JP7264120B2 - 排気浄化触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Description

本開示は、排気浄化触媒の劣化診断装置に関する。

従来から、内燃機関の排気通路に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒を設けることが知られている（例えば、特許文献１、２）。酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒では、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）であるときには吸蔵されている酸素を放出する。

斯かる排気浄化触媒では、例えば、シンタリング等によって排気浄化触媒が劣化すると、その酸素吸蔵能力が低下する。そこで、特許文献１に記載の装置では、排気浄化触媒の劣化診断を行うために、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に制御するリッチ処理と、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に制御するリーン処理とを交互に繰り返すアクティブ空燃比制御が行われる。特許文献１に記載のアクティブ空燃比制御では、排気浄化触媒の下流側に設けられた下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比になるまでリッチ処理が実行され、下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になるまでリーン処理が実行される。特許文献１に記載の装置では、その上で、リーン処理中の酸素吸蔵量及びリッチ処理中の酸素放出量を複数回計測すると共に、計測値の平均値と計測値のバラツキとを算出し、これら平均値とバラツキとに基づいて最大吸蔵可能酸素量を推定し、最大吸蔵可能酸素量に基づいて排気浄化触媒の劣化を診断している。

特開２０１０－１８０７１７号公報 特開２００５－２９９５８７号公報

ところで、特許文献１において劣化診断のために行われるアクティブ空燃比制御では、下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になるまでリーン処理が実行される。このように下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になることは、排気浄化触媒から酸素が流出していること、すなわち排気浄化触媒からＮＯｘが流出していることを示している。したがって、特許文献１に記載の装置では、排気浄化触媒の劣化診断を行うにあたって、排気浄化触媒からＮＯｘが流出する可能性がある。

上記課題に鑑みて、本開示の目的は、排気浄化触媒の劣化診断を行うときに排気浄化触媒からのＮＯｘの流出を抑制することができる、排気浄化触媒の劣化診断装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路に設けられた、酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒の劣化を診断する劣化診断装置であって、前記排気浄化触媒から流出した排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御すると共に前記下流側空燃比センサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の劣化を診断する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の劣化を診断する劣化診断処理において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に制御するリッチ処理と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に制御するリーン処理とを交互に繰り返し、前記制御装置は、前記劣化診断処理において、前記リッチ処理を開始してから前記排気浄化触媒から放出される酸素量が第１酸素量になったときに前記リッチ処理から前記リーン処理への切り換えを行い、前記リーン処理を開始してから前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素量が、前記第１酸素量よりも少ない第２酸素量になったときに前記リーン処理から前記リッチ処理への切り換えを行い、前記制御装置は、前記リーン処理を実行しているときに前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になった頻度が所定頻度以上である場合には、前記排気浄化触媒が劣化していると診断する、排気浄化触媒の劣化診断装置。
（２）前記制御装置は、前記リッチ処理を開始してから前記排気浄化触媒から放出された酸素量が第１酸素量になる前であっても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比になったときには、前記リッチ処理から前記リーン処理への切り換えを行う、上記（１）に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（３）前記制御装置は、前記リーン処理を開始してから前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量が第２酸素量になる前であっても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になったときには、前記リーン処理から前記リッチ処理への切換を行う、上記（１）又は（２）に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（４）前記制御装置は、前記劣化診断処理を開始するときには、前記リッチ処理を最初に実行する、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（５）前記制御装置は、前記劣化診断処理を終了するときには、前記リッチ処理を最後に実行する、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（６）前記制御装置は、前記劣化診断処理とは異なる通常の空燃比制御において、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り換えるように制御し、前記リッチ処理中における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、前記通常の空燃比設定処理において前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に設定されているときの空燃比よりもリッチ度合いが大きい、上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（７）前記制御装置は、前記劣化診断処理とは異なる通常の空燃比制御において、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り換えるように制御し、前記リーン処理中における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、前記通常の空燃比設定処理において前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーン空燃比に設定されているときの空燃比よりもリーン度合いが大きい、上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（８）前記第１酸素量は、前記排気浄化触媒の温度が高くなるほど多くなるように設定される、上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（９）前記第２酸素量は、前記排気浄化触媒の温度が高くなるほど多くなるように設定される、上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（１０）前記排気浄化触媒は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとして機能する、上記（１）～（９）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（１１）前記内燃機関の排気通路には第１触媒と、該第１触媒よりも下流側の第２触媒とが設けられ、当該劣化診断装置は、前記第１触媒の上流側に配置された第１空燃比センサと、前記第１触媒と前記第２触媒との間に設けられた第２空燃比センサと、前記第２触媒の下流側に配置された第３空燃比センサとを備え、前記排気浄化触媒は前記第２触媒であり、前記下流側空燃比センサは前記第３空燃比センサである、上記（１）～（１０）のいずれか１つに記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
（１２）前記制御装置は、前記第１触媒の劣化を診断するときには、前記劣化診断処理とは異なる第２劣化診断処理を実行し、前記制御装置は、前記第２劣化診断処理においても前記リッチ処理と前記リーン処理とを交互に繰り返し、前記第２空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比に変わったときに前記第１触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り換えてリーン処理を開始すると共に、前記第２空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比に変わったときに前記第１触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えてリッチ処理を開始し、前記制御装置は、前記第２劣化診断処理において一回の前記リーン処理において前記第１触媒に吸蔵される酸素量又は一回の前記リッチ処理において前記第１触媒から放出される酸素量を推定すると共に、推定された酸素量に基づいて前記第１触媒が劣化しているか否かを判定する、上記（１１）に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。

本開示によれば、排気浄化触媒の劣化診断を行うときに排気浄化触媒からのＮＯｘの流出を抑制することができる、排気浄化触媒の劣化診断装置が提供される。

図１は、一つの実施形態に係る劣化診断装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比と空燃比センサの出力電流との関係を示す図である。 図３は、通常空燃比制御を行った場合における目標空燃比等のタイムチャートである。 図４は、上流側触媒の劣化診断を行う場合における目標空燃比等のタイムチャートである。 図５は、上流側触媒の劣化診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、下流側触媒の劣化診断を行う場合における、目標空燃比等のタイムチャートである。 図７は、下流側触媒の劣化診断を行う場合における、図６と同様なタイムチャートである。 図８は、下流側触媒の劣化診断を行う場合における、図６と同様なタイムチャートである。 図９は、下流側触媒の劣化診断処理を行う場合における、目標空燃比の設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、下流側触媒の温度と目標酸素吸蔵量及び目標酸素放出量との関係を示す図である。

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

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、一つの実施形態に係る劣化診断装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。本実施形態では、シリンダブロック２には複数の気筒が形成され、各気筒内で一つのピストン３が往復動する。

図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、内燃機関は、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。

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

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒（以下、「上流側触媒」という）２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、第１排気管２２を介して下流側排気浄化触媒（以下、「下流側触媒」という）２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。下流側ケーシング２３は、第２排気管２５に連結され、第２排気管２５は例えばマフラ（図示せず）を介して大気と連通する。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、第１排気管２２、下流側ケーシング２３及び第２排気管２５は、排気通路を形成する。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する第１空燃比センサ４１が配置される。加えて、第１排気管２２内には第１排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出して下流側触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する第２空燃比センサ４２が配置される。さらに、第２排気管２５内には第２排気管２５内を流れる排気ガス（すなわち、下流側触媒２４から流出した排気ガス）の空燃比を検出する第３空燃比センサ４３が配置される。これら空燃比センサ４１、４２、４３の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

本実施形態では、空燃比センサ４１、４２、４３として、限界電流式の空燃比センサが用いられる。したがって、空燃比センサ４１、４２、４３は、図２に示したように、空燃比センサ４１、４２、４３周りの排気ガスの空燃比が高くなるほど（すなわちリーンになるほど）、空燃比センサ４１、４２、４３からの出力電流が大きくなるように構成される。特に、本実施形態の空燃比センサ４１、４２、４３は、空燃比センサ４１、４２、４３周りの排気ガスの空燃比に対して出力電流がリニアに（比例して）変化するように構成される。なお、本実施形態では、空燃比センサ４１、４２、４３として限界電流式の空燃比センサを用いているが、排気ガスの空燃比に応じて出力が変化するセンサであれば限界電流式の空燃比センサ以外の空燃比センサを用いてもよい。斯かる空燃比センサとしては、例えば、センサを構成する電極間に電圧が印加されずに理論空燃比近傍で急激に出力が変化する酸素センサ等が挙げられる。

また、アクセルペダル４４にはアクセルペダル４４の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４５が接続され、負荷センサ４５の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４６は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４６の出力パルスから機関回転速度が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４７を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、スロットル弁１８の開度及び燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御することによって、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比を制御する。加えて、ＥＣＵ３１は、後述するように第３空燃比センサ４３からの出力に基づいて下流側触媒２４の劣化を診断する。したがって、ＥＣＵ３１は、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比を制御すると共に第３空燃比センサ４３の出力に基づいて下流側触媒２４の劣化を診断する制御装置として機能する。

排気浄化触媒（上流側触媒２０及び下流側触媒２４）は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する触媒貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化される。

すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素を吸蔵可能な状態であると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出可能な状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が０よりも多いと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ、ＣＯを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

また、本実施形態では、下流側触媒２４は、粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタとして構成される。したがって、下流側触媒２４は、排気ガスがフィルタの多孔質隔壁を通って流れるように形成される。なお、下流側触媒２４は、パティキュレートフィルタとして構成されなくてもよい。

＜通常空燃比制御＞
次に、本実施形態に係る内燃機関の制御装置において通常行われる通常空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の通常空燃比制御では、第１空燃比センサ４１の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。

また、本実施形態の通常空燃比制御では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比等に基づいて目標空燃比が設定される。以下では、図３を参照して、通常空燃比制御における目標空燃比の設定処理について説明する。図３は、本実施形態に係る通常空燃比制御を行った場合における目標空燃比ＡＦＴ、第１空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦ１、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐ、上流側触媒２０の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐ、及び第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２のタイムチャートである。

第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）になったとき（図中の時刻ｔ₁、ｔ₃、ｔ₅）には、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐがほぼゼロになっている。本実施形態では、このときに目標空燃比ＡＦＴを理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）に制御するリーン処理が開始される。この結果、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリーン空燃比になる。特に、本実施形態では、通常空燃比制御のリッチ処理では、目標空燃比ＡＦＴが、理論空燃比よりも或る程度リーンな予め定められた空燃比（例えば、１４．６５～１６程度）である第１リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ１に設定される。また、本実施形態では、空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ（例えば、１４．５５）以下になったときに、空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。

時刻ｔ₁、ｔ₃、ｔ₅におけるリーン処理の開始と同時に、上流側触媒２０の酸素吸放出量ＯＳＲｕｐの積算が開始される。上流側触媒２０の酸素吸放出量ＯＳＲｕｐは、上流側触媒２０に流入する排気ガスから上流側触媒２０に吸蔵される酸素の量又は斯かる排気ガス中に上流側触媒２０から放出される酸素の量を意味する。換言すると、上流側触媒２０の酸素吸放出量ＯＳＲｕｐは、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）の量）を意味する。特に、リーン処理中には上流側触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素吸放出量の積算値（以下、「積算酸素吸放出量」という）ΣＯＳＲｕｐは、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値であるといえる。リーン処理が開始されると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが徐々に増大するため、積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐも徐々に増大する。

なお、上流側触媒２０の酸素吸放出量ＯＳＲｕｐの算出は、第１空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦ１、及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、上流側触媒２０の酸素吸放出量ＯＳＲｕｐは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＳＲｕｐ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦ１－ＡＦＲ） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦ１は第１空燃比センサ４１の出力空燃比、ＡＦＲは理論空燃比をそれぞれ表している。

本実施形態では、このようにして算出された上流側触媒２０の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐが、予め定められた切換基準値ＯＳＲｒｅｆ以上になると（時刻ｔ₂、ｔ₄）、目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比に設定するリッチ処理が開始される。この結果、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリッチ空燃比になる。特に、本実施形態では、通常空燃比制御のリッチ処理では、目標空燃比ＡＦＴが、理論空燃比よりも或る程度リッチな予め定められた空燃比（例えば、１４～１４．５５程度）であるリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに設定される。切換基準値ＯＳＲｒｅｆは、上流側触媒２０が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない量（例えば、半分。図中のＣｒｅｆに相当）に設定される。したがって、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達する前にリッチ処理が開始される。このため、上流側触媒２０から酸素やＮＯｘが流出する前にリッチ処理が開始される。

その後、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、リッチ処理が再び開始され、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態の通常空燃比制御では、リッチ処理とリーン処理とが交互に繰り返される。換言すると、本実施形態における通常空燃比制御では、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が、リッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り換えられる。

上述した通常空燃比制御が行われることにより、時刻ｔ₁、ｔ₃、ｔ₅において一時的に上流側触媒２０から未燃ＨＣやＣＯなどが流出するものの、上流側触媒２０からは基本的にＮＯｘは流出しない。また、上流側触媒２０から流出した未燃ＨＣ、ＣＯは下流側触媒２４において浄化される。また、下流側触媒２４の酸素吸蔵量は、燃料を供給せずに内燃機関を作動させる燃料カット制御中に最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘまで増大し、その後、上流側触媒２０から未燃ＨＣ、ＣＯが流出してこれら未燃ＨＣ、ＣＯを浄化するときに減少する。

なお、燃料カット制御や、一時的に燃料供給量を増量する燃料増量制御等が行われていないときに行われる通常空燃比制御として、必ずしも上述したような制御を行う必要はない。下流側触媒２４に流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比になるように制御されていれば、通常空燃比制御として様々な制御を行うことができる。

＜上流側触媒の劣化診断＞
排気浄化触媒２０は、繰り返し使用されると徐々に劣化する。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、その温度が高温になると、担体に担持された触媒貴金属がシンタリングを起こすことにより、その触媒作用が低下する。このように、排気浄化触媒２０、２４が劣化すると通常空燃比制御における制御態様を変更したり、排気浄化触媒２０、２４を交換したりすることが必要になる。このため、本実施形態に係る劣化診断装置では、排気浄化触媒２０、２４の劣化診断が行われる。まずは、図４を参照して、上流側触媒２０の劣化診断（第２劣化診断処理）について説明する。

図４は、上流側触媒２０の劣化診断処理を行う場合における、目標空燃比ＡＦＴ等の図３と同様なタイムチャートである。図４に示した例では、時刻ｔ₀において、上流側触媒２０の劣化診断が開始される。

上流側触媒２０の劣化診断では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ空燃比になったとき（図中の時刻ｔ₁、ｔ₃、ｔ₅）に、リーン処理が開始されて、目標空燃比ＡＦＴが、第２リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ２に切り換えられる。第２リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ２は例えば第１リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ１よりも大きい（リーン度合いの大きい）空燃比に設定される。この結果、機関本体１から排出されて上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になり、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが徐々に増大する。

加えて、上流側触媒２０の劣化診断では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン空燃比になったとき（図中の時刻ｔ₂、ｔ₄）に、リッチ処理が開始されて、目標空燃比ＡＦＴが、第２リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ２に切り換えられる。第２リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ２は例えば第１リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ１よりも小さい（リッチ度合いの大きい）空燃比に設定される。この結果、機関本体１から排出されて上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になり、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが徐々に減少する。

上流側触媒２０の劣化診断では、このようにして目標空燃比ＡＦＴがリッチ空燃比及びリーン空燃比に交互に設定される。そして、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ空燃比になることは、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐがほぼゼロになっていることを意味する。一方、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン空燃比になることは、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達していることを意味する。したがって、目標空燃比ＡＦＴをリーン空燃比に設定している間の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐ（図中のＱ１）及び目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比に設定している間の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐ（図中のＱ２）は、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに相当する。

ここで、排気浄化触媒が劣化すると、それに伴って最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが減少する。したがって、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに基づいて、排気浄化触媒の劣化を診断することができる。本実施形態に係る上流側触媒２０の劣化診断では、一回のリーン処理中の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐ（図中のＱ１）及び／又は一回のリッチ処理中の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐ（図中のＱ２）が、予め定められた下限量（例えば、上流側触媒２０が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの３割程度）未満であるときに上流側触媒２０が劣化していると判定される。

図５は、上流側触媒２０の劣化診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定の時間間隔毎に、ＥＣＵ３１のＣＰＵ３５において行われる。

図５に示したように、まず、ステップＳ１１において、上流側触媒２０の劣化診断処理の実行フラグＦｕがＯＦＦであるか否かが判定される。実行フラグＦｕは、上流側触媒２０の劣化診断処理が実行されているときにはＯＮに設定され、それ以外のときにはＯＦＦに設定されるフラグである。ステップＳ１１において、実行フラグＦｕがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１２へと進む。

ステップＳ１２では、上流側触媒２０の劣化診断処理の実行条件が成立しているか否かが判定される。上流側触媒２０の劣化診断処理の実行条件は、例えば、前回の劣化診断処理からの経過時間や走行距離が一定値以上であり且つ内燃機関の暖機が完了している場合に成立する。ステップＳ１２において上流側触媒２０の劣化診断処理の実行条件が成立していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。したがって、上流側触媒２０の劣化診断処理は実行されず、よって例えば図３に示した通常空燃比制御が実行される。

一方、ステップＳ１２において上流側触媒２０の劣化診断処理の実行条件が成立していると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１４～Ｓ１６に進む。ステップＳ１４～Ｓ１６では、上流側触媒２０の劣化診断処理の実行フラグＦｕがＯＮに設定され、目標空燃比ＡＦＴが第２リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ２に設定されてリッチ処理が開始され、リッチフラグＦｒがＯＮに設定される。リッチフラグＦｒは、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときにＯＮに設定され、それ以外のときにＯＦＦに設定されるフラグである。

ステップＳ１４において実行フラグＦｕがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンはステップＳ１１からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、上流側触媒２０の劣化診断処理の終了条件が成立しているか否かが判定される。上流側触媒２０の劣化診断処理の終了条件は、例えば、リッチ処理及びリーン処理が所定の回数実行された場合に成立する。ステップＳ１７において、終了条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ１８へと進む。

ステップＳ１８では、リッチフラグＦｒがＯＮに設定されているか否かが判定される。ステップＳ１８において、リッチフラグＦｒがＯＮに設定されていると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否か、すなわちリッチ空燃比であるか否かが判定される。第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ２０にて目標空燃比ＡＦＴが第２リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ２に設定されたまま維持され、よってリッチ処理が継続される。

その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少して上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が低下すると、ステップＳ１９にて第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定される。この場合には、制御ルーチンはステップＳ２１へと進み、目標空燃比ＡＦＴが第２リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ２に切り換えられ、リーン処理が開始される。次いで、ステップＳ２２では、リッチフラグＦｒがＯＦＦに設定される。

リッチフラグＦｒがＯＦＦに設定されると、次の制御ルーチンはステップＳ１８からステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否か、すなわちリーン空燃比であるか否かが判定される。第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ未満であると判定された場合には、ステップＳ２４にて目標空燃比ＡＦＴが第２リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ２に設定されたまま維持され、よってリーン処理が継続される。

その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増大して上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が上昇すると、ステップＳ２３にて第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定される。この場合には、制御ルーチンはステップＳ２５へと進み、目標空燃比ＡＦＴが第２リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ２に切り換えられ、リッチ処理が開始される。次いで、ステップＳ２６では、リッチフラグＦｒがＯＮに設定される。

目標空燃比ＡＦＴがリッチ空燃比及びリーン空燃比に所定回数設定されると、ステップＳ１７において上流側触媒２０の劣化診断処理の終了条件が成立したと判定され、制御ルーチンはステップＳ２７へと進む。ステップＳ２７では、リッチ処理中及びリーン処理中における酸素吸放出量の平均値ΣＯＳＲａｖｅが算出される。具体的には、ステップＳ２７では、各回のリッチ処理が行われている間（すなわち、目標空燃比ＡＦＴがリッチ空燃比に設定されてからリーン空燃比に切り換えられるまでの間）の上流側触媒２０の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐが算出される。これは、それぞれ一回のリッチ処理中において上流側触媒２０から放出された酸素量の推定値に相当する。また、ステップＳ２７では、各回のリーン処理が行われている間（すなわち、目標空燃比ＡＦＴがリーン空燃比に設定されてからリッチ空燃比に切り換えられるまでの間）の上流側触媒２０の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐが算出される。これは、それぞれ一回のリーン処理中において上流側触媒２０に吸蔵された酸素量の推定値に相当する。そして、ステップＳ２７では、このようにして算出された上流側触媒２０の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｕｐを平均した値が酸素吸放出量の平均値ΣＯＳＲａｖｅとして算出される。これは、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの推定値に相当する。

次いで、ステップＳ２８では、ステップＳ２７にて算出された酸素吸放出量の平均値ΣＯＳＲａｖｅに基づいて上流側触媒２０の劣化診断が行われる。具体的には、上流側触媒２０の酸素吸放出量の平均値ΣＯＳＲａｖｅが予め定められた下限量よりも少ない場合に上流側触媒２０が劣化していると判定される。次いで、ステップＳ２９では、上流側触媒２０の劣化診断処理の実行フラグＦｕがＯＦＦに設定される。

なお、本実施形態では、劣化判定処理においてリーン処理及びリッチ処理が複数回行われているが、リーン処理及びリッチ処理はそれぞれ１回又はいずれか一方が１回のみ行われてもよい。

＜下流側触媒の劣化診断＞
上述したように排気浄化触媒はその温度が高温になることで触媒貴金属のシンタリングなどによって劣化する。下流側触媒２４には基本的に高温の排気ガスが流入しないため下流側触媒２４は一般的にはそれほど高温にならない。したがって、下流側触媒２４の劣化診断は必ずしも必要ではない。しかしながら、本実施形態では、下流側触媒２４はパティキュレートフィルタとして機能する。このため、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を定期的に燃焼させて除去するために、下流側触媒２４を高温にする必要がある。このように下流側触媒２４を高温にすると、下流側触媒２４も劣化する可能性があるため、下流側触媒２４の劣化診断が必要になる。このため、本実施形態に係る劣化診断装置では、下流側触媒２４の劣化診断が行われる。以下では、図６～図９を参照して、下流側触媒２４の劣化診断（第１劣化診断処理）について説明する。

図６は、下流側触媒２４の劣化診断を行う場合における、目標空燃比ＡＦＴ等のタイムチャートである。特に、図６は、下流側触媒２４に劣化が生じていない場合の例を示している。

図６に示した例では、時刻ｔ₁以前には通常空燃比制御が行われている。特に、図６に示した例では、このとき、目標空燃比ＡＦＴが第１リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ１に設定されている。排気ガス中の酸素は上流側触媒２０にて吸蔵されるため、第２空燃比センサ４２及び第３空燃比センサ４３の出力空燃比はほぼ理論空燃比になっている。

時刻ｔ₁において、下流側触媒２４の劣化診断処理が開始されると、最初にリッチ処理が実行される。本実施形態では、このときの目標空燃比ＡＦＴは、第１リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ１よりも小さい（リッチ度合いの大きい）第３リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ３に設定される。この結果、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になり、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少し、やがて時刻ｔ₂においてほぼゼロに到達する。

このように上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロに到達すると、上流側触媒２０では流入する排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯを浄化することができない。したがって、時刻ｔ₂以降、上流側触媒２０からは未燃ＨＣやＣＯを含んだ排気ガス、すなわちリッチ空燃比の排気ガスが流出する。このため、時刻ｔ₂において、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ空燃比となる。そして、時刻ｔ₂以降は、リッチ空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に流入する。この結果、時刻ｔ₂以降、下流側触媒２４では吸蔵されていた酸素が放出され、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが減少する。

本実施形態では、時刻ｔ₂において、下流側触媒２４の酸素吸放出量ＯＳＲｄｗｎの積算が開始される。下流側触媒２４の酸素吸放出量ＯＳＲｄｗｎは、下流側触媒２４に流入する排気ガスから上流側触媒２０に吸蔵させる酸素の量又は斯かる排気ガス中に下流側触媒２４から放出される酸素の量を意味する。時刻ｔ₁～ｔ₂では下流側触媒２４に理論空燃比の排気ガスが流入していたことを考えると、時刻ｔ₂近傍以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎは、リッチ処理を開始してからの下流側触媒２４の酸素放出量の推定値を意味する。

なお、本実施形態では、時刻ｔ₂以降に下流側触媒２４からの酸素吸放出量ＯＳＲｄｗｎは、上流側触媒２０の酸素吸放出量と同様に、例えば下記式（２）により算出される。下記式（２）において、ＡＦ２は第２空燃比センサ４２の出力空燃比である。
ＯＳＲｄｗｎ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦ２－ＡＦＲ） …（２）

このようにして算出された時刻ｔ₂近傍以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値は徐々に増大して、時刻ｔ₃において予め定められた目標酸素放出量ＯＳＲｔｒに到達する。本実施形態では、時刻ｔ₂以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量（第１酸素量の一例）ＯＳＲｔｒに到達すると、リーン処理が開始される。すなわち、本実施形態では、リッチ処理を開始してから下流側触媒２４から放出される酸素量が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒになったときに、リッチ処理からリーン処理への切り換えが行われる。なお、目標酸素放出量ＯＳＲｔｒは、下流側触媒２４が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない量（例えば、半分以下）に設定される。

本実施形態では、このリーン処理中の目標空燃比ＡＦＴは、第１リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ１よりも大きい（リーン度合いの大きい）第３リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ３に設定される。なお、図６に示した例では、リーン処理が開始された時刻ｔ₃以降も上流側触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出する。これは、時刻ｔ₁～ｔ₃において上流側触媒２０に流入した排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯが上流側触媒２０上に吸着し、時刻ｔ₃以降に吸着していた未燃ＨＣ、ＣＯが流出したものと考えられる。

時刻ｔ₃においてリーン処理が開始されると、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリーン空燃比になり、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増大し、やがて時刻ｔ₄においてほぼ最大吸蔵可能酸素量に到達する。このように上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼ最大吸蔵可能酸素量に到達すると、上流側触媒２０では流入する排気ガス中の酸素を吸蔵することができない。したがって、時刻ｔ₄以降、上流側触媒２０からは酸素を含んだ排気ガス、すなわちリーン空燃比の排気ガスが流出する。このため、時刻ｔ₄において、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン空燃比となる。そして、時刻ｔ₄以降は、リーン空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に流入する。この結果、時刻ｔ₄以降、下流側触媒２４には酸素が吸蔵され、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが増大する。

本実施形態では、時刻ｔ₄において、下流側触媒２４の酸素吸放出量ＯＳＲｄｗｎの積算が開始される。時刻ｔ₃～ｔ₄では下流側触媒２４に理論空燃比以下の排気ガスが流入していたことを考えると、時刻ｔ₄近傍以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎは、リーン処理を開始してからの下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値を意味する。

このようにして算出された時刻ｔ₄近傍以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値は徐々に増大して、時刻ｔ₅において予め定められた目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓに到達する。本実施形態では、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓは、目標酸素放出量ＯＳＲｔｒよりも少ない値に設定される。特に、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓは、それ以上最大吸蔵可能酸素量が少なくなると下流側触媒２４が劣化したと判断されるような量（例えば、下流側触媒２４が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量の１／４程度）に設定される。本実施形態では、時刻ｔ₄以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量（第２酸素量の一例）ＯＳＲｔｓに到達すると、再び、時刻ｔ₁と同様にリッチ処理が開始される。すなわち、本実施形態では、リーン処理を開始してから下流側触媒２４に吸蔵される酸素量が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓになったときに、リーン処理からリッチ処理への切り換えが行われる。

その後、時刻ｔ₁～ｔ₃のリッチ処理と、時刻ｔ₃～ｔ₅のようなリーン処理とが交互に繰り返し実行される。したがって、本実施形態の劣化診断処理では、下流側触媒２４に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に制御するリッチ処理と、下流側触媒２４に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に制御するリーン処理とが交互に繰り返し行われる。

図７は、下流側触媒２４の劣化診断を行う場合における、図６と同様なタイムチャートである。図７も、下流側触媒２４に劣化が生じていない場合の例を示している。特に、図７は、下流側触媒２４の劣化診断処理の終了時期におけるタイムチャートを示している。

図７に示した例でも、図６に示した例と同様に、上流側触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出すると（時刻ｔ₁、ｔ₅）、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが徐々に減少する。ここで、上述したように目標酸素吸蔵量（第２酸素量の一例）ＯＳＲｔｓは目標酸素放出量（第１酸素量の一例）ＯＳＲｔｒよりも少ない。このため、図７の時刻ｔ₂及び時刻ｔ₅では下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒに到達する前に下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがほぼゼロになり、下流側触媒２４からリッチ空燃比の排気ガスが流出する。この結果、図７に示したように、第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリッチ空燃比となる（時刻ｔ₂、ｔ₆）。本実施形態では、このように第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリッチ空燃比になったときには、積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒに到達する前であっても、リッチ処理からリーン処理への切り換えが行われる。ただし、このように第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリッチ空燃比になっても、積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒに到達する前には、リッチ処理からリーン処理への切り換えを行わないようにしてもよい。

また、本実施形態では、劣化診断処理の開始からリーン処理が所定回数行われると、劣化診断処理が終了される。図７に示したように、劣化診断処理を終了する際には、最後にリッチ処理が実行される。この結果、劣化診断処理の終了後には、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎはほぼゼロになっており、よってその後の通常空燃比制御において突発的に下流側触媒２４にリーン空燃比の排気ガスが流入しても、下流側触媒２４からリーン空燃比の排気ガスが流出することが抑制され、よって下流側触媒２４からＮＯｘが流出することが抑制される。

上述したように、本実施形態では、下流側触媒２４の劣化診断処理では最初にリッチ処理が行われる。また、リーン処理中に下流側触媒２４に吸蔵される酸素量（目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ）はリーン処理中に下流側触媒２４から放出される酸素量（目標酸素放出量ＯＳＲｔｒ）よりも少ない。したがって、下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓよりも多い間は、図６及び図７に示したように、下流側触媒２４からリーン空燃比の排気ガスは流出しない。したがって、下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓよりも多い間は、劣化診断処理中に、第３空燃比センサ４３の出力空燃比はリーン空燃比にならない。

図８は、下流側触媒２４の劣化診断を行う場合における、図６と同様なタイムチャートである。特に、図８は、下流側触媒２４に劣化が生じている場合の例を示している。したがって、図８に示した例では、下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが少ない。

図８に示した例でも、図６に示した例と同様に、時刻ｔ₁以前には通常空燃比制御が行われている。そして、時刻ｔ₁において、下流側触媒２４の劣化診断処理が開始され、最初にリッチ処理が実行され、目標空燃比ＡＦＴが第３リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ３に設定される。この結果、時刻ｔ₂において上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロになり、時刻ｔ₂以降、リッチ空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に流入する。

下流側触媒２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが徐々に減少する。下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが少ないため、時刻ｔ₂以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒに到達する前に、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがほぼゼロになる。その結果、時刻ｔ₂以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒに到達する前に、時刻ｔ₃において第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリッチ空燃比になる。このため、時刻ｔ₃において、リッチ処理がリーン処理に切り換えられる。

時刻ｔ₃においてリーン処理が開始されると、目標空燃比ＡＦＴが第３リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ３に設定される。この結果、時刻ｔ₄において上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達し、時刻ｔ₄以降、リーン空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に流入する。

下流側触媒２４にリーン空燃比の排気ガスが流入すると、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが徐々に増大する。下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが少ないため、時刻ｔ₄以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓに到達する前に、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがほぼ最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘになる。その結果、時刻ｔ₄以降の下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓに到達する前に、時刻ｔ₅において第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリーン空燃比になる。本実施形態では、このように第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリーン空燃比になったときには、積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓに到達する前であっても、リーン処理からリッチ処理への切り換えが行われる。ただし、このように第３空燃比センサ４３の出力空燃比がリーン空燃比になっても、積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓに到達する前には、リーン処理からリッチ処理への切り換えを行わないようにしてもよい。

このように、下流側触媒２４が劣化していてその最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが少なくなっていると、下流側触媒２４の劣化診断処理のリーン処理中に第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン空燃比になる。したがって、本実施形態では、下流側触媒２４の劣化診断処理のためにリーン処理が行われているときに第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン空燃比になった頻度が所定頻度（例えば、３／４）以上である場合には、下流側触媒２４は劣化していると判定される。逆に、本実施形態では、下流側触媒２４の劣化診断処理のためにリーン処理が行われているときに、第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン空燃比になった頻度が所定頻度未満であるときには、下流側触媒２４は劣化せずに正常であると判定される。

なお、上記実施形態では、下流側触媒２４の劣化診断処理において、リーン処理が複数回実行される。しかしながら、下流側触媒２４の劣化診断処理においてリーン処理は１回のみ行われてもよい。この場合には、リーン処理が行われているときに第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン空燃比になった頻度が１／１である場合に、下流側触媒２４は劣化していると判定される。

図９は、下流側触媒２４の劣化診断処理を行う場合における、目標空燃比ＡＦＴの設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定の時間間隔毎に、ＥＣＵ３１のＣＰＵ３５において行われる。

図９に示したように、まず、ステップＳ３１において、下流側触媒２４の劣化診断処理の実行フラグＦｄがＯＦＦであるか否かが判定される。実行フラグＦｄは、下流側触媒２４の劣化診断処理が実行されているときにはＯＮに設定され、それ以外のときにはＯＦＦに設定されるフラグである。ステップＳ３１において、実行フラグＦｄがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ３２へと進む。

ステップＳ３２では、下流側触媒２４の劣化診断処理の実行条件が成立しているか否かが判定される。下流側触媒２４の劣化診断処理の実行条件は、例えば、前回の劣化診断処理からの経過時間や走行距離が一定値以上であり且つ内燃機関の暖機が完了している場合に成立する。ステップＳ３２において下流側触媒２４の劣化診断処理の実行条件が成立していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。したがって、下流側触媒２４の劣化診断処理は実行されず、例えば図３に示した通常空燃比制御が実行される。

一方、ステップＳ３２において下流側触媒２４の劣化診断処理の実行条件が成立していると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ３４～Ｓ３６に進む。ステップＳ３４～Ｓ３６では、下流側触媒２４の劣化診断処理の実行フラグＦｄがＯＮに設定され、目標空燃比ＡＦＴが第３リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ３に設定されてリッチ処理が開始され、リッチフラグＦｒがＯＮに設定される。

ステップＳ３４において実行フラグＦｄがＯＮに設定されると次の制御ルーチンでは、制御ルーチンはステップＳ３１からステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、リッチフラグＦｒがＯＮに設定されているか否かが判定される。ステップＳ３７において、リッチフラグＦｒがＯＮに設定されていると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ３８、Ｓ３９へと進む。

ステップＳ３８では、第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否か、すなわちリッチ空燃比であるか否かが判定される。また、ステップＳ３９では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になってからの下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値、すなわちリッチ処理中の下流側触媒２４からの酸素放出量が、目標酸素放出量ＯＳＲｔｒ以上であるか否かが判定される。

ステップＳ３８において第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定され且つステップＳ３９において下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒ未満であると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ４０へと進む。ステップＳ４０では、目標空燃比ＡＦＴが第３リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ３に設定されたまま維持され、よってリッチ処理が継続される。

一方、ステップＳ３８において第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以上であると判定されるか又はステップＳ３９において下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素放出量ＯＳＲｔｒ以上であると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ４１へと進む。ステップＳ４１では、下流側触媒２４の劣化診断処理の終了条件が成立したか否かが判定される。上流側触媒２０の劣化診断処理の終了条件は、例えば、リーン処理が所定の回数実行された場合、又は後述するリーンカウンタが後述する所定の基準値以上になっている場合に成立する。ステップＳ４１において、終了条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ４２へと進む。ステップＳ４２では、目標空燃比ＡＦＴが第３リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ３に切り換えられ、リーン処理が開始される。次いで、ステップＳ４３では、リッチフラグＦｒがＯＦＦに設定される。

リッチフラグＦｒがＯＦＦに設定されると、次の制御ルーチンはステップＳ３７からステップＳ４４、Ｓ４５へ進む。ステップＳ４４では、第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否か、すなわちリーン空燃比であるか否かが判定される。また、ステップＳ４５では、第２空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦ２がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になってからの下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値、すなわちリーン処理中の下流側触媒２４の酸素吸蔵量が、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ以上であるか否かが判定される。

ステップＳ４４において第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも小さいと判定され且つステップＳ４５において下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ未満であると判定された場合には、制御ルーチンはＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、目標空燃比ＡＦＴが第３リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ３に設定されたまま維持され、よってリーン処理が継続される。

一方、ステップＳ４４において第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ４７へと進む。ステップＳ４７では、リーンカウンタに１が加算され、制御ルーチンはステップＳ４８へと進む。リーンカウンタは、下流側触媒２４の劣化診断処理中に第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン空燃比になった回数をカウントするカウンタである。

また、ステップＳ４５において下流側触媒２４の積算酸素吸放出量ΣＯＳＲｄｗｎの絶対値が目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ以上であると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ４８へと進む。ステップＳ４８では目標空燃比ＡＦＴが第３リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ３に切り換えられ、リッチ処理が開始される。次いで、ステップＳ４９では、リッチフラグＦｒがＯＮに設定される。

例えばリーン処理が所定回数実行されると、その後の制御ルーチンにおいて、ステップＳ４１にて終了条件が成立している判定され、制御ルーチンがステップＳ５０へと進む。ステップＳ５０では、リーンカウンタの値に基づいて下流側触媒２４の劣化診断が行われる。具体的には、リーンカウンタの値が基準値以上である場合（すなわち、リーン処理中に第３空燃比センサ４３の出力空燃比ＡＦ３がリーン空燃比になった頻度が所定頻度以上である場合）には、下流側触媒２４は劣化していると判定される。一方、リーンカウンタの値が基準値未満である場合には、下流側触媒２４は正常であると判定される。次いで、ステップＳ５１では、下流側触媒２４の劣化診断処理の実行フラグＦｄがＯＦＦに設定される。

＜効果＞
上記実施形態では、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓが目標酸素放出量ＯＳＲｔｒよりも少ない。このため、本実施形態によれば、下流側触媒２４の劣化診断処理を行うにあたっては、下流側触媒２４が劣化していない限り、下流側触媒２４からリーン空燃比の排気ガスが流出することはない。したがって、本実施形態によれば、下流側触媒２４からのＮＯｘの流出を可能な限り少なく抑えることができる。

また、本実施形態によれば、下流側触媒２４の劣化診断処理を行うにあたって、最初にリッチ処理が行われる。この結果、劣化診断処理の実行開始時における下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがどの程度であっても、劣化診断処理中に下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達するのを抑制することができ、したがって下流側触媒２４からのＮＯｘの流出を抑制することができる。

加えて、本実施形態によれば、下流側触媒２４の劣化診断処理中における第３リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ３は通常空燃比制御中の第１リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ１よりも小さい（リッチ度合いが大きい）。この結果、上流側触媒２０や下流側触媒２４において水性ガスシフト反応が起こりやすくなり、水素が発生する。水素は未燃ＨＣやＣＯ等に比べて空燃比センサにおける拡散速度が速く、よって空燃比センサにおいてリッチ空燃比が早期に検出されやすい。したがって、本実施形態では、下流側触媒２４からのリッチ空燃比の排気ガスを早期に検出することができるようになり、よって下流側触媒２４からの未燃ＨＣ、ＣＯ等の流出を最小限に抑えることができる。

また、本実施形態によれば、下流側触媒２４の劣化診断処理中における第３リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ３は通常空燃比制御中の第１リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ１よりも大きい（リーン度合いが大きい）。ここで、下流側触媒２４に流入する排気ガスのリーン度合いが小さいと、斯かる排気ガスが下流側触媒２４から流出したときのリーン度合いも小さい。この結果、下流側触媒２４からリーン空燃比の排気ガスが流出したことを第３空燃比センサ４３によって検出することができない可能性がある。これに対して、本実施形態では、下流側触媒２４の劣化診断処理中における第３リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ３のリーン度合いが大きいため、第３空燃比センサ４３によってリーン空燃比の排気ガスの流出を検出しやすくなる。

＜変形例＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

例えば、上記実施形態では、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ及び目標酸素放出量ＯＳＲｔｒは一定値である。しかしながら、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ及び目標酸素放出量ＯＳＲｔｒは、排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量に関係するパラメータによって変わる値であってもよい。

例えば、排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量は排気浄化触媒の温度が高くなるほど多くなる。そこで、目標酸素吸蔵量ＯＳＲｔｓ及び目標酸素放出量ＯＳＲｔｒは、排気浄化触媒の温度に応じて変化してもよい。図１０は、下流側触媒２４の温度と、目標酸素吸蔵量及び目標酸素放出量との関係を示す図である。図１０に示したように、目標酸素吸蔵量は、下流側触媒２４の温度が高くなるほど多くなるように設定される。同様に、目標酸素放出量も、下流側触媒２４の温度が高くなるほど多くなるように設定される。この場合、下流側触媒２４の温度は、例えば、下流側触媒２４に設けられた温度センサ（図示せず）によって検出される。

また、上述した下流側触媒２４の劣化診断処理は、上流側触媒２０を劣化診断する際に用いられてもよい。この場合、第３空燃比センサ４３の出力の代わりに第２空燃比センサ４２の出力が用いられる。

１ 機関本体
１１ 燃料噴射弁
２０ 上流側触媒
２４ 下流側触媒
４１ 第１空燃比センサ
４２ 第２空燃比センサ
４３ 第３空燃比センサ

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた、酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒の劣化を診断する劣化診断装置であって、
   前記排気浄化触媒から流出した排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
   前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御すると共に前記下流側空燃比センサの出力に基づいて前記排気浄化触媒の劣化を診断する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記排気浄化触媒の劣化を診断する劣化診断処理において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に制御するリッチ処理と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に制御するリーン処理とを交互に繰り返し、
   前記制御装置は、前記劣化診断処理において、前記リッチ処理を開始してから前記排気浄化触媒から放出される酸素量が第１酸素量になったときに前記リッチ処理から前記リーン処理への切り換えを行い、前記リーン処理を開始してから前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素量が、前記第１酸素量よりも少ない第２酸素量になったときに前記リーン処理から前記リッチ処理への切り換えを行い、
   前記制御装置は、前記リーン処理を実行しているときに前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になった頻度が所定頻度以上である場合には、前記排気浄化触媒が劣化していると診断する、排気浄化触媒の劣化診断装置。
2. 前記制御装置は、前記リッチ処理を開始してから前記排気浄化触媒から放出された酸素量が第１酸素量になる前であっても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比になったときには、前記リッチ処理から前記リーン処理への切り換えを行う、請求項１に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
3. 前記制御装置は、前記リーン処理を開始してから前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量が第２酸素量になる前であっても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になったときには、前記リーン処理から前記リッチ処理への切換を行う、請求項１又は２に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
4. 前記制御装置は、前記劣化診断処理を開始するときには、前記リッチ処理を最初に実行する、請求項１～３のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
5. 前記制御装置は、前記劣化診断処理を終了するときには、前記リッチ処理を最後に実行する、請求項１～４のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
6. 前記制御装置は、前記劣化診断処理とは異なる通常の空燃比制御において、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り換えるように制御し、
   前記リッチ処理中における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、前記通常の空燃比設定処理において前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に設定されているときの空燃比よりもリッチ度合いが大きい、請求項１～５のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
7. 前記制御装置は、前記劣化診断処理とは異なる通常の空燃比制御において、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り換えるように制御し、
   前記リーン処理中における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、前記通常の空燃比設定処理において前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーン空燃比に設定されているときの空燃比よりもリーン度合いが大きい、請求項１～６のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
8. 前記第１酸素量は、前記排気浄化触媒の温度が高くなるほど多くなるように設定される、請求項１～７のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
9. 前記第２酸素量は、前記排気浄化触媒の温度が高くなるほど多くなるように設定される、請求項１～８のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
10. 前記排気浄化触媒は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとして機能する、請求項１～９のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
11. 前記内燃機関の排気通路には第１触媒と、該第１触媒よりも下流側の第２触媒とが設けられ、
    当該劣化診断装置は、前記第１触媒の上流側に配置された第１空燃比センサと、前記第１触媒と前記第２触媒との間に設けられた第２空燃比センサと、前記第２触媒の下流側に配置された第３空燃比センサとを備え、
    前記排気浄化触媒は前記第２触媒であり、前記下流側空燃比センサは前記第３空燃比センサである、請求項１～１０のいずれか１項に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。
12. 前記制御装置は、前記第１触媒の劣化を診断するときには、前記劣化診断処理とは異なる第２劣化診断処理を実行し、
    前記制御装置は、前記第２劣化診断処理においても前記リッチ処理と前記リーン処理とを交互に繰り返し、前記第２空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比に変わったときに前記第１触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り換えてリーン処理を開始すると共に、前記第２空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比に変わったときに前記第１触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えてリッチ処理を開始し、
    前記制御装置は、前記第２劣化診断処理において一回の前記リーン処理において前記第１触媒に吸蔵される酸素量又は一回の前記リッチ処理において前記第１触媒から放出される酸素量を推定すると共に、推定された酸素量に基づいて前記第１触媒が劣化しているか否かを判定する、請求項１１に記載の排気浄化触媒の劣化診断装置。

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