JP4344907B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの劣化を診断する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化用の触媒コンバータにおいては、触媒に付加された酸素ストレージ能力がＨＣ浄化性能、即ち触媒性能と相関性が高いことから、特にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質を多く含むような触媒コンバータにおいては、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の変化を検出することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が広く知られている。
【０００３】
この触媒劣化検出方法では、触媒コンバータに流入する排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定周期、振幅で空燃比変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒コンバータに吸蔵されるために触媒下流の排気空燃比の応答が遅く、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒コンバータにあまり吸蔵されることなく排出されて触媒下流の排気空燃比の応答が速くなるという特性を利用しており、例えば、触媒下流に設けた酸素センサ（Ｏ2センサ）或いは空燃比センサ（ＬＡＦＳ）からの酸素濃度出力値の周波数または周期を検出し、当該検出値が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が低下、即ち触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている（特開平５−１７９９３５号公報等）。
【０００４】
しかしながら、主触媒コンバータを排気通路の後方に設けるとともに小型触媒コンバータを内燃機関の排気マニホールド近傍にも設けるような排気浄化装置では、小型触媒コンバータにある程度の容積があるため、排ガスが主触媒コンバータに達したときには空燃比変調が緩和されており、酸素ストレージ能力が低下しても主触媒コンバータ下流における排気空燃比の応答がそれほど速くならず、精度の高い劣化判定は困難である。
【０００５】
また、上記空燃比の変調による触媒劣化検出方法は、セリア等の酸素吸蔵物質を多く含み十分な酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータには有効であるが、ＮＯx吸蔵触媒のようにセリア等を多く含まず酸素ストレージ能力のもともと低い弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、触媒コンバータに酸素があまり吸蔵されないために、劣化していなくても触媒下流の排気空燃比の応答が速くなり、やはり劣化検出は困難である。
【０００６】
このようなことから、酸素ストレージ能力を監視する以外に触媒の劣化を判定する方法が求められており、例えば、触媒の周囲雰囲気が還元雰囲気であるときのＮＯx浄化能力を監視することで触媒の劣化を判定する方法が知られている（特開平１１−２２９８４９号公報等）。
この方法は、ＨＣの酸化反応もＮＯxの還元反応も共に同一の貴金属が関与していると考えられることから、ＮＯx浄化性能を診断することによって、貴金属の状態、ひいてはＨＣ浄化性能、即ち触媒の劣化を診断しようというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷運転時のような還元雰囲気状態においては、ＣＯ等の還元剤が貴金属に吸着しやすいためにＮＯxの貴金属への吸着が阻害され易いという問題があり、また、上記セリア（Ｃe）はＣeＯ2の状態では水性ガス反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → Ｈ2＋ＣＯ2）を促進し、これにより生成されたＨ2は（２ＮＯ＋２Ｈ2 → Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ）のように反応してＮＯxを浄化するのであるが、還元雰囲気中にはＣＯが多いことから水性ガス反応の不活性（ＣeＯ2＋ＣＯ → Ｃe2Ｏ3＋ＣＯ2）が起こり、この状態では水性ガス反応が促進されずにその分ＮＯxの浄化効率が低下するという問題がある（これらを総称して還元被毒という）。
【０００８】
従って、ＮＯx浄化能力を監視する上記従来の劣化診断方法では、空燃比を変調させたとしても、還元雰囲気期間が長いと、実際には触媒が劣化しておらず酸化雰囲気にすればＮＯx浄化能力が回復するにも拘わらず、触媒が劣化したと誤って判定してしまうおそれがあり、当該方法は触媒劣化診断方法としてそれほど信頼性の高いものではない。
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、精度よく劣化判定可能な排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、前記内燃機関の空燃比を所定の周期、振幅で強制的に変動可能な空燃比強制変動手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられて排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの出力値が、前記触媒コンバータの浄化効率が最適値を示す範囲として予め設定された第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、前記空燃比強制変動手段により空燃比を変動させることで前記触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御する触媒最適化手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられたＮＯxセンサと、前記触媒最適化手段により前記触媒コンバータが最適な状態にあるとき、前記ＮＯxセンサからのＮＯx排出量に応じて前記触媒コンバータの劣化度合いを診断する劣化診断手段とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
従って、触媒コンバータの下流側に設けられた酸素センサの出力値に基づけば、触媒コンバータの排ガスの浄化状況を知ることができ、先ず、触媒最適化手段により、酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータの浄化効率の最適化が図られる。そして、触媒最適化手段によって触媒コンバータが排ガスの浄化に最適な状態に制御されていれば、触媒コンバータが還元雰囲気にあっても上記還元被毒の影響なくＮＯx浄化能力が高く維持されることになるが、触媒コンバータがこのようにＮＯx浄化能力が高い状況にも拘わらず、触媒コンバータ下流のＮＯxセンサによりＮＯxの排出が検出されると、その排出の程度に応じ、上述したＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化との関係に基づいて触媒コンバータの劣化度合いが診断される。
【００１５】
ここに、本発明の請求項１は次のような所見に基づきなされており、以下当該請求項１における触媒最適化手法について詳しく述べる。
空燃比強制変動手段によって内燃機関の空燃比を変動させると、排気空燃比が周期的にリーン空燃比とリッチ空燃比間で変動することになり酸化雰囲気と還元雰囲気とが交互に発生してＨＣ、ＣＯ及びＮＯxがそれぞれ浄化されることになるのであるが、その際、出願人が触媒コンバータ（三元触媒）の下流に設けた酸素センサの出力値を調査したところ、図６に示すように、酸素センサの出力値とＮＯx浄化効率との間には一定の関係があることが確認された。
【００１６】
つまり、空燃比をある変調度合いでリッチ空燃比とリーン空燃比とに周期的に変動させると、図６に実線で示すように、酸素センサ（例えば、デンソー製０６５５００−２９９１またはこれと同等の出力電圧特性を有するＯ2センサ）の出力値の大部分が第１所定値（０．５５Ｖ（ボルト））以上第２所定値（０．８５Ｖ（ボルト））以下の一定範囲ではＮＯx浄化効率が最適値（ＮＯxの殆どが浄化される状態）を示すことが確認された。
【００１７】
このようなことから、酸素センサの出力値が第１所定値（０．５５Ｖ）以上第２所定値（０．８５Ｖ）以下の所定範囲となるように変調度合いを設定して空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で変動させるようにすれば、ＮＯx浄化効率を還元被毒の影響なく最適の状態に維持することが可能となる。故に、第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００１８】
また、請求項２の発明では、前記触媒最適化手段は、前記酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、該所定範囲内に前記出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させるとともに、前記内燃機関の運転変化に伴う排気輸送遅れの増加に応じて前記所定範囲の上限値が大側にシフトする特性に倣って、前記排気輸送遅れが大きいほど前記出力値の目標値を前記所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることを特徴としている。
従って、触媒最適化手段により酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、所定範囲内に出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させ、この際、排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることにより、排気輸送遅れにより目標値に対する制御応答性が鈍化したとしても、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化が図られる。そして、このような最適な状態でありながら、ＮＯxセンサによってＮＯxの排出が検出されると、劣化診断手段により、触媒コンバータに異常があるとみなされ、その排出の程度に応じて触媒コンバータの劣化度合いが診断される。
【００１９】
ここに、本発明の請求項２は次のような所見に基づきなされており、以下当該請求項２における空燃比強制変動手法について詳しく述べる。
出願人の実験によれば、内燃機関回転速度が小さいときのように排気流速が遅く排気輸送遅れが大きい場合には、輸送遅れが小さい場合に比べてＮＯx浄化効率が最適値（ＮＯxの殆どが浄化される状態）を示す一定の出力範囲が大側に広がることが確認されている。つまり、図６には排気輸送遅れが大の場合のＮＯx浄化効率が実線で示され、排気輸送遅れが小の場合のＮＯx浄化効率が破線で示されているが、このように、排気輸送遅れが大きくなるにつれてＮＯx浄化効率が最適値を示す酸素センサの出力値の上限値が大側にシフトする。そして、その上限値の最大値が第２所定値（０．８５Ｖ）近傍となる。
【００２０】
また一方、酸素センサの出力値について制御目標値を定めてフィードバック制御を実施した場合、排気輸送遅れが大きくなり応答性が鈍化すると、制御目標値からのバラツキが大きくなる。つまり、図６に実線矢印で示すように排気輸送遅れが小さければ制御目標値からのバラツキは小さく、排気輸送遅れが大きくなるとバラツキは大きくなる。そして、このように制御目標値からのバラツキが大きくなると、制御目標値が同一のままでは排気輸送遅れが大きい場合に一時的に酸素センサの出力が第１所定値（０．５５Ｖ）から外れ、ＮＯx浄化効率が低くなってしまうことが生じうる。
【００２１】
しかしながら、触媒コンバータの浄化効率の最適化を図るためには、当該制御目標値からのバラツキの範囲についても所定範囲内に納めることが必要である。従って、上述の如くＮＯx浄化効率が最適値を示す出力範囲が大側にシフトするという特性を参酌すると、排気輸送遅れが小さいときには酸素センサの出力値の目標値を比較的第１所定値（０．５５Ｖ）側に設定しておくのがよく、一方、排気輸送遅れが大きくなるにつれて当該目標値を大側にシフトして設定するのがよいと考えられる。
【００２２】
このようなことから、図７を参照すると実験に基づくマップが示されているが、当該図７のマップに示すように排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させるようにすれば、排気輸送遅れにより目標値に対する応答性が鈍化し制御目標値からのバラツキが大きくなったとしても、図６に破線矢印で示すように酸素センサの出力の大部分は常に第１所定値（０．５５Ｖ）以上の所定範囲内に収まることになり、これにより確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００２３】
また、請求項３の発明では、前記第１所定値は０．５５ボルトであり、前記第２所定値は０．８５ボルトであることを特徴としている。
従って、空燃比強制変動手段により酸素センサの出力値の大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能である。
【００２４】
つまり、上述した実験結果に基づけば、酸素センサ（例えば、デンソー製０６５５００−２９９１またはこれと同等の出力電圧特性を有するＯ2センサ）において、上記第１所定値は０．５５Ｖであり、第２所定値は０．８５Ｖであり、故に０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内であれば、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００２６】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００２７】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００２８】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２９】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００３０】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）のいずれかを有するとともにセリア（Ｃe）が添加されており、酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有した三元触媒として構成されている。つまり、活性貴金属やセリア（Ｃe）は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ2）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ2を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においても担体表面にＯ2を有してＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。また、活性貴金属は、排気空燃比がリッチ空燃比である還元雰囲気において、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2（水素）等の還元剤を吸着し、排気空燃比がリーン空燃比となり酸化雰囲気となってもその還元剤を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は酸化雰囲気においても担体表面に還元剤を有してＮＯx（窒素酸化物）を還元除去可能である。即ち、Ｏ2ストレージ機能とともに還元剤ストレージ機能を有した当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のことＮＯxを浄化でき、吸蔵されたＯ2により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可能である。
【００３１】
また、排気管２０には、排気流速を測定する流速センサ２２が配設されており、さらに、三元触媒３０の下流にはＯ2センサ（第１の排ガスセンサ、酸素センサ）２４及びＮＯxセンサ（第２の排ガスセンサ）２６が配設されている。Ｏ2センサ２４としては、ここではデンソー製のＯ2センサ（型番号０６５５００−２９９１または２３４０００−８１８１または２３４０００−８２１１）或いはこれと同等の出力特性を有するＯ2センサが使用される。ＮＯxセンサ２６はＮＯx量を検出するものである。
【００３２】
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、流速センサ２２、Ｏ2センサ２４及びＮＯxセンサ２６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００３３】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００３４】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本発明に係る排気浄化装置では、三元触媒３０の能力を最大限発揮するために、ＥＣＵ４０によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている。つまり、ここでは、図２に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）を一定期間（リーン時間）に亘りリーン空燃比（例えば値１６）とした後一定期間リッチ空燃比（例えば値１４）とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている（空燃比強制変動手段）。なお、変調波形は、ここでは矩形波であるが三角波であってもよい。
【００３５】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ2ストレージ機能によりＯ2が吸蔵され且つ還元剤ストレージ機能によりＮＯxが浄化され、一方、排気空燃比がリッチ空燃比のときには還元剤が吸蔵されるとともにＮＯxが良好に浄化され且つ吸蔵されたＯ2によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
【００３６】
さらに、本発明では、上述したように触媒下流に設けた酸素センサ、即ちＯ2センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間に一定の関係があることが確認されたことに基づき、Ｏ2センサ２４の出力に基づいて三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るようにしており（触媒最適化手段）、このように三元触媒３０の排気浄化効率が最適化された状態で、やはり触媒下流に設けたＮＯxセンサ２６の出力情報に基づき三元触媒３０の劣化診断を行うようにしている（劣化診断手段）。
【００３７】
図３を参照すると、Ｏ2センサ２４の出力に応じた触媒最適化制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに基づき本発明に係る触媒最適化制御の制御手順について説明する。
ステップＳ１０では、先ず、Ｏ2センサ２４が活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ2センサ２４が活性状態にない場合には当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１２に進む。
【００３８】
ステップＳ１２では、次式(1)から現在の空燃比の変調度合い、即ち周期Ｔに対するリーン空燃比の時間（リーン時間ｔl）の比である空燃比デューティＤを求め、当該デューティＤが所定値Ｄ1より小さいか否か（Ｄ＜Ｄ1）を判別する。
（空燃比デューティ）Ｄ＝（リーン時間）ｔl／（周期）Ｔ …(1)
なお、リーン空燃比の値とリッチ空燃比の値は上述した所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）にそれぞれ固定する必要はなく、各運転条件に応じて最適な値とするようにしてもよい。
【００３９】
また、周期Ｔについては、固定値（例えば１sec）であってもよいし、運転状態（例えば、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、排気マニホールド圧、冷却水温、潤滑油温の少なくともいずれか一つ）に応じて変更するようにしてもよい。また、時間ベースであってもよいし、燃焼サイクルベースであってもよい。
【００４０】
さらに、リーン空燃比時とリッチ空燃比時のトルク差がないように空燃比、点火時期等を設定すると、フィーリングが改善される。
上述したように、三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るべく空燃比を変調制御するためには、Ｏ2センサ２４の出力値（出力Ｓ）が０．５５Ｖ（第１所定値）から０．８５Ｖ（第２所定値）の間の最適範囲になるように空燃比の変調度合い、即ちデューティＤを設定すればよい。そして、出力Ｓを当該所望の範囲内とすることができるデューティＤの上限（Ｄ2）、下限（Ｄ1）は実験により予め設定されている。
【００４１】
つまり、当該ステップＳ１２において、判別値である所定値Ｄ1は出力Ｓの上限値０．８５Ｖに対応したデューティＤ1である。
ところが、吸気流量計、燃料噴射弁等の誤差により、実際のリーン空燃比あるいはリッチ空燃比が所望の範囲から外れている場合があり、このとき、空燃比の変調度合いを調整しても出力Ｓを０．５５Ｖ（第１所定値）から０．８５Ｖ（第２所定値）の範囲内とすることができない。
【００４２】
そこで、ステップＳ１２ではデューティＤが本制御の出力Ｓの上限に対応したデューティＤ1より小さいか否か、即ち出力Ｓを当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリーン側にずれている可能性の有無を判別する。
ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ1より小さいと判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００４３】
ステップＳ１４では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも小さいか否か（Ｓ＜Ｓ1＋ΔＳ1）を判別する。
制御目標値Ｓ1は上記０．５５Ｖと０．８５Ｖの範囲内となる値であり、不感帯ΔＳ1は例えば０．０１Ｖとする。
ところで、上述したように、制御目標値を定めてフィードバック制御を行うと、排気輸送遅れが大きい場合、Ｏ2センサ２４の出力Ｓの制御目標値に対するバラツキが大きくなる。つまり、出力Ｓの制御目標値からのバラツキによって出力Ｓが一時的に制御目標上限値を越えてしまうことになる。
【００４４】
従って、実際には、このバラツキを含めて出力Ｓの大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内に収まるよう、図６に示したように、出力Ｓの制御目標値Ｓ1を設定するようにしている。つまり、ＮＯx浄化効率が最適値を示す出力範囲は、排気輸送遅れが小さいときには狭く排気輸送遅れが大きいときには大側に拡大することから、図７のマップに基づき、排気輸送遅れが小さいときにはＯ2センサ２４の出力Ｓの目標値を下限値０．５５Ｖ寄りに設定し、排気輸送遅れが大きくなるにつれて当該目標値を大側にシフトして設定する。
【００４５】
ここに、排気輸送遅れは、排気流速、吸入空気量、車速、酸素センサ上流排気系容積、内燃機関回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、吸気マニホールド圧、排気温度及び排気流量のいずれによっても検出可能であるが、ここでは、流速センサ２２により検出される排気流速情報に基づいて排気輸送遅れを検出する。即ち、排気流速が大きければ排気輸送遅れは小さく、一方排気流速が小さければ排気輸送遅れは大きいと判断する。
【００４６】
なお、出力ＳはＯ2センサ２４の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。この場合、例えば空燃比の変調周期間の平均値を用いてもよいし、所定期間の平均値を用いてもよい。
通常ならば、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリッチとなっており、出力Ｓは制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）を越えるはずある。しかしながら、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも小さい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリーン空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１６に進む。
【００４７】
ステップＳ１６では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(2)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）の指令値を実際値との整合を図るべくリッチ側に補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリッチ化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)＋Ｇ1 …(2)
ここに、Ｇ1は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００４８】
そして、ステップＳ１２乃至ステップＳ１６は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）以上と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ３０に進み、出力Ｓが制御目標値Ｓ1となるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りに調整する。
【００４９】
変調度合いの調整方法としては、空燃比デューティＤを変える方法、酸化剤或いは還元剤の供給度合い（即ち空燃比Ａ／Ｆ）を変える方法等が考えられるが、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(3)に示すように、リーン空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを大きくすることにより平均Ａ／Ｆをリーン化して変調度合いを調整する。
【００５０】
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)＋Ｇ3 …(3)
ここに、Ｇ3は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
ところで、Ｏ2センサ２４の出力Ｓは、図５に実線で示すように、空気過剰率に対し非線形であって空気過剰率１．０近傍で急変するものであり、このような非線形な制御対象を制御することは困難である。
【００５１】
そこで、ここでは、制御目標値の範囲（０．５５Ｖ〜０．８５Ｖ）が主として空気過剰率１．０よりも小側の領域であることから、図５中に破線で示すように、出力Ｓに対応する疑似出力を設定し出力Ｓを線形化して出力Ｓ方向のスパンを広げ、その疑似出力上に疑似目標値を設定するようにし、これにより制御を容易且つ精度の高いものにしている。
【００５２】
そして、このステップＳ３０は、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが目標値に到達するまで、即ちバラツキを含めて大部分の出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるまで繰り返し実行される。
これにより、三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
上記ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でデューティＤが所定値Ｄ1以上と判定された場合には、次にステップＳ１８に進む。
【００５３】
ステップＳ１８では、今度はデューティＤが所定値Ｄ2より大きいか否か（Ｄ＞Ｄ２）を判別する。
判別値である所定値Ｄ2は上述したように出力Ｓの下限値０．５５Ｖに対応したデューティＤ2であり、ここではデューティＤが本制御の出力Ｓの下限に対応したデューティＤ2より大きいか否か、即ち出力Ｓを当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリッチ側にずれている可能性の有無を判別する。
【００５４】
ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ2より大きいと判定された場合には、次にステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも大きいか否か（Ｓ＞Ｓ1−ΔＳ1）を判別する。
通常ならば、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリーンとなっており、出力Ｓは制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）を下回るはずある。しかしながら、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも大きい場合には、上記同様、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリッチ空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ２２に進む。
【００５５】
ステップＳ２２では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(4)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）の指令値を実際値との整合を図るべくリーン補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリーン化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)−Ｇ2 …(4)
ここに、Ｇ2は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００５６】
そして、上記ステップＳ１２乃至ステップＳ１６と同様、ステップＳ１８乃至ステップＳ２２は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）で出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）以下と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ２６に進み、出力Ｓが制御目標値Ｓ1となるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りに調整する。
【００５７】
上記ステップＳ３０と同様、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(5)に示すように、リッチ空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを小さくすることにより平均Ａ／Ｆをリッチ化して変調度合いを調整する。
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)−Ｇ4 …(5)
ここに、Ｇ4は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００５８】
そして、このステップＳ２６は、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが目標値に到達するまで、即ちバラツキを含めて大部分の出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるまで繰り返し実行される。
これにより、やはり三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
このように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０において空燃比デューティＤが変更されると、当該デューティＤは所定値Ｄ1以上所定値Ｄ2以下の範囲に入るようになる。従って、この場合には、ステップＳ１８の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、次にステップＳ２４に進む。
【００５９】
ステップＳ２４では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも小さいか否か（Ｓ＜Ｓ1−ΔＳ1）を判別する。
同じく、ステップＳ２８では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも大きいか否か（Ｓ＞Ｓ1＋ΔＳ1）を判別する。
ステップＳ２４、ステップＳ２８の判別結果がそれぞれ真（Ｙｅｓ）の場合には、前述したように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０で空燃比の変調度合いが調整され、その結果、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが不感帯ΔＳ1内のバラツキを許容して制御目標値Ｓ1に一致する。
【００６０】
これにより、Ｏ2センサ２４の出力Ｓを常に当該出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるよう制御できることになり、三元触媒３０の浄化効率を安定して最適な状態に維持することができる。
つまり、ステップＳ２４及びステップＳ２８の判別結果がともに偽（Ｎｏ）となった場合には、ステップＳ３２において、触媒最適と判定し、三元触媒３０が最適化されたことを記憶する。
【００６１】
さらに、図４を参照すると、触媒劣化診断の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに基づき本発明に係る触媒劣化診断の制御手順について説明する。
ステップＳ４０では、上記触媒最適化制御の実施により、三元触媒３０が最適化された状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記ステップＳ３２の実行により触媒最適と判定された場合には、次にステップＳ４２に進む。
【００６２】
ステップＳ４２では、ＮＯxセンサ２６により検出されるＮＯx量情報に基づき、ＮＯx量が所定量Ｘ1を越えているか否か（（ＮＯx量）＞Ｘ1）を判別する。
ステップＳ４２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、三元触媒３０が最適化されているにも拘わらずＮＯx量が所定量Ｘ1を越えていると判定されるような場合には、上記ＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づき、三元触媒３０が劣化して浄化機能が低下していると考えられる。つまり、図８に示すように、最適化されて高く維持されていたＮＯx浄化効率（実線）が二点鎖線で示すように低下していると考えられる。
【００６３】
従って、この場合には、次のステップＳ４４において触媒劣化と診断する。具体的には、異常ランプを点灯する等して運転者に異常を知らせ、修理を促す。
一方、ステップＳ４０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、三元触媒３０が最適化された状態にないので、当該劣化診断を行うことなく当該ルーチンを抜ける。また、ステップＳ４２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、触媒下流にＮＯxが殆ど排出されておらず、三元触媒３０はＮＯx浄化効率を高く維持して劣化していないと判定できるので、やはり当該ルーチンを抜ける。
【００６４】
以上のように、本発明の排気浄化装置では、一旦三元触媒３０を最適化し、ＮＯx浄化効率を最適値にした状態で、三元触媒３０下流のＮＯxの排出状況を監視するようにしている。従って、触媒下流に設けたＮＯxセンサ２４によりＮＯxが所定量Ｘ1を越えて排出されていることが検出されると、ＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づいて直ちに三元触媒３０が劣化したと診断できることになり、容易にして精度よく適正に触媒劣化診断を行うことができる。
【００６５】
なお、上記実施形態では、触媒最適化制御において、式(2)乃至式(5)に基づき上下限Ａ／Ｆ及び平均Ａ／Ｆをリッチ化或いはリーン化したが、これらリッチ化及びリーン化の処理を比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つを用いて行うようにしてもよく、また、現代制御理論を用いて行うようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、排気通路に三元触媒３０のみ配設された場合を説明したが、本発明は、排気通路に三元触媒が複数配設された場合にも適用可能である。例えば、排気管後方に通常の三元触媒（後方触媒）を配するとともにエンジン１の近傍に三元触媒（前方触媒）を配し、それぞれの三元触媒の直下流にＯ2センサを設けるようにし、低温始動時のような後方触媒を十分に活性できないような状況下では前方触媒下流のＯ2センサの出力値を用いて触媒最適化制御を行い、一方、後方触媒が十分活性した後は当該後方触媒下流のＯ2センサの出力値を用いて触媒最適化制御を行うように切換えて触媒劣化診断を行うようにしてもよい。なお、この切換えは運転状態（例えば、冷却水温、始動後経過時間、後方触媒温度、前方触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ）に基づいて行えばよく、Ｏ2センサの出力値を完全に切換えることなく上記運転状態に応じて各Ｏ2センサの出力値にそれぞれ重み付けをするようにしてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、三元触媒３０としてセリア（Ｃe）の添加された三元触媒を用いるようにしたが、セリア（Ｃe）が添加されていないような酸素吸蔵能力の低い三元触媒であっても、酸素吸蔵能力に拘わらず、本発明を好適に適用可能である。
また、ここでは、触媒コンバータとして一般的な三元触媒を例に説明したが、触媒コンバータはＮＯx選択還元型三元触媒であってもよいし、ＮＯx吸蔵触媒であってもよく、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、触媒下流のＯ2センサ２４を用いて触媒最適化制御を行うようにしたが、Ｏ2センサ２４の代わりにＡ／Ｆセンサ等の排ガスセンサを触媒下流に設け、当該排ガスセンサからの情報に基づき触媒最適化制御を行うようにしてもよい。
また、触媒下流のＯ2センサにより空燃比を制御することは、Ｏ2センサ上流の触媒等によって機関燃焼空燃比の変化に対しての遅れが大きくなる傾向にある。従って、この遅れが問題となる場合には、触媒上流にさらにＯ2センサ或いはＡ／Ｆセンサ等の排ガスセンサを取り付け、その出力を基に補正を行うようにしてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンを例に説明したが、当該発明をディーゼルエンジンに適用するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、Ｏ２センサ２４とＮＯxセンサ２６とをそれぞれ個別に設けるようにしたが、構造上Ｏ２センサの機能を有するタイプのＮＯxセンサ（例えば、限界電流方式或いは混成電位方式）のみを設けるようにしてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの下流側に設けられた酸素センサの出力値に基づけば、触媒コンバータの排ガスの浄化状況を知ることができ、触媒最適化手段により、この酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御できる。そして、このように触媒コンバータのＮＯx浄化能力が高い状況にも拘わらず、触媒コンバータ下流のＮＯxセンサによってＮＯxの排出が検出された場合には、劣化診断手段により、触媒コンバータに異常があるとみなすことができ、その排出の程度に応じ、上述したＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づいて触媒コンバータの劣化度合いを精度よく適正に診断することができる。
【００７２】
また、請求項２の排気浄化装置によれば、触媒最適化手段により酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、所定範囲内に出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させ、この際、排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることにより、排気輸送遅れにより目標値に対する制御応答性が鈍化したとしても、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることができる。
【００７３】
また、請求項３の排気浄化装置によれば、空燃比強制変動手段により酸素センサの出力値の大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。
【図３】Ｏ2センサの出力に応じた触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る触媒劣化診断の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】Ｏ2センサの出力Ｓの線形化手法を示す図である。
【図６】三元触媒下流に設けたＯ2センサの出力とＮＯx浄化効率との関係を示す実験結果である。
【図７】排気輸送遅れに応じたＯ2センサの出力値の目標値を示すマップである。
【図８】触媒劣化時のＮＯx浄化効率の低下を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１０ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１４ スロットル弁
１６ スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）
１８ エアフローセンサ
２０ 排気管（排気通路）
２２ 流速センサ
２４ Ｏ２センサ（酸素センサ）
２６ ＮＯxセンサ
３０ 三元触媒（触媒コンバータ）
４０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの劣化を診断する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化用の触媒コンバータにおいては、触媒に付加された酸素ストレージ能力がＨＣ浄化性能、即ち触媒性能と相関性が高いことから、特にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質を多く含むような触媒コンバータにおいては、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の変化を検出することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が広く知られている。
【０００３】
この触媒劣化検出方法では、触媒コンバータに流入する排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定周期、振幅で空燃比変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒コンバータに吸蔵されるために触媒下流の排気空燃比の応答が遅く、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒コンバータにあまり吸蔵されることなく排出されて触媒下流の排気空燃比の応答が速くなるという特性を利用しており、例えば、触媒下流に設けた酸素センサ（Ｏ2センサ）或いは空燃比センサ（ＬＡＦＳ）からの酸素濃度出力値の周波数または周期を検出し、当該検出値が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が低下、即ち触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている（特開平５−１７９９３５号公報等）。
【０００４】
しかしながら、主触媒コンバータを排気通路の後方に設けるとともに小型触媒コンバータを内燃機関の排気マニホールド近傍にも設けるような排気浄化装置では、小型触媒コンバータにある程度の容積があるため、排ガスが主触媒コンバータに達したときには空燃比変調が緩和されており、酸素ストレージ能力が低下しても主触媒コンバータ下流における排気空燃比の応答がそれほど速くならず、精度の高い劣化判定は困難である。
【０００５】
また、上記空燃比の変調による触媒劣化検出方法は、セリア等の酸素吸蔵物質を多く含み十分な酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータには有効であるが、ＮＯx吸蔵触媒のようにセリア等を多く含まず酸素ストレージ能力のもともと低い弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、触媒コンバータに酸素があまり吸蔵されないために、劣化していなくても触媒下流の排気空燃比の応答が速くなり、やはり劣化検出は困難である。
【０００６】
このようなことから、酸素ストレージ能力を監視する以外に触媒の劣化を判定する方法が求められており、例えば、触媒の周囲雰囲気が還元雰囲気であるときのＮＯx浄化能力を監視することで触媒の劣化を判定する方法が知られている（特開平１１−２２９８４９号公報等）。
この方法は、ＨＣの酸化反応もＮＯxの還元反応も共に同一の貴金属が関与していると考えられることから、ＮＯx浄化性能を診断することによって、貴金属の状態、ひいてはＨＣ浄化性能、即ち触媒の劣化を診断しようというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷運転時のような還元雰囲気状態においては、ＣＯ等の還元剤が貴金属に吸着しやすいためにＮＯxの貴金属への吸着が阻害され易いという問題があり、また、上記セリア（Ｃe）はＣeＯ2の状態では水性ガス反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → Ｈ2＋ＣＯ2）を促進し、これにより生成されたＨ2は（２ＮＯ＋２Ｈ2 → Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ）のように反応してＮＯxを浄化するのであるが、還元雰囲気中にはＣＯが多いことから水性ガス反応の不活性（ＣeＯ2＋ＣＯ → Ｃe2Ｏ3＋ＣＯ2）が起こり、この状態では水性ガス反応が促進されずにその分ＮＯxの浄化効率が低下するという問題がある（これらを総称して還元被毒という）。
【０００８】
従って、ＮＯx浄化能力を監視する上記従来の劣化診断方法では、空燃比を変調させたとしても、還元雰囲気期間が長いと、実際には触媒が劣化しておらず酸化雰囲気にすればＮＯx浄化能力が回復するにも拘わらず、触媒が劣化したと誤って判定してしまうおそれがあり、当該方法は触媒劣化診断方法としてそれほど信頼性の高いものではない。
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、精度よく劣化判定可能な排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、前記内燃機関の空燃比を所定の周期、振幅で強制的に変動可能な空燃比強制変動手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられて排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの出力値が、前記触媒コンバータの浄化効率が最適値を示す範囲として予め設定された第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、前記空燃比強制変動手段により空燃比を変動させることで前記触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御する触媒最適化手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられたＮＯxセンサと、前記触媒最適化手段により前記触媒コンバータが最適な状態にあるとき、前記ＮＯxセンサからのＮＯx排出量に応じて前記触媒コンバータの劣化度合いを診断する劣化診断手段とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
従って、触媒コンバータの下流側に設けられた酸素センサの出力値に基づけば、触媒コンバータの排ガスの浄化状況を知ることができ、先ず、触媒最適化手段により、酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータの浄化効率の最適化が図られる。そして、触媒最適化手段によって触媒コンバータが排ガスの浄化に最適な状態に制御されていれば、触媒コンバータが還元雰囲気にあっても上記還元被毒の影響なくＮＯx浄化能力が高く維持されることになるが、触媒コンバータがこのようにＮＯx浄化能力が高い状況にも拘わらず、触媒コンバータ下流のＮＯxセンサによりＮＯxの排出が検出されると、その排出の程度に応じ、上述したＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化との関係に基づいて触媒コンバータの劣化度合いが診断される。
【００１５】
ここに、本発明の請求項１は次のような所見に基づきなされており、以下当該請求項１における触媒最適化手法について詳しく述べる。
空燃比強制変動手段によって内燃機関の空燃比を変動させると、排気空燃比が周期的にリーン空燃比とリッチ空燃比間で変動することになり酸化雰囲気と還元雰囲気とが交互に発生してＨＣ、ＣＯ及びＮＯxがそれぞれ浄化されることになるのであるが、その際、出願人が触媒コンバータ（三元触媒）の下流に設けた酸素センサの出力値を調査したところ、図６に示すように、酸素センサの出力値とＮＯx浄化効率との間には一定の関係があることが確認された。
【００１６】
つまり、空燃比をある変調度合いでリッチ空燃比とリーン空燃比とに周期的に変動させると、図６に実線で示すように、酸素センサ（例えば、デンソー製０６５５００−２９９１またはこれと同等の出力電圧特性を有するＯ2センサ）の出力値の大部分が第１所定値（０．５５Ｖ（ボルト））以上第２所定値（０．８５Ｖ（ボルト））以下の一定範囲ではＮＯx浄化効率が最適値（ＮＯxの殆どが浄化される状態）を示すことが確認された。
【００１７】
このようなことから、酸素センサの出力値が第１所定値（０．５５Ｖ）以上第２所定値（０．８５Ｖ）以下の所定範囲となるように変調度合いを設定して空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で変動させるようにすれば、ＮＯx浄化効率を還元被毒の影響なく最適の状態に維持することが可能となる。故に、第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００１８】
また、請求項２の発明では、前記触媒最適化手段は、前記酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、該所定範囲内に前記出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させるとともに、前記内燃機関の運転変化に伴う排気輸送遅れの増加に応じて前記所定範囲の上限値が大側にシフトする特性に倣って、前記排気輸送遅れが大きいほど前記出力値の目標値を前記所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることを特徴としている。
従って、触媒最適化手段により酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、所定範囲内に出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させ、この際、排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることにより、排気輸送遅れにより目標値に対する制御応答性が鈍化したとしても、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化が図られる。そして、このような最適な状態でありながら、ＮＯxセンサによってＮＯxの排出が検出されると、劣化診断手段により、触媒コンバータに異常があるとみなされ、その排出の程度に応じて触媒コンバータの劣化度合いが診断される。
【００１９】
ここに、本発明の請求項２は次のような所見に基づきなされており、以下当該請求項２における空燃比強制変動手法について詳しく述べる。
出願人の実験によれば、内燃機関回転速度が小さいときのように排気流速が遅く排気輸送遅れが大きい場合には、輸送遅れが小さい場合に比べてＮＯx浄化効率が最適値（ＮＯxの殆どが浄化される状態）を示す一定の出力範囲が大側に広がることが確認されている。つまり、図６には排気輸送遅れが大の場合のＮＯx浄化効率が実線で示され、排気輸送遅れが小の場合のＮＯx浄化効率が破線で示されているが、このように、排気輸送遅れが大きくなるにつれてＮＯx浄化効率が最適値を示す酸素センサの出力値の上限値が大側にシフトする。そして、その上限値の最大値が第２所定値（０．８５Ｖ）近傍となる。
【００２０】
また一方、酸素センサの出力値について制御目標値を定めてフィードバック制御を実施した場合、排気輸送遅れが大きくなり応答性が鈍化すると、制御目標値からのバラツキが大きくなる。つまり、図６に実線矢印で示すように排気輸送遅れが小さければ制御目標値からのバラツキは小さく、排気輸送遅れが大きくなるとバラツキは大きくなる。そして、このように制御目標値からのバラツキが大きくなると、制御目標値が同一のままでは排気輸送遅れが大きい場合に一時的に酸素センサの出力が第１所定値（０．５５Ｖ）から外れ、ＮＯx浄化効率が低くなってしまうことが生じうる。
【００２１】
しかしながら、触媒コンバータの浄化効率の最適化を図るためには、当該制御目標値からのバラツキの範囲についても所定範囲内に納めることが必要である。従って、上述の如くＮＯx浄化効率が最適値を示す出力範囲が大側にシフトするという特性を参酌すると、排気輸送遅れが小さいときには酸素センサの出力値の目標値を比較的第１所定値（０．５５Ｖ）側に設定しておくのがよく、一方、排気輸送遅れが大きくなるにつれて当該目標値を大側にシフトして設定するのがよいと考えられる。
【００２２】
このようなことから、図７を参照すると実験に基づくマップが示されているが、当該図７のマップに示すように排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させるようにすれば、排気輸送遅れにより目標値に対する応答性が鈍化し制御目標値からのバラツキが大きくなったとしても、図６に破線矢印で示すように酸素センサの出力の大部分は常に第１所定値（０．５５Ｖ）以上の所定範囲内に収まることになり、これにより確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００２３】
また、請求項３の発明では、前記第１所定値は０．５５ボルトであり、前記第２所定値は０．８５ボルトであることを特徴としている。
従って、空燃比強制変動手段により酸素センサの出力値の大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能である。
【００２４】
つまり、上述した実験結果に基づけば、酸素センサ（例えば、デンソー製０６５５００−２９９１またはこれと同等の出力電圧特性を有するＯ2センサ）において、上記第１所定値は０．５５Ｖであり、第２所定値は０．８５Ｖであり、故に０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内であれば、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００２６】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００２７】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００２８】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２９】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００３０】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）のいずれかを有するとともにセリア（Ｃe）が添加されており、酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有した三元触媒として構成されている。つまり、活性貴金属やセリア（Ｃe）は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ2）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ2を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においても担体表面にＯ2を有してＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。また、活性貴金属は、排気空燃比がリッチ空燃比である還元雰囲気において、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2（水素）等の還元剤を吸着し、排気空燃比がリーン空燃比となり酸化雰囲気となってもその還元剤を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は酸化雰囲気においても担体表面に還元剤を有してＮＯx（窒素酸化物）を還元除去可能である。即ち、Ｏ2ストレージ機能とともに還元剤ストレージ機能を有した当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のことＮＯxを浄化でき、吸蔵されたＯ2により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可能である。
【００３１】
また、排気管２０には、排気流速を測定する流速センサ２２が配設されており、さらに、三元触媒３０の下流にはＯ2センサ（第１の排ガスセンサ、酸素センサ）２４及びＮＯxセンサ（第２の排ガスセンサ）２６が配設されている。Ｏ2センサ２４としては、ここではデンソー製のＯ2センサ（型番号０６５５００−２９９１または２３４０００−８１８１または２３４０００−８２１１）或いはこれと同等の出力特性を有するＯ2センサが使用される。ＮＯxセンサ２６はＮＯx量を検出するものである。
【００３２】
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、流速センサ２２、Ｏ2センサ２４及びＮＯxセンサ２６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００３３】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００３４】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本発明に係る排気浄化装置では、三元触媒３０の能力を最大限発揮するために、ＥＣＵ４０によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている。つまり、ここでは、図２に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）を一定期間（リーン時間）に亘りリーン空燃比（例えば値１６）とした後一定期間リッチ空燃比（例えば値１４）とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている（空燃比強制変動手段）。なお、変調波形は、ここでは矩形波であるが三角波であってもよい。
【００３５】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ2ストレージ機能によりＯ2が吸蔵され且つ還元剤ストレージ機能によりＮＯxが浄化され、一方、排気空燃比がリッチ空燃比のときには還元剤が吸蔵されるとともにＮＯxが良好に浄化され且つ吸蔵されたＯ2によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
【００３６】
さらに、本発明では、上述したように触媒下流に設けた酸素センサ、即ちＯ2センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間に一定の関係があることが確認されたことに基づき、Ｏ2センサ２４の出力に基づいて三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るようにしており（触媒最適化手段）、このように三元触媒３０の排気浄化効率が最適化された状態で、やはり触媒下流に設けたＮＯxセンサ２６の出力情報に基づき三元触媒３０の劣化診断を行うようにしている（劣化診断手段）。
【００３７】
図３を参照すると、Ｏ2センサ２４の出力に応じた触媒最適化制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに基づき本発明に係る触媒最適化制御の制御手順について説明する。
ステップＳ１０では、先ず、Ｏ2センサ２４が活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ2センサ２４が活性状態にない場合には当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１２に進む。
【００３８】
ステップＳ１２では、次式(1)から現在の空燃比の変調度合い、即ち周期Ｔに対するリーン空燃比の時間（リーン時間ｔl）の比である空燃比デューティＤを求め、当該デューティＤが所定値Ｄ1より小さいか否か（Ｄ＜Ｄ1）を判別する。
（空燃比デューティ）Ｄ＝（リーン時間）ｔl／（周期）Ｔ …(1)
なお、リーン空燃比の値とリッチ空燃比の値は上述した所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）にそれぞれ固定する必要はなく、各運転条件に応じて最適な値とするようにしてもよい。
【００３９】
また、周期Ｔについては、固定値（例えば１sec）であってもよいし、運転状態（例えば、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、排気マニホールド圧、冷却水温、潤滑油温の少なくともいずれか一つ）に応じて変更するようにしてもよい。また、時間ベースであってもよいし、燃焼サイクルベースであってもよい。
【００４０】
さらに、リーン空燃比時とリッチ空燃比時のトルク差がないように空燃比、点火時期等を設定すると、フィーリングが改善される。
上述したように、三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るべく空燃比を変調制御するためには、Ｏ2センサ２４の出力値（出力Ｓ）が０．５５Ｖ（第１所定値）から０．８５Ｖ（第２所定値）の間の最適範囲になるように空燃比の変調度合い、即ちデューティＤを設定すればよい。そして、出力Ｓを当該所望の範囲内とすることができるデューティＤの上限（Ｄ2）、下限（Ｄ1）は実験により予め設定されている。
【００４１】
つまり、当該ステップＳ１２において、判別値である所定値Ｄ1は出力Ｓの上限値０．８５Ｖに対応したデューティＤ1である。
ところが、吸気流量計、燃料噴射弁等の誤差により、実際のリーン空燃比あるいはリッチ空燃比が所望の範囲から外れている場合があり、このとき、空燃比の変調度合いを調整しても出力Ｓを０．５５Ｖ（第１所定値）から０．８５Ｖ（第２所定値）の範囲内とすることができない。
【００４２】
そこで、ステップＳ１２ではデューティＤが本制御の出力Ｓの上限に対応したデューティＤ1より小さいか否か、即ち出力Ｓを当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリーン側にずれている可能性の有無を判別する。
ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ1より小さいと判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００４３】
ステップＳ１４では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも小さいか否か（Ｓ＜Ｓ1＋ΔＳ1）を判別する。
制御目標値Ｓ1は上記０．５５Ｖと０．８５Ｖの範囲内となる値であり、不感帯ΔＳ1は例えば０．０１Ｖとする。
ところで、上述したように、制御目標値を定めてフィードバック制御を行うと、排気輸送遅れが大きい場合、Ｏ2センサ２４の出力Ｓの制御目標値に対するバラツキが大きくなる。つまり、出力Ｓの制御目標値からのバラツキによって出力Ｓが一時的に制御目標上限値を越えてしまうことになる。
【００４４】
従って、実際には、このバラツキを含めて出力Ｓの大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内に収まるよう、図６に示したように、出力Ｓの制御目標値Ｓ1を設定するようにしている。つまり、ＮＯx浄化効率が最適値を示す出力範囲は、排気輸送遅れが小さいときには狭く排気輸送遅れが大きいときには大側に拡大することから、図７のマップに基づき、排気輸送遅れが小さいときにはＯ2センサ２４の出力Ｓの目標値を下限値０．５５Ｖ寄りに設定し、排気輸送遅れが大きくなるにつれて当該目標値を大側にシフトして設定する。
【００４５】
ここに、排気輸送遅れは、排気流速、吸入空気量、車速、酸素センサ上流排気系容積、内燃機関回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、吸気マニホールド圧、排気温度及び排気流量のいずれによっても検出可能であるが、ここでは、流速センサ２２により検出される排気流速情報に基づいて排気輸送遅れを検出する。即ち、排気流速が大きければ排気輸送遅れは小さく、一方排気流速が小さければ排気輸送遅れは大きいと判断する。
【００４６】
なお、出力ＳはＯ2センサ２４の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。この場合、例えば空燃比の変調周期間の平均値を用いてもよいし、所定期間の平均値を用いてもよい。
通常ならば、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリッチとなっており、出力Ｓは制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）を越えるはずある。しかしながら、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも小さい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリーン空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１６に進む。
【００４７】
ステップＳ１６では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(2)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）の指令値を実際値との整合を図るべくリッチ側に補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリッチ化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)＋Ｇ1 …(2)
ここに、Ｇ1は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００４８】
そして、ステップＳ１２乃至ステップＳ１６は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）以上と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ３０に進み、出力Ｓが制御目標値Ｓ1となるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りに調整する。
【００４９】
変調度合いの調整方法としては、空燃比デューティＤを変える方法、酸化剤或いは還元剤の供給度合い（即ち空燃比Ａ／Ｆ）を変える方法等が考えられるが、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(3)に示すように、リーン空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを大きくすることにより平均Ａ／Ｆをリーン化して変調度合いを調整する。
【００５０】
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)＋Ｇ3 …(3)
ここに、Ｇ3は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
ところで、Ｏ2センサ２４の出力Ｓは、図５に実線で示すように、空気過剰率に対し非線形であって空気過剰率１．０近傍で急変するものであり、このような非線形な制御対象を制御することは困難である。
【００５１】
そこで、ここでは、制御目標値の範囲（０．５５Ｖ〜０．８５Ｖ）が主として空気過剰率１．０よりも小側の領域であることから、図５中に破線で示すように、出力Ｓに対応する疑似出力を設定し出力Ｓを線形化して出力Ｓ方向のスパンを広げ、その疑似出力上に疑似目標値を設定するようにし、これにより制御を容易且つ精度の高いものにしている。
【００５２】
そして、このステップＳ３０は、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが目標値に到達するまで、即ちバラツキを含めて大部分の出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるまで繰り返し実行される。
これにより、三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
上記ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でデューティＤが所定値Ｄ1以上と判定された場合には、次にステップＳ１８に進む。
【００５３】
ステップＳ１８では、今度はデューティＤが所定値Ｄ2より大きいか否か（Ｄ＞Ｄ２）を判別する。
判別値である所定値Ｄ2は上述したように出力Ｓの下限値０．５５Ｖに対応したデューティＤ2であり、ここではデューティＤが本制御の出力Ｓの下限に対応したデューティＤ2より大きいか否か、即ち出力Ｓを当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリッチ側にずれている可能性の有無を判別する。
【００５４】
ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ2より大きいと判定された場合には、次にステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも大きいか否か（Ｓ＞Ｓ1−ΔＳ1）を判別する。
通常ならば、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリーンとなっており、出力Ｓは制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）を下回るはずある。しかしながら、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも大きい場合には、上記同様、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリッチ空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ２２に進む。
【００５５】
ステップＳ２２では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(4)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比（例えば値１６）及び所定のリッチ空燃比（例えば値１４）の指令値を実際値との整合を図るべくリーン補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリーン化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)−Ｇ2 …(4)
ここに、Ｇ2は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００５６】
そして、上記ステップＳ１２乃至ステップＳ１６と同様、ステップＳ１８乃至ステップＳ２２は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）で出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）以下と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ２６に進み、出力Ｓが制御目標値Ｓ1となるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りに調整する。
【００５７】
上記ステップＳ３０と同様、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(5)に示すように、リッチ空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを小さくすることにより平均Ａ／Ｆをリッチ化して変調度合いを調整する。
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)−Ｇ4 …(5)
ここに、Ｇ4は補正ゲインであり、Ｏ2センサ２４の出力Ｓと制御目標値Ｓ1との偏差に応じて増減する。
【００５８】
そして、このステップＳ２６は、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが目標値に到達するまで、即ちバラツキを含めて大部分の出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるまで繰り返し実行される。
これにより、やはり三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
このように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０において空燃比デューティＤが変更されると、当該デューティＤは所定値Ｄ1以上所定値Ｄ2以下の範囲に入るようになる。従って、この場合には、ステップＳ１８の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、次にステップＳ２４に進む。
【００５９】
ステップＳ２４では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標下限値（Ｓ1−ΔＳ1）よりも小さいか否か（Ｓ＜Ｓ1−ΔＳ1）を判別する。
同じく、ステップＳ２８では、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが制御目標上限値（Ｓ1＋ΔＳ1）よりも大きいか否か（Ｓ＞Ｓ1＋ΔＳ1）を判別する。
ステップＳ２４、ステップＳ２８の判別結果がそれぞれ真（Ｙｅｓ）の場合には、前述したように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０で空燃比の変調度合いが調整され、その結果、Ｏ2センサ２４の出力Ｓが不感帯ΔＳ1内のバラツキを許容して制御目標値Ｓ1に一致する。
【００６０】
これにより、Ｏ2センサ２４の出力Ｓを常に当該出力Ｓが０．５５Ｖから０．８５Ｖの範囲内となるよう制御できることになり、三元触媒３０の浄化効率を安定して最適な状態に維持することができる。
つまり、ステップＳ２４及びステップＳ２８の判別結果がともに偽（Ｎｏ）となった場合には、ステップＳ３２において、触媒最適と判定し、三元触媒３０が最適化されたことを記憶する。
【００６１】
さらに、図４を参照すると、触媒劣化診断の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに基づき本発明に係る触媒劣化診断の制御手順について説明する。
ステップＳ４０では、上記触媒最適化制御の実施により、三元触媒３０が最適化された状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記ステップＳ３２の実行により触媒最適と判定された場合には、次にステップＳ４２に進む。
【００６２】
ステップＳ４２では、ＮＯxセンサ２６により検出されるＮＯx量情報に基づき、ＮＯx量が所定量Ｘ1を越えているか否か（（ＮＯx量）＞Ｘ1）を判別する。
ステップＳ４２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、三元触媒３０が最適化されているにも拘わらずＮＯx量が所定量Ｘ1を越えていると判定されるような場合には、上記ＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づき、三元触媒３０が劣化して浄化機能が低下していると考えられる。つまり、図８に示すように、最適化されて高く維持されていたＮＯx浄化効率（実線）が二点鎖線で示すように低下していると考えられる。
【００６３】
従って、この場合には、次のステップＳ４４において触媒劣化と診断する。具体的には、異常ランプを点灯する等して運転者に異常を知らせ、修理を促す。
一方、ステップＳ４０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、三元触媒３０が最適化された状態にないので、当該劣化診断を行うことなく当該ルーチンを抜ける。また、ステップＳ４２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、触媒下流にＮＯxが殆ど排出されておらず、三元触媒３０はＮＯx浄化効率を高く維持して劣化していないと判定できるので、やはり当該ルーチンを抜ける。
【００６４】
以上のように、本発明の排気浄化装置では、一旦三元触媒３０を最適化し、ＮＯx浄化効率を最適値にした状態で、三元触媒３０下流のＮＯxの排出状況を監視するようにしている。従って、触媒下流に設けたＮＯxセンサ２４によりＮＯxが所定量Ｘ1を越えて排出されていることが検出されると、ＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づいて直ちに三元触媒３０が劣化したと診断できることになり、容易にして精度よく適正に触媒劣化診断を行うことができる。
【００６５】
なお、上記実施形態では、触媒最適化制御において、式(2)乃至式(5)に基づき上下限Ａ／Ｆ及び平均Ａ／Ｆをリッチ化或いはリーン化したが、これらリッチ化及びリーン化の処理を比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つを用いて行うようにしてもよく、また、現代制御理論を用いて行うようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、排気通路に三元触媒３０のみ配設された場合を説明したが、本発明は、排気通路に三元触媒が複数配設された場合にも適用可能である。例えば、排気管後方に通常の三元触媒（後方触媒）を配するとともにエンジン１の近傍に三元触媒（前方触媒）を配し、それぞれの三元触媒の直下流にＯ2センサを設けるようにし、低温始動時のような後方触媒を十分に活性できないような状況下では前方触媒下流のＯ2センサの出力値を用いて触媒最適化制御を行い、一方、後方触媒が十分活性した後は当該後方触媒下流のＯ2センサの出力値を用いて触媒最適化制御を行うように切換えて触媒劣化診断を行うようにしてもよい。なお、この切換えは運転状態（例えば、冷却水温、始動後経過時間、後方触媒温度、前方触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ）に基づいて行えばよく、Ｏ2センサの出力値を完全に切換えることなく上記運転状態に応じて各Ｏ2センサの出力値にそれぞれ重み付けをするようにしてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、三元触媒３０としてセリア（Ｃe）の添加された三元触媒を用いるようにしたが、セリア（Ｃe）が添加されていないような酸素吸蔵能力の低い三元触媒であっても、酸素吸蔵能力に拘わらず、本発明を好適に適用可能である。
また、ここでは、触媒コンバータとして一般的な三元触媒を例に説明したが、触媒コンバータはＮＯx選択還元型三元触媒であってもよいし、ＮＯx吸蔵触媒であってもよく、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、触媒下流のＯ2センサ２４を用いて触媒最適化制御を行うようにしたが、Ｏ2センサ２４の代わりにＡ／Ｆセンサ等の排ガスセンサを触媒下流に設け、当該排ガスセンサからの情報に基づき触媒最適化制御を行うようにしてもよい。
また、触媒下流のＯ2センサにより空燃比を制御することは、Ｏ2センサ上流の触媒等によって機関燃焼空燃比の変化に対しての遅れが大きくなる傾向にある。従って、この遅れが問題となる場合には、触媒上流にさらにＯ2センサ或いはＡ／Ｆセンサ等の排ガスセンサを取り付け、その出力を基に補正を行うようにしてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンを例に説明したが、当該発明をディーゼルエンジンに適用するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、Ｏ２センサ２４とＮＯxセンサ２６とをそれぞれ個別に設けるようにしたが、構造上Ｏ２センサの機能を有するタイプのＮＯxセンサ（例えば、限界電流方式或いは混成電位方式）のみを設けるようにしてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの下流側に設けられた酸素センサの出力値に基づけば、触媒コンバータの排ガスの浄化状況を知ることができ、触媒最適化手段により、この酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御できる。そして、このように触媒コンバータのＮＯx浄化能力が高い状況にも拘わらず、触媒コンバータ下流のＮＯxセンサによってＮＯxの排出が検出された場合には、劣化診断手段により、触媒コンバータに異常があるとみなすことができ、その排出の程度に応じ、上述したＮＯx浄化性能、貴金属及び触媒の劣化の関係に基づいて触媒コンバータの劣化度合いを精度よく適正に診断することができる。
【００７２】
また、請求項２の排気浄化装置によれば、触媒最適化手段により酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、所定範囲内に出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させ、この際、排気輸送遅れが大きいほど出力値の目標値を所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることにより、排気輸送遅れにより目標値に対する制御応答性が鈍化したとしても、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることができる。
【００７３】
また、請求項３の排気浄化装置によれば、空燃比強制変動手段により酸素センサの出力値の大部分が０．５５Ｖから０．８５Ｖの所定範囲内となるように空燃比を変動させることで、確実に触媒コンバータの浄化効率の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。
【図３】Ｏ2センサの出力に応じた触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る触媒劣化診断の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】Ｏ2センサの出力Ｓの線形化手法を示す図である。
【図６】三元触媒下流に設けたＯ2センサの出力とＮＯx浄化効率との関係を示す実験結果である。
【図７】排気輸送遅れに応じたＯ2センサの出力値の目標値を示すマップである。
【図８】触媒劣化時のＮＯx浄化効率の低下を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１０ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１４ スロットル弁
１６ スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）
１８ エアフローセンサ
２０ 排気管（排気通路）
２２ 流速センサ
２４ Ｏ２センサ（酸素センサ）
２６ ＮＯxセンサ
３０ 三元触媒（触媒コンバータ）
４０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、
前記内燃機関の空燃比を所定の周期、振幅で強制的に変動可能な空燃比強制変動手段と、
前記触媒コンバータの下流側に設けられて排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサの出力値が、前記触媒コンバータの浄化効率が最適値を示す範囲として予め設定された第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、前記空燃比強制変動手段により空燃比を変動させることで前記触媒コンバータを排ガスの浄化に最適な状態に制御する触媒最適化手段と、
前記触媒コンバータの下流側に設けられたＮＯxセンサと、
前記触媒最適化手段により前記触媒コンバータが最適な状態にあるとき、前記ＮＯxセンサからのＮＯx排出量に応じて前記触媒コンバータの劣化度合いを診断する劣化診断手段と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。 - 前記触媒最適化手段は、前記酸素センサの出力値が第１所定値以上第２所定値以下の所定範囲内となるように、該所定範囲内に前記出力値の目標値を定めたフィードバック制御に基づき空燃比を変動させるとともに、前記内燃機関の運転変化に伴う排気輸送遅れの増加に応じて前記所定範囲の上限値が大側にシフトする特性に倣って、前記排気輸送遅れが大きいほど前記出力値の目標値を前記所定範囲内で大側に設定して空燃比を変動させることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
- 前記第１所定値は０．５５ボルトであり、前記第２所定値は０．８５ボルトであることを特徴とする、請求項１または２記載の排気浄化装置。
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