内燃機関の制御装置および触媒コンバータの劣化診断方法

【課題】触媒コンバータの劣化診断の誤診断を防ぎつつ、実施頻度を高める。
【解決手段】内燃機関への燃料の供給を停止した後、燃料の供給を再開した時点から酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、酸素消費量を算出する酸素消費量算出手段Ｍ５と、中心Ａ／Ｆを、酸素消費量を基に補正する中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１と、補正後の中心Ａ／Ｆを基準として、触媒コンバータへ供給あるいは触媒コンバータから消費する酸素量を相対Ｏ２ストレージ量として算出する相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７と、相対Ｏ２ストレージ量に基づいて、補正後の中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリッチ、リーンの交互に操作する空燃比制御手段Ｍ８と、空燃比センサと酸素濃度センサの出力の相関性を数値化して算出した劣化判定パラメータが基準値を上回っている場合に触媒コンバータの劣化と判断する触媒劣化判定手段Ｍ６とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒コンバータの劣化状態を診断する機能を備えた内燃機関の制御装置、および触媒コンバータの劣化診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関の触媒劣化を診断するための装置として、触媒コンバータの上流および下流に酸素濃度センサを配設し、触媒コンバータの上流の空燃比をリーン，リッチに交互に変化させ、下流の酸素濃度センサの出力信号の変動量を基に触媒コンバータの劣化を判定するものが、一般的によく知られている。これは、触媒コンバータの持つ排ガスの浄化能力が、触媒コンバータの有する酸素ストレージ量と相関性が高いことを利用した判定（診断）方法である。
【０００３】
このような従来装置は、空燃比をリーン，リッチに交互に変化させることにより、触媒コンバータへ酸素を供給、あるいは触媒コンバータ内の酸素を消費させる。このとき、触媒コンバータが劣化している（すなわち、酸素ストレージ量が低下している）と、触媒コンバータ内の酸素が触媒コンバータの下流へ溢れるという現象と、触媒コンバータ内の酸素が完全に消費されるという現象が交互に発生する。この結果、触媒コンバータの下流の酸素濃度は、大きく変化し、触媒コンバータ下流の酸素濃度センサの出力が、大きく変動することとなる。
【０００４】
一方で、正常な触媒コンバータの場合には、触媒コンバータの有する酸素ストレージ量が大きい。このため、空燃比のリーン，リッチに交互に変化する操作においても、触媒コンバータ内の酸素が触媒コンバータの下流へ溢れる、あるいは触媒コンバータ内の酸素が完全に消費される、という現象は生じない。従って、触媒コンバータ下流の酸素濃度センサの出力の変動は、ほとんど生じない。これらの現象を利用して、触媒コンバータの劣化あるいは正常の判定が行われていた。
【０００５】
ここで、対象となる触媒コンバータに対して、正しく劣化判定を行うためには、酸素の供給と消費を適正に行うことが重要となる。すなわち、触媒コンバータの上流の空燃比をリーン，リッチに交互に変化させる操作を行っても、実際の触媒コンバータの上流の空燃比が、所望のリーンの値，あるいは所望のリッチの値に変化していなければ、正しい診断結果を得ることはできない。
【０００６】
実際の触媒コンバータの上流の空燃比が所望のリーンの値，あるいは所望のリッチの値に変化しない原因の代表例として、空燃比制御の基準点となる「中心Ａ／Ｆ」のズレが挙げられる。ここで、この中心Ａ／Ｆとは、触媒コンバータ上流の空燃比をこの中心Ａ／Ｆの値とした場合に、触媒コンバータには酸素の供給、あるいは酸素の消費が生じない状態になることを意味しており、いわゆるストイキＡ／Ｆのことである。
【０００７】
この中心Ａ／Ｆが、リッチあるいはリーンのいずれかの方向にズレが生じている場合に、触媒コンバータ上流の空燃比を、この中心Ａ／Ｆを基準としてリーンあるいはリッチに制御すると、実際には、リーンあるいはリッチのいずれかに偏った空燃比の変化しか得られず、結果として酸素の供給過多あるいは酸素の欠乏状態の継続を招いてしまうおそれがある。
【０００８】
例えば、この際、正常な触媒コンバータに対して、空燃比をリーン，リッチに交互に変化させると、いずれ触媒コンバータ内の酸素が触媒コンバータの下流へ溢れる、あるいは触媒コンバータ内の酸素が完全に消費される、という現象が発生してしまう。特に、酸素が触媒コンバータの下流へ溢れる現象が発生した場合には、たとえ酸素ストレージ量が大きい正常な触媒コンバータであっても、「劣化」と誤って判定してしまうことがある。
【０００９】
この現象を、図１９を用いて説明する。図１９は、中心Ａ／Ｆのズレと、触媒コンバータ内の酸素量および酸素濃度センサの出力の関係を示すタイミングチャートである。左側は、中心Ａ／ＦがストイキＡ／Ｆと一致する場合、右側は、中心Ａ／ＦがストイキＡ／Ｆからズレを生じている場合を示している。
【００１０】
また、左側、右側のそれぞれのタイミングチャートは、上から順に、触媒コンバータ上流側の空燃比、触媒コンバータへの酸素供給量、触媒コンバータ内の酸素量、触媒コンバータ下流側に配設された酸素濃度センサの出力を示している。なお、触媒コンバータへの酸素供給量は、正の値が「供給」を示し、負の値が「消費」を示している。
【００１１】
左側のタイミングチャートに示したように、中心Ａ／ＦがストイキＡ／Ｆと一致する場合（Ａ部参照）には、触媒上流側の空燃比をリーン，リッチに交互に変化させた際に、触媒コンバータへ供給する酸素の量と触媒コンバータから消費する酸素の量は一致している（Ｂ部参照）。
【００１２】
このため、触媒コンバータ内の酸素量は、触媒コンバータが有する最大酸素ストレージ量から超過せず（Ｃ部参照）、また、酸素量は、０、すなわち完全欠乏してしまうことも無い（Ｄ部参照）。このため、触媒コンバータ下流に配設された酸素濃度センサの出力も、ほとんど変動しない（Ｅ部参照）。
【００１３】
一方、右側のタイミングチャートに示したように、中心Ａ／ＦがストイキＡ／Ｆからズレを生じている場合（右側のタイミングチャートの例では、中心Ａ／ＦがストイキＡ／Ｆよりリーン側にズレが生じている場合を示しており、Ａ’部参照）には、触媒コンバータ上流側の空燃比をリーン，リッチに交互に変化させた際に、触媒コンバータへ供給する酸素の量が触媒コンバータから消費する酸素の量よりも多くなっている（Ｂ’部参照）。
【００１４】
このため、触媒コンバータ内の酸素量は、徐々に増加し、触媒コンバータが有する最大酸素ストレージ量を超過してしまう（Ｃ’部参照）。この際、触媒コンバータより下流に酸素が溢れることになる。また、空燃比をリッチに変化させた際に、触媒下流側への酸素の溢れは一時的に解消するため、触媒コンバータ下流に配設された酸素濃度センサの出力は、非常に大きく変動する（Ｅ’部参照）。これが、正常な触媒コンバータに対して「劣化」と誤って判定してしまう原因となる。
【００１５】
中心Ａ／Ｆのズレは、様々な原因により発生する。一例として、触媒コンバータ上流の空燃比を検出する空燃比センサの取り付けの位置に起因する場合を説明する。内燃機関の排気系の形状や空燃比センサの取り付け位置は、内燃機関のトルク出力性能や車両への搭載性により制約を受ける。このため、複数の気筒を有する内燃機関の場合、全ての気筒から排出された排気ガスが均等に空燃比センサに接触しない場合がある。
【００１６】
このようにして、空燃比センサに排気ガスが当たりやすい気筒と、排気ガスが当たりにくい気筒の両方が存在する場合、排気ガスが当たりにくい気筒の空燃比が他の気筒の空燃比からズレを生じることとなる。従って、このような場合には、空燃比センサが示す空燃比は、実際に全ての気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値から乖離することになる。
【００１７】
このため、あらかじめ中心Ａ／Ｆを所定の値に設定し、空燃比センサの検出値が、この値となるようにフィードバック制御を実施しても、実際に全ての気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値は、あらかじめ設定した中心Ａ／Ｆの値に収束しない。従って、この状態で中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリーンあるいはリッチに変化させても、実際の中心Ａ／Ｆとはズレを生じているので、酸素の供給過多状態あるいは酸素の欠乏状態の継続を招き、正しく触媒コンバータの劣化判定ができなくなる。
【００１８】
このような中心Ａ／Ｆのズレに対して、触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサの出力が所定の値に収束するように、触媒コンバータの上流側の空燃比センサの目標値を修正する、いわゆるサブ空燃比フィードバック制御が提案されている。なお、サブ空燃比フィードバック制御には、一般的なＰＩ制御（比例項と積分項からなる目標値収束制御）が多く使われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【００１９】
サブ空燃比フィードバック制御を用いると、例えば、前述のような、空燃比センサに排気ガスが当たりやすい気筒と、排気ガスが当たりにくい気筒の両方が存在する場合に、排気ガスが当たりにくい気筒の空燃比が他の気筒の空燃比からズレを生じても、触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサの出力が所定の値に収束するように触媒コンバータの上流側の空燃比センサの目標値を修正する。この結果、空燃比センサが示す空燃比が、実際に全ての気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値から乖離したとしても、その平均値を所望の値に制御することが可能となる。
【００２０】
ここで、触媒コンバータの下流に配設された酸素濃度センサの目標値を、触媒コンバータの上流の空燃比がストイキＡ／Ｆになる値に設定しておくと、各気筒から排出された排気ガスの空燃比についてのズレの有無に関わらず、サブ空燃比フィードバック制御が収束している状況では、各気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値は、ストイキＡ／Ｆになる。
【００２１】
前述のように、サブ空燃比フィードバック制御を用いると、各気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値をストイキＡ／Ｆに制御可能である。このため、この特徴を利用して、触媒コンバータの劣化判定を行うと、診断結果の精度は向上する。これは、正確な触媒コンバータの劣化判定に必要な、酸素の供給と消費の操作を適正に行うための基準点、すなわち中心Ａ／Ｆが、サブ空燃比フィードバック制御を適用することにより、精度よくストイキＡ／Ｆに制御可能であるからである。
【００２２】
このように、触媒コンバータの劣化判定に使用する中心Ａ／Ｆを、サブ空燃比フィードバック制御を用いてストイキＡ／Ｆになるように補償する診断方法が、従来技術として開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特許第３４９８８１７号公報
【特許文献２】特開平９−１２５９３６号公報
【特許文献３】特許第４５７８５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献３に記載の従来の触媒劣化診断装置では、触媒コンバータの診断を実施する前に、中心Ａ／ＦがストイキＡ／Ｆになるように、サブ空燃比フィードバック制御を用いて補償している。
【００２５】
しかしながら、サブ空燃比フィードバック制御に利用されるＰＩ制御では、特に積分項の補正に長い時間が掛かってしまうという問題点があった。これは、一般的なフィードバック制御における積分項の役割が、比例項等の補正で目標値に収束しきれない場合、すなわち、定常偏差が残る場合に、この定常偏差を解消する機能であることに起因する。
【００２６】
さらに、具体的に説明すると、定常偏差を解消する、すなわち、偏差量を限りなく０に近づけるために、積分項の１回の更新操作あたりの増減量は、非常に小さく設定せざるを得ない。なお、更新操作あたりの増減量を大きくしすぎる、あるいは更新操作の実施周期を高めにしすぎると、制御対象に自励振動（いわゆるハンチング）を生じさせてしまうことになり、目標値に対する収束性が悪化して、中心Ａ／Ｆの補償精度が低下してしまう。
【００２７】
中心Ａ／Ｆの補正が完了するまで、触媒コンバータの劣化診断は実施できないため、サブ空燃比フィードバック制御によって、中心Ａ／Ｆの補正に長い時間が掛かってしまうと、その分、触媒コンバータの劣化診断の開始が遅くなってしまう。もし、ユーザーが内燃機関を始動してから、サブ空燃比フィードバック制御による中心Ａ／Ｆの補正が完了する前に、内燃機関の運転を停止してしまうと、そのような運転機会には、触媒コンバータの劣化診断は実施されないことになる。すなわち、中心Ａ／Ｆの補正にサブ空燃比フィードバック制御を用いると、触媒コンバータの劣化診断の実施頻度が低下してしまうという問題が生じてしまう。
【００２８】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、触媒コンバータの劣化診断の誤診断を防ぎつつ、劣化診断の実施頻度を高めることができる内燃機関の制御装置および触媒コンバータの劣化診断方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に配設され、内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータの劣化を診断する機能を備えた内燃機関の制御装置であって、触媒コンバータの上流に配設され、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、触媒コンバータの下流に配設され、触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとの、それぞれの検出結果に基づいて、触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断手段と、触媒コンバータに吸着していた酸素が消費された量を酸素消費量として算出する酸素消費量算出手段と、酸素消費量算出手段による酸素消費量の算出が完了するまで、触媒劣化診断手段による診断の実施を禁止する診断禁止手段とを有し、酸素消費量算出手段は、内燃機関への燃料の供給を停止した後、燃料の供給を再開した時点から、酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、酸素消費量を算出し、触媒劣化診断手段は、ストイキＡ／Ｆ相当としてあらかじめ初期設定されている中心Ａ／Ｆを、酸素消費量算出手段によって算出された酸素消費量を基に補正する中心Ａ／Ｆ補正手段と、空燃比センサの出力と運転状態とに基づいて、中心Ａ／Ｆ補正手段で補正された中心Ａ／Ｆを基準として、触媒コンバータへ供給あるいは触媒コンバータから消費する酸素量を相対Ｏ２ストレージ量として算出する相対Ｏ２ストレージ量算出手段と、相対Ｏ２ストレージ量算出手段で算出された相対Ｏ２ストレージ量に基づいて、中心Ａ／Ｆ補正手段で補正された中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリッチ、リーンの交互に操作する空燃比制御手段と、相対Ｏ２ストレージ量算出手段および空燃比制御手段によって実施される空燃比制御の結果として得られる、空燃比センサの出力と酸素濃度センサの出力より、これらの出力の相関性を数値化した劣化判定パラメータを算出し、算出した劣化判定パラメータがあらかじめ設定された劣化判定基準値を上回っている場合に触媒コンバータの劣化と判断する触媒劣化判定手段とを含むものである。
【００３０】
また、本発明に係る触媒コンバータの劣化診断方法は、内燃機関の排気通路に配設され、内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータの劣化を診断する機能を備えた内燃機関の制御装置に用いられる触媒コンバータの劣化診断方法であって、触媒コンバータの上流に配設され、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、触媒コンバータの下流に配設され、触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとの、それぞれの検出結果に基づいて、触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断ステップと、触媒コンバータに吸着していた酸素が消費された量を酸素消費量として算出する酸素消費量算出ステップと、酸素消費量算出ステップによる酸素消費量の算出が完了するまで、触媒劣化診断ステップによる診断の実施を禁止する診断禁止ステップとを有し、酸素消費量算出ステップは、内燃機関への燃料の供給を停止した後、燃料の供給を再開した時点から、酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、酸素消費量を算出し、触媒劣化診断ステップは、ストイキＡ／Ｆ相当としてあらかじめ初期設定されている中心Ａ／Ｆを、酸素消費量算出ステップによって算出された酸素消費量を基に補正する中心Ａ／Ｆ補正ステップと空燃比センサの出力と運転状態とに基づいて、中心Ａ／Ｆ補正ステップで補正された中心Ａ／Ｆを基準として、触媒コンバータへ供給あるいは触媒コンバータから消費する酸素量を相対Ｏ２ストレージ量として算出する相対Ｏ２ストレージ量算出ステップと、相対Ｏ２ストレージ量算出ステップで算出された相対Ｏ２ストレージ量に基づいて、中心Ａ／Ｆ補正ステップで補正された中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリッチ、リーンの交互に操作する空燃比制御ステップと、相対Ｏ２ストレージ量算出ステップおよび空燃比制御ステップによって実施される空燃比制御の結果として得られる、空燃比センサの出力と酸素濃度センサの出力より、これらの出力の相関性を数値化した劣化判定パラメータを算出し、算出した劣化判定パラメータがあらかじめ設定された劣化判定基準値を上回っている場合に触媒コンバータの劣化と判断する触媒劣化判定ステップとを含むものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る内燃機関の制御装置および触媒コンバータの劣化診断方法によれば、内燃機関への燃料の供給を禁止した後、燃料の供給を再開した時点から、酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、触媒コンバータに吸着していた酸素が消費された量を算出し、この酸素消費量に基づいて中心Ａ／Ｆの補正量を決定することにより、触媒コンバータの劣化診断の誤診断を防ぎつつ、劣化診断の実施頻度を高めることができる内燃機関の制御装置および触媒コンバータの劣化診断方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関と内燃機関の制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置の基本的な概念構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る触媒劣化診断処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る酸素濃度センサの出力変動量を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るλＯ２センサの空燃比対出力電圧の特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る劣化判定パラメータ算出の処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１に係る空燃比センサ出力を酸素濃度センサ出力相当値に変換するための２次元テーブルを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る酸素消費量算出手段の処理を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１に係る酸素消費量算出手段の処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る空燃比センサの出力と全ての気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値との差（ΔＡ／Ｆ）と、酸素消費量算出手段で算出したＯｃの関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る酸素消費量算出手段で算出された酸素消費量Ｏｃと、中心Ａ／Ｆの補正量βの関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る診断用Ａ／Ｆ制御の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る中心Ａ／Ｆ補正処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る中心Ａ／Ｆ補正量を算出するための２次元テーブルを示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態１に係るＡ／Ｆリーン化制御およびＡ／Ｆリッチ化制御の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る内燃機関の制御装置の基本的な概念構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る酸素消費量算出手段の処理を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施の形態２に係る触媒コンバータの推定温度を算出するための３次元マップを示す図である。
【図１９】中心Ａ／Ｆのズレと、触媒コンバータ内の酸素量および酸素濃度センサの出力の関係を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の内燃機関の制御装置および触媒コンバータの劣化診断方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００３４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関と内燃機関の制御装置の構成を示す図である。符号Ｍ１〜Ｍ４は、それぞれ以下のものを示している。
Ｍ１：内燃機関
Ｍ２：内燃機関Ｍ１の排気ガスを浄化する触媒コンバータ
Ｍ３：触媒コンバータＭ２の上流に配設され、内燃機関Ｍ１から排出される排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ
Ｍ４：触媒コンバータＭ２の下流に配設され、触媒コンバータＭ２の下流の排気ガスの酸素濃度を示す酸素濃度センサ
【００３５】
また、符号１〜５は、それぞれ以下のものを示している。
１：クランクシャフトの角度位置を検出するクランク角センサ
２：内燃機関Ｍ１が吸入する空気量の量を計測するエアーフローセンサ
３：内燃機関Ｍ１のシリンダ内へ燃料を供給するインジェクタ
４：内燃機関Ｍ１のシリンダ内部に火花を点火する点火プラグ
５：クランク角センサ１やエアーフローセンサ２等から内燃機関の運転状態を検出して供給燃料量や点火時期を制御しつつ、触媒コンバータＭ２の劣化状態を検出する触媒劣化診断部を有する内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）
【００３６】
図２は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置５の基本的な概念構成を示すブロック図であり、触媒劣化診断を行う際の基本的な劣化検出処理の流れを示している。図２に示した内燃機関の制御装置５は、酸素消費量算出手段Ｍ５、触媒劣化判定手段Ｍ６、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７、空燃比制御手段Ｍ８、運転状態検出手段Ｍ９、燃料噴射量調整手段Ｍ１０、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１、および診断禁止手段Ｍ１２を備えて構成されている。
【００３７】
運転状態検出手段Ｍ９は、内燃機関Ｍ１に配される各種センサ（例えば、先の図１で示したクランク角センサ１、エアーフローセンサ２）の出力から、運転状態（例えば、内燃機関の回転速度や充填効率）を検出する。
【００３８】
相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７は、空燃比センサＭ３と運転状態検出手段Ｍ９、および中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１（詳細は後述）によって補正された中心Ａ／Ｆを用いて、触媒コンバータＭ２に対する酸素の供給量、消費量を算出する。
【００３９】
空燃比制御手段Ｍ８は、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７の算出結果があらかじめ設定した目標の酸素供給量，酸素消費量となるように、内燃機関Ｍ１の空燃比を制御する。この際、空燃比制御手段Ｍ８は、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１によって補正された中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリッチ、あるいはリーンに制御する。
【００４０】
燃料噴射量調整手段Ｍ１０は、通常時には、運転状態検出手段Ｍ９が検出した運転状態を基に、インジェクタ３を介して内燃機関Ｍ１へ噴射する燃料の量を調整するものである。また、燃料噴射量調整手段Ｍ１０は、触媒劣化診断の実施時には、空燃比制御手段Ｍ８からの指令とあわせて燃料の量を調整する。また、燃料噴射量調整手段Ｍ１０は、内燃機関の充填効率が低い場合には、内燃機関への燃料の供給を停止する。
【００４１】
触媒劣化判定手段Ｍ６は、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７および空燃比制御手段Ｍ８によって実施される空燃比制御の結果として得られる、空燃比センサＭ３の出力と酸素濃度センサＭ４の出力より、これらの出力の相関性を数値化した劣化判定パラメータを算出し、あらかじめ実験的に設定された劣化判定基準値と比較する。
【００４２】
さらに、具体的に説明すると、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７および空燃比制御手段Ｍ８は、「劣化」と判定すべき触媒コンバータの最大酸素ストレージ量を超過するように、触媒コンバータＭ２に対して、酸素を供給あるいは消費すべく、空燃比を制御する。この空燃比の操作により、「劣化」と判定すべき触媒コンバータに対してのみ、触媒コンバータ内の酸素が触媒コンバータの下流へ溢れるという現象と、触媒コンバータ内の酸素が完全に消費されるという現象が交互に発生する。
【００４３】
一方で、正常な触媒コンバータの場合は、触媒コンバータの有する酸素ストレージ量が大きいので、前述の空燃比の操作においても、触媒コンバータ内の酸素が触媒コンバータの下流へ溢れる、あるいは触媒コンバータ内の酸素が完全に消費されるという現象は生じない。
【００４４】
そこで、触媒劣化判定手段Ｍ６は、劣化判定パラメータが劣化判定基準値を上回っている場合に、触媒コンバータＭ２を「劣化」と判定して、故障ランプ等を点灯し、運転者に触媒コンバータＭ２の故障を知らしめる。
【００４５】
酸素消費量算出手段Ｍ５は、燃料噴射量調整手段Ｍ１０の燃料供給停止から供給開始に状態が変化したタイミングから、酸素濃度センサＭ４の信号が所定の電圧以上となるまでの間に、触媒コンバータＭ２で消費された酸素の量を、空燃比センサＭ３と運転状態検出手段Ｍ９の情報を基に算出する。
【００４６】
中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、ストイキＡ／Ｆ相当としてあらかじめ初期設定されている中心Ａ／Ｆを、酸素消費量算出手段Ｍ５によって算出された酸素消費量を基に補正する。
【００４７】
診断禁止手段Ｍ１２は、酸素消費量算出手段Ｍ５による酸素消費量の算出が完了するまでの間、触媒劣化診断部による診断の実施を禁止する。ここで、触媒劣化診断部とは、図２に示したように、触媒劣化判定手段Ｍ６、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７、空燃比制御手段Ｍ８、および中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１の総称を意味している。
【００４８】
次に、前述した触媒劣化診断の概念構成の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る触媒劣化診断処理の流れを示すフローチャートである。まず始めに、ステップＳ３０１において、酸素消費量算出手段Ｍ５は、酸素消費量の算出を行う。なお、このステップＳ３０１の詳細な処理に関しては、図８、図９を用いて後述する。
【００４９】
次に、ステップＳ３０２において、診断禁止手段Ｍ１２は、酸素消費量算出手段Ｍ５による酸素消費量の算出が完了しているか否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３０３へ進み、触媒劣化診断の処理を行い、ＮＯの場合には、触媒劣化診断の処理を中断して終了する。
【００５０】
ステップＳ３０３に進んだ場合には、診断禁止手段Ｍ１２は、触媒劣化診断の継続時間を初期化（＝０）する。さらに、ステップＳ３０４において、診断禁止手段Ｍ１２は、相対Ｏ２ストレージ量（以下、相対Ｏ２Ｓ量と記す）を初期化（＝０）する。
【００５１】
次に、ステップＳ３０５において、診断禁止手段Ｍ１２は、診断実施条件が成立しているか否かを判断する。具体的には、例えば、後述する図１７のステップＳ１７０５とステップＳ１７０６に示す、触媒コンバータＭ２が活性状態であるか否かを判断する。そして、診断禁止手段Ｍ１２は、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３０６へ進み、ＮＯの場合には、触媒劣化診断の処理を中断して終了する。
【００５２】
ステップＳ３０６に進んだ場合には、空燃比制御手段Ｍ８は、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７の算出結果があらかじめ設定した目標の酸素供給量，酸素消費量となるように、内燃機関Ｍ１の空燃比を制御する。なお、このステップＳ３０６の詳細な処理に関しては、図１０〜図１５を用いて後述する。
【００５３】
次に、ステップＳ３０７において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、触媒コンバータＭ２の上流に配設された空燃比センサＭ３の出力と、触媒コンバータＭ２の下流に配設された酸素濃度センサＭ４の出力の相関性を数値化した劣化判定パラメータを算出する。なお、このステップＳ３０７の詳細な処理に関しては、図４〜図７を用いて後述する。
【００５４】
次に、ステップＳ３０８において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、触媒劣化診断の期間が所定の時間を経過したか否かを判断し、ＹＥＳの場合には、一連の触媒コンバータＭ２に対する酸素の消費，供給の操作を完了し、ステップＳ３０９へ進む。一方、ＮＯの場合は、触媒劣化診断を継続すべくステップＳ３０５に戻る。
【００５５】
次に、ステップＳ３０９において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、先のステップＳ３０７で算出した劣化判定パラメータが、所定値未満か否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３１０で正常判定して処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ３１１で故障判定をして処理を終了する。
【００５６】
次に、先の図３におけるステップＳ３０７で示した、触媒劣化判定手段Ｍ６による劣化判定パラメータの算出方法の詳細について説明する。前述のとおり、劣化判定パラメータは、空燃比センサＭ３の出力と、酸素濃度センサＭ４の出力の相関性を数値化したものであり、以下の関係式で示される。
劣化判定パラメータ＝（酸素濃度センサＭ４の出力変動量）÷（空燃比センサＭ３の出力変動量）
【００５７】
図４は、本発明の実施の形態１に係る酸素濃度センサＭ４の出力変動量を示す図である。酸素濃度センサＭ４の出力変動量は、図４で示す酸素濃度センサＭ４の出力ＲＯ２と、ＲＯ２にディジタル１次フィルタを適用したＲＯ２Ｆとで囲まれた面積ΣＳ＿ＲＯ２（図中の斜線部で示した領域に相当）である。
【００５８】
一方、空燃比センサＭ３の出力変動量は、一旦、空燃比センサＭ３の出力（すなわち、空燃比）を、酸素濃度センサＭ４の出力と同じ物理量（すなわち、電圧）に変換してから求める。
【００５９】
図５は、本発明の実施の形態１に係るλＯ２センサの空燃比対出力電圧の特性を示す図であり、一般によく知られる特性である。ここで、空燃比センサＭ３の出力を、図５の特性に適用することにより、空燃比から酸素濃度センサＭ４の出力相当値、すなわち、電圧に変換することができる。
【００６０】
次に、図４で示した酸素濃度センサＭ４の出力変動量の算出方法と同様に、酸素濃度センサ出力相当値に変換した空燃比センサＭ３からの出力ＲＯ２’と、ＲＯ２’にディジタル１次フィルタを適用したＲＯ２Ｆ’とで囲まれた面積ΣＳ＿ＲＯ２’を空燃比センサＭ３の出力変動量とする。
【００６１】
空燃比センサＭ３の出力変動量の算出は、空燃比制御手段Ｍ８によって実施される、空燃比のリーン、リッチの交互の変化により、大きな値となり得るが、触媒コンバータＭ２の劣化度合いに対して不変である。
【００６２】
一方、酸素濃度センサＭ４の出力変動量は、触媒コンバータＭ２が劣化している場合には大きな値となり、触媒コンバータＭ２が正常の場合には小さな値となる。従って、劣化判定パラメータは、触媒コンバータＭ２の劣化度合いに応じて変化し、触媒コンバータＭ２の劣化度合いが大きいほど、大きな値となることがわかる。
【００６３】
次に、劣化判定パラメータの算出の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態１に係る劣化判定パラメータ算出の処理の流れを示すフローチャートである。まず始めに、ステップＳ６０１において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、空燃比センサＭ３の出力Ｏ＿ｌａｆｓを読み込む。
【００６４】
次に、ステップＳ６０２において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、空燃比センサＭ３の出力Ｏ＿ｌａｆｓを酸素濃度センサＭ４と同じ物理量ＲＯ２’に変換する。図７は、本発明の実施の形態１に係る空燃比センサ出力を酸素濃度センサ出力相当値に変換するための２次元テーブルを示す図である。触媒劣化判定手段Ｍ６は、空燃比センサＭ３の出力Ｏ＿ｌａｆｓを、この図７で示す２次元テーブルＴＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤを適用して、下式により求める。
ＲＯ２’（ｔ）＝ＴＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤ（Ｏ＿ｌａｆｓ（ｔ））
【００６５】
なお、図７に示すＴＣＮＶ＿ＡＦ＿ＬＭＤ（Ｏ＿ｌａｆｓ）は、先の図５の関係をそのまま２次元テーブル化したものである。また、ステップＳ６０２以降の各ステップに付与される「ｔ」は、時刻を表すパラメータである。
【００６６】
次に、ステップＳ６０３において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、ＲＯ２’（ｔ）にディジタル１次フィルタを適用することにより、ＲＯ２Ｆ’（ｔ）を算出する。ここで、Ｋ２は、フィルタ定数である。
【００６７】
次に、ステップＳ６０４において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、ＲＯ２（ｔ）’とＲＯ２Ｆ（ｔ）’との偏差を積算することにより、空燃比センサＭ３の変動量を示す面積ΣＳ＿ＲＯ２’（ｔ）を算出する。なお、ΣＳ＿ＲＯ２’（ｔ）は、内燃機関Ｍ１を始動した際に、リセット（＝０）されているものとする。
【００６８】
次に、ステップＳ６０５において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、酸素濃度センサＭ４の出力ＲＯ２（ｔ）にディジタル１次フィルタを適用することにより、ＲＯ２Ｆ（ｔ）を算出する。
【００６９】
次に、ステップＳ６０６において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、ＲＯ２（ｔ）とＲＯ２Ｆ（ｔ）との偏差を積算することにより、酸素濃度センサＭ４の変動量を示す面積ΣＳ＿ＲＯ２（ｔ）を算出する。なお、ΣＳ＿ＲＯ２（ｔ）もΣＳ＿ＲＯ２’（ｔ）と同様に、内燃機関Ｍ１を始動した際にリセット（＝０）されているものとする。
【００７０】
次に、ステップＳ６０７において、触媒劣化判定手段Ｍ６は、触媒コンバータＭ２の劣化判定パラメータＳＩＲ（ｔ）を、酸素濃度センサＭ４の変動量と空燃比センサＭ３の変動量の比として算出し、処理を終了する。
【００７１】
次に、酸素消費量算出手段Ｍ５の詳細について説明する。図８は、本発明の実施の形態１に係る酸素消費量算出手段の処理を示すタイミングチャートである。具体的には、触媒コンバータＭ２に吸着していた酸素が消費される量を、酸素消費量算出手段Ｍ５によって算出する処理をタイミングチャートで示したものであり、上から順に、燃料の供給の状態（すなわち、供給実施あるいは供給停止を示す「燃料カットフラグ」），エアーフローセンサ２で計測された吸入空気量Ｑａ，空燃比センサＭ３の出力，酸素濃度センサＭ４の出力，酸素消費量算出手段Ｍ５によって算出される酸素消費量をそれぞれ示している。
【００７２】
燃料カットフラグは、フラグがＨｉｇｈの場合が、燃料の供給を停止している状態を示し、Ｌｏｗの場合が、燃料の供給を実施している状態を示す。酸素消費量算出手段Ｍ５は、燃料の供給停止から供給実施になったタイミングｔｓを起点として、酸素濃度センサＭ４の出力が所定の値以上となるタイミングｔｅまでの間に、下式（１）によって、触媒コンバータＭ２に吸着していた酸素の量、すなわち。酸素消費量を算出する。
酸素消費量（ｔ）
＝酸素消費量（ｔ−１）
＋｛（実Ａ／Ｆ（ｔ）−所定値Ｃ）÷所定値Ｃ｝
×Ｑａ（ｔ）×ΔＴｃ×０．２３（１）
【００７３】
ここで、「実Ａ／Ｆ」は、空燃比センサＭ３の出力、「所定値Ｃ」は、ストイキＡ／Ｆ相当としてあらかじめ設定した所定の値、「Ｑａ」は、エアーフローセンサ２で計測した内燃機関Ｍ１の単位時間当たりの吸入空気量、「ΔＴｃ」は、酸素消費量を算出する時間間隔（例えば、１０ｍｓｅｃ）、「０．２３」は、「Ｑａ」中の酸素の質量比率（すなわち、大気中の酸素の質量比率）、各項の「ｔ」は、時刻を表すパラメータである。
【００７４】
この操作により、内燃機関Ｍ１の燃料の供給を停止している間に、触媒コンバータＭ２に吸着した酸素の量を算出する。なお、燃料が供給停止から供給実施に変化したタイミングｔｓ以降の空燃比の制御は、燃料の供給停止中に触媒コンバータＭ２に大量に吸着した酸素を早期に消費する目的で、一般に、ストイキＡ／Ｆよりも若干リッチ側に制御される。この空燃比制御が継続すると、触媒コンバータＭ２内部に吸着している酸素が徐々に消費される。
【００７５】
触媒コンバータＭ２内部に吸着している酸素量が少なくなると、触媒コンバータＭ２の下流に配設された酸素濃度センサＭ４の出力が上昇する。ここで、酸素濃度センサＭ４がストイキＡ／Ｆに対して若干リッチ側を示す値（例えば、０．６Ｖ）を所定の値として、酸素消費量の算出を完了するようにしておけば、触媒コンバータＭ２に吸着していた酸素の大部分の量を算出できる。
【００７６】
次に、酸素消費量算出手段Ｍ５の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態１に係る酸素消費量算出手段の処理を示すフローチャートである。まず始めに、ステップＳ９０１において、酸素消費量算出手段Ｍ５は、酸素消費量の算出処理が未完了か否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ９０２へ進み、ＮＯの場合には、既に算出処理が完了しているため、処理を終了する。
【００７７】
そして、ステップＳ９０２に進んだ場合には、酸素消費量算出手段Ｍ５は、燃料噴射量調整手段Ｍ１０の燃料供給停止から供給開始に状態が変化したタイミングか否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ９０３へ進み、酸素消費量を初期化（＝０）する。一方、ＮＯの場合には、ステップＳ９０４へ進む。
【００７８】
次に、ステップＳ９０４において、酸素消費量算出手段Ｍ５は、本フローチャートが呼び出される間隔ΔＴｃ（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に、上式（１）を用いて酸素消費量を積算する。
【００７９】
次に、ステップＳ９０５において、酸素消費量算出手段Ｍ５は、酸素濃度センサＭ４の出力が所定の値未満か否かを判断し、ＹＥＳの場合には、処理を終了する。一方、ＮＯの場合には、ステップＳ９０６に進み、触媒コンバータＭ２の下流の空燃比が若干リッチ側に変化し、触媒コンバータＭ２に吸着していた酸素の大部分の量が算出されたと判断できるため、酸素消費量の算出処理を「完了」として、処理を終了する。
【００８０】
次に、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１の詳細について説明する。図１０は、本発明の実施の形態１に係る空燃比センサＭ３の出力と全ての気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値との差（ΔＡ／Ｆ）と、酸素消費量算出手段Ｍ５で算出したＯｃの関係を示す図である。
【００８１】
なお、ΔＡ／Ｆ＝（空燃比センサの出力）−（全ての気筒から排出された排気ガスの空燃比の平均値）であり、内燃機関Ｍ１の吸入空気量Ｑａは一定である。また、横軸上の「±０」は、空燃比センサの出力と、全ての気筒から排出された空燃比の平均値が一致することを示しており、この条件において酸素消費量算出手段Ｍ５によって算出される酸素消費量Ｏｃは、Ｏｃ＿ｓｔｄとなる。
【００８２】
図１０に示した関係より、ΔＡ／Ｆが負の値になると、酸素消費量ＯｃがＯｃ＿ｓｔｄより増大することがわかる。これは、全ての気筒から排出された実際の空燃比の平均値は、空燃比センサＭ３の出力よりリーンであり、燃料供給を停止している間に触媒コンバータＭ２に吸着した酸素を消費する速度が遅くなる、すなわち、酸素が消費されるまでに時間が長くかかるためであり、この結果、上式（１）で示した酸素消費量の（ΔＴｃ毎に実施する）算出の回数が増加するためである。
【００８３】
また、図１１は、本発明の実施の形態１に係る酸素消費量算出手段Ｍ５で算出された酸素消費量Ｏｃと、中心Ａ／Ｆの補正量βの関係を示す図である。前述のとおり、全ての気筒から排出された実際の空燃比の平均値が、空燃比センサＭ３の出力よりリーンである場合には、酸素消費量算出手段Ｍ５で算出した酸素量Ｏｃは、Ｏｃ＿ｓｔｄよりも大きくなることがわかっている。
【００８４】
このため、酸素量ＯｃがＯｃ＿ｓｔｄより大きい場合には、中心Ａ／Ｆをリッチ側に補正することにより、全ての気筒から排出された実際の空燃比の平均値を、ストイキＡ／Ｆに修正することができる。
【００８５】
従って、図１１で示す関係のとおり、酸素消費量算出手段Ｍ５で算出されたＯｃがＯｃ＿ｓｔｄより大きい場合には、Ｏｃの大きさに応じてリッチ側へ、Ｏｃ＿ｓｔｄより小さい場合には、Ｏｃの大きさに応じてリーン側へ、それぞれ中心Ａ／Ｆを補正することにより、全ての気筒から排出された実際の空燃比の平均値を、ストイキＡ／Ｆに修正することができる。
【００８６】
次に、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１の処理の流れを、図３のステップＳ３０６で示した「診断用Ａ／Ｆ制御」の処理に含めて、フローチャートを用いて説明する。図１２は、本発明の実施の形態１に係る診断用Ａ／Ｆ制御の処理の流れを示すフローチャートである。まず始めに、ステップＳ１２０１において、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、診断用Ａ／Ｆ制御の中心Ａ／Ｆの補正を行う。
【００８７】
次に、ステップＳ１２０２において、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、先のステップＳ１２０１で補正された中心Ａ／Ｆ値を基準として、空燃比をリーン側へ制御する。次に、ステップＳ１２０３において、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、先のステップＳ１２０１で補正された中心Ａ／Ｆ値を基準として、空燃比をリッチ側へ制御して、処理を終了する。
【００８８】
ここで、ステップＳ１２０１の処理を具体的に説明するために、図１３のフローチャートを用いて説明する。図１３は、本発明の実施の形態１に係る中心Ａ／Ｆ補正処理の流れを示すフローチャートである。まず始めに、ステップＳ１３０１において、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、診断用Ａ／Ｆ制御の中心Ａ／Ｆの補正量βを、酸素消費量算出手段Ｍ５で算出したＯｃに基づいて算出する。
【００８９】
図１４は、本発明の実施の形態１に係る中心Ａ／Ｆ補正量を算出するための２次元テーブルを示す図である。中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、図１４（ａ）で示す２次元テーブルＴＣＡＦを適用して、診断用Ａ／Ｆ制御の中心Ａ／Ｆの補正量βを、下式により求める。
β＝ＴＣＡＦ（Ｏｃ）
【００９０】
なお、この図１４（ａ）に示すＴＣＡＦ（Ｏｃ）は、先の図１１の関係をそのまま２次元テーブル化したものである。
【００９１】
次に、ステップＳ１２０２およびＳ１２０３の処理を具体的に説明するために、図１５（ａ）および図１５（ｂ）のフローチャートを用いて説明する。図１５は、本発明の実施の形態１に係るＡ／Ｆリーン化制御およびＡ／Ｆリッチ化制御の処理の流れを示すフローチャートである。
【００９２】
図１５（ａ）の処理は、触媒コンバータＭ２に酸素を供給することを目的としている。まず始めに、ステップＳ１５０１ａにおいて、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、補正後中心Ａ／Ｆを、ステップＳ１３０１で求めた補正量βを用いて、下式により補正する。
補正後中心Ａ／Ｆ＝中心Ａ／Ｆ初期値＋β
【００９３】
なお、中心Ａ／Ｆ初期値は、ストイキＡ／Ｆ相当の値として、あらかじめ実験的に設定されている固定値である。
【００９４】
次に、ステップＳ１５０２ａにおいて、空燃比制御手段Ｍ８は、補正された中心Ａ／Ｆを基準として、所定量αだけリーン側に目標空燃比を設定する。この操作により、内燃機関の制御装置５は、空燃比センサＭ３の出力が目標空燃比に一致するように、燃料噴射量調整手段Ｍ１０を介して、インジェクタ３の燃料噴射量を調整する。この結果、内燃機関Ｍ１の空燃比は、ストイキＡ／Ｆよりリーンとなる。
【００９５】
次に、ステップＳ１５０３ａにおいて、相対Ｏ２ストレージ量算出手段Ｍ７は、相対Ｏ２Ｓ量を算出する。ここで、相対Ｏ２Ｓ量は、触媒劣化診断が開始された時点からのＯ２Ｓ量の増減を示すものであり、先のステップＳ１５０２ａで、内燃機関Ｍ１の空燃比がリーン側に操作されていることから、次第に増加していく。なお、相対Ｏ２Ｓ量を求める式は、下式（２）のとおりである。
相対Ｏ２Ｓ量（ｔ）
＝相対Ｏ２Ｓ量（ｔ−１）
＋｛（実Ａ／Ｆ（ｔ）−補正後中心Ａ／Ｆ）÷補正後中心Ａ／Ｆ｝
×Ｑａ（ｔ）×ΔＴ×０．２３（２）
【００９６】
ここで、「実Ａ／Ｆ」は、空燃比センサＭ３の出力、「補正後中心Ａ／Ｆ」は、ステップＳ１５０１ａで得られた値、「Ｑａ」は、エアーフローセンサ２で計測した内燃機関Ｍ１の単位時間当たりの吸入空気量、「ΔＴ」は、相対Ｏ２Ｓ量を算出する時間間隔（例えば、１０ｍｓｅｃ）、「０．２３」は、「Ｑａ」中の酸素の質量比率（すなわち、大気中の酸素の質量比率）、各項の「ｔ」は、時刻を表すパラメータである。
【００９７】
次に、ステップＳ１５０４ａにおいて、空燃比制御手段Ｍ８は、ステップＳ１５０３ａで求めた相対Ｏ２Ｓ量が、目標Ｏ２Ｓ量（＋側）以上となったか否か判断する。ここで、目標Ｏ２Ｓ量（＋側）は、劣化と判断すべき触媒コンバータの最大酸素ストレージ量の１／２より大きく、かつ、正常と判断すべき触媒コンバータの最大酸素ストレージ量の１／２より小さくなるようにあらかじめ設定されている。
【００９８】
そして、ステップＳ１５０４ａの判断がＹＥＳの場合には、空燃比制御手段Ｍ８は、Ａ／Ｆリーン化制御を完了して処理を終了する。一方、ＮＯの場合には、空燃比制御手段Ｍ８は、Ａ／Ｆリーン化制御を継続すべく、ステップＳ１５０２ａに戻る。
【００９９】
これに対して、図１５（ｂ）の処理は、触媒コンバータＭ２の酸素を消費することを目的としている。始めのステップＳ１５０１ｂは、ステップＳ１５０１ａと同じ内容のため、説明を割愛する。次に、１００２ｂにおいて、空燃比制御手段Ｍ８は、補正された中心Ａ／Ｆを基準として、所定量αだけリッチ側に目標空燃比を設定する。この結果、内燃機関Ｍ１の空燃比は、ストイキＡ／Ｆよりリッチとなる。
【０１００】
次のステップＳ１５０３ｂは、ステップＳ１５０３ａと同じ内容のため、説明を割愛する。次に、ステップＳ１５０４ｂにおいて、空燃比制御手段Ｍ８は、ステップＳ１５０３ｂで求めた相対Ｏ２Ｓ量が、目標Ｏ２Ｓ量（−側）以下となったか否か判断する。
【０１０１】
そして、ステップＳ１５０４ｂの判断がＹＥＳの場合には、空燃比制御手段Ｍ８は、Ａ／Ｆリッチ化制御を完了して処理を終了する。一方、ＮＯの場合には、空燃比制御手段Ｍ８は、Ａ／Ｆリッチ化制御を継続すべく、ステップＳ１５０２ｂに戻る。
【０１０２】
ところで、診断用Ａ／Ｆ制御の中心Ａ／Ｆの補正量βを求める際に使用する２次元テーブルは、先の図１４（ａ）で示したＴＣＡＦ（Ｏｃ）の代わりに、図１４（ｂ）で示す２次元テーブルＴＣＡＦ２（Ｏｃ）を用いてもよい。このＴＣＡＦ２（Ｏｃ）は、ＴＣＡＦ（Ｏｃ）に対して、Ｏｃ≦Ｏｃ＿ｓｔｄの領域、すなわち、ＴＣＡＦ（Ｏｃ）≧０の領域の設定を０としたものである。
【０１０３】
一般に、劣化した触媒コンバータの酸素ストレージ量は、非常に小さいため、中心Ａ／Ｆに多少のズレが生じた状態で空燃比をリーン，リッチに交互に変化させても、（リーンあるいはリッチのいずれかに偏った空燃比の変化しか得られなくても）、触媒コンバータ内の酸素が触媒コンバータの下流へ溢れるという現象と、触媒コンバータ内の酸素が完全に消費されるという現象が交互に発生する。
【０１０４】
すなわち、劣化した触媒コンバータに対して、劣化判定することは可能である。むしろ、中心Ａ／Ｆを大きくリーン側へ補正する方が、触媒下流の酸素濃度を適正にリーン，リッチに変化させることが難しくなり、この結果、酸素濃度センサＭ４の出力を大きく変動させることが難しくなる。
【０１０５】
例えば、酸素ストレージ量が極めて小さい触媒コンバータ（すなわち、大きく劣化した触媒コンバータ）に対しては、酸素消費量算出手段Ｍ５で算出された酸素消費量Ｏｃが非常に小さい値となる。このため、β＝ＴＣＡＦ（Ｏｃ）で得られる補正量βは、非常に大きな値となる。従って、このような補正量βを適用した状態で空燃比をリーン，リッチに交互に変化させた場合には、触媒下流の酸素濃度は、リーン側に大きく偏ることとなり、適正にリーン，リッチに変化させることができないおそれが有る。
【０１０６】
すなわち、触媒コンバータが大きく劣化した場合にも、正しく「劣化」判定するためには、ＴＣＡＦ（Ｏｃ）を用いるよりも、ＴＣＡＦ２（Ｏｃ）を用いる方がよい。
【０１０７】
一方、正常な触媒コンバータが装着されており、全ての気筒から排出された実際の空燃比の平均値が、空燃比センサＭ３の出力よりリッチである場合も、酸素消費量Ｏｃは、Ｏｃ＿ｓｔｄより小さくなる。この場合には、空燃比をリーン，リッチに交互に変化させると、触媒コンバータ内の酸素量は徐々に減少し、触媒コンバータ内の酸素が完全欠乏に至る。
【０１０８】
空燃比をリーンに変化させた際に、触媒コンバータ内の酸素の完全欠乏は、一時的に解消するので、触媒コンバータ下流では酸素濃度の変化が生じるが、一般に、触媒コンバータ下流のリッチ側での酸素濃度の変化は、非常に遅く、触媒コンバータ下流に配設された酸素濃度センサの出力の変動量は、リーン側で酸素が溢れる際の変動量と比較して、極めて小さいことがわかっている。
【０１０９】
すなわち、酸素消費量ＯｃがＯｃ＿ｓｔｄより小さくなる場合においては、正常な触媒コンバータに対して「劣化」の誤判定は、発生しない。これらの理由により、酸素消費量ＯｃがＯｃ＿ｓｔｄより小さい領域では、積極的に中心Ａ／Ｆをリーン側に補正する必要がなく、ＴＣＡＴ２（Ｏｃ）を適用する方が望ましい。
【０１１０】
次に、診断禁止手段Ｍ１２について説明する。診断禁止手段Ｍ１２は、酸素消費量算出手段Ｍ５による酸素消費量Ｏｃの算出が完了するまでの間、触媒劣化診断部による診断の実施を禁止する。この処理は、先の図３のフローチャートにおけるステップＳ３０２の内容に相当する。
【０１１１】
以上のように、実施の形態１によれば、酸素消費量算出手段は、内燃機関への燃料の供給を停止した後、燃料の供給を再開した時点から酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、触媒コンバータに吸着していた酸素が消費された量を算出する。そして、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１は、酸素消費量算出手段が算出した酸素消費量の算出結果に基づいて、中心Ａ／Ｆの補正量を決定する。
【０１１２】
このような構成を備えることで、ＰＩ制御を用いたサブ空燃比フィードバック制御に含まれる（補正に長い時間を要する）積分項を使用せずに、中心Ａ／Ｆの補正が実現できる。この結果、触媒コンバータの劣化診断の実施頻度を高めることが可能となる。
【０１１３】
さらに、中心Ａ／Ｆ補正手段は、酸素消費量算出手段が算出した酸素消費量の算出結果に基づいて、中心Ａ／Ｆの補正量を決定しつつ、リーン側への補正を制限することができる。この結果、正常な触媒コンバータに対する「劣化」の誤判定を防ぎつつ、大きく劣化した触媒コンバータに対する「劣化」判定を行うことが可能となる。
【０１１４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における内燃機関および内燃機関の制御装置の構成は、先の実施の形態１における図１と同じである。個々の構成要素に関しては、内燃機関の制御装置５を除いて、先の実施の形態１と同じであるため、ここでは説明を割愛する。
【０１１５】
ここで、内燃機関の制御装置５に関して、先の実施の形態１との構成の差異を明確化するために、図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の制御装置の基本的な概念構成を示すブロック図である。図１６に示した本実施の形態２における構成は、先の実施の形態１における図２の構成と比較すると、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３をさらに備えている点が異なっている。そこで、この酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３の処理を中心に、以下に説明する。
【０１１６】
酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、触媒コンバータＭ２の酸素が飽和していない状態では、酸素消費量の算出の開始を禁止する機能と、触媒コンバータＭ２が活性していない状態では、酸素消費量の算出を中止する機能を有している。
【０１１７】
内燃機関Ｍ１への燃料の供給を停止した直後、すぐに燃料の供給を再開すると、触媒コンバータＭ２に吸着する酸素の量が少なくなるおそれがある。この場合、酸素消費量算出手段Ｍ５で算出される酸素消費量は、触媒コンバータＭ２の持つ最大酸素ストレージ量まで酸素が吸着した状態で算出した酸素消費量と比較して、小さくなる。従って、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１で算出する補正量にバラツキが生じる原因となり、ひいては、中心Ａ／Ｆの補正の精度が低下してしまう。
【０１１８】
そこで、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、内燃機関Ｍ１への燃料の供給を停止し、触媒コンバータＭ２に十分酸素が吸着した後でのみ、酸素消費量算出手段Ｍ５での、酸素消費量の算出を許可する。具体的には、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、触媒コンバータＭ２に十分酸素が吸着したことを、内燃機関Ｍ１への燃料の供給を停止してから十分な時間が経過したことや、触媒コンバータＭ２の下流に配設された酸素濃度センサＭ４の出力が低電圧（例えば０．２Ｖ以下）になったことで判断する。
【０１１９】
また、触媒コンバータＭ２が活性していない状態では、触媒の持つ最大酸素ストレージ量が小さくなるので、この状態で酸素消費量算出手段Ｍ５で算出される酸素消費量は、触媒コンバータＭ２が活性している状態で、最大酸素ストレージ量まで酸素が吸着した場合に算出した酸素消費量と比較して、小さくなる。従って、前述の燃料の供給を停止した直後、すぐに燃料の供給を再開した状況で酸素消費量を算出する場合と同様に、中心Ａ／Ｆ補正手段Ｍ１１で算出する補正量にバラツキが生じる原因となる。
【０１２０】
そこで、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、触媒コンバータＭ２が活性している状態でのみ、酸素消費量算出手段Ｍ５での、酸素消費量の算出を許可する。触媒コンバータＭ２の活性状態の判定は、一般に触媒コンバータの温度推定等の方法が広く知られている。そこで、本実施の形態２における酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、運転状態検出手段Ｍ９によって検出した内燃機関の回転速度と充填効率を用いて触媒コンバータＭ２の温度を推定し、この推定温度が所定の値以上となる場合に、触媒コンバータＭ２の活性状態を判定する。
【０１２１】
次に、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。図１７は、本発明の実施の形態２に係る酸素消費量算出手段の処理を示すフローチャートである。本実施の形態２における図１７のフローチャートは、先の実施の形態１における図９のフローチャートに対して、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３の処理内容であるステップＳ１７０１〜ステップＳ１７０７を追加したものである。これら以外の個別の処理内容は、先の図９で示した内容と同じであるため、説明を割愛する。
【０１２２】
ステップＳ９０１の後段に設けられたステップＳ１７０１において、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、酸素消費量の算出実行中を示すフラグＳＴがセット（＝１）であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ９０２に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１７０２に進む。なお、このフラグＳＴは、内燃機関Ｍ１を始動した際にリセット（＝０）されているものとする。
【０１２３】
次に、ステップＳ１７０２において、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、内燃機関Ｍ１への燃料の供給を停止してから所定の時間以上が経過したか否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１７０３に進み、ＮＯの場合には、酸素消費量の算出に適さないと判断して、処理を終了する。
【０１２４】
次に、ステップＳ１７０３において、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、触媒コンバータＭ２の下流に配設された酸素濃度センサＭ４の出力が所定値以下（例えば０．２Ｖ以下）になったか否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ９０２に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１７０２のＮＯの場合と同様に、酸素消費量の算出に適さないと判断して、処理を終了する。
【０１２５】
また、ステップＳ９０２の後段に設けられたステップＳ１７０４において、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、酸素消費量の算出実行中を示すフラグＳＴをセット（＝１）する。これは、ステップＳ１７０１、ステップＳ１７０２、ステップＳ９０２が全て成立したことにより、酸素消費量算出手段Ｍ５による酸素消費量の算出に適した条件であると判断できるためである。
【０１２６】
また、ステップＳ９０３の後段に設けられたステップＳ１７０５において、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、触媒コンバータＭ２の推定温度Ｔｅｍｐ＿Ｃを求める。図１８は、本発明の実施の形態２に係る触媒コンバータの推定温度を算出するための３次元マップを示す図である。酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、この図１８に示した３次元マップＮＥ＿ＥＣ＿ＴＥＭＰ（Ｎｅ，Ｅｃ）に、運転状態検出手段Ｍ９で検出した内燃機関の回転速度Ｎｅと充填効率Ｅｃを適用して、触媒コンバータＭ２の推定温度Ｔｅｍｐ＿Ｃを求める。
【０１２７】
なお、３次元マップＮＥ＿ＥＣ＿ＴＥＭＰ（Ｎｅ，Ｅｃ）は、あらかじめ内燃機関Ｍ１の回転速度と充填効率を変化させて計測した、触媒コンバータＭ２の温度が設定されている。
【０１２８】
次に、ステップＳ１７０６において、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、触媒コンバータＭ２の推定温度Ｔｅｍｐ＿Ｃが、所定値（例えば、５５０℃）以上か否かを判断し、ＹＥＳの場合には、触媒コンバータＭ２が活性状態であると判断し、ステップＳ９０４に進む。一方、ＮＯの場合には、ステップＳ１７０７に進み、酸素消費量算出禁止手段Ｍ１３は、酸素消費量の算出実行を中止するために、フラグＳＴをリセット（＝０）する。
【０１２９】
以上のように、実施の形態２によれば、酸素消費量算出禁止手段によって、適正に酸素消費量を算出できないと判断された場合には、酸素消費量算出手段による酸素消費量の算出を禁止するような構成を備えている。これにより、中心Ａ／Ｆの補正量のバラツキの発生を抑制し、先の実施の形態１と比較して、中心Ａ／Ｆの補正の精度をさらに高めることが可能となる。
【０１３０】
具体的には、酸素消費量算出禁止手段は、触媒コンバータ内の酸素が飽和していない状態では、酸素消費量算出手段による酸素消費量の算出の開始を禁止するようにしている。これにより、内燃機関への燃料の供給を停止した直後、すぐに燃料の供給を再開した場合に生じる、触媒コンバータに吸着する酸素の量の減少に起因した中心Ａ／Ｆの補正量のバラツキの発生を抑制し、先の実施の形態１と比較して、中心Ａ／Ｆの補正の精度をさらに高めることが可能となる。
【０１３１】
さらに、酸素消費量算出禁止手段は、触媒コンバータが活性していない状態では、酸素消費量算出手段による酸素消費量の算出を禁止するようにしている。これにより、触媒コンバータが活性していない状態に生じる触媒コンバータに吸着する酸素の量の減少に起因した中心Ａ／Ｆの補正量のバラツキの発生を抑制し、先の実施の形態１と比較して、中心Ａ／Ｆの補正の精度をさらに高めることが可能となる。
【符号の説明】
【０１３２】
１クランク角センサ、２エアーフローセンサ、３インジェクタ、４点火プラグ、５内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）、Ｍ１内燃機関、Ｍ２触媒コンバータ、Ｍ３空燃比センサ、Ｍ４酸素濃度センサ、Ｍ５酸素消費量算出手段、Ｍ６触媒劣化判定手段、Ｍ７相対Ｏ２ストレージ量算出手段、Ｍ８空燃比制御手段、Ｍ９運転状態検出手段、Ｍ１０燃料噴射量調整手段、Ｍ１１中心Ａ／Ｆ補正手段、Ｍ１２診断禁止手段、Ｍ１３酸素消費量算出禁止手段。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータの劣化を診断する機能を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記触媒コンバータの上流に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記触媒コンバータの下流に配設され、前記触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとの、それぞれの検出結果に基づいて、前記触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断手段と、
前記触媒コンバータに吸着していた酸素が消費された量を酸素消費量として算出する酸素消費量算出手段と、
前記酸素消費量算出手段による酸素消費量の算出が完了するまで、前記触媒劣化診断手段による診断の実施を禁止する診断禁止手段と
を有し、
前記酸素消費量算出手段は、内燃機関への燃料の供給を停止した後、燃料の供給を再開した時点から、前記酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、前記酸素消費量を算出し、
前記触媒劣化診断手段は、
ストイキＡ／Ｆ相当としてあらかじめ初期設定されている中心Ａ／Ｆを、前記酸素消費量算出手段によって算出された前記酸素消費量を基に補正する中心Ａ／Ｆ補正手段と、
前記空燃比センサの出力と運転状態とに基づいて、前記中心Ａ／Ｆ補正手段で補正された前記中心Ａ／Ｆを基準として、前記触媒コンバータへ供給あるいは前記触媒コンバータから消費する酸素量を相対Ｏ２ストレージ量として算出する相対Ｏ２ストレージ量算出手段と、
前記相対Ｏ２ストレージ量算出手段で算出された前記相対Ｏ２ストレージ量に基づいて、前記中心Ａ／Ｆ補正手段で補正された前記中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリッチ、リーンの交互に操作する空燃比制御手段と、
前記相対Ｏ２ストレージ量算出手段および前記空燃比制御手段によって実施される空燃比制御の結果として得られる、前記空燃比センサの出力と前記酸素濃度センサの出力より、これらの出力の相関性を数値化した劣化判定パラメータを算出し、算出した前記劣化判定パラメータがあらかじめ設定された劣化判定基準値を上回っている場合に前記触媒コンバータの劣化と判断する触媒劣化判定手段と
を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記中心Ａ／Ｆ補正手段は、前記酸素消費量算出手段によって算出された前記酸素消費量に基づいて中心Ａ／Ｆの補正量を決定しつつ、リーン側への補正は制限する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、
内燃機関の運転状態を基に、前記酸素消費量算出手段が適正に酸素消費量を算出できないと判断される場合には、前記酸素消費量算出手段による酸素消費量の算出を禁止する酸素消費量算出禁止手段
をさらに有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
前記酸素消費量算出禁止手段は、前記触媒コンバータ内の酸素が飽和していない状態では、酸素消費量の算出の開始を禁止する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
前記酸素消費量算出禁止手段は、前記触媒コンバータが活性していない状態では、酸素消費量の算出を禁止する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項６】
内燃機関の排気通路に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う触媒コンバータの劣化を診断する機能を備えた内燃機関の制御装置に用いられる触媒コンバータの劣化診断方法であって、
前記触媒コンバータの上流に配設され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記触媒コンバータの下流に配設され、前記触媒コンバータより下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとの、それぞれの検出結果に基づいて、前記触媒コンバータの劣化を診断する触媒劣化診断ステップと、
前記触媒コンバータに吸着していた酸素が消費された量を酸素消費量として算出する酸素消費量算出ステップと、
前記酸素消費量算出ステップによる酸素消費量の算出が完了するまで、前記触媒劣化診断ステップによる診断の実施を禁止する診断禁止ステップと
を有し、
前記酸素消費量算出ステップは、内燃機関への燃料の供給を停止した後、燃料の供給を再開した時点から、前記酸素濃度センサの出力が所定値以上になるまでの期間に、前記酸素消費量を算出し、
前記触媒劣化診断ステップは、
ストイキＡ／Ｆ相当としてあらかじめ初期設定されている中心Ａ／Ｆを、前記酸素消費量算出ステップによって算出された前記酸素消費量を基に補正する中心Ａ／Ｆ補正ステップと
前記空燃比センサの出力と運転状態とに基づいて、前記中心Ａ／Ｆ補正ステップで補正された前記中心Ａ／Ｆを基準として、前記触媒コンバータへ供給あるいは前記触媒コンバータから消費する酸素量を相対Ｏ２ストレージ量として算出する相対Ｏ２ストレージ量算出ステップと、
前記相対Ｏ２ストレージ量算出ステップで算出された前記相対Ｏ２ストレージ量に基づいて、前記中心Ａ／Ｆ補正ステップで補正された前記中心Ａ／Ｆを基準として、空燃比をリッチ、リーンの交互に操作する空燃比制御ステップと、
前記相対Ｏ２ストレージ量算出ステップおよび前記空燃比制御ステップによって実施される空燃比制御の結果として得られる、前記空燃比センサの出力と前記酸素濃度センサの出力より、これらの出力の相関性を数値化した劣化判定パラメータを算出し、算出した前記劣化判定パラメータがあらかじめ設定された劣化判定基準値を上回っている場合に前記触媒コンバータの劣化と判断する触媒劣化判定ステップと
を含むことを特徴とする触媒コンバータの劣化診断方法。

【図１】