(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に直列に配置された触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
上流側に配置され、酸素の吸蔵及び排出により排気ガスを浄化する上流触媒と、
下流側に配置され、酸素の吸蔵及び排出により排気ガスを浄化する下流触媒と、
前記上流触媒と前記下流触媒との間に生ずる触媒間空燃比に対応する出力を発する触媒間センサと、
前記下流触媒の下流に生ずる触媒後空燃比に対応する出力を発する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力がリッチ出力からリーン出力に変化するのを受けて前記上流触媒の上流に生ずる触媒前空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変化させると共に、前記触媒後センサの出力がリーン出力からリッチ出力に変化するのを受けて前記触媒前空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記触媒間センサのセンサ出力がリーン出力に変化した後、前記触媒後センサのセンサ出力がリーン出力に変化するまでの期間、或いは、前記触媒間センサのセンサ出力がリッチ出力に変化した後、前記触媒後センサのセンサ出力がリッチ出力に変化するまでの期間において、前記下流触媒の酸素吸蔵容量を算出する下流触媒酸素吸蔵容量算出手段と、
前記下流触媒の酸素吸蔵容量に基づいて、当該下流触媒の劣化状態を判定する下流触媒異常判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
【請求項２】
前記アクティブ空燃比制御の実行中に、前記下流触媒酸素吸蔵容量算出手段が前記下流触媒の酸素吸蔵容量を算出するのと並行して、前記触媒後センサのセンサ出力がリーン出力に変化した後、前記触媒間センサのセンサ出力がリッチ出力に変化するまでの期間、或いは、前記触媒後センサのセンサ出力がリッチ出力に変化した後、前記触媒間センサのセンサ出力がリーン出力に変化するまでの期間において、前記上流触媒の酸素吸蔵容量を算出する上流触媒酸素吸蔵容量算出手段と、
前記上流触媒の酸素吸蔵容量に基づいて、当該上流触媒の劣化状態を判定する上流触媒異常判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置される複数の触媒のうち下流に配置される下流触媒の劣化を検出するうえで好適な触媒劣化検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平５−３２１６４２号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に複数の触媒を直列に配置する構成が知られている。内燃機関が所望の排気エミッション特性を実現するためには、その排気通路に配置された触媒が正常に機能することが必要である。従って、上記従来の装置においては、排気通路に配置された複数の触媒のそれぞれにつき、迅速な異常検出が可能であることが望ましい。
【０００３】
複数の触媒のうち、最も上流に配置された触媒（上流触媒）については、その上流側および下流側に空燃比センサ、或いは酸素センサを配置すると共に、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を適当に変動させながら、上記２つのセンサの出力を比較することで迅速な異常検出を実現することができる。つまり、この手法によれば、上流触媒の上流に配置されたセンサの出力が大きく変動する一方で、その下流に配置されたセンサの出力が殆ど変化しない場合には、上流触媒が正常に浄化作用を発揮していると判断することができる。また、下流側のセンサ出力が上流側のセンサ出力に追従した変化を示す場合は、上流触媒が正常に浄化作用を発揮していないと判断することができる。
【０００４】
これに対して、上流触媒の下流に配置された触媒（下流触媒）については、上流触媒の場合と同じ手法によってはその異常を検出することが困難である。つまり、下流触媒には、上流触媒で浄化された後の排気ガスが流入する。このため、内燃機関から流出する排気ガスの空燃比を変動させたとしても、下流触媒の上流における排気空燃比の振動幅は通常は極めて小さなものとなる。このような状況下では、下流触媒が正常であると否とに関わらず、その上流側の排気空燃比とその下流側の排気空燃比との間に大きな差は生じない。このため、下流触媒に関しては、上流触媒の場合と異なり、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を単純に変動させながら、下流触媒の上流および下流に配置した酸素センサの出力を比較することによっては、その劣化を正確に検出することが困難である。
【０００５】
上記従来の装置は、このような困難に対処すべく、下流触媒の異常検出時には、下流触媒の上流における排気空燃比が十分に大きく変動するように空燃比制御を実行することとしている。より具体的には、上流触媒と下流触媒の間に二次空気を導入するための弁機構を設けて、下流触媒の異常検出時には、その弁機構を周期的に開閉させることとしている。このような手法によれば、上流触媒の浄化機能に関わらず、下流触媒に流入する排気ガスの空燃比を大きく振動させることができる。このため、上記従来の装置によれば、上流触媒の劣化のみならず、下流触媒の劣化も迅速に検知することが可能である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３２１６４２号公報
【特許文献２】
特開２００１−３２９８３２号公報
【特許文献３】
特開平９−１１９３０８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置は、下流触媒に流入する排気ガスの空燃比を変動させるために、二次空気の導入機構を必要としている。このため、上記従来の手法を用いて下流触媒の劣化を検出しようとすれば、装置構成の複雑化や、装置コストの上昇といった弊害が生ずる。
【０００８】
下流触媒に流入する排気ガスの空燃比は、例えば、上流触媒に流入する排気ガスの空燃比、すなわち、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を十分に大きく変動させることによっても振幅させることができる。従って、そのような手法を用いることによれば、二次空気の導入機構を追加することなく、つまり、装置構成の複雑化や装置コストの大幅上昇を伴うことなく、下流触媒の劣化検出機能を実現することも可能である。
【０００９】
ところが、このような手法が用いられる場合は、下流触媒に流入する排気ガスの空燃比が、上流触媒の浄化能力に多分に影響されることになる。このため、このような手法によっては、上流触媒の状態と切り放して、下流触媒の劣化状態だけを精度良く検出することが困難である。
【００１０】
更に、上記従来の公報には、下流触媒に流入する排気ガスの空燃比をどのように振幅させるかについては、何ら開示がなされていない。下流触媒の劣化を正確に検出するためには、そこに流入する排気ガスの空燃比を大きな振幅で振動させることが望ましい。しかしながら、その振幅が大きくなるほど、下流触媒の下流には未浄化の排気ガスが流出し易くなる。一方、排気エミッションを良好に維持するうえでは、下流触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さな振幅で変動させることが望ましい。ところが、その振幅が小さくなるに連れて、下流触媒の劣化検出に関する精度は悪化する。この点、上記従来の装置は、最適なエミッション特性を維持しつつ下流触媒の劣化を精度良く検出するという機能を実現するうえで、未だ改良の余地を残すものであった。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、良好なエミッション特性を維持しつつ、精度良く下流触媒の劣化を検出することができ、かつ、簡単な構成で安価に実現することのできる内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、第１の発明は、内燃機関の排気通路に直列に配置された触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
上流側に配置され、酸素の吸蔵及び排出により排気ガスを浄化する上流触媒と、
下流側に配置され、酸素の吸蔵及び排出により排気ガスを浄化する下流触媒と、
前記上流触媒と前記下流触媒との間に生ずる触媒間空燃比に対応する出力を発する触媒間センサと、
前記下流触媒の下流に生ずる触媒後空燃比に対応する出力を発する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力がリッチ出力からリーン出力に変化するのを受けて前記上流触媒の上流に生ずる触媒前空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変化させると共に、前記触媒後センサの出力がリーン出力からリッチ出力に変化するのを受けて前記触媒前空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記触媒間センサのセンサ出力がリーン出力に変化した後、前記触媒後センサのセンサ出力がリーン出力に変化するまでの期間、或いは、前記触媒間センサのセンサ出力がリッチ出力に変化した後、前記触媒後センサのセンサ出力がリッチ出力に変化するまでの期間において、前記下流触媒の酸素吸蔵容量を算出する下流触媒酸素吸蔵容量算出手段と、
前記下流触媒の酸素吸蔵容量に基づいて、当該下流触媒の劣化状態を判定する下流触媒異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に、前記下流触媒酸素吸蔵容量算出手段が前記下流触媒の酸素吸蔵容量を算出するのと並行して、前記触媒後センサのセンサ出力がリーン出力に変化した後、前記触媒間センサのセンサ出力がリッチ出力に変化するまでの期間、或いは、前記触媒後センサのセンサ出力がリッチ出力に変化した後、前記触媒間センサのセンサ出力がリーン出力に変化するまでの期間において、前記上流触媒の酸素吸蔵容量を算出する上流触媒酸素吸蔵容量算出手段と、
前記上流触媒の酸素吸蔵容量に基づいて、当該上流触媒の劣化状態を判定する上流触媒異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示す構成は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２の端部にはエアフィルタ１６が配置されている。エアフィルタ１６の下流には、吸気通路１２を流通する空気量、すなわち、吸入空気量Gaを検出するためのエアフロメータ１８が配置されている。
【００２１】
エアフロメータ１８の下流には、スロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルセンサ２２と、スロットルバルブ２０が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２４とが配置されている。吸気通路１２には、更に、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が配置されている。
【００２２】
排気通路１４には、上流側触媒２８と下流側触媒３０とが直列に配置されている。これらの触媒は、内燃機関１０が始動された後、所定の活性温度に達することにより排気ガスの浄化機能を発揮することができる。上流触媒２８は、内燃機関１０の始動直後および暖機過程での排気エミッション向上を主たる目的としている。下流触媒３０は、通常運転時における排気エミッション向上を主たる目的としている。
【００２３】
上流触媒２８、および下流触媒３０は、それぞれ酸素吸蔵容量（OSC：O2 Storage Capacitor)を有しており、その容量の範囲で酸素を吸蔵することができる。これらの触媒２８，３０は、排気ガス中にHCやCOなどの未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を放出することでそれらの未燃成分を酸化し、また、排気ガス中に酸素やNOxなどが多く含まれている場合は、余剰な酸素を吸蔵し、触媒雰囲気を理論空燃比に保つことができる。上流触媒２８および下流触媒３０は、それぞれ上記の原理により排気ガスを浄化する。
【００２４】
上流側触媒２８の上流には、空燃比センサ３２が配置されている。空燃比センサ３２は、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサである。排気ガス中の酸素濃度は、排気空燃比と相関を有している。このため、空燃比センサ３２によれば、上流触媒２８に流入する排気ガス、つまり、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００２５】
上流触媒２８の下流、つまり、上流触媒２８と下流触媒３０の間には、触媒間酸素センサ３４が配置されている。また、下流触媒３０の更に下流には、触媒後酸素センサ３６が配置されている。触媒間酸素センサ３４、および触媒後酸素センサ３６は、何れも排気ガス中に酸素が存在するか否かに応じて出力を大きく変化させるセンサである。排気ガス中には、排気空燃比がリッチである場合には酸素は残留しない。一方、排気空燃比がリーンである場合は排気ガス中の酸素が残留する。このため、触媒間酸素センサ３４によれば、上流触媒２８から流出してくる排気ガスがリッチであるかリーンであるかを正確に検出することができる。また、触媒後酸素センサ３６によれば、下流触媒３０から流出してくる排気ガスがリッチであるかリーンであるかを正確に検出することができる。
【００２６】
図１に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)４０を備えている。ECU４０には、上述した各種のセンサからセンサ出力が供給されている。また、ECU４０は、それらのセンサ出力に基づいて内燃機関１０に供給すべき燃料量を算出し、その燃料量が噴射されるように燃料噴射弁３０を制御することができる。
【００２７】
［触媒の劣化検出の必要性］
本実施形態のシステムにおいて、内燃機関１０から排出された排気ガスは、上流触媒２８および下流触媒３０を通過した後、大気中に放出される。このため、このシステムにおいて、所望のエミッション特性を維持するためには、上流触媒２８および下流触媒３０が、それぞれ適正な酸素吸蔵容量OSCを有することが必要であり、それらの異常（劣化）は速やかに検出できることが望ましい。
【００２８】
［軌跡長または軌跡比に基づく触媒劣化検出の説明］
図２は、軌跡長または軌跡比に基づく触媒劣化検出の手法を説明するための図を示す。本実施形態において、ECU４０は、後述の如く、この手法を利用して下流触媒３０の劣化を検出する。
図２（Ａ）は、内燃機関の排気通路５０において、触媒５２の上流および下流にそれぞれ上流酸素センサ５４および下流酸素センサ５６が配置されている状態を示している。これらの要素は、図１に示す構成においては、上流触媒２８、空燃比センサ３２、および触媒間酸素センサ３４の組み合わせ、或いは、下流触媒３０、触媒間酸素センサ３４、および触媒後酸素センサ３６の組み合わせに対応している。
【００２９】
図２（Ｂ）は、上流酸素センサ５４により検出される触媒５２の前段の空燃比A/F(1)の波形の一例を示す。図２（Ｃ）は、触媒５２が十分な酸素吸蔵容量OSCを有する環境下で、前段空燃比A/F(1)が図２（Ｂ）に示す如く変化した場合に、下流酸素センサ５４により検出される空燃比、つまり、触媒５２の後段の空燃比A/F(2)の波形である。また、図２（Ｄ）は、触媒５２の酸素吸蔵容量OSCが十分に少ない状況下で前段空燃比A/F(1)が図２（Ｂ）に示す如く変化した場合に、下流酸素センサ５６により検出される後段空燃比A/F(2)の波形である。
【００３０】
触媒５２が十分な酸素吸蔵容量OSCを有する場合は、触媒５２に流入する排気ガスが触媒５２により浄化される。このため、この場合は、前段空燃比A/F(1)が変動しても（図２（Ｂ））、後段空燃比A/F(2)は理論空燃比の近傍に維持される（図２（ｃ））。これに対して、触媒５２の酸素吸蔵容量OSCが不十分である場合は、触媒５２が前段空燃比A/F(1)の変動を吸収できないため、後段空燃比A/F(2)には、前段空燃比A/F(1)に追従した変化が表れる（図２（Ｄ））。このように、触媒後段の空燃比A/F(2)には、触媒５２の酸素吸蔵容量OSCが少なくなるに連れて、前段空燃比A/F(1)に追従した動きが表れ易くなる。
【００３１】
後段空燃比A/F(2)が前段空燃比A/F(1)に追従した変化を示しているか否かは、下流酸素センサ５６の出力軌跡の長さ（軌跡長）に反映される。つまり、前段空燃比A/F(1)が適当に振動する状況下では、後段空燃比A/F(2)が前段空燃比A/F(1)に追従するほど、下流酸素センサ５６の軌跡長は長くなる。このため、下流酸素センサ５６の軌跡長と、触媒５２の酸素吸蔵容量OSC（劣化状態）との間には、図３（Ａ）に示すように、酸素吸蔵容量OSCが少なくなるほど（触媒５２の劣化が進むほど）、その軌跡長が長くなるという関係が成立する。従って、触媒５２の劣化状態は、下流酸素センサ５６の軌跡長に基づいて判断することが可能である。
【００３２】
また、後段空燃比A/F(2)が前段空燃比A/F(1)に追従した変化を示しているか否かは、上流酸素センサ５４の軌跡長L(1)と下流酸素センサ５６の軌跡長L(2)との比（軌跡比＝L(2)／L(1)）にも反映される。つまり、軌跡比L(2)／L(1)は、前段空燃比A/F(1)の変動に関わらず後段空燃比A/F(2)が変動しないほど小さな値となり、後段空燃比A/F(2)が前段空燃比A/F(1)に追従するほど大きな値となる（但し、最大値は１）。このため、上記の軌跡比L(2)／L(1)と、触媒５２の酸素吸蔵容量OSC（劣化状態）との間には、図３（Ｂ）に示すように、酸素吸蔵容量OSCが少なくなるほど（触媒５２の劣化が進むほど）、軌跡比L(2)／L(1)が最大値１に近づくという関係が成立する。従って、触媒５２の劣化状態は、軌跡比L(2)／L(1)に基づいて判断することも可能である。
【００３３】
上述した２つの手法のうち、軌跡長を用いて触媒５２の劣化状態を推定する手法については、触媒５２の前後に共に酸素センサが配置されている場合の他、触媒５２の上流に空燃比センサが配置され、かつ、触媒５２の下流に酸素センサが配置されている場合にも適用することができる。従って、軌跡長を用いる劣化検出の手法は、図１に示す構成において、上流触媒２８の劣化を検出する手法としても、また、下流触媒３０の劣化を検出する手法としても利用することができる。
【００３４】
一方、上述した２つの手法のうち、軌跡比を用いる手法については、触媒５２の前後に同じタイプのセンサが配置されている場合に限って用いることができる。従って、軌跡比を用いる劣化検出の手法は、図１に示す構成においては、下流触媒３０の劣化を検出する手法として用いることができる。つまり、図１に示す構成において、下流触媒３０の劣化を検出する際には、軌跡長を用いる手法と、軌跡比を用いる手法の何れもが適用可能である。これら両者を比べた場合、軌跡比を用いる手法の方が、劣化検出の精度において優れている。このため、本実施形態において、ECU４０は、軌跡比を用いる手法により下流触媒３０の劣化を検出することとしている。
【００３５】
［下流触媒の劣化検出原理］
上流触媒２８と下流触媒３０の間における排気空燃比（以下、「触媒間空燃比A/F(I)」と称す）が理論空燃比の近傍に維持される場合は、下流触媒３０の劣化状態に関わらず、下流触媒３０の下流における空燃比（以下、「触媒後空燃比A/F(R)」と称す）は常に理論空燃比の近傍値となる。従って、何れの手法を用いるとしても、下流触媒３０の劣化を検出するためには、触媒間空燃比A/F(I)をある程度の幅で変動させることが必要である。
【００３６】
触媒間空燃比A/F(I)を変動させるにあたり、その振幅巾が不足していると、下流触媒３０に劣化が生じていても、触媒後空燃比A/F(R)に十分な変動が表れないことがある。このため、軌跡長および軌跡比の何れを用いるにしても、下流触媒３０の劣化を精度良く検知するためには、触媒間空燃比A/F(I)が十分な振幅巾で変動することが望ましい（要求１）。
【００３７】
下流触媒３０の劣化が進んでいる場合は、触媒間空燃比A/F(I)がそのまま下流触媒３０の下流に吹き抜ける事態が生ずる。従って、触媒間空燃比A/F(I)を変動させるにあたり、その空燃比A/F(I)がリッチまたはリーンに維持される期間が長期化するほど、内燃機関１０の排気エミッション悪化し易くなる。一方、下流触媒３０の劣化状態を軌跡長或いは軌跡比に反映させるうえでは、触媒間空燃比A/F(I)を変動させることが重要であり、その空燃比A/F(I)がリッチ或いはリーンに維持される期間を長期化することは、劣化検出の精度を何ら向上させるものではない。このため、下流触媒３０の劣化検出のために触媒間空燃比A/F(I)を変動させる際には、その空燃比A/F(I)がリッチ或いはリーンに維持される期間は必要最小限であることが望ましい（要求２）。
【００３８】
［アクティブ空燃比制御の説明］
本実施形態において、ECU４０は、上述した２つの要求に応えるべく、下流触媒３０の劣化検出が要求される場合に、以下の説明するアクティブ空燃比制御を実行することで、触媒間空燃比A/F(I)に適切な振幅を与えることとしている。
図４は、ECU４０が実行するアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は、上流触媒２８に流入する排気ガスの空燃比（以下、「触媒前空燃比A/F(F)」と称す）がリッチであるかリーンであるかを表す波形を示す。また、図４（Ｂ）は、触媒間酸素センサ３４のセンサ出力波形を示す。更に、図４（Ｃ）は、触媒間空燃比A/F(I)の変化を示す。
【００３９】
アクティブ空燃比制御の実行中は、先ず、触媒前空燃比A/F(F)が所定のリッチ空燃比またはリーン空燃比に維持される。図４（Ａ）は、時刻t1以前において、触媒前空燃比A/F(F)がリッチ空燃比に維持されている状態を示している。触媒前空燃比がリッチ空燃比に維持されると、上流触媒２８は、吸蔵酸素を放出して排気ガス中の未燃成分（HC、CO）の酸化を図る。上流触媒２８中に吸蔵酸素が残存している期間中は、その下流には理論空燃比に浄化された排気ガスが流出する。従って、その間、触媒間空燃比A/F(I)はほぼ理論空燃比に維持される。
【００４０】
触媒前空燃比がリッチに維持された結果、上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費されると、その後、上流触媒２８の下流には、未燃成分を含むリッチな排気ガスが流出し始める。図４（Ｃ）は、時刻t1において上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費され、その結果、触媒間空燃比A/F(I)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化した状態を示している。
【００４１】
触媒間空燃比A/F(I)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化すると、触媒間酸素センサ３４のセンサ出力は、図４（Ｂ）に示すようにリーン出力からリッチ出力に変化する。ECU４０は、そのセンサ出力がリッチ出力であるかリーン出力であるかを判定するために、リーン判定値VLおよびリッチ判定値VRを用いている。より具体的には、ECU４０は、触媒間酸素センサ３４の出力が、リッチ判定値VRを超えると、そのセンサ出力がリッチ出力に変化したと判断し、一方、触媒間酸素センサ３４の出力がリーン判定値VLを下回ると、そのセンサ出力がリーン出力に変化したと判断する。図４に示す時刻t1は、上記の基準に従って、触媒間酸素センサ３４の出力がリッチ出力に変化したと判断された時刻である。
【００４２】
アクティブ空燃比制御の実行中、ECU４０は、触媒間酸素センサ３４の出力がリッチ出力に変化したと判断すると、その時点で、上流触媒２８の吸蔵酸素が使い果たされたと判断する。そして、ECU４０は、その後、触媒前空燃比A/F(F)がリーンに反転するように、吸入空気量Gaに対する燃料噴射量の割合を変化させる。その結果、時刻t1の後、図４（Ａ）に示すように、触媒前空燃比A/F(F)はリッチからリーンに反転する。
【００４３】
触媒前空燃比A/F(F)がリッチからリーンに反転された後、その反転の影響を受けた排気ガスが上流触媒２８の下流に流出してくるまでの期間（以下、「ガス輸送遅れ期間」と称す）は、触媒間空燃比A/F(I)がリッチに維持される。そして、そのガス輸送遅れ期間が経過した後（図４における時刻t2の後）は、リーンに反転した後に上流触媒２８に流入し、その内部で処理された排気ガスが上流触媒２８の下流に流出してくる。
【００４４】
時刻t1において、上流触媒２８は、全ての吸蔵酸素を放出した状態となっている。この状態で、上流触媒２８に空燃比のリーンな排気ガスが流入すると、上流触媒２８は、排気ガス中の余剰な酸素を吸蔵することで触媒雰囲気を理論空燃比に保ち、排気ガスを浄化する。このため、上記のガス輸送遅れ期間が経過した後に、つまり、図４に示す時刻t2の後に上流触媒２８の下流に流出してくる排気ガスの空燃比（触媒間空燃比A/F(I)）は、再び理論空燃比の近傍値となる。
【００４５】
アクティブ空燃比制御の実行中は、以後、触媒前空燃比A/F(F)がリーンに維持される。触媒前空燃比A/F(F)がリーンに維持されている期間中、上流触媒２８は、酸素吸蔵能力一杯に酸素を吸蔵するまで、排気ガス中の酸素を吸蔵し続ける。そして、上流触媒２８に酸素吸蔵能力一杯の酸素が吸蔵されると、その後、上流触媒２８の下流には、酸素を含むリーンな排気ガスが流出し始める。
【００４６】
図４に示す時刻t3は、上流触媒２８の下流にリーンな排気ガスが流出し始めた結果、触媒間酸素センサ３４の出力がリーン判定値VLを下回った時刻を示す。ECU４０は、触媒間酸素センサ３４の出力がリーンに反転したと認識すると、触媒前空燃比A/F(F)がリッチに反転するように、吸入空気量Gaに対する燃料噴射量の割合を変化させる。以後、アクティブ制御の実行が継続される限り、触媒間酸素センサ３４の出力反転を受けて触媒前空燃比A/F(F)を強制的に反転させる処理が繰り返し実行される。その結果、アクティブ制御の実行中は、図４（Ｃ）に示すように、触媒間空燃比A/F(I)が周期的にリッチ空燃比とリーン空燃比の間で変動する。
【００４７】
上述したアクティブ空燃比制御によれば、触媒間空燃比A/F(I)は、触媒間酸素センサ３４の出力がリッチ判定値VRを上回るまでリッチ側に振られ、かつ、その出力がリーン判定値VLを下回るまでリーン側に振られる。つまり、本実施形態の装置によれば、触媒間酸素センサ３４の出力が確実にリッチ出力VRとリーン出力VLとの差を超える振幅で振動するように触媒間空燃比A/F(I)を大きく変化させることができる。このため、本実施形態の装置によれば、軌跡長を用いる手法によっても、軌跡比を用いる手法によっても、下流触媒３０の劣化を精度良く検出することができる。
【００４８】
また、上述したアクティブ空燃比制御によれば、ECU４０は、触媒間空燃比A/F(I)がリッチになったと認識すると同時に、そのリッチを解消すべく、触媒前空燃比A/F(F)をリーンに反転させる。更に、ECU４０は、触媒間空燃比A/F(I)がリーンになったと認識すると同時に、そのリーンを解消すべく、触媒前空燃比A/F(F)をリッチに判定させる。このような制御によれば、触媒間空燃比A/F(I)がリッチ或いはリーンに維持される期間は必要最小限に抑えられる。このため、本実施形態の装置によれば、排気エミッションを悪化させることなく、下流触媒３０の劣化検出を行うことができる。
【００４９】
［下流触媒の劣化検出のための具体的処理内容］
次に、図５および図６を参照して、本実施形態において、ECU４０が、下流触媒３０の劣化検出のために実行する具体的処理の内容について説明する。
図５は、ECU４０が、下流触媒の劣化を検出するために実行する制御ルーチンのフローチャートである。
図５に示すルーチンでは、先ず、劣化検出の実行条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１００）。
本ステップ１００では、具体的には、上流触媒２８および下流触媒３０の温度が、それぞれ活性温度に達しているか、吸入空気量Gaが安定しているか、更には、吸入空気量Gaが所定量を超えているかなどの条件が判定される。劣化検出の実行条件は、これらの条件が全て成立している場合に、成立していると判定される。
【００５０】
上記ステップ１００において、劣化検出の実行条件が成立していないと判別された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、その実行条件が成立していると判別された場合は、次に、アクティブ空燃比制御の実行が指令される（ステップ１０２）。
ECU４０は、本ステップ１０２の処理によりアクティブ空燃比制御の実行が指令されると、以後、上述した規則に従って、触媒間酸素センサ３４の出力が反転する毎に触媒前空燃比A/F(F)が反転するように燃料噴射量を制御する。
【００５１】
図５に示すルーチンでは、次に、触媒間酸素センサ３４の出力軌跡の長さ（以後、「触媒間軌跡長L(I)」と称す）、および触媒後酸素センサ３６の出力軌跡の長さ（以下、「触媒後軌跡長L(R)」と称す）が算出される（ステップ１０４）。
図６は、ECU４０が、本ステップ１０４において、触媒間軌跡長(L(I)を算出するための実行するルーチンのフローチャートを示す。尚、触媒間軌跡長L(I)を算出する手順と触媒後軌跡長L(R)を算出する手順とは、算出の基礎とされるセンサ出力が異なることを除き同様であるため、ここでは、前者についてのみ説明を行い、後者については、その説明を省略する。
【００５２】
図６に示すルーチンでは、先ず、触媒間軌跡長L(I)の算出条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１１０）。
この算出条件は、図５に示すルーチンにおいて、ステップ１０４の実行が要求されることにより成立する。
【００５３】
触媒間軌跡長L(I)の算出条件が成立すると判別されると、触媒間酸素センサ３４から発せられている現在の出力Vnがラッチされる（ステップ１１２）。
次に、現在の出力Vnと、前回の処理サイクル時における出力Vn-1との差ΔVn＝（Vn−Vn-1）が算出される（ステップ１１４）。
次いで、上記の出力差ΔVnが所定範囲内であるか否かが判別される（ステップ１１６）。
【００５４】
上記の所定範囲は、ノイズに起因する出力変化と、ノイズによらない出力変化とを区別するために設定された範囲である。このため、上記ステップ１１６において、出力差ΔVnが所定範囲内であると判別された場合は、その出力差ΔVnはノイズに起因しており、触媒間センサ３４の出力には現実には変化が生じていないと判断される。
図６に示すルーチンでは、この場合、触媒間軌跡長L(I)が前回の処理サイクル時に算出された値のまま保持される（ステップ１１８）と共に、前回の処理サイクル時に記憶された出力Vn-1が、次回の処理サイクル時にも前回出力Vn-1として使用されるべく（上記ステップ１１４参照）、そのまま保持される（ステップ１２０）。
【００５５】
一方、上記ステップ１１６において、触媒間センサ３４の出力差ΔVnが所定範囲内でないと判別された場合は、触媒間酸素センサ３４の出力にノイズによらない現実の変化が発生したと判断される。
この場合、このルーチンによれば、前回の処理サイクル時に算出された触媒間軌跡長L(I)に、今回の処理サイクル時に検出された出力差ΔVnを加えることで触媒間軌跡長L(I)が更新される（ステップ１２２）。
更に、次回の処理サイクル時には、今回の処理サイクル時に検出された出力Vnが前回出力Vn-1として使用されるべく（上記ステップ１１４参照）、前回出力Vn-1の更新処理が行われる（ステップ１２４）。
【００５６】
図６に示すルーチンは、所定の微小な時間間隔で実行される。この場合、各処理サイクル間に触媒間センサ３４の出力に現実に生じた変化（出力差ΔVn）を積算すれば、実質的にその出力の軌跡長を得ることができる。従って、上述した一連の処理によれば、触媒間センサ３４の出力に重畳するノイズの影響を排除しつつ、精度良く触媒間軌跡長L(I)を算出することができる。
【００５７】
以後、再び図５に示すルーチンについて説明する。
図５に示すルーチン中、上記ステップ１０４の処理によれば、上記図６に示す手順に従って、触媒間軌跡長L(I)および触媒後軌跡長L(R)の双方を、それぞれ、ノイズの影響を受けることなく精度良く算出することができる。この処理が終了すると、次に、それらの軌跡長の算出が開始された後に生じた触媒間酸素センサ３４の出力反転回数が所定値に達したか否かが判別される（ステップ１３０）。
【００５８】
その結果、上記の出力反転回数が未だ所定値に達していないと判別された場合は、下流触媒３０の劣化状態を精度良く判断するに足る変化が、その上流の空燃比に、つまり、触媒間空燃比A/F(I)に生じていないと判断される。この場合、下流触媒３０の劣化状態を判定することなく、今回の処理サイクルが終了される。
【００５９】
一方、上記ステップ１３０において、その出力反転回数が所定値に達していると判別された場合は、下流触媒３０の劣化状態を精度良く判断するに足る変化が触媒間空燃比A/F(I)に生じたと判断される。この場合、次に、軌跡比L(R)／L(I)が算出される（ステップ１３２）。
【００６０】
次いで、その軌跡比L(R)／L(I)が、所定の判定値より大きいか否かが判別される（ステップ１３４）。
軌跡比L(R)／L(I)は、既述した通り、触媒後酸素センサ３０の出力が、触媒間空燃比A/F(I)の変化に追従して変化するほど最大値１に近づく特性を有している。つまり、軌跡比L(R)／L(I)は、下流触媒３０の浄化能力が低いほど最大値１に近づく特性を有している。このため、軌跡比L(R)／L(I)が判定値を超えている場合は、下流触媒３０に劣化が生じていると判断することが可能である。
【００６１】
図５に示すルーチンでは、上記ステップ１３４において、軌跡比L(R)／L(I)が判定値を超えていないと判別された場合は、下流触媒３０につき正常判定がなされる（ステップ１３６）。
一方、軌跡比L(R)／L(I)が判定値を超えていると判別された場合は、下流触媒３０につき異常判定がなされる（ステップ１３８）。
【００６２】
以上説明した通り、図５および図６に示すルーチンによれば、アクティブ空燃比制御を実行することで、触媒間空燃比A/F(I)を、大きく、かつ、リッチ期間およびリーン期間が最短となるように変動させることができる。更に、それらのルーチンによれば、ノイズの影響を受けずに精度良く軌跡比L(R)／L(I)を算出して、その値に基づいて下流触媒３０の劣化状態を判断することができる。このため、本実施形態の装置によれば、排気エミッションを悪化させることなく、下流触媒３０の劣化状態を、バラツキ無く正確に判定することができる。
【００６３】
ところで、上述した実施の形態１においては、軌跡比L(R)／L(I)に基づいて下流触媒３０の劣化を検出することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、下流触媒３０の劣化は、触媒後軌跡長L(I)に基づいて判断することとしてもよい。
【００６４】
また、上述した実施の形態１においては、下流触媒３０の劣化を軌跡比L(R)／L(I)に基づいて判定することとの関係上、上流触媒２８と下流触媒３０の間に酸素センサ（触媒間酸素センサ３４）を配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、下流触媒３０の劣化を触媒後軌跡長L(R)に基づいて判断する場合には、上流触媒２８と下流触媒３０の間に配置されるセンサは、空燃比センサであってもよい。
【００６８】
実施の形態２．
［実施の形態２の装置の特徴］
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の装置は、図１に示すシステムにおいて、ECU４０に、後述する図７に示すルーチンと共に上記図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００６９】
上述した実施の形態１の装置は、下流触媒３０の劣化を精度良く検出する機能を有している。ところで、図１に示す構成を有する装置が正常に機能するためには、下流触媒３０が正常であることに加えて、上流触媒２８が正常であること、つまり、上流触媒２８が適正な酸素吸蔵容量OSCを有していることが必要である。このため、図１に示す構成を有する装置においては、上流触媒２８の劣化も正確に判定できることが望ましい。
【００７０】
本実施形態の装置は、上述した実施の形態１の装置と同様に、下流触媒３０の劣化検出の際にはアクティブ空燃比制御を実行する。ここで、アクティブ空燃比制御とは、既述した通り、触媒間酸素センサ３４の出力反転する毎に、触媒前空燃比A/F(F)、つまり、上流触媒２８に流入する排気ガスの空燃比を反転させる制御である（図４参照）。
【００７１】
触媒間酸素センサ３４の出力は、上流触媒２８内の吸蔵酸素が全て消費された時点でリーン出力からリッチ出力に反転し（図４における時刻t1）、上流触媒２８に酸素吸蔵容量一杯に酸素が吸蔵された時点でリッチ出力からリーンに反転する（図４における時刻t3）。従って、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSCは、触媒間酸素センサ３４の出力がリッチ出力に反転した時刻から、その出力がリーン出力に反転するまでの間に、上流触媒２８に吸蔵された酸素量の積分値として、或いは、触媒間酸素センサ３４の出力がリーン出力に反転した時刻から、その出力がリッチ出力に反転するまでの間に、上流触媒２８から放出された酸素量の積分値として検出することが可能である。
【００７２】
上流触媒２８は、触媒前空燃比A/F(F)が理論空燃比A/Fstoichiよりリッチである場合、つまり、A/F(F)＜A/Fstoichiである場合に、酸素の不足分を補うように酸素を放出する。この場合、内燃機関１０に対する燃料供給量をFとすると、不足する酸素量QO２は、触媒前空燃比A/F(F)と理論空燃比A/Fstoichiを用いて次式のように表すことができる。但し、次式中、計数ｋは、空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。
0004314815.tif 000002
【００７３】
また、上流触媒２８は、触媒前空燃比A/F(F)が理論空燃比A/Fstoichiよりリーンである場合、つまり、A/F＞A/Fstoichiである場合に、酸素の過剰分を吸蔵する。この場合、内燃機関１０に対する燃料供給量をFとすると、過剰な酸素量QO２は、やはり上記（１）式により表すことができる。
【００７４】
本実施形態において、ECU４０は、空燃比センサ３２により触媒前空燃比A/F(F)を検出することができる。また、ECU４０は、燃料噴射量自体を制御しているため、単位時間当たりの燃料供給量Fを検知することができる。このため、ECU４０は、それらのA/F(F)およびFを上記（１）式に代入することにより、単位時間当たりの不足或いは過剰酸素量QO２を算出することができる。そして、ECU４０は、アクティブ空燃比制御の実行に伴って触媒間酸素センサ３４の出力が反転する環境下で、その反転を起点および終点として酸素量QO２を積分することにより、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)を算出することができる。
【００７５】
ところで、アクティブ空燃比制御は、強制的に触媒前空燃比A/F(F)を変動させて、上流触媒２８の下流にリッチまたはリーンな排気ガスを吹き抜けさせる制御であるから、ドライバビリティやエミッション特性の悪化を避ける意味で、その実行頻度は低いことが望ましい。そこで、本実施形態の装置は、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)を検知するためのアクティブ空燃比制御と、下流触媒３０の異常検出のためのアクティブ空燃比制御とを兼用するため、それら両者の制御を同時に進行させることとした。
【００７６】
［実施の形態２で実行される制御の具体的説明］
図７は、上記の機能を実現すべく、本実施形態においてECU４０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。尚、図７において、上記図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００７７】
図７に示すルーチンは、ステップ１０４の後に、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)を算出するためのステップ１４０〜１５０が挿入されている点、および、ステップ１３８の後に、上流触媒２８の異常を判定するためのステップ１５２〜１５８が挿入されている点を除き、図５に示すルーチンと同一である。
【００７８】
すなわち、図７に示すルーチンでは、ステップ１０４において触媒間軌跡長L(I)および触媒後軌跡長L(R)が算出された後、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて触媒間酸素センサ３４の出力が反転しているか否かが判別される（ステップ１４０）。
【００７９】
その結果、触媒間酸素センサ３４の出力反転が生じていると判別された場合は、その時点で、上流触媒２８が、吸蔵酸素を全て放出した状態に達したか、或いは、容量一杯に酸素を吸蔵した状態に達したと判断することができる。この場合、その時点で算出されている吸蔵酸素容量OSC（算出手法は後述する）が、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)として記憶され（ステップ１４２）、次いで、現時点で算出されていたOSCがクリアされる（ステップ１４４）。
【００８０】
一方、上記ステップ１４０において、触媒間酸素センサ３４の出力反転が生じていないと判別された場合は、上記ステップ１４２および１４４の処理がジャンプされ、吸蔵酸素容量OSCを算出するための処理が実行される。上記ステップ１４０〜１４４の処理によれば、触媒間酸素センサ３４の出力が反転する毎に、その時点で算出されていた酸素吸蔵容量OSCを上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)として記憶し、かつ、新たに酸素吸蔵容量OSCの算出を開始することができる。
【００８１】
酸素吸蔵容量OSCを算出する処理としては、先ず、空燃比差ΔA/Fが検出される（ステップ１４６）。
空燃比差ΔA/Fは、上記（１）式に含まれる値、すなわち、空燃比センサ３２により検出される触媒前空燃比A/F(F)と理論空燃比A/Fstoichiとの差（│A/Fstoichi−A/F(F)│）である。
【００８２】
ECU４０は、次に、単位時間当たり（本ステップの実行周期当たり）の燃料噴射量Fを算出する（ステップ１４８）。
そして、算出された燃料噴射量Fと上記の空燃比差ΔA/Fとを上記（１）式に代入して、単位時間当たりの不足または過剰酸素量QO２＝ｋ・ΔA/F(F)・Fを算出し、更に、その酸素量QO２の積分値（上記ステップ１４０の条件が成立した後の積分値）を、酸素吸蔵容量OSCの最新値として算出する（ステップ１５０）。
【００８３】
上述した一連の処理（ステップ１４０〜１５０）によれば、触媒間酸素センサ３４の出力が反転する毎に、前回その出力が反転した後、今回の出力反転が生ずるまでの間に発生した不足または過剰酸素量QO２の積算値を、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)として記憶することができる。このような手順によれば、触媒間軌跡長L(I)および触媒後軌跡長L(R)を求めるためのアクティブ空燃比制御の実行中に、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)を正確に検知することができる。
【００８４】
図７に示すルーチンでは、ステップ１３０において、触媒間酸素センサ３４の出力反転回数が所定値に達したと判断された後に、下流触媒３０の異常を判定するためのステップ１３２〜１３８に次いで、現在までに検知された上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)の平均値OSC(F)AVEが算出される（ステップ１５２）。
【００８５】
次に、その平均値OSC(F)AVEが、所定の判定値より少ないか否かが判別される（ステップ１５４）。
本ステップ１５４で用いられる判定値は、上流触媒２８が正常であるか否かを区別するために設定された酸素吸蔵容量OSCの境界値である。従って、OSC(F)AVEがその判定値以上であれば上流触媒２８が正常であると判断することができ、一方、OSC(F)AVEがその判定値より少ない場合は、上流触媒２８に劣化が生じていると判断できる。
【００８６】
図７に示すルーチンでは、上記ステップ１５４において、OSC(F)AVEが判定値より小さくないと判断された場合は、上流触媒２８につき正常判定がなされる（ステップ１５６）。
これに対して、OSC(F)AVEが判定値より小さいと判別された場合は、上流触媒２８につき異常判定がなされる（ステップ１５８）。
【００８７】
以上説明した通り、図７に示すルーチンによれば、アクティブ空燃比制御の実行中に、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)の算出と、下流触媒３０前後の軌跡比L(I)／L(R)の算出とを同時に行うことができる。このため、本実施形態の装置によれば、ドライバビリティやエミッションの悪化を抑制しつつ、上流触媒２８の劣化状態、および下流触媒３０の劣化状態を正確に判定することができる。
【００８９】
実施の形態３．
［実施の形態３の装置の特徴］
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態の装置は、図１に示すシステムにおいて、ECU４０に、後述する図９および図１０に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００９０】
上述した実施の形態１および２の装置は、何れも下流触媒３０の劣化状態を軌跡比L(R)／L(I)または軌跡長L(R)に基づいて判断することとしている。これに対して、本実施形態の装置は、下流触媒３０の劣化状態を、下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)に基づいて判断することとしている。更に、本実施形態の装置は、実施の形態２の場合と同様に、ドライバビリティやエミッションの悪化を抑制すべく、下流触媒３０の劣化検出と、上流触媒２８の劣化検出とを、同時に進行させることとしている。
【００９１】
［実施の形態３で用いられる劣化検出の原理］
図８は、本実施形態の装置が上流触媒２８および下流触媒３０の劣化を検出する際の動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図８（Ａ）は触媒前空燃比A/F(F)がリッチであるかリーンであるかを示す波形、図８（Ｂ）は触媒間酸素センサ３４のセンサ出力波形、また、図８（Ｃ）は触媒間空燃比A/F(I)の波形である。更に、図８（Ｄ）および図８（Ｅ）は、それぞれ、触媒後酸素センサ３６の出力波形、および触媒後空燃比A/F(R)の波形である。
【００９２】
上述した実施の形態１および２では、触媒間酸素センサ３４の出力に基づいてアクティブ空燃比制御が実行される。これに対して、本実施形態では、触媒後酸素センサ３６の出力に基づいてアクティブ空燃比制御が実行される。すなわち、本実施形態において、ECU４０は、触媒後酸素センサ３６の出力が反転する毎に、触媒前空燃比A/F(F)が反転するように燃料噴射量の切り換えを行う。以下、図８を参照して、本実施形態において実行されるアクティブ空燃比制御の内容につき、詳細に説明する。
【００９３】
本実施形態において、ECU４０は、アクティブ空燃比制御が開始された後、先ず、触媒前空燃比A/F(F)を所定のリッチ空燃比またはリーン空燃比に維持する。図８（Ａ）は、時刻T1以前において、触媒前空燃比A/F(F)がリッチ空燃比に維持されている状態を示している。触媒前空燃比がリッチ空燃比に維持されると、上流触媒２８は、吸蔵酸素を放出して排気ガスを浄化する。上流触媒２８中に吸蔵酸素が残存している期間中は、その下流には理論空燃比に浄化された排気ガスが流出する。従って、その間、触媒間空燃比A/F(I)はほぼ理論空燃比に維持される（図８（Ｃ）参照）。
【００９４】
触媒前空燃比がリッチに維持された結果、上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費されると、その後、上流触媒２８の下流には、未燃成分を含むリッチな排気ガスが流出し始める。図８（Ｃ）は、時刻T1において上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費され、その結果、触媒間空燃比A/F(I)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化した状態を示している。
【００９５】
触媒間空燃比A/F(I)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化すると、触媒間酸素センサ３４のセンサ出力は、図８（Ｂ）に示すようにリーン出力からリッチ出力に変化する。図８に示す例において、ECU４０は、時刻T1において、触媒間酸素センサ３４の出力がリーン出力からリッチ出力に変化したことを認識する。
【００９６】
ECU４０は、触媒間空燃比A/F(I)がリッチ空燃比に変化した後も触媒前空燃比A/F(F)を引き続きリッチに維持する。その結果、時刻T1以降、下流触媒３０には、空燃比のリッチな排気ガスが流入し始める。空燃比のリッチな排気ガスが流入してくると、下流触媒３０は、吸蔵酸素を放出しながらその排気ガスを浄化する。下流触媒３０中に吸蔵酸素が残存している期間中は、その下流には理論空燃比に浄化された排気ガスが流出する。従って、その間、触媒後空燃比A/F(R)はほぼ理論空燃比に維持される（図８（Ｅ）参照）。
【００９７】
触媒前空燃比がリッチに維持された結果、下流触媒３０中の吸蔵酸素が全て消費されると、その後、下流触媒３０の下流には、未燃成分を含むリッチな排気ガスが流出し始める。図８（Ｅ）は、時刻T2において下流触媒３０中の吸蔵酸素が全て消費され、その結果、触媒後空燃比A/F(R)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化した状態を示している。
【００９８】
触媒後空燃比A/F(R)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化すると、触媒後酸素センサ３６の出力は、図８（Ｄ）に示すようにリーン出力からリッチ出力に変化する。図８に示す例において、ECU４０は、時刻T2において触媒後酸素センサ３６の出力がリーン出力からリッチ出力に変化したことを認識する。
【００９９】
本実施形態におけるアクティブ空燃比制御が実行されている場合、ECU４０は、触媒後酸素センサ３６の出力がリッチ出力に変化した時点（時刻T2）で、上流触媒２８も、下流触媒３０も、全ての吸蔵酸素を使い果たしたと判断することができる。そして、ECU４０は、このような状況が認識されると、その後速やかに、触媒前空燃比A/F(F)がリーンに反転するように吸入空気量Gaに対する燃料噴射量の割合を変化させる。その結果、時刻t2の後、図８（Ａ）に示すように、触媒前空燃比A/F(F)はリッチからリーンに反転する。
【０１００】
時刻T2において、上流触媒２８は、全ての吸蔵酸素を放出した状態となっている。この状態で上流触媒２８に空燃比のリーンな排気ガスが流入すると、上流触媒２８は、排気ガス中の過剰酸素を吸蔵しつつその浄化を図ることができる。このため、時刻T2の後、排気ガスが上流触媒２８を通過するのに要するガス輸送遅れ期間が経過すると、触媒間空燃比A/R(I)は理論空燃比の近傍値に変化する（図８（Ｃ）参照）。
【０１０１】
以後、触媒前空燃比A/F(F)がリーンに維持される限り、上流触媒２８は、排気ガス中の過剰酸素を吸蔵し続ける。そして、上流触媒２８に容量一杯の酸素が吸蔵されると、上流触媒２８の下流に酸素を含むリーンな排気ガスが流出し始める。図８に示す例では、時刻T3に触媒間空燃比A/F(I)が理論空燃比からリーン空燃比に変化し（図８（Ｃ）参照）、また、触媒間酸素センサ３４の出力がリーン判定値VLを下回る値に変化している（図８（Ｂ）参照）。この場合、ECU４０は、時刻T3において、上流触媒２８に酸素吸蔵容量OSC(F)一杯の酸素が吸蔵されたと認識することができる。
【０１０２】
図８に示す例では、時刻T2において触媒後酸素センサ３６の出力がリッチに反転した後、排気ガス中の過剰酸素量QO2が上流触媒２８に吸蔵され続けた結果、時刻T3において上流触媒２８が酸素を容量一杯に吸蔵した状態に至っている。従って、この場合、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)は、時刻T2から時刻T3の間、つまり、触媒後酸素センサ３６の出力がリッチに反転した後、触媒間酸素センサ３４の出力がリーンに反転するまでの間、過剰酸素量QO2を積算することにより算出することができる。
【０１０３】
既述した通り、時刻T2において、下流触媒３０は全ての吸蔵酸素を放出した状態となっている。時刻T2の後、上流触媒２８が排気ガスを浄化し、触媒間空燃比A/F(I)が理論空燃比に維持される期間（時刻T2−T3の期間）は、下流触媒３０が酸素を完全に放出した状態のまま維持される。そして、時刻T3の後、下流触媒３０に対して空燃比のリーンな排気ガスが流入し始めると、下流触媒３０は、排気ガス中の過剰酸素を吸蔵しつつその浄化を図る。
【０１０４】
以後、触媒前空燃比A/F(F)がリーンに維持される限り、下流触媒３０は、排気ガス中の過剰酸素を吸蔵し続ける。そして、下流触媒３０に容量一杯の酸素が吸蔵されると、下流触媒３０の下流に酸素を含むリーンな排気ガスが流出し始める。図８に示す例では、時刻T4に触媒後空燃比A/F(R)が理論空燃比からリーン空燃比に変化し（図８（Ｅ）参照）、また、触媒後酸素センサ３６の出力がリーン判定値VLを下回る値に変化している（図８（Ｄ）参照）。この場合、ECU４０は、時刻T4において、下流触媒３０に酸素吸蔵容量OSC(R)一杯の酸素が吸蔵されたと認識することができる。
【０１０５】
図８に示す例では、時刻T3において触媒間酸素センサ３４の出力がリーンに反転した後、排気ガス中の過剰酸素量QO2が下流触媒３０に吸蔵され続けた結果、時刻T4において下流触媒３０が酸素を容量一杯に吸蔵した状態に至っている。従って、この場合、下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)は、時刻T3から時刻T4の間、つまり、触媒間酸素センサ３４の出力がリーンに反転した後、触媒後酸素センサ３６の出力がリーンに反転するまでの間、過剰酸素量QO2を積算することにより算出することができる。
【０１０６】
［酸素吸蔵容量算出のための具体的処理内容］
図９は、図８を参照して説明した原理に従って上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)および下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)を算出すべく、ECU４０が実行するルーチンのフローチャートを示す。
図９に示すルーチンでは、先ず、酸素吸蔵容量の算出条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１６０）。
本ステップ１６０では、具体的には、上流触媒２８および下流触媒３０の温度が、それぞれ活性温度に達しているか、吸入空気量Gaが安定しているか、更には、吸入空気量Gaが所定量を超えているかなどの条件が判定される。これら全ての条件が成立している場合は、酸素吸蔵容量の算出条件が成立していると判定される。
【０１０７】
上記ステップ１６０において、酸素吸蔵容量の算出条件が成立していないと判別された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、その条件が成立していると判別された場合は、次に、アクティブ空燃比制御の実行が指令される（ステップ１６１）。
ECU４０は、本ステップ１６１の処理によりアクティブ空燃比制御の実行が指令されると、以後、触媒後酸素センサ３６の出力が反転する毎に触媒前空燃比A/F(F)が反転するように燃料噴射量を制御する。
【０１０８】
図９に示すルーチンでは、次に、初期化処理が終了しているか否かが判別される（ステップ１６２）。
図８を参照して説明した手法により上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)および下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)を検出するためには、アクティブ空燃比制御が開始された後、少なくとも一度は、上流触媒２８および下流触媒３０の双方が全ての吸蔵酸素を放出している状態、或いは、容量一杯に酸素を吸蔵している状態を作り出すことが必要である。このような状態は、アクティブ空燃比制御が開始された後、触媒後酸素センサ３６の出力が反転するまで触媒前空燃比A/F(F)をリッチまたはリーンに維持することで形成できる。本実施形態では、そのように空燃比を維持する処理を「初期化処理」と称している。ECU４０は、図９に示すルーチンの起動後における初期化処理の実行履歴を記憶している。本ステップでは、その履歴に従って初期化処理が終了しているか否かが判別される。
【０１０９】
上記ステップ１６２において、初期化処理が終了していないと判別された場合は、上述した初期化処理が実行される（ステップ１６４）。
一方、既に初期化処理が終了していると判別された場合は、ステップ１６４の処理がジャンプされ、速やかにステップ１６６以降の処理が実行される。
【０１１０】
図９に示すルーチンでは、次に、空燃比差ΔA/Fが検出される（ステップ１６６）。
空燃比差ΔA/Fは、実施の形態２の場合と同様に、上記（１）式に含まれる値、すなわち、空燃比センサ３２により検出される触媒前空燃比A/F(F)と理論空燃比A/Fstoichiとの差（│A/Fstoichi−A/F(F)│）である。
【０１１１】
次いで、単位時間当たり（本ステップの実行周期当たり）の燃料噴射量Fが算出される（ステップ１６８）。
そして、算出された燃料噴射量Fと上記の空燃比差ΔA/Fとが上記（１）式に代入されて、単位時間当たりの不足または過剰酸素量QO２＝ｋ・ΔA/F(F)・Fが算出される。更に、その酸素量QO２の積分値が酸素吸蔵容量OSCの最新値として算出される（ステップ１７０）。
尚、上記ステップ１７０において算出される酸素吸蔵容量OSCは、後述するように、触媒間酸素センサ３４の出力が反転した後の不足または過剰酸素量QO2の積分値、または、触媒後酸素センサ３６の出力が反転した後の不足または過剰酸素量QO2の積分値である。
【０１１２】
図９に示すルーチンでは、次に、触媒間酸素センサ３４の出力が反転したか否かが判別される（ステップ１７２）。
本実施形態のアクティブ空燃比制御の実行下では、触媒間酸素センサ３４の出力は、上流触媒２８が全ての吸蔵酸素を放出した時点、或いは、上流触媒２８が容量一杯に酸素を吸蔵した時点で反転する。また、この時点では、上記ステップ１７０の処理により、最後に触媒後酸素センサ３６の出力が反転した後、今回触媒間酸素センサ３４の出力が反転するまでの間に生じた不足または過剰酸素量QO2の積算値が酸素吸蔵容量OSCとして算出されている。つまり、この時点では、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)として認識すべき値が、酸素吸蔵容量OSCとして算出されている。
【０１１３】
このため、上記ステップ１７２において、触媒間酸素センサ３４の出力が反転していると判別された場合は、その時点で算出されていた酸素吸蔵容量OSCが上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)として記憶される（ステップ１７４）。
その後、現時点で算出されていた酸素吸蔵容量OSCがクリアされる（ステップ１７６）。
これらの処理が終了すると、今回の処理サイクルが終了される。上記ステップ１７６において酸素吸蔵容量OSCがクリアされるため、次回以降図９に示すルーチンが実行される際には、触媒間酸素センサ３４の出力が反転した後の不足または過剰酸素量QO2の積算値が酸素吸蔵容量OSCとして算出されることになる。
【０１１４】
図９に示すルーチン中、上記ステップ１７２において、触媒間酸素センサ３４の出力が反転していないと判別された場合は、次に、触媒後酸素センサ３６の出力に反転が生じていないかが判別される（ステップ１７８）。
本実施形態のアクティブ空燃比制御の実行下では、触媒後酸素センサ３６の出力は、下流触媒３０が全ての吸蔵酸素を放出した時点、或いは、下流触媒３０が容量一杯に酸素を吸蔵した時点で反転する。また、この時点では、上記ステップ１７０の処理により、最後に触媒間酸素センサ３４の出力が反転した後、今回触媒後酸素センサ３６の出力が反転するまでの間に生じた不足または過剰酸素量QO2の積算値が酸素吸蔵容量OSCとして算出されている。つまり、この時点では、下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)として認識すべき値が、酸素吸蔵容量OSCとして算出されている。
【０１１５】
このため、上記ステップ１７８において、触媒後酸素センサ３６の出力が反転していると判別された場合は、その時点で算出されていた酸素吸蔵容量OSCが下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(F)として記憶される（ステップ１８０）。
以後、ステップ１７６において、現時点で算出されていた酸素吸蔵容量OSCがクリアされた後、今回の処理サイクルが終了される。このようにして酸素吸蔵容量OSCがクリアされると、次回以降図９に示すルーチンが実行される際には、触媒後酸素センサ３６の出力が反転した後の不足または過剰酸素量QO2の積算値が酸素吸蔵容量OSCとして算出されることになる。
【０１１６】
図９に示すルーチン中、上記ステップ１７８において、触媒後酸素センサ３４の出力が反転していないと判別された場合は、上流触媒２８も下流触媒３０も、酸素を放出している過程、或いは吸蔵している過程であると判断できる。この場合は、酸素吸蔵容量OSC(F)またはOSC(R)を精度良く求めることができないと判断され、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【０１１７】
以上説明した通り、図９に示すルーチンによれば、初期化処理が終了した後、触媒間酸素センサ３４の出力が反転する毎に、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)を精度良く算出することができる。また、触媒後酸素センサ３６の出力が反転する毎に、下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)を精度良く算出することができる。更に、このルーチンによれば、アクティブ空燃比制御の実行中に、それら２つの酸素吸蔵容量OSC(F)およびOSC(R)を同時進行的に算出することができる。このため、本実施形態の装置によれば、ドライバビリティやエミッションの悪化を最小限に抑制しつつ、上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)と、下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)の双方を、共に精度良く算出することができる。
【０１１８】
図１０は、上記の如く算出した酸素吸蔵容量OSC(F)およびOSC(R)に基づいて、上流触媒２８および下流触媒３０の劣化状態を判定すべく、ECU４０が実行するルーチンのフローチャートである。
図１０に示すルーチンでは、先ず、酸素吸蔵容量OSC(F)およびOSC(R)の算出が開始された後、触媒間酸素センサ３４の出力に生じた反転の回数が所定値に達したか否かが判別される（ステップ１９０）。
【０１１９】
触媒間酸素センサ３４の出力反転回数が、未だ所定値に達していないと判別された場合は、酸素吸蔵容量OSC(F)およびOSC(R)の算出回数が不足していると判断され、触媒の劣化判定が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。一方、その回数が所定値に達していると判別された場合は、次に、現在までに算出された下流酸素センサ３０の酸素吸蔵容量OSC(R)の平均値OSC(R)AVEが算出される（ステップ１９２）。
【０１２０】
次に、その平均値OSC(R)AVEが、所定の判定値より少ないか否かが判別される（ステップ１９４）。
本ステップ１９４で用いられる判定値は、下流触媒３０が正常であるか否かを区別するために設定された酸素吸蔵容量OSCの境界値である。従って、OSC(R)AVEがその判定値以上であれば下流触媒３０が正常であると判断することができ、一方、OSC(R)AVEがその判定値より少ない場合は、下流触媒３０に劣化が生じていると判断できる。
【０１２１】
図１０に示すルーチンでは、上記ステップ１９４において、OSC(R)AVEが判定値より小さいと判断された場合は、下流触媒３０につき異常判定がなされる（ステップ１９６）。
これに対して、OSC(R)AVEが判定値より小さくないと判別された場合は、下流触媒３０につき正常判定がなされる（ステップ１９８）。
【０１２２】
図１０に示すルーチンでは、次に、現在までに算出された上流酸素センサ２８の酸素吸蔵容量OSC(F)の平均値OSC(F)AVEが算出される（ステップ２００）。
【０１２３】
次に、その平均値OSC(F)AVEが、所定の判定値より少ないか否かが判別される（ステップ２０２）。
本ステップ２０２で用いられる判定値は、上流触媒２８が正常であるか否かを区別するために設定された酸素吸蔵容量OSCの境界値である。従って、OSC(F)AVEがその判定値以上であれば上流触媒２８が正常であると判断することができ、一方、OSC(F)AVEがその判定値より少ない場合は、上流触媒２８に劣化が生じていると判断できる。
【０１２４】
図１０に示すルーチンでは、上記ステップ２０２において、OSC(F)AVEが判定値より小さいと判断された場合は、上流触媒２８につき異常判定がなされる（ステップ２０４）。
一方、OSC(F)AVEが判定値より小さくないと判別された場合は、上流触媒２８につき正常判定がなされる（ステップ２０６）。
【０１２５】
以上説明した通り、図１０に示すルーチンによれば、図９に示すルーチンにより算出された上流触媒２８の酸素吸蔵容量OSC(F)、および下流触媒３０の酸素吸蔵容量OSC(R)に基づいて、上流触媒２８の劣化状態、および下流触媒３０の劣化状態を、それぞれ正確に判定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、アクティブ空燃比制御の所要時間を最小限に抑制しつつ、直列に並んだ２つの触媒２８，３０の劣化を、迅速に、かつ精度良く検出することができる。
【０１２６】
尚、上述した実施の形態３においては、触媒間酸素センサ３４が前記第１の発明における「触媒間センサ」に、触媒後酸素センサ３６が前記第１の発明における「触媒後センサ」に、それぞれ相当している。また、ECU４０が、触媒後酸素センサ３６の出力反転を受けて触媒前空燃比A/F(F)が反転するように燃料噴射量を制御することにより前記第１の発明における「アクティブ空燃比制御手段」が、上記ステップ１８０の処理を実行することにより前記第１の発明における「下流触媒酸素吸蔵容量算出手段」が、上記ステップ１９４〜１９８の処理を実行することにより前記第１の発明における「下流触媒異常判定手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２７】
また、上述した実施の形態３においては、ECU４０が、上記ステップ１７４の処理を実行することにより前記第２の発明における「上流触媒酸素吸蔵容量算出手段」が、上記ステップ２０２〜２０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「上流触媒異常判定手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２８】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、アクティブ空燃比制御を行うことにより、下流触媒に流入する排気ガスの空燃比を、大きく、かつ、リッチ期間およびリーン期間を最短としつつ振動させることができる。このため、本発明によれば、排気エミッションの悪化を最小限に抑制しつつ、触媒後センサの出力に基づいて精度良く下流触媒の劣化を検出することができる。
【０１２９】
第２の発明によれば、アクティブ空燃比制御の実行中に触媒間酸素センサから発せられる出力と、触媒後酸素センサから発せられる出力とを比較することで、下流触媒に異常が生じているか否かを精度良く判定することができる。
【０１３０】
第３の発明によれば、アクティブ空燃比制御の実行中に触媒間酸素センサから発せられる出力と、触媒後酸素センサから発せられる出力とに基づいて算出された軌跡比を基に、下流触媒に異常が生じているか否かを精度良く判定することができる。
【０１３１】
第４の発明によれば、触媒間軌跡長を求める際に、或いは、触媒後軌跡長を求める際に、センサノイズに起因する微小な変化を除き、ノイズによらない大きな出力変化のみを積算することができる。このため、本発明によれば、触媒間センサの出力、或いは触媒後センサの出力に重畳するノイズに影響されることなく、下流触媒の劣化を精度良く検出することができる。
【０１３２】
第５の発明によれば、下流触媒の劣化検出のためにアクティブ空燃比制御が実行されている間に、上流触媒の酸素吸蔵容量を検知することができる。このため、本発明によれば、アクティブ空燃比制御を重複して実行することなく、上流触媒の劣化と下流触媒の劣化の双方を検出することができる。
【０１３３】
第６の発明によれば、下流触媒の下流に配置された触媒後センサの出力に基づいてアクティブ空燃比制御を実行することができる。このようなアクティブ空燃比制御によれば、その実行中に、触媒間センサの出力が反転した後、触媒後センサの出力が反転するまでの間に、下流触媒の酸素吸蔵容量を算出することができる。本発明によれば、このようにして算出された酸素吸蔵容量に基づいて、下流触媒の劣化を精度良く検出することができる。
【０１３４】
第７の発明によれば、第６の発明において実行されるアクティブ空燃比制御の実行中に、下流触媒の酸素吸蔵容量を検出すると同時に、上流触媒の酸素吸蔵容量を検出することができる。このため、本発明によれば、アクティブ空燃比制御を重複して実行することなく、上流触媒の劣化と下流触媒の劣化の双方を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】  軌跡長または軌跡比を用いて触媒の劣化状態を判断する手法を説明するための図である。
【図３】  軌跡長および軌跡比と触媒の酸素吸蔵容量OSCとの関係を説明するための図である。
【図４】  実施の形態１において実行されるアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】  実施の形態１において下流触媒の劣化を判定するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図６】  実施の形態１において触媒間軌跡長を算出するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図７】  実施の形態２において上流触媒および下流触媒の劣化を判定するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図８】  実施の形態３において実行されるアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】  実施の形態３において上流触媒の酸素吸蔵容量および下流触媒酸素吸蔵容量を算出するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図１０】  実施の形態３において上流触媒および下流触媒の劣化を判定するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０  内燃機関
２８  上流触媒
３０  下流触媒
３２  空燃比センサ
３４  触媒間酸素センサ
３６  触媒後酸素センサ
４０  ECU(Electronic Control Unit)
OSC  酸素吸蔵容量
OSC(F)  上流触媒の酸素吸蔵容量
OSC(R)  下流触媒の酸素吸蔵容量
A/F(F)  触媒前空燃比
A/F(I)  触媒間空燃比
A/F(R)  触媒後空燃比
L(I)  触媒間軌跡長
L(R)  触媒後軌跡長
L(R)／L(I)  軌跡比
【図１】
0004314815.tif 000003
【図２】
0004314815.tif 000004
【図３】
0004314815.tif 000005
【図４】
0004314815.tif 000006
【図５】
0004314815.tif 000007
【図６】
0004314815.tif 000008
【図７】
0004314815.tif 000009
【図８】
0004314815.tif 000010
【図９】
0004314815.tif 000011
【図１０】
0004314815.tif 000012