JP2002364428A

JP2002364428A - 触媒劣化判定装置

Info

Publication number: JP2002364428A
Application number: JP2001166962A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kuze; 泰広久世; Yutaka Sawada; 裕沢田; Toshinari Nagai; 俊成永井; Takahiro Uchida; 孝宏内田; Akihiro Katayama; 章弘片山; Naoto Kato; 直人加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて、排気
浄化触媒の劣化を正確に検出することのできる触媒劣化
検出装置を提供。【解決手段】本発明の触媒劣化検出装置は、酸素吸蔵
作用を有する排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量に基づいて
触媒２０の劣化を検出するものである。この装置は、空
燃比制御手段１８ｂと、触媒２０の酸素吸蔵量を推定す
る吸蔵量推定手段１８ａと、触媒下流側の排気空燃比を
検出する下流側空燃比検出手段２５と、推定された酸素
吸蔵量及び検出された排気空燃比に基づいて触媒２０の
劣化を判定する触媒劣化判定手段１８ｃとを備えてい
る。この装置によれば、触媒劣化判定手段１８ｃによっ
て触媒２０の劣化を検出する直前に、触媒２０に流入す
る排気ガスの排気空燃比がリッチ側とリーン側とに交互
に振動するように空燃比制御手段１８ｂによって空燃比
を制御するので、正確な劣化検出を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気浄化触媒の劣
化状況を検出する触媒劣化検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物NO
x、一酸化炭素CO、炭化水素HCなどの有害物質は、排気
通路上に配設された三元触媒によって浄化されている
（ディーゼルエンジンでは、上述した有害物質に加えて
粒子状物質も浄化する四元触媒も用いられる）。この触
媒の酸素吸蔵作用に着目して有害物質の浄化率をより一
層向上させるために、この酸素吸蔵作用を効果的に利用
した空燃比制御が従来から検討されている。また、この
際に酸素吸蔵量が推定されるが、この推定した酸素吸蔵
量を用いて排気浄化触媒の劣化（検出）を判定すること
も行われている（特開平5-133264号公報など）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づく触媒劣化検出を
より一層正確に行うべく更なる改良研究を進め、本発明
を創出するに至った。即ち、本発明の目的は、排気浄化
触媒の酸素吸蔵量に基づいて、排気浄化触媒の劣化を正
確に検出することのできる触媒劣化検出装置を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】第一発明の触媒劣化検出
装置は、内燃機関の排気通路に配設された酸素吸蔵作用
を有する排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて、排気浄
化触媒の劣化を検出するもので、空燃比を制御する空燃
比制御手段と、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素吸蔵
量を推定する吸蔵量推定手段と、排気浄化触媒の下流側
の排気空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、吸蔵
量推定手段によって推定された酸素吸蔵量及び下流側空
燃比検出手段によって検出された排気空燃比に基づいて
排気浄化触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段とを備
え、触媒劣化判定手段によって排気浄化触媒の劣化を検
出する直前に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気
空燃比がリッチ側とリーン側とに交互に振動するよう
に、空燃比制御手段が空燃比を制御することを特徴とし
ている。

【０００５】本発明によれば、劣化検出手段によって劣
化検出を行う直前に、主として排気浄化触媒の触媒反応
（酸化還元反応）や酸素吸脱反応を積極的に行わせるた
めに、排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気空燃比が
振動するように空燃比制御を行う。排気浄化触媒は、そ
の性質上、定常状態に維持されるよりも活発に反応をし
ている方がその浄化性能や酸素吸蔵性能が十分に発揮さ
れる。このため、上述したように排気空燃比を振動させ
る空燃比制御を行って、排気浄化触媒に活発な反応を行
わせる（以下、これを、活性化する、とも言うこととす
る）。この結果、性能を十分に発揮させた状態で劣化判
定を行うことができ、正確な判定を行うことができるよ
うになる。

【０００６】また、第二発明の触媒劣化検出装置は、内
燃機関の排気通路に配設された酸素吸蔵作用を有する排
気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて、排気浄化触媒の劣
化を検出するもので、排気ガスの温度を強制的に昇温さ
せる排ガス昇温手段と、排気浄化触媒に吸蔵されている
酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、排気浄化触媒
の下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比検出手段
と、吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量及び
下流側空燃比検出手段によって検出された排気空燃比に
基づいて排気浄化触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手
段とを備え、触媒劣化判定手段によって排気浄化触媒の
劣化を検出する直前に、排ガス昇温手段が排ガス昇温処
理を行うことを特徴としている。

【０００７】本発明によれば、劣化検出手段によって劣
化検出を行う直前に、主として排気浄化触媒（NOx吸蔵
還元型触媒）に蓄積された硫黄成分などを排気浄化触媒
から離脱させるために、排気ガスの温度を強制的に昇温
させる。NOx吸蔵還元型触媒は、その性質上、硫黄成分
を酸化物として非常に安定的に吸蔵してしまい、本来の
目的であるNOxの吸蔵量が低下してしまうことがあった
（以下、この状況をSOx被毒という）。また、SOx被毒が
生じていると、触媒の貴金属やCeと化合物を作り、触媒
自体の能力が低下してしまう。

【０００８】このため、上述したように強制的な排ガス
昇温制御を行って、安定的に吸蔵されてしまっているSO
xを離脱させてNOxの吸蔵還元反応を十分に行い得る状態
に戻す（以下、これについても、活性化する、と言うこ
ととする）。この結果、性能を十分に発揮させた状態で
劣化判定を行うことができ、正確な判定を行うことがで
きるようになる。

【０００９】なお、排ガス昇温処理を行うことによっ
て、排気浄化触媒の酸化還元反応を促進することもでき
る。このため、第二発明の劣化検出装置は、上述した第
一発明で説明した効果も併有するものである。即ち、第
二発明は、排気浄化触媒がNOx吸蔵還元型触媒でなくて
も有効なものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】第一発明の劣化検出装置の実施形
態について、図面を参照しつつ以下に説明する。図１
に、本実施形態の劣化検出装置を有する内燃機関の構成
図を示す。

【００１１】本実施形態の空燃比制御装置は、内燃機関
であるエンジン１の空燃比を制御するものである。エン
ジン１は、図１に示されるように、点火プラグ２によっ
て各シリンダ３内の混合気に対して点火を行うことによ
って駆動力を発生する。エンジン１の燃焼に際して、外
部から吸入した空気は吸気通路４を通り、インジェクタ
５から噴射された燃料と混合され、混合気としてシリン
ダ３内に吸気される。シリンダ３の内部と吸気通路４と
の間は、吸気バルブ６によって開閉される。シリンダ３
の内部で燃焼された混合気は、排気ガスとして排気通路
７に排気される。シリンダ３の内部と排気通路７との間
は、排気バルブ８によって開閉される。

【００１２】吸気通路４上には、シリンダ３内に吸入さ
れる吸入空気量Gaを調節するスロットルバルブ９が配設
されている。このスロットルバルブ９には、その開度を
検出するスロットルポジションセンサ１０が接続されて
いる。また、吸気通路４上には、アイドル時（スロット
ルバルブ９の全閉時）にバイパス通路１１を介してシリ
ンダ３に供給される吸入空気量Gaを調節するエアバイパ
スバルブ１２も配されている。さらに、吸気通路４上に
は、吸入空気量Gaを検出するためのエアフローメーター
１３も取り付けられている。エアフローメーター１３
は、吸入空気の温度を検出する吸気温センサとしても機
能する。

【００１３】エンジン１のクランクシャフト近傍には、
クランクシャフトの位置を検出するクランクポジション
センサ１４が取り付けられている。クランクポジション
センサ１４の出力からは、シリンダ３内のピストン１５
の位置や、エンジン回転数NEを求めることもできる。ま
た、エンジン１には、エンジン１のノッキングを検出す
るノックセンサ１６や冷却水温度を検出する水温センサ
１７も取り付けられている。

【００１４】これらの点火プラグ２、インジェクタ５、
スロットルポジションセンサ１０、エアバイパスバルブ
１２、エアフローメーター１３、クランクポジションセ
ンサ１４、ノックセンサ１６、水温センサ１７やその他
のセンサ類は、エンジン１を総合的に制御する電子制御
ユニット（ＥＣＵ）１８と接続されており、ＥＣＵ１８
からの信号に基づいて制御され、あるいは、検出結果を
ＥＣＵ１８に対して送出している。ＥＣＵ１８には、ア
クセル開度を検出するアクセルポジションセンサ１９
や、排気通路７上に配設された三元触媒２０の温度を測
定する触媒温度検出手段としての触媒温度センサ２１、
チャコールキャニスタ２２によって捕集された燃料タン
ク内での蒸発燃料を吸気通路４上にパージさせるパージ
コントロールバルブ２３も接続されている。

【００１５】また、ＥＣＵ１８には、三元触媒２０の上
流側に取り付けられた上流側空燃比センサ２４及び、三
元触媒２０の下流側に取り付けられた下流側空燃比セン
サ２５も接続されている。上流側空燃比センサ２４は、
三元触媒２０の上流側空燃比を検出する上流側の空燃比
検出手段として機能し、下流側空燃比センサ２５は、三
元触媒２０の下流側空燃比を検出する下流側の空燃比検
出手段として機能する。本実施形態においては、これら
の空燃比センサ２４，２５は、それぞれの取付位置にお
ける排気ガス中の酸素濃度から排気空燃比を検出するＯ
₂センサ（酸素センサ）である。なお、これらの空燃比
センサ２４，２５は、所定の温度（活性化温度）以上と
ならなければ正確な検出を行えないため、早期に活性化
温度に昇温されるように、ＥＣＵ１８から供給される電
力によって昇温される。

【００１６】さらに、ＥＣＵ１８は、内部に演算を行う
ＣＰＵや演算結果などの各種情報量を記憶するＲＡＭや
バッテリによってその記憶内容が保持されるバックアッ
プＲＡＭ等を有している。そして、これらによって、Ｅ
ＣＵ１８の内部には、三元触媒２０に吸蔵されていると
推定される酸素吸蔵量O2SUMを算出する吸蔵量算出部１
８ａや、インジェクタ５によって噴射する燃料噴射量を
算出する燃料算出部１８ｂ、酸素吸蔵量O2SUMの履歴か
ら三元触媒２０の劣化を判定する触媒劣化判定部１８ｃ
が構築されていると言える。なお、吸蔵量算出部１８ａ
は、酸素吸蔵量O2SUMの上限値O2SUMmax及び下限値O2SUM
minを記憶しておく上下限値記憶部としても機能する。
即ち、ＥＣＵ１８は、三元触媒２０に吸蔵されている酸
素量を酸素吸蔵量O2SUMとして推定する吸蔵量推定手段
や、三元触媒２０の劣化を判定する劣化判定手段として
機能する。

【００１７】以下に、酸素吸蔵量推定とそれを用いた触
媒劣化検出とについて簡単に説明する。

【００１８】まず、酸素吸蔵作用について簡単に説明す
る。排気浄化触媒として用いられる三元触媒は、セリア
(CeO₂)等の成分を有し、排気ガス中の酸素を吸蔵・放出
する性質を有している。酸素吸蔵作用を利用することに
よって、入ガスの排気空燃比がリーンの時は、排気ガス
中の酸素を排気浄化触媒で吸蔵して還元雰囲気寄りの状
態を形成させ、余剰の窒素酸化物NOxの還元（排気ガス
浄化）を促進することができる。一方、入ガスの排気空
燃比がリッチの時は、吸蔵しておいた酸素を放出して、
余剰の一酸化炭素COや炭化水素HCを酸化して排気ガス浄
化を促進させることができる。このように、酸素を吸蔵
・放出する性質を利用して、排気ガスの浄化率を向上さ
せることができる。

【００１９】このとき、上述したように、三元触媒がそ
の酸素吸蔵能力の限界まで酸素を吸蔵していれば、入ガ
スの排気空燃比がリーンとなったときに酸素を吸蔵する
ことができなくなり、排気ガス中の窒素酸化物NOxを充
分に浄化できなくなる。一方、三元触媒が酸素を放出し
きって酸素を全く吸蔵していなければ、入ガスの排気空
燃比がリッチとなったときに酸素を放出することができ
ないので、排気ガス中の一酸化炭素COや炭化水素HCを充
分に浄化できなくなる。このため、入ガスの排気空燃比
がリーンとなってもリッチとなっても対応できるように
酸素吸蔵量の目標値を設定し、酸素吸蔵量がこの目標値
となるように制御する。この制御では、こで、三元触媒
が吸蔵している酸素吸蔵量を推定すると共に、この推定
された酸素吸蔵量の履歴を用いて酸素吸蔵能力（酸素吸
蔵可能量）も推定している。酸素吸蔵能力は三元触媒の
状態（温度や劣化状態など）によって変化するので、こ
こでは、これを利用して排気浄化触媒２０の劣化を判定
する。

【００２０】排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定に関
する、各制御量の時間的変化の例を図２に示す。酸素吸
蔵量O2SUMは、上流側空燃比センサ２４によって検出さ
れる三元触媒２０の上流側の排気空燃比AFと理論空燃比
AFstとの差ΔAF=(AF-AFst)から、三元触媒２０に吸蔵さ
れる、あるいは、三元触媒２０から放出される酸素の吸
蔵・放出量O2ADを推定し、これを積算していくことによ
って得られる。ここでは、吸蔵・放出量O2ADが正の値の
時は酸素が三元触媒２０に吸蔵され、負の値の時は酸素
が放出されるものとする。まず、酸素吸蔵量O2SUMの算
出について、図３に示されるフローチャートに基づいて
説明する。

【００２１】なお、本実施形態においては、酸素吸蔵量
O2SUMは、ある時点（例えばイグニションオン時）を基
準（O2SUM=0）として算出される。即ち、酸素吸蔵量O2S
UMは、三元触媒２０に酸素が吸蔵される場合は加算さ
れ、放出される場合は減算される。上述したある時点で
三元触媒２０が既に酸素を吸蔵している場合もあるの
で、酸素吸蔵量O2SUMは正の値だけでなく、負の値も取
り得る。

【００２２】まず、上流側空燃比センサ２４によって三
元触媒２０への入ガスの排気空燃比AFを検出し、この排
気空燃比AFと理論空燃比AFstとの差ΔAF=(AF-AFst)をＥ
ＣＵ１８において求める。一方、エアフローメーター１
３によって吸入空気量Gaを検出し、この吸入空気量Gaと
空燃比差ΔAFとから、三元触媒２０に吸蔵・放出される
酸素の吸蔵・放出量O2ADを算出する（ステップ１０
０）。この吸蔵・放出量O2ADの算出は、ＥＣＵ１８内の
マップから求めても良いし、ＥＣＵ１８に記憶させた計
算式を用いて算出しても良い。

【００２３】ステップ１００の後、下流側排気空燃比の
リーンフラグXleanがオンで、かつ、算出した吸蔵・放
出量O2ADが正の値であるか否かを判定する（ステップ１
１０）。なお、下流側排気空燃比のリーンフラグXlean
及びリッチフラグXrichについては追って詳述するが、
リーンフラグXlean及びリッチフラグXrichは、三元触媒
２０の下流側の排気空燃比がリーンの時はリーンフラグ
Xleanがオンとされ、リッチの時はリッチフラグXrichが
オンとされるものである。

【００２４】ステップ１１０において、下流側排気空燃
比のリーンフラグXleanがオンということは、三元触媒
２０からの出ガスの排気空燃比がリーンで酸素量が余剰
であるということである。また、吸蔵・放出量O2ADが正
の値であるということは、三元触媒２０への入ガスに
は、吸蔵し得る酸素が含まれている状態であると言え
る。従って、ステップ１１０が肯定される場合は、三元
触媒２０への入ガスには吸蔵し得る酸素が含まれている
にもかかわらず、三元触媒２０は既に限界まで酸素を吸
蔵しており、それ以上酸素を吸蔵できない状態である。

【００２５】このため、ステップ１１０が肯定される場
合は、そのままこのルーチンを終了し、三元触媒２０の
酸素吸蔵量O2SUMを更新しない。ステップ１１０が肯定
されているときに酸素吸蔵量O2SUMを更新してしまう
と、実際には吸蔵できない酸素を吸蔵したとしてしまう
ので、このように酸素吸蔵量O2SUMの更新を禁止する。
ステップ１１０が否定される場合は、今度は、下流側排
気空燃比のリッチフラグXrichがオンで、かつ、算出し
た吸蔵・放出量O2ADが負の値であるか否かを判定する
（ステップ１２０）。

【００２６】下流側排気空燃比のリッチフラグXrichが
オンということは、三元触媒２０からの出ガスの排気空
燃比がリッチで酸素量が不足している状態ということで
ある。また、吸蔵・放出量O2ADが負の値であるというこ
とは、三元触媒２０への入ガスの排気空燃比がリッチで
あり三元触媒２０が吸蔵している酸素を放出させて排気
ガスを浄化すべき状態であると言える。従って、ステッ
プ１２０が肯定される場合は、三元触媒２０への入ガス
は三元触媒２０から放出される酸素によって浄化される
状態であるにもかかわらず、三元触媒２０は既に酸素を
放出しきっており、それ以上酸素を放出することができ
ない状態である。

【００２７】このため、ステップ１２０が肯定される場
合は、それ以上、三元触媒２０の酸素吸蔵量O2SUMを更
新しない。ステップ１２０が肯定されているときに酸素
吸蔵量O2SUMを更新してしまうと、実際には放出できな
い酸素を放出したとしてしまうので、このように酸素吸
蔵量O2SUMの更新を禁止する。ステップ１２０も否定さ
れた場合は、上述したように、入ガス中に吸蔵できる酸
素があるのに酸素を吸蔵しきっている状態や酸素を放出
すべきであるのに酸素を放出しきっている状態ではない
ので、算出された吸蔵・放出量O2ADを用いて酸素吸蔵量
O2SUMを更新する（ステップ１３０）。

【００２８】このように、酸素吸蔵量O2SUMを吸蔵・放
出量O2ADを用いて更新する（ステップ１１０又はステッ
プ１２０が肯定される場合は更新は禁止されるが）こと
によって、三元触媒２０に吸蔵されている酸素量を常に
正確に推定することができる。このようにして生成され
た酸素吸蔵量O2SUMの履歴が、図２のタイミングチャー
トの上段に示されている。逐次更新される酸素吸蔵量O2
SUMは、ＥＣＵ１８の吸蔵量算出部１８ａに記憶され
る。

【００２９】次いで、酸素吸蔵量O2SUMの上限値O2SUMma
x及び下限値O2SUMminの算出について、図４に示すフロ
ーチャートに基づいて説明する。

【００３０】なお、上述したように酸素吸蔵量O2SUMが
ある時点を基準としているため、本実施形態において
は、上限値O2SUMmax及び下限値O2SUMminもこの時点を基
準とする。即ち、酸素吸蔵量O2SUMの基準（O2SUM=0）が
規定される時点では、O2SUMmax=O2SUMmin=0である。

【００３１】まず、図２のタイミングチャート中の下段
に示されるように、下流側空燃比センサ２５の出力電圧
VO2が、予め定められたリーン側閥値Vlean（ここでは、
具体的には0.3V）未満であるか否かを判定する（ステッ
プ２００）。出力電圧VO2がリーン側閥値Vlean未満であ
るということは、三元触媒２０がその酸素吸蔵能力の限
界まで酸素を吸蔵しているので、それ以上吸蔵すること
ができない状態であると考えられる。このため、ステッ
プ２００が肯定される場合は、酸素吸蔵量O2SUMが上限
に達しているとして、その時点の酸素吸蔵量O2SUMを上
限値O2SUMmaxとしてＥＣＵ１８内の吸蔵量算出部１８ａ
に記憶する。また、三元触媒２０の下流側排気空燃比の
状態を示すフラグについては、リーンフラグXleanをオ
ンにセットし、リッチフラグXrichをオフにセットする
（ステップ２１０）。

【００３２】ステップ２００が否定される場合は、下流
側空燃比センサ２５の出力電圧VO2が、予め定められた
リッチ側閥値Vrich（ここでは、具体的には0.7V）を超
えているか否かを判定する（ステップ２２０）。出力電
圧VO2がリッチ側閥値Vrichを超えているということは、
三元触媒２０が酸素を吸蔵しておらず、それ以上酸素を
放出できない状態であると考えられる。このため、ステ
ップ２２０が肯定される場合は、酸素吸蔵量O2SUMが下
限に達しているとして、その時点の酸素吸蔵量O2SUMを
下限値O2SUMminとしてＥＣＵ１８内の吸蔵量算出部１８
ａに記憶する。また、三元触媒２０の下流側排気空燃比
の状態を示すフラグについては、リーンフラグXleanを
オフにセットし、リッチフラグXrichをオンにセットす
る（ステップ２３０）。

【００３３】ステップ２２０が否定される場合は、下流
側空燃比センサ２５の出力電圧VO2が、リーン側閥値Vle
anとリッチ側閥値Vrichとの間にある（Vlean≦VO2≦Vri
ch）ので、三元触媒２０からの出ガスの排気空燃比はリ
ーンでもリッチでもなく、理論空燃比近傍にあるとみな
せる。この場合は、リーンフラグXlean・リッチフラグX
rich共オフにする（ステップ２４０）。

【００３４】上述したように、酸素吸蔵量O2SUMの履歴
が逐次更新され、この履歴と下流側空燃比センサ２５の
出力とから上限値O2SUMmax及び下限値O2SUMminが更新さ
れていく。このため、上限値O2SUMmaxと下限値O2SUMmin
との差(O2SUMmax-O2SUMmin)をとれば、三元触媒２０の
吸蔵し得る最大限の酸素量（酸素吸蔵能力）を得ること
ができる。そして、三元触媒２０の酸素吸蔵量力(O2SUM
max-O2SUMmin)は、三元触媒２０の状態（温度や劣化状
態など）に依存して変動するが、上限値O2SUMmax及び下
限値O2SUMminが常に更新されるので、常に最適な値に維
持される。そして、この上限値O2SUMmaxと下限値O2SUMm
inとの差(O2SUMmax-O2SUMmin)を算出するＥＣＵ１８
は、酸素吸蔵能力を推定する吸蔵能力推定手段としても
機能している。

【００３５】なお、ここでは、上述した上限値O2SUMmax
及び下限値O2SUMminから酸素吸蔵量O2SUMの目標値O2SUM
ref=(O2SUMmax+O2SUMmin)/2を設定し、この目標値O2SUM
refから燃料噴射量の補正係数KAFをＥＣＵ８内に保存さ
れたマップに基づいて決定し、空燃比制御に適用する。
具体的には、実際にインジェクタ５によって噴射される
燃料噴射量（あるいは、燃料噴射のためのインジェクタ
５の開弁時間）TAUに対して次式のように補正をするこ
とになる。TAU=TAUP×KAF×α+β

【００３６】ここで、TAUPは、吸入空気量Gaとエンジン
回転数NEとから求められる基本燃料噴射量である。この
基本燃料噴射量TAUPを上述した補正係数KAFやその他の
各種補正係数α，βで補正することによって、最終的な
燃料噴射量TAUが決定される。上述した補正係数α，β
の一例としては、空燃比フィードバック係数FAFがよく
知られている。この燃料噴射量TAUを制御することによ
ってエンジン１の吸入空燃比が制御される。ここでは、
ＥＣＵ１８は吸入空燃比を制御する吸入空燃比制御手段
としても機能している。なお、上述した補正係数KAF以
外の各種補正係数α，βについての詳しい説明は省略す
る。このように補正係数KAFを用いて燃料噴射量を補正
することによって、三元触媒２０の酸素吸蔵量O2SUMが
目標値O2SUMrefとなるようにフィードバック制御が行わ
れる。

【００３７】次に、触媒劣化検出について説明する。三
元触媒２０の酸素吸蔵能力は、劣化するにつれて少なく
なる。そこで、酸素吸蔵能力と三元触媒２０の劣化度合
いとの間の相関関係をあらかじめＥＣＵ１８内にマップ
として記憶させておき、上述したように算出される酸素
吸蔵能力がどの程度劣化しているかどうかを検出する。
単純に、ある所定の閾値を決定しておき、算出した酸素
吸蔵能力がこの閾値以下となったら三元触媒２０が劣化
していると判断してもよい。また、劣化度合いを数段階
に分け、どの程度劣化が進んでいるかを判定してもよ
い。

【００３８】あるいは、酸素吸蔵能力は、その時点での
三元触媒２０の温度によっても変動し得るので（温度が
高いほど酸素吸蔵能力は大きくなる傾向がある）、上述
したマップに、三元触媒２０の温度に関する条件も加味
していてもよい。そうすれば、温度センサ２１によって
算出した三元触媒２０の温度と算出された酸素吸蔵能力
とに基づいて、三元触媒２０の劣化を判定してもよい。
このようにして、三元触媒２０の劣化を検出することが
できる。

【００３９】そして、本実施形態においては、触媒劣化
検出の直前に、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの
排気空燃比がリッチ側とリーン側とに交互に振動するよ
うな空燃比を行う。排気浄化触媒２０に流入する排気ガ
スの排気空燃比は、上流側空燃比センサによって検出で
きる。本実施形態の場合は、この空燃比振動制御時に
は、上述した酸素吸蔵量O2SUMの目標値O2SUMrefによる
制御は一時停止する。空燃比振動制御のパラメータとし
ては、空燃比がリッチ側（リーン側）にいる時間（振動
波長）あるいは振動周波数、どの程度リッチ（リーン）
な空燃比とするか（いわゆる深さ、振動振幅）等があ
る。

【００４０】図５に本制御のフローチャートを示す。ま
ず、特定気筒の空燃比を振動制御する（ステップ１
０）。このように特定気筒の空燃比のみを振動させて排
気浄化触媒２０の流入する排気ガスの排気空燃比を振動
させることによって、エンジン１の出力を通常の運転状
態から大きく乖離しないようにできる。特定気筒以外の
気筒は、通常の燃焼を行うからである。このため、エン
ジン１の出力変動を抑止し、ドライバビリティの悪化な
どを回避できるので好ましい。

【００４１】次に、空燃比の振動制御によって排気浄化
触媒が活性化したか否かを判定する（ステップ２０）。
判定の手法は種々ある。ここでは、温度センサ２１の検
出結果や、空燃比センサ２４，２５の出力信号、推定さ
れている酸素吸蔵量O2SUMや酸素吸蔵能力から総合的に
判定している。ステップ２０が肯定される場合は、酸素
吸蔵能力を検出（推定）する（ステップ３０）。一方、
ステップ２０が否定されるようであれば、再びステップ
１０に戻り、ステップ２０が肯定されるまでループす
る。

【００４２】ステップ３０では、成り行きで酸素吸蔵能
力を推定してもよいし、積極的に酸素吸蔵量O2SUM（図
２参照）を上限（酸素吸蔵）側と下限（酸素放出）側と
にふって、より早期に酸素吸蔵能力(O2SUMmax-O2SUMmi
n)を検出（推定）するようにしてもよい。その後、検出
した酸素吸蔵量O2SUMの履歴から得られる酸素吸蔵能力
に基づいて、上述したように排気浄化触媒２０の劣化を
判定する（ステップ４０）。

【００４３】このように、劣化検出を行う直前に、排気
浄化触媒２０に流入する排気ガスの排気空燃比が振動す
るような空燃比制御を行うことによって、排気浄化触媒
２０の触媒反応（酸化還元反応）や酸素吸脱反応を積極
的に行わせる（活性化する）。排気浄化触媒２０は、そ
の性質上、定常状態に維持されるよりも活発に反応をし
ている方がその浄化性能や酸素吸蔵性能が十分に発揮さ
れるので、上述した活性化を行うことによって、性能を
十分に発揮させた状態で劣化判定を行うことができ、正
確な判定を行うことができるようになる。

【００４４】なお、排気浄化触媒２０がNOx吸蔵還元触
媒であるような場合は、上述した空燃比振動制御によっ
て触媒反応が活発に行われるようになり、排気浄化触媒
２０の温度が上昇するという側面もある。この結果、SO
x被毒の解消にも寄与するという効果も期待できる。

【００４５】次に、第二発明の実施形態について説明す
る。ただし、本実施形態の劣化検出装置（及びそれを有
する内燃機関）の構成や、酸素吸蔵量推定の基本的な部
分は上述した第一発明の実施形態と同様であるため、こ
れらについては省略する。第二発明の本実施形態も、上
述した図１の内燃機関と同様の構成を有しており、同一
または同等の構成部分については同一の符号を付して説
明する。ただし、排気浄化触媒２０はNOx吸蔵還元型触
媒である。また、酸素吸蔵量及び酸素吸蔵能力の推定
は、図２〜図４に基づいて説明したものと同様である。
触媒劣化判定については、基本的な手法は第一発明の実
施形態と同様である。しかし、劣化判定直前に空燃比振
動制御は行わず、その代わりに排ガス昇温処理が行われ
る。

【００４６】排ガス昇温処理について説明する。本実施
形態においては、触媒劣化検出の直前に、排気浄化触媒
（NOx吸蔵還元型触媒）２０に流入する排気ガスの温度
を強制的に昇温させる。本実施形態の場合は、この空燃
比振動制御時には、上述した酸素吸蔵量O2SUMの目標値O
2SUMrefによる制御は一時停止する。排気ガスの温度を
昇温させるには、いわゆるリッチスパイク制御や点火時
期の遅角によって実現できる。

【００４７】リッチスパイク制御は、吸入空燃比がごく
短期間だけリッチとなるように空燃比制御を行うもので
ある。これによって、リッチ運転によって排気ガスの温
度が上昇し、SOxの分解が促進されてSOx被毒が解消され
る。また、リッチスパイク制御によって排気浄化触媒２
０に流入する排気ガスの排気空燃比もリッチになる場合
は、このリッチな排気ガスがSOxの分解を促進するとい
う側面もある。

【００４８】あるいは、点火時期を遅角することによっ
ても排気ガスの温度を上昇させることができる。このと
き、点火時期を制御するＥＣＵ８が点火時期制御手段と
して機能する。点火時期を遅角すると、出力トルクが低
下し、ドライバビリティが低下する場合がある。このよ
うな場合は、吸入空気量を増大させて遅角によって低下
する分のトルク補償する。このようにすれば、ドライバ
ビリティの悪化を回避できる。なお、本実施形態では、
このような制御を行えるように、スロットルバルブ９が
電子制御式になっている。

【００４９】図６に本制御のフローチャートを示す。ま
ず、上述した手法などによって排気浄化触媒２０に流入
する排気ガスを昇温させる（ステップ５０）。次いで、
排気ガスの温度を温度センサ２１などによって検出する
（ステップ６０）。温度センサ２１が設置されないよう
な場合は、吸入空気量や燃料噴射量に基づいて推定して
もよい。その後、所定の高温条件を満足しているか、さ
らに、その高温条件が所定時間経過しているか否か（即
ち、排気浄化触媒２０が活性化していると判断できるか
否か）を判定する（ステップ７０）。

【００５０】ステップ７０が肯定される場合は、酸素吸
蔵能力を検出（推定）する（ステップ８０）。一方、ス
テップ７０が否定されるようであれば、再びステップ５
０に戻り、ステップ７０が肯定されるまでループする。
ステップ８０での検出は、上述した図５のフローチャー
トにおけるステップ３０と同様である。成り行きで酸素
吸蔵能力を推定してもよいし、積極的に酸素吸蔵量を変
動させてより早期に酸素吸蔵能力を検出するようにして
もよい。その後、検出した酸素吸蔵量O2SUMの履歴から
得られる酸素吸蔵能力に基づいて、上述したように排気
浄化触媒２０の劣化を判定する（ステップ９０）。

【００５１】上述したように、劣化検出を行う直前に、
排気ガスの温度を強制的に昇温させることによって、排
気浄化触媒（NOx吸蔵還元型触媒）２０のSOx被毒を解消
する。排気浄化触媒（NOx吸蔵還元型触媒）２０は、そ
の性質上、硫黄成分を酸化物として非常に安定的に吸蔵
してしまい、本来の目的であるNOxの吸蔵量が低下して
しまうSOx被毒を生じることがあり、安定的に吸蔵され
てしまっているSOxを排気浄化触媒２０から離脱させる
ために上述した強制的な排ガス昇温制御を行ってSOxを
離脱させ、NOxの吸蔵還元反応を十分に行い得る状態に
戻す（活性化する）。この結果、性能を十分に発揮させ
た状態で劣化判定を行うことができ、正確な判定を行う
ことができるようになる。

【００５２】本発明の空燃比制御装置は、上述した実施
形態のものに限定されない。例えば、上述した実施形態
においては、ある時点での酸素吸蔵量O2SUMを基準(O2SU
M=0)に対して酸素吸蔵量O2SUMの履歴を更新した。この
ため、酸素吸蔵量O2SUMは、正の値も負の値も取り得る
ものであった。しかし、三元触媒２０が酸素を放出しき
った状態を検出して、この点を基準(O2SUM=0)にしても
よい。この場合は、酸素吸蔵量O2SUMは正の値のみをと
ることになり、上限値O2SUMmaxのみが設定されることに
なる。このように、上限値O2SUMmaxと下限値O2SUMminと
で制御せずに、上限値O2SUMmax側のみで制御することも
考え得る。

【００５３】また、上述した実施形態においては、上流
側空燃比センサ２４の出力から酸素吸蔵量O2SUMを更新
したが、これに限定されるものではない。例えば、吸入
空気量Gaと燃料噴射量TAUとから三元触媒２０の酸素吸
蔵量O2SUMを更新するなど、他の手法によってもよい。

【００５４】

【発明の効果】第一発明の触媒劣化検出装置は、酸素吸
蔵作用を有する排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて触
媒の劣化を検出するもので、空燃比制御手段と、触媒の
酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、触媒下流側の
排気空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、推定さ
れた酸素吸蔵量及び検出された排気空燃比に基づいて触
媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段とを備えている。
そして、触媒劣化判定手段によって触媒の劣化を検出す
る直前に、触媒に流入する排気ガスの排気空燃比がリッ
チ側とリーン側とに交互に振動するように空燃比制御手
段によって空燃比を制御する。この結果、性能を十分に
発揮させた状態で劣化判定を行うことができ、正確な劣
化検出を行うことができる。

【００５５】第二発明の触媒劣化検出装置は、酸素吸蔵
作用を有する排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて触媒
の劣化を検出するもので、排ガス昇温手段と、触媒の酸
素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、触媒下流側の排
気空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、推定され
た酸素吸蔵量及び検出された排気空燃比に基づいて触媒
の劣化を判定する触媒劣化判定手段とを備えている。そ
して、触媒劣化判定手段によって触媒の劣化を検出する
直前に、触媒劣化判定手段によって排気浄化触媒の劣化
を検出する直前に、排ガス昇温手段が排ガス昇温処理を
行う。この結果、性能を十分に発揮させた状態で劣化判
定を行うことができ、正確な劣化検出を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空燃比制御装置の一実施形態を有する
内燃機関を示す断面図である。

【図２】三元触媒の酸素吸蔵量O2SUMと、その目標値O2S
UMref、及び、下流側空燃比センサ出力の様子を示すタ
イミングチャートである。

【図３】酸素吸蔵量O2SUMの更新制御のフローチャート
である。

【図４】酸素吸蔵量O2SUMの上限値O2SUMmax及び下限値O
2SUMminの更新制御を示すフローチャートである。

【図５】空燃比振動制御のフローチャートである。

【図６】排ガス昇温制御のフローチャートである。

【符号の説明】

１…エンジン（内燃機関）、９…スロットルバルブ（吸
入空気量制御手段）、１８…ＥＣＵ（吸蔵量推定手段、
空燃比制御手段、劣化判定手段、点火時期制御手段、酸
素吸蔵能力学習手段）、２０…三元触媒（触媒）、２１
…触媒温度センサ（触媒温度検出手段）、２５…下流側
空燃比センサ（［下流側の］空燃比検出手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 43/00 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｋ 45/00 ３１４ 45/00 ３１４ＺＦ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (72)発明者永井俊成愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者内田孝宏愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者片山章弘愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者加藤直人愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G022 AA03 DA02 GA01 GA06 GA08 GA09 GA10 3G084 BA05 BA09 BA13 BA17 DA27 EB08 EC03 FA07 FA10 FA20 FA26 FA27 FA30 FA39 3G091 AA02 AA13 AA17 AB06 BA33 CB02 CB05 CB07 DA01 DA02 DA04 DB06 DC03 EA01 EA05 EA16 EA18 EA34 EA36 FC04 HA36 HA37 3G301 HA01 JA15 LA03 LB01 MA01 MA06 MA12 NC02 NE02 NE13 NE15 PA01Z PD09Z PD12Z PE03Z PE08Z

Claims

【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酸素吸
蔵作用を有する排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて、
前記排気浄化触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置で
あって、空燃比を制御する空燃比制御手段と、前記排気浄化触媒
に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段
と、前記排気浄化触媒の下流側の排気空燃比を検出する
空燃比検出手段と、前記吸蔵量推定手段によって推定さ
れた酸素吸蔵量及び前記空燃比検出手段によって検出さ
れた排気空燃比に基づいて前記排気浄化触媒の劣化を判
定する劣化判定手段とを備え、前記劣化判定手段によって前記排気浄化触媒の劣化を検
出する直前に、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの
排気空燃比がリッチ側とリーン側とに交互に振動するよ
うに、前記空燃比制御手段が空燃比を制御することを特
徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。
【請求項２】内燃機関の排気通路に配設された酸素吸
蔵作用を有する排気浄化触媒の酸素吸蔵量に基づいて、
前記排気浄化触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置で
あって、排気ガスの温度を強制的に昇温させる排ガス昇温手段
と、前記排気浄化触媒に吸蔵されている酸素吸蔵量を推
定する吸蔵量推定手段と、前記排気浄化触媒の下流側の
排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記吸蔵量推
定手段によって推定された酸素吸蔵量及び前記空燃比検
出手段によって検出された排気空燃比に基づいて前記排
気浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記触媒劣化判定手段によって前記排気浄化触媒の劣化
を検出する直前に、前記排ガス昇温手段が排ガス昇温処
理を行うことを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装
置。
【請求項３】前記排ガス昇温手段が吸入空燃比を制御
する吸入空燃比制御手段であり、排気ガス昇温処理が吸
入空燃比を短時間リッチ側に制御するリッチスパイク制
御であることを特徴とする請求項２に記載の触媒劣化検
出装置。
【請求項４】前記排ガス昇温手段が点火時期を制御す
る点火時期制御手段であり、排ガス昇温処理が点火時期
を遅らせる遅角制御であることを特徴とする請求項２に
記載の触媒劣化検出装置。
【請求項５】吸入空気量を制御する吸入空気量制御手
段をさらに備え、排ガス昇温処理としての遅角制御と同
時に、前記吸入空気量制御手段が遅角によるトルク低下
を補償する吸入空気量の増量制御を行うことを特徴とす
る請求項４に記載の触媒劣化検出装置。