(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記排気浄化触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側センサと、
前記下流側センサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に切り替える空燃比制御手段と、
前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比及び前記リーン設定空燃比のいずれか一方の空燃比に維持されている空燃比維持期間中の少なくとも一部の期間中に前記流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出し、算出された酸素過不足量を積算することで前記排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出手段と
を備えた内燃機関において、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記下流側センサの出力傾きの絶対値が前記空燃比維持期間において最後に閾値未満となった時点を前記酸素過不足量の積算の終点とし、
前記閾値は、前記空燃比維持期間における前記出力傾きの絶対値の最大値が相対的に大きい場合に該最大値が相対的に小さい場合に比べて大きくされることを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
前記下流側センサは、前記流出排気ガスの空燃比をリニアに検出する空燃比センサである、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段を更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に維持されている空燃比維持期間中の少なくとも一部の期間中に前記流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出し、算出された酸素過不足量を積算することで前記排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を算出し、
前記閾値は、前記空燃比維持期間における前記排気浄化触媒の温度に基づいて補正される、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記流入排気ガスの空燃比をリニアに検出する上流側空燃比センサを更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は前記上流側空燃比センサの出力に基づいて前記酸素過不足量を算出する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記空燃比維持期間において前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比に達したときを前記酸素過不足量の積算の始点とする、請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記空燃比維持期間において前記目標空燃比が前記いずれか一方の空燃比に切り替えられたときを前記酸素過不足量の積算の始点とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記排気浄化触媒に異常が生じているか否かを判定する触媒異常判定手段を更に備え、
前記触媒異常判定手段は、前記最大酸素吸蔵量が予め定められた基準酸素吸蔵量よりも少ない場合に、前記排気浄化触媒に異常が生じていると判定する、請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に切り替えられた後、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比以上になってから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな所定の空燃比以上になるまでの間に前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素吸蔵量を算出し、
前記センサ異常判定手段は、前記酸素吸蔵量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第１基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に切り替えられた後、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比以下になってから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定の空燃比以下になるまでの間に前記排気浄化触媒から放出される酸素放出量を算出し、
前記センサ異常判定手段は、前記酸素放出量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第１基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に切り替えられてから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな所定値以上になるまでの間に前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素吸蔵量を算出し、
前記センサ異常判定手段は、前記酸素吸蔵量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第２基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に切り替えられてから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定値以下になるまでの間に前記排気浄化触媒から放出される酸素放出量を算出し、
前記センサ異常判定手段は、前記酸素放出量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第２基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する、請求項６に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関において、排気ガス中の有害物質を浄化可能な排気浄化触媒を排気通路に設けることが知られている。しかしながら、排気浄化触媒は被毒劣化や熱劣化等によって経年劣化する場合がある。排気浄化触媒が劣化すると、排気浄化触媒の浄化効率が低下する。このため、排気浄化触媒が劣化し、排気浄化触媒に異常が生じていることを迅速に検出できることが望ましい。そこで、特許文献１に記載の内燃機関では、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側センサを用いて排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を算出することで、排気浄化触媒の異常診断が実施される。
【０００３】
斯かる内燃機関では、触媒上流側の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比とリーンな空燃比との間で交互に切り替えられ、空燃比が切り替えられる度に、触媒の最大酸素吸蔵量が算出される。具体的には、下流側センサの出力の微分値又は２階微分値が所定範囲内にある期間に排気浄化触媒に吸蔵され又は排気浄化触媒から放出される酸素量が算出され、算出された酸素量が最大酸素吸蔵量の推定値とされる。算出された最大酸素吸蔵量が所定値以下である場合には、排気浄化触媒に異常が生じていると判定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８５３７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７６６１２号公報
【特許文献３】特開２００９−０９１９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、下流側センサは使用に伴って徐々に劣化し、その応答特性に異常が生じる場合がある。下流側センサの応答特性に異常が生じると、触媒下流側の空燃比が変化したときの下流側センサの出力の傾き、すなわち下流側センサの出力の微分値が小さくなる。このため、触媒上流側の空燃比が切り替えられた後、下流側センサの出力の微分値又は２階微分値が所定範囲内にある期間が長くなる。この結果、排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量が実際よりも多く算出される。したがって、特許文献１に記載の異常診断方法では、下流側センサの応答特性に異常が生じている場合には、排気浄化触媒が劣化していても、排気浄化触媒に異常が生じていないと判定されるおそれがある。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、下流側センサの応答特性に異常が生じている場合にも排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く算出することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明では、排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記排気浄化触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側センサと、前記下流側センサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に切り替える空燃比制御手段と、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比及び前記リーン設定空燃比のいずれか一方の空燃比に維持されている空燃比維持期間中の少なくとも一部の期間中に前記流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出し、算出された酸素過不足量を積算することで前記排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出手段とを備えた内燃機関において、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記下流側センサの出力傾きの絶対値が前記空燃比維持期間において最後に閾値未満となった時点を前記酸素過不足量の積算の終点とし、前記閾値は、前記空燃比維持期間における前記出力傾きの絶対値の最大値が相対的に大きい場合に該最大値が相対的に小さい場合に比べて大きくされることを特徴とする、内燃機関が提供される。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において、前記下流側センサは、前記流出排気ガスの空燃比をリニアに検出する空燃比センサである。
【０００９】
第３の発明では、第２の発明において、前記内燃機関は、前記排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段を更に備え、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に維持されている空燃比維持期間中の少なくとも一部の期間中に前記流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出し、算出された酸素過不足量を積算することで前記排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を算出し、前記閾値は、前記空燃比維持期間における前記排気浄化触媒の温度に基づいて補正される。
【００１０】
第４の発明では、第１から第３のいずれか一つの発明において、前記内燃機関は、前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記流入排気ガスの空燃比をリニアに検出する上流側空燃比センサを更に備え、前記酸素吸蔵量算出手段は前記上流側空燃比センサの出力に基づいて前記酸素過不足量を算出する。
【００１１】
第５の発明では、第４の発明において、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記空燃比維持期間において前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比に達したときを前記酸素過不足量の積算の始点とする。
【００１２】
第６の発明では、第１から第４のいずれか一つの発明において、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記空燃比維持期間において前記目標空燃比が前記いずれか一方の空燃比に切り替えられたときを前記酸素過不足量の積算の始点とする。
【００１３】
第７の発明では、第１から第６のいずれか一つの発明において、前記内燃機関は、前記排気浄化触媒に異常が生じているか否かを判定する触媒異常判定手段を更に備え、前記触媒異常判定手段は、前記最大酸素吸蔵量が予め定められた基準酸素吸蔵量よりも少ない場合に、前記排気浄化触媒に異常が生じていると判定する。
【００１４】
第８の発明では、第５の発明において、前記内燃機関は、前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に切り替えられた後、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比以上になってから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな所定の空燃比以上になるまでの間に前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素吸蔵量を算出し、前記センサ異常判定手段は、前記酸素吸蔵量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第１基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する。
【００１５】
第９の発明では、第５の発明において、前記内燃機関は、前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に切り替えられた後、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比以下になってから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定の空燃比以下になるまでの間に前記排気浄化触媒から放出される酸素放出量を算出し、前記センサ異常判定手段は、前記酸素放出量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第１基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する。
【００１６】
第１０の発明では、第６の発明において、前記内燃機関は、前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に切り替えられてから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンな所定値以上になるまでの間に前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素吸蔵量を算出し、前記センサ異常判定手段は、前記酸素吸蔵量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第２基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する。
【００１７】
第１１の発明では、第６の発明において、前記内燃機関は、前記下流側センサに異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を更に備え、前記酸素吸蔵量算出手段は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に切り替えられてから前記下流側センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定値以下になるまでの間に前記排気浄化触媒から放出される酸素放出量を算出し、前記センサ異常判定手段は、前記酸素放出量と前記最大酸素吸蔵量との差が予め定められた第２基準量よりも大きい場合に、前記下流側センサに異常が生じていると判定する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、下流側センサの応答特性に異常が生じている場合にも排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を精度良く算出することができる内燃機関が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における内燃機関の概略図である。
【図２】図２は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図３】図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図４】図４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５】図５は、センサ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６】図６は、正常な排気浄化触媒の異常診断を行う際の流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。
【図７】図７は、異常な排気浄化触媒の異常診断を行う際の流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。
【図８】図８は、異常な排気浄化触媒の異常診断を行う際の流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。
【図９】図９は、排気浄化触媒の異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、酸素過不足量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、異常判定処理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、正常な排気浄化触媒の異常診断を行う際の流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。
【図１４】図１４は、酸素過不足量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、排気浄化触媒及び下流側空燃比センサの異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、比較酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、異常判定処理の制御ルーチン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】
【００２０】
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。
【００２１】
＜第１実施形態＞
最初に、図１〜図１２を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００２２】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第１実施形態における内燃機関の概略図である。本実施形態における内燃機関は、例えば車両に搭載される。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。
【００２３】
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内に直接噴射する。すなわち、本実施形態の内燃機関は筒内噴射式内燃機関である。なお、内燃機関はポート噴射式内燃機関であっても良く、この場合、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る。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、本実施形態における内燃機関では、他の燃料を用いても良い。
【００２４】
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等は、空気及び燃料を含む混合気を燃焼室５に導く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。
【００２５】
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の集合部は排気浄化触媒２０を内蔵したケーシング２１に連結される。ケーシング２１は排気管２２に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、ケーシング２１、排気管２２等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。
【００２６】
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。したがって、エアフロメータ３９は、燃焼室５に供給される吸入空気量を検出することができる。
【００２７】
また、排気マニホルド１９の集合部（すなわち、排気浄化触媒２０の排気流れ方向上流側）には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、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（すなわち、排気浄化触媒２０の排気流れ方向下流側）には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、排気浄化触媒２０から流出する排気ガス）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。
【００２８】
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、すなわち機関回転速度が計算される。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、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
【００２９】
＜排気浄化触媒の説明＞
排気通路に配置された排気浄化触媒２０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。
【００３０】
排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０は、排気浄化触媒２０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（リーン空燃比）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（リッチ空燃比）であるときには、排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素を放出する。
【００３１】
排気浄化触媒２０は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、図２（Ａ）に示したように、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒２０により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
【００３２】
一方、図２（Ｂ）に示したように、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である場合、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
【００３３】
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０によれば、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
【００３４】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００３５】
図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極（第一電極）５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極（第二電極）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。
【００３６】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、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。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。
【００３７】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。
【００３８】
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００３９】
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。
【００４０】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流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。
【００４１】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図４に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図４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４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。
【００４２】
図５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５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。したがって、空燃比センサ４０、４１は排気空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。なお、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】
上記例では、空燃比センサ４０、４１として図３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、空燃比センサ４０、４１としては例えばコップ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。
【００４４】
＜排気浄化触媒の異常診断＞
ところで、排気浄化触媒２０は被毒劣化や熱劣化等によって経年劣化する場合がある。排気浄化触媒２０が劣化すると、排気浄化触媒２０の浄化効率が低下する。このため、排気浄化触媒２０が劣化し、排気浄化触媒に異常が生じていることを迅速に検出できることが望ましい。
【００４５】
そこで、本実施形態の内燃機関では、下流側空燃比センサ４１を用いて、排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量を算出することで排気浄化触媒２０の異常を診断する。最大酸素吸蔵量が予め定められた基準酸素吸蔵量よりも少ない場合には、劣化によって排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力が異常に低下していると考えられる。このため、この場合には、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定される。
【００４６】
本発明の内燃機関は、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段と、排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出手段と、排気浄化触媒２０に異常が生じているか否かを判定する触媒異常判定手段とを備える。なお、本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御手段、酸素吸蔵量算出手段及び触媒異常判定手段として機能する。
【００４７】
空燃比制御手段は、排気浄化触媒２０に流入する排気ガス（以下、単に「流入排気ガス」という）の目標空燃比を設定すると共に、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量を制御する。具体的には、空燃比制御手段は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御する。なお、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、燃焼室５に供給する燃料量が制御されてもよい。この場合、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と、目標空燃比とから算出された燃料量が燃焼室５に供給される。
【００４８】
空燃比制御手段は、排気浄化触媒２０の異常を診断する場合には、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に切り替える。リッチ設定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１４．１とされる。リーン設定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１６．１とされる。本明細書では、斯かる空燃比制御をアクティブ制御と称する。
【００４９】
具体的には、空燃比制御手段は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替える。また、空燃比制御手段は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。リッチ判定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１４．５５とされる。目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後、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に達すると、理論空燃比よりもリッチな排気ガスが下流側空燃比センサ４１に到達したと判定される。また、リーン判定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１４．６５とされる。目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比に達すると、理論空燃比よりもリーンな排気ガスが下流側空燃比センサ４１に到達したと判定される。
【００５０】
酸素吸蔵量算出手段は、目標空燃比がリッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比のいずれか一方の空燃比に維持されている空燃比維持期間中の少なくとも一部の期間中に流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出する。流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量とは、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガス等の量）を意味する。目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているリーン制御では、流入排気ガス中の酸素が過剰となり、この過剰な酸素は排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、リーン制御における酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、リーン制御中に排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量に相当する。一方、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているリッチ制御では、流入排気ガス中の酸素が不足し、この酸素の不足分は排気浄化触媒２０から放出される。したがって、リッチ制御における積算酸素過不足量は、リッチ制御中に排気浄化触媒２０から放出される酸素放出量に相当する。
【００５１】
酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｑｉ      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、１４．６は理論空燃比をそれぞれ表している。
【００５２】
なお、酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力を用いることなく、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦに基づいて算出されてもよい。この場合、酸素過不足量ＯＥＤは、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＴＡＦ−１４．６）×Ｑｉ      …（２）
【００５３】
酸素吸蔵量算出手段は、積算酸素過不足量の絶対値を排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量として算出する。また、触媒異常判定手段は、酸素吸蔵量算出手段によって算出された最大酸素吸蔵量が予め定められた基準酸素量よりも少ない場合に、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定する。一方、触媒異常判定手段は、酸素吸蔵量算出手段によって算出された最大酸素吸蔵量が予め定められた基準酸素量以上である場合に、排気浄化触媒２０に異常が生じていない、すなわち排気浄化触媒２０が正常であると判定する。
【００５４】
以下、図６〜図８のタイムチャートを参照して、排気浄化触媒２０の異常診断について具体的に説明する。図６は、正常な排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ（以下、「上流側出力空燃比ＡＦｕｐ」ともいう）、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ（以下、「下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎ」ともいう）、排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｔｒｕｅ、第１積算酸素過不足量ΣＯＥＤ１、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬ及び第２積算酸素過不足量ΣＯＥＤ２のタイムチャートである。図６に示された第１積算酸素過不足量ΣＯＥＤ１及び第２積算酸素過不足量ΣＯＥＤ２は、上記式（１）によって算出される酸素過不足量ＯＥＤの積算値を示す。なお、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬとは、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎの微分値であり、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎの時間変化の傾きを意味する。また、「出力空燃比」とは、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００５５】
＜第１異常診断方法＞
最初に、本発明の比較例として、第１積算酸素過不足量ΣＯＥＤ１の絶対値を排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量として算出して排気浄化触媒２０の異常診断を行う第１異常診断方法について説明する。
【００５６】
図６の例では、時刻ｔ2以前には、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている。時刻ｔ0では、排気浄化触媒２０には酸素が十分に吸蔵されているため、理論空燃比よりもリッチな排気ガスは排気浄化触媒２０で浄化される。このため、時刻ｔ0において、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比となっている。その後、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近づくと、理論空燃比よりもリッチな排気ガスが排気浄化触媒２０から流出し始める。この結果、時刻ｔ2において、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達する。
【００５７】
時刻ｔ2において、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。この結果、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大し、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎは、時刻ｔ2の後、理論空燃比に向かって変化する。
【００５８】
また、時刻ｔ2の後、目標空燃比ＴＡＦの切替に伴い、上流側出力空燃比ＡＦｕｐは理論空燃比よりもリッチな空燃比から理論空燃比よりもリーンな空燃比に変化する。目標空燃比ＴＡＦを切り替えてから流入排気ガスの実際の空燃比が変化するまでにはタイムラグが生じる。このため、上流側出力空燃比ＡＦｕｐは、時刻ｔ2の後、所定時間が経過してから理論空燃比に向かって変化し始める。図６の例では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐは時刻ｔ3において理論空燃比以上になる。
【００５９】
時刻ｔ3の後、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が更に増大して最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに近づくと、理論空燃比よりもリーンな排気ガスが排気浄化触媒２０から流出し始める。この結果、時刻ｔ5において、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達する。時刻ｔ5の後、目標空燃比ＴＡＦの切替に伴い、上流側出力空燃比ＡＦｕｐは理論空燃比よりもリーンな空燃比から理論空燃比よりもリッチな空燃比に変化する。図６の例では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐは時刻ｔ6において理論空燃比以下になる。
【００６０】
前述したように、アクティブ制御では、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達したときに、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈは、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロでないときには、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。したがって、アクティブ制御では、排気浄化触媒２０からの酸素の放出が完全に終了してから目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。
【００６１】
このため、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられるとき（図６における時刻ｔ2）には、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量はゼロである。この場合、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持された空燃比維持期間（図６における時刻ｔ2〜時刻ｔ5）において、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上になったとき（図６における時刻ｔ3）に、リーンな排気ガスが排気浄化触媒２０に流入し、排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵が開始されると考えられる。
【００６２】
また、図２（Ａ）に示されるように、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が多くなると、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。このため、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上になったとき（図６における時刻ｔ4）には、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がほぼ最大となっていると考えられる。言い換えれば、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上になったとき（図６における時刻ｔ4）に排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵が終了すると考えられる。リーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆは、予め定められ、理論空燃比よりもリーンであり且つリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりもリッチな値とされる。
【００６３】
そこで、第１異常診断方法では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられた後、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上になってから下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上になるまでの期間に積算された酸素過不足量ＯＥＤが排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量として算出される。図６には、このように算出された最大酸素吸蔵量が第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１として示される。なお、第１積算酸素過不足量ΣＯＥＤ１は、酸素過不足量ＯＥＤの積算の終点、すなわち下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上になったときにリセットされてゼロにされる。
【００６４】
図６の例では、第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１は基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆ以上である。したがって、排気浄化触媒２０に異常が生じていないと判定される。なお、基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆは、予め定められ、正常な排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量の下限値とされる。
【００６５】
また、前述したように、アクティブ制御では、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達したときに、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大でないときには、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。したがって、アクティブ制御では、排気浄化触媒２０からの酸素の吸蔵が完全に終了してから目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。
【００６６】
このため、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられるときには、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は最大である。この場合、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに維持された空燃比維持期間において、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以下になったときに、リッチな排気ガスが排気浄化触媒２０に流入し、排気浄化触媒２０からの酸素の放出が開始されると考えられる。
【００６７】
また、図２（Ｂ）に示されるように、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。このため、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆ以下になったときには、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロとなっていると考えられる。言い換えれば、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆ以下になったときに排気浄化触媒２０からの酸素の放出が終了すると考えられる。リッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆは、予め定められ、理論空燃比よりもリッチであり且つリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりもリーンな値とされる。
【００６８】
そこで、第１異常診断方法では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられた後、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以下になってから下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆ以下になるまでの期間に積算された酸素過不足量ＯＥＤの絶対値が排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量として算出されてもよい。なお、リーン制御中に算出された最大酸素吸蔵量と、リッチ制御中に算出された最大酸素吸蔵量との平均値が排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量とされてもよい。また、目標空燃比ＴＡＦを複数回切り替え、各リーン制御及びリッチ制御において算出された最大酸素吸蔵量の平均値が排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量とされてもよい。
【００６９】
＜第１異常診断方法における問題点＞
図７は、異常な排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の目標空燃比ＴＡＦ、上流側出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎ、排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｔｒｕｅ、第１積算酸素過不足量ΣＯＥＤ１、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬ及び第２積算酸素過不足量ΣＯＥＤ２のタイムチャートである。図７では、図６と同様の空燃比制御が実施されている。図７の例では、排気浄化触媒２０が劣化しており、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力が低下している。このため、リーン制御において、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上になってから下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上になるまでの時間（図７における時刻ｔ3〜時刻ｔ4）が図６の例よりも短くなっている。この結果、図７における第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１は図６における第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１よりも少ない。図７の例では、第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１が基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆよりも少ないため、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定される。
【００７０】
図８は、異常な排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の目標空燃比ＴＡＦ、上流側出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎ、排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｔｒｕｅ、第１積算酸素過不足量ΣＯＥＤ１、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬ及び第２積算酸素過不足量ΣＯＥＤ２のタイムチャートである。図８の例では、図６及び図７と同様の空燃比制御が実施されている。また、図７及び図８の例において、異常診断が実施される排気浄化触媒２０の実際の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは同じである。すなわち、図８の例においても、排気浄化触媒２０は劣化しており、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力が低下している。
【００７１】
一方、図８の例では、図７の例と異なり、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じている。この場合、図８に示されるように、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎが変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が小さくなる。このため、図８の例では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられてから下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上となるまでの時間（図８における時刻ｔ3〜時刻ｔ6）が図７の例よりも長くなる。また、図８の例において、上流側空燃比センサ４０の応答特性には異常が生じていないため、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられてから上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上になるまでの時間（図８における時刻ｔ3〜時刻ｔ4）は図７の例と同じである。したがって、図８の例では、リーン制御において酸素過不足量ＯＥＤが積算される時間が長くなるため、第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１が図７の例よりも多くなる。なお、リッチ制御中に最大酸素吸蔵量が算出される場合も、最大酸素吸蔵量はリーン制御中と同様に多く算出される。
【００７２】
図８の例では、第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１は基準酸素量ＯＳＡｒｅｆよりも多いため、排気浄化触媒２０に異常が生じていないと判定される。したがって、第１異常診断方法では、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じている場合には、排気浄化触媒２０が劣化していても、排気浄化触媒２０に異常が生じていないと誤って判定する場合がある。
【００７３】
＜本実施形態における異常診断方法＞
そこで、本実施形態の内燃機関では、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じている場合にも排気浄化触媒２０の異常診断を精度良く実施することができるように、第２異常診断方法によって排気浄化触媒２０の異常診断が実施される。第２異常診断方法では、第２積算酸素過不足量ΣＯＥＤ２の絶対値を排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量として算出して排気浄化触媒２０の異常診断を行う。
【００７４】
第２異常診断方法では、酸素過不足量ＯＥＤの積算の終点が、第１異常診断方法とは異なる方法で決定される。具体的には、第２異常診断方法では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎのいずれか一方の空燃比に維持されている空燃比維持期間において、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に達してから下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が最後に閾値未満となるまでの期間に積算された酸素過不足量ＯＥＤが排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量として算出される。また、出力傾きＳＬの閾値は、空燃比維持期間における出力傾きＳＬの絶対値の最大値が相対的に大きい場合に出力傾きＳＬの絶対値の最大値が相対的に小さい場合に比べて大きくされる。
【００７５】
以下、図６〜図８のタイムチャートを参照して、第２異常診断方法について具体的に説明する。
【００７６】
図６の例では、時刻ｔ2〜時刻ｔ5までのリーン制御期間において、時刻ｔ4が、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が最後に閾値ＳＬｔｈｒ未満となった時点に相当する。したがって、図６の例では、時刻ｔ4が酸素過不足量ＯＥＤの積算の終点とされる。また、上述したように、図６の例では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが時刻ｔ3において理論空燃比に達する。したがって、図６の例では、時刻ｔ3が酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とされる。図６には、時刻ｔ3〜時刻ｔ4までの期間に積算された酸素過不足量ＯＥＤが第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２として示される。
【００７７】
図６の例では、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２は基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆよりも多い。したがって、排気浄化触媒２０に異常が生じていないと判定される。図６の例では、第２異常診断方法によって算出される第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２は、第１異常診断方法によって算出される第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１と同じである。
【００７８】
図７の例においても、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２が図６の例と同様に算出される。図７の例では、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２は基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆよりも少ない。したがって、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定される。図７の例では、第２異常診断方法によって算出される第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２は、第１異常診断方法によって算出される第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１と同じである。また、図７の例では、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値の最大値は図６の例と同じである。このため、図６及び図７の例において、閾値ＳＬｔｈｒは同じ値とされる。
【００７９】
図８の例においても、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２が図６及び図７の例と同様に算出される。しかしながら、図８の例では、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じているため、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値の最大値が図６及び図７の例よりも小さい。このため、図８の例では、閾値ＳＬｔｈｒが図６及び図７の例よりも小さくされる。図８の例では、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２は基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆよりも少ない。したがって、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定される。また、図８の例では、第２異常診断方法によって算出される第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２は、第１異常診断方法によって算出される第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１よりも少ない。
【００８０】
下流側空燃比センサ４１の応答特性における一次遅れ量が大きい程、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値の最大値は小さくなる。したがって、出力傾きＳＬの絶対値の最大値が小さい程、閾値ＳＬｔｈｒを小さくすることで、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じている場合であっても、酸素過不足量ＯＥＤの積算の終点を適切に決定することができる。したがって、第２異常診断方法では、下流側センサの応答特性に異常が生じている場合にも、排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量を精度良く算出することができ、ひいては排気浄化触媒２０の異常を精度良く診断することができる。
【００８１】
なお、第２異常診断方法において、目標空燃比ＴＡＦが切り替えられたとき（例えば、図６における時刻ｔ2）を酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点としてもよい。この場合、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に達したときを酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とした場合と比べて、積算期間が長くなるため、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２が多く算出される。このため、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に達したときを酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とした場合と比べて、基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆが大きくされる。
【００８２】
＜異常診断の制御ルーチン＞
以下、図９のフローチャートを参照して、本実施形態における排気浄化触媒２０の異常診断方法、すなわち上述した第２異常診断方法について詳細に説明する。図９は、排気浄化触媒２０の異常診断処理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では、リーン制御又はリッチ制御中に酸素過不足量ＯＥＤを積算することで最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが算出され、算出された最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘに基づいて、排気浄化触媒２０に異常が生じているか否かが判定される。
【００８３】
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実行される。最初に、ステップＳ１０１において、触媒異常判定フラグＦｃｆがゼロであるか否かが判定される。触媒異常判定フラグＦｃｆは、後述する異常判定処理によって、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定された場合に１とされるフラグである。ステップＳ１０１において、触媒異常判定フラグＦｃｆがゼロであると判定された場合、ステップＳ１０２へと進む。
【００８４】
ステップＳ１０２では、異常診断処理の実行条件が成立しているか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力は、大気圧、センサ素子の温度等によって変動する場合がある。このため、ステップＳ１０２では、異常診断の精度を高めるために、例えば、大気圧及びセンサ素子の温度が所定の範囲内にあるか否かが判定される。大気圧及びセンサ素子の温度が所定の範囲内にある場合には、異常診断処理の実行条件が成立していると判定される。また、異常診断は内燃機関の始動毎に一回だけ行われてもよいため、ステップＳ１０２において、内燃機関の始動後に異常診断が既に行われているか否かが判定されてもよい。内燃機関の始動後に異常診断が既に行われている場合、異常診断処理の実行条件が成立していないと判定される。ステップＳ１０２において、異常診断処理の実行条件が成立していると判定された場合、ステップＳ１０３へと進む。
【００８５】
ステップＳ１０３では、上述したアクティブ制御が実行される。具体的には、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦが、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈと、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとに交互に切り替えられる。
【００８６】
次いで、ステップＳ１０４において、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１が１であるか否かが判定される。第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１は、アクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが切り替えられたときに１とされるフラグである。ステップＳ１０４において、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１が１であると判定された場合、すなわちアクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが切り替えられた場合、ステップＳ１０５へと進む。一方、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１がゼロであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
【００８７】
ステップＳ１０５では、後述する酸素過不足量算出処理が実行される。次いで、ステップＳ１０６において、第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２が１であるか否かが判定される。第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２は、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１が１である場合にアクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが切り替えられたときに１とされるフラグである。言い換えれば、第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２は、アクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが切り替えられた後、目標空燃比ＴＡＦが再び切り替えられたときに１とされるフラグである。ステップＳ１０６において、第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２が１であると判定された場合、すなわちアクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが連続して切り替えられた場合、ステップＳ１０７へと進む。一方、第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２がゼロであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
【００８８】
ステップＳ１０７では、後述する最大酸素吸蔵量算出処理が実行される。次いで、ステップＳ１０８において、後述する異常判定処理が実行される。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８９】
一方、ステップＳ１０１において、触媒異常判定フラグＦｃｆが１であると判定された場合、すなわち排気浄化触媒２０に異常が生じていると既に判定されている場合、ステップＳ１０９へと進む。また、ステップＳ１０２において、異常診断処理の実行条件が成立していないと判定された場合も、ステップＳ１０９へと進む。これらの場合、排気浄化触媒２０の異常診断は実施されない。
【００９０】
ステップＳ１０９では、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ、バッファリング番号Ｎ及び酸素吸蔵量ＯＳＡがリセットされてゼロにされる。なお、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ、バッファリング番号Ｎ及び酸素吸蔵量ＯＳＡは、後述する酸素過不足量算出処理において算出されるパラメータである。
【００９１】
次いで、ステップＳ１１０において、通常制御が実行される。通常制御では、流入排気ガスの空燃比が機関運転状態等に基づいて制御される。ステップＳ１１０の後、本制御ルーチンは終了する。
【００９２】
＜酸素過不足量算出処理の制御ルーチン＞
以下、図１０のフローチャートを参照して、図９のステップＳ１０５における酸素過不足量算出処理について説明する。図１０は、酸素過不足量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。酸素過不足量算出処理の制御ルーチンでは、アクティブ制御におけるリーン制御又はリッチ制御において酸素過不足量ＯＥＤ等が算出される。
【００９３】
最初に、ステップＳ２０１において、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎであるか否かが判定される。目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎであると判定された場合、すなわちアクティブ制御においてリーン制御が実施されている場合、ステップＳ２０２へと進む。
【００９４】
ステップＳ２０２では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比（１４．６）以上であるか否かが判定される。上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上であると判定された場合、ステップＳ２０３へと進む。一方、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
【００９５】
ステップＳ２０３では、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬが算出され、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が出力傾きの最大値ＳＬｍａｘよりも大きいか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬは、例えば、異常診断処理の実行間隔である微小時間ΔＴにおける下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎの変化量を微小時間ΔＴで除算することで算出される。ステップＳ２０３において、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が出力傾きの最大値ＳＬｍａｘよりも大きいと判定された場合、ステップＳ２０４へと進む。
【００９６】
ステップＳ２０４では、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘが、ステップＳ２０３において算出された出力傾きＳＬの絶対値とされる。したがって、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘが更新される。ステップＳ２０４の後、ステップＳ２０５へと進む。一方、ステップＳ２０３において、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ以下であると判定された場合、ステップＳ２０４において出力傾きの最大値ＳＬｍａｘを更新することなく、ステップＳ２０５へと進む。
【００９７】
ステップＳ２０５では、バッファリング番号Ｎに１が加算された値が新たなバッファリング番号Ｎとされる。なお、バッファリング番号Ｎの初期値はゼロとされる。次いで、ステップＳ２０６では、Ｎ番目の出力傾きＳＬ（Ｎ）が、ステップＳ２０３において算出された出力傾きＳＬの絶対値とされる。バッファリング番号Ｎは、ステップＳ２０５において算出された値である。Ｎ番目の出力傾きＳＬ（Ｎ）はＥＣＵ３１のＲＡＭ３３にバッファリングされる。
【００９８】
次いで、ステップＳ２０７では、酸素過不足量ＯＥＤが算出される。酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、微小時間ΔＴの間に燃焼室５に供給された燃料噴射量を用いて、上記式（１）又は式（２）によって算出される。次いで、ステップＳ２０８では、酸素吸蔵量ＯＳＡに酸素過不足量ＯＥＤの絶対値が加算された値が新たな酸素吸蔵量ＯＳＡとされる。酸素過不足量ＯＥＤは、ステップＳ２０７において算出された値である。
【００９９】
次いで、ステップＳ２０９では、Ｎ番目の酸素吸蔵量ＯＳＡ（Ｎ）が、ステップＳ２０８において算出された酸素吸蔵量ＯＳＡとされる。バッファリング番号Ｎは、ステップＳ２０５において算出された値である。Ｎ番目の酸素吸蔵量ＯＳＡ（Ｎ）はＥＣＵ３１のＲＡＭ３３にバッファリングされる。ステップＳ２０９の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１００】
一方、ステップＳ２０１において、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈであると判定された場合、すなわちアクティブ制御においてリッチ制御が実施されている場合、ステップＳ２１０へと進む。ステップＳ２１０では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比（１４．６）以下であるか否かが判定される。上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以下であると判定された場合、ステップＳ２０３へと進む。その後、上述したステップＳ２０３〜ステップＳ２０９が実行される。一方、ステップＳ２１０において、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
【０１０１】
＜最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチン＞
以下、図１１のフローチャートを参照して、図９のステップＳ１０７における最大酸素吸蔵量算出処理について説明する。図１１は、最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンでは、酸素過不足量算出処理においてバッファリングされた値を用いて、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが算出される。
【０１０２】
最初に、ステップＳ３０１において、下流側空燃比センサ４１の出力傾きの閾値ＳＬｔｈｒが算出される。閾値ＳＬｔｈｒは、図１０におけるステップＳ２０４において算出された出力傾きの最大値ＳＬｍａｘに基づいて算出される。閾値ＳＬｔｈｒは、例えば、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘの関数として示されたマップに基づいて算出される。具体的には、上記マップでは、閾値ＳＬｔｈｒは、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘが大きいほど大きくなるものとして示される。また、閾値ＳＬｔｈｒは出力傾きの最大値ＳＬｍａｘよりも小さい値とされる。
【０１０３】
次いで、ステップＳ３０２において、バッファリング番号Ｎがゼロであるか否かが判定される。バッファリング番号Ｎは、図１０のステップＳ２０５において算出された値である。すなわち、バッファリング番号Ｎは、リーン制御又はリッチ制御中に出力傾きＳＬ及び酸素吸蔵量ＯＳＡが繰り返し算出され且つバッファリングされた回数を意味する。ステップＳ３０２において、バッファリング番号Ｎがゼロではないと判定された場合、ステップＳ３０３へと進む。ステップＳ３０３では、Ｎ番目の出力傾きＳＬ（Ｎ）が、ステップＳ３０１において算出された閾値ＳＬｔｈｒよりも小さいか否かが判定される。Ｎ番目の出力傾きＳＬ（Ｎ）は、酸素過不足量算出処理においてバッファリングされた値が呼び出される。Ｎ番目の出力傾きＳＬ（Ｎ）が閾値ＳＬｔｈｒ以上であると判定された場合、ステップＳ３０４へと進む。ステップＳ３０４では、バッファリング番号Ｎから１が減算された値が新たなバッファリング番号Ｎとされる。ステップＳ３０４の後、ステップＳ３０２へと戻る。ステップＳ３０３において、Ｎ番目の出力傾きＳＬ（Ｎ）が閾値ＳＬｔｈｒよりも小さいと判定された場合、ステップＳ３０５へと進む。
【０１０４】
ステップＳ３０５では、Ｎ番目の酸素吸蔵量ＯＳＡ（Ｎ）が最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘとされる。このことによって、空燃比維持期間において上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に達してから下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が最後に閾値未満となるまでの期間に積算された酸素過不足量ＯＥＤが排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘとして算出される。なぜならば、バッファリング番号Ｎが、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの絶対値が空燃比維持期間において最後に閾値ＳＬｔｈｒ未満となったときに相当するからである。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１０５】
一方、ステップＳ３０２において、バッファリング番号Ｎがゼロであると判定された場合、ステップＳ３０６へと進む。ステップＳ３０６では、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘがゼロとされる。ステップＳ３０２においてバッファリング番号Ｎがゼロであると判定される場合とは、バッファリングされた全ての酸素吸蔵量の値が閾値ＳＬｔｈｒ以上であった場合、又はバッファリングされた酸素吸蔵量の数が一つであった場合である。
【０１０６】
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
以下、図１２のフローチャートを参照して、図９のステップＳ１０８における異常判定処理について説明する。図１２は、異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。異常判定処理の制御ルーチンでは、酸素過不足量算出処理において算出された最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘを用いて、排気浄化触媒２０に異常が生じているか否かが判定される。
【０１０７】
最初に、ステップＳ４０１において最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆ以上であるか否かが判定される。最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘは、図１１のステップＳ３０５又はステップＳ３０６において算出された値である。基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆは、予め定められ、正常な排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量の下限値とされる。
【０１０８】
ステップＳ４０１において最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆ以上であると判定された場合、ステップＳ４０２へと進む。ステップＳ４０２では、排気浄化触媒２０に異常が生じていないと判定され、触媒異常判定フラグＦｃｆがゼロにされる。一方、ステップＳ４０１において最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆよりも少ないと判定された場合、ステップＳ４０３へと進む。ステップＳ４０３では、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定され、触媒異常判定フラグＦｃｆが１にされる。
【０１０９】
ステップＳ４０２又はステップＳ４０３の後、ステップＳ４０４へと進む。ステップＳ４０４では、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１、第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ、バッファリング番号Ｎ、酸素吸蔵量ＯＳＡ、閾値ＳＬｔｈｒ及び最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘがリセットされてゼロにされる。ステップＳ４０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１１０】
なお、アクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが切り替えられたときが、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘを算出するための酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とされてもよい。この場合、図１０におけるステップＳ２０１、ステップＳ２０２及びステップＳ２１０が省略される。また、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが複数回算出され、図１２におけるステップＳ４０１において、複数の最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘの平均値が基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆ以上であるか否かが判定されてもよい。
【０１１１】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１１２】
本願の発明者は、排気浄化触媒２０が正常であり且つ排気浄化触媒２０の温度が低い場合における下流側空燃比センサ４１の出力変動に関して、以下の知見を得た。具体的には、アクティブ制御において、目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比に達するまで、下流側空燃比センサ４１の出力傾きがほぼ一定となる。これは、排気浄化触媒２０の温度が低く排気浄化触媒２０が活性化していない場合、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えた後も排気浄化触媒２０から一酸化炭素が所定時間流出し続けることが原因であると考えられている。
【０１１３】
図１３を参照して、斯かる現象について具体的に説明する。図１３は、正常な排気浄化触媒２０の異常診断を行う際の目標空燃比ＴＡＦ、上流側出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎ、排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｔｒｕｅ、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬ、第２積算酸素過不足量ΣＯＥＤ２及び第３積算酸素過不足量ΣＯＥＤ３のタイムチャートである。
【０１１４】
図１３では、図６と同様の空燃比制御が実施されている。また、図６及び図１３の例において、異常診断が実施される排気浄化触媒２０の実際の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは同じである。一方、図１３の例では、吸入空気量が少なく、排気浄化触媒２０の温度が低い。このため、目標空燃比ＴＡＦをリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達するまで、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬがほぼ一定となっている。この出力傾きＳＬは出力傾きＳＬの閾値ＳＬｔｈｒよりも大きい。このため、上述した第２異常診断方法によって算出される第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２はゼロとなる。この結果、第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２が基準酸素量ＯＳＡｒｅｆよりも少なくなるため、排気浄化触媒２０に異常が生じていると判定される。したがって、排気浄化触媒２０の温度が低い場合には、排気浄化触媒２０が正常であっても、排気浄化触媒２０に異常が生じていると誤って判定する場合がある。
【０１１５】
そこで、第２実施形態の内燃機関では、リーン制御中に排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量が算出される場合、下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬの閾値ＳＬｔｈｒが、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持されている空燃比維持期間における排気浄化触媒２０の温度に基づいて補正される。具体的には、出力傾きＳＬの閾値ＳＬｔｈｒは、排気浄化触媒２０の温度が相対的に低い場合に排気浄化触媒２０の温度が相対的に高い場合に比べて大きくされる。
【０１１６】
このため、第２実施形態における内燃機関は、排気浄化触媒２０の温度を推定する触媒温度推定手段を備える。触媒温度推定手段は、例えば、排気浄化触媒２０を内蔵したケーシング２１に設けられた温度センサ２３である。温度センサ２３は排気浄化触媒２０の温度（床温）を検出することができる。なお、排気通路に温度センサを設けて排気通路内の排気ガス温度を検出し、検出された排気ガス温度から排気浄化触媒２０の温度を推定してもよい。また、内燃機関の運転状態（吸入空気量等）に基づいて排気浄化触媒２０の温度を推定してもよい。
【０１１７】
図１３の例では、排気浄化触媒２０の温度が低いため、出力傾きＳＬの閾値ＳＬｔｈｒが大きくなるように補正されている。図１３に、補正後の閾値ＳＬｔｈｒｃが示される。図１３の例では、時刻ｔ3〜時刻ｔ4において下流側空燃比センサ４１の出力傾きＳＬが補正後の閾値ＳＬｔｈｃよりも小さいため、補正後の閾値ＳＬｔｈｃに基づいて算出される第３最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ３は基準酸素量ＯＳＡｒｅｆよりも大きくなる。この結果、排気浄化触媒２０に異常が生じていない、すなわち排気浄化触媒２０が正常であると判定される。したがって、第２実施形態では、排気浄化触媒２０の温度が低い場合にも、排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量を精度良く算出することができ、ひいては排気浄化触媒２０の異常を精度良く診断することができる。
【０１１８】
なお、排気浄化触媒２０の温度が低い場合に出力傾きＳＬの閾値ＳＬｔｈｒを大きくすると、応答特性に異常が生じている下流側空燃比センサ４１を用いて異常な排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量を算出する場合に、排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量が実際よりも多く算出される。なぜならば、ＳＬの閾値ＳＬｔｈｒを大きくしたことによって、酸素過不足量ＯＥＤの積算期間が長くなるからである。しかしながら、排気浄化触媒２０の温度が低い場合、吸入空気量が少ないことが多い。このため、酸素過不足量ＯＥＤの積算期間が長くなることで余分に積算される酸素吸蔵量が少ない。したがって、排気浄化触媒２０の温度が低い場合に出力傾きＳＬの閾値ＳＬｔｈｒを大きくしたとしても、異常な排気浄化触媒２０を正常であると判定する可能性は小さい。
【０１１９】
また、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、目標空燃比ＴＡＦが切り替えられたとき（例えば、図１３における時刻ｔ2）を酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点としてもよい。この場合、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に達したときを酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とした場合と比べて、積算期間が長くなるため、第３最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ３が多く算出される。このため、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に達したときを酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とした場合と比べて、基準酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆが大きくされる。
【０１２０】
＜異常診断の制御ルーチン＞
第２実施形態では、図９に示した排気浄化触媒２０の異常診断処理の制御ルーチンが実行される。第２実施形態では、第１実施形態と異なり、図９におけるステップＳ１０５において、図１４に示した酸素過不足量算出処理が実行される。また、図９におけるステップＳ１０７において、図１５に示した最大酸素吸蔵量算出処理が実行される。さらに、図９におけるステップＳ１０９において、後述するリッチ判定フラグＦｒもリセットされてゼロにされる。
【０１２１】
＜酸素過不足量算出処理の制御ルーチン＞
以下、図１４のフローチャートを参照して、第２実施形態における酸素過不足量算出処理について説明する。図１４は、酸素過不足量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。酸素過不足量算出処理の制御ルーチンでは、アクティブ制御におけるリーン制御又はリッチ制御において酸素過不足量ＯＥＤ等が算出される。図１４におけるステップＳ８０１〜ステップＳ８０９及びステップＳ８１２は、図１０におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０９及びステップＳ２１０と同様であることから説明を省略する。
【０１２２】
本制御ルーチンでは、ステップＳ８０１において、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈであると判定された場合、すなわちアクティブ制御においてリッチ制御が実施されている場合、ステップＳ８１１へと進む。ステップＳ８１１ではリッチ判定フラグＦｒが１にされる。なお、リッチ判定フラグの初期値はゼロとされる。ステップＳ８１１の後、ステップＳ８１２へと進む。
【０１２３】
また、本制御ルーチンでは、ステップＳ８０９の後、ステップＳ８１０へと進む。ステップＳ８１０では、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが検出され、Ｎ番目の触媒温度ＣＴ（Ｎ）が、検出された温度ＣＴとされる。バッファリング番号Ｎは、ステップＳ８０５において算出された値である。Ｎ番目の触媒温度ＣＴ（Ｎ）はＥＣＵ３１のＲＡＭ３３にバッファリングされる。なお、排気浄化触媒２０の温度ＣＴは例えば温度センサ２３によって検出される。ステップＳ８１０の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１２４】
＜最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチン＞
以下、図１５のフローチャートを参照して、第２実施形態における最大酸素吸蔵量算出処理について説明する。図１５は、最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。最大酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンでは、酸素過不足量算出処理においてバッファリングされた値を用いて、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが算出される。図１５におけるステップＳ９０１及びステップＳ９０５〜ステップＳ９０９は、図１１におけるステップＳ３０１及びステップＳ３０２〜ステップＳ３０６と同様であることから説明を省略する。
【０１２５】
本制御ルーチンでは、ステップＳ９０１の後、ステップＳ９０２へと進む。ステップＳ９０２では、リッチ判定フラグＦｒがゼロであるか否かが判定される。リッチ判定フラグＦｒがゼロであると判定された場合、すなわちアクティブ制御におけるリーン制御中に酸素過不足量ＯＥＤが算出された場合、ステップＳ９０３へと進む。
【０１２６】
ステップＳ９０３では、リーン制御中における排気浄化触媒２０の温度ＣＴｒが算出される。温度ＣＴｒは、例えば、リーン制御中に検出された排気浄化触媒２０の温度ＣＴの平均値として算出される。この場合、温度ＣＴｒは、図１４におけるステップＳ８１０においてバッファリングされた温度ＣＴ（１）〜ＣＴ（Ｎ）を全て加算したものをバッファリング番号Ｎで除算することによって算出される。なお、最初に検出された温度ＣＴ（１）又は最後に検出された温度ＣＴ（Ｎ）が温度ＣＴｒとされてもよい。また、リーン制御の開始時又は終了時に排気浄化触媒２０の温度を検出し、検出した温度を温度ＣＴｒとしてもよい。ステップＳ９０３の後、ステップＳ９０４へと進む。
【０１２７】
ステップＳ９０４では、ステップＳ９０３において算出された温度ＣＴｒに基づいて、ステップＳ９０１において算出された閾値ＳＬｔｈｒが補正される。具体的には、補正後の閾値ＳＬｔｈｒｃは、温度ＣＴｒが相対的に低い場合に温度ＣＴｒが相対的に高い場合に比べて大きくされる。また、補正後の閾値ＳＬｔｈｒｃは、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ及び温度ＣＴｒの関数として示されたマップに基づいて算出されてもよい。具体的には、上記マップでは、補正後の閾値ＳＬｔｈｒｃは、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘが大きいほど大きくなるものとして示される。また、補正後の閾値ＳＬｔｈｒｃは、温度ＣＴｒが低いほど大きくなるものとして示される。ステップＳ９０４の後、ステップＳ９０５へと進む。
【０１２８】
一方、ステップＳ９０２において、リッチ判定フラグＦｒが１であると判定された場合、すなわちアクティブ制御におけるリッチ制御中に酸素過不足量ＯＥＤが算出された場合、ステップＳ９０５へと進む。したがって、アクティブ制御におけるリッチ制御中に酸素過不足量ＯＥＤが算出された場合には、閾値ＳＬｔｈｒは補正されない。
【０１２９】
また、第２実施形態では、図１２に示した異常判定処理の制御ルーチンのステップＳ４０４において、リッチ判定フラグＦｒもリセットされてゼロにされる。
【０１３０】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、第３実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態及び第２実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。第３実施形態では、排気浄化触媒２０の異常診断に加えて、下流側空燃比センサ４１の異常診断が実施される。
【０１３１】
第３実施形態では、排気浄化触媒２０及び下流側空燃比センサ４１の異常診断を実施するために、第１実施形態及び第２実施形態と同様にアクティブ制御が実施される。したがって、空燃比制御手段は、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に切り替える。リッチ設定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１４．１とされる。リーン設定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１６．１とされる。
【０１３２】
具体的には、空燃比制御手段は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替える。また、空燃比制御手段は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。リッチ判定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１４．５５とされる。また、リーン判定空燃比は、予め定められた空燃比であり、例えば１４．６５とされる。
【０１３３】
第３実施形態における内燃機関では、酸素吸蔵量算出手段は、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられた後、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が理論空燃比以上になってから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側基準空燃比以上になるまでの間に排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量を算出する。言い換えれば、酸素吸蔵量算出手段は、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられた後、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が理論空燃比以上になってから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン側基準空燃比以上になるまで酸素過不足量を積算する。リーン側基準空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンであり且つリーン判定空燃比よりもリッチな値とされる。なお、上記のように算出された酸素吸蔵量は、図６〜図８に示された第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１に相当する。
【０１３４】
また、酸素吸蔵量算出手段は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられた後、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が理論空燃比以下になってから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側基準空燃比以下になるまでの間に排気浄化触媒２０から放出される酸素放出量を算出する。言い換えれば、酸素吸蔵量算出手段は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられた後、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が理論空燃比以下になってから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ側基準空燃比以下になるまで酸素過不足量の絶対値を積算する。リッチ側基準空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチであり且つリッチ判定空燃比よりもリーンな値とされる。また、酸素吸蔵量算出手段は第１実施形態又は第２実施形態と同様に最大酸素吸蔵量を算出する。
【０１３５】
第３実施形態における内燃機関は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じているか否かを判定するセンサ異常判定手段を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１がセンサ異常判定手段として機能する。図７及び図８から分かるように、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じている場合、酸素吸蔵量算出手段によって算出された酸素吸蔵量（図７及び図８における第１最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ１）と最大酸素吸蔵量（図７及び図８における第２最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ２）との差が大きくなる。また、酸素吸蔵量算出手段によって算出される酸素放出量は酸素吸蔵量とほぼ等しくなるため、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じている場合、酸素吸蔵量算出手段によって算出された酸素放出量と最大酸素吸蔵量との差も大きくなる。
【０１３６】
このため、センサ異常判定手段は、酸素吸蔵量算出手段によって算出された酸素吸蔵量又は酸素放出量と最大酸素吸蔵量との差が予め定められた基準量よりも大きい場合には、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じていると判定する。一方、センサ異常判定手段は、酸素吸蔵量算出手段によって算出された酸素吸蔵量又は酸素放出量と最大酸素吸蔵量との差が予め定められた基準量以下である場合には、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じていない、すなわち下流側空燃比センサ４１の応答特性が正常であると判定する。このことによって、第３実施形態では、下流側空燃比センサ４１の応答特性の異常を精度良く診断することができる。
【０１３７】
＜異常診断の制御ルーチン＞
以下、図１６〜図１８のフローチャートを参照して、第３実施形態における排気浄化触媒２０及び下流側空燃比センサ４１の異常診断について詳細に説明する。図１６は、排気浄化触媒２０及び下流側空燃比センサ４１の異常診断処理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実行される。図１６におけるステップＳ５０１〜ステップＳ５０５、ステップＳ５０７、ステップＳ５０８及びステップＳ５１１は、図９におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５、ステップＳ１０６、ステップＳ１０７及びステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。
【０１３８】
本制御ルーチンでは、ステップＳ５０５の後のステップＳ５０６において、比較酸素吸蔵量算出処理が実行される。また、ステップＳ５１０では、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ、バッファリング番号Ｎ、酸素吸蔵量ＯＳＡ及び比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐがリセットされてゼロにされる。なお、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐは、後述する比較酸素吸蔵量算出処理において算出されるパラメータである。
【０１３９】
＜比較酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチン＞
以下、図１７のフローチャートを参照して、図１６のステップＳ５０６における比較酸素吸蔵量算出処理について説明する。図１７は、比較酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。比較酸素吸蔵量算出処理の制御ルーチンでは、アクティブ制御におけるリーン制御又はリッチ制御において比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐが算出される。
【０１４０】
最初に、ステップＳ６０１において、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎであるか否かが判定される。目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎであると判定された場合、すなわちアクティブ制御においてリーン制御が実施されている場合、ステップＳ６０２へと進む。
【０１４１】
ステップＳ６０２では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比（１４．６）以上であるか否かが判定される。上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上であると判定された場合、ステップＳ６０３へと進む。一方、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
【０１４２】
ステップＳ６０３では、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆよりも大きいか否かが判定される。下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以下であると判定された場合、ステップＳ６０４へと進む。ステップＳ６０４では、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐに酸素過不足量ＯＥＤの絶対値が加算された値が新たな比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐとされる。したがって、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐが更新される。酸素過不足量ＯＥＤは、図１０におけるステップＳ２０７において算出された値である。ステップＳ６０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４３】
一方、ステップＳ６０３において、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆよりも大きいと判定された場合、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐを更新することなく、本制御ルーチンは終了する。目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられてからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられるまで本制御ルーチンが繰り返し実施された場合、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上になってから下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比以上ＡＦｌｒｅｆ以上になるまでの期間に積算された酸素過不足量が比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐとして算出される。この場合、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐは、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられた後、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上になってから下流側空燃比出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側基準空燃比ＡＦｌｒｅｆ以上になるまでの間に排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量に相当する。
【０１４４】
一方、ステップＳ６０１において、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈであると判定された場合、すなわちアクティブ制御においてリッチ制御が実施されている場合、ステップＳ６０５へと進む。
【０１４５】
ステップＳ６０５では、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比（１４．６）以下であるか否かが判定される。上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以下であると判定された場合、ステップＳ６０６へと進む。一方、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
【０１４６】
ステップＳ６０６では、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆよりも小さいか否かが判定される。下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆ以上であると判定された場合、ステップＳ６０４へと進む。ステップＳ６０４では、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐに酸素過不足量ＯＥＤの絶対値が加算された値が新たな比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐとされる。したがって、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐが更新される。酸素過不足量ＯＥＤは、図１０におけるステップＳ２０７において算出された値である。ステップＳ６０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４７】
一方、ステップＳ６０６において、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆよりも小さいと判定された場合、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐを更新することなく、本制御ルーチンは終了する。目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられてからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられるまで本制御ルーチンが繰り返し実施された場合、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以下になってから、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比以上ＡＦｒｒｅｆ以下になるまでの期間に積算された酸素過不足量が比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐとして算出される。この場合、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられた後、上流側出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以下になってから下流側空燃比出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側基準空燃比ＡＦｒｒｅｆ以上になるまでの間に排気浄化触媒２０から放出される酸素放出量に相当する。
【０１４８】
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
図１６のステップＳ５０９における異常判定処理では、図１８に示した制御ルーチンが実行される。図１８は、異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。異常判定処理の制御ルーチンでは、排気浄化触媒２０に加えて、下流側空燃比センサ４１に異常が生じているか否かが判定される。図１８におけるステップＳ７０１〜ステップＳ７０３は、図１２におけるステップＳ４０１〜ステップＳ４０３と同様であることから説明を省略する。
【０１４９】
本制御ルーチンでは、ステップＳ７０２又はステップＳ７０３の後、ステップＳ７０４へと進む。ステップＳ７０４では、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐから最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが減算された値が基準量Ｘ以下であるか否かが判定される。比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐは、図１７のステップＳ６０４において算出された値である。最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘは、図１１のステップＳ３０５若しくはステップＳ３０６又は図１５のステップＳ９０８若しくはステップＳ９０９において算出された値である。また、基準量Ｘは、予め定められ、下流側空燃比センサ４１の応答特性が正常である場合に生じうる比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐと最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘとの差の上限値とされる。基準量Ｘはゼロであってもよい。
【０１５０】
ステップＳ７０４において、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐから最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが減算された値が基準量Ｘ以下であると判定された場合、ステップＳ７０５へと進む。ステップＳ７０５では、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じていないと判定され、センサ異常判定フラグＦｓｆがゼロにされる。一方、ステップＳ７０４において、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐから最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘが減算された値が基準量Ｘよりも大きいと判定された場合、ステップＳ７０６へと進む。ステップＳ７０６では、下流側空燃比センサ４１の応答特性に異常が生じていると判定され、センサ異常判定フラグＦｓｆが１にされる。
【０１５１】
ステップＳ７０５又はステップＳ７０６の後、ステップＳ７０７へと進む。ステップＳ７０７では、第１目標空燃比切替フラグＦｓｗ１、第２目標空燃比切替フラグＦｓｗ２、出力傾きの最大値ＳＬｍａｘ、バッファリング番号Ｎ、酸素吸蔵量ＯＳＡ、比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐ、閾値ＳＬｔｈｒ及び最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘがリセットされてゼロにされる。ステップＳ７０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１５２】
なお、アクティブ制御において目標空燃比ＴＡＦが切り替えられたときが、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ及び比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐを算出するための酸素過不足量ＯＥＤの積算の始点とされてもよい。この場合、図１０におけるステップＳ２０１、ステップＳ２０２及びステップＳ２１０、並びに図１７におけるステップＳ６０２及びステップＳ６０５が省略される。また、最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘ及び比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐが複数回算出され、図１８におけるステップＳ７０４において、複数の比較酸素吸蔵量ＯＳＡｃｍｐの平均値から複数の最大酸素吸蔵量ＯＳＡｍａｘの平均値が減算された値が基準量Ｘ以下であるか否かが判定されてもよい。
【０１５３】
なお、上述した全ての制御は内燃機関のＥＣＵ３１によって制御される。
【０１５４】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、上述した実施形態では、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置された下流側センサとして空燃比センサが用いられているが、下流側センサは酸素センサであってもよい。
【符号の説明】
【０１５５】
１    機関本体
５    燃焼室
６    吸気弁
７    吸気ポート
８    排気弁
９    排気ポート
１１    燃料噴射弁
１９    排気マニホルド
２０    排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
３９    エアフロメータ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【図１】
0006288011.tif 000002
【図２】
0006288011.tif 000003
【図３】
0006288011.tif 000004
【図４】
0006288011.tif 000005
【図５】
0006288011.tif 000006
【図６】
0006288011.tif 000007
【図７】
0006288011.tif 000008
【図８】
0006288011.tif 000009
【図９】
0006288011.tif 000010
【図１０】
0006288011.tif 000011
【図１１】
0006288011.tif 000012
【図１２】
0006288011.tif 000013
【図１３】
0006288011.tif 000014
【図１４】
0006288011.tif 000015
【図１５】
0006288011.tif 000016
【図１６】
0006288011.tif 000017
【図１７】
0006288011.tif 000018
【図１８】
0006288011.tif 000019