(57)【要約】【課題】本発明は、触媒下流の酸素センサの異常を、内燃機関の運転状態に関わらず、常に最短の時間で判定することを目的とする。【解決手段】触媒の上流に空燃比センサを、その下流に酸素センサを配置する。酸素センサがリッチ出力を発生し（ステップ１０８）、かつ、空燃比センサがリーン出力を発生している期間中（ステップ１１０）に、触媒に流入する酸素量を積算して触媒の酸素吸蔵能力Ｃｍａｘを求める（ステップ１１４）。計算上の酸素吸蔵可能量Ｃｍａｘが、触媒の最大酸素吸蔵量αを超えた場合に（ステップ１１６）、酸素センサの異常を判定する（ステップ１１８）。【選択図】　　　　図５
2004019542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを浄化する触媒の下流に配置された酸素センサの異常を検出する異常検出装置であって、
前記触媒の上流に配置され、排気空燃比に応じた出力を発する上流側センサと、
前記酸素センサがリッチ出力を発生し、かつ、前記上流側センサがリーン出力を発生している期間中に前記触媒に流入する排気ガス中の酸素量を積算することで前記触媒の計算上の酸素吸蔵能力を求める吸蔵時能力算出手段、および、前記酸素センサがリーン出力を発生し、かつ、前記上流側センサがリッチ出力を発生している期間中に前記触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量を積算することで前記触媒の計算上の酸素吸蔵能力を求める放出時能力算出手段のうち少なくとも一方と、
前記計算上の酸素吸蔵可能量が、前記触媒の最大酸素吸蔵量を超えた場合に、前記酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
【請求項２】
前記上流側センサは、排気空燃比を検出する空燃比センサであり、
前記上流側センサにより検出される空燃比と理論空燃比との差ΔＡ／Ｆを求める空燃比差算出手段と、
内燃機関に対する燃料供給量を検出する燃料供給量検知手段とを備え、
前記吸蔵時能力算出手段は、前記ΔＡ／Ｆと前記燃料供給量とに基づいて排気ガス中の酸素量を算出する酸素量算出手段を備え、
前記放出時能力算出手段は、前記ΔＡ／Ｆと前記燃料供給量とに基づいて排気ガス中の酸素不足量を算出する酸素不足量算出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項３】
前記吸蔵時能力算出手段との組み合わせで用いられる強制リーン手段、および前記放出時能力算出手段との組み合わせで用いられる強制リッチ手段のうち少なくとも一方を備え、
前記強制リーン手段は、前記酸素センサがリッチ出力を発している間、内燃機関に供給される混合気の目標空燃比をリーンにする手段であり、
前記強制リッチ手段は、前記酸素センサがリーン出力を発している間、前記混合気の目標空燃比をリッチにする手段であることを特徴とする請求項１または２記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項４】
前記強制リーン手段および前記強制リッチ手段の双方を備えると共に、
前記強制リッチ手段および前記強制リーン手段を連続的に機能させることにより、前記酸素センサの出力が反転する毎に前記目標空燃比をリッチとリーンの間で反転させる反転制御手段を備えることを特徴とする請求項３記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項５】
前記酸素センサの異常が判定された場合に、前記強制リーン手段による前記目標空燃比の設定、および前記強制リッチ手段による前記目標空燃比の設定を禁止する強制設定禁止手段を備えることを特徴とする請求項３または４記載の酸素センサの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサの異常検出装置に係り、特に、排気ガスを浄化する触媒の下流に配置された酸素センサの異常を検出する異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平６−２７３３７１号公報に開示されるように、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒の下流に酸素センサを備えたシステムが知られている。このシステムは、酸素センサがリーン出力を発している場合に、内燃機関に供給する混合気の空燃比をリッチにし、その後、所定時間が経過するまでに酸素センサの出力がリッチ出力に反転しない場合にセンサの異常を判定する機能を有している。
【０００３】
混合気の空燃比がリッチとされると、触媒には、ＨＣやＣＯなどの未燃成分を含む排気ガス、すなわち、酸素の不足した排気ガスが流入する。触媒内に酸素が吸蔵されている場合は、その酸素が放出されることにより、触媒内部でＨＣやＣＯが酸化される。その結果、触媒の下流には、ＨＣやＣＯを含まない清浄な排気ガスが流出する。
【０００４】
混合気の空燃比がリッチのまま維持されると、やがて触媒内の酸素が全て消費され、触媒の下流にＨＣやＣＯを含む排気ガス、すなわち、酸素の不足した排気ガスが流出する。正常な酸素センサは、このような排気ガスに触れると、その出力をリッチ出力に反転させる。上記従来の装置は、混合気の空燃比をリッチにした後、触媒内の全ての酸素が消費されるのに要する時間が経過しても酸素センサの出力が反転しない場合に、そのセンサの異常を判定する。このような手法によれば、酸素センサの異常を精度良く検知することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒内の全ての酸素が消費されるのに要する時間は、触媒に流れ込む排気ガスの流量に応じて変化する。そして、触媒に流れ込む排気ガスの流量は、内燃機関の運転状態に応じて変化する。このため、上記従来のシステムにおいて、空燃比がリッチにされた後、触媒内の全ての酸素が消費されるのに要する時間は、内燃機関の運転状態等に応じて変化する。
【０００６】
このような状況の下で、常に正確に酸素センサの異常を判断するためには、上述した所定時間、つまり、空燃比をリッチにした後、センサ出力の反転を待つべき時間を、排気ガス流量が最小であるものとして設定することが必要となる。このため、上記従来のシステムにおいては、多量の排気ガスが生じているような状況下では、混合気がリッチとされた後、酸素センサの異常が判定されるまでに、不必要に長い時間を要することがあった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、触媒の下流に配置された酸素センサの異常を、内燃機関の運転状態に関わらず、常に最短の時間で判定することのできる異常検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気ガスを浄化する触媒の下流に配置された酸素センサの異常を検出する異常検出装置であって、
前記触媒の上流に配置され、排気空燃比に応じた出力を発する上流側センサと、
前記酸素センサがリッチ出力を発生し、かつ、前記上流側センサがリーン出力を発生している期間中に前記触媒に流入する排気ガス中の酸素量を積算することで前記触媒の計算上の酸素吸蔵能力を求める吸蔵時能力算出手段、および、前記酸素センサがリーン出力を発生し、かつ、前記上流側センサがリッチ出力を発生している期間中に前記触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量を積算することで前記触媒の計算上の酸素吸蔵能力を求める放出時能力算出手段のうち少なくとも一方と、
前記計算上の酸素吸蔵可能量が、前記触媒の最大酸素吸蔵量を超えた場合に、前記酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記上流側センサは、排気空燃比を検出する空燃比センサであり、
前記上流側センサにより検出される空燃比と理論空燃比との差ΔＡ／Ｆを求める空燃比差算出手段と、
内燃機関に対する燃料供給量を検出する燃料供給量検知手段とを備え、
前記吸蔵時能力算出手段は、前記ΔＡ／Ｆと前記燃料供給量とに基づいて排気ガス中の酸素量を算出する酸素量算出手段を備え、
前記放出時能力算出手段は、前記ΔＡ／Ｆと前記燃料供給量とに基づいて排気ガス中の酸素不足量を算出する酸素不足量算出手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記吸蔵時能力算出手段との組み合わせで用いられる強制リーン手段、および前記放出時能力算出手段との組み合わせで用いられる強制リッチ手段のうち少なくとも一方を備え、
前記強制リーン手段は、前記酸素センサがリッチ出力を発している間、内燃機関に供給される混合気の目標空燃比をリーンにする手段であり、
前記強制リッチ手段は、前記酸素センサがリーン出力を発している間、前記混合気の目標空燃比をリッチにする手段であることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記強制リーン手段および前記強制リッチ手段の双方を備えると共に、
前記強制リッチ手段および前記強制リーン手段を連続的に機能させることにより、前記酸素センサの出力が反転する毎に前記目標空燃比をリッチとリーンの間で反転させる反転制御手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第３または第４の発明において、
前記酸素センサの異常が判定された場合に、前記強制リーン手段による前記目標空燃比の設定、および前記強制リッチ手段による前記目標空燃比の設定を禁止する強制設定禁止手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。
【００１５】
吸気通路１２には、エアフィルタ１６の下流にエアフロメータ１８が配置されている。エアフロメータ１８は、吸気通路１２を流れる吸入空気量Ｇａを検出するセンサである。エアフロメータ１８の下流には、スロットルバルブ２０が設けられている。更に、吸気通路１２には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２２が配置されている。
【００１６】
排気通路１４には、触媒２４が連通している。触媒２４は、ある程度の酸素を吸蔵することができ、排気ガス中にＮＯｘが含まれている場合は、それらを還元することで排気ガスを浄化すると共に、その還元の過程で放出された酸素を吸蔵することができる。また、触媒２４は、排気ガス中にＨＣやＣＯなどの未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を放出しながらそれらを酸化することで、排気ガスを浄化することができる。
【００１７】
排気通路１４には、また、触媒２４の上流に空燃比センサ２６が配置されていると共に、触媒２４の下流に酸素センサ２８が配置されている。空燃比センサ２６は、排気空燃比に応じた出力を発するセンサである。空燃比センサ２６によれば、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガスの空燃比、すなわち、触媒２６により浄化される以前の排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００１８】
酸素センサ２８は、排気ガス中の酸素の有無に応じて出力を大きく変化させるセンサである。従って、酸素センサ２８によれば、触媒２４の下流に流出してくる排気ガス中に酸素が存在するか否かを精度良く検知することができる。
【００１９】
図２は、酸素センサ２８の構成を説明するための図である。図２に示すように、酸素センサ２８は、ヒータ３０と、素子層３２とを備えている。素子層３２は、ヒータ３０を取り囲むように構成されている。素子層３２には、ヒータ３０の先端付近を取り囲むように形成された電極３４が組み込まれている。また、素子層３２の内部には、大気の供給を受ける大気空間３６が形成されている。更に、素子層３２の外部には、カバー３８で囲まれた測定ガス室４０が形成されている。
【００２０】
電極３４は、大気室３６に露出した面、および測定ガス室４０に露出した面において、それぞれ、酸素の有無に応じた起電力を発する。酸素センサ２８は、その起電力差をセンサ出力として出力する。測定ガス室４０に酸素を含む排気ガスが導かれた場合は、電極３４が、大気室３６に露出した面においても、測定ガス室４０に露出した面においても、共に酸素の存在に対応した起電力を発する。この場合、酸素センサ２８は、ほぼ０Ｖの出力を発する。
【００２１】
一方、測定ガス室４０に酸素を含まない排気ガスが導かれた場合は、電極３４は、大気室３６に露出した面においては酸素の存在に対応した起電力を発し、測定ガス室４０に露出した面においては酸素の不存在に対応した起電力を発する。この場合、酸素センサ２８は、約１Ｖの出力を発する。
【００２２】
以上説明した通り、酸素センサ２８は、触媒２４の下流に流出してくる排気ガス中に酸素が含まれているか否かに応じて出力を大きく変化させる。このため、酸素センサ２８の出力によれば、触媒２４の下流に、酸素を含む排気ガスが流出しているのか、或いは、酸素を含まない排気ガスが流出しているのかを、精度良く検知することができる。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、本実施形態のシステムの動作を制御するためのユニットである。ＥＣＵ５０には、上述した各種センサの出力が供給されていると共に、上述した燃料噴射弁２２が接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、燃料噴射量を制御することができる。
【００２４】
次に、本実施形態のシステムの動作について説明する。
本実施形態において、ＥＣＵ５０は、通常の運転時には、ストイキ制御を実行する。ストイキ制御では、内燃機関１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍に維持されるように燃料噴射量が制御される。より具体的には、空燃比センサ２６により検出される排気空燃比が、理論空燃比を挟んで小さな幅でリッチとリーンを繰り返すように燃料噴射量が制御される。
【００２５】
排気空燃比がリーンである間は、ＮＯｘを含む排気ガスが触媒２４に流入する。この際、触媒２４は、Ｎ０ｘを還元することで排気ガスを浄化しつつ、その結果生成された酸素を吸蔵する。従って、排気空燃比がリーンである間、触媒２４内の酸素吸蔵量は増加傾向を示す。排気空燃比がリッチに反転すると、ＨＣやＣＯを含む排気ガスが触媒２４に流入する。この際、触媒２４は、吸蔵している酸素を放出しながらＨＣやＣＯを酸化する。その結果、触媒２４の下流には清浄な排気ガスが流出する。
【００２６】
ＥＣＵ５０がストイキ制御を実行している間は、上述した触媒２４による酸素の吸蔵と放出とが繰り返される。その結果、触媒２４の下流には、継続的に、清浄な排気ガスが流出する。このため、本実施形態のシステムによれば、通常の運転時には、良好な排気エミッション特性を実現することができる。
【００２７】
ＥＣＵ５０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、酸素センサ２８の出力が反転する毎に、混合気の目標空燃比が、所定のリッチ目標値（例えば１４．１）と所定のリーン目標値（例えば１５．１）との間で反転される。
【００２８】
図３は、酸素センサ２８が正常に機能している状況下でアクティブ制御が実行された場合のシステムの動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、アクティブ制御の実行中における目標空燃比の変化（波形▲１▼）および空燃比センサ２６により検出された排気空燃比Ａ／Ｆの変化（波形▲２▼）を示す。更に、図３（Ｂ）は、酸素センサ２８の出力の変化（波形▲３▼）を示す。
【００２９】
図３に示すタイミングチャートは、時刻ｔ１までストイキ制御が実行され、その後、アクティブ制御が開始された場合の例を示している。この例では、時刻ｔ１に、酸素センサ２８の出力がリッチ出力からリーン出力に反転していると共に、アクティブ制御の開始に伴って、目標空燃比が理論空燃比からリッチ目標値に変更されている。
【００３０】
目標空燃比がリッチ目標値とされると、その後、ＥＣＵ５０は、空燃比センサ２６によって検出される排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ目標値に到達するまで燃料噴射量を徐々に増加させる。その結果、排気空燃比Ａ／Ｆは、時刻ｔ１の後、ある程度の遅延の後にリッチ目標値近傍の値となる。
【００３１】
排気空燃比Ａ／Ｆがリッチな値に維持されている間、触媒２４には、リッチな排気ガス、つまり、ＨＣやＣＯを含む酸素不足の排気ガスが流入する。吸蔵酸素を保有している触媒２４に、このような酸素不足の排気ガスが流入すると、触媒２４内の酸素が放出されて、ＨＣやＣＯの酸化（浄化）が行われる。そして、この場合、触媒２４の下流には、酸素を含む清浄な排気ガスが流出する。このため、触媒２４が吸蔵酸素を保有している間は、その下流に位置する酸素センサ２８の出力は、リーン出力のまま維持される。
【００３２】
図３において、時刻ｔ２は、触媒２４内の吸蔵酸素の全てが放出された時点を示している。触媒２４内の全ての吸蔵酸素が放出されると、触媒２４は、排気ガス中に酸素を放出することができなくなる。このため、そのような状況に至ると、その後、触媒２４の下流には、ＨＣやＣＯを含む酸素不足の排気ガスが流出し始める。その結果、時刻ｔ２において、酸素センサ２８の出力は、リーン出力からリッチ出力に反転している。
【００３３】
ＥＣＵ５０は、このようにして酸素センサ２８の出力が反転した時点で、触媒２４が、全ての吸蔵酸素を放出した状態にあることを認識することができる。アクティブ制御では、酸素センサ２８の出力がこのように反転した場合、その時点（ｔ２）で、目標空燃比をリーン目標値に反転させる。
【００３４】
時刻ｔ２において、目標空燃比がリーン空燃比に変更されると、その後、ＥＣＵ５０は、空燃比センサ２６によって検出される排気空燃比Ａ／Ｆがリーン目標値に達するまで、燃料噴射量を徐々に減少させる。その結果、排気空燃比Ａ／Ｆは、時刻ｔ２の後、ある程度の遅延の後にリーン目標値近傍の値となる。
【００３５】
排気空燃比Ａ／Ｆがリーンな値に維持されている間、触媒２４には、リーンな排気ガス、つまり、ＮＯｘを含む酸素過多の排気ガスが流入する。酸素の吸蔵能力に余力のある触媒２４に、ＮＯｘを含む排気ガスが流入すると、触媒２４は、ＮＯｘを還元しつつ、その結果生じた酸素を吸蔵する。この場合、触媒２４の下流には、酸素を含まない清浄な排気ガスが流出する。このため、触媒２４の酸素吸蔵能力に余力がある間は、その下流に位置する酸素センサ２８の出力は、リッチ出力のまま維持される。
【００３６】
図３において、時刻ｔ３は、触媒２４内に酸素吸蔵能力一杯の酸素が吸蔵された時点を示している。触媒２４が能力一杯に酸素を吸蔵すると、その後、排気ガス中の酸素が触媒２４の下流に流出し始める。その結果、時刻ｔ３において、酸素センサ２８の出力は、リッチ出力からリーン出力に反転している。
【００３７】
ＥＣＵ５０は、このようにして酸素センサ２８の出力が反転した時点で、触媒２４が、能力一杯に酸素を吸蔵した状態にあることを認識することができる。アクティブ制御では、酸素センサ２８の出力がこのように反転した場合、その時点（ｔ３）で、目標空燃比をリッチ目標値に反転させる。そして、アクティブ制御の実行中は、以後、酸素センサ２８の出力が反転する毎に、目標空燃比をリッチ目標値とリーン目標値の間で反転させる処理が継続される（時刻ｔ４、ｔ５）。
【００３８】
以上説明した通り、アクティブ制御の実行中は、目標空燃比の反転に伴って、触媒２４が、酸素を一杯に吸蔵した状態と、吸蔵酸素を完全に放出した状態とが繰り返し実現される。図３（Ａ）中にハッチングを付して示した領域は、それら２つの状態が入れ替わる過程で、空の触媒２４が能力一杯まで酸素を吸蔵する期間、或いは、能力一杯に酸素を吸蔵した触媒２４が空になるまで酸素を放出する期間に対応している。このため、それらの期間中に、触媒２４に流入した酸素量を積算すれば（吸蔵時）、或いは、触媒２４に流入した排気ガス中の酸素不足量を積算すれば（放出時）、触媒２４の酸素吸蔵能力Ｃｍａｘを計算により求めることができる。尚、Ｃｍａｘを計算するための具体的手法については後に説明する。
【００３９】
以上説明した通り、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ２８が正常に機能している場合は、アクティブ制御を実行することで、触媒２４の酸素吸蔵能力Ｃｍａｘを計算により求めることができる。酸素吸蔵能力Ｃｍａｘは、触媒２４の劣化に伴って減少する傾向を示す。本実施形態において、ＥＣＵ５０は、上記の手法で算出したＣｍａｘに基づいて、その劣化の状態を検知することができる。
【００４０】
図４は、酸素センサ２８に異常が生じている状況下でアクティブ制御が実行された場合のシステムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す波形▲１▼〜▲３▼は、図３（Ａ）または図３（Ｂ）に示す場合と同様に、それぞれ、目標空燃比の変化（波形▲１▼）、空燃比センサ２６により検出された排気空燃比Ａ／Ｆの変化（波形▲２▼）、および酸素センサ２８の出力の変化（波形▲３▼）を示している。
【００４１】
図４に示すタイミングチャートは、時刻ｔ１までストイキ制御が実行され、その後、アクティブ制御が開始された場合の例を示している。この例では、時刻ｔ１に、アクティブ制御の開始に伴って、目標空燃比が理論空燃比からリッチ目標値に変更されている。
【００４２】
目標空燃比がリッチ目標値とされると、その後、ＥＣＵ５０は、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ目標値に到達するまで燃料噴射量を徐々に増加させる。その結果、排気空燃比Ａ／Ｆは、時刻ｔ１の後、ある程度の遅延の後にリッチ目標値近傍の値となる。排気空燃比Ａ／Ｆがリッチな値に維持されている間は、ＨＣやＣＯを含む酸素不足の排気ガスが触媒２４に流入する。触媒２４内に吸蔵が残存している間は、ＨＣやＣＯが酸化（浄化）され、触媒２４の下流には、酸素を含む清浄な排気ガスが流出する。そして、触媒２４内の酸素が全て消費されると、その後、触媒２４の下流に、ＨＣやＣＯを含む酸素不足の排気ガスが流出し始める（時刻ｔ２）。
【００４３】
酸素センサ２８が正常に機能している場合は、図３を参照して説明した通り、その時点（ｔ２）で酸素センサ２８の出力が反転する。しかしながら、酸素センサ２８に異常が生じている場合は、触媒２４の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始めた後も、酸素センサ２８の出力が反転せず、図４（Ｂ）に示すようにリーン出力が維持される事態が生じ得る。
【００４４】
アクティブ制御の実行中は、酸素センサ２８の出力の反転を受けて目標空燃比の反転指令が発せられる。従って、酸素センサ２８の出力が反転しない場合、図４（Ａ）に示す通り、目標空燃比も、リッチ目標値のまま維持される。図４（Ａ）中にハッチングを付して示す領域は、ＥＣＵ５０が、触媒２４に流入する排気ガス中の酸素不足量を積算することで触媒２４の酸素吸蔵能力Ｃｍａｘを計算により求めようとしている期間を示している。この場合、上記の積算が、不当に長い間に渡って実行されるため、計算上の酸素吸蔵能力Ｃｍａｘは、不当に大きな値となる。そこで、本実施形態において、ＥＣＵ５０は、アクティブ制御の実行に伴って、酸素吸蔵能力Ｃｍａｘの計算値が不当に大きな値となった場合には、その時点で酸素センサ２８の異常を判定すると共に、アクティブ制御の実行を停止することとしている。
【００４５】
図５は、上記の機能を実現するために、本実施形態において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。
図５に示すルーチンでは、先ず、酸素センサ２８の異常判定が完了しているか否かが判別される（ステップ１００）。
【００４６】
異常判定が既に完了していると判別された場合は、速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、異常判定が未だ完了していないと判別された場合は、次に、アクティブ制御の実行条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１０２）。
【００４７】
その結果、アクティブ制御の実行条件が成立していないと判別された場合は、速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、その実行条件が成立していると判別された場合は、次に、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて、酸素センサ２８の出力が反転しているか否かが判別される（ステップ１０４）。
【００４８】
酸素センサ２８の出力が反転していると判別された場合は、酸素センサ２８が正常に機能していると判断できる。従って、このような判別がなされた場合は、以後、酸素センサ２８が正常であるとの判定がなされた後、今回の処理サイクルが終了される（ステップ１０６）。
尚、本ステップ１０６の処理により、酸素センサ２８が正常であるとの判定がなされると、その時点で異常判定が完了したと認識される。従って、本ステップ１０６が実行された後、本ルーチンが再び起動された場合は、上記ステップ１００で、異常判定の完了が判定される。
【００４９】
上記ステップ１０４において、酸素センサ２８の出力に反転は認められないとの判別が成された場合は、次に、酸素センサ２８の出力がリッチ出力であるか否かが判別される（ステップ１０８）。
つまり、図３に示すタイミングチャートを例に取れば、時刻ｔ２−ｔ３に示す状態、或いは時刻ｔ４−ｔ５に示す状態が形成されているか否かが判別される。
【００５０】
酸素センサ２８の出力がリッチ出力であると判別された場合は、更に、空燃比センサ２６の出力がリーンであるか否かが判別される（ステップ１１０）。
つまり、図３における時刻ｔ２−ｔ３の期間、或いは、時刻ｔ４−ｔ５の期間を例にとれば、それらの期間中に更にハッチングを付して示す期間の状態が形成されているかが判別される。
【００５１】
その結果、上記ステップ１１０の条件が成立しないと判別された場合は、目標空燃比はリーン目標値に反転しているが、現時点では未だ、触媒２４に流れ込む排気ガスの空燃比がリーン化されていないと判断することができる。この場合、吸蔵時Ｃｍａｘの値が初期値にリセットされる（ステップ１１２）。
尚、「吸蔵時Ｃｍａｘ」とは、触媒２４が酸素を吸蔵する過程において、触媒２４に流入する酸素量を積算することで算出される触媒２４の酸素吸蔵能力である。
【００５２】
一方、上記ステップ１１０において、排気空燃比Ａ／Ｆがリーンであると判別された場合は、目標空燃比がリーン目標値に反転し、更に、触媒２４に流れ込む排気ガスの空燃比がリーン化されていると判断することができる。この場合、次式に従って吸蔵時Ｃｍａｘが算出される（ステップ１１４）。
Ｃｍａｘ＝ＣｍａｘＯ＋０．２３×ΔＡ／Ｆ×Ｆｕｅｌ量
但し、ＣｍａｘＯは、Ｃｍａｘの初期値（０）、或いは過去に算出された最新のＣｍａｘの値であり、０．２３は空気中の酸素割合である。また、ΔＡ／Ｆは、空燃比センサ２６により検出された排気空燃比Ａ／Ｆから理論空燃比を減じた値である。更に、Ｆｕｅｌ量は、本ルーチンの起動周期（例えば６５ｍｓｅｃ）の間に内燃機関１０に供給された燃料供給量である。ここで、ＥＣＵ５０は、他のルーチンにより算出される燃料噴射量に基づいてＦｕｅｌ量を検知する。
【００５３】
上記の演算式中、右辺の「ΔＡ／Ｆ×Ｆｕｅｌ量」は、本ルーチンの起動周期の間に触媒２４に流入した未燃焼の空気量に相当している。そして、その値に０．２３を乗じた値は、未燃焼の酸素量に相当する。このため、上記の演算式によれば、ステップ１１４が実行される毎に、本ルーチンの起動周期の間に触媒２４に流入した（吸着された）酸素量の積算値を求めることができる。
【００５４】
図５に示すルーチンでは、次に、上記ステップ１１４の処理により算出された吸蔵時Ｃｍａｘが、判定値αより大きいか否かが判別される（ステップ１１６）。
判定値αは、触媒２４の酸素吸蔵能力の初期値、つまり、工場出荷段階での触媒２４の酸素吸蔵能力に相当する値である。触媒２４の酸素吸蔵能力は、経時変化によって減少することはあっても増加することはない。このため、αを超えるＣｍａｘが算出された場合は、酸素センサ２８の出力が不当に長期に渡って反転していない、つまり、酸素センサ２８に異常が生じていると判断することができる。
【００５５】
上記ステップ１１６で、Ｃｍａｘ＞αが成立しないと判別された場合は、酸素センサ２８に異常が生じているか否かを未だ判断することはできない。この場合、以後、異常判定の判断が保留されたまま、今回の処理サイクルが終了される。
【００５６】
一方、上記ステップ１１６で、Ｃｍａｘ＞αが成立すると判別された場合は、酸素センサ２８のリッチ異常が判定される（ステップ１１８）。
本ステップ１１８の処理により、酸素センサ２８のリッチ異常が判定されると、その時点で異常判定が完了したと認識される。従って、本ステップ１１８が実行された後、本ルーチンが再び起動された場合は、上記ステップ１００で、異常判定の完了が判定される。尚、酸素センサ２８の「リッチ異常」とは、酸素センサ２８の出力がリッチ側に張り付いてリーン出力が発せられない異常である。
【００５７】
酸素センサ２８のリッチ異常が判定されると、その後、アクティブ制御の中止指令が出された後（ステップ１２０）、今回の処理サイクルが終了される。
【００５８】
また、図５に示すルーチン中、上記ステップ１０８において、酸素センサ２８の出力がリッチ出力でないと判別された場合は、その出力がリーン出力であると判断することができる。図３に示すタイミングチャートを例に取れば、この場合は、時刻ｔ１−ｔ２に示す状態、或いは時刻ｔ３−ｔ４に示す状態が形成されていると判断することができる。
【００５９】
上記の判断がなされた場合は、次に、空燃比センサ２６の出力がリッチであるか否かが判別される（ステップ１２２）。
つまり、図３における時刻ｔ３−ｔ４の期間中を例にとれば、その期間中に更にハッチングを付して示す期間の状態が形成されているかが判別される。
【００６０】
その結果、上記ステップ１２２の条件が成立しないと判別された場合は、目標空燃比はリッチ目標値に反転しているが、現時点では未だ、触媒２４に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチ化されていないと判断することができる。この場合、放出時Ｃｍａｘの値が初期値にリセットされる（ステップ１２４）。
尚、「放出時Ｃｍａｘ」とは、触媒２４が酸素を放出する過程において、触媒２４に流入する排気ガス中の酸素の不足量を積算することで算出される触媒２４の酸素吸蔵能力である。
【００６１】
一方、上記ステップ１２２において、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチであると判別された場合は、目標空燃比がリッチ目標値に反転し、更に、触媒２４に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチ化されていると判断することができる。上記ステップ１１４の場合と同様の演算式（Ｃｍａｘ＝ＣｍａｘＯ＋０．２３×ΔＡ／Ｆ×Ｆｕｅｌ量）に従って放出時Ｃｍａｘが算出される（ステップ１２６）。
但し、本ステップ１２６で算出される「ΔＡ／Ｆ×Ｆｕｅｌ量」は、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ、ＣＯ）を燃焼させるのに必要な酸素量、つまり、排気ガス中の酸素不足量である。本ステップ１２６の処理によれば、本ルーチンの起動周期の間に触媒２４から放出された酸素量の積算値を求めることができる。
【００６２】
図５に示すルーチンでは、次に、上記ステップ１２６の処理により算出された放出時Ｃｍａｘが、判定値αより大きいか否かが判別される（ステップ１２８）。
尚、判定値αは、既述した通り、触媒２４の酸素吸蔵能力の初期値である。
【００６３】
上記ステップ１２８で、Ｃｍａｘ＞αが成立しないと判別された場合は、酸素センサ２８に異常が生じているか否かを未だ判断することはできない。この場合、以後、異常判定の判断が保留されたまま、今回の処理サイクルが終了される。
【００６４】
一方、上記ステップ１２８で、Ｃｍａｘ＞αが成立すると判別された場合は、酸素センサ２８のリーン異常が判定される（ステップ１３０）。
本ステップ１３０の処理により、酸素センサ２８のリーン異常が判定されると、その時点で異常判定が完了したと認識される。従って、本ステップ１３０が実行された後、本ルーチンが再び起動された場合は、上記ステップ１００で、異常判定の完了が判定される。尚、酸素センサ２８の「リーン異常」とは、酸素センサ２８の出力がリーン側に張り付いてリッチ出力が発せられない異常である。
【００６５】
酸素センサ２８のリーン異常が判定されると、その後、アクティブ制御の実行を中止するため、上記ステップ１２０の処理が実行された後、今回の処理サイクルが終了される。
【００６６】
以上説明した通り、図５に示すルーチンによれば、アクティブ制御の実行中に、触媒２４が酸素を吸蔵すべき状況下（酸素センサ２８の出力がリッチであり、かつ、空燃比センサ２６の出力がリーンである状況下）で、計算により吸蔵時Ｃｍａｘを求めることができる。そして、その計算上のＣｍａｘが酸素吸蔵能力の初期値を超えたら、その時点で速やかに酸素センサ２８の異常を判定し、更に、アクティブ制御を中止させることができる。
【００６７】
また、図５に示すルーチンによれば、アクティブ制御の実行中に、触媒２４が酸素を放出すべき状況下（酸素センサ２８の出力がリーンであり、かつ、空燃比センサ２６の出力がリッチである状況下）では、計算により放出時Ｃｍａｘを求めることができる。そして、その計算上のＣｍａｘが酸素吸蔵能力の初期値を超えたら、その時点で速やかに酸素センサ２８の異常を判定し、更に、アクティブ制御を中止させることができる。
【００６８】
上記の手法によれば、内燃機関１０の運転状態に応じて、つまり、排気ガスの流量に応じて、常に最短の時間で酸素センサ２８の異常を判定することができる。そして、酸素センサ２８の異常が検知された後、速やかにアクティブ制御を中止することにより、大気中に排出される未浄化の排気ガス量を最小限に抑えることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ２８に異常が生じた場合に、その異常を短時間で正確に判定することができると共に、エミッション特性の悪化を十分に小さく抑制することができる。
【００６９】
ところで、本実施形態において用いられる酸素センサ２８には、短絡、断線による異常の他、素子割れによる異常が生ずることがある。短絡や断線の異常の場合は、センサ出力が、一方の出力に張り付くため、センサ出力に変化が生ずるか否かを見ることで異常の有無を判断することも可能である。これに対して、素子割れによる異常の有無は、そのような手法で判断することができない。
【００７０】
すなわち、酸素センサ２８の素子割れ異常とは、図２に示す素子層３２に割れが生ずる異常である。この異常が発生すると、大気層３６に導かれる大気は、その割れ箇所から測定ガス室４０に進入することが可能となる。
図６は、酸素センサ２８の正常な出力特性（実線）と、上記の素子割れが生じた場合における出力特性（一点鎖線）とを対比して表した図である。この図に示すように、素子割れの生じた酸素センサ２８は、排気ガスの空燃比がリッチである場合、およびリーンである場合に同様に低い出力を発し、理論空燃比の近傍で比較的高い出力を発する。
【００７１】
酸素センサ２８が図６中に一点鎖線で示すような出力特性を示す場合、センサ出力の変化が生ずるか否かによっては異常の有無を判断することはできない。また、酸素センサ２８は、触媒２４の下流に配置されているため、その周囲を流れる排気ガスが現実にリッチであるのかリーンであるのかは、空燃比センサ２６の出力からは判断することができない。このため、空燃比センサ２６の出力と酸素センサ２８の出力を単純に比較することによっても、素子割れ異常の有無は判断できない。
【００７２】
これに対して、本実施形態で用いられる手法によれば、酸素センサ２８の周囲をリッチな排気ガスが吹き抜けている状況下で、酸素センサ２８が０Ｖ近傍の出力を発している状態が継続すれば、その後速やかにセンサの異常が検知される。このため、本実施形態のシステムは、酸素センサ２８の素子割れ異常についても、その有無を短時間で正確に判断することができる。
【００７３】
ところで、上述した実施の形態１においては、酸素センサ２８の異常の有無を判定するために、目標空燃比を繰り返し反転させるアクティブ制御を実行することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、酸素センサ２８の異常を判定するためには、必ずしも目標空燃比をリッチ目標値とリーン目標値との間で反転させる必要はなく、酸素センサ２８の正常または異常が判定されるまで、目標空燃比を、リッチ目標値かリーン目標値の一方に固定するだけとしてもよい。
【００７４】
また、上述した実施の形態１においては、酸素センサ２８の異常の有無を判定するために、目標空燃比をリッチ目標値、或いはリーン目標値として、強制的に空燃比をリッチまたはリーンにすることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、フューエルカットの実行中など、空燃比が必然的にリッチまたはリーンに偏る時期を利用して酸素センサ２８の異常の有無を判定することとしてもよい。
【００７５】
また、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ２６により検出される排気空燃比Ａ／Ｆと理論空燃比との差ΔＡ／Ｆと、内燃機関１０に対する燃料供給量（Ｆｕｅｌ量）とに基づいて、触媒２４に流入する酸素量や、触媒２４に流入する排気ガス中の酸素不足量を算出することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、それらの酸素量や酸素不足量は、エアフロメータ１８により検知される吸入空気量と、燃料供給量（Ｆｕｅｌ量）とに基づいて、ΔＡ／Ｆを基礎とすることなく算出することとしてもよい。
【００７６】
このような算出手法を用いる場合は、実施の形態１の場合と異なり、触媒２４の上流で空燃比Ａ／Ｆを測定する必要がなくなる。従って、このような算出手法を用いる場合は、触媒２４の上流に配置するセンサは、空燃比センサではなく、酸素センサであってもよい。
【００７７】
また、上述した実施の形態１では、図５に示すルーチンの実行過程において、酸素センサ２８の出力の反転が１回認められることにより、正常判定がなされることとしているが（ステップ１０４，１０６参照）、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、酸素センサ２８の正常判定は、リッチ出力からリーン出力への反転と、リーン出力からリッチ出力への反転の双方が認められるまで行わないこととしてもよい。
【００７８】
尚、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ２６が前記第１の発明における「上流側センサ」に相当していると共に、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「吸蔵時能力算出手段」が、上記ステップ１２６の処理を実行することにより前記第１の発明における「放出時能力算出手段」が、上記ステップ１１６，１１８，１２８および１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００７９】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１４または１２６において、排気空燃比から理論空燃比を減じてΔＡ／Ｆを算出することにより前記第２の発明における「空燃比差算出手段」が、Ｆｕｅｌ量を検知することにより前記第２の発明における「燃料供給量検知手段」が、それぞれ実現されている。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１４において、ΔＡ／ＦとＦｕｅｌ量とに基づいて排気ガス中の酸素量を算出することにより前記第２の発明における「酸素量算出手段」が、上記ステップ１２６において、ΔＡ／ＦとＦｕｅｌ量とに基づいて排気ガス中の酸素不足量を算出することにより前記第２の発明における「酸素不足量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８０】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、アクティブ制御の実行中に、目標空燃比をリーン目標値に設定することにより前記第３の発明における「強制リーン手段」が、目標空燃比をリッチ目標値に設定することにより前記第３の発明における「強制リッチ手段」が、それぞれ実現されている。
【００８１】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、アクティブ制御の実行中に、酸素センサ２８の出力が反転する毎に、目標空燃比をリッチ目標値とリーン目標値の間で反転させることにより前記第４の発明における「反転制御手段」が実現されている。
【００８２】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第５の発明における「強制設定禁止手段」が実現されている。
【００８３】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、如何に示す何れかの手法で、触媒の計算上の酸素吸蔵能力を求めることができる。
▲１▼酸素センサがリッチ出力を発生し、かつ、上流側センサがリーン出力を発生している期間中に、排気ガス中の酸素量を積算する。つまり、酸素を含む排気ガスが触媒に流入し、かつ、清浄な排気ガスが触媒から流出している期間中に、触媒に流入する酸素量（触媒に吸着される酸素量）を積算する。
▲２▼酸素センサがリーン出力を発生し、かつ、上流側センサがリッチ出力を発生している期間中に、排気ガス中の酸素不足量を積算する。つまり、酸素不足の排気ガスが触媒に流入し、かつ、清浄な排気ガスが触媒から流出している期間中に、触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量（触媒から放出される酸素量）を積算する。
更に、第１の発明によれば、上記の手法で求めた計算上の酸素吸蔵可能量が、触媒の最大酸素吸蔵量を超えた場合に、酸素センサの異常を判定することができる。このような手法によれば、内燃機関の運転状態に関わらず、常に最短の時間で酸素センサの異常を精度良く判定することができる。
【００８４】
第２の発明によれば、上流側センサにより検出される空燃比（触媒に流入する排気ガスの空燃比）と理論空燃比との差ΔＡ／Ｆと、内燃機関に対する燃料供給量とに基づいて、排気ガス中の酸素量、或いは酸素不足量を精度良く算出することができる。
【００８５】
第３の発明によれば、触媒が酸素を吸蔵する過程で計算上の酸素吸蔵能力を求めるために、酸素センサがリッチ出力を発している間、混合気の目標空燃比をリーンにすることができる。この場合、触媒に流入する排気ガスを、強制的に酸素を含む排気ガスとすることができる。
また、本発明によれば、触媒が酸素を放出する過程で計算上の酸素吸蔵能力を求めるために、酸素センサがリーン出力を発している間、混合気の目標空燃比をリッチにすることができる。この場合、触媒に流入する排気ガスを、強制的に酸素不足の排気ガスとすることができる。
【００８６】
第４の発明によれば、酸素センサの出力が反転する毎に目標空燃比をリッチとリーンの間で反転させることができる。このため、本発明によれば、触媒内に一杯に酸素が吸蔵された状態と、触媒内の全ての酸素が放出され切った状態とを交互に作り出すことができ、それらの状態が作り出される過程で、計算上の酸素吸蔵能力を精度良く算出することができる。
【００８７】
第５の発明によれば、酸素センサの異常判定された場合に、混合気の空燃比を強制的にリッチまたはリーンとする処理の実行を禁止することができる。このため、本発明によれば、酸素センサに異常が生じたまま、未浄化の排気ガスが触媒下流に流出し続けるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１のシステムが備える酸素センサの構成を説明するための図である。
【図３】酸素センサが正常に機能している状況下でアクティブ制御が実行された場合の実施の形態１のシステムの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】酸素センサに異常が生じている状況下でアクティブ制御が実行された場合の実施の形態１のシステムの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】実施の形態１のシステムにおいて実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図６】実施の形態１のシステムが備える酸素センサの出力特性を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　内燃機関
２４　触媒
２６　空燃比センサ
２８　酸素センサ
５０　ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）
【図１】
2004019542.tif 000003
【図２】
2004019542.tif 000004
【図３】
2004019542.tif 000005
【図４】
2004019542.tif 000006
【図５】
2004019542.tif 000007
【図６】
2004019542.tif 000008