(57)【要約】【課題】誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができる内燃機関の触媒劣化診断装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化診断装置であって、触媒の下流において検出される酸素濃度に基づいて、内燃機関に供給される空気と燃料との空燃比を強制的にリッチ側とリーン側との間で変化させるアクティブ空燃比制御手段と、アクティブ空燃比制御手段による空燃比制御時における触媒の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能に基づき触媒の劣化を診断する診断手段とを備える内燃機関の触媒劣化診断装置において、アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分を増大させるＨ2成分増大制御手段を備える。【選択図】図５
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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置された触媒の劣化診断装置であって、該触媒の下流において検出される酸素濃度に基づいて、内燃機関に供給される空気と燃料との空燃比を強制的にリッチ側とリーン側との間で変化させるアクティブ空燃比制御手段と、該アクティブ空燃比制御手段による空燃比制御時における前記触媒の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能に基づき前記触媒の劣化を診断する診断手段と、を備える内燃機関の触媒劣化診断装置において、
前記アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分を増大させるＨ2成分増大制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
【請求項２】
前記Ｈ2成分増大制御手段によるＨ2成分増大制御は、前記触媒の酸素吸蔵能が所定値を下回ったときに実行されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
【請求項３】
前記診断手段は、前記Ｈ2成分増大制御手段によるＨ2成分増大制御が実行されたときに計測される酸素吸蔵能と、前記Ｈ2成分増大制御手段によるＨ2成分増大制御が実行されないときに計測される酸素吸蔵能との比較に基づき、前記触媒の劣化を診断することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
【請求項４】
前記Ｈ2成分増大制御手段は、インジェクタから噴射される燃料の噴射タイミングを当該運転状態での最適噴射時期から遅らせるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関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、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する触媒劣化診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に車両用の内燃機関においては、その排気系に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：ＯＳＣ）を有するものがあり、これは、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、すなわちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、触媒に流入する排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、すなわちリッチになると吸着保持された酸素を放出するという特性を有している。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振れてしまった場合でも、三元触媒による酸素の吸蔵・放出作用により、そのような空燃比ずれを吸収し浄化効率を維持することができる。
【０００３】
ところで、触媒が劣化すると触媒の浄化効率が低下する。一方、触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係があり、酸素吸蔵能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。そこで、触媒に流入する排気ガスの空燃比を強制的にリッチ側及びリーン側に切り替えるアクティブ空燃比制御を行い、このアクティブ空燃比制御の実行に伴わせて、リッチ側制御時における触媒の酸素放出能力とリーン側制御時における酸素吸着能力とを平均することにより酸素吸蔵能（容量）を求め、この酸素吸蔵能に基づいて触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１３３２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このＣｍａｘ法においては、アクティブ空燃比制御でのリーン側制御時に触媒に酸素を吸着させる酸素吸着能力と、リッチ側制御時に触媒から酸素を放出させる酸素放出能力とに基づき酸素吸蔵能を求めるようにしているが、リーン側制御時の酸素吸着速度とリッチ側制御時における酸素放出速度とには差異が存在することが判明した。より詳しくは、リッチ側制御時における触媒からの酸素放出速度はリーン側制御時の触媒への酸素吸着速度に比べて遅く、リッチ側制御時において酸素が放出しきれない状態であってもリッチガスが未反応で触媒を通り抜け得るので、その下流に設けられた酸素センサがリッチ反転することになる。その結果として、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒の酸素吸蔵能が実際の酸素吸蔵能に比べ小さくなってしまう。この酸素放出能力は触媒の劣化が進む程低下するので、劣化触媒程、計測された酸素吸蔵能値と実際の酸素吸蔵能との乖離比率が大きくなり、触媒の正常か異常かの判定が困難となって誤判定を招く可能性が増大するという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができる内燃機関の触媒劣化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】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置の一形態は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化診断装置であって、該触媒の下流において検出される酸素濃度に基づいて、内燃機関に供給される空気と燃料との空燃比を強制的にリッチ側とリーン側との間で変化させるアクティブ空燃比制御手段と、該アクティブ空燃比制御手段による空燃比制御時における前記触媒の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能に基づき前記触媒の劣化を診断する診断手段と、を備える内燃機関の触媒劣化診断装置において、前記アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分を増大させるＨ2成分増大制御手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記形態の内燃機関の触媒劣化診断装置によれば、アクティブ空燃比制御手段による空燃比のリッチ側制御時において、Ｈ2成分増大制御手段により内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分が増大される。この少なくともＨ2成分が増大された出ガスが触媒を流通すると、リーン側制御時に触媒に吸着保持されている酸素に対して反応性の良いＨ2成分の作用により、酸素放出速度が高められる。この結果、触媒に吸着保持されている酸素の全放出量も増大され、触媒の下流に設けられた酸素センサが、酸素が放出しきれない状態でリッチ反転することが抑制される。かくて、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒の酸素吸蔵能と実際の酸素吸蔵能との乖離が小さくなるので、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができる。
【０００９】
ここで、前記Ｈ2成分増大制御手段によるＨ2成分増大制御は、前記触媒の酸素吸蔵能が所定値を下回ったときに実行されることが好ましい。
【００１０】
この形態によれば、無用なＨ2成分増大制御が回避されるので燃費悪化を最小限に抑えることができる。
【００１１】
前記診断手段は、前記Ｈ2成分増大制御手段によるＨ2成分増大制御が実行されたときに計測される酸素吸蔵能と、前記Ｈ2成分増大制御手段によるＨ2成分増大制御が実行されないときに計測される酸素吸蔵能との比較に基づき、前記触媒の劣化を診断するようにしてもよい。
【００１２】
この形態によれば、硫黄被毒などに起因する一時的な、すなわち、可逆的な触媒劣化と非可逆的な触媒劣化とを区別することができ、診断精度の向上をより図ることができる。
【００１３】
なお、前記Ｈ2成分増大制御手段は、インジェクタから噴射される燃料の噴射タイミングを当該運転状態での最適噴射時期から遅らせるものであってもよい。
【００１４】
また、内燃機関が筒内に直接に燃料を噴射する筒内インジェクタを備える場合、前記Ｈ2成分増大制御手段は、複数回の分割噴射を一回の纏め噴射とするようにしてもよい。
【００１５】
さらに、内燃機関が燃料と共に空気をも同時に噴射して燃料の微粒化を図るようにした、いわゆるエアアシストインジェクタを備える場合、前記Ｈ2成分増大制御手段は、このエアアシストインジェクタからの空気の噴射を停止するようにしてもよい。
【００１６】
また、内燃機関が排気還流（ＥＧＲ）装置を備える場合、前記Ｈ2成分増大制御手段は、ＥＧＲを増大するようにしてもよい。なお、ＥＧＲを増大するためには、内燃機関が吸気弁及び／又は排気弁の開閉タイミングを変更可能な、いわゆる可変動弁機構を備える場合、吸排気弁のオーバラップを大きくすることによってもよい。いわゆる内部ＥＧＲが増大するからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上を図ることができるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。  
図１は、本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置の実施形態のシステム構成を示す概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料及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。内燃機関１は車両に搭載された多気筒エンジン（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。
【００１９】
内燃機関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及び各排気弁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。
【００２０】
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管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、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とが組み込まれている。なお吸気ポート、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。
【００２１】
本実施形態では、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（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設されている。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。
【００２２】
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、Ｏ2ストレージ機能（酸素吸蔵能）を有する三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサ、すなわち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。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、排気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を持つ。
【００２３】
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、及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のほか、内燃機関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、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２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。
【００２４】
触媒１１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／Ｆ）ｓ＝１４．６）近傍のときにＮＯｘ ，ＨＣ及びＣＯを同時に浄化する、いわゆる三元触媒である。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１に流入する排気ガスの空燃比すなわち触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比に一致するように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔに一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより触媒１１に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１において最大の浄化性能が発揮されるようになる。
【００２５】
ここで、触媒１１についてより詳細に説明する。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保持され、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及び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着放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば酸化セリウムＣｅＯ2やジルコニアからなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣ及びＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１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着し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。
【００２６】
このような酸素の吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯといった三つの排気ガス成分を同時に浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒを敢えて理論空燃比を中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。
【００２７】
ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数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との接触確率の低下を引き起こし、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、すなわ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。
【００２８】
このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。そこで本実施形態では、触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより触媒１１の劣化度を検出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能値（ＯＳＣ値又はＣｍａｘ）の大きさによって表される。
【００２９】
以下、本実施形態におけるメインルーチンにおいて実行される触媒劣化診断についてまず説明する。
【００３０】
本実施形態の触媒劣化診断は前述のＣｍａｘ法によるものを基本とする。そして触媒１１の劣化診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御において、触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒは、所定の中心空燃比（Ａ／Ｆ）ｃを境にリッチ側及びリーン側に強制的に（アクティブに）交互に切り替えられる。なおリッチ側に変化されたときの空燃比をリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ、リーン側に変化されたときの空燃比をリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌと称す。このアクティブ空燃比制御によって触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒがリッチ側又はリーン側に変化されているときに触媒の酸素吸蔵能値ＯＳＣ（＝Ｃｍａｘ）が計測される。
【００３１】
なお、触媒１１の劣化診断は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度（触媒床温）の計測については、温度センサを用いて直接検出してもよいが、本実施形態の場合、内燃機関の運転状態から推定することとしている。例えばＥＣＵ２０は、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａと、クランク角センサ１４の出力に基づいて検出される機関回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）とで規定される運転状態、及び吸入空気量Ｇａの累積値などに基づいて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、触媒１１の温度を推定する。
【００３２】
図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力が実線で示されている。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが破線で示されている。触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力値はそれぞれ触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒ及び触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒの値に対応する。
【００３３】
図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは、中心空燃比としての理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ）と、理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。そしてこの目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒも、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔに対し僅かな時間遅れを伴って切り替わる。このことから目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔと触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒとは時間遅れがあること以外等価であることが理解されよう。
【００３４】
図示例において、リッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。例えば理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓ＝１４．６、リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ＝１４．１、リーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５である。通常の空燃比制御の場合に比べ、アクティブ空燃比制御の場合は空燃比の振り幅が大きく、すなわちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。
【００３５】
ところで、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが切り替えられるタイミングは、触媒後センサ１８の出力がリッチからリーンに、又はリーンからリッチに切り替わるタイミングである。ここで図示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧は理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓを境に急変し、触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓより小さいリッチ側の空燃比であるときその出力電圧がリッチ判定値ＶＲ以上となり、触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓより大きいリーン側の空燃比であるときその出力電圧がリーン判定値ＶＬ以下となる。ここでＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）である。
【００３６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔはリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌからリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔはリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒからリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに切り替えられる。
【００３７】
このような空燃比変化を行うアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次のようにして触媒１１の酸素吸蔵能値ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。
【００３８】
図３を参照すると、時刻ｔ１より前では目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌとされ、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸着し続けているが、一杯に酸素を吸着した時点でそれ以上酸素を吸着できなくなり、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。こうなると触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒがリーン側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒに切り替えられ、或いは反転される。このように目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは触媒後センサ１８の出力をトリガにして反転される。
【００３９】
そして今度は触媒１１にリッチガスが流入されることとなる。このとき触媒１１では、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。よって触媒１１の下流側にはほぼ理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒがリッチにならないことから、触媒後センサ１８の出力は反転しない。触媒１１から酸素が放出され続けるとやがて触媒１１からは吸蔵酸素が放出され尽くし、その時点でそれ以上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。こうなると触媒後空燃比（Ａ／Ｆ）ｒｒがリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに切り替えられる。
【００４０】
酸素吸蔵能ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸着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目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ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目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔの反転周期は短くなる。
【００４１】
そこで、このことを利用して酸素吸蔵能ＯＳＣが以下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／Ｆ）ｔがリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒ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／Ｆ）ｆｒがリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）ｒに切り替わる。そして触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の微小時間毎の酸素吸蔵能値ｄＯＳＣ（酸素吸蔵能値の瞬時値）が算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵能値ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積算される。こうしてこの酸素放出期間における酸素吸蔵能値すなわち放出酸素量が計測される。
【００４２】
（１）  ｄＯＳＣ＝Δ（Ａ／Ｆ）×Ｑ×Ｋ＝{（Ａ／Ｆ）ｆｒ−（Ａ／Ｆ）ｓ}×Ｑ×Ｋ
ここで、Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差Δ（Ａ／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。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。
【００４３】
基本的には、この１回で計測された酸素吸蔵能値ＯＳＣを用い、これを所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較し、酸素吸蔵能値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば正常、酸素吸蔵能値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば劣化、というように触媒１１の劣化を判定できる。
【００４４】
しかしながら、精度を向上させるために、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリーン側となっている酸素吸着期間でも同様に酸素吸蔵能値（この場合酸素吸蔵量）を計測し、これら酸素吸蔵能値の平均値を１吸放出サイクルに係る１単位の酸素吸蔵能値として計測する。そしてさらに、吸放出サイクルを複数回繰り返し、複数単位の酸素吸蔵能値を得、その平均値を最終的な酸素吸蔵能値の計測値とし、劣化判定値と比較して、最終的な劣化判定を行ってもよい。なお、触媒が劣化と判定されたときにはその事実をユーザ（ドライバ）に告知するため、図示しない警告装置（チェックランプ等）を作動させるのが好ましい。
【００４５】
酸素吸着期間における酸素吸蔵能値（酸素吸蔵量）の計測については、図４に示すように、時刻ｔ２で目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに切り替えられた後、触媒前空燃比（Ａ／Ｆ）ｆｒが理論空燃比（Ａ／Ｆ）ｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔがリッチ側に反転する時点ｔ３まで、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵能値ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵能値ｄＯＳＣが積算される。こうしてこの酸素吸着期間における酸素吸蔵能値ＯＳＣすなわち吸蔵酸素量（図４のＯＳＣ２）が計測される。酸素放出期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ１と酸素吸着期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるはずである。
【００４６】
ところが、前述したように、アクティブ空燃比制御の実行の際のリッチ側制御時においては、触媒１１からの酸素放出速度がリーン側制御時の触媒１１への酸素吸着速度に比べて遅いことから、この酸素放出期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ１は実際の酸素吸蔵能よりも小さくなりやすい。
【００４７】
そこで、本実施の形態では、この酸素放出期間での酸素吸蔵能値ＯＳＣ１が実際の酸素吸蔵能を精度よく反映すべく酸素放出速度を高めるようにしている。以下に、本実施形態に係る劣化診断処理を実行するルーチンのサブルーチンとして実行されるＨ2成分増大制御の一形態を、図５のフローチャートを参照して説明する。このＨ2成分増大制御もＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
【００４８】
まずステップＳ５０１では、劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中であるか否かが判断される。なお、劣化診断処理ルーチンは基本条件が成立しているとの判定により開始され、例えば、吸入空気量Ｇａ及び機関回転速度Ｎｅの変動幅が所定範囲内であるなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ触媒１１及び触媒前後センサ１７，１８が所定の活性化温度に達していれば、基本条件の成立となる。そこで、この基本条件が成立しアクティブ空燃比制御が実行中である場合にはステップＳ５０２に進む。
【００４９】
ステップＳ５０２においては、このアクティブ空燃比制御において空燃比のリッチ側制御中であるか否かが判断される。ステップＳ５０２において、リッチ側制御中であると判定されるとステップＳ５０３に進み、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分を増大させるＨ2成分増大制御が実行される。
【００５０】
他方、ステップＳ５０１において上述の劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中でないと判定されたとき、及びステップＳ５０２においてリッチ側制御中でないと判定されたときはステップＳ５０４に進み、それぞれ上述のＨ2成分増大制御が実行されないか、又は停止される。
【００５１】
ここで、上記Ｈ2成分増大制御の実施形態についてさらに詳しく説明する。図1に示すシステムの内燃機関１においては、ＥＣＵ２０は、例えばエアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａと、クランク角センサ１４の出力に基づいて検出される機関回転速度Ｎｅとにより規定される運転状態に対応させて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、その運転状態において所望の出力が得られるように、インジェクタ１２からの燃料噴射量及び燃料噴射時期などを最適値に制御する。したがって、吸入空気量Ｇａと機関回転速度Ｎｅとにより規定される運転状態において、Ｈ2成分増大制御が実行されないときは、吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ１２から、最適噴射時期として吸気上死点（ＴＤＣ）前の所定の角度Ｘ（例えば上死点前６０）°ＣＡ（クランク角）で燃料が噴射される。この場合、燃焼室３内にほぼ均質の混合気が形成され、図6に示すように、Ｈ2成分の増大はほとんど見込めない。これに対し、Ｈ2成分増大制御が実行されるときは、吸気上死点後の所定の角度Ｙ（例えば上死点後１５０）°ＣＡで吸気ポートインジェクタ１２から燃料が噴射される。このように燃料の噴射タイミングを当該運転状態での最適噴射時期から遅らせると、燃焼室３内の混合気は成層化ないしは不均一化され、図６に示すように、燃焼ガス中のＨＣ、ＣＯないしはＨ2成分が増大されることになる。なお、本実施形態では、吸気ポートインジェクタ１２からの燃料の噴射タイミングを当該運転状態での最適噴射時期から遅らせるように機能する部位がＨ2成分増大制御手段を構成している。
【００５２】
このように、ステップＳ５０３におけるＨ2成分増大制御により内燃機関１から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分が増大され、このＨ2成分が増大された出ガスが触媒１１を流通すると、リーン側制御時に触媒１１に吸着保持されている酸素に対して反応性の良いＨ2成分の作用により、酸素放出速度が高められる。この結果、触媒１１に吸着保持されている酸素の全放出量も増大され、触媒１１の下流に設けられた触媒後センサ１８が、酸素が放出しきれない状態でリッチ反転することが抑制される。かくて、酸素吸着能力と酸素放出能力とに基づき計算により求められる触媒１１の酸素吸蔵能値と実際の酸素吸蔵能との乖離が小さくなるので、誤判定の可能性を低減し診断精度の向上が図られるのである。
【００５３】
次に、上述したＨ2成分増大制御の他の形態を、図７のフローチャートを参照して説明する。このＨ2成分増大制御の他の形態もＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。このＨ2成分増大制御の他の形態は、Ｈ2成分増大制御に伴う燃費悪化を最小限に抑えるためのものである。すなわち、この他の形態では触媒１１の劣化診断がより正確に必要な場合にのみＨ2成分増大制御を実行し、無用なＨ2成分増大制御を回避するようにしている。
【００５４】
そこで、ステップＳ７０１では、前形態と同様に、劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中であるか否かが判断され、実行中である場合にはステップＳ７０２に進む。そして、ステップＳ７０２においては、前トリップにおいて求められ、記憶されていた触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいか否かが判定される。詳しくは、前回の走行時に行われた触媒１１の劣化診断処理において計測により求められ、ＥＣＵ２０の不揮発性ＲＡＭなどの記憶装置に記憶されていた前トリップでの酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいか否かが判定されるのである。この所定値Ａとしては、新品状態の触媒１１の酸素吸蔵能に対し所定の割合にある酸素吸蔵能値とすることができる。酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さいときはステップＳ７０３に進み、前形態と同様に、アクティブ空燃比制御において空燃比のリッチ側制御中であるか否かが判断される。ステップＳ７０３において、リッチ側制御中であると判定されるとステップＳ７０４に進み、前形態と同様に、内燃機関から排出される出ガスに含まれる少なくともＨ2成分を増大させるＨ2成分増大制御が実行される。
【００５５】
他方、ステップＳ７０１において上述の劣化診断処理ルーチンのアクティブ空燃比制御が実行中でないと判定されたとき、ステップＳ７０２において酸素吸蔵能値Ｃｍａｘが所定値Ａより小さくはないと判定されたとき、及びステップＳ７０３においてリッチ側制御中でないと判定されたときは、それぞれステップＳ７０５に進み、前形態と同様に、上述のＨ2成分増大制御が実行されないか、又は停止される。かくて、本他の形態では、触媒１１の劣化診断がより正確に必要な場合にのみＨ2成分増大制御が実行され、無用なＨ2成分増大制御が回避されるので、燃費の悪化が最小限に抑えられる。
【００５６】
なお、図5又は図7のフローチャートを用いて説明したＨ2成分増大制御においては、内燃機関１が筒内に直接に燃料を噴射する不図示の筒内インジェクタを備える場合、筒内インジェクタからの燃料の噴射タイミングを所定の運転状態での最適噴射時期としての吸気行程噴射から圧縮行程噴射へと遅らせることにより、このように機能する部位をＨ2成分増大制御手段として構成して燃焼ガス中のＨＣ、ＣＯないしはＨ2成分を増大させてもよい。さらに、筒内インジェクタを備え、これが通常時に複数回の分割噴射を行うようにされている場合には、一回の纏め噴射とするようにして、このように機能する部位をＨ2成分増大制御手段として構成してもよい。
【００５７】
さらに、内燃機関１が燃料と共に空気をも同時に噴射して燃料の微粒化を図るようにした、いわゆるエアアシストインジェクタ（不図示）を備える場合、このエアアシストインジェクタからの空気の噴射を停止するようにして、このように機能する部位をＨ2成分増大制御手段として構成してもよい。
【００５８】
また、内燃機関１が不図示の排気還流（ＥＧＲ）装置を備える場合、上述のリッチ側制御時にＥＧＲを増大するようにして、このように機能する部位をＨ2成分増大制御手段として構成してもよい。なお、ＥＧＲを増大するためには、内燃機関１が吸気弁Ｖｉ及び／又は排気弁Ｖｅの開閉タイミングを変更可能な、いわゆる可変バルブタイミング機構を備える場合、吸排気弁のオーバラップを大きくすることによってもよい。いわゆる内部ＥＧＲが増大するからである。上述のＨ2成分増大制御手段のいずれによっても、燃焼ガス中のＨＣ、ＣＯないしはＨ2成分を増大させることが可能である。
【００５９】
さらに、本発明に係る劣化診断処理ルーチンの他の実施形態を、図８のフローチャートを参照して説明する。
【００６０】
この劣化診断処理ルーチンの他の実施形態は、上述のＨ2成分増大制御が実行されたときに得られる触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ１と、Ｈ2成分増大制御が実行されないときに得られる触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ２との差異を利用して、触媒１１の酸素吸蔵能値の一時的な絶対値のみならず、Ｈ2成分増大制御の有無に亘る相対値にも依拠することにより、触媒１１の正常か異常かの劣化診断を精度よく行い得るようにしたものである。
【００６１】
そこで、この劣化診断処理ルーチンの他の実施形態では、ステップＳ８０１において上述のＨ2成分増大制御が実行されたときに得られた触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ１が取り込まれ、次のステップＳ８０２においてＨ2成分増大制御が実行されないときに得られた触媒１１の酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ２が取り込まれる。そして、次のステップＳ８０３において、両酸素吸蔵能値の差ΔＣｍａｘ（＝Ｃｍａｘ１−Ｃｍａｘ２）が演算により求められる。
【００６２】
そしてまず、ステップＳ８０４において、上記ステップＳ８０２で取り込まれた、Ｈ2成分増大制御が実行されないときに得られた酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ２が所定値Ｂより小さいか否かが判定される。この所定値Ｂは前述の所定値Ａと同様に新品状態の触媒１１の酸素吸蔵能に対し所定の割合にある酸素吸蔵能値とすることができ、所定値Ａと等しくてもよい。このステップＳ８０４において、Ｈ2成分増大制御が実行されないときに得られた酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ２が所定値Ｂより大きいと判定された（ステップＳ８０４：ＮＯ）ときは、触媒１１は十分な酸素吸蔵能を有するので、Ｈ2成分増大制御が実行されたときに得られる酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ１を考慮することなくステップＳ８０７に進み、触媒正常と判定される。
【００６３】
一方、ステップＳ８０４において、Ｈ2成分増大制御が実行されないときに得られた酸素吸蔵能値Ｃｍａｘ２が所定値Ｂより小さいと判定された（ステップＳ８０４：ＹＥＳ）ときはステップＳ８０５に進み、酸素吸蔵能値の差ΔＣｍａｘ（＝Ｃｍａｘ１−Ｃｍａｘ２）が所定値Ｃより小さいか否かが判定される。この所定値Ｃは、上述のＨ2成分増大制御が実行されることにより酸素放出速度が高められる度合に対応して設定される。すなわち、正常触媒の場合には元々酸素吸蔵能を有するので、Ｈ2成分増大制御によって酸素吸蔵能値は増大するが、酸素吸蔵能が低い異常触媒の場合にはＨ2成分増大制御を行っても酸素吸蔵能値の変化がない又は小さいことから、この酸素吸蔵能値の増大量に対応して設定されるのである。かくて、ステップＳ８０５における判定で、酸素吸蔵能値の差ΔＣｍａｘが所定値Ｃよりも小さいとき（ステップＳ８０５：ＹＥＳ）はステップＳ８０６に進み、触媒異常と判定される一方、酸素吸蔵能値の差ΔＣｍａｘが所定値Ｃよりも大きいとき（ステップＳ８０５：ＮＯ）はステップＳ８０７に進み、触媒正常と判定される。
【００６４】
かくて、本実施形態では、硫黄被毒などに起因する一時的な、すなわち、可逆的な触媒劣化と経年変化などに起因する非可逆的な触媒劣化とを区別することができ、触媒１１の正常か異常かの劣化診断を精度よく行うことができる。
【００６５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る内燃機関の触媒劣化診断装置のシステム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を説明するため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、酸素吸蔵能値の計測方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態におけるＨ2成分増大制御の一形態を示すフローチャートである。
【図６】燃料噴射タイミングと出ガス中のＨ2成分との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態におけるＨ2成分増大制御の他の形態を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係る劣化診断処理ルーチンの他の実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１    内燃機関
６    排気管
１１    触媒
１２    インジェクタ
１４    クランク角センサ
１７    触媒前センサ（空燃比センサ）
１８    触媒後センサ（酸素（Ｏ2）センサ）
２０    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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