(57)【要約】【課題】異常判定を完了することができる確率が高められた排気浄化システムを提供する。【解決手段】排気浄化システムは、内燃機関１０の排気通路１４に配置される触媒３２と、触媒３２を通過した排気の状態を検知するセンサ３８と、内燃機関１０が所定条件を満たす場合に実行され内燃機関１０に供給する吸気の空燃比を強制的に増減させる空燃比強制制御運転において、センサ３８の出力を監視することによりシステムの異常を判定する異常判定装置として働くＥＣＵ４２とを備える。異常判定装置は、システム異常の判定が完了せずに空燃比強制制御運転が中断された場合には、中断までに行なわれた空燃比強制制御運転中に積算されたパラメータを一旦保持し、所定条件を再び内燃機関１０が満たす場合に空燃比強制制御運転を再開させ保持しておいたパラメータおよび空燃比強制制御再開後に積算されたパラメータを用いてシステム異常の判定を完了させる。【選択図】図１
2007162681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒を通過した排気の状態を検知するセンサと、
前記内燃機関が所定条件を満たす場合に実行され前記内燃機関に供給する吸気の空燃比を強制的に増減させる空燃比強制制御運転において、前記センサの出力を監視することによりシステムの異常を判定する異常判定装置とを備え、
前記異常判定装置は、前記システム異常の判定が完了せずに前記空燃比強制制御運転が中断された場合には、中断までに行なわれた前記空燃比強制制御運転中に積算されたパラメータを一旦保持し、前記所定条件を再び前記内燃機関が満たす場合に前記空燃比強制制御運転を再開させ保持しておいた前記パラメータおよび空燃比強制制御再開後に積算されたパラメータを用いて前記システム異常の判定を完了させる、排気浄化システム。
【請求項２】
前記異常判定装置は、前記空燃比強制制御運転の中断期間に対応して前記パラメータの補正処理を行ない、前記空燃比強制制御運転の再開後の前記パラメータの積算を続行する、請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記パラメータは、空燃比と燃料噴射量とによって積算される前記触媒の酸素吸蔵量収支である、請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項４】
前記センサは、
前記排気中の酸素を検出する酸素センサであり、
前記異常判定装置は、前記酸素吸蔵量収支が所定値を超えた場合の前記酸素センサの出力を監視することによりシステムの異常を検知する、請求項３に記載の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気浄化システムに関し、特に車両に搭載される内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用内燃機関の排気浄化システムでは、排気ガスを浄化するため排気通路に触媒が配置される。この触媒は、適量の酸素を吸蔵しておく能力を有しており、排気ガス中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を用いてそれらの成分を酸化する。一方、排気ガス中に窒素酸化物（ＮＯｘ）等の酸化物が含まれている場合、上記の触媒は、それらの物質を還元し、その結果生じた酸素を吸蔵する。
【０００３】
排気通路に配置される触媒は、このようにして排気ガスの浄化を図る。このため、その浄化能力は、酸素の吸蔵能力に大きく影響される。従って、触媒の浄化能力の劣化状態は、その触媒が吸蔵し得る酸素の最大量、すなわち、酸素吸蔵容量により判断することができる。
【０００４】
特開２００３−９７３３４号公報（特許文献１）には、通常は理想空燃比付近に制御されている内燃機関に供給される混合気の空燃比を強制的にリッチまたはリーンとする空燃比強制制御を行なって、排気通路に配置された触媒の酸素吸蔵容量を検出する装置が開示されている。
【０００５】
空燃比強制制御について説明する。まず、空燃比がリッチに制御されている間は、ＨＣやＣＯなどの未燃成分を含む酸素不足の排気ガスが触媒に供給される。このような排気ガスが供給されると、触媒は、吸蔵している酸素を放出して排気ガスを浄化しようとする。このため、長期に渡ってその状態が継続されると、やがて触媒は、全ての酸素を放出して、もはやＨＣやＣＯを酸化できない状態となる。以下、この状態を「最小酸素吸蔵状態」と称す。
【０００６】
一方、混合気の空燃比がリーンに制御されている間は、ＮＯｘを含む酸素過多の排気ガスが触媒に供給される。このような排気ガスが供給されると、触媒は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することで、排気ガスを浄化しようとする。このため、長期に渡ってその状態が継続されると、やがて触媒は、酸素吸蔵容量一杯に酸素を吸蔵し、もはやＮＯｘを浄化できない状態となる。以下、この状態を「最大酸素吸蔵状態」と称す。
【０００７】
空燃比強制制御においては、通常は理想空燃比付近に制御されている混合気に対し、上述した最小酸素吸蔵状態と最大酸素吸蔵状態とが繰り返し実現されるように空燃比が制御される。そして、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態へ状態が遷移する過程で触媒に吸蔵される酸素の量を積算することで、または、その逆の状態遷移が生ずる過程で触媒から放出される酸素の量を積算することで、酸素吸蔵容量を求める。そして、求めた酸素吸蔵容量が所定の判定値より大きいか否かに基づいて、触媒が正常であるか、または劣化しているかを判断する。
【特許文献１】特開２００３−９７３３４号公報
【特許文献２】特開平５−１３３２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記空燃比強制制御を実行する場合には、内燃機関が所定の運転条件を満たしている必要がある。例えば、高速道路を走行するなど安定したエンジンの運転条件が継続する場合には、問題なく空燃比制御を行なうことができる。
【０００９】
しかし、市街地走行等頻繁にエンジン回転数や吸入空気量が所定の範囲を外れる場合は、エンジンの運転条件が不安定なので、空燃比強制制御を行なって排気浄化システムの触媒が正常であるかまたは劣化しているかの判定を行なう条件として不利である。
【００１０】
また、近年は、燃費改善のため下り坂等において燃料カットを行なう車両もあるが、燃料カット中に空燃比強制制御を行なうと改善された燃費を悪化させてしまう。
【００１１】
したがって、空燃比強制制御を行なっていても所定の運転条件を満たさなくなると、空燃比強制制御が中断されてしまうので、排気浄化システムの触媒の劣化判定を完了できない。
【００１２】
中断後、再度所定の運転条件が成立し空燃比強制制御を行なっても、触媒の最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態への遷移または、最大酸素吸蔵状態から最小酸素吸蔵状態への遷移にはある程度の時間、たとえば３０〜４０秒を必要とするので、所定の運転条件が必要な時間継続するかどうかは不明である。
【００１３】
また、触媒の酸素吸蔵容量は、触媒通過後の排気中の酸素を検出する酸素センサの出力を用いて判断されるが、酸素センサが故障した場合には、触媒の劣化判定を正常に行なうことができないので、酸素センサの故障もシステムの異常と判定する必要がある。
【００１４】
この発明の目的は、異常判定を完了することができる確率が高められた排気浄化システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明は、要約すると、排気浄化システムであって、内燃機関の排気通路に配置される触媒と、触媒を通過した排気の状態を検知するセンサと、内燃機関が所定条件を満たす場合に実行され内燃機関に供給する吸気の空燃比を強制的に増減させる空燃比強制制御運転において、センサの出力を監視することによりシステムの異常を判定する異常判定装置とを備える。異常判定装置は、システム異常の判定が完了せずに空燃比強制制御運転が中断された場合には、中断までに行なわれた空燃比強制制御運転中に積算されたパラメータを一旦保持し、所定条件を再び内燃機関が満たす場合に空燃比強制制御運転を再開させ保持しておいたパラメータおよび空燃比強制制御再開後に積算されたパラメータを用いてシステム異常の判定を完了させる。
【００１６】
好ましくは、異常判定装置は、空燃比強制制御運転の中断期間に対応してパラメータの補正処理を行ない、空燃比強制制御運転の再開後にパラメータの積算を続行する。
【００１７】
好ましくは、パラメータは、空燃比と燃料噴射量とによって積算される触媒の酸素吸蔵量収支である。
【００１８】
より好ましくは、センサは、排気中の酸素を検出する酸素センサであり、異常判定装置は、酸素吸蔵量収支が所定値を超えた場合の酸素センサの出力を監視することによりシステムの異常を検知する。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、排気浄化システムに異常が生じているか否かを判定する処理が完了する確率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。
【００２１】
［内燃機関の周辺構成］
図１は、本発明の実施の形態の排気浄化システムが適用される内燃機関１０およびその周辺の構造を説明するための図である。
【００２２】
図１を参照して、内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組み付けられている。
【００２３】
エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０は、吸気通路１２を流れる吸入空気量ＧＡを検出するセンサである。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。
【００２４】
スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンクの更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。
【００２５】
排気通路１４には、上流側触媒３２と下流側触媒３４とが直列に配置されている。これらの触媒３２，３４は、ある程度の酸素を吸蔵することができ、排気ガス中にＨＣやＣＯなどの未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を用いてそれらを酸化し、また、排気ガス中にＮＯｘなどの酸化成分が含まれている場合は、それらを還元し、放出された酸素を吸蔵することができる。内燃機関１０から排出される排気ガスは、触媒３２，３４の内部で処理されることにより浄化される。
【００２６】
排気通路１４には、さらに、上流側触媒３２の上流に配置される空燃比センサ３６と、上流側触媒３２と下流側触媒３４との間に配置される第１の酸素センサ３８と、下流側触媒３４の下流に配置される第２の酸素センサ４０とが設けられる。
【００２７】
空燃比センサ３６は、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサである。一方、第１の酸素センサ３８および第２の酸素センサ４０は、排気ガス中の酸素濃度が所定値を越える前後で大きく出力を変化させるセンサである。
【００２８】
空燃比センサ３６出力を観測することにより、上流側触媒３２に流入する排気ガス中の酸素濃度に基づいて、内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比を検出することができる。
【００２９】
また、第１の酸素センサ３８の出力を観測することにより、上流側触媒３２で処理された後の排気ガスが燃料リッチであるか（ＨＣ、ＣＯを含むか）、または燃料リーンであるか（ＮＯｘを含むか）を判断することができる。
【００３０】
さらに、第２の酸素センサ４０の出力を観測することにより、下流側触媒３４を通過してきた排気ガスが燃料リッチであるか（ＨＣ、ＣＯを含むか）、または燃料リーンであるか（ＮＯｘを含むか）を判断することができる。
【００３１】
本実施形態の排気浄化システムは、図１に示すように、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４２を備えている。ＥＣＵ４２には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、内燃機関１０の冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ４４などが接続されている。
【００３２】
図１に示すシステムにおいて、内燃機関１０から排出される排気ガスは、先ず、上流側触媒３２で浄化される。そして、下流側触媒３４では、上流側触媒３２で浄化し切れなかった排気ガスの浄化処理が行われる。上流側触媒３２は、内燃機関１０に近い位置に配置されていることから、内燃機関１０の始動後、早期に活性温度にまで昇温する。このため、上流側触媒３２は、内燃機関１０の始動直後から、高い排気ガス浄化能力を発揮する。このシステムにおいて、常に適正な排気ガス浄化能力を発揮させるためには、上流側触媒３２の劣化を速やかに検知することが必要である。
【００３３】
上流側触媒３２は、燃料リッチな排気ガス中に酸素を放出し、また、燃料リーンな排気ガス中の過剰酸素を吸蔵することで排気ガスの浄化を行なう。このため、上流側触媒３２の浄化能力は、上流側触媒３２が最大限吸蔵することのできる酸素量、すなわち、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量ＯＳＣが減少するに連れて低下する。そこで、本実施形態の触媒劣化検出装置は、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値に基づいて上流側触媒３２の劣化を判定することとしている。
【００３４】
しかしながら、触媒の劣化を検知するためには、空燃比強制制御を行なわなければならない。この空燃比強制制御をある程度の時間継続しないと、排気浄化システムが正常か否かの判断を完了させることができない。そこで、本実施の形態では、空燃比強制制御が途中で燃料カット等の処理によって中断しても、それまでに積算したパラメータをその後空燃比強制制御を再開したときに利用することで、排気浄化システムが正常か否かの判断を１回の車両運転時に完了させることができる確率を上げる。
【００３５】
本実施の形態の排気浄化システムを要約して説明すると、排気浄化システムは、内燃機関１０の排気通路１４に配置される触媒３２と、触媒３２を通過した排気の状態を検知するセンサ３８と、内燃機関１０が所定条件を満たす場合に実行され内燃機関１０に供給する吸気の空燃比を強制的に増減させる空燃比強制制御運転において、センサ３８の出力を監視することによりシステムの異常を判定する異常判定装置として働くＥＣＵ(Electronic Control Unit)４２とを備える。異常判定装置は、システム異常の判定が完了せずに空燃比強制制御運転が中断された場合には、中断までに行なわれた空燃比強制制御運転中に積算されたパラメータを一旦保持し、所定条件を再び内燃機関１０が満たす場合に空燃比強制制御運転を再開させ保持しておいたパラメータおよび空燃比強制制御再開後に積算されたパラメータを用いてシステム異常の判定を完了させる。
【００３６】
本実施の形態では、異常判定装置は、空燃比強制制御運転の中断期間に対応するパラメータの補正処理を行ない、空燃比強制制御運転の再開後のパラメータの積算を続行する。
【００３７】
本実施の形態では、パラメータの一例は、空燃比と燃料噴射量とによって積算される触媒３２の酸素吸蔵量収支である。
【００３８】
また、センサ３８は、排気中の酸素を検出する酸素センサであり、異常判定装置は、酸素吸蔵量収支が所定値を超えた場合の酸素センサの出力を監視することによりシステムの異常を検知する。
【００３９】
［空燃比強制制御の説明］
図２は、本実施形態において、ＥＣＵ４２が、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量ＯＳＣを検出するために実行する空燃比強制制御ルーチンのフローチャートである。
【００４０】
図２に示すルーチンでは、まずステップＳ１において、酸素吸蔵容量ＯＳＣの検出指令が生じているか否かが判別される。
【００４１】
その結果、酸素吸蔵容量ＯＳＣの検出指令が生じていないと判別された場合は、何ら処理が進められることなくステップＳ７に処理が進み、今回のサイクルが終了される。一方、酸素吸蔵容量ＯＳＣの検出指令が生じていると判別された場合は、次にステップＳ２において、リーンフラグXleanがオフ状態からオン状態に切り替わったか否かが判別される
。
【００４２】
リーンフラグXleanは、第１の酸素センサ３８が、リーン判定値を下回る出力（以下、「リーン出力」と称す）を発生している間オン状態となるフラグである。従って、ステップＳ２の条件は、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて、第１の酸素センサ３８の出力が、リーン判定値を超える値からその判定値を下回る値に変化した場合に成立する。図２に示すルーチンでは、この条件が成立すると、次にステップＳ３に処理が進み、混合気の空燃比をリッチ側の所定値に固定する制御が行われる。
【００４３】
一方、ステップＳ２において、リーンフラグXleanがオフ状態からオン状態に切り替わっていないと判別された場合は、次に処理はステップＳ４に進み、リッチフラグXrichがオフ状態からオン状態に切り替わったかが判別される。
【００４４】
リッチフラグXrichは、第１の酸素センサ３８が、リッチ判定値を超える出力（以下、「リッチ出力」と称す）を発生している間オン状態となるフラグである。従って、ステップＳ４の条件は、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて、第１の酸素センサ３８の出力が、リッチ判定値を下回る値からその判定値を超える値に変化した場合に成立する。図２に示すルーチンでは、この条件が成立すると、次にステップＳ５に処理が進み、混合気の空燃比をリーン側の所定値に固定する制御が行われる。
【００４５】
一方、ステップＳ４において、リッチフラグXrichがオフ状態からオン状態に切り替わっていないと判別された場合は、それまでに用いられていた空燃比を維持するように、リッチ固定制御、またはリーン固定制御が実行される。
【００４６】
より具体的には、ステップＳ６においては、現在までの空燃比がリッチである場合は、ステップＳ３の場合と同様に、空燃比をリッチ側の所定値に固定する制御が行われる。一方、現在までの空燃比がリーンである場合は、ステップＳ５の場合と同様に、空燃比をリーン側の所定値に固定する制御が実行される。
【００４７】
図３は、ＥＣＵ４２が図２に示すルーチンを実行することで実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００４８】
図３において信号Ｖ３６は、酸素吸蔵容量ＯＳＣの検出中における空燃比センサ３６の出力である。また、信号Ｖ３８は、その際の第１の酸素センサ３８の出力である。
【００４９】
図２、図３を参照して、酸素吸蔵容量ＯＳＣの検出指令が生ずると、その後ステップＳ６の処理により、混合気の空燃比がリッチ側またはリーン側の所定値に固定される。図３には、時刻ｔ０まで、その空燃比がリッチ側の所定値に固定されていた場合を示されている。混合気の空燃比が燃料リッチに固定されている間、空燃比センサ３６の出力信号Ｖ３６は、リッチ側に偏った値となる。この間、上流側触媒３２は、吸蔵している酸素を排気ガス中に放出して、排気ガスの浄化を行なっている。
【００５０】
上流側触媒３２に吸蔵されていた全ての酸素が放出されると、上流側触媒３２の内部で排気ガスが浄化されなくなり、その下流側に、ＨＣやＣＯを含む酸素不足の排気ガスが流出し始める。上流側触媒３２の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始めると、第１の酸素センサ３８の出力は、排気ガスが燃料リッチであることを表すリッチ判定値ＶＲより大きな値となる。
【００５１】
このため、第１の酸素センサ３８の出力を監視すれば、上流側触媒３２の下流に酸素不足の排気ガスが流出し始める時期、すなわち、上流側触媒３２中の酸素が使い果たされた時期を検知することができる。図３においては、時刻ｔ０がその時期に相当している。
【００５２】
第１の酸素センサ３８の出力がリッチ判定値ＶＲより大きくなると、その時点でリッチフラグXrichがオン状態となり、上記図２に示すステップＳ５の処理が実行される。その結果、混合気の空燃比は、強制的にリーン側の所定値に固定される。混合気の空燃比がリーン側の所定値に固定されると、空燃比センサ３６の出力は、その後やがてリーン側に偏った値となる。図３に示す波形は、時刻ｔ１にその出力がリーン側に偏った値に反転した状態を示している。
【００５３】
空燃比センサ３６の出力が燃料リーン側に偏っている間、すなわち、上流側触媒３２に酸素過多の排気ガスが流入している間、上流側触媒３２は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することでその浄化を図る。この状態が継続すると、やがて上流側触媒３２に酸素吸蔵容量ＯＳＣの限界に相当する酸素が吸蔵され、上流側触媒３２が排気ガスを浄化できない事態が生ずる。
【００５４】
この事態が生ずると、以後、上流側触媒３２の下流側にはＮＯｘを含む酸素過多の排気ガスが流出し始める。上流側触媒３２の下流に酸素過多の排気ガスが流出し始めると、第１の酸素センサ３８の出力は、排気ガスが燃料リーンであることを表すリーン判定値ＶＬより小さな値となる。このため、第１の酸素センサ３８の出力を監視すれば、上流側触媒３２の下流に酸素過多な排気ガスが流出し始める時期、すなわち、上流側触媒３２に酸素吸蔵容量ＯＳＣの酸素が吸蔵された時期を検知することができる。図３においては、時刻ｔ２がその時期に相当している。
【００５５】
第１の酸素センサ３８の出力がリーン判定値ＶＬより小さくなると、その時点でリーンフラグがオン状態となり、上記図２に示すステップＳ３の処理が実行される。その結果、混合気の空燃比は、強制的にリッチ側の所定値に固定される。混合気の空燃比がリッチ側の所定値に固定されると、空燃比センサ３６の出力は、その後やがてリッチ側に偏った値となる。図３に示す波形は、時刻ｔ３にその出力がリーン側に偏った値に反転した状態を示している。
【００５６】
以後、ＥＣＵ４２は、第１の酸素センサ３８の出力が再びリッチ判定値ＶＲより大きくなるまで混合気の空燃比を燃料リッチに維持する。そして時刻ｔ４において、第１の酸素センサ３８の出力がＶＲより大きくなると、上述した時刻ｔ０以降の処理が繰り返し実行される。その結果、上流側触媒３２が酸素を放出し切った状態（最小酸素吸蔵状態）と、上流側触媒３２が酸素吸蔵容量ＯＳＣの限界まで酸素を吸蔵した状態（最大酸素吸蔵状態）とが繰り返し実現される。
【００５７】
上流側触媒３２が単位時間当たりに吸蔵する酸素量、または上流側触媒３２が単位時間当たりに放出する酸素量は、排気ガスの空燃比と吸入空気量ＧＡとに基づいて求めることができる。以下、酸素が吸蔵される場合を正、酸素が放出される場合を負として、それらの量をいずれも酸素吸蔵量収支ＯＳＡと称する。本実施形態の排気浄化システムは、最小酸素吸蔵状態から最大酸素吸蔵状態に移行する過程、またはその逆の過程において、酸素吸蔵量収支ＯＳＡを積算することで酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出する。
【００５８】
［酸素センサ故障の検出］
図４は、ＥＣＵ４２が空燃比強制制御中において酸素センサの故障を検出するために実行するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間経過毎または所定の条件が成立する毎に、メインルーチンから呼び出されて実行される。
【００５９】
図４を参照して、まず処理が開始されると、ステップＳ１１において運転者がイグニッションキーをオン状態にして運転を開始した後に、１回だけ酸素吸蔵量収支ＯＳＡをゼロにリセットする。
【００６０】
そしてステップＳ１２において、図２で説明したような空燃比強制制御が現在実行中であるか否かを判断する。ステップＳ１２において空燃比強制制御実行中であれば処理はステップＳ１３に進み、空燃比強制制御実行中でなければ処理はステップＳ２２に進む。
【００６１】
ステップＳ１３において、ＥＣＵ４２は、空燃比強制制御が実行されている場合において中断された状態から再開された直後であるか否かを判断する。以下、空燃比強制制御の中断がどのような場合に発生するか、例を示して説明する。
【００６２】
図５は、空燃比強制制御の中断が生じる条件の例を説明するための図である。
図５においてエンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量ＧＡの変化と燃料供給中であるか燃料カット中であるかが横軸に時間をとって示されている。
【００６３】
空燃比強制制御は、エンジンの運転状態が触媒の劣化の判断を行なうためにある程度好ましい場合に実行される。たとえばエンジン回転数が上限値ＮｅＵと下限値ＮｅＬの間でなければ空燃比強制制御は行なわれない。また吸入空気量ＧＡが上限値ＧＡＵと下限値ＧＡＬの間でなければ空燃比強制制御は行なわれない。また燃料供給に関しては、燃料カット中ならば空燃比強制制御は行なわれない。
【００６４】
したがって図５において期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の間は空燃比強制制御を行なうことができない。これらより時刻ｔ０から運転を始めた場合において、エンジン回転数Ｎｅおよび吸入空気量ＧＡが所定の範囲内にともに入った時刻ｔ１から空燃比強制制御の実行が開始され、時刻ｔ２においてエンジン回転数Ｎｅが所定範囲からはみ出たことにより空燃比強制制御の中断が起こり、期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のすべてが終了した時刻ｔ３において空燃比強制制御が再開実行されて、所定の酸素吸蔵量収支の積算が終了して触媒の劣化や酸素センサの異常が判定された時刻ｔ４において空燃比強制制御は終了する。
【００６５】
したがって、図５の時刻ｔ１〜ｔ２および時刻ｔ３〜ｔ４の間は図４のフローチャートのステップＳ１３〜Ｓ２１の処理が行なわれる。また、時刻ｔ２〜ｔ３の間はステップＳ２２〜Ｓ２５の処理が行なわれる。
【００６６】
図４のステップＳ１３において空燃比強制制御の再開直後である場合（図５の例では時刻ｔ３で空燃比の強制制御が再開されてステップＳ１３を最初に実行する場合）には処理はステップＳ１４に進み、再開直後でなければ処理はステップＳ１６に進む。
【００６７】
ステップＳ１４においては、ＥＣＵ４２は、後に説明する空燃比強制制御中断までの積算値であるＯＳＡ（１）と、空燃比強制制御中断中の補正値であるＯＳＡ（２）から酸素吸蔵量収支ＯＳＡの初期値を算出する。そしてステップＳ１５に処理が進み、これから積算する酸素吸蔵量収支ＯＳＡにステップＳ１４で算出した初期値を代入する。ステップＳ１５の処理が終了するとステップＳ１６に処理が進む。
【００６８】
ステップＳ１６においては、酸素吸蔵量収支ＯＳＡの積算が行なわれる。積算は以下の式（１）に基づいて行なわれる。
ＯＳＡ＝ＯＳＡ＋ΔＯＳＡ          …（１）
ここでΔＯＳＡは次の式（２）で算出できる。なおΔＡ／Ｆは実空燃比と理論空燃比の差である。
ΔＯＳＡ＝燃料噴射量×ΔＡ／Ｆ×空気中酸素濃度比          …（２）
ステップＳ１６の処理が終了するとステップＳ１７において酸素吸蔵量収支ＯＳＡが判定基準値以上であるか否かが判断される。この判定基準値は、後に図６、図７で示すように触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを少し超えた値である。ステップＳ１７において、ＯＳＡ≧判定基準値が成立する場合には処理はステップＳ１８に進み、成立しない場合は処理はステップＳ１９に進む。
【００６９】
ステップＳ１８に処理が進んだ場合は、触媒の酸素吸蔵容量を超える酸素吸蔵量収支が検出されたため、触媒を通過した排気には酸素が検出されるはずである。そこでＥＣＵ４２は、排気を観測する酸素センサ３８に異常があるか否かの判断を行なう。ここで、酸素センサ３８の出力が異常であるときは、必要に応じて故障フラグを内部に保持したり、また、運転者に報知するため異常ランプを点灯させたりしてもよい。ステップＳ１８の処理が終了するとステップＳ２６に処理が進む。
【００７０】
一方、ステップＳ１７においてＯＳＡ≧判定基準値が成立しなかった場合はステップＳ１９に処理が進む。ステップＳ１９では、酸素センサ出力が図３のＶＲ以上となった履歴があるか否かが判定される。この履歴があった場合には処理はステップＳ２０に進み、ない場合には処理はステップＳ２６に進む。
【００７１】
ステップＳ２０においては酸素センサ出力が図３のＶＬを下回った履歴があるか否かが判断される。ステップＳ２０においてこの履歴があると判定された場合には処理はステップＳ２１に進み、この履歴がないと判定された場合には処理はステップＳ２６に進む。
【００７２】
ステップＳ２１では、酸素センサ出力が所定の振幅で変化したことが判定されたため酸素センサは正常に動作したと判定される。そして処理はステップＳ２６に進む。
【００７３】
次にステップＳ１２からステップＳ２２に処理が進んだ場合について説明する。この場合は空燃比強制制御が実行されていない場合である。
【００７４】
まず、ステップＳ２２においては空燃比強制制御が実行されていたが中断された直後であるか否かが判断される。中断された直後である場合（図５の時刻ｔ２において空燃比強制制御が中断されてから図４のフローチャートの処理を最初に実行する場合）には処理はステップＳ２３に進み、中断された直後でない場合には処理はステップＳ２５に進む。
【００７５】
ステップＳ２３では、ステップＳ１２，Ｓ１３，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１９を経て積算されていた酸素吸蔵量収支ＯＳＡを、ステップＳ１４で初期値を算出する際に使用する値ＯＳＡ（１）として、ＥＣＵ４２内部のメモリに一時的に記憶する。そして中断した直後においてはステップＳ２４において、ステップＳ１４で用いる補正値であるＯＳＡ（２）を０にリセットする。ステップＳ２４の処理が終了するとステップＳ２５に処理が進む。
【００７６】
ステップＳ２５においては酸素吸蔵量収支を補正する補正値の積算が以下の式（３）に基づいて行なわれる。なお、ΔＯＳＡについては、既出の式（２）にもとづいて算出される。
ＯＳＡ（２）＝ＯＳＡ（２）＋ΔＯＳＡ          …（３）
ステップＳ２５の処理が終了するとステップＳ２６に処理が進む。ステップＳ２６においては所定のメインルーチンに制御が移される。
【００７７】
以下に図４のフローチャートに基づいて制御が行なわれた場合において、中断が生じずに連続的に空燃比強制制御が実行された例と、空燃比強制制御中に１度中断が発生した場合の例とを説明する。
【００７８】
図６は、空燃比強制制御の中断がない場合の酸素センサの異常判定を説明するための動作波形図である。
【００７９】
図６を参照して、酸素センサ３８は図１の触媒３２の出口に設けられるものであり、酸素濃度が高い状態であれば約０ボルトを出力し酸素濃度が低い状態であれば約１ボルトを出力する。時刻ｔ１１までは、空燃比Ａ／Ｆは理論空燃比付近で通常の制御が行なわれている。
【００８０】
そして時刻ｔ１１において空燃比Ａ／Ｆをリーン側（１５．１）に強制的に固定する強制制御が開始される。時刻ｔ１１〜ｔ１２まで空燃比強制制御の中断がない場合には、図４のステップＳ１２からＳ１３、Ｓ１６を経由した酸素吸蔵量収支ＯＳＡの積算が毎回行なわれ、単位時間当りΔＯＳＡだけ徐々に酸素吸蔵量収支ＯＳＡは増加していく。
【００８１】
その結果時刻ｔ１２において酸素吸蔵量収支ＯＳＡが触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣの限界に到達すると、触媒出口の酸素センサは触媒からあふれた酸素を検出することによりその出力が１ボルトから０ボルトに変化する。
【００８２】
そして時刻ｔ１３において、積算中の酸素吸蔵量収支ＯＳＡが触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣをすこし超える判定基準値に到達し、この時点における酸素センサの出力を観測して図４のステップＳ１８において酸素センサ異常の判断が行なわれる。
【００８３】
図６の場合では酸素センサの出力が１ボルトから０ボルトに変化しておればセンサは正常であると判定され、酸素センサの出力が１ボルトのまま変化していなければ酸素センサが異常であると判定される。
【００８４】
図７は、空燃比強制制御に中断があった場合の動作を説明するための動作波形図である。
【００８５】
図７において、時刻ｔ２１から空燃比の強制制御が開始され、時刻ｔ２２においてエンジン回転数が所定範囲でなくなったなどの理由により空燃比強制制御の中断が生じ、この中断が時刻ｔ２３まで継続する。
【００８６】
時刻ｔ２２においては、強制制御の中断直後であるので、図４のフローチャートのステップＳ１２からステップＳ２２に処理が進んだ後に、ステップＳ２３、ステップＳ２４の処理が実行される。その結果それまで積算された酸素吸蔵量収支ＯＳＡが記憶値ＯＳＡ（１）として記憶される。
【００８７】
そして時刻ｔ２２〜ｔ２３の間は図４のステップＳ２２からステップＳ２５の処理が実行された結果、中断期間に対応するＯＳＡの補正値ＯＳＡ（２）の積算が行なわれる。
【００８８】
この補正値ＯＳＡ（２）が正の値であれば、時刻ｔ２３以降は波形Ｗ１に示すように酸素吸蔵量収支の積算が続行される。波形Ｗ１に示した場合においては時刻ｔ２４において触媒の酸素吸蔵量収支は触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣを超え、これに応じて酸素センサの出力が波形Ｘ１で示すように１ボルトから０ボルトに変化する。そして時刻ｔ２５において、ＯＳＡが所定の判定基準値を超えた時点でステップＳ１８の酸素センサ異常の判定（判定１）が実施される。
【００８９】
一方、補正値ＯＳＡ（２）が負の場合であれば、波形Ｗ２に示すように酸素吸蔵量収支の積算が続行される。波形Ｗ２に示した場合には、時刻ｔ２３からｔ２６までＯＳＡの積算が行なわれ、時刻ｔ２６においてＯＳＡが酸素吸蔵容量ＯＳＣを超えたことに応じて、酸素センサの出力が１ボルトから０ボルトに波形Ｘ２で示すように変化する。
【００９０】
そして時刻ｔ２７において、波形Ｗ２が判定基準値に到達したことに応じて、図４のステップＳ１８の酸素センサの異常判定（判定２）が実施される。
【００９１】
なお、図７においては酸素センサの出力が正常に変化した場合のみを示しているが、酸素センサ異常の場合は図６と同様酸素センサはその出力が１ボルトのまま変化しない。したがって、０ボルトと１ボルトの間の所定のしきい値で酸素センサの出力を判定することにより、酸素センサの良否が判断できる。
【００９２】
図８は、酸素センサが正常であると判定する図４のステップＳ１９，Ｓ２０についての説明を行なうための動作波形図である。
【００９３】
図８を参照して、時刻ｔ３１〜ｔ３２の間は空燃比Ａ／Ｆをリーン側すなわち１５．１に強制的に固定する制御が行なわれる。リーン側固定後に所定時間経過した時刻ｔ３２においては、触媒出口に設けられた酸素センサは、触媒が酸素を吸蔵しきれなくなったことに応じて酸素を検出するので、酸素センサの出力が１ボルトから０ボルトに変化する。
【００９４】
そして時刻ｔ３２で酸素センサの出力が変化したことに応じて今度は空燃比をリッチ側すなわち１４．１に強制的に固定する。そしてリッチ側固定後に所定時間経過した時刻ｔ３３において、酸素センサの出力が０ボルトから１ボルトに向けて変化し、これに応じて空燃比の強制制御は終了して通常の制御に戻される。
【００９５】
そしてこれらの強制制御のサイクルが実行された結果酸素センサの出力がリッチ判定値ＶＲを超えた状態とリーン判定値ＶＬを下回る状態の両方の状態をとることがわかったので、図４のステップＳ１９，Ｓ２０を経由してステップＳ２１において酸素センサが正常であると判定される。
【００９６】
以上説明したように、本実施の形態においては、空燃比強制制御による触媒の下流に設けられる酸素センサの異常検出を行なう場合に、空燃比強制制御を実行可能な条件が不成立となり空燃比強制制御が中断されたときでも途中まで積算した触媒への酸素吸蔵量収支を無駄にせず使用する。
【００９７】
途中まで積算した酸素吸蔵量収支に加え、中断中の触媒への酸素吸蔵量収支を算出して補正することで、空燃比強制制御再開後の酸素センサ異常判定までの時間を短縮し、検出完了を早期化することができる。加えて空燃比強制制御が中断して何度も最初からやり直すようなことがなくなるので排気エミッションへの悪影響を低減することができる。
【００９８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施の形態の排気浄化システムが適用される内燃機関１０およびその周辺の構造を説明するための図である。
【図２】本実施形態において、ＥＣＵ４２が、上流側触媒３２の酸素吸蔵容量ＯＳＣを検出するために実行する空燃比強制制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】ＥＣＵ４２が図２に示すルーチンを実行することで実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】ＥＣＵ４２が空燃比強制制御中において酸素センサの故障を検出するために実行するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。
【図５】空燃比強制制御の中断が生じる条件の例を説明するための図である。
【図６】空燃比強制制御の中断がない場合の酸素センサの異常判定を説明するための動作波形図である。
【図７】空燃比強制制御に中断があった場合の動作を説明するための動作波形図である。
【図８】酸素センサが正常であると判定する図４のステップＳ１９，Ｓ２０についての説明を行なうための動作波形図である。
【符号の説明】
【０１００】
１０  内燃機関、１２  吸気通路、１４  排気通路、１６  エアフィルタ、１８  吸気温センサ、２０  エアフロメータ、２２  スロットルバルブ、２４  スロットルセンサ、２６  アイドルスイッチ、２８  サージタンク、３０  燃料噴射弁、３２，３４  触媒、３６  空燃比センサ、３８  酸素センサ、４０  酸素センサ、４４  水温センサ。
【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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