(57)【要約】【課題】診断頻度の確保及び診断精度の向上を図る。【解決手段】内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置において、触媒の温度Ｔｃを計測し、この計測された触媒温度に基づき触媒温度変化率ΔＴｃを算出する。そして触媒温度変化率が負の所定範囲（Ｔｃｓｌ＜Ｔｃ＜Ｔｃｓｈ≦０）にあることを条件として診断を実行する。これにより高負荷運転（加速）後の定常運転時であることを検出し、診断途中での診断条件不成立による診断中止を回避し、診断頻度を確保できる。また診断条件を長時間成立させ続けられるので診断精度を向上できる。【選択図】図５
2009068340.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劣化を診断する装置であって、
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、
前記触媒の温度を計測する触媒温度計測手段と、
計測された触媒温度に基づき触媒温度の変化率を算出する触媒温度変化率算出手段と、
を備え、
前記診断手段は、少なくとも、算出された触媒温度変化率が負の所定範囲にあることを条件として診断を実行する
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】
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記診断手段は、さらに、計測された触媒温度が所定値より高く、且つ検出された吸入空気量が所定値より低いことを条件として診断を実行する
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】
フューエルカット要求信号の発生に応じてフューエルカットを実行するフューエルカット実行手段を備え、
前記診断手段は、前記酸素吸蔵能の計測中に前記フューエルカット要求信号が発生したとき診断を中止する
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】
フューエルカット要求信号の発生に応じてフューエルカットを実行するフューエルカット実行手段を備え、
前記フューエルカット実行手段は、前記酸素吸蔵能の計測中に前記フューエルカット要求信号が発生したときフューエルカットの実行を禁止する
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。
【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装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両用の内燃機関において、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、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着保持し、触媒流入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着保持された酸素を放出する。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振れてしまっても、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る。よって、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。一般的には、触媒に流入する排気ガスの空燃比を強制的にリッチ及びリーン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って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、触媒の劣化診断は診断に適した条件が成立したときに実施するのが好ましい。車両及び内燃機関の運転状態は車両の走行中、時々刻々と変化しており、所定条件が成立した上で実施しないと診断結果がばらついてしまうからである。
【０００５】
特許文献１に記載の触媒劣化判定装置では、機関負荷及び回転数が所定範囲内にあり、内燃機関の暖機が完了しており、吸入空気温度が所定値以上であり、触媒前のＯ２センサによるフィードバック制御中であり、一定速時（吸入空気量、絞り弁開度、燃料噴射量、吸気圧力等の機関負荷の変化量が設定値以下）であること、のすべてを満足したときに劣化判定を行うようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１４６８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、内燃機関の現状の状態を監視してこれが一定範囲内にあることを以て診断条件成立としても、これでは不十分なことがある。即ち、診断条件が成立して診断を開始したとしても、診断中に診断条件不成立となって診断が中止されてしまう場合があり、これでは診断頻度を確保しづらいという問題がある。また診断中に診断条件不成立となっても強制的に診断を続行する方法があるが、これでは精度の高い診断結果を期待できない。つまり、診断途中で診断条件が不成立と成り難い条件を予め設定し、診断開始時よりも後の段階を見越して診断条件を予め設定しておく方が、診断頻度の確保及び診断精度の向上という点で望ましい。
【０００８】
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、診断頻度の確保及び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】
【０００９】
本発明によれば、
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装置であって、
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、
前記触媒の温度を計測する触媒温度計測手段と、
計測された触媒温度に基づき触媒温度の変化率を算出する触媒温度変化率算出手段と、
を備え、
前記診断手段は、少なくとも、算出された触媒温度変化率が負の所定範囲にあることを条件として診断を実行する
ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置が提供される。
【００１０】
本発明者らの試験研究の結果によれば、高負荷運転（加速）後の定常運転時に診断を実行すると、診断頻度がより多く確保できると共に、診断途中で診断が中止される可能性が低いことが判明した。そこでかかる状況を反映するパラメータとして触媒温度変化率に着目し、この触媒温度変化率が負の所定範囲にあることを条件として診断を実行することとした。かかる定常運転時には触媒温度がゆっくりと低下し、触媒温度変化率が比較的小さい負の所定範囲内にあるからである。これにより診断頻度を確保し、診断精度の向上を図ることができる。
【００１１】
好ましくは、前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、前記診断手段は、さらに、計測された触媒温度が所定値より高く、且つ検出された吸入空気量が所定値より低いことを条件として診断を実行する。
【００１２】
触媒温度が高い方が触媒での酸化還元反応がより活発化し、また吸入空気量が少ない方が未反応で触媒を通り抜ける吹き抜けガス量が少なくなる。よって、触媒温度が所定値より高く且つ吸入空気量が所定値より低いことを診断条件に加えることにより、さらに診断精度の向上を図ることができる。
【００１３】
好ましくは、フューエルカット要求信号の発生に応じてフューエルカットを実行するフューエルカット実行手段を備え、前記診断手段は、前記酸素吸蔵能の計測中に前記フューエルカット要求信号が発生したとき診断を中止する。
【００１４】
これによりフューエルカットと診断が同時に実行され、誤った診断結果が出るのを確実に防止できる。
【００１５】
好ましくは、フューエルカット要求信号の発生に応じてフューエルカットを実行するフューエルカット実行手段を備え、前記フューエルカット実行手段は、前記酸素吸蔵能の計測中に前記フューエルカット要求信号が発生したときフューエルカットの実行を禁止する。
【００１６】
これによってもフューエルカットと診断が同時に実行され、誤った診断結果が出るのを確実に防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、診断頻度の確保及び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。
【００１９】
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。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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、即ち触媒前センサ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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／Ｆｓ＝１４．６）近傍のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。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即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ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／Ｆｔ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／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔ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。
【００２６】
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収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および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収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。
【００２７】
このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時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／Ｆｆｒ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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
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容量（ＯＳＣ；O2 Strage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。
【００３０】
以下、本実施形態における触媒劣化診断について説明する。
【００３１】
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／Ｆｆｒは、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃ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／Ｆｒ、リーン側に変化されたときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌ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／Ｆｆｒ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容量ＯＳＣが計測される。
【００３２】
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。
【００３３】
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／Ｆｔ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／Ｆｆｒ及び触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒの値に対応する。
【００３４】
図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比Ａ／Ｆｓ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／Ｆｒ）と、そこ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／Ｆｌ）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／Ｆｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも、目標空燃比Ａ／Ｆｔ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／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ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。
【００３５】
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／Ｆｓ＝１４．６、リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝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、即ちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。
【００３６】
ところで、目標空燃比Ａ／Ｆｔ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／Ｆｓを境に急変し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓ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／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓ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。
【００３７】
図３（Ａ），（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／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ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／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。
【００３８】
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の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。
【００３９】
図３を参照して、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌ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では酸素を吸収し続けているが、一杯に酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、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／Ｆｒｒ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／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ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／Ｆｔは触媒後センサ１８の出力をトリガにして反転される。
【００４０】
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／Ｆｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒ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からは全ての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／Ｆｒｒ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／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。
【００４１】
酸素吸蔵容量ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸収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／Ｆｔ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／Ｆｔの反転周期は短くなる。
【００４２】
そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量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／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／Ｆｆｒ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／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔ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容量ｄＯＳＣ（酸素吸蔵容量の瞬時値）が算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量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サイクルにおける酸素吸蔵容量即ち放出酸素量が計測される。
【００４３】
【数１】
2009068340.tif 000003
【００４４】
ここで、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。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。
【００４５】
基本的には、この１回で計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣを用い、これを所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば劣化、というように触媒の劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態では精度を向上させるため、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側となっている酸素吸蔵サイクルでも同様に酸素吸蔵容量（この場合酸素吸蔵量）を計測し、これら酸素吸蔵容量の平均値を１吸放出サイクルに係る１単位の酸素吸蔵容量として計測している。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容量の値を得、その平均値を最終的な酸素吸蔵容量計測値とし、劣化判定値と比較して、最終的な劣化判定を行っている。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。
【００４６】
酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量（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／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられた後、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔ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容量ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが積算される。こうしてこの酸素吸収サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ即ち吸蔵酸素量（図４のＯＳＣ２）が計測される。前回サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と今回サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるはずである。
【００４７】
さて、前述したように、触媒の劣化診断は診断に適した条件が成立したときに実施するのが好ましい。そしてこの診断条件としては、診断途中で診断条件が不成立と成り難い条件を含めるのが好ましい。診断途中で診断条件が不成立となると、その不成立となった時点で診断が中止されてしまい、結果として診断頻度が確保しづらくなるからである。また診断中に診断条件不成立となっても強制的に診断を続行することとすれば、精度の高い診断結果が得られない。よって診断頻度を十分確保し、精度の高い診断結果を得るため、診断途中で不成立と成り難い診断条件を設定するのが好ましい。
【００４８】
以下に本実施形態における劣化診断条件の設定について説明する。図５には、触媒温度Ｔｃ及び吸入空気量Ｇａをパラメータとした診断領域が示されている。
【００４９】
図中Ａで示される領域は一般的な診断領域である（以下「従来領域」という）。従来領域はＴｃ１＜Ｔｃ＜Ｔｃ２且つＧａ１＜Ｇａ＜Ｇａ２という範囲で規定される。これに対し、図中Ｂで示される領域は本実施形態における診断領域である（以下「本領域」という）。本領域Ｂは従来領域Ａのうちの高触媒温度側且つ低吸入空気量側に属し、Ｔｃｓ＜Ｔｃ＜Ｔｃ２且つＧａｓ＜Ｇａ＜Ｇａ２という範囲で規定される。本領域Ｂをこのように縮小した理由は、高触媒温度側且つ低吸入空気量側の方が触媒の持つ酸素吸蔵容量ＯＳＣをより限界付近まで正確に計測でき、計測精度を向上できることが試験により判明したからである。言い換えれば、従来領域Ａから本領域Ｂを除いた領域（以下「残余領域」という）で計測するよりも、本領域Ｂで計測した方が、大きな酸素吸蔵容量計測値を得られるのである。高触媒温度側の方が大きな酸素吸蔵容量計測値を得られる理由は、触媒での酸化還元反応がより活発に行われるからである。また低吸入空気量側の方が大きな酸素吸蔵容量計測値を得られる理由は、未反応で触媒を通り抜ける吹き抜けガス量が少なくなり、触媒後センサ１８の反転タイミングが遅くなるからである。
【００５０】
ところで、車両及びエンジンの運転中、これらの運転状態は時々刻々と変化しており、診断中常に診断領域に入るような運転状態を確保し続けることは実際上必ずしも容易ではない。ましてや診断領域を従来領域Ａから本領域Ｂに狭めた本実施形態の場合はなおさらである。診断領域が狭くなった結果、診断領域に入っても診断中に診断領域から外れる可能性、即ち診断途中で診断が中止される可能性が高くなっている。よって本実施形態の場合、診断領域に入った後に診断領域から外れ難いような条件を設定するのが肝要である。
【００５１】
ここで、実際の車両の運転状況において本領域Ｂに入るような状況としては次の二つが考えられる。一つは、図中矢印Ｘで示すように、エンジン運転状態が高負荷側から低負荷側に（高吸入空気量側から低吸入空気量側に）戻されるような状況である（状況Ｘという）。具体的には、車両及びエンジンが加速してある車速に達した後、加速をやめて車速を維持（クルーズ）しようとしてアクセルを緩める場合がこれに相当する。このときには加速時の燃料噴射量増大により触媒温度が比較的急速に上昇し、その後アクセルを緩めることによりスロットル開度が絞られて、吸入空気量が減少する。この状況Ｘは、経験的にも分かるように、実際の車両運転時において比較的頻繁に実現される状況である。
【００５２】
もう一つは、図中矢印Ｙで示すように、エンジン運転状態が低負荷側に比較的長時間維持されるような状況である（状況Ｙという）。具体的には、少ないアクセル開度（スロットル開度）を維持して走行し続ける場合がこれに相当する。このときには少ない吸入空気量のまま、触媒温度がゆっくりと上昇していく。この状況Ｙは前述の状況Ｘに比べると実際の車両運転時において実現され難い。
【００５３】
もし仮に後者の状況Ｙで本領域Ｂに入るのを待つこととすれば、後者の状況Ｙが起こり難いこと、また触媒温度の上昇速度が遅いことからして、診断頻度が極端に減少するであろうことが容易に理解される。また、後者の状況Ｙで本領域Ｂに入ったとしても、アクセルを小開度に維持して運転するという状況が容易に崩れることが予想される。この状況が崩れた場合、即ちアクセルを戻した場合には触媒温度が減少して本領域Ｂから容易に外れる。なぜなら元々本領域Ｂに入る際に低温側から入っているからである。他方、アクセルを踏み込んだ場合には吸入空気量が即座に増大して本領域Ｂから外れる。
【００５４】
他方、前者の状況Ｘは比較的頻繁に起こるため、診断頻度を多く確保できるであろうことが容易に理解される。また、前者の状況Ｘで本領域Ｂに入った場合、本領域Ｂからは外れ難い。なぜなら加速後にクルーズに入った段階で吸入空気量が少なく触媒温度はゆっくりと低下し、元々本領域Ｂに入る際に高温側から入っており、さらにはクルーズ状態がしばらく続くことが多いからである。従って診断条件を長く成立させ続けることが可能とある。加えて、加速からクルーズに入るまでの時間は短く、これも診断頻度の確保が容易な一つの要因である。
【００５５】
このように、前者の状況Ｘにより本領域Ｂに入ったことを条件として劣化診断を開始ないし実行すれば、診断途中で診断条件が不成立となり診断が中止されてしまうことを回避できる。このため、本実施形態では、単位時間当たりの触媒温度の変化量である触媒温度変化率に着目し、算出された触媒温度変化率が負の所定範囲にあることを条件として診断を実行することとしている。
【００５６】
図６に、状況Ｘにより本領域Ｂに入った場合の各値の変化を示す。まず初期の段階でアクセルが踏み込まれて車両が加速し、（Ａ）に示すように車速Ｖが上昇する。このとき（Ｂ）に示すように触媒温度Ｔｃは急速に上昇し、（Ｅ）に示すように吸入空気量Ｇａも急速に増大する。触媒温度Ｔｃが本領域Ｂを規定する下限しきい値Ｔｃｓに達すると（時刻ｔｘ１）、（Ｃ）に示すようにＥＣＵ２０内で仮実行フラグが立ち上がる（オンされる）。
【００５７】
（Ｄ）に示す触媒温度変化率ΔＴｃは、触媒温度Ｔｃ（本実施形態では推定値）に基づいてＥＣＵ２０によって算出され、ＥＣＵ２０における所定の演算周期とその間の触媒温度差との比として規定される。即ち、演算周期をτ、今回の触媒温度をＴｃn、前回の触媒温度をＴｃn-1とすると、触媒温度変化率ΔＴｃはΔＴｃ＝（Ｔｃn−Ｔｃn-1）／τで表される。触媒温度変化率ΔＴｃは触媒温度上昇時には正となり、触媒温度下降時には負となる。図示するように、加速中は触媒温度変化率ΔＴｃが正の値となっている。
【００５８】
次いで、アクセルが緩められて車両がクルーズ状態に入ると、（Ａ）に示すように車速Ｖがほぼ一定となり、（Ｂ）に示すように触媒温度Ｔｃは減少していく。このときの触媒温度Ｔｃの減少の仕方はゆっくりであり、触媒温度変化率ΔＴｃは比較的小さい負の値に維持されている。そして（Ｅ）に示すように吸入空気量Ｇａは減少する。図示例では吸入空気量Ｇａが減少中に本領域Ｂを規定する上限しきい値Ｇａｓに達している（時刻ｔｘ２）。
【００５９】
これから分かるように、触媒温度変化率ΔＴｃが絶対値の比較的小さい負の所定範囲にあるとき、本領域Ｂに入った要因が状況Ｘによるものと推定することができる。よって本実施形態では診断条件の一つとして、触媒温度変化率ΔＴｃが負の所定範囲にあることを条件とする。この所定範囲は、所定の上限しきい値ΔＴｃｓｈ及び下限しきい値ΔＴｃｓｌを用いてΔＴｃｓｌ＜ΔＴｃ＜ΔＴｃｓｈとして規定される（但しΔＴｃｓｈ≦０）。本実施形態ではΔＴｃｓｈ＝０に設定されている。図示例において、触媒温度変化率ΔＴｃが負の所定範囲に入った時刻がｔｘ３で示されている。
【００６０】
図７に、本実施形態の劣化診断処理を実行するためのルーチンを示す。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。
【００６１】
まずステップＳ１０１では、診断を開始するための基本条件が成立しているか否かが判断される。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、基本条件成立となる。なお基本条件についてはこの例に限られない。基本条件が成立していない場合にはルーチンが終了され、他方、基本条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進む。
【００６２】
ステップＳ１０２においては、計測ないし推定された触媒温度ＴｃがＴｃｓ＜Ｔｃ＜Ｔｃ２の範囲にあるか否か、即ち本領域Ｂの温度範囲に入っているか否かが判断される。当該範囲になければルーチンが終了され、当該範囲にあればステップＳ１０３に進んで仮実行フラグがオンされる。
【００６３】
次に、ステップＳ１０４において、吸入空気量ＧａがＧａｓ＜Ｇａ＜Ｇａ２の範囲にあり、且つ、触媒温度変化率ΔＴｃがΔＴｃｓｌ＜ΔＴｃ＜ΔＴｃｓｈの範囲にあるか否かが判断される。即ち、触媒温度Ｔｃに加えて吸入空気量Ｇａも本領域Ｂの範囲に入っており、その上で触媒温度変化率ΔＴｃが負の所定範囲に入っている、つまり触媒温度Ｔｃがゆっくりと減少中であるか否かが判断される。
【００６４】
当該条件を満たさない場合にはルーチンが終了され、他方、当該条件を満たす場合にはステップＳ１０５に進んで前述のような触媒劣化診断（アクティブ空燃比制御、酸素吸蔵容量計測及び劣化判定）が実行され、ルーチンが終了される。
【００６５】
次に、図８に別の劣化診断処理ルーチンを示す。このルーチンは前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同様のステップＳ２０１〜Ｓ２０５に加え、以下の如きステップＳ２０６，Ｓ２０７が追加されている。
【００６６】
ステップＳ２０５を終えるとステップＳ２０６に進み、フューエルカット（Ｆ／Ｃ）要求があったか否かが判断される。即ち、ステップＳ２０５における触媒劣化診断の実行中に、ＥＣＵ２０内部でフューエルカット要求信号の発生があったか否かがステップＳ２０６にて判断される。
【００６７】
本実施形態では、所定のフューエルカット条件が成立したときにＥＣＵ２０内部においてフューエルカット要求信号が発生し、通常、これと同時に燃料噴射を停止するフューエルカットがＥＣＵ２０によって実行される。フューエルカット条件とは例えば１）アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度Ａｃが全閉とみなせる所定開度であること、及び２）クランク角センサ１４の出力に基づき検出された機関回転速度Ｎｅが所定のアイドル速度より若干高い所定速度Ｎｅｆｃ以上であること、の二条件を満たすことである。
【００６８】
フューエルカット要求信号が発生すると通常直ちにフューエルカットが実行されるが、フューエルカット中には触媒１１に空気が供給されるため、診断を実行するのは適当ではない。よってステップＳ２０６においてフューエルカット要求信号が発生したと判断された場合には、ステップＳ２０７で触媒劣化診断が中止される。これにより誤った診断結果が出るのを防止し、診断精度を確保できる。他方、ステップＳ２０６においてフューエルカット要求信号が発生したと判断されない場合にはルーチンが終了される。
【００６９】
次に、図９にさらに別の劣化診断処理ルーチンを示す。このルーチンは前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同様のステップＳ３０１〜Ｓ３０５に加え、以下の如きステップＳ３０６，Ｓ３０７が追加されている。
【００７０】
ステップＳ３０５を終えるとステップＳ３０６に進み、前記ステップＳ２０６同様、フューエルカット要求があったか否か、即ちフューエルカット要求信号の発生があったか否かが判断される。
【００７１】
フューエルカット要求信号が発生したと判断された場合、ステップＳ３０７にてフューエルカットが禁止される。即ち、通常時にはフューエルカット要求信号が発生すると即フューエルカットが実行されるが、触媒劣化診断の実行中にフューエルカット要求信号が発生したときにはフューエルカットの実行が禁止され、触媒劣化診断が続行される。これによりフューエルカットの実行と同時に触媒劣化診断が実行されてしまうのを確実に防止し、診断精度を確保できる。なお、ステップＳ３０６においてフューエルカット要求信号が発生したと判断されない場合にはルーチンが終了される。
【００７２】
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は任意であり、例えば車両用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。触媒後センサに触媒前センサと同様の広域空燃比センサを用いてもよいし、触媒前センサに触媒後センサと同様のＯ2センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサやＯ2センサを含め、広く、排気空燃比を検出するセンサを空燃比センサということとする。
【００７３】
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】
【００７４】
【図１】本発明の一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、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。
【図５】診断領域を示すグラフである。
【図６】状況Ｘにより本領域Ｂに入った場合の各値の変化を示すタイムチャートである。
【図７】本実施形態の劣化診断処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】本実施形態の別の劣化診断処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本実施形態のさらに別の劣化診断処理ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
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
１５  アクセル開度センサ
１７  触媒前センサ
１８  触媒後センサ
２０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｔｃ  触媒温度
ΔＴｃ  触媒温度変化率
Ｇａ  吸入空気量
【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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【図９】
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