(57)【要約】【課題】触媒の劣化検出を高精度に行う。【解決手段】内燃機関の排気通路に配置される触媒の劣化検出装置において、酸素センサの出力に基づいて、触媒の下流に流出する排気ガスが、酸素過多の状態となる最大酸素吸蔵状態と、酸素不足の状態となる最小酸素吸蔵状態を検出する。また、最大酸素吸蔵状態が検出された後最小酸素吸蔵状態が検出されるまでの酸素放出期間中、内燃機関の目標空燃比を、リッチ目標空燃比に制御し、最小酸素吸蔵状態が検出された後最大酸素吸蔵状態が検出されるまでの酸素吸蔵期間中、内燃機関の目標空燃比を、リーン目標空燃比に制御する。そして、酸素放出期間に前記触媒から放出される酸素量あるいは酸素吸蔵期間に触媒に吸蔵される酸素量を、酸素吸蔵量として検出し、酸素吸蔵量に応じて、触媒の劣化を判定する。また、この装置は、触媒劣化検出の制御を行う場合に、酸素センサの出力検出時の条件の違いにより、酸素放出期間あるいは酸素吸蔵期間に生じるずれを補正する酸素吸蔵量検出条件を設定する。【選択図】図７
2008008158.tif 000002
【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る触媒と、
前記触媒の下流側に配置される酸素センサと、
前記酸素センサの出力に基づいて、前記触媒の下流に流出する排気ガスが、酸素過多の状態となる最大酸素吸蔵状態を検出する最大酸素吸蔵状態検出手段と、
前記酸素センサの出力に基づいて、前記触媒の下流に流出する排気ガスが、酸素不足の状態となる最小酸素吸蔵状態を検出する最小酸素吸蔵状態検出手段と、
前記最大酸素吸蔵状態が検出された後前記最小酸素吸蔵状態が検出されるまでの酸素放出期間中、前記内燃機関の目標空燃比を、リッチ目標空燃比に制御するリッチ空燃比制御手段と、
前記最小酸素吸蔵状態が検出された後前記最大酸素吸蔵状態が検出されるまでの酸素吸蔵期間中、前記内燃機関の目標空燃比を、リーン目標空燃比に制御するリーン空燃比制御手段と、
前記酸素放出期間に前記触媒から放出される酸素量、あるいは前記酸素吸蔵期間に前記触媒に吸蔵される酸素量を、酸素吸蔵量として検出する酸素吸蔵量検出手段と、
前記酸素吸蔵量に応じて、前記触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段と、
前記酸素センサの出力検出時の条件の違いにより、前記酸素放出期間あるいは前記酸素吸蔵期間に生じるずれを補正する酸素吸蔵量検出条件を設定する酸素吸蔵量検出条件設定手段と、
を備えることを特徴とする触媒劣化検出装置。
【請求項２】
前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記酸素吸蔵量検出条件設定手段は、
前記酸素放出期間又は前記酸素吸蔵期間において、前記内燃機関の空燃比を、前記リッチ目標空燃比又は前記リーン目標空燃比に制御する際、現在の空燃比から前記リッチ目標空燃比又は前記リーン目標空燃比に、空燃比を変化させるまでの間の空燃比変化量を、前記吸入空気量に応じて演算する変化量演算手段と、
前記酸素放出期間において、現在の目標空燃比から前記空燃比変化量を減じたリッチ空燃比が、前記リッチ目標空燃比より大きいか否かを判別するリッチ空燃比判別手段と、
前記リッチ空燃比が、前記リッチ目標空燃比より大きいと判別された場合に、目標空燃比を前記リッチ空燃比に設定するリッチ空燃比設定手段と、
前記酸素吸蔵期間において、現在の目標空燃比に前記空燃比変化量を加えたリーン空燃比が、前記リーン目標空燃比より小さいか否かを判別するリーン空燃比判別手段と、
前記リーン空燃比が、前記リーン目標空燃比より小さいと判別された場合に、目標空燃比を前記リーン空燃比に設定するリーン空燃比設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項３】
前記酸素センサの素子温を検出する素子温検出手段を備え、
前記酸素吸蔵量検出条件設定手段は、
前記リッチ目標空燃比を、前記素子温に応じて設定するリッチ目標空燃比設定手段と、
前記リーン目標空燃比を、前記素子温に応じて設定するリーン目標空燃比設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項４】
前記リッチ目標空燃比設定手段は、前記素子温が高くなると、理論空燃比と前記リッチ目標空燃比との差が大きくなるように、リッチ目標空燃比を設定し、
前記リーン目標空燃比設定手段は、前記素子温が高くなると、理論空燃比と前記リーン目標空燃比との差が大きくなるように、リーン目標空燃比を設定することを特徴とする請求項３に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項５】
前記酸素吸蔵量検出条件設定手段は、
前記酸素放出期間中及び前記酸素吸蔵期間中に、前記酸素センサの素子温を、活性温度より高い基準温度となるように制御する素子温制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項６】
前記基準温度は、７００℃〜７５０℃であることを特徴とする請求項５に記載の触媒劣化検出装置。
【請求項７】
前記酸素放出期間が開始されてからの経過時間に応じた積算値、あるいは、前記酸素吸蔵期間が開始されてからの経過時間に応じた積算値を演算する積算値演算手段と、
前記積算値が、基準値よりも小さいか否かを判別する積算値判別手段と、
前記積算値が、前記基準値よりも小さい場合に、前記リッチ目標空燃比から前記リーン目標空燃比への空燃比の制御の切り替え、又は前記リーン目標空燃比から前記リッチ目標空燃比への制御の切り替えを禁止する空燃比切替禁止手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の触媒劣化検出装置。
【請求項８】
前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記積算値演算手段は、前記経過時間と前記吸入空気量とに応じて、前記積算値を設定することを特徴とする請求項７に記載の触媒劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、触媒劣化検出装置に関する。更に具体的には、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒の劣化を検出するための触媒劣化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載用内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化するための触媒が配置される。この触媒は、適量の酸素を吸蔵しておく能力を有している。触媒が浄化する排気ガス中にHCやCOなどの未燃成分が含まれている場合、これらの未燃成分は触媒に吸蔵された酸素により酸化される。一方、排気ガス中にNOx等の酸化物が含まれている場合、これらの酸化物は触媒において還元され、その結果生じた酸素は触媒内部に吸蔵される。
【０００３】
排気通路に配置される触媒は、このように排気ガス中の成分を酸化あるいは還元することで排気ガスの浄化を図る。このため、触媒の浄化能力は、その酸素の吸蔵能力に大きく影響される。従って、その触媒が吸蔵しうる酸素の最大量である酸素吸蔵容量を検出することで、触媒の浄化能力の低下、すなわち触媒の劣化状態を判断することができる。
【０００４】
従来、例えば、特開２００３−９７３３４号公報には、内燃機関に供給される混合気の空燃比を強制的に燃料リッチ又は燃料リーンにすることで、排気通路に配置された触媒の酸素吸蔵容量を検出する装置が開示されている。混合気の空燃比がリッチに制御されている間は、触媒にはHCやCOなどの未燃成分を含む酸素不足の排気ガスが供給される。このような排気ガスが供給されると、触媒は吸蔵している酸素を放出し、HCやCOを酸化することで排気ガスを浄化しようとする。しかし長期に渡ってその状態が継続されると、やがて触媒は全ての酸素を放出し、もはやHCやCOを酸化できない状態となる。以下、この状態を「最小酸素吸蔵状態」と称す。
【０００５】
一方、混合気の空燃比がリーンに制御されている間は、NOxを含む酸素過多の排気ガスが触媒に供給される。このような排気ガスが供給されると、触媒は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵し、NOx等を還元することで排気ガスを浄化しようとする。しかし、長期に渡ってその状態が継続されると、触媒は、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはやNOx等を還元できない状態となる。以下、この状態を「最大酸素吸蔵状態」と称する。
【０００６】
上記従来の装置は、最小酸素吸蔵状態と最大酸素吸蔵状態とが繰り返し実現されるように混合気の空燃比をリッチ又はリーンに制御する。そして、この装置は、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程で触媒に吸蔵される酸素の量、あるいは、最大酸素吸蔵状態から最小酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程で触媒から放出される酸素の量を求めることで、触媒の酸素吸蔵容量を求める。触媒が正常であるか劣化しているかは、この酸素吸蔵容量が所定の判定値より大きいか否かによって判断される。
【０００７】
また、上記酸素吸蔵容量検出中の空燃比の強制制御における、リーン又はリッチの切り替え時期は、触媒から排出される排気ガスの空燃比のリッチ又はリーンへの変化を検出することで判断される。つまり、触媒が最小酸素吸蔵状態に達すると、触媒では排気ガス中のリッチ成分を酸化できない状態となるため、触媒から排出される排気ガスは、HCやCOが多く含まれた状態となる。その結果、触媒下流の酸素センサの出力は燃料リッチであることを示す出力に変化する。一方、触媒が最大酸素吸蔵状態に達すると、触媒では排気ガス中のリーン成分を還元できない状態となるため、触媒から排出される排気ガスは、NOxが多く含まれた状態となる。その結果、触媒下流の酸素センサの出力は燃料リーンであることを示す出力に変化する。
【０００８】
従って、酸素センサの出力がリーン又はリッチを示す値に変化した場合に、最大又は最小酸素吸蔵状態に達したものと判断することができる。従って、上記従来の装置は、触媒下流の酸素センサの出力が、リーン又はリッチに変化した時を空燃比の切り替え時期と判断し、空燃比をリッチ又はリーンに切り替えて制御する。
【０００９】
【特許文献１】特開平２００３−９７３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、排気ガスの流量や流速、排気ガスの温度、酸素センサのセンサ素子の温度、酸素センサ自体の劣化等の様々な条件により、酸素センサの出力応答性には差が生じる。従って、上記従来技術において、触媒下流で排気ガスの濃度がリーン又はリッチに同時期に変化した場合であっても、酸素センサがそれに応じたリーン又はリッチを示す出力を発する時期は、上記の検出時の条件次第で異なるものとなる。最大又は最小酸素吸蔵状態は、酸素センサの出力がリーン又はリッチであることを示す出力を発した時点で検出されるため、酸素センサの出力応答性のずれは、最大又は最小酸素吸蔵状態との検出時期にずれを生じさせることとなる。
【００１１】
上記従来の装置において、酸素吸蔵容量は、最大酸素吸蔵状態と最小酸素吸蔵状態との間の変化の過程で、吸蔵又は放出される酸素吸蔵量に基づいて演算される。このため最大又は最小吸蔵状態との検出時期に、その検出条件によるずれが生じた場合、酸素吸蔵量及びそれに基づいて演算される酸素吸蔵容量にずれが生じることとなる。上記のような酸素吸蔵容量のずれが大きくなると、この酸素吸蔵容量に基づいて行われる触媒劣化の検出の精度が低下する事態となることが考えられる。従って、触媒の劣化検出をより高精度に行うためには、酸素吸蔵容量の検出条件によって生じるずれを除去して、より正確な酸素吸蔵容量が検出されることが望まれる。
【００１２】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、酸素センサの出力検出時の検出条件が異なる場合にも、より正確に酸素吸蔵容量を演算し、触媒の劣化をより高い精度で検出できるように改良した触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、上記目的を達成するため、触媒劣化検出装置であって、
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒の下流側に配置される酸素センサと、
前記酸素センサの出力に基づいて、前記触媒の下流に流出する排気ガスが、酸素過多の状態となる最大酸素吸蔵状態を検出する最大酸素吸蔵状態検出手段と、
前記酸素センサの出力に基づいて、前記触媒の下流に流出する排気ガスが、酸素不足の状態となる最小酸素吸蔵状態を検出する最小酸素吸蔵状態検出手段と、
前記最大酸素吸蔵状態が検出された後前記最小酸素吸蔵状態が検出されるまでの酸素放出期間中、前記内燃機関の目標空燃比を、リッチ目標空燃比に制御するリッチ空燃比制御手段と、
前記最小酸素吸蔵状態が検出された後前記最大酸素吸蔵状態が検出されるまでの酸素吸蔵期間中、前記内燃機関の目標空燃比を、リーン目標空燃比に制御するリーン空燃比制御手段と、
前記酸素放出期間に前記触媒から放出される酸素量、あるいは前記酸素吸蔵期間に前記触媒に吸蔵される酸素量を、酸素吸蔵量として検出する酸素吸蔵量検出手段と、
前記酸素吸蔵量に応じて、前記触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段と、
前記酸素センサの出力検出時の条件の違いにより、前記酸素放出期間あるいは前記酸素吸蔵期間に生じるずれを補正する酸素吸蔵量検出条件を設定する酸素吸蔵量検出条件設定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記酸素吸蔵量検出条件設定手段は、
前記酸素放出期間又は前記酸素吸蔵期間において、前記内燃機関の空燃比を、前記リッチ目標空燃比又は前記リーン目標空燃比に制御する際、現在の空燃比から前記リッチ目標空燃比又は前記リーン目標空燃比に、空燃比を変化させるまでの間の空燃比変化量を、前記吸入空気量に応じて演算する変化量演算手段と、
前記酸素放出期間において、現在の目標空燃比から前記空燃比変化量を減じたリッチ空燃比が、前記リッチ目標空燃比より大きいか否かを判別するリッチ空燃比判別手段と、
前記リッチ空燃比が、前記リッチ目標空燃比より大きいと判別された場合に、目標空燃比を前記リッチ空燃比に設定するリッチ空燃比設定手段と、
前記酸素吸蔵期間において、現在の目標空燃比に前記空燃比変化量を加えたリーン空燃比が、前記リーン目標空燃比より小さいか否かを判別するリーン空燃比判別手段と、
前記リーン空燃比が、前記リーン目標空燃比より小さいと判別された場合に、目標空燃比を前記リーン空燃比に設定するリーン空燃比設定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明において、
前記酸素センサの素子温を検出する素子温検出手段を備え、
前記酸素吸蔵量検出条件設定手段は、
前記リッチ目標空燃比を、前記素子温に応じて設定するリッチ目標空燃比設定手段と、
前記リーン目標空燃比を、前記素子温に応じて設定するリーン目標空燃比設定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、
前記リッチ目標空燃比設定手段は、前記素子温が高くなると、理論空燃比と前記リッチ目標空燃比との差が大きくなるように、リッチ目標空燃比を設定し、
前記リーン目標空燃比設定手段は、前記素子温が高くなると、理論空燃比と前記リーン目標空燃比との差が大きくなるように、リーン目標空燃比を設定することを特徴とする。
【００１７】
第５の発明は、第１の発明において、
前記酸素吸蔵量検出条件設定手段は、
前記酸素放出期間中及び前記酸素吸蔵期間中に、前記酸素センサの素子温を、活性温度より高い基準温度となるように制御する素子温制御手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、前記基準温度は、７００℃〜７５０℃であることを特徴とする。
【００１９】
第７の発明は、第１から第６のいずれかに記載の発明において、前記酸素放出期間が開始されてからの経過時間に応じた積算値、あるいは、前記酸素吸蔵期間が開始されてからの経過時間に応じた積算値を演算する積算値演算手段と、
前記積算値が、基準値よりも小さいか否かを判別する積算値判別手段と、
前記積算値が、前記基準値よりも小さい場合に、前記リッチ目標空燃比から前記リーン目標空燃比への空燃比の制御の切り替え、又は前記リーン目標空燃比から前記リッチ目標空燃比への制御の切り替えを禁止する空燃比切替禁止手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２０】
第８の発明は、第７の発明において、
前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記積算値演算手段は、前記経過時間と前記吸入空気量とに応じて、前記積算値を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明によれば、内燃機関の目標空燃比をリッチ目標空燃比又はリーン目標空燃比に制御しつつ、触媒の最大酸素吸蔵状態と最小酸素吸蔵状態とを検出する。そして、最大酸素吸蔵状態と最小酸素吸蔵状態との間の酸素放出期間又は酸素吸蔵期間中に、放出又は吸蔵される酸素吸蔵量を求めて、この酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化が判定される。ここで、最大又は最小酸素吸蔵状態の検出は、触媒下流に配置された酸素センサの出力に基づいて行われる。従って、酸素センサの出力検出時の条件の違いにより、酸素センサの出力にずれが生じる場合いは、最大又は最小酸素吸蔵状態の検出にずれが生じ、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間にずれが生じることとなる。
【００２２】
この点、第１の発明によれば、酸素センサの出力検出時の条件の違いにより、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間のずれを補正する酸素吸蔵量検出条件が設定される。これにより、酸素放出期間、酸素吸蔵期間のずれを除去した状態で、正確な酸素吸蔵量を求めることができる。従って、より高い精度で、触媒の劣化を検出することができる。
【００２３】
ところで、吸入空気量が大きく、例えば、排気ガスの流量が多い場合や流速が速い場合等には、単位時間あたりの排気ガス中の各成分の濃度変化も大きくなる。このため、吸入空気量が大きい場合、酸素センサは、排気ガスの空燃比の変化に対してより敏感に反応し、早い応答性でその出力を変化させる。従って、触媒下流の排気ガスの空燃比がリーン又はリッチに変化する際に、酸素センサがその変化を示す出力を発する応答の速さは、吸入空気量が小さい場合よりも吸入空気量が大きい場合の方が速くなる。このため、吸入空気量が大きい場合には、より早い段階で最大又は最小酸素吸蔵状態が検出されることとなる。その結果、最大酸素吸蔵状態と最小酸素吸蔵状態との間の期間である酸素放出期間及び酸素吸蔵期間は、吸入空気量が大きい場合には短くなり、吸入空気量が小さい場合には長くなる。
【００２４】
この点、第２の発明によれば、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間において、内燃機関の空燃比をリッチ目標空燃比又はリーン目標空燃比に制御する際、現在の空燃比からのリッチ又はリーン目標空燃比への空燃比変化量が吸入空気量に応じたものとされる。そして、現在の目標空燃比からリッチ又はリーン目標空燃比に制御する際、目標空燃比がリッチ又はリーン目標空燃比に達するまでの間、目標空燃比を空燃比変化量に応じて徐々に変化させる。その結果、空燃比が目標空燃比に達するまでの期間を、吸入空気量に応じて調整することができる。その結果、吸入空気量の差によって生じる酸素放出期間又は酸素吸蔵期間の差を小さくすることができ、正確な酸素吸蔵量の検出を行うことが出来る。
【００２５】
また、排気ガスの濃度が同じように変化する場合であっても、酸素センサの素子温の違いにより、排気ガス中の各成分の拡散速度が異なり、実際の排気ガスと酸素センサの排気側の電極に到達する排気ガスとで、各成分の濃度に差が生じる場合がある。従って、同じ排気ガスの濃度変化に対しても、酸素センサがそれに応じたリーン又はリッチの出力を示す速度は、酸素センサの素子温によって異なるものとなる。このため、酸素センサの素子温の差により、最大又は最小酸素吸蔵状態が検出される時期にずれが生じることとなる。
【００２６】
この点、第３の発明によれば、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間において、空燃比をリッチ又はリーン目標空燃比に制御する際、リッチ目標空燃比又はリーン目標空燃比が素子温に応じて設定される。これにより、触媒下流において排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンに変化するときの、そのリッチ又はリーン空燃比の値、すなわち排気ガス中のリッチ成分又はリーン成分の濃度が素子温に応じたものとして設定されることとなる。従って例えば、酸素センサの素子温による拡散速度の違いが排気ガスの濃度に与える影響が大きくなるような環境では、その影響を小さくすべく、排気ガス中の各成分の濃度が大きくなるような状態とすることができる。従って、より正確に最大又は最小酸素吸蔵状態を検出することができ、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間の長さに生じるずれを小さく抑えるようにすることができる。
【００２７】
具体的に、素子温が高い場合には一般に、拡散速度が速くなるため、排気ガスの濃度変化に対して酸素センサは敏感に反応する。その結果、酸素センサは、より早くに排気ガスのリーン又はリッチ側への空燃比の変化を検出して、それに応じた出力を発する。つまり、酸素センサは、素子温が高くなると、排気ガスの濃度のリーン又はリッチへの変化が小さいうちに、リーン又はリッチを示す出力を発することとなる。その結果、過度に早い段階で最大又は最小酸素吸蔵状態が判断され、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間の長さが過度に短縮されることとなることが考えられる。
【００２８】
この点、第４の発明によれば、リッチ目標空燃比又はリーン目標空燃比は、素子温が高い状態の場合に、理論空燃比と差が大きくなるように設定される。つまり、素子温が高い場合ほど、触媒が最大又は最小酸素吸蔵状態に達したときに、触媒下流に流出する排気ガスの濃度変化が大きくなるようにされる。ここで、素子温が高い状態では、排気ガスの各成分の拡散速度は早くなり、またそれらの拡散速度の差は大きくなる。従って、素子温が高くなる場合には、より大きな幅で空燃比が変化する排気ガスのリーン又はリッチへの変化を検出する。その結果、素子温が高く、拡散速度の差が大きくなる場合にも、その差が排気ガス全体に与える影響を小さくすることができる。従って正確に最大又は最小酸素吸蔵状態が判断され、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間のずれを小さく抑えることができる。
【００２９】
第５及び第６の発明によれば、酸素放出期間中及び酸素吸蔵期間中に、酸素センサの素子温が通常の活性温度より高い基準温度となるように設定される。これにより、素子温の差による応答時間の差を小さくすることができる。その結果、酸素センサの素子温の違いにより、酸素吸蔵期間及び酸素放出期間のずれを小さくすることができる。
【００３０】
また、酸素センサの応答性は、その劣化度合いによっても異なり、劣化が進むにつれて、排気ガスの空燃比の僅かな変化に過敏に反応して、リーン出力又はリッチ出力を発することとなる。このため、酸素センサの劣化が進行すると、最大又は最小酸素吸蔵状態の検出が過度に早くなり、その結果、酸素放出期間及び酸素吸蔵時間が短縮されることとなる。
【００３１】
この点、第７及び第８の発明によれば、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間が開始されてからの経過時間に応じた積算値を求めて、この積算値が基準値よりも小さい場合には、酸素センサの出力に関わらず、目標空燃比のリッチ又はリーン目標空燃比への切り替えを禁止することとしている。これにより、酸素センサが劣化して、最大/最小酸素吸蔵状態の検出が過度に早くなる場合には、現在の空燃比制御状態を維持することとなるため、確実に最大又は最小酸素吸蔵状態に達するまで、現在の空燃比での酸素吸蔵量の検出を行い、正確に酸素吸蔵量を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００３３】
実施の形態１．
[実施の形態１のシステムの構成]
図１は、この発明の実施の形態１の触媒劣化検出装置を搭載する内燃機関１０及びその周辺の構造を説明するための模式図である。図１において、内燃機関１０には、吸気通路１２及び排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には吸気温（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組み付けられている。エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０は、吸気通路を流れる吸入空気量Gaを検出するセンサである。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２近傍には、スロットルバルブ２２の開度を検出するスロットルセンサ２４が配置されている。スロットルセンサ２４の下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２８が配置されている。
【００３４】
内燃機関１０の排気通路１４には、上流側触媒３０（触媒）と下流側触媒３２とが直列に配置されている。これらの触媒３０、３２は、ある程度の酸素を吸蔵・放出することができる。排気ガス中にHCやCOなどの未燃成分が多く含まれている場合は、触媒３０、３２は、吸蔵している酸素を用いてそれらを酸化する。一方、排気ガス中にNOxなどの酸化成分が多く含まれている場合には、触媒３０、３２は、それらを還元し、放出された酸素を吸蔵する。内燃機関１０から排出される排気ガスは、触媒３０、３２の内部で上記の如く処理されることにより浄化される。
【００３５】
排気通路１４の、上流側触媒３０の上流には空燃比センサ３４が、上流側触媒３０と下流側触媒３２との間には第１酸素センサ３６（酸素センサ）が、下流側触媒３２の下流には、第２酸素センサ３８がそれぞれ配置されている。空燃比センサ３４は、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサである。一方、第１酸素センサ３６及び第２酸素センサ３８は、排気ガス中の酸素濃度が所定値を越える前後で、大きく出力を変化させるセンサである。空燃比センサ３４によれば、上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出することができ、これにより内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比A/Fを検出することができる。また第１酸素センサ３６によれば、上流側触媒３０で処理された後の排気ガスが燃料リッチであるか（HC、COを含むか）、燃料リーンであるか（NOxを含むか）を判断することができる。更に、第２酸素センサ３８によれば下流側触媒３２を通過してきた排気ガスが燃料リッチであるか（HC、COを含むか）、あるいは燃料リーンであるか（NOxを含むか）判断することができる。
【００３６】
この実施の形態１の触媒劣化装置は、図１に示すようなＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、吸気温センサ１８、エアフロメータ２０、スロットルセンサ２４、空燃比センサ３４、第１、第２酸素センサ３６、３８及び内燃機関１０の冷却水の水温を検出する水温センサ（図示せず）等が接続され、内燃機関１０の運転状態に関する情報が検出される。また、ＥＣＵ４０には燃料噴射弁２８等が接続され、検出された情報等に応じて設定された制御フローに基づいて必要な制御が行われる。
【００３７】
［実施の形態１のシステムによる触媒劣化検出の制御について］
図１に示すシステムにおいて、内燃機関１０から排出される排気ガスは、まず上流側触媒３０で浄化される。そして、下流側触媒３２では、上流側触媒３０で浄化し切れなかった排気ガスの浄化処理が行われる。従って、常に適正な排気ガスの浄化能力を発揮させるためには、特に、上流側触媒３０の劣化を速やかに検知することが必要となる。
【００３８】
上流側触媒３０は上記の如く、HC、CO等の未燃成分を含むリッチな排気ガス中に酸素を放出し、また、NOx等を含むリーンな排気ガス中の過剰酸素を吸蔵することで、排気ガスの浄化を図る。従って、上流側触媒３０の浄化能力は、最大限放出あるいは吸蔵することができる酸素量である酸素吸蔵容量により決定される。つまり、上流側触媒３０の浄化能力は、その酸素吸蔵容量が減少するにつれて低下することとなる。そこで実施の形態１の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３０の酸素吸蔵容量を検出し、その検出値に基づいて上流側触媒３０の劣化を判定する。
【００３９】
まず、実施の形態１の触媒劣化検出装置における酸素吸蔵容量の検出手法について説明する。図２は、ＥＣＵ４０が酸素吸蔵容量検出のための制御を行った場合のタイミングチャートである。図２（Ａ）は、酸素吸蔵容量検出中に、空燃比センサ３４に生じる変化を表している。一方、図２（Ｂ）は、酸素吸蔵容量検出中に、第１酸素センサ３６に生じる変化を表している。酸素吸蔵容量検出中は、内燃機関１０に供給される混合気の空燃比がリッチ又はリーンになるように強制的に制御される。以下、酸素吸蔵容量検出の際に行われる混合気の空燃比の制御を「空燃比強制制御」と称することとする。
【００４０】
図２は、時刻t0まで、内燃機関１０の目標空燃比がリッチに設定され、空燃比が制御されていた場合を示している。空燃比がリッチに制御されている間は、上流側触媒３０には、HCやCOなどの未燃成分を含む酸素不足の排気ガスが供給される。このような排気ガスが供給されると、上流側触媒３０は吸蔵している酸素を放出して、HCやCOを酸化することで排気ガスを浄化しようとする。そして、長期に渡ってその状態が継続されると、やがて上流側触媒３０は全ての酸素を放出して、もはやHCやCOを酸化できない状態、すなわち、最小酸素吸蔵状態となる。
【００４１】
上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態に達すると、上流側触媒３０の内部では、排気ガスが浄化されなくなる。このため上流側触媒３０の下流側にHCやCOを含む酸素不足の排気ガスが流出し始める。その結果、第１酸素センサ３６の出力は、排気ガスがリッチであることを表す、リッチ判定値VRより小さな値（以下「リッチ出力」）となる。従って、第１酸素センサ３６の出力を観察すれば、上流側触媒３０の下流に酸素不足の排気ガスが流れる時期、すなわち上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態に達した時期を検知することができる。図２においては、時刻t0がこの時期に相当している。
【００４２】
上記のように第１酸素センサ３６の出力が、リッチ出力を発し最小酸素吸蔵状態が検出されると、内燃機関１０の目標空燃比は強制的にリーンに切り替えられる。空燃比がリーンに制御されると、その後やがて、空燃比センサ３４の出力がリーン側に偏った値となる。図２（Ａ）に示す波形は、時刻t1にその出力がリーン側に偏った値に反転した状態を示している。空燃比センサ３４の出力がリーン側に偏っている間、すなわち、上流側触媒３０に酸素過多の排気ガスが流入している間、上流側触媒３０は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵して、NOxを還元することでその浄化を図る。この状態が長期に渡って継続されると、やがて、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはやNOxを還元できない状態、すなわち、最大酸素吸蔵状態となる。
【００４３】
この状態となると、以後、上流側触媒３０の下流側には、NOxを含む酸素過多の排気ガスが流出し始め、第１酸素センサ３６の出力は排気ガスがリーンであることを表す、リーン判定値VLよりも大きな値（以下「リーン出力」）となる。従って、第１酸素センサ３６の出力を観察すれば、上流側触媒３０の下流に酸素過多な排気ガスが流れる時期、すなわち、上流側触媒３０が最大酸素吸蔵状態に達した時期を検知することが出来る。図２においては、時刻t2がその時期に相当している。
【００４４】
第１酸素センサ３６の出力が、リーン出力を発し最大酸素吸蔵状態が検出されると、内燃機関１０の目標空燃比は、再び強制的にリッチ空燃比に切り替えられる。空燃比がリッチに制御されると、その後やがて、空燃比センサ３４の出力がリッチ側に偏った値となる。図２（Ａ）に示す波形は、時刻t3にその出力がリッチ側に偏った値に反転した状態を示している。空燃比センサ３４の出力がリッチ側に偏っている間、すなわち上流側触媒に酸素不足の排気ガスが流入している間、上流側触媒３０は排気ガス中に酸素を放出して、HCやCOを酸化することでその浄化を図る。この状態が継続されると、再び上流側触媒３０は全ての酸素を放出して、最小酸素吸蔵状態となる。このとき、第１酸素センサ３６は再びリッチ出力を発する。
【００４５】
触媒劣化検出装置は、第１酸素センサ３６の出力がリッチ出力を発すると、再び、上述したt0以降の処理が繰り返し実行される。その結果、上流側触媒３０が酸素を放出しきった状態（最小酸素吸蔵状態）と、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵した状態（最大酸素吸蔵状態）とが繰り返し実現される。
【００４６】
この装置は、このように最小酸素吸蔵状態と最大酸素吸蔵状態とを検知しつつ、これらの状態が繰り返し実現されるように、混合気の空燃比をリッチ又はリーンに制御する。この間、上流側触媒３０が単位時間あたりに吸蔵する酸素量、あるいは放出する酸素量は、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比A/Fと吸入空気量Gaに基づいて求めることができる。以下、酸素が吸蔵される場合を正、酸素が放出される場合を負として、それらの酸素量を何れも酸素吸蔵量と称する。
【００４７】
この装置は、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程（酸素吸蔵期間）の酸素吸蔵量、及び、最大酸素吸蔵状態から最小酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程（酸素放出期間）の酸素吸蔵量を求めることで、上流側触媒３０の酸素吸蔵容量を求める。その結果、酸素吸蔵容量が所定の判定値より大きいか否かに基づいて、触媒が正常であるか、あるいは、劣化しているかが判断される。
【００４８】
図３は、酸素吸蔵容量を求めるために、その前提としてＥＣＵ４０が実行する酸素吸蔵積算量演算ルーチンのフローチャートを示す。図３に示すルーチンは、所定の単位時間ごとに繰り返し実行される定時割り込みルーチンである。
【００４９】
図３のルーチンでは、まず、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が出されているか否かが判別される（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が認められない場合、酸素吸蔵容量検出フラグXoscはOFFとされる（ステップＳ１２）。ここで、酸素吸蔵容量検出フラグXoscは、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が認められ、酸素吸蔵容量検出のための空燃比強制制御を実行している間ONとされるフラグである。次に、後述する酸素吸蔵量の積算値である酸素吸蔵積算量O2SUMはクリアされてO2SUM＝0とされ（ステップＳ１４）、今回の処理が終了する。
【００５０】
一方、ステップＳ１０において、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が認められた場合、酸素吸蔵容量検出フラグXoscはONとされる（ステップＳ１６）。酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONとされている間、図３のルーチンの実行と並行して、後述する空燃比強制制御のルーチンが実行されることとなる。
【００５１】
次に、図３のルーチンでは、上流側触媒３０の下流に、空燃比のリーンな排気ガスが流出しているか、より具体的には、第１酸素センサ３６の出力がリーン出力（＞VL）を発しているか否かが判別される（ステップＳ２０）。ここで、第１酸素センサ３６がリーン出力を発するのは、上流側触媒３０が最大酸素吸蔵状態にある場合に限られる。
【００５２】
ステップＳ２０において、上流側触媒３０の下流に空燃比のリーンな排気ガスが流出していると判別された場合には、リーンフラグXleanがONとされ、リッチフラグXrichがOFFとされる（ステップＳ２２）。リーンフラグXleanは、第１酸素センサ３６がリーン出力を発している間ONとされるフラグであり、リッチフラグXrichは、後述する処理により、第１酸素センサ３６がリッチ出力を発している間ONとされるフラグである。
【００５３】
ステップＳ２０において、上流側触媒３０の下流に空燃比のリーンな排気ガスが流出していないと判別された場合には、次に、上流側触媒３０の下流に、空燃比のリッチな排気ガスが流出しているか否か、より具体的には、第１酸素センサ３６の出力がリッチ出力（＜VR）を発しているか否かが判別される（ステップＳ２４）。ここで、第１酸素センサ３６がリッチ出力を発するのは、上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態にある場合に限られる。
【００５４】
ステップＳ２４において、上流側触媒３０の下流に空燃比のリッチな排気ガスが流出していると判別された場合には、リッチフラグXrichがONとされ、リーンフラグXleanがOFFとされる（ステップＳ２６）。
【００５５】
一方、ステップＳ２４において、上流側触媒３０の下流に空燃比のリッチな排気ガスが排出されていないと判別された場合には、上流側触媒３０が排気ガスを正常に浄化している、つまり、上流側触媒３０は最大酸素吸蔵状態でも最小酸素吸蔵状態でもないと判断できる。この場合、リーンフラグXlean及びリッチフラグXrichのいずれもがOFFとされる（ステップＳ２８）。
【００５６】
図３のルーチンでは、ステップＳ２２、Ｓ２６又はＳ２８において、フラグXlean、XrichのON/OFFの処理が行われた後、次に、空燃比A/Fが検出される（ステップＳ３０）。空燃比A/Fは、空燃比センサ３４の出力に基づいて検出される。すなわち、ここで検出される空燃比A/Fは、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比である。
【００５７】
次に、空燃比ずれ量ΔA/Fが演算される（ステップＳ３２）。空燃比ずれ量ΔA/Fは、ステップＳ３０で検出された空燃比A/Fすなわち、上流側触媒３０に流入する排気ガス空燃比A/Fと理論空燃比A/Fstとの差であり、次式（１）に基づいて演算される。
ΔA/F＝A/F−A/Fst    ・・・・（１）
【００５８】
次に、エアフロメータ２０の出力に基づいて吸入空気量Gaが検出される（ステップＳ３４）。次に、空燃比ずれ量ΔA/Fと吸入空気量Gaとに基づいて、単位時間あたりに上流側触媒３０に放出又は吸蔵される酸素量、すなわち酸素吸蔵量O2ADが求められる（ステップＳ３６）。酸素吸蔵量O2ADは、ＥＣＵ４０に記憶されているマップあるいは演算式に従って演算される。ここで、酸素吸蔵量O2ADの値は、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比A/Fがリーンである場合は正の値となり、リッチである場合は負の値となる。
【００５９】
次に、リーンフラグXlean＝ON、かつ、空燃比ずれ量ΔA/F＞0となる条件が成立するか否かが判別される（ステップＳ３８）。リーンフラグXleanは、上記のステップＳ２２において、第１酸素センサ３６がリーン出力を発する場合にONとされるフラグである。従って、ステップＳ３８の条件は、上流側触媒３０に流入する排気ガス及び上流側触媒３０の下流に流出する排気ガスが、共にリーンとなっている場合に成立する。つまり、この条件は、例えば、図２の時刻t2〜t3の間のように、上流側触媒３０が最大酸素吸蔵状態に達し、これ以上、酸素吸蔵量に変化が生じない状況下で成立する条件である。
【００６０】
ステップＳ３８の条件が成立しないと判別された場合には、次に、リッチフラグXrich＝ON、かつ、空燃比ずれ量ΔA/F＜0の条件が成立するか否かが判別される（ステップＳ４０）。リッチフラグXrichは、上記ステップＳ２６において、第１酸素センサ３６がリッチ出力を発する場合にONとされるフラグである。つまり、このステップでは、上流側触媒３０の上流及び下流の双方で排気ガスがリッチになっているかが判別される。この条件は、例えば図２の時刻t0〜t1の間のように、上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態に達し、これ以上、その吸蔵量に変化が生じない状況下で成立する条件である。
【００６１】
従って、ステップＳ４０の条件が成立しないと判別された場合には、上流側触媒３０が現に酸素を吸蔵又は放出している状態であり、上流側触媒３０に吸蔵されている酸素の量が変化している状態であると判断できる。つまり、現在、例えば図２の時刻t1からt2の間、あるいは時刻t3からt4の間にあると判断できる。この場合、前回の処理サイクルで演算された酸素吸蔵積算量O2SUMに、今回の処理サイクルで演算された酸素吸蔵量O2ADを加えて酸素吸蔵積算量O2SUMを更新する処理が行われる（ステップＳ４２）。その後、今回の処理が終了する。
【００６２】
一方、ステップＳ３８の条件が成立すると判別された場合、上流側触媒３０が最大酸素吸蔵状態に達し、これ以上その吸蔵量に変化が生じない状況であると判断される。従って、現在までの酸素吸蔵量の積算値である酸素吸蔵積算量O2SUMが更新されずに、最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxとして記憶される（ステップＳ４４）。その後、酸素吸蔵積算量O2SUMがクリアされて02SUM＝0とされ（ステップＳ４６）、今回の処理が終了する。
【００６３】
また、ステップＳ４４の条件が成立すると判別された場合、上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態に達し、これ以上の酸素を放出できず、酸素吸蔵量に変化が生じない状況であると判断される。従って、現在の酸素吸蔵積算量02SUMが更新されずに、そのまま最小酸素吸蔵積算量O2SUMminとして記憶される（ステップＳ４８）。その後、酸素吸蔵積算量O2SUMがクリアされて02SUM＝0とされ（ステップＳ４２）、今回の処理が終了する。
【００６４】
図３のルーチンによれば、上流側触媒３０に吸蔵されている酸素の量の増減に合わせて酸素吸蔵積算量02SUMを増減させることで、最大酸素吸蔵状態における酸素吸蔵積算量である最大酸素吸蔵積算量02SUMmaxと、最小酸素吸蔵状態における酸素吸蔵積算量である最小酸素吸蔵積算量O2SUMminとを演算することができる。これらの値が定まると、ＥＣＵ４０は、最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxから最小酸素吸蔵積算量O2SUMminを減ずることで、酸素吸蔵容量OSCを演算して求めることができる。この装置は、演算された酸素吸蔵容量OSCが所定の判定値より大きいか否かに基づいて、上流側触媒３０が正常であるか、あるいは、劣化しているかを判断する。このときの判定値は、上流側触媒３０の性質や必要な浄化力等に応じて設定され、予めＥＣＵ４０に記憶される値である。
【００６５】
［実施の形態１のシステムの特徴的な制御について］
図４は、第１酸素センサ３６の出力特性を説明するための図であり、第１酸素センサ３６の検出対象となる排気ガスの空燃比がリッチからリーンに変化した場合の第１酸素センサ３６の出力変化を模式的に表している。図４において横軸は時間、縦軸は第１酸素センサ３６の出力を表している。また、実線(a)及び点線(b)は同じ濃度変化を示す排気ガスに対する出力結果であり、実線(a)は排気ガスの流量が多い場合、点線(b)は排気ガスの流量が少ない場合を表している。
【００６６】
図４に示すように、第１酸素センサ３６は、排気ガスの空燃比がリッチからリーンに変化すると、その出力を急激に増加させ、空燃比がリーンであることを示すリーン出力（＞VL）を発するようになる。このとき、第１酸素センサ３６の出力が急変する部分の変化速度は、排気ガスのガス流量により大きく異なったものとなる。具体的に、排気ガスのガス流量が多い場合、第１酸素センサ３６の出力変化は急激であり、図４の実線(a)に示すように、より早くにリッチ出力（＜VR）からリーン出力に変化する。一方、ガス流量が少ない場合、第１酸素センサ３６の出力変化は緩やかであり、図４の点線(b)に示すように、ガス流量が多い場合に比べて遅くに変化が開始して、長い時間でリッチ出力からリーン出力に変化する。
【００６７】
これは、ガス流量が多くなるにつれて、単位時間当たりのガス濃度の変化量が増加するためと考えられる。つまりガス流量が多くなると、第１酸素センサ３６に供給される排気ガスの単位時間の濃度変化も大きくなる。このため、第１酸素センサ３６の排気ガス側に配置された電極（排気側電極）にその濃度変化がより速い速度で伝達される。一方、排気ガスの流量が少ない場合には、その濃度変化は比較的緩やかな変化として排気側電極に伝えられる。従って、図４の実線(a)、点線(b)に示すように、排気ガスの濃度変化が同一である場合であっても、ガス流量により第１酸素センサ３６の応答性が異なり、ガス流量が多い場合ほど、その濃度変化に応じて出力を変化させるまでの応答時間は短くなる。排気ガスの空燃比が、逆に、リーンからリッチに変化する場合も同一のことが言える。つまり、ガス流量が多い場合には、第１酸素センサ３６のリーン出力からリッチ出力への変化は早く、ガス流量が少ない場合には、その変化は遅いものとなる。
【００６８】
図５は、第１酸素センサ３６が配置された排気通路付近の排気ガスの流量と、第１酸素センサ３６の出力応答時間との関係を表す図であり、横軸はガス流量、縦軸は出力応答時間を表している。図５より、排気ガスのガス流量が多い場合には、排気ガスの濃度変化に対する第１酸素センサ３６の出力応答時間は短く、ガス流量が少なくなるにつれて第１酸素センサ３６の出力応答時間が長いものとなることがわかる。
【００６９】
ところで、上流側触媒３０から排出される排気ガスは、上流側触媒３０が最大又は最小酸素吸蔵状態になった時点で、リーン又はリッチとなる。このため、触媒劣化検出装置は、最大又は最小酸素吸蔵状態となったか否かの検出を、第１酸素センサ３６の出力がリーン出力(＞VL)あるいはリッチ出力(＜VR)を発するようになったか否かに基づいて行っている。
【００７０】
しかし、上記のように、第１酸素センサ３６の出力が、排気ガスの濃度に応じてリーン出力又はリッチ出力を発する時期は、排気ガスの流量によって異なるものとなる。つまり、上流側触媒３０が最大又は最小酸素吸蔵状態に達し、第１酸素センサ３６にリーン又はリッチな排気ガスが供給されるようになる場合にも、それに対して、第１酸素センサ３６がリーン出力(＞VL)又はリッチ出力(＜VR)を発するまでの応答時間は、ガス流量が多い場合ほど短いものとなる。つまり、ガス流量が多い場合、ガス流量が少ない場合に比べて、空燃比がよりリッチな状態でリーン出力を発して最大酸素吸蔵状態が判断され、排気ガスの空燃比がよりリーンの状態でリッチ出力に達して最小酸素吸蔵状態が判断されることとなる。その結果、ガス流量が多い場合、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに反転してから最小酸素吸蔵状態が検出されるまでの時間（酸素放出期間：例えば図２では時刻t3〜時刻t4）、又は空燃比がリーンに反転してから最大酸素吸蔵状態検出までの時間（酸素吸蔵期間：例えば図２では時刻t1〜t2）に、ガス流量の差に起因するずれが生じることとなる。
【００７１】
特に、第１酸素センサ３６に流入する上流側触媒３０下流の排気ガスは、上流側触媒３０を通過することで浄化されたごく希薄なガスである。このため、ガス流量の違いに起因する単位時間当たりの濃度変化の違いはごく僅かなものであっても、その違いが上流側触媒３０下流側の排気ガス中では大きく影響するものとなり、第１酸素センサ３６の出力に大きな影響を与える場合がある。つまり、第１酸素センサ３６のリーン出力又はリッチ出力を発する時期に大きな差が生じ、ガス流量が多い場合と少ない場合とで、酸素放出期間または酸素吸蔵期間に大きなずれが生じることが考えられる。
【００７２】
図３のルーチンで説明したように、酸素吸蔵積算量は酸素放出期間または酸素吸蔵期間中で繰り返し検出される酸素吸蔵量を積算した値である。従って、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間に生じるずれが大きくなると、適切な時期に酸素吸蔵量を十分に繰り返し演算して、これらを積算することができず、酸素吸蔵積算量を正確に演算することが困難となる。
【００７３】
そこで、実施の形態１の装置は、排気ガスの流量によって酸素吸蔵量の積算時間（すなわち、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間）に生じるずれを相殺し、排気ガスの流量が多い場合でも、適切な時期に十分に積算時間を確保して酸素吸蔵積算量を演算できるようにするため、次のような制御を行う。すなわち、空燃比強制制御中、目標空燃比をリッチ側の目標空燃比（リッチ目標空燃比A/Frich）からリーン側の目標空燃比（リーン目標空燃比A/Flean）に、あるいはリーン目標空燃比A/Fleanからリッチ目標空燃比A/Frichに切り替える空燃比切替時において、目標空燃比が、リッチ又はリーン目標空燃比A/Frich、A/Fleanに達するまで、空燃比変化量ΔA/Frefずつ変化させる。
【００７４】
このとき、空燃比変化量ΔA/Frefを、排気ガス流量に応じて設定するようにする。ここで、排気ガスの流量は、吸入空気量Gaと相関を有し、吸入空気量Gaが大きくなると、排気ガスの流量も大きくなる。従って、実施の形態１では、空燃比を切り替える場合の空燃比変化量ΔA/Frefを吸入空気量Gaに応じて決定することとする。
【００７５】
図６は、吸入空気量Gaと目標空燃比の変化量ΔA/Frefとの関係を定めたマップを表す図である。図６のマップに示すように、空燃比強制制御中の空燃比切り替え時の目標空燃比変化量ΔA/Frefは、吸入空気量Gaが大きい場合ほど小さくなるように設定される。その結果、空燃比切替時は、吸入空気量Gaが大きく、すなわち排気ガス流量が多い場合ほど、小さな値に設定されたΔA/Frefずつ緩やかに変化することとなる。
【００７６】
上記のように、ガス流量が多くなるにつれて、すなわち、吸入空気量Gaが大きくなるにつれて、単位時間当たりのガス濃度の変化量が増加する。これに対して、実施の形態１の装置では、空燃比変化量ΔA/Frefを小さくすることで、上流側触媒３０に流入する排気ガスの濃度変化が、吸入空気量Gaが大きい場合ほど小さくなるように設定される。その結果、空燃比切替時に、リッチ目標空燃比A/Frich、リーン目標空燃比A/Fleanに達するまでの間、吸入空気量Gaの違いによる排気ガスの単位時間当たりのガス濃度の変化量の違いを相殺することができる。従って、少なくとも空燃比切替の間、第１酸素センサ３６の排気側電極に達する排気ガスを、吸入空気量Gaの大小に関わらず同程度の空燃比とすることができる。これにより、リーン出力及びリッチ出力が発せられる時期のずれを、ある程度抑えることができる。
【００７７】
また、吸入空気量Gaが大きい場合、目標空燃比を緩やかに制御していくこととなるため、酸素吸蔵期間及び酸素放出期間、すなわち酸素吸蔵量の積算時間を長く確保することができる。これにより、第１酸素センサ３６が過敏に反応することで、積算時間が過度に短くなることを防ぐことができる。従って、吸入空気量Gaが異なる状態においても、酸素吸蔵量の積算時間を十分に確保して、酸素吸蔵量をより正確に求めることができる。
【００７８】
[実施の形態１の装置の特徴的な制御のルーチン]
図７は、実施の形態１の触媒劣化検出装置として、ＥＣＵ４０が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図７に示すルーチンは、空燃比強制制御が実行される場合に行われる空燃比制御のためのルーチンであり、所定時間ごとに繰り返し実行される定時割り込みルーチンである。
【００７９】
このルーチンでは、まず、酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONとされているか否かが判別される（ステップＳ１０２）。フラグXoscは、図３のステップＳ１２及びＳ１６の処理により、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が出されて酸素吸蔵積算量演算中のみONとされるフラグである。その結果、酸素吸蔵容量検出フラグXoscがOFFであると判別された場合には、以後、何ら処理を行わずに、今回の処理が終了する。
【００８０】
一方、ステップＳ１０２において、酸素吸蔵容量検出フラグXosc＝ONの成立が認められた場合、次に、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替えられたか否かが判断される（ステップＳ１０４）。リーンフラグXleanは、第１酸素センサ３６がリーン出力を発生している間ONとされるフラグである（図３のステップＳ２０〜Ｓ２２参照）。従って、ステップＳ１０８の条件は、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて、第１酸素センサ３６の出力がリーン判定値VLを以下の値からその判定値VLより大きいリーン出力に変化した場合に限り成立する。
【００８１】
リーンフラグXleanがOFFからONに切り替えられたことが認められた場合、まずリッチ切替フラグYrichがONとされる（ステップＳ１０６）。リッチ切替フラグYrichは、第１酸素センサ３６のリーン出力が確認された時、すなわち上流側触媒３０が最大酸素吸蔵状態に達したことが確認された時から、リッチ目標空燃比A/Frichへの空燃比切替が完了するまでの間ONとされるフラグである。
【００８２】
次に、現在の吸入空気量Gaが検出される（ステップＳ１０８）。吸入空気量Gaはエアフロメータ２０の出力に基づいて検出することができる。次に、空燃比変化量ΔA/Frefが演算される（ステップＳ１１０）。空燃比変化量ΔA/Frefは、ステップＳ１０８において検出された吸入空気量Gaに応じて、予め定められたマップ（図６参照）に従って演算される。空燃比変化量ΔA/Frefは、上記の如く、吸入空気量Gaが大きい場合ほど小さな値に設定される。つまり吸入空気量Gaが大きい場合ほど、以後の空燃比切替時の目標空燃比A/Frefの変化量が緩やかなものとなる。
【００８３】
次に、リッチ空燃比A/FrefRが演算される（ステップＳ１１２）。リッチ切替フラグYrich＝ONの間、すなわち、リッチ側への空燃比切替中、目標空燃比となるリッチ空燃比A/FrefRは次式（２）に従って、現在設定されている目標空燃比A/Frefから変化量ΔA/Frefを減ずることにより求めることができる。
リッチ空燃比A/FrefR＝現在目標空燃比A/Fref−空燃比変化量ΔA/Fref  ・・・（２）
【００８４】
次に、演算されたリッチ空燃比A/FrefRが、リッチ目標空燃比A/Frichよりも大きいか否かが判別される（ステップＳ１１４）。A/FrefR＞A/Frichの成立が認められた場合、目標空燃比A/Frefとなるリッチ空燃比A/FrefRは、今回の空燃比設定ではリッチ目標空燃比A/Frichにまで達しないこととなる。従って、目標空燃比A/Frefは、ステップＳ１１２において演算された目標空燃比A/FrefRとされる（ステップＳ１１６）。その後、設定された目標空燃比A/Frefに基づいて空燃比制御が実行され（ステップＳ１１８）、今回の処理が終了する。
【００８５】
一方、ステップＳ１１４において、A/FrefR＞A/Frichの成立が認めらない場合、すなわち、リッチ側への空燃比切替時の目標空燃比A/FrefRが、リッチ目標空燃比A/Frich以下となる場合には、目標空燃比A/Frefはリッチ目標空燃比A/Frichとされる（ステップＳ１２０）。その後、リッチ切替フラグYrichがOFFとされる（ステップＳ１２２）。その後、ステップＳ１２０において設定された目標空燃比A/Frefに従って空燃比制御が実行され（ステップＳ１１８）、今回の処理は終了する。
【００８６】
その後、図７のルーチンは繰り返し実行されるが、ステップＳ１２０、Ｓ１２２の処理以後は、上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態となりステップＳ１０４においてリッチフラグXrichがOFFからONに切り替えられるまで、目標空燃比A/Frefは、リッチ目標空燃比A/Frichに維持された状態となる。
【００８７】
第１酸素センサ３６の出力が、リッチ出力となった場合も同様の処理が行われる。すなわち、ステップＳ１０４において、リーンフラグXleanがOFFからONになったことが認められなかった場合、次に、リッチフラグXrichがOFFからONに切り替えられたか否かが判別される（ステップＳ１２４）。リッチフラグXrichは、第１酸素センサ３６の出力が、リッチ出力を発生している間ONとされるフラグである（図３のステップＳ２４〜Ｓ２６参照）。したがって、ステップＳ１２４の条件は、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて、第１酸素センサ３６の出力がリッチ判定値VR以上の値から、その判定値VRより小さいリッチ出力に変化した場合に限り成立する。
【００８８】
リッチフラグXrichがOFFからONとされたことが認められると、まずリーン切替フラグYleanがONとされる（ステップＳ１２６）。リーン切替フラグYleanは、上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態に達したことが検出された場合にONとされ、以後、目標空燃比A/Frefのリーン目標空燃比A/Fleanへの切替が完了するまでの間ONとされるフラグである。
【００８９】
次に、現在の吸入空気量Gaが検出され（ステップＳ１２８）、この吸入空気量Gaに応じて、目標空燃比の変化量ΔA/Frefが演算される（ステップＳ１３０）。次に、リーン側への空燃比切替時の目標空燃比となるリーン空燃比A/FrefLが演算される（ステップＳ１３２）。リーン空燃比A/FrefLは、次式（３）に従って、現在設定されている目標空燃比A/Frefに空燃比変化量ΔA/Frefを加えることにより求めることができる。
リーン空燃比A/FrefL＝現在目標空燃比A/Fref＋空燃比変化量ΔA/Fref  ・・・（３）
【００９０】
次に、リーン空燃比A/FrefLが、リーン目標空燃比A/Fleanよりも小さいか否かが判別される（ステップＳ１３４）。ここでA/FrefL＜A/Fleanの成立が認められた場合には、リーン空燃比A/FrefLは、今回の処理においてもリーン目標空燃比A/Fleanにまで達していないと判断されるため、目標空燃比A/Frefが、演算されたリーン空燃比A/FrefLに設定される（ステップＳ１３６）。
【００９１】
一方、ステップＳ１３４において、リーン空燃比A/FrefL＜リーン目標空燃比A/Fleanであることが認められない場合、すなわち、リーン空燃比A/FrefLがリーン目標空燃比A/Flean以上となると判断される場合には、目標空燃比A/Frefが、リーン目標空燃比A/Fleanに設定される（ステップＳ１３８）。その後、リーン切替フラグYleanがOFFとされる（ステップＳ１４０）。
ステップＳ１３６あるいはステップＳ１３８において、目標空燃比A/Frefが設定されると、空燃比は設定された空燃比に制御される（ステップＳ１１８）。その後今回の処理が終了する。
【００９２】
その後、図７のルーチンは繰り返し実行されるが、ステップＳ１３８、Ｓ１４０の処理以後は、上流側触媒３０が再び最大酸素吸蔵状態となりステップＳ１０４においてリーンフラグXleanがOFFからONに切り替えられるまで、目標空燃比A/Frefは、リーン目標空燃比A/Fleanに維持された状態となる。
【００９３】
一方、ステップＳ１２４において、リッチフラグがOFFからONとされたことが認められない場合、つまり、リーンフラグXlean、XrichともOFFからONへの切り替えがされなかった場合、次に、リッチ切替フラグYrichがONとなっているか否かが判定される（ステップＳ１４２）。リッチ切替フラグYrichは、空燃比強制制御における目標空燃比のリーンからリッチへの空燃比切替中、ONとされるフラグである。
【００９４】
従って、リッチ切替フラグがONとなっていることが認められた場合、ステップＳ１１２の処理に進み、リッチ空燃比A/FrefRが上記式（２）に従って演算される。そして、リッチ空燃比A/FrefR＞リッチ目標空燃比A/Frichが認められると、目標空燃比A/Frichはリッチ空燃比A/FrefRとされる（ステップＳ１１６）。この処理は、このルーチンが繰り返し実行されるなかで、ステップＳ１１４の処理においてリッチ空燃比A/FrefRがリッチ目標空燃比A/Frich以下となることが確認されるまで行われる。つまり、空燃比がリーンからリッチへ切り替えられる場合には、リッチ目標空燃比A/Frichに達するまで、吸入空気量Gaに応じて定められた変化量ΔA/Frefずつ目標空燃比が小さくなるように制御される。その後、リッチ空燃比A/FrefRがリッチ目標空燃比A/Frich以下となったことが認められると、目標空燃比A/Frefはリッチ目標空燃比A/Frichに設定され（ステップＳ１２０）、リッチ切替フラグYrichがOFFとされた後（ステップＳ１２２）、空燃比が制御される（ステップＳ１１８）。
【００９５】
また、ステップＳ１４２において、リッチ切替フラグYrichがOFFであると判別された場合、次に、リーン切替フラグYleanがONとなっているか否かが判定される（ステップＳ１４４）。リーン切替フラグYleanは、空燃比強制制御における目標空燃比のリッチからリーンへの空燃比切替中、ONとされるフラグである。
【００９６】
ステップＳ１４４において、リーン切替フラグがONであると判別されると、ステップＳ１３２の処理に進み、リーン空燃比A/FrefLが演算される。そして、リーン空燃比A/FrefL＜リーン目標空燃比A/Fleanの場合には（ステップＳ１３４）、目標空燃比A/Frefはリーン空燃比A/FrefLに設定され（ステップＳ１３６）、空燃比が制御される（ステップＳ１１８）。このリーン側への空燃比切替時の処理は、ステップＳ１３４においてリーン空燃比A/FrefLがリーン目標空燃比A/Flean以上となったことが認められるまで行われる。すなわち、リーン側への空燃比切替時には、目標空燃比A/Frefがリーン目標空燃比A/Fleanに達するまでの間、吸入空気量Gaに応じて定められた空燃比変化量ΔA/Frefずつ目標空燃比が大きくなるように制御される。その後、リーン空燃比A/FrefLがリーン目標空燃比A/Flean以上となったことが認められると、目標空燃比A/Frefはリーン目標空燃比A/Fleanに設定され（ステップＳ１３８）、リーン切替フラグYleanがOFFとされた後（ステップＳ１４０）、空燃比が制御される（ステップＳ１１８）。
【００９７】
一方、ステップＳ１４４においてリーン切替フラグYleanがONであることが認められない場合、現在設定されている目標空燃比がそのまま維持され、空燃比の制御が行われる（ステップＳ１１８）。
【００９８】
以上説明したように、実施の形態１の触媒劣化検出装置は、触媒劣化検出のため、酸素吸蔵容量を検出する場合に、空燃比を強制的にリッチあるいはリーンに切り替える空燃比強制制御を行う。また、空燃比をリッチからリーンあるいはリーンからリッチに切り替える際、その空燃比変化量ΔA/Frefを吸入空気量Gaに応じたものとする。具体的に空燃比変化量ΔA/Frefは、吸入空気量Gaが小さい場合には大きな値に設定され、吸入空気量Gaが大きい場合には小さな値に設定される。その結果、吸入空気量Gaが大きく、第１酸素センサ３６の排気側電極に到達する排気ガスの濃度変化が大きい場合、排気ガスの空燃比を緩やかなものとなる。従って、吸入空気量Gaの差によって生じる単位時間当たりの濃度変化の差を相殺して、第１酸素センサ３６に到達する排気ガスの濃度変化を一定の範囲内のものとすることができる。
【００９９】
また、吸入空気量Gaが大きく、第１酸素センサ３６の出力が空燃比の変化に対して敏感に変化して早くにリーン出力又はリッチ出力を発する場合であっても、リーン又はリッチへの空燃比を緩やかにすることで、最大又は最小酸素吸蔵状態に達するまでの期間を長くすることができる。従って、吸入空気量Gaが大きい場合であっても、酸素吸蔵容量検出のための酸素吸蔵量の積算時間を長く確保することができる。従って、実施の形態１の装置によれば、正確に酸素吸蔵容量を演算し、より高い精度で触媒の劣化を判定することができる。
【０１００】
なお、実施の形態１では、空燃比強制制御中に、リッチ又はリーンへの空燃比切替を行う際に、吸入空気量Gaに応じて空燃比変化量ΔA/Frefを決定する場合について説明した。しかし、この発明において、空燃比変化量ΔA/Frefを決定するパラメータは吸入空気量Gaに限るものではない。空燃比変化量ΔA/Frefは、例えば、吸入ガスの流量を直接測定してそれに応じて決定するものであってもよい。また、吸入ガスの流量が多い場合と同様に、吸入ガスの流速が早い場合にも、上流側触媒３０下流に排出される排気ガスの単位時間あたりの濃度変化が大きくなるため、第１酸素センサ３６の出力応答速度は、ガス流速によっても異なるものとなる。従って、同様の制御により、吸入ガス流速が速い場合に、空燃比変化量ΔA/Frefを小さくすることで、第１酸素センサ３６の出力応答時間の違いによる積算時間の差を小さくすることができる。
【０１０１】
また、この発明において、吸入空気量Gaに対する空燃比変化量ΔA/Frefの値も、図６に示すマップに従った値に限るものではない。これらの値は、上流側触媒３０の性質等に応じて異なるものであるから、触媒劣化装置が投入される内燃機関１０ごとに設定すればよい。
【０１０２】
なお、例えば、実施の形態１において、ステップＳ２０を実行することにより、この発明の「最大酸素吸蔵状態検出手段」が実現し、ステップＳ２４を実行することにより、この発明の「最小酸素吸蔵状態検出手段」、ステップＳ１１６〜１２０を実行することにより「リッチ空燃比制御手段」が実現し、ステップＳ１３４〜１４０及びＳ１１８を実行することにより「リーン空燃比制御手段」が実現し、ステップＳ３６〜Ｓ４８を実行することにより「酸素吸蔵量検出手段」が実現し、ステップＳ１１０〜Ｓ１１６及びＳ１３０〜Ｓ１３６を実行することにより「酸素吸蔵量検出条件設定手段」が実現する。
【０１０３】
また、例えば、実施の形態１においてステップＳ１０８及びステップＳ１２８を実行することにより、この発明の「吸入空気量検出手段」が実現し、ステップＳ１１０及びステップＳ１３０を実行することにより「変化量演算手段」が実現し、ステップＳ１１４を実行することにより「リッチ空燃比判別手段」が実現し、ステップＳ１１６を実行することにより「リッチ空燃比設定手段」が実現し、ステップＳ１３４を実行することにより「リーン空燃比判別手段」が実現し、ステップＳ１３６を実行することにより「リーン空燃比設定手段」が実現する。
【０１０４】
実施の形態２．
実施の形態２の触媒劣化装置及びその周辺のシステム構成は、実施の形態１と同様の構成を有する（図１参照）。実施の形態２においても、触媒劣化装置としてのＥＣＵ４０は、上流側触媒３０の酸素吸蔵容量を検出することで、上流側触媒３０の劣化を検知する。すなわち、実施の形態１と同様に空燃比強制制御を行い、その間に触媒の酸素吸蔵容量を検出して、酸素吸蔵容量に基づいて触媒の劣化を判定する。
【０１０５】
具体的に、実施の形態２の装置は、空燃比強制制御中の空燃比切替時に、設定された空燃比変化量ずつリッチ又はリーン目標空燃比に達するまで空燃比を変化させるような制御は行わない点、及び、空燃比強制制御中のリーン又はリーン目標空燃比を第１酸素センサ３６の素子温に応じた空燃比に設定した上で、空燃比切替時には一気にリーン又はリッチ空燃比に切り替える点を除いて、実施の形態１の装置と同様の制御を行う。
【０１０６】
空燃比強制制御中、上流側触媒３０から排出される排気ガスの温度は、内燃機関１０の運転条件等に左右され、一定とはならず状況に応じて変化するものである。このように排気ガスの温度が異なる場合、同じ空燃比の排気ガスであっても、排気ガスのリッチ成分中の各成分の比率、及びリーン成分中の各成分の比率は異なるものとなっている。
【０１０７】
具体的に、排気ガスの温度が高くなると、排気ガス中のリッチ成分であるHC成分のなかでCH4の比率が高くなる傾向にある。CH4は、他のHC成分に比べて拡散速度が速い。つまりCH4は他のHC成分に比べて、排気側電極表面に形成された拡散層等を早くに通過して排気側電極触媒に到達する。また、排気ガスの温度が上昇するに連れて、高温の排気ガスの影響により第１酸素センサ３６のセンサ素子の温度（素子温）も上昇する。第１酸素センサ３６の素子温が上昇すると、第１酸素センサ３６の排気側電極表面の拡散層等の温度も上昇する。拡散層の温度が上昇すると、センサ内に導かれた排気ガスを律速させる機能が低下する。この低下により、特に、リッチ成分中のH成分の他の成分に対する拡散速度は相対的に速くなる
【０１０８】
このように、排気ガスの空燃比がリーンな状態からリッチ空燃比に変化した場合、この排気ガスの温度が高い場合には、拡散速度の速いCH4成分やH成分の影響を強く受けるため、第１酸素センサ３６の出力は早くに、つまり上流側触媒３０下流の排気ガスがよりリーンな空燃比の段階で、その変化に反応してリッチ出力を発する。逆に、排気ガスの温度が低い場合には、第１酸素センサ３６の出力は、緩やかに変化し、排気ガスがよりリッチな空燃比に到達してから、その変化に対応してリッチを示す出力が発せられる。
【０１０９】
つまり、上流側触媒３０が最小酸素吸蔵状態に達し、リッチな排気ガスが第１酸素センサ３６に流入を開始した場合、排気ガスの温度が高いときほど、第１酸素センサ３６はより早くに、排気ガスの実際の空燃比がよりリーンな段階で、その状態を示すリッチ出力を発する。このように、排気ガスが高温になるほど、第１酸素センサ３６のリッチ側の応答速度が速くなり、その結果、第１酸素センサ３６による最小酸素吸蔵状態の検出時期が早くなる。
【０１１０】
一方、排気ガス温度が高くなると、排気ガス中のリーン成分であるNOx中、NO2比率が増加し、排ガスの温度が低くなると、NOx中、NOの比率が増加する。ここでNO2はその分子中にNOに比べてより多くの酸素を含むため、排気側電極の触媒中ではより多くの酸素を放出する。従って、排気ガスがリーンな空燃比に変化した場合、その排気ガスの温度が高くNO2の割合が大きい排気ガスが流入する場合の方が、第１酸素センサ３６はよりリッチな段階で、リーンを示す出力を発することとなる。
【０１１１】
つまり、上流側触媒３０が最大酸素吸蔵状態に達し、リーンな排気ガスが上流側触媒３０下流に流出し始めた時、第１酸素センサ３０は、その排気ガスの温度が高い状態では、より早くよりリッチな状態のうちに、その状態を示すリーン出力を発する。逆に温度が低い場合、排気ガスのリーン成分中のNOの比率が大きくなるため、リーン出力（＞VL）が発せられるまでの応答時間が長くなる。
【０１１２】
特に、上流側触媒３０下流の排気ガスは、上流側触媒３０において浄化された排気ガスである。このため、上流側触媒３０が最大又は最小酸素吸蔵状態に達し、排気ガスの空燃比がリーン又はリッチとなった場合であっても、その濃度変化はごく希薄なものとなる。従って、上記の如く排気ガス温度の違いにより、排気ガス中のリッチ成分又はリーン成分中の各成分の比率の違いや拡散層を通過する各成分の拡散速度の違い生じ、これにより排気ガスの濃度変化に違いが生じると、その違いが僅かなものであっても、希薄な排気ガス中では、その濃度変化が全体に大きく影響することとなる。
【０１１３】
上記のように、排気ガスが高温になると、上流触媒３０の下流側に排出される排気ガスのリッチまたはリーンへの変化に対して、実際にリッチ出力又はリーン出力を発するまでの応答時間が短くなる。つまり、最大又は最小酸素吸蔵状態の検出時期が早まりその時期にずれが生じ、酸素吸蔵期間あるいは酸素放出期間が過度に短くなるようなずれを生じる場合がある。その結果、適切な期間中に、酸素吸蔵量の積算を行うことができず、酸素吸蔵積算量に実際の値とのずれが生じることとなる。しかし、酸素吸蔵容量を正確に演算して高い精度で上流側触媒の劣化判定を行うためには、酸素吸蔵積算量はより正確な値であることが好ましく、そのため積算時間のずれを防ぎ、一定の積算時間を確保することが望まれる。
【０１１４】
そこで、実施の形態２では、空燃比強制制御における第１酸素センサ３６のリーン又はリッチ側の目標空燃比を、それぞれ、第１酸素センサの素子温に応じたものとする。具体的には、排気ガス温度が高い場合、リーン又はリッチ目標空燃比A/Flean、A/Frichと、理論空燃比A/Fとの差（振り幅）が大きくなるように設定する。
【０１１５】
このように、目標空燃比がリッチ又はリーン側に大きな振り幅で設定された場合、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比もリーン又はリッチに大きなものとなる。従って、上流側触媒３０が最大又は最小酸素吸蔵状態に達した場合に、上流側触媒３０下流側に排出され始めるリッチ又はリーンな排気ガスの空燃比も、大きなものとなる。従って、排気ガス温度が高くなっている場合には、第１酸素センサ３６は、このように大きな振り幅で変化する排気ガスの空燃比の変化を検出することとなる。従って、排気ガス温度が高くなる場合であっても、その温度上昇による排気ガス中の各成分比率の変化や拡散速度の差異による第１酸素センサ３６の出力への影響を小さくすることができる。従って、排気ガス温度が高くなる場合に、第１酸素センサ３６の出力応答速度が過敏に早くなり、リッチ又はリーンな段階で最大又は最小酸素吸蔵状態が検出されるのを防ぐことができる。
【０１１６】
ところで、排気ガスの温度が高くなると、それに伴って必然的に素子温が上昇する。従って、上記のようなリーン又はリッチ目標空燃比A/Flean、A/Frichは、素子温に基づいて決定するものとする。これにより、排気ガス温度の変化をも考慮した目標空燃比が設定されると考えることができる。
【０１１７】
また、素子温は、センサ素子のインピーダンスと相関を有する。図８は、素子温と素子インピーダンスとの関係を表す図である。図８に示すように、素子温は、素子インピーダンスが低下するに連れて大きくなる。このような関係に基づいて、素子インピーダンスを検出することで素子温を求めることができる。従って、上記の素子温をパラメータとするリーン目標空燃比A/Flean、A/Frichは、素子インピーダンスに応じた値として設置するようにすることができる
【０１１８】
図９は、素子インピーダンスと、リーン目標空燃比A/Flean及びリッチ目標空燃比A/Frich、との関係を定めたマップを表している。目標空燃比A/Flean、A/Frichは、図９のマップに示すような関係に従って、素子インピーダンスが小さくなるにつれて（つまり素子温が高くなるにつれて）、理論空燃比A/Fstとの差が大きくなるように設定される。
【０１１９】
ＥＣＵ４０には、図９に示すような関係に基づいて、素子インピーダンスとリーン又はリッチ目標空燃比A/Flean、A/Frichとの関係を定めたマップが記憶されている。上流側触媒３０の劣化検出のための空燃比強制制御においては、第１酸素センサ３６の素子インピーダンスが検出され、その値に応じて、リーン又はリッチ目標空燃比A/Fleanが設定され、その設定された目標空燃比に従って空燃比制御が行われる。
【０１２０】
図１０のフローチャートは、この発明の実施の形態２においてＥＣＵ４０が実行する制御のルーチンである。図１０のルーチンは、酸素吸蔵積算量演算時の空燃比強制制御ルーチンであり、図３のように、リーンフラグXlean、リッチフラグXrichが制御された状態で、図７のルーチンに代えて実行されるルーチンである。
【０１２１】
具体的に、図１０のルーチンでは、酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONであることが認められると（ステップＳ２０２）、次に、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わったか否かが判別される（ステップＳ２０４）。リーンフラグXleanは、図３のステップＳ２０〜Ｓ２２により、最大酸素吸蔵状態が検出されている間ONとされるフラグである。従って、ステップＳ２０４の条件は、前回の処理から今回の処理にかけて、第１酸素センサ３６の出力が、所定の判定値を下回る値から、リーン出力以上の値に切り替わった場合にのみ成立する。
【０１２２】
ステップＳ２０４の条件の成立が認められた場合、素子インピーダンスが検出される（ステップＳ２０６）。素子インピーダンスは、センサ素子に素子インピーダンス検出用の電圧を印加して、センサ素子に流れる電流の変化を検出することで検出される。次に、素子インピーダンスに応じて、リッチ目標空燃比A/Frichが演算される（ステップＳ２０８）。リッチ目標空燃比A/Frichは、ＥＣＵ４０に予め記憶されたマップ（図９参照）に従って、素子インピーダンスに応じた値に設定される。ここで演算されるリッチ目標空燃比A/Frichは、素子インピーダンスが大きくなるほど（つまり、素子温が低くなるほど）大きな値となる。その後、空燃比は、ステップＳ２０８において求められたリッチ目標空燃比A/Frichに設定され（ステップＳ２１０）、設定されたリッチ目標空燃比A/Frichに制御される（ステップＳ２１２）。
【０１２３】
一方、ステップＳ２０４において、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わったことが認められない場合、次に、リッチフラグXrichがOFFからONに切り替わったか否かが判別される（ステップＳ２１４）。リッチフラグXrichは最小酸素吸蔵状態が検出されている間ONとされるフラグである（図３のステップＳ２４及びＳ２６）。従って、ステップＳ２１４の条件は、前回の処理から今回の処理にかけて、第１酸素センサ３６の出力が、所定の判定値以上のから、反対値を下回るリッチ出力に切り替わった場合にのみ成立する。
【０１２４】
ステップＳ２１４において、リッチフラグXrichがOFFからONに切り替わったと判別された場合、素子インピーダンスが検出される（ステップＳ２１６）。その後、素子インピーダンスに応じて、リーン目標空燃比A/Fleanが演算される（ステップＳ２１８）。リーン目標空燃比A/FleanはＥＣＵ４０に予め記憶されたマップに従って、素子インピーダンスに応じた値に設定される。ここでリーン目標空燃比A/Fleanは、素子インピーダンスが大きくなるほど（つまり、素子温が低くなるほど）大きな値に設定される。その後、目標空燃比はステップＳ２１８において求められたリーン目標空燃比A/Fleanに設定され（Ｓ２２０）、空燃比は、設定されたリーン目標空燃比A/Fleanに制御される（ステップＳ２１２）。
【０１２５】
ステップＳ２０４の条件、ステップＳ２１４の条件の成立が共に認められない場合には、最大酸素吸蔵状態にも最小酸素吸蔵状態にも達していないことが認められるため、目標空燃比は、現在設定されている空燃比のまま維持されて（ステップＳ２２２）、空燃比の制御が行われる（ステップＳ２１２）。
【０１２６】
以上説明したように、この発明の実施の形態２によれば、酸素吸蔵容量検出時の空燃比強制制御の際、第１酸素センサ３６の素子温が高くなるに連れて、リーン目標空燃比A/Flean又はリッチ目標空燃比A/Frichと、理論空燃比A/Fstとの差が大きくなるように設定される。その結果、素子温が高い場合、すなわち排気ガスの温度が高いと予想される場合に、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比をリーン又はリッチに大きくすることができる。この場合、上流側触媒３０が最大又は最小酸素吸蔵状態に達したときに上流側触媒３０下流側に排出され始めるリッチ又はリーンな排気ガスの空燃比も大きなものとなる。これにより、排気ガス温度が高くなっている場合には、第１酸素センサ３６は、このように大きな振り幅で変化する排気ガスの空燃比の変化を検出することとなる。従って、排気ガス温度が高くなる場合であっても、その温度上昇による排気ガス中の各成分比率の変化や拡散速度の差異による、第１酸素センサ３６の出力への影響を小さくすることができる。従って、排気ガス温度が高くなる場合に、第１酸素センサ３６の出力応答速度が過度に早くなり、リーン又はリッチな段階で最大又は最小酸素吸蔵状態が検出されるのを防ぐことができる。
【０１２７】
なお、実施の形態２においては、素子インピーダンスを検出して、これをパラメータとして目標空燃比A/Flean、A/Frichを設定する場合について説明した。しかし、この発明において、目標空燃比A/Flean、A/Frichを設定するためのパラメータはこれに限るものではなく、排気ガス温度を反映したものであればよい。具体的には、例えば、素子温を直接検出してこれをパラメータとするものや、あるいは第１酸素センサ３６に流入する排気ガスの温度を直接検出し、これをパラメータとして、目標空燃比A/Flean、A/Frichを設定するものであってもよい。
【０１２８】
また、実施の形態２では、素子インピーダンスに応じてリーン又はリッチ目標空燃比A/Flean、A/Frichを定めて、空燃比切替時には、設定された目標空燃比A/Flean、A/Frichに空燃比に一気に切り替える場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。例えば、この発明は、空燃比切替時に、空燃比が設定されたリッチ又はリーン目標空燃比A/Flean、A/Frichに達するまでの間、この設定値を最終的な目標空燃比として、実施の形態１と同様に空燃比変化量ΔA/Frefずつ変化させてゆくものであってもよい。
【０１２９】
なお、例えば、実施の形態２において、ステップＳ２０６又はステップＳ２１６を実行することにより「素子温検出手段」が実現し、ステップＳ２０８を実行することにより「リッチ目標空燃比設定手段」が実現し、ステップＳ２１０及びＳ２１２を実行することにより「リッチ空燃比制御手段」が実現し、ステップＳ２１８を実行することにより「リーン目標空燃比設定手段」が実現し、ステップＳ２２０及びＳ２１２を実行することにより「リーン空燃比制御手段」が実現する。
【０１３０】
実施の形態３．
実施の形態３の触媒劣化装置及びこの装置が搭載されたシステム周辺の構成は、実施の形態１のものと同様の構成を有している（図１参照）。実施の形態３の装置は、実施の形態１、２と同様に空燃比をリッチ又はリーンに切り替える空燃比強制制御を行い、最大又は最小酸素吸蔵状態のそれぞれにおける酸素吸蔵積算量O2SUMmax、O2SUMmin検出して酸素吸蔵容量OSCを求め、酸素吸蔵容量OSCに基づいて上流側触媒３０の劣化判定を行う。この際、実施の形態３の装置は、空燃比強制制御におけるリーン又はリッチ目標空燃比A/Flean、A/Frichを予め定められた固定値とする点、及び、空燃比強制制御下で酸素吸蔵容量を検出する間センサ素子温を所定の高温に維持する点を除き、実施の形態２の装置と同様の制御を行う。
【０１３１】
第１酸素センサ３６の素子温が低い場合、排気側電極の拡散層の温度も低い状態となる。上記のように、拡散層の温度が低くなると、拡散層の温度が高い場合に比べて、排気ガス中の各成分の拡散層における拡散速度が早くなる。このため、第１酸素センサ３６の周辺の排気ガスが同じ空燃比であっても、拡散層を通過して排気側電極に到達する排気ガスの空燃比は、素子温（すなわち拡散層の温度）が高温である場合と低温である場合とで異なるものとなる場合がある。
【０１３２】
上記のように、第１酸素センサ３６は、上流側触媒３０を通過してリッチ又はリーン成分の濃度が希薄となった排気ガスを検出の対象とする。このため、上記のように素子温の差に起因する各成分の拡散速度の差は僅かであっても、第１酸素センサ３６の出力に大きな影響を与えやすい状態となる。つまり、第１酸素センサ３６の出力応答性が、素子温によって異なるものとなる。第１酸素センサ３６の出力応答性に、素子温による差が生じた場合、第１酸素センサ３６がリーン出力又はリッチ出力を発する時期に大きな差が生じることとなる。その結果、酸素吸蔵期間及び酸素放出期間に、素子温によるずれが生じるため、その期間に積算される酸素吸蔵積算量にずれが生じることとなる。しかし触媒劣化判定をより高精度に行うためには、このような素子温による酸素吸蔵積算量のずれを小さく抑えて、正確な酸素吸蔵容量が求められることが好ましい。
【０１３３】
そこで、実施の形態３の装置は、空燃比強制制御下で酸素吸蔵積算量を演算する間、センサ素子を活性温度より高温の所定の温度（実施の形態３では７００℃〜７５０℃程度）まで昇温させた状態とする。このようにセンサ素子を高温に制御することにより、排気ガスの温度の高低に関わらず、センサ素子の温度を一定に保つことができる。その結果、拡散層の温度が常に一定範囲にある状態で、第１酸素センサ３６による出力を得ることができる。従って、排気ガス中の各成分の拡散速度に差が生じるのを抑え、排気ガス空燃比変化に対して、常に同程度の応答速度でリーン出力又はリッチ出力を発する状態とすることができる。従って、酸素吸蔵期間又は酸素放出期間に生じるずれを小さく抑えて、正確に酸素吸蔵積算量を算出することができる。
【０１３４】
図１１は、この発明の実施の形態３においてシステムが実行する制御のルーチンである。図１１のルーチンは、実施の形態１の図３のルーチンに代えて、ＥＣＵ４０が実行するルーチンである。図１１のルーチンは、図３のルーチンのステップＳ１０の後、ステップＳ１６の前にステップＳ６０〜Ｓ６４が実行される点を除いて、図３のルーチンと同じものである。
【０１３５】
具体的に、図１１のルーチンでは、まず、酸素吸蔵容量検出フラグXosc＝ONとなっていることが認められると（ステップＳ１０）、第１酸素センサ３６の素子温の制御目標値が、例えば７００〜７５０℃程度の、酸素吸蔵容量検出時用に予め設定された基準温度とされて、その温度に制御される（ステップＳ６０）。具体的には、センサ素子付近に配置されたヒータへの通電制御が開始され、センサ素子が目標温度に昇温するように制御される。
【０１３６】
次に、第１酸素センサ３６の素子温が検出される（ステップＳ６２）。素子温は、例えば、第１酸素センサ３６の素子インピーダンスを検出して、この素子インピーダンスに応じて求めることができる（図８参照）。次に、現在の第１酸素センサ３６の素子温が、酸素吸蔵容量検出時の基準温度以上となったか否かが判別される(ステップＳ６４)。ステップＳ６４において、第１酸素センサ３６の素子温が基準温度より低いと判別された場合には、ステップＳ６０に戻り、再び、センサ素子の昇温制御、素子温の検出が行われる（ステップＳ６０〜Ｓ６２）。このステップＳ６０、Ｓ６２の処理は、ステップＳ６４において素子温≧基準温度の成立が認められるまで繰り返し実行される。
【０１３７】
その結果、ステップＳ６４において、第１酸素センサ３６の素子温≧基準温度であると判別された場合には、第１酸素センサ３６の素子温が、酸素吸蔵容量検出時の基準温度に達したと判断される。従って、次に、酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONとされる（ステップＳ１６）。以後、図３と同様にステップＳ２２〜Ｓ４６の処理が実行され、実施の形態１と同様に、リーンフラグXlean、リッチフラグXrichのON、OFFが制御され、空燃比強制制御下において酸素吸蔵積算量が演算される。
【０１３８】
図１２は、この発明の実施の形態３においてＥＣＵ４０が実行する酸素吸蔵積算量演算時の空燃比強制制御のルーチンである。図１２のルーチンは、図１１のように、リーンフラグXlean、リッチフラグXrichのON/OFFが制御された状態で、図１０のルーチンに代えて実行されるルーチンである。図１２のルーチンは、ステップＳ２０６〜Ｓ２０８及びステップＳ２１６〜Ｓ２１８を行わない点、及びステップＳ２１０、Ｓ２２０に代えてそれぞれステップＳ３０２、Ｓ３０４を行う点を除いて、図１０のルーチンと同じものである。
【０１３９】
具体的に、図１２のルーチンでは、酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONであることが認められ（ステップＳ２０２）、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わったことが認められると（ステップＳ２０４）、空燃比はリッチ目標空燃比A/Frichに設定される（ステップＳ３０２）。ここで設定されるリッチ目標空燃比A/Frichは、予め定められてＥＣＵ４０に記憶された固定値である。つまり、このリッチ目標空燃比A/Frichは、素子温やその他の要因に応じて変化される値ではなく一定の値である。実施の形態３においては、素子温を高温に制御するため、全体として第１酸素センサの応答速度が速くなる。この点を考慮して、リッチ目標空燃比A/Frichは、例えば従来装置の場合の目標空燃比よりも小さ目の値、すなわち理論空燃比との差が大きくなる値に設定してもよい。リッチ目標空燃比が設定されると、その後、リッチ目標空燃比A/Frichに従って空燃比の制御が実行され（ステップＳ２１２）、今回の処理が終了する。
【０１４０】
一方、ステップＳ２１４において、リッチフラグXrichがOFFからONに切り替わったことが認められると、空燃比は、リーン目標空燃比A/Fleanに設定される（ステップＳ３０４）。リーン目標空燃比A/Fleanは、リッチ目標空燃比A/Frichと同様に予め定められＥＣＵ４０に記憶された固定値である。また、ここでは素子温が高温に制御されるため、全体として第１酸素センサの応答速度が速くなる。この点を考慮して、リーン目標空燃比A/Fleanは、例えば従来装置の場合の目標空燃比に比べて大きい値、すなわち理論空燃比との差が大きくなる値に設定してもよい。リーン目標空燃比A/Fleanが設定されると、その後、設定されたリーン目標空燃比A/Fleanに従って空燃比制御が実行され（ステップＳ２１２）、今回の処理が終了する。
【０１４１】
ステップＳ２０４の条件、ステップＳ２１４の条件の成立が共に認められない場合には、最大酸素吸蔵状態にも最小酸素吸蔵状態にも達していないことが認められるため、目標空燃比は、現在設定されている空燃比のまま維持されて（ステップＳ２２２）、空燃比の制御が実行され（ステップＳ２１２）、今回の処理が終了する。
【０１４２】
上記の処理において、酸素吸蔵容量検出フラグXoscは、第１酸素センサ３６のセンサ素子温が、所定の基準温度にまで上昇した場合に限りONとされる（図１１、ステップＳ６０〜Ｓ６４）。そして図１２のステップＳ２０２において酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONであるか否かが判別され、フラグXoscがONである場合に限りその後の空燃比強制制御が実行される。つまり、酸素吸蔵容量検出フラグXoscがONとなることが空燃比強制制御及び酸素吸蔵容量検出の開始条件となる。従って、上記のルーチンにより空燃比強制制御下で酸素吸蔵容量を検出する場合、確実に第１酸素センサ３６の素子温が、所定の目標温度（７００〜７５０℃程度）に昇温された状態となっている。従って、第１酸素センサ３６の素子温のばらつきによる出力のずれを小さし、酸素放出期間及び酸素吸蔵期間に生じるずれを小さく抑えることができる。その結果適切な期間に酸素吸蔵積算量を検出することができ、正確に酸素吸蔵容量を演算することができる。従って、実施の形態３のシステムにより、高精度の上流側触媒の劣化検出を実現することができる。
【０１４３】
なお、実施の形態３では、素子インピーダンスを検出して、素子温を演算する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、素子インピーダンスを直接パラメータとして用いるものであってもよく、あるいは、素子温を検出する温度センサを設置して、直接、素子温を検出して、これをパラメータとするものであってもよい。
【０１４４】
また、実施の形態３では、第１酸素センサ３６の素子温が基準温度まで上昇した後は、従来と同様の方法で空燃比強制制御を行い、酸素吸蔵積算量を演算する場合について説明した。しかし、実施の形態３はこれに限るものではなく、例えば、図１１のルーチンと、実施の形態１の図７のルーチンを組み合わせて、吸入空気量に応じて空燃比切替時の空燃比変化量ΔA/Frefを設定し、目標空燃比A/Flean、A/Frichに達するまで空燃比を徐々に変化させるように制御するものであってもよい。
【０１４５】
なお、例えば、実施の形態３において、ステップＳ６０〜Ｓ６４を実行することにより、この発明の「素子温制御手段」が実現し、ステップＳ３０２及びＳ２１２を実行することにより「リッチ空燃比制御手段」が実現し、ステップＳ３０４及びＳ２１２を実行することにより「リーン空燃比制御手段」が実現する。
【０１４６】
実施の形態４．
実施の形態４の触媒劣化装置及びこの装置が配置される周辺システム構成は、実施の形態１のシステムと同様である（図１参照）。実施の形態４の装置も、実施の形態１と同様に、空燃比をリーンとリッチとに強制的に切り替える空燃比強制制御下で、上流側触媒３０の酸素吸蔵容量を演算し、酸素吸蔵容量により上流側触媒の劣化を判定する。実施の形態４のシステムは、特に、酸素吸蔵積算量の積算期間に下限のガード値を設ける点に特徴を有する。
【０１４７】
図１３は、酸素センサの出力特性を表す図であり、実線(c)は劣化したセンサ出力、点線(d)は初期時のセンサ出力を表している。図１３において横軸は時間、縦軸は酸素センサの出力を表している。また図１３の実線(c)、点線(d)に示す出力は、同じ排気ガスに対する出力を表している。
【０１４８】
図１３に示すように、酸素センサの出力は、同じ排気ガスについて検出する場合でも、酸素センサの劣化前と劣化後でその出力の変化が異なるものとなる。この出力の変化は主に、酸素センサの拡散層の劣化に起因するものと考えられる。ここで、拡散層は、排気側電極表面に形成され、排気側電極付近の排気ガスを律速して平滑化した状態で排気側電極に到達させる機能を有する層である。従って、拡散層の劣化が進行すると、上記の排気ガスを律速して平滑化するという拡散層の機能が低下する。
【０１４９】
通常、図１３に示すように、第１酸素センサ３６が劣化していない場合には、排気側電極表面に到達する排気ガスは、拡散層において律速されて平滑化されたガスとなる。このため、排気ガスの濃度変化に対して、正確にその濃度を反映した出力となり、その応答性は緩やかなものとなる（点線(d)）。
【０１５０】
一方、第１酸素センサが劣化した場合、拡散層が十分に機能せず、排気ガスはより早くに排気側電極表面に到達する。従って、劣化したセンサの出力は、排気ガスのリッチからリーンへの濃度変化に対して、早い応答性で出力を急変させる(実線(c)参照)。
【０１５１】
図１４は、第１酸素センサ３６の使用時間と、出力応答時間との関係を表している。図１４において、横軸は使用期間を表し、縦軸は出力応答時間を表している。図１４からも、第１酸素センサ３６の使用時間が長くなるにつれて、出力応答時間は次第に短くなっていくことがわかる。
【０１５２】
この装置において、上流側触媒３０下流に配置された第１酸素センサ３６の場合、検出する排気ガスが、上流側触媒３０で浄化された希薄な排気ガスとなる。このような排気ガス中で劣化した酸素センサを用いると、拡散速度の違いによって発生する排気ガスの各成分の比率の変化が、センサ出力に大きく影響することとなる。その結果、リーンな段階でリッチ出力が発せられ、あるいはリッチな段階でリーン出力が発せられ、最大又は最小酸素吸蔵状態の検出時期が過度に早まり、酸素吸蔵期間又は酸素放出期間にずれが生じることが考えられる。
【０１５３】
更に、劣化した第１酸素センサ３６のリーン出力、リッチ出力は、排気ガス中の僅かな成分の変化が拡散層で律速されることなくそのまま排気側電極に到達することで、発せられたものである場合がある。このため、同じ第１酸素センサ３６であっても、リーン出力、リッチ出力が発せられる時期が、その検出の度に大きく異なるものとなることが考えられる。従って、酸素吸蔵期間又は酸素放出期間が極端に短くなるようなずれが生じることが考えられる。
【０１５４】
そこで、実施の形態４では、酸素吸蔵期間及び酸素放出期間すなわち酸素吸蔵量の積算期間が過度に短縮化されるのを防ぐため、酸素吸蔵量の積算期間に下限のガードがかかるようにする。具体的には、前回、最小又は最大酸素吸蔵状態が検出された後、最大又は最小酸素吸蔵状態に達するだけの十分な排気ガスが上流側触媒３０に流入する期間が経過したか否かを判断する。そして、十分な排気ガスが上流側触媒３０にまだ流入していないと考えられるばあい、例え、第１酸素センサ３６の出力がリーン出力、リッチ出力を発しても、直ちに最大又は最小酸素吸蔵状態を判断せず、排気ガスの流入期間が十分確保されたものと判断できるまでの間、そのときの空燃比を維持して、酸素吸蔵量積算値の演算を続けることとする。
【０１５５】
より具体的には、上流側触媒３０に流入する排気ガスの空燃比が、リッチ又はリーンに切り替わった時からカウントを開始するカウンタ積算値COUNTsumを設定する。このカウンタ積算値COUNTsumが、所定の基準値に到達していない場合には、リッチ又はリーンへの空燃比切替を禁止して、現在の空燃比を維持して酸素吸蔵量の積算を継続する。
【０１５６】
ここで、カウンタ積算値COUNTsumは、上流側触媒３０の上流側で排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンに切り替わった時点をゼロとして、所定時間ごとに繰り返されるルーチンのなかで、次式（４）に従って、吸入空気量Gaに応じたカウンタ値COUNTを加算した積算値として求められる。
カウンタ積算値COUNTsum＝前回カウンタ積算値COUNTsum＋カウンタ値COUNT
・・（４）
【０１５７】
図１５は、吸入空気量Gaに応じたカウンタ値を示すマップである。図１５に示すように、カウンタ値COUNTは、吸入空気量Gaが大きいほど小さな値に設定される。実施の形態１において説明したように、吸入空気量Gaが大きい場合、第１酸素センサ３６の応答速度がより速くなる。このため、吸入空気量Gaが大きい場合、より早くにリーン出力又はリッチ出力が発せられ、酸素放出期間又は酸素吸蔵期間にずれが生じる場合がある。このため、吸入空気量Gaが大きい場合ほどカウンタ値COUNTを小さくし、積算値COUNTsumの増加量が少なくなるように設定する。その結果、カウンタ積算値が所定の基準値に達するまでの時間が長くなり、吸入空気量Gaが大きい場合程、酸素吸蔵積算量の積算期間が長くなるように設定される。
【０１５８】
図１６のフローチャートは、この発明の実施の形態４においてＥＣＵ４０が実行する制御のルーチンを表している。図１６のルーチンは、図３のルーチンに代えて実行されるルーチンであり、ステップＳ１６の後にステップＳ７０〜Ｓ７６を有し、ステップＳ４２の後にステップＳ７８を有し、ステップＳ１４の後にステップＳ８０を有する点を除き、図３のルーチンと同じものである。
【０１５９】
図１６に示すルーチンでは、ステップＳ１６において、酸素吸蔵量検出フラグがONとされると、まず吸入空気量Gaが検出される（ステップＳ７０）。吸入空気量Gaは、エアフロメータ２０の出力に基づいて検出される。次に、カウンタ値COUNTが演算される（ステップＳ７２）。カウンタ値COUNTは、ＥＣＵ４０に記憶されたマップ（図１５参照）に従って、吸入空気量Gaの値に応じて求められる。
【０１６０】
次に、カウンタ積算値COUNTsumが演算される（ステップＳ７４）。カウンタ積算値COUNTsumは、上記式（４）に従って、前回までのカウンタ積算値COUNTsumにステップＳ７２で演算されたカウンタ値COUNTを加算することにより求められる。これにより、カウンタ積算値COUNTsumは、吸入空気量Gaと、積算開始からの経過時間に応じた値に設定される。
【０１６１】
次に、カウンタ積算値COUNTsumが、基準カウンタCOUNTbase以上であるか否かが判別される（ステップＳ７６）。カウンタ積算値COUNTsum≧基準カウンタCOUNTbaseの成立が認められない場合、ステップＳ２８において、リーンフラグXlean、リッチフラグXrichが共にOFFとされる。つまり、第１酸素センサ３６の出力が、リーン出力又はリッチ出力を発しているか否かの判別処理（ステップＳ２０、Ｓ２４）を行わずに、両フラグXlean、Xrichが強制的にOFFとされる。
【０１６２】
これらのフラグXlean、XrichがOFFとされる場合、最大又は最小酸素吸蔵状態の何れにも達していない状態と判断される。従って、今回のルーチンでは、続く、ステップＳ３８及びＳ４０の処理においても何れもNOと判別され、ステップＳ４２において、酸素吸蔵量O2ADが現在の酸素吸蔵積算量O2SUMに加えられて、酸素吸蔵積算量02SUMが更新される。その後、今回の処理が終了することとなる。
【０１６３】
また、両フラグXlean,Xrichが共にOFFとされていることから、空燃比強制制御においても、空燃比が切り替えられることなく、現在のリッチ又はリーンの空燃比が維持されることとなる。
【０１６４】
一方、ステップＳ７６において、カウンタ積算値COUNTsum≧基準カウンタCOUNTbaseであることが認められると、続くステップＳ２０に進み、第１酸素センサ３６の出力に基づいて、リーンフラグXlean、リッチフラグXrichのON、OFF状態が制御される。
【０１６５】
その後、ステップＳ３８又はＳ４０の条件の成立が認められ、最大酸素吸蔵積算量SUMmax、または最小酸素吸蔵積算量SUMminの演算が行われ（ステップＳ４４、Ｓ４８）、酸素吸蔵積算量02SUMがクリアされ02SUM＝0とされると（ステップＳ４６）、その後、カウンタ積算値COUNTsumもクリアされてCOUNTsum＝0とされる（ステップＳ７８）。その後、今回の処理が終了する。
【０１６６】
なお、ステップＳ１０において酸素吸蔵容量検出フラグXosc＝OFFであると判定された場合には、ステップＳ１４の後に、カウンタ積算値COUNTsumがクリアされてCOUNTsum＝0とされる（ステップＳ８０）。
【０１６７】
以上説明したように、実施の形態４の処理では、第１酸素センサ３６の出力に関わらず、カウンタ積算値COUNTsumが所定の基準カウンタCOUNTbaseにまで達していない場合には、空燃比強制制御が現在の目標空燃比のままで継続され、酸素吸蔵積算量02SUMが更新される。ここでカウンタ値COUNTsumは、吸入空気量Gaに応じて設定され、所定の時間ごとに繰り返されるルーチンの中で、カウンタ積算値COUNTsumに積算される。従って、カウンタ積算値COUNsumは、吸入空気量Ga及び前回空燃比切替が行われてからの経過時間に関わる値となっている。
【０１６８】
従って、第１酸素センサ３６が劣化して、排気ガスの濃度変化に対する応答速度が速くなり、リーン出力、リッチ出力を発する時期にずれが生じる場合であっても、最大又は最小酸素吸蔵状態に、実際に達するまでの時間が過度に短くならないようにすることができる。従って劣化した第１酸素センサ３６の出力により、最大又は最小酸素吸蔵状態の検出が過度に早くに判定されるのを防ぐことができ、積算時間を十分に確保することができる。
【０１６９】
なお、実施の形態４においては、カウンタ積算値COUNTsumを吸入空気量に応じたものとしているが、この発明においては、これに限るものではなく、単に、一定の時間が経過した場合に、空燃比の切替を許可するものとしてもよい。
【０１７０】
また、実施の形態４における、カウンタ積算値COUNTsumを演算し、この積算値COUNTsumが基準値まで達しない間は空燃比の切替を禁止する手法は、例えば実施の形態１〜３に説明した劣化検出の方法に組み合わせて適用することができる。
【０１７１】
なお、例えば実施の形態４において、ステップＳ７０を実行することにより、この発明の「吸入空気量検出手段」が実現し、ステップＳ７２及びＳ７４を実行することにより「積算値演算手段」が実現し、ステップＳ７６を実行することにより「積算値判別手段」が実現し、ステップＳ２８を実行することにより「空燃比切替禁止手段」が実現する。
【０１７２】
なお、この発明において、上記触媒劣化検出装置を搭載する内燃機関とその周辺のシステムの構成は、図１に示したものに限るものではない。触媒劣化装置を搭載する内燃機関やその周辺のシステムの構成は、この発明の範囲内で他の構成のものであってもよい。以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】この発明の実施の形態１における触媒劣化検出装置とその周辺のシステム構成を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における触媒劣化検出中の、空燃比センサと酸素センサの出力を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態１において酸素吸蔵積算量を演算するためＥＣＵが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１における酸素センサの出力特性を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１における酸素センサの出力応答時間とガス流量との関係を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるガス流量と空燃比強制制御における空燃比切り替え時の空燃比変化量との関係を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態１において空燃比強制制御を行うためＥＣＵが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図８】酸素センサの素子インピーダンスと素子温との関係を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態２における酸素センサの素子インピーダンスと、空燃比強制制御における目標空燃比との関係を説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態２において、空燃比強制制御を行うためＥＣＵが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図１１】この発明の実施の形態３において、酸素吸蔵積算量を演算するためＥＣＵが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態３において、空燃比強制制御を行うためＥＣＵが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図１３】酸素センサの使用期間と、出力特性との関係を説明するための図である。
【図１４】酸素センサの使用期間と、出力応答時間との関係を説明するための図である。
【図１５】この発明の実施の形態４における吸入空気量とカウント値との定められた関係を説明する図である。
【図１６】この発明の実施の形態４において、酸素吸蔵積算量演算のためＥＣＵが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１７４】
１０  内燃機関
１２  吸気通路
１４  排気通路
１６  エアフィルタ
１８  吸気温センサ
２０  エアフロメータ
２２  スロットルバルブ
２４  スロットルセンサ
２８  燃料噴射弁
３０  上流側触媒
３２  下流側触媒
３４  空燃比センサ
３６  第１酸素センサ
３８  第２酸素センサ
４０  ＥＣＵ
【図１】
2008008158.tif 000003
【図２】
2008008158.tif 000004
【図３】
2008008158.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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