JP4023174B2 - 触媒劣化判定装置 - Google Patents
触媒劣化判定装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4023174B2 JP4023174B2 JP2002032784A JP2002032784A JP4023174B2 JP 4023174 B2 JP4023174 B2 JP 4023174B2 JP 2002032784 A JP2002032784 A JP 2002032784A JP 2002032784 A JP2002032784 A JP 2002032784A JP 4023174 B2 JP4023174 B2 JP 4023174B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- fuel ratio
- catalyst
- output
- ratio sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/40—Engine management systems
Landscapes
- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に配設された三元触媒が劣化したか否かを判定する触媒劣化判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒（本明細書においては、単に「触媒」とも云うこともある。）が、同機関の排気通路に配設されている。この三元触媒は、酸素を貯蔵するＯ2ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有していて、流入するガスの空燃比がリッチである場合には貯蔵している酸素によりＨＣ,ＣＯ等の未燃成分を酸化するとともに、流入するガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して同ＮＯｘから奪った酸素を内部に貯蔵する。これにより、三元触媒は、機関の空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、未燃成分や窒素酸化物を浄化することができる。従って、三元触媒が貯蔵し得る酸素量（以下、「酸素吸蔵量」と称呼する。）の最大値（以下、「最大酸素吸蔵量」と称呼する。）が大きいほど、三元触媒の浄化能力は高い。
【０００３】
ところで、三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化する。その結果、三元触媒の酸素吸蔵機能は次第に低下する。即ち、三元触媒の劣化が進行するほど、同触媒の最大酸素吸蔵量は低下する。このことから、三元触媒の最大酸素吸蔵量が推定できれば、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて三元触媒が劣化したか否かを判定することができる。
【０００４】
特開平５−１３３２６４号公報に開示された触媒劣化度判定装置は、このような知見に基いてなされたものであって、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比からリーン空燃比（又は、その逆）に強制的に変化させ、その際における三元触媒下流に配置した空燃比センサ（以下、「下流側空燃比センサ」と称呼する。）の出力に基いて同触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒が劣化したか否かを判定するように構成されている。
【０００５】
より具体的に述べると、上記開示された装置は、触媒上流の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御して酸素吸蔵量を「０」にしておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以上となって触媒下流の空燃比センサの出力がリーンへと変化するまでの時間と同触媒に単位時間当りに流入した酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。或いは、触媒上流の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御して酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量としておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が「０」となって触媒下流の空燃比センサの出力がリッチへと変化するまでの時間と同触媒内で単位時間当りに放出（消費）された酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。
【０００６】
このように、上記開示された装置によれば、最大酸素吸蔵量を推定するために触媒に流入する酸素量、或いは触媒で消費される酸素量を計測する必要がある。この酸素量は機関の吸入空気量に基づいて計測される。従って、最大酸素吸蔵量を精度良く求めるためには、機関の吸入空気量が精度良く計測されなければならない。このため、上記触媒劣化度の判定は、吸入空気量が精度良く計測可能な運転状態、即ち、機関が定常運転されているときに行われる必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関の定常状態が長時間継続する保証はないので、最大酸素吸蔵量の測定を短期間に終了させる必要があり、このため、前述した所定のリッチ空燃比と所定のリーン空燃比の差は比較的大きく設定されなければならない。この結果、かかる大きな空燃比変化に伴って機関の出力が変動し、ドライバビリティが悪化するという問題がある。また、機関の出力が安定している定常運転にあるときに空燃比の強制的変化が開始されるため、機関の出力変動が運転者に感知され易く、ドライバビリティの悪化が感知され易いという問題がある。従って、本発明の目的は、ドライバビリティを犠牲にすることなく、触媒が劣化しているか否かを精度良く判定し得る触媒劣化判定装置を提供することにある。
【０００８】
【本発明の概要】
本発明の特徴は、内燃機関の排気通路に配設された三元触媒と、前記三元触媒下流の前記排気通路に配設された空燃比センサと、前記空燃比センサの出力が前記三元触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように同空燃比センサの出力と同目標値との偏差である出力偏差量に基くＰＩ制御又はＰＩＤ制御により前記機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、前記空燃比センサの出力に基いて前記三元触媒が劣化したか否かを判定する触媒劣化判定手段とを備えた触媒劣化判定装置において、前記空燃比フィードバック制御手段による前記空燃比のフィードバック制御におけるフィードバックゲインは、前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に前記三元触媒が劣化した際に前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が最大となり、劣化していない三元触媒に対する同空燃比センサの出力が同目標値を含む同所定範囲内の値となっている時間的頻度よりも大きくなるように、予め定められており、前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比フィードバック制御下で、前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む前記所定範囲内の値となる時間的頻度に基いて算出される同空燃比センサの出力の同目標値に対する収束度合いが所定値以上となったときに前記三元触媒が劣化したと判定するように構成されたことにある。
【０００９】
これによれば、前記空燃比フィードバック制御手段により、三元触媒下流の排気通路に配設された空燃比センサの出力が所定の目標値と一致するように、機関の空燃比がフィードバック制御される。この目標値は、三元触媒の浄化効率が良好となるように選ばれ、一般には、理論空燃比近傍の空燃比を表す値とされる。
【００１０】
一方、三元触媒が劣化するとその最大酸素吸蔵量が低下してくるから、同三元触媒上流の空燃比変化が比較的単時間内に同触媒下流に現われる。換言すると、触媒の劣化程度に応じて、見かけ上の制御の無駄時間が変化する。従って、前記空燃比センサの出力に基づく前記空燃比フィードバック制御におけるフィードバックゲインが同一であっても、触媒の劣化程度により同空燃比センサの前記目標値への収束性は変化し、前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が変化する。
【００１１】
これに対し、本発明におけるフィードバックゲインは、前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に劣化した三元触媒に対して前記空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束性が最適となるように定められる。即ち、そのフィードバックゲインは前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に前記三元触媒が劣化した際に前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が最大となるように予め定められている。これにより、触媒が劣化した触媒であると判定される程度にまで劣化したとき、空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束性は最適となる。上記触媒劣化判定手段は、かかる現象を利用して触媒が劣化したか否かを判定する。即ち、上記触媒劣化判定手段は、通常行われる空燃比の変化が比較的小さい空燃比フィードバック制御下において、前記空燃比センサ出力が前記目標値を含む前記所定範囲内の値となる時間的頻度に基いて算出される同空燃比センサの出力の同目標値に対する収束度合いが所定値以上となったときに、三元触媒が劣化したと判定する。
【００１２】
このように、本発明によれば、機関が定常運転されているときに空燃比が強制的に変更されることはなく、実質的な空燃比変化幅が小さい空燃比フィードバック制御中に三元触媒が劣化したか否かが判定される。この結果、ドライバビリティを犠牲とすることなく三元触媒が劣化したか否かを判定することができる。しかも、本発明によれば、三元触媒が劣化した触媒であると判定すべき程度にまで劣化した場合に、空燃比フィードバック制御の収束性が最適になるから、同触媒の浄化能力を有効に利用できるので、触媒劣化時においても排気ガスを良好に浄化することができる。
【００１３】
この場合において、前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束度合いを、同空燃比センサの出力が同目標値を含む所定範囲内の値となる時間的頻度と、同空燃比センサの出力が同所定範囲外の値となる時間的頻度とに基いて決定することが好適である。
【００１４】
これによれば、空燃比センサの出力の目標値に対する収束性を表す値を、簡単な構成により取得することができる。
【００１５】
更に、機関の吸入空気量や機関の回転速度が異なると、同一の三元触媒を使用した場合であっても、空燃比フィードバック制御下での空燃比センサの出力の目標値に対する収束度は異なるから、これらの運転状態に応じて前記時間的頻度に重み付けして前記収束度合いを求めることにより、前記収束度合いが三元触媒の劣化度をより一層精度良く表す値となる。この結果、三元触媒が劣化しているか否かの判定をより精度良く行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による触媒劣化判定装置を含む空燃比制御装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、そのような触媒劣化判定装置を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。
【００１７】
この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００１８】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。
【００１９】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）３９を備えている。
【００２０】
吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し同吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、スロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａ、スワールコントロールバルブ（以下、「ＳＣＶ」と称呼する。）４４、及びＤＣモータからなるＳＣＶアクチュエータ４４ａを備えている。
【００２１】
排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設（介装）された上流側の三元触媒（上流側触媒コンバータ、又はスタート・キャタリティック・コンバータとも云う。）５３、及び上流側の三元触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設（介装）された下流側三元触媒（車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・キャタリティック・コンバータとも云う。）５４を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。なお、本触媒劣化判定装置は、上流側の三元触媒５３が劣化したか否かを判定するものである。
【００２２】
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、三元触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６６（以下、「上流側空燃比センサ６６」と称呼する。）、三元触媒５３の下流であって三元触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７（以下、「下流側空燃比センサ６７」と称呼する。）、及びアクセル開度センサ６８を備えている。
【００２３】
熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ６１の出力Vgと、計測された吸入空気量（流量）ＡＦＭとの関係は、図２に示したとおりである。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度ＮＥを表す。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【００２４】
上流側空燃比センサ６６は、図３に示したように、空燃比Ａ／Ｆに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfsを出力するようになっている。図３から明らかなように、上流側空燃比センサ６６によれば、広範囲にわたる空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出することができる。下流側空燃比センサ６７は、図４に示したように、理論空燃比において急変する電圧Voxsを出力するようになっている。より具体的に述べると、下流側センサ６７は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略０．１（Ｖ）、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略０．９（Ｖ）、及び空燃比が理論空燃比のときは略０．５（Ｖ）の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ６８は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、同アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００２５】
電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、及びＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６８と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６８からの信号を供給するとともに、同ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、インジェクタ３９、スロットル弁アクチュエータ４３ａ、及びＳＣＶアクチュエータ４４ａに駆動信号を送出するようになっている。
【００２６】
（触媒劣化判定の原理）
ところで、三元触媒５３（三元触媒５４も同様である。）は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分（ＨＣ,ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を有する。更に、三元触媒５３は、酸素を貯蔵する機能（酸素貯蔵機能、Ｏ2ストレージ機能）を有し、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ,ＣＯ、及びＮＯｘを浄化することができる。即ち、機関の空燃比がリーンとなって三元触媒に流入するガスにＮＯｘが多量に含まれると、三元触媒５３はＮＯｘから酸素分子を奪ってＮＯｘを還元し、これによりＮＯｘを浄化する。また、機関の空燃比がリッチになって三元触媒に流入するガスにＨＣ,ＣＯが多量に含まれると、三元触媒はこれらに酸素分子を与えて酸化し、これによりＨＣ,ＣＯを浄化する。
【００２７】
従って、三元触媒５３が連続的に流入する多量のＨＣ,ＣＯを効率的に浄化するためには、同三元触媒５３が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に連続的に流入する多量のＮＯｘを効率的に浄化するためには、同三元触媒５３が酸素を十分に貯蔵し得なければならないことになる。以上のことから明らかなように、三元触媒５３の浄化能力は、同三元触媒が貯蔵し得る最大の酸素量（最大酸素吸蔵量）に依存する。
【００２８】
一方、三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化するから、次第に最大酸素吸蔵量が低下してくる。このように最大酸素吸蔵量が低下した場合であっても、エミッションを良好に維持するには、三元触媒から排出されるガスの空燃比が理論空燃比に極めて近い状態となるように制御する必要がある。
【００２９】
そこで、本実施形態の触媒劣化判定装置は、下流側空燃比センサ６７の出力が理論空燃比に略相当する目標値（つまり、三元触媒５３の浄化効率が良好となるための目標値）Voxsrefとなるように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに応じて機関の空燃比をフィードバック制御する（本実施形態では、上流側空燃比センサ出力vabyfsにも応じて空燃比をフィードバック制御する。）。即ち、下流側空燃比センサ６７の出力が理論空燃比よりリーンの空燃比を表す値となると機関の空燃比をリッチ側に制御し、下流側空燃比センサ６７の出力が理論空燃比よりリッチの空燃比を表す値となると機関の空燃比をリーン側に制御する。
【００３０】
ところで、三元触媒５３が劣化していない場合、最大酸素吸蔵量は大きい。これにより、図５（Ａ）に示したように、例えば、時刻ｔ１において下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリッチを表す値からリーンを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリッチに変更しても、その後、多量のＨＣ，ＣＯが三元触媒５３内に貯蔵されている酸素により酸化され続ける。この結果、三元触媒５３の下流にリッチの空燃比を有するガスが流出するまでの時間（例えば、時刻ｔ１〜ｔ２）は長くなる。換言すると、それまでの間は、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsはリーンを表す値を示し続ける。
【００３１】
同様に、例えば、時刻ｔ２において下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリーンを表す値からリッチを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリーンに変更しても、その後、三元触媒５３内において多量のＮＯｘが還元されるとともに、三元触媒に流入するガス中の酸素が同三元触媒５３に吸着され続けるから、同三元触媒５３の下流にリーンの空燃比を有するガスが流出するまでの時間（例えば、時刻ｔ２〜ｔ３）は長くなる。換言すると、それまでの間は、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsはリッチを表す値を示し続ける。このように、三元触媒５３が劣化していない場合、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに基く空燃比フィードバック制御の見かけ上の無駄時間が増加する。
【００３２】
これに対し、三元触媒が劣化している場合、最大酸素吸蔵量は小さくなる。これにより、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリッチを表す値からリーンを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリッチに変更すると、三元触媒５３内の酸素が短時間で消費され尽くす。このため、三元触媒下流にリッチの空燃比を有するガスが流出するまでの時間は短くなり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsは短時間内にリーンを表す値からリッチを表す値に変化する。
【００３３】
同様に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリーンを表す値からリッチを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリーンに変更すると、その後、ＮＯｘから奪った（吸蔵した）酸素の量、及び三元触媒に流入するガスから奪った（吸蔵した）酸素の量が直ちに最大酸素吸蔵量に達する。このため、三元触媒下流にリーンの空燃比を有するガスが流出するまでの時間は短くなり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsは短時間内にリッチを表す値からリーンを表す値に変化する。即ち、三元触媒が劣化している場合には、図５（Ｂ）に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリーンを示す値からリッチを示す値（又はその逆）に反転するまでの時間は短くなり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに基く空燃比フィードバック制御の見かけ上の無駄時間は減少する。
【００３４】
一方、このような見かけ上の無駄時間は、下流側空燃比センサ６７の出力に基く空燃比フィードバック制御の応答性を左右する空燃比フィードバック制御定数により変化する。例えば、フィードバック制御を比例積分制御で行うとすると、その比例ゲイン、及び積分ゲイン（即ち、フィードバックゲイン）を大きくすれば、触媒が劣化していない場合であっても、触媒下流側の空燃比がリーンからリッチへ移行するまでの時間、及びリッチからリーンへ移行するまでの時間を短くすることができる。しかしながら、そのように空燃比フィードバック制御定数を適合した場合に触媒が劣化してくると、制御される空燃比の荒れが大きくなりすぎてエミッションが悪化する。
【００３５】
このようなことから、本実施形態においては、三元触媒５３が劣化した触媒であると判定すべき程度に劣化したときに、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの前記目標値Voxsrefに対する収束性が最適となるように、前記空燃比フィードバック制御定数を適合しておく。つまり、三元触媒５３が劣化触媒となっているときに、同三元触媒５３の下流の空燃比が理論空燃比近傍の値となる頻度が最大となるように、フィードバック制御定数を適合するのである。この結果、三元触媒５３が劣化触媒となると、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比近傍の値に相当する目標値Voxsrefの近傍（目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値）となっている頻度が最大となる。
【００３６】
上記のように空燃比フィードバック制御定数を適合すると、三元触媒５３が劣化していない場合、上記見かけ上の無駄時間により、触媒下流側空燃比が理論空燃比から大きく変位している時間（頻度）は大きくなる。即ち、横軸に下流側空燃比センサ６７の出力Voxs、縦軸に頻度をとった図６の破線にて示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比に相当する目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値となる頻度は、同所定範囲外となる頻度よりも小さくなる。つまり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの分布曲線は、目標値Voxsref近傍を底部とする下に凸の曲線となる。
【００３７】
これに対し、三元触媒５３が劣化した場合、上記見かけ上の無駄時間は小さくなるから、触媒下流側空燃比が理論空燃比から大きく変位している時間（頻度）は小さくなる。即ち、図６の実線にて示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比に相当する目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値となる頻度は、同所定範囲外となる頻度よりも大きくなる。つまり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの分布曲線は、目標値Voxsref近傍を頂部とする上に凸の曲線となる。
【００３８】
本実施形態の触媒劣化判定装置は、かかる空燃比フィードバック制御下での下流側空燃比センサ６７の出力分布の相違、即ち、下流側空燃比センサ６７の出力の目標値への収束性の良否を示す収束度（収束の程度）に基いて触媒が劣化したか否かを判定する。ここで、収束度が高いとは、図６の実線に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsref近傍の値をとる頻度が大きいことである。
【００３９】
（実際の作動）
次に、上記のように構成された空燃比制御装置の実際の作動について、電気制御装置７０のＣＰＵ７１が実行するルーチンをフローチャートにより示した図７〜図１１を参照しながら説明する。
【００４０】
ＣＰＵ７１は、図７に示した最終燃料噴射量Ｆｉの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各気筒のクランク角が各吸気上死点前の所定クランク角度（例えば、ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、ＣＰＵ７１はステップ７００から処理を開始してステップ７０５に進み、エアフローメータ６１により計測された吸入空気量ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて、機関の空燃比を理論空燃比とするための基本燃料噴射量Ｆbaseをマップｆから求める。
【００４１】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ７１０に進み、基本燃料噴射量Ｆbaseに後述する空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを加えた値を最終燃料噴射量Ｆｉに設定し、続くステップ７１５にて同最終燃料噴射量Ｆｉの燃料を噴射するための指示を吸気行程直前にある気筒のインジェクタ３９に対して行う。その後、ＣＰＵ７１はステップ７９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正された最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
【００４２】
次に、上記空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの算出について説明すると、ＣＰＵ７１は図８に示したルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ８００から処理を開始し、ステップ８０５に進んで空燃比フィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。空燃比フィードバック制御条件は、例えば、機関の冷却水温THWが第１所定温度以上であり、機関の一回転当りの吸入空気量（負荷）が所定値以下であり、且つ、空燃比センサ６６，６７が正常であるときに成立する。
【００４３】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８１０に進み、現時点の上流側空燃比センサ６６の出力vabyfsと後述するサブフィードバック制御量vafsfbとの和（vabyfs＋vafsfb）を図３に示したマップに基いて変換することにより、現時点における三元触媒５３の上流側制御用空燃比abyfsを求める。
【００４４】
次に、ＣＰＵ７１はステップ８１５に進み、現時点からＮストローク（Ｎ回の吸気行程）前に吸気行程を迎えた気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を前記求めた上流側制御用空燃比abyfsで除することにより、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求める。値Ｎは、内燃機関の排気量、燃焼室２５から上流側空燃比センサ６６までの距離等により異なる値である。このように、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求めるために、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を上流側制御用空燃比abyfsで除するのは、燃焼室２５内で燃焼された混合気が上流側空燃比センサ６６に到達するまでには、Ｎストロークに相当する時間を要しているからである。なお、筒内吸入空気量Ｍｃは、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ６１の出力ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて求められ（例えば、エアフローメータ６１の出力ＡＦＭに一次遅れ処理を施した値をエンジン回転速度ＮＥで除することにより求められ）、各吸気行程に対応してＲＡＭ７３内に記憶されている。
【００４５】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ８２０に進み、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を現時点からＮストローク前の時点における目標空燃比abyfr（ｋ−Ｎ）（この例では、理論空燃比）で除することにより、現時点からＮストローク前の目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）を求める。そして、ＣＰＵ７１はステップ８２５に進んで目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）から筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を減じた値を筒内燃料供給量偏差ＤＦｃとして設定する。つまり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは、Ｎストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。次に、ＣＰＵ７１はステップ８３０に進み、下記数１に基いてフィードバック補正量ＤＦｉを求める。
【００４６】
【数１】
ＤＦｉ＝（Ｇｐ・ＤＦｃ＋Ｇｉ・ＳＤＦｃ）・ＫＦＢ
【００４７】
上記数１において、Ｇｐは予め設定された比例ゲイン、Ｇｉは予め設定された積分ゲインである。なお、数１の係数ＫＦＢはエンジン回転速度ＮＥ、及び筒内吸入空気量Ｍｃにより可変とすることが好適であるが、ここでは「１」としている。また、値ＳＤＦｃは筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値であり、次のステップ８３５にて更新される。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ８３５にてその時点における筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値ＳＤＦｃに上記ステップ８２５にて求めた筒内燃料供給量偏差ＤＦｃを加えて、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値ＳＤＦｃを求め、ステップ８９５にて本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正量ＤＦｉが求められ、このフィードバック補正量ＤＦｉが前述した図７のステップ７１０，７１５により燃料噴射量に反映されるので、Ｎストローク前の燃料供給量の過不足が補償され、空燃比の平均値が目標空燃比abyfrと略一致せしめられる。
【００４８】
一方、ステップ８０５の判定時において、空燃比フィードバック制御条件が不成立であると、ＣＰＵ７１は同ステップ８０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ８４０に進み、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの値を「０」に設定し、ステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、空燃比フィードバック制御条件が不成立であるときは、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを「０」として空燃比（基本燃料噴射量Ｆbase）の補正を行わない。
【００４９】
次に、下流側空燃比センサ６７の出力に基く空燃比フィードバック制御について説明する。なお、かかる制御はサブフィードバック制御とも呼ばれる。このサブフィードバック制御により、サブフィードバック制御量vafsfbが算出される。
【００５０】
ＣＰＵ７１は、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるために、図９に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。サブフィードバック制御条件は、例えば、前述したステップ８０５での空燃比フィードバック制御条件に加え、機関の冷却水温THWが前記第１所定温度よりも高い第２所定温度以上のときに成立する。
【００５１】
いま、サブフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、所定の目標値Voxrefから現時点の下流側空燃比センサ６７の出力Voxsを減じることにより、出力偏差量ＤVoxsを求める。この目標値Voxsrefは、三元触媒５３の浄化効率が良好（最良）となるように定められ、ここでは、理論空燃比に対応した値（例えば、０．５(Ｖ)）に設定されている。次に、ＣＰＵ７１はステップ９１５に進み、下記数２に基いてサブフィードバック制御量vafsfbを求める。
【００５２】
【数２】
vafsfb＝Ｋｐ・ＤVoxs＋Ｋｉ・ＳＤVoxs
【００５３】
上記数２において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン、Ｋｉは予め設定された積分ゲインである。この比例ゲインＫｐ、及び積分ゲインＫｉは、前述した空燃比フィードバック制御定数の一部を構成する劣化触媒に応じて（劣化したと判定すべき程度に劣化した三元触媒５３に応じて）適合すべき量である。つまり、比例ゲインＫｐ、及び積分ゲインＫｉは、劣化した触媒であると判定すべき程度に劣化した三元触媒５３に対して下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの前記目標値Voxsrefに対する収束性が最適となるように定められる値である。また、ＳＤVoxsは、出力偏差量ＤVoxsの積分値であって、次のステップ９２０にて更新される値である。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ９２０に進むと、その時点における出力偏差量の積分値ＳＤVoxsに上記ステップ９１０にて求めた出力偏差量ＤVoxsを加えて、新たな出力偏差量の積分値ＳＤVoxsを求め、その後、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００５４】
このようにして、サブフィードバック制御量vafsfbが求められ、この値は前述した図８のステップ８１０にて上流側空燃比センサ６６の実際の出力vabyfsに加えられ、その和（vabyfs + vafsfb）が図３に示したマップに基いて前記上流側制御用空燃比abyfsに変換される。換言すると、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに基いて求められる（修正される）上流側制御用空燃比abyfsは、上流側空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比に対して、サブフィードバック制御量vafsfbに相当する分だけ異なる空燃比として求められる。この結果、前述した図８のステップ８１５にて計算される筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）が下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに応じて変化し、ステップ８２５，８３０にてフィードバック補正量ＤＦｉが同下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに応じて変更せしめられる。これにより、三元触媒５３の下流側の空燃比が目標値Voxsrefに一致するように、機関の空燃比が制御せしめられる。
【００５５】
例えば、機関の平均的な空燃比がリーンであるために下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比よりもリーンである空燃比に対応した値を示すと、ステップ９１０にて求められる出力偏差量ＤVoxsが正の値となるので、ステップ９１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは正の値となる。従って、ステップ８１０にて求められるabyfsは上流側空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリーンな値（より大きな値）として求められる。このため、ステップ８１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は小さい値となり、ステップ８２５にて求められる筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは大きい正の値として求められるので、ステップ８３０にて求められる空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが大きい正の値となる。これにより、図７のステップ７１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも大きくなって、機関の空燃比がリッチとなるように制御される。
【００５６】
反対に、機関の平均的な空燃比がリッチであるために下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比よりもリッチ空燃比に対応した値を示すと、ステップ９１０にて求められる出力偏差量ＤVoxsが負の値となるので、ステップ９１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは負の値となる。従って、ステップ９１０にて求められるabyfsは上流側空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリッチな値（より小さな値）として求められる。このため、ステップ９１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は大きい値となり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは負の値として求められるので、フィードバック補正量ＤＦｉが負の値となる。これにより、図７のステップ７１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも小さくなって、機関の空燃比がリーンとなるように制御される。
【００５７】
次に、触媒劣化の判定を行うための作動について図１０、図１１を参照しながら説明する。図１０は、触媒劣化判定に使用する下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束性の良否を表す収束度（ある出力を発生した頻度）を取得するルーチンをフローチャートにより示したものである。ＣＰＵ７１は、この図１０のルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【００５８】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１０００から処理を開始し、ステップ１００２に進んで上述したサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定し、成立していなければ直ちにステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これは、サブフィードバック制御条件が成立して、下流側空燃比センサ６７による空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）が実行されている場合における同下流側空燃比センサ６７の出力分布（目標値Voxsrefに対する収束度）に基いて、触媒の劣化有無を判定するためである。
【００５９】
一方、サブフィードバック制御条件が成立していると、ＣＰＵ７１はステップ１００２にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１００４に進み、同ステップ１００４にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）より小さいか否かを判定し、小さい場合にはステップ１００６に進んでカウンタＣ０の値を１だけ増大し、その後、ステップ１００８に進む。一方、下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上であれば、ＣＰＵ７１はステップ１００４にて「Ｎｏ」と判定してステップ１００８に直接進む。
【００６０】
ＣＰＵ７１は、ステップ１００８にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上で、且つ０．２（Ｖ）より小さいか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定される場合にはステップ１０１０に進んでカウンタＣ１の値を１だけ増大し、その後、ステップ１０１２に進む。一方、ＣＰＵ７１は、ステップ１００８にて「Ｎｏ」と判定される場合には、直接ステップ１０１２に進む。
【００６１】
以下、ＣＰＵ７１は同様なステップの処理を行い、本ルーチンを実行する時点の下流側空燃比センサ出力Voxsの大きさに応じたカウンタＣ０〜Ｃ９の何れか一つの値を「１」だけ増大する。
【００６２】
即ち、下流側空燃比センサ出力Voxsが、０．２（Ｖ）以上であって０．３（Ｖ）未満のときはカウンタＣ２、０．３（Ｖ）以上であって０．４（Ｖ）未満のときはカウンタＣ３、０．４（Ｖ）以上であって０．５（Ｖ）未満のときはカウンタＣ４、０．５（Ｖ）以上であって０．６（Ｖ）未満のときはカウンタＣ５、０．６（Ｖ）以上であって０．７（Ｖ）未満のときはカウンタＣ６、０．７（Ｖ）以上であって０．８（Ｖ）未満のときはカウンタＣ７、０．８（Ｖ）以上であって０．９（Ｖ）未満のときはカウンタＣ８、及び０．９（Ｖ）以上であるときはカウンタＣ９の値をそれぞれ「１」だけ増大する。
【００６３】
そして、ＣＰＵ７１はステップ１０４４に進むと、同ステップ１０４４にてカウンタｎの値を「１」だけ増大する。従って、このカウンタｎの値は、出力分布のサンプリング回数を示す値となる。その後、ＣＰＵ７１はステップ１０９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００６４】
また、ＣＰＵ７１は、図１１にフローチャートにより示した三元触媒５３が劣化したか否かを判定するためのルーチン（触媒劣化判定ルーチン）の処理を所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１１００から処理を開始し、ステップ１１０５に進んで上記カウンタｎの値が十分なサンプリングが行われたことを示す基準値ｎ０以上となったか否かを判定する。このとき、カウンタｎの値が基準値ｎ０より小さければ、ＣＰＵ７１は触媒劣化判定を行うことなく、直接ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００６５】
一方、図１０に示したルーチンが、触媒劣化を判定するために十分な回数だけ行われると、カウンタｎの値は基準値ｎ０以上となる。この場合、ＣＰＵ７１はステップ１１０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１１０に進み、カウンタＣ０〜Ｃ９の値を用いて触媒劣化判定を行う。具体的に述べると、ＣＰＵ７１は、図１２に示した判定マップを参照してカウンタＣ０〜Ｃ９のうち劣化領域に存在するカウンタの個数を調べ、その個数が所定個数（例えば３個、または４個）以上であれば三元触媒５３は劣化したものと判定する。図１２に示した判定マップの境界線Ｌは、カウンタＣ４,Ｃ５の値が最も小さく、カウンタＣ３,Ｃ２,Ｃ１,Ｃ０の順に、及びカウンタＣ６,Ｃ７,Ｃ８,Ｃ９の順に次第にその値が大きくなるように構成された線である。これにより、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが、図６に示した実線、又は破線の何れであるか、換言すると、下流側空燃比センサ出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度が高いか否かが判定され、その結果により触媒が劣化したか否かが判定される。
【００６６】
その後、ＣＰＵ７１はステップ１１１５にて触媒が劣化したか否かの判定結果をバックアップＲＡＭ７４に格納し、ステップ１１２０にてカウンタｎの値を「０」に設定するとともに、続くステップ１１２５にてカウンタＣ０〜Ｃ９の値を「０」に設定し、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、再度、カウンタｎの値が基準値ｎ０となるまで、カウンタＣ０〜Ｃ９の値が更新され、カウンタｎの値が基準値ｎ０となると更新されたカウンタＣ０〜Ｃ９の値に基づいて触媒劣化判定が行われる。
【００６７】
以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsrefと等しくなるように、且つ、三元触媒５３が劣化触媒であると判定される程度にまで劣化した際に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsrefを含む所定範囲（例えば、カウンタＣ４,Ｃ５に相当する出力範囲である０．４〜０．６(Ｖ)）内の値を示す時間的頻度が最も大きくなるように空燃比フィードバック制御がなされ、同時に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度に基いて三元触媒５３が劣化したか否かを判定する（例えば、「収束度合い」を図１２の劣化領域に存在する前記カウンタＣ０〜Ｃ９の個数とすれば、同収束度合いが所定値以上となったときに三元触媒５３が劣化したと判定する。）。
【００６８】
このような触媒劣化判定方法は、通常の空燃比フィードバック（サブフィードバック）における空燃比変動を伴うのみであって、従来技術のように機関が定常状態にあるときに空燃比を強制的に変化させないので、触媒劣化判定をドライバビリティの悪化を招くことなく行うことができる。また、三元触媒５３が劣化触媒であると判定される程度にまで劣化した際に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値を示す時間的頻度が最も大きくなるように空燃比フィードバック制御がなされるから、三元触媒５３が劣化した場合に空燃比が理論空燃比近傍に維持され易くなるため、三元触媒５３による浄化を期待することができ、従って、エミッションを良好なものとすることができる。
【００６９】
次に、上記実施形態の変形例について図１３〜図１５を参照して説明する。この変形例は、図１０にフローチャートにより示したルーチンに代えて、図１４にフローチャートにより示したルーチンを採用する点のみにおいて、上記実施形態と異なっている。従って、以下、かかる相違点についてのみ説明を加える。
【００７０】
上記実施形態は、下流側空燃比センサ出力Voxsに基く空燃比フィードバック制御（サブフィードバック）を行った場合に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束性（収束度、収束の程度）が三元触媒５３の劣化の程度に応じて変化するとの知見に基いて、三元触媒５３の劣化判定を行っていた。しかしながら、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束性は、触媒の劣化程度が同じであっても、内燃機関の運転状態、特に、筒内吸入空気量（一回の吸気行程あたりにその気筒が吸入する空気量）ＫＬ、及びエンジン回転速度ＮＥに応じて変化する。
【００７１】
即ち、図１３に示したように、筒内吸入空気量ＫＬ、及びエンジン回転速度ＮＥが大きい領域では、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束性は良好で、反対に、筒内吸入空気量ＫＬ、及びエンジン回転速度ＮＥが小さい領域では、同収性は低下する。従って、これらの運転状態に拘らず、一律に前記収束度を求めると、触媒が劣化していないのにも拘らず劣化していると判定する可能性がある。そこで、本変形例では、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束度（収束の程度）に影響を及ぼす機関運転状態を考慮して、同収束度を求めることにより、触媒劣化判定の精度を高めた。
【００７２】
具体的に述べると、ＣＰＵ７１は図１４に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１４００から処理を開始し、ステップ１４０２に進んで上述したサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定し、成立していなければ直ちにステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。ステップ１４０２の意義は、ステップ１００２の意義と同じである。
【００７３】
一方、サブフィードバック制御条件が成立していると、ＣＰＵ７１はステップ１４０２にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１４０４に進み、重み（加算値）ｇを算出する。具体的に述べると、ＣＰＵ７１はその時点のエンジン回転速度ＮＥと図１５（Ａ）に示したマップとに基いて第１重み係数ｇ１を求めるとともに、その時点の筒内吸入空気量ＫＬと図１５（Ｂ）に示したマップとに基いて第２重み係数ｇ２を求め、前記第１重み係数ｇ１と前記第２重み係数ｇ２との積（ｇ１・ｇ２）を重みｇとして算出する。図１５（Ａ）に示したマップは、エンジン回転速度ＮＥが大きくなるに連れて第１重み係数ｇ１が大きくなるように設定され、図１５（Ｂ）に示したマップは、筒内吸入空気量ＫＬが大きくなるに連れて第２重み係数ｇ２が大きくなるように設定されている。この結果、エンジン回転速度ＮＥが大きいほど、また、筒内吸入空気量ＫＬが大きいほど大きい値を有する重みｇが求められる。
【００７４】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１４０６に進み、同ステップ１４０６にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）より小さいか否かを判定し、小さい場合にはステップ１４０８に進んでカウンタＣ０の値を上記求められた重みｇだけ増大し、その後、ステップ１４１０に進む。一方、下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上であれば、ＣＰＵ７１はステップ１４０６にて「Ｎｏ」と判定してステップ１４１０に直接進む。
【００７５】
ＣＰＵ７１は、ステップ１４１０にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上で、且つ０．２（Ｖ）より小さいか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定される場合にはステップ１４１２に進んでカウンタＣ１の値を上記重みｇだけ増大し、その後、ステップ１４１４に進む。一方、ＣＰＵ７１は、ステップ１４１０にて「Ｎｏ」と判定される場合には、直接ステップ１４１４に直接進む。
【００７６】
以下、ＣＰＵ７１は同様なステップの処理を行い、本ルーチンを実行する時点の下流側空燃比センサ出力Voxsの大きさに応じたカウンタＣ０〜Ｃ９の何れか一つの値を上記重み「ｇ」だけ増大する。そして、ＣＰＵ７１はステップ１４４６に進んでカウンタｎの値を「１」だけ増大し、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００７７】
このようにして、カウンタＣ０〜Ｃ９の値は、前記空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）下での下流側空燃比センサ出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度に影響を与える機関の運転状態に応じて増大されることになる。換言すると、下流側空燃比センサ出力Voxsがある値であるとき、その値に対応する頻度がその時点の機関運転状態に応じて重み付けされて増大される。即ち、下流側空燃比センサ出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度が高くなる（収束性が良好となる）機関の運転状態における下流側空燃比センサ出力Voxsの値を、他の運転状態における下流側空燃比センサ出力Voxsの値よりも尊重し、収束度（頻度）に大きく反映させる。この結果、三元触媒５３の劣化度を精度良く表す収束度を得ることができるので、三元触媒５３が劣化しているか否かの判定をより精度良く行うことができる。
【００７８】
以上、説明したように、本発明による触媒劣化判定装置の実施形態とその変形例によれば、従来技術のように定常運転時における空燃比の強制的な変更を必要としないので、ドライバビリティを悪化させることなく三元触媒５３が劣化しているか否かを判定することができる。また、通常の空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）中に触媒劣化判定がなされるので、触媒劣化判定の機会を多く確保できるので、三元触媒５３が劣化したか否かを遅滞なく判定することができる。
【００７９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、三元触媒５３の劣化判定は、上記カウンタＣ０〜Ｃ９のうち、ピーク値（最大値）を示すカウンタを探索し、そのカウンタがＣ４又はＣ５の何れかであれば、三元触媒５３が劣化したものと判定するように構成してもよい。また、変形例において、重みｇを決定する機関運転状態は、機関の単位時間当りの吸入空気量Gaであってもよい。また、サブフィードバック制御は、上記ＰＩ制御でなく、ＰＩＤ制御であってもよい。更に、下流側空燃比センサ６７は、上流側空燃比センサ６６と同様な空燃比センサであってもよい。また、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsのみに基づいて機関の空燃比をフィードバック制御するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による触媒劣化判定装置を適用した内燃機関の概略図である。
【図２】 図１に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気量との関係を示したマップである。
【図３】 図１に示した上流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図４】 図１に示した下流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図５】 （Ａ）は三元触媒が劣化していない場合の空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）における下流側空燃比センサの出力波形を示したタイムチャートであり、（Ｂ）は三元触媒が劣化した場合の空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）における下流側空燃比センサの出力波形を示したタイムチャートである。
【図６】 空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）における下流側空燃比センサの出力分布を示したグラフである。
【図７】 図１に示したＣＰＵが実行する燃料噴射量計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図８】 図１に示したＣＰＵが実行する空燃比フィードバック補正量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図９】 図１に示したＣＰＵが実行するサブフィードバック制御量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１０】 触媒劣化判定に使用する下流側空燃比センサ出力の目標値に対する収束度（ある出力を発生した頻度）を取得するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】 図１に示したＣＰＵが実行する三元触媒が劣化したか否かを判定するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１２】 図１に示したＣＰＵが図１１に示したルーチンを実行する際に参照するマップである。
【図１３】 空燃比フィードバック制御における下流側空燃比センサ出力の収束性について説明するための図である。
【図１４】 図１に示した触媒劣化判定装置の変形例において、触媒劣化判定に使用する下流側空燃比センサ出力の目標値に対する収束度を取得するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１５】 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示したＣＰＵが図１４に示したルーチンを実行する際に使用するマップである。
【符号の説明】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３９…インジェクタ、５２…エキゾーストパイプ（排気管）、５３…三元触媒、６６…上流側空燃比センサ、６７…下流側空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に配設された三元触媒が劣化したか否かを判定する触媒劣化判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒（本明細書においては、単に「触媒」とも云うこともある。）が、同機関の排気通路に配設されている。この三元触媒は、酸素を貯蔵するＯ2ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有していて、流入するガスの空燃比がリッチである場合には貯蔵している酸素によりＨＣ,ＣＯ等の未燃成分を酸化するとともに、流入するガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して同ＮＯｘから奪った酸素を内部に貯蔵する。これにより、三元触媒は、機関の空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、未燃成分や窒素酸化物を浄化することができる。従って、三元触媒が貯蔵し得る酸素量（以下、「酸素吸蔵量」と称呼する。）の最大値（以下、「最大酸素吸蔵量」と称呼する。）が大きいほど、三元触媒の浄化能力は高い。
【０００３】
ところで、三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化する。その結果、三元触媒の酸素吸蔵機能は次第に低下する。即ち、三元触媒の劣化が進行するほど、同触媒の最大酸素吸蔵量は低下する。このことから、三元触媒の最大酸素吸蔵量が推定できれば、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて三元触媒が劣化したか否かを判定することができる。
【０００４】
特開平５−１３３２６４号公報に開示された触媒劣化度判定装置は、このような知見に基いてなされたものであって、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比からリーン空燃比（又は、その逆）に強制的に変化させ、その際における三元触媒下流に配置した空燃比センサ（以下、「下流側空燃比センサ」と称呼する。）の出力に基いて同触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒が劣化したか否かを判定するように構成されている。
【０００５】
より具体的に述べると、上記開示された装置は、触媒上流の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御して酸素吸蔵量を「０」にしておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以上となって触媒下流の空燃比センサの出力がリーンへと変化するまでの時間と同触媒に単位時間当りに流入した酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。或いは、触媒上流の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御して酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量としておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が「０」となって触媒下流の空燃比センサの出力がリッチへと変化するまでの時間と同触媒内で単位時間当りに放出（消費）された酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。
【０００６】
このように、上記開示された装置によれば、最大酸素吸蔵量を推定するために触媒に流入する酸素量、或いは触媒で消費される酸素量を計測する必要がある。この酸素量は機関の吸入空気量に基づいて計測される。従って、最大酸素吸蔵量を精度良く求めるためには、機関の吸入空気量が精度良く計測されなければならない。このため、上記触媒劣化度の判定は、吸入空気量が精度良く計測可能な運転状態、即ち、機関が定常運転されているときに行われる必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関の定常状態が長時間継続する保証はないので、最大酸素吸蔵量の測定を短期間に終了させる必要があり、このため、前述した所定のリッチ空燃比と所定のリーン空燃比の差は比較的大きく設定されなければならない。この結果、かかる大きな空燃比変化に伴って機関の出力が変動し、ドライバビリティが悪化するという問題がある。また、機関の出力が安定している定常運転にあるときに空燃比の強制的変化が開始されるため、機関の出力変動が運転者に感知され易く、ドライバビリティの悪化が感知され易いという問題がある。従って、本発明の目的は、ドライバビリティを犠牲にすることなく、触媒が劣化しているか否かを精度良く判定し得る触媒劣化判定装置を提供することにある。
【０００８】
【本発明の概要】
本発明の特徴は、内燃機関の排気通路に配設された三元触媒と、前記三元触媒下流の前記排気通路に配設された空燃比センサと、前記空燃比センサの出力が前記三元触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように同空燃比センサの出力と同目標値との偏差である出力偏差量に基くＰＩ制御又はＰＩＤ制御により前記機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、前記空燃比センサの出力に基いて前記三元触媒が劣化したか否かを判定する触媒劣化判定手段とを備えた触媒劣化判定装置において、前記空燃比フィードバック制御手段による前記空燃比のフィードバック制御におけるフィードバックゲインは、前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に前記三元触媒が劣化した際に前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が最大となり、劣化していない三元触媒に対する同空燃比センサの出力が同目標値を含む同所定範囲内の値となっている時間的頻度よりも大きくなるように、予め定められており、前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比フィードバック制御下で、前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む前記所定範囲内の値となる時間的頻度に基いて算出される同空燃比センサの出力の同目標値に対する収束度合いが所定値以上となったときに前記三元触媒が劣化したと判定するように構成されたことにある。
【０００９】
これによれば、前記空燃比フィードバック制御手段により、三元触媒下流の排気通路に配設された空燃比センサの出力が所定の目標値と一致するように、機関の空燃比がフィードバック制御される。この目標値は、三元触媒の浄化効率が良好となるように選ばれ、一般には、理論空燃比近傍の空燃比を表す値とされる。
【００１０】
一方、三元触媒が劣化するとその最大酸素吸蔵量が低下してくるから、同三元触媒上流の空燃比変化が比較的単時間内に同触媒下流に現われる。換言すると、触媒の劣化程度に応じて、見かけ上の制御の無駄時間が変化する。従って、前記空燃比センサの出力に基づく前記空燃比フィードバック制御におけるフィードバックゲインが同一であっても、触媒の劣化程度により同空燃比センサの前記目標値への収束性は変化し、前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が変化する。
【００１１】
これに対し、本発明におけるフィードバックゲインは、前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に劣化した三元触媒に対して前記空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束性が最適となるように定められる。即ち、そのフィードバックゲインは前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に前記三元触媒が劣化した際に前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が最大となるように予め定められている。これにより、触媒が劣化した触媒であると判定される程度にまで劣化したとき、空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束性は最適となる。上記触媒劣化判定手段は、かかる現象を利用して触媒が劣化したか否かを判定する。即ち、上記触媒劣化判定手段は、通常行われる空燃比の変化が比較的小さい空燃比フィードバック制御下において、前記空燃比センサ出力が前記目標値を含む前記所定範囲内の値となる時間的頻度に基いて算出される同空燃比センサの出力の同目標値に対する収束度合いが所定値以上となったときに、三元触媒が劣化したと判定する。
【００１２】
このように、本発明によれば、機関が定常運転されているときに空燃比が強制的に変更されることはなく、実質的な空燃比変化幅が小さい空燃比フィードバック制御中に三元触媒が劣化したか否かが判定される。この結果、ドライバビリティを犠牲とすることなく三元触媒が劣化したか否かを判定することができる。しかも、本発明によれば、三元触媒が劣化した触媒であると判定すべき程度にまで劣化した場合に、空燃比フィードバック制御の収束性が最適になるから、同触媒の浄化能力を有効に利用できるので、触媒劣化時においても排気ガスを良好に浄化することができる。
【００１３】
この場合において、前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束度合いを、同空燃比センサの出力が同目標値を含む所定範囲内の値となる時間的頻度と、同空燃比センサの出力が同所定範囲外の値となる時間的頻度とに基いて決定することが好適である。
【００１４】
これによれば、空燃比センサの出力の目標値に対する収束性を表す値を、簡単な構成により取得することができる。
【００１５】
更に、機関の吸入空気量や機関の回転速度が異なると、同一の三元触媒を使用した場合であっても、空燃比フィードバック制御下での空燃比センサの出力の目標値に対する収束度は異なるから、これらの運転状態に応じて前記時間的頻度に重み付けして前記収束度合いを求めることにより、前記収束度合いが三元触媒の劣化度をより一層精度良く表す値となる。この結果、三元触媒が劣化しているか否かの判定をより精度良く行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による触媒劣化判定装置を含む空燃比制御装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、そのような触媒劣化判定装置を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。
【００１７】
この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００１８】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。
【００１９】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）３９を備えている。
【００２０】
吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し同吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、スロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａ、スワールコントロールバルブ（以下、「ＳＣＶ」と称呼する。）４４、及びＤＣモータからなるＳＣＶアクチュエータ４４ａを備えている。
【００２１】
排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設（介装）された上流側の三元触媒（上流側触媒コンバータ、又はスタート・キャタリティック・コンバータとも云う。）５３、及び上流側の三元触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設（介装）された下流側三元触媒（車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・キャタリティック・コンバータとも云う。）５４を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。なお、本触媒劣化判定装置は、上流側の三元触媒５３が劣化したか否かを判定するものである。
【００２２】
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、三元触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６６（以下、「上流側空燃比センサ６６」と称呼する。）、三元触媒５３の下流であって三元触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７（以下、「下流側空燃比センサ６７」と称呼する。）、及びアクセル開度センサ６８を備えている。
【００２３】
熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ６１の出力Vgと、計測された吸入空気量（流量）ＡＦＭとの関係は、図２に示したとおりである。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度ＮＥを表す。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【００２４】
上流側空燃比センサ６６は、図３に示したように、空燃比Ａ／Ｆに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfsを出力するようになっている。図３から明らかなように、上流側空燃比センサ６６によれば、広範囲にわたる空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出することができる。下流側空燃比センサ６７は、図４に示したように、理論空燃比において急変する電圧Voxsを出力するようになっている。より具体的に述べると、下流側センサ６７は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略０．１（Ｖ）、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略０．９（Ｖ）、及び空燃比が理論空燃比のときは略０．５（Ｖ）の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ６８は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、同アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００２５】
電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、及びＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６８と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６８からの信号を供給するとともに、同ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、インジェクタ３９、スロットル弁アクチュエータ４３ａ、及びＳＣＶアクチュエータ４４ａに駆動信号を送出するようになっている。
【００２６】
（触媒劣化判定の原理）
ところで、三元触媒５３（三元触媒５４も同様である。）は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分（ＨＣ,ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を有する。更に、三元触媒５３は、酸素を貯蔵する機能（酸素貯蔵機能、Ｏ2ストレージ機能）を有し、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ,ＣＯ、及びＮＯｘを浄化することができる。即ち、機関の空燃比がリーンとなって三元触媒に流入するガスにＮＯｘが多量に含まれると、三元触媒５３はＮＯｘから酸素分子を奪ってＮＯｘを還元し、これによりＮＯｘを浄化する。また、機関の空燃比がリッチになって三元触媒に流入するガスにＨＣ,ＣＯが多量に含まれると、三元触媒はこれらに酸素分子を与えて酸化し、これによりＨＣ,ＣＯを浄化する。
【００２７】
従って、三元触媒５３が連続的に流入する多量のＨＣ,ＣＯを効率的に浄化するためには、同三元触媒５３が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に連続的に流入する多量のＮＯｘを効率的に浄化するためには、同三元触媒５３が酸素を十分に貯蔵し得なければならないことになる。以上のことから明らかなように、三元触媒５３の浄化能力は、同三元触媒が貯蔵し得る最大の酸素量（最大酸素吸蔵量）に依存する。
【００２８】
一方、三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化するから、次第に最大酸素吸蔵量が低下してくる。このように最大酸素吸蔵量が低下した場合であっても、エミッションを良好に維持するには、三元触媒から排出されるガスの空燃比が理論空燃比に極めて近い状態となるように制御する必要がある。
【００２９】
そこで、本実施形態の触媒劣化判定装置は、下流側空燃比センサ６７の出力が理論空燃比に略相当する目標値（つまり、三元触媒５３の浄化効率が良好となるための目標値）Voxsrefとなるように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに応じて機関の空燃比をフィードバック制御する（本実施形態では、上流側空燃比センサ出力vabyfsにも応じて空燃比をフィードバック制御する。）。即ち、下流側空燃比センサ６７の出力が理論空燃比よりリーンの空燃比を表す値となると機関の空燃比をリッチ側に制御し、下流側空燃比センサ６７の出力が理論空燃比よりリッチの空燃比を表す値となると機関の空燃比をリーン側に制御する。
【００３０】
ところで、三元触媒５３が劣化していない場合、最大酸素吸蔵量は大きい。これにより、図５（Ａ）に示したように、例えば、時刻ｔ１において下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリッチを表す値からリーンを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリッチに変更しても、その後、多量のＨＣ，ＣＯが三元触媒５３内に貯蔵されている酸素により酸化され続ける。この結果、三元触媒５３の下流にリッチの空燃比を有するガスが流出するまでの時間（例えば、時刻ｔ１〜ｔ２）は長くなる。換言すると、それまでの間は、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsはリーンを表す値を示し続ける。
【００３１】
同様に、例えば、時刻ｔ２において下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリーンを表す値からリッチを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリーンに変更しても、その後、三元触媒５３内において多量のＮＯｘが還元されるとともに、三元触媒に流入するガス中の酸素が同三元触媒５３に吸着され続けるから、同三元触媒５３の下流にリーンの空燃比を有するガスが流出するまでの時間（例えば、時刻ｔ２〜ｔ３）は長くなる。換言すると、それまでの間は、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsはリッチを表す値を示し続ける。このように、三元触媒５３が劣化していない場合、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに基く空燃比フィードバック制御の見かけ上の無駄時間が増加する。
【００３２】
これに対し、三元触媒が劣化している場合、最大酸素吸蔵量は小さくなる。これにより、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリッチを表す値からリーンを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリッチに変更すると、三元触媒５３内の酸素が短時間で消費され尽くす。このため、三元触媒下流にリッチの空燃比を有するガスが流出するまでの時間は短くなり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsは短時間内にリーンを表す値からリッチを表す値に変化する。
【００３３】
同様に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリーンを表す値からリッチを表す値へ変化したことに伴って機関の空燃比をリーンに変更すると、その後、ＮＯｘから奪った（吸蔵した）酸素の量、及び三元触媒に流入するガスから奪った（吸蔵した）酸素の量が直ちに最大酸素吸蔵量に達する。このため、三元触媒下流にリーンの空燃比を有するガスが流出するまでの時間は短くなり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsは短時間内にリッチを表す値からリーンを表す値に変化する。即ち、三元触媒が劣化している場合には、図５（Ｂ）に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsがリーンを示す値からリッチを示す値（又はその逆）に反転するまでの時間は短くなり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに基く空燃比フィードバック制御の見かけ上の無駄時間は減少する。
【００３４】
一方、このような見かけ上の無駄時間は、下流側空燃比センサ６７の出力に基く空燃比フィードバック制御の応答性を左右する空燃比フィードバック制御定数により変化する。例えば、フィードバック制御を比例積分制御で行うとすると、その比例ゲイン、及び積分ゲイン（即ち、フィードバックゲイン）を大きくすれば、触媒が劣化していない場合であっても、触媒下流側の空燃比がリーンからリッチへ移行するまでの時間、及びリッチからリーンへ移行するまでの時間を短くすることができる。しかしながら、そのように空燃比フィードバック制御定数を適合した場合に触媒が劣化してくると、制御される空燃比の荒れが大きくなりすぎてエミッションが悪化する。
【００３５】
このようなことから、本実施形態においては、三元触媒５３が劣化した触媒であると判定すべき程度に劣化したときに、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの前記目標値Voxsrefに対する収束性が最適となるように、前記空燃比フィードバック制御定数を適合しておく。つまり、三元触媒５３が劣化触媒となっているときに、同三元触媒５３の下流の空燃比が理論空燃比近傍の値となる頻度が最大となるように、フィードバック制御定数を適合するのである。この結果、三元触媒５３が劣化触媒となると、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比近傍の値に相当する目標値Voxsrefの近傍（目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値）となっている頻度が最大となる。
【００３６】
上記のように空燃比フィードバック制御定数を適合すると、三元触媒５３が劣化していない場合、上記見かけ上の無駄時間により、触媒下流側空燃比が理論空燃比から大きく変位している時間（頻度）は大きくなる。即ち、横軸に下流側空燃比センサ６７の出力Voxs、縦軸に頻度をとった図６の破線にて示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比に相当する目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値となる頻度は、同所定範囲外となる頻度よりも小さくなる。つまり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの分布曲線は、目標値Voxsref近傍を底部とする下に凸の曲線となる。
【００３７】
これに対し、三元触媒５３が劣化した場合、上記見かけ上の無駄時間は小さくなるから、触媒下流側空燃比が理論空燃比から大きく変位している時間（頻度）は小さくなる。即ち、図６の実線にて示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比に相当する目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値となる頻度は、同所定範囲外となる頻度よりも大きくなる。つまり、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの分布曲線は、目標値Voxsref近傍を頂部とする上に凸の曲線となる。
【００３８】
本実施形態の触媒劣化判定装置は、かかる空燃比フィードバック制御下での下流側空燃比センサ６７の出力分布の相違、即ち、下流側空燃比センサ６７の出力の目標値への収束性の良否を示す収束度（収束の程度）に基いて触媒が劣化したか否かを判定する。ここで、収束度が高いとは、図６の実線に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsref近傍の値をとる頻度が大きいことである。
【００３９】
（実際の作動）
次に、上記のように構成された空燃比制御装置の実際の作動について、電気制御装置７０のＣＰＵ７１が実行するルーチンをフローチャートにより示した図７〜図１１を参照しながら説明する。
【００４０】
ＣＰＵ７１は、図７に示した最終燃料噴射量Ｆｉの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各気筒のクランク角が各吸気上死点前の所定クランク角度（例えば、ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、ＣＰＵ７１はステップ７００から処理を開始してステップ７０５に進み、エアフローメータ６１により計測された吸入空気量ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて、機関の空燃比を理論空燃比とするための基本燃料噴射量Ｆbaseをマップｆから求める。
【００４１】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ７１０に進み、基本燃料噴射量Ｆbaseに後述する空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを加えた値を最終燃料噴射量Ｆｉに設定し、続くステップ７１５にて同最終燃料噴射量Ｆｉの燃料を噴射するための指示を吸気行程直前にある気筒のインジェクタ３９に対して行う。その後、ＣＰＵ７１はステップ７９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正された最終燃料噴射量Ｆｉの燃料が吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
【００４２】
次に、上記空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの算出について説明すると、ＣＰＵ７１は図８に示したルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ８００から処理を開始し、ステップ８０５に進んで空燃比フィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。空燃比フィードバック制御条件は、例えば、機関の冷却水温THWが第１所定温度以上であり、機関の一回転当りの吸入空気量（負荷）が所定値以下であり、且つ、空燃比センサ６６，６７が正常であるときに成立する。
【００４３】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８１０に進み、現時点の上流側空燃比センサ６６の出力vabyfsと後述するサブフィードバック制御量vafsfbとの和（vabyfs＋vafsfb）を図３に示したマップに基いて変換することにより、現時点における三元触媒５３の上流側制御用空燃比abyfsを求める。
【００４４】
次に、ＣＰＵ７１はステップ８１５に進み、現時点からＮストローク（Ｎ回の吸気行程）前に吸気行程を迎えた気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を前記求めた上流側制御用空燃比abyfsで除することにより、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求める。値Ｎは、内燃機関の排気量、燃焼室２５から上流側空燃比センサ６６までの距離等により異なる値である。このように、現時点からＮストローク前の筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を求めるために、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を上流側制御用空燃比abyfsで除するのは、燃焼室２５内で燃焼された混合気が上流側空燃比センサ６６に到達するまでには、Ｎストロークに相当する時間を要しているからである。なお、筒内吸入空気量Ｍｃは、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ６１の出力ＡＦＭと、エンジン回転速度ＮＥとに基いて求められ（例えば、エアフローメータ６１の出力ＡＦＭに一次遅れ処理を施した値をエンジン回転速度ＮＥで除することにより求められ）、各吸気行程に対応してＲＡＭ７３内に記憶されている。
【００４５】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ８２０に進み、現時点からＮストローク前の筒内吸入空気量Ｍｃ（ｋ−Ｎ）を現時点からＮストローク前の時点における目標空燃比abyfr（ｋ−Ｎ）（この例では、理論空燃比）で除することにより、現時点からＮストローク前の目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）を求める。そして、ＣＰＵ７１はステップ８２５に進んで目標筒内燃料供給量Ｆｃｒ（ｋ−Ｎ）から筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）を減じた値を筒内燃料供給量偏差ＤＦｃとして設定する。つまり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは、Ｎストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。次に、ＣＰＵ７１はステップ８３０に進み、下記数１に基いてフィードバック補正量ＤＦｉを求める。
【００４６】
【数１】
ＤＦｉ＝（Ｇｐ・ＤＦｃ＋Ｇｉ・ＳＤＦｃ）・ＫＦＢ
【００４７】
上記数１において、Ｇｐは予め設定された比例ゲイン、Ｇｉは予め設定された積分ゲインである。なお、数１の係数ＫＦＢはエンジン回転速度ＮＥ、及び筒内吸入空気量Ｍｃにより可変とすることが好適であるが、ここでは「１」としている。また、値ＳＤＦｃは筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値であり、次のステップ８３５にて更新される。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ８３５にてその時点における筒内燃料供給量偏差ＤＦｃの積分値ＳＤＦｃに上記ステップ８２５にて求めた筒内燃料供給量偏差ＤＦｃを加えて、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値ＳＤＦｃを求め、ステップ８９５にて本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正量ＤＦｉが求められ、このフィードバック補正量ＤＦｉが前述した図７のステップ７１０，７１５により燃料噴射量に反映されるので、Ｎストローク前の燃料供給量の過不足が補償され、空燃比の平均値が目標空燃比abyfrと略一致せしめられる。
【００４８】
一方、ステップ８０５の判定時において、空燃比フィードバック制御条件が不成立であると、ＣＰＵ７１は同ステップ８０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ８４０に進み、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉの値を「０」に設定し、ステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、空燃比フィードバック制御条件が不成立であるときは、空燃比フィードバック補正量ＤＦｉを「０」として空燃比（基本燃料噴射量Ｆbase）の補正を行わない。
【００４９】
次に、下流側空燃比センサ６７の出力に基く空燃比フィードバック制御について説明する。なお、かかる制御はサブフィードバック制御とも呼ばれる。このサブフィードバック制御により、サブフィードバック制御量vafsfbが算出される。
【００５０】
ＣＰＵ７１は、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるために、図９に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。サブフィードバック制御条件は、例えば、前述したステップ８０５での空燃比フィードバック制御条件に加え、機関の冷却水温THWが前記第１所定温度よりも高い第２所定温度以上のときに成立する。
【００５１】
いま、サブフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、所定の目標値Voxrefから現時点の下流側空燃比センサ６７の出力Voxsを減じることにより、出力偏差量ＤVoxsを求める。この目標値Voxsrefは、三元触媒５３の浄化効率が良好（最良）となるように定められ、ここでは、理論空燃比に対応した値（例えば、０．５(Ｖ)）に設定されている。次に、ＣＰＵ７１はステップ９１５に進み、下記数２に基いてサブフィードバック制御量vafsfbを求める。
【００５２】
【数２】
vafsfb＝Ｋｐ・ＤVoxs＋Ｋｉ・ＳＤVoxs
【００５３】
上記数２において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン、Ｋｉは予め設定された積分ゲインである。この比例ゲインＫｐ、及び積分ゲインＫｉは、前述した空燃比フィードバック制御定数の一部を構成する劣化触媒に応じて（劣化したと判定すべき程度に劣化した三元触媒５３に応じて）適合すべき量である。つまり、比例ゲインＫｐ、及び積分ゲインＫｉは、劣化した触媒であると判定すべき程度に劣化した三元触媒５３に対して下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの前記目標値Voxsrefに対する収束性が最適となるように定められる値である。また、ＳＤVoxsは、出力偏差量ＤVoxsの積分値であって、次のステップ９２０にて更新される値である。即ち、ＣＰＵ７１は、ステップ９２０に進むと、その時点における出力偏差量の積分値ＳＤVoxsに上記ステップ９１０にて求めた出力偏差量ＤVoxsを加えて、新たな出力偏差量の積分値ＳＤVoxsを求め、その後、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００５４】
このようにして、サブフィードバック制御量vafsfbが求められ、この値は前述した図８のステップ８１０にて上流側空燃比センサ６６の実際の出力vabyfsに加えられ、その和（vabyfs + vafsfb）が図３に示したマップに基いて前記上流側制御用空燃比abyfsに変換される。換言すると、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに基いて求められる（修正される）上流側制御用空燃比abyfsは、上流側空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比に対して、サブフィードバック制御量vafsfbに相当する分だけ異なる空燃比として求められる。この結果、前述した図８のステップ８１５にて計算される筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）が下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに応じて変化し、ステップ８２５，８３０にてフィードバック補正量ＤＦｉが同下流側空燃比センサ６７の出力Voxsに応じて変更せしめられる。これにより、三元触媒５３の下流側の空燃比が目標値Voxsrefに一致するように、機関の空燃比が制御せしめられる。
【００５５】
例えば、機関の平均的な空燃比がリーンであるために下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比よりもリーンである空燃比に対応した値を示すと、ステップ９１０にて求められる出力偏差量ＤVoxsが正の値となるので、ステップ９１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは正の値となる。従って、ステップ８１０にて求められるabyfsは上流側空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリーンな値（より大きな値）として求められる。このため、ステップ８１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は小さい値となり、ステップ８２５にて求められる筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは大きい正の値として求められるので、ステップ８３０にて求められる空燃比フィードバック補正量ＤＦｉが大きい正の値となる。これにより、図７のステップ７１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも大きくなって、機関の空燃比がリッチとなるように制御される。
【００５６】
反対に、機関の平均的な空燃比がリッチであるために下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが理論空燃比よりもリッチ空燃比に対応した値を示すと、ステップ９１０にて求められる出力偏差量ＤVoxsが負の値となるので、ステップ９１５にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは負の値となる。従って、ステップ９１０にて求められるabyfsは上流側空燃比センサ６６が実際に検出している空燃比よりもリッチな値（より小さな値）として求められる。このため、ステップ９１５にて求められる筒内燃料供給量Ｆｃ（ｋ−Ｎ）は大きい値となり、筒内燃料供給量偏差ＤＦｃは負の値として求められるので、フィードバック補正量ＤＦｉが負の値となる。これにより、図７のステップ７１０にて求められる最終燃料噴射量Ｆｉは、基本燃料噴射量Ｆbaseよりも小さくなって、機関の空燃比がリーンとなるように制御される。
【００５７】
次に、触媒劣化の判定を行うための作動について図１０、図１１を参照しながら説明する。図１０は、触媒劣化判定に使用する下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束性の良否を表す収束度（ある出力を発生した頻度）を取得するルーチンをフローチャートにより示したものである。ＣＰＵ７１は、この図１０のルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【００５８】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１０００から処理を開始し、ステップ１００２に進んで上述したサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定し、成立していなければ直ちにステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これは、サブフィードバック制御条件が成立して、下流側空燃比センサ６７による空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）が実行されている場合における同下流側空燃比センサ６７の出力分布（目標値Voxsrefに対する収束度）に基いて、触媒の劣化有無を判定するためである。
【００５９】
一方、サブフィードバック制御条件が成立していると、ＣＰＵ７１はステップ１００２にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１００４に進み、同ステップ１００４にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）より小さいか否かを判定し、小さい場合にはステップ１００６に進んでカウンタＣ０の値を１だけ増大し、その後、ステップ１００８に進む。一方、下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上であれば、ＣＰＵ７１はステップ１００４にて「Ｎｏ」と判定してステップ１００８に直接進む。
【００６０】
ＣＰＵ７１は、ステップ１００８にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上で、且つ０．２（Ｖ）より小さいか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定される場合にはステップ１０１０に進んでカウンタＣ１の値を１だけ増大し、その後、ステップ１０１２に進む。一方、ＣＰＵ７１は、ステップ１００８にて「Ｎｏ」と判定される場合には、直接ステップ１０１２に進む。
【００６１】
以下、ＣＰＵ７１は同様なステップの処理を行い、本ルーチンを実行する時点の下流側空燃比センサ出力Voxsの大きさに応じたカウンタＣ０〜Ｃ９の何れか一つの値を「１」だけ増大する。
【００６２】
即ち、下流側空燃比センサ出力Voxsが、０．２（Ｖ）以上であって０．３（Ｖ）未満のときはカウンタＣ２、０．３（Ｖ）以上であって０．４（Ｖ）未満のときはカウンタＣ３、０．４（Ｖ）以上であって０．５（Ｖ）未満のときはカウンタＣ４、０．５（Ｖ）以上であって０．６（Ｖ）未満のときはカウンタＣ５、０．６（Ｖ）以上であって０．７（Ｖ）未満のときはカウンタＣ６、０．７（Ｖ）以上であって０．８（Ｖ）未満のときはカウンタＣ７、０．８（Ｖ）以上であって０．９（Ｖ）未満のときはカウンタＣ８、及び０．９（Ｖ）以上であるときはカウンタＣ９の値をそれぞれ「１」だけ増大する。
【００６３】
そして、ＣＰＵ７１はステップ１０４４に進むと、同ステップ１０４４にてカウンタｎの値を「１」だけ増大する。従って、このカウンタｎの値は、出力分布のサンプリング回数を示す値となる。その後、ＣＰＵ７１はステップ１０９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００６４】
また、ＣＰＵ７１は、図１１にフローチャートにより示した三元触媒５３が劣化したか否かを判定するためのルーチン（触媒劣化判定ルーチン）の処理を所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１１００から処理を開始し、ステップ１１０５に進んで上記カウンタｎの値が十分なサンプリングが行われたことを示す基準値ｎ０以上となったか否かを判定する。このとき、カウンタｎの値が基準値ｎ０より小さければ、ＣＰＵ７１は触媒劣化判定を行うことなく、直接ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００６５】
一方、図１０に示したルーチンが、触媒劣化を判定するために十分な回数だけ行われると、カウンタｎの値は基準値ｎ０以上となる。この場合、ＣＰＵ７１はステップ１１０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１１０に進み、カウンタＣ０〜Ｃ９の値を用いて触媒劣化判定を行う。具体的に述べると、ＣＰＵ７１は、図１２に示した判定マップを参照してカウンタＣ０〜Ｃ９のうち劣化領域に存在するカウンタの個数を調べ、その個数が所定個数（例えば３個、または４個）以上であれば三元触媒５３は劣化したものと判定する。図１２に示した判定マップの境界線Ｌは、カウンタＣ４,Ｃ５の値が最も小さく、カウンタＣ３,Ｃ２,Ｃ１,Ｃ０の順に、及びカウンタＣ６,Ｃ７,Ｃ８,Ｃ９の順に次第にその値が大きくなるように構成された線である。これにより、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが、図６に示した実線、又は破線の何れであるか、換言すると、下流側空燃比センサ出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度が高いか否かが判定され、その結果により触媒が劣化したか否かが判定される。
【００６６】
その後、ＣＰＵ７１はステップ１１１５にて触媒が劣化したか否かの判定結果をバックアップＲＡＭ７４に格納し、ステップ１１２０にてカウンタｎの値を「０」に設定するとともに、続くステップ１１２５にてカウンタＣ０〜Ｃ９の値を「０」に設定し、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、再度、カウンタｎの値が基準値ｎ０となるまで、カウンタＣ０〜Ｃ９の値が更新され、カウンタｎの値が基準値ｎ０となると更新されたカウンタＣ０〜Ｃ９の値に基づいて触媒劣化判定が行われる。
【００６７】
以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsrefと等しくなるように、且つ、三元触媒５３が劣化触媒であると判定される程度にまで劣化した際に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsrefを含む所定範囲（例えば、カウンタＣ４,Ｃ５に相当する出力範囲である０．４〜０．６(Ｖ)）内の値を示す時間的頻度が最も大きくなるように空燃比フィードバック制御がなされ、同時に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度に基いて三元触媒５３が劣化したか否かを判定する（例えば、「収束度合い」を図１２の劣化領域に存在する前記カウンタＣ０〜Ｃ９の個数とすれば、同収束度合いが所定値以上となったときに三元触媒５３が劣化したと判定する。）。
【００６８】
このような触媒劣化判定方法は、通常の空燃比フィードバック（サブフィードバック）における空燃比変動を伴うのみであって、従来技術のように機関が定常状態にあるときに空燃比を強制的に変化させないので、触媒劣化判定をドライバビリティの悪化を招くことなく行うことができる。また、三元触媒５３が劣化触媒であると判定される程度にまで劣化した際に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが目標値Voxsrefを含む所定範囲内の値を示す時間的頻度が最も大きくなるように空燃比フィードバック制御がなされるから、三元触媒５３が劣化した場合に空燃比が理論空燃比近傍に維持され易くなるため、三元触媒５３による浄化を期待することができ、従って、エミッションを良好なものとすることができる。
【００６９】
次に、上記実施形態の変形例について図１３〜図１５を参照して説明する。この変形例は、図１０にフローチャートにより示したルーチンに代えて、図１４にフローチャートにより示したルーチンを採用する点のみにおいて、上記実施形態と異なっている。従って、以下、かかる相違点についてのみ説明を加える。
【００７０】
上記実施形態は、下流側空燃比センサ出力Voxsに基く空燃比フィードバック制御（サブフィードバック）を行った場合に、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束性（収束度、収束の程度）が三元触媒５３の劣化の程度に応じて変化するとの知見に基いて、三元触媒５３の劣化判定を行っていた。しかしながら、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束性は、触媒の劣化程度が同じであっても、内燃機関の運転状態、特に、筒内吸入空気量（一回の吸気行程あたりにその気筒が吸入する空気量）ＫＬ、及びエンジン回転速度ＮＥに応じて変化する。
【００７１】
即ち、図１３に示したように、筒内吸入空気量ＫＬ、及びエンジン回転速度ＮＥが大きい領域では、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束性は良好で、反対に、筒内吸入空気量ＫＬ、及びエンジン回転速度ＮＥが小さい領域では、同収性は低下する。従って、これらの運転状態に拘らず、一律に前記収束度を求めると、触媒が劣化していないのにも拘らず劣化していると判定する可能性がある。そこで、本変形例では、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsの目標値Voxsrefへの収束度（収束の程度）に影響を及ぼす機関運転状態を考慮して、同収束度を求めることにより、触媒劣化判定の精度を高めた。
【００７２】
具体的に述べると、ＣＰＵ７１は図１４に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１４００から処理を開始し、ステップ１４０２に進んで上述したサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定し、成立していなければ直ちにステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。ステップ１４０２の意義は、ステップ１００２の意義と同じである。
【００７３】
一方、サブフィードバック制御条件が成立していると、ＣＰＵ７１はステップ１４０２にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１４０４に進み、重み（加算値）ｇを算出する。具体的に述べると、ＣＰＵ７１はその時点のエンジン回転速度ＮＥと図１５（Ａ）に示したマップとに基いて第１重み係数ｇ１を求めるとともに、その時点の筒内吸入空気量ＫＬと図１５（Ｂ）に示したマップとに基いて第２重み係数ｇ２を求め、前記第１重み係数ｇ１と前記第２重み係数ｇ２との積（ｇ１・ｇ２）を重みｇとして算出する。図１５（Ａ）に示したマップは、エンジン回転速度ＮＥが大きくなるに連れて第１重み係数ｇ１が大きくなるように設定され、図１５（Ｂ）に示したマップは、筒内吸入空気量ＫＬが大きくなるに連れて第２重み係数ｇ２が大きくなるように設定されている。この結果、エンジン回転速度ＮＥが大きいほど、また、筒内吸入空気量ＫＬが大きいほど大きい値を有する重みｇが求められる。
【００７４】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１４０６に進み、同ステップ１４０６にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）より小さいか否かを判定し、小さい場合にはステップ１４０８に進んでカウンタＣ０の値を上記求められた重みｇだけ増大し、その後、ステップ１４１０に進む。一方、下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上であれば、ＣＰＵ７１はステップ１４０６にて「Ｎｏ」と判定してステップ１４１０に直接進む。
【００７５】
ＣＰＵ７１は、ステップ１４１０にてその時点の下流側空燃比センサ出力Voxsが０．１（Ｖ）以上で、且つ０．２（Ｖ）より小さいか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定される場合にはステップ１４１２に進んでカウンタＣ１の値を上記重みｇだけ増大し、その後、ステップ１４１４に進む。一方、ＣＰＵ７１は、ステップ１４１０にて「Ｎｏ」と判定される場合には、直接ステップ１４１４に直接進む。
【００７６】
以下、ＣＰＵ７１は同様なステップの処理を行い、本ルーチンを実行する時点の下流側空燃比センサ出力Voxsの大きさに応じたカウンタＣ０〜Ｃ９の何れか一つの値を上記重み「ｇ」だけ増大する。そして、ＣＰＵ７１はステップ１４４６に進んでカウンタｎの値を「１」だけ増大し、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００７７】
このようにして、カウンタＣ０〜Ｃ９の値は、前記空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）下での下流側空燃比センサ出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度に影響を与える機関の運転状態に応じて増大されることになる。換言すると、下流側空燃比センサ出力Voxsがある値であるとき、その値に対応する頻度がその時点の機関運転状態に応じて重み付けされて増大される。即ち、下流側空燃比センサ出力Voxsの目標値Voxsrefに対する収束度が高くなる（収束性が良好となる）機関の運転状態における下流側空燃比センサ出力Voxsの値を、他の運転状態における下流側空燃比センサ出力Voxsの値よりも尊重し、収束度（頻度）に大きく反映させる。この結果、三元触媒５３の劣化度を精度良く表す収束度を得ることができるので、三元触媒５３が劣化しているか否かの判定をより精度良く行うことができる。
【００７８】
以上、説明したように、本発明による触媒劣化判定装置の実施形態とその変形例によれば、従来技術のように定常運転時における空燃比の強制的な変更を必要としないので、ドライバビリティを悪化させることなく三元触媒５３が劣化しているか否かを判定することができる。また、通常の空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）中に触媒劣化判定がなされるので、触媒劣化判定の機会を多く確保できるので、三元触媒５３が劣化したか否かを遅滞なく判定することができる。
【００７９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、三元触媒５３の劣化判定は、上記カウンタＣ０〜Ｃ９のうち、ピーク値（最大値）を示すカウンタを探索し、そのカウンタがＣ４又はＣ５の何れかであれば、三元触媒５３が劣化したものと判定するように構成してもよい。また、変形例において、重みｇを決定する機関運転状態は、機関の単位時間当りの吸入空気量Gaであってもよい。また、サブフィードバック制御は、上記ＰＩ制御でなく、ＰＩＤ制御であってもよい。更に、下流側空燃比センサ６７は、上流側空燃比センサ６６と同様な空燃比センサであってもよい。また、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsのみに基づいて機関の空燃比をフィードバック制御するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による触媒劣化判定装置を適用した内燃機関の概略図である。
【図２】 図１に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気量との関係を示したマップである。
【図３】 図１に示した上流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図４】 図１に示した下流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図５】 （Ａ）は三元触媒が劣化していない場合の空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）における下流側空燃比センサの出力波形を示したタイムチャートであり、（Ｂ）は三元触媒が劣化した場合の空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）における下流側空燃比センサの出力波形を示したタイムチャートである。
【図６】 空燃比フィードバック制御（サブフィードバック制御）における下流側空燃比センサの出力分布を示したグラフである。
【図７】 図１に示したＣＰＵが実行する燃料噴射量計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図８】 図１に示したＣＰＵが実行する空燃比フィードバック補正量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図９】 図１に示したＣＰＵが実行するサブフィードバック制御量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１０】 触媒劣化判定に使用する下流側空燃比センサ出力の目標値に対する収束度（ある出力を発生した頻度）を取得するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】 図１に示したＣＰＵが実行する三元触媒が劣化したか否かを判定するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１２】 図１に示したＣＰＵが図１１に示したルーチンを実行する際に参照するマップである。
【図１３】 空燃比フィードバック制御における下流側空燃比センサ出力の収束性について説明するための図である。
【図１４】 図１に示した触媒劣化判定装置の変形例において、触媒劣化判定に使用する下流側空燃比センサ出力の目標値に対する収束度を取得するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１５】 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示したＣＰＵが図１４に示したルーチンを実行する際に使用するマップである。
【符号の説明】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３９…インジェクタ、５２…エキゾーストパイプ（排気管）、５３…三元触媒、６６…上流側空燃比センサ、６７…下流側空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に配設された三元触媒と、
前記三元触媒下流の前記排気通路に配設された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力が前記三元触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように同空燃比センサの出力と同目標値との偏差である出力偏差量に基くＰＩ制御又はＰＩＤ制御により前記機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記空燃比センサの出力に基いて前記三元触媒が劣化したか否かを判定する触媒劣化判定手段とを備えた触媒劣化判定装置において、
前記空燃比フィードバック制御手段による前記空燃比のフィードバック制御におけるフィードバックゲインは、前記触媒劣化判定手段が劣化した触媒であると判定すべき程度に前記三元触媒が劣化した際に前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む所定範囲内の値となっている時間的頻度が最大となり、劣化していない三元触媒に対する同空燃比センサの出力が同目標値を含む同所定範囲内の値となっている時間的頻度よりも大きくなるように、予め定められており、
前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比フィードバック制御下で、前記空燃比センサの出力が前記目標値を含む前記所定範囲内の値となる時間的頻度に基いて算出される同空燃比センサの出力の同目標値に対する収束度合いが所定値以上となったときに前記三元触媒が劣化したと判定するように構成されてなる触媒劣化判定装置。 - 請求項１に記載の触媒劣化判定装置において、
前記触媒劣化判定手段は、
前記空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束度合いを、同空燃比センサの出力が同目標値を含む所定範囲内の値となる時間的頻度と、同空燃比センサの出力が同所定範囲外の値となる時間的頻度とに基いて決定するように構成された触媒劣化判定装置。 - 請求項２に記載の触媒劣化判定装置において、
前記触媒劣化判定手段は、
前記空燃比フィードバック制御下での前記空燃比センサの出力の前記目標値に対する収束度合いに影響を与える前記機関の運転状態を検出し、前記検出した運転状態に基いて前記時間的頻度に重み付けし、同重み付けされた時間的頻度に基いて前記収束度合いを決定するように構成された触媒劣化判定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002032784A JP4023174B2 (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | 触媒劣化判定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002032784A JP4023174B2 (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | 触媒劣化判定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003232247A JP2003232247A (ja) | 2003-08-22 |
| JP4023174B2 true JP4023174B2 (ja) | 2007-12-19 |
Family
ID=27775801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002032784A Expired - Fee Related JP4023174B2 (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | 触媒劣化判定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4023174B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6823843B1 (en) * | 2004-01-13 | 2004-11-30 | Ford Global Technologies, Llc | System and method to minimize the amount of NOx released from a NOx trap |
| JP6237460B2 (ja) | 2013-09-26 | 2017-11-29 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関の異常診断装置 |
-
2002
- 2002-02-08 JP JP2002032784A patent/JP4023174B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003232247A (ja) | 2003-08-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3846375B2 (ja) | 触媒劣化判定方法 | |
| JP4957559B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP3963130B2 (ja) | 触媒劣化判定装置 | |
| JP3846480B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
| JP4039380B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP5035389B2 (ja) | 酸素濃度センサの応答性取得装置 | |
| JP3922091B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP4280931B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2005351153A (ja) | 触媒劣化判定装置 | |
| JP4082130B2 (ja) | 触媒劣化判定装置 | |
| JP3815386B2 (ja) | 触媒劣化判定方法 | |
| JP4023174B2 (ja) | 触媒劣化判定装置 | |
| JP4893634B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP4807359B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2006112274A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2003314334A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP4349205B2 (ja) | 空燃比制御装置 | |
| JP2005009401A (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
| JP4888397B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP3879596B2 (ja) | 空燃比センサ状態判定装置 | |
| JP4299218B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2007231902A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2017115802A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2009197683A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
| JP2009228498A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041122 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070501 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070501 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070629 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070911 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070924 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101012 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |