JP5293885B2 - 触媒異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の異常診断に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置に関する。

例えば自動車用内燃機関において、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）を有するものがある。この酸素吸蔵能を有する触媒は、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蔵し、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蔵した酸素を放出する。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ズレてしまっても、三元触媒の酸素吸蔵・放出作用により、かかる空燃比ズレを吸収することができる。

一方、触媒が劣化すると触媒の浄化率が低下する。触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間には相関関係がある。よって、酸素吸蔵能の低下を検出することで触媒の劣化ないし異常を検出することができる。一般的には、触媒上流側の空燃比をリッチおよびリーンに交互に制御するアクティブ空燃比制御を行い、それらリーン制御中およびリッチ制御中に前記触媒が吸放出する酸素量を計測し、この酸素量に基づき触媒の異常を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される（例えば特許文献１参照）。

ところでこのＣｍａｘ法では、触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサを設け、触媒後センサの出力が反転するのと同時にリーン制御とリッチ制御を切り替え、且つ酸素量の計測を終了するようにしている。

しかしながら酸素量の計測に際しては、実際には吸放出されていない酸素量が併せて計測されてしまうという計測誤差の問題がある。特に、従来のＣｍａｘ法だと、異常触媒の場合に、正常触媒の場合に比べ、触媒後センサ出力反転直前における誤差割合が大きくなり、計測値が真の値より大きくなる傾向が強まる。こうなると、実際には異常な触媒を正常と誤診断することに繋がりかねない。また正常触媒と異常触媒の間での酸素量計測値の差を拡大することができず、特にこれらの差が元々小さい触媒の場合では、十分な診断精度を確保できない虞がある。

そこで本発明は以上の事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、計測誤差を縮小して診断精度を向上し、誤診断を抑制し得る触媒異常診断装置を提供することにある。

特開２００２−３６４４２８号公報

本発明の一の態様によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
触媒上流側の空燃比をリーンおよびリッチに交互に制御するアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比のリーン制御中およびリッチ制御中に前記触媒が吸放出する酸素量を計測する計測手段と、
前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
を備え、
前記触媒後センサ出力が所定の閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記リーン制御と前記リッチ制御とを切り替え、前記計測手段が前記酸素量の計測を終了し、
前記閾値は、前記リーン制御から前記リッチ制御への切替タイミングを規定するリーン閾値と、前記リッチ制御から前記リーン制御への切替タイミングを規定するリッチ閾値とからなり、
前記リーン閾値は、前記触媒後センサ出力のストイキ相当値よりもリーン側に定められた基準のリーン判定値よりもリッチ側の値に設定され、
前記リッチ閾値は、前記ストイキ相当値よりもリッチ側に定められた基準のリッチ判定値よりもリーン側の値に設定され、
前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した後の前記触媒後センサ出力の挙動とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
ことを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。

好ましくは、前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した後の前記触媒後センサ出力のピークの値とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する。

好ましくは、前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した後の前記触媒後センサ出力の変化率とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する。

好ましくは、前記変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した時から、前記触媒後センサ出力がピークに達する時までの変化率である。

好ましくは、前記変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した時から所定値に達する時までの当該触媒後センサ出力の差を、当該期間内の排気ガス量で除してなる値である。

好ましくは、前記リーン閾値と前記リッチ閾値が、互いに等しい値に設定されている。

好ましくは、前記リーン閾値と前記リッチ閾値が、前記ストイキ相当値と等しい値に設定されている。

好ましくは、前記リーン閾値が、前記ストイキ相当値よりリッチ側の値に設定され、前記リッチ閾値が、前記ストイキ相当値よりリーン側の値に設定されている。

好ましくは、前記リーン閾値と前記リッチ閾値が、排気ガス流量に応じて設定される。

好ましくは、前記リーン制御と前記リッチ制御における振幅が、前回診断時に計測された酸素量に応じて設定される。

本発明の別の態様によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
触媒上流側の空燃比をリーンおよびリッチに交互に制御するアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比のリッチ制御中に前記触媒が放出する酸素量を計測する計測手段と、
前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
を備え、
前記触媒後センサ出力が所定のリッチ閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記空燃比制御を前記リッチ制御から前記リーン制御に切り替え、前記計測手段が前記酸素量の計測を終了し、
前記リッチ閾値は、前記ストイキ相当値よりもリッチ側に定められた基準のリッチ判定値よりもリーン側の値に設定され、
前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リッチ閾値に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リッチ閾値に達した後の前記触媒後センサ出力の挙動とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
ことを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。

本発明のさらなる別の態様によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
触媒上流側の空燃比をリーンおよびリッチに交互に制御するアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比のリーン制御中に前記触媒が吸蔵する酸素量を計測する計測手段と、
前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
を備え、
前記触媒後センサ出力が所定のリーン閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記空燃比制御を前記リーン制御から前記リッチ制御に切り替え、前記計測手段が前記酸素量の計測を終了し、
前記リーン閾値は、前記触媒後センサ出力のストイキ相当値よりもリーン側に定められた基準のリーン判定値よりもリッチ側の値に設定され、
前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値に達した後の前記触媒後センサ出力の挙動とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
ことを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。

図１は、本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 図２は、触媒の構成を示す概略断面図である。 図３は、基本方法におけるアクティブ空燃比制御のタイムチャートである。 図４は、基本方法における酸素吸蔵容量の計測方法を示すタイムチャートである。 図５は、触媒前センサ及び触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 図６は、リッチ制御時の試験結果を示すタイムチャートであり、正常触媒の場合である。 図７は、リッチ制御時の試験結果を示すタイムチャートであり、異常触媒の場合である。 図８は、本実施形態の異常診断における各値の推移を示すタイムチャートである。 図９は、図３および図４を本実施形態に即するよう修正したタイムチャートである。 図１０は、図１０Ａと図１０Ｂの関係を示す図である。 図１０Ａは、第１の診断処理方法に関するフローチャートである。 図１０Ｂは、第１の診断処理方法に関するフローチャートである。 図１１は、リーン振幅およびリッチ振幅を設定するためのマップを示す。 図１２は、リッチ閾値を設定するためのマップを示す。 図１３は、リッチピークから残存放出酸素量を算出するためのマップを示す。 図１４は、正異常判定のためのマップを示す。 図１５は、図１５Ａと図１５Ｂの関係を示す図である。 図１５Ａは、第２の診断処理方法に関するフローチャートである。 図１５Ｂは、第２の診断処理方法に関するフローチャートである。 図１６は、リーン閾値を設定するためのマップを示す。 図１７は、リーンピークから残存吸蔵酸素量を算出するためのマップを示す。 図１８は、図１８Ａと図１８Ｂの関係を示す図である。 図１８Ａは、第３の診断処理方法に関するフローチャートである。 図１８Ｂは、第３の診断処理方法に関するフローチャートである。 図１９は、リッチ変化率から残存放出酸素量を算出するためのマップを示す。 図２０は、図２０Ａと図２０Ｂの関係を示す図である。 図２０Ａは、第４の診断処理方法に関するフローチャートである。 図２０Ｂは、第４の診断処理方法に関するフローチャートである。 図２１は、リーン変化率から残存吸蔵酸素量を算出するためのマップを示す。

以下、本発明の好適実施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、内燃機関たるエンジン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。本実施形態のエンジン１は自動車用多気筒エンジン（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。

エンジン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吸気マニホールド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、エンジンに流入する単位時間当たりの空気量すなわち吸入空気量Ｇａ（ｇ／ｓ）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とが設けられている。なお吸気ポート、吸気マニホールド、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すなわち燃料噴射弁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、排気マニホールドを介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。これら排気ポート、排気マニホールド及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側に、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒、即ち上流触媒１１及び下流触媒１９が直列に設けられている。例えば、上流触媒１１は排気マニホールドの直後に配置され、下流触媒１９は車両の床下などに配置される。

上流触媒１１の上流側及び下流側に、それぞれ、酸素濃度に基づいて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設けられている。図５に示すように、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は所謂酸素センサ（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。

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、エンジン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、インジェクタ１２、スロットルバルブ１０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。

上流触媒１１及び下流触媒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＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。よってこの特性に合わせて、ＥＣＵ２０は、エンジンの通常運転時、上流触媒１１及び下流触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がストイキに一致するよう、燃焼室３に供給される混合気の空燃比（具体的にはインジェクタ１２からの燃料噴射量）を触媒前センサ１７の出力に基づきフィードバック制御する。

ここで、異常診断の対象となる上流触媒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担持され、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。なお、「吸蔵」と同義で「吸収」または「吸着」を用いることもある。

例えば、触媒内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が還元され、浄化される。他方、触媒内の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この放出された酸素によりＨＣおよびＣＯが酸化され、浄化される。

この酸素吸放出作用により、通常のストイキ空燃比制御に際して実際の空燃比がストイキに対して多少ばらついたとしても、このばらつきを吸収することができる。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように多数の触媒成分３２が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との接触確率が低下し、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の酸素吸蔵能低下度との間には相関関係がある。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の劣化度を検出し、上流触媒１１の異常を診断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が吸蔵または放出し得る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。

［異常診断の基本方法］
本実施形態の異常診断は、前述のＣｍａｘ法に基づき、以下の方法を基本とする。異常診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。すなわちＥＣＵ２０は、触媒上流側の空燃比、具体的には燃焼室３内の混合気の空燃比を、中心空燃比であるストイキＡ／Ｆｓを境に、リッチおよびリーンに交互に制御する。これにより、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比も、リッチおよびリーンに交互に制御されることとなる。

また、アクティブ空燃比制御および診断は、所定の前提条件が満たされているときに限って実行される。この前提条件については後述する。

以下、図３及び図４を用いて、上流触媒１１の酸素吸蔵容量の計測方法を説明する。

図３（Ａ）において、破線は目標空燃比Ａ／Ｆｔ、実線は触媒前センサ１７の出力（但し触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒへの換算値）を示す。また図３（Ｂ）において、実線は触媒後センサ１８の出力（但しその出力電圧Ｖｒ）を示す。

図示するように、時刻ｔ１より前では、空燃比をリーンに切り替えるリーン制御が実行されている。このとき、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌ（例えば１５．１）とされ、触媒１１には、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリーンガスが供給されている。このとき触媒１１は酸素を吸蔵し続けているが、飽和状態即ち満杯まで酸素を吸蔵した時点でそれ以上酸素を吸蔵できなくなる。この結果、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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリーン側に変化し、出力電圧Ｖｒが所定のリーン判定値ＶＬ（例えば０．２Ｖ）に達した時点ｔ１で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ（例えば１４．１）に切り替えられる。これにより空燃比制御はリーン制御からリッチ制御に切り替えられ、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリッチガスが供給されるようになる。

リッチガスが供給されると、触媒１１は吸蔵酸素を放出し続ける。やがて触媒１１から吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で触媒１１は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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリッチ側に変化し、出力電圧Ｖｒが所定のリッチ判定値ＶＲ（例えば０．６Ｖ）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。これにより空燃比制御はリッチ制御からリーン制御に切り替えられ、目標空燃比Ａ／Ｆｔと等しい空燃比のリーンガスが供給されるようになる。

再び、触媒１１が満杯まで酸素を吸蔵し、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリーン判定値ＶＬに達すると、その時点ｔ３で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、リッチ制御が開始される。

こうして、触媒後センサ１８の出力が反転する毎に、リーン制御とリッチ制御とが交互に繰り返し実行される。隣り合うリーン制御とリッチ制御の組をアクティブ空燃比制御の１周期とする。アクティブ空燃比制御は所定のＮ周期（Ｎは２以上の整数）実行される。

ここでリーン判定値ＶＬは、リーン制御からリッチ制御への切替タイミングを規定する閾値の基準をなす。このリーン判定値ＶＬは、図５にも示すように、触媒後センサ出力のストイキ相当値Ｖｓｔよりも小さい（リーン側の）値に予め定められている。

同様に、リッチ判定値ＶＲは、リッチ制御からリーン制御への切替タイミングを規定する閾値の基準をなす。このリッチ判定値ＶＲは、図５にも示すように、触媒後センサ出力のストイキ相当値Ｖｓｔよりも大きい（リッチ側の）値に予め定められている。

このアクティブ空燃比制御の実行中、次の方法で触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の有する酸素吸蔵容量が大きいほど、酸素を吸蔵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触媒後センサ出力Ｖｒ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そ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が次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がストイキＡ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に触媒後センサ出力Ｖｒが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の演算周期毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが逐次的に算出され、且つこの酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで逐次的に積算される。こうして、リッチ制御時における最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ、すなわち図４にＯＳＣｂで示す放出酸素量が計測される。

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。σは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

リーン制御時にも同様に酸素吸蔵容量、すなわち図４にＯＳＣａで示す吸蔵酸素量が計測される。そしてリッチ制御とリーン制御が交互に行われる度に、放出酸素量と吸蔵酸素量が交互に計測される。

こうして複数ずつの放出酸素量と吸蔵酸素量との計測値が得られたならば、次の方法により触媒の正異常判定が行われる。

まずＥＣＵ２０は、これら放出酸素量と吸蔵酸素量との計測値の平均値ＯＳＣａｖを算出する。そしてこの平均値ＯＳＣａｖを所定の異常判定値αと比較する。ＥＣＵ２０は、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値αより大きいときには触媒１１を正常と判定し、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値α以下のときには触媒１１を異常と判定する。なお触媒を異常と判定した場合、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（図示せず）を起動させるのが好ましい。

［本実施形態の異常診断方法］
次に、本実施形態の異常診断方法を説明する。なお「酸素吸蔵容量ＯＳＣ」および「酸素量」とは、「吸蔵酸素量ＯＳＣａ」と「放出酸素量ＯＳＣｂ」を包括する用語である。

前述したように、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測に際しては、実際には吸放出されていない酸素量が併せて計測されてしまうという計測誤差の問題がある。特に、従来のＣｍａｘ法だと、異常触媒の場合に、正常触媒の場合に比べ、触媒後センサ出力反転直前における誤差割合が大きくなり、計測値が真の値より大きくなる傾向が強まる。こうなると、実際には異常な触媒を正常と誤診断する可能性がある。

この点を図６および図７を用いて詳しく説明する。図６は正常触媒の場合、図７は異常触媒の場合である。両図は、リーン制御からリッチ制御に切り替えたときの試験結果を示している。但し、触媒後センサ出力Ｖｒが反転しても（すなわちリッチ判定値ＶＲに達しても）リーン制御への切り替えは行っていない。

両図において、（Ａ）には目標空燃比Ａ／Ｆｔと、触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ（線ａ）と、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ（線ｂ）とを示す。ここでは触媒前センサ１７と同様の空燃比センサを触媒下流側に試験用に設置し、この空燃比センサにより検出された空燃比を触媒後空燃比Ａ／Ｆｒとしている。

（Ｂ）には触媒後センサ出力Ｖｒを示し、（Ｃ）には放出酸素量ＯＳＣｂの積算値を示す。触媒後センサ出力Ｖｒは０〜１（Ｖ）の範囲内で変化し得る。触媒後センサ出力Ｖｒのリッチ判定値ＶＲは０．６（Ｖ）である。

まず図６の正常触媒の場合を説明する。触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが低下してストイキ（＝１４．６）に到達した時点ｔ１から、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側に上昇してリッチ判定値ＶＲに到達する時点ｔ３まで、放出酸素量ＯＳＣｂが積算される。この放出酸素量ＯＳＣｂの時刻ｔ３での最終積算値は、（Ａ）に示す領域ｃの面積で表すことができる。この領域ｃは、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの、ストイキ（１４．６）と触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとで挟まれた領域である。

一方、この期間ｔ１〜ｔ３内において、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒはストイキより若干リッチとなっている。ストイキと触媒後空燃比Ａ／Ｆｒとで挟まれた領域ｄの面積が、触媒で実際に処理しきれなかったリッチガスの部分、言い換えれば触媒から放出できなかった酸素の量（便宜上ＯＳＣｅとする）を表す。この領域ｄの面積が、時刻ｔ３における全放出酸素量ＯＳＣｂのうちの誤差分に相当する。

領域ｃの面積（ＯＳＣｂ）から、領域ｄの面積（ＯＳＣｅ）を差し引いて得られた値が、実際に触媒から放出された酸素量を表すことになる。このように、計測された放出酸素量ＯＳＣｂには、実際には放出されていない酸素量ＯＳＣｅが含まれている。

なお本実施形態の装置構成では、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒの絶対値まで検出できる空燃比センサがないので、誤差分自体を単独で計測することができない。便宜上、ストイキと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとで挟まれた領域ｃを放出酸素量ＯＳＣｂとして計測しているのである。

ところで、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒと触媒後センサ出力Ｖｒに着目すると、時刻ｔ１と時刻ｔ３の間の時刻ｔ２において、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリッチ側に低下し始め、触媒後センサ出力Ｖｒのリッチ側への上昇速度ないし変化率が増大し始めている。これは、時刻ｔ２で触媒の酸素放出が実質的に終了し、その後は触媒に残存している酸素が比較的ゆっくりと放出されていることを意味すると考えられる。或いは、時刻ｔ２で触媒のメインの酸素放出が終了し、その後は副次的な残存酸素の放出が行われていることを意味すると考えられる。

もっとも、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間でも、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの間には差があり、実際に酸素が放出され、リッチガスが処理されている。よってこの期間ｔ２〜ｔ３で計測された放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分が占める割合は比較的少ないものと考えられる。そして正常触媒の場合、全期間ｔ１〜ｔ３で計測される全放出酸素量の値が大きいことから、この全放出酸素量のうち、期間ｔ２〜ｔ３内の誤差分が占める割合は比較的少ないと考えられる。

（Ｃ）に、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅを概略的に示す。時刻ｔ３における全放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅの割合は比較的少ない。

これとは対照的に、図７に示す異常触媒の場合だと、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間の期間において、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの間には差が殆ど無い。これは、触媒が実質的に酸素を放出していないことを意味する。しかしながら、この期間ｔ２〜ｔ３でも、ストイキと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとの差が積算され、あたかも触媒が酸素を放出しているかのように放出酸素量ＯＳＣｂが計測されている。

よってこの期間ｔ２〜ｔ３で計測された放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分が占める割合は非常に多いと考えられる。そして異常触媒の場合、全期間ｔ１〜ｔ３で計測される全放出酸素量の値が比較的小さいことから、この全放出酸素量のうち、期間ｔ２〜ｔ３内の誤差分が占める割合も多いものと考えられる。

（Ｃ）に、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅを概略的に示す。時刻ｔ３における全放出酸素量ＯＳＣｂのうち、誤差分に相当する酸素量ＯＳＣｅの割合は多い。

このように、基本方法だと、異常触媒の場合に、正常触媒の場合に比べ、触媒後センサ出力反転直前における誤差割合が大きくなり、計測値の真の値に対する増加割合も大きくなる。こうなると、実際には異常な触媒を正常と誤診断する可能性がある。

また、正常触媒と異常触媒の間での酸素量計測値の差を拡大することができず、特にこれらの差が元々小さい触媒の場合では、十分な診断精度を確保できない虞がある。近年では、触媒の貴金属量を低減する傾向にあり、こうした触媒では、正異常触媒間での吸放出可能な酸素量の差が元々小さい。よって誤差割合が大きいと、正異常触媒間での微妙な酸素量の差を見分けることができず、十分な診断精度を確保できない虞がある。

こうした問題は、触媒後センサ出力の反転時付近における制御遅れにも起因している。すなわち、触媒後センサ１８には、リッチガスが実際に供給されても出力が直ぐにリッチ側に切り替わらないという応答遅れがある。また、燃焼室３内の空燃比がリッチに切り替えられてから、そのリッチガスが触媒付近に到達するまでに時間を要するという輸送遅れも存在する。これら応答遅れと輸送遅れを含めて制御遅れという。制御遅れ期間中は、未浄化のリッチガスが触媒から排出されるので、エミッションが悪化する。

図７の例において、リッチガスが触媒から顕著に漏れ出した時刻ｔ２で、瞬時に触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ判定値ＶＲに達すれば、応答遅れによるエミッション悪化は抑制される。しかしながら実際にはそうならないために応答遅れによるエミッション悪化が顕著となる。また、仮に時刻ｔ３で空燃比がリーンに切り替えられたとしても、輸送遅れ期間中は触媒にリッチガスが供給され、かつそのリッチガスを触媒では処理できない。よって輸送遅れによるエミッション悪化も発生する。

上述の例はリッチ制御の場合であるが、リーン制御の場合にも同様の問題がある。

そこでこの問題を解決するため、本実施形態では次のように計測方法を変更する。概略的に述べると、まず酸素量の計測自体を、従来より早いタイミング、例えば図６および図７に示した時刻ｔ２の如きタイミングで終了する。これにより、触媒の酸素吸放出が実質的に終了した後に、実際に吸放出されてない酸素量が計測されてしまうことをできるだけ回避し、誤差割合を大幅に縮小することができる。

次に、計測終了後の触媒後センサ出力の挙動に着目し、これを利用する。触媒の酸素吸放出が実質的に終了した後は、触媒中で未反応のガス（リッチガスまたはリーンガス）が触媒から流出する。このとき、触媒の異常度合いが大きいほど、未反応ガスのリッチ度合いまたはリーン度合いが強く、触媒後センサ出力は速く大きく変化する傾向にある。よって計測終了後の触媒後センサ出力の挙動を利用すれば、触媒の異常度合いを推定することができる。

勿論、触媒の異常度合いは、計測された酸素量の値によっても表される。よって本実施形態では、この計測された酸素量の値と、計測終了後の触媒後センサ出力の挙動とに基づき、触媒が正常か異常かを判定する。

図８には、本実施形態の異常診断における各値の推移を示す。（Ａ）は、正常触媒の場合における目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとを示す。（Ｂ）は、異常触媒の場合における目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとを示す。

（Ｃ）は、正常触媒の場合と異常触媒の場合における触媒後センサ出力Ｖｒを示す。（Ｄ）は、上流触媒１１から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度を示す。

図示するように、時刻ｔ１で、空燃比制御はリッチ制御からリーン制御に切り替えられている。その後、正常触媒の場合だと、空燃比制御は時刻ｔ２ｎでリッチ制御に切り替えられ、時刻ｔ３ｎでリーン制御に切り替えられている。異常触媒の場合では、空燃比制御が時刻ｔ２ａでリッチ制御に切り替えられ、時刻ｔ３ａでリーン制御に切り替えられ、時刻ｔ４ａでリッチ制御に切り替えられている。図示しないが、リーン制御およびリッチ制御が切り替わったのと同時に吸放出酸素量の計測が終了されている。

これら切替タイミングを規定する触媒後センサ出力Ｖｒの閾値は、二種類の閾値からなり、リーン制御からリッチ制御への切替タイミングを規定するリーン閾値ＶＬＸと、リッチ制御からリーン制御への切替タイミングを規定するリッチ閾値ＶＲＸとからなる。

図９に示すが、リーン閾値ＶＬＸは、リーン判定値ＶＬよりもリッチ側の値に設定され、リッチ閾値ＶＲＸは、リッチ判定値ＶＲＸよりもリーン側の値に設定されている。特に図８に示す例では、リーン閾値ＶＬＸとリッチ閾値ＶＲＸとが互いに等しい値に設定されており、とりわけ図５に示すストイキ相当値Ｖｓｔ（例えば０．５（Ｖ））と等しい値に設定されている。

これによると、触媒後センサ出力Ｖｒの反転タイミング、吸放出酸素量の計測終了タイミング、および空燃比制御の切替タイミングが、上述の基本方法（図３，図４）よりも早くなる。よって、実際に吸放出されてない酸素の量を計測することをできるだけ回避し、計測誤差を大幅に縮小することができる。

また、図８で着目すべきは、触媒後センサ出力Ｖｒが閾値ＶＬＸ，ＶＲＸに達した後の触媒後センサ出力Ｖｒの挙動である。例えばリーン制御への切り替え（ｔ１）の後、異常触媒の場合には、正常触媒の場合よりも、触媒後センサ出力Ｖｒが急速にリッチ側に上昇し、その最大ピーク（リッチピークＰｒ）の値も大きい。

逆にリッチ制御への切り替え（ｔ２ｎ，ｔ２ａ）の後だと、異常触媒の場合には、正常触媒の場合よりも、触媒後センサ出力Ｖｒが急速にリーン側に低下し、その最小ピーク（リーンピークＰｌ）の値も小さい。

このように、触媒が異常傾向にあるほど、切替後の触媒後センサ出力Ｖｒはより急速に、大きく変化する。従って、切替後の所定タイミング、好ましくは触媒後センサ出力Ｖｒがピークとなるタイミングｔｐ（ｔｐａ，ｔｐｎ）での当該触媒後センサ出力Ｖｒに基づき、触媒の異常度合いを推定可能である。

具体的には、触媒後センサ出力Ｖｒのピーク値自体により触媒の異常度合いを推定可能である。或いは、触媒後センサ出力Ｖｒのピーク値と、切替時点での触媒後センサ出力Ｖｒ（閾値ＶＬＸ，ＶＲＸ）との差の絶対値により、触媒の異常度合いを推定可能である。

あるいは、切替時点（例えばｔ１）から所定タイミング、好ましくはピークタイミングｔｐまでの間の触媒後センサ出力Ｖｒの変化率Ｈ（あるいは傾き）によっても、触媒の異常度合いを推定可能である。

ここで触媒後センサ出力Ｖｒの変化率について、例えば異常触媒の場合で且つ時刻ｔ１からその直後のピークタイミングｔｐａまでの期間で考えると、変化率ＨはＨ＝（Ｐｒ−ＶＲＸ）／（ｔｐａ−ｔ１）で定義することができる。変化率Ｈの分母を時間とし、変化率Ｈを単位時間当たりの変化率と定義することができる。

一方、こうすると、排気ガス流量の大小によって変化率Ｈが変化し、排気ガス流量が多いほど変化率Ｈが大きくなってしまうという問題が懸念される。

そこでこの排気ガス流量の影響を無くすためには、変化率Ｈの分母を排気ガス量とし、変化率Ｈを排気ガス量当たりの変化率で定義するのが好ましい。具体的には、時刻ｔ１からその直後のピークタイミングｔｐａまで、排気ガス流量を積算してその期間内に触媒を通過した排気ガス量Ｍを求める。そしてこの排気ガス量Ｍで（Ｐｒ−ＶＲＸ）を除し、得られた値を変化率Ｈとする。

排気ガス流量は、排気ガス流量センサを別途設けて直接検出してもよいが、本実施形態の場合、エアフローメータ５で検出された吸入空気量Ｇａの値を以て代用する。

また、変化率Ｈの分子は、必ずしもリッチピークＰｒと切替時点での触媒後センサ出力ＶＲＸの差（Ｐｒ−ＶＲＸ）でなくてもよい。例えば、切替時点から所定値（例えば０．１（Ｖ））だけ触媒後センサ出力Ｖｒが上昇したタイミングでの触媒後センサ出力Ｖｒ１と、切替時点での触媒後センサ出力ＶＲＸとの差（Ｖｒ１−ＶＲＸ）としてもよい。あるいは、切替直後に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキに達したタイミングでの触媒後センサ出力Ｖｒ２と、切替時点での触媒後センサ出力ＶＲＸとの差（Ｖｒ２−ＶＲＸ）としてもよい。

図８（Ｄ）に示すＮＯｘ濃度Ｃｎは、リーン制御（ｔ１〜ｔ２ｎ若しくはｔ１〜ｔ２ａ）の終了直後に触媒から排出されるＮＯｘの濃度である。このＮＯｘ濃度Ｃｎは、リーン制御終了直後の触媒後センサ出力Ｖｒの挙動と相関関係がある。すなわち、触媒が異常傾向にあり、触媒後センサ出力Ｖｒが急速に大きく変化するほど（すなわち変化率Ｈの絶対値が大きいか若しくはリーンピークＰｌの値が小であるほど）、ＮＯｘ濃度は急速に大きく増大し、エミッションは悪化する傾向にある。

もっとも、触媒後センサ出力Ｖｒの反転タイミングが基本方法より早められているので、エミッションの悪化度合いは基本方法よりは少ない。

図９は、基本方法との違いを分かり易くするため、図３および図４を本実施形態に即するよう修正した図である。リーン閾値ＶＬＸとリッチ閾値ＶＲＸとはストイキ相当値Ｖｓｔに等しく設定されている。

例えばリッチ制御期間中（本実施形態ではｔ１〜ｔ２）、基本方法では触媒後センサ出力Ｖｒが、ストイキ相当値Ｖｓｔよりも大きなリッチ判定値ＶＲまで上昇しなければ、切り替えが行われなかった。これに対し本実施形態だと、触媒後センサ出力Ｖｒが、リッチ判定値ＶＲよりリーン側のリッチ閾値ＶＲＸに上昇すれば切り替えが行われ、より早いタイミングで切り替えが行われる。

リッチ閾値ＶＲＸは、ストイキ相当値Ｖｓｔよりも小さな（リーン側の）値に設定することもできる。リーン判定値ＶＬ（例えば０．２Ｖ）よりも小さな値ＶＲＸ’に設定したり、リーン判定値ＶＬと等しい値ＶＲＸ”に設定したり、リーン判定値ＶＬとストイキ相当値Ｖｓｔの間の値ＶＲＸ”’に設定したりすることも可能である。

或いは、触媒後センサ出力Ｖｒが上昇し始めたタイミング、具体的には触媒後センサ出力Ｖｒの微分値が所定の正の値より大きくなったタイミングにおける当該触媒後センサ出力Ｖｒの値を、リッチ閾値ＶＲＸと定めてもよい。このタイミングが、触媒が酸素放出を実質的に終了したタイミングと考えられるからである。特に異常度合いの大きい触媒の場合、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値を用いた方が触媒の実質的な酸素吸放出終了タイミングを好適に検知できる場合がある。

他方、リーン制御期間中（本実施形態ではｔ２〜ｔ３）、基本方法では触媒後センサ出力Ｖｒが、ストイキ相当値Ｖｓｔよりも小さなリーン判定値ＶＬまで低下しなければ、切り替えは行われなかった。これに対し本実施形態だと、触媒後センサ出力Ｖｒが、リーン判定値ＶＬよりリッチ側のリーン閾値ＶＬＸに低下すれば切り替えが行われ、より早いタイミングで切り替えが行われる。

リーン閾値ＶＬＸは、ストイキ相当値Ｖｓｔよりも大きな（リッチ側の）値に設定することもできる。リッチ判定値ＶＲ（例えば０．６Ｖ）よりも大きな値ＶＬＸ’に設定したり、リッチ判定値ＶＲと等しい値ＶＬＸ”に設定したり、リッチ判定値ＶＲとストイキ相当値Ｖｓｔの間の値ＶＬＸ”’に設定したりすることも可能である。触媒後センサ出力Ｖｒが低下し始めたタイミング、具体的には触媒後センサ出力Ｖｒの微分値が所定の負の値より小さくなったタイミングにおける当該触媒後センサ出力Ｖｒの値を、リーン閾値ＶＬＸと定めてもよい。いずれにしても、リッチ閾値ＶＲＸおよびリーン閾値ＶＬＸは、試験結果等を考慮して最適な値に定めることができる。

例えばｔ１〜ｔ２のリッチ制御期間中、時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで、放出酸素量ＯＳＣｂが積算計測される。この計測値は基本方法で得られるものより少ない値となる。そして時刻ｔ２の後、切替後のリーン制御期間中に、触媒後センサ出力ＶｒのリッチピークＰｒが検出され、若しくはリッチピークＰｒに至るまでのリッチ変化率Ｈｒが検出される。これら計測された放出酸素量ＯＳＣｂと、検出されたリッチピークＰｒ若しくはリッチ変化率Ｈｒとに基づき、触媒が正常か異常かが判定される。

同様に、ｔ２〜ｔ３のリーン制御期間中でも、時刻ｔ２１から時刻ｔ３まで吸蔵酸素量ＯＳＣａが積算計測される。そして時刻ｔ３の後、切替後のリッチ制御期間中に、触媒後センサ出力ＶｒのリーンピークＰｌが検出され、若しくはリーンピークＰｌに至るまでのリーン変化率Ｈｌが検出される。これら計測された吸蔵酸素量ＯＳＣａと、リーンピークＰｌ若しくはリーン変化率Ｈｌとに基づき、触媒が正常か異常かが判定される。

ところで、本実施形態は次のような実施例も可能である。すなわち、リーン制御時に計測された吸蔵酸素量ＯＳＣａと、その後のリッチ制御時の触媒後センサ出力挙動のみに基づいて正異常判定する。そしてこのときリーン閾値ＶＬＸを、ストイキ相当値Ｖｓｔよりリッチ側の値に設定する。

エミッションの観点からすると、空燃比がストイキに対しリッチ側にずれたときよりも、空燃比がストイキに対しリーン側にずれたときの方が、エミッションが悪化する。すなわち前者で排出されるＣＯ，ＨＣよりも、後者で排出されるＮＯｘの方がエミッションへの悪影響が大きい。なおこの観点から、通常のストイキ制御のときに、触媒後センサ出力が、ストイキ相当値Ｖｓｔよりも若干リッチ側の目標値に近づくよう制御する場合がある。

また、リーン閾値ＶＬＸをストイキ相当値Ｖｓｔよりリッチ側の値に設定すると、リーン閾値ＶＬＸからリーン側に変化するときの触媒後センサ出力の変化代を大きく取れ、分解能が高まる。

よって本実施例のようにすれば、診断精度向上と診断時のエミッション悪化抑制に有利である可能性がある。

［本実施形態の異常診断処理］
次に、ＥＣＵ２０が実行する本実施形態の異常診断処理について説明する。まず図１０Ａ，図１０Ｂを用いて、第１の診断処理方法を説明する。この第１の診断処理方法は、触媒後センサ出力ＶｒのリッチピークＰｒの値を用いる方法である。

最初のステップＳ１０１では、診断許可フラグがオンとなったか否かが判断される。診断許可フラグは、診断実行の前提条件が成立した場合にオンとなる。ここでいう前提条件には、（１）吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとが所定の関係を満たしている、という条件が含まれる。吸入空気量Ｇａはエアフローメータ５で検出される。触媒温度Ｔｃは、エンジン運転状態に基づきＥＣＵ２０により推定されるが、温度センサで直接検出してもよい。

エンジンが定常運転している場合、即ちエンジンの回転速度と負荷がほぼ一定の場合、吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとの間には一定の相関関係が存在する。他方、両者が大きくかけ離れているときは、エンジンが定常運転状態になく、加速又は減速即ち過渡運転が行われている状態とみなせる。

そこで定常運転時の吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｃとの関係を予めマップ化し、マップ値を中心とした所定範囲内に両者の実際値があるときに、定常運転中であるとして診断を許可する。逆に、その所定範囲内に両者の実際値がないときは、非定常運転中であるとして診断を禁止する。こうすることで一定以上の診断精度を確保可能となる。

また前提条件には、（２）少なくとも上流触媒１１が活性化している、（３）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性化している、（４）現トリップ中で診断が未完了である、の各条件が含まれる。

（２）については、推定触媒温度が所定の活性温度域に入っていれば、成立する。（３）については、ＥＣＵ２０によって推定される触媒前センサ１７および触媒後センサ１８の素子温度が所定の活性温度域に入っていれば、成立する。（４）について、トリップとは、エンジンの１回の始動から停止までの期間をいう。本実施形態では１トリップ当たりに１回、診断を実行するようにしており、現トリップ中で未だ診断が１回も完了していない場合に（４）が成立する。

診断許可フラグがオンとなってない場合（オフの場合）、待機状態となる。他方、診断許可フラグがオンとなった場合には、ステップＳ１０２において、アクティブ空燃比制御のリーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒが設定される。

リーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒの基準値は例えば０．５である。このときストイキ（例えば１４．６）を中心として、リーン制御時の目標空燃比Ａ／Ｆｔは例えば１５．１、リッチ制御時の目標空燃比Ａ／Ｆｔは例えば１４．１である。

ところで、触媒の異常度合いが大きく、振幅と排気ガス流量の積も大きい場合、計測開始から極短時間で瞬間的に未浄化ガスが排出されてしまい、十分な計測精度を確保するのが困難なことがある。

そこで、触媒の異常度合いが大きいときは、その異常度合いに応じてリーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒを設定する。具体的には、ＥＣＵ２０に予め記憶された図１１に示すようなマップに従い、前回診断時に計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣ（前回ＯＳＣ）に基づき、リーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒを設定する。前回ＯＳＣを用いるのは、この値が現状の触媒の異常度合いを最も良く反映しているからである。

このマップによれば、触媒の異常度合いが大きい領域、すなわち前回ＯＳＣが所定値ＯＳＣ１より小さい領域において、前回ＯＳＣが小さくなるほど小さいリーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒが得られる。よって触媒の異常度合いが大きくなるほどリーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒを減少し、振幅と排気ガス流量の積を減少することができる。そして計測時間を長期化し、十分な計測精度を確保し易くすることができる。

また、触媒の異常度合いが大きくない領域、すなわち前回ＯＳＣが所定値ＯＳＣ１以上の領域においては、前回ＯＳＣに拘わらず、リーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒは一定の基準値（０．５）とされる。振幅が小さいと計測時間が長くなり、計測途中で前提条件が非成立となって診断が中止される確率が高くなる。つまり、診断機会を喪失する確率が高くなる。しかし本実施形態では、前回ＯＳＣが所定値ＯＳＣ１より小さい場合に限って振幅を減少するので、診断機会の喪失確率を低減することができる。

なお、代替的に、前回ＯＳＣが所定値ＯＳＣ１より小さいとき、排気ガス流量若しくはその代用値である吸入空気量Ｇａが大きいほどリーン振幅Ａｌおよびリッチ振幅Ａｒを小さく設定してもよい。これによっても振幅と排気ガス流量の積を減少して、十分な計測精度を確保し易くすることができる。

次に、ステップＳ１０３において、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに設定され、リッチ制御が実行される。

ステップＳ１０４では、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以下になったか否かが判断される。判定がノーのときは待機状態となり、判定がイエスのときはステップＳ１０５で放出酸素量ＯＳＣｂが計測される。

次いでステップＳ１０６で、排気ガス流量、具体的にはその代用値である吸入空気量Ｇａに基づき、リッチ閾値ＶＲＸが設定される。すなわちここではリッチ閾値ＶＲＸがストイキ相当値Ｖｓｔに固定されておらず、吸入空気量Ｇａに応じて変化させられる。リッチ閾値ＶＲＸは、図１２に示すような予め記憶されたマップに従って設定される。

このマップによれば、吸入空気量Ｇａが多いほどリッチ閾値ＶＲＸが小さく（リーン側に）され、より早いタイミングで放出酸素量ＯＳＣｂの計測が終了される。これにより、排気ガス流量の大小がリッチピークＰｒに及ぼす影響を少なくすることができる。

次にステップＳ１０７で、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ閾値ＶＲＸと比較される。触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ閾値ＶＲＸ未満の場合、ステップＳ１０５に戻って放出酸素量ＯＳＣｂの計測が続行される。他方、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ閾値ＶＲＸ以上の場合には、ステップＳ１０８に進んで放出酸素量ＯＳＣｂの計測が終了される。

次にステップＳ１０９で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに設定され、リーン制御が実行される。

ステップＳ１１０では、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ側のピークに達したか否かが判断される。これは、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値が正から負に転じたか否かを以て判断される。

判定がノーのときは待機状態となる。判定がイエスのときは、ステップＳ１１１で、ピーク到達時点での触媒後センサ出力Ｖｒの値がリッチピークＰｒとして検出される。

次にステップＳ１１２で、リッチピークＰｒの値から、残存酸素量ＯＳＣｂｘの値が算出される。残存酸素量とは、例えば図６のリッチ制御時に時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に放出される触媒の残存酸素の量をいい、或いは、図示しないリーン制御時に同様の期間内に触媒に吸蔵される酸素の量をいう。前者を残存放出酸素量、後者を残存吸蔵酸素量ともいう。ここでの残存酸素量ＯＳＣｂｘは、図１３に示すような予め記憶されたマップから算出される。

リッチピークＰｒの値が大きいほど、残存酸素の量は少ないと考えられる。よって図１３に示すマップは、リッチピークＰｒの値が大きいほど、小さい残存酸素量ＯＳＣｂｘが得られるようになっている。

この後、ステップＳ１１３〜Ｓ１１５において、ステップＳ１０８で計測された放出酸素量ＯＳＣｂと、ステップＳ１１２で算出された残存酸素量ＯＳＣｂｘとに基づき、触媒の正異常判定がなされる。

まずステップＳ１１３では、放出酸素量ＯＳＣｂと残存酸素量ＯＳＣｂｘとが所定の正常領域にあるか否かが判断される。この判断は、図１４に示すような予め記憶されたマップに従ってなされる。

このマップは、放出酸素量ＯＳＣｂ（または吸蔵酸素量ＯＳＣａ）（横軸）と、残存放出酸素量ＯＳＣｂｘ（または残存吸蔵酸素量ＯＳＣａｘ）（縦軸）とをパラメータとする二次元マップである。そしてマップ内の領域は正常領域と異常領域とに分けられている。正常領域と異常領域の境界βは、放出酸素量ＯＳＣｂが小となる位置に形成され、残存酸素量ＯＳＣｂｘが小さいほどより大きな放出酸素量ＯＳＣｂで異常判定するよう、縦軸に対して傾斜されている。

放出酸素量ＯＳＣｂと残存酸素量ＯＳＣｂｘとがマップ上の正常領域にある場合、ステップＳ１１４で触媒は正常と判定される。他方、放出酸素量ＯＳＣｂと残存酸素量ＯＳＣｂｘとがマップ上の正常領域にない場合（すなわち異常領域にある場合）、ステップＳ１１５で触媒は異常と判定される。

そしてステップＳ１１６で診断許可フラグがオフされ、ルーチンが終了される。

なお、ここでは一つずつの放出酸素量ＯＳＣｂ、リッチピークＰｒおよび残存酸素量ＯＳＣｂｘに基づいて正異常判定を行ったが、それらを複数ずつ取得し、それらの各平均値に基づいて正異常判定を行ってもよい。この点は後述の診断処理においても同様である。

次に、第２の診断処理方法を図１５Ａ，図１５Ｂを用いて説明する。この第２の診断処理方法は、触媒後センサ出力ＶｒのリーンピークＰｌの値を用いる方法である。

この第２の診断処理方法は、概ね、第１の診断処理方法と比較してリッチおよびリーンの関係が逆転するだけで、その内容はほぼ同様である。以下、相違点を中心に説明する。

ステップＳ２０１〜Ｓ２０２は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０２と同様である。ステップＳ２０３では、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに設定され、リーン制御が実行される。

ステップＳ２０４では、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがストイキ以上になったか否かが判断される。判定がノーのときは待機状態となり、判定がイエスのときはステップＳ２０５で吸蔵酸素量ＯＳＣａが計測される。

次いでステップＳ２０６で、排気ガス流量、具体的にはその代用値である吸入空気量Ｇａに基づき、リーン閾値ＶＬＸが設定される。ここでもリーン閾値ＶＬＸがストイキ相当値Ｖｓｔに固定されておらず、吸入空気量Ｇａに応じて変化させられる。

リーン閾値ＶＬＸは、図１６に示すような予め記憶されたマップに従って設定される。このマップは、図１２に示したマップと逆の関係にあり、吸入空気量Ｇａが多いほどリーン閾値ＶＬＸが大きく（リッチ側に）させられる。これにより、より早いタイミングで吸蔵酸素量ＯＳＣａの計測が終了されるようになる。

ステップＳ２０７では、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン閾値ＶＬＸと比較される。触媒後センサ出力Ｖｒがリーン閾値ＶＬＸより大きい場合、ステップＳ２０５に戻って吸蔵酸素量ＯＳＣａの計測が続行される。他方、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン閾値ＶＬＸ以下の場合、ステップＳ２０８に進んで吸蔵酸素量ＯＳＣａの計測が終了される。

ステップＳ２０９では、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに設定され、リッチ制御が実行される。

ステップＳ２１０では、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン側のピークに達したか否かが判断される。これは、触媒後センサ出力Ｖｒの微分値が負から正に転じたか否かを以て判断される。

判定がノーのときは待機状態となる。判定がイエスのときは、ステップＳ２１１で、ピーク到達時点での触媒後センサ出力Ｖｒの値がリーンピークＰｌとして検出される。

次にステップＳ２１２で、リーンピークＰｌの値から、残存酸素量ＯＳＣａｘの値が算出される。残存酸素量ＯＳＣａｘは、図１７に示すような予め記憶されたマップから算出される。

この図１７に示すマップは、図１３に示したマップとは逆に、リーンピークＰｌの値が小さいほど、小さい残存酸素量ＯＳＣａｘが得られるようになっている。

この後、ステップＳ２１３〜Ｓ２１５において、ステップＳ２０８で計測された吸蔵酸素量ＯＳＣａと、ステップＳ２１２で算出された残存酸素量ＯＳＣａｘとに基づき、触媒の正異常判定がなされる。

ステップＳ２１３では、吸蔵酸素量ＯＳＣａと残存酸素量ＯＳＣａｘとが所定の正常領域にあるか否かが判断される。この判断は、図１４に示したマップと同様の傾向を有する別のマップを使用してなされる。

吸蔵酸素量ＯＳＣａと残存酸素量ＯＳＣａｘとがマップ上の正常領域にある場合、ステップＳ２１４で触媒は正常と判定される。他方、吸蔵酸素量ＯＳＣａと残存酸素量ＯＳＣａｘとがマップ上の正常領域にない場合（すなわち異常領域にある場合）、ステップＳ２１５で触媒は異常と判定される。

そしてステップＳ２１６で診断許可フラグがオフされ、ルーチンが終了される。

なお、上述の第１の診断処理方法と第２の診断処理方法とは当然組み合わせることも可能である。この場合、まず計測された放出酸素量ＯＳＣｂと吸蔵酸素量ＯＳＣａの平均値を算出する。次いで、リッチピークＰｒおよびリッチ閾値ＶＲＸの差（Ｐｒ−ＶＲＸ）の絶対値と、リーンピークＰｌおよびリーン閾値ＶＬＸの差（Ｐｌ−ＶＬＸ）の絶対値との平均値を算出し、この平均値から残存酸素量を所定のマップに従い算出する。そして放出酸素量ＯＳＣｂと吸蔵酸素量ＯＳＣａの平均値と、残存酸素量とが所定の正常領域にあるか否かを判定することにより、触媒の正異常判定を行う。

次に、第３の診断処理方法を図１８Ａ，図１８Ｂを用いて説明する。この第３の診断処理方法は、触媒後センサ出力Ｖｒのリッチ変化率Ｈｒを用いる方法である。

この第３の診断処理方法は、概ね、第１の診断処理方法（図１０Ａ，図１０Ｂ）と比較して、ステップＳ３１１Ａが追加され、ステップＳ１１２がステップＳ３１２に変更された点のみが異なる。以下、相違点を中心に説明する。

ステップＳ３０１〜Ｓ３１１は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１１１と同様である。ステップＳ３１１Ａでは、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ閾値ＶＲＸからリッチピークＰｒに変化するときの触媒後センサ出力Ｖｒのリッチ変化率Ｈｒが次式（２）により算出される。

ここで、ΣＧａは、触媒後センサ出力Ｖｒがリッチ閾値ＶＲＸに達した時ｔＶＲＸから、触媒後センサ出力ＶｒがリッチピークＰｒに達した時ｔＰｒまで、吸入空気量Ｇａを積算してなる値である。またＶＲＸ＜Ｐｒ、ｔＶＲＸ＜ｔＰｒである。触媒の異常度合いが大きいほどリッチ変化率Ｈｒは大きくなる。なおΣＧａの代わりに、（ｔＰｒ−ｔＶＲＸ）を用いることも可能である。

次にステップＳ３１２では、リッチ変化率Ｈｒの値から、残存酸素量ＯＳＣｂｘの値が算出される。残存酸素量ＯＳＣｂｘは、図１９に示すような予め記憶されたマップから算出される。このマップは、図１３に示したマップと同様、リッチ変化率Ｈｒの値が大きいほど、小さい残存酸素量ＯＳＣｂｘが得られるようになっている。

この後のステップＳ３１３〜Ｓ３１６は、前記ステップＳ１１３〜Ｓ１１６と同様である。正異常判定に用いられるマップも図１４に示したのと同様のマップである。

次に、第４の診断処理方法を図２０Ａ，図２０Ｂを用いて説明する。この第４の診断処理方法は、触媒後センサ出力Ｖｒのリーン変化率Ｈｌを用いる方法である。

この第４の診断処理方法は、概ね、第２の診断処理方法（図１５Ａ，図１５Ｂ）と比較して、ステップＳ４１１Ａが追加され、ステップＳ２１２がステップＳ４１２に変更された点のみが異なる。以下、相違点を中心に説明する。

ステップＳ４０１〜Ｓ４１１は前記ステップＳ２０１〜Ｓ２１１と同様である。ステップＳ４１１Ａでは、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン閾値ＶＬＸからリーンピークＰｌに変化するときの触媒後センサ出力Ｖｒのリーン変化率Ｈｌが次式（３）により算出される。

ここでのΣＧａも同様に、触媒後センサ出力Ｖｒがリーン閾値ＶＬＸに達した時ｔＶＬＸから、触媒後センサ出力ＶｒがリーンピークＰｌに達した時ｔＰｌまで、吸入空気量Ｇａを積算してなる値である。ここではｔＶＬＸ＜ｔＰｌであるが、Ｐｌ＜ＶＬＸである。触媒の異常度合いが大きいほど、リーン変化率Ｈｌはマイナス方向に大きくなる。なおΣＧａの代わりに、（ｔＰｌ−ｔＶＬＸ）を用いることも可能である。

次にステップＳ４１２では、リーン変化率Ｈｌの値から、残存酸素量ＯＳＣａｘの値が算出される。残存酸素量ＯＳＣａｘは、図２１に示すような予め記憶されたマップから算出される。このマップは、図１７に示したマップと同様、リーン変化率Ｈｌの値が小さいほど、小さい残存酸素量ＯＳＣａｘが得られるようになっている。

この後のステップＳ４１３〜Ｓ４１６は、前記ステップＳ２１３〜Ｓ２１６と同様である。正異常判定に用いられるマップも図１４に示したのと同様のマップである。

なお、上述の第３の診断処理方法と第４の診断処理方法とは当然組み合わせることも可能である。この場合、まず計測された放出酸素量ＯＳＣｂと吸蔵酸素量ＯＳＣａの平均値を算出する。次いで、リッチ変化率Ｈｒの絶対値と、リーン変化率Ｈｌの絶対値との平均値を算出し、この平均値から残存酸素量を所定のマップに従い算出する。そして放出酸素量ＯＳＣｂと吸蔵酸素量ＯＳＣａの平均値と、残存酸素量とが所定の正常領域にあるか否かを判定することにより、触媒の正異常判定を行う。

このように、本実施形態によれば、計測誤差を縮小して診断精度を向上し、誤診断を抑制することが可能である。

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等は任意であり、自動車用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。上記の説明ではリーン側とリッチ側若しくは吸蔵側と放出側の一方のみしか説明していない箇所があるが、この一方に対する説明によって他方も理解されることが当業者にとって明らかであろう。

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。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
   前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
   触媒上流側の空燃比をリーンおよびリッチに交互に制御するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記空燃比のリーン制御中およびリッチ制御中に前記触媒が吸放出する酸素量を計測する計測手段と、
   前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記触媒後センサ出力が所定の閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記リーン制御と前記リッチ制御とを切り替え、前記計測手段が前記酸素量の計測を終了し、
   前記閾値は、前記リーン制御から前記リッチ制御への切替タイミングを規定するリーン閾値と、前記リッチ制御から前記リーン制御への切替タイミングを規定するリッチ閾値とからなり、
   前記リーン閾値は、前記触媒後センサ出力のストイキ相当値よりもリーン側に定められた基準のリーン判定値よりもリッチ側の値に設定され、且つ前記ストイキ相当値よりリッチ側の値に設定され、
   前記リッチ閾値は、前記ストイキ相当値よりもリッチ側に定められた基準のリッチ判定値よりもリーン側の値に設定され、且つ前記ストイキ相当値よりリーン側の値に設定され、
   前記触媒後センサの出力が、リッチ側への変化中に前記リッチ閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記空燃比制御を前記リッチ制御から前記リーン制御に切り替え、
   前記触媒後センサの出力が、リーン側への変化中に前記リーン閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記空燃比制御を前記リーン制御から前記リッチ制御に切り替え、
   前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した後の前記触媒後センサ出力の挙動とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
   ことを特徴とする触媒異常診断装置。
2. 前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した後の前記触媒後センサ出力のピークの値とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
3. 前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した後の前記触媒後センサ出力の変化率とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
4. 前記変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した時から、前記触媒後センサ出力がピークに達する時までの変化率である
   ことを特徴とする請求項３に記載の触媒異常診断装置。
5. 前記変化率が、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値および前記リッチ閾値の一方に達した時から所定値に達する時までの当該触媒後センサ出力の差を、当該期間内の排気ガス量で除してなる値である
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の触媒異常診断装置。
6. 前記リーン閾値と前記リッチ閾値が、排気ガス流量に応じて設定される
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
7. 前記リーン制御と前記リッチ制御における振幅が、前回診断時に計測された酸素量に応じて設定される
   ことを特徴とする請求項１〜５，９の何れか一項に記載の触媒異常診断装置。
8. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
   前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
   触媒上流側の空燃比をリーンおよびリッチに交互に制御するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記空燃比のリッチ制御中に前記触媒が放出する酸素量を計測する計測手段と、
   前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記触媒後センサ出力がリッチ側への変化中に所定のリッチ閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記空燃比制御を前記リッチ制御から前記リーン制御に切り替え、前記計測手段が前記酸素量の計測を終了し、
   前記リッチ閾値は、前記ストイキ相当値よりもリッチ側に定められた基準のリッチ判定値よりもリーン側の値に設定され、且つ前記ストイキ相当値よりリーン側の値に設定され、
   前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リッチ閾値に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リッチ閾値に達した後の前記触媒後センサ出力の挙動とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
   ことを特徴とする触媒異常診断装置。
9. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の異常を診断する装置であって、
   前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
   触媒上流側の空燃比をリーンおよびリッチに交互に制御するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記空燃比のリーン制御中に前記触媒が吸蔵する酸素量を計測する計測手段と、
   前記触媒が正常か異常かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記触媒後センサ出力がリーン側への変化中に所定のリーン閾値に達したと同時に、前記アクティブ空燃比制御手段が前記空燃比制御を前記リーン制御から前記リッチ制御に切り替え、前記計測手段が前記酸素量の計測を終了し、
   前記リーン閾値は、前記触媒後センサ出力のストイキ相当値よりもリーン側に定められた基準のリーン判定値よりもリッチ側の値に設定され、且つ前記ストイキ相当値よりリッチ側の値に設定され、
   前記判定手段は、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値に達するまでに計測された酸素量と、前記触媒後センサ出力が前記リーン閾値に達した後の前記触媒後センサ出力の挙動とに基づき、前記触媒が正常か異常かを判定する
   ことを特徴とする触媒異常診断装置。

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