JP4474817B2 - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に係り、特に、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検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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おり、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は、吸蔵している酸素を用いてそれらの成分を酸化する。一方、排気ガス中にNOx等の酸化物が含まれている場合、上記の触媒は、それらの物質を還元し、その結果生じた酸素を吸蔵する。
【０００３】
排気通路に配置される触媒は、このようにして排気ガスの浄化を図る。このため、その浄化能力は、酸素の吸蔵能力に大きく影響される。従って、触媒の浄化能力の劣化状態は、その触媒が吸蔵し得る酸素の最大量、すなわち、酸素吸蔵容量により判断することができる。
【０００４】
従来、例えば特開平５−１３３２６４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リッチまたはリーンとすることで、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。空燃比がリッチに制御されている間は、HCやCOなどの未燃成分を含む酸素不足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、吸蔵している酸素を放出して排気ガスを浄化しようとする。このため、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て、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することで、排気ガスを浄化しようとする。このため、長期に渡ってその状態が継続されると、やがて触媒は、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはやNOxを浄化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。
【０００６】
上記従来の装置は、上述した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制御する。そして、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が遷移する過程で触媒に吸蔵される酸素の量を積算することで、或いは、その逆の状態遷移が生ずる過程で触媒から放出される酸素の量を積算することで、酸素吸蔵容量を求める。そして、上記従来の装置は、このようにして求めた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、或いは劣化しているかを判断する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置において、混合気の空燃比は、触媒が最大酸素吸蔵状態となった後にリーンからリッチに切り替えられる。また、その空燃比は、触媒が最小酸素吸蔵状態になった後にリッチからリーンに切り替えられる。前者の切り替えが行われた後、ある程度の期間は、触媒に対して酸素過多の排気ガスが供給され続ける。このため、その期間中は、触媒の下流に、酸素過多の未浄化の排気ガスが流出する。同様に、後者の切り替えが行われた後、ある程度の期間は、触媒の下流に、酸素不足の未浄化の排気ガスが流出する。
【０００８】
上記の如く触媒の下流に流出してくる未浄化の排気ガスが大気に放出されるのを防ぐ手法としては、例えば、その触媒の下流に下流側触媒を配置することが考えられる。このような構造をとれば、上流側の触媒から流出してくる未浄化の排気ガスを、下流側触媒で処理することで、排気エミッションの悪化を有効に防止することができる。
【０００９】
しかし、下流側触媒が配置されていても、その下流側触媒がほぼ容量一杯に酸素を吸蔵しているときに上流側の触媒から酸素過多の排気ガスが流出してくれば、その排気ガスは下流側触媒を通過して大気に放出されてしまう。同様に、下流側触媒がほぼ完全に酸素を放出している状況下で、上流側の触媒から酸素不足の排気ガスが流出してくれば、その排気ガスは下流側触媒でも浄化されずに大気に放出されてしまう。
【００１０】
このように、空燃比を強制的に振動させて触媒の劣化判定を行おうとした場合、その判定の対象である触媒の下流に更に下流側触媒を配置しただけでは、劣化判定の過程で排気エミッションが悪化するのを完全に防止することはできない。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、排気エミッションを大きく悪化させることなく触媒の劣化判定を完了させることのできる内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の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上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒と前記下流側触媒との間で排気ガスの浄化程度を検出する浄化程度検出センサと、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素過多の排気ガスが流出してくる最大酸素吸蔵状態を検出する手段と、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素不足の排気ガスが流出してくる最小酸素吸蔵状態を検出する手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチに制御する強制リッチ手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンに制御する強制リーン手段と、
前記最大酸素吸蔵状態から前記最小酸素吸蔵状態への状態遷移の過程で前記上流側触媒が放出した酸素量、或いはその逆の状態遷移の過程で前記上流側触媒が吸蔵した酸素量を、前記上流側触媒の酸素吸蔵容量として検出する酸素吸蔵容量検出手段と、
前記酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段と、
前記下流側触媒が、所定量以上の酸素を吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる適正状態であるか否かを判別する適正状態判別手段と、
前記下流側触媒が前記適正状態である場合に限り、前記上流側触媒の劣化状態を判定するための一連の処理（前記強制リッチ手段または前記強制リーン手段による空燃比の制御を含む）の開始を許可する判定開始許可手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、前記下流側触媒が前記適正状態でない場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、内燃機関に供給する混合気の空燃比を制御する空燃比調整手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記適正状態判別手段は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を吸蔵することができない吸蔵限界状態を検出する吸蔵限界検出手段と、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を放出することができない放出限界状態を検出する放出限界検出手段とを含み、
前記空燃比調整手段は、前記下流側触媒が前記吸蔵限界状態である場合に、前記適正状態が実現されるまで、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチにするリッチ側調整手段と、前記下流側触媒が前記放出限界状態である場合に、前記適正状態が実現されるまで、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンにするリーン側調整手段とを含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記上流側触媒の酸素吸蔵容量が所定数検出されるまで、前記強制リッチ手段と前記強制リーン手段とに交互に空燃比を制御させる制御繰り返し手段を備え、前記劣化判定手段は、前記所定数の酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定し、更に、
前記上流側触媒の劣化状態を判定するための一連の処理が開始された後、前記所定数の酸素吸蔵容量が検出される前に、前記下流側触媒が前記適正状態から外れた場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、前記強制リッチ手段の制御パラメータ、および前記強制リーン手段の制御パラメータの少なくとも一方を修正する強制空燃比修正手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、内燃機関の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上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒と前記下流側触媒との間で排気ガスの浄化程度を検出する浄化程度検出センサと、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素過多の排気ガスが流出してくる最大酸素吸蔵状態を検出する手段と、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素不足の排気ガスが流出してくる最小酸素吸蔵状態を検出する手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチに制御する強制リッチ手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンに制御する強制リーン手段と、
前記最大酸素吸蔵状態から前記最小酸素吸蔵状態への状態遷移の過程で前記上流側触媒が放出した酸素量、或いはその逆の状態遷移の過程で前記上流側触媒が吸蔵した酸素量を、前記上流側触媒の酸素吸蔵容量として検出する酸素吸蔵容量検出手段と、
前記酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段と、
前記下流側触媒が、所定量以上の酸素を吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる適正状態であるか否かを判別する適正状態判別手段と、
前記下流側触媒が前記適正状態から外れている場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、前記強制リッチ手段の制御パラメータ、および前記強制リーン手段の制御パラメータの少なくとも一方を修正する強制空燃比修正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記適正状態判別手段は、
前記下流側触媒の下流で排気ガスの浄化程度を検出する第２浄化程度検出センサと、
前記第２浄化程度検出センサの出力と、排気ガスが酸素過多であることを表す第１判定値とを比較する第１判定手段と、
前記第２浄化程度検出センサの出力と、排気ガスが酸素不足であることを表す第２判定値とを比較する第２判定手段と、
前記第２浄化程度検出センサの出力が、前記第１判定値と前記第２判定値とを両端値とする適正範囲に収まる場合に、前記下流側触媒が前記適正状態であると判別する判別手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記適正状態判別手段は、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記下流側触媒に吸蔵される酸素量、または前記下流側触媒から放出される酸素量を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された酸素量を積算することで、前記下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を算出する酸素吸蔵積算量算出手段と、
前記酸素吸蔵積算量が、第１積算値と第２積算値とを両端値とする適正範囲に収まる場合に、前記下流側触媒が前記適正状態であると判別する判別手段と、を備え、
前記第１積算値は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を吸蔵することのできる酸素吸蔵積算量の上限値であり、
前記第２積算値は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を放出することのできる酸素吸蔵積算量の下限値であることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
内燃機関のフューエルカットを検出するフューエルカット検出手段と、
前記フューエルカットの際に前記下流側触媒に吸蔵される酸素量を推定する第２推定手段と、を備え、
前記酸素吸蔵積算量算出手段は、前記推定手段により推定された酸素量と、前記第２推定手段により推定された酸素量とを積算することで、前記下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を算出することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の触媒劣化検出装置を搭載する内燃機関１０およびその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路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THA（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。
【００２１】
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１２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の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。
【００２２】
スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンクの更に下流には、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３０が配置されている。
【００２３】
排気通路１４には、上流側触媒３２と下流側触媒３４とが直列に配置されている。これらの触媒３２，３４は、ある程度の酸素を吸蔵することができ、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は、吸蔵している酸素を用いてそれらを酸化し、また、排気ガス中にNOxなどの酸化成分が含まれている場合は、それらを還元し、放出された酸素を吸蔵することができる。内燃機関１０から排出される排気ガスは、触媒３２，３４の内部で上記の如く処理されることにより浄化される。
【００２４】
排気通路１４には、また、上流側触媒３２の上流に空燃比センサ３６が、上流側触媒３２と下流側触媒３４との間に第１Ｏ２センサ３８が、更に、下流側触媒３４の下流に第２Ｏ２センサ４０がそれぞれ配置されている。空燃比センサ３６は、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサである。一方、第１Ｏ２センサ３８および第２Ｏ２センサ４０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３６によれば、上流側触媒３２に流入する排気ガス中の酸素濃度に基づいて、内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比を検出することができる。また、第１Ｏ２センサ３８によれば、上流側触媒３２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）、或いは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２Ｏ２センサ４０によれば、下流側触媒３４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）、或いは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
【００２５】
本実施形態の触媒劣化検出装置は、図１に示すように、ECU(Electronic Control Unit)４２を備えている。ECU４２には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、内燃機関１０の冷却水温THWを検出する水温センサ４４などが接続されている。
【００２６】
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、先ず、上流側触媒３２で浄化される。そして、下流側触媒３４では、上流側触媒３２で浄化し切れなかった排気ガスの浄化処理が行われる。上流側触媒３２は、内燃機関１０に近い位置に配置されていることから、内燃機関１０の始動後、早期に活性温度にまで昇温する。このため、上流側触媒３２は、内燃機関１０の始動直後から、高い排気ガス浄化能力を発揮する。このシステムにおいて、常に適正な排気ガス浄化能力を発揮させるためには、上流側触媒３２の劣化を速やかに検知することが必要である。
【００２７】
上流側触媒３２は、上記の如く、燃料リッチな排気ガス中に酸素を放出し、また、燃料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。このため、上流側触媒３２の浄化能力は、上流側触媒３２が最大限吸蔵することのできる酸素量、すなわち、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCが減少するに連れて低下する。そこで、本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCを検出し、その検出値に基づいて上流側触媒３２の劣化を判定することとしている。
【００２８】
図２は、本実施形態のシステムおいて、ECU４２が、上流側触媒３２の酸素吸蔵量OSCを検出するために実行する空燃比強制制御ルーチンのフローチャートである。
図２に示すルーチンでは、先ず、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が生じているか否かが判別される（ステップ８０）。
【００２９】
その結果、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が生じていないと判別された場合は、以後、何ら処理が進められることなく今回のサイクルが終了される。一方、OSCの検出指令が生じていると判別された場合は、次に、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わったかが判別される（ステップ８２）。
【００３０】
リーンフラグXleanは、第１Ｏ２センサ３８が、リーン判定値を越える出力（以下、「リーン出力」と称す）を発生している間ONとなるフラグである（図４、ステップ１１４参照）。従って、上記ステップ８２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１Ｏ２センサ３８の出力が、リーン判定値を下回る値からその判定値以上の値に変化した場合に成立する。図２に示すルーチンでは、この条件が成立すると、次に、混合気の空燃比をリッチ側の所定値に固定する制御が行われる（ステップ８４）。
【００３１】
一方、上記ステップ８２において、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わっていないと判別された場合は、次に、リッチフラグがOFFからONに切り替わったかが判別される（ステップ８６）。
【００３２】
リッチフラグXrichは、第１Ｏ２センサ３８が、リッチ判定値を下回る出力（以下、「リッチ出力」と称す）を発生している間ONとなるフラグである（図４、ステップ１１８参照）。従って、上記ステップ８６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１Ｏ２センサ３８の出力が、リッチ判定値を上回る値からその判定値以下の値に変化した場合に成立する。図２に示すルーチンでは、この条件が成立すると、次に、混合気の空燃比をリーン側の所定値に固定する制御が行われる（ステップ８８）。
【００３３】
一方、上記ステップ８６において、リッチフラグXrichがOFFからONに切り替わっていないと判別された場合は、従前用いられていた空燃比に合わせて、リッチ固定制御、或いはリーン固定制御が実行される。より具体的には、現在までの空燃比がリッチである場合は、上記ステップ８４の場合と同様に、空燃比をリッチ側の所定値に固定する制御が行われる。一方、現在までの空燃比がリーンである場合は、上記ステップ８８の場合と同様に、空燃比をリーン側の所定値に固定する制御が実行される（ステップ９０）。
【００３４】
図３は、ECU４２が上述した図２に示すルーチンを実行することで実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、酸素吸蔵容量OSCの検出中に空燃比センサ３６の出力に生ずる変化を示す。また、図３（Ｂ）は、その際に第１Ｏ２センサ３８の出力に生ずる変化を示す。
【００３５】
上述した図２に示すルーチンによれば、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が生ずると、その後ステップ９０の処理により、混合気の空燃比がリッチ側或いはリーン側の所定値に固定される。図３は、時刻t0まで、その空燃比がリッチ側の所定値に固定されていた場合を示している。混合気の空燃比が燃料リッチに固定されている間、空燃比センサ３６の出力は図３（Ａ）に示すようにリッチ側に偏った値となる。この間、上流側触媒３２は、吸蔵している酸素を排気ガス中に放出して、排気ガスの浄化を図っている。
【００３６】
上流側触媒３２に吸蔵されていた全ての酸素が放出されると、上流側触媒３２の内部で排気ガスが浄化されなくなり、その下流側に、HCやCOを含む酸素不足の排気ガスが流出し始める。上流側触媒３２の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始めると、第１Ｏ２センサ３８の出力は、排気ガスが燃料リッチであることを表すリッチ判定値Vrより小さな値となる。このため、第１Ｏ２センサ３８の出力を監視すれば、上流側触媒３２の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始める時期、すなわち、上流側触媒３２中の酸素が使い果たされた時期を検知することができる。図３（Ｂ）においては、時刻t0がその時期に相当している。
【００３７】
第１Ｏ２センサ３８の出力がリッチ判定値Vrより小さくなると、その時点でリッチフラグXrichがONとなり、上記図２に示すステップ８８の処理が実行される。その結果、混合気の空燃比は、強制的にリーン側の所定値に固定される。混合気の空燃比がリーン側の所定値に固定されると、空燃比センサ３６の出力は、その後やがてリーン側に偏った値となる。図３（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。
【００３８】
空燃比センサ３６の出力が燃料リーン側に偏っている間、すなわち、上流側触媒３２に酸素過多の排気ガスが流入している間、上流側触媒３２は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することでその浄化を図る。この状態が継続すると、やがて上流側触媒３２に酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵され、上流側触媒３２が排気ガスを浄化できない事態が生ずる。
【００３９】
この事態が生ずると、以後、上流側触媒３２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る。上流側触媒３２の下流に酸素過多の排気ガスが流出し始めると、第１Ｏ２センサ３８の出力は、排気ガスが燃料リーンであることを表すリーン判定値Vlより大きな値となる。このため、第１Ｏ２センサ３８の出力を監視すれば、上流側触媒３２の下流に酸素過多な排気ガスが流出し始める時期、すなわち、上流側触媒３２に酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵された時期を検知することができる。図３（Ｂ）においては、時刻t2がその時期に相当している。
【００４０】
第１Ｏ２センサ３８の出力がリーン判定値Vlより大きくなると、その時点でリーンフラグがONとなり、上記図２に示すステップ８４の処理が実行される。その結果、混合気の空燃比は、強制的にリッチ側の所定値に固定される。混合気の空燃比がリッチ側の所定値に固定されると、空燃比センサ３６の出力は、その後やがてリッチ側に偏った値となる。図３（Ａ）に示す波形は、時刻t3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。
【００４１】
以後、触媒劣化検出装置は、第１Ｏ２センサ３８の出力が再びリッチ判定値Vrより小さくなるまで混合気の空燃比を燃料リッチに維持する。そして、第１Ｏ２センサ３８の出力がVrより小さくなると（時刻t4）、上述した時刻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３２が酸素を放出し切った状態（最小酸素吸蔵状態）と、上流側触媒３２が酸素吸蔵容量OSC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。
【００４２】
上流側触媒３２が単位時間当たりに吸蔵する酸素量、或いは上流側触媒３２が単位時間当たりに放出する酸素量は、排気ガスの空燃比と吸入空気量Gaと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、それらの量をいずれも酸素吸蔵量O2ADと称する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態に移行する過程、或いはその逆の過程において、酸素吸蔵量O2ADを積算することで酸素吸蔵容量OSCを算出する。
【００４３】
図４は、酸素吸蔵容量OSCを求めるために、その前提としてECU４２が実行する吸蔵量演算ルーチンのフローチャートを示す。図４に示すルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される定時割り込みルーチンである。
【００４４】
図４に示すルーチンでは、先ず、空燃比ずれ量ΔA/Fが算出される（ステップ１００）。
空燃比ずれ量ΔA/Fは、空燃比センサ３６により検出される空燃比A/F、すなわち、上流側触媒３２に流入する排気ガスの空燃比A/Fと理論空燃比A/Fstとの差であり、次式により算出される。
ΔA/F＝A/F−A/Fst ・・・（１）
【００４５】
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１０２）。
【００４６】
次いで、空燃比ずれ量ΔA/Fと吸入空気量Gaとに基づいて、単位時間当たりに上流側触媒３２に吸蔵される、または上流側触媒３２から放出される酸素の量、すなわち、酸素吸蔵量O2ADが求められる（ステップ１０４）。
酸素吸蔵量O2ADは、ECU４２に記憶されているマップ、或いは演算式に従って算出される。酸素吸蔵量O2ADの値は、上流側触媒３２に流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合（A/F＞A/Fstの場合、すなわち、ΔA/F＞０の場合）は正の値となり、一方、上流側触媒３２に流入する排気ガスの空燃比がリッチである場合（A/F＜A/Fstの場合、すなわち、ΔA/F＜０の場合）は負の値となる。
【００４７】
次に、リーンフラグXlean＝ON、かつ、空燃比ずれ量ΔA/F＞０なる条件が成立するか否かが判別される（ステップ１０６）。
リーンフラグXleanは、上記の如く、第１Ｏ２センサ３８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、本ステップ１０６では、上流側触媒３２の上流および下流の双方で排気ガスがリーン（酸素過多）になっているか、が判別されている。
【００４８】
上記ステップ１０６の条件は、例えば、図３に示す時刻t2〜t3の間に成立する。すなわち、その条件は、上流側触媒３２に酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵されており、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。図４に示すルーチンでは、この条件が成立する場合、以後速やかにステップ１１２以降の処理が実行される。
【００４９】
一方、上記ステップ１０６の条件が成立しないと判別された場合は、次に、リッチフラグXrich＝ON、かつ、空燃比ずれ量ΔA/F＜０なる条件が成立するか否かが判別される（ステップ１０８）。
リッチフラグXrichは、上述した通り、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発する場合にONとされるフラグである。従って、本ステップ１０８では、上流側触媒３２の上流および下流の双方で排気ガスがリッチになっているか、が判別されている。
【００５０】
上記ステップ１０８の条件は、例えば、図３に示す時刻t0〜t1の間に成立する。すなわち、上記の条件は、上流側触媒３２が酸素を放出し切っており、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。図４に示すルーチンでは、この条件が成立する場合、以後速やかにステップ１１２以降の処理が実行される。
【００５１】
上記ステップ１０８が成立しないと判別された場合は、上流側触媒３２が現に酸素を吸蔵し、または放出しており、上流側触媒３２に吸蔵されている酸素の量が時々刻々変化していると判断できる。この場合、図４に示すルーチンでは、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算出された酸素吸蔵量O2ADを加えることで、酸素吸蔵積算量O2SUMを更新する処理が行われる（ステップ１１０）。本ステップ１１０の処理によれば、上流側触媒３２に現実に吸蔵されている酸素の量に合わせて、酸素吸蔵積算量O2SUMを増減させることができる。
【００５２】
図４に示すルーチンでは、次に、上流側触媒３２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１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発しているかが判別される（ステップ１１２）。
【００５３】
第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発するのは、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態にあり、かつ、内燃機関１０に対して燃料リーンな混合気が供給されている場合に限られる。上記ステップ１１２において、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発していると判別された場合、図４に示すルーチンでは、その時点で算出されている酸素吸蔵積算量O2SUMを最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxとして記憶し、更に、リーンフラグXleanをON、リッチフラグXrichをOFFとする処理が実行される（ステップ１１４）。
【００５４】
上記ステップ１１２において、上流側触媒３２の下流側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は、次に、その触媒３２の下流に、空燃比のリッチな排気ガスが流出しているか、つまり、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発しているかが判別される（ステップ１１６）。
【００５５】
第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発するのは、上流側触媒３２が最小酸素吸蔵状態にあり、かつ、内燃機関１０に対して燃料リッチな混合気が供給されている場合に限られる。上記ステップ１１６で第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発していると判別された場合、図４に示すルーチンでは、その時点で算出されている酸素吸蔵積算量O2SUMを最小酸素吸蔵積算量O2SUMminとして記憶し、更に、リーンフラグXleanをOFF、リッチフラグXrichをONとする処理が実行される（ステップ１１８）。
【００５６】
上記ステップ１１６において、上流側触媒３２の下流側に空燃比のリッチな排気ガスは流出していないと判別された場合は、上流側触媒３２が排気ガスを適正に浄化している、つまり、上流側触媒３２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およびリッチフラグXrichがいずれもOFFとされる（ステップ１２０）。
【００５７】
以上説明した通り、図４に示すルーチンによれば、上流側触媒３２に現実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O2SUMを増減させることができる。そして、最大酸素吸蔵状態に対応する酸素吸蔵積算量O2SUMを最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxとして記憶し、また、最小酸素吸蔵状態に対応する酸素吸蔵積算量O2SUMを最小酸素吸蔵積算量O2SUMminとして記憶することができる。これらの値が求まると、ECU４２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、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCを算出することができる。
【００５８】
ところで、本実施形態のシステムにおいて、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態となった後、ある程度の期間は、上流側触媒３２の下流にNOxを含む酸素過多の排気ガスが流出してくる。また、上流側触媒３２が最小酸素吸蔵状態となった後、ある程度の期間は、上流側触媒３２の下流にHCやCOを含む酸素不足の排気ガスが流出してくる。
【００５９】
本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２の下流に下流側触媒３４を備えているため、上流側触媒３２の下流に流出してくる未浄化の排気ガスは、通常は大気に放出されることはない。しかし、下流側触媒３４が、最大酸素吸蔵状態或いは最小酸素吸蔵状態にあり、本来の浄化能力を発揮できないような場合は、上流側触媒３２の下流に未浄化の排気ガスが流出すると、その未浄化の排気ガスが下流側触媒３４を通り抜けて大気に放出されることがある。そこで、本実施形態では、上流側触媒３２の劣化を検出するための一連の処理、すなわち、上流側触媒３２を強制的に最大酸素吸蔵状態や最小酸素吸蔵状態とする処理を含む一連の処理を、下流側触媒３４が適正に浄化能力を発揮できる場合に限り実行させることとしている。
【００６０】
以下、図５および図６を参照して、本実施形態の触媒劣化検出装置が上記の機能を実現するために実行する具体的処理の内容について説明する。
図５は、ECU４２が、上述した制限の下に上流側触媒３２の劣化検出を行うべく実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、劣化検出の基本的な実行条件が成立しているかが判別される（ステップ１３０）。
本ステップ１３０では、具体的には、吸入空気量が所定の範囲に収まっているか、或いは、上流側触媒３２の触媒温度が所定の範囲に収まっているかが判別される。それらの範囲は、正常な触媒の酸素吸蔵容量OSCと、劣化した触媒のそれとの間に判別可能な差が生ずる範囲として予め決められた範囲である。本ステップ１３０の条件が成立しないと判別された場合は、以後、何ら処理が進められることなく速やかに今回のルーチンが終了される。
【００６１】
一方、上記ステップ１３０において、劣化検出の基本実行条件が成立していると判別された場合は、次に、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であるか、すなわち、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が、所定量以上の酸素を更に吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる状態であるかが判別される（ステップ１３１）。
ここで、前者の所定量は、劣化検出の過程で上流側触媒３２が強制的に最大酸素吸蔵状態とされた後に、下流側触媒３４に流入してくる酸素過多の排気ガスを、適正に浄化するに足る酸素量として予め定められた量である。また、後者の所定量は、劣化検出の過程で上流側触媒３２が強制的に最小酸素吸蔵状態とされた後に、下流側触媒３４に流入してくる酸素不足の排気ガスを、適正に浄化するに足る酸素量として予め定められた量である。
【００６２】
上記ステップ１３１の条件の成立性は、具体的には、下流側触媒３４の下流に配置されている第２Ｏ２センサ４０の出力がリーン出力またはリッチ出力に張り付いていないか、換言すると、その出力がリーン判定値Vlとリッチ判定値Vrの間の値であるか、により判断される。そして、第２Ｏ２センサ４０の出力が、リーン判定値Vlとリッチ判定値Vrの間の値である場合は、下流触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であると判断され、次に、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCの検出や、その検出状況を特定するパラメータの算出などが行われる（ステップ１３２）。
【００６３】
上記ステップ１３２の処理は、具体的には、図６に示す一連の処理により実現される。図６に示す一連の処理によれば、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCが検出されると共に、その検出状況を特定するパラメータとして、検出中平均触媒温度と、検出中平均吸入空気量とが算出される。ここで、検出中平均触媒温度とは、酸素吸蔵容量OSCが検出される間の上流側触媒３２の温度の平均値である。また、検出中平均吸入空気量とは、酸素吸蔵容量OSCが検出される間に生じた吸入空気量Gaの平均値である。
【００６４】
図６に示す一連の処理では、先ず、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転したか、つまり、空燃比センサ３６により検出される空燃比A/Fが、燃料リッチを表す値から燃料リーンを表す値に反転したか、或いはその逆の反転が生じたかが判別される（ステップ１３４）。
【００６５】
図３を参照して説明した通り、本実施形態のシステムでは、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力またはリーン出力を発した後（例えば、時刻t0またはt2）、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転するまで（例えば、時刻t1またはt3）、上流側触媒３２は最大酸素吸蔵状態、或いは最小酸素吸蔵状態を維持する。そして、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転すると、その後、上流側触媒３２に吸蔵されている酸素量を表す酸素吸蔵積算量O2SUMが更新され始める。従って、上記ステップ１３４の処理によれば、酸素吸蔵積算量O2SUMが更新され始める時期を検知することができる。
【００６６】
上記ステップ１３４の処理は、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転したと判別されるまで、すなわち、酸素吸蔵積算量O2SUMの更新が開始されたと判別されるまで、繰り返し実行される。そして、ΔA/Fの符号が反転したと判別されると、次に、後述する触媒温度積算値THCSUMおよび吸入空気量積算値GASUMがクリアされ、更に、後述する積算回数計数値ｎが０にリセットされる（ステップ１３６）。
【００６７】
次に、触媒温度THCが検出され、更に、その検出値に基づいて触媒温度積算値THCSUMが更新される（ステップ１３８）。
触媒温度THCは、実測または推定による上流側触媒３２の実温度である。触媒温度THCは、実測の場合には、上流側触媒３２に触媒温度センサを組み付けることで検出することができる。また、触媒温度THCは、推定の場合には、点火時期、混合気の空燃比A/F、吸入空気量Ga、車速SPD、および吸気温THAなどに基づいて、予め準備されているマップや演算式に従って検出することができる。触媒温度積算値THCSUMは、前回の処理サイクル時の値に、今回の処理サイクルにより検出された触媒温度THCを加えた値である。
【００６８】
次に、吸入空気量Gaが検出され、更に、その検出値に基づいて吸入空気量積算値GASUMが更新される（ステップ１４０）。
吸入空気量Gaは、エアフロメータ２０により実測された値である。また、吸入空気量積算値GASUMは、前回の処理サイクル時の値に、今回の処理サイクルで検出された吸入空気量Gaを加えた値である。
【００６９】
次に、積算回数計数値ｎがインクリメントされる（ステップ１４２）。
積算回数計数値ｎは、このように処理されることにより、上記ステップ１３８および１４０の処理が繰り返された回数を表す値となる。
【００７０】
図６に示す一連の処理では、次に、リーンフラグXleanがOFFからONに変化したか、或いは、リッチフラグがOFFからONに変化したかが判別される（ステップ１４４）。
【００７１】
図４を参照して説明した通り、本実施形態のシステムでは、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発した時点でリーンフラグXleanがOFFからONに変化する（ステップ１１４参照）。また、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発した時点でリッチフラグがOFFからONに変化する（ステップ１１８参照）。そして、これらの変化は、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態或いは最小酸素吸蔵状態に至った直後に生ずる。従って、上記ステップ１４４の処理によれば、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態或いは最小酸素吸蔵状態に至った時期を検知することができる。
【００７２】
図６に示す一連の処理において、上記ステップ１４４の条件が成立しないと判別された場合は、再び上記ステップ１３８以降の処理が実行される。そして、その条件が成立すると判別されるまで、繰り返し上記ステップ１３８〜１４４の処理が実行される。
【００７３】
上記ステップ１４４において、リーンフラグXleanがOFFからONに変化した、或いは、リッチフラグXrichがOFFからONに変化したと判別されると、次式に従って酸素吸蔵容量OSCが算出される（ステップ１４６）。
OSC＝O2SUMmax−O2SUMmin ・・・（２）
【００７４】
図４を参照して説明した通り、本実施形態のシステムでは、リーンフラグXleanがOFFからONに変化した時点で最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxが算出される（ステップ１１４参照）。また、リッチフラグXrichがOFFからONに変化した時点で最小酸素吸蔵積算量O2SUMminが算出される（ステップ１１８参照）。上記ステップ１４６の処理によれば、O2SUMmaxおよびO2SUMminの一方が最新の値に更新される毎に、その最新の値を用いて酸素吸蔵容量OSCを算出することができる。
【００７５】
図６に示す一連の処理では、上記ステップ１４６の処理に次いで、検出中平均触媒温度THCAVが算出される。検出中平均触媒温度THCAVは、具体的には、次式に示す通り、上記ステップ１３８で演算される触媒温度積算値THCSUMを、積算回数計数値ｎで割ることにより算出される（ステップ１４８）。
THCAV＝THCSUM/ｎ ・・・（３）
【００７６】
次に、検出中平均吸入空気量GAAVが算出される。検出中平均吸入空気量GAAVは、具体的には、次式に示す通り、上記ステップ１４０で演算される吸入空気量積算値GASUMを、積算回数計数値ｎで割ることにより算出される（ステップ１５０）。
GAAV＝GASUM/ｎ ・・・（４）
【００７７】
以上説明した通り、図６に示す一連の処理によれば、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態、或いは最小酸素吸蔵状態となった直後に、最新のデータに基づいて酸素吸蔵容量OSCを算出することができると共に、その最新の酸素吸蔵容量OSCが求められる過程で生じていた触媒温度の平均値THCAV、および吸入空気量の平均値GAAVを求めることができる。
【００７８】
図６に示す一連の処理は、上記の如く、図５に示すルーチン中、ステップ１３２において実行される。
図５に示すルーチンでは、ステップ１３２の処理が終了すると、次に、検出中平均触媒温度THCAV、および検出中平均吸入空気量GAAVに基づいて、劣化判定のしきい値A(x)が決定される（ステップ１５２）。
ECU４２は、劣化した触媒の酸素吸蔵容量OSCと、正常な触媒の酸素吸蔵容量OSCとを切り分けるためのしきい値を、触媒温度と吸入空気量との関係で定めたマップを記憶している。本ステップ１５２では、そのマップを参照して上記のしきい値A(x)が決定される。
【００７９】
図５に示すルーチンでは、次に、今回の処理サイクルにおいて検出された酸素吸蔵容量OSCが、上記ステップ１５２で決定されたしきい値A(x)に比して大きいか否かが判別される（ステップ１５４）。
【００８０】
その結果、OSC＞A(x)が成立すると判別された場合は、上流側触媒３２が正常であると判断される（ステップ１５６）。
一方、OSC＞A(x)が成立しないと判別された場合は、上流側触媒３２に劣化が生じていると判断される（ステップ１５８）。
【００８１】
図５に示すルーチン中、上記ステップ１３１において、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正ではない、すなわち、第２Ｏ２センサ４０の出力はリッチ出力或いはリーン出力に張り付いていると判別された場合は、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態または最小酸素吸蔵状態にあると判断できる。つまり、下流側触媒３４が、未浄化の排気ガスを浄化できる状態にないと判断できる。図５に示すルーチンでは、この場合、上流側触媒３２の劣化を検出するための処理、すなわち、上流側触媒３２を強制的に最大酸素吸蔵状態や最小酸素吸蔵状態とする処理が禁止される。そして、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正にするための調整処理の開始が指示される（ステップ１６０）。
【００８２】
上記の調整処理は、図５に示すルーチンとは異なる他のルーチンにより実行される。その調整処理では、先ず、第２Ｏ２センサ４０の出力に基づいて、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあるのか、或いは最小酸素吸蔵状態にあるのかが判別される。その結果、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、内燃機関１０に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチ側の所定値とする処理が行われる。この状態が継続されると、やがて、下流側触媒３４に酸素不足の排気ガスが供給されるようになり、下流側触媒３４の最大酸素吸蔵状態を解消することができる。一方、下流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、内燃機関１０に供給する混合気の空燃比を強制的にリーン側の所定値とする処理が行われる。この状態が継続されると、やがて、下流側触媒３４に酸素過多の排気ガスが供給されるようになり、下流側触媒３４の最小酸素吸蔵状態を解消することができる。
【００８３】
上記の調整処理により、下流側触媒３４の最大酸素吸蔵状態または最小酸素吸蔵状態が解消されると、その後図５に示すルーチンが起動された際に、ステップ１３１において、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であると判断される。そして、ステップ１３２〜１５８の処理により、未浄化の排気ガスを大気に放出することなく、上流側触媒３２が正常であるか、或いは劣化しているかが判別される。
【００８４】
以上説明した通り、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、上流側触媒３２の劣化検出のための一連の処理を、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正である場合に限り実行することができる。そして、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正でない場合には、積極的に、適正な酸素吸蔵状態を作り出すことができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、排気エミッションを悪化させることなく、高い頻度で、上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【００８５】
ところで、上述した実施の形態１においては、上流側触媒３２と下流側触媒３４との間、および下流側触媒３４の下流に配置するセンサをＯ２センサとしているが、それらのセンサは、排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな変化を示す空燃比センサであってもよい。
【００８６】
尚、上述した実施の形態１においては、第１Ｏ２センサ３８が前記請求項１記載の「浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記請求項１記載の「最大酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記請求項１記載の「最小酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ８２〜９０の処理を実行することにより前記請求項１記載の「強制リッチ手段」および「強制リーン手段」が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記請求項１記載の「酸素吸蔵容量検出手段」が、上記ステップ１５４の処理を実行することにより前記請求項１記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ１３１の処理を実行することにより前記請求項１記載の「適正状態判別手段」および「判定開始許可手段」が、それぞれ実現されている。
【００８７】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４２が上記ステップ１６０の処理を実行することにより前記請求項２記載の「空燃比調整手段」が実現されている。
【００８８】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４２が、上記ステップ１６０における調整処理において、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあるのか、或いは最小酸素吸蔵状態にあるのかを判別することにより前記請求項３記載の「吸蔵限界検出手段」および「放出限界検出手段」が、その判別結果に応じて混合気の空燃比を強制的にリッチ側の所定値或いはリーン側の所定値とすることにより前記請求項３記載の「リッチ側調整手段」および「リーン側調整手段」が、それぞれ実現されている。
【００８９】
更に、上述した実施の形態１においては、第２Ｏ２センサ４０が前記請求項６記載の「第２浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１３１において、第２Ｏ２センサ４０の出力がリーン判定値Vlとリッチ判定値Vrの間の値であるかを判断することにより前記請求項６記載の「第１判定手段」、「第２判定手段」、および「判別手段」が実現されている。
【００９０】
実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５に示すルーチンに代えて、図７に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１の装置と同様である。実施の形態１の装置は、単一の酸素吸蔵容量OSCに基づいて上流側触媒３２の劣化状態を判定している。これに対して、本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２が劣化しているか否かを、複数の酸素吸蔵容量OSCに基づいて判定する。
【００９１】
図７に示すルーチンは、上記の機能を実現すべく本実施形態においてECU４２が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７において、上記図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００９２】
図７に示すルーチンでは、ステップ１５４において酸素吸蔵容量OSCがしきい値A(x)より大きいと判別された段階では、仮正常判定がなされる（ステップ２００）。
また、ステップ１５４でOSC＞A(x)が成立しないと判別された場合は、仮異常判定がなされる（ステップ２０２）。
【００９３】
それらの処理が終了すると、次に、上記ステップ１５４の判定回数が所定回数N０に達したかが判別される（ステップ２０４）。
その結果、判定回数が未だN０に達していないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了され、所定時間の後に、再びステップ１３０以降の処理が実行される。一方、判定回数がN０に達していると判別された場合は、次に、仮正常と判定された回数と、仮異常と判定された回数との多数決により、上流側触媒３２が正常であるか、或いは異常であるかが判定される（ステップ２０６，１５６，１５８）。
【００９４】
上記の処理によれば、複数の酸素吸蔵容量OSCに基づいて上流側触媒３２の状態を判定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、その状態判定が単一の酸素吸蔵容量OSCに基づいて行われる実施の形態１の装置に比して、高い精度で上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【００９５】
また、上述した処理によれば、N０個の酸素吸蔵容量OSCが検出される前に下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態から外れた場合には、酸素吸蔵容量OSCの検出処理が一時的に中断され、下流側触媒３４を適正な状態に戻すための調整処理が実行される（ステップ１３１，１６０参照）。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、排気エミッションを何ら悪化させることなく、劣化判定の精度を高めることができる。
【００９６】
実施の形態３．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５または図７に示すルーチンに代えて、図８に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１または２の装置と同様である。実施の形態２の装置は、個々の酸素吸蔵容量OSCに基づく複数の仮判定の多数決により上流側触媒３２の劣化状態を判定している。これに対して、本実施形態の触媒劣化検出装置は、複数の酸素吸蔵容量OSCの平均値がしきい値A(x)を越えているか否かに基づいて上流側触媒３２が正常であるか否かを判定する。
【００９７】
図８に示すルーチンは、上記の機能を実現すべく本実施形態においてECU４２が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図８において、上記図５または図７に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００９８】
図８に示すルーチンでは、ステップ１３２および１３４の処理に次いで、酸素吸蔵容量OSCの検出回数が所定回数N０に達したか否かが判別される（ステップ２１０）。
その結果、検出回数が未だN０に達していないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了され、所定時間の後に、再びステップ１３０以降の処理が実行される。一方、検出回数がN０に達していると判別された場合は、次に、検出された全ての酸素吸蔵容量OSCの積算値OSCSUMを検出回数N０で除することにより、酸素吸蔵容量平均値OSCAVが算出される（ステップ２１２）。
【００９９】
その結果、OSCAV＞A(x)が成立すると判別された場合は、上流側触媒３２が正常であると判定される（ステップ１５６）。
一方、OSCAV＞A(x)が成立しないと判別された場合は、上流側触媒３２が異常であると判定される（ステップ１５８）。
【０１００】
上記の処理によれば、複数の酸素吸蔵容量OSCに基づいて、より具体的には、それらの平均値OSCAVに基づいて上流側触媒３２の状態を判定することができる。更に、上述した処理によれば、N０個の酸素吸蔵容量OSCが検出される前に下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態から外れた場合には、酸素吸蔵容量OSCの検出処理を一時的に中断し、下流側触媒３４を適正な状態に戻すための調整処理を行うことができる（ステップ１３１，１６０参照）。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、実施の形態２の場合と同様に、排気エミッションを何ら悪化させることなく、高い精度で上流側触媒３２の劣化を検出することができる。
【０１０１】
実施の形態４．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５、図７または図８に示すルーチンに代えて、図９に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１乃至３の何れかの装置と同様である。
【０１０２】
図９に示すルーチンは、上流側触媒３２の劣化を検出するために本実施形態においてECU４２が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ステップ１３１に次いで、ステップ２００および２２２の処理が実行されることがある点を除き、実施の形態２で実行される図７に示すルーチンと同様である。
【０１０３】
すなわち、図９に示すルーチンでは、ステップ１３１において、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正でないと判別された場合、次に、上流側触媒３２の劣化判定が既に開始されているかが判別される（ステップ２２０）。
【０１０４】
本ルーチンでは、上記図７に示すルーチンと同様に、酸素吸蔵容量OSCに基づく複数の仮判定の多数決により上流側触媒３２の劣化が判定される。上記ステップ２２０では、最初の酸素吸蔵容量OSCの検出が既に開始されているか否かが判別される。最初のOSCを検出すべき段階で下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正でない場合は、上記ステップ２２０において、劣化判定は開始されていないと判別される。この場合、以後、ステップ１６０の処理が実行され、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正にするための調整処理が開始される。そして、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態になると、その時点で、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCを検出するための処理（ステップ１３２以降の処理）が開始される。
【０１０５】
酸素吸蔵容量OSCを検出するための最初の処理が開始された後、所定数N０のOSCが検出されるまでの間には、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態から外れることがある。このような事態が生ずると、図９に示すルーチンでは、ステップ１３１に次いでステップ２２０が実行され、ここで、上流側触媒３２の劣化判定は既に開始されていると判別される（ステップ２２０）。
【０１０６】
上記ステップ２２０において、上流側触媒３２の劣化判定が既に開始されていると判別されると、次に、リッチ固定制御、およびリーン固定制御のパラメータが修正される（ステップ２２２）。
【０１０７】
本実施形態の触媒劣化検出装置は、実施の形態１の装置と同様に、上流側触媒３２の酸素吸蔵量OSCを検出する際に、空燃比を強制的にリッチ側の所定値に固定するリッチ固定制御と、空燃比を強制的にリーン側の所定値に固定するリーン固定制御とを交互に繰り返して強制的に空燃比を振動させる（図２参照）。上記ステップ２２２では、それらの制御でそれぞれ用いられるパラメータが、下流側触媒３２の酸素吸蔵状態に応じて修正される。
【０１０８】
具体的には、上記ステップ２２２では、先ず、第２Ｏ２センサ４０の出力に基づいて、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあるのか、或いは最小酸素吸蔵状態にあるのかが判別される。その結果、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、リッチ固定制御で目標とされるリッチ側の空燃比が、理論空燃比に比して十分にリッチ側に偏った値に設定され、かつ、リーン固定制御で目標とされるリーン側の空燃比が理論空燃比に比して僅かにリーン側に偏った値に設定される。このような設定によれば、上流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態となった後には、酸素不足の顕著な排気ガスが下流側触媒３４に流入する。一方、上流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態となった後には、僅かに酸素過多の排気ガスが下流側触媒３４に流入する。従って、この状態でリッチ固定制御とリーン固定制御が繰り返されれば、最大酸素吸蔵状態を解消して下流側触媒３４を適正な酸素吸蔵状態に復帰させることができる。
【０１０９】
上記ステップ２２２において、下流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、リッチ固定制御で目標とされるリッチ側の空燃比が、理論空燃比に比して僅かにリッチ側に偏った値に設定され、かつ、リーン固定制御で目標とされるリーン側の空燃比が理論空燃比に比して十分にリーン側に偏った値に設定される。この場合、リッチ固定制御とリーン固定制御が繰り返されることにより、下流側触媒３４の最小酸素吸蔵状態が解消され、適正な酸素吸蔵状態が復元される。
【０１１０】
図９に示すルーチンでは、上記ステップ２２２の処理に次いで、ステップ１３２の処理が実行される。その結果、上記ステップ２２０で設定された条件でリッチ固定制御とリーン固定制御とが繰り返し実行され、下流側触媒３４は、未浄化の排気ガスを殆ど大気側に流出させることなく適正な状態に復帰する。
【０１１１】
このように、図９に示すルーチンによれば、所定数N０酸素吸蔵容量OSCが検出される過程で下流側触媒３４が不適正な状態となっても、排気エミッションを悪化させることなく、酸素吸蔵容量OSCの検出を継続することができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、良好な排気エミッション特性を損なうことなく、短時間で、かつ正確に、上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【０１１２】
ところで、上述した実施の形態４では、上記ステップ２２２において、リッチ固定制御で目標とすべき空燃比、およびリーン固定制御で目標とすべき空燃比を修正することとしているが、上記ステップ２２２で修正するパラメータはこれに限定されるものではない。すなわち、上記ステップ２２２では、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力またはリーン出力を発した後、混合気の空燃比を反転させるまでの時間などを修正することとしてもよい。
【０１１３】
具体的には、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態である場合は、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発した後、空燃比をリーンにするまでの時間を比較的長時間とし、かつ、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発した後、空燃比をリッチにするまでの時間を短時間としてもよい。また、下流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態である場合、上記と逆の設定を施すこととしてもよい。前者の設定によれば、下流側触媒３４に酸素不足の排気ガスを多量に供給することができ、下流側触媒３４の最大酸素吸蔵状態を速やかに解消することができる。また、後者の設定によれば、下流側触媒３４に酸素過多の排気ガスを多量に供給することができ、下流側触媒３４の最小酸素吸蔵状態を速やかに解消することができる。
【０１１４】
また、上述した実施の形態４では、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正な状態に調えたうえで最初の酸素吸蔵容量OSCの検出を開始し、その検出が開始された後に下流側触媒３４が不適正な状態となった場合に、リッチ固定制御およびリーン固定制御のパラメータを修正することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、最初の酸素吸蔵容量OSCを検出すべき段階で下流側触媒３４が不適正な状態である場合には、その段階で、リッチ固定制御およびリーン固定制御のパラメータを修正することとしてもよい。
【０１１５】
尚、上述した実施の形態４においては、ECU４２が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記請求項４記載の「制御繰り返し手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記請求項４記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ２２０および２２２の処理を実行することにより前記請求項４記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１１６】
また、上述した実施の形態４においては、第１Ｏ２センサ３８が前記請求項５記載の「浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最大酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最小酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ８２〜９０の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制リッチ手段」および「強制リーン手段」が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「酸素吸蔵容量検出手段」が、上記ステップ１５４の処理を実行することにより前記請求項５記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ１３１の処理を実行することにより前記請求項５記載の「適正状態判別手段」が、また、上記ステップ２２０，２２２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１１７】
実施の形態５．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５、図７、図８または図９に示すルーチンに代えて、図１０に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１乃至４の何れかの装置と同様である。
【０１１８】
図１０に示すルーチンは、ステップ１３１に次いで、ステップ２００および２２２の処理が実行されることがある点を除き、上述した実施の形態３で実行される図８に示すルーチンと同様である。また、図１０に示すステップ２００および２２２の処理は、上述した実施の形態４において実行される処理と同じである。
【０１１９】
図１０に示すルーチンによれば、図９に示すルーチンが実行される場合と同様に、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正な状態に調えた後に、酸素吸蔵容量OSCを検出するための最初の処理を開始することができる。そして、所定数N０のOSCが検出される前に下流側触媒３４が不適正な状態となったら、OSCの検出を継続させながら、未浄化の排気ガスを殆ど大気中に流出させることなく、下流側触媒３４を適正な状態に復帰させることができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、実施の形態４の場合と同様に、良好な排気エミッション特性を損なうことなく、短時間で、かつ正確に、上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【０１２０】
ところで、上述した実施の形態５では、上記ステップ２２２において、リッチ固定制御で目標とすべき空燃比、およびリーン固定制御で目標とすべき空燃比が修正されているが、上記ステップ２２２で修正するパラメータはこれに限定されるものではない。すなわち、実施の形態４の説明でも述べた通り、上記ステップ２２２では、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力またはリーン出力を発した後、混合気の空燃比を反転させるまでの時間を修正することとしてもよい。
【０１２１】
また、上述した実施の形態５では、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正な状態に調えたうえで最初の酸素吸蔵容量OSCの検出を開始することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、最初の酸素吸蔵容量OSCを検出すべき段階で下流側触媒３４が不適正な状態である場合には、その段階で、リッチ固定制御およびリーン固定制御のパラメータを修正することとしてもよい。
【０１２２】
尚、上述した実施の形態５においては、ECU４２が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記請求項４記載の「制御繰り返し手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記請求項４記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ２２０および２２２の処理を実行することにより前記請求項４記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２３】
また、上述した実施の形態５においては、第１Ｏ２センサ３８が前記請求項５記載の「浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最大酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最小酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ８２〜９０の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制リッチ手段」および「強制リーン手段」が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「酸素吸蔵容量検出手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記請求項５記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ１３１の処理を実行することにより前記請求項５記載の「適正状態判別手段」が、また、上記ステップ２２０，２２２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２４】
実施の形態６．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
本実施形態の触媒劣化検出装置は、図１に示すシステム構成から第２Ｏ２センサ４０を除去した構成を有しており、上述した実施の形態１乃至５の何れかにおいて実行されるルーチンに加えて、図１１に示すルーチンを更にECU４２に実行させることにより実現することができる。
【０１２５】
上述した実施の形態１乃至５において、ECU４２は、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であるか否かを、第２Ｏ２センサ４０の出力に基づいて判断している（上記ステップ１３１参照）。これに対して、本実施形態の触媒劣化検出装置は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の量を所定の規則により推定し、下流側触媒３４が適正な状態であるか否かを、その推定値に基づいて判断することとしている。
【０１２６】
図１１は、上記の機能を実現すべく、ECU４２が実行するルーチンのフローチャートを示す。図１１に示すルーチンでは、先ず、下流側触媒３４の触媒温度が検出される（ステップ３０２）。
下流側触媒３４の触媒温度は、その触媒３４に触媒温度センサを組み付けることで実測することができる。また、下流側触媒３４の触媒温度は、点火時期、混合気の空燃比A/F、吸入空気量Ga、車速SPD、および吸気温THAなどに基づいて、予め準備されているマップや演算式に従って検出することができる。本ステップ３０２では、これらの手法で触媒温度が検出される。
【０１２７】
図１１に示すルーチンでは、次に、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発しているか、すなわち、下流側触媒３４に、酸素不足の排気ガスが流入しているかが判別される（ステップ３０２）。
【０１２８】
その結果、第２Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発していると判別された場合は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の積算量O2SUMが、所定の規則に従って減量される（ステップ３０４）。
所定の規則としては、例えば、酸素吸蔵積算量O2SUMを推定するための公知のモデルを用いることができる。また、より簡単には、第１Ｏ２センサ３８を空燃比センサ或いはＨＣセンサに変更して本ステップ３０４の処理をおこなってもよい。すなわち、この場合、空燃比センサやHCセンサの出力と吸入空気量Gaとに基づいて単位時間当たりの酸素放出量を算出することができる。そして、その算出値を、前回の処理サイクル時における酸素吸蔵積算量O2SUMから減ずることにより、O2SUMを適正に更新することができる。
【０１２９】
図１１に示すルーチン中、上記ステップ３０２において、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発していないと判別された場合は、次に、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発しているかが判別される（ステップ３０６）。
【０１３０】
その結果、第２Ｏ２センサ３８がリーン出力を発していると判別された場合は、更に、フューエルカットが行われているか否かが判別される（ステップ３０８）。
そして、フューエルカットが行われていないと判別された場合は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の積算量O2SUMが、通常の規則に従って増量される（ステップ３１０）。
一方、フューエルカットが行われていると判別された場合は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の積算量O2SUMが、フューエルカット時を想定した規則に従って増量される（ステップ３１２）。
【０１３１】
上記ステップ３１０および３１２の処理は、上述したステップ３０４の場合と同様に、公知のモデルを用いて行うことができる。また、それらの処理は、第１Ｏ２センサ３８を空燃比センサやHCセンサに変更したうえで、単位時間当たりの酸素吸蔵量を算出し、その算出値を、前回の処理サイクル時における酸素吸蔵積算量O2SUMに加算することによっても実現することができる。
【０１３２】
フューエルカット中は、排気通路１４中を空気が流通するため、通常の運転時に比して、単位時間当たりの酸素吸蔵量が多量となる。このため、本実施形態では、上記の如く、フューエルカット中と、非フューエルカット中とを分けて酸素吸蔵積算量O2SUMを更新することとしている。このため、本実施形態のシステムによれば、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMを精度良く推定することができる。
【０１３３】
図１１に示すルーチン中、上記ステップ３０６で、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発していないと判別された場合は、下流側触媒３４に、酸素の過不足のない排気ガスが流入していると判断できる。この場合、酸素吸蔵積算量O2SUMに大きな増減は生じないため、O2SUMの更新処理は省略される。
【０１３４】
上述した一連の処理が終了すると、次に、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMが読み込まれる（ステップ３１４）。
【０１３５】
次に、その積算量O2SUMが、下流側触媒３４にとって適正な酸素吸蔵量であるかが判別される。より具体的には、下流側触媒３４が、上流側触媒３２の劣化検出に伴って下流側触媒３４に流入してくる酸素過多或いは酸素不足の排気ガスを適正に浄化できる状態にあるかが判別される（ステップ３１６）。
【０１３６】
酸素吸蔵積算量O2SUMが適正な吸蔵量であるか否かは、下流側触媒３４の酸素吸蔵容量との関係で判断すべき事項である。ここで、下流側触媒３４の酸素吸蔵容量は、その触媒温度に応じて変化する。このため、上記ステップ３１６では、先ず、上記ステップ３００で検出された触媒温度に基づいて下流側触媒３４の酸素吸蔵容量が推定される。そして、その推定の後に、上記ステップ３１４で読み込まれた積算量O2SUMが、流出してくる可能性のある酸素不足の排気ガスを浄化するに足る第１の積算値以上であり、かつ、流出してくる可能性のある酸素過多の排気ガスを浄化する余裕を有する第２の積算量以下であるかが判断される。
【０１３７】
上記の判別結果、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMが適量である場合は、下流側触媒３４が適正な状態にあると判断される（ステップ３１８）。
一方、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMが適量でない場合は、下流側触媒３４が適正な状態から外れていると判断される（ステップ３２０）。
【０１３８】
以上説明した通り、図１１に示すルーチンによれば、第２Ｏ２センサ４０の出力を用いることなく、下流側触媒３４が適正な状態にあるのか、或いは適正な状態から外れているのかを判断することができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、第２Ｏ２センサ４０を備えていないにも関わらず、上述した実施の形態１乃至５の装置と同等の機能を実現することができる。
【０１３９】
尚、上述した実施の形態６においては、ECU４２が、上記ステップ３０２〜３１２の処理を実行することにより前記請求項７記載の「推定手段」および「酸素吸蔵積算量算出手段」が、上記ステップ３１６の処理を実行することにより前記請求項７記載の「判別手段」が、それぞれ実現されている。
【０１４０】
また、上述した実施の形態６においては、ECU４２が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより前記請求項８記載の「フューエルカット検出手段」が、上記ステップ３１２の処理を実行することにより前記請求項８記載の「第２推定手段」が、それぞれ実現されている。
【０１４１】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、下流側触媒が、排気ガス浄化能力を発揮し得る適正な状態にある場合にのみ、劣化判定に必要な一連の処理の開始を許可することができる。つまり、本発明によれば、上流側触媒の下流に未浄化の排気ガスが流出しても、その排気ガスを下流側触媒が適正に浄化できる場合にのみ劣化判定の処理を開始させることができる。このため、本発明によれば、上流側触媒の劣化判定過程における排気エミッションの悪化を有効に防止することができる。
【０１４２】
請求項２記載の発明によれば、下流側触媒が適正状態でない場合には、空燃比を制御することで、積極的にその適正状態を実現することができる。このため、本発明によれば、上流側触媒の劣化判定の頻度を高めることができる。
【０１４３】
請求項３記載の発明によれば、下流側触媒が吸蔵限界状態である場合には、空燃比をリッチとして、下流側触媒から酸素を放出させることができる。また、下流側触媒が放出限界状態である場合には、空燃比をリーンとして、下流側触媒に酸素を吸蔵させることができる。
【０１４４】
請求項４記載の発明によれば、複数の酸素吸蔵容量に基づいて、上流側触媒の劣化判定を精度良く行うことができる。また、本発明によれば、劣化判定の過程で下流側触媒が適正状態から外れた場合には、その適正状態が復元されるように、空燃比が強制的に制御される際のリッチの程度、或いはリーンの程度が修正される。このため、本発明によれば、複数の酸素吸蔵容量に基づく高精度な劣化判定を、排気エミッションを大きく悪化させることなく完了させることができる。
【０１４５】
請求項５記載の発明によれば、下流側触媒が適正状態から外れている場合には、その適正状態が実現されるように、空燃比が強制的に制御される際のリッチの程度、或いはリーンの程度が修正される。このため、本発明によれば、排気エミッションを大きく悪化させることなく上流側触媒の劣化判定を完了させることができる。
【０１４６】
請求項６記載の発明によれば、下流側触媒の下流に設けられた第２浄化程度検出センサの出力に基づいて、下流側触媒が、酸素を吸蔵・放出し得る状態であるか、すなわち、十分な浄化能力を発揮し得る適正状態であるかを、容易かつ精度良く判断することができる。
【０１４７】
請求項７記載の発明によれば、下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を精度良く推定すると共に、その推定値に基づいて、下流側触媒が、酸素を吸蔵・放出し得る状態であるか、すなわち、十分な浄化能力を発揮し得る適正状態であるかを、容易かつ精度良く判断することができる。
【０１４８】
請求項８記載の発明によれば、フューエルカットの影響をも考慮して下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を推定することができる。そして、その推定値に基づいて、下流側触媒が、酸素を吸蔵・放出し得る状態であるか、すなわち、十分な浄化能力を発揮し得る適正状態であるかを、容易かつ精度良く判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の触媒劣化検出装置の構成を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施の形態１において実行される空燃比強制制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】 本発明の実施の形態１において触媒の酸素吸蔵容量を算出する手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】 本発明の実施の形態１において実行される酸素吸蔵積算量演算ルーチンのフローチャートである。
【図５】 本発明の実施の形態１において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】 本発明の実施の形態１において酸素吸蔵容量等を求めるために実行される一連の処理のフローチャートである。
【図７】 本発明の実施の形態２において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】 本発明の実施の形態３において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】 本発明の実施の形態４において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１０】 本発明の実施の形態５において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１１】 本発明の実施の形態６において下流側触媒が適正状態であるか否かを判断するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１４ 排気通路
３２ 上流側触媒
３４ 下流側触媒
３６ 空燃比センサ
３８ 第１Ｏ２センサ
４０ 第２Ｏ２センサ
４２ ECU(Electronic Control Unit
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に係り、特に、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検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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おり、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は、吸蔵している酸素を用いてそれらの成分を酸化する。一方、排気ガス中にNOx等の酸化物が含まれている場合、上記の触媒は、それらの物質を還元し、その結果生じた酸素を吸蔵する。
【０００３】
排気通路に配置される触媒は、このようにして排気ガスの浄化を図る。このため、その浄化能力は、酸素の吸蔵能力に大きく影響される。従って、触媒の浄化能力の劣化状態は、その触媒が吸蔵し得る酸素の最大量、すなわち、酸素吸蔵容量により判断することができる。
【０００４】
従来、例えば特開平５−１３３２６４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リッチまたはリーンとすることで、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。空燃比がリッチに制御されている間は、HCやCOなどの未燃成分を含む酸素不足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、吸蔵している酸素を放出して排気ガスを浄化しようとする。このため、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て、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することで、排気ガスを浄化しようとする。このため、長期に渡ってその状態が継続されると、やがて触媒は、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはやNOxを浄化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。
【０００６】
上記従来の装置は、上述した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制御する。そして、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が遷移する過程で触媒に吸蔵される酸素の量を積算することで、或いは、その逆の状態遷移が生ずる過程で触媒から放出される酸素の量を積算することで、酸素吸蔵容量を求める。そして、上記従来の装置は、このようにして求めた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、或いは劣化しているかを判断する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置において、混合気の空燃比は、触媒が最大酸素吸蔵状態となった後にリーンからリッチに切り替えられる。また、その空燃比は、触媒が最小酸素吸蔵状態になった後にリッチからリーンに切り替えられる。前者の切り替えが行われた後、ある程度の期間は、触媒に対して酸素過多の排気ガスが供給され続ける。このため、その期間中は、触媒の下流に、酸素過多の未浄化の排気ガスが流出する。同様に、後者の切り替えが行われた後、ある程度の期間は、触媒の下流に、酸素不足の未浄化の排気ガスが流出する。
【０００８】
上記の如く触媒の下流に流出してくる未浄化の排気ガスが大気に放出されるのを防ぐ手法としては、例えば、その触媒の下流に下流側触媒を配置することが考えられる。このような構造をとれば、上流側の触媒から流出してくる未浄化の排気ガスを、下流側触媒で処理することで、排気エミッションの悪化を有効に防止することができる。
【０００９】
しかし、下流側触媒が配置されていても、その下流側触媒がほぼ容量一杯に酸素を吸蔵しているときに上流側の触媒から酸素過多の排気ガスが流出してくれば、その排気ガスは下流側触媒を通過して大気に放出されてしまう。同様に、下流側触媒がほぼ完全に酸素を放出している状況下で、上流側の触媒から酸素不足の排気ガスが流出してくれば、その排気ガスは下流側触媒でも浄化されずに大気に放出されてしまう。
【００１０】
このように、空燃比を強制的に振動させて触媒の劣化判定を行おうとした場合、その判定の対象である触媒の下流に更に下流側触媒を配置しただけでは、劣化判定の過程で排気エミッションが悪化するのを完全に防止することはできない。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、排気エミッションを大きく悪化させることなく触媒の劣化判定を完了させることのできる内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の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上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒と前記下流側触媒との間で排気ガスの浄化程度を検出する浄化程度検出センサと、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素過多の排気ガスが流出してくる最大酸素吸蔵状態を検出する手段と、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素不足の排気ガスが流出してくる最小酸素吸蔵状態を検出する手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチに制御する強制リッチ手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンに制御する強制リーン手段と、
前記最大酸素吸蔵状態から前記最小酸素吸蔵状態への状態遷移の過程で前記上流側触媒が放出した酸素量、或いはその逆の状態遷移の過程で前記上流側触媒が吸蔵した酸素量を、前記上流側触媒の酸素吸蔵容量として検出する酸素吸蔵容量検出手段と、
前記酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段と、
前記下流側触媒が、所定量以上の酸素を吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる適正状態であるか否かを判別する適正状態判別手段と、
前記下流側触媒が前記適正状態である場合に限り、前記上流側触媒の劣化状態を判定するための一連の処理（前記強制リッチ手段または前記強制リーン手段による空燃比の制御を含む）の開始を許可する判定開始許可手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、前記下流側触媒が前記適正状態でない場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、内燃機関に供給する混合気の空燃比を制御する空燃比調整手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記適正状態判別手段は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を吸蔵することができない吸蔵限界状態を検出する吸蔵限界検出手段と、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を放出することができない放出限界状態を検出する放出限界検出手段とを含み、
前記空燃比調整手段は、前記下流側触媒が前記吸蔵限界状態である場合に、前記適正状態が実現されるまで、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチにするリッチ側調整手段と、前記下流側触媒が前記放出限界状態である場合に、前記適正状態が実現されるまで、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンにするリーン側調整手段とを含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記上流側触媒の酸素吸蔵容量が所定数検出されるまで、前記強制リッチ手段と前記強制リーン手段とに交互に空燃比を制御させる制御繰り返し手段を備え、前記劣化判定手段は、前記所定数の酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定し、更に、
前記上流側触媒の劣化状態を判定するための一連の処理が開始された後、前記所定数の酸素吸蔵容量が検出される前に、前記下流側触媒が前記適正状態から外れた場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、前記強制リッチ手段の制御パラメータ、および前記強制リーン手段の制御パラメータの少なくとも一方を修正する強制空燃比修正手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、内燃機関の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上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒と前記下流側触媒との間で排気ガスの浄化程度を検出する浄化程度検出センサと、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素過多の排気ガスが流出してくる最大酸素吸蔵状態を検出する手段と、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素不足の排気ガスが流出してくる最小酸素吸蔵状態を検出する手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチに制御する強制リッチ手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンに制御する強制リーン手段と、
前記最大酸素吸蔵状態から前記最小酸素吸蔵状態への状態遷移の過程で前記上流側触媒が放出した酸素量、或いはその逆の状態遷移の過程で前記上流側触媒が吸蔵した酸素量を、前記上流側触媒の酸素吸蔵容量として検出する酸素吸蔵容量検出手段と、
前記酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段と、
前記下流側触媒が、所定量以上の酸素を吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる適正状態であるか否かを判別する適正状態判別手段と、
前記下流側触媒が前記適正状態から外れている場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、前記強制リッチ手段の制御パラメータ、および前記強制リーン手段の制御パラメータの少なくとも一方を修正する強制空燃比修正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記適正状態判別手段は、
前記下流側触媒の下流で排気ガスの浄化程度を検出する第２浄化程度検出センサと、
前記第２浄化程度検出センサの出力と、排気ガスが酸素過多であることを表す第１判定値とを比較する第１判定手段と、
前記第２浄化程度検出センサの出力と、排気ガスが酸素不足であることを表す第２判定値とを比較する第２判定手段と、
前記第２浄化程度検出センサの出力が、前記第１判定値と前記第２判定値とを両端値とする適正範囲に収まる場合に、前記下流側触媒が前記適正状態であると判別する判別手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
前記適正状態判別手段は、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記下流側触媒に吸蔵される酸素量、または前記下流側触媒から放出される酸素量を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された酸素量を積算することで、前記下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を算出する酸素吸蔵積算量算出手段と、
前記酸素吸蔵積算量が、第１積算値と第２積算値とを両端値とする適正範囲に収まる場合に、前記下流側触媒が前記適正状態であると判別する判別手段と、を備え、
前記第１積算値は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を吸蔵することのできる酸素吸蔵積算量の上限値であり、
前記第２積算値は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を放出することのできる酸素吸蔵積算量の下限値であることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の内燃機関の触媒劣化検出装置であって、
内燃機関のフューエルカットを検出するフューエルカット検出手段と、
前記フューエルカットの際に前記下流側触媒に吸蔵される酸素量を推定する第２推定手段と、を備え、
前記酸素吸蔵積算量算出手段は、前記推定手段により推定された酸素量と、前記第２推定手段により推定された酸素量とを積算することで、前記下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を算出することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の触媒劣化検出装置を搭載する内燃機関１０およびその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路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THA（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。
【００２１】
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１２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の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。
【００２２】
スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンクの更に下流には、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３０が配置されている。
【００２３】
排気通路１４には、上流側触媒３２と下流側触媒３４とが直列に配置されている。これらの触媒３２，３４は、ある程度の酸素を吸蔵することができ、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は、吸蔵している酸素を用いてそれらを酸化し、また、排気ガス中にNOxなどの酸化成分が含まれている場合は、それらを還元し、放出された酸素を吸蔵することができる。内燃機関１０から排出される排気ガスは、触媒３２，３４の内部で上記の如く処理されることにより浄化される。
【００２４】
排気通路１４には、また、上流側触媒３２の上流に空燃比センサ３６が、上流側触媒３２と下流側触媒３４との間に第１Ｏ２センサ３８が、更に、下流側触媒３４の下流に第２Ｏ２センサ４０がそれぞれ配置されている。空燃比センサ３６は、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサである。一方、第１Ｏ２センサ３８および第２Ｏ２センサ４０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３６によれば、上流側触媒３２に流入する排気ガス中の酸素濃度に基づいて、内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比を検出することができる。また、第１Ｏ２センサ３８によれば、上流側触媒３２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）、或いは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２Ｏ２センサ４０によれば、下流側触媒３４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）、或いは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
【００２５】
本実施形態の触媒劣化検出装置は、図１に示すように、ECU(Electronic Control Unit)４２を備えている。ECU４２には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、内燃機関１０の冷却水温THWを検出する水温センサ４４などが接続されている。
【００２６】
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、先ず、上流側触媒３２で浄化される。そして、下流側触媒３４では、上流側触媒３２で浄化し切れなかった排気ガスの浄化処理が行われる。上流側触媒３２は、内燃機関１０に近い位置に配置されていることから、内燃機関１０の始動後、早期に活性温度にまで昇温する。このため、上流側触媒３２は、内燃機関１０の始動直後から、高い排気ガス浄化能力を発揮する。このシステムにおいて、常に適正な排気ガス浄化能力を発揮させるためには、上流側触媒３２の劣化を速やかに検知することが必要である。
【００２７】
上流側触媒３２は、上記の如く、燃料リッチな排気ガス中に酸素を放出し、また、燃料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。このため、上流側触媒３２の浄化能力は、上流側触媒３２が最大限吸蔵することのできる酸素量、すなわち、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCが減少するに連れて低下する。そこで、本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCを検出し、その検出値に基づいて上流側触媒３２の劣化を判定することとしている。
【００２８】
図２は、本実施形態のシステムおいて、ECU４２が、上流側触媒３２の酸素吸蔵量OSCを検出するために実行する空燃比強制制御ルーチンのフローチャートである。
図２に示すルーチンでは、先ず、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が生じているか否かが判別される（ステップ８０）。
【００２９】
その結果、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が生じていないと判別された場合は、以後、何ら処理が進められることなく今回のサイクルが終了される。一方、OSCの検出指令が生じていると判別された場合は、次に、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わったかが判別される（ステップ８２）。
【００３０】
リーンフラグXleanは、第１Ｏ２センサ３８が、リーン判定値を越える出力（以下、「リーン出力」と称す）を発生している間ONとなるフラグである（図４、ステップ１１４参照）。従って、上記ステップ８２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１Ｏ２センサ３８の出力が、リーン判定値を下回る値からその判定値以上の値に変化した場合に成立する。図２に示すルーチンでは、この条件が成立すると、次に、混合気の空燃比をリッチ側の所定値に固定する制御が行われる（ステップ８４）。
【００３１】
一方、上記ステップ８２において、リーンフラグXleanがOFFからONに切り替わっていないと判別された場合は、次に、リッチフラグがOFFからONに切り替わったかが判別される（ステップ８６）。
【００３２】
リッチフラグXrichは、第１Ｏ２センサ３８が、リッチ判定値を下回る出力（以下、「リッチ出力」と称す）を発生している間ONとなるフラグである（図４、ステップ１１８参照）。従って、上記ステップ８６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１Ｏ２センサ３８の出力が、リッチ判定値を上回る値からその判定値以下の値に変化した場合に成立する。図２に示すルーチンでは、この条件が成立すると、次に、混合気の空燃比をリーン側の所定値に固定する制御が行われる（ステップ８８）。
【００３３】
一方、上記ステップ８６において、リッチフラグXrichがOFFからONに切り替わっていないと判別された場合は、従前用いられていた空燃比に合わせて、リッチ固定制御、或いはリーン固定制御が実行される。より具体的には、現在までの空燃比がリッチである場合は、上記ステップ８４の場合と同様に、空燃比をリッチ側の所定値に固定する制御が行われる。一方、現在までの空燃比がリーンである場合は、上記ステップ８８の場合と同様に、空燃比をリーン側の所定値に固定する制御が実行される（ステップ９０）。
【００３４】
図３は、ECU４２が上述した図２に示すルーチンを実行することで実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、酸素吸蔵容量OSCの検出中に空燃比センサ３６の出力に生ずる変化を示す。また、図３（Ｂ）は、その際に第１Ｏ２センサ３８の出力に生ずる変化を示す。
【００３５】
上述した図２に示すルーチンによれば、酸素吸蔵容量OSCの検出指令が生ずると、その後ステップ９０の処理により、混合気の空燃比がリッチ側或いはリーン側の所定値に固定される。図３は、時刻t0まで、その空燃比がリッチ側の所定値に固定されていた場合を示している。混合気の空燃比が燃料リッチに固定されている間、空燃比センサ３６の出力は図３（Ａ）に示すようにリッチ側に偏った値となる。この間、上流側触媒３２は、吸蔵している酸素を排気ガス中に放出して、排気ガスの浄化を図っている。
【００３６】
上流側触媒３２に吸蔵されていた全ての酸素が放出されると、上流側触媒３２の内部で排気ガスが浄化されなくなり、その下流側に、HCやCOを含む酸素不足の排気ガスが流出し始める。上流側触媒３２の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始めると、第１Ｏ２センサ３８の出力は、排気ガスが燃料リッチであることを表すリッチ判定値Vrより小さな値となる。このため、第１Ｏ２センサ３８の出力を監視すれば、上流側触媒３２の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始める時期、すなわち、上流側触媒３２中の酸素が使い果たされた時期を検知することができる。図３（Ｂ）においては、時刻t0がその時期に相当している。
【００３７】
第１Ｏ２センサ３８の出力がリッチ判定値Vrより小さくなると、その時点でリッチフラグXrichがONとなり、上記図２に示すステップ８８の処理が実行される。その結果、混合気の空燃比は、強制的にリーン側の所定値に固定される。混合気の空燃比がリーン側の所定値に固定されると、空燃比センサ３６の出力は、その後やがてリーン側に偏った値となる。図３（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。
【００３８】
空燃比センサ３６の出力が燃料リーン側に偏っている間、すなわち、上流側触媒３２に酸素過多の排気ガスが流入している間、上流側触媒３２は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することでその浄化を図る。この状態が継続すると、やがて上流側触媒３２に酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵され、上流側触媒３２が排気ガスを浄化できない事態が生ずる。
【００３９】
この事態が生ずると、以後、上流側触媒３２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る。上流側触媒３２の下流に酸素過多の排気ガスが流出し始めると、第１Ｏ２センサ３８の出力は、排気ガスが燃料リーンであることを表すリーン判定値Vlより大きな値となる。このため、第１Ｏ２センサ３８の出力を監視すれば、上流側触媒３２の下流に酸素過多な排気ガスが流出し始める時期、すなわち、上流側触媒３２に酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵された時期を検知することができる。図３（Ｂ）においては、時刻t2がその時期に相当している。
【００４０】
第１Ｏ２センサ３８の出力がリーン判定値Vlより大きくなると、その時点でリーンフラグがONとなり、上記図２に示すステップ８４の処理が実行される。その結果、混合気の空燃比は、強制的にリッチ側の所定値に固定される。混合気の空燃比がリッチ側の所定値に固定されると、空燃比センサ３６の出力は、その後やがてリッチ側に偏った値となる。図３（Ａ）に示す波形は、時刻t3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。
【００４１】
以後、触媒劣化検出装置は、第１Ｏ２センサ３８の出力が再びリッチ判定値Vrより小さくなるまで混合気の空燃比を燃料リッチに維持する。そして、第１Ｏ２センサ３８の出力がVrより小さくなると（時刻t4）、上述した時刻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３２が酸素を放出し切った状態（最小酸素吸蔵状態）と、上流側触媒３２が酸素吸蔵容量OSC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。
【００４２】
上流側触媒３２が単位時間当たりに吸蔵する酸素量、或いは上流側触媒３２が単位時間当たりに放出する酸素量は、排気ガスの空燃比と吸入空気量Gaと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、それらの量をいずれも酸素吸蔵量O2ADと称する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態に移行する過程、或いはその逆の過程において、酸素吸蔵量O2ADを積算することで酸素吸蔵容量OSCを算出する。
【００４３】
図４は、酸素吸蔵容量OSCを求めるために、その前提としてECU４２が実行する吸蔵量演算ルーチンのフローチャートを示す。図４に示すルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される定時割り込みルーチンである。
【００４４】
図４に示すルーチンでは、先ず、空燃比ずれ量ΔA/Fが算出される（ステップ１００）。
空燃比ずれ量ΔA/Fは、空燃比センサ３６により検出される空燃比A/F、すなわち、上流側触媒３２に流入する排気ガスの空燃比A/Fと理論空燃比A/Fstとの差であり、次式により算出される。
ΔA/F＝A/F−A/Fst ・・・（１）
【００４５】
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１０２）。
【００４６】
次いで、空燃比ずれ量ΔA/Fと吸入空気量Gaとに基づいて、単位時間当たりに上流側触媒３２に吸蔵される、または上流側触媒３２から放出される酸素の量、すなわち、酸素吸蔵量O2ADが求められる（ステップ１０４）。
酸素吸蔵量O2ADは、ECU４２に記憶されているマップ、或いは演算式に従って算出される。酸素吸蔵量O2ADの値は、上流側触媒３２に流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合（A/F＞A/Fstの場合、すなわち、ΔA/F＞０の場合）は正の値となり、一方、上流側触媒３２に流入する排気ガスの空燃比がリッチである場合（A/F＜A/Fstの場合、すなわち、ΔA/F＜０の場合）は負の値となる。
【００４７】
次に、リーンフラグXlean＝ON、かつ、空燃比ずれ量ΔA/F＞０なる条件が成立するか否かが判別される（ステップ１０６）。
リーンフラグXleanは、上記の如く、第１Ｏ２センサ３８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、本ステップ１０６では、上流側触媒３２の上流および下流の双方で排気ガスがリーン（酸素過多）になっているか、が判別されている。
【００４８】
上記ステップ１０６の条件は、例えば、図３に示す時刻t2〜t3の間に成立する。すなわち、その条件は、上流側触媒３２に酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵されており、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。図４に示すルーチンでは、この条件が成立する場合、以後速やかにステップ１１２以降の処理が実行される。
【００４９】
一方、上記ステップ１０６の条件が成立しないと判別された場合は、次に、リッチフラグXrich＝ON、かつ、空燃比ずれ量ΔA/F＜０なる条件が成立するか否かが判別される（ステップ１０８）。
リッチフラグXrichは、上述した通り、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発する場合にONとされるフラグである。従って、本ステップ１０８では、上流側触媒３２の上流および下流の双方で排気ガスがリッチになっているか、が判別されている。
【００５０】
上記ステップ１０８の条件は、例えば、図３に示す時刻t0〜t1の間に成立する。すなわち、上記の条件は、上流側触媒３２が酸素を放出し切っており、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。図４に示すルーチンでは、この条件が成立する場合、以後速やかにステップ１１２以降の処理が実行される。
【００５１】
上記ステップ１０８が成立しないと判別された場合は、上流側触媒３２が現に酸素を吸蔵し、または放出しており、上流側触媒３２に吸蔵されている酸素の量が時々刻々変化していると判断できる。この場合、図４に示すルーチンでは、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算出された酸素吸蔵量O2ADを加えることで、酸素吸蔵積算量O2SUMを更新する処理が行われる（ステップ１１０）。本ステップ１１０の処理によれば、上流側触媒３２に現実に吸蔵されている酸素の量に合わせて、酸素吸蔵積算量O2SUMを増減させることができる。
【００５２】
図４に示すルーチンでは、次に、上流側触媒３２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１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発しているかが判別される（ステップ１１２）。
【００５３】
第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発するのは、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態にあり、かつ、内燃機関１０に対して燃料リーンな混合気が供給されている場合に限られる。上記ステップ１１２において、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発していると判別された場合、図４に示すルーチンでは、その時点で算出されている酸素吸蔵積算量O2SUMを最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxとして記憶し、更に、リーンフラグXleanをON、リッチフラグXrichをOFFとする処理が実行される（ステップ１１４）。
【００５４】
上記ステップ１１２において、上流側触媒３２の下流側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は、次に、その触媒３２の下流に、空燃比のリッチな排気ガスが流出しているか、つまり、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発しているかが判別される（ステップ１１６）。
【００５５】
第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発するのは、上流側触媒３２が最小酸素吸蔵状態にあり、かつ、内燃機関１０に対して燃料リッチな混合気が供給されている場合に限られる。上記ステップ１１６で第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発していると判別された場合、図４に示すルーチンでは、その時点で算出されている酸素吸蔵積算量O2SUMを最小酸素吸蔵積算量O2SUMminとして記憶し、更に、リーンフラグXleanをOFF、リッチフラグXrichをONとする処理が実行される（ステップ１１８）。
【００５６】
上記ステップ１１６において、上流側触媒３２の下流側に空燃比のリッチな排気ガスは流出していないと判別された場合は、上流側触媒３２が排気ガスを適正に浄化している、つまり、上流側触媒３２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およびリッチフラグXrichがいずれもOFFとされる（ステップ１２０）。
【００５７】
以上説明した通り、図４に示すルーチンによれば、上流側触媒３２に現実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O2SUMを増減させることができる。そして、最大酸素吸蔵状態に対応する酸素吸蔵積算量O2SUMを最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxとして記憶し、また、最小酸素吸蔵状態に対応する酸素吸蔵積算量O2SUMを最小酸素吸蔵積算量O2SUMminとして記憶することができる。これらの値が求まると、ECU４２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、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCを算出することができる。
【００５８】
ところで、本実施形態のシステムにおいて、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態となった後、ある程度の期間は、上流側触媒３２の下流にNOxを含む酸素過多の排気ガスが流出してくる。また、上流側触媒３２が最小酸素吸蔵状態となった後、ある程度の期間は、上流側触媒３２の下流にHCやCOを含む酸素不足の排気ガスが流出してくる。
【００５９】
本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２の下流に下流側触媒３４を備えているため、上流側触媒３２の下流に流出してくる未浄化の排気ガスは、通常は大気に放出されることはない。しかし、下流側触媒３４が、最大酸素吸蔵状態或いは最小酸素吸蔵状態にあり、本来の浄化能力を発揮できないような場合は、上流側触媒３２の下流に未浄化の排気ガスが流出すると、その未浄化の排気ガスが下流側触媒３４を通り抜けて大気に放出されることがある。そこで、本実施形態では、上流側触媒３２の劣化を検出するための一連の処理、すなわち、上流側触媒３２を強制的に最大酸素吸蔵状態や最小酸素吸蔵状態とする処理を含む一連の処理を、下流側触媒３４が適正に浄化能力を発揮できる場合に限り実行させることとしている。
【００６０】
以下、図５および図６を参照して、本実施形態の触媒劣化検出装置が上記の機能を実現するために実行する具体的処理の内容について説明する。
図５は、ECU４２が、上述した制限の下に上流側触媒３２の劣化検出を行うべく実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、劣化検出の基本的な実行条件が成立しているかが判別される（ステップ１３０）。
本ステップ１３０では、具体的には、吸入空気量が所定の範囲に収まっているか、或いは、上流側触媒３２の触媒温度が所定の範囲に収まっているかが判別される。それらの範囲は、正常な触媒の酸素吸蔵容量OSCと、劣化した触媒のそれとの間に判別可能な差が生ずる範囲として予め決められた範囲である。本ステップ１３０の条件が成立しないと判別された場合は、以後、何ら処理が進められることなく速やかに今回のルーチンが終了される。
【００６１】
一方、上記ステップ１３０において、劣化検出の基本実行条件が成立していると判別された場合は、次に、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であるか、すなわち、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が、所定量以上の酸素を更に吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる状態であるかが判別される（ステップ１３１）。
ここで、前者の所定量は、劣化検出の過程で上流側触媒３２が強制的に最大酸素吸蔵状態とされた後に、下流側触媒３４に流入してくる酸素過多の排気ガスを、適正に浄化するに足る酸素量として予め定められた量である。また、後者の所定量は、劣化検出の過程で上流側触媒３２が強制的に最小酸素吸蔵状態とされた後に、下流側触媒３４に流入してくる酸素不足の排気ガスを、適正に浄化するに足る酸素量として予め定められた量である。
【００６２】
上記ステップ１３１の条件の成立性は、具体的には、下流側触媒３４の下流に配置されている第２Ｏ２センサ４０の出力がリーン出力またはリッチ出力に張り付いていないか、換言すると、その出力がリーン判定値Vlとリッチ判定値Vrの間の値であるか、により判断される。そして、第２Ｏ２センサ４０の出力が、リーン判定値Vlとリッチ判定値Vrの間の値である場合は、下流触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であると判断され、次に、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCの検出や、その検出状況を特定するパラメータの算出などが行われる（ステップ１３２）。
【００６３】
上記ステップ１３２の処理は、具体的には、図６に示す一連の処理により実現される。図６に示す一連の処理によれば、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCが検出されると共に、その検出状況を特定するパラメータとして、検出中平均触媒温度と、検出中平均吸入空気量とが算出される。ここで、検出中平均触媒温度とは、酸素吸蔵容量OSCが検出される間の上流側触媒３２の温度の平均値である。また、検出中平均吸入空気量とは、酸素吸蔵容量OSCが検出される間に生じた吸入空気量Gaの平均値である。
【００６４】
図６に示す一連の処理では、先ず、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転したか、つまり、空燃比センサ３６により検出される空燃比A/Fが、燃料リッチを表す値から燃料リーンを表す値に反転したか、或いはその逆の反転が生じたかが判別される（ステップ１３４）。
【００６５】
図３を参照して説明した通り、本実施形態のシステムでは、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力またはリーン出力を発した後（例えば、時刻t0またはt2）、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転するまで（例えば、時刻t1またはt3）、上流側触媒３２は最大酸素吸蔵状態、或いは最小酸素吸蔵状態を維持する。そして、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転すると、その後、上流側触媒３２に吸蔵されている酸素量を表す酸素吸蔵積算量O2SUMが更新され始める。従って、上記ステップ１３４の処理によれば、酸素吸蔵積算量O2SUMが更新され始める時期を検知することができる。
【００６６】
上記ステップ１３４の処理は、空燃比ずれ量ΔA/Fの符号が反転したと判別されるまで、すなわち、酸素吸蔵積算量O2SUMの更新が開始されたと判別されるまで、繰り返し実行される。そして、ΔA/Fの符号が反転したと判別されると、次に、後述する触媒温度積算値THCSUMおよび吸入空気量積算値GASUMがクリアされ、更に、後述する積算回数計数値ｎが０にリセットされる（ステップ１３６）。
【００６７】
次に、触媒温度THCが検出され、更に、その検出値に基づいて触媒温度積算値THCSUMが更新される（ステップ１３８）。
触媒温度THCは、実測または推定による上流側触媒３２の実温度である。触媒温度THCは、実測の場合には、上流側触媒３２に触媒温度センサを組み付けることで検出することができる。また、触媒温度THCは、推定の場合には、点火時期、混合気の空燃比A/F、吸入空気量Ga、車速SPD、および吸気温THAなどに基づいて、予め準備されているマップや演算式に従って検出することができる。触媒温度積算値THCSUMは、前回の処理サイクル時の値に、今回の処理サイクルにより検出された触媒温度THCを加えた値である。
【００６８】
次に、吸入空気量Gaが検出され、更に、その検出値に基づいて吸入空気量積算値GASUMが更新される（ステップ１４０）。
吸入空気量Gaは、エアフロメータ２０により実測された値である。また、吸入空気量積算値GASUMは、前回の処理サイクル時の値に、今回の処理サイクルで検出された吸入空気量Gaを加えた値である。
【００６９】
次に、積算回数計数値ｎがインクリメントされる（ステップ１４２）。
積算回数計数値ｎは、このように処理されることにより、上記ステップ１３８および１４０の処理が繰り返された回数を表す値となる。
【００７０】
図６に示す一連の処理では、次に、リーンフラグXleanがOFFからONに変化したか、或いは、リッチフラグがOFFからONに変化したかが判別される（ステップ１４４）。
【００７１】
図４を参照して説明した通り、本実施形態のシステムでは、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発した時点でリーンフラグXleanがOFFからONに変化する（ステップ１１４参照）。また、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発した時点でリッチフラグがOFFからONに変化する（ステップ１１８参照）。そして、これらの変化は、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態或いは最小酸素吸蔵状態に至った直後に生ずる。従って、上記ステップ１４４の処理によれば、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態或いは最小酸素吸蔵状態に至った時期を検知することができる。
【００７２】
図６に示す一連の処理において、上記ステップ１４４の条件が成立しないと判別された場合は、再び上記ステップ１３８以降の処理が実行される。そして、その条件が成立すると判別されるまで、繰り返し上記ステップ１３８〜１４４の処理が実行される。
【００７３】
上記ステップ１４４において、リーンフラグXleanがOFFからONに変化した、或いは、リッチフラグXrichがOFFからONに変化したと判別されると、次式に従って酸素吸蔵容量OSCが算出される（ステップ１４６）。
OSC＝O2SUMmax−O2SUMmin ・・・（２）
【００７４】
図４を参照して説明した通り、本実施形態のシステムでは、リーンフラグXleanがOFFからONに変化した時点で最大酸素吸蔵積算量O2SUMmaxが算出される（ステップ１１４参照）。また、リッチフラグXrichがOFFからONに変化した時点で最小酸素吸蔵積算量O2SUMminが算出される（ステップ１１８参照）。上記ステップ１４６の処理によれば、O2SUMmaxおよびO2SUMminの一方が最新の値に更新される毎に、その最新の値を用いて酸素吸蔵容量OSCを算出することができる。
【００７５】
図６に示す一連の処理では、上記ステップ１４６の処理に次いで、検出中平均触媒温度THCAVが算出される。検出中平均触媒温度THCAVは、具体的には、次式に示す通り、上記ステップ１３８で演算される触媒温度積算値THCSUMを、積算回数計数値ｎで割ることにより算出される（ステップ１４８）。
THCAV＝THCSUM/ｎ ・・・（３）
【００７６】
次に、検出中平均吸入空気量GAAVが算出される。検出中平均吸入空気量GAAVは、具体的には、次式に示す通り、上記ステップ１４０で演算される吸入空気量積算値GASUMを、積算回数計数値ｎで割ることにより算出される（ステップ１５０）。
GAAV＝GASUM/ｎ ・・・（４）
【００７７】
以上説明した通り、図６に示す一連の処理によれば、上流側触媒３２が最大酸素吸蔵状態、或いは最小酸素吸蔵状態となった直後に、最新のデータに基づいて酸素吸蔵容量OSCを算出することができると共に、その最新の酸素吸蔵容量OSCが求められる過程で生じていた触媒温度の平均値THCAV、および吸入空気量の平均値GAAVを求めることができる。
【００７８】
図６に示す一連の処理は、上記の如く、図５に示すルーチン中、ステップ１３２において実行される。
図５に示すルーチンでは、ステップ１３２の処理が終了すると、次に、検出中平均触媒温度THCAV、および検出中平均吸入空気量GAAVに基づいて、劣化判定のしきい値A(x)が決定される（ステップ１５２）。
ECU４２は、劣化した触媒の酸素吸蔵容量OSCと、正常な触媒の酸素吸蔵容量OSCとを切り分けるためのしきい値を、触媒温度と吸入空気量との関係で定めたマップを記憶している。本ステップ１５２では、そのマップを参照して上記のしきい値A(x)が決定される。
【００７９】
図５に示すルーチンでは、次に、今回の処理サイクルにおいて検出された酸素吸蔵容量OSCが、上記ステップ１５２で決定されたしきい値A(x)に比して大きいか否かが判別される（ステップ１５４）。
【００８０】
その結果、OSC＞A(x)が成立すると判別された場合は、上流側触媒３２が正常であると判断される（ステップ１５６）。
一方、OSC＞A(x)が成立しないと判別された場合は、上流側触媒３２に劣化が生じていると判断される（ステップ１５８）。
【００８１】
図５に示すルーチン中、上記ステップ１３１において、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正ではない、すなわち、第２Ｏ２センサ４０の出力はリッチ出力或いはリーン出力に張り付いていると判別された場合は、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態または最小酸素吸蔵状態にあると判断できる。つまり、下流側触媒３４が、未浄化の排気ガスを浄化できる状態にないと判断できる。図５に示すルーチンでは、この場合、上流側触媒３２の劣化を検出するための処理、すなわち、上流側触媒３２を強制的に最大酸素吸蔵状態や最小酸素吸蔵状態とする処理が禁止される。そして、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正にするための調整処理の開始が指示される（ステップ１６０）。
【００８２】
上記の調整処理は、図５に示すルーチンとは異なる他のルーチンにより実行される。その調整処理では、先ず、第２Ｏ２センサ４０の出力に基づいて、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあるのか、或いは最小酸素吸蔵状態にあるのかが判別される。その結果、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、内燃機関１０に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチ側の所定値とする処理が行われる。この状態が継続されると、やがて、下流側触媒３４に酸素不足の排気ガスが供給されるようになり、下流側触媒３４の最大酸素吸蔵状態を解消することができる。一方、下流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、内燃機関１０に供給する混合気の空燃比を強制的にリーン側の所定値とする処理が行われる。この状態が継続されると、やがて、下流側触媒３４に酸素過多の排気ガスが供給されるようになり、下流側触媒３４の最小酸素吸蔵状態を解消することができる。
【００８３】
上記の調整処理により、下流側触媒３４の最大酸素吸蔵状態または最小酸素吸蔵状態が解消されると、その後図５に示すルーチンが起動された際に、ステップ１３１において、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であると判断される。そして、ステップ１３２〜１５８の処理により、未浄化の排気ガスを大気に放出することなく、上流側触媒３２が正常であるか、或いは劣化しているかが判別される。
【００８４】
以上説明した通り、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、上流側触媒３２の劣化検出のための一連の処理を、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正である場合に限り実行することができる。そして、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正でない場合には、積極的に、適正な酸素吸蔵状態を作り出すことができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、排気エミッションを悪化させることなく、高い頻度で、上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【００８５】
ところで、上述した実施の形態１においては、上流側触媒３２と下流側触媒３４との間、および下流側触媒３４の下流に配置するセンサをＯ２センサとしているが、それらのセンサは、排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな変化を示す空燃比センサであってもよい。
【００８６】
尚、上述した実施の形態１においては、第１Ｏ２センサ３８が前記請求項１記載の「浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記請求項１記載の「最大酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記請求項１記載の「最小酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ８２〜９０の処理を実行することにより前記請求項１記載の「強制リッチ手段」および「強制リーン手段」が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記請求項１記載の「酸素吸蔵容量検出手段」が、上記ステップ１５４の処理を実行することにより前記請求項１記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ１３１の処理を実行することにより前記請求項１記載の「適正状態判別手段」および「判定開始許可手段」が、それぞれ実現されている。
【００８７】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４２が上記ステップ１６０の処理を実行することにより前記請求項２記載の「空燃比調整手段」が実現されている。
【００８８】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４２が、上記ステップ１６０における調整処理において、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあるのか、或いは最小酸素吸蔵状態にあるのかを判別することにより前記請求項３記載の「吸蔵限界検出手段」および「放出限界検出手段」が、その判別結果に応じて混合気の空燃比を強制的にリッチ側の所定値或いはリーン側の所定値とすることにより前記請求項３記載の「リッチ側調整手段」および「リーン側調整手段」が、それぞれ実現されている。
【００８９】
更に、上述した実施の形態１においては、第２Ｏ２センサ４０が前記請求項６記載の「第２浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１３１において、第２Ｏ２センサ４０の出力がリーン判定値Vlとリッチ判定値Vrの間の値であるかを判断することにより前記請求項６記載の「第１判定手段」、「第２判定手段」、および「判別手段」が実現されている。
【００９０】
実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５に示すルーチンに代えて、図７に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１の装置と同様である。実施の形態１の装置は、単一の酸素吸蔵容量OSCに基づいて上流側触媒３２の劣化状態を判定している。これに対して、本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２が劣化しているか否かを、複数の酸素吸蔵容量OSCに基づいて判定する。
【００９１】
図７に示すルーチンは、上記の機能を実現すべく本実施形態においてECU４２が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７において、上記図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００９２】
図７に示すルーチンでは、ステップ１５４において酸素吸蔵容量OSCがしきい値A(x)より大きいと判別された段階では、仮正常判定がなされる（ステップ２００）。
また、ステップ１５４でOSC＞A(x)が成立しないと判別された場合は、仮異常判定がなされる（ステップ２０２）。
【００９３】
それらの処理が終了すると、次に、上記ステップ１５４の判定回数が所定回数N０に達したかが判別される（ステップ２０４）。
その結果、判定回数が未だN０に達していないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了され、所定時間の後に、再びステップ１３０以降の処理が実行される。一方、判定回数がN０に達していると判別された場合は、次に、仮正常と判定された回数と、仮異常と判定された回数との多数決により、上流側触媒３２が正常であるか、或いは異常であるかが判定される（ステップ２０６，１５６，１５８）。
【００９４】
上記の処理によれば、複数の酸素吸蔵容量OSCに基づいて上流側触媒３２の状態を判定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、その状態判定が単一の酸素吸蔵容量OSCに基づいて行われる実施の形態１の装置に比して、高い精度で上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【００９５】
また、上述した処理によれば、N０個の酸素吸蔵容量OSCが検出される前に下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態から外れた場合には、酸素吸蔵容量OSCの検出処理が一時的に中断され、下流側触媒３４を適正な状態に戻すための調整処理が実行される（ステップ１３１，１６０参照）。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、排気エミッションを何ら悪化させることなく、劣化判定の精度を高めることができる。
【００９６】
実施の形態３．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５または図７に示すルーチンに代えて、図８に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１または２の装置と同様である。実施の形態２の装置は、個々の酸素吸蔵容量OSCに基づく複数の仮判定の多数決により上流側触媒３２の劣化状態を判定している。これに対して、本実施形態の触媒劣化検出装置は、複数の酸素吸蔵容量OSCの平均値がしきい値A(x)を越えているか否かに基づいて上流側触媒３２が正常であるか否かを判定する。
【００９７】
図８に示すルーチンは、上記の機能を実現すべく本実施形態においてECU４２が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図８において、上記図５または図７に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００９８】
図８に示すルーチンでは、ステップ１３２および１３４の処理に次いで、酸素吸蔵容量OSCの検出回数が所定回数N０に達したか否かが判別される（ステップ２１０）。
その結果、検出回数が未だN０に達していないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了され、所定時間の後に、再びステップ１３０以降の処理が実行される。一方、検出回数がN０に達していると判別された場合は、次に、検出された全ての酸素吸蔵容量OSCの積算値OSCSUMを検出回数N０で除することにより、酸素吸蔵容量平均値OSCAVが算出される（ステップ２１２）。
【００９９】
その結果、OSCAV＞A(x)が成立すると判別された場合は、上流側触媒３２が正常であると判定される（ステップ１５６）。
一方、OSCAV＞A(x)が成立しないと判別された場合は、上流側触媒３２が異常であると判定される（ステップ１５８）。
【０１００】
上記の処理によれば、複数の酸素吸蔵容量OSCに基づいて、より具体的には、それらの平均値OSCAVに基づいて上流側触媒３２の状態を判定することができる。更に、上述した処理によれば、N０個の酸素吸蔵容量OSCが検出される前に下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態から外れた場合には、酸素吸蔵容量OSCの検出処理を一時的に中断し、下流側触媒３４を適正な状態に戻すための調整処理を行うことができる（ステップ１３１，１６０参照）。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、実施の形態２の場合と同様に、排気エミッションを何ら悪化させることなく、高い精度で上流側触媒３２の劣化を検出することができる。
【０１０１】
実施の形態４．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５、図７または図８に示すルーチンに代えて、図９に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１乃至３の何れかの装置と同様である。
【０１０２】
図９に示すルーチンは、上流側触媒３２の劣化を検出するために本実施形態においてECU４２が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ステップ１３１に次いで、ステップ２００および２２２の処理が実行されることがある点を除き、実施の形態２で実行される図７に示すルーチンと同様である。
【０１０３】
すなわち、図９に示すルーチンでは、ステップ１３１において、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正でないと判別された場合、次に、上流側触媒３２の劣化判定が既に開始されているかが判別される（ステップ２２０）。
【０１０４】
本ルーチンでは、上記図７に示すルーチンと同様に、酸素吸蔵容量OSCに基づく複数の仮判定の多数決により上流側触媒３２の劣化が判定される。上記ステップ２２０では、最初の酸素吸蔵容量OSCの検出が既に開始されているか否かが判別される。最初のOSCを検出すべき段階で下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正でない場合は、上記ステップ２２０において、劣化判定は開始されていないと判別される。この場合、以後、ステップ１６０の処理が実行され、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正にするための調整処理が開始される。そして、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態になると、その時点で、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量OSCを検出するための処理（ステップ１３２以降の処理）が開始される。
【０１０５】
酸素吸蔵容量OSCを検出するための最初の処理が開始された後、所定数N０のOSCが検出されるまでの間には、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正な状態から外れることがある。このような事態が生ずると、図９に示すルーチンでは、ステップ１３１に次いでステップ２２０が実行され、ここで、上流側触媒３２の劣化判定は既に開始されていると判別される（ステップ２２０）。
【０１０６】
上記ステップ２２０において、上流側触媒３２の劣化判定が既に開始されていると判別されると、次に、リッチ固定制御、およびリーン固定制御のパラメータが修正される（ステップ２２２）。
【０１０７】
本実施形態の触媒劣化検出装置は、実施の形態１の装置と同様に、上流側触媒３２の酸素吸蔵量OSCを検出する際に、空燃比を強制的にリッチ側の所定値に固定するリッチ固定制御と、空燃比を強制的にリーン側の所定値に固定するリーン固定制御とを交互に繰り返して強制的に空燃比を振動させる（図２参照）。上記ステップ２２２では、それらの制御でそれぞれ用いられるパラメータが、下流側触媒３２の酸素吸蔵状態に応じて修正される。
【０１０８】
具体的には、上記ステップ２２２では、先ず、第２Ｏ２センサ４０の出力に基づいて、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあるのか、或いは最小酸素吸蔵状態にあるのかが判別される。その結果、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、リッチ固定制御で目標とされるリッチ側の空燃比が、理論空燃比に比して十分にリッチ側に偏った値に設定され、かつ、リーン固定制御で目標とされるリーン側の空燃比が理論空燃比に比して僅かにリーン側に偏った値に設定される。このような設定によれば、上流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態となった後には、酸素不足の顕著な排気ガスが下流側触媒３４に流入する。一方、上流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態となった後には、僅かに酸素過多の排気ガスが下流側触媒３４に流入する。従って、この状態でリッチ固定制御とリーン固定制御が繰り返されれば、最大酸素吸蔵状態を解消して下流側触媒３４を適正な酸素吸蔵状態に復帰させることができる。
【０１０９】
上記ステップ２２２において、下流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態にあると判別された場合は、リッチ固定制御で目標とされるリッチ側の空燃比が、理論空燃比に比して僅かにリッチ側に偏った値に設定され、かつ、リーン固定制御で目標とされるリーン側の空燃比が理論空燃比に比して十分にリーン側に偏った値に設定される。この場合、リッチ固定制御とリーン固定制御が繰り返されることにより、下流側触媒３４の最小酸素吸蔵状態が解消され、適正な酸素吸蔵状態が復元される。
【０１１０】
図９に示すルーチンでは、上記ステップ２２２の処理に次いで、ステップ１３２の処理が実行される。その結果、上記ステップ２２０で設定された条件でリッチ固定制御とリーン固定制御とが繰り返し実行され、下流側触媒３４は、未浄化の排気ガスを殆ど大気側に流出させることなく適正な状態に復帰する。
【０１１１】
このように、図９に示すルーチンによれば、所定数N０酸素吸蔵容量OSCが検出される過程で下流側触媒３４が不適正な状態となっても、排気エミッションを悪化させることなく、酸素吸蔵容量OSCの検出を継続することができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、良好な排気エミッション特性を損なうことなく、短時間で、かつ正確に、上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【０１１２】
ところで、上述した実施の形態４では、上記ステップ２２２において、リッチ固定制御で目標とすべき空燃比、およびリーン固定制御で目標とすべき空燃比を修正することとしているが、上記ステップ２２２で修正するパラメータはこれに限定されるものではない。すなわち、上記ステップ２２２では、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力またはリーン出力を発した後、混合気の空燃比を反転させるまでの時間などを修正することとしてもよい。
【０１１３】
具体的には、下流側触媒３４が最大酸素吸蔵状態である場合は、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発した後、空燃比をリーンにするまでの時間を比較的長時間とし、かつ、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発した後、空燃比をリッチにするまでの時間を短時間としてもよい。また、下流側触媒３４が最小酸素吸蔵状態である場合、上記と逆の設定を施すこととしてもよい。前者の設定によれば、下流側触媒３４に酸素不足の排気ガスを多量に供給することができ、下流側触媒３４の最大酸素吸蔵状態を速やかに解消することができる。また、後者の設定によれば、下流側触媒３４に酸素過多の排気ガスを多量に供給することができ、下流側触媒３４の最小酸素吸蔵状態を速やかに解消することができる。
【０１１４】
また、上述した実施の形態４では、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正な状態に調えたうえで最初の酸素吸蔵容量OSCの検出を開始し、その検出が開始された後に下流側触媒３４が不適正な状態となった場合に、リッチ固定制御およびリーン固定制御のパラメータを修正することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、最初の酸素吸蔵容量OSCを検出すべき段階で下流側触媒３４が不適正な状態である場合には、その段階で、リッチ固定制御およびリーン固定制御のパラメータを修正することとしてもよい。
【０１１５】
尚、上述した実施の形態４においては、ECU４２が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記請求項４記載の「制御繰り返し手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記請求項４記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ２２０および２２２の処理を実行することにより前記請求項４記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１１６】
また、上述した実施の形態４においては、第１Ｏ２センサ３８が前記請求項５記載の「浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最大酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最小酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ８２〜９０の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制リッチ手段」および「強制リーン手段」が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「酸素吸蔵容量検出手段」が、上記ステップ１５４の処理を実行することにより前記請求項５記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ１３１の処理を実行することにより前記請求項５記載の「適正状態判別手段」が、また、上記ステップ２２０，２２２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１１７】
実施の形態５．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。本実施形態の触媒劣化検出装置は、ECU４２が、上述した図５、図７、図８または図９に示すルーチンに代えて、図１０に示すルーチンを実行する点を除き、実施の形態１乃至４の何れかの装置と同様である。
【０１１８】
図１０に示すルーチンは、ステップ１３１に次いで、ステップ２００および２２２の処理が実行されることがある点を除き、上述した実施の形態３で実行される図８に示すルーチンと同様である。また、図１０に示すステップ２００および２２２の処理は、上述した実施の形態４において実行される処理と同じである。
【０１１９】
図１０に示すルーチンによれば、図９に示すルーチンが実行される場合と同様に、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正な状態に調えた後に、酸素吸蔵容量OSCを検出するための最初の処理を開始することができる。そして、所定数N０のOSCが検出される前に下流側触媒３４が不適正な状態となったら、OSCの検出を継続させながら、未浄化の排気ガスを殆ど大気中に流出させることなく、下流側触媒３４を適正な状態に復帰させることができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、実施の形態４の場合と同様に、良好な排気エミッション特性を損なうことなく、短時間で、かつ正確に、上流側触媒３２の劣化検出を行うことができる。
【０１２０】
ところで、上述した実施の形態５では、上記ステップ２２２において、リッチ固定制御で目標とすべき空燃比、およびリーン固定制御で目標とすべき空燃比が修正されているが、上記ステップ２２２で修正するパラメータはこれに限定されるものではない。すなわち、実施の形態４の説明でも述べた通り、上記ステップ２２２では、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力またはリーン出力を発した後、混合気の空燃比を反転させるまでの時間を修正することとしてもよい。
【０１２１】
また、上述した実施の形態５では、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態を適正な状態に調えたうえで最初の酸素吸蔵容量OSCの検出を開始することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、最初の酸素吸蔵容量OSCを検出すべき段階で下流側触媒３４が不適正な状態である場合には、その段階で、リッチ固定制御およびリーン固定制御のパラメータを修正することとしてもよい。
【０１２２】
尚、上述した実施の形態５においては、ECU４２が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記請求項４記載の「制御繰り返し手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記請求項４記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ２２０および２２２の処理を実行することにより前記請求項４記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２３】
また、上述した実施の形態５においては、第１Ｏ２センサ３８が前記請求項５記載の「浄化程度検出センサ」に相当していると共に、ECU４２が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最大酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記請求項５記載の「最小酸素吸蔵状態を検出する手段」が、上記ステップ８２〜９０の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制リッチ手段」および「強制リーン手段」が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「酸素吸蔵容量検出手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記請求項５記載の「劣化判定手段」が、上記ステップ１３１の処理を実行することにより前記請求項５記載の「適正状態判別手段」が、また、上記ステップ２２０，２２２の処理を実行することにより前記請求項５記載の「強制空燃比修正手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２４】
実施の形態６．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
本実施形態の触媒劣化検出装置は、図１に示すシステム構成から第２Ｏ２センサ４０を除去した構成を有しており、上述した実施の形態１乃至５の何れかにおいて実行されるルーチンに加えて、図１１に示すルーチンを更にECU４２に実行させることにより実現することができる。
【０１２５】
上述した実施の形態１乃至５において、ECU４２は、下流側触媒３４の酸素吸蔵状態が適正であるか否かを、第２Ｏ２センサ４０の出力に基づいて判断している（上記ステップ１３１参照）。これに対して、本実施形態の触媒劣化検出装置は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の量を所定の規則により推定し、下流側触媒３４が適正な状態であるか否かを、その推定値に基づいて判断することとしている。
【０１２６】
図１１は、上記の機能を実現すべく、ECU４２が実行するルーチンのフローチャートを示す。図１１に示すルーチンでは、先ず、下流側触媒３４の触媒温度が検出される（ステップ３０２）。
下流側触媒３４の触媒温度は、その触媒３４に触媒温度センサを組み付けることで実測することができる。また、下流側触媒３４の触媒温度は、点火時期、混合気の空燃比A/F、吸入空気量Ga、車速SPD、および吸気温THAなどに基づいて、予め準備されているマップや演算式に従って検出することができる。本ステップ３０２では、これらの手法で触媒温度が検出される。
【０１２７】
図１１に示すルーチンでは、次に、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発しているか、すなわち、下流側触媒３４に、酸素不足の排気ガスが流入しているかが判別される（ステップ３０２）。
【０１２８】
その結果、第２Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発していると判別された場合は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の積算量O2SUMが、所定の規則に従って減量される（ステップ３０４）。
所定の規則としては、例えば、酸素吸蔵積算量O2SUMを推定するための公知のモデルを用いることができる。また、より簡単には、第１Ｏ２センサ３８を空燃比センサ或いはＨＣセンサに変更して本ステップ３０４の処理をおこなってもよい。すなわち、この場合、空燃比センサやHCセンサの出力と吸入空気量Gaとに基づいて単位時間当たりの酸素放出量を算出することができる。そして、その算出値を、前回の処理サイクル時における酸素吸蔵積算量O2SUMから減ずることにより、O2SUMを適正に更新することができる。
【０１２９】
図１１に示すルーチン中、上記ステップ３０２において、第１Ｏ２センサ３８がリッチ出力を発していないと判別された場合は、次に、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発しているかが判別される（ステップ３０６）。
【０１３０】
その結果、第２Ｏ２センサ３８がリーン出力を発していると判別された場合は、更に、フューエルカットが行われているか否かが判別される（ステップ３０８）。
そして、フューエルカットが行われていないと判別された場合は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の積算量O2SUMが、通常の規則に従って増量される（ステップ３１０）。
一方、フューエルカットが行われていると判別された場合は、下流側触媒３４に吸蔵されている酸素の積算量O2SUMが、フューエルカット時を想定した規則に従って増量される（ステップ３１２）。
【０１３１】
上記ステップ３１０および３１２の処理は、上述したステップ３０４の場合と同様に、公知のモデルを用いて行うことができる。また、それらの処理は、第１Ｏ２センサ３８を空燃比センサやHCセンサに変更したうえで、単位時間当たりの酸素吸蔵量を算出し、その算出値を、前回の処理サイクル時における酸素吸蔵積算量O2SUMに加算することによっても実現することができる。
【０１３２】
フューエルカット中は、排気通路１４中を空気が流通するため、通常の運転時に比して、単位時間当たりの酸素吸蔵量が多量となる。このため、本実施形態では、上記の如く、フューエルカット中と、非フューエルカット中とを分けて酸素吸蔵積算量O2SUMを更新することとしている。このため、本実施形態のシステムによれば、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMを精度良く推定することができる。
【０１３３】
図１１に示すルーチン中、上記ステップ３０６で、第１Ｏ２センサ３８がリーン出力を発していないと判別された場合は、下流側触媒３４に、酸素の過不足のない排気ガスが流入していると判断できる。この場合、酸素吸蔵積算量O2SUMに大きな増減は生じないため、O2SUMの更新処理は省略される。
【０１３４】
上述した一連の処理が終了すると、次に、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMが読み込まれる（ステップ３１４）。
【０１３５】
次に、その積算量O2SUMが、下流側触媒３４にとって適正な酸素吸蔵量であるかが判別される。より具体的には、下流側触媒３４が、上流側触媒３２の劣化検出に伴って下流側触媒３４に流入してくる酸素過多或いは酸素不足の排気ガスを適正に浄化できる状態にあるかが判別される（ステップ３１６）。
【０１３６】
酸素吸蔵積算量O2SUMが適正な吸蔵量であるか否かは、下流側触媒３４の酸素吸蔵容量との関係で判断すべき事項である。ここで、下流側触媒３４の酸素吸蔵容量は、その触媒温度に応じて変化する。このため、上記ステップ３１６では、先ず、上記ステップ３００で検出された触媒温度に基づいて下流側触媒３４の酸素吸蔵容量が推定される。そして、その推定の後に、上記ステップ３１４で読み込まれた積算量O2SUMが、流出してくる可能性のある酸素不足の排気ガスを浄化するに足る第１の積算値以上であり、かつ、流出してくる可能性のある酸素過多の排気ガスを浄化する余裕を有する第２の積算量以下であるかが判断される。
【０１３７】
上記の判別結果、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMが適量である場合は、下流側触媒３４が適正な状態にあると判断される（ステップ３１８）。
一方、下流側触媒３４の酸素吸蔵積算量O2SUMが適量でない場合は、下流側触媒３４が適正な状態から外れていると判断される（ステップ３２０）。
【０１３８】
以上説明した通り、図１１に示すルーチンによれば、第２Ｏ２センサ４０の出力を用いることなく、下流側触媒３４が適正な状態にあるのか、或いは適正な状態から外れているのかを判断することができる。このため、本実施形態の触媒劣化検出装置によれば、第２Ｏ２センサ４０を備えていないにも関わらず、上述した実施の形態１乃至５の装置と同等の機能を実現することができる。
【０１３９】
尚、上述した実施の形態６においては、ECU４２が、上記ステップ３０２〜３１２の処理を実行することにより前記請求項７記載の「推定手段」および「酸素吸蔵積算量算出手段」が、上記ステップ３１６の処理を実行することにより前記請求項７記載の「判別手段」が、それぞれ実現されている。
【０１４０】
また、上述した実施の形態６においては、ECU４２が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより前記請求項８記載の「フューエルカット検出手段」が、上記ステップ３１２の処理を実行することにより前記請求項８記載の「第２推定手段」が、それぞれ実現されている。
【０１４１】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、下流側触媒が、排気ガス浄化能力を発揮し得る適正な状態にある場合にのみ、劣化判定に必要な一連の処理の開始を許可することができる。つまり、本発明によれば、上流側触媒の下流に未浄化の排気ガスが流出しても、その排気ガスを下流側触媒が適正に浄化できる場合にのみ劣化判定の処理を開始させることができる。このため、本発明によれば、上流側触媒の劣化判定過程における排気エミッションの悪化を有効に防止することができる。
【０１４２】
請求項２記載の発明によれば、下流側触媒が適正状態でない場合には、空燃比を制御することで、積極的にその適正状態を実現することができる。このため、本発明によれば、上流側触媒の劣化判定の頻度を高めることができる。
【０１４３】
請求項３記載の発明によれば、下流側触媒が吸蔵限界状態である場合には、空燃比をリッチとして、下流側触媒から酸素を放出させることができる。また、下流側触媒が放出限界状態である場合には、空燃比をリーンとして、下流側触媒に酸素を吸蔵させることができる。
【０１４４】
請求項４記載の発明によれば、複数の酸素吸蔵容量に基づいて、上流側触媒の劣化判定を精度良く行うことができる。また、本発明によれば、劣化判定の過程で下流側触媒が適正状態から外れた場合には、その適正状態が復元されるように、空燃比が強制的に制御される際のリッチの程度、或いはリーンの程度が修正される。このため、本発明によれば、複数の酸素吸蔵容量に基づく高精度な劣化判定を、排気エミッションを大きく悪化させることなく完了させることができる。
【０１４５】
請求項５記載の発明によれば、下流側触媒が適正状態から外れている場合には、その適正状態が実現されるように、空燃比が強制的に制御される際のリッチの程度、或いはリーンの程度が修正される。このため、本発明によれば、排気エミッションを大きく悪化させることなく上流側触媒の劣化判定を完了させることができる。
【０１４６】
請求項６記載の発明によれば、下流側触媒の下流に設けられた第２浄化程度検出センサの出力に基づいて、下流側触媒が、酸素を吸蔵・放出し得る状態であるか、すなわち、十分な浄化能力を発揮し得る適正状態であるかを、容易かつ精度良く判断することができる。
【０１４７】
請求項７記載の発明によれば、下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を精度良く推定すると共に、その推定値に基づいて、下流側触媒が、酸素を吸蔵・放出し得る状態であるか、すなわち、十分な浄化能力を発揮し得る適正状態であるかを、容易かつ精度良く判断することができる。
【０１４８】
請求項８記載の発明によれば、フューエルカットの影響をも考慮して下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を推定することができる。そして、その推定値に基づいて、下流側触媒が、酸素を吸蔵・放出し得る状態であるか、すなわち、十分な浄化能力を発揮し得る適正状態であるかを、容易かつ精度良く判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の触媒劣化検出装置の構成を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施の形態１において実行される空燃比強制制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】 本発明の実施の形態１において触媒の酸素吸蔵容量を算出する手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】 本発明の実施の形態１において実行される酸素吸蔵積算量演算ルーチンのフローチャートである。
【図５】 本発明の実施の形態１において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】 本発明の実施の形態１において酸素吸蔵容量等を求めるために実行される一連の処理のフローチャートである。
【図７】 本発明の実施の形態２において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】 本発明の実施の形態３において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】 本発明の実施の形態４において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１０】 本発明の実施の形態５において上流側触媒の劣化を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１１】 本発明の実施の形態６において下流側触媒が適正状態であるか否かを判断するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１４ 排気通路
３２ 上流側触媒
３４ 下流側触媒
３６ 空燃比センサ
３８ 第１Ｏ２センサ
４０ 第２Ｏ２センサ
４２ ECU(Electronic Control Unit
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路に配置される上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒と前記下流側触媒との間で排気ガスの浄化程度を検出する浄化程度検出センサと、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素過多の排気ガスが流出してくる最大酸素吸蔵状態を検出する手段と、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素不足の排気ガスが流出してくる最小酸素吸蔵状態を検出する手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチに制御する強制リッチ手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンに制御する強制リーン手段と、
前記最大酸素吸蔵状態から前記最小酸素吸蔵状態への状態遷移の過程で前記上流側触媒が放出した酸素量、或いはその逆の状態遷移の過程で前記上流側触媒が吸蔵した酸素量を、前記上流側触媒の酸素吸蔵容量として検出する酸素吸蔵容量検出手段と、
前記酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段と、
前記下流側触媒が、所定量以上の酸素を吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる適正状態であるか否かを判別する適正状態判別手段と、
前記下流側触媒が前記適正状態である場合に限り、前記上流側触媒の劣化状態を判定するための一連の処理（前記強制リッチ手段または前記強制リーン手段による空燃比の制御を含む）の開始を許可する判定開始許可手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。 - 前記下流側触媒が前記適正状態でない場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、内燃機関に供給する混合気の空燃比を制御する空燃比調整手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
- 前記適正状態判別手段は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を吸蔵することができない吸蔵限界状態を検出する吸蔵限界検出手段と、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を放出することができない放出限界状態を検出する放出限界検出手段とを含み、
前記空燃比調整手段は、前記下流側触媒が前記吸蔵限界状態である場合に、前記適正状態が実現されるまで、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチにするリッチ側調整手段と、前記下流側触媒が前記放出限界状態である場合に、前記適正状態が実現されるまで、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンにするリーン側調整手段とを含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。 - 前記上流側触媒の酸素吸蔵容量が所定数検出されるまで、前記強制リッチ手段と前記強制リーン手段とに交互に空燃比を制御させる制御繰り返し手段を備え、
前記劣化判定手段は、前記所定数の酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定し、更に、
前記上流側触媒の劣化状態を判定するための一連の処理が開始された後、前記所定数の酸素吸蔵容量が検出される前に、前記下流側触媒が前記適正状態から外れた場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、前記強制リッチ手段の制御パラメータ、および前記強制リーン手段の制御パラメータの少なくとも一方を修正する強制空燃比修正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。 - 内燃機関の排気通路に配置される上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒と前記下流側触媒との間で排気ガスの浄化程度を検出する浄化程度検出センサと、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素過多の排気ガスが流出してくる最大酸素吸蔵状態を検出する手段と、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記上流側触媒の下流に酸素不足の排気ガスが流出してくる最小酸素吸蔵状態を検出する手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリッチに制御する強制リッチ手段と、
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、内燃機関に供給する混合気の空燃比を強制的にリーンに制御する強制リーン手段と、
前記最大酸素吸蔵状態から前記最小酸素吸蔵状態への状態遷移の過程で前記上流側触媒が放出した酸素量、或いはその逆の状態遷移の過程で前記上流側触媒が吸蔵した酸素量を、前記上流側触媒の酸素吸蔵容量として検出する酸素吸蔵容量検出手段と、
前記酸素吸蔵容量に基づいて前記上流側触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段と、
前記下流側触媒が、所定量以上の酸素を吸蔵することができ、かつ、所定量以上の酸素を放出することができる適正状態であるか否かを判別する適正状態判別手段と、
前記下流側触媒が前記適正状態から外れている場合に、当該下流側触媒が前記適正状態となるように、前記強制リッチ手段の制御パラメータ、および前記強制リーン手段の制御パラメータの少なくとも一方を修正する強制空燃比修正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。 - 前記適正状態判別手段は、
前記下流側触媒の下流で排気ガスの浄化程度を検出する第２浄化程度検出センサと、
前記第２浄化程度検出センサの出力と、排気ガスが酸素過多であることを表す第１判定値とを比較する第１判定手段と、
前記第２浄化程度検出センサの出力と、排気ガスが酸素不足であることを表す第２判定値とを比較する第２判定手段と、
前記第２浄化程度検出センサの出力が、前記第１判定値と前記第２判定値とを両端値とする適正範囲に収まる場合に、前記下流側触媒が前記適正状態であると判別する判別手段と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。 - 前記適正状態判別手段は、
前記浄化程度検出センサの出力に基づいて、前記下流側触媒に吸蔵される酸素量、または前記下流側触媒から放出される酸素量を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された酸素量を積算することで、前記下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を算出する酸素吸蔵積算量算出手段と、
前記酸素吸蔵積算量が、第１積算値と第２積算値とを両端値とする適正範囲に収まる場合に、前記下流側触媒が前記適正状態であると判別する判別手段と、を備え、
前記第１積算値は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を吸蔵することのできる酸素吸蔵積算量の上限値であり、
前記第２積算値は、前記下流側触媒が前記所定量以上の酸素を放出することのできる酸素吸蔵積算量の下限値であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。 - 内燃機関のフューエルカットを検出するフューエルカット検出手段と、
前記フューエルカットの際に前記下流側触媒に吸蔵される酸素量を推定する第２推定手段と、を備え、
前記酸素吸蔵積算量算出手段は、前記推定手段により推定された酸素量と、前記第２推定手段により推定された酸素量とを積算することで、前記下流側触媒に吸蔵されている酸素吸蔵積算量を算出することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
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