JP5407971B2 - 異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関における触媒の異常診断、及び触媒下流センサの異常診断を行う異常診断装置に関する。

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、内燃機関における排気の浄化を適正状態に維持するためには、触媒の劣化が生じたときや触媒下流センサの応答性に異常が生じたとき、それらへの対策を速やかに講じることが重要になる。こうした速やかな対策を実現するため、例えば以下のように、触媒の劣化の有無を判断したり、触媒下流センサの異常の有無を判断したりすることが行われる。

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。このことに対処するため、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行われる。

具体的には、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るアクティブ空燃比制御を実行し、同制御中に内燃機関の空燃比がリッチとリーンとの間で変化する際に上記酸素吸蔵量を求める。また、車両の運転状態に応じて内燃機関での燃料噴射を停止させる燃料カット制御において、同制御中の燃料噴射の停止時に同機関の空燃比がリッチ側からリーン側に変化する際に上記酸素吸蔵量を求めることも可能である。これらアクティブ空燃比制御中及び燃料カット制御中に上記酸素吸蔵量を求めることは、より詳しくは次のようにして行われる。すなわち、アクティブ空燃比制御中や燃料カット制御中に上述したように内燃機関の空燃比が変化するとき、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を算出する。そして、上記期間の終了時点で算出された酸素の量が上記酸素吸蔵量、すなわち触媒に吸蔵される酸素の量の最大値とされる。こうして求められた酸素吸蔵量に基づき、触媒の酸素ストレージ機能の低下が生じているか否か、言い換えれば触媒の劣化が生じているか否かが判断される。

一方、触媒下流センサにおいては、その異常に伴って排気中の酸素濃度の変化に対する出力信号の変化の応答性が低下する。このことに対処するため、触媒下流センサの応答性を求め、その応答性に基づき触媒下流センサの異常の有無を判断することが行われる。

具体的には、内燃機関の空燃比がリッチとリーンとの間で変化するとき、その変化に対応して触媒下流センサの出力信号が変化する際、その出力信号の変化の応答性を測定する。そして、測定した触媒下流センサの応答性に基づき、同センサで応答性に関係する異常が生じているか否かが判断される。ここで、内燃機関の空燃比がリッチ側とリーン側との間で変化する状況としては、上述したアクティブ空燃比制御中や燃料カット制御中といった状況があげられる。ちなみに、燃料カット制御中での上記空燃比の変化時に触媒下流センサの応答性を測定することは特許文献１に開示されており、アクティブ空燃比制御中での上記空燃比の変化時に触媒下流センサの応答性を測定することは特許文献２に開示されている。これらアクティブ空燃比制御中での触媒下流センサの応答性の測定と、燃料カット制御中での触媒下流センサの応答性の測定とでは、制御中に変化する上記空燃比の変化量に大きな差があるなど、触媒下流センサの応答性の測定条件が大きく異なっている。このため、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった異なる測定条件のもとでそれぞれ触媒下流センサの応答性を測定し、それら測定された触媒下流センサの応答性に基づき同センサの異常の有無を判断することにより、その判断の結果をより一層正確なものとすることができる。

特開２００３−３４３３３９（段落［００４０］〜［００４３］） 特開２００３−２４７４５１（段落［００２５］〜［００３０］、図３、図４）

上述したように、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった異なる測定条件のもとでそれぞれ触媒下流センサの応答性を測定し、それら測定された触媒下流センサの応答性に基づき同センサの異常の有無を判断すれば、その判断の結果をより一層正確なものとすることができるようにはなる。

ただし、この場合には、触媒の劣化の有無の判断に用いられる酸素吸蔵量を求めることの他に、アクティブ空燃比制御中での触媒下流センサの応答性と燃料カット制御中での触媒下流センサの応答性とのそれぞれを測定しなければならない。言い換えれば、触媒の劣化の有無の判断及び触媒下流センサの異常の有無の判断を完了するために、触媒の酸素吸蔵量、アクティブ空燃比制御中での触媒下流センサの応答性、及び燃料カット制御中での触媒下流センサの応答性といった三つのパラメータを取得しなければならなくなる。

従って、触媒の劣化の有無の判断及び触媒下流センサの異常の有無の判断を行うに当たり、その触媒下流センサの異常の有無を正確に判断しようとすると、上記三つのパラメータを取得しなければならなくなるため、それらパラメータの取得に時間がかかるようになる。その結果、触媒の劣化の有無の判断及び触媒下流センサの異常の有無の判断を完了するためにも、多大な時間がかかるようになる。

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、触媒の劣化の有無の判断及び触媒下流センサの異常の有無の判断を行うに当たり、その触媒下流センサの異常の有無を正確に判断しつつ、それらの判断を完了するために多大な時間がかかるようになることを抑制できる異常診断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排気浄化用の触媒の酸素吸蔵量に基づき同触媒の劣化の有無が判断されるとともに、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の応答性に基づき同センサの異常の有無が判断される。

触媒の劣化の有無の判断に用いられる上記酸素吸蔵量は、第１算出手段により以下のように求められる。すなわち、内燃機関の空燃比がリッチとリーンとの間で変化するとき、排気通路における触媒の上流に設けられた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される。こうして算出された酸素の量が上記酸素吸蔵量とされる。なお、内燃機関の空燃比が上述したようにリッチとリーンとの間で変化する状況としては、例えば、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るアクティブ空燃比制御中や、内燃機関での燃料噴射を停止させる燃料カット制御における燃料噴射の停止時であって同機関の空燃比がリッチ側からリーン側に変化するとき等があげられる。

触媒下流センサの異常の有無に用いられる同センサの応答性は、第２算出手段により以下のように求められる。すなわち、アクティブ空燃比制御中に第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量、燃料カット制御中に第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量、及び、前記アクティブ空燃比制御中と前記燃料カット制御中とでの前記触媒下流センサの応答性の相関に基づき、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中とのいずれかの状況下での触媒下流センサの応答性が求められる。ここで、アクティブ空燃比制御中に第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量には、同アクティブ空燃比制御中における触媒下流センサの応答性が反映される。また、燃料カット制御中に第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量には、同燃料カット制御中における触媒下流センサの応答性が反映される。これは、触媒下流センサの応答性が低下するほど、内燃機関の空燃比がリッチ側とリーン側との間で変化する際、その変化に対応した触媒下流センサの出力信号の変化が遅れて上記酸素吸蔵量を算出するための期間が長くなり、求められる酸素吸蔵量が増大傾向を示すためである。ただし、こうした増大傾向は、アクティブ空燃比制御中に求められる酸素吸蔵量と燃料カット制御中に求められる酸素吸蔵量とで異なるものとなる。これは、アクティブ空燃比制御時と燃料カット制御時とでの内燃機関の空燃比の変化幅が大きく異なること等に起因して、触媒下流センサの応答性がアクティブ空燃比制御時と燃料カット制御時とで大きく異なるためである。

第２算出手段によって求められる触媒下流センサの応答性は、その求め方から分かるように、触媒下流センサのアクティブ空燃比制御中の応答性を反映した酸素吸蔵量と、同センサの燃料カット制御中の応答性を反映した酸素吸蔵量とが加味される。従って、第２算出手段によって求められた触媒下流センサの応答性に基づき同センサの異常の有無を判断手段により判断することで、その判断の結果がアクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった二つの異なる状況のもとでの触媒下流センサの応答性に基づいた正確なものとなる。一方、判断手段による触媒の劣化の有無の判断は、第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量のうちの少なくとも一つに基づいて行われる。以上から分かるように、触媒の劣化の有無の判断及び触媒下流センサの異常の有無の判断を行うに当たり、その触媒下流センサの異常の有無を正確に判断しようとする場合に、それらの判断のために取得すべきパラメータは、アクティブ空燃比制御中に求められる触媒の酸素吸蔵量と燃料カット中に求められる触媒の酸素吸蔵量との二つだけで済む。このため、それらパラメータの取得に時間がかかるようになることを抑制でき、ひいては触媒の劣化の有無の判断及び触媒下流センサの異常の有無の判断を完了するために多大な時間がかかることを抑制できるようになる。

請求項２記載の発明によれば、触媒下流センサの応答性として、アクティブ空燃比制御もしくは燃料カット制御により内燃機関の空燃比が変化する際における触媒下流センサから出力される信号の単位量当たりの変化に要する応答時間が第２算出手段により求められる。そして、このように求められた応答時間が閾値以上であるときには、判断手段により触媒下流センサが異常である旨判断される。また、上記応答時間が閾値未満であるときには、判断手段により触媒下流センサが正常である旨判断される。以上により、触媒下流センサの異常の有無を的確に判断することができる。

請求項３記載の発明によれば、判断手段により触媒の劣化の有無を判断する際には、第１算出手段によって求められた各酸素吸蔵量のうち、第２算出手段により求められた触媒下流センサの応答性に対応した方の酸素吸蔵量に対し同応答性に基づく補正が加えられる。そして、補正後の酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無が判断される。ここで、第１算出手段により求められた触媒の酸素吸蔵量は、触媒下流センサの応答性の影響を受けることとなる。これは、触媒下流センサの応答性が低下するほど、内燃機関の空燃比がリッチ側とリーン側との間で変化する際、その変化に対応した触媒下流センサの出力信号の変化が遅れて上記酸素吸蔵量を算出するための期間が長くなり、求められる酸素吸蔵量が増大傾向を示すためである。従って、仮に上述したように触媒下流センサの応答性の影響を受けた酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無を判断したとすると、その判断の結果が不正確なものとなるおそれがある。この点、請求項３記載の発明では、触媒下流センサの応答性に応じて補正した後の酸素吸蔵量に基づき触媒の劣化の有無が判断されるため、その判断の結果が上述したように不正確なものとなることは抑制される。

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、燃料カット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。 酸素センサの異常の有無の判断、及び三元触媒の劣化の有無の判断の実行手順を示すフローチャート。 酸素センサの異常の有無の判断、及び三元触媒の劣化の有無の判断の実行手順を示すフローチャート。

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７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１７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。

ところで、エンジン１における排気の浄化を適正状態に維持するためには、触媒コンバータ１６における三元触媒の劣化が生じたときや酸素センサ１８の応答性に異常が生じたとき、それらへの対策を速やかに講じることが重要になる。こうした速やかな対策を実現するため、三元触媒の劣化の有無を判断したり、酸素センサ１８の異常の有無を判断したりすることが行われる。

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（以下、酸素吸蔵量という）を求め、その求めた酸素吸蔵量と予め定められた閾値との比較に基づいて行われる。詳しくは、求めた酸素吸蔵量が上記閾値未満であれば、三元触媒の酸素ストレージ機能が低下していると見なせることから、同触媒の劣化ありの旨判断される。一方、求めた酸素吸蔵量が上記閾値以上であれば、三元触媒の酸素ストレージ機能の低下は生じていないと見なせることから、同触媒の劣化なし（正常）の旨判断される。

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を求める際には、エンジン１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変化させるアクティブ空燃比制御が実行される。そして、アクティブ空燃比制御中にエンジン１の空燃比がリッチとリーンとの間で変化する際、三元触媒の上記酸素吸蔵量が求められる。また、自動車の運転状態に応じてエンジン１での燃料噴射を停止させる燃料カット制御において、同制御中の燃料噴射の停止時にエンジン１の空燃比がリッチ側からリーン側に変化する際に酸素吸蔵量を求めることも可能である。アクティブ空燃比制御中及び燃料カット制御中に上記酸素吸蔵量を求めることは、より詳しくは次のようにして行われる。すなわち、アクティブ空燃比制御中や燃料カット制御中に上述したようにエンジン１の空燃比が変化するとき、空燃比センサ１７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、酸素センサ１８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、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。そして、上記期間の終了時点で算出された酸素の量が上記酸素吸蔵量、すなわち触媒に吸蔵される酸素の量の最大値とされる。

酸素センサ１８の異常の有無の判断については、排気中の酸素濃度の変化に対する出力信号ＶＯの変化の応答性を求め、その求めた応答性と予め定められた閾値との比較に基づいて行うことが考えられる。詳しくは、求めた応答性が上記閾値以上であれば、酸素センサ１８の上記応答性が低下する異常が生じていると見なせることから、同酸素センサ１８の異常ありの旨判断される。一方、求めた応答性が上記閾値未満であれば、酸素センサ１８の上記応答性の低下は生じていないと見なせることから、同酸素センサ１８の異常なし（正常）の旨判断される。

酸素センサ１８の異常の有無の判断に用いられる上記応答性に関しては、上述したアクティブ空燃比制御中や燃料カット制御中に、エンジン１の空燃比がリッチ側とリーン側との間で変化する際に測定することが考えられる。これらアクティブ空燃比制御中での上記応答性の測定と燃料カット制御中での上記応答性の測定とでは、制御中に変化する上記空燃比の変化量に大きな差があるなど、酸素センサ１８の上記応答性の測定条件が大きく異なっている。このため、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった異なる測定条件のもとでそれぞれ酸素センサ１８の上記応答性を測定し、それら測定された応答性に基づき同センサ１８の異常の有無を判断すれば、その判断の結果をより一層正確なものとすることができる。

上述したように、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった異なる測定条件のもとでそれぞれ酸素センサ１８の上記応答性を測定し、それら測定された酸素センサ１８の上記応答性に基づき同センサの異常の有無を判断すれば、その判断の結果をより一層正確なものとすることができるようにはなる。

ただし、この場合には、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求めることの他に、アクティブ空燃比制御中での酸素センサ１８の上記応答性と燃料カット制御中での酸素センサ１８の上記応答性とのそれぞれを測定しなければならない。言い換えれば、三元触媒の劣化の有無の判断及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を完了するために、三元触媒の酸素吸蔵量、アクティブ空燃比制御中での酸素センサ１８の上記応答性、及び燃料カット制御中での酸素センサ１８の上記応答性といった三つのパラメータを取得しなければならなくなる。

従って、三元触媒の劣化の有無の判断及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を行うに当たり、その酸素センサ１８の異常の有無を正確に判断しようとすると、上記三つのパラメータを取得しなければならなくなるため、それらパラメータの取得に時間がかかるようになる。その結果、三元触媒の劣化の有無の判断及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を完了するためにも、多大な時間がかかるようになる。

こうしたことに対処するため、本実施形態では、酸素センサ１８における異常の有無の判断に用いられる同センサ１８の応答性が、次のようにして求められる。すなわち、アクティブ空燃比制御中に求められた酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ、燃料カット制御中に求められた酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘ、及び、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中とでの酸素センサ１８の応答性の相関に基づき、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中とのいずれかの状況下での酸素センサ１８の応答性が求められる。

ここで、アクティブ空燃比制御中に求められた酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘには、同アクティブ空燃比制御中における酸素センサ１８の応答性が反映される。また、燃料カット制御中に求められた酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘには、同燃料カット制御中における酸素センサ１８の応答性が反映される。これは、酸素センサ１８の応答性が低下するほど、エンジン１の空燃比がリッチ側とリーン側との間で変化する際、その変化に対応した酸素センサ１８の出力信号ＶＯの変化が遅れて上記酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ，Ｃ２ｍａｘを算出するための期間が長くなり、求められる酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ，Ｃ２ｍａｘが増大傾向を示すためである。ただし、こうした増大傾向は、アクティブ空燃比制御中に求められる酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと燃料カット制御中に求められる酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとで異なるものとなる。これは、アクティブ空燃比制御時と燃料カット制御時とでのエンジン１の空燃比の変化幅が大きく異なること等に起因して、酸素センサ１８の応答性がアクティブ空燃比制御時と燃料カット制御時とで大きく異なるためである。

上述したように求められる酸素センサ１８の応答性は、その求め方から分かるように、酸素センサ１８のアクティブ空燃比制御中の応答性を反映した酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと、同センサ１８の燃料カット制御中の応答性を反映した酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとが加味される。従って、上記求められた酸素センサ１８の応答性に基づき同センサ１８の異常の有無を判断することで、その判断の結果がアクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった二つの異なる状況のもとでの酸素センサ１８の応答性に基づいた正確なものとなる。一方、三元触媒の劣化の有無の判断は、求められた酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ，Ｃ２ｍａｘのうちの少なくとも一つに基づいて行われる。

以上から分かるように、三元触媒の劣化の有無の判断及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を行うに当たり、その酸素センサ１８の異常の有無を正確に判断しようとする場合に、それらの判断のためにアクティブ空燃比制御や燃料カット制御を行って取得すべきパラメータは、次の二つとなる。すなわち、こうしたパラメータが、アクティブ空燃比制御中に求められる三元触媒の酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと、燃料カット中に求められる三元触媒の酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとの二つに抑えられる。このため、それらパラメータの取得に時間がかかるようになることを抑制でき、ひいては三元触媒の劣化の有無の判断及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を完了するために多大な時間がかかることを抑制できるようになる。

ここで、アクティブ空燃比制御中での酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘの算出、及び燃料カット制御中での酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘの算出について、個別に詳しく説明する。
［酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘの算出］
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酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘの算出が完了していないこと、予め定められた酸素吸蔵量算出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、図４（ａ）のタイミングｔ１にてエンジン１の空燃比が強制的にリッチとリーンとの間で切り換えられると（この例ではリッチからリーンに切り換え）、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）に示されるように変化する。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（図４（ｃ）の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に対し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Ｃ１ｍａｘ）となる。

以上のようにして求められた酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘは、アクティブ空燃比制御中での酸素センサ１８の応答性を反映した値となる。こうした応答性を表すパラメータとして具体的には、アクティブ空燃比制御中におけるエンジン１の空燃比のリッチとリーンとの間での変化に基づき酸素センサ１８の出力信号ＶＯに変化が生じる際（例えば図４（ｄ）のｔｓ〜ｔ３）の同出力信号ＶＯの単位量当たりの変化に要する時間（以下、応答時間Ｔａｃｔという）があげられる。そして、アクティブ空燃比制御中での酸素センサ１８の応答性が低下して応答時間Ｔａｃｔが長くなるほど、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘを求めるための上記期間（ｔ２〜ｔ３）が長くなるため、その酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘが適正値に対し増加側にずれた値となる。

なお、アクティブ空燃比制御中、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘが適正に求められるまでの間は、エンジン１の空燃比が所定の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られる。上述した例では、エンジン１の空燃比がリッチからリーンに切り換えられた後に酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘを求めるようにしたが、これを適正に行えなかった場合には図４のタイミングｔ３にてエンジン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、その切り換え後に酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘを求めることが行われる。

すなわち、上記空燃比のリーンからリッチへの変化に対応して空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦが変化すると、酸素濃度の薄い排気が三元触媒を通過するようになるものの、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。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、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Ｃ１ｍａｘ）を表すものとなる。この酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘは上記期間中に図４の「ｔ２〜ｔ３」の期間中と同様の手法を用いて求められる。

［酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘの算出］
上記燃料カット制御においては、アクセル踏込量が「０」であって車速が「０」よりも大きい所定値以上であることを条件にエンジン１における燃料噴射弁４の燃料噴射が停止され、それによってエンジン１の自立運転が停止されることとなる。一方、こうした燃料カット制御でのエンジン１の自立運転停止中、アクセル踏込量が「０」よりも大きくなったり、車速が上記所定値未満となったりすると、燃料噴射弁４の燃料噴射を通じて同エンジン１の自立運転が再開される。

燃料カット制御において、図５（ａ）のタイミングｔ５にてエンジン１での燃料噴射が停止されると、それによってエンジン１の空燃比がリッチ側からリーン側に変化する。詳しくは、エンジン１における燃焼室２内の混合気の空燃比が例えば理論空燃比の状態から、同燃焼室２内のガスがほぼ空気となるほどリーンな状態になるまで変化する。こうしたエンジン１の空燃比のリッチ側からリーン側への変化に対応して、空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦが図５（ｂ）に示されるように変化する。なお、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から高酸素濃度側（図中上側）に変化したときのタイミングである。図中のタイミングｔ６以降では、空気とほぼ等しい排気が三元触媒を通過するようになるものの、同排気中の酸素が三元触媒に吸蔵されている間は、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燃料カット制御時に対応したリーン判定値ＨＬｆｃに対し上記出力信号ＶＯが到達したこと（ｔ７）に基づいて行うことが可能である。

空燃比センサ１７の出力信号ＶＡＦに上記空燃比のリッチ側からリーン側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Ｃ２ｍａｘ）を表すものとなる。この酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘに関しては、上記期間「ｔ６〜ｔ７」中に、アクティブ空燃比制御中における図４の「ｔ２〜ｔ３」の期間中と同様の手法を用いて求められる。

以上のようにして求められた酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘは、燃料カット制御中での酸素センサ１８の応答性を反映した値となる。こうした応答性を表すパラメータとして具体的には、燃料カット制御中におけるエンジン１の空燃比のリッチ側からリーン側への変化に基づき酸素センサ１８の出力信号ＶＯに変化が生じる際（例えば図５（ｄ）のｔｓ〜ｔ７）の同出力信号ＶＯの単位量当たりの変化に要する時間（以下、応答時間Ｔｆｃという）があげられる。そして、燃料カット制御中での酸素センサ１８の応答性が低下して応答時間Ｔｆｃが長くなるほど、酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘを求めるための上記期間（ｔ６〜ｔ７）が長くなるため、その酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘが適正値に対し増加側にずれた値となる。

次に、アクティブ空燃比制御中での酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ、及び燃料カット制御中での酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘを用いた酸素センサ１８の応答性の求め方について説明する。
アクティブ空燃比制御中での酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘについては、三元触媒の酸素吸蔵量の真値Ａ、及びアクティブ制御中にエンジン１の空燃比をリッチとリーンとの間で変化させたときの酸素センサ１８の応答性を表すパラメータである上記応答時間Ｔａｃｔを用いて、次の式（２）で表すことができる。

Ｃ１ｍａｘ＝Ａ＋Ｋ１・Ｔａｃｔ …（２）
Ｃ１ｍａｘ：アクティブ空燃比制御中での酸素吸蔵量
Ａ：酸素吸蔵量の真値
Ｋ１：吸気量係数
Ｔａｃｔ：応答時間
式（２）から分かるように、アクティブ空燃比制御中に求められた酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘは、三元触媒の酸素吸蔵量の真値Ａに対し、式（２）の「Ｋ１・Ｔａｃｔ」という項の分だけずれた値となる。この真値Ａに対する酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘの項「Ｋ１・Ｔａｃｔ」分のずれは、アクティブ空燃比制御中における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の変化の応答性に起因して生じる。なお、項「Ｋ１・Ｔａｃｔ」における吸気量係数Ｋ１は、三元触媒の酸素吸蔵量の真値Ａに対する酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘのずれがエンジン１の吸気量によって変わることに対応して上記項「Ｋ１・Ｔａｃｔ」を可変とするための値であって、エンジン１の吸気量等に基づき算出される。

一方、燃料カット制御中での酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘについては、三元触媒の酸素吸蔵量の真値Ａ、及び燃料カット制御中にエンジン１の空燃比がリッチ側からリーン側に変化したときの酸素センサ１８の応答性を表すパラメータである上記応答時間Ｔｆｃを用いて、次の式（３）で表すことができる。

Ｃ２ｍａｘ＝Ａ＋Ｋ２・Ｔｆｃ …（３）
Ｃ２ｍａｘ：燃料カット制御中での酸素吸蔵量
Ａ：酸素吸蔵量の真値
Ｋ２：吸気量係数
Ｔｆｃ：応答時間
式（３）から分かるように、燃料カット制御中に求められた酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘは、三元触媒の酸素吸蔵量の真値Ａに対し、式（３）の「Ｋ２・Ｔｆｃ」という項の分だけずれた値となる。この真値Ａに対する酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘの項「Ｋ２・Ｔｆｃ」分のずれは、燃料カット制御中における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の変化の応答性に起因して生じる。なお、項「Ｋ２・Ｔｆｃ」における吸気量係数Ｋ２は、三元触媒の酸素吸蔵量の真値Ａに対する酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘのずれがエンジン１の吸気量によって変わることに対応して上記項「Ｋ２・Ｔｆｃ」を可変とするための値であって、エンジン１の吸気量等に基づき算出される。

上記式（２）で用いられる応答時間Ｔａｃｔと、上記式（３）で用いられる応答時間Ｔｆｃとには、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中とでのエンジン１の空燃比の変化幅が大きく異なること等に起因した次の式（４）で示される相関がある。なお、式（４）の「α」は、比例定数であって予め実験等により求めることの可能な固定値である。

Ｔａｃｔ＝α・Ｔｆｃ …（４）
Ｔａｃｔ：応答時間
Ｔｆｃ：応答時間
α：比例定数
ここで、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘの差分「Ｃ１ｍａｘ−Ｃ２ｍａｘ」に関しては、式（２）及び式（３）を用いて、次の式「Ｃ１ｍａｘ−Ｃ２ｍａｘ＝Ｋ１・Ｔａｃｔ−Ｋ２・Ｔｆｃ …（５）」のように表すことができる。そして、この式（５）の応答時間Ｔａｃｔに上記式（４）の右辺を代入して変形すると、応答時間Ｔｆｃを算出するための次の式「Ｔｆｃ＝（Ｃ１ｍａｘ−Ｃ２ｍａｘ）／（Ｋ１・α−Ｋ２） …（６）」が得られる。

本実施形態では、上記式（６）を用いて得られた応答時間Ｔｆｃに基づき、酸素センサ１８の応答性に関する異常の有無が判断される。この応答時間Ｔｆｃは、式（６）から分かるように、酸素センサ１８のアクティブ空燃比制御中の応答性を反映した酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと、同センサ１８の燃料カット制御中の応答性を反映した酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとが加味される。従って、上記応答時間Ｔｆｃに基づき酸素センサ１８の応答性に関する異常の有無を判断することで、その判断の結果がアクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中といった二つの異なる状況のもとでの酸素センサ１８の応答性に基づいた正確なものとなる。

次に、三元触媒の劣化の有無の判断、及び酸素センサ１８の異常の有無の判断の実行手順について、異常診断ルーチンを示す図６及び図７のフローチャートを参照して説明する。この異常診断ルーチンは、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、まずアクティブ空燃比制御中での酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘの算出が未完であるか否かが判断され（Ｓ１０１）、ここで肯定判定であれば酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘを算出するためのＣ１ｍａｘ算出処理（Ｓ１０２）が実行される。このＣ１ｍａｘ算出処理では、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ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の空燃比が強制的にリッチとリーンとの間で切り換えられる際、上記酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘが算出されることとなる。

同ルーチンにおいては、燃料カット制御中での酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘの算出が未完であるか否かの判断も行われ（Ｓ１０３）、ここで肯定判定であれば酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘを算出するためのＣ２ｍａｘ算出処理（Ｓ１０４）が実行される。このＣ２ｍａｘ算出処理では、燃料カット制御においてエンジン１の燃料噴射が停止されて同エンジン１の空燃比がリッチ側からリーン側に変化する際、上記酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘが算出されることとなる。

そして、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとの両方の算出が完了すると（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、式（６）を用いて燃料カット制御中の酸素センサ１８の応答性を表すパラメータである応答時間Ｔｆｃが算出される（Ｓ１０６）。詳しくは、上記算出の完了した酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ，Ｃ２ｍａｘと、それら酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ，Ｃ２ｍａｘを算出する際のエンジン１の吸気量等に基づき求められた吸気量係数Ｋ１，Ｋ２とに基づき、式（６）を用いて上記応答時間Ｔｆｃが算出される。続いて、算出された応答時間Ｔｆｃが予め定められた閾値以上であるか否かが判断される（Ｓ１０７：図７）。ここで肯定判定であれば、酸素センサ１８の応答性に関する異常ありの旨判断される（Ｓ１０８）。一方、否定判定であれば、酸素センサ１８の応答性に関する異常なし（正常）の旨判断される（Ｓ１０９）。

その後、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとのうち、上記応答時間Ｔｆｃに対応した方の酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘに対し、同応答時間Ｔｆｃに基づく補正が加えられる（Ｓ１１０）。具体的には、応答時間Ｔｆｃに対し上記吸気量係数Ｋ２を乗算して得られる項「Ｋ２・Ｔｆｃ」の分だけ酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘが減量補正される。なお、こうした補正後の酸素吸蔵量のことを以下では補正後酸素吸蔵量Ａと称する。上記式（３）から分かるように、上記酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘから項「Ｋ２・Ｔｆｃ」を減算した値は、三元触媒における酸素吸蔵量の真値Ａということになる。従って、上記補正後酸素吸蔵量Ａは式（３）の真値Ａと等しくなる。言い換えれば、上記補正後酸素吸蔵量Ａは、酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘから酸素センサ１８の応答性による影響を除去した値となる。

そして、この補正後酸素吸蔵量Ａを用いて、三元触媒の劣化の有無が判断されることとなる。詳しくは、補正後酸素吸蔵量Ａが予め定められた閾値未満であるか否かが判断される（Ｓ１１１）。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（Ｓ１１２）。一方、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（Ｓ１１３）。

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及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を行うに当たり、その酸素センサ１８の異常の有無を正確に判断しようとする場合に、それらの判断のためにアクティブ空燃比制御や燃料カット制御を行って取得すべきパラメータを、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとの二つに抑えることができる。このため、それらパラメータの取得に時間がかかるようになることを抑制でき、ひいては三元触媒の劣化の有無の判断及び酸素センサ１８の異常の有無の判断を完了するために多大な時間がかかることを抑制できるようになる。

（２）酸素センサ１８の応答性を表すパラメータとして、燃料カット制御によりエンジン１の空燃比がリッチ側からリーン側に変化する際における酸素センサ１８からの出力信号ＶＯの単位量当たりの変化に要する応答時間Ｔｆｃが求められる。そして、このように求められた応答時間Ｔｆｃが閾値以上であるときには、酸素センサ１８が異常である旨判断される。また、上記応答時間Ｔｆｃが閾値未満であるときには、酸素センサ１８が正常である旨判断される。以上により、酸素センサ１８の応答性に関する異常の有無を的確に判断することができる。

（３）三元触媒の劣化の有無を判断する際には、求められた各酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ，Ｃ２ｍａｘのうち、式（６）で求められた応答時間Ｔｆｃに対応した方の酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘに対し同応答性に基づく補正が加えられる。そして、この補正後の酸素吸蔵量（補正後酸素吸蔵量Ａ）に基づき三元触媒の劣化の有無が判断される。ここで、酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘに関しては、酸素センサ１８の応答性が低下するほど、エンジン１の空燃比がリッチ側からリーン側に変化する際、その変化に対応した酸素センサ１８の出力信号ＶＯの変化が遅れて上記酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘを算出するための期間が長くなるため、適正値（真値Ａ）に対し増大傾向を示すようになる。従って、仮に上述したように酸素センサ１８の応答性の影響を受けた酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘに基づき三元触媒の劣化の有無を判断したとすると、その判断の結果が不正確なものとなるおそれがある。しかし、三元触媒の劣化の有無の判断は、酸素センサ１８の応答性（正確には応答時間Ｔｆｃ）に応じて補正した後の酸素吸蔵量（補正後酸素吸蔵量Ａ）に基づきなされるため、その判断の結果が上述したように不正確なものとなることは抑制される。

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。
・応答時間Ｔｆｃに代えて応答時間Ｔａｃｔを酸素センサ１８の応答性を表すパラメータとして求め、その求められた応答時間Ｔａｃｔに基づき酸素センサ１８の応答性に関する異常の有無を判断するようにしてもよい。

この場合、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘ、酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘ、及び、アクティブ空燃比制御中と燃料カット制御中とでの酸素センサ１８の応答性の相関に基づき上記応答時間Ｔａｃｔが求められる。具体的には、上記応答時間Ｔａｃｔが、次の式「Ｔａｃｔ＝（Ｃ１ｍａｘ−Ｃ２ｍａｘ）／（Ｋ１−（Ｋ２／α）） …（７）」を用いて算出される。この式（７）は、上記式（５）の応答時間Ｔｆｃに上記式（４）を変形した次の式「Ｔｆｃ＝（１／α）・Ｔａｃｔ」の右辺を代入し、その後に上記式（７）のように変形することによって得られるものである。

式（７）によって算出された応答時間Ｔａｃｔに基づく酸素センサ１８の異常の有無の判断については、その応答時間Ｔａｃｔと予め定められた閾値との比較に基づいて行われることとなる。すなわち、算出された応答時間Ｔａｃｔが上記閾値以上であることに基づき酸素センサ１８の異常ありの旨判断される一方、上記応答時間Ｔａｃｔが上記閾値未満であることに基づき酸素センサ１８の異常なし（正常）の旨判断される。

なお、ここで用いられる閾値は、上記実施形態の異常診断ルーチンのＳ１０７（図７）で用いられる閾値よりも大きい値とされる。これは、アクティブ空燃比制御中のエンジン１の空燃比の変化が燃料カット制御中でのエンジン１の空燃比の変化よりも小さく、その影響を受けて応答時間Ｔａｃｔが応答時間Ｔｆｃよりも大きくなる傾向があるためである。

・上述したように応答時間Ｔａｃｔを酸素センサ１８の応答性を表すパラメータとして求める場合には、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上記応答時間Ｔａｃｔに対応した酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘを用いることが好ましい。具体的には、応答時間Ｔａｃｔに対し上記吸気量係数Ｋ１を乗算して得られる項「Ｋ１・Ｔａｃｔ」の分だけ酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘを減量補正して補正後酸素吸蔵量Ａ（＝真値Ａ）を算出し、その算出された補正後酸素吸蔵量Ａに基づき触媒の劣化の有無を判断する。

・補正後酸素吸蔵量Ａに基づき触媒の劣化の有無を判断する代わりに、酸素吸蔵量Ｃ１ｍａｘと酸素吸蔵量Ｃ２ｍａｘとの一方もしくは両方に基づき判断してもよい。
・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（第１算出手段、第２算出手段、判断手段）、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 (3)

1. 排気通路に設けられた排気浄化用の触媒と、そ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を備える内燃機関に適用され、前記触媒の酸素吸蔵量に基づき同触媒の劣化の有無を判断するとともに、前記触媒下流センサの応答性に基づき同センサの異常の有無を判断する異常診断装置において、
   内燃機関の空燃比がリッチとリーンとの間で変化するとき、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、その酸素の量を前記触媒の酸素吸蔵量とする第１算出手段と、
   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るアクティブ空燃比制御中に前記第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量、内燃機関での燃料噴射を停止させる燃料カット制御における燃料噴射の停止時であって同機関の空燃比がリーン側に変化するときに前記第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量、及び、前記アクティブ空燃比制御中と前記燃料カット制御中とでの前記触媒下流センサの応答性の相関に基づき、前記アクティブ空燃比制御中と前記燃料カット制御中とのいずれかの状況下での前記触媒下流センサの応答性を求める第２算出手段と、
   前記第１算出手段によって求められた酸素吸蔵量のうちの少なくとも一つに基づき前記触媒の劣化の有無を判断するとともに、前記第２算出手段によって求められた触媒下流センサの応答性に基づき同センサの異常の有無を判断する判断手段と、
   を備えることを特徴とする異常診断装置。
2. 前記触媒下流センサの応答性は、前記アクティブ空燃比制御もしくは前記燃料カット制御により内燃機関の空燃比が変化する際における前記触媒下流センサから出力される信号の単位量当たりの変化に要する応答時間によって表されるものであり、
   前記判断手段は、前記第２算出手段によって求められた前記応答時間が定められた閾値以上であるときに前記触媒下流センサが異常である旨判断する一方、前記応答時間が前記閾値未満であるときに前記触媒下流センサが正常である旨判断する
   請求項１記載の異常診断装置。
3. 前記判断手段は、前記第１算出手段によって求められた各酸素吸蔵量のうち、前記第２算出手段によって求められた触媒下流センサの応答性に対応した方の酸素吸蔵量に対し同応答性に基づく補正を加え、その補正後の酸素吸蔵量に基づき前記触媒の劣化の有無を判断する
   請求項１記載の異常診断装置。

Images