(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関が内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサを具備し、該空燃比センサがその素子を加熱する加熱装置を具備する、内燃機関の制御装置において、
当該制御装置は、内燃機関の作動中に内燃機関の燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、該燃料カット制御の実行中又は終了後に前記空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御とを実行可能であり、前記空燃比センサの素子温度が目標素子温度となるように前記加熱装置を制御し、
前記異常診断制御の実行条件のうち燃料カット制御が実行されること以外の実行条件が成立した開始時期から前記空燃比センサの異常診断制御が完了する時以降の所定の終了時期までの期間における前記空燃比センサの目標素子温度は、該期間以外における目標素子温度よりも高く設定される、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
当該制御装置は、前記燃料カット制御が実行されたことを含む異常診断実行条件が成立した時に前記異常診断制御の実行を開始する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記期間における目標素子温度は、前記空燃比センサ周りを大気ガスが流通したときに空燃比センサが限界電流を出力することができるような温度とされる、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記空燃比センサはコップ型の空燃比センサである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記空燃比センサは、内燃機関の排気通路に配置された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空燃比センサである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
当該制御装置は、燃料カット制御の終了後に内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒の異常診断を行う触媒異常診断制御を実行可能であり、
前記空燃比センサの異常診断制御が完了する時よりも前記排気浄化触媒の触媒異常診断制御が完了する時の方が遅い場合には、前記終了時期は、前記排気浄化触媒の異常診断制御が完了した時以降とされる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
当該制御装置は、燃料カット制御の終了後に内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒の異常診断を行う触媒異常診断制御を実行可能であり、且つ、燃料カット制御の終了後には、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となるように空燃比を制御する復帰後リッチ制御を行い、前記終了時期は復帰後リッチ制御の完了時又はそれ以前とされる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関の制御装置が知られている。
【０００３】
このような内燃機関に用いられる空燃比センサは、使用に伴う劣化等により、異常が発生する場合がある。空燃比センサにこのような異常が発生すると、内燃機関に供給する燃料量を適切に制御することができなくなり、内燃機関の制御装置が実行する各種制御に支障が生じてしまう。このため、このような空燃比センサを用いる内燃機関の制御装置では、一般に、空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御が行われる。
【０００４】
特許文献１に記載の制御装置では、このような異常診断制御として、例えば、以下のような制御が行われている。すなわち、まず、空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比が、理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）から理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）にステップ的に切り替えられる。そして、このように排気ガスの空燃比を切り替えたときの、空燃比センサの出力空燃比のステップ応答が計測される。同様にして、空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比が、リーン空燃比からリッチ空燃比にステップ的に切り替えられ、このときの空燃比センサの出力空燃比のステップ応答が計測される。そして、これら計測値に基づいて一次遅れ系のパラメータが算出され、これにより空燃比センサの異常診断が行われる。
【０００５】
また、空燃比センサの出力電圧は温度依存性が高いことから、特許文献１に記載の装置では、空燃比センサの素子温度を所定の活性温度（例えば、６００℃以上）に保持するようにしている。これにより、空燃比センサによる検出精度を良好に維持することができると共に、空燃比センサの異常診断を適正に実施することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９９５４５号公報
【特許文献２】特開２００９−１４５２３５号公報
【特許文献３】特開２００３−１４８２０６号公報
【特許文献４】特開２００６−１７７３７１号公報
【特許文献５】特開平８−２２００５９号公報
【特許文献６】特開２００５−００２９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、空燃比センサの異常診断制御として、例えば、内燃機関の作動中に内燃機関の燃焼室への燃料供給を一時的に停止する燃料カット制御の際に行う異常診断制御が提案されている。具体的には、例えば、燃料カット制御の開始前に空燃比センサ周りを流通する排気ガスを理論空燃比又はリッチ空燃比にすると共に、その後に燃料カット制御を開始することによって空燃比センサ周りに大気ガスを流通させる。このときの空燃比センサによって検出された空燃比（以下、「出力空燃比」ともいう）の応答性に基づいて空燃比センサの異常診断が行われる。
【０００８】
このような燃料カット制御時における空燃比センサの異常診断を正確に行うためには、リッチ空燃比からリーン度合いの大きいリーン空燃比（大気ガス）までの広範囲な領域において、空燃比センサによって空燃比を検出することができる必要がある。ところが、空燃比センサの素子温度が低いと、理論空燃比近傍の空燃比を正確に検出することはできるが、大気ガスのようなリーン度合いの大きなリーン空燃比を正確に検出することはできない。
【０００９】
一方、空燃比センサに設けられたヒータによって空燃比センサの素子温度を常に高く維持するとヒータの加熱によって消費される電力が大きくなってしまう。また、ヒータの加熱によって消費される電力を小さくすべく、燃料カット制御が開始されてからヒータによって空燃比センサの加熱を行うことも考えられる。しかしながら、ヒータによる加熱をこのように行うと、多くの場合、空燃比センサの素子温度が十分に高くなる前に燃料カット制御が終了してしまうことになる。このため、多くの場合、燃料カット制御中にリーン度合いの大きなリーン空燃比を正確に検出することができず、よって空燃比センサの異常診断を適切に行うことができない。
【００１０】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、空燃比センサ加熱用のヒータによる消費電力を低く維持しつつ、燃料カット制御中に行われる異常診断によって空燃比センサの異常診断を的確に行うことができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関が内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサを具備し、該空燃比センサがその素子を加熱する加熱装置を具備する、内燃機関の制御装置において、当該制御装置は、内燃機関の作動中に内燃機関の燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、該燃料カット制御の実行中又は終了後に前記空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御とを実行可能であり、前記空燃比センサの素子温度が目標素子温度となるように前記加熱装置を制御し、前記内燃機関の始動時以降の所定の高温制御開始時期から前記空燃比センサの異常診断制御が完了する時以降の所定の高温制御終了時期までの高温制御期間における前記空燃比センサの目標素子温度は、該高温制御期間以外における目標素子温度よりも高く設定される。
【００１２】
第２の発明では、第１の発明において、当該制御装置は、前記燃料カット制御が実行されたことを含む異常診断実行条件が成立した時に前記異常診断制御の実行を開始し、前記高温制御開始時期は、前記燃料カット制御が実行されたこと以外の前記異常診断実行条件が成立した時またはそれ以前とされる。
【００１３】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記高温制御期間における目標素子温度は、前記空燃比センサ周りを大気ガスが流通したときに空燃比センサが限界電流を出力することができるような温度とされる。
【００１４】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記空燃比センサはコップ型の空燃比センサである。
【００１５】
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記空燃比センサは、内燃機関の排気通路に配置された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空燃比センサである。
【００１６】
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、当該制御装置は、燃料カット制御の終了後に内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒の異常診断を行う触媒異常診断制御を実行可能であり、前記空燃比センサの異常診断制御が完了する時よりも前記排気浄化触媒の触媒異常診断制御が完了する時の方が遅い場合には、前記高温制御終了時期は、前記排気浄化触媒の異常診断制御が完了した時以降とされる。
【００１７】
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、当該制御装置は、燃料カット制御の終了後に内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒の異常診断を行う触媒異常診断制御を実行可能であり、且つ、燃料カット制御の完了後には、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となるように空燃比を制御する復帰後リッチ制御を行い、前記昇温終了時期は復帰後リッチ制御の完了時又はそれ以前とされる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、空燃比センサ加熱用のヒータによる消費電力を低く維持しつつ、燃料カット制御中に行われる異常診断によって空燃比センサの異常診断を的確に行うことができる内燃機関の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、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、空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。
【図６】図６は、燃料カット制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。
【図７】図７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８】図８は、内燃機関の始動時における機関回転数等のタイムチャートである。
【図９】図９は、燃料カット制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、下流側空燃比センサの素子温度制御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、高温要求フラグの設定制御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、内燃機関の始動時における機関回転数等を示す、図８と同様なタイムチャートである。
【図１３】図１３は、燃料カット制御を行った際の目標空燃比等を示す、図９と同様なタイムチャートである。
【図１４】図１４は、高温要求フラグの設定制御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】
＜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制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
【００２７】
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。
【００２８】
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」ともいう）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」ともいう）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。
【００２９】
＜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、特に固体電解質層５１（素子）の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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５１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。
【００３３】
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、排気空燃比が大きくなるほど（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。
【００３４】
一方、センサ印加電圧が限界電流領域よりも低い領域では、センサ印加電圧にほぼ比例して出力電流が変化する。以下では、斯かる領域を比例領域と称す。このときの傾きは、固体電解質層５１の直流素子抵抗によって定まる。また、センサ印加電圧が限界電流領域よりも高い領域では、センサ印加電圧の増加に伴って出力電流も増加する。この領域では、排気側電極５２上にて排気ガス中に含まれる水分の分解が生じること等により、センサ印加電圧の変化に応じて出力電圧が変化する。以下では、斯かる領域を水分解領域と称する。
【００３５】
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、排気空燃比が大きくなるほど（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。
【００３６】
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。
【００３７】
＜基本的な制御＞
このように構成された内燃機関では、両空燃比センサ４０、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、例えば以下のような方法が挙げられる。すなわち、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空燃比）が目標空燃比となるようにフィードバック制御を行う。加えて、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。
【００３８】
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時における、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量ＯＳＡ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ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。
【００３９】
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ＡＦｄｗｎ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（最大吸蔵可能酸素量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。
【００４０】
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ＡＦＴ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ＡＦｕｐ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ＡＦｄｗｎ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。
【００４１】
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ＡＦｄｗｎ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ＡＦｒｉｃｈ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。
【００４２】
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ＯＳＡ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ＡＦＴｌｅａｎ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ッチ空燃比となり、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。
【００４３】
なお、通常運転時に行われる空燃比の制御は、必ずしも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、通常運転時に行われる制御として、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ＡＦｕｐ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ＡＦｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐを補正するような制御を行ってもよい。
【００４４】
また、本実施形態の内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速時等に、内燃機関の動作中に燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止又は大幅に減量して燃焼室５内への燃料供給を停止又は大幅に低減する燃料カット制御が実施される。斯かる燃料カット制御は、所定の燃料カット開始条件が成立したときに開始される。具体的には、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。
【００４５】
燃料カット制御が行われたときは、内燃機関から空気又は空気と同様な排気ガスが排出されることになるため、上流側排気浄化触媒２０には空燃比の極めて大きい（すなわち、リーン度合いの極めて高い）ガスが流入することになる。この結果、燃料カット制御中には、上流側排気浄化触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量に達する。
【００４６】
また、本実施形態の内燃機関では、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を放出させるために、燃料カット制御の終了直後には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比よりもリッチな復帰後リッチ空燃比にする復帰後リッチ制御が行われる。
【００４７】
＜空燃比センサの異常診断＞
ところで、上述したように空燃比センサ４０、４１はその使用に伴って劣化し、空燃比センサ４０、４１に異常が生じる場合がある。このように空燃比センサ４０、４１に異常が生じると、その出力の精度が悪化し、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を適切に制御することができなくなる。その結果、排気エミッションの悪化や燃費の悪化を招いてしまう。このため、多くの内燃機関の制御装置は、空燃比センサ４０、４１の異常を自己診断する異常診断制御を行うように構成されている。
【００４８】
このような異常診断制御としては、例えば、燃料カット制御の際に行うものが挙げられる。具体的には、燃料カット制御を開始したとき及び燃料カット制御を終了したときにおける空燃比センサ４０、４１の出力空燃比の推移に基づいて異常診断が行われる。
【００４９】
図６は、燃料カット制御を行った際における目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に（ＦＣフラグオン）、時刻ｔ3において燃料カット制御が終了せしめられる（ＦＣフラグオフ）。
【００５０】
図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始される前には、上述した通常運転時における空燃比制御が行われている。時刻ｔ1において燃料カット制御が開始せしめられると、機関本体１からはリーン度合いの大きなリーン空燃比のガスが排出され、よって上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが急激に上昇する。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は増大し、一方、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比のままとなる。
【００５１】
その後、時刻ｔ2において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量（Ｃｍａｘ）に達すると、上流側排気浄化触媒２０はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなる。このため、時刻ｔ2以降においては、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも急激に上昇する。
【００５２】
時刻ｔ3において、燃料カット終了条件が成立すると、燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット終了条件としては、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量が所定値以上になること（すなわち、機関負荷が或る程度の値になること）、或いは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下になること等が挙げられる。
【００５３】
燃料カット制御が終了せしめられると、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を放出させるために、復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、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がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチな復帰後リッチ空燃比ＡＦＴｒｔに設定される。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比になると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少する。このとき、上流側排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入せしめられても、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素と排気ガス中の未燃ガスとが反応するため、上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。
【００５４】
酸素吸蔵量の減少が続くと、ついには酸素吸蔵量がほぼゼロとなって、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出する。これにより、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となる。このように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。その後、上述した通常運転における空燃比制御が開始され、図示した例では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定されるように制御される。
【００５５】
下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合、このように燃料カット制御を行うと、図中に実線で示したように、燃料カット制御の開始に伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比からリーン空燃比へ急激に変化する。また、燃料カット制御の終了に伴って、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比から理論空燃比へ急激に変化する。
【００５６】
一方、下流側空燃比センサ４１に異常が生じている場合、特に応答速度低下の異常が生じている場合、図中に破線で示したように、燃料カット制御が開始されたときに下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上昇する速度はそれほど速くない。同様に、燃料カット制御が終了されたときに下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低下する速度もそれほど速くない。すなわち、下流側空燃比センサ４１に応答速度低下の異常が生じている場合には、異常が生じていない場合に比べて、燃料カット制御の開始時及び終了時における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの上昇速度及び低下速度が遅くなる。
【００５７】
そこで、本実施形態では、燃料カット制御の開始後に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低基準空燃比ＡＦｌｏｗ（例えば、１５．５）から高基準空燃比ＡＦｈｉｇｈ（例えば、１８）に到達するまでにかかる時間（以下、「上昇時間」という）Δｔｕｐが検出される。このようにして検出された上昇時間Δｔｕｐが、予め定められた基準上昇時間よりも短い場合には下流側空燃比センサ４１には異常が生じていないと判定される。一方、このようにして検出された上昇時間Δｔｕｐが、予め定められた基準上昇時間以上である場合に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る。
【００５８】
同様にして、本実施形態では、燃料カット制御の終了後に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが高基準空燃比ＡＦｈｉｇｈから低基準空燃比ＡＦｌｏｗに到達するまでにかかる時間（以下、「低下時間」という）Δｔｄｗｎが検出される。このようにして検出された低下時間Δｔｄｗｎが予め定められた基準低下時間よりも短い場合には、下流側空燃比センサ４１には異常が生じていないと判定される。一方、このようして検出された低下時間Δｔｄｗｎ予め定められた基準低下時間以上である場合には、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定される。
【００５９】
このようにして異常診断が行われた結果、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定された場合には、例えば、ユーザに下流側空燃比センサ４１の異常を知らせる警告灯が点灯せしめられる。
【００６０】
なお、上述した例では、下流側空燃比センサ４１の異常診断についてのみ説明したが、上流側空燃比センサ４０の異常診断も同様に行うことができる。また、空燃比センサ４０、４１の異常診断は、応答速度低下の異常以外の別の異常を診断するものであってもよい。特に、これら空燃比センサ４０、４１の異常診断制御においては、燃料カット制御中又はその前後に行うものであれば、上記異常診断制御に加えて又はこれとは別に他の方法による制御を行ってもよい。このような制御の一つとして、例えば、燃料カット制御中において最終的に収束した下流側空燃比センサ４１の出力空燃比を検出することが挙げられる。この場合、燃料カット制御中に収束した出力空燃比に基づいて低基準空燃比や高基準空燃比が補正される。
【００６１】
＜異常診断における問題点＞
ところで、空燃比センサの４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性は温度に応じて変化する。この様子を図７に示す。図中の実線は、空燃比センサ４０、４１の素子温度が６００℃のときの電圧−電流特性を、図中の破線は、空燃比センサ４０、４１の素子温度が７００℃のときの電圧−電流特性をそれぞれ示している。
【００６２】
図７からわかるように、比例領域における傾きは、素子温度が６００℃であるときよりも７００℃であるときの方が大きい。この結果、例えば、空燃比センサ４０、４１におけるセンサ印加電圧を電流Ｉに応じて図中のＡのようにフィードバック制御した場合、素子温度が７００℃であると、空燃比センサ４０、４１によって大気ガスまで空燃比を検出することができる。ところが、センサ印加電圧をＡのようにフィードバック制御した場合、素子温度が６００℃であると、大気ガスにおける空燃比や比較的リーン度合いの高いリーン空燃比は限界電流領域において検出されない。この結果、空燃比センサ４０、４１によって大気ガスや比較的リーン度合いの高いリーン空燃比の排気ガスにおける空燃比を正確に検出することができない。
【００６３】
一方、空燃比センサ４０、４１におけるセンサ印加電圧を電流Ｉに応じて図中のＢのようにフィードバック制御すると、大気ガスを検出する領域（図中のＣ）ではセンサ印加電圧が高くなる。このため、固体電解質層５１においていわゆるブラックニングが生じてしまう。したがって、図中のＢのようにセンサ印加電圧をフィードバック制御するのは現実的ではない。
【００６４】
したがって、大気ガスや比較的リーン度合いの高いリーン空燃比の排気ガスにおける空燃比を正確に検出するためには、空燃比センサ４０、４１の素子温度を７００℃程度以上にすることが必要である。しかしながら、空燃比センサ４０の素子温度を常に７００℃程度以上に維持するためには、ヒータ部５６によって固体電解質層５１を加熱するために消費電力が大きなものとなってしまう。
【００６５】
一方、通常時には空燃比センサ４０の素子温度を６００℃程度としておいて、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うときにだけヒータ部５６により素子温度を７００℃程度まで昇温することも考えられる。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の素子温度を６００℃程度から７００℃程度まで上昇させるためには或る程度の時間がかかる。このため、燃料カット制御の開始と共に空燃比センサ４０、４１の加熱を行ってもほとんどの場合には素子温度が７００℃に到達する前に燃料カット制御が終了してしまうことになる。その結果、空燃比センサ４０、４１の温度が高い状態で上述した異常診断を行うことができず、よって空燃比センサ４０、４１の異常診断を正確に行うことができなくなってしまう。
【００６６】
＜本発明における温度制御＞
そこで、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の素子温度が目標素子温度となるように、空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６による加熱量をフィードバック制御するようにしている。加えて、本実施形態では、機関始動時以降の所定の昇温開始時期から空燃比センサ４０、４１の異常診断制御完了時以降の所定の昇温終了時期までの昇温期間における目標素子温度を、この昇温期間以外における目標素子温度よりも高く設定するようにしている。
【００６７】
図８は、内燃機関の始動時における機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｇａ、下流側空燃比センサ４１周りの排気管の温度Ｔｅｘ、機関冷却水の温度Ｔｗ、高温要求フラグ、下流側空燃比センサ４１のインピーダンスＩＰｄｗｎ、下流側空燃比センサ４１の単位時間当たりの加熱量Ｑ、下流側空燃比センサ４１の素子温度Ｔｄｗｎのタイムチャートである。このうち、高温要求フラグは、下流側空燃比センサ４１の素子温度を通常時に比べて高くすることが要求されるときにオンにされ、それ以外のときにオフにされるフラグである。
【００６８】
なお、下流側空燃比センサ４１のインピーダンス（より正確には、下流側空燃比センサ４１の固体電解質層５１（素子）のインピーダンス）ＩＰｄｗｎは、固体電解質層５１の温度に応じて変化する。具体的には、固体電解質層５１の温度が高くなるほど、固体電解質層５１のインピーダンスが低くなる。このため、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の素子温度を目標素子温度にするために、下流側空燃比センサ４１の実際のインピーダンスＩＰＲｄｗｎが目標素子温度に対応する目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎとなるようにフィードバック制御を行っている。
【００６９】
また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の温度を検出するために、固体電解質層５１（素子）のインピーダンスを検出するようにしている。固体電解質層５１のインピーダンスの検出は、固体電解質層５１に所定周波数の交流電圧を印加すると共に、これに伴って固体電解質層５１に流れる交流電流の大きさに基づいて検出される。交流電圧の印加は、電極５２、５３を用いて行ってもよいし、別の方法で行ってもよい。
【００７０】
図８に示した例では、時刻ｔ1において、イグニッションスイッチがオンにされる。このため、時刻ｔ1において、機関回転数ＮＥが上昇すると共に燃焼室５内に供給される排気ガスの吸入空気量Ｇａが増大せしめられる。また、時刻ｔ1以降、燃焼室５から排出された排気ガスが排気通路内を流通するため、下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが徐々に上昇せしめられる。また、時刻ｔ1以降、燃焼室５内において燃焼が生じるため、機関冷却水の温度Ｔｗが徐々に上昇せしめられる。
【００７１】
しかしながら、時刻ｔ1においてイグニッションスイッチがオンにされて内燃機関が始動されても、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎは設定されず、その結果、ヒータ部５６による下流側空燃比センサ４１の加熱量はゼロのまま維持される。また、下流側空燃比センサ４１の素子温度は、排気ガスが流通することにより多少上昇するが、ヒータ部５６による加熱が行われないためそれほど変化しない。
【００７２】
その後、機関本体１から排出される排気ガスにより下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが徐々に上昇し、時刻ｔ2において基準管温度Ｔｅｘｒｅｆまで上昇する。この基準管温度Ｔｅｘｒｅｆは、水の露点以上、好ましくは沸点以上とされる。時刻ｔ2において排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆに到達すると、下流側空燃比センサ４１の目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが低い値に設定され、これによって下流側空燃比センサ４１の素子の加熱が開始される。このときの下流側空燃比センサ４１の目標素子温度は比較的高い温度（以下、「高設定温度」という。例えば、７００℃）に設定され、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎは、この高設定温度に対応した高温対応インピーダンス（比較的低いインピーダンス）とされる。すなわち、本実施形態では、目標素子温度を高設定温度に設定することは、下流側空燃比センサ４１の素子の加熱を開始した時に開始される。なお、目標素子温度を高設定温度に設定することは、下流側空燃比センサ４１の素子の加熱を開始した時よりも後に開始されてもよい。
【００７３】
また、図示した例では、時刻ｔ3において、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが一定に維持されているにもかかわらず、下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６による加熱量が低下せしめられる。このように加熱量を低下させるのは、ヒータ部５６の過昇温を防止するためである。すなわち、ヒータ部５６は通常、固体電解質層５１よりも高温になるため、このままの加熱量で加熱を行っているとヒータ部５６自体の温度が或る限界温度以上の高温になってしまう。そこで、本実施形態では、時刻ｔ3において下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６における加熱量を低下させることにより、ヒータ部５６が限界温度以上に過剰に昇温してしまうのを防止するようにしている。
【００７４】
このように、本実施形態では、内燃機関の始動後であって下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆ以上になったときにヒータ部５６による加熱が開始される。加えて、このときの目標素子温度ＴＴｄｗｎが通常時に比べて高い高設定温度に設定される。
【００７５】
なお、本実施形態では、必ずしも排気管２２の温度Ｔｅｘを検出する必要はなく、別のパラメータに基づいて排気管２２の温度Ｔｅｘを推定するようにしてもよい。したがって、例えば、内燃機関始動後の経過時間や内燃機関始動後の吸入空気量Ｇａが所定値以上になったときに加熱を開始するようにしてもよい。
【００７６】
図９は、機関始動後の最初の燃料カット制御における目標空燃比、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ、ＲＬ診断完了フラグ、ＬＲ診断完了フラグ、高温要求フラグ、下流側空燃比センサ４１のインピーダンスＩＰｄｗｎ、下流側空燃比センサ４１の素子温度Ｔｄｗｎのタイムチャートである。このうち、ＲＬ診断完了フラグは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ空燃比又は理論空燃比からリーン空燃比に変化するとき、すなわち燃料カット制御開始直後における下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了したか否かを表すフラグである。同様に、ＬＲ診断完了フラグは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比から理論空燃比又はリッチ空燃比に変化するとき、すなわち燃料カット制御終了直後における下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了したか否かを表すフラグである。
【００７７】
図示した例では、時刻ｔ1において、上述したような燃料カット制御開始条件が成立して、燃料カット制御が開始せしめられる。燃料カット制御が開始されると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは急激に上昇し、その後多少遅れて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも上昇する。燃料カット制御の開始に伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上昇しているときには、図６において説明したように上昇時間Δｔｕｐが検出され、この上昇時間Δｔｕｐ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。特に、時刻ｔ2において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが高基準空燃比ＡＦｈｉｇｈに到達すると、上昇時間Δｔｕｐが算出され、出力空燃比ＡＦｄｗｎの上昇時における下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了せしめられる。このため、時刻ｔ2において、ＲＬ診断完了フラグがオンにセットされる。
【００７８】
図示した例では、その後、時刻ｔ3において、燃料カット制御終了条件が成立して、燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット制御が終了せしめられると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは急激に低下し、その後多少遅れて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも低下する。燃料カット制御の終了に伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低下しているときには、図６において説明したように低下時間Δｔｄｗｎが検出され、この低下時間Δｔｄｗｎ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。特に、時刻ｔ4において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低基準空燃比ＡＦｌｏｗに到達すると、低下時間Δｔｄｗｎが算出され、出力空燃比ＡＦｄｗｎの低下時における下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了せしめられる。このため、時刻ｔ4において、ＬＲ診断完了フラグがオンにセットされる。
【００７９】
したがって、図９に示した例では、時刻ｔ4において、燃料カット制御の際に行われる下流側空燃比センサ４１の異常診断が全ての完了せしめられる。そこで、本実施形態では、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１の目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが高温対応インピーダンスから通常温対応インピーダンス（それほど低くないインピーダンス）に上昇せしめられる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが高設定温度（例えば、７００℃）から、それほど高くない温度（以下、「通常設定温度」という。例えば、６００℃）に低下せしめられる。これに伴って、時刻ｔ4以降は、下流側空燃比センサ４１の実際のインピーダンスＩＰＲｄｗｎが徐々に上昇していき、やがて通常温対応インピーダンスに収束する。したがって、時刻ｔ4以降は、下流側空燃比センサ４１の実際の素子温度が徐々に低下していき、やがて比較的低い温度に収束する。
【００８０】
このように、本実施形態では、燃料カット制御の際に行われる下流側空燃比センサ４１の異常診断制御が完了する時まで目標素子温度が高設定温度に設定され、異常診断制御が完了した時に目標素子温度が通常設定温度に低下せしめられる。これにより、下流側空燃比センサ４１の素子温度を高くするのを異常診断制御が完了するまでの短い時期に限定することができ、消費電力を少なく抑えることができる。加えて、燃料カット制御が開始される前から下流側空燃比センサ４１の素子温度が高く設定される。このため、下流側空燃比センサ４１の異常診断制御を実行する際に下流側空燃比センサ４１の温度が十分に高くなっていないことが抑制される。
【００８１】
なお、本実施形態では、高設定温度は、必ずしも７００℃程度である必要はなく、空燃比センサ周りを大気ガスが流通したときに空燃比センサが限界電流を出力することができるような温度であればよい。すなわち、図７にＡで示したように電圧を印加した場合に、直線Ａが大気圧時の電圧・電流曲線と限界電流領域で交わるような温度であればよい。一方、本実施形態では、通常設定温度は、必ずしも６００℃程度である必要はなく、内燃機関の通常運転時に空燃比が通常取り得る範囲（例えば、１３〜１７）において限界電流領域にて空燃比の検出ができるような温度であればよい。
【００８２】
＜フローチャート＞
図１０は、下流側空燃比センサ４１の素子温度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の時間間隔の割り込みにより実行される。
【００８３】
まず、ステップＳ１１では、下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが推定される。下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘは、例えば、機関始動前の冷却水温Ｔｗや機関始動後の経過時間等に基づいて推定される。次いで、ステップＳ１２では、排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆよりも低いか否かが判定される。ステップＳ１２において、排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆよりも低いと判定された場合にはステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、ヒータ部５６の作動が停止されたまま維持される。したがって、ヒータ部５６による下流側空燃比センサ４１の加熱は行われない。
【００８４】
その後、排気管２２の温度Ｔｅｘが徐々に上昇して基準管温度Ｔｅｘｒｅｆ以上にまで達すると、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、後述するフラグ設定制御において設定される高温要求フラグがオンであるか否かが判定される。高温要求フラグがオンである場合にはステップＳ１５へと進み、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが高温対応インピーダンスに設定される。これにより、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが高設定温度に設定されることになる。一方、ステップＳ１４において、高温要求フラグがオフであると判定された場合にはステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが通常温対応インピーダンスに設定される。これにより、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが通常設定温度に設定されることになる。
【００８５】
図１１は、高温要求フラグの設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【００８６】
図示したように、まずステップＳ２１では、始動フラグがオフであるか否かが判定される。始動フラグはイグニッションスイッチがオンにされている間にオンとされ、それ以外のときにはオフとされるフラグである。イグニッションスイッチがオフにされていて内燃機関が始動されていない場合には、ステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、高温要求フラグがオンに設定される。次いで、ステップＳ２３では、イグニッションスイッチがオンにされたか否かが判定される。イグニッションスイッチがオフである場合にはステップＳ２４へ進み、始動フラグがオフのまま維持される。一方、ステップＳ２３においてイグニッションスイッチがオンになったと判定された場合にはステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では始動フラグがオンに設定されて制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８７】
始動フラグがオンに設定されると次の制御ルーチンではステップＳ２１からステップＳ２６へと進む。ステップＳ２６では、イグニッションスイッチがオンのまま維持されているか否かが判定される。イグニッションスイッチがオンのまま維持されていると判定された場合にはステップＳ２７へと進む。ステップＳ２７では、下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了したか否かが判定される。特に、ステップＳ２７では、燃料カット制御の実行に伴って行われる異常診断が完了したか否かが判定される。ステップＳ２７において下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了していないと判定された場合にはステップＳ２８へと進む。ステップＳ２８では、高温要求フラグがオンに設定されて制御ルーチンが終了せしめられる。この結果、図１０に示した温度制御では、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが高温対応インピーダンスとされ、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが高設定温度とされる。
【００８８】
一方、ステップＳ２７において、下流側空燃比センサ４１の異常診断が完了していると判定された場合にはステップＳ２９へと進む。ステップＳ２９では、高温要求フラグがオフに設定されて制御ルーチンが終了せしめられる。この結果、図１０に示した温度制御では、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが通常温対応インピーダンスとされ、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが通常設定温度とされる。
【００８９】
その後、イグニッションスイッチがオフにされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２６からステップＳ３０へと進む。ステップＳ３０では始動フラグがオフに設定され、次いで、ステップＳ３１では高温要求フラグがオンに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９０】
＜第二実施形態＞
次に、図１２〜図１４を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、第二実施形態の制御装置では、昇温期間の昇温開始時期及び昇温終了時期が上述した第一実施形態の制御装置における時期とは異なっている。
【００９１】
図１２は、内燃機関の始動時における機関回転数等を示す、図８と同様なタイムチャートである。図１２に示した例では、時刻ｔ1において、イグニッションスイッチがオンにされる。このため、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが徐々に上昇せしめられ、また、機関冷却水の温度Ｔｗも徐々に上昇せしめられる。加えて、図１２に示した例でも、時刻ｔ2において排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆに上昇するまで、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎは設定されず、その結果、ヒータ部５６による下流側空燃比センサ４１の加熱量はゼロのまま維持される。
【００９２】
その後、機関本体１から排出される排気ガスにより下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが徐々に上昇し、時刻ｔ2において基準管温度Ｔｅｘｒｅｆまで上昇する。時刻ｔ2において排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆに到達すると、下流側空燃比センサ４１の目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが通常温対応インピーダンスに設定され、これによって下流側空燃比センサ４１の加熱が開始される。したがって、このときの下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎは、通常設定温度とされることになる。目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが通常温対応インピーダンスに設定されると、下流側空燃比センサ４１の実際の素子温度ＴＲｄｗｎは徐々に上昇すると共に、これに伴って下流側空燃比センサ４１の実際のインピーダンスＩＰＲｄｗｎが徐々に低下する。
【００９３】
また、機関冷却水の温度Ｔｗも、内燃機関の始動からの経過時間に伴って上昇していき、図１２に示した例では、時刻ｔ4において機関冷却水の温度Ｔｗが基準水温Ｔｗｒｅｆ以上となる。
【００９４】
ここで、基準水温Ｔｗｒｅｆについて簡単に説明する。下流側空燃比センサ４１の異常診断制御の実行条件としては、様々な条件が挙げられる。具体的には、異常診断制御の実行条件は、燃料カット制御が実行されること、機関冷却水の温度Ｔｗが下限水温以上であること、バッテリ電圧の低下や断線等の異常が検出されていないこと、及び外気圧が標準大気圧よりも低い所定圧力以上であること等を全て満たしているときに成立する。このうち、バッテリ電圧等の異常や外気圧に関する条件は機関始動と同時に成否が判断されるのに対して、機関冷却水の温度Ｔｗに関する条件の成立については機関始動から或る程度の時間が必要である。したがって、燃料カット制御が実行されることを除くと、機関冷却水の温度Ｔｗに関する条件が機関始動後最も遅く成立する条件であるといえる。すなわち、バッテリ電圧等の異常や外気圧に関する条件が成立していれば、機関冷却水の温度Ｔｗが下限水温以上になるときに、燃料カット制御が実行されること以外の異常診断制御の実行条件が成立することになる。
【００９５】
そして、本実施形態では、時刻ｔ4において機関冷却水の温度Ｔｗがこの下限水温と同一又はこの下限水温よりも低い基準水温Ｔｗｒｅｆ以上となったときに、目標素子温度ＴＴｄｗｎが高設定温度に設定される。これに伴って、目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎは高設定温度に対応した高温対応インピーダンスに設定される。目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが高温対応インピーダンスに設定されると、下流側空燃比センサ４１の実際の素子温度ＴＲｄｗｎは高設定温度に向かって上昇すると共にこれに伴って下流側空燃比センサ４１の実際のインピーダンスＩＰＲｄｗｎが徐々に低下する。
【００９６】
このように、本実施形態では、内燃機関の始動後であって下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆ以上になったときにヒータ部５６による加熱が開始される。このときの目標素子温度ＴＴｄｗｎは通常時目標素子温度に設定される。その後、機関冷却水の温度Ｔｗが基準水温以上になると、目標素子温度ＴＴｄｗｎが通常時に比べて高い高設定温度に設定される。したがって、本実施形態によれば、下流側空燃比センサ４１を高設定温度まで昇温する時期を、燃料カット制御が実行されること以外の異常診断制御の実行条件が成立するまで又は成立する直前まで遅らせることができる。この結果、下流側空燃比センサ４１の加熱に伴う消費電力を低く抑えることができる。
【００９７】
なお、上記実施形態では、機関冷却水の温度が基準管温度以上になったときに目標素子温度を上昇させ、目標インピーダンスを低下させている。しかしながら、目標素子温度の上昇は、燃料カット制御が実行されること以外の異常診断制御の実行条件が成立するときであれば、必ずしも機関冷却水の温度が基準管温度以上になったときでなくてもよい。例えば、異常診断制御の実行条件の一つに内燃機関内を流通する潤滑油の油温が所定温度以上になることが含まれており、燃料カット制御が実行されることを除いてこの条件が最後に成立するような場合には、潤滑油の油温が所定温度以上になったときに目標素子温度が上昇せしめられる。
【００９８】
図１３は、機関始動後の最初の燃料カット制御における目標空燃比等を示す、図９と同様なタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始せしめられる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが急激に上昇し、その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが急激に上昇される。このときに下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われ、異常診断が完了した時刻ｔ2においてＲＬ診断完了フラグがオンにセットされる。その後、時刻ｔ3において、燃料カット制御が終了せしめられる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが急激に低下し、その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも低下する。この間に下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われ、異常診断が完了した時刻ｔ4においてＬＲ診断完了フラグがオンにセットされる。
【００９９】
したがって、図１３に示した例では、時刻ｔ4において、燃料カット制御の際に行われる下流側空燃比センサ４１の異常診断が全て完了せしめられる。しかしながら、本実施形態では、時刻ｔ4において下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎは低設定温度に低下せしめられず、高設定温度のまま維持される。したがって、下流側空燃比センサ４１の目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎも低いまま維持される。
【０１００】
燃料カット制御の終了後、目標空燃比ＡＦＴが復帰後リッチ空燃比ＡＦＴｒｔにされていると、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロまで減少し、これに伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に低下する。本実施形態では、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に低下すると、下流側空燃比センサ４１の目標インピーダンスＩＰＴｄｗｎが高温対応インピーダンスから通常温対応インピーダンスに上昇せしめられる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが高設定温度から低設定温度に低下せしめられる。これに伴って、時刻ｔ5以降は、下流側空燃比センサ４１の実際の素子温度ＴＲｄｗｎが徐々に低下していき、やがて低設定温度に収束する。したがって、時刻ｔ5以降は、下流側空燃比センサ４１の実際のインピーダンスＩＰＴｄｗｎが徐々に上昇していき、やがて通常温対応インピーダンスに収束する。
【０１０１】
このように、本実施形態では、燃料カット制御後に復帰後リッチ制御を行った結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に低下するまで、目標素子温度ＴＴｄｗｎが通常時に比べて高い温度に設定される。以下では、目標素子温度ＴＴｄｗｎをこのように設定することの利点について説明する。
【０１０２】
燃料カット制御後に復帰後リッチ制御を行うと、図６に示したように上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘから徐々に減少する。そして、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロになると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。したがって、復帰後リッチ制御を開始してから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでに上流側排気浄化触媒２０に流入した過剰な酸素の積算量（以下、「積算酸素過剰量」という）は上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに相当する。なお、上流側排気浄化触媒２０に流入した過剰な酸素とは、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過剰となる酸素量を意味する。
【０１０３】
ここで、一般に、酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒では、その劣化度合いが大きくなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが低下する。したがって、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを検出することで、排気浄化触媒の劣化度合いを検出することができる。したがって、復帰後リッチ制御の際の積算酸素過剰量を算出することにより、排気浄化触媒の劣化度合いを検出することができる。
【０１０４】
ところが、復帰後リッチ制御の実行中に、下流側空燃比センサ４１の実際の素子温度ＴＲｄｗｎが変動すると、これに伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが不安定になってしまう場合がある。この結果、実際には上流側排気浄化触媒２０に或る程度の量の酸素が吸蔵され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ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比以下になってしまう場合がある。このような場合には、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いを正確に検出することができない。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比以下になるまで下流側空燃比センサ４１の実際の素子温度ＴＲｄｗｎが高いまま一定に維持される。このため、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いを正確に検出することができる。
【０１０５】
なお、本実施形態では、復帰後リッチ制御中に上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの診断、すなわち異常診断が行われる。具体的には、復帰後リッチ制御が開始された時刻ｔ３から下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ設定空燃比以下になる時刻ｔ5まで上流側排気浄化触媒２０の異常診断が行われる。このため、図１３に示したように、時刻ｔ5において触媒異常完了フラグがオンにされ、これに伴って下流側空燃比センサ４１の目標素子温度ＴＴｄｗｎが高設定温度から低設定温度に低下せしめられる。
【０１０６】
＜フローチャート＞
図１４は、高温要求フラグの設定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。
【０１０７】
図示したように、まず、ステップＳ４１では、異常診断が完了したか否かが判定される。ここで異常診断は、下流側空燃比センサ４１の異常診断のみならず上流側排気浄化触媒２０の異常診断をも意味する。したがって、ステップＳ４１では、下流側空燃比センサ４１及び上流側排気浄化触媒２０の異常診断が両方とも完了しているときに異常診断が完了していると判定される。一方、下流側空燃比センサ４１及び上流側排気浄化触媒２０の異常診断の一方のみしか完了していないとき或いはいずれも完了していないときには、異常診断は完了していないと判定される。ステップＳ４１において、異常診断が完了していないと判定された場合にはステップＳ４２へと進む。
【０１０８】
ステップＳ４２では、高温要求フラグがオフになっているか否かが判定される。機関始動直後等により高温要求フラグがオフになっていると判定された場合には、ステップＳ４３へと進む。ステップＳ４３では、機関冷却水の温度Ｔｗが基準水温Ｔｗｒｅｆ以上であるか否かが判定される。内燃機関の冷間始動からあまり時間が経過しておらず、機関冷却水の温度Ｔｗが基準水温Ｔｗｒｅｆよりも低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、高温要求フラグがオフに設定されたまま制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ４３において機関冷却水の温度Ｔｗが基準水温Ｔｗｒｅｆ以上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、高温要求フラグがオンに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１０９】
高温要求フラグがオンにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ４２において高温要求フラグがオフになっていないと判定され、ステップＳ４３がスキップされる。したがって、ステップＳ４２からステップＳ４４へと進み、高温要求フラグがオンに設定され続ける。
【０１１０】
その後、下流側空燃比センサ４１及び上流側排気浄化触媒２０の異常診断が完了すると、ステップＳ４１からステップＳ４５へと進み、高温要求フラグがオフに設定される。ここで、本実施形態では、機関始動後に燃料カット制御及び復帰後リッチ制御が行われると共に、その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに、異常診断が完了したと判定される。
【０１１１】
＜その他の変更例＞
なお、上記第一実施形態では、下流側空燃比センサ４１周りの排気管２２の温度Ｔｅｘが基準管温度Ｔｅｘｒｅｆまで上昇したときに下流側空燃比センサ４１の目標素子温度が高設定温度に設定される。また、上記第二実施形態では、燃料カット制御を実行すること以外の異常診断制御の実行条件が成立したときに下流側空燃比センサ４１の目標素子温度が高設定温度に設定される。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度が高設定温度に設定されるのは必ずしもこれら時期に限定されるものではない。したがって、例えば、これら二つの時期の間の時期であってもよく、よって下流側空燃比センサ４１の目標素子温度を高設定温度に設定することは機関始動後時以降の所定の昇温開始時期に行われるといえる。
【０１１２】
また、上記第一実施形態では、燃料カット制御に伴って行われる下流側空燃比センサ４１の異常診断制御が完了した時に目標素子温度が高設定温度から通常設定温度に低下せしめられる。また、上記第二実施形態では、燃料カット制御後に初め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以下に到達した時に目標素子温度が高設定温度から低設定温度に低下せしめられる。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度を高設定温度から低設定温度に低下させる時期は必ずしもこれらの時期に限定されるものではない。したがって、例えば、これら二つの時期の間の時期であってもよい。
【０１１３】
或いは、燃料カット制御とは無関係に上流側排気浄化触媒２０の異常診断を行う内燃機関では、このような上流側排気浄化触媒２０の異常診断が完了するまで目標素子温度を低下させるのを待ってもよい。これは、下流側空燃比センサ４１の素子温度が高いほど空燃比の検知速度（応答性）が向上することから、このように目標素子温度を設定することにより上流側排気浄化触媒２０の異常診断の精度を高めることができるためである。以上より、下流側空燃比センサ４１の目標素子温度を高設定温度から低設定温度に低下させることは、燃料カット制御を利用した下流側空燃比センサ４１の異常診断制御完了時以降の所定の昇温終了時期に行われるといえる。
【０１１４】
また、上記実施形態では、空燃比センサとして図２に示したコップ型の空燃比センサを用いている。これは、積層型の空燃比センサに比べてコップ型の空燃比センサの方が、耐被水性に優れていると共に、出力が大きいため空燃比の検出精度が高いためである。
【０１１５】
ここで、コップ型の空燃比センサでは、積層型の空燃比センサに比べて、同一の空燃比の排気ガスに対して限界電流領域が得られる印加電圧が高くなる。このため、コップ型の空燃比センサでは積層型の空燃比センサに比べて大気ガスに対する限界電流領域が得られる印加電圧が高くなる。すなわち、コップ型の空燃比センサでは積層型の空燃比センサに比べて図７に示したような傾向が大きくでる。このため、コップ型の空燃比センサを用いた場合の方が、上述したような空燃比センサの温度制御を行うことでより効果的に異常診断における精度低下を抑制することができる。しかしながら、積層型の空燃比センサに対しても十分な効果があるため、空燃比センサとして積層型の空燃比センサを用いることも可能である。
【符号の説明】
【０１１６】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006323281.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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