JP2008106666A - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒のＯ_２ストレージ能力を最大限発揮させ、触媒劣化度の小さな差を高精度で識別する。
【解決手段】触媒劣化検出時に排気空燃比Ｖｆｒを所定の中心空燃比ＡＦｃを境に振動させるアクティブ空燃比制御を実行する。触媒に酸素を吸収させるときには、リッチ側に振った排気空燃比が理論空燃比ＡＦｓ以下となるように且つ１振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いより大きくなるように排気空燃比を振動させる。排気ガスのリーン／リッチバランスをリーン側に偏らせつつリーンガスを間欠的に供給し、触媒の持つＯ_２ストレージ能力を最大限使い切って触媒に酸素を吸収させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するために排気通路に触媒が配置されている。このような触媒、例えば三元触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸収し、触媒流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも小さくなると、即ちリッチになると吸収した酸素を放出するＯ_２ストレージ機能を有する。従って、内燃機関の通常運転時、理論空燃比を中心として運転条件により混合気がリッチ側又はリーン側に振れてしまっても、触媒表面は理論空燃比に保たれ、三元触媒のもつＯ_２ストレージ機能により、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持されるためにＮＯｘが還元され、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出されるためにＨＣおよびＣＯが酸化され、これによりＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化できることになる。

そこで従来より触媒上流側の排気通路に排気空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、排気空燃比がリーンになったときには燃料供給量を増量し、排気空燃比がリッチになったときには燃料供給量を減量させることにより、空燃比が理論空燃比を中心として制御されるためリッチ側又はリーン側に交互に振れてしまっても、それによってＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に低減されるようになっている。

ところで、三元触媒が劣化すると排気ガス浄化率が低下する。三元触媒の劣化度とＯ_２ストレージ機能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、Ｏ_２ストレージ機能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。

かかる原理に基づいて触媒劣化検出を行う装置としては例えば特許文献１に開示されたものがある。この装置においては、三元触媒上流の排気通路内に第１空燃比センサが配置され、三元触媒下流の排気通路内に第２空燃比センサが配置される。また、触媒上流における空燃比を理論空燃比に対してリーン側の空燃比からリッチ側の空燃比に、又はその逆に切換える空燃比切換手段が設けられる。機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられると、第２空燃比センサにより検出される空燃比が一定時間経過後リッチ空燃比に切り替えられる。理論空燃比に対するリッチ空燃比の偏差と、混合気の空燃比切替時から第２空燃比センサにより検出される空燃比の切替時までの時間と、吸入空気量との積から、三元触媒に吸収される酸素の絶対量が求められ、この絶対量から三元触媒の劣化度が検出される。

なお、他の従来技術として、例えば、特許文献２には、触媒下流側のＯ_２センサの出力の軌跡長を用いて触媒の劣化検出を行う技術が開示されており、特許文献３には、平均空燃比を強制的にリッチ側へシフトさせ、触媒下流側Ｏ_２センサの出力が反転しなくなる空燃比のシフト量から触媒劣化度を診断する技術が開示されている。特許文献４には、触媒上流の空燃比を変動させ、触媒下流のＯ_２センサの出力変動を監視することによって触媒の劣化を判定する技術が開示されており、特許文献５には、空燃比を最初にリッチに振る場合に触媒の酸素貯蔵量がほぼゼロになるまで振る技術が開示されている。特許文献６には、ハイブリッド車輌において触媒の劣化判定中には、内燃機関の出力を所定範囲内に設定すると共に、車輌全体の総必要出力の変動に対して電動機の出力を変動させて対応する技術が開示されている。

特開平５−１３３２６４号公報 特開平５−２６３６８６号公報 特開平５−３１２０２５号公報 特開平１０−４７１４１号公報 特開２００５−１８０２０１号公報 特開２００１−３０４０３２号公報

ところで、特許文献１に開示されたような、触媒に吸収される酸素の絶対量により触媒の劣化度を検出する手法、所謂Ｃｍａｘ法では、触媒が自身の有するＯ_２ストレージ能力の限界まで酸素を吸収する前に、浄化しきれないガスが触媒の下流に排出される所謂吹き抜けが起こり、触媒下流のセンサ出力がより早く切り替わってしまい、算出される酸素吸収量が真の値より少なくなることがあった。そしてその結果、触媒劣化と誤判定してしまうこともあった。この問題は特に触媒に供給される排気ガス流量が多いときに顕著である。その理由は、触媒の反応速度が排気ガスの供給速度に追いつかなくなるためである。

従来のＣｍａｘ法には、根本的に、触媒の持つＯ_２ストレージ能力を最大限使い切るのが困難であるという欠点がある。即ち、従来のＣｍａｘ法では、例えば触媒に酸素を吸収させるときに一定のリーン空燃比を有する排気ガスを触媒に連続的に供給する。しかしながらこのやり方では、触媒の上流側、しかも表面側しか酸素の吸収に用いることができない。よって前述の吹き抜けが起こりやすく、触媒劣化検出を高精度で行うのが困難である。また、ある程度劣化してＯ_２ストレージ能力が少なくなった触媒の劣化度を細かく識別するのが困難であり、また、既に劣化した触媒と、劣化直前の状態にある触媒とを識別するのも困難であった。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、触媒の持つＯ_２ストレージ能力を最大限発揮させ、触媒劣化度の小さな差を高精度で識別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にある。

上記目的を達成するため、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に配置され、排気空燃比の理論空燃比に対する大小に応じて酸素を吸放出するＯ_２ストレージ機能を有する触媒の劣化検出装置において、
所定の判定期間内に所定の中心空燃比を境に排気空燃比をリーン側及びリッチ側に振動させるアクティブ空燃比制御手段であって、触媒に酸素を吸収させるとき、リッチ側に振った排気空燃比が理論空燃比以下となるように且つ１振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いより大きくなるように排気空燃比を振動させ、触媒から酸素を放出させるとき、リーン側に振った排気空燃比が理論空燃比以上となるように且つ１振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いより大きくなるように排気空燃比を振動させるアクティブ空燃比制御手段を備えたことを特徴とする。

ここで、１振動当たりのリーン度合いは、排気空燃比を中心空燃比に対しリーン側に振っているリーン側期間での、その排気空燃比と理論空燃比との差を、そのリーン側期間の間積分した値として表すことができる。また、１振動当たりのリッチ度合いは、排気空燃比を中心空燃比に対しリッチ側に振っているリッチ側期間での、その排気空燃比と理論空燃比との差を、そのリッチ側期間の間積分した値として表すことができる。

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手段は、触媒に酸素を吸収させるときに前記中心空燃比を理論空燃比よりも大きい値に設定し、触媒から酸素を放出させるときに前記中心空燃比を理論空燃比よりも小さい値に設定することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、前記判定期間内で前記中心空燃比を変化させることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、前記中心空燃比が理論空燃比を横切るように前記中心空燃比を徐々に変化させることを特徴とする。

また、第５の発明は、第３又は第４の発明において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、吸入空気量が多いほど前記中心空燃比の変化速度を速くし、吸入空気量が少ないほど前記中心空燃比の変化速度を遅くすることを特徴とする。

また、第６の発明は、第３乃至第５いずれかの発明において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、排気空燃比を前記中心空燃比に対し所定数反転させる毎に、前記中心空燃比を所定量ずつ変化させることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６いずれかの発明において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、吸入空気量が多いほど前記振動の周期を短くし、吸入空気量が少ないほど前記振動の周期を長くすることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、吸入空気量の積算値が所定値に達する毎に排気空燃比を前記中心空燃比に対し反転させることを特徴とする。

また、第９の発明は、第１乃至第８いずれかの発明において、
触媒下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
前記判定期間内における前記触媒後センサの出力の軌跡長を算出し、該軌跡長に基づき触媒の劣化を判定する軌跡長劣化判定手段と
をさらに備えたことを特徴とする。

また、第１０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手段は、触媒に酸素を吸収させるときに１振動当たりのリーン側期間がリッチ側期間より長くなるように排気空燃比を振動させ、触媒から酸素を放出させるときに１振動当たりのリッチ側期間がリーン側期間より長くなるように排気空燃比を振動させることを特徴とする。

また、第１１の発明は、第１０の発明において、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
前記アクティブ空燃比制御手段は、前記検出された吸入空気量が多くなるほど前記リッチ側期間と前記リーン側期間とを互いに近づけることを特徴とする。

また、第１２の発明は、第１０の発明において、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
前記アクティブ空燃比制御手段は、前記検出された吸入空気量が多くなるほど前記振動の周波数を高くすることを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。

また、第１３の発明は、第１０乃至第１２いずれかの発明において、
前記判定期間内に触媒に対し吸収又は放出された酸素量を算出する酸素量算出手段と、
該酸素量算出手段により算出された酸素量に基づき触媒の劣化を判定する酸素量劣化判定手段と
をさらに備えたことを特徴とする。

また、第１４の発明は、
前記内燃機関とモータジェネレータとを駆動源として備えたハイブリッド車両に適用される第１乃至第１３いずれかの発明に係る内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記判定期間中にフューエルカット要求信号が発生したとき、前記内燃機関に対するフューエルカットを禁止し且つ前記モータジェネレータをジェネレータ側に切り替えるフューエルカット要求時制御手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、触媒に酸素を吸収させるとき、触媒に供給される排気ガスのリーン／リッチバランスをリーン側に偏らせつつも、リーンガスを間欠的に供給することができる。また、触媒から酸素を放出させるとき、触媒に供給される排気ガスのリーン／リッチバランスをリッチ側に偏らせつつも、リッチガスを間欠的に供給することができる。これにより、触媒の持つ酸素吸蔵能を最大限使い切って触媒に対し酸素を吸放出させることが可能となる。また、触媒の状態変化を緩慢にし、触媒の下流側及び深層側まで酸素の吸放出に利用して真の酸素吸蔵能を高精度で測定することができる。よって、既にある程度劣化した触媒の劣化度を細かく識別することが可能となり、また、劣化した触媒と劣化直前にある触媒とを高精度で識別することも可能となる。

このように、本発明によれば、触媒の持つＯ_２ストレージ能力を最大限発揮させ、触媒劣化度の小さな差を高精度で識別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ができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

［基本構成］
まず、本実施形態に係る内燃機関の基本構成を図１を参照しつつ説明する。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、Ｏ_２ストレージ機能を有する三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気空燃比を検出するための触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ_２センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆ（以下、ＡＦと略す）が理論空燃比（ストイキ）ＡＦｓ（例えば１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒上流側の排気空燃比即ち触媒前空燃比ＡＦｆｒが理論空燃比ＡＦｓに等しくなるように、空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比ＡＦｓに等しい目標空燃比ＡＦｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比ＡＦｆｒが目標空燃比ＡＦｔに一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量を制御する。これにより触媒１１に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

ここで、触媒１１についてより詳細に説明する。図２に示すように、触媒１１においては、担体基材３３の表面にコート材３１が被覆され、このコート材３１に微粒子状の触媒成分３２が多数分散配置された状態で保持され、触媒１１内部で露出されている。触媒成分３２は主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなり、ＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯといった排ガス成分を反応させる際の活性点となる。他方、コート材３１は、排気ガスと触媒成分３２との界面における反応を促進させる助触媒の役割を担うと共に、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば二酸化セリウムＣｅＯ_２からなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比ＡＦｓよりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比ＡＦｓよりリーンであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦｓに対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比ＡＦｆを敢えて理論空燃比ＡＦｓを中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数均等に分散配置されており、排気ガスと触媒成分３２との接触確率が高い状態に維持されている。しかしながら、触媒１１が劣化してくると、一部の触媒成分３２に消失が見られるほか、触媒成分３２同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある（図の破線参照）。こうなると排気ガスと触媒成分３２との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。そしてこのほかに、触媒成分３２の周囲に存在するコート材３１の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体が低下する。

このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。そこで本実施形態では、触媒１１の酸素吸蔵能に応じて触媒１１の劣化度を検出することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、触媒１１が吸蔵し得る酸素量の最大値である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

［触媒の劣化検出］
次に、本実施形態の触媒劣化検出について説明する。本実施形態では、触媒１１の劣化検出の際にＥＣＵ２０によるアクティブ空燃比制御が実行される。このアクティブ空燃比制御の実行時、触媒１１に対する排気空燃比は、所定の判定期間内に、所定の中心空燃比ＡＦｃを境にリーン側及びリッチ側に振動させられる。振動の振幅は、通常の空燃比制御のときの振幅よりも大きくされ、例えば空燃比で０．５などとされる。また、判定期間とは、１回の触媒劣化判定に要する期間のことである。

触媒１１の劣化検出は、少なくとも触媒１１及び触媒前後のセンサ１７，１８が所定の活性温度域にあるときに実行され、好ましくは内燃機関１が定常運転状態にあるときに実行される。触媒１１の温度は、直接検出してもよいが、本実施形態の場合それをエンジン運転状態に基づき所定のマップ又は関数を用いて推定するようにしている。触媒１１の劣化検出は例えばエンジンの１運転若しくは１トリップ毎に１回実行され、少なくとも続けて２回、触媒１１が劣化状態にあると判定されたときに劣化が確定し、警告装置が作動させられる。

ところで、従来の触媒劣化検出装置には、触媒の持つ酸素吸蔵能或いはＯ_２ストレージ能力を最大限使い切るのが困難であるという欠点がある。そこでこの問題を解決するため、本実施形態においては、アクティブ空燃比制御における排気空燃比の振動のさせ方について以下のように改良を施した。

即ち、本実施形態のアクティブ空燃比制御においては、触媒１１に酸素を吸収させるときには、リッチ側に振った排気空燃比が理論空燃比以下となるように、且つ、１振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いより大きくなるように、排気空燃比が振動させられる。また、触媒１１から酸素を放出させるときには、リーン側に振った排気空燃比が理論空燃比以上となるように、且つ、１振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いより大きくなるように、排気空燃比が振動させられる。よって、触媒１１に酸素を吸収させるときには、触媒に供給される排気ガスのリーン／リッチバランスをリーン側に偏らせつつも、リーンガスを間欠的に供給し、即ちリーンガスの供給を一時的に停止する。また、触媒１１から酸素を放出させるときには、触媒に供給される排気ガスのリーン／リッチバランスをリッチ側に偏らせつつも、リッチガスを間欠的に供給し、即ちリッチガスの供給を一時的に停止する。これにより、触媒の持つ酸素吸蔵能を最大限使い切って触媒に対し酸素を吸放出させることができる。

ここで、図３を参照して、１振動当たりのリーン度合いとリッチ度合いとは、例えば、Ｋｌ，Ｋｒで示される各領域の面積で表すことができる。即ち、リーン度合いＫｌは、排気空燃比ＡＦを中心空燃比ＡＦｃに対しリーン側に振っているリーン側期間Ｔｌでの、その排気空燃比（即ち、リーン側空燃比）ＡＦｌと理論空燃比ＡＦｓとの差ＤＡＦｌ（＝ＡＦｌ−ＡＦｓ）を、そのリーン側期間Ｔｌの間積分した値として表すことができる。また、リッチ度合いＫｒは、排気空燃比ＡＦを中心空燃比ＡＦｃに対しリッチ側に振っているリッチ側期間Ｔｒでの、その排気空燃比（即ち、リッチ側空燃比）ＡＦｒと理論空燃比ＡＦｓとの差ＤＡＦｒ（＝ＡＦｓ−ＡＦｒ）を、そのリッチ側期間Ｔｒの間積分した値として表すことができる。

なお、図示例は、触媒１１に酸素を吸収させているときであってリーン度合いＫｌがリッチ度合いＫｒより大きくされている場合の例である。図示されるような１振動において、中心空燃比ＡＦｃに対するリーン側振幅はΔＡＦｌ＝ＡＦｌ−ＡＦｃで表され、中心空燃比ＡＦｃに対するリッチ側振幅はΔＡＦｒ＝ＡＦｃ−ＡＦｒで表される。両者とも正の値である。

以下、このようなアクティブ空燃比制御を伴う触媒劣化検出の具体的態様を説明する。

［触媒劣化検出の第１の態様］
図４には、触媒劣化検出の第１の態様に係る各値の推移が示されている。（Ａ）には、触媒１１に供給される排気ガスの空燃比（触媒前空燃比）ＡＦｆｒ、より具体的には触媒前センサ１７の出力値Ｖｆｒが示されている。ここでＥＣＵ２０により設定される目標空燃比ＡＦｔの変化に追従して触媒１１に対する排気空燃比ＡＦｆｒが変化させられるので、目標空燃比ＡＦｔと排気空燃比ＡＦｆｒとは実質的に等価であり、（Ａ）は目標空燃比ＡＦｔの変化を示しているともいえる。（Ｂ）には、触媒下流側の排気空燃比、より具体的には触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒが示され、劣化度が小さい（小劣化の）触媒の場合が一点鎖線で示され、劣化度が大きい（大劣化の）触媒の場合が実線で示され、新品触媒の場合が破線で示されている。（Ｃ）には、触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒの軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが示され、小劣化の触媒の場合が一点鎖線で示され、大劣化の触媒の場合が実線で示される。

示されるように、アクティブ空燃比制御が１判定期間Ｔｊ内で継続的に実行され（（Ａ）参照）、目標空燃比ＡＦｔが短周期で振動され、これに追従して触媒上流側の排気空燃比も短周期で振動させられる。そして触媒下流側の排気空燃比も、触媒上流側の排気空燃比の振動に追従して、触媒の劣化度に応じた異なる態様で振動する（（Ｂ）参照）。ＥＣＵ２０は、触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒの変化量を判定期間Ｔｊ中、微小時間毎に積算して軌跡長Ｖｒｒｓｕｍを算出しており、最終的な軌跡長Ｖｒｒｓｕｍを所定の劣化判定値と比較する。そしてその軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが、図示する大劣化の場合のように所定の劣化判定値以上となっていれば触媒を劣化と判定し、他方、図示する小劣化の場合のように劣化判定値未満となっていれば触媒を正常と判定する。

触媒の劣化度合いが大きいほど、触媒上流側の排気空燃比の変動に追従して触媒下流側の排気空燃比が変動する傾向が強くなり、触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒがリーン側からリッチ側へ、或いはリッチ側からリーン側へ反転する回数も増えていき、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが大きくなる。よってこの軌跡長Ｖｒｒｓｕｍを劣化判定値と比較することにより触媒の劣化を検出することができる。

ところで、本態様のアクティブ空燃比制御においては、触媒上流側における空燃比振動の中心空燃比ＡＦｃがリーン側の所定値からリッチ側の所定値まで徐々に変化（スイープ）され、且つ、その変化の途中で理論空燃比ＡＦｓを横切るようになっている。図示例において、空燃比振動の周波数、周期及び振幅は予め定められた一定値である。中心空燃比ＡＦｃに対するリーン側及びリッチ側振幅も互いに等しい。なお、（Ａ）図は触媒後センサ１８の実測値を示しているので、振動波形が丸みを帯び、振幅に若干のばらつきが見られるが、目標空燃比ＡＦｔの振動自体は振動波形が矩形であり、振幅が一定とされている。ここでは中心空燃比ＡＦｃが単位時間当たりに一定の速度で変化させられる。このようなアクティブ空燃比制御は予め決められたプログラムに従ってフィードフォワード制御によって実行される。

これによれば、判定期間Ｔｊの前期では、中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓよりも大きい値（リーン側）にずらされ、その結果、１振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いよりも大きくなり、リーン／リッチバランスはリーン側に偏在される。そして全体として触媒への酸素吸収が行われる。またリッチ側空燃比は理論空燃比ＡＦｓ以下の値とされ（図中の破線円部分参照）、その間、触媒から酸素が放出される。よって触媒へは間欠的な酸素吸収が行われる。言い換えれば、触媒に対して多めの酸素吸収と少なめの酸素放出とが交互に繰り返し行われることとなる。

判定期間Ｔｊの中期において、中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓに近づくと、１振動当たりのリーン度合いとリッチ度合いとが互いに近づき、リーン／リッチバランスが均等に近づく。よって全体としては触媒に対する酸素吸収と酸素放出とがほぼ均等に行われるようになる。

判定期間Ｔｊの後期では、中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓよりも小さい値（リッチ側）にずらされ、その結果、１振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いよりも大きくなり、リーン／リッチバランスはリッチ側に偏在される。そして全体として触媒からの酸素放出が行われる。またリッチ側空燃比は理論空燃比ＡＦｓ以上の値とされ、その間、触媒に酸素が吸収される。よって触媒からは間欠的な酸素放出が行われる。言い換えれば、触媒に対して多めの酸素放出と少なめの酸素吸収とが交互に繰り返し行われることとなる。

なお、判定期間Ｔｊ以前の準備期間Ｔｐでは、排気空燃比が理論空燃比ＡＦｓよりも小さい値（リーン側）に維持され、触媒に酸素を吸蔵能一杯まで吸収させた状態が作られる。よって触媒で酸素を吸収しきれずに吹き抜けたリーンガスが触媒後センサ１８に当たり、触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒはリーンの値となる。

これによれば、判定期間Ｔｊ内で時間が経過するにつれ、排気空燃比のリーン／リッチバランスがリーン側からリッチ側に移行されていく。そして、酸素吸蔵能の小さい劣化触媒ほど、触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒが早期に振動、反転し始め、リッチ側への反転頻度も早期から大きくなっていく。なお、破線で示す新品触媒の場合は判定期間Ｔｊの最終段階で１回リッチに反転するだけである。

従来のアクティブ空燃比制御、例えばＣｍａｘ法では、触媒に対する排気空燃比を一定とし、リーン又はリッチのガスを連続供給するのが一般的であった。しかしながらこれだと、触媒の上流側及び表面側しか酸素の吸放出に用いることができず、早期に吹き抜けが起こって酸素吸蔵能が真の値より少なく見積もられがちである。これに対し、本実施形態のアクティブ空燃比制御の場合だと、リーン又はリッチのガスを間欠的に休み休み供給するので、触媒の状態変化を緩慢化し、触媒の下流側及び深層側まで酸素の吸放出に用い、真の酸素吸蔵能を高精度で測定することができる。このことから、既にある程度劣化した触媒の劣化度を細かく識別することが可能となり、また、完全に劣化した触媒と、劣化直前にある触媒とを高精度で識別することも可能となる。

ここで、触媒での酸素吸放出のメカニズムを図５〜図７を用いて説明する。各図には、左上に触媒に供給される排気空燃比の変化が示され、右下に触媒の部分断面と、酸素吸放出に用いられる部分（ハッチングが施されている）とが示されている。図２にも示したように、３３は担体基材、３１はコート材である。排気ガスの流れ方向を白抜き矢印で示す。

まず図５に示すように、排気空燃比の振動について、リーン側からリッチ側へ或いはその逆への大きな空燃比変動ΔＦを与えると、コート材３１の上流端部（図中の左端部）の表面から深い位置まで酸素吸放出に利用することができる。しかしながら、リーン側期間Ｔｌ及びリッチ側期間Ｔｒが長い場合（即ち、振動の周期が長い場合）、コート材３１の表面部しか酸素吸放出に利用することができず、コート材３１の深層部であって且つ上流端部より下流側の部分を酸素吸放出に利用することができない。

一方、図６に示すように、同一の空燃比変動ΔＦでリーン側期間Ｔｌ及びリッチ側期間Ｔｒを短くすると（即ち、振動の周期を短くすると）、コート材３１の深層部において、より下流側の部分まで酸素吸放出に利用することができるようになる。

そして、図７に示すように、同一の空燃比変動ΔＦでリーン側期間Ｔｌ及びリッチ側期間Ｔｒを短くし、さらに中心空燃比を変化（スイープ）させると、一点鎖線で示すように、コート材３１の深層部のさらに下流側まで酸素吸放出に利用できるようになる。それ故、図４に示したような空燃比振動の方法を採用することにより、触媒の酸素吸蔵能を最大限使い切って高精度の劣化検出を行うことが可能となる。

次に、本態様に関する試験結果を図８〜図１２を用いて説明する。図８には、図４（Ａ）、（Ｂ）と同様な触媒前空燃比ＡＦｆｒ（上段）と、触媒後センサ出力値Ｖｒｒ（下段）とが示されている。なお触媒前空燃比ＡＦｆｒは触媒前センサ出力値Ｖｆｒを空燃比に換算した値である。このアクティブ空燃比制御において、中心空燃比ＡＦｃは１５．１から１４．１まで、単位時間当たりに一定速度で変化される。また、リーン側振幅ΔＡＦｌ及びリッチ側振幅ΔＡＦｒは互いに等しく０．５とされる。振動の周期は１ｓで、即ち振動の周波数は１Ｈｚである。触媒については、酸素吸蔵容量で３ｇの差がある大劣化触媒と小劣化触媒とを使用した。エンジンへの吸入空気量ＧＡが２０ｇ／ｓという条件下で試験を行った。

図９は、小劣化触媒の場合と大劣化触媒の場合とで軌跡長Ｖｒｒｓｕｍを比較した結果である。見られるように、両者の軌跡長Ｖｒｒｓｕｍには明確な差が見られた。これにより本態様が、僅かな触媒劣化度の差を見分けるのに有利であることが確認された。

図１０は、リーン側振幅ΔＡＦｌ及びリッチ側振幅ΔＡＦｒを０．５，０．３，０．２というように変更した場合の結果であり、見られるように、リーン側振幅ΔＡＦｌ及びリッチ側振幅ΔＡＦｒが大きくなるほど軌跡長Ｖｒｒｓｕｍの差が大きくなる傾向にあることが確認された。

図１１は、吸入空気量ＧＡを２０，１０，５というように変更した場合の結果であり、見られるように、吸入空気量ＧＡが多くなるほど軌跡長Ｖｒｒｓｕｍの差が大きくなる傾向にあることが確認された。

図１２は、空燃比振動の周波数を１，０．７５，０．５というように変更した場合の結果であり、見られるように、振動周波数が高くなるほど軌跡長Ｖｒｒｓｕｍの差が大きくなる傾向にあることが確認された。

［触媒劣化検出の第１の態様の変形例］
（第１変形例）
ところで、アクティブ空燃比制御の実行中に、内燃機関への燃料供給を停止するフューエルカットが実行されると、排気空燃比が著しくリーンとなるためアクティブ空燃比制御は中断される。しかしながら、内燃機関の用途によってはその運転中にフューエルカットが比較的頻繁に行われる場合もあり、こうなるとアクティブ空燃比制御が中断される頻度が高くなり、触媒劣化検出の頻度が減少するという問題がある。

そこで、フューエルカットによるアクティブ空燃比制御の中断の頻度を減らし、触媒劣化検出の頻度をより多く確保するため、ＥＣＵ２０により以下のような制御が実行される。以下に述べる例ではエンジン１がハイブリッド車両に搭載され、即ち、前記エンジン１とモータジェネレータ（電動発電機）とが駆動源としてハイブリッド車両に備えられている。

図１３には、かかる場合における劣化検出実行時の各値の変化が示される。（Ａ）は車速、（Ｂ）はエンジントルクとモータトルクの合計値であるトータルトルク、（Ｃ）はエンジントルク、（Ｄ）はモータトルク、（Ｅ）はフューエルカット（ＦＣ）要求信号、（Ｆ）は触媒前センサ出力Ｖｆｒ、（Ｇ）は触媒後センサ出力Ｖｒｒ、（Ｈ）は軌跡長Ｖｒｒｓｕｍをそれぞれ示す。

ＥＣＵ２０は、所定のフューエルカット条件が成立したときに内部信号としてのフューエルカット要求信号をフラグ等の形態で発生し、即ちフューエルカット要求信号をオンする。このフューエルカット条件とは、例えば、１）アクセル開度センサ１５によって検出されるアクセル開度ＡＣが略全閉であること、２）クランク角センサ１４の出力から計算されるエンジン回転速度ＮＥがアイドルより若干高い所定速度ＮＥ１以上であること、の二条件を満たすことである。フューエルカット要求信号が発せられると、ＥＣＵ２０は原則的にインジェクタ１２への通電を停止し、フューエルカットを実行する。

しかしながら、図１３に示されるように、アクティブ空燃比制御の実行中には、フューエルカット要求信号がオンされてもフューエルカットは実行されない。エンジンは引き続き運転され、アクティブ空燃比制御及び触媒劣化検出が引き続き実行される。その一方で、運転手が望む減速度を確保するため、モータジェネレータがジェネレータ側に切り替えられる。これによりモータジェネレータで発電が行われてバッテリへの充電がなされ、その発電時に生じる抵抗でモータジェネレータがマイナストルクを発生する。これによりトータルトルクを減少させ、減速度を確保することができる。なお、（Ｇ）の破線は、仮にフューエルカット要求信号がオンされたときにフューエルカットが実行された場合の、触媒後センサ出力Ｖｒｒの変化を示す。

このように、アクティブ空燃比制御の実行中にフューエルカット要求信号が発生されてもアクティブ空燃比制御及び触媒劣化検出が中断されないので、触媒劣化検出の頻度を高めることが可能となる。

なお、この第１変形例にかかる、フューエルカット要求信号発生時のモータジェネレータの制御は、後述の全ての例に適用することが可能である。

（第２変形例）
ところで、前述のアクティブ空燃比制御では、空燃比振動の周期及び周波数が一定であり、また、中心空燃比ＡＦｃが単位時間当たりに一定速度で変化させられる。これに対しこの第２変形例では、空燃比振動の周期及び周波数、並びに中心空燃比ＡＦｃの変化速度が、吸入空気量ＧＡに応じて変化させられる。

図１４において、（Ａ）は吸入空気量ＧＡの変化を示し、（Ｂ）〜（Ｄ）はアクティブ空燃比制御における空燃比振動の異なる形態をそれぞれ示している。なお、（Ｂ）〜（Ｄ）のアクティブ空燃比制御では中心空燃比ＡＦｃが、前記のものとは逆に、リッチ側からリーン側に変化されている。このように中心空燃比ＡＦｃの変化の方向はいずれの方向であっても構わない。また、（Ｂ）〜（Ｄ）は目標空燃比ＡＦｔの変化が示されている。

（Ｄ）に示されるのが図４に示されたような空燃比振動の形態（第１の形態）であり、空燃比振動の周期及び周波数並びに中心空燃比ＡＦｃの変化速度は吸入空気量ＧＡの大小に拘わらず一定である。

これに対し、（Ｃ）に示されるのは、空燃比振動の周期及び周波数を吸入空気量ＧＡの大きさに応じて変化させる形態（第２の形態）である。空燃比振動の周期は、吸入空気量ＧＡが多いほど短くされ、吸入空気量ＧＡが少ないほど長くされる。よって空燃比振動の周波数は、吸入空気量ＧＡが多いほど高くされ、吸入空気量ＧＡが少ないほど低くされる。

また、（Ｂ）に示されるのは、（Ｃ）と同様に空燃比振動の周期及び周波数を吸入空気量ＧＡの大きさに応じて変化させるのと同時に、空燃比振動の中心空燃比ＡＦｃの変化速度を吸入空気量ＧＡの大きさに応じて変化させる形態である（第３の形態）。中心空燃比ＡＦｃの変化速度は、吸入空気量ＧＡが多いほど速くされ、吸入空気量ＧＡが少ないほど遅くされる。

このように吸入空気量に応じて振動周期及び周波数並びに中心空燃比ＡＦｃの変化速度を変化させるのは、次の理由による。

アクティブ空燃比制御において空燃比を振動させるとき、空燃比が中心空燃比ＡＦｃに対してリーン側に制御されているリーン側期間Ｔｌと、リッチ側に制御されているリッチ側期間Ｔｒとで、触媒に供給される排気ガス（リーン側ガス及びリッチ側ガス）の量が等しくなるのが好ましい。ところで、吸入空気量ＧＡは、運転手のアクセル操作に基づいて変化する値であり、吸入空気量ＧＡに応じて排気ガス量も変化する。よって、周期及び周波数一定とする方法では、リーン側期間Ｔｌとリッチ側期間Ｔｒとで必ずしも供給排ガス量が等しくなるとは限らない。

また、周期及び周波数一定とする方法だと、吸入空気量ＧＡが少ないとき触媒に供給されるリーン側ガス量及びリッチ側ガス量が少なくなり、触媒下流側に排出されるリーン側ガス量及びリッチ側ガス量も少なくなる。こうなると、触媒後センサ出力値Ｖｒｒの変動や反転の頻度が少なくなり、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが本来の値より少なめに算出されてしまって、触媒正常と誤判定される虞もある。つまり、同じ触媒でも吸入空気量ＧＡの大小に応じて算出結果や検出結果に差が出てしまい、検出精度が低下する。

このため、（Ｃ）及び（Ｂ）に示される第２及び第３の形態では、図１５に示すように、リーン側期間Ｔｌ及びリッチ側期間Ｔｒ内で吸入空気量の積算値である積算空気量ＴＧＡが計算される。即ち、ＥＣＵ２０は、目標空燃比ＡＦｔの反転時（ｔ１）から、微小時間間隔Δｔ毎に、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量ＧＡの値を順次積算していく。そして、その積算空気量ＴＧＡの値が所定のしきい値ＴＧＡｓに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比ＡＦｔを反転させる。

この方法によれば、リーン側期間Ｔｌ内での総吸入空気量とリッチ側期間Ｔｒ内での総吸入空気量とを互いに等しくし、よってリーン側期間Ｔｌ内での供給排ガス量とリッチ側期間Ｔｒ内での供給排ガス量とを互いに等しくすることができる。

この制御を実行すると、前述したように、空燃比振動の周期が吸入空気量ＧＡが多いほど短くなり、吸入空気量ＧＡが少ないほど長くなる。とりわけ、吸入空気量ＧＡが少ないほど空燃比振動の周期が長くなるので、吸入空気量ＧＡが少ないときに触媒に供給されるリーン側ガス量及びリッチ側ガス量を周期一定とした場合に比べ多くすることができる。よって、触媒下流側に排出されるリーン側ガス量及びリッチ側ガス量を増加し、触媒後センサ出力値Ｖｒｒの変動や反転の頻度を増加して、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍを増加し、誤正常判定がなされることを防止できる。また空気量変動に伴う軌跡長Ｖｒｒｓｕｍのバラツキを低減して検出精度を向上することができる。

ところで、このように空燃比振動の周期を吸入空気量ＧＡに応じて変化させた場合であっても、次のような問題が起こることが判明した。即ち、吸入空気量ＧＡが少ない場合、空燃比振動の周期が長くなり、空燃比振動の単位時間当たりの数が少なくなる。一方、中心空燃比ＡＦｃを単位時間当たりに一定速度で変化させた場合、空燃比振動の周期が長くなると、ある中心空燃比ＡＦｃから次の中心空燃比ＡＦｃに移動するときの移動量即ちスキップ量が大きくなる。ところで、吸入空気量ＧＡが少ない状態で中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓ付近となった場合、中心空燃比ＡＦｃのスキップ量が大きくなる影響で、触媒後センサ出力値Ｖｒｒの変動や反転が少なくなることが判明した。よって、その間の触媒後センサ出力値Ｖｒｒの軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが、吸入空気量ＧＡが多い場合に比べて少なくなり、最終的な軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが本来の値より少なめに算出されて触媒正常と誤判定される虞があった。

そこで、この問題を解決すべく、（Ｂ）に示される第３の形態では、目標空燃比ＡＦｔ（即ち排気空燃比ＡＦｆｒ）が１振動（即ち２反転）される毎に、中心空燃比ＡＦｃが所定のスキップ量ΔＡＦｃずつ変化される。即ち、中心空燃比ＡＦｃの変化は時間単位から反転数単位に変更される。この制御を実行すると、振動周期の時間的長さに拘わらず中心空燃比ＡＦｃが移動するときのスキップ量を一定に保つことができる。なお前述したように、この制御を第２の形態と併せて実行すると、中心空燃比ＡＦｃの単位時間当たりの変化速度は、吸入空気量ＧＡが多いほど振動周期が短いため速くされ、吸入空気量ＧＡが少ないほど振動周期が長いため遅くされる。

この第３の形態によれば、吸入空気量ＧＡが少ない状態で中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓ付近となったときに、単位時間当たりに一定速度で中心空燃比ＡＦｃを変化させる場合に比べ、中心空燃比ＡＦｃの単位時間当たりの変化速度を遅くすることができる。よって、そのときにおける空燃比振動の単位時間当たりの数を増加し、触媒後センサ出力値Ｖｒｒの変動や反転の頻度を増加して、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍを増加し、誤正常判定がなされることを防止できる。また空気量変動に伴う軌跡長Ｖｒｒｓｕｍのバラツキを低減して検出精度を向上することができる。

なお、中心空燃比ＡＦｃを変化させる他の方法として、目標空燃比ＡＦｔ（即ち排気空燃比ＡＦｆｒ）が中心空燃比ＡＦｃに対しリッチ側からリーン側へ或いはその逆へと切り替わる毎、つまり振動の１反転毎に、中心空燃比ＡＦｃを所定のステップ量ΔＡＦｃずつ変化させる方法もある。

（第２変形例の第３の形態に従う劣化検出処理）
次に、この第３の形態に従う劣化検出処理を図１６及び図１７を参照しつつ説明する。図１６は当該劣化検出処理を実行するメインルーチンのフローチャート、図１７はメインルーチンのステップＳ１１４で実行するサブルーチンのフローチャートである。これらルーチンはＥＣＵ２２により所定の微小時間（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

図１６に示すように、最初のステップＳ１０１では、劣化検出実行条件が成立しているか否かが判断される。ここでは例えば、冷却水温が所定値以上、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が活性状態にある、エンジンが非アイドル運転状態にあるなど、劣化検出を実行するのに適した条件が全て満たされたとき、実行条件成立となる。

劣化検出実行条件が成立していないと判断された場合、ステップＳ１１９に進み、後述の積算反転数及び積算空気量の値をゼロにクリアし、目標空燃比ＡＦｔを通常値にセットして通常の空燃比制御が実行される。これにより本ルーチンが終了される。

他方、劣化検出実行条件が成立していると判断された場合、ステップＳ１０２に進み、初期条件処理完了フラグがオンされているか否かが判断される。オンされていないときはステップＳ１１４に進み、オンされているときはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１１４では、図１７に示すような劣化検出の準備処理が行われる。ここでこの準備処理について先に述べる。同図に示すように、最初のステップＳ２０１では、目標空燃比セットフラグがオンか否かが判断される。オンでない場合、ステップＳ２０２に進み、現在の触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ（図４参照）以上か否かが判断される。

触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ以上の場合、現在の触媒後空燃比ＡＦｒｒは理論空燃比ＡＦｓよりリッチであると判断され、ステップＳ２０３で目標空燃比ＡＦｔが理論空燃比よりリーンの所定値ＡＦｔｌにセットされる。他方、触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓより小さい場合、現在の触媒後空燃比ＡＦｒｒは理論空燃比ＡＦｓよりリーンであると判断され、ステップＳ２０４で目標空燃比ＡＦｔが理論空燃比よりリッチの所定値ＡＦｔｒにセットされる。このように触媒後センサ出力値Ｖｒｒとは逆側に目標空燃比ＡＦｔがセットされる。

ステップＳ２０３，Ｓ２０４の後はステップＳ２０５に進み、目標空燃比セットフラグがオンされ、本ルーチンが終了される。

ステップＳ２０１において、目標空燃比セットフラグがオンであると判断された場合、ステップＳ２０６にて、触媒後センサ出力Ｖｒｒの反転履歴が有るかどうかが判断される。触媒後センサ出力反転履歴が無い場合、ステップＳ２０７で触媒後センサ出力が反転したかどうかが判断され、反転した場合はステップＳ２０８で反転履歴有りとされて本ルーチンが終了され、反転してない場合はそのまま本ルーチンが終了される。

他方、ステップＳ２０６で反転履歴有りと判断された場合、ステップＳ２０９に進んで、前述の方法による吸入空気量ＧＡの積算が実行される（図１５参照）。そして、ステップＳ２１０において、その積算結果である積算空気量ＴＧＡが所定のしきい値ＴＧＡｓ以上か否かが判断される。しきい値ＴＧＡｓ以上でなければ本ルーチンが終了され、他方、しきい値ＴＧＡｓ以上であればステップＳ２１１で初期条件処理完了フラグがオンされ、ステップＳ２１２で積算空気量ＴＧＡがゼロにリセットされて、本ルーチンが終了される。

この図１７に示される準備処理によれば、その１回目の実行時において、ステップＳ２０１がＮＯであり、ステップＳ２０２で現在の触媒後センサ出力がリッチかリーンかが判断される。そしてリッチなら目標空燃比がリーンに、リーンなら目標空燃比がリッチに、それぞれ逆側へセットされる。

例えば目標空燃比がリーンにセットされた場合、２回目以降の実行時において、触媒には理論空燃比よりリーンなガスが供給される。そしてやがて触媒が吸蔵容量一杯まで酸素を吸蔵すると触媒下流側にリーンなガスが漏れだし、触媒後センサ出力がリッチからリーンに反転する（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）。この時点で既に触媒に酸素を吸蔵容量一杯まで吸蔵させた状態が作られるが、この状態をより確実とするため、さらにリーンなガスが供給され続ける（ステップＳ２０９）。そして、触媒後センサ出力反転時から積算した積算空気量ＴＧＡがしきい値ＴＧＡｓに達した時点（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）で、その後のアクティブ空燃比制御のための準備処理が終了される。

さて、図１６に戻って、ステップＳ１０３においては、触媒後センサ出力の軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが算出される。即ち、今回の触媒後センサ出力値Ｖｒｒから前回の触媒後センサ出力値Ｖｒｒｏｌｄを差し引いて前回から今回までの触媒後センサ出力値変化量ΔＶｒｒが算出され、この触媒後センサ出力値変化量ΔＶｒｒが、前回計算された軌跡長Ｖｒｒｓｕｍｏｌｄに加算されて、今回の軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが算出される。

次に、ステップＳ１０４において、算出された軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが所定の劣化判定値以上か否かが判断される。劣化判定値以上であれば、ステップＳ１１７に進んで触媒の劣化判定がなされ、ステップＳ１１８で触媒劣化検出完了フラグがオンされ、ステップＳ１１９が実行されて本ルーチンが終了される。

他方、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが劣化判定値より小さければ、ステップＳ１０５〜Ｓ１１３においてアクティブ空燃比制御のための目標空燃比ＡＦｔが設定される。これらステップＳ１０５〜Ｓ１１３のうち、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７は中心空燃比ＡＦｃの設定に関し、ステップＳ１０８〜Ｓ１１２は振動の振幅の設定に関する。

まず、ステップＳ１０５において、中心空燃比ＡＦｃが所定の最終目標値に到達したか否かが判断される。

到達していない場合、ステップＳ１０６に進み、積算反転数が所定値以上になったか否かが判断される。積算反転数とは、目標空燃比ＡＦｔが中心空燃比ＡＦｃを境に反転した回数の積算値である。この例では目標空燃比ＡＦｔが２回反転したとき、つまり１振動したときに、中心空燃比ＡＦｃをステップ状に変更するので、所定値は２とされている。但し、所定値を１とすれば反転毎の中心空燃比ＡＦｃの変更が可能であり、所定値を４，６，・・・などとすれば２振動、３振動・・・毎に中心空燃比ＡＦｃを変更することができる。

積算反転数が所定値以上になっている場合、ステップＳ１０７において中心空燃比ＡＦｃが変更される。即ち、前回の中心空燃比ＡＦｃに所定のスキップ量ΔＡＦｃが加算されて新たな中心空燃比ＡＦｃが算出される。中心空燃比ＡＦｃの変化方向は予め定められており、変化方向がリッチ側に向かう方向ならスキップ量ΔＡＦｃは負の値、変化方向がリーン側に向かう方向ならスキップ量ΔＡＦｃは正の値である。

他方、積算反転数が所定値に達していない場合、ステップＳ１０７がスキップされる。なお、中心空燃比ＡＦｃの初回変更前は中心空燃比ＡＦｃが予め定められた初期値に設定される。

次いで、ステップＳ１０８では、図１５で説明したような積算空気量ＴＧＡが所定のしきい値ＴＧＡｓ以上になったか否かが判断される。積算空気量ＴＧＡがしきい値ＴＧＡｓ以上になったと判断された場合、ステップＳ１０９に進んで、現在の振幅ΔＡＦがリッチ側振幅ΔＡＦｒか否かが判断される。振幅ΔＡＦがリッチ側振幅ΔＡＦｒであれば、ステップＳ１１０で逆側のリーン側振幅ΔＡＦｌが振幅ΔＡＦの値としてセットされ、他方、振幅ΔＡＦがリッチ側振幅ΔＡＦｒでなければ（つまりリーン側振幅ΔＡＦｌであれば）、ステップＳ１１１で逆側のリーン側振幅ΔＡＦｌが振幅ΔＡＦとしてセットされる。こうして中心空燃比ＡＦｔは反転される。リーン側振幅ΔＡＦｌ及びリッチ側振幅ΔＡＦｒの大きさは予め定められており、この例では両者は等しくされる。

この後、ステップＳ１１２で積算空気量ＴＧＡがゼロにクリアされると共に、反転数が１だけ積算される。そしてステップＳ１１３に進む。

他方、ステップＳ１０８で積算空気量ＴＧＡがしきい値ＴＧＡｓ未満と判断された場合、振幅ΔＡＦの設定は行われず、直接ステップＳ１１３に進む。

ステップＳ１１３では、ステップＳ１０７で算出された中心空燃比ＡＦｃに、ステップＳ１１０またはＳ１１１で設定された振幅ΔＡＦが加算又は減算され、目標空燃比ＡＦｔが算出、設定される。リーン側振幅ΔＡＦｌが設定された場合は加算であり、リッチ側振幅ΔＡＦｒが設定された場合は減算である。これにより本ルーチンが終了される。

ところで、ステップＳ１０５において中心空燃比ＡＦｃが最終目標値に到達したと判断された場合、ステップＳ１１５に進み、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが所定の劣化判定値以上か否かが判断される。そして、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが劣化判定値以上であれば、ステップＳ１１７で触媒が劣化と判定され、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが劣化判定値未満であればステップＳ１１６で触媒が正常（未劣化）と判定される。その後はステップＳ１１８，Ｓ１１９を経て本ルーチンが終了される。

この図１６に示される劣化検出処理によれば、ステップＳ１１４の準備処理が終了するとステップＳ１０２がＹＥＳとなり、ステップＳ１０５〜Ｓ１１３において、アクティブ空燃比制御即ち、目標空燃比ＡＦｔ（触媒への排気空燃比）の振動とその中心空燃比ＡＦｃの変化とが開始される。例えば、最初に中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓよりリーン側の初期値に設定され、振幅ΔＡＦが初期値としてのリーン側振幅ΔＡＦｌにセットされる。この状態で吸入空気量ＧＡが積算され、その積算空気量ＴＧＡがしきい値ＴＧＡｓに達すると（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、振幅ΔＡＦが反対のリッチ側振幅ΔＡＦｒにセットされ（ステップＳ１１１）、反転数が１だけカウントされ（ステップＳ１１２）、目標空燃比ＡＦｔが中心空燃比ＡＦｃよりリッチ側のリッチ側空燃比ＡＦｒにセットされる（ステップＳ１１３）。この後同様な過程を経て、目標空燃比ＡＦｔが中心空燃比ＡＦｃよりリーン側のリーン側空燃比ＡＦｌに反転されたとき、積算反転数が２となり（ステップＳ１１２）、１振動が終わる。こうなると、ステップＳ１０６がＹＥＳとなって中心空燃比ＡＦｃがスキップ量ΔＡＦｃの大きさだけリッチ側に変更される（ステップＳ１０７）。

このような行程が繰り返し実行されることにより、やがて中心空燃比ＡＦｃが最終目標値に達する（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）。この時点でアクティブ空燃比制御が終了され、軌跡長Ｖｒｒｓｕｍが劣化判定値と比較され（ステップＳ１１５）、触媒の正常、劣化が判定される（ステップＳ１１６，Ｓ１１７）。

（その他の変形例）
図１８に示されるアクティブ空燃比制御においては、空燃比振動の中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓよりもリーン側にずらされた一定値とされ、変化されない。空燃比振動におけるリーン側及びリッチ側期間Ｔｌ，Ｔｒ並びにリーン側及びリッチ側振幅ΔＡＦｌ，ΔＡＦｒは互いに等しい一定値とされる。空燃比が中心空燃比ＡＦｃに対しリッチ側に振られているときのリッチ側空燃比ＡＦｒは、理論空燃比ＡＦｓに等しい。なお、図示例を理論空燃比ＡＦｓに対し対称に反転したような、リッチ側にずらされたアクティブ空燃比制御も可能である。

このアクティブ空燃比制御によっても、触媒への供給ガスのリーン／リッチバランスをリーン側に偏らせつつリーンガスを間欠的に供給することができ、触媒の持つ酸素吸蔵能を最大限使い切って触媒に対し酸素を吸収させることが可能となる。

また、図１９に示されるアクティブ空燃比制御は、空燃比振動の中心空燃比ＡＦｃを３振動毎にステップ的に変化させる例である。このアクティブ空燃比制御によっても前記同様の作用効果が発揮される。

［触媒劣化検出の第２の態様］
図２０には、触媒劣化検出の第２の態様に係る各値の推移が示されている。（Ａ）には、劣化検出実行フラグのオンオフ状態が示され、（Ｂ）には目標空燃比ＡＦｔの変化が示されている。（Ｃ）には、触媒下流側の排気空燃比、より具体的には触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒが示され、（Ｄ）には触媒における吸収酸素量が、（Ｅ）には触媒における放出酸素量が示されている。

この触媒劣化検出の第２の態様は、概して、前述したＣｍａｘ法の改良に関する。図示されるように、アクティブ空燃比制御が１判定期間Ｔｊ内で継続的に実行されるが（（Ｂ）参照）、従来のアクティブ空燃比制御において目標空燃比ＡＦｔが一定に保持されるのに対し、本態様のアクティブ空燃比制御では目標空燃比ＡＦｔが振動させられる。なおこの目標空燃比ＡＦｔの振動に追従して触媒上流側の排気空燃比ＡＦｆｒも振動することとなる。

図示例では、１回目の準備期間Ｔｐ１の後、１回目の判定期間Ｔｊ１において１回目のアクティブ空燃比制御が実行され、このとき触媒に対して酸素の吸収が行われる。そしてその後、２回目の準備期間Ｔｐ２を経て、２回目の判定期間Ｔｊ２において２回目のアクティブ空燃比制御が実行され、このとき触媒に対して酸素の放出が行われる。

１回目のアクティブ空燃比制御では、リーン度合いをリッチ度合いより大きくして目標空燃比ＡＦｔが振動され、触媒には多めのリーンガスと少なめのリッチガスとが繰り返し供給され、触媒の吸収酸素量（以下、吸収ＯＳＡとも称す）が増減を繰り返しながら全体的に増加していく。そして触媒が自己の酸素吸蔵容量一杯まで酸素を吸収すると、リーンガスが触媒下流に吹き抜けて触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒがリーン側に反転し、その出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定値Ｖｒｒｓと等しくなった時点で１回目の判定期間Ｔｊ１及びアクティブ空燃比制御が終了される。

この後、２回目の準備期間Ｔｐ２を経て、２回目のアクティブ空燃比制御が実行される。この２回目のアクティブ空燃比制御では、１回目とは逆に、リッチ度合いをリーン度合いより大きくして目標空燃比ＡＦｔが振動され、触媒には多めのリッチガスと少なめのリーンガスとが繰り返し供給され、触媒の放出酸素量（以下、放出ＯＳＡとも称す）が増減を繰り返しながら全体として増加していく。そして触媒が吸収していた酸素を完全に放出すると、リッチガスが触媒下流に吹き抜けて触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒがリッチ側に反転し、その出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定値Ｖｒｒｓと等しくなった時点で２回目の判定期間Ｔｊ１及びアクティブ空燃比制御が終了される。

１回目に算出された最終的な吸収酸素量と２回目に算出された最終的な放出酸素量との平均値である平均酸素量（以下、平均ＯＳＡとも称す）が算出され、この平均酸素量の値が所定の劣化判定しきい値と比較される。そして、平均酸素量が劣化判定しきい値を超えていれば触媒正常、平均酸素量が劣化判定しきい値以下であれば触媒劣化と判定される。なお、吸収酸素量と放出酸素量とのいずれか一方のみを劣化判定しきい値と比較して劣化判断を行ってもよいが、例えば触媒前空燃比の理論空燃比からのズレの影響を無くし、信頼性をより高めるため、それらの平均値を比較して劣化判断を行っている。勿論、より信頼性を高めるためデータ数を増やすことも可能である。

吸収酸素量は以下のようにして算出される。まず、所定の微小時間間隔Δｔ毎の吸収酸素量ΔＯＳＡが次式（１）により算出される。

Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡＦに燃料噴射量Ｑを乗じると過剰分の空気量を算出できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。触媒に対する排気空燃比ＡＦｆｒが理論空燃比ＡＦｓより大きいときは空燃比差ΔＡＦ＝ＡＦｆｒ−ＡＦｓが正の値となり、吸収酸素量ΔＯＳＡも正の値となる。他方、触媒に対する排気空燃比ＡＦｆｒが理論空燃比ＡＦｓより小さいときはその空燃比差ΔＡＦが負の値となり、吸収酸素量ΔＯＳＡも負の値となる。この微小時間間隔毎の吸収酸素量ΔＯＳＡが、アクティブ空燃比制御の開始時から終了時まで（つまり、１回目の判定期間Ｔｊ１の間）順次積算されて、最終値としての吸収酸素量ＯＳＡが算出される。

他方、放出酸素量は以下のようにして算出される。まず、所定の微小時間間隔Δｔ毎の放出酸素量ΔＯＳＡが次式（１）’により算出される。

これによると、触媒に対する排気空燃比ＡＦｆｒが理論空燃比ＡＦｓより小さいとき空燃比差ΔＡＦ＝ＡＦｓ−ＡＦｆｒが正の値となり、放出酸素量ΔＯＳＡも正の値となる。他方、触媒に対する排気空燃比ＡＦｆｒが理論空燃比ＡＦｓより大きいときはその空燃比差ΔＡＦが負の値となり、放出酸素量ΔＯＳＡも負の値となる。この微小時間間隔毎の放出酸素量ΔＯＳＡが、アクティブ空燃比制御の開始時から終了時まで（つまり、２回目の判定期間Ｔｊ２の間）順次積算されて、最終値としての放出酸素量ＯＳＡが算出される。

なお、１回目の準備期間Ｔｐ１では、その後の酸素吸収の準備のため、触媒から酸素を完全に放出させる準備処理を行う。即ち、図２０に示されるように、目標空燃比ＡＦｔ（排気空燃比ＡＦｆｒ）が理論空燃比ＡＦｓよりリッチの一定値とされ、少なくともその準備期間Ｔｐ１の間に、触媒から酸素を完全に放出させ、リッチガスを触媒下流側に吹き抜けさせて触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒを最終的にリッチ側の値とする。２回目の準備期間Ｔｐ２でも同様に、その後の酸素放出の準備のため、触媒に酸素を完全に吸収させる準備処理を行う。即ち、目標空燃比ＡＦｔ（排気空燃比ＡＦｆｒ）が理論空燃比ＡＦｓよりリーンの一定値とされ、少なくともその準備期間Ｔｐ２の間に、触媒に酸素を完全に吸収させ、リーンガスを触媒下流側に吹き抜けさせて触媒後センサ１８の出力値Ｖｒｒを最終的にリーン側の値とする。

劣化検出実行フラグがオンになったと同時に１回目の準備期間Ｔｐ１が開始され、２回目の判定期間Ｔｊ２の終了と同時に劣化検出実行フラグがオフされる。

ところで、（Ｂ）に示されるように、本態様のアクティブ空燃比制御においては、空燃比振動の中心空燃比ＡＦｃが理論空燃比ＡＦｓに等しくされ、１振動におけるリーン側及びリッチ側振幅ΔＡＦｌ、ΔＡＦｒが予め定められた互いに等しい一定値とされる。例えば、中心空燃比ＡＦｃ＝理論空燃比ＡＦｓ＝１４．６、リーン側振幅ΔＡｌ＝リッチ側振幅Ａｒ＝０．５、リーン側空燃比ＡＦｌ＝１５．１、リッチ側空燃比ＡＦｒ＝１４．１と一定である。

しかしながら、１振動におけるリーン側期間Ｔｌとリッチ側期間Ｔｒとの長さが異なり、酸素吸収が実行される１回目のアクティブ空燃比制御のときにはリーン側期間Ｔｌがリッチ側期間Ｔｒより長くされ、酸素放出が実行される２回目のアクティブ空燃比制御のときにはリッチ側期間Ｔｒがリーン側期間Ｔｌより長くされる。なお、ここでのアクティブ空燃比制御も予め決められたプログラムに従ってフィードフォワード制御によって実行される。

これによれば、１回目の判定期間Ｔｊ１では、リーン側期間Ｔｌがリッチ側期間Ｔｒより長くされる結果、１振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いよりも大きくされ、リーン／リッチバランスはリーン側に偏在される。そして全体として触媒への酸素吸収が行われる。またリッチ側空燃比ＡＦｒが理論空燃比ＡＦｓ以下の値とされ、その間、触媒から酸素が放出される。よって触媒へは間欠的な酸素吸収が行われ、多めの酸素吸収と少なめの酸素放出とが繰り返し行われる。

他方、２回目の判定期間Ｔｊ２では、リッチ側期間Ｔｒがリーン側期間Ｔｌより長くされる結果、１振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いよりも大きくされ、リーン／リッチバランスはリッチ側に偏在される。そして全体として触媒からの酸素放出が行われる。またリーン側空燃比ＡＦｌが理論空燃比ＡＦｓ以上の値とされ、その間、触媒に酸素が吸収される。よって触媒からは間欠的な酸素放出が行われ、多めの酸素放出と少なめの酸素吸収とが繰り返し行われる。

このように、従来のＣｍａｘ法のようにリーン又はリッチのガスを連続的に供給するのではなく、リーン又はリッチのガスを間欠的に休み休み供給するので、触媒の状態変化を緩慢化し、触媒の下流側及び深層側まで酸素の吸放出に用い、真の酸素吸蔵能を高精度で測定することができる。よって、既にある程度劣化した触媒の劣化度を細かく識別することが可能となり、また、完全に劣化した触媒と、劣化直前にある触媒とを高精度で識別することも可能となる。

次に、この第２の態様に従う劣化検出処理を図２１〜図２３を参照しつつ説明する。図２１は当該劣化検出処理を実行するメインルーチンのフローチャート、図２２はメインルーチンのステップＳ３０８で実行するサブルーチンのフローチャート、図２３はメインルーチンのステップＳ３２１で実行するサブルーチンのフローチャートである。これらルーチンはＥＣＵ２２により所定の微小時間（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

図２１に示すように、最初のステップＳ３０１では、前記ステップＳ１０１同様、劣化検出実行条件が成立しているか否かが判断される。劣化検出実行条件が成立していないと判断された場合には本ルーチンが終了され、他方、劣化検出実行条件が成立していると判断された場合にはステップＳ３０２に進み、劣化検出実行フラグがＯＮされる（図２０（Ａ）参照）。

この後、ステップＳ３０３に進み、初期条件処理完了フラグがオンされているか否かが判断される。オンされていないときはステップＳ３０８に進み、オンされているときはステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０８では、図２２に示すような劣化検出の準備処理が行われる。ここでこの準備処理について先に述べる。同図に示すように、最初のステップＳ４０１では、目標空燃比（目標ＡＦ）セットフラグがオンか否かが判断される。オンでない場合、ステップＳ４０５に進み、現在の触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ（図２０（Ｃ）参照）以上か否かが判断される。

触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ以上の場合、現在の触媒後空燃比は理論空燃比よりリッチであると判断され、ステップＳ４０６で目標空燃比ＡＦｔが理論空燃比よりリーンのリーン側空燃比ＡＦｌにセットされる。他方、触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓより小さい場合、現在の触媒後空燃比は理論空燃比よりリーンであると判断され、ステップＳ４０７で目標空燃比ＡＦｔが理論空燃比よりリッチのリッチ側空燃比ＡＦｒにセットされる。つまり、触媒後センサ出力値Ｖｒｒとは逆側に目標空燃比ＡＦｔがセットされる。

ステップＳ４０６，Ｓ４０７の後はステップＳ４０８に進み、目標空燃比セットフラグがオンされ、本ルーチンが終了される。

他方、ステップＳ４０１において、目標空燃比セットフラグがオンであると判断された場合、ステップＳ４０２にて、初期酸素量ＯＳＡｓｔの積算が行われる。この積算は次のように行われる。目標空燃比ＡＦｔがリーン側空燃比ＡＦｌにセットされている場合、今回の吸収酸素量ΔＯＳＡが前式（１）に従って算出され、この今回の吸収酸素量ΔＯＳＡが前回の初期酸素量ＯＳＡｓｔｏｌｄに加算され、今回の初期酸素量ＯＳＡｓｔが算出される。他方、目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒにセットされている場合、今回の放出酸素量ΔＯＳＡが前式（１）’に従って算出され、この今回の放出酸素量ΔＯＳＡが前回の初期酸素量ＯＳＡｓｔｏｌｄに加算され、今回の初期酸素量ＯＳＡｓｔが算出される。

こうして初期酸素量ＯＳＡｓｔの積算が行われたら、次にステップＳ４０３において、この初期酸素量ＯＳＡｓｔが所定値ＯＳＡｓｔｓ以上か否かが判断される。この所定値ＯＳＡｓｔｓは、触媒に対し酸素が完全に吸収又は放出され得るような値が設定されている。初期酸素量ＯＳＡｓｔが所定値ＯＳＡｓｔｓ以上でなければ本ルーチンが終了され、他方、初期酸素量ＯＳＡｓｔが所定値ＯＳＡｓｔｓ以上であればステップＳ４０４で初期条件処理完了フラグがオンされ、本ルーチンが終了される。

この図２２に示される準備処理によれば、その１回目の実行時において、ステップＳ４０１がＮＯであり、ステップＳ４０５で現在の触媒後センサ出力がリッチかリーンかが判断される。そしてリッチなら目標空燃比がリーンに、リーンなら目標空燃比がリッチに、それぞれ逆側へセットされる。

例えば目標空燃比がリーンにセットされた場合、２回目以降の実行時において、触媒には理論空燃比よりリーンなガスが連続的に供給される。そしてこの間、触媒への吸収酸素量がステップＳ４０２にて積算されていく。吸収酸素量の積算値が所定値ＯＳＡｓｔｓに達すると、触媒が完全に酸素を吸収した状態となり、これにより、その後のアクティブ空燃比制御のための準備処理が実質的に終了される。

さて、図２１に戻って、ステップＳ３０４においては、当該ステップの実行が１回目であるか否かが判断される。１回目であると判断された場合、ステップＳ３０５，Ｓ３０６，Ｓ３０７が実行される。これらステップＳ３０５〜Ｓ３０７はそれぞれステップＳ４０５〜Ｓ４０７と同様であり、これにより、現在の触媒後センサ出力が示すリーン／リッチとは逆側に目標空燃比がセットされ、アクティブ空燃比制御が開始されることとなる。これらステップＳ３０５〜Ｓ３０７の後に本ルーチンが終了される。

他方、ステップＳ３０４において当該ステップの実行が１回目でない（即ち２回目以降である）と判断された場合、ステップＳ３０９に進んで、触媒後センサ出力が反転したか否か、即ち触媒後センサ出力Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓより大きい値から小さい値へ、又はその逆へと変化したか否かが判断される。

反転してないと判断された場合、ステップＳ３２０に進んで、触媒に対し吸収又は放出された酸素量ＯＳＡの積算が実行される。この積算は初期酸素量ＯＳＡｓｔのときと同様に行われる。即ち、目標空燃比ＡＦｔがリーン側空燃比ＡＦｌにセットされている場合、今回の吸収酸素量ΔＯＳＡが前式（１）に従って算出され、この今回の吸収酸素量ΔＯＳＡが前回の酸素量ＯＳＡｏｌｄに加算され、今回の酸素量ＯＳＡが算出される。他方、目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒにセットされている場合、今回の放出酸素量ΔＯＳＡが前式（１）’に従って算出され、この今回の放出酸素量ΔＯＳＡが前回の酸素量ＯＳＡｏｌｄに加算され、今回の酸素量ＯＳＡが算出される。

次に、ステップＳ３２１に進んで、目標酸素量（以下、目標ＯＳＡとも称す）が図２３に示すルーチンに従って設定される。ここでこの目標酸素量の設定処理について先に述べる。

図２３に示されるように、まずステップＳ５０１では、エアフローメータ５により検出された吸入空気量ＧＡの値に基づき、目標酸素量補正係数が図２４に示すような所定のマップ（関数であってもよい）に従って算出される。このマップでは、吸入空気量ＧＡと目標酸素量補正係数との関係が予め定められており、目標酸素量補正係数は常に１より小さい値であるが、吸入空気量ＧＡが多くなるほど１に近づく傾向を有する。

こうして目標酸素量の設定が終了したら、次にステップＳ５０２において、１回目の目標空燃比ＡＦｔ、即ち前記ステップＳ３０６又はＳ３０７でセットされた目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒか否かが判断される。つまり、現在実行されているアクティブ空燃比制御が、酸素吸収を行わせるべく最初にリーンガスを供給するのか、或いは酸素放出を行わせるべく最初にリッチガスを供給するのかが判断される。

１回目の目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒである場合、ステップＳ５０３に進んで、エアフローメータ５により検出された吸入空気量ＧＡの値に基づき、リッチ側の目標酸素量が図２５に示すような所定のマップ（関数であってもよい）に従って算出される。このマップでは、吸入空気量ＧＡと目標酸素量との関係が予め定められており、目標酸素量は吸入空気量ＧＡが多くなるほど少なくなる傾向を有する。よって、後に理解されるが、吸入空気量ＧＡが多いほど、アクティブ空燃比制御の振動周期は短くなる。また、ステップＳ５０１で求められた目標酸素量補正係数をリッチ側の目標酸素量に乗じてリーン側の目標酸素量が算出される。目標酸素量補正係数が１より小さいので、リーン側の目標酸素量はリッチ側の目標酸素量より少ない値である。よって後に理解されるが、アクティブ空燃比制御の１振動におけるリッチ側期間Ｔｒがリーン側期間Ｔｌより長くなる。

他方、ステップＳ５０２において、１回目の目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒでない（つまりリーン側空燃比ＡＦｌである）と判断された場合、ステップＳ５０４に進んで、ステップＳ５０３と同様、吸入空気量ＧＡの検出値に基づき、リーン側の目標酸素量が図２５に示すマップに従って算出される。また、ステップＳ５０１で求められた目標酸素量補正係数をリーン側の目標酸素量に乗じてリッチ側の目標酸素量が算出される。これによりリッチ側の目標酸素量はリーン側の目標酸素量より少ない値となり、アクティブ空燃比制御の１振動におけるリーン側期間Ｔｌがリッチ側期間Ｔｒより長くなる。こうしてステップＳ５０３，Ｓ５０４が終了したら本ルーチンが終了される。

さて、図２１に戻って、ステップＳ３２１の後はステップＳ３２２に進み、ステップＳ３２０で積算された酸素量ＯＳＡが、ステップＳ３２１で算出された目標酸素量以上となったか否かが判断される。酸素量ＯＳＡが目標酸素量以上となっていない場合には本ルーチンが終了される。

他方、酸素量ＯＳＡが目標酸素量以上となっている場合には、現在の目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒか否かが判断される。現在の目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒである場合、ステップＳ３２４に進んで、目標空燃比ＡＦｔが逆側のリーン側空燃比ＡＦｌにセットされる。他方、現在の目標空燃比ＡＦｔがリッチ側空燃比ＡＦｒでない場合（即ちリーン側空燃比ＡＦｌである場合）、ステップＳ３２５に進んで、目標空燃比ＡＦｔが逆側のリッチ側空燃比ＡＦｒにセットされる。こうして、酸素量ＯＳＡが目標酸素量に達する毎に目標空燃比ＡＦｔが反転されることとなる。ステップＳ３２４，Ｓ３２５の後、本ルーチンが終了される。

ところで、ステップＳ３０９において、触媒後センサ出力が反転したと判断された場合、ステップＳ３１０に進んで、触媒後センサ出力反転回数カウンタが１だけカウントアップされる。そしてステップＳ３１１に至り、反転後の触媒後センサ出力Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ以上であるか否かが判断される。

反転後の触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ以上である場合、ステップＳ３１２において、反転前には主にリッチガスの供給が行われ触媒は酸素放出を行っていたとみなされ、ステップＳ３２０で積算されていた酸素量ＯＳＡが放出酸素量ＯＳＡｈとして記憶される。他方、反転後の触媒後センサ出力値Ｖｒｒがリーンリッチ判定しきい値Ｖｒｒｓ未満である場合、ステップＳ３１３において、反転前には主にリーンガスの供給が行われ触媒は酸素吸収を行っていたとみなされ、ステップＳ３２０で積算されていた酸素量ＯＳＡが吸収酸素量ＯＳＡｋとして記憶される。

次に、ステップＳ３１４において、触媒後センサ出力反転回数カウンタが所定値であるか否かが判断される。この所定値は好ましくは偶数とされ、例えば２とされる。触媒後センサ出力反転回数カウンタが所定値でない場合、本ルーチンが終了される。

他方、触媒後センサ出力反転回数カウンタが所定値である場合、ステップＳ３１５において平均酸素量ＯＳＡａｖｅが式：ＯＳＡａｖｅ＝（ＯＳＡｈ＋ＯＳＡｋ）／２に従って算出される。そしてステップＳ３１６において、平均酸素量ＯＳＡａｖｅが所定の劣化判定しきい値と比較され、平均酸素量ＯＳＡａｖｅが劣化判定しきい値より大きいときは触媒正常と判定され、平均酸素量ＯＳＡａｖｅが劣化判定しきい値以下のときは触媒劣化と判定される。この後、ステップＳ３１９にて劣化検出実行フラグがオフされて本ルーチンが終了される。

この劣化検出処理を図２０に示した具体例に当てはめて説明する。劣化検出実行フラグがオンされると（ステップＳ３０２）、まず準備処理（ステップＳ３０８）が実行され、準備期間Ｔｐ１が開始される。準備処理では、フラグオン時の触媒後センサ出力（図２０ではリーン）とは逆側に目標空燃比ＡＦｔがセットされる（図２０ではリッチ）（ステップＳ４０５〜Ｓ４０７）。これにより触媒から酸素が放出される。放出される初期酸素量ＯＳＡｓｔが順次積算され（ステップＳ４０２）、その積算値がしきい値ＯＳＡｓｔｓに達した時点（ステップＳ４０３：ＹＥＳ）では、既に触媒から酸素が完全に放出されている。なお、放出完了となった時点でリッチガスが触媒下流側に吹き抜け、触媒後センサ出力がリッチに反転する。こうして、初期酸素量ＯＳＡｓｔの積算値がしきい値ＯＳＡｓｔｓに達した時に準備処理及び準備期間Ｔｐ１が終了となる。このような準備処理を行うことで、酸素吸蔵容量の計測毎のバラツキを抑制することができる。

準備処理が終了するとステップＳ３０３がＹＥＳとなり、１回目のアクティブ空燃比制御及び判定期間Ｔｊ１が開始される。まず、その時点での触媒後センサ出力（図２０ではリッチ）とは逆側に目標空燃比ＡＦｔがセットされる（図２０ではリーン）（ステップＳ３０５〜Ｓ３０７）。これにより触媒への酸素吸収が開始される。この酸素吸収中に吸収酸素量ＯＳＡが積算され（ステップＳ３２０）、吸収酸素量がリーン側の目標酸素量ＯＳＡｌに達すると（ステップＳ３２２：ＹＥＳ）、目標空燃比ＡＦｔがリッチ側に反転される（ステップＳ３２５）。これにより触媒からの酸素放出が開始される。この酸素放出中に放出酸素量ＯＳＡが積算され（ステップＳ３２０）、放出酸素量がリッチ側の目標酸素量ＯＳＡｒに達すると（ステップＳ３２２：ＹＥＳ）、目標空燃比ＡＦｔがリーン側に反転される（ステップＳ３２４）。

リーン側の目標酸素量ＯＳＡｌはリッチ側の目標酸素量ＯＳＡｒより大きいので（ステップＳ５０４）、リーン側期間Ｔｌがリッチ側期間Ｔｒより長くなる。よって、１回の振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いより大きくなり、多めの酸素吸収と少なめの酸素放出とが実行されることになる。

ここで、図２４に示したマップから理解されるように、吸入空気量ＧＡが大きいほど目標酸素量補正係数が１に近づけられ、リッチ側期間Ｔｒがリーン側期間Ｔｌに近づけられ、１回の振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いに近づけられる。これは、吸入空気量ＧＡが大きいほど触媒への供給ガス流量が増え、触媒の反応速度が追いつかずガスが吹き抜ける傾向にあるからである。本態様の如く吸入空気量ＧＡが大きいほど１回の振動当たりのリーン度合いとリッチ度合いとを均等に近づけるようにすれば、触媒に対する全体的な酸素吸放出をより緩慢に行わせ、ガスの吹き抜けを防止することができる。そして、この吹き抜けにより酸素吸蔵能が真の値より少なく見積もられることを防止でき、検出精度を向上すると共に、誤劣化判定も防止することができる。

また、図２５に示したマップから理解されるように、吸入空気量ＧＡが大きいほど目標酸素量は減少される。これも前述の吹き抜けを考慮したためである。こうすることにより、吸入空気量ＧＡが大きいほど目標酸素量に達する時間が短くなり、リーン側期間Ｔｌとリッチ側期間Ｔｒとが短くなり、振動の周期を短く（つまり周波数を多く）してガスの吹き抜けやこれに起因する誤劣化判定を防止することができ、検出精度を向上できる。

さて、上述のようなリーン、リッチへの反転を繰り返しながら触媒の吸収酸素量が徐々に増加していく。そして、触媒後センサの出力がリーンに反転した時（ステップＳ３０９：ＹＥＳ、図２０のｔｒｌ）、その時点での吸収酸素量ＯＳＡｋが記憶される（ステップＳ３１３）。こうして１回目のアクティブ空燃比制御及び判定期間Ｔｊ１が終了される。

次いで、２回目の準備処理及び準備期間Ｔｐ２が開始される。この準備期間Ｔｐ２では、目標空燃比ＡＦｔがリーン側空燃比ＡＦｌに維持され、触媒への酸素吸収が実行される。但しこの時点では既に触媒が酸素飽和状態にあるので、酸素吸収は単に保証のためだけに行われる。この間、触媒における初期酸素量ＯＳＡｓｔが順次積算され、その積算値がしきい値ＯＳＡｓｔｓに達した時点で２回目の準備期間Ｔｐ２が終了される。この２回目の準備処理は図２２に示されたルーチンとは別の図示しないルーチンに従って実行される。

これと同時に、２回目のアクティブ空燃比制御及び判定期間Ｔｊ２が開始される。まず、その時点での触媒後センサ出力（図２０ではリーン）とは逆側に目標空燃比ＡＦｔがセットされる（図２０ではリッチ）（ステップＳ３０５〜Ｓ３０７）。これにより触媒からの酸素放出が開始される。この酸素放出中に放出酸素量ＯＳＡが積算され（ステップＳ３２０）、放出酸素量がリッチ側の目標酸素量ＯＳＡｒに達すると（ステップＳ３２２：ＹＥＳ）、目標空燃比ＡＦｔがリーン側に反転される（ステップＳ３２４）。これにより触媒への酸素吸収が開始される。この酸素吸収中に吸収酸素量ＯＳＡが積算され（ステップＳ３２０）、吸収酸素量がリーン側の目標酸素量ＯＳＡｌに達すると（ステップＳ３２２：ＹＥＳ）、目標空燃比ＡＦｔがリッチ側に反転される（ステップＳ３２５）。

この２回目のアクティブ空燃比制御では、１回目とは逆に、リッチ側の目標酸素量ＯＳＡｒがリーン側の目標酸素量ＯＳＡｌより大きい（ステップＳ５０３）。よって、リッチ側期間Ｔｒがリーン側期間Ｔｌより長くなり、１回の振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いより大きくなる。従って多めの酸素放出と少なめの酸素吸収とが実行されることになる。

吸入空気量ＧＡが大きいほどリーン側期間Ｔｌがリッチ側期間Ｔｒに近づき、１回の振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いに近づくのは前記同様である。また、吸入空気量ＧＡが大きいほどリーン側期間Ｔｌとリッチ側期間Ｔｒとが短くなり、振動の周期が短くなる点も前記同様である。

上述のようなリッチ、リーンへの反転を繰り返しながら触媒の放出酸素量が徐々に増加していく。そして、触媒後センサの出力がリッチに反転した時（ステップＳ３０９：ＹＥＳ、図２０のｔｌｒ）、その時点での放出酸素量ＯＳＡｈが記憶される（ステップＳ３１２）。これにより２回目のアクティブ空燃比制御及び判定期間Ｔｊ２が終了される。

この後、記憶された吸収酸素量ＯＳＡｋと放出酸素量ＯＳＡｈとの平均値である平均酸素量ＯＳＡａｖｅが算出され、この平均酸素量ＯＳＡａｖｅが劣化判定しきい値と比較されて触媒の正常／劣化が判定される（ステップＳ３１５〜３１８）。

［他の実施形態］
以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は直噴式であったが、吸気ポート（吸気通路）噴射式或いは両噴射方式を兼ね備えるデュアル噴射式の内燃機関にも本発明は適用可能である。

なお、上述の実施形態においては、ＥＣＵ２０及びインジェクタ１２によってアクティブ空燃比制御手段が構成され、ＥＣＵ２０によって軌跡長劣化判定手段、酸素量算出手段、酸素量劣化判定手段及びフューエルカット要求時制御手段が構成される。また、エアフローメータ５によって吸入空気量検出手段が構成される。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態に係る内燃機関の基本構成を示す概略図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 リーン度合い及びリッチ度合いを説明するためのグラフである。 触媒劣化検出の第１の態様に係る各値の推移を示すタイムチャートである。 触媒への酸素吸放出のメカニズムを説明するための概略図である。 触媒への酸素吸放出のメカニズムを説明するための概略図である。 触媒への酸素吸放出のメカニズムを説明するための概略図である。 試験結果を示すグラフであり、上段は触媒前空燃比の変化、下段は触媒後センサ出力値の変化を示す。 試験結果を示すグラフであり、小劣化触媒と大劣化触媒とで軌跡長を比較した結果である。 試験結果を示すグラフであり、リーン側振幅及びリッチ側振幅を変更した場合に、小劣化触媒と大劣化触媒とで軌跡長を比較した結果である。 試験結果を示すグラフであり、吸入空気量を変更した場合に、小劣化触媒と大劣化触媒とで軌跡長を比較した結果である。 試験結果を示すグラフであり、振動周波数を変更した場合に、小劣化触媒と大劣化触媒とで軌跡長を比較した結果である。 触媒劣化検出の第１の態様の第１変形例における各値の変化を示すタイムチャートである。 触媒劣化検出の第１の態様の第２変形例にかかるアクティブ空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。 前記第２変形例における目標空燃比の反転方法を説明するためのグラフである。 前記第２変形例の第３の形態に従う劣化検出処理を実行するメインルーチンのフローチャートである。 同メインルーチン中で実行するサブルーチンのフローチャートである。 触媒劣化検出の第１の態様の他の変形例によるアクティブ空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。 触媒劣化検出の第１の態様のさらに他の変形例によるアクティブ空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。 触媒劣化検出の第２の態様に係る各値の推移を示すタイムチャートである。 前記第２の態様に従う劣化検出処理を実行するメインルーチンのフローチャートである。 同メインルーチン中で実行するサブルーチンのフローチャートである。 同メインルーチン中で実行するサブルーチンのフローチャートである。 吸入空気量と目標酸素量補正係数との関係を定めたマップである。 吸入空気量と目標酸素量との関係を定めたマップである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
１０ スロットルバルブ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＡＦ 空燃比
ＡＦｆｒ 触媒前空燃比
ＡＦｒｒ 触媒後空燃比
ＡＦｔ 目標空燃比
ＡＦｓ 理論空燃比
ＡＦｃ 中心空燃比
ΔＡＦｃ スキップ量
ＡＦｌ リーン側空燃比
ＡＦｒ リッチ側空燃比
ΔＡＦ 振幅
ΔＡＦｌ リーン側振幅
ΔＡＦｒ リッチ側振幅
Ｔｌ リーン側期間
Ｔｒ リッチ側期間
Ｋｌ リーン度合い
Ｋｒ リッチ度合い
Ｔｊ 判定期間
ＯＳＡ 酸素量
ＧＡ 吸入空気量
ＴＧＡ 積算空気量
Ｖｆｒ 触媒前センサ出力値
Ｖｒｒ 触媒後センサ出力値
Ｖｒｒｓｕｍ 触媒後センサ出力値の軌跡長

Claims (14)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、排気空燃比の理論空燃比に対する大小に応じて酸素を吸放出するＯ_２ストレージ機能を有する触媒の劣化検出装置において、
   所定の判定期間内に所定の中心空燃比を境に排気空燃比をリーン側及びリッチ側に振動させるアクティブ空燃比制御手段であって、触媒に酸素を吸収させるとき、リッチ側に振った排気空燃比が理論空燃比以下となるように且つ１振動当たりのリーン度合いがリッチ度合いより大きくなるように排気空燃比を振動させ、触媒から酸素を放出させるとき、リーン側に振った排気空燃比が理論空燃比以上となるように且つ１振動当たりのリッチ度合いがリーン度合いより大きくなるように排気空燃比を振動させるアクティブ空燃比制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
2. 前記アクティブ空燃比制御手段は、触媒に酸素を吸収させるときに前記中心空燃比を理論空燃比よりも大きい値に設定し、触媒から酸素を放出させるときに前記中心空燃比を理論空燃比よりも小さい値に設定す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。
3. 前記アクティブ空燃比制御手段は、前記判定期間内で前記中心空燃比を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
4. 前記アクティブ空燃比制御手段は、前記中心空燃比が理論空燃比を横切るように前記中心空燃比を徐々に変化させることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
5. 前記アクティブ空燃比制御手段は、吸入空気量が多いほど前記中心空燃比の変化速度を速くし、吸入空気量が少ないほど前記中心空燃比の変化速度を遅くすることを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
6. 前記アクティブ空燃比制御手段は、排気空燃比を前記中心空燃比に対し所定数反転させる毎に、前記中心空燃比を所定量ずつ変化させることを特徴とする請求項３乃至５いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
7. 前記アクティブ空燃比制御手段は、吸入空気量が多いほど前記振動の周期を短くし、吸入空気量が少ないほど前記振動の周期を長くすることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
8. 前記アクティブ空燃比制御手段は、吸入空気量の積算値が所定値に達する毎に排気空燃比を前記中心空燃比に対し反転させることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
9. 触媒下流側の排気空燃比を検出する触媒後センサと、
   前記判定期間内における前記触媒後センサの出力の軌跡長を算出し、該軌跡長に基づき触媒の劣化を判定する軌跡長劣化判定手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
10. 前記アクティブ空燃比制御手段は、触媒に酸素を吸収させるときに１振動当たりのリーン側期間がリッチ側期間より長くなるように排気空燃比を振動させ、触媒から酸素を放出させるときに１振動当たりのリッチ側期間がリーン側期間より長くなるように排気空燃比を振動させ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。
11. 吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
    前記アクティブ空燃比制御手段は、前記検出された吸入空気量が多くなるほど前記リッチ側期間と前記リーン側期間とを互いに近づけることを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
12. 吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
    前記アクティブ空燃比制御手段は、前記検出された吸入空気量が多くなるほど前記振動の周波数を高くすることを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
13. 前記判定期間内に触媒に対し吸収又は放出された酸素量を算出する酸素量算出手段と、
    該酸素量算出手段により算出された酸素量に基づき触媒の劣化を判定する酸素量劣化判定手段と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１０乃至１２いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
14. 前記内燃機関とモータジェネレータとを駆動源として備えたハイブリッド車両に適用される請求項１乃至１３いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
    前記判定期間中にフューエルカット要求信号が発生したとき、前記内燃機関に対するフューエルカットを禁止し且つ前記モータジェネレータをジェネレータ側に切り替えるフューエルカット要求時制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。

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