(57)【要約】【課題】ＮＯｘセンサの出力に基づいて排気浄化触媒の異常診断を行うにあたり、誤判定してしまうのを抑制する。【解決手段】排気浄化装置は、排気浄化触媒２０と、排気浄化触媒２０下流のＮＯｘセンサ４６及び空燃比センサ４１と、制御・診断装置とを備える。制御・診断装置は、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定すると共に、目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに行う。制御・診断装置は、ＮＯｘセンサの出力に基づいて排気浄化触媒の異常診断を行うと共に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには排気浄化触媒の異常診断を行うが、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには排気浄化触媒の異常診断を行わない。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられて触媒貴金属を担持する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒内又は該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられたＮＯｘセンサと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を制御すると共に、前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の状態を推定する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に設定すると共に、前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を前記空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行い、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの前記ＮＯｘセンサの出力には基づかずに、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて、触媒貴金属のシンタリングに伴う前記排気浄化触媒の回復不能な劣化の度合いを推定する第１劣化度合い推定制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記回復不能な劣化度合いに基づいて前記排気浄化触媒の異常診断を行うと共に、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには前記排気浄化触媒の異常診断を行うが、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには前記排気浄化触媒の異常診断を行わない、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１劣化度合い推定制御において、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからリーン空燃比に切り替えるまでの前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である期間のうち、目標空燃比の切り替え時期から離れた中央の期間における前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の回復不能な劣化の度合いを推定する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記ＮＯｘセンサの出力によらずに、前記回復不能な劣化と前記排気浄化触媒の硫黄被毒による回復可能な劣化とを含む前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する第２劣化度合い推定制御を実行し、
前記制御装置は、前記第２劣化度合い推定制御によって推定された総劣化度合いと、前記第１劣化度合い推定制御によって推定された回復不能な劣化の度合いとに基づいて、前記排気浄化触媒の回復可能な劣化の度合いを推定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記ＮＯｘセンサの出力によらずに、前記回復不能な劣化と前記排気浄化触媒の硫黄被毒による回復可能な劣化とを含む前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する第２劣化度合い推定制御を実行し、
前記制御装置は、前記第１劣化度合い推定制御によって推定された回復不能な劣化の度合いに基づいて前記回復不能な劣化の度合いが大きくなるほど大きくなるように被毒基準値を設定し、前記第２劣化度合い推定制御によって推定された総劣化度合いが前記被毒基準値以上になると前記排気浄化触媒が硫黄被毒していると判定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサを更に具備し、
前記制御装置は、前記第２劣化度合い推定制御において、前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下の状態から理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になるまでに前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値、又は前記空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上の状態からリッチ判定空燃比以下になるまでに前記排気浄化触媒から放出された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値に基づいて、前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する、請求項４又は５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサを更に具備し、
前記制御装置は、前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を前記空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行い、
前記制御装置は、前記第２劣化度合い推定制御において、前記目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられた後に前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの前記空燃比センサの出力空燃比の少なくとも一部の挙動に基づいて、前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する、請求項４又は５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記制御装置は、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する前記排気浄化触媒の回復可能な劣化の度合いの推移に基づいて、前記内燃機関に供給されている燃料の硫黄含有率を推定する含有率推定制御を実行する、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる硫黄離脱処理を実行し、
前記含有率推定制御は、前記硫黄離脱処理の完了後に開始される、請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側に配置されたＮＯｘセンサの出力に基づいて排気浄化触媒の異常（劣化度合い）を診断する内燃機関の排気浄化装置が知られている。斯かる排気浄化装置としては、例えば、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍であるときのＮＯｘセンサの出力が基準値以上であるときに排気浄化触媒に異常があると判定するものが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３８８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１に記載の排気浄化装置では、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）と、理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）とに交互に設定される。この排気浄化装置では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定しても、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素が放出されて排気浄化触媒で未燃ガスが浄化され、よって排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となる。同様に、目標空燃比をリーン空燃比に設定しても、排気浄化触媒に酸素が吸蔵されるため、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。
【０００５】
一方、上述したように、特許文献１に記載の排気浄化装置では、排気浄化触媒から流出した排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍であるときに排気浄化触媒の異常診断が行われる。したがって、特許文献１に記載の排気浄化装置では、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比のときにもリーン空燃比のときにも、排気浄化触媒の異常診断が行われることになる。
【０００６】
ところが、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が低下して酸素を放出することができない状態で目標空燃比をリッチ空燃比に維持すると、排気浄化触媒に担持されている触媒貴金属の周りに炭化水素（ＨＣ）等が付着することがある。このように触媒貴金属の周りにＨＣ等が付着していると、触媒貴金属の酸化作用が低下する（ＨＣ被毒）。このような状態で排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン空燃比に設定すると、排気浄化触媒がＨＣ被毒しているため、排気浄化触媒自体は大きく劣化していないにも関わらず排気浄化触媒の異常診断において排気浄化触媒に異常が生じていると誤判定される可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯｘセンサの出力に基づいて排気浄化触媒の異常診断を行うにあたり、誤判定してしまうのを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【０００９】
（１）内燃機関の排気通路に設けられて触媒貴金属を担持する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒内又は該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられたＮＯｘセンサと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を制御すると共に、前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の状態を推定する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に設定すると共に、前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を前記空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行い、前記制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの前記ＮＯｘセンサの出力には基づかずに、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて、触媒貴金属のシンタリングに伴う前記排気浄化触媒の回復不能な劣化の度合いを推定する第１劣化度合い推定制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置。
【００１０】
（２）前記制御装置は、前記回復不能な劣化度合いに基づいて前記排気浄化触媒の異常診断を行うと共に、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには前記排気浄化触媒の異常診断を行うが、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには前記排気浄化触媒の異常診断を行わない、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１１】
（３）前記制御装置は、前記第１劣化度合い推定制御において、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからリーン空燃比に切り替えるまでの前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である期間のうち、目標空燃比の切り替え時期から離れた中央の期間における前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の回復不能な劣化の度合いを推定する、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１２】
（４）前記制御装置は、前記ＮＯｘセンサの出力によらずに、前記回復不能な劣化と前記排気浄化触媒の硫黄被毒による回復可能な劣化とを含む前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する第２劣化度合い推定制御を実行し、前記制御装置は、前記第２劣化度合い推定制御によって推定された総劣化度合いと、前記第１劣化度合い推定制御によって推定された回復不能な劣化の度合いとに基づいて、前記排気浄化触媒の回復可能な劣化の度合いを推定する、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１３】
（５）前記制御装置は、前記ＮＯｘセンサの出力によらずに、前記回復不能な劣化と前記排気浄化触媒の硫黄被毒による回復可能な劣化とを含む前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する第２劣化度合い推定制御を実行し、前記制御装置は、前記第１劣化度合い推定制御によって推定された回復不能な劣化の度合いに基づいて前記回復不能な劣化の度合いが大きくなるほど大きくなるように被毒基準値を設定し、前記第２劣化度合い推定制御によって推定された総劣化度合いが前記被毒基準値以上になると前記排気浄化触媒が硫黄被毒していると判定する、上記（３）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１４】
（６）前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサを更に具備し、前記制御装置は、前記第２劣化度合い推定制御において、前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下の状態から理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になるまでに前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値、又は前記空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上の状態からリッチ判定空燃比以下になるまでに前記排気浄化触媒から放出された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値に基づいて、前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する、上記（４）又は（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１５】
（７）前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた空燃比センサを更に具備し、前記制御装置は、前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切替を前記空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行い、前記制御装置は、前記第２劣化度合い推定制御において、前記目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられた後に前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの前記空燃比センサの出力空燃比の少なくとも一部の挙動に基づいて、前記排気浄化触媒の総劣化度合いを推定する、上記（４）又は（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１６】
（８）前記制御装置は、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する前記排気浄化触媒の回復可能な劣化の度合いの推移に基づいて、前記内燃機関に供給されている燃料の硫黄含有率を推定する含有率推定制御を実行する、上記（４）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１７】
（９）前記制御装置は、前記排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる硫黄離脱処理を実行し、前記含有率推定制御は、前記硫黄離脱処理の完了後に開始される、上記（８）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＮＯｘセンサの出力に基づいて排気浄化触媒の異常診断を行うにあたり、誤判定してしまうのを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、一つの実施形態に係る排気浄化装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比と空燃比センサの出力電流との関係を示す図である。
【図３】図３は、内燃機関の運転時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示すタイムチャートである。
【図４】図４は、空燃比補正量設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図５は、目標空燃比がリッチ空燃比である場合における、吸入空気量とＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図６】図６は、目標空燃比がリーン空燃比である場合における、吸入空気量とＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図７】図７は、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量等の変化を示す、図３と同様なタイムチャートである。
【図８】図８は、上流側排気浄化触媒の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、上流側排気浄化触媒の異常診断を行う際の上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示す、図７と同様なタイムチャートである。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る上流側排気浄化触媒の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、上流側排気浄化触媒の異常診断を行う際の上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示す、図７と同様なタイムチャートである。
【図１２】図１２は、目標空燃比がリッチ空燃比である場合における、吸入空気量とＮＯｘセンサによって検出されるＮＯｘ濃度との関係を示す、図５と同様な図である。
【図１３】図１３は、排気浄化触媒の表面近傍を模式的に表す断面図である。
【図１４】図１４は、吸入空気量及びＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度と、上流側排気浄化触媒の永久劣化による劣化度合いとの関係を示す図である。
【図１５】図１５は、上流側排気浄化触媒の永久劣化による劣化度合いの推定を行う劣化度合い推定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、図１１に示した第三実施形態と同様な空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１７】図１７は、吸入空気量及び吸蔵可能酸素量と、上流側排気浄化触媒のＳ被毒劣化による劣化度合いとの関係を示す図である。
【図１８】図１８は、吸入空気量及び吸蔵可能酸素量と、上流側排気浄化触媒のＳ被毒劣化による劣化度合いとの関係を示す図である。
【図１９】図１９は、上流側排気浄化触媒のＳ被毒劣化による劣化度合いを判定するＳ被毒判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２０】図２０は、空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図２１】図２１は、第六実施形態に係る排気浄化装置において、上流側排気浄化触媒のＳ被毒劣化による劣化度合いを判定するＳ被毒判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】図２２は、上流側排気浄化触媒のＳ被毒劣化による劣化度合いのタイムチャートである。
【図２３】図２３は、上流側排気浄化触媒のＳ被毒劣化による劣化度合いを算出するためのＳ被毒劣化度合い算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２４】図２４は、燃焼室５に供給される燃料中の硫黄成分含有率を推定する硫黄成分含有率推定制御の制御ルーチン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】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００２１】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。
【００２２】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の排気浄化装置が用いられる内燃機関では、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。
【００２３】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
【００２４】
一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。
【００２５】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２６】
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式の空燃比センサが用いられる。したがって、空燃比センサ４０、４１は、図２に示したように、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比が高くなるほど（すなわちリーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流が大きくなるように構成される。特に、本実施形態の空燃比センサ４０、４１は、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比に対して出力電流がリニアに（比例して）変化するように構成される。なお、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１として限界電流式の空燃比センサを用いているが、排気ガスの空燃比に応じて出力が変化するセンサであれば限界電流式の空燃比センサ以外の空燃比センサを用いてもよい。斯かる空燃比センサとしては、例えば、センサを構成する電極間に電圧が印加されずに理論空燃比近傍で急激に出力が変化する酸素センサ等が挙げられる。
【００２７】
さらに、本実施形態の排気浄化装置では、排気管２２内に排気管２２内を流れる排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ４６が配置される。したがって、ＮＯｘセンサ４６は、上流側排気浄化触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されて、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する。ＮＯｘセンサ４６は、排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなるほどその出力が大きくなるように構成される。ＮＯｘセンサ４６の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、ＮＯｘセンサ４６は上流側ケーシング２１に取り付けられて、上流側排気浄化触媒２０内のＮＯｘ濃度を検出するように構成されてもよい。また、ＮＯｘセンサ４６は、下流側空燃比センサ４１と一体的に形成されてもよい。
【００２８】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比を制御すると共に、ＮＯｘセンサ４６の出力に基づいて上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う制御・診断装置として機能する。
【００２９】
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する触媒貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化される。
【００３０】
すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３１】
一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が０よりも多いと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ、ＣＯを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３２】
このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが動じに浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３３】
≪基本的な制御≫
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置における基本的な空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。すなわち、本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００３４】
また、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比が設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリーン設定空燃比になる。ここで、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた一定値の空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。また、リーン設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）に正の空燃比補正量を加算した空燃比として表すこともできる。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。
【００３５】
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値であるといえる。
【００３６】
なお、酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、基本的には理論空燃比）をそれぞれ表している。
【００３７】
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比に設定される。リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１２〜１４．５８、好ましくは１３〜１４．５７、より好ましくは１４〜１４．５５程度とされる。また、リッチ設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）に負の空燃比補正量を加算した空燃比として表すこともできる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下とされる。
【００３８】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に繰り返し設定される。換言すると、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定されるといえる。
【００３９】
≪タイムチャートを用いた空燃比制御の説明≫
図３を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図３は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。
【００４０】
なお、空燃比補正量ＡＦＣは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比に関する補正量である。空燃比補正量ＡＦＣが０のときには目標空燃比は制御中心となる空燃比（以下、「制御中心空燃比」という）に等しい空燃比（本実施形態では、理論空燃比）とされ、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリーンな空燃比（本実施形態では、リーン空燃比）となり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリッチな空燃比（本実施形態では、リッチ空燃比）となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。
【００４１】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガス等は、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０における浄化により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中には未燃ガス等は含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は少ない。
【００４２】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはゼロに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガス等の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下し、時刻ｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【００４３】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。
【００４４】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達してから、空燃比補正量ＡＦＣの切替を行っている。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から極わずかにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。
【００４５】
時刻ｔ1において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。時刻ｔ1において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。
【００４６】
これにより、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出量は少ない。
【００４７】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大すると、時刻ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、上流側排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。
【００４８】
なお、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、車両の急加速による意図しない空燃比のずれ等が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／５以下とされる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比（例えば、１４．６５。理論空燃比からの偏差がリッチ判定空燃比と理論空燃比との差と同程度のリーン空燃比）に到達する前に空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられることになる。
【００４９】
時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には未燃ガス等が含まれることになるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。このときの上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出量は少ない。
【００５０】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していくと、時刻ｔ3において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ3のサイクルが繰り返される。
【００５１】
以上の説明から分かるように本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を常に少なく抑制することができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。
【００５２】
また、一般に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図３に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。
【００５３】
なお、上記実施形態では、時刻ｔ1〜ｔ2において、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。同様に、上記実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。
【００５４】
なお、このような本実施形態における空燃比補正量ＡＦＣの設定、すなわち目標空燃比の設定は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されるまで、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン空燃比に設定する。加えて、ＥＣＵ３１は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されたときに、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達することなく下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となるまで、目標空燃比をリッチ空燃比に設定する。
【００５５】
より簡単に言えば、本実施形態では、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比）をリーン空燃比に切り替えると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったときに目標空燃比（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比）をリッチ空燃比に切り替えているといえる。
【００５６】
≪空燃比補正量設定制御のフローチャート≫
図４は、空燃比補正量設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔（例えば、数ｍｓｅｃ）で実行される。
【００５７】
図４に示したように、まず、ステップＳ１１において空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立している場合とは、フィードバック制御が行われる通常制御中であること、例えば燃料カット制御中等ではないこと等が挙げられる。ステップＳ１１において目標空燃比の算出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。
【００５８】
ステップＳ１２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されるとＯＮとされ、それ以外の場合にはＯＦＦとされる。ステップＳ１２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されている場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合にはステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されたまま維持され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００５９】
一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少して、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が低下すると、ステップＳ１３にて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定される。この場合には、ステップＳ１５へと進み、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。次いで、ステップＳ１６では、リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００６０】
リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ１２において、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていないと判定されて、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１８へと進み、空燃比補正量ＡＦＣが引き続きリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されたまま維持され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップＳ１７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定され、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。次いで、ステップＳ２０では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００６１】
≪触媒の劣化検出≫
ところで、上述したように構成された排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４が長期間に亘って使用されたり、排気浄化触媒２０、２４が長時間に亘って高温に曝されたりすると、大きく劣化する。具体的には、排気浄化触媒２０、２４の担体に微粒子状に分散して担持されていた触媒貴金属がシンタリングによって結合し、触媒活性が低下する。
【００６２】
このように触媒貴金属のシンタリングによってその活性が低下すると、触媒貴金属周りに未燃ＨＣや酸素、ＮＯｘが存在しても、これら成分を十分に反応させることができなくなる。すなわち、排気浄化触媒２０、２４が大きく劣化すると、排気浄化触媒２０、２４に流入した排気ガスの浄化能力が低下する。
【００６３】
ここで、上述したように、上流側排気浄化触媒２０は酸素吸蔵能力を有するため、目標空燃比がリッチ空燃比とされているときであっても、目標空燃比がリーン空燃比とされているときであっても、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【００６４】
すなわち、目標空燃比がリッチ空燃比とされていて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になっているときには、機関本体１から排出される排気ガス中には多量の未燃ＨＣやＣＯ及び少量のＮＯｘ及び酸素が含まれている。このため、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘは触媒貴金属の作用によりこれら未燃ＨＣやＣＯと反応して還元、浄化される。この結果、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度を低く維持することができる。
【００６５】
一方、目標空燃比がリーン空燃比とされていて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっているときには、機関本体１から排出される排気ガス中には多量の酸素及びＮＯｘ及び少量の未燃ＨＣ、ＣＯが含まれている。多量の酸素及びＮＯｘが含まれた排気ガスが上流側排気浄化触媒２０に流入すると、排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。この結果、排気ガス中にはＮＯｘが残り、排気ガス中に残ったＮＯｘは触媒貴金属の作用により排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯと反応して還元、浄化される。この結果、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度を低く維持することができる。
【００６６】
ところが、上流側排気浄化触媒２０が劣化すると、すなわち触媒貴金属のシンタリングによってその活性が低下すると、上流側排気浄化触媒２０は、流入した排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを十分に反応させることができなくなる。この結果、上流側排気浄化触媒２０が劣化すると、上流側排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されているときであっても、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することになる。同様に、上流側排気浄化触媒２０に酸素を吸蔵可能な状態であっても、目標空燃比がリーン空燃比に設定されて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になると、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することになる。
【００６７】
逆にいうと、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比に設定すると共に上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロ近傍になっていないとき（すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となっているとき）に、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘ量が多い場合には、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していると判断することができる。同様に、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン空燃比に設定すると共に上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍になっていないとき（すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となっているとき）に、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘ量が多い場合には、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していると判断することができる。
【００６８】
≪リッチ破綻と劣化検出の関係≫
ところで、上述したように、本実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定している状態で下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比以下になると、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられる（図３の時刻ｔ1やｔ3）。したがって、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えるときには、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡはほぼゼロとなっている。加えて、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えてから、実際に上流側排気浄化触媒２０にリーン空燃比の排気ガスが流入するまでには或る程度の時間がかかる。したがって、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒２０にリーン空燃比の排気ガスが流入するまでの間には、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロとなっている状態で、未燃ＨＣやＣＯを含んだリッチ空燃比の排気ガスが一時的に上流側排気浄化触媒２０に流入することになる。
【００６９】
このように上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロとなっている状態で、リッチ空燃比の排気ガスが一時的に上流側排気浄化触媒２０に流入すると、上流側排気浄化触媒２０の触媒貴金属上には未燃ＨＣやＣＯが付着することになる。触媒貴金属上に未燃ＨＣやＣＯが付着すると、触媒作用を提供できる触媒貴金属の表面積が減少し、結果的に触媒貴金属の触媒作用の低下を招く（以下、このような現象を「ＨＣ被毒」という）。したがって、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてから或る程度の時間は、触媒貴金属の触媒作用が低下した状態となる。
【００７０】
触媒貴金属の表面上に付着した未燃ＨＣやＣＯは、その後、上流側排気浄化触媒２０にリーン空燃比の排気ガスが継続的に流入すると、排気ガス中の酸素と反応して徐々に触媒貴金属から離脱していく。このような未燃ＨＣやＣＯの触媒貴金属からの離脱に伴って触媒貴金属の触媒作用も回復し、よってＨＣ被毒が解消されることになる。
【００７１】
ところが、上述したようなＨＣ被毒が生じると、触媒貴金属の触媒作用が低下することから、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していないにも関わらず上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘ量が多くなる。したがって、上述したように上流側排気浄化触媒２０から流出したＮＯｘ量に応じて上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行っている場合、上流側排気浄化触媒２０に大きな劣化が生じていると判定してしまう可能性がある。
【００７２】
図５は、目標空燃比がリッチ空燃比である場合（例えば、図３における時刻ｔ2〜ｔ3）における、吸入空気量とＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度との関係を示す図である。図５中の四角印は上流側排気浄化触媒２０が正常な場合（浄化能力が大きく低下するほどは劣化していない触媒）、丸印は上流側排気浄化触媒２０が異常な場合（浄化能力が大きく低下するほど劣化した、いわゆるクライテリア触媒）の関係を示している。
【００７３】
図５からわかるように、目標空燃比がリッチ空燃比である場合、すなわち上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合には、吸入空気量に関わらず、上流側排気浄化触媒２０が異常であるときの方が正常であるときに比べてＮＯｘセンサ４６によるＮＯｘ検出量が多い。これは、上述したように、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化しているときには、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘ量が増大することによるものである。なお、上流側排気浄化触媒２０が異常である場合に吸入空気量が増えるほどＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度が増大しているのは、吸入空気量の増大に伴って単位時間当たりに上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘが増大することによるものである。一方、上流側排気浄化触媒２０が正常である場合には、吸入空気量が増大してもＮＯｘは上流側排気浄化触媒２０で浄化されるため、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は低いまま維持される。
【００７４】
一方、図６は、目標空燃比がリーン空燃比である場合（例えば、図３における時刻ｔ1〜ｔ2）における、吸入空気量とＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度との関係を示す図である。図６中の四角印は上流側排気浄化触媒２０が正常な場合、丸印は上流側排気浄化触媒２０が異常な場合の関係を示している。目標空燃比がリッチ空燃比とされた状態で下流側空燃比センサ４１がリッチ判定空燃比以下となって、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えた後の吸入空気量とＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度との関係を示している。
【００７５】
図６からわかるように、目標空燃比がリーン空燃比である場合、すなわち上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、吸入空気量が少ないと、上流側排気浄化触媒２０が異常であるときと正常であるときとでＮＯｘセンサ４６によるＮＯｘ検出量はほとんど変わらない。これは、上述したように、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していなくても、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えた時点で上流側排気浄化触媒２０がＨＣ被毒をしていることによるものである。したがって、目標空燃比がリーン空燃比である場合にＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うと、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していなくても上流側排気浄化触媒２０に異常があると判定してしまうことになる。
【００７６】
一方、図６からわかるように、目標空燃比がリッチ空燃比である場合でも、吸入空気量が多いときには、上流側排気浄化触媒２０が異常であるときの方が正常であるときに比べてＮＯｘセンサ４６によるＮＯｘ検出量が多い。これは、吸入空気量が多いと上流側排気浄化触媒２０に流入する酸素量も多く、その結果、ＨＣ被毒が早期に解消されるためだと考えられる。したがって、目標空燃比がリッチ空燃比である場合であっても、吸入空気量が多ければ、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の異常診断を適切に行うことができる。
【００７７】
≪第一実施形態に係る制御≫
本実施形態では、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う。特に、本実施形態では、ＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが予め定められた判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である場合には、触媒貴金属のシンタリングに伴う上流側排気浄化触媒２０の劣化（上流側排気浄化触媒２０の回復不能な劣化。以下、「永久劣化」ともいう）度合いが高く、上流側排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定する。加えて、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であって上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときには上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行い、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行わないようにしている。換言すると、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときのＮＯｘセンサ４６の出力には基づかずに、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときのＮＯｘセンサ４６の出力に基づいて、永久劣化の度合いを推定し、これにより上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行っていると言える。
【００７８】
図７は、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量等の変化を示す、図３と同様なタイムチャートである。特に、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度については、図中の実線は上流側排気浄化触媒２０が正常な場合、図中の破線は上流側排気浄化触媒２０が異常な場合をそれぞれ示している。加えて、図７は、吸入空気量が比較的少ない場合におけるＮＯｘ濃度等を示している。図７に示したように、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う際にも、図３と同様な空燃比制御が行われている。
【００７９】
図７に破線で示したとおり、上流側排気浄化触媒２０に異常が生じている場合（図中の破線）には、目標空燃比がリッチ空燃比であるとき（空燃比補正量ＡＦＣが負の値となっているとき）にも、目標空燃比がリーン空燃比であると（空燃比補正量ＡＦＣが正の値となっているとき）にも、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上となっている。
【００８０】
一方、図７に実線で示したとおり、上流側排気浄化触媒２０が正常である場合（図中の実線）には、目標空燃比がリッチ空燃比であるとき（空燃比補正量ＡＦＣが負の値となっているとき）には、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ未満の低い値となっている。これに対して、上述したＨＣ被毒の影響により、目標空燃比がリーン空燃比であるとき（空燃比補正量ＡＦＣが正の値となっているとき）には、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上の高い値となっている。
【００８１】
そして、上述したように、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるとき、すなわち図中のＸ1で示した期間中にのみ上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うようにしている。図７からわかるように、図中の期間Ｘ1においては、上流側排気浄化触媒２０に異常が生じている場合にはＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上になる。一方、この期間Ｘ1においては、上流側排気浄化触媒２０に正常である場合にはＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ未満になる。したがって、この期間Ｘ1にＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度が判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上であるか否かに基づいて上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うことにより、上流側排気浄化触媒２０の異常を正確に判定することができるようになる。
【００８２】
なお、上記実施形態では、吸入空気量に無関係に、目標空燃比がリーン空燃比であるときには上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行わないようにしている。しかしながら、図５及び図６からわかるように、目標空燃比がリーン空燃比であっても吸入空気量が多いときには、ＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の異常を正確に診断することができる。したがって、目標空燃比がリーン空燃比であっても、内燃機関の燃焼室５内への吸入空気量が予め定められた所定の空気量（例えば、１５ｇ／ｓｅｃ）以上である場合には、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うようにしてもよい。
【００８３】
≪フローチャートの説明≫
図８は、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。
【００８４】
図８に示したように、まず、ステップＳ２１では、異常診断の実行条件が成立しているか否かが判定される。異常診断の実行条件は、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度が活性温度以上であって且つ空燃比センサ４０、４１及びＮＯｘセンサ４６の温度が活性温度以上であるときに成立する。上流側排気浄化触媒２０の温度は、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度を検出する温度センサ（図示せず）によって検出されるか、又は機関冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）の出力に基づいて推定される。ステップＳ２１において、異常診断の実行条件が成立していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８５】
一方、ステップＳ２１において、異常診断の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ２２において、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であると判定された場合、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であると判定された場合には、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行わないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２２において、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であると判定された場合、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であると判定された場合には、ステップＳ２３へと進む。
【００８６】
ステップＳ２３では、上流側排気浄化触媒２０の温度、吸入空気量等に基づいて判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆが算出される。判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆは、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いほど、また吸入空気量が多いほど、大きくなるように設定される。なお、判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆは予め定められた一定の値であってもよく、よってこの場合にはステップＳ２３は省略される。
【００８７】
次いで、ステップＳ２４では、ＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが、ステップＳ２３において算出された判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ２４において、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ未満である場合には、上流側排気浄化触媒２０には異常が生じておらず、よって制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８８】
一方、ステップＳ２４において、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である場合には、ステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、過去の制御ルーチンの情報を参照して、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である状態が連続的に継続しているか否かが判定される。これは、ＮＯｘセンサ４６の計ノイズ等により、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが一時的に判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上になってしまって、上流側排気浄化触媒２０が異常である旨の誤判定を行ってしまうことを防止するためのステップである。具体的には、例えば、複数回の制御ルーチンにおいて、ステップＳ２４において検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上と連続して判定された場合に、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である状態が連続的に継続していると判定される。
【００８９】
ステップＳ２５において、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である状態が連続的に継続していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２５において、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である状態が連続的に継続していると判定された場合には、ステップＳ２６へと進む。ステップＳ２６では、上流側排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定され、例えば、警告灯が点灯せしめられる。
【００９０】
＜第二実施形態＞
次に、図９及び図１０を参照して、第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置と異なる部分を中心に説明する。
【００９１】
図９は、上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量等の変化を示す、図７と同様なタイムチャートである。図９においても図７と同様に、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度については、図中の実線は上流側排気浄化触媒２０が正常な場合、図中の破線は上流側排気浄化触媒２０が異常な場合をそれぞれ示している。
【００９２】
ところで、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替える時（例えば、時刻ｔ1）近傍や、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替える時（例えば、時刻ｔ2）近傍では、上流側排気浄化触媒２０内の雰囲気が大きく変化する。このため、上流側排気浄化触媒２０内の雰囲気の変化に伴って、上流側排気浄化触媒２０が正常であるにも関わらず、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出する可能性がある。
【００９３】
そこで、本第二実施形態に係る排気浄化装置では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定している期間（例えば、時刻ｔ2〜ｔ3）のうち、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えた時（例えば、時刻ｔ2）及び目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えた時（例えば、時刻ｔ3）から離れた期間（図中の期間Ｘ２）においてのみ上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うことにしている。すなわち、本実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定している期間のうち中央の一部の期間（例えば、全期間のうちの半分の期間）おいてのみ上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うことにしている。
【００９４】
具体的には、上記期間Ｘ2に相当する期間は、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えた時（例えば、時刻ｔ2）からの経過時間に基づいて設定される。目標空燃比を切り替えた時からの経過時間が第１の所定時間以上になると上流側排気浄化触媒２０の異常診断が開始され、第２の所定時間に到達するまでに異常診断が完了せしめられる。ここで、第１の所定時間は、例えば、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからリーン空燃比に切り替えるまでに通常要する時間の１／８から１／３程度に設定される。また、第２の所定時間は、例えば、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからリーン空燃比に切り替えるまでに通常要する時間の２／３から７／８程度に設定される。これにより、目標空燃比の切り替えに伴って上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することで上流側排気浄化触媒２０に異常が生じていると誤診断してしまうのを抑制することができる。
【００９５】
なお、上述した例では、期間Ｘ2に相当する期間を、目標空燃比をリッチ空燃比へ切り替えた時からの経過時間に基づいて設定しているが、例えば積算酸素不足量等に基づいて設定してもよい。この場合、目標空燃比を切り替えた時からの積算酸素不足量が第１の所定量以下になると上流側排気浄化触媒２０の異常診断が開始され、第２の所定量に到達するまでに異常診断が完了せしめられる。ここで、第１の所定量は、例えば、上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量の１／８から１／３程度に設定される。また、第２の所定量は、例えば、上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量の２／３から７／８程度に設定される。
【００９６】
図１０は、本実施形態に係る上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。図１０のステップＳ３１、Ｓ３２は図８のステップＳ２１、Ｓ２２と同様であり、また、図１０のステップＳ３４〜Ｓ３７は図８のステップＳ２３〜Ｓ２６と同様であるため、これらについては説明を省略する。
【００９７】
ステップＳ３２において、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であると判定された場合、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であると判定された場合には、ステップＳ３３へと進む。ステップＳ３３では、現時刻が上述した期間Ｘ2に相当する特定期間内であるか否かが判定される。現時刻が特定期間内であるか否かは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの時間や、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて判定される。ステップＳ３３において、現時刻が上記特定期間内ではないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３３において、現時刻が上記特定期間内であると判定された場合には、ステップＳ３４へと進む。
【００９８】
＜第三実施形態＞
次に、図１１を参照して、第三実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第三実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置と異なる部分を中心に説明する。
【００９９】
上記第一実施形態及び第二実施形態では、空燃比制御において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。加えて、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。
【０１００】
これに対して、本実施形態では、目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切り替えは同様なタイミングで、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに行われる。一方、目標空燃比のリーン空燃比からリッチ空燃比への切り替えは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときに行われる。
【０１０１】
このような空燃比制御を行った場合でも、目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときには、上流側排気浄化触媒２０にはＨＣ被毒が生じる可能性がある。したがって、本実施形態においても、目標空燃比をリッチ空燃比に設定している期間（図１１中の期間Ｘ1）又はこの期間のうちの一部の特定期間（上記第二実施形態の特定期間に相当）において上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行うこととしている。
【０１０２】
＜第四実施形態＞
次に、図１２〜図１５を参照して、第四実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第四実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第一実施形態から第三実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、これら実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１０３】
≪触媒劣化の種類≫
ところで、上流側排気浄化触媒２０の劣化には、上述したような触媒貴金属のシンタリングによる劣化に加えて、上流側排気浄化触媒２０に排気ガス中の硫黄成分が吸蔵されることによって生じるＳ被毒劣化が挙げられる。
【０１０４】
触媒貴金属のシンタリングによる劣化では、一旦シンタリングによって触媒貴金属同士が結合してしまうと、上流側排気浄化触媒２０を車両に搭載した状態では結合した触媒貴金属を元に戻すことはできない。したがって、触媒貴金属のシンタリングによる劣化は、回復不能な劣化であるということができる（上述したように、このような劣化を、「永久劣化」ともいう）。
【０１０５】
一方、Ｓ被毒劣化では、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が吸蔵されても、特定の条件下（例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度を一定以上の高温にすると共に上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする）において吸蔵されている硫黄成分を離脱させることができる。したがって、Ｓ被毒劣化は、回復可能な劣化であるということができる。
【０１０６】
なお、以下では、これら永久劣化とＳ被毒劣化とを含む上流側排気浄化触媒２０の劣化を総劣化と称する。したがって、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが高くなると上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが高くなり、同様に上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが高くなると上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが高くなる。
【０１０７】
≪劣化推定によって推定される劣化≫
上述したように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比に設定すると共に上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロ近傍になっていないとき（すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となっているとき）には、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度が高いほど、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していると判断することができる。また、ＨＣ被毒を考慮しなければ、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン空燃比に設定すると共に上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍になっていないとき（すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となっているとき）にも、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度が高いほど、上流側排気浄化触媒２０が大きく劣化していると判断することができる。すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いを推定することができる。
【０１０８】
このとき推定される上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは、永久劣化による劣化度合いであると考えられる。すなわち、このとき推定される上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは、総劣化のうちＳ被毒劣化による影響が排除された上流側排気浄化触媒２０の劣化の度合いであると考えられる。以下では、このように考えられる理由について説明する。
【０１０９】
図１２は、目標空燃比がリッチ空燃比である場合における、吸入空気量とＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度との関係を示す、図５と同様な図である。図１２中の四角印は上流側排気浄化触媒２０が正常な場合の関係を示している。一方、図１２中の丸印は上流側排気浄化触媒２０にＳ被毒劣化は生じていないが永久劣化が生じている場合の関係を、三角印は上流側排気浄化触媒２０に永久劣化は生じていないがＳ被毒劣化が生じている場合の関係を、それぞれ示している。
【０１１０】
図１２からわかるように、上流側排気浄化触媒２０に永久劣化が生じている場合には、上流側排気浄化触媒２０が正常である場合に比べてＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度が高い。これは、上述したように、上流側排気浄化触媒２０に永久劣化が生じている場合には、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘ量が増大することによるものである。その一方で、上流側排気浄化触媒２０にＳ被毒劣化が生じている場合には、ＮＯｘセンサ４６によって検出されるＮＯｘ濃度は上流側排気浄化触媒２０が正常である場合と同程度となる。斯かる結果から、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度に基づいて推定される上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは、永久劣化による劣化度合いであると考えられる。
【０１１１】
このように上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度が永久劣化による劣化度合いに応じて変化すると共にＳ被毒劣化に応じては変化しないという現象が生じるメカニズムについては解明できていない。しかしながら、以下のようなメカニズムによって斯かる現象が生じると考えられる。
【０１１２】
図１３は、排気浄化触媒の表面近傍を模式的に表す断面図である。図１３の（ａ）に示したように、排気浄化触媒の表面では、酸素吸蔵能力を有する物質を担持した担体５０上にパラジウム５１及びロジウム５２が触媒貴金属として担持されている。このように構成された排気浄化触媒において永久劣化が生じると、担体５０上に担持されたパラジウム５１の粒子同士、及びロジウム５２の粒子同士がシンタリングによって結合する。この結果、パラジウム５１及びロジウム５２の表面積が小さくなり、これら触媒貴金属による触媒作用が低下する。
【０１１３】
図１３の（ｂ）は、Ｓ被毒劣化が生じているときの断面図を示している。図１３の（ｂ）に示したように、硫黄成分５３はパラジウム５１の表面上に吸着すると共に、ロジウム５２の表面上には吸着しにくい傾向がある。したがって、排気浄化触媒にＳ被毒劣化が生じていると、パラジウム５１による触媒作用は低下するが、ロジウム５２による触媒作用はそれほど低下しない。ここで、排気ガス中のＮＯｘの還元は主にロジウム５２によって促進される。このため、排気浄化触媒にＳ被毒劣化が生じていても、ロジウム５２によるＮＯｘの還元はそれほど制限されない。このようなメカニズムにより、図１２に示したようにＳ被毒劣化が生じても上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度はＳ被毒劣化に応じては変化していないものと考えられる。
【０１１４】
≪第四実施形態における制御≫
以上のような現象を考慮すると、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いを推定することができる。ただし、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、上述したようにＨＣ被毒によりＮＯｘ濃度から上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いを正確に推定できないことがある。そこで、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときのＮＯｘセンサ４６の出力には基づかずに、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときのＮＯｘセンサ４６の出力に基づいて、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いを推定する。
【０１１５】
図１４は、吸入空気量及びＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度と、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いとの関係を示す図である。本実施形態では、斯かる関係を用いて、吸入空気量及びＮＯｘ濃度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが推定される。図１４に示したように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときにＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度が高いほど、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが高いものとして永久劣化による劣化度合いが推定される。また、図１４に示したように、燃焼室５内への吸入空気量が少ないほど、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが高いものとして永久劣化による劣化度合いが推定される。
【０１１６】
加えて、図１４に示したようにＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度が判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上である場合には、永久劣化による劣化度合いが非常に高いことから、上流側排気浄化触媒２０には異常が生じていると判定する。このときの判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆは、例えば、第一実施形態における判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆと同様に設定される。したがって、判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆは、吸入空気量が多いほど大きくなるように設定される。
【０１１７】
図１５は、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いの推定を行う劣化度合い推定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。
【０１１８】
図１５に示したように、まず、ステップＳ４１では、劣化度合い推定制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。劣化度合い推定制御の実行条件は、例えば、図８のステップＳ２１における異常診断の実行条件と同様である。ステップＳ４１において、異常診断の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ４２へと進む。
【０１１９】
ステップＳ４２では、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるか否か、すなわち上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスがリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ４２において、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であると判定された場合には、劣化度合いの推定を行わずに制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ４２において、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であると判定された場合には、ステップＳ４３へと進む。
【０１２０】
ステップＳ４３では、例えば、エアフロメータ３９の出力に基づいて燃焼室５内への吸入空気量が算出されると共に、算出された吸入空気量に基づいて判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆが算出される。判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆは、上述したように吸入空気量が多いほど大きくなるように算出される。
【０１２１】
次いで、ステップＳ４４では、ＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度ＣｎｏｘがステップＳ４３において算出された判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上であるか否かが判定される。なお、ステップＳ４３において用いられるＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘは、所定時間においてＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度の平均値等であってもよい。ステップＳ４３において、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ未満であると判定された場合には、ステップＳ４５へと進む。
【０１２２】
ステップＳ４５では、ステップＳ４３において算出された吸入空気量とＮＯｘセンサ４６によって検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘとに基づいて、図１４に示したマップを用いて、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２３】
一方、ステップＳ４３において、検出されたＮＯｘ濃度Ｃｎｏｘが判定基準値Ｃｎｏｘｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、上流側排気浄化触媒２０には異常が生じていると判定され、例えば、警告灯が点灯せしめられる。
【０１２４】
＜第五実施形態＞
次に、図１６〜図１９を参照して、第五実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第五実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第三実施形態及び第四実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、これら実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１２５】
≪Ｓ被毒劣化の推定手法≫
ところで、上述したように、上流側排気浄化触媒２０の劣化には、大きく分けて永久劣化とＳ被毒劣化が含まれる。このうち、永久劣化については、第四実施形態に係る手法によりその劣化度合いを推定することができる。しかしながら、第四実施形態に係る手法ではＳ被毒劣化による劣化度合いを推定することはできない。そこで、本実施形態では、Ｓ被毒劣化による劣化度合いを推定する手法を提供する。
【０１２６】
図１６は、図１１に示した第三実施形態と同様な空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量等のタイムチャートである。図１６に示したように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへ切り替えられる。したがって、このとき目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられ、よって上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化する。一方、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときに、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅｎａからリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈへ切り替えられる。したがって、このとき目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられ、よって上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変化する。
【０１２７】
ここで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下の状態で上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化してから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでに、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素の量は上流側排気浄化触媒２０が吸蔵可能な酸素量を表す。すなわち、図１６において、例えば時刻ｔ1から時刻ｔ2までの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（図中のΣＯＥＤ1）は上流側排気浄化触媒２０が吸蔵可能な酸素量を表す。
【０１２８】
同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上の状態で上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化してから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでに、上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素の量も上流側排気浄化触媒２０が吸蔵可能な酸素の量を表す。すなわち、図１６において、例えば時刻ｔ2から時刻ｔ3までの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（図中のΣＯＥＤ2）は上流側排気浄化触媒２０が吸蔵可能な酸素量を表す。
【０１２９】
また、排気浄化触媒の吸蔵可能酸素量は排気浄化触媒の総劣化度合いに応じて変化することが知られている。特に、上述した永久劣化とＳ被毒劣化とを含む排気浄化触媒の総劣化度合いが高くなるほど、排気浄化触媒の吸蔵可能酸素量は減少する。したがって、上述したように積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて算出される上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量は、上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが高くなるほど減少する。したがって、上述したように上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量を算出することができれば、算出された上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量に基づいて上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いを推定することができる。
【０１３０】
そして、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いに加えて、このように上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いを求めることができれば、これらに基づいて上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いを算出することができる。
【０１３１】
≪第五実施形態おける制御≫
そこで、本実施形態によれば、まず、上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いを推定する総劣化度合い推定制御が行われる。本実施形態における総劣化度合い推定制御では、上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量又は吸蔵可能酸素量に応じて変化するパラメータ（例えば、積算酸素過不足量）に基づいて、上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが推定される。上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量又はこれに応じて変化するパラメータは、例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下の状態からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでに上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素量又はこの酸素量に応じて変化するパラメータの値、又は下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上の状態からリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでに上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素量又は該酸素量に応じて変化するパラメータの値として算出される。
【０１３２】
そして、ＮＯｘセンサ４６の出力に基づいて推定された上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いと、上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量に基づいて推定された上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いとに基づいて、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが算出される。
【０１３３】
図１７及び図１８は、吸入空気量及び吸蔵可能酸素量ＯＳＣと、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いとの関係を示す図である。本実施形態では、斯かる関係を用いて、吸入空気量及び吸蔵可能酸素量ＯＳＣに基づいて上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが推定される。特に、図１７は、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが低い場合における関係を、図１８は、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが高い場合における関係をそれぞれ示している。なお、図１８中の破線は、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが低い場合における関係、すなわち図１７の関係を示している。
【０１３４】
図１７及び図１８に示したように、吸蔵可能酸素量ＯＳＣが多いほど、すなわち上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが低いほど、Ｓ被毒劣化による劣化度合いが低いものとして、Ｓ被毒劣化による劣化度合いが推定される。また、図１７及び図１８に示したように、燃焼室５内への吸入空気量が少ないほど、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが高いものとしてＳ被毒劣化による劣化度合いが推定される。
【０１３５】
また、図１７に示した関係と図１８に示した関係とを対比するとわかるように、上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが高い場合（図１８）には、低い場合（図１７）に比べて、吸蔵可能酸素量ＯＳＣに対して、すなわち上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いに対して、Ｓ被毒劣化による劣化度合いが低く推定される。したがって、永久劣化による劣化度合いが高い場合（図１８）には、低い場合（図１７）に比べて、吸蔵可能酸素量ＯＳＣが同一であっても、すなわち上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが同一であっても、Ｓ被毒劣化による劣化度合いが低く推定される。
【０１３６】
また、本実施形態では、Ｓ被毒劣化による劣化度合いが一定以上になると、上流側排気浄化触媒２０の硫黄被毒が大きくなっている旨の判定が行われる。具体的には、吸蔵可能酸素量ＯＳＣが被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆ以下になった場合、すなわち上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが被毒基準値以上になった場合には、上流側排気浄化触媒２０の硫黄被毒が大きくなっている旨の判定が行われる。被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆ、すなわち被毒基準値は上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いに基づいて設定される。具体的には、被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆは、永久劣化による劣化度合いが大きくなるほど小さくなるように設定される。したがって、被毒基準値は、永久劣化による劣化度合いが大きくなるほど大きくなるように設定される。
【０１３７】
上流側排気浄化触媒２０の硫黄被毒が大きくなっている旨の判定が行われた場合には、上流側排気浄化触媒２０から硫黄成分を離脱させるために硫黄離脱処理が行われ、また、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が更に吸蔵されるのを抑制するために、吸蔵抑制処理が行われる。硫黄離脱処理では、例えば、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比にされると共に、上流側排気浄化触媒２０の温度が硫黄離脱温度以上に成るように昇温せしめられる。また、吸蔵抑制処理では、上述した基本的な空燃比制御を行うにあたって、リッチ設定空燃比のリッチ度合いが小さくされると共にリーン設定空燃比のリーン度合いが大きくされる。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になっている時間が相対的に長くなり、その結果、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が吸蔵されにくくなる。
【０１３８】
本実施形態によれば、永久劣化や総劣化と分離して、Ｓ被毒劣化による劣化度合いを推定することができる。これにより、Ｓ被毒劣化による劣化度合いに基づいて硫黄離脱処理等を行うことができるため、硫黄離脱処理を適切なタイミングで行うことができる。ここで、硫黄離脱処理は、上流側排気浄化触媒２０の昇温等のために燃費の悪化を招く。これに対して、本実施形態によれば硫黄離脱処理が適切なタイミングで行われるため、不必要に高い頻度で硫黄離脱処理が行われることによる燃費の悪化を抑制することができ、また、硫黄離脱処理の頻度が低すぎて上流側排気浄化触媒２０の浄化能力が低下してしまうことを抑制することができる。
【０１３９】
図１９は、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いを判定するＳ被毒判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。図１９に示したステップＳ５１〜Ｓ５６は、図１５のステップＳ４１〜Ｓ４６と同様であるため説明を省略する。
【０１４０】
ステップＳ５５において上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが算出されると、次いでステップＳ５７では、図１７及び図１８に示したようなマップを用いて、吸入空気量、及び永久劣化による劣化度合いに基づいて、被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆが算出される。なお、このときに、図１７及び図１８に示したようなマップを用いて、Ｓ被毒劣化による劣化度合いを算出してもよい。
【０１４１】
次いで、ステップＳ５８では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて吸蔵可能酸素量ＯＳＣが算出されると共に、算出された吸蔵可能酸素量ＯＳＣがステップＳ５７で算出された被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆ以下であるか否かが判定される。ステップＳ５８において、吸蔵可能酸素量ＯＳＣが被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆよりも多いと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ５８において、吸蔵可能酸素量ＯＳＣが被毒基準酸素量ＯＳＣｒｅｆ以下であると判定された場合には、ステップＳ５９へと進む。ステップＳ５９では、上流側排気浄化触媒２０から硫黄成分を離脱させるべく硫黄離脱処理が実行される。また、硫黄離脱処理の実行条件が成立せずに硫黄離脱処理をすぐには実行することができない場合には、硫黄離脱処理の実行条件が成立するまで、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が更に吸蔵されるのを抑制するために、吸蔵抑制処理が行われる。
【０１４２】
＜第六実施形態＞
次に、図２０及び図２１を参照して、第六実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第六実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第五実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第五実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１４３】
ところで、第五実施形態に係る排気浄化装置では、上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いの推定は、上流側排気浄化触媒２０の吸蔵可能酸素量に基づいて行われていた。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いの推定は異なる方法で行うこともできる。そこで、第六実施形態の排気浄化装置では、第五実施形態に係る排気浄化装置とは異なる方法で上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いの推定が行うこととしている。
【０１４４】
図２０は、上述した空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。図２０に示した例では、時刻ｔ1以前において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定され、よって上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少している。
【０１４５】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが少なくなると、時刻ｔ1において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられ、よって上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えられる。
【０１４６】
しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは、時刻ｔ1において空燃比補正量ＡＦＣが切り替えられても、すぐには上昇せず、時刻ｔ1以降も低下し続ける。これは、機関本体１から上流側排気浄化触媒２０までは距離があることから、空燃比補正量ＡＦＣを切り替えてもすぐには上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化しないことによるものである。そして、このとき、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの挙動が、上流側排気浄化触媒２０の状態に応じて変化する。
【０１４７】
図２０において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおける実線は、上流側排気浄化触媒２０が正常である場合、破線は上流側排気浄化触媒２０にＳ被毒劣化が生じている場合、一点鎖線は永久劣化が生じている場合をそれぞれ示している。
【０１４８】
図２０に実線で示したように、上流側排気浄化触媒２０が正常である場合には、出力空燃比ＡＦｄｗｎが到達する最小値が低く（図中のＡＦｄｗｎ1）、また、出力空燃比ＡＦｄｗｎの理論空燃比との差の積分値（出力空燃比ＡＦｄｗｎと１４．６における直線とで囲まれる部分の面積）も大きい。一方、図２０に破線及び一点鎖線で示したように、上流側排気浄化触媒２０にＳ被毒劣化又は永久劣化が生じている場合には、出力空燃比ＡＦｄｗｎが到達する最小値は相対的に高く（図中のＡＦｄｗｎ2）、また、出力空燃比ＡＦｄｗｎの理論空燃比との差の積分値も相対的に小さい。
【０１４９】
このような現象は、排気ガス中の水素によって生じる。限界電流式の空燃比センサでは、水素の空燃比センサの拡散律速層内の拡散速度が速いことから、排気ガス中の水素濃度が高いと空燃比センサの出力空燃比が実際の排気ガスの空燃比よりもリッチ側にシフトすることが知られている。
【０１５０】
一方、上流側排気浄化触媒２０では、リッチ空燃比の排気ガスが流入すると、上流側排気浄化触媒２０の触媒作用によって水素が生成される。このとき生成される水素の量は、上流側排気浄化触媒２０の貴金属触媒の活性が高いほど多くなる。したがって、上流側排気浄化触媒２０に永久劣化やＳ被毒劣化等の劣化が生じていないときには水素が多く生成される。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは実際の排気ガスの空燃比よりも大きくリッチ側にシフトし、よって図２０に実線で示したようにその最小値が低くなる。一方で、上流側排気浄化触媒２０にＳ被毒劣化や永久劣化が生じているときには水素は少量のみしか生成されない。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは実際の排気ガスの空燃比より僅かにリッチ側にシフトし、よって図２０に破線や一点鎖線で示したように、その最小値はそれほど低くならない。
【０１５１】
≪第六実施形態における制御≫
そこで、本実施形態における総劣化度合い推定制御では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定空燃比ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられた後、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられた後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に到達するまでの収束期間において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの少なくとも一部の挙動に基づいて、上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いが推定される。具体的には、上述したように、上記収束期間における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの最小値に基づいて、この最小値が低いほど総劣化度合いが低いものとして総劣化度合いが推定される。或いは、上記収束期間における出力空燃比ＡＦｄｗｎの理論空燃比との差の積分値に基づいて、この積分値が大きいほど総劣化度合いが低いものとして総劣化度合いが推定される。
【０１５２】
そして、上記第五実施形態に係る排気浄化装置と同様に、ＮＯｘセンサ４６の出力に基づいて推定された上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いと、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの挙動に基づいて推定された上流側排気浄化触媒２０の総劣化度合いとに基づいて、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが算出される。
【０１５３】
本実施形態によれば、上記第五実施形態と同様に、永久劣化や総劣化と分離して、Ｓ被毒劣化による劣化度合いを推定することができる。これにより、硫黄離脱処理を適切なタイミングで行うことができるようになり、燃費の悪化や上流側排気浄化触媒２０の浄化能力の低下を抑制することができる。
【０１５４】
図２１は、第六実施形態に係る排気浄化装置において、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いを判定するＳ被毒判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。図２１に示したステップＳ６１〜Ｓ６６は、図１５のステップＳ４１〜Ｓ４６と同様であるため説明を省略する。
【０１５５】
ステップＳ６５において上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが算出されると、次いでステップＳ６７では、吸入空気量、及び永久劣化による劣化度合いに基づいて、被毒基準空燃比ＡＦｒｅｆが算出される。被毒基準空燃比ＡＦｒｅｆは、吸入空気量が多くなるほど低くなるように（リッチ側に）設定され、永久劣化による劣化度合いが大きくなるほど高く（リーン側）に設定される。なお、このときに、吸入空気量と永久劣化による劣化度合いとＳ被毒劣化による劣化度合いとの関係を示すマップを用いて、Ｓ被毒劣化による劣化度合いを算出してもよい。
【０１５６】
次いで、ステップＳ６８では、上記収束期間における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の最小値ＡＦｄｗｎｍｉｎが算出されると共に、算出された最小値ＡＦｄｗｎｍｉｎがステップＳ６７で算出された被毒基準空燃比ＡＦｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ６８において、最小値ＡＦｄｗｎｍｉｎが被毒基準空燃比ＡＦｒｅｆ未満であると判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ６８において、最小値ＡＦｄｗｎｍｉｎが被毒基準空燃比ＡＦｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ６９へと進む。ステップＳ６９では、硫黄離脱処理や吸蔵抑制処理が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５７】
＜第七実施形態＞
次に、図２２及び図２３を参照して、第七実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第七実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御は基本的に第五実施形態及び第六実施形態に係る排気浄化装置における構成及び制御と同様であるため、以下では、第五実施形態及び第六実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１５８】
≪燃料の硫黄成分含有率とＳ被毒劣化による劣化度合いとの関係≫
ところで、内燃機関に供給される燃料中の硫黄成分含有率は、燃料毎に異なる。硫黄成分含有率の高い燃料を用いる場合にはＳ被毒劣化が生じ易く、一方、硫黄成分含有率の低い燃料を用いる場合にはＳ被毒劣化が生じにくい。このため、燃費の悪化や上流側排気浄化触媒２０の浄化性能の低下を抑制するためには、硫黄成分含有率に応じて内燃機関の制御を変更する必要がある。例えば、硫黄成分含有率の高い燃料を用図いる場合には、硫黄成分含有率の低い燃料を用いる場合と比べて、リッチ設定空燃比のリッチ度合いを高くすると共にリーン設定空燃比のリーン度合いを低くすることが考えられる。このように、燃料中の硫黄成分含有率に応じて内燃機関の制御を変更するためには、燃料中の硫黄成分含有率を推定することが必要になる。
【０１５９】
図２２は、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いのタイムチャートである。図２２に示した例では、時刻ｔ1において内燃機関の燃料タンク（図示せず）へ燃料の供給が行われ、時刻ｔ2において硫黄離脱処理が行われる。
【０１６０】
図２２からわかるように、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いは時間の経過と共に上昇する。これは燃焼室５から排出される排気ガス中には燃焼室５に供給される燃料中の硫黄成分含有率に応じて硫黄成分が含まれており、排気ガスが上流側排気浄化触媒２０を流通するときにこの硫黄成分が上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されるためである。燃焼室５に供給される燃料中の硫黄成分含有率が一定であれば、時間に対するＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇率はほぼ一定となる（より正確には、吸入空気量の積算値に対するＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇率がほぼ一定となる）。このため、図２２に示したように、時刻ｔ1以前においては、Ｓ被毒劣化による劣化度合いの上昇率（すなわち、図２２における傾き）は一定のまま維持される。
【０１６１】
その後、時刻ｔ1において、燃料タンクへの燃料の供給が行われると、時刻ｔ1以降は時刻ｔ1以前に比べてＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇率が高くなる。これは、時刻ｔ1において供給された燃料中の硫黄成分含有率が、時刻ｔ1以前に供給されていた燃料中の硫黄成分含有率よりも高いためである。
【０１６２】
その後、時刻ｔ2において、硫黄離脱処理が行われる。硫黄離脱処理を行うと、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されていた硫黄成分が離脱せしめられる。このため、時刻ｔ2においえは、Ｓ被毒劣化による劣化度合いがほぼゼロとなる。その後、内燃機関の運転時間が長くなると、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが再び徐々に上昇する。
【０１６３】
上述したように単位時間当たり（または、吸入空気量の積算値の単位増加量当たり）のＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇量（Ｓ被毒劣化による劣化度合いの上昇率）は燃焼室５内に供給される燃料中の硫黄成分含有率に比例する。したがって、単位時間当たりのＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇率を算出することによって燃料中の硫黄成分含有率を算出することができる。
【０１６４】
特に、燃料タンクへの燃料の供給が行われると、燃焼室５に供給される燃料中の硫黄成分含有率も変化することから、燃料タンクへの燃料の供給が行われた直後の単位時間当たりのＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇率に基づいて燃料中の硫黄成分含有率を算出することが好ましい。また、硫黄離脱処理を行うと、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分がほぼゼロになり、このときのＳ被毒劣化による劣化度合いはかなり正確に推定することができる。したがって、硫黄離脱処理の完了直後の単位時間値理のＳ被毒劣化による劣化度合いの上昇率に基づいて燃料中の硫黄成分含有率を算出することが好ましい。
【０１６５】
≪第七実施形態における制御≫
そこで、本実施形態では、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いの推移に基づいて、内燃機関に供給されている燃料中の硫黄成分含有率を推定する含有率推定制御が実行される。特に、時間又は吸入空気量の積算値の変化に対する上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いが大きいほど（Ｓ被毒劣化による劣化度合いの上昇率が高いほど）、燃料中の硫黄成分含有率は高いものとして推定される。
【０１６６】
また、本実施形態では、含有率推定制御は、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる硫黄離脱処理の完了後に開始される。或いは、本実施形態では、含有率推定制御は、燃料タンクへの燃料供給の完了後に開始される。
【０１６７】
本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いの推移に基づいて、燃料中の硫黄成分含有率を正確に推定することができる。また、含有率推定制御を硫黄離脱処理の完了直後に行うことにより、より正確に燃料中の硫黄成分含有率を推定することができる。
【０１６８】
図２３は、上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いを算出するためのＳ被毒劣化度合い算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。燃料中の硫黄成分含有率を算出するためには上流側排気浄化触媒２０のＳ被毒劣化による劣化度合いの算出が必要であるため、本制御が実行される。図示した制御ルーチンは一定時間間隔で実行される。図２３に示したステップＳ７１〜Ｓ７６は、図１５のステップＳ４１〜Ｓ４６と同様であるため説明を省略する。
【０１６９】
ステップＳ７５において上流側排気浄化触媒２０の永久劣化による劣化度合いが算出されると、次いでステップＳ７７では、図１７及び図１８に示したようなマップを用いて、Ｓ被毒劣化による劣化度合いが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１７０】
図２４は、燃焼室５に供給される燃料中の硫黄成分含有率を推定する硫黄成分含有率推定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔毎に実行される。
【０１７１】
まず、ステップＳ８１では、推定フラグＦがＯＮになっているか否かが判定される。推定フラグＦは、硫黄成分含有率の推定中にＯＮにされ、それ以外のときにはＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ８１において、未だ硫黄成分含有率の推定中ではなく、推定フラグＦがＯＦＦになっていると判定された場合にはステップＳ８２へと進む。
【０１７２】
ステップＳ８２では、硫黄離脱処理が実行されたか否かが判定され、ステップＳ８３では、燃料タンクへの燃料の供給が行われたか否かが判定される。燃料タンクへの燃料の供給の検出は、例えば、燃料タンク内の燃料量を検出するセンサによって検出された燃料量が増加したこと、又は燃料タンクのキャップの開閉を検出するキャップセンサによってキャップが開かれたことが検出されることによって行われる。ステップＳ８２において硫黄離脱処理は実行されていないと判定され、且つステップＳ８３において燃ロウタンクへの燃料の供給は行われていないと判定されたときには、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ８２において硫黄理妥当処理が実行されたと判定された場合、又はステップＳ８３において燃料タンクへの燃料の供給が行われたと判定された場合には、ステップＳ８４へと進む。ステップＳ８４では、推定フラグＦがＯＮにセットされると共に、時間カウンタＴが０にリセットされる。
【０１７３】
推定フラグＦがＯＮにセットされると次の制御ルーチンでは、ステップＳ８１において推定フラグＦがＯＮにセットされていると判定され、ステップＳ８５へと進む。ステップＳ８５では、時間カウンタＴに１を加算したものが新たな時間カウンタＴの値とされる。次いで、ステップＳ８６では、図２３のステップＳ７７において算出されたＳ被毒劣化による劣化度合いが取得される。
【０１７４】
次いでステップＳ８７では、ステップＳ８５において算出された時間カウンタＴの値が予め定められた基準値Ｔｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ８７において、時間カウンタＴの値が基準値Ｔｒｅｆ未満であると判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ８７において、時間カウンタＴの値が基準値Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ８８へと進む。
【０１７５】
ステップＳ８８では、推定フラグがＯＮにされてからのＳ被毒劣化による劣化度合いの変化量を時間カウンタの基準値Ｔｒｅｆに対応する時間で割った値が、単位時間当たりのＳ被毒劣化による劣化度合いの変化率として算出される。次いで、ステップＳ８９では、ステップＳ８８で算出された単位時間当たりのＳ被毒劣化による劣化度合いの変化率に基づいて燃料中の硫黄成分含有率が算出される。次いで、ステップＳ９０では、推定フラグＦがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１７６】
なお、上記全ての実施形態において、基本的な空燃比制御として、目標空燃比をリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に繰り返し設定する制御が行われている。しかしながら、このような制御は必ずしも行われる必要はなく、目標空燃比がリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に少なくとも１回ずつ設定すれば、繰り返し設定しなくてもよい。
【０１７７】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
４６    ＮＯｘセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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