JPH0941948A

JPH0941948A - 内燃機関の触媒劣化判別装置

Info

Publication number: JPH0941948A
Application number: JP7190573A
Authority: JP
Inventors: Noritake Mitsuya; 典丈光谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-07-26
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 1997-02-10
Also published as: US5822982A; EP0756073B1; DE69617125D1; EP0756073A3; DE69617125T2; EP0756073A2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｏ₂センサの応答特性や空燃比変動周期、振
幅のばらつき等に影響を受けない触媒劣化判別装置を提
供する。【解決手段】内燃機関１の排気浄化触媒１２の上流側
と下流側とにそれぞれＯ ₂センサ１３、１５を配置す
る。制御回路１０は、通常運転時にはＯ₂センサ１３、
１５の出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比にフィー
ドバック制御する。また、制御回路は触媒劣化判別を行
うときには、空燃比制御中心をリーン空燃比側にシフト
するとともに、上流側Ｏ₂センサ出力に基づいて触媒に
流入するＨＣ、ＣＯ成分量を、下流側Ｏ₂センサ出力に
基づいて触媒から流出するＨＣ、ＣＯ成分量を、それぞ
れ空燃比変動１周期毎に算出し、流出ＨＣ、ＣＯ成分量
と流入ＨＣ、ＣＯ成分量とを比較することにより触媒劣
化の有無を判別する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

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

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

【０００４】一方、触媒のＯ₂ストレージ作用は触媒の
劣化に応じて低下するため、三元触媒が劣化すると触媒
コンバータで吸収、放出される酸素量が少なくなり触媒
コンバータ下流側の排気空燃比の変動は触媒コンバータ
上流側での排気空燃比の変動に近づくようになる。この
ため、三元触媒が劣化すると触媒下流側でも排気空燃比
はリッチとリーンとの間を短い周期で交互に変動するよ
うになる。従って、三元触媒下流側空燃比センサ出力の
変動周期（または、一定時間当たりのリッチ出力とリー
ン出力との間の反転回数）を監視することにより三元触
媒の劣化の有無を判定することができる。

【０００５】上記のように、触媒下流側空燃比センサ出
力のリッチ、リーン出力間の反転回数に基づいて触媒劣
化の有無を判定する触媒劣化判別装置の例としては、特
開平５−１１８２１２号公報に記載されたものがある。
同公報の装置は、触媒上流側空燃比センサ出力に基づい
て機関空燃比を理論空燃比に維持するフィードバック制
御中に、触媒下流側空燃比センサ出力の所定時間当たり
のリッチ／リーンの反転回数が増大した場合に、空燃比
フィードバック制御の中心空燃比を理論空燃比からリッ
チ空燃比側またはリーン空燃比側に一定量シフトさせた
状態で再度下流側空燃比センサ出力の反転回数を計測
し、この状態でも所定時間当たりの下流側空燃比センサ
出力反転回数が大きい場合には三元触媒が劣化したと判
定するものである。

【０００６】空燃比が理論空燃比近傍の比較的狭い範囲
にフィードバック制御されている状態で、下流側空燃比
センサ出力のリッチ／リーン反転回数に基づく三元触媒
の劣化を判別する場合には、劣化程度が小さくまだ十分
に使用可能な触媒を劣化が進んで交換が必要な触媒と区
別できなくなる場合がある。前述のように、下流側空燃
比センサ出力の振幅は触媒の劣化が進むにつれて大きく
なるが、排気空燃比の変動中心が理論空燃比付近に制御
されていると、下流側空燃比センサ出力が小さな振幅で
変動したような場合でも、下流側空燃比センサ出力は理
論空燃比相当出力を横切ってしまうことになり、出力の
反転が生じてしまう。このため、触媒の劣化の程度が小
さく下流側空燃比センサ出力の振幅が比較的小さい場合
でも空燃比変動毎に下流側空燃比センサ出力が反転する
ことになり、それほど劣化が進んでいないにもかかわら
ず出力の反転回数が増大してしまい、劣化程度が小さい
触媒まで劣化判定されてしまう問題が生じる。

【０００７】上記特開平５−１１８２１２号公報の装置
では、機関空燃比を理論空燃比にフィードバック制御し
ているときに下流側空燃比センサ出力の反転回数が増大
した場合には、空燃比フィードバック制御の中心空燃比
を理論空燃比から一定量シフトさせ、再度判定を行うこ
とにより誤判定が生じることを防止している。フィード
バック制御中心空燃比を理論空燃比からシフトさせるこ
とにより、下流側空燃比センサ出力も理論空燃比から離
れた中心空燃比を中心として変動することになるため、
振幅が小さい場合には理論空燃比相当出力を横切ること
がなくなる。このため、この状態では、劣化が進んで下
流側空燃比センサ出力の振幅がある程度大きくなった場
合にのみ下流側空燃比センサ出力の反転が生じるように
なり、劣化程度が小さく交換の必要のない触媒が劣化し
たと誤判定されることが防止できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
５−１１８２１２号公報の装置のように、単に下流側空
燃比センサ出力のリッチ／リーンの反転回数や周期に基
づいて触媒劣化判別を行っていると、たとえフィードバ
ック中心空燃比をシフトさせた状態で判別を行っても誤
判定が生じてしまう場合がある。

【０００９】例えば、空燃比のフィードバック制御周期
は触媒上流側と下流側の空燃比センサの応答性により大
きく影響を受ける。例えば、空燃比センサの応答性が高
いとフィードバック制御周期は短くなり、応答性が低い
とフィードバック制御周期は長くなる。フィードバック
制御周期が長くなると、機関空燃比は長い周期で変動す
るようになり、排気空燃比がリッチ側に振れている時間
（リッチ期間）も長くなる。流入する排気空燃比のリッ
チ期間が長くなると、三元触媒が正常であった場合で
も、三元触媒はリッチ期間中に触媒内に吸着した酸素を
全部放出し尽くしてしまい、もはや酸素を放出できなく
なるため、触媒下流側排気空燃比もリッチ側に振れるよ
うになる。この場合には、正常な触媒においても触媒下
流側の排気空燃比は上流側排気空燃比と略同じ振幅と周
期とで変動するようになるため、下流側空燃比センサ出
力の変動の振幅と周期は上流側空燃比センサ出力と同程
度まで増大してしまう。このような状態では、たとえ空
燃比制御中心を理論空燃比からシフトしたとしても、下
流側空燃比センサ出力は変動毎に理論空燃比相当出力を
横切ることになり、正常な触媒であっても下流側空燃比
センサ出力の反転回数が増大し、劣化判定がなされる場
合が生じる。

【００１０】一方、逆にフィードバック制御周期が短く
なると排気空燃比のリッチ期間は短くなる。この場合、
リッチ期間が短いため、触媒が放出する酸素量もそれに
応じて小さくなり、劣化した触媒であっても空燃比がリ
ッチ側に振れている期間中に吸着した酸素の全量を放出
できなくなる。従って、リッチ期間が短い場合には、た
とえ触媒が劣化していても触媒下流側の排気空燃比はリ
ッチ側に大きく振れることはなく、下流側Ｏ₂センサ出
力は理論空燃比相当出力を横切ることが無くなってしま
い、出力反転回数が減少する。このため、フィードバッ
ク制御周期が短い場合には劣化した触媒であっても下流
側空燃比センサ出力の反転回数は増加せず、触媒の劣化
を検出することができなくなってしまう。

【００１１】また、三元触媒からの酸素の放出速度は三
元触媒に流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分濃度が高い程
大きくなる。このため、排気空燃比のリッチ期間が短い
場合であっても排気中のＨＣ、ＣＯ成分濃度が高ければ
（すなわち、排気のリッチの度合いが大きければ）三元
触媒は短時間で酸素を放出し尽くしてしまい、下流側空
燃比センサ出力の振幅は大きくなってしまう。

【００１２】さらに、上記特開平５−１１８２１２号公
報の装置は、所定時間内の下流側空燃比センサ出力の反
転回数に基づいて触媒劣化判別を行っているため、１回
の劣化判別操作には比較的長い時間を要することになる
が、機関燃焼状態は常に一定ではなく機関空燃比の変動
周期や振幅は一定の期間内でもばらつきを生じている。
このため、上記公報の装置のように、１回の劣化判別操
作に時間を要すると、判別操作実施中の空燃比変動周期
や振幅のばらつきにより判別結果が影響を受け、正確な
劣化判別ができなくなる場合が生じる。

【００１３】本発明は、上記問題を解決し、空燃比セン
サの応答性や空燃比変動の周期、振幅、またはこれらの
ばらつき等に影響を受けることなく正確に触媒の劣化判
別を行うことを可能とする内燃機関の触媒劣化判別装置
を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、内燃機関の排気通路に配置された、Ｏ₂ストレ
ージ作用を有する三元触媒と、前記三元触媒の上流側の
排気通路に配置され、三元触媒上流側の排気空燃比を検
出する上流側空燃比センサと、前記三元触媒の下流側の
排気通路に配置され、三元触媒下流側の排気空燃比を検
出する下流側空燃比センサと、前記三元触媒の劣化の有
無を判別すべきときに、三元触媒に流入する排気空燃比
が、予め定めたリーン空燃比を中心として周期的に変動
するように機関空燃比を制御する判別時空燃比制御手段
と、前記判別時空燃比制御手段による機関空燃比制御中
に、前記上流側空燃比センサ出力に基づいて、前記排気
空燃比変動の１周期中に三元触媒に流入する排気中のＨ
Ｃ、ＣＯ成分量を算出する流入リッチガス量算出手段
と、前記下流側空燃比センサ出力に基づいて、前記排気
空燃比変動の１周期中に三元触媒から流出する排気中の
ＨＣ、ＣＯ成分量を算出する未浄化リッチガス量算出手
段と、前記流入リッチガス量算出手段により算出された
流入リッチガス量と、前記未浄化リッチガス量算出手段
により算出された未浄化リッチガス量とに基づいて前記
三元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段と、を備
えた内燃機関の触媒劣化判別装置が提供される。

【００１５】上記構成によれば、触媒劣化を判別すべき
ときには判別時空燃比制御手段により機関空燃比が所定
のリーン空燃比を中心として周期的に変動するようにな
るため、排気空燃比が理論空燃比よりリーン側に留まる
時間が長くなり、Ｏ₂ストレージ作用により三元触媒に
は飽和量の酸素が吸着される。従って、三元触媒は流入
する排気中のＨＣ、ＣＯ成分のうち、上記飽和量に対応
した量のＨＣ、ＣＯ成分を浄化することが可能となる。
三元触媒の上記酸素飽和量は、三元触媒の劣化に応じて
小さくなるため、三元触媒が劣化するにつれて、三元触
媒内で浄化されるＨＣ、ＣＯ成分量は低下する。このた
め、触媒が酸素で飽和した状態で触媒により浄化される
ＨＣ、ＣＯ成分量は、現在の状態での触媒の酸素飽和
量、つまり現在の触媒の劣化状態をあらわすことにな
る。

【００１６】一方、流入リッチガス算出手段により算出
される流入リッチガス量（排気空燃比変動の１周期中に
三元触媒に流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分量）と未浄
化リッチガス量算出手段により算出される未浄化リッチ
ガス量（排気空燃比変動の１周期中に三元触媒から流出
する排気中のＨＣ、ＣＯ成分量）との差は、空燃比変動
１周期中に浄化されたＨＣ、ＣＯ成分量、言い換えれば
現在の劣化状態における酸素飽和量に応じた値となる。
劣化判別手段は、算出した流入排気中のＨＣ、ＣＯ成分
のうち、どれだけの量のＨＣ、ＣＯ成分が未浄化リッチ
ガスとして排出されているかに基づいて、触媒の劣化の
有無を判定する。

【００１７】請求項２に記載の発明によれば、前記流入
リッチガス量算出手段は、前記上流側空燃比センサ出力
がリーン空燃比相当出力からリッチ空燃比相当出力に変
化した時点から、次にリッチ空燃比相当出力からリーン
空燃比相当出力に変化する時点までの上流側空燃比セン
サ出力に基づいて前記流入リッチガス量を算出し、前記
未浄化リッチガス量算出手段は、前記上流側空燃比セン
サ出力がリーン空燃比相当出力からリッチ空燃比相当出
力に変化した時点から、上流側空燃比センサ出力が次に
リッチ空燃比相当出力からリーン空燃比相当出力に変化
後所定の時間が経過するまでの間の前記下流側空燃比セ
ンサ出力に基づいて前記未浄化リッチガス量を算出する
請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化判別装置が提供さ
れる。

【００１８】上流側空燃比センサと下流側空燃比センサ
とは、排気通路上に距離を置いて配置されているため、
排気が上流側空燃比センサに到達してから下流側空燃比
センサに到達するまでには一定の遅れ時間が生じる。請
求項２の発明では、請求項１の流入リッチガス算出手段
は、上流側空燃比センサ出力がリッチ空燃比相当出力に
なっている期間、すなわち触媒に流入する排気空燃比が
リッチ空燃比になっている期間の上流側空燃比センサに
基づいて流入リッチガス量を算出する。また、未浄化リ
ッチガス量算出手段は、上流側空燃比センサ出力がリッ
チ空燃比相当出力になっている期間に加え、上流側空燃
比センサ出力がリーン空燃比相当出力に反転してから下
流側Ｏ₂センサへの排気の到達遅れ時間が経過するまで
の期間の下流側空燃比センサ出力に基づいて未浄化リッ
チガス量を算出するため、空燃比センサ間の距離にかか
わらず、各空燃比変動周期における流入リッチガス量に
対応した未浄化リッチガス量が算出されることになる。

【００１９】

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

【００２０】吸気マニホルド２ａは共通のサージタンク
２ｂを介して吸気通路２に接続されている。図１に３で
示したのは機関１の吸入空気量を検出するエアフローメ
ータである。エアフローメータ３は、例えばポテンショ
メータを内蔵した可動ベーン式のものが使用され、吸入
空気量に比例した電圧信号を発生する。また、吸気通路
２には運転者のアクセルペダルの操作量に応じた開度を
とるスロットル弁１６が設けられ、更にスロットル弁１
６近傍には、スロットル弁１６が全閉時にアイドル状態
信号（ＬＬ信号）を発生するアイドルスイッチ１７が設
けられている。図１に７で示すのは、吸気マニホルド２
ａの各気筒の吸気ポート近傍に配置された燃料噴射弁で
ある。燃料噴射弁７は、後述する制御回路１０からの信
号に応じて開弁し、加圧燃料を各気筒の吸気ポート毎に
噴射する。燃料噴射弁７からの燃料噴射制御については
後述する。

【００２１】排気マニホルド１１は共通の排気管を介し
て触媒コンバータ１２に接続されている。触媒コンバー
タ１２は、三元触媒を内蔵し排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ
_Xの３成分を同時に浄化することができる。また、触媒
コンバータ１２の上流側、すなわち排気マニホルド１１
の排気集合部には上流側空燃比センサ１３が、触媒コン
バータ１２の下流側排気管１４には下流側空燃比センサ
１５がそれぞれ設けられている。本実施形態では空燃比
センサ１３、１５として排気中の酸素成分濃度に応じた
電圧信号を発生するＯ₂センサが用いられている。図１
５はＯ₂センサの一般的な出力特性を示している。図１
５に示すように、Ｏ₂センサ出力電圧は空燃比がリーン
のときに０Ｖ、リッチのときに１Ｖとなり、理論空燃比
近傍で比較的急激に変化して理論空燃比相当出力（比較
電圧）Ｖ_Rを横切る。すなわち、Ｏ₂センサ１３、１５
はそれぞれ排気空燃比が理論空燃比に対してリーン側か
リッチ側かに応じて異なる出力電圧を発生する。

【００２２】更に、機関１の点火ディストリビュータ４
には、それぞれ機関クランク軸の一定回転毎にパルス信
号を発生する２つのクランク角センサ５、６が設けられ
ている。本実施形態では、クランク角センサ５は例えば
特定気筒が圧縮上死点に到達する毎に（すなわちクラン
ク回転角７２０°毎に）基準位置検出用パルス信号を出
力し、クランク角センサ６は例えばクランク回転角３０
°毎にクランク回転角検出用のパルス信号を出力する。

【００２３】また、機関１のシリンダブロックのウォー
タジャケット８には機関冷却水温度に応じたアナログ電
圧を出力する冷却水温度センサ９が設けられている。制
御回路１０は、例えば入出力インターフェイス１０２、
ＣＰＵ１０３、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、を相互に
双方向性バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュ
ータとされ、更にマルチプレクサ内蔵型ＡＤ変換器１０
１、電源に直接接続され機関イグニッションスイッチが
オフの状態でも記憶内容を保持可能なバックアップＲＡ
Ｍ１０６、クロック発生回路１０７等を備えている。

【００２４】制御回路１０は、機関の燃料噴射制御、点
火時期制御等の基本制御を行う他、本実施形態では、後
述するように、上流側Ｏ₂センサ１３と下流側Ｏ₂セン
サ１５の出力に基づく空燃比フィードバック制御、及び
触媒１２の劣化判定とを行っている。これらの制御を実
行するため、制御回路１０にはＡＤ変換器１０１を介し
てエアフローメータ３からの機関吸入空気量信号、冷却
水温度センサ９からの冷却水温度信号、Ｏ₂センサ１
３、１５からの空燃比信号がそれぞれ入力されている
他、入出力インターフェイス１０２を介してクランク回
転角センサ５、６からのパルス信号、アイドルスイッチ
１７からのアイドル信号等が入力されている。

【００２５】なお、機関吸入空気量信号、冷却水温度信
号は、一定時間毎に実行されるＡＤ変換ルーチンによっ
て取り込まれ、ＲＡＭ１０５の所定領域にそれぞれ機関
吸入空気量データＱ、冷却水温度データＴＨＷとして格
納される。また、クランク回転角センサ６のパルス信号
が入力する毎に、そのパルス間隔から図示しないルーチ
ンにより機関回転速度が算出され、ＲＡＭ１０５の所定
領域に機関回転数データＮｅとして格納される。

【００２６】一方、制御回路１０は入出力インターフェ
イス１０２を介して燃料噴射弁７に接続され、燃料噴射
弁７からの燃料噴射を制御している。図１に１０８、１
０９、１１０で示したのは、それぞれ燃料噴射弁７から
の燃料噴射量を制御するための、ダウンカウンタ、フリ
ップフロップ、駆動回路である。すなわち、後述するル
ーチンにおいて燃料噴射量（時間）ＴＡＵが算出される
と燃料噴射時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０８にプリセ
ットされるとともに、フリップフロップ１０９がセット
され、駆動回路１１０が燃料噴射弁７の駆動信号を出力
する。これにより燃料噴射弁７は開弁し燃料噴射が開始
される。ダウンカウンタ１０８はクロック１０７のクロ
ック信号を計数してプリセットされた時間ＴＡＵが経過
するとフリップフロップ１０９にセット信号を出力す
る。これにより、フリップフロップ１０９がセットされ
るため、駆動回路１１０は燃料噴射弁７の駆動信号を停
止し、燃料噴射弁７は閉弁する。従って演算された燃料
噴射時間ＴＡＵに相当する時間だけ燃料噴射弁７が開弁
し、ＴＡＵに相当する量の燃料が燃料噴射弁７から機関
１に噴射されることになる。

【００２７】また、制御回路１０は入出力インターフェ
イス１０２を介して触媒劣化時に付勢されるアラーム１
９に接続されている。本実施形態では、後述するように
制御回路１０は、通常の空燃比制御中は空燃比が理論空
燃比を中心としてリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互
に変動する制御をおこなう。また、触媒劣化判別を行う
際には、空燃比が理論空燃比よりリーン側の空燃比を中
心として変動するように空燃比制御中心をシフトして、
空燃比がリーン側に振れている時間を通常より長く設定
し、空燃比がリーン側に振れている期間に三元触媒１２
が飽和限界まで酸素を吸着するようにする。また、この
三元触媒が酸素で飽和した状態で空燃比がリッチ側に振
れたときの上流側Ｏ₂センサ１３出力と下流側Ｏ₂セン
サ１５出力とに基づいて触媒劣化有無の判別を行う。そ
こで、劣化検出について説明する前に、その前提となる
本実施形態の空燃比フィードバック制御についてまず簡
単に説明する。

【００２８】図２は本実施形態の燃料噴射量演算ルーチ
ンを示すフローチャートである。本ルーチンは、制御回
路１０により一定クランク回転角毎（例えば３６０°
毎）に実行される。図２のルーチンでは、燃料噴射量、
すなわち燃料噴射弁７の燃料噴射時間ＴＡＵが、機関１
回転当たりの吸入空気量Ｑ／Ｎｅと、後述する空燃比補
正係数ＦＡＦとに基づいて算出される。

【００２９】すなわち、図２のルーチンでは、吸入空気
量データＱ、回転数データＮｅをＲＡＭ１０５の所定領
域から読み込み、機関１回転当たりの吸入空気量Ｑ／Ｎ
ｅを算出する（ステップ２０１）とともに、基本燃料噴
射時間ＴＡＵＰを、ＴＡＵＰ＝α×Ｑ／Ｎｅとして算出する（ステップ２０２）。ここで、基本燃料
噴射時間ＴＡＵＰは燃焼室に供給される混合気を理論空
燃比とするために必要とされる燃料噴射時間であり、α
は定数である。

【００３０】また、実際の燃料噴射時間ＴＡＵは、上記
ＴＡＵＰを空燃比補正係数ＦＡＦで補正した値、ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ×ＦＡＦ×β＋γ として算出される（ステップ２０３）。ここで、β、γ
はそれぞれ機関運転状態に応じて決定される定数であ
る。また、上記により燃料噴射時間ＴＡＵが算出される
とステップ２０４では時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０
８にセットされ、時間ＴＡＵに応じた量の燃料が燃料噴
射弁７から噴射される。

【００３１】次に、ステップ２０３の空燃比補正係数Ｆ
ＡＦの算出について説明する。空燃比補正係数ＦＡＦは
上流側Ｏ₂センサ１３出力に基づく第１の空燃比フィー
ドバック制御と下流側Ｏ₂センサ１５出力に基づく第２
の空燃比フィードバック制御とにより算出される。図
３、図４は上流側Ｏ₂センサ１３出力に基づく第１の空
燃比フィードバック制御を示すフローチャートである。
本ルーチンは制御回路１０により一定時間間隔（例えば
４ｍｓ毎）で実行される。

【００３２】本ルーチンでは、上流側Ｏ₂センサ１３の
出力ＶＯＭを比較電圧Ｖ_R1（理論空燃比相当電圧）と比
較し、触媒コンバータ上流側での排気空燃比が理論空燃
比よりリッチ（ＶＯＭ＞Ｖ_R1）のときには空燃比補正量
ＦＡＦを減少させ、リーン（ＶＯＭ≦Ｖ_R1）のときには
ＦＡＦを増大させる制御を行う。Ｏ₂センサは排気空燃
比が理論空燃比よりリッチ側のときに、例えば１．０ボ
ルトの電圧信号を出力し、排気空燃比が理論空燃比より
リーン側のときに例えば０ボルト程度の電圧信号を出力
する。本実施形態では、上記比較電圧Ｖ_R1は０．５ボル
ト程度に設定される。上記のように空燃比補正量ＦＡＦ
を排気空燃比に応じて増減することにより、エアフロー
メータ３、や燃料噴射弁７等の燃料供給系の機器に多少
の誤差が生じている場合でも機関空燃比は正確に理論空
燃比近傍に修正される。

【００３３】以下、図３、図４のフローチャートを簡単
に説明すると、ステップ３０１はフィードバック制御実
行条件が成立しているか否かの判定を示す。フィードバ
ック制御実行条件は、例えば、Ｏ₂センサが活性化して
いること、機関暖機が完了していること、フュエルカッ
トから復帰後所定時間が経過していること、等であり、
実行条件が成立している時にのみステップ３０２以下の
ＦＡＦ算出が行われる。フィードバック制御実行条件が
成立していない場合には、ルーチンは図４、ステップ３
２５に進み、フラグＸＭＦＢの値を０にセットしてルー
チンを終了する。フラグＸＭＦＢは第１の空燃比フィー
ドバック制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＭ
ＦＢ＝０は第１の空燃比フィードバック制御が停止され
ていることを意味する。

【００３４】ステップ３０２から３１５は空燃比の判定
を示す。ステップ３０９と３１５とに示すフラグＦ１
は、機関空燃比がリッチ（Ｆ１＝１）かリーン（Ｆ１＝
０）かを表す空燃比フラグであり、Ｆ１＝０からＦ１＝
１（リーンからリッチ）への切換えは上流側Ｏ₂センサ
１３が所定時間（ＴＤＲ）以上継続してリッチ信号（Ｖ
ＯＭ＞Ｖ_R1）を出力したときに（ステップ３０３、３
１０から３１５）、またＦ１＝１からＦ１＝０（リッチ
からリーン）への切換えは上流側Ｏ₂センサ１３が所定
時間（−ＴＤＬ）以上継続してリーン信号（ＶＯＭ≦
Ｖ_R1）を出力したときに行われる（ステップ３０３から
３０９）。ＣＤＬＹは空燃比フラグ切換えタイミングを
判定するためのカウンタである。

【００３５】図４ステップ３１６から３２３では、上記
により設定されたフラグＦ１の値に応じてＦＡＦの増減
を行う。すなわち、今回ルーチン実行時のＦ１の値と前
回ルーチン実行時のＦ１の値を比較して、Ｆ１の値が変
化したか、つまり空燃比がリッチからリーン、またはリ
ーンからリッチに反転したかを判断する（ステップ３１
６）。そして、現在のＦ１の値がＦ１＝０（リーン）の
場合には、先ずＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリー
ン）に変化（反転）した直後に比較的大きな値ＲＳＲだ
けＦＡＦをスキップ的に増大させ（ステップ３１７、３
１８）、その後はＦ１＝０である間はルーチン実行毎に
比較的小さな値ＫＩＲずつ徐々にＦＡＦを増大させる
（ステップ３２０、３２１）。同様に、現在のＦ１の値
がＦ１＝１（リッチ）の場合には、先ずＦ１＝０からＦ
１＝１（リーンからリッチ）に反転した直後にスキップ
的にＲＳＬだけＦＡＦを減少させ（ステップ３１７、３
１９）、その後はＦ１＝１である間はルーチン実行毎に
ＫＩＬずつ徐々にＦＡＦを減少させる（ステップ３２
０、３２２）。また、上記により算出したＦＡＦの値を
最大値（本実施形態ではＦＡＦ＝１．２）と最小値（本
実施形態ではＦＡＦ＝０．８）で定まる範囲を越えない
ようにガードした後（ステップ３２３）、フラグＸＭＦ
Ｂの値を１にセットして（ステップ３２４）本ルーチン
は終了する。

【００３６】次に、下流側Ｏ₂センサ１５出力に基づく
第２の空燃比フィードバック制御について説明する。図
５、図６は第２の空燃比フィードバック制御ルーチンを
示している。本ルーチンは制御回路１０により、第１の
空燃比フィードバック制御より長い所定間隔（例えば５
００ｍｓ毎）で実行される。本ルーチンでは、下流側Ｏ
₂センサ１５の出力ＶＯＳを比較電圧Ｖ_R2（理論空燃比
相当電圧、例えば０．５ボルト）と比較し、触媒コンバ
ータ下流側での排気空燃比が理論空燃比よりリッチ（Ｖ
ＯＳ＞Ｖ_R2）のときには第１の空燃比フィードバック制
御で用いる補正量ＲＳＲ（図４ステップ３１８）を減少
させるとともにＲＳＬ（図４ステップ３１９）を増大さ
せる。また、触媒コンバータ下流側での排気空燃比が理
論空燃比よりリーン（ＶＯＳ≦Ｖ_R2）の時には補正量Ｒ
ＳＲを増大させるとともにＲＳＬを減少させる操作を行
う。これにより、触媒コンバータ下流側で排気空燃比が
リッチの場合には第１の空燃比フィードバック制御では
ＦＡＦの値は全般的に小さく設定されるようになり、逆
に下流側での排気空燃比がリッチの場合にはＦＡＦの値
は全般的に大きく設定されるようになる。このため、上
流側Ｏ₂センサ１３が劣化したり特定の気筒の排気の影
響を強く受けたために上流側Ｏ₂センサ１３出力が実際
の排気空燃比からずれたような場合でもＦＡＦの値は下
流側Ｏ₂センサ１５出力に基づいて補正されるので、機
関空燃比は正確に理論空燃比に維持される。

【００３７】以下、図５、図６のフローチャートを簡単
に説明すると、図５ステップ５０１、５０２はフィード
バック制御実行条件が成立しているか否かの判定を示
す。ステップ５０１の判定条件は、図３ステップ３０１
のものに加え、機関がアイドル運転中でないこと（すな
わち、アイドルスイッチ１７からのＬＬ信号が入力して
いないこと）が条件とされる。また、ステップ５０２で
は第１の空燃比フィードバック制御が実施されているか
否かが判定され、制御実施中（フラグＸＭＦＢ＝１）の
場合にのみステップ５０４以下の制御が実行される。制
御が実施されていない場合には（ＸＭＦＢ≠１）、ステ
ップ５０３でフラグＸＳＦＢの値を０にセットしてルー
チンを終了する。フラグＸＳＦＢは第２の空燃比フィー
ドバック制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＳ
ＦＢ＝０は第２の空燃比フィードバック制御が停止され
ていることを意味する。

【００３８】ステップ５０２で第１の空燃比フィードバ
ック制御を実行中であった場合には、ステップ５０４で
フラグＸＳＦＢの値を１にセットした後、下流側Ｏ₂セ
ンサ１５で検出した排気空燃比がリッチか否かにより補
正量ＲＳＲ、ＲＳＬの値を増減する操作を行う。すなわ
ち、図６ステップ５０５では下流側Ｏ₂センサ１５の出
力ＶＯＳをＡＤ変換して読み込み、ステップ５０６では
ＶＯＳがリーン空燃比相当値（ＶＯＳ≦Ｖ_R2）か否かを
判定し、ＶＯＳの値がリーン空燃比相当値であった場合
には、ステップ５０７でＲＳＲの値を一定量ΔＲＳだけ
増大し、増大後のＲＳＲが所定の最大値ＭＡＸ（本実施
形態ではＭＡＸ＝０．０９）を越えないようにガードす
る（ステップ５０８、５０９）。また、ステップ５０６
でＶＯＳの値がリッチ空燃比相当値（ＶＯＳ＞Ｖ_R2）で
あった場合には、ステップ５１０でＲＳＲの値を一定量
ΔＲＳだけ減少させ、減少後のＲＳＲが所定の最小値Ｍ
ＩＮ（本実施形態ではＭＩＮ＝０．０１）より小さくな
らないようにガードする（ステップ５１１、５１２）。

【００３９】また、上記により算出されたＲＳＲの値を
用いてステップ５１３では第１の空燃比フィードバック
制御ルーチンで用いるＲＳＬ（図４ステップ３１９）の
値を、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして算出する。すなわ
ち、ＲＳＲとＲＳＬとの和は本実施形態では常に一定値
（０．１）に保持されており、ＲＳＲが増大するとＲＳ
Ｌが減少しＲＳＲが減少するとＲＳＬは増大するように
なっている。

【００４０】上記第２の空燃比フィードバック制御ルー
チン実行により、下流側Ｏ₂センサ１５で検出した排気
空燃比がリッチの場合にはＲＳＲの減少とＲＳＬの増大
が、また、排気空燃比がリーンの場合にはＲＳＲの増大
とＲＳＬの減少とが同時に行われる。図７は、図３、図
４の第１の空燃比フィードバック制御を行った場合の、
上流側Ｏ₂センサ１３で検出した空燃比（Ａ／Ｆ）変化
（図７(A) ）に対するカウンタＣＤＬＹ（同(B) ）、フ
ラグＦ１（同(C) ）、空燃比補正係数ＦＡＦ（同(D)）
の変化を示している。図７(A) に示すように、Ａ／Ｆが
リーンからリッチに変化した場合でも空燃比フラグＦ１
（図７(C) ）の値は直ちに０から１には変化せず、カウ
ンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＲに増大するまでの時間
（図７(C) Ｔ₁）の間は０のまま保持され、Ｔ₁経過後
に０から１に変化する。また、Ａ／Ｆがリッチからリー
ンに変化した場合もＦ１の値はカウンタＣＤＬＹの値が
０からＴＤＬ（ＴＤＬは負の値）に減少するまでの時間
（図７(C) Ｔ₂）の間は１のまま保持され、Ｔ₂経過後
に１から０に変化する。このため、図７(A) にＮで示し
たように外乱等により上流側Ｏ₂センサ１３の出力が短
い周期で変化したような場合でもフラグＦ１の値は追従
して変化しないため、空燃比制御が安定する。

【００４１】第１の空燃比フィードバック制御の結果、
空燃比補正係数ＦＡＦの値は図７(D) に示すように周期
的に増減を繰り返し、機関空燃比はリッチ空燃比とリー
ン空燃比とに交互に変動する。また、図２で説明したよ
うに、ＦＡＦの値が増大すると燃料噴射時間ＴＡＵは増
大し、ＦＡＦの値が減少すると燃料噴射時間ＴＡＵも減
少する。

【００４２】また、図７(D) から判るように、第２の空
燃比フィードバック制御（図５、図６）によりＲＳＲが
増大しＲＳＬが減少すると、リッチ空燃比側への振れ幅
が大きくなり空燃比が全体的にリッチ空燃比側に移行す
る）。また、逆にＲＳＲが減少しＲＳＬが増大すると、
機関空燃比のリーン空燃比側への振れ幅が大きくなり空
燃比が全体的にリーン空燃比側に移行する。

【００４３】従って、第２の空燃比フィードバック制御
によりＲＳＲ、ＲＳＬの値が増減されると、機関空燃比
はリッチ側またはリーン側に変化する。なお、本実施形
態では、後述するように触媒劣化判別を行うときには上
記第２の空燃比フィードバック制御を停止し、ＲＳＲと
ＲＳＬの値を下流側空燃比センサ出力にかかわらず一定
値に固定するとともに、リーン遅れ時間ＴＤＬをＴＤＲ
より大きく設定する。図７(C) 、(D) から判るようにＴ
ＤＬがＴＤＲより大きく設定されると、上流側空燃比セ
ンサ１３出力がリッチからリーンに反転してからリッチ
スキップＲＳＬが生じるまでの時間Ｔ₂は増大し、空燃
比がリッチからリーンに反転してからＦＡＦが増大を開
始するまでの時間が長くなる。このため、機関空燃比
（ＦＡＦ）は理論空燃比よりリーン側（ＦＡＦ≦１．
０）に留まる時間が増大する。従って、ＴＤＬの値をＴ
ＤＲより大きく設定することにより、空燃比の変動中心
は理論空燃比よりリーン側にシフトし、空燃比が全体的
にリーン側に移行する。

【００４４】次に、本実施形態の触媒劣化判別について
説明する。本実施形態では、三元触媒のＯ₂ストレージ
作用の低下を検出することにより触媒劣化の有無を判別
する。前述したように、三元触媒は流入する排気空燃比
がリーンのとき（すなわち、機関燃焼室で理論空燃比よ
りリーンな混合気の燃焼が行われているとき）には排気
中の酸素を吸着し、流入する排気空燃比がリッチのとき
（燃焼室で理論空燃比よりリッチな混合気の燃焼が行わ
れているとき）には吸着した酸素を放出する酸素の吸放
出作用を行う。このため、三元触媒が正常であれば三元
触媒に流入する排気の空燃比が図７(A) に示したように
理論空燃比を中心としてリッチ側とリーン側とに交互に
変動しているような場合にもＯ₂ストレージ作用により
触媒から流出する排気の空燃比の変動は少なくなる。

【００４５】ところが、触媒が劣化するにつれて触媒の
Ｏ₂ストレージ作用は低下し、触媒が吸着、保持できる
最大酸素量（飽和量）が低下する。このため、触媒が劣
化すると、排気空燃比がリーン側に振れているときに少
量の酸素を吸着しただけで三元触媒が飽和してしまう。
このため、三元触媒は排気空燃比がリッチ側に振れたと
きに吸着した酸素を短時間で放出し尽くしてしまい、酸
素を完全に放出した後は触媒から流出する排気の空燃比
はリッチ側に振れるようになる。すなわち、三元触媒が
劣化して飽和酸素量が低下すると、触媒下流側の排気空
燃比も上流側空燃比と同様に変動してしまい、下流側Ｏ
₂センサ出力のリーン／リッチの反転回数も増加する。
従って、本来、触媒下流側Ｏ₂センサ出力の反転回数を
監視することにより触媒劣化を判別することが可能なは
ずである。ところが、実際には、前述したように酸素の
放出量は流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分量により変化
する。また、例えば触媒に流入する排気中の酸素濃度が
低い場合や、空燃比がリーン側に振れる期間が短い場合
等は、正常な触媒であってもリーン期間中に吸着する酸
素量が減少し、触媒内に十分な酸素を吸着できないため
リッチ期間中に吸着した酸素を放出し尽くしてしまう場
合が生じる。このような場合は、触媒下流側空燃比の変
動のみを監視していたのでは、実際に触媒が劣化して酸
素飽和量が低下しているのか、流入排気条件により酸素
飽和量が低下しているのかを判別することは困難であ
る。

【００４６】例えば、図８(A) は触媒上流側排気空燃比
がリーン側に小さく、かつ短い間振れるような変動をし
た場合の触媒上流側Ｏ₂センサ１３の出力ＶＯＭを示
し、図８(B) はこのときの正常な三元触媒内の酸素吸着
量の変化を示す。この場合には流入する空燃比のリーン
側振幅が短くかつリーン期間が短いため、三元触媒の酸
素吸着量は少なく、Ｏ₂ストレージ作用の飽和量まで到
達しない。

【００４７】図８(C) はこの場合の下流側Ｏ₂センサ１
５出力ＶＯＳの変化を示す。図８(B) に示したように、
各リーン期間の酸素吸着量が少ないため触媒下流側空燃
比は上流側と同様に変動し、ＶＯＳの反転回数はＶＯＭ
と略同じ値に増大してしまう。一方、図８(D) 、(E)
は、図８(A) のように上流側排気空燃比が変化した場合
の劣化触媒における酸素吸着量（図８(D) ）と下流側Ｏ
₂センサ出力ＶＯＳの変動（図８(E) ）とを示してい
る。図８(D) に示すように、劣化触媒では酸素飽和量は
正常な場合（図８(B) ）に較べて低下しており、図８
(D) では各リーン期間で酸素吸着量がすぐに飽和量に到
達してしまい、下流側下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳの反
転回数は、この場合もＶＯＭと略同じになる。

【００４８】すなわち、図８(A) のように触媒上流側空
燃比が変動すると、下流側Ｏ₂センサ１５出力ＶＯＳの
反転回数は、正常な触媒（図８(B) 、(C) ）の場合も劣
化して酸素飽和量が低下した触媒（図８(D) 、(E) ）の
場合と略同じになってしまい、劣化判定ができなくな
る。そこで、本実施形態では、以下の手順により触媒が
確実に飽和量の酸素を吸着する条件を設定した上で、触
媒に流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分量（流入リッチガ
ス量）と触媒で浄化されずに下流側に流出するＨＣ、Ｃ
Ｏ成分量（未浄化リッチガス量）とをそれぞれ空燃比変
動の１周期毎に算出し、流入リッチガス量と未浄化リッ
チガス量とを比較することにより触媒の劣化を判別する
ようにしている。

【００４９】すなわち、本実施形態では触媒劣化判別時
に下流側Ｏ₂センサ出力に基づく第２の空燃比フィード
バック制御を停止し、第１の空燃比フィードバック制御
におけるＲＳＲとＲＳＬとの値を一定値（例えばＲＳＲ
＝ＲＳＬ＝０．０５）に固定するとともに、リーン遅れ
時間ＴＤＬ（図３ステップ３０７）の値をリッチ遅れ時
間ＴＤＲ（図３ステップ３１３）より大きな値に設定す
る。これにより、空燃比の制御中心はリーン側にシフト
し、空燃比はリーン側に大きくかつ長く振れるようにな
る。

【００５０】図９(A) から(E) はこの場合の上流側Ｏ₂
センサ１３出力ＶＯＭ（図９(A) ）と、触媒が正常な場
合の酸素吸着量の変化（図９(B) ）、下流側Ｏ₂センサ
１３出力ＶＯＳの変化（図９(C) ）、及び触媒が劣化し
た場合の酸素吸着量の変化（図９(D) 、ＶＯＳの変化
（図９(E) ）をそれぞれ示している。この場合、空燃比
のリーン期間中に正常な触媒でも酸素吸着量が飽和量に
到達するのに十分な酸素が供給されるため（図９(B)
）、正常な触媒では酸素吸着量は大きく、劣化した触
媒では酸素吸着量は少なくなる（図９(D) ）。このた
め、下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳの変動は、正常な触媒
では小さく（図９(C) ）、劣化した触媒では大きくなり
（図９(E) ）劣化の有無の判定が可能となる。

【００５１】また、このように、正常な触媒が飽和量ま
で酸素を吸着していても、図９(A)にａで示したよう
に、燃焼変動などにより空燃比が一時的にリッチ側に長
く振れる状態が生じると、触媒は吸着した酸素を放出し
尽くしてしまい（図９(B) 、ｂ点）、下流側空燃比セン
サ出力ＶＯＳのリーンからリッチへの反転が生じる（図
９(C) 、ｃ点）。しかし、この場合も同じ空燃比変化の
場合の劣化触媒におけるＶＯＳの変化（図９(E) 、ｅ
点）と較べると触媒が正常な場合には空燃比がリッチ側
に振れる時間と振れ幅は小さくなっている。すなわち、
正常な触媒と劣化触媒とでは、同じように流入排気空燃
比がリッチ側に振れた場合でも吸着した酸素量（飽和酸
素量）に応じて下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳの変動が異
なってくる。以下に示す実施形態では、流入排気空燃比
がリッチ側に振れている期間の上流側Ｏ₂センサ出力Ｖ
ＯＭと下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳとに基づいて、前述
の流入リッチガス量と未浄化リッチガス量とを空燃比変
動の１周期毎に算出し、これらを用いて空燃比変動の１
周期毎に触媒劣化の有無を判別している。

【００５２】次に、流入リッチガス量の算出について説
明する。触媒に流入するＨＣ、ＣＯ成分量（流入リッチ
ガス量）は、他の入口排気条件が一定であれば、流入排
気のリッチ度合いに略比例し、また、リッチ期間の長さ
にも略比例して増大すると考えられる。図１０(A) は空
燃比制御中のＦＡＦの変化を示す図７(D) と同様な図で
ある。流入排気のリッチ度合いは機関に供給される過剰
な燃料の量、すなわち空燃比補正係数ＦＡＦの値と理論
空燃比を与える空燃比補正係数の値ＦＡＦ₀（図１０
(A) 参照）との差（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）に比例する。こ
のため、流入リッチガス量は（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）の値
とリッチ期間の長さとの積、すなわち排気空燃比がリッ
チ側に振れている期間の（ＦＡＦ−ＦＡＦ₀）の値の時
間積分値（図１０(A) に斜線で示した面積）に比例する
と考えることができる。

【００５３】また、同様に流入排気のリッチ度合いは、
上流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＭと、比較出力Ｖ_R1（理論空
燃比相当出力）との差に比例すると考えることもでき
る。このため、流入リッチガス量は図１０(B) に斜線で
示した面積、すなわち排気空燃比がリッチ側に振れてい
る期間ＶＯＭと比較出力Ｖ_R1とで囲まれる面積に比例す
ると考えることもできる。この面積は、ＶＯＭとＶ_R1と
の差（｜ＶＯＭ−Ｖ_R1｜を一定時間毎に積算することに
より算出できる。

【００５４】さらに、図１０(B) の面積は近似的にＶＯ
Ｍのリッチ期間の長さ（図１０(C)、Ｔ_R）に比例する
と考えることもできる。本実施形態では、図１０(A) か
ら(C) のいずれかの方法により、流入リッチガス量を算
出する。また、触媒から流出する排気中のＨＣ、ＣＯ成
分量（未浄化リッチガス量）も図１０(B) と同様な考え
方で求めることができる。すなわち、上流側Ｏ₂センサ
出力ＶＯＭがリーンからリッチに反転した直後の下流側
Ｏ₂センサ出力ＶＯＳは未浄化リッチガス量が０の場合
に対応するリーン出力となっているはずであるので、触
媒から流出する排気中の未浄化リッチガス量は、図１１
(A) に斜線で示すように、下流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＳ
とリーン出力とで囲まれる面積に比例すると考えられ
る。また、この面積は、ほぼＶＯＳの出力の軌跡長（図
１１(B) にＬＶＯＳで示す長さ）に等しいと考えられ
る。また、軌跡長ＬＶＯＳは近似的に今回のＶＯＳの値
と前回のＶＯＳの値ＶＯＳ_i-1との差の絶対値（｜ＶＯ
Ｓ−ＶＯＳ_i-1｜）の積算値として算出することができ
る。そこで、本実施形態では、上記図１１(A) または
(B) のいずれかの方法により未浄化リッチガス量を算出
する。図１２、図１３は、本実施形態の上述した触媒
劣化判別操作を示すフローチャートである。本ルーチン
は、制御回路１０により一定時間毎に実行される。

【００５５】図１２においてルーチンがスタートする
と、ステップ１２０１では触媒劣化判別実行条件が成立
しているか否かが判定される。本実施形態では、ステッ
プ１２０１の実行条件は、第１の空燃比フィードバッ
ク制御（図３、図４）が実行中であること、機関がア
イドル運転中であること、第２の空燃比フィードバッ
ク制御（図５、図６）が停止されていること、機関運
転状態が安定していること、とされている。

【００５６】上記条件は、前述のように本実施形態の
劣化判別は第１の空燃比フィードバック制御が実行中に
行う必要があるためであり、第１の空燃比フィードバッ
ク制御を実行中か否かは、フラグＸＭＦＢ（図４ステッ
プ３２４、３２５）の値が１にセットされているか否か
から判断される。また、条件は、本実施形態では排気
流量が略一定で安定した条件下で触媒劣化判別を行うた
めである。現在アイドル運転中か否かは、アイドルスイ
ッチ１７のＬＬ信号がオン（ＬＬ＝１）になっているか
否かにより判定される。更に、上記条件は、本実施形
態では機関空燃比の制御中心をリーン側にシフトする必
要があるが、第２の空燃比フィードバック制御実行中に
触媒劣化判別を行うと第２の空燃比フィードバック制御
により空燃比制御中心が理論空燃比になるように修正さ
れてしまうため空燃比制御中心をリーン側にシフトでき
なくなるためである。第２の空燃比フィードバック制御
を実行中か否かは、フラグＸＳＦＢ（図５ステップ５０
３、５０４）の値が１にセットされているか否かから判
断される。また、上記条件は、機関空燃比が規則的に
変動する状態で触媒劣化判定を行うことが望ましいため
である。機関運転状態が安定しているか否かは、例えば
前回ルーチン実行時の吸入空気量の値と今回ルーチン実
行時の吸入空気量との差が所定値以下になっているか否
か、前回ルーチン実行時と今回ルーチン実行時の機関回
転数の差が所定値以下か、等により判定される。

【００５７】ステップ１２０１で上記条件のいずれか１
つでも成立しない場合には、本ルーチンは、１２０４に
進み、第１の空燃比制御におけるリーン遅れ時間ＴＤＬ
の値を通常の制御時に用いる値ＴＤＬ₀に設定したあ
と、触媒劣化判定を行うことなく直ちに終了する。ステ
ップ１２０１で上記条件からの全部が成立した場合
には、次にステップ１２０３で、カウンタＣＮの値を０
に設定し、次いで第１の空燃比制御におけるリーン遅れ
時間ＴＤＬの値を通常の制御より大きな値ＴＤＬ_L（Ｔ
ＤＬ_L＞ＴＤＬ₀）にセットするとともに、ＲＳＲとＲ
ＳＬとをＲＳＲ＝ＲＳＬの一定値に固定する。前述のよ
うに、ＴＤＬを大きな値に設定することにより機関空燃
比は全体的にリーン側に移行し、空燃比制御中心がリー
ン側にシフトする。また、カウンタＣＮについては後述
する。

【００５８】ステップ１２０７では、現在触媒に流入し
ている排気の空燃比がリーンか否かを上流側空燃比セン
サ１３出力ＶＯＭに基づいて判定する。空燃比がリーン
（ＶＯＭ≦Ｖ_R1）であった場合にはステップ１２０９で
フラグＸＯＣの値を０にセットした後、ステップ１２１
１で、触媒に流入する排気中の酸素成分量ＧＡＬを算出
する。この酸素成分量の算出は、Ｏ₂センサ１３出力Ｖ
ＯＭと比較電圧Ｖ_R1との差の絶対値（｜Ｖ_R1−ＶＯＭ
｜）を積算することにより行う。この積算値ＧＡＬはＶ
ＯＭと比較電圧Ｖ_R1とで囲まれる部分の面積を近似的に
表すことになる。図１０(B) で説明したように、この面
積は排気空燃比がリッチである場合には触媒に流入する
ＨＣ、ＣＯ成分量を表すことになるが、ステップ１２１
１実行時は空燃比がリーンであるため、面積ＧＡＬは図
１０(B) とは逆に、排気空燃比がリーン側に振れている
間に触媒に流入する排気中の酸素成分量を表すことにな
る。

【００５９】又、ステップ１２０７で流入する排気空燃
比がリッチ（ＶＯＭ＞Ｖ_R1）であった場合には、ステッ
プ１２１３に進み前述のフラグＸＯＣの値が１か否かを
判断し、ＸＯＣ≠１の場合にはステップ１２１５に進
み、リーン期間中に算出した流入排気中の酸素量ＧＡＬ
が所定量ＧＡＬ₀以上か否かを判定する。本実施形態で
は、図１０で説明したように触媒の酸素吸着量が飽和量
に到達した状態で劣化判別を行う必要があり、リーン期
間中に十分な量の酸素が触媒に流入していることが必要
とされる。このため、ステップ１２１５では、リーン期
間中に触媒に流入した酸素量が触媒を酸素で飽和させる
のに十分な値（ＧＡＬ₀）以上になっているか否かを判
断している。ＧＡＬ＜ＧＡＬ₀である場合には、触媒に
十分な量の酸素が流入しておらず、正常な触媒では酸素
吸着量が飽和量に到達していない可能性があるため、ス
テップ１２１７で後述するカウンタＣＴの値をクリアし
て、ステップ１２１５でＧＡＬの値をクリアする。後述
するように、この場合には触媒劣化判定は実施されな
い。一方、ステップ１２１５でＧＡＬ≧ＧＡＬ₀であっ
た場合には、正常な触媒であっても十分に酸素吸着量が
飽和量に到達していると考えられるため、ステップ１２
１９に進み前述のフラグＸＯＣの値を１にセットした
後、ステップ１２２０で現在の下流側Ｏ₂センサ出力Ｖ
ＯＳを下流側Ｏ₂センサのリーン出力値ＶＯＳＬとして
記憶した後ステップ１２２１に進む。フラグＸＯＣの値
が１にセットされると、次回のルーチン実行時からはス
テップ１２１３の次にステップ１２２１が実行されるよ
うになる。すなわち、フラグＸＯＣは上流側Ｏ₂センサ
出力がリーンからリッチに変化時に１回だけステップ１
２１５から１２２０を実行させる機能を有している。

【００６０】また、ステップ１２２１ではカウンタＣＴ
の値を所定値ＣＴ₀にセットしたあと、ステップ１２２
３で上流側Ｏ₂センサ１３出力ＶＯＭと比較電圧Ｖ_R1と
の差の絶対値を積算する。ステップ１２２３実行時は流
入する排気空燃比の空燃比はリッチ側に振れているた
め、この積算値ＧＡＲは近似的に図１０(B) に斜線で示
した面積に等しくなり、空燃比がリッチ側に振れている
間に触媒に流入したＨＣ、ＣＯ成分量（流入リッチガス
量）を表すことになる。すなわち、本実施形態では図１
０(B) に示した方法で流入リッチガス量を算出してい
る。

【００６１】上記ステップを実行後、ステップ１２２５
ではステップ１２１１で算出した流入リーンガス量ＧＡ
Ｌをクリアして次回のリーンガス量積算の準備をした後
図１３ステップ１２２７に進む。ステップ１２２７で
は、前述のカウンタＣＴの値が正であるか否かを判定
し、ＣＴ≦０である場合にはステップ１２２９以下の劣
化判定操作を実行せずにそのままルーチンを終了する。
すなわち、ステップ１２１５でＧＡＬ＜ＧＡＬ₀であっ
たためステップ１１２１７でＣＴの値がクリアされてい
る場合にはステップ１２２９以下は実行しない。

【００６２】一方、ステップ１２２７でＣＴ＞０であっ
た場合には、ステップ１２２９に進み、下流側Ｏ₂セン
サ１５の出力ＶＯＳとＶＯＳＬとの差の積算値ＧＡＲＳ
を算出し、ステップ１２３１ではカウンタＣＴの値を減
算し、ステップ１２３３では、この減算によりＣＴ＝０
になったか否かを判断する。下流側Ｏ₂センサ１５出力
ＶＯＳの積算値ＶＯＳは、近似的に図１１(A) の斜線部
分の面積に等しくなるため、触媒から流出する排気中の
未浄化ＨＣ、ＣＯ成分の量（未浄化リッチガス量）を表
すことになる。なお、上流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＭがリ
ッチである間はルーチン実行毎にステップ１２２１でカ
ウンタＣＴの値がＣＴ₀にセットされるため、カウンタ
ＣＴの値は実質的には上流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＭがリ
ッチからリーンに反転した時から減少するようになる。

【００６３】ステップ１２３３でＣＴ＝０であった場合
には、次にステップ１２３４、１２３５を実行し、ステ
ップ１２２３で算出した流入リッチガス量ＧＡＲとステ
ップ１２２９で算出した未浄化リッチガス量ＧＡＲＳと
を用いて触媒の劣化判別を行う。なお、流入リッチガス
量ＧＡＲ（ステップ１２２３）は上流側Ｏ₂センサ出力
ＶＯＭがリッチ出力になっている間のみ積算が実行され
る（ステップ１２０７）のに対して、未浄化リッチガス
量ＧＡＲＳは、上流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＭがリーンか
らリッチに反転したときに積算を開始し（ステップ１２
０７、１２２１）、その後は、カウンタＣＴの値がＣＴ
₀から減算されて０になるまで積算を続ける。ここで、
ＣＴの値は実質的には上流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＭがリ
ッチからリーンに反転したときから減少するため、ＧＡ
ＲＳは上流側Ｏ₂センサ出力ＶＯＭがリーンからリッチ
に反転した時点で積算が開始され、その後ＶＯＭがリッ
チからリーンに反転した後もＣＴ₀に相当する時間が経
過するまで積算が実行される。ここで、ＣＴ₀はアイド
ル運転時の排気流速において、上流側Ｏ₂センサ１３の
位置を通過した排気が下流側Ｏ₂センサ１５の位置に到
達するのに要する時間に相当する値である。このよう
に、上流側Ｏ₂センサ１３と下流側Ｏ₂センサ１５との
配置による遅れ時間を考慮してＧＡＲＳの積算を行うこ
とにより、算出される未浄化リッチガス量ＧＡＲＳの値
は流入リッチガス量ＧＡＲと正確に対応するようにな
り、ＧＡＲとＧＡＲＳとを用いて触媒劣化を判別する際
の判定精度が向上する。

【００６４】次に、図１３ステップ１２３５で実行され
る触媒の劣化判別について説明する。本実施形態では、
空燃比変動の各周期毎に算出した流入リッチガス量ＧＡ
Ｒと未浄化リッチガス量ＧＡＲＳとを用いて、図１４に
示すマップから触媒劣化の有無を判定する。図１４にお
いて、縦軸は未浄化リッチガス量ＧＡＲＳ、横軸は流入
リッチガス量ＧＡＲを示し、カーブＡは劣化有無の判定
線を示している。

【００６５】触媒に流入した排気中のＨＣ、ＣＯ成分は
触媒内に吸着された酸素量に応じた量だけ浄化される。
このため、流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分量が一定で
あれば触媒から流出する未浄化のＨＣ、ＣＯ成分の量は
触媒内に吸着された酸素量が少ないほど多くなる。一
方、本実施形態では触媒はリーン空燃比期間に常に飽和
状態まで酸素を吸着しているため、触媒から流出する未
浄化のＨＣ、ＣＯ成分の量が多いほど触媒の劣化が進行
して酸素飽和量が低下していることが判る。すなわち、
流入リッチガス量が一定の条件では未浄化リッチガス量
がある判定値より増大している場合には触媒が劣化した
と判定することができる。一方、流入リッチガス量が増
大すれば、劣化程度が同一の触媒であっても未浄化リッ
チガス量は増大するため、未浄化リッチガス量の上記劣
化判定値は流入リッチガス量に応じて設定しておく必要
がある。図１４のカーブＡは、各流入リッチガス量条件
のときの未浄化リッチガス量の判定値を示している。す
なわち、上記により算出した流入リッチガス量と未浄化
リッチガス量との組合せが図１４、カーブＡより上側
（図１４の斜線領域内）になる場合には、この触媒は劣
化していると判定するこができる。図１４の判定カーブ
Ａは、実際には触媒の種類、容量などにより大きく異な
ってくるため、実測結果に基づいて設定される。本実施
形態では、劣化が多少進み、Ｏ₂ストレージ作用が使用
可能限度まで低下した触媒を用いて流入リッチガス量の
条件を変えて、各リッチガス量条件時の未浄化リッチガ
ス量を計測することにより判定カーブＡを求めている。
すなわち、本実施形態では、カーブＡは、Ｏ₂ストレー
ジ作用がこれ以上低下した場合には触媒の交換が必要と
なる判定線を示すことになる。本実施形態では、このよ
うに検出したい劣化程度の触媒を用いて実測により判定
カーブＡを決定することができるため、触媒の検出劣化
程度を任意に決定することが可能となる。

【００６６】なお、図１４の領域Ｉ及びIIは劣化判定不
能領域を示している。例えば、領域Ｉは流入リッチガス
量と未浄化リッチガス量とがともに極めて少ない場合で
ある。流入リッチガス量が極めて少ない場合にはＯ₂ス
トレージ作用が低下した触媒であっても未浄化リッチガ
ス量が少なくなる場合があるため、劣化触媒を正常と誤
判定する可能性がある。このため、本実施形態では流入
リッチガス量が極めて少なく、かつ未浄化リッチガス量
も極めて少ないような場合には劣化判別を行わない。

【００６７】また、図１４、領域IIは流入リッチガス
量、未浄化リッチガス量がともに極めて大きい場合を示
している。流入リッチガス量が極めて多い場合には、正
常な触媒であっても未浄化リッチガス量が極めて大きく
なる場合があり、正常な触媒を劣化したと誤判定してし
まう場合が生じる。このため、本実施形態では、流入リ
ッチガス量が極めて多く、かつ未浄化リッチガス量も極
めて多いような場合には劣化判別を行わない。

【００６８】図１３に従って劣化判別操作を説明する
と、ステップ１２３４では、ステップ１２２３、１２２
９で算出した流入リッチガス量ＧＡＲと未浄化リッチガ
ス量ＧＡＲＳとが、判定可能領域にあるか、すなわち図
１４の領域Ｉと領域II以外の領域にあるか否かが判定さ
れ、判定可能領域にない場合にはそのままルーチンを終
了する。また、ＧＡＲとＧＡＲＳとが判定可能領域にあ
る場合には、ステップ１２３５で、図１４を用いてＧＡ
ＲとＧＡＲＳの値から触媒が劣化しているか否かを判定
する。すなわち、本実施形態では触媒の劣化判別を空燃
比変動の１周期毎に行う。

【００６９】ステップ１２３５で触媒が劣化している場
合には、ステップ１２３７で劣化カウンタＣＦの値に１
を加算し、ステップ１２４１では劣化判定回数カウンタ
ＣＮの値を１加算する。一方ステップ１２３５で触媒が
劣化していないと判定された場合には劣化カウンタＣＦ
の値はそのままに維持し、劣化判定回数カウンタＣＮの
値のみを加算する。これにより、カウンタＣＮは劣化判
定を行った合計回数を、カウンタＣＦはそのうち触媒が
劣化していると判定された回数をそれぞれ表すことにな
る。

【００７０】本実施形態では、上記による劣化判定を予
め定めた回数行い、そのときの劣化判定された回数（す
なわちＣＦの値）が所定回数以上である場合に触媒が劣
化したと判定するようにしている。すなわち、ステップ
１２４３では、劣化判定回数ＣＮが所定値ＣＮ₀以上に
なったか否かを判定し、所定値ＣＮ₀以上の場合にはス
テップ１２４５で劣化判定された回数がＣＦ所定回数Ｃ
Ｆ₀以上か否かを判定する。そして、ＣＦ≧ＣＦ₀であ
った場合には真に触媒が劣化したと判断し、ステップ１
２４７で劣化フラグＡＬＭの値を１にセットする。ま
た、ＣＦ＜ＣＦ₀である場合には劣化フラグＡＬＭの値
を０にセットする。

【００７１】なお、劣化フラグＡＬＭの値が１にセット
されると、別途制御回路１０により実行される図示しな
いルーチンによりアラーム１９が付勢され、運転者に触
媒の劣化を報知する。また上記劣化フラグ設定後、ステ
ップ１２５１では劣化カウンタＣＦの値をクリアし、ス
テップ１２５３では次回の点検、修理のために劣化フラ
グＡＬＭの値をバックアップＲＡＭ１０６に格納して本
ルーチンを終了する。

【００７２】上述のように、本実施形態では、上流側下
流側Ｏ₂センサ出力と下流側Ｏ₂センサ出力とから、そ
れぞれ流入リッチガス量と未浄化リッチガス量とを算出
し、これらの値を用いて劣化判別を行うようにしたた
め、Ｏ₂センサの応答性や空燃比変動周期、振幅等に影
響を受けない正確な劣化判別が可能となっている。ま
た、本実施形態では、さらに空燃比変動の各周期毎に劣
化判別を行うことが可能であるため、燃焼変動などによ
り空燃比変動の周期や振幅がばらついた場合でも、ばら
つきに影響を受けない正確な劣化判別が可能となってい
る。

【００７３】なお、本実施形態で、空燃比の各変動周期
毎に劣化判定を行い、所定回数の劣化判定を実行後、触
媒が劣化したと判定された回数に応じて劣化フラグの値
を設定するようにしているのは、短期間の燃焼変動によ
り触媒劣化判定が影響を受けないようにするためであ
る。しかし、機関運転状態の変動が極めて少なく、触媒
流入排気条件が安定しているような場合には、一回の劣
化判定操作で触媒劣化有無を判定するようにしても良
い。

【００７４】また、本実施形態では、ステップ１２０１
の条件が成立した場合には常に触媒劣化判定操作を実行
しているが、例えば、通常運転時の下流側Ｏ₂センサ出
力の反転回数等によって予め劣化判別を行い、これによ
り触媒が劣化していると判定された場合にのみ本ルーチ
ンを実行し、高い精度で劣化判別を行うようにすること
も可能である。

【００７５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、Ｏ₂センサの
応答性や空燃比変動の周期、振幅の変化やばらつきに影
響を受けることなく正確な触媒劣化判別が可能となる優
れた効果を奏する。また、請求項２の発明によれば、上
流側Ｏ₂センサと下流側Ｏ₂センサとの位置により生じ
る下流側Ｏ₂センサの空燃比検出遅れを考慮して未浄化
リッチガス量を算出するようにしたことにより、上記請
求項１の効果に加え、さらに正確な触媒劣化判別が可能
となる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した実施例の
構成を示す図である。

【図２】図１の実施例の燃料噴射量制御ルーチンを示す
フローチャートである。

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

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

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

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

【図７】図３、図４のルーチンを補足説明するタイミン
グダイアグラムである。

【図８】触媒劣化による下流側Ｏ₂センサ出力の変化を
説明する図である。

【図９】本発明における、触媒劣化による下流側Ｏ₂セ
ンサ出力の変化を説明する図である。

【図１０】流入リッチガス量の算出方法を説明する図で
ある。

【図１１】未浄化リッチガス量の算出方法を説明する図
である。

【図１２】触媒劣化判別ルーチンを示すフローチャート
の一部である。

【図１３】触媒劣化判定サブルーチンを示すフローチャ
ートである。

【図１４】図１２、図１３の触媒劣化判定ルーチンに使
用する触媒劣化判定マップを示す図である。

【図１５】Ｏ₂センサの出力特性を説明する図である。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｄ 45/00 ＺＡＢＦ０２Ｄ 45/00 ＺＡＢ３６８３６８Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に配置された、Ｏ₂
ストレージ作用を有する三元触媒と、前記三元触媒の上流側の排気通路に配置され、三元触媒
上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサと、前記三元触媒の下流側の排気通路に配置され、三元触媒
下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記三元触媒の劣化の有無を判別すべきときに、三元触
媒に流入する排気空燃比が、予め定めたリーン空燃比を
中心として周期的に変動するように機関空燃比を制御す
る判別時空燃比制御手段と、前記判別時空燃比制御手段による機関空燃比制御中に、
前記上流側空燃比センサ出力に基づいて、前記排気空燃
比変動の１周期中に三元触媒に流入する排気中のＨＣ、
ＣＯ成分量を算出する流入リッチガス量算出手段と、前記下流側空燃比センサ出力に基づいて、前記排気空燃
比変動の１周期中に三元触媒から流出する排気中のＨ
Ｃ、ＣＯ成分量を算出する未浄化リッチガス量算出手段
と、前記流入リッチガス量算出手段により算出された流入リ
ッチガス量と、前記未浄化リッチガス量算出手段により
算出された未浄化リッチガス量とに基づいて前記三元触
媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段と、を備えた内燃機関の触媒劣化判別装置。
【請求項２】前記流入リッチガス量算出手段は、前記
上流側空燃比センサ出力がリーン空燃比相当出力からリ
ッチ空燃比相当出力に変化した時点から、次にリッチ空
燃比相当出力からリーン空燃比相当出力に変化する時点
までの上流側空燃比センサ出力に基づいて前記流入リッ
チガス量を算出し、前記未浄化リッチガス量算出手段は、前記上流側空燃比
センサ出力がリーン空燃比相当出力からリッチ空燃比相
当出力に変化した時点から、上流側空燃比センサ出力が
次にリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比相当出力に
変化後所定の時間が経過するまでの間の前記下流側空燃
比センサ出力に基づいて前記未浄化リッチガス量を算出
する請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化判別装置。