JP4365671B2

JP4365671B2 - エンジンの制御装置

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Publication number: JP4365671B2
Application number: JP2003403167A
Authority: JP
Inventors: 誠横山; 慎二中川; 大輔渡邉; 堀　　俊雄
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP2005163618A

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係り、特に、排気通路に三元触媒等の排気浄化用触媒が配設されているエンジンにおいて、前記触媒の劣化判定（診断）を、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、迅速かつ高精度に行うことができるようにされたエンジンの制御装置に関する。

従来、例えば、下記特許文献１等にも見られるように、触媒の上流側に、空燃比をリニアに検出する空燃比センサを配置するとともに、触媒の下流側に、空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを検出する酸素センサを配置し、前記空燃比センサの出力に基づいて、燃焼に供される混合気の空燃比が目標空燃比となるように空燃比フィードバック制御を行うとともに、該空燃比フィードバック制御の目標空燃比をステップ的に変更する（切り換える）ようになし、目標空燃比を切り換えた時点（又は、前記空燃比センサの出力が切り換え後の目標空燃比に向けて所定量変化した時点）から、前記酸素センサの出力が切り換え後の目標空燃比に向けて所定量変化するまでの所要時間（応答時間）に基づいて、前記触媒が劣化したか否かを判定することが提案されている。

特開平１０−１６９４９４号公報（第１〜１６頁、図１〜図１１）

ところで、近年の排気規制の強化に伴い、触媒の劣化診断時の排気エミッションの悪化が問題となっている。さらに、北米でのＲＡＴＥ法導入に伴い診断の頻度向上も重要な課題であり、低負荷低回転領域での高精度な診断も必要となる。そのためには、診断精度の向上とともに、診断時間の短縮化も重要となる。

しかしながら、前記従来提案の診断装置では、目標空燃比変更後の触媒下流側の酸素センサの出力に基づいて応答時間を計測し、該応答時間に基づいて触媒の劣化判定を行うようにされているが、触媒診断にあたっての目標空燃比の変更幅（ステップ量）に関しては格別の配慮がなされておらず、そのため、例えば、触媒の診断を、低負荷低回転域で行った場合は、高負荷高回転域で行った場合に比して、診断に要する時間が長くなり、前記ＲＡＴＥ法に対応できない虞れがある。

また、酸素センサの出力に基づいて応答時間を計測しているが、運転状態により変化する空燃比の変化速度を考慮していないため、触媒出口の雰囲気（排ガス）の空燃比がストイキに対し、リッチ側もしくはリーン側に大きく変化してしまい、排気エミッションが一層悪化する虞がある。

さらに、排ガス規制強化に伴い、新品と劣化品の判別が難しくなるため、より高精度な触媒診断技術が要望されている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、触媒の劣化判定を、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、高精度にかつ短時間で行うことができるようにされたエンジンの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に係るエンジンの制御装置は、排気通路に配設された排気浄化用の触媒と、該触媒の下流側における排ガスの空燃比を検出する酸素センサと、を備えたエンジンに適用されるもので、基本的には、該制御装置は、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、目標とする空燃比をステップ的に変化させるべく目標空燃比ステップ量を設定する目標空燃比ステップ量設定手段と、該目標空燃比ステップ量設定手段により設定されたステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する目標空燃比設定手段と、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比とするための制御を行う空燃比制御手段と、前記目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された後において前記触媒の下流側における排ガスの空燃比が前記目標空燃比に向けて所定量以上変化するまでの応答時間を計測する応答時間計測手段と、該応答時間計測手段により計測された応答時間に基づいて、前記触媒の劣化度を判定する触媒劣化度判定手段と、を備える。

そして、前記目標空燃比ステップ量設定手段は、前記目標空燃比ステップ量を、前記運転状態検出手段により検出されたエンジンの運転状態に基づいて設定することを特徴としている。

好ましい態様では、前記触媒の上流側における排ガスの空燃比をリニアに検出するリニア空燃比センサを備え、前記空燃比制御手段は、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比とすべく、前記リニア空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行うようにされる。

より具体的な好ましい態様では、前記応答時間計測手段は、前記応答時間として、前記目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された時点、又は、前記リニア空燃比センサの出力あるいはその変化率が所定値以上もしくは所定値以下となった時点から、前記酸素センサの出力が所定値以下もしくは所定値以上となるまでの所要時間を計測するようにされる。

また、より具体的な他の好ましい態様では、前記応答時間計測手段は、前記応答時間として、前記目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された時点、又は、前記リニア空燃比センサの出力あるいはその変化率が所定値以上もしくは所定値以下となった時点から、前記酸素センサの出力の変化率が所定値以下もしくは所定値以上となるまでの所要時間を計測するようにされる。

一般に、例えば、三元触媒においては、Ｏ_２貯蔵能力を有しているため、目標空燃比をステップ的に変更する（切り換える）ことによって、前記触媒下流に配置された酸素センサ出力の変化に応答遅れを生じる。触媒が新品であるときに比べ、劣化するにつれて、前記応答遅れ時間が短くなるため、この応答時間により触媒の劣化度を判定することができる。

ここで、前記応答時間は目標空燃比のステップ量や、エンジンの運転状態に伴い変化してしまう。これは、触媒内のＯ_２の吸着・脱離速度が変化してしまうためで、この吸着・脱離速度が遅ければ、劣化判定（診断）に時間がかかってしまい、速ければ診断終了時に目標空燃比をストイキに戻した際、触媒出口の空燃比雰囲気がストイキから大きくずれてしまい、排気エミッションの悪化につながる。そのため、本発明では、エンジンの運転状態に基づいて、前記目標空燃比のステップ量を設定することで、応答時間を一定にし、さらには、応答時間計測終了後の触媒出口空燃比雰囲気のストイキからのずれ量を極力少なくすることで、診断精度の向上と排気エミッションの悪化を抑制するようにされる。

また、別の好ましい態様では、前記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて、単位時間あたりの吸入空気量を算出する単位吸気量算出手段を備え、前記触媒劣化判定手段は、前記単位吸気量算出手段により算出された単位吸気量に基づいて前記触媒の劣化度を判定するようにされる。

さらに好ましい他の態様では、前記応答時間計測手段により計測された応答時間、前記単位吸気量算出手段により算出される単位吸気量、及び、前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比もしくは前記リニア空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒のＯ_２貯蔵能力を推定するＯ_２貯蔵能力推定手段を備える。

さらに別の好ましい態様では、前記劣化判定手段は、前記Ｏ_２貯蔵能力推定手段により推定された前記触媒のＯ_２貯蔵能力に基づいて、前記触媒の劣化度を判定するようにされる。

すなわち、例えば、単位時間あたりの（例えば１サンプリングあたりの）吸入空気量とリニア空燃比センサ出力（触媒上流の空燃比）の積を積算することで、触媒のＯ_２貯蔵能力を推定し、この推定されたＯ_２貯蔵能力に基づいて、触媒の劣化度を判定するようにされる。

他のより好ましい態様では、前記目標空燃比ステップ量設定手段は、前記ステップ量を、前記応答時間計測手段により計測される応答時間が略一定となるように設定するようにされる。

すなわち、吸入空気量の大小よって、単位時間あたりの触媒入口のＯ_２量は変化するので、前記応答時間も、吸入空気量の大小によって変化する。一方、触媒の劣化度判定のためのしきい値を一本化することで、診断・制御ロジックの簡易化、合理化を図ることができ、診断精度の向上、診断時間（劣化度判定に要する時間）の短縮化等が可能となる。そこで、前記応答時間が略一定となるように（所定範囲内に収まるように）、例えば、吸入空気量に基づいて、前記目標空燃比ステップ量を設定し、触媒の劣化度判定のためのしきい値を一本化するようにされる。

この場合、より好ましい態様では、前記目標空燃比ステップ量設定手段は、前記ステップ量を、前記Ｏ_２貯蔵能力推定手段により推定されたＯ_２貯蔵能力、及び、前記単位吸気量算出手段により算出された単位吸気量に基づいて設定するようにされる。

すなわち、推定されたＯ_２貯蔵能力と前記単位吸気量から、Ｏ_２の吸着・脱離速度を算出することができ、前記Ｏ_２吸着・脱離速度を一定とすることで前記応答時間を略一定にすることが可能となる。

他の好ましい態様では、前記空燃比制御手段は、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比とすべく、前記酸素センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を行うようにされ、かつ、前記目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された後、前記応答時間計測手段により前記応答時間の計測が終了するまでは、前記空燃比フィードバック制御を停止するようにされる。

すなわち、前記応答時間計測中に、酸素センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行すると、前記応答時間が適正に計測されなくなるため、前記空燃比フィードバック制御を停止する。

本発明に係る制御装置によれば、目標空燃比のステップ量をエンジンの運転状態に基づいて設定するようにされるので、前記ステップ量に格別の配慮がなされていない場合に比して、診断・制御ロジックの簡易化、合理化を図れ、触媒の診断を、排気エミッションの悪化を極力抑えつつ、高精度にかつ短時間で行うことが可能となる。

以下、本発明のエンジンの制御装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明のエンジンの制御装置の一実施形態をそれが適用されたエンジンと共に示すシステム構成図である。

エンジン１は、シリンダヘッド１Ａ及びシリンダブロック１Ｂからなる本体部に例えば４つの気筒９が形成されており、各気筒９には、ピストン８が摺動自在に嵌挿され、このピストン８上方に燃焼室１Ｃが画成されている。各気筒９の燃焼室１Ｃには、点火コイルに接続された点火プラグ１２が臨設されるとともに、吸気通路１８（の下流部分を形成する吸気管及び吸気ポートからなる分岐通路部）及び排気通路１９（の上流部分を形成する排気ボート及び排気管からなる個別通路部）が吸気弁６及び排気弁７を介してそれぞれ連通せしめられている。

前記吸気通路１８には、その上流側から順次、エアークリーナ２０、アイドルスピードコントロール（ＩＳＣ）弁５、スロットル弁３、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２、吸気通路１８におけるスロットル弁３より下流側（コレクタボックス３０）の圧力を検出する圧力センサ３１、スワール流を生成するためのスワールコントロール弁２７、及び、燃料噴射弁（インジェクタ）１１が配在されている。なお、スワールコントロール弁２７及び燃料噴射弁１１は、吸気通路１８の下流部分を形成する分岐通路部に配在されている。

一方、燃料タンク２１内の燃料は、燃料ポンプ２２によって、吸引・加圧された後、プレッシャーレギュレータ１５を備えた燃料通路２３を通って前記燃料噴射弁１１に導かれ、余分な燃料は、燃料タンク２１に戻される。

前記排気通路１９には、排気浄化用の三元触媒２４が介装され、この触媒２４の上流側に、排ガス中の空燃比をリニアに検出するリニア空燃比センサ１６が配置され、前記触媒２４の下流側に、触媒診断用の酸素センサ１７が配置されている。

また、排気通路１９に排出された排ガスの一部は、ＥＧＲ制御弁２８が介装されたＥＧＲ通路２９を通じて吸気通路１８（のコレクタボックス３０）に導入され、各気筒９の燃焼室１Ｃに還流せしめられる。

かかる構成を有するエンジン１においては、エアクリーナ２０で清浄化されて吸気通路１８上流部に吸入された空気は、スロットル弁３で流量を調整された後、燃料噴射弁１１から吸気通路１８内に噴射供給された燃料（ガソリン）と混合されて各気筒９の燃焼室１Ｃに吸入され、燃焼室１Ｃに吸入された混合気は、点火プラグ１２により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排ガス）は、排気通路１９に介装された触媒２４により浄化された後、マフラー２５を経由して外部（大気）に排出される。

そして、本実施形態においては、燃料噴射量の制御（燃焼に供される混合気の空燃比の制御）、点火時期の制御、前記触媒２４の診断等を行うべく、コントロールユニット１０が備えられている。コントロールユニット１０は、それ自体はよく知られているもので、ＭＰＵ、ＩＯ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換、タイマ／カウンタ等からなっている。

コントロールユニット１０には、エアーフローセンサ２、スロットルセンサ４、圧力センサ３１、クランク角センサ１３、水温センサ１４、空燃比センサ１６、酸素センサ１７等から、それぞれ吸入空気量、スロットル開度、吸気通路内圧力、エンジン回転数、冷却水温、排ガスの空燃比、触媒２４下流の酸素濃度等に応じた検出信号が供給され、コントロールユニット１０は、それらの信号に基づいて、所定の演算処理を行い、空燃比制御、触媒２４の診断等を行う。

次に、コントロールユニット１０が触媒２４の診断に際して実行する制御の一例を詳細に説明する。

コントロールユニット１０は、図２に機能ブロック図の一例が示されているように、運転状態検出手段４０により検出される吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等に基づいて、目標とする空燃比をステップ的に変化させるべく目標空燃比ステップ量を設定する目標空燃比ステップ量設定手段４１と、該目標空燃比ステップ量設定手段４１により設定されたステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する目標空燃比設定手段４２と、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段４２により設定された目標空燃比とすべく、例えば燃料噴射量に対する、リニア空燃比センサ１６の出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段５０と、前記目標空燃比設定手段４２により目標空燃比がステップ的に変更された後において前記触媒２４の下流側における排ガスの空燃比が前記目標空燃比に向けて所定量以上変化するまでの応答時間ΔＴを計測する応答時間計測手段４３と、該応答時間計測手段４３により計測された応答時間ΔＴに基づいて、前記触媒２４の劣化度を判定する触媒劣化度判定手段４４と、を備える。

次に、上記した如くの機能ブロック図で表されるコントロールユニット１０による触媒の診断に際しての制御例を図３、図４を参照しながら説明する。

目標空燃比をストイキからリーンに（図３）あるいはストイキからリッチに（図４）ステップ的に変更することにより、図３、図４の（２）のように、空燃比センサ１６の出力もストイキからリーンあるいはリッチに変化する。なお、ここで言う空燃比センサ１６出力とは、空燃比センサ電圧を空燃比に変換し空燃比として出力するものと定義する。一方、図３、図４の（３）で示されているように、酸素センサ１７の出力は空燃比センサ１６の出力に対して遅れを持ってストイキからリーンあるいはリッチに変化する。この酸素センサ１７の出力の変化の遅れ、つまり、空燃比の応答遅れは、三元触媒においては、Ｏ_２貯蔵能力（Ｏ_２ Storage Capacity以下ＯＳＣと略記することがある）によるもので、三元触媒２４の診断はＯＳＣの低下を診断することで実現できる。なお、本実施形態では三元触媒について説明しているが、例えば、ＮＯｘ触媒等のＯＳＣと代用可能なものであれば同様に診断可能である。

ここで、三元触媒のＯＳＣについて説明する。三元触媒のＯＳＣとは、Ｏ_２を溜め込む能力のことで、図５（１）のように、触媒入口の空燃比がストイキ（空気過剰率λ＝１）のときは、触媒内でＯ_２の吸着と脱離が平衡状態となり、触媒出口の空燃比はストイキを保持する。図５（２）のように、触媒入口の空燃比がストイキ（λ＝１）よりもリーン側（λ＞１）では、Ｏ_２を吸着し、触媒出口空燃比をストイキに保持するが、ＯＳＣのＯ_２吸着能力にも限界があり、その限界に達するとＯ_２を吸着することができなくなり、空燃比もストイキから外れリーン雰囲気になってしまう。同様に、図５（３）のように、触媒入口の空燃比がストイキよりもリッチ側（λ＜１）では、Ｏ_２を脱離することで触媒出口の空燃比をストイキに保持するが、ＯＳＣで吸着したＯ_２を使い果たし枯渇状態となると、空燃比はストイキから外れリッチ雰囲気となってしまう。前記酸素センサ出力の変化の遅れはこのＯＳＣによるもので、この酸素センサ出力に基づいて空燃比の応答時間を評価することでＯＳＣの劣化を判定し触媒の診断を行うことが可能となる。

そして、本実施形態の一つの例では、図３に示される如くに、目標空燃比［図３（１）］がリーン側にステップ的に変更された後、空燃比センサ１６の出力［図３（２）］が所定値Ｓａ以上［図３（４）］となった時点Ａで前記応答時間ΔＴの計測を開始し、酸素センサ１７の出力［図３（３）］が所定値Ｓｂ以下［図３（５）］となった時点Ｂで前記応答時間ΔＴの計測を終了する。

他の例では、図４に示される如くに、目標空燃比［図４（１）］がリッチ側にステップ的に変更された後、空燃比センサ１６の出力［図４（２）］が所定値Ｓａ’以下［図４（４）］となった時点Ａで前記応答時間ΔＴの計測を開始し、酸素センサ１７の出力［図３（３）］が所定値Ｓｂ’以下［図５（５）］となった時点Ｂで前記応答時間ΔＴの計測を終了する。

しかしながら、前記応答時間ΔＴは、エンジンの運転状態に応じて変化してしまう。つまり、低負荷低回転域では、Ｏ_２の吸着・脱離速度が遅いため、診断に時間がかかってしまう。また、高負荷・高回転域ではＯ_２の吸着・脱離速度が速いため、前記応答時間ΔＴ計測終了時に触媒２４の出口の空燃比雰囲気がリッチ側もしくはリーン側に大きくずれるため排気エミッションの悪化に繋がってしまう。

従って、本例では、図６に示される如くに、吸着・脱離速度が速いとき（高負荷・高回転域）は目標空燃比ステップ量を小さくし、吸着・脱離速度が遅いとき（低負荷低回転域）には目標空燃比ステップ量を大きく設定するようにされる。これにより、診断時間の短縮化と排気エミッションの悪化の抑制に有効な触媒診断が可能となる。なお、前記目標空燃比ステップ量は、図６（１）に示されるように、吸着・脱離速度に応じてリニアに変化する設定としても良いし、吸着・脱離速度領域毎に段階的に設定しても良い。

前記応答時間ΔＴは、新品時に比べ、触媒の劣化が進むにつれ短くなる、つまり、劣化が進むにつれＯＳＣが低下することから、前記のようにして計測された応答時間ΔＴが、例えば、所定値Ｔａ以下となった場合には、触媒２４が許容できない程度まで劣化した（異常が生じた）と判定し、その旨を警報手段を構成する例えば表示器２６（図１参照）に表示する。

前記した如くの、触媒２４の劣化判定（診断）は、コントロールユニット１０により行われるが、かかる劣化判定に際してコントロールユニット１０が実行するプログラムの一例（ルーチン）を図７にフローチャートで示す。

このルーチンでは、まず、ステップ１００（以下Ｓ１００と記す）では、運転状態（吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等）を読み込み、続くＳ１０１では、前記運転状態に基づいて目標空燃比ステップ量を設定する。つまり、高負荷・高回転域にあるときは目標空燃比ステップ量を小さくし、低負荷低回転域にあるときは目標空燃比ステップ量を大きく設定する。

次に進むＳ１０２では、Ｓ１０１で設定された目標ステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する。これにより、本ルーチンとは別の空燃比制御ルーチンにおいて、燃焼に供される混合気の空燃比を、前記ステップ的に変更された目標空燃比とすべく、空燃比センサ１７の出力に基づいて、例えば燃料噴射量のフィードバック制御が行われる。

続くＳ１０３では、空燃比センサ１６の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）になったか否かを、該出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）となるまで繰り返して判断し、空燃比センサ１６の出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）になったと判断された場合には、Ｓ１０４に進み，内蔵タイマーをスタートさせて応答時間ΔＴの計測を開始する。

次に進むＳ１０５では、酸素センサ１７の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）になったか否かを、該出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）となるまで繰り返して判断し、酸素センサ１７の出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）になったと判断された場合には、Ｓ１０６に進み，そのときの応答時間ΔＴを記憶するとともに、内蔵タイマーをリセットして応答時間ΔＴの計測を終了する。

続くＳ１０７では、Ｓ１０６で求められた応答時間ΔＴが劣化判定用として予め設定されている所定値Ｔａ以下か否かを判断し、応答時間ΔＴが所定値Ｔａ以下ではないと判断された場合には、触媒２４はさほど劣化していないと判定して、このルーチンを終了し、ΔＴが所定値Ｔａ以下であると判断された場合には、Ｓ１０８において、触媒２４が許容できない程度まで劣化した（異常が生じた）と判定し、その旨を警報手段を構成する例えば表示器２６（図１参照）に表示する処理を行って、このルーチンを終了する。

以上は、応答時間ΔＴの計測終了時点Ｂを酸素センサ１７の出力に基づいて検出するようにされているが、それに代えて、応答時間ΔＴの計測終了時点Ｂを酸素センサ１７の出力の変化率に基づいて検出するようにしてもよい。

すなわち、図８［図９］に、目標空燃比をステップ的に変更した際の、空燃比センサ１６の出力、酸素センサ１７の出力、及び酸素センサ１７の出力の変化率が示されている如くに、図８（１）［図９（１）］のように、目標空燃比をストイキからリーンに［リッチに］ステップ的に変更することにより、図８（２）［図９（２）］のように、空燃比センサ１６の出力もストイキからリーン［リッチ］に変化する。一方、図８（３）［図９（３）］のように、酸素センサ１７の出力は触媒２４のＯＳＣの影響で空燃比センサ１６の出力に対し遅れを持ってリーン［リッチ］に変化する。そのときの酸素センサ１７の所定期間における変化率は、図８（４）［図９（４）］に示される如くに変化する。このとき、空燃比センサ１７の出力が図８（５）［図９（５）］に示される所定値Ｓａ以上［Ｓａ’以下］になってから、酸素センサ１７の出力の変化率の絶対値が所定値以上となるまでの所要時間を、前記応答時間ΔＴとして計測し、その応答時間ΔＴに基づいて触媒２４の劣化度を判定する。

このように、応答時間ΔＴの計測終了時点Ｂを酸素センサ１７の出力に基づいて検出する場合の、コントロールユニット１０が実行するプログラムの一例（ルーチン）を図１０にフローチャートで示す。

このルーチンでは、まず、Ｓ２００では、運転状態（吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等）を読み込み、続くＳ２０１では、前記運転状態に基づいて目標空燃比ステップ量を設定する。つまり、高負荷・高回転域にあるときは目標空燃比ステップ量を小さくし、低負荷低回転域にあるときは目標空燃比ステップ量を大きく設定する。

次に進むＳ２０２では、Ｓ２０１で設定された目標ステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する。これにより、本ルーチンとは別の空燃比制御ルーチンにおいて、燃焼に供される混合気の空燃比を、前記ステップ的に変更された目標空燃比とすべく、空燃比センサ１７の出力に基づいて、例えば燃料噴射量のフィードバック制御が行われる。

続くＳ２０３では、空燃比センサ１６の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）になったか否かを、該出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）となるまで繰り返して判断し、空燃比センサ１６の出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）になったと判断された場合には、Ｓ２０４に進み，内蔵タイマーをスタートさせて応答時間ΔＴの計測を開始する。

次に進むＳ２０５では、酸素センサ１７の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力の変化率（の絶対値）が所定値以上になったか否かを、該変化率（の絶対値）が所定値以上となるまで繰り返して判断し、該変化率（の絶対値）が所定値以上になったと判断された場合には、Ｓ２０６に進み，そのときの応答時間ΔＴを記憶するとともに、内蔵タイマーをリセットして応答時間ΔＴの計測を終了する。

続くＳ２０７では、Ｓ２０６で求められた応答時間ΔＴが劣化判定用として予め設定されている所定値Ｔａ以下か否かを判断し、応答時間ΔＴが所定値Ｔａ以下ではないと判断された場合には、触媒２４はさほど劣化していないと判定して、このルーチンを終了し、ΔＴが所定値Ｔａ以下であると判断された場合には、Ｓ２０８において、触媒２４が許容できない程度まで劣化した（異常が生じた）と判定し、その旨を警報手段を構成する例えば表示器２６（図１参照）に表示する処理を行って、このルーチンを終了する。

次に、コントロールユニット１０が触媒２４の診断に際して実行する制御の他の例を詳細に説明する。

コントロールユニット１０は、図１１に機能ブロック図の他の例が示されているように、運転状態検出手段４０により検出される吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等に基づいて、単位時間あたりの吸入空気量を算出する単位吸気量算出手段４５と、該単位吸気量設定手段４５により算出された単位吸気量に基づいて、目標とする空燃比をステップ的に変化させるべく目標空燃比ステップ量を設定する目標空燃比ステップ量設定手段４１と、該目標空燃比ステップ量設定手段４１により設定されたステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する目標空燃比設定手段４２と、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段４２により設定された目標空燃比とすべく、例えば燃料噴射量に対する、リニア空燃比センサ１６の出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段５０と、前記目標空燃比設定手段４２により目標空燃比がステップ的に変更された後において前記触媒２４の下流側における排ガスの空燃比が前記目標空燃比に向けて所定量以上変化するまでの応答時間ΔＴを計測する応答時間計測手段４３と、該応答時間計測手段４３により計測された応答時間ΔＴ、前記単位吸気量算出手段４５により算出される単位吸気量、及び、前記リニア空燃比センサ１６の出力に基づいて、前記触媒のＯ_２貯蔵能力（ＯＳＣ）を推定するＯＳＣ推定手段４６と、該ＯＳＣ推定手段により推定されたＯ_２貯蔵能力（ＯＳＣ）に基づいて、前記触媒２４の劣化度を判定する触媒劣化度判定手段４４と、を備える。

この例は、前記単位吸気量算出手段４５により算出される吸入空気量と、空燃比センサ出１６の出力と酸素センサ１７の出力に基づいて、ＯＳＣを推定することで触媒２４の劣化度を判定するようにされる。

具体的には、図１２（１）のように、目標空燃比をステップ的に変更した（切り換えた）時点Ａから、図１２（２）に示される酸素センサ１７の出力が所定値Ｓd以下となる時点Ｂまでの所要時間（応答時間ΔT）を計測する。その際の空燃比センサ１６の出力を図１２（３）に示し、単位吸気量を図１２（４）に示す。図１２（１）のようにストイキ付近（λ＝１）を目標としていた目標空燃比をリーン側にステップ的に変更すると、図１２（３）に示される如くに、空燃比センサ１６の出力も目標空燃比に追従するように変化する。しかし、酸素センサ１７の出力は、前記ＯＳＣの影響である程度の応答遅れを持ってリーン側へ変化していく。前述しているようにＯＳＣはＯ_２を溜め込む能力であるため、前記応答時間ΔＴは前記単位吸気量算出手段４５で算出される単位吸気量に影響を受ける。つまり、単位吸気量が大きければその分触媒入口での単位時間あたりのＯ_２量が多くなるため、応答時間ΔＴは短くなり、単位吸気量が小さければ単位時間あたりのＯ_２量が少なくなるため、前記応答時間ΔＴは長くなる。また、排ガス中のＯ_２量は空燃比センサ１６の出力により変化するため、空燃比センサ出力、吸入空気量、応答時間ΔＴに基づいてＯＳＣを推定することが可能である。

本例では、ストイキからの空燃比センサ出力の偏差と単位吸気量の積を所定サンプリング毎に積算していくことでＯＳＣを推定する。積算の期間は、前記応答時間ΔＴを計測している期間中とし、図１２（５）にそのＯＳＣを示す。このようにＯＳＣを推定することで、実空燃比の変動を考慮した触媒の劣化度の判定が可能となり、診断精度の向上に繋がる。また、目標空燃比をストイキに戻すタイミングも推定したＯＳＣに基づいて決定することにより、応答時間計測終了後の触媒出口空燃比雰囲気のストイキからのずれ量を抑制することが可能となり、排気エミッションの悪化を抑制することもできる。

このように、ＯＳＣに基づいて触媒の劣化判定を行う場合の、コントロールユニット１０が実行するプログラムの一例（ルーチン）を図１３にフローチャートで示す。

このルーチンでは、まず、Ｓ３００では、運転状態（吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等）に基づいて単位時間あたりの吸入空気量を算出し、続くＳ３０１では、前記単位吸気量に基づいて目標空燃比ステップ量を設定する。つまり、単位吸気量が多いときは目標空燃比ステップ量を小さくし、単位吸気量が少ないときは目標空燃比ステップ量を大きく設定する。

次に進むＳ３０２では、目標空燃比がステップ的に変更されたか否かを判断し、変更されたと判断された場合は元に戻り、変更されていないと判断された場合は、続くステップ３０３において、Ｓ３０１で設定された目標ステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する。これにより、本ルーチンとは別の空燃比制御ルーチンにおいて、燃焼に供される混合気の空燃比を、前記ステップ的に変更された目標空燃比とすべく、空燃比センサ１７の出力に基づいて、例えば燃料噴射量のフィードバック制御が行われる。

続くＳ３０４では、内蔵タイマーをスタートさせて応答時間ΔＴの計測を開始し、次のＳ３０５で、前述の如くにしてＯＳＣを算出（推定）し、次に進むＳ３０６では、酸素センサ１７の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力が所定値Ｓｄ以下（又は所定値Ｓｄ’以上）になったか否かを、該出力が所定値Ｓｄ以下（又は所定値Ｓｄ’以上）となるまで繰り返して判断し、酸素センサ１７の出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）になったと判断された場合には、Ｓ３０７に進み，そのときの応答時間ΔＴを記憶するとともに、内蔵タイマーをリセットして応答時間ΔＴの計測を終了する。

そして、次のＳ３０８において、ＯＳＣが劣化判定用として予め設定されている所定値以下か否かを判断し、ＯＳＣが所定値以下ではないと判断された場合には、触媒２４はさほど劣化していないと判定して、このルーチンを終了し、ＯＳＣが所定値以下であると判断された場合には、Ｓ３０９において、触媒２４が許容できない程度まで劣化した（異常が生じた）と判定し、その旨を警報手段を構成する例えば表示器２６（図１参照）に表示する処理を行って、このルーチンを終了する。

次に、コントロールユニット１０が触媒２４の診断に際して実行する制御の別の例を詳細に説明する。
コントロールユニット１０は、図１４に機能ブロック図の他の例が示されているように、運転状態検出手段４０により検出される吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等に基づいて、単位時間あたりの吸入空気量を算出する単位吸気量算出手段４５と、該単位吸気量設定手段４５により算出された単位吸気量に基づいて、目標とする空燃比をステップ的に変化させるべく目標空燃比ステップ量を設定する目標空燃比ステップ量設定手段４１と、該目標空燃比ステップ量設定手段４１により設定されたステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する目標空燃比設定手段４２と、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段４２により設定された目標空燃比とすべく、例えば燃料噴射量に対する、リニア空燃比センサ１６の出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段５０と、前記目標空燃比設定手段４２により目標空燃比がステップ的に変更された後において前記触媒２４の下流側における排ガスの空燃比が前記目標空燃比に向けて所定量以上変化するまでの応答時間ΔＴを計測する応答時間計測手段４３と、該応答時間計測手段４３により計測された応答時間ΔＴに基づいて、前記触媒２４の劣化度を判定する触媒劣化度判定手段４４と、を備える。

本例では、図１５（１）に示される如くに、前記目標空燃比ステップ量を、前記単位吸気量算出手段４５により算出された吸入空気量（単位吸気量）が大きくなるに従い、つまり、Ｏ_２の吸着・脱離速度が速くなるにつれて小さくなるように設定する。なお、目標空燃比ステップ量は、図１５（２）のように、単位吸気量の一定の領域毎に切り換えても良い。これにより、触媒内のＯ_２吸着・脱離速度を抑制する（一定に保つ）ことが可能となる。つまり、単位吸気量が小さい場合は、例えば、応答時間ΔＴの計測終了時点を検出するための酸素センサ１７の出力は、図１６（１）の実線で示される如くの変化を示すが、単位吸気量が大きくなった場合に目標空燃比ステップ量が一定であると、図１６（２）の破線で示される如くに、酸素センサ１７の出力が応答時間計測終了時点を検出するための所定値に達した後のオーバーシュート分が大きく現れ、排気エミッションが大きく悪化してしまう。このオーバーシュート分を抑制するためには、単位吸気量の多少に応じて、目標空燃比ステップ量を変更して、空燃比変化速度を一定に保つことが有効となる。これにより、前述したＯＳＣの単位時間あたりのＯ_２吸着量と脱離量を一定にすることが可能となる。Ｏ_２の吸着量と脱離量を一定に保つことで、触媒の劣化度を示す応答時間ΔＴは、同劣化度の触媒であれば単位吸気量の変化に影響を受けること無く一定の値を示すこととなる。つまり、触媒劣化度の判定値を一本化することができ、診断・制御ロジックの簡易化、合理化にも繋がる。

また、図１７に示される如くに、予め、空燃比センサ１６の出力から導かれるこの吸着・脱離量を設定しておき、吸着量（もしくは脱離量）と単位吸気量の積を所定期間毎に積算することでＯ_２の吸着・脱離速度を算出し、その吸着・脱離速度からＯＳＣを推定し、推定したＯＳＣに基づいて前記目標空燃比ステップ量設定手段４１において目標空燃比ステップ量を算出すれば、精度良くＯＳＣを推定することが可能となり、目標空燃比ステップ量を変化させることでＯＳＣを自在に制御することが可能となり、排気の悪化を抑制することが可能となる。

前記した如くの、触媒２４の劣化判定（診断）は、コントロールユニット１０により行われるが、かかる劣化判定に際してコントロールユニット１０が実行するプログラムの一例（ルーチン）を図１８にフローチャートで示す。

このルーチンでは、まず、ステップ４００で、運転状態（吸入空気量、スロットル開度、エンジン回転数等）に基づいて単位吸気量を算出し、続くＳ４０１では、前記単位吸気量に基づいて目標空燃比ステップ量を設定する。つまり、前記目標空燃比ステップ量を、吸入空気量（単位吸気量）が大きくなるに従い、言い換えれば、Ｏ_２の吸着・脱離速度が速くなるにつれて小さくなるように設定する。

次に進むＳ４０２では、Ｓ４０１で設定された目標ステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する。これにより、本ルーチンとは別の空燃比制御ルーチンにおいて、燃焼に供される混合気の空燃比を、前記ステップ的に変更された目標空燃比とすべく、空燃比センサ１７の出力に基づいて、例えば燃料噴射量のフィードバック制御が行われる。

続くＳ４０３では、空燃比センサ１６の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）になったか否かを、該出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）となるまで繰り返して判断し、空燃比センサ１６の出力が所定値Ｓａ以上（又は所定値Ｓａ’以下）になったと判断された場合には、Ｓ４０４に進み，内蔵タイマーをスタートさせて応答時間ΔＴの計測を開始する。

次に進むＳ４０５では、酸素センサ１７の出力を所定の制御周期をもって取り込むとともに、その出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）になったか否かを、該出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）となるまで繰り返して判断し、酸素センサ１７の出力が所定値Ｓｂ以下（又は所定値Ｓｂ’以上）になったと判断された場合には、Ｓ４０６に進み，そのときの応答時間ΔＴを記憶するとともに、内蔵タイマーをリセットして応答時間ΔＴの計測を終了する。

続くＳ４０７では、Ｓ４０６で求められた応答時間ΔＴが劣化判定用として予め設定されている所定値Ｔａ以下か否かを判断し、応答時間ΔＴが所定値Ｔａ以下ではないと判断された場合には、触媒２４はさほど劣化していないと判定して、このルーチンを終了し、ΔＴが所定値Ｔａ以下であると判断された場合には、Ｓ４０８において、触媒２４が許容できない程度まで劣化した（異常が生じた）と判定し、その旨を警報手段を構成する例えば表示器２６（図１参照）に表示する処理を行って、このルーチンを終了する。

なお、本実施形態では、空燃比センサ１７の出力に基づいて触媒上流空燃比フィードバック制御を行うようにしているが、前記Ｏ_２センサの出力に基づく、触媒下流空燃比フィードバック制御を行うようにしてもよく、この場合は、前記応答時間ΔＴ計測中は、前記空燃比フィードバック制御を停止し、前記応答時間ΔＴの計測が終了したならば、又は、終了する直前から、速やかに前記空燃比フィードバック制御に復帰することが好ましい。これにより、より高精度な触媒劣化度の判定が可能となる。また、応答時間計測終了後の酸素センサ出力のオーバーシュート分を抑制することができ、排気エミッションの悪化の抑制に繋がる。

また、前記実施形態では、目標空燃比をストイキからリッチ側、もしくは、ストイキからリーン側へステップ的に変更する場合について説明したが、排気エミッションの悪化を最小に抑えるためには、触媒出口においてストイキよりリッチ雰囲気で排出されるＨＣよりも、リーン雰囲気で排出されるＮＯｘのインパクトの方が大きいため、なるべくＮＯｘの排出量を少なくするために、例えば、図１９に示される如くに、一度目標空燃比をリッチ側へステップ的に変更した後、リーン側へステップ的に変更するようにして、そのリーン側へステップ的に変更した時点（時点Ａ）を前記応答時間ΔＴの計測開始時点とし、酸素センサの出力が所定値以下となった時点（時点Ｂ）を計測終了時点とすれば、排気エミッションの悪化を極力抑えることが可能となる。

本発明に係るエンジンの制御装置の一実施形態をそれが適用されたエンジンと共に示すシステム図。図１のエンジンの制御装置（コントロールユニット）による触媒診断制御の一例の説明に供される機能ブロック図。図２のエンジンの制御装置の目標空燃比がストイキからリーン側へステップ的に変更された場合における応答時間計測の説明に供されるタイムチャート。図２のエンジンの制御装置の目標空燃比がストイキからリッチ側へステップ的に変更された場合における応答時間計測の説明に供されるタイムチャート。触媒のＯ_２貯蔵能力の説明に供される図目標空燃比ステップ量とＯ_２吸着・脱離速度との関係の説明に供される図。図２のエンジンの制御装置（コントロールユニット）が実行する触媒劣化判定ルーチンの一例を示すフローチャート。図２のエンジンの制御装置の目標空燃比がストイキからリーン側へステップ的に変更された際において応答時間計測終了時点を酸素センサ出力の変化率に基づいて検出する場合の説明に供されるタイムチャート。図２のエンジンの制御装置の目標空燃比がストイキからリッチ側へステップ的に変更された際において応答時間計測終了時点を酸素センサ出力の変化率に基づいて検出する場合の説明に供されるタイムチャート。図２のエンジンの制御装置（コントロールユニット）が実行する触媒劣化判定ルーチンの他の例を示すフローチャート。本発明のエンジンの制御装置による触媒診断制御の他の例の説明に供される機能ブロック図。図１１のエンジンの制御装置における触媒のＯ_２貯蔵能力（ＯＳＣ）に基づいて触媒の劣化判定を行う場合の説明に供されるタイムチャート。図１１のエンジンの制御装置（コントロールユニット）が実行する触媒劣化判定ルーチンの他の別の例を示すフローチャート。本発明のエンジンの制御装置による触媒診断制御の他の別の例の説明に供される機能ブロック図。図１４のエンジンの制御装置の目標空燃比ステップ量と単位吸気量との関係の説明に供される図。図１４のエンジンの制御装置の酸素センサ出力のオーバーシュートの説明に供される図。図１４のエンジンの制御装置のＯ_２吸着・脱離量と空燃比センサ出力との関係の説明に供される図。図１４のエンジンの制御装置（コントロールユニット）が実行する触媒劣化判定ルーチンのさらに別の例を示すフローチャート。図１４のエンジンの制御装置の触媒の劣化判定を行う場合の目標空燃比の他の設定例の説明に供されるタイムチャート。

符号の説明

１エンジン
１０コントロールユニット
１６リニア空燃比センサ
１７Ｏ_２センサ
２４触媒
４１目標空燃比ステップ量設定手段
４２目標空燃比設定手段
４３応答時間計測手段
４４触媒劣化度判定手段

Claims

排気通路に配設された排気浄化用の触媒を備えたエンジンの制御装置において、
目標とする空燃比をステップ的に変化させるべく目標空燃比ステップ量を設定する目標空燃比ステップ量設定手段と、
該目標空燃比ステップ量設定手段により設定されたステップ量に基づいて、目標空燃比をステップ的に変更する目標空燃比設定手段と、
該目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された後において前記触媒の下流側における排ガスの空燃比が所定値に至るまでの応答時間を計測する応答時間計測手段と、
該応答時間計測手段により計測された応答時間に基づいて、前記触媒の劣化度を判定する触媒劣化度判定手段と、を備え、
前記目標空燃比ステップ量設定手段は、前記目標空燃比ステップ量を、前記エンジンの運転状態に基づいて設定することを特徴とするエンジンの制御装置。
燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比とするための制御を行う空燃比制御手段と、
前記触媒の上流側における排ガスの空燃比をリニアに検出するリニア空燃比センサを備え、
前記空燃比制御手段は、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比とすべく、前記リニア空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記触媒の下流側における排ガスの空燃比を検出する酸素センサを備え、
前記応答時間計測手段は、前記応答時間として、前記目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された時点、又は、前記リニア空燃比センサの出力あるいはその変化率が所定値以上もしくは所定値以下となった時点から、前記酸素センサの出力あるいはその変化率が所定値以下もしくは所定値以上となるまでの所要時間を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
前記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて、単位時間あたりの吸入空気量を算出する単位吸気量算出手段を備え、
前記触媒劣化判定手段は、前記単位吸気量算出手段により算出された単位吸気量に基づいて前記触媒の劣化度を判定することを特徴とする前記請求項１から３のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
前記応答時間計測手段により計測された応答時間、前記単位吸気量算出手段により算出される単位吸気量、及び、前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比もしくは前記リニア空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒のＯ_２貯蔵能力を推定するＯ_２貯蔵能力推定手段を備えていることを特徴とする前記請求項４に記載のエンジンの制御装置。
前記劣化判定手段は、前記Ｏ_２貯蔵能力推定手段により推定された前記触媒のＯ_２貯蔵能力に基づいて、前記触媒の劣化度を判定することを特徴とする前記請求項５に記載のエンジンの制御装置。
前記目標空燃比ステップ量設定手段は、前記ステップ量を、前記応答時間計測手段により計測される応答時間が略一定となるように設定することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
前記目標空燃比ステップ量設定手段は、前記ステップ量を、前記Ｏ_２貯蔵能力推定手段により推定されたＯ_２貯蔵能力、及び、前記単位吸気量算出手段により算出された単位吸気量に基づいて設定することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
前記空燃比制御手段は、燃焼に供される混合気の空燃比を前記目標空燃比設定手段により設定された目標空燃比とすべく、前記酸素センサの出力に基づくフィードバック制御を行うようにされ、かつ、前記目標空燃比設定手段により目標空燃比がステップ的に変更された後、前記応答時間計測手段により前記応答時間の計測が終了するまでは、前記フィードバック制御を停止することを特徴とする請求項３から８のいずれかに記載のエンジンの制御装置。