(57)【要約】【課題】排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置を提供する。【解決手段】触媒劣化検出装置１は、空燃比センサ４１と、電流検出装置６１と、電圧印加装置６０と、電圧制御部７１と、空燃比制御部７２と、劣化判定部７３とを備える。空燃比制御部は、内燃機関の燃焼室５への燃料供給が停止される燃料カット制御を実行し、燃料カット制御後に流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。電圧制御部は、リッチ制御中に印加電圧を限界電流領域内の第一電圧に設定しているときに流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定した場合に、印加電圧を第一電圧から限界電流領域内の第二電圧に変更し、劣化判定部は、印加電圧が第二電圧に設定されているときに電流検出装置によって検出された空燃比センサの出力電流に基づいて、触媒の劣化度合を判定する。【選択図】図１３
2019105187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置と、
前記空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置と、
前記電圧印加装置を介して前記空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
前記触媒の劣化度合を判定する劣化判定部と
を備え、
前記空燃比制御部は、所定の実行条件が成立しているときに前記内燃機関の燃焼室への燃料供給が停止される燃料カット制御を実行し、該燃料カット制御後に前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、
前記電圧制御部は、前記リッチ制御中に前記印加電圧を限界電流領域内の第一電圧に設定しているときに前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定した場合に、前記印加電圧を前記第一電圧から限界電流領域内の第二電圧に変更し、
前記劣化判定部は、前記印加電圧が前記第二電圧に設定されているときに前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流に基づいて、前記触媒の劣化度合を判定する、触媒劣化検出装置。
【請求項２】
前記第一電圧は、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに前記空燃比センサの出力電流がゼロになる電圧であり、前記電圧制御部は、前記空燃比センサの出力電流がゼロとなったときに前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定する、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項３】
前記劣化判定部は、前記リッチ制御中に前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されたときからの経過時間が基準時間に達し且つ前記印加電圧が前記第二電圧に設定されているときに前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流に基づいて、前記触媒の劣化度合を判定し、前記基準時間は１００ｍｓ以上１秒以下である、請求項１又は２に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項４】
前記触媒の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの未燃ガスの浄化率の変動量がＮＯｘの浄化率の変動量よりも大きくなる劣化特性を前記触媒が有する場合、前記劣化判定部は、前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流が小さいほど、前記触媒の劣化度合が大きいと判定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項５】
前記触媒の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときのＮＯｘの浄化率の変動量が未燃ガスの浄化率の変動量よりも大きくなる劣化特性を前記触媒が有する場合、前記劣化判定部は、前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流が大きいほど、前記触媒の劣化度合が大きいと判定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の触媒劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は触媒劣化検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内燃機関の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する触媒が設けられている。斯かる触媒として、酸素吸蔵能力を有する触媒が知られている。酸素吸蔵能力を有する触媒は、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない適当な量であるときには、触媒に流入する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）及びＮＯｘを浄化することができる。
【０００３】
しかしながら、触媒は長期間の使用等によって劣化する。触媒が劣化すると、触媒の最大酸素吸蔵量が少なくなると共に触媒の排気浄化性能が低下するため、排気エミッションが悪化する。このため、触媒の劣化による排気エミッションの悪化を抑制すべく、触媒の劣化を検出できることが望ましい。
【０００４】
特許文献１に記載の内燃機関の異常診断装置では、触媒の最大酸素吸蔵量を算出し、算出された最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化度合が判定される。斯かる異常診断装置では、触媒の最大酸素吸蔵量を算出するために触媒の酸素吸蔵量をゼロと最大酸素吸蔵量との間で変動させるべく、触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０８６８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクティブ空燃比制御では、触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達するまで目標空燃比がリーン空燃比にされる。このため、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達し、触媒からＮＯｘが流出する。また、アクティブ空燃比制御では、触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達するまで目標空燃比がリッチ空燃比にされる。このため、触媒の酸素吸蔵量がゼロに達し、触媒から未燃ガスが流出する。したがって、特許文献１に記載の異常診断装置では、触媒の劣化を検出するときに排気エミッションが悪化する。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示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配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置と、前記空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置と、前記電圧印加装置を介して前記空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、前記触媒の劣化度合を判定する劣化判定部とを備え、前記空燃比制御部は、所定の実行条件が成立しているときに前記内燃機関の燃焼室への燃料供給が停止される燃料カット制御を実行し、該燃料カット制御後に前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、前記電圧制御部は、前記リッチ制御中に前記印加電圧を限界電流領域内の第一電圧に設定しているときに前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定した場合に、前記印加電圧を前記第一電圧から限界電流領域内の第二電圧に変更し、前記劣化判定部は、前記印加電圧が前記第二電圧に設定されているときに前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流に基づいて、前記触媒の劣化度合を判定する、触媒劣化検出装置。
【００１０】
（２）前記第一電圧は、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに前記空燃比センサの出力電流がゼロになる電圧であり、前記電圧制御部は、前記空燃比センサの出力電流がゼロとなったときに前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定する、上記（１）に記載の触媒劣化検出装置。
【００１１】
（３）前記劣化判定部は、前記リッチ制御中に前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されたときからの経過時間が基準時間に達し且つ前記印加電圧が前記第二電圧に設定されているときに前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流に基づいて、前記触媒の劣化度合を判定し、前記基準時間は１００ｍｓ以上１秒以下である、上記（１）又は（２）に記載の触媒劣化検出装置。
【００１２】
（４）前記触媒の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの未燃ガスの浄化率の変動量がＮＯｘの浄化率の変動量よりも大きくなる劣化特性を前記触媒が有する場合、前記劣化判定部は、前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流が小さいほど、前記触媒の劣化度合が大きいと判定する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の触媒劣化検出装置。
【００１３】
（５）前記触媒の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときのＮＯｘの浄化率の変動量が未燃ガスの浄化率の変動量よりも大きくなる劣化特性を前記触媒が有する場合、前記劣化判定部は、前記電流検出装置によって検出された前記空燃比センサの出力電流が大きいほど、前記触媒の劣化度合が大きいと判定する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の触媒劣化検出装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、三元触媒の浄化特性を示す。
【図３】図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図４】図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図５】図５は、電気回路の具体例を示す。
【図６】図６は、空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。
【図７】図７は、図６のＸ−Ｘ領域における電圧−電流特性を示す図である。
【図８】図８は、排気ガスの空燃比と出力電流との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧と排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、触媒の劣化検出を行うときの空燃比制御の種類等のタイムチャートである。
【図１２】図１２は、触媒の劣化検出を行うときの空燃比制御の種類等のタイムチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の第一実施形態における触媒劣化検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、下流側空燃比センサの出力電流と上流側触媒の劣化度合との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、下流側空燃比センサの出力電流と上流側触媒の劣化度合との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第二実施形態における触媒劣化検出処理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】
【００１６】
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。
【００１７】
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図１５を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
【００１８】
＜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触媒劣化検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。
【００１９】
図１を参照すると、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。
【００２０】
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。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。
【００２１】
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等は、空気を燃焼室５に導く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。
【００２２】
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、下流側ケーシング２３等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。
【００２３】
内燃機関の各種制御は、内燃機関に設けられた各種センサの出力等に基づいて電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。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を備える。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、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。
【００２４】
また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、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。上流側空燃比センサ４０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。
【００２５】
また、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）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。下流側空燃比センサ４１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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、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。
【００２８】
＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２４は同様な構成を有する。触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する触媒であり、例えば三元触媒である。具体的には、触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。
【００２９】
図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０、２４による未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率は、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ガス及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。
【００３０】
また、触媒２０、２４は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０、２４の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０、２４において未燃ガス及び窒素酸化物が効果的に浄化される。
【００３１】
なお、触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒以外の触媒であってもよい。
【００３２】
＜空燃比センサの構成＞
上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１は同様な構成を有する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００３３】
図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極５３と、排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを備える。
【００３４】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間に被測ガス室５７が形成される。排気通路を流れる排気ガスの一部は拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置される。したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝される。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように空燃比センサ４０、４１が構成されてもよい。
【００３５】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、基準ガスとして大気が基準ガス室５８に導入される。大気側電極５３は基準ガス室５８内に配置される。したがって、大気側電極５３は基準ガス（大気）に曝される。
【００３６】
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、ヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００３７】
固体電解質層５１は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層５１は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体である。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
【００３８】
また、排気側電極５２及び大気側電極５３には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を含む。電圧印加装置６０は、大気側電極５３の電位が排気側電極５２の電位よりも高くなるように空燃比センサ４０、４１に電圧を印加する。したがって、排気側電極５２は負極として機能し、大気側電極５３は正極として機能する。ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して電圧印加装置６０に接続されている。したがって、ＥＣＵ３１は電圧印加装置６０を介して空燃比センサ４０への印加電圧を制御することができる。
【００３９】
また、電流検出装置６１は、排気側電極５２と大気側電極５３との間を流れる電流、すなわち空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出する。電流検出装置６１の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介してＥＣＵ３１の入力ポート３６に入力される。したがって、ＥＣＵ３１は、電流検出装置６１によって検出された空燃比センサ４０、４１の出力電流を電流検出装置６１から取得することができる。
【００４０】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図４を参照して、空燃比センサ４０、４１の基本的な動作について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示した図である。空燃比センサ４０、４１は、保護層５５及び拡散律速層５４の外周面が排気ガスに曝されるように排気通路に配置される。また、空燃比センサ４０、４１の基準ガス室５８には大気が導入される。
【００４１】
上述したように、固体電解質層５１は酸化物イオン伝導性を有する。このため、活性化された固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度の差が生じると、濃度の高い側面側から濃度の低い側面側へと酸化物イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する。斯かる特性は酸素電池特性と称される。
【００４２】
一方、固体電解質層５１の両側面間に電位差が与えられると、固体電解質層の両側面間に電位差に応じた酸素濃度比が生じるように、酸化物イオンが移動する。斯かる特性は酸素ポンピング特性と称される。
【００４３】
空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、排気ガス中の酸素濃度が高いため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はそれほど大きくない。このため、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、センサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比よりも小さくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に近付くように、図４（Ａ）に示されたように、排気側電極５２から大気側電極５３に向かって酸化物イオンが移動する。この結果、電圧印加装置６０の正極から電圧印加装置６０の負極へ電流Ｉｒが流れる。このとき、電流検出装置６１によって正の電流が検出される。また、電流Ｉｒの値は、被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比が高いほど大きくなる。
【００４４】
一方、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気側電極５２上の酸素が排気ガス中の未燃ガスと反応して除去される。このため、排気側電極５２における酸素濃度が極めて低くなり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が大きくなる。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、センサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比よりも大きくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に近付くように、図４（Ｂ）に示されたように、大気側電極５３から排気側電極５２に向かって酸化物イオンが移動する。この結果、電圧印加装置６０の負極から電圧印加装置６０の正極へ電流Ｉｒが流れる。このとき、電流検出装置６１によって負の電流が検出される。また、電流Ｉｒの絶対値は、被測ガス室５７に流入する排気ガス中の未燃ガス濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比が低いほど大きくなる。
【００４５】
また、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比のときには、排気ガス中の酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、排気側電極５２の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に維持される。このため、図４（Ｃ）に示されるように、酸素ポンピング特性による酸化物イオンの移動は起こらず、電流検出装置６１によって検出される電流はゼロになる。
【００４６】
したがって、空燃比センサ４０、４１の出力電流の値は、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比に応じて変動する。このため、ＥＣＵ３１は、電流検出装置６１によって検出された電流に基づいて排気ガスの空燃比を推定することができる。なお、排気ガスの空燃比とは、その排気ガスが生成されるまでに供給された燃料の質量に対する空気の質量の比率（空気の質量／燃料の質量）を意味し、排気ガスの成分から推定される。
【００４７】
＜電気回路の具体例＞
図５は、電気回路７０の具体例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をＥ、固体電解質層５１の内部抵抗をＲｉ、電極５２、５３間の電位差をＶｓ、電圧印加装置６０によって空燃比センサ４０、４１に印加されるセンサ印加電圧をＶｒと表している。
【００４８】
図５から分かるように、電圧印加装置６０は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するように負帰還制御を行う。電圧印加装置６０は、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５２、５３間の電位差Ｖｓが変化した際にも、この電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒとなるように負帰還制御を行う。
【００４９】
排気ガスの空燃比が理論空燃比であり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が変化しない場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比となる。この場合、起電力Ｅ及び電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するため、電流Ｉｒは流れない。
【００５０】
一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が変化する場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比とは異なる。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒとは異なる値となる。この結果、負帰還制御により、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒと一致するように固体電解質層５１の両側面間で酸化物イオンの移動をさせるべく、電極５２、５３間に電位差Ｖｓが付与される。また、酸化物イオンの移動に伴って電流Ｉｒが流れる。この結果、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束する。
【００５１】
また、電流検出装置６１は電流Ｉｒを検出するために電圧Ｅ0を検出する。ここで、Ｅ0は下記式（１）のように表される。
Ｅ0＝Ｖｒ＋Ｖ0＋ＩｒＲ      …（１）
ここで、Ｖ0は、Ｅ0が負の値とならないように印加されるオフセット電圧（例えば３Ｖ）であり、Ｒは、図５に示される抵抗の値である。
【００５２】
式（１）において、センサ印加電圧Ｖｒ、オフセット電圧Ｖ0及び抵抗値Ｒは一定であるため、電圧Ｅ0は電流Ｉｒに応じて変化する。したがって、電流検出装置６１は電圧Ｅ0に基づいて電流Ｉｒを算出することができる。
【００５３】
なお、電気回路７０は、空燃比センサ４０、４１に電圧を印加し且つ空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出できれば、図５に示される構成と異なっていてもよい。
【００５４】
＜空燃比センサの出力特性＞
上述した原理の結果、空燃比センサ４０、４１は、図６に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが０以下及び０近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが大きくなる。なお、センサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。
【００５５】
比例領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が少ない。この場合、電圧印加に伴って固体電解質層５１内を移動する酸化物イオンの移動速度が、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される排気ガスの導入速度よりも遅くなる。このため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量がセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流Ｉｒが増加する。なお、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負の値になるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力が生じるためである。
【００５６】
図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが所定値以上になると、出力電流Ｉｒはセンサ印加電圧Ｖｒの値に関わらずほぼ一定の値に維持される。この飽和した電流は限界電流と称され、限界電流が発生する電圧領域は限界電流領域と称される。限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが比例領域よりも高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が比例領域よりも多くなる。この場合、電圧印加に伴って固体電解質層５１内を移動する酸化物イオンの移動速度が、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される排気ガスの導入速度よりも早くなる。このため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量がセンサ印加電圧Ｖｒに応じてほとんど変化しないため、出力電流Ｉｒはセンサ印加電圧Ｖｒの値に関わらずほぼ一定の値に維持される。一方、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じて変化するため、出力電流Ｉｒは排気ガスの空燃比に応じて変化する。
【００５７】
図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが非常に高い領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが大きくなる。センサ印加電圧Ｖｒが非常に高くなると、排気側電極５２において排気ガス中の水が分解される。水の分解によって生じた酸化物イオンは固体電解質層５１内を排気側電極５２から大気側電極５３へ移動する。この結果、水の分解による電流も出力電流Ｉｒとして検出されるため、出力電流Ｉｒが限界電流よりも大きくなる。斯かる電圧領域は水分解領域と称される。
【００５８】
図７は、図６のＸ−Ｘ領域における電圧−電流特性を示す図である。図７から分かるように、限界電流領域においても、排気ガスの空燃比が一定であるときに、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが僅かに大きくなる。このため、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値が排気ガスの空燃比に応じて変化する。
【００５９】
例えば、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖである。排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも低い（リッチである）場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖよりも高い。一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも高い（リーンである）場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖよりも低い。
【００６０】
図８は、排気ガスの空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示すグラフである。図８では、理論空燃比近傍の領域が拡大されている。図８には、センサ印加電圧Ｖｒが、０．３Ｖ、０．４５Ｖ及び０．６Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉｒとの関係が示される。図９は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧Ｖｒと排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。図９では、ｙ軸（排気側電極上の酸素濃度）が対数表示されている。排気ガスの空燃比がリッチであるほど、排気側電極上の酸素濃度は低くなる。図８及び図９から分かるように、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒがゼロとなるときの排気ガスの空燃比は低くなる（リッチになる）。
【００６１】
＜触媒劣化検出装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置について説明する。図１０は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置を示すブロック図である。触媒劣化検出装置１は上流側触媒２０の劣化を検出する。触媒劣化検出装置１は、下流側空燃比センサ４１、電流検出装置６１、電圧印加装置６０、電圧制御部７１、空燃比制御部７２及び劣化判定部７３を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が、電圧制御部７１、空燃比制御部７２及び劣化判定部７３として機能する。
【００６２】
電圧制御部７１は電圧印加装置６０を介して下流側空燃比センサ４１への印加電圧を制御する。図８に示されるように、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が変更されると、上流側触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力電流との関係が変化する。
【００６３】
空燃比制御部７２は、上流側触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部７２は、燃料噴射弁１１から燃焼室５に供給される燃料の量を変更することによって流入排気ガスの空燃比を制御する。
【００６４】
本実施形態では、空燃比制御部７２は、所定の実行条件が成立しているときに、燃焼室５への燃料供給が停止される燃料カット制御を実行する。空燃比制御部７２は、燃料カット制御において、燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止することで燃焼室５への燃料供給を停止する。所定の実行条件は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに成立する。
【００６５】
燃料カット制御が実行されると、空気又は空気と同様なガスが排気通路に排出されて上流側触媒２０に流入する。この結果、上流側触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する。また、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達すると、下流側触媒２４にも多量の酸素が流入し、下流側触媒２４の酸素吸蔵量も最大酸素吸蔵量に達する。
【００６６】
このため、燃料カット制御が所定時間以上継続されると、上流側触媒２０及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量が最大となる。上流側触媒２０及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量であるとき、上流側触媒２０及び下流側触媒２４は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することができない。このため、燃料カット制御後に理論空燃比比よりもリーンな排気ガスが上流側触媒２０及び下流側触媒２４に流入すると、上流側触媒２０及び下流側触媒２４において排気ガス中のＮｏｘが浄化されず、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【００６７】
そこで、本実施形態では、空燃比制御部７２は、燃料カット制御後に、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。このことによって、上流側触媒２０及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量を減少させることができ、燃料カット制御後に排気エミッションが悪化することを抑制することができる。
【００６８】
空燃比制御部７２は、リッチ制御において、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ設定空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御する。なお、「出力空燃比」とは、空燃比センサによって検出された空燃比であり、空燃比センサの出力電流に対応する空燃比を意味する。
【００６９】
なお、空燃比制御部７２は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比がリッチ設定空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部７２は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率がリッチ設定空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量とリッチ設定空燃比とから算出された燃料量を燃焼室５に供給する。
【００７０】
また、空燃比制御部７２は、リッチ制御を開始したときからの吸入空気量の合計が所定量に達したと判定したときに、リッチ制御を終了する。所定量は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量からゼロまで減少するのに必要な量よりも多くされる。なお、空燃比制御部７２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リッチなリッチ判定空燃比に達したときに、リッチ制御を終了してもよい。
【００７１】
＜触媒の劣化検出＞
劣化判定部７３は上流側触媒２０の劣化度合を判定する。本願の発明者は、鋭意検討の結果、下記の知見に基づいて燃料カット制御後のリッチ制御中に上流側触媒２０の劣化度合を判定できることを見出した。
【００７２】
上流側触媒２０は長期間の使用等によって劣化する。上流側触媒２０が劣化すると、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量が少なくなる。また、上流側触媒２０が劣化すると、上流側触媒２０の排気浄化性能が低下する。この結果、浄化ウィンドウが狭くなり、酸素の吸蔵又は放出によって上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされたとしても、上流側触媒２０から微量な未燃ガス又はＮＯｘが流出する場合がある。上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの流出排気ガスの空燃比の変動は、上流側触媒２０の劣化度合が大きいほど大きいと考えられる。
【００７３】
通常、燃料カット制御後にリッチ制御が実行されると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の減少に伴い、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、理論空燃比よりもリーンな値から理論空燃比に収束し、その後、理論空燃比よりもリッチな値に変化する。上流側触媒２０の劣化度合が小さい場合には、リッチ制御中に上流側触媒２０の表面上における空燃比が酸素の放出によって理論空燃比近傍にされているときには、流出排気ガスの空燃比はほとんど変動しない。
【００７４】
一方、上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合には、リッチ制御中に上流側触媒２０の表面上における空燃比が酸素の放出によって理論空燃比近傍にされたとしても、流出排気ガスの空燃比の変動が大きくなる。このため、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの流出排気ガスの空燃比の変動を検出することによって上流側触媒２０の劣化度合を判定することができる。
【００７５】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の印加電圧を変化させることで、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの流出排気ガスの空燃比の変動を検出する。
【００７６】
また、燃料カット制御後にリッチ制御が実行されると、上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合であっても、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が適当な量となったときに流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達する。
【００７７】
このため、本実施形態では、電圧制御部７１は、燃料カット制御後のリッチ制御中に下流側空燃比センサ４１への印加電圧を第一電圧に設定しているときに流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定した場合に、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を第一電圧から第二電圧に変更する。また、劣化判定部７３は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧に設定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流（以下、「第二出力電流」と称する）に基づいて、上流側触媒２０の劣化度合を判定する。
【００７８】
なお、劣化判定部７３は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧に設定されているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比（以下、「第二出力空燃比」と称する）に基づいて、上流側触媒２０の劣化度合を判定してもよい。第二出力空燃比が第二出力電流に基づいて算出されるため、この場合も、上流側触媒２０の劣化度合は第二出力電流に基づいて判定されていると言える。
【００７９】
第一電圧は、予め定められ、限界電流領域内の電圧である。例えば、第一電圧は０．１５Ｖ〜０．７Ｖの電圧に設定される。限界電流領域では、下流側空燃比センサ４１の出力電流は流出排気ガスの空燃比に応じて変化する。このため、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧に設定されているときの下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて流出排気ガスの空燃比を検出することができる。電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流が理論空燃比近傍（例えば１４．６±０．０１）に対応する値になったとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比近傍になったときに、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定する。
【００８０】
第二電圧は、予め定められ、第一電圧とは異なる限界電流領域内の電圧である。例えば、第二電圧は０．１５Ｖ〜０．７Ｖの電圧に設定される。図８から分かるように、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を高くすると、流出排気ガスの同一空燃比に対する下流側空燃比センサ４１の出力電流が大きくなる。一方、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を低くすると、流出排気ガスの同一空燃比に対する下流側空燃比センサ４１の出力電流が小さくなる。
【００８１】
上流側触媒２０の劣化度合が小さい場合には、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされていれば、流出排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。このため、下流側空燃比センサ４１の印加電圧が第二電圧に変更されると、下流側空燃比センサ４１の出力電流は、理論空燃比に対応する値に変化する。一方、上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合には、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされていても、流出排気ガスの空燃比が変動する。このため、下流側空燃比センサ４１の印加電圧が第二電圧に変更されると、下流側空燃比センサ４１の出力電流は、上流側触媒２０の劣化特性に応じて、理論空燃比に対応する値からずれる。
【００８２】
上流側触媒２０が劣化したときの特性、すなわち上流側触媒２０の劣化特性は、上流側触媒２０の構成成分等に応じて異なる。具体的には、上流側触媒２０は、上流側触媒２０の構成成分等に応じて、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの未燃ガスの浄化率の変動量がＮＯｘの浄化率の変動量よりも大きくなる劣化特性（以下、「リッチ側劣化特性」と称する」）、又は上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときのＮＯｘの浄化率の変動量が未燃ガスの浄化率の変動量よりも大きくなる劣化特性（以下、「リーン側劣化特性」と称する）を有する。なお、上流側触媒２０の劣化特性は理論的又は実験的に予め分かる。
【００８３】
上流側触媒２０がリッチ側劣化特性を有し且つ上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合、下流側空燃比センサ４１の印加電圧が第二電圧に変更されると、下流側空燃比センサ４１の出力電流は、理論空燃比に対応する値よりも小さくなる。すなわち、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リッチになる。一方、上流側触媒２０がリーン側劣化特性を有し且つ上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合、下流側空燃比センサ４１の印加電圧が第二電圧に変更されると、下流側空燃比センサ４１の出力電流は、理論空燃比に対応する値よりも大きくなる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比近傍よりもリーンになる。
【００８４】
このため、劣化判定部７３は、上流側触媒２０がリッチ側劣化特性を有する場合、第二出力電流が小さいほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定する。言い換えれば、劣化判定部７３は、上流側触媒２０がリッチ側劣化特性を有する場合、第二出力空燃比がリッチであるほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定する。一方、劣化判定部７３は、上流側触媒２０がリーン側劣化特性を有する場合、第二出力電流が大きいほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定する。言い換えれば、劣化判定部７３は、上流側触媒２０がリーン側劣化特性を有する場合、第二出力空燃比がリーンであるほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定する。
【００８５】
本実施形態では、燃料カット制御後に排気エミッションの悪化を抑制するために実行されるリッチ制御中に上流側触媒２０の劣化度合が判定される。このため、上流側触媒２０の劣化度合を判定するために、上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロと最大酸素吸蔵量との間で変動させるアクティブ空燃比制御を実行する必要がない。したがって、排気エミッションの悪化を抑制しつつ上流側触媒２０の劣化を検出することができる。
【００８６】
また、通常、内燃機関を搭載した車両が走行するとき、燃料カット制御の実行条件が頻繁に成立し、燃料カット制御が頻繁に実行される。このため、上流側触媒２０の劣化の検出頻度を増やすことができ、上流側触媒２０の劣化を迅速に検出することができる。
【００８７】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１１及び図１２を参照して、本実施形態における触媒の劣化検出について具体的に説明する。図１１は、触媒の劣化検出を行うときの空燃比制御の種類、下流側空燃比センサ４１の出力電流及び下流側空燃比センサ４１への印加電圧のタイムチャートである。下流側空燃比センサ４１の出力電流において、実線は劣化した上流側触媒２０についてのデータを示し、一点鎖線は劣化していない上流側触媒２０についてのデータを示す。この例では、上流側触媒２０がリッチ側劣化特性を有することが予め分かっている。
【００８８】
図１１の例では、時刻ｔ０において燃料カット制御が実行されている。また、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧に設定されている。下流側空燃比センサ４１への印加電圧は、上流側触媒２０の劣化検出を行わないときには基本的に第一電圧に設定される。図１１の例では、第一電圧は０．４５Ｖである。０．４５Ｖは、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１への出力電流がゼロになる電圧である。
【００８９】
燃料カット制御が実行されている時刻ｔ０では、流出排気ガスの空燃比のリーン度合が非常に大きいため、下流側空燃比センサ４１の出力電流も非常に大きな値となる。このとき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量である。なお、空燃比のリーン度合とは、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比との差を意味する。
【００９０】
その後、時刻ｔ１において、燃料カット制御が終了し、リッチ制御が開始される。時刻ｔ１の後、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の低下に伴い、下流側空燃比センサ４１の出力電流が徐々に低下する。
【００９１】
その後、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロに達し、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定される。このため、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧から第二電圧に変更される。図１１の例では、第二電圧は、第一電圧よりも高い０．６Ｖである。図８に示されるように、０．６Ｖは、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロよりも大きくなる電圧である。
【００９２】
下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧から第二電圧に変更された後、第二出力電流が検出される。上流側触媒２０が劣化していない場合には、第二出力電流Ｉｒｎが検出される。第二出力電流Ｉｒｎは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．６Ｖであり且つ流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときの下流側空燃比センサ４１の出力電流である。
【００９３】
一方、上流側触媒２０が劣化している場合には、第二出力電流Ｉｒｄが検出される。第二出力電流Ｉｒｄは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．６Ｖであり且つ流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときの下流側空燃比センサ４１の出力電流である。
【００９４】
上流側触媒２０が劣化している場合、流入排気ガスの状態が僅かに変化した結果、上流側触媒２０における未燃ガスの浄化率が低下し、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチになる。このため、上流側触媒２０が劣化しているときに検出される第二出力電流Ｉｒｄは、上流側触媒２０が劣化していないときに検出される第二出力電流Ｉｒｎよりも小さくなる。
【００９５】
したがって、第二出力電流に基づいて上流側触媒２０の劣化度合を判定することができる。具体的には、この例では、第二出力電流が小さいほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定される。
【００９６】
第二出力電流が検出された後、時刻ｔ３において下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧から第一電圧に戻される。上流側触媒２０が劣化していない場合には、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量が多い。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が適切な量に維持されている限り、上流側触媒２０に吸蔵された酸素の放出によって上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされ、上流側触媒２０において排気ガスが浄化される。この結果、時刻ｔ３の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が所定量以下になるまで、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロに維持される。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に維持される。
【００９７】
一方、上流側触媒２０が劣化している場合には、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量が少ない。このため、時刻ｔ３の後、上流側触媒２０の表面上における空燃比が流入排気ガスの空燃比と同等となり、上流側触媒２０から未燃ガスが流出する。この結果、時刻ｔ３の後、下流側空燃比センサ４１の出力電流が更に小さくなる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が更にリッチになる。なお、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧から第一電圧に戻された後の下流側空燃比センサ４１の出力電流は、上流側触媒２０の劣化度合い等に応じて変化し、必ずしも図１１に示されるように変化するわけではない。
【００９８】
次に、第二電圧が第一電圧よりも低い例について説明する。図１２は、触媒の劣化検出を行うときの空燃比制御の種類、下流側空燃比センサ４１の出力電流及び下流側空燃比センサ４１への印加電圧のタイムチャートである。下流側空燃比センサ４１の出力電流において、実線は劣化した上流側触媒２０についてのデータを示し、一点鎖線は劣化していない上流側触媒２０についてのデータを示す。この例でも、上流側触媒２０がリッチ側劣化特性を有することが予め分かっている。
【００９９】
図１２の例では、図１１の例と同様に、第一電圧は０．４５Ｖである。時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロに達し、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定される。このため、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧から第二電圧に変更される。図１２の例では、第二電圧は、第一電圧よりも低い０．３Ｖである。図８に示されるように、０．３Ｖは、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロよりも小さくなる電圧である。
【０１００】
下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧から第二電圧に変更された後、第二出力電流が検出される。上流側触媒２０が劣化していない場合には、第二出力電流Ｉｒｎが検出される。第二出力電流Ｉｒｎは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．３Ｖであり且つ流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときの下流側空燃比センサ４１の出力電流である。
【０１０１】
一方、上流側触媒２０が劣化している場合には、第二出力電流Ｉｒｄが検出される。第二出力電流Ｉｒｄは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．３Ｖであり且つ流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときの下流側空燃比センサ４１の出力電流である。
【０１０２】
上流側触媒２０が劣化している場合、流入排気ガスの状態が僅かに変化した結果、上流側触媒２０における未燃ガスの浄化率が低下し、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチになる。このため、上流側触媒２０が劣化しているときに検出される第二出力電流Ｉｒｄは、上流側触媒２０が劣化していないときに検出される第二出力電流Ｉｒｎよりも小さくなる。
【０１０３】
したがって、第二出力電流に基づいて上流側触媒２０の劣化度合を判定することができる。具体的には、この例では、第二出力電流が小さいほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定される。第二出力電流が検出された後、時刻ｔ３において下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧から第一電圧に戻される。
【０１０４】
ところで、排気ガスの空燃比が一定であっても、回路誤差によって空燃比センサ４０、４１の個体間で空燃比センサ４０、４１の出力電流の値にバラツキが生じる。また、同一の空燃比センサ４０、４１であっても、経年劣化等によって、排気ガスの所定の空燃比に対する出力電流の値にバラツキが生じる。このため、空燃比センサ４０、４１の出力電流から算出される排気ガスの空燃比には誤差が生じる。
【０１０５】
一方、空燃比センサ４０、４１の出力電流がゼロであるときには、電気回路に電流が流れないので、回路誤差が非常に小さくなる。このため、空燃比センサ４０、４１は、ゼロの出力電流に対応する空燃比を精度良く検出することができる。
【０１０６】
図１１及び図１２の例では、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１への出力電流がゼロになる電圧（０．４５Ｖ）に第一電圧が設定され、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになったときに流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定される。このことによって、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したことを精度良く検出することができ、その後の流出排気ガスの空燃比の変動を精度良く検出することができる。したがって、触媒劣化の検出精度を高めることができる。
【０１０７】
＜触媒劣化検出処理＞
以下、図１３のフローチャートを参照して、本実施形態において上流側触媒２０の劣化検出を行うための制御について詳細に説明する。図１３は、本発明の第一実施形態における触媒劣化検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。
【０１０８】
最初に、ステップＳ１０１において、燃料カット制御後のリッチ制御が実行されているか否かが判定される。燃料カット制御後のリッチ制御が実行されていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、燃料カット制御後のリッチ制御が実行されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。なお、燃料カット制御及びリッチ制御中には、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は第一電圧Ｖ１に設定されている。第一電圧Ｖ１は限界電流領域内の電圧である。
【０１０９】
ステップＳ１０２では、リッチ制御の直前の燃料カット制御の実行時間Ｔｆｃが第一時間Ｔ１以上第二時間Ｔ２以下であるか否かが判定される。第一時間Ｔ１は、予め定められ、燃料カット制御によって上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達すると推定される時間よりも長くされる。第二時間Ｔ２は、予め定められ、燃料カット制御によって上流側触媒２０の温度が活性温度未満になると推定される時間よりも短くされる。第二時間Ｔ２は第一時間Ｔ１よりも長い。
【０１１０】
ステップＳ１０２において燃料カット制御の実行時間Ｔｆｃが第一時間Ｔ１よりも短い又は第二時間Ｔ２よりも長いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２において燃料カット制御の実行時間Ｔｆｃが第一時間Ｔ１以上第二時間Ｔ２以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。
【０１１１】
ステップＳ１０３では、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したか否かが判定される。例えば、下流側空燃比センサ４１の出力電流が理論空燃比近傍（例えば１４．６±０．０１）に対応する値まで減少した場合に流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定する。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比近傍に達した場合に流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定する。
【０１１２】
ステップＳ１０３において流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０３において流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。
【０１１３】
ステップＳ１０４では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎが第一電圧Ｖ１から第二電圧Ｖ２に変更される。第二電圧Ｖ２は限界電流領域内の電圧である。次いで、ステップＳ１０５において、電流検出装置６１によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出される。なお、出力電流は印加電圧の変更によって瞬間的には変化しないため、電流検出装置６１は、印加電圧の変更から微小時間（例えば、１０〜８０ｍｓ）が経過した後に下流側空燃比センサ４１の出力電流を検出する。
【０１１４】
次いで、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５において取得された下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて、上流側触媒２０の劣化度合が判定される。上流側触媒２０がリッチ側劣化特性を有する場合、図１４に示されるように、下流側空燃比センサ４１の出力電流が小さいほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定される。なお、劣化判定部７３は、下流側空燃比センサ４１の出力電流が第一閾値Ｉｔｈ１以下であるときに、上流側触媒２０が劣化していると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。第一閾値Ｉｔｈ１は第二電圧Ｖ２の値に応じて予め理論的又は実験的に定められる。
【０１１５】
一方、上流側触媒２０がリーン側劣化特性を有する場合、図１５に示されるように、下流側空燃比センサ４１の出力電流が大きいほど、上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定される。なお、劣化判定部７３は、下流側空燃比センサ４１の出力電流が第二閾値Ｉｔｈ２以上であるときに、上流側触媒２０が劣化していると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。第二閾値Ｉｔｈ２は第二電圧Ｖ２の値に応じて予め理論的又は実験的に定められる。
【０１１６】
次いで、ステップＳ１０７において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎが第二電圧Ｖ２から第一電圧Ｖ１に変更される。なお、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧Ｖ１に設定されているときの下流側空燃比センサ４１の出力電流を用いたフィードバック制御が実行されている場合には、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧Ｖ２に設定されている間、斯かるフィードバック制御は停止される。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１１７】
なお、燃料カット制御によって上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達したか否かを判定するために、ステップＳ１０２において、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リーンであるか否かが判定されてもよい。また、ステップＳ１０５において電流検出装置６１によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が複数回検出され、検出された出力電流の平均値に基づいて上流側触媒２０の劣化度合が判定されてもよい。
【０１１８】
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る触媒劣化検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１１９】
リッチ制御中に流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定してからの経過時間が長いほど、上流側触媒２０の表面の状態が変化し、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの流出排気ガスの変動が大きくなると考えられる。一方、上記経過時間が長過ぎると、特に上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合、上流側触媒２０の表面上における空燃比が流入排気ガスの空燃比に近付き、上流側触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍にされているときの流出排気ガスの変動を検出することが困難である。
【０１２０】
このため、第二実施形態では、劣化判定部７３は、リッチ制御中に流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されたときからの経過時間が基準時間に達し且つ下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧に設定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて、上流側触媒２０の劣化度合を判定する。基準時間は、予め定められ、１００ｍｓ以上１秒以下である。このことによって、触媒劣化の検出精度を高めることができる。また、上流側触媒２０の劣化を検出するために必要な時間が長くなることを抑制することができる。
【０１２１】
なお、劣化判定部７３は、リッチ制御中に流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されたときからの経過時間が基準時間に達し且つ下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧に設定されているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比に基づいて、上流側触媒２０の劣化度合を判定してもよい。
【０１２２】
＜触媒劣化検出処理＞
図１６は、本発明の第二実施形態における触媒劣化検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。
【０１２３】
ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３は、図１３のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様であることから説明を省略する。ステップＳ２０１、ステップＳ２０２又はステップＳ２０３における判定が否定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９では、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されたときからの積算時間ＥＴがゼロにリセットされる。ステップＳ２０９の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１２４】
ステップＳ２０３において流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、積算時間ＥＴが閾値時間Ｔｔｈ以上であるか否かが判定される。積算時間ＥＴが閾値時間Ｔｔｈ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１０に進む。
【０１２５】
ステップＳ２１０では、積算時間ＥＴが更新される。具体的には、本制御ルーチンの実行間隔Δｔを積算時間ＥＴに加算した値が新たな積算時間ＥＴとされる。ステップＳ２１０の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１２６】
一方、ステップＳ２０４において積算時間ＥＴが閾値時間Ｔｔｈ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎが第一電圧Ｖ１から第二電圧Ｖ２に変更される。第二電圧Ｖ２は限界電流領域内の電圧である。
【０１２７】
次いで、ステップＳ２０６において、電流検出装置６１によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出される。閾値時間Ｔｔｈは、ステップＳ２０３において流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されてからステップＳ２０６において電流検出装置６１によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出されるまでの経過時間が基準時間になるように設定される。基準時間は１００ｍｓ以上１秒以下である。
【０１２８】
次いで、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０６において取得された下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて、図１３のステップＳ１０６と同様に上流側触媒２０の劣化度合が判定される。次いで、ステップＳ２０８では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎが第二電圧Ｖ２から第一電圧Ｖ１に変更され、積算時間ＥＴがゼロにリセットされる。なお、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧Ｖ１に設定されているときの下流側空燃比センサ４１の出力電流を用いたフィードバック制御が実行されている場合には、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧Ｖ２に設定されている間、斯かるフィードバック制御は停止される。ステップＳ２０８の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１２９】
なお、燃料カット制御によって上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達したか否かを判定するために、ステップＳ２０２において、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リーンであるか否かが判定されてもよい。また、ステップＳ２０６において電流検出装置６１によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が複数回検出され、検出された出力電流の平均値に基づいて上流側触媒２０の劣化度合が判定されてもよい。
【０１３０】
また、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されたときに下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎが第一電圧Ｖ１から第二電圧Ｖ２に変更され、ステップＳ２０４がステップＳ２０５の後に実行されてもよい。この場合も、閾値時間Ｔｔｈは、ステップＳ２０３において流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定されてからステップＳ２０６において電流検出装置６１によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出されるまでの経過時間が基準時間になるように設定される。
【０１３１】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。上記の実施形態では、空燃比制御及び触媒の劣化検出は基本的に下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて行われる。また、排気ガス中の有害物質は基本的に上流側触媒２０において浄化される。このため、上流側空燃比センサ４０及び下流側触媒２４は内燃機関から省略されてもよい。
【０１３２】
また、劣化判定部７３は、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達したと判定され且つ下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧に設定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流と、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧に設定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流との差に基づいて、上流側触媒２０の劣化度合を判定してもよい。
【０１３３】
また、電圧制御部７１は、さらに、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を第二電圧から第三電圧に変更し、劣化判定部７３は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧に設定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流と、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第三電圧に設定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流とに基づいて、上流側触媒２０の劣化度合を判定してもよい。この場合、劣化判定部７３は、例えば、両方の出力電流と上流側触媒２０の劣化度合との関係が示されたマップを用いて、上流側触媒２０の劣化度合を判定する。
【符号の説明】
【０１３４】
１    触媒劣化検出装置
５    燃焼室
２０    上流側触媒
２２    排気管
３１    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１    下流側空燃比センサ
６０    電圧印加装置
６１    電流検出装置
７１    電圧制御部
７２    空燃比制御部
７３    劣化判定部
【図１】
2019105187.tif 000003
【図２】
2019105187.tif 000004
【図３】
2019105187.tif 000005
【図４】
2019105187.tif 000006
【図５】
2019105187.tif 000007
【図６】
2019105187.tif 000008
【図７】
2019105187.tif 000009
【図８】
2019105187.tif 000010
【図９】
2019105187.tif 000011
【図１０】
2019105187.tif 000012
【図１１】
2019105187.tif 000013
【図１２】
2019105187.tif 000014
【図１３】
2019105187.tif 000015
【図１４】
2019105187.tif 000016
【図１５】
2019105187.tif 000017
【図１６】
2019105187.tif 000018