JP2009215924A - 燃料性状判別装置及びこれを備えた触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の硫黄濃度を推定可能な燃料性状判別装置及びこれを備えた触媒劣化診断装置を提供する。
【解決手段】触媒に供給される排気ガスの空燃比（目標空燃比Ａ／Ｆｔ）をリッチ側からリーン側に徐変させ、このときに触媒後空燃比センサの出力Ｖｒｒがリーン側に反転するタイミングｔ１，ｔ２における空燃比の値Ａ／Ｆｔ１，Ａ／Ｆｔ２に基づいて、燃料の硫黄濃度を推定する。当該反転タイミングが燃料の硫黄濃度に応じて異なるので、このことを利用して燃料の硫黄濃度を推定する。また、所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたときには、誤診断を防止すべく触媒の劣化診断を保留する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料性状判別装置及びこれを備えた触媒劣化診断装置に係り、特に、内燃機関における使用燃料の硫黄濃度を推定可能な燃料性状判別装置、及びその推定結果を利用して触媒の劣化を診断する触媒劣化診断装置に関する。

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、燃焼室内の混合気ひいては触媒に流入する排気ガスの空燃比を強制的にリッチ又は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。

例えば特許文献１には、Ｃｍａｘ法を利用した触媒劣化判定装置であって、計測された酸素吸蔵容量と酸素吸蔵容量の算出回数とに基づいて触媒の劣化度合いを判定する装置が開示されている。

特開２００４−１７６６１１号公報

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、硫黄成分が触媒に蓄積して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、触媒の酸素吸放出反応が妨げられて触媒の見掛け上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給油され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、本来診断すべき熱劣化等の恒久的劣化ないし異常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。

かかる誤診断を防止するためには、燃料性状を判別すること、特に燃料の硫黄濃度を推定することが好適である。かかる判別ないし推定を行えば、燃料が高硫黄濃度であると推定したときに診断を保留するなど必要な措置を執ることができ、誤診断を未然に防止できるからである。

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、燃料の硫黄濃度を推定可能な燃料性状判別装置、及びその推定結果を利用して誤診断を未然に防止し得る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設けられた触媒と、
前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサと、
前記触媒に供給される排気ガスの空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させる空燃比制御手段と、
前記空燃比制御手段により排気ガスの空燃比を徐変させたときに前記触媒後空燃比センサの出力がリーン側又はリッチ側に反転するタイミングにおける空燃比の値に基づいて、燃料の硫黄濃度を推定する硫黄濃度推定手段と
を備えたことを特徴とする燃料性状判別装置が提供される。

触媒に供給される排気ガスの空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させると、触媒後空燃比センサの出力がリーン側又はリッチ側に反転するタイミングが燃料の硫黄濃度に応じて異なる。そこでこの相関性を利用し、触媒後空燃比センサ出力の反転タイミングにおける空燃比の値に基づき燃料の硫黄濃度が推定される。

好ましくは、前記燃料性状判別装置が、前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサを備え、前記空燃比制御手段が、前記触媒前空燃比センサにより検出された排気ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比を制御すると共に、前記目標空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させることにより前記触媒に供給される排気ガスの空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させ、前記硫黄濃度推定手段が、前記触媒後空燃比センサの出力がリーン側又はリッチ側に反転するタイミングにおける目標空燃比の値に基づいて、燃料の硫黄濃度を推定する。

好ましくは、前記空燃比制御手段が、前記触媒に供給される排気ガスの空燃比をストイキに対してリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させる。

好ましくは、前記空燃比制御手段が、前記目標空燃比を所定時間毎に所定値ずつ更新する。

本発明の他の形態によれば、
前記燃料性状判別装置を備えた触媒劣化診断装置であって、前記硫黄濃度推定手段により所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたとき、前記触媒の劣化診断を保留することを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

これによれば、所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたときに触媒の劣化診断が保留されるので、燃料中の硫黄の影響による誤診断を未然に防止することができる。

好ましくは、前記触媒の劣化度に相関するパラメータを計測する計測手段を備え、前記計測されたパラメータが劣化触媒相当の値であるときに、前記空燃比制御手段による空燃比の徐変と前記硫黄濃度推定手段による硫黄濃度の推定とが実行される。

これによれば、まず当該パラメータの計測が実行され、この計測されたパラメータが劣化触媒相当の値であるときに、硫黄影響の有無を調べるべく空燃比の徐変と硫黄濃度の推定とが実行される。よって必要最小限の頻度で空燃比の徐変と硫黄濃度の推定とを実行することができる。

本発明のさらなる他の形態によれば、
前記燃料性状判別装置を備えた触媒劣化診断装置であって、前記触媒の劣化度に相関するパラメータを計測する計測手段を備え、前記硫黄濃度推定手段により所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたとき、前記計測されたパラメータを補正すると共に、この補正されたパラメータに基づいて触媒の劣化診断を実行することを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

これによれば、所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたとき、計測されたパラメータが補正されて触媒の劣化診断が実行されるので、燃料中の硫黄の影響による誤診断を未然に防止することができる。

本発明によれば、燃料の硫黄濃度を推定可能な燃料性状判別装置、及びその推定結果を利用して誤診断を未然に防止し得る触媒劣化診断装置を提供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触媒１１，１９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の上流側と下流側とにそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前空燃比センサ１７及び触媒後空燃比センサ１８が設置されている。触媒前空燃比センサ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、触媒後空燃比センサ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。なお触媒後空燃比センサ１８は上流触媒１１と下流触媒１９の間に設置されている。

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、触媒前空燃比センサ１７、触媒後空燃比センサ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。

触媒１１，１９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＝１４．５５）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、燃焼室３から排出され上流触媒１１に供給される排気ガスの空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを理論空燃比にフィードバック制御する（ストイキフィードバック制御）。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、触媒前空燃比センサ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。

ここで上流触媒１１についてより詳細に説明する。なお以下の説明は下流触媒１９にも同様に当てはまる。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、特にエミッションへの影響が大きい上流触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより、上流触媒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 Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。この酸素吸蔵容量ＯＳＣが、触媒１１の劣化度に相関するパラメータとなる。

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アクティブに（強制的に）交互に切り替えられる。なおリッチ側に切り替えられているときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に切り替えられている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切り替えられている最中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空燃比センサ１７の出力及び触媒後空燃比センサ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。なお図３（Ａ）に示すのは触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒへの換算値、図３（Ｂ）に示すのは触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒである。

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。例えば中心空燃比＝理論空燃比Ａ／Ｆｓ＝１４．５５、リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．０５、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．０５、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５である。通常のストイキフィードバック制御の場合に比べ、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が切り替えられる時期ないしタイミングは、触媒後空燃比センサ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（或いは反転する）タイミングである。ここで図示されるように触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒは理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。そして当該出力電圧Ｖｒｒの反転時期、即ち当該出力電圧Ｖｒｒがリッチ側に反転したかどうか或いはリーン側に反転したかどうかを定めるため、当該出力電圧Ｖｒｒに関する二つの反転しきい値ＶＲ，ＶＬが定められている。ここでＶＲをリッチ判定値、ＶＬをリーン判定値という。ＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）とされる。出力電圧Ｖｒｒがリーン側即ち減少方向に変化してリーン判定値ＶＬに達した時、出力電圧Ｖｒｒはリーン側に反転したとみなされ、触媒後空燃比センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒは少なくとも理論空燃比よりリーンであると判断される。他方、出力電圧Ｖｒｒがリッチ側即ち増大方向に変化してリッチ判定値ＶＲに達した時、出力電圧Ｖｒｒはリッチ側に反転したとみなされ、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒは少なくとも理論空燃比よりリッチであると判断される。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後空燃比センサ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、触媒後空燃比センサ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、触媒後空燃比センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側又はリッチ側に反転する毎に空燃比がリッチ側又はリーン側にアクティブに切替制御される。

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。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側に変化し、触媒後空燃比センサ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。

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、触媒後空燃比センサ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、触媒後空燃比センサ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ＯＳＣ１）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（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蔵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。酸素放出サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と酸素吸蔵サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるのが理想的である。

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、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、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ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。以上が触媒劣化診断の基本的な内容である。

ところで前述したように、硫黄濃度が高い燃料（高硫黄燃料）が給油されると触媒がＳ被毒し、酸素吸蔵容量の計測値が低下する。そして正常な触媒であるにも拘わらず劣化と誤診断する可能性がある。かかる誤診断を防止するためには、燃料性状を判別すること、特に燃料中の硫黄濃度を推定することが好適である。かかる判別ないし推定を行えば、燃料が高硫黄濃度であると推定したときに診断を保留するなど必要な措置を執ることができ、誤診断を未然に防止できるからである。

そこで本実施形態では、かかる燃料性状の判別、特に燃料中の硫黄濃度の推定を行うようにしている。以下、その内容について説明する。

本実施形態では、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比をリッチ側からリーン側に徐変させ、このときに触媒後空燃比センサ１８の出力がリーン側に反転するタイミングにおける空燃比の値に基づいて、燃料の硫黄濃度を推定することとしている。以下、予め使用が予定されている硫黄濃度が低い燃料、即ち硫黄濃度が所定値未満の燃料を低硫黄燃料又は低Ｓ燃料という。また、硫黄濃度がそれよりも高い燃料、即ち硫黄濃度が当該所定値以上の燃料を高硫黄燃料又は高Ｓ燃料という。低硫黄燃料は例えば硫黄濃度が３０ｐｐｍの燃料であり、高硫黄燃料は例えば硫黄濃度が３００ｐｐｍの燃料である。以下の例では理論空燃比即ちストイキを１４．５５とする。

図５に、かかる空燃比徐変を実行したときの各値の変化を示す。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、（Ｂ）は触媒前空燃比センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ、（Ｃ）は触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒ（Ｖ）を示す。触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒのリッチ／リーンの境界を規定するしきい値をＶｒｅｆとする。当該しきい値はストイキ付近に相当する所定値とし、ここでは０．５Ｖとする。

（Ａ）に示すように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、ストイキよりリッチ側の所定値からストイキよりリーン側の所定値に徐変されている。具体的には、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、ストイキよりリッチ側の所定値からストイキよりリーン側の所定値に、一定速度で、ストイキを交差するように徐々に変化（スイープ）されている。一方、触媒前空燃比センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するようフィードバック制御がなされているので、（Ｂ）に示すように、その触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも目標空燃比Ａ／Ｆｔと同じように変化する。但しフィードバック制御の特性上、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒは振動しながらその振動中心が目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように変化する。この結果、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比も目標空燃比Ａ／Ｆｔと同じように変化する。

かかる空燃比の徐変を行うと、（Ｃ）に示すように、触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒがあるタイミングでリッチ側からリーン側に反転する。即ち、徐変初期において目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリッチ側にあるときは、触媒１１にリッチガスが供給され、触媒１１で反応しきれなかったリッチガスが触媒１１下流に吹き抜けて触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリッチを示す。しかし、空燃比徐変が進むにつれ、触媒１１に供給されるガスが徐々にリーンになっていくと、あるタイミングにおいて触媒１１下流にリーンガスが吹き抜け、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリーン側に反転する。

ここで特に、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリーン側に反転するタイミングは燃料の硫黄濃度に応じて異なる。即ち、（Ｃ）に示すように、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがしきい値Ｖｒｅｆを下回ったタイミングをリーン側への反転タイミングとすると、高硫黄燃料のときの反転タイミングｔ２は低硫黄燃料のときの反転タイミングｔ１よりも遅くなり、前者は後者より目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側にある時のタイミングとなる。このように燃料硫黄濃度と反転タイミングとの間には、燃料硫黄濃度が高いほど反転タイミングが遅れるという相関性があるので、このことを利用して、その反転タイミングにおける空燃比の値に基づき燃料の硫黄濃度が推定される。ここで触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの値は振動を伴うので、空燃比の値としては目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が用いられる。これにより安定した空燃比の値を得ることが可能である。但し、ある程度の変動が許容されるような場合等であれば、触媒前空燃比センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの値を用いることも可能である。図示例では高硫黄燃料のときの反転タイミングｔ２に相当する目標空燃比はＡ／Ｆｔ２、低硫黄燃料のときの反転タイミングｔ１に相当する目標空燃比はＡ／Ｆｔ１である。

ここで、燃料硫黄濃度が高いほど反転タイミングが遅れる理由を図６に示した実験結果と併せて説明する。図６は、触媒への供給ガスの空燃比と、触媒におけるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘの各浄化率（％）との関係を示したもので、黒塗りのプロットが低硫黄燃料のデータ、白抜きのプロットが高硫黄燃料のデータである。ＨＣ浄化率については燃料の違いによる差異は殆ど見られない。

一方、ＣＯ浄化率に着目すると、空燃比がストイキ（１４．５５）まで増大するときのＣＯ浄化率の上昇ラインは低硫黄燃料時より高硫黄燃料時の方がリーン側にある。また空燃比がストイキのとき、高硫黄燃料時の浄化率の方が低硫黄燃料時の浄化率より低く、つまり触媒下流側には高硫黄燃料時の方が低硫黄燃料時より多くのＣＯが排出されることとなる。

また、ＮＯｘ浄化率にも同様の傾向が見え、空燃比がストイキから増大するときのＮＯｘ浄化率の下降ラインは低硫黄燃料時より高硫黄燃料時の方がリーン側にある。またストイキより大きい（リーンの）一定空燃比（例えば１４．５９）で比較した場合、高硫黄燃料時の浄化率の方が低硫黄燃料時の浄化率より高く、つまり触媒下流側には高硫黄燃料時の方が低硫黄燃料時より少ないＮＯｘしか排出されないこととなる。

これらＣＯ浄化率とＮＯｘ浄化率の結果から、燃料を低硫黄燃料から高硫黄燃料にすると空燃比同一でも触媒下流側にはよりリッチなガスが排出されるようになり、その分、触媒に供給するガスをリーンにしないと触媒下流側にリーンガスを排出させることができないということがいえる。このことから、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリーン側に反転するタイミングは、燃料の硫黄濃度が高いほど遅れるものと思料される。

次に、図７に基づき本実施形態の燃料性状判別処理を説明する。図示するルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。なお、図８に、燃料性状判別処理実行時の（Ａ）目標空燃比Ａ／Ｆｔ及び（Ｂ）触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒの変化の様子を示す。

ステップＳ１０１では、目標空燃比Ａ／Ｆｔを所定値に設定して空燃比制御が実行される。目標空燃比Ａ／Ｆｔの初期値はストイキよりもリッチ側の所定値に設定されている。

次に、ステップＳ１０２では、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがしきい値Ｖｒｅｆを下回ったか否かが判断される。

触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがしきい値Ｖｒｅｆを下回ってない場合、ステップＳ１０３に進んで、目標空燃比Ａ／Ｆｔの更新時から所定時間Ｔが経過したか否かが判断される。ここで目標空燃比Ａ／Ｆｔを徐変させるべく、目標空燃比Ａ／Ｆｔは所定時間Ｔ毎に所定値Ｄずつ増大、更新されるようになっており（ステップＳ１０４参照）、当該ステップＳ１０３ではこのような目標空燃比Ａ／Ｆｔの更新タイミングになったかどうかが実質的に判断されている。

目標空燃比Ａ／Ｆｔの更新時から所定時間Ｔが経過していないと判断された場合、ルーチンが終了される。他方、目標空燃比Ａ／Ｆｔの更新時から所定時間Ｔが経過したと判断された場合、ステップＳ１０４に進んで、目標空燃比Ａ／Ｆｔの現在値に所定値Ｄが加算され、目標空燃比Ａ／Ｆｔが更新され、ルーチンが終了される。

こうして目標空燃比Ａ／Ｆｔが所定時間Ｔ毎に所定値Ｄずつ増大、更新される結果、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比がリーン側に徐変される。そしてやがて触媒１１から排出されるガスがリーンになっていくと、あるタイミングで触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがしきい値Ｖｒｅｆを下回る。このリーン反転と同時にステップＳ１０２の判定結果がイエスとなり、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、リーン反転時の目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が取得される。そしてステップＳ１０６においてその取得した目標空燃比Ａ／Ｆｔの値に基づき燃料の硫黄濃度が推定され、ルーチンが終了される。ここで燃料硫黄濃度の推定方法については、取得した目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が所定値Ｂ以下であれば低硫黄燃料、所定値Ｂより大きいときは高硫黄燃料というように、二段階で推定することができる。或いは、目標空燃比Ａ／Ｆｔと燃料硫黄濃度の関係を予め実験的にマップ、関数等で定めておき、この関係を利用して、実際に取得した目標空燃比Ａ／Ｆｔの値に対応した燃料硫黄濃度の推定値を算出するようにしてもよい。これ以外にも種々の方法が可能である。

次に、図９を参照しつつ、上述の燃料性状判別を利用した触媒劣化診断処理の手順を説明する。図示する処理もＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ２０１において、触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが前述のＣｍａｘ法に基づき計測される。このステップではまず劣化診断を実行するのに適した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。前提条件が成立していない場合には待機状態となる。他方、前提条件が成立した場合には酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が開始される。即ち前述したように、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。

こうして酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が終了したならば、次にステップＳ２０２において、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きいときには、ステップＳ２０３において触媒１１は正常と判定ないし診断される。

他方、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下のときにはステップＳ２０４に進む。このステップＳ２０４では、図７に示したような燃料性状判別処理（但しステップＳ１０６を除く）が実行され、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリーン反転した時の目標空燃比Ａ／Ｆｔの値（ステップＳ１０５で取得される値）が取得される。このように、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下の劣化触媒相当の値であるときのみ、空燃比徐変と燃料硫黄濃度推定とが実行されるので、これらを必要最小限の頻度で実行することができる。

次に、ステップＳ２０５において、この取得された目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が所定値Ｂと比較される。この所定値Ｂは実験結果等に基づき、低硫黄燃料と高硫黄燃料との境界を規定するような値に設定されている。目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が所定値Ｂより大きい場合、高硫黄燃料が使用されているとみなされ、硫黄影響による誤診断が懸念されることから、ステップＳ２０６に進んで、触媒１１が正常とも劣化とも判定ないし診断されず、即ち劣化判定ないし劣化診断が保留される。他方、目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が所定値Ｂ以下の場合、低硫黄燃料が使用されており硫黄による影響はないことから、ステップＳ２０７に進んで、触媒１１は劣化と判定ないし診断される。

なお、ステップＳ２０５において目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が所定値Ｂより大きい場合、即ち高硫黄燃料が使用されているとみなされる場合、ステップＳ２０１で計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を補正し、この補正された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を劣化判定値ＯＳＣｓと比較して触媒が正常か劣化かを判定ないし診断してもよい。即ち、高硫黄燃料使用中とみなされた場合にはその硫黄影響による酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣの低下量を補うように補正する。こうすることにより硫黄影響を排除して誤診断を防止できる。この補正方法としては、例えば、目標空燃比Ａ／Ｆｔと補正係数の関係を予め実験的にマップ、関数等で定めておき、この関係を利用して、実際に取得した目標空燃比Ａ／Ｆｔの値に対応した補正係数の値を算出する。そしてこの算出した補正係数を酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣに乗じて酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを増大補正する。なおこれ以外にも種々の補正方法が可能である。

ところで、上述の実施形態では燃料性状判別に際して空燃比をリッチ側からリーン側に徐変させたが、これとは逆に、空燃比をリーン側からリッチ側に徐変させてもよい。

図１０にはかかる空燃比徐変を実行したときの各値の変化を示す。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、（Ｂ）は触媒前空燃比センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ、（Ｃ）は触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒ（Ｖ）を示す。（Ａ）に示すように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、ストイキよりリーン側の所定値からストイキよりリッチ側の所定値に、一定速度で、ストイキを交差するように徐々に変化（スイープ）されている。そして（Ｂ）に示すように、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも目標空燃比Ａ／Ｆｔと同じように変化する。かかる空燃比徐変を行ったとき、（Ｃ）に示すように、触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒはリーン側からリッチ側に反転する。

触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリッチ側に反転するタイミングは燃料の硫黄濃度に応じて異なる。触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒが所定のしきい値Ｖｒｅｆ（ここでは約０．５５（Ｖ））を上回ったタイミングをリッチ側への反転タイミングとすると、高硫黄燃料のときの反転タイミングｔ３は低硫黄燃料のときの反転タイミングｔ４よりも早くなり、図５と逆の結果となる。但し、前者は後者より目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側にある時のタイミングとなり、この点では図５と同じ結果となる。このような燃料硫黄濃度と反転タイミングとの間の相関性を利用し、その反転タイミングにおける空燃比、好ましくは目標空燃比Ａ／Ｆｔの値に基づき、燃料の硫黄濃度が推定可能である。なお各反転タイミングｔ３，ｔ４に相当する目標空燃比をＡ／Ｆｔ３，Ａ／Ｆｔ４で示す。

この逆方向の空燃比徐変を行う場合にも図７の燃料性状判別処理及び図９の触媒劣化診断処理が流用可能である。この場合、図７の燃料性状判別処理については、ステップＳ１０２において、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがしきい値Ｖｒｅｆを上回ったか否かが判断され、ステップＳ１０４において、目標空燃比Ａ／Ｆｔの現在値から所定値Ｄが減算されて目標空燃比Ａ／Ｆｔが更新される。他方、図９の触媒劣化診断処理については、ステップＳ２０４において、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリッチ反転した時の目標空燃比Ａ／Ｆｔの値が取得される。

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。触媒後空燃比センサに触媒前空燃比センサと同様の広域空燃比センサを用いてもよいし、触媒前空燃比センサに触媒後空燃比センサと同様の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、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 空燃比をリーン側に徐変させたときの各値の変化を示すタイムチャートである。 触媒における供給ガスの空燃比とＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘの各浄化率との関係を示すグラフである。 燃料性状判別処理のフローチャートである。 燃料性状判別処理実行時の各値の変化を示すタイムチャートである。 触媒劣化診断処理のフローチャートである。 空燃比をリッチ側に徐変させたときの各値の変化を示すタイムチャートである。

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 触媒前空燃比センサ
１８ 触媒後空燃比センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＣｓ 劣化判定値
Ｖｒｒ 触媒後空燃比センサ出力
Ｖｒｅｆ しきい値
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
Ａ／Ｆｆｒ 触媒前空燃比

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、
   前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサと、
   前記触媒に供給される排気ガスの空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させる空燃比制御手段と、
   前記空燃比制御手段により排気ガスの空燃比を徐変させたときに前記触媒後空燃比センサの出力がリーン側又はリッチ側に反転するタイミングにおける空燃比の値に基づいて、燃料の硫黄濃度を推定する硫黄濃度推定手段と
   を備えたことを特徴とする燃料性状判別装置。
2. 前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサを備え、
   前記空燃比制御手段が、前記触媒前空燃比センサにより検出された排気ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比を制御すると共に、前記目標空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させることにより前記触媒に供給される排気ガスの空燃比をリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させ、
   前記硫黄濃度推定手段が、前記触媒後空燃比センサの出力がリーン側又はリッチ側に反転するタイミングにおける目標空燃比の値に基づいて、燃料の硫黄濃度を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料性状判別装置。
3. 前記空燃比制御手段が、前記触媒に供給される排気ガスの空燃比をストイキに対してリッチ側からリーン側に又はその逆に徐変させる
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料性状判別装置。
4. 前記空燃比制御手段が、前記目標空燃比を所定時間毎に所定値ずつ更新する
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料性状判別装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料性状判別装置を備えた触媒劣化診断装置であって、前記硫黄濃度推定手段により所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたとき、前記触媒の劣化診断を保留することを特徴とする触媒劣化診断装置。
6. 前記触媒の劣化度に相関するパラメータを計測する計測手段を備え、前記計測されたパラメータが劣化触媒相当の値であるときに、前記空燃比制御手段による空燃比の徐変と前記硫黄濃度推定手段による硫黄濃度の推定とが実行される
   ことを特徴とする請求項５記載の触媒劣化診断装置。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料性状判別装置を備えた触媒劣化診断装置であって、前記触媒の劣化度に相関するパラメータを計測する計測手段を備え、前記硫黄濃度推定手段により所定値以上の燃料硫黄濃度が推定されたとき、前記計測されたパラメータを補正すると共に、この補正されたパラメータに基づいて触媒の劣化診断を実行することを特徴とする触媒劣化診断装置。

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