(57)【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た触媒コンバータと、
空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定の周期、振幅で強制変動させる空燃比強制変動手段と、
前記触媒コンバータの酸素ストレージについての現在の破過量或いは破過量相関値を検出する破過量検出手段と、
該破過量検出手段により検出される現在の破過量或いは破過量相関値に基づき前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段とを備え、
前記酸素ストレージ量はリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間に相関して増減するものであって、
前記空燃比強制変動手段は、該リーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記空燃比強制変動手段は、前記所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記空燃比強制変動手段は、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほどリーン空燃比時間とリッチ空燃比時間との和である前記所定の周期を短くして空燃比を変調させることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記破過量検出手段は、前記触媒コンバータ下流に設けられて酸素濃度を検出する排ガスセンサであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記劣化判定手段は、前記排ガスセンサからの出力値の変動幅或いは変動幅相関値を破過量相関値として前記触媒コンバータの劣化を判定することを特徴とする、請求項４記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの劣化判定の技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化用の触媒コンバータにおいては、触媒に付加された酸素ストレージ能力が触媒性能（ＨＣ浄化性能）と相関性が高いことから、特にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質を多く含むような触媒コンバータにおいては、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の変化を検出することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が広く知られている。
【０００３】
この触媒劣化検出方法では、触媒コンバータに流入する排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定周期、振幅で変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒コンバータに吸蔵されるために触媒下流の排気空燃比の応答が遅く、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒コンバータにあまり吸蔵されることなく排出されて触媒下流の排気空燃比の応答が速くなるという特性を利用しており、例えば、触媒下流に設けた酸素センサ（Ｏ2センサ）或いは空燃比センサ（ＬＡＦＳ）からの酸素濃度出力値の周波数または周期を検出し、当該検出値が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が低下、即ち触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような空燃比の変調による触媒劣化検出方法は、セリア等の酸素吸蔵物質を多く含み十分な酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータには有効であるが、セリア等を多く含まず酸素ストレージ能力のもともと低い弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、劣化していなくても触媒コンバータに酸素があまり吸蔵されないために触媒下流の排気空燃比の応答が速く、劣化検出は困難なものとなっている。
【０００５】
つまり、酸素ストレージ能力を有する触媒コンバータの場合には、破過量（触媒コンバータの許容酸素吸蔵量）が多いために排気空燃比の変調によってリーン空燃比となる期間が比較的長くてもリッチ空燃比に切り換わるまで酸素は触媒コンバータに吸蔵され続け、さらにリッチ空燃比では吸蔵された酸素がＨＣやＣＯの酸化に使用され続けることになり、触媒下流では酸素濃度出力値は殆ど変動せず、故に、酸素ストレージ能力が低下して触媒下流の酸素濃度出力値が変動し始めたら破過量が減少し触媒コンバータは劣化したと判定できるのであるが、弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、酸素ストレージは主に貴金属によるものであって破過量が少ないために、すぐに破過量を越え、リーン空燃比とされている間であっても余剰の酸素が触媒コンバータから多量に排出されて触媒下流の酸素濃度出力値が変化し、さらにリッチ空燃比中においても吸蔵された酸素がすぐに酸化剤として使用し尽くされ、やはり触媒下流の酸素濃度出力値が変化して変動し、劣化状態を明確に区別することができないという問題がある。
【０００６】
そして、この傾向は、排気流量が多くなるほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大することから顕著であり、それ故、弱酸素ストレージ能力の触媒コンバータでは、特に排気流量が高流量であるときの劣化判定が極めて困難となっている。
そこで、このような問題を改善すべく、例えば、空燃比フィードバック制御の空燃比変調において、特定の劣化診断時には当該空燃比フィードバック制御に用いられる補正係数設定用制御定数を酸素ストレージ量に応じて変更するように構成した装置が特開平５−９８９４５号公報等により提案されている。
【０００７】
しかしながら、当該公報に示される空燃比フィードバック制御の空燃比変調は、もともと不安定なものであり、補正係数設定用制御定数を変更したとしても破過量を越えてしまう可能性が高く、正確な劣化判定ができないおそれがある。また、当該公報に開示の構成では、予め設定された特定のタイミングでしか触媒の劣化判定を行うことができないため、触媒コンバータの劣化を十分にモニタリングすることができないという欠点がある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、酸素ストレージ能力の低い触媒コンバータであっても容易にして常時精度よく確実に劣化判定可能な排気浄化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間において所定の周期、振幅で強制変動させる空燃比強制変動手段と、前記触媒コンバータの酸素ストレージについての現在の破過量或いは破過量相関値を検出する破過量検出手段と、該破過量検出手段により検出される現在の破過量或いは破過量相関値に基づき前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記酸素ストレージ量はリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間に相関して増減するものであって、前記空燃比強制変動手段は、該リーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴としている。
【００１２】
従って、酸素ストレージ量の相関値であるリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、時間値に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これらの変化や変動を確実に検出可能となり、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１３】
また、請求項２の発明では、前記空燃比強制変動手段は、前記所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が前記触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ前記触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることを特徴としている。
【００１４】
従って、酸素ストレージ量の相関値である所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率となるよう空燃比を切り換えることになり、周期に対する時間比率に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、上記同様、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これらの変化や変動を確実に検出可能となり、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１５】
好ましくは、前記空燃比強制変動手段は、前記リーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が０．３以下且つ０．０５以上となるよう空燃比を変調させるのがよい。
このようにすれば、リーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が０．３以下且つ０．０５以上となるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３）、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３）となるよう空燃比を切り換えることになり、実験により求めた時間比率に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、上記同様に、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１６】
つまり、図４を参照すると、所定の周期に対するリーン空燃比時間比率と触媒下流に設けた破過量検出手段としてのＯ2センサの出力振幅との関係が示されているが、このように、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３の範囲）、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率（０．０５〜０．３の範囲、即ちリーン空燃比時間比率にすると０．７〜０．９５の範囲）とされると、通常は実線で示すようにＯ2センサの出力振幅、即ち排気空燃比の変動が小さく抑えられ、この範囲では、触媒コンバータが劣化すると、Ｏ2センサの出力振幅（破線）が非劣化時の出力振幅（実線）に対して顕著となり、触媒コンバータの劣化を容易にして常時判定可能となるのである。
【００１７】
また、請求項３の発明では、前記空燃比強制変動手段は、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほどリーン空燃比時間とリッチ空燃比時間との和である前記所定の周期を短くして空燃比を変調させることを特徴としている。
従って、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大し、早期に酸素ストレージ量が破過量に達するが、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど所定の周期を短くして空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、排気流量或いは排気流量相関値に因らず、触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、上記同様に、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定可能である。
【００１８】
つまり、図５を参照すると、例えばリーン空燃比時間比率が０．３である場合の空燃比強制変動の周期と触媒下流に設けたＯ2センサの出力振幅との関係が排気流量毎（低流量時及び高流量時）にそれぞれ破線と実線で示されているが、このように、排気流量が高流量である場合には、低流量である場合に比べてＯ2センサの出力振幅が大きくなり始める周期が短いことから、図６に示すマップに基づき、排気流量が大きく高流量であるほど周期を短くする。これにより、通常の非劣化時にはＯ2センサの出力振幅、即ち排気空燃比の変動が小さく抑えられ、触媒コンバータの劣化を容易にして常時判定可能となるのである。
【００１９】
また、好ましくは、前記空燃比強制変動手段は、前記所定の周期が０．８秒以下となるようにして空燃比を変調させるのがよい。
このようにすれば、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大し、早期に酸素ストレージ量が破過量に達するが、所定の周期を０．８秒以下とすることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、実験により求めた所定の周期に基づき、排気流量或いは排気流量相関値に因らず、図５に示すように触媒下流の排気空燃比の変動が小さく抑えられる。これにより、やはり、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定可能である。
【００２０】
また、請求項４の発明では、前記破過量検出手段は、前記触媒コンバータ下流に設けられて酸素濃度を検出する排ガスセンサであることを特徴としている。
従って、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これら変化、変動が触媒下流の排ガスセンサで容易に検出され、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく確実に判定可能である。
【００２１】
また、請求項５の発明では、前記劣化判定手段は、前記排ガスセンサからの出力値の変動幅或いは変動幅相関値を破過量相関値として前記触媒コンバータの劣化を判定することを特徴としている。
従って、触媒下流の排ガスセンサを用いれば、特に触媒下流の排気空燃比の変動幅を容易に検出でき、当該変動幅に基づけば、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下して破過量が減少し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく判定可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００２３】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００２４】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００２５】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２６】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００２７】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）のいずれかを有している。
【００２８】
なお、活性貴金属は、酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有しており、つまり、排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ2）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ2を吸着し、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においてもストレージＯ2によりＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたＯ2により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可能である。但し、これらの活性貴金属は、セリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質ほどのＯ2ストレージ能力は有していない。このような三元触媒３０を弱Ｏ2ストレージ能力の触媒コンバータと呼ぶ。
【００２９】
また、排気管２０の三元触媒３０下流には、Ｏ2センサ（破過量検出手段、排ガスセンサ）２４が配設されている。Ｏ2センサ２４は、酸素濃度に応じて出力電圧が変化するものであり、空燃比がリーン空燃比のときには低い電圧値を示す一方、理論空燃比近傍で急増して空燃比がリッチ空燃比のときには高い電圧値を示すようなセンサである。
【００３０】
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８及びＯ2センサ２４等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００３１】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００３２】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本実施例の排気浄化装置では、三元触媒３０の能力を十分発揮するために、通常運転時には、ＥＣＵ４０によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている。つまり、ここでは、図２に示すように、空燃比Ａ／Ｆを一定期間（リーン時間）に亘りリーン空燃比とした後一定期間リッチ空燃比とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている（空燃比強制変動手段）。なお、変調波形は、ここでは方形波であるが三角波であってもよい。
【００３３】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ2ストレージ機能によりＯ2が吸蔵され、排気空燃比がリッチ空燃比のときにはＮＯxが良好に浄化されるとともに吸蔵されたＯ2によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
そして、本実施例の排気浄化装置では、通常運転時には、いつでも三元触媒３０の劣化判定を行うことが可能である。
【００３４】
図３を参照すると、触媒劣化判定の手順を示す触媒劣化判定ルーチンがフローチャートで示されており（劣化判定手段）、以下、本発明に係る触媒劣化判定について説明する。
上述したように、触媒劣化判定においては空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で変動させることが必要である。この点、本実施例では、上記の如く、通常運転時には排気浄化効率を向上させるために空燃比を強制変動させるようにしており、触媒劣化判定は可能である。
【００３５】
そして、このような空燃比強制変動実施のもと、先ずステップＳ１０では、触媒最適化制御を行う。
図７に示すように、触媒下流に設けた酸素センサ、即ちＯ2センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間には、Ｏ2センサ２４の出力値が所定範囲となるように空燃比をバランスよく変調制御すると高いＮＯx浄化効率が得られるという関係があることが確認されており、ここでは、このように変調度合いを調整することで三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るようにする。
【００３６】
具体的には、例えば平均Ａ／Ｆが所定値（ストイキ近傍等）となるようにしながらリーン空燃比とリッチ空燃比との値を調整することで空燃比をバランスよく変調制御し、Ｏ2センサ２４の出力値が所定範囲となるようにする。
また、同時に、当該出力値の所定範囲内において、三元触媒３０のＯ2ストレージ量が触媒劣化の大きいときの破過量（触媒コンバータの許容酸素吸蔵量）以上且つ触媒劣化の小さいときの破過量以下（（触媒劣化大時破過量）≦（Ｏ2ストレージ量）≦（触媒劣化小時破過量））となるように空燃比強制変動の変調度合いを調整する。
【００３７】
つまり、リーン空燃比において吸蔵される酸素量が破過量に達するまえに、或いはリッチ空燃比において放出される酸素量が破過量に達するまえに空燃比が切り換わるようにし、少なくとも空燃比がリーン空燃比及びリッチ空燃比のいずれか一方にあるときには三元触媒３０下流の酸素濃度が変化せず、Ｏ2センサ２４の出力が変動しないように空燃比強制変動の変調度合いを調整しＯ2ストレージ量を制御する。
【００３８】
具体的には、Ｏ2ストレージ量とリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間とは相関して増減するため、上述した図４に基づき、変調周期に対するリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間の時間比率（（リーン空燃比時間）／（周期））、即ち空燃比デューティが触媒劣化大時破過量に対応する値（０．０５）以上且つ触媒劣化小時破過量に対応する値（０．３）以下の範囲となるように変調度合を調整する。つまり、リーン空燃比時間の時間比率が値（０．０５）以上且つ値（０．３）以下の範囲または値（０．７）以上且つ値（０．９５）以下の範囲となるように変調度合を調整する。
【００３９】
また、図５に基づき上述したように、排気流量が多くなるほど早期にＯ2ストレージ量が破過量に達することから、図６のマップに従い、排気流量が大きいほど変調周期を短くして空燃比を変動させるようにする（（周期）＝ｆ（排気流量））。なお、この際、排気流量については実際に測定してもよいが、排気流量として排気流量相関値（例えば、車速、体積効率、吸入空気量、正味平均有効圧、空気弁開度、エンジン回転速度等）を用いるようにする。
【００４０】
また、図５から明らかなように、変調周期を０．８秒以下にすれば排気流量に拘わらずＯ2センサ２４の出力変動を十分に小さく抑えられるため、変調周期は０．８秒以下に固定してもよい。但し、変調周期をあまり短くし過ぎると、三元触媒３０上流において変調がぼやけて空燃比変調度合いが小さくなるという現象が起こるため、このような現象が発生しないよう、変調周期は、少なくとも０．３秒以上とし、当該０．３秒以上且つ０．８秒以下の範囲とするのがよい。但し、触媒上流の空燃比変調を周波数の関数として予めマップ値として推定している場合は、触媒下流空燃比の振幅の代わりに振幅率（触媒下流空燃比振幅／触媒上流空燃比振幅）によって触媒劣化判定を行うことにより、０．３秒の下限の制約を撤廃することもできる。
【００４１】
なお、変調度合を調整する際のリーン空燃比時間の時間比率や変調周期は、瞬時値であってもよいし、平均的な値であってもよい。
このようにＯ2センサ２４の出力振幅が小さくなるように変調度合いを調整しておくと、その後、破過量が減少して三元触媒３０下流の酸素濃度が変化し始め、Ｏ2センサ２４の出力変動が大きくなったときに、当該出力変動を確実に検出することができ、三元触媒３０のＯ2ストレージ能力が低下したことを容易に検出可能となる。
【００４２】
ステップＳ１１では、触媒劣化判定を開始するか否かを判別する。本実施例では、例えば、所定期間毎に或いは所定走行距離毎に劣化判定を行うようにしており、ここでは、所定期間が経過したか或いは所定走行距離に達したか否かを判別する。なお、触媒劣化判定は空燃比強制変動中に常時行うことも可能であり、その場合には当該ステップＳ１１の判別を省略してもよい。
【００４３】
ステップＳ１１の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１２に進み、Ｏ2センサ２４の出力値を検査し、当該Ｏ2センサ２４の出力値に基づき三元触媒３０のＯ2ストレージ能力が低下したか否かを判別する。
破過量が減少して三元触媒３０下流の酸素濃度が変化し始めると、図８（ｂ）に示すように、空燃比強制変動に対応したＯ2センサ２４の出力変動の振幅（変動幅）Ｗが、図８（ａ）に示すＯ2ストレージ能力が高いときの振幅Ｗminよりも大きくなる。従って、具体的には、次の１）乃至４）の何れかの条件を満たすか否かを判別することによってＯ2ストレージ能力が低下したか否かを判別する。１）（Ｏ2センサ出力振幅）≧（所定値Ａ）
２）（（Ｏ2センサ出力）≦（所定値Ｂ1）となる時間）≦（所定値Ｂ2）
３）（（（Ｏ2センサ出力）≦（所定値Ｃ1）となる時間）/（（Ｏ2センサ出力）
≧（所定値Ｃ2）となる時間））≦所定値Ｃ3
４）（（Ｏ2センサ出力振幅）/（空燃比強制変調幅））≧所定値Ｄ
そして、上述した如くＯ2ストレージ能力と三元触媒３０の触媒性能（ＨＣ浄化性能）とは相関性が高いことから、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記１）乃至４）の何れかの条件が成立し、Ｏ2ストレージ能力が低下したと判定された場合には、ステップＳ１３に進み、三元触媒３０は劣化したものと判定する。
【００４４】
一方、ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ2ストレージ能力は低下していないとみなされる場合には、三元触媒３０は未だ劣化しておらず正常な状態にあると判定する。
このようにして触媒劣化判定が行われるが、本発明の排気浄化装置では、上述したように、三元触媒３０が未だ劣化していないときのＯ2ストレージ量を積極的に制御すべく、三元触媒３０の破過量に応じて空燃比変動の変調度合いを調整し、三元触媒３０が劣化していないときには三元触媒３０下流のＯ2センサ２４の出力値変動を小さく抑えるようにしている。
【００４５】
従って、当該排気浄化装置によれば、破過量が減少し三元触媒３０のＯ2ストレージ能力が低下したことを容易にして確実に検出することが可能であり、三元触媒３０の劣化を常時精度よく判定することができる。
また、本発明の排気浄化装置では、三元触媒３０の上流側にＯ2センサを設けることなく、三元触媒３０下流のＯ2センサ２４のみによって三元触媒３０の劣化を判定するようにしている。従って、簡素且つ低コストにして精度の高い触媒劣化判定を行うことができる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、弱Ｏ2ストレージ能力の三元触媒３０を例に説明したが、セリア（Ｃｅ）を含んだ三元触媒においても、セリア（Ｃｅ）の含有量が少ないような場合もあり、本発明を有効に適用することができるし、触媒コンバータは三元触媒に限定されるものではない。
また、上記実施形態では、Ｏ2センサ２４によって三元触媒３０のＯ2ストレージ能力の低下を検出するようにしたが、Ｏ2センサ２４の代わりに空燃比センサ（ＬＡＦＳ等）を用いるようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、通常運転時において空燃比を強制変動させるようにしたが、例えば、通常運転時には空燃比フィードバック制御を行うようにし、触媒劣化判定時にのみ空燃比を強制変動させるようにしてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の排気浄化装置によれば、酸素ストレージ量の相関値であるリーン空燃比時間またはリッチ空燃比時間が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した破過時間より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した破過時間より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、時間値に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動を小さく抑えることができる。これにより、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定することができる。
【００４９】
これにより、その後、触媒コンバータの酸素ストレージについての現在の破過量或いは破過量相関値、即ち許容酸素吸蔵量が減少したことが観測されると、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなるが、このような変化や変動を確実に検出可能となり、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを常時安定して精度よく判定することができる。
【００５１】
また、請求項２の排気浄化装置によれば、酸素ストレージ量の相関値である所定の周期に対するリーン空燃比時間比率またはリッチ空燃比時間比率が触媒コンバータの所定の非劣化時の破過量に対応した時間比率より小さく且つ触媒コンバータの所定の劣化時の破過量に対応した時間比率より大きくなるよう空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率、或いはリッチ空燃比時間比率が破過量に対応した時間比率となるよう空燃比を切り換えることになり、周期に対する時間比率に基づき、容易にして触媒下流の排気空燃比の変動を小さく抑えることができる。これにより、上記同様、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したことを容易にして常時精度よく判定することができる。
【００５３】
また、請求項３の排気浄化装置によれば、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど触媒コンバータに単位時間当たり流入する酸素量及びＨＣ、ＣＯ量が増大し、早期に酸素ストレージ量が破過量に達するが、排気流量或いは排気流量相関値が大きいほど所定の周期を短くして空燃比を変調させることにより、通常は、リーン空燃比時間が破過時間に達するまえに、或いはリッチ空燃比時間が破過時間に達するまえに空燃比を切り換えることになり、排気流量或いは排気流量相関値に因らず、触媒下流の排気空燃比の変動を小さく抑えることができる。これにより、上記同様に、触媒コンバータの劣化を容易にして常時精度よく判定することができる。
【００５５】
また、請求項４の排気浄化装置によれば、触媒下流の酸素濃度が変化し始め、触媒下流の排気空燃比の変動が大きくなると、これら変化、変動を触媒下流の排ガスセンサで容易に検出でき、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下して破過量が減少し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく確実に判定することができる。
【００５６】
また、請求項５の排気浄化装置によれば、触媒下流の排ガスセンサを用いれば、特に触媒下流の排気空燃比の変動幅を容易に検出でき、当該変動幅に基づけば、触媒コンバータの酸素ストレージ能力が低下して破過量が減少し触媒コンバータが劣化したことを、別途センサを設けることなく、簡単な構成にして精度よく判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。
【図３】触媒劣化判定ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】所定の周期に対するリーン空燃比時間比率と触媒下流に設けたＯ2センサの出力振幅との関係を示す図である。
【図５】空燃比強制変動の周期と触媒下流に設けたＯ2センサの出力振幅との関係を排気流量毎（低流量時及び高流量時）に示した図である。
【図６】排気流量と周期との関係を示すマップである。
【図７】触媒下流に設けたＯ2センサの出力値とＮＯx浄化効率との関係を示す図である。
【図８】Ｏ2ストレージ能力の低下に伴うＯ2センサの出力変動の変化を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
２４  Ｏ2センサ（破過量検出手段、排ガスセンサ）
３０  三元触媒（触媒コンバータ）
４０  ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【図１】
0003962892.tif 000002
【図２】
0003962892.tif 000003
【図３】
0003962892.tif 000004
【図４】
0003962892.tif 000005
【図５】
0003962892.tif 000006
【図６】
0003962892.tif 000007
【図７】
0003962892.tif 000008
【図８】
0003962892.tif 000009