(57)【要約】【課題】触媒の硫黄被毒度合いを好適に推定可能な触媒異常診断装置を提供する。【解決手段】アクティブ空燃比制御により空燃比がリーンに切り替えられたとき、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰに達した時ｔ２から第１閾値ＶＲに変化した時ｔ３までの触媒後センサ出力Ｖｒに基づく第１面積Ｓ１を算出する。また触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰに達した時ｔ２から第２閾値ＶＬに変化した時ｔ４までの触媒後センサ出力Ｖｒに基づく第２面積Ｓ２を算出する。これら第１面積Ｓ１と第２面積Ｓ２の比に基づいて触媒の硫黄被毒度合いを推定する。【選択図】図８
2012031762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力が反転する毎に前記触媒に供給する排気ガスの空燃比をリーンおよびリッチに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比がリーンに切り替えられたとき、触媒後センサ出力がリッチピークに達した時からよりリーン側の所定の第１閾値に変化した時までの前記触媒後センサ出力に基づく第１面積または第１変化率と、前記触媒後センサ出力がリッチピークに達した時から前記第１閾値よりリーン側の所定の第２閾値に変化した時までの前記触媒後センサ出力に基づく第２面積または第２変化率とを算出し、これら第１面積と第２面積の比または第１変化率と第２変化率の比に基づいて、触媒の硫黄被毒度合いを推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする触媒異常診断装置。
【請求項２】
前記第１閾値が、前記触媒後センサ出力のリッチへの反転タイミングを定めるリッチ判定値と等しい値に設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
【請求項３】
前記第１閾値が、前記触媒後センサ出力のストイキ相当値と等しい値に設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
【請求項４】
前記第２閾値が、前記触媒後センサ出力のリーンへの反転タイミングを定めるリーン判定値と等しい値に設定されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項５】
前記第１面積および第２面積が、前記触媒後センサ出力と前記第２閾値との差を積算してなる値である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項６】
前記第１面積および第２面積が、前記リッチピークと前記触媒後センサ出力との差を積算してなる値である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項７】
前記第１変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リッチピークから前記第１閾値に変化するときの変化速度に等しい値であり、前記第２変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リッチピークから前記第２閾値に変化するときの変化速度に等しい値である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項８】
前記アクティブ空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記酸素吸蔵容量の計測値を、前記推定手段により推定された硫黄被毒度合いに応じて補正する補正手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒の異常診断に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車用内燃機関において、その排気系には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）を有するものがある。この酸素吸蔵能を有する触媒は、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、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、即ちリッチになると吸蔵した酸素を放出する。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ズレてしまっても、三元触媒の酸素吸蔵・放出作用により、かかる空燃比ズレを吸収することができる。
【０００３】
一方、触媒が劣化すると触媒の浄化率が低下する。触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間には相関関係がある。よって、酸素吸蔵能の低下を検出することで触媒の劣化ないし異常を検出することができる。一般的には、空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を行い、触媒の酸素吸蔵容量を計測し、触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される。
【０００４】
ところで、使用地域等によっては燃料中に硫黄（Ｓ）が比較的高濃度で含まれていることがある。このような高硫黄燃料が給油された場合、排気ガス中の硫黄成分の影響により、触媒が硫黄被毒（Ｓ被毒）することがある。Ｓ被毒が発生すると、触媒の酸素吸放出作用が妨げられて触媒の見掛け上の酸素吸蔵容量が低下する。しかしながら、硫黄濃度の低い燃料が再度給油されたり、高温且つリッチな雰囲気に触媒が曝されたりすると、被毒状態は解消する。
【０００５】
Ｓ被毒による触媒の性能低下は一時的且つ回復可能なものである。よって触媒の異常診断においては、かかるＳ被毒による一時的異常を、本来診断すべき回復不能な恒久的異常（熱劣化）と誤って診断しないようにする必要がある。
【０００６】
例えば特許文献１に記載の装置では、触媒上流の空燃比をアクティブ制御によりリッチからリーンに切り替えたときの、触媒下流の酸素センサの出力値のリッチ側最大値と、このリッチ側最大値からリーン側へ値が落ち込んでほぼ定常状態となったときの定常値との差に基づいて、燃料中の硫黄濃度を判別し、その判別結果を考慮して触媒劣化を判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１２７５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、本発明者らの研究結果によれば、燃料の硫黄濃度に加え、実際の触媒のＳ被毒度合いも、酸素吸蔵容量計測値に大きく影響することが判明した。よって誤診断を防止するためには、触媒のＳ被毒度合いを推定するのが好適である。
【０００９】
なお、燃料の硫黄濃度が高い場合であっても、必ずしも触媒がＳ被毒している訳ではないし、必ずしも特許文献１に記載されたようなセンサ出力波形が得られる訳ではない。従って特許文献１に記載の装置は依然改良の余地が残されている。
【００１０】
本発明は以上の事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、触媒のＳ被毒度合いを好適に推定することが可能な触媒異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一の態様によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力が反転する毎に前記触媒に供給する排気ガスの空燃比をリーンおよびリッチに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比がリーンに切り替えられたとき、触媒後センサ出力がリッチピークに達した時からよりリーン側の所定の第１閾値に変化した時までの前記触媒後センサ出力に基づく第１面積または第１変化率と、前記触媒後センサ出力がリッチピークに達した時から前記第１閾値よりリーン側の所定の第２閾値に変化した時までの前記触媒後センサ出力に基づく第２面積または第２変化率とを算出し、これら第１面積と第２面積の比または第１変化率と第２変化率の比に基づいて、触媒の硫黄被毒度合いを推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。
【００１２】
好ましくは、前記第１閾値が、前記触媒後センサ出力のリッチへの反転タイミングを定めるリッチ判定値と等しい値に設定されている。
【００１３】
好ましくは、前記第１閾値が、前記触媒後センサ出力のストイキ相当値と等しい値に設定されている。
【００１４】
好ましくは、前記第２閾値が、前記触媒後センサ出力のリーンへの反転タイミングを定めるリーン判定値と等しい値に設定されている。
【００１５】
好ましくは、前記第１面積および第２面積が、前記触媒後センサ出力と前記第２閾値との差を積算してなる値である。
【００１６】
好ましくは、前記第１面積および第２面積が、前記リッチピークと前記触媒後センサ出力との差を積算してなる値である。
【００１７】
好ましくは、前記第１変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リッチピークから前記第１閾値に変化するときの変化速度に等しい値であり、前記第２変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リッチピークから前記第２閾値に変化するときの変化速度に等しい値である。
【００１８】
好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記アクティブ空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、前記酸素吸蔵容量の計測値を、前記推定手段により推定された硫黄被毒度合いに応じて補正する補正手段と、をさらに備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、触媒のＳ被毒度合いを好適に推定することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】触媒の構成を示す概略断面図である。
【図３】アクティブ空燃比制御のタイムチャートである。
【図４】図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。
【図５】触媒前センサ及び触媒後センサの出力特性を示すグラフである。
【図６】アクティブ空燃比制御のリーン制御時の各種波形を示すタイムチャートである。
【図７】触媒後センサ出力の波形を示すタイムチャートである。
【図８】第１面積および第２面積の算出方法を説明するためのタイムチャートである。
【図９】異常診断処理のルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】Ｓ被毒補正係数を算出するためのマップを示す。
【図１１】Ｓ濃度補正係数を算出するためのマップを示す。
【図１２】第１面積および第２面積の他の算出方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１３】第１変化率および第２変化率の算出方法を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づき説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。図示されるように、内燃機関たるエンジン１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料およ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。本実施形態のエンジン１は自動車用多気筒エンジン（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。
【００２３】
エンジン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および各排気弁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。
【００２４】
各気筒の吸気ポートは吸気マニホールド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、エンジンに流入する空気量すなわち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とが設けられている。なお吸気ポート、吸気マニホールド、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。
【００２５】
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すなわち燃料噴射弁１２が気筒ごとに配設される。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。
【００２６】
一方、各気筒の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。これら排気ポート、排気マニホールド及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側に、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒、即ち上流触媒１１及び下流触媒１９が直列に設けられている。例えば、上流触媒１１は排気マニホールドの直後に配置され、下流触媒１９は車両の床下などに配置される。
【００２７】
上流触媒１１の上流側及び下流側に、それぞれ、酸素濃度に基づいて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設けられている。図５に示すように、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、その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（Ｚ特性）を持つ。
【００２８】
また、上流触媒１１の上流側には排気ガスの硫黄濃度を検出するための硫黄濃度センサ２１が設置されている。硫黄濃度センサ２１は、排気ガスのＳＯｘ濃度及びＨ2Ｓ濃度の合計濃度に比例した大きさの信号を出力する。硫黄濃度センサ２１は、例えば特開２００５−３５１１７１号公報に開示されたものと同様のものが使用できる。
【００２９】
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、およ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、硫黄濃度センサ２１のほか、エンジン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、インジェクタ１２、スロットルバルブ１０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。
【００３０】
上流触媒１１及び下流触媒１９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／Ｆｓ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。よってこの特性に合わせて、ＥＣＵ２０は、エンジンの通常運転時、上流触媒１１及び下流触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がストイキに一致するよう、燃焼室３に供給される混合気の空燃比（具体的にはインジェクタ１２からの燃料噴射量）を触媒前センサ１７の出力に基づきフィードバック制御する。
【００３１】
ここで、異常診断の対象となる上流触媒１１についてより詳細に説明する。なお下流触媒１９も上流触媒１１と同様に構成されている。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担持され、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および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放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば二酸化セリウムＣｅＯ2やジルコニアからなる。なお、「吸蔵」と同義で「吸収」または「吸着」を用いることもある。
【００３２】
例えば、触媒内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収し、この結果ＮＯｘが還元され、浄化される。他方、触媒内の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この放出された酸素によりＨＣおよびＣＯが酸化され、浄化される。
【００３３】
この酸素吸放出作用により、通常のストイキ空燃比制御に際して実際の空燃比がストイキに対して多少ばらついたとしても、このばらつきを吸収することができる。
【００３４】
ところで、新品状態の触媒１１では前述したように多数の触媒成分３２が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との接触確率が低下し、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、即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。
【００３５】
このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の酸素吸蔵能低下度との間には相関関係がある。そこで本実施形態では、特にエミッションへの影響が大きい上流触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより、上流触媒１１の劣化度を検出し、上流触媒１１の異常を診断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容量（ＯＳＣ；O2 Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。
【００３６】
本実施形態の触媒異常診断は前述のＣｍａｘ法によるものを基本とする。そして異常診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。すなわちＥＣＵ２０は、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比、具体的には燃焼室３内の混合気の空燃比を、中心空燃比であるストイキＡ／Ｆｓを境にリッチ及びリーンに交互に且つアクティブに所定周期分切り替える。
【００３７】
また、アクティブ空燃比制御および診断は、所定の前提条件が満たされているときに限って実行される。この前提条件については後述する。
【００３８】
以下、図３及び図４を用いて、上流触媒１１の酸素吸蔵容量の計測方法を説明する。
【００３９】
図３（Ａ）において、破線は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、実線は触媒前センサ１７の出力（但し触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒへの換算値）を示す。また図３（Ｂ）において、実線は触媒後センサ１８の出力（但しその出力電圧Ｖｒ）を示す。
【００４０】
図示するように、時刻ｔ１より前では、空燃比をリーンに切り替えるリーン制御が実行され、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌ（例えば１５．１）とされ、触媒１１には、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリーンガスが供給されている。このとき触媒１１は酸素を吸蔵し続けているが、飽和状態即ち満杯まで酸素を吸蔵した時点でそれ以上酸素を吸蔵できなくなる。この結果、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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリーン側に変化し、出力電圧Ｖｒが所定のリーン判定値ＶＬ（例えば０．２１Ｖ）に達した時点ｔ１で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ（例えば１４．１）に切り替えられる。これによりリッチ制御が開始され、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリッチガスが供給されるようになる。
【００４１】
リッチガスが供給されると、触媒１１は吸蔵酸素を放出し続ける。やがて触媒１１から吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で触媒１１は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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリッチ側に変化し、出力電圧Ｖｒが所定のリッチ判定値ＶＲ（例えば０．５９Ｖ）に達した時点ｔ２で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。これにより再びリーン制御が開始され、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリーンガスが供給されるようになる。
【００４２】
再び、触媒１１が満杯まで酸素を吸蔵し、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達すると、その時点ｔ３で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、リッチ制御が開始される。
【００４３】
こうして、触媒後センサ１８の出力が反転する毎に、リーン制御とリッチ制御とが交互に繰り返し実行される。
【００４４】
このアクティブ空燃比制御の実行中、次の方法で触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。
【００４５】
触媒１１の有する酸素吸蔵容量が大きいほど、酸素を吸蔵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触媒後センサ出力Ｖｒ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その反転周期は短くなる。
【００４６】
そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量ＯＳＣが次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／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ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／Ｆｆがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替わる。そして触媒前空燃比Ａ／ＦｆがストイキＡ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に触媒後センサ出力Ｖｒが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の演算周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが逐次的に算出され、且つこの酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで逐次的に積算される。こうして、リッチ制御時における最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ、すなわち図４にＯＳＣｂで示す放出酸素量が計測される。
【００４７】
【数１】
2012031762.tif 000003
【００４８】
Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／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。σは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。
【００４９】
リーン制御時にも同様に酸素吸蔵容量、すなわち図４にＯＳＣａで示す吸蔵酸素量が計測される。そしてリッチ制御とリーン制御が交互に行われる度に、放出酸素量と吸蔵酸素量が交互に計測される。
【００５０】
こうして複数ずつの放出酸素量と吸蔵酸素量との計測値が得られたならば、次の方法により触媒の正異常判定が行われる。
【００５１】
まずＥＣＵ２０は、これら放出酸素量と吸蔵酸素量との計測値の平均値ＯＳＣａｖを算出する。そしてこの平均値ＯＳＣａｖを所定の異常判定値αと比較する。ＥＣＵ２０は、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値αより大きいときには触媒１１を正常と判定し、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値α以下のときには触媒１１を異常と判定する。なお触媒を異常と判定した場合、その事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置（図示せず）を起動させるのが好ましい。
【００５２】
さて、前述したように、触媒１１にＳ被毒が発生するとその見掛け上の酸素吸蔵容量が低下する。そこでこれによる誤診断を防止するため、本実施形態では以下のようにして触媒１１のＳ被毒度合いを推定する。
【００５３】
図６には、アクティブ空燃比制御のリーン制御時の各種波形を示す。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、（Ｂ）触媒前センサ１７の出力（但し触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒへの換算値）、（Ｃ）は触媒後センサ１８の出力（但しその出力電圧Ｖｒ）をそれぞれ示す。
【００５４】
図は、同一の正常触媒を用い、燃料の硫黄濃度と触媒の被毒状態とを変化させたときの３種の線ａ，ｂ，ｃを示す。線ａは、燃料の硫黄濃度が高い場合（高Ｓ燃料の場合）で且つ触媒がＳ被毒している場合を示す。線ｂは、燃料の硫黄濃度が高い場合で且つ触媒がＳ被毒してない場合を示す。線ｃは、燃料の硫黄濃度が低い場合（低Ｓ燃料の場合）でそれ故触媒もＳ被毒してない場合を示す。
【００５５】
まず線ｃに見られるように、低Ｓ燃料且つＳ被毒なしの場合、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチに反転した時ｔ１（この時Ｖｒ＝ＶＲ）から、触媒後センサ出力Ｖｒがリーンに反転する時ｔ２ｃ（この時Ｖｒ＝ＶＬ）までのリーン制御期間は、３者のうち最長であり、正常触媒が本来有する最も大きい酸素吸蔵容量計測値が得られる。このとき、触媒後センサ出力Ｖｒは、初期にリッチ側の最大値に達した後、ほぼその最大値で変化することなく定常状態となり、やがてリーン側に低下する。
【００５６】
次に線ｂに見られるように、高Ｓ燃料且つＳ被毒なしの場合、リーン制御期間ｔ１〜ｔ２ｂは、３者のうち中間であり、Ｓ被毒の影響で線ａの場合よりは酸素吸蔵容量計測値が低下する。しかしこのときにも、触媒後センサ出力Ｖｒの波形は線ａの場合と同様であり、初期にリッチ側最大値に達した後、定常状態に至り、やがてリーン側に低下する。
【００５７】
この高Ｓ燃料且つＳ被毒なしの場合とは、具体的には、触媒に対するＳ被毒回復が行われた直後の場合である。すなわち、触媒がＳ被毒しても、これが高温且つリッチな雰囲気に一定時間以上曝されれば、触媒に吸着していた被毒成分が放出され、被毒状態が解消する。このような高温且つリッチな状態は、例えば高負荷運転（走行）時や急加速・急減速の繰り返し時に実現される。かかる被毒状態からの回復、すなわちＳ被毒回復が行われた直後では、触媒はＳ被毒していない。よって酸素吸蔵容量計測値の低下量も比較的少ない値に抑えられる。
【００５８】
これとは対照的に、線ａに見られるような高Ｓ燃料且つＳ被毒ありの場合だと、リーン制御期間は３者のうち最短となり、最も小さな酸素吸蔵容量計測値しか得られなくなる。そして着目すべきは触媒後センサ出力Ｖｒの波形である。線ｂ、ｃの場合と異なり、触媒後センサ出力Ｖｒは、初期にリッチ側の最大値に達した後、一旦急速に低下し、その後比較的ゆっくりと低下して、終期には再び急速に低下する。
【００５９】
この場合のリッチ側の最大値ないしピークをリッチピークといい、図中Ｐで表す。また比較的ゆっくりと低下する区間を中間区間といい、図中Ｍで表す。この中間区間Ｍでは、触媒後センサ出力Ｖｒが低下せずほぼ一定（定常状態）となることもある。
【００６０】
触媒後センサ出力Ｖｒの波形がこのような波形を示す理由は次の通りと考えられる。すなわち、Ｓ被毒が生じると、触媒上の酸素吸蔵成分が硫黄成分で覆われる。すると、触媒の酸素吸蔵反応速度が低下し、吸蔵されずに触媒をすり抜けるリーンガスがＳ被毒なしの場合に比べて増加し、すり抜けたリーンガスが触媒後センサ１８に達する。そのため、触媒後センサ出力Ｖｒは、初期にリッチピークに達した後、リーン反転までには至らないが若干リーン側にシフトするようになる。
【００６１】
また、リーン制御開始直後、制御遅れがあるため、触媒にはリッチガスが供給される。このときＳ被毒が生じていると、Ｓ被毒が生じていない場合に比べ、触媒の酸素放出反応速度およびリッチガス処理速度が低下し、触媒下流によりリッチ度の高いリッチガスが漏れ出し、触媒後センサ出力Ｖｒはリッチピークを示すようになる。
【００６２】
そして図６の線ａ〜ｃを見比べると分かるように、単に使用燃料が低硫黄燃料（ｃ）から高硫黄燃料（ｂ）に切り替わったときよりも、むしろＳ被毒が無しの状態（ｂ）から有りの状態（ａ）に切り替わったときの方が、酸素吸蔵容量計測値の落ち込み幅が大きい。
【００６３】
このように、酸素吸蔵容量計測値に影響を及ぼすのは、燃料の硫黄濃度自体よりもむしろＳ被毒の有無ないし度合いである。よって触媒の現状のＳ被毒度合いを推定することが診断精度を向上する上で好適である。
【００６４】
なお、高Ｓ燃料の場合、アイドル運転や低負荷運転（走行）の時間が長くなるほど、触媒のＳ被毒度合いが大きくなっていく。
【００６５】
以上の例で分かるように、高Ｓ燃料の場合であっても、必ずしも触媒がＳ被毒している訳ではないし、また必ずしも触媒後センサ出力Ｖｒがリッチピーク後、定常状態となる訳ではない。また場合によっては、図７に破線で示すように、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰ後、比較的急速にリーン側に低下する場合もある。従って特許文献１に記載の装置は、触媒のＳ被毒度合いを好適に推定しているものとは言い難い。なお、触媒が異常の場合だと、触媒後センサ出力の反転周期が短いため、線ａで示したような波形特性は見られない。
【００６６】
次に、本実施形態のＳ被毒度合い推定方法を説明する。当該推定はＥＣＵ２０により実行される。図８には、図６の線ａと同様、正常触媒で高Ｓ燃料且つＳ被毒ありの場合の目標空燃比Ａ／Ｆｔ、触媒前センサ出力（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ）および触媒後センサ出力（出力電圧Ｖｒ）をそれぞれ示す。
【００６７】
時刻ｔ１で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられた後、時刻ｔ２で触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰに達し、時刻ｔ３で触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲまで低下する。そして時刻ｔ４で触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬまで低下し、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに切り替えられる。ここではリッチ判定値ＶＲが本発明にいう第１閾値をなし、リーン判定値ＶＬが本発明にいう第２閾値をなす。
【００６８】
まず時刻ｔ２から時刻ｔ３までの触媒後センサ出力Ｖｒに基づく第１面積Ｓ１が算出される。第１面積Ｓ１は、触媒後センサ出力Ｖｒとリーン判定値ＶＬとの差ΔＶｒＬを、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで積算することにより算出される。
【００６９】
他方、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの触媒後センサ出力Ｖｒに基づく第２面積Ｓ２が算出される。第２面積Ｓ２は、触媒後センサ出力Ｖｒとリーン判定値ＶＬとの差ΔＶｒＬを、時刻ｔ２から時刻ｔ４まで積算することにより算出される。
【００７０】
次に第１面積Ｓ１と第２面積Ｓ２の比、すなわち面積比Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２が算出され、この面積比Ｒに基づいて触媒の硫黄被毒度合いが推定される。上記特性によれば、触媒の硫黄被毒度合いが大きいほど面積比Ｒが大きくなる。よってこの面積比Ｒにより触媒の硫黄被毒度合いを好適に推定することができる。
【００７１】
ところで場合によっては図７に破線で示したように、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰに達した後、ほぼ定常とならないで比較的急速にリーン側に低下する場合もある。よってこの場合も考慮し、第１閾値はリッチ判定値ＶＲ以外の値、例えばストイキ相当値Ｖｓｔ（図５参照）と等しい値に設定してもよい。いずれにしても第１閾値は試験等を通じて最適な値に適合可能である。
【００７２】
また第２閾値もリーン判定値ＶＬ以外の値に適合可能である。第２閾値は、ストイキ相当値Ｖｓｔより小さくリーン判定値ＶＬ以上の範囲で任意に定めることができる。
【００７３】
また第１面積Ｓ１および第２面積Ｓ２を、触媒後センサ出力Ｖｒの値自体を積算することにより算出してもよい。
【００７４】
ところで触媒の硫黄被毒度合いが推定された場合、この推定された硫黄被毒度合いに応じて酸素吸蔵容量計測値を補正するのが診断精度向上のために好ましい。そこで本実施形態ではこのような補正も行うこととしている。
【００７５】
以下、図９を参照して、本実施形態に係る異常診断処理のルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
【００７６】
まずステップＳ１０１では、所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件には、（１）実際の吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとが所定の関係を満たしている、という条件が含まれる。実際の吸入空気量Ｇａはエアフローメータ５で検出される。実際の触媒温度Ｔｃは、エンジン運転状態に基づきＥＣＵ２０により推定されるが、温度センサで直接検出してもよい。
【００７７】
エンジンが定常運転している場合、即ちエンジンの回転速度と負荷がほぼ一定の場合、吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとの間には一定の相関関係が存在する。他方、両者が大きくかけ離れているときは、エンジンが定常運転状態になく、加速又は減速即ち過渡運転が行われている状態とみなせる。
【００７８】
そこで定常運転時の吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとの関係を予めマップ化し、マップ値を中心とした所定範囲内に両者の実際値があるときに、定常運転中であるとしてアクティブ空燃比制御の実行を許可する。逆に、その所定範囲内に両者の実際値がないときは、非定常運転中であるとしてアクティブ空燃比制御の実行を禁止する。こうすることで一定以上の診断精度を確保可能となる。
【００７９】
このように、条件（１）は、エンジンが定常運転中である、と言い換えることができる。
【００８０】
また前提条件には、（２）少なくとも上流触媒１１が活性化している、（３）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性化している、（４）現トリップ中で診断が未完了である、の各条件が含まれる。
【００８１】
（２）については、推定触媒温度が所定の活性温度域に入っていれば、成立する。（３）については、ＥＣＵ２０によって推定される触媒前センサ１７および触媒後センサ１８の素子温度が所定の活性温度域に入っていれば、成立する。（４）について、トリップとは、エンジンの１回の始動から停止までの期間のことをいう。本実施形態では１トリップ当たりに１回、診断を実行するようにしており、現トリップ中で未だ診断が１回も完了していない場合に（４）が成立する。
【００８２】
前提条件が成立していない場合、終了される。前提条件が成立している場合には、ステップＳ１０２においてアクティブ空燃比制御が実行されると共に、実際の吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとの値が計測、記憶される。
【００８３】
次いでステップＳ１０３で、酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。ここでいう酸素吸蔵容量ＯＳＣには図４に示した吸蔵酸素量ＯＳＣａと放出酸素量ＯＳＣｂが含まれる。
【００８４】
次いでステップＳ１０４で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンであるか否か、具体的にはリーン制御中であるか否かが判断される。目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンでない（リッチである）ときは終了される。
【００８５】
目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンであるときは、ステップＳ１０５で、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰに到達したか否かが判断される。この判断は、例えば触媒後センサ出力Ｖｒの微分値が正から負に転じたか否かを判断することによってなされる。到達してなければ終了される。
【００８６】
到達していれば、ステップＳ１０６において、触媒後センサ出力Ｖｒとリーン判定値ＶＬとの差、すなわち出力差ΔＶｒＬが積算される。
【００８７】
次いでステップＳ１０７で、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに低下したか否かが判断される。低下してなければ終了される。
【００８８】
低下したならば、ステップＳ１０８において、その時点での出力差ΔＶｒＬの積算値が第１面積Ｓ１として算出される。
【００８９】
次いでステップＳ１０９で、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに低下したか否かが判断される。低下してなければ終了される。
【００９０】
低下したならば、ステップＳ１１０において、その時点での出力差ΔＶｒＬの積算値が第２面積Ｓ２として算出される。
【００９１】
次にステップＳ１１１で、面積比Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２が算出される。
【００９２】
その後ステップＳ１１２では、アクティブ空燃比制御が所定のＮ周期（Ｎは２以上の整数）終了したか否かが判断される。終了してなければルーチンが終了される。
【００９３】
他方、Ｎ周期終了したならば、ステップＳ１１３において、複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖが算出される。
【００９４】
そしてステップＳ１１４で、リーン制御時毎に算出された複数の面積比Ｒの平均値（平均面積比）Ｒａｖが算出される。この平均面積比Ｒａｖが現状の触媒の硫黄被毒度合いを好適に表しており、この平均面積比Ｒａｖの算出を以て、現状の触媒の硫黄被毒度合いが推定されることとなる。
【００９５】
次のステップＳ１１５では、酸素吸蔵容量計測値を補正するための補正係数（Ｓ被毒補正係数）Ｋ１が、図１０に示すような予め設定、記憶されたマップから、平均面積比Ｒａｖに基づき算出される。このマップによれば、面積比Ｒ若しくは平均面積比Ｒａｖが０に対し大きくなるにつれ、１に対し大きなＳ被毒補正係数Ｋ１が得られる。このＳ被毒補正を行うことで、触媒のＳ被毒影響を排除し、酸素吸蔵容量計測値をＳ被毒の無い状態（図６の線ｂ）まで増大補正することができる。
【００９６】
次に、ステップＳ１１６で、酸素吸蔵容量計測値のＳ被毒補正がなされる。補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣａｖ’はＯＳＣａｖ’＝Ｋ１×ＯＳＣａｖにより得られる。
【００９７】
次にステップＳ１１７で、燃料の硫黄濃度Ｃｓが取得される。この硫黄濃度Ｃｓとしては、硫黄濃度センサ２１で検出された硫黄濃度に基づき推定された値が用いられる。
【００９８】
なお、燃料の硫黄濃度Ｃｓは、硫黄濃度センサ２１を用いずにＥＣＵ２０により推定してもよい。例えば、高硫黄燃料が給油されると酸素吸蔵容量計測値が低下することから、燃料給油前後の酸素吸蔵容量計測値の比に基づき硫黄濃度Ｃｓを推定することができる。燃料給油があった事実は図示しない燃料計（レベルメータ）の信号から検知可能である。
【００９９】
ステップＳ１１８では、酸素吸蔵容量計測値をさらに補正するための補正係数（Ｓ濃度補正係数）Ｋ２が、図１１に示すような予め設定、記憶されたマップから、硫黄濃度Ｃｓに基づき算出される。このマップによれば、硫黄濃度Ｃｓが、基準となる低硫黄燃料の硫黄濃度Ｃｓ０に対して大きくなるほど、１に対して大きなＳ濃度補正係数Ｋ２が得られる。このＳ濃度補正を行うことで、高硫黄燃料の使用による影響を排除し、酸素吸蔵容量計測値を低硫黄燃料使用状態（図６の線ｃ）までさらに増大補正することができる。
【０１００】
次のステップＳ１１９では酸素吸蔵容量計測値のＳ濃度補正がなされ、補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣａｖ”はＯＳＣａｖ”＝Ｋ２×ＯＳＣａｖ’により得られる。
【０１０１】
なお、図６から分かるように、使用燃料が単に低硫黄燃料から高硫黄燃料に切り替わっても、そのことによる酸素吸蔵容量計測値の落ち込み幅は比較的少ない。よってステップＳ１１７〜Ｓ１１９のＳ濃度補正を省略することも考えられる。
【０１０２】
次に、ステップＳ１２０で、上記Ｓ被毒補正およびＳ濃度補正がなされた後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣａｖ”が、異常判定値αと比較される。酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣａｖ”が異常判定値αより大きい場合、ステップＳ１２１で触媒は正常と判定される。他方、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣａｖ”が異常判定値α以下の場合、ステップＳ１２２で触媒は異常と判定される。そしてルーチンが終了される。
【０１０３】
ところで、第１面積および第２面積は、リッチピークと触媒後センサ出力との差を積算して算出してもよい。図１２は図６（Ｃ）から線ａを抽出した図である。まず、リッチピークＰが発生した時刻ｔＰから、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに低下した時刻ｔＲまで、リッチピークＰと触媒後センサ出力Ｖｒとの差ΔＶｒＰ＝Ｐ−Ｖｒを積算することにより、第１面積Ｓ１’が算出される。他方、リッチピーク発生時刻ｔＰから、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに低下した時刻ｔ２ａまで、リッチピークＰと触媒後センサ出力Ｖｒとの差ΔＶｒＰ＝Ｐ−Ｖｒを積算することにより、第２面積Ｓ２’が算出される。
【０１０４】
これら第１面積Ｓ１’と第２面積Ｓ２’の比、すなわち面積比Ｒ’＝Ｓ１’／Ｓ２’も、触媒のＳ被毒度合いが大きいほど大きくなる。よってこの面積比Ｒ’によっても触媒のＳ被毒度合いを好適に推定することができる。
【０１０５】
あるいは代替的に、触媒後センサ出力に基づく第１変化率および第２変化率の比に基づいて、触媒のＳ被毒度合いを推定してもよい。図１３は、図６（Ｃ）から線ａと線ｂを抽出した図である。
【０１０６】
ここでは高Ｓ燃料且つＳ被毒ありの場合の線ａに着目して説明する。まずリッチピークＰが発生した時刻ｔＰから、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに低下した時刻ｔＲまでの間の、触媒後センサ出力Ｖｒの第１変化率Ｈ１（＝Ｈ１a）を次式（２）により算出する。
【０１０７】
【数２】
2012031762.tif 000004
【０１０８】
この式から分かるように、第１変化率Ｈ１は、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰから第１閾値ＶＲに変化するときの変化速度あるいは傾きに等しい値である。
【０１０９】
他方、リッチピークＰが発生した時刻ｔＰから、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン判定値ＶＬに低下した時刻ｔＬ（＝ｔＬa）までの間の、触媒後センサ出力Ｖｒの第２変化率Ｈ２（＝Ｈ２a）を次式（３）により算出する。
【０１１０】
【数３】
2012031762.tif 000005
【０１１１】
この式から分かるように、第２変化率Ｈ２は、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰから第２閾値ＶＬに変化するときの変化速度あるいは傾きに等しい値である。
【０１１２】
これら第１変化率Ｈ１と第２変化率Ｈ２の比すなわち変化率比Ｊ＝Ｈ１／Ｈ２は、触媒のＳ被毒度合いが大きいほど大きくなる。線ａの場合と線ｂの場合を見比べれば分かるように、線ａの変化率比Ｊa＝Ｈ１a／Ｈ２aは線ｂの変化率比Ｊb＝Ｈ１b／Ｈ２bより大きい。よって変化率比Ｊによっても触媒のＳ被毒度合いを好適に推定することができる。
【０１１３】
以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関の用途や形式等は任意であり、自動車用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。前記実施形態では複数の酸素吸蔵容量計測値および面積比の平均値ＯＳＣａｖ、Ｒａｖを用いたが、必ずしも平均値を用いる必要はなく、それぞれ単独の値を用いるようにしてもよい。
【０１１４】
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。
【符号の説明】
【０１１５】
１  内燃機関
６  排気管
１１  上流触媒
１２  インジェクタ
１７  触媒前センサ
１８  触媒後センサ
２０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
2012031762.tif 000006
【図２】
2012031762.tif 000007
【図３】
2012031762.tif 000008
【図４】
2012031762.tif 000009
【図５】
2012031762.tif 000010
【図６】
2012031762.tif 000011
【図７】
2012031762.tif 000012
【図８】
2012031762.tif 000013
【図９】
2012031762.tif 000014
【図１０】
2012031762.tif 000015
【図１１】
2012031762.tif 000016
【図１２】
2012031762.tif 000017
【図１３】
2012031762.tif 000018