JP2009138604A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した内燃機関の触媒劣化診断装置において、少なくとも一方の触媒の硫黄被毒を検出し、診断精度及び信頼性を向上する。
【解決手段】上流触媒１１及び下流触媒１９の前々回の酸素吸蔵容量と前回の酸素吸蔵容量を計測し、下流触媒１９の今回の酸素吸蔵容量を計測する。そして上流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、下流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、及び下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を検出する。両触媒の硫黄被毒の仕方が違うことを利用して硫黄被毒の有無を正確に検出できる。
【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。

一方、使用地域等によっては燃料中に硫黄（Ｓ）が比較的高濃度で含まれていることがある。このような燃料が給油された場合、排気ガス中の硫黄成分の影響により触媒の性能が低下する被毒（Ｓ被毒）が発生する。Ｓ被毒が発生すると、触媒の酸素吸放出作用が妨げられて触媒の酸素吸蔵容量が低下する。しかしながら、硫黄濃度の低い燃料が再度給油されたりすると被毒状態はやがて解消される。Ｓ被毒による触媒の性能低下は一時的で且つ回復可能なものである。よって触媒の劣化診断においては、かかるＳ被毒による一時的劣化を、本来診断すべき回復不能な恒久的劣化（熱劣化）であると誤って診断しないようにする必要がある。とりわけ、正常と劣化との境目（クライテリア）付近にありながらなお正常である触媒について、誤って劣化と誤診断してしまわないようにする必要がある。

この対策として、触媒がＳ被毒したときに空燃比を過渡的に補正して硫黄を脱離させる処理を行い（例えば特許文献１参照）、その上で劣化診断を行うことが考えられる。なお、このような硫黄の強制脱離は触媒をより一層劣化させてしまうという点で課題が残されている。

特開平８−１５８８５７号公報

一方、本発明者らの鋭意研究の結果によれば、内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した場合、上流触媒と下流触媒とで硫黄被毒の仕方が異なることが判明した。従ってこのことを利用して少なくとも一方の触媒のＳ被毒を検出できれば、前述のような誤診断を未然に防止でき、診断精度及び信頼性の向上に有利である。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した場合にあって、少なくとも一方の触媒の硫黄被毒を検出し、診断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上流触媒及び下流触媒を配設した内燃機関にあって、前記上流触媒及び下流触媒の劣化を診断する装置であって、
前記上流触媒及び下流触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記計測手段により前記上流触媒及び下流触媒の前々回の酸素吸蔵容量と前回の酸素吸蔵容量が計測され、且つ、前記下流触媒の今回の酸素吸蔵容量が計測されたとき、前記上流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、前記下流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、及び前記下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、前記上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を検出する硫黄被毒検出手段と
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。

本発明者らの鋭意研究の結果によると、触媒の酸素吸蔵容量が燃料中の硫黄成分により低下するのは次の二つの現象に起因することが判明した。第１の現象は、触媒に担持されている触媒成分即ち貴金属に排ガス中のＳＯｘが反応し、貴金属の反応速度が低下し、このために触媒の酸素吸蔵容量が低下する現象である。また第２の現象は、触媒の吸蔵成分に排ガス中のＳＯｘが吸着し、このために触媒の酸素吸蔵容量が低下する現象である。上流触媒の場合、下流触媒に比べて触媒温度が高いので、第２の現象即ち吸蔵成分への硫黄分吸着は起き難く、酸素吸蔵容量低下は第１の現象即ち貴金属の反応速度低下によるものが支配的である。このときの酸素吸蔵容量低下は燃料が低硫黄燃料から高硫黄燃料に交換された直後（即ち、高硫黄燃料が給油された直後）から発生する。他方、下流触媒の場合だと、第１の現象と共に第２の現象も起きて酸素吸蔵容量が低下し、その低下は燃料交換後徐々に進行する。このように両触媒の硫黄被毒の仕方には相違が見られる。

この違いを考慮して、本発明では上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を好適に検出することができる。例えば、上流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、及び下流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量が所定値より大きいとき、両触媒の硫黄被毒の可能性があることが暫定的に推定される。そして次に下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量が所定値より大きいとき、両触媒が硫黄被毒していることが最終的に検出される。上流触媒では第２の現象が起こり難いので、前々回から前回までの間で酸素吸蔵容量が一旦低下してしまえば、その後即ち今回、それほど変化がないのに対し、下流触媒では第２の現象も起こるので、酸素吸蔵容量が一旦低下した後もさらに低下する。この違いを利用して触媒の硫黄被毒を正確に検出し、診断精度及び信頼性を向上することができる。

好ましくは、前記計測手段により計測された酸素吸蔵容量に基づき前記上流触媒及び下流触媒の劣化を判定する判定手段と、前記硫黄被毒検出手段により前記上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒が検出されたとき、前記判定手段による判定を禁止する判定禁止手段とが備えられる。これにより、硫黄被毒により低下した酸素吸蔵容量計測値に基づいて誤って劣化判定するのを防止することができる。

好ましくは、前記上流触媒及び下流触媒の前記前々回の酸素吸蔵容量と前記前回の酸素吸蔵容量とが、それぞれ給油を挟んだ前々回トリップと前回トリップとで計測された値である。硫黄被毒による酸素吸蔵容量の低下は燃料交換即ち給油の後に直ちに発生することから、給油の前後の酸素吸蔵容量の変化を調べるのが好適である。

本発明の別の形態によれば、
内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した内燃機関にあって、前記上流触媒及び下流触媒の劣化を診断する装置であって、
前記上流触媒及び下流触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記計測手段により前記上流触媒及び下流触媒の前回の酸素吸蔵容量と今回の酸素吸蔵容量とが計測されたとき、前記上流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量、及び前記下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、前記上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を検出する硫黄被毒検出手段と
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。

上流触媒及び下流触媒に硫黄被毒が発生すると、燃料交換直後に最初に計測された両触媒の酸素吸蔵容量が大きく低下する。よってこの別の形態のように、上流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量、及び下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づいても、上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を検出することが可能である。

本発明のさらに別の形態によれば、
内燃機関の排気通路に上流触媒と下流触媒とを配設した内燃機関にあって、前記上流触媒の劣化を診断する装置であって、
前記上流触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記計測手段により前回の酸素吸蔵容量と今回の酸素吸蔵容量とが計測されたとき、その前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、前記上流触媒の硫黄被毒を検出する硫黄被毒検出手段と
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。

内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した場合、高硫黄燃料の給油によって、特に上流触媒の酸素吸蔵容量が燃料交換直後に大きく低下する。よってこのことを利用して、上流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、上流触媒の硫黄被毒を検出することができる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した場合にあって、少なくとも一方の触媒の硫黄被毒を検出し、診断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。

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、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる上流触媒１１と下流触媒１９とが直列に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。上流触媒１１は、排気熱を利用して早期に活性化できるよう、燃焼室３から比較的近い位置に取り付けられている。他方、下流触媒１９は、例えば車両の床下等、燃焼室３から比較的遠い位置に取り付けられている。

上流触媒１１の上流側には触媒前センサ１７が設置され、上流触媒１１と下流触媒１９との間に触媒間センサ１８が設置され、下流触媒１９の下流側には触媒後センサ２１が設置されている。これら触媒前センサ１７、触媒間センサ１８及び触媒後センサ２１はいずれも排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサである。特に、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値の信号を出力する。他方、触媒間センサ１８及び触媒後センサ２１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、触媒間センサ１８及び触媒後センサ２１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。

上流触媒１１及び下流触媒１９は、それぞ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）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、特に燃焼室３から排出され上流触媒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、混合気の空燃比を制御する。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。かかる空燃比フィードバック制御においては、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを理論空燃比に一致させるメインフィードバック制御の他に、触媒間センサ１８によって検出される触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄを理論空燃比に一致させるサブフィードバック制御が行われる。このサブフィードバック制御は、触媒前センサ１７の劣化等に起因する中心空燃比のズレを無くす目的で行われる。

ここで、劣化診断の対象となる上流触媒１１及び下流触媒１９についてより詳細に説明する。なお上流触媒１１と下流触媒１９は同じ構成であるので、上流触媒１１を例にとって説明する。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が熱ストレスにより経時的に劣化してくると、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。なお、ここでは便宜上、エミッション影響の大きい上流触媒１１に限定した場合の劣化診断の態様（第１の態様）を説明し、下流触媒１９を含めた劣化診断の態様（第２の態様）は後に説明することとする。

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１１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及び触媒間センサ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及び触媒間センサ１８の出力値はそれぞれ触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ及び触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄの値に対応する。

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（ストイキ）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、触媒間センサ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間センサ１８の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変し、触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄ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、触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄ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、触媒間センサ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、触媒間センサ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。こうなると触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄがリーン側に変化し、触媒間センサ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は触媒間センサ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、触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄがリッチにならないことから、触媒間センサ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。こうなると触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄがリッチ側に変化し、触媒間センサ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（図４のＯＳＣ（１））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（この場合吸蔵酸素量）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（吸蔵酸素量）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ＯＳＣ（２））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。

次に、この酸素吸蔵容量計測値を用いて触媒の劣化判定がなされる。即ち、計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値が劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒は劣化と判定される。なお、触媒が劣化と判定された場合、その事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置を起動させるのが好ましい。以上が、上流触媒１１に限定した場合の劣化診断の態様（第１の態様）の基本的な内容である。

なお、この第１の態様の方法は下流触媒１９単体について適用することも可能である。この場合、触媒前センサ１７の出力を触媒間センサ１８の出力に置き換え、触媒間センサ１８の出力を触媒後センサ２１の出力に置き換えるようにする。

次に、上流触媒１１と下流触媒１９を含めた劣化診断の態様（第２の態様）を説明する。

この第２の態様では、アクティブ空燃比制御における目標空燃比Ａ／Ｆｔの切替タイミングが、下流触媒１９の下流側の触媒後センサ２１の反転タイミングと一致され、上流触媒１１と下流触媒１９に対し同時連続的に酸素の吸蔵又は放出がなされ、上流触媒１１と下流触媒１９の酸素吸蔵容量ＯＳＣが同時連続的に計測されるようになっている。

図５にはアクティブ空燃比制御実行時における各値の変化の様子を示す。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、（Ｂ）は触媒間センサ１８の出力、（Ｃ）は実際の触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄ、（Ｄ）は触媒後センサ２１の出力、（Ｅ）は実際の触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒをそれぞれ示す。

図示例において、時刻Ｔ１以前では、目標空燃比Ａ／Ｆｔ（及び触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ）がリッチ空燃比に維持され、上流触媒１１に吸蔵されていた酸素が放出して排気ガスを浄化し、その下流にほぼ理論空燃比の排気ガスが流出する。従って、その間、触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄがほぼ理論空燃比に維持される。そして上流触媒１１の吸蔵酸素が全て放出すると、上流触媒１１の下流には未燃成分を含むリッチガスが流出し、これに対応して触媒間センサ１８の出力がリーン側からリッチ側に反転する。図示例では時刻Ｔ１において、触媒間センサ１８の出力がリッチ判定値ＶＲに達している。

しかしながら、前記第１の態様とは異なり、この時点ではまだ目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられない。すると時刻Ｔ１以降、下流触媒１９に空燃比のリッチな排気ガスが流入するようになる。かかるリッチガスが流入すると、下流触媒１９は、吸蔵酸素を放出しながらそのリッチガスを浄化する。そしてその下流にはほぼ理論空燃比の排気ガスが流出する。従って、その間、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがほぼ理論空燃比に維持される。

やがて下流触媒１９の吸蔵酸素が全て放出されると、下流触媒１９の下流にはリッチガスが流出し、これに対応して触媒後センサ２１の出力がリーン側からリッチ側に反転する。図示例では時刻Ｔ２において、触媒後センサ２１の出力がリッチ判定値ＶＲに達している。この触媒後センサ２１の出力がリッチ側に反転した時点で、上流触媒１１も下流触媒１９も全ての吸蔵酸素を放出し尽くしたと判断することができる。よってこれと同時に、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンに反転するように目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に切り替えられる。このように触媒後センサ２１の出力が反転するタイミングで目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる。

時刻Ｔ２以降、上流触媒１１には空燃比のリーンな排気ガスが流入され、上流触媒１１は、排気ガス中の過剰酸素を吸蔵しつつ排気ガスの浄化を行う。このため時刻Ｔ２から僅かな遅れ時間を経過した後、触媒間空燃比Ａ／Ｆｍｄは理論空燃比付近に変化する。そして上流触媒１１に酸素が満杯まで吸蔵されると、上流触媒１１の下流にリーンガスが流出し、これに対応して触媒間センサ１８の出力がリッチ側からリーン側に反転する。図示例では時刻Ｔ３において、触媒間センサ１８の出力がリーン判定値ＶＬに達している。

前述のように、この時点ではまだ目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられない。すると時刻Ｔ３以降、下流触媒１９に空燃比のリーンな排気ガスが流入するようになる。かかるリーンガスが流入すると、下流触媒１９は、過剰酸素を吸蔵しながらそのリーンガスを浄化する。よってその下流にはほぼ理論空燃比の排気ガスが流出し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがほぼ理論空燃比に維持される。

やがて下流触媒１９に満杯まで酸素が吸蔵されると、下流触媒１９の下流にリーンガスが流出し、これに対応して触媒後センサ２１の出力がリッチ側からリーン側に反転する。図示例では時刻Ｔ４において、触媒後センサ２１の出力がリーン判定値ＶＬに達している。この触媒後センサ２１の出力がリーン側に反転した時点で、上流触媒１１も下流触媒１９も酸素を容量一杯まで吸蔵したと判断することができる。よってこれと同時に、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチに反転するよう目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比に切り替えられる。

以下同様に、上流触媒１１にリッチガスが流入され、上流触媒１１は吸蔵酸素を放出する。そして上流触媒１１から酸素が放出され尽くすと上流触媒１１の下流にリッチガスが流出し、触媒間センサ１８の出力がリッチ側に反転する（時刻Ｔ５）。この時点では目標空燃比Ａ／Ｆｔを切り替えない。すると下流触媒１９にリッチガスが流入し、下流触媒１９において酸素放出が行われる。そして下流触媒１９から酸素が放出され尽くすと下流触媒１９の下流にリッチガスが流出し、触媒後センサ２１の出力がリッチ側に反転する（時刻Ｔ６）。この反転と同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側に切り替えられる。

このようなアクティブ空燃比制御に伴い、上流触媒１１と下流触媒１９の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２が前式（１）に基づき第１の態様と同様に計測される。即ち、時刻Ｔ２〜Ｔ３において上流触媒１１に酸素が吸蔵されるときには、図４に示した例と同様に、触媒前センサ１７の出力がリーン側に変化して理論空燃比相当の値に達した時点から、触媒間センサ１８の出力がリーン側に反転した時点Ｔ３まで、前式（１）により所定の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。このとき、空燃比差ΔＡ／Ｆの値としては、触媒前センサ１７の出力から換算される空燃比と理論空燃比との差が用いられる。

次いで、時刻Ｔ３〜Ｔ４において下流触媒１９に酸素が吸蔵されるときには、触媒間センサ１８の出力がリーン側に反転した時点Ｔ３から、触媒後センサ２１の出力がリーン側に反転した時点Ｔ４まで、前式（１）により所定の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。このとき、リーンガスが上流触媒１１を素通りして下流触媒１１に流入することから、空燃比差ΔＡ／Ｆの値としては、触媒前センサ１７の出力から換算される空燃比と理論空燃比との差が用いられる。

この後、目標空燃比Ａ／Ｆｔをリッチ空燃比に切り替えたときも、同様の方法で時刻Ｔ４〜Ｔ５において上流触媒１１の酸素吸蔵容量が計測され、時刻Ｔ５〜Ｔ６において下流触媒１９の酸素吸蔵容量が計測される。

こうして計測された酸素吸蔵容量の計測データをＥＣＵ２０に複数記憶しておき、前述の平均化処理を行って、最終的な上流触媒１１及び下流触媒１９の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１，ＯＳＣ２を算出する。そしてこれら計測値ＯＳＣ１，ＯＳＣ２を、予め個別に設定された劣化判定値ＯＳＣ１ｓ、ＯＳＣ２ｓとそれぞれ比較し、その大小に応じて上流触媒１１及び下流触媒１９の正常・劣化を個別に判定する。なおいずれか一方の触媒が劣化と判定された場合、その事実をユーザに知らせるため、例えばチェックランプといった警告装置を起動させるのが好ましい。

次に、本実施形態における触媒の硫黄被毒の検出について説明する。

前に述べたように、高硫黄濃度の燃料が使用された場合、触媒がＳ被毒して触媒の酸素吸蔵容量が一時的に低下し、誤診断等を引き起こす問題がある。ところで、本発明者らの鋭意研究の結果によると、上流触媒１１と下流触媒１９とではＳ被毒の仕方が異なることが判明した。

即ち、触媒の酸素吸蔵容量が燃料中の硫黄成分により低下する現象については次の二つがある。第１の現象は、触媒に担持されている触媒成分３２即ち貴金属に排ガス中のＳＯｘが反応し、貴金属の反応速度が低下し、このために触媒の酸素吸蔵容量が低下する現象である。このときの酸素吸蔵容量の低下は、燃料が低硫黄燃料から高硫黄燃料に交換された直後（即ち、高硫黄燃料が給油された直後）から発生し、その低下量は燃料の硫黄濃度と触媒の持つ酸素吸蔵容量の大きさに依存する。また、第２の現象は、触媒の吸蔵成分３１に排ガス中のＳＯｘが吸着し、このために触媒の酸素吸蔵容量が低下する現象である。このときの酸素吸蔵容量の低下は、燃料が低硫黄燃料から高硫黄燃料に交換された後、徐々にゆっくりと進行する。

ここで上流触媒１１に着目すると、上流触媒１１には燃焼室３からの高温の排気ガスが最初に且つ常時流入されており、その触媒温度は高い。よって第２の現象、即ち吸蔵成分３１への硫黄分吸着は起き難く、上流触媒１１の酸素吸蔵容量低下は第１の現象、即ち貴金属の反応速度低下によるものが支配的である。

他方、下流触媒１９については、触媒温度が上流触媒１１に比べて低いため、第１の現象と共に第２の現象も起きて酸素吸蔵容量が低下する。つまり、上流触媒１１の酸素吸蔵容量が燃料交換直後に急激に低下し、その後殆ど変化しないのに対し、下流触媒１９の酸素吸蔵容量は燃料交換直後に急激に低下した後も徐々に低下していく。

そこで本実施形態では、このようなＳ被毒の仕方の相違に鑑み、次のようにして触媒の硫黄被毒を検出し、さらには触媒の劣化判定を禁止するようにしている。

まず、劣化診断対象を上流触媒１１に限定した第１実施例について説明する。図６には、高硫黄燃料に燃料交換された場合の交換前後における上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１の変化を示す。「今回」とは現在と同義であり、基準となる時期或いは期間を意味する。「前回」とは「今回」の１回前という意味である。後に用いられる「前々回」とは「前回」の１回前という意味である。「トリップ」とはエンジン（或いはエンジンシステム）がオンされている間の期間である。図示例では前回トリップと今回トリップの間のエンジンオフの間に燃料交換が行われている。実線で示すのが実際の酸素吸蔵容量の変化である。

図示されるように、前回トリップにおいて上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1（前回ＯＳＣ）が計測され、今回トリップにおいても上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n（今回ＯＳＣ）が計測されている。そして、前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1に対し、燃料交換直後の今回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_nは大きく変化し、より具体的には大きく低下している。よって前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1から今回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_nへの変化量或いは低下量を算出すれば、この値に基づいて高硫黄燃料が給油されたことを検出し、さらには上流触媒１１が硫黄被毒したことを検出することができる。酸素吸蔵容量変化量（或いは低下量）ΔＯＳＣ１は、ここでは単純に前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1と今回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_nとの差、即ちΔＯＳＣ１＝ＯＳＣ１_n-1−ＯＳＣ１_nとして定義されるが、その他の定義も可能であり、例えばΔＯＳＣ１＝（ＯＳＣ１_n-1−ＯＳＣ１_n）／ＯＳＣ１_n-1として定義されてもよい。

この第１実施例に関する触媒劣化診断処理を図７を参照しつつ説明する。当該処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ１０１では、診断を開始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及び各空燃比センサ１７，１８，２１が所定の活性化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こで述べた例に限られない。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、上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が計測される。ここでは診断対象が上流触媒１１のみであるため、図３及び図４に示した第１の態様で説明したような酸素吸蔵容量計測方法を採用するのが好適である。但し、図５に示した第２の態様で説明したような酸素吸蔵容量計測方法を採用し、上流触媒１１の酸素吸蔵容量計測値のみを用いるようにしてもよい。

次いで、ステップＳ１０３において、失火及び空燃比異常の少なくとも一方が検出されたか否か、具体的にはそのような検出履歴があるか否かが判断される。即ち、本実施形態では失火及び空燃比異常の少なくとも一方を検出する異常検出手段が備えられている。例えば機関回転速度Ｎｅの変動が所定値より大きいとき、或いは触媒前センサ１７で大きなリッチ空燃比を検出したとき、或いは上流触媒前の排気通路に水素センサがある場合に排気ガス中の水素濃度が所定値より高いことを検出したとき、失火が起きたと判断することができる。また、例えばメインフィードバック空燃比制御の補正値が、空燃比をリッチに補正するような値で且つ所定のリミット値に維持されたとき、燃料系の故障で燃料が十分供給されていないことを理由とした空燃比異常が起きたと判断することができる。

粗悪燃料や異種燃料（例えば軽油）等が給油された場合、異常燃焼や失火が発生し触媒が溶損する場合がある。従ってこのステップＳ１０３では触媒溶損の要因が発生したか否かを判断している。ステップＳ１０３で肯定判定されたときには、ステップＳ１０７にて通常の劣化判定が行われる。即ちステップＳ１０２で計測された上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値ＯＳＣ１ｓと比較され、ＯＳＣ１＞ＯＳＣ１ｓなら上流触媒１１は正常、ＯＳＣ１≦ＯＳＣ１ｓなら上流触媒１１は劣化と判定される。仮に触媒が溶損していた場合、これは回復不能な恒久的劣化であるから、通常通り劣化判定を行って、その結果が劣化ならばチェックランプを点灯してユーザに触媒交換を促す。

他方、ステップＳ１０３で否定判定されたとき、ステップＳ１０４に進んで上流触媒１１の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１が算出される。即ち、今回処理時のステップＳ１０２で計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_nと、前回処理時のステップＳ１０２で計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1とを用いて、ΔＯＳＣ１＝ＯＳＣ１_n-1−ＯＳＣ１_nにより酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１が算出される。

次いで、酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１が所定のしきい値α（図６参照）と比較される。ΔＯＳＣ１≦αのときはステップＳ１０７に進んで、通常通り、ステップＳ１０２で計測された上流触媒１１の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１に基づき劣化判定がなされる。

他方、ΔＯＳＣ１＞αのときは、上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が大きく変化（低下）したときであるから、ステップＳ１０６に進んで、上流触媒１１の硫黄被毒ありと判定され、同時に上流触媒１１の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１に基づく劣化判定が禁止される。こうして、上流触媒１１の硫黄被毒が好適に検出されると共に、硫黄被毒により大きく低下した酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１に基づく劣化判定が禁止され、誤診断を防止し、診断精度及び信頼性を向上することができる。

次に、第１実施例に関する別の触媒劣化診断処理を図８を参照しつつ説明する。当該処理はＥＣＵ２０により実行される。なお、図７の処理と同一のステップについては符号を２００番台に変えるのみで詳細な説明を省略し、以下相違点を中心に説明を行う。

この別の処理は、ステップＳ２０２の次にステップＳ２０２Ａが追加され、ステップＳ２０６の後にステップＳ２０８が追加されている点で、前記処理と異なる。

ステップＳ２０２の後にステップＳ２０２Ａが実行され、このステップＳ２０２Ａでは、ステップＳ２０２の酸素吸蔵容量計測が燃料交換後の最初の酸素吸蔵容量計測か否かが判断される。上流触媒１１の硫黄被毒による酸素吸蔵容量低下は燃料交換直後に急激に起こるものであるため、このように燃料交換実施の有無の情報を追加することは診断精度の向上に有利である。この場合、燃料交換の実施の有無を検出する手段が設けられ、例えば当該手段は燃料タンクの残量センサ（フュエルゲージ）や給油リッドの開放を検知するセンサを有する。燃料タンク内の燃料残量が増えたことや、給油リッドが開放されたことが検出された場合、燃料交換が実施されたとみなされる。

ステップＳ２０２Ａにおいて否定判定がなされた場合、ステップＳ２０７に進んで通常の劣化判定が実施され、他方、ステップＳ２０２Ａにおいて肯定判定がなされた場合、ステップＳ２０３〜Ｓ２０８が実施され、高硫黄燃料の給油の有無、ひいては上流触媒１１の硫黄被毒の有無が検出される。つまり、この別の処理では、燃料交換後の最初の酸素吸蔵容量計測時のみ上流触媒１１の硫黄被毒検出が実行される。

また、ステップＳ２０６で上流触媒１１の硫黄被毒が検出され、上流触媒１１の劣化判定が禁止された後には、ステップＳ２０８に進んでチェックランプが点灯され、同時にＥＣＵ２０にその旨の診断コードが記録される。これによりユーザには再度低硫黄燃料の給油を促すことができる。また後の整備の段階で、上流触媒１１が一時的に硫黄被毒していること、触媒交換が不要であることなどを整備員に認識させることができる。

次に、劣化診断対象を上流触媒１１及び下流触媒１９の両触媒とした場合の第２実施例について説明する。図９及び図１０には、上流触媒１１及び下流触媒１９の酸素吸蔵容量の燃料交換前後における変化をそれぞれ示す。図示例では前々回トリップと前回トリップの間で燃料交換が行われている。

図示されるように、前々回トリップ、前回トリップ及び今回トリップにおいて、上流触媒１１及び下流触媒１９の酸素吸蔵容量がそれぞれ計測されている。図９に示す上流触媒１１の場合、図６に示したのと同様、前々回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-2に対し、燃料交換直後の前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1は大きく低下している。しかしながら、上流触媒１１の場合、第２の現象即ち酸素吸蔵成分３１への硫黄分吸着が起き難いので、これ以降、さらなる低下はほぼ見られず、従って前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_n-1に対し今回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１_nはほぼ変わらない。

一方、図１０に示す下流触媒１９の場合、前々回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２_n-2に比べ燃料交換直後の前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２_n-1は大きく低下するが、この低下以降もさらなる低下が見られ、前回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２_n-1に比べ今回の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２_nはより低下する。前回と今回の間の低下量は前々回と前回の間の低下量より少なく、下流触媒１９の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２は燃料交換直後に大きく低下し、その後も徐々に低下し続ける傾向がある。この理由は、前述したように、下流触媒１９においては高硫黄燃料が給油された場合に第１の現象即ち貴金属の反応速度低下に加え、第２の現象即ち酸素吸蔵成分３１への硫黄分吸着が起こるからである。硫黄分吸着が徐々に行われるので、酸素吸蔵容量も徐々に低下していくことになる。以上の酸素吸蔵容量変化特性を考慮し、次のように触媒劣化診断が実行される。

以下、第２実施例に関する触媒劣化診断処理を図１１を参照しつつ説明する。当該処理は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同様、診断を開始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においては上流触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が計測され、次のステップＳ３０３においては下流触媒１９の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２が計測される。ここでは診断対象が上流触媒１１と下流触媒１９であるため、図５に示した第２の態様で説明したような酸素吸蔵容量計測方法を採用する。

次のステップＳ３０４では上流触媒１１の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１が算出され、さらに次のステップＳ３０５では下流触媒１９の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ２が算出される。即ち、ステップＳ１０４と同様の方法で、まず前回処理時から今回処理時までの間の上流触媒１１の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１＝ＯＳＣ１_n-1−ＯＳＣ１_nが算出され、次いで、前回処理時から今回処理時までの間の下流触媒１９の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ２＝ＯＳＣ２_n-1−ＯＳＣ２_nが算出される。

この後、ステップＳ３０６において、上流触媒１１の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１が所定のしきい値α（図９参照）と比較される。ΔＯＳＣ１＞αのときはステップＳ３０７に進んで、下流触媒１９の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ２が所定のしきい値β（図１０参照）と比較される。ΔＯＳＣ２＞βのときはステップＳ３０８に進んで、上流触媒１１及び下流触媒１９の硫黄被毒ありと判定され、同時に上流触媒１１及び下流触媒１９の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１，ＯＳＣ２に基づく劣化判定が禁止される。こうして上流触媒１１及び下流触媒１９の硫黄被毒が好適に検出されると共に、硫黄被毒により大きく低下した酸素吸蔵容量計測値に基づく両触媒の劣化判定が禁止され、誤診断を防止し、診断精度及び信頼性を向上することができる。

他方、ステップＳ３０６においてΔＯＳＣ１≦αのとき、又はステップＳ３０７においてΔＯＳＣ２≦βのときには、ステップＳ３０９に進んで、上流触媒１１及び下流触媒１９に対する通常の劣化判定がなされる。即ち、ステップＳ１０２及びＳ１０３で計測された上流触媒１１及び下流触媒１９の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１，ＯＳＣ２がそれぞれに対する劣化判定値ＯＳＣ１ｓ、ＯＳＣ２ｓと比較され、計測値が劣化判定値より大きい触媒については正常、計測値が劣化判定値以下の触媒については劣化と判定される。ここで例えば上流触媒１１についてはΔＯＳＣ１＞αであるが、下流触媒１９についてはΔＯＳＣ２≦βのときも、ステップＳ３０９で通常の劣化判定がなされる。この場合、上流触媒１１については溶損の可能性が高く、このことがステップＳ３０９の劣化判定時に劣化として判断される。よって一方の触媒の溶損による恒久的劣化を検出することが可能である。

以上の説明から分かるように、当該診断処理では両触媒について、連続する二つの計測タイミングの酸素吸蔵容量計測値に基づき、硫黄被毒の有無を検出している。これに対し、次に述べる別の触媒劣化診断処理では、両触媒について、連続する三つの計測タイミングの酸素吸蔵容量計測値に基づき、硫黄被毒の有無を検出する。

図１２及び図１３に第２実施例に関する別の触媒劣化診断処理のフローチャートを示す。当該処理はＥＣＵ２０により実行される。図１２の処理は図１３の処理より１回前に実行され、図９及び図１０の例に対応づければ、例えば図１２の処理が図９及び図１０にいう前回トリップで実行されるもの、図１３の処理が図９及び図１０にいう今回トリップで実行されるものとなる。

図１２の処理のステップＳ４０１〜Ｓ４０７及びＳ４０９は、図１１の処理のステップＳ３０１〜Ｓ３０７及びＳ３０９と同じである。また図１２の処理のステップＳ４０８は図１１の処理のステップＳ３０８から内容が置換されている。ステップＳ４０８では、硫黄被毒の判定及び劣化判定の禁止が実行される代わりに、硫黄被毒検出仮フラグがセットされる。即ちここでは上流触媒１１及び下流触媒１９について、図９及び図１０にいう前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ１，ΔＯＳＣ２が所定値α，βより大きいとき、硫黄被毒の可能性が暫定的に推定される。また劣化判定は保留、即ち実質的に禁止状態とされる。

次に、図１３の処理が実行される。ステップＳ５０１〜Ｓ５０３は図１１の処理のステップＳ３０１〜Ｓ３０３と同じである。ステップＳ５０３の次にステップＳ５０４が実行され、硫黄被毒検出仮フラグがセットされているか否かが判断される。当該フラグがセットされていない場合、ステップＳ５０９に進んで、前記ステップＳ３０９同様、上流触媒１１及び下流触媒１９に対する通常の劣化判定がなされる。

当該フラグがセットされている場合には、ステップＳ５０５に進んで、下流触媒１９の前回処理時から今回処理時までの間の酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ２（図９及び図１０にいう前回から今回までの間の酸素吸蔵容量変化量）が算出される。そして次にステップＳ５０６に進み、その酸素吸蔵容量変化量ΔＯＳＣ２が所定のしきい値γ（図１０参照）と比較される。ΔＯＳＣ２≦γのときには、ステップＳ５０９に進んで、上流触媒１１及び下流触媒１９に対する通常の劣化判定がなされる。

他方、ΔＯＳＣ２＞γのときには、ステップＳ５０７に進んで、上流触媒１１及び下流触媒１９が最終的に硫黄被毒ありと判定され、同時に上流触媒１１及び下流触媒１９に対する劣化判定が禁止される。そしてステップＳ５０８において硫黄被毒検出仮フラグがクリアされ、処理が終了する。

このように、図１２の処理において両触媒の酸素吸蔵容量の大きな低下が検出された場合、図１３の処理により下流触媒の酸素吸蔵容量がさらに低下したか否かを確認して、最終的な硫黄被毒検出を行うので、その検出精度を高められると共に、診断精度及び信頼性を向上し、誤診断をより確実に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。本発明は三元触媒の他、酸素吸蔵能を有するあらゆる触媒に適用可能である。

図６、図９及び図１０では１トリップ当たりに１回だけ酸素吸蔵容量を計測する例を示したが、これに限らず、１トリップ当たりに複数回、或いは複数トリップ当たりに１回、酸素吸蔵容量を計測する場合にも本発明は適用可能であり、また上述の各劣化診断処理も適用可能である。

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。 触媒劣化診断の第１の態様に関する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、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 触媒劣化診断の第２の態様に関するタイムチャートである。 第１実施例に関し、上流触媒の酸素吸蔵容量の燃料交換前後における変化を示すグラフである。 第１実施例に関する触媒劣化診断処理を示すフローチャートである。 第１実施例に関する別の触媒劣化診断処理を示すフローチャートである。 第２実施例に関し、上流触媒の酸素吸蔵容量の燃料交換前後における変化を示すグラフである。 第２実施例に関し、下流触媒の酸素吸蔵容量の燃料交換前後における変化を示すグラフである。 第２実施例に関する触媒劣化診断処理を示すフローチャートである。 第２実施例に関する別の触媒劣化診断処理を示すフローチャートである。 第２実施例に関する別の触媒劣化診断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
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒間センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 触媒後センサ
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＣ１ 上流触媒の酸素吸蔵容量
ＯＳＣ２ 下流触媒の酸素吸蔵容量
ΔＯＳＣ１ 上流触媒の酸素吸蔵容量変化量
ΔＯＳＣ２ 下流触媒の酸素吸蔵容量変化量

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した内燃機関にあって、前記上流触媒及び下流触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記上流触媒及び下流触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記計測手段により前記上流触媒及び下流触媒の前々回の酸素吸蔵容量と前回の酸素吸蔵容量が計測され、且つ、前記下流触媒の今回の酸素吸蔵容量が計測されたとき、前記上流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、前記下流触媒の前々回から前回までの酸素吸蔵容量変化量、及び前記下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、前記上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を検出する硫黄被毒検出手段と
   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. 前記計測手段により計測された酸素吸蔵容量に基づき前記上流触媒及び下流触媒の劣化を判定する判定手段と、
   前記硫黄被毒検出手段により前記上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒が検出されたとき、前記判定手段による判定を禁止する判定禁止手段と
   を備えた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. 前記上流触媒及び下流触媒の前記前々回の酸素吸蔵容量と前記前回の酸素吸蔵容量とが、それぞれ給油を挟んだ前々回トリップと前回トリップとで計測された値である
   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。
4. 内燃機関の排気通路に上流触媒及び下流触媒を配設した内燃機関にあって、前記上流触媒及び下流触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記上流触媒及び下流触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記計測手段により前記上流触媒及び下流触媒の前回の酸素吸蔵容量と今回の酸素吸蔵容量とが計測されたとき、前記上流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量、及び前記下流触媒の前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、前記上流触媒及び下流触媒の硫黄被毒を検出する硫黄被毒検出手段と
   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。
5. 内燃機関の排気通路に上流触媒と下流触媒とを配設した内燃機関にあって、前記上流触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記上流触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記計測手段により前回の酸素吸蔵容量と今回の酸素吸蔵容量とが計測されたとき、その前回から今回までの酸素吸蔵容量変化量に基づき、前記上流触媒の硫黄被毒を検出する硫黄被毒検出手段と
   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。

Images