JP3149732B2

JP3149732B2 - 内燃機関の触媒劣化判別装置

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Publication number: JP3149732B2
Application number: JP14339995A
Authority: JP
Inventors: 典丈光谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH08338231A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも触媒コンバ
ータ上流側の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を
目標空燃比にフィードバック制御するとともに、少なく
とも触媒コンバータ下流側の空燃比センサ出力に基づい
て触媒コンバータの劣化の有無を判別する内燃機関の触
媒劣化判別装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気系の触媒コンバータの上
流側と下流側との排気通路にそれぞれ空燃比センサを配
置し、少なくとも上流側の空燃比センサ出力に基づいて
機関空燃比を理論空燃比に制御するとともに、下流側空
燃比センサ出力に基づいて触媒劣化の有無を判別する技
術が知られている。

【０００３】三元触媒は、通過する排気空燃比がリーン
空燃比のときに排気中の酸素を吸着し、通過する排気空
燃比がリッチ空燃比のときに吸着した酸素を放出するＯ
₂ストレージ作用を行う。このため、触媒コンバータ上
流側の排気空燃比が比較的短い周期でリーン空燃比とリ
ッチ空燃比との間で変動を繰り返しているような場合で
も、三元触媒が正常であれば、触媒コンバータ通過後の
排気の空燃比変動は触媒のＯ₂ストレージ作用により緩
和され、触媒下流側の排気空燃比は理論空燃比近傍に維
持される。このため、三元触媒が正常であれば、下流側
空燃比センサ出力の振幅は小さく変動周期は長くなる。

【０００４】一方、触媒のＯ₂ストレージ作用は触媒の
劣化に応じて低下するため、三元触媒が劣化すると触媒
コンバータで吸収、放出される酸素量が少なくなり触媒
コンバータ下流側の排気空燃比の変動は触媒コンバータ
上流側での排気空燃比の変動に近づくようになる。この
ため、三元触媒が劣化すると下流側空燃比センサ出力の
振幅は大きく、変動周期は短くなり上流側空燃比センサ
出力の振幅と周期とに近づくようになる。

【０００５】従って、機関空燃比が理論空燃比を中心と
してリーン空燃比側とリッチ空燃比側との間を比較的短
い周期で規則的に変動しているような場合には、下流側
空燃比センサ出力を監視することにより三元触媒の劣化
の有無を判別することができる。ところが、下流側空燃
比センサ出力に基づいて触媒劣化有無を判別する場合に
は空燃比変動周期が長くなると劣化有無の判定に誤差を
生じる場合がある。

【０００６】空燃比の変動周期が長くなると、触媒に流
入する排気空燃比がリッチ空燃比側に振れている時間と
リーン空燃比側に振れている時間とがそれぞれ長くな
る。この場合、例えば機関空燃比がリッチ空燃比側に振
れている時間が長いと、三元触媒が正常であっても触媒
は吸着した酸素を全て放出してしまい、その後は酸素を
放出できなくなる。従って、このような状態では、触媒
が正常であっても、触媒を通過した後の排気空燃比は触
媒上流側排気空燃比と同様にリッチ側に振れるようにな
ってしまう。また、機関空燃比がリーン側に振れている
時間が長くなると、三元触媒が正常であっても触媒は限
界まで酸素を吸着してしまいもはや酸素を吸着できなく
なるため、触媒コンバータ下流側の空燃比もリーン側に
振れるようになる。すなわち、触媒に流入する空燃比の
変動周期が長くなると、正常な触媒であっても下流側空
燃比センサ出力は上流側空燃比センサ出力と略同じ振幅
と周期とで変動するようになり、下流側空燃比センサ出
力に基づいて触媒の劣化を判別していると、正常な触媒
が劣化したと誤判定される場合が生じるのである。

【０００７】特開平５−１０１８２号公報は上記問題を
解決することを目的として、触媒劣化判別を実行する際
に空燃比の変動周期を予め定めた一定の目標周期に一致
させるようにした触媒劣化検出装置を開示している。例
えば、空燃比がリッチ側に振れている場合には、触媒が
吸着した酸素を全部放出してしまうと触媒を通過した排
気の空燃比もリッチ側に振れるようになり、下流側空燃
比センサ出力の変動振幅と周期とが上流側空燃比センサ
出力の変動振幅と周期とに近づくようになる。触媒の劣
化とともに触媒のＯ₂ストレージ作用が低下し、触媒が
吸着する酸素量も低下するため、触媒に流入する排気空
燃比がリッチになった場合、劣化した触媒では正常な触
媒よりも短時間で酸素が放出し尽くされることとなる。
すなわち、触媒の劣化度合いが大きいほど空燃比が短時
間リッチ側に振れただけで（つまり、短い空燃比変動周
期でも）下流側空燃比センサ出力が変動するようにな
る。

【０００８】上記公報の装置は、触媒が正常であれば下
流側空燃比センサ出力が変動せず、触媒が一定程度劣化
していれば下流側空燃比センサが変動するような周期
（目標空燃比変動周期）を予め設定しておき、触媒劣化
検出時に空燃比の変動周期を強制的に上記目標周期に一
致させるようにしている。上記公報の装置は、このよう
に空燃比の変動周期を、触媒が正常であれば下流側空燃
比センサ出力が変動せず、触媒が一定程度劣化していれ
ば下流側空燃比センサ出力が変動するような一定の目標
空燃比変動周期に一致させた状態で下流側空燃比センサ
出力の波形に基づいて触媒の劣化の有無を判定すること
により、上述したような空燃比変動周期により生じる誤
判定の防止を図っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
５−１０１８２号公報の装置のように、単に空燃比変動
周期を一定の目標周期に制御しただけでは、触媒劣化の
有無を正確に判断できない場合が生じてしまう問題があ
る。上記公報の装置は触媒に流入する排気空燃比がリッ
チ空燃比である場合には、触媒からのＯ₂放出量が常に
時間に比例することを前提としている。言い換えれば、
上記公報では排気空燃比がリッチ側に振れている時間が
同一であれば、触媒からは常に同一量の酸素が放出され
ることを前提として触媒の劣化判別をおこなっている。
ところが、実際には触媒からのＯ₂放出量は触媒に流入
する排気条件により大きく変化する。

【００１０】例えば、触媒に流入する排気空燃比のリッ
チ度合いが大きければ（空燃比が小さければ）、リッチ
度合いが小さい（空燃比が大きい）場合に較べて同一の
時間であっても触媒から放出されるＯ₂量は大きくな
る。また、触媒に流入する排気空燃比のリッチ度合いが
同じ場合でも、排気流量が大きければ排気流量が小さい
場合に較べて同一の時間に放出されるＯ₂量は大きくな
る。

【００１１】このため、上記公報の装置のように、単に
空燃比変動周期（つまり、触媒に流入する排気空燃比が
リッチ側に振れている時間）を一定の目標周期になるよ
うに制御しただけでは、Ｏ₂放出量が排気条件により変
動してしまい誤判定を生じることがある。例えば、空燃
比変動周期が目標空燃比に制御されていた場合でも、触
媒に流入する排気がリッチであり、かつ排気流量も多い
ような場合には、触媒からのＯ₂放出量も極めて大きく
なり、劣化した触媒だけでなく正常な触媒まで吸着した
酸素の全量を放出してしまうようになる。この場合に
は、触媒が正常であっても下流側空燃比センサ出力は変
動するようになり、正常な触媒が劣化していると誤判定
されることになる。

【００１２】また、逆に触媒に流入する排気のリッチ度
合いが低く、かつ排気流量が少ないような場合には、触
媒からのＯ₂放出量も極めて少なくなり、目標周期では
排気空燃比がリッチ側に振れている時間内に劣化した触
媒から全量の酸素を放出させることができなくなる。従
って、この場合には触媒が劣化していても下流側空燃比
センサ出力は変動しなくなり、劣化した触媒が正常であ
ると誤判定されることになる。

【００１３】本発明は上記問題に鑑み、触媒下流側の空
燃比センサ出力に基づいて触媒劣化有無の判定を行う場
合に、触媒に流入する排気条件の相違により誤判定を生
じることのない触媒劣化判別装置を提供することを目的
としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、内燃機
関の排気通路に配置された、Ｏ₂ストレージ作用を有す
る三元触媒と、前記三元触媒の上流側の排気通路に配置
され、前記三元触媒上流側の排気空燃比を検出する上流
側空燃比センサと、前記三元触媒の下流側の排気通路に
配置され、前記三元触媒下流側の排気空燃比を検出する
下流側空燃比センサと、少なくとも前記上流側空燃比セ
ンサの出力に基づいて、前記三元触媒に流入する排気空
燃比が理論空燃比を中心として周期的にリッチ空燃比側
とリーン空燃比側とに交互に変化させる空燃比フィード
バック制御手段と、前記三元触媒に流入する排気条件に
基づいて、三元触媒からのＯ₂放出量を算出するＯ₂放
出量演算手段と、前記Ｏ₂放出量演算手段により算出さ
れたＯ₂放出量が予め定めた目標値になるように、前記
空燃比フィードバック制御が排気空燃比をリッチ側に制
御する時間を設定する放出量制御手段と、前記放出量制
御手段によりＯ₂放出量が目標値に制御されているとき
に、少なくとも前記下流側空燃比センサ出力に基づいて
前記三元触媒の劣化の有無を判別する劣化判別手段と、
を備えた内燃機関の触媒劣化判別装置が提供される。

【００１５】

【作用】Ｏ₂放出量演算手段は、触媒に流入する排気条
件に基づいて三元触媒からのＯ ₂放出量を算出し、放出
量制御手段は、Ｏ₂放出量演算手段により算出されるＯ
₂放出量が予め定めた目標値になるように空燃比フィー
ドバック制御手段が排気空燃比をリッチ空燃比側に制御
する時間を設定する。このため、空燃比がリッチ空燃比
側に振れている（リッチ空燃比側に制御されている）間
に三元触媒から放出されるＯ₂量が常に目標値になるよ
うにリッチ時間（排気がリッチ空燃比側に振れている時
間）が調節される。

【００１６】例えば、三元触媒に流入する排気のリッチ
度合いや排気流量が大きい場合にはリッチ時間は短く設
定され、逆に排気のリッチ度合いや排気流量が小さい場
合にはリッチ時間は長く設定される。このため、三元触
媒が劣化しておりＯ₂の吸着量がＯ₂放出量の目標値よ
り小さくなっている場合には排気空燃比がリッチ側に振
れている間に三元触媒が吸着した酸素の全量が放出さ
れ、下流側空燃比センサ出力は上流側空燃比センサ出力
BR>と同様に変動する。また、三元触媒が正常でありＯ
₂吸着量がＯ₂放出量の目標値より大きい場合には排気
空燃比がリッチ側に振れている間に下流側空燃比センサ
出力の変動は生じない。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を用いて本発明の実施例につ
いて説明する。図１は、本発明を自動車用内燃機関に適
用した場合の実施例の全体概略構成を示す図である。図
１において、１は内燃機関本体、２ａは機関１の各気筒
の吸気ポートに接続された吸気マニホルド、１１は各気
筒の排気ポートに接続された排気マニホルドをそれぞれ
示している。

【００１８】吸気マニホルド２ａは共通のサージタンク
２ｂを介して吸気通路２に接続されている。図１に３で
示したのは機関１の吸入空気量を検出するエアフローメ
ータである。エアフローメータ３は、例えばポテンショ
メータを内蔵した可動ベーン式のものが使用され、吸入
空気量に比例した電圧信号を発生する。また、吸気通路
２には運転者のアクセルペダルの操作量に応じた開度を
とるスロットル弁１６が設けられ、更にスロットル弁１
６近傍には、スロットル弁１６が全閉時にアイドル状態
信号（ＬＬ信号）を発生するアイドルスイッチ１７が設
けられている。

【００１９】図１に７で示すのは、吸気マニホルド２ａ
の各気筒の吸気ポート近傍に配置された燃料噴射弁であ
る。燃料噴射弁７は、後述する制御回路１０からの信号
に応じて開弁し、加圧燃料を各気筒の吸気ポート毎に噴
射する。燃料噴射弁７からの燃料噴射制御については後
述する。排気マニホルド１１は共通の排気管を介して触
媒コンバータ１２に接続されている。触媒コンバータ１
２は、三元触媒を内蔵し排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xの
３成分を同時に浄化することができる。また、触媒コン
バータ１２の上流側、すなわち排気マニホルド１１の排
気集合部には上流側空燃比センサ１３が、触媒コンバー
タ１２の下流側排気管１４には下流側空燃比センサ１５
がそれぞれ設けられている。本実施例では空燃比センサ
１３、１５として排気中の酸素成分濃度に応じた電圧信
号を発生するＯ₂センサが用いられている。すなわち、
Ｏ₂センサ１３、１５はそれぞれ排気空燃比が理論空燃
比に対してリーン側かリッチ側かに応じて異なる出力電
圧を発生する。

【００２０】更に、機関１の点火ディストリビュータ４
には、それぞれ機関クランク軸の一定回転毎にパルス信
号を発生する２つのクランク角センサ５、６が設けられ
ている。本実施例では、クランク角センサ５は例えば特
定気筒が圧縮上死点に到達する毎に（すなわちクランク
回転角７２０°毎に）基準位置検出用パルス信号を出力
し、クランク角センサ６は例えばクランク回転角３０°
毎にクランク回転角検出用のパルス信号を出力する。

【００２１】また、機関１のシリンダブロックのウォー
タジャケット８には機関冷却水温度に応じたアナログ電
圧を出力する冷却水温度センサ９が設けられている。制
御回路１０は、例えば入出力インターフェイス１０２、
ＣＰＵ１０３、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、を相互に
双方向性バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュ
ータとされ、更にマルチプレクサ内蔵型ＡＤ変換器１０
１、電源に直接接続され機関イグニッションスイッチが
オフの状態でも記憶内容を保持可能なバックアップＲＡ
Ｍ１０６、クロック発生回路１０７等を備えている。

【００２２】制御回路１０は、機関の燃料噴射制御、点
火時期制御等の基本制御を行う他、本実施例では、後述
するように上流側Ｏ₂センサ１３と下流側Ｏ₂センサ１
５の出力に基づく空燃比フィードバック制御と触媒１２
の劣化判定とを行っている。これらの制御を実行するた
め、制御回路１０にはＡＤ変換器１０１を介してエアフ
ローメータ３からの機関吸入空気量信号、冷却水温度セ
ンサ９からの冷却水温度信号、Ｏ₂センサ１３、１５か
らの空燃比信号がそれぞれ入力されている他、入出力イ
ンターフェイス１０２を介してクランク回転角センサ
５、６からのパルス信号、アイドルスイッチ１７からの
アイドル信号等が入力されている。

【００２３】なお、機関吸入空気量信号、冷却水温度信
号は、一定クランク時間毎に実行されるＡＤ変換ルーチ
ンによって取り込まれ、ＲＡＭ１０５の所定領域にそれ
ぞれ機関吸入空気量データＱ、冷却水温度データＴＨＷ
として格納される。また、クランク回転角センサ６のパ
ルス信号が入力する毎に、そのパルス間隔から図示しな
いルーチンにより機関回転速度が算出され、ＲＡＭ１０
５の所定領域に機関回転数データＮｅとして格納され
る。

【００２４】一方、制御回路１０は入出力インターフェ
イス１０２を介して燃料噴射弁７に接続され、燃料噴射
弁７からの燃料噴射を制御している。図１に１０８、１
０９、１１０で示したのは、それぞれ燃料噴射弁７から
の燃料噴射量を制御するための、ダウンカウンタ、フリ
ップフロップ、駆動回路である。すなわち、後述するル
ーチンにおいて燃料噴射量（時間）ＴＡＵが算出される
と燃料噴射時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０８にプリセ
ットされるとともに、フリップフロップ１０９がセット
され、駆動回路１１０が燃料噴射弁７の駆動信号を出力
する。これにより燃料噴射弁７は開弁し燃料噴射が開始
される。ダウンカウンタ１０８はクロック１０７のクロ
ック信号を計数してプリセットされた時間ＴＡＵが経過
するとフリップフロップ１０９にセット信号を出力す
る。これにより、フリップフロップ１０９がセットされ
るため、駆動回路１１０は燃料噴射弁７の駆動信号を停
止し、燃料噴射弁７は閉弁する。従って演算された燃料
噴射時間ＴＡＵに相当する時間だけ燃料噴射弁７が開弁
し、ＴＡＵに相当する量の燃料が燃料噴射弁７から機関
１に噴射されることになる。

【００２５】また、制御回路１０は入出力インターフェ
イス１０２を介して触媒劣化時に付勢されるアラーム１
９に接続されている。本実施例では、後述するように空
燃比フィードバック制御中に三元触媒１２からのＯ₂放
出量が目標値になるように機関空燃比を制御するととも
に、Ｏ₂放出量が目標値に一致した状態で下流側空燃比
センサ１５出力に基づいて三元触媒劣化有無の判別を行
う。そこで、劣化検出について説明する前に、その前提
となる本実施例の空燃比フィードバック制御についてま
ず簡単に説明する。

【００２６】図２は本実施例の燃料噴射量演算ルーチン
を示すフローチャートである。本ルーチンは、制御回路
１０により一定クランク回転角毎（例えば３６０°毎）
に実行される。図２のルーチンでは、燃料噴射量、すな
わち燃料噴射弁７の燃料噴射時間ＴＡＵが、機関１回転
当たりの吸入空気量Ｑ／Ｎｅと、後述する空燃比補正係
数ＦＡＦとに基づいて算出される。

【００２７】すなわち、図２のルーチンでは、吸入空気
量データＱ、回転数データＮｅをＲＡＭ１０５の所定領
域から読み込み、機関１回転当たりの吸入空気量Ｑ／Ｎ
ｅを算出する（ステップ２０１）とともに、基本燃料噴
射時間ＴＡＵＰを、ＴＡＵＰ＝α×Ｑ／Ｎｅとして算出する（ステップ２０２）。ここで、基本燃料
噴射時間ＴＡＵＰは燃焼室に供給される混合気を理論空
燃比とするために必要とされる燃料噴射時間であり、α
は定数である。

【００２８】また、実際の燃料噴射時間ＴＡＵは、上記
ＴＡＵＰを空燃比補正係数ＦＡＦで補正した値、ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ×ＦＡＦ×β＋γ として算出される（ステップ２０３）。ここで、β、γ
はそれぞれ機関運転状態に応じて決定される定数であ
る。また、上記により燃料噴射時間ＴＡＵが算出される
とステップ２０４では時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０
８にセットされ、時間ＴＡＵに応じた量の燃料が燃料噴
射弁７から噴射される。

【００２９】次に、ステップ２０３の空燃比補正係数Ｆ
ＡＦの算出について説明する。空燃比補正係数ＦＡＦは
上流側Ｏ₂センサ１３出力に基づく第１の空燃比フィー
ドバック制御と下流側Ｏ₂センサ１５出力に基づく第２
の空燃比フィードバック制御とにより算出される。図
３、図４は上流側Ｏ₂センサ１３出力に基づく第１の空
燃比フィードバック制御を示すフローチャートである。
本ルーチンは制御回路１０により一定時間間隔（例えば
４ｍｓ毎）で実行される。

【００３０】本ルーチンでは、上流側Ｏ₂センサ１３の
出力ＶＯＭを比較電圧Ｖ_R1（理論空燃比相当電圧）と比
較し、触媒コンバータ上流側での排気空燃比が理論空燃
比よりリッチ（ＶＯＭ＞Ｖ_R1）のときには空燃比補正量
ＦＡＦを減少させ、リーン（ＶＯＭ≦Ｖ_R1）のときには
ＦＡＦを増大させる制御を行う。Ｏ₂センサは排気空燃
比が理論空燃比よりリッチ側のときに、例えば０．９ボ
ルトの電圧信号を出力し、排気空燃比が理論空燃比より
リーン側のときに例えば０．１ボルト程度の電圧信号を
出力する。本実施例では、上記比較電圧Ｖ_R1は０．４５
ボルト程度に設定される。上記のように空燃比補正量Ｆ
ＡＦを排気空燃比に応じて増減することにより、エアフ
ローメータ３、や燃料噴射弁７等の燃料供給系の機器に
多少の誤差が生じている場合でも機関空燃比は正確に理
論空燃比近傍に修正される。

【００３１】以下、図３、図４のフローチャートを簡単
に説明すると、ステップ３０１はフィードバック制御実
行条件が成立しているか否かの判定を示す。フィードバ
ック制御実行条件は、例えば、Ｏ₂センサが活性化して
いること、機関暖機が完了していること、フュエルカッ
トから復帰後所定時間が経過していること、等であり、
実行条件が成立している時にのみステップ３０２以下の
ＦＡＦ算出が行われる。フィードバック制御実行条件が
成立していない場合には、ルーチンは図４、ステップ３
２５に進み、フラグＸＭＦＢの値を０にセットしてルー
チンを終了する。フラグＸＭＦＢは第１の空燃比フィー
ドバック制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＭ
ＦＢ＝０は第１の空燃比フィードバック制御が停止され
ていることを意味する。

【００３２】ステップ３０２から３１５は空燃比の判定
を示す。ステップ３０９と３１５とに示すフラグＦ１
は、機関空燃比がリッチ（Ｆ１＝１）かリーン（Ｆ１＝
０）かを表す空燃比フラグであり、Ｆ１＝０からＦ１＝
１（リーンからリッチ）への切換えは上流側Ｏ₂センサ
１３が所定時間（ＴＤＲ）以上継続してリッチ信号（Ｖ
ＯＭ＞Ｖ_R1）を出力したときに（ステップ３０３、３
１０から３１５）、またＦ１＝１からＦ１＝０（リッチ
からリーン）への切換えは上流側Ｏ₂センサ１３が所定
時間（−ＴＤＬ）以上継続してリーン信号（ＶＯＭ≦
Ｖ_R1）を出力したときに行われる（ステップ３０３から
３０９）。ＣＤＬＹは空燃比フラグ切換えタイミングを
判定するためのカウンタである。

【００３３】図４ステップ３１６から３２３では、上記
により設定されたフラグＦ１の値に応じてＦＡＦの増減
を行う。すなわち、今回ルーチン実行時のＦ１の値と前
回ルーチン実行時のＦ１の値を比較して、Ｆ１の値が変
化したか、つまり空燃比がリッチからリーン、またはリ
ーンからリッチに反転したかを判断する（ステップ３１
６）。そして、現在のＦ１の値がＦ１＝０（リーン）の
場合には、先ずＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリー
ン）に変化（反転）した直後に比較的大きな値ＲＳＲだ
けＦＡＦをスキップ的に増大させ（ステップ３１７、３
１８）、その後はＦ１＝０である間はルーチン実行毎に
比較的小さな値ＫＩＲずつ徐々にＦＡＦを増大させる
（ステップ３２０、３２１）。同様に、現在のＦ１の値
がＦ１＝１（リッチ）の場合には、先ずＦ１＝０からＦ
１＝１（リーンからリッチ）に反転した直後にスキップ
的にＲＳＬだけＦＡＦを減少させ（ステップ３１７、３
１９）、その後はＦ１＝１である間はルーチン実行毎に
ＫＩＬずつ徐々にＦＡＦを減少させる（ステップ３２
０、３２２）。また、上記により算出したＦＡＦの値を
最大値（本実施例ではＦＡＦ＝１．２）と最小値（本実
施例ではＦＡＦ＝０．８）で定まる範囲を越えないよう
にガードした後（ステップ３２３）、フラグＸＭＦＢの
値を１にセットして（ステップ３２４）本ルーチンは終
了する。

【００３４】次に、下流側Ｏ₂センサ１５出力に基づく
第２の空燃比フィードバック制御について説明する。図
５、図６は第２の空燃比フィードバック制御ルーチンを
示している。本ルーチンは制御回路１０により、第１の
空燃比フィードバック制御より長い所定間隔（例えば５
００ｍｓ毎）で実行される。本ルーチンでは、下流側Ｏ
₂センサ１５の出力ＶＯＳを比較電圧Ｖ_R2（理論空燃比
相当電圧、例えば０．４５ボルト）と比較し、触媒コン
バータ下流側での排気空燃比が理論空燃比よりリッチ
（ＶＯＳ＞Ｖ_R2）のときには第１の空燃比フィードバッ
ク制御で用いる補正量ＲＳＲ（図４ステップ３１８）を
減少させるとともにＲＳＬ（図４ステップ３１９）を増
大させる。また、触媒コンバータ下流側での排気空燃比
が理論空燃比よりリーン（ＶＯＳ≦Ｖ_R2）の時には補正
量ＲＳＲを増大させるとともにＲＳＬを減少させる操作
を行う。これにより、触媒コンバータ下流側で排気空燃
比がリッチの場合には第１の空燃比フィードバック制御
ではＦＡＦの値は全般的に小さく設定されるようにな
り、逆に下流側での排気空燃比がリッチの場合にはＦＡ
Ｆの値は全般的に大きく設定されるようになる。このた
め、上流側Ｏ₂センサ１３が劣化したり特定の気筒の排
気の影響を強く受けたために上流側Ｏ₂センサ１３出力
が実際の排気空燃比からずれたような場合でもＦＡＦの
値は下流側Ｏ₂センサ１５出力に基づいて補正されるの
で、機関空燃比は正確に理論空燃比に維持される。

【００３５】以下、図５、図６のフローチャートを簡単
に説明すると、図５ステップ５０１、５０２はフィード
バック制御実行条件が成立しているか否かの判定を示
す。ステップ５０１の判定条件は、図３ステップ３０１
のものに加え、機関がアイドル運転中でないこと（すな
わち、アイドルスイッチ１７からのＬＬ信号が入力して
いないこと）が条件とされる。また、ステップ５０２で
は第１の空燃比フィードバック制御が実施されているか
否かが判定され、制御実施中（フラグＸＭＦＢ＝１）の
場合にのみステップ５０４以下の制御が実行される。制
御が実施されていない場合には（ＸＭＦＢ≠１）、ステ
ップ５０３でフラグＸＳＦＢの値を０にセットしてルー
チンを終了する。フラグＸＳＦＢは第２の空燃比フィー
ドバック制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＳ
ＦＢ＝０は第２の空燃比フィードバック制御が停止され
ていることを意味する。

【００３６】ステップ５０２で第１の空燃比フィードバ
ック制御を実行中であった場合には、ステップ５０４で
フラグＸＳＦＢの値を１にセットした後、下流側Ｏ₂セ
ンサ１５で検出した排気空燃比がリッチか否かにより補
正量ＲＳＲ、ＲＳＬの値を増減する操作を行う。すなわ
ち、図６ステップ５０５では下流側Ｏ₂センサ１５の出
力ＶＯＳをＡＤ変換して読み込み、ステップ５０６では
ＶＯＳがリーン空燃比相当値（ＶＯＳ≦Ｖ_R2）か否かを
判定し、ＶＯＳの値がリーン空燃比相当値であった場合
には、ステップ５０７でＲＳＲの値を一定量ΔＲＳだけ
増大し、増大後のＲＳＲが所定の最大値ＭＡＸ（本実施
例ではＭＡＸ＝０．０９）を越えないようにガードする
（ステップ５０８、５０９）。また、ステップ５０６で
ＶＯＳの値がリッチ空燃比相当値（ＶＯＳ＞Ｖ_R2）であ
った場合には、ステップ５１０でＲＳＲの値を一定量Δ
ＲＳだけ減少させ、減少後のＲＳＲが所定の最小値ＭＩ
Ｎ（本実施例ではＭＩＮ＝０．０１）より小さくならな
いようにガードする（ステップ５１１、５１２）。

【００３７】また、上記により算出されたＲＳＲの値を
用いてステップ５１３では第１の空燃比フィードバック
制御ルーチンで用いるＲＳＬ（図４ステップ３１９）の
値を、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして算出する。すなわ
ち、ＲＳＲとＲＳＬとの和は本実施例では常に一定値
（０．１）に保持されており、ＲＳＲが増大するとＲＳ
Ｌが減少しＲＳＲが減少するとＲＳＬは増大するように
なっている。

【００３８】上記第２の空燃比フィードバック制御ルー
チン実行により、下流側Ｏ₂センサ１５で検出した排気
空燃比がリッチの場合にはＲＳＲの減少とＲＳＬの増大
が、また、排気空燃比がリーンの場合にはＲＳＲの増大
とＲＳＬの減少とが同時に行われる。図７は、図３、図
４の第１の空燃比フィードバック制御を行った場合の、
上流側Ｏ₂センサ１３で検出した空燃比（Ａ／Ｆ）変化
（図７(A) ）に対するカウンタＣＤＬＹ（同(B) ）、フ
ラグＦ１（同(C) ）、空燃比補正係数ＦＡＦ（同(D)）
の変化を示している。図７(A) に示すように、Ａ／Ｆが
リーンからリッチに変化した場合でも空燃比フラグＦ１
（図７(C) ）の値は直ちに０から１には変化せず、カウ
ンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＲに増大するまでの時間
（図７(C) Ｔ₁）の間は０のまま保持され、Ｔ₁経過後
に０から１に変化する。また、Ａ／Ｆがリッチからリー
ンに変化した場合もＦ１の値はカウンタＣＤＬＹの値が
０からＴＤＬ（ＴＤＬは負の値）に減少するまでの時間
（図７(C) Ｔ₂）の間は１のまま保持され、Ｔ₂経過後
に１から０に変化する。このため、図７(A) にＮで示し
たように外乱等により上流側Ｏ₂センサ１３の出力が短
い周期で変化したような場合でもフラグＦ１の値は追従
して変化しないため、空燃比制御が安定する。

【００３９】第１の空燃比フィードバック制御の結果、
空燃比補正係数ＦＡＦの値は図７(D) に示すように周期
的に増減を繰り返し、機関空燃比はリッチ空燃比とリー
ン空燃比とに交互に変動する。また、図２で説明したよ
うに、ＦＡＦの値が増大すると燃料噴射時間ＴＡＵは増
大し、ＦＡＦの値が減少すると燃料噴射時間ＴＡＵも減
少する。

【００４０】また、図７(D) から判るように、第２の空
燃比フィードバック制御（図５、図６）によりＲＳＲが
増大しＲＳＬが減少すると、リッチ空燃比側への振れ幅
が大きくなり空燃比が全体的にリッチ空燃比側に移行す
る。また、逆にＲＳＲが減少しＲＳＬが増大すると、機
関空燃比のリーン空燃比側への振れ幅が大きくなり空燃
比が全体的にリーン空燃比側に移行する。

【００４１】従って、第２の空燃比フィードバック制御
によりＲＳＲ、ＲＳＬの値が増減されると、機関空燃比
はリッチ側またはリーン側に変化する。なお、本実施例
では第２の空燃比フィードバック制御でＲＳＲ、ＲＳＬ
を設定する場合について説明したが、第１の空燃比制御
における他の補正量を第２の空燃比フィードバック制御
で設定することによっても機関空燃比を変化させること
ができる。

【００４２】例えば、ＫＩＲ、ＫＩＬ（図５ステップ４
２１、４２２）の値、またはＴＤＲ、ＴＤＬ（図４ステ
ップ４０７、４１３）の値を第２の空燃比フィードバッ
ク制御に基づいて設定することによっても同様に機関空
燃比を変化させることが可能であるし、或いは上流側Ｏ
₂センサ１３の比較電圧Ｖ_R1（図３ステップ３０３）の
値を第２の空燃比フィードバック制御に基づいて設定す
ることによっても同様に機関空燃比を変化させることが
可能である。

【００４３】次に、本実施例の触媒劣化判別について説
明する。本実施例では、三元触媒のＯ₂ストレージ作用
の低下を検出することにより触媒劣化の有無を判別す
る。前述したように、三元触媒は流入する排気空燃比が
リーンのとき（すなわち、機関燃焼室で理論空燃比より
リーンな混合気の燃焼が行われているとき）には排気中
の酸素を吸着し、流入する排気空燃比がリッチのとき
（燃焼室で理論空燃比よりリッチな混合気の燃焼が行わ
れているとき）には吸着した酸素を放出する酸素の吸放
出作用を行う。このため、三元触媒に流入する排気の空
燃比が図７(A) に示したように理論空燃比を中心として
リッチ側とリーン側とに交互に変動しているような場合
にもＯ₂ストレージ作用により触媒から流出する排気の
空燃比の変動は少なくなる。

【００４４】ところが、触媒が劣化するにつれて触媒の
Ｏ₂ストレージ作用は低下し、触媒が吸着、保持できる
酸素量が低下する。このため、触媒が劣化すると、排気
空燃比がリッチ側に振れたときに吸着した酸素を短時間
で放出し尽くしてしまい、酸素を完全に放出した後は触
媒から流出する排気の空燃比はリッチ側に振れるように
なる。

【００４５】図８は触媒劣化による触媒下流側での空燃
比変動の変化を説明する図である。図８(A) は触媒に流
入する排気空燃比の変動を示し、図８(B) は触媒が正常
な場合（すなわち触媒のＯ₂ストレージ作用が低下して
いない場合）を、図８(C) は触媒が劣化した場合（触媒
のＯ₂ストレージ作用が低下している場合）の触媒下流
側での排気空燃比の変動を示している。

【００４６】図８(A) のように、触媒に流入する排気の
空燃比が規則的にリッチ空燃比側とリーン空燃比側とに
変動しているような場合、正常な触媒では流入する排気
がリーン空燃比になっている場合には触媒が排気中の余
剰酸素を吸着し、リッチ空燃比になっている場合には吸
着した酸素を放出するため、触媒下流側の排気空燃比は
常に理論空燃比近傍になり、前述した第２の空燃比フィ
ードバック制御の影響で緩やかにリーン空燃比側とリッ
チ空燃比側に変化する（図８(B) 参照）。一方、触媒が
劣化してＯ₂ストレージ作用が低下すると、Ｏ₂ストレ
ージ作用が低下するため、例えば触媒に流入する排気空
燃比がリッチ空燃比になったときに放出できるＯ₂の量
が少なくなり、流入する排気空燃比がリッチになると直
ぐにＯ₂を放出し尽くしてしまい、その後はＯ₂を放出
することができなくなる。また、流入する排気空燃比が
リーン空燃比になると、劣化した触媒では吸着できるＯ
₂の量が少ないため、流入する排気空燃比がリーン空燃
比になると直ぐに触媒のＯ ₂吸着量が飽和してしまい、
その後はＯ₂を吸着できなくなる。

【００４７】このため、触媒が劣化すると、触媒下流側
の排気空燃比も図８(C) に示すようにリッチ空燃比側と
リーン空燃比側とに交互に変動するようになる。図９は
図８のように空燃比が変動した場合のＯ₂センサの出力
を示しており、図９(A) は触媒に流入する排気空燃比が
図８(A) のようにリッチ／リーンの変動を繰り返してい
る場合の上流側Ｏ₂センサ１３出力ＶＯＭ、図９(B) は
触媒が正常な場合の触媒下流側での排気空燃比変動（図
８(B) ）に対応する下流側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳ、
図９(C) は触媒が劣化した場合の図８(C) に対応する下
流側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳをそれぞれ示している。

【００４８】図８(B) に示すように、触媒が正常な場合
（図９(B) ）には下流側Ｏ₂センサ１５出力の変動は周
期が極めて長く、出力の軌跡長さは小さくなる。また、
触媒が劣化すると、図９(C) に示すように下流側Ｏ₂セ
ンサ１５出力の変動周期は短くなり、センサ出力の軌跡
長さは大きくなる。このため、例えば下流側Ｏ₂センサ
１５出力の一定期間内の軌跡長さＬＶＯＳと、同じ期間
内の上流側Ｏ₂センサ１３出力の軌跡長さＬＶＯＭとの
比ＬＶＯＳ／ＬＶＯＭの値を監視することにより触媒劣
化の有無を判別することができる。すなわち、ＬＶＯＳ
は触媒劣化とともに大きくなって行くため、軌跡長比Ｌ
ＶＯＳ／ＬＶＯＭが予め定めた判定値以上になった場合
には触媒が劣化したと判定することができる。

【００４９】ところが、上述の説明から判るように、下
流側Ｏ₂センサ１５出力の波形（軌跡長）に基づいて触
媒劣化有無を判別するためには、触媒に流入する排気の
条件が、劣化した触媒では下流側Ｏ₂センサ１５出力が
大きく変動し、正常な触媒では下流側Ｏ₂センサ１５出
力が緩やかに変動するような条件になっている必要があ
る。すなわち、後述するように、触媒に流入する排気条
件により触媒から放出されるＯ₂の量は変動するが、触
媒の劣化有無を検出するためには、このＯ₂放出量が、
劣化した触媒が吸着することができる酸素量より大き
く、かつ正常な触媒が吸着することができる酸素量より
小さくなるように触媒に流入する排気条件を設定する必
要がある。例えば、触媒からのＯ₂放出量を正常な触媒
が吸着可能な酸素量よりも大きく設定してしまうと、流
入排気がリッチ空燃比側に振れている間に正常な触媒で
あっても吸着した酸素の全量を放出し尽くしてしまうこ
とになるため下流側Ｏ₂センサ出力は劣化した触媒の場
合と同様に変動するようになってしまい、正常な触媒が
劣化したと誤判定されてしまう場合が生じる。また、逆
に触媒からのＯ₂放出量を劣化触媒が吸着することがで
きる酸素量よりも小さく設定すると、劣化触媒であって
も流入する排気空燃比がリッチ側に振れている間に吸着
した酸素を全量放出させることができないため、下流側
Ｏ₂センサ出力は変動しなくなり、劣化触媒が正常と誤
判定される場合を生じる。

【００５０】ところで、触媒からのＯ₂放出量を決定す
る流入排気条件としては、大別して、流入排気のリッチ
度合い（空燃比）、排気流量、空燃比がリッチ側に振れ
ている時間（リッチ時間）がある。このため、空燃比の
フィードバック周期（すなわちリッチ時間）を一定にし
ただけではＯ₂放出量を一定にすることはできない。例
えばリッチ時間が同一であっても流入排気のリッチ度合
いが大きい（空燃比が小さい）と触媒からのＯ₂放出量
は増大し、リッチ度合いが小さいと（空燃比が大きい）
と触媒からのＯ₂放出量は減少する。同様に、リッチ時
間が同一であっても排気流量が大きければ触媒からのＯ
₂放出量は増大し、排気流量が小さければ触媒からのＯ
₂放出量は減少する。

【００５１】本実施例では、以下に説明するように排気
入口条件から触媒のＯ₂放出量を算出し、この算出量が
一定の目標値に一致するように流入する排気条件をフィ
ードバック制御することにより、触媒からのＯ₂放出量
が触媒劣化判別に適切な一定の目標値になるようにした
上で触媒の劣化判別を行うことにより、触媒の劣化有無
を正確に判断している。

【００５２】次に、本実施例における触媒からのＯ₂放
出量制御について説明する。前述のように、触媒からの
Ｏ₂放出量は、流入排気のリッチ度合い、排気流
量、流入排気の空燃比がリッチ側に振れている時間、
の３つにより決定される。従って、上記３つの条件を同
時に制御すれば、Ｏ₂放出量を一定の目標値に収束させ
ることができる。本実施例では、制御を簡素化するため
にの排気流量が略一定になるアイドル運転時に触媒劣
化検出を行い、流入排気のリッチ度合いに応じてリッチ
時間を調節することにより、触媒からのＯ₂放出量を一
定の目標値に収束させる操作を行う。

【００５３】他の入口排気条件が一定であれば、触媒か
らのＯ₂放出量は、流入排気のリッチ度合いに略比例
し、また、リッチ時間にも略比例して増大すると考えら
れる。また、流入排気のリッチ度合いは機関に供給され
る過剰な燃料の量、すなわち空燃比補正係数ＦＡＦの値
と理論空燃比を与える空燃比補正係数の値ＦＡＦ₀との
差（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）に比例する。このため、触媒か
らのＯ₂放出量は（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）の値とリッチ時
間との積、すなわち排気空燃比がリッチ側に振れている
期間の（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）の値の時間積分値に比例す
ると考えることができる。

【００５４】図１０は、第１の空燃比フィードバック制
御（図３、図４）実行中の上流側Ｏ ₂センサ１３出力Ｖ
ＯＭの変化（図１０(A) ）と、空燃比補正係数ＦＡＦの
変化（図１０(B) ）とを示す図である。前述のように、
補正係数ＦＡＦの値は上流側Ｏ₂センサ１３出力ＶＯＭ
がリーン空燃比出力からリッチ空燃比出力に反転後、遅
れ時間ＴＤＲ経過後にＲＳＬだけスキップ的に減少し、
その後はルーチン実行毎にＫＩＬずつ徐々に減少する。
いま、ＶＯＭがリーンからリッチまたはリッチからリー
ンに反転する瞬間の排気空燃比は理論空燃比に極めて近
いと考えることができるため、例えばＶＯＭがリッチか
らリーンに反転する瞬間の空燃比補正係数ＦＡＦの値を
理論空燃比相当のＦＡＦの値（ＦＡＦ₀）と仮定する
と、触媒からのＯ₂放出量（（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）の時
間積分値）は、図１０(B) に斜線で示した面積に比例す
ることになる。一方、排気空燃比がリッチ側に振れてい
る時間（ＶＯＭがリッチ側に振れている時間）は、リッ
チ遅延時間ＴＤＲを増減することにより調節することが
できる。

【００５５】そこで、本実施例では、第１の空燃比フィ
ードバック制御により算出されるＦＡＦの値と上流側Ｏ
₂センサ１３出力ＶＯＭとに基づいて、ＶＯＭがリッチ
からリーンに反転する毎に図１０(B) に斜線で示した面
積を算出し、この面積が一定の目標値になるように第１
の空燃比フィードバック制御におけるリッチ遅延時間Ｔ
ＤＲを制御している。

【００５６】また、上記面積の目標値（すなわち、Ｏ₂
放出量の目標値）は、正常な触媒が吸着することができ
る最大酸素量より小さく、かつ検出したい劣化レベルの
触媒吸着することができる最大酸素量より大きい値に設
定する。このように目標値を設定することにより、任意
の劣化レベルの触媒を正確に判別することが可能とな
る。

【００５７】図１１、図１２は、本実施例の上述した触
媒劣化判別操作を示すフローチャートである。本ルーチ
ンは、制御回路１０により一定時間毎に実行される。図
１１においてルーチンがスタートすると、ステップ１１
０１では触媒劣化判別実行条件が成立しているか否かが
判定される。本実施例では、ステップ１１０１の実行条
件は、第１の空燃比フィードバック制御（図３、図
４）が実行中であること、機関がアイドル運転中であ
ること、第２の空燃比フィードバック制御（図５、図
６）が停止されていること、機関運転状態が安定して
いること、とされている。

【００５８】上記条件は、前述のように本実施例の劣
化判別は第１の空燃比フィードバック制御が実行中に行
う必要があるためであり、第１の空燃比フィードバック
制御を実行中か否かは、フラグＸＭＦＢ（図４ステップ
３２４、３２５）の値が１にセットされているか否かか
ら判断される。また、条件は、本実施例では排気流量
が略一定の条件下で触媒劣化判別を行うためである。現
在アイドル運転中か否かは、アイドルスイッチ１７のＬ
Ｌ信号がオン（ＬＬ＝１）になっているか否かにより判
定される。更に、上記条件は、本実施例では触媒Ｏ₂
放出量を一定の目標値に維持する必要があるが、第２の
空燃比フィードバック制御実行中に触媒劣化判別を行う
と第２の空燃比フィードバック制御によりリッチ時間が
影響を受け、触媒Ｏ₂放出量を一定に維持できない場合
が生じるためである。また、上記条件は、機関排気流
量が略一定の状態で触媒劣化判定を行うために必要とさ
れる。機関運転状態が安定しているか否かは、例えば前
回ルーチン実行時の吸入空気量の値と今回ルーチン実行
時の吸入空気量との差が所定値以下になっているか否
か、前回ルーチン実行時と今回ルーチン実行時の機関回
転数の差が所定値以下か、等により判定される。

【００５９】ステップ１１０１で上記条件のいずれか１
つでも成立しない場合には、本ルーチンは、後述するカ
ウンタＣＴの値をクリアした後（ステップ１１３３）、
図１２に進み、触媒劣化判定を実行することなく、直ち
に終了する。ステップ１１０１で上記条件からの全
部が成立した場合には、次にステップ１１０３で、ステ
ップ１１０１の条件成立後の時間を計時するカウンタＣ
Ｔの値がプラス１増大され、ステップ１１０５では、増
大後のカウンタＣＴの値が所定値ＣＴ₃以上になってい
るか否かが判定される。ステップ１１０５でＣＴ≧ＣＴ
₃であった場合には、ステップ１１３５に進み、第１の
空燃比フィードバック制御に使用するＫＩＬ、ＫＩＲ、
ＴＤＬの制御パラメータを通常の値に復帰させた後ルー
チンを終了する。ＣＴ₃は、後述するＣＴ₁（ステップ
１１１５）、ＣＴ₂（ステップ１１２９）より大きな値
であり、ステップ１１０１の条件成立後触媒劣化判別が
完了するのに十分な時間である。本実施例では、後述の
ように、触媒劣化判定実施中は、ＫＩＬ、ＫＩＲ、ＴＤ
Ｌの各パラメータの値は一定値に固定されるが、上記の
ように触媒劣化判別が完了するのに十分な時間が経過す
ると触媒劣化判別操作は停止され、各パラメータの値は
通常の値に復帰するため、触媒劣化判別完了後は通常の
第１の空燃比フィードバック制御が行われるようにな
る。

【００６０】ステップ１１０５でＣＴ＜ＣＴ₃であった
場合には、次にステップ１１０７で第１の空燃比フィー
ドバック制御に使用するＫＩＬ、ＫＩＲ及びＴＤＬの制
御パラメータの値が吸入空気量に応じた一定値に固定さ
れる。後述するように、本実施例では触媒劣化判別時に
第１の空燃比フィードバック制御に使用する制御パラメ
ータＴＤＲの値を変更することによって空燃比フィード
バック制御のリッチ時間を調節している。従って、ＫＩ
Ｌ、ＫＩＲの値は、ＦＡＦの時間変化をできるだけ小さ
くしてＴＤＲに対するリッチ時間の感度を上げるために
吸入空気量が大きいほど小さな一定値に設定される。ま
た、本実施例では、排気空燃比がリーン側に振れている
期間に触媒が最大限Ｏ₂を吸着するように、すなわちリ
ーン空燃比時に触媒のＯ₂吸着量が飽和するようにリー
ン時間を十分長くする必要があるため、ＴＤＬの値は吸
入空気量が小さい程大きな値に設定される。

【００６１】ステップ１１０９では、上流側Ｏ₂センサ
１３出力ＶＯＭをＡＤ変換して読み込むとともに、ＶＯ
Ｍがリッチ空燃比出力（ＶＯＭ≧Ｖ_R1）か否かが判定さ
れる。ＶＯＭ≧Ｖ_R1の場合、すなわち上流側Ｏ₂センサ
１３が出力ＶＯＭがリッチ空燃比出力であった場合に
は、ステップ１１１１で、現在の空燃比補正係数ＦＡＦ
の値の積算値Ｗ₁を算出するとともに、ステップ１１１
３でカウンタＮの値を１増大させる。後述するようにＦ
ＡＦの積算値Ｗ₁とカウンタＮとはＶＯＭがリーン空燃
比出力の場合には常に図１２ステップ１１２７でクリア
されるため、ステップ１１１１で算出される積算値Ｗ₁
はＶＯＭがリッチ出力になってからのＦＡＦの積算値
を、またカウンタＮの値はリッチ空燃比になってからの
ＦＡＦの積算回数を表すことになる。また、ステップ１
１１１、１１１３実行後、本ルーチンは図１２ステップ
１１２９に進む。ステップ１１２９以下の操作について
は後述する。次に、ステップ１１０９で上流側Ｏ₂セ
ンサ１３出力ＶＯＭがリーン空燃比出力であった場合に
は、ステップ１１１５で計時カウンタＣＴの値が所定値
ＣＴ₁以上か否か、すなわちステップ１１０１の条件が
全て成立してから所定時間が経過したか否かが判定さ
れ、ＣＴ＜ＣＴ₁の場合には図１２ステップ１１２７に
進み、積分値Ｗ₁とカウンタＮの値がクリアされる。す
なわち、本実施例では条件成立後機関運転状態が完全に
安定したと判断される時間（ＣＴ₁）が経過するまでは
ステップ１１１９以下のＴＤＲの設定操作は行わない。

【００６２】ステップ１１１５でＣＴ≧ＣＴ₁であった
場合にはステップ１１１７に進み、前述のカウンタＮの
値が、Ｎ≠０か否かを判定し、Ｎ＝０の場合には同様に
図１２ステップ１１２７に進み、Ｗ₁とＮとをクリアす
る。また、ステップ１１１７でＮ≠０の場合には図１２
ステップ１１１９以下が実行される。カウンタＮの値は
ＶＯＭがリッチであった場合にはステップ１１１３でカ
ウントアップされ、リーンの場合にはステップ１１２７
でクリアされるため、ステップ１１１７ではＶＯＭの値
がリッチからリーンに反転した直後のルーチン実行時以
外は必ずＮ＝０となる。このため、ステップ１１１９か
らステップ１１２５のＴＤＲ設定操作はＶＯＭがリッチ
からリーンに反転する毎に一回だけ実行されることにな
る。

【００６３】ステップ１１１９では、現在の空燃比補正
係数ＦＡＦの値がＦＡＦ₀（図１０(B) 参照）として記
憶される。また、ステップ１１２１では図１０(B) の斜
線部分の面積ＷＳが、ＷＳ＝Ｗ₁−ＦＡＦ₀×Ｎとして
算出される。すなわち、図１０(B) の斜線部分の面積Ｗ
Ｓは、本来（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）の積算値として算出
すべきものであるが、本実施例ではＶＯＭがリッチ出力
からリーン出力に反転する際のＦＡＦの値をＦＡＦ₀と
して用いるため、便宜的に先にＦＡＦの値を積算してＷ
₁を求めておき、ＦＡＦ₀の値が確定した後にＦＡＦ₀
に積算回数Ｎを乗じたものをＷ₁から差し引いて斜線部
面積ＷＳを算出するようにしている。

【００６４】上記により面積ＷＳを求めた後、ステップ
１１２３ではＷＳの値と予め設定された目標値ＷＳ₀と
の偏差に応じてＴＤＲの補正量ΔＴＤＲの値が設定され
る。また、ステップ１１２５では、ＴＤＲの値に上記補
正量ΔＴＤＲが加算される。本実施例では、ＷＳ−ＷＳ
₀の値が正の大きな値であるほどΔＴＤＲは負の大きな
値に設定され、次に第１の空燃比フィードバック制御ル
ーチン（図３、図４）が実行される際のＴＤＲの値は小
さくなる。このため、ＶＯＭがリッチ空燃比出力になっ
てからＦＡＦがスキップ的に減少するまでの時間が短く
なり、図１０(B) の斜線部分の面積は小さくなる。すな
わち、触媒からのＯ₂放出量は減少する。また、本実施
例では、ＷＳ−ＷＳ₀の値が負の大きな値であるほどΔ
ＴＤＲは正の大きな値に設定され、次に第１の空燃比フ
ィードバック制御ルーチンが実行される際のＴＤＲの値
は大きくなる。このため、逆に図１０(B) の斜線部分の
面積は大きくなる。従って、上記操作を実行することに
より、図１０(B) の斜線部分面積は目標値ＷＳ₀に制御
される。すなわち、触媒からのＯ₂放出量がＷＳ ₀に対
応する目標放出量に制御されるようになる。

【００６５】上記により、触媒からのＯ₂放出量を目標
値に制御した後、ルーチンはステップ１１２７に進み、
積分値Ｗ₁とカウンタＮとをクリアしてステップ１１２
９に進む。ステップ１１２９から１１３１は触媒劣化判
別操作を示している。ステップ１１２９では、前述の計
時カウンタＣＴの値が所定値ＣＴ₂以上になっているか
否かが判定され、ＣＴ＜ＣＴ₂の場合には触媒劣化判別
を行うことなくそのままルーチンを終了する。ＣＴ₂は
前述のＣＴ₁（ステップ１１１５）より大きな一定値と
され、ステップ１１０１の条件成立後時間ＣＴ₁経過後
に開始されたＯ₂放出量制御（ステップ１１１９から１
１２５）により、Ｏ₂放出量が目標値に収束するのに十
分な時間とされる。

【００６６】ステップ１１２９で触媒からのＯ₂放出量
が目標値に収束するのに十分な時間（ＣＴ₂）が経過し
ていた場合には、次にステップ１１３１で劣化判定サブ
ルーチンが実行される。図１３は、図１２ステップ１１
３１で実行される劣化判定サブルーチンの詳細を示すフ
ローチャートである。

【００６７】図１３において、ステップ１３０１では、
触媒劣化判別操作時間の計時カウンタＫＴがプラス１増
大される。本サブルーチンでは、後述するように一定期
間の上流側Ｏ₂センサ１３出力ＶＯＭと下流側Ｏ₂セン
サ１５出力ＶＯＳの軌跡長を算出し、この軌跡長に基づ
いて触媒劣化有無を判別する。カウンタＫＴは軌跡長算
出期間を計時するためのカウンタである。本サブルーチ
ンは図１１、図１２のルーチン実行毎に実行されるた
め、カウンタＫＴの値は触媒劣化判別操作が実行される
累積時間に対応する値となる。

【００６８】次いで、ステップ１３０３では上記カウン
タＫＴの値が所定値ＫＴ₀以上になったか否かが判定さ
れる。本実施例ではＫＴ₀の値は２０秒程度に相当する
図１１、図１２のルーチン実行回数とされる。すなわ
ち、本実施例では２０秒程度の期間Ｏ₂センサ出力の軌
跡長を演算し、その結果に基づいて触媒劣化有無を判定
する。

【００６９】ステップ１３０３でＫＴ＜ＫＴ₀であった
場合には、ステップ１３０５から１３０９で上流側Ｏ₂
センサ１３出力の軌跡長ＬＶＯＭと下流側Ｏ₂センサ１
５出力の軌跡長ＬＶＯＳとが積算される。本実施例で
は、Ｏ₂センサ１３、１５出力の軌跡長ＬＶＯＭ、ＬＶ
ＯＳはそれぞれ近似的に｜ＶＯＭ−ＶＯＭ_i-1｜及び｜
ＶＯＳ−ＶＯＳ_i-1｜の積算値として、以下の式により
算出される（図１４参照）。

【００７０】ＬＶＯＭ＝ＬＶＯＭ＋｜ＶＯＭ−ＶＯＭ_i-1｜ＬＶＯＳ＝ＬＶＯＳ＋｜ＶＯＳ−ＶＯＳ_i-1｜ここで、ＶＯＭ_i-1、ＶＯＳ_i-1はそれぞれ前回ルーチ
ン実行時のＶＯＭ、ＶＯＳの値である。すなわち、ステ
ップ１３０５では、上流側Ｏ₂センサ１３出力ＶＯＭと
下流側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳとをＡＤ変換して読み
込み、ステップ１３０７では上記積算値ＬＶＯＭとＬＶ
ＯＳとが算出し、ステップ１３０９では次回のサブルー
チン実行に備えてＶＯＭ_i-1とＶＯＳ_i-1との値を更新
してルーチンを終了する。上記の軌跡長ＬＶＯＭとＬＶ
ＯＳとの算出は、ステップ１３０３でカウンタＫＴの値
がＫＴ₀に到達するまでサブルーチン実行毎に繰り返さ
れる。

【００７１】一方、ステップ１３０３でカウンタＫＴの
値が所定値ＫＴ₀に到達していた場合には、ルーチンは
ステップ１３１１に進み、今までに算出したＬＶＯＳと
ＬＶＯＭとの比、すなわち一定期間内の軌跡長比ＬＶＯ
Ｓ／ＬＶＯＭが算出される。また、ステップ１３１３で
は、算出した軌跡長比ＬＶＯＳ／ＬＶＯＭの値が予め定
めた所定値Ｒ₀以上であるか否かが判定される。

【００７２】前述したように、触媒からのＯ₂放出量が
適切な一定値に制御されている場合には、劣化した触媒
では下流側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳの変動は大きくな
り、上流側Ｏ₂センサ１３出力ＶＯＭの変動に近づくよ
うになる。このため、下流側Ｏ₂センサ１５出力の軌跡
長ＬＶＯＳの値も大きくなり、ＬＶＯＳ／ＬＶＯＭの値
は１に近づくようになる。このため、ステップ１３１３
でＬＶＯＳ／ＬＶＯＭの値が所定値Ｒ₀（Ｒ₀は１．０
以下の定数）以上になった場合には、触媒が劣化したと
判定され、ステップ１３１５で劣化フラグＡＬＭの値が
１にセットされる。また、ＬＶＯＳ／ＬＶＯＭ＜Ｒ₀で
あった場合には、触媒は正常であると判定され、ステッ
プ１３１７で劣化フラグＡＬＭの値は０にセットされ
る。

【００７３】なお、フラグＡＬＭの値が１にセットされ
ると、別途実行される図示しないルーチンにより劣化ア
ラーム１９（図１）が点灯され、運転者に触媒の劣化が
報知される。また、ステップ１３１５、１３１７で設定
されたフラグＡＬＭの値はステップ１３１９で制御回路
１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納され、次回の修
理、点検に備えられる。

【００７４】上記触媒劣化判別操作が終了すると、ステ
ップ１３２１では、積算値ＬＶＯＭ、ＬＶＯＳの値とカ
ウンタＫＴの値がクリアされ、本サブルーチンは終了す
る。上述のように、本実施例によれば、触媒に流入する
排気の条件に応じて排気空燃比がリッチ側に振れている
時間を調節し、触媒からのＯ₂放出量を一定の目標値に
収束させた上で触媒劣化の有無を判別するようにしてい
る。このため、触媒に流入する排気条件が変動した場合
でも、触媒からのＯ₂放出量は一定の目標値に維持さ
れ、正確な触媒劣化判別を行うことが可能となる。

【００７５】なお、図１１、図１２の実施例ではステッ
プ１１０１（図１１）の条件が成立した場合には必ず触
媒劣化判別を実行するようにしているが、ステップ１１
０１の条件成立毎に図１１、図１２の触媒劣化判別を実
行する代わりに、例えば、通常の走行時にＯ₂センサ出
力の軌跡長に基づく触媒劣化判別（図１３）を実行し、
この結果触媒が劣化していると判定された場合にのみ図
１１、図１２の触媒劣化判定を行って通常走行時の判定
結果を検証するようにしても良い。

【００７６】また、図１１、図１２の実施例では、空燃
比センサとして排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ
側かリーン側かにより異なる出力電圧を発生するＯ₂セ
ンサを用いているため、排気のリッチ度合いを空燃比補
正係数ＦＡＦを用いて推定しているが、空燃比センサと
して排気空燃比に１対１に対応する連続出力を発生する
空燃比センサを用いれば、空燃比センサの出力から直接
排気のリッチ度合いを算出することが可能となる。

【００７７】更に、図１１、図１２の実施例では、リッ
チ遅延時間を増減することにより空燃比制御のリッチ時
間を調節しているが、空燃比フィードバック制御におけ
る他の制御パラメータ、例えばＲＳＲを変化させること
によってリッチ時間を調節することも可能である。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、触媒に流入する排気の
条件に応じて排気空燃比がリッチ側に振れている時間を
調節し、触媒からのＯ₂放出量を一定の目標値に収束さ
せた上で下流側空燃比センサ出力に基づいて触媒劣化判
別を行うようにしたことにより、触媒に流入する排気条
件の変動にかかわらず正確に触媒劣化有無を判別するこ
とが可能となる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した実施例の
構成を示す図である。

【図２】図１の実施例の燃料噴射量制御ルーチンを示す
フローチャートである。

【図３】第１の空燃比フィードバック制御ルーチンを示
すフローチャートの一部である。

【図４】第１の空燃比フィードバック制御ルーチンを示
すフローチャートの一部である。

【図５】第２の空燃比フィードバック制御ルーチンを示
すフローチャートの一部である。

【図６】第２の空燃比フィードバック制御ルーチンを示
すフローチャートの一部である。

【図７】図３、図４のルーチンを補足説明するタイミン
グダイアグラムである。

【図８】触媒劣化による触媒下流側での空燃比変動の変
化を説明する図である。

【図９】図８の空燃比変動に対応する下流側Ｏ₂センサ
出力の変化を示す図である。

【図１０】触媒からのＯ₂放出量制御の原理を説明する
図である。

【図１１】触媒劣化判別ルーチンを示すフローチャート
の一部である。

【図１２】触媒劣化判別ルーチンを示すフローチャート
の一部である。

【図１３】触媒劣化判定サブルーチンを示すフローチャ
ートである。

【図１４】Ｏ₂センサ出力の軌跡長を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１…内燃機関本体１０…制御回路１２…触媒コンバータ１３…上流側Ｏ₂センサ１５…下流側Ｏ₂センサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に配置された、Ｏ₂
ストレージ作用を有する三元触媒と、前記三元触媒の上流側の排気通路に配置され、前記三元
触媒上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサ
と、前記三元触媒の下流側の排気通路に配置され、前記三元
触媒下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサ
と、少なくとも前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、
前記三元触媒に流入する排気空燃比が理論空燃比を中心
として周期的にリッチ空燃比側とリーン空燃比側とに交
互に変化させる空燃比フィードバック制御手段と、前記三元触媒に流入する排気条件に基づいて、三元触媒
からのＯ₂放出量を算出するＯ₂放出量演算手段と、前記Ｏ₂放出量演算手段により算出されたＯ₂放出量が
予め定めた目標値になるように、前記空燃比フィードバ
ック制御が排気空燃比をリッチ側に制御する時間を設定
する放出量制御手段と、前記放出量制御手段によりＯ₂放出量が目標値に制御さ
れているときに、少なくとも前記下流側空燃比センサ出
力に基づいて前記三元触媒の劣化の有無を判別する劣化
判別手段と、を備えた内燃機関の触媒劣化判別装置。