触媒異常診断装置
【課題】クライテリア付近での診断精度を向上し、誤診断を防止する。
【解決手段】触媒に供給される排気ガスの特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる。特定成分濃度が増大されたとき、触媒の劣化度を表すパラメータ（好ましくは触媒温度または酸素吸蔵容量）を計測する。計測されたパラメータに基づき触媒の異常の有無を判定する。特定成分濃度増大により触媒における反応量、発熱量が増加し、触媒劣化度に対するパラメータ計測値の変化率を増大できる。結果、クライテリア付近での診断精度を向上すると共に誤診断を防止できる。
【解決手段】触媒に供給される排気ガスの特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる。特定成分濃度が増大されたとき、触媒の劣化度を表すパラメータ（好ましくは触媒温度または酸素吸蔵容量）を計測する。計測されたパラメータに基づき触媒の異常の有無を判定する。特定成分濃度増大により触媒における反応量、発熱量が増加し、触媒劣化度に対するパラメータ計測値の変化率を増大できる。結果、クライテリア付近での診断精度を向上すると共に誤診断を防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の排気通路には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。例えば自動車用ガソリンエンジンでは、その排気通路に、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった成分をストイキ下で同時浄化する三元触媒が設けられている。
【０００３】
この触媒が劣化ないし異常となると、大気に排出される排気ガスのエミッションが悪化する。特に自動車の分野では、エミッションの悪化した車両の走行を未然に防止するため、車載状態（On-Board）で触媒の劣化ないし異常を診断することが要請されており、現に法規化もされている。
【０００４】
例えば特許文献１に記載の触媒劣化診断装置では、空燃比をリーン側に固定し、この状態を所定時間維持した後、触媒出口直後の排気温度センサによって排気温度を検出し、この排気温度を基準排気温度として記憶する。その後、空燃比をリッチ側に徐々に移行し、その都度、検出された排気温度と基準排気温度との差を、予め記憶してある所定値と比較する。空燃比のリッチ側への移行量が所定値に達しても差が所定値より少なければ、三元触媒を劣化と診断する。すなわち、所定量のリッチ化を行っても触媒の発熱量が所定量に達しないときには、三元触媒を劣化と診断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−２６４７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年では排ガス規制の厳格化と相俟って触媒異常診断の精度要求も益々厳しくなってきており、特に、正常と異常の境目（クライテリア）付近の触媒をより正確に識別し、誤診断を防止するという要請が高まりつつある。
【０００７】
特許文献１にも記載されているように、従来は、触媒に供給される排気ガスの空燃比を変化させてそのときの触媒の発熱度合い等を検出して診断する手法が一般的に知られている。しかし、このような従来の手法では必ずしも近年の要求を満足することができず、クライテリア付近の触媒を正確に識別することが困難であった。
【０００８】
そこで本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その一の目的は、クライテリア付近での診断精度を向上し、誤診断を防止し得る触媒異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態によれば、
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、
前記触媒に供給される排気ガスの特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる成分濃度増大手段と、
前記成分濃度増大手段により特定成分濃度が増大されたとき、前記触媒の劣化度を表すパラメータを計測する計測手段と、
前記計測手段により計測されたパラメータに基づき前記触媒の異常の有無を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。
【００１０】
これによれば、排気ガスの特定成分濃度が増大されたときに触媒の劣化度を表すパラメータを計測し、当該計測値に基づいて触媒の異常の有無を判定する。排気ガスの特定成分濃度が増大されると、触媒における反応量が増加し、触媒の発熱量が増加する。よってこの増加により、触媒劣化度に対するパラメータ計測値の変化率を増大できる。よって微妙な触媒劣化度の違いも見分けることが可能となり、結果、クライテリア付近での診断精度を向上すると共に誤診断を防止できる。
【００１１】
好ましくは、前記特定成分がＨＣからなり、前記成分濃度増大手段が、燃料噴射時期、点火時期、圧縮比、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更する手段からなる。
【００１２】
触媒内で起きるＨＣの酸化反応は明らかな発熱反応であるので、特定成分をＨＣとしてその濃度を増大することにより、触媒の発熱量を増加し、触媒の温度を上昇させることができる。
【００１３】
好ましくは、前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のアイドル運転時に前記特定成分濃度を増大させる。
【００１４】
アイドル運転時とすることで、触媒に供給される排気ガスの量および触媒温度をほぼ一定に安定化させることができ、診断精度を向上できる。また特定成分濃度増大によりエミッションが悪化したとしても、排ガス量が少ないため環境への影響を最小限に止めることができる。
【００１５】
好ましくは、前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のフューエルカット後のリッチ制御が終了した時から所定時間以内に前記アイドル運転が開始されたときに、前記特定成分濃度を増大させる。
【００１６】
フューエルカットが実行されると、触媒を外気のみが通過するため、触媒が酸素被毒状態に陥ることがある。この酸素被毒状態を解消するため、フューエルカット終了後は触媒にリッチガスを供給するリッチ制御を実行するのが好ましい。この場合、リッチ制御終了時から所定時間以内にアイドル運転が開始されたときに特定成分濃度を増大させることで、再度被毒の影響を受けることを未然に防止することができる。
【００１７】
好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記パラメータの計測値または当該計測値が比較される判定値のうちの少なくとも一方を外気温、外気圧および湿度の少なくとも一つに基づいて補正する補正手段を更に備える。
【００１８】
これにより基準状態に補償した上での診断が可能となり、診断精度を向上できる。
【００１９】
好ましくは、前記パラメータが、前記触媒の前後方向の所定位置において検出された触媒温度である。
【００２０】
触媒に供給される排気ガスの特定成分濃度を増大させると、小劣化触媒と大劣化触媒とで顕著に異なる温度分布が得られる。よってこの相違を利用し、触媒の前後方向の所定位置において触媒温度を検出することで、触媒の異常を高精度で診断することができる。
【００２１】
好ましくは、前記所定位置が、新品触媒とクライテリア触媒との間で前記パラメータの計測値の差が最大となるような位置である。
【００２２】
このように触媒温度の検出位置を定めることで、特定成分濃度を増大させたときの、触媒劣化度に対する触媒温度の変化率を最大にすることができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して触媒温度の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【００２３】
好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに保持する。
【００２４】
これによりエミッションの悪化を抑制し、燃費の悪化を抑制することができる。
【００２５】
代替的に、前記パラメータが、前記触媒の酸素吸蔵容量であってもよい。
【００２６】
触媒の劣化度と酸素吸蔵能低下度との間には相関関係があり、触媒の酸素吸蔵能はその酸素吸蔵容量の大きさによって表すことができる。よって特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測し、この値に基づいて触媒の異常の有無を判定するのも好ましい。
【００２７】
特に、特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測するので、特定成分濃度を増大させないときに比べ、触媒の発熱量を増加させ、触媒の温度を上昇させ、大きな値の酸素吸蔵容量を計測することができる。よって触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量の変化率を増大することができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して酸素吸蔵容量の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【００２８】
この場合、好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに対しリッチ側およびリーン側に交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、クライテリア付近での診断精度を向上し、誤診断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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】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３】触媒の構成を示す概略断面図である。
【図４】（Ａ）は触媒の概略図であり、（Ｂ）は触媒の温度分布を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は触媒の概略図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は車速の変化とこれに対応する各検出位置の温度変化を示すタイムチャートである。
【図６】第１実施例に従う異常診断処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】図６の異常診断処理に関連した各値の変化を示すタイムチャートであり、（Ａ）は供給ガスの空燃比Ａ／Ｆの変化、（Ｂ）はエンジン回転速度Ｎｅの変化、（Ｃ）は車速Ｖの変化を示す。
【図８】（Ａ）は補正係数αと気圧との関係を示すグラフ、（Ｂ）はガス量と気圧との関係を示すグラフ、（Ｃ）はポンピング損失と気圧との関係を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は前方高担持触媒の概略図であり、（Ｂ）は触媒の温度分布を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）は触媒の劣化度と酸素吸蔵容量ＯＳＣとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）および（Ｃ）は（Ａ）の円で囲った部分の拡大図である。
【図１１】アクティブ空燃比制御のタイムチャートである。
【図１２】図１１と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。
【図１３】第２実施例に従う異常診断処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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空気量すなわち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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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２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Ｏ2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。
【００３８】
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。またＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４の出力に基づきエンジン回転速度を算出する。
【００３９】
加えてＥＣＵ２０には、上流触媒１１の前後方向の所定位置における触媒温度或いは床温を検出する触媒温度センサ２１と、外気温を検出する外気温センサ２２と、外気圧を検出する外気圧センサ２３とが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。
【００４０】
触媒１１，１９は、これに供給され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、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘ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、触媒１１，１９に供給され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。
【００４１】
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３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、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘ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ＣｅＯ2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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
このように触媒１１が劣化すると、排ガス成分としてのＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの反応が悪化し、各浄化率が低下する。そして触媒１１の酸素吸蔵能も低下する。
【００４６】
次に、本実施形態の異常診断について説明する。
【００４７】
本実施形態の異常診断装置は、上流触媒１１に供給される排気ガス（以下、供給ガスともいう）の特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる成分濃度増大手段と、この成分濃度増大手段により特定成分濃度が増大されたとき、上流触媒１１の劣化度を表すパラメータを計測する計測手段と、この計測手段により計測されたパラメータに基づき上流触媒１１の異常の有無を判定する判定手段とを備える。
【００４８】
排気ガスの特定成分濃度が増大されると、触媒における反応量が増加し、触媒の発熱量が増加する。よってこの増加により、触媒劣化度に対するパラメータ計測値の変化率を増大できる。よって微妙な触媒劣化度の違いも見分けることが可能となり、結果、クライテリア付近での診断精度を向上すると共に誤診断を防止できる。
【００４９】
ここで留意すべきは、触媒の発熱量を増加させるのに、従来技術の如く、触媒に供給される排気ガスの空燃比を変更する訳ではないということである。例えば従来技術の如く空燃比をリッチ化すると、ＨＣ及びＣＯが顕著に悪化し、また燃費も顕著に悪化する。本実施形態では空燃比をリッチ化するのではなく、排気ガスの特定成分濃度を増大させるので、空燃比を好ましくはストイキに保持することが可能である。よってエミッションと燃費の顕著な悪化を防止することができる。
【００５０】
好ましくは、前記特定成分がＨＣからなり、成分濃度増大手段が、燃料噴射時期、点火時期、圧縮比、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更する手段からなる。
【００５１】
触媒内で起きるＨＣの酸化反応は明らかな発熱反応であるので、特定成分をＨＣとしてその濃度を増大することにより、触媒の発熱量を増加し、触媒の温度を上昇させることができる。ここで成分濃度増大手段は具体的にはＥＣＵ２０を含み、ＥＣＵ２０は、燃料噴射時期、点火時期、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更可能である。圧縮比については、本実施形態のエンジンにおいては変更不可であるが、圧縮比可変エンジンを用いた場合には変更可能となる。
【００５２】
ＥＣＵ２０は、燃料噴射時期を遅角させることにより未燃燃料を増大させてＨＣを増大可能である。またＥＣＵ２０は、点火時期を進角させることにより、ピストン周縁部のクレビス領域における圧力を上昇させてＨＣを増大可能である。またＥＣＵ２０は、水温及び油温を強制的に低下させて燃焼を悪化させることにより、ＨＣを増大可能である。具体的には、冷却水及び潤滑油の経路をラジエター及びオイルクーラのような冷却器に送るか、またはエンジンの高温部に送らぬよう切り替える。なお圧縮比可変エンジンの場合、ＥＣＵは圧縮比を高めることによりＨＣを増大可能である。
【００５３】
好ましくは、成分濃度増大手段が、エンジンのアイドル運転時に特定成分濃度を増大させる。アイドル運転時とすることで、ドライバによるアクセル開度変更の影響を受けることなく、供給ガス量および触媒温度をほぼ一定に安定化させることができ、診断精度を向上できる。また特定成分濃度増大により、仮に、排気管から大気に排出される排気ガスのエミッションが悪化したとしても、排ガス量が少ないため環境への影響を最小限に止めることができる。
【００５４】
なお、アイドル運転が実行されるためには、少なくとも、アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度が全閉ないしゼロ近傍であることが必要である。またＡＴ車の場合には車速がゼロからクリープ速度の範囲内にあることも必要である。
【００５５】
以下、本実施形態のより具体的な実施例について説明する。
【００５６】
［第１実施例］
この第１実施例では、上流触媒１１の劣化度を表すパラメータとして、触媒温度センサ２１により検出された触媒温度を用いる。そしてこの検出触媒温度を所定の判定値すなわち異常判定値と比較して、上流触媒１１の異常の有無を判定する。
【００５７】
図４に、上流触媒１１の前後方向の各位置における触媒温度分布を示す。ここで（Ａ）に触媒そのものを概略的に示し、（Ｂ）に温度分布を示す。触媒１１の位置（横軸）については、（Ａ）に矢示される排ガス流れ方向の上流端すなわち前端を０とし、下流端すなわち後端をＬとする。言い換えれば触媒１１の前後方向の長さはＬである。
【００５８】
（Ｂ）において、線ａは、劣化度の小さい触媒（小劣化触媒という）において供給ガスの特定成分濃度（具体的にはＨＣ濃度）を増大させたときの温度分布を示し、線ｂは、劣化度の大きい触媒（大劣化触媒という）において供給ガスの特定成分濃度を増大させたときの温度分布を示す。また線ｃは、小劣化触媒において供給ガスの特定成分濃度を増大させないときの温度分布を示し、線ｄは、大劣化触媒において供給ガスの特定成分濃度を増大させないときの温度分布を示す。図示例において線ｃ，ｄは重なっている。
【００５９】
図から理解されるように、供給ガスの特定成分濃度を増大させたとき、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）の温度分布は顕著に異なる。よってこの相違を利用して触媒１１の異常を診断するのが第１実施例の主な特徴である。供給ガスの特定成分は触媒の前端から後端に向かって徐々に浄化されていくが、小劣化触媒（線ａ）の場合、触媒の浄化能力が高く、触媒の前側で特定成分の浄化反応をほぼ終えてしまう。そのため触媒の温度も前側で比較的急激に上昇し、最大値まで上昇した後はほぼ一定に安定する傾向にある。他方、大劣化触媒（線ｂ）の場合だと、触媒の浄化能力が低く、触媒全体を使って特定成分の浄化を行うため、その温度も前端から後端にかけて徐々に上昇する傾向にある。
【００６０】
なお、供給ガスの特定成分濃度を増大させないときには、特定成分の浄化反応による発熱量が少ないため、小劣化触媒（線ｃ）と大劣化触媒（線ｄ）ともに、前側で一旦少量の温度上昇をした後一定に保たれる傾向にある。
【００６１】
上記の結果から、供給ガスの特定成分濃度を増大させたときに、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で最も大きい触媒温度差が出るような位置で触媒温度を検出するのが好ましいことが分かる。
【００６２】
ここで、触媒温度の検出位置について検討する。先ず図中ＩＶの後端位置の付近について、小劣化触媒（線ａ）の場合には浄化反応が殆ど起きておらず、触媒温度が既に一定となっている。他方、大劣化触媒（線ｂ）の場合には後端位置付近で触媒温度が最大となり、場合によっては図示例の如く小劣化触媒（線ａ）の温度を上回る逆転現象が生じる。よってこの位置ＩＶ付近は検出位置として不適当である。
【００６３】
次に、図中Ｉの前端近傍の位置については、触媒に入ってきた供給ガスの脈動の影響が依然残っているため、正確な温度検出が困難である。よってこの位置Ｉも検出位置として不適当である。
【００６４】
次に、図中ＩＩＩの後半部且つ後端から所定距離前方の位置では、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で大きな触媒温度差を得られていない。よってこの位置Ｉも検出位置として適当ではない。
【００６５】
最後に、図中ＩＩの前半部且つ前端から所定距離後方の位置では、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で最も大きな触媒温度差を得られており、また触媒に入ってきた供給ガスの脈動の影響も解消されている。よってこの位置ＩＩが検出位置として最適である。この位置ＩＩは、例えば、新品触媒の場合に供給ガスの特定成分濃度を増大させたときに触媒温度が最初に最大温度付近に達するような位置でもある。
【００６６】
上記に鑑みれば、供給ガスの特定成分濃度を増大させたときに、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で最も大きい触媒温度差が出るような位置で触媒温度を検出するのが好ましいことが分かる。例えば、新品触媒とクライテリア触媒（正常と異常の境目にある触媒、換言すれば異常判定値相当の触媒）との間で検出触媒温度の差が最大となるような位置を触媒温度検出位置とするのが好ましい。これは大抵の場合、図中ＩＩで示したような前側の位置であるが、触媒によってはそうでないこともあり得る。従ってこのような検出位置は予め試験等を通じて決定する。
【００６７】
検出位置をこのように定めることで、供給ガスの特定成分濃度を増大させたときの、触媒劣化度に対する触媒温度の変化率を最大にすることができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して触媒温度の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【００６８】
なお本実施形態の触媒温度センサ２１も、図４の結果に対応させて、ＩＩに示したような前側の位置に設置されている。
【００６９】
次に、検出位置を前側に設定するのが好ましいとする別の理由を図５を参照しつつ説明する。図５において、（Ａ）は触媒を示し、前、中間及び後という三つの検出位置を示している。（Ｂ）および（Ｃ）は、車速の変化とこれに対応する各検出位置の温度変化を示す。ここでは後述の例に合わせて車両減速時にエンジンの燃料噴射を停止するフューエルカットが実行され、その後、車両が停止し、同時にエンジンがアイドル運転状態になったときの温度変化を示す。
【００７０】
触媒は熱容量が比較的大きいため、熱がこもりやすく、アイドル運転前の運転条件が影響しなくなるまでにある程度の時間を要する。また、触媒前方ほど、供給ガスの影響を受けやすい。
【００７１】
図５（Ｂ）に示すように、フューエルカット時には、供給ガスが実質的に外気のみとなることから、供給ガスの温度が急激に低下する。そしてこれに追従して、触媒の前位置で最も早く温度が低下し、次いで中間位置、後位置という順番で温度が低下していく。より言えば、アイドル時において、その前の運転条件の影響を最も受けないのが前位置であり、最も受けているのが後位置である。
【００７２】
他方、図５（Ｃ）を参照して、高車速または高負荷の状態からフューエルカットおよびアイドルに至ったとき（実線）と、低車速または低負荷の状態からフューエルカットおよびアイドルに至ったとき（一点鎖線）とを比較して考察する。触媒の前位置では、高車速・高負荷からのときでも低車速・低負荷からのときでも、アイドルに至ったときには既にほぼ等しい触媒温度に安定化している。これに対し、触媒の後位置では、アイドル前の運転条件の影響を顕著に受けてしまい、高車速・高負荷からのときと低車速・低負荷からのときとでアイドル時の触媒温度に顕著な差があり、前者の方が後者より高い。
【００７３】
よって、触媒の前位置が、アイドル時にその前の運転条件の影響を最も受けづらく、且つアイドル時の温度が最も早く安定する位置といえる。それ故、本実施例の如くアイドル運転時に触媒温度を検出する場合には特に、検出位置を前側に設定するのが好ましい。
【００７４】
以下、第１実施例に従ってＥＣＵ２０により実行される異常診断処理の手順を図６を参照しつつ説明する。なお、図７には当該異常診断処理に関連した（Ａ）供給ガスの空燃比Ａ／Ｆ、（Ｂ）エンジン回転速度Ｎｅおよび（Ｃ）車速Ｖの変化を示すので適宜参照されたい。
【００７５】
図６に示す診断処理は、エンジンのフューエルカットＦ／Ｃ（特に減速フューエルカット）終了と同時に開始される。なおＥＣＵ２０は、１）アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度Ａｃが全閉相当であり、且つ、２）クランク角センサ１４の出力から算出されたエンジン回転速度Ｎｅが、所定のアイドル速度Ｎｉより若干高い所定速度Ｎｆｃ以上である、の二条件を満たしたときに、インジェクタ１２への通電を停止してフューエルカットを実行する。フューエルカット開始時期を図７にｔ１で示す。そしてフューエルカット実行中にこの二条件を満たさなくなった時（時刻ｔ２）に、フューエルカットを終了または解除し、インジェクタ１２への通電を適宜行って燃料噴射を再開する。
【００７６】
まず、最初のステップＳ１０１では、フューエルカット終了と同時に開始されるリッチ制御が終了したか否かが判断される。リッチ制御とは、図７（Ａ）にも示すように、燃焼室３に供給される混合気の空燃比ひいては供給ガスの空燃比Ａ／Ｆをストイキよりもリッチ側の所定空燃比（例えば１３．０）とする制御である。
【００７７】
フューエルカットが実行されると、触媒１１を外気のみが通過するため、触媒１１の貴金属からなる触媒成分３２が酸化し、活性が悪化する酸素被毒状態に陥ることがある。この状態のまま放置するとエミッション悪化に繋がり、診断上も良くないことから、フューエルカット終了後は触媒にリッチガスを供給し、酸素被毒状態を解消するようにしている。
【００７８】
フューエルカット実行中には触媒１１に酸素が吸蔵される。そしてリッチ制御実行中はその吸蔵酸素が放出される。吸蔵酸素が放出され尽くすと、リッチガスが触媒１１を素通りして触媒下流側に排出され、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転する。この反転と同時に、リッチ制御が終了され、ストイキ制御が開始される（時刻ｔ３）。
【００７９】
図７の例では、リッチ制御終了の後にエンジンがアイドル運転状態となっている。なお、図示例はＡＴ車の場合であり、エンジンがアイドル運転状態となると同時に車速Ｖもゼロとなっている（時刻ｔ４）。
【００８０】
図６のステップＳ１０１において、リッチ制御が終了していないと判断された場合、待機状態となり、他方リッチ制御が終了したと判断された場合には、ステップＳ１０２に進む。
【００８１】
ステップＳ１０２では、現時点がリッチ制御終了時から所定時間内であるか否かが判断される。所定時間内である場合、ステップＳ１０３において、アイドル運転が実行されているか否かが判断される。アイドル運転が実行されていない場合、ステップＳ１０２に戻る。他方、アイドル運転が実行されている場合には、ステップＳ１０４に進んで、供給ガスの特定成分濃度を増大させる成分濃度増大制御が実行される。一方、ステップＳ１０２で現時点がリッチ制御終了時から所定時間内でないと判断された場合、診断処理が終了される。
【００８２】
すなわち、成分濃度増大制御は、図７に示すように、リッチ制御終了時点ｔ３から所定時間Δｔ以内にアイドル運転が開始されたときに実行される。所定時間Δｔ以内に限った理由は、こうしないと触媒が再び被毒の影響を受ける虞があるからであり、逆に所定時間Δｔ以内に限定することで再度被毒の影響を受けることを未然に防止できる。
【００８３】
リッチ制御終了時点ｔ３から所定時間Δｔ以内にアイドル運転が開始されなかった場合、ステップＳ１０２の判定結果がノーとなり、診断処理が終了される。すなわち今回の診断は中止となる。このような場合は、例えば図７（Ｂ）、（Ｃ）に破線で示すように、リッチ制御終了直後にドライバがアクセルペダルを踏み込んでエンジン及び車両を加速させた場合に起こり得る。図示例の場合、アイドル運転が開始されたのは所定時間Δｔを超えた時期ｔ６である。このような場合には成分濃度増大制御は実行されず、診断は中止される。
【００８４】
前述したように、ステップＳ１０４における成分濃度増大制御は、ＥＣＵ２０が、供給ガスのＨＣ濃度を増大するため、燃料噴射時期遅角、点火時期進角、水温低下及び油温低下（並びに圧縮比可変エンジンの場合には圧縮比増加）の少なくとも一つを実行することにより行われる。いずれを採用するか、またいかなる量の増大を行うかは、ＥＣＵ２０に予め記憶されたプログラムに従って決定される。
【００８５】
好ましくは、特定成分濃度の増大量は、その増量された特定成分がクライテリア触媒で十分浄化可能となるような量に設定される。これにより触媒の劣化度に拘わらず、特定成分濃度増大時に大気に排出される特定成分の量を許容量以内に確実に制限することが可能となる。
【００８６】
他方、成分濃度増大制御が実行されているときにはストイキ制御が実行され、供給ガスの空燃比はストイキに保持されている。よって従来技術の如く空燃比をストイキよりもリッチ又はリーンとする場合に比べ、エミッションの悪化を抑制し、燃費の悪化を抑制することができる。ここでストイキ制御中には、燃焼室３内の混合気の空燃比がストイキとなるよう、燃料噴射量が制御される。
【００８７】
さて、図６に戻って、ステップＳ１０４で成分濃度増大制御が開始された後、ステップＳ１０５で再度アイドル運転が実行されているか否かが判断される。アイドル運転が実行されていない場合、ステップＳ１１３に進んで成分濃度増大制御が終了され、診断処理が終了される。このような場合は、例えば成分濃度増大制御中にドライバがアクセルペダルを踏み込んでエンジン及び車両を加速させようとした場合に起こり得る。
【００８８】
特定成分濃度を増大させた状態でエンジンが非アイドル運転状態となり、車両が走行されると、著しい量のエミッションが大気に排出されてしまう。よって特定成分濃度増大中にエンジンが非アイドル運転状態となったとき、特定成分濃度増大を終了することで、著しい量のエミッションを大気に排出させてしまうことを未然に防止できる。
【００８９】
なお、成分濃度増大制御中にアクセルペダルが踏み込まれ、検出アクセル開度が全閉から開方向に変化したときには、先に成分濃度増大制御を終了し、その後遅延させてスロットルバルブ１０を開方向に制御することも可能である。これによっても同様に著しい量のエミッションを大気に排出させてしまうことを未然に防止できる。
【００９０】
他方、ステップＳ１０５でアイドル運転が実行されていると判断された場合には、ステップＳ１０６に進んで、成分濃度増大制御開始時から所定時間が経過したか否かが判断される。ここでの所定時間は、特定成分濃度増大により図４に示した如く小劣化触媒と大劣化触媒とで十分大きい温度差が出るような時間に予め設定される。所定時間が経過していない場合、ステップＳ１０４，Ｓ１０５が繰り返し実行される。他方、所定時間が経過した場合にはステップＳ１０７に進む。
【００９１】
ステップＳ１０７では、その所定時間経過時点での触媒温度Ｔｃが触媒温度センサ２１により検出される。そして同時に、成分濃度増大制御が終了させられる。
【００９２】
次いでステップＳ１０８では、気温・気圧補正が実行される。特定成分濃度を一定量増大させたときの触媒温度の昇温量は、気温および気圧によって変化する。よって気温および気圧の変化による昇温量変化を補償すべく、気温・気圧補正が実行される。これにより基準状態に補償した上での診断が可能となり、診断精度を向上できる。
【００９３】
例えば、気圧が低い（高地）ほどポンピング損失が低下し、アイドル回転速度保持のための空気量が低下し、触媒に供給される排ガス量ひいては特定成分量が低下し、触媒温度の昇温量が低下する。よってこの触媒温度昇温量の低下を補償するよう、検出触媒温度Ｔｃが増大側に補正され、或いは検出触媒温度Ｔｃの比較対象である異常判定値Ｘ（図４参照）が減少側に補正される。本実施例では後者の異常判定値Ｘを補正する方法を採用する。
【００９４】
図８には、（Ａ）補正係数α、（Ｂ）ガス量（空気量または排ガス量）および（Ｃ）ポンピング損失の気圧との関係を示す。特に（Ａ）が、気圧から補正係数αを算出するためにＥＣＵ２０に予め記憶されたマップを示す。気圧が基準値としての１（ａｔｍ）のとき補正係数α＝１、すなわち補正無しであり、この基準値に対し気圧が上昇すると補正係数も増大し、気圧が低下すると補正係数も減少する。ＥＣＵ２０は、外気圧センサ２３により検出された外気圧に基づき、図８（Ａ）のマップから対応する補正係数αを算出する。
【００９５】
他方、例えば気温が低い（寒冷地）ほど酸素密度が増大し、ポンピング損失が増大し、アイドル回転速度保持のための空気量が増大し、触媒に供給される排ガス量ひいては特定成分量が増大し、触媒温度の昇温量が増大する。よってこの触媒温度昇温量の増大を補償するよう、検出触媒温度Ｔｃが減少側に補正され、或いは異常判定値Ｘが増大側に補正される。
【００９６】
つまり、気圧低下と気温上昇が対応関係にあり、気圧上昇と気温低下が対応関係にある。温度補正も気圧補正と同様の方法で行われる。ＥＣＵ２０は、外気温センサ２２により検出された外気温に基づき、補正係数β及び気温の関係を予め定めたマップから、対応する補正係数βを算出する。
【００９７】
そしてＥＣＵ２０は、最終的に、算出された補正係数α及びβをそれぞれ異常判定値Ｘに乗じて、補正後の異常判定値Ｘを算出する。これにより気温・気圧補正が終了となる。
【００９８】
なお、供給ガスの特定成分としてＮＯｘを採用する場合には、外気の条件、特に湿度により、ＮＯｘ濃度が変化する。すなわち湿度が高いと燃焼温度が低下し、供給ガスのＮＯｘ濃度が低下する。よってこのＮＯｘ濃度の低下を補償するよう、検出触媒温度Ｔｃまたは異常判定値Ｘが補正される。この場合、外気の湿度を検出する湿度センサが設けられ、前記同様、検出された湿度に基づき所定のマップから補正係数が算出される。
【００９９】
さて、ステップＳ１０８において気温・気圧補正が実行された後には、ステップＳ１０９において、検出触媒温度Ｔｃが補正後の異常判定値Ｘ’と比較される。
【０１００】
Ｔｃ＞Ｘ’の場合、特定成分濃度増大によって触媒温度が大きく上昇した場合に該当するので、ステップＳ１１２で触媒は正常（異常でない）と判定され、診断処理が終了される。
【０１０１】
他方、Ｔｃ≦Ｘ’の場合、特定成分濃度増大によっても触媒温度が実質的に上昇せず、或いはその上昇量が小さいので、ステップＳ１１０で触媒は異常と判定される。この場合、ステップＳ１１１において、図示しない警告装置（警告灯等）が作動され、異常の事実がユーザに警告される。そして診断処理が終了される。
【０１０２】
なお、ここでは特定成分濃度増大後の触媒温度Ｔｃ自体に基づいて異常判定を行ったが、特定成分濃度増大前後の触媒温度差すなわち昇温量に基づいて異常判定を行ってもよい。但し、本実施例のようにアイドル運転時に限定する場合には、特定成分濃度増大後の触媒温度が触媒劣化度に応じたほぼ一定値となる傾向が強いため、触媒温度Ｔｃ自体に基づいても十分な診断精度を確保可能である。
【０１０３】
変形例として、図９（Ａ）に示すような前方高担持触媒を用いた例を挙げることができる。この前方高担持触媒とは、触媒の前半部且つ前端から所定距離後方までの高担持領域Ｈ内において触媒成分３２としての貴金属が高密度で担持され、高担領領域Ｈより後方の領域では高担持領域Ｈよりも低密度の貴金属しか担持されていない触媒をいう。
【０１０４】
図９（Ｂ）において、線ｅは、劣化度の大きい前方高担持触媒において特定成分濃度を増大させたときの温度分布を示す。また線ｆは、劣化度の小さい前方高担持触媒において特定成分濃度を増大させたときの温度分布を示す。
【０１０５】
前方高担持触媒の場合、触媒全体として大きく劣化していても、前方の高担持領域Ｈはそれより後方の領域に比べ、相対的に劣化度合いが小さく、特定成分濃度を増大させたときの発熱量、昇温量が大きくなる。よって図示の如く、劣化度の大きい触媒（線ｅ）と小さい触媒（線ｆ）とで温度分布が近づく傾向にあり、高担持領域Ｈ内では昇温量の違いが出にくくなる。
【０１０６】
よって、前方高担持触媒の場合には、高担持領域Ｈよりも後方の領域で触媒温度を検出するのが好ましい。より好ましくは、高担持領域Ｈよりも後方の領域で且つ小劣化触媒（線ｅ）と大劣化触媒（線ｆ）との間に最も大きい触媒温度差が出るような位置Ｖで触媒温度を検出する。こうすることで、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となり、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【０１０７】
なお、近年では触媒の貴金属担持量が減少される傾向にあり、触媒の使用温度が高温化される傾向にある。そして小劣化触媒と大劣化触媒とで、触媒劣化度を表すパラメータの違いが出にくくなっている。本実施形態は、かかる現状にも対応可能な装置及び方法を提案するものである。
【０１０８】
［第２実施例］
次に、第２実施例を説明する。この第２実施例は、上流触媒１１の劣化度を表すパラメータとして、上流触媒１１の酸素吸蔵容量を用いる点が第１実施例と主に相違する。そして計測された酸素吸蔵容量を所定の異常判定値と比較して、上流触媒１１の異常の有無が判定される。
【０１０９】
前述したように、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。そして触媒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 Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表すことができる。よって本実施例では、特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測し、この値に基づいて触媒１１の異常の有無を判定する。
【０１１０】
特に、特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測するので、特定成分濃度を増大させないときに比べ、触媒の発熱量を増加させ、触媒の温度を上昇させ、大きな値の酸素吸蔵容量を計測することができる。よって触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量の変化率を増大することができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して酸素吸蔵容量の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【０１１１】
図１０（Ａ）に、触媒の劣化度と酸素吸蔵容量ＯＳＣとの関係を示す。触媒劣化度が大きくなるにつれ、酸素吸蔵容量ＯＳＣは低下する傾向にある。図１０（Ｂ）、（Ｃ）は図１０（Ａ）の円で囲った部分、すなわち劣化度大の部分を拡大して示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）に線ｇで示すように、特定成分濃度を増大させないときには、クライテリア付近の劣化度大の部分において線ｇの傾きが小さく、触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化率は小さい。よって酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値から微妙な劣化度の違いを識別するのは困難である。
【０１１２】
これに対し、図１０（Ａ）、（Ｃ）に線ｈで示すように、特定成分濃度を増大させると、全体的により大きな値の酸素吸蔵容量計測値を得られると共に、クライテリア付近の劣化度大の部分において線ｈの傾きを大きくし、触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化率を大きくすることができる。よって酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値から微妙な劣化度の違いを容易に識別することが可能となる。
【０１１３】
本実施例では所謂Ｃｍａｘ法に基づき、触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを計測する。そしてこの計測時には、燃焼室３内の混合気ひいては供給ガスの空燃比をストイキに対しリッチ側およびリーン側に交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御がＥＣＵ２０により実行される。さらにこの計測時、すなわちアクティブ空燃比制御の実行時、特定成分濃度がＥＣＵ２０により増大させられる。
【０１１４】
以下、図１１及び図１２を用いて酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測方法を説明する。なお便宜上、特定成分濃度増大を併せて実行しない例を説明する。
【０１１５】
図１１（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１１（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。
【０１１６】
図示するように、時刻ｔ１より前ではリーン制御が実行され、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０．２１Ｖ）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。これによりリッチ制御が開始され、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。
【０１１７】
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０．５９Ｖ）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。これにより再びリーン制御が開始され、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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
こうして、触媒が酸素を吸放出する度に、或いは触媒後センサ１８の出力が反転する度に、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。
【０１２０】
このアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次の方法で触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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１２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１２にＯＳＣｂで示す放出酸素量が計測される。
【０１２３】
【数１】
【０１２４】
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。
【０１２５】
リーン制御時にも同様に酸素吸蔵容量、すなわち図１２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。かかるアクティブ空燃比制御は所定周期分行われる。
【０１２６】
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を行うことが可能である。但しここで述べる判定方法は後述する本実施例の判定方法と若干異なる。理解容易のため、ここでは単純な例を示す。
【０１２７】
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Ｙと比較する。ＥＣＵ２０は、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値Ｙより大きいときには触媒１１を正常（異常なし）と判定し、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値β以下のときには触媒１１を異常と判定する。
【０１２８】
以下、第２実施例に従ってＥＣＵ２０により実行される異常診断処理の手順を図１３を参照しつつ説明する。
【０１２９】
第１実施例と同様、診断処理は、エンジンのフューエルカット（特に減速フューエルカット）終了と同時に開始される。そしてステップＳ２０１〜Ｓ２０６は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０６（図６参照）と同様である。なお、ステップＳ２０５の判定結果がノーの場合、ステップＳ２１６に進むが、このステップＳ２１６は前記ステップＳ１１３と同様である。
【０１３０】
ステップＳ２０６の判定結果がイエスの場合、ステップＳ２０７において、アクティブ空燃比制御が実行されると共に、酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。そしてステップＳ２０８において、アイドル運転が実行されているか否かが判断される。アイドル運転が実行されていない場合、ステップＳ２１７に進んで、成分濃度増大制御、アクティブ空燃比制御および酸素吸蔵容量計測が終了され、診断処理が終了される。このように成分濃度増大制御等の最中にエンジンが非アイドル運転状態となったときには、それらが終了されると共に診断が中止され、著しい量のエミッションを大気に排出させてしまうことを防止する。
【０１３１】
他方、ステップＳ２０８でアイドル運転が実行されていると判断された場合には、ステップＳ２０９に進んで、アクティブ空燃比制御および酸素吸蔵容量計測が終了したか否かが判断される。終了していない場合にはステップＳ２０７，Ｓ２０８が繰り返し実行され、終了した場合にはステップＳ２１０において成分濃度増大制御が終了させられる。
【０１３２】
次いで、ステップＳ２１１において、前記ステップＳ１０８と同様の気温・気圧補正が実行される。ここで、酸素吸蔵容量ＯＳＣは触媒温度（具体的には触媒内の平均温度）が高いほど大きな値が計測される傾向にある。他方、気圧が低いほど、特定成分濃度増大による触媒温度の昇温量が低下するので、酸素吸蔵容量ＯＳＣは小さな値が計測される。また気温が低いほど、特定成分濃度増大による触媒温度の昇温量が増大するので、酸素吸蔵容量ＯＳＣは大きな値が計測される。よって気温・気圧の変化と酸素吸蔵容量計測値の変化との関係は、第１実施例の如き気温・気圧の変化と触媒昇温量の変化との関係と同じとなり、第１実施例と同様の補正方法を適用することができる。よってここでも第１実施例と同様の補正方法により、補正がなされる。
【０１３３】
こうして気温・気圧補正が実行された後には、ステップＳ２１２において、酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖが、補正後の異常判定値Ｙ’と比較される。
【０１３４】
ＯＳＣａｖ＞Ｙ’の場合、ステップＳ２１５で触媒は正常（異常でない）と判定され、診断処理が終了される。
【０１３５】
他方、ＯＳＣａｖ≦Ｙ’の場合、ステップＳ２１３で触媒は異常と判定される。この場合、ステップＳ２１４において警告装置が作動され、異常の事実がユーザに警告される。そして診断処理が終了される
【０１３６】
このように本実施例によれば、特定成分濃度を増大させることにより、触媒の本来持っている酸素吸蔵容量に触媒温度上昇分を加算した上で酸素吸蔵容量を計測するので、微妙な触媒劣化度の違いに対する酸素吸蔵容量の違いを拡大して見ることができ、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【０１３７】
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、エンジンは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。
【０１３８】
前記実施形態では特定成分濃度増大を伴う診断を直接行ったが、先ず特定成分濃度増大を伴わない通常の診断を行い、これにより異常の虞があると診断された場合のみ、さらに精度を上げるべく、特定成分濃度増大を伴う診断を行ってもよい。特に第２実施例の場合だと、供給ガス量の少ないアイドル条件下で酸素吸蔵容量を計測するため、小劣化触媒等の場合には計測時間ひいては診断時間が徒に長期化する虞がある。そこで、先ず通常の診断を行い、酸素吸蔵容量の小さい触媒（貴金属担持量が少なく新品時から酸素吸蔵容量の小さい触媒を含む）であるとか、異常の虞があると診断された触媒に対してのみ、特定成分濃度増大を伴う診断を行えば、かかる計測時間および診断時間の長期化を抑制でき、診断を効率的に行うことが可能となる。
【０１３９】
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。
【符号の説明】
【０１４０】
１ エンジン
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ インジェクタ
１１ 上流触媒
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 触媒温度センサ
２２ 外気温センサ
２３ 外気圧センサ
Ｔｃ 触媒温度
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
Ｘ，Ｙ 異常判定値
α，β 補正係数
【技術分野】
【０００１】
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ための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の排気通路には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。例えば自動車用ガソリンエンジンでは、その排気通路に、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった成分をストイキ下で同時浄化する三元触媒が設けられている。
【０００３】
この触媒が劣化ないし異常となると、大気に排出される排気ガスのエミッションが悪化する。特に自動車の分野では、エミッションの悪化した車両の走行を未然に防止するため、車載状態（On-Board）で触媒の劣化ないし異常を診断することが要請されており、現に法規化もされている。
【０００４】
例えば特許文献１に記載の触媒劣化診断装置では、空燃比をリーン側に固定し、この状態を所定時間維持した後、触媒出口直後の排気温度センサによって排気温度を検出し、この排気温度を基準排気温度として記憶する。その後、空燃比をリッチ側に徐々に移行し、その都度、検出された排気温度と基準排気温度との差を、予め記憶してある所定値と比較する。空燃比のリッチ側への移行量が所定値に達しても差が所定値より少なければ、三元触媒を劣化と診断する。すなわち、所定量のリッチ化を行っても触媒の発熱量が所定量に達しないときには、三元触媒を劣化と診断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−２６４７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年では排ガス規制の厳格化と相俟って触媒異常診断の精度要求も益々厳しくなってきており、特に、正常と異常の境目（クライテリア）付近の触媒をより正確に識別し、誤診断を防止するという要請が高まりつつある。
【０００７】
特許文献１にも記載されているように、従来は、触媒に供給される排気ガスの空燃比を変化させてそのときの触媒の発熱度合い等を検出して診断する手法が一般的に知られている。しかし、このような従来の手法では必ずしも近年の要求を満足することができず、クライテリア付近の触媒を正確に識別することが困難であった。
【０００８】
そこで本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その一の目的は、クライテリア付近での診断精度を向上し、誤診断を防止し得る触媒異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態によれば、
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、
前記触媒に供給される排気ガスの特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる成分濃度増大手段と、
前記成分濃度増大手段により特定成分濃度が増大されたとき、前記触媒の劣化度を表すパラメータを計測する計測手段と、
前記計測手段により計測されたパラメータに基づき前記触媒の異常の有無を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする触媒異常診断装置が提供される。
【００１０】
これによれば、排気ガスの特定成分濃度が増大されたときに触媒の劣化度を表すパラメータを計測し、当該計測値に基づいて触媒の異常の有無を判定する。排気ガスの特定成分濃度が増大されると、触媒における反応量が増加し、触媒の発熱量が増加する。よってこの増加により、触媒劣化度に対するパラメータ計測値の変化率を増大できる。よって微妙な触媒劣化度の違いも見分けることが可能となり、結果、クライテリア付近での診断精度を向上すると共に誤診断を防止できる。
【００１１】
好ましくは、前記特定成分がＨＣからなり、前記成分濃度増大手段が、燃料噴射時期、点火時期、圧縮比、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更する手段からなる。
【００１２】
触媒内で起きるＨＣの酸化反応は明らかな発熱反応であるので、特定成分をＨＣとしてその濃度を増大することにより、触媒の発熱量を増加し、触媒の温度を上昇させることができる。
【００１３】
好ましくは、前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のアイドル運転時に前記特定成分濃度を増大させる。
【００１４】
アイドル運転時とすることで、触媒に供給される排気ガスの量および触媒温度をほぼ一定に安定化させることができ、診断精度を向上できる。また特定成分濃度増大によりエミッションが悪化したとしても、排ガス量が少ないため環境への影響を最小限に止めることができる。
【００１５】
好ましくは、前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のフューエルカット後のリッチ制御が終了した時から所定時間以内に前記アイドル運転が開始されたときに、前記特定成分濃度を増大させる。
【００１６】
フューエルカットが実行されると、触媒を外気のみが通過するため、触媒が酸素被毒状態に陥ることがある。この酸素被毒状態を解消するため、フューエルカット終了後は触媒にリッチガスを供給するリッチ制御を実行するのが好ましい。この場合、リッチ制御終了時から所定時間以内にアイドル運転が開始されたときに特定成分濃度を増大させることで、再度被毒の影響を受けることを未然に防止することができる。
【００１７】
好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記パラメータの計測値または当該計測値が比較される判定値のうちの少なくとも一方を外気温、外気圧および湿度の少なくとも一つに基づいて補正する補正手段を更に備える。
【００１８】
これにより基準状態に補償した上での診断が可能となり、診断精度を向上できる。
【００１９】
好ましくは、前記パラメータが、前記触媒の前後方向の所定位置において検出された触媒温度である。
【００２０】
触媒に供給される排気ガスの特定成分濃度を増大させると、小劣化触媒と大劣化触媒とで顕著に異なる温度分布が得られる。よってこの相違を利用し、触媒の前後方向の所定位置において触媒温度を検出することで、触媒の異常を高精度で診断することができる。
【００２１】
好ましくは、前記所定位置が、新品触媒とクライテリア触媒との間で前記パラメータの計測値の差が最大となるような位置である。
【００２２】
このように触媒温度の検出位置を定めることで、特定成分濃度を増大させたときの、触媒劣化度に対する触媒温度の変化率を最大にすることができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して触媒温度の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【００２３】
好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに保持する。
【００２４】
これによりエミッションの悪化を抑制し、燃費の悪化を抑制することができる。
【００２５】
代替的に、前記パラメータが、前記触媒の酸素吸蔵容量であってもよい。
【００２６】
触媒の劣化度と酸素吸蔵能低下度との間には相関関係があり、触媒の酸素吸蔵能はその酸素吸蔵容量の大きさによって表すことができる。よって特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測し、この値に基づいて触媒の異常の有無を判定するのも好ましい。
【００２７】
特に、特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測するので、特定成分濃度を増大させないときに比べ、触媒の発熱量を増加させ、触媒の温度を上昇させ、大きな値の酸素吸蔵容量を計測することができる。よって触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量の変化率を増大することができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して酸素吸蔵容量の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【００２８】
この場合、好ましくは、前記触媒異常診断装置が、前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに対しリッチ側およびリーン側に交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、クライテリア付近での診断精度を向上し、誤診断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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】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３】触媒の構成を示す概略断面図である。
【図４】（Ａ）は触媒の概略図であり、（Ｂ）は触媒の温度分布を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は触媒の概略図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は車速の変化とこれに対応する各検出位置の温度変化を示すタイムチャートである。
【図６】第１実施例に従う異常診断処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】図６の異常診断処理に関連した各値の変化を示すタイムチャートであり、（Ａ）は供給ガスの空燃比Ａ／Ｆの変化、（Ｂ）はエンジン回転速度Ｎｅの変化、（Ｃ）は車速Ｖの変化を示す。
【図８】（Ａ）は補正係数αと気圧との関係を示すグラフ、（Ｂ）はガス量と気圧との関係を示すグラフ、（Ｃ）はポンピング損失と気圧との関係を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は前方高担持触媒の概略図であり、（Ｂ）は触媒の温度分布を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）は触媒の劣化度と酸素吸蔵容量ＯＳＣとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）および（Ｃ）は（Ａ）の円で囲った部分の拡大図である。
【図１１】アクティブ空燃比制御のタイムチャートである。
【図１２】図１１と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。
【図１３】第２実施例に従う異常診断処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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空気量すなわち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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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２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Ｏ2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。
【００３８】
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。またＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４の出力に基づきエンジン回転速度を算出する。
【００３９】
加えてＥＣＵ２０には、上流触媒１１の前後方向の所定位置における触媒温度或いは床温を検出する触媒温度センサ２１と、外気温を検出する外気温センサ２２と、外気圧を検出する外気圧センサ２３とが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。
【００４０】
触媒１１，１９は、これに供給され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、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘ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、触媒１１，１９に供給され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。
【００４１】
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３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、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘ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ＣｅＯ2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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
このように触媒１１が劣化すると、排ガス成分としてのＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの反応が悪化し、各浄化率が低下する。そして触媒１１の酸素吸蔵能も低下する。
【００４６】
次に、本実施形態の異常診断について説明する。
【００４７】
本実施形態の異常診断装置は、上流触媒１１に供給される排気ガス（以下、供給ガスともいう）の特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる成分濃度増大手段と、この成分濃度増大手段により特定成分濃度が増大されたとき、上流触媒１１の劣化度を表すパラメータを計測する計測手段と、この計測手段により計測されたパラメータに基づき上流触媒１１の異常の有無を判定する判定手段とを備える。
【００４８】
排気ガスの特定成分濃度が増大されると、触媒における反応量が増加し、触媒の発熱量が増加する。よってこの増加により、触媒劣化度に対するパラメータ計測値の変化率を増大できる。よって微妙な触媒劣化度の違いも見分けることが可能となり、結果、クライテリア付近での診断精度を向上すると共に誤診断を防止できる。
【００４９】
ここで留意すべきは、触媒の発熱量を増加させるのに、従来技術の如く、触媒に供給される排気ガスの空燃比を変更する訳ではないということである。例えば従来技術の如く空燃比をリッチ化すると、ＨＣ及びＣＯが顕著に悪化し、また燃費も顕著に悪化する。本実施形態では空燃比をリッチ化するのではなく、排気ガスの特定成分濃度を増大させるので、空燃比を好ましくはストイキに保持することが可能である。よってエミッションと燃費の顕著な悪化を防止することができる。
【００５０】
好ましくは、前記特定成分がＨＣからなり、成分濃度増大手段が、燃料噴射時期、点火時期、圧縮比、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更する手段からなる。
【００５１】
触媒内で起きるＨＣの酸化反応は明らかな発熱反応であるので、特定成分をＨＣとしてその濃度を増大することにより、触媒の発熱量を増加し、触媒の温度を上昇させることができる。ここで成分濃度増大手段は具体的にはＥＣＵ２０を含み、ＥＣＵ２０は、燃料噴射時期、点火時期、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更可能である。圧縮比については、本実施形態のエンジンにおいては変更不可であるが、圧縮比可変エンジンを用いた場合には変更可能となる。
【００５２】
ＥＣＵ２０は、燃料噴射時期を遅角させることにより未燃燃料を増大させてＨＣを増大可能である。またＥＣＵ２０は、点火時期を進角させることにより、ピストン周縁部のクレビス領域における圧力を上昇させてＨＣを増大可能である。またＥＣＵ２０は、水温及び油温を強制的に低下させて燃焼を悪化させることにより、ＨＣを増大可能である。具体的には、冷却水及び潤滑油の経路をラジエター及びオイルクーラのような冷却器に送るか、またはエンジンの高温部に送らぬよう切り替える。なお圧縮比可変エンジンの場合、ＥＣＵは圧縮比を高めることによりＨＣを増大可能である。
【００５３】
好ましくは、成分濃度増大手段が、エンジンのアイドル運転時に特定成分濃度を増大させる。アイドル運転時とすることで、ドライバによるアクセル開度変更の影響を受けることなく、供給ガス量および触媒温度をほぼ一定に安定化させることができ、診断精度を向上できる。また特定成分濃度増大により、仮に、排気管から大気に排出される排気ガスのエミッションが悪化したとしても、排ガス量が少ないため環境への影響を最小限に止めることができる。
【００５４】
なお、アイドル運転が実行されるためには、少なくとも、アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度が全閉ないしゼロ近傍であることが必要である。またＡＴ車の場合には車速がゼロからクリープ速度の範囲内にあることも必要である。
【００５５】
以下、本実施形態のより具体的な実施例について説明する。
【００５６】
［第１実施例］
この第１実施例では、上流触媒１１の劣化度を表すパラメータとして、触媒温度センサ２１により検出された触媒温度を用いる。そしてこの検出触媒温度を所定の判定値すなわち異常判定値と比較して、上流触媒１１の異常の有無を判定する。
【００５７】
図４に、上流触媒１１の前後方向の各位置における触媒温度分布を示す。ここで（Ａ）に触媒そのものを概略的に示し、（Ｂ）に温度分布を示す。触媒１１の位置（横軸）については、（Ａ）に矢示される排ガス流れ方向の上流端すなわち前端を０とし、下流端すなわち後端をＬとする。言い換えれば触媒１１の前後方向の長さはＬである。
【００５８】
（Ｂ）において、線ａは、劣化度の小さい触媒（小劣化触媒という）において供給ガスの特定成分濃度（具体的にはＨＣ濃度）を増大させたときの温度分布を示し、線ｂは、劣化度の大きい触媒（大劣化触媒という）において供給ガスの特定成分濃度を増大させたときの温度分布を示す。また線ｃは、小劣化触媒において供給ガスの特定成分濃度を増大させないときの温度分布を示し、線ｄは、大劣化触媒において供給ガスの特定成分濃度を増大させないときの温度分布を示す。図示例において線ｃ，ｄは重なっている。
【００５９】
図から理解されるように、供給ガスの特定成分濃度を増大させたとき、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）の温度分布は顕著に異なる。よってこの相違を利用して触媒１１の異常を診断するのが第１実施例の主な特徴である。供給ガスの特定成分は触媒の前端から後端に向かって徐々に浄化されていくが、小劣化触媒（線ａ）の場合、触媒の浄化能力が高く、触媒の前側で特定成分の浄化反応をほぼ終えてしまう。そのため触媒の温度も前側で比較的急激に上昇し、最大値まで上昇した後はほぼ一定に安定する傾向にある。他方、大劣化触媒（線ｂ）の場合だと、触媒の浄化能力が低く、触媒全体を使って特定成分の浄化を行うため、その温度も前端から後端にかけて徐々に上昇する傾向にある。
【００６０】
なお、供給ガスの特定成分濃度を増大させないときには、特定成分の浄化反応による発熱量が少ないため、小劣化触媒（線ｃ）と大劣化触媒（線ｄ）ともに、前側で一旦少量の温度上昇をした後一定に保たれる傾向にある。
【００６１】
上記の結果から、供給ガスの特定成分濃度を増大させたときに、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で最も大きい触媒温度差が出るような位置で触媒温度を検出するのが好ましいことが分かる。
【００６２】
ここで、触媒温度の検出位置について検討する。先ず図中ＩＶの後端位置の付近について、小劣化触媒（線ａ）の場合には浄化反応が殆ど起きておらず、触媒温度が既に一定となっている。他方、大劣化触媒（線ｂ）の場合には後端位置付近で触媒温度が最大となり、場合によっては図示例の如く小劣化触媒（線ａ）の温度を上回る逆転現象が生じる。よってこの位置ＩＶ付近は検出位置として不適当である。
【００６３】
次に、図中Ｉの前端近傍の位置については、触媒に入ってきた供給ガスの脈動の影響が依然残っているため、正確な温度検出が困難である。よってこの位置Ｉも検出位置として不適当である。
【００６４】
次に、図中ＩＩＩの後半部且つ後端から所定距離前方の位置では、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で大きな触媒温度差を得られていない。よってこの位置Ｉも検出位置として適当ではない。
【００６５】
最後に、図中ＩＩの前半部且つ前端から所定距離後方の位置では、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で最も大きな触媒温度差を得られており、また触媒に入ってきた供給ガスの脈動の影響も解消されている。よってこの位置ＩＩが検出位置として最適である。この位置ＩＩは、例えば、新品触媒の場合に供給ガスの特定成分濃度を増大させたときに触媒温度が最初に最大温度付近に達するような位置でもある。
【００６６】
上記に鑑みれば、供給ガスの特定成分濃度を増大させたときに、小劣化触媒（線ａ）と大劣化触媒（線ｂ）との間で最も大きい触媒温度差が出るような位置で触媒温度を検出するのが好ましいことが分かる。例えば、新品触媒とクライテリア触媒（正常と異常の境目にある触媒、換言すれば異常判定値相当の触媒）との間で検出触媒温度の差が最大となるような位置を触媒温度検出位置とするのが好ましい。これは大抵の場合、図中ＩＩで示したような前側の位置であるが、触媒によってはそうでないこともあり得る。従ってこのような検出位置は予め試験等を通じて決定する。
【００６７】
検出位置をこのように定めることで、供給ガスの特定成分濃度を増大させたときの、触媒劣化度に対する触媒温度の変化率を最大にすることができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して触媒温度の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【００６８】
なお本実施形態の触媒温度センサ２１も、図４の結果に対応させて、ＩＩに示したような前側の位置に設置されている。
【００６９】
次に、検出位置を前側に設定するのが好ましいとする別の理由を図５を参照しつつ説明する。図５において、（Ａ）は触媒を示し、前、中間及び後という三つの検出位置を示している。（Ｂ）および（Ｃ）は、車速の変化とこれに対応する各検出位置の温度変化を示す。ここでは後述の例に合わせて車両減速時にエンジンの燃料噴射を停止するフューエルカットが実行され、その後、車両が停止し、同時にエンジンがアイドル運転状態になったときの温度変化を示す。
【００７０】
触媒は熱容量が比較的大きいため、熱がこもりやすく、アイドル運転前の運転条件が影響しなくなるまでにある程度の時間を要する。また、触媒前方ほど、供給ガスの影響を受けやすい。
【００７１】
図５（Ｂ）に示すように、フューエルカット時には、供給ガスが実質的に外気のみとなることから、供給ガスの温度が急激に低下する。そしてこれに追従して、触媒の前位置で最も早く温度が低下し、次いで中間位置、後位置という順番で温度が低下していく。より言えば、アイドル時において、その前の運転条件の影響を最も受けないのが前位置であり、最も受けているのが後位置である。
【００７２】
他方、図５（Ｃ）を参照して、高車速または高負荷の状態からフューエルカットおよびアイドルに至ったとき（実線）と、低車速または低負荷の状態からフューエルカットおよびアイドルに至ったとき（一点鎖線）とを比較して考察する。触媒の前位置では、高車速・高負荷からのときでも低車速・低負荷からのときでも、アイドルに至ったときには既にほぼ等しい触媒温度に安定化している。これに対し、触媒の後位置では、アイドル前の運転条件の影響を顕著に受けてしまい、高車速・高負荷からのときと低車速・低負荷からのときとでアイドル時の触媒温度に顕著な差があり、前者の方が後者より高い。
【００７３】
よって、触媒の前位置が、アイドル時にその前の運転条件の影響を最も受けづらく、且つアイドル時の温度が最も早く安定する位置といえる。それ故、本実施例の如くアイドル運転時に触媒温度を検出する場合には特に、検出位置を前側に設定するのが好ましい。
【００７４】
以下、第１実施例に従ってＥＣＵ２０により実行される異常診断処理の手順を図６を参照しつつ説明する。なお、図７には当該異常診断処理に関連した（Ａ）供給ガスの空燃比Ａ／Ｆ、（Ｂ）エンジン回転速度Ｎｅおよび（Ｃ）車速Ｖの変化を示すので適宜参照されたい。
【００７５】
図６に示す診断処理は、エンジンのフューエルカットＦ／Ｃ（特に減速フューエルカット）終了と同時に開始される。なおＥＣＵ２０は、１）アクセル開度センサ１５によって検出されたアクセル開度Ａｃが全閉相当であり、且つ、２）クランク角センサ１４の出力から算出されたエンジン回転速度Ｎｅが、所定のアイドル速度Ｎｉより若干高い所定速度Ｎｆｃ以上である、の二条件を満たしたときに、インジェクタ１２への通電を停止してフューエルカットを実行する。フューエルカット開始時期を図７にｔ１で示す。そしてフューエルカット実行中にこの二条件を満たさなくなった時（時刻ｔ２）に、フューエルカットを終了または解除し、インジェクタ１２への通電を適宜行って燃料噴射を再開する。
【００７６】
まず、最初のステップＳ１０１では、フューエルカット終了と同時に開始されるリッチ制御が終了したか否かが判断される。リッチ制御とは、図７（Ａ）にも示すように、燃焼室３に供給される混合気の空燃比ひいては供給ガスの空燃比Ａ／Ｆをストイキよりもリッチ側の所定空燃比（例えば１３．０）とする制御である。
【００７７】
フューエルカットが実行されると、触媒１１を外気のみが通過するため、触媒１１の貴金属からなる触媒成分３２が酸化し、活性が悪化する酸素被毒状態に陥ることがある。この状態のまま放置するとエミッション悪化に繋がり、診断上も良くないことから、フューエルカット終了後は触媒にリッチガスを供給し、酸素被毒状態を解消するようにしている。
【００７８】
フューエルカット実行中には触媒１１に酸素が吸蔵される。そしてリッチ制御実行中はその吸蔵酸素が放出される。吸蔵酸素が放出され尽くすと、リッチガスが触媒１１を素通りして触媒下流側に排出され、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転する。この反転と同時に、リッチ制御が終了され、ストイキ制御が開始される（時刻ｔ３）。
【００７９】
図７の例では、リッチ制御終了の後にエンジンがアイドル運転状態となっている。なお、図示例はＡＴ車の場合であり、エンジンがアイドル運転状態となると同時に車速Ｖもゼロとなっている（時刻ｔ４）。
【００８０】
図６のステップＳ１０１において、リッチ制御が終了していないと判断された場合、待機状態となり、他方リッチ制御が終了したと判断された場合には、ステップＳ１０２に進む。
【００８１】
ステップＳ１０２では、現時点がリッチ制御終了時から所定時間内であるか否かが判断される。所定時間内である場合、ステップＳ１０３において、アイドル運転が実行されているか否かが判断される。アイドル運転が実行されていない場合、ステップＳ１０２に戻る。他方、アイドル運転が実行されている場合には、ステップＳ１０４に進んで、供給ガスの特定成分濃度を増大させる成分濃度増大制御が実行される。一方、ステップＳ１０２で現時点がリッチ制御終了時から所定時間内でないと判断された場合、診断処理が終了される。
【００８２】
すなわち、成分濃度増大制御は、図７に示すように、リッチ制御終了時点ｔ３から所定時間Δｔ以内にアイドル運転が開始されたときに実行される。所定時間Δｔ以内に限った理由は、こうしないと触媒が再び被毒の影響を受ける虞があるからであり、逆に所定時間Δｔ以内に限定することで再度被毒の影響を受けることを未然に防止できる。
【００８３】
リッチ制御終了時点ｔ３から所定時間Δｔ以内にアイドル運転が開始されなかった場合、ステップＳ１０２の判定結果がノーとなり、診断処理が終了される。すなわち今回の診断は中止となる。このような場合は、例えば図７（Ｂ）、（Ｃ）に破線で示すように、リッチ制御終了直後にドライバがアクセルペダルを踏み込んでエンジン及び車両を加速させた場合に起こり得る。図示例の場合、アイドル運転が開始されたのは所定時間Δｔを超えた時期ｔ６である。このような場合には成分濃度増大制御は実行されず、診断は中止される。
【００８４】
前述したように、ステップＳ１０４における成分濃度増大制御は、ＥＣＵ２０が、供給ガスのＨＣ濃度を増大するため、燃料噴射時期遅角、点火時期進角、水温低下及び油温低下（並びに圧縮比可変エンジンの場合には圧縮比増加）の少なくとも一つを実行することにより行われる。いずれを採用するか、またいかなる量の増大を行うかは、ＥＣＵ２０に予め記憶されたプログラムに従って決定される。
【００８５】
好ましくは、特定成分濃度の増大量は、その増量された特定成分がクライテリア触媒で十分浄化可能となるような量に設定される。これにより触媒の劣化度に拘わらず、特定成分濃度増大時に大気に排出される特定成分の量を許容量以内に確実に制限することが可能となる。
【００８６】
他方、成分濃度増大制御が実行されているときにはストイキ制御が実行され、供給ガスの空燃比はストイキに保持されている。よって従来技術の如く空燃比をストイキよりもリッチ又はリーンとする場合に比べ、エミッションの悪化を抑制し、燃費の悪化を抑制することができる。ここでストイキ制御中には、燃焼室３内の混合気の空燃比がストイキとなるよう、燃料噴射量が制御される。
【００８７】
さて、図６に戻って、ステップＳ１０４で成分濃度増大制御が開始された後、ステップＳ１０５で再度アイドル運転が実行されているか否かが判断される。アイドル運転が実行されていない場合、ステップＳ１１３に進んで成分濃度増大制御が終了され、診断処理が終了される。このような場合は、例えば成分濃度増大制御中にドライバがアクセルペダルを踏み込んでエンジン及び車両を加速させようとした場合に起こり得る。
【００８８】
特定成分濃度を増大させた状態でエンジンが非アイドル運転状態となり、車両が走行されると、著しい量のエミッションが大気に排出されてしまう。よって特定成分濃度増大中にエンジンが非アイドル運転状態となったとき、特定成分濃度増大を終了することで、著しい量のエミッションを大気に排出させてしまうことを未然に防止できる。
【００８９】
なお、成分濃度増大制御中にアクセルペダルが踏み込まれ、検出アクセル開度が全閉から開方向に変化したときには、先に成分濃度増大制御を終了し、その後遅延させてスロットルバルブ１０を開方向に制御することも可能である。これによっても同様に著しい量のエミッションを大気に排出させてしまうことを未然に防止できる。
【００９０】
他方、ステップＳ１０５でアイドル運転が実行されていると判断された場合には、ステップＳ１０６に進んで、成分濃度増大制御開始時から所定時間が経過したか否かが判断される。ここでの所定時間は、特定成分濃度増大により図４に示した如く小劣化触媒と大劣化触媒とで十分大きい温度差が出るような時間に予め設定される。所定時間が経過していない場合、ステップＳ１０４，Ｓ１０５が繰り返し実行される。他方、所定時間が経過した場合にはステップＳ１０７に進む。
【００９１】
ステップＳ１０７では、その所定時間経過時点での触媒温度Ｔｃが触媒温度センサ２１により検出される。そして同時に、成分濃度増大制御が終了させられる。
【００９２】
次いでステップＳ１０８では、気温・気圧補正が実行される。特定成分濃度を一定量増大させたときの触媒温度の昇温量は、気温および気圧によって変化する。よって気温および気圧の変化による昇温量変化を補償すべく、気温・気圧補正が実行される。これにより基準状態に補償した上での診断が可能となり、診断精度を向上できる。
【００９３】
例えば、気圧が低い（高地）ほどポンピング損失が低下し、アイドル回転速度保持のための空気量が低下し、触媒に供給される排ガス量ひいては特定成分量が低下し、触媒温度の昇温量が低下する。よってこの触媒温度昇温量の低下を補償するよう、検出触媒温度Ｔｃが増大側に補正され、或いは検出触媒温度Ｔｃの比較対象である異常判定値Ｘ（図４参照）が減少側に補正される。本実施例では後者の異常判定値Ｘを補正する方法を採用する。
【００９４】
図８には、（Ａ）補正係数α、（Ｂ）ガス量（空気量または排ガス量）および（Ｃ）ポンピング損失の気圧との関係を示す。特に（Ａ）が、気圧から補正係数αを算出するためにＥＣＵ２０に予め記憶されたマップを示す。気圧が基準値としての１（ａｔｍ）のとき補正係数α＝１、すなわち補正無しであり、この基準値に対し気圧が上昇すると補正係数も増大し、気圧が低下すると補正係数も減少する。ＥＣＵ２０は、外気圧センサ２３により検出された外気圧に基づき、図８（Ａ）のマップから対応する補正係数αを算出する。
【００９５】
他方、例えば気温が低い（寒冷地）ほど酸素密度が増大し、ポンピング損失が増大し、アイドル回転速度保持のための空気量が増大し、触媒に供給される排ガス量ひいては特定成分量が増大し、触媒温度の昇温量が増大する。よってこの触媒温度昇温量の増大を補償するよう、検出触媒温度Ｔｃが減少側に補正され、或いは異常判定値Ｘが増大側に補正される。
【００９６】
つまり、気圧低下と気温上昇が対応関係にあり、気圧上昇と気温低下が対応関係にある。温度補正も気圧補正と同様の方法で行われる。ＥＣＵ２０は、外気温センサ２２により検出された外気温に基づき、補正係数β及び気温の関係を予め定めたマップから、対応する補正係数βを算出する。
【００９７】
そしてＥＣＵ２０は、最終的に、算出された補正係数α及びβをそれぞれ異常判定値Ｘに乗じて、補正後の異常判定値Ｘを算出する。これにより気温・気圧補正が終了となる。
【００９８】
なお、供給ガスの特定成分としてＮＯｘを採用する場合には、外気の条件、特に湿度により、ＮＯｘ濃度が変化する。すなわち湿度が高いと燃焼温度が低下し、供給ガスのＮＯｘ濃度が低下する。よってこのＮＯｘ濃度の低下を補償するよう、検出触媒温度Ｔｃまたは異常判定値Ｘが補正される。この場合、外気の湿度を検出する湿度センサが設けられ、前記同様、検出された湿度に基づき所定のマップから補正係数が算出される。
【００９９】
さて、ステップＳ１０８において気温・気圧補正が実行された後には、ステップＳ１０９において、検出触媒温度Ｔｃが補正後の異常判定値Ｘ’と比較される。
【０１００】
Ｔｃ＞Ｘ’の場合、特定成分濃度増大によって触媒温度が大きく上昇した場合に該当するので、ステップＳ１１２で触媒は正常（異常でない）と判定され、診断処理が終了される。
【０１０１】
他方、Ｔｃ≦Ｘ’の場合、特定成分濃度増大によっても触媒温度が実質的に上昇せず、或いはその上昇量が小さいので、ステップＳ１１０で触媒は異常と判定される。この場合、ステップＳ１１１において、図示しない警告装置（警告灯等）が作動され、異常の事実がユーザに警告される。そして診断処理が終了される。
【０１０２】
なお、ここでは特定成分濃度増大後の触媒温度Ｔｃ自体に基づいて異常判定を行ったが、特定成分濃度増大前後の触媒温度差すなわち昇温量に基づいて異常判定を行ってもよい。但し、本実施例のようにアイドル運転時に限定する場合には、特定成分濃度増大後の触媒温度が触媒劣化度に応じたほぼ一定値となる傾向が強いため、触媒温度Ｔｃ自体に基づいても十分な診断精度を確保可能である。
【０１０３】
変形例として、図９（Ａ）に示すような前方高担持触媒を用いた例を挙げることができる。この前方高担持触媒とは、触媒の前半部且つ前端から所定距離後方までの高担持領域Ｈ内において触媒成分３２としての貴金属が高密度で担持され、高担領領域Ｈより後方の領域では高担持領域Ｈよりも低密度の貴金属しか担持されていない触媒をいう。
【０１０４】
図９（Ｂ）において、線ｅは、劣化度の大きい前方高担持触媒において特定成分濃度を増大させたときの温度分布を示す。また線ｆは、劣化度の小さい前方高担持触媒において特定成分濃度を増大させたときの温度分布を示す。
【０１０５】
前方高担持触媒の場合、触媒全体として大きく劣化していても、前方の高担持領域Ｈはそれより後方の領域に比べ、相対的に劣化度合いが小さく、特定成分濃度を増大させたときの発熱量、昇温量が大きくなる。よって図示の如く、劣化度の大きい触媒（線ｅ）と小さい触媒（線ｆ）とで温度分布が近づく傾向にあり、高担持領域Ｈ内では昇温量の違いが出にくくなる。
【０１０６】
よって、前方高担持触媒の場合には、高担持領域Ｈよりも後方の領域で触媒温度を検出するのが好ましい。より好ましくは、高担持領域Ｈよりも後方の領域で且つ小劣化触媒（線ｅ）と大劣化触媒（線ｆ）との間に最も大きい触媒温度差が出るような位置Ｖで触媒温度を検出する。こうすることで、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となり、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【０１０７】
なお、近年では触媒の貴金属担持量が減少される傾向にあり、触媒の使用温度が高温化される傾向にある。そして小劣化触媒と大劣化触媒とで、触媒劣化度を表すパラメータの違いが出にくくなっている。本実施形態は、かかる現状にも対応可能な装置及び方法を提案するものである。
【０１０８】
［第２実施例］
次に、第２実施例を説明する。この第２実施例は、上流触媒１１の劣化度を表すパラメータとして、上流触媒１１の酸素吸蔵容量を用いる点が第１実施例と主に相違する。そして計測された酸素吸蔵容量を所定の異常判定値と比較して、上流触媒１１の異常の有無が判定される。
【０１０９】
前述したように、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。そして触媒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 Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表すことができる。よって本実施例では、特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測し、この値に基づいて触媒１１の異常の有無を判定する。
【０１１０】
特に、特定成分濃度を増大させたときの酸素吸蔵容量を計測するので、特定成分濃度を増大させないときに比べ、触媒の発熱量を増加させ、触媒の温度を上昇させ、大きな値の酸素吸蔵容量を計測することができる。よって触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量の変化率を増大することができる。言い換えれば、微妙な触媒劣化度の違いに対して酸素吸蔵容量の違いを拡大して見ることができ、微妙な触媒劣化度の違いを正確に識別することが可能となる。よって、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【０１１１】
図１０（Ａ）に、触媒の劣化度と酸素吸蔵容量ＯＳＣとの関係を示す。触媒劣化度が大きくなるにつれ、酸素吸蔵容量ＯＳＣは低下する傾向にある。図１０（Ｂ）、（Ｃ）は図１０（Ａ）の円で囲った部分、すなわち劣化度大の部分を拡大して示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）に線ｇで示すように、特定成分濃度を増大させないときには、クライテリア付近の劣化度大の部分において線ｇの傾きが小さく、触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化率は小さい。よって酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値から微妙な劣化度の違いを識別するのは困難である。
【０１１２】
これに対し、図１０（Ａ）、（Ｃ）に線ｈで示すように、特定成分濃度を増大させると、全体的により大きな値の酸素吸蔵容量計測値を得られると共に、クライテリア付近の劣化度大の部分において線ｈの傾きを大きくし、触媒劣化度に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化率を大きくすることができる。よって酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値から微妙な劣化度の違いを容易に識別することが可能となる。
【０１１３】
本実施例では所謂Ｃｍａｘ法に基づき、触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを計測する。そしてこの計測時には、燃焼室３内の混合気ひいては供給ガスの空燃比をストイキに対しリッチ側およびリーン側に交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御がＥＣＵ２０により実行される。さらにこの計測時、すなわちアクティブ空燃比制御の実行時、特定成分濃度がＥＣＵ２０により増大させられる。
【０１１４】
以下、図１１及び図１２を用いて酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測方法を説明する。なお便宜上、特定成分濃度増大を併せて実行しない例を説明する。
【０１１５】
図１１（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１１（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。
【０１１６】
図示するように、時刻ｔ１より前ではリーン制御が実行され、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０．２１Ｖ）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。これによりリッチ制御が開始され、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。
【０１１７】
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０．５９Ｖ）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。これにより再びリーン制御が開始され、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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
こうして、触媒が酸素を吸放出する度に、或いは触媒後センサ１８の出力が反転する度に、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。
【０１２０】
このアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次の方法で触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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１２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１２にＯＳＣｂで示す放出酸素量が計測される。
【０１２３】
【数１】
【０１２４】
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。
【０１２５】
リーン制御時にも同様に酸素吸蔵容量、すなわち図１２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。かかるアクティブ空燃比制御は所定周期分行われる。
【０１２６】
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を行うことが可能である。但しここで述べる判定方法は後述する本実施例の判定方法と若干異なる。理解容易のため、ここでは単純な例を示す。
【０１２７】
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Ｙと比較する。ＥＣＵ２０は、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値Ｙより大きいときには触媒１１を正常（異常なし）と判定し、平均値ＯＳＣａｖが異常判定値β以下のときには触媒１１を異常と判定する。
【０１２８】
以下、第２実施例に従ってＥＣＵ２０により実行される異常診断処理の手順を図１３を参照しつつ説明する。
【０１２９】
第１実施例と同様、診断処理は、エンジンのフューエルカット（特に減速フューエルカット）終了と同時に開始される。そしてステップＳ２０１〜Ｓ２０６は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０６（図６参照）と同様である。なお、ステップＳ２０５の判定結果がノーの場合、ステップＳ２１６に進むが、このステップＳ２１６は前記ステップＳ１１３と同様である。
【０１３０】
ステップＳ２０６の判定結果がイエスの場合、ステップＳ２０７において、アクティブ空燃比制御が実行されると共に、酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。そしてステップＳ２０８において、アイドル運転が実行されているか否かが判断される。アイドル運転が実行されていない場合、ステップＳ２１７に進んで、成分濃度増大制御、アクティブ空燃比制御および酸素吸蔵容量計測が終了され、診断処理が終了される。このように成分濃度増大制御等の最中にエンジンが非アイドル運転状態となったときには、それらが終了されると共に診断が中止され、著しい量のエミッションを大気に排出させてしまうことを防止する。
【０１３１】
他方、ステップＳ２０８でアイドル運転が実行されていると判断された場合には、ステップＳ２０９に進んで、アクティブ空燃比制御および酸素吸蔵容量計測が終了したか否かが判断される。終了していない場合にはステップＳ２０７，Ｓ２０８が繰り返し実行され、終了した場合にはステップＳ２１０において成分濃度増大制御が終了させられる。
【０１３２】
次いで、ステップＳ２１１において、前記ステップＳ１０８と同様の気温・気圧補正が実行される。ここで、酸素吸蔵容量ＯＳＣは触媒温度（具体的には触媒内の平均温度）が高いほど大きな値が計測される傾向にある。他方、気圧が低いほど、特定成分濃度増大による触媒温度の昇温量が低下するので、酸素吸蔵容量ＯＳＣは小さな値が計測される。また気温が低いほど、特定成分濃度増大による触媒温度の昇温量が増大するので、酸素吸蔵容量ＯＳＣは大きな値が計測される。よって気温・気圧の変化と酸素吸蔵容量計測値の変化との関係は、第１実施例の如き気温・気圧の変化と触媒昇温量の変化との関係と同じとなり、第１実施例と同様の補正方法を適用することができる。よってここでも第１実施例と同様の補正方法により、補正がなされる。
【０１３３】
こうして気温・気圧補正が実行された後には、ステップＳ２１２において、酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖが、補正後の異常判定値Ｙ’と比較される。
【０１３４】
ＯＳＣａｖ＞Ｙ’の場合、ステップＳ２１５で触媒は正常（異常でない）と判定され、診断処理が終了される。
【０１３５】
他方、ＯＳＣａｖ≦Ｙ’の場合、ステップＳ２１３で触媒は異常と判定される。この場合、ステップＳ２１４において警告装置が作動され、異常の事実がユーザに警告される。そして診断処理が終了される
【０１３６】
このように本実施例によれば、特定成分濃度を増大させることにより、触媒の本来持っている酸素吸蔵容量に触媒温度上昇分を加算した上で酸素吸蔵容量を計測するので、微妙な触媒劣化度の違いに対する酸素吸蔵容量の違いを拡大して見ることができ、特にクライテリア付近での診断精度を高めることが可能となる。
【０１３７】
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、エンジンは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。
【０１３８】
前記実施形態では特定成分濃度増大を伴う診断を直接行ったが、先ず特定成分濃度増大を伴わない通常の診断を行い、これにより異常の虞があると診断された場合のみ、さらに精度を上げるべく、特定成分濃度増大を伴う診断を行ってもよい。特に第２実施例の場合だと、供給ガス量の少ないアイドル条件下で酸素吸蔵容量を計測するため、小劣化触媒等の場合には計測時間ひいては診断時間が徒に長期化する虞がある。そこで、先ず通常の診断を行い、酸素吸蔵容量の小さい触媒（貴金属担持量が少なく新品時から酸素吸蔵容量の小さい触媒を含む）であるとか、異常の虞があると診断された触媒に対してのみ、特定成分濃度増大を伴う診断を行えば、かかる計測時間および診断時間の長期化を抑制でき、診断を効率的に行うことが可能となる。
【０１３９】
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。
【符号の説明】
【０１４０】
１ エンジン
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ インジェクタ
１１ 上流触媒
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 触媒温度センサ
２２ 外気温センサ
２３ 外気圧センサ
Ｔｃ 触媒温度
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
Ｘ，Ｙ 異常判定値
α，β 補正係数
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記触媒に供給される排気ガスの特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる成分濃度増大手段と、
前記成分濃度増大手段により特定成分濃度が増大されたとき、前記触媒の劣化度を表すパラメータを計測する計測手段と、
前記計測手段により計測されたパラメータに基づき前記触媒の異常の有無を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする触媒異常診断装置。
【請求項２】
前記特定成分がＨＣからなり、前記成分濃度増大手段が、燃料噴射時期、点火時期、圧縮比、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更する手段からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
【請求項３】
前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のアイドル運転時に前記特定成分濃度を増大させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒異常診断装置。
【請求項４】
前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のフューエルカット後のリッチ制御が終了した時から所定時間以内に前記アイドル運転が開始されたときに、前記特定成分濃度を増大させる
ことを特徴とする請求項３に記載の触媒異常診断装置。
【請求項５】
前記パラメータの計測値または当該計測値が比較される判定値のうちの少なくとも一方を外気温、外気圧および湿度の少なくとも一つに基づいて補正する補正手段を更に備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項６】
前記パラメータが、前記触媒の前後方向の所定位置において検出された触媒温度である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項７】
前記所定位置が、新品触媒とクライテリア触媒との間で前記パラメータの計測値の差が最大となるような位置である
ことを特徴とする請求項６に記載の触媒異常診断装置。
【請求項８】
前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに保持する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項９】
前記パラメータが、前記触媒の酸素吸蔵容量である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項１０】
前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに対しリッチ側およびリーン側に交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する
ことを特徴とする請求項９に記載の触媒異常診断装置。
【請求項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、
前記触媒に供給される排気ガスの特定成分であって、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つからなる特定成分の濃度を増大させる成分濃度増大手段と、
前記成分濃度増大手段により特定成分濃度が増大されたとき、前記触媒の劣化度を表すパラメータを計測する計測手段と、
前記計測手段により計測されたパラメータに基づき前記触媒の異常の有無を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする触媒異常診断装置。
【請求項２】
前記特定成分がＨＣからなり、前記成分濃度増大手段が、燃料噴射時期、点火時期、圧縮比、水温及び油温の少なくとも一つをＨＣ増大側に変更する手段からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒異常診断装置。
【請求項３】
前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のアイドル運転時に前記特定成分濃度を増大させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒異常診断装置。
【請求項４】
前記成分濃度増大手段が、前記内燃機関のフューエルカット後のリッチ制御が終了した時から所定時間以内に前記アイドル運転が開始されたときに、前記特定成分濃度を増大させる
ことを特徴とする請求項３に記載の触媒異常診断装置。
【請求項５】
前記パラメータの計測値または当該計測値が比較される判定値のうちの少なくとも一方を外気温、外気圧および湿度の少なくとも一つに基づいて補正する補正手段を更に備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項６】
前記パラメータが、前記触媒の前後方向の所定位置において検出された触媒温度である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項７】
前記所定位置が、新品触媒とクライテリア触媒との間で前記パラメータの計測値の差が最大となるような位置である
ことを特徴とする請求項６に記載の触媒異常診断装置。
【請求項８】
前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに保持する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項９】
前記パラメータが、前記触媒の酸素吸蔵容量である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒異常診断装置。
【請求項１０】
前記触媒に供給される排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記成分濃度増大手段が前記特定成分濃度を増大させているとき、前記空燃比をストイキに対しリッチ側およびリーン側に交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する
ことを特徴とする請求項９に記載の触媒異常診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１８３３（Ｐ２０１１−１８３３Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４３４６７（Ｐ２００９−１４３４６７）
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【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２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【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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