JP5024405B2 - 触媒劣化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒劣化検出装置に関する。

自動車等の車両に搭載される内燃機関においては、排気通路に排気浄化用の触媒が設けられており、同触媒によって排気通路を流れる排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化するようにしている。また、こうした排気中の三成分を効果的に浄化するため、触媒に酸素ストレージ機能を持たせるとともに、内燃機関の燃焼室内における混合気の空燃比を理論空燃比に制御する理論空燃比制御が行われる。

ここで、触媒の酸素ストレージ機能とは、同触媒を通過する排気中の酸素濃度に応じて、排気中の酸素を触媒に吸蔵したり、同触媒に吸蔵されている酸素を触媒から脱離させて排気中に放出したりする機能のことである。詳しくは、排気中の酸素濃度が燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比とした状態で同混合気を燃焼させたときの値よりも濃い状態、すなわち燃焼室内の混合気を理論空燃比よりもリーンとなる空燃比で燃焼させた状態にあっては、上述した触媒の酸素ストレージ機能により、その触媒を通過する排気中の酸素が同触媒に吸蔵される。一方、排気中の酸素濃度が燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比とした状態で同混合気を燃焼させたときの値よりも薄い状態、すなわち燃焼室内の混合気を理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼させた状態にあっては、上述した触媒の酸素ストレージ機能により、その触媒に吸蔵されている酸素が同触媒から脱離して排気中に放出される。

また、上記理論空燃比制御では、排気中の酸素濃度が燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比とした状態で同混合気を燃焼させたときの値と一致するよう、排気中の酸素濃度に応じて内燃機関の燃料噴射量が調整される。こうした理論空燃比制御では、排気通路における触媒の上流に設けられて排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒上流センサと、同排気通路における触媒の下流に設けられて排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒下流センサとが用いられる。

詳しくは、触媒上流の排気中の酸素濃度が燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比とした状態で同混合気を燃焼させたときの値と一致するよう、触媒上流センサから出力される信号に応じて内燃機関の燃料噴射量が調整される。これにより、内燃機関の燃焼室内における混合気の空燃比がリッチとリーンとの間で変動しながらも理論空燃比に収束するように制御される。ただし、触媒上流センサから出力される信号に応じた燃料噴射量の調整だけでは、同センサの製品ばらつき等に起因して上述したように理論空燃比に収束するようリッチとリーンとの間で変動する内燃機関の空燃比の変動中心が理論空燃比からずれる可能性がある。こうしたずれを補正するため、上記触媒上流センサからの信号に応じた燃料噴射量の調整によってリッチとリーンとの間で変動する内燃機関の空燃比の変動中心が理論空燃比と一致するよう、触媒下流センサから出力される信号に応じた内燃機関の燃料噴射量の調整も行われる。

以上のように、触媒に酸素ストレージ機能を持たせるとともに理論空燃比制御を行うことにより、排気中におけるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯといった三成分を効果的に浄化することが可能になる。詳しくは、理論空燃比制御の実行中、燃焼室内の混合気の空燃比が変動してリーンになると、触媒を通過する排気中の酸素濃度が燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比とした状態で同混合気を燃焼させたときの値よりも濃い値となるため、触媒を通過する排気中の酸素が触媒に吸蔵されて同排気中のＮＯｘが還元される。一方、理論空燃比制御の実行中、燃焼室内の混合気の空燃比が変動してリッチになると、触媒を通過する排気中の酸素濃度が燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比とした状態で同混合気を燃焼させたときの値よりも薄い値となるため、触媒に吸蔵されている酸素が同触媒から脱離して同排気中のＨＣ、ＣＯが酸化される。従って、理論空燃比制御の実行中、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比に収束する過程でリッチとリーンとの間で変動する際、上述したように排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯといった三成分が効果的に浄化される。

ところで、触媒においては、その劣化に伴って酸素ストレージ機能が低下するため、同触媒に吸蔵される酸素の量の最大値（以下、酸素吸蔵量という）を求め、その酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無を判断することが提案されている。例えば、特許文献１では、以下の手順により触媒の劣化の有無が判断される。

内燃機関の燃焼室で燃焼される混合気の空燃比が図１０（ａ）に示されるように強制的にリッチとリーンとの間で変化されると（タイミングｔａ）、それに伴って図１０（ｂ）に示されるように触媒上流センサの信号に変化が生じる。なお、図１０（ｂ）のタイミングｔｂは、触媒上流センサの信号が上記混合気を理論空燃比で燃焼させたときの排気中の酸素濃度に対応した値となるタイミングである。そして、触媒上流センサの信号の上記変化が生じてから触媒下流センサの信号に上記空燃比の変化に対応する変化が生じるまでの期間中（ｔｂ〜ｔｄ）に、触媒に吸蔵される酸素の量もしくは同触媒から脱離される酸素の量が算出される。なお、触媒下流センサの信号に上記空燃比の変化に対応する変化が生じた旨の判断については、その旨判断するための判定値Ｈに対し上記信号が図１０（ｄ）に実線で示されるように到達したことに基づいて行うことが可能である。

ちなみに、上記空燃比の強制的な変化がリッチからリーンに向けて行われたとすると、上記期間中（ｔｂ〜ｔｄ）には触媒に酸素が吸蔵されるようになる。そして、上記期間中に触媒に吸蔵される酸素の量が算出され、その算出された酸素の量が触媒の酸素吸蔵量とされる。なお、こうして求められる酸素吸蔵量は、上記間中（ｔｂ〜ｔｄ）において、図１０（ｃ）に実線で示されるように推移する。一方、上記空燃比の強制的な変化がリーンからリッチに向けて行われたとすると、上記期間中（ｔｂ〜ｔｄ）には触媒から酸素が脱離されるようになる。そして、上記期間中に触媒から脱離される酸素の量が算出され、その算出された酸素の量が触媒の酸素吸蔵量とされる。なお、こうして求められる酸素吸蔵量も、上記期間中（ｔｂ〜ｔｄ）において、図１０（ｃ）に実線で示されるように推移する。

そして、触媒の劣化の有無を判断するため、上記期間（ｔｂ〜ｔｄ）の終了時点で求められた酸素吸蔵量と劣化判定用の閾値との比較が行われる。具体的には、上記酸素吸蔵量が閾値未満であれば、触媒の劣化による酸素ストレージ機能の低下が生じていると判断可能であるため、触媒の劣化ありの旨判断されることとなる。一方、上記酸素吸蔵量が閾値以上であれば、触媒の劣化による酸素ストレージ機能の低下が生じていないと判断可能であるため、触媒の劣化なし（正常）の旨判断されることとなる。

ただし、上述した触媒の劣化の有無の判断では、その判断に用いるために求められる酸素吸蔵量が、触媒下流の排気中の酸素濃度の変化に対する触媒下流センサから出力される信号の応答性の悪化による影響を受けて適正な値から増加側にずれるおそれがある。例えば、触媒下流センサの上記応答性の悪化が同センサの信号に図１０（ｄ）に実線で示される推移から二点鎖線で示される推移への変化というかたちで現れると、酸素吸蔵量の算出される期間が「ｔｂ〜ｔｄ」から「ｔｂ〜ｔｆ」へと長くなる。その結果、上記期間（ｔｂ〜ｔｆ）の終了時点で求められる酸素吸蔵量が、適正値（タイミングｔｄでの値）に対し図１０（ｃ）に二点鎖線で示されるように大きすぎる値（タイミングｔｆでの値）となる。そして、このように適正値から増加側にずれた酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無が判断されると、その判断に誤りが生じるおそれがある。

こうしたことの対策として、特許文献１には、触媒下流センサの上記応答性に相関するパラメータとして走行距離や内燃機関の累積駆動時間を測定し、その測定したパラメータ（触媒下流センサの応答性に対応）に基づき上記判定値Ｈを補正することが開示されている。詳しくは、上記パラメータが触媒下流センサの応答性を悪化させる値となるほど、判定値Ｈを緩い判定となる値（図１０（ｄ）の例ではより上側に位置する値）となるよう補正する。この場合、補正後の判定値Ｈと図中二点鎖線とがタイミングｔｄで重なるよう、上記パラメータ（触媒下流センサの応答性）に基づき上記判定値Ｈの補正を行うことで、求められる酸素吸蔵量が触媒下流センサの応答性の悪化に基づき適正な値から増加側にずれることは抑制される。

特開２００８−３１９０１公報（段落［００３９］〜［００４７］、図３、図４、段落［００５４］〜［００５７］、図７）

上述したように、触媒下流センサの応答性に相関するパラメータに基づき判定値Ｈを補正することにより、触媒下流センサの応答性の悪化に起因して上記酸素吸蔵量が適正な値に対しずれることの抑制が図られる。

しかし、触媒下流センサの応答性の悪化による影響が必ずしも同センサからの信号に図１０（ｄ）に二点鎖線で示される態様で現れるとは限らず、内燃機関の運転状態等によっては触媒下流センサからの信号に上記二点鎖線とは異なる態様で現れる可能性がある。例えば、触媒下流センサの応答性の悪化の程度が図１０（ｄ）の二点鎖線で示される場合と同程度であったとしても、内燃機関の運転状態等によっては触媒下流センサの応答性の悪化による影響が同センサからの信号に例えば図１０（ｆ）の二点鎖線Ｌ２や図１０（ｈ）の二点鎖線Ｌ３で示される態様で現れる可能性がある。なお、図１０（ｆ）及び図１０（ｈ）の二点鎖線Ｌ１は図１０（ｄ）の二点鎖線と同一となっている。

図１０（ｆ）から分かるように、二点鎖線Ｌ２は、タイミングｔｆ以前では二点鎖線Ｌ１よりも図中下側に位置するように、且つタイミングｔｆ以降では二点鎖線Ｌ１と一致するように推移している。この場合、二点鎖線Ｌ２が補正後の判定値Ｈに対しタイミングｔｄよりも前のタイミングｔｃで重なるため、そのタイミングｔｃにて期間「ｔｂ〜ｔｃ」中の酸素吸蔵量が求められる。なお、この期間中において、酸素吸蔵量は図１０（ｅ）に示されるように推移する。タイミングｔｃにて求められた酸素吸蔵量は、その適正値（図１０（ｃ）の実線におけるタイミングｔｄでの値）に対し減少側にずれた値となる。従って、上記タイミングｔｃにて求められた酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無が判断されると、その判断に誤りが生じるおそれがある。

一方、図１０（ｈ）から分かるように、二点鎖線Ｌ３は、タイミングｔｆ以前では二点鎖線Ｌ１よりも図中上側に位置するように、且つタイミングｔｆ以降では二点鎖線Ｌ１と一致するように推移している。この場合、二点鎖線Ｌ３が補正後の判定値Ｈに対しタイミングｔｄよりも後のタイミングｔｅで重なるため、そのタイミングｔｅにて期間「ｔｂ〜ｔｅ」中の酸素吸蔵量が求められる。なお、この期間中において、酸素吸蔵量は図１０（ｈ）に示されるように推移する。タイミングｔｅにて求められた酸素吸蔵量は、その適正値（図１０（ｃ）の実線におけるタイミングｔｄでの値）に対し増加側にずれた値となる。従って、上記タイミングｔｅにて求められた酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無が判断されると、その判断に誤りが生じるおそれがある。

以上のように、触媒下流センサからの信号に現れる同センサの応答性の悪化による影響が、図１０（ｆ）及び（ｈ）の二点鎖線Ｌ１に対し、図１０（ｆ）の二点鎖線Ｌ２や図１０（ｈ）の二点鎖線Ｌ３で示されるようにばらつくと、触媒の劣化の有無の判断に用いられる酸素吸蔵量が適正値に対し上述したようにずれた値となる。そして、このように適正値に対しずれた値となる酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無の判断が行われる可能性があるため、その判断の結果に関しては必ずしも適正なものとは言い切れなくなる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、触媒下流センサの信号に現れる同センサの応答性の悪化による影響のばらつきに関係なく、触媒の劣化の有無の判断を適正に行うことのできる触媒劣化検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化の有無の判断が、排気通路における触媒の上流に設けられて排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒上流センサ、及び同排気通路における触媒の下流に設けられて排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒下流センサを用いて行われる。詳しくは、内燃機関の空燃比を強制的にリッチとリーンとの間で変化させ、触媒上流センサの信号に上記空燃比の変化に対応する変化が生じてから、触媒下流センサの信号に上記空燃比の変化に対応する変化が生じるまでの期間中に、触媒に吸蔵される酸素の量もしくは同触媒から脱離される酸素の量が算出手段により算出される。なお、触媒下流センサの信号に上記空燃比の変化に対応する変化が生じた旨の判断については、その旨判断するための判定値に対し上記信号が到達したことに基づいて行われる。そして、上記期間中における触媒に吸蔵される酸素の量もしくは同触媒から脱離される酸素の量が算出されると、その算出された値が触媒の酸素吸蔵量とされる。このように求められる酸素吸蔵量は、触媒下流の排気中の酸素濃度の変化に対する触媒下流センサからの信号の変化の応答性によって影響される。このため、触媒下流センサの上記応答性の測定が行われる。そして、測定された応答性が基準値に対し悪化するほど、触媒の劣化の有無の判断に用いるべく求められた上記酸素吸蔵量が、補正手段により減量側に大きく補正される。このように補正された酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無が判断手段により判断される。

ここで、従来は、上述したように触媒の劣化の有無を判断するための酸素吸蔵量を触媒下流センサの上記応答性に基づき直接的に補正する代わりに、その応答性を酸素吸蔵量に対し次のような手法を用いて反映させることが行われていた。すなわち、触媒下流センサの上記応答性に基づき、上記空燃比の変化に対応する変化が触媒下流センサから出力される信号に生じたことを判定するための判定値を補正することにより、触媒下流センサの上記応答性を酸素吸蔵量に反映させていた。この場合、触媒下流センサからの信号に現れる同センサの応答性の悪化による影響が内燃機関の運転状態等によってばらつくとき、触媒下流センサの応答性を反映した後の酸素吸蔵量が適正値に対しずれた値となるおそれがある。そして、このように適正値に対しずれた値となる酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無の判断が行われる可能性があるため、その判断の結果に関しては必ずしも適正なものとは言い切れなくなる。

この点、請求項１記載の発明では、上述したように触媒の劣化の有無を判断するための酸素吸蔵量を触媒下流センサの上記応答性に基づき直接的に補正するため、触媒下流センサからの信号に現れる同センサの応答性の悪化による影響が内燃機関の運転状態等によってばらついたとしても、それが補正後の酸素吸蔵量のばらつきに繋がることはない。このため、触媒下流センサからの信号に現れる同センサの応答性の悪化による影響が上述したようにばらついたとしても、それに伴い補正後の酸素吸蔵量が適正値に対しずれた値となることは抑制される。従って、上記補正後の酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無を判断することにより、触媒下流センサの信号に現れる同センサの応答性の悪化による影響のばらつきに関係なく、上記触媒の劣化の有無の判断を適正に行うことができる。

特に、請求項１記載の発明によれば、内燃機関の空燃比をリッチからリーンに変化させたときの触媒下流センサから出力される信号のリーン側への応答性が測定されるとともに、内燃機関の空燃比をリーンからリッチに変化させたときの触媒下流センサから出力される信号のリッチ側への応答性が測定される。また、内燃機関の空燃比を強制的にリッチからリーンに変化させたときに触媒に吸蔵される酸素の量が酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量として算出されるとともに、内燃機関の空燃比を強制的にリーンからリッチに変化させたときに触媒から脱離される酸素の量が酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量として算出される。そして、酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量は触媒下流センサのリーン側への応答性に基づき補正されるとともに、酸素脱離時に求めた前記酸素吸蔵量は触媒下流センサのリッチ側への応答性に基づき補正される。

ここで、触媒の劣化の有無を正確に判定するためには、酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量の補正後の値、及び酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量の補正後の値に基づき、触媒の劣化の有無を判断することが好ましい。ただし、こうした触媒の劣化の有無の判断を実現しようとすると、その判断の完了までに長い時間がかかることは避けられない。これは、酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量の補正に用いられる触媒下流センサのリーン側への応答性と、酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量の補正に用いられる触媒下流センサのリッチ側への応答性とをそれぞれ測定しようとすると、それら両方の測定の完了に長い時間がかかるためである。詳しくは、触媒下流センサにおけるリーン側への応答性の測定とリッチ側への応答性の測定とにおいては、一方の応答性の測定頻度と他方の応答性の測定頻度とが異なる可能性が高い。このことから、触媒下流センサにおけるリーン側への応答性とリッチ側への応答性とのいずれか一方を測定できたとしても他方を測定できないという状況が生じ、そのために応答性の測定を完了するために長い時間がかかるようになる。

この点、請求項１記載の発明では、触媒の劣化の有無の判断を速やかに完了しつつ同判断の精度が低下しないよう、次のように触媒の劣化の有無の判断が行われる。すなわち、触媒下流センサのリーン側への応答性とリッチ側への応答性との一方のみ測定が完了しているとき、その測定が完了している応答性に基づき補正された酸素吸蔵量と前記測定が完了していない方の応答性に対応する酸素吸蔵量との平均値が算出される。そして、上記補正された酸素吸蔵量と第１閾値との比較、及び上記平均値と第２閾値との比較に基づき、触媒の劣化の有無が判断される。

この場合、触媒下流センサのリーン側への応答性とリッチ側への応答性との一方のみ測定が完了していれば、触媒の劣化の有無の判断を行うことができるため、その判断を速やかに完了することができる。また、このときの触媒の劣化の有無の判断に関しては、触媒下流センサの応答性に基づき補正された酸素吸蔵量だけに基づいて行われるのではなく、触媒下流センサにおける測定されていない方の応答性に対応する酸素吸蔵量と上記補正後の酸素吸蔵量との平均値に基づいても行われる。このように触媒の劣化の有無の判断が上記補正後の酸素吸蔵量だけでなく上記平均値も加味して行われる場合、上記補正後の酸素吸蔵量だけで触媒の劣化の有無を判断することにより同判断の精度が低下することを抑制できる。

請求項２記載の発明によれば、触媒下流センサのリーン側への応答性とリッチ側への応答性とのうちの一方が測定された後、その測定された応答性に基づき補正される酸素吸蔵量が第１閾値未満であれば、そのことに基づいて触媒の劣化ありの旨の判断が直ちに行われる。ここで、上記触媒下流センサの応答性に基づき補正された酸素吸蔵量が第１閾値未満になるということは、触媒が正常であることが疑わしい状況であることを意味する。このように触媒が正常であることが疑わしいときには、上述したように触媒の劣化ありの旨判断される。このため、触媒が正常であることが疑わしい状況のもとで、実際に触媒の劣化が生じているにもかかわらず、同触媒の劣化ありの旨判断されないという状況の発生が少なくされる。

請求項３記載の発明によれば、触媒下流センサのリーン側への応答性とリッチ側への応答性とのうちの一方が測定された後、その測定された応答性に基づき補正される酸素吸蔵量が第１閾値以上であり且つ上記平均値が第２閾値以上であれば、そのことに基づいて触媒の劣化なしの旨の判断が行われる。ここで、上記触媒下流センサの応答性に基づき補正された酸素吸蔵量が第１閾値以上であり且つ上記平均値が第２閾値以上になるということは、触媒が正常である可能性が極めて高い状況であることを意味する。このように触媒が正常である可能性が極めて高いときには、上述したように触媒の劣化なしの旨判断される。このため、触媒の劣化なしの旨判断されたとき、同判断を正確なものとすることができる。

請求項４記載の発明によれば、触媒下流センサのリーン側への応答性とリッチ側への応答性とのうちの一方が測定された後、その測定された応答性に基づき補正される酸素吸蔵量が第１閾値以上であり且つ上記平均値が第２閾値未満であれば、触媒の劣化の有無の判断が保留とされる。ここで、上記触媒下流センサの応答性に基づき補正された酸素吸蔵量が第１閾値以上であり且つ上記平均値が第２閾値未満になるということは、触媒の劣化が生じているのか、或いは同触媒の劣化が生じておらず正常であるのか、判別しにくい状況であることを意味する。このように触媒の劣化が生じているのか、或いは同触媒の劣化が生じておらず正常であるのかを判別しにくいときには、上述したように触媒の劣化の有無の判断が保留とされる。このため、触媒の劣化の有無の判断を安易に行うことによる同判断の誤りを回避することができる。

本実施形態の触媒劣化検出装置が適用されるエンジン全体を示す略図。 排気中の酸素濃度の変化に対する空燃比センサの出力信号の変化を示すグラフ。 排気中の酸素濃度の変化に対する酸素センサの出力信号の変化を示すグラフ。 （ａ）〜（ｄ）は、アクティブ空燃比制御におけるエンジンの空燃比の変化、空燃比センサの出力信号の変化、求められる酸素吸蔵量の変化、及び酸素センサの出力信号の変化を示すタイムチャート。 （ａ）〜（ｄ）は、アクティブ空燃比制御におけるエンジンの空燃比の変化、空燃比センサの出力信号の変化、求められる酸素吸蔵量の変化、及び酸素センサの出力信号の変化を示すタイムチャート。 三元触媒の劣化の有無を判断する手順を示すフローチャート。 早期判定処理の実行手順を示すフローチャート。 早期判定処理により三元触媒の劣化の有無を判断したときの判断結果をまとめた表。 （ａ）〜（ｆ）は、早期判定処理による三元触媒の劣化の有無の判断の他の例を示す表。 （ａ）〜（ｈ）は、アクティブ空燃比制御におけるエンジンの空燃比の変化、触媒上流センサの出力信号の変化、求められる酸素吸蔵量の変化、及び触媒下流センサの出力信号の変化の従来例を示すタイムチャート。

以下、本発明を自動車用エンジンに適用した一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１に示されるエンジン１においては、その燃焼室２に繋がる吸気通路３にスロットルバルブ１３が開閉可能に設けられており、吸気通路３を通じて燃焼室２に空気が吸入されるとともに、燃料噴射弁４から噴射された燃料が吸気通路３を介して燃焼室２に供給される。燃焼室２に供給された空気と燃料とからなる混合気は、点火プラグ５による点火が行われて燃焼する。そして、燃焼室２内で混合気が燃焼することにより、ピストン６が往復移動してエンジン１の出力軸であるクランクシャフト７が回転する。

一方、燃焼室２にて燃焼した後の混合気は、排気として燃焼室２から排気通路８に送り出される。排気通路８を通過する排気は、同排気通路８に設けられた触媒コンバータ１６の三元触媒にて排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯxといった有害成分を浄化した後に外部に放出される。この三元触媒は、排気中における上記三成分を効果的に除去するために酸素ストレージ機能を有している。この酸素ストレージ機能を三元触媒に持たせるとともに、触媒雰囲気の酸素濃度が理論空燃比での混合気の燃焼時の値に収束するよう同混合気の空燃比を理論空燃比に制御する理論空燃比制御を行うことにより、三元触媒にて排気中におけるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯといった三成分を効果的に浄化することができる。

また、排気通路８において、触媒コンバータ１６の上流には排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒上流センサとして空燃比センサ１７が設けられるとともに、触媒コンバータ１６の下流には排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒下流センサとして酸素センサ１８が設けられている。

上記空燃比センサ１７は、図２に示されるように、触媒上流の排気中の酸素濃度に応じたリニアな信号を出力する。
すなわち、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦは、触媒上流の排気中の酸素濃度が薄くなるほど小さくなり、理論空燃比での混合気の燃焼が行われたときには、そのときの排気中の酸素濃度Ｘに対応して例えば「０Ａ」となる。従って、理論空燃比よりもリッチな混合気の燃焼（リッチ燃焼）に起因して触媒上流の排気中の酸素濃度が薄くなるほど、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦが「０Ａ」よりも小さい値になる。また、理論空燃比よりもリーンな混合気の燃焼（リーン燃焼）に起因して触媒上流の排気中の酸素濃度が濃くなるほど、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦが「０Ａ」よりも大きい値になる。

上記酸素センサ１８は、図３に示されるように、触媒下流の排気中の酸素濃度に応じてリッチ信号又はリーン信号を出力する。
すなわち、酸素センサ１８の出力信号ＶＯは、触媒下流の排気中の酸素濃度が理論空燃比での混合気の燃焼が行われたときの値（酸素濃度Ｘ）であるときには例えば「０．５ｖ」を出力する。そして、リーン燃焼が行われることに起因して触媒下流の排気中の酸素濃度が上述した酸素濃度Ｘよりも濃くなると、酸素センサ１８からは「０．５ｖ」よりも小さい値がリーン信号として出力される。このリーン信号に関しては、触媒下流の排気中の酸素濃度が上記酸素濃度Ｘに対し大きくなる際、その酸素濃度Ｘ付近では酸素濃度の増加に対し「０．５ｖ」から減少側への急速な変化を示す一方、上記酸素濃度Ｘ付近から離れると酸素濃度の増加に対する減少側への変化が緩やかになる。

また、リッチ燃焼が行われることに起因して触媒下流の排気中の酸素濃度が上述した酸素濃度Ｘよりも薄くなると、酸素センサ１８からは「０．５ｖ」よりも大きい値がリッチ信号として出力される。このリッチ信号に関しては、触媒下流の排気中の酸素濃度が上記酸素濃度Ｘに対し小さくなる際、その酸素濃度Ｘ付近では酸素濃度の減少に対し「０．５ｖ」から増大側への急速な変化を示す一方、上記酸素濃度Ｘ付近から離れると酸素濃度の減少に対する増大側への変化が緩やかになる。

次に、本実施形態における触媒劣化検出装置の電気的構成について、図１を参照して説明する。
この空燃比制御装置は、エンジン１に関する各種制御を実行する電子制御装置２１を備えている。電子制御装置２１は、上記制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。

電子制御装置２１の入力ポートには、上記空燃比センサ１７及び上記酸素センサ１８が接続される他、以下に示す各種センサ等が接続されている。
・自動車の運転者によって踏み込み操作されるアクセルペダル２７の踏み込み量（アクセル踏込量）を検出するアクセルポジションセンサ２８。

・吸気通路３に設けられたスロットルバルブ１３の開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ３０。
・吸気通路３を通じて燃焼室２に吸入される空気の量を検出するエアフローメータ３２。

・吸気通路３内におけるスロットルバルブ１３よりも下流側の圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサ３３。
・クランクシャフト７の回転に対応する信号を出力し、エンジン回転速度の算出等に用いられるクランクポジションセンサ３４。

電子制御装置２１の出力ポートには、燃料噴射弁４、点火プラグ５、及びスロットルバルブ１３の駆動回路等が接続されている。
そして、電子制御装置２１は、上記各種センサから入力した検出信号に基づき、エンジン回転速度やエンジン負荷（エンジン１の１サイクル当たりに燃焼室２に吸入される空気の量）といったエンジン運転状態を把握する。なお、エンジン回転速度はクランクポジションセンサ３４からの検出信号に基づき求められる。また、エンジン負荷は、アクセルポジションセンサ２８、スロットルポジションセンサ３０、及び、エアフローメータ３２等の検出信号に基づき求められるエンジン１の吸入空気量と上記エンジン回転速度とから算出される。電子制御装置２１は、エンジン負荷やエンジン回転速度といったエンジン運転状態に応じて、上記出力ポートに接続された各種駆動回路に指令信号を出力する。こうしてエンジン１における燃料噴射量制御、点火時期制御、及び吸入空気量制御等が電子制御装置２１を通じて実施される。

触媒コンバータ１６の三元触媒でエンジン１の排気を効果的に浄化するための上記理論空燃比制御は、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦ及び酸素センサ１８からの出力信号ＶＯに基づき燃料噴射量を調整することによって実現される。詳しくは、空燃比センサの出力信号ＶＡＦがエンジン１の燃焼室２内の混合気を理論空燃比で燃焼させたときの値（この例では「０Ａ」）と一致するよう、同出力信号ＶＡＦに基づきエンジン１の燃料噴射量を増減させる。これにより、エンジン１の燃焼室２内における混合気の空燃比がリッチとリーンとの間で変動しながらも理論空燃比に収束するように制御される。ただし、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに応じた燃料噴射量の調整だけでは、同空燃比センサ１７の製品ばらつき等に起因して上述したように理論空燃比に収束するようリッチとリーンとの間で変動するエンジン１の空燃比の変動中心が理論空燃比からずれる可能性がある。こうしたずれを補正するため、上記空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに応じた燃料噴射量の調整によってリッチとリーンとの間で変動するエンジン１の空燃比の変動中心が理論空燃比と一致するよう、酸素センサ１８から出力される信号に応じたエンジン１の燃料噴射量の調整も行われる。

次に、本実施形態における触媒コンバータ１６の三元触媒に対して行われるその劣化の有無の判断の概要を説明する。
三元触媒における劣化の有無の判断は、その劣化に伴い同触媒の酸素ストレージ機能が低下することを利用して行われる。すなわち、三元触媒の酸素ストレージ機能によって決まる同触媒に吸蔵される酸素の量の最大値（以下、酸素吸蔵量という）が求められ、その求められた酸素吸蔵量に基づき同触媒の劣化の有無が判断される。

上記酸素吸蔵量を求める際には、エンジン１における燃焼室２内の混合気の空燃比を所定タイミング毎に強制的にリッチとリーンとの間で切り換えるアクティブ空燃比制御が行われる。こうしたアクティブ空燃比制御により、エンジン１の空燃比がリッチとリーンとの間で切り換えられると、それに対応した変化が空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに生じる。そして、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦの上記変化が生じてから酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比の変化に対応する変化が生じるまでの期間中に、三元触媒に吸蔵される酸素の量もしくは同触媒から脱離される酸素の量が算出される。ちなみに、上記空燃比の強制的な変化がリッチからリーンに向けて行われたとすると、上記期間中には三元触媒に酸素が吸蔵されるようになる。そして、上記期間中に三元触媒に吸蔵される酸素の量が算出され、その算出された酸素の量が触媒の酸素吸蔵量とされる。一方、上記空燃比の強制的な変化がリーンからリッチに向けて行われたとすると、上記期間中には三元触媒から酸素が脱離されるようになる。そして、上記期間中に三元触媒から脱離される酸素の量が算出され、その算出された酸素の量が触媒の酸素吸蔵量とされる。

そして、三元触媒の劣化の有無を判断するため、上記期間の終了時点で求められた酸素吸蔵量と劣化判定用の閾値とを比較することが考えられる。なお、三元触媒の劣化の有無を判断するための酸素吸蔵量としては、上記空燃比をリッチからリーンに変化させることで求められる値（酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量ＯＳＣ１）と、上記空燃比をリーンからリッチに変化させることで求められる値（酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量ＯＳＣ２）とのうち、少なくとも一方を用いることができる。以上のようにして求められた劣化判断用の酸素吸蔵量が上記閾値未満であれば、三元触媒の劣化による酸素ストレージ機能の低下が生じていると判断可能であるため、同触媒の劣化ありの旨判断することが考えられる。一方、上記酸素吸蔵量が閾値以上であれば、三元触媒の劣化による酸素ストレージ機能の低下が生じていないと判断可能であるため、同触媒の劣化なし（正常）の旨判断することが考えられる。

こうした三元触媒の劣化の有無の判断に関しては、エンジン１の運転開始から運転終了までの間に少なくとも一回は行うことが好ましい。なお、三元触媒の劣化の有無の判断が完了すると、その判断に用いるべく求められた酸素吸蔵量は「０」にリセットされることとなる。

ここで、上記アクティブ空燃比制御の実行中における酸素吸蔵量の算出について、図４及び図５を参照して詳しく説明する。
上記アクティブ空燃比制御に関しては、エンジン１の始動開始後に一度も三元触媒の劣化の有無の判断が完了していないこと、予め定められた劣化判定用のエンジン運転領域内にてエンジン１が定常運転中であること、三元触媒の温度が活性温度領域にあること、といった各種の実行条件すべての成立をもって開始される。また、アクティブ空燃比制御の実行中において、上述した各種の実行条件のいずれか一つでも不成立になった場合や、同制御の実行目的である各種の値の算出及び測定が完了した場合には、実行中の同制御が停止されることとなる。

アクティブ空燃比制御において、エンジン１の空燃比が図４（ａ）のタイミングｔ１にて強制的にリッチからリーンに変えられると、その変化に対応して空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦが図４（ｂ）に示されるように増大する。なお、図４（ｂ）のタイミングｔ２は、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦがエンジン１の燃焼室２内で混合気を理論空燃比で燃焼させたときの排気中の酸素濃度に対応した値となるタイミングである。図中のタイミングｔ２以降では、上記空燃比のリーン側への変化に対応して酸素濃度の濃い排気が三元触媒を通過するようになる。しかし、上記排気中の酸素が三元触媒に吸蔵されることから、その吸蔵が行われている間は、触媒下流の排気中の酸素濃度が薄いままとなるため、図４（ｄ）に実線で示されるように酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比のリーン側への変化に対応する変化は生じない。そして、三元触媒に酸素を吸蔵しきれなくなって触媒下流に酸素濃度の濃い排気が流れるようになると、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比のリーン側への変化に対応する変化が生じる。なお、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比のリーン側への変化に対応する変化が生じた旨の判断については、その旨判断するためのリーン判定値ＨＬに対し上記出力信号ＶＯが到達したことに基づいて行うことが可能である。出力信号ＶＯが上述したようにリーン判定値ＨＬに到達すると（ｔ３）、エンジン１の空燃比が強制的にリーンからリッチに切り換えられる。

空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに上記空燃比のリッチからリーンへの変化が生じてから酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比の変化に対応する変化が生じるまでの期間中（ｔ２〜ｔ３）に、同触媒に吸蔵される酸素の量の合計値は、三元触媒に吸蔵される酸素の量の最大値（酸素吸蔵量）を表すものとなる。この酸素吸蔵量が上記期間中（ｔ２〜ｔ３）に次のようにして求められる。すなわち、上記期間中（ｔ２〜ｔ３）、微小時間毎に三元触媒に吸蔵される酸素の量として、酸素吸蔵量ΔＯＳＣが次の式（１）に基づき算出される。

ΔＯＳＣ＝（ΔＡ／Ｆ）・Ｑ・Ｋ …（１）
ΔＯＳＣ：微小時間毎の酸素吸蔵量
ΔＡ／Ｆ：空燃比差
Ｑ ：燃料噴射量
Ｋ ：酸素割合
式（１）の空燃比差ΔＡ／Ｆは、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦから求められる空燃比から理論空燃比を減算した値の絶対値を表している。また、式（１）の燃料噴射量Ｑは、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに基づき求められる上記空燃比の原因となったエンジン１の燃料噴射量、すなわち燃料噴射弁４から噴射された燃料の量を表している。更に、式（１）の酸素割合Ｋは空気中に含まれる酸素の割合を表している。なお。ここでは酸素割合Ｋとして例えば「０．２３」という固定値が用いられている。そして、上記式（１）に基づき算出される微小時間毎の酸素吸蔵量ΔＯＳＣは上記期間（ｔ２〜ｔ３）に亘って積分され、同積分により得られる値が三元触媒に吸蔵された酸素の量として求められる。このため、上記期間（ｔ２〜ｔ３）の終了時点で上記積分により求められた値は、三元触媒に吸蔵可能な酸素の量の最大値（酸素吸蔵量）となる。こうして求められた酸素吸蔵量は、三元触媒の酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量ＯＳＣ１ということになる。

アクティブ空燃比制御において、エンジン１の空燃比が図５（ａ）のタイミングｔ５にて強制的にリーンからリッチに変えられると、その変化に対応して空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦが図５（ｂ）に示されるように減少する。図５（ｂ）のタイミングｔ６は、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦがエンジン１の燃焼室２内で混合気を理論空燃比で燃焼させたときの排気中の酸素濃度に対応した値となるタイミングである。なお、上記エンジン１の空燃比のリッチからリーンへの切り換えは、例えば、上述したように酸素センサ１８の出力信号ＶＯがリーン判定値ＨＬに到達した時点（図４のｔ３）で行われる。図５のタイミングｔ５以降では、上記空燃比のリッチ側への変化に対応して酸素濃度の薄い排気が三元触媒を通過するようになる。しかし、三元触媒に吸蔵されていた酸素が脱離して排気中に放出されることから、同触媒からの酸素の脱離が行われている間は、触媒下流の排気中の酸素濃度が濃いままとなるため、図５（ｄ）に実線で示されるように酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比のリッチ側への変化に対応する変化は生じない。そして、三元触媒に吸蔵されていた酸素が尽きて排気への酸素の放出ができなくなり、それによって触媒下流に酸素濃度の薄い排気が流れるようになると、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比のリッチ側への変化に対応する変化が生じる。なお、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比のリッチ側への変化に対応する変化が生じた旨の判断については、その旨判断するためのリッチ判定値ＨＲに対し上記出力信号ＶＯが到達したことに基づいて行うことが可能である。出力信号ＶＯが上述したようにリッチ判定値ＨＲに到達すると（ｔ７）、エンジン１の空燃比が強制的にリッチからリーンに切り換えられる。

空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに上記空燃比のリーンからリッチへの変化が生じてから酸素センサ１８の出力信号ＶＯに上記空燃比の変化に対応する変化が生じるまでの期間中（ｔ６〜ｔ７）に、同触媒から脱離される酸素の量の合計値は、三元触媒に吸蔵されている酸素の量の最大値（酸素吸蔵量）を表すものとなる。この酸素吸蔵量が上記期間中（ｔ６〜ｔ７）に図４の「ｔ２〜ｔ３」の期間中と同様の手法を用いて求められる。すなわち、上記期間中（ｔ６〜ｔ７）、微小時間毎に三元触媒に吸蔵される酸素の量として、酸素吸蔵量ΔＯＳＣが上記式（１）に基づき算出される。更に、式（１）に基づき算出される微小時間毎の酸素吸蔵量ΔＯＳＣは上記期間（ｔ６〜ｔ７）に亘って積分され、同積分により得られる値が三元触媒から脱離した酸素の量として求められる。このため、上記期間（ｔ６〜ｔ７）の終了時点で上記積分により求められた値は、三元触媒に吸蔵可能な酸素の量の最大値（酸素吸蔵量）となる。こうして求められた酸素吸蔵量は、三元触媒の酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量ＯＳＣ２ということになる。

なお、アクティブ空燃比制御に関しては、三元触媒の劣化の有無の判定に必要な酸素吸蔵量が求められた後に終了される。すなわち、三元触媒の劣化の有無の判定に必要な酸素吸蔵量が上記酸素吸蔵量ＯＳＣ１と上記酸素吸蔵量ＯＳＣ２とのいずれか一方である場合には、その酸素吸蔵量が求められた後にアクティブ空燃比制御が終了される。また、三元触媒の劣化の有無の判定に必要な酸素吸蔵量が上記酸素吸蔵量ＯＳＣ１と上記酸素吸蔵量ＯＳＣ２との両方である場合には、それら酸素吸蔵量が求められた後にアクティブ空燃比制御が終了される。

ところで、酸素吸蔵量に基づく三元触媒の劣化の有無の判断では、求められる酸素吸蔵量が触媒下流の排気中の酸素濃度の変化に対する酸素センサ１８の出力信号ＶＯの変化の応答性の悪化による影響を受けて適正な値からずれるおそれがある。

例えば、酸素センサ１８の上記応答性の悪化が同センサ１８の出力信号ＶＯに、図４（ｄ）に実線で示される推移から二点鎖線Ｌ１で示される推移への変化というかたちで現れると、酸素吸蔵量の算出される期間が「ｔ２〜ｔ３」から「ｔ２〜ｔ４」へと長くなる。その結果、上記期間（ｔ２〜ｔ４）の終了時点で求められる酸素吸蔵量ＯＳＣ１が、適正値（タイミングｔ３での値）に対し図４（ｃ）に二点鎖線で示されるように大きすぎる値（タイミングｔ４での値）となる。また、酸素センサ１８の上記応答性の悪化が同センサ１８の出力信号ＶＯに、図５（ｄ）に実線で示される推移から二点鎖線Ｌ４で示される推移への変化というかたちで現れると、酸素吸蔵量の算出される期間が「ｔ６〜ｔ７」から「ｔ６〜ｔ８」へと長くなる。その結果、上記期間（ｔ６〜ｔ８）の終了時点で求められる酸素吸蔵量ＯＳＣ２が、適正値（タイミングｔ７での値）に対し図５（ｃ）に二点鎖線で示されるように大きすぎる値（タイミングｔ８での値）となる。以上のように、適正値からずれた値となる酸素吸蔵量を用いて三元触媒の劣化の有無が判断されると、その判断に誤りが生じるおそれがある。

そこで本実施形態では、触媒下流の排気中の酸素濃度の変化に対する酸素センサ１８の出力信号ＶＯの変化の応答性を測定する。そして、測定された応答性が基準値に対し悪化するほど、三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる酸素吸蔵量が大きく減量されるよう、その酸素吸蔵量を上記応答性に基づき直接的に減量補正する。これにより、三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる上記補正後の酸素吸蔵量が酸素センサ１８の上記応答性の悪化に基づき適正な値からずれることは抑制される。

酸素センサ１８の上記応答性の測定に関しては、具体的には以下のように行うことが考えられる。すなわち、エンジン１の空燃比がリッチとリーンとの間で変化する際、その変化に対応する変化が酸素センサ１８の出力信号ＶＯに生じるとき、その出力信号ＶＯが変化開始してからリーン判定値ＨＬもしくはリッチ判定値ＨＲに至るまでの応答時間を上記応答性に対応する値として測定する。このように測定される上記応答時間は、酸素センサ１８の上記応答性の悪化に伴い大きい値となる。この場合、上記応答時間が酸素センサ１８の応答性の悪化なしのときの値（上記基準値に相当）に対し大きくなるほど、三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる酸素吸蔵量が減量側に大きく補正されることとなる。

ここで、酸素センサ１８の上記応答性の悪化による出力信号ＶＯへの影響に関しては、必ずしも図４（ｄ）の二点鎖線Ｌ１や図５（ｄ）の二点鎖線Ｌ４に示される態様で現れるとは限らず、エンジン１の運転状態等によっては上記二点鎖線Ｌ１，Ｌ４とは異なる態様で現れる可能性がある。例えば、酸素センサ１８の上記応答性の悪化の程度が、図４（ｄ）の二点鎖線Ｌ１で示される場合と同程度であったとしても、エンジン１の運転状態等によっては酸素センサ１８の上記応答性の悪化による影響が、同センサ１８の出力信号ＶＯに例えば二点鎖線Ｌ２，Ｌ３で示される態様で現れる可能性がある。言い換えれば、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる同センサ１８の上記応答性の悪化による影響が、エンジン１の運転状態等によって図４（ｄ）の二点鎖線Ｌ２，Ｌ３で示されるようにばらつく可能性がある。また、酸素センサ１８の上記応答性の悪化の程度が、図５（ｄ）の二点鎖線Ｌ４で示される場合と同程度であったとしても、エンジン１の運転状態等によっては酸素センサ１８の上記応答性の悪化による影響が、同センサ１８の出力信号ＶＯに例えば二点鎖線Ｌ５，Ｌ６で示される態様で現れる可能性がある。言い換えれば、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる同センサ１８の上記応答性の悪化による影響が、エンジン１の運転状態等によって図５（ｄ）の二点鎖線Ｌ５，Ｌ６で示されるようにばらつく可能性がある。

仮に、［背景技術］の欄に記載したように、酸素センサ１８の上記応答性の悪化に基づきリーン判定値ＨＬやリッチ判定値ＨＲを補正し、それによって三元触媒の劣化の有無の判断に用いるべく求められた酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２に酸素センサ１８の上記応答性を反映させたとすると、［発明が解決しようとする課題］に記載した問題が生じる。すなわち、酸素センサ１８の応答性の悪化によって酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる影響がエンジン１の運転状態等によって上述したようにばらついたとき、上記応答性を反映させた酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２が適正値に対しずれた値となる。そして、このように適正値に対しずれた値となる酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２に基づき三元触媒の劣化の有無の判断が行われる可能性があるため、その判断の結果に関しては必ずしも適正なものとは言い切れなくなる。

この点、本実施形態では、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる同センサ１８の上記応答性の悪化による影響がエンジン１の運転状態等によって上述したようにばらついたとしても、それが三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる上記補正後の酸素吸蔵量のばらつきに繋がることはない。これは、酸素センサ１８の上記応答性を測定した後、三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる酸素吸蔵量を上記応答性に基づき直接的に補正しているためである。これにより、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる同センサ１８の応答性の悪化による影響が上述したようにばらついたとしても、それに伴い上記補正後の酸素吸蔵量が適正値に対しずれた値となることは抑制される。従って、上記補正後の酸素吸蔵量に基づき三元触媒の劣化の有無を判断することにより、酸素センサ１８の信号に現れる同センサ１８の応答性の悪化による影響のばらつきに関係なく、上記三元触媒の劣化の有無の判断を適正に行うことができる。

次に、三元触媒の劣化の有無を判断する詳細な手順について、触媒劣化検出ルーチンを示す図６のフローチャートを参照して詳しく説明する。この触媒劣化検出ルーチンは、電子制御装置２１を通じて例えば所定時間毎の時間割り込みにて周期的に実行される。

同ルーチンにおいては、まず酸素センサ１８の応答性を測定する処理（Ｓ１０１、Ｓ１０２）、及び酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２を算出する処理（Ｓ１０３、Ｓ１０４）が実行される。

三元触媒の劣化の有無を正確に判断するためには、その判断に用いられる酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２を、それぞれ次のように酸素センサ１８の応答性に応じて補正することが好ましい。すなわち、酸素吸蔵量ＯＳＣ１（酸素吸蔵時に求めた値）を酸素センサ１８の出力信号ＶＯにおけるリーン側への変化の応答性に基づき補正するとともに、酸素吸蔵量ＯＳＣ２（酸素脱離時に求めた値）を酸素センサ１８の出力信号ＶＯにおけるリッチ側への変化の応答性に基づき補正する。そして、このように補正された酸素吸蔵量ＯＳＣ１と酸素吸蔵量ＯＳＣ２との両方に基づき三元触媒の劣化の有無を判断することが、その判断を正確なものとするうえで好ましい。

このため、酸素センサ１８の応答性を測定する処理（Ｓ１０１、Ｓ１０２）では、酸素センサ１８の出力信号ＶＯにおけるリーン側への変化の応答性とリッチ側への変化の応答性との両方の測定が行われる。具体的には、Ｓ１０１の処理において、酸素センサ１８の上記リーン側への応答性や上記リッチ側への応答性の測定が未完であるか否かが判断される。ここで肯定判定であれば、上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との少なくとも一方が測定完了していない旨判断され、それら応答性のうち測定完了していない応答性の測定を行うための測定処理（Ｓ１０２）が実行される。

このＳ１０２の測定処理では、酸素センサ１８の上記応答性の測定を目的として、アクティブ空燃比制御の実行条件が成立したときに同制御を実行する。そして、アクティブ空燃比制御において、エンジン１の空燃比がリッチからリーンに強制的に切り換えられたときに酸素センサ１８の上記リーン側への応答性が測定されるとともに、エンジン１の空燃比がリーンからリッチに強制的に切り換えられたときに酸素センサ１８の上記リッチ側への応答性が測定される。また、上記アクティブ空燃比制御の実行時だけでなく、可能な機会をとらえて酸素センサ１８の上記応答性の測定を行うようにすれば、その測定を早期に完了することができるようになる。アクティブ空燃比の実行時以外で上記応答性の測定を行うことの可能な機会としては、例えばエンジン１のフューエルカット制御にて燃料噴射弁４からの燃料噴射が停止されてエンジン１の空燃比がリッチからリーンに変わるときがあげられる。なお、上記フューエルカット制御での燃料噴射の停止は、アクティブ空燃比制御の実行条件の成立に伴う同制御の実行と比較して、高い頻度で実行されることとなる。Ｓ１０２の処理では、こうしたフューエルカット制御での燃料噴射の停止に伴いエンジン１の空燃比がリッチからリーンに変化する際にも、酸素センサ１８の上記リーン側への応答性が測定される。

上述した酸素センサ１８の応答性を測定する処理（Ｓ１０１、Ｓ１０２）が実行されると、続いて酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２を算出する処理（Ｓ１０３、Ｓ１０４）が実行される。すなわち、まずＳ１０３の処理において、酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２が両方とも算出されているか否かが判断される。ここで否定判定であれば、酸素吸蔵量ＯＳＣ１と酸素吸蔵量ＯＳＣ２とのうち、算出されていない酸素吸蔵量の算出を行うための算出処理（Ｓ１０４）が実行される。

このＳ１０４の算出処理では、酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２の算出を目的として、アクティブ空燃比制御の実行条件が成立したときに同制御を実行する。そして、アクティブ空燃比制御において、エンジン１の空燃比がリッチからリーンに強制的に切り換えられたとき、上記酸素吸蔵量ＯＳＣ１が三元触媒の酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量として算出される。また、アクティブ空燃比制御において、エンジン１の空燃比がリーンからリッチに強制的に切り換えられたとき、上記酸素吸蔵量ＯＳＣ２が三元触媒の酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量として算出される。

三元触媒の劣化の有無を正確に判断するためには、酸素センサ１８の上記リーン側への応答性に基づき補正した酸素吸蔵量ＯＳＣ１と、酸素センサ１８の上記リッチ側への応答性に基づき補正した酸素吸蔵量ＯＳＣ２との両方に基づき、三元触媒の劣化の有無を判断することが好ましいことは、上述したとおりである。ただし、こうした三元触媒の劣化の有無の判断を実現しようとすると、その判断の完了までに長い時間がかかることは避けられない。これは、酸素吸蔵量ＯＳＣ１の補正に用いられる酸素センサ１８の上記リーン側への応答性と、酸素吸蔵量ＯＳＣ２の補正に用いられる酸素センサ１８の上記リッチ側への応答性とをそれぞれ測定しようとすると、それら両方の測定の完了に長い時間がかかるためである。

詳しくは、酸素センサ１８における上記リーン側への応答性の測定と上記リッチ側への応答性の測定とにおいては、一方の応答性の測定頻度と他方の応答性の測定頻度とが異なる可能性が高い。このことから、酸素センサ１８における上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性とのいずれか一方を測定できたとしても他方を測定できないという状況が生じ、そのために応答性の測定を完了するために長い時間がかかるようになる。なお、本実施形態では、酸素センサ１８の上記リーン側への応答性の測定が早期に完了しても、酸素センサ１８の上記リッチ側への応答性の測定を完了できない、という状況が生じる可能性が高い。これは、上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性の測定との両方を行うことの可能なアクティブ空燃比制御の実行頻度が比較的低いのに対し、上記リーン側への応答性の測定のみを行うことの可能な上記フューエルカット制御での燃料噴射の停止が高い頻度で実行されるためである。

触媒劣化検出ルーチンにおいては、以上のような実情に鑑み、上記Ｓ１０３の処理で肯定判定がなされて酸素吸蔵量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２が両方とも算出されている旨判断されたとき、三元触媒の劣化の有無の判断を速やかに完了しつつ同判断の精度が低下しないように同触媒の劣化の有無を判断するＳ１０５以降の処理が実行される。

具体的には、まず酸素センサ１８の上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との一方のみが測定完了しているか否かの判断（Ｓ１０５）や、それら応答性の両方が測定完了しているかの判断（Ｓ１０６）が行われる。

そして、酸素センサ１８の上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との両方が測定完了している旨判断された場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、三元触媒の劣化の有無の判断を正確なものとすることを意図して同判断を行う通常判定処理が実行される（Ｓ１０８）。この通常判定処理（Ｓ１０８）では、酸素センサ１８の上記リーン側への応答性に基づき酸素吸蔵量ＯＳＣ１を補正するとともに、酸素センサ１８の上記リッチ側への応答性に基づき酸素吸蔵量ＯＳＣ２を補正する。そして、上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ１と上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ２との両方を用いて三元触媒の劣化の有無の判断が実行される。

詳しくは、上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ１と予め定められた閾値との比較が行われるとともに、上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ２と同じく予め定められた閾値との比較が行われる。そして、上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ１が閾値未満であるか、或いは上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ２が閾値未満である場合には、三元触媒の劣化ありの旨判断される。また、上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ１が閾値以上であり、且つ上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ２が閾値以上であることに基づき、三元触媒の劣化なし（正常）の旨判断される。以上のように、三元触媒の劣化の有無の判断を行うことにより、その判断を結果を正確なものとすることができる。

一方、酸素センサ１８における上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との一方のみが測定完了している旨判断された場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、三元触媒の劣化の有無の判断をある程度正確に行いながらも早期に完了できるようにすることを意図して同判断を行う早期判定処理が実行される（Ｓ１０７）。以下、この早期判定処理（Ｓ１０７）の詳細について、早期判定処理ルーチンを示す図７のフローチャートを参照して説明する。この早期判定処理ルーチンは、電子制御装置２１を通じて、触媒劣化検出ルーチンのＳ１０７の処理（図６）に進む毎に実行される。

図７の早期判定処理ルーチンにおいては、まず酸素センサ１８における上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性とのうち、測定の完了している応答性に基づき同応答性に対応した酸素吸蔵量（ＯＳＣ１もしくはＯＳＣ２）が補正される（Ｓ２０１）。例えば、酸素センサ１８における上記リーン側への応答性のみが測定完了していれば、その応答性に基づき酸素吸蔵量ＯＳＣ１が補正される。なお、このＳ２０１の処理で補正された後の酸素吸蔵量について、以下では補正後酸素吸蔵量Ａと称する。その後、測定の完了していない応答性に対応した酸素吸蔵量と上記補正後酸素吸蔵量Ａとの平均値Ｂが算出される（Ｓ２０２）。ちなみに、上記の例では、平均値Ｂが上記補正後の酸素吸蔵量ＯＳＣ１（補正後酸素吸蔵量Ａに相当）と、応答性に基づく補正の行われていない酸素吸蔵量ＯＳＣ２とを用いて算出される。そして、上記補正後酸素吸蔵量Ａ及び上記平均値Ｂが算出されると、その補正後酸素吸蔵量Ａと予め定められた第１閾値ａとの比較、及び、上記平均値Ｂと同じく予め定められて上記第１閾値ａよりも大きい値となる第２閾値ｂとの比較に基づき、三元触媒の劣化の有無が判断される（Ｓ２０３〜Ｓ２０７）。

詳しくは、補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ未満であるか否かが判断され（Ｓ２０３）、ここで肯定判定であれば三元触媒の劣化あり（異常）の旨判断される（Ｓ２０４）。また、Ｓ２０３で否定判定がなされて補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ以上である旨判断されると、平均値Ｂが第２閾値ｂ未満であるか否かが判断される（Ｓ２０５）。ここで否定判定であれば、三元触媒の劣化なし（正常）の旨判断される（Ｓ２０７）。一方、ここで肯定判定であれば、三元触媒の劣化の有無の判断が保留とされる（Ｓ２０６）。なお、こうした早期判定処理において、補正後酸素吸蔵量Ａと第１閾値ａとの比較、及び平均値Ｂと第２閾値ｂとの比較に基づき、上述したように三元触媒の劣化の有無を判断したときの判断結果をまとめると、図８の表のようになる。

上記早期判定処理を実施することで、酸素センサ１８における上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との一方のみ測定が完了していれば、三元触媒の劣化の有無の判断を行うことができるようになるため、その判断を速やか且つ早期に完了することができる。また、このときの三元触媒の劣化の有無の判断に関しては、酸素センサ１８の応答性に基づき補正された酸素吸蔵量（補正後酸素吸蔵量Ａ）だけに基づいて行われるのではなく、酸素センサ１８における測定されていない方の応答性に対応する酸素吸蔵量と上記補正後酸素吸蔵量Ａとの平均値Ｂに基づいても行われる。このように上記補正後酸素吸蔵量Ａだけでなく上記平均値Ｂも加味して行われる場合、上記補正後酸素吸蔵量Ａだけで三元触媒の劣化の有無を判断することにより同判断の精度が低下することは抑制される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）三元触媒の劣化の有無の判断は、同触媒に吸蔵される酸素の量の最大値（酸素吸蔵量）に基づいて行われる。こうした三元触媒の劣化の有無の判断を行う際には、上記酸素吸蔵量が求められるとともに、触媒下流の排気中の酸素濃度の変化に対する酸素センサ１８の出力信号ＶＯの変化の応答性が測定される。そして、測定された応答性が基準値に対し悪化するほど、三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる上記酸素吸蔵量が大きく減量されるよう、その酸素吸蔵量が上記測定された酸素センサ１８の応答性に基づき直接的に減量補正される。このため、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる同センサ１８の上記応答性の悪化による影響がエンジン１の運転状態等によって図４（ｄ）の二点鎖線Ｌ２，Ｌ３や図５（ｄ）の二点鎖線Ｌ５，Ｌ６のようにばらついたとしても、それが三元触媒の劣化の有無の判断に用いられる上記補正後の酸素吸蔵量のばらつきに繋がることはない。その結果、酸素センサ１８の出力信号ＶＯに現れる同センサ１８の応答性の悪化による影響が上述したようにばらついたとき、それに伴い上記補正後の酸素吸蔵量が適正値に対しずれた値となることは抑制される。従って、上記補正後の酸素吸蔵量に基づき三元触媒の劣化の有無を判断することにより、酸素センサ１８の信号に現れる同センサ１８の応答性の悪化による影響のばらつきに関係なく、上記三元触媒の劣化の有無の判断を適正に行うことができる。

（２）酸素センサ１８における上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との一方のみが測定完了しているときには、三元触媒の劣化の有無の判断をある程度正確に行いながらも早期に完了できるよう早期判定処理が実施される。この早期判定処理の実施により、酸素センサ１８における上記リーン側への応答性と上記リッチ側への応答性との一方のみが測定完了していれば、三元触媒の劣化の有無の判断を行うことができるようになるため、その判断を速やかに且つ早期に完了することができる。また、上記早期判定処理では、三元触媒の劣化の有無の判断が上記補正後酸素吸蔵量Ａだけでなく上記平均値Ｂも加味して行われるため、上記補正後酸素吸蔵量Ａだけで三元触媒の劣化の有無を判断することにより同判断の精度が低下することは抑制される。

（３）上記早期判定処理においては、図８から分かるように、補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ未満であれば、そのことに基づいて三元触媒の劣化ありの旨の判断が直ちに行われる。ここで、上記補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ未満になるということは、三元触媒が正常であることが疑わしい状況であることを意味する。このように三元触媒が正常であることが疑わしいときには、上述したように三元触媒の劣化ありの旨判断される。このため、三元触媒が正常であることが疑わしい状況のもとで、実際に三元触媒の劣化が生じているにもかかわらず、同触媒の劣化ありの旨判断されないという状況の発生が少なくされる。

（４）上記早期判定処理においては、補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ以上であり且つ平均値Ｂが第２閾値ｂ以上であれば、そのことに基づいて三元触媒の劣化なしの旨の判断が行われる。ここで、上記補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ以上であり且つ上記平均値Ｂが第２閾値ｂ以上になるということは、三元触媒が正常である可能性が極めて高い状況であることを意味する。このように三元触媒が正常である可能性が極めて高いときには、上述したように三元触媒の劣化なしの旨判断される。このため、三元触媒の劣化なしの旨判断されたとき、同判断を正確なものとすることができる。

（５）上記早期判定処理においては、補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ以上であり且つ平均値Ｂが第２閾値ｂ未満であれば、三元触媒の劣化の有無の判断が保留とされる。ここで、上記補正後酸素吸蔵量Ａが第１閾値ａ以上であり且つ上記平均値Ｂが第２閾値ｂ未満になるということは、三元触媒の劣化が生じているのか、或いは同触媒の劣化が生じておらず正常であるのかを、判別しにくい状況であることを意味する。このように三元触媒の劣化が生じているのか、或いは同触媒の劣化が生じておらず正常であるのかを判別しにくいときには、上述したように三元触媒の劣化の有無の判断が保留とされる。このため、三元触媒の劣化の有無の判断を安易に行うことによる同判断の誤りを回避することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・早期判定処理に関しては、補正後酸素吸蔵量Ａと第１閾値ａとの比較、及び平均値Ｂと第２閾値ｂとの比較に基づき三元触媒の劣化の有無を判断したときの判断結果が、図９（ａ）〜（ｆ）の表の如くなるよう上記判断を行うものであってもよい。

・通常判定処理と早期判定処理とのいずれか一方のみを行うようにしてもよい。
・触媒下流センサとして酸素センサ１８の代わりに空燃比センサを設けてもよい。
・触媒上流センサとして空燃比センサ１７の代わりに酸素センサを設けてもよい。

１…エンジン、２…燃焼室、３…吸気通路、４…燃料噴射弁、５…点火プラグ、６…ピストン、７…クランクシャフト、８…排気通路、１３…スロットルバルブ、１６…触媒コンバータ、１７…空燃比センサ、１８…酸素センサ、２１…電子制御装置（算出手段、判断手段、測定手段、補正手段）、２７…アクセルペダル、２８…アクセルポジションセンサ、３０…スロットルポジションセンサ、３２…エアフローメータ、３３…吸気圧センサ、３４…クランクポジションセンサ。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路における触媒の上流に設けられて排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒上流センサと、
   前記排気通路における前記触媒の下流に設けられて排気中の酸素濃度に基づく信号を出力する触媒下流センサと、
   内燃機関の空燃比を強制的にリッチとリーンとの間で変化させ、前記触媒上流センサの信号に前記空燃比の変化に対応する変化が生じてから、前記触媒下流センサの信号に前記空燃比の変化に対応する変化が生じたことを判定する判定値に対し前記信号が達するまでの期間中に、前記触媒に吸蔵される酸素の量もしくは同触媒から脱離される酸素の量を算出し、その算出された酸素の量を触媒の酸素吸蔵量とする算出手段と、
   前記酸素吸蔵量に基づき前記触媒の劣化の有無を判断する判断手段と、
   を備える触媒劣化検出装置において、
   前記触媒下流の排気中の酸素濃度の変化に対する前記触媒下流センサから出力される信号の変化の応答性を測定する測定手段と、
   前記測定手段により測定された前記触媒下流センサの応答性が基準値に対し悪化するほど、前記触媒の劣化の有無の判断に用いられる前記酸素吸蔵量を減量側に大きく補正する補正手段と、
   を備え、
   前記測定手段は、内燃機関の空燃比をリッチからリーンに変化させたときの前記触媒下流センサから出力される信号のリーン側への応答性と、内燃機関の空燃比をリーンからリッチに変化させたときの前記触媒下流センサから出力される信号のリッチ側への応答性とを、それぞれ測定するものであり、
   前記算出手段は、内燃機関の空燃比を強制的にリッチからリーンに変化させたときに前記触媒に吸蔵される酸素の量を酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量として算出するとともに、内燃機関の空燃比を強制的にリーンからリッチに変化させたときに前記触媒から脱離される酸素の量を酸素脱離時に求めた酸素吸蔵量として算出するものであり、
   前記補正手段は、前記触媒下流センサのリーン側への応答性に基づき前記酸素吸蔵時に求めた酸素吸蔵量を補正するとともに、前記触媒下流センサのリッチ側への応答性に基づき前記酸素脱離時に求めた前記酸素吸蔵量を補正するものであり、
   前記判断手段は、前記触媒下流センサのリーン側への応答性とリッチ側への応答性との一方のみ測定が完了しているときには、その測定が完了している応答性に基づき補正された酸素吸蔵量と前記測定が完了していない方の応答性に対応する酸素吸蔵量との平均値を算出し、前記補正された酸素吸蔵量と第１閾値との比較、及び前記平均値と前記第１閾値よりも大きい第２閾値との比較に基づき、前記触媒の劣化の有無を判断する
   ことを特徴とする触媒劣化検出装置。
2. 前記判断手段は、前記補正した酸素吸蔵量が前記第１閾値未満であることに基づき、前記触媒の劣化ありの旨判断する
   請求項１記載の触媒劣化検出装置。
3. 前記判断手段は、前記補正した酸素吸蔵量が前記第１閾値以上であり且つ前記平均値が前記第２閾値以上であることに基づき、前記触媒の劣化なしの旨判断する
   請求項２記載の触媒劣化検出装置。
4. 前記判断手段は、前記補正した酸素吸蔵量が前記第１閾値以上であり且つ前記平均値が前記第２閾値未満であることに基づき、前記触媒の劣化の有無の判断を保留とする
   請求項３記載の触媒劣化検出装置。

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