(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサへの印加電圧を制御する印加電圧制御装置とを具備し、内燃機関の作動中に燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、燃料カット制御の終了後に前記空燃比センサの電流出力に基づいて空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御とを実行する内燃機関の制御装置において、
前記空燃比センサは、検出対象である排気ガスの空燃比が高くなるほど出力電流が大きくなると共に、当該空燃比センサへの印加電圧が高くなるほど出力電流の最大値が大きくなるように構成されており、
前記印加電圧制御装置は、前記燃料カット制御の実行中及び該燃料カット制御が終了してから前記異常診断制御が完了するまでは、前記空燃比センサへの印加電圧を、前記燃料カット制御を実行していないときに加える通常電圧よりも低い燃料カット電圧にすると共に、前記異常診断制御が完了した時以降に前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は機関排気通路に設けられた排気浄化触媒を具備し、前記空燃比センサは前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に設けられ、当該内燃機関の制御装置は、前記燃料カット制御の終了後に前記排気浄化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なリッチ空燃比に制御する復帰後リッチ制御を実行する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記印加電圧制御装置は、前記異常診断制御が完了した時及び前記復帰後リッチ制御が終了した時のうちいずれか遅い時以降に前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記印加電圧制御装置は、復帰後リッチ制御の終了後に再度前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比に相当する値よりも低くなる前に、前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比よりもリッチな終了判定空燃比に相当する終了判定電流以下になったときに終了せしめられる、請求項３又は４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記印加電圧制御装置は、復帰後リッチ制御の終了後であって前記空燃比センサの出力電流が前記終了判定電流以下から理論空燃比に相当する電流に変化する前に、前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力電流によらずに他のパラメータに基づいて終了せしめられ、
前記印加電圧制御装置は、前記異常診断制御が完了した後であって前記復帰後リッチ制御の終了前に前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記燃料カット制御の終了時に前記異常診断制御の実行条件が成立していないときには、前記燃料カット制御の終了後であっても前記異常診断制御は実行されず、
前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御が実行されないときには、前記復帰後リッチ制御は、復帰後リッチ制御を開始してから初めて前記空燃比センサの出力電流が予め定められた終了判定空燃比に相当する値となった時以降に終了せしめられ、
前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御が実行されるときには、前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力電流によらずに他のパラメータに基づいて終了せしめられる、請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記燃料カット制御の終了時に前記異常診断制御の実行条件が成立していないときには、前記燃料カット制御の終了後であっても前記異常診断制御は実行されず、
前記印加電圧制御装置は、前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御が実行されないときには、前記燃料カット制御の終了後、前記空燃比センサの出力電流が予め定められた値以下になったときに、前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記燃料カット電圧は前記通常電圧よりも低い、請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記燃料カット電圧は、前記空燃比センサが理論空燃比のガスに曝されているときにおける空燃比センサの限界電流領域の下限電圧よりも高い、請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記燃料カット制御の終了時に前記異常診断制御の実行条件が成立していないときには、前記燃料カット制御の終了後であっても前記異常診断制御は実行されず、
前記燃料カット電圧は、前記空燃比センサが所定のリーン空燃比のガスに曝されているときにおける空燃比センサの限界電流領域の下限電圧よりも高く、
前記印加電圧制御装置は、前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御を実行しないときには、前記空燃比センサの出力電流が前記所定のリーン空燃比に相当する値以下になったときに前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、請求項１０又は１１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記内燃機関は機関排気通路に設けられた排気浄化触媒を具備し、前記空燃比センサは前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に設けられると共にコップ型の限界電流式空燃比センサであり、
前記排気浄化触媒の上流側において前記排気通路に設けられた上流側空燃比センサを更に具備し、該上流側空燃比センサは積層型の限界電流式空燃比センサである、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている。【０００３】
斯かる空燃比センサとしては、排気通路内を流れる排気ガスに曝された第一電極と、大気に曝された第二電極と、第一電極と第二電極との間に配置されたジルコニア等の固体電解質層とを備えたセンサが用いられる。この空燃比センサによって排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）を検出するときには、これら電極間に一定の電圧（例えば、０．４５Ｖ）が印加されると共に、これら電極間に流れる電流が出力電流として検出される。そして、この出力電流に基づいて排気空燃比が算出される。【０００４】
一方、斯かる空燃比センサを搭載した内燃機関においては、その減速時等に、内燃機関が作動している状態（クランクシャフトが回転している状態）で燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御が行われることがある。このような燃料カット制御が行われると、燃焼室に供給された大気ガスはそのまま排気通路に流出する。このため、排気通路に設けられた空燃比センサの周囲にも大気ガスと同様なガスが流通することになる。ここで、空燃比センサでは、排気ガス中の空燃比が高いほど（すなわちリーン度合いが高いほど）、その出力電流が大きくなる。このため、空燃比センサの周囲に大気ガスと同様なガスが流通すると、過剰な出力電流が発生することになる。【０００５】
そこで、燃料カット制御の実行中には、空燃比センサにおける印加電圧を制限することが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１によれば、このように印加電圧を制限すると、燃料カット制御の実行中であっても出力電流が小さくなり、過剰な出力電流が発生するのを防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１６５５３号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１０９６号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６６１８号公報
【特許文献４】特開平５−２４０８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような内燃機関に用いられる空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化する。このような劣化としては、例えば、実際の空燃比の変化に対して空燃比センサの出力電流の変化に遅れが生じる応答性劣化等が挙げられる。このような空燃比センサの劣化が生じると、内燃機関の制御装置が実行する各種制御に支障が生じてしまう。【０００８】
そこで、空燃比センサの劣化を異常として診断する異常診断制御を行うことが提案されている。具体的には、例えば、実際の空燃比を変化させたときに空燃比センサの出力値がそれに応じて変化するのにかかる応答時間を検出し、その応答時間に基づいて空燃比センサの異常診断が行われる。このような異常診断を行うにあたっては、実際の空燃比を変化させた程度が大きいほど、正確に診断を行うことができる。【０００９】
上述したように、燃料カット制御を行った際には、空燃比センサの周囲には大気ガスと同様なガスが流通することから、極めて空燃比の高いガスが流通することになる。その後、燃料カット制御が終了して通常の制御が開始されると、通常、排気ガスは理論空燃比近傍となる。このため、燃料カット制御の終了時には空燃比センサの周囲の空燃比を大きく変化させることができる。このため、燃料カット制御の終了時に空燃比センサの異常診断制御を行うと、正確に空燃比センサの異常を診断することができる。【００１０】
ところで、空燃比センサにおける印加電圧を大きく変化させると、一時的に空燃比センサにノイズが発生する。このため、上記特許文献１のように、燃料カット制御の実行中に印加電圧を例えば０Ｖに低下させ、燃料カット制御の終了と共に印加電圧を通常電圧（燃料カット制御中ではないときに加える電圧。例えば、０．４５Ｖ）に急激に変化させると、燃料カット制御の終了後に空燃比センサの出力電流にはノイズが発生してしまう。このため、燃料カット制御の終了時に空燃比センサの異常診断制御を行うと、空燃比センサの異常を正確に診断することができない。【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑みて、燃料カット制御実行中に空燃比センサへの印加電圧を通常電圧とは異なる電圧にすると共に燃料カット制御終了後に印加電圧を通常電圧に変更する場合でも、空燃比センサの異常を正確に診断することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサへの印加電圧を制御する印加電圧制御装置とを具備し、内燃機関の作動中に燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、燃料カット制御の終了後に前記空燃比センサの電流出力に基づいて空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御とを実行する内燃機関の制御装置において、前記空燃比センサは、検出対象である排気ガスの空燃比が高くなるほど出力電流が大きくなると共に、当該空燃比センサへの印加電圧が高くなるほど出力電流の最大値が大きくなるように構成されており、前記印加電圧制御装置は、前記燃料カット制御の実行中及び該燃料カット制御が終了してから前記異常診断制御が完了するまでは、前記空燃比センサへの印加電圧を、前記燃料カット制御を実行していないときに加える通常電圧よりも低い燃料カット電圧にすると共に、前記異常診断制御が完了した時以降に前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する、内燃機関の制御装置が提供される。
【００１３】
第２の発明では、第１の発明において、前記内燃機関は機関排気通路に設けられた排気浄化触媒を具備し、前記空燃比センサは前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に設けられ、当該内燃機関の制御装置は、前記燃料カット制御の終了後に前記排気浄化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なリッチ空燃比に制御する復帰後リッチ制御を実行する。【００１４】
第３の発明では、第２の発明において、前記印加電圧制御装置は、前記異常診断制御が完了した時及び前記復帰後リッチ制御が終了した時のうちいずれか遅い時以降に前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する。【００１５】
第４の発明では、第３の発明において、前記印加電圧制御装置は、復帰後リッチ制御の終了後に再度前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比に相当する値よりも低くなる前に、前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する。
【００１６】
第５の発明では、第３又は第４の発明において、前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比よりもリッチな終了判定空燃比に相当する終了判定電流以下になったときに終了せしめられる。【００１７】
第６の発明では、第５の発明において、前記印加電圧制御装置は、復帰後リッチ制御の終了後であって前記空燃比センサの出力電流が前記終了判定電流以下から理論空燃比に相当する電流に変化する前に、前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する。【００１８】
第７の発明では、第２の発明において、前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力電流によらずに他のパラメータに基づいて終了せしめられ、前記印加電圧制御装置は、前記異常診断制御が完了した後であって前記復帰後リッチ制御の終了前に前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する。【００１９】
第８の発明では、第７の発明において、前記燃料カット制御の終了時に前記異常診断制御の実行条件が成立していないときには、前記燃料カット制御の終了後であっても前記異常診断制御は実行されず、前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御が実行されないときには、前記復帰後リッチ制御は、復帰後リッチ制御を開始してから初めて前記空燃比センサの出力電流が予め定められた終了判定空燃比に相当する値となった時以降に終了せしめられ、前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御が実行されるときには、前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力電流によらずに他のパラメータに基づいて終了せしめられる。【００２０】
第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記燃料カット制御の終了時に前記異常診断制御の実行条件が成立していないときには、前記燃料カット制御の終了後であっても前記異常診断制御は実行されず、前記印加電圧制御装置は、前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御が実行されないときには、前記燃料カット制御の終了後、前記空燃比センサの出力電流が予め定められた値以下になったときに、前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する。【００２１】
第１０の発明では、第１〜第９のいずれか一つの発明において、前記燃料カット電圧は前記通常電圧よりも低い。【００２２】
第１１の発明では、第１０の発明において、前記燃料カット電圧は、前記空燃比センサが理論空燃比のガスに曝されているときにおける空燃比センサの限界電流領域の下限電圧よりも高い。【００２３】
第１２の発明では、第１０又は第１１の発明において、前記燃料カット制御の終了時に前記異常診断制御の実行条件が成立していないときには、前記燃料カット制御の終了後であっても前記異常診断制御は実行されず、前記燃料カット電圧は、前記空燃比センサが所定のリーン空燃比のガスに曝されているときにおける空燃比センサの限界電流領域の下限電圧よりも高く、前記印加電圧制御装置は、前記燃料カット制御の終了後に前記異常診断制御を実行しないときには、前記空燃比センサの出力電流が前記所定のリーン空燃比に相当する値以下になったときに前記空燃比センサへの印加電圧を前記燃料カット電圧から前記通常電圧に変更する。【００２４】
第１３の発明では、第１〜第１２のいずれか一つの発明において、前記内燃機関は機関排気通路に設けられた排気浄化触媒を具備し、前記空燃比センサは前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に設けられると共にコップ型の限界電流式空燃比センサであり、前記排気浄化触媒の上流側において前記排気通路に設けられた上流側空燃比センサを更に具備し、該上流側空燃比センサは積層型の限界電流式空燃比センサである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料カット制御実行中に空燃比センサへの印加電圧を通常電圧とは異なる電圧にすると共に燃料カット制御の終了後に印加電圧を通常電圧に変更する場合でも、空燃比センサの異常を正確に診断することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、積層型の空燃比センサの概略的な断面図である。
【図３】図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図４】図４は、印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図５】図５は、上流側出力電流及び下流側出力電流等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。
【図６】図６は、上流側出力電流及び下流側出力電流等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。
【図７】図７は、上流側出力電流及び下流側出力電流等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。
【図８】図８は、下流側空燃比センサへの印加電圧制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、上流側出力電流及び下流側出力電流等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。
【図１０】図１０は、上流側出力電流及び下流側出力電流等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。
【図１１】図１１は、上流側出力電流及び下流側出力電流等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。
【図１２】図１２は、下流側空燃比センサへの印加電圧制御及び復帰後リッチ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、コップ型の空燃比センサの構造を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の内燃機関の診断装置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。図１は、本発明の第一実施形態に係る診断装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【００２８】
＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照すると１は機関本体、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。
【００２９】
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。なお、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。また、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。しかしながら、本発明の診断装置が用いられる内燃機関では、他の燃料を用いても良い。
【００３０】
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は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。
【００３１】
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の集合部は上流側排気浄化触媒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を介して下流側排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３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及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。
【００３２】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１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および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ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、上流側排気浄化触媒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。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）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。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。
【００３３】
また、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。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ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に接続される。
【００３４】
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。排気浄化触媒２０、２４は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
【００３５】
排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（以下、「リーン空燃比」という）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒２０、２４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（以下、「リッチ空燃比」という）であるときには、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。この結果、排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力が維持されている限り、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比に関わらず、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。
【００３６】
なお、「排気ガスの空燃比」は、その排気ガスが生成されるまでに供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味するものであり、通常はその排気ガスが生成されるにあたって燃焼室５内に供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味する。本明細書では、排気ガスの空燃比を「排気空燃比」という場合もある。
【００３７】
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１としては、積層型の限界電流式の空燃比センサが用いられる。図２を用いて、空燃比センサ４０、４１の構造について簡単に説明する。空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、その一方の側面上に配置された排気側電極５２と、その他方の側面上に配置された大気側電極５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００３８】
固体電解質層５１は、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
【００３９】
また、排気側電極と大気側電極との間には、ＥＣＵ３１に搭載された印加電圧制御装置６０によりセンサ印加電圧Ｖが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、センサ印加電圧を印加したときに固体電解質層を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流Ｉを検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００４０】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。
【００４１】
一方、センサ印加電圧が限界電流領域よりも低い領域では、センサ印加電圧にほぼ比例して出力電流が変化する。斯かる領域は比例領域と称される。このときの傾きは、固体電解質層５１の直流素子抵抗によって定まる。また、センサ印加電圧が限界電流領域よりも高い領域では、センサ印加電圧の増加に伴って出力電流も増加する。この領域では、排気側電極５２上にて排気ガス中に含まれる水分の分解等が生じること等により、センサ印加電圧の変化に応じて出力電圧が変化する。
【００４２】
図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
【００４３】
なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として図２に示した構造の限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、少なくとも理論空燃比近傍において、排気空燃比の変化に対して出力値がなだらかに変化すれば、他の構造の限界電流式の空燃比センサや、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。
【００４４】
＜基本的な制御＞
このように構成された内燃機関では、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が機関運転状態に基づいた最適な空燃比となるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が設定される。このような燃料噴射量の設定方法としては、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように制御すると共に、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力を補正したり、目標空燃比を変更したりする方法が挙げられる。
【００４５】
また、本発明の実施形態に係る内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速時等に、内燃機関の作動中に燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止又は大幅に減量して燃焼室５内への燃料供給を停止又は大幅に減量する燃料カット制御が実施される。斯かる燃料カット制御は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに実施される。
【００４６】
燃料カット制御が行われたときは、内燃機関から大気ガス（空気）又は大気ガスと同様なガスが排出されることになるため、両空燃比センサ４０、４１は空燃比の極めて高い（すなわち、リーン度合いの極めて高い）ガスに曝されることになる。
【００４７】
また、燃料カット制御中には、上流側排気浄化触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は上限吸蔵量に達する。このため、本実施形態の内燃機関では、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を放出させるために、燃料カット制御の終了直後には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする復帰後リッチ制御が行われる。この様子を図５に示す。
【００４８】
図５は、燃料カット制御を行った際に、上流側空燃比センサ４０の出力電流と、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と、下流側空燃比センサ４１の出力電流とのタイムチャートである。空燃比センサ４０、４１の出力電流は、排気空燃比が理論空燃比であるときにはゼロとなり、排気空燃比がリーンになるほど大きくなる。図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に、時刻ｔ3において燃料カット制御が終了せしめられる。
【００４９】
図示した例では、時刻ｔ1において、燃料カット制御が開始せしめられると、機関本体１からはリーン空燃比の排気ガスが排出され、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流が増大する。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は増大し、一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流はゼロ（理論空燃比に相当）のままとなる。
【００５０】
その後、時刻ｔ2において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が上限吸蔵量（Ｃｍａｘ）に達すると上流側排気浄化触媒２０はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなる。このため、時刻ｔ2以降においては、下流側空燃比センサ４１の出力電流が０よりも大きくなる。
【００５１】
時刻ｔ3において、燃料カット制御が終了せしめられると、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を放出させるために、復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、機関本体１からは理論空燃比よりもリッチな空燃比の排気ガスが排出される。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力電流が０よりも小さくなると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。このとき、上流側排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入せしめられても、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素と排気ガス中の未燃ガスとが反応するため、上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼゼロとなる。
【００５２】
酸素吸蔵量の減少が続くと、ついには酸素吸蔵量がほぼゼロとなって、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出する。これにより、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気空燃比が理論空燃比よりもリッチな終了判定空燃比に低下する。このように、復帰後リッチ制御を開始してから初めて下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロよりも僅かに小さい終了判定電流（終了判定空燃比に相当）に達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。その後、通常の空燃比制御が開始され、図示した例では、機関本体から排出される排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように制御される。
【００５３】
なお、復帰後リッチ制御の終了条件は必ずしも下流側空燃比センサ４１によってリッチ空燃比が検出された時でなくてもよく、例えば、燃料カット制御の終了後、一定時間が経過した時、積算吸入空気量が一定量に達した時等、他の条件で終了するようにされてもよい。
【００５４】
＜異常診断制御＞
上述したように、空燃比センサ４０、４１に基づいて燃料噴射量を設定する場合には、空燃比センサ４０、４１に異常が生じて、空燃比センサ４０、４１の出力の精度が悪化してしまうと、燃料噴射量を最適に設定することができなくなる。その結果、排気エミッションの悪化や燃費の悪化を招いてしまう。このため、多くの内燃機関では、空燃比センサ４０、４１の異常を自己診断する異常診断制御が行われる。
【００５５】
このような異常診断制御としては、例えば、燃料カット制御の終了直後に空燃比センサ４０、４１の出力に基づいて行う制御が挙げられる。以下では、斯かる異常診断制御の一例として、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化（すなわち、空燃比センサ周囲の空燃比の変化に対して空燃比センサの出力に遅れが生じる劣化）を異常として診断する異常診断制御について説明する。
【００５６】
図６は、燃料カット制御の実行前後における、上流側空燃比センサの出力電流（上流側出力電流）、下流側空燃比センサの出力電流（下流側出力電流）、診断完了フラグのタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に、時刻ｔ3において燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット制御が終了せしめられると、復帰後リッチ制御により上流側排気浄化触媒２０にはリッチ空燃比の排気ガスが流入せしめられる。ただし、上流側排気浄化触媒２０には多量の酸素が吸蔵されているため、上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガスの空燃比は理論空燃比となっている。
【００５７】
下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が生じていない場合、下流側空燃比センサ４１の出力電流は図６に実線Ａで示したように推移する。すなわち、燃料カット制御の終了後、機関本体１から下流側空燃比センサ４１まで距離があるため、燃料カット制御の終了から或る程度遅れて、下流側空燃比センサ４１の出力電流が低下し始める。また、このとき上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となっているため、下流側空燃比センサ４１の出力電流はゼロに収束する。
【００５８】
一方、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が生じている場合、下流側空燃比センサ４１の出力電流は図６に破線Ｂで示したように推移する。すなわち、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じていない場合（実線Ａ）に比べて、出力電流の低下速度が遅くなる。このように、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の有無に応じて、下流側空燃比センサ４１の出力電流の低下速度が変化する。このため、この低下速度を算出することにより、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の有無を診断することができる。
【００５９】
そこで、図示した例では、燃料カット制御の終了後、復帰後リッチ制御の実行中に、下流側空燃比センサ４１の出力電流が空燃比１８程度に相当する値（Ｉ18）と空燃比１６程度に相当する値（Ｉ16）との間の所定の電流領域Ｘ（以下、「判定用電流領域」という）内を通過するときの出力電流の変化速度（以下、「判定用電流変化速度」という）を算出する。特に、本実施形態では、出力電流が判定用電流領域の上限値（すなわち、Ｉ18）から下限値（すなわち、Ｉ16）まで変化する時間ΔＴが判定用電流変化速度を表すパラメータとして用いられる。この判定用電流変化時間ΔＴは長くなるほど、判定用電流変化速度が遅くなることを意味する。なお、図１中の判定用電流変化時間ΔＴ1及びΔＴ2は、それぞれ実線Ａ及び破線Ｂについての判定用空燃比変化速度を表すパラメータである。
【００６０】
そして、本実施形態では、このようにして算出された判定用電流変化時間ΔＴに基づいて、下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われる。具体的には、判定用電流変化時間ΔＴが、異常基準変化時間よりも長い場合（例えば、ΔＴ2）、すなわち判定用電流変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が発生していると判定する。逆に、判定用電流変化時間ΔＴが、異常基準変化時間よりも短い場合（例えば、ΔＴ1）、すなわち判定用電流変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には、下流側空燃比センサ４１には応答性劣化の異常が発生していないと判定する。なお、異常基準変化時間は、予め定められた値であってもよいし、復帰後リッチ制御中における機関回転数や機関負荷等の運転パラメータに応じて変化する値であってもよい。
【００６１】
そして、下流側空燃比センサ４１の出力電流が判定用電流領域の下限値（すなわち、Ｉ16）よりも低下すると（時刻ｔ5）、下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了したものとして診断完了フラグが１に変更される。この診断完了フラグは、イグニッションキーをオフにして、内燃機関を搭載した車両のシステムがオフにされたときに０にリセットされると共に、内燃機関の始動後、異常診断の完了時に１にセットされるフラグである。
【００６２】
このように異常診断制御では、燃料カット制御が行われている状態、すなわち下流側空燃比センサ４１周りを通過する排気ガスの空燃比が極めて高い（リーン度合いが極めて高い）状態から、下流側空燃比センサ４１周りを通過する排気ガスの空燃比が理論空燃比に変化するときに異常診断が行われる。このように、下流側空燃比センサ４１周りを通過する排気ガスの空燃比が大きく変化するときに異常診断を行うことにより、異常診断における診断精度を高めることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、診断装置により下流側空燃比センサ４１に異常があると判定された場合には、内燃機関を搭載した車両において警告灯が点灯するように構成される。
【００６４】
また、異常診断制御は、各燃料カット制御の終了後に必ず行われるわけではなく、一定の実行条件が成立したときに行われる。このような実行条件としては、下流側空燃比センサ４１がその活性温度以上に昇温していること、内燃機関を搭載した車両システムが始動してから異常診断制御が未だ所定回数実行されていないこと等が挙げられる。
【００６５】
なお、上記例では、燃料カット制御の終了後に下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の異常を診断する異常診断制御が行われている。しかしながら、本発明では、燃料カット制御の終了後に空燃比センサ４０、４１の出力に基づいて行われる異常診断であれば、如何なる異常診断制御が行われてもよい。
【００６６】
＜印加電圧の制御＞
ところで、本実施形態では、通常運転時（燃料カット制御を実行していない時）においては、下流側空燃比センサ４１における印加電圧は０．４５Ｖ程度とされる。これにより、図３からわかるように、理論空燃比近傍において排気空燃比を適切に検出することができる。
【００６７】
ところが、燃料カット制御の実行中も下流側空燃比センサ４１における印加電圧を０．４５Ｖに維持したままにすると、下流側空燃比センサ４１の出力電流は極めて大きなものとなる（図３のＩ0.45AIR参照）。このように過大な出力電流が発生すると、下流側空燃比センサ４１からの出力電流が入力される電気回路も、その容量が大きなものとしなければならず、その結果、斯かる電気回路の製造コストが増大する。一方、燃料カット制御中は、燃料噴射弁１１からの燃料噴射が行われないことから、下流側空燃比センサ４１により排気ガスの空燃比を検出する必要がない。
【００６８】
図７は、燃料カット制御の実行前後における、上流側空燃比センサの出力電流（上流側出力電流）、下流側空燃比センサの出力電流（下流側出力電流）、下流側空燃比センサ４１への印加電圧、診断完了フラグのタイムチャートである。図７からわかるように、本実施形態では、燃料カット制御の実行中には、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．２Ｖに低下せしめられる。特に、図７に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18に到達したときに、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．４５Ｖから０．２Ｖへ低下せしめられる。
【００６９】
図３からわかるように、下流側空燃比センサ４１ではその印加電圧が高くなるほど出力電流の取り得る最大値が大きくなる。このため、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を０．２Ｖにすると、下流側空燃比センサ４１の周囲に大気ガスと同様なガス（図３中の大気ガス）が流通しているときでも、下流側空燃比センサ４１にはＩ0.2AIR（Ｉ0.45AIRよりも低い値）以上の出力電流は生じない。この結果、下流側空燃比センサ４１から過大な出力電流が発生するのを抑制することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、燃料カット制御の終了時に上述した異常診断制御を実行しない場合には、図７に破線で示したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18まで低下した時（図６の時刻ｔ6）に、印加電圧が０．２Ｖから０．４５Ｖへ上昇せしめられる。
【００７１】
ここで、図３からわかるように、下流側空燃比センサ４１の印加電圧を０．４５Ｖとしたときには、理論空燃比を中心としてリッチ空燃比及びリーン空燃比のいずれについても或る程度の範囲に亘って空燃比を検出することができる。一方、下流側空燃比センサ４１の印加電圧を０．２Ｖとしたときには、リッチ空燃比については或る程度の範囲に亘って空燃比を検出することができるが、リーン空燃比については１８程度以上の空燃比を検出することができない。すなわち、下流側空燃比センサ４１の印加電圧を０．２Ｖに低下させると、空燃比を検出可能な範囲が不適切なものとなる。このように、燃料カット制御の終了後に、印加電圧を０．４５Ｖに上昇させることにより、通常運転時に理論空燃比を中心として或る程度の範囲に亘って空燃比を検出することができるようになる。その結果、燃料カット制御の終了後には、通常運転時に必要な範囲の空燃比を検出することができるようになる。
【００７２】
特に、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18まで低下してから印加電圧を上昇させている。ここで、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18まで低下する前に印加電圧を上昇させると、印加電圧の上昇に伴って下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ0.2AIRを超えて上昇してしまう。その結果、下流側空燃比センサ４１に接続される電気回路には過大な出力電流が入力され、容量の小さな電気回路を用いていた場合には電気回路の損傷を招いてしまう。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18まで低下してから印加電圧を上昇させているため、下流側空燃比センサ４１から過大な出力電流が発生するのが抑制される。
【００７３】
また、後述するように、下流側空燃比センサ４１の印加電圧をステップ的に切り替えたときには、下流側空燃比センサ４１の出力電流に一時的にノイズが発生する。このため、印加電圧を変更した直後には下流側空燃比センサ４１の周囲を流通する排気ガスの空燃比を正確に検出することができない。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18まで低下したときに印加電圧を切り替えており、過大な出力電流の発生を抑制しつつ迅速に印加電圧の切替が行われている。このため、場合によっては、印加電圧の切替に伴って生じるノイズを、下流側空燃比センサ４１の出力電流が理論空燃比に相当するゼロに到達する前に、終わらせることができる。
【００７４】
なお、上述した例では、通常運転時における印加電圧である通常電圧を０．４５Ｖ、燃料カット制御時における印加電圧である燃料カット電圧を０．２Ｖとしている。しかしながら、通常電圧及び燃料カット電圧は必ずしもこの値でなくてもよい。
【００７５】
ただし、本実施形態では、燃料カット電圧が通常運電圧よりも低いことが必要とされる。また、燃料カット電圧は、下流側空燃比センサ４１の周囲に大気ガスと同様なガスが流通しても、下流側空燃比センサ４１の出力電流が電気回路の許容最大電流以下になるような電圧とされる。さらに、燃料カット電圧は、下流側空燃比センサ４１が理論空燃比の排気ガスに曝されているときの限界電流領域の下限電圧（図３中のＶlow）よりも高い電圧とされる。
【００７６】
より好ましくは、燃料カット電圧は、下流側空燃比センサ４１が所定のリーン空燃比（例えば、空燃比１８）のガスに曝されているときにおける空燃比センサの限界電流領域の下限電圧よりも高い電圧とされる。この場合、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は、下流側空燃比センサ４１の出力電流がこの所定のリーン空燃比（例えば、空燃比１８）に相当する値（例えば、Ｉ18）以下になったときに、燃料カット電圧から通常電圧に上昇せしめられる。
【００７７】
また、燃料カット制御が終了して、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を上昇させるタイミングは、必ずしもも下流側空燃比センサ４１の出力電流が１８程度の空燃比に相当する値Ｉ18以下に低下したときでなくてもよい。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18以外の予め定められた値（ゼロよりも大きい値）以下になったときであってもよい。ただし、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を上昇させる時の出力電流は、限界電流となっていることが好ましい。
【００７８】
＜異常診断制御実行時における印加電圧の制御＞
ところで、上述したように、下流側空燃比センサ４１への印加電圧をステップ的に切り替えると、下流側空燃比センサ４１の出力電流に一時的にノイズが発生する。このため、上述したように燃料カット制御の終了直後に異常診断制御を行った場合、異常診断制御の実行中に下流側空燃比センサ４１の出力電流にノイズが発生することになる。このように異常診断制御の実行中に下流側空燃比センサ４１の出力電流にノイズが発生すると、下流側空燃比センサ４１の異常を正確に検出することができない。
【００７９】
また、本実施形態では、上述したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流が、理論空燃比に相当するゼロよりも僅かに小さい終了判定電流に達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。すなわち、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロとなって上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めたときに、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。ところが、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めたときに下流側空燃比センサ４１の出力電流にノイズが発生してしまうと、未燃ガスの流出を正確に検知することができなくなってしまう。
【００８０】
そこで、本実施形態では、燃料カット制御終了後の下流側空燃比センサ４１への印加電圧の上昇を、異常診断制御の完了時及び下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流に達した時のうちいずれか遅い方以降に行うことにしている。すなわち、本実施形態では、印加電圧の上昇を異常診断制御の完了時と復帰後リッチ制御の終了時にうちいずれか遅い方以降に行うこととしている。図７に実線で示した例では、異常診断制御が時刻ｔ4に終了せしめられ、下流側空燃比センサ４１の出力電流が時刻ｔ4よりも遅い時刻ｔ5に終了判定電流に達する。このため、図示した例では、時刻ｔ5に下流側空燃比センサ４１の印加電圧が０．２Ｖから０．４５Ｖへ上昇せしめられる。
【００８１】
このようなタイミングで印加電圧を上昇させることにより、異常診断制御の実行中に下流側空燃比センサ４１への印加電圧変更に伴って出力電流にノイズが発生するのを防止することができる。加えて、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出したときを正確に検知することができる。
【００８２】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流に到達する前に異常診断制御が終了している。しかしながら、異常診断制御の態様によっては、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流に到達した後に異常診断制御が完了する。このような場合には、異常診断制御が完了したとき以降に下流側空燃比センサ４１への印加電圧が上昇せしめられる。
【００８３】
また、上記実施形態では、印加電圧の上昇を異常診断制御の完了時と復帰後リッチ制御の終了時のうちいずれか遅い方以降に行うとしている。しかしながら、印加電圧の上昇が遅くなると、その分、空燃比を検出可能な範囲が不適切である期間が長くなる。したがって、印加電圧の上昇は、復帰後リッチ制御の終了後、下流側空燃比センサ４１の出力電流が一旦ゼロに収束してから、再度、ゼロよりも低くなる前（すなわち、上流側排気浄化触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出する前）或いはゼロよりも高くなる前（すなわち、上流側排気浄化触媒２０からリーン空燃比の排気ガスが流出する前）に行うのが好ましい。或いは、印加電圧の上昇は、復帰後リッチ制御の終了後、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流以下からゼロ（理論空燃比に相当）に収束する前（図７中にＭで示した期間中）に行ってもよい。
【００８４】
また、印加電圧の上昇は、復帰後リッチ制御の終了後、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流以下からゼロ（理論空燃比に相当）に収束した後であって、その後ゼロ近傍から変化する前に行うようにしてもよい。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力の変動がほとんど無いときに印加電圧の上昇が行われることになる。
【００８５】
＜フローチャート＞
図８は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【００８６】
まず、ステップＳ１１において、電圧低下フラグＦｖが１であるか否かが判定される。電圧低下フラグＦｖは、下流側空燃比センサ４１の印加電圧が低下せしめられている場合に１とされ、それ以外の場合に０とされるフラグである。ステップＳ１１において電圧低下フラグが０であると判定された場合にはステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、燃料カット制御が開始されたか否かが判定される。燃料カット制御が開始されていないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１２において、燃料カット制御が開始されたと判定された場合にはステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．２Ｖへと低下せしめられる。次いでステップＳ１４では、電圧低下フラグＦｖが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８７】
次回の制御ルーチンでは、ステップＳ１１において、電圧低下フラグＦｖが１であると判定されてステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、燃料カット制御が終了したか否かが判定される。燃料カット制御が終了していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。その結果、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は０．２Ｖに維持される。一方、ステップＳ１５において、燃料カット制御が終了したと判定された場合には、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、異常診断制御が完了したか否かが判定される。異常診断制御が完了していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。その結果、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は０．２Ｖに維持される。
【００８８】
一方、ステップＳ１６において、異常診断制御が完了したと判定された場合には、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流Ｉｒｅｆ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流Ｉｒｅｆよりも大きいと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。この場合にも、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は０．２Ｖに維持される。一方、ステップＳ１７において、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流Ｉｒｅｆ以下であると判定された場合には、ステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．４５Ｖへと上昇せしめられる。次いで、ステップＳ１９では、電圧低下フラグＦｖが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８９】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧について説明した。しかしながら、上流側空燃比センサ４０への印加電圧も同様に制御することが可能である。ただし、この場合、上流側空燃比センサ４０は、復帰後リッチ制御を終了させるために上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出したのを検出するためには用いられない。したがって、上流側空燃比センサ４０への印加電圧は、その異常診断制御が実行されるときには異常診断制御が完了したときに上昇せしめられる。一方、上流側空燃比センサ４０への印加電圧は、その異常診断制御が実行されないときには、下流側空燃比センサ４１の場合と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力電流がＩ18まで低下したときに上昇せしめられる。
【００９０】
＜第二実施形態＞
次に、図９を参照して本発明の第二実施形態について説明する。内燃機関の制御装置の構成等は基本的に第一実施形態の制御装置の構成等と同様である。しかしながら、第一実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流に達した時に復帰後リッチ制御を終了させているのに対して、第二実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流とは無関係に復帰後リッチ制御を終了されている。
【００９１】
具体的には、本実施形態では、燃料カット制御の終了から、すなわち復帰後リッチ制御の開始から、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの積算流量に基づいて、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。なお、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの積算流量は、例えば、エアフロメータ３９の出力等に基づいて推定される。
【００９２】
図９は、燃料カット制御の実行前後における、上流側出力電流等の図７と同様なタイムチャートである。図９からわかるように、本実施形態では、燃料カット制御の終了時、すなわち復帰後リッチ制御の開始時（時刻ｔ3）から上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの積算が開始される。そして、時刻ｔ7において、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの積算流量が予め定められた値ΣＶｒｅｆに到達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。その結果、上流側空燃比センサ４０の出力電流がゼロ（理論空燃比に相当）へと上昇せしめられる。
【００９３】
このように積算流量に基づいて復帰後リッチ制御を終了させる場合でも、燃料カット制御の終了後に異常診断制御を行わないときには、上記第一実施形態と同様に、下流側空燃比センサ４１への印加電圧はその出力電流がＩ18まで低下すると０．２Ｖから０．４５Ｖへと上昇せしめられる。
【００９４】
一方、このように積算流量に基づいて復帰後リッチ制御を終了させる場合、復帰後リッチ制御の終了時期を決定するのに下流側空燃比センサ４１の出力電流は用いられない。このため、復帰後リッチ制御の開始後に、下流側空燃比センサ４１によってその出力電流が終了判定電流となるタイミングを正確に検出する必要はない。そこで、本実施形態では、燃料カット制御の終了後に異常診断制御を行うときには、時刻ｔ4において異常診断制御が終了したときに、下流側空燃比センサ４１の印加電圧が０．２Ｖから０．４５Ｖへと上昇せしめられる。これにより、燃料カット制御の終了後に、下流側空燃比センサ４１によって検出可能な空燃比の範囲を迅速に適切な範囲に切り替えることができる。
【００９５】
なお、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を上昇させるタイミングは、異常診断制御の終了後であれば、必ずしも異常診断制御の終了と同時でなくてもよい。ただし、印加電圧の上昇が遅くなると、その分、空燃比を検出可能な範囲が不適切である期間が長くなる。したがって、印加電圧の上昇は、復帰後リッチ制御の終了前に行うのが好ましい。
【００９６】
また、上記実施形態では、復帰後リッチ制御の終了を上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの積算流量に基づいて決定している。しかしながら、復帰後リッチ制御の終了は、下流側空燃比センサ４１の出力電流以外のパラメータであれば、他のパラメータに基づいて決定してもよい。斯かるパラメータとしては、例えば、復帰後リッチ制御開始からの時間や、復帰後リッチ制御開始からの積算燃料噴射量等が挙げられる。
【００９７】
＜第三実施形態＞
次に、図１０を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。内燃機関の制御装置の構成等は基本的に第一実施形態及び第二実施形態の制御装置の構成等と同様である。しかしながら、上記実施形態では、異常診断制御の実行の有無にかかわらず、復帰後リッチ制御の終了タイミングは同一である。これに対して、本実施形態では、異常診断制御の実行の有無に応じて、復帰後リッチ制御の終了タイミングを変更することとしている。
【００９８】
具体的には、本実施形態では、燃料カット制御の終了後に異常診断制御を行わない場合には、図１０に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流まで低下した時（図１０の時刻ｔ4）に復帰後リッチ制御が終了せしめられる。したがって、時刻ｔ4まで上流側排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入し、その結果、時刻ｔ4以降に上流側空燃比センサ４０の出力電流がゼロへと収束することになる。この場合、上記実施形態と同様に、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は時刻ｔ6（下流側空燃比センサ４１の出力電流がＩ18まで低下した時）に０．２Ｖから０．４５Ｖへと上昇せしめられる。
【００９９】
一方、燃料カット制御の終了後に異常診断制御を行う場合には、図１１に示したように、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの積算流量に基づいて復帰後リッチ制御の終了タイミングが決定せしめられる。したがって、積算流量が予め定められた値ΣＶｒｅｆに到達した時（時刻ｔ7）に、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。
【０１００】
また、本実施形態では、異常診断制御を行う場合には、第二実施形態と同様に、時刻ｔ5において異常診断制御が終了したときに、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．２Ｖから０．４５Ｖへと上昇せしめられる。
【０１０１】
本実施形態によれば、異常診断制御を行わない場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流が終了判定電流まで低下してから復帰後リッチ制御が終了せしめられる。このため、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されていた酸素が全て放出されるまで復帰後リッチ制御を行うことができ、これにより上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力を高めることができる。一方、異常診断制御を行う場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流によらずに復帰後リッチ制御が終了せしめられる。このため、異常診断制御の終了時期を決定するにあたって、下流側空燃比センサ４１への印加電圧切替に伴うノイズの影響を受けないようにすることができる。
【０１０２】
＜フローチャート＞
図１２は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧制御及び復帰後リッチ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。なお、ステップＳ２１〜Ｓ２５はそれぞれ図８のステップＳ１１〜Ｓ１５と同様であるため説明を省略する。
【０１０３】
ステップＳ２５において、燃料カット制御が終了したと判定された場合には、ステップＳ２６へと進む。ステップＳ２６では、復帰後リッチフラグＦｒが１であるか否かが判定される。復帰後リッチフラグＦｒは、復帰後リッチ制御が実行されている場合に１にセットされ、それ以外の場合には０とされるフラグである。未だ復帰後リッチ制御が開始されていないときには、ステップＳ２５において復帰後リッチフラグＦｒが１になっていないと判定されて、ステップＳ２７へと進む。ステップＳ２７では復帰後リッチ制御が開始され、次いでステップＳ２８では復帰後リッチフラグＦｒが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１０４】
次回の制御ルーチンでは、ステップＳ２６において復帰後リッチフラグＦｒが１にセットされていると判定され、ステップＳ２９へと進む。ステップＳ２９では、燃料カット制御の終了後に異常診断制御が実行されたか否かが判定される。異常診断制御が実行されたと判定された場合にはステップＳ３０へと進む。ステップＳ３０では、異常診断制御が完了したか否かが判定され、異常診断制御が完了していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。その結果、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は０．２Ｖに維持され、復帰後リッチ制御は継続される。その後、異常診断制御が完了すると、次回の制御ルーチンでは、ステップＳ３０からステップＳ３１へと進み、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．４５Ｖへ上昇せしめられる。次いで、ステップＳ３２では、復帰後リッチ制御が終了せしめられ、ステップＳ３３では、電圧低下フラグＦｖが１に０にリセットされ、ステップＳ３４では、復帰後リッチフラグＦｒが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１０５】
一方、ステップＳ２９において、燃料カット制御の終了後に異常診断制御が実行されていないと判定された場合にはステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、下流側空燃比センサ４１の出力電流ＩがＩ18（空燃比１８に相当する値）以下になったか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力電流ＩがＩ18よりも高いと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。その結果、下流側空燃比センサ４１への印加電圧は０．２Ｖに維持され、復帰後リッチ制御は継続される。その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流ＩがＩ18以下に低下すると、次回の制御ルーチンではステップＳ３５からステップＳ３１へと進み、ステップＳ３１〜Ｓ３４が実行されて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１０６】
＜空燃比センサの型式＞
なお、上記実施形態では、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１は図２に示したような積層型の限界電流式空燃比センサとされている。しかしながら、これら空燃比センサは、コップ型の限界電流式空燃比センサとしてもよい。
【０１０７】
図１３は、コップ型の空燃比センサ４０’、４１’の構造を概略的に示した図である。図１３に示したように、コップ型の空燃比センサ４０’、４１’は、コップ状（円筒状）に構成された固体電解質層５１’と、その外面上に配置された排気側電極５２’と、その内面上に配置された大気側電極５３’と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４’と、空燃比センサ４０’、４１’の加熱を行うヒータ部５６’とを具備する。図１３からわかるように、拡散律速層５４’は、固体電解質層５１’の外面を覆うようにコップ状（円筒状）に構成されており、また、ヒータ部５６’は固体電解質層５１’の内部に配置される。
【０１０８】
このように構成されたコップ型の空燃比センサ４０’、４１’では、拡散律速層５４’の外周面全体が排気ガスに曝されている。この結果、排気側電極５２’まで到達する排気ガスの流量が多くなり、電極間に発生する電流が大きくなる。このため、コップ型の空燃比センサでは、積層型の空燃比センサに比べて出力電流が大きくなり、電気回路にかかる負荷が増大する。このため、コップ型の空燃比センサを用いた場合には、上記実施形態の制御を行うことで、より効果的に電気回路への負荷を低減することができる。なお、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの種類は必ずしも統一する必要はなく、例えば、上流側の空燃比センサを積層型の空燃比センサとし、下流側の空燃比センサをコップ型の空燃比センサとしてもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【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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【図１２】
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【図１３】
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