内燃機関の触媒異常判定方法
【課題】触媒の劣化診断精度を一層高める。
【解決手段】触媒の上流側のセンサ出力が変動してから下流側のセンサ出力が変動するまでの期間に触媒に吸蔵された酸素量の推算を行い、その推算値と劣化診断閾値とを比較するダイアグノーシスにおいて、目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、前記酸素吸蔵能力値を高く補正した上で触媒の異常の有無を判定し、目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、前記酸素吸蔵能力値を低く補正した上で触媒の異常の有無を判定する。
【解決手段】触媒の上流側のセンサ出力が変動してから下流側のセンサ出力が変動するまでの期間に触媒に吸蔵された酸素量の推算を行い、その推算値と劣化診断閾値とを比較するダイアグノーシスにおいて、目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、前記酸素吸蔵能力値を高く補正した上で触媒の異常の有無を判定し、目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、前記酸素吸蔵能力値を低く補正した上で触媒の異常の有無を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する触媒の異常判定を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両の排気通路には、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを酸化、ＮＯxを還元して無害化する三元触媒が装着されている。
【０００３】
触媒の酸素吸蔵能力（ＯＳＣ：Ｏ2 Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）は、経年劣化により減退する。触媒による排気ガスの浄化率は、触媒内に吸着できる酸素量に依存する。触媒の劣化が進行すると、排気ガスに含まれる有害物質の量も増大する。一方で、触媒の劣化は、車両自体の運転性能にはほとんど影響を与えない。それ故、異常な排出ガス車が長期間、無意識に使用され続けるおそれがある。
【０００４】
このような事象に対処するべく、近時では、触媒の経年劣化の度合いを自己診断するダイアグノーシス機能を車両に実装することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。既に知られている通り、触媒から酸素が完全に放出された状況の下で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリッチからリーンへと操作し、触媒下流の空燃比センサの出力信号がリーンに切り替わるまでの経過時間を計測することにより、現在触媒に吸蔵している酸素量を推算することができる。下流側センサ出力がリーンに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、当該触媒の最大酸素吸蔵能力の推計値となる。
【０００５】
また、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状況の下で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリーンからリッチへと操作し、触媒下流の空燃比センサの出力信号がリッチに切り替わるまでの間の経過時間を計測することにより、触媒が放出した酸素の量、即ち酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状態を基準とした酸素吸蔵量を推算することができる。下流側センサ出力がリッチに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、当該触媒の最大酸素放出能力、換言すれば最大酸素吸蔵能力ということになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−１３３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
触媒ダイアグノーシスの実行中においても、運転者がアクセルペダルを踏み込んだり、逆にこれを緩めたりすることはある。目標空燃比をリッチからリーンへ、またはリーンからリッチへと切り替えるタイミングで、アクセル開度が増大または減少すると、実際に触媒に流入するガスの空燃比が目標空燃比から大きく乖離してしまい、触媒の酸素吸蔵能力の推計値に少なからぬ誤差が混入してしまうことが判明した。
【０００８】
上記の問題に着目してなされた本発明は、触媒の酸素吸蔵能力の推定精度を一層高めることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照し、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させてから前記空燃比センサの出力が変動するまでの経過期間に触媒の酸素吸蔵能力を推計し、推計した酸素吸蔵能力値が閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定するダイアグノーシスを実施する触媒異常判定において、触媒に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度の変化量を検出し、目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、前記酸素吸蔵能力値を高く補正、若しくは前記閾値を低く補正した上で触媒の異常の有無を判定し、目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、前記酸素吸蔵能力値を低く補正、若しくは前記閾値を高く補正した上で触媒の異常の有無を判定することとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、触媒の酸素吸蔵能力の推定精度を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における触媒異常判定装置の構成要素を説明する図。
【図２】同触媒異常判定装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】ダイアグノーシスのためのアクティブ制御の内容を説明するタイミングチャート。
【図４】同触媒異常判定装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態における触媒異常判定装置０は、内燃機関で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを無害化する触媒５２の経年劣化の度合いを診断するものであって、図１に示すように、触媒５２の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ５３と、触媒５２の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ５４と、両空燃比センサ５３、５４の出力信号を参照して触媒５２の異常判定を行う判定部４とを具備する。
【００１３】
図２に、ハードウェア構成の概要を示す。図２に一気筒の構成を概略的に示した火花点火式内燃機関は、例えば自動車に搭載されるものである。内燃機関の吸気系１には、アクセルペダルの踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１１を設けており、スロットルバルブ１１の下流にはサージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２を取り付けている。サージタンク１３には、吸気管内圧力（または、吸気負圧）を検出する圧力センサ７１を配している。
【００１４】
排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、排出ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。そして、触媒５２の上流に第一の空燃比センサとしてリニアＡ／Ｆセンサ５３を、下流に第二の空燃比センサとしてリアＯ2センサ５４を、それぞれ配している。リニアＡ／Ｆセンサ５３は、排気ガスの空燃比に比例した線形な出力特性を有する。Ｏ2センサ５４は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力し、その出力特性は非線形である。
【００１５】
吸気系１と排気系５との間には、ＥＧＲ装置６を介設していることがある。ＥＧＲ装置６は、始端が排気マニホルド５１に連通し終端がサージタンク１３に連通する外部ＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ通路６１上に設けた外部ＥＧＲバルブ６２とを要素としてなる。ＥＧＲバルブ６２を開放すれば、排出ガスを排気系５から吸気系１へと還流して吸気に混合する外部ＥＧＲを実現できる。
【００１６】
気筒２上部に形成される燃焼室の天井部（シリンダヘッド）には、吸気バルブ２１、排気バルブ２２、インジェクタ３及び点火プラグ２３を設ける。
【００１７】
内燃機関の運転制御を司る電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４は、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インタフェース４３、出力インタフェース４４等を有するマイクロコンピュータシステムである。
【００１８】
入力インタフェース４３には、吸気管内圧力を検出する圧力センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出する車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ１１の開度（または、アクセルペダルの踏量）を検出するスロットルポジションセンサ７４から出力されるアクセル開度信号ｄ、シフトポジションスイッチ７５から出力されるシフトポジション信号ｅ、冷却水の温度を検出する水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、吸気カムシャフト９１の端部にあるタイミングセンサ９３から出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｇ、排気カムシャフト９２の端部にあるタイミングセンサ９４から（四気筒の場合）１８０°ＣＡ（クランク角度）回転毎に出力される排気カム信号ｈ、空燃比センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｉ、空燃比センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｊ、エアコンや照明その他の電気負荷のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うスイッチ７７から出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号ｋ等が出力される。エンジン回転数センサ７２は、クランクシャフトとともに回転する円板の外周に１０°ＣＡ毎に間欠的に形成した歯の通過を感知することでクランクシャフトの回転速度を知得するものである。
【００１９】
出力インタフェース４４からは、インジェクタ３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、ＥＧＲバルブ６２に対してＥＧＲバルブ開度信号ｏ等を出力する。
【００２０】
中央演算装置４１は、記憶装置４２に予め格納しているプログラムを解釈、実行して、内燃機関の燃料噴射量や点火時期、気筒２に充填される吸気のＥＧＲ率（ＥＧＲガスの還流量）等の制御を遂行する。
【００２１】
内燃機関の運転制御において、ＥＣＵ４は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋを入力インタフェース４３を介して取得し、さらに現状の吸気量及び当該吸気のＥＧＲ率を推定して、それらに基づいて制御入力である燃料噴射量（インジェクタ３の開弁時間）、点火時期、ＥＧＲバルブ６２の開度（ＥＧＲステップ数）等を演算する。特に、要求燃料噴射量は、気筒２に充填される吸入空気量（新気量及びＥＧＲガス量）の予測値に対して所要の目標空燃比を達成するために必要な基本噴射量を演算し、この基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた補正係数や、空燃比センサ５３、５４を介して検出した実測空燃比と目標空燃比との偏差に基づくフィードバック補正係数等を乗じ、さらに無効噴射時間を加味して決定する。そして、演算した制御入力に対応した制御信号ｍ、ｎ、ｏを、出力インタフェース４４を介して印加する。上記制御入力の算定手法は、既知の内燃機関の運転制御と同様とすることができるので、ここでは詳細な説明を割愛する。
【００２２】
本実施形態における判定部たるＥＣＵ４は、プログラムに従い、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を推算するとともに、推算した最大酸素吸蔵能力値を劣化判定閾値と比較して、触媒５２が正常であるか異常であるかを判定する。
【００２３】
触媒５２の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関の気筒に空燃比リーンの混合気を供給して触媒５２の酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ５３の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ５４の出力信号は、第一の空燃比センサ５３の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒５２に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。
【００２４】
第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リッチを示してから、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間に経過した時間をＴRとおき、このＴRの間に供給した燃料の総重量をＧF、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／ＦRとおくと、ＴRの間に触媒５２中で不足した酸素量は、
（α・ΔＡ／ＦR・ＧF）
となる。αは、空気中に占める酸素の重量割合（≒０．２３）である。
【００２５】
上式は、ＴRの時点までに触媒５２が放出した酸素の量を表している。供給した燃料の総重量ＧFは、ＥＣＵ４において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリッチな（１４．６よりも小さい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数（エンジン回転数に比例）を乗じれば、単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間ＴRを乗じれば、供給した燃料の総重量ＧFとなる。要するに、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リッチを示した時点での経過時間ＴRに基づいて、触媒５２の最大酸素放出能力を算出することが可能である。この最大酸素放出能力は、最大酸素吸蔵能力と同義である。
【００２６】
厳密には、ＴRの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量（または、一回の噴射量）は増減し得る。故に、ＴRの期間中の供給燃料の総重量ＧFは、単位時間当たりの供給量ｇF（ｔ）をＴRで時間積分して求めることが好ましい。また、本実施形態では、触媒５２の上流にリニアＡ／Ｆセンサ５３を配しており、触媒５２に流入するガスの空燃比を実時間で計測することが可能である。よって、ΔＡ／ＦR（ｔ）を理論空燃比とＡ／Ｆセンサ５３を介して計測した実測空燃比との差分として、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を、ＴRの期間の時間積分として求めることができる。即ち；
α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ
あるいは、内燃機関の気筒に空燃比リッチの混合気を供給して触媒５２に酸素を全く吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ５３の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ５４の出力信号は、第一の空燃比センサ５３の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒５２に吸着するためである。
【００２７】
第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リーンを示してから、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間に経過した時間をＴLとおき、このＴLの間に供給した燃料の総重量をＧF、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／ＦLとおくと、ＴLの間に触媒５２中で過剰となった酸素量は、
（α・ΔＡ／ＦL・ＧF）
となる。
【００２８】
上式は、ＴLの時点で触媒５２が吸蔵している酸素の量を表している。供給した燃料の総重量ＧFはやはり、ＥＣＵ４において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリーンな（１４．６よりも大きい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数を乗じれば単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間ＴLを乗じれば、供給した燃料の総重量ＧFとなる。要するに、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リーンを示した時点での経過時間ＴLに基づいて、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を算出することが可能である。
【００２９】
厳密には、ＴLの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量（または、一回の噴射量）は増減し得る。故に、ＴLの期間中の供給燃料の総重量ＧFは、単位時間当たりの供給量ｇF（ｔ）をＴLで時間積分して求めることが好ましい。ΔＡ／ＦL（ｔ）を理論空燃比とＡ／Ｆセンサ５３を介して計測した実測空燃比との差分とすれば、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を、ＴLの期間の時間積分として求めることができる。即ち；
α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ
ＥＣＵ４は、アイドリング時、定常走行時、加速走行時、その他特定の運転状態（燃料カットが発生する減速走行時を除く）にあるときに、理論空燃比へのフィードバック制御を一時停止し、混合気の空燃比を意図的に振動させる「アクティブ制御」に移行してダイアグノーシスを実施する。
【００３０】
図３に示しているように、アクティブ制御では、第二の空燃比センサ５４の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達した、即ち第二空燃比センサ５４の出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリーン側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒５２に流入するガスの空燃比を強制的にリーン化する。そして、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ５４の出力電圧が所定のリーン判定値に到達するまでの期間ＴL、即ち第二の空燃比センサ５４の出力が再度リーンへと切り替わるまでの経過期間ＴLにおける最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを積算する。ＴLは、酸素を吸蔵していない触媒５２が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間である。リッチ判定値とリーン判定値とは、相異なる値であってもよく、同一の値であってもよい。
【００３１】
並びに、第二の空燃比センサ５４の出力がリッチからリーンへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリッチ側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒５２に流入するガスの空燃比を強制的にリッチ化する。そして、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ５４の出力電圧が所定のリーン判定値に到達するまでの期間ＴR、即ち第二の空燃比センサ５４の出力が再度リッチへと切り替わるまでの経過期間ＴRにおける最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを積算する。ＴRは、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒５２がその酸素の全てを放出するのに要した時間である。
【００３２】
しかして、最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔをそれぞれ一回以上算出し、それらの平均値を求める。
【００３３】
上記の最大酸素吸蔵能力の平均値を劣化判定閾値と比較して、その値が劣化判定閾値を下回っているならば、触媒５２が異常である旨の情報を記憶装置４２に書き込み記録するとともに、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知して触媒５２の交換を促す。報知は、例えば、ＥＣＵ４が出力インタフェース４４を介して電気信号を出力し、コックピット内で発光デバイスを点灯または点滅させることにより行う。
【００３４】
このような触媒５２の劣化判定において、本実施形態では、触媒に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度（スロットルバルブ開度またはアクセルペダル踏量）の変化量に応じて、劣化判定閾値と比較するべき酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔまたはα∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに補正を加えることとしている。
【００３５】
触媒に流入するガスの目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が増大した場合、ＥＣＵ４はアクセル開度の増大に対応して燃料噴射量を増量する。燃料噴射量の増量、換言すればインジェクタ３の開弁時間の補正は速やかに行われる。一方で、アクセル開度の増大と気筒２に充填される吸入空気量の増加との間には、タイムラグが存在している。即ち、吸入空気量の増加が、燃料噴射量の増量に対して遅れる。結果、触媒５２に流入するガスの空燃比が、一時的に目標空燃比を超えてアンダーシュートしてしまう。ＥＣＵ４では、この空燃比の過リッチをＡ／Ｆセンサ５３を介して知得した上で、酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを推算する。従って、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが、実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を上回ってしまう問題が発生する。
【００３６】
逆に、触媒に流入するガスの目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が減少した場合、ＥＣＵ４はアクセル開度の減少に対応して燃料噴射量を減量する。燃料噴射量の減量補正が速やかに行われる一方で、気筒２に充填される吸入空気量の減少は、燃料噴射量の減量に対して遅れる。結果、触媒５２に流入するガスの空燃比が、一時的に目標空燃比に到達しない（目標空燃比よりも高い）状態となってしまう。ＥＣＵ４では、この空燃比の目標未達をＡ／Ｆセンサ５３を介して知得した上で、酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを推算する。従って、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが、実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を下回ってしまう問題が発生する。
【００３７】
同様に、触媒に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が減少した場合には、気筒２に充填される吸入空気量の減少が燃料噴射量の減量補正に対して遅れ、触媒５２に流入するガスの空燃比が一時的にオーバーシュートして過リーンとなる。従って、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を上回ってしまう。
【００３８】
触媒に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が増大した場合には、気筒２に充填される吸入空気量の増加が燃料噴射量の増量補正に対して遅れ、触媒５２に流入するガスの空燃比が一時的に目標未達となる。従って、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を下回ってしまう。
【００３９】
以上に鑑みて、触媒５２に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを高く補正した上で劣化判定閾値と比較、触媒５２の異常の有無を判定する。
【００４０】
そして、触媒５２に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを低く補正した上で劣化判定閾値と比較、触媒５２の異常の有無を判定する。
【００４１】
図４に、触媒５２のダイアグノーシスの手順例を示す。触媒５２の酸素吸蔵能力の推定では、ＥＣＵ４が、内燃機関の気筒２に充填するガスの目標空燃比をリーンからリッチへ、またはリッチからリーンへと強制的に反転操作し（ステップＳ１）、第一の空燃比センサ５３の出力が反転してから第二の空燃比センサ５４の出力が反転するまでの期間ＴR、ＴLに触媒５２が吸蔵している酸素量α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを積算する（ステップＳ２）。第二の空燃比センサ５４の出力信号がリッチからリーンへ、またはリーンからリッチへと反転したならば（ステップＳ３）、その反転時点における酸素吸蔵量を触媒５２の最大酸素吸蔵能力の推算値として、これを記憶装置４２に一時記憶する（ステップＳ４）。
【００４２】
並びに、ステップＳ１にて目標空燃比を反転してから所定時間内におけるアクセル開度の変化量を検出し（ステップＳ５）、その変化量に応じて、ステップＳ４にて得た最大酸素吸蔵能力の推算値に加味する補正量を決定する（ステップＳ６）。ステップＳ５では、目標空燃比を反転してから所定時間内にＥＣＵ４が算出した要求燃料噴射量の変化量を以て、アクセル開度の変化量とする。但し、スロットルバルブ１１の開度またはアクセルペダルの踏量の変化量をアクセル開度の変化量とすることも考えられる。
【００４３】
ステップＳ６では、当該要求燃料噴射量の変化量の多寡に応じて、酸素吸蔵能力の推算値に乗ずる補正係数を決定する。ＥＣＵ４の記憶装置４２には予め、要求燃料噴射量の変化量と補正係数との関係を規定したマップデータが記憶されている。ＥＣＵ４は、要求燃料噴射量の変化量をキーとしてマップを検索し、補正係数を知得する。マップデータは、
・目標空燃比をリッチに切り替えたときに要求燃料噴射量が増加したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１未満とし、要求燃料噴射量の増加量が多いほど補正係数を小さくする
・目標空燃比をリッチに切り替えたときに要求燃料噴射量が減少したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１以上とし、要求燃料噴射量の減少量が多いほど補正係数を大きくする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときに要求燃料噴射量が減少したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１未満とし、要求燃料噴射量の減少量が多いほど補正係数を小さくする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときに要求燃料噴射量が増加したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１以上とし、要求燃料噴射量の増加量が多いほど補正係数を大きくする
という傾向を有する。
【００４４】
そして、ステップＳ４にて得た最大酸素吸蔵能力の推算値に、ステップＳ６にて決定した補正係数を乗じた値を、記憶装置４２に一時記憶する（ステップＳ７）。しかる後、混合気の空燃比を強制的に再反転させ、最大酸素吸蔵能力の算出処理を繰り返す。
【００４５】
最大酸素吸蔵能力の値を複数回推算したら（ステップＳ８）、アクティブ制御を停止するとともに（ステップＳ９）、ステップＳ７にて記憶している複数回分の最大酸素吸蔵能力値を平均化し（ステップＳ１０）、その平均値を劣化判定閾値と比較する（ステップＳ１１）。
【００４６】
最大酸素吸蔵能力（の平均値）が劣化判定閾値以上であるならば、触媒５２が正常である旨の判定を下したという情報を履歴として記憶装置４２に記憶する（ステップＳ１２）。逆に、最大酸素吸蔵能力が劣化判定閾値を下回っているならば、触媒５２が異常である旨の判定を下したという情報を記録する（ステップＳ１３）。加えて、触媒５２の劣化異常を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知し（ステップＳ１４）、触媒５２の交換を促す。
【００４７】
本実施形態では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒５２の上流及び下流に設けられた空燃比センサ５３、５４の出力を参照し、下流側センサ出力が変動するまでの経過期間ＴR、ＴLに触媒５２に吸蔵された酸素量を推算し、触媒５２の劣化診断を行うダイアグノーシスにおいて、触媒５２に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度の変化量を検出し、目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、過小評価された酸素吸蔵能力値を高く補正した上で触媒５２の異常の有無を判定し、目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、過大評価された酸素吸蔵能力値を低く補正した上で触媒５２の異常の有無を判定することとした。
【００４８】
本実施形態によれば、アクティブ制御における目標空燃比の切り替えと同時にアクセル操作が行われた場合の触媒５２の酸素吸蔵能力の推定誤差を縮小して、触媒５２の劣化診断精度を一層高めることが可能となる。つまり、未だ必要十分な性能を有している触媒５２を劣化したものであると誤判定するおそれが小さくなる。また、加速期や減速期に触媒５２の劣化診断を実施することが許容される、つまりダイアグノーシスの機会を増すことができるので、劣化した異常触媒が使用され続けることを予防でき、排気ガスの浄化能率の維持、環境性能の向上を達成できる。
【００４９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、触媒５２の異常判定に際し、アクセル開度の変化量の多寡に応じて触媒５２の最大酸素吸蔵能力の推算値を補正するものとしていたが、替わりに、アクセル開度の変化量の多寡に応じて劣化診断閾値を上下させるものとしても、同等の効果を奏し得る。即ち、
・目標空燃比をリッチに切り替えたときにアクセル開度（または、要求燃料噴射量）が増加したならば、アクセル開度の増加量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を高くする
・目標空燃比をリッチに切り替えたときにアクセル開度が減少したならば、アクセル開度の減少量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を低くする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときにアクセル開度が減少したならば、アクセル開度の減少量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を高くする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときにアクセル開度が増加したならば、アクセル開度の増加量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を低くする
こととし、最大酸素吸蔵能力の推算値を複数回算出している場合には、それら推算値と比較するべき劣化判定閾値の平均をとって、複数回の推算値の平均値と比較するようにすればよい。
【００５０】
その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、車両に搭載される内燃機関に付帯する排気ガス浄化用の触媒の劣化診断に適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
０…触媒異常判定装置
４…判定部（電子制御装置）
５２…触媒
５３…第一の空燃比センサ
５４…第二の空燃比センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する触媒の異常判定を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両の排気通路には、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを酸化、ＮＯxを還元して無害化する三元触媒が装着されている。
【０００３】
触媒の酸素吸蔵能力（ＯＳＣ：Ｏ2 Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）は、経年劣化により減退する。触媒による排気ガスの浄化率は、触媒内に吸着できる酸素量に依存する。触媒の劣化が進行すると、排気ガスに含まれる有害物質の量も増大する。一方で、触媒の劣化は、車両自体の運転性能にはほとんど影響を与えない。それ故、異常な排出ガス車が長期間、無意識に使用され続けるおそれがある。
【０００４】
このような事象に対処するべく、近時では、触媒の経年劣化の度合いを自己診断するダイアグノーシス機能を車両に実装することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。既に知られている通り、触媒から酸素が完全に放出された状況の下で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリッチからリーンへと操作し、触媒下流の空燃比センサの出力信号がリーンに切り替わるまでの経過時間を計測することにより、現在触媒に吸蔵している酸素量を推算することができる。下流側センサ出力がリーンに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、当該触媒の最大酸素吸蔵能力の推計値となる。
【０００５】
また、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状況の下で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリーンからリッチへと操作し、触媒下流の空燃比センサの出力信号がリッチに切り替わるまでの間の経過時間を計測することにより、触媒が放出した酸素の量、即ち酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状態を基準とした酸素吸蔵量を推算することができる。下流側センサ出力がリッチに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、当該触媒の最大酸素放出能力、換言すれば最大酸素吸蔵能力ということになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−１３３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
触媒ダイアグノーシスの実行中においても、運転者がアクセルペダルを踏み込んだり、逆にこれを緩めたりすることはある。目標空燃比をリッチからリーンへ、またはリーンからリッチへと切り替えるタイミングで、アクセル開度が増大または減少すると、実際に触媒に流入するガスの空燃比が目標空燃比から大きく乖離してしまい、触媒の酸素吸蔵能力の推計値に少なからぬ誤差が混入してしまうことが判明した。
【０００８】
上記の問題に着目してなされた本発明は、触媒の酸素吸蔵能力の推定精度を一層高めることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照し、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させてから前記空燃比センサの出力が変動するまでの経過期間に触媒の酸素吸蔵能力を推計し、推計した酸素吸蔵能力値が閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定するダイアグノーシスを実施する触媒異常判定において、触媒に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度の変化量を検出し、目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、前記酸素吸蔵能力値を高く補正、若しくは前記閾値を低く補正した上で触媒の異常の有無を判定し、目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、前記酸素吸蔵能力値を低く補正、若しくは前記閾値を高く補正した上で触媒の異常の有無を判定することとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、触媒の酸素吸蔵能力の推定精度を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における触媒異常判定装置の構成要素を説明する図。
【図２】同触媒異常判定装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】ダイアグノーシスのためのアクティブ制御の内容を説明するタイミングチャート。
【図４】同触媒異常判定装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態における触媒異常判定装置０は、内燃機関で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを無害化する触媒５２の経年劣化の度合いを診断するものであって、図１に示すように、触媒５２の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ５３と、触媒５２の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ５４と、両空燃比センサ５３、５４の出力信号を参照して触媒５２の異常判定を行う判定部４とを具備する。
【００１３】
図２に、ハードウェア構成の概要を示す。図２に一気筒の構成を概略的に示した火花点火式内燃機関は、例えば自動車に搭載されるものである。内燃機関の吸気系１には、アクセルペダルの踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１１を設けており、スロットルバルブ１１の下流にはサージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２を取り付けている。サージタンク１３には、吸気管内圧力（または、吸気負圧）を検出する圧力センサ７１を配している。
【００１４】
排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、排出ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。そして、触媒５２の上流に第一の空燃比センサとしてリニアＡ／Ｆセンサ５３を、下流に第二の空燃比センサとしてリアＯ2センサ５４を、それぞれ配している。リニアＡ／Ｆセンサ５３は、排気ガスの空燃比に比例した線形な出力特性を有する。Ｏ2センサ５４は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力し、その出力特性は非線形である。
【００１５】
吸気系１と排気系５との間には、ＥＧＲ装置６を介設していることがある。ＥＧＲ装置６は、始端が排気マニホルド５１に連通し終端がサージタンク１３に連通する外部ＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ通路６１上に設けた外部ＥＧＲバルブ６２とを要素としてなる。ＥＧＲバルブ６２を開放すれば、排出ガスを排気系５から吸気系１へと還流して吸気に混合する外部ＥＧＲを実現できる。
【００１６】
気筒２上部に形成される燃焼室の天井部（シリンダヘッド）には、吸気バルブ２１、排気バルブ２２、インジェクタ３及び点火プラグ２３を設ける。
【００１７】
内燃機関の運転制御を司る電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４は、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インタフェース４３、出力インタフェース４４等を有するマイクロコンピュータシステムである。
【００１８】
入力インタフェース４３には、吸気管内圧力を検出する圧力センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出する車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ１１の開度（または、アクセルペダルの踏量）を検出するスロットルポジションセンサ７４から出力されるアクセル開度信号ｄ、シフトポジションスイッチ７５から出力されるシフトポジション信号ｅ、冷却水の温度を検出する水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、吸気カムシャフト９１の端部にあるタイミングセンサ９３から出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｇ、排気カムシャフト９２の端部にあるタイミングセンサ９４から（四気筒の場合）１８０°ＣＡ（クランク角度）回転毎に出力される排気カム信号ｈ、空燃比センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｉ、空燃比センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｊ、エアコンや照明その他の電気負荷のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うスイッチ７７から出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号ｋ等が出力される。エンジン回転数センサ７２は、クランクシャフトとともに回転する円板の外周に１０°ＣＡ毎に間欠的に形成した歯の通過を感知することでクランクシャフトの回転速度を知得するものである。
【００１９】
出力インタフェース４４からは、インジェクタ３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、ＥＧＲバルブ６２に対してＥＧＲバルブ開度信号ｏ等を出力する。
【００２０】
中央演算装置４１は、記憶装置４２に予め格納しているプログラムを解釈、実行して、内燃機関の燃料噴射量や点火時期、気筒２に充填される吸気のＥＧＲ率（ＥＧＲガスの還流量）等の制御を遂行する。
【００２１】
内燃機関の運転制御において、ＥＣＵ４は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋを入力インタフェース４３を介して取得し、さらに現状の吸気量及び当該吸気のＥＧＲ率を推定して、それらに基づいて制御入力である燃料噴射量（インジェクタ３の開弁時間）、点火時期、ＥＧＲバルブ６２の開度（ＥＧＲステップ数）等を演算する。特に、要求燃料噴射量は、気筒２に充填される吸入空気量（新気量及びＥＧＲガス量）の予測値に対して所要の目標空燃比を達成するために必要な基本噴射量を演算し、この基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた補正係数や、空燃比センサ５３、５４を介して検出した実測空燃比と目標空燃比との偏差に基づくフィードバック補正係数等を乗じ、さらに無効噴射時間を加味して決定する。そして、演算した制御入力に対応した制御信号ｍ、ｎ、ｏを、出力インタフェース４４を介して印加する。上記制御入力の算定手法は、既知の内燃機関の運転制御と同様とすることができるので、ここでは詳細な説明を割愛する。
【００２２】
本実施形態における判定部たるＥＣＵ４は、プログラムに従い、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を推算するとともに、推算した最大酸素吸蔵能力値を劣化判定閾値と比較して、触媒５２が正常であるか異常であるかを判定する。
【００２３】
触媒５２の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関の気筒に空燃比リーンの混合気を供給して触媒５２の酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ５３の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ５４の出力信号は、第一の空燃比センサ５３の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒５２に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。
【００２４】
第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リッチを示してから、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間に経過した時間をＴRとおき、このＴRの間に供給した燃料の総重量をＧF、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／ＦRとおくと、ＴRの間に触媒５２中で不足した酸素量は、
（α・ΔＡ／ＦR・ＧF）
となる。αは、空気中に占める酸素の重量割合（≒０．２３）である。
【００２５】
上式は、ＴRの時点までに触媒５２が放出した酸素の量を表している。供給した燃料の総重量ＧFは、ＥＣＵ４において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリッチな（１４．６よりも小さい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数（エンジン回転数に比例）を乗じれば、単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間ＴRを乗じれば、供給した燃料の総重量ＧFとなる。要するに、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リッチを示した時点での経過時間ＴRに基づいて、触媒５２の最大酸素放出能力を算出することが可能である。この最大酸素放出能力は、最大酸素吸蔵能力と同義である。
【００２６】
厳密には、ＴRの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量（または、一回の噴射量）は増減し得る。故に、ＴRの期間中の供給燃料の総重量ＧFは、単位時間当たりの供給量ｇF（ｔ）をＴRで時間積分して求めることが好ましい。また、本実施形態では、触媒５２の上流にリニアＡ／Ｆセンサ５３を配しており、触媒５２に流入するガスの空燃比を実時間で計測することが可能である。よって、ΔＡ／ＦR（ｔ）を理論空燃比とＡ／Ｆセンサ５３を介して計測した実測空燃比との差分として、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を、ＴRの期間の時間積分として求めることができる。即ち；
α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ
あるいは、内燃機関の気筒に空燃比リッチの混合気を供給して触媒５２に酸素を全く吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ５３の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ５４の出力信号は、第一の空燃比センサ５３の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒５２に吸着するためである。
【００２７】
第一の空燃比センサ５３の出力信号が空燃比リーンを示してから、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間に経過した時間をＴLとおき、このＴLの間に供給した燃料の総重量をＧF、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／ＦLとおくと、ＴLの間に触媒５２中で過剰となった酸素量は、
（α・ΔＡ／ＦL・ＧF）
となる。
【００２８】
上式は、ＴLの時点で触媒５２が吸蔵している酸素の量を表している。供給した燃料の総重量ＧFはやはり、ＥＣＵ４において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリーンな（１４．６よりも大きい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数を乗じれば単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間ＴLを乗じれば、供給した燃料の総重量ＧFとなる。要するに、第二の空燃比センサ５４の出力信号が空燃比リーンを示した時点での経過時間ＴLに基づいて、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を算出することが可能である。
【００２９】
厳密には、ＴLの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量（または、一回の噴射量）は増減し得る。故に、ＴLの期間中の供給燃料の総重量ＧFは、単位時間当たりの供給量ｇF（ｔ）をＴLで時間積分して求めることが好ましい。ΔＡ／ＦL（ｔ）を理論空燃比とＡ／Ｆセンサ５３を介して計測した実測空燃比との差分とすれば、触媒５２の最大酸素吸蔵能力を、ＴLの期間の時間積分として求めることができる。即ち；
α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ
ＥＣＵ４は、アイドリング時、定常走行時、加速走行時、その他特定の運転状態（燃料カットが発生する減速走行時を除く）にあるときに、理論空燃比へのフィードバック制御を一時停止し、混合気の空燃比を意図的に振動させる「アクティブ制御」に移行してダイアグノーシスを実施する。
【００３０】
図３に示しているように、アクティブ制御では、第二の空燃比センサ５４の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達した、即ち第二空燃比センサ５４の出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリーン側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒５２に流入するガスの空燃比を強制的にリーン化する。そして、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ５４の出力電圧が所定のリーン判定値に到達するまでの期間ＴL、即ち第二の空燃比センサ５４の出力が再度リーンへと切り替わるまでの経過期間ＴLにおける最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを積算する。ＴLは、酸素を吸蔵していない触媒５２が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間である。リッチ判定値とリーン判定値とは、相異なる値であってもよく、同一の値であってもよい。
【００３１】
並びに、第二の空燃比センサ５４の出力がリッチからリーンへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリッチ側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒５２に流入するガスの空燃比を強制的にリッチ化する。そして、第一の空燃比センサ５３の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ５４の出力電圧が所定のリーン判定値に到達するまでの期間ＴR、即ち第二の空燃比センサ５４の出力が再度リッチへと切り替わるまでの経過期間ＴRにおける最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを積算する。ＴRは、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒５２がその酸素の全てを放出するのに要した時間である。
【００３２】
しかして、最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔをそれぞれ一回以上算出し、それらの平均値を求める。
【００３３】
上記の最大酸素吸蔵能力の平均値を劣化判定閾値と比較して、その値が劣化判定閾値を下回っているならば、触媒５２が異常である旨の情報を記憶装置４２に書き込み記録するとともに、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知して触媒５２の交換を促す。報知は、例えば、ＥＣＵ４が出力インタフェース４４を介して電気信号を出力し、コックピット内で発光デバイスを点灯または点滅させることにより行う。
【００３４】
このような触媒５２の劣化判定において、本実施形態では、触媒に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度（スロットルバルブ開度またはアクセルペダル踏量）の変化量に応じて、劣化判定閾値と比較するべき酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔまたはα∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに補正を加えることとしている。
【００３５】
触媒に流入するガスの目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が増大した場合、ＥＣＵ４はアクセル開度の増大に対応して燃料噴射量を増量する。燃料噴射量の増量、換言すればインジェクタ３の開弁時間の補正は速やかに行われる。一方で、アクセル開度の増大と気筒２に充填される吸入空気量の増加との間には、タイムラグが存在している。即ち、吸入空気量の増加が、燃料噴射量の増量に対して遅れる。結果、触媒５２に流入するガスの空燃比が、一時的に目標空燃比を超えてアンダーシュートしてしまう。ＥＣＵ４では、この空燃比の過リッチをＡ／Ｆセンサ５３を介して知得した上で、酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを推算する。従って、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが、実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を上回ってしまう問題が発生する。
【００３６】
逆に、触媒に流入するガスの目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が減少した場合、ＥＣＵ４はアクセル開度の減少に対応して燃料噴射量を減量する。燃料噴射量の減量補正が速やかに行われる一方で、気筒２に充填される吸入空気量の減少は、燃料噴射量の減量に対して遅れる。結果、触媒５２に流入するガスの空燃比が、一時的に目標空燃比に到達しない（目標空燃比よりも高い）状態となってしまう。ＥＣＵ４では、この空燃比の目標未達をＡ／Ｆセンサ５３を介して知得した上で、酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを推算する。従って、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが、実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を下回ってしまう問題が発生する。
【００３７】
同様に、触媒に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が減少した場合には、気筒２に充填される吸入空気量の減少が燃料噴射量の減量補正に対して遅れ、触媒５２に流入するガスの空燃比が一時的にオーバーシュートして過リーンとなる。従って、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を上回ってしまう。
【００３８】
触媒に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えるのと同時期にアクセル開度が増大した場合には、気筒２に充填される吸入空気量の増加が燃料噴射量の増量補正に対して遅れ、触媒５２に流入するガスの空燃比が一時的に目標未達となる。従って、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔが実際の触媒５２の酸素吸蔵能力を下回ってしまう。
【００３９】
以上に鑑みて、触媒５２に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを高く補正した上で劣化判定閾値と比較、触媒５２の異常の有無を判定する。
【００４０】
そして、触媒５２に流入するガスの目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、酸素吸蔵能力の推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを低く補正した上で劣化判定閾値と比較、触媒５２の異常の有無を判定する。
【００４１】
図４に、触媒５２のダイアグノーシスの手順例を示す。触媒５２の酸素吸蔵能力の推定では、ＥＣＵ４が、内燃機関の気筒２に充填するガスの目標空燃比をリーンからリッチへ、またはリッチからリーンへと強制的に反転操作し（ステップＳ１）、第一の空燃比センサ５３の出力が反転してから第二の空燃比センサ５４の出力が反転するまでの期間ＴR、ＴLに触媒５２が吸蔵している酸素量α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔを積算する（ステップＳ２）。第二の空燃比センサ５４の出力信号がリッチからリーンへ、またはリーンからリッチへと反転したならば（ステップＳ３）、その反転時点における酸素吸蔵量を触媒５２の最大酸素吸蔵能力の推算値として、これを記憶装置４２に一時記憶する（ステップＳ４）。
【００４２】
並びに、ステップＳ１にて目標空燃比を反転してから所定時間内におけるアクセル開度の変化量を検出し（ステップＳ５）、その変化量に応じて、ステップＳ４にて得た最大酸素吸蔵能力の推算値に加味する補正量を決定する（ステップＳ６）。ステップＳ５では、目標空燃比を反転してから所定時間内にＥＣＵ４が算出した要求燃料噴射量の変化量を以て、アクセル開度の変化量とする。但し、スロットルバルブ１１の開度またはアクセルペダルの踏量の変化量をアクセル開度の変化量とすることも考えられる。
【００４３】
ステップＳ６では、当該要求燃料噴射量の変化量の多寡に応じて、酸素吸蔵能力の推算値に乗ずる補正係数を決定する。ＥＣＵ４の記憶装置４２には予め、要求燃料噴射量の変化量と補正係数との関係を規定したマップデータが記憶されている。ＥＣＵ４は、要求燃料噴射量の変化量をキーとしてマップを検索し、補正係数を知得する。マップデータは、
・目標空燃比をリッチに切り替えたときに要求燃料噴射量が増加したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１未満とし、要求燃料噴射量の増加量が多いほど補正係数を小さくする
・目標空燃比をリッチに切り替えたときに要求燃料噴射量が減少したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１以上とし、要求燃料噴射量の減少量が多いほど補正係数を大きくする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときに要求燃料噴射量が減少したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１未満とし、要求燃料噴射量の減少量が多いほど補正係数を小さくする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときに要求燃料噴射量が増加したならば、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔに乗ずる補正係数を１以上とし、要求燃料噴射量の増加量が多いほど補正係数を大きくする
という傾向を有する。
【００４４】
そして、ステップＳ４にて得た最大酸素吸蔵能力の推算値に、ステップＳ６にて決定した補正係数を乗じた値を、記憶装置４２に一時記憶する（ステップＳ７）。しかる後、混合気の空燃比を強制的に再反転させ、最大酸素吸蔵能力の算出処理を繰り返す。
【００４５】
最大酸素吸蔵能力の値を複数回推算したら（ステップＳ８）、アクティブ制御を停止するとともに（ステップＳ９）、ステップＳ７にて記憶している複数回分の最大酸素吸蔵能力値を平均化し（ステップＳ１０）、その平均値を劣化判定閾値と比較する（ステップＳ１１）。
【００４６】
最大酸素吸蔵能力（の平均値）が劣化判定閾値以上であるならば、触媒５２が正常である旨の判定を下したという情報を履歴として記憶装置４２に記憶する（ステップＳ１２）。逆に、最大酸素吸蔵能力が劣化判定閾値を下回っているならば、触媒５２が異常である旨の判定を下したという情報を記録する（ステップＳ１３）。加えて、触媒５２の劣化異常を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知し（ステップＳ１４）、触媒５２の交換を促す。
【００４７】
本実施形態では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒５２の上流及び下流に設けられた空燃比センサ５３、５４の出力を参照し、下流側センサ出力が変動するまでの経過期間ＴR、ＴLに触媒５２に吸蔵された酸素量を推算し、触媒５２の劣化診断を行うダイアグノーシスにおいて、触媒５２に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度の変化量を検出し、目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、過小評価された酸素吸蔵能力値を高く補正した上で触媒５２の異常の有無を判定し、目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、過大評価された酸素吸蔵能力値を低く補正した上で触媒５２の異常の有無を判定することとした。
【００４８】
本実施形態によれば、アクティブ制御における目標空燃比の切り替えと同時にアクセル操作が行われた場合の触媒５２の酸素吸蔵能力の推定誤差を縮小して、触媒５２の劣化診断精度を一層高めることが可能となる。つまり、未だ必要十分な性能を有している触媒５２を劣化したものであると誤判定するおそれが小さくなる。また、加速期や減速期に触媒５２の劣化診断を実施することが許容される、つまりダイアグノーシスの機会を増すことができるので、劣化した異常触媒が使用され続けることを予防でき、排気ガスの浄化能率の維持、環境性能の向上を達成できる。
【００４９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、触媒５２の異常判定に際し、アクセル開度の変化量の多寡に応じて触媒５２の最大酸素吸蔵能力の推算値を補正するものとしていたが、替わりに、アクセル開度の変化量の多寡に応じて劣化診断閾値を上下させるものとしても、同等の効果を奏し得る。即ち、
・目標空燃比をリッチに切り替えたときにアクセル開度（または、要求燃料噴射量）が増加したならば、アクセル開度の増加量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を高くする
・目標空燃比をリッチに切り替えたときにアクセル開度が減少したならば、アクセル開度の減少量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦR（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を低くする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときにアクセル開度が減少したならば、アクセル開度の減少量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を高くする
・目標空燃比をリーンに切り替えたときにアクセル開度が増加したならば、アクセル開度の増加量が多いほど、推算値α∫｛ΔＡ／ＦL（ｔ）・ｇF（ｔ）｝ｄｔと比較する劣化診断閾値を低くする
こととし、最大酸素吸蔵能力の推算値を複数回算出している場合には、それら推算値と比較するべき劣化判定閾値の平均をとって、複数回の推算値の平均値と比較するようにすればよい。
【００５０】
その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、車両に搭載される内燃機関に付帯する排気ガス浄化用の触媒の劣化診断に適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
０…触媒異常判定装置
４…判定部（電子制御装置）
５２…触媒
５３…第一の空燃比センサ
５４…第二の空燃比センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照し、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させてから前記空燃比センサの出力が変動するまでの経過期間に触媒の酸素吸蔵能力を推計し、推計した酸素吸蔵能力値が閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定するダイアグノーシスを実施するものにおいて、
触媒に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度の変化量を検出し、
目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、前記酸素吸蔵能力値を高く補正、若しくは前記閾値を低く補正した上で触媒の異常の有無を判定し、
目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、前記酸素吸蔵能力値を低く補正、若しくは前記閾値を高く補正した上で触媒の異常の有無を判定する
ことを特徴とする触媒異常判定方法。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照し、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に変動させてから前記空燃比センサの出力が変動するまでの経過期間に触媒の酸素吸蔵能力を推計し、推計した酸素吸蔵能力値が閾値を下回ったときに触媒が異常であると判定するダイアグノーシスを実施するものにおいて、
触媒に流入するガスの目標空燃比を切り替えた際のアクセル開度の変化量を検出し、
目標空燃比をリッチからリーンへと切り替えた際にアクセル開度が増大した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと切り替えた際にアクセル開度が減少した場合には、前記酸素吸蔵能力値を高く補正、若しくは前記閾値を低く補正した上で触媒の異常の有無を判定し、
目標空燃比をリッチからリーンへと変動させた際にアクセル開度が減少した場合、または目標空燃比をリーンからリッチへと変動させた際にアクセル開度が増大した場合には、前記酸素吸蔵能力値を低く補正、若しくは前記閾値を高く補正した上で触媒の異常の有無を判定する
ことを特徴とする触媒異常判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４０８６９（Ｐ２０１２−１４０８６９Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２１３５（Ｐ２０１０−２９２１３５）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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