JPH11132031A

JPH11132031A - 内燃機関の触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JPH11132031A
Application number: JP9294299A
Authority: JP
Inventors: Noritake Mitsuya; 典丈光谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】劣化判定実行頻度を低下させることなく正確
に触媒劣化を検出する。【解決手段】内燃機関１の三元触媒２０上流側排気通
路に空燃比センサ１３、下流側にＯ₂センサ１５を配置
する。制御回路１０はセンサ１３、１５の出力に基づい
て機関空燃比を目標空燃比にフィードバック制御すると
ともに、フィードバック制御実施中にセンサ１３、１５
の出力軌跡長に基づいて触媒劣化の有無を判別する。制
御回路は、機関吸入空気量から現在の触媒温度を推定し
この触媒温度に基づいて触媒劣化判定実行許容範囲を設
定するとともに触媒に流入する排気空燃比がこの許容範
囲内にある場合にのみ劣化判定を実行する。これによ
り、触媒温度にかかわらず正確な劣化判定が可能になる
とともに、不必要に触媒劣化判定実行を制限することが
防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化触媒の劣化の有無を判定する触媒劣化判定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気通路に設置した排気浄化
触媒の下流側排気通路に配置された下流側空燃比センサ
の出力に基づいて触媒の劣化の有無を判定する触媒劣化
判定装置が知られている。この種の触媒劣化判定装置の
例としては、例えば特開平９−１１９３０９号公報に記
載されたものがある。

【０００３】同公報の装置では、下流側空燃比センサの
出力の軌跡長に基づいて触媒の劣化の有無を判定する際
に、触媒上流側に配置した上流側空燃比センサで検出し
た排気空燃比、すなわち触媒に流入する排気空燃比が予
め定めた上限値と下限値との範囲内にある場合にのみ触
媒劣化の有無の判定を行なうようにしている。周知のよ
うに、三元触媒は流入する排気の空燃比がリーンのとき
に排気中の酸素を吸収し、排気空燃比がリッチのときに
は吸収した酸素を放出する、いわゆるＯ₂ストレージ作
用を行う。このため、三元触媒が正常であれば触媒上流
側で空燃比が多少変動した場合であっても触媒のＯ₂ス
トレージ作用により触媒下流側での排気の空燃比の変動
は小さくなり、下流側空燃比センサ出力の軌跡長は比較
的短くなる。しかし、触媒のＯ₂ストレージ作用は触媒
の劣化とともに低下するため触媒が劣化するとＯ₂スト
レージ作用による酸素の吸放出量が小さくなり、触媒下
流側の排気空燃比の変動は大きくなり徐々に触媒上流側
の排気空燃比と同様に変動するようになる。このため、
触媒が劣化すると下流側空燃比センサ出力の軌跡長も大
きくなる。従って、触媒下流側空燃比センサ出力の軌跡
長を監視することにより触媒の劣化の程度を知ることが
できる。

【０００４】しかし、触媒下流側の空燃比変動は触媒の
Ｏ₂ストレージ作用が同一であっても（触媒の劣化程度
が同一であっても）、触媒に流入する排気の空燃比変化
幅によって変化する場合がある。すなわち、触媒のＯ₂
ストレージ作用による単位時間当たりの酸素吸放出量は
触媒に流入する排気の空燃比の理論空燃比からの偏差に
応じて変化する。例えば、触媒に流入する排気空燃比が
理論空燃比より大幅にリッチ側である場合には触媒の単
位時間当たりの酸素放出量は大きくなる。この場合に
は、触媒は劣化していなくても短時間で酸素を放出し尽
くしてしまい、触媒下流側の排気空燃比もリッチ側に大
きく変動するようになる。また、逆に触媒上流側の排気
空燃比が理論空燃比より大幅にリーン側になると、触媒
は短時間で飽和量まで酸素を吸収してしまい、触媒下流
側の排気空燃比は触媒が正常であってもリーン側に大き
く変動するようになる。このため、触媒に流入する排気
空燃比の変動幅が正常な触媒のＯ₂ストレージ作用にお
ける空燃比許容範囲より大きくなると正常な触媒が劣化
したと誤判定される場合が生じる。

【０００５】特開平９−１１９３０９号公報の劣化検出
装置は、上記の誤判定を防止するために、触媒上流側空
燃比センサで検出した排気空燃比が一定の範囲（すなわ
ち、正常な触媒のＯ₂ストレージ作用における許容空燃
比範囲）から外れた場合に下流側空燃比センサ出力の軌
跡長算出を停止するようにしたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
９−１１９３０９号公報の装置では劣化判定のための許
容空燃比範囲は常に一定の範囲に設定されているため問
題が生じる場合がある。すなわち、同一の触媒であって
も触媒温度が高くなるにつれてＯ₂ストレージ作用が増
大し、触媒が吸着、保持可能な酸素量は増加するため、
許容可能な上流側空燃比範囲は触媒温度が低い場合に比
べて大きくなる。このため、上記特開平９−１１９３０
９号公報の装置のように、許容空燃比範囲を常に一定に
設定すると、触媒温度によっては設定した許容空燃比範
囲が実際の許容空燃比範囲より広くなる場合が生じ触媒
劣化の誤判定が生じる可能性がある。この場合、許容空
燃比範囲を触媒温度が低い場合を基準として狭い範囲に
設定すれば一応上記誤判定は防止することができる。し
かし、許容空燃比範囲を触媒温度が低い場合に合わせて
狭い範囲に設定してしまったのでは、触媒温度が高い場
合には許容空燃比範囲が不必要に狭く設定されてしまい
触媒劣化判定実行頻度が低下してしまうという問題が生
じる。

【０００７】本発明は上記問題に鑑み、触媒劣化判定実
行頻度を高く維持しながら正確な触媒劣化判定を可能と
する内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することを目的
としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、内燃機関の排気通路に配置された、Ｏ₂ストレ
ージ作用を有する三元触媒と、前記三元触媒の下流側の
排気通路に配置され、前記三元触媒下流側の排気空燃比
を検出する下流側空燃比センサと、前記内燃機関の空燃
比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃
比制御手段により内燃機関の空燃比が制御されていると
きに、前記下流側空燃比センサ出力に基づいて前記三元
触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段と、三元触媒
に流入する排気の空燃比が予め定めた診断実行空燃比範
囲にあるときに前記劣化判定手段による前記三元触媒の
劣化の有無の判定を許可する判定許可手段と、前記三元
触媒の温度に応じて前記診断実行空燃比範囲を設定する
設定手段と、を備えた内燃機関の触媒劣化検出装置が提
供される。

【０００９】すなわち、請求項１に記載の発明では、触
媒の温度に応じて触媒劣化判定を許可する診断実行空燃
比範囲が設定される。これにより、診断実行範囲をそれ
ぞれの触媒温度におけるＯ₂ストレージ作用の許容空燃
比範囲に設定することができ、触媒劣化判定実行頻度を
不必要に低下させることなく触媒温度にかかわらず触媒
劣化の誤判定が防止される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態を説明する。図１は本発明を自動車用内燃機関
に適用した場合の全体構成を示す概略図である。図１に
おいて、１は内燃機関本体、２は機関１の吸気通路に設
けられたサージタンク、２ａはサージタンク２と各気筒
の吸気ポートを接続する吸気マニホルド、１６はサージ
タンク２の上流側の吸気通路に配置され運転者のアクセ
ルペダル２１操作量に応じた開度をとるスロットル弁、
７は機関１の各気筒の吸気ポートに加圧燃料を噴射する
燃料噴射弁である。スロットル弁１６にはスロットル弁
の動作量（開度）に応じた電圧信号を発生するスロット
ル開度センサ１７が設けられている。

【００１１】また、図１において１１は各気筒の排気ポ
ートを共通の集合排気管１４に接続する排気マニホル
ド、２０は排気管１４に配置された三元触媒、１３は排
気マニホルド１１の排気合流部（三元触媒２０上流側）
に配置された上流側空燃比センサ、１５は三元触媒２０
下流側の排気管１４に配置された下流側空燃比センサで
ある。三元触媒２０は、流入する排気空燃比が理論空燃
比近傍にあるときに排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xの３成
分を同時に浄化することができる。

【００１２】また、本実施形態では上流側空燃比センサ
１３としては排気空燃比と１対１に対応する連続電圧信
号を発生するいわゆるリニア空燃比センサが使用され、
下流側空燃比センサ１５としては理論空燃比近傍で急激
に出力電圧が変化するいわゆるＺ型出力のＯ₂センサが
使用されている。図２(A) はリニア空燃比センサの、図
２(B) はＺ型出力Ｏ₂センサの、それぞれ一般的な出力
特性を示す図である。図２(A) に示すように、リニア空
燃比センサは空燃比に略比例した連続的な電圧信号を出
力するのに対して、図２(B) に示すようにＯ₂センサは
理論空燃比近傍で出力電圧が急変し、理論空燃比近傍の
狭い範囲以外では出力電圧は排気空燃比には比例しな
い。

【００１３】本実施形態では、吸気通路のサージタンク
２にはサージタンク内の吸気圧力（絶対圧）に応じた電
圧信号を発生する吸気圧センサ３が設けられており、ま
た、機関本体１のシリンダブロックのウォータジャケッ
ト８には、冷却水の温度に応じたアナログ電圧の電気信
号を発生する水温センサ９が設けられている。なお、上
述のスロットル弁開度センサ１７、吸気圧センサ３、水
温センサ９及び空燃比センサ１３、Ｏ₂センサ１５の出
力信号は、後述する制御回路１０のマルチプレクサ内蔵
Ａ／Ｄ変換器１０１に入力される。

【００１４】図１に５、６で示すのは、機関１のカム軸
とクランク軸（図示せず）とのそれぞれ近傍に配置され
たクランク角センサである。クランク角センサ５は例え
ばクランク角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パ
ルス信号を発生し、クランク角センサ６は、クランク角
３０°毎にクランク角検出用パルス信号を発生する。こ
れらクランク角センサ５、６のパルス信号は制御回路１
０の入出力インターフェイス１０２に供給され、このう
ちクランク角センサ６の出力は制御回路１０のＣＰＵ１
０３の割込み端子に供給される。制御回路１０は、クラ
ンク角センサ６からのクランク角パルス信号間隔に基づ
いて機関１の回転数（回転速度）を算出し、種々の制御
に使用している。

【００１５】制御回路１０は、たとえばマイクロコンピ
ュータとして構成され、マルチプレクサ内蔵Ａ／Ｄ変換
器１０１、入出力インターフェイス１０２、ＣＰＵ１０
３の他に、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、メインスイッ
チがオフにされた場合でも記憶保持可能なバックアップ
ＲＡＭ１０６、クロック発生回路１０７等が設けられて
いる。

【００１６】制御回路１０は、吸気圧、スロットル弁開
度及び機関回転数に基づいて機関１の燃料噴射量制御、
点火時期制御等の機関１の基本制御を行う他、本実施形
態では、後述するように空燃比センサ１３、Ｏ₂センサ
１５出力に基づいて三元触媒２０の劣化判定を行なう。
すなわち、制御回路１０は、請求項に記載した劣化判定
手段、判定許可手段、設定手段、の各手段として機能す
る。

【００１７】上記制御を行うため、制御回路１０は一定
時間毎に実行するＡ／Ｄ変換ルーチンにより、吸気圧セ
ンサ３からの吸気圧（ＰＭ）信号、スロットル開度セン
サ１７からのスロットル開度（ＴＡ）信号、水温センサ
９からの冷却水温度（ＴＨＷ）信号、空燃比センサ１３
からの排気空燃比信号（ＶＡＦ）及びＯ₂センサ１５か
らの排気空燃比信号（ＶＯＳ）をＡ／Ｄ変換する。

【００１８】また、制御回路１０の入出力インターフェ
イス１０２は駆動回路１０８を介して燃料噴射弁７に接
続され、燃料噴射弁７からの燃料噴射量、噴射時期を制
御している。次に、本実施形態の機関の燃料噴射量算出
について説明する。本実施形態では、機関１への燃料噴
射量ＦＩは次式により算出される。

【００１９】ＦＩ＝ＦＣＲ×α＋ＤＦ＋β…(1) ここで、ＦＣＲは機関空燃比を目標空燃比（理論空燃
比）に維持するのに必要な燃料噴射量（基本燃料噴射
量）、ＤＦは上流側空燃比センサ１３出力ＶＡＦと下流
側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳとに基づくフィードバック
制御により定まるフィードバック補正量である。また、
α、βは機関の冷間始動時や過渡運転時の燃料噴射量補
正のための係数であり、通常の定常運転ではα＝１、β
＝０に設定される。

【００２０】本実施形態では、基本燃料噴射量ＦＣＲは
以下の式により算出される。ＦＣＲ＝ＭＣ／ＡＦＴ…(2) ここで、ＭＣは実際に気筒内に吸入された空気量であ
り、吸気圧センサ３で検出した吸気圧力ＰＭ及び機関回
転数ＮＥに基づいて予め制御回路１０のＲＯＭ１０４に
格納された数値マップから算出された値にスロットル開
度ＴＡの変化に基づく過渡運転状態の補正を加えた値と
される。また、ＡＦＴは目標空燃比（本実施形態では理
論空燃比）である。すなわち，基本燃料噴射量ＦＣＲは
実際に気筒内に吸入された空気量に対して機関空燃比を
理論空燃比にするために必要とされる燃料噴射量を表し
ている。

【００２１】また、フィードバック補正量ＤＦは次式に
より算出される。ＤＦ＝Ｋ_FP×ＦＤ＋Ｋ_FI×ΣＦＤ…(3) ここで、ＦＤは実際に機関に供給された燃料量と基本燃
料噴射量ＦＣＲとの差を、ΣＦＤはＦＤの積算値を表し
ている。すなわち、フィードバック補正量ＤＦは実際に
機関に供給された燃料量と機関を目標空燃比にするため
に必要な燃料量ＦＣＲとの偏差ＦＤの比例項Ｋ_FP×ＦＤ
と積分項Ｋ_FI×ΣＦＤとの和として算出される。Ｋ_FP、
Ｋ_FIは、それぞれ比例係数、積分係数である。

【００２２】なお、実際に機関に供給された燃料量は前
述の(2) 式で使用した筒内空気量ＭＣを、上流側空燃比
センサ１３出力ＶＡＦに基づいて算出した触媒２０上流
側の空燃比ＡＢＦで除することにより算出される。すな
わち、上記偏差ＦＤは、ＦＤ＝ＭＣ／ＡＢＦ−ＦＣＲ…(4) となる。燃料噴射量は偏差ＦＤが大きいほど、また偏差
ＦＤの積分値ΣＦＤが大きい程増量されることになる。

【００２３】次に、(4) 式における触媒２０上流側空燃
比ＡＢＦの算出について説明する。上流側空燃比ＡＢＦ
は上流側空燃比センサ１３出力ＶＡＦに基づいて算出さ
れるが、上流側空燃比センサ１３出力は、例えば理論空
燃比相当出力の経年変化やセンサ毎の出力特性のばらつ
き、更には上流側空燃比センサ１３位置において各気筒
からの排気の混合状態が均一でないこと、などにより必
ずしも正確に機関空燃比に等しくなっていない場合があ
る。一方、下流側Ｏ₂センサ１５位置では排気の混合状
態は均一になっており、排気温度も低くなっているため
Ｏ₂センサ出力の経年変化も比較的小さい。そこで、本
実施形態では、下流側Ｏ₂センサ１５の実際の出力と目
標空燃比相当出力ＶＯＳＴ（本実施形態ではＯ₂センサ
１５の理論空燃比相当出力）との偏差ＶＤに基づいてサ
ブフィードバック補正量ＤＶを算出し、このフィードバ
ック補正量ＤＶを用いて上流側空燃比センサ出力ＶＡＦ
を以下の式で補正するようにしている。

【００２４】ＶＡＦ′＝ＶＡＦ＋ＤＶ…(5) ここで、ＶＡＦ′はサブフィードバック補正後の上流側
空燃比センサ出力である。また、サブフィードバック補
正量ＤＶは、Ｏ₂センサ１５出力と目標空燃比相当出力
ＶＯＳＴとの偏差ＶＤ（ＶＤ＝ＶＯＳ−ＶＯＳＴ…(6)
）を用いて、ＤＶ＝Ｋ_XP×ＶＤ＋Ｋ_XI×ΣＶＤ…(7) として算出される。

【００２５】(7) 式において、ΣＶＤは偏差ＶＤの積算
値、Ｋ_XP、Ｋ_XIはそれぞれ比例定数、積分定数を表して
いる。すなわち、サブフィードバック補正量ＤＶは、偏
差ＶＤの比例項（Ｋ_XP×ＶＤ）と積分項（Ｋ_XI×ΣＶ
Ｄ）との和として算出されることになる。本実施形態で
は、触媒２０上流側の空燃比は上記補正後の上流側空燃
比センサ出力ＶＡＦ′を用いて図２(A) に示した関係か
ら求められる。

【００２６】上述のように、本実施形態では上流側空燃
比センサ１３出力は下流側Ｏ₂センサ１５出力に基づく
サブフィードバック制御により補正され、補正後の上流
側空燃比センサ１３出力に基づいて機関空燃比（すなわ
ち触媒２０に流入する排気の空燃比）が目標空燃比に制
御される。次に、本実施形態における触媒劣化判定の原
理について説明する。

【００２７】本実施形態では、後述するように上流側空
燃比センサ１３出力の軌跡長と下流側Ｏ₂センサ１５出
力の軌跡長とに基づいて触媒２０の劣化の有無を判定す
る。公知のように、三元触媒は流入する排気の空燃比が
リーンのときに排気中の酸素を吸着し、流入する排気の
空燃比がリッチのときに吸着保持した酸素を放出するＯ
₂ストレージ作用を行う。このＯ₂ストレージ作用によ
り、三元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍
で多少変動した場合であっても三元触媒は理論空燃比雰
囲気に保持され、三元触媒の機能が最大限に発揮され
る。

【００２８】また、上述のように、三元触媒がＯ₂スト
レージ作用を十分に発揮している場合には触媒２０下流
側の排気の空燃比はほぼ理論空燃比近傍に維持されるた
め変動が少なくなる。このため、三元触媒がＯ₂ストレ
ージ作用を十分に発揮している場合には、下流側Ｏ₂セ
ンサ１５出力の軌跡長ＬＶＯＳ（図３）は上流側空燃比
センサ出力の軌跡長ＬＶＡＦに比較して小さくなる。と
ころが、三元触媒が劣化するとそれに応じて触媒のＯ₂
ストレージ作用も低下するようになり、触媒２０下流側
の排気空燃比も触媒２０上流側の排気の空燃比に応じて
変動するようになる。これにより、下流側Ｏ₂センサ１
５出力の軌跡長ＬＶＯＳは触媒の劣化とともに上流側空
燃比センサ１３出力の軌跡長ＬＶＡＦに近づくようにな
る。このため、下流側Ｏ₂センサ１５出力の軌跡長ＬＶ
ＯＳを監視することにより触媒の劣化程度を判定するこ
とができる。しかし、下流側Ｏ₂センサ１５出力の変動
周期や振幅は触媒のＯ₂ストレージ作用の許容空燃比範
囲内であっても触媒２０に流入する排気の空燃比変動の
周期、振幅により変化する。そこで、本実施形態では、
触媒２０上流側の排気空燃比変動の状態の相違の影響を
排除するために、上流側空燃比センサ１３のサブフィー
ドバック補正後の出力ＶＡＦ′の変動状態（すなわち出
力ＶＡＦ′の軌跡長ＬＶＡＦ）と下流側Ｏ₂センサ１５
出力ＶＯＳの軌跡長ＬＶＯＳとを比較することにより正
確な劣化判定を行なうようにしている。すなわち、本実
施形態では下流側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳの軌跡長Ｌ
ＶＯＳと上流側空燃比センサ１３のサブフィードバック
補正後の出力ＶＡＦ′（以下の説明では、上流側空燃比
センサ１３のサブフィードバック補正後の出力ＶＡＦ′
を単にＶＡＦと呼ぶ）の軌跡長ＬＶＡＦとの比ＬＶＯＳ
／ＬＶＡＦの値がある値より大きくなった場合に三元触
媒が劣化したと判定することができる。

【００２９】図３(B) 、(C) は、上述した三元触媒の劣
化による下流側Ｏ₂センサ１５出力の変化を、上流側空
燃比センサ１３出力（図３(A) ）と対応させて説明する
図である。図３(A) に示すように、本実施形態では空燃
比フィードバック制御により触媒上流側の空燃比は理論
空燃比を中心に比較的小さな幅で変動する。このため、
上流側空燃比センサ出力の軌跡長ＬＶＡＦは、図３(A)
に示すように比較的小さな値となる。

【００３０】一方、図３(B) は触媒に劣化を生じていな
い場合の下流側Ｏ₂センサ１５の出力波形を示す。前述
のように、触媒に劣化を生じていない場合には、触媒下
流側の排気空燃比は理論空燃比近傍に維持されるが、Ｏ
₂センサは排気空燃比がリッチかリーンかに応じて異な
る出力電圧を発生するため、下流側Ｏ₂センサ１５の出
力はリッチレベルとリーンレベルとの間を比較的長い周
期で変動する。このため、図３(B) に示すように、下流
側Ｏ₂センサ１５出力の軌跡長ＬＶＯＳは極めて小さい
値となり、これらの軌跡長の比ＬＶＯＳ／ＬＶＡＦの値
も小さくなる。

【００３１】図３(C) は触媒に劣化を生じた場合の下流
側Ｏ₂センサ１５の出力波形を示す。三元触媒が劣化す
るとそれに伴うＯ₂ストレージ作用の低下のため下流側
Ｏ₂センサ出力は触媒上流側の排気空燃比の変動（図３
(A) ）とほぼ同じ周期で変動するようになるため、図３
(C) に示すように下流側Ｏ₂センサ１５の軌跡長ＬＶＯ
Ｓが増大し、軌跡長比ＬＶＯＳ／ＬＶＡＦは大きな値を
取るようになる。

【００３２】図４は、本実施形態における触媒劣化検出
に用いる判定値マップを示している。本実施形態では、
上流側空燃比センサ１３軌跡長ＬＶＡＦの各値に応じて
劣化判定の際の軌跡長比ＬＶＯＳ／ＬＶＡＦの判定値を
設定している。このため、本実施形態における判定値マ
ップは、縦軸に下流側Ｏ₂センサ１５出力の軌跡長ＬＶ
ＯＳをとり、横軸に上流側空燃比センサ１３出力の軌跡
長ＬＶＡＦをとった形で図４のように表される。

【００３３】図４のように軌跡長比ＬＶＯＳ／ＬＶＡＦ
そのものの代わりにＬＶＯＳとＬＶＡＦとのマップを用
いて判定を行うのは、例えばＬＶＡＦが極端に大きな値
や小さな値であるとき（すなわち上流側の空燃比変動が
極めて大きい場合や小さい場合）には、軌跡長比を用い
て判定を行うと正確な判定ができない場合が生じるから
である。

【００３４】更に、図４に示すように、本実施形態では
触媒が劣化したと判定する領域（劣化領域）と触媒が正
常と判定する領域（正常領域）とは離れており、中間に
どちらにも属さない領域（不感帯）が設けられている。
後述するように、本実施形態では、軌跡長ＬＶＯＳとＬ
ＶＡＦとの組合せが図４の劣化領域に入った場合には触
媒が劣化したと判定し、図４の正常領域に入った場合に
は触媒が正常と判定するが、それ以外の場合には判定を
行わない。このように、触媒の劣化判定マップに不感帯
を設けているのは、触媒の劣化、正常の判定の信頼度を
向上させるためである。

【００３５】ところで、このように下流側Ｏ₂センサ１
５出力の軌跡長に基づいて触媒の劣化判定を行なう場合
には、前述したように触媒に流入する排気空燃比が正常
な触媒のＯ₂ストレージ作用における許容空燃比範囲を
越えて変動するような状態では、たとえ触媒に劣化が生
じていない場合でも触媒下流側での排気空燃比変動が大
きくなり、下流側Ｏ₂センサ１５出力の軌跡長ＬＶＯＳ
が大きくなってしまい、正常な触媒が劣化したと誤判定
されてしまう場合が生じる。

【００３６】また、触媒のＯ₂ストレージ作用は触媒温
度が高くなるほど増大するため、Ｏ ₂ストレージ作用に
おける許容空燃比範囲は触媒温度が高くなるほど広くな
る。このため、触媒温度が高い状態に適合させて上記許
容空燃比範囲を設定してしまうと、触媒温度が低い場合
には誤判定が生じる状態で触媒劣化判定が許可されてし
まう場合が生じる。また、触媒温度が低い状態に適合さ
せて上記許容空燃比範囲を設定してしまうと触媒温度が
高い場合には、本来触媒劣化判定が許可されるべき空燃
比範囲でも触媒劣化判定を行なわないことになり、不必
要に劣化判定頻度を低下させてしまう問題が生じる。

【００３７】そこで、本実施形態では触媒に流入する排
気の許容空燃比範囲を触媒温度に応じて設定し、触媒温
度が高くなるほど許容空燃比範囲が広く設定されるよう
にしている。本実施形態では、前述のように上流側空燃
比センサ１３のサブフィードバック補正後の出力ＶＡＦ
に基づいて触媒に流入する排気空燃比ＡＢＦが算出され
る。そこで、本実施形態では、予め正常な触媒を用いて
Ｏ₂ストレージ作用における許容空燃比範囲を実験によ
り求めておき、上流側空燃比センサ出力ＶＡＦがこの許
容空燃比範囲内に相当する出力範囲内にある場合にのみ
触媒劣化判定操作を行なうようにしている。図５は、本
実施形態における許容空燃比範囲を示している。図５に
示すように、本実施形態では許容空燃比範囲は目標空燃
比ＡＦＴ（理論空燃比）を中心として設定され、触媒温
度Ｔ_CATが高くなるほど許容空燃比範囲の上限値ＶＡＦ
Ｈは大きく、かつ下限値ＶＡＦＬは小さな値に設定され
ている。

【００３８】ところで、上記のように触媒温度Ｔ_CATに
応じて許容空燃比範囲を設定するためには、機関運転中
の触媒温度Ｔ_CATを正確に知る必要がある。触媒温度Ｔ
_CATは触媒２０の担体に温度センサを配置することによ
っても検出可能であるが、本実施形態では以下に説明す
る方法により触媒に温度センサを設置することなく機関
運転状態に基づいて触媒温度を推定するようにしてい
る。

【００３９】以下、本実施形態の触媒温度検出方法につ
いて説明する。実際の運転中には、触媒温度は機関運転
状態に応じて変動しているが、例えば機関空燃比が理論
空燃比にフィードバック制御されている場合には機関燃
焼室内の燃焼温度は大きく変化しないため、触媒温度の
単位時間当たりの上昇速度と下降速度とは排気流量（機
関吸入空気量）とその時の触媒温度とにより定まる。

【００４０】図６、図７は触媒温度Ｔ_CATの機関吸入空
気量ＭＣによる時間変化を示すグラフであり、図６は温
度上昇（加熱）、図７は温度下降（冷却）の場合を示し
ている。図６、図７は横軸の単位時間として後述する触
媒温度検出ルーチンの実行間隔ｔを取って示している。
図６から判るように、触媒温度は現在の触媒温度が低い
ほど、また機関吸入空気量が大きいほど急速に上昇し、
触媒温度が高くなるにつれて上昇速度は低下してある程
度の時間が経過すると機関吸入空気量により定まる一定
の温度に収束する。例えば、図６において、機関吸入空
気量ＭＣ₂の場合について見ると、初期温度がＴ₀であ
った場合には触媒温度Ｔ_CATは最初は単位時間ｔ当たり
Ｔ₂−Ｔ ₀だけ上昇するが、初期温度がＴ₄の場合には
単位時間当たりＴ₅−Ｔ₄しか上昇せず、更に初期温度
がＴ₅（機関吸入空気量ＭＣ₂の場合の最終到達温度）
の場合には温度上昇は０となる。

【００４１】また、冷却の場合は図７に示すように触媒
温度は、現在の触媒温度が高いほど、また機関吸入空気
量が小さいほど急速に下降し、触媒温度が低下するにつ
れて下降速度は低下してある程度の時間が経過すると機
関吸入空気量により定まる一定の温度に収束する。例え
ば、図７において、機関吸入空気量ＭＣ₂の場合につい
て見ると、初期温度がＴ₉であった場合には触媒温度Ｔ
_CATは最初は単位時間あたりＴ₉−Ｔ₇だけ下降する
が、初期温度がＴ₇の場合には単位時間当たりＴ ₇−Ｔ
₆しか下降せず、更に初期温度がＴ₅（機関吸入空気量
ＭＣ₂の場合の最終到達温度）の場合には温度降下は０
となる。

【００４２】本実施形態では、各触媒温度Ｔ_CATにおけ
る単位時間当たりの変化量ΔＴ_CATと機関吸入空気量Ｍ
Ｃとの組合せについて図６、図７の関係を予め実験等に
より求めて図８に示すような形式の数値テーブル（マッ
プ）として制御回路１０のＲＯＭ１０４に格納してあ
る。また、図６から図８は空燃比フィードバック制御実
行中の触媒温度変化について示したが、例えば燃料増量
中、フュエルカット実施中にも図６又は図７と同様な関
係が成立する。本実施形態では、燃料増量中、フュエル
カット実施中の触媒温度の単位時間当たり変化について
も、別途図８と同様な形式の数値テーブルを予め実験等
により作成し、ＲＯＭ１０４に格納してあり、制御回路
１０は、機関運転中にこれらのマップを用いて触媒温度
Ｔ_CATの単位時間当たりの変化ΔＴ_CA _Tを積算して現在
の触媒温度を常時算出している。

【００４３】図９は、本実施形態の触媒温度検出ルーチ
ンを示すフローチャートである。本ルーチンは制御回路
１０により一定時間（図６、図７の単位時間ｔ）毎に実
行される。図９においてルーチンがスタートすると、ス
テップ９０１では現在の機関吸入空気量ＭＣが、またス
テップ９０３では前回ルーチン実行時に算出した触媒温
度Ｔ_CATがそれぞれ読み込まれる。なお、機関吸入空気
量ＭＣの値は前述の(2) 式に使用するために別途算出さ
れた値が用いられる。また、機関始動時には、Ｔ_CA _Tの
初期値として吸入空気温度または冷却水温度のうちいず
れか高い温度が使用される。ステップ９０５では、現在
燃料増量実施中か否か、ステップ９０７では現在フュエ
ルカット実施中か否かが判定され、現在燃料増量もフュ
エルカットも実施されていない場合（すなわち、空燃比
フィードバック制御中である場合）には、ステップ９０
９に進み、図８に示したマップから、現在の機関吸入空
気量ＭＣと触媒温度Ｔ_CATとを用いて、単位時間当たり
の触媒温度変化量ΔＴ_CATが決定される。

【００４４】次いで、ステップ９１１では、ΔＴ_CATを
用いて、今回のルーチン終了時の触媒温度がＴ_CAT＋Δ
Ｔ_CATとして算出される。また、ステップ９１３では、
算出したＴ_CATの値がＲＡＭ１０５の所定領域に格納さ
れ、今回のルーチン実行は終了する。また、ステップ９
０５で現在燃料増量中、またはステップ９０７で現在フ
ュエルカット実施中であった場合には、それぞれステッ
プ９１５またはステップ９１７で別途燃料増量時または
フュエルカット時のΔＴ_CATのマップを用いてΔＴ_CAT
が算出され、このΔＴ_CATの値を用いてステップ９１１
以下が実行される。本ルーチン実行により、ＲＡＭ１０
５の所定領域には、常に現在の触媒温度Ｔ_CATが格納さ
れるようになる。

【００４５】図１０、図１１は、本実施形態の触媒劣化
判別操作を示すフローチャートである。本操作は、制御
回路１０により一定時間毎に実行されるルーチンとして
行なわれる。図１０においてステップ１００１では、ま
ず機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭがそれぞれのセンサか
ら読み込まれるとともに、上流側空燃比センサ１３出力
ＶＡＦ及び下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳが読み込まれ
る。

【００４６】ステップ１００３では、触媒劣化判定実行
条件が成立しているか否かが判定される。ここで、劣化
判定実行条件は、例えば現在空燃比フィードバック制御
が実行中であること、機関運転状態が安定していること
（例えば機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭの変化速度が所
定値より小さいこと）等である。劣化判定条件が成立し
ていない場合にはステップ１００３実行後本ルーチンは
直ちに終了する。

【００４７】ステップ１００３で触媒劣化判定条件が成
立していた場合には、次いで、ステップ１００５とステ
ップ１００７では、現在の機関回転数ＮＥと吸気圧力Ｐ
Ｍ（すなわち機関負荷）とが所定の範囲（ＮＥＬ＜ＮＥ
＜ＮＥＨ及びＰＭＬ＜ＰＭ＜ＰＭＨ）にあるか否かが判
定される。ステップ１００５とステップ１００７でＮＥ
とＰＭとのいずれかが所定範囲にない場合には触媒劣化
判定は実行せずそのままルーチンを終了する。すなわち
機関回転数と負荷とのいずれかが極端に高いか低いかの
運転状態では触媒劣化判定を実行しない。

【００４８】ステップ１００５と１００７とで機関回転
数ＮＥと吸気圧力ＰＭとの両方が所定範囲内にあった場
合には、次いでステップ１００９で図９のルーチンで算
出した現在の触媒温度Ｔ_CATが読み込まれ、ステップ１
０１１ではこの触媒温度Ｔ_CA _Tに基づいて、図５に示し
た関係から現在の触媒温度Ｔ_CATにおけるＯ₂ストレー
ジ作用の許容空燃比範囲ＶＡＦＬとＶＡＦＨとが決定さ
れる。そして、ステップ１０１３では、ステップ１００
１で読み込んだ現在の触媒上流側排気空燃比が上記許容
空燃比範囲（ＶＡＦＬ≦ＶＡＦ≦ＶＡＦＨ）内にあるか
否かが判定される。ステップ１０１３で現在の触媒上流
側空燃比が許容範囲にない場合（ＶＡＦ＜ＶＡＦまたは
ＶＡＦ＞ＶＡＦＨ）にはステップ１０１５以下の操作は
行なわれず、ルーチンはそのまま終了し、現在の触媒上
流側空燃比が許容範囲にある場合（ＶＡＦＬ≦ＶＡＦ≦
ＶＡＦＨ）のみステップ１０１５以下（図１１）の触媒
劣化判定操作を行なう。すなわち、本実施形態では触媒
温度Ｔ_CATを推定し、この触媒温度Ｔ_CATに応じて触媒
劣化診断実行空燃比範囲が設定される。

【００４９】ステップ１０１３で現在の触媒上流側空燃
比が診断実行空燃比範囲にあった場合には、次にステッ
プ１０１５で上流側空燃比センサ出力ＶＡＦの軌跡長Ｌ
ＶＡＦと下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳの軌跡長ＬＶＯＳ
とが算出される。本実施形態では、センサ出力の軌跡長
は近似的に前回ルーチン実行時のセンサ出力と今回ルー
チン実行時のセンサ出力との差の絶対値を積算すること
により求められる（図１２参照）。なお、ＶＡＦ₀、Ｖ
ＯＳ₀は前回ルーチン実行時のＶＡＦ及びＶＯＳの値で
ありルーチン実行毎にステップ１０１７で更新される。

【００５０】上記により軌跡長ＬＶＡＦとＬＶＯＳとを
積算した後ステップ１０１９では、計時カウンタＣＴの
値が１増加される。すなわち、カウンタＣＴの値は、ス
テップ１００３から１００７及びステップ１０１３の条
件が成立している間はルーチン実行毎に１ずつ増大す
る。また、ＣＴ₀は２０／Δｔ程度（Δｔは本ルーチン
の実行間隔（秒））の値とされる。そして、ステップ１
０２１でいずれかの診断領域の計時カウンタＣＴの値が
ＣＴ₀に到達した場合にはステップ１０２３以下の劣化
判定操作が実行される。すなわち、本実施形態では軌跡
長ＬＶＡＦとＬＶＯＳとを断続的にであっても２０秒程
度の間積算できた場合にはステップ１０２３以下の劣化
判定操作が実行されることになる。

【００５１】次にステップ１０２３以下の劣化判定操作
について説明する。ステップ１０２３では、上記により
積算した上流側空燃比センサと下流側Ｏ₂センサの軌跡
長ＬＶＡＦとＬＶＯＳとが前述の劣化判定マップの劣化
領域（図４参照）に入っているか否かが判定され、劣化
判定領域にある場合にはステップ１０２５で劣化フラグ
ＸＦの値が１（劣化）にセットされる。また、ＬＶＡ
Ｆ、ＬＶＯＳの値が劣化領域にない場合には次にステッ
プ１０２７でＬＶＡＦ、ＬＶＯＳの値が正常領域（図４
参照）にあるか否かが判定される。そして、正常領域に
ある場合にはステップ１０２９で劣化フラグＸＦの値は
０（正常）にセットされる。また、ステップ１０２３と
ステップ１０２７とで劣化、正常のいずれの判定もされ
なかった場合には、劣化フラグＸＦの値は変更せずその
ままに保持される。なお、劣化フラグＸＦの値は、制御
回路１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納され次回の
点検、修理に備えられるとともに、劣化フラグＸＦの値
が１にセットされると別途制御回路１０により実行され
るルーチンにより警告灯が点灯され、運転者に触媒の劣
化が生じていることが報知される。

【００５２】ステップ１０３１は劣化判定終了後の操作
を示す。すなわち、ステップ１０３１では計時カウンタ
ＣＴ、及び今までに算出した軌跡長ＬＶＡＦとＬＶＯＳ
の積算値が全てクリアされる。これにより次回のルーチ
ン実行時からは新たに軌跡長ＬＶＡＦとＬＶＯＳとの積
算が開始される。上述のように、本実施形態によれば、
診断実行時には現在の触媒温度に応じて診断実行空燃比
範囲が適切に設定されるため、触媒温度にかかわらず常
に適切な条件下で劣化判定が行なわれるとともに、触媒
劣化判定実行が不必要に制限されることが防止される。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、触媒温度に応じて常に
適切な診断実行空燃比範囲が設定されるため、触媒劣化
判定実行頻度を高く維持しながら正確な触媒劣化判定を
行なうことが可能となる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した実施形態
の概略構成を示す図である。

【図２】リニア空燃比センサ（図２(A) ）とＯ₂センサ
（図２(B) ）との一般的な出力特性を示す図である。

【図３】触媒の劣化による下流側Ｏ₂センサ出力の変化
を説明する図である。

【図４】上流側空燃比センサ出力と下流側空燃比センサ
出力との軌跡長に基づく触媒劣化判定マップを示す図で
ある。

【図５】触媒劣化診断実行空燃比範囲の一例を示す図で
ある。

【図６】触媒温度変化と排気流量との関係を示す図であ
る。

【図７】触媒温度変化と排気流量との関係を示す図であ
る。

【図８】触媒温度算出に用いる数値マップの形式を示す
図である。

【図９】触媒温度検出ルーチンを示すフローチャートで
ある。

【図１０】触媒劣化判別ルーチンを示すフローチャート
の一部である。

【図１１】触媒劣化判別ルーチンを示すフローチャート
の一部である。

【図１２】センサ出力の軌跡長の近似計算方法を説明す
る図である。

【符号の説明】

１…内燃機関本体３…吸気圧センサ１０…制御回路１３…上流側空燃比センサ１５…下流側Ｏ₂センサ２０…三元触媒

Claims

【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、Ｏ₂
ストレージ作用を有する三元触媒と、前記三元触媒の下流側の排気通路に配置され、前記三元
触媒下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサ
と、前記内燃機関の空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制
御手段と、前記空燃比制御手段により内燃機関の空燃比が制御され
ているときに、前記下流側空燃比センサ出力に基づいて
前記三元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段と、三元触媒に流入する排気の空燃比が予め定めた診断実行
空燃比範囲にあるときに前記劣化判定手段による前記三
元触媒の劣化の有無の判定を許可する判定許可手段と、前記三元触媒の温度に応じて前記診断実行空燃比範囲を
設定する設定手段と、を備えた内燃機関の触媒劣化検出装置。