(57)【要約】【課題】酸素センサの劣化を検出する。【解決手段】内燃機関の排気通路に搭載された触媒の下流側に搭載される酸素センサの劣化検出装置において、まず、酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素過多の状態を示すリーン出力となるように、又は、酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素不足の状態を示すリッチ出力となるように、空燃比を制御する。酸素センサの出力が前記リーン出力となった後、目標空燃比をリッチ目標空燃比に設定して空燃比のリッチ制御を実行し、又は、酸素センサの出力が前記リッチ出力となった後、目標空燃比をリーン目標空燃比に設定して空燃比のリーン制御を実行する。リッチ制御開始から、酸素センサの出力がリッチ出力となる前までの第１変化期間の間、又は、リーン制御開始から、酸素センサの出力がリーン出力となる前までの第２変化期間の間に、酸素センサの出力を検出し、検出された前記酸素センサの出力に基づいて、酸素センサの劣化の有無を判定する。【選択図】図４
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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搭載された触媒の下流側に搭載される酸素センサの劣化検出装置であって、
前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素過多の状態を示すリーン出力となるように、又は、前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素不足の状態を示すリッチ出力となるように、空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
前記酸素センサの出力が前記リーン出力となった後、目標空燃比をリッチ目標空燃比に設定して空燃比のリッチ制御を実行し、又は、前記酸素センサの出力が前記リッチ出力となった後、目標空燃比をリーン目標空燃比に設定して空燃比のリーン制御を実行する第２空燃比制御手段と、
前記リッチ制御開始から、前記酸素センサの出力が前記リッチ出力となる前までの第１変化期間の間、又は、前記リーン制御開始から、前記酸素センサの出力が前記リーン出力となる前までの第２変化期間の間に、前記酸素センサの出力を検出する変化出力検出手段と、
前記変化出力検出手段により検出された前記酸素センサの出力に基づいて、前記酸素センサの劣化の有無を判定する劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。
【請求項２】
前記第１空燃比制御手段は、前記酸素センサの出力が前記リーン出力となるようにする場合は、前記内燃機関への燃料の供給を停止して燃料カット運転を実施することを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの劣化装置。
【請求項３】
前記第１変化期間に前記触媒から放出される酸素量、又は、前記第２変化期間に前記触媒に吸蔵される酸素量を、酸素吸蔵量として検出する酸素吸蔵量検出手段と、
前記酸素吸蔵量に応じて、前記触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの劣化検出装置。
【請求項４】
前記第２空燃比制御手段による前記リッチ制御開始又は前記リーン制御開始から、連続して前記リッチ制御又は前記リッチ制御が行われている間の経過時間が、基準時間以上となっているか否かを判定する経過時間判定手段を備え、
前記変化出力検出手段は、前記経過時間が前記基準時間以上となっていることが認められた場合に、前記第１変化期間又は前記第２変化期間における前記酸素センサの出力の検出を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素センサの劣化検出装置。
【請求項５】
前記第２空燃比制御手段による前記リッチ制御開始の後、前記酸素センサの出力が、理論空燃比に対応するセンサ出力である基準出力よりも小さく、前記リーン出力よりも大きな、所定のリーン側基準値以上であるか否かを判定するセンサ出力判定手段を備え、
前記変化出力検出手段は、前記酸素センサの出力が前記リーン側基準値以上であることが認められた場合に、前記第１変化期間における前記酸素センサの出力の検出を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素センサの劣化検出装置。
【請求項６】
前記第２空燃比制御手段による前記リーン制御開始の後、前記酸素センサの出力が、理論空燃比に対応するセンサ出力である基準出力よりも大きく、前記リッチ出力よりも小さな、所定のリッチ側基準値以上であるか否かを判定するセンサ出力判定手段を備え、
前記変化出力検出手段は、前記酸素センサの出力が前記リッチ側基準値以上であることが認められた場合に、前記第２変化期間における前記酸素センサの出力の検出を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素センサの劣化検出装置。
【請求項７】
前記変化出力検出手段は、前記第１変化期間及び前記第２変化期間のいずれかの期間に、前記酸素センサの出力を繰り返し検出し、
前記酸素センサの出力平均値を演算する演算手段を更に備え、
前記劣化判定手段は、前記出力平均値に基づいて、前記酸素センサの劣化の有無の判定を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の酸素センサの劣化検出装置。
【請求項８】
前記第１変化期間又は前記第２変化期間の間に検出された前記酸素センサの出力に応じて、前記リーン出力及び前記リッチ出力を設定する出力設定手段、を更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の酸素センサの劣化検出装置。
【請求項９】
内燃機関の排気通路に搭載される酸素センサの劣化検出装置であって、
前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素過多の状態を示すリーン出力となるように、又は、前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素不足の状態を示すリッチ出力となるように、空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
前記酸素センサの出力が前記リーン出力又はリッチ出力となった後、目標空燃比を理論空燃比に設定して理論空燃比制御を実行する第２空燃比制御手段と、
前記理論空燃比制御中に、前記酸素センサの出力を検出する理論空燃比出力検出手段と、
前記理論空燃比出力検出手段により検出された前記酸素センサの出力に基づいて、前記酸素センサの劣化の有無を判定する劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸素センサの劣化検出装置に関する。更に具体的には、内燃機関の排気通路に搭載され、排気ガス空燃比に応じて出力を変化させる酸素センサの劣化検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００４−３２４４７１号には、排気通路に搭載された酸素センサの出力に基づいて、空燃比が理論空燃比よりもリッチであることが検出されたときには燃料噴射量が減量補正され、空燃比が理論空燃比よりもリーンであることが検出されたときには燃料噴射量が増量補正されることで、理論空燃比になるように空燃比のフィードバック制御を行うシステムが開示されている。また、このシステムでは、このような空燃比フィードバック制御中に、酸素センサの劣化の検出が行われる。
【０００３】
具体的に、酸素センサの劣化有無の判定が実行される場合、まず、所定の劣化判定の前提条件が成立し、かつ、上記の空燃比のフィードバック制御が行われている状態で、酸素センサの出力がリッチ側に反転してからリーン側に反転するまでのリッチ期間あるいはリーン側に反転してからリッチ側に反転するまでのリーン期間が反転周期として検出される。その後、反転周期の平均値が求められ、この値が予め定められた規定値以上となっている場合に、酸素センサに劣化有りと判定される。
【０００４】
また、空燃比のフィードバック制御において用いられる空燃比補正係数が、燃料増量側又は減量側に大きくずれている場合、所定のタイミングで空燃比補正係数がリセットされる。この場合、空燃比はリッチ又はリーン側に一度偏ることとなり、再び空燃比補正係数が学習されて空燃比のフィードバック制御が再開されるまでの間、上記のリッチ期間又はリーン期間は増加し、反転周期が大きくなる。従って、このような状況で検出された反転周期に基づいて酸素センサの劣化の判定が行われた場合には、誤判定が行われる場合がある。従って、上記従来技術のシステムでは、空燃比補正係数がリセットされた時期のリッチ期間及びリーン期間と、この期間に連続する複数の期間の間、酸素センサの劣化判定を禁止している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２４４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術のシステムによれば、酸素センサの反転周期に基づいて、酸素センサの劣化の判定を行うことができる。しかし、酸素センサの経時劣化や加工のバラツキにより酸素センサの気密性にバラツキが生じているような場合、酸素センサの排気側電極側への酸素リーク量が増加する。このような場合、排気側電極周囲の排気ガスの酸素濃度は、実際の排気ガスの酸素濃度よりも高くなる。その結果、例えば、酸素センサの出力は排気ガスがよりリッチな状態でリーン側に反転するなど、酸素センサの出力にズレが生じることとなる。このような酸素センサの出力ズレは、必ずしも反転周期を長くするものではない。従って、酸素センサの気密性低下のような劣化状態は、反転周期が所定の判定値より長いか否かに基づいて検出することは困難である。
【０００７】
従って、この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、反転周期の検出に基づく手法とは異なる他の手法で、酸素センサの劣化の有無を検出する酸素センサの劣化検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に搭載された触媒の下流側に搭載される酸素センサの劣化検出装置であって、
前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素過多の状態を示すリーン出力となるように、又は、前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素不足の状態を示すリッチ出力となるように、空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
前記酸素センサの出力が前記リーン出力となった後、目標空燃比をリッチ目標空燃比に設定して空燃比のリッチ制御を実行し、又は、前記酸素センサの出力が前記リッチ出力となった後、目標空燃比をリーン目標空燃比に設定して空燃比のリーン制御を実行する第２空燃比制御手段と、
前記リッチ制御開始から、前記酸素センサの出力が前記リッチ出力となる前までの第１変化期間の間、又は、前記リーン制御開始から、前記酸素センサの出力が前記リーン出力となる前までの第２変化期間の間に、前記酸素センサの出力を検出する変化出力検出手段と、
前記変化出力検出手段により検出された前記酸素センサの出力に基づいて、前記酸素センサの劣化の有無を判定する劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記第１空燃比制御手段は、前記酸素センサの出力が前記リーン出力となるようにする場合は、前記内燃機関への燃料の供給を停止して燃料カット運転を実施することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、
前記第１変化期間に前記触媒から放出される酸素量、又は、前記第２変化期間に前記触媒に吸蔵される酸素量を、酸素吸蔵量として検出する酸素吸蔵量検出手段と、
前記酸素吸蔵量に応じて、前記触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、
前記第２空燃比制御手段による前記リッチ制御開始又は前記リーン制御開始から、連続して前記リッチ制御又は前記リッチ制御が行われている間の経過時間が、基準時間以上となっているか否かを判定する経過時間判定手段を備え、
前記変化出力検出手段は、前記経過時間が前記基準時間以上となっていることが認められた場合に、前記第１変化期間又は前記第２変化期間における前記酸素センサの出力の検出を行うことを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、
前記第２空燃比制御手段による前記リッチ制御開始の後、前記酸素センサの出力が、理論空燃比に対応するセンサ出力である基準出力よりも小さく、前記リーン出力よりも大きな、所定のリーン側基準値以上であるか否かを判定するセンサ出力判定手段を備え、
前記変化出力検出手段は、前記酸素センサの出力が前記リーン側基準値以上であることが認められた場合に、前記第１変化期間における前記酸素センサの出力の検出を行うことを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、
前記第２空燃比制御手段による前記リーン制御開始の後、前記酸素センサの出力が、理論空燃比に対応するセンサ出力である基準出力よりも大きく、前記リッチ出力よりも小さな、所定のリッチ側基準値以上であるか否かを判定するセンサ出力判定手段を備え、
前記変化出力検出手段は、前記酸素センサの出力が前記リッチ側基準値以上であることが認められた場合に、前記第２変化期間における前記酸素センサの出力の検出を行うことを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、
前記変化出力検出手段は、前記第１変化期間及び前記第２変化期間のいずれかの期間に、前記酸素センサの出力を繰り返し検出し、
前記酸素センサの出力平均値を演算する演算手段を更に備え、
前記劣化判定手段は、前記出力平均値に基づいて、前記酸素センサの劣化の有無の判定を行うことを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明において、前記第１変化期間又は前記第２変化期間の間に検出された前記酸素センサの出力に応じて、前記リーン出力及び前記リッチ出力を設定する出力設定手段、を更に備えることを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、内燃機関の排気通路に搭載される酸素センサの劣化検出装置であって、
前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素過多の状態を示すリーン出力となるように、又は、前記酸素センサの出力が、排気ガスの空燃比が酸素不足の状態を示すリッチ出力となるように、空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
前記酸素センサの出力が前記リーン出力又はリッチ出力となった後、目標空燃比を理論空燃比に設定して理論空燃比制御を実行する第２空燃比制御手段と、
前記理論空燃比制御中に、前記酸素センサの出力を検出する理論空燃比出力検出手段と、
前記理論空燃比出力検出手段により検出された前記酸素センサの出力に基づいて、前記酸素センサの劣化の有無を判定する劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、触媒下流側に配置された酸素センサの出力がリーン出力となった後リッチ制御を開始して、リッチ制御開始から酸素センサの出力がリッチ出力となる前までの第１変化期間の間、あるいは、酸素センサの出力がリッチ出力となった後リーン制御を開始し、リーン制御開始から酸素センサの出力がリーン出力となる前までの第２変化期間の間に検出される酸素センサの出力に基づいて、酸素センサの劣化の有無が判定される。
【００１８】
ここで、触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチ、又はその逆に変化する過渡的な状態にある場合、触媒下流に排出される排気ガスは、リーン又はリッチな空燃比の状態から、触媒による浄化作用により理論空燃比近傍に一度安定する。このような過渡的な変化の中では、触媒下流に搭載された酸素センサの出力は、理論空燃比に対応する論理的な出力よりもリーン又はリッチ側に偏った出力に安定する。また、酸素センサのガスシール部等にリークが発生している場合、酸素センサ周囲の排気ガスの酸素濃度は増加する。このため、触媒下流側の排気ガスが理論空燃比近傍にある間に酸素センサが発する出力の安定値は、排気ガス中の酸素濃度の増加分に応じてリーン側にずれたものとなる。従って、第１の発明のように、排気ガスの空燃比がリーン又はリッチな状態から過渡的に変化する中での、酸素センサの出力を検出することで、酸素センサの劣化によるリークの発生を検出することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、第１空燃比制御手段は、酸素センサの出力がリーン出力となるようにする場合、内燃機関への燃料の供給を停止して燃料カット運転を実施する。このように燃料カットの状態から排気ガスの空燃比を変化させることで、その変化の開始時の空燃比の状態を正確に把握することができ、より確実に酸素センサの出力変化を検出して酸素劣化の有無を判定することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、酸素センサの出力がリーンを示しリッチ制御を開始した後、リッチ出力となる前までの第１変化期間又は、酸素センサの出力がリッチを示しリーン制御を開始した後リーン出力となる前までの第２変化期間の間に、触媒から放出又は吸蔵される酸素量を酸素吸蔵量として検出し、これに応じて、触媒の劣化を判定することができる。従って、酸素吸蔵量の検出による触媒の劣化判定を行いつつ、触媒の劣化判定の制御時に検出される酸素センサの出力に基づいて酸素センサの劣化判定を行うことができる。
【００２１】
第４の発明によれば、第２空燃比制御手段によるリーン制御開始又はリッチ制御開始からの経過時間が、基準時間以上となった場合の酸素センサの出力に基づいて劣化判定が行われる。従って、触媒下流の排気ガスが理論空燃比近傍に安定して浄化されるようになってからの酸素センサの出力に基づいて、正確に酸素センサの劣化の有無を判定することができる。
【００２２】
第５の発明によれば、第２空燃比制御手段によるリッチ制御開始の後、酸素センサの出力が、理論空燃比に対応するセンサ出力である基準出力よりも小さく、リーン出力よりも大きな、所定のリーン側基準値以上であることが認められた場合の、第１変化期間における酸素センサの出力に基づいて、劣化判定が行われる。従って、触媒が排気ガスを安定して浄化して触媒下流側に排出される排気ガスが理論空燃比近傍に安定するようになってからの酸素センサの出力に基づいて、正確に酸素センサの劣化の有無を判定することができる。
【００２３】
第６の発明によれば、第２空燃比制御手段によるリーン制御開始の後、酸素センサの出力が、理論空燃比に対応するセンサ出力である基準出力よりも小さく、リッチ出力よりも小さな、所定のリッチ側基準値以上であることが認められた場合の、第２変化期間における酸素センサの出力に基づいて、劣化判定が行われる。従って、触媒が排気ガスを安定して浄化して触媒下流側に排出される排気ガスが理論空燃比近傍に安定するようになってからの酸素センサの出力に基づいて、正確に酸素センサの劣化の有無を判定することができる。
【００２４】
第７の発明によれば、変化出力検出手段は、第１変化期間又は第２変化期間の間に酸素センサの出力を繰り返し検出し、検出された酸素センサの出力平均値に基づいて酸素センサの劣化有無の判定を行う。従って、より正確に酸素センサの劣化の有無の判定を行うことができる。
【００２５】
第８の発明によれば、第１変化期間又は第２変化期間の間に検出された酸素センサの出力に応じて、リーン出力及びリッチ出力を設定する。従って、酸素センサにリークが発生しているような場合にもそれによる酸素センサの出力ズレを補正し、触媒下流側に排出される排気ガスがリーン又はリッチに変化したことをより正確に検出することができる。
【００２６】
第９の発明によれば、酸素センサの出力がリーン出力又はリッチ出力となった後、理論空燃比制御を開始して、理論空燃比制御の間に検出される酸素センサの出力に基づいて、酸素センサの劣化の有無が判定される。
【００２７】
ここで、上記のように排気ガスの空燃比がリーン又はリッチな状態から、排気ガスが理論空燃比近傍に変化する過渡的な状態にある場合、排気ガスが理論空燃比付近になると、酸素センサの出力は、理論空燃比に対応する論理的な出力よりもリーン又はリッチ側に偏った出力となる。また、酸素センサのガスシール部に漏れが発生している場合、酸素センサ周囲の排気ガスの酸素濃度は実際の排気ガスよりも高い状態となっているため、理論空燃比付近に対応する出力は、その酸素濃度の増加分に応じてリーン側にずれたものとなる。従って、第９の発明のように、リーン又はリッチな状態から理論空燃比近傍に変化するように制御した場合の酸素センサの出力に基づいて、酸素センサに生じたリークを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２９】
実施の形態１．
[実施の形態１のハードウェア構成]
図１は、この発明の実施の形態１の酸素センサの劣化検出装置が搭載されたシステムの構成を説明するための模式図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。図１においては、１の気筒の断面のみを表しているが、内燃機関１０は実際には複数の気筒を備えている。内燃機関１０の各気筒の吸気ポートには吸気管１２が接続されている。吸気管１２には、燃料噴射弁１４が設けられている。
【００３０】
内燃機関１０の各気筒の排気ポートには、排気管１６が接続されている。排気管１６には、三元触媒を内蔵する触媒１８が設置されている。触媒１８の上流側に空燃比センサ２０が配置されている。空燃比センサ２０は、広い空燃比領域に渡って空燃比に対応した出力電圧を発生するセンサである。また、触媒１８の下流において、排気管１６には酸素センサ２２が配置されている。酸素センサ２２は、その出力値が理論空燃比付近でステップ状に変化するセンサである。
【００３１】
このシステムは、実施の形態１の酸素センサの劣化検出装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）２４を備えている。ＥＣＵ２４の入力ポートには、空燃比センサ２０及び酸素センサ２２、水温センサ（図示せず）、その他の各種センサが接続され、これらのセンサの出力に応じて現在の内燃機関１０の運転状態等に関する情報が検出される。一方、ＥＣＵ２４の出力ポートからは種々の制御信号が発せられて、例えば燃料噴射弁からの燃料噴射時間の制御等、種々の必要な制御が実行される。
【００３２】
図２は、実施の形態１のシステムに搭載されている酸素センサ２２について説明するための模式図であり、図２（ａ）は酸素センサ２２全体を表し、図２（ｂ）は酸素センサのセンサ素子部分を拡大して表している。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、酸素センサ２２はセンサ素子３０を備える。センサ素子３０は一端が閉じられた管状の構造を有している。図２（ｂ）に示すように、管状構造の外側表面は多孔質保護層３２により覆われている。多孔質保護層３２の内側には排気側電極３４が設けられている。排気側電極３４は、多孔質保護層３２を通過した排気ガスに晒される状態となっている。排気側電極３４の内側には固体電解質層３６が設けられている。固体電解質層３６の内側、即ち固体電解質層３６の排気側電極３４とは反対側の面には、大気側電極３８が設けられている。センサ素子３０の内側には、大気室４０が形成されている。大気室４０内には大気が導かれる構造となっている。したがって、大気側電極３８は大気に晒されている。大気室４０内には、ヒータ４２が設置されている。
【００３３】
このように構成されたセンサ素子３０は、図２（ａ）に示すように、排気管１６内において、カバー４４に覆われている。カバー４４にはその内部に排気ガスを導くための複数の通気穴（図示せず）が設けられている。カバー４４は、ハウジング４６により排気管１６内に固定されている。より具体的には、ハウジング４６は、排気管１６側に配置される部分においてカバー４４と係合し、カバー４４上縁部をかしめた状態で排気管１６内に保持している。カバー４４およびハウジング４６内にはセンサ素子３０およびヒータ４２が固定されて支持されている。
【００３４】
センサ素子３０の固体電解質層３６とハウジング４６との接続部は、ガスシール部５２により密閉されている。具体的にガスシール部５２は、金属パッキン５４、固体電解質層３６とハウジング４６との隙間充填されたタルク材５６、タルク材５６上部の絶縁ガラス５８、及び絶縁ガラス５８上部のかしめ用金属リング６０等により構成されている。このように構成されたガスシール部５２及びハウジング４６によって、大気側と排気ガス側とが遮断され、大気と排気ガスとのリークが防止されている。
【００３５】
[酸素センサ劣化による出力の変化について]
図３は、この実施の形態１の酸素センサ２２の出力(起電力)特性を表す図である。図３において、横軸は空燃比を表し、縦軸はセンサ出力[V]を表している。図３の実線(a)は、初期（新品）のバラツキのない酸素センサ２２の出力、換言すると酸素センサ２２の理論的に演算される出力を示す。点線(b)は、初期の酸素センサ２２の出力として許容されるバラツキの上限及び下限側の出力を示す。更に、一点鎖線(c)は経時劣化によりガスシール部５２からの大気のリーク量が増加している酸素センサ２２の出力を表している。図３に示すように、酸素センサ２２は、排気ガス空燃比がリーンからリッチ又はその逆に変化する場合に、理論空燃比近傍において出力を急変させ、リーン側の出力とリッチ側の出力とを反転させる特性を有する。
【００３６】
上記のように酸素センサ２２において、大気とカバー４４内の排気ガスとは、ガスシール部５２により遮断されている。しかし、酸素センサ２２の使用年数が増加するにつれて、ガスシール部５２に劣化が発生しその劣化が進行する。その結果、ガスシール部５２での密閉性が低下し、排気ガス中への大気のリーク量が増加することとなる。大気の排気ガス側へのリーク量が上昇すると、排気ガス中の酸素濃度が増加する。従って、図３の一点鎖線(c)に示すように、酸素センサ２２は、より空燃比がリッチな段階で、空燃比がリーンであることを示す出力を発するようになる。つまり、酸素センサ２２の出力は、特に理論空燃比近傍の出力急変点付近において、初期のバラツキの範囲を越えてリーン側にずれることとなる。
【００３７】
実施の形態１のシステムにおいて、酸素センサ２２は触媒１８の下流側に設置されている。従って、酸素センサ２２が検出する排気ガスは、理論空燃比近傍に浄化された状態となっている。このため、排気ガス側への大気のリーク量は微量であっても、排気ガス中の酸素濃度変化に大きく影響することとなり、酸素センサ２２の出力ズレを生じることとなる。このような酸素センサ２２に生じるリークによる出力ズレは、空燃比制御をより正確に行う上では好ましいものではなく、酸素センサ２２のリークによる出力ズレは早い段階で検出されることが好ましい。
【００３８】
上記のように酸素センサ２２のリークによる出力ズレは、酸素センサ２２の出力の急変点付近（理論空燃比近傍）で大きく現れる。従って、出力急変点付近（理論空燃比近傍）において酸素センサ２２の出力を検出して、この出力と、実際の空燃比に対応する初期の酸素センサの出力との出力ズレを求めることで、酸素センサ２２にリークが発生していることを検出することも考えられる。しかし、出力急変点付近の酸素センサ２２の出力は、僅かな排気ガスの空燃比の変化に対して大きく変化する。従って、出力急変点付近で検出された酸素センサ２２の出力が、実際の空燃比に対応する出力からずれているか否かを検出するためには、実際の空燃比を厳密に推定する必要であるため、精度の高い空燃比制御が要求される。しかし、内燃機関１０の運転中に、触媒１８下流側のごく僅かな排気ガス空燃比の変化まで制御することは困難である。従って、出力急変点付近の酸素センサ２２の出力ズレから、リークによる出力ズレがあるか否かを判断することは困難である。
【００３９】
[酸素センサの劣化検出について]
ところで、触媒１８は、HC、CO等の未燃成分を含むリッチな排気ガス中に酸素を放出し、また、NOx等を含むリーンな排気ガス中の過剰酸素を吸蔵することで、排気ガスの浄化を図る。例えば、内燃機関１０への燃料供給を停止した燃料カット運転中の場合、触媒１８に排気ガスが流入すると排気ガス中の酸素が触媒１８に吸蔵される。この状態が長期に渡って継続されると、やがて、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはや酸素を吸蔵できない状態、すなわち、最大酸素吸蔵状態となる。燃料カット運転が開始し触媒１８が最大酸素吸蔵状態に達すると、触媒１８下流には、酸素過多のリーンな排気ガスが排出され、酸素センサ２２には、リーンな排気ガスが供給される。
【００４０】
このような状態で、内燃機関１０の燃料噴射が開始される場合、空燃比制御の目標値は理論空燃比よりもリッチなリッチ目標空燃比に設定される。これにより触媒１８にはリッチな排気ガスが流入し、触媒１８に吸蔵した酸素が放出されることで排気ガスが再び浄化される状態となる。このように排気ガスが浄化されている間、触媒１８の下流側には理論空燃比近傍の排気ガスが排出される。従って、酸素センサ２２には、理論空燃比近傍の排気ガスが流入する。
【００４１】
図４は、実施の形態１において、上記のように排気ガスの空燃比が変化する場合の酸素センサ２２の出力を表す図である。図４において、横軸は経過時間を表し、縦軸は酸素センサ２２の出力を表している。触媒１８に流入する排気ガスがリーンからリッチに徐変する過渡的な変化の下においては、図４に示すように、酸素センサ２２の出力は以下のような特性をもって変化する。
【００４２】
(1)  内燃機関１０の燃料カット運転中、触媒１８が最大酸素吸蔵状態に達すると、酸素センサ２２の出力はリーン判定値Lotgt以下のリーン出力の出力を示す。
(2)  その後、リッチ目標空燃比への制御が開始されると、触媒１８の浄化作用により排気ガスが理論空燃比近傍に保たれるが、この間、酸素センサ２２の出力は、初期（新品）のバラツキのない酸素センサ２２が理論空燃比に対して示す出力、つまり理論的に演算される出力（基準出力）（以下、「初期中央値」）を示さず、リーン出力よりも僅かに大きなリーン段差出力を定常的に示す。
(3)  その後、触媒１８が最小酸素吸蔵状態に達してリッチな排気ガスの浄化ができない状態となると、酸素センサ２２の出力は急変してリッチ判定値Hitgt以上のリッチ出力を示す。
【００４３】
上記のように、触媒１８下流に排出される排気ガスが理論空燃比近傍に維持されている間、酸素センサ２２が初期中央値より小さなリーン段差出力となるのは、その直前のリーンな排気ガスの影響を受けているためであると考えられる。つまり、このリーン段差出力は初期中央値よりもリーン側に偏っているものの、過渡的な変化の中で触媒１８下流の排気ガス空燃比が理論空燃比に安定して維持されるようになったときに酸素センサ２２が定常的に発する出力であり、排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力であると考えられる。
【００４４】
ここで、酸素センサ２２の劣化によりガスシール部５２からのリークが発生している場合、排気ガスが理論空燃比近傍に浄化されていても、その浄化された排気ガスに大気が混入することとなる。従って、酸素センサ２２に検出対象となる排気ガスは、理論空燃比よりも酸素濃度の高いリーンな状態となる。このため、酸素センサ２２の出力は、理論空燃比に応じたリーン段差出力とならず、酸素の混入量に応じて図４の一点鎖線(b)に示すように、リーン段差出力よりも小さな出力を発することとなる。
【００４５】
従って、これを利用して、触媒１８下流の排気ガスがリーンな状態が維持された後、空燃比がリッチに変化する過程のなかで、排気ガスが触媒１８に浄化されて理論空燃比近傍に安定している場合において発せられる酸素センサ２２のリーン段差出力を検出することで、酸素センサ２２の劣化に伴うガスシール部５２の気密性の低下を検出することができる。
【００４６】
具体的に、酸素センサ２２の劣化の有無を判定においては、より正確に大気のリークに起因するリーン段差出力の低下を検出するため、以下の条件A〜Dの成立を判定開始の条件とする。
(条件A)  内燃機関１０の燃料カット運転が規定時間Tf/c以上継続していること。
(条件B)  内燃機関１０の燃料カット運転の後、空燃比目標値が所定のリッチ目標空燃比A/Frich(例えば13.5程度)に設定されて、空燃比のリッチ制御が実行されること。
(条件C)  アイドル運転状態であること。
(条件D)  吸入空気量が所定の範囲内(例えば、吸入空気量Ga≦5[g/s]以下)であること。
【００４７】
酸素センサ２２の劣化検出は、触媒１８下流の排気ガス空燃比がリーンからリッチに変化する場合の過渡的な出力変化を検出することで行われる。触媒１８の下流に排出される排気ガスがリーンになるためには、触媒１８に十分にリーンな排気ガスが供給されて最大酸素吸蔵状態に達していることが必要となる。このため、条件Aのように、触媒１８が燃料カット時の排気ガスにより最大酸素吸蔵状態に達しうる規定時間Tf/cが設定され、この規定時間Tf/cの経過が、酸素センサ２２の劣化判定の条件とされる。
【００４８】
条件Aが満たされた状態では、触媒１８は酸素を吸蔵できず、リーン空燃比の排気ガスを浄化することができない。このため燃料噴射開始にあたり触媒１８の浄化性能を回復させるため、触媒１８に吸蔵された酸素を放出させる必要がある。従って、目標空燃比はリッチ側の値であるリッチ目標空燃比A/Frichに設定され、リッチな排気ガス浄化により触媒１８の酸素が放出される。このように、リッチ目標空燃比A/Frichに制御され、触媒１８の酸素放出により排気ガスが浄化されると、触媒下流側には理論空燃比近傍の排気ガスが排出される。従って、酸素センサ２２に供給される排気ガスは、リーンから、理論空燃比近傍に一旦安定することとなり、このタイミングでリーン段差出力を確実に検出することができる。従って、条件Bが設定される。
【００４９】
また、酸素センサ２２近傍の排気ガス量が十分に大きくなると、排気管１６内の圧力が高くなる。この場合、例え、ガスシール部５２の気密性が低下してリークが発生するような状態になっていても、大気側から排気ガス側にリークする大気の量は微量となる。この場合、排気ガス量は十分に大きいため、僅かなリーク量ではその影響は小さなものとなるため、ガスシール部５２からのリークは検出されにくいものとなる。このため、条件C、条件Dを検出条件とすることで、排気ガス流量がある程度小さくなるような条件にし、より確実に、ガスシール部５２からのリークによるリーン段差出力への影響を検出できる状態としている。
【００５０】
以上のような条件A〜Dの下で、リーン段差出力が所定の回数繰り返し検出され、その平均値が求められる。この出力平均値VOXSAVEがリーン側の基準出力よりも小さい場合に、酸素センサ２２の劣化有りと判定される。あるいは、例えば、実施の形態１においては、ＥＣＵ２４には図５に示すようなマップが記憶されている。酸素センサ２２のリーク判定後、求められた出力平均値VOXSAVEに応じて、酸素センサ２２のリッチ判定値Hitgtと、リーン判定値Lotgtを設定し、記憶する。それにより、酸素センサ２２の出力がリッチ判定値Hitgtに達した場合にリッチ判定をおこない、リーン判定値Lotgtに達した場合にリーン判定を行う。このマップでは、リーク量が多い場合、即ち、リーン段差出力平均値VOXSAVEが小さい場合程、酸素センサ２２の各判定値が小さくなるように設定される。これにより酸素のリーク分を相殺して、触媒１８下流側の排気ガスがリッチ、あるいはリーンとなっていることを正しく検出することができる。また、例えば、出力平均値VOXSAVEに対する判定値であるリーン側の基準出力をある程度小さく設定し、より大きなリークのみを検出することとして、故障の判断を行い酸素センサ２２の使用を中止することもできる。
【００５１】
図６は、この発明の実施の形態１においてＥＣＵ２４が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンでは、まず、前提条件が成立しているか否が判定される（ステップＳ１０２）。ここでは、内燃機関１０が十分に暖機し、酸素センサ２２が活性温度に達していること、酸素センサ２２の故障が検出されていないこと、触媒１８の所定レベル以上の劣化が検出されていないことなど、通常、内燃機関１０を正常に運転し、触媒１８や酸素センサ２２を正常に機能させるために要求される条件等が整っているか否かが判定される。
【００５２】
次に、実行条件の成立が認められるか否かが判定される。具体的に、まず、条件C、Dが成立しているか否かが判定される（Ｓ１０４）。即ち、内燃機関１０がアイドル運転状態であり、吸入空気量Gaが基準範囲内（ここでは、吸入空気量Ga≦5[g/s]以下）であるか否かが判定される。この条件の成立により、酸素センサ２２のガスシール部５２からのリークの影響が検出されやすい運転状態であるか否かが確認される。次に、現在燃料カット運転中であるか否かが判定される（Ｓ１０６）。これにより、排気ガスがリーンな状態となる運転条件となっているか否かが確認される。ステップＳ１０２、Ｓ１０４及びＳ１０６の条件の成立が認められない場合には、酸素センサ２２の劣化有無の判定が適切に行われる条件が成立していないため、今回の処理は一旦終了する。
【００５３】
一方、ステップＳ１０６において、燃料カット運転中であることが認められると、次に、燃料カット運転の継続時間が、規定時間Tf/c以上となっているか否かが判定される（Ｓ１０８）。この条件の成立が認められない場合には、Ｓ１０８において燃料カット運転の継続時間が規定時間Tf/c以上であることが認められるまで、ステップＳ１０６の燃料カット中であるか否かの確認と継続時間の判定が繰り返し実行される。この間、燃料カット運転でなくなったことが認められると、ステップＳ１０６の条件が不成立となり、今回の処理が終了する。
【００５４】
一方、ステップＳ１０８の条件の成立により、上記条件Aの成立、即ち燃料カット運転が規定時間Tf/c以上継続していることが認められる。これにより、触媒１８が最大酸素吸蔵状態に達し、触媒１８下流側にはリーンな排気ガスが流出する状態となっていることが確認される。
【００５５】
ステップＳ１０８において、燃料カット運転の継続時間が規定時間Tf/c以上となったことが認められた場合、次に、空燃比の制御目標値をリッチ目標空燃比A/Frichとして、リッチ制御が開始される（Ｓ１１０）。これにより、触媒１８に流入する排気ガスがリッチになり、触媒１８下流側に排出される排気ガスは、リーンな状態から理論空燃比に変化する状態となる。
【００５６】
次に、リッチ制御開始後、所定の基準時間Trichが経過したか否かが判定される（Ｓ１１２）。ここではリッチ制御開始後、触媒１８下流に排出される排気ガスが理論空燃比になるまでの間のタイムラグ等を考慮して、酸素センサ２２の出力がリーン段差出力になるまでの間、酸素センサ２２の出力が検出されないようにしている。従って、ステップＳ１１２において所定の基準時間Trichの経過が認められない場合には、ステップＳ１１２において基準時間Trichの経過が認められるまでの間、リッチ制御が続けられた状態で維持される。
【００５７】
一方、ステップＳ１１２において、基準時間Trichの経過が認められると、酸素センサ２２の出力が検出される（Ｓ１１４）。このとき、酸素センサ２２の出力は、酸素センサ２２に劣化が発生していない場合、触媒１８で浄化された理論空燃比近傍の排気ガスに応じたものとなるが、リーンな状態から過渡的に変化する状態での出力となっているため、直前のリーン空燃比に影響を受けたリーン段差出力となる（図４参照）。
【００５８】
次に、酸素センサ２２の出力のモニターが完了したか否かが判定される（Ｓ１１６）。具体的には、後述するステップにおいて、リーン段差出力の平均値を演算するため、所定の回数、酸素センサ２２のリーン段差出力が検出されたか否かが判定される。リーン段差出力の検出回数は、予め定められてＥＣＵ２４に記憶されている。ステップＳ１１６において、モニターの完了が認められない場合には、モニター完了が認められるまで、ステップＳ１１４に戻り、必要なタイミングで酸素センサ２２の出力が繰り返し検出される。
【００５９】
ステップＳ１１６において酸素センサ２２の出力のモニター完了が認められると、次にリーン段差出力の出力平均値VOXSAVEが演算される（Ｓ１１８）。その後、リーン段差出力の出力平均値VOXSAVEに基づいて、マップに従って、理論空燃比に対応する酸素センサ２２の出力である中央値a、及び空燃比制御において用いられる酸素センサ２２のリーン判定値Lotgt、リッチ判定値Hitgtが設定され（Ｓ１２０）、この中央値a、リーン判定値Lotgt及びリッチ判定値Hitgtが、ＥＣＵ２４に記憶される（Ｓ１２２）。その結果、新たに設定された酸素センサ２２の判定値に応じて、触媒１８下流側に流出する排気ガスがリーンとなっているか、リッチとなっているかが判定される。
【００６０】
以上説明したように、実施の形態１によれば、酸素センサ２２の劣化の有無を、燃料カット運転から、通常の燃料噴射運転に移行する過程のなかで、確実に判定することができる。
【００６１】
なお、例えば、実施の形態１において、燃料カット運転を行うことで、この発明の「第１空燃比制御手段」が実現し、その後、リッチ制御を行うことで「第２制御手段」が実現する。また、図６のステップＳ１１４が実行されることで、この発明の「変化出力検出手段」が実現し、ステップＳ１２０〜Ｓ１２２が実行されることで「劣化判定手段」が実現し、ステップＳ１１０が実行されることで「経過時間判定手段」が実現し、ステップＳ１１８が実行されることで「演算手段」が実現し、ステップＳ１２０が実行されることで「出力設定手段」が実現する。
【００６２】
なお、実施の形態１では、燃料カット運転から、燃料噴射運転に移行する場合に、酸素センサ２２の劣化判定を行う場合について説明した。しかし、酸素センサ２２の劣化判定は、必ずしもこのタイミングで行うものに限らず、例えば、目標空燃比をリーン側からリッチ側の空燃比に切り替えるような空燃比制御において、適用することができる。この場合にも、目標空燃比がリーン側に制御されてから十分に時間が経過するように条件を設定すればよい。これにより、触媒１８下流側の排気ガスが一度リーンになり、その後リッチ側に制御されることで触媒１８下流側の排気ガスは理論空燃比近傍に安定する。従って、燃料カット運転の場合と同様に、リーン制御における目標空燃比やその制御時間、リッチ制御における目標空燃比とその制御時間等を予め実験等により求めて設定しておけば、同様の制御を実行することができる。
【００６３】
また、この発明は、触媒１８上流の排気ガスの空燃比がリーンからリッチに変化する場合に限るものでもない。空燃比が十分にリッチ側にされた後、リーン目標空燃比に制御されると、触媒１８の浄化作用により触媒１８下流の排気ガスはしばらくの間、理論空燃比近傍に安定する。この間、酸素センサ２２はリッチ出力よりも僅かに小さいリッチ段差出力を定常的に発する。このリッチ段差出力の値は、排気ガスの酸素濃度に応じたものであり、従って、大気のリークによって、排気ガスに大気が混入している場合にはリッチ段差出力は小さくなる。従って、リーンからリッチに変化する場合と同様に、リッチからリーンに変化する場合にも、触媒１８下流に排出される排気ガスが理論空燃比近傍に安定した段階でリッチ段差出力の出力平均値を求めることで、酸素センサ２２の劣化検出を行うことができる。
【００６４】
ただし、リッチ側からリーン側への変化を検出する場合、燃料カット時のように、目標空燃比の値を明確に定め、上記の実行条件A〜Dのような安定してリークを検出できるような条件を定めることは困難である。このため、燃料リッチの場合、そのリッチな度合いを特定することが困難であり、また、それに対する酸素リークの影響を特定することは困難となる。従って、より正確な劣化判定のためには、リーンからリッチへの空燃比変化時の劣化検出を行うことがより望ましい。
【００６５】
また、上記の実行条件B〜Dについても、この発明を限定するものではない。条件A〜Dは、より高い精度で劣化の判定を行うために設定された条件である。しかしながら、例えば、条件Bのリッチ目標空燃比は13.5程度と例示したが、この値に限定されるものではなく、触媒１８の浄化性能や、あるいは燃料の性状等を考慮して適切な空燃比に設定することができる。ただし、リーン段差出力を検出する場合には、リーン側からリッチ側の目標空燃比への切り替えが必要であり、リッチ段差出力を検出する場合には、リッチ側からリーン側への目標空燃比の切り替えが必要となる。これについては、後述の実施の形態２についても同様である。
【００６６】
また、アイドル運転状態であること（条件C）や吸入空気量が所定の範囲内であること(条件D)を条件とする場合について説明したが、この発明はこの条件に限定されるものではない。これらの条件はより高い精度で大気のリークを検出するために設定したものであるが、他の条件の設定により気密性低下による大気のリークを検出しやすい状態としてもよく、あるいは、そのような条件が特別に設定されているものでなくてもよい。これについては、後述の実施の形態２についても同様である。
【００６７】
また、実施の形態１では、リッチ制御開始後、基準時間Tf/c経過が認められた後、リーン段差出力の検出を開始する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、リッチ制御開始後、直ちにリーン段差出力の検出を行うものであってもよい。また、例えば、リッチ制御開始後直ちに、酸素センサ２２の出力を検出し、出力がリーン側基準値Vlean以上(初期中央値＞Vlean＞Lotgt)以上となったか否かを判定し、出力が、リーン側基準値Vlean以上となったことが認められた場合に、リーン段差出力を検出するようにすることもできる。なお、このような制御において、リッチ制御開始後に検出される酸素センサ２２の出力が、リーン側基準値Vrich以上であるか否かが判定されることで、この発明の「センサ出力判定手段」が実現する。また、リッチ側からリーン側に空燃比を変化させる場合も同様である。つまり、リーン制御開始後、酸素センサ２２の出力がリッチ側基準値(初期中央値＜Vrich＜Hitgt)以下となったか否かを判定し、出力が、リッチ側基準値Vrich以下となったことが認められた場合に、リッチ段差出力を検出すればよい。なお、このような制御において、リーン制御開始後に検出される酸素センサ２２の出力が、リッチ側基準値Vrich以下であるか否かが判定されることで、この発明の「センサ出力判定手段」が実現する。これについては、実施の形態２についても同様である。
【００６８】
また、実施の形態１では、リーン段差出力を、所定の回数繰り返し検出し、その出力平均値に基づいて、劣化判定、あるいは判定値Lotgt、Hitgtを設定する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、リーン段差出力（又はリッチ段差出力）の検出時間を設定して、その検出時間の間、繰り返し検出するようにしてもよい。あるいは、リーン段差出力として検出されるべき出力の上限を、例えば、リークの発生していない初期の酸素センサ２２のリーン段差出力よりも僅かに大きな値に設定し、この値よりもリーン段差出力が小さくなっている場合に、リーン段差出力の検出を繰り返し、検出された出力に基づいて、出力平均値を求めるものとしてもよい。同様に、リッチ段差出力を検出する場合にも、リッチ段差出力として検出されるべき出力の下限を設定して、繰り返し出力を検出するものとしてもよい。またこの発明は、このように出力平均値VOXSAVEを求めるものに限らず、リーン段差出力（又はリッチ段差出力）の一度の検出値に基づいて、劣化判定あるいは判定値Lotgt、Hitgtの設定を行うこととしてもよい。これについては実施の形態２についても同様である。
【００６９】
また、実施の形態１においては、リーン段差出力後に出力平均値VOXSAVEを求めて、劣化検出を行う場合や、リーン判定値Lotgt、リッチ判定値Hitgtの設定を行う場合について説明した。しかし、この発明において、リーン段差出力（又はリッチ段差出力）に基づくリークの検出時において行う処理は、実施の形態１に説明したものに限るものではなく、他の処理を行うこととしてもよい。これについては実施の形態２についても同様である。
【００７０】
また、実施の形態１においては、酸素センサ２２が触媒１８下流側に配置されている場合の制御について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、酸素センサ２２が例えば触媒１８上流側に配置されている場合にも適用することができる。しかしながら、リーン段差出力（又はリッチ段差出力）は、酸素センサ２２の出力がリーン出力（又はリッチ出力）となった後で、一度、理論空燃比近傍に安定した状態で検出される必要がある。従って、酸素センサ２２が触媒１８の上流側に配置される場合には、リーン出力（又はリッチ出力）が発せられた後、一定時間、空燃比を理論空燃比に制御して、この状態において、酸素センサ２２の出力を検出すればよい。なお、この制御の場合、理論空燃比に制御することで、この発明の「第２空燃比制御手段」が実現し、このときの酸素センサ２２の出力を検出することで「理論空燃比出力検出手段」が実現する。
【００７１】
実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、実施の形態１のシステムと同様の構成を有している。実施の形態２のシステムは、触媒１８の劣化判定中に酸素センサ２２の劣化判定を行う点を除き、実施の形態１と同様の制御を行う。
【００７２】
[触媒の劣化判定制御について]
上記のように触媒１８は、HC、CO等の未燃成分を含むリッチな排気ガス中に酸素を放出し、また、NOx等を含むリーンな排気ガス中の過剰酸素を吸蔵することで、排気ガスの浄化を図る。従って、触媒１８の浄化能力は、最大限放出あるいは吸蔵することができる酸素量である酸素吸蔵容量により決定される。つまり、触媒１８の浄化能力は、その酸素吸蔵容量が減少するにつれて低下することとなる。そこでこのシステムでは、酸素吸蔵容量を検出し、その検出値に基づいて触媒１８の劣化判定を行う制御が実行される。
【００７３】
具体的に、まず、酸素吸蔵容量検出中は、内燃機関１０に供給される混合気の空燃比がリッチ目標空燃比又はリーン目標空燃比になるように強制的に制御される。以下、酸素吸蔵容量検出の際に行われる混合気の空燃比の制御を「空燃比強制制御」と称することとする。
【００７４】
空燃比強制制御中、内燃機関１０の目標空燃比がリッチ目標空燃比A/Frichに設定されている間は、触媒１８には、HCやCOなどの未燃成分を含む酸素不足の排気ガスが供給される。このような排気ガスが供給されると、触媒１８は吸蔵している酸素を放出して、HCやCOを酸化することで排気ガスを浄化しようとする。そして、長期に渡ってその状態が継続されると、やがて触媒１８は全ての酸素を放出して、もはやHCやCOを酸化できない状態、すなわち、最小酸素吸蔵状態となる。
【００７５】
触媒１８が最小酸素吸蔵状態に達すると、触媒１８の内部では排気ガスが浄化されなくなる。このため触媒１８の下流側にリッチな排気ガスが流出し始める。その結果、酸素センサ２２の出力は、リッチ判定値Hitgtより大きなリッチ出力となる。従って、酸素センサ２２の出力を観察することで、触媒１８が最小酸素吸蔵状態に達した時期が判断される。
【００７６】
酸素センサ２２の出力がリッチ出力を発し、最小酸素吸蔵状態が検出されると、内燃機関１０の目標空燃比は強制的にリーン目標空燃比A/Fleanに切り替えられる。空燃比がリーンに制御されると、触媒１８にリーンな排気ガスが流入し始める。リーンな排気ガスが流入している間、触媒１８は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵して、NOxを還元することでその浄化を図る。この状態が長期に渡って継続されると、やがて、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはやNOxを還元できない状態、すなわち、最大酸素吸蔵状態となる。
【００７７】
この状態となると、以後、触媒１８の下流側には、リーンな排気ガスが流出し始め、酸素センサ２２の出力はリーン判定値Lotgtより小さなリーン出力となる。従って、酸素センサ２２の出力を観察することで、触媒１８の下流に酸素過多な排気ガスが流れる時期、すなわち、触媒１８が最大酸素吸蔵状態に達した時期が判断される。
【００７８】
酸素センサ２２の出力が、リーン出力を発し最大酸素吸蔵状態が検出されると、内燃機関１０の目標空燃比は、再び、強制的にリッチ目標空燃比に切り替えられる。触媒１８は、吸蔵した酸素を放出することで流入するリッチな排気ガスを酸化させ、その後、最小酸素吸蔵状態に達する。
【００７９】
上記の処理の結果、触媒１８が酸素を放出しきった状態（最小酸素吸蔵状態）と、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵した状態（最大酸素吸蔵状態）とが繰り返し実現される。この最小酸素吸蔵状態と最大酸素吸蔵状態とから、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程（酸素吸蔵期間）の酸素吸蔵量、及び、最大酸素吸蔵状態から最小酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程（酸素放出期間）の酸素吸蔵量が求められる。なお、以下、酸素が吸蔵される場合を正、酸素が放出される場合を負として、それらの酸素量を何れの場合も酸吸蔵量と称する。その後、酸素吸蔵容量が所定の判定値より大きいか否かに基づいて、触媒１８が正常であるか、あるいは、劣化しているかが判断される。
【００８０】
[空燃比強制制御実行時の酸素センサの劣化検出]
ところで、上記のような触媒１８の劣化判定時の空燃比強制制御時に、空燃比がリーン制御され触媒１８が最大酸素吸蔵状態に達すると、触媒１８下流側に排出される排気ガスはリーンとなる。酸素センサ２２がリーン出力を発すると、目標空燃比がリッチ目標空燃比A/Frichに強制的に切り替えられ、リッチ制御が開始される。このとき触媒１８は最大酸素吸蔵状態となっているため、リッチな排気ガスが触媒１８内に流入すると、吸蔵された酸素が放出され排気ガスが浄化される。従って、触媒１８下流側の排気ガスは理論空燃比近傍に一旦安定する。
【００８１】
このように、空燃比強制制御中、酸素センサ２２側に流れる排気ガスは、リーンな状態から、一度、理論空燃比近傍に安定し、触媒１８が最小酸素吸蔵状態になった後でリッチに変化する。従って、酸素センサ２２に到達する排気ガスは、実施の形態１のように、燃料カット運転から目標空燃比をリッチ目標空燃比に切り替えた場合と同様の挙動を示す（図４参照）。つまり、排気ガスがリーンな状態を示している間、酸素センサ２２出力はリーン出力（≦Lotgt）側に振れるが、その後、リッチ制御に切り替えられた後、排気ガスが理論空燃比近傍に保たれると、リーン判定値Lotgtよりも僅かに大きなリーン段差出力を発する。その後、排気ガスがリッチな状態に達すると酸素センサ２２の出力は急変してリッチ出力を示す。
【００８２】
また、上述したように、酸素センサ２２の劣化によるリークが発生している場合、排気ガスが理論空燃比近傍に浄化されていても、その浄化された排気ガスに大気が混入することとなるため、酸素センサ２２は理論空燃比よりもリーンな排気ガス空燃比に応じた出力を発することとなる。つまり、リーン段差出力が、正常な酸素センサ２２のリーン段差出力よりも小さなものとなる。
【００８３】
従って、触媒１８が最大酸素吸蔵状態に達した後、最小酸素吸蔵状態に達するまでの過程で、酸素センサ２２のリーン段差出力を検出することで、実施の形態１のシステムと同様に酸素センサ２２の劣化検出を行うことができる。
【００８４】
具体的な、酸素センサ２２の劣化の有無を判定は、実施の形態１と同様の制御に行うことができる。ただし、触媒１８の劣化判定中に劣化判定を行うため、上記の条件A〜Dに代えて、下記の条件a〜dの成立が必要とされる。
(条件a)  内燃機関１０の触媒劣化判定のための空燃比強制制御中であること。
(条件b)  触媒１８が、最大酸素吸蔵状態に達し、空燃比目標値がリッチ側に切り替えられたこと。
(条件c)  アイドル運転状態であること。
(条件d)  吸入空気量が所定の範囲内(例えば、吸入空気量Ga≦5[g/s]以下)であること。
【００８５】
このような条件の下で、リーン段差出力が、触媒１８の劣化判定中に繰り返し検出され、その出力平均値VOXSAVEが求められる。このリーン段差出力の出力平均値VOXSAVEが、基準の出力よりも小さい場合に、酸素センサ２２の劣化の判定を行う。また、実施の形態２においても、ＥＣＵ２４には図５に示すマップが記憶されている。酸素センサ２２のリーク判定後、リーク段差出力平均値VOXASAVEに応じて、酸素センサ２２のリッチ側のリッチ判定値Hitgtと、リーン側のリーン判定値Lotgtとが設定され、記憶される。それにより、酸素センサ２２の出力がリッチ判定値に達したか否かに基づいてリッチ判定が行われ、リーン判定値に達したか否かに基づいてリーン判定が行われる。このマップでは、リーク量が多い場合、即ち、リーン段差出力の平均値が小さい場合程、酸素センサ２２のリッチ、リーン判定値が小さくなるように設定される。従って、酸素のリーク分を相殺して、触媒１８下流側の排気ガスがリッチ、あるいはリーンとなっていることを正しく検出することができる。
【００８６】
以上説明したように、この実施の形態２においては触媒１８の劣化判定と、酸素センサ２２の劣化判定を同時に行うことができる。内燃機関１０から排出される排気ガスは、まず触媒１８で浄化される。従って、常に適正な排気ガスの浄化能力を発揮させるためには、特に、触媒１８の劣化を速やかに検知することが必要となる。また、上記のように空燃比強制制御においてリッチまたはリーンを切り替える時期は、酸素センサ２２の出力に基づいて判断される。従って、酸素センサ２２の出力にズレが発生すると、より長い時間に渡って、リッチあるいはリーンに偏った排気ガスが排気間１６の下流側にそのまま排出されることになる。このため、空燃比強制制御時におけるリッチ又はリーンへのズレを早い段階で検出できることが望ましい。この点、実施の形態２によれば、両者を共に実現することができ、排気ガスエミッションを低減することができる。
【００８７】
なお、実施の形態２において、最小酸素吸蔵状態と最大酸素吸蔵状態とを繰り返し実現し、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程（酸素吸蔵期間）の酸素吸蔵量、又は最大酸素吸蔵状態から最小酸素吸蔵状態へ状態が変化する過程（酸素放出期間）の酸素吸蔵量を検出することで、この発明の「酸素吸蔵量検出手段」が実現し、この酸素吸蔵量に基づいて触媒１８の劣化を判定することで「触媒劣化手段」が実現する。
【００８８】
また、実施の形態２において、最大酸素吸蔵状態からリッチ制御を行う過程で検出されるリーン段差出力に基づいて、酸素センサ２２の劣化を検出する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、最小酸素吸蔵状態からリーン制御を行う過程で検出されるリッチ段差出力に基づいて、酸素センサ２２の劣化を検出するようにしてもよい。
【００８９】
また、触媒１８の劣化検出においては、最小酸素吸蔵状態と最大酸素吸蔵状態が繰り返し実現される。従って、最大酸素吸蔵状態から最小酸素吸蔵状態に変化する過程において毎回、１又は２以上のリーン段差出力を検出して、その出力平均値を演算することとしてもよく、一度の変化の過程においてのみ、複数回、リーン段差出力を検出して、この出力平均値を演算することとしてもよい。リッチ段差出力を検出する場合についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】この発明の実施の形態１における空燃比センサを説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における空燃比センサについて説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における空燃比センサの出力特性について説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態１における空燃比センサの出力特性について説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１において設定される酸素センサの出力と空燃比制御目標値との関係を定めた図である。
【図６】この発明の実施の形態１においてＥＣＵが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９１】
１０  内燃機関
１２  吸気管
１４  燃料噴射弁
１６  排気管
１８  触媒
２０  空燃比センサ
２２  酸素センサ
２４  ＥＣＵ
３０  センサ素子
３２  多孔質保護層
３４  排気側電極
３６  固体電解質層
３８  大気側電極
４０  大気室
４２  ヒータ
４４  カバー
４６  ハウジング
５２  ガスシール部
５４  金属パッキン
５６  タルク材
５８  絶縁ガラス
６０  かしめ用金属リング
【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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