CN101479452B - 催化剂老化检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种催化剂老化检测装置，其进行催化剂的老化检测。在用于检测被配置于内燃机排气通道的催化剂的老化的装置中，根据氧气传感器的输出来检测，在催化剂下游处流出的废气处于氧气过多状态的最大吸氧状态，和处于氧气不足状态的最小吸氧状态。在从检测出最大吸氧状态之后到检测出最小吸氧状态为止的氧气释放期间中，将内燃机的目标空燃比控制在浓目标空燃比；在从检测出最小吸氧状态之后到检测出最大吸氧状态为止的氧气吸收期间中，将内燃机的目标空燃比控制在稀目标空燃比。并且，将氧气释放期间从催化剂释放的氧气量或氧气吸收期间被催化剂吸收的氧气量作为吸氧量进行检测，并根据吸氧量判断催化剂的老化。此外，该装置设定吸氧量检测条件，以补正在进行催化剂老化检测时，因检测氧气传感器的输出值时的条件的不同而在氧气释放期间或氧气吸收期间所产生的误差。

Description

催化剂老化检测装置
技术领域
本发明涉及一种催化剂老化检测装置。更具体而言，涉及一种用于检测净化内燃机废气用催化剂的老化的催化剂老化检测装置。
背景技术
在车载内燃机的排气通道中，配置有用于净化废气的催化剂。此催化剂具有吸收适量氧气的能力。当催化剂所要净化的废气中含有HC或CO等未燃成分时，这些未烧成分将被催化剂吸收的氧所氧化。另一方面，当废气中含有NOX等氧化物时，这些氧化物将在催化剂中被还原，其结果为，所产生的氧被吸收于催化剂内部。
被配置在排气通道中的催化剂是通过将废气中的成分氧化或还原而实现对废气的净化的。因此，氧化剂的净化能力在很大程度上受到该氧化剂的氧吸收能力的影响。因此，通过检测该催化剂可吸收的氧气的最大量，即氧吸收容量而能够判断出催化剂净化能力的下降，即催化剂的老化状态。
一直以来，例如，在日本特开2003-97334号公报中公开了一种通过强制地使供给至内燃机的混合气体的空燃比处于燃料过浓或燃料过稀状态，从而检测出被配置在排气通道的催化剂的氧吸收容量的装置。在混合气的空燃比被控制为浓空燃比期间，含HC及CO等未燃烧成分的氧气不足的废气被供给至催化剂处。当供给这种废气时，催化剂通过释放吸收的氧气，将HC和CO氧化从而净化废气。但是，如果长期持续该状态，不久之后催化剂将会释放全部的氧气，从而变为无法氧化HC及CO的状态。以下，将这种状态称为“最小吸氧状态”。
另一方面，在混合气的空燃比被控制为稀空燃比期间，含NOX的氧气过多的废气被供给至催化剂处。当供给这种废气时，催化剂吸收废气中过剩的氧气，将NOX等还原从而净化废气。但是，如果长期持续该状态，不久之后催化剂将会吸满其吸氧容量的氧气，从而变为无法还原NOX等的状态。以下，将这种状态称为“最大吸氧状态”。
上述现有的装置是通过将混合气的空燃比控制为过浓或过稀，以反复实现最小吸氧状态和最大吸氧状态。并且，此装置通过求取从最小吸氧状态变为最大吸氧状态的过程中被催化剂所吸收的氧气量，或从最大吸氧状态变为最小吸氧状态的过程中从催化剂释放的氧气量而能够求得催化剂的吸氧容量。可根据此吸氧容量是否大于规定的判断值来判断催化剂是处于正常状态还是已经发生老化。
此外，在上述吸氧容量检测中对空燃比进行强制控制的浓空燃比或稀空燃比的切换时期，可以通过检测从催化剂排放的废气的空燃比变为浓空燃比或稀空燃比的变化来进行判断。即，当催化剂达到最小吸氧状态时，由于催化剂处于无法氧化废气中的过浓成分的状态，因此，从催化剂排放的废气为含有较多HC及CO的状态。其结果为，催化剂下游的氧气传感器的输出变为表示燃料过浓的输出。另一方面，当催化剂达到最大吸氧状态时，由于催化剂处于无法还原废气中的过稀成分的状态，因此，从催化剂排放的废气为含有较多NOX的状态。其结果为，催化剂下游的氧气传感器的输出变为表示燃料过稀的输出。
因此，当氧气传感器的输出变为表示过稀或过浓的值时，则可以判断出催化剂已经达到了最大或最小吸氧状态。因此，上述现有装置将催化剂下游的氧气传感器的输出变为过稀或过浓的时期判断为空燃比的切换时期，从而实施控制将空燃比切换为浓空燃比或稀空燃比。
专利文献1：日本特开平2003-97334号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，由于废气的流量及流速、废气的温度、氧气传感器的传感器元件的温度、氧气传感器自身的老化等各种条件的影响，氧气传感器的输出响应性会不同。因此，在上述现有技术中，即使在传感器下游废气浓度同步地变化为过浓或过稀的情况下，氧气传感器据此而发出表示过浓或过稀的输出结果的时期也会由于上述检测时的条件的不同而产生差异。由于最大或最小吸氧状态是在氧气传感器发出表示过浓或过稀的输出结果的时刻上才会被检测出，因此，氧气传感器的输出响应性的误差将对最大或最小吸氧状态的检测时期带来误差。
在上述现有的装置中，吸氧容量是根据在最大吸氧状态和最小吸氧状态之间变化的过程中被吸收或释放的吸氧量来演算的。因此，当最大或最小吸氧状态的检测时期，由于检测条件的不同而产生了误差的情况下，吸氧量以及根据该吸氧量演算出的吸氧容量也会产生误差。当如上文所述的吸氧容量的误差变大时，将会出现根据此吸氧容量而实施的催化剂老化检测的精度也降低的状况。因此，为了高精度地进行催化剂的老化检测，需要去除因吸氧容量的检测条件不同而产生的误差，从而更准确地检测吸氧容量。
本发明是为了解决上述课题而进行的，其目的在于，提供一种改良后的催化剂老化检测装置，该装置即使在氧气传感器输出检测时的检测条件不同的情况下，也能准确地运算出吸氧容量，从而能够以更高的精度检测出催化剂的老化。
解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明的第1发明为，一种催化剂老化检测装置，其特征在于，具有：
催化剂，被配置于内燃机的排气通道中；
氧气传感器，被配置于所述催化剂的下游侧；
最大吸氧状态检测单元，其根据所述氧气传感器的输出值，检测出向所述催化剂下游流出的废气处于氧气过剩状态的最大吸氧状态；
最小吸氧状态检测单元，其根据所述氧气传感器的输出值，检测出向所述催化剂下游流出的废气处于氧气不足状态的最小吸氧状态；
浓空燃比控制单元，在从检测出所述最大吸氧状态之后到检测出所述最小吸氧状态为止的氧气释放期间中，将所述内燃机的目标空燃比控制在浓目标空燃比；
稀空燃比控制单元，在从检测出所述最小吸氧状态之后到检测出所述最大吸氧状态为止的氧气吸收期间中，将所述内燃机的目标空燃比控制在稀目标空燃比；
吸氧量检测单元，其作为吸氧量，对在所述氧气释放期间由所述催化剂释放的氧气量或在所述氧气吸收期间由所述催化剂吸收的氧气量进行检测；
催化剂老化判断单元，根据所述吸氧量判断所述催化剂的老化；
吸氧量检测条件设定单元，其设定吸氧量检测条件，以补正因检测所述氧气传感器的输出值时的条件的不同而在所述氧气释放期间或所述氧气吸收期间所产生的误差。
本发明的第2发明为，如第1发明中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
具有吸入空气量检测单元，用于检测被吸入所述内燃机的吸入空气量，
所述吸氧量检测条件设定单元具有：
变化量运算单元，其在所述氧气释放期间或所述氧气吸收期间，当将所述内燃机的空燃比控制成所述浓目标空燃比或所述稀目标空燃比之际，根据所述吸入空气量，对使空燃比从当前空燃比变化至所述浓目标空燃比或所述稀目标空燃比的期间内的空燃比变化量，进行运算；
浓空燃比判断单元，在所述氧气释放期间，对从当前的目标空燃比减去所述空燃比变化量的浓空燃比，是否大于所述浓目标空燃比进行判断；
浓空燃比设定单元，当判断为所述浓空燃比大于所述浓目标空燃比时，将目标空燃比设定为所述浓空燃比；
稀空燃比判断单元，在所述氧气吸收期间，对当前的目标空燃比加上所述空燃比变化量的稀空燃比，是否小于所述稀目标空燃比进行判断；
稀空燃比设定单元，当判断为所述稀空燃比小于所述稀目标空燃比时，将目标空燃比设定为所述稀空燃比。
本发明的第3发明为，如第1发明中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
具有元件温度检测单元，用于检测所述氧气传感器的元件温度，
所述吸氧量检测条件设定单元具有：
浓目标空燃比设定单元，其根据所述元件温度设定所述浓目标空燃比；
稀目标空燃比设定单元，其根据所述元件温度设定所述稀目标空燃比。
本发明的第4发明为，如第3发明中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
当所述元件温度升高时，所述浓目标空燃比设定单元将浓目标空燃比设定为，使理论空燃比与所述浓目标空燃比的差变大；
当所述元件温度升高时，所述稀目标空燃比设定单元将稀目标空燃比设定为，使理论空燃比与所述稀目标空燃比的差变大。
本发明的第5发明为，如第1发明中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
所述吸氧量检测条件设定单元具有，
元件温度控制单元，其在所述氧气释放期间内及所述氧气吸收期间内，将所述氧气传感器的元件温度控制成高于活性温度的基准温度。
本发明的第6发明为，如第5发明中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，所述基准温度为700℃至750℃。
本发明的第7发明为，如第1至第6发明的任意一项中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，具有：
累计值运算单元，用于计算从所述氧气释放期间开始所经过时间内的累计值，或从所述氧气吸收期间开始所经过时间内的累计值；
累计值判断单元，用于判断所述累计值是否小于基准值；
空燃比切换禁止单元，当所述累计值小于所述基准值时，禁止进行从所述浓目标空燃比向所述稀目标空燃比的空燃比控制切换，或从所述稀目标空燃比向所述浓目标空燃比的控制切换。
本发明的第8发明为，如第7发明中所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
具有吸入空气量检测单元，用于检测被吸入所述内燃机的吸入空气量，
所述累计值运算单元根据所述经过时间与所述吸入空气量来设定所述累计值。
发明效果
根据本发明的第1发明是将内燃机的目标空燃比持续控制为浓目标空燃比或稀目标空燃比，从而检测催化剂的最大吸氧状态和最小吸氧状态的。并且，求取在最大吸氧状态和最小吸氧状态之间的氧气释放期间或氧气吸收期间内被释放或吸收的吸氧量，并根据此吸氧量来判断催化剂的老化。在此，最大或最小吸氧状态的检测是根据配置在催化剂下游的氧气传感器的输出而进行的。因此，当由于检测氧气传感器输出时的条件的不同而致使氧气传感器的输出产生误差时，对最大或最小吸氧状态的检测也将产生误差，从而导致氧气释放期间或氧气吸收期间的误差的产生。
对于此问题点，根据第1发明，能够通过设定吸氧量检测条件，以补正因检测氧气传感器的输出值时的条件的不同而发生的氧气释放期间或氧气吸收期间的误差。由此，能够在去除了氧气释放期间或氧气吸收期间的误差的状态下，准确地求得吸氧量。因此，能够以更高的精度检测催化剂的老化。
但是，在吸入空气量较大，例如，废气的流量较大或流速较快等的情况下，单位时间内的废气中各成分的浓度变化会变大。因此，当吸入空气量较大时，氧气传感器对废气的空燃比变化敏感地做出反应，以较快的响应性改变其输出。因此，当催化剂下游的废气的空燃比变化为浓空燃比或稀空燃比之际，氧气传感器发出表示该变化的输出的响应速度，在吸入空气量较大的情况下要快于吸入空气量较小的情况。因此，当吸入空气量较大时，能够在较早的阶段检测出最大或最小吸氧状态。其结果为，作为最大吸氧状态和最小吸氧状态之间期间的氧气释放期间及氧气吸收期间在吸入空气量较大时缩短，而吸入空气量较小时延长。
对于此问题点，根据第2发明，在氧气释放期间或氧气吸收期间中，将内燃机的空燃比控制为浓目标空燃比或稀目标空燃比之际，从当前的空燃比向浓目标空燃比或稀目标空燃比变化的空燃比变化量是根据吸入空气量而得出的。并且，当从当前的目标空燃比向浓目标空燃比或稀目标空燃比进行控制之际，在目标空燃比达到浓目标空燃比或稀目标空燃比之前的期间内，使目标空燃比根据空燃比变化量而逐渐变化。其结果为，可根据吸入空气量调节空燃比到达目标空燃比的时间。从而可以减小因吸入空气量的差异而产生的氧气释放期间或氧气吸收期间的差异，能够进行准确的吸氧量检测。
此外，即使在废气的浓度以相同方式变化的情况下，由于氧气传感器的元件温度的不同，废气中各成分的扩散速度也不同，有时实际的废气和到达氧气传感器排气侧的电极的废气的各成分浓度产生差异。因此，即使对于相同的废气浓度变化，氧气传感器据其而表示过浓或过稀输出的速度，也会根据氧气传感器的元件温度而有所不同。因此，由于氧气传感器的元件温度的差异，会使检测出最大或最小吸氧状态的时间产生误差。
对于此问题点，根据第3发明，在氧气释放期间或氧气吸收期间中，将空燃比控制为浓目标空燃比或稀目标空燃比之际，浓目标空燃比或稀目标空燃比将根据元件温度而被设定。由此，在催化剂下游的废气的空燃比变化为浓空燃比或稀空燃比时的该浓空燃比或稀空燃比的值，即废气中的过浓成分或过稀成分的浓度是考虑了元件温度的值而被设定的。因此，例如在因氧气传感器的元件温度导致的扩散速度的差异对废气的浓度影响较大的环境下，能够使其处于将该影响减小的，使废气中各成分浓度变大的状态。因此，能够更正确地检测出最大或最小吸氧状态，从而能够将氧气释放期间或氧气吸收期间的长度上产生的误差控制在较小的程度。
具体而言，当元件温度较高时，扩散速度通常会加快，因此，氧气传感器对于废气的浓度变化会较为敏感地反应。其结果为，氧气传感器能够较快地检测出废气向浓空燃比或稀空燃比方向的空燃比变化，并发出根据该变化的输出。即，氧气传感器在元件温度升高时，将在废气的浓度向过浓或过稀的变化较小的期间内，发出表示过浓或过稀的输出。其结果为，有可能会在过早的阶段判断出了最大或最小吸氧状态，从而导致氧气释放期间或氧气吸收期间长度的过度缩短。
对于此问题点，根据第4发明，浓目标空燃比或稀目标空燃比，在元件温度处于较高的状态时，被设定为与理论空燃比的差较大。即，元件温度越高的情况下，催化剂达到最大或最小吸氧状态时，从催化剂下游流出的废气的浓度变化就越大。在此，在元件温度较高的状态下，废气中各成分的扩散速度加快，其扩散速度的差也增大。因此，在元件温度升高时，检测以较大幅度变化空燃比的废气向稀空燃比或浓空燃比的变化。其结果为，即使在元件温度升高，扩散速度差异增大的情况下，也能够减小该差异对废气整体的影响。因此，能够准确地判断出最大或最小吸氧状态，从而能够将氧气释放期间或氧气吸收期间的误差控制在较小的程度。
根据本发明的第5及第6发明，在氧气释放期间内和氧气吸收期间内，氧气传感器的元件温度被设定为高于通常活性温度的基准温度。由此，能够减小因元件温度的差异而导致的响应时间的差异。其结果为，能够减小因氧气传感器的元件温度的不同而产生的氧气释放期间及氧气吸收期间的误差。
此外，氧气传感器的响应性，根据其老化程度也不相同，随着老化程度的加深，其会对废气空燃比的微小变化做出过度敏感的反应，并发出过稀输出或过浓输出。因此，当氧气传感器不断老化时，最大或最小吸氧状态被检测出的时间将会变得过早，其结果使氧气释放期间及氧气吸收期间被缩短。
对于此问题点，根据第7及第8发明，求取从氧气释放期间或氧气吸收期间开始后所经过时间内的累计值，当此累计值小于基准值时，将不考虑氧气传感器的输出，而禁止目标空燃比向浓目标空燃比或稀目标空燃比的切换。由此，在氧气传感器发生老化，致使最大/最小吸氧状态被检测出的时间过早时，也能够维持当前的空燃比控制状态，因此在确实到达最大或最小吸氧状态之前，将会对当前的空燃比下的吸氧量进行检测，从而能正确地检测出吸氧量。
附图说明
图1为用于说明本发明实施方式1的催化剂老化检测装置及其外围系统构造的模式图。
图2为用于说明本发明实施方式1的催化剂老化检测中的空燃比传感器与氧气传感器的输出的图。
图3为用于说明本发明实施方式1中用于运算累计吸氧量的ECU所执行的控制流程的流程图。
图4为用于说明本发明实施方式1的氧气传感器的输出特性的视图。
图5为用于说明本发明实施方式1的氧气传感器的输出响应时间与气流量关系的图。
图6为用于说明本发明实施方式1的气流量与在空燃比强制控制中切换空燃比时的空燃比变化量关系的图。
图7为用于说明本发明实施方式1中用于进行空燃比强制控制的ECU所执行的控制流程的流程图。
图8为用于说明氧气传感器的元件阻抗与元件温度关系的图。
图9为用于说明本发明实施方式2的氧气传感器的元件阻抗与空燃比强制控制中的目标空燃比关系的图。
图10为用于说明本发明实施方式2中用于进行空燃比强制控制的ECU所执行的控制流程的流程图。
图11为用于说明本发明实施方式3中为了运算累计吸氧量而ECU所执行的控制流程的流程图。
图12为用于说明本发明实施方式3中为了进行空燃比强制控制而ECU所执行的控制流程的流程图。
图13为用于说明氧气传感器的使用时间与输出特性关系的图。
图14为用于说明氧气传感器的使用时间与输出响应时间关系的图。
图15为用于说明本发明实施方式4中吸入空气量与读数值的特定关系的图。
图16为用于说明本发明实施方式4中为了累计吸氧量运算ECU所执行的控制流程的流程图。
符号说明
10  内燃机
12  吸气通道
14  排气通道
16  空气过滤器
18  吸气温度传感器
20  空气流量计
22  节流阀
24  节流传感器
28  燃料喷射阀
30  上游侧催化剂
32  下游侧催化剂
34  空燃比传感器
36  第1氧气传感器
38  第2氧气传感器
40  ECU
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在各附图中，对于相同或相当的部分使用相同的符号，并简略化或省略其说明。
实施方式1
[实施方式1的系统的构成]
图1为用于说明本发明实施方式1的催化剂老化检测装置及其外围的系统构造的模式图。在图1中，内燃机10与吸气通道12和排气通道14连通，吸气通道12在其上游侧的端部具有空气过滤器16。在空气过滤器16上装配有检测吸气温度(即外部气温)的吸气温度传感器18。在空气过滤器16的下游配置有空气流量计20，空气流量计20是用于检测流入吸气通道的吸入空气量Ga的传感器。在空气流量计20的下游设有节流阀22。在节流阀22的附近配置有用于检测节流阀22的开度的节流传感器24。在节流传感器24的下游配置有用于向内燃机的吸气门喷射燃料的燃料喷射阀28。
内燃机10的排气通道14中，串联配置有上游侧催化剂30(催化剂)和下游侧催化剂32。这些催化剂30、32能够吸收和排放一定程度的氧气。当废气中含有较多HC及CO等未燃烧成分时，催化剂30、32将利用其吸收的氧气对这些未燃烧成分进行氧化。另一方面，当废气中含有较多NOX等氧化成分时，催化剂30、32对该氧化成分进行还原，吸收被释放的氧气。从内燃机10被排放的废气，通过在催化剂30、32内部的上述处理而被净化。
排气通道14中，分别在上游侧催化剂30的上游处配置有空燃比传感器34；在上游侧催化剂30和下游侧催化剂32之间配置有第1氧气传感器36(氧气传感器)；在下游侧催化剂32的下游配置有第2氧气传感器38。空燃比传感器34是用于发出根据废气中氧气浓度的输出的传感器。另一方面，第1氧气传感器36以及第2氧气传感器38是用于在废气中的氧气浓度超过规定值的前后，大幅改变输出结果的传感器。通过空燃比传感器34，能够检测出流入上游侧催化剂的废气中的氧气浓度，并由此能够检测出内燃机10中被燃烧的混合气的空燃比A/F。此外，通过第1氧气传感器36，能够判断在上游侧催化剂30处被处理后的废气是处于燃料过浓(含有HC、CO)，还是处于燃料过稀(含有NOX)。并且，通过第2氧气传感器38能够判断通过了下游侧催化剂32的废气是处于燃料过浓(含有HC、CO)，还是处于燃料过稀(含有NOX)。
本实施方式1的催化剂老化检测装置，如图1所示具有ECU(Electronic Control Unit)40。在ECU40上连接有吸气温度传感器18，空气流量计20，节流传感器24，空燃比传感器34，第1、第2氧气传感器36、38以及用于检测内燃机10的冷却水水温的水温传感器(未图示)等，从而可检测到与内燃机10运转状态的相关信息。此外，在ECU40上还连接有燃料喷射阀28等，其基于根据被检测出的信息等而设定的控制流程而进行必要的控制。
[关于根据实施方式1的系统进行的催化剂老化检测的控制]
在图1所示的系统中，从内燃机10排放的废气首先在上游侧催化剂30处被净化。并且，在下游侧催化剂32处再进行在上游侧催化剂30处未被净化完的废气的净化处理。因此，为了一直正常发挥净化能力，尤其需要迅速的检测出上游侧催化剂30的老化。
如上文所述，上游侧催化剂30是通过向含HC、CO等未燃烧成分的过浓废气中释放氧气，或吸收含NOX等的过稀废气中的过剩氧气，从而实现废气的净化的。因此，上游侧催化剂30的净化能力是由可最大限度释放或吸收的氧气量即吸氧容量所决定的。即，上游侧催化剂30的净化能力将随着该吸氧容量的减小而降低。因此，实施方式1的催化剂老化检测装置是对上游侧催化剂30的吸氧容量进行检测，并根据该检测值来判断上游侧催化剂30的老化的。
首先，对实施方式1的催化剂老化检测装置的吸氧容量检测方法进行说明。图2为当ECU40为了检测吸氧容量而进行控制时的时序图。图2(A)图示了吸氧容量检测中空燃比传感器34所产生的变化。另一方面，图2(B)图示了吸氧容量检测中第1氧气传感器36所产生的变化。在吸氧容量检测中，被供给至内燃机10的混合气的空燃比被强制控制为浓空燃比或稀空燃比。以下，将吸氧容量检测之际所进行的混合气的空燃比控制称为“空燃比强制控制”。
图2中图示了，时刻t0为止，内燃机10的目标空燃比被设定为浓空燃比，并对空燃比进行了控制的状况。在将空燃比控制为浓空燃比的期间内，含有HC及CO等未燃烧成分的氧气不足的废气被供给至上游侧催化剂30处。当这种废气被供给时，上游侧催化剂30通过将所吸收的氧气释放，对HC及CO进行氧化，从而净化废气。并且，当长时间持续该状态时，上游侧催化剂30会将全部的氧气释放，从而变为无法氧化HC及CO的状态，即最小吸氧状态。
当上游侧催化剂30达到最小吸氧状态时，在上游侧催化剂30的内部中，废气将不能被净化。因此，将开始向上游侧催化剂30的下游流出含有HC及CO的氧气不足的废气。其结果为，第1氧气传感器36的输出将变为表示废气过浓的、小于过浓判断值VR的值(以下称为“过浓输出”)。因此，如果对第1氧气传感器36的输出进行观察，则能够检测出在上游侧催化剂30的下游流入了氧气不足的废气的时间，即上游侧催化剂30达到了最小吸氧状态的时间。在图2中，时刻t0即相当于此时间。
如上所述，当第1氧气传感器36的输出发出过浓输出结果，并检测出最小吸氧状态时，内燃机10的目标空燃比将强制地被切换为稀空燃比。当空燃比被控制为稀空燃比时，其后不久，空燃比传感器34的输出将变为偏向稀空燃比一侧的值。图2(A)中所示的波形表示了在时刻t1该输出转为了偏向稀空燃比一侧的值的状态。在空燃比传感器34的输出偏向稀空燃比一侧期间，即在上游侧催化剂30处流入了氧气过多的废气的期间，上游侧催化剂30将吸收废气中过剩的氧气，并将NOX进行还原，从而实现净化。当长时间持续此状态时，上游侧催化剂30不久将会吸收达到其满吸氧容量的氧气，从而变为无法还原NOX等的状态，即最大吸氧状态。
当达到该状态之后，将开始向上游侧催化剂30的下游侧流出含有NOX的氧气过多的废气，第1氧气传感器36的输出将变为表示废气过稀的、大于过稀判断值VL的值(以下称为“过稀输出”)。因此，如果对第1氧气传感器36的输出进行观察，则能够检测出在上游侧催化剂30的下游流入了氧气过多的废气的时间，即上游侧催化剂30达到了最大吸氧状态的时间。在图2中，时刻t2即相当于此时间。
当第1氧气传感器36的输出发出过稀输出，检测出最大吸氧状态时，内燃机10的目标空燃比将再次强制地被切换为浓空燃比。当空燃比被控制为浓空燃比时，其后不久，空燃比传感器34的输出将变为偏向浓空燃比一侧的值。图2(A)中所示的波形表示了在时刻t3该输出转为偏向浓空燃比一侧的值的状态。在空燃比传感器34的输出偏向浓空燃比一侧期间，即在上游侧催化剂30处流入了氧气不足的废气的期间，上游侧催化剂30将向废气中释放氧气，对HC及CO进行氧化，从而实现净化。当长时间持续此状态时，上游侧催化剂30不久将会再次释放出全部的氧气，从而变为最小吸氧状态。此时，第1氧气传感器36将再次发出过浓输出。
催化剂老化检测装置在第1氧气传感器36的输出发出过浓输出时，将再次重复实施上述t0之后的处理。其结果为，上游侧催化剂30将实现在氧气全部释放的状态(最小吸氧状态)和吸收了达到满吸氧容量的氧气的状态(最大吸氧状态)的重复。
本装置以这种形式持续检测最小吸氧状态和最大吸氧状态，并将混合气的空燃比控制为浓空燃比或稀空燃比，以使上述两种状态反复实现。在此期间的上游侧催化剂30在单位时间内吸收的氧气量或释放的氧气量，可以根据流入上游侧催化剂30的废气的空燃比A/F和吸入空气量Ga求得。以下，将吸收氧气的状况设为正，将释放氧气的状况设为负，而将该氧气量均称为吸氧量。
本装置通过求取从最小吸氧状态向最大吸氧状态改变状态过程(氧气吸收期间)中的吸氧量，以及从最大吸氧状态向最小吸氧状态改变状态过程(氧气释放期间)中的吸氧量，从而求得上游侧催化剂30的吸氧容量。其结果为可根据吸氧容量是否大于规定的判断值来判断催化剂是处于正常状态还是已经老化。
图3图示了为求取吸氧容量，作为其前提ECU40所执行的累计吸氧量运算程序的流程图。图3所示的程序为，每隔规定的单位时间就重复执行的定时中断程序。
在图3所示的程序中，首先，对吸氧容量OSC的检测指令是否被发出进行判断(步骤S10)。在步骤S10中，当吸氧容量OSC的检测指令未被确认时，吸氧容量检测标记Xosc将被设为关闭(OFF)(步骤S12)。在此，吸氧容量检测标记Xosc为，当吸氧容量OSC的检测指令被确认，从而实施用于吸氧容量检测的空燃比强制控制期间，被设为开启(ON)的标记。接下来，后文详述的作为吸氧量累计值的累计吸氧量O2SUM将被归零，成为O2SUM＝0(步骤S14)，并且本轮处理结束。
另一方面，在步骤S10中，当吸氧容量OSC的检测指令被确认时，吸氧容量检测标记Xosc将被设为开启(ON)(步骤S16)。在吸氧容量检测标记Xosc被设为开启的期间，与图3的程序并行地，后文详述的空燃比强制控制的程序也被执行。
接下来，在图3的程序中，对在上游侧催化剂30的下游处是否流出了空燃比过稀的废气进行判断，更具体而言，对第1氧气传感器36的输出是否为过稀输出(>VL)进行判断(步骤S20)。在此，仅在上游侧催化剂30处于最大吸氧状态时，第1氧气传感器36才会发出过稀输出。
在步骤S20中，当判断为在上游侧催化剂30的下游处流出了空燃比过稀的废气时，过稀标记Xlean被设为开启(ON)，而过浓标记Xrich被设为关闭(OFF)。过稀标记Xlean为，在第1氧气传感器36发出过稀输出期间被设为开启的标记，而过浓标记Xrich为，通过后文详述的处理当第1氧气传感器36发出过浓输出期间被设为开启的标记。
在步骤S20中，当判断为未在上游侧催化剂30的下游处流出空燃比过稀的废气时，接着对在上游侧催化剂30的下游处是否流出了空燃比过浓的废气进行判断，更具体而言，对第1氧气传感器36的输出是否为过浓输出(<VR)进行判断(步骤S24)。在此，仅在上游侧催化剂30处于最小吸氧状态时，第1氧气传感器36才会发出过浓输出。
在步骤S24中，当判断为在上游侧催化剂30的下游处流出了空燃比过浓的废气时，过浓标记Xrich被设为开启，而过稀标记Xlean被设为关闭(步骤S26)。
另一方面，在步骤S24中，当判断为未在上游侧催化剂30的下游处流出空燃比过浓的废气时，则表示上游侧催化剂30可正常净化废气，即，能够判断出上游侧催化剂30既未处于最大吸氧状态，也未处于最小吸氧状态。此时，过稀标记Xlean和过浓标记Xrich均被设为关闭(步骤S28)。
在图3所示的程序中，步骤S22、S26或S28中，对过稀标记Xlean、过浓标记Xrich的开启/关闭处理结束之后，接下来，对空燃比A/F进行检测(步骤S30)。空燃比A/F是根据空燃比传感器34的输出而进行检测的。即，此处被检测出的空燃比A/F即为流入上游侧催化剂30的废气的空燃比。
接下来将对空燃比偏差量ΔA/F进行运算(步骤S32)。空燃比偏差量ΔA/F为，在步骤S30检测出的空燃比A/F，即流入上游侧催化剂30的废气空燃比A/F与理论空燃比A/Fst的差，其可以根据下面的式(1)来运算。
ΔA/F＝A/F-A/Fst   ...(1)
接着，根据空气流量计20的输出而对吸入空气量Ga进行检测(步骤S34)。接着，再根据空燃比偏差量ΔA/F和吸入空气量Ga，求得单位时间内被上游侧催化剂30吸收或释放的氧气量，即吸氧量O2AD(步骤S36)。吸氧量O2AD为，依据被存储于ECU40的图像(Map)或运算式来进行运算。在此，吸氧量O2AD的值，在流入上游侧催化剂30的废气的空燃比A/F为稀空燃比时为正值；浓空燃比时为负值。
接下来，对过稀标记Xlean为开启(＝ON)，且空燃比偏差量ΔA/F>0的条件是否成立进行判断(步骤S38)。过稀标记Xlean为，在上述步骤S22中，在第1氧气传感器36发出过稀输出时被设为开启的标记。因此，步骤S38的条件，在流入上游侧催化剂30的废气以及在上游侧催化剂30下游处流出的废气均为过稀时成立。即，该条件为，例如图2中的时刻t2至t3之间所示的，在上游侧催化剂30达到最大吸氧状态，从而吸氧量不会产生更大变化的状况下才成立的条件。
当判断为步骤S38的条件不成立时，接下来将对过浓标记Xrich为开启(＝ON)，且空燃比偏差量ΔA/F<0的条件是否成立进行判断(步骤S40)。过浓标记Xrich为，在上述步骤S26中，在第1氧气传感器36发出过浓输出期间被设为开启的标记。即，在该步骤中，是对上游侧催化剂30上游及下游双方的废气是否为过浓进行判断。该条件为，例如图2中的时刻t0至t1之间所示，在上游侧催化剂30达到最小吸氧状态，从而吸氧量不产生更大变化的状况下才成立的条件。
因此，当判断为步骤S40的条件不成立时，则可判断出上游催化剂30正处于吸收或释放氧气的状态，且被上游侧催化剂30所吸收的氧气的量处于正在变化的状态。即，可判断出当前正处于例如图2中的时刻t1至t2之间，或时刻t3至t4之间。此时，在上一轮的处理循环中运算而得的累计吸氧量O2SUM上，加上本轮的处理循环中运算而得的吸氧量O2AD，从而进行累计吸氧量O2SUM的更新处理(步骤S42)。其后，本轮的处理结束。
另一方面，当判断为步骤S38的条件成立时，则可判断出上游侧催化剂30达到最大吸氧状态，且处于吸氧量不会产生更大变化的状况。因此，作为目前为止的吸氧量累计值的累计吸氧量O2SUM将不被更新，并作为最大累计吸氧量O2SUMmax被存储(步骤S44)。其后，将累计吸氧量O2SUM归零，即O2SUM＝0(步骤S46)，本轮的处理结束。
此外，当判断为步骤S44的条件成立时，则可判断出上游侧催化剂30达到最小吸氧状态，无法放出更多氧气，处于吸氧量不会再产生变化的状况。因此，当前的累计吸氧量O2SUM不被更新，直接作为最小累计吸氧量O2SUMmin而被存储(步骤S48)。其后，将累计吸氧量O2SUM归零，即O2SUM＝0(步骤S42)，本轮的处理结束。
根据图3所示的程序，通过随着被上游侧催化剂30吸收的氧气量的增减而使累计吸氧量O2SUM增减，从而能够运算出最大吸氧状态下的累计吸氧量即最大累计吸氧量O2SUMmax，和最小吸氧状态下的累计吸氧量即最小累计吸氧量O2SUMmin。当这些值被确定时，ECU40通过从最大累计吸氧量O2SUMmax减去最小累计吸氧量O2SUMmin，能够运算求得吸氧容量OSC。本装置根据运算而得的吸氧容量OSC是否大于规定的判断值来判断上游侧催化剂30是处于正常状态还是已经老化。此时的判断值是根据上游侧催化剂30的性质及必要的净化能力等而进行设定，并预先存储在ECU40中的值。
[关于实施方式1的系统的特征性的控制]
图4为用于说明第1氧气传感器36的输出特性的图，其模式化地表示了在作为第1氧气传感器36检测对象的废气空燃比从浓空燃比向稀空燃比变化时的第1氧气传感器36的输出变化。在图4中，横轴表示时间，纵轴表示第1氧气传感器36的输出。此外，实线(a)及虚线(b)为针对于呈相同浓度变化的废气的输出结果，其中，实线(a)表示废气流量较大的情况，而虚线(b)表示废气流量较小的情况。
如图4所示，第1氧气传感器36在废气的空燃比从浓空燃比向稀空燃比变化时，使其输出急剧增加，从而发出表示空燃比为稀空燃比的过稀输出(>VL)。此时，第1氧气传感器36的输出发生急剧变化的部分的变化速度将根据废气的气体流量而有很大差异。具体而言，当废气的气体流量较大时，第1氧气传感器36的输出变化较为急剧，如图4中的实线(a)所示，会较快地从过浓输出(<VR)向过稀输出变化。另一方面，当废气的气体流量较小时，第1氧气传感器36的输出变化较为平缓，如图4中的虚线(b)所示，与气体流量较大时相比，较缓地开始变化，以较长的时间从过浓输出向过稀输出变化。
其理由被认为是随着气体流量的增大使单位时间内气体浓度的变化量也增大而导致的。即，当气体流量增大时，被供给至第1氧气传感器36的废气的单位时间浓度变化也将增大。因此，该浓度变化以较快的速度被传递至配置于第1氧气传感器36的排放气体一侧的电极(排气侧电极)处。另一方面，当废气的流量较小时，该浓度变化作为比较平缓的变化而被传递至排气侧电极处。因此，如图4中的实线(a)、虚线(b)所示，即使在废气的浓度变化相同的情况下，由于气体流量的不同致使第1氧气传感器36的响应性不同，气体流量越大，到根据该浓度变化而使输出变化为止的响应时间越缩短。废气的空燃比在相反地从稀空燃比向浓空燃比变化时，也发生同样的现象。即，当气体流量较大时，第1氧气传感器36从过浓输出向过稀输出的变化较快，而当气体流量较小时，该变化较慢。
图5为表示配置了第1氧气传感器36的排气通道附近的废气的流量与第1氧气传感器36的输出响应时间关系的图，其横轴表示气体流量，纵轴表示输出响应时间。从图5中可以看出，在废气的气体流量较大时，第1氧气传感器36对于废气浓度变化的输出响应时间较短，而随着气体流量的减小，第1氧气传感器36的输出响应时间变得较长。
此外，从上游侧催化剂30排放的废气，在上游侧催化剂30达到最大或最小吸氧状态的时间点上成为过稀或过浓。因此，对于催化剂老化检测装置是否达到最大或最小吸氧状态的检测，是根据第1氧气传感器36的输出是否变为过稀输出(>VL)或过浓输出(<VR)而进行的。
但是，如上文所述，对于第1氧气传感器36的输出，其根据废气的浓度而发出过稀输出或过浓输出的时间由于废气的流量不同而有所差异。即，即使在上游侧催化剂30达到最大或最小吸氧状态，向第1氧气传感器36供给了过稀或过浓的废气的情况下，相对于此第1氧气传感器36发出过稀输出(>VL)或过浓输出(<VR)为止的响应时间也随主气体流量越大该响应时间越短。即，气体流量较大的情况与气体流量较小的情况相比，在空燃比较浓的状态下就发出了过稀输出从而被判断为最大吸氧状态，并在废气的空燃比较稀的状态下就发出过浓输出从而被判断为最小吸氧状态。其结果为，当气体流量较大时，从流入上游侧催化剂30的废气的空燃比反转为浓空燃比至检测出最小吸氧状态为止的时间(氧气释放期间：例如图2中的时刻t3至时刻t4)，或从空燃比反转为稀空燃比至检测出最大吸氧状态为止的时间(氧气吸收期间：例如图2中的时刻t1至时刻t2)，会由于气体流量的差而产生偏移。
特别是，流入第1氧气传感器36的，上游侧催化剂30下游的废气，是通过从上游侧催化剂30流过而被净化的极为稀薄的气体。因此，即使因气体流量的不同而导致的单位时间内的浓度变化差异极为微小，该差异有时也会在上游侧催化剂30下游侧的废气中产生很大的影响，对第1氧气传感器36的输出带来巨大的影响。即，第1氧气传感器36发出过稀输出或过浓输出的时间会产生很大差异，在气体流量较大以及较小的情况下，氧气释放期间或氧气吸收期间产生巨大的误差。
如图3中的程序所述，累计吸氧量是将在氧气释放期间或氧气吸收期间内重复检测而得的吸氧量进行累计而获得的值。因此，氧气释放期间或氧气吸收期间所产生的误差较大时，将无法在适当的时期充分地进行吸氧量的反复运算并将之进行累计，因此难以正确地运算累计吸氧量。
因此，实施方式1的装置，为了对由于废气的流量而在吸氧量的累计时间(即，氧气释放期间或氧气吸收期间)上产生的偏移进行抵消，从而即使在废气的流量较大的情况下，也能够在适当的时期确保充分的累计时间并运算累计吸氧量而进行了如下控制。即，空燃比强制控制中，在将目标空燃比从过浓一侧的目标空燃比(浓目标空燃比A/Frich)向过稀一侧的目标空燃比(稀目标空燃比A/Flean)，或从稀目标空燃比A/Flean向浓目标空燃比A/Frich切换的空燃比切换时，在目标空燃比达到浓目标空燃比A/Frich或稀目标空燃比A/Flean为止，使其每次变化空燃比变化量ΔA/Fref。
此时，将根据废气的流量而设定空燃比变化量ΔA/Fref。在此，废气的流量与吸入空气量Ga相关，吸入空气量Ga越大，废气的流量也越大。因此，在实施方式1中，将根据吸入空气量Ga来决定切换空燃比时的空燃比变化量ΔA/Fref。
图6为表示确定吸入空气量Ga与目标空燃比的变化量ΔA/Fref之间的关系的图表。如图6中的图表所示，空燃比强制控制中空燃比切换时的目标空燃比变化量ΔA/Fref被设定为，吸入空气量Ga越大该变化量越小，其结果为，空燃比切换时随着吸入空气量Ga越大，即废气流量越大的情况下，空燃比每次将以被设定的越小的ΔA/Fref而平缓地变化。
如上文所述，随着气体流量的增大，即随着吸入空气量Ga的增大，单位时间内气体浓度的变化量将增大。对此，在实施方式1的装置中，通过减小空燃比变化量ΔA/Fref，使流入上游侧催化剂30的废气的浓度变化被设定为，吸入空气量Ga越大时该浓度变化越小。其结果为，空燃比切换时，在达到浓目标空燃比A/Frich、稀目标空燃比A/Flean之前的期间内，能够将因吸入空气量Ga的差异而导致的废气在单位时间内的气体浓度变化的差异抵消。因此，至少在空燃比切换期间，能够使到达第1氧气传感器36排气侧电极的废气不与吸入空气量Ga的大小相关而为相同程度的空燃比。由此，能够在一定程度上抑制过稀输出及过浓输出发出时间上的偏移。
此外，由于当吸入空气量Ga较大时，目标空燃比控制的较为平缓，因此，能够将氧气吸收期间及氧气释放期间，即吸氧量的累计时间确保为较长。由此，能够防止由于第1氧气传感器36的反应过于敏感而导致的累计时间过度缩短。
[实施方式1的装置的特征性的控制程序]
图7为用于说明实施方式1的催化剂老化检测装置的ECU40所执行的控制程序的流程图。图7所示的程序为，实施空燃比强制控制时所进行的用于空燃比控制的程序，并且，该程序为每隔规定时间就重复执行的定时中断程序。
在此程序中，首先，对吸氧容量检测标记Xosc是否为开启(ON)进行判断(步骤S102)。标记Xosc为，在图3的步骤S12及S16的处理中，发出吸氧容量OSC的检测指令且仅在累计吸氧量运算中时被设为开启(ON)的标记。其结果为，当判断为吸氧容量检测标记Xosc关闭(OFF)时，其后将不再进行任何处理，本轮处理结束。
另一方面，在步骤S102中，当吸氧容量检测标记Xosc被确认为开启(＝ON)时，接下来，对过稀标记Xlean是否从关闭(OFF)切换成了开启(ON)进行判断(步骤S104)。过稀标记Xlean为，当第1氧气传感器36发出过稀输出期间为开启的标记(参照图3的步骤S20至S22)。因此，步骤S108的条件为，仅在从上轮的处理循环至本轮的处理循环中，第1氧气传感器36的输出从过稀判断值VL以下的值变化为大于该判断值VL的过稀输出时成立。
当过稀标记Xlean被判断出从关闭切换为了开启时，首先，过浓切换标记Yrich被设为开启(步骤S106)。过浓切换标记Yrich为，从第1氧气传感器36的过稀输出被确认时，即从上游侧催化剂30达到了最大吸氧状态被确认时开始，至向浓目标空燃比A/Frich的空燃比切换完毕为止的期间内，被设为开启的标记。
接下来，对当前的吸入空气量Ga进行检测(步骤S108)。吸入空气量Ga可以根据空气流量计20的输出来进行检测。接着，对空燃比变化量ΔA/Fref进行运算(步骤S110)。空燃比变化量ΔA/Fref为，根据在步骤S108中被检测出的吸入空气量Ga，依照预先设定的图表(参照图6)而进行运算。空燃比变化量ΔA/Fref被设定为，如上文所述，吸入空气量Ga越大时该变化量的值越小。即，吸入空气量Ga越大，其后的空燃比切换时的目标空燃比A/Fref的变化量就越平缓。
接着，对浓空燃比A/FrefR进行运算(步骤S112)。在过浓切换标记Yrich为开启(ON)的期间，即，向过浓一侧的空燃比的切换中，作为目标空燃比的浓空燃比A/FrefR，根据下面的式(2)，可以通过从当前设定的目标空燃比A/Fref减去变化量ΔA/Fref而求得。
浓空燃比A/FrefR＝当前目标空燃比A/Fref-空燃比变化量ΔA/Fref  ...(2)
接着，对运算而得的浓空燃比A/FrefR是否大于浓目标空燃比A/Frich进行判断(步骤S114)。当确认A/FrefR>A/Frich成立时，则成为目标空燃比A/Fref的浓空燃比A/FrefR，在本轮的空燃比设定中不达到浓目标空燃比A/Frich。因此，目标空燃比A/Fref被设为，在步骤S112中运算而得的目标空燃比A/FrefR(步骤S116)。其后，根据被设定的目标空燃比A/Fref来实施空燃比控制(步骤S118)，结束本轮的处理。
另一方面，在步骤S114中，当确认A/FrefR>A/Frich不成立时，即，向过浓一侧的空燃比切换时的目标空燃比A/FrefR在浓目标空燃比A/Frich以下时，目标空燃比A/Fref被设定为浓目标空燃比A/Frich(步骤S120)。其后，过浓切换标记Yrich被设为关闭(步骤S122)。然后，根据在步骤S120中设定的目标空燃比A/Fref来实施空燃比控制(步骤S118)，结束本轮的处理。
其后，图7的程序被重复执行，但是，在步骤S120、S122的处理之后，上游侧催化剂30处于最小吸氧状态且在步骤S104中过浓标记Xrich从关闭切换为开启为止，目标空燃比A/Fref处于被维持在浓目标空燃比A/Frich的状态。
第1氧气传感器36的输出变为过浓输出时也实施相同的处理。即，在步骤S104中，当判断为过稀标记Xlean未从关闭切换为开启时，接下来，对过浓标记Xrich是否从关闭切换为开启进行判断(步骤S124)。过浓标记Xrich为，当第1氧气传感器36发出过浓输出期间为开启的标记(参照图3的步骤S24至S26)。因此，步骤S124的条件为，仅在从上轮的处理循环至本轮的处理循环中，第1氧气传感器36的输出从过浓判断值VR以上的值变化为小于该判断值VR的过浓输出时成立。
当过浓标记Xrich被判断出从关闭切换为了开启时，首先，过稀切换标记Ylean被设为开启(步骤S126)。过稀切换标记Ylean为，从检测出上游侧催化剂30达到了最小吸氧状态时开始至目标空燃比A/Fref向稀目标空燃比A/Flean的空燃比切换完毕为止的期间内被设为开启的标记。
接下来，对当前的吸入空气量Ga进行检测(步骤S128)。根据该吸入空气量Ga对目标空燃比的变化量ΔA/Fref进行运算(步骤S130)。接着，对成为向过稀一侧的空燃比切换时的目标空燃比的稀空燃比A/FrefL进行运算(步骤S132)。稀空燃比A/FrefL，根据下面的式(3)，可以通过在当前设定的目标空燃比A/Fref上加上空燃比变化量ΔA/Fref而求得。
稀空燃比A/FrefL＝当前目标空燃比A/Fref+空燃比变化量ΔA/Fref  ...(3)
接着，对稀空燃比A/FrefL是否小于稀目标空燃比A/Flean进行判断(步骤S134)。当确认A/FrefL<A/Flean成立时，则被判断为稀空燃比A/FrefL在本轮的空燃比设定中也未达到稀目标空燃比A/Flean，因此，目标空燃比A/Fref被设为运算而得的稀空燃比A/FrefL(步骤S136)。
另一方面，在步骤S134中，当确认稀空燃比A/FrefL<稀目标空燃比A/Flean不成立时，即，稀空燃比A/FrefL在稀目标空燃比A/Flean以上时，目标空燃比A/Fref被设定为稀目标空燃比A/Flean(步骤S138)。其后，过稀切换标记Ylean被设为关闭(步骤S140)。在步骤S136或步骤S138中，当目标空燃比A/Fref被设定时，空燃比被控制为设定的空燃比(步骤S118)。其后结束本轮的处理。
其后，图7的程序被重复执行，但是，在步骤S138、S140的处理之后，上游侧催化剂30再度处于最大吸氧状态且在步骤S104中过稀标记Xlean从关闭切换为开启为止，目标空燃比A/Fref处于被维持在稀目标空燃比A/Flean的状态。
另一方面，在步骤S124中，当判断过浓标记未从关闭变为开启时，即，当过稀标记Xlean、过浓标记Xrich均未从关闭切换为开启时，接下来，对过浓切换标记Yrich是否为开启进行判断(步骤S142)。过浓切换标记Yrich为，在空燃比强制控制中的目标空燃比从过稀向过浓的空燃比切换中，被设为开启的标记。
因此，当判断过浓切换标记为开启时，将进入步骤S112的处理，依照上述式(2)对浓空燃比A/FrefR进行运算。并且，当判断出浓空燃比A/FrefR>浓目标空燃比A/Frich时，目标空燃比A/Frich被设为浓空燃比A/FrefR(步骤S116)。该处理为，在该程序的重复执行中，在步骤S114的处理中浓空燃比A/FrefR被确认为在浓目标空燃比A/Frich以下为止被实施。即，空燃比从稀向浓切换时，在达到浓目标空燃比A/Frich之前，目标空燃比被控制为，每次减小根据吸入空气量Ga而确定的变化量ΔA/Fref。其后，当判断出浓空燃比A/FrefR达到了浓目标空燃比A/Frich以下时，目标空燃比A/Fref被设定为浓目标空燃比A/Frich(步骤S120)，并在过浓切换标记Yrich被设为关闭之后(步骤S122)，对空燃比进行控制(步骤S118)。
此外，在步骤142中，当判断过浓切换标记Yrich为关闭时，接下来，对过稀切换标记Ylean是否为开启进行判断(步骤S144)。过稀切换标记Ylean为在空燃比强制控制中的目标空燃比从浓向稀的空燃比切换中，被设为开启的标记。
在步骤S114中，当判断过稀切换标记为开启时，进入步骤S132的处理，对稀空燃比A/FrefL进行运算。并且，在稀空燃比A/FrefL<稀目标空燃比A/Flean时(步骤S134)，目标空燃比A/Fref被设定为稀空燃比A/FrefL(步骤S136)，并对空燃比进行控制(步骤S118)。该向过稀一侧的空燃比切换时的该处理为，在步骤S134中判断出稀空燃比A/FrefL达到稀目标空燃比A/Flean以上为止被实施。即，空燃比向过稀一侧切换时，在达到稀目标空燃比A/Flean为止的期间，目标空燃比A/Fref被控制为，每次增大根据吸入空气量Ga而确定的空燃比变化量ΔA/Fref。其后，当判断出稀空燃比A/FrefL达到了稀目标空燃比A/Flean以上时，目标空燃比A/Fref被设定为稀目标空燃比A/Flean(步骤S138)，并在过稀切换标记Ylean被设为关闭之后(步骤S140)，对空燃比进行控制(步骤S118)。
另一方面，在步骤S144中当未判断出过稀切换标记Ylean为开启时，则就此维持当前设定的目标空燃比，并对空燃比进行控制(步骤S118)。
如以上说明中所述，实施方式1的催化剂老化检测装置，为了检测催化剂的老化而检测吸氧容量时，实施将空燃比强制地向浓空燃比或稀空燃比切换的空燃比强制控制。此外，将空燃比从浓向稀或从稀向浓切换之际，将该空燃比变化量ΔA/Fref根据吸入空气量Ga而设定。具体而言，空燃比变化量ΔA/Fref为，当吸入空气量Ga较小时其被设定为较大的值，而当吸入空气量Ga较大时其被设定为较小的值。其结果为，当吸入空气量Ga较大，到达第1氧气传感器36排气侧电极的废气的浓度变化较大时，废气的空燃比将变得较为平缓。因此，能够将由于吸入空气量Ga的差而产生的单位时间浓度变化的差抵消，从而可使到达第1氧气传感器36的废气的浓度变化在一定的范围之内。
此外，即使在吸入空气量Ga较大，且第1氧气传感器36的输出对于空燃比的变化以较为敏感地变化，从而较早地发出了过稀输出或过浓输出的情况下，也通过使向稀空燃比或浓空燃比变化的空燃比平缓，能够延长达到最大或最小吸氧状态之前的期间。因此，即使在吸入空气量Ga较大的情况下，也能够将用于检测吸氧容量的吸氧量的累计时间确保成较长。因此，根据实施方式1的装置，能够准确地运算出吸氧容量，从而以较高的精度判断催化剂的老化。
并且，在实施方式1中，对在空燃比强制控制中，向浓空燃比或稀空燃比进行空燃比切换之际，根据吸入空气量Ga来决定空燃比变化量ΔA/Fref的情况进行了说明。但是，在本发明中，决定空燃比变化量ΔA/Fref的参数并不仅限于吸入空气量Ga。空燃比变化量ΔA/Fref也可以例如对吸入气体的流量进行直接测定并根据该测定结果来决定。此外，与吸入气体的流量较大时同样，当吸入气体的流速较快时，被排放至上游侧催化剂30下游的废气在单位时间内的浓度变化也会增大，因此，第1氧气传感器36的输出响应速度根据气体流速也会产生差异。因此，利用同样的控制，在吸入气体的流速较快时，通过将空燃比变化量ΔA/Fref减小，能够使因第1氧气传感器36的输出响应时间的不同而导致的累计时间的误差减小。
此外，在本发明中，相对于吸入空气量Ga的空燃比变化量ΔA/Fref的值，也不仅限于依照如图6所示图表中的值。由于这些值根据上游侧催化剂30的性质等会有所不同，因此，可对每个装配了催化剂老化检测装置的内燃机10分别设定。
并且，例如，在实施方式1中，通过执行步骤S20来实现本发明的“最大吸氧状态检测单元”，通过执行步骤S24来实现本发明的“最小吸氧状态检测单元”，通过执行步骤S116至S120来实现“浓空燃比控制单元”，通过执行步骤S134至S140及S118来实现“稀空燃比控制单元”，通过执行步骤S36至步骤S48来实现“吸氧量检测单元”，通过执行步骤S110至S116以及步骤S130至S136来实现“吸氧量检测条件设定单元”。
此外，例如，在实施方式1中，通过执行步骤S108及步骤S128来实现本发明的“吸入空气量检测单元”，通过执行步骤S110及步骤S130来实现“变化量运算单元”，通过执行步骤S114来实现“浓空燃比判断单元”，通过执行步骤S116来实现“浓空燃比设定单元”，通过执行步骤S134来实现“稀空燃比判断单元”，通过执行步骤S136来实现“稀空燃比设定单元”。
实施方式2
实施方式2的催化剂老化检测装置及其外围的系统构造，具有与实施方式1相同的构造(参照图1)。在实施方式2中也是作为催化剂老化检测装置的ECU40通过对上游侧催化剂30的吸氧容量进行检测，从而检测出上游侧催化剂30的老化。即，通过实施与实施方式1中相同的空燃比强制控制，其间检测出催化剂的吸氧容量，并根据吸氧容量来判断催化剂的老化。
具体而言，实施方式2的装置，在空燃比强制控制中的空燃比切换时，不实施每次以设定的空燃比变化量改变空燃比直至其达到浓目标空燃比或稀目标空燃比的控制，以及将空燃比强制控制中的浓目标空燃比或稀目标空燃比设定为对应第1氧气传感器36的元件温度的空燃比，并且在空燃比切换时一口气地切换为稀空燃比或浓空燃比。除了上述两点之外，实施方式2中实施与实施方式1的装置相同的控制。
在空燃比强制控制中，从上游侧催化剂30排放的废气温度，被内燃机10的运转条件等所左右，不为固定值而是根据状况而变化。在这种废气温度不同的情况下，即使是相同空燃比的废气，废气的过浓成分中各成分的比率以及过稀成分中的各成分的比率也不同。
具体而言，当废气的温度升高时，废气中的过浓成分即HC成分中，CH4的比率有升高的倾向。CH4与其他的HC成分相比扩散速度较快。即，CH4与其他的HC成分相比，其以较快的速度通过被形成在排气侧电极表面的扩散层等而到达排气侧电极催化剂处。此外，随着废气温度的上升，受高温废气的影响第1氧气传感器36的传感器元件的温度(元件温度)也上升。当第1氧气传感器36的元件温度上升时，第1氧气传感器36的排气侧电极表面的扩散层等的温度也上升。当扩散层的温度上升时，对被导入传感器内的废气的速控功能会降低。由于此功能的降低，尤其是过浓成分中的H成分相对于其他成分的扩散速度会相对加快。
如此，在废气的空燃比从过稀的状态向浓空燃比变化了的情况下，当该废气的温度较高时，受到扩散速度较快的CH4成分以及H成分的影响较大，因此，第1氧气传感器36的输出将较快地，即在上游侧催化剂30下游的废气处于相对过稀的空燃比的阶段，就对该变化作出反应而发出过浓输出。相反地，当该废气的温度较低时，第1氧气传感器36的输出将较平缓地变化，在废气已经达到较浓的空燃比之后，才对该变化作出反应并发出表示过浓的输出。
即，当上游侧催化剂30达到最小吸氧状态，过浓的废气开始流入第1氧气传感器36的情况下，废气的温度越高，第1氧气传感器36将越早地在废气的实际空燃比更为过稀的阶段，发出表示其状态的过浓输出。如此，废气的温度越高，第1氧气传感器36的过浓一侧的响应速度就越快，其结果为，由第1氧气传感器36检测出的最小吸氧状态的检测时间将提早。
另一方面，当废气温度升高时，废气中的过稀成分NOX中，NO2的比率将增加，而当废气温度降低时，NOX中，NO的比率将增加。在此，NO2在其分子中比NO含有更多的氧，因此在排气侧电极的催化剂中，能够释放较多的氧气。因此，废气向较稀的空燃比变化了的情况下，当该废气的温度较高且NO2的比率较大的废气流入时，第1氧气传感器36将在较浓的阶段发出表示过稀的输出。
即，当上游侧催化剂30达到最大吸氧状态，过稀的废气开始在上游侧催化剂30下游处流出时，第1氧气传感器36在该废气的温度较高的状态下，将较快且在较浓的状态时发出表示该状态的过稀输出。相反地，在温度较低的情况下，由于废气的过稀成分中的NO的比率增大，因此到过稀输出(>VL)被发出的响应时间延长。
特别是，上游侧催化剂30下游的废气为在上游侧催化剂30处被净化了的废气。因此，即使在上游侧催化剂30达到最大或最小吸氧状态，废气的空燃比变为过稀或过浓的情况下，该浓度变化也极为稀薄。因此，由于如上文所述的废气温度的差异，将产生废气中的过浓成分或过稀成分中的各成分比率的差异以及通过扩散层的各成分的扩散速度的差异。由此，当废气的浓度变化产生差异时，即使该差异很微小，但在稀薄的废气中，该浓度变化对整体也有较大影响。
如上文所述，当废气升至高温时，相对于被排放至上游侧催化剂30下游侧的废气向过浓或过稀的变化，实际发出过浓或过稀输出为止的响应时间将缩短。即，最大或最小吸氧状态的检测时间提前从而使该时间产生误差，会产生如氧气吸收期间或氧气释放期间过渡缩短等的误差。其结果为，无法在准确的期间内进行吸氧量的累计，从而使累计吸氧量与实际值之间产生误差。但是，为了正确运算吸氧容量并高精度地进行上游侧催化剂的老化检测，优选累计吸氧量为比较准确的值，因此，需要防止累计时间的误差，确保一定的累计时间。
因此，实施方式2中，在空燃比强制控制中将第1氧气传感器36的过稀或过浓一侧的目标空燃比分别根据第1氧气传感器的元件温度而进行设定。具体而言，将其设定为，当废气温度较高时，稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich与理论空燃比A/F的差(振幅)变大。
如此，当目标空燃比在过浓或过稀侧以较大振幅被设定时，流入上游侧催化剂30的废气的空燃比之过稀或过浓的程度也变得较大。因此，当上游侧催化剂30达到了最大或最小吸氧状态时，开始向上游侧催化剂30下游排放的过浓或过稀的废气的空燃比也变得较大。因此，在废气温度升高时，第1氧气传感器36变为检测这种以较大振幅变化的废气空燃比的变化。因此，即使在废气温度升高时，也能够使由于该温度上升而导致的废气中的各成分比率的变化以及扩散速度的差异对第1氧气传感器36的输出的影响减小。因此，能够防止在废气温度升高时，第1氧气传感器36的输出响应速度过度敏感地变快，从而在过浓或过稀阶段就被检测为最大或最小吸氧状态。
但是，废气的温度升高时，元件温度必然随之上升。因此，如上文所述的稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich是根据元件温度而决定的。由此，可以认为是，其被设定为还考虑了废气温度变化的目标空燃比。
此外，元件温度与传感器元件的阻抗有所关联。图8为表示元件温度与元件阻抗关系的图。如图8所示，元件温度随着元件阻抗的降低而升高。基于这种关系，能够通过检测元件阻抗来求得元件温度。因此，能够将以上述的元件温度为参数的稀目标空燃比A/Flean和浓目标空燃比A/Frich设置成依据元件阻抗的值。
图9表示了决定元件温度、稀目标空燃比A/Flean以及浓目标空燃比A/Frich之间关系的图表。目标空燃比A/Flean、A/Frich被设定为，依照如图9的图表所示的关系，随着元件阻抗的减小(即随着元件温度的升高)，其与理论空燃比A/Fst的差增大。
在ECU40中存储有，根据如图9所示的关系而确定了元件阻抗与稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich的关系的图表。在用于上游侧催化剂30的老化检测的空燃比强制控制中，先检测出第1氧气传感器36的元件阻抗，根据该值设定稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich，再根据该设定的目标空燃比进行空燃比控制。
图10所示的流程图为，本发明的实施方式2中ECU40所执行的控制程序。图10所示的程序为，运算累计吸氧量时的空燃比强制控制程序，并且，其为如图3所示，在过稀标记Xlean、过浓标记Xrich被控制的状态下，代替图7所示的程序而被执行的程序。
具体而言，在图10的程序中，当判断吸氧容量检测标记Xosc为开启时(步骤S202)，接下来，对过稀标记Xlean是否从关闭切换为开启进行判断(步骤S204)。过稀标记Xlean为，在通过图3的步骤S20至S22检测最大吸氧状态的期间被设为开启的标记。因此，步骤S204的条件为，仅在从上轮的处理至本轮处理中，第1氧气传感器36的输出从小于规定的判断值切换成了过稀输出以上的值时成立。
当判断为步骤S204的条件成立时，对元件阻抗进行检测(步骤S206)。元件阻抗是通过在传感器元件上施加元件阻抗检测用的电压，并检测传感器元件中流过的电流的变化而检测到的。接下来，根据元件阻抗，运算浓目标空燃比A/Frich(步骤S208)。浓目标空燃比A/Frich被设定为依照预先存储在ECU40中的图表(参照图9)且依据元件阻抗的值。在此被运算出的浓目标空燃比A/Frich为，元件阻抗越大(即元件温度越低)，其值越大。其后，空燃比被设定为在步骤S208中求得的浓目标空燃比A/Frich(步骤S210)，并被控制成所设定的浓目标空燃比A/Frich(步骤S212)。
另一方面，在步骤S204中，当判断为过稀标记Xlean未从关闭切换成开启时，接下来，对过浓标记Xrich是否从关闭切换为开启进行判断(步骤S214)。过浓标记Xrich是在检测出最小吸氧状态期间被设为开启的标记(图3的步骤S24及S26)。因此，步骤S214的条件为，仅在从上轮的处理至本轮处理中，第1氧气传感器36的输出从大于规定判断值的值切换成了小于判断值的过浓输出时成立。
在步骤S214中，当判断为过浓标记Xrich从关闭切换成了开启时，则对元件阻抗进行检测(步骤S216)。其后，根据元件阻抗，对稀目标空燃比A/Flean进行运算(步骤S218)。稀目标空燃比A/Flean被设定为，依照预先存储在ECU40中的图表且依据了元件阻抗的值。在此被运算出的稀目标空燃比A/Flean为，元件阻抗越大(即元件温度越低)，其值越大。其后，目标空燃比被设定为在步骤S218求得的稀目标空燃比A/Flean(步骤S220)，且空燃比被控制为所设定的稀目标空燃比A/Flean(步骤S212)。
当被判断为步骤S204的条件和步骤S214的条件均未成立时，则可确定为既未达到最大吸氧状态，也未达到最小吸氧状态，因此，目标空燃比维持当前设定的空燃比(步骤S222)，并实施空燃比的控制(步骤S212)。
如以上说明所述，根据本发明的实施方式2，在检测吸氧容量时的空燃比控制之际，被设定成随着第1氧气传感器36的元件温度升高，稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich与理论空燃比A/Fst的差增大。其结果为，当元件温度较高时，即预测废气的温度较高时，能够使流入上游侧催化剂30的废气的空燃比变为过稀或过浓。此时，上游侧催化剂30达到了最大或最小吸氧状态时，开始向上游侧催化剂30的下游侧排放的过浓或过稀的废气的空燃比也变大。由此，当废气温度升高时，第1氧气传感器36检测的是这种以较大振幅变化的废气空燃比变化。因此，即使在废气温度升高时，也能够减小由于该温度上升而导致的废气中各成分比率的变化以及扩散速度的差异对于第1氧气传感器36输出的影响。因此，能够防止在废气温度升高时，由于第1氧气传感器36的输出响应速度变得过快，致使在仍然过稀或过浓的阶段就检测出最大或最小吸氧状态。
并且，在实施方式2中，对于先检测元件阻抗，然后以此为参数设定目标空燃比A/Flean、A/Frich的情况进行了说明。但是，在本发明中，用于设定目标空燃比A/Flean、A/Frich的参数并不仅限于此，只要是反映了废气温度的量均可采用。具体而言，例如，还可以直接检测元件温度并以之作为参数，或直接检测流入第1氧气传感器36的废气的温度并以之作为参数，从而设定目标空燃比A/Flean、A/Frich。
此外，在实施方式2中，对于根据元件阻抗决定稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich，并在空燃比切换时将空燃比一口气地切换至被设定的目标空燃比A/Flean、A/Frich的情况进行了说明。但是，本发明并不仅限于此。例如，本发明还可以采用，在空燃比切换时，在空燃比达到设定的稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich为止的期间内，以该设定值作为最终的目标空燃比，与实施方式1同样地使空燃比每次变化空燃比变化量ΔA/Fref。
并且，例如，在实施方式2中，通过执行步骤S206及步骤S216，来实现“元件温度检测单元”，通过执行步骤S208来实现“浓目标空燃比设定单元”，通过执行步骤S210及S212来实现“浓空燃比控制单元”，通过执行步骤S218来实现“稀目标空燃比设定单元”，通过执行步骤S220及S212来实现“稀空燃比控制单元”。
实施方式3
实施方式3的催化剂老化检测装置以及安装了该装置的系统的外围的构造，具有与实施方式1相同的构造(参照图1)。实施方式3的装置与实施方式1、2同样地，实施将空燃比向过浓或过稀切换的空燃比强制控制，分别检测在最大或最小吸氧状态下的累计吸氧量O2SUMmax、O2SUMmin并求得吸氧容量OSC，再根据吸氧容量OSC来进行上游侧催化剂30的老化判断。此时，实施方式3的装置，在空燃比强制控制中的稀目标空燃比A/Flean或浓目标空燃比A/Frich为预先确定的固定值，并且，在空燃比强制控制下检测吸氧容量期间将元件温度维持在规定的高温，除去上述这两点，实施方式3的装置实施与实施方式2的装置进行相同的控制。
当第1氧气传感器36的元件温度较低时，排气侧电极的扩散层的温度也处于较低的状态。如上文所述，当扩散层的温度降低时，与扩散层温度较高的情况相比，废气中各成分在扩散层上的扩散速度将加快。因此，即使第1氧气传感器36周围的废气为相同的空燃比，通过扩散层而到达排气侧电极的废气的空燃比，有时也会由于元件温度(即扩散层的温度)为高温或为低温的不同而有所差异。
如上文所述，第1氧气传感器36是以通过上游侧催化剂30从而过稀或过浓成分变得较为稀薄的废气作为检测对象的。因此，即使上述这种因元件温度的差而导致的各成分扩散速度的差很微小，其也处于易于对第1氧气传感器36的输出产生很大影响的状态。即，第1氧气传感器36的输出响应性根据元件温度而有所不同。在第1氧气传感器36的输出响应性上，当产生了由元件温度导致的差异时，第1氧气传感器36发出过稀输出或过浓输出的时间将产生较大的差异。其结果为，由于氧气吸收期间及氧气释放期间，产生了因元件温度而导致的偏差，因此在该期间被累计的累计吸氧量将产生偏差。但是，为了以较高的精度进行催化剂老化判断，优选将这种因元件温度导致的累计吸氧量的偏差控制在较小的程度，从而准确地求得吸氧容量。
因此，实施方式3的装置，在空燃比强制控制下运算累计吸氧量的期间，使传感器元件处于升温至高于活性温度的规定温度(在实施方式3中为700℃至750℃左右)的状态。通过如此将传感器元件控制在高温，不论废气温度高低，均能够将传感器元件的温度保持为一定。其结果为，能够在扩散层的温度常时处于一定范围内的状态下，获得第1氧气传感器36的输出结果。因此，能够抑制在废气中各成分扩散速度上的差异的产生，使第1氧气传感器36处于，对于废气空燃比的变化，能够常时以相同程度的响应速度发出过稀输出或过浓输出的状态。因此，能够将氧气吸收期间及氧气释放期间产生的偏差控制在较小的程度，从而准确地运算出累计吸氧量。
图11为本发明的实施方式3中系统所执行的控制的程序。图11的程序为，ECU40所执行的程序，用以代替实施方式1的图3所示的程序。图11所示的程序中，除去在图3的步骤S10之后、步骤S16之前执行步骤S60至S64之外，与图3的程序相同。
具体而言，在图11所示的程序中，首先，当判断吸氧容量检测标记Xosc为开启时(步骤S10)，第1氧气传感器36元件温度的控制目标值被设为，例如700至750℃左右的，被预先设定的吸氧容量检测时用的基准温度，并被控制为该温度(步骤S60)。具体而言，该控制为，使被配置在传感器元件附近的加热器的通电控制开始进行，从而使传感器元件温度升温至目标温度。
接下来，对第1氧气传感器36的元件温度进行检测(步骤S62)。元件温度能够通过例如检测第1氧气传感器36的元件阻抗并根据该元件阻抗求得(参照图8)。接着，对当前的第1氧气传感器36的元件温度是否在吸氧容量检测时的基准温度之上进行判断(步骤S64)。在步骤S64中，当判断第1氧气传感器36的元件温度低于基准温度时，返回步骤S60，再次进行传感器元件的升温控制及元件温度的检测(步骤S60至S62)。该步骤S60、S62的处理，在步骤S60中判断出元件温度≥基准温度成立为止反复被执行。
其结果为，在步骤S64中，当判断出第1氧气传感器36的元件温度≥基准温度时，则判断为第1氧气传感器36的元件温度达到了吸氧容量检测时的基准温度。因此，接下来，将吸氧容量检测标记Xosc设为开启(步骤S16)。其后，执行与图3相同的步骤S22至S46的处理，与实施方式1同样地，控制过稀标记Xlean、过浓标记Xrich的开启和关闭，从而在空燃比强制控制下运算累计吸氧量。
图12为本发明的实施方式3中ECU40所执行的累计吸氧量运算时的空燃比强制控制的程序。图12的程序为，在如图11所示，过稀标记Xlean、过浓标记Xrich的开启/关闭被控制的状态下，代替图10的程序而被执行的程序。图12所示的程序，不实施步骤S206至S208以及步骤S216至S218，并且，其分别执行步骤S302以及S304用以代替步骤S210和S220，除了上述两点之外，其与图10所示的程序相同。
具体而言，在图12的程序中，当判断为吸氧容量检测标记Xosc为开启(步骤S202)，且判断过稀标记Xlean从关闭切换成了开启时(步骤S204)，空燃比被设定为浓目标空燃比A/Frich(步骤S302)。此处被设定的浓目标空燃比A/Frich为被预先被确定且存储在ECU40的固定值。即，该浓目标空燃比A/Frich不是根据元件温度及其他因素而被变化的值，而是一定的值。在实施方式3中，为了将元件温度控制在高温，整体上第1氧气传感器的响应速度加快。考虑到这一点，浓目标空燃比A/Frich还可以设定为，例如比现有装置的目标空燃比小的值，即与理论空燃比的差大的值。当浓目标空燃比被设定时，其后，根据该浓目标空燃比A/Frich来实施空燃比的控制(步骤S212)，结束本轮的处理。
另一方面，在步骤S214中，当判断过浓标记Xrich从关闭切换为了开启时，空燃比被设定为稀目标空燃比A/Flean(步骤S304)。稀目标空燃比A/Flean与浓目标空燃比A/Frich同样，是被预先确定并存储在ECU40中的固定值。并且，由于将元件温度控制在高温，整体上第1氧气传感器的响应速度加快。考虑到这一点，稀目标空燃比A/Flean还可以设定为，例如比现有装置的目标空燃比更大的值，即与理论空燃比的差大的值。当稀目标空燃比A/Flean被设定时，其后，根据该稀目标空燃比A/Flean来实施空燃比的控制(步骤S212)，结束本轮的处理。
当步骤S204的条件、步骤S214的条件判断为均未成立时，则被确定为最大吸氧状态及最小吸氧状态均未达到，因此目标空燃比将被维持在当前设定的空燃比(步骤S222)，执行空燃比的控制(步骤S212)，结束本轮的处理。
在上述处理中，吸氧容量检测标记Xosc，仅在第1氧气传感器36的传感器元件温度上升至规定的基准温度时为开启(图11、步骤S60至S64)。并且，在图12的步骤S202中，对吸氧容量检测标记Xosc是否为开启进行判断，并只在标记Xosc为开启时实施其后的空燃比强制控制。即，吸氧容量检测标记Xosc开启将成为空燃比强制控制以及吸氧容量检测的开始条件。因此，通过上述程序在空燃比强制控制下检测吸氧容量时，第1氧气传感器36的元件温度可靠地处于被升温至规定的目标温度(700至750℃左右)的状态。因此，能够减小因第1氧气传感器36元件温度的不同而导致的输出误差，并能将氧气释放期间以及氧气吸收期间产生的误差控制在较小的程度。其结果为，能够在准确的期间检测累计吸氧量，从而准确地运算吸氧容量。因此，通过实施方式3的系统，能够实现高精度的上游侧催化剂的老化检测。
并且，在实施方式3中，对检测出元件阻抗并运算元件温度的情况进行了说明。但是，本发明并不仅限于此，例如，也可以直接将元件阻抗作为参数使用，或者，还可以设置用于检测元件温度的温度传感器，从而直接检测元件温度并以之作为参数。
此外，在实施方式3中，对于在第1氧气传感器36的元件温度上升至基准温度之后，以与现有装置相同的方法实施空燃比强制控制，并运算累计吸氧量的情况进行了说明。但是，实施方式3并不仅限于此，也可以采用，例如将图11的程序与实施方式1的图7的程序组合，根据吸入空气量来设定空燃比切换时的空燃比变化量ΔA/Fref，并进行控制使空燃比逐渐变化直至达到目标空燃比A/Flean、A/Frich。
并且，例如，在实施方式3中，通过执行步骤S60至S64来实现本发明的“元件温度检测单元”，通过执行步骤S302及S212来实现“浓空燃比控制单元”，通过执行步骤S304及S212来实现“稀空燃比控制单元”。
实施方式4
实施方式4的催化剂老化检测装置以及配置了该装置的外围系统的构造，具有与实施方式1相同的构造(参照图1)。实施方式4的装置也与实施方式1同样，在将空燃比强制地切换为稀空燃比或浓空燃比的空燃比强制控制下，运算上游侧催化剂30的吸氧容量，并根据吸氧容量来判断上游侧催化剂的老化。实施方式4的系统的特征在于，对累计吸氧量的累计期间设定有安全下限值的。
图13为表示氧气传感器的输出特性的图，其中，实线(c)表示老化后的传感器输出，而虚线(b)表示初期时的传感器输出。在图13中，横轴表示时间，纵轴表示氧气传感器的输出。此外，图13中的实线(c)、虚线(b)所示的输出表示的是对于相同废气的输出。
如图13所示，氧气传感器的输出，即使在检测相同的废气时，在氧气传感器的老化前和老化后，其输出的变化也有差异。该输出的变化认为主要是由于氧气传感器的扩散层的老化而导致的。在此，扩散层为形成在排气侧电极表面，具有对排气侧电极附近的废气进行速控使废气以平滑化的状态到达排气侧电极的功能的层。因此，当扩散层的老化加剧时，上述对废气进行速控使之平滑化的扩散层的功能将会降低。
通常，如图13所示，在第1氧气传感器36未老化的情况下，到达排气侧电极表面的废气变为被扩散层进行速控且被平滑化的气体。因此，该输出为对于废气的浓度变化，正确地反映了其浓度的输出，其响应性较为平缓(虚线(d))。
另一方面，在第1氧气传感器老化了的情况下，扩散层不能充分发挥其功能，废气将较快地到达排气侧电极表面。因此，老化了的传感器的输出为，相对于废气从过浓向过稀的浓度变化，以较快的响应性急速变化输出(参照实线(c))。
图14表示了第1氧气传感器36的使用时间与输出响应时间的关系。在图14中，横轴表示使用时间，纵轴表示输出响应时间，从图14中也能看出，随着第1氧气传感器36的使用时间的延长，输出响应时间逐渐缩短。
在该装置中，当第1氧气传感器36被配置在上游侧催化剂30下游时，其检测的废气是通过上游侧催化剂30被净化的稀薄废气。当在这种废气中使用老化了的氧气传感器时，由于扩散速度的不同而发生的废气各成分的比率变化将对传感器输出产生很大影响。其结果有可能在过稀的阶段就发出了过浓输出，或在过浓的阶段就发出了过稀输出，使最大或最小吸氧状态的检测时间过度提前，致使氧气吸收期间或氧气释放期间产生误差。
并且，老化了的第1氧气传感器36的过稀输出、过浓输出，有时可能是由于废气中的微小的成分变化不被扩散层速控而直接到达排气侧电极而被发出的。因此，有可能即使是相同的第1氧气传感器36，其发出过稀输出、过浓输出的时间也会在各次检测时有很大差异。因此，有可能产生如氧气吸收期间或氧气释放期间极度缩短的偏差。
因此，在实施方式4中，为了防止氧气吸收期间或氧气释放期间即吸氧量的累计期间被过度缩短，对吸氧量的累计期间设定了安全下限。具体而言，在上一轮最小或最大吸氧状态被检测出之后，对是否经过了达到最大或最小吸氧状态的充足的废气流入上游侧催化剂30的期间进行判断。并且，当认为上游侧催化剂30中尚未流入充足的废气时，例如，即使第1氧气传感器36发出了过稀输出或过浓输出，也不立即判断为最大或最小吸氧状态，而直到可判断为废气的流入期间已确保充分为止的期间内，维持当时的空燃比，并继续吸氧量累计值的运算。
更具体而言，设定从流入上游侧催化剂30的废气的空燃比切换为过浓或过稀时开始计数的计数累计值COUNTsum。在该计数累计值COUNTsum未达到规定的基准值时，禁止向过浓或过稀的空燃比切换，维持当前的空燃比并继续吸氧量的累计。
在此，计数累计值COUNTsum，以在上游侧催化剂30上游侧的废气的空燃比切换为过浓或过稀的时间点为零，并在每隔规定时间被重复执行的程序中，依照下述式(4)，作为累计了依据吸入空气量Ga的计数值COUNT的累计值而被求得。
计数累计值COUNTsum＝上轮计数累计值COUNTsum+计数值COUNT ...(4)
图15为表示依据了吸入空气量Ga的计数值的图表。如图15所示，计数值COUNT被设定为吸入空气量Ga越大其值越小。如在实施方式1中所说明的，当吸入空气量Ga较大时，第1氧气传感器36的响应速度将变得较快。因此，当吸入空气量Ga较大时，过稀输出或过浓输出被更快地发出，有时氧气释放期间或氧气吸收期间会产生误差。因此，在吸入空气量Ga越大时，将计数值COUNT设定的越小，从而使计数累计值COUNTsum的增加量减少。其结果为，计数累计值到达规定的基准值为止的期间被延长，且被设定为，吸入空气量Ga越大，累计吸氧量的累计期间越延长。
图16的流程图表示的是本发明的实施方式4中ECU40所执行的控制程序。图16的程序为，代替图3的程序而被执行的程序，其在步骤S16之后具有步骤S70至S76，在步骤S42之后具有步骤S78，在步骤S14之后具有步骤S80，除去上述三点之外，与图3的程序相同。
图16所示的程序中，在步骤S16中，如果吸氧容量检测标记为开启，则首先对吸入空气量Ga进行检测(步骤S70)。吸入空气量Ga是根据空气流量计20的输出而检测的。接着，对计数值COUNT进行运算(步骤S72)。计数值COUNT是依照存储在ECU40中的图表(参照图15)，并根据吸入空气量Ga的值而求得的。
接下来，对计数累计值COUNTsum进行运算(步骤S74)。计数累计值COUNTsum是依照上述式(4)，通过在上轮为止的计数累计值COUNTsum中加上在步骤S72中运算而得的计数值COUNT而求得的。由此，计数累计值COUNTsum被设定成依据吸入空气量Ga和累计开始后的经过时间的值。
接下来，对计数累计值COUNTsum是否在基准累计COUNTbase以上进行判断(步骤S76)。当判断为计数累计值COUNTsum≥基准累计COUNTbase不成立时，在步骤S28中，过稀标记Xlean、过浓标记Xrich均被设为关闭。即，不进行对第1氧气传感器36是否发出过浓输出或过稀输出的判断的处理(步骤S20、S24)，而强制地将两标记Xlean、Xrich设为关闭。
在该标记Xlean、Xrich被设为关闭时，则判断为最大或最小吸氧状态均未达到。因此，在本轮的处理中，在接下来的步骤S38以及S40的处理中，也均被判断为否(NO)，在步骤S42中，吸氧量O2AD被加至当前的累计吸氧量O2SUM中，并更新累计吸氧量O2SUM。其后，本轮的处理结束。
此外，由于两标记Xlean、Xrich均被设为关闭，因此，即使在空燃比强制控制中，空燃比也不会被切换，而是被维持在当前的过浓或过稀的空燃比。
另一方面，在步骤S76中，当判断为计数累计值COUNTsum≥基准累计COUNTbase时，接下来进入步骤S20，根据第1氧气传感器36的输出来控制过稀标记Xlean、过浓标记Xrich的开启、关闭。
其后，当判断为步骤S38或S40的条件成立时，进行最大吸氧容量SUMmax或最小吸氧容量SUMmin的运算(步骤S44、S48)，当累计吸氧量O2SUM被归零即O2SUM＝0时(步骤S46)，其后，计数累计值COUNTsum也被归零即COUNTsum＝0(步骤S78)。然后，结束本轮的处理。
并且，当在步骤S10中判断为吸氧容量检测标记Xosc为关闭时，在步骤S14之后，计数累计值COUNTsum将被归零即COUNTsum＝0(步骤S80)。
如以上说明中所述，在实施方式4的处理中，无论第1氧气传感器36的输出如何，在计数累计值COUNTsum未达到基准累计COUNTbase时，空燃比强制控制都将继续维持当前的目标空燃比，并更新累计吸氧量O2SUM。在此，计数值COUNT根据吸入空气量Ga而设定，在每隔规定时间被重复执行的程序中，其被累计至计数累计值COUNTsum中。因此，计数累计值COUNTsum成为与吸入空气量Ga以及上轮空燃比切换实施后的经过时间相关的值。
因此，即使在第1氧气传感器36发生老化，对废气浓度变化的响应速度加快，使发出过稀输出或过浓输出的时间产生误差的情况下，也能够使实际到达最大或最小吸氧状态为止的时间不会过度缩短。因此，能够防止由于老化了的第1氧气传感器36的输出，使得最大或最小吸氧状态的检测被过早的判断，从而能够确保充分的累计时间。
并且，虽然在实施方式4中，计数累计值COUNTsum为对应于吸入空气量的值，但是本发明并不仅限于此，也可以单纯地采用，在经过了一定的时间的情况下才允许空燃比的切换的方式。
并且，实施方式4中的，运算计数累计值COUNTsum，并在该累计值COUNTsum未达到基准值为止的期间内禁止空燃比切换的方法，还能够与例如实施方式1至3中所说明的老化检测方法组合使用。
并且，例如在实施方式4中，通过执行步骤S70来实现本发明的“吸入空气量检测单元”，通过执行步骤S72及S74来实现“累计值运算单元”，通过执行步骤S76来实现“累计值判断单元”，通过执行步骤S28来实现“空燃比切换禁止单元”。
并且，在本发明中，安装了上述催化剂老化检测装置的内燃机及其外围系统的构造，不仅限于图1所示的构造。安装了催化剂老化检测装置的内燃机及其外围系统的构造，还可以是本发明范围内的其他构造。对于以上的实施方式中提及了各要素的个数、数量、量、范围等的数字的情况，除了特别明示的情况以及在原理上明显地特定于该数字的情况之外，均不仅限于该提及的数字。此外，在实施方式中所说明的构造、及方法中的步骤等，除了特别明示的情况以及在原理上明显地被特定的情况之外，均非本发明所必须。

Claims (8)

1.一种催化剂老化检测装置，其特征在于，具有：
催化剂，被配置于内燃机的排气通道中；
氧气传感器，被配置于所述催化剂的下游侧；
最大吸氧状态检测单元，其根据所述氧气传感器的输出值，检测出向所述催化剂下游流出的废气处于氧气过剩状态的最大吸氧状态；
最小吸氧状态检测单元，其根据所述氧气传感器的输出值，检测出向所述催化剂下游流出的废气处于氧气不足状态的最小吸氧状态；
浓空燃比控制单元，在从检测出所述最大吸氧状态之后到检测出所述最小吸氧状态为止的氧气释放期间中，将所述内燃机的目标空燃比控制在浓目标空燃比；
稀空燃比控制单元，在从检测出所述最小吸氧状态之后到检测出所述最大吸氧状态为止的氧气吸收期间中，将所述内燃机的目标空燃比控制在稀目标空燃比；
吸氧量检测单元，其以在所述氧气释放期间由所述催化剂释放的氧气量或在所述氧气吸收期间由所述催化剂吸收的氧气量作为吸氧量而进行检测；
催化剂老化判断单元，根据所述吸氧量判断所述催化剂的老化；
吸氧量检测条件设定单元，其设定吸氧量检测条件，以补正因检测所述氧气传感器的输出值时的条件的不同而在所述氧气释放期间或所述氧气吸收期间所产生的误差。
2.如权利要求1所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
具有吸入空气量检测单元，用于检测被吸入所述内燃机的吸入空气量，
所述吸氧量检测条件设定单元具有：
变化量运算单元，其在所述氧气释放期间或所述氧气吸收期间，当将所述内燃机的空燃比控制成所述浓目标空燃比或所述稀目标空燃比之际，根据所述吸入空气量，对使空燃比从当前空燃比变化至所述浓目标空燃比或所述稀目标空燃比的期间内的空燃比变化量，进行运算；
浓空燃比判断单元，在所述氧气释放期间，对从当前的目标空燃比减去所述空燃比变化量的浓空燃比，是否大于所述浓目标空燃比进行判断；
浓空燃比设定单元，当判断为所述浓空燃比大于所述浓目标空燃比时，将目标空燃比设定为所述浓空燃比；
稀空燃比判断单元，在所述氧气吸收期间，对当前的目标空燃比加上所述空燃比变化量的稀空燃比，是否小于所述稀目标空燃比进行判断；
稀空燃比设定单元，当判断为所述稀空燃比小于所述稀目标空燃比时，将目标空燃比设定为所述稀空燃比。
3.如权利要求1所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
具有元件温度检测单元，用于检测所述氧气传感器的元件温度，
所述吸氧量检测条件设定单元具有：
浓目标空燃比设定单元，其根据所述元件温度设定所述浓目标空燃比；
稀目标空燃比设定单元，其根据所述元件温度设定所述稀目标空燃比。
4.如权利要求3所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
当所述元件温度升高时，所述浓目标空燃比设定单元将浓目标空燃比设定为，使理论空燃比与所述浓目标空燃比的差变大；
当所述元件温度升高时，所述稀目标空燃比设定单元将稀目标空燃比设定为，使理论空燃比与所述稀目标空燃比的差变大。
5.如权利要求1所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
所述吸氧量检测条件设定单元具有，
元件温度控制单元，其在所述氧气释放期间内及所述氧气吸收期间内，将所述氧气传感器的元件温度控制成高于活性温度的基准温度。
6.如权利要求5所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，所述基准温度为700℃至750℃。
7.如权利要求1至6的任意一项所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，具有：
累计值运算单元，用于计算从所述氧气释放期间开始所经过时间内的累计值，或从所述氧气吸收期间开始所经过时间内的累计值；
累计值判断单元，用于判断所述累计值是否小于基准值；
空燃比切换禁止单元，当所述累计值小于所述基准值时，禁止进行从所述浓目标空燃比向所述稀目标空燃比的空燃比控制切换，或从所述稀目标空燃比向所述浓目标空燃比的控制切换。
8.如权利要求7所述的催化剂老化检测装置，其特征在于，
具有吸入空气量检测单元，用于检测被吸入所述内燃机的吸入空气量，
所述累计值运算单元根据所述经过时间与所述吸入空气量来设定所述累计值。
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