JP5062529B2 - 触媒の劣化を診断するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の劣化を診断するための装置及び方法に係り、特に、内燃機関における使用燃料の硫黄影響を考慮した触媒劣化診断装置及び方法に関する。

例えば車両用の内燃機関において、その排気系には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。この触媒の中には酸素吸蔵能（Ｏ₂ストレージ能）を有するものがあり、これは、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、触媒流入排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、即ちリッチになると吸着保持された酸素を放出する。例えばガソリンエンジンでは触媒に流入する排気ガスがストイキ近傍となるよう空燃比制御が行われるが、酸素吸蔵能を有する三元触媒を使用すると、運転条件により実際の空燃比がストイキから多少振れてしまっても、三元触媒による酸素の吸蔵・放出作用により、そのような空燃比ずれを吸収することができる。

ところで、触媒が劣化すると触媒の浄化効率が低下する。一方、触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、酸素吸蔵能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。一般的には、燃焼室内の混合気ひいては触媒に流入する排気ガスの空燃比を強制的にリッチ又はリーンに切り替えるアクティブ空燃比制御を行い、このアクティブ空燃比制御の実行に伴って触媒の酸素吸蔵容量を計測し、触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される。

例えば特許文献１には、触媒に供給される排気ガスを、理論空燃比に対してリーンからリッチに切り換え、この切換時から触媒下流の空燃比センサの出力信号がリッチとなるまでの期間中に触媒を流通した排気ガスの総量と、前記期間中に触媒に供給された排気ガスの空燃比とに基づいて前記期間中に触媒から放出された酸素量を算出し、この酸素量を触媒の酸素吸蔵能と認識して、当該酸素吸蔵能に基づいて触媒の劣化度を検出する装置が開示されている。

特開平６−１５９０４８号公報

一方、使用地域等によっては燃料中に硫黄（Ｓ）が比較的高濃度で含まれていることがある。このような燃料が給油された場合、硫黄成分が触媒に蓄積して触媒の性能が低下する被毒（Ｓ被毒）が発生する。Ｓ被毒が発生すると、触媒の酸素吸放出反応が妨げられて触媒の見掛け上の酸素吸蔵容量が低下する。しかしながら、硫黄濃度の低い燃料が再給油されると被毒状態はやがて解消される。Ｓ被毒による触媒の性能低下は一時的なものである。よって触媒の劣化診断においては、かかるＳ被毒による一時的劣化を、本来診断すべき熱劣化等の恒久的劣化ないし異常であると誤って診断しないようにする必要がある。とりわけ、正常と劣化との境目（クライテリア）付近にありながらなお正常である触媒について、誤って劣化と誤診断してしまわないようにする必要がある。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料中の硫黄の影響による誤診断を未然に防止し得る触媒劣化診断装置及び触媒劣化診断方法を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する装置であって、
前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサと、
前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサと、
少なくとも前記触媒前空燃比センサの出力に基づき、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキにフィードバック制御する空燃比制御手段と、
前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
少なくとも、前記空燃比制御手段によるストイキフィードバック制御中の前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づき、前記計測手段によって計測された酸素吸蔵容量の値を補正する補正手段と
を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

ストイキフィードバック制御中における触媒後空燃比センサの出力挙動は燃料の硫黄濃度に応じて異なる。そこでこの出力挙動差を利用して酸素吸蔵容量計測値が補正される。酸素吸蔵容量計測値を低硫黄燃料使用時相当の値に補正し、硫黄影響を取り除いた上で診断を行うことができ、硫黄影響による誤診断を未然に防止することができる。

好ましくは、前記補正手段は、少なくとも、前記触媒後空燃比センサの出力が所定値よりもリーン側となっている時間の所定時間当たりの割合に基づき、前記酸素吸蔵容量計測値を補正する。

燃料が低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化すると、触媒後空燃比センサの出力波形が全体的にリッチ側にシフトし、触媒後空燃比センサの出力が所定値よりもリーン側となっている時間の所定時間当たりの割合、即ちリーン出力時間割合は少なくなる。よってリーン出力時間割合は、燃料硫黄濃度に相関し且つ触媒後空燃比センサの出力挙動を示す好適なパラメータである。よってリーン出力時間割合を用いることで好適な補正を実行することができる。

好ましくは、前記所定値が、ストイキよりもリーン側の空燃比に対応した値に設定されている。

触媒後空燃比センサの出力波形が全体的にリッチ側にシフトすると、ストイキよりもリーン側の触媒後空燃比センサ出力が得られ難くなる。そこで所定値をリーン空燃比に対応した値に設定することで、燃料硫黄濃度変化に対応したリーン出力時間割合の違いを一層明確にすることができ、補正精度を向上することができる。

好ましくは、前記補正手段は、前記割合と、前記酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、前記酸素吸蔵容量計測値を補正する。

リーン出力時間割合と酸素吸蔵容量との間には一定の相関関係があり、また、低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合に、元々の触媒劣化度（酸素吸蔵容量の値）に応じてリーン出力時間割合の減少量が変化することが確認された。そこでかかる相関関係を予めマップや関数の形式で設定し、利用することで、補正を好適に実行することができる。リーン出力時間割合のみならず、触媒劣化度も考慮して補正を行うので、非常に正確な補正を行うことができ、診断精度の一層の向上を図れる。

好ましくは、前記補正手段は、少なくとも、前記ストイキフィードバック制御中における前記触媒後空燃比センサ出力の軌跡長に基づき、前記酸素吸蔵容量計測値を補正する。

ストイキフィードバック制御中、低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化すると、触媒後空燃比センサの出力波形は全体的にリッチ側にシフトし、結果的に触媒後空燃比センサ出力の軌跡長は少なくなる傾向にある。よって当該軌跡長も燃料硫黄濃度に相関し且つ触媒後空燃比センサの出力挙動を示す好適なパラメータである。よって当該軌跡長を用いることで好適な補正を実行することができる。

好ましくは、前記補正手段は、少なくとも、前記ストイキフィードバック制御中における前記触媒後空燃比センサ出力の軌跡長と前記触媒前空燃比センサ出力の軌跡長との比に基づき、前記酸素吸蔵容量計測値を補正する。

当該軌跡長比も触媒後空燃比センサ出力軌跡長と同様の傾向で、燃料硫黄濃度の変化に応じて変化する。軌跡長比は、触媒後空燃比の変動に加え触媒前空燃比の変動をも考慮するので、触媒後空燃比センサの出力挙動を示すパラメータとしてより好適である。よって軌跡長比を用いれば、補正をより好適に実行することができる。

好ましくは、前記補正手段は、前記軌跡長比と、前記酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、前記酸素吸蔵容量計測値を補正する。

軌跡長比と酸素吸蔵容量との間には、リーン出力時間割合と酸素吸蔵容量との間と同様の一定の相関関係がある。よって前記同様、当該相関関係を利用することで非常に正確な補正を行うことができ、診断精度の一層の向上を図れる。

好ましくは、前記補正手段は、前記内燃機関の高負荷運転時における前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づいて前記酸素吸蔵容量計測値を補正する。

高負荷運転時には、触媒後空燃比センサの出力変動が大きくなり、その出力挙動の燃料硫黄濃度に応じた違いをより明確に出せるようになる。よってこの好ましい形態によれば、補正精度や診断精度の一層の向上が図れる。

好ましくは、
前記酸素吸蔵容量の計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定する判定手段を備え、
前記補正手段は、前記酸素吸蔵容量計測値が前記劣化判定値以下となっている場合に前記補正を実行し、
前記判定手段は、その補正された酸素吸蔵容量計測値を前記劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定する。

この好ましい形態によれば、酸素吸蔵容量計測値が劣化判定値以下となっている場合に限って補正を行うので、補正を必要最小限の頻度で行い、診断処理のシンプル化等を図ることができる。

本発明の他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する方法であって、
Ａ．前記触媒の酸素吸蔵容量を計測するステップと、
Ｂ．少なくとも前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサの出力に基づき、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキにフィードバック制御するステップと、
Ｃ．少なくとも前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサの前記ストイキフィードバック制御中における出力挙動に基づき、前記計測された酸素吸蔵容量の値を補正するステップと
を備えたことを特徴とする触媒劣化診断方法が提供される。

好ましくは、前記ステップＣにおいて、少なくとも、前記触媒後空燃比センサの出力が所定値よりもリーン側となっている時間の所定時間当たりの割合に基づき、前記酸素吸蔵容量計測値が補正される。

好ましくは、前記所定値が、ストイキよりもリーン側の空燃比に対応した値に設定されている。

好ましくは、前記ステップＣにおいて、前記割合と、前記酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、前記酸素吸蔵容量計測値が補正される。

好ましくは、前記ステップＣにおいて、少なくとも、前記ストイキフィードバック制御中における前記触媒後空燃比センサ出力の軌跡長に基づき、前記酸素吸蔵容量計測値が補正される。

好ましくは、前記ステップＣにおいて、少なくとも、前記ストイキフィードバック制御中における前記触媒後空燃比センサ出力の軌跡長と前記触媒前空燃比センサ出力の軌跡長との比に基づき、前記酸素吸蔵容量計測値が補正される。

好ましくは、前記ステップＣにおいて、前記軌跡長比と、前記酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、前記酸素吸蔵容量計測値が補正される。

好ましくは、前記ステップＣにおいて、前記内燃機関の高負荷運転時における前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づいて前記酸素吸蔵容量計測値が補正される。

好ましくは、前記ステップＡにおいて計測された前記酸素吸蔵容量の値が所定の劣化判定値以下となっている場合に前記ステップＣにおける前記補正が実行され、
Ｄ．その補正された酸素吸蔵容量計測値を前記劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定するステップをさらに備える。

本発明によれば、燃料中の硫黄の影響による誤診断を未然に防止できるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

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（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒１１，１９が直列に取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。上流触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前空燃比センサ１７及び触媒後空燃比センサ１８が設置されている。触媒前空燃比センサ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、触媒後空燃比センサ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を持つ。これら触媒前空燃比センサ１７及び触媒後空燃比センサ１８の出力特性を図５に示す。なお触媒後空燃比センサ１８は上流触媒１１と下流触媒１９の間に設置されている。

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、触媒前空燃比センサ１７、触媒後空燃比センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆｓ＝１４．６）近傍のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、通常時、上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを理論空燃比にフィードバック制御する（ストイキフィードバック制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前空燃比センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量、ひいては空燃比をフィードバック制御する。この制御をメインフィードバック制御という。

またＥＣＵ２０は、通常時、触媒１１から流出した排気ガスの空燃比、即ち触媒後空燃比センサ１８により検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒも理論空燃比に一致するように空燃比を制御する。この制御をサブフィードバック制御という。メインフィードバック制御を実行していても、触媒前空燃比センサ１７の製品バラツキや劣化等により実際の中心空燃比が理論空燃比からずれる場合があるので、このずれを補正する目的でサブフィードバック制御が同時に行われる。メインフィードバック制御がミリ秒オーダーの極めて短い時間周期で実行されるのに対し、サブフィードバック制御は比較的長い秒オーダーの時間周期で実行される。サブフィードバック制御の補正量はその長い時間周期毎に更新されていく。

このように本実施形態ではストイキフィードバック制御が、触媒前空燃比センサ１７の出力に基づくメインフィードバック制御と、触媒後空燃比センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御とからなる。しかしながら、サブフィードバック制御は補足的なものであり、メインフィードバック制御が行われていればサブフィードバック制御を省略してもよい。

ここで上流触媒１１についてより詳細に説明する。なお以下の説明は下流触媒１９にも同様に当てはまる。図２に示すように、触媒１１においては、図示しない担体基材の表面上にコート材３１が被覆され、このコート材３１に微粒子状の触媒成分３２が多数分散配置された状態で保持され、触媒１１内部で露出されている。触媒成分３２は主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなり、ＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯといった排ガス成分を反応させる際の活性点となる。他方、コート材３１は、排気ガスと触媒成分３２との界面における反応を促進させる助触媒の役割を担うと共に、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば二酸化セリウムＣｅＯ₂やジルコニアからなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリーンであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを敢えて理論空燃比を中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数均等に分散配置されており、排気ガスと触媒成分３２との接触確率が高い状態に維持されている。しかしながら、触媒１１が劣化してくると、一部の触媒成分３２に消失が見られるほか、触媒成分３２同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある（図の破線参照）。こうなると排気ガスと触媒成分３２との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。そしてこのほかに、触媒成分３２の周囲に存在するコート材３１の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体が低下する。

このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。そこで本実施形態では、特にエミッションへの影響が大きい上流触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより、上流触媒１１の劣化度を検出することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、現状の触媒１１が吸蔵し得る最大酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O₂ Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

本実施形態の触媒劣化診断は前述のＣｍａｘ法によるものを基本とする。そして触媒１１の劣化診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御において、混合気の空燃比ひいては触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒは、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリッチ側及びリーン側にアクティブに（強制的に）交互に切り替えられる。なおリッチ側に切り替えられているときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に切り替えられているときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。このアクティブ空燃比制御によって触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチ側又はリーン側に切り替えられている最中に触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の劣化診断は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度（触媒床温）の計測については、温度センサを用いて直接検出してもよいが、本実施形態の場合内燃機関の運転状態から推定することとしている。例えばＥＣＵ２０は、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａに基づいて、予め設定されたマップを利用し、触媒１１の温度Ｔｃを推定する。なお、吸入空気量Ｇａ以外のパラメータ、例えばエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）などを触媒温度推定に用いるパラメータに含めてもよい。

図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御実行時における触媒前空燃比センサ１７の出力及び触媒後空燃比センサ１８の出力が実線で示されている。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔが破線で示されている。なお図３（Ａ）に示すのは触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒへの換算値、図３（Ｂ）に示すのは触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒである。

図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比（ストイキ）Ａ／Ｆｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ）と、そこからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比Ａ／Ｆｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。そしてこの目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対し僅かな時間遅れを伴って切り替わる。このことから目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒとは時間遅れがあること以外等価であることが理解されよう。なおアクティブ空燃比制御時には目標空燃比Ａ／Ｆｔをリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ又はリーン空燃比Ａ／Ｆｌとするメインフィードバック制御のみが行われており、サブフィードバック制御は行われていない。

図示例においてリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。例えば中心空燃比＝理論空燃比Ａ／Ｆｓ＝１４．６、リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５である。通常のストイキフィードバック制御の場合に比べ、アクティブ空燃比制御の場合は空燃比の振り幅が大きく、即ちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。

ところで、目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる時期ないしタイミングは、触媒後空燃比センサ１８の出力がリッチからリーンに、又はリーンからリッチに切り替わる（或いは反転する）タイミングである。ここで図示されるように触媒後空燃比センサ１８の出力電圧Ｖｒｒは理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。そして当該出力電圧Ｖｒｒの反転時期、即ち当該出力電圧Ｖｒｒがリッチ側に反転したかどうか或いはリーン側に反転したかどうかを定めるため、当該出力電圧Ｖｒｒに関する二つの反転しきい値ＶＲ，ＶＬが定められている。ここでＶＲをリッチ判定値、ＶＬをリーン判定値という。ＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）とされる。出力電圧Ｖｒｒがリーン側即ち減少方向に変化してリーン判定値ＶＬに達した時、出力電圧Ｖｒｒはリーン側に反転したとみなされ、触媒後空燃比センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒは少なくとも理論空燃比よりリーンであると判断される。他方、出力電圧Ｖｒｒがリッチ側即ち増大方向に変化してリッチ判定値ＶＲに達した時、出力電圧Ｖｒｒはリッチ側に反転したとみなされ、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒは少なくとも理論空燃比よりリッチであると判断される。図５に示すように、リーン判定値ＶＬとリッチ判定値ＶＲとにそれぞれ対応する空燃比の間の狭い領域Ｙ（これを遷移領域という）に理論空燃比が含まれている。基本的に、出力電圧Ｖｒｒからは触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出できるのみで、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒの絶対値まで検出するのは困難である。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後空燃比センサ１８の出力電圧がリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。その後、触媒後空燃比センサ１８の出力電圧がリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。このように、触媒後空燃比センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側又はリッチ側に反転する毎に空燃比がリッチ側又はリーン側にアクティブに切替制御される。

このような空燃比変化を行うアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次のようにして触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。

図３を参照して、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌとされ、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸収し続けているが、一杯に酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側に変化し、触媒後空燃比センサ１８の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、或いは反転される。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入されることとなる。このとき触媒１１では、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。よって触媒１１の下流側にはほぼ理論空燃比Ａ／Ｆｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリッチにならないことから、触媒後空燃比センサ１８の出力は反転しない。触媒１１から酸素が放出され続けるとやがて触媒１１からは全ての吸蔵酸素が放出され尽くし、その時点でそれ以上酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリッチ側に変化し、触媒後空燃比センサ１８の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

酸素吸蔵容量ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸収或いは放出し続けることのできる時間が長くなる。つまり、触媒が劣化していない場合は目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期（例えばｔ１からｔ２までの時間）が長くなり、触媒の劣化が進むほど目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期は短くなる。

そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量ＯＳＣが以下のようにして計測される。図４に示すように、時刻ｔ１で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられた直後、僅かに遅れて実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替わる。そして触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣ（酸素吸蔵容量の瞬時値）が算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積算される。こうしてこの酸素放出サイクルにおける酸素吸蔵容量即ち放出酸素量（図４のＯＳＣ１）が計測される。

ここで、Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じるとストイキに対し不足又は過剰分の空気量を算出できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

基本的には、この１回で計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣを用い、これを所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば劣化、というように触媒の劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態では精度を向上させるため、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側となっている酸素吸蔵サイクルでも同様に酸素吸蔵容量（この場合吸蔵酸素量）を計測し、これら酸素吸蔵容量の平均値を１吸放出サイクルに係る１単位の酸素吸蔵容量として計測している。そしてさらに、吸放出サイクルを複数回繰り返し、複数単位の酸素吸蔵容量の値を得、その平均値を最終的な酸素吸蔵容量計測値としている。

酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量（酸素吸蔵量）の計測については、図４に示すように、時刻ｔ２で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられた後、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側に反転する時点ｔ３まで、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが積算される。こうしてこの酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ即ち吸蔵酸素量（図４のＯＳＣ２）が計測される。酸素放出サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と酸素吸蔵サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるのが理想的である。

次に、この酸素吸蔵容量計測値を用いて触媒の劣化判定がなされる。即ち、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒は劣化と判定される。なお、触媒が劣化と判定された場合、その事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置を起動させるのが好ましい。以上が触媒劣化診断の基本的な内容である。

ところで前述したように、硫黄濃度が高い燃料（高硫黄燃料）が給油されると触媒がＳ被毒し、酸素吸蔵容量の計測値が低下する。そして正常な触媒であるにも拘わらず劣化と誤診断する可能性がある。そこで本実施形態では、酸素吸蔵容量計測値を、予め使用が予定されている硫黄濃度が低い燃料（低硫黄燃料）が使用されているときに得られるような値に補正し、その上で劣化判定を行うこととしている。硫黄の影響で低下した酸素吸蔵容量の値を低硫黄燃料相当の値に増大補正し、硫黄影響を排除した上で劣化判定を行うので、硫黄影響による誤判定、誤診断を確実且つ未然に防止することができる。

この補正は、ストイキフィードバック制御中の触媒後空燃比センサ１８の出力挙動に基づいて行われる。即ち、当該出力挙動が低硫黄燃料使用時と高硫黄燃料使用時とで異なるので、この出力挙動差を利用して酸素吸蔵容量計測値が補正される。

図６にストイキフィードバック制御中の触媒前後の空燃比センサ１７，１８の出力挙動を示す。（Ａ）は触媒前空燃比センサ１７の出力を示し、特に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒに換算した値を示す。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は触媒後空燃比センサ１８の出力、特に出力電圧Ｖｒｒ自体を示す。（Ｂ）は正常触媒で且つ低硫黄燃料の場合、（Ｃ）は劣化触媒で且つ低硫黄燃料の場合、（Ｄ）は劣化触媒で且つ高硫黄燃料の場合である。

ストイキフィードバック制御中だと、（Ａ）に示すように、触媒前空燃比センサ１７の出力はストイキ近傍に保持され、ストイキを中心として小さな振幅で変動する。そして（Ｂ）に示すように、正常触媒で且つ低硫黄燃料の場合には、触媒後空燃比センサ１８の出力挙動も触媒前空燃比センサ１７と同じようになり、触媒後空燃比センサ１８の出力Ｖｒｒはストイキ相当値Ｖｓｔ付近で小さく変動する傾向にある。触媒１１に流入する排気ガスの空燃比変化が触媒１１の酸素吸放出作用により十分吸収できるので、触媒１１の下流にはほぼストイキのガスが流出するからである。

しかし、（Ｃ）に示すように、劣化触媒で且つ低硫黄燃料の場合だと、触媒後空燃比センサ１８の出力の変動は大きくなる。これは、触媒が劣化すると触媒１１の酸素吸放出能が低下し、触媒１１に流入するリーンガス又はリッチガスを触媒１１で十分浄化できず、そのリーンガス又はリッチガスが触媒１１の下流に漏れだし、触媒後空燃比センサ１８がそれを感知して出力が変動するからである。

また、（Ｄ）に示すように、劣化触媒で且つ高硫黄燃料の場合だと、（Ｃ）に示すような触媒後空燃比センサ１８の出力波形が全体的にリッチ側にシフトしたような出力波形となる。これは以下の理由によるものと考えられる。

まず、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンで触媒に酸素が吸蔵されるときには、単にリーンガス中の酸素が触媒の酸素吸蔵成分に吸着されるメカニズムである。一方、高硫黄燃料であると、触媒の酸素吸蔵成分に硫黄成分が吸着され、その分酸素吸着量が減るものの、硫黄の影響によって触媒中の反応速度即ち酸素吸着速度がそれほど低下させられる訳ではない。

ところが、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチで触媒から酸素が放出されるときには、触媒の酸素吸蔵成分に吸着された酸素が、貴金属からなる触媒成分３２を介してリッチガスによって引き出され、且つリッチガスと反応するメカニズムである。一方、高硫黄燃料であると、触媒成分３２及び酸素吸蔵成分が硫黄化合物によって被毒され、触媒成分３２を介する反応速度及び酸素放出速度が顕著に低下し、反応で消費されなかったリッチガスが早いタイミングから触媒をすり抜けるようになる。このように低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合、酸素吸着速度の変化と酸素放出速度の変化との間には著しい違いがある。

つまり、高硫黄燃料使用時だと、リーンガスよりもむしろリッチガスが触媒下流側に多くすり抜けるようになり、このことに起因して、（Ｄ）に示すような高硫黄燃料使用時の触媒後空燃比センサ出力波形は（Ｃ）に示すような低硫黄燃料使用時よりもリッチ側にシフトするものと考えられる。なお、図示しないが、正常触媒の場合でも低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合には同様の触媒後空燃比センサ出力波形の変化が認められる。

よって、かかる触媒後空燃比センサ出力挙動の違いを利用して、硫黄影響を除去するような酸素吸蔵容量計測値の補正が可能である。例えば、燃料硫黄濃度に相関するパラメータとしてリッチ／リーン時間比を設定する。このリッチ／リーン時間比とは、所定時間当たりの、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがストイキ相当値Ｖｓｔより大きくなっている時間とストイキ相当値Ｖｓｔより小さくなっている時間との比である。そしてリッチ／リーン時間比が所定値以上増大したとき、硫黄濃度の高い燃料が給油されたとみなして、その増大後に計測された酸素吸蔵容量計測値をその増大前に計測された酸素吸蔵容量計測値に補正する。これにより硫黄影響を取り除いて正確な劣化診断を行うことができる。

本実施形態では、燃料硫黄濃度に相関する好ましいパラメータとして、図６に示すように、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒが所定値Ｖｑよりも小さく（即ちリーン側に）なっている時間の所定時間ｔｐ当たりの割合、即ちリーン出力時間割合ＨＬを用いる。具体的には、図６に示すように、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒが所定値Ｖｑよりも小さくなっているときの時間即ちリーン時間ｔＬが所定時間ｔｐの間積算され、その積算リーン時間ΣｔＬを所定時間ｔｐで除した値がリーン出力時間割合ＨＬである（ＨＬ＝ΣｔＬ／ｔｐ）。所定値Ｖｑは、ストイキよりもリーン側の空燃比に対応した値に設定されている。具体的には所定値Ｖｑは、図５に示すように、ストイキ相当値Ｖｓｔよりも低く、且つ空燃比が十分リーンのときの出力値（リーンリミット値、例えば０．１（Ｖ）付近）よりも高い値に設定されている。本実施形態ではリーン判定値ＶＬよりも若干高い値、例えば０．３（Ｖ）に設定されている。燃料硫黄濃度が高くなるほど触媒後空燃比センサ出力波形がリッチ側、即ち高出力側に移動するので、リーン出力時間割合ＨＬは減少する傾向にある。

触媒後空燃比センサ１８の出力波形が全体的にリッチ側にシフトすると、ストイキよりもリーン側の触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒが得られ難くなる。そこで所定値Ｖｑをリーン空燃比に対応した値に設定することで、燃料硫黄濃度変化に対応したリーン出力時間割合ＨＬの違いを一層明確にすることができ、補正精度を向上することができる。

ところで、本発明者らの試験研究の結果によれば、リーン出力時間割合ＨＬと酸素吸蔵容量ＯＳＣとの間には一定の相関関係があり、また、低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合に、元々の触媒劣化度に応じてリーン出力時間割合ＨＬの減少幅が変化することが確認された。これを示すのが図７である。

図７は触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣ（ｇ）とリーン出力時間割合ＨＬとの関係を示す試験結果である。図中、上側の点Ａ１，Ａ２・・・Ａ９は低硫黄燃料（硫黄濃度３０ｐｐｍ）を使用したときに得られたデータ、下側の点Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂ９は高硫黄燃料（硫黄濃度３００ｐｐｍ）を使用したときに得られたデータである。低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化したとき、図中矢印で示すように、Ａ１，Ａ２・・・Ａ９がそれぞれＢ１，Ｂ２・・・Ｂ９に変化する。添字１，２，・・・９が大きいほど、つまり左側のデータに向かうほど、酸素吸蔵容量ＯＳＣの値は小さくなり触媒劣化度は大きくなる。

図示されるように、一方の燃料のデータ群に着目した場合、データ群には直線性ないし比例関係が見られ、酸素吸蔵容量ＯＳＣが減少するほどリーン出力時間割合ＨＬは増大する傾向にある。また低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合について述べると、酸素吸蔵容量ＯＳＣは減少し、同時にリーン出力時間割合ＨＬも減少する。触媒劣化度が大きいほど、酸素吸蔵容量減少量に対するリーン出力時間割合減少量の割合は大きくなり、図中の矢印の傾きが立ってくる。そして触媒劣化度が大きいほど、低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合のリーン出力時間割合減少量は大きくなる。なお低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化したとき、酸素吸蔵容量の値が劣化判定値ＯＳＣｓより大きい値から小さい値に変化したデータが誤って劣化判定されるデータである。

かかる試験結果を利用して本実施形態では酸素吸蔵容量計測値の補正を行う。例えば、各データＡ１〜Ａ９及びＢ１〜Ｂ９を格子点とするマップを作成してこれをＥＣＵ２０内に予め記憶しておき、実際に得られたデータαをマップ上にあてはめて、低硫黄燃料使用時相当の真のデータＡαに等しくなるか或いはできるだけ近くなるよう補正する。

具体的には以下の通りである。図８に示すように、酸素吸蔵容量ＯＳＣとリーン出力時間割合ＨＬとをパラメータとするマップ上に、上記データＡ１〜Ａ９及びＢ１〜Ｂ９をそれぞれ２本の直線Ｌａ，Ｌｂ上に近似して設定し、ＥＣＵ２０に記憶する。なお便宜上、ＯＳＣ＝ｘ、ＨＬ＝ｙと置き換える。低硫黄燃料時の直線Ｌａはｙ＝ａ₁ｘ＋ａ₂、高硫黄燃料時の直線Ｌｂはｙ＝ｂ₁ｘ＋ｂ₂で表される（ａ₁，ｂ₁は傾き、ａ₂，ｂ₂は切片）。一方、ＡｎとＢｎ（ｎ＝１，２，・・・９）をそれぞれ結ぶ各直線Ｌｎもｙ＝ｃ₁（ｎ）ｘ＋ｃ₂（ｎ）として設定する（ｃ₁（ｎ）は傾き、ｃ₂（ｎ）は切片）。これら各傾きａ₁，ｂ₁，ｃ₁（ｎ）及び各切片ａ₂，ｂ₂，ｃ₂（ｎ）の値がＥＣＵ２０に記憶される。

例えばデータαが実測された場合、このデータαがどの直線Ｌｎの間に位置するかを求める。図示例では直線Ｌ６と直線Ｌ７の間にデータαが位置している。次いで、このデータαと同一のｘ（＝ＯＳＣα）の値を両直線の式に代入し、ｙの値が小さい方の直線（即ち、データαの直下にある直線）を選択する。図示例では直線Ｌ６を選択する。そしてこの選択された直線と低硫黄燃料時の直線Ｌａ：ｙ＝ａ₁ｘ＋ａ₂との交点（Ａ６）を求め、当該交点を補正後のデータα’とすると共に、データα’のｘの値（＝ＯＳＣα’）を補正後の酸素吸蔵容量の値として算出、決定する。

なお、実測データαが直線Ｌ９よりも左側に位置する場合、即ち、データαと同一のｘを直線Ｌ９の式に代入して得られたｙがデータαのｙより小さい場合、補正は行わない。補正しても劣化判定されるからである。また、実測データαが直線Ｌ１よりも右側に位置する場合、即ち、データαと同一のｘを直線Ｌ１の式に代入して得られたｙがデータαのｙより大きい場合、補正は行わない。補正しなくても正常判定されるからである。

また、実測データαがいずれかの直線Ｌｎ上にある場合には、その直線Ｌｎと直線Ｌａとの交点、即ちＡｎそのものを補正後のデータα’とする。

この補正方法では、補正後の酸素吸蔵容量の値が真の値（Ａαのｘ）より大きくなる傾向にあるので、データ点数が少ないと過大に補正してしまって誤って正常判定してしまう場合がある。当然ながらデータ点数は多い方が好ましいが、ＥＣＵのメモリ容量の制約等もあるため、最小のデータ点数で最大の効果を得るため、例えば、劣化判定値ＯＳＣｓ付近や補正量が大きくなる領域でデータ点数を増やし、その他の領域ではデータ点数を減らすのも好ましい。

図９に示すのはデータ点数が少なくて誤正常判定する場合の例である。実測データαはα’に補正されて正常判定されるが、真の補正後のデータはＡαであり、劣化判定されるべきものである。大きく補正しすぎた結果、誤った診断結果が生じている。

これに対し、図１０に示すのは、劣化判定値ＯＳＣｓ付近でデータ点数を多くし、他の領域では少なくした例である。実測データαはα’に補正されるが、このときの補正量が小さいため、補正後のデータα’でも真の補正後のデータＡαと同じように劣化判定される。これにより正しい診断結果を得ている。

ここで、他の補正方法を図１１に基づいて説明する。酸素吸蔵容量ＯＳＣとリーン出力時間割合ＨＬとをパラメータとするマップ上に、上記データＡ１〜Ａ９及びＢ１〜Ｂ９のうち、両端のデータＡ１及びＡ９並びにＢ１及びＢ９をそれぞれ結ぶ２本の直線Ｌａ，Ｌｂを設定し、ＥＣＵ２０に記憶する。低硫黄燃料時の直線Ｌａはｙ＝ａ₁ｘ＋ａ₂、高硫黄燃料時の直線Ｌｂはｙ＝ｂ₁ｘ＋ｂ₂で表される。なお高硫黄燃料時の直線Ｌｂは使用しないので省略してもよい。また、Ａ１とＢ１、Ａ９とＢ９をそれぞれ結ぶ２本の直線Ｌ１，Ｌ９を設定し、ＥＣＵ２０に記憶する。直線Ｌ１はｙ＝ｃ₁（１）ｘ＋ｃ₂（１）、直線Ｌ９はｙ＝ｃ₁（９）ｘ＋ｃ₂（９）で表される。これら各傾きａ₁，ｂ₁，ｃ₁（１），ｃ₁（９）及び各切片ａ₂，ｂ₂，ｃ₂（１），ｃ₂（９）の値がＥＣＵ２０に記憶される。

ここで、２本の直線Ｌａ，Ｌｂは平行とみなすことができ、４本の直線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌ１，Ｌ９で囲まれる図形は台形とみなすことができる。そこであるデータαが実測された場合、直線Ｌ１，Ｌ９間の比を用いて補正後のデータα’を算出する。具体的には、データαを通り且つ直線Ｌａに平行な直線Ｌα：ｙ＝ａ₁ｘ＋ａ_2αを決定する。この決定の仕方は、データαの座標（ｘ、ｙ）を式：ｙ＝ａ₁ｘ＋ａ_2αに代入し、ａ_2αを求めることで行う。

次に、この直線Ｌαと直線Ｌ１及びＬ９との交点のｘ座標ｘ１α，ｘ９αを求める。

最後に、ｌ：ｍ＝ｌ’：ｍ’となるような直線Ｌａ上の点を求め、この点を補正後のデータα’とすると共に、データα’のｘの値（＝ｘα’＝ＯＳＣα’）を補正後の酸素吸蔵容量の値として算出、決定する。具体的には、Ａ１のｘ座標をｘ１、Ａ９のｘ座標をｘ９、データαのｘ座標をｘαとして、次式（２）に基づいてｘα’を求める。

以上で説明した補正により、計測された酸素吸蔵容量の値は、その計測時の燃料硫黄濃度や酸素吸蔵容量の大きさに拘わらず、低硫黄燃料使用時相当の値に補正される。これにより高硫黄燃料使用時に計測された酸素吸蔵容量の値を、低硫黄燃料使用時相当の真の値に補正し、正確な劣化診断を行えると共に硫黄影響による誤診断を確実に防止することができる。特に、リーン出力時間割合ＨＬのみならず、触媒劣化度も考慮して補正が行われる。例えば触媒劣化度の小さい触媒では大きく補正され、触媒劣化度の大きい触媒では小さく補正される。これは、低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化したときに、触媒劣化度の小さい触媒では酸素吸蔵容量低下量が大きく、触媒劣化度の大きい触媒では酸素吸蔵容量低下量が小さいこと（即ち触媒劣化度に応じて硫黄影響の大きさが違うこと）に対応している。従って本実施形態によれば非常に正確な補正を行うことができ、診断精度の一層の向上を図れる。

ところで、ストイキフィードバック制御中の触媒後空燃比センサ１８の出力挙動を検出する際、具体的には積算リーン時間ΣｔＬを計測する際には、エンジン運転状態が加速時等の高負荷運転状態にあるのが好ましい。低負荷運転時より高負荷運転時の方が触媒後空燃比センサ１８の出力変動が大きくなり、低硫黄燃料使用時と高硫黄燃料使用時との違いをより明確にできるからである。例えば、エアフローメータ５で検出された吸入空気量Ｇａが所定値以上のときやアクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度が所定値以上のとき上記検出、計測を行うのが好ましい。なおこのことに対応して、マップデータＡｎ，Ｂｎを取得する際も高負荷運転時の値を取得することが考えられる。

なお、上記の補正では真の値にできるだけ近くなるように酸素吸蔵容量計測値を補正したが、通常のマップ補完のやり方で、直接真の値に補正するようにしてもよい。但し、上記の方法は真の値に補正する方法に比べ演算負荷が少なくて済むという利点がある。また、図８に示したような補正では真の値より若干大きい補正後の値を得る（即ちデータαの直下の直線Ｌｎを選択する）が、これとは逆に、真の値より若干小さい補正後の値を得る（即ちデータαの直上の直線Ｌｎを選択する）ようにしてもよい。当然ながら、データ点数は任意に設定することができ、また、マップの代わりに関数を用いてもよい。

次に、図１２を参照しつつ、本実施形態における触媒劣化診断処理の手順を説明する。当該処理はＥＣＵ２０により実行される。

まずステップＳ１０１において、触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが前述のＣｍａｘ法に基づき計測される。このステップではまず劣化診断を実行するのに適した前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、吸入空気量Ｇａ及び機関回転速度Ｎｅの変動幅が所定範囲内であるなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ触媒１１及び触媒前後センサ１７，１８が所定の活性温度に達していれば、前提条件成立となる。前提条件が成立していない場合には待機状態となる。他方、前提条件が成立した場合には酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が開始される。即ち前述したように、アクティブ空燃比制御が開始され、このアクティブ空燃比制御の実行に伴って触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

こうして酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測が終了したならば、次にステップＳ１０２において、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きいときには、ステップＳ１０３において触媒１１は正常と判定される。

他方、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下のときにはステップＳ１０４に進む。このステップＳ１０４では、ストイキフィードバック制御が実行されると共に、この最中のリーン出力時間割合ＨＬが計測される。即ちストイキフィードバック制御中の所定時間ｔｐの間、リーン時間ｔＬが積算され、この積算リーン時間ΣｔＬを所定時間ｔｐで除してリーン出力時間割合ＨＬが算出される。なお前述したように、エンジンが高負荷運転となっているときに所定時間ｔｐを設定し、リーン時間ｔＬを積算するのが好ましい。

こうしてリーン出力時間割合ＨＬが計測されたならば、ステップＳ１０５において、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが補正される。即ち、ステップＳ１０１で計測された酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣと、ステップＳ１０４で計測されたリーン出力時間割合ＨＬとに基づき、図８又は図１１に示したようなマップを用いて、上述の補正方法により、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが低硫黄燃料使用時相当の値ＯＳＣ’に補正される。

次に、ステップＳ１０６において、補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が劣化判定値ＯＳＣｓより大きいときには、ステップＳ１０３において触媒１１は正常と判定される。他方、補正後の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ’が劣化判定値ＯＳＣｓ以下のときには、ステップＳ１０７において触媒１１は劣化と判定される。

この説明から分かるように、ここでは酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下となっている場合に限って補正を行い、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓを超えている場合には補正は行わない。硫黄影響で酸素吸蔵容量計測値が真の酸素吸蔵容量より低下していても、劣化判定値を超えている場合には真の酸素吸蔵容量が明らかに正常範囲内にあるので、補正を行う必要がないからである。逆に、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下となっている場合に限って補正を行うことで、補正を必要最小限の頻度で行い、診断処理のシンプル化等を図ることができる。

次に、他の実施形態について説明する。この他の実施形態は前記実施形態と大略同様であり、以下相違点を中心に述べる。

ここでは、触媒後空燃比センサ１８の出力挙動を示すパラメータとして、ストイキフィードバック制御中の触媒後空燃比センサ出力の軌跡長（以下、触媒後センサ軌跡長という）を用いる。触媒後センサ軌跡長とは、図１３に示すように、所定の演算周期ないしサンプリング周期（例えば１６ミリ秒）τ毎に前回出力値と今回出力値との差を積算して得られる値である。例えば今回タイミングｉの触媒後空燃比センサ出力値をＶ_i、前回タイミングｉ−１の触媒後空燃比センサ出力値をＶ_i-1とすると、今回タイミングｉでの出力差ΔＶ_iは｜Ｖ_i−Ｖ_i-1｜で表される。この出力差ΔＶ_iを毎回積算して触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒが算出される。

図６に示すように、ストイキフィードバック制御中、（Ｃ）の劣化触媒且つ低硫黄燃料の状態から（Ｄ）の劣化触媒且つ高硫黄燃料の状態に変化したとき、触媒後空燃比センサ１８の出力波形は全体的にリッチ側にシフトするが、この結果触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒはリーン側に振れづらくなり、結果的に触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒは少なくなる傾向にある。図には描かれていないが、厳密には、触媒後空燃比センサ出力Ｖｒｒがリッチリミット値（例えば０．９（Ｖ）付近）に維持される機会が増え、このときには触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒは増加しないから、この理由からも触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒは少なくなる傾向にある。従って、触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒは燃料硫黄濃度に相関する他の好ましいパラメータとなる。

ところで、ストイキフィードバック制御中では、触媒前空燃比センサ出力の軌跡長即ち触媒前センサ軌跡長Ｔｆｒと、触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒとの比ＨＴ＝Ｔｒｒ／Ｔｆｒも、触媒後センサ軌跡長Ｔｒｒと同様の傾向で、燃料硫黄濃度の変化に応じて変化することが判明している。ここで触媒前センサ軌跡長Ｔｆｒとは、サンプリング周期τ毎に、触媒前空燃比センサ出力を空燃比Ａ／Ｆｆｒに換算した値の前回値と今回値との差を積算して得られる値である。例えば今回タイミングｉの触媒前空燃比をＡ／Ｆ_i、前回タイミングｉ−１の触媒前空燃比をＡ／Ｆ_i-1とすると、今回タイミングｉでの空燃比差ΔＡ／Ｆ_iは｜Ａ／Ｆ_i−Ａ／Ｆ_i-1｜で表される。この空燃比差ΔＡ／Ｆ_iを毎回積算して触媒前センサ軌跡長Ｔｆｒが算出される。軌跡長比ＨＴは、触媒後空燃比の変動に加え触媒前空燃比の変動をも考慮するので、触媒後空燃比センサ１８の出力挙動を示すパラメータとしては触媒後センサ軌跡長より好ましい。そこで本実施形態では当該パラメータとして軌跡長比ＨＴを用いる。

ところで、本発明者らの試験研究の結果によれば、軌跡長比と酸素吸蔵容量との間にはリーン出力時間割合と酸素吸蔵容量との間と同様の一定の相関関係があり、また、低硫黄燃料から高硫黄燃料に変化した場合に、元々の触媒劣化度に応じて軌跡長比ＨＴの減少幅が変化することが確認された。これを示すのが図１４である。

図１４は触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣ（ｇ）と軌跡長比ＨＴとの関係を示す。図から明らかなように、この関係は図７に示した酸素吸蔵容量ＯＳＣとリーン出力時間割合ＨＬとの関係と酷似している。よって、リーン出力時間割合ＨＬを軌跡長比ＨＴに置き換えることで前記の説明を踏襲でき、また前記補正方法を流用することが可能である。従ってこの他の実施形態は、前記実施形態のリーン出力時間割合ＨＬを軌跡長比ＨＴに置き換えることにより、同様の方法で酸素吸蔵容量計測値を補正するものである。図１４に図７と対応した符号を付し、以下詳細な説明を省略する。なお、上側の点Ａ１，Ａ２・・・Ａ８は低硫黄燃料（硫黄濃度３０ｐｐｍ）を使用したときに得られたデータ、下側の点Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂ８は高硫黄燃料（硫黄濃度３００ｐｐｍ）を使用したときに得られたデータである。

図１５に本実施形態における触媒劣化診断処理の手順を示す。これは図１２に示した処理の内容とほぼ同様であり、異なるのは、前記ステップＳ１０４でリーン出力時間割合ＨＬが計測される代わりにステップＳ２０４で軌跡長比ＨＴが計測される点と、前記ステップＳ１０５でリーン出力時間割合ＨＬを用いて補正が行われる代わりにステップＳ２０５で軌跡長比ＨＴを用いて補正が行われる点だけである。よって、対応ステップについて符号を２００番台に変更して図示するに止め、詳細な説明は省略する。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、内燃機関の用途や形式は任意であり、例えば車両用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。触媒後空燃比センサに触媒前空燃比センサと同様の広域空燃比センサを用いてもよいし、触媒前空燃比センサに触媒後空燃比センサと同様のＯ₂センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサやＯ₂センサを含め、広く、排気空燃比を検出するセンサを空燃比センサということとする。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 アクティブ空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。 図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 触媒前空燃比センサ及び触媒後空燃比センサの出力特性を示すグラフである。 ストイキフィードバック制御中の触媒前空燃比センサ及び触媒後空燃比センサの出力挙動を示すタイムチャートである。 触媒の酸素吸蔵容量とリーン出力時間割合との関係を示すグラフである。 酸素吸蔵容量とリーン出力時間割合とをパラメータとするマップである。 酸素吸蔵容量とリーン出力時間割合とをパラメータとする別のマップである。 酸素吸蔵容量とリーン出力時間割合とをパラメータとする別のマップである。 酸素吸蔵容量とリーン出力時間割合とをパラメータとする別のマップである。 触媒劣化診断処理のフローチャートである。 触媒後空燃比センサ出力軌跡長の算出方法を説明するための図である。 他の実施形態に係る、触媒の酸素吸蔵容量と軌跡長比との関係を示すグラフである。 他の実施形態に係る触媒劣化診断処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１７ 触媒前空燃比センサ
１８ 触媒後空燃比センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＣｓ 劣化判定値
Ｖｒｒ 触媒後空燃比センサ出力
Ｖｑ 所定値
ΣｔＬ 積算リーン時間
ｔｐ 所定時間
ＨＬ リーン出力時間割合
Ｔｒｒ 触媒後空燃比センサ出力軌跡長
Ｔｆｒ 触媒前空燃比センサ出力軌跡長
ＨＴ 軌跡長比

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサと、
   前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサと、
   少なくとも前記触媒前空燃比センサの出力に基づき、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキにフィードバック制御する空燃比制御手段と、
   前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   少なくとも、前記空燃比制御手段によるストイキフィードバック制御中の前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づき、前記計測手段によって計測された酸素吸蔵容量計測値を補正する補正手段と
   を備え、
   前記補正手段は、前記ストイキフィードバック制御中に前記触媒後空燃比センサの出力が所定値よりもリーン側となっている時間の所定時間当たりの割合と、酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、計測された前記割合と前記酸素吸蔵容量計測値とに基づき、前記酸素吸蔵容量計測値を補正することを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記所定値が、ストイキよりもリーン側の空燃比に対応した値に設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化診断装置。
3. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサと、
   前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサと、
   少なくとも前記触媒前空燃比センサの出力に基づき、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキにフィードバック制御する空燃比制御手段と、
   前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   少なくとも、前記空燃比制御手段によるストイキフィードバック制御中の前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づき、前記計測手段によって計測された酸素吸蔵容量計測値を補正する補正手段と
   を備え、
   前記補正手段は、前記ストイキフィードバック制御中における前記触媒後空燃比センサ出力の軌跡長と前記触媒前空燃比センサ出力の軌跡長との比である軌跡長比と、酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、計測された前記軌跡長比と前記酸素吸蔵容量計測値とに基づき、前記酸素吸蔵容量計測値を補正することを特徴とする触媒劣化診断装置。
4. 前記補正手段は、前記内燃機関の高負荷運転時における前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づいて前記酸素吸蔵容量計測値を補正する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触媒劣化診断装置。
5. 前記酸素吸蔵容量の計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定する判定手段を備え、
   前記補正手段は、前記酸素吸蔵容量計測値が前記劣化判定値以下となっている場合に前記補正を実行し、
   前記判定手段は、その補正された酸素吸蔵容量計測値を前記劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の触媒劣化診断装置。
6. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する方法であって、
   Ａ．前記触媒の酸素吸蔵容量を計測するステップと、
   Ｂ．少なくとも前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサの出力に基づき、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキにフィードバック制御するステップと、
   Ｃ．少なくとも前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサの前記ストイキフィードバック制御中における出力挙動に基づき、前記計測された酸素吸蔵容量計測値を補正するステップと、
   Ｄ．補正された前記酸素吸蔵容量計測値に基づき、前記触媒が劣化しているか否かを判定するステップと、
   を備え、
   前記ステップＣにおいて、前記ストイキフィードバック制御中に前記触媒後空燃比センサの出力が所定値よりもリーン側となっている時間の所定時間当たりの割合と、酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、計測された前記割合と前記酸素吸蔵容量計測値とに基づき、前記酸素吸蔵容量計測値が補正されることを特徴とする触媒劣化診断方法。
7. 前記所定値が、ストイキよりもリーン側の空燃比に対応した値に設定されている
   ことを特徴とする請求項６記載の触媒劣化診断方法。
8. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する方法であって、
   Ａ’．前記触媒の酸素吸蔵容量を計測するステップと、
   Ｂ’．少なくとも前記触媒の上流側に設けられた触媒前空燃比センサの出力に基づき、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキにフィードバック制御するステップと、
   Ｃ’．少なくとも前記触媒の下流側に設けられた触媒後空燃比センサの前記ストイキフィードバック制御中における出力挙動に基づき、前記計測された酸素吸蔵容量計測値を補正するステップと、
   Ｄ’．補正された前記酸素吸蔵容量計測値に基づき、前記触媒が劣化しているか否かを判定するステップと、
   を備え、
   前記ステップＣ’において、前記ストイキフィードバック制御中における前記触媒後空燃比センサ出力の軌跡長と前記触媒前空燃比センサ出力の軌跡長との比である軌跡長比と、酸素吸蔵容量との間の予め定められた関係を用いて、計測された前記軌跡長比と前記酸素吸蔵容量計測値とに基づき、前記酸素吸蔵容量計測値が補正されることを特徴とする触媒劣化診断方法。
9. 前記ステップＣにおいて、前記内燃機関の高負荷運転時における前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づいて前記酸素吸蔵容量計測値が補正される
   ことを特徴とする請求項６または７記載の触媒劣化診断方法。
10. 前記ステップＡにおいて計測された前記酸素吸蔵容量の値が所定の劣化判定値以下となっている場合に前記ステップＣにおける前記補正が実行され、
    前記ステップＤにおいて、その補正された酸素吸蔵容量計測値を前記劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かが判定される
    ことを特徴とする請求項６，７，９のいずれかに記載の触媒劣化診断方法。
11. 前記ステップＣ’において、前記内燃機関の高負荷運転時における前記触媒後空燃比センサの出力挙動に基づいて前記酸素吸蔵容量計測値が補正される
    ことを特徴とする請求項８記載の触媒劣化診断方法。
12. 前記ステップＡ’において計測された前記酸素吸蔵容量の値が所定の劣化判定値以下となっている場合に前記ステップＣ’における前記補正が実行され、
    前記ステップＤ’において、その補正された酸素吸蔵容量計測値を前記劣化判定値と比較して前記触媒が劣化しているか否かが判定される
    ことを特徴とする請求項８または１１記載の触媒劣化診断方法。

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