JP2009091921A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気弁の作用角を可変制御する内燃機関において、触媒劣化診断の精度及び信頼性を向上する。
【解決手段】触媒１１の酸素吸蔵能を計測し、この計測された酸素吸蔵能を触媒温度に基づき補正し、この補正後の酸素吸蔵能に基づき触媒の劣化を診断する。また、触媒温度を推定する手段２０と、吸気弁Ｖｉの作用角を可変制御する手段２１とを設ける。吸気弁作用角に基づき推定触媒温度を補正し、この補正された推定触媒温度により酸素吸蔵能計測値を補正する。作用角の違いを考慮し、触媒温度の推定ズレを抑制できる。そして最終的に正確な酸素吸蔵能計測値を得、診断の精度及び信頼性を向上できる。
【選択図】図１

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診断する装置に関する。

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。

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（特許文献１等参照）。

特開２００４−１７６６１５号公報

一方、近年では、吸気弁の作用角（開弁角）を機関運転状態に応じて連続的に可変とする可変動弁装置が開発されるに至っている。こうした可変動弁装置を備える内燃機関では、吸気弁の作用角を変化させることで、燃焼室内に吸入される空気量を全運転域に亘って変化させることができる。よってスロットル開度を通常より開いたり、或いは省略することもでき、これによってポンピングロスを減少し、同一の出力をより少ない空気量及び燃料量で得られ、燃費を向上することができる。

かかる可変動弁装置を備える内燃機関において触媒の劣化を診断する場合、吸気弁の作用角の違いにより、他の条件がほぼ同じであっても酸素吸蔵能の計測値が変化することが判明した。よって、このような吸気弁の作用角の違いを考慮に入れないと、酸素吸蔵能の計測値のみならず診断結果自体の精度や信頼性を損なってしまう。

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、吸気弁の作用角を可変制御する内燃機関において、触媒劣化診断の精度及び信頼性を向上す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。

本発明の一形態によれば、
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、
前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
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を触媒温度に基づき補正し、この補正後の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、
吸気弁の作用角を可変制御する吸気弁可変制御手段と、
前記作用角に基づき、前記触媒温度推定手段によって推定された触媒温度を補正する触媒温度補正手段と
を備えた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。

本発明者らの試験研究の結果によれば、作用角の違いにより触媒温度が変化することが判明した。そこで本発明の一形態においては、推定された触媒温度を作用角に基づいて補正することとしている。こうすることで作用角の違いを考慮し、触媒温度の推定ズレを抑制することができる。そして最終的に正確な触媒温度補正後の酸素吸蔵能を得、触媒劣化診断の精度及び信頼性を向上することができる。

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、前記触媒温度推定手段が、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて前記触媒温度を推定する。

本発明の他の形態によれば、
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、
前記触媒の温度を計測する触媒温度計測手段と、
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を触媒温度に基づき補正し、この補正後の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、
吸気弁の作用角を可変制御する吸気弁可変制御手段と、
内燃機関の吸気通路に配置されたスロットルバルブの開度を制御するスロットルバルブ制御手段と、
前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、
を備え、
前記触媒の劣化診断時、前記吸気弁可変制御手段が前記吸気弁の作用角を通常時よりも減少し、前記スロットルバルブ制御手段が前記スロットルバルブ開度を通常時よりも増加し、且つ、前記点火時期制御手段が前記点火時期を通常時よりも遅角する
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。

作用角を始めとした各パラメータのバラツキにより酸素吸蔵能の計測値は変化するが、このときできるだけ大きな計測値を得るようにすると、バラツキ影響が少なくなって高精度の計測及び診断に有利である。こうするには、できるだけ高い触媒温度条件の下で計測及び診断をするのが有効である。ところで、エンジン出力トルクが一定の場合、作用角を小さくし、スロットル開度を増加し、且つ点火時期を遅角すると、触媒温度が上昇する。つまり、作用角を小さくしてスロットル開度を増加すると、これによりポンピングロスが減少し、トルクが増大する。そしてこのトルク増大分だけ点火時期を遅角すると、燃焼室から排出される排気ガス中に未燃成分が増え、これが触媒中で燃焼して触媒温度が上昇する。よって本発明の他の形態のように、触媒の劣化診断時、吸気弁の作用角を通常時よりも減少し、スロットルバルブ開度を通常時よりも増加し、且つ、点火時期を通常時よりも遅角することで、触媒温度を上昇させ、酸素吸蔵能計測値を増大して精度向上を図れる。

好ましくは、前記触媒の劣化診断時、前記作用角が所定の下限値以上になるように前記吸気弁可変制御手段が前記作用角を制御する。

吸気弁作用角が可変の内燃機関の場合、気筒毎の作用角のばらつきにより、気筒毎の空燃比がずれて実際の中心空燃比が目標値からずれてしまう場合があり、このずれは作用角が小さいほど現れやすい。そして本発明の他の形態では、劣化診断時に作用角を減少するので、こういった中心空燃比のずれ、ひいてはこれに起因する酸素吸蔵能計測値のずれが起こり易い。そこで、作用角が所定の下限値以上になるように作用角を制御する。こうすることで、顕著な中心空燃比のずれが生じるほどに作用角を減少してしまうのを防止し、中心空燃比のずれに起因する酸素吸蔵能計測値のずれを防止することができる。そして結果的に高精度で信頼性の高い診断結果を得ることができる。

本発明によれば、吸気弁の作用角を可変制御する内燃機関において、触媒劣化診断の精度及び信頼性を向上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。

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。

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。

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。

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。

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。

吸気カムシャフトと吸気弁Ｖｉとの間には、吸気弁Ｖｉの作用角α、即ち吸気弁Ｖｉが開いているクランク角度である開弁角を可変とする可変機構２１が設けられている。吸気弁Ｖｉの作用角αは、ＥＣＵ２０からの指令信号に基づく可変機構２１の駆動を通じて可変制御される。

可変機構２１による作用角の変更態様を図２に示す。同図に示す特性曲線から分かるように、吸気弁Ｖｉの作用角αはその最大リフト量Ｌｉｍａｘと同期して連続的に変化する。例えば作用角αが小さくなるほど最大リフト量Ｌｉｍａｘも小さくなる。作用角αが小さくなるということは、吸気弁Ｖｉの開弁時期と閉弁時期とが互いに接近するということであり、吸気弁Ｖｉの開弁期間が短くなるということでもある。本実施形態では、ある一定のクランク角で常に最大リフト量Ｌｉｍａｘとなり、この最大リフト量クランク角を中心に作用角αが増減し、開閉タイミングも変化する特性となっている。しかしながら、吸気弁の可変特性はここで説明されたものに限定されない。

本実施形態では、燃焼室３に吸入される空気量の調節が、吸気弁Ｖｉの作用角αと共にスロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）ＴＨを調節或いは制御することで行われる。即ち、吸気弁Ｖｉの作用角αの制御のみによっても吸入空気量の制御が可能であるが、本実施形態ではそれと併せてスロットル開度ＴＨも制御するようにしている。一定のエンジン出力トルクを得ようとした場合、可変機構２１の無い通常のエンジンの如くスロットル開度のみを制御するよりは、本実施形態の如く吸気弁作用角及びスロットル開度を協調制御した方が、スロットル開度を大きく開き側に設定することができる。よってスロットル開度を増加した分、ポンピングロスを低減することができ、必要な空気量及び燃料量が抑えられて燃費を向上することができる。なお、本実施形態のような可変機構２１を設けると、吸気弁作用角の制御のみでも吸入空気量が全域制御可能になるため、スロットルバルブ１０を省略することもできる。

これら吸気弁作用角α及びスロットル開度ＴＨの制御を含むエンジン制御の一例を述べる。この制御はＥＣＵ２０によって実行される。まず、アクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度Ａｃに基づき、予め設定されたマップ（関数でもよい、以下同様）に従って、吸気弁作用角α及びスロットル開度ＴＨの目標値αｔｒｇ、ＴＨｔｒｇが算出される。そしてこれら目標値αｔｒｇ、ＴＨｔｒｇに実際値が一致するように吸気弁作用角α及びスロットル開度ＴＨが制御される。吸気弁作用角α及びスロットル開度ＴＨの実際値は、可変機構２１及びスロットルバルブ１０にそれぞれ設けられたセンサ（図示せず）で検出される。こうして吸気弁作用角α及びスロットル開度ＴＨが制御されると、実際の吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅがそれら吸気弁作用角α及びスロットル開度ＴＨに対応した値となる。実際の吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅはそれぞれエアフローメータ５及びクランク角センサ１４の出力に基づき検出される。これら実際の吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅに基づき、予め設定されたマップに従って、点火時期、燃料噴射量及び燃料噴射時期がそれぞれ制御される。

ここで、可変機構２１の無い通常のエンジンと可変機構２１のある本実施形態のエンジンとを比較する。例えば車両が１００ｋｍ／ｈで定常走行しており、このとき通常のエンジンだと３０という値のスロットル開度であると仮定する。このとき、本実施形態のエンジンではそれより大きい例えば４０という値のスロットル開度に制御され、その一方で吸気弁作用角αは３０或いはそれ以下のスロットル開度相当の角度に制御される。このように本実施形態のエンジンの場合、通常のエンジンの場合と比較して、エンジン出力トルクが同一ながらスロットル開度は増大され、これによりポンピングロスが低減し燃費向上が図られる。

一方、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、通常時、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、ひいては空燃比をフィードバック制御する。このように、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを理論空燃比に一致するようにする制御をメイン空燃比制御という。

またＥＣＵ２０は、通常時、触媒１１から流出した排気ガスの空燃比、即ち触媒後センサ１８により検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比に一致するように空燃比を制御する。この制御をサブ空燃比制御という。メイン空燃比制御を実行していても、触媒前センサ１７の製品バラツキや劣化等により実際の中心空燃比が理論空燃比からずれる場合があるので、このずれを補正する目的でサブ空燃比制御が同時に行われる。メイン空燃比制御が極めて短い時間周期で実行されるのに対し、サブ空燃比制御は比較的長い時間周期で実行される。サブ空燃比制御の補正量はその長い時間周期毎に更新されていく。

ここで、触媒１１についてより詳細に説明する。図３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。

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。

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の酸素吸蔵能を計測或いは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。

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。

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、混合気の空燃比ひいては触媒前空燃比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。

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に基づいて、予め設定されたマップを利用し、触媒１１の温度Ｔｃを推定する。なお、吸入空気量Ｇａ以外のパラメータ、例えばエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）などを触媒温度推定に用いるパラメータに含めてもよい。

図４（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４（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。

図４（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。

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４（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。

図４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計測される。図５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。

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。

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ている。

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５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５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。

ところで、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値は触媒温度Ｔｃに応じて変化し、触媒温度Ｔｃが高くなるにつれ増大する傾向にある。よって本実施形態では触媒温度条件を揃えるために酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値を触媒温度Ｔｃに基づいて補正する。具体的には、ＥＣＵ２０は、触媒温度Ｔｃの推定値に基づいて所定のマップから触媒温度補正量を算出し、この触媒温度補正量を酸素吸蔵容量計測値に乗算或いは加算して、酸素吸蔵容量計測値を所定の基準温度相当の値に補正する。つまり触媒温度推定値が基準温度より高ければ、その温度差に基づく補正量により酸素吸蔵容量計測値を基準温度相当の値に減少補正する。逆に、触媒温度推定値が基準温度より低ければ、その温度差に基づく補正量により酸素吸蔵容量計測値を基準温度相当の値に増大補正する。これにより診断毎の触媒温度変化の影響を無くし、一定若しくは一律の劣化判定値を用いて精度良く診断を行える。

さて、前述したように、本実施形態の如く吸気弁Ｖｉの作用角αを可変制御するエンジンでは、その吸気弁作用角αの違いにより、他の条件がほぼ同じであっても酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値が変化する。よって吸気弁作用角αの違いを考慮に入れて劣化診断を行う方が、計測値及び診断結果の精度及び信頼性を向上する上で好ましい。

図６に、吸気弁作用角αに対する吸入空気量Ｇａ及び触媒後排気温度の関係をそれぞれ調べた試験結果を示す。図中、正方形は、マップから得られる通常時の点火時期よりも所定角度だけ点火時期を遅角したときのデータを示す。また図中、菱形は、マップから得られる通常時の点火時期よりも所定角度だけ点火時期を進角したときのデータを示す。また図示されるデータは全て同じエンジン出力トルクのときのデータである。（Ｂ）に関連して、触媒後排気温度とは、触媒直後で検出された排気ガスの温度である。この温度は触媒温度Ｔｃ即ち触媒床温に相関しており、ここでは触媒温度Ｔｃとみなしても差し支えない。（Ａ）及び（Ｂ）の各データはそれぞれ対応しており、例えばａとｃのデータは同一の試験結果に基づくデータであり、ｂとｄのデータは同一の試験結果に基づくデータである。

（Ａ）のデータａ，ｂは吸入空気量がほぼ等しいが、これらに対応する（Ｂ）のデータｃ、ｄを見比べると、データｃの方がデータｄより触媒後排気温度が若干高い。つまり、吸入空気量が一定であっても、作用角αの違いにより触媒温度Ｔｃが変化する。

この点に着目したのが以下に述べる劣化診断の第１の態様である。即ち、本実施形態においては酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値を触媒温度Ｔｃに基づいて補正し、この補正後の酸素吸蔵容量計測値に基づいて触媒の劣化を診断する。そして、吸入空気量Ｇａの検出値に基づいて触媒温度Ｔｃを推定する。ところが、吸入空気量Ｇａの検出値が同じであっても作用角αが違えば同じ触媒温度Ｔｃとならない。そこでこの第１の態様では、吸入空気量Ｇａから推定された触媒温度Ｔｃを作用角αに基づいて補正する。こうすることで作用角の違いを考慮し、触媒温度Ｔｃの推定ズレを抑制することができる。そして最終的に正確な触媒温度補正後の酸素吸蔵容量計測値を得、触媒劣化診断の精度及び信頼性を向上することができる。

図７に、劣化診断の第１の態様に係る処理を示す。本処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ１０１では、診断を実行するための前提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が所定の活性温度に達していれば、前提条件成立となる。なお前提条件についてはこの例に限られない。前提条件が成立していない場合には処理が終了され、他方、前提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、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が開始される。前述したように、アクティブ空燃比制御が開始され、このアクティブ空燃比制御の実行に伴って触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

次にステップＳ１０３において、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が終了される。これにより後述の触媒温度補正前の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが得られる。

次のステップＳ１０４では、検出された吸入空気量Ｇａに基づき触媒温度Ｔｃが推定される。そしてステップＳ１０５において、この推定触媒温度Ｔｃが吸気弁作用角αに基づいて補正される。即ち、吸気弁作用角αの目標値又は実際値が取得され、この値に基づき所定のマップから補正量が算出される。そしてこの補正量が推定触媒温度Ｔｃに乗算或いは加算され、補正後の触媒温度Ｔｃ’が算出される。図６の試験結果に基づき、作用角αが小さいほど高い補正後の触媒温度Ｔｃ’が得られるようにマップが設定されている。

次のステップＳ１０６では、補正後の触媒温度Ｔｃ’に基づき前述の如く触媒温度補正量が算出され、この触媒温度補正量がステップＳ１０３で得られた酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣに乗算或いは加算され、触媒温度補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が算出される。

最後に、ステップＳ１０７において触媒の劣化判定がなされる。即ち、触媒温度補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、ＯＳＣ’＞ＯＳＣｓならば触媒１１は正常、ＯＳＣ’≦ＯＳＣｓならば触媒１１は劣化と判定される。

次に、劣化診断の第２の態様について説明する。前述したように、作用角を始めとした各パラメータのバラツキにより酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣは変化するが、このときできるだけ大きな酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを得るようにすると、バラツキ影響が少なくなって高精度の計測及び診断に有利である。こうするには、できるだけ高い触媒温度条件の下で計測及び診断をするのが有効である。

ところで、図６を参照して、データ（ａ，ｃ）及び（ｂ，ｄ）を見比べれば分かるように、吸入空気量及びエンジン出力トルクが一定の場合、作用角αを小さくし且つ点火時期を遅角すると、触媒温度Ｔｃが上昇する。つまり、作用角αを小さくした分、スロットル開度が開かれ、これによりポンピングロスが減少し、トルクが増大する。そしてこのトルク増大分だけ点火時期を遅角すると、燃焼室から排出される排気ガス中に未燃成分が増え、これが触媒中で燃焼して触媒温度が上昇する。これにより酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを増大して精度向上を図れる。

なお、触媒温度条件を高めて大きな酸素吸蔵容量計測値を得ても、これが結局は触媒温度補正により基準温度相当に補正され、一見効果がないように見える。しかし、低温側の触媒温度条件では触媒の活性自体が悪く、酸素吸蔵容量計測値がばらつき、ときに真の値より過剰に少ない酸素吸蔵容量が計測されてしまう場合がある。よって低温側で酸素吸蔵容量を計測するよりは、より高温側で酸素吸蔵容量を計測する方が精度や信頼性の向上に有利であり、かような理由で当該第２の態様は意義がある。

図８に、劣化診断の第２の態様に係る処理を示す。本処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ２０１では、前記ステップＳ１０１と同様、診断を実行するための前提条件が成立しているか否かが判断される。前提条件が成立していない場合には処理が終了され、他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２においては、吸気弁作用角αが通常時よりも減少されると共に、スロットル開度ＴＨが通常時よりも増大される。即ち、現在のエンジン運転状態（具体的にはアクセル開度Ａｃ）に基づいてマップから定まる作用角及びスロットル開度の目標値αｔｒｇ、ＴＨｔｒｇに対し、実際の作用角αが所定角度だけ小さくなるよう、また実際のスロットル開度ＴＨが所定開度だけ大きくなるよう、作用角α及びスロットル開度ＴＨが制御される。これによりポンピングロスが減少し、エンジン出力トルクが増加する。

次に、ステップＳ２０３では、かかる作用角減少及びスロットル開度増大によるトルク増加分を打ち消すように、点火時期θｉｇが遅角される。即ち、現在のエンジン運転状態（具体的には吸入空気量Ｇａ及び回転速度Ｎｅ）に基づいてマップから定まる点火時期の目標値θｉｇｔｒｇに対し、実際の点火時期θｉｇが所定角度だけ遅角されるよう、点火時期θｉｇが制御される。これにより燃焼室３から排出される排気ガス中に未燃成分が増え、これが触媒中で燃焼して触媒温度Ｔｃが上昇する。

ステップＳ２０４では、前記ステップＳ１０２と同様に酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が開始され、ステップＳ２０５では、前記ステップＳ１０３と同様に酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が終了される。そして、ステップＳ２０６では前記ステップＳ１０４と同様に、検出された吸入空気量Ｇａに基づき触媒温度Ｔｃが推定される。この際には、劣化診断用に作成された吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとの関係を規定する別のマップに従って触媒温度Ｔｃが推定される。

ステップＳ２０７では、この推定された触媒温度Ｔｃに基づき前述の如く触媒温度補正量が算出され、この触媒温度補正量がステップＳ２０５で得られた酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣに乗算或いは加算され、触媒温度補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が算出される。そして最後に、ステップＳ２０８において、前記ステップＳ１０７と同様に触媒の劣化判定がなされる。

次に、劣化診断の第３の態様について説明する。本実施形態のように吸気弁作用角が可変のエンジンでは、気筒毎の作用角のばらつきにより、気筒毎の空燃比がずれて実際の中心空燃比が理論空燃比からずれてしまう場合があり、このずれは作用角が小さいほど現れやすい。実際の中心空燃比のずれは、サブ空燃比制御によって基本的には補正可能であるが、例えば触媒後センサ１８へのガス当たりが均一でないときなどには、中心空燃比のずれが補正されずずれたままとなる。こうなると酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが真の値からずれる結果となる。前記第２の態様の如く、劣化診断時に作用角を減少する制御を行うと、こういった中心空燃比のずれ、及びこれに起因する酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣのずれという問題が起こり易い。

図９に作用角と空燃比の関係を示す。図示するように、作用角が小さいほど空燃比は中心空燃比としてのストイキに対しリーン側又はリッチ側にずれやすくなる傾向にある。

そこで、この第３の態様では、作用角αが、大きな中心空燃比のずれが生じないような所定の下限値αｘ以上の値に制御される。図１０には、第３の態様に係る作用角αの制御態様を示す。図示するように、通常時、吸入空気量ひいてはエンジン出力トルクの増大につれ、作用角αは比例的に増大される。これに対し、劣化診断時には、作用角の下限値αｘが設定され、作用角αが常に下限値αｘ以上の値となるよう制御される。こうすることで、大きな中心空燃比のずれが生じるほどに作用角を減少してしまうのを防止し、中心空燃比のずれに起因する酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣのずれを防止することができる。そして結果的に高精度で信頼性の高い診断結果を得ることができる。

図１１に、劣化診断の第３の態様に係る処理を示す。本処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ３０１では、前記ステップＳ１０１と同様、診断を実行するための前提条件が成立しているか否かが判断される。前提条件が成立していない場合には処理が終了され、他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２においては、エンジン運転状態に基づいて定まる作用角目標値αｔｒｇが、前記下限値αｘに所定値Δαを加えた値（αｘ＋Δα）以上か否かが判断される。ここで所定値Δαは、後述のステップＳ３０３で作用角減少を行う際の作用角減少量である。

作用角目標値αｔｒｇが値（αｘ＋Δα）以上ならば、ステップＳ３０３に進んで前記ステップＳ２０２と同様に、作用角αが通常時よりも減少されると共に、スロットル開度ＴＨが通常時よりも増大される。即ち、作用角目標値αｔｒｇから所定値Δαを減じた値に作用角αが制御され、また、スロットル開度目標値ＴＨｔｒｇに所定値を加えた値にスロットル開度ＴＨが制御される。そしてステップＳ３０４において前記ステップＳ２０３と同様に点火時期θｉｇが遅角され、ステップＳ３０４に進む。

他方、作用角目標値αｔｒｇが値（αｘ＋Δα）未満ならば、ステップＳ３０５に進んで、作用角αが目標値αｔｒｇ又は下限値αｘに制御される。即ち、図１０を参照して、目標値αｔｒｇがαｘ≦αｔｒｇ＜αｘ＋Δαを満たす範囲内のときは作用角αが目標値αｔｒｇに制御される。また目標値αｔｒｇがαｔｒｇ＜αｘを満たす範囲内のときは、作用角αが、通常時の値より大きい下限値αｘに制御される。そして、ステップＳ３０３，Ｓ３０４をスキップしてステップＳ３０６に進む。即ち、作用角目標値αｔｒｇが値（αｘ＋Δα）未満のときは作用角減少、スロットル開度増大且つ点火遅角を行わない。これを行うと作用角が下限値αｘを下回って中心空燃比がずれる虞があるからである。

ステップＳ３０６〜ステップＳ３１０では、それぞれ前記ステップＳ２０４〜２０８と同様の処理が行われる。以上により、小作用角以外の場合では第２の態様と同様の作用効果を発揮でき、一方、小作用角の場合は第２の態様のような作用角減少等を中止しつつ、作用角を下限値以上に保持して中心空燃比ずれと、これに起因する計測値ずれや診断精度悪化を防止することができる。

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。

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。

本発明の一実施形態の構成を示す概略図である。 吸気弁作用角の変更態様を示す特性線図である。 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を説明するためのタイムチャートである。 図４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。 吸気弁作用角に対する吸入空気量及び触媒後排気温度の関係をそれぞれ調べた試験結果である。 劣化診断の第１の態様に係る処理を示すフローチャートである。 劣化診断の第２の態様に係る処理を示すフローチャートである。 作用角と空燃比の関係を示す概略図である。 劣化診断の第３の態様に係る作用角の制御態様を示すグラフである。 劣化診断の第３の態様に係る処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火時期
１０ スロットルバルブ
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）
２１ 可変機構
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
Ｔｃ 触媒温度
α 作用角
αｘ 作用角の下限値
Ｇａ 吸入空気量
ＴＨ スロットル開度
θｉｇ 点火時期

Claims (4)

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、
   前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
   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を触媒温度に基づき補正し、この補正後の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、
   吸気弁の作用角を可変制御する吸気弁可変制御手段と、
   前記作用角に基づき、前記触媒温度推定手段によって推定された触媒温度を補正する触媒温度補正手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
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、
   前記触媒温度推定手段が、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて前記触媒温度を推定する
   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。
3. 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、
   前記触媒の温度を計測する触媒温度計測手段と、
   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を触媒温度に基づき補正し、この補正後の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、
   吸気弁の作用角を可変制御する吸気弁可変制御手段と、
   内燃機関の吸気通路に配置されたスロットルバルブの開度を制御するスロットルバルブ制御手段と、
   前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   を備え、
   前記触媒の劣化診断時、前記吸気弁可変制御手段が前記吸気弁の作用角を通常時よりも減少し、前記スロットルバルブ制御手段が前記スロットルバルブ開度を通常時よりも増加し、且つ、前記点火時期制御手段が前記点火時期を通常時よりも遅角する
   ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
4. 前記触媒の劣化診断時、前記作用角が所定の下限値以上になるように前記吸気弁可変制御手段が前記作用角を制御する
   ことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。

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