(57)【要約】【課題】下流側空燃比センサの正常判定を正確に行うことができる異常診断装置を提供する。【解決手段】空燃比センサ４１の異常診断装置は、排気浄化触媒２０と、排気浄化触媒よりも上流側に設けられた上流側空燃比センサ４０と、排気浄化触媒よりも下流側に設けられた下流側空燃比センサ４１と、これら空燃比センサの出力に基づいて下流側空燃比センサの異常診断を行う診断装置とを具備する。診断装置は、上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定基準空燃比以下となっている時間をカウントする時間カウンタがゼロよりも大きい所定の判定値以上となったときには、下流側空燃比センサは正常であると判定する。【選択図】図１０
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【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排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向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と、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、これら空燃比センサの出力に基づいて下流側空燃比センサの異常診断を行う診断装置とを具備する空燃比センサの異常診断装置において、
前記診断装置は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定基準空燃比以下となっている時間をカウントする時間カウンタがゼロよりも大きい所定の判定値以上となったときには、前記下流側空燃比センサは正常であると判定する、空燃比センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記診断装置は、前記時間カウンタのカウントアップ量を前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いに応じて変更する、請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いが大きいほど前記時間カウンタのカウントアップ量を大きくする、請求項２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いに応じて前記判定値を変更する、請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いが大きいほど前記判定値が小さくなるように前記判定値を変更する、請求項３に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項６】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定基準空燃比よりもリッチな正常判定基準空燃比以下となったときには、前記時間カウンタが前記判定値未満であっても前記下流側空燃比センサは正常である判定する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記下流側空燃比センサ周りを流通する排気ガスの流量を検出又は推定する流量検出手段を更に具備し、
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときに前記流量検出手段によって検出又は推定された流量に応じて前記判定値を変更する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときに前記流量検出手段によって検出された流量が多いほど前記判定値が小さくなるように該判定値を変更する、請求項７に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項９】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向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と、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、これら空燃比センサの出力に基づいて下流側空燃比センサの異常診断を行う診断装置とを具備する空燃比センサの異常診断装置において、
前記下流側空燃比センサ周りを流通する排気ガスの流量を検出又は推定する流量検出手段を更に具備し、
前記診断装置は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定基準空燃比以下となっているときに前記流量検出手段によって検出又は推定された流量の積算値がゼロよりも大きい所定の判定値以上となったときには、前記下流側空燃比センサは正常であると判定する、空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いに応じて前記判定値を変更する、請求項９に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定基準空燃比よりもリッチな正常判定基準空燃比以下となったときには、前記積算値が前記判定値未満であっても前記下流側空燃比センサは正常である判定する、請求項９又は１０に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１２】
前記診断装置は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定基準空燃比よりもリッチな空燃比から該リーン判定基準空燃比以上に変化したときには、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１３】
前記異常診断装置は、前記上流側空燃比センサ４０の異常診断を行うべく、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなアクティブ制御時リッチ空燃比に制御するアクティブ制御を実行可能であり、
前記診断装置は、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にしようとしたときに不足する酸素の量を酸素不足量として算出し、前記下流側空燃比センサの正常判定及び異常判定のいずれかが行われる前に前記アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値が前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量以上の上限値に達したときには、前記アクティブ制御を中止する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１４】
前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの正常判定及び異常判定のいずれかが行われる前に、前記アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値が前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量以上の上限値に達したときには、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する、請求項１３に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１５】
前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定されたときには、警告ランプを点灯させる、請求項１２又は１４に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に配置される空燃比センサの異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に酸素センサを設けた排気浄化装置が知られている。斯かる排気浄化装置では、例えば、上流側の空燃比センサの出力に基づいて排気浄化触媒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、内燃機関に供給する燃料量をフィードバック制御（メインフィードバック制御）すると共に、下流側の酸素センサの出力に基づいて目標空燃比をフィードバック制御（サブフィードバック制御）するようにしている。
【０００３】
ところで、このような内燃機関に用いられる酸素センサ等には、センサを構成する素子に割れ等が生じる異常が発生する場合がある。このような場合には、センサは、流通する排気ガスの空燃比に応じた適切な出力を発生させることができなくなる。そこで、斯かるセンサの異常を診断する異常診断装置を設けることが知られている。
【０００４】
斯かる異常診断装置としては、例えば、以下のようにして異常診断を行うものが知られている。すなわち、下流側の酸素センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）となっている場合に、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空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）にする。その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロになっても、下流側の酸素センサの出力空燃比がリッチ空燃比に反転しない場合に、酸素センサに素子割れ等の異常があると診断するようにしている（例えば、特許文献１）。特許文献１によれば、これにより酸素センサの異常を迅速に且つ精度良く検知することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０１９５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本願の発明者らにより、排気浄化触媒の下流側に配置された空燃比センサの素子割れ等の異常を診断する異常診断装置が提案されている。この異常診断装置によれば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比にして、上流側の空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比とされている場合に、下流側の空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比からリーン空燃比に変化したときには下流側の空燃比センサに異常が発生していると判定される。一方、斯かる場合に、下流側の空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比に変化したときには、下流側の空燃比センサは正常であると判定される。
【０００７】
ところが、本願の発明者らの研究により、素子割れ等の異常のある空燃比センサでは、その空燃比センサの状態やその空燃比センサ周りの排気ガスの状態に応じて、一時的に正常な空燃比センサと同様な出力を発生させ、その後、出力が変化する場合があることがわかった。したがって、下流側の空燃比センサに素子割れ等の異常が発生している場合であっても、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比から一時的にリッチ空燃比に変化することがある。このため、上述したように下流側の空燃比センサの正常判定を行うと、誤った判定を行ってしまう場合がある。
【０００８】
そこで、上記課題に鑑みて本発明の目的は、下流側のセンサとして空燃比センサを用いた場合において、この下流側空燃比センサの正常判定を正確に行うことができる異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向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と、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、これら空燃比センサの出力に基づいて下流側空燃比センサの異常診断を行う診断装置とを具備する空燃比センサの異常診断装置において、前記診断装置は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定基準空燃比以下となっている時間をカウントする時間カウンタがゼロよりも大きい所定の判定値以上となったときには、前記下流側空燃比センサは正常であると判定する、空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、前記診断装置は、前記時間カウンタのカウントアップ量を前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いに応じて変更する。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いが大きいほど前記時間カウンタのカウントアップ量を大きくする。
【００１２】
第４の発明では、第１の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いに応じて前記判定値を変更する。
【００１３】
第５の発明では、第３の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いが大きいほど前記判定値が小さくなるように前記判定値を変更する。
【００１４】
第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定基準空燃比よりもリッチな正常判定基準空燃比以下となったときには、前記時間カウンタが前記判定値未満であっても前記下流側空燃比センサは正常である判定する。
【００１５】
第７の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比センサ周りを流通する排気ガスの流量を検出又は推定する流量検出手段を更に具備し、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときに前記流量検出手段によって検出又は推定された流量に応じて前記判定値を変更する。
【００１６】
第８の発明では、第７の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときに前記流量検出手段によって検出された流量が多いほど前記判定値が小さくなるように該判定値を変更する。
【００１７】
上記課題を解決するために、第９の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向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と、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、これら空燃比センサの出力に基づいて下流側空燃比センサの異常診断を行う診断装置とを具備する空燃比センサの異常診断装置において、
前記下流側空燃比センサ周りを流通する排気ガスの流量を検出又は推定する流量検出手段を更に具備し、前記診断装置は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定基準空燃比以下となっているときに前記流量検出手段によって検出又は推定された流量の積算値がゼロよりも大きい所定の判定値以上となったときには、前記下流側空燃比センサは正常であると判定する、空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【００１８】
第１０の発明では、第９の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下となっているときのリッチ度合いに応じて前記判定値を変更する。
【００１９】
第１１の発明では、第９又は第１０の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定基準空燃比よりもリッチな正常判定基準空燃比以下となったときには、前記積算値が前記判定値未満であっても前記下流側空燃比センサは正常である判定する。
【００２０】
第１２の発明では、第１〜第１１のいずれか一つの発明において、前記診断装置は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となっている場合に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定基準空燃比よりもリッチな空燃比から該リーン判定基準空燃比以上に変化したときには、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する。
【００２１】
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、前記異常診断装置は、前記上流側空燃比センサ４０の異常診断を行うべく、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなアクティブ制御時リッチ空燃比に制御するアクティブ制御を実行可能であり、前記診断装置は、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にしようとしたときに不足する酸素の量を酸素不足量として算出し、前記下流側空燃比センサの正常判定及び異常判定のいずれかが行われる前に前記アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値が前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量以上の上限値に達したときには、前記アクティブ制御を中止する。
【００２２】
第１４の発明では、第１３の発明において、前記診断装置は、前記下流側空燃比センサの正常判定及び異常判定のいずれかが行われる前に、前記アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値が前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量以上の上限値に達したときには、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する。
【００２３】
第１５の発明では、第１２又は第１３の発明において、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定されたときには、警告ランプを点灯させる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、下流側のセンサとして空燃比センサを用いた場合において、この下流側空燃比センサの正常判定を正確に行うことができる異常診断装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る異常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。
【図２】図２は、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との関係を示す図である。
【図５】図５は、内燃機関の通常運転時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図６】図６は、素子割れの異常が生じている空燃比センサの概略的な断面図である。
【図７】図７は、アクティブ制御を行った場合における空燃比センサの出力空燃比等のタイムチャートである。
【図８】図８は、下流側空燃比センサ周りを流通する排気ガスの流量と、下流側空燃比センサの出力空燃比との関係を示した図である。
【図９】図９は、各空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、各空燃比センサの出力空燃比及び時間カウンタのタイムチャートである。
【図１１】図１１は、下流側空燃比センサの異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、下流側空燃比センサの異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、各空燃比センサの出力空燃比、時間カウンタ及びカウントアップ量のタイムチャートである。
【図１４】図１４は、第二実施形態における下流側空燃比センサの異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、各空燃比センサの出力空燃比及び時間カウンタのタイムチャートである。
【図１６】図１６は、第三実施形態における下流側空燃比センサの異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、排気ガスの流量と時間カウンタの判定値との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、第四実施形態における下流側空燃比センサの異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【図１９】図１９は、第五実施形態における下流側空燃比センサの異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
＜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異常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。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。なお、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う診断装置として機能する。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
＜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、コップ型の限界電流式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、基準ガス室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。
【００３６】
特に、本実施形態のコップ型の空燃比センサ４０、４１では、固体電解質層５１は一端が閉じられた円筒状に形成される。その内部に画成された基準ガス室５５には、大気ガス（空気）が導入されると共に、ヒータ部５６が配置される。固体電解質層５１の内面上に大気側電極５３が配置され、その外面上に排気側電極５２が配置される。固体電解質層５１及び排気側電極５２の外面上にはこれらを覆うように拡散律速層５４が配置される。なお、拡散律速層５４の外側には、拡散律速層５４の表面上に液体等が付着するのを防止するための保護層（図示せず）が設けられてもよい。
【００３７】
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。
【００３８】
また、排気側電極５２と大気側電極５３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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、上流側空燃比センサ４０としては例えば積層型の限界電流式空燃比センサ等の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。
【００４２】
＜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（或いは、機関本体から流出する排気ガスの目標空燃比）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。
【００４３】
図５を参照して、このような目標空燃比の制御の例について、簡単に説明する。図５は、内燃機関の通常運転（通常制御）時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量、目標空燃比、上流側空燃比センサの出力空燃比及び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。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力に相当する空燃比を意味する。また、「通常運転（通常制御）時」は、内燃機関の特定の運転状態に応じて燃料噴射量を調整する制御（例えば、内燃機関を搭載した車両の加速時に行われる燃料噴射量の増量補正や、後述する燃料カット制御等）を行っていない運転状態（制御状態）を意味する。
【００４４】
図５に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比（例えば、１４．５５）以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ（例えば、１５）に設定され、維持される。その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が推定され、この推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ（最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘよりも少ない量）以上になると、目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ（例えば、１４．４）に設定され、維持される。図５に示した例では、このような操作が繰り返し行われる。
【００４５】
具体的には、図５に示した例では、時刻ｔ1前において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとされ、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比もリッチ空燃比となっている。また、上流側排気浄化触媒２０には酸素が吸蔵されていることから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比（１４．６）となっている。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっていることから、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に低下する。
【００４６】
その後、時刻ｔ1においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近づくことにより、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。その結果、時刻ｔ2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僅かにリッチなリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉとなり、このとき目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎへ切り替えられる。
【００４７】
目標空燃比の切替により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比になり、未燃ガスの流出は減少、停止する。また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に増加し、時刻ｔ3において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このように、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、目標空燃比は、再びリーン設定空燃比ＡＦｌｅｎａからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈへと切り替えられる。この目標空燃比の切替により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は再びリーン空燃比となり、その結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少し、以降は、このような操作が繰り返し行われる。このような制御を行うことにより、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出するのを防止することができる。
【００４８】
なお、通常制御として行われる上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の出力に基づく目標空燃比の制御は上述したような制御に限定されるものではない。これら空燃比センサ４０、４１の出力に基づく制御であれば、如何なる制御であってもよい。したがって、例えば、通常制御として、目標空燃比を理論空燃比に固定して、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が理論空燃比になるようにフィードバック制御を行うと共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比を補正するような制御を行ってもよい。
【００４９】
＜空燃比センサの素子割れ＞
ところで、上述したような空燃比センサ４０、４１に生じる異常として、空燃比センサ４０、４１を構成する素子に割れが生じる素子割れという現象が挙げられる。具体的には、固体電解質層５１及び拡散律速層５４を貫通する割れ（図６のＣ１）や、固体電解質層５１及び拡散律速層５４に加えて両電極５２、５３を貫通する割れ（図６にＣ２）が発生する。このような素子割れが発生すると、図６に示したように割れた部分を介して排気ガスが基準ガス室５５内に進入する。
【００５０】
この結果、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合には、リッチ空燃比の排気ガスが基準ガス室５５内に進入する。これにより、基準ガス室５５内にリッチ空燃比の排気ガスが拡散し、大気側電極５３はリッチ空燃比の排気ガスに曝されることになる。一方、この場合でも、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。このため、大気側電極５３に対して排気側電極５２の方が相対的にリーンとなり、結果的に、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比となる。すなわち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生すると、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であっても、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比はリーン空燃比となってしまう。一方、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、このような出力空燃比の逆転現象は発生しない。これは、排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、空燃比センサ４０、４１の出力電流は固体電解質層５１の両側の空燃比の差よりも拡散律速層５４を介して排気側電極５２表面上に到達する酸素の量に依存するためである。
【００５１】
＜基本的な異常診断制御＞
本実施形態では、上述したような下流側空燃比センサ４１の素子割れ異常の性質を利用して、下流側空燃比センサ４１の素子割れに基づく異常診断を行うようにしている。具体的には、ＥＣＵ３１は、所定の実行条件が成立する場合に、アクティブ制御を実行する。アクティブ制御では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比（或いは、機関本体から流出する排気ガスの目標空燃比）がリッチ空燃比となるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が制御される。また、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比もリッチ空燃比になる。
【００５２】
図７は、アクティブ制御を行った場合における空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。図７に示した例では、時刻t4において、アクティブ制御の実行が開始される。時刻ｔ4においてアクティブ制御の実行が開始されると、目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。特に、図示した例では、アクティブ制御実行時の目標空燃比は、通常運転時に設定されるリッチ設定空燃比よりもリッチなアクティブ制御時空燃比ＡＦａｃｔとされる。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ空燃比になる。一方、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中の未燃ＨＣ等は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素と反応して浄化される。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、ほぼ理論空燃比となっている。
【００５３】
アクティブ制御の実行により、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することから、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少していく。この間も、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ空燃比になっており、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比となっている。やがて、酸素吸蔵量はほぼゼロになり、これにより、上流側排気浄化触媒２０から未燃ＨＣ等を含んだリッチ空燃比の排気ガスが流出する。すなわち、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの実際の空燃比はリッチ空燃比となる。
【００５４】
ここで、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していないとき（すなわち、正常であるとき）には、基本的には、図７に実線で示したように、実際の空燃比に従って、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比もリッチ空燃比となる。そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となっている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉよりもリーンな空燃比（例えば、ほぼ理論空燃比）からこれよりもリッチな空燃比に変化したときには、基本的には、下流側空燃比センサ４１には素子割れの異常は発生していない（すなわち、正常である）と判定する。なお、本実施形態では、このときのリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉは、通常運転時におけるリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉと同一であるが、異なる値であってもよい。
【００５５】
一方、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生しているときには、図７に破線で示したように、実際の空燃比とは異なり、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となる。そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となっている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅよりもリッチな空燃比（例えば、ほぼ理論空燃比）からこれよりもリーンな空燃比に変化したとき（時刻ｔ5）には、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定する。
【００５６】
このようにして下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われると、アクティブ制御が停止せしめられ、通常運転が再開される。特に、図７に示した例では、時刻ｔ5において下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われていることから、時刻ｔ5においてアクティブ制御が停止せしめられる。その後、通常運転が再開されると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下となっていることから、目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定され、図５に示した制御が繰り返し行われる。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、上流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比となっている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が一旦ほぼ理論空燃比となった後に、如何なる空燃比に変化するか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。これにより、空燃比センサである下流側のセンサについて、素子割れの異常を診断することができる。
【００５８】
なお、上述したリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ及びリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が中間程度の量であるときに、正常の空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比近傍で変動する範囲外の空燃比とされる。
【００５９】
ところで、本実施形態では、アクティブ制御は、一定の実行条件が成立している場合に実行され、成立していない場合には実行されない。換言すると、下流側空燃比センサ４１の異常診断は一定の実行条件が成立している場合に実行され、成立していない場合には実行されない。
【００６０】
ここで、一定の実行条件が成立している場合とは、例えば、以下の条件全てを満たす場合を意味する。一つ目の条件は、両空燃比センサ４０、４１が活性していること、すなわち両空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度以上になっていることである。空燃比センサ４０、４１が活性していないと、そもそも排気ガスの空燃比を正確に検出することができないうえ、素子割れの異常が発生しても出力空燃比のずれが生じにくいためである。
【００６１】
二つ目の条件は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が予め定められた下限流量以上であることである。図８は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量と、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比との関係を示した図である。図示した例では、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比は理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ空燃比となっている。
【００６２】
図８からわかるように、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が少ないときには、正常なセンサと素子割れが生じているセンサとの間で、出力空燃比にほとんど差がない。これに対して、排気ガスの流量が多くなると、素子割れが生じているセンサでは出力空燃比がリーンとなる。したがって、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が少ないと、素子割れの異常が生じていても出力空燃比に変化が生じない。
【００６３】
加えて、図８に示したように、素子割れが生じているセンサでは、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が多くなるにつれて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン側にシフトする。したがって、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が少ない場合には、素子割れが生じている場合であっても、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるリーン度合いは小さく、リーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉまで到達しない場合がある。
【００６４】
そこで、本実施形態では、排気ガスの流量が、予め定められた下限流量、すなわち正常なセンサと素子割れの生じているセンサとで出力空燃比が変わるような流量（例えば、図８のＧ1）以上であることが、アクティブ制御の実行条件とされている。
【００６５】
なお、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量は、例えば、エアフロメータ３９によって検出された空気流量等に基づいて算出、推定される。しかしながら、斯かる排気ガスの流量は、その他の手法によって推定されてもよい。或いは、下流側空燃比センサ４１近傍において排気通路内を流れる排気ガスの流量を検出するエアフロメータ等を設け、このエアフロメータ等によって直接検出されてもよい。
【００６６】
三つ目の条件は、燃料カット制御の終了からの経過時間が基準経過時間以上であることである。燃料カット制御とは、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大幅に減量する制御である。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。
【００６７】
このような燃料カット制御の終了直後には、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となるように燃料噴射量を制御した場合であっても、素子割れの生じていない正常な空燃比センサでも出力空燃比がリーン空燃比となる。このため、燃料カット制御が終了してから或る程度の経過時間が経過するまでは、下流側空燃比センサ４１の素子割れを正確に診断することができない。そこで、本実施形態では、燃料カット制御終了からの経過時間が、基準経過時間以上、すなわち正常な空燃比センサにおいて燃料カット制御を終了してから出力空燃比が安定するまでに必要な時間以上であることが、アクティブ制御の実行条件とされている。
【００６８】
四つ目の条件は、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがＯＮにされてから現在まで、下流側空燃比センサ４１の異常判定が完了していないことである。下流側空燃比センサ４１の異常判定はそれほど頻繁に行う必要はないため、異常判定が完了していないときにのみ異常判定を行うようにしたものである。具体的には、下流側空燃比センサ４１の異常判定において異常と判定されたときにＯＮとされる異常フラグ、又は下流側空燃比センサ４１の異常判定が完了したときにＯＮとされる判定完了フラグがＯＮとなっていないことが条件とされる。
【００６９】
なお、上記実施形態では、通常運転時において、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更するようにしている。このような場合には、アクティブ制御の実行時には、目標空燃比は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が通常運転（通常制御）時におけるリッチ空燃比（上記実施形態では、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ）よりもリッチな空燃比とされる。
【００７０】
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うにあたって、アクティブ制御を行っている。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うにあたって必ずしもアクティブ制御を行う必要はない。
【００７１】
例えば、燃料カット制御の終了直後には、一般に、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。これは、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素の一部又は全部を放出するために行われる。下流側空燃比センサ４１の異常診断は、この復帰後リッチ制御の実行中に行われてもよい。ただし、この場合であっても、上述したように、燃料カット制御の終了からの経過時間が基準経過時間以上であることが必要である。
【００７２】
＜異常診断における正常判定＞
ところで、図８に示したように、素子割れが生じている空燃比センサでは、排気ガスの流量に応じて出力空燃比が変化する。空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になったとき、排気ガスの流量が少ないときには、素子割れが生じている空燃比センサでも出力空燃比がリーン空燃比となる。逆に、排気ガスの流量が多いときには、素子割れが生じている空燃比センサでは出力空燃比がリッチ空燃比となる。
【００７３】
ところが、排気ガスの流量によっては、空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比になった後に、一旦、リーン空燃比となった後にリッチ空燃比に変化する場合がある。この様子を、図９に示す。
【００７４】
図９は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比で一定に維持された場合における各空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。図９の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はいずれも下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じている場合を示している。図中の実線は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が少ない場合（例えば、図８のＧ1以下）、破線は流量が多い場合、一点鎖線は流量が中程度である場合をそれぞれ示している。
【００７５】
図９に示した例では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ空燃比で一定に維持されている。また、図９に示した例では、時刻ｔxにおいて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いる。したがって、下流側空燃比センサ４１周りには時刻ｔxまでほぼ理論空燃比の排気ガスが流通し、時刻ｔx以降はリッチ空燃比の排気ガスが流通することになる。
【００７６】
図９からわかるように、排気ガスの流量が少ない場合には、時刻ｔx以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はリッチ空燃比となる。一方、排気ガスの流量が多い場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流はリーン空燃比となる。これに対して、排気ガスの流量が中程度である場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流は一旦リッチ空燃比となった後に、リーン空燃比へと変化する。
【００７７】
ここで、上述したように、アクティブ制御の実行条件、すなわち下流側空燃比センサ４１の異常診断の実行条件が、排気ガスの流量が下限流量以上とされている。このため、排気ガスの流量が少なくて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が図９に実線で示したように推移する場合には、下流側空燃比センサ４１の異常診断は実行されない。
【００７８】
ところが、排気ガスの流量が中程度である場合、下流側空燃比センサ４１は、一旦リッチ空燃比となった後に、リーン空燃比へと変化する。ここで、図７に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下に変化したときには、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定している。このように判定を行う場合、排気ガスの流量が中程度であると、素子割れが生じている下流側空燃比センサ４１であっても、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定されることになってしまう。一方、排気ガスの流量が中程度であるときにも下流側空燃比センサ４１の異常診断を実行しないとすると、下流側空燃比センサ４１の異常診断を実行することができる条件が非常に限られたものとなってしまう。
【００７９】
そこで、本発明の実施形態では、アクティブ制御の実行により目標空燃比がアクティブ制御時空燃比とされ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となっている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下の空燃比になっても、下流側空燃比センサ４１をすぐには正常であると判定しないようにしている。
【００８０】
具体的には、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となっている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下になっているときには、その時間を時間カウンタによりカウントする。したがって、この時間カウンタは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比以下である場合にはカウントアップされ、リッチ判定基準空燃比よりもリーンである場合にはカウントアップされない。そして、このようにカウントされた時間カウンタの値が予め定められたゼロよりも大きい所定の判定値以上となったときには、下流側空燃比センサ４１には異常が生じていると判定する。
【００８１】
図１０は、各空燃比センサの出力空燃比及び時間カウンタのタイムチャートである。図１０（Ａ）は下流側空燃比センサ４１が正常な場合、図１０（Ｂ）は下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じている場合をそれぞれ示している。また、いずれも、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量は中程度となっている場合を示している。
【００８２】
図１０（Ａ）に示した例では、時刻ｔ4において、アクティブ制御の実行が開始され、時刻ｔ5の前に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からリッチ空燃比の排気ガスが流出する。この結果、時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になり、時間カウンタによりカウントが開始される。その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以上に維持されるため、時間カウンタは増大する。この結果、時刻ｔ6には、時間カウンタの値が判定値ＴＣｒｅｆに到達し、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。図１０（Ａ）に示した例では、時刻ｔ6以降、アクティブ制御が停止せしめられ、通常運転が開始される。
【００８３】
一方、図１０（Ｂ）に示した例でも、時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になり、時間カウンタによりカウントが開始される。しかしながら、図１０（Ｂ）に示した例では、時間カウンタの値が判定値ＴＣｒｅｆに到達する前に、時刻ｔ7において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以上になる。このため、時刻ｔ7以降は、時間カウンタによるカウントが停止される。その後、時刻ｔ8において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になり、下流側空燃比センサ４１には異常が発生している判定される。図１０（Ｂ）に示した例では、時刻ｔ8以降、アクティブ制御が停止せしめられ、通常運転が開始される。
【００８４】
このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になってすぐに正常判定するのではなく、或る程度の期間以上に亘ってリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になっているときに初めて正常判定を行う。これにより、下流側空燃比センサ４１の異常診断を正確に行うことができるようになる。
【００８５】
なお、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生した場合に、その出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になる時間は排気ガスの流量によって変化する。時間カウンタにおける判定値ＴＣｒｅｆは、このうち最も長い時間以上とされる。この判定値は、使用される空燃比センサの種類や、内燃機関の排気量等に応じて決定される。
【００８６】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になっている時間が所定時間以上となったときに正常判定を行うようにしているが、時間ではなく他のパラメータを用いてもよい。例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になっている間に下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量の積算値が所定の判定値以上となったときに正常判定を行うようにしてもよい。この場合には、例えば、エアフロメータ３９等により下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が検出又は推定される。
【００８７】
＜フローチャート＞
図１１及び図１２は、下流側空燃比センサ４１の異常診断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。
【００８８】
まず、ステップＳ１１において、内燃機関の始動後、或いは内燃機関を搭載した車両のイグニッションキーがオンにされた後、下流側空燃比センサ４１の異常判定が未了であるか否かが判定される。内燃機関の始動後に異常判定が既に行われていた場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、異常判定が未了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、アクティブ制御フラグＦａが０であるか否かが判定される。アクティブ制御フラグＦａは、アクティブ制御が実行されているときには１とされ、それ以外のときには０とされるフラグである。アクティブ制御が未だ実行されていないときには、ステップＳ１３へと進む。
【００８９】
ステップＳ１３では、アクティブ制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。上述したアクティブ制御の実行条件が成立していない場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、アクティブ制御の実行条件が成立しているときには、ステップＳ１４へと進み、目標空燃比がアクティブ制御時空燃比に設定される。次いで、ステップＳ１５では、アクティブ制御フラグＦａが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９０】
次の制御ルーチンでは、アクティブ制御フラグＦａが１にセットされていることから、ステップＳ１２からステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、ストイキフラグＦｓが０であるか否かが判定される。ストイキフラグＦｓは、アクティブ制御開始後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が一旦ほぼ理論空燃比に達したときに１とされ、それ以外のときには０とされるフラグである。ステップＳ１６において、ストイキフラグＦｓが０である場合にはステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉとリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅとの間の空燃比であるか否か、すなわち理論空燃比に実質的に収束しているか否かが判定される。ステップＳ１７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には収束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。一方、ステップＳ１７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に収束してい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、ストイキフラグＦｓが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９１】
次の制御ルーチンでは、ストイキフラグＦｓが１にセットされていることからステップＳ１６からステップＳ１９、Ｓ２０へと進む。ステップＳ１９では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上であるか否かが判定され、ステップＳ２０では下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下であるか否かが判定される。ステップＳ１９、Ｓ２０において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉとリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅとの間の空燃比である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。
【００９２】
一方、ステップＳ１９において、出力空燃比がリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上であると判定された場合にはステップＳ２１へと進む。ステップＳ２１では、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定され、これにより、例えば、内燃機関を搭載した車両の警告ランプが点灯せしめられる。その後、ステップＳ２２では、目標空燃比がアクティブ制御時空燃比に設定されていたのが解除されて、通常運転が開始せしめられる。次いで、ステップＳ２３では、アクティブ制御フラグＦａ及びストイキフラグＦｓが０にリセットされ、且つ時間カウンタＴＣが０にリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９３】
一方、ステップＳ２０において、出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下であると判定された場合にはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、前回までの時間カウンタＴＣに１が加算されたものが新たな時間カウンタＴＣの値とされる。次いで、ステップＳ２５では、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆ以上であるか否かが判定され、判定値ＴＣｒｅｆよりも小さ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Ｓ２５において、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆ以上である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、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定され、ステップＳ２２へと進む。
【００９４】
＜第二実施形態＞
次に、図１３及び図１４を参照して、本発明の第二実施形態の異常診断装置について説明する。本発明の第二実施形態の異常診断装置の構成等は、基本的に第一実施形態の異常診断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、カウンタのカウントアップ量は一定であったのに対して、本実施形態ではカウンタのカウントアップ量を下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に応じて変化させるようにしている。
【００９５】
ところで、図９に示したように、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じていてその出力空燃比が一旦リッチ空燃比になる場合には、そのリッチ度合いは比較的小さい。これに対して、下流側空燃比センサ４１が正常である場合には、その出力空燃比は図９に実線で示した排気ガスの流量が少ない場合と同様に推移する。したがって、そのリッチ度合いは比較的大きい。
【００９６】
そこで、本実施形態では、アクティブ制御実行中に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になった場合における時間カウンタのカウントアップ量をそのリッチ度合いに応じて変更するようにしている。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下となっているときのリッチ度合いが大きいほど時間カウンタのカウントアップ量を大きくするようにしている。
【００９７】
図１３は、各空燃比センサの出力空燃比、時間カウンタ及びカウントアップ量のタイムチャートであり、図１０と同様な図である。図１３（Ａ）は下流側空燃比センサ４１が正常な場合、図１３（Ｂ）は下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じている場合をそれぞれ示している。また、いずれも、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量は中程度となっている場合を示している。
【００９８】
図１３（Ａ）に示した例では、時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になり、時間カウンタによりカウントが開始される。このとき、時間カウンタによるカウントアップ量は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉからの差が大きくなるほど大きくなる。図１３（Ａ）に示したように、時刻ｔ5以降の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるリッチ度合いは大きいため、カウントアップ量は大きなものとなる。これにより、時間カウンタのカウントアップ速度は速くなり、図１０の時刻ｔ6よりも早い時刻ｔ9において時間カウンタの値が判定値ＴＣｒｅｆに到達し、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。
【００９９】
一方、図１３（Ｂ）に示した例では、時刻ｔ5において時間カウンタによりカウントが開始される。しかしながら、時刻ｔ5以降の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるリッチ度合いは小さいため、カウントアップ量は小さなものとなる。これにより、時間カウンタのカウントアップ速度は遅くなる。その結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以上になるまで（時刻ｔ7）には時間カウンタは判定値ＴＣｒｅｆに到達せず、下流側空燃比センサ４１が誤って正常であると判定されることが抑制される。
【０１００】
このように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合いに応じてカウントアップ量を変更することにより、下流側空燃比センサ４１が正常であるときには時間カウンタのカウントアップが速くなる。このため、下流側空燃比センサ４１を迅速に正常判定することができるようになる。
【０１０１】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合いに応じてカウントアップ量を変更している。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合いに応じて、時間カウンタの判定値ＴＣｒｅｆを変更するようにしてもよい。この場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下となっているときのリッチ度合いが大きいほど判定値ＴＣｒｅｆが小さくなるように判定値ＴＣｒｅｆが変更せしめられることになる。
【０１０２】
また、正常判定を行う際のパラメータとして、時間以外のパラメータを用いたときにも同様な制御が可能である。例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になっている間の排気ガスの流量の積算値に基づいて正常判定を行う場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下となっているときのリッチ度合いに応じて判定値が変更されることになる。
【０１０３】
図１４は、本実施形態における下流側空燃比センサ４１の異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。図１４に示したフローチャートは図１２に示したフローチャートの代わりに用いられる。したがって、本実施形態における制御ルーチンでは、図１１及び図１４に示した制御ルーチンが実行される。
【０１０４】
図１４のステップＳ２９〜Ｓ３３は、図１２のステップＳ１９〜Ｓ２３と同様であるため説明を省略する。ステップＳ３０において、出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下であると判定された場合にはステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比のリッチ度合いに基づいて時間カウンタにおけるカウントアップ量ΔＴＣが算出される。リッチ度合いとカウントアップ量ΔＴＣとの関係はマップとして又は計算式としてＥＣＵ３１のＲＯＭ３１に保存されている。次いで、ステップＳ３５では、前回までの時間カウンタＴＣにステップＳ３４で算出されたカウントアップ量ΔＴＣが加算されたものが新たな時間カウンタＴＣの値とされる。次いで、ステップＳ３６では、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ３６において、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆよりも小さ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Ｓ３６において、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定され、ステップＳ３２へと進む。
【０１０５】
＜第三実施形態＞
次に、図１５及び図１６を参照して、本発明の第三実施形態の異常診断装置について説明する。本発明の第三実施形態の異常診断装置の構成等は、基本的に第一実施形態又は第二実施形態の異常診断装置の構成等と同様である。
【０１０６】
ところで、図９に示したように、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じていてその出力空燃比が一旦リッチ空燃比になる場合には、その最小値は比較的大きい（すなわち、リッチ度合いの最大値が小さい）。これに対して、下流側空燃比センサ４１が正常である場合には、その出力空燃比は図９に実線で示した排気ガスの流量が少ない場合と同様に推移する。したがって、その最小値は比較的小さい（すなわち、リッチ度合いの最大値が大きい）。
【０１０７】
そこで、本実施形態では、アクティブ制御実行中に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉよりもリッチな正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒ（例えば、１４）以下になったときには、前記時間カウンタの値が判定値ＴＣｒｅｆ未満であっても下流側空燃比センサ４１は正常であると判定するようにしている。なお、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、製造誤差等により、実際の空燃比に対してバラツキが生じる。正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒは、斯かるバラツキを考慮しても、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常があるときにはその出力空燃比が到達し得ないようなリッチ空燃比とされる。
【０１０８】
図１５は、各空燃比センサの出力空燃比及び時間カウンタのタイムチャートであり、図１０と同様な図である。図１５（Ａ）は下流側空燃比センサ４１が正常な場合、図１５（Ｂ）は下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じている場合をそれぞれ示している。また、いずれも、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量は中程度となっている場合を示している。
【０１０９】
図１５（Ａ）に示した例では、時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になり、時間カウンタによりカウントが開始される。その後、図１５（Ａ）に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は急激に低下し、時刻ｔ10において、正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒに達する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒ以下になったときには正常判定されるため、時刻ｔ10において下流側空燃比センサ４１は正常であると判定されることになる。このため、本実施形態では、時間カウンタが判定値ＴＣｒｅｆに到達する前に下流側空燃比センサ４１の正常判定が行われる。
【０１１０】
一方、図１５（Ｂ）に示した例では、時刻ｔ5において時間カウンタによりカウントが開始される。しかしながら、時刻ｔ5以降の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はそれほど低下しないため、正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒに到達しない。加えて、図１５（Ｂ）に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉよりも大きくなるまで（時刻ｔ7）には時間カウンタは判定値ＴＣｒｅｆに到達しない。この結果、時刻ｔ8において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になり、下流側空燃比センサ４１には異常があると判定されることになる。
【０１１１】
このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒに到達したときにはすぐに下流側空燃比センサ４１の正常判定が行われる。このため、下流側空燃比センサ４１を迅速に正常判定することができるようになる。
【０１１２】
なお、正常判定を行う際のパラメータとして、時間以外のパラメータを用いたときにも同様な制御が可能である。例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になっている間の排気ガスの流量の積算値に基づいて正常判定を行う場合には、排気ガス流量の積算値が判定値未満であっても下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒ以下となったときには、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定するようにしてもよい。
【０１１３】
図１６は、本実施形態における下流側空燃比センサ４１の異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。図１６に示したフローチャートは図１２に示したフローチャートの代わりに用いられる。したがって、本実施形態における制御ルーチンでは、図１１及び図１６に示した制御ルーチンが実行される。
【０１１４】
図１６のステップＳ３９〜Ｓ４３は、図１２のステップＳ１９〜Ｓ２３と同様であるため説明を省略する。ステップＳ４０において、出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下であると判定された場合にはステップＳ４４へと進む。ステップＳ４４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒ以下であると判定された場合にはステップＳ４７へと進む。ステップＳ４７では、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定され、ステップＳ４２へと進む。一方、ステップＳ４４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒ以下ではないと判定された場合には、ステップＳ４５へと進む。ステップＳ４５では、前回までの時間カウンタＴＣに１が加算されたものが新たな時間カウンタＴＣの値とされる。次いで、ステップＳ４６では、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ４６において、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆよりも小さ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Ｓ４６において、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ４７へと進む。ステップＳ４７では、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定され、ステップＳ４２へと進む。
【０１１５】
＜第四実施形態＞
次に、図１７及び図１８を参照して、本発明の第四実施形態の異常診断装置について説明する。本発明の第四実施形態の異常診断装置の構成等は、基本的に第一実施形態から第三実施形態の異常診断装置の構成等と同様である。
【０１１６】
ところで、図９に示したように、素子割れの異常の生じている下流側空燃比センサ４１では、排気ガスの流量に応じてその出力空燃比が変化する。排気ガスの流量が多いほど、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が一旦リッチ空燃比になる際のリッチ度合いが小さくなる。このため、アクティブ制御実行時における排気ガスの流量が多い場合には、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常の生じていても、その出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下となっている時間は短くなる。
【０１１７】
そこで、本実施形態では、エアフロメータ３９等により下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量を検出又は推定すると共に、検出又は推定された排気ガスの流量に応じて時間カウンタの判定値ＴＣｒｅｆを変更することとしている。より詳細には、本実施形態では、図１７に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下となっているときの排気ガスの流量が多いほど判定値ＴＣｒｅｆが小さくなるように、判定値ＴＣｒｅｆを変更することとしている。
【０１１８】
本実施形態によれば、このように排気ガスの流量に応じて時間カウンタの判定値ＴＣｒｅｆを変更することにより、下流側空燃比センサ４１が正常である場合に、迅速に正常判定を行うことができる。
【０１１９】
図１８は、本実施形態における下流側空燃比センサ４１の異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。図１８に示したフローチャートは図１２に示したフローチャートの代わりに用いられる。したがって、本実施形態における制御ルーチンでは、図１１及び図１８に示した制御ルーチンが実行される。
【０１２０】
図１８のステップＳ４９〜Ｓ５４、Ｓ５６、Ｓ５７は、図１２のステップＳ１９〜Ｓ２６と同様であるため説明を省略する。ステップＳ５４において、前回までの時間カウンタＴＣに１が加算されたものが新たな時間カウンタＴＣの値とされると、ステップＳ５５へと進む。ステップＳ５５では、エアフロメータ３９等の出力に基づいて推定された下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量に基づいて、図１７に示したようなマップを用いて判定値ＴＣｒｅｆが算出される。次いで、ステップＳ５６では、時間カウンタＴＣの値がステップＳ５５で算出された判定値ＴＣｒｅｆ以上であるか否かが判定される。
【０１２１】
＜第五実施形態＞
次に、図１９を参照して、本発明の第五実施形態の異常診断装置について説明する。本発明の第五実施形態の異常診断装置の構成等は、基本的に第一実施形態から第四実施形態の異常診断装置の構成等と同様である。
【０１２２】
ところで、上記第一実施形態から第五実施形態のように、下流側空燃比センサ４１の正常判定及び異常判定を行った場合、下流側空燃比センサ４１が正常とも異常とも判定されない場合がある。例えば、第一実施形態の場合、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ごく僅かにリッチなリッチ空燃比又は理論空燃比よりもごく僅かにリーンなリーン空燃比に維持されているような場合には、下流側空燃比センサ４１は正常とも異常とも判定されない。しかしながら、上述したようにアクティブ制御では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に維持されるため、斯かる状態が長期間に亘って続くと、排気エミッションの悪化を招く可能性がある。
【０１２３】
そこで、本実施形態では、アクティブ制御を開始してから、長期間に亘って下流側空燃比センサ４１の正常判定及び異常判定のどちらも行われない場合には、アクティブ制御を中止することとしている。
【０１２４】
具体的には、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに不足する酸素の量を酸素不足量として算出する。この酸素不足量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される。上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるリッチ度合いが高いほど酸素不足量は多いものとして算出される。また、エアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される上流側排気浄化触媒２０に流入する空気の流量が多いほど、酸素不足量は多いものとして算出される。
【０１２５】
そして、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の正常判定及び異常判定のいずれかが行われる前に、アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値が上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量（排気浄化触媒によって吸蔵可能な酸素の最大量）以上の所定の値となったときには、アクティブ制御が中止せしめられ、よって下流側空燃比センサ４１の異常診断が終了せしめられる。これにより、アクティブ制御が長期間に亘って続くことによる排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１２６】
ここで、アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値が上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量以上となったときには、上流側排気浄化触媒２０からはリッチ空燃比の排気ガスが流出する。このように、リッチ空燃比の排気ガスが流出しているにもかかわらず、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下にもリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上にもならない場合には、素子割れとは異なる異常が生じている可能性がある。このため、斯かる場合には、アクティブ制御の中止に加えて、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定するようにしてもよい。
【０１２７】
図１９は、本実施形態における下流側空燃比センサ４１の異常診断制御の制御ルーチンの一部を示すフローチャートである。図１９に示したフローチャートは図１２に示したフローチャートの代わりに用いられる。したがって、本実施形態における制御ルーチンでは、図１１及び図１９に示した制御ルーチンが実行される。
【０１２８】
図１９のステップＳ５９〜Ｓ６６は、図１２のステップＳ１９〜Ｓ２６と同様であるため説明を省略する。ただし、ステップＳ５９、Ｓ６０において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉとリーン判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｌｅとの間の空燃比であると判定された場合には、ステップＳ６７へと進む。また、ステップＳ６５において、時間カウンタＴＣの値が判定値ＴＣｒｅｆよりも小さいと判定された場合にも、ステップＳ６７へと進む。
【０１２９】
ステップＳ６７では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出された、アクティブ制御を開始してからの酸素不足量の積算値Ｑｏｘが、最大吸蔵可能酸素量よりも多い上限値Ｑｏｘｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ６７において、酸素不足量の積算値Ｑｏｘが上限値Ｑｏｘｒｅｆ未満である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Ｓ６７において、酸素不足量の積算値Ｑｏｘが上限値Ｑｏｘｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ６２へと進み、アクティブ制御が終了せしめられて通常制御が開始される。
【０１３０】
なお、上記第一実施形態から第五実施形態は、互いに組み合わせることもできる。例えば、第二実施形態と第三実施形態とを組み合わせた場合には、時間カウンタのカウントアップ量がリッチ度合いに応じて変更されると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が正常判定基準空燃比ＡＦｎｏｒに達したときには時間カウンタの値とは無関係に正常判定が行われることになる。
【符号の説明】
【０１３１】
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】
2015071946.tif 000003
【図２】
2015071946.tif 000004
【図３】
2015071946.tif 000005
【図４】
2015071946.tif 000006
【図５】
2015071946.tif 000007
【図６】
2015071946.tif 000008
【図７】
2015071946.tif 000009
【図８】
2015071946.tif 000010
【図９】
2015071946.tif 000011
【図１０】
2015071946.tif 000012
【図１１】
2015071946.tif 000013
【図１２】
2015071946.tif 000014
【図１３】
2015071946.tif 000015
【図１４】
2015071946.tif 000016
【図１５】
2015071946.tif 000017
【図１６】
2015071946.tif 000018
【図１７】
2015071946.tif 000019
【図１８】
2015071946.tif 000020
【図１９】
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