JP5871009B2

JP5871009B2 - 触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JP5871009B2
Application number: JP2013540520A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎青木; 剛林下; 敬規佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: US9261007B2; EP2772636A1; US20140250993A1; JPWO2013061394A1; EP2772636B1; WO2013061394A1; EP2772636A4

Description

本発明は、触媒劣化検出装置に関し、より詳細には、排気浄化機能を有する三元触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置に関する。

従来、三元触媒よりも上流側の排気空燃比をストイキよりもリッチ側およびリーン側に強制的かつ周期的に切り替える制御（以下、「空燃比アクティブ制御」と称す。）を実行し、三元触媒の劣化を検出する装置が知られている。例えば、特許文献１には、空燃比アクティブ制御の実行中に、三元触媒よりも下流側の空燃比センサで検出した排気空燃比のストイキ保持期間を用いて、三元触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置が開示されている。

三元触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸着貯蔵し、排気空燃比がリッチのときに吸着貯蔵した酸素を放出する能力を有するものである。そのため、空燃比アクティブ制御の実行中、上記空燃比センサによって、三元触媒よりも下流側の排気空燃比が一時的にストイキに留まるストイキ保持期間を検出できる。ストイキ保持期間は、この期間に三元触媒に吸蔵または放出された酸素量と相関があり、三元触媒の酸素吸蔵能力（ＯＳＣ：Oxgen Strage Capacity）の低下に起因して短くなる。従って、ストイキ保持期間を用いれば、三元触媒のＯＳＣに関する劣化を検出できる。

日本特開平１１−０９３７４４号公報日本特開２００３−０９７３３４号公報日本特開２００６−１２５２２６号公報

ところで、近年、制御性とロバスト性を担保しつつ、触媒使用量を低減した空燃比システムに対する要求が高まっている。しかし、触媒使用量の低減は三元触媒の酸素吸着・放出量の減少に繋がるので、上記特許文献１において検出されるストイキ保持期間が短縮するという問題が生じる。また、三元触媒の劣化がそれ程進行していない場合、三元触媒の酸化還元能力は、三元触媒のＯＳＣ同様、依然として高い。そのため、空燃比アクティブ制御を実行し、三元触媒の上流側の排気空燃比をリッチからリーンへと変化させると、次のような問題が生じる。

即ち、低温時においてはＣＯとＨ_２Ｏとが反応し、高温時においてはＨＣとＨ_２Ｏとが反応してＨ_２が生成し、このＨ_２よって排気空燃比がリッチ側へずれるリッチずれを起こしてしまう。リッチずれが起これば、検出されるストイキ保持期間がそれだけ短縮される。従って、上記特許文献１において、触媒使用量を低減した場合には、劣化判定を誤る可能性がある。故に、触媒使用量の低減に対応した高精度劣化判定技術を確立するためには更なる改良が必要であった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、触媒使用量を低減した場合であっても三元触媒の劣化判定を高精度に行うことが可能な触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、触媒劣化検出装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され排気を浄化する三元触媒と、
前記三元触媒よりも上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
前記三元触媒よりも下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記三元触媒よりも上流側の目標空燃比をストイキよりもリッチ側およびリーン側に強制的かつ周期的に切り替える空燃比アクティブ制御であって、前記目標空燃比をリッチからリーンに切り替え、前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比がストイキからリーンに変化した時点で前記目標空燃比をリーンからリッチに切り替えるリッチ限定空燃比アクティブ制御を実行する空燃比アクティブ制御手段と、
前記リッチ限定空燃比アクティブ制御の実行中に前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて前記三元触媒の酸素吸蔵能力に関する劣化を判定する酸素吸蔵能劣化判定手段と、
前記リッチ限定空燃比アクティブ制御の実行中に前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて前記三元触媒の排気浄化能力に関する劣化を判定する排気浄化能力判定手段と、
を備え、
前記酸素吸蔵能劣化判定手段は、前記目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた際に、リッチ域の所定開始点からストイキ到達後かつリーン域移行前の所定終了点までの吸蔵期間において前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて算出した酸素吸蔵量を用いて、前記三元触媒の酸素吸蔵能力に関する劣化を判定し、
前記排気浄化能力判定手段は、前記吸蔵期間において前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて算出した酸素吸蔵変化速度を用いて、前記三元触媒の排気浄化能力に関する劣化を判定することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記吸蔵期間における酸素吸蔵量と、前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との少なくとも一方を用いて、前記三元触媒の劣化状態を特定する劣化状態特定手段を更に備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記劣化状態特定手段は、前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵量として設定した初期吸蔵量と、前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が第１所定量以上である場合、または、前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵変化速度として設定した初期変化速度と、前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が第２所定量以上である場合、前記三元触媒が熱劣化状態であると特定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記劣化状態特定手段は、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量以上、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量以上の場合において、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量よりも大きい第３所定量以上、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量よりも大きい第４所定量以上であるときは、前記三元触媒が溶損状態であると特定することを特徴とする。

また、第５の発明は、第３の発明において、
前記劣化状態特定手段は、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量以上の場合、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量未満の場合において、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量よりも小さい第５所定量以下であるときは、前記三元触媒が目詰まり状態であると特定することを特徴とする。

また、第６の発明は、第３の発明において、
前記劣化状態特定手段は、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量以上、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量以上の場合において、所定の被毒回復条件での運転後、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量未満、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量未満となった場合、前記三元触媒が一時的な被毒状態であると特定することを特徴とする。

また、第７の発明は、第２の発明において、
前記劣化状態特定手段は、前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵量および前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵変化速度が、前記吸蔵期間における酸素吸蔵量および前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度と略等しく、前記吸蔵期間において前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比のガス平衡点がストイキよりもリッチ側にずれる場合、前記三元触媒が基材割れ状態であると特定することを特徴とする。

酸素吸蔵量は、目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた際に、リッチ域の所定開始点からストイキ到達後かつリーン域移行前の所定終了点までの吸蔵期間において下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて算出される。つまり、上記酸素吸蔵量は、上記ストイキ保持期間に加え、ストイキ到達前の期間をも含む吸蔵期間において、三元触媒に吸蔵された酸素量を算出したものであると言える。この点、第１の発明においては、酸素吸蔵能劣化判定手段によって、上記酸素吸蔵量を算出するので、仮に、リッチずれによって上記ストイキ保持期間が短縮された場合であっても、算出した上記酸素吸蔵量によって、三元触媒の酸素吸蔵能力に関する劣化を高精度に検出可能となる。よって、触媒使用量を低減した場合であっても三元触媒の劣化判定を高精度に行うことが可能となる。
また、酸素吸蔵変化速度は、上記吸蔵期間における三元触媒の酸化還元能力と相関がある。この点、第１の発明においては、排気浄化能力判定手段によって、上記酸素吸蔵変化速度を算出するので、算出した上記酸素吸蔵変化速度によって、三元触媒の酸化還元能力に関する劣化判定を高精度に行うことが可能となる。
また、空燃比アクティブ制御の実行中は、目標空燃比を短期間で切り替えるのでエミッションが悪化し易く、特にリーン側では三元触媒の下流側に未浄化ＮＯｘが排出されるという問題がある。この点、第１の発明においては、リッチ限定空燃比アクティブ制御を実行するので、リーン側でのＮＯｘ排出を抑制できる。

第２乃至第７の発明によれば、上記吸蔵期間における酸素吸蔵量と、上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との少なくとも一方を用いて、三元触媒の劣化状態を特定することができる。具体的に、三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵量として設定した初期吸蔵量と上記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が第１所定量以上である場合、または、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が第２所定量以上である場合、三元触媒が熱劣化状態であると特定できる（第３の発明）。また、上記初期吸蔵量と上記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が上記第１所定量以上、かつ、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が上記第２所定量以上の場合において、上記初期吸蔵量と上記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が上記第１所定量よりも大きい第３所定量以上、かつ、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が上記第２所定量よりも大きい第４所定量以上であるときは、三元触媒が溶損状態であると特定できる（第４の発明）。また、上記初期吸蔵量と上記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が上記第１所定量以上の場合、かつ、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が上記第２所定量未満の場合において、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が上記第２所定量よりも小さい第５所定量以下であるときは、三元触媒が目詰まり状態であると特定できる（第５の発明）。また、上記初期吸蔵量と上記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が上記第１所定量以上、かつ、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が上記第２所定量以上の場合において、所定の被毒回復条件での運転後、上記初期吸蔵量と上記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が上記第１所定量未満、かつ、上記初期変化速度と上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が上記第２所定量未満となった場合、三元触媒が一時的な被毒状態であると特定できる（第６の発明）。また、三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵量および三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵変化速度が、上記吸蔵期間における酸素吸蔵量および上記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度と略等しく、上記吸蔵期間において上記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比のガス平衡点がストイキよりもリッチ側にずれる場合、三元触媒が基材割れ状態であると特定できる（第７の発明）。

実施の形態１の触媒劣化検出装置のシステム構成を示す図である。空燃比アクティブ制御中の空燃比挙動について説明するための図である。吸蔵サイクル中における空燃比挙動を示した図である。放出サイクル中における空燃比挙動を示した図である。実施の形態１において、ＥＣＵ２０により実行される触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャートである。図５のステップ１２０の処理を示すサブルーチンのフローチャートである。タンデム触媒の構成を示す図である。空燃比アクティブ制御中のＳ／C１４における排気浄化のイメージ図である。吸蔵サイクル中における空燃比挙動を示した図である。放出サイクル中における空燃比挙動を示した図である。実施の形態２において、ＥＣＵ２０により実行される触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャートである。図１１のステップ２２０の処理を示すサブルーチンのフローチャートである。熱劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。溶損時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。目詰り時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。被毒劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。基材横割れ時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。実施の形態３において、ＥＣＵ２０により実行される触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャートである。リッチ限定空燃比アクティブ制御中の空燃比挙動を示した図である。実施の形態４において、ＥＣＵ２０により実行されるリッチ限定空燃比アクティブ制御ルーチンを示すフローチャートである。

実施の形態１．
［触媒劣化検出装置の構成］
先ず、図１乃至図７を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施形態の触媒劣化検出装置のシステム構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両動力装置としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０の排気通路１２は、Ｓ／Ｃ１４が配置されている。Ｓ／Ｃ１４は、これに流入する排気空燃比がストイキ付近の狭い範囲にある場合に排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する三元触媒である。

三元触媒は、ハニカム状に成形したコージュライト担体に多孔質アルミナを塗布し、このアルミナに白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）やロジウム（Ｒｈ）といった貴金属触媒を担持させたものである。また、三元触媒には、添加剤としての金属セリウム（Ｃｅ）が更に担持されている。金属セリウムは、Ｓ／Ｃ１４に流入する排気空燃比がリーンのときに排気中の酸素と化合してセリア（ＣｅＯ_２）を形成し、リッチのときに酸素を放出することで金属セリウムに戻る性質を有している。そのため、三元触媒は、この金属セリウムの作用により、排気空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸着貯蔵し、リッチとなったときに吸着貯蔵した酸素を放出する能力を有している。

また、図１に示すように、Ｓ／Ｃ１４の上流側および下流側には、Ａ／Ｆセンサ１６，１８がそれぞれ配置されている。Ａ／Ｆセンサ１６，１８は、例えば限界電流式の空燃比センサであり、Ｓ／Ｃ１４に流入する排気空燃比およびＳ／Ｃ１４を通過した排気空燃比に応じた信号を出力する。

また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０を備えている。ＥＣＵ２０の入力側には、上述したＡ／Ｆセンサ１６，１８や、その他車両やエンジン１０の制御に必要な各種のセンサが接続されている。一方、ＥＣＵ２０の出力側にはエンジン１０に燃料を噴射するインジェクタ（図示しない）などの各種アクチュエータが接続されている。

［空燃比アクティブ制御中の空燃比挙動］
次に、図２を参照しながら、空燃比アクティブ制御中の空燃比挙動について説明する。空燃比アクティブ制御中、ＥＣＵ２０は、空燃比が目標値（例えばストイキ）となるベース燃料噴射量を基準としてリッチ側またはリーン側に強制的かつ周期的に燃料噴射量を増減させる。そのため、Ａ／Ｆセンサ１６は、この燃料噴射量の増減に応答した信号を出力し、リッチ側の所定値からリーン側の所定値（またはリーン側の所定値からリッチ側の所定値）に向かって変化する（図２（ａ））。一方、Ａ／Ｆセンサ１８においては、リッチ側の所定値からリーン側の所定値（またはリーン側の所定値からリッチ側の所定値）へ変化するまでに一定の時間を要する（図２（ｂ））。これは、上述した金属セリウムの作用が関与しているためである。

Ｓ／Ｃ１４に流入する排気空燃比（以下、「上流側Ａ／Ｆ」と称す。）をリッチからリーンへ変化させると、排気中の酸素を吸蔵し始める。そのため、Ａ／Ｆセンサ１８で検出される排気空燃比（以下、「下流側Ａ／Ｆ」と称す。）は、リッチからいきなりリーンへ変化せずに、一時的にストイキ付近に留まる。但し、上述したリッチずれの影響により、ストイキ付近に留まる時間、即ち、ストイキ保持期間は短い。そして、このストイキ保持期間中、金属セリウムのＯＳＣの限界を迎えると、下流側Ａ／Ｆはストイキからリーンへと変化する。

上流側Ａ／Ｆをリーンからリッチへ変化させた場合はその逆である。即ち、上流側Ａ／Ｆをリーンからリッチへ変化させると、セリアは排気中に酸素を放出し始める。そのため、下流側Ａ／Ｆは、リーンからいきなりリッチへ変化することなく、一時的にストイキ付近に留まる。そして、全ての酸素を放出し尽すと、下流側Ａ／Ｆはストイキからリーンへと変化する。

［実施の形態１における触媒劣化検出手法］
ところで、三元触媒が劣化すると、金属セリウムの作用にも影響を及ぼすので、吸蔵サイクル中に金属セリウムが吸蔵する酸素量、または放出サイクル中にセリアが放出する酸素量（以下、これらを「酸素吸蔵量ＯＳＡ」と総称する。）が正常時に比して減少する。そこで、本実施形態においては、酸素吸蔵量ＯＳＡを、吸蔵サイクルにおいては下流側Ａ／Ｆがリーン域に移行する直前まで、放出サイクルにおいては下流側Ａ／Ｆがリッチ域に移行する直前までにおけるＡ／Ｆセンサ１８の出力値に基づいて求め、三元触媒のＯＳＣに関する劣化を検出する。

酸素吸蔵量ＯＳＡの算出手法について、図３乃至図４を参照しながら説明する。図３は、吸蔵サイクル中における空燃比挙動を示した図である。吸蔵サイクルにおいては、上流側Ａ／Ｆがリッチからリーンに変化するように目標空燃比が設定される。そのため、下流側Ａ／Ｆは、ストイキ到達後の時刻ｔ_１において、ストイキからリーンへ変化する。図４は、放出サイクル中における空燃比挙動を示した図である。放出サイクルにおいては、上流側Ａ／Ｆがリーンからリッチに変化するように目標空燃比が設定される。そのため、下流側Ａ／Ｆはストイキ到達後の時刻ｔ_３において、ストイキからリッチへ変化する。

酸素吸蔵量ＯＳＡは、図３の時刻ｔ_０〜ｔ_１または図４の時刻ｔ_２〜ｔ_３におけるＡ／Ｆセンサ１８の出力値に基づいて算出される。具体的に、酸素吸蔵量ＯＳＡは、下記式（１）により算出される。
酸素吸蔵量ＯＳＡ＝Σ（酸素質量割合Ｋ×ΔＡ／Ｆ×噴射燃料量Ｑ）・・・（１）
上記式（１）において、酸素質量割合Ｋは０．２３であり、ΔＡ／Ｆは｜Ａ／Ｆセンサ１８の出力値−ストイキＡ／Ｆ（１４．６）｜である。

酸素吸蔵量ＯＳＡの算出対象期間を上記期間とした理由は、二つある。第１の理由は、リーン域移行後（またはリッチ域移行後）の下流側Ａ／Ｆの変化を除外するためである。上述したように、吸蔵サイクル中における酸素の吸蔵や、放出サイクル中における酸素の放出は、ストイキ期間の終了以前に行われる。つまり、リーン域移行後は、入りガスがＳ／Ｃ１４をそのまま通過し、下流側Ａ／Ｆの出力値に影響を及ぼす。この点、リーン域移行後を除外すれば、酸素吸蔵量ＯＳＡの算出ばらつきを抑制できる。

第２の理由は、リッチずれ分を考慮するためである。上述したように、三元触媒の劣化がそれ程進行していない場合、吸蔵サイクル中に生成したＨ_２によってリッチずれを起こし、ストイキ保持期間が短縮されてしまう。この点、上記期間は、このストイキ保持期間に加え、ストイキ到達前の期間をも含むものであるので、リッチずれによる酸素吸蔵量ＯＳＡの算出精度低下を未然に防止できる。

三元触媒のＯＳＣに関する劣化の検出は、酸素吸蔵量ＯＳＡと閾値との比較により行われる。三元触媒が劣化すると、図３乃至図４に示すように、下流側Ａ／Ｆは、時刻ｔ_４においてリーン域に移行し、時刻ｔ_５においてリッチ域に移行する。そのため、算出される酸素吸蔵量ＯＳＡは、正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡ（具体的には、三元触媒の初期状態における酸素吸蔵量ＯＳＡ。以下同じ）に比して極めて小さくなる。本実施形態においては、このような閾値を予め設定した上で、ＥＣＵ２０内部に記憶させているものとする。

また、本実施形態では、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡに対して温度補正を行う。何故なら、金属セリウムのＯＳＣは温度特性があり、その床温の違いによって、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡにばらつきが生じるためである。この温度補正は、酸素吸蔵量ＯＳＡを算出した後に、規格化温度（例えば７５０℃）相当値に補正することにより行われる。具体的に、酸素吸蔵量ＯＳＡの温度補正値は、下記式（２）により算出される。
酸素吸蔵量ＯＳＡ（補正値）＝酸素吸蔵量ＯＳＡ（算出値）＋傾きＫ×（規格化温度（℃）−算出時Ｓ／Ｃ推定温度（℃））・・・（２）
上記式（２）において、傾きＫはＳ／Ｃ推定温度と酸素吸蔵量ＯＳＡとの関係を規定したグラフから求めることができる。なお、このグラフは別途実験等により作成できる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図５を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図５は、本実施形態において、ＥＣＵ２０により実行される触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図５に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ２０は、空燃比アクティブ制御条件の成否を判定する（ステップ１００）。本ステップにおいて、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡを安定的に算出できる条件下にあるか否かを判定する。具体的には、エンジン暖機後であるか、Ａ／Ｆセンサ１６，１８が正常かつ活性であるか、定常運転状態であるか、フューエルカット運転（Ｆ／Ｃ運転）後所定時間経過しているか、等を判定する。そして、上記算出条件下にあると判定された場合には、ＥＣＵ２０は、ステップ１１０に進み、空燃比アクティブ制御を実行する。一方、上記算出条件下にないと判定された場合には、ＥＣＵ２０は、本ルーチンを終了する。

ステップ１１０に続いて、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡを算出する（ステップ１２０）。図６は、このステップ１２０の処理を示すサブルーチンのフローチャートである。本ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は、先ず、上流側Ａ／Ｆがリッチからリーンに変化するように目標空燃比が設定されているか否かを判定する（ステップ１２２）。ステップ１２２において、リッチからリーンへの目標空燃比の設定がされていると判定された場合、ＥＣＵ２０は、下流Ａ／Ｆがリーン（例えば１４．６２）に到達したか否かを判定する（ステップ１２４）。一方、ステップ１２２において、目標空燃比が上記の逆方向に設定されていると判定された場合、ＥＣＵ２０は、本ルーチンを終了する。

ステップ１２４において、下流Ａ／Ｆがリーン到達前であると判定された場合、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡを算出し、ＯＳＡカウンタの実行回数を更新する（ステップ１２６）。酸素吸蔵量ＯＳＡの算出手法については既述のとおりである。また、ＯＳＡカウンタの実行回数は、酸素吸蔵量ＯＳＡの算出毎に１カウントされるものとする。一方、ステップ１２４において、下流Ａ／Ｆがリーンに到達したと判定された場合、ＥＣＵ２０は本ルーチンを終了し、図５のステップ１３０に進む。

ステップ１３０において、ＥＣＵ２０は、ＯＳＡカウンタがｎ以上であるか否かを判定する。本ステップにおいて、ＯＳＡカウンタがｎ以上と判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ１４０に進む。一方、ステップ１３０において、ＯＳＡカウンタがｎよりも少ないと判定された場合、酸素吸蔵量ＯＳＡの算出数が少ないと判断できる。そのため、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡを再度算出すべく、本ルーチンを終了する。なお、ステップ１３０のカウンタ値は、予め設定され、ＥＣＵ２０に記憶させた値が用いられる。

ステップ１４０において、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊを算出する。具体的に、ＥＣＵ２０は、先ず、ステップ１２６で算出した酸素吸蔵量ＯＳＡに対して温度補正を行い、次いで、温度補正後の酸素吸蔵量ＯＳＡを積算し、最後にＯＳＡカウンタ値で除算することで平均値ＯＳＡｊを求める。なお、酸素吸蔵量ＯＳＡに対する温度補正手法については既述のとおりである。

ステップ１４０に続いて、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊが閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップ１５０）。そして、平均値ＯＳＡｊが閾値よりも大きいと判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ１６０に進み、三元触媒のＯＳＣが正常であると判定する。一方、平均値ＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ１７０に進み、三元触媒のＯＳＣが異常であると判定する。なお、ステップ１５０の閾値は、予め設定され、ＥＣＵ２０に記憶させた値が用いられる。

以上、図５に示したルーチンによれば、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊが閾値よりも大きいと判定された場合に、三元触媒のＯＳＣが正常であると判定し、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合に、三元触媒のＯＳＣが異常であると判定できる。従って、三元触媒のＯＳＣに関する劣化を高精度に検出可能となる。

ところで、上記実施の形態１においては、Ａ／Ｆセンサ１８はＳ／Ｃ１４の下流側の排気通路１２に配置したが、Ｓ／Ｃ１４がディーゼルエンジンなどの排気通路に配置されるタンデム触媒の場合には、その配置箇所を変更してもよい。図７は、タンデム触媒の構成を示す図である。図７に示すように、タンデム触媒は、三元触媒２２と、排ガス中のＰＭを捕集するＰＭフィルタ触媒（ＤＰＦ）２４とから構成される。そのため、三元触媒２２とＰＭフィルタ触媒２４との間にＡ／Ｆ１８を配置すれば、本実施形態同様、下流側Ａ／Ｆを検出できる。このように、Ａ／Ｆ１８の配置箇所は本実施形態の例に限られず、三元触媒２２よりも下流側の排気空燃比を検出できる限りにおいて、各種変形が可能である。

また、上記実施の形態１においては、図６のサブルーチンにおいて、目標空燃比の変化方向がリッチからリーンである場合に酸素吸蔵量ＯＳＡを算出した。何故なら、一般に、金属セリウムへの酸素吸蔵反応の方が、セリアからの酸素放出反応よりも進行し易いため、吸蔵サイクルでの酸素吸蔵量ＯＳＡを用いれば、劣化検出性を向上できるためである。但しこれは、放出サイクルでの酸素吸蔵量ＯＳＡの算出を排除するものではない。即ち、目標空燃比の変化方向がリーンからリッチである場合に酸素吸蔵量ＯＳＡを算出してもよい。この場合、ステップ１２２，１２４の処理を次のように読み替えて実行する。即ち、ステップ１２２の処理は、目標空燃比の変化方向がリーンからリッチであるか否かを判定すると読み替え、ステップ１２４の処理は、リッチ（例えば１４．５８）到達前か否かを判定すると読み替える。このような読み替え後の処理によっても、三元触媒のＯＳＣに関する劣化を高精度に検出可能となる。なお、本変形例は、後述する実施の形態３においても同様に適用が可能である。

なお、上記実施の形態１においては、Ｓ／Ｃ１４が上記第１の発明における「三元触媒」に、Ａ／Ｆセンサ１８が上記第１の発明における「下流側空燃比センサ」に、それぞれ相当している。
また、上記実施の形態１においては、ＥＣＵ２０が図５のステップ１１０の処理を実行することにより上記第１の発明における「空燃比アクティブ制御手段」が、同図のステップ１２０〜１７０の処理を実行することにより上記第１の発明における「酸素吸蔵能劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図８乃至図１２を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態においては、図１の装置構成において、図１１に示す触媒劣化検出ルーチンを実行することをその特徴とする。そのため、装置構成の説明については省略する。

［実施の形態２における触媒劣化検出手法］
上記実施の形態１においては、吸蔵サイクルにおいては下流側Ａ／Ｆがリーン域に移行する直前まで、放出サイクルにおいては下流側Ａ／Ｆがリッチ域に移行する直前までにおけるＡ／Ｆセンサ１８の出力値に基づいて酸素吸蔵量ＯＳＡを求め、三元触媒のＯＳＣに関する劣化を検出した。本実施形態においては、同期間におけるＡ／Ｆセンサ１６，１８の出力値に基づいて排気浄化反応の反応速度（以下、「反応速度ＶＯＳＡ」と称す。）を求め、三元触媒の酸化還元能力に関する劣化を検出する。

図８は、空燃比アクティブ制御中のＳ／C１４における排気浄化のイメージ図である。図８（ａ）は正常触媒時における排気浄化イメージである。正常触媒時は、金属セリウムのＯＳＣが高いだけでなく、貴金属触媒の酸化還元能力も高い。そのため、排気浄化反応がＳ／C１４前段から速やかに進行する。よって、図８（ａ）に示すように、Ｓ／C１４下流のガス雰囲気は、緩やかに入りガス雰囲気に変わっていく。つまり、正常触媒時に上流側Ａ／Ｆをリッチからリーンへ変化させた場合、下流側Ａ／Ｆは、リッチからリーンへと緩やかに変化する。上流側Ａ／Ｆをリーンからリッチへ変化させた場合も同様で、下流側Ａ／Ｆは、リーンからリッチへと緩やかに変化する。

一方、図８（ｂ）は異常触媒時における排気浄化イメージである。異常触媒時は、金属セリウムのＯＳＣが低く、貴金属触媒の酸化還元能力も低い。そのため、入りガスは、ほぼ未浄化状態でＳ／C１４を通過してしまう。よって、図８（ｂ）に示すように、Ｓ／C１４下流のガス雰囲気は、入りガス雰囲気の変化に概ね追従することになる。つまり、異常触媒時に上流側Ａ／Ｆをリッチからリーンへ変化させた場合、下流側Ａ／Ｆは、リッチからリーンへと短時間で変化する。上流側Ａ／Ｆをリーンからリッチへ変化させた場合も同様で、下流側Ａ／Ｆは、リーンからリッチへと短時間で変化する。

反応速度ＶＯＳＡの算出手法について、図９乃至図１０を参照しながら説明する。図９は、図３の説明の際に用いた図と同一の図であり、吸蔵サイクル中における空燃比挙動を示した図である。また、図１０は、図４の説明の際に用いた図と同一の図であり、放出サイクル中における空燃比挙動を示した図である。反応速度ＶＯＳＡは、図９の時刻ｔ_０〜ｔ_１または図１０の時刻ｔ_２〜ｔ_３におけるＡ／Ｆセンサ１６，１８の出力値に基づいて算出される。

上記実施の形態１で述べたように、上流側Ａ／Ｆをリッチからリーンへ変化させると、金属セリウムはそのＯＳＣの限界を迎えるまで排気中の酸素を吸蔵し続ける。つまり、図９の時刻ｔ_０〜ｔ_１において、金属セリウムは排気中の酸素を吸蔵し続けるので、三元触媒の下流側に酸素が排出されることはない。ところで、この間、貴金属触媒は、金属セリウムの傍らで排気中の酸素を用いて排気浄化を行っている。このことから、図９の時刻ｔ_０〜ｔ_１において、金属セリウムに吸蔵される酸素は、三元触媒に流入した酸素のうち、排気浄化反応に供されなかった酸素であると言える。従って、図９の時刻ｔ_０〜ｔ_１において、三元触媒に流入した酸素量（酸素流入量ＯＳＡｆ１）と、金属セリウムに吸蔵された酸素量（酸素吸蔵量ＯＳＡｒ１）との比は、反応速度ＶＯＳＡと相関があると言える。

また、上記実施の形態１で述べたように、上流側Ａ／Ｆをリーンからリッチへ変化させると、セリアは吸蔵サイクル中に吸収貯蔵した酸素を排出し尽くすまで排気中に放出し続ける。つまり、図１０の時刻ｔ_２〜ｔ_３において、セリアは排気中に酸素を放出し続ける。この間、貴金属触媒は、セリアの傍らで、放出された酸素や排気中の酸素を利用した排気浄化を行っている。このことから、図１０の時刻ｔ_２〜ｔ_３においては、金属セリウムから放出された酸素と、三元触媒に流入した酸素とが、排気浄化反応に供されていると言える。従って、図１０の時刻ｔ_２〜ｔ_３において、三元触媒に流入した酸素量（酸素流入量ＯＳＡｆ２）と、金属セリウムから放出された酸素量（酸素吸蔵量ＯＳＡｒ２）との比は、反応速度ＶＯＳＡと相関があると言える。

本実施形態において、反応速度ＶＯＳＡは、下記式（３）により算出される。
反応速度ＶＯＳＡ＝Ａ／Ｆセンサ１６の出力値に基づいて算出した酸素流入量ＯＳＡｆｍ／Ａ／Ｆセンサ１８の出力値に基づいて算出した酸素吸蔵量ＯＳＡｒｍ・・・（３）
上記式（３）において、ｍは１または２であり、酸素流入量ＯＳＡｆｍ、酸素吸蔵量ＯＳＡｒｍは、それぞれ下記式（４），（５）に基づいて算出される。
酸素流入量ＯＳＡｆｍ＝Σ（酸素質量割合Ｋ×ΔＡ／Ｆｆｍ×噴射燃料量Ｑ）・・・（４）
酸素吸蔵量ＯＳＡｒｍ＝Σ（酸素質量割合Ｋ×ΔＡ／Ｆｒｍ×噴射燃料量Ｑ）・・・（５）
上記式（４），（５）において、ｍは上記式（３）と同一の値であり、酸素質量割合Ｋは０．２３であり、ΔＡ／Ｆｆｍは｜Ａ／Ｆセンサ１６の出力値−ストイキＡ／Ｆ｜であり、ΔＡ／Ｆｒｍは｜Ａ／Ｆセンサ１８の出力値−ストイキＡ／Ｆ｜である。

三元触媒の酸化還元能力に関する劣化の検出は、上記実施の形態１同様、反応速度ＶＯＳＡと閾値との比較により行われる。三元触媒が劣化すると、図９や図１０に示すように、下流側Ａ／Ｆは、時刻ｔ_４においてリーン域に移行し、時刻ｔ_５においてリッチ域に移行する。そのため、算出される反応速度ＶＯＳＡは、正常時の反応速度ＶＯＳＡ（具体的には、三元触媒の初期状態における反応速度ＶＯＳＡ。以下同じ。）に比して極めて小さくなる。本実施形態においては、このような閾値を予め設定した上で、ＥＣＵ２０内部に記憶させているものとする。

また、本実施形態では、上記実施の形態１同様、算出した反応速度ＶＯＳＡに対して温度補正を行う。何故なら、貴金属触媒の酸化還元能力は温度特性があり、貴金属触媒や金属セリウム（またはセリア）の床温の違いによって、算出した反応速度ＶＯＳＡにばらつきが生じるためである。この温度補正は、反応速度ＶＯＳＡを算出した後に、規格化温度（例えば７５０℃）相当値に補正することにより行われる。具体的に、反応速度ＶＯＳＡの温度補正値は、下記式（６）により算出される。
反応速度ＶＯＳＡ（補正値）＝反応速度ＶＯＳＡ（算出値）＋傾きＫ×（規格化温度（℃）−算出時Ｓ／Ｃ推定温度（℃））・・・（６）
上記式（６）において、傾きＫはＳ／Ｃ推定温度と反応速度ＶＯＳＡとの関係を規定したグラフから求めることができる。なお、このグラフは別途実験等により作成できる。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図１１を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図１１は、本実施形態において、ＥＣＵ２０により実行される触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１１に示すルーチンは、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図１１に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ２０は、ステップ２００，２１０の処理を実行する。ステップ２００，２１０の処理は、図５のステップ１００，１１０の処理と同一である。ステップ２１０に続いて、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡを算出する（ステップ２２０）。図１２は、このステップ２２０の処理を示すサブルーチンのフローチャートである。本ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は、ステップ２２２，２２４の処理を実行する。ステップ２２２，２２４の処理は、図６のステップ１２２，１２４の処理と同一である。

ステップ２２４において、下流Ａ／Ｆがリーン到達前であると判定された場合、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡを算出し、ＶＯＳＡカウンタの実行回数を更新する（ステップ２２６）。反応速度ＶＯＳＡの算出手法については既述のとおりである。また、ＶＯＳＡカウンタの実行回数は、反応速度ＶＯＳＡの算出毎に１カウントされるものとする。一方、ステップ２２４において、下流Ａ／Ｆがリーンに到達したと判定された場合、ＥＣＵ２０は本ルーチンを終了し、ステップ２３０に進む。

ステップ２３０において、ＥＣＵ２０は、ＶＯＳＡカウンタがｎ以上であるか否かを判定する。本ステップにおいて、ＶＯＳＡカウンタがｎ以上と判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ２４０に進む。一方、ステップ２３０において、ＶＯＳＡカウンタがｎよりも少ないと判定された場合、反応速度ＶＯＳＡの算出数が少ないと判断できる。そのため、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡを再度算出すべく、本ルーチンを終了する。なお、ステップ２３０のカウンタ値は、予め設定され、ＥＣＵ２０に記憶させた値が用いられる。

ステップ２４０において、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊを算出する。具体的に、ＥＣＵ２０は、先ず、ステップ２２６で算出した反応速度ＶＯＳＡに対して温度補正を行い、次いで、温度補正後の反応速度ＶＯＳＡを積算し、ＶＯＳＡカウンタ数で除算して平均値ＶＯＳＡｊを求める。なお、反応速度ＶＯＳＡに対する温度補正手法については既述のとおりである。

ステップ２４０に続いて、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊが閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップ２５０）。そして、平均値ＶＯＳＡｊが閾値よりも大きいと判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ２６０に進み、三元触媒の酸化還元能力が正常であると判定する。一方、平均値ＶＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ２７０に進み、三元触媒の酸化還元能力が異常であると判定する。なお、ステップ２５０の閾値は、ＥＣＵ２０に記憶させた値が用いられる。

以上、図１１に示したルーチンによれば、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊが閾値よりも大きいと判定された場合に、三元触媒の酸化還元能力が正常であると判定し、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合に、三元触媒の酸化還元能力が異常であると判定できる。従って、三元触媒の酸化還元能力に関する劣化を高精度に検出可能となる。

ところで、上記実施の形態２においては、図１２のサブルーチンにおいて、目標空燃比の変化方向がリッチからリーンである場合に反応速度ＶＯＳＡを算出した。この理由については、上記実施の形態１において述べたとおりである。但しこれは、放出サイクルでの反応速度ＶＯＳＡの算出を排除するものではない。即ち、目標空燃比の変化方向がリーンからリッチである場合に反応速度ＶＯＳＡを算出してもよい。この場合、ステップ２２２，２２４の処理を次のように読み替えて実行する。即ち、ステップ２２２の処理は、目標空燃比の変化方向がリーンからリッチであるか否かを判定すると読み替え、ステップ２２４の処理は、リッチ（例えば１４．５８）到達前か否かを判定すると読み替える。このような読み替え後の処理によっても、三元触媒の酸化還元能力に関する劣化を高精度に検出可能となる。なお、本変形例は、後述する実施の形態３においても同様に適用が可能である。

なお、上記実施の形態２においては、Ａ／Ｆセンサ１６が上記第１の発明における「上流側空燃比センサ」に相当している。
また、上記実施の形態２においては、ＥＣＵ２０が図１１のステップ２２０〜２７０の処理を実行することにより上記第１の発明における「排気浄化能力判定手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図１３乃至図１８を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態においては、上記実施の形態１で算出した酸素吸蔵量ＯＳＡと、上記実施の形態２で算出した反応速度ＶＯＳＡとを用いて、三元触媒の具体的な劣化状態を特定することをその特徴とする。そのため、装置構成の説明や、酸素吸蔵量ＯＳＡおよび反応速度ＶＯＳＡの算出手法の説明については省略する。

［実施の形態３における触媒劣化検出手法］
上記実施の形態１によれば、三元触媒のＯＳＣに関する劣化を検出でき、上記実施の形態２によれば、三元触媒の酸化還元能力に関する劣化を検出できる。しかしながら、三元触媒の劣化をより高精度に検出するためには、これらを同時検出することが望ましい。また、三元触媒の劣化要因は複数あり、その劣化要因には早急な対処が必要なものと、そうでないものとが混在する。そのため、三元触媒の劣化要因が特定できることが望ましい。

そこで、本実施形態においては、酸素吸蔵量ＯＳＡと、反応速度ＶＯＳＡとを用いて、三元触媒の具体的な劣化状態を特定する。具体的な劣化状態としては、(i)熱劣化、(ii)失火等による溶損、(iii)マンガン（Ｍｎ）などによる目詰り、(iv)被毒劣化および(v)基材割れが該当する。劣化状態の特定は、算出した吸蔵量ＯＳＡと正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡとの偏差（以下、「ＯＳＡ偏差」と称す。）と、算出した反応速度ＶＯＳＡと正常時の反応速度ＶＯＳＡとの偏差（以下、「ＶＯＳＡ偏差」と称す。）との組み合わせにより行うものとする。

(i)熱劣化の場合は、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡが小さくなる。図１３は、熱劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。図１３に示すように、熱劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動は、上記実施の形態１や２で説明した下流側Ａ／Ｆの挙動と同様の挙動を示す。つまり、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡが、正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡや正常時の反応速度ＶＯＳＡよりも小さい場合には、三元触媒が熱劣化していることを特定できる。具体的に、ＯＳＡ偏差が第１所定量以上である場合、または、ＶＯＳＡ偏差が第２所定量以上である場合、熱劣化であると特定する。

(ii)失火等による溶損の場合は、三元触媒の機能を完全に失う。図１４は、溶損時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。図１４に示すように、溶損時における下流側Ａ／Ｆの挙動は、上流側Ａ／Ｆの挙動と略等しくなり、反応速度ＶＯＳＡ≒１、かつ、酸素吸蔵量ＯＳＡ≒０となる。つまり、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡが、正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡや正常時の反応速度ＶＯＳＡよりも極めて小さい場合には、三元触媒が溶損していることを特定できる。具体的に、ＯＳＡ偏差が第３所定量（＞第１所定量）以上、かつ、ＶＯＳＡ偏差が第４所定量（＞第２所定量）以上である場合、溶損であると特定する。

(iii)Ｍｎなどによる目詰りとは、燃料に含まれるＭｎなどが三元触媒に付着する現象である。目詰りの場合、付着Ｍｎが金属セリウムの酸素吸放出作用を阻害する。図１５は、目詰り時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。図１５に示すように、目詰り時における下流側Ａ／Ｆの挙動は、正常時における下流側Ａ／Ｆの挙動と略同じである。但し、算出した反応速度ＶＯＳＡは正常時の反応速度ＶＯＳＡに比べて若干速くなり、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡは正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡに比べて少なくなる。つまり、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡが正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡよりも小さい場合において、算出した反応速度ＶＯＳＡが、正常時の反応速度ＶＯＳＡと略同一或いは僅かに小さい場合は、目詰りであることを特定できる。具体的に、ＯＳＡ偏差が第１所定量以上、かつ、ＶＯＳＡ偏差が第５所定量（＜第２所定量）以下である場合、目詰りであると特定する。

(iv)被毒劣化とは、燃料やエンジンオイルに含まれる硫黄（Ｓ）などが三元触媒に一時的に付着する現象である。被毒劣化の場合、付着Ｓが貴金属触媒での排気浄化反応の進行や、金属セリウムの酸素吸放出作用を一時的に阻害する。図１６は、被毒劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。図１６に示すように、被毒劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動は、熱劣化時における下流側Ａ／Ｆの挙動と同様の挙動を示す。但し、熱劣化と異なり、被毒劣化は、運転条件を変更すれば回復する。そのため、Ｓ／Ｃ１４床温が７００℃以上となるような高温運転条件や、Ｆ／Ｃ運転後にリッチ制御運転条件といった所定の被毒回復条件での運転後、酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡが所定値以上変化し、正常時の値に近づいた場合には、被毒劣化であることを特定できる。具体的に、ＯＳＡ偏差が第１所定量以上、かつ、ＶＯＳＡ偏差が第２所定量以上である場合において、所定の被毒回復条件での運転後、ＯＳＡ偏差が第１所定量未満、かつ、ＶＯＳＡ偏差が第２所定量未満となった場合、被毒劣化であると特定する。

(v)基材割れには、割れ方向がガス流れ方向に直交する縦割れと、ガス流れ方向に平行な横割れの二種類がある。縦割れの場合、酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡに対する影響は殆どない。横割れの場合、分裂箇所以外においては正常時同様に機能するが、分裂箇所においては、入りガスが漏出する。図１７は、基材横割れ時における下流側Ａ／Ｆの挙動を示した図である。図１７（ａ）（または図１７（ｂ））に示すように、基材横割れ時における下流側Ａ／Ｆは、分裂箇所から漏出したガスの影響でガス平衡点がリッチ側（またはリーン側）にずれる。つまり、算出した酸素吸蔵量ＯＳＡおよび算出した反応速度ＶＯＳＡが正常時の酸素吸蔵量ＯＳＡおよび反応速度ＶＯＳＡと略等しく、ガス平衡点がリッチ側（またはリーン側）にずれる場合は、基材横割れであることを特定できる。

なお、上記第１所定量〜第５所定量のそれぞれついては、予め設定した上で、ＥＣＵ２０内部に記憶させているものとする。

［実施の形態３における具体的処理］
次に、図１８を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図１８は、本実施形態において、ＥＣＵ２０により実行される触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１８に示すルーチンは、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図１８に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ２０は、ステップ３００，３１０の処理を実行する。ステップ３００，３１０の処理は、図５のステップ１００，１１０の処理と同一である。ステップ３１０に続いて、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡおよび反応速度ＶＯＳＡを算出する（ステップ３２０）。ここで、酸素吸蔵量ＯＳＡは、図６に示したサブルーチンにより、反応速度ＶＯＳＡは、図１２で示したサブルーチンにより、それぞれ算出される。

ステップ３３０において、ＥＣＵ２０は、ＯＳＡカウンタがｎ以上であるか否かを判定する。本ステップの処理は、図５のステップ１３０の処理と同一であり、ＯＳＡカウンタがｎ以上と判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ３４０に進む。一方、ＯＳＡカウンタがｎよりも少ないと判定された場合、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡを再度算出すべく、本ルーチンを終了する。

ステップ３４０において、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊを算出する。本ステップの処理は、図５のステップ１４０の処理と同一である。

ステップ３４０に続いて、ＥＣＵ２０は、ＶＯＳＡカウンタがｎ以上であるか否かを判定する（ステップ３５０）。本ステップの処理は、図１１のステップ２３０の処理と同一であり、ＶＯＳＡカウンタがｎ以上と判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ３６０に進む。一方、ＶＯＳＡカウンタがｎよりも少ないと判定された場合、ＥＣＵ２０は反応速度ＶＯＳＡを再度算出すべく、本ルーチンを終了する。

ステップ３６０において、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊを算出する。本ステップの処理は、図１１のステップ２４０の処理と同一である。

ステップ３６０に続いて、ＥＣＵ２０は、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊが閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップ３７０）。ステップ３７０において、平均値ＯＳＡｊが閾値よりも大きいと判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ３８０に進む。一方、ステップ３７０において、平均値ＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ３９０に進む。なお、ステップ３７０で用いる閾値は、図５のステップ１５０で用いる閾値と同じ値であり、予め設定され、ＥＣＵ２０に記憶させた値が用いられる。

ステップ３８０において、ＥＣＵ２０は、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊが閾値よりも大きいか否かを判定する。そして、平均値ＶＯＳＡｊが閾値よりも大きいと判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ４００に進み、三元触媒の酸化還元能力が正常であると判定する。一方、平均値ＶＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合、ＥＣＵ２０は、ステップ３９０に進む。なお、ステップ３８０で用いる閾値は、図１２のステップ２５０で用いる閾値と同じ値であり、予め設定され、ＥＣＵ２０に記憶させた値が用いられる。

ステップ３９０において、ＥＣＵ２０は、三元触媒の劣化状態を特定する。なお、劣化状態の特定手法については既述のとおりである。

以上、図１８に示したルーチンによれば、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊと、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊとを同時に求めるので、三元触媒の劣化をより高精度に検出できる。また、酸素吸蔵量ＯＳＡの平均値ＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合や、反応速度ＶＯＳＡの平均値ＶＯＳＡｊが閾値以下であると判定された場合に、三元触媒の劣化要因を特定できる。

なお、上記実施の形態３においては、ＥＣＵ２０が図１８のステップ３９０の処理を実行することにより上記第２の発明における「劣化状態特定手段」が実現されている。

実施の形態４．
次に、図１９乃至図２０を参照しながら、本発明の実施の形態４について説明する。本実施形態においては、図１の装置構成において、図２０に示すリッチ限定空燃比アクティブ制御ルーチンを実行することをその特徴とする。そのため、装置構成の説明については省略する。

上記実施の形態１乃至３においては、酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡの算出に際し、空燃比アクティブ制御を実行した。しかしながら、空燃比アクティブ制御の実行中は、目標空燃比を短期間で切り替えるのでエミッションが悪化し易く、特にリーン側ではＳ／Ｃ１４の下流側に未浄化ＮＯｘが排出されてしまう。そこで、本実施形態では、下流側Ａ／Ｆがストイキからリーンに変化した時点で上流側Ａ／Ｆをリッチに切り替える制御（以下、「リッチ限定空燃比アクティブ制御」と称す。）を実行する。

［リッチ限定空燃比アクティブ制御中の空燃比挙動］
図１９は、リッチ限定空燃比アクティブ制御中の空燃比挙動を示した図である。リッチ限定空燃比アクティブ制御中においては、先ず、上流側Ａ／Ｆがリッチからリーンに変化するように目標空燃比が設定される。そのため、時刻ｔ_６〜ｔ_７において、上流側Ａ／Ｆはリッチ側の所定値からリーン側の所定値に向かって変化する（図１９（ａ））。一方、下流側Ａ／Ｆは、同期間において、リッチ側の所定値からストイキに向かって変化する（図１９（ｂ））。

リッチ限定空燃比アクティブ制御では、下流側Ａ／Ｆがストイキからリーンに変化した時点で目標空燃比の変化方向が切り替えられる。そのため、時刻ｔ_７において、目標空燃比がリーンからリッチに切り替えられる。そうすると、時刻ｔ_７〜ｔ_８において、上流側Ａ／Ｆはリーン側の所定値からリッチ側の所定値に向かって変化する。一方、下流側Ａ／Ｆは、同期間において、ストイキからリッチ側の所定値に向かって変化する。そして、時刻ｔ_８において、下流側Ａ／Ｆがリッチ側の所定値に到達すると、目標空燃比がリッチからリーンに切り替えられる。時刻ｔ_８以降の空燃比挙動は上記の繰り返しである。即ち、下流側Ａ／Ｆは、時刻ｔ_８〜ｔ_９においてリッチ側の所定値からストイキに向かって変化し、時刻ｔ_９において目標空燃比がリーンからリッチに切り替えられると、時刻ｔ_９〜ｔ_１０においてストイキからリッチ側の所定値に向かって変化する。

リッチ限定空燃比アクティブ制御を実行すれば、リーン側でのＮＯｘ排出を抑制できる。従って、排気エミッションの悪化を未然に防止できる。また、吸蔵サイクル側を最低限の酸素量で停止して放出サイクル側に切り替え、酸素を十分に放出させた後に再度吸蔵サイクル側に切り替えるので、酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡの安定的な計測が可能となる。また、放出サイクルを入れることでＳ被毒の影響を低減することも可能となる。更に、リッチ限定空燃比アクティブ制御は、リーン域での空燃比変化が無い分、空燃比アクティブ制御に比して制御実行時間を短縮化できるので、目標空燃比の切り替えに伴うエミッションの悪化を最小限に留めることも可能となる。

［実施の形態４における具体的処理］
次に、図２０を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図２０は、本実施形態において、ＥＣＵ２０により実行されるリッチ限定空燃比アクティブ制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図２０に示すルーチンは、空燃比アクティブ制御を実行する代わりに実行されるものとする（例えば図５のステップ１１０）。また、図２０に示すルーチンは、所定期間に亘って繰り返し実行されるものとする。

図２０に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ２０は、上流側Ａ／Ｆがリッチ（１４．０）となるように目標空燃比を設定し、Ａ／Ｆセンサ１６の出力値に基づいてフィードバック制御する（ステップ５００）。続いて、ＥＣＵ２０は、下流側Ａ／Ｆがリッチ（１４．０）に到達したか否かを判定する（ステップ５１０）。本ステップの処理は、下流側Ａ／Ｆがリッチに到達するまで繰り返し実行される。

ステップ５１０において、下流側Ａ／Ｆがリッチに到達したと判定された場合、ＥＣＵ２０は、上流側Ａ／Ｆがリーン（１５．０）となるように目標空燃比を設定し、Ａ／Ｆセンサ１６の出力値に基づいてフィードバック制御する（ステップ５２０）。続いて、ＥＣＵ２０は、下流側Ａ／Ｆがリーン（１４．６２）に到達したか否かを判定する（ステップ５３０）。本ステップの処理は、下流側Ａ／Ｆがリーンに到達するまで繰り返し実行される。ステップ５３０において、下流側Ａ／Ｆがリーンに到達したと判定された場合、ＥＣＵ２０は、本ルーチンを終了する。

以上、図２０に示したルーチンによれば、下流側Ａ／Ｆがリーンに到達したと判定された場合には目標空燃比がリッチに設定されるので、下流側Ａ／Ｆがリーン域となる時間を短縮でき、リーン側でのＮＯｘ排出を抑制しつつ、目標空燃比の切り替えに伴うエミッションの悪化を最小限に留めることも可能となる。また、下流側Ａ／Ｆがリッチに到達したと判定された場合には目標空燃比がリーンに設定されるので、放出サイクルを行って三元触媒から酸素を十分に放出させた後に吸蔵サイクル側に切り替えることができる。従って、酸素吸蔵量ＯＳＡや反応速度ＶＯＳＡの安定的な計測が可能となる。また、放出サイクルを経由させることでＳ被毒の影響を低減できる。

１０エンジン
１２排気通路
１４Ｓ／Ｃ
１６，１８Ａ／Ｆセンサ
２０ＥＣＵ
２２三元触媒
２４ＤＰＦ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され排気を浄化する三元触媒と、
前記三元触媒よりも上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
前記三元触媒よりも下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記三元触媒よりも上流側の目標空燃比をストイキよりもリッチ側およびリーン側に強制的かつ周期的に切り替える空燃比アクティブ制御であって、前記目標空燃比をリッチからリーンに切り替え、前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比がストイキからリーンに変化した時点で前記目標空燃比をリーンからリッチに切り替えるリッチ限定空燃比アクティブ制御を実行する空燃比アクティブ制御手段と、
前記リッチ限定空燃比アクティブ制御の実行中に前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて前記三元触媒の酸素吸蔵能力に関する劣化を判定する酸素吸蔵能劣化判定手段と、
前記リッチ限定空燃比アクティブ制御の実行中に前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて前記三元触媒の排気浄化能力に関する劣化を判定する排気浄化能力判定手段と、
を備え、
前記酸素吸蔵能劣化判定手段は、前記目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた際に、リッチ域の所定開始点からストイキ到達後かつリーン域移行前の所定終了点までの吸蔵期間において前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて算出した酸素吸蔵量を用いて、前記三元触媒の酸素吸蔵能力に関する劣化を判定し、
前記排気浄化能力判定手段は、前記吸蔵期間において前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比を用いて算出した酸素吸蔵変化速度を用いて、前記三元触媒の排気浄化能力に関する劣化を判定することを特徴とする触媒劣化検出装置。
前記吸蔵期間における酸素吸蔵量と、前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との少なくとも一方を用いて、前記三元触媒の劣化状態を特定する劣化状態特定手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
前記劣化状態特定手段は、前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵量として設定した初期吸蔵量と、前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が第１所定量以上である場合、または、前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵変化速度として設定した初期変化速度と、前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が第２所定量以上である場合、前記三元触媒が熱劣化状態であると特定することを特徴とする請求項２に記載の触媒劣化検出装置。
前記劣化状態特定手段は、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量以上、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量以上の場合において、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量よりも大きい第３所定量以上、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量よりも大きい第４所定量以上であるときは、前記三元触媒が溶損状態であると特定することを特徴とする請求項３に記載の触媒劣化検出装置。
前記劣化状態特定手段は、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量以上の場合、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量未満の場合において、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量よりも小さい第５所定量以下であるときは、前記三元触媒が目詰まり状態であると特定することを特徴とする請求項３に記載の触媒劣化検出装置。
前記劣化状態特定手段は、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量以上、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量以上の場合において、所定の被毒回復条件での運転後、前記初期吸蔵量と前記吸蔵期間における酸素吸蔵量との偏差が前記第１所定量未満、かつ、前記初期変化速度と前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度との偏差が前記第２所定量未満となった場合、前記三元触媒が一時的な被毒状態であると特定することを特徴とする請求項３に記載の触媒劣化検出装置。
前記劣化状態特定手段は、前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵量および前記三元触媒の初期状態において算出される酸素吸蔵変化速度が、前記吸蔵期間における酸素吸蔵量および前記吸蔵期間における酸素吸蔵変化速度と略等しく、前記吸蔵期間において前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比のガス平衡点がストイキよりもリッチ側にずれる場合、前記三元触媒が基材割れ状態であると特定することを特徴とする請求項２に記載の触媒劣化検出装置。