JP5024676B2 - 触媒劣化抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は触媒劣化抑制装置に係り、特に、多気筒内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を抑制するための装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するための触媒が排気通路に配置されているが、この触媒は使用に応じて徐々に経時劣化していくものであり、これに伴って排ガスエミッションも徐々に悪化していく。そこで触媒の劣化の進行を極力抑えるため、触媒劣化抑制制御なるものが適宜実施されるようになっている。

触媒は、高温且つリーン雰囲気になるほど、担体に保持された貴金属粒子が相互に凝集して焼き固まっていくというシンタリング（焼結）を起こし、熱劣化し易いことが知られている。よって高温下でリーン雰囲気になることを防止すべく、燃料噴射量を増量したり、フューエルカットを禁止したりすることが行われている。

なお、特許文献１に記載の装置では、フューエルカット禁止時の車両減速感確保等を目的として、多気筒のうちの一部気筒を休止させるようにしている。

特開２００４−１３７９６９号公報

ところで、本発明者らは、鋭意研究の結果、多気筒内燃機関において気筒間の空燃比ばらつきが発生すると、実際の触媒温度が上昇することを見出した。この気筒間空燃比ばらつきに起因する触媒温度上昇も触媒の劣化を進行させる要因となるため、気筒間空燃比ばらつきが発生した場合にはその度合い、程度に応じて適切な対応を行うのが望ましい。

そこで本発明は、かかる実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、気筒間空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を抑制することができる触媒劣化抑制装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
多気筒内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を抑制するための装置であって、
前記触媒の温度を機関運転状態に基づき推定する触媒温度推定手段と、
前記触媒温度の推定値が所定値以上となったときに所定の触媒劣化抑制制御を実行する触媒劣化抑制制御手段と、
気筒間の空燃比ばらつき度合いに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
前記インバランスパラメータの検出値に基づき、前記触媒温度の推定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抑制装置が提供される。

これによれば、インバランスパラメータの検出値に基づき推定触媒温度が補正され、補正された推定触媒温度が所定値以上となったときに触媒劣化抑制制御が実行される。空燃比ばらつきに起因する実際の温度上昇分を補償し、適切なタイミングで触媒劣化抑制制御を開始して、空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を抑制することが可能となる。

好ましくは、前記補正手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記触媒温度の推定値をより高温側に補正する。

本発明者らの研究結果によれば、空燃比ばらつき度合いが増大するほど触媒温度はより上昇する傾向にある。そこで空燃比ばらつき度合いの増大方向にインバランスパラメータが変化するにつれ、推定触媒温度をより高温側に補正すれば、空燃比ばらつき度合いに応じた適切な触媒劣化抑制制御開始タイミングを定めることができる。これにより空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を一層抑制することが可能となる。

本発明の他の形態によれば、
多気筒内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を抑制するための装置であって、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記触媒温度の検出値が所定値以上となったときに所定の触媒劣化抑制制御を実行する触媒劣化抑制制御手段と、
気筒間の空燃比ばらつき度合いに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
前記インバランスパラメータの検出値に応じて前記触媒劣化抑制制御の条件を変更する変更手段と
を備えたことを特徴とする触媒劣化抑制装置が提供される。

これによれば、インバランスパラメータの検出値に応じて触媒劣化抑制制御の条件を変更するので、空燃比ばらつきの有無や度合いに応じた適切な触媒劣化抑制制御を実現することができ、気筒間空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を抑制することができる。

好ましくは、前記変更手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記触媒劣化抑制制御が実行され易くなるように若しくは触媒劣化抑制度合いを高めるように、前記触媒劣化抑制制御の条件を変更する。これにより空燃比ばらつき度合いが増大しても触媒の劣化を確実に抑制できる。

好ましくは、前記触媒劣化抑制制御が燃料噴射量増量制御を含み、前記変更手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記燃料噴射量の増量量を増加することと前記燃料噴射量の増量を実行する条件を緩和することとの少なくとも一方を実行する。

燃料噴射量の増量量を増加することによりリーン雰囲気となるのを抑制でき、触媒の劣化を抑制できる。また、燃料噴射量増量実行条件を緩和することにより燃料噴射量増量の機会を増し、触媒の劣化を抑制できる。

好ましくは、前記触媒劣化抑制制御がフューエルカット禁止制御を含み、前記変更手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、フューエルカット禁止回転数を低下させる。

これによりフューエルカットを禁止する機会を増し、リーン雰囲気となるのを抑制して触媒の劣化を抑制できる。

好ましくは、前記パラメータ検出手段は、前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサの出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づき、前記インバランスパラメータを算出する。

気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど、触媒前空燃比センサ出力の変動及び振幅が大きくなり、触媒前空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積が増大する。そこでこの相関性を利用し、触媒前空燃比センサ出力の軌跡長又は軌跡面積に基づいてインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
前記パラメータ検出手段が、
前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサと、
前記触媒の下流側に配置された触媒後空燃比センサと、
前記触媒前空燃比センサにより検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるような主空燃比制御及び前記触媒後空燃比センサにより検出された空燃比を前記目標空燃比に一致させるような補助空燃比制御を実行する空燃比制御手段であって、前記触媒後空燃比センサの出力に基づき前記補助空燃比制御のための制御量を算出する空燃比制御手段と、
前記算出された制御量に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
を備える。

気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど補助空燃比制御における制御量が、空燃比をよりリッチ側に補正するような増大側の値に変化するという特性がある。よってこの特性を利用し、当該制御量に基づきインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
前記パラメータ検出手段が、
前記触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量を検出する手段と、
前記検出された吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
を備える。

気筒間空燃比ばらつきが発生すると、吸蔵酸素量と放出酸素量の対称関係が崩れ、一方に対し他方が大きくなる。よってこのことを利用し、吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づきインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記インバランスパラメータがインバランス割合からなり、当該インバランス割合が式：ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ（但し、ＩＢはインバランス割合、Ｑｉｂはインバランス気筒の燃料噴射量、Ｑｓはバランス気筒の燃料噴射量）により表される。

このインバランス割合は、気筒間空燃比ばらつきに関するパラメータ即ちインバランスパラメータとして特に好適である。

本発明によれば、気筒間空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を抑制することができるという、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、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。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。本実施形態の内燃機関１は自動車用の多気筒内燃機関であり、より具体的には並列４気筒の火花点火式内燃機関即ちガソリンエンジンである。但し本発明が適用可能な内燃機関はこのようなものに限られず、多気筒内燃機関であれば気筒数、形式等は特に限定されない。

図示しないが、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と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。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４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、電子制御式のスロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、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の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、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排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ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。上流触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１及び第２の空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前及び直後の位置の排気通路に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。このように上流触媒１１の上流側の排気合流部に単一の触媒前センサ１７が設置されている。

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、触媒前センサ１７、触媒後センサ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１６、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。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

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ある。図２には触媒前センサ１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、検出した排気空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）に比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比がストイキであるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）であり、このストイキを境に空燃比−電圧特性の傾きが変化する。

他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図３には触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒはストイキを境に過渡的に変化し、排気空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）がストイキよりリーンのときには０．１Ｖ程度の低い電圧を示し、排気空燃比がストイキよりリッチのときには０．９Ｖ程度の高い電圧を示す。これらのほぼ中間の電圧Ｖｒｅｆｒ＝０．４５Ｖをストイキ相当値とし、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより高いときには排気空燃比はストイキよりリッチ、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより低いときには排気空燃比はストイキよりリーンというように、排気空燃比を検出している。

上流触媒１１及び下流触媒１９は、それぞ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／Ｆ＝１４．６）近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。加えて、上流触媒１１及び下流触媒１９は、排気中に混入する水素Ｈ₂も酸化（燃焼）して浄化する。

上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比制御がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ１７によって検出された排気空燃比を所定の目標空燃比であるストイキに一致させるような主空燃比制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ１８によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。

一方、本実施形態では、上流触媒１１及び下流触媒１９、特に上流触媒１１の劣化を抑制するための触媒劣化抑制制御がＥＣＵ２０により実行される。具体的には、上流触媒１１の温度（床温）がエンジン運転状態に基づいて推定され（詳しくは後述）、この推定触媒温度が比較的高温の所定値以上になったときに、所定の触媒劣化抑制制御が実行される。触媒劣化抑制制御は、燃料噴射量を増量する燃料噴射量増量制御と、エンジンへの燃料噴射を停止するフューエルカット（Ｆ／Ｃ）を禁止するフューエルカット禁止制御との少なくとも一方を含むことができ、本実施形態では両方を含む。触媒が高温且つリーン雰囲気になるほど触媒の熱劣化が進行するので、推定触媒温度が高温になったときには触媒がリーン雰囲気となるのを抑制するようにしている。

ところで、例えば全気筒のうちの一部の気筒のインジェクタ１２が劣化或いは故障するなどして、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生したとする。例えば＃１気筒が他の＃２、＃３及び＃４気筒よりも燃料噴射量が多くなり、その空燃比がリッチ側にずれる場合等である。こうした場合、気筒間空燃比ばらつきが無い場合に比べ触媒温度が上昇することが本発明者らの研究結果により判明した。

図４に示すように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、１エンジンサイクル間（＝７２０°ＣＡ）での排気空燃比の変動が大きくなる。（Ｂ）の空燃比線図ａ，ｂ，ｃはそれぞればらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス割合でリッチずれ、及び１気筒のみ５０％のインバランス割合でリッチずれの場合の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの検出値を示す。見られるように、ばらつきの程度が大きくなるほど、ストイキを中心とした空燃比変動の振幅が大きくなる。

ここでインバランス割合（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いに関するパラメータである。即ち、インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレを起こしている気筒（インバランス気筒）の燃料噴射量がどれくらいの割合で、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合をＩＢ、インバランス気筒の燃料噴射量をＱｉｂ、バランス気筒の燃料噴射量即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合ＩＢが大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつき度合いは大きい。

かかる排気空燃比の変動が生じると、上流触媒１１において短い周期で酸化還元反応が繰り返され、上流触媒１１の活性が促進される。その結果、気筒間空燃比ばらつきが無いときに比べ上流触媒１１の温度が上昇する。ここで上流触媒１１（下流触媒１９も同様）は酸素吸蔵能（Ｏ₂ストレージ能）を有し、供給された排気ガスの空燃比がストイキよりリーンのときに排気ガス中の過剰酸素を吸着保持する一方、供給された排気ガスの空燃比がストイキよりリッチのときには吸着保持していた酸素を放出する。このときの酸素吸着が酸化反応、酸素放出が還元反応である。図４に示したように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると上流触媒１１に供給される排気ガスの空燃比が１エンジンサイクル間でリーン、リッチと変化するので、その度に酸化還元反応が行われ、上流触媒１１の温度が上昇する。

図５にはインバランス割合（％）と触媒温度（℃）との関係を示す。図中の三角及び菱形は、内燃機関１を搭載した車両がそれぞれ１２０ｋｍ／ｈ及び６０ｋｍ／ｈで定速走行したときのデータである。見られるように、インバランス割合が０％からずれるほど、即ち空燃比ばらつき度合いが大きくなるほど、触媒温度は上昇する傾向にある。

そこで本実施形態では、インバランス割合を検出すると共にこの検出値に基づいて触媒温度の推定値を補正し、この補正された推定触媒温度が所定値以上となったときに触媒劣化抑制制御を実行する。後述するように、触媒温度の推定値は、気筒間空燃比ばらつきの有無や度合いに拘わらず同じ値となる。しかしながら、かかる補正を行うと、空燃比ばらつきに起因する温度上昇分を推定触媒温度に加算し、或いは推定触媒温度と実際の触媒温度との差を補償し、適切なタイミングで触媒劣化抑制制御を開始できるようになる。これによって、空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を抑制することが可能となる。

図５の結果によれば、空燃比ばらつき度合いが増大するほど、即ちインバランス割合が０％から離れるほど、触媒温度がより上昇する。そこで本実施形態では、インバランス割合が０％から離れるにつれ、推定触媒温度をより高温側に補正する。これにより空燃比ばらつき度合いに応じた適切な触媒劣化抑制制御開始タイミングを定めることができ、空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を一層抑制することが可能となる。

［触媒温度の推定］
ここで上流触媒１１の温度推定方法を説明する。図６には触媒温度推定ルーチンを示し、このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、触媒温度推定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、エンジンが始動後で、且つ図示しない水温センサで検出された水温が所定温度（例えば−４０℃）より高いと、前提条件成立となる。なお前提条件についてはこの例に限られない。前提条件が成立していない場合にはルーチンが終了され、他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２においては、前回のルーチン実行時（ｎ−１）に算出された触媒温度の推定値、即ち推定触媒温度Ｔｅ（ｎ−１）の値が取得される。

次いでステップＳ１０３においては、今回のルーチン実行時（ｎ）における、排気ガスからの供給熱による触媒温度変化量Ａ（ｎ）が算出される。この触媒温度変化量Ａ（ｎ）は次式（１）により求められる。

Ｋ１は適合等によって定め得る所定値である。Ｋ２は所定のなまし率であり、１より大きい値として予め設定される。Ｂは吸入空気量Ｇａに応じて変化するパラメータ（空気量パラメータ）であり、予め定められたマップ（関数でも良い。以下同様。）に従い、エアフローメータ５（吸入空気量検出手段）により検出された吸入空気量Ｇａの値に基づき決定される。吸入空気量Ｇａの値が大きいほど大きな空気量パラメータＢの値が得られる。この空気量パラメータＢがエンジン運転状態を表す主なパラメータである。ここでは、第２項の大括弧内の値、即ち空気量パラメータＢに基づき算出された今回の温度変化分を、なまし率Ｋ２によりなまして前回の触媒温度変化量Ａ（ｎ−１）に加算し、今回の触媒温度変化量Ａ（ｎ）を求めている。エンジン運転状態が変化してもその影響が触媒温度に反映されるまでに時間差があるので、これに対応してかかるなまし演算を行っている。

次いで、ステップＳ１０４においては、今回のルーチン実行時（ｎ）における、触媒内反応熱による触媒温度変化量Ｃ（ｎ）が算出される。この触媒温度変化量Ｃ（ｎ）は次式（２）により求められる。

Ｋ３は適合等によって定め得る所定値である。Ｋ４は所定のなまし率であり、１より大きい値として予め設定される。Ｄは推定触媒温度Ｔｅに応じて変化するパラメータ（推定温パラメータ）であり、予め定められたマップに従い、ステップＳ１０２で取得された前回の推定触媒温度Ｔｅ（ｎ−１）の値に基づき決定される。推定触媒温度Ｔｅの値が大きいほど大きな推定温パラメータＤの値が得られる。ここでもステップＳ１０３同様、第２項の大括弧内の値、即ち推定温パラメータＤに基づき算出された今回の温度変化分を、なまし率Ｋ４によりなまして前回の触媒温度変化量Ｃ（ｎ−１）に加算し、今回の触媒温度変化量Ｃ（ｎ）を求めている。

次いで、ステップＳ１０５においては、今回のルーチン実行時（ｎ）における、触媒からの放射熱による触媒温度変化量Ｅ（ｎ）が算出される。この触媒温度変化量Ｅ（ｎ）は次式（３）により求められる。

Ｋ５は適合等によって定め得る所定値である。Ｔａは外気温であり、図示しない外気温センサにより検出される値である。Ｆは、エンジン１が搭載される車両の速度（即ち車速）Ｖｈに応じて変化するパラメータ（車速パラメータ）であり、予め定められたマップに従い、図示しない車速センサにより検出された車速Ｖｈの値に基づき決定される。車速Ｖｈの値が大きいほど大きな車速パラメータＦの値が得られる。外気温Ｔａが低いほど、また車速Ｖｈが高いほど、大きな触媒温度変化量Ｅ（ｎ）が得られる。

次いで、ステップＳ１０６においては、今回のルーチン実行時（ｎ）における、推定触媒温度Ｔｅ（ｎ）が算出される。この推定触媒温度Ｔｅ（ｎ）は次式（４）により求められる。こうして今回のルーチンが終了となる。

以上の推定方法から分かるように、推定触媒温度Ｔｅは気筒間空燃比ばらつきの有無や度合いに無関係な値であり、気筒間空燃比ばらつきが発生していても、それが発生していないときと同じ値になる。よって、気筒間空燃比ばらつきが発生している場合には、推定触媒温度Ｔｅが実際の触媒温度と乖離し、より低温側の値を示すようになる。そこでこの乖離、減少分の温度をインバランス割合に応じて補正してやるのである。

［インバランス割合の検出］
次に、インバランス割合の検出について説明する。

まず、インバランス割合検出の第１の態様について説明する。図４に示したように、気筒間空燃比ばらつきの度合いが大きくなるほど、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの変動の振幅が大きくなる。そこで触媒前センサ１７の出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づきインバランス割合が検出される。空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長とは、図４に示すように、所定のサンプリング間隔Δ間における触媒前センサ出力の変化量ΔＡ／Ｆｆを所定時間Δｔ積算して得られる値である。また空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡面積とは、所定の基準値（本実施形態ではストイキ）と実際の空燃比センサ出力との差の絶対値ΔＡ／Ｆｆ’をサンプリング間隔Δ毎に所定時間Δｔ積算して得られる値である。空燃比ばらつき度合いが大きくなるほど、触媒前センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積が大きくなっていく。そこで当該軌跡長又は軌跡面積を計測し、予め定められたマップ又は関数を用いて、インバランス割合の値が求められる。なおここでは触媒前センサ出力として、触媒前センサ出力電圧Ｖｆを空燃比に換算して得られる触媒前空燃比Ａ／Ｆｆの値を用いたが、触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｆ自身を直接用いてもよい。

次に、インバランス割合検出の第２の態様について説明する。この態様では、気筒間空燃比ばらつき度合いが大きくなるほど補助空燃比制御における制御量が、空燃比をよりリッチ側に補正するような増大側の値に更新されていくという特性を利用して、その制御量に基づきインバランス割合の値を検出する。

補助空燃比制御における制御量を取得する際には、ストイキをそれぞれ目標空燃比とする主空燃比制御及び補助空燃比制御が実行される。ここでこれら空燃比制御について説明する。

図７に空燃比制御のメインルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により１エンジンサイクル（＝７２０°クランク角）毎、もしくは所定のサンプリング間隔毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ２０１では、燃焼室内混合気の空燃比をストイキとするような基本の燃料噴射量即ち基本噴射量Ｑｂが算出される。基本噴射量Ｑｂは例えば、エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａに基づき、式：Ｑｂ＝Ｇａ／１４．６により算出される。

ステップＳ２０２では触媒前センサ１７の出力（出力電圧）Ｖｆが取得される。ステップＳ２０３では、このセンサ出力Ｖｆとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆ（図２参照）との差、即ち触媒前センサ出力差ΔＶｆ＝Ｖｆ−Ｖｒｅｆｆが算出される。

ステップＳ２０４では、この触媒前センサ出力差ΔＶｆに基づき、図８に示したようなマップ（関数でもよい、以下同様）から主空燃比補正量（補正係数）Ｋｆが算出される。触媒前センサ出力差ΔＶｆ及び主空燃比補正量Ｋｆは、主空燃比制御のための制御量をなす。例えばゲインをＰｆとするとＫｆ＝Ｐｆ×ΔＶｆで表される。そしてステップＳ２０５では、図９に示すような別ルーチンで設定された補助空燃比補正量Ｋｒの値が取得される。最後に、ステップＳ２０６にて、各気筒のインジェクタ１２から噴射すべき最終的な燃料噴射量即ち最終噴射量Ｑｆｎｌが式：Ｑｆｎｌ＝Ｋｆ×Ｑｂ＋Ｋｒにより算出される。

図８のマップによれば、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより大きい（ΔＶｆ＞０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、１に対しより大きな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより小さい（ΔＶｆ＜０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、１に対しより小さな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。こうして、触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比をストイキに一致させるような主空燃比フィードバック制御が実行される。

ステップＳ２０６で得られた最終噴射量Ｑｆｎｌの値は、全気筒に対し一律に用いられる。即ち、１エンジンサイクルもしくは所定のサンプリング間隔の間、最終噴射量Ｑｆｎｌに等しい量の燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射され、次のエンジンサイクルもしくはサンプリング間隔では新たに計算された最終噴射量Ｑｆｎｌの燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射される。

なお、周知のように、最終噴射量Ｑｆｎｌの算出に当たっては他の補正（水温補正、バッテリ電圧補正等）を追加することも可能である。

図９には補助空燃比補正量の設定ルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期（例えば１６ミリ秒）で繰り返し実行される。

まずステップＳ３０１では、ＥＣＵ２０に装備されたタイマのカウントが実行され、ステップＳ３０２では、触媒後センサ１７の出力（出力電圧）Ｖｒが取得される。ステップＳ３０３では、このセンサ出力Ｖｒとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒ（図３参照）との差、即ち触媒後センサ出力差ΔＶｒ＝Ｖｒｅｆｒ−Ｖｒが算出され、この触媒後センサ出力差ΔＶｒが前回積算値に積算される。図１０には触媒後センサ出力差ΔＶｒとその積算の様子を示す。

ステップＳ３０４では、タイマ値が所定値ｔｓを超えたか否かが判断される。所定値ｔｓを超えていなければルーチンが終了される。

タイマ値が所定値ｔｓを超えている場合、ステップＳ３０５で、この時点での触媒後センサ出力差積算値ΣΔＶｒが、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇとして更新記憶される。そしてステップＳ３０６で、この触媒後センサ学習値ΔＶｒｇに基づき、図１１に示したようなマップから、補助空燃比補正量Ｋｒが算出され、この補助空燃比補正量Ｋｒが更新記憶される。触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒは、補助空燃比制御のための制御量をなす。例えばゲインをＰｒとするとＫｒ＝Ｐｒ×ΔＶｒｇで表される。最後に、ステップＳ３０７にて、触媒後センサ出力差積算値ΣΔＶｒ及びタイマがリセットされる。

触媒後センサ出力差ΔＶｒを所定時間ｔｓの間積算する理由は、触媒後センサ出力Ｖｒのストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒに対する時間平均的なズレ量を検知するためである。積算時間を規定する所定値ｔｓは１エンジンサイクル若しくは１サンプリング間隔より遙かに長い時間であり、よって触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒの更新は１エンジンサイクル若しくは１サンプリング間隔より遙かに長い周期で行われる。

図１１のマップによれば、触媒後センサ出力Ｖｒが時間平均的にストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒより小さい（ΔＶｒｇ＞０）ほど、即ち実際の触媒後空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、０に対しより大きな補正量Ｋｒが得られ、最終噴射量算出の際に基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒後センサ出力Ｖｒが時間平均的にストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒより大きい（ΔＶｒｇ＜０）ほど、即ち実際の触媒後空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、０に対しより小さな補正量Ｋｒが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。こうして、触媒後センサ１８によって検出された触媒後空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比フィードバック制御が実行される。触媒前センサ１７の劣化等の理由で主空燃比フィードバック制御を実行してもその結果がストイキからズレることがあるので、このズレを補正する目的で、補助空燃比フィードバック制御が実行される。

ところで、インジェクタ等の燃料供給系やエアフローメータ等の空気系に全気筒に影響を及ぼすような異常が発生し、全気筒の空燃比が等しく一律にズレた場合、主空燃比制御によってそのズレを解消できる。例えば、燃料噴射量が全体的にストイキ相当量より＋５％ずれている（即ち、全ての気筒において燃料噴射量がストイキ相当量より＋５％ずつずれている）と、主空燃比制御におけるフィードバック補正量はその＋５％ズレを補正するような値、即ち−５％相当の補正量となり、これにより全気筒の空燃比ズレを解消できる。

一方、燃料供給系や空気系が全体的にずれているのではなく、気筒間にばらつきが発生している場合を考える。図１２は、１気筒（＃１気筒）のみが他の３気筒（＃２〜＃４気筒）よりも空燃比リッチ側にずれている場合を示す。例えば、＃１気筒のインジェクタに異常が発生し、＃１気筒の燃料噴射量がストイキ相当量から大きく２０％ずれており、他方、＃２〜＃４気筒では正常で、燃料噴射量がストイキ相当量であるとする。このときトータルで見れば２０％のずれであり（２０＋０＋０＋０＝２０）、これは、全気筒が５％ずつずれているときと同じとなるはずである（５＋５＋５＋５＝２０）。

しかし、１気筒のみ大きくリッチ側にずれているときの方が、全気筒で少なく均等にリッチ側にずれているときよりも、燃焼室から発生する水素量が多くなる。そしてこの水素量が多くなった分、排気中の酸素濃度が減少することから、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、１気筒のみずれているときの方が全気筒均等にずれているときよりもリッチ側にずれることとなる。

図１３には、ストイキ相当量を基準噴射量Ｑｓとした場合のある１気筒におけるインバランス割合（％）と、当該１気筒の燃焼室で発生する水素量（ｇ）との関係を示す。図示するように、インバランス割合が増加するほど、発生水素量は二次関数的に増加する。よって１気筒のみリッチ側に２０％ずれた場合の方が、全気筒が５％ずつずれた場合よりトータルでの発生水素量が多くなり、触媒前センサ出力Ｖｆはよりリッチ側の値を示すようになる。

トータルとして同等のずれであっても、気筒間に空燃比ばらつきのある場合の方が、全体がずれている場合よりもエミッションが悪化する。例えば後者で、全気筒が５％ずつずれている場合には、例えば主空燃比フィードバック制御で−５％の補正を行えば、全気筒一律に５％ずれを解消することができる。しかし前者で、１気筒のみ２０％ずれている場合には、主空燃比フィードバック制御で−５％の補正をしても、＃１気筒＝１５％、＃２気筒＝−５％、＃３気筒＝−５％、＃４気筒＝−５％のずれとなり、トータルではズレが解消しているように見えるが（１５＋（−５）＋（−５）＋（−５）＝０）、気筒別に見ればズレているのであり、よって気筒単位でエミッションが悪化する。

一方、主空燃比フィードバック制御では、トータルとしての触媒前空燃比を検出してこれをストイキとするよう制御するため、主空燃比フィードバック制御の補正量からは、気筒間空燃比ばらつきが発生していることを検出することができない。つまり気筒間空燃比ばらつきが発生していても、トータルでのズレ量がゼロであれば補正量もゼロとなり、見掛け上はあたかも主空燃比フィードバック制御が問題なく正常に行われているように見えてしまう。

そこで、気筒間空燃比ばらつきがある場合に全体がずれている場合よりも水素量が多くなり、触媒前センサ出力Ｖｆがリッチ側にずれるという特性を利用して、以下のようにしてインバランス割合を検出することとしている。

排気中に水素が含まれている場合、この排気に触媒を作用させることにより、排気中の水素を酸化（燃焼）して浄化することができる。そして、触媒を通過せず水素が浄化されていない排気の空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）を触媒前センサ１７で検出し、触媒を通過し水素が浄化された排気の空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）を触媒後センサ１８で検出する。触媒前センサ１７で検出された空燃比は、触媒後センサ１８で検出された空燃比よりも、水素の影響でリッチ側にずれる。逆に言えば、触媒後センサ１８で検出された空燃比は、触媒前センサ１７で検出された空燃比よりも、水素の影響でリーン側にずれる。そこでこのリーン側へのずれ（乖離）状態に基づき、インバランス割合が検出される。

分かり易くいうと、触媒後センサ１８で検出された空燃比が真の排気空燃比と言えるものであり、触媒前センサ１７で検出された空燃比は、真の排気空燃比に水素分が加わって見掛け上リッチにずれた排気空燃比である。言ってしまえば、触媒前センサ１７が騙されているのである。一部気筒の残部気筒に対する空燃比リッチずれ量が多いほど、水素分は二次関数的に多くなる。よって触媒後センサ１８の検出空燃比に対する触媒前センサ１７の検出空燃比のリッチ側へのズレ量、即ち触媒前センサ１７の検出空燃比に対する触媒後センサ１８の検出空燃比のリーン側へのズレ量に基づき、インバランス割合を検出できるのである。

図１２に示すように、例えば＃１気筒のみでインジェクタに異常が発生し、＃１気筒の空燃比が他の＃２〜＃４気筒の空燃比より大きくリッチ側にずれているとする。このとき主空燃比フィードバック制御が実行されているので、全気筒の排ガスが合流した後のトータルの排ガスの空燃比は、図１２（Ａ）に示すように、ストイキ近傍に制御されている。即ち、触媒前センサ出力Ｖｆはストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆの近傍となっている。しかしながら、＃１気筒の空燃比はストイキより大きくリッチであり、＃２〜＃４気筒の空燃比はストイキよりリーンであり、全体のバランスとしてストイキ近傍になっているに過ぎない。しかも＃１気筒から水素が多量に発生される結果、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、真の空燃比よりもリッチ側にずれた空燃比を誤ってストイキとして表示している。

他方、水素を含む排ガスが触媒１１を通過すると、水素が浄化されてその影響が取り除かれる。従って、図１２（Ｂ）に示すように、触媒後センサ１８の出力Ｖｒは、真の空燃比、即ちストイキよりリーンの空燃比を表示することとなる。即ち、触媒後センサ出力Ｖｒはストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒよりリーン側の低い値となる。

別の見方をすると、例えば全体で２５という触媒前空燃比検出値のリッチズレを補正するため、主空燃比フィードバック制御で−２５のリーン補正を行い、触媒前空燃比検出値のリッチズレを０とする。しかし、２５のうちの５は純粋な空燃比ずれではなく水素の影響によるもので、主空燃比フィードバック制御は５だけリーン側に補正しすぎである。よって触媒後空燃比はリーンに５だけずれる結果となる。

よって、主空燃比フィードバック制御により触媒前空燃比がストイキに制御されているにも拘わらず、触媒後センサ１８からは、ストイキよりリーンの触媒後空燃比が継続的に検出されるようになる（即ち、触媒後センサ出力がリーンに張り付く）。

なお、触媒後センサ１８がストイキよりリーンの排気空燃比を検出すると、補助空燃比フィードバック制御によるリッチ補正がなされ、燃料噴射量が全気筒一律に増量される。すると触媒前空燃比検出値のリッチずれはさらに大きくなり、触媒後空燃比はリーンに維持される。こうしてやがては、ばらつきの程度に見合った主空燃比補正量及び補助空燃比補正量に収束していく。

ところで、図９〜図１１を用いて説明したように、補助空燃比フィードバック制御においては、所定時間毎に（即ち所定の更新速度で）、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇと補助空燃比補正量Ｋｒとが学習ないし更新される。ここで一部気筒のインジェクタの故障等により気筒間空燃比ばらつきが発生すると、触媒後センサ出力Ｖｒが継続的にリーンな値となるので、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒは、大きなリーンずれをストイキに戻すような大きな正の値となる。

これを示すのが図１４である。図１４は、インバランス割合と触媒後センサ学習値ΔＶｒｇとの関係を調べた試験結果である。インバランス割合はリッチずれのときが正、リーンずれのときが負である。図示するように、インバランス割合がリッチずれ方向に大きくなるほど、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇはより大きな値、即ち空燃比をよりリッチ側に補正するような値となる。なお、インバランス割合がリーンずれ方向に大きくなるときにも同様の傾向が見られる。

そこで、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇがばらつきの程度に見合った一定値に収束した後の触媒後センサ学習値ΔＶｒｇの値を取得し、この値と、図１４に類似の予め定められたマップから、インバランス割合の値が求められる。

なお、代替的に、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇに基づいて算出される補助空燃比補正量Ｋｒに基づいてインバランス割合の値を求めてもよい。

このインバランス割合検出方法によれば、触媒前後の空燃比センサに高い応答性が要求されず、高速のデータサンプルや処理能力の高いＥＣＵも不要である。また外乱に強く、ロバスト性が高く、機関運転条件やセンサ設置位置にも制約がない。従って非常に実用的であり、高精度な検出が可能である。

次にインバランス割合検出の第３の態様について説明する。本実施形態では、上流触媒１１（及び下流触媒１９）として酸素吸蔵能を有する三元触媒が用いられている。この場合、触媒１１に流入する排気ガスの空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）がストイキよりリーンのときには触媒１１が排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がストイキよりリッチのときには触媒１１が既に吸蔵していた酸素を放出する。一方、かかる三元触媒の劣化診断法として所謂Ｃｍａｘ法が知られている。これは、触媒が劣化すると触媒の酸素吸蔵能が低下するという特性を利用して、触媒が現状で吸蔵（又は放出）可能な酸素量（即ち、酸素吸蔵容量ＯＳＣ）を計測し、この計測値を所定値と比較して触媒の劣化を判定する方法である。この劣化検出においては、空燃比をリッチ・リーンに強制的に切替制御するアクティブ空燃比制御が実行され、このアクティブ空燃比制御実行中に触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量とを複数ずつ計測し、その平均値を最終的な酸素吸蔵容量ＯＳＣとして求め、所定値と比較する。

ここで、吸蔵酸素量と放出酸素量との計測について図１５を参照しつつ説明する。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ（破線）と、触媒前センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ（実線）を示す。また（Ｂ）は触媒後センサ出力電圧Ｖｒを示す。（Ｃ）は触媒１１から放出された酸素量即ち放出酸素量ＯＳＡａの積算値を示し、（Ｄ）は触媒に吸蔵された酸素量即ち吸蔵酸素量ＯＳＡｂの積算値を示す。

図示するように、アクティブ空燃比制御の実行により、触媒に流入する排気ガスの空燃比は所定のタイミングで強制的にリーン及びリッチに交互に切り替えられる。例えば時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリーン（例えば１５．１）に設定され、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、排気中のリーン成分（ＮＯｘ）を還元して浄化するが、飽和状態即ち満杯まで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。こうなると触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転し、触媒後センサ１８の出力がストイキ相当値Ｖｒｅｆｒに達する（時刻ｔ１）。この時点で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリッチ（例えば１４．１）に切り替えられる。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入される。このとき触媒１１では、それまで吸蔵していた酸素を放出し続け、排気中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）を酸化して浄化するが、やがて触媒１１から全ての吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で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がリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力がストイキ相当値Ｖｒｅｆｒに達する（時刻ｔ２）。この時点で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に切り替えられる。このようにして、空燃比のリッチ・リーンへの切替えが繰り返し実行される。

（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の放出サイクルでは、極短い所定周期毎の放出酸素量ＯＳＡａが順次積算されていく。より詳しくは、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当値に達した時ｔ１１から、触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転した（Ｖｒｅｆｒに達した）時ｔ２まで、１演算周期毎の放出酸素量ｄＯＳＡ（ｄＯＳＡａ）が次式（５）により計算され、この１演算周期毎の値が周期毎に積算されていく。こうして得られた最終的な積算値が、触媒の酸素吸蔵容量に相当する放出酸素量ＯＳＡａの計測値となる。

Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じると過剰又は不足分の空気量を計算できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。

時刻ｔ２〜ｔ３の吸蔵サイクルでも同様に、（Ｄ）に示すように、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当値に達した時ｔ２１から、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転した（Ｖｒｅｆｒに達した）時ｔ３まで、１演算周期毎の吸蔵酸素量ｄＯＳＡ（ｄＯＳＡｂ）が前記式（１）により計算され、この１演算周期毎の値が周期毎に積算されていく。こうして得られた最終的な積算値が、触媒の酸素吸蔵容量に相当する吸蔵酸素量ＯＳＡｂの計測値となる。こうして放出サイクルと吸蔵サイクルを繰り返すことにより、複数ずつの放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとが計測、取得される。

ところで、原理的には、触媒における吸蔵可能な酸素量と放出可能な酸素量とは等しく、よって上記の放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとは等しいはずである。つまり両者は対称の関係にある。ところが、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、この対称関係が崩れ、両者は非対称となる。即ち、触媒前センサ１７の出力は水素の影響で真の値よりリッチ側にずれた値である。このため触媒に実際に与えられている排気ガスの空燃比は、触媒前センサ１７で検出される見掛け上の空燃比より若干リーンである。よって、放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとの計測値は等しくならず、前者は後者より大きくなる。

よってこのことを利用してインバランス割合の検出を行う。即ち、放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとをそれぞれ計測すると共に、これら計測値の比Ｒ＝ＯＳＡａ／ＯＳＡｂを算出し、この比Ｒと、予め定められたマップから、インバランス割合の値が求められる。比Ｒが大きくなるほどインバランス割合も大きくなる。なお、比Ｒの代わりに両者の差（ＯＳＡａ−ＯＳＡｂ）を用いてもよいし、複数の放出酸素量ＯＳＡａの平均値と複数の吸蔵酸素量ＯＳＡｂの平均値とに基づいてこれら比又は差を算出してもよい。

なお、上記第１〜第３の態様以外に、代替的に、触媒上流側の排気ガス中の水素濃度を水素濃度センサにより検出してその検出値に基づいてインバランス割合を検出しても良い。気筒間空燃比ばらつきが発生すると排気中水素濃度が急増し、インバランス割合と排気中水素濃度との間に相関関係が見られるからである。

［触媒劣化抑制制御］
次に、図１６を参照しつつ、触媒劣化抑制制御の第１のルーチンについて説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ４０１では、触媒劣化抑制制御を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件は、例えば、エンジンの暖機が終了しており、触媒前後のセンサ１７，１８が活性化しており、且つ上下流の触媒１１，１９が活性化しているときに成立となる。エンジン暖機終了の条件は例えば検出水温が所定値（例えば７５℃）以上となっていることである。触媒前後センサ活性化の条件は、ＥＣＵ２０により検出される両センサのインピーダンスがそれぞれ所定の活性温度相当の値になっていることである。上下流触媒活性化の条件は、両触媒の推定触媒温度が所定の活性温度になったことである。上流触媒１１の推定触媒温度は図６のルーチンにより算出され、下流触媒の推定触媒温度は図示しない別ルーチンにより算出される。

前提条件が成立していない場合、直ちにルーチンが終了される。他方、前提条件が成立している場合、ステップＳ４０２において、上述の第１〜第３の態様のいずれかに従って、インバランス割合ＩＢの値が検出、取得される。

次いで、ステップＳ４０３に進み、検出されたインバランス割合ＩＢの値に対応した温度補正係数Ｋｔの値が、図１７に示したような所定のマップから算出、取得される。この温度補正係数Ｋｔは、推定触媒温度Ｔｅを補正すべく、推定触媒温度Ｔｅに乗じられる補正値である。図１７に示すように、インバランス割合が０（％）のときは温度補正係数Ｋｔが１で、実質的に補正は行われない。しかし、インバランス割合が０（％）からプラス側或いはマイナス側に離れるほど、温度補正係数Ｋｔは１よりも増加していき、結果的に推定触媒温度Ｔｅはより高温側に補正される。これにより推定触媒温度Ｔｅの値に気筒間空燃比ばらつきの影響が加味されるようになり、また、気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた実際の触媒温度と推定触媒温度Ｔｅとの差を適切に補償することが可能となる。

次いでステップＳ４０４において、図６の触媒温度推定ルーチンにより推定された上流触媒１１の温度、即ち推定触媒温度Ｔｅの値が取得される。

次のステップＳ４０５では、推定触媒温度Ｔｅに温度補正係数Ｋｔが乗じられて推定触媒温度Ｔｅが補正され、即ち補正後の推定触媒温度Ｔｅ’＝Ｋｔ・Ｔｅが算出される。

次いでステップＳ４０６では、補正後の推定触媒温度Ｔｅ’が、比較的高温に設定された所定の判定温度Ｔｘと比較される。補正後の推定触媒温度Ｔｅ’が判定温度Ｔｘより低い場合、触媒劣化抑制制御は不要とみなされてルーチンが終了される。

他方、補正後の推定触媒温度Ｔｅ’が判定温度Ｔｘ以上の場合、ステップＳ４０７において触媒劣化抑制制御が開始或いは実行される。

触媒劣化抑制制御が実行されると、燃料噴射量増量制御とフューエルカット禁止制御とが併せて実行される。まず燃料噴射量増量制御については、通常の燃料噴射量、例えば前述の主・補助空燃比制御実行時にあってはストイキ近傍相当の燃料噴射量Ｑｆｎｌが、より増量された燃料噴射量に補正される。具体的には、通常の燃料噴射量に増量係数Ｋｘを乗じて得られる値が噴射すべき燃料噴射量とされる。増量係数Ｋｘは１より大きい値、例えば１．１である。なお、詳しくは後述するが、燃料噴射量増量制御は、エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａの値が所定の増量判定値Ｇｘ（ｇ／ｓｅｃ）以上のとき、即ちエンジン負荷が所定値以上のときに実行される。例えばＧｘ＝４０（ｇ／ｓｅｃ）である。エンジン負荷が所定値未満の低負荷であるときには、触媒温度がそれほど高温とならず、触媒劣化抑制制御を行う要請が少ないからである。

次にフューエルカット禁止制御について説明する。まずその前提として、本実施形態で実行されるフューエルカット制御について説明する。図１８に示すように、アクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度が略全閉という条件の下、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）が所定のフューエルカット復帰回転数Ｎｆｃより高いと、フューエルカット（減速フューエルカット）が実行される。フューエルカット復帰回転数Ｎｆｃは、エンジン暖機後の規定のアイドル回転数Ｎｉより高く、例えばＮｉ＝８００ｒｐｍ、Ｎｆｃ＝１０００ｒｐｍである。かかる前提の下でフューエルカット禁止制御が実行されると、所定のフューエルカット禁止回転数Ｎｘ以上のときフューエルカットが禁止される。フューエルカット禁止回転数Ｎｘはフューエルカット復帰回転数Ｎｆｃより高く、例えばＮｘ＝２０００ｒｐｍである。図示例ではフューエルカット復帰回転数Ｎｆｃとフューエルカット禁止回転数Ｎｘの間にフューエルカットを許容する領域があるが、その理由は、かかる低回転領域では触媒温度がそれほど高温とならず、触媒劣化抑制制御を行う要請が少ないからである。

［他の実施形態］
次に、他の実施形態について説明する。以下、前記実施形態との相違点を中心に説明を行う。

当該他の実施形態では、触媒温度が推定される代わりに、温度センサにより直接検出される。即ち、図１９に要部を拡大して示すように、上流触媒１１には温度センサ２１が設置され、上流触媒１１の温度（床温）が直接検出されるようになっている。特に、上流触媒１１はその上流端（前端）から排気ガスを受けるので、その上流端から下流側（後側）に向けて徐々に温度変化するようになる。よって上流触媒１１の温度変化を即座に検知すべく、温度センサ２１の温度検出部は、上流触媒１１の流路長Ｌの中間位置Ｌ／２よりも上流側に位置され、より言えばできるだけ上流側に位置される。

そして触媒劣化抑制制御は、温度センサ２１により検出された触媒温度（検出触媒温度Ｔｓ）が判定温度Ｔｘ以上に達したときに実行される。実際の触媒温度を直接検出するので、前記実施形態のような触媒温度の補正は不要である。

ところで、気筒間空燃比ばらつきが発生すると触媒温度が上昇し、そのばらつき度合いが大きいほど触媒温度はより上昇する傾向にある。よって空燃比ばらつきの有無や度合いに応じて触媒劣化抑制制御の内容を適宜変更するのが望ましい。

そこで本実施形態では、検出されたインバランス割合の値に応じて触媒劣化抑制制御の条件（或いは設定値）を変更する。より具体的には、検出されたインバランス割合の絶対値が０％から離れるにつれ、触媒劣化抑制制御が実行され易くなるように若しくは触媒劣化抑制度合いを高めるように、触媒劣化抑制制御の条件を変更する。これによっても気筒間空燃比ばらつきに起因した触媒の劣化を抑制することが可能である。

以下、図２０を参照しつつ、触媒劣化抑制制御の第２のルーチンについて説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ５０１では、前記ステップＳ４０１同様、触媒劣化抑制制御を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。前提条件が成立していない場合、直ちにルーチンが終了される。他方、前提条件が成立している場合、ステップＳ５０２において、温度センサ２１により検出された検出触媒温度Ｔｓの値が取得される。

次いで、ステップＳ５０３に進み、取得された検出触媒温度Ｔｓが判定温度Ｔｘ以上かどうかが判断される。検出触媒温度Ｔｓが判定温度Ｔｘ未満の場合、触媒劣化抑制制御が実行されることなくルーチンが終了される。

他方、検出触媒温度Ｔｓが判定温度Ｔｘ以上の場合、ステップＳ５０４において、検出されたインバランス割合ＩＢの値が取得される。

次にステップＳ５０５において、取得したインバランス割合ＩＢに対応した増量判定値Ｇｘ、増量係数Ｋｘ及びフューエルカット禁止回転数Ｎｘの値が、図２１に示したような所定のマップから算出、取得され、インバランス割合ＩＢに応じた触媒劣化抑制制御の条件が設定される。

図２１に見られるように、増量判定値Ｇｘは、インバランス割合ＩＢが０（％）（つまり空燃比ばらつき無し）のときは前記実施形態でも述べたような基準値としての４０（ｇ／ｓｅｃ）であるが、インバランス割合ＩＢが０（％）から離れるにつれ増量判定値Ｇｘの値は４０（ｇ／ｓｅｃ）より減少していく。こうして増量判定値Ｇｘはインバランス割合ＩＢに応じて変更される。こうするとインバランス割合ＩＢが０（％）から離れるほど、より低空気量側、低負荷側から燃料噴射量増量制御が開始されるようになり、燃料噴射量の増量を実行する条件が緩和され、燃料噴射量増量制御は実行され易くなる。

また、増量係数Ｋｘは、インバランス割合ＩＢが０（％）のときは前記実施形態でも述べたような基準値としての１．１であるが、インバランス割合ＩＢが０（％）から離れるにつれ増量係数Ｋｘの値は１．１より増加していく。こうして増量係数Ｋｘはインバランス割合ＩＢに応じて変更される。こうするとインバランス割合ＩＢが０（％）から離れるほど、燃料噴射量の増量量が増加されるようになり、触媒劣化抑制度合いは高められる。

また、フューエルカット禁止回転数Ｎｘは、インバランス割合ＩＢが０（％）のときは前記実施形態でも述べたような基準値としての２０００（ｒｐｍ）であるが、インバランス割合ＩＢが０（％）から離れるにつれフューエルカット禁止回転数Ｎｘの値は２０００（ｒｐｍ）より低下していく。こうしてフューエルカット禁止回転数Ｎｘはインバランス割合ＩＢに応じて変更される。こうするとインバランス割合ＩＢが０（％）から離れるほど、より低回転側からフューエルカットが禁止されるようになり、フューエルカット禁止制御は実行され易くなる。

こうしてインバランス割合ＩＢに応じた増量判定値Ｇｘ、増量係数Ｋｘ及びフューエルカット禁止回転数Ｎｘが設定されたならば、ステップＳ５０６において、これら増量判定値Ｇｘ、増量係数Ｋｘ及びフューエルカット禁止回転数Ｎｘを各条件とした触媒劣化抑制制御が実行される。これにより空燃比ばらつき度合いに応じた適切な触媒劣化抑制制御を実行し、気筒間空燃比ばらつきが発生した場合にあっても触媒の劣化を確実に抑制することができる。

なおこの他の実施形態については、増量判定値Ｇｘ、増量係数Ｋｘ及びフューエルカット禁止回転数Ｎｘの少なくとも一つを、インバランス割合に応じた変更対象とすればよい。従っていずれかを変更対象から除く変形例も可能である。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、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、上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンや両噴射方式を兼ね備えたデュアル噴射式エンジンにも、本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒前に広域空燃比センサを用い、触媒後にＯ₂センサを用いたが、例えば触媒後に広域空燃比センサを用いたり、触媒前にＯ₂センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサ及びＯ₂センサを含め、広く、排気の空燃比を検出するためのセンサを空燃比センサというものとする。インバランスパラメータは前記インバランス割合以外のパラメータであってもよい。触媒劣化抑制制御の内容も、前述の燃料噴射量増量制御及びフューエルカット禁止制御に限定されない。図１６に示したような触媒劣化抑制制御に、他の実施形態で述べたインバランス割合に応じた条件変更を組み合わせることも可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。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。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。 触媒前センサの出力特性を示すグラフである。 触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた排気空燃比の変動を示すグラフである。 インバランス割合と触媒温度との関係を示すグラフである。 触媒温度推定ルーチンを示すフローチャートである。 空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。 主空燃比補正量の算出マップである。 補助空燃比補正量の設定ルーチンを示すフローチャートである。 触媒後センサ出力差とその積算の様子を示すグラフである。 補助空燃比補正量の算出マップである。 １気筒が他の３気筒よりも空燃比リッチ側にずれている場合を示す図である。 インバランス割合と水素量の関係を示すグラフである。 インバランス割合と触媒後センサ学習値との関係を示すグラフである。 吸蔵酸素量と放出酸素量との計測方法を説明するためのタイムチャートである。 触媒劣化抑制制御の第１のルーチンを示すフローチャートである。 インバランス割合と温度補正係数との関係を規定したマップである。 フューエルカットに関する各種回転数を示す図である。 他の実施形態の構成に係る要部拡大図である。 触媒劣化抑制制御の第２のルーチンを示すフローチャートである。 インバランス割合と増量判定値、増量係数及びフューエルカット禁止回転数との関係を規定したマップである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１４ 排気マニフォールド
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 温度センサ
Ｔｅ 推定触媒温度
Ｔｓ 検出触媒温度
ＩＢ インバランス割合

Claims (10)

1. 多気筒内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を抑制するための装置であって、
   前記触媒の温度を、気筒間の空燃比ばらつきの有無や度合いに拘わらず、機関運転状態に基づき推定する触媒温度推定手段と、
   前記触媒温度の推定値が所定値以上となったときに所定の触媒劣化抑制制御を実行する触媒劣化抑制制御手段と、
   気筒間の空燃比ばらつき度合いに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
   前記インバランスパラメータの検出値に基づき、前記触媒温度の推定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抑制装置。
2. 前記補正手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記触媒温度の推定値をより高温側に補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化抑制装置。
3. 前記インバランスパラメータの検出値に応じて前記触媒劣化抑制制御の条件を変更する変更手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒劣化抑制装置。
4. 前記変更手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記触媒劣化抑制制御が実行され易くなるように若しくは触媒劣化抑制度合いを高めるように、前記触媒劣化抑制制御の条件を変更する
   ことを特徴とする請求項３記載の触媒劣化抑制装置。
5. 前記触媒劣化抑制制御が燃料噴射量増量制御を含み、
   前記変更手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、前記燃料噴射量の増量量を増加することと前記燃料噴射量の増量を実行する条件を緩和することとの少なくとも一方を実行する
   ことを特徴とする請求項３記載の触媒劣化抑制装置。
6. 前記触媒劣化抑制制御がフューエルカット禁止制御を含み、
   前記変更手段は、前記空燃比ばらつき度合いの増大方向に前記インバランスパラメータが変化するにつれ、フューエルカット禁止回転数を低下させる
   ことを特徴とする請求項３記載の触媒劣化抑制装置。
7. 前記パラメータ検出手段は、前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサの出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づき、前記インバランスパラメータを算出する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の触媒劣化抑制装置。
8. 前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
   前記パラメータ検出手段が、
   前記触媒の上流側に配置された触媒前空燃比センサと、
   前記触媒の下流側に配置された触媒後空燃比センサと、
   前記触媒前空燃比センサにより検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるような主空燃比制御及び前記触媒後空燃比センサにより検出された空燃比を前記目標空燃比に一致させるような補助空燃比制御を実行する空燃比制御手段であって、前記触媒後空燃比センサの出力に基づき前記補助空燃比制御のための制御量を算出する空燃比制御手段と、
   前記算出された制御量に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
   を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の触媒劣化抑制装置。
9. 前記触媒が、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化するものであり、
   前記パラメータ検出手段が、
   前記触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量を検出する手段と、
   前記検出された吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
   を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の触媒劣化抑制装置。
10. 前記インバランスパラメータがインバランス割合からなり、当該インバランス割合が式：ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ（但し、ＩＢはインバランス割合、Ｑｉｂはインバランス気筒の燃料噴射量、Ｑｓはバランス気筒の燃料噴射量）により表されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の触媒劣化抑制装置。

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