JP3815386B2 - 触媒劣化判定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に配設された触媒が劣化したか否かを判定するための触媒劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒（本明細書においては、単に「触媒」と云うこともある。）が、同機関の排気通路に配設されている。この触媒は、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ2ストレージ機能（酸素貯蔵機能、酸素吸蔵機能）を有していて、流入するガスの空燃比がリッチである場合には貯蔵している酸素によりＨＣ,ＣＯ等の未燃成分を酸化するとともに、流入するガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して同ＮＯｘから奪った酸素を内部に貯蔵する。これにより、三元触媒は、機関の空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、未燃成分や窒素酸化物を浄化することができる。従って、三元触媒が貯蔵し得る酸素量（以下、「酸素吸蔵量」と称呼する。）の最大値（以下、「最大酸素吸蔵量」と称呼する。）が大きいほど、三元触媒の浄化能力は高くなる。
【０００３】
一方、触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化し、触媒の劣化が進行するほど最大酸素吸蔵量は低下する。従って、触媒の最大酸素吸蔵量が推定できれば、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒が劣化したか否かを判定することができる。
【０００４】
特開平５−１３３２６４号公報の触媒劣化度検出装置は、このような知見に基いてなされたものであって、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比からリーン空燃比（又は、その逆）に強制的に変化させ、その際における触媒下流に配置した空燃比センサの出力の変化に基いて同触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒の劣化度を検出するようになっている。
【０００５】
より具体的に述べると、上記開示された装置は、触媒上流の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御して触媒の酸素吸蔵量を「０」にしておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以上となって触媒下流の空燃比センサの出力がリーンへと変化するまでの時間と同触媒に単位時間当りに流入した酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。或いは、触媒上流の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御して酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量としておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が「０」となって触媒下流の空燃比センサの出力がリッチへと変化するまでの時間と同触媒内で単位時間当りに放出（消費）された酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。即ち、この装置は、触媒下流の空燃比センサの出力変化と、前記所定のリッチ空燃比、又は前記所定のリーン空燃比とを少なくとも利用して最大酸素吸蔵量を求めるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の始動直後の排気ガスを浄化するとするとともに、完全暖機後の排気浄化性能を一層向上するため、機関の排気通路にスタート・コンバータと云われる比較的小容量の第１触媒を配設するともに、第１触媒よりも下流の排気通路にアンダ・フロア・コンバータと云われる比較的容量の大きい第２触媒を配設する構成が採用されることがある。この場合、第１触媒は第２触媒に比べて機関の排気ポートに近い位置に配設され、温度の高い排気ガスが流入するから、始動から短期間内に暖機されて良好な排気浄化機能を発揮する。一方、第２触媒は、第１触媒よりも暖機に要する時間が長いが、その容量が大きいことから、一旦暖機した後においては優れた排気浄化機能を発揮する。
【０００７】
しかしながら、上記公報に開示された従来の技術は、触媒下流に一つの空燃比センサのみを備える構成をとっているから、同空燃比センサを第１触媒と第２触媒との間に配設した場合には第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定できず、第２触媒の劣化判定を行うことができないという問題がある。また、空燃比センサを第２触媒の下流に配設した場合には、第１触媒と第２触媒とを一つの触媒とみなすことによる触媒劣化判定は理論的には可能であるが、第１触媒が劣化した時点を特定することが困難である。
【０００８】
従って、本発明の目的の一つは、第１触媒、及び第２触媒の各々が劣化したか否かを判定することが可能な触媒劣化判定方法を提供することにある。また、本発明の目的の他の一つは、触媒劣化判定時（触媒劣化度検出時、最大酸素吸蔵量計測時）においても、エミッションを極力悪化させない触媒劣化判定方法（触媒劣化度検出方法）を提供することにある。
【０００９】
【本発明の概要】
上記目的を達成するため、本発明の触媒劣化判定方法においては、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒よりも下流に第１触媒下流空燃比センサを配置し、前記第１触媒下流空燃比センサの下流に配設された第２触媒よりも下流に第２触媒下流空燃比センサを配置する構成を前提とし、先ず、前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御する。
【００１０】
次いで、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第１リッチ空燃比のガスにより放出（消費）される酸素量に基いて第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００１１】
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第２リッチ空燃比のガスにより放出（消費）される酸素量に基いて第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００１２】
そして、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第２触媒が劣化しているか否かを判定する。
【００１３】
これによれば、第１触媒が吸蔵している酸素を消費し尽くした時点を第１触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第１触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定することができ、第１触媒が劣化したことを確実に判定することができる。また、第２触媒が吸蔵している酸素を消費し尽くした時点を第２触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第２触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定することができ、第２触媒が劣化したことを確実に判定することができる。
【００１４】
ところで、上記触媒劣化判定方法によれば、第１リッチ空燃比の混合気によって第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示した後においても、第２リッチ空燃比の混合気が第１触媒、従って、第２触媒に供給される。そして、この第２リッチ空燃比の混合気の供給は、第２触媒の酸素吸蔵量が「０」になって第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点（以下、この時点のことを、単に「第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時」とも称呼する。）まで継続される。
【００１５】
この場合、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時にて第２触媒の最大酸素吸蔵量は推定されるから、もはや第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に維持する必要はない。また、この第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時の直後において、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に維持すると、第１触媒及び第２触媒の酸素吸蔵量は「０」となっているから、未燃のＣＯ，ＨＣが大量に排出されてしまう。従って、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転後においては、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比とするか、或いは、再度、最大酸素吸蔵量を推定する必要があるなどの場合、同第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーン側の空燃比とすることが好適である。
【００１６】
しかしながら、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時には、内燃機関の排気ポートから第２触媒下流空燃比センサまでの排気通路及び触媒が形成する空間内に第２リッチ空燃比のガスが充填されているので、第２リッチ空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリッチ空燃比であるとすると、この充填されたガスに含まれる未燃ＣＯ，ＨＣの量が多く、この結果、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転後における第１触媒上流の空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリーンな空燃比としても、同第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後において未燃ＣＯ，ＨＣが大量に大気中に排出されてしまう。
【００１７】
これに対し、第１リッチ空燃比を予め理論空燃比に近いリッチ空燃比とし、且つ第１リッチ空燃比と第２リッチ空燃比とを同一の空燃比として設定すれば、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後において大気中に排出される未燃ＣＯ，ＨＣの量を低減できるが、これでは、第１触媒上流の空燃比を第１リッチ空燃比に制御し始めてから第１触媒下流空燃比センサ出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点までの時間（即ち、第１触媒の最大酸素吸蔵量を算出するための期間）が長くなってしまうという問題がある。
【００１８】
従って、上記本発明の触媒劣化判定方法にあっては、前記第２リッチ空燃比が、前記第１リッチ空燃比よりもリーンな空燃比（即ち、理論空燃比よりもリッチな空燃比ではあるが、第１リッチ空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）に設定されることが好適である。
【００１９】
これによれば、第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示した時点で、前述した排気通路及び触媒の空間に充填されているガス中の未燃ＣＯ，ＨＣの量が少なくなるから、同第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後における未燃ＣＯ，ＨＣの排出量が低減され得るとともに、第１リッチ空燃比は第２リッチ空燃比よりもリッチ側の空燃比となるから、第１触媒の最大酸素吸蔵量の算出期間（従って、第１触媒及び第２触媒の最大酸素吸蔵量算出期間）が比較的短縮され得る。
【００２０】
本発明の他の触媒劣化判定方法においては、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒よりも下流に第１触媒下流空燃比センサを配置し、前記第１触媒下流空燃比センサの下流に配設された第２触媒よりも下流に第２触媒下流空燃比センサを配置する構成を前提とし、先ず、前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する。
【００２１】
次いで、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第１リーン空燃比のガス中の酸素量に基いて第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００２２】
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第２リーン空燃比のガス中の酸素量に基いて第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００２３】
そして、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第２触媒が劣化しているか否かを判定する。
【００２４】
これによれば、第１触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達した時点を第１触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第１触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定でき、第１触媒が劣化したことを確実に判定することができる。また、第２触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達した時点を第２触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第２触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定でき、第２触媒が劣化したことを確実に判定することができる。
【００２５】
ところで、上記触媒劣化判定方法によれば、第１リーン空燃比の混合気によって第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示した後においても、第２リーン空燃比の混合気が第１触媒、従って、第２触媒に供給される。そして、この第２リーン空燃比の混合気の供給は、第２触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達し第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点（以下、この時点のことを、単に「第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時」とも称呼する。）まで継続される。
【００２６】
この場合、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時にて第２触媒の最大酸素吸蔵量は推定されるから、もはや第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に維持する必要はない。また、この第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時の直後において、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に維持すると、第１触媒及び第２触媒の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量となっているから、窒素酸化物ＮＯｘが大量に排出されてしまう。従って、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転後においては、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比とするか、或いは、再度、最大酸素吸蔵量を推定する必要があるなどの場合、同第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の空燃比とすることが好適である。
【００２７】
しかしながら、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時には、内燃機関の排気ポートから第２触媒下流空燃比センサまでの排気通路及び触媒が形成する空間内に第２リーン空燃比のガスが充填されているので、第２リーン空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリーン空燃比であるとすると、この充填されたガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘ量が多く、この結果、同第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後において窒素酸化物ＮＯｘが大量に大気中に排出されてしまう。
【００２８】
これに対し、第１リーン空燃比を予め理論空燃比に近いリーン空燃比とし、且つ第１リーン空燃比と第２リーン空燃比とを同一の空燃比として設定すれば、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後において大気中に排出される窒素酸化物ＮＯｘ量を低減できるが、これでは、第１触媒上流の空燃比を第１リーン空燃比に制御し始めてから第１触媒下流空燃比センサ出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点までの時間（即ち、第１触媒の最大酸素吸蔵量を算出するための期間）が長くなってしまうという問題がある。
【００２９】
従って、上記本発明の触媒劣化判定方法にあっては、前記第２リーン空燃比が、前記第１リーン空燃比よりもリッチな空燃比（即ち、理論空燃比よりもリーンな空燃比ではあるが、第１リーン空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）に設定されることが好適である。
【００３０】
これによれば、第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示した時点で、前述した排気通路及び触媒の空間に充填されているガス中の窒素酸化物ＮＯｘの量が少なくなるから、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後における窒素酸化物ＮＯｘの排出量が低減され得るとともに、第１リーン空燃比は第２リーン空燃比よりもリーン側の空燃比となるから、第１触媒の最大酸素吸蔵量の算出期間（従って、第１触媒及び第２触媒の最大酸素吸蔵量算出期間）が比較的短縮され得る。
【００３１】
なお、本発明においては、上記のように推定された第１触媒の最大酸素吸蔵量に関する値と第２触媒の最大酸素吸蔵量に関する値との和が所定の劣化判定基準値以下か否かに基いて、第１触媒と第２触媒とを一つの触媒装置とみなしたときの同触媒装置が劣化しているか否かを判定するように構成してもよい。
【００３２】
即ち、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値と前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値とに基いて同第１触媒及び同第２触媒からなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法が提供され得る。
【００３３】
同様に、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値と前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値とに基いて同第１触媒及び同第２触媒からなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法が提供され得る。
【００３４】
また、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、（１）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第２触媒が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、又は（２）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量、前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量、及び前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量に基いて前記第１触媒と前記第２触媒とからなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、を提供することもできる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、（１）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第２触媒が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、又は（２）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量、前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量、及び前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第１触媒及び前記第２触媒からなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、を提供することもできる。
【００３６】
なお、これらの各場合にも、前記第２リッチ空燃比は、前記第１リッチ空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記第２リーン空燃比は、前記第１リーン空燃比よりもリッチな空燃比であることが、エミッションを抑制するために好適であるが、これに限定されない。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による触媒劣化判定方法の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る触媒劣化判定方法を実施する空燃比制御装置（触媒劣化判定装置）を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。
【００３８】
この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００３９】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。
【００４０】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）３９を備えている。
【００４１】
吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し同吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、スロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａ、スワールコントロールバルブ（以下、「ＳＣＶ」と称呼する。）４４、及びＤＣモータからなるＳＣＶアクチュエータ４４ａを備えている。
【００４２】
排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設（介装）された上流側の第１触媒（上流側三元触媒、又はスタート・コンバータとも云う。）５３、及び第１触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設（介装）された第２触媒（下流側三元触媒、又は、車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・コンバータとも云う。）５４を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。
【００４３】
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、第１触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６６（以下、「最上流空燃比センサ」と称呼する。）、第１触媒５３の下流であって第２触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７（以下、「第１触媒下流空燃比センサ６７」と称呼する。）、第２触媒５４の下流の排気通路に配設された空燃比センサ６８（以下、「第２触媒下流空燃比センサ６８」と称呼する。）、及びアクセル開度センサ６９を備えている。
【００４４】
熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ６１の出力Vgと、計測された吸入空気量（流量）ＡＦＭとの関係は、図２に示したとおりである。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度ＮＥを表す。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【００４５】
最上流空燃比センサ６６は、図３に示したように、空燃比Ａ／Ｆに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfsを出力するようになっている。図３から明らかなように、最上流空燃比センサ６６によれば、広範囲にわたる空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出することができる。第１触媒下流空燃比センサ６７、及び第２触媒下流空燃比センサ６８は、図４に示したように、理論空燃比において急変する電圧Voxs1,Voxs2をそれぞれ出力するようになっている。より具体的に述べると、第１,第２触媒下流空燃比センサ６７,６８は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略０．１（Ｖ）、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略０．９（Ｖ）、及び空燃比が理論空燃比のときは略０．５（Ｖ）の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ６９は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、同アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００４６】
更に、このシステムは電気制御装置７０を備えている。電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、及びＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６９と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６９からの信号を供給するとともに、同ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、インジェクタ３９、スロットル弁アクチュエータ４３ａ、及びＳＣＶアクチュエータ４４ａに駆動信号を送出するようになっている。
【００４７】
（触媒劣化判定の原理）
ところで、第１，第２触媒５３，５４等の三元触媒は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分（ＨＣ,ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を有する。更に、三元触媒は、酸素貯蔵機能を有し、この酸素貯蔵機能により空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ,ＣＯ、及びＮＯｘを浄化することができる。即ち、機関の空燃比がリーンとなって三元触媒に流入するガスにＮＯｘが多量に含まれると、三元触媒はＮＯｘから酸素分子を奪ってＮＯｘを還元してＮＯｘを浄化するとともに、その酸素を吸蔵する。また、機関の空燃比がリッチになって三元触媒に流入するガスにＨＣ,ＣＯが多量に含まれると、三元触媒はこれらに吸蔵していた酸素を与えて酸化し、これによりＨＣ,ＣＯを浄化する。
【００４８】
従って、三元触媒が連続的に流入する多量のＨＣ,ＣＯを効率的に浄化するためには、同三元触媒が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に連続的に流入する多量のＮＯｘを効率的に浄化するためには、三元触媒が酸素を十分に貯蔵し得る状態になければならないことになる。
【００４９】
以上のことから明らかなように、三元触媒の浄化能力は、その三元触媒が貯蔵（吸蔵）し得る最大の酸素量（最大酸素吸蔵量）に依存する。ところが、三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化するから、次第に最大酸素吸蔵量が低下してくる。換言すると、第１,第２触媒５３,５４の各々の最大酸素吸蔵量を推定することができれば、同第１,第２触媒５３,５４の各々が劣化しているか否かを判定することができる。また、これらの判定結果の組合せに基づけば、第１，２触媒５３，５４を一つの触媒装置とみなしたときの同触媒装置が劣化しているか否かも判定することができる。
【００５０】
かかる知見に基き、本実施形態の触媒劣化判定装置は、図５のタイムチャートに示した方法により第１，第２触媒５３,５４の各々の最大酸素吸蔵量を推定する。即ち、先ず、図５（Ａ）に示したように、時刻ｔ１にて第１触媒５３の上流のガスの空燃比（実際には、機関が吸入する混合気の空燃比であり、以下、単に「第１触媒上流空燃比」と云うこともある。）を理論空燃比よりもリーンな所定の第１リーン空燃比に制御する。
【００５１】
これにより、第１触媒５３にリーンな空燃比のガスが流入するから、図５（Ｃ）に示したように、第１触媒５３の酸素吸蔵量は次第に増大し、時刻ｔ２にて最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに達する。この結果、時刻ｔ２にて、第１触媒５３から酸素を含むガス（リーン空燃比のガス）が流出し始め、図５（Ｂ）に示したように、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。この時刻ｔ１〜ｔ２間の作動を第１モード（Mode=1）における作動と呼ぶ。
【００５２】
時刻ｔ２にて、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリッチを示す値からリーンを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリーンであるが前記第１リーン空燃比よりもリッチな第２リーン空燃比に制御する（図５（Ａ）を参照）。これにより、第１触媒５３にリーンな空燃比のガスが流入し、しかも、第１触媒５３の酸素吸蔵量は最大となっていて同第１触媒５３は酸素を吸蔵することができない状態にあるから、同第１触媒５３から酸素を含むガスが流出し続ける。
【００５３】
この結果、図５（Ｅ）に示したように、時刻ｔ２以降において第２触媒５４の酸素吸蔵量は次第に増大し、時刻ｔ３にて最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxに達する。この結果、時刻ｔ３にて、第２触媒５４から酸素を含むガスが流出し始め、図５（Ｄ）に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。なお、時刻ｔ２〜ｔ３間の作動を第２モード（Mode=2）における作動と呼ぶ。
【００５４】
以上のように、第１，第２モード（Mode=1,Mode=2）においては、第１触媒５３が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、第２触媒５４が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように同第１触媒５３の上流の空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御される。
【００５５】
時刻ｔ３にて、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2がリッチを示す値からリーンを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御する。これにより、第１触媒５３にリッチな空燃比のガスが流入するため、第１触媒５３の酸素が同第１触媒５３に流入する未燃ＨＣ,ＣＯの酸化のために消費される。これにより、第１触媒５３の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxから減少して行く。そして、時刻ｔ４になると、第１触媒５３の酸素吸蔵量は「０」となるから、第１触媒５３からリッチ空燃比のガスが流出し始め、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1はリーンを示す値からリッチを示す値に変化する。この時刻ｔ３〜ｔ４間の作動を第３モード（Mode=3）における作動と呼ぶ。
【００５６】
本装置は、かかる時刻ｔ３〜ｔ４間において、以下のようにして第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxを最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3として推定する。即ち、第１触媒上流空燃比を第１リッチ空燃比に設定した時刻ｔ３から、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリッチを示す値に変化する時刻ｔ４までの間、下記数１、及び下記数２に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともにこれを積算し、同時刻ｔ４での積算値を最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3として算出する。
【００５７】
【数１】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（stoich − abyfs）
【００５８】
【数２】
ＣＳＣmax3＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ３〜ｔ４）
【００５９】
上記数１において、値「０．２３」は大気中に含まれる酸素の重量割合である。ｍｆｒは所定時間（計算周期tsample）内の燃料噴射量Ｆｉの合計量であり、stoichは理論空燃比（例えば、１４．７）である。abyfsは所定時間tsampleにおいて最上流空燃比センサ６６により検出された空燃比Ａ／Ｆである。なお、abyfsは前記所定時間tsample内の最上流空燃比センサ６６により検出された空燃比Ａ／Ｆの平均値としてもよい。
【００６０】
この数１に示したように、所定時間tsample内の噴射量の合計量ｍｆｒに、検出された空燃比Ａ／Ｆの理論空燃比からの偏移（stoich − abyfs）を乗じることで、同所定時間tsampleにおける空気の不足量が求められ、この空気の不足量に酸素の重量割合を乗じることで同所定時間tsampleにおける酸素吸蔵量変化量（吸蔵酸素の消費量）ΔO2が求められる。そして、数２に示したように、酸素吸蔵量変化量ΔO2を時刻ｔ３〜ｔ４に渡って積算することで、第１触媒５３が酸素を最大限貯蔵していた状態から酸素を総べて消費するまでの酸素消費量、即ち最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3が推定・算出される。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3を推定する。
【００６１】
なお、本実施形態においては、時刻ｔ３〜ｔ４間で第１触媒上流空燃比は一定の第１リッチ空燃比であるから、時刻ｔ３〜ｔ４までの時間をΔｔ３、第１空燃比をabyfR1、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ３とすれば、上記数１及び上記数２から、最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3は０．２３・ｍｆｒ３・（stoich − abyfR1）・Δｔ３として簡単に求めることもできる。
【００６２】
時刻ｔ４にて、第１触媒下流空燃比センサ６８の出力がリーンを示す値からリッチを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比であって第１リッチ空燃比よりもリーンな第２リッチ空燃比に制御する。このとき、第１触媒５３の酸素吸蔵量は「０」となっているから、第２触媒５４にリッチな空燃比のガスが流入する。この結果、第２触媒５４が吸蔵している酸素は、同第２触媒５４に流入する未燃ＨＣ,ＣＯの酸化のために消費されるので、第２触媒５４の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxから減少して行く。
【００６３】
そして、時刻ｔ５になると、第２触媒５４の酸素吸蔵量は「０」となるから、第２触媒５４からリッチ空燃比のガスが流出し始め、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2はリーンを示す値からリッチを示す値に変化する。即ち、時刻ｔ３〜ｔ４の間に、第１触媒５３が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、時刻ｔ４〜ｔ５の間に、第２触媒５４が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように、時刻ｔ３〜ｔ５の間の第１触媒５３の上流の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御される。なお、時刻ｔ４〜ｔ５間の作動を第４モード（Mode=4）における作動と呼ぶ。
【００６４】
本装置は、時刻ｔ４〜ｔ５間において、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3を求めた場合と同様な下記数３及び下記数４により示される計算を行うことで、第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxを最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4として算出・推定する。なお、この場合においても、時刻ｔ４〜ｔ５間で第１触媒上流空燃比は一定の第２リッチ空燃比であるから、時刻ｔ４〜ｔ５までの時間をΔｔ４、第２空燃比をabyfR2、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ４とすれば、最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4は０．２３・ｍｆｒ４・（stoich − abyfR2）・Δｔ４として簡単に求めることもできる。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4を推定する。
【００６５】
【数３】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（stoich − abyfs）
【００６６】
【数４】
ＣＵＦmax4＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ４〜ｔ５）
【００６７】
時刻ｔ５にて、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2がリーンを示す値からリッチを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリーンな前記第１リーン空燃比に制御する。これにより、第１触媒５３にリーンな空燃比のガスが流入する。また、時刻ｔ５の時点においては、第１触媒５３の酸素吸蔵量は「０」となっている。従って、時刻ｔ５以降において、第１触媒５３内の酸素吸蔵量「０」から増大し続け、時刻ｔ６にて最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに達する。この結果、時刻ｔ６にて、第１触媒５３から酸素を含むガスが流出し始め、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。この時刻ｔ５〜ｔ６間の作動を第５モード（Mode=5）における作動と呼ぶ。
【００６８】
本装置は、かかる時刻ｔ５〜ｔ６間においても、以下のようにして第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxを最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5として推定する。即ち、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリーン空燃比を示す値となった時刻ｔ６では、第１触媒５３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに到達したことを意味するから、時刻ｔ５〜ｔ６までの間、下記数５及び下記数６に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともにこれを積算し、同時刻ｔ６での積算値を最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5として推定・算出する。
【００６９】
【数５】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（abyfs − stoich）
【００７０】
【数６】
ＣＳＣmax5＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ５〜ｔ６）
【００７１】
この数５に示したように、所定時間tsample内の噴射量の合計量ｍｆｒに、空燃比Ａ／Ｆの理論空燃比からの偏移（abyfs − stoich）を乗じることで、同所定時間tsampleにおける空気の過剰量が求められ、この空気の過剰量に酸素の重量割合を乗じることで同所定時間tsampleにおける酸素吸蔵量変化量（吸蔵酸素量）ΔO2が求められる。そして、数６に示したように、酸素吸蔵量変化量ΔO2を時刻ｔ５〜ｔ６に渡って積算することで、第１触媒５３の酸素吸蔵量が「０」である状態から酸素を最大限に吸蔵するまでの酸素量、即ち最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5が推定・算出される。
【００７２】
なお、この場合においても、時刻ｔ５〜ｔ６間で第１触媒上流空燃比は一定の第１リーン空燃比であるから、時刻ｔ５〜ｔ６までの時間をΔｔ５、第１リーン空燃比をabyfL1、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ５とすれば、最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5は０．２３・ｍｆｒ５・（abyfL1 − stoich）・Δｔ５として簡単に求めることもできる。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第１リーン空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5を推定する。
【００７３】
時刻ｔ６にて、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリッチを示す値からリーンを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比であって前記第１リーン空燃比よりもリッチな前記第２リーン空燃比に制御する。この場合、第１触媒５３の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに到達している。従って、第１触媒５３からはリーンな空燃比のガスが流出し、これが第２触媒５４内に流入する。一方、時刻ｔ６の時点においては、第２触媒５４の酸素吸蔵量は「０」となっている。従って、時刻ｔ６以降において、第２触媒５４内の酸素吸蔵量は「０」から増大し続け、時刻ｔ７にて最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxに達する。この結果、時刻ｔ７にて、第２触媒５４から酸素を含むガスが流出し始め、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。この時刻ｔ６〜ｔ７間の作動を第６モード（Mode=6）における作動と呼ぶ。
【００７４】
本装置は、かかる時刻ｔ６〜ｔ７間においても、以下のようにして第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxを最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6として推定する。即ち、下記数７及び下記数８に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともに積分し、同時刻ｔ７での積分値を最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6として算出する。
【００７５】
【数７】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（abyfs − stoich）
【００７６】
【数８】
ＣＵＦmax6＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ６〜ｔ７）
【００７７】
なお、この場合においても、時刻ｔ６〜ｔ７間で第１触媒上流空燃比は一定の第２リーン空燃比であるから、時刻ｔ６〜ｔ７までの時間をΔｔ６、第２リーン空燃比をabyfL2、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ６とすれば、最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6は０．２３・ｍｆｒ６・（abyfL2 − stoich）・Δｔ６として簡単に求めることもできる。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第２リーン空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6を推定する。
【００７８】
そして、本装置は、時刻ｔ７にて機関に吸入される混合気の空燃比を理論空燃比に戻すとともに、同時刻ｔ７以降において、第１,第２触媒５３,５４が劣化しているか否かを以下のように判定する。
【００７９】
先ず、第１触媒５３については、上記第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲdnより小さいか否か、上記第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲupより小さいか否か、及び上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3と上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5の平均値である第１触媒５３の平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax（＝(ＣＳＣmax3+ＣＳＣmax5)／２）が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲaveより小さいか否かを判定する。
【００８０】
そして、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲdnより小さいこと、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲupより小さいこと、及び、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲaveより小さいことの、何れかが成立したときに、第１触媒５３が劣化したものと判定する。この場合、上記３つの条件のうち、任意の二つの組み合わせが成立したときに第１触媒５３が劣化したと判定するように構成してもよく、同３つの条件全てが成立したときにのみ第１触媒５３が劣化したと判定するように構成してもよい。
【００８１】
次に、第２触媒５４については、上記第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲdnより小さいか否か、上記第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲupより小さいか否か、及び上記最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4と上記第２最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6の平均値である第２触媒５４の平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax（＝(ＣＵＦmax4+ＣＵＦmax6)／２）が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦRaveより小さいか否かを判定する。
【００８２】
そして、上記最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲdnより小さいこと、上記最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲupより小さいこと、及び、上記平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦRaveより小さいことの、何れかが成立したときに、第２触媒５４が劣化したものと判定する。この場合においても、上記３つの条件のうち、任意の二つの組み合わせが成立したときに第２触媒５４が劣化したと判定するように構成してもよく、同３つの条件全てが成立したときにのみ第２触媒５４が劣化したと判定するように構成してもよい。
【００８３】
更に、本装置は、第１,第２触媒５３,５４を一つの触媒装置とみなしたときに、その触媒装置が劣化したか否かを、下記数９が成立するか否かを判定することにより判定する。
【００８４】
【数９】
ＣＳＣmax＋ＣＵＦmax＞ＣＲave
【００８５】
なお、数９の左辺におけるＣＳＣmaxはＣＳＣmax3又はＣＳＣmax5の何れかに置換してもよく、同数９の左辺におけるＣＵＦmaxはＣＵＦmax4又はＣＵＦmax6の何れかに置換してもよい。右辺のＣＲaveは、第１触媒５３と第２触媒５４を一つの触媒装置と見なしたときに、同触媒装置の劣化を判定するための最大酸素吸蔵量の基準値（触媒全体の劣化判定基準値）である。以上が、本装置による触媒劣化判定方法の概要である。
【００８６】
＜実際の作動＞
次に、上記のように構成された空燃比制御装置（及び、触媒劣化判定装置）の実際の作動について、電気制御装置７０のＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）をフローチャートにより示した図６〜図１７を参照しながら説明する。
【００８７】
（通常の空燃比制御）
ＣＰＵ７１は、図６に示した最終燃料噴射量Ｆｉの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各気筒のクランク角が各吸気上死点前の所定クランク角度（例えば、ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、ＣＰＵ７１はステップ６００から処理を開始してステップ６０５に進み、エアフローメータ６１により計測された吸入空気量ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて、機関の空燃比を理論空燃比とするための基本燃料噴射量Ｆbaseをマップから求める。
【００８８】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ６１０に進み、基本燃料噴射量Ｆbaseに係数Ｋを乗じた値に後述する空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを加えた値を最終燃料噴射量Ｆｉとして設定する。この係数Ｋの値は、通常は「１．００」であり、後述するように、触媒劣化判定を行うために強制的に空燃比を変更するとき、「１．００」以外の所定値に設定される。次いで、ＣＰＵ７１はステップ６１５に進み、同ステップ６１５にて同最終燃料噴射量Ｆｉの燃料を噴射するための指示をインジェクタ３９に対して行う。その後、ＣＰＵ７１はステップ６２０に進み、その時点の燃料噴射量合計量ｍｆｒに最終燃料噴射量Ｆｉを加えた値を、新たな燃料噴射量積算値ｍｆｒに設定する。この燃料噴射量積算値ｍｆｒは、後述する酸素吸蔵量の算出の際に用いられる。その後、ＣＰＵ７１はステップ６９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正された最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
【００８９】
次に、上記空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの算出について説明すると、ＣＰＵ７１は図７に示したルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ７００から処理を開始し、ステップ７０５に進んでフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。空燃比フィードバック制御条件は、例えば、機関の冷却水温THWが第１所定温度以上であり、機関の一回転当りの吸入空気量（負荷）が所定値以下であり、最上流空燃比センサ６６が正常であり、且つ、後述する触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「０」のときに成立する。なお、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮは、後述するように、その値が「１」のとき触媒劣化判定のために強制的に空燃比を変更する空燃比制御を実行していることを示し、その値が「０」のとき同触媒劣化判定のための空燃比制御を実行していないことを示す。
【００９０】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１０に進み、現時点の最上流空燃比センサ６６の出力vabyfsと後述するサブフィードバック制御量vafsfbとの和（vabyfs＋vafsfb）を図３に示したマップに基いて変換することにより、現時点における第１触媒５３の上流側制御用空燃比abyfsを求める。
【００９１】
次に、ＣＰＵ７１はステップ７１５に進み、現時点からＮストローク（Ｎ回の吸気行程）前に吸気行程を迎えた気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を前記求めた上流側制御用空燃比abyfsで除することにより、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求める。値Ｎは、内燃機関の排気量、燃焼室２５から最上流空燃比センサ６６までの距離等により異なる値である。
【００９２】
このように、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求めるために、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を上流側制御用空燃比abyfsで除するのは、燃焼室２５内で燃焼された混合気が最上流空燃比センサ６６に到達するまでには、Ｎストロークに相当する時間を要しているからである。なお、筒内吸入空気量Ｍｃは、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ６１の出力ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて求められ（例えば、エアフローメータ６１の出力ＡＦＭに一次遅れ処理を施した値をエンジン回転速度ＮＥで除することにより求められ）、各吸気行程に対応してＲＡＭ７３内に記憶されている。
【００９３】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ７２０に進み、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を現時点からＮストローク前の時点における目標空燃比abyfr（ｋ−Ｎ）（この例では、理論空燃比）で除することにより、現時点からＮストローク前の目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）を求める。そして、ＣＰＵ７１はステップ７２５に進んで目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）から筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を減じた値を筒内燃料供給量偏差ＤＦｃとして設定する。つまり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは、Ｎストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。次に、ＣＰＵ７１はステップ７３０に進み、下記数１０に基いて空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを求める。
【００９４】
【数１０】
ＤＦｉ＝（Ｇｐ・ＤＦｃ＋Ｇｉ・ＳＤＦｃ）・ＫＦＢ
【００９５】
上記数１０において、Ｇｐは予め設定された比例ゲイン、Ｇｉは予め設定された積分ゲインである。なお、数１０の係数ＫＦＢはエンジン回転速度ＮＥ、及び筒内吸入空気量Ｍｃ等により可変とすることが好適であるが、ここでは「１」としている。また、値ＳＤＦｃは筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値であり、次のステップ７３５にて更新される。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ７３５にてその時点における筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値ＳＤＦｃに上記ステップ７２５にて求めた筒内燃料供給量偏差ＤＦｃを加えて、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値ＳＤＦｃを求め、ステップ７９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【００９６】
以上により、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが比例積分制御により求められ、この空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが前述した図６のステップ６１０、及びステップ６１５により燃料噴射量に反映されるので、Ｎストローク前の燃料供給量の過不足が補償され、空燃比の平均値が目標空燃比abyfrと略一致せしめられる。
【００９７】
一方、ステップ７０５の判定時において、空燃比フィードバック制御条件が不成立であると、ＣＰＵ７１は同ステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７４０に進み、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの値を「０」に設定し、ステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、空燃比フィードバック制御条件が不成立であるとき（触媒劣化判定実行中を含む）は、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを「０」として空燃比（基本燃料噴射量Ｆbase）の補正を行わない。
【００９８】
次に、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に基く空燃比フィードバック制御について説明する。なお、かかる制御はサブフィードバック制御とも呼ばれる。このサブフィードバック制御により、サブフィードバック制御量vafsfbが算出される。
【００９９】
ＣＰＵ７１は、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるために、図８に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ８００から処理を開始し、ステップ８０５に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。サブフィードバック制御条件は、例えば、前述したステップ７０５での空燃比フィードバック制御条件に加え、機関の冷却水温THWが前記第１所定温度よりも高い第２所定温度以上のとき、及び第１触媒下流空燃比センサ６７が正常であるときに成立する。
【０１００】
いま、サブフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８１０に進み、所定の目標値Voxrefから現時点の第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1を減じることにより、出力偏差量ＤＶoxsを求める。この目標値Voxsrefは、第１触媒５３の浄化効率が良好（最良）となるように定められ、ここでは、理論空燃比に対応した値に設定されている。次に、ＣＰＵ７１はステップ８１５に進み、下記数１１に基いてサブフィードバック制御量vafsfbを求める。
【０１０１】
【数１１】
vafsfb＝Ｋｐ・ＤＶoxs＋Ｋｉ・ＳＤＶoxs
【０１０２】
上記数１１において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン、Ｋｉは予め設定された積分ゲインである。また、ＳＤＶoxsは、出力偏差量ＤＶoxsの積分値であって、次のステップ８２０にて更新される値である。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ８２０に進むと、その時点における出力偏差量の積分値ＳＤＶoxsに上記ステップ８１０にて求めた出力偏差量ＤＶoxsを加えて、新たな出力偏差量の積分値ＳＤＶoxsを求め、その後、ステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１０３】
このようにして、サブフィードバック制御量vafsfbが求められ、この値は前述した図７のステップ７１０にて最上流空燃比センサ６６の実際の出力に加えられ、その和（vabyfs + vafsfb）が図３に示したマップに基いて前記上流側制御用空燃比abyfsに変換される。換言すると、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に基いて求められる上流側制御用空燃比abyfsは、最上流空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比に対して、サブフィードバック制御量vafsfbに相当する分だけ異なる空燃比として求められる。
【０１０４】
この結果、前述した図７のステップ７１５にて計算される筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）が第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に応じて変化するので、ステップ７２５，７３０によって空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが同第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に応じて変更せしめられる。これにより、第１触媒５３の下流側の空燃比が目標値Voxsrefに一致するように、機関の空燃比が制御せしめられる。
【０１０５】
例えば、機関の平均的な空燃比がリーンであるために第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりもリーンである空燃比に対応した値を示すと、ステップ８１０にて求められる出力偏差量ＤＶoxsが正の値となるので、ステップ８１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは正の値となる。従って、ステップ７１０にて求められるabyfsは最上流空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリーンな値（より大きな値）として求められる。このため、ステップ７１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は小さい値となり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは大きい値として求められるので、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが大きい正の値となる。これにより、図６のステップ６１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも大きくなって、機関の空燃比がリッチとなるように制御される。
【０１０６】
反対に、機関の平均的な空燃比がリッチであるために第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりもリッチ空燃比に対応した値を示すと、ステップ８１０にて求められる出力偏差量ＤＶoxsが負の値となるので、ステップ８１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは負の値となる。従って、ステップ７１０にて求められるabyfsは最上流空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリッチな値（より小さな値）として求められる。このため、ステップ８１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は大きい値となり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは負の値として求められるので、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが負の値となる。これにより、図７のステップ７１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも小さくなって、機関の空燃比がリーンとなるように制御される。
【０１０７】
（触媒劣化判定のための空燃比制御）
次に、触媒劣化の判定を行うための空燃比制御について説明する。ＣＰＵ７１は図９〜図１５のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【０１０８】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図９のステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進んで触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「０」であるか否かを判定する。いま、触媒劣化判定のための空燃比制御を行っておらず、且つ、触媒劣化判定条件が成立していないとして説明を続けると、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値は「０」となっている。従って、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、先に説明した図６のステップ６１０にて使用される係数Ｋの値を１．００に設定する。
【０１０９】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ９１５にて触媒劣化判定条件が成立しているか否かを判定する。この触媒劣化判定条件は、冷却水温THWが所定温度以上であり、図示しない車速センサにより得られた車速が所定の高車速以上であり、スロットル弁開度TAの単位時間あたりの変化量が所定量以下である、機関が定常運転されている場合に成立する。更に、触媒劣化判定条件に、前回の触媒劣化判定から所定時間以上が経過したこと、前回の触媒劣化判定から車両が所定距離以上運転されたこと、前回の触媒劣化判定から内燃機関１０が所定時間以上運転されたことの任意の一つ、又は一つ以上を触媒劣化判定条件に加えても良い。現段階では、上述したように、触媒劣化判定条件は成立していないから、ＣＰＵ７１はステップ９１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【０１１０】
次に、先に説明した図５の時刻ｔ１のように、その時点では触媒劣化判定のための空燃比制御を行っていないが、触媒劣化判定条件が成立したものとして説明を続けると、この場合、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、同ステップ９１０にて係数Ｋの値を１．００に設定する。次いで、ＣＰＵ７１は、触媒劣化条件が成立しているので、ステップ９１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９２０に進み、同ステップ９２０にて触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値を「１」に設定する。
【０１１１】
そして、ＣＰＵ７１はステップ９２５に進み、第１モードに移行するためにModeの値を「１」に設定するとともに、続くステップ９３０にて係数Ｋの値を０．９８に設定し、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、前述の空燃比フィードバック制御条件が成立しなくなるから、ＣＰＵ７１は図７のステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７４０に進むようになり、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの値は０に設定される。この結果、図６のステップ６１０の実行により、基本燃料噴射量Ｆbaseが０.９８倍された値が最終燃料噴射量Ｆｉとして算出され、この最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が噴射されるので、機関の空燃比は理論空燃比よりもリーンな前記第１リーン空燃比に制御される。
【０１１２】
以降、ＣＰＵ７１は図９のルーチンの処理をステップ９００から繰り返し実行するが、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「１」となっていることから、ステップ９０５にて「Ｎｏ」と判定して直ちにステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了するようになる。
【０１１３】
一方、ＣＰＵ７１は図１０に示した第１モード制御ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングとなると、ＣＰＵ７１はステップ１０００から処理を開始してステップ１００５に進み、Modeの値が「１」であるか否かを判定する。この場合、先の図９のステップ９２５の処理によりModeの値は「１」となっているので、ＣＰＵ７１はステップ１００５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１０に進み、第１触媒下流空燃比センサの出力Voxs1が理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値に変化したか否かを判定する。現時点では、機関の空燃比を第１リーン空燃比に変更した直後であるから、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1は理論空燃比よりもリッチな空燃比を示している。従って、ＣＰＵ７１はステップ１０１０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１０９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【０１１４】
以降、ＣＰＵ７１は図１０のステップ１０００〜１０１０を繰り返し実行する。また、空燃比は第１リーン空燃比に維持されているから、所定の時間が経過すると図５の時刻ｔ２のように第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。これにより、ＣＰＵ７１はステップ１０１０に進んだとき、同ステップ１０１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１５に進み、Modeの値を「２」に設定するとともに、続くステップ１０２０にて係数Ｋの値を０．９９に設定し、その後ステップ１０９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【０１１５】
この結果、図６のステップ６１０の実行により、基本燃料噴射量Ｆbaseが０.９９倍された値が最終燃料噴射量Ｆｉとして算出され、この最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が噴射されるので、機関の空燃比は理論空燃比よりもリーンであって、前記第１リーン空燃比よりもリッチである前記第２リーン空燃比に制御される。
【０１１６】
ＣＰＵ７１は、第２モード（Mode=2）となると、以降、同様なモード制御を実行し、モードを第３モードから第４，第５，第６モードへと順次切換えるとともに、各モードに応じた制御を実行して行く。簡単に説明すると、図１１にそのルーチンをフローチャートにより示した第２モードにおいては、ステップ１１０５にてModeの値が「２」であるか否かを判定し、Modeの値が「２」であればステップ１１０５からステップ１１１０に進み、同ステップ１１１０にて第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１１７】
そして、図５の時刻ｔ３に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１１１５に進んで第３モードに移行すべくModeの値を「３」に設定し、続くステップ１１２０にて係数Ｋの値を１．０２に設定する。この結果、機関の空燃比が理論空燃比よりリッチな前記第１リッチ空燃比に制御される。
【０１１８】
同様に、図１２にそのルーチンをフローチャートにより示した第３モードにおいては、ステップ１２０５にてModeの値が「３」であるか否かを判定し、Modeの値が「３」であればステップ１２０５からステップ１２１０に進み、同ステップ１２１０にて第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１１９】
そして、図５の時刻ｔ４に示したように、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１２１０からステップ１２１５に進んで第４モードに移行すべくModeの値を「４」に設定し、続くステップ１２２０にて係数Ｋの値を１．０１に設定する。この結果、機関の空燃比が、理論空燃比よりリッチであるが前記第１リッチ空燃比よりもリーンな前記第２リッチ空燃比に制御される。
【０１２０】
同様に、図１３にそのルーチンをフローチャートにより示した第４モードにおいては、ステップ１３０５にてModeの値が「４」であるか否かを判定し、Modeの値が「４」であればステップ１３０５からステップ１３１０に進み、同ステップ１３１０にて第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１２１】
そして、図５の時刻ｔ５に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１３１０からステップ１３１５に進んで第５モードに移行すべくModeの値を「５」に設定し、続くステップ１３２０にて係数Ｋの値を０．９８に設定する。この結果、機関の空燃比が、前記第１リーン空燃比に制御される。
【０１２２】
同様に、図１４にそのルーチンをフローチャートにより示した第５モードにおいては、ステップ１４０５にてModeの値が「５」であるか否かを判定し、Modeの値が「５」であればステップ１４０５からステップ１４１０に進み、同ステップ１４１０にて第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１２３】
そして、図５の時刻ｔ６に示したように、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１４１０からステップ１４１５に進んで第６モードに移行すべくModeの値を「６」に設定し、続くステップ１４２０にて係数Ｋの値を０．９９に設定する。この結果、機関の空燃比が、前記第２リーン空燃比に制御される。
【０１２４】
また、図１５にそのルーチンをフローチャートにより示した第６モードにおいては、ステップ１５０５にてModeの値が「６」であるか否かを判定し、Modeの値が「６」であればステップ１５０５からステップ１５１０に進み、同ステップ１５１０にて第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１２５】
そして、図５の時刻ｔ７に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１５１０からステップ１５１５に進み、Modeの値を「０」に再設定し、続くステップ１５２０にて触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値を「０」に設定した後、ステップ１５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、ＣＰＵ７１は図９のルーチンを実行する際、ステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進むので、係数Ｋの値が１．００に戻される。また、他の空燃比フィードバック制御条件、及び他のサブフィードバック制御条件が成立していれば、ＣＰＵ７１はステップ７０５、及びステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定するから、空燃比フィードバック制御、及びサブフィードバック制御が再開される。
【０１２６】
以上、説明したように、触媒劣化判定条件が成立すると、機関の空燃比が第１リーン空燃比、第２リーン空燃比、第１リッチ空燃比、第２リッチ空燃比、第１リーン空燃比、及び第２リーン空燃比の順に強制的に制御される。
【０１２７】
（酸素吸蔵量の推定と触媒劣化判定）
次に、触媒劣化の判定を行うための最大酸素吸蔵量の推定、及び推定された最大酸素吸蔵量に基く触媒劣化の判定における作動について説明する。ＣＰＵ７１は図１６，１７のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【０１２８】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１６のステップ１６００から処理を開始し、ステップ１６０５に進んで下記数１２により酸素吸蔵量変化量ΔO2を求める。
【０１２９】
【数１２】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（abyfs − stoich）
【０１３０】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１６１０に進んでModeの値が「３」であるか否かを判定し、Modeの値が「３」であれば同ステップ１６１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１６１５に進む。そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１６１５にてその時点の第３モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ３に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ３として設定し、その後ステップ１６５０に進む。なお、酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えることとしたのは、上記数１と上記数１２との比較から明らかなように、数１２によれば第３モードにおける酸素吸蔵量変化量ΔO2が負の値として算出されるからである。
【０１３１】
このような処置（ステップ１６００〜１６１５）は、Modeの値が「３」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第１リッチ空燃比とされる第３モード（Mode=3）において、第１触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡ３が算出されて行く。なお、ステップ１６１０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６１０からステップ１６２０に直接進む。
【０１３２】
ＣＰＵ７１は、ステップ１６２０に進んだ場合、Modeの値が「４」であるか否かを判定し、Modeの値が「４」であれば同ステップ１６２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１６２５に進む。そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１６２５にてその時点の第４モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ４に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ４として設定し、その後ステップ１６５０に進む。なお、酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えることとしたのは、上記数３と上記数１２との比較から明らかなように、数１２によれば第４モードにおける酸素吸蔵量変化量ΔO2が負の値として算出されるからである。
【０１３３】
このような処置（ステップ１６００，１６０５，１６１０，１６２０，１６２５）は、Modeの値が「４」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第２リッチ空燃比とされる第４モード（Mode=4）において、第２触媒５４の酸素吸蔵量ＯＳＡ４が算出されて行く。なお、ステップ１６２０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６２０からステップ１６３０に直接進む。
【０１３４】
同様に、ＣＰＵ７１はステップ１６３０に進んだ場合、Modeの値が「５」であるか否かを判定し、Modeの値が「５」であればステップ１６３５に進み、その時点の第５モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ５に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ５として設定し、その後ステップ１６５０に進む。
【０１３５】
このような処置（ステップ１６００，１６０５，１６１０，１６２０，１６３０,１６３５）は、Modeの値が「５」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第１リーン空燃比とされる第５モード（Mode=5）において、第１触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡ５が算出されて行く。なお、ステップ１６３０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６３０からステップ１６４０に直接進む。
【０１３６】
同様に、ＣＰＵ７１はステップ１６４０に進んだ場合、Modeの値が「６」であるか否かを判定し、Modeの値が「６」であればステップ１６４５に進み、その時点の第６モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ６に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ６として設定し、その後ステップ１６５０に進む。
【０１３７】
このような処置（ステップ１６００，１６０５，１６１０，１６２０，１６３０,１６４０,１６４５）は、Modeの値が「６」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第２リーン空燃比とされる第６モード（Mode=6）において、第２触媒５４の酸素吸蔵量ＯＳＡ６が算出されて行く。なお、ステップ１６４０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６４０からステップ１６５０に直接進む。
【０１３８】
そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１６５０に進むと、同ステップ１６５０にて燃料噴射量Ｆｉの合計量ｍｆｒを「０」に設定し、その後ステップ１６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１３９】
また、ＣＰＵ７１は図１７に示した触媒劣化判定のためのルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１７００から処理を開始し、ステップ１７０５に進んで触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「１」から「０」に変化したか否かをモニタする。このとき、第６モードが終了して、先に説明した図１５のステップ１５２０にて触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「０」に変更されると、ＣＰＵ７１はステップ１７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１７１０に進む。なお、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が変化していなければ、ＣＰＵ７１はステップ１７０５からステップ１７９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１４０】
いま、第６モードが終了した直後であるとすると、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「１」から「０」に変更された直後であるから、ＣＰＵ７１はステップ１７０５からステップ１７１０に進み、その時点の酸素吸蔵量ＯＳＡ３，ＯＳＡ４，ＯＳＡ５、及びＯＳＡ６を、最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3（第１触媒第１最大酸素吸蔵量），ＣＵＦmax4（第２触媒第１最大酸素吸蔵量），ＣＳＣmax5（第１触媒第２最大酸素吸蔵量）、及びＣＵＦmax6（第２触媒第２最大酸素吸蔵量）として格納する。次いで、ＣＰＵ７１はステップ１７１５に進み、同ステップ１７１５にて最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3と最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5の平均値を、第１触媒５３の平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxとして格納する。
【０１４１】
次に、ＣＰＵ７１はステップ１７２０に進んで平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲave以下か否かを判定し、平均最大酸素吸蔵量平均値ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲave以下であるとき、ステップ１７２５にて第１触媒劣化判定結果フラグＸＳＣＲの値を「１」に設定し、これにより第１触媒５３が劣化したことを示す。他方、ステップ１７２０の判定において、平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲaveより大きいとき、ＣＰＵ７１はステップ１７３０に進んで第１触媒劣化判定結果フラグＸＳＣＲの値を「０」に設定し、これにより第１触媒５３が劣化していないことを示す。
【０１４２】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１７３５に進み、最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4と最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6の平均値を第２触媒５４の平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxとして格納し、続くステップ１７４０にて平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲave以下か否かを判定する。そして、平均触媒最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲave以下であるとき、ＣＰＵ７１はステップ１７４５にて第２触媒劣化判定結果フラグＸＵＦＲの値を「１」に設定し、これにより第２触媒５４が劣化したことを示す。他方、ステップ１７４０の判定において、平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲaveより大きいとき、ＣＰＵ７１はステップ１７５０に進んで第２触媒劣化判定結果フラグＸＵＦＲの値を「０」に設定し、これにより第２触媒５４が劣化していないことを示す。
【０１４３】
次に、ＣＰＵ７１はステップ１７５５に進んで第１触媒５３の最大酸素吸蔵量に関する値である平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxと第２触媒５４の最大酸素吸蔵量に関する値である平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxとの和が触媒全体劣化判定基準値ＣＲave以下か否かを判定する。そして、ＣＰＵ７１は、前記和が触媒全体劣化判定基準値ＣＲave以下であるとき、ステップ１７６０にて触媒全体判定結果フラグＸＡＬＬＲの値を「１」に設定し、これにより第１触媒５３及び第２触媒５４が全体として劣化したことを示す。他方、ステップ１７５５の判定において、前記和が触媒全体劣化判定基準値ＣＲaveより大きいとき、ＣＰＵ７１はステップ１７６５に進んで触媒全体判定結果フラグＸＡＬＬＲの値を「０」に設定し、これにより第１触媒５３及び第２触媒５４が全体としては劣化していないことを示す。
【０１４４】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１７７０に進み、酸素吸蔵量ＯＳＡ３，ＯＳＡ４，ＯＳＡ５、及びＯＳＡ６の各々の値を総べて「０」に設定し、ステップ１７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このようにして、第１，第２触媒５３，５４の各最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax，ＣＵＦmax、及びそれらの和がそれぞれ対応する基準値より小さいか否かが判定され、対応する基準値より小さいとき、対応する触媒が劣化したものと判定される。
【０１４５】
以上、説明したように、本発明による触媒劣化判定装置の触媒劣化判定方法によれば、第１触媒５３、及び第２触媒５４の下流に、それぞれ第１触媒下流空燃比センサ６７、及び第２触媒下流空燃比センサ６８を配置したので、各触媒の酸素吸蔵量が「０」となったとき、及び最大酸素吸蔵量となったときを確実に検出することができ、その結果、第１触媒５３、及び第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax，ＣＵＦmaxを精度良く求めることができる。従って、第１触媒５３、及び第２触媒５４が劣化しているか否かを独立して精度よく判定することができる。また、第１触媒５３、及び第２触媒５４を一つの触媒装置として見たとき、その触媒装置全体が劣化したか否かを判定することもできる。
【０１４６】
また、触媒劣化判定実行中において、第１リーン空燃比の混合気によって第１触媒５３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達した後においては、第１リーン空燃比よりもリッチ側の第２リーン空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入するようにした（図５の時刻ｔ２〜ｔ３、及びｔ６〜ｔ７を参照。）。
【０１４７】
このように第２リーン空燃比を第１リーン空燃比よりもリッチ側（理論空燃比に近い側）の空燃比とするのは次の理由による。第２リーン空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入することで第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値から理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値となったとき（図５の時刻ｔ３及びｔ７を参照。）、内燃機関１０の排気ポート３４から第２触媒下流空燃比センサ６８までの排気通路５１，５２及び触媒５３，５４により形成される空間内に第２リーン空燃比のガスが充填されているので、第２リーン空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリーン空燃比（例えば、第１リーン空燃比と同一の空燃比）であるとすると、この充填されたガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘ量が多く、同第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後において窒素酸化物ＮＯｘが大量に大気中に排出されてしまう。これに対し、上記実施形態のように、第２リーン空燃比を第１リーン空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比とすることにより、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時において、前記空間中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘ量を相対的に低減でき、従って、その後において、窒素酸化物ＮＯｘが大量に排出されることを回避できる。
【０１４８】
また、第１リーン空燃比は第２リーン空燃比よりもリーン側に設定されているから、第１触媒５３の酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量に到達させるまでの期間（図５の時刻ｔ１〜ｔ２、及びｔ５〜ｔ６）を相対的に短くすることができ、最大酸素吸蔵量を算出するための期間（図５の時刻ｔ１〜ｔ７）も相対的に短くできる。
【０１４９】
同様に、触媒劣化判定実行中において、第１リッチ空燃比の混合気によって第１触媒５３の酸素吸蔵量が「０」になった後においては、第１リッチ空燃比よりもリーン側の第２リッチ空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入するようにした（図５の時刻ｔ４〜ｔ５を参照。）。
【０１５０】
このように第２リッチ空燃比を第１リッチ空燃比よりもリーン側（理論空燃比に近い側）の空燃比とするのは次の理由による。第２リッチ空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入することで第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値から理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値となったとき（図５の時刻ｔ５を参照。）、内燃機関１０の排気ポート３４から第２触媒下流空燃比センサ６８までの排気通路５１，５２及び触媒５３，５４により形成される空間内に第２リッチ空燃比のガスが充填されているので、第２リッチ空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリッチ空燃比（例えば、第１リッチ空燃比と同一の空燃比）であるとすると、この充填されたガスに含まれる未燃ＣＯ，ＨＣの量が多く、同第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後において未燃ＣＯ，ＨＣが大量に大気中に排出されてしまう。これに対し、上記実施形態のように、第２リッチ空燃比を第１リッチ空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比とすることにより、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時において、前記空間中に含まれる未燃ＣＯ，ＨＣ量を相対的に低減でき、従って、その後において、未燃ＣＯ，ＨＣが大量に排出されることを回避できる。
【０１５１】
また、第１リッチ空燃比は第２リッチ空燃比よりもリッチ側に設定されているから、第１触媒５３の酸素吸蔵量を消費して「０」に到達させるまでの期間（図５の時刻ｔ３〜ｔ４）を相対的に短くすることができ、最大酸素吸蔵量を算出するための期間（図５の時刻ｔ１〜ｔ７）を相対的に短くできる。
【０１５２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、各触媒の最大酸素吸蔵量の算出方法は、各触媒内における反応を記述した式に基いて求めるようにすることもできる。また。上記第１リッチ空燃比、上記第２リッチ空燃比、上記第１リーン空燃比、及び上記第２リーン空燃比は、一定としていたが可変としてもよい。その場合、第２リッチ空燃比は第１リッチ空燃比よりリーンであることが好適であり、第２リーン空燃比は第１リーン空燃比よりリッチであることが好適である。更に、上記第１リッチ空燃比と上記第２リッチ空燃比は等しいリッチ空燃比であってもよい。また、上記第１リーン空燃比と上記第２リーン空燃比は、等しいリーン空燃比であってもよい。
【０１５３】
また、上記実施形態においては、触媒劣化判定条件が成立したときに、その時点の第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2に拘らず第１触媒上流空燃比を第１リーン空燃比に設定していたが、触媒劣化判定条件成立時における第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2に応じて、酸素吸蔵量推定のために最初に設定される第１触媒上流空燃比を異なる空燃比に設定することが、エミッションを低減する上で好ましい。
【０１５４】
具体的に述べると、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2が共にリッチな空燃比であることを示している場合には、上記実施形態のとおり、第１モードから第１触媒上流空燃比の制御を始める。即ち、第１触媒上流空燃比を第１リーン空燃比とする。
【０１５５】
一方、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1がリーン、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリッチであることを示している場合、第１触媒上流空燃比を第２リーン空燃比とする第２モードから制御を開始する。
【０１５６】
また、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2が共にリーンな空燃比であることを示している場合には、第１触媒上流空燃比を第１リッチ空燃比とする第３モードから制御を開始する。この場合、最初の第３モード，第４モードにおいて推定される最大酸素吸蔵量は正確ではないので、同最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定には使用せず、第６モードの終了後に再度第３モード，第４モードを順に実行して各モードで各最大酸素吸蔵量を測定し、それらの最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定に使用することが好ましい。なお、この場合、最初の第５モードで得られる第１触媒５３の最大酸素吸蔵量は第１触媒第１最大酸素吸蔵量、次の第６モードで得られる第２触媒５４の最大酸素吸蔵量は第２触媒第１最大酸素吸蔵量、次の第３モードで得られる第１触媒５３の最大酸素吸蔵量は第１触媒第２最大酸素吸蔵量、次の第４モードで得られる第２触媒５４の最大酸素吸蔵量は第２触媒第２最大酸素吸蔵量に相当する。
【０１５７】
そして、第１触媒第１最大酸素吸蔵量と第１触媒第２最大酸素吸蔵量とに基づいて（例えば、それらの平均値に基づいて）、第１触媒５３が劣化しているか否かを判定し、第２触媒第１最大酸素吸蔵量と第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基づいて（例えば、それらの平均値に基づいて）、第２触媒５４が劣化しているか否かを判定してもよい。また、これら４つの最大酸素吸蔵量（の平均値）に基づいて、第１触媒５３と第２触媒５４とを一つの触媒装置とみなしたときの、同触媒装置が劣化しているか否かを判定してもよい。
【０１５８】
更に、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1がリッチ、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリーンであることを示している場合、第１触媒上流空燃比を第２リッチ空燃比とする第４モードから制御を開始する。この場合、最初の第４モードにおいて推定される最大酸素吸蔵量は正確ではないので同最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定には利用しないように構成する。そして、第５、第６モードの実行後に第３、第４モードを実行し、これらのモードにおいて推定された最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定に使用するように構成することが好適である。なお、この場合（触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1がリッチ、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリーンであることを示している場合）には、ＮＯｘの排出量を低減するため、第１リッチ空燃比から制御を開始し、第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリーンからリッチを示す値に反転した時点から、上記第５、６、３、４モードを順に実行して最大酸素吸蔵量を求めるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による触媒劣化判定方法を実行する空燃比制御装置（触媒劣化判定装置）を搭載した内燃機関の概略図である。
【図２】 図１に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気量との関係を示したマップである。
【図３】 図１に示した最上流空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図４】 図１に示した第１触媒下流空燃比センサ、及び第２触媒下流空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図５】 図１に示した触媒劣化判定装置が触媒劣化判定を実行する際の制御される第１触媒上流の空燃比、各空燃比センサの出力、各触媒の酸素吸蔵量の変化を示したタイムチャートである。
【図６】 図１に示したＣＰＵが実行する燃料噴射量計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図７】 図１に示したＣＰＵが実行する空燃比フィードバック補正量を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図８】 図１に示したＣＰＵが実行するサブフィードバック制御量を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図９】 図１に示したＣＰＵが実行する触媒劣化判定を開始するか否かを決定するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１０】 図１に示したＣＰＵが実行する第１モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】 図１に示したＣＰＵが実行する第２モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１２】 図１に示したＣＰＵが実行する第３モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１３】 図１に示したＣＰＵが実行する第４モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１４】 図１に示したＣＰＵが実行する第５モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１５】 図１に示したＣＰＵが実行する第６モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１６】 図１に示したＣＰＵが実行する酸素吸蔵量を算出するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１７】 図１に示したＣＰＵが実行する触媒劣化判定を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３９…インジェクタ、５２…エキゾーストパイプ（排気管）、５３…三元触媒（第１触媒、前段触媒）、５４…三元触媒（第２触媒、後段触媒）、６６…最上流空燃比センサ、６７…第１触媒下流空燃比センサ、６８…第２触媒下流空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に配設された触媒が劣化したか否かを判定するための触媒劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒（本明細書においては、単に「触媒」と云うこともある。）が、同機関の排気通路に配設されている。この触媒は、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ2ストレージ機能（酸素貯蔵機能、酸素吸蔵機能）を有していて、流入するガスの空燃比がリッチである場合には貯蔵している酸素によりＨＣ,ＣＯ等の未燃成分を酸化するとともに、流入するガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して同ＮＯｘから奪った酸素を内部に貯蔵する。これにより、三元触媒は、機関の空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、未燃成分や窒素酸化物を浄化することができる。従って、三元触媒が貯蔵し得る酸素量（以下、「酸素吸蔵量」と称呼する。）の最大値（以下、「最大酸素吸蔵量」と称呼する。）が大きいほど、三元触媒の浄化能力は高くなる。
【０００３】
一方、触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化し、触媒の劣化が進行するほど最大酸素吸蔵量は低下する。従って、触媒の最大酸素吸蔵量が推定できれば、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒が劣化したか否かを判定することができる。
【０００４】
特開平５−１３３２６４号公報の触媒劣化度検出装置は、このような知見に基いてなされたものであって、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比からリーン空燃比（又は、その逆）に強制的に変化させ、その際における触媒下流に配置した空燃比センサの出力の変化に基いて同触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒の劣化度を検出するようになっている。
【０００５】
より具体的に述べると、上記開示された装置は、触媒上流の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御して触媒の酸素吸蔵量を「０」にしておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以上となって触媒下流の空燃比センサの出力がリーンへと変化するまでの時間と同触媒に単位時間当りに流入した酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。或いは、触媒上流の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御して酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量としておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が「０」となって触媒下流の空燃比センサの出力がリッチへと変化するまでの時間と同触媒内で単位時間当りに放出（消費）された酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。即ち、この装置は、触媒下流の空燃比センサの出力変化と、前記所定のリッチ空燃比、又は前記所定のリーン空燃比とを少なくとも利用して最大酸素吸蔵量を求めるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の始動直後の排気ガスを浄化するとするとともに、完全暖機後の排気浄化性能を一層向上するため、機関の排気通路にスタート・コンバータと云われる比較的小容量の第１触媒を配設するともに、第１触媒よりも下流の排気通路にアンダ・フロア・コンバータと云われる比較的容量の大きい第２触媒を配設する構成が採用されることがある。この場合、第１触媒は第２触媒に比べて機関の排気ポートに近い位置に配設され、温度の高い排気ガスが流入するから、始動から短期間内に暖機されて良好な排気浄化機能を発揮する。一方、第２触媒は、第１触媒よりも暖機に要する時間が長いが、その容量が大きいことから、一旦暖機した後においては優れた排気浄化機能を発揮する。
【０００７】
しかしながら、上記公報に開示された従来の技術は、触媒下流に一つの空燃比センサのみを備える構成をとっているから、同空燃比センサを第１触媒と第２触媒との間に配設した場合には第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定できず、第２触媒の劣化判定を行うことができないという問題がある。また、空燃比センサを第２触媒の下流に配設した場合には、第１触媒と第２触媒とを一つの触媒とみなすことによる触媒劣化判定は理論的には可能であるが、第１触媒が劣化した時点を特定することが困難である。
【０００８】
従って、本発明の目的の一つは、第１触媒、及び第２触媒の各々が劣化したか否かを判定することが可能な触媒劣化判定方法を提供することにある。また、本発明の目的の他の一つは、触媒劣化判定時（触媒劣化度検出時、最大酸素吸蔵量計測時）においても、エミッションを極力悪化させない触媒劣化判定方法（触媒劣化度検出方法）を提供することにある。
【０００９】
【本発明の概要】
上記目的を達成するため、本発明の触媒劣化判定方法においては、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒よりも下流に第１触媒下流空燃比センサを配置し、前記第１触媒下流空燃比センサの下流に配設された第２触媒よりも下流に第２触媒下流空燃比センサを配置する構成を前提とし、先ず、前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御する。
【００１０】
次いで、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第１リッチ空燃比のガスにより放出（消費）される酸素量に基いて第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００１１】
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第２リッチ空燃比のガスにより放出（消費）される酸素量に基いて第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００１２】
そして、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第２触媒が劣化しているか否かを判定する。
【００１３】
これによれば、第１触媒が吸蔵している酸素を消費し尽くした時点を第１触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第１触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定することができ、第１触媒が劣化したことを確実に判定することができる。また、第２触媒が吸蔵している酸素を消費し尽くした時点を第２触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第２触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定することができ、第２触媒が劣化したことを確実に判定することができる。
【００１４】
ところで、上記触媒劣化判定方法によれば、第１リッチ空燃比の混合気によって第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示した後においても、第２リッチ空燃比の混合気が第１触媒、従って、第２触媒に供給される。そして、この第２リッチ空燃比の混合気の供給は、第２触媒の酸素吸蔵量が「０」になって第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点（以下、この時点のことを、単に「第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時」とも称呼する。）まで継続される。
【００１５】
この場合、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時にて第２触媒の最大酸素吸蔵量は推定されるから、もはや第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に維持する必要はない。また、この第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時の直後において、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に維持すると、第１触媒及び第２触媒の酸素吸蔵量は「０」となっているから、未燃のＣＯ，ＨＣが大量に排出されてしまう。従って、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転後においては、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比とするか、或いは、再度、最大酸素吸蔵量を推定する必要があるなどの場合、同第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーン側の空燃比とすることが好適である。
【００１６】
しかしながら、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時には、内燃機関の排気ポートから第２触媒下流空燃比センサまでの排気通路及び触媒が形成する空間内に第２リッチ空燃比のガスが充填されているので、第２リッチ空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリッチ空燃比であるとすると、この充填されたガスに含まれる未燃ＣＯ，ＨＣの量が多く、この結果、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転後における第１触媒上流の空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリーンな空燃比としても、同第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後において未燃ＣＯ，ＨＣが大量に大気中に排出されてしまう。
【００１７】
これに対し、第１リッチ空燃比を予め理論空燃比に近いリッチ空燃比とし、且つ第１リッチ空燃比と第２リッチ空燃比とを同一の空燃比として設定すれば、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後において大気中に排出される未燃ＣＯ，ＨＣの量を低減できるが、これでは、第１触媒上流の空燃比を第１リッチ空燃比に制御し始めてから第１触媒下流空燃比センサ出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点までの時間（即ち、第１触媒の最大酸素吸蔵量を算出するための期間）が長くなってしまうという問題がある。
【００１８】
従って、上記本発明の触媒劣化判定方法にあっては、前記第２リッチ空燃比が、前記第１リッチ空燃比よりもリーンな空燃比（即ち、理論空燃比よりもリッチな空燃比ではあるが、第１リッチ空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）に設定されることが好適である。
【００１９】
これによれば、第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示した時点で、前述した排気通路及び触媒の空間に充填されているガス中の未燃ＣＯ，ＨＣの量が少なくなるから、同第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後における未燃ＣＯ，ＨＣの排出量が低減され得るとともに、第１リッチ空燃比は第２リッチ空燃比よりもリッチ側の空燃比となるから、第１触媒の最大酸素吸蔵量の算出期間（従って、第１触媒及び第２触媒の最大酸素吸蔵量算出期間）が比較的短縮され得る。
【００２０】
本発明の他の触媒劣化判定方法においては、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒よりも下流に第１触媒下流空燃比センサを配置し、前記第１触媒下流空燃比センサの下流に配設された第２触媒よりも下流に第２触媒下流空燃比センサを配置する構成を前提とし、先ず、前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する。
【００２１】
次いで、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第１リーン空燃比のガス中の酸素量に基いて第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００２２】
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。つまり、第２リーン空燃比のガス中の酸素量に基いて第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。
【００２３】
そして、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第２触媒が劣化しているか否かを判定する。
【００２４】
これによれば、第１触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達した時点を第１触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第１触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定でき、第１触媒が劣化したことを確実に判定することができる。また、第２触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達した時点を第２触媒下流空燃比センサの出力変化により確実に検知できるので、第２触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く推定でき、第２触媒が劣化したことを確実に判定することができる。
【００２５】
ところで、上記触媒劣化判定方法によれば、第１リーン空燃比の混合気によって第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示した後においても、第２リーン空燃比の混合気が第１触媒、従って、第２触媒に供給される。そして、この第２リーン空燃比の混合気の供給は、第２触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達し第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点（以下、この時点のことを、単に「第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時」とも称呼する。）まで継続される。
【００２６】
この場合、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時にて第２触媒の最大酸素吸蔵量は推定されるから、もはや第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に維持する必要はない。また、この第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時の直後において、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に維持すると、第１触媒及び第２触媒の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量となっているから、窒素酸化物ＮＯｘが大量に排出されてしまう。従って、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転後においては、第１触媒上流の空燃比を理論空燃比とするか、或いは、再度、最大酸素吸蔵量を推定する必要があるなどの場合、同第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の空燃比とすることが好適である。
【００２７】
しかしながら、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時には、内燃機関の排気ポートから第２触媒下流空燃比センサまでの排気通路及び触媒が形成する空間内に第２リーン空燃比のガスが充填されているので、第２リーン空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリーン空燃比であるとすると、この充填されたガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘ量が多く、この結果、同第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後において窒素酸化物ＮＯｘが大量に大気中に排出されてしまう。
【００２８】
これに対し、第１リーン空燃比を予め理論空燃比に近いリーン空燃比とし、且つ第１リーン空燃比と第２リーン空燃比とを同一の空燃比として設定すれば、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後において大気中に排出される窒素酸化物ＮＯｘ量を低減できるが、これでは、第１触媒上流の空燃比を第１リーン空燃比に制御し始めてから第１触媒下流空燃比センサ出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点までの時間（即ち、第１触媒の最大酸素吸蔵量を算出するための期間）が長くなってしまうという問題がある。
【００２９】
従って、上記本発明の触媒劣化判定方法にあっては、前記第２リーン空燃比が、前記第１リーン空燃比よりもリッチな空燃比（即ち、理論空燃比よりもリーンな空燃比ではあるが、第１リーン空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）に設定されることが好適である。
【００３０】
これによれば、第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示した時点で、前述した排気通路及び触媒の空間に充填されているガス中の窒素酸化物ＮＯｘの量が少なくなるから、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後における窒素酸化物ＮＯｘの排出量が低減され得るとともに、第１リーン空燃比は第２リーン空燃比よりもリーン側の空燃比となるから、第１触媒の最大酸素吸蔵量の算出期間（従って、第１触媒及び第２触媒の最大酸素吸蔵量算出期間）が比較的短縮され得る。
【００３１】
なお、本発明においては、上記のように推定された第１触媒の最大酸素吸蔵量に関する値と第２触媒の最大酸素吸蔵量に関する値との和が所定の劣化判定基準値以下か否かに基いて、第１触媒と第２触媒とを一つの触媒装置とみなしたときの同触媒装置が劣化しているか否かを判定するように構成してもよい。
【００３２】
即ち、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値と前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値とに基いて同第１触媒及び同第２触媒からなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法が提供され得る。
【００３３】
同様に、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値と前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に応じた値とに基いて同第１触媒及び同第２触媒からなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法が提供され得る。
【００３４】
また、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、（１）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第２触媒が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、又は（２）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量、前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量、及び前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量に基いて前記第１触媒と前記第２触媒とからなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、を提供することもできる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第１最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を第１触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を第２触媒第２最大酸素吸蔵量として推定し、（１）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量と前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第２触媒が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、又は（２）前記第１触媒第１最大酸素吸蔵量、前記第１触媒第２最大酸素吸蔵量、前記第２触媒第１最大酸素吸蔵量、及び前記第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基いて前記第１触媒及び前記第２触媒からなる触媒装置が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法、を提供することもできる。
【００３６】
なお、これらの各場合にも、前記第２リッチ空燃比は、前記第１リッチ空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記第２リーン空燃比は、前記第１リーン空燃比よりもリッチな空燃比であることが、エミッションを抑制するために好適であるが、これに限定されない。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による触媒劣化判定方法の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る触媒劣化判定方法を実施する空燃比制御装置（触媒劣化判定装置）を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。
【００３８】
この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００３９】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。
【００４０】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）３９を備えている。
【００４１】
吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し同吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、スロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａ、スワールコントロールバルブ（以下、「ＳＣＶ」と称呼する。）４４、及びＤＣモータからなるＳＣＶアクチュエータ４４ａを備えている。
【００４２】
排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設（介装）された上流側の第１触媒（上流側三元触媒、又はスタート・コンバータとも云う。）５３、及び第１触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設（介装）された第２触媒（下流側三元触媒、又は、車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・コンバータとも云う。）５４を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。
【００４３】
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、第１触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６６（以下、「最上流空燃比センサ」と称呼する。）、第１触媒５３の下流であって第２触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７（以下、「第１触媒下流空燃比センサ６７」と称呼する。）、第２触媒５４の下流の排気通路に配設された空燃比センサ６８（以下、「第２触媒下流空燃比センサ６８」と称呼する。）、及びアクセル開度センサ６９を備えている。
【００４４】
熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ６１の出力Vgと、計測された吸入空気量（流量）ＡＦＭとの関係は、図２に示したとおりである。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度ＮＥを表す。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【００４５】
最上流空燃比センサ６６は、図３に示したように、空燃比Ａ／Ｆに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfsを出力するようになっている。図３から明らかなように、最上流空燃比センサ６６によれば、広範囲にわたる空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出することができる。第１触媒下流空燃比センサ６７、及び第２触媒下流空燃比センサ６８は、図４に示したように、理論空燃比において急変する電圧Voxs1,Voxs2をそれぞれ出力するようになっている。より具体的に述べると、第１,第２触媒下流空燃比センサ６７,６８は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略０．１（Ｖ）、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略０．９（Ｖ）、及び空燃比が理論空燃比のときは略０．５（Ｖ）の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ６９は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、同アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００４６】
更に、このシステムは電気制御装置７０を備えている。電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、及びＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６９と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６９からの信号を供給するとともに、同ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、インジェクタ３９、スロットル弁アクチュエータ４３ａ、及びＳＣＶアクチュエータ４４ａに駆動信号を送出するようになっている。
【００４７】
（触媒劣化判定の原理）
ところで、第１，第２触媒５３，５４等の三元触媒は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分（ＨＣ,ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を有する。更に、三元触媒は、酸素貯蔵機能を有し、この酸素貯蔵機能により空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ,ＣＯ、及びＮＯｘを浄化することができる。即ち、機関の空燃比がリーンとなって三元触媒に流入するガスにＮＯｘが多量に含まれると、三元触媒はＮＯｘから酸素分子を奪ってＮＯｘを還元してＮＯｘを浄化するとともに、その酸素を吸蔵する。また、機関の空燃比がリッチになって三元触媒に流入するガスにＨＣ,ＣＯが多量に含まれると、三元触媒はこれらに吸蔵していた酸素を与えて酸化し、これによりＨＣ,ＣＯを浄化する。
【００４８】
従って、三元触媒が連続的に流入する多量のＨＣ,ＣＯを効率的に浄化するためには、同三元触媒が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に連続的に流入する多量のＮＯｘを効率的に浄化するためには、三元触媒が酸素を十分に貯蔵し得る状態になければならないことになる。
【００４９】
以上のことから明らかなように、三元触媒の浄化能力は、その三元触媒が貯蔵（吸蔵）し得る最大の酸素量（最大酸素吸蔵量）に依存する。ところが、三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化するから、次第に最大酸素吸蔵量が低下してくる。換言すると、第１,第２触媒５３,５４の各々の最大酸素吸蔵量を推定することができれば、同第１,第２触媒５３,５４の各々が劣化しているか否かを判定することができる。また、これらの判定結果の組合せに基づけば、第１，２触媒５３，５４を一つの触媒装置とみなしたときの同触媒装置が劣化しているか否かも判定することができる。
【００５０】
かかる知見に基き、本実施形態の触媒劣化判定装置は、図５のタイムチャートに示した方法により第１，第２触媒５３,５４の各々の最大酸素吸蔵量を推定する。即ち、先ず、図５（Ａ）に示したように、時刻ｔ１にて第１触媒５３の上流のガスの空燃比（実際には、機関が吸入する混合気の空燃比であり、以下、単に「第１触媒上流空燃比」と云うこともある。）を理論空燃比よりもリーンな所定の第１リーン空燃比に制御する。
【００５１】
これにより、第１触媒５３にリーンな空燃比のガスが流入するから、図５（Ｃ）に示したように、第１触媒５３の酸素吸蔵量は次第に増大し、時刻ｔ２にて最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに達する。この結果、時刻ｔ２にて、第１触媒５３から酸素を含むガス（リーン空燃比のガス）が流出し始め、図５（Ｂ）に示したように、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。この時刻ｔ１〜ｔ２間の作動を第１モード（Mode=1）における作動と呼ぶ。
【００５２】
時刻ｔ２にて、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリッチを示す値からリーンを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリーンであるが前記第１リーン空燃比よりもリッチな第２リーン空燃比に制御する（図５（Ａ）を参照）。これにより、第１触媒５３にリーンな空燃比のガスが流入し、しかも、第１触媒５３の酸素吸蔵量は最大となっていて同第１触媒５３は酸素を吸蔵することができない状態にあるから、同第１触媒５３から酸素を含むガスが流出し続ける。
【００５３】
この結果、図５（Ｅ）に示したように、時刻ｔ２以降において第２触媒５４の酸素吸蔵量は次第に増大し、時刻ｔ３にて最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxに達する。この結果、時刻ｔ３にて、第２触媒５４から酸素を含むガスが流出し始め、図５（Ｄ）に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。なお、時刻ｔ２〜ｔ３間の作動を第２モード（Mode=2）における作動と呼ぶ。
【００５４】
以上のように、第１，第２モード（Mode=1,Mode=2）においては、第１触媒５３が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、第２触媒５４が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように同第１触媒５３の上流の空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御される。
【００５５】
時刻ｔ３にて、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2がリッチを示す値からリーンを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御する。これにより、第１触媒５３にリッチな空燃比のガスが流入するため、第１触媒５３の酸素が同第１触媒５３に流入する未燃ＨＣ,ＣＯの酸化のために消費される。これにより、第１触媒５３の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxから減少して行く。そして、時刻ｔ４になると、第１触媒５３の酸素吸蔵量は「０」となるから、第１触媒５３からリッチ空燃比のガスが流出し始め、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1はリーンを示す値からリッチを示す値に変化する。この時刻ｔ３〜ｔ４間の作動を第３モード（Mode=3）における作動と呼ぶ。
【００５６】
本装置は、かかる時刻ｔ３〜ｔ４間において、以下のようにして第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxを最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3として推定する。即ち、第１触媒上流空燃比を第１リッチ空燃比に設定した時刻ｔ３から、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリッチを示す値に変化する時刻ｔ４までの間、下記数１、及び下記数２に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともにこれを積算し、同時刻ｔ４での積算値を最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3として算出する。
【００５７】
【数１】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（stoich − abyfs）
【００５８】
【数２】
ＣＳＣmax3＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ３〜ｔ４）
【００５９】
上記数１において、値「０．２３」は大気中に含まれる酸素の重量割合である。ｍｆｒは所定時間（計算周期tsample）内の燃料噴射量Ｆｉの合計量であり、stoichは理論空燃比（例えば、１４．７）である。abyfsは所定時間tsampleにおいて最上流空燃比センサ６６により検出された空燃比Ａ／Ｆである。なお、abyfsは前記所定時間tsample内の最上流空燃比センサ６６により検出された空燃比Ａ／Ｆの平均値としてもよい。
【００６０】
この数１に示したように、所定時間tsample内の噴射量の合計量ｍｆｒに、検出された空燃比Ａ／Ｆの理論空燃比からの偏移（stoich − abyfs）を乗じることで、同所定時間tsampleにおける空気の不足量が求められ、この空気の不足量に酸素の重量割合を乗じることで同所定時間tsampleにおける酸素吸蔵量変化量（吸蔵酸素の消費量）ΔO2が求められる。そして、数２に示したように、酸素吸蔵量変化量ΔO2を時刻ｔ３〜ｔ４に渡って積算することで、第１触媒５３が酸素を最大限貯蔵していた状態から酸素を総べて消費するまでの酸素消費量、即ち最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3が推定・算出される。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3を推定する。
【００６１】
なお、本実施形態においては、時刻ｔ３〜ｔ４間で第１触媒上流空燃比は一定の第１リッチ空燃比であるから、時刻ｔ３〜ｔ４までの時間をΔｔ３、第１空燃比をabyfR1、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ３とすれば、上記数１及び上記数２から、最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3は０．２３・ｍｆｒ３・（stoich − abyfR1）・Δｔ３として簡単に求めることもできる。
【００６２】
時刻ｔ４にて、第１触媒下流空燃比センサ６８の出力がリーンを示す値からリッチを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比であって第１リッチ空燃比よりもリーンな第２リッチ空燃比に制御する。このとき、第１触媒５３の酸素吸蔵量は「０」となっているから、第２触媒５４にリッチな空燃比のガスが流入する。この結果、第２触媒５４が吸蔵している酸素は、同第２触媒５４に流入する未燃ＨＣ,ＣＯの酸化のために消費されるので、第２触媒５４の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxから減少して行く。
【００６３】
そして、時刻ｔ５になると、第２触媒５４の酸素吸蔵量は「０」となるから、第２触媒５４からリッチ空燃比のガスが流出し始め、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2はリーンを示す値からリッチを示す値に変化する。即ち、時刻ｔ３〜ｔ４の間に、第１触媒５３が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、時刻ｔ４〜ｔ５の間に、第２触媒５４が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように、時刻ｔ３〜ｔ５の間の第１触媒５３の上流の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御される。なお、時刻ｔ４〜ｔ５間の作動を第４モード（Mode=4）における作動と呼ぶ。
【００６４】
本装置は、時刻ｔ４〜ｔ５間において、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3を求めた場合と同様な下記数３及び下記数４により示される計算を行うことで、第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxを最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4として算出・推定する。なお、この場合においても、時刻ｔ４〜ｔ５間で第１触媒上流空燃比は一定の第２リッチ空燃比であるから、時刻ｔ４〜ｔ５までの時間をΔｔ４、第２空燃比をabyfR2、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ４とすれば、最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4は０．２３・ｍｆｒ４・（stoich − abyfR2）・Δｔ４として簡単に求めることもできる。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4を推定する。
【００６５】
【数３】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（stoich − abyfs）
【００６６】
【数４】
ＣＵＦmax4＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ４〜ｔ５）
【００６７】
時刻ｔ５にて、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2がリーンを示す値からリッチを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリーンな前記第１リーン空燃比に制御する。これにより、第１触媒５３にリーンな空燃比のガスが流入する。また、時刻ｔ５の時点においては、第１触媒５３の酸素吸蔵量は「０」となっている。従って、時刻ｔ５以降において、第１触媒５３内の酸素吸蔵量「０」から増大し続け、時刻ｔ６にて最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに達する。この結果、時刻ｔ６にて、第１触媒５３から酸素を含むガスが流出し始め、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。この時刻ｔ５〜ｔ６間の作動を第５モード（Mode=5）における作動と呼ぶ。
【００６８】
本装置は、かかる時刻ｔ５〜ｔ６間においても、以下のようにして第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxを最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5として推定する。即ち、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリーン空燃比を示す値となった時刻ｔ６では、第１触媒５３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに到達したことを意味するから、時刻ｔ５〜ｔ６までの間、下記数５及び下記数６に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともにこれを積算し、同時刻ｔ６での積算値を最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5として推定・算出する。
【００６９】
【数５】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（abyfs − stoich）
【００７０】
【数６】
ＣＳＣmax5＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ５〜ｔ６）
【００７１】
この数５に示したように、所定時間tsample内の噴射量の合計量ｍｆｒに、空燃比Ａ／Ｆの理論空燃比からの偏移（abyfs − stoich）を乗じることで、同所定時間tsampleにおける空気の過剰量が求められ、この空気の過剰量に酸素の重量割合を乗じることで同所定時間tsampleにおける酸素吸蔵量変化量（吸蔵酸素量）ΔO2が求められる。そして、数６に示したように、酸素吸蔵量変化量ΔO2を時刻ｔ５〜ｔ６に渡って積算することで、第１触媒５３の酸素吸蔵量が「０」である状態から酸素を最大限に吸蔵するまでの酸素量、即ち最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5が推定・算出される。
【００７２】
なお、この場合においても、時刻ｔ５〜ｔ６間で第１触媒上流空燃比は一定の第１リーン空燃比であるから、時刻ｔ５〜ｔ６までの時間をΔｔ５、第１リーン空燃比をabyfL1、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ５とすれば、最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5は０．２３・ｍｆｒ５・（abyfL1 − stoich）・Δｔ５として簡単に求めることもできる。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第１リーン空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5を推定する。
【００７３】
時刻ｔ６にて、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1がリッチを示す値からリーンを示す値に変化すると、本装置は第１触媒上流空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比であって前記第１リーン空燃比よりもリッチな前記第２リーン空燃比に制御する。この場合、第１触媒５３の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxに到達している。従って、第１触媒５３からはリーンな空燃比のガスが流出し、これが第２触媒５４内に流入する。一方、時刻ｔ６の時点においては、第２触媒５４の酸素吸蔵量は「０」となっている。従って、時刻ｔ６以降において、第２触媒５４内の酸素吸蔵量は「０」から増大し続け、時刻ｔ７にて最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxに達する。この結果、時刻ｔ７にて、第２触媒５４から酸素を含むガスが流出し始め、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。この時刻ｔ６〜ｔ７間の作動を第６モード（Mode=6）における作動と呼ぶ。
【００７４】
本装置は、かかる時刻ｔ６〜ｔ７間においても、以下のようにして第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxを最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6として推定する。即ち、下記数７及び下記数８に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともに積分し、同時刻ｔ７での積分値を最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6として算出する。
【００７５】
【数７】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（abyfs − stoich）
【００７６】
【数８】
ＣＵＦmax6＝ΣΔO2（区間ｔ＝ｔ６〜ｔ７）
【００７７】
なお、この場合においても、時刻ｔ６〜ｔ７間で第１触媒上流空燃比は一定の第２リーン空燃比であるから、時刻ｔ６〜ｔ７までの時間をΔｔ６、第２リーン空燃比をabyfL2、その間における単位時間当りの燃料供給量をｍｆｒ６とすれば、最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6は０．２３・ｍｆｒ６・（abyfL2 − stoich）・Δｔ６として簡単に求めることもできる。このように、本実施形態では、第１触媒上流側空燃比が第２リーン空燃比に制御されていることを利用して最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6を推定する。
【００７８】
そして、本装置は、時刻ｔ７にて機関に吸入される混合気の空燃比を理論空燃比に戻すとともに、同時刻ｔ７以降において、第１,第２触媒５３,５４が劣化しているか否かを以下のように判定する。
【００７９】
先ず、第１触媒５３については、上記第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲdnより小さいか否か、上記第１触媒５３の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲupより小さいか否か、及び上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3と上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5の平均値である第１触媒５３の平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax（＝(ＣＳＣmax3+ＣＳＣmax5)／２）が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲaveより小さいか否かを判定する。
【００８０】
そして、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲdnより小さいこと、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5が第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲupより小さいこと、及び、上記最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲaveより小さいことの、何れかが成立したときに、第１触媒５３が劣化したものと判定する。この場合、上記３つの条件のうち、任意の二つの組み合わせが成立したときに第１触媒５３が劣化したと判定するように構成してもよく、同３つの条件全てが成立したときにのみ第１触媒５３が劣化したと判定するように構成してもよい。
【００８１】
次に、第２触媒５４については、上記第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲdnより小さいか否か、上記第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲupより小さいか否か、及び上記最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4と上記第２最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6の平均値である第２触媒５４の平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax（＝(ＣＵＦmax4+ＣＵＦmax6)／２）が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦRaveより小さいか否かを判定する。
【００８２】
そして、上記最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲdnより小さいこと、上記最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6が第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲupより小さいこと、及び、上記平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦRaveより小さいことの、何れかが成立したときに、第２触媒５４が劣化したものと判定する。この場合においても、上記３つの条件のうち、任意の二つの組み合わせが成立したときに第２触媒５４が劣化したと判定するように構成してもよく、同３つの条件全てが成立したときにのみ第２触媒５４が劣化したと判定するように構成してもよい。
【００８３】
更に、本装置は、第１,第２触媒５３,５４を一つの触媒装置とみなしたときに、その触媒装置が劣化したか否かを、下記数９が成立するか否かを判定することにより判定する。
【００８４】
【数９】
ＣＳＣmax＋ＣＵＦmax＞ＣＲave
【００８５】
なお、数９の左辺におけるＣＳＣmaxはＣＳＣmax3又はＣＳＣmax5の何れかに置換してもよく、同数９の左辺におけるＣＵＦmaxはＣＵＦmax4又はＣＵＦmax6の何れかに置換してもよい。右辺のＣＲaveは、第１触媒５３と第２触媒５４を一つの触媒装置と見なしたときに、同触媒装置の劣化を判定するための最大酸素吸蔵量の基準値（触媒全体の劣化判定基準値）である。以上が、本装置による触媒劣化判定方法の概要である。
【００８６】
＜実際の作動＞
次に、上記のように構成された空燃比制御装置（及び、触媒劣化判定装置）の実際の作動について、電気制御装置７０のＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）をフローチャートにより示した図６〜図１７を参照しながら説明する。
【００８７】
（通常の空燃比制御）
ＣＰＵ７１は、図６に示した最終燃料噴射量Ｆｉの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各気筒のクランク角が各吸気上死点前の所定クランク角度（例えば、ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、ＣＰＵ７１はステップ６００から処理を開始してステップ６０５に進み、エアフローメータ６１により計測された吸入空気量ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて、機関の空燃比を理論空燃比とするための基本燃料噴射量Ｆbaseをマップから求める。
【００８８】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ６１０に進み、基本燃料噴射量Ｆbaseに係数Ｋを乗じた値に後述する空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを加えた値を最終燃料噴射量Ｆｉとして設定する。この係数Ｋの値は、通常は「１．００」であり、後述するように、触媒劣化判定を行うために強制的に空燃比を変更するとき、「１．００」以外の所定値に設定される。次いで、ＣＰＵ７１はステップ６１５に進み、同ステップ６１５にて同最終燃料噴射量Ｆｉの燃料を噴射するための指示をインジェクタ３９に対して行う。その後、ＣＰＵ７１はステップ６２０に進み、その時点の燃料噴射量合計量ｍｆｒに最終燃料噴射量Ｆｉを加えた値を、新たな燃料噴射量積算値ｍｆｒに設定する。この燃料噴射量積算値ｍｆｒは、後述する酸素吸蔵量の算出の際に用いられる。その後、ＣＰＵ７１はステップ６９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正された最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
【００８９】
次に、上記空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの算出について説明すると、ＣＰＵ７１は図７に示したルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ７００から処理を開始し、ステップ７０５に進んでフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。空燃比フィードバック制御条件は、例えば、機関の冷却水温THWが第１所定温度以上であり、機関の一回転当りの吸入空気量（負荷）が所定値以下であり、最上流空燃比センサ６６が正常であり、且つ、後述する触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「０」のときに成立する。なお、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮは、後述するように、その値が「１」のとき触媒劣化判定のために強制的に空燃比を変更する空燃比制御を実行していることを示し、その値が「０」のとき同触媒劣化判定のための空燃比制御を実行していないことを示す。
【００９０】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１０に進み、現時点の最上流空燃比センサ６６の出力vabyfsと後述するサブフィードバック制御量vafsfbとの和（vabyfs＋vafsfb）を図３に示したマップに基いて変換することにより、現時点における第１触媒５３の上流側制御用空燃比abyfsを求める。
【００９１】
次に、ＣＰＵ７１はステップ７１５に進み、現時点からＮストローク（Ｎ回の吸気行程）前に吸気行程を迎えた気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を前記求めた上流側制御用空燃比abyfsで除することにより、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求める。値Ｎは、内燃機関の排気量、燃焼室２５から最上流空燃比センサ６６までの距離等により異なる値である。
【００９２】
このように、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求めるために、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を上流側制御用空燃比abyfsで除するのは、燃焼室２５内で燃焼された混合気が最上流空燃比センサ６６に到達するまでには、Ｎストロークに相当する時間を要しているからである。なお、筒内吸入空気量Ｍｃは、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ６１の出力ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて求められ（例えば、エアフローメータ６１の出力ＡＦＭに一次遅れ処理を施した値をエンジン回転速度ＮＥで除することにより求められ）、各吸気行程に対応してＲＡＭ７３内に記憶されている。
【００９３】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ７２０に進み、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を現時点からＮストローク前の時点における目標空燃比abyfr（ｋ−Ｎ）（この例では、理論空燃比）で除することにより、現時点からＮストローク前の目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）を求める。そして、ＣＰＵ７１はステップ７２５に進んで目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）から筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を減じた値を筒内燃料供給量偏差ＤＦｃとして設定する。つまり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは、Ｎストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。次に、ＣＰＵ７１はステップ７３０に進み、下記数１０に基いて空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを求める。
【００９４】
【数１０】
ＤＦｉ＝（Ｇｐ・ＤＦｃ＋Ｇｉ・ＳＤＦｃ）・ＫＦＢ
【００９５】
上記数１０において、Ｇｐは予め設定された比例ゲイン、Ｇｉは予め設定された積分ゲインである。なお、数１０の係数ＫＦＢはエンジン回転速度ＮＥ、及び筒内吸入空気量Ｍｃ等により可変とすることが好適であるが、ここでは「１」としている。また、値ＳＤＦｃは筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値であり、次のステップ７３５にて更新される。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ７３５にてその時点における筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値ＳＤＦｃに上記ステップ７２５にて求めた筒内燃料供給量偏差ＤＦｃを加えて、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値ＳＤＦｃを求め、ステップ７９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【００９６】
以上により、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが比例積分制御により求められ、この空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが前述した図６のステップ６１０、及びステップ６１５により燃料噴射量に反映されるので、Ｎストローク前の燃料供給量の過不足が補償され、空燃比の平均値が目標空燃比abyfrと略一致せしめられる。
【００９７】
一方、ステップ７０５の判定時において、空燃比フィードバック制御条件が不成立であると、ＣＰＵ７１は同ステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７４０に進み、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの値を「０」に設定し、ステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、空燃比フィードバック制御条件が不成立であるとき（触媒劣化判定実行中を含む）は、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを「０」として空燃比（基本燃料噴射量Ｆbase）の補正を行わない。
【００９８】
次に、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に基く空燃比フィードバック制御について説明する。なお、かかる制御はサブフィードバック制御とも呼ばれる。このサブフィードバック制御により、サブフィードバック制御量vafsfbが算出される。
【００９９】
ＣＰＵ７１は、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるために、図８に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ８００から処理を開始し、ステップ８０５に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。サブフィードバック制御条件は、例えば、前述したステップ７０５での空燃比フィードバック制御条件に加え、機関の冷却水温THWが前記第１所定温度よりも高い第２所定温度以上のとき、及び第１触媒下流空燃比センサ６７が正常であるときに成立する。
【０１００】
いま、サブフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８１０に進み、所定の目標値Voxrefから現時点の第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1を減じることにより、出力偏差量ＤＶoxsを求める。この目標値Voxsrefは、第１触媒５３の浄化効率が良好（最良）となるように定められ、ここでは、理論空燃比に対応した値に設定されている。次に、ＣＰＵ７１はステップ８１５に進み、下記数１１に基いてサブフィードバック制御量vafsfbを求める。
【０１０１】
【数１１】
vafsfb＝Ｋｐ・ＤＶoxs＋Ｋｉ・ＳＤＶoxs
【０１０２】
上記数１１において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン、Ｋｉは予め設定された積分ゲインである。また、ＳＤＶoxsは、出力偏差量ＤＶoxsの積分値であって、次のステップ８２０にて更新される値である。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ８２０に進むと、その時点における出力偏差量の積分値ＳＤＶoxsに上記ステップ８１０にて求めた出力偏差量ＤＶoxsを加えて、新たな出力偏差量の積分値ＳＤＶoxsを求め、その後、ステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１０３】
このようにして、サブフィードバック制御量vafsfbが求められ、この値は前述した図７のステップ７１０にて最上流空燃比センサ６６の実際の出力に加えられ、その和（vabyfs + vafsfb）が図３に示したマップに基いて前記上流側制御用空燃比abyfsに変換される。換言すると、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に基いて求められる上流側制御用空燃比abyfsは、最上流空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比に対して、サブフィードバック制御量vafsfbに相当する分だけ異なる空燃比として求められる。
【０１０４】
この結果、前述した図７のステップ７１５にて計算される筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）が第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に応じて変化するので、ステップ７２５，７３０によって空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが同第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1に応じて変更せしめられる。これにより、第１触媒５３の下流側の空燃比が目標値Voxsrefに一致するように、機関の空燃比が制御せしめられる。
【０１０５】
例えば、機関の平均的な空燃比がリーンであるために第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりもリーンである空燃比に対応した値を示すと、ステップ８１０にて求められる出力偏差量ＤＶoxsが正の値となるので、ステップ８１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは正の値となる。従って、ステップ７１０にて求められるabyfsは最上流空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリーンな値（より大きな値）として求められる。このため、ステップ７１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は小さい値となり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは大きい値として求められるので、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが大きい正の値となる。これにより、図６のステップ６１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも大きくなって、機関の空燃比がリッチとなるように制御される。
【０１０６】
反対に、機関の平均的な空燃比がリッチであるために第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりもリッチ空燃比に対応した値を示すと、ステップ８１０にて求められる出力偏差量ＤＶoxsが負の値となるので、ステップ８１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは負の値となる。従って、ステップ７１０にて求められるabyfsは最上流空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリッチな値（より小さな値）として求められる。このため、ステップ８１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は大きい値となり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは負の値として求められるので、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが負の値となる。これにより、図７のステップ７１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも小さくなって、機関の空燃比がリーンとなるように制御される。
【０１０７】
（触媒劣化判定のための空燃比制御）
次に、触媒劣化の判定を行うための空燃比制御について説明する。ＣＰＵ７１は図９〜図１５のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【０１０８】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図９のステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進んで触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「０」であるか否かを判定する。いま、触媒劣化判定のための空燃比制御を行っておらず、且つ、触媒劣化判定条件が成立していないとして説明を続けると、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値は「０」となっている。従って、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、先に説明した図６のステップ６１０にて使用される係数Ｋの値を１．００に設定する。
【０１０９】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ９１５にて触媒劣化判定条件が成立しているか否かを判定する。この触媒劣化判定条件は、冷却水温THWが所定温度以上であり、図示しない車速センサにより得られた車速が所定の高車速以上であり、スロットル弁開度TAの単位時間あたりの変化量が所定量以下である、機関が定常運転されている場合に成立する。更に、触媒劣化判定条件に、前回の触媒劣化判定から所定時間以上が経過したこと、前回の触媒劣化判定から車両が所定距離以上運転されたこと、前回の触媒劣化判定から内燃機関１０が所定時間以上運転されたことの任意の一つ、又は一つ以上を触媒劣化判定条件に加えても良い。現段階では、上述したように、触媒劣化判定条件は成立していないから、ＣＰＵ７１はステップ９１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【０１１０】
次に、先に説明した図５の時刻ｔ１のように、その時点では触媒劣化判定のための空燃比制御を行っていないが、触媒劣化判定条件が成立したものとして説明を続けると、この場合、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、同ステップ９１０にて係数Ｋの値を１．００に設定する。次いで、ＣＰＵ７１は、触媒劣化条件が成立しているので、ステップ９１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９２０に進み、同ステップ９２０にて触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値を「１」に設定する。
【０１１１】
そして、ＣＰＵ７１はステップ９２５に進み、第１モードに移行するためにModeの値を「１」に設定するとともに、続くステップ９３０にて係数Ｋの値を０．９８に設定し、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、前述の空燃比フィードバック制御条件が成立しなくなるから、ＣＰＵ７１は図７のステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７４０に進むようになり、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの値は０に設定される。この結果、図６のステップ６１０の実行により、基本燃料噴射量Ｆbaseが０.９８倍された値が最終燃料噴射量Ｆｉとして算出され、この最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が噴射されるので、機関の空燃比は理論空燃比よりもリーンな前記第１リーン空燃比に制御される。
【０１１２】
以降、ＣＰＵ７１は図９のルーチンの処理をステップ９００から繰り返し実行するが、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「１」となっていることから、ステップ９０５にて「Ｎｏ」と判定して直ちにステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了するようになる。
【０１１３】
一方、ＣＰＵ７１は図１０に示した第１モード制御ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングとなると、ＣＰＵ７１はステップ１０００から処理を開始してステップ１００５に進み、Modeの値が「１」であるか否かを判定する。この場合、先の図９のステップ９２５の処理によりModeの値は「１」となっているので、ＣＰＵ７１はステップ１００５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１０に進み、第１触媒下流空燃比センサの出力Voxs1が理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値に変化したか否かを判定する。現時点では、機関の空燃比を第１リーン空燃比に変更した直後であるから、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1は理論空燃比よりもリッチな空燃比を示している。従って、ＣＰＵ７１はステップ１０１０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１０９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【０１１４】
以降、ＣＰＵ７１は図１０のステップ１０００〜１０１０を繰り返し実行する。また、空燃比は第１リーン空燃比に維持されているから、所定の時間が経過すると図５の時刻ｔ２のように第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する。これにより、ＣＰＵ７１はステップ１０１０に進んだとき、同ステップ１０１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１５に進み、Modeの値を「２」に設定するとともに、続くステップ１０２０にて係数Ｋの値を０．９９に設定し、その後ステップ１０９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【０１１５】
この結果、図６のステップ６１０の実行により、基本燃料噴射量Ｆbaseが０.９９倍された値が最終燃料噴射量Ｆｉとして算出され、この最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が噴射されるので、機関の空燃比は理論空燃比よりもリーンであって、前記第１リーン空燃比よりもリッチである前記第２リーン空燃比に制御される。
【０１１６】
ＣＰＵ７１は、第２モード（Mode=2）となると、以降、同様なモード制御を実行し、モードを第３モードから第４，第５，第６モードへと順次切換えるとともに、各モードに応じた制御を実行して行く。簡単に説明すると、図１１にそのルーチンをフローチャートにより示した第２モードにおいては、ステップ１１０５にてModeの値が「２」であるか否かを判定し、Modeの値が「２」であればステップ１１０５からステップ１１１０に進み、同ステップ１１１０にて第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１１７】
そして、図５の時刻ｔ３に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１１１５に進んで第３モードに移行すべくModeの値を「３」に設定し、続くステップ１１２０にて係数Ｋの値を１．０２に設定する。この結果、機関の空燃比が理論空燃比よりリッチな前記第１リッチ空燃比に制御される。
【０１１８】
同様に、図１２にそのルーチンをフローチャートにより示した第３モードにおいては、ステップ１２０５にてModeの値が「３」であるか否かを判定し、Modeの値が「３」であればステップ１２０５からステップ１２１０に進み、同ステップ１２１０にて第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１１９】
そして、図５の時刻ｔ４に示したように、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１２１０からステップ１２１５に進んで第４モードに移行すべくModeの値を「４」に設定し、続くステップ１２２０にて係数Ｋの値を１．０１に設定する。この結果、機関の空燃比が、理論空燃比よりリッチであるが前記第１リッチ空燃比よりもリーンな前記第２リッチ空燃比に制御される。
【０１２０】
同様に、図１３にそのルーチンをフローチャートにより示した第４モードにおいては、ステップ１３０５にてModeの値が「４」であるか否かを判定し、Modeの値が「４」であればステップ１３０５からステップ１３１０に進み、同ステップ１３１０にて第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１２１】
そして、図５の時刻ｔ５に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１３１０からステップ１３１５に進んで第５モードに移行すべくModeの値を「５」に設定し、続くステップ１３２０にて係数Ｋの値を０．９８に設定する。この結果、機関の空燃比が、前記第１リーン空燃比に制御される。
【０１２２】
同様に、図１４にそのルーチンをフローチャートにより示した第５モードにおいては、ステップ１４０５にてModeの値が「５」であるか否かを判定し、Modeの値が「５」であればステップ１４０５からステップ１４１０に進み、同ステップ１４１０にて第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１２３】
そして、図５の時刻ｔ６に示したように、第１触媒下流空燃比センサ６７の出力Voxs1が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１４１０からステップ１４１５に進んで第６モードに移行すべくModeの値を「６」に設定し、続くステップ１４２０にて係数Ｋの値を０．９９に設定する。この結果、機関の空燃比が、前記第２リーン空燃比に制御される。
【０１２４】
また、図１５にそのルーチンをフローチャートにより示した第６モードにおいては、ステップ１５０５にてModeの値が「６」であるか否かを判定し、Modeの値が「６」であればステップ１５０５からステップ１５１０に進み、同ステップ１５１０にて第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化したか否かをモニタする。
【０１２５】
そして、図５の時刻ｔ７に示したように、第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりリッチな空燃比を示す値から同理論空燃比よりリーンな空燃比を示す値に変化すると、ステップ１５１０からステップ１５１５に進み、Modeの値を「０」に再設定し、続くステップ１５２０にて触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値を「０」に設定した後、ステップ１５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、ＣＰＵ７１は図９のルーチンを実行する際、ステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進むので、係数Ｋの値が１．００に戻される。また、他の空燃比フィードバック制御条件、及び他のサブフィードバック制御条件が成立していれば、ＣＰＵ７１はステップ７０５、及びステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定するから、空燃比フィードバック制御、及びサブフィードバック制御が再開される。
【０１２６】
以上、説明したように、触媒劣化判定条件が成立すると、機関の空燃比が第１リーン空燃比、第２リーン空燃比、第１リッチ空燃比、第２リッチ空燃比、第１リーン空燃比、及び第２リーン空燃比の順に強制的に制御される。
【０１２７】
（酸素吸蔵量の推定と触媒劣化判定）
次に、触媒劣化の判定を行うための最大酸素吸蔵量の推定、及び推定された最大酸素吸蔵量に基く触媒劣化の判定における作動について説明する。ＣＰＵ７１は図１６，１７のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【０１２８】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１６のステップ１６００から処理を開始し、ステップ１６０５に進んで下記数１２により酸素吸蔵量変化量ΔO2を求める。
【０１２９】
【数１２】
ΔO2＝０．２３・ｍｆｒ・（abyfs − stoich）
【０１３０】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１６１０に進んでModeの値が「３」であるか否かを判定し、Modeの値が「３」であれば同ステップ１６１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１６１５に進む。そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１６１５にてその時点の第３モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ３に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ３として設定し、その後ステップ１６５０に進む。なお、酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えることとしたのは、上記数１と上記数１２との比較から明らかなように、数１２によれば第３モードにおける酸素吸蔵量変化量ΔO2が負の値として算出されるからである。
【０１３１】
このような処置（ステップ１６００〜１６１５）は、Modeの値が「３」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第１リッチ空燃比とされる第３モード（Mode=3）において、第１触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡ３が算出されて行く。なお、ステップ１６１０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６１０からステップ１６２０に直接進む。
【０１３２】
ＣＰＵ７１は、ステップ１６２０に進んだ場合、Modeの値が「４」であるか否かを判定し、Modeの値が「４」であれば同ステップ１６２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１６２５に進む。そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１６２５にてその時点の第４モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ４に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ４として設定し、その後ステップ１６５０に進む。なお、酸素吸蔵量変化量ΔO2の絶対値を加えることとしたのは、上記数３と上記数１２との比較から明らかなように、数１２によれば第４モードにおける酸素吸蔵量変化量ΔO2が負の値として算出されるからである。
【０１３３】
このような処置（ステップ１６００，１６０５，１６１０，１６２０，１６２５）は、Modeの値が「４」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第２リッチ空燃比とされる第４モード（Mode=4）において、第２触媒５４の酸素吸蔵量ＯＳＡ４が算出されて行く。なお、ステップ１６２０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６２０からステップ１６３０に直接進む。
【０１３４】
同様に、ＣＰＵ７１はステップ１６３０に進んだ場合、Modeの値が「５」であるか否かを判定し、Modeの値が「５」であればステップ１６３５に進み、その時点の第５モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ５に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ５として設定し、その後ステップ１６５０に進む。
【０１３５】
このような処置（ステップ１６００，１６０５，１６１０，１６２０，１６３０,１６３５）は、Modeの値が「５」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第１リーン空燃比とされる第５モード（Mode=5）において、第１触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡ５が算出されて行く。なお、ステップ１６３０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６３０からステップ１６４０に直接進む。
【０１３６】
同様に、ＣＰＵ７１はステップ１６４０に進んだ場合、Modeの値が「６」であるか否かを判定し、Modeの値が「６」であればステップ１６４５に進み、その時点の第６モードの酸素吸蔵量ＯＳＡ６に上記酸素吸蔵量変化量ΔO2を加えた値を新たな酸素吸蔵量ＯＳＡ６として設定し、その後ステップ１６５０に進む。
【０１３７】
このような処置（ステップ１６００，１６０５，１６１０，１６２０，１６３０,１６４０,１６４５）は、Modeの値が「６」である限り繰り返し実行される。この結果、第１触媒５３の上流の空燃比が第２リーン空燃比とされる第６モード（Mode=6）において、第２触媒５４の酸素吸蔵量ＯＳＡ６が算出されて行く。なお、ステップ１６４０での判定において「Ｎｏ」と判定される場合、ＣＰＵ７１は同ステップ１６４０からステップ１６５０に直接進む。
【０１３８】
そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１６５０に進むと、同ステップ１６５０にて燃料噴射量Ｆｉの合計量ｍｆｒを「０」に設定し、その後ステップ１６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１３９】
また、ＣＰＵ７１は図１７に示した触媒劣化判定のためのルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１７００から処理を開始し、ステップ１７０５に進んで触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「１」から「０」に変化したか否かをモニタする。このとき、第６モードが終了して、先に説明した図１５のステップ１５２０にて触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「０」に変更されると、ＣＰＵ７１はステップ１７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１７１０に進む。なお、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が変化していなければ、ＣＰＵ７１はステップ１７０５からステップ１７９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
【０１４０】
いま、第６モードが終了した直後であるとすると、触媒劣化判定実行中フラグＨＡＮの値が「１」から「０」に変更された直後であるから、ＣＰＵ７１はステップ１７０５からステップ１７１０に進み、その時点の酸素吸蔵量ＯＳＡ３，ＯＳＡ４，ＯＳＡ５、及びＯＳＡ６を、最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3（第１触媒第１最大酸素吸蔵量），ＣＵＦmax4（第２触媒第１最大酸素吸蔵量），ＣＳＣmax5（第１触媒第２最大酸素吸蔵量）、及びＣＵＦmax6（第２触媒第２最大酸素吸蔵量）として格納する。次いで、ＣＰＵ７１はステップ１７１５に進み、同ステップ１７１５にて最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax3と最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax5の平均値を、第１触媒５３の平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxとして格納する。
【０１４１】
次に、ＣＰＵ７１はステップ１７２０に進んで平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲave以下か否かを判定し、平均最大酸素吸蔵量平均値ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲave以下であるとき、ステップ１７２５にて第１触媒劣化判定結果フラグＸＳＣＲの値を「１」に設定し、これにより第１触媒５３が劣化したことを示す。他方、ステップ１７２０の判定において、平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxが第１触媒劣化判定基準値ＣＳＣＲaveより大きいとき、ＣＰＵ７１はステップ１７３０に進んで第１触媒劣化判定結果フラグＸＳＣＲの値を「０」に設定し、これにより第１触媒５３が劣化していないことを示す。
【０１４２】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１７３５に進み、最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax4と最大酸素吸蔵量ＣＵＦmax6の平均値を第２触媒５４の平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxとして格納し、続くステップ１７４０にて平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲave以下か否かを判定する。そして、平均触媒最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲave以下であるとき、ＣＰＵ７１はステップ１７４５にて第２触媒劣化判定結果フラグＸＵＦＲの値を「１」に設定し、これにより第２触媒５４が劣化したことを示す。他方、ステップ１７４０の判定において、平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxが第２触媒劣化判定基準値ＣＵＦＲaveより大きいとき、ＣＰＵ７１はステップ１７５０に進んで第２触媒劣化判定結果フラグＸＵＦＲの値を「０」に設定し、これにより第２触媒５４が劣化していないことを示す。
【０１４３】
次に、ＣＰＵ７１はステップ１７５５に進んで第１触媒５３の最大酸素吸蔵量に関する値である平均最大酸素吸蔵量ＣＳＣmaxと第２触媒５４の最大酸素吸蔵量に関する値である平均最大酸素吸蔵量ＣＵＦmaxとの和が触媒全体劣化判定基準値ＣＲave以下か否かを判定する。そして、ＣＰＵ７１は、前記和が触媒全体劣化判定基準値ＣＲave以下であるとき、ステップ１７６０にて触媒全体判定結果フラグＸＡＬＬＲの値を「１」に設定し、これにより第１触媒５３及び第２触媒５４が全体として劣化したことを示す。他方、ステップ１７５５の判定において、前記和が触媒全体劣化判定基準値ＣＲaveより大きいとき、ＣＰＵ７１はステップ１７６５に進んで触媒全体判定結果フラグＸＡＬＬＲの値を「０」に設定し、これにより第１触媒５３及び第２触媒５４が全体としては劣化していないことを示す。
【０１４４】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１７７０に進み、酸素吸蔵量ＯＳＡ３，ＯＳＡ４，ＯＳＡ５、及びＯＳＡ６の各々の値を総べて「０」に設定し、ステップ１７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このようにして、第１，第２触媒５３，５４の各最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax，ＣＵＦmax、及びそれらの和がそれぞれ対応する基準値より小さいか否かが判定され、対応する基準値より小さいとき、対応する触媒が劣化したものと判定される。
【０１４５】
以上、説明したように、本発明による触媒劣化判定装置の触媒劣化判定方法によれば、第１触媒５３、及び第２触媒５４の下流に、それぞれ第１触媒下流空燃比センサ６７、及び第２触媒下流空燃比センサ６８を配置したので、各触媒の酸素吸蔵量が「０」となったとき、及び最大酸素吸蔵量となったときを確実に検出することができ、その結果、第１触媒５３、及び第２触媒５４の最大酸素吸蔵量ＣＳＣmax，ＣＵＦmaxを精度良く求めることができる。従って、第１触媒５３、及び第２触媒５４が劣化しているか否かを独立して精度よく判定することができる。また、第１触媒５３、及び第２触媒５４を一つの触媒装置として見たとき、その触媒装置全体が劣化したか否かを判定することもできる。
【０１４６】
また、触媒劣化判定実行中において、第１リーン空燃比の混合気によって第１触媒５３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達した後においては、第１リーン空燃比よりもリッチ側の第２リーン空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入するようにした（図５の時刻ｔ２〜ｔ３、及びｔ６〜ｔ７を参照。）。
【０１４７】
このように第２リーン空燃比を第１リーン空燃比よりもリッチ側（理論空燃比に近い側）の空燃比とするのは次の理由による。第２リーン空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入することで第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値から理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値となったとき（図５の時刻ｔ３及びｔ７を参照。）、内燃機関１０の排気ポート３４から第２触媒下流空燃比センサ６８までの排気通路５１，５２及び触媒５３，５４により形成される空間内に第２リーン空燃比のガスが充填されているので、第２リーン空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリーン空燃比（例えば、第１リーン空燃比と同一の空燃比）であるとすると、この充填されたガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘ量が多く、同第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時直後において窒素酸化物ＮＯｘが大量に大気中に排出されてしまう。これに対し、上記実施形態のように、第２リーン空燃比を第１リーン空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比とすることにより、第２触媒下流空燃比センサ出力リーン反転時において、前記空間中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘ量を相対的に低減でき、従って、その後において、窒素酸化物ＮＯｘが大量に排出されることを回避できる。
【０１４８】
また、第１リーン空燃比は第２リーン空燃比よりもリーン側に設定されているから、第１触媒５３の酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量に到達させるまでの期間（図５の時刻ｔ１〜ｔ２、及びｔ５〜ｔ６）を相対的に短くすることができ、最大酸素吸蔵量を算出するための期間（図５の時刻ｔ１〜ｔ７）も相対的に短くできる。
【０１４９】
同様に、触媒劣化判定実行中において、第１リッチ空燃比の混合気によって第１触媒５３の酸素吸蔵量が「０」になった後においては、第１リッチ空燃比よりもリーン側の第２リッチ空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入するようにした（図５の時刻ｔ４〜ｔ５を参照。）。
【０１５０】
このように第２リッチ空燃比を第１リッチ空燃比よりもリーン側（理論空燃比に近い側）の空燃比とするのは次の理由による。第２リッチ空燃比の混合気が第１，第２触媒５３，５４に流入することで第２触媒下流空燃比センサ６８の出力Voxs2が理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値から理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値となったとき（図５の時刻ｔ５を参照。）、内燃機関１０の排気ポート３４から第２触媒下流空燃比センサ６８までの排気通路５１，５２及び触媒５３，５４により形成される空間内に第２リッチ空燃比のガスが充填されているので、第２リッチ空燃比が理論空燃比から大きくかけ離れているリッチ空燃比（例えば、第１リッチ空燃比と同一の空燃比）であるとすると、この充填されたガスに含まれる未燃ＣＯ，ＨＣの量が多く、同第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時直後において未燃ＣＯ，ＨＣが大量に大気中に排出されてしまう。これに対し、上記実施形態のように、第２リッチ空燃比を第１リッチ空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比とすることにより、第２触媒下流空燃比センサ出力リッチ反転時において、前記空間中に含まれる未燃ＣＯ，ＨＣ量を相対的に低減でき、従って、その後において、未燃ＣＯ，ＨＣが大量に排出されることを回避できる。
【０１５１】
また、第１リッチ空燃比は第２リッチ空燃比よりもリッチ側に設定されているから、第１触媒５３の酸素吸蔵量を消費して「０」に到達させるまでの期間（図５の時刻ｔ３〜ｔ４）を相対的に短くすることができ、最大酸素吸蔵量を算出するための期間（図５の時刻ｔ１〜ｔ７）を相対的に短くできる。
【０１５２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、各触媒の最大酸素吸蔵量の算出方法は、各触媒内における反応を記述した式に基いて求めるようにすることもできる。また。上記第１リッチ空燃比、上記第２リッチ空燃比、上記第１リーン空燃比、及び上記第２リーン空燃比は、一定としていたが可変としてもよい。その場合、第２リッチ空燃比は第１リッチ空燃比よりリーンであることが好適であり、第２リーン空燃比は第１リーン空燃比よりリッチであることが好適である。更に、上記第１リッチ空燃比と上記第２リッチ空燃比は等しいリッチ空燃比であってもよい。また、上記第１リーン空燃比と上記第２リーン空燃比は、等しいリーン空燃比であってもよい。
【０１５３】
また、上記実施形態においては、触媒劣化判定条件が成立したときに、その時点の第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2に拘らず第１触媒上流空燃比を第１リーン空燃比に設定していたが、触媒劣化判定条件成立時における第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2に応じて、酸素吸蔵量推定のために最初に設定される第１触媒上流空燃比を異なる空燃比に設定することが、エミッションを低減する上で好ましい。
【０１５４】
具体的に述べると、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2が共にリッチな空燃比であることを示している場合には、上記実施形態のとおり、第１モードから第１触媒上流空燃比の制御を始める。即ち、第１触媒上流空燃比を第１リーン空燃比とする。
【０１５５】
一方、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1がリーン、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリッチであることを示している場合、第１触媒上流空燃比を第２リーン空燃比とする第２モードから制御を開始する。
【０１５６】
また、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2が共にリーンな空燃比であることを示している場合には、第１触媒上流空燃比を第１リッチ空燃比とする第３モードから制御を開始する。この場合、最初の第３モード，第４モードにおいて推定される最大酸素吸蔵量は正確ではないので、同最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定には使用せず、第６モードの終了後に再度第３モード，第４モードを順に実行して各モードで各最大酸素吸蔵量を測定し、それらの最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定に使用することが好ましい。なお、この場合、最初の第５モードで得られる第１触媒５３の最大酸素吸蔵量は第１触媒第１最大酸素吸蔵量、次の第６モードで得られる第２触媒５４の最大酸素吸蔵量は第２触媒第１最大酸素吸蔵量、次の第３モードで得られる第１触媒５３の最大酸素吸蔵量は第１触媒第２最大酸素吸蔵量、次の第４モードで得られる第２触媒５４の最大酸素吸蔵量は第２触媒第２最大酸素吸蔵量に相当する。
【０１５７】
そして、第１触媒第１最大酸素吸蔵量と第１触媒第２最大酸素吸蔵量とに基づいて（例えば、それらの平均値に基づいて）、第１触媒５３が劣化しているか否かを判定し、第２触媒第１最大酸素吸蔵量と第２触媒第２最大酸素吸蔵量とに基づいて（例えば、それらの平均値に基づいて）、第２触媒５４が劣化しているか否かを判定してもよい。また、これら４つの最大酸素吸蔵量（の平均値）に基づいて、第１触媒５３と第２触媒５４とを一つの触媒装置とみなしたときの、同触媒装置が劣化しているか否かを判定してもよい。
【０１５８】
更に、触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1がリッチ、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリーンであることを示している場合、第１触媒上流空燃比を第２リッチ空燃比とする第４モードから制御を開始する。この場合、最初の第４モードにおいて推定される最大酸素吸蔵量は正確ではないので同最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定には利用しないように構成する。そして、第５、第６モードの実行後に第３、第４モードを実行し、これらのモードにおいて推定された最大酸素吸蔵量を触媒劣化判定に使用するように構成することが好適である。なお、この場合（触媒劣化判定条件が成立したとき、第１触媒下流空燃比センサ出力Voxs1がリッチ、及び第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリーンであることを示している場合）には、ＮＯｘの排出量を低減するため、第１リッチ空燃比から制御を開始し、第２触媒下流空燃比センサ出力Voxs2がリーンからリッチを示す値に反転した時点から、上記第５、６、３、４モードを順に実行して最大酸素吸蔵量を求めるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による触媒劣化判定方法を実行する空燃比制御装置（触媒劣化判定装置）を搭載した内燃機関の概略図である。
【図２】 図１に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気量との関係を示したマップである。
【図３】 図１に示した最上流空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図４】 図１に示した第１触媒下流空燃比センサ、及び第２触媒下流空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図５】 図１に示した触媒劣化判定装置が触媒劣化判定を実行する際の制御される第１触媒上流の空燃比、各空燃比センサの出力、各触媒の酸素吸蔵量の変化を示したタイムチャートである。
【図６】 図１に示したＣＰＵが実行する燃料噴射量計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図７】 図１に示したＣＰＵが実行する空燃比フィードバック補正量を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図８】 図１に示したＣＰＵが実行するサブフィードバック制御量を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図９】 図１に示したＣＰＵが実行する触媒劣化判定を開始するか否かを決定するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１０】 図１に示したＣＰＵが実行する第１モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】 図１に示したＣＰＵが実行する第２モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１２】 図１に示したＣＰＵが実行する第３モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１３】 図１に示したＣＰＵが実行する第４モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１４】 図１に示したＣＰＵが実行する第５モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１５】 図１に示したＣＰＵが実行する第６モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図１６】 図１に示したＣＰＵが実行する酸素吸蔵量を算出するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１７】 図１に示したＣＰＵが実行する触媒劣化判定を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３９…インジェクタ、５２…エキゾーストパイプ（排気管）、５３…三元触媒（第１触媒、前段触媒）、５４…三元触媒（第２触媒、後段触媒）、６６…最上流空燃比センサ、６７…第１触媒下流空燃比センサ、６８…第２触媒下流空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、
前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、
前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、
を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、
前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御し、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第２リッチ空燃比に制御し、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、
前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第２触媒が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法。 - 請求項１に記載の触媒劣化判定方法において、
前記第２リッチ空燃比は、前記第１リッチ空燃比よりもリーンな空燃比であることを特徴とする触媒劣化判定方法。 - 内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、
前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、
前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、
を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、
前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御し、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御し、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第２リーン空燃比に制御し、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、
前記推定した第１触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第１触媒が劣化しているか否かを判定するとともに、前記推定した第２触媒の最大酸素吸蔵量に基いて同第２触媒が劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法。 - 請求項３に記載の触媒劣化判定方法において、
前記第２リーン空燃比は、前記第１リーン空燃比よりもリッチな空燃比であることを特徴とする触媒劣化判定方法。 - 内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、
前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、
前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、
を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、
前記第１触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するとともに、前記第２触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御するステップと、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチな第１リッチ空燃比に制御するステップと、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリッチで且つ前記第１リッチ空燃比よりリーンな第２リッチ空燃比に制御するステップと、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定するステップと、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リッチ空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定するステップと、
を含んだ触媒劣化判定方法。 - 内燃機関の排気通路に配設された第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第１触媒下流空燃比センサと、
前記第１触媒下流空燃比センサよりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒と、
前記第２触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第２触媒下流空燃比センサと、
を備えた内燃機関の触媒劣化判定方法であって、
前記第１触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、前記第２触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように前記第１触媒上流の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御するステップと、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第１触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンな第１リーン空燃比に制御するステップと、
その後、前記第１触媒上流の空燃比を、前記第２触媒下流空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す時点まで、理論空燃比よりもリーンで且つ前記第１リーン空燃比よりリッチな第２リーン空燃比に制御するステップと、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第１リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第１触媒の最大酸素吸蔵量を推定するステップと、
前記第１触媒上流の空燃比が前記第２リーン空燃比に制御されていることを利用して前記第２触媒の最大酸素吸蔵量を推定するステップと、
を含んだ触媒劣化判定方法。
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