JP3997599B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせる内燃機関の空燃比制御装置に適用され、リーン燃焼時に発生する排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するためのＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における内燃機関の空燃比制御装置では、燃費改善を図るべく理論空燃比よりもリーン側で燃料を燃焼させる、いわゆるリーンバーン制御を実施する技術が多用化されつつある。こうしたリーン燃焼を行わせる場合、内燃機関から排出される排ガスにはＮＯｘが多く含まれ、このＮＯｘを浄化するためのリーンＮＯｘ触媒が必要となる。
【０００３】
例えば特許番号第２６００４９２号公報には、排ガスの空燃比がリーンである時にＮＯｘを吸収すると共に、排ガスの酸素濃度が低下された時に、すなわちリッチ化された時に前記吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）と、同ＮＯｘ吸収剤を備えた排気浄化装置とが開示されている。また、上記公報の装置では、機関排気通路の上流側に三元触媒を、下流側にＮＯｘ触媒をそれぞれ設置した構成が開示されている。
【０００４】
一方、リーン燃焼時に発生するＮＯｘをＮＯｘ触媒にて吸収するシステムでは、ＮＯｘ触媒でＮＯｘが飽和状態になるとＮＯｘ浄化能力が限界に達する。そのため、ＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させてＮＯｘの排出を抑制すべく、一時的にリッチ燃焼を行わせるようにした技術が知られている。例えば特開平８−２６１０４１号公報には、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）の劣化度合を検出し、該検出したＮＯｘ触媒の劣化度合に応じて空燃比リッチ時間を長くする装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、機関排気通路の上流側に三元触媒を、下流側にＮＯｘ触媒をそれぞれ配設した装置では、三元触媒に酸素やリッチ成分が一時的に貯蔵（ストレージ）されることで、その下流側のＮＯｘ触媒に供給される排ガス成分が変動する。つまり、ＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘを還元し放出すべくリーン燃焼をリッチ燃焼に切り換えても、三元触媒下流側の排ガスの空燃比（ＮＯｘ触媒に給送される排ガスの空燃比）は直ぐにはリーンからリッチに移行せず、三元触媒における貯蔵酸素との反応を終えた後、リッチに移行する。従って、ＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘを確実に還元し放出するには、上述の貯蔵酸素との反応時間を見込んでリッチ燃焼のためのリッチ時間が設定されることになる。
【０００６】
またここで、三元触媒の例えば新品時と劣化時とを比べると、新品時の方が酸素貯蔵能力が高く、リーン燃焼時において比較的多量の酸素を貯蔵する。換言すれば、三元触媒の劣化が進行すると酸素貯蔵能力が低下する。そのため、三元触媒の新品時と劣化時とで、同様のリッチ燃焼制御を実施すると、劣化時においてＮＯｘ触媒側に給送されるリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）が過多となり、そのリッチ成分が浄化されずに排出されるおそれがあった。それを図１４を用いて簡単に説明する。
【０００７】
図１４は、三元触媒の劣化時における空燃比や排ガス成分の推移を示すタイムチャートである。図１４において、時刻ｔ３１では制御空燃比がリーンからリッチに切り換えられ、三元触媒前方及び後方の空燃比がリッチへと移行する。時刻ｔ３２では、三元触媒前方及び後方の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に達し、本来、三元触媒が新品時と同等の酸素貯蔵能力を有していれば、三元触媒後方の空燃比は理論空燃比で所定時間（貯蔵酸素との反応時間）だけ保持されるが、三元触媒が劣化し貯蔵酸素量が少ないために、直後の時刻ｔ３３で同空燃比がリッチ側に移行する。時刻ｔ３３以降、リッチ成分がＮＯｘ触媒側に供給されるために同触媒の吸蔵ＮＯｘが還元・放出され、その後、時刻ｔ３４では、制御空燃比が元のリーンに戻される。
【０００８】
かかる場合、制御空燃比がリッチに制御される期間（時刻ｔ３１〜ｔ３４のリッチ時間）は、三元触媒の新品時を基準として同触媒の貯蔵酸素量をも見込んで予め設定される。しかしながら上記のように三元触媒が劣化すると、貯蔵酸素量が当初の見込み量よりも減少し、その減少分だけＮＯｘ触媒に供給されるリッチ成分が過剰となる。そのため、吸蔵ＮＯｘの還元終了後にもリッチ成分が供給され、ＨＣ，ＣＯといった排ガス成分が浄化されずに排出されることになる。
【０００９】
また逆に、三元触媒の劣化時を基準としてリッチ時間を設定すると、三元触媒の新品時において、吸蔵ＮＯｘの還元・放出に必要なリッチ成分が不足し、ＮＯｘが浄化されずに排出されるおそれが生ずる。
【００１０】
上記不具合は、例えば特許番号第２６００４９２号に開示された装置で生じうる。また、特開平８−２６１０４１号公報に開示された装置では、ＮＯｘ触媒の劣化度合を空燃比リッチ制御に反映させているが、三元触媒についての記載はなく、上記図１４で説明したような不具合を解消できるものではなかった。因みに、ＮＯｘ触媒の劣化と三元触媒の劣化とはその原因や進行速さが相違する。ＮＯｘ触媒の劣化は硫酸塩ＢａＳＯ4 の生成が主たる原因であるのに対し、三元触媒の劣化は熱害が主たる原因であると考えられる。
【００１１】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ＮＯｘ触媒の上流側に位置する触媒の劣化状態に拘わらず、常に良好な排ガス浄化を行うことができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の空燃比制御装置は、機関排気通路の上流側に設けられ、少なくとも酸化作用を有する上流側触媒と、機関排気通路の下流側に設けられ、ＮＯｘ吸蔵還元作用を有する下流側触媒とを備える内燃機関に適用され、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘを前記下流側触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して吸蔵ＮＯｘを下流側触媒から放出することを前提とする。
【００１３】
そして、請求項１に記載の発明では、上流側触媒の劣化度合を検出する劣化検出手段と、前記検出した上流側触媒の劣化度合に基づいて、空燃比のリッチ制御を実施するリッチ制御手段とを備える。
【００１４】
要するに、例えば三元触媒や酸化触媒にて実現される上流側触媒は、酸素貯蔵能力を有するが、その酸素貯蔵量は同触媒の劣化度合に応じて変化する。この場合、上流側触媒が劣化すると、酸素貯蔵能力が低下し、上流側触媒前の排ガスの空燃比変化が直ぐに触媒後の空燃比変化に現れるようになる。本発明の場合には、上流側触媒の劣化度合を検出し、その劣化度合に応じて空燃比リッチ制御を変更する。そのために、従来装置のように上流側触媒の劣化時に過剰なリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2 等）が供給され、結果としてＨＣ，ＣＯが多量に排出されるといった不具合が解消される。
【００１５】
その結果、ＮＯｘ触媒の上流側に位置する触媒の劣化状態に拘わらず、常に良好な排ガス浄化を行うことができる。また上記発明は、三元触媒の個体差や使用温度により個々の酸素貯蔵能力が相違する場合にも有効であって、かかる場合にも良好なる排ガス浄化を実施することが可能となる。
【００１６】
前記リッチ制御手段は、上流側触媒の劣化度合に基づき空燃比リッチ制御時の基準リッチ時間を求め、該求めた基準リッチ時間に応じてリッチ制御を実施する。またより詳細には、請求項２に記載したように、前記リッチ制御手段は、空燃比リッチ制御時における実リッチ時間と前記基準リッチ時間とを比較し、実リッチ時間が基準リッチ時間に達した際に空燃比リッチ制御を終了するとよい。
【００１７】
上記請求項１，２の発明によれば、上流側触媒の劣化度合に応じた基準リッチ時間だけ空燃比リッチ制御が実施される。これにより、触媒劣化時にも過不足のないリッチ制御を実施することができる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明では、前記リッチ制御手段は、上流側触媒の劣化度合が大きいほど、基準リッチ時間を短く設定する。すなわち、既述の通り上流側触媒の劣化が進行すると、同触媒の酸素貯蔵能力が低下する。そのために、触媒劣化度合が大きいほど、空燃比リッチ制御時において上流側触媒の貯蔵酸素と反応するリッチ成分が減少し、その減少分だけリッチ時間が短縮されるようになる。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、前記劣化検出手段は、内燃機関が始動してから前記上流側触媒が所定温度に達するまでに該触媒内で浄化されないガス成分量を算出する手段と、該算出した未浄化のガス成分量に基づいて上流側触媒の劣化度合を検出する手段とからなる。
【００２０】
つまり、上流側触媒の劣化前（新品時）と劣化後とを比較すると、同触媒内で浄化されないガス成分量（未浄化ガス成分量）が相違する。これに着目して、例えば機関始動から触媒が暖機されるまでの間に未浄化ガス成分量を算出し、その未浄化ガス成分量に基づいて触媒劣化を検出する。それにより、触媒活性前のエミッション増加を考慮した触媒劣化検出を精度良く実施することができる。なお、触媒暖機前には、触媒劣化度合の違いによる浄化率の差が大きく、触媒劣化を容易且つ正確に検出することが可能となる。
【００２１】
この場合、請求項５に記載したように、前記上流側触媒を通過した後の時間毎の空燃比変動量の積分値を未浄化ガス成分量として求め、その未浄化ガス成分量が大きいほど、劣化度合が大きい旨を検出するとよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比制御システムでは、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、その目標空燃比に基づいてリーン燃焼を行わせる、いわゆるリーンバーン制御を実施する。同システムの主たる構成として、内燃機関の排気系通路の途中には、上流側触媒としての三元触媒と下流側触媒としてのＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）とが設けられ、三元触媒の上流側には限界電流式の空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が、ＮＯｘ触媒の下流側には酸素センサ（Ｏ2 センサ）がそれぞれ配設される。そして、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置（以下、ＥＣＵという）は、Ａ／Ｆセンサ並びにＯ2 センサによる検出結果を取り込み、その検出結果に基づいて空燃比をフィードバック制御する。以下、図面を用いてその詳細な構成を説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概略構成図である。図１に示されるように、内燃機関は４気筒４サイクルの火花点火式エンジン（以下、エンジン１という）として構成されている。その吸入空気は上流よりエアクリーナ２、吸気管３、スロットル弁４、サージタンク５及びインテークマニホールド６を通過して、インテークマニホールド６内で各気筒毎の燃料噴射弁７から噴射された燃料と混合される。そして、所定空燃比の混合気として各気筒に供給される。
【００２４】
エンジン１の各気筒に設けられた点火プラグ８には、点火回路９から供給される高電圧がディストリビュータ１０を介して分配供給され、点火プラグ８は前記各気筒の混合気を所定タイミングで点火する。燃焼後に各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホールド１１及び排気管１２を経て、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの三成分を浄化するための三元触媒１３と、排ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒１４とを通過した後、大気に排出される。
【００２５】
ここで、ＮＯｘ触媒１４は、リーン空燃比での燃焼時においてＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比での燃焼時において前記吸蔵したＮＯｘをリッチ成分（ＣＯ，ＨＣなど）で還元し放出する。また、三元触媒１３は、ＮＯｘ触媒１４に比べてその容量が小さく、エンジン１の低温始動後において早期に活性化されて有害ガスを浄化する、いわゆるスタートキャタリストとしての役割を持つ。
【００２６】
前記吸気管３には吸気温センサ２１及び吸気圧センサ２２が設けられ、吸気温センサ２１は吸入空気の温度（吸気温Ｔａｍ）を、吸気圧センサ２２はスロットル弁４の下流側の吸気管内負圧（吸気圧ＰＭ）をそれぞれ検出する。前記スロットル弁４には同弁４の開度（スロットル開度ＴＨ）を検出するためのスロットルセンサ２３が設けられ、このスロットルセンサ２３はスロットル開度ＴＨに応じたアナログ信号を出力する。スロットルセンサ２３はアイドルスイッチをも内蔵しており、スロットル弁４が略全閉である旨の検出信号を出力する。
【００２７】
エンジン１のシリンダブロックには水温センサ２４が設けられ、この水温センサ２４はエンジン１内を循環する冷却水の温度（冷却水温Ｔｈｗ）を検出する。前記ディストリビュータ１０にはエンジン１の回転数（エンジン回転数Ｎｅ）を検出するための回転数センサ２５が設けられ、この回転数センサ２５はエンジン１の２回転、すなわち７２０°ＣＡ毎に等間隔で２４個のパルス信号を出力する。
【００２８】
さらに、前記排気管１２において三元触媒１３の上流側には、限界電流式のＡ／Ｆセンサ２６が配設されており、同センサ２６はエンジン１から排出される排ガスの酸素濃度（或いは、未燃ガス中のＣＯ濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号（ＡＦｍ）を出力する。また、ＮＯｘ触媒１４の下流側にはＯ2 センサ２７が配設されており、同センサ２７は排ガスが空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号（Ｖｓ）を出力する。
【００２９】
ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、バックアップＲＡＭ３４等を中心に論理演算回路として構成され、前記各センサの検出信号を入力する入力ポート３５及び各アクチュエータ等に制御信号を出力する出力ポート３６に対しバス３７を介して接続されている。ＥＣＵ３０は、前記した各種センサの検出信号（吸気温Ｔａｍ、吸気圧ＰＭ、スロットル開度ＴＨ、冷却水温Ｔｈｗ、エンジン回転数Ｎｅ、空燃比信号等）を入力ポート３５を介して入力する。そして、それらの各値に基づいて燃料噴射量ＴＡＵ、点火時期Ｉｇ等の制御信号を算出し、さらにそれら制御信号を出力ポート３６を介して燃料噴射弁７及び点火回路９等にそれぞれ出力する。
【００３０】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用を説明する。本制御システムではその基本構成として、理論空燃比よりもリーン側の空燃比域で空燃比のＦ／Ｂ制御を実施し、その空燃比リーン制御の途中に一時的に空燃比リッチ制御を実施する。特に本実施の形態では、三元触媒１３上流側のＡ／Ｆセンサ２６の検出結果に基づく、いわゆる「メインＦ／Ｂ制御」に加え、ＮＯｘ触媒１４下流側のＯ2 センサ２７の出力電圧に基づく、いわゆる「サブＦ／Ｂ制御」を実施する。
【００３１】
つまり、メインＦ／Ｂ制御では、Ａ／Ｆセンサ２６のセンサ出力（実空燃比）ＡＦｍと目標空燃比ＭＡＦとの偏差に応じてＰＩ制御手順に従いフィードバック処理を実施する。また、サブＦ／Ｂ制御では、Ｏ2 センサ２７の出力電圧（実電圧）Ｖｓを所定の目標電圧ＭＶｓ（例えば、理論空燃比に相当する値）にフィードバックすべく、実電圧Ｖｓと目標電圧ＭＶｓとの偏差の積分値に基づいてメインＦ／Ｂ制御の目標空燃比ＭＡＦを補正する。以下に、空燃比制御の詳細を図２を用いて説明する。
【００３２】
図２は、ＣＰＵ３１により実行される空燃比制御ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態では１８０°ＣＡ毎）に実行される。
【００３３】
図２において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ１０１で空燃比Ｆ／Ｂ実行条件が成立しているか否かを判別し、不成立であればステップ１０２で空燃比をオープン制御した後、本ルーチンを一旦終了する。ここで、空燃比Ｆ／Ｂ実行条件としては、
・エンジン冷却水温Ｔｈｗが所定温度以上であること、
・Ａ／Ｆセンサ２６及びＯ2 センサ２７が十分に活性化されていること、
・高回転高負荷状態でないこと、
などを含み、これらの条件が全て満たされたときに空燃比Ｆ／Ｂ実行条件が成立する。Ｆ／Ｂ実行条件が成立すると、ＣＰＵ３１はステップ１０３以降の処理に進む。
【００３４】
ＣＰＵ３１は、ステップ１０３でサブＦ／Ｂ制御のための目標電圧ＭＶｓを設定する。目標電圧ＭＶｓは、ＮＯｘ触媒１４下流側のＯ2 センサ２７の出力の目標値であり、エンジン回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとに応じて予め設定された二次元マップ（図示略）により算出される。この場合、例えば回転数Ｎｅが高いほど、目標電圧ＭＶｓが大きな値となる。
【００３５】
また、ＣＰＵ３１は、続くステップ１０４でＯ2 センサ２７の出力電圧（実電圧Ｖｓ）と目標電圧ＭＶｓとの電圧偏差ΔＶｓを求め（ΔＶｓ＝Ｖｓ−ＭＶｓ）、続くステップ１０５でこの電圧偏差ΔＶｓの積分値ＶｓＳＵＭ（ｉ）を次式により算出する。
【００３６】
ＶｓＳＵＭ（ｉ）＝ＶｓＳＵＭ（ｉ−１）＋ΔＶｓ
ここで、添字の「ｉ」は今回値を示し、「ｉ−１」は前回値を示す（以下、同様の表記を用いる）。
【００３７】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０６で前記算出した電圧偏差ΔＶｓとその積分値ＶｓＳＵＭ（ｉ）とを用いて次式によりサブＦ／Ｂ補正量ΔＦｓを算出する。
【００３８】
ΔＦｓ＝ＫＰｓ・ΔＶｓ＋ＫＩｓ・ＶｓＳＵＭ（ｉ）
ここで、ＫＰｓは比例係数、ＫＩｓは積分係数である。
さらに、ＣＰＵ３１は、ステップ１０７で前記算出したサブＦ／Ｂ補正量ΔＦｓを、メインＦ／Ｂ制御の目標空燃比ＭＡＦを補正するための補正量ΔＭＡＦに変換する。例えばサブＦ／Ｂ補正量ΔＦｓがリッチの場合（ΔＦｓ＜０の場合）、メインＦ／Ｂ制御の目標空燃比ＭＡＦをリーン側に補正する量として補正量ΔＭＡＦを算出する（ΔＭＡＦ＞０）。逆に、サブＦ／Ｂ補正量ΔＦｓがリーンの場合（ΔＦｓ≧０の場合）、メインＦ／Ｂ制御の目標空燃比ＭＡＦをリッチ側に補正する量として補正量ΔＭＡＦを算出する（ΔＭＡＦ≦０）。
【００３９】
また、ＣＰＵ３１は、ステップ２００でメインＦ／Ｂ制御の目標空燃比ＭＡＦを設定する。このとき、後述する図３のルーチンに従い、空燃比リーン制御の途中に一時的に空燃比リッチ制御が行われるよう、目標空燃比ＭＡＦが設定される。
【００４０】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０８で前記算出した目標空燃比補正量ΔＭＡＦを用いてメインＦ／Ｂ制御の目標空燃比ＭＡＦを補正し、新たな目標空燃比ＭＡＦｍを算出する（ＭＡＦｍ＝ＭＡＦ＋ΔＭＡＦ）。さらに、ＣＰＵ３１は、ステップ１０９で三元触媒１３上流側のＡ／Ｆセンサ２６の出力ＡＦｍと目標空燃比ＭＡＦｍとの偏差ΔＡＦｍを算出し（ΔＡＦｍ＝ＭＡＦｍ−ＡＦｍ）、続くステップ１１０でこの偏差ΔＡＦｍの積分値ＡＦｍＳＵＭを次式により算出する。
【００４１】
ＡＦｍＳＵＭ（ｉ）＝ＡＦｍＳＵＭ（ｉ−１）＋ΔＡＦｍ
さらにその後、ＣＰＵ３１は、ステップ１１１で前記算出した目標空燃比ＭＡＦｍの偏差ΔＡＦｍとその積分値ＡＦｍＳＵＭとを用い、メインＦ／Ｂ制御の補正量ΔＦｍを次式により算出する。
【００４２】
ΔＦｍ＝ＫＰｍ・ΔＡＦｍ＋ＫＩｍ・ＡＦｍＳＵＭ（ｉ）
ここで、ＫＰｍは比例係数、ＫＩｍは積分係数である。
最後に、ＣＰＵ３１は、ステップ１１２でエンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭから算出される基本噴射量Ｔｐ、吸気温度等による補正係数ＦＡＬＬ、前記算出したメインＦ／Ｂ制御の補正量ΔＦｍから燃料噴射量ＴＡＵを次式により算出し、本ルーチンを終了する。
【００４３】
ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＬＬ・ΔＦｍ
補正係数ＦＡＬＬには、冷却水温ＴｈｗやＥＧＲ等の補正係数も含まれる。また、ＴＡＵ値の算出に際しては、過渡時の補正量としてマニホールドウエット量も加算されるとよい。
【００４４】
次に、上記ステップ２００で実施される目標空燃比ＭＡＦの設定手順について図３を用いて説明する。図３において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ２０１で空燃比リッチ制御が実施されているか否かを表すリッチ制御フラグＸＲＥＸが「０」であるか否かを判別する。ここで、ＸＲＥＸ＝０はリッチ制御が実施されていない、すなわちリーン制御が実施されていることを表し、ＸＲＥＸ＝１はリッチ制御が実施されていることを表す。なお、ＩＧキーのＯＮ操作時（電源投入時）には、初期化処理により同フラグＸＲＥＸが「０」にクリアされるようになっている。
【００４５】
ＸＲＥＸ＝０の場合、ＣＰＵ３１はステップ２０２に進み、空燃比リーンでの燃焼回数を表すリーンカウンタの値が所定値α未満であるか否かを判別する。所定値αは、例えば「１００」程度の値でよい。リーンカウンタ＜αの場合（ステップ２０２がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、ステップ２０３で目標空燃比ＭＡＦを「１．５」とすると共に、続くステップ２０４でリッチカウンタを「１」インクリメントし、その後元の図２のルーチンに戻る。かかる場合、上述のステップ２０３で設定したＭＡＦ値が前記図２のステップ１０８以降の演算に用いられ、これにより空燃比がリーン制御される。つまり、ステップ２０２がＹＥＳの場合にはそれまでの空燃比リーン制御が継続して実施される。
【００４６】
リーンカウンタが次第に大きくなり、リーンカウンタ≧αとなると（ステップ２０２がＮＯ）、ＣＰＵ３１はステップ２０５でリッチ制御フラグＸＲＥＸに「１」をセットする。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ２０６でバックアップＲＡＭ３４に記憶されている三元触媒１３の劣化度合を読み出し、その劣化度合に応じた基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤを設定する。ここで、三元触媒１３の劣化度合は、後述する図６のルーチンに従い検出されるようになっている。
【００４７】
基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤは、ＮＯｘ触媒１４に吸蔵されたＮＯｘを還元・放出するのに必要な基準リッチ量に相当し、この基準リッチ量を三元触媒１３上流側での空燃比リッチの時間積分値として面積換算したものである。具体的には、基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤは、その時々の三元触媒１３の劣化度合に応じて求められ、同三元触媒１３に貯蔵される酸素量に対応する値として例えば図４の関係を用いて設定される。図４によれば、三元触媒１３の劣化度合が大きいほど、基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤが小さい値に設定される。要するに、三元触媒１３の劣化が進行すると、同触媒１３の酸素貯蔵能力が低下する。そのため、触媒劣化度合が大きいほど、空燃比リッチ制御時において三元触媒１３の貯蔵酸素と反応するリッチ成分が減少し、その減少分だけリッチ面積（リッチ時間）が短縮されるようになっている。
【００４８】
次いで、ＣＰＵ３１は、ステップ２０７で目標空燃比ＭＡＦを「０．７５」とした後、元の図２のルーチンに戻る。かかる場合、上述のステップ２０７で設定したＭＡＦ値が前記図２のステップ１０８以降の演算に用いられ、これにより空燃比がリッチ制御される。つまり、ステップ２０２がＮＯの場合にはそれまでの空燃比リーン制御が空燃比リッチ制御に切り換えられる。
【００４９】
空燃比制御がリーン制御からリッチ制御に切り換わると、ＣＰＵ３１は、ステップ２０１を否定判別してステップ２０８に進み、リッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤを算出する。リッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤは例えば次式により算出される。
【００５０】
ＲＡＦＡＤ（ｉ）＝ＲＡＦＡＤ（ｉ−１）＋｜ＡＦＳＤ−ＡＦｍ｜・排ガス流量補正係数
つまり、リッチ偏差積算値の前回値ＲＡＦＡＤ（ｉ−１）に対し、空燃比基準値ＡＦＳＤ（例えば、理論空燃比）と実空燃比ＡＦｍとの偏差の絶対値に排ガス流量補正係数を乗算したものを加算し、その和をリッチ偏差積算値の今回値ＲＡＦＡＤ（ｉ）とする。但し「｜ＡＦＳＤ−ＡＦｍ｜・排ガス流量補正係数」は、同値が正の場合のみ、すなわち実空燃比ＡＦｍが空燃比基準値ＡＦＳＤよりもリッチ側にある場合のみ、リッチ偏差積算値の前回値ＲＡＦＡＤ（ｉ−１）に加算される。ここで、実空燃比ＡＦｍは、三元触媒１３上流側に位置するＡ／Ｆセンサ２６の出力である。
【００５１】
排ガス流量補正係数は、図５の関係に従い求められる。図５によれば、排ガス流量が多いほど、大きな排ガス流量補正係数が与えられる。なお、排ガス流量はその時のエンジン回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとから求まる吸入空気量に比例するものであって、排ガス流量補正係数の算出に際し、吸入空気量に基づき排ガス流量が算出されるようになっている。但し排ガス流量は、上述の算出手法に限らず、排気管１２に設けた排ガス流量計にて直接的に検出することも可能である。
【００５２】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０９で前記算出したリッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤ未満であるか否かを判別する。ＲＡＦＡＤ＜ＲＡＦＡＤＳＤの場合（ステップ２０９がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はステップ２０７に進み、それまでの空燃比リッチ制御を継続する。
【００５３】
また、ＲＡＦＡＤ≧ＲＡＦＡＤＳＤの場合（ステップ２０９がＮＯ）、ＣＰＵ３１はステップ２１０に進む。そして、ＣＰＵ３１は、ステップ２１０でリッチ制御フラグＸＲＥＸを「０」にクリアすると共に、続くステップ２１１でリッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤを「０」にクリアし、その後ステップ２０３に進む。これにより、空燃比リッチ制御が終了され、空燃比リーン制御に戻る。
【００５４】
ところで既述した通り、経時変化に伴い三元触媒１３が劣化すると、同触媒１３の酸素貯蔵能力が低下する。すなわち、酸素飽和吸着量が減少する。これにより、ＮＯｘ触媒１４下流側のＯ2 センサ２７の出力が影響を受け、同Ｏ2 センサ２７の出力電圧Ｖｓと目標電圧ＭＶｓとの偏差ΔＶｓ（＝Ｖｓ−ＭＶｓ）が小さくなってその積分値が小さくなる。これは、三元触媒１３の劣化前では酸素貯蔵能力が高いために、同触媒下流側の空燃比変化が遅れ、電圧偏差ΔＶｓが比較的大きな値となるためである。そこで本実施の形態では、電圧偏差ΔＶｓの積分値に応じて三元触媒１３の劣化度合を検出することとしている。
【００５５】
図６は、三元触媒１３の劣化検出ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンも各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態では１８０°ＣＡ毎）にＣＰＵ３１により実行される。
【００５６】
さて、図６がスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ずステップ３０１で電圧偏差ΔＶｓの積分値ＤＶｓＳＵＭ（ｉ）を、次式を用い１／８なまし演算にて算出する。
【００５７】
ＤＶｓＳＵＭ（ｉ）＝ＤＶｓＳＵＭ（ｉ−１）＋｜ΔＶｓ／８｜
上式において、なまし演算はノイズ等の外乱を除去するための処理であり、なまし定数は上記１／８以外に、１／１６，１／４，１／２等でもよい。
【００５８】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ３０２で電圧偏差ΔＶｓを積分し始めてから所定時間（例えば１分程度）が経過したか否かを判別する。そして、所定時間が経過したことを条件に、ＣＰＵ３１はステップ３０３に進み、その時のＤＶｓＳＵＭ値に応じて三元触媒１３の劣化度合を検出する。このとき、例えば図７の関係に従い、ＤＶｓＳＵＭ値が小さいほど、劣化度合が大きい旨を検出する。劣化度合の検出結果はその都度、バックアップＲＡＭ３４内に記憶される。
【００５９】
さらに、ＣＰＵ３１は、ステップ３０４で電圧偏差の積分値ＤＶｓＳＵＭ（ｉ）を「０」にクリアし、その後本ルーチンを終了する。上記ステップ３０３で求めた三元触媒１３の劣化検出結果は、前記図３のステップ２０６において基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤの設定に用いられる。
【００６０】
なお上述した三元触媒１３の劣化検出手法については、本願出願人による特開平８−３３８２８６号公報の「内燃機関の排気系故障診断装置」に詳細に開示されている。
【００６１】
次に、上記制御動作を図８のタイムチャートを用いてより具体的に説明する。ここで、図８（ａ）は、三元触媒１３の新品時における空燃比や排ガス成分の挙動を示し、図８（ｂ）は、三元触媒１３の劣化時における空燃比や排ガス成分の挙動を示す。なお、図８（ａ），（ｂ）では、空燃比リーン制御の途中に空燃比リッチ制御が一時的に実施され、制御空燃比がリッチ側に制御されることで三元触媒１３前後の空燃比が何れもリッチ側に推移している。但し実際には、三元触媒後方の空燃比は前方の空燃比に対して、排ガス輸送遅れ分だけ遅れて推移するものであるが、図８中では便宜上、両空燃比が同期して推移するものとして記載している。
【００６２】
図８（ａ）に示されるように、時刻ｔ１１以前では、空燃比リーン制御が実施されており、このとき、図示しないリーンカウンタが各気筒での燃焼毎にカウントアップされる（前記図３のステップ２０４）。そして、リーンカウンタの値が所定値αに達する時刻ｔ１１では、制御空燃比がリーンからリッチに切り換えられる（図３のステップ２０２がＮＯとなる）。また、この時刻ｔ１１では、三元触媒１３の劣化度合に基づいて基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤが算出される（図３のステップ２０６）。
【００６３】
時刻ｔ１２では、三元触媒１３前方及び後方の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に達する。このとき、三元触媒１３前方の空燃比は理論空燃比よりもリッチ側に直ちに推移するものの、三元触媒１３には酸素が貯蔵されているためにその貯蔵酸素と排ガス中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ等）とが反応し、三元触媒１３後方の空燃比は理論空燃比で一旦保持される。そして、貯蔵酸素とリッチ成分との反応が終了すると、三元触媒１３後方の空燃比がリッチ側に移行する（時刻ｔ１３）。時刻ｔ１３以降、リッチ成分がＮＯｘ触媒１４側に供給されるため、同触媒１４に吸蔵されていたＮＯｘが還元・放出される。
【００６４】
空燃比リッチ制御への切り換え後（時刻ｔ１１以降）、三元触媒１３前方の空燃比、すなわちＡ／Ｆセンサ２６の検出値が理論空燃比よりもリッチになる状態で、リッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤが算出される（図３のステップ２０８）。そして、リッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤに達する時刻ｔ１４では、制御空燃比がリーン値に戻される（図３のステップ２０９がＮＯとなる）。
【００６５】
その後、三元触媒１３後方の空燃比は、上流側から給送される排ガス中のリーン成分と同触媒１３に貯蔵されるリッチ成分とが反応する所定期間（時刻ｔ１５〜ｔ１６）だけ理論空燃比で保持された後、リーン制御値に戻る。図８（ａ）によれば、空燃比リッチ制御時における排ガス中のＨＣ，ＣＯ成分も微量に抑えられる。
【００６６】
一方、三元触媒１３の劣化時には、図８（ｂ）に示されるように、時刻ｔ２１で制御空燃比がリーンからリッチに切り換えられると共に、三元触媒１３の劣化度合に基づいて基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤが算出される（図３のステップ２０６）。この場合、触媒劣化が進行していることから、比較的小さな基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤが与えられる（図４参照）。
【００６７】
その後、時刻ｔ２２では、三元触媒１３前方及び後方の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に達する。このとき、三元触媒１３後方の空燃比は理論空燃比で一旦保持されるが、三元触媒１３が劣化しているために触媒貯蔵の酸素量は少なく、前記図８（ａ）の場合に比べて短時間で、同空燃比がリッチ側に移行する（時刻ｔ２３）。すなわち、三元触媒１３の貯蔵酸素と排ガス中のリッチ成分とが反応する時間、図８（ｂ）の時刻ｔ２２〜ｔ２３は、図８（ａ）の時刻ｔ１２〜ｔ１３に比べて短くなる。時刻ｔ２３以降、リッチ成分がＮＯｘ触媒１４側に供給されるため、同触媒１４に吸蔵されていたＮＯｘが還元・放出される。
【００６８】
そして、リッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤに達する時刻ｔ２４では、制御空燃比がリーン値に戻される（図３のステップ２０９がＮＯとなる）。図８（ｂ）によれば、前記図８（ａ）と同様に、空燃比リッチ制御時における排ガス中のＨＣ，ＣＯ成分も微量に抑えられる。
【００６９】
なお本実施の形態では、前記図６のルーチンが請求項記載の劣化検出手段に相当し、前記図３のルーチンがリッチ制御手段に相当する。また、図２のステップ１０３〜１０８が空燃比補正手段に相当する。
【００７０】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
本実施の形態では、ＮＯｘ触媒１４よりも上流側に位置する三元触媒１３の劣化度合を検出し、同三元触媒１３の劣化度合に基づいて空燃比のリッチ制御を実施するようにした。その結果、三元触媒１３の劣化状態に拘わらず、常に良好な排ガス浄化を行うことができるようになる。つまり、従来装置のように三元触媒の劣化時に過剰なリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2 等）が供給され、結果としてＨＣ，ＣＯが多量に排出されるといった不具合が解消される。また本実施の形態は、三元触媒１３の個体差や使用温度により個々の酸素貯蔵能力が相違する場合にも有効であって、かかる場合にも良好なる排ガス浄化を実施することが可能となる。
【００７１】
実際には、三元触媒１３の劣化度合に基づき基準リッチ量（三元触媒前の基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤ）を設定し、空燃比リッチ制御時のリッチ量積分値（三元触媒前のリッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤ）が基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤに達した際に空燃比リッチ制御を終了するようにした。これにより、三元触媒１３の劣化時にも過不足のないリッチ制御を実施することができる。
【００７２】
また、ＮＯｘ触媒１４下流側のＯ2 センサ２７の出力電圧Ｖｓとその目標電圧ＭＶｓとの偏差の積分値ＤＶｓＳＵＭを求め、その積分値ＤＶｓＳＵＭに基づいて三元触媒１３の劣化度合を検出するようにした。この場合、三元触媒１３の劣化検出が精度良く実施でき、ひいては信頼性の高い空燃比制御が実現できる。
【００７３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態を図９〜図１３を用いて説明する。但し、第２の実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００７４】
第２の実施の形態では構成上の相違点として、図９に示されるように、三元触媒１３とＮＯｘ触媒１４との間にＯ2 センサ２７が配設され、同Ｏ2 センサ２７は空燃比がリッチかリーンかに応じた起電力信号ＶＯＸ２を出力する。また、吸気管３には吸気流量Ｑを計測するためのエアフローメータ２９が配設されている。
【００７５】
そして、ＥＣＵ３０（ＣＰＵ３１）はＡ／Ｆセンサ２６及びＯ2 センサ２７による検出結果に基づいて三元触媒１３の劣化度合を検出する。特に本実施の形態では、エンジン始動当初の三元触媒１３が活性温度に到達するまでの期間において、同触媒１３内で浄化されるガス成分量に応じて三元触媒１３の劣化度合を検出することとしている。なお、ＣＰＵ３１による空燃比制御に際しては、第１の実施の形態のようサブＦ／Ｂ制御は行わず、Ａ／Ｆセンサ２６による空燃比信号ＡＦによるＦ／Ｂ制御を実施する。
【００７６】
図１０は本実施の形態における劣化検出処理を示すフローチャートであり、この処理は前記図６の処理に置き換えて実行される。本処理は所定の時間周期（例えば６４ｍｓｅｃ周期）でＣＰＵ３１により実行される。
【００７７】
さて、図１０がスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ずステップ４０１で三元触媒１３の劣化検出が実施済みであることを表す劣化検出フラグＸＣＡＴが「０」であるか否かを判別する。ここで、ＸＣＡＴ＝０は劣化検出が未実施であることを表し、ＸＣＡＴ＝１は劣化検出済みであることを表す。
【００７８】
ＸＣＡＴ＝０であることを条件に、ＣＰＵ３１はステップ５００に進み、図１１の処理に従い触媒温度ＴＣＡＴを推定する。但し、ＸＣＡＴ＝１であれば、ＣＰＵ３１は直ちに本ルーチンを終了する。すなわち、三元触媒１３の劣化検出が実施済みであれば、ステップ５００以降の処理を実施しない。
【００７９】
ここで、図１１を用いて触媒温度ＴＣＡＴの推定手順を説明する。図１１において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ５０１でエンジン始動が完了しているか否かを判別する。例えばＩＧオン後、エンジン回転数Ｎｅが所定の始動回転数に達していなければステップ５０１が否定判別される。つまり、始動完了前であれば、ＣＰＵ３１はステップ５０２に進み、触媒温度ＴＣＡＴを吸気温Ｔａｍ（＝外気温度）として設定し、その後元の図１０のルーチンに戻る。
【００８０】
エンジン始動が完了していれば、ＣＰＵ３１はステップ５０３に進み、排ガス温度ＴＥＸを推定する。この場合、燃料カット中であるか否かに応じて、ＲＯＭ３２内に予め記憶されている２種類のマップを使い分け、排ガス温度ＴＥＸを推定する。すなわち、
・燃料カット中でない場合、その時々のエンジン回転数Ｎｅと吸気流量Ｑとに応じて排ガス温度ＴＥＸを推定する。この推定法は、エンジン負荷（Ｎｅ，Ｑ）が増加するほど、排ガス温度ＴＥＸが高くなるという特性を利用したものである。
・燃料カット中の場合、燃料の燃焼熱が無くなり、排ガス温度ＴＥＸが急激に低下する。そのため、エンジン回転数Ｎｅと吸気流量Ｑとから排ガス温度ＴＥＸを推定する代わりに、燃料カット開始時の触媒温度ＴＣＡＴ（推定値）から排ガス温度ＴＥＸを推定する。この推定法は、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど、三元触媒１３の放熱で排ガス温度ＴＥＸが高くなるという特性を利用したものである。
【００８１】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ５０４で触媒温度の前回推定値ＴＣＡＴ（ｉ−１）と排ガス温度ＴＥＸとを比較し、その比較結果に応じて触媒温度ＴＣＡＴが下降傾向にあるか、若しくは上昇傾向にあるかを判別する。ＴＣＡＴ（ｉ−１）＞ＴＥＸの場合、ＣＰＵ３１は触媒温度ＴＣＡＴが下降傾向にあるとみなし、ステップ５０５で次式により触媒温度の今回値ＴＣＡＴ（ｉ）を算出する。
【００８２】
ＴＣＡＴ（ｉ）＝ＴＣＡＴ（ｉ−１）−Ｋ１・｜ＴＣＡＴ（ｉ−１）−ＴＥＸ｜
ここで、Ｋ１はＲＯＭ３２内に予め記憶される係数であり、例えば吸気流量Ｑやエンジン回転数Ｎｅの変動値に応じて設定されている。
【００８３】
一方、ＴＣＡＴ（ｉ−１）≦ＴＥＸの場合、ＣＰＵ３１は触媒温度ＴＣＡＴが上昇傾向にあるとみなし、ステップ５０６で次式により触媒温度の今回値ＴＣＡＴ（ｉ）を算出する。
【００８４】
ＴＣＡＴ（ｉ）＝ＴＣＡＴ（ｉ−１）＋Ｋ２・｜ＴＣＡＴ（ｉ−１）−ＴＥＸ｜
ここで、Ｋ２はＲＯＭ３２内に予め記憶される係数であり、例えば吸気流量Ｑに応じて設定されている。なお、燃料カット時には、係数Ｋ１，Ｋ２を一定値に固定するようにしてもよい。
【００８５】
上記の如く触媒温度ＴＣＡＴを推定した後、ＣＰＵ３１は元の図１０のルーチンに戻り、ステップ４０２で触媒温度ＴＣＡＴが劣化検出の開始温度（例えば１５０℃）を越えたか否かを判別し、ＴＣＡＴ≦１５０℃であれば、以降の劣化検出処理を行うことなく、本ルーチンを直ちに終了する。これは、触媒温度ＴＣＡＴが劣化検出の開始温度に達しない状態ではＯ2 センサ２７の温度が低く、そのセンサ出力ＶＯＸ２が安定しないので、かかる場合には劣化検出処理を禁止して触媒劣化の検出精度低下を防ぐものである。
【００８６】
そして、ＴＣＡＴ＞１５０℃となると、ＣＰＵ３１はステップ４０３に進み、タイムカウンタ１をインクリメントする。また、ＣＰＵ３１は、次のステップ４０４で未浄化ガス成分量を反映するデータ「ΣＶ１」（Ｏ2 センサ２７の出力電圧変動の軌跡）を次式により算出する。
【００８７】
ΣＶ１＝ΣＶ１＋｜ＶＯＸ２（ｉ）−ＶＯＸ２（ｉ−１）｜
ここで、「ΣＶ」の添字「１」は今回値であることを表す。つまり、上式は、所定のサンプリング周期（例えば６４ｍｓｅｃ）でＯ2 センサ２７の出力電圧ＶＯＸ２の変化幅を積算することにより、同センサ２７の出力電圧変動の軌跡を求め、三元触媒１３内での未浄化ガス成分量を評価するものである。
【００８８】
さらに、ＣＰＵ３１は、同ステップ４０４で触媒流入ガス成分変動を数値化したデータ「ΣΔＡＦ・Ｑ１」を次式により算出する。
ΣΔＡＦ・Ｑ１＝ΣΔＡＦ・Ｑ１＋Ｑ・｜目標ＡＦ−ＡＦ｜
ここで、吸気流量Ｑは排ガス流量を代用するデータとして用いるが、排ガス流量は吸気流量Ｑで代用する他、実際に測定してもよいし、他のデータから推定するようにしてもよい。勿論、吸気流量Ｑから推定するようにしてもよい。なお、「ΣΔＡＦ・Ｑ」の添字「１」は今回値であることを表す。｜目標ＡＦ−ＡＦ｜は、実空燃比（Ａ／Ｆセンサ２６の出力電圧）と目標空燃比（例えば理論空燃比）との偏差の絶対値である。上式は、所定のサンプリング周期（例えば６４ｍｓｅｃ）で空燃比の偏差｜目標ＡＦ−ＡＦ｜と排ガス流量（＝吸気流量Ｑ）とを乗算してその乗算値を積算することにより、触媒流入ガス成分変動のデータΣΔＡＦ・Ｑ１を求めるものである。
【００８９】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ４０５でタイムカウンタ１のカウント値が所定値（本実施の形態では、１０ｓｅｃ）を越えたか否かを判別し、１０ｓｅｃを越えていなければ、上記ステップ４０１〜４０４の処理を繰り返す。これにより、１０ｓｅｃ間のΣＶ１値とΣΔＡＦ・Ｑ１値とが算出される。
【００９０】
タイムカウンタ１のカウント値が１０ｓｅｃを越えた時点で、ＣＰＵ３１はステップ４０６に進み、１０ｓｅｃ間の触媒流入ガス成分変動のデータ「ΣΔＡＦ・Ｑ１」が所定範囲内にあるか否かを判別する。そして、所定範囲内であれば、ＣＰＵ３１はステップ４０７に進み、ΣＶ１値の前回の積算値ΣＶに今回のΣＶ１値を積算してΣＶ値を更新すると共に、ΣΔＡＦ・Ｑ１値の前回の積算値ΣΔＡＦ・Ｑに今回のΣΔＡＦ・Ｑ１値を積算してΣΔＡＦ・Ｑ値を更新する。その後、ＣＰＵ３１はステップ４０８に進み、タイムカウンタ１、ΣＶ１値及びΣΔＡＦ・Ｑ１値を共に「０」にクリアする。
【００９１】
一方、上記ステップ４０６で触媒流入ガス成分変動のデータ「ΣΔＡＦ・Ｑ１」が所定範囲内でないと判別されると、ＣＰＵ３１は、ステップ４０７の積算処理を行うことなくステップ４０８に進み、タイムカウンタ１、ΣＶ１値及びΣΔＡＦ・Ｑ１値を共にクリアする（無効にする）。これは、触媒流入ガス成分変動が過大又は過小の場合には、未浄化ガス成分量の演算精度が低下するため、触媒流入ガス成分変動のデータ「ΣΔＡＦ・Ｑ１」が所定範囲内でない場合には、ΣＶ１値及びΣΔＡＦ・Ｑ１値を共にクリアして積算処理を行わず、触媒流入ガス成分変動による劣化検出の精度低下を防止するものである。
【００９２】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ４０９で前記推定した触媒温度ＴＣＡＴが三元触媒１３の活性温度（例えば、５５０℃）を越えたか否かを判別し、越えていなければ、三元触媒１３の劣化を検出することなく、本ルーチンを一旦終了する。また、ＣＰＵ３１は、触媒温度ＴＣＡＴが５５０℃を越えた時点でステップ４１０に進み、それまでに積算した未浄化ガス成分量を反映するデータΣＶ（Ｏ2 センサ２７の出力電圧変動の軌跡）に基づき、三元触媒１３の劣化度合を検出する。
【００９３】
ここで、触媒劣化検出方法を図１２に基づいて説明する。図１２は、未浄化ガス成分量を反映するデータΣＶと触媒流入ガス成分変動のデータΣΔＡＦ・Ｑとの関係を実測したものである。図１２において、○印は新品触媒、□印は劣化触媒、△印はダミー触媒（表面に触媒層が生成されていないセラミック担体のみのもの）についての測定値である。新品触媒（○印）では、ΣΔＡＦ・Ｑ値の大小に拘らずΣＶ値が小さいが、劣化触媒（□印）では、ΣΔＡＦ・Ｑ値が増加するに従いΣＶ値が増加する傾向がある。触媒劣化が極端に進み、触媒作用が無くなると、ダミー触媒（△印）と同じ状態になる。従って、ΣΔＡＦ・Ｑ値が同じであれば、ΣＶが大きいほど、触媒劣化が進んでいることを意味する。
【００９４】
この関係を利用し、ＲＯＭ３２に記憶されている図１３の関係から劣化度合を検出する。図１３によれば、その時々のΣＶ値及びΣΔＡＦ・Ｑ値に応じて三元触媒１３の劣化度合が検出され、その検出された劣化度合が随時バックアップＲＡＭ３４に記憶される。
【００９５】
ステップ４１０の劣化検出後、ＣＰＵ３１は、ステップ４１１で劣化検出フラグＸＣＡＴに「１」をセットして本ルーチンを終了する。このフラグ操作により次回からは劣化検出の処理が実施されることはない。上記ステップ４１０で求めた三元触媒１３の劣化検出結果は、前記図３のステップ２０６において基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤの設定に用いられる。
【００９６】
なお上述した図１０の三元触媒１３の劣化検出手法については、本願出願人による特開平９−３１６１２号公報の「排出ガス浄化用触媒劣化検出装置」に詳細に開示されている。
【００９７】
以上第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、三元触媒１３の劣化状態に拘わらず、常に良好な排ガス浄化を行うことができる。また、本実施の形態では、エンジン１が始動してから三元触媒１３が暖機されるまでに該触媒１３内で浄化されるガス成分量（未浄化ガス成分量を反映するデータΣＶ）を算出し、その未浄化ガス成分量に基づいて三元触媒１３の劣化度合を検出するようにした。それにより、触媒活性前のエミッション増加を考慮した触媒劣化検出を精度良く実施することができる。なお、三元触媒１３の暖機前には、触媒劣化度合の違いによる浄化率の差が大きく、触媒劣化を容易且つ正確に検出することが可能となる。
【００９８】
三元触媒１３の劣化検出に際して、未浄化ガス成分量を反映するデータΣＶに加え、三元触媒１３が所定温度（５５０℃）に達するまでの触媒流入ガス成分変動のデータΣΔＡＦ・Ｑをも考慮するようにした。そのため、触媒流入ガス成分変動の影響を排除した高精度な触媒劣化検出を行うことができる。
【００９９】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
三元触媒１３の劣化度合検出に際し、劣化度合を段階的に検出する。具体的には、新品時の状態から故障判定されるまでの劣化状態までを複数（例えば、４〜６段階程度）のレベルで判定し、その劣化レベルに応じて空燃比リッチ制御時の基準リッチ量（基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤ）を設定する。
【０１００】
上記各実施の形態では、基準リッチ量として「基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤ」を設定し、空燃比リッチ制御時のリッチ偏差積算値ＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤに達した際に空燃比リッチ制御を終了するようにしたが、この構成を変更する。例えば基準リッチ量として「基準リッチ時間」を設定し、空燃比リッチ制御時の実リッチ時間が「基準リッチ時間」に達した際に空燃比リッチ制御を終了するようにしてもよい。
【０１０１】
上記第２の実施の形態では、図１１の処理において排ガス温度ＴＥＸに応じて触媒温度ＴＣＡＴを推定したが、温度推定法はこの限りでなく他の方法を用いて推定してもよい。例えば排ガス温度又は触媒温度を検出するための温度センサをエンジン排気系に設置する構成としてもよく、この場合でも、本発明の目的は十分に達成できる。
【０１０２】
また、図１２に示すΣＶ値とΣΔＡＦ・Ｑ値との関係から明らかなように、触媒劣化が進むほど、ΣＶ値の傾き「ΣＶ／（ΣΔＡＦ・Ｑ）」が大きくなる傾向がある。そのため、ΣＶ値の傾き「ΣＶ／（ΣΔＡＦ・Ｑ）」の大小で三元触媒１３の劣化度合を検出するようにしてもよい。
【０１０３】
また、第２の実施の形態では、触媒温度ＴＣＡＴが１５０℃〜５５０℃にある場合に未浄化ガス成分量を演算し、その演算結果に基づいて三元触媒１３の劣化度合を検出したが、未浄化ガス成分量の演算期間はこれに限られない。要は、三元触媒１３の新品時と劣化時との浄化率の差が大きい期間において、未浄化ガス成分量が演算される構成であればよい。
【０１０４】
三元触媒１３（上流側触媒）及びＮＯｘ触媒１４（下流側触媒）の前後に設けられるガス濃度センサとして、既述のＡ／ＦセンサやＯ2 センサ以外に他のセンサを用いてもよい。例えばＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘセンサ、ＨＣ濃度を計測するＨＣセンサ、Ｏ2 ，ＮＯｘ，ＨＣ等の濃度を複合的に計測する複合型センサなどが適宜採用できる。要は、三元触媒１３の劣化検出が可能な構成であればよい。その一例としては、三元触媒を通過する排ガス中のＮＯｘ量をＮＯｘセンサにて計測し、リッチ燃焼からリーン燃焼への切り換え時において、前記計測されるＮＯｘ量の応答性に基づき三元触媒の劣化度合を検出する。
【０１０５】
三元触媒１３（上流側触媒）の劣化検出法として、第１，第２の実施の形態以外の方法を適用する。三元触媒１３の劣化度合は熱的影響により経時的に進行する。そのため、例えば車両の総走行距離や総使用時間などを加味して触媒劣化を検出したり、三元触媒１３が所定の高温域に達する回数や時間を計測し、その計測結果に従い触媒劣化を検出したりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図２】空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】目標空燃比の設定ルーチンを示すフローチャート。
【図４】三元触媒の劣化度合と基準リッチ面積ＲＡＦＡＤＳＤとの関係を示す図。
【図５】排ガス流量と排ガス流量補正係数との関係を示す図。
【図６】三元触媒の劣化検出ルーチンを示すフローチャート。
【図７】電圧偏差の積分値ＤＶｓＳＵＭに基づいて三元触媒の劣化度合を求めるための図。
【図８】実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図９】第２の実施の形態において、制御システムの概要を示す構成図。
【図１０】第２の実施の形態において、三元触媒の劣化検出ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】触媒温度の推定ルーチンを示すフローチャート。
【図１２】未浄化ガス成分量を反映するデータΣＶと触媒流入ガス成分変動のデータΣΔＡＦ・Ｑとの関係を実測した結果を示す図。
【図１３】ΣＶ値とΣΔＡＦ・Ｑ値とに基づいて三元触媒の劣化度合を求めるための図。
【図１４】従来装置において、空燃比や排ガス成分の推移を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、１２…排気管、１３…上流側触媒としての三元触媒、１４…下流側触媒としてのＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）、２６…上流センサとしてのＡ／Ｆセンサ、２７…下流センサとしてのＯ2 センサ、３０…ＥＣＵ（電子制御装置）、３１…劣化検出手段，リッチ制御手段，空燃比補正手段としてのＣＰＵ。

Claims (5)

1. 機関排気通路の上流側に設けられ、酸素貯蔵作用を有する上流側触媒と、機関排気通路の下流側に設けられ、ＮＯｘ吸蔵還元作用を有する下流側触媒とを備える内燃機関に適用され、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘを前記下流側触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して吸蔵ＮＯｘを下流側触媒から放出するようにした空燃比制御装置において、
   前記上流側触媒の劣化度合を検出する劣化検出手段と、
   前記検出した上流側触媒の劣化度合に基づいて、空燃比のリッチ制御を実施するリッチ制御手段とを備え、
   前記リッチ制御手段は、上流側触媒の劣化度合に基づき空燃比リッチ制御時の基準リッチ時間を求め、該求めた基準リッチ時間に応じてリッチ制御を実施することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載の空燃比制御装置において、
   前記リッチ制御手段は、空燃比リッチ制御時における実リッチ時間と前記基準リッチ時間とを比較し、実リッチ時間が基準リッチ時間に達した際に空燃比リッチ制御を終了する内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記リッチ制御手段は、上流側触媒の劣化度合が大きいほど、基準リッチ時間を短く設定する請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記劣化検出手段は、
   内燃機関が始動してから前記上流側触媒が所定温度に達するまでに該触媒内で浄化されないガス成分量を算出する手段と、
   該算出した未浄化のガス成分量に基づいて上流側触媒の劣化度合を検出する手段とからなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 請求項４に記載の空燃比制御装置において、
   前記劣化検出手段は、前記上流側触媒を通過した後の時間毎の空燃比変動量の積分値を未浄化ガス成分量として求め、その未浄化ガス成分量が大きいほど、劣化度合が大きい旨を検出する内燃機関の空燃比制御装置。

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