗを算出するＥＣＵ１０が中間部
吸蔵量算出手段に相当する。
【００８３】
また、上記の例では、反応熱検出遅れ期間Δｔｄは、下流側熱電対間領域Ａｍｉｄｌｏｗで吸蔵された下流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｍｉｄｌｏｗを算出しているが、これに限定される趣旨ではない。例えば、吸蔵反応熱ＴＨｃａが、上流熱電対７ａによって検出されてから中央熱電対７ｂによって検出されるまでの期間を求め、この期間を反応熱検出遅れ期間Δｔｄとしても良い。
【００８４】
その場合には、上流熱電対７ａと中央熱電対７ｂとに挟まれた領域（以下、「上流側熱電対間領域」という。）Ａｕｐｍｉｄにおいて吸蔵された酸素量である上流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｕｐｍｉｄを算出し、上流側熱電対間吸蔵量Ｃｏｕｐｍｉｄと三元触媒４全体に対する上流側熱電対間領域Ａｕｐｍｉｄの容積比とに基づいて最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを算出しても良い。あるいは、上流熱電対７ａと下流熱電対７ｃで挟まれる領域において吸蔵された酸素量を算出するようにしても良く、様々なバリエーションを採用することができる。
【００８５】
また、本実施例における三元触媒４に配置される熱電対の数は複数であれば良く、図６で示した第１の配置例はあくまでも例示であり、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において熱電対の数、配置位置は種々の変更を加え得る。
【００８６】
次に、図７を参照して、本実施例の劣化度合い判定制御の変形例について説明する。図７は、本実施例に係る三元触媒４における熱電対の第２の配置例を示した図である。第２の配置例では、三元触媒４の前端部、中間部、後端部に計４つの熱電対が配置されている。これらの熱電対を上流側から第１熱電対７ｄ〜第４熱電対７ｇと称す。そして、第１熱電対７ｄ〜第４熱電対７ｇの各熱電対によって挟まれる領域を、上流側から第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３と称す。
【００８７】
本変形例においては、第１領域Ａ１〜第３領域Ａ３における酸素吸蔵量をそれぞれ算出し、これらの合算することによって最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘが算出される。すなわち、第１熱電対７ｄ〜第４熱電対７ｇの各熱電対によって検出される吸蔵反応熱ＴＨｃａの各検出時期に基づいて、各熱電対間における反応熱検出遅れ期間Δｔｄが取得され、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３における酸素吸蔵量が算出される。そして、各々の酸素吸蔵量を和算することによって最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘを算出することとした。これにより、三元触媒４の劣化度合いを好適に判定することができる。
【００８８】
また、本変形例のように、三元触媒４を排気流れ方向において複数の領域に分割したときの、各領域（つまり、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３）毎における酸素吸蔵量を算出できるので、三元触媒４の排気流れ方向における劣化度合いの相違を取得することができる。例えば、各領域における単位容積当たりの酸素吸蔵量を対比することによって三元触媒４が部分的に劣化しているかを判断することもできる。これにより、より一層精度の良い劣化度合い判定制御を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】実施例１に係る内燃機関と、その吸排気系および制御系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例１における劣化度合い判定制御が実施される時の触媒内部の雰囲気状態および触媒に流出入する排気空燃比の説明図である。
【図３】実施例１における劣化度合い判定制御を実施するときのフューエルカットＦ／ＣのＯＮ−ＯＦＦ、流入排気空燃比ＡＦｉｎ、触媒床温ＴＨｃの時間推移を例示したタイムチャートである。
【図４】実施例１における劣化度合い判定制御を実行する時の反応熱検出期間Δｔと最大酸素吸蔵量Ｃｏｍａｘとの関係を例示した図である。
【図５】実施例１における劣化度合い判定制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】実施例２に係る三元触媒における熱電対の第１の配置例を示した図である。
【図７】実施例２に係る三元触媒における熱電対の第２の配置例を示した図である。
【符号の説明】
【００９０】
１・・・内燃機関
２・・・吸気通路
３・・・排気通路
４・・・三元触媒
５・・・上流空燃比センサ
６・・・下流空燃比センサ
７・・・熱電対
１０・・ＥＣＵ
【図１】
0004799495.tif 000002
【図２】
0004799495.tif 000003
【図３】
0004799495.tif 000004
【図４】
0004799495.tif 000005
【図５】
0004799495.tif 000006
【図６】
0004799495.tif 000007
【図７】
0004799495.tif 000008