(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ且つ空燃比に応じた限界電流を発生させる限界電流式の空燃比センサの異常診断装置において、
前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出部と、前記空燃比センサへの印加電圧を制御する印加電圧制御装置とを具備しており、
前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比を予め定められた一定の空燃比にしたときに前記空燃比センサに限界電流が生じる限界電流領域内の電圧と該限界電流領域外の電圧とを印加し、このとき電流検出部により検出された前記空燃比センサの出力電流に基づいて前記空燃比センサに生じている異常モードを判断し、
前記空燃比センサが正常である場合に、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で該空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧を印加したとき及び前記限界電流領域外の電圧を印加したときの出力電流がそれぞれ限界電流領域内正常値及び限界電流領域外正常値として予め検出又は算出され、
前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で、前記空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧及び該限界電流領域外の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域内正常値及び前記限界電流領域外正常値との差に基づいて前記空燃比センサに生じている異常モードを判断し、
前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域内正常値との差が予め定められた限界電流領域内時基準値以上であり、且つ前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域外の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域外正常値との差が予め定められた限界電流領域外時基準値以上である場合には、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比に対して前記空燃比センサの出力電流が全体的にずれているオフセットずれが前記空燃比センサに生じていると判断し、
前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域内正常値との差が予め定められた限界電流領域内時基準値以上であり、且つ前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域外の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域外正常値との差が予め定められた限界電流領域外時基準値未満である場合には、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比の変化に対する前記空燃比センサの出力電流の変化の程度がずれている傾きずれが前記空燃比センサに生じていると判断する、空燃比センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記限界電流領域外の電圧は、該限界電流領域よりも低く且つ印加電圧の上昇に伴って出力電流が上昇する比例領域内の電圧である、請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、その排気通路に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向上流側の前記排気通路に配置された上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置された下流側空燃比センサとを具備し、該下流側空燃比センサが前記限界電流式の空燃比センサからなる、請求項１又は２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記内燃機関は、その排気通路に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向上流側の前記排気通路に配置された上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置された下流側空燃比センサとを具備し、前記上流側空燃比センサが前記限界電流式の空燃比センサからなる、請求項１又は２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記内燃機関は、該内燃機関の作動中に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、
前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記燃料カット制御の実行中である、請求項１又は２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項６】
前記内燃機関は、該内燃機関の作動中に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御と、該燃料カット制御の終了後に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に制御する復帰後リッチ制御とを実行可能であり、
前記上流側空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記復帰後リッチ制御の実行中である、請求項４に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記内燃機関は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御を行っており、
前記上流側空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記目標空燃比が所定の空燃比に一定に維持されているときである、請求項４に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記内燃機関は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御を行っており、
前記下流側空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロよりも多く且つ最大吸蔵可能酸素量よりも少ない量に維持されるように前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比との間で交互に変更されているときである、請求項３に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に配置される空燃比センサの異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空燃比を目標空燃比に制御するようにした内燃機関では、空燃比に応じた限界電流が発生する限界電流式の空燃比センサを機関排気通路内に配置することが知られている。斯かる内燃機関では、空燃比センサにより空燃比が目標空燃比となるように燃焼室に供給する燃料量がフィードバック制御される。ところが、この空燃比センサには、センサ素子の外表面とセンサ素子の内部空間とが連通してしまうような素子割れが発生する場合がある。このような素子割れが発生すると、空燃比センサは、空燃比に応じた適切な出力を発生させることができなくなり、その結果、空燃比を正確に目標空燃比にフィードバック制御しえなくなる。
【０００３】
そこで、空燃比センサの素子割れを検出するための異常診断装置が従来より公知である（例えば、特許文献１）。特許文献１によれば、通常、空燃比センサへの印加電圧は限界電流領域の中央に設定されており、空燃比センサのセンサ素子に割れが生じたり、電極上の白金が凝縮したりした場合には、空燃比センサへの印加電圧が限界電流領域の中央部から高電圧側にずれるとされている。したがって、この特許文献１に記載の装置では、空燃比センサへの印加電圧が限界電流領域の中央部から高電圧側又は低電圧側にずれた場合には、空燃比センサのセンサ素子に割れが生じているか、或いは電極上の白金が凝縮したと判断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７４７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、空燃比センサに生じる異常としては様々なものが挙げられる。このような異常としては、例えば、空燃比センサを構成する拡散律速層に詰まり等の劣化が生じることや、空燃比センサに接続された回路に故障が生じること等が挙げられる。このうち、拡散律速層に詰まり等の劣化が生じたような場合には、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比における変化に対する空燃比センサの出力電流における変化の程度がずれる傾きずれが生じる。一方、空燃比センサに接続された回路に故障が生じたような場合には、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比に対する空燃比センサの出力電流が全体的に一定値ずれるオフセットずれが生じる。しかしながら、従来の異常検出の手法では、空燃比センサにずれが生じていることを検出することができても、それが傾きずれなのかオフセットずれなのかを判別することができなかった。すなわち、空燃比センサに生じている異常の種類を判別することができなかった。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、空燃比センサに生じている異常の種類を判別することができる異常検出装置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、内燃機関の排気通路に設けられ且つ空燃比に応じた限界電流を発生させる空燃比センサの異常診断装置において、前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出部と、前記空燃比センサへの印加電圧を制御する印加電圧制御装置とを具備しており、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比を予め定められた一定の空燃比にしたときに前記空燃比センサに限界電流が生じる限界電流領域内の電圧と該限界電流領域外の電圧とを印加し、このとき電流検出部により検出された前記空燃比センサの出力電流に基づいて前記空燃比センサに生じている異常の種類を判断し、前記空燃比センサが正常である場合に、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で該空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧を印加したとき及び前記限界電流領域外の電圧を印加したときの出力電流がそれぞれ限界電流領域内正常値及び限界電流領域外正常値として予め検出又は算出され、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で、前記空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧及び該限界電流領域外の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域内正常値及び前記限界電流領域外正常値との差に基づいて前記空燃比センサに生じている異常の種類を判断し、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域内正常値との差が予め定められた限界電流領域内時基準値以上であり、且つ前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域外の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域外正常値との差が予め定められた限界電流領域外時基準値以上である場合には、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比に対して前記空燃比センサの出力電流が全体的にずれているオフセットずれが前記空燃比センサに生じていると判断し、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域内の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域内正常値との差が予め定められた限界電流領域内時基準値以上であり、且つ前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持された状態で前記空燃比センサに前記限界電流領域外の電圧を印加したときの前記空燃比センサの出力電流の検出値と前記限界電流領域外正常値との差が予め定められた限界電流領域外時基準値未満である場合には、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比の変化に対する前記空燃比センサの出力電流の変化の程度がずれている傾きずれが前記空燃比センサに生じていると判断する、空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において、前記限界電流領域外の電圧は、該限界電流領域よりも低く且つ印加電圧の上昇に伴って出力電流が上昇する比例領域内の電圧である。
【００１２】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記内燃機関は、その排気通路に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向上流側の前記排気通路に配置された上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置された下流側空燃比センサとを具備し、該下流側空燃比センサが前記限界電流式の空燃比センサからなる。
【００１３】
第４の発明では、第１又は第２の発明において、前記内燃機関は、その排気通路に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向上流側の前記排気通路に配置された上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置された下流側空燃比センサとを具備し、前記上流側空燃比センサが前記限界電流式の空燃比センサからなる。
【００１４】
第５の発明では、第１又は第２において、前記内燃機関は、該内燃機関の作動中に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、前記空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記燃料カット制御の実行中である。
【００１５】
第６の発明では、第４の発明において、前記内燃機関は、該内燃機関の作動中に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御と、該燃料カット制御の終了後に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に制御する復帰後リッチ制御とを実行可能であり、前記上流側空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記復帰後リッチ制御の実行中である。
【００１６】
第７の発明では、第４の発明において、前記内燃機関は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御を行っており、前記上流側空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記目標空燃比が所定の空燃比に一定に維持されているときである。
【００１７】
第８の発明では、第３の発明において、前記内燃機関は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御を行っており、前記下流側空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比が前記予め定められた一定の空燃比に維持されているときは、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロよりも多く且つ最大吸蔵可能酸素量よりも少ない量に維持されるように前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比との間で交互に変更されているときである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、空燃比センサに生じている異常の種類を判別することができる異常検出装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明による異常診断装置が用いられてい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Ａ／Ｆにおける印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図４】図４は、印加電圧Ｖを一定にしたときの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図５】図５は、内燃機関の通常運転時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示すタイムチャートである。
【図６】図６は、空燃比センサが正常な場合及び異常が生じている場合における排気空燃比と空燃比センサの出力電流との関係を示している。
【図７】図７は、空燃比センサへの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、空燃比センサへの印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図９】図９は、空燃比センサへの印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、素子割れが生じている空燃比センサの概略的な断面図である。
【図１１】図１１は、異常診断を行う際の下流側空燃比センサの出力空燃比等の変化を示すタイムチャートである。
【図１２】図１２は、下流側空燃比センサの異常診断を行うためのフローチャートである。
【図１３】図１３は、異常診断を行う際の下流側空燃比センサの出力空燃比等の変化を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、下流側空燃比センサの異常診断を行うための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異常診断装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。
【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、本発明の異常診断装置が用いられる内燃機関では、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。
【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及び出力ポート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、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う異常診断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））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有している場合には、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化される。
【００２８】
すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、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若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵され、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００２９】
一方、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若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ、ＣＯを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出され、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３０】
このように、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有している場合には、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３１】
＜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、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の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００３２】
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。固体電解質層５１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、固体電解質層５１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。
【００３３】
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。
【００３４】
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Ｖ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部６１が設けられる。この電流検出部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Ｉである。
【００３５】
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、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆ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Ａ／ＦにおけるＶ−Ｉ線には、センサ印加電圧Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧Ｖが変化しても出力電流Ｉ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。
【００３６】
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、センサ印加電圧の上昇に伴ってほぼ比例して出力電流が上昇する。斯かる領域は比例領域と称される。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等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。
【００３７】
図４は、印加電圧Ｖを０．４５Ｖ程度（図３）で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示している。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわちリーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。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。
【００３８】
なお、空燃比センサ４０、４１としては、図２に示した構造の限界電流式空燃比センサに代えて、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を用いてもよい。
【００３９】
＜基本的な制御＞
このように構成された内燃機関では、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が機関運転状態に基づいた最適な空燃比となるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が設定される。このような燃料噴射量の設定方法としては、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比（或いは、機関本体から流出する排気ガスの目標空燃比）が目標空燃比となるようにフィードバック制御すると共に、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力を補正したり、目標空燃比を変更したりする方法が挙げられる。
【００４０】
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、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量、目標空燃比、上流側空燃比センサの出力空燃比及び下流側空燃比センサの出力空燃比のタイムチャートである。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力に相当する空燃比を意味する。また、「通常運転時」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、燃焼室への燃料の供給を停止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。
【００４１】
図５に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ（例えば、１４．５５）以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ（例えば、１５）に設定され、維持される。その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が推定され、この推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ（最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘよりも少ない量）以上になると、目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ（例えば、１４．４）に設定され、維持される。図５に示した例では、このような操作が繰り返し行われる。
【００４２】
具体的には、図５に示した例では、時刻ｔ1の前では、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとされ、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）となっている。また、上流側排気浄化触媒２０には酸素が吸蔵されていることから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比（１４．６）となっている。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっていることから、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に低下する。
【００４３】
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（未燃ＨＣ、ＣＯ）の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。その結果、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比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。
【００４４】
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理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）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２０ｂの酸素吸蔵量は徐々に増加し、時刻ｔ3において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このように、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、目標空燃比は、再びリーン設定空燃比ＡＦｌｅｎａからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈへと切り替えられる。この目標空燃比の切替により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は再びリッチ空燃比となり、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。
【００４５】
なお、通常制御として行われる上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の出力に基づく目標空燃比の制御は上述したような制御に限定されるものではない。これら空燃比センサ４０、４１の出力に基づく制御であれば、如何なる制御であってもよい。したがって、例えば、通常制御として、目標空燃比を理論空燃比に固定して、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が理論空燃比になるようにフィードバック制御を行うと共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比を補正するような制御を行ってもよい。
【００４６】
＜空燃比センサの異常診断における問題点＞
ところで、空燃比センサ４０、４１には様々な出力異常が生じうる。このような出力異常としては、例えば、図６に挙げたようなものが考えられる。図６は、空燃比センサ４０、４１が正常な場合及び異常が生じている場合における排気空燃比と空燃比センサ４０、４１の出力電流との関係を示している。図６の破線は空燃比センサ４０、４１に異常が生じていない場合の関係を示しており、一方、図６の実線は空燃比センサ４０、４１に異常が生じている場合の関係を示している。
【００４７】
図６にＸで示した場合には、排気空燃比の全域において空燃比センサ４０、４１の出力電流が適切な値よりも小さい値（又は大きい値）になるようなずれ、すなわちオフセットずれが生じている場合を示している。したがって、この場合、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは全域において実際の空燃比よりもリッチ側（又はリーン側）の空燃比を示すことになる。一方、図６にＹで示した場合には、排気空燃比の変化に対する空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの変化の程度が適切な値よりも大きく（又は小さく）なるようなずれ、すなわち傾きずれが生じている場合を示している。すなわち、図６にＹで示した例における排気空燃比に対する出力電流Ｉの傾きは、正常な空燃比センサ４０、４１における傾きに対して大きな値となっている。したがって、この場合、空燃比センサ４０、４１の出力電流における絶対値は、実際の空燃比におけるリッチ度合いやリーン度合いよりも大きな（又は小さな）リッチ度合いやリーン度合いを示すことになる。
【００４８】
ここで、図５に示したような通常制御を行う場合、上流側空燃比センサ４０によって、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるのかリーン空燃比であるのかを正確に検出することが重要である。これは、目標空燃比がリッチ空燃比であるのに対して、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比がリーン空燃比であるような場合には図５に示したような通常制御が成立しなくなるためである。同様に、下流側空燃比センサ４１によって上流側排気浄化触媒２０から流出した排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍であるのかそれともリッチ空燃比又はリーン空燃比であるのかを検出することが重要である。これは、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの実際の空燃比が理論空燃比であるにも関わらず、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空燃比になっていると、図５に示したような通常制御が成立しなくなるためである。
【００４９】
したがって、通常制御を行う場合には、上流側排気浄化触媒２０の上流側及び下流側において排気空燃比のリッチ度合いやリーン度合いがどの程度であるかよりも、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを正確に検出することが必要になる。このため、図６にＸで示したオフセットずれが生じている場合には、理論空燃比における出力電流にずれが生じるため、ずれが僅かであっても異常を検出することが必要になる。しかしながら、ずれが僅かであってもオフセットずれを検出しようとすると、オフセットずれが生じている場合のみならず、図６にＹで示したような傾きずれが生じている場合にもオフセットずれが生じていると判断されてしまう場合がある。したがって、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係のみに基づいて空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うと、生じている異常の種類（異常モード）を正確に特定できない場合がある。
【００５０】
＜空燃比センサにおける異常の特性＞
ところで、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係は、空燃比センサ４０、４１に生じている異常の種類によって変わる。図７は、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態（すなわち、大気ガスに相当する空燃比の排気ガスが流通している状態）における空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示している。図７中の実線は、空燃比センサ４０、４１の印加電圧制御装置６０や電流検出部６１等の回路に異常が生じている場合等における関係を示している。一方、図７中の破線は、空燃比センサ４０、４１には異常が生じていない場合、すなわち正常な場合における関係を示している。
【００５１】
図７に示したように、空燃比センサ４０、４１の回路等に異常が生じている場合には、正常な場合に比べて、印加電圧Ｖの全域に亘って出力電流Ｉが一定値だけ上昇している。この結果、空燃比センサ４０、４１に限界電流領域Ｗｌｃ内の印加電圧Ｖ2を印加した場合、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときの出力電流Ｉは正常であるときの出力電流Ｉよりも一定値だけ上昇している。同様に、空燃比センサ４０、４１に比例領域Ｗｉｐ内の印加電圧Ｖ1を印加した場合も、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときの出力電流Ｉは正常であるときの出力電流Ｉよりも一定値だけ上昇している。なお、限界電流領域Ｗｌｃは、空燃比センサ４０、４１に何の異常も生じていない場合に、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態で生じる限界電流領域を示している。同様に比例領域Ｗｉｐは、空燃比センサ４０、４１に何の異常も生じていない場合に、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態で生じる比例領域を示している。
【００５２】
したがって、空燃比センサ４０、４１の回路等に異常が生じている場合には、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｉが限界電流領域Ｗｌｃ内の電圧であるときでも比例領域Ｗｉｐ内の電圧であるときでも、正常である場合に比べて出力電流Ｉが上昇する。なお、図示した例では、空燃比センサ４０、４１の回路等の異常により出力電流Ｉが上昇した例を示しているが、空燃比センサ４０、４１の回路等の異常により出力電流Ｉが全域に亘って低下する場合もある。
【００５３】
このように、空燃比センサ４０、４１の回路等に異常が生じている場合には、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが常に本来の値から一定値ずれた値になる。この結果、空燃比センサ４０、４１の回路等に異常が生じている場合には、空燃比センサ４０、４１周りの排気空燃比と出力電流Ｉとの関係は図６にＸで示したように、排気空燃比の全域において出力電流Ｉが適切な値よりも小さい値にずれるオフセットずれが生じることになる。
【００５４】
図８も、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態における空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示している。図中の実線は、空燃比センサ４０、４１の拡散律速層５４に部分的な詰まりや割れ等の異常が生じている場合、或いは空燃比センサ４０、４１の電極５２、５３に劣化等の異常が生じている場合における関係を示している。一方、図中の破線は、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていない場合における関係を示している。
【００５５】
図８に示したように、空燃比センサ４０、４１の拡散律速層５４や電極５２、５３等に異常が生じている場合には、正常な場合に比べて、限界電流領域Ｗｌｃにおいてのみ出力電流Ｉが一定値だけ上昇している。この結果、空燃比センサ４０、４１に限界電流領域Ｗｌｃ内の印加電圧Ｖ2を印加した場合、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときの出力電流Ｉは正常であるときの出力電流Ｉよりも一定値だけ上昇している。一方、空燃比センサ４０、４１に比例領域Ｗｉｐ内の印加電圧Ｖ1を印加した場合には、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときの出力電流Ｉも正常であるときの出力電流Ｉもほぼ同一の値となる。なお、図示した例では、空燃比センサ４０、４１の拡散律速層５４や電極５２、５３等の異常により出力電流Ｉが上昇した例を示しているが、空燃比センサ４０、４１の拡散律速層５４や電極５２、５３等の異常により出力電流Ｉが低下する場合もある。
【００５６】
このような現象が生じる理由を拡散律速層５４に詰まりや割れが生じた場合を例にとって説明する。ここで、上述したような限界電流が生じるのは、拡散律速層５４によるものである。すなわち、すなわち、固体電解質層５１内を単位時間内に移動可能な酸素イオンの量は印加電圧Ｖに応じて決まっているが、比例領域においてはこの単位時間内に移動可能な酸素イオンの量よりも拡散律速層５４を介して電極５２まで到達する未燃ガスや酸素の流量の方が多い（図２参照）。この結果、比例領域においては印加電圧Ｖの上昇に伴って、固体電解質層５１内を移動する酸素イオンの量が増大し、出力電流Ｉが上昇する。このため、このときのＶ−Ｉ線図における傾きは、固体電解質層５１の直流素子抵抗に応じて定まる。
【００５７】
ところが、限界電流領域においては、固体電解質層５１内を単位時間内に移動可能な酸素イオンの量よりも拡散律速層５４を介して電極５２まで到達する未燃ガスや酸素の流量の方が少ない。この結果、限界電流領域においては、印加電圧Ｖが変化しても、固体電解質層５１内を移動する酸素イオンの量は、拡散律速層５４を介して電極５２まで到達する未燃ガスや酸素の流量のまま一定となる。この結果、限界電流領域においては印加電圧Ｖが変化しても、固体電解質層５１内を移動する酸素イオンの量が変化せず、よって出力電流Ｉも変化しない。
【００５８】
このような拡散律速層５４に詰まりや割れ等が発生すると、拡散律速層５４を介して電極まで到達する未燃ガスや酸素の流量が変化する。この結果、限界電流領域においては出力電流Ｉは拡散律速層５４を介して電極５２まで到達する未燃ガスや酸素の流量によって決まるため、出力電流Ｉが変化することになる。一方、上述したように比例領域においては、拡散律速層５４を介して電極５２まで到達する未燃ガスや酸素の流量よりも、固体電解質層５１内を単位時間内に移動可能な酸素イオンの量の方が多い。この結果、拡散律速層５４に詰まりや割れ等が発生しても比例領域における出力電流Ｉは変化しない。
【００５９】
そして、拡散律速層５４に詰まりや割れが生じた場合、これらが生じていない場合と比べて出力電流Ｉが変化する程度は、排気空燃比の理論空燃比からの偏差が大きくなるほど大きくなる。これは、排気空燃比の理論空燃比からの偏差が大きくなるほど、単位排気ガス中に含まれる酸素や未燃ガスの量が多くなるため、拡散律速層５４を通過する排気ガスの量が変化すると電極５２まで到達する未燃ガスや酸素の量が大きく変化することによるものである。この結果、空燃比センサ４０、４１の拡散律速層５４や電極５２、５３等に異常が生じている場合には、図６にＹで示したような傾きずれが生じることになる。
【００６０】
図９も、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態における空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示している。図中の実線は、空燃比センサ４０、４１に素子割れ等の異常が生じている場合における関係を示している。ここで、空燃比センサ４０、４１の素子割れは、具体的には、固体電解質層５１及び拡散律速層５４を貫通する割れ（図１０のＣ１）や、固体電解質層５１及び拡散律速層５４に加えて両電極５２、５３を貫通する割れ（図１０にＣ２）を意味する。一方、図中の破線は、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていない場合における関係を示している。このように空燃比センサ４０、４１に素子割れが生じていると基準ガス室５５内の基準ガス（通常は大気ガス）に異常（基準ガス異常）が生じることになる。
【００６１】
図９に示したように、空燃比センサ４０、４１の基準ガスに異常が生じている場合には、正常な場合に比べて、比例領域Ｗｉｐにおいてのみ出力電流Ｉが一定値だけ上昇している。この結果、空燃比センサ４０、４１に限界電流領域Ｗｌｃ内の印加電圧Ｖ2を印加した場合には、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときの出力電流Ｉも正常であるときの出力電流Ｉもほぼ同一の値となる。一方、空燃比センサ４０、４１に比例領域Ｗｉｐ内の印加電圧Ｖ1を印加した場合、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときの出力電流Ｉは正常であるときの出力電流Ｉよりも一定値だけ上昇している。
【００６２】
以上より、図７から図９に示した現象は以下の表１のようにまとめることができる。
【表１】
0006311578.tif 000002
【００６３】
＜異常診断制御＞
そこで、本実施形態では、内燃機関の排気通路に設けられ且つ空燃比に応じた限界電流を発生させる空燃比センサの異常診断装置において、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉを検出する電流検出部６１と、空燃比センサ４０、４１への印加電圧を制御する印加電圧制御装置６０とを具備し、空燃比センサ４０、４１周りに流通する排気ガスの空燃比が予め定められた一定の空燃比にしたときに空燃比センサ４０、４１に限界電流が生じる限界電流領域内の電圧とこの限界電流領域外（特に、比例領域）の電圧とを印加し、このとき電流検出部により検出された空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉに基づいて空燃比センサ４０、４１に生じている異常の種類を判断するようにしている。限界電流領域内の電圧の印加と限界電流領域外の電圧の印加は、例えば、空燃比センサ４０、４１周りに流通する排気ガスの空燃比を一定の空燃比に維持した状態で印加電圧制御装置６０により空燃比センサ４０、４１への印加電圧を変化させることにより行われる。
【００６４】
特に、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１が正常である場合に、空燃比センサ４０、４１周りに流通する排気ガスの空燃比が予め定められた一定の空燃比に維持された状態で空燃比センサ４０、４１に限界電流領域内の電圧を印加したとき及び限界電流領域外の電圧を印加したときの出力電流がそれぞれ限界電流領域内正常値及び限界電流領域外正常値として予め検出又は算出され、空燃比センサ４０、４１周りに流通する排気ガスの空燃比が予め定められた一定の空燃比に維持された状態で、空燃比センサ４０、４１に限界電流領域内の電圧を印加したときの空燃比センサ４０、４１の出力電流の検出値と限界電流領域内正常値との差、及び空燃比センサ４０、４１に限界電流領域外の電圧を印加したときの空燃比センサ４０、４１の出力電流の検出値と限界電流領域外正常値との差とに基づいて空燃比センサ４０、４１に生じている異常の種類を判断するようにしている。
【００６５】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
次に、図１１に示すタイムチャートを参照しつつ、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う場合を例にとって、本実施形態における空燃比センサの異常診断について説明する。本実施形態では、図５を参照しつつ既に説明したように、通常、目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとに交互に変更されている。このように目標空燃比をリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとに交互に変更する制御を通常制御と称す。
【００６６】
一方、本実施形態では、内燃機関の搭載された車両の減速時等において、クランクシャフトやピストン３が運動している状態（すなわち、内燃機関の作動中）であっても、燃料噴射弁１１から燃焼室５への燃料の供給を停止する燃料カット制御が行われる。また、燃料カット制御が行われると、排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達する。このため、燃料カット制御の終了後には排気浄化触媒２０、２４に吸蔵された酸素を放出すべく、目標空燃比を上述した通常制御時におけるリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチにする復帰後リッチ制御が行われる。
【００６７】
ここで、本実施形態における下流側空燃比センサ４１の異常診断は、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比が一定の空燃比に維持されているときに行われる。特に、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比は大気ガスに対応する空燃比に維持される燃料カット制御の実行中に異常診断が行われる。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となる復帰後リッチ制御の実行中にも異常診断が行われる。
【００６８】
図１１は、これら燃料カット制御及び復帰後リッチ制御の有無と、目標空燃比と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比と、下流側空燃比センサ４１への印加電圧と、異常診断の完了を示す完了フラグとのタイムチャートである。
【００６９】
図１１に示した例では、時刻ｔ1において、燃料カット制御の実行が開始される。時刻ｔ1において燃料カット制御の実行が開始される前は、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更する通常制御時において目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとなっている場合を示している。このとき上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ空燃比となっている。また、このときには、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中の未燃ガスは上流側排気浄化触媒２０で浄化されるため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比となっている。
【００７０】
時刻ｔ1において、燃料カット制御の実行が開始されると、機関本体１からは大気ガスが流出するため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは大気ガスに対応した極めてリーン度合いの大きいリーン空燃比に変化する。また、上流側排気浄化触媒２０にも大気ガスが流入するが、上流側排気浄化触媒２０に流入した大気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。このため、燃料カット制御の開始直後には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比に維持される。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量はすぐに最大吸蔵可能酸素量に到達し、上流側排気浄化触媒２０からも大気ガスが流出するようになる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比も大気ガスに対応した極めてリーン度合いの大きいリーン空燃比に変化する。
【００７１】
また、本実施形態では、燃料カット制御の実行が開始された時刻ｔ1において、下流側空燃比センサ４１の異常診断を開始すべく、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第二の電圧Ｖ2（例えば、１．０Ｖ）に上昇せしめられる。ここで、第二の電圧Ｖ2は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合に下流側空燃比センサ４１周りに大気ガスが流通している状態で生じる限界電流領域Ｗｌｃ内の電圧である。
【００７２】
その後、図１１に示した例では、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の上昇が終了して、一定の値に収束する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が収束した時刻ｔ2に異常診断が開始されると共に、この時刻ｔ2から予め定められた一定時間Δｔに亘って下流側空燃比センサ４１への印加電圧が一定に維持される。
【００７３】
その後、本実施形態では、時刻ｔ2から予め定められた一定時間Δｔが経過した時刻ｔ3において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第一の電圧Ｖ1（例えば、０．２Ｖ）に低下せしめられる。ここで、第一の電圧Ｖ1は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合に下流側空燃比センサ４１周りに大気ガスが流通している状態で生じる比例領域Ｗｉｐ内の電圧である。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第一の電圧Ｖ1に変更された時刻ｔ3から予め定められた一定時間Δｔに亘って下流側空燃比センサ４１への印加電圧が一定に維持される。
【００７４】
図１１に示した例では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第一の電圧Ｖ1に変更されてから予め定められた一定時間Δｔが経過した時刻ｔ4において、異常診断のための下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出が完了する。したがって、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が通常制御用の電圧（例えば、０．４５Ｖ）に上昇せしめられる。図１１に示した例では、その後、時刻ｔ5において燃料カット制御の実行が終了せしめられる。
【００７５】
時刻ｔ5において、燃料カット制御の実行が終了せしめられると、それに伴って復帰後リッチ制御の実行が開始される。このため、目標空燃比は、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチな復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｔとされる。目標空燃比が復帰後リッチ設定空燃比になると、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｔに対応した空燃比に変化する。また、上流側排気浄化触媒２０にもリッチ空燃比の排気ガスが流入するが、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中の未燃ガスは上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素と反応して浄化される。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、時刻ｔ5において復帰後リッチ制御の実行が開始されると減少し、やがてほぼ理論空燃比となる。
【００７６】
また、本実施形態では、燃料カット制御の実行が終了せしめられた時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の異常診断を開始すべく、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第四の電圧Ｖ4（例えば、０．４５Ｖ）とされる。ここで、第四の電圧Ｖ4は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合に下流側空燃比センサ４１周りに理論空燃比の排気ガスが流通している状態で生じる限界電流領域内の電圧である。
【００７７】
その後、図１１に示した例では、時刻ｔ6において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の低下が終了して、一定の値に収束する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が収束した時刻ｔ6から予め定められた一定時間Δｔに亘って下流側空燃比センサ４１への印加電圧が一定に維持される。
【００７８】
その後、本実施形態では、時刻ｔ6から予め定められた一定時間Δｔが経過した時刻ｔ7において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第三の印加電圧Ｖ3（例えば、０．１Ｖ）に低下せしめられる。ここで、第三の電圧Ｖ3は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合に、下流側空燃比センサ４１周りに理論空燃比の排気ガスが流通している状態で生じる比例領域内の電圧である。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第三の電圧Ｖ3に変更された時刻ｔ7から予め定められた一定時間Δｔに亘って下流側空燃比センサ４１への印加電圧が一定に維持される。
【００７９】
図１１に示した例では、時刻ｔ7から予め定められた一定時間Δｔが経過した時刻ｔ8において、異常診断が完了する。したがって、時刻ｔ8において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が通常制御用の電圧（例えば、０．４５Ｖ）に上昇せしめられる。また、図１１に示した例では、時刻ｔ8においても復帰後リッチ制御は完了していないため、目標空燃比は復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｔに維持される。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ空燃比とされ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少していく。
【００８０】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少していくと、やがてほぼ零になり、上流側排気浄化触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出し始める。これにより、時刻ｔ9において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。本実施形態では、このように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、復帰後リッチ制御が終了せしめられ、図５に示した通常制御が再開される。
【００８１】
ここで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１が正常であるときに、下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比が大気ガスに相当する空燃比である状態で、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｉが限界電流領域Ｗｌｃ内の電圧Ｖ2であるときの出力電流が正常値として予め実験的に又は計算により検出又は算出されている。同様に、下流側空燃比センサ４１が正常であるときに、下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比が大気ガスに相当する空燃比である状態で、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｉが比例領域Ｗｉｐ内の電圧Ｖ1であるときの出力電流が正常値として予め実験的に又は計算により検出又は算出されている。
【００８２】
そして、図１１に示したような制御を行った際に、下流側空燃比センサ４１が正常である場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に限界電流領域内の電圧Ｖ2を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、このような状態における正常値（限界電流領域内正常値）にほぼ一致する。同様に、下流側空燃比センサ４１が正常である場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に比例領域内の電圧Ｖ1を印加した状態で電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、このような状態における正常値（限界電流領域外正常値）にほぼ一致する。そこで、本実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が、対応する限界電流領域内正常値とほぼ一致し、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域外正常値とほぼ一致する場合には、下流側空燃比センサ４１は正常であると判断される。
【００８３】
一方、下流側空燃比センサ４１の回路等に異常が生じている場合、すなわち下流側空燃比センサ４１にオフセットずれが生じている場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に限界電流領域内の電圧Ｖ2を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、対応する限界電流領域内正常値との差が予め定められた基準値（限界電流領域内時基準値）以上になるような値になる。同様に、下流側空燃比センサ４１にオフセットずれが生じている場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に比例領域内の電圧Ｖ1を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、対応する限界電流領域外正常値との差が予め定められた基準値（限界電流領域外時基準値）以上になるような値になる。そこで、本実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域内正常値との差が基準値以上であり、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域外正常値との差が基準値以上である場合には、下流側空燃比センサ４１にはオフセットずれが生じていると判断される。
【００８４】
他方、下流側空燃比センサ４１の拡散律速層５４や電極５２等に異常が生じている場合、すなわち下流側空燃比センサ４１に傾きずれが生じている場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に限界電流領域内の電圧Ｖ2を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、対応する限界電流領域内正常値との差が予め定められた基準値（限界電流領域内時基準値）以上になるような値になる。同様に、下流側空燃比センサ４１に傾きずれが生じている場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に比例領域内の電圧Ｖ1を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、対応する限界電流領域外正常値とほぼ一致する。そこで、本実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域内正常値との差が基準値以上であり、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域外正常値とほぼ一致する場合には、下流側空燃比センサ４１には傾きずれが生じていると判断される。
【００８５】
さらに、下流側空燃比センサ４１に素子割れ等の異常が生じている場合、すなわち下流側空燃比センサ４１に基準ガス異常が生じている場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に限界電流領域内の電圧Ｖ2を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、対応する限界電流領域内正常値とほぼ一致する。同様に、下流側空燃比センサ４１に傾きずれが生じている場合には、上述したように下流側空燃比センサ４１に比例領域内の電圧Ｖ1を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値は、対応する限界電流領域外正常値との差が予め定められた基準値（限界電流領域外時基準値）以上になるような値になる。そこで、本実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域内正常値とほぼ一致し、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域外正常値との差が基準値以上である場合には、下流側空燃比センサ４１には基準ガスの異常が生じていると判断される。
【００８６】
また、同様に、時刻ｔ6〜ｔ7において検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉと時刻ｔ7〜ｔ8において検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉとに基づいて検出することも可能である。この場合にも、下流側空燃比センサ４１が正常であるときに、下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比が理論空燃比である状態で、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｉが限界電流領域内の電圧Ｖ4であるときの出力電流が限界電流領域内正常値として予め実験的に又は計算により検出又は算出されている。同様に、下流側空燃比センサ４１が正常であるときに、下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比が理論空燃比である状態で、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｉが比例領域Ｗｉｐ内の電圧Ｖ3であるときの出力電流が限界電流領域外正常値として予め実験的に又は計算により検出又は算出されている。
【００８７】
そして、図１１に示したような制御を行った際に、下流側空燃比センサ４１に限界電流領域内の電圧Ｖ4を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値と、対応する限界電流領域内正常値との差が算出される。加えて、下流側空燃比センサ４１に比例領域内の電圧Ｖ3を印加した状態における電流検出部６１による出力電流Ｉの検出値と、対応する限界電流領域外正常値との差が算出される。このように算出された出力電流Ｉの差に基づいて、上述した時刻ｔ2〜ｔ4の場合と同様な手法で、下流側空燃比センサ４１の異常モードが診断される。
【００８８】
なお、上記実施形態では、燃料カット制御の実行中における時刻ｔ2〜ｔ4と、復帰後リッチ制御の実行中における時刻ｔ6〜ｔ8とにおいて、二回の異常診断が行われている。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の異常診断はこのうちの一方のみであってもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の異常診断を例にとって説明したが、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。ただし、復帰後リッチ制御の実行中には上流側空燃比センサ４０周りには上流側排気浄化触媒２０に流入する前の排気ガスが流通する。したがって、復帰後リッチ制御の実行中には上流側空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの空燃比がどのような空燃比になっているのかは不明である。このため、上流側空燃比センサ４０の異常診断は、復帰後リッチ制御の実行中には行われない。
【００９０】
さらに、上記実施形態では、限界電流領域内の一つの電圧と比例領域内の一つの電圧とを下流側空燃比センサ４１に印加し、このときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉに基づいて空燃比センサ４０、４１の異常の種類を判定している。しかしながら、限界電流領域内及び比例領域内では、それぞれ複数の異なる電圧を印加するようにしてもよいし、限界電流領域内及び比例領域内のいずれか一方のみにおいて複数の異なる電圧を印加するようにしてもよい。ここで、限界電流領域内では基本的に印加電圧Ｖが変わっても出力電流Ｉは変化しないが、比例領域内では印加電圧Ｖが変わると出力電流Ｉも変化する。このため、比例領域内において異なる電圧を印加する数が限界電流領域内において異なる電圧を印加する数よりも多いことが好ましい。
【００９１】
本実施形態によれば、上述したように空燃比センサ４０、４１に限界電流領域内の電圧と比例領域内の電圧とを印加した状態で空燃比センサの出力電流を検出することにより、異なる異常モードを、特にオフセットずれによる異常とそれ以外の原因による異常とを区別することができる。
【００９２】
＜フローチャート＞
図１２は、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う制御ルーチンのフローチャートを示している。特に、図１２は、燃料カット制御の実行中において異常診断を行う場合、すなわち図１１の時刻ｔ2〜ｔ4において異常診断を行う場合のフローチャートを示している。なお、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。
【００９３】
まず、ステップＳ１１では、異常診断の実行条件が成立しているか否かが判定される。異常診断の実行条件が成立する場合とは、例えば、下流側空燃比センサ４１の温度がその活性温度以上になっており且つ内燃機関の始動後、或いは内燃機関を搭載した車両のイグニッションキーがオンにされた後、下流側空燃比センサ４１の異常診断が未完了の場合に成立する。ステップＳ１１において、異常診断の実行条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、後述する異なる電圧の印加回数ｉが１にリセットされ、１〜ｎ回目の電圧の印加時における出力電流Ｉ（１）〜Ｉ（ｎ）が０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９４】
一方、ステップＳ１１において、異常診断の実行条件が成立している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、燃料カット制御（ＦＣ）の実行中であるか否かが判定される。ステップＳ１３において、燃料カット制御の実行中でないと判定された場合には、ステップＳ１２へと進み、電圧の印加回数ｉが１にリセットされ、１〜ｎ回目の電圧の印加時における出力電流が０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９５】
その後、燃料カット制御の実行が開始されると、次の制御ルーチンではステップＳ１３からステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）とされる。ここで、第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）は予め設定されている。例えば、第１回目の印加電圧Ｖ（１）は、空燃比センサ４０、４１に何の異常も生じていない場合に、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態で生じる限界電流領域内の電圧とされる。加えて、第２回目の印加電圧Ｖ（２）は、空燃比センサ４０、４１に何の異常も生じていない場合に、空燃比センサ４０、４１周りに大気ガスが流通している状態で生じる比例領域内の電圧とされる。なお、異なる電圧の印加回数ｉ及び第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）は、限界電流領域内の電圧を少なくとも一回印加し、比例領域内の電圧を少なくとも一回印加すれば、如何なる回数及び電圧に設定されてもよい。
【００９６】
ここで、燃料カット制御の実行開始前には電圧の印加回数ｉはステップＳ１２によって１に設定されている。したがって、燃料カット制御の実行開始直後においてステップＳ１４では、電圧の印加回数ｉは１にセットされている。このため、燃料カット制御の実行開始直後には、印加電圧Ｖは第１回目の印加電圧Ｖ（１）とされ、例えば、限界電流領域内の電圧Ｖ2とされる。次いで、ステップＳ１５では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したか否かは、例えば、単位時間あたりの下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの変化量が一定量以下になったか否かに基づいて判定される。或いは、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したか否かは、印加電圧Ｖを変更してからの経過時間が予め定められた時間以上であるか否かに基づいて判定されてもよい。
【００９７】
ステップＳ１５において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定すると、ステップＳ１５からステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、ステップＳ１５において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したと判定されてからの経過時間が予め定められた一定時間Δｔ以上であるか否かが判定される。ステップＳ１６において、経過時間が一定時間Δｔよりも短いと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９８】
一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したと判定されてから時間が経って、一定時間Δｔ以上が経過すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１６からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したと判定されてから一定時間Δｔが経過するまでの下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの平均値が算出され、この平均値が第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）を印加したときの出力電流Ｉ（ｉ）とされる。したがって、第１回目の印加電圧Ｖ（１）が印加されているときには、第１回目の印加電圧Ｖ（１）を印加したときの出力電流Ｉ（１）が算出される。
【００９９】
次いで、ステップＳ１８では、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上であるか否かが判定される。ｎは２以上の値とされる。現在の異なる電圧の印加回数ｉがｎよりも少ない場合にはステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、異なる電圧の印加回数ｉに１が加算され制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１００】
異なる電圧の印加回数ｉに１が加算されて異なる電圧の印加回数が２になると次の制御ルーチンでは、ステップＳ１４において、印加電圧Ｖが第２回目の印加電圧Ｖ（２）とされる。その後、印加電圧Ｖが第２回目の印加電圧Ｖ（２）とされた後に下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したと判定されてからの経過時間が一定時間Δｔ以上になると、再びステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したと判定されてから一定時間Δｔが経過するまでの下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの平均値が算出され、この平均値が第２回目の印加電圧Ｖ（２）を印加したときの出力電流Ｉ（２）とされる。
【０１０１】
次いで、ステップＳ１８では、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上であるか否かが判定され、ｎが２であるときには、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上になっていると判定される。一方、ｎが３以上であるときには、異なる電圧の印加回数がｎ回になるまで、ステップＳ１１〜Ｓ１７が繰り返される。ステップＳ１８において、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上であると判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。
【０１０２】
ステップＳ２０では、ステップＳ１７で算出された出力電流Ｉ（０）〜Ｉ（ｎ）に基づいて、これらを上述したように正常値と比較して、下流側空燃比センサ４１の異常モードが判定される。次いで、ステップＳ２１では、異なる電圧の印加回数ｉが１にリセットされ、１〜ｎ回目の電圧の印加時における出力電流が０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１０３】
なお、図１２に示した制御ルーチンは、燃料カット制御の実行中において異常診断を行う場合を示しているが、復帰後リッチ制御の実行中において異常診断を行う場合も同様な制御ルーチンにて異常診断を行うことが可能である。この場合、ステップＳ１３において、燃料カット制御の実行中であるか否かではなく、復帰後リッチ制御の実行中であるか否かが判定される。また、この場合、第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）も燃料カット制御の実行中の場合における印加電圧とは異なる電圧とされる。
【０１０４】
＜第二実施形態＞
次に、図１３及び図１４を参照して、本発明の第二実施形態に係る異常診断装置について説明する。第二実施形態に係る異常診断装置における構成及び制御は、以下で説明する部分を除いて、基本的に第一実施形態に係る異常診断装置における構成及び制御と同様である。
【０１０５】
ところで、上流側空燃比センサ４０には異常が発生していない場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御を行っていると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は目標空燃比と同一の空燃比となる。したがって、目標空燃比を理論空燃比に一定に維持した場合には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比となり、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比も理論空燃比に一定に維持される。
【０１０６】
また、目標空燃比をリッチ空燃比に一定に維持した場合には、上流側排気浄化触媒２０において流入した排気ガス中の未燃ガスが上流側排気浄化触媒２０において浄化される。このため、目標空燃比をリッチ空燃比に維持し始めたときには、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロになると、もはや上流側排気浄化触媒２０では未燃ガスは浄化されなくなる。このため、最終的には、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比である目標空燃比に一定に維持されることになる。
【０１０７】
下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御されている限り、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比を目標空燃比に一定に維持することができる。そこで、本実施形態では、目標空燃比を所定の空燃比に一定に維持することで、下流側空燃比センサ４１周りに流通する排気ガスの空燃比が予め定められた一定の空燃比に維持されているときに、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うようにしている。
【０１０８】
次に、図１３に示すタイムチャートを参照しつつ、目標空燃比を理論空燃比に維持する場合を例にとって、本実施形態における下流側空燃比センサ４１の異常診断について説明する。図１３は、異常診断フラグ、目標空燃比、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比及び下流側空燃比センサ４１への印加電圧のタイムチャートである。
【０１０９】
本実施形態でも、図５を参照しつつ既に説明したように、通常、目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとに交互に変更されている。図１３に示した例では、時刻ｔ1において、異常診断が開始すべく目標空燃比が理論空燃比とされる前は、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更する通常制御時において目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとなっている場合を示している。
【０１１０】
図１３に示した例では、時刻ｔ1において、異常診断を開始すべく、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈから理論空燃比（１４．６）に変更される。これに伴って、上流側空燃比センサの出力空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比に変化する。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維持される。また、本実施形態では、異常診断が開始されると、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第４の電流Ｖ4（例えば、０．４５Ｖ）とされる。ここで、第四の電圧Ｖ4は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合に下流側空燃比センサ４１周りに理論空燃比の排気ガスが流通している状態で生じる限界電流領域内の電圧である。
【０１１１】
その後、本実施形態では、時刻ｔ1から予め定められた時間Δｔ0経過した時刻ｔ2から予め定められた一定時間Δｔに亘って下流側空燃比センサ４１への印加電圧が一定に維持される。ここで、時間Δｔ0は、例えば時刻ｔ1において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となっていたような場合であっても、目標空燃比が理論空燃比に変更された結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束するのに必要な時間とされる。
【０１１２】
その後、本実施形態では、時刻ｔ2から予め定められた一定時間Δｔが経過した時刻ｔ3において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第三の電圧Ｖ3（例えば、０．１Ｖ）に低下せしめられる。ここで、第三の電圧Ｖ3は、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていない場合に下流側空燃比センサ４１周りに理論空燃比の排気ガスが流通している状態で生じる比例領域Ｗｉｐ内の電圧である。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第三の電圧Ｖ3に変更された時刻ｔ3から予め定められた一定時間Δｔに亘って下流側空燃比センサ４１への印加電圧が一定に維持される。
【０１１３】
図１３に示した例では、時刻ｔ3から予め定められた一定時間Δｔが経過した時刻ｔ4において、異常診断が完了する。したがって、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が通常制御用の電圧（例えば、０．４５Ｖ）に上昇せしめられると共に、目標空燃比もリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに戻され、その後、図５に示した通常制御が行われる。
【０１１４】
ここで、本実施形態においても、下流側空燃比センサ４１が正常であるときに、下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比が理論空燃比である状態で、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｉが限界電流領域内の電圧Ｖ4であるときの出力電流が限界電流領域内正常値として予め実験的に又は計算により検出又は算出されている。同様に、下流側空燃比センサ４１が正常であるときに、下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比が理論空燃比である状態で、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｉが比例領域内の電圧Ｖ3であるときの出力電流が限界電流領域外正常値として予め実験的に又は計算により検出又は算出されている。
【０１１５】
そして、図１３に示したような制御を行った際に、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域内正常値とほぼ一致し、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域外正常値とほぼ一致する場合には、下流側空燃比センサ４１は正常であると判断される。また、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域内正常値との差が基準値以上であり、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域外正常値との差が基準値以上である場合には、下流側空燃比センサ４１にはオフセットずれが生じていると判断される。
【０１１６】
一方、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域内正常値との差が基準値以上であり、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域外正常値とほぼ一致する場合には、下流側空燃比センサ４１には傾きずれが生じていると判断される。さらに、時刻ｔ2〜ｔ3における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値が対応する限界電流領域内正常値とほぼ一致し、且つ時刻ｔ3〜ｔ4における下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの検出値と対応する限界電流領域外正常値との差が基準値以上である場合には、下流側空燃比センサ４１には基準ガス異常が生じていると判断される。
【０１１７】
なお、図１３は、目標空燃比を理論空燃比に一定に維持した場合を示しているが、目標空燃比を理論空燃比以外の空燃比に維持するようにしてもよい。ただし、この場合、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比が安定するまでに、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又はゼロに到達する必要がある。このため、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比が収束するのに必要な時間である時間Δｔ0が比較的長い時間とされる。
【０１１８】
本実施形態によれば、上述したように空燃比センサ４０、４１に限界電流領域内の電圧と比例領域内の電圧とを印加した状態で空燃比センサの出力電流を検出することにより、異なる異常モードを、特にオフセットずれによる異常とそれ以外の原因による異常とを区別することができる。
【０１１９】
また、第一実施形態では、燃料カット制御中又は復帰後リッチ制御中に異常診断が行われる。しかしながら、燃料カット制御及び復帰後リッチ制御は機関運転状態に応じて実行されるものであり、場合によっては長期間実行されないこともある。このため、長期間に亘って異常診断を実行することができない場合もある。これに対して、本実施形態では、通常制御を一時的に中断して目標空燃比を一定の値に維持すればよいため、如何なるタイミングでも異常診断を行うことができる。
【０１２０】
なお、上記第二実施形態では、異常診断を行うにあたり、目標空燃比を予め定められた一定の空燃比に維持するようにしている。しかしながら、異常診断を行うにあたり、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に短い間隔で切り替えるようにしてもよい。目標空燃比をこのようにリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に短い間隔で切り替えると、排気ガス中の未燃ガスや空気は上流側排気浄化触媒２０で除去される。このため、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比は理論空燃比で一定に維持されることになる。この場合、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロよりも多く且つ最大吸蔵可能酸素量よりも少ない量に維持されるように目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に変更する必要がある。
【０１２１】
＜フローチャート＞
図１４は、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う制御ルーチンのフローチャートを示している。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。
【０１２２】
図１４に示したように、まず、ステップＳ３１では、異常診断の実行条件が成立しているか否かが判定される。ステップＳ３１において、異常診断の実行条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、異なる電圧の印加回数ｉが１にリセットされ、１〜ｎ回目の電圧の印加時における出力電流Ｉ（０）〜Ｉ（ｎ）が０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２３】
一方、ステップＳ３２において、異常診断の実行条件が成立していないと判定された場合にはステップＳ３３へと進む。ステップＳ３３では、目標空燃比が理論空燃比（１４．６）とされる。次いで、ステップＳ３４では、ステップＳ１４と同様に、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）とされる。次いでステップＳ３５では、異なる電圧の印加回数ｉが２以上であるか否かが判定され、印加回数ｉが１回であるときには、ステップＳ３６へと進む。ステップＳ３６では、目標空燃比を理論空燃比に設定してからの経過時間が上述した所定の時間Δｔ0以上であるか否かが判定される。ステップＳ３６において、目標空燃比を理論空燃比に設定してからの経過時間が上述した所定の時間Δｔ0未満であると判定された場合、すなわち下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比が安定していない場合があると判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２４】
一方、ステップＳ３６において、経過時間が所定の時間Δｔ0以上であると判定された場合には、ステップＳ３６からステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、目標空燃比を理論空燃比に設定してからの経過時間が所定の時間Δｔ0以上であると判定されてからの経過時間が予め定められた一定時間Δｔ以上であるか否かが判定される。ステップＳ３７において経過時間が一定時間Δｔ以上であると判定されると、ステップＳ３７からステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、一定時間Δｔが経過する間の下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉの平均値が算出され、この平均値が第ｉ回目の印加電圧Ｖ（ｉ）を印加したときの出力電流Ｉ（ｉ）とされる。次いで、ステップＳ３９では、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上であるか否かが判定される。現在の異なる電圧の印加回数ｉがｎよりも少ない場合にはステップＳ４０へと進む。ステップＳ４０では、異なる電圧の印加回数ｉに１が加算され制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２５】
異なる電圧の印加回数ｉに１が加算されて異なる電圧の印加回数が２になると次の制御ルーチンでは、ステップＳ３５からステップＳ４１へと進む。ステップＳ４１では、印加電圧が変更されてから下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定したか否かが判定される。ステップＳ３５において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが安定すると、ステップＳ４１からステップＳ３７へと進む。その後、ステップＳ３７及びＳ３８を経て、ステップＳ３９に進む。ステップＳ３９では、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上であるか否か再びが判定され、ｎが２であるときには、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上になっていると判定される。一方、ｎが３以上であるときには、異なる電圧の印加回数がｎ回になるまで、ステップＳ３１〜Ｓ３８が繰り返される。ステップＳ３９において、異なる電圧の印加回数ｉがｎ回以上であると判定された場合には、ステップＳ４２へと進む。
【０１２６】
ステップＳ４２では、ステップＳ３８で算出された出力電流Ｉ（０）〜Ｉ（ｎ）に基づいて、これらを上述したように正常値と比較して、下流側空燃比センサ４１の異常モードが判定される。次いで、ステップＳ４３では、異なる電圧の印加回数ｉが１にリセットされ、１〜ｎ回目の電圧の印加時における出力電流が０にリセットされる。次いで、ステップＳ４４では、目標空燃比が通常制御における目標空燃比に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【符号の説明】
【０１２７】
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】
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【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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