JP2010116863A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒高温且つ低排ガス流量のときの劣化診断を可能として診断精度を向上する。
【解決手段】本発明に係る触媒劣化診断装置では、内燃機関の所定運転期間中に診断が所定回終了していないときには、フューエルカット条件が成立していてもフューエルカットが禁止される。フューエルカット条件が成立しているときには、触媒高温の条件が満たされることが多く、また低排ガス流量の条件も満たす。よってかかるタイミングでフューエルカットを禁止すれば、当該タイミングでの診断が可能となり、診断精度を向上できる。
【選択図】図５

Description

本発明は触媒劣化診断装置に係り、特に、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ための装置に関する。

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（Ｏ_２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、かかる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リッチ及びリーンの一方から他方にアクティブ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中に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。

特開２００６−５７４６１号公報

ところで、触媒の酸素吸蔵容量は、触媒が高温であって且つ触媒を通過する排ガスの流量が少ないときほど、大きい値が計測され易い。その理由は、触媒が高温であるほど触媒が活性でより多くの酸素を吸蔵・排出でき、また排ガス流量が少ないほど、触媒と排ガスとの反応時間を確保できると共に、排ガスが触媒と反応しないで触媒を素通りする所謂吹き抜けを抑制できるからである。なお、排ガス流量が吸入空気量と相関し、吸入空気量の値がエンジン制御に用いられることから、一般的には、吸入空気量を検出してその値を排ガス流量の代用値として用いている。

特許文献１に記載の技術では、触媒温度が基準温度より高く、かつ、吸入空気量が判定流量より少ない場合に、触媒の異常検出を禁止するようにしている。その理由は、異常触媒に対して高い値の酸素吸蔵容量が計測されてしまうと、触媒を誤って正常と判断してしまう虞があり、これを防止するためである。

しかし、近年、自動車の分野では排ガス規制が厳しくなってきており、これに伴い、触媒に関するＯＢＤ（OnBoard Diagnosis）規制も厳しくなってきている状況にある。即ち、自動車の分野では触媒の劣化を車載状態で診断しなければならないとするＯＢＤ規制が国によって課せられている場合がある。そして触媒の正常と劣化の境界を定める値がＯＢＤ規制値である。前記Ｃｍａｘ法の場合、ＯＢＤ規制値は劣化判定値によって実現され、酸素吸蔵容量計測値が劣化判定値より大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量計測値が劣化判定値以下ならば触媒は劣化と診断される。

ＯＢＤ規制の厳格化に伴い、酸素吸蔵容量の正常値と劣化値との差が縮小してきており、正常か劣化かの微妙な判断が困難となってきている。

一方、触媒高温且つ低排ガス流量のときには、そうでないときに比べ大きな酸素吸蔵容量が計測される。よって、正常触媒と劣化触媒の酸素吸蔵容量計測値の差を拡大することができ、正常値と劣化値との差が小さい場合であっても比較的精度良く触媒の正常・劣化を診断できる。

ところが、特許文献１の技術だと、触媒高温且つ低排ガス流量のときに劣化診断を禁止することになるため、せっかくの好適な診断機会を失う結果となる。

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、触媒高温且つ低排ガス流量のときの劣化診断を可能として診断精度を向上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、
前記触媒の酸素吸蔵容量を計測し、当該計測値に基づいて前記触媒の劣化を診断する診断手段と、
所定のフューエルカット条件が成立したときに前記内燃機関に対するフューエルカットを実行するフューエルカット実行手段と、
前記内燃機関の所定運転期間中に、前記診断手段による診断が所定回終了しているか否かを判定する診断終了判定手段と、
前記診断終了判定手段により診断未終了と判定されたとき、前記フューエルカット条件が成立したときであっても前記フューエルカット実行手段によるフューエルカットの実行を禁止するフューエルカット禁止手段と
を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

本発明においては、触媒高温且つ低排ガス流量となるタイミングとして、通常ならばフューエルカットが実行されるようなタイミングを採用する。一般に、車両運転時には、アクセル全閉で且つエンジン回転速度が所定速度以上となっているとき、フューエルカットが実行される。このフューエルカット直前にはエンジンが例えば中ないし高負荷運転され、触媒が高温となっていることが多いことから、フューエルカット実行中のタイミングも触媒高温の条件を満たし易い。他方、フューエルカット実行中のタイミングでは、アクセルが全閉状態となっているため、低吸入空気量即ち低排ガス流量の条件も満たす。

よって本発明では、かかるタイミングが劣化診断に好適であることに鑑み、かかるタイミングで診断未終了であるときに、フューエルカットを禁止する。これによって当該タイミングでの診断を可能とし、診断精度を向上することができる。

好ましくは、前記触媒劣化診断装置が、前記触媒の温度が所定値以上であるか否かを判定する触媒温度判定手段をさらに備え、
前記フューエルカット禁止手段は、前記診断終了判定手段により診断未終了と判定され、且つ前記触媒温度判定手段により前記触媒温度が所定値以上であると判定されたとき、前記フューエルカット条件が成立したときであっても前記フューエルカット実行手段によるフューエルカットの実行を禁止する。

これによれば、触媒が高温であることを確実に担保した上でフューエルカットを禁止し、診断を実行することができるので、診断精度のさらなる向上を図れる。

好ましくは、前記所定運転期間が、前記内燃機関の直前の始動時から現在までの期間であり、前記所定回が１回である。

これによれば、現トリップ中に１回、診断が未終了であるときに、フューエルカットが禁止される。

好ましくは、前記診断手段は、
空燃比をリッチ及びリーンの一方から他方にアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記酸素吸蔵容量の計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定する劣化判定手段と
を備える。

本発明によれば、触媒高温且つ低排ガス流量のときの劣化診断を可能として診断精度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（内燃機関に流入する空気量）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、その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Ｏ_２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（Ｚ特性）を持つ。なお触媒後センサ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。またＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４の出力に基づいてエンジン回転速度Ｎｅを検出する。

ＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように空燃比をフィードバック制御する。一方、触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆｓ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。よってＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定し、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比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。

ここで、劣化診断の対象である上流触媒１１についてより詳細に説明する。なお下流触媒１９も上流触媒１１と同様に構成されている。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／Ｆｆ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／Ｆｆ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；O_２ Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

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／Ｆｆ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／Ｆｆがリッチ及びリーンの一方に制御されている間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を実行したときの、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力挙動を実線で示す。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔを破線で示す。図３（Ａ）に示される触媒前センサ１７の出力値は触媒前空燃比Ａ／Ｆｆに換算した値である。また図３（Ｂ）に示される触媒後センサ１８の出力値はその出力値自体、即ち出力電圧Ｖｒの値である。

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／Ｆｆ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／Ｆｆ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とされる。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。

目標空燃比Ａ／Ｆｔは、触媒後センサ１８の出力が反転するのに応じて切り替えられる。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と同時である。図示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒは理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。そして当該出力電圧Ｖｒの反転時期、即ち当該出力電圧Ｖｒがリッチ側に反転した時期及びリーン側に反転した時期を定めるため、当該出力電圧Ｖｒに関する二つの反転しきい値ＶＲ，ＶＬが予め定められている。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Ｖｒ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Ｖｒはリーン側に反転したとみなされ、触媒後センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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Ｖｒ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Ｖｒはリッチ側に反転したとみなされ、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ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。なおリッチ判定値ＶＲはストイキ相当値よりも大きな（リッチ側の）値であり、リーン判定値ＶＬはストイキ相当値よりも小さな（リーン側の）値である。基本的に、出力電圧Ｖｒからは触媒後空燃比Ａ／Ｆｒが理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出できるのみで、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒの絶対値まで検出するのは困難である。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒ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Ｖｒ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／Ｆｒ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。

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／Ｆｒ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／Ｆｒ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／Ｆｆ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／Ｆｆ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いて、最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ、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。

なお、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／Ｆｆ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。

さて、前述したように、正常触媒と劣化触媒の酸素吸蔵容量の差が小さい場合などにおいては、触媒高温且つ低排ガス流量のときに劣化診断を実施するのが好ましい。その理由は、当該差を拡大して見ることができ、これによって診断精度を向上し得るからである。

そして本実施形態では、触媒高温且つ低排ガス流量となるタイミングとして、燃料噴射を停止するフューエルカット（厳密には減速フューエルカット）が通常ならば実行されるようなタイミング、言い換えれば所定のフューエルカット条件が成立しているタイミングを採用する。一般に、車両運転時には、運転手によってアクセルが全閉とされ、且つエンジン回転速度が所定速度以上となっているときに、フューエルカット条件が成立し、フューエルカットが実行される。このフューエルカット直前にはエンジンが中ないし高負荷運転され、触媒が高温となっていることが多いことから、フューエルカット実行中のタイミングも触媒高温の条件を満たし易い。他方、フューエルカット実行中のタイミングでは、アクセルが全閉状態となっているため、低吸入空気量即ち低排ガス流量の条件も満たす。

よって本実施形態では、かかるタイミングが劣化診断に好適であることに鑑み、内燃機関の所定期間運転中での所定回の診断が未終了であるときには、フューエルカット条件が成立していてもフューエルカットを禁止し、通常であればフューエルカットが実行されるタイミングでの診断を可能としている。これにより触媒高温且つ低排ガス流量のときの診断が可能となり、診断精度を向上することができる。

より詳細には、フューエルカット条件とは、アクセル開度センサ１５により検出されたアクセル開度Ａｃがゼロ（全閉）であり、且つ、エンジン回転速度Ｎｅの検出値が所定速度Ｎｅｓ以上となっていることである。このフューエルカット条件の成立時には、触媒温度Ｔｃが診断可能な活性温度域にあり、且つアクセル開度がゼロに維持されるので定常運転状態となり、診断実行条件が成立することが多い。よってフューエルカット禁止中に診断が開始、実行され、好適な条件下で診断を実行することができる。

ここで診断は、内燃機関の所定運転期間毎に少なくとも１回実行する必要がある。本実施形態では、内燃機関の１トリップ（１回の始動から停止までの期間）毎に、診断を１回実行するようにしている。よって、現在が属するトリップ（現トリップ）の開始時期である直前の機関始動時から、現在までの期間中（現トリップ中）に、未だ診断が１回も終了していないときに、前述のフューエルカット禁止を行う。一方、現トリップ中に診断が既に１回終了しているときには、前述のフューエルカット禁止を解除し、通常通りフューエルカットを許可する。こうしないと現トリップ中でフューエルカットがいつまでも禁止されてしまい、燃費の悪化をもたらすからである。

通常フューエルカットが実行されるようなタイミングでは、触媒が十分高温となっていることが予想されるが、当該タイミングの直前の運転状態によってはそうなっていない可能性もある。そこで本実施形態では確認のため、このタイミングでの触媒温度Ｔｃを推定し（直接検出してもよい）、この推定触媒温度Ｔｃが、診断精度を向上し得る最小値としての所定値Ｔｃｓ（例えば７００℃）以上となっているときに限って、フューエルカットを禁止する。こうすることにより触媒高温状態を確実に担保しつつ診断を実行できる。

図５に、本実施形態における劣化診断の概要を示す。（Ａ）はアクセル開度Ａｃの検出値、（Ｂ）はエンジン回転速度Ｎｅの検出値、（Ｃ）はフューエルカット実行フラグ（Ｆ／Ｃフラグ）のオンオフ状態、（Ｄ）は推定値としての触媒温度Ｔｃ、（Ｅ）は燃料噴射量Ｑ、（Ｆ）は吸入空気量Ｇａをそれぞれ示す。（Ｂ）にエンジン回転速度の所定速度Ｎｅｓを示し、（Ｄ）に触媒温度の所定値Ｔｃｓを示す。

車両走行中、まず運転手によりアクセルペダルが戻され、時刻ｔ１でアクセル開度がゼロになったとする。そしてこの時刻ｔ１でエンジン回転速度Ｎｅが所定速度Ｎｅｓを超えているとする。するとフューエルカット条件が成立し、Ｆ／Ｃフラグがオフからオンに切り替わる。しかしこの時点では、現トリップ中で未だ診断未終了であるため、フューエルカットが禁止され、Ｆ／Ｃフラグがオンになったにも拘わらずフューエルカットは実行されない。

これにより、時刻ｔ１以降、アイドル運転時に近い、少ない燃料噴射量と少ない吸入空気量Ｇａでの運転状態が実現されることとなる。また、時刻ｔ１以前で中乃至高負荷運転され、既に触媒温度Ｔｃが所定値Ｔｃｓを十分に上回っていたことから、時刻ｔ１以降でもその状態が継続される。これにより、触媒高温且つ低排ガス流量という診断に好適な条件が揃うことになる。

かかる状況下において、時刻ｔ２に診断が開始され、（Ｅ）に示すように燃料噴射量Ｑを強制的に増減するアクティブ空燃比制御が開始される。特にこの場合、燃料噴射量Ｑの絶対値自体が小さいため、燃料噴射量Ｑの増減に起因するトルク変動及びドライバビリティ悪化を最小限に止めることができる。

フューエルカット条件がなおも成立している時刻ｔ３において診断が終了すると、これと同時にフューエルカット禁止が解除され、通常通りフューエルカットが開始される。

時刻ｔ４において運転手がアクセルペダルを踏み込み、アクセル開度がゼロでなくなると、Ｆ／Ｃフラグがオフに切り替わって通常通りフューエルカットが終了され、アクセル開度に応じた燃料噴射制御が行われる。

次に、図６を参照しつつ、本実施形態におけるフューエルカット制御の実行ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ２０により所定周期（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、検出値としてのエンジン回転速度Ｎｅが所定速度Ｎｅｓ以上であるか否かが判断される。Ｎｅ＜ＮｅｓのときにはステップＳ１０６に進んでフューエルカットが禁止され、Ｎｅ≧ＮｅｓのときにはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、検出値としてのアクセル開度Ａｃがゼロであるか否かが判断される。Ａｃ＝０でないときにはステップＳ１０６に進んでフューエルカットが禁止され、Ａｃ＝０のときにはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、現トリップ中での触媒劣化診断が既に所定回（例えば１回）終了しているか否かが判断される。終了しているときにはステップＳ１０４に進んでフューエルカットが実行され、終了していないときにはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、推定値としての触媒温度Ｔｃが所定値Ｔｃ未満であるか否かが判断される。Ｔｃ＜Ｔｃｓのときには、診断に好適な触媒高温という一条件を満たさないので、ステップＳ１０４に進んでフューエルカットが実行される。なお、フューエルカットが実行される結果、燃料噴射量を増減するアクティブ空燃比制御を行えないので、劣化診断も自ずと実行されないことになる。

他方、Ｔｃ≧Ｔｃｓのときには、診断に好適な触媒高温という一条件を満たすので、ステップＳ１０６に進んでフューエルカットが禁止される。このように実際の触媒温度Ｔｃを所定値Ｔｃと比較し、触媒高温という一条件が満たされた場合に限ってフューエルカットを禁止するので、触媒高温状態を確実に担保した上で診断を実行することができる。

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。またフューエルカット禁止前に実際の触媒温度が所定値以上か否かを判定したのと同様、フューエルカット禁止前に実際の吸入空気量（推定値或いは検出値）が所定値以下か否かを判定し、所定値以下と判定された場合に限ってフューエルカットを禁止してもよい。こうすることで低排ガス流量という他方の一条件を確実に担保した上で診断を実行でき、さらなる診断精度の向上が見込まれる。診断頻度は１トリップ毎に１回に限らず、１トリップ毎に複数回（例えば２回或いは３回）とすることも考えられる。この場合、本発明にいう所定回は複数回となる。或いは、診断頻度は、複数トリップ（例えば２トリップ或いは３トリップ）毎に１回とすることも考えられる。この場合、本発明にいう所定運転期間は、直近の複数回前（例えば２回前或いは３回前）の始動時から現在までの期間となる。

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。 触媒劣化診断時のアクティブ空燃比制御の内容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。 触媒劣化診断の概要を示すタイムチャートである。 フューエルカット制御の実行ルーチン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
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
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
Ｔｃ 触媒温度
Ｔｃｓ 触媒温度の所定値
Ａ／Ｆ 空燃比
Ｇａ 吸入空気量

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、
   前記触媒の酸素吸蔵容量を計測し、当該計測値に基づいて前記触媒の劣化を診断する診断手段と、
   所定のフューエルカット条件が成立したときに前記内燃機関に対するフューエルカットを実行するフューエルカット実行手段と、
   前記内燃機関の所定運転期間中に、前記診断手段による診断が所定回終了しているか否かを判定する診断終了判定手段と、
   前記診断終了判定手段により診断未終了と判定されたとき、前記フューエルカット条件が成立したときであっても前記フューエルカット実行手段によるフューエルカットの実行を禁止するフューエルカット禁止手段と
   を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記触媒の温度が所定値以上であるか否かを判定する触媒温度判定手段をさらに備え、
   前記フューエルカット禁止手段は、前記診断終了判定手段により診断未終了と判定され、且つ前記触媒温度判定手段により前記触媒温度が所定値以上であると判定されたとき、前記フューエルカット条件が成立したときであっても前記フューエルカット実行手段によるフューエルカットの実行を禁止する
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化診断装置。
3. 前記所定運転期間が、前記内燃機関の直前の始動時から現在までの期間であり、前記所定回が１回である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記診断手段は、
   空燃比をリッチ及びリーンの一方から他方にアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記アクティブ空燃比制御の実行中に前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記酸素吸蔵容量の計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定する劣化判定手段と
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触媒劣化診断装置。

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