JP5035670B2

JP5035670B2 - 内燃機関の触媒劣化検出装置

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Publication number: JP5035670B2
Application number: JP2007132903A
Authority: JP
Inventors: 光壱木村; 徹木所; 裕澤田; 靖志岩▲崎▼; 浩一北浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: JP2008286129A

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検出する装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するために排気通路に触媒が配置されている。このような触媒、例えば三元触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比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理論空燃比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Ｏ₂ストレージ機能を有する。従って、内燃機関の通常運転時、理論空燃比を中心として運転条件により混合気がリッチ側又はリーン側に振れてしまっても、触媒表面は理論空燃比に保たれ、三元触媒のもつＯ₂ストレージ機能により、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持されるためにＮＯｘが還元され、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出されるためにＨＣおよびＣＯが酸化され、これによりＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化できることになる。

そこで従来より触媒上流側の排気通路に排気空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、排気空燃比がリーンになったときには燃料供給量を増量し、排気空燃比がリッチになったときには燃料供給量を減量させることにより、空燃比が理論空燃比を中心として制御されるためリッチ側又はリーン側に交互に振れてしまっても、それによってＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に低減されるようになっている。

ところで、三元触媒が劣化すると排気ガス浄化率が低下する。三元触媒の劣化度とＯ₂ストレージ機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、Ｏ₂ストレージ機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。より具体的には、現状の触媒が吸蔵し得る最大酸素量としての酸素吸蔵容量を計測することで触媒の劣化が検出可能である。

かかる原理に基づいて触媒劣化検出を行う装置としては例えば特許文献１に開示されたものがある。この装置は、内燃機関の排気通路に直列に配置された上流触媒と下流触媒のうち下流触媒の異常を判定するものである。上流触媒と下流触媒との間の触媒間空燃比を検出する触媒間センサと、下流触媒の下流の触媒後空燃比を検出する触媒後センサとが設けられる。触媒間センサの出力のリッチからリーンへの又はその逆への切り替えに応じて上流触媒の上流の触媒前空燃比をリーンからリッチへ又はその逆へと切り替えるアクティブ空燃比制御が実行される。そしてこのアクティブ空燃比制御の実行中に触媒後センサから発せられるセンサ出力に基づいて下流触媒の異常が判定される。

特開２００４−１７６６１５号公報

ところで、本発明者らの試験研究の結果によれば、触媒を長期間（約１ヶ月以上）放置し、その後触媒の劣化検出を実行すると、触媒が正常であるにも拘わらず劣化と検出されることがあることが確認された。そして、その後暫くの間内燃機関を運転し、触媒に排気ガスを流通し続けると、その劣化状態が解消され元の正常状態に復帰する。この原因について調べたところ、触媒を放置している最中に大気中の二酸化炭素ＣＯ₂が触媒の酸素吸蔵成分に吸着し、この吸着ＣＯ₂が触媒の酸素吸放出作用を阻害していることが推認された。そして、この吸着ＣＯ₂が、高温の触媒温度の下で徐々に脱離されることも判明した。

この触媒へのＣＯ₂吸着によって検出される劣化は本来劣化とすべきでない一時的劣化であり、これを劣化と検出してしまうことは誤検出に繋がる。

そこで、本発明は以上の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒の長期放置によって起こる一時的劣化を誤って劣化と検出することを防止し得る内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
前記内燃機関の停止中に前記触媒が大気に接触するのを抑制するための抑制手段を設け、
前記抑制手段が、イグニッションスイッチオフから内燃機関停止までの間に排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御するリッチ制御を実行するリッチ制御手段からなり、
前記リッチ制御におけるリッチ制御時間とリッチ振幅との少なくとも一方が、前記内燃機関の停止前のリーン運転時間に応じて可変設定される
ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置が提供される。

これにより、内燃機関停止中に、大気中のＣＯ₂が触媒に吸着するのを抑制でき、内燃機関の運転再開後に触媒劣化検出を実行しても、吸着ＣＯ₂に起因する誤検出を防止することができる。

かかるリッチ制御を実行すると、触媒表面を排気ガス中のリッチ成分（主にＨＣ，ＣＯ）によりコーティングすることができる。よって触媒表面と大気中のＣＯ₂との接触および触媒へのＣＯ₂吸着を抑制し、運転再開後の吸着ＣＯ₂に起因する誤検出を防止することができる。

リッチ振幅とは、リッチ制御時における触媒前排気空燃比の理論空燃比に対する振幅をいう。例えば、内燃機関停止前のリーン運転時間が長いと、触媒に多くの酸素が吸蔵された状態となることがあり、内燃機関停止時にリッチ制御を行っても排ガス中のリッチ成分が吸蔵酸素と反応してしまい、コーティングにまで至らない虞がある。そこでこのような場合には、リッチ制御時間を長くしたりリッチ振幅を大きくしたりして、より多くのリッチ成分を触媒に供給するようにする。こうすることでリッチ成分による触媒のコーティングをより確実にすることができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記内燃機関停止後の運転再開中に触媒劣化検出を実行するに際し、その運転再開中におけるフューエルカット履歴の有無を判定する履歴判定手段と、
該履歴判定手段によりフューエルカット履歴無しと判定されたとき、触媒劣化検出を禁止する禁止手段と
が設けられることを特徴とする。

上述のリッチ制御を伴う機関停止後に内燃機関が再始動され、運転再開されたとき、触媒をリッチ成分でコーティングさせた状態のままで劣化検出を実行すると、そのリッチ成分の影響で誤検出に至る場合がある。一方、機関運転再開後にフューエルカットが実行されると、触媒にコーティングされたリッチ成分が空気と反応してパージされる。この第４の形態によれば、機関運転再開中のフューエルカット履歴が無いとき、即ち触媒にコーティングされたリッチ成分がパージされていないとき、触媒の劣化検出が禁止されるので、そのリッチ成分に起因する誤検出を未然に防止することができる。

本発明の第３の形態は、前記第１の形態において、
前記内燃機関停止後の運転再開中に触媒劣化検出を実行するに際し、その運転再開中におけるフューエルカット履歴の有無を判定する履歴判定手段と、
該履歴判定手段によりフューエルカット履歴無しと判定されたとき、排気空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するリーン制御を実行するリーン制御手段と、
該リーン制御手段によるリーン制御終了後に触媒劣化検出を実行する劣化検出実行手段と
が設けられることを特徴とする。

このリーン制御により、触媒にコーティングされたリッチ成分をリーンガスと反応させてパージすることができる。よってリーン制御終了後に触媒劣化検出を実行することで、リッチ成分に起因する誤検出を未然に防止することができる。

本発明によれば、触媒の長期放置によって起こる一時的劣化を誤って劣化と検出することを防止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。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

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。

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、Ｏ₂ストレージ機能（酸素吸蔵能）を有する三元触媒からなる触媒１１が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。触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８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電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧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。

触媒１１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）Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）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、内燃機関の通常運転時、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Ａ／Ｆｓになるように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比Ａ／Ｆｓ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、触媒１１についてより詳細に説明する。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Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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Ａ／Ｆｓ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、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の劣化検出について説明する。

本実施形態では、触媒１１の劣化検出の際にＥＣＵ２０によって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とは、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃに対しリッチ側又はリーン側に強制的に変化させる制御である。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の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の劣化検出は、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と、クランク角センサ１４の出力に基づいて算出される機関回転速度ＮＥとに基づいて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、触媒１１の温度を推定する。

触媒の劣化検出は、内燃機関の１トリップ当たりに少なくとも１回実行され、少なくとも２トリップ連続で触媒劣化が検出されたときに触媒劣化との最終判断がなされ、チェックランプ等の警告装置が作動させられる。なお１トリップとは１回のエンジンの始動から停止までの期間をいう。

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及び触媒後センサ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及び触媒後センサ１８の出力値はそれぞれ触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ及び触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒの値を表す。

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／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である。ここで図示されるように触媒後センサ１８の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒ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、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒ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、触媒後センサ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。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒ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。このように目標空燃比Ａ／Ｆｔは触媒後センサ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、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒ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／Ｆｒｒ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算出される。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）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積分される。こうしてこの酸素放出サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ１即ち放出酸素量が算出される。

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）である。

基本的には、この１回で算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を用い、これを所定の劣化判定値と比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値を超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値以下ならば劣化、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、リーン側でも同様に酸素吸蔵容量（この場合酸素吸収量）を算出し、必要に応じてリッチ側とリーン側とで複数回算出を繰り返し、その平均値を劣化判定値と比較して最終的な劣化判定を行っている。

具体的には、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、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが、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まで積分される。こうしてこの酸素吸収サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ２即ち吸収酸素量が算出される。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。こうして複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，・・・ＯＳＣｎ（例えばｎは５以上）が繰り返し算出され、その平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。そして、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば触媒１１は正常、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒１１は劣化と判定される。

なお、車両の走行距離等、触媒劣化の進行に相関するパラメータに応じて酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出回数ｎを変化させてもよい。例えば走行距離が比較的少なく明らかに劣化が相当程度進んでいないと想定できる場合はｎを少ない値とし、走行距離が比較的多く劣化が相当程度進んでいる可能性のある場合はｎを多い値とする。

ここでは酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を触媒劣化度に関する指標値として計測し、この計測値を所定の劣化判定値と比較して触媒劣化を判定する方法を示した。しかしながら、他の劣化検出法を採用することも可能であり、劣化指標値も酸素吸蔵容量ＯＳＣに限られない。例えば、特許文献１に開示されているように、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを短周期で強制振動させたときの触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒの振動の仕方が触媒劣化度に応じて変化するので、触媒前後のセンサの出力軌跡長の比を劣化指標値として計測し、この計測値を所定の劣化判定値と比較して触媒劣化を判定する方法を採用してもよい。

さて、前述したように、触媒を長期間（約１ヶ月以上）放置した後に触媒の劣化検出を実行すると、その放置中に触媒の酸素吸蔵成分に吸着した大気中の二酸化炭素ＣＯ₂が触媒の酸素吸放出作用を阻害し、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値が真の値より少なくなって、場合によっては劣化判定値を下回り、正常触媒にも拘わらず劣化と誤検出することがある。一方この吸着ＣＯ₂は、約６００℃以上という高温の触媒温度条件の下で、比較的長い時間（１０分程度）をかけてゆっくりと脱離する。つまり、吸着ＣＯ₂による触媒の劣化は本来劣化とすべきでない一時的劣化であり、これを劣化とすることは誤検出に繋がる。よってこの誤検出を防止すべく、本実施形態では、内燃機関の停止中に触媒が大気に接触するのを抑制するための抑制手段を設けている。これにより、内燃機関停止中に、大気中のＣＯ₂が触媒に吸着するのを抑制でき、内燃機関の運転再開後に触媒劣化検出を実行しても、吸着ＣＯ₂に起因する誤検出を防止することができる。

かかる抑制手段としては、例えば触媒下流側の排気通路を開閉する排気シャッタを挙げることができる。この排気シャッタを内燃機関停止中に閉弁することで、排気通路の開放下流端から浸入した大気、ひいては大気中のＣＯ₂が触媒に接触するのを抑制でき、これにより触媒へのＣＯ₂吸着を抑制して、機関運転再開後の誤検出を防止することができる。

一方、本実施形態ではこのような排気シャッタを採用せず、その代わりに、内燃機関の停止時に排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御するリッチ制御を実行するリッチ制御手段を採用する。こうすると排気シャッタ等の別部品を追加しないで済み、コスト増を回避できる。かかるリッチ制御を実行すると、触媒表面をリッチ成分（主にＨＣ，ＣＯ）によりコーティングし、保護することができ、或いは触媒表面をリッチ被毒させることができる。これによって触媒表面と大気中のＣＯ₂との接触および触媒へのＣＯ₂吸着を抑制し、運転再開後の誤検出を防止することができる。

図５に、本実施形態に係るＣＯ₂吸着抑制処理の内容を示す。図示する処理はＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、図示しないイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされたか否かが判断される。オフされていない場合には本処理が終了され、オフされた場合にはステップＳ１０２に進んで直ちにリッチ制御が開始される。このリッチ制御では、ごく短い所定時間ｔｒｓ（これをリッチ制御時間という）だけ、混合気の空燃比が強制的に理論空燃比よりもリッチ側に制御される。例えば、約１秒間、空燃比が１４以下の所定値に制御される。これによりリッチ成分を多く含む排ガスが触媒に供給され、そのリッチ成分により触媒表面をコーティングし、機関停止中、大気中のＣＯ₂が触媒表面に接触、吸着するのを抑制することができる。

次のステップＳ１０３では、リッチ制御開始時から所定時間ｔｒｓが経過したか否かが判断される。所定時間ｔｒｓが経過してなければ終了し、所定時間ｔｒｓが経過していればステップＳ１０４でエンジンが停止され、本処理が終了される。

ところで、リッチ制御におけるリッチ制御時間ｔｒｓ及びリッチ振幅Ａｒｒの少なくとも一方は、エンジン停止前のリーン運転時間に応じて可変設定されるのが好ましい。ここでリッチ振幅Ａｒｒとは、リッチ制御時における触媒前排気空燃比Ａ／Ｆｆｒの理論空燃比Ａ／Ｆｓに対する振幅ないし深さをいう（Ａｒｒ＝Ａ／Ｆｓ−Ａ／Ｆｆｒ）。例えば、エンジン停止前のリーン運転時間が長いと、触媒に多くの酸素が吸蔵された状態となることがあり、リッチ制御を行っても排ガス中のリッチ成分が吸蔵酸素と反応してしまい、コーティングにまで至らない虞がある。そこでこのような場合には、リッチ制御時間を長くしたりリッチ振幅を大きくしたりして、より多くのリッチ成分を触媒に供給するようにする。こうすることでリッチ成分による触媒のコーティングをより確実にすることができる。この説明で分かるように、リーン運転時間が長いほど、リッチ制御時間は長期の値に設定され、リッチ振幅は大きな値に設定される。

なお、リッチ制御がイグニッションスイッチオフからエンジン停止までの間で行われるので、リッチ制御時間の長期化には自ずと限界があり、リッチ制御時間はできるだけ短い方がドライバの違和感防止のために望ましい。よってリッチ制御時間に制限がある場合には、リッチ振幅の増大で対応するのが好ましい。

図６には、かかるリッチ制御時間ｔｒｓ及びリッチ振幅Ａｒｒの設定方法に関する図を示す。イグニッションスイッチオフ（IG OFF）の前のエンジン運転中、触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比がストイキよりリーンのときには、ＥＣＵ２０に装備されたリーンカウンタが積算され、逆に触媒前空燃比がストイキよりリッチのときにはリーンカウンタが減算される。なお触媒前空燃比がストイキのときにはリーンカウンタが保持される。そして、イグニッションスイッチオフの時点でのリーンカウンタの値に基づき、所定のマップ等を使用して、ＥＣＵ２０によりリッチ制御時間ｔｒ及びリッチ振幅Ａｒｒが設定される。リーンカウンタの値が大きいほど、リッチ制御時間ｔｒｓは長期の値に設定され、またリッチ振幅Ａｒｒは大きい値に設定される。そしてリッチ制御時間ｔｒｓが所定の上限値に達しているときにはそれ以上リッチ制御時間ｔｒｓを長くできないので、その分リッチ振幅Ａｒｒが増大される。

なお、この例ではリッチ制御時間及びリッチ振幅の両方をエンジン停止前のリーン運転時間に応じて可変設定するようにしたが、一方を固定して他方のみを可変設定するようにしてもよい。

ところで、このようなリッチ制御を実施してエンジンを停止した後にエンジンが再始動され、運転再開されたとき、触媒をリッチ成分でコーティングさせた状態のままで劣化検出を実行すると、やはり同様に真の酸素吸蔵容量よりも少ない酸素吸蔵容量が計測され、誤検出に至る場合がある。そこでこれを防止すべく、本実施形態では、エンジン運転再開中に触媒の劣化検出を実行するに際し、フューエルカット履歴の有無を判定し、フューエルカット履歴が無いときは触媒の劣化検出を禁止するようにしている。エンジン運転再開後にフューエルカットが実行されていると、触媒にコーティングされたリッチ成分が空気と反応してパージ或いは除去される。よって、逆から言えば、エンジン運転再開後にフューエルカットが実行されていないと、触媒にリッチ成分が残留し、触媒の酸素吸放出作用が阻害される虞がある。そこでこのような場合に劣化検出を禁止することで、誤検出を未然に防止することができる。

図７に、エンジン運転再開後の劣化検出処理の第１の態様を示す。図示される処理はＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行され、また、エンジン停止時に前述のＣＯ₂吸着抑制処理がなされた場合の次のエンジン運転再開中に実行される。

まずステップＳ２０１では、触媒劣化検出のための所定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が略一定となっているなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ触媒温度が所定の活性温度域にあれば、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、ステップＳ２０４で触媒劣化検出が禁止され、他方、条件が成立している場合にはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、エンジン運転再開に係るエンジン始動後に、フューエルカット（ＦＣ）が実行された履歴即ちフューエルカット履歴があるか否かが判断される。ここでリッチ成分のパージには一定時間を要するため、所定時間（例えば１秒）以上フューエルカットが実行された履歴がある場合に、フューエルカット履歴ありと判断される。フューエルカット履歴がある場合には、触媒にコーティングされたリッチ成分がパージされたとみなし、ステップＳ２０３で触媒劣化検出が実行される。他方、フューエルカット履歴が無い場合には、触媒にコーティングされたリッチ成分が未だ残留している可能性があるとみなし、ステップＳ２０４で触媒劣化検出が禁止される。

なお、触媒劣化検出を禁止するステップＳ２０４は省略してもよい。こうしてもステップＳ２０３を通過せず、触媒劣化検出が実行されないので、自ずと触媒劣化検出は禁止状態となる。

次に、触媒へのリッチ成分付着に起因する誤検出を防止するための別の手法について述べる。ここでは、エンジン運転再開中に触媒の劣化検出を実行するに際し、フューエルカット履歴の有無を判定し、フューエルカット履歴が無いときに、排気空燃比を理論空燃比よりリーン側に強制的に制御するリーン制御を実行し、このリーン制御終了後に触媒の劣化検出を実行するようにしている。このリーン制御により、触媒にコーティングされたリッチ成分をリーンガスと反応させてパージ或いは除去することができる。よってリーン制御終了後に触媒の劣化検出を実行することで、誤検出を未然に防止することができる。フューエルカット履歴が無いときでもリーン制御を実行して触媒の劣化検出を実行するので、前記第１の態様よりも多くの劣化検出頻度を確保できるようになる。

図８に、エンジン運転再開後の劣化検出処理の第２の態様を示す。この第２の態様は図７に示した第１の態様とほぼ同様であり、同様のステップについては符号を２００番台から３００番台に変更して説明を省略する。異なるのは次の点である。

ステップＳ３０２においてフューエルカット履歴が無いと判定された場合、新たに追加されたステップＳ３０５に進んでリーン制御が実行される。このリーン制御では、ごく短い所定時間ｔｌｓ（これをリーン制御時間という）だけ、混合気の空燃比が強制的に理論空燃比よりもリーン側に制御される。例えば、約１秒以上、空燃比が１５以上の所定値に制御される。これによりリーン成分（主にＮＯｘ）を多く含む排ガスを触媒に供給し、そのリーン成分により、触媒表面にコーティングされたリッチ成分をパージすることができる。

次のステップＳ３０６では、リーン制御開始時から所定時間ｔｌｓが経過したか否かが判断される。所定時間ｔｌｓが経過してなければ、ステップＳ３０４に進んで触媒劣化検出が禁止され、所定時間ｔｌｓが経過していればステップＳ３０３で触媒劣化検出が実行される。

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。例えば上述の内燃機関は直噴式であったが、吸気ポート（吸気通路）噴射式或いは両噴射方式を兼ね備えるデュアル噴射式の内燃機関にも本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒後センサ１８として所謂Ｏ₂センサを用いたが、触媒前センサ１７と同様の空燃比センサを用いることも可能である。また同様に、触媒前センサ１７として所謂Ｏ₂センサを用いることも可能である。内燃機関の形式は特に限定されず、例えば圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。触媒の種類も特に限定されず、例えばＮＯｘ触媒であってもよい。

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。

本発明の一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、酸素吸蔵容量の算出方法を説明するための図である。ＣＯ₂吸着抑制処理の内容を示すフローチャートである。リッチ制御時間及びリッチ振幅の設定方法に関するタイムチャートである。エンジン運転再開後の劣化検出処理の第１の態様を示すフローチャートである。エンジン運転再開後の劣化検出処理の第２の態様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触媒
１２インジェクタ
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
前記内燃機関の停止中に前記触媒が大気に接触するのを抑制するための抑制手段を設け、
前記抑制手段が、イグニッションスイッチオフから内燃機関停止までの間に排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御するリッチ制御を実行するリッチ制御手段からなり、
前記リッチ制御におけるリッチ制御時間とリッチ振幅との少なくとも一方が、前記内燃機関の停止前のリーン運転時間に応じて可変設定される
ことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
前記内燃機関停止後の運転再開中に触媒劣化検出を実行するに際し、その運転再開中におけるフューエルカット履歴の有無を判定する履歴判定手段と、
該履歴判定手段によりフューエルカット履歴無しと判定されたとき、触媒劣化検出を禁止する禁止手段と
が設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
前記内燃機関停止後の運転再開中に触媒劣化検出を実行するに際し、その運転再開中におけるフューエルカット履歴の有無を判定する履歴判定手段と、
該履歴判定手段によりフューエルカット履歴無しと判定されたとき、排気空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するリーン制御を実行するリーン制御手段と、
該リーン制御手段によるリーン制御終了後に触媒劣化検出を実行する劣化検出実行手段と
が設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。