JP5338974B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられるとともに酸素吸蔵能力を有する触媒と、同触媒の排気下流側に設けられる酸素センサとを備え、機関運転状態及び酸素センサの出力の変化に基づいて触媒の最大酸素吸蔵量を算出する内燃機関の排気浄化装置に関する。

この種の内燃機関の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のものも含めて従来一般の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられるとともに酸素吸蔵能力を有する触媒と、排気通路において触媒の排気下流側に設けられる酸素センサとを備えている。ここで、酸素センサとしては、排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには約０Ｖを出力するとともに、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには約１Ｖを出力する特性を有するものが周知である。

ところで、触媒の劣化が進行するほど触媒の酸素吸蔵能力、すなわち最大酸素吸蔵量は低下する。そこで、従来、以下のようにして、触媒の最大酸素吸蔵量を算出するとともに、同最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化度合を把握するようにしている。すなわち、触媒に流入する排気の空燃比を強制的に変更する空燃比アクティブ制御を実行するとともに、機関運転状態及び酸素センサの出力変化に基づいて触媒の最大酸素吸蔵量を算出するようにしている。

ここで、図１０を参照して、従来一般の空燃比アクティブ制御の概要について説明する。
図１０は、従来一般の空燃比アクティブ制御の実行時における、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、（ｂ）酸素センサの出力電圧の推移、（ｃ）触媒の酸素吸蔵量の推移を併せ示すタイミングチャートである。

図１０に示すように、まずは、タイミングｔ３１において、触媒に流入する排気の空燃比を強制的に理論空燃比よりもリーンにして触媒に酸素を吸蔵させるようにする。触媒がこれ以上酸素を吸蔵することができなくなると、触媒から下流側にリーンな排気が流出するようになることから、酸素センサの出力がリッチに対応する１Ｖからリーンに対応する０Ｖにリーン反転する。このとき、酸素センサの出力が理論空燃比に対応するＶ２となるタイミングｔ３２において、触媒に流入する排気の空燃比を強制的に理論空燃比よりもリッチにして触媒から酸素を放出させるようにする。触媒がこれ以上酸素を放出することができなくなると、触媒から下流側にリッチな排気が流出するようになることから、酸素センサの出力が０Ｖから１Ｖにリッチ反転する。このとき、酸素センサの出力がＶ２となるタイミングｔ３３において、触媒に流入する排気の空燃比を強制的に理論空燃比よりもリーンにして触媒に酸素を吸蔵させるようにする。触媒がこれ以上酸素を吸蔵することができなくなると、酸素センサの出力が１Ｖから０Ｖにリーン反転する。このとき、タイミングｔ３４において酸素センサの出力はＶ２となる。ここで、タイミングｔ３２からタイミングｔ３３までの期間に触媒から放出された酸素量が触媒の最大酸素吸蔵量に相当する。従って、燃料噴射量や排気の空燃比といった機関運転状態に基づいて単位時間当りに触媒から放出された酸素量を算出するとともに、これを上記期間（ｔ３２〜ｔ３３）にわたって積算することにより最大酸素吸蔵量を算出することができる。また、タイミングｔ３３からタイミングｔ３４までの期間に触媒に流入した酸素量が触媒の最大酸素吸蔵量に相当する。従って、機関運転状態に基づいて単位時間当りに触媒に流入した酸素量を算出するとともに、これを上記期間（ｔ３３〜ｔ３４）にわたって積算することにより最大酸素吸蔵量を算出することができる。

ところで、触媒の最大酸素吸蔵量は、その劣化度合の他、触媒の温度によっても変動する。
ここで、図１１を参照して、劣化度合の異なる２つの触媒を例に、触媒の温度と最大酸素吸蔵量との関係について説明する。

図１１は、触媒の温度と最大酸素吸蔵量との関係を示すグラフである。尚、図１１において、劣化度合の小さい触媒の最大酸素吸蔵量の推移を実線にて示すとともに、劣化度合の大きい触媒の最大酸素吸蔵量の推移を一点鎖線にて示している。

図１１に示すように、触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは触媒の温度ＴＣが高くなるほど大きくなる。また、上述したように、触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは触媒の劣化度合が大きくなるほど小さくなる。また、劣化度合の小さい触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘと劣化度合の大きい触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの偏差は、触媒の温度ＴＣが低くなるほど小さくなる。ただし、図１１に矢印にて示すように、算出される最大酸素吸蔵量（以下、実最大酸素吸蔵量）ＣｍａｘＡにはばらつきがあることから、特に、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの小さい触媒低温時（Ｔ１＜触媒温度ＴＣ＜Ｔ２）にあっては、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡに対してばらつきの影響が大きくなる結果、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを精度良く算出することができない。従って、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを精度良く算出する上では、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出を触媒高温時（Ｔ２＜触媒温度ＴＣ＜Ｔ３）に行なう必要がある。しかしながら、この場合には、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出機会が触媒高温時に制限されるため、触媒の劣化判定の実行機会が減少するといった問題が生じる。

これに対して、上記特許文献１に記載の技術では、触媒がある程度活性化している温度範囲、図１１の例では触媒の温度ＴＣがＴ１からＴ４までの範囲においては、触媒の温度ＴＣの上昇に対して最大酸素吸蔵量が比例して増大することから、触媒の温度と最大酸素吸蔵量との関係を一次式により近似することができること、及び触媒の劣化度合に応じて一次式の傾きが異なることに着目することで、以下のようにして、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出機会の拡大を図るようにしている。

ここで、図１２を参照して、劣化度合の異なる５つの触媒を例に、触媒の温度と最大酸素吸蔵量との関係、及び一次式の傾きについて説明する。
図１２は、触媒の温度と触媒の最大酸素吸蔵量との関係を一次式にて示すグラフである。尚、図１２において、全く劣化していない触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの推移を実線Ｌ１にて示す。また、劣化度合が小さい順に触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの推移を破線Ｌ２、一点鎖線Ｌ３、二点鎖線Ｌ４にて示す。また、劣化度合が最大である触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの推移を長破線Ｌ５にて示す。

図１２に実線Ｌ１にて示すように、全く劣化していない触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは、触媒の温度ＴＣに依存せず、触媒の温度ＴＣに対する最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの傾きＧ１は略「０」となる。また、図１２に破線Ｌ２及び一点鎖線Ｌ３にて示すように、全く劣化していない状態から劣化度合が大きくなるほど傾きＧ２、Ｇ３は大きくなる（Ｇ１＜Ｇ２＜Ｇ３）。更に、図１２に二点鎖線Ｌ４及び長破線Ｌ５にて示すように、劣化度合がある程度大きくなった後には、劣化度合が大きくなるほど傾きＧ４は小さくなり（Ｇ３＞Ｇ４）、劣化度合が最大である触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは、触媒の温度ＴＣに依存せず、その傾きＧ５は略「０」となる。

これらのことから、図１２に示した触媒の温度ＴＣと実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡとの間に成立する関数、具体的には一次式の傾きを、触媒の劣化度合毎に予め求めておき、触媒の温度ＴＣと実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡとの関係と、これら関係に対応した触媒の劣化度合を特定する一次式の傾きＧを制御装置の記憶手段に記憶させておく。また、劣化度合が異なるにも拘わらず実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが同一の値として算出されることのないように、触媒の温度ＴＣが学習温度範囲内（図１１の例では、Ｔ２＜触媒温度ＴＣ＜Ｔ３）にあるときに算出された触媒の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡと、同実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出期間における触媒の温度ＴＣとに基づいて、触媒の劣化度合に対応した一次式の傾きＧを学習する。そして、触媒の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが新たに算出されたときには、その算出期間における触媒の温度ＴＣ、基準温度ＴＣｂ（Ｔ２＜ＴＣｂ＜Ｔ３）、一次式としての式（１）、及び既に学習されている一次式の傾きＧに基づいて、算出された実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを補正することにより、その算出期間における触媒の温度ＴＣが基準温度ＴＣｂであると仮定した場合の最大酸素吸蔵量である補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを算出する。

Ｃｍａｘｎｒｍｌ ＝ ＣｍａｘＡ ＋ Ｇ ・ （ＴＣｂ − ＴＣ） ・・・（１）

ここで、図１３を参照して、補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌの算出態様の一例を説明する。

尚、図１３は、触媒の温度と実最大酸素吸蔵量及び補正後最大酸素吸蔵量との関係を示したグラフである。尚、図１３において、劣化度合の小さい触媒の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを実線にて示すとともに、その補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを一点鎖線にて示す。また、劣化度合が最大である触媒の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡ及びその補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを破線にて示す。

図１３から明らかなように、触媒の温度ＴＣにかかわらず、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが補正されることにより、補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌは基準温度ＴＣｂにおける実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの値となる。これにより、例えば触媒の最大酸素吸蔵量と判定値との比較に基づいて同触媒の劣化度合を判定する構成にあっては、触媒の温度毎に判定値を準備する必要がなくなるため、当該判定を簡易なものとすることができる。

特開２００４―２８０２９号公報

ところで、内燃機関の排気浄化装置にあっては、酸素センサの出力に応答遅れが生じるおそれがある。この場合、酸素センサの出力の応答遅れに起因して実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出精度が低下することから、そうした実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡに基づいて、触媒の劣化度合に対応した一次式の傾きが学習され、同傾きに基づいて補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌが算出される。その結果、補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを精度良く算出することができないといった問題が生じる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素センサの出力の応答遅れが生じることに起因して補正後最大酸素吸蔵量の算出精度が低下することを抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）本発明は、内燃機関の排気通路に設けられるとともに酸素吸蔵能力を有する触媒と、前記排気通路において前記触媒の排気下流側に設けられる酸素センサと、機関運転状態及び前記酸素センサの出力変化に基づいて前記触媒の最大酸素吸蔵量を算出する算出部と、前記触媒の温度を推定する温度推定部と、前記触媒が所定の劣化度合であるときの触媒の温度と同温度における触媒の最大酸素吸蔵量との間に成立する関数を前記触媒の劣化度合毎に予め記憶する記憶部と、前記算出部により前記触媒の最大酸素吸蔵量が算出されたとき、当該算出期間において推定された触媒の温度が所定の学習温度範囲内にある場合に、当該触媒の温度及び最大酸素吸蔵量に基づいてそのときの触媒の劣化度合に対応した前記関数を学習する学習部と、前記算出部により前記触媒の最大酸素吸蔵量が算出されたとき、当該算出期間における触媒の温度が基準温度であると仮定した場合の最大酸素吸蔵量である補正後最大酸素吸蔵量を算出すべく、当該算出期間において推定された触媒の温度、前記基準温度、既に学習されている前記関数に基づいて、前記算出部により算出された最大酸素吸蔵量を補正する補正部と、前記酸素センサの出力の応答遅れ異常を検出する異常検出部と、前記異常検出部により前記酸素センサの出力の応答遅れ異常を検出した場合に、前記学習部により学習されている前記関数を破棄する破棄部と、を備える内燃機関の排気浄化装置を提供する。

同構成によれば、酸素センサの出力の応答遅れ異常を検出した場合には、当該検出までに算出された触媒の最大酸素吸蔵量の信頼性が低く、そうした最大酸素吸蔵量に基づいて学習された関数の信頼性が低いとして、それまでに学習されている関数が破棄されるようになる。このため、信頼性の低い関数に基づいて触媒の補正後最大酸素吸蔵量が算出されることを抑制することができるようになる。従って、酸素センサの出力の応答遅れが生じることに起因して補正後最大酸素吸蔵量の算出精度が低下することを抑制することができるようになる。尚、酸素センサの出力の応答遅れの度合を判定するための所定度合は、触媒及び酸素センサを用いた実験やシミュレーションを通じて設定されることが望ましい。

（２）上記の発明は、前記異常検出部は前記酸素センサの出力の応答時間を検出するとともに、同検出された応答時間と前記酸素センサの出力が正常である場合における出力の応答時間との乖離度合が所定度合以上である場合に前記酸素センサの出力の応答遅れ異常が有ると判断するといった態様をもって具体化することができる。

（３）本発明の一態様において、前記触媒が所定の劣化度合であるときの触媒の温度と同温度における触媒の最大酸素吸蔵量との関係は所定の近似式にて近似され、前記記憶部は、前記近似式における係数を前記触媒の劣化度合毎に予め記憶し、前記学習部は、前記算出部により前記触媒の最大酸素吸蔵量が算出されたとき、当該算出期間において推定された触媒の温度及び最大酸素吸蔵量に基づいてそのときの触媒の劣化度合に対応した前記係数を学習し、前記補正部は、前記算出部により前記触媒の最大酸素吸蔵量が算出されたとき、当該算出期間において推定された触媒の温度、前記基準温度、前記近似式、及び既に学習されている前記係数に基づいて、前記算出部により算出された最大酸素吸蔵量を補正する。

触媒が所定の劣化度合であるとき、触媒の温度と同温度における触媒の最大酸素吸蔵量との関係は所定の近似式にて近似することができる。このため、上記構成によるように、近似式における係数を触媒の劣化度合毎に予め記憶し、同係数を学習するとともに、上記近似式及び既に学習されている係数に基づいて最大酸素吸蔵量を補正することとすれば、記憶部、学習部、及び補正部の構成を簡易なものとすることができるようになる。

（４）上記（３）の態様は、前記所定の近似式は一次式であり、前記係数は前記一次式の傾きであるといった態様をもって具体化することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施形態について、内燃機関及びこれを制御する電子制御装置の概略構成を示す概略図。 空燃比センサの出力特性を示すグラフ。 酸素センサの出力特性を示すグラフ。 同実施形態のアクティブ空燃比制御の実行中における、（ａ）排気の空燃比の推移、（ｂ）酸素センサの出力電圧の推移、及び（ｃ）触媒の酸素吸蔵量の推移を併せ示すタイミングチャート。 同実施形態における補正後最大酸素吸蔵量の算出処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態における傾き学習処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態の燃料カット制御の実行に伴う、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、及び（ｂ）酸素センサの出力の推移を併せ示すタイミングチャート。 同実施形態の強制リッチ化制御の実行に伴う、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、及び（ｂ）酸素センサの出力の推移を併せ示すタイミングチャート。 同実施形態における傾き破棄処理の手順を示すフローチャート。 従来一般の空燃比アクティブ制御の実行時における、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、（ｂ）酸素センサの出力電圧の推移、及び（ｃ）触媒の酸素吸蔵量の推移を併せ示すタイミングチャート。 触媒の温度と最大酸素吸蔵量との関係を示すグラフ。 触媒の温度と触媒の最大酸素吸蔵量との関係を一次式にて示すグラフである。 触媒の温度と実最大酸素吸蔵量及び補正後最大酸素吸蔵量との関係を示したグラフ。

以下、図１〜図９を参照して、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、車両に搭載されるポート噴射式のガソリンエンジン（以下、内燃機関１）の排気浄化装置として具体化した一実施形態について、詳細に説明する。

図１に、内燃機関１及びこれを制御する電子制御装置５０の概略構成を示す。
図１に示すように、内燃機関１は、燃焼室１０、吸気通路２０、及び排気通路３０を備えている。吸気通路２０は吸入空気を燃焼室１０に供給する通路であり、その途中には、吸入空気を調量するためのスロットルバルブ２１が設けられている。また、吸気通路２０には、同通路２０の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁１１が設けられている。吸気通路２０を通じて供給される空気と燃料噴射弁１１から噴射された燃料とが混合されて混合気となり、同混合気が燃焼室１０に供給されるようになっている。また、燃焼室１０において混合気はピストンによって圧縮され、点火プラグにより火花点火されることにより燃焼する。そして、燃焼により発生する膨張エネルギによって、内燃機関１の出力軸であるクランクシャフトが回転駆動する。

また、燃焼後の排気は、燃焼室１０から排気通路３０を通じて外部に排出される。排気通路３０には、酸素吸蔵能力を有する三元触媒（以下、触媒）３１が設けられている。触媒３１は、同触媒３１に流入する排気の空燃比が理論空燃比である場合には、触媒３１を通過する排気に含まれる一酸化炭素（以下、ＣＯ）や炭化水素（以下、ＨＣ）を酸化して浄化するとともに、排気に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を還元して浄化する。また、触媒３１は、同触媒３１に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合にはＮＯｘを還元して浄化するとともに、同ＮＯｘから奪った酸素を同触媒３１の内部に吸蔵する。一方、触媒３１は、同触媒３１に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合には吸蔵している酸素を放出するとともに同酸素によってＨＣやＣＯを酸化して浄化する。これにより、排気の空燃比が理論空燃比から一時的にずれた場合であっても、上述した酸素の吸蔵或いは放出を通じて酸素の過剰な状態、或いは不足した状態を補うことで、排気の浄化率を高い状態に維持するようにしている。

こうした内燃機関１の各種制御は、電子制御装置５０により行われる。
電子制御装置５０は、内燃機関１の各種制御の演算処理を行なう中央演算装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ、データ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果や各種センサの検出結果を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、機関停止後においても演算結果を記憶保持することのできるバックアップＲＡＭ、及び電子制御装置５０と外部との信号の入出力を媒介する入出力ポート（Ｉ／Ｏ）を備えている。

こうした電子制御装置５０には、内燃機関１の各部に設けられたセンサの検出結果やスイッチの作動状態等の情報が入力されている。具体的には、機関回転速度ＮＥを検出する機関回転速度センサ５１、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ５２、スロットルバルブ２１の開度（以下、スロットル開度）ＴＡを検出するスロットル開度センサ５３が設けられている。また、排気通路３０において触媒３１の上流側には、触媒３１に流入する排気の空燃比を検出する空燃比センサ５４が設けられている。また、排気通路３０において触媒３１の下流側には、触媒３１から流出する排気の空燃比を検出する酸素センサ５５が設けられている。また、触媒３１の温度ＴＣを検出する触媒温度センサ５６が設けられている。また、これらセンサ以外にもアクセルペダルの踏み込み量（アクセラレータ操作量）ＡＣＣＰを検出するアクセラレータ操作量センサ５７等の各種のセンサが設けられている。尚、本実施形態では、触媒温度センサ５６として、触媒３１の温度ＴＣを直接検出する構成を採用している。しかし、本発明に係る温度推定部の構成はこれに限られるものではなく、他に例えば、排気の温度を検出する排気温度センサの検出結果に基づいて触媒３１の温度ＴＣを推定する構成や、吸入空気量ＧＡの積算値等に基づいて触媒３１の温度を推定する構成を採用することもできる。

ここで、図２及び図３を参照して、空燃比センサ５４及び酸素センサ５５の出力特性について説明する。尚、図２は、排気の空燃比と空燃比センサ５４の出力電圧Ｖａｆとの関係を示すグラフである。また、図３は、排気の空燃比と酸素センサ５５の出力電圧Ｖｏｘとの関係を示すグラフである。

図２に示すように、空燃比センサ５４は、いわゆる全領域空燃比センサであり、空燃比が大きいほど、すなわち空燃比がリーンであるほど大きな電圧Ｖａｆを出力する。ちなみに、空燃比が理論空燃比のときには電圧Ｖ１を出力する。

図３に示すように、酸素センサ５５は、いわゆるジルコニア板型酸素センサであり、排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには約０Ｖを出力するとともに、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには約１Ｖを出力する。また、排気の空燃比が理論空燃比を挟んでリッチからリーンへ（或いは、リーンからリッチへ）変化するときには電圧Ｖｏｘは急激に変化する。ちなみに、排気の空燃比が理論空燃比のときには０Ｖと１Ｖとの間の電圧Ｖ２を出力する。

電子制御装置５０は、上記各センサ５１〜５７をはじめとする各種センサの検出結果により把握される機関運転状態等に基づいて、例えば次の各種制御を実行する。すなわち、機関回転速度ＮＥ、吸入空気量ＧＡ等に基づいて燃料噴射量Ｑを算出し、同燃料噴射量Ｑに応じて燃料噴射弁１１を制御する燃料噴射制御を実行する。

また、電子制御装置５０は、空燃比センサ５４の検出結果に基づいて混合気の空燃比Ａ／Ｆを推定し、同空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比に一致するように、燃料噴射量Ｑに対する空燃比補正値を算出して燃料噴射量を増減補正する空燃比フィードバック制御を実行する。

ところで、触媒３１は燃料に含まれる鉛や硫黄といった成分によって被毒劣化する。また、触媒は高温下におかれることにより熱劣化する。そして、触媒の劣化が進行するほど、触媒３１の酸素吸蔵能力、すなわち最大酸素吸蔵量は低下する。

そこで、本実施形態では、以下のようにして、触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを算出するようにしている。すなわち、触媒３１に流入する排気の空燃比を強制的に変更する空燃比アクティブ制御を実行するとともに、機関運転状態及び酸素センサ５５の出力変化に基づいて触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを算出するようにしている。

ここで、図４を参照して、空燃比アクティブ制御の概要について説明する。尚、図４は、空燃比アクティブ制御の実行時における、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、（ｂ）酸素センサの出力電圧の推移、（ｃ）触媒の酸素吸蔵量の推移を併せ示すタイミングチャートである。また、図４に示す例では、酸素センサ５５に応答遅れ異常が生じていない場合を想定している。また、空燃比アクティブ制御の概要については前述したとおりであるため、重複する説明については割愛する。

図４に示すように、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの期間（以下、第１の期間）に触媒３１から放出された酸素量が触媒３１の最大酸素吸蔵量に相当することから、燃料噴射量Ｑや排気の空燃比Ａ／Ｆといった機関運転状態に基づいて単位時間当りに触媒３１から放出された酸素量を算出するとともに、これを上記第１の期間（ｔ２〜ｔ３）にわたって積算することにより最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１を算出する。また、タイミングｔ３からタイミングｔ４までの期間（以下、第２の期間）に触媒３１に流入した酸素量が触媒３１の最大酸素吸蔵量に相当することから、機関運転状態に基づいて単位時間当りに触媒３１に流入した酸素量を算出するとともに、これを上記第２の期間（ｔ３〜ｔ４）にわたって積算することにより最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ２を算出する。ここで、上記第１の期間（ｔ２〜ｔ３）と第２の期間（ｔ３〜ｔ４）とで最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを異なる値として示しているのは、これら第１の期間と第２の期間とで触媒３１の温度が異なるためである。本実施形態では、これら最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１、Ｃｍａｘ２の平均値（＝（Ｃｍａｘ１+Ｃｍａｘ２）/２）を実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡとして算出している。

また、本実施形態では、前述したように、触媒３１がある程度活性化している温度範囲、図１１の例では触媒の温度ＴＣがＴ１からＴ４までの範囲においては、触媒３１の温度ＴＣと最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの関係を一次式により近似することができること、及び触媒３１の劣化度合に応じて一次式の傾きＧが異なることに着目することで、以下のようにして、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出機会の拡大を図るようにしている。

すなわち、触媒の温度ＴＣと実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡとの間に成立する関数、具体的には一次式の傾きＧを、触媒３１の劣化度合毎に予め求めておき、触媒３１の温度ＴＣと実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡとの関係、及びこれら関係に対応した触媒３１の劣化度合を特定する一次式の傾きＧを例えばマップとして電子制御装置５０のＲＯＭに記憶させておく。また、劣化度合が異なるにも拘わらず実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが同一の値として算出されることのないように、触媒の温度ＴＣが学習温度範囲内（図１１の例では、Ｔ２＜触媒温度ＴＣ＜Ｔ３）にあるときに算出された触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡと、同実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出期間における触媒の温度ＴＣとに基づいて、上記マップを参照することにより、触媒３１の劣化度合に対応した一次式の傾きＧを決定する。また、決定した傾きＧを電子制御装置５０のバックアップＲＡＭに記憶させることにより同傾きＧの学習を行なう。そして、触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが新たに算出されたときには、その算出期間における触媒の温度ＴＣ、より詳しくは同算出期間における触媒３１の温度ＴＣの平均値ＴＣａｖｅ、基準温度ＴＣｂ（Ｔ２＜ＴＣｂ＜Ｔ３）、一次式としての式（２）、及び既に学習されている一次式の傾きＧに基づいて、算出された実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを補正する。これにより、その算出期間における触媒の温度ＴＣａｖｅが基準温度ＴＣｂであると仮定した場合の最大酸素吸蔵量である補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを算出する。

Ｃｍａｘｎｒｍｌ ＝ ＣｍａｘＡ ＋ Ｇ ・ （ＴＣｂ − ＴＣａｖｅ） ・・・（２）

次に、図５を参照して、上述した補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌの算出処理の処理手順について説明する。尚、図５は、同処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、内燃機関１の運転中において実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが算出される毎に実行される。

図５に示すように、この一連の処理では、まず、ステップＳ１において、直前に算出された実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを読み込む。そして、次に、ステップＳ２に進んで、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出期間における触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅを読み込む。そして、次に、ステップＳ３に進んで、上記式（２）に、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡ及び触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅを代入することにより、補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを算出し、この一連の処理を終了する。

次に、図６を参照して、上述した一次式における傾きＧの学習処理の処理手順について説明する。尚、図６は、同処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、内燃機関１の運転中において実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが算出される毎に実行される。

図６に示すように、この一連の処理では、まず、ステップＳ１１において、直前に算出された実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを読み込む。そして、次に、ステップＳ１２に進んで、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出期間における触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅを読み込む。そして、次に、ステップＳ１３に進んで、触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅが学習温度範囲内にあるか否かを判断する。その結果、触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅが学習温度範囲内にある場合（ステップＳ１３：「ＹＥＳ」）には、次に、ステップＳ１４に進んで、上記マップを参照することにより、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡ及び触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅの関係に対応した、すなわち触媒３１の劣化度合に対応した一次式の傾きＧを決定するとともに、これをバックアップＲＡＭに記憶することにより同傾きＧを学習する。ちなみに、本発明に係る学習部は、直前の学習処理において読み込まれた実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡ及び触媒３１の温度ＴＣａｖｅのみに基づいて傾きＧの学習を行うものに限られるものではなく、他に例えば、直前に算出された実最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ及び触媒３１の温度ＴＣａｖｅを含む過去Ｎ回分のデータに基づいて傾きＧの学習を行うものとすることもできる。

一方、ステップＳ１３において、触媒３１の温度の平均値ＴＣａｖｅが学習温度範囲内にない場合（ステップＳ１３：「ＮＯ」）には、傾きＧを学習する状態ではないとして、この一連の処理を終了する。

このようにして補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを算出することにより、触媒３１の最大酸素吸蔵量と判定値との比較に基づいて同触媒３１の劣化度合を判定する構成にあっては、触媒３１の温度ＴＣ毎に判定値を準備する必要がなくなるため、当該判定を簡易なものとすることができる。

ところで、前述したように、内燃機関１の排気浄化装置にあっては、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘに応答遅れが生じるおそれがある。この場合、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れに起因して実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出精度が低下することから、そうした実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡに基づいて、触媒３１の劣化度合に対応した一次式の傾きＧが学習され、同傾きＧに基づいて補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌが算出される。その結果、補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを精度良く算出することができないといった問題が生じる。

そこで、本実施形態では、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ異常を検出するとともに、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ異常を検出した場合に、学習されている一次式の傾きＧを破棄するようにしている。これにより、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れが生じることに起因して補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌの算出精度が低下することを抑制するようにしている。

具体的には、燃料カット制御の実行中に、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘがリーン反転する際の応答時間を検出するとともに、検出された応答時間と酸素センサ５５の出力Ｖｏｘが正常である場合における出力Ｖｏｘの応答時間との偏差である応答遅れ時間τＬを検出するようにしている。また、排気の空燃比を強制的に理論空燃比よりもリッチにする強制リッチ化制御の実行中に、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘがリッチ反転する際の応答時間を検出するとともに、検出された応答時間と酸素センサ５５の出力Ｖｏｘが正常である場合における出力Ｖｏｘの応答時間との偏差である応答遅れ時間τＲを検出するようにしている。

次に、図７を参照して、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘがリーン反転する際の応答遅れ時間τＬの検出態様について説明する。尚、図７は、燃料カット制御の実行に伴う、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、及び（ｂ）酸素センサの出力の推移を併せ示すタイミングチャートである。また、同図において正常な酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの推移の一例を実線にて示すとともに、リーン反転の際に所定の応答遅れがある場合における酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの推移の一例を一点鎖線にて示している。

図７に示すように、タイミングｔ１１において燃料カット制御が開始されると、触媒３１に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになる。これにより、触媒３１は酸素を吸蔵するようになる。そして、触媒がこれ以上酸素を吸蔵することができなくなると、触媒３１から下流側にリーンな排気が流出するようになることから、図７に実線にて示すように、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘは、タイミングｔ１２から低下し始め、タイミングｔ１３にＶ２となり、タイミングｔ１４に０Ｖとなる（リーン反転）。一方、リーン反転の際に所定の応答遅れがある場合には、図７に一点鎖線にて示すように、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘは、タイミングｔ１２から低下し始め、タイミングｔ１４にＶ２となり、タイミングｔ１５に０Ｖとなる。ここで、正常な酸素センサ５５において、その出力Ｖｏｘが低下し始めてから０Ｖとなるまでの時間（基準応答時間Δｔｂ＝ｔ１４-ｔ１２）を予め計測しておく。そして、燃料カット制御の実行中に、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘが低下し始めるタイミングから０Ｖとなるまでの時間（実応答時間Δｔ＝ｔ１５-ｔ１２）を計測するとともに、実応答時間Δｔから基準応答時間Δｔｂを減じることにより応答遅れ時間τを算出する。

次に、図８を参照して、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘがリッチ反転する際の応答遅れ時間τＲの検出態様について説明する。尚、図８は、排気の空燃比を強制的に理論空燃比よりもリッチにする強制リッチ化制御の実行に伴う、（ａ）触媒に流入する排気の空燃比の推移、及び（ｂ）酸素センサの出力の推移を併せ示すタイミングチャートである。また、同図において正常な酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの推移の一例を実線にて示すとともに、リッチ反転の際に所定の応答遅れがある場合における酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの推移の一例を一点鎖線にて示している。

図８に示すように、タイミングｔ２１において強制リッチ化制御が開始されると、触媒３１に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになる。これにより、触媒３１は酸素を放出するようになる。そして、触媒がこれ以上酸素を放出することができなくなると、触媒３１から下流側にリッチな排気が流出するようになることから、図８に実線にて示すように、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘは、タイミングｔ２２から上昇し始め、タイミングｔ２３にＶ２となり、タイミングｔ２４に１Ｖとなる（リッチ反転）。一方、リッチ反転の際に所定の応答遅れがある場合には、図８に一点鎖線にて示すように、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘは、タイミングｔ２２から上昇し始め、タイミングｔ２４にＶ２となり、タイミングｔ２５に１Ｖとなる。ここで、正常な酸素センサ５５において、その出力Ｖｏｘが上昇し始めてから１Ｖとなるまでの時間（基準応答時間Δｔｂ＝ｔ２４-ｔ２２）を予め計測しておく。そして、強制リッチ化制御の実行中に、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘが上昇し始めるタイミングから１Ｖとなるまでの時間（実応答時間Δｔ＝ｔ２５-ｔ２２）を計測するとともに、実応答時間Δｔから基準応答時間Δｔｂを減じることにより応答遅れ時間τを算出する。

次に、図９を参照して、上述した傾きＧの破棄処理の処理手順について説明する。尚、図９は、同処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、内燃機関１の運転中において所定周期毎に繰り返し実行される。

図９に示すように、この一連の処理では、まず、ステップＳ２１において、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ時間τ（τＬ，τＲ）が検出されたか否かを判断する。すなわち、上述した燃料カット制御或いは強制リッチ化制御の実行を通じて応答遅れ時間τが新たに算出されたか否かを判断する。ここで、応答遅れ時間τが検出された場合（ステップＳ２１：「ＹＥＳ」）には、次に、ステップＳ２２に進んで、検出された応答遅れ時間τが所定時間τｔｈ以上であるか否かを判断する。その結果、応答遅れ時間τが所定時間τｔｈ以上である場合（ステップＳ２２：「ＹＥＳ」）には、次に、ステップＳ２３に進んで、これまでに算出された触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの信頼性が低く、そうした実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡに基づいて学習された一次式の傾きＧの信頼性が低いとして、それまでに学習されている傾きＧを破棄する。すなわち、バックアップＲＡＭに記憶されている傾きＧを消去する。そして、この一連の処理を一旦終了する。尚、上記所定時間τｔｈとしては、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出精度の低下を許容することのできる応答遅れ時間τの最大値と同一の値として設定されることが望ましい。本実施形態では、触媒３１及び酸素センサ５５を用いた実験を通じて上記所定時間τｔｈを設定している。

一方、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ時間τが検出されていないと判断した場合（ステップＳ２１：「ＮＯ」）や、応答遅れ時間τが所定時間τｔｈ未満である場合（ステップＳ２２：「ＮＯ」）には、学習されている傾きＧを破棄する条件が成立していないとして、この一連の処理を一旦終了する。

更に、本実施形態では、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ異常を検出して、それまでに学習されている一次式の傾きＧを破棄した場合には、それ以降、触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを算出する際に、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ時間τを加味するようにしている。これにより、学習されている傾きＧを破棄したことに起因して触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの算出精度が低下することを抑制するようにしている。

以上説明した本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
内燃機関１の排気浄化装置は、排気通路３０に設けられるとともに酸素吸蔵能力を有する触媒３１と、触媒３１の排気下流側に設けられる酸素センサ５５とを備える。また、電子制御装置５０は、機関運転状態及び酸素センサ５５の出力変化に基づいて触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを算出する。また、電子制御装置５０は、触媒３１が所定の劣化度合であるときの触媒３１の温度ＴＣと同温度ＴＣにおける触媒３１の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの間に成立する一次式の傾きＧを触媒３１の劣化度合毎に予め記憶する。また、触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが算出されたとき、当該算出期間における触媒３１の温度ＴＣが所定の学習温度範囲内にある場合に、当該触媒３１の温度ＴＣ及び実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡに基づいてそのときの触媒の劣化度合に対応した一次式の傾きＧを学習する。また、触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡが算出されたとき、当該算出期間における触媒３１の温度ＴＣが基準温度ＴＣｂであると仮定した場合の最大酸素吸蔵量である補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌを算出すべく、当該算出期間における触媒３１の温度ＴＣ、基準温度ＴＣｂ、一次式、及び既に学習されている一次式の傾きＧに基づいて、実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡを補正する。そして、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ異常を検出するとともに、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ異常を検出した場合に、学習されている一次式の傾きＧを破棄するようにしている。これにより、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れ異常を検出した場合には、当該判定までに算出された触媒３１の実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡの信頼性が低く、そうした実最大酸素吸蔵量ＣｍａｘＡに基づいて学習された一次式の傾きＧの信頼性が低いとして、それまでに学習されている傾きＧが破棄されるようになる。このため、信頼性の低い傾きＧに基づいて触媒３１の補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌが算出されることを抑制することができるようになる。従って、酸素センサ５５の出力Ｖｏｘの応答遅れが生じることに起因して補正後最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘｎｒｍｌの算出精度が低下することを抑制することができるようになる。

尚、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・上記実施形態では、触媒３１の排気下流側に設けられる酸素センサ５５としてジルコニア板型酸素センサを採用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、他に例えば、酸素センサとして全領域空燃比センサを採用するようにしてもよい。また、触媒３１の排気上流側に設けられる空燃比センサは必須の構成ではなく、これに代えて、酸素センサ５５と同一の酸素センサを設けるようにしてもよい。

・上記実施形態では、燃料噴射量Ｑや排気の空燃比Ａ／Ｆといった機関運転状態に基づいて触媒３１の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを算出するようにしているが、これに代えて、吸入空気量センサ５２により検出される吸入空気量ＧＡに基づいて触媒３１の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを算出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、空燃比アクティブ制御の実行中に触媒３１の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ１、Ｃｍａｘ２を算出するようにしているが、本発明に係る算出部の構成はこれに限られるものではなく、他に例えば、燃料カット制御の実行中や、燃料カット制御の実行後における強制リッチ化制御の実行中に最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを算出するものとしてもよい。また、このように排気の空燃比を強制的にリッチ或いはリーンに制御する際に触媒の最大酸素吸蔵量を算出するものに限られるものではなく、要するに、機関運転状態及び酸素センサ５５の出力変化に基づいて触媒３１の最大酸素吸蔵量を算出するものであればよい。

・上記実施形態では、触媒３１が所定の劣化度合であるときの触媒３１の温度ＴＣと同温度ＴＣにおける触媒３１の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘとの関係が、一次式にて近似されることを利用するとともに、電子制御装置５０を通じて一次式の傾きＧを学習するようにしている。しかしながら、本発明に係る学習部の構成はこれに限られるものではなく、上記関係が、２次式等の他の近似式にて近似される場合には、電子制御装置５０を通じて当該近似式の係数を学習するようにすればよい。

１…内燃機関、１０…燃焼室、１１…燃料噴射弁、２０…吸気通路、２１…スロットルバルブ、３０…排気通路、３１…触媒、５０…電子制御装置（記憶部、補正部、検出部、破棄部）、５１…機関回転速度センサ、５２…吸入空気量センサ、５３…スロットル開度センサ、５４…空燃比センサ、５５…酸素センサ、５６…触媒温度センサ、５７…アクセラレータ操作量センサ。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられるとともに酸素吸蔵能力を有する触媒と、
   前記排気通路において前記触媒の排気下流側に設けられる酸素センサと、
   電子制御装置と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記電子制御装置は、
   機関運転状態及び前記酸素センサの出力変化に基づいて前記触媒の最大酸素吸蔵量を算出する算出部と、
   前記算出部により算出された最大酸素吸蔵量に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量に関する関数を学習する学習部と、
   前記算出部により算出された最大酸素吸蔵量と前記関数とに基づいて前記算出部により算出された最大酸素吸蔵量を補正して補正後最大酸素吸蔵量を算出する補正部と、
   前記酸素センサの出力の応答遅れ時間が所定時間以上のときには前記学習部により学習されている前記関数を破棄する破棄部と、を備え、
   前記破棄部によって前記関数を破棄した場合には、それ以降、前記酸素センサの出力の応答遅れ時間を加味して前記触媒の補正後最大酸素吸蔵量を算出する
   内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記電子制御装置は、前記酸素センサの出力の応答遅れ時間が前記所定時間未満のときには前記酸素センサの出力の応答遅れ時間を加味することなく前記触媒の補正後最大酸素吸蔵量を算出する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記算出部は、前記破棄部によって前記関数を破棄した場合には、それ以降、前記酸素センサの出力の応答遅れ時間を加味して前記触媒の補正後最大酸素吸蔵量を算出する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記電子制御装置は前記触媒の補正後最大酸素吸蔵量に基づいて同触媒の劣化度合を判定する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記関数は、前記触媒が所定の劣化度合であるときの同触媒の温度と同温度における同触媒の最大酸素吸蔵量との間に成立するものであり、
   前記電子制御装置は前記関数を前記触媒の劣化度合毎に予め記憶する記憶部を備える
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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