JP2008121465A - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関始動後の一定期間内において、触媒及びセンサにリッチ成分が付着した状態で劣化検出がなされることを防止する。
【解決手段】内燃機関始動後の所定期間内（Ｓ１０２：ＹＥＳ）に触媒の劣化検出を実行するに際し、その実行前に、触媒上流側の排気空燃比を顕著なリーンとするような所定運転状態（例えばフューエルカットＦ／Ｃ）があったことを条件として（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、劣化検出を実行する（Ｓ１０４）。劣化検出実行前に顕著にリーンなガスをセンサに供給し、センサに付着したリッチ成分を消失させてから劣化検出を実行することができる。
【選択図】図５

Description

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検出する触媒劣化検出装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するために排気通路に触媒が配置されている。このような触媒、例えば三元触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比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理論空燃比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Ｏ_２ストレージ機能を有する。従って、内燃機関の通常運転時、理論空燃比を中心として混合気をリッチ側又はリーン側に交互に振らせると、三元触媒のもつＯ_２ストレージ機能により、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持されるためにＮＯｘが還元され、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出されるためにＨＣおよびＣＯが酸化され、これによりＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化できることになる。

そこで従来より触媒上流側の排気通路に排気空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、排気空燃比がリーンになったときには燃料供給量を増量し、排気空燃比がリッチになったときには燃料供給量を減量させることにより、空燃比を理論空燃比を中心としてリッチ側又はリーン側に交互に振らせ、それによってＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に低減するようにしている。

ところで、三元触媒が劣化すると排気ガス浄化率が低下する。三元触媒の劣化度とＯ_２ストレージ機能の低下度との間には相関関係がある。よって、Ｏ_２ストレージ機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。

かかる原理に基づいて触媒劣化検出を行う装置としては例えば特許文献１に開示されたものがある。この装置は、内燃機関の排気通路に直列に配置された上流触媒と下流触媒のうち下流触媒の異常を判定するものである。上流触媒と下流触媒との間の触媒間空燃比を検出する触媒間センサと、下流触媒の下流の触媒後空燃比を検出する触媒後センサとが設けられる。触媒間センサの出力のリッチからリーンへの又はその逆への切り替えに応じて上流触媒の上流の触媒前空燃比をリーンからリッチへ又はその逆へと切り替えるアクティブ空燃比制御が実行される。そしてこのアクティブ空燃比制御の実行中に触媒後センサから発せられるセンサ出力に基づいて下流触媒の異常が判定される。

なお、他の従来技術として、例えば特許文献２には、機関再始動後の触媒の高温劣化を抑制すべく、再始動に際し酸素量を減少させる技術が開示されている。また、特許文献３には、内燃機関の自動停止直前の空燃比制御で触媒の酸素ストレージ量を飽和させ、自動停止後の再始動時の空燃比制御で触媒に十分な酸素を消費させるため、空燃比の逆数である当量比がリッチ側となるよう燃料噴射する技術が開示されている。また、特許文献４には、検出電極及び基準電極を備える酸素濃度検出装置にあって検出電極に付着した未燃成分が所定量に達したときに、両電極間に、電極処理用電圧を印加することにより、酸素を基準電極から検出電極にポンピングさせて検出電極に付着している未燃成分を燃焼除去する技術が開示されている。また、特許文献５には、排気エミッションを悪化させずに触媒のＯ_２ストレージ量を算出するため、燃料カット終了直後に目標空燃比をリッチに切り換えることが開示されている。

特開２００４−１７６６１５号公報 特開２００５−２９９４００号公報 特開２００３−１４８２００号公報 特開平１１−３２６２７３号公報 特開２００１−１１５８７９号公報

ところで、アクティブ空燃比制御の実行に際し、触媒下流側に設けられた触媒後センサの出力値がリッチ側又はリーン側に反転したと同時に目標空燃比を反転させ、これに追従して触媒に供給する排ガスの空燃比を反転させる場合がある。この場合、目標空燃比の反転は触媒後センサの出力値が反転したタイミングで行われる。

しかしながら、内燃機関始動後の一定期間内では、燃焼される混合気の空燃比がリッチであることや排気ガス温度が低温であることなどに起因して、排気ガス中のＨＣ，ＣＯといったリッチ成分（或いは未燃成分）が触媒自体及び触媒の上下流側に設置された空燃比検出用センサに付着する傾向にある。特に、触媒の下流側では、排気ガスの熱が既に上流側の排気管や触媒に奪われてしまっていることから、排気温度が低く、よって触媒下流側のセンサにおいてリッチ成分の付着が著しい。このように触媒の上下流側のセンサ、特に下流側のセンサにリッチ成分が付着すると、そのセンサからの出力が不安定となり、そのセンサから正常な出力を行えなくなる。そして、かかるセンサ出力に基づいて触媒の劣化検出を行うと誤検出に至る可能性もある。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関始動後の一定期間内において、触媒及びセンサにリッチ成分が付着した状態で劣化検出がなされることを防止することができる内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
内燃機関始動後の所定期間内に触媒の劣化検出を実行するに際し、その実行前に、触媒上流側の排気空燃比をリーンとするような所定運転状態があったことを条件として劣化検出を実行することを特徴とする。

この第１の発明によれば、内燃機関始動後の所定期間内に触媒の劣化検出を実行するに際し、その劣化検出実行前にリーンなガスをセンサに供給し、センサに付着したリッチ成分を消失させることができる。よってセンサにリッチ成分が付着した状態で劣化検出がなされることを防止し、センサの出力を安定化させて誤検出を防止し、触媒劣化検出の精度を高めることができる。

ここで、「触媒上流側の排気空燃比をリーンとする」ことは、「触媒上流側の排気空燃比を顕著なリーンとする」ことであるのが好ましい。「触媒上流側の排気空燃比を顕著なリーンとする」とは、触媒上流側の排気空燃比を通常の空燃比制御時のリーン空燃比よりもさらにリーン側の空燃比とすることをいう。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記所定運転状態がフューエルカットであることを特徴とする。

燃料噴射を停止するフューエルカットが実行されると、排気通路には実質無限大の空燃比を有する空気が流される。これによって顕著なリーン状態が実現され、第１の発明と同様の作用効果が発揮される。

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記所定運転状態がリーンスパイクであることを特徴とする。

触媒上流側の排気空燃比を一時的に顕著なリーンとするリーンスパイクを実行しても、排気通路には顕著にリーンなガスが流される。よって第１の発明と同様の作用効果が発揮される。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記リーンスパイクが、所定のリーンスパイク許可条件が成立したときに実行されるものであることを特徴とする。

リーンスパイクは燃焼混合気の空燃比を一時的に顕著なリーンとするものなので、その実行によるエミッションやドライバビリティの悪化が懸念される。よって、そのような悪化を防止するような所定のリーンスパイク許可条件が成立したときにリーンスパイクを実行するのが好ましい。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記リーンスパイク許可条件が、以下の条件Ａ〜Ｃの少なくとも一つが満たされたときに成立することを特徴とする。
Ａ．内燃機関への加速要求が無いこと。
Ｂ．内燃機関が、ＮＯｘ排出量が多くなるような所定の運転領域に無いこと。
Ｃ．前記触媒の下流側に位置する下流触媒の温度が所定の活性温度域にあること。

条件Ａが満たされたときにリーンスパイク許可条件成立とすることでドライバビリティの悪化が防止され、条件Ｂ，Ｃが満たされたときにリーンスパイク許可条件成立とすることでエミッションの悪化が防止される。

また、第６の発明は、第１乃至第５いずれかの発明において、
前記触媒の下流側の排気空燃比を検出するための触媒後センサを備え、前記所定期間は、前記触媒後センサが所定の活性温度域に達する前の期間であることを特徴とする。

この第６の発明によれば、内燃機関始動後の、触媒後センサが所定の活性温度域に達する前の期間においても、その触媒後センサに付着したリッチ成分の影響を無くして好適に劣化検出を実行することができる。また、そのような内燃機関始動後の短期間内であっても好適に劣化検出を実行することができ、劣化検出の実行頻度を高め、且つ劣化検出の実行開始タイミングを早めることができる。

本発明によれば、内燃機関始動後の一定期間内において、触媒及びセンサにリッチ成分が付着した状態で劣化検出がなされることを防止することができるという、優れた効果が発揮される。

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。

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。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

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。

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、Ｏ_２ストレージ機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空燃比を検出するための触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８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、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ_２センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。

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、スロットルバルブ１０の開度を検出するスロットル開度センサ１９、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。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

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）Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）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、触媒上流側の排気空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓになるように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比Ａ／Ｆｓ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。

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二酸化セリウムＣｅＯ_２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Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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。

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Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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。

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。

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の劣化度を検出ないし判定することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、触媒１１が吸蔵し得る酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

以下、本実施形態における触媒の劣化検出について説明する。
本実施形態では、触媒１１の劣化検出の際にＥＣＵ２０によるアクティブ空燃比制御が実行される。ここでアクティブ空燃比制御とは、触媒上流側の排気空燃比である触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを、所定のリッチ空燃比Ａ／Ｆｒとリーン空燃比Ａ／Ｆｌとの一方から他方に所定のタイミングで強制的に切り替える（或いは反転させる）制御である。

ここで触媒１１の劣化検出は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が所定の活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度は、直接検出してもよいが、本実施形態の場合それをエンジン運転状態に基づき所定のマップ又は関数を用いて推定するようにしている。触媒１１の劣化検出はエンジンの１運転毎に１回実行され、少なくとも続けて２回、触媒１１が劣化状態にあると判定されたときに触媒１１の最終的な劣化が検出され、警告装置が作動させられる。

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の内部値である目標空燃比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の出力はそれぞれ触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ及び触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒを表す。

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の切り替えないし振動に追従するようにして、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。よって触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも目標空燃比Ａ／Ｆｔと同様にリッチ空燃比Ａ／Ｆｒとリーン空燃比Ａ／Ｆｌとに強制的に且つ交互に切り替えられる。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。

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。

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。

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。

このように、触媒後センサ１８の出力値が反転してリッチ判定値ＶＲ又はリーン判定値ＶＬに達したと同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌ又はリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに強制的に切り替えられる。

この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が算出され、触媒１１の劣化が判定される。

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。

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。

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。

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算出される。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）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積分される。こうしてこの酸素放出サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ１即ち放出酸素量が算出される。

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）である。

基本的には、この１回で算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を用い、これを所定のしきい値（触媒劣化判定しきい値）と比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１がしきい値を超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１がしきい値以下ならば劣化、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、リーン側でも同様に酸素吸蔵容量（この場合酸素吸収量）を算出し、必要に応じてリッチ側とリーン側とで複数回算出を繰り返し、その平均値をしきい値と比較して最終的な劣化判定を行っている。

具体的には、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、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが、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まで積分される。こうしてこの酸素吸収サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ２即ち吸収酸素量が算出される。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。こうして複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，・・・ＯＳＣｎ（例えばｎは５以上）が繰り返し算出され、その平均値ＯＣＳａｖが所定のしきい値ＯＳＣｓと比較される。そして、平均値ＯＣＳａｖがしきい値ＯＳＣｓを超えていれば触媒１１は正常、平均値ＯＣＳａｖがしきい値ＯＳＣｓ以下ならば触媒１１は劣化と判定される。

なお、車両の走行距離等、触媒劣化度に相関する値に応じて酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出回数ｎを変化させてもよい。例えば走行距離が比較的少なく明らかに劣化が相当程度進んでいないと想定できる場合はｎを少ない値とし、走行距離が比較的多く劣化が相当程度進んでいる可能性のある場合はｎを多い値とする。

さて、上述のアクティブ空燃比制御においては、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン側に反転してリーン判定値ＶＬに達したと同時に（図３のｔ１）目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ側に反転してリッチ判定値ＶＲに達したと同時に（図３のｔ２）目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。つまり、目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転は触媒後センサ１８の出力が反転するタイミングで行われる。

一方、内燃機関始動後の一定期間内では、燃焼される混合気の空燃比がリッチであることや排気ガス温度が低温であることなどに起因して、排気ガス中のＨＣ，ＣＯといったリッチ成分（或いは未燃成分）が触媒１１自体及び触媒前後のセンサ１７，１８に付着する傾向にある。特に、触媒１１の下流側では、排気ガスの熱が既に上流側の排気管や触媒１１に奪われてしまっていることから、排気温度が低く、触媒前センサ１７よりもむしろ触媒後センサ１８の方が活性が遅れる傾向にあり、リッチ成分の付着が著しい。このように触媒前後のセンサ１７，１８、特に触媒後センサ１８にリッチ成分が付着すると、センサ出力が不安定となり、当該センサから正常な出力を行えなくなる。そして、かかるセンサ出力に基づいて触媒の劣化検出を行うと誤検出に至る可能性もある。例えば、触媒後センサ１８に付着したリッチ成分の影響で目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転タイミングにぶれが生じ、算出される酸素吸蔵容量の値が不正確な値となる可能性がある。

そこで、このような問題を回避するため、本実施形態では、内燃機関始動後の所定期間内に触媒の劣化検出を実行するときには、その実行前に、触媒上流側の排気空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ）を顕著なリーンとするような所定運転状態があったことを条件として劣化検出を実行することとしている。即ち、本実施形態は、内燃機関始動後の所定期間内に触媒の劣化検出を実行する際の前提条件に関するものである。

以下、本実施形態の触媒劣化検出制御の第１の形態を図５に基づいて説明する。同図に示される触媒劣化検出制御の実行ルーチンはＥＣＵ２０により所定の微小時間（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１において、触媒劣化検出制御の基本実行条件が成立しているか否かが判断される。この基本実行条件とは例えば、１）内燃機関１が定常運転状態にあること、２）触媒１１の温度が所定の活性温度域にあること、のいずれをも満たすことである。基本実行条件が成立していない場合には本ルーチンが終了され、他方、基本実行条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２においては、内燃機関始動時から現時点までの期間である始動後期間が所定期間と比較される。ここで始動後期間はＥＣＵ２０に装備されたタイマ等により計測され、他方、所定期間は、触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達するような期間（例えば数分程度の値）として予め設定され、ＥＣＵ２０に入力されている。

始動後期間が所定期間未満でないとき、即ち所定期間以上であるときは、触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達しているとみなされ、ステップＳ１０４に進んで前述の如き触媒劣化検出が実行される。即ち、アクティブ空燃比制御の実行、触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出、算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣと触媒劣化判定しきい値との比較という行程を順次経て、触媒の正常・劣化が判断される。ステップＳ１０４の実行後、本ルーチンが終了される。

他方、始動後期間が所定期間未満であるときは、触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達していないとみなされ、ステップＳ１０３に進んで、内燃機関の始動時から現時点までの間に、燃料噴射を停止するフューエルカット（Ｆ／Ｃ）が実行された履歴があるか否かを判断する。フューエルカットにより触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが実質的に無限大の値となるので、このフューエルカットが前述したような、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを顕著なリーンとするような所定運転状態に相当する。なおここで「触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを顕著なリーンにする」とは、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを、通常の空燃比制御時のリーン空燃比（即ち、理論空燃比より僅かにリーン側にずれた空燃比）よりもさらにリーン側の空燃比とすることをいう。フューエルカットは例えば、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が略全閉であること、２）クランク角センサ１４の出力に基づいて計算されるエンジン回転速度がアイドル速度より若干高い所定速度以上であること、の二条件を満たしたときに実行される。

フューエルカット履歴がある場合はステップＳ１０４に進んで前記同様に触媒劣化検出が実行される。他方、フューエルカット履歴がない場合はステップＳ１０５に進んで触媒劣化検出が実行されずに本ルーチンが終了される。

この触媒劣化検出制御の第１の形態によれば、始動後期間が所定期間未満の場合、即ち触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達していないような機関始動後から短期間の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）であっても、以前のフューエルカット履歴がある場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）には、触媒劣化検出が実行される。

触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達していないような機関始動後から短期間の間は触媒劣化検出を実行しないのが一般的であるが、本実施形態では、触媒劣化検出の実行の機会を可能な限り確保するため、触媒温度が活性温度域に入って基本実行条件が成立すれば（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、触媒劣化検出を基本的に実行可としている。但し、このような短期間の間では燃焼の安定化のため空燃比がリッチとなっていることが多く、排気ガス温度も低温なので、排気ガス中にリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）が多く含まれ、且つこのリッチ成分が触媒後センサ１８に付着して触媒後センサ１８の出力を不安定にさせる。

しかしながら、この場合にもフューエルカット履歴があることを条件に触媒劣化検出を実行するので、かかる問題が解消される。即ち、フューエルカットによって空気或いは新気が排気通路を流れるようになり、この空気を、触媒後センサ１８に付着したリッチ成分と化学的に反応（特に燃焼反応）させ、リッチ成分を消失させることができる。また、空気により触媒後センサ１８に付着したリッチ成分を物理的にも吹き飛ばすことができる。これによってリッチ成分をパージすると共に触媒後センサ１８をリフレッシュすることができ、リッチ成分の影響を無くして触媒後センサ１８の出力を安定化させ、触媒後センサ１８にリッチ成分が付着した状態で劣化検出がなされることを防止することができる。そして、そのようなリッチ成分付着に起因する誤検出をも防止し、触媒劣化検出の精度を高めることができる。

加えて、フューエルカットによる新気流通により、触媒前センサ１７に付着したリッチ成分をも化学的、物理的に消失させることができる。これにより触媒前センサ１７についても触媒後センサ１８についてと同様な利益を得ることができる。

次に、本実施形態の触媒劣化検出制御の第２の形態を図６に基づいて説明する。同図に示される触媒劣化検出制御の実行ルーチンもＥＣＵ２０により所定の微小時間（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ２０１において、前記ステップＳ１０１と同様、触媒劣化検出制御の基本実行条件が成立しているか否かが判断される。そして次のステップＳ２０２においては、前記ステップＳ１０２と同様、始動後期間が所定期間と比較される。

始動後期間が所定期間未満でないとき（即ち所定期間以上であるとき）は、触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達しているとみなされ、ステップＳ２０４に進んで前記ステップＳ１０４と同様に触媒劣化検出が実行され、本ルーチンが終了される。

他方、始動後期間が所定期間未満であるときは、触媒後センサ１８が所定の活性温度域に達していないとみなされ、ステップＳ２０３に進んで前記ステップＳ１０３と同様、内燃機関始動時から現時点までの間のフューエルカット履歴があるか否かが判断される。

フューエルカット履歴がある場合はステップＳ２０４に進んで前記同様に触媒劣化検出が実行される。他方、フューエルカット履歴がない場合はステップＳ２０５に進んでリーンスパイク許可条件が成立しているか否かが判断され、リーンスパイク許可条件が成立している場合は、ステップＳ２０６にてリーンスパイクが実行された後、ステップＳ２０４に進んで触媒劣化検出が実行される。他方、リーンスパイク許可条件が成立していない場合は、ステップＳ２０７に進んで、触媒劣化検出が実行されずに、本ルーチンが終了される。

この第２の形態では、第１の形態のようにフューエルカット履歴が無い場合に直ちに触媒劣化検出を実行しないのではなく、フューエルカット履歴が無い場合でもリーンスパイク許可条件が成立している場合にはリーンスパイクを強制的に実行し、その後触媒劣化検出を実行するようにしている。

リーンスパイクとは、燃焼室内の混合気の空燃比、即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを一時的或いは瞬時的に、通常空燃比制御時のリーン空燃比よりもさらにリーン側の（即ち、顕著にリーンの）空燃比にする制御である。例えば、目標空燃比Ａ／Ｆｔを１５〜１５．５程度の値に設定して燃料噴射を行い、触媒前センサ１７で検出される実空燃比がその目標空燃比Ａ／Ｆｔに等しい値に達したら制御を終了するというものである。これにより、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが一時的に顕著なリーンとなり、前記フューエルカットの場合と同様、触媒後センサ１８をリフレッシュすることができる。即ち、リーンスパイクに基づく顕著なリーンガスにより触媒後センサ１８に付着したリッチ成分を化学的、物理的に消失させ、リッチ成分の影響を無くして触媒後センサ１８の出力を安定化させることができる。そしてそのようなリッチ成分付着に起因する誤検出を防止し、触媒劣化検出の精度を高めることができる。リーンスパイクによって触媒前センサ１７に付着したリッチ成分をも消失させることができる点も前記同様である。

こうして、フューエルカット履歴が無い場合でもリーンスパイクを実行して触媒劣化検出を実行することができるので、触媒劣化検出の機会をより多く確保することが可能になる。

ここで、リーンスパイクは燃焼される混合気の空燃比を一時的に顕著なリーンとする制御なので、その実行によるエミッションやドライバビリティの悪化が懸念される。リーンスパイク実行時の空燃比の値はできるだけエミッションやドライバビリティに悪影響を与えないように設定されてはいるものの、これらへの影響は最小限に止めるのが望ましい。

そこで本実施形態では、リーンスパイク実行前にその実行を許可する条件が成立しているかどうかを判断するようにしている（ステップＳ２０５）。リーンスパイク許可条件は、以下の条件Ａ〜Ｃの少なくとも一つ、好ましくは全て、が満たされたときに成立する。
Ａ．内燃機関への加速要求が無いこと。
Ｂ．内燃機関が、ＮＯｘ排出量が多くなるような所定の運転領域に無いこと。
Ｃ．触媒１１の下流側に位置する下流触媒の温度が所定の活性温度域にあること。

条件Ａはドライバビリティ上の観点に基づくものである。例えば車両用内燃機関において、ドライバがアクセルを踏み込んで加速しようとしたときに空燃比を一時的に顕著なリーンとしてしまうと、加速の途中で一瞬加速感が抜けて違和感を生じる。よってこれを回避するため、内燃機関への加速要求があるときはリーンスパイクを実行しないようにし、逆に内燃機関への加速要求がないときにリーンスパイクを実行するようにする。

この条件Ａの判断は例えば次のように行うことができる。即ち、アクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度の値が所定値より大きいか、またはアクセル開度の変化速度が所定値より大きいとき、加速要求ありと判断し、逆に、アクセル開度の値が所定値以下か、またはアクセル開度の変化速度が所定値以下のとき、加速要求なしと判断する。

条件Ｂはエミッション上の観点に基づくものである。例えば燃費向上のための希薄燃焼運転（リーンバーン運転）を実行する領域のような、元々ＮＯｘが排出されやすい運転領域が存在する場合があり、この運転領域にあるときに空燃比を一時的に顕著なリーンとしてしまうと、ＮＯｘがさらに悪化してしまう。よってこれを回避するため、内燃機関が、ＮＯｘ排出量が多くなるような運転領域にある場合にはリーンスパイクを実行しないようにし、逆に内燃機関が、ＮＯｘ排出量が多くなるような運転領域に無い場合にはリーンスパイクを実行するようにする。

この条件Ｂの判断方法としては、例えば機関運転状態を表すパラメータ（例えば回転速度と負荷）に関連付けてリーンスパイク実行領域マップを予め作製すると共にＥＣＵ２０に入力しておき、それらパラメータの検出値とリーンスパイク実行領域マップとを比較して条件Ｂの成立・不成立を判断する。

条件Ｃもエミッション上の観点に基づくものである。例えば、エミッション向上のため、前記触媒１１の下流側の排気通路に触媒を追加して設けることがある。この追加された触媒を下流触媒という。下流触媒は通常、触媒後センサ１８の下流側に設置される。この場合において、リーンスパイクの実行によってＮＯｘが排出され上流側の触媒１１を通過したとしても、下流触媒が活性温度域にあるのであれば、そのＮＯｘを下流触媒で除去することが可能である。よって、下流触媒が活性温度域にない場合にはリーンスパイクを実行しないようにし、逆に下流触媒が活性温度域にある場合にはリーンスパイクを実行するようにする。

この条件Ｃの判断方法としては、例えば下流触媒の温度を推定し、この推定温度が所定温度以上のとき条件Ｃ成立、推定温度が所定温度未満のとき条件Ｃ不成立とする。

このように、リーンスパイク実行前にその実行許可条件成立の有無を判断するので、リーンスパイクによるエミッションやドライバビリティの悪化を未然に防止することができる。

次に、本実施形態の触媒劣化検出制御の第３の形態を図７に基づいて説明する。同図に示される触媒劣化検出制御の実行ルーチンもＥＣＵ２０により所定の微小時間（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

この第３の形態の実行ルーチンは第１の形態の実行ルーチンと大略同様である。第３の形態では、ステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３０４，Ｓ３０５が第１の形態のステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４，Ｓ１０５と同様であり、ステップＳ３０３のみが第１の形態のステップＳ１０３と異なる。

第１の形態のステップＳ１０３では、内燃機関の始動時から現時点までの間にフューエルカットが実行された履歴が有るかどうかが判断された。これに対し、第３の形態のステップＳ３０３では、内燃機関の始動時から現時点までの間にリーンスパイクが実行された履歴が有るかどうかが判断される。このリーンスパイクの実行によってもフューエルカットと同様に触媒前後のセンサ１７，１８（特に触媒後センサ１８）のリフレッシュを図ることができるので、第１の形態のフューエルカット履歴をリーンスパイク履歴に置き換えても第１の形態と同様の作用効果を発揮することができる。

なお、内燃機関の始動時から現時点までの間にリーンスパイクが実行される場合とは、例えば触媒劣化検出と関係する或いは無関係な他の条件に基づいてリーンスパイクが実行される場合をいう。

以上説明したように、本実施形態によれば、内燃機関始動後の一定期間内は触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを顕著なリーンとするような所定運転状態があったことを条件として触媒劣化検出を実行する。これによりセンサに付着したリッチ成分を予めパージしてから触媒劣化検出を実行することができる。よって触媒劣化検出実行時において、センサにリッチ成分が付着した状態で劣化検出がなされることを防止し、センサの出力を安定化させて誤検出を防止し、触媒劣化検出の精度を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は直噴式であったが、吸気ポート（吸気通路）噴射式或いは両噴射方式を兼ね備えるデュアル噴射式の内燃機関にも本発明は適用可能である。内燃機関の形式や用途に特に限定はない。触媒後センサ１８は、触媒前センサ１７と同様な全域空燃比センサに置き換えることも可能である。

前記実施形態では、触媒劣化検出方法として、触媒の酸素吸蔵容量を算出してこれを触媒劣化判定しきい値と比較して劣化判定を行う方法（所謂Ｃｍａｘ法）を採用した。しかしながら、他の触媒劣化検出方法を採用することもできる。例えば特許文献１に開示されているような触媒前後のセンサの出力軌跡長の比に基づき触媒劣化を検出する方法や、より単純に触媒後センサの出力軌跡長に基づき触媒劣化を検出する方法などが採用できる。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。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。

本実施形態の構成を示す概略図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 アクティブ空燃比制御の基本を説明するためのタイムチャートである。 図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の算出方法を説明するための図である。 触媒劣化検出制御の第１の形態のフローチャートである。 触媒劣化検出制御の第２の形態のフローチャートである。 触媒劣化検出制御の第３の形態のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
１０ スロットルバルブ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
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）
Ａ／Ｆ 空燃比
Ａ／Ｆｆｒ 触媒前空燃比
Ａ／Ｆｒｒ 触媒後空燃比
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
Ａ／Ｆｓ 理論空燃比
ＯＳＣ 触媒の酸素吸蔵容量
ＶＲ リッチ判定値
ＶＬ リーン判定値

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
   内燃機関始動後の所定期間内に触媒の劣化検出を実行するに際し、その実行前に、触媒上流側の排気空燃比をリーンとするような所定運転状態があったことを条件として劣化検出を実行することを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
2. 前記所定運転状態がフューエルカットであ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検出装置。
3. 前記所定運転状態がリーンスパイクであ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検出装置。
4. 前記リーンスパイクが、所定のリーンスパイク許可条件が成立したときに実行されるものであることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
5. 前記リーンスパイク許可条件が、以下の条件Ａ〜Ｃの少なくとも一つが満たされたときに成立することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
   Ａ．内燃機関への加速要求が無いこと。
   Ｂ．内燃機関が、ＮＯｘ排出量が多くなるような所定の運転領域に無いこと。
   Ｃ．前記触媒の下流側に位置する下流触媒の温度が所定の活性温度域にあること。
6. 前記触媒の下流側の排気空燃比を検出するための触媒後センサを備え、前記所定期間は、前記触媒後センサが所定の活性温度域に達する前の期間であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。

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