JP7151696B2

JP7151696B2 - 触媒劣化検出装置

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Publication number: JP7151696B2
Application number: JP2019234706A
Authority: JP
Inventors: 憲治古井; 剛林下; 洋一門田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN113027580A; US20210199041A1; DE102020132545A1; CN113027580B; JP2021102944A; US11492952B2

Description

本発明は触媒劣化検出装置に関する。

一般的に、内燃機関の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する触媒が設けられている。酸素を吸蔵可能な触媒では、酸素の吸放出によって触媒雰囲気を理論空燃比近傍に維持することで、排気ガスの空燃比が理論空燃比からずれたときの浄化性能の低下が抑制される。

しかしながら、触媒は長期間の使用等によって劣化する。触媒の代表的な劣化モードとして、触媒の酸素吸蔵能力の低下が知られている。触媒の酸素吸蔵能力が低下すると、排気ガスの空燃比が変動したときの触媒の浄化性能が低下する。このため、触媒の劣化による排気エミッションの悪化を抑制すべく、触媒の劣化を検出できることが望ましい。

特許文献１に記載の内燃機関の異常診断装置では、触媒の最大酸素吸蔵量を算出し、算出された最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化度合が判定される。具体的には、触媒の酸素吸蔵能力を示す最大酸素吸蔵量が下限吸蔵量よりも少ないときには、触媒が劣化していると判定される。

ところで、近年、実際の使用環境下における触媒の助触媒の劣化を抑制することで、触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制可能な触媒が開発されてきている。斯かる触媒では、触媒の酸素吸蔵能力が維持された状態で触媒の貴金属が劣化する劣化モードが生じうる。しかしながら、上述した最大酸素吸蔵量に基づく劣化判定では、触媒の貴金属の劣化を検出することができない。

これに対して、特許文献２に記載の触媒劣化判定装置では、触媒の酸素吸蔵量がゼロに達した後に、触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに維持し、このときに触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度に基づいて触媒の貴金属の劣化が判定される。

特開２０１５－０８６８６１号公報特開２０１２－１９７６７６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の劣化判定方法では、触媒の酸素吸蔵量がゼロに達した後も理論空燃比よりもリッチな排気ガスが触媒に流入し続ける。このため、触媒の劣化の有無に関わらず、触媒から多量のＨＣ及びＣＯが流出し、排気エミッションが悪化する。

そこで、本発明の目的は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の貴金属の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、前記触媒の劣化を判定する劣化判定部とを備え、前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行し、前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において前記触媒の酸素吸蔵量が変化しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比に基づいて前記触媒の貴金属の劣化を判定する、触媒劣化検出装置。

（２）前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行し、前記劣化判定部は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が増加しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリーン側判定値以上である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定する、上記（１）に記載の触媒劣化検出装置。

（３）前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、前記劣化判定部は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が減少しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリッチ側判定値以下である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定する、上記（１）に記載の触媒劣化検出装置。

（４）前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを実行し、前記劣化判定部は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が増加しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリーン側判定値以上である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定し、前記劣化判定部は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が減少しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリッチ側判定値以下である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定する、上記（１）に記載の触媒劣化検出装置。

（５）前記空燃比制御部は前記リーン制御及びリッチ制御を連続的に実行する、上記（４）に記載の触媒劣化検出装置。

（６）前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比と理論空燃比との差が上限値に達した場合には、前記触媒の貴金属の劣化を判定しない、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の触媒劣化検出装置。

（７）前記空燃比制御部は、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下であるときに前記リーン制御を開始する、上記（２）又は（４）に記載の触媒劣化検出装置。

（８）前記触媒の酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出部を更に備え、前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量算出部によって算出された酸素吸蔵量が予め定められた最大酸素吸蔵量に達しないように前記リーン制御を実行する、上記（２）又は（４）に記載の触媒劣化検出装置。

（９）前記劣化判定部は、前記リーン制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな上限空燃比に達した場合には、前記触媒の助触媒が劣化していると判定する、上記（７）又は（８）に記載の触媒劣化検出装置。

（１０）前記空燃比制御部は、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上であるときに前記リッチ制御を開始する、上記（３）又は（４）に記載の触媒劣化検出装置。

（１１）前記触媒の酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出部を更に備え、前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量算出部によって算出された酸素吸蔵量がゼロに達しないように前記リッチ制御を実行する、上記（３）又は（４）に記載の触媒劣化検出装置。

（１２）前記劣化判定部は、前記リッチ制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな下限空燃比に達した場合には、前記触媒の助触媒が劣化していると判定する、上記（１０）又は（１１）に記載の触媒劣化検出装置。

本発明によれば、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の貴金属の劣化を検出することができる触媒劣化検出装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図３は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成を概略的に示すブロック図である。図４は、流入排気ガスの空燃比を変化させたときの下流側空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。図５は、本発明の第一実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図６は、本発明の第一実施形態におけるリーン側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図７は、本発明の第一実施形態におけるリッチ側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図８は、本発明の第二実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図９は、本発明の第二実施形態におけるリーン側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１０は、本発明の第二実施形態におけるリッチ側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１１は、流入排気ガスの空燃比を変化させたときの下流側空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。図１２は、本発明の第三実施形態におけるリーン側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１３は、本発明の第三実施形態におけるリッチ側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１４は、本発明の第四実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成を概略的に示すブロック図である。図１５は、第四実施形態における酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示す図である。図１６は、本発明の第四実施形態におけるリーン側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１７は、本発明の第四実施形態におけるリッチ側判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１～図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管１５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、上流側触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して、下流側触媒２３を内蔵した下流側ケーシング２４に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２、下流側ケーシング２４等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて内燃機関の各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。上流側空燃比センサ４０の出力（出力電流）は排気ガスの空燃比に比例して大きくなり、上流側空燃比センサ４０は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。上流側空燃比センサ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。下流側空燃比センサ４１の出力（出力電流）は排気ガスの空燃比に比例して大きくなり、下流側空燃比センサ４１は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。下流側空燃比センサ４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４２には、アクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１は負荷センサ４３の出力に基づいて機関負荷を算出する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４４が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４４の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２３は同様な構成を有する。このため、以下、上流側触媒２０（以下、単に「触媒２０」という）について説明する。触媒２０は、酸素を吸蔵可能であり、例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。触媒２０は、セラミック、金属等から成る基材（担体）と、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等）と、酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えばセリア（ＣｅＯ₂）等）とを有する。貴金属及び助触媒は基材に担持される。

図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率は、は、触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。

また、触媒２０は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、ＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０においてＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが効果的に浄化される。

一般的に、排気ガスによって触媒が高温環境下に曝されると、触媒の劣化が進行する。触媒の劣化には触媒の貴金属の劣化及び触媒の助触媒の劣化が含まれる。貴金属の劣化は、貴金属の凝集等によって生じ、触媒の活性点を減少させる。主に酸化活性点として機能する貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ等）の劣化が生じると、触媒の酸化能力が低下し、主に還元活性点として機能する貴金属（Ｒｈ等）の劣化が生じると、触媒の還元能力が低下する。助触媒の劣化は助触媒の凝集等によって生じる。助触媒の劣化が生じると、触媒の酸素吸蔵能力が低下し、触媒に吸蔵可能な最大酸素吸蔵量が低下する。

本実施形態では、触媒２０は、使用環境下において、助触媒の耐熱性が貴金属の耐熱性よりも高くなるように構成されている。例えば、触媒２０は、その製造工程において基材及び助触媒が焼成されたいわゆる基材触媒である。基材触媒では、製造工程において、助触媒が高温下に曝され、助触媒が凝集する。このため、実際の使用環境下では、助触媒の凝集の進行が抑制され、ひいては触媒の酸素吸蔵能力の低下が抑制される。なお、基材触媒では、助触媒の量を増加させること、耐熱性の高い材料を助触媒として用いること等によって新触における酸素吸蔵能力が確保される。

＜触媒劣化検出装置＞
触媒２０が劣化すると、触媒２０の浄化性能が低下し、排気エミッションが悪化する。このため、本実施形態では、触媒２０の劣化を検出する触媒劣化検出装置が内燃機関に設けられる。

図３は、本発明の第一実施形態に係る触媒劣化検出装置１の構成を概略的に示すブロック図である。触媒劣化検出装置１は、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、空燃比制御部７１及び劣化判定部７２を備える。下流側空燃比センサ４１は空燃比検出装置の一例である。本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御部７１及び劣化判定部７２として機能する。

空燃比制御部７１は、触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比を設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。例えば、空燃比制御部７１は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量をフィードバック制御する。ここで、空燃比センサの出力空燃比とは、空燃比センサの出力値に相当する空燃比、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。

なお、空燃比制御部７１は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部７１は、燃料噴射弁１１の燃焼噴射量と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量を燃料噴射弁１１から燃焼室５に供給する。したがって、上流側空燃比センサ４０は触媒劣化検出装置から省略されてもよい。

図４は、流入排気ガスの空燃比を変化させたときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のタイムチャートである。図４には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比として、触媒２０の劣化状態に応じた３つの例が示されている。

図４の例では、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比との間で交互に切り替えられている。最初に、図４の上から二つ目のグラフを参照して、触媒２０が正常である場合、すなわち触媒２０が劣化していない場合について説明する。

時刻ｔ０では、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定されている。このとき、触媒２０の酸素吸蔵量は適切な値となっており、酸素の吸蔵によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられる。この結果、排気ガス中のＮＯｘは触媒２０において浄化され、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比（１４．６）に維持される。

その後、時刻ｔ１において、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比から理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に切り替えられる。このとき、触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に達していないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に維持されたままである。

流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０はＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、排気ガス中のＨＣ及びＣＯは触媒２０において浄化される。したがって、時刻ｔ１の後も、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に維持される。

時刻ｔ１の後、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。その後、時刻ｔ２において、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。このとき、触媒２０の酸素吸蔵量はゼロに達していないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に維持されたままである。

時刻ｔ２の後、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加する。その後、時刻ｔ３において、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。このとき、触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に達していないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に維持されたままである。時刻ｔ３の後、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持され、時刻ｔ４において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。

したがって、図４の例では、触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ及び最大酸素吸蔵量に達しないように流入排気ガスの空燃比が制御され、触媒２０が正常である場合に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に維持されている。

次に、図４の下から二つ目のグラフを参照して、触媒２０の酸素吸蔵能力は維持されているが、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下している場合について説明する。斯かる劣化モードは、助触媒の耐熱性が貴金属の耐熱性よりも高くなるように構成された触媒２０において生じる。

触媒２０の酸化能力が低下すると、排気ガス中のＨＣ及びＣＯに対する浄化性能が低下する。このため、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているときに酸素の放出によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられたとしても、少量のＨＣ及びＣＯが触媒２０から流出する。この結果、時刻ｔ１において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられた後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から徐々に低下し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が徐々に大きくなる。

その後、時刻ｔ２において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、触媒２０の還元能力によって排気ガス中のＮＯｘが浄化される。この結果、時刻ｔ２の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に維持され、時刻ｔ３において、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から徐々に低下し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合が徐々に大きくなる。その後、時刻ｔ４において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

最後に、図４の最も下側のグラフを参照して、触媒２０の酸素吸蔵能力は維持されているが、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の還元能力が低下している場合について説明する。斯かる劣化モードは、助触媒の耐熱性が貴金属の耐熱性よりも高くなるように構成された触媒２０において生じる。

触媒２０の還元能力が低下すると、排気ガス中のＮＯｘに対する浄化性能が低下する。このため、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに酸素の吸蔵によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられたとしても、少量のＮＯｘが触媒２０から流出する。この結果、時刻ｔ０において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな値となる。

時刻ｔ０の後、時刻ｔ１において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、触媒２０の酸化能力によって排気ガス中のＨＣ及びＣＯが浄化される。この結果、時刻ｔ１の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に維持され、時刻ｔ２において、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から徐々に上昇し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合が徐々に大きくなる。その後、時刻ｔ３において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に維持され、時刻ｔ４において、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再び理論空燃比から上昇する。

以上の説明から明らかなように、正常な触媒２０と、貴金属が劣化している触媒２０との間で、触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比に差が生じる。具体的には、正常な触媒２０では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に維持され、貴金属が劣化している触媒２０では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から離れるように変化する。したがって、触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて触媒２０の貴金属の劣化を検出することができる。

このため、触媒２０の貴金属の劣化を検出するために、空燃比制御部７１は流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行する。また、劣化判定部７２は、劣化判定制御において触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比に基づいて触媒２０の貴金属の劣化を判定する。

上述したように、正常な触媒２０では、触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときに触媒２０において排気ガスが効果的に浄化され、排気エミッションはほとんど悪化しない。また、触媒２０の貴金属が劣化している場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときに流出するＮＯｘ又はＨＣ及びＣＯの量は少ない。このため、触媒劣化検出装置１は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒２０の貴金属の劣化を検出することができる。なお、触媒２０から流出するＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘは下流側触媒２３によって浄化可能である。

本実施形態では、空燃比制御部７１は、劣化判定制御として、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、流入排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御とを実行する。このことによって、主に還元活性点として機能する貴金属（Ｒｈ等）と、主に酸化活性点として機能する貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ等）との両方の劣化を検出することができる。言い換えれば、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下する劣化モードと、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒の還元能力が低下する劣化モードとの両方を検出することができる。

リーン制御では触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加し、リッチ制御では触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の還元能力が低下している場合、図４から分かるように、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているとき、触媒２０から流出する排気ガスの空燃比、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比から上昇する（理論空燃比よりもリーンになる）。このため、例えば、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比、空燃比の平均値、空燃比の変化量、又は空燃比の傾きがリーン側判定値以上である場合に、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。

一方、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下している場合、図４から分かるように、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているとき、触媒２０から流出する排気ガスの空燃比、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比から低下する（理論空燃比よりもリッチになる）。このため、例えば、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比、空燃比の平均値、空燃比の変化量、又は空燃比の傾きがリッチ側判定値以下である場合に、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。

また、本実施形態では、空燃比制御部７１は、劣化判定制御として、リーン制御及びリッチ制御を連続的に実行する。この場合、先に実行される制御はリーン制御及びリッチ制御のいずれであってもよい。上述したように、リーン制御では触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加し、リッチ制御では触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。このため、リーン制御及びリッチ制御を連続的に実行することによって、触媒２０の劣化を判定するときに触媒２０の酸素吸蔵量が変動することを抑制することができる。したがって、触媒２０の劣化判定後に触媒２０の酸素吸蔵量が適切な値からずれることで排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

＜触媒劣化判定処理＞
以下、図５～図７のフローチャートを参照して、本実施形態において上流側触媒２０の劣化を判定するための制御について詳細に説明する。図５は、本発明の第一実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、劣化判定部７２は劣化判定条件が成立しているか否かを判定する。劣化判定条件は、例えば、内燃機関の始動後に所定時間が経過している場合に成立する。なお、劣化判定条件に、触媒２０及び下流側触媒２３の温度が予め定められた活性温度以上であること、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の温度が予め定められた活性温度以上であること等が含まれていてもよい。

ステップＳ１０１において劣化判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において劣化判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、劣化判定部７２は、判定フラグＦが１であるか否かを判定する。判定フラグＦは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされたときにゼロに設定され、触媒２０の劣化判定が完了したときに１に設定されるフラグである。ステップＳ１０２において判定フラグＦが１であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンによれば、車両のイグニッションスイッチがオンである間に、触媒２０の劣化判定が一度行われる。

一方、ステップＳ１０２において判定フラグＦがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、図６に示されるリーン側判定処理が実行される。

リーン側判定処理では、最初に、ステップＳ２０１において、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。リーン設定空燃比は、予め定められ、例えば１４．８～１６．６に設定される。

次いで、ステップＳ２０２において、空燃比制御部７１は、リーン制御が開始されてから第１所定時間が経過したか否かを判定する。第１所定時間は、予め定められ、リーン制御によって触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達しないように設定される。このため、第１所定時間は、リーン制御中に触媒２０に吸蔵される酸素の量が未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量未満になるように設定される。例えば、第１所定時間は、リーン制御中に触媒２０に吸蔵される酸素の量が未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量の１／１０～９／１０、好ましくは１／１０～２／３になるように設定される。

ステップＳ２０２において第１所定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０１に戻り、リーン制御が継続される。一方、ステップＳ２０２において第１所定時間が経過したと判定された場合、空燃比制御部７１はリーン制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。すなわち、空燃比制御部７１は第１所定時間だけリーン制御を実行する。

ステップＳ２０３では、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値以上であるか否かを判定する。この判定に用いられる空燃比として、例えば、リーン制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が用いられる。なお、リーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最大値が用いられてもよい。また、リーン側判定値は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。例えば、リーン側判定値は１４．６３～１５に設定される。

ステップＳ２０３において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値以上であるであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。具体的には、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の還元能力が低下していると判定する。また、触媒２０の異常をドライバに知らせるために、劣化判定部７２は、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。なお、劣化判定部７２は、還元能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンは図５のステップＳ１０４に進む。

一方、ステップＳ２０３において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値よりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、劣化判定部７２は、触媒２０が正常であると判定する。すなわち、劣化判定部７２は触媒２０の貴金属が劣化していないと判定する。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは図５のステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、図７に示されるリッチ側判定処理が実行される。リッチ側判定処理では、最初に、ステップＳ３０１において、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御を実行する。具体的には、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。したがって、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。リッチ設定空燃比は、予め定められ、例えば１２．６～１４．４に設定される。

次いで、ステップＳ３０２において、空燃比制御部７１は、リッチ制御が開始されてから第２所定時間が経過したか否かを判定する。第２所定時間は、予め定められ、リッチ制御によって触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達しないように設定される。このため、第２所定時間は、リッチ制御中に触媒２０から放出される酸素の量が未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量未満になるように設定される。例えば、第２所定時間は、リッチ制御中に触媒２０から放出される酸素の量が未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量の１／１０～９／１０、好ましくは１／１０～２／３になるように設定される。

ステップＳ３０２において第２所定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０１に戻り、リッチ制御が継続される。一方、ステップＳ３０２において第２所定時間が経過したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進み、空燃比制御部７１はリッチ制御を終了させる。すなわち、空燃比制御部７１は第２所定時間だけリッチ制御を実行する。なお、リッチ制御の終了後には、流入排気ガスの空燃比は内燃機関の運転状態に応じて制御される。

ステップＳ３０３では、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値以下であるか否かを判定する。この判定に用いられる空燃比として、例えば、リッチ制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が用いられる。なお、リッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最小値が用いられてもよい。また、リッチ側判定値は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される。例えば、リッチ側判定値は１４．２～１４．５７に設定される。

ステップＳ３０３において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値以下であるであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。具体的には、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下していると判定する。また、触媒２０の異常をドライバに知らせるために、劣化判定部７２は、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。なお、劣化判定部７２は、酸化能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。

一方、ステップＳ３０３において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、劣化判定部７２は、触媒２０が正常であると判定する。すなわち、劣化判定部７２は触媒２０の貴金属が劣化していないと判定する。

ステップＳ３０４又はステップＳ３０５の後、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、劣化判定部７２は判定フラグＦを１に設定する。ステップＳ３０６の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、図６のステップＳ２０３において、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の平均値がリーン側判定値以上であるか否かを判定してもよい。

また、図６のステップＳ２０３において、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の変化量がリーン側判定値以上であるか否かを判定してもよい。例えば、空燃比の変化量は、リーン制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比又はリーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最大値から、リーン制御が開始されたときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比又はリーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最小値を減算した値として算出される。この場合、リーン側判定値は、正の値に設定され、例えば０．０３～０．４に設定される。

また、図６のステップＳ２０３において、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の傾きがリーン側判定値以上であるか否かを判定してもよい。この場合、リーン側判定値は正の値に設定される。

また、図４の下から二番目のグラフの時刻ｔ２のように、リーン制御が開始されるときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合がある。この場合、リーン制御の開始直後に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に達するまでの空燃比が劣化判定に用いられると、誤判定が生じるおそれがある。

このため、リーン制御が開始されるときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に達した後の空燃比が劣化判定に用いられる。例えば、空燃比の変化量は、リーン制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比又はリーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最大値から理論空燃比を減算した値として算出される。なお、斯かる誤判定を抑制すべく、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比であるときにリーン制御を開始してもよい。

また、図７のステップＳ３０３において、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の平均値がリッチ側判定値以下であるか否かを判定してもよい。

また、図７のステップＳ３０３において、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の変化量がリッチ側判定値以下であるか否かを判定してもよい。例えば、空燃比の変化量は、リッチ制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比又はリッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最小値から、リッチ制御が開始されたときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比又はリッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最大値を減算した値として算出される。この場合、リッチ側判定値は、負の値に設定され、例えば－０．４～－０．０３に設定される。

また、図７のステップＳ３０３において、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の傾きがリッチ側判定値以下であるか否かを判定してもよい。この場合、リッチ側判定値は負の値に設定される。

また、図４の最も下側のグラフの時刻ｔ１のように、リッチ制御が開始されるときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合がある。この場合、リッチ制御の開始直後に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に達するまでの空燃比が劣化判定に用いられると、誤判定が生じるおそれがある。

このため、リッチ制御が開始されるときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に達した後の空燃比が劣化判定に用いられる。例えば、空燃比の変化量は、リッチ制御が終了したときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比又はリッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の最小値から理論空燃比を減算した値として算出される。なお、斯かる誤判定を抑制すべく、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比であるときにリッチ制御を開始してもよい。

また、初期ばらつきや経時劣化等によって、下流側空燃比センサの出力にずれが生じる場合がある。このため、理論空燃比に相当する下流側空燃比センサ４１の出力の値が公知の手法によって補正されてもよい。

また、図５のステップＳ１０３におけるリーン側判定処理と、図５のステップＳ１０４におけるリッチ側判定処理との順序が逆であってもよい。この場合、図７のステップＳ３０６は図６のステップＳ２０４又はステップＳ２０５の後に実行される。

また、リーン側判定処理及びリッチ側判定処理の順序に関わらず、リーン側判定処理及びリッチ側判定処理が二回以上繰り返し実行されてもよい。また、リーン側判定処理及びリッチ側判定処理の順序に関わらず、リーン側判定処理におけるリーン制御とリッチ側判定処理におけるリッチ制御との間に、流入排気ガスの空燃比が一時的に理論空燃比にされてもよい。

また、触媒２０の劣化特性等に応じて、リーン側判定処理及びリッチ側判定処理の一方のみが実施されてもよい。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る触媒劣化検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

上述したように、触媒２０の貴金属の劣化を判定するために、触媒２０の酸素吸蔵量が変化するように劣化判定制御が実行される。しかしながら、触媒２０の酸素吸蔵量が多いときに劣化判定制御としてリーン制御が実行されると、リーン制御中に触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する場合がある。この場合、触媒２０が正常であっても、触媒２０からＮＯｘが流出し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンになる。このため、触媒２０が正常であっても、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の還元能力が低下していると誤判定するおそれがある。

一方、触媒２０の酸素吸蔵量が少ないときに劣化判定制御としてリッチ制御が実行されると、リッチ制御中に触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する場合がある。この場合、触媒２０が正常であっても、触媒２０からＨＣ及びＣＯが流出し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチになる。このため、触媒２０が正常であっても、触媒２０の貴金属の劣化によって触媒２０の酸化能力が低下していると誤判定するおそれがある。

上述したようにリーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する場合には、触媒２０が還元雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が大幅に悪化する。このため、このときに触媒２０から流出するＮＯｘの量は、触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときに還元能力の低下によって触媒２０から流出するＮＯｘの量よりも多くなる。一方、上述したようにリッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する場合には、触媒２０が酸化雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が大幅に悪化する。このため、このときに触媒２０から流出するＨＣ及びＣＯの量は、触媒２０の酸素吸蔵量が変化しているときに酸化能力の低下によって触媒２０から流出するＨＣ及びＣＯの量よりも多くなる。

そこで、第二実施形態では、劣化判定部７２は、劣化判定制御において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比と理論空燃比との差が上限値に達した場合には、触媒２０の貴金属の劣化を判定しない。このことによって、誤判定を抑制することでき、ひいては触媒２０の貴金属の劣化の検出精度を高めることができる。

具体的には、劣化判定部７２は、リーン制御において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな上限空燃比に達した場合には、触媒２０の貴金属の劣化を判定しない。また、劣化判定部７２は、リッチ制御において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな下限空燃比に達した場合には、触媒２０の貴金属の劣化を判定しない。

＜触媒劣化判定処理＞
図８は、本発明の第二実施形態における触媒劣化判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ４０１において、図５のステップＳ１０１と同様に、劣化判定部７２は劣化判定条件が成立しているか否かを判定する。劣化判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、劣化判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０２に進む。

ステップＳ４０２では、劣化判定部７２は、リーン側判定フラグＦＬが１であるか否かを判定する。リーン側判定フラグＦＬは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされたときにゼロに設定され、リーン側判定処理において触媒２０の劣化判定が完了したときに１に設定されるフラグである。

ステップＳ４０２においてリーン側判定フラグＦＬがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３では、図９に示されるリーン側判定処理が実行される。

リーン側判定処理では、最初に、ステップＳ５０１において、図６のステップＳ２０１と同様に、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。

次いで、ステップＳ５０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリーンな上限空燃比ＡＦｕｐｔｈ以上であるか否かを判定する。上限空燃比ＡＦｕｐｔｈは、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに還元能力の低下によって検出される空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。すなわち、上限空燃比ＡＦｕｐｔｈは、後述するステップＳ５０４において用いられるリーン側判定値よりもリーンな値に設定される。

ステップＳ５０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上限空燃比ＡＦｕｐｔｈよりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０３に進む。ステップＳ５０３では、図６のステップＳ２０２と同様に、空燃比制御部７１は、リーン制御が開始されてから第１所定時間が経過したか否かを判定する。第１所定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０１に戻り、リーン制御が継続され、ステップＳ５０２の判定が再び行われる。

ステップＳ５０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上限空燃比ＡＦｕｐｔｈ以上であると判定された場合には、空燃比制御部７１はリーン制御を終了させ、本制御ルーチンは図８のステップＳ４０４に進む。この場合、リーン側判定処理において触媒２０の貴金属の劣化は判定されない。

一方、ステップＳ５０３において第１所定時間が経過したと判定された場合、空燃比制御部７１はリーン制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０４では、図６のステップＳ２０３と同様に、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値以上であるか否かを判定する。

ステップＳ５０４において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値以上であるであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０５に進む。ステップＳ５０５では、図６のステップＳ２０４と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。

一方、ステップＳ５０４において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値よりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６では、図６のステップＳ２０５と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０が正常であると判定する。

ステップＳ５０５又はステップＳ５０６の後、本制御ルーチンはステップＳ５０７に進む。ステップＳ５０７では、劣化判定部７２はリーン側判定フラグＦＬを１に設定する。ステップＳ５０７の後、本制御ルーチンは図８のステップＳ４０４に進む。

一方、ステップＳ４０２においてリーン側判定フラグＦＬが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０３をスキップしてステップＳ４０４に進む。

ステップＳ４０４では、劣化判定部７２は、リッチ側判定フラグＦＲが１であるか否かを判定する。リッチ側判定フラグＦＲは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされたときにゼロに設定され、リッチ側判定処理において触媒２０の劣化判定が完了したときに１に設定されるフラグである。

ステップＳ４０４においてリッチ側判定フラグＦＲが１であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ４０４においてリッチ側判定フラグＦＲがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。ステップＳ４０５では、図１０に示されるリッチ側判定処理が実行される。

リッチ側判定処理では、最初に、ステップＳ６０１において、図７のステップＳ３０１と同様に、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。

次いで、ステップＳ６０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリッチな下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈ以下であるか否かを判定する。下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈは、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに酸化能力の低下によって検出される空燃比よりもリッチな空燃比に設定される。すなわち、下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈは、後述するステップＳ６０４において用いられるリッチ側判定値よりもリッチな値に設定される。

ステップＳ６０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈよりリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０３に進む。ステップＳ６０３では、図７のステップＳ３０２と同様に、空燃比制御部７１は、リッチ制御が開始されてから第２所定時間が経過したか否かを判定する。第２所定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０１に戻り、リッチ制御が継続され、ステップＳ６０２の判定が再び行われる。

ステップＳ６０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈ以下であると判定された場合には、空燃比制御部７１はリッチ制御を終了させ、本制御ルーチンは終了する。この場合、リッチ側判定処理において触媒２０の貴金属の劣化は判定されない。

一方、ステップＳ６０３において第２所定時間が経過したと判定された場合、空燃比制御部７１はリッチ制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ６０４に進む。ステップＳ６０４では、図７のステップＳ３０３と同様に、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値以下であるか否かを判定する。

ステップＳ６０４において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値以下であるであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０５に進む。ステップＳ６０５では、図７のステップＳ３０４と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。

一方、ステップＳ６０４において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０６に進む。ステップＳ６０６では、図７のステップＳ３０５と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０が正常であると判定する。

ステップＳ６０５又はステップＳ６０６の後、本制御ルーチンはステップＳ６０７に進む。ステップＳ６０７では、劣化判定部７２はリッチ側判定フラグＦＲを１に設定する。ステップＳ６０７の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、図８～図１０の制御ルーチンは、図５～図７の制御ルーチンと同様に変形可能である。

また、図９のステップＳ５０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの傾きが上限値以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、劣化判定部７２は、リーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の傾きが上限値に達した場合には、触媒２０の貴金属の劣化を判定しなくてもよい。上限値は、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに還元能力の低下によって検出される空燃比の傾きよりも大きな値に設定される。

また、図１０のステップＳ６０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの傾きが下限値以下であるか否かを判定してもよい。すなわち、劣化判定部７２は、リッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の傾きが下限値に達した場合には、触媒２０の貴金属の劣化を判定しなくてもよい。下限値は、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに酸化能力の低下によって検出される空燃比の傾きよりも小さい値に設定される。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る触媒劣化検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

触媒２０に吸蔵可能な酸素の量は、触媒２０の酸素吸蔵量がゼロであるときに最大となる。このため、触媒２０の酸素吸蔵量がゼロであるときにリーン制御を開始すれば、リーン制御中に触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する可能性は低い。そこで、第三実施形態では、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下であるときにリーン制御を開始する。このことによって、リーン制御中に触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することを抑制することができ、ひいては触媒２０の貴金属の劣化の検出精度を高めることができる。

また、触媒２０から放出可能な酸素の量は、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量であるときに最大となる。このため、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量であるときにリッチ制御を開始すれば、リッチ制御中に触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する可能性は低い。そこで、第三実施形態では、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上であるときにリッチ制御を開始する。このことによって、リッチ制御中に触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達することを抑制することができ、ひいては触媒２０の貴金属の劣化の検出精度を高めることができる。

一方、上述したようにリーン制御を開始した場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵能力の低下によってリーン制御中に触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達するおそれがある。また、上述したようにリッチ制御を開始した場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵能力の低下によってリッチ制御中に触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達するおそれがある。

図１１は、流入排気ガスの空燃比を変化させたときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のタイムチャートである。図１１の例では、図４の例と同様に流入排気ガスの目標空燃比が制御され、図１１には、図４に示された３つの例に加えて、触媒２０の酸素吸蔵能力が低下している場合が示されている。図４の上から三つ目のグラフを参照して、触媒２０の助触媒の劣化によって触媒２０の酸素吸蔵能力が低下している場合について説明する。

触媒２０の酸素吸蔵能力が低下すると、触媒２０に吸蔵可能な最大酸素吸蔵量が低下する。このため、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに、正常な触媒２０よりも早いタイミングで触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する。この結果、時刻ｔ０において、触媒２０からＮＯｘが流出し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンになっている。

その後、時刻ｔ１において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられるまで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合は徐々に大きくなる。流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられると、触媒２０はＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、排気ガス中のＨＣ及びＣＯは触媒２０において浄化される。したがって、時刻ｔ１の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

時刻ｔ１の後、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ付近まで減少すると、触媒２０が還元雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。この結果、触媒２０において浄化されなかったＨＣ及びＣＯが触媒２０から流出し始め、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな値に変化する。

その後、時刻ｔ２において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられるまで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合は徐々に大きくなる。流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、触媒２０は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。この結果、触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられ、排気ガス中のＮＯｘは触媒２０において浄化される。したがって、時刻ｔ２の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束する。

時刻ｔ２の後、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比に維持され、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加する。触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量付近まで増加すると、触媒２０が酸化雰囲気となり、触媒２０の浄化性能が低下する。この結果、触媒２０からＮＯｘが流出し始め、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな値に変化する。

その後、時刻ｔ３において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられるまで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリーン度合は徐々に大きくなる。時刻ｔ３の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、時刻ｔ１の後と同様に変化する。

したがって、触媒２０の還元能力が低下していない場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵能力の低下によってリーン制御中に流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンになる場合がある。通常、このときのリーン度合は、触媒２０の還元能力が低下しているときのリーン度合よりも大きくなる。このため、第三実施形態では、劣化判定部７２は、リーン制御において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな上限空燃比に達した場合には、触媒２０の助触媒が劣化していると判定する。このことによって、触媒２０の貴金属の劣化だけでなく触媒２０の助触媒の劣化も検出することができる。

また、触媒２０の酸化能力が低下していない場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵能力の低下によってリッチ制御中に流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチになる場合がある。通常、このときのリッチ度合は、触媒２０の酸化能力が低下しているときのリッチ度合よりも大きくなる。このため、第三実施形態では、劣化判定部７２は、リッチ制御において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな下限空燃比に達した場合には、触媒２０の助触媒が劣化していると判定する。このことによって、触媒２０の貴金属の劣化だけでなく触媒２０の助触媒の劣化も検出することができる。

＜触媒劣化判定処理＞
第三実施形態では、図８に示される触媒劣化判定処理の制御ルーチンが実行される。図８のステップＳ４０３では、図１２に示されるリーン側判定処理が実行され、図８のステップＳ４０５では、図１３に示されるリッチ側判定処理が実行される。

図１２に示されるリーン側判定処理では、最初に、ステップＳ７０１において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かを判定する。リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈは、予め定められ、例えば１４．４～１４．５５に設定される。

ステップＳ７０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンは図８のステップＳ４０４に進む。この場合、リーン側判定処理において触媒２０の貴金属の劣化は判定されない。

一方、ステップＳ７０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０２に進む。ステップＳ７０２では、図６のステップＳ２０１と同様に、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。

次いで、ステップＳ７０３において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリーンな上限空燃比ＡＦｕｐｔｈ以上であるか否かを判定する。上限空燃比ＡＦｕｐｔｈは、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに還元能力の低下によって検出される空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。すなわち、上限空燃比ＡＦｕｐｔｈは、後述するステップＳ７０５において用いられるリーン側判定値よりもリーンな値に設定される。

ステップＳ７０３において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上限空燃比ＡＦｕｐｔｈよりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０４に進む。ステップＳ７０４では、図６のステップＳ２０２と同様に、空燃比制御部７１は、リーン制御が開始されてから第１所定時間が経過したか否かを判定する。第１所定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０２に戻り、リーン制御が継続され、ステップＳ７０３の判定が再び行われる。

ステップＳ７０３において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上限空燃比ＡＦｕｐｔｈ以上であると判定された場合には、空燃比制御部７１はリーン制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ７０９に進む。ステップＳ７０９では、劣化判定部７２は、触媒２０の助触媒が劣化していると判定する。具体的には、劣化判定部７２は、触媒２０の助触媒の劣化によって触媒２０の酸素吸蔵能力が低下していると判定する。また、触媒２０の異常をドライバに知らせるために、劣化判定部７２は、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。なお、劣化判定部７２は、酸素吸蔵能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。

一方、ステップＳ７０４において第１所定時間が経過したと判定された場合、空燃比制御部７１はリーン制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ７０５に進む。ステップＳ７０５では、図６のステップＳ２０３と同様に、劣化判定部７２は、リーン制御において触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値以上であるか否かを判定する。

ステップＳ７０５において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値以上であるであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０６に進む。ステップＳ７０６では、図６のステップＳ２０４と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。

一方、ステップＳ７０５において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側判定値よりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０７に進む。ステップＳ７０７では、図６のステップＳ２０５と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０が正常であると判定する。

ステップＳ７０６、ステップＳ７０７又はステップＳ７０９の後、本制御ルーチンはステップＳ７０８に進む。ステップＳ７０８では、劣化判定部７２はリーン側判定フラグＦＬを１に設定する。ステップＳ７０８の後、本制御ルーチンは図８のステップＳ４０４に進む。

図１３に示されるリッチ側判定処理では、最初に、ステップＳ８０１において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かを判定する。リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、予め定められ、例えば１４．６５～１４．８に設定される。

ステップＳ８０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、リッチ側判定処理において触媒２０の貴金属の劣化は判定されない。

一方、ステップＳ８０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ８０２に進む。ステップＳ８０２では、図７のステップＳ３０１と同様に、空燃比制御部７１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。

次いで、ステップＳ８０３において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリッチな下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈ以下であるか否かが判定される。下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈは、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに酸化能力の低下によって検出される空燃比よりもリッチな空燃比に設定される。すなわち、下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈは、後述するステップＳ８０５において用いられるリッチ側判定値よりもリッチな値に設定される。

ステップＳ８０３において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈよりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ８０４に進む。ステップＳ８０４では、図７のステップＳ３０２と同様に、空燃比制御部７１は、リッチ制御が開始されてから第２所定時間が経過したか否かを判定する。第２所定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ８０２に戻り、リッチ制御が継続され、ステップＳ８０３の判定が再び行われる。

ステップＳ８０３において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが下限空燃比ＡＦｌｏｗｔｈ以下であると判定された場合には、空燃比制御部７１はリッチ制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ８０９に進む。ステップＳ８０９では、劣化判定部７２は、触媒２０の助触媒が劣化していると判定する。具体的には、劣化判定部７２は、触媒２０の助触媒の劣化によって触媒２０の酸素吸蔵能力が低下していると判定する。また、触媒２０の異常をドライバに知らせるために、劣化判定部７２は、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。なお、劣化判定部７２は、酸素吸蔵能力の低下に対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。

一方、ステップＳ８０４において第２所定時間が経過したと判定された場合、空燃比制御部７１はリッチ制御を終了させ、本制御ルーチンはステップＳ８０５に進む。ステップＳ８０５では、図７のステップＳ３０３と同様に、劣化判定部７２は、リッチ制御において触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値以下であるか否かを判定する。

ステップＳ８０５において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値以下であるであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ８０６に進む。ステップＳ８０６では、図７のステップＳ３０４と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０の貴金属が劣化していると判定する。

一方、ステップＳ８０５において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側判定値よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ８０７に進む。ステップＳ８０７では、図７のステップＳ３０５と同様に、劣化判定部７２は、触媒２０が正常であると判定する。

ステップＳ８０６、ステップＳ８０７又はステップＳ８０９の後、本制御ルーチンはステップＳ８０８に進む。ステップＳ８０８では、劣化判定部７２はリッチ側判定フラグＦＲを１に設定する。ステップＳ８０８の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、図８、図１２及び図１３の制御ルーチンは、図５～図７の制御ルーチンと同様に変形可能である。また、図１２のステップＳ７０１において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下するように、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにしてもよい。また、図１３のステップＳ８０１において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇するように、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにしてもよい。

通常、燃料噴射弁１１による燃料噴射を停止する燃料カット制御が実行された場合には、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりもリーンになる。このため、図１３のステップＳ８０１において、空燃比制御部７１は、燃料カット制御が終了したか否かを判定してもよい。

また、図１２のステップＳ７０２において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの傾きが上限値以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、劣化判定部７２は、リーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の傾きが上限値以上である場合に、触媒２０の助触媒が劣化していると判定してもよい。上限値は、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が増加しているときに還元能力の低下によって検出される空燃比の傾きよりも大きな値に設定される。

また、図１３のステップＳ８０３において、空燃比制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの傾きが下限値以下であるか否かを判定してもよい。すなわち、劣化判定部７２は、リッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の傾きが下限値以下である場合に、触媒２０の助触媒が劣化していると判定してもよい。下限値は、予め定められ、触媒２０の酸素吸蔵量が減少しているときに酸化能力の低下によって検出される空燃比の傾きよりも小さい値に設定される。

＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る触媒劣化検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る触媒劣化検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図１４は、本発明の第四実施形態に係る触媒劣化検出装置１’の構成を概略的に示すブロック図である。触媒劣化検出装置１’は、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、空燃比制御部７１、劣化判定部７２及び酸素吸蔵量算出部７３を備える。下流側空燃比センサ４１は空燃比検出装置の一例である。本実施形態では、ＥＣＵ３１が、空燃比制御部７１、劣化判定部７２及び酸素吸蔵量算出部７３として機能する。

酸素吸蔵量算出部は触媒２０の酸素吸蔵量を算出する。図１５は、第四実施形態における酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示す図である。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、Ｓ９０１において、酸素吸蔵量算出部７３は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比を取得する。

次いで、ステップＳ９０２において、酸素吸蔵量算出部７３は微小時間における酸素変動量ΔＯＣＡを算出する。例えば、酸素吸蔵量算出部７３は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比及び燃料噴射量に基づいて下記式（１）によって酸素変動量ΔＯＣＡを算出する。
ΔＯＣＡ＝０．２３×（ＡＦｕｐ－１４．６）×Ｑｉ …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｑｉは微小時間における燃料噴射量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。燃料噴射量ＱｉはＥＣＵ３１から燃料噴射弁１１への指令値に基づいて算出される。

流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、触媒２０に酸素が吸蔵され、酸素変動量ΔＯＣＡの値は正となる。一方、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、触媒２０から酸素が放出され、酸素変動量ΔＯＣＡの値は負となる。

次いで、ステップＳ９０３において、空燃比制御部７１は触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを算出する。具体的には、空燃比制御部７１は酸素変動量ΔＯＣＡを積算することによって触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを算出する。ステップＳ９０３の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、酸素吸蔵量算出部７３は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比及び吸入空気量に基づいて下記式（２）によって酸素変動量ΔＯＣＡを算出してもよい。
ΔＯＣＡ＝０．２３×（ＡＦｕｐ－１４．６）×Ｇａ／ＡＦｕｐ …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｇａは微小時間における吸入空気量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９の出力に基づいて算出される。

また、ステップＳ９０１におい流入排気ガスの目標空燃比が取得され、酸素変動量ΔＯＣＡは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比を用いることなく、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦに基づいて算出されてもよい。すなわち、上記式（１）、（２）において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐの代わりに目標空燃比の値が用いられてもよい。この場合、触媒劣化検出装置１’から上流側空燃比センサ４０が省略されてもよい。

第四実施形態では、空燃比制御部７１は、酸素吸蔵量算出部７３によって算出された酸素吸蔵量が予め定められた最大酸素吸蔵量に達しないようにリーン制御を実行する。例えば、最大酸素吸蔵量は未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量に設定される。このことによって、リーン制御中に触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することを抑制することができ、ひいては触媒２０の貴金属の劣化の検出精度を高めることができる。

また、空燃比制御部７１は、酸素吸蔵量算出部７３によって算出された酸素吸蔵量がゼロに達しないようにリッチ制御を実行する。このことによって、リッチ制御中に触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達することを抑制することができ、ひいては触媒２０の貴金属の劣化の検出精度を高めることができる。

例えば、空燃比制御部７１は、酸素吸蔵量算出部７３によって算出された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量未満の第１切替基準値以下であるときにリーン制御を開始し、酸素吸蔵量算出部７３によって算出された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量未満の第２切替基準値以上であるときにリッチ制御を開始する。

一方、上述したようにリーン制御を実行した場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵能力の低下によってリーン制御中に触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達するおそれがある。また、上述したようにリッチ制御を実行した場合であっても、触媒２０の酸素吸蔵能力の低下によってリッチ制御中に触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達するおそれがある。

このため、第三実施形態と同様に、劣化判定部７２は、リーン制御において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな上限空燃比に達した場合には、又はリッチ制御において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな下限空燃比に達した場合には、触媒２０の助触媒が劣化していると判定する。このことによって、触媒２０の貴金属の劣化だけでなく触媒２０の助触媒の劣化も検出することができる。

＜触媒劣化判定処理＞
第三実施形態では、図８に示される触媒劣化判定処理の制御ルーチンが実行される。図８のステップＳ４０３では、図１６に示されるリーン側判定処理が実行され、図８のステップＳ４０５では、図１７に示されるリッチ側判定処理が実行される。

図１６に示されるリーン側判定処理では、最初に、ステップＳ１００１において、空燃比制御部７１は、酸素吸蔵量算出部７３によって算出された酸素吸蔵量ＯＳＡが第１切替基準値Ｃｓｗ１以下であるか否かを判定する。第１切替基準値Ｃｓｗ１は、予め定められ、例えば未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量の２／３以下の値に設定される。

ステップＳ１００１において酸素吸蔵量ＯＳＡが第１切替基準値Ｃｓｗ１よりも多いと判定された場合、本制御ルーチンは図８のステップＳ４０４に進む。この場合、リーン側判定処理において触媒２０の貴金属の劣化は判定されない。

一方、ステップＳ１００１において酸素吸蔵量ＯＳＡが第１切替基準値Ｃｓｗ１以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１００２に進む。ステップＳ１００２～ステップＳ１００９は、第三実施形態における図１２のステップＳ７０２～ステップＳ７０９と同様であることから説明を省略する。

図１７に示されるリーン側判定処理では、最初に、ステップＳ１１０１において、空燃比制御部７１は、酸素吸蔵量算出部７３によって算出された酸素吸蔵量ＯＳＡが第２切替基準値Ｃｓｗ２以上であるか否かを判定する。第２切替基準値Ｃｓｗ２は、予め定められ、例えば未使用（新触）の触媒２０の最大酸素吸蔵量の１／３以上の値に設定される。

ステップＳ１１０１において酸素吸蔵量ＯＳＡが第２切替基準値Ｃｓｗ２よりも少ないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、リッチ側判定処理において触媒２０の貴金属の劣化は判定されない。

一方、ステップＳ１１０１において酸素吸蔵量ＯＳＡが第２切替基準値Ｃｓｗ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１０２に進む。ステップＳ１１０２～ステップＳ１１０９は、第三実施形態における図１３のステップＳ８０２～ステップＳ８０９と同様であることから説明を省略する。

なお、図８、図１６及び図１７の制御ルーチンは、図５、図１２及び図１３の制御ルーチンと同様に変形可能である。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、下流側空燃比センサ４１の代わりに、排気ガスの空燃比を検出可能なＮＯｘセンサが空燃比検出装置として用いられてもよい。また、下流側触媒２３が内燃機関から省略されてもよい。

また、リーン制御において設定される流入排気ガスの目標空燃比は、理論空燃比よりもリーンな値であれば、リーン制御中に変更されてもよい。同様に、リッチ制御において設定される流入排気ガスの目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチな値であれば、リッチ制御中に変更されてもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。

１、１’ 触媒劣化検出装置
２０上流側触媒
２２排気管
３１電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１下流側空燃比センサ
７１空燃比制御部
７２劣化判定部

Claims

内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
前記触媒の劣化を判定する劣化判定部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において前記触媒の酸素吸蔵量が変化しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比に基づいて前記触媒の貴金属の劣化を判定し、
前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比と理論空燃比との差が上限値に達した場合には、前記触媒の貴金属の劣化を判定しない、触媒劣化検出装置。
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が増加しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリーン側判定値以上である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定する、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が減少しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリッチ側判定値以下である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定する、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを実行し、
前記劣化判定部は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が増加しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリーン側判定値以上である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定し、
前記劣化判定部は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が減少しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比、該空燃比の平均値、該空燃比の変化量、又は該空燃比の傾きがリッチ側判定値以下である場合に、前記触媒の貴金属が劣化していると判定する、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
前記空燃比制御部は前記リーン制御及びリッチ制御を連続的に実行する、請求項４に記載の触媒劣化検出装置。
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
前記触媒の劣化を判定する劣化判定部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において前記触媒の酸素吸蔵量が変化しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比に基づいて前記触媒の貴金属の劣化を判定し、
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下であるときに前記リーン制御を開始し、
前記劣化判定部は、前記リーン制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな上限空燃比に達した場合には、前記触媒の助触媒が劣化していると判定する、触媒劣化検出装置。
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
前記触媒の劣化を判定する劣化判定部と、
前記触媒の酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において前記触媒の酸素吸蔵量が変化しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比に基づいて前記触媒の貴金属の劣化を判定し、
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量算出部によって算出された酸素吸蔵量が予め定められた最大酸素吸蔵量に達しないように前記リーン制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記リーン制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな上限空燃比に達した場合には、前記触媒の助触媒が劣化していると判定する、触媒劣化検出装置。
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
前記触媒の劣化を判定する劣化判定部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において前記触媒の酸素吸蔵量が変化しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比に基づいて前記触媒の貴金属の劣化を判定し、
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上であるときに前記リッチ制御を開始し、
前記劣化判定部は、前記リッチ制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな下限空燃比に達した場合には、前記触媒の助触媒が劣化していると判定する、触媒劣化検出装置。
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒の劣化を検出する触媒劣化検出装置であって、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
前記触媒の劣化を判定する劣化判定部と、
前記触媒の酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン又はリッチにする劣化判定制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記劣化判定制御において前記触媒の酸素吸蔵量が変化しているときに前記空燃比検出装置によって検出された空燃比に基づいて前記触媒の貴金属の劣化を判定し、
前記空燃比制御部は、前記劣化判定制御として、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量算出部によって算出された酸素吸蔵量がゼロに達しないように前記リッチ制御を実行し、
前記劣化判定部は、前記リッチ制御において、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな下限空燃比に達した場合には、前記触媒の助触媒が劣化していると判定する、触媒劣化検出装置。