JP2021102943A - 触媒劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の貴金属の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置を提供する。【解決手段】触媒劣化検出装置１は、触媒２０の下流側に配置されると共に、触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置４１と、触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部７１と、触媒の劣化を判定する劣化判定部７２とを備える。空燃比制御部は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを実行する。劣化判定部は、空燃比検出装置の出力に基づいて、リーン制御及びリッチ制御によって触媒から流出した排気ガスの空燃比の振幅を算出し、振幅が閾値以上である場合に、触媒が劣化していると判定する。【選択図】図５

Description

本発明は触媒劣化検出装置に関する。

一般的に、内燃機関の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する触媒が設けられている。酸素を吸蔵可能な触媒では、酸素の吸放出によって触媒雰囲気を理論空燃比近傍に維持することで、排気ガスの空燃比が理論空燃比からずれたときの浄化性能の低下が抑制される。

しかしながら、触媒は長期間の使用等によって劣化する。触媒の代表的な劣化モードとして、触媒の酸素吸蔵能力の低下が知られている。触媒の酸素吸蔵能力が低下すると、排気ガスの空燃比が変動したときの触媒の浄化性能が低下する。このため、触媒の劣化による排気エミッションの悪化を抑制すべく、触媒の劣化を検出できることが望ましい。

特許文献１に記載の内燃機関の異常診断装置では、触媒の最大酸素吸蔵量を算出し、算出された最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化度合が判定される。具体的には、触媒の酸素吸蔵能力を示す最大酸素吸蔵量が下限吸蔵量よりも少ないときには、触媒が劣化していると判定される。

ところで、近年、実際の使用環境下における触媒の助触媒の劣化を抑制することで、触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制可能な触媒が開発されてきている。斯かる触媒では、触媒の酸素吸蔵能力が維持された状態で触媒の貴金属が劣化する劣化モードが生じうる。しかしながら、上述した最大酸素吸蔵量に基づく劣化判定では、触媒の貴金属の劣化を検出することができない。

これに対して、特許文献２に記載の触媒劣化判定装置では、触媒の酸素吸蔵量がゼロに達した後に、触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに維持し、このときに触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度に基づいて触媒の貴金属の劣化が判定される。

特開２０１５−０８６８６１号公報 特開２０１２−１９７６７６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の劣化判定方法では、触媒の酸素吸蔵量がゼロに達した後も理論空燃比よりもリッチな排気ガスが触媒に流入し続ける。このため、触媒の劣化の有無に関わらず、触媒から多量のＨＣ及びＣＯが流出し、排気エミッションが悪化する。また、特許文献２に記載の劣化判定方法では、理論空燃比よりもリーンな排気ガスに対する触媒の浄化性能が判定されないため、貴金属の劣化に伴う触媒の還元能力の低下を検出することができない。

そこで、本発明の目的は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の貴金属の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、前記触媒の劣化を判定する劣化判定部とを備え、前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを実行し、前記劣化判定部は、前記空燃比検出装置の出力に基づいて、前記リーン制御及び前記リッチ制御によって前記触媒から流出した排気ガスの空燃比の振幅を算出し、該振幅が閾値以上である場合に、前記触媒が劣化していると判定する、触媒劣化検出装置。

（２）前記劣化判定部は、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第１判定値よりも小さい場合に、前記触媒の酸化能力が低下していると判定し、前記第１判定値は理論空燃比以下の空燃比である、上記（１）に記載の触媒劣化検出装置。

（３）前記劣化判定部は、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第２判定値よりも大きい場合に、前記触媒の還元能力が低下していると判定し、前記第２判定値は理論空燃比以上の空燃比である、上記（１）又は（２）に記載の触媒劣化検出装置。

（４）前記劣化判定部は、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第１判定値よりも小さい場合に、前記触媒の酸化能力が低下していると判定し、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第２判定値よりも大きい場合に、前記触媒の還元能力が低下していると判定し、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が前記第１判定値以上前記第２判定値以下である場合に、前記触媒の酸素吸蔵能力が低下していると判定し、前記第１判定値は理論空燃比以下の空燃比であり、前記第２判定値は理論空燃比以上の空燃比である、上記（１）又は（２）に記載の触媒劣化検出装置。

（５）前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量の変化量を算出し、前記リーン制御において前記変化量が第１切替基準値に達したときに前記リーン制御を終了し、前記リッチ制御において前記変化量が第２切替基準値に達したときに前記リッチ制御を終了する、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の触媒劣化検出装置。

本発明によれば、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の貴金属の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、三元触媒の浄化特性を示す。 図３は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図４は、流入排気ガスの空燃比を変化させたときの下流側空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。 図５は、本発明の第一実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、本発明の第二実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、本発明の第三実施形態におけるリーン制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８は、本発明の第三実施形態におけるリッチ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図５を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管１５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、上流側触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して、下流側触媒２３を内蔵した下流側ケーシング２４に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２、下流側ケーシング２４等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて内燃機関の各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。上流側空燃比センサ４０の出力（出力電流）は排気ガスの空燃比に比例して大きくなり、上流側空燃比センサ４０は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。上流側空燃比センサ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。下流側空燃比センサ４１の出力（出力電流）は排気ガスの空燃比に比例して大きくなり、下流側空燃比センサ４１は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。下流側空燃比センサ４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４２には、アクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１は負荷センサ４３の出力に基づいて機関負荷を算出する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４４が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４４の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２３は同様な構成を有する。このため、以下、上流側触媒２０（以下、単に「触媒２０」という）について説明する。触媒２０は、酸素を吸蔵可能であり、例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。触媒２０は、セラミック、金属等から成る基材（担体）と、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等）と、酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えばセリア（ＣｅＯ₂）等）とを有する。貴金属及び助触媒は基材に担持される。

図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率は、は、触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。

また、触媒２０は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、ＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０においてＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが効果的に浄化される。

一般的に、排気ガスによって触媒が高温環境下に曝されると、触媒の劣化が進行する。触媒の劣化には触媒の貴金属の劣化及び触媒の助触媒の劣化が含まれる。貴金属の劣化は、貴金属の凝集等によって生じ、触媒の活性点を減少させる。主に酸化活性点として機能する貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ等）の劣化が生じると、触媒の酸化能力が低下し、主に還元活性点として機能する貴金属（Ｒｈ等）の劣化が生じると、触媒の還元能力が低下する。助触媒の劣化は助触媒の凝集等によって生じる。助触媒の劣化が生じると、触媒の酸素吸蔵能力が低下し、触媒に吸蔵可能な最大酸素吸蔵量が低下する。

本実施形態では、触媒２０は、使用環境下において、助触媒の耐熱性が貴金属の耐熱性よりも高くなるように構成されている。例えば、触媒２０は、その製造工程において基材及び助触媒が焼成されたいわゆる基材触媒である。基材触媒では、製造工程において、助触媒が高温下に曝され、助触媒が凝集する。このため、実際の使用環境下では、助触媒の凝集の進行が抑制され、ひいては触媒の酸素吸蔵能力の低下が抑制される。なお、基材触媒では、助触媒の量を増加させること、耐熱性の高い材料を助触媒として用いること等によって新触における酸素吸蔵能力が確保される。

＜触媒劣化検出装置＞
触媒２０が劣化すると、触媒２０の浄化性能が低下し、排気エミッションが悪化する。このため、本実施形態では、触媒２０の劣化を検出する触媒劣化検出装置が内燃機関に設けられる。

図３は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置１の構成を概略的に示すブロック図である。触媒劣化検出装置１は、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、空燃比制御部７１及び劣化判定部７２を備える。下流側空燃比センサ４１は空燃比検出装置の一例である。本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御部７１及び劣化判定部７２として機能する。

空燃比制御部７１は、触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比を設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。例えば、空燃比制御部７１は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量をフィードバック制御する。ここで、空燃比センサの出力空燃比とは、空燃比センサの出力値に相当する空燃比、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。

なお、空燃比制御部７１は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部７１は、燃料噴射弁１１の燃焼噴射量と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量を燃料噴射弁１１から燃焼室５に供給する。したがって、上流側空燃比センサ４０は触媒劣化検出装置から省略されてもよい。

図４は、流入排気ガスの空燃比を変化させたときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のタイムチャートである。図４には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比として、触媒２０の劣化状態に応じた４つの例が示されている。

図４の例では、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比との間で交互に切り替えられている。最初に、図４の上から二つ目のグラフを参照して、触媒２０が正常である場合、すなわち触媒２０が劣化していない場合について説明する。

時刻ｔ０では、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定されている。このとき、触媒２０の酸素吸蔵量は適切な値となっており、酸素の放出によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられる。この結果、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等は触媒２０において浄化され、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比（１４．６）に維持される。

時刻ｔ０の後、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ付近まで減少すると、触媒２０が還元雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。この結果、触媒２０からＨＣ及びＣＯが流出し始め、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな値に変化する。

図４の例では、時刻ｔ１において、触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロに達したときに流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比から理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えられている。この場合、少量のＨＣ及びＣＯが触媒２０から流出し、時刻ｔ１付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合は小さくなる。なお、リッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比との差を意味する。

流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、触媒２０は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。この結果、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、排気ガス中のＮＯｘは触媒２０において浄化される。したがって、時刻ｔ１の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

時刻ｔ１の後、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加する。触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量付近まで増加すると、触媒２０が酸化雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。この結果、触媒２０において浄化されなかったＮＯｘが触媒２０から流出し始め、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな値に変化する。

図４の例では、時刻ｔ２において、触媒２０の酸素吸蔵量がほぼ最大酸素吸蔵量に達したときに流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられている。この場合、少量のＮＯｘが触媒２０から流出し、時刻ｔ２付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合は小さくなる。なお、リーン度合とは、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比との差を意味する。

流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０はＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、排気ガス中のＨＣ及びＣＯは触媒２０において浄化される。したがって、時刻ｔ２の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

時刻ｔ２の後、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ付近まで減少すると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再び理論空燃比よりもリッチな値に変化する。時刻ｔ３では、時刻ｔ１と同様に流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。

次に、図４の上から三つ目のグラフを参照して、触媒２０の助触媒の劣化によって触媒２０の酸素吸蔵能力が低下している場合について説明する。触媒２０の酸素吸蔵能力が低下すると、触媒２０に吸蔵可能な最大酸素吸蔵量が低下する。このため、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているときに、正常な触媒２０よりも早いタイミングで触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する。この結果、触媒２０からＨＣ及びＣＯが流出する時間が長くなり、正常な触媒２０に比べて、時刻ｔ１付近及び時刻ｔ３付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が大きくなる。

一方、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときには、正常な触媒２０よりも早いタイミングで触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する。この結果、触媒２０からＮＯｘが流出する時間が長くなり、正常な触媒２０に比べて、時刻ｔ２付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合が大きくなる。

したがって、上記のような空燃比制御が行われた場合に、触媒２０の酸素吸蔵能力が低下しているときに検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅（図４におけるＡ１）が、触媒２０が劣化していないときに検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅（図４におけるＡｎ）よりも大きくなる。

次に、図４の下から二つ目のグラフを参照して、触媒２０の酸素吸蔵能力は維持されているが、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下している場合について説明する。斯かる劣化モードは、助触媒の耐熱性が貴金属の耐熱性よりも高くなるように構成された触媒２０において生じる。

触媒２０の酸化能力が低下すると、排気ガス中のＨＣ及びＣＯに対する浄化性能が低下する。このため、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているときに酸素の放出によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられたとしても、少量のＨＣ及びＣＯが触媒２０から流出する。この結果、時刻ｔ０の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が徐々に低下し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が徐々に大きくなる。

一方、触媒２０の酸素吸蔵能力は低下していないため、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているときに、正常な触媒２０とほぼ同じタイミングで触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する。触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ付近まで減少すると、触媒２０が還元雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。このとき、触媒２０の酸化能力が低下しているため、正常な触媒２０に比べて、触媒２０から流出するＨＣ及びＣＯの量が多くなる。したがって、正常な触媒２０に比べて、時刻ｔ１付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が大きくなる。

時刻ｔ１において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、触媒２０の還元能力によって排気ガス中のＮＯｘが浄化される。したがって、時刻ｔ１の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

時刻ｔ１の後、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量付近まで増加すると、触媒２０が酸化雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。この結果、触媒２０において浄化されなかったＮＯｘが触媒２０から流出し始め、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな値に変化する。このとき、触媒２０の還元能力は低下していないため、時刻ｔ２付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合は正常な触媒２０と同等となる。

時刻ｔ２において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０はＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。しかしながら、触媒２０の酸化能力が低下しているため、少量のＨＣ及びＣＯが触媒２０から流出する。この結果、時刻ｔ２の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が徐々に低下し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が徐々に大きくなる。

時刻ｔ２の後、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ付近まで減少すると、触媒２０が還元雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が再び大きくなる。

したがって、上記のような空燃比制御が行われた場合に、触媒２０の酸化能力が低下しているときに検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅（図４におけるＡ２）が、触媒２０が劣化していないときに検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅（図４におけるＡｎ）よりも大きくなる。

最後に、図４の最も下側のグラフを参照して、触媒２０の酸素吸蔵能力は維持されているが、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の還元能力が低下している場合について説明する。斯かる劣化モードは、助触媒の耐熱性が貴金属の耐熱性よりも高くなるように構成された触媒２０において生じる。

時刻ｔ０では、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定されている。触媒２０の酸化能力は低下していないため、時刻ｔ０〜時刻ｔ１付近まで下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は正常な触媒２０と同様に変化する。

時刻ｔ１において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵し、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられる。しかしながら、触媒２０の還元能力が低下しているため、少量のＮＯｘが触媒２０から流出する。この結果、時刻ｔ１の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が徐々に上昇し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合が徐々に大きくなる。

一方、触媒２０の酸素吸蔵能力は低下していないため、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに、正常な触媒２０とほぼ同じタイミングで触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する。触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量付近まで増加すると、触媒２０が酸化雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。このとき、触媒２０の還元能力が低下しているため、正常な触媒２０に比べて、触媒２０から流出するＮＯｘの量が多くなる。したがって、正常な触媒２０に比べて、時刻ｔ２付近における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合が大きくなる。

時刻ｔ２において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、触媒２０の酸化能力によって排気ガス中のＨＣ及びＣＯが浄化される。したがって、時刻ｔ２の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。その後、時刻ｔ３付近まで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は正常な触媒２０と同様に変化する。

したがって、上記のような空燃比制御が行われた場合に、触媒２０の還元能力が低下しているときに検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅（図４におけるＡ３）が、触媒２０が劣化していないときに検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅（図４におけるＡｎ）よりも大きくなる。

以上の説明から明らかなように、触媒２０が劣化している場合には、触媒２０が劣化していない場合に比べて、触媒２０の酸素吸蔵量が変動するように流入排気ガスの空燃比が制御された場合に検出される下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅が大きくなる。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅に基づいて触媒２０の劣化を検出することができる。

このため、本実施形態では、触媒２０の劣化を検出するために、空燃比制御部７１及び劣化判定部７２によって以下の制御が行われる。空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを実行する。リーン制御では、触媒２０の酸素吸蔵量が増加し、リッチ制御では、触媒２０の酸素吸蔵量が減少する。

劣化判定部７２は、リーン制御及びリッチ制御によって触媒２０から流出した排気ガスの空燃比の振幅に基づいて触媒２０の劣化を判定する。言い換えれば、劣化判定部７２は、空燃比制御部７１によってリーン制御及びリッチ制御が実行された場合に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の振幅に基づいて触媒２０の劣化を判定する。具体的には、劣化判定部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて、リーン制御及びリッチ制御によって触媒２０から流出した排気ガスの空燃比の振幅を算出し、この振幅が閾値以上である場合に、触媒２０が劣化していると判定する。

上記の劣化判定方法によれば、触媒２０の劣化の有無に応じた下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の振幅の値を取得するために、劣化していない触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から僅かに変化するように流入排気ガスの空燃比を制御すればよい。このため、触媒２０が劣化していない場合には、触媒２０の劣化を判定するための空燃比制御が行われたとしても、排気エミッションはほとんど悪化しない。なお、触媒２０の劣化判定時に触媒２０から流出するＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘは下流側触媒２３によって浄化可能である。

また、上記の劣化判定方法によれば、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下する劣化モードと、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒の還元能力が低下する劣化モードとの両方を検出することができる。したがって、触媒劣化検出装置１は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒２０の貴金属の劣化を検出することができる。

＜触媒劣化判定処理＞
以下、図５のフローチャートを参照して、本実施形態において上流側触媒２０の劣化を判定するための制御について詳細に説明する。図５は、本発明の第一実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、空燃比制御部７１は劣化判定条件が成立しているか否かを判定する。劣化判定条件は、例えば、内燃機関の始動後に所定時間が経過しており且つ内燃機関の始動後に触媒２０の劣化判定が未だ行われていない場合に成立する。なお、劣化判定条件に、触媒２０及び下流側触媒２３の温度が予め定められた活性温度以上であること、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の温度が予め定められた活性温度以上であること等が含まれていてもよい。

ステップＳ１０１において劣化判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において劣化判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かを判定する。リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈは、予め定められ、例えば１４．５５に設定される。このとき、流入排気ガスの空燃比は内燃機関の運転状態に応じて制御されている。

ステップＳ１０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。このとき、触媒２０の酸素吸蔵量はゼロであると考えられる。

ステップＳ１０３では、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。リーン設定空燃比は、予め定められ、例えば１４．８〜１６．６に設定される。

空燃比制御部７１はリーン制御において第１所定時間が経過したときにリーン制御を終了する。すなわち、空燃比制御部７１は第１所定時間だけリーン制御を実行する。第１所定時間は、予め定められ、例えば、触媒２０が劣化していない場合にリーン制御によって触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比からリーン側に僅かに変化するように設定される。この場合、例えば、第１所定時間は、定常運転時の吸入空気量の値、リーン設定空燃比の値等を用いて、リーン制御中に触媒２０に吸蔵される酸素の量が未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量になるように設定される。なお、第２所定時間は、リーン制御中に触媒２０に吸蔵される酸素の量が未使用の触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも僅かに多い又は少ない値になるように設定されてもよい。

次いで、ステップＳ１０４では、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。具体的には、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。したがって、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。リッチ設定空燃比は、予め定められ、例えば１２．６〜１４．４に設定される。

空燃比制御部７１はリッチ制御において第２所定時間が経過したときにリッチ制御を終了する。すなわち、空燃比制御部７１は第２所定時間だけリッチ制御を実行する。第２所定時間は、予め定められ、例えば、触媒２０が劣化していない場合にリッチ制御によって触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比からリッチ側に僅かに変化するように設定される。この場合、例えば、第２所定時間は、定常運転時の吸入空気量の値、リッチ設定空燃比の値等を用いて、リッチ制御中に触媒２０から放出される酸素の量が未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量になるように設定される。なお、第２所定時間は、リッチ制御中に触媒２０から放出される酸素の量が未使用の触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも僅かに多い又は少ない値になるように設定されてもよい。また、第２所定時間は第１所定期間と同じ値であってもよい。リッチ制御の終了後には、流入排気ガスの空燃比は内燃機関の運転状態に応じて制御される。

次いで、ステップＳ１０５において、劣化判定部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて、リーン制御及びリッチ制御によって触媒２０から流出した排気ガスの空燃比の振幅を算出する。なお、排気ガスの空燃比の振幅とは、排気ガスの空燃比の最大値と排気ガスの空燃比の最小値との差を意味する。

通常、排気ガスが下流側空燃比センサ４１に到達するまでには遅れが生じるため、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比は、図４に示されるように、リーン制御の終了直後に最大となり、リッチ制御の終了直後に最小となる。このため、劣化判定部７２は、例えば、リーン制御が終了した直後に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最大値と、リッチ制御が終了した直後に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最小値との差として振幅を算出する。

なお、劣化判定部７２は、リーン制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比と、リッチ制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比との差として振幅を算出してもよい。また、劣化判定部７２は、リーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最大値と、リッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最小値との差として振幅を算出してもよい。

次いで、ステップＳ１０６において、劣化判定部７２は、ステップＳ１０５において算出された振幅が閾値以上であるか否かを判定する。閾値は、予め定められ、実験等によって、触媒２０が劣化していないときの振幅よりも大きな値に設定される。

ステップＳ１０６において振幅が閾値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、劣化判定部７２は、触媒２０が劣化していると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０６において振幅が閾値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、劣化判定部７２は、触媒２０が正常である（劣化していない）と判定する。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下するように、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにしてもよい。

また、ステップＳ１０３におけるリーン制御と、ステップＳ１０４におけるリッチ制御との順序が逆であってもよい。この場合、ステップＳ１０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かを判定する。リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、予め定められ、例えば１４．６５に設定される。このことによって、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量であるときにリッチ制御が開始される。

また、リーン制御とリッチ制御との順序が入れ替えられた場合に、ステップＳ１０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇するように、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにしてもよい。

また、通常、燃料噴射弁１１による燃料噴射を停止する燃料カット制御が実行された場合には、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する。このため、リーン制御とリッチ制御との順序が入れ替えられた場合に、ステップＳ１０２において、空燃比制御部７１は、燃料カット制御が終了したか否かを判定してもよい。

また、リーン制御及びリッチ制御の順序に関わらず、リーン制御及びリッチ制御が二回以上繰り返し実行されてもよい。この場合、振幅は、リーン制御及びリッチ制御が繰り返し実行されたときの最大値又は平均値とし算出される。また、リーン制御及びリッチ制御の順序に関わらず、リーン制御とリッチ制御との間に、流入排気ガスの空燃比が一時的に理論空燃比にされてもよい。

また、内燃機関が定常運転状態にあるときにリーン制御及びリッチ制御が実行された場合にのみ、触媒２０の劣化が判定されてもよい。このことによって、リーン制御及びリッチ制御が実行されるときの吸入空気量の変動を抑制することができ、ひいては触媒２０の劣化判定精度を高めることができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る触媒劣化検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４から分かるように、触媒２０の劣化モードに応じて、振幅（Ａ１〜Ａ３）の中心がシフトする。図４の例では、触媒２０の酸素吸蔵能力が低下しているときの振幅（Ａ１）の中心は理論空燃比である。一方、触媒２０の酸化能力が低下しているときの振幅（Ａ２）の中心は理論空燃比よりもリッチな値であり、触媒２０の還元能力が低下しているときの振幅（Ａ３）の中心は理論空燃比よりもリーンな値である。

このため、第二実施形態では、劣化判定部７２は、リッチ制御及びリーン制御によって触媒２０から流出した排気ガスの空燃比の振幅が閾値以上である場合に、触媒２０の劣化モードを特定する。触媒２０の劣化モードを特定することによって劣化原因の解析等を容易にすることができる。

具体的には、劣化判定部７２は、振幅の中心が第１判定値よりも小さい場合に触媒２０の酸化能力が低下していると判定し、振幅の中心が第２判定値よりも大きい場合に触媒２０の還元能力が低下していると判定し、振幅の中心が第１判定値以上第２判定値以下である場合に触媒２０の酸素吸蔵能力が低下していると判定する。第１判定値は理論空燃比以下の空燃比であり、第２判定値は理論空燃比以上の空燃比である。第１判定値及び第２判定値が理論空燃比である場合、劣化判定部７２は、振幅の中心が理論空燃比である場合に触媒２０の酸素吸蔵能力が低下していると判定する。

＜触媒劣化判定処理＞
図６は、本発明の第二実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６は、図５のステップＳ１０１〜ステップＳ１０６と同様であることから説明を省略する。ステップＳ２０６において振幅が閾値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７では、劣化判定部７２は、触媒２０が正常である（劣化していない）と判定する。ステップＳ２０７の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０６において振幅が閾値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、劣化判定部７２は、振幅の中心が第１判定値未満であるか否かを判定する。第１判定値は、予め定められ、理論空燃比以下の値、すなわち理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチな値に設定される。

ステップＳ２０８において振幅の中心が第１判定値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９では、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下していると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。また、劣化判定部７２は、酸化能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させる。ステップＳ２０９の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０８において振幅の中心が第１判定値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、劣化判定部７２は、振幅の中心が第２判定値よりも大きいか否かを判定する。第２判定値は、予め定められ、理論空燃比以上の値、すなわち理論空燃比又は理論空燃比よりもリーンな値に設定される。

ステップＳ２１０において振幅の中心が第２判定値よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１１に進む。ステップＳ２０９では、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の還元能力が低下していると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。また、劣化判定部７２は、還元能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させる。ステップＳ２１１の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２１０において振幅の中心が第２判定値以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１２に進む。ステップＳ２１２では、劣化判定部７２は、触媒２０の助触媒の劣化によって触媒２０の酸素吸蔵能力が低下していると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。また、劣化判定部７２は、酸素吸蔵能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させる。ステップＳ２１２の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、本制御ルーチンは図５の制御ルーチンと同様に変形可能である。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る触媒劣化検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

上述したように、触媒２０の劣化を検出するためにリーン制御及びリッチ制御が実行される。しかしながら、リーン制御の実行中に吸入空気量が変動した場合、リーン制御が第１所定時間だけ実行されたときに触媒２０に吸蔵される酸素の量が変動する。一方、リッチ制御の実行中に吸入空気量が変動した場合、リッチ制御が第２所定時間だけ実行されたときに触媒２０から放出される酸素の量が変動する。このため、リーン制御及びリッチ制御が実行された場合に検出される振幅が変動し、触媒２０の劣化判定精度が悪化するおそれがある。

そこで、第三実施形態では、空燃比制御部７１は、触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出し、この変化量に基づいてリーン制御の終了タイミング及びリッチ制御の終了タイミングを決定する。具体的には、空燃比制御部７１は、リーン制御において変化量が第１切替基準値に達したときにリーン制御を終了し、リッチ制御において変化量が第２切替基準値に達したときにリッチ制御を終了する。

このことによって、リーン制御中の酸素吸蔵量がほぼ一定になるようにリーン制御が実行され、リッチ制御中の酸素放出量がほぼ一定になるようにリッチ制御が実行される。このため、触媒２０の劣化判定精度を高めることができる。

＜触媒劣化判定処理＞
第三実施形態では、図５の制御ルーチンが実行されるときに、ステップＳ１０３のリーン制御として図７の制御ルーチンが実行され、ステップＳ１０４のリッチ制御として図８の制御ルーチンが実行される。

図７のリーン制御の制御ルーチンでは、最初に、ステップＳ３０１において、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎは、予め定められ、例えば１４．８〜１６．６に設定される。

次いで、ステップＳ３０２において、空燃比制御部７１は微小時間における酸素変動量ΔＯＣＡを算出する。酸素変動量ΔＯＣＡは、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力及び燃料噴射量に基づいて下記式（１）により算出される。
ΔＯＣＡ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｑｉ …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｑｉは微小時間における燃料噴射量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。燃料噴射量ＱｉはＥＣＵ３１から燃料噴射弁１１への指令値に基づいて算出される。

なお、酸素変動量ΔＯＣＡは、上流側空燃比センサ４０の出力及び吸入空気量に基づいて下記式（２）により算出されてもよい。
ΔＯＣＡ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｇａ／ＡＦｕｐ …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｇａは微小時間における吸入空気量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９の出力に基づいて算出される。

また、酸素変動量ΔＯＣＡは、上流側空燃比センサ４０の出力を用いることなく、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦに基づいて算出されてもよい。すなわち、上記式（１）、（２）において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐの代わりに目標空燃比ＴＡＦの値が用いられてもよい。この場合、触媒劣化検出装置１から上流側空燃比センサ４０が省略されてもよい。

次いで、ステップＳ３０３において、空燃比制御部７１は触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。具体的には、空燃比制御部７１はリーン制御中の酸素変動量ΔＯＣＡを積算することによって触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。

次いで、ステップＳ３０４において、空燃比制御部７１は、触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が第１切替基準値以上であるか否かを判定する。第１切替基準値は、予め定められ、例えば未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量に設定される。なお、第１切替基準値は、未使用の触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも僅かに多い又は少ない値になるように設定されてもよい。

ステップＳ３０４において変化量が第１切替基準値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０１に戻り、リーン制御が継続される。一方、ステップＳ３０４において変化量が第１切替基準値以上であると判定された場合、本制御ルーチンは終了し、リーン制御が終了する。その後、図５のステップＳ１０４として図８の制御ルーチンが実行される。

図８のリッチ制御の制御ルーチンでは、最初に、ステップＳ４０１において、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈは、予め定められ、例えば１２．６〜１４．４に設定される。

次いで、ステップＳ４０２において、空燃比制御部７１は、図７のステップＳ３０２と同様に、微小時間における酸素変動量ΔＯＣＡを算出する。

次いで、ステップＳ４０３において、空燃比制御部７１は触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。リッチ制御では、酸素変動量ΔＯＣＡが負の値として算出される。このため、空燃比制御部７１はリッチ制御中の酸素変動量ΔＯＣＡの絶対値を積算することによって触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。

次いで、ステップＳ４０４において、空燃比制御部７１は、触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が第２切替基準値以上であるか否かを判定する。第２切替基準値は、予め定められ、例えば未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量に設定される。なお、第２切替基準値は、未使用の触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも僅かに多い又は少ない値になるように設定されてもよい。また、第２切替基準値は第１切替基準値と同じであってもよい。

ステップＳ４０４において変化量が第２切替基準値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０１に戻り、リッチ制御が継続される。一方、ステップＳ４０４において変化量が第２切替基準値以上であると判定された場合、本制御ルーチンは終了し、リッチ制御が終了する。その後、図５のステップＳ１０５〜ステップ１０８が第一実施形態と同様に実行される。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、下流側空燃比センサ４１の代わりに、排気ガスの空燃比を検出可能なＮＯｘセンサが空燃比検出装置として用いられてもよい。また、下流側触媒２３が内燃機関から省略されてもよい。

また、リーン制御において設定される流入排気ガスの目標空燃比は、理論空燃比よりもリーンな値であれば、リーン制御中に変更されてもよい。同様に、リッチ制御において設定される流入排気ガスの目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチな値であれば、リッチ制御中に変更されてもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図６のステップＳ２０３として図７の制御ルーチンが実行され、図６のステップＳ２０４として図８の制御ルーチンが実行される。

１ 触媒劣化検出装置
２０ 上流側触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１ 下流側空燃比センサ
７１ 空燃比制御部
７２ 劣化判定部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
   前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、
   前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
   前記触媒の劣化を判定する劣化判定部と
   を備え、
   前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを実行し、
   前記劣化判定部は、前記空燃比検出装置の出力に基づいて、前記リーン制御及び前記リッチ制御によって前記触媒から流出した排気ガスの空燃比の振幅を算出し、該振幅が閾値以上である場合に、前記触媒が劣化していると判定する、触媒劣化検出装置。
2. 前記劣化判定部は、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第１判定値よりも小さい場合に、前記触媒の酸化能力が低下していると判定し、前記第１判定値は理論空燃比以下の空燃比である、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
3. 前記劣化判定部は、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第２判定値よりも大きい場合に、前記触媒の還元能力が低下していると判定し、前記第２判定値は理論空燃比以上の空燃比である、請求項１又は２に記載の触媒劣化検出装置。
4. 前記劣化判定部は、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第１判定値よりも小さい場合に、前記触媒の酸化能力が低下していると判定し、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が第２判定値よりも大きい場合に、前記触媒の還元能力が低下していると判定し、前記振幅が前記閾値以上であり且つ該振幅の中心が前記第１判定値以上前記第２判定値以下である場合に、前記触媒の酸素吸蔵能力が低下していると判定し、前記第１判定値は理論空燃比以下の空燃比であり、前記第２判定値は理論空燃比以上の空燃比である、請求項１又は２に記載の触媒劣化検出装置。
5. 前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量の変化量を算出し、前記リーン制御において前記変化量が第１切替基準値に達したときに前記リーン制御を終了し、前記リッチ制御において前記変化量が第２切替基準値に達したときに前記リッチ制御を終了する、請求項１から４のいずれか１項に記載の触媒劣化検出装置。

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