(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられ、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定した状態において排気中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記空燃比を理論空燃比よりリーン側からリッチ側に切り換えたときの前記酸素濃度センサの出力に基づいて前記窒素酸化物浄化手段の劣化を判定する劣化判定手段と、
前記劣化判定手段による劣化判定の実行直後に、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持したときの前記酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常を判定する異常判定手段とを有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記劣化判定手段による劣化判定の終了前に前記酸素濃度センサの出力が変動しないとき、前記異常判定手段による異常判定を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記異常判定手段は、前記劣化判定手段による劣化判定の実行前に、前記酸素濃度センサの出力が、前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあることを示す状態を継続しているとき、該酸素濃度センサは異常と判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
内燃機関の排気系に設けられ、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定した状態において排気中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記機関の始動完了直後における前記酸素濃度センサの出力が、前記空燃比が理論空燃比よりリーン側にあることを示す状態を継続しているときは、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定するリッチ化手段と、
該リッチ化手段による空燃比リッチ化実行中の前記酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常を判定する異常判定手段と、
前記酸素濃度センサの異常判定が終了するまで前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することを禁止する禁止手段とを有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する窒素酸化物浄化装置と、その下流側に酸素濃度センサとを備え、窒素酸化物浄化装置の劣化判定機能及び酸素濃度センサの異常判定機能を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系に排気浄化のための三元触媒を配置するとともに、その上流側と下流側にそれぞれ酸素濃度センサを設け、内燃機関に供給する混合気の空燃比を、２つの酸素濃度センサの出力に応じてフィードバック制御する空燃比制御装置は広く知られている。またこのような装置において、下流側の酸素濃度センサの異常を判定する手法が、特許第２８２６５６４号公報に示されている。
【０００３】
この異常判定手法は、三元触媒の下流側の酸素濃度センサ出力がリーン空燃比を示しているときに、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に変更して保持し、三元触媒の上流側の酸素濃度センサ出力がリッチ空燃比を示しているにも拘わらず、下流側酸素濃度センサ出力が所定期間に亘ってリーン空燃比を示したとき、下流側酸素濃度センサが異常と判定するものである。
【０００４】
また、内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定する（いわゆるリーン運転を実行する）と、ＮＯｘの排出量が増加する傾向があるため、機関の排気系にＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を内蔵するＮＯｘ浄化装置を設け、排気の浄化を行う技術が従来より知られている。さらに、ＮＯｘ浄化装置の下流側に酸素濃度センサを設け、その出力に基づいてＮＯｘ浄化装置の劣化を判定する手法も知られている（特開平１０−２９９４６０号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯｘ浄化装置を備えた機関では、リーン運転を実行する期間が長く、排気系のＮＯｘ浄化装置の下流側では、酸素濃度センサの出力がリーン空燃比を示す状態が長期間継続する傾向がある。また空燃比をリッチ化すると、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘの還元が行われるため、上記特許第２８２６５６４号公報の手法をそのまま適用しても、酸素濃度センサの出力の変化時期を適切に捕らえて異常判定を行うことが困難であった。すなわち、ＮＯｘ浄化装置の下流側に設けられた酸素濃度センサの出力をリッチ側に確実に変化させるためには、空燃比のリッチ化を長時間に亘って継続しなければならない場合があり、排気特性や運転性に悪影響を与えるおそれがあった。
【０００６】
またＮＯｘ浄化装置を備えた機関では、リーン運転を実行する時間的割合が大きいので、その点に着目すれば下流側酸素濃度センサの異常をより迅速に判定できる余地が残されていた。
本発明は、上述した点に着目してなされたものであり、ＮＯｘ浄化装置の下流側に設けられる酸素濃度センサの異常判定を適切なタイミングで実行し、異常判定の実行による排気特性や運転性への影響を最小限に抑制することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定した状態において排気中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側からリッチ側に切り換えたときの前記酸素濃度センサの出力に基づいて前記窒素酸化物浄化手段の劣化を判定する劣化判定手段と、前記劣化判定手段による劣化判定の実行直後に、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持したときの前記酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常を判定する異常判定手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側からリッチ側に切り換えたときの、窒素酸化物浄化手段下流側の酸素濃度センサの出力に基づいて、窒素酸化物浄化手段の劣化判定が実行され、この劣化判定の実行直後に、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持したときの酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常が判定される。窒素酸化物浄化手段の劣化判定を実行することにより、空燃比がリッチ化され、窒素酸化物浄化手段の窒素酸化物の吸収量が減少するので、空燃比をその後僅かの期間リッチ側に維持することにより、窒素酸化物浄化手段の下流側の酸素濃度を確実に低下させることができ、そのときの酸素濃度センサ出力を監視することにより、正確な異常判定を行うことができる。すなわち、窒素酸化物浄化手段の劣化判定の直後に酸素濃度センサの異常判定を行うことにより、異常判定のために空燃比をリッチ化する期間を最小限とし、リッチ化による排気特性や運転性への影響を最小限に抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記劣化判定手段による劣化判定の終了前に前記酸素濃度センサの出力が変動しないとき、前記異常判定手段による異常判定を実行することを特徴とする。
この構成によれば、劣化判定手段による劣化判定の終了前に酸素濃度センサの出力が変動しないとき、異常判定手段による異常判定が実行される。劣化判定手段による劣化判定終了までに、酸素濃度センサ出力が変動するときは、酸素濃度センサが正常と判定できるので、そのような場合以外のとき、異常判定を実行することにより、異常判定のための空燃比のリッチ化を最小限に留めることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記異常判定手段は、前記劣化判定手段による劣化判定の実行前に、前記酸素濃度センサの出力が、前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあることを示す状態を継続しているとき、該酸素濃度センサは異常と判定することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、窒素酸化物浄化手段の劣化判定の実行前に、酸素濃度センサの出力が、空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあることを示す状態を継続しているとき、該酸素濃度センサが異常と判定される。機関の冷間始動時においては、酸素濃度センサが不活性状態にあるため、その出力はリッチ空燃比を示す値となる。一方、窒素酸化物浄化手段の劣化判定は、リーン運転を継続して、窒素酸化物浄化手段による窒素酸化物の吸収量が所定量に達したとき実行されるので、それまでに酸素濃度センサ出力がリーン空燃比を示す値に変化しないときは、酸素濃度センサが異常と判定できる。したがって、窒素酸化物浄化手段の劣化判定実行前に酸素濃度センサの異常判定を行うことができ、迅速な判定が可能となるとともに、劣化判定実行直後のリッチ空燃比の維持が不要となり、リッチ化による排気特性や運転性への影響をなくすることができる。
前記劣化判定手段による、前記窒素酸化物浄化手段の劣化判定は、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を、前記窒素酸化物浄化手段の窒素酸化物吸収量が所定量に達するまで継続した後に実行される。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定した状態において排気中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、前記機関の始動完了直後における前記酸素濃度センサの出力が、前記空燃比が理論空燃比よりリーン側にあることを示す状態を継続しているときは、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定するリッチ化手段と、該リッチ化手段による空燃比リッチ化実行中の前記酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常を判定する異常判定手段と、前記酸素濃度センサの異常判定が終了するまで前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することを禁止する禁止手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、機関の始動完了直後に前記酸素濃度センサの出力が、リーン空燃比を示す状態を継続しているときは、空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、該空燃比リッチ化実行中の酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常が判定され、該異常判定が終了するまで空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することが禁止される。したがって、機関始動後、リーン運転開始前に、すなわちＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸収量が増加する前に酸素濃度センサの異常判定を行うことができ、異常判定のためのリッチ化実行期間を最小限として、リッチ化による排気特性や運転性への影響を最小限に抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる排気浄化装置を含む、内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御用電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１５】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１６】
一方、スロットル弁３の直ぐ下流には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８が設けられており、この絶対圧センサ８により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ＥＣＵ５に供給される。また、その下流には吸気温（ＴＡ)センサ９が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１７】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
エンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１１及び気筒判別（ＣＹＬ）センサ１２が取り付けられている。エンジン回転数センサ１１は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）より所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０゜毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力し、気筒判別センサ１２は、特定の気筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１８】
排気管１３には三元触媒１４と、窒素酸化物浄化手段としてのＮＯｘ浄化装置１５とが上流側からこの順序で設けられている。
三元触媒は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
【００１９】
ＮＯｘ浄化装置１５は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ吸収剤としては、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定された場合の排気リーン状態においては、ＮＯｘを吸収し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定された場合の排気リッチ状態においては、吸収されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【００２０】
ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを放出させて還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。
三元触媒１４の上流位置には、比例型空燃比センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００２１】
三元触媒１４とＮＯｘ浄化装置１５との間及びＮＯｘ浄化装置１５の下流位置には、それぞれ二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８，１９が装着されており、これらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。このＯ２センサ１８，１９は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。
【００２２】
エンジン１は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタイミングとの２段階に切換可能なバルブタイミング切換機構３０を有する。このバルブタイミングの切換は、弁リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選択時は２つに吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した燃焼を確保するようにしている。
【００２３】
バルブタイミング切換機構３０は、バルブタイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがＥＣＵ５に接続されている。油圧センサの検出信号はＥＣＵ５に供給され、ＥＣＵ５は電磁弁を制御してエンジン１の運転状態に応じたバルブタイミングの切換制御を行う。
【００２４】
ＥＣＵ５には、エンジン１によって駆動される車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ２０が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路５ａ、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）５ｂ、ＣＰＵ５ｂで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段５ｃ、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路５ｄ等から構成される。
【００２５】
ＣＰＵ５ｂは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）に基づき、前記ＴＤＣ信号パルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＬＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２…（１）
ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴＩマップを検索して決定される。ＴＩマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。すなわち、基本燃料量ＴＩＭは、エンジンの単位時間当たりの吸入空気量（重量流量）にほぼ比例する値を有する。
【００２６】
ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、エンジン回転数ＮＥ、スロットル弁開度θＴＨ、エンジン水温ＴＷ等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。また目標空燃比係数ＫＣＭＤは、後述するように還元リッチ化あるいはＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を実行するときは、空燃比をリッチ化するリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＲまたはＫＣＭＤＲＭに設定される。
【００２７】
ＫＬＡＦは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１７の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ制御により算出される空燃比補正係数である。
Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
ＣＰＵ５ｂは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路５ｄを介して燃料噴射弁６に供給する。
【００２８】
図２は、前記式（１）に適用される目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出する処理のフローチャートである。本処理は一定時間毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
ステップＳ２１では、リーン運転中か否か、すなわち通常制御時に後述するステップＳ２９で記憶された目標空燃比係数ＫＣＭＤの記憶値ＫＣＭＤＢが「１．０」より小さいか否かを判別する。その結果、ＫＣＭＤＢ≧１．０であってリーン運転中でないときは、直ちにステップＳ２５に進み、還元リッチ化実行中であることを「１」で示す還元リッチ化フラグＦＲＲＯＫ及びＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定のための空燃比リッチ化を実行中であることを「１」で示す劣化判定リッチ化フラグＦＲＭＯＫをともに「０」に設定し、さらに後述するステップＳ３３、Ｓ３７で参照されるダウンカウントタイマｔｍＲＲ及びｔｍＲＭに、それぞれ還元リッチ化時間ＴＲＲ（例えば５〜１０秒）及び還元リッチ化時間ＴＲＲより長い劣化判定リッチ化時間ＴＲＭ（＞ＴＲＲ）をセットしてスタートさせる（ステップＳ２６）。
【００２９】
次いで、後述する図５の処理により設定され、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定終了後も空燃比のリッチ化を継続することを「１」で示すリッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴが「０」であるか否かを判別し（ステップＳ２７）、ＦＲＳＰＥＸＴ＝１であるときは、後述するステップＳ３６に進んで、空燃比のリッチ化を継続する。
【００３０】
一方ＦＲＳＰＥＸＴ＝０であるときは、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う（ステップＳ２８）。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、基本的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて算出し、エンジン水温ＴＷの低温状態や所定の高負荷運転状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。次いでステップＳ２８で算出した目標空燃比係数ＫＣＭＤを記憶値ＫＣＭＤＢとして記憶して（ステップＳ２９）、本処理を終了する。
【００３１】
ステップＳ２１でＫＣＭＤＢ＜１．０であってリーン運転中であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、次のステップＳ２３で使用する増分値ＡＤＤＮＯｘを決定する（ステップＳ２２）。増分値ＡＤＤＮＯｘは、リーン運転中に単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量に対応するパラメータであり、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また吸気管内絶対圧ＰＢＡが増加するほど、増加するように設定されている。
【００３２】
ステップＳ２３では、下記式にステップＳ２２で決定した増分値ＡＤＤＮＯｘを適用し、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘをインクリメントする。これによりＮＯｘ排出量、すなわちＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量に相当するカウント値が得られる。
ＣＮＯｘ＝ＣＮＯｘ＋ＡＤＤＮＯｘ
【００３３】
続くステップＳ２４では、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値が、許容値ＣＮＯｘＲＥＦを越えたか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ２５に進み、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴが「１」に設定されない限り、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じた目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う。許容値ＣＮＯｘＲＥＦは、例えばＮＯｘ吸収剤の最大ＮＯｘ吸収量より若干小さいＮＯｘ量に対応する値に設定される。
【００３４】
ステップＳ２４で、ＣＮＯｘ＞ＣＮＯｘＲＥＦとなると、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定の実行指令がなされていることを「１」で示す劣化判定指令フラグＦＭＣＭＤが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ３０）。
ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定は、１運転期間（エンジン始動から停止までの期間）に１回程度の割合で実行すればよいので、エンジン始動後、エンジン運転状態が安定した時点で劣化判定指令フラグＦＭＣＭＤが「１」に設定される。通常はＦＭＣＭＤ＝０であるので、ステップＳ３０からステップＳ３１に進み、還元リッチ化フラグＦＲＲＯＫを「１」に設定し、次いで目標空燃比係数ＫＣＭＤを空燃比１４．０相当程度の値に対応するリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＲに設定して還元リッチ化を実行する（ステップＳ３２）。そして、タイマｔｍＲＲの値が「０」か否かを判別し（ステップＳ３３）、ｔｍＲＲ＞０である間は直ちに本処理を終了し、ｔｍＲＲ＝０となると還元リッチ化フラグＦＲＲＯＫを「０」に設定するとともにＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値を「０」にリセットする（ステップＳ３４）。これにより、次回からはステップＳ２４の答が否定（ＮＯ）となるので、通常制御に移行する。
【００３５】
劣化判定指令がなされた状態（ＦＭＣＭＤ＝１）において、ステップＳ２４でＣＮＯｘ＞ＣＮＯｘＲＥＦとなったときは、ステップＳ３０からステップＳ３５に進み、劣化判定リッチ化フラグＦＲＭＯＫを「１」に設定し、次いで目標空燃比係数ＫＣＭＤを空燃比１４．０相当程度の値より若干リーン側の値に対応する劣化判定リッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭ（＜ＫＣＭＤＲＲ）に設定して劣化判定リッチ化を実行する（ステップＳ３６）。通常の還元リッチ化実行時よりリッチ化の度合を小さくするのは、リッチ化の度合が大きくリッチ化実行時間が短いと誤判定が発生し易いからであり、リッチ化の度合を小さくしてリッチ化実行時間（＝ＴＲＭ）を長くすることにより、劣化判定の精度を向上させることができる。
【００３６】
そして、タイマｔｍＲＭの値が「０」か否かを判別し（ステップＳ３７）、ｔｍＲＭ＞０である間は直ちに本処理を終了し、ｔｍＲＭ＝０となると劣化判定リッチ化フラグＦＲＭＯＫ及び劣化判定指令フラグＦＭＣＭＤをともに「０」に設定し、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値を「０」にリセットする（ステップＳ３８）。これにより、次回からはステップＳ２４の答が否定（ＮＯ）となるので、通常制御に移行する。
【００３７】
図２の処理によれば、リーン運転可能なエンジン運転状態においては、通常は間欠的に還元リッチ化が実行され、ＮＯｘ浄化装置１５のＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘが適宜放出される。また、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定指令がなされたときは、還元リッチ化よりリッチ化の度合を小さくして、かつ還元リッチ化より長い時間ＴＲＭに亘って劣化判定リッチ化が実行される。また後述する図５の処理により、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴが「１」に設定されたときは、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定処理が終了した後も目標空燃比係数ＫＣＭＤがリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭに維持され、空燃比リッチ化が継続される。
【００３８】
図３は、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定の実施条件を判定する処理のフローチャートであり、この処理はＴＤＣ信号パルスの発生に同期してＣＰＵ５ｂで実行される。
ステップＳ５１では、下流側Ｏ２センサ１９が活性化していることを「１」で示す活性化フラグＦＮＴＯ２が「１」であるか否かを判別し、ＦＮＴＯ２＝１であって活性化しているときは、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転が許可されていることを「１」で示すリーン運転フラグＦＬＢが「１」であるか否かを判別し（ステップＳ５２）、ＦＬＢ＝１であるときは、還元リッチ化フラグＦＲＲＯＫが「０」であるか否かを判別する（ステップＳ５３）。
【００３９】
ステップＳ５１〜Ｓ５３のいずれかの答が否定（ＮＯ）であるときは、後述する図４の処理で算出、使用する排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣを「０」に設定し（ステップＳ５６）、劣化判定実施条件が成立していることを「１」で示す実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂを「０」に設定して（ステップＳ５７）、本処理を終了する。
【００４０】
ステップＳ５１〜Ｓ５３の答が全て肯定（ＹＥＳ）であるときは、エンジン運転状態が通常の状態にあるか否かを判別する（ステップＳ５４）。具体的には、エンジン回転数ＮＥが所定上下限値ＮＥＨ，ＮＥＬ（例えば３０００ｒｐｍ，１２００ｒｐｍ）の範囲内にあるか否か、吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定上下限値ＰＢＡＨ，ＰＢＡＬ（例えば８８ｋＰａ，２１ｋＰａ）の範囲内にあるか否か、吸気温ＴＡが所定上下限値ＴＡＨ，ＴＡＬ（例えば１００℃，−７℃）の範囲内にあるか否か、エンジン水温ＴＷが所定上下限値ＴＷＨ，ＴＷＬ（例えば１００℃，７５℃）の範囲内にあるか否か、車速ＶＰが所定上下限値ＶＰＨ，ＶＰＬ（例えば１２０ｋｍ／ｈ，３５ｋｍ／ｈ）の範囲内にあるか否かを判別し、いずれかの答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ５６に進み、全て肯定（ＹＥＳ）であるときは、劣化判定リッチ化フラグＦＲＭＯＫが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ５５）。
【００４１】
ＮＯｘ浄化装置１５のＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収量がほぼ最大（飽和状態）となり、図２の処理で劣化判定リッチ化フラグＦＲＭＯＫが「１」に設定されるまでは、前記ステップＳ５６に進み、ＦＲＭＯＫ＝１となると、上流側Ｏ２センサ１８の出力電圧ＳＶＯ２が理論空燃比に対応する基準電圧ＳＶＲＥＦ（例えば０．３Ｖ）を越えたか否かを判別する。劣化判定リッチ化開始後しばらくは、三元触媒１４によりＨＣ、ＣＯが酸化されるため、出力電圧ＳＶＯ２は、基準電圧ＳＶＲＥＦより小さい状態が続く。したがって、ステップＳ５８からステップＳ５９に進んで前記排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣを「０」に設定し、次いで実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂを「１」に設定して（ステップＳ６０）、本処理を終了する。
そして三元触媒１４に蓄積された酸素が無くなって、Ｏ２センサ１８近傍が排気リッチ状態となり、出力電圧ＳＶＯ２が基準電圧ＳＶＲＥＦを越えると、ステップＳ５９を実行することなくステップＳ６０に進む処理に移行する。
【００４２】
図４は、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を行う処理のフローチャートであり、この処理はＴＤＣ信号パルスの発生に同期してＣＰＵ５ｂで実行される。
ステップＳ７１では、実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂが「１」であるか否かを判別し、ＦＭＣＮＤ６７Ｂ＝０であって実施条件が成立していないときは、直ちに本処理を終了する。ＦＭＣＮＤ６７Ｂ＝１であるときは、下記式（２）により排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣを算出する（ステップＳ７２）。
ＧＡＩＲＬＮＣ＝ＧＡＩＲＬＮＣ＋ＴＩＭ      （２）
【００４３】
ここでＴＩＭは基本燃料量、すなわちエンジン運転状態（エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡ）に応じて空燃比が理論空燃比となるように設定される燃料量であるので、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量、したがって排気量に比例するパラメータである。排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣは、図３の処理により、ＳＶＯ２≦ＳＶＲＥＦである間は「０」に保持されるので、ステップＳ７２の演算により、上流側Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２が基準電圧ＳＶＲＥＦを越えた時点から、ＮＯｘ浄化装置１５に流入する排気量の積算値を示す排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣが得られる。また、劣化判定実行中は空燃比は理論空燃比よりリッチ側の一定リッチ空燃比（ＫＣＭＤＲＭに対応する値）に維持されるので、この排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣは、排気中に含まれる還元成分（ＨＣ、ＣＯ）の積算量に比例する値を有する。
【００４４】
続くステップＳ７３では、排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣが所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧ以上か否かを判別する。最初はＧＡＩＲＬＮＣ＜ＧＡＩＲＬＮＣＧであるので、直ちに本処理を終了する。その後、ＧＡＩＲＬＮＣ≧ＧＡＩＲＬＮＣＧとなると、ステップＳ７３からステップＳ７４に進み、下流側Ｏ２センサ１９の出力電圧ＴＶＯ２が理論空燃比に対応する基準電圧ＴＶＲＥＦ（例えば０．３Ｖ）以下か否かを判別する。その結果、ＴＶＯ２≦ＴＶＲＥＦであるときは、ＮＯｘ浄化装置１５は正常である判定してそのことを「１」で示す正常フラグＦＯＫ６７Ｂを「１」に設定し（ステップＳ７６）、次いで劣化判定が終了したことを「１」で示す終了フラグＦＤＯＮＥ６７Ｂを「１」に設定して（ステップＳ７７）、本処理を終了する。
【００４５】
一方ステップＳ７４でＴＶＯ２＞ＴＶＲＥＦであるとき、すなわち排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣが所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧ以上となった時点で、下流側Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２がリッチ空燃比を示す値に変化しているときは、ＮＯｘ浄化装置１５が劣化していると判定し、劣化していることを「１」で示す劣化フラグＦＦＳＤ６７Ｂを「１」に設定し（ステップＳ７５）、前記ステップＳ７７に進む。
【００４６】
所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧは、例えば新品のＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘを全て還元するのに必要な排気量の１／２程度に相当する値に設定される。その場合に、排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣが所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧ以上となった時点で、下流側Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２がリッチ空燃比を示す（基準電圧ＴＶＲＥＦを越える）値となっていたときは、ＮＯｘ浄化装置１５のＮＯｘ蓄積能力が新品の約１／２以下となったことを示す。なお、この所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧは、例えばＮＯｘ蓄積能力が新品の１／１０程度となった状態を検出するように設定してもよく、検出したい劣化レベルに応じて、どのように設定してもよい。
【００４７】
以上のように図２〜４の処理では、劣化判定リッチ化開始後に、上流側Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、ＮＯｘ浄化装置１５に流入する排気量、すなわち還元成分の量を示す排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣを算出し、該算出した排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣが所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧに達する前に下流側Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２がリッチ空燃比を示す値となったときは、ＮＯｘ浄化装置１５が劣化していると判定するようにしたので、エンジン運転状態によって変化する排気量、換言すれば還元成分量に応じた判定を行うことができ、エンジン運転状態の広い範囲で正確な劣化判定を行うことができる。
【００４８】
図５は、下流側Ｏ２センサ１９の異常判定を行う処理のフローチャートであり、本処理はＴＤＣ信号パルスの発生に同期してＣＰＵ５ｂで実行される。
ステップＳ８１では、Ｏ２センサ１９の異常判定処理の実行が許可されていることを「１」で示す異常判定許可フラグＦＧＯＦ１０３が「１」であるか否かを判別し、ＦＧＯＦ１０３＝０であって異常判定が許可されていないときは、後述するステップＳ９１で参照されるダウンカウントタイマｔｍＲＳＰＥＸＴの値を「０」に設定するとともに（ステップＳ８６）、前述したＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定処理に引き続いて空燃比のリッチ化を継続することを「１」で示すリッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴを「０」に設定して（ステップＳ８７）、本処理を終了する。
【００４９】
ステップＳ８１でＦＧＯＦ１０３＝１であって異常判定が許可されたときは、下流側Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が、基準電圧ＴＶＲＥＦ以下か否かを判別する（ステップＳ８２）。その結果、ＴＶＯ２≦ＴＶＲＥＦであるときは、排気リッチ状態にあることを「１」で示すリッチフラグＦＬＺＯＮＥを「０」に設定する（ステップＳ８３）一方、ＴＶＯ２＞ＴＶＲＥＦであるときは、リッチフラグＦＬＺＯＮＥを「１」に設定する（ステップＳ８４）。なお、該Ｏ２センサ１９が活性化していないときは、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２は基準電圧ＴＶＲＥＦより高くなるので、エンジン１の冷間始動直後は、ＴＶＯ２＞ＴＶＲＥＦとなる。
【００５０】
続くステップＳ８５では、エンジン１の始動完了後の時間を計測するアップカウントタイマＴ０１ＡＣＲの値が、所定時間ＴＭＭＣＦ１０３（例えば３秒）より大きいか否かを判別し、Ｔ０１ＡＣＲ≦ＴＭＭＣＦ１０３であって始動直後であるときは、前記ステップＳ８６に進み、異常判定を行わない。
【００５１】
Ｔ０１ＡＣＲ＞ＴＭＭＣＦ１０３となると、リッチフラグＦＬＺＯＮＥが、前回の値（ＦＬＺＯＮＥ（ｎ−１））と同じか否かを判別し、同じでないとき、すなわち、フラグＦＬＺＯＮＥの値が０から１へ、またはその逆に変化したときは、Ｏ２センサ１９の出力ＴＶＯ２が初期状態から変化したことが確認されたので、Ｏ２センサ１９は正常と判定してそのことを「１」で示すＯ２センサＯＫフラグＦＯＫＦ１０３を「１」に設定し（ステップＳ９７）、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴを「０」に設定する（ステップＳ９８）。次いでＯ２センサ異常判定処理の終了を「１」で示すＯ２センサ異常判定終了フラグＦＤＯＮＥＦ１０３を「１」に設定して（ステップＳ９９）、本処理を終了する。
【００５２】
ステップＳ８８で、ＦＬＺＯＮＥ＝ＦＬＺＯＮＥ（ｎ−１）であるときは、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定実施条件が成立していることを「１」で示す実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂが「１」であるか否かを判別し（ステップＳ８９）、ＦＭＣＮＤ６７Ｂ＝０であって劣化判定実施条件が成立していないときは、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ９０）。後述するステップＳ９５を実行する前は、ＦＲＳＰＥＸＴ＝０であるので、直ちに本処理を終了する。
【００５３】
劣化判定実施条件が成立し、ＦＭＣＮＤ６７Ｂ＝１となると、ステップＳ８９からステップＳ９３に進み、リッチフラグＦＬＺＯＮＥが「１」であるか否かを判別する。その結果ＦＬＺＯＮＥ＝１であってセンサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦをより高い状態を継続しているときは、Ｏ２センサ１９は異常と判定する。Ｏ２センサ１９が正常であれば劣化判定実施条件が成立する時点では、活性化してＴＶＯ２＜ＴＶＲＥＦとなっているはずであるので、ＴＶＯ２＞ＴＶＲＥＦであるときはＯ２センサ１９は異常と判定するものである。そしてそのことを「１」で示すＯ２センサ異常フラグＦＦＳＤＦ１０３を「１」に設定するとともにＯ２センサＯＫフラグＦＯＫＦ１０３を「０」に設定して（ステップＳ９６）、前記ステップＳ９９に進む。フラグＦＦＳＤＦ１０３が「１」に設定されると、例えばそのことを運転者に知らせる異常警告ランプが点灯される。
【００５４】
一方、ＦＬＺＯＮＥ＝０であって、センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより低い状態を継続しているときは、ダウンカウントタイマｔｍＲＳＰＥＸＴにリッチ化延長時間ＴＭＲＳＰＥＸＴ（例えば１０秒）をセットしてスタートさせ（ステップＳ９４）、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴを「１」に設定して（ステップＳ９５）、本処理を終了する。リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴを「１」に設定することにより、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定処理終了後においても、目標空燃比係数ＫＣＭＤがリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭに維持される（図２，ステップＳ２７，Ｓ３６参照）。
【００５５】
その後ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定が終了すると、実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂが「０」に戻るので、ステップＳ８９からステップＳ９０に進む。この場合は、ＦＲＳＰＥＸＴ＝１であるので、ステップＳ９１に進んで、タイマｔｍＲＳＰＥＸＴの値が「０」か否かを判別し、ｔｍＲＳＰＥＸＴ＞０である間は直ちに本処理を終了する。この間にＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦを越えたときは、ステップＳ８８からステップＳ９７に進んで正常判定がなされるが、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２＜ＴＶＲＥＦのままｔｍＲＳＰＥＸＴ＝０となると、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴを「０」に戻し（ステップＳ９２）、Ｏ２センサ１９が異常と判定して前記ステップＳ９６に進む。この場合は、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定処理終了後も空燃比のリッチ化を延長時間ＴＭＲＳＰＥＸＴに亘って継続したにも拘わらず、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦを越える状態、すなわちリッチ空燃比を示す状態に変化しなかったこと示すので、Ｏ２センサ１９の異常と判定するものである。
【００５６】
図６及び７は、図２〜５の処理によるＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定処理及びＯ２センサ１９の異常判定処理を説明するためのタイムチャートであり、時刻ｔ０にエンジン１を始動した場合を示している。
図６においては、同図（ａ）に示すように時刻ｔ２にリーン運転が開始され、ＮＯｘカウンタＣＮＯｘ（同図（ｂ））の値が許容値ＣＮＯｘＲＥＦに達する時刻ｔ４から、排気量パラメータＧＡＩＲＬＮＣ（同図（ｃ））が所定閾値ＧＡＩＲＬＮＣＧに達する時刻ｔ７までＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定処理が実行される。
【００５７】
図６は、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２（同図（ｅ））の初期状態が、基準電圧ＴＶＲＥＦより低い場合（故障していて低い場合と、エンジンのホットリスタート時のようにＯ２センサ１９が始めから活性化している場合とがある）を示している。この場合破線で示すように、例えば時刻ｔ１またはｔ６において、すなわち劣化判定処理の終了する時刻ｔ７より前に、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦを越えれば、Ｏ２センサ１９は正常と判定され、その場合には、同図（ａ）に破線で示すように、Ｏ２センサ１９の異常判定のためのリッチ化の延長は行われない。
【００５８】
一方時刻ｔ７までにＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦを越えなかったときは、目標空燃比係数ＫＣＭＤがリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭに維持される。この場合、同図（ｅ）に実線で示すように時刻ｔ８に、すなわち時刻ｔ９より前にＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦを越えると、正常判定がなされ、異常判定処理が終了する。一方、同図（ｅ）に一点鎖線で示すようにＴＶＯ２＜ＴＶＲＥＦの状態が継続したときは、時刻ｔ９まで空燃比のリッチ化が継続され、タイマｔｍＲＳＰＥＸＴ（同図（ｄ））の値が「０」となる時刻ｔ９においてＯ２センサ１９が異常であるとの判定がなされる。
【００５９】
図７は、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２（同図（ｃ））の初期状態が、基準電圧ＴＶＲＥＦより高い場合（故障していて高い場合と、エンジンの冷間始動時のようにＯ２センサ１９が不活性状態にある場合とがある）を示している。この場合破線で示すように、例えば時刻ｔ１１あるいはｔ１３において、すなわち劣化判定処理を開始する時刻ｔ４より前に、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより低下すれば、Ｏ２センサ１９は正常と判定され、ＴＶＯ２＞ＴＶＲＥＦである状態が一点鎖線で示すように時刻ｔ４まで継続したときは、異常と判定される。正常であれば、その時点までにＯ２センサ１９が活性化し、その出力ＴＶＯ２がリーン空燃比を示す状態へ移行するからである。
【００６０】
以上のように本実施形態では、目標空燃比係数ＫＣＭＤを理論空燃比よりリーン側からリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭに切り換えたときの、ＮＯｘ浄化装置１５下流側のＯ２センサ出力ＴＶＯ２に基づいて、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定が実行され、この劣化判定の実行直後に、目標空燃比係数ＫＣＭＤをリッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭに維持したときのＯ２センサ出力ＴＶＯ２に基づいてＯ２センサ１９の異常が判定される（図６に示す場合で、空燃比のリッチ化が、劣化判定後も継続されたときに対応する）。ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を実行することにより、空燃比がリッチ化され、ＮＯｘ浄化装置１５のＮＯｘの吸収量が減少するので、その後僅かの期間、空燃比をリッチ側に維持することにより、ＮＯｘ浄化装置１５の下流側の酸素濃度を確実に低下させることができ、そのときのＯ２センサ１９の出力を監視することにより、正確な異常判定を行うことができる。すなわち、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定の直後にＯ２センサ１９の異常判定を行うことにより、異常判定のための空燃比をリッチ化期間を最小限とし、リッチ化による排気特性や運転性への影響を最小限に抑制することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定の終了時点より前にＯ２センサ１９の出力が変動しないとき、リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴが「１」に設定され、異常判定のためリッチ化の継続が行われる。ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定終了までに、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が変動するときは、Ｏ２センサ１９が正常と判定できるので、そのような場合以外のとき、異常判定のための空燃比リッチ化を実行することにより、空燃比のリッチ化を最小限に留めることができる。
【００６２】
また、本実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を開始する時点までに、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が、基準電圧ＴＶＲＥＦより高い状態、すなわち空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあることを示す状態を継続したときは、Ｏ２センサ１９が異常と判定される（図７に示す場合）。これは、エンジンの冷間始動時においては、Ｏ２センサ１９が不活性状態にあるため、その出力はリッチ空燃比を示す値となる。一方、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定は、リーン運転を継続して、ＮＯｘ浄化装置１５によるＮＯｘの吸収量が所定量に達したとき実行されるので、それまでにＯ２センサ出力ＴＶＯ２がリーン空燃比を示す値、すなわち基準電圧ＴＶＲＥＦより低い値に変化しないときは、Ｏ２センサ１９が異常と判定できる。したがって、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定実行前にＯ２センサ１９の異常判定を行うことができ、迅速な判定が可能となるとともに、劣化判定実行直後のリッチ空燃比の維持が不要となり、リッチ化による排気特性や運転性への影響をなくすることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、Ｏ２センサ１９を用いてＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を行っているが、劣化判定処理が終了した時点でも、Ｏ２センサ１９が正常であるとの判定がなされていない場合（リッチ化継続フラグＦＲＳＰＥＸＴ＝１とされ、劣化判定処理終了後も空燃比のリッチ化を継続する場合）がある。その場合には、ＮＯｘ浄化装置１５の正常判定は仮の正常判定とし、その後のＯ２センサ異常判定処理で、Ｏ２センサ１９が正常と判定された時点で、ＮＯｘ浄化装置１５の正常判定を確定させるようにしている。一方仮の正常判定をした後に、Ｏ２センサ１９が異常と判定されたときは、仮の正常判定を取り消し、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定は終了していないこととしている。
上述した実施形態は、請求項１〜３の記載の発明に対応し、図４のステップＳ７２〜Ｓ７６が劣化判定手段に相当し、図５の処理が異常判定手段に相当する。
【００６４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、エンジン始動直後のＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより低い場合において、Ｏ２センサ１９の異常判定をより迅速に行うことができるようにしたものである。図８〜１０は、ぞれぞれ本実施形態におけるＫＣＭＤ算出処理、実施条件判定処理、及びＯ２センサ異常判定処理のフローチャートであり、これら以外は、第１の実施形態と同一である。
【００６５】
図８の処理は、図２の処理にステップＳ１０１〜Ｓ１０９を追加したものであり、これ以外の点は図２の処理と同一である。先ずステップＳ１０１では、Ｏ２センサ異常判定処理のための空燃比リッチ化の実行を指示する異常判定リッチ化フラグＦＲＳＯＫが「１」であるか否かを判別する。ＦＲＳＯＫ＝０であるときは、後述するステップＳ１０４で参照されるダウンカウントタイマｔｍＲＳを異常判定リッチ化時間ＴＲＳ（例えば５秒）に設定してスタートさせ（ステップＳ１０２）、ステップＳ２１に進む。
【００６６】
異常判定リッチ化フラグＦＲＳＯＫが「１」に設定されると（図１０，ステップＳ１２４参照）、ステップＳ１０１からステップＳ１０３に進み、目標空燃比係数ＫＣＭＤを異常判定リッチ化所定値ＫＣＭＤＲＳ（例えば空燃比１２．５相当の値であって、劣化判定リッチ化所定値ＫＣＭＤＲＭより大きい値）に設定する。次いで、タイマｔｍＲＳの値が「０」であるか否かを判別し、ｔｍＲＳ＞０である間は直ちに本処理を終了する。ｔｍＲＳ＝０となると、異常判定リッチ化終了フラグＦＲＳＥＮＤを「１」に設定するとともに、異常判定リッチ化フラグＦＲＳＯＫを「０」に戻して（ステップＳ１０５）、本処理を終了する。
【００６７】
またステップＳ２８で、通常のエンジン運転状態に応じた目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行った後は、Ｏ２センサ１９の異常判定が終了したことを「１」で示すＯ２センサ異常判定終了フラグＦＤＯＮＥＦ１０３が「１」であるか否かを判別し（ステップＳ１０６）、ＦＤＯＮＥＦ１０３＝０であってＯ２センサ１９の異常判定が終了していないときは、異常判定リッチ化終了フラグＦＲＳＥＮＤが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１０７）。
【００６８】
そしてＯ２センサ１９の異常判定が終了しているときまたは、異常判定リッチ化が終了しているときは、直ちにステップＳ２９に進む一方、Ｏ２センサ１９の異常判定が終了しておらず、且つＦＲＳＥＮＤ＝０であるときは、目標空燃比係数ＫＣＭＤが「１．０」より小さいか否かを判別する（ステップＳ１０８）。その結果、ＫＣＭＤ≧１．０であるときは直ちに、またＫＣＭＤ＜１．０であるときは、ＫＣＭＤ＝１．０として（ステップＳ１０９）、ステップＳ２９に進む。
【００６９】
図８の処理によれば、図１０のステップＳ１２４で異常判定リッチ化ＦＲＳＯＫが「１」に設定されると、Ｏ２センサ１９の異常判定のための空燃比リッチ化が、異常判定リッチ化時間ＴＲＳに亘って実行される（ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）。また、Ｏ２センサ１９の異常判定が終了するか、または異常判定のための空燃比リッチ化が終了するまでは、リーン運転が禁止され、目標空燃比係数ＫＣＭＤが１．０以上に設定される（ステップＳ１０６〜Ｓ１０９）。
【００７０】
図９は、図３の処理にステップＳ１１１〜Ｓ１１５を追加したものであり、これ以外の点は、図３の処理と同一である。ステップＳ１１１では、始動モードであるか否か、すなわちエンジン１のクランキング中であるか否かを判別し、始動モードであれば、始動フラグＦＳＴを「１」に設定し（ステップＳ１１２）、さらに始動後最初にステップＳ５１〜Ｓ５４の判別の答がすべて肯定（ＹＥＳ）となったことを「１」で示す走行フラグＦＣＲＳを「０」に設定して（ステップＳ１１３）、ステップＳ５６に進む。
【００７１】
エンジン１の始動完了後は、ステップＳ１１１からステップＳ５１に進む。そして、ステップＳ５１〜Ｓ５４の答がすべて肯定（ＹＥＳ）となると、ステップＳ１１４で、始動フラグＦＳＴが「１」であるか否かを判別する。最初は、ＦＳＴ＝１であるので、走行フラグＦＣＲＳを「１」に設定するとともに、始動フラグＦＳＴを「０」に戻し（ステップＳ１１５）、ステップＳ５５に進む。ステップＳ１１５実行後は、ステップＳ１１４の答が否定（ＮＯ）となるので、ステップＳ１１４から直ちにステップＳ５５に進む。
図９の処理によれば、始動後、最初にステップＳ５１〜Ｓ５４の判別の答がすべて肯定（ＹＥＳ）となったときに、走行フラグＦＣＲＳが「１」に設定される。
【００７２】
図１０は、図５の処理のステップＳ８６，Ｓ８７，Ｓ９０〜Ｓ９２，Ｓ９４，Ｓ９５，及びＳ９８を削除し、ステップＳ１２１〜Ｓ１２４を追加したものである。これ以外の点は、図５の処理を同一である。
エンジン始動後所定時間ＴＭＭＣＦ１０３が経過し、かつＦＬＺＯＮＥ＝ＦＬＺＯＮＥ（ｎ−１）であってＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦ以下の状態または基準電圧ＴＶＲＥＦより高い状態を継続しており、かつ実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂ＝０であってＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定実行条件が成立していないときは、ステップＳ８９からステップＳ１２１に進む。
【００７３】
ステップＳ１２１では、異常判定リッチ化終了フラグＦＲＳＥＮＤが「１」であるか否かを判別する。最初はＦＲＳＥＮＤ＝０であるので、リッチフラグＦＬＺＯＮＥ＝０であるか否かを判別する（ステップＳ１２２）。ＦＬＺＯＮＥ＝０であって、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦ以下であるときは、図９のステップＳ１１５で設定される走行フラグＦＣＲＳが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１２３）。その結果、ＦＬＺＯＮＥ＝１またはＦＣＲＳ＝０であるときは、直ちに本処理を終了し、ＦＬＺＯＮＥ＝０のまま走行フラグＦＣＲＳが「１」にセットされたとき、異常判定リッチ化フラグＦＲＳＯＫを「１」に設定し（ステップＳ１２４）、本処理を終了する。
【００７４】
実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂが「１」に設定される前に、異常判定リッチ化フラグＦＲＳＯＫが「１」に設定されると（ステップＳ１２４）、図８の処理により異常判定リッチ化が実行される。その後、異常判定リッチ化フラグＦＲＳＥＮＤが「１」となり、該リッチ化が終了しても、ＴＶＯ２≦ＴＶＲＥＦの状態を継続しているときは、ステップＳ１２１からステップＳ９６に進み、Ｏ２センサ１９が異常であるとの判定がなされる。
【００７５】
また図１０の処理によれば、図５の処理と同様に、実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂが「１」に設定される前に、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が変動すれば、正常判定がなされる（ステップＳ８８，Ｓ９７）一方、実施条件フラグＦＭＣＮＤ６７Ｂが「１」に設定された時点で、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより高い状態を継続していれば、異常判定がなされる（ステップＳ８９，Ｓ９３，Ｓ９６）。
【００７６】
図１１は、本実施形態における異常判定を説明するためのタイムチャートである。時刻ｔ０にエンジン１を始動し、時刻ｔ２にリーン運転を開始し、時刻ｔ４にＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を開始し、時刻ｔ７にその劣化判定を終了する点、及び始動直後のＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより低い点は、図６と同様である。
【００７７】
本実施形態では、リーン運転を開始する前に、異常判定リッチ化フラグＦＲＳＯＫが「１」に設定されると（時刻ｔ２３）、Ｏ２センサ１９の異常判定のための空燃比リッチ化が実行される。時刻ｔ２３より前に、破線で示すようにＯ２センサ出力ＴＶＯ２がリッチ空燃比を示す値に変化すれば（時刻ｔ２１，ｔ２２）、正常と判定される。この場合、異常判定のための空燃比リッチ化は実行されない。また、異常判定のための空燃比リッチ化実行中（時刻ｔ２３から時刻ｔ２の間）に、実線で示すようにＯ２センサ出力ＴＶＯ２がリッチ空燃比を示す値に変化した場合は、Ｏ２センサ１９は正常と判定される。
【００７８】
一方、同図に一点鎖線で示すように、異常判定空燃比リッチ化を終了した時点（時刻ｔ２）で、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより低い状態を継続しているときは、Ｏ２センサ１９は異常と判定される。
このように本実施形態では、エンジン始動直後において、Ｏ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦより低い状態を継続している場合（故障していて低い場合と、エンジンのホットリスタート時のようにＯ２センサ１９が始めから活性化している場合とがある）には、リーン運転開始前に空燃比リッチ化を実行し、該リッチ化実行中にＯ２センサ出力ＴＶＯ２が基準電圧ＴＶＲＥＦを越えなかったときは、Ｏ２センサ１９は異常と判定するようにした。このようにリーン運転開始前に、すなわちＮＯｘ浄化装置１５にＮＯｘが新たに吸収される前に、空燃比のリッチ化実行することにより、ＮＯｘ浄化装置１５の下流側のおける酸素濃度を確実且つ迅速に低下させることができ、排気リッチ状態におけるＯ２センサ１９の出力の確認を迅速に行うことが可能となる。その結果、第１の実施形態のように、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定終了後の空燃比リッチ化を継続することが不要となり、空燃比リッチ化による排気特性や運転性への影響をより一層抑制することができる。
【００７９】
本実施形態では、図８のステップＳ１０１〜Ｓ１０５、図９のステップＳ１１１〜Ｓ１１５及び図１０のステップＳ１２２〜Ｓ１２４がリッチ化手段に相当し、図１０のステップＳ８２〜Ｓ８９及びＳ１２１が異常判定手段に相当し、図２のステップＳ１０６〜Ｓ１０９が禁止手段に相当する。
【００８０】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、三元触媒１４の上流側に比例型空燃比センサ（酸素濃度センサ）１７を設け、ＮＯｘ浄化装置１５の上流側及び下流側に二値型の酸素濃度センサ１８及び１９を設けるようにしたが、酸素濃度センサのタイプ及び配置はどのような組み合わせを採用してもよい。例えばすべての酸素濃度センサを比例型あるいは二値型としてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側からリッチ側に切り換えたときの、窒素酸化物浄化手段下流側の酸素濃度センサの出力に基づいて、窒素酸化物浄化手段の劣化判定が実行され、この劣化判定の実行直後に、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持したときの酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常が判定される。窒素酸化物浄化手段の劣化判定を実行することにより、空燃比がリッチ化され、窒素酸化物浄化手段の窒素酸化物の吸収量が減少するので、空燃比をその後僅かの期間リッチ側に維持することにより、窒素酸化物浄化手段の下流側の酸素濃度を確実に低下させることができ、そのときの酸素濃度センサ出力を監視することにより、正確な異常判定を行うことができる。すなわち、窒素酸化物浄化手段の劣化判定の直後に酸素濃度センサの異常判定を行うことにより、異常判定のために空燃比をリッチ化する期間を最小限とし、リッチ化による排気特性や運転性への影響を最小限に抑制することができる。
【００８２】
請求項２に記載の発明によれば、劣化判定手段による劣化判定の終了前に酸素濃度センサの出力が変動しないとき、異常判定手段による異常判定が実行される。劣化判定手段による劣化判定終了までに、酸素濃度センサ出力が変動するときは、酸素濃度センサが正常と判定できるので、そのような場合以外のとき、異常判定を実行することにより、異常判定のための空燃比のリッチ化を最小限に留めることができる。
【００８３】
請求項３に記載の発明によれば、窒素酸化物浄化手段の劣化判定の実行前に、酸素濃度センサの出力が、空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあることを示す状態を継続しているとき、該酸素濃度センサが異常と判定される。機関の冷間始動時においては、酸素濃度センサが不活性状態にあるため、その出力はリッチ空燃比を示す値となる。一方、窒素酸化物浄化手段の劣化判定は、リーン運転を継続して、窒素酸化物浄化手段による窒素酸化物の吸収量が所定量に達したとき実行されるので、それまでに酸素濃度センサ出力がリーン空燃比を示す値に変化しないときは、酸素濃度センサが異常と判定できる。したがって、窒素酸化物浄化手段の劣化判定実行前に酸素濃度センサの異常判定を行うことができ、迅速な判定が可能となるとともに、劣化判定実行直後のリッチ空燃比の維持が不要となり、リッチ化による排気特性や運転性への影響をなくすることができる。
【００８４】
請求項４に記載の発明によれば、機関の始動完了直後に前記酸素濃度センサの出力が、リーン空燃比を示す状態を継続しているときは、空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、該空燃比リッチ化実行中の酸素濃度センサの出力に基づいて該酸素濃度センサの異常が判定され、該異常判定が終了するまで空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定することが禁止される。したがって、機関始動後リーン運転開始前に、すなわちＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸収量が増加する前に酸素濃度センサの異常判定を行うことができ、異常判定のためのリッチ化実行期間を最小限として、リッチ化による排気特性や運転性への影響を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）を算出する処理（第１の実施形態）のフローチャートである。
【図３】ＮＯｘ浄化装置の劣化判定を実施する条件を判定する処理（第１の実施形態）のフローチャートである。
【図４】ＮＯｘ浄化装置の劣化判定を実行する処理のフローチャートである。
【図５】ＮＯｘ浄化装置の下流側の酸素濃度センサの異常を判定する処理（第１の実施形態）のフローチャートである。
【図６】図２〜５に示す処理を説明するためのタイムチャートである。
【図７】図２〜５に示す処理を説明するためのタイムチャートである。
【図８】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）を算出する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【図９】ＮＯｘ浄化装置の劣化判定を実施する条件を判定する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【図１０】ＮＯｘ浄化装置の下流側の酸素濃度センサの異常を判定する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【図１１】図８〜１０の処理を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１  内燃機関
５  電子コントロールユニット（劣化判定手段、異常判定手段、リッチ化手段、禁止手段）
６  燃料噴射弁
１３  排気管
１５  ＮＯｘ浄化装置（窒素酸化物浄化手段）
１９  二値型Ｏ２センサ（酸素濃度センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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