(57)【要約】【課題】空燃比センサの素子割れを確実に検出することのできる異常診断装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられた限界電流式の空燃比センサ４０、４１の異常診断装置は、空燃比センサの出力電流を検出する電流検出部６１と、空燃比センサの温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備する。異常診断装置は、空燃比センサの温度が第一の温度とされている状態で空燃比がリッチ空燃比とされたときに、及び空燃比センサの温度が第一の温度よりも高い第二の温度とされている状態で空燃比がリッチ空燃比とされたときに、電流検出部によって空燃比センサの出力電流を検出する。空燃比センサの温度が第一の温度であるときの出力電流が第二の温度であるときの出力電流よりも予め定められた値以上大きい場合には空燃比センサに異常が生じていると判定する。【選択図】図１６
2016084725.tif 000002
【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、前記空燃比センサの温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備し、
前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を第一の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が第一の温度とされている状態で前記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リッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、
前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を前記第一の温度よりも高い第二の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が前記第二の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、
前記空燃比センサの温度を前記第一の温度に制御したときの出力電流が前記空燃比センサの温度を前記第二の温度に制御したときの出力電流よりも予め定められた値以上大きい場合には前記空燃比センサに異常が生じていると判定する、空燃比センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記空燃比センサの温度が前記第一の温度とされている状態で、前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比よりもリーンな予め定められたリーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には、前記空燃比センサに異常があると仮判定し、
前記空燃比センサに異常があると仮判定されたときには前記空燃比センサの温度を前記第二の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が前記第二の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、
前記空燃比センサの温度を前記第一の温度に制御したときの出力電流が前記空燃比センサの温度を前記第二の温度に制御したときの出力電流よりも予め定められた値以上大きい場合には前記空燃比センサに異常が生じていると本判定する、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】
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、前記空燃比センサの温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備し、
前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を第一の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が第一の温度とされている状態で前記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リッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって検出された前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比よりもリーンな予め定められた第一リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には、前記空燃比センサに異常があると仮判定し、
前記空燃比センサに異常があると仮判定されたときには前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を前記第一の温度よりも高い第二の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が前記第二の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、
前記空燃比センサの温度を前記第二の温度に制御したときの出力電流が前記第一リーン空燃比よりもリーンな第二リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には前記空燃比センサに異常が生じていると本判定する、空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記空燃比センサの温度が前記第一の温度とされている状態で、前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときに、前記空燃比センサの出力電流が前記第二リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には、前記空燃比センサに異常が生じていると本判定する、請求項３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、その排気通路に排気浄化触媒を具備し、該排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように空燃比の制御を実行可能であり、
前記空燃比センサに異常が生じていると判定又は本判定された場合には、設定可能な前記目標空燃比の下限値を低下させる、請求項１〜４のいずれか１項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、その排気通路に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒上流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１〜５のいずれか１項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、その排気通路に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒上流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１〜５のいずれか１項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、その排気通路に排気浄化触媒を具備し、該排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように空燃比の制御を実行すると共に、該目標空燃比を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に交互に変更する通常制御と、前記目標空燃比を該通常制御時におけるリッチ空燃比よりもリッチにするアクティブ制御とを実行可能であり、
前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときは、前記アクティブ制御の実行中である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記内燃機関は、その排気通路に排気浄化触媒を具備し、該排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように空燃比の制御を実行すると共に、該目標空燃比を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に交互に変更する通常制御を実行可能であり、
前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときは、前記通常制御中において前記目標空燃比がリッチ空燃比とされているときである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記空燃比センサの異常判定に用いられる前記空燃比センサの温度を前記第一の温度又は前記第二の温度に制御したときの出力電流は、前記空燃比センサの温度を前記第一の温度又は前記第二の温度に制御しているときの該空燃比センサの出力電流の平均値とされる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記空燃比センサの温度が前記第一の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されている診断期間のうち前記空燃比センサの出力電流が前記第一リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている期間の割合が予め定められた割合以上となっている場合には、前記空燃比センサの出力電流が前記第一リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっていると判定され、
前記空燃比センサが第二の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されている診断期間のうち前記空燃比センサの出力電流が前記第二リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている期間の割合が予め定められた割合以上となっている場合には、前記空燃比センサの出力電流が前記第二リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっていると判定される、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
【特許文献２】特開２０００−５５８６１号公報
【特許文献３】特開２００４−１９５４２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、特許文献１に記載された装置では、空燃比センサのセンサ素子に割れが生じたことを確実に検出することはできない。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、空燃比センサの素子割れを確実に検出することのできる異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、一つの態様では、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、前記空燃比センサの温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備し、前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を第一の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が第一の温度とされている状態で前記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リッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を前記第一の温度よりも高い第二の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が前記第二の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、前記空燃比センサの温度を前記第一の温度に制御したときの出力電流が前記空燃比センサの温度を前記第二の温度に制御したときの出力電流よりも予め定められた値以上大きい場合には前記空燃比センサに異常が生じていると判定する、空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【０００７】
上記課題を解決するために、一つの態様では、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、前記空燃比センサの温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備し、前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を第一の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が第一の温度とされている状態で前記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リッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって検出された前記空燃比センサの出力電流が理論空燃比よりもリーンな予め定められた第一リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には、前記空燃比センサに異常があると仮判定し、前記空燃比センサに異常があると仮判定されたときには前記センサ温度制御装置により前記空燃比センサの温度を前記第一の温度よりも高い第二の温度に制御すると共に、前記空燃比センサの温度が前記第二の温度とされている状態で前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように前記内燃機関が空燃比を制御しているときに、前記電流検出部によって前記空燃比センサの出力電流を検出し、前記空燃比センサの温度を前記第二の温度に制御したときの出力電流が前記第一リーン空燃比よりもリーンな第二リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には前記空燃比センサに異常が生じていると本判定する、空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、空燃比センサの素子割れを確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の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、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７】図７は、空燃比センサの素子割れが生じたときの出力電流Ｉと空燃比Ａ／Ｆとの関係を示す図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、空燃比センサの素子割れが生じたときの出力電流Ｉと印加電圧Ｖとの関係を示す図である。
【図９】図９Ａおよび９Ｂは、酸素濃度センサの概略的な断面図と、酸素濃度センサの出力電圧Ｅの変化とを示す図である。
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、空燃比センサの概略的な断面図と、空燃比センサの出力電流Ｉの変化とを示す図である。
【図１１】図１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃは、空燃比センサの出力電流Ｉを示す図である。
【図１２】図１２は、空燃比センサの出力電流Ｉを示す図である。
【図１３】図１３は、空燃比センサの出力電流Ｉを示す図である。
【図１４】図１４は、アクティブ制御を行ったとき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１５】図１５は、アクティブ制御を行ったとき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１６】図１６は、空燃比センサの出力電流とリッチガード空燃比との関係を示す図である。
【図１７】図１７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１８】図１８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１９】図１９は、アクティブ制御を行ったとき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２０】図２０は、アクティブ制御を行ったとき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２１】図２１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２２】図２２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】
【００１０】
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。
【００１１】
＜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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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とが動じに浄化され、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。
【００２１】
＜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。ヒータ部５６はヒータ部５６に接続されるＥＣＵ３１と共に、空燃比センサ４０、４１の温度、特に空燃比センサ４０、４１の固体電解質層５１の温度を制御するセンサ温度制御装置として機能する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
＜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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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２０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。
【００３４】
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。
【００３５】
＜空燃比センサの素子割れ＞
ところで、上述したような空燃比センサ４０、４１に生じる異常状態として、空燃比センサ４０、４１を構成する素子に割れが生じる素子割れという現象が挙げられる。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６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６にＣ２）が発生する。このような素子割れが発生すると、図６に示したように割れた部分を介して排気ガスが基準ガス室５５内に進入する。この場合、多量の排気ガスが基準ガス室５５内に進入すると、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であったとしても、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比はリーン空燃比となる。次に、このことについて、図７を参照しつつ説明する。
【００３６】
図７は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、図４と同様な排気空燃比Ａ／Ｆと空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉとの関係を示している。なお、この図７は、空燃比センサ４０、４１に固体電解質層５１及び拡散律速層５４を貫通する貫通穴を穿設して人工的に素子割れの状態を作った場合の実験結果を示している。この図７において、×印は空燃比センサ４０、４１が正常である場合を示しており、□印、△印、○印は空燃比センサ４０、４１に貫通穴を穿設した場合を示している。なお、□印は直径が０．１ｍｍの貫通穴を穿設した場合を示しており、△印は直径が０．２ｍｍの貫通穴を穿設した場合を示しており、○印は直径が０．５ｍｍの貫通穴を穿設した場合を示している。
【００３７】
図７に示したように、貫通穴の直径が０．１ｍｍの場合（□印）には、空燃比センサ４０、４１が正常である場合（×印）と同様に排気空燃比Ａ／Ｆが大きくなるにつれて、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆがリーンになるにつれて空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが増大する。このときには、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは排気空燃比Ａ／Ｆに対して図４と同様に変化する。一方、貫通穴の直径が０．２ｍｍの場合（△印）及び貫通穴の直径が０．５ｍｍの場合（○印）には、排気空燃比Ａ／Ｆが１４．６以上であってリーン空燃比のときには、貫通穴の直径が０．１ｍｍの場合（□印）及び空燃比センサ４０、４１が正常である場合（×印）と同様に排気空燃比Ａ／Ｆが大きくなるにつれて、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆがリーンになるにつれて空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが増大する。これに対して、排気空燃比Ａ／Ｆが１４．６以下であってリッチ空燃比のときには、排気空燃比Ａ／Ｆが小さくなるにつれて、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆがリッチになるにつれて空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが大幅に増大する。
【００３８】
この実験結果からわかるように貫通穴の直径が大きくなると、貫通穴から空燃比センサ４０、４１内に侵入した排気ガスが空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉに大きな影響を与え、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であったとしても空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となる。すなわち、実際の排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であったとしても、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比はリーン空燃比を示すことになる。したがって、図７に示した実験結果から、実際の排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときに空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比を示している場合には、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じていると判断できることになる。
【００３９】
一方、図８Ａの実線は、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じている場合において、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉと空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖとの関係を示している。空燃比センサ４０、４１が正常である場合には、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比のときには図３からわかるように空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは負の電流値となる。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じた場合には、図８Ａの実線からわかるように、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときに空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となり、しかもこのとき、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖを増大させると空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが増大する。図８Ｂはこのときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの実際の変化を示している。すなわち、排気通路内の排圧は振動しており、したがって排気ガスが素子割れしている部分を通って空燃比センサ４０、４１内に出入りするために空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは図８Ｂに示したように、常に変動している。
【００４０】
次に、図９Ａから図１１Ｃを参照しつつ、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じた場合には、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときに、図７及び図８Ａに示したように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となり、図８Ａに示したように、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖを増大させると空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが増大する理由について、簡単に説明する。
【００４１】
図９Ａは、拡散律速層を有しない酸素濃度センサの作動原理の説明図を示している。図９Ａにおいて、Ａは固体電解質層、Ｂは大気側電極、Ｃは排気側電極をそれぞれ示している。この酸素濃度センサは、大気側の酸素分圧Ｐａと排気側の酸素分圧Ｐｄとの差により次式にしたがって起電力Ｅを発生する。
Ｅ＝（ＲＴ/４Ｆ）ln（Ｐａ/Ｐｄ）
なお、Ｒは気体定数、Ｔは固体電解質層Ａの絶対温度、Ｆはファラディ定数である。
【００４２】
排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーン空燃比のときには大気側の酸素分圧Ｐａの方が排気側の酸素分圧Ｐｄよりも高いので大気中の酸素は大気側電極Ｂにおいて電子を受け取り、図９Ａに示したように、酸素イオンとなって固体電解質層Ａ内を排気側電極Ｃまで移動する。その結果、大気側電極Ｂと排気側電極Ｃ間には起電力Ｅが発生する。このとき大気側の酸素分圧Ｐａと排気側の酸素分圧Ｐｄとの比はそれほど大きくなく、したがって図９Ｂに示したように、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーンのときの起電力Ｅは０．１Ｖ程度となる。
【００４３】
これに対し、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比になると排気側電極Ｃ上は酸欠状態となり、このとき排気側電極Ｃに到達した酸素イオンは未燃ＨＣ、ＣＯと反応してただちに消費される。したがって、このときには酸素イオンが次から次へと固体電解質層Ａ内を排気側電極Ｃまで移動する。このときには大気側の酸素分圧Ｐａと排気側の酸素分圧Ｐｄとの比が極めて大きくなるために、図９Ｂに示したように、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比になると起電力Ｅは０．９Ｖ程度まで急激に上昇し、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比となっている限り、起電力Ｅは０．９Ｖ程度に維持される。
【００４４】
図１０Ａは、本実施形態において用いられる空燃比センサ４０、４１の作動原理の説明図を示している。なお、図１０Ａにおいて、５１は固体電解質層、５２は排気側電極、５３は大気側電極、５４は拡散律速層をそれぞれ示している。一方、図１０Ｂは、或るリーン空燃比（Ａ／Ｆ）ｌに対する空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉと印加電圧Ｖとの関係、及び或るリッチ空燃比（Ａ／Ｆ)ｒに対する空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉと印加電圧Ｖとの関係を示している。さて、この空燃比センサ４０、４１でも大気側電極５３と排気側電極５２との間には起電力Ｅが発生しており、さらにこの空燃比センサ４０、４１では大気側電極５３と排気側電極５２との間に、この起電力Ｅとは逆向きに印加電圧Ｖが印加される。大気側電極５３と排気側電極５２との間に印加電圧Ｖが印加されると排気側電極５２の表面上において酸素が酸素イオンとされ、この酸素イオンを排気側電極５２から大気側電極５３へ送り込むポンピング作用が行われる。その結果、空燃比センサ４０、４１には出力電流Ｉが発生する。
【００４５】
さて、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーン空燃比であるときには、排気ガス中の酸素が拡散律速層５４を通って排気側電極５２の表面上に達する。このとき大気側の酸素分圧Ｐａと排気側の酸素分圧Ｐｄとの比はそれほど大きくなく、したがってこのときには０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生している。このような状態で印加電圧Ｖを高めていくと酸素イオンのポンピング作用によって図１０Ａにおいて実線の矢印で示す正の出力電流Ｉか発生するようになる。一方、拡散律速層５４内を拡散して排気側電極５２の表面上に達する酸素量は、排気ガス中の酸素分圧Ｐｅと排気側電極５２の表面上における酸素分圧Ｐｄとの差に比例し、排気側電極５２の表面上には、排気ガス中の酸素分圧Ｐｅと排気側電極５２の表面上における酸素分圧Ｐｄとの差に応じた量の酸素しか供給されない。したがって、印加電圧Ｖを増大しても、排気側電極５２の表面上に供給される酸素の量が律速されているためにポンピング作用によって送り込まれる酸素イオンの量は一定量に制限される。したがって図１０Ｂにおいて(Ａ／Ｆ)ｌで示したように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、すなわち限界電流が生ずることになる。
【００４６】
これに対して、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比になると、未燃ガスが拡散律速層５４を通って排気側電極５２の表面上に達する。このとき、排気側電極５２に到達した酸素イオンは未燃ガスと反応してただちに消費され、したがって排気側電極５２上は酸欠状態となる。したがって、大気側の酸素分圧Ｐａと排気側の酸素分圧Ｐｄとの比が極めて大きくなるため、電極５２、５３間には０．９Ｖ程度の大きな起電力Ｅが発生し、したがって酸素イオンが次から次へと固体電解質層５１内を排気側電極５２まで移動する。このときには、図１０Ａにおいて破線の矢印で示す負の出力電流Ｉが発生する。ところがこの場合も、拡散律速層５４内を拡散して排気側電極５２の表面上に達する未燃ガスの量は、排気ガス中の分圧Ｐｅと排気側電極５２の表面上における未燃ガスの分圧Ｐｄとの差に比例する。よって、排気側電極５２の表面上には、排気ガス中の未燃ガスの分圧Ｐｅと排気側電極５２の表面上における未燃ガスの分圧Ｐｄとの差に応じた量の未燃ガスしか供給されない。すなわち、排気側電極５２の表面上に供給される未燃ガスの量は拡散律速層５４によって律速されることになる。
【００４７】
ところで、このように０．９Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときに０．９Ｖ程度の印加電圧Ｖを印加すると、起電力Ｅと印加電圧Ｖとは極性が逆向きなので、図１０Ｂの実線（Ａ／Ｆ）ｒからわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは零となる。この状態から印加電圧Ｖを低下させていくと酸素イオンが排気側電極５２に向けて移動を開始する。ところがこのとき、上述したように、排気側電極５２の表面上に供給される未燃ガスの量は拡散律速層５４によって律速されている。したがって、印加電圧Ｖを低下させても、排気側電極５２に達する酸素イオンの量は一定量に制限され、したがって図１０Ｂにおいて（Ａ／Ｆ）ｒで示したように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、すなわち限界電流が生ずることになる。一方、このように０．９Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときには排気側電極５２の表面上には酸素が存在していない。したがって、このとき０．９Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加しても酸素イオンが大気側電極５３に向けて移動すくこともなく、この場合には、すなわち０．９Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加した場合には、排気側電極５２と固体電解質層５１との境界面において水分の分解が生じ、それにより図１０Ｂにおいて（Ａ／Ｆ）ｌで示したように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが急激に上昇することになる。
【００４８】
さて、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生すると、排気ガスが図６に示したように、基準ガス室５５内に進入する。すなわち、図１０Ａにおいて、排気ガスが大気側に侵入する。このとき排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、リーン空燃比の排気ガスが基準ガス室５５内に侵入することになる。リーン空燃比の排気ガスが基準ガス室５５内に侵入すると、基準ガス室５５内の酸素濃度は若干低下する。しかしながらこの場合、大気側の酸素分圧Ｐａの方が依然として排気側の酸素分圧Ｐｄよりも高く、しかもこのときには大気側の酸素分圧Ｐａと排気側の酸素分圧Ｐｄとの比はそれほど大きくないため、０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生する。この場合には、印加電圧Ｖを増大しても、排気側電極５２の表面上に供給される酸素の量が律速されているためにポンピング作用によって送り込まれる酸素イオンの量は一定量に制限される。したがって図１０Ｂにおいて（Ａ／Ｆ）ｌで示したように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、すなわち限界電流が生ずることになる。したがって、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しても、出力電流Ｉは印加電圧Ｖの変化に対して正常時と同様に変化することになる。
【００４９】
図１１Ａは、空燃比センサ４０、４１が正常な場合において、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの出力電流Ｉの変化を示しており、図１１Ｂは、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生した場合において、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの出力電流Ｉの変化を示している。図１１Ａと図１１Ｂとを比較するとわかるように、排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、空燃比センサ４０、４１が正常であろうと、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生していようと、印加電圧Ｖの変化に対する出力電流Ｉの変化パターンはほとんど同じである。したがって、図７に示したように、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーン空燃比である場合には、空燃比センサ４０、４１が正常であろうと、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生していようと、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆが高くなるとほぼ同じ値でもって増大することになる。したがって、排気ガスの空燃比がリーンのときの出力電流Ｉの変化からは、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生したか否かを判別することはできない。
【００５０】
これに対し、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、出力電流Ｉは正常時に比べて大きく変化する。すなわち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、多量の未燃ガスが基準ガス室５５内に進入する。すなわち、図１０Ａにおいて、多量の未燃ガスが大気側に侵入する。多量の未燃ガスが基準ガス室５５内に進入すると、これら未燃ガスは大気側電極５３の表面上において酸素と反応し、したがって大気側電極５３の表面上は酸欠状態となる。このとき大気側電極５３の表面上における酸素分圧Ｐａと排気側電極５２の表面上における酸素分圧Ｐｄとの比が小さくなり、したがってこのとき発生する起電力Ｅは０．１Ｖ程度となる。このように０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときに０．１Ｖ程度の印加電圧Ｖを印加すると、起電力Ｅと印加電圧Ｖとは極性が逆向きなので、図１１Ｃにおいて実線で示したように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは零となる。この状態から印加電圧Ｖを低下させていくと酸素イオンが排気側電極５２に向けて移動を開始する。ところがこのとき、上述したように、排気側電極５２の表面上に供給される未燃ガスの量は拡散律速層５４によって律速されている。したがって、印加電圧Ｖを低下させても、排気側電極５２に達する酸素イオンの量は一定量に制限され、したがって図１１Ｃにおいて実線で示したように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、すなわち限界電流が生ずることになる。
【００５１】
一方、このように０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときには排気側電極５２の表面上には酸素が存在していない。したがって、このとき０．１Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加しても酸素イオンが大気側電極５３に向けて移動することもない。この場合には、すなわち０．１Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加した場合には、排気側電極５２と固体電解質層５１との境界面において水分の分解が生じ、それにより図１１Ｃにおいて実線で示したように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが急激に上昇することになる。すなわち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、図１１Ｃにおいて実線で示したように出力電流Ｉの変化パターンは、図１１Ｃにおいて破線で示す正常の出力電流Ｉの変化パターンに対して、矢印で示したように起電力Ｅが低下した分（０．８Ｖ）だけ印加電圧Ｖの低下方向に移動した形となる。したがって、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、図７及び図８Ａ、８Ｂに示したように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となり、すなわち空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比を示し、しかもこのとき、図８Ａ、８Ｂに示したように、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖを増大させると空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが急速に増大することになる。
【００５２】
図１２に、図１１Ｂに示した出力電流Ｉの変化をＸで示し、図１１Ｃにおいて実線で示した出力電流Ｉの変化をＹで示す。すなわち、図１２において、Ｘは、空燃比センサ４０、４１が正常である場合或いは空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生している場合において、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーン空燃比にされているときの印加電圧Ｖ対する出力電流Ｉの変化を示している。一方、Ｙは、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生している場合において排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比にされたときの印加電圧Ｖ対する出力電流Ｉの変化を示している。さて、空燃比センサ４０、４１、例えば下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生した場合には、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比にされたときに、図１２のＹで示したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは正の電流値となる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示す。したがって、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比にされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となっている場合には、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示している場合には下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していると判断できるようにみえる。
【００５３】
しかしながら、実際には、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比にされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となる場合、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示す場合がある。例えば、気筒間の空燃比にばらつきがあり、特定の気筒の空燃比が他の気筒に対して大きくリッチ側にずれており、排気通路の形状等によって上流側空燃比センサが各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リッチ側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合がある。このような場合において、上流側空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバック制御すると、各気筒への燃料噴射量が減量されて平均空燃比がリーンとなり、このような状態で空燃比をリッチ空燃比にすべく各気筒への燃料噴射量が増量されても平均空燃比がリーン空燃比となる場合がある。この場合には、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、目標空燃比がリッチ空燃比にされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示すことになる。
【００５４】
また、下流側空燃比センサ４１が、各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リーン側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合がある。このような状態において、空燃比をリッチ空燃比にすべく各気筒への燃料噴射量が増量されても下流側空燃比センサと接触する排気ガスの空燃比が依然としてリーンとなる場合がある。この場合には、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、目標空燃比がリッチ空燃比にされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示すことになる。したがって、目標空燃比がリッチ空燃比にされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示している場合に、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していると判断すると誤判断することになる。
【００５５】
このように、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、目標空燃比がリッチ空燃比にされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となる場合、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示す場合がある。
【００５６】
ところで、上述したように限界電流が発生する電圧よりも高い電圧を印加すると、排気側電極５２と固体電解質層５１との境界面において水分の分解が生じ、それにより出力電流Ｉは印加電圧Ｖの上昇に伴って上昇する。このとき出力電流Ｉが上昇する程度は、下流側空燃比センサ４１の温度に応じて変化する。
【００５７】
図１３は、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示している。図中のＸ1は、下流側空燃比センサ４１が正常であってその温度が高温（例えば、７００℃）である場合の関係を、図中のＸ2は、下流側空燃比センサ４１が正常であってその温度が低温（例えば、６５０℃）である場合の関係をそれぞれ示している。一方、図中のＹ1は、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していてその温度が高温である場合の関係を、図中のＹ2は、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していてその温度が低温である場合の関係をそれぞれ示している。
【００５８】
図１３に示したように、下流側空燃比センサ４１が正常である場合、下流側空燃比センサ４１の温度が高温である場合にも低温である場合にも、下流側空燃比センサ４１ではほぼ同一の印加電圧Ｖの範囲において同一の出力電流Ｉが発生する。ところが、限界電流が発生する電圧よりも印加電圧が高い領域では、下流側空燃比センサ４１の温度が高温である場合、低温である場合に比べて、印加電圧Ｖの上昇に伴う出力電流Ｉの上昇量が大きい。これは、限界電流が発生する電圧よりも印加電圧が高い領域では排気側電極５２と固体電解質層５１との境界面において水分の分解が生じるが、下流側空燃比センサ４１の温度が高温であるほど分解反応が進むためだと考えられる。
【００５９】
一方、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生している場合、上述したように排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは正の電流値となる。このとき、下流側空燃比センサ４１の温度が高温である場合、低温である場合に比べて、印加電圧Ｖの上昇に伴う出力電流Ｉの上昇量が大きい。
【００６０】
このように、下流側空燃比センサ４１が正常である場合には、下流側空燃比センサ４１の温度が変化しても、出力電流Ｉは変化しない。これに対して、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生している場合には、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であると、下流側空燃比センサ４１の温度が上昇するのに伴って出力電流Ｉが増大する。したがって、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチ空燃比にした状態において、下流側空燃比センサ４１を変化させたときの出力電流Ｉの変化から、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したか否かを正確に判別できることになる。
【００６１】
＜異常診断＞
そこで本実施形態では、内燃機関の排気通路に配置さ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、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の温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備し、センサ温度制御装置により空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度に制御すると共に、空燃比センサ４０、４１の温度が第一の温度とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように内燃機関が空燃比を制御しているときに、電流検出部６１によって空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉを検出し、且つ、センサ温度制御装置により空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度よりも高い第二の温度に制御すると共に、空燃比センサ４０、４１の温度が第二の温度とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように内燃機関が空燃比を制御しているときに、電流検出部によって空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉを検出し、空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度に制御したときの出力電流Ｉが空燃比センサ４０、４１の温度を第二の温度に制御したときの出力電流との差よりも予め定められた値以上大きい場合に空燃比センサ４０、４１に異常が生じていると判定するようにしている。
【００６２】
次に、図１４及び図１５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の素子割れを検出する場合を例にとって、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ると、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う際には、目標空燃比をこの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アクティブ制御が実行される。したがって、このアクティブ制御は、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なるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御することによって行われるといえる。
【００６３】
図１４及び図１５は、このアクティブ制御の有無と、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の温度の変化を示すタイムチャートである。なお、図１４は、下流側空燃比センサ４１には素子割れが発生していないのに、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となっている場合を示している。図１５は、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していることにより、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になる場合を示している。なお、図１４と図１５とを比較するとわかるように、図１４及び図１５において、アクティブ制御の有無と、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の温度は、同一の変化を示しており、したがって最初に、アクティブ制御の有無と、目標空燃比と、上流側空燃比センサの出力空燃比と、下流側空燃比センサ４１の温度とについて説明する。
【００６４】
図１４及び図１５に示した例では、時刻ｔ1において、アクティブ制御の実行が開始される。これらの例では、時刻ｔ1においてアクティブ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。すなわち、このとき電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比から、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設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈになっていると判断されている。また、このときには、下流側空燃比センサ４１の温度は予め定められた第一の温度Ｔ1とされている。
【００６５】
次いで、時刻ｔ1においてアクティブ制御の実行が開始されると、目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。このとき図１４及び図１５に示した例では、アクティブ制御実行時の目標空燃比は、通常制御時におけるリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチなアクティブ制御時空燃比ＡＦＴａｃｔとされる。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も更にリッチなリッチ空燃比となる。一方、このとき下流側空燃比センサ４１の温度は、変更されることなく予め定められた第一の温度Ｔ1に維持されている。なお、図１４及び図１５において、Δｔ0は下流側空燃比センサ４１の異常を診断すべく上流側空燃比センサ４０周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比にされたときからの経過時間を表している。この経過時間Δｔ0は目標空燃比がリッチ空燃比にされた後、これにより下流側空燃比センサ４１の周囲の雰囲気が変化するまでの時間以上の時間とされる。すなわち、経過時間Δｔ0は目標空燃比がリッチ空燃比にされた後、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からほぼゼロまで減少するのに十分な時間とされる。図１４及び図１５に示した例では、この経過時間Δｔ0は一定とされており、したがって図１４及び図１５に示した例では、目標空燃比がアクティブ制御時空燃比ＡＦＴａｃｔにされたときから一定時間Δｔ0を経過した後に時刻ｔ2において下流側空燃比センサ４１の異常診断のための出力値の検出が開始される。
【００６６】
図１４及び図１５に示したように、時刻ｔ2において下流側空燃比センサ４１の異常診断のための出力値の検出が開始されると、予め定められた一定時間Δｔ1の間、下流側空燃比センサの温度は、図１４に示した予め定められた第一の温度Ｔ1、例えば６５０℃に維持される。その後、この予め定められた一定時間Δｔ1が経過すると、アクティブ制御が終了され、通常制御が再開される。加えて、下流側空燃比センサ４１の温度が上昇せしめられる。
【００６７】
その後、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1よりも高い第二の温度Ｔ2、例えば、７００℃に到達すると、アクティブ制御の実行が再び開始される。時刻ｔ4においてアクティブ制御の実行が開始されると、目標空燃比がアクティブ制御時空燃比ＡＦＴａｃｔとされる。このとき、下流側空燃比センサ４１の温度は変更されることなく予め定められた第二の温度Ｔ2に維持されている。図１４及び図１５に示した例では、目標空燃比がアクティブ制御時空燃比ＡＦＴａｃｔにされたときから一定時間Δｔ0が経過した後に時刻ｔ5において下流側空燃比センサ４１の異常診断のための出力値の検出が開始される。
【００６８】
図１４及び図１５に示したように、時刻ｔ5において下流側空燃比センサ４１の異常診断のための出力値の検出が開始されると、予め定められた一定時間Δｔ1の間、下流側空燃比センサの温度は、図１４に示した予め定められた第一の温度Ｔ2に維持される。その後、この予め定められた一定時間Δｔ1が経過した時刻ｔ6において、アクティブ制御が終了され、通常制御が再開される。加えて、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1まで低下せしめられる。
【００６９】
次に、図１４及び図１５を参照しつつ、アクティブ制御が実行されているときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の変化について説明する。まず初めに、図１４を参照すると、この図１４は、上述したように、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生してもいないのに、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、予め定められたリーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンになっている場合を示している。このような場合の例としては例えば前述したように、気筒間の空燃比にばらつきがあり、特定の気筒の空燃比が他の気筒に対して大きくリッチ側にずれており、排気通路の形状等によって上流側空燃比センサ４０が各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リッチ側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合である。この場合には、出力電流Ｉは図１３のＸ1、Ｘ2で示したように、限界電流領域が生ずるように変化する。したがって、この場合には、図１３からわかるように、下流側空燃比センサ４１の温度を予め定められた第一の温度Ｔ1から第二の温度Ｔ2に変化させても、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉはほとんど変化しない（ただし、実際には高温時の方が僅かながら出力電流が大きくなる）。したがって図１４に示したように、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1となっている時刻ｔ2からｔ3の間と、第二の温度Ｔ2となっている時刻ｔ5からｔ6との間とで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほとんど変化しない。
【００７０】
一方、図１５は、下流側空燃比センサ４１が素子割れをしていることにより、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンになる場合を示している。この場合には、図１３のＹ1、Ｙ2で示したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となるばかりでなく、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示すばかりでなく、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは、下流側空燃比センサ４１の温度が上昇するとそれに伴って増大する。したがって、この場合には、図１５に示したように、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1となっている時刻ｔ2からｔ3の間よりも、第二の温度Ｔ2となっている時刻ｔ5からｔ6との間の方が、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーンになる。したがって、目標空燃比Ａ／Ｆをリッチ空燃比にした状態、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をリッチ空燃比にした状態において、下流側空燃比センサ４１の温度をＴ1にしたときとＴ2にしたときの出力電流Ｉの差、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の差から、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したか否かを正確に判別することができることになる。
【００７１】
なお、図１５において、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている時間Δｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンにならなかった場合には下流側空燃比センサ４１に素子割れが生じていないと判断することができる。したがってこの場合には、下流側空燃比センサ４１の温度を第二の温度Ｔ2に変化させても意味がなく、したがってこのときには空燃比センサの異常診断は終了せしめられる。したがって、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている時間Δｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリーン判定空燃比αよりもリーンであるか否かの仮判定が行われる。そして、この仮判定にて、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている時間Δｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリーン判定空燃比αよりもリーンでないと判定されたときには、下流側空燃比センサ４１の異常診断は終了せしめられる。これに対し、この仮判定にて、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている時間Δｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリーン判定空燃比αよりもリーンであると判定されたときに、初めて、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1から第二の温度Ｔ2に上昇せしめられ、このとき下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが増大したか否か、すなわち下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じているか否かが本判定される。
【００７２】
すなわち、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている状態で、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときに、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが予め定められたリーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には空燃比センサ４０、４１に異常があると仮判定し、空燃比センサ４０、４１に異常があると仮判定されたときには、空燃比センサ４０、４１の温度を第二の温度Ｔ2に制御すると共に、空燃比センサ４０、４１の温度が第二の温度Ｔ2とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となるように空燃比が制御されているときに、電流検出部６１によって空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出し、空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度Ｔ1に制御したときの出力電流が第二の温度Ｔ2に制御したときの出力電流よりも予め定められた値以上大きい場合には空燃比センサ４０、４１に素子割れの異常が生じていると本判定するようにしている。
【００７３】
なお、図８Ｂに示したように下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは変動しており、図１５に示したように下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は変動している。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉ或いは下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の真の値を可能な限り正確に検出するには、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉ或いは下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の平均値を求めることが好ましいと言える。
【００７４】
そこで、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の異常診断には、空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度Ｔ1に制御しているときであって空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときの、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの平均値が用いられる。すなわち、空燃比センサ４０、４１の異常診断には、時刻ｔ2〜ｔ3における空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの平均値が用いられる。同様に、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の異常診断には、空燃比センサ４０、４１の温度を第二の温度Ｔ2に制御しているときであって空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときの、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの平均値が用いられる。すなわち、空燃比センサ４０、４１の異常診断には、時刻ｔ5〜ｔ6における空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの平均値が用いられる。したがって、空燃比センサ４０、４１の異常判定に用いられる空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度Ｔ1又は第二の温度Ｔ2に制御したときの出力電流Ｉは、空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度Ｔ1又は第二の温度Ｔ2に制御しているときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの平均値とされる。
【００７５】
また、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生すると、上述したように周囲の空燃比がリッチ空燃比であっても空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比になる。この結果、上述したような通常制御を行っていると、目標空燃比がリッチ空燃比に設定される時間が長くなり、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に偏ってしまう。そこで、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１に素子割れの異常が生じていると判定された場合には、目標空燃比を設定可能なリッチ度合いの上限値（設定可能な目標空燃比の下限値）、すなわちリッチガート空燃比を増大させるようにしている。特に、図１５に示した例では、時刻ｔ6において、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が生じていると判定されているため、リッチガード空燃比のリッチ度合いが低下せしめられ、その結果、リッチガード空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチ度合いの低い値となっている。このため、時刻ｔ6以降、目標空燃比はリッチガード空燃比に設定されることになる。
【００７６】
図１６は、空燃比センサ４０、４１の温度を第二の温度Ｔ2に制御しているときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉとリッチガード空燃比との関係を示している。図１６からわかるように、リッチガード空燃比は、出力電流Ｉが大きくなるほど、すなわち出力電流Ｉに相当する空燃比がリーン側の値になるほど、大きな空燃比とされ、すなわちそのリッチ度合いが小さくされる。したがって、出力電流Ｉが大きくなるほど、すなわち大きな素子割れが発生するほど、リッチガード空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に偏ってしまうのを抑制することができる。
【００７７】
＜フローチャート＞
図１７及び図１８は、下流側空燃比センサ４１の異常診断ルーチンを示している。この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。
【００７８】
まず、ステップＳ１１において、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であるか否かが判定される。内燃機関の始動後に異常判定が既に行われていた場合にはステップＳ１２に進み、通常制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。これに対し、異常診断が未完了であると判定されたときにはステップＳ１３へと進み、低温検出フラグがＯＮとされているか否かが判定される。低温検出フラグは、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1にされた状態で下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の検出が完了したときにＯＮとされ、それ以外のときにＯＦＦとされるフラグである。
【００７９】
未だ下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1にされた状態での検出が完了していないときには、低温検出フラグがＯＮではないと判定され、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の温度Ｔｓが第一の温度Ｔ1（例えば、６５０℃）となるようにセンサ温度制御装置により制御される。次いで、ステップＳ１５では、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1近傍の温度となっているか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の温度は、下流側空燃比センサ４１の固体電解質層５１のインピーダンスを検出する回路（図示せず）によって検出される。インピーダンスが高くなるほど、下流側空燃比センサ４１の温度、すなわちその固体電解質層５１の温度が低いものとして検出される。
【００８０】
ステップＳ１５において下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1近傍の温度になっていないと判定された場合には、ステップＳ１２へと進み、通常制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１５において下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1近傍の温度になっていると判定された場合には、ステップＳ１６へと進む。
【００８１】
ステップＳ１６では、アクティブ制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。このアクティブ制御の実行条件は、両空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度以上になっており、吸入空気量が予め定められた量以上であり、燃料カット制御からの復帰後、予め定められた時間以上経過しているときに成立していると判定される。ここで吸入空気量が予め定められた量以上であることが成立要件の一つとされているのは、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの流量が少ないと、素子割れが生じていても空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に変化が生じづらいからである。また燃料カット制御からの復帰後、予め定められた時間以上経過していることが成立要件の一つとされているのは、燃料カット制御からの復帰後、暫くの間は排気側電極５２の表面上に多量の酸素が存在するために空燃比がリッチ空燃比にされても空燃比センサ４０、４１はリーンの出力空燃比を示す危険性があるからである。
【００８２】
ステップＳ１６において、アクティブ制御の実行条件が成立していないと判定されたときには、ステップＳ１２へと進み、通常制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。これに対し、アクティブ制御の実行条件が成立していると判定されたときには、ステップＳ１７に進み、目標空燃比が、通常制御時におけるリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチなアクティブ制御時空燃比ＡＦａｃｔ、例えば１３．５とされる。それにより空燃比がリッチ空燃比とされ、アクティブ制御が開始される。次いで、ステップＳ１８では、アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したか否かが判定される。アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過していないときには、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８３】
一方、アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したときにはステップＳ１９に進んで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが予め定められたリーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンであるか否か、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、このリーン判定空燃比αに対応する設定電流値よりも大きくなったか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦがこのリーン判定空燃比αよりも小さいとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、このリーン判定空燃比αに対応する設定電流値よりも低いときには下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じていないと判定される。したがって、このときには、ステップＳ２０に進んで、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。
【００８４】
一方、ステップＳ１９において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが予め定められたリーン判定空燃比αよりも大きいと判定されたとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、このリーン判定空燃比αに対応する設定電流値よりも大きいと判定されたときには、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の積算値ΣＡＦに加算される。次いで、ステップＳ２２では、図１４及び図１５に示した一定時間Δｔ1が経過したか否かが判定される。一定時間ｔ1が経過していないときには制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８５】
一方、一定時間Δｔ1を経過したときには、次の制御ルーチンにおいて、ステップＳ２２からステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値ΣＡＦを一定時間Δｔ1で除算することにより一定時間Δｔ1内における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の平均値ＡＦ０が算出される。次いで、ステップＳ２４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の積算値ΣＡＦがクリアされ、低温検出フラグがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８６】
低温検出フラグがＯＮにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１３からステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｓが第二の温度Ｔ2（例えば、７００℃）となるようにセンサ温度制御装置により制御される。次いで、ステップＳ２６では、下流側空燃比センサ４１の温度が第二の温度Ｔ2近傍の温度となっているか否かが判定される。ステップＳ２６において下流側空燃比センサ４１の温度が第二の温度Ｔ2近傍の温度になっていないと判定された場合には、ステップＳ２７へと進み、通常制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２６において下流側空燃比センサ４１の温度が第二の温度Ｔ2近傍の温度になっていると判定された場合には、ステップＳ２８へと進む。
【００８７】
ステップＳ２８では、ステップＳ１６と同様に、アクティブ制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。ステップＳ２８において、アクティブ制御の実行条件が成立していると判定されたときには、ステップＳ２９に進み、目標空燃比がアクティブ制御時空燃比ＡＦａｃｔとされる。次いで、ステップＳ３０では、アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したか否かが判定される。ステップＳ３０においてアクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したと判定されたときにはステップＳ３１に進む。
【００８８】
ステップＳ３１では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の積算値ΣＡＦに加算される。次いで、ステップＳ３２では、図１４及び図１５に示した一定時間Δｔ1が経過したか否かが判定される。一定時間Δｔ1を経過したときには、次の制御ルーチンにおいて、ステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値ΣＡＦを一定時間Δｔ1で除算することにより一定時間Δｔ1内における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の平均値ＡＦ１が算出される。
【００８９】
次いで、ステップＳ３４では、下流側空燃比センサ４１の温度を第二の温度Ｔ2としたときの出力空燃比の平均値ＡＦ１と、下流側空燃比センサ４１の温度を第一の温度Ｔ1としたときの出力空燃比の平均値ＡＦ０との差（ＡＦ１−ＡＦ０）が予め定められた値ΔＡＦ（空燃比センサに素子割れが生じていないときにとり得る最大値以上の所定値。例えば空燃比差で１．０）よりも大きいか否かが判定される。出力空燃比の平均値ＡＦ１と出力空燃比の平均値ＡＦ０との差（ＡＦ１−ＡＦ０）が予め定められた値ΔＡＦよりも小さいときには、下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じていないと判定され、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５では下流側空燃比センサ４１は正常であると判定され、次いで、ステップＳ３７に進む。これに対し、ステップＳ３４において、出力空燃比の平均値ＡＦ１と出力空燃比の平均値ＡＦ０との差（ＡＦ１−ＡＦ０）が予め定められた値ΔＡＦよりも大きいときには、下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じていると判定され、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では下流側空燃比センサ４１に異常があると判定され、次いで、ステップＳ３７に進む。ステップＳ３７では、下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｓが通常運転時の温度Ｔ3（例えば、６００℃）となるようにセンサ温度制御装置により制御される。次いで、ステップＳ３８では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の積算値ΣＡＦがクリアされ、低温検出フラグがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９０】
なお、図１７及び図１８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説明してきたが、上流側空燃比センサ４０の異常診断についても、図１７及び図１８を参照しつつ説明してきた方法と同様な方法でもって行うことができる。
【００９１】
＜第二実施形態＞
次に、図１９から図２２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。第二実施形態の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の異常診断装置における構成及び制御と同様である。
【００９２】
ところで、図１３を用いて説明したように、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生している場合には、空燃比センサ４０、４１の温度を高温（例えば、７００℃）にすると、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にしたときに出力空燃比がリーン度合いの大きいリーン空燃比となる。一方、下流側空燃比センサ４１には素子割れが発生していないのに、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にしたときに出力空燃比がリーン空燃比となる場合、そのリーン度合いはそれほど大きくない。これは、気筒間の空燃比にばらつきがあって空燃比センサ４０、４１が各気筒から流出した排気ガスと均一に接触しない場合でも、通常、気筒間の空燃比のばらつきがそれほど大きくないことや、気筒間に空燃比のばらつきがあっても排気ガスの混合によって或る程度はそのばらつきが解消されるためである。したがって、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生していない場合には、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生していて空燃比センサ４０、４１の温度を高温にしたときの空燃比センサ４０、４１の出力空燃比ほどリーン度合いの大きいリーン空燃比にはならない。
【００９３】
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の温度を制御するセンサ温度制御装置とを具備し、センサ温度制御装置により空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度に制御すると共に、空燃比センサ４０、４１の温度が第一の温度とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように内燃機関が空燃比を制御しているときに、電流検出部６１によって検出された空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが理論空燃比よりもリーンな予め定められた第一リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には、空燃比センサ４０、４１に異常があると仮判定し、空燃比センサ４０、４１に異常があると仮判定されたときにはセンサ温度制御装置により空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度よりも高い第二の温度に制御すると共に、空燃比センサ４０、４１の温度が前記第二の温度とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように内燃機関が空燃比を制御しているときに、電流検出部６１によって空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出し、空燃比センサ４０、４１の温度を第二の温度に制御したときの出力電流Ｉが第一リーン空燃比よりもリーンな第二リーン空燃比以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には空燃比センサ４０、４１に異常が生じていると本判定するようにしている。
【００９４】
次に、図１９及び図２０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の素子割れを検出する場合を例にとって、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。図１９及び図２０は、目標空燃比等の変化を示す、図１４及び図１５と同様なタイムチャートである。特に、図１９は、下流側空燃比センサ４１には素子割れが発生していないのに、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となっている場合を示している。一方、図２０は、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していることにより、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になる場合を示している。なお、図１９及び図２０において、アクティブ制御の有無と、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の温度は、図１４及び図１５に示したタイムチャートと同一の変化を示しているため、これらについての説明は省略する。
【００９５】
アクティブ制御が実行されているときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の変化について説明する。図１９は、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していないのに、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、予め定められた第一リーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンになっている場合を示している。このような場合の例としては例えば前述したように、気筒間の空燃比にばらつきがあり、特定の気筒間の空燃比が他の気筒に対して大きくリッチ側にずれており、排気通路の形状等によって上流側空燃比センサ４０が各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リッチ側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合である。このような場合の例としては例えば前述したように、気筒間の空燃比にばらつきがあり、特定の気筒間の空燃比が他の気筒に対して大きくリッチ側にずれており、排気通路の形状等によって上流側空燃比センサ４０が各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リッチ側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合である。
【００９６】
このような場合には、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている時間Δｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第一リーン判定空燃比αよりもリーンな空燃比となる。このため、図１９に示した例では、時間Δｔ1が終了する時刻ｔ3において、下流側空燃比センサ４１に異常があると仮判定される。このように、下流側空燃比センサ４１に異常があると仮判定された場合には、下流側空燃比センサ４１の温度が第二の温度Ｔ2まで昇温せしめられる。
【００９７】
しかしながら、上述したように、図１９に示したような場合には、下流側空燃比センサ４１の温度を第一の温度Ｔ1から第二の温度Ｔ2に変化させても、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉはほとんど変化しない。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほとんど変化しない。その結果、下流側空燃比センサ４１の温度が第二の温度Ｔ2とされている時間Δｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、第一リーン判定空燃比αよりもリーンな予め定められた第二リーン判定空燃比β、例えば１６．５よりもリッチな空燃比となる。すなわち、時間Δｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力電流は、第二リーン判定空燃比βよりも低い空燃比であることを示す電流値となっている。
【００９８】
一方、図２０は、下流側空燃比センサ４１が素子割れをしていることにより、目標空燃比をリッチ空燃比にしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められた第一リーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンになる場合を示している。この場合には、上述したように、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1となっている時間Δｔ1よりも第二の温度Ｔ2となっている時間Δｔ2の方が下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーンになり、第二リーン判定空燃比β、例えば１６．５以上の空燃比となる。したがって、目標空燃比Ａ／Ｆをリッチ空燃比にした状態、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をリッチ空燃比にした状態において、下流側空燃比センサ４１の温度をＴ2にしたときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比から、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したか否かを正確に判別することができることになる。
【００９９】
ここで、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うにあたって、空燃比センサ４０、４１の温度を最初から第二の温度Ｔ2に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の昇温にはエネルギが必要になるため、むやみに空燃比センサ４０、４１を高温にまで上昇させると、燃費の悪化につながることになる。本実施形態では、最初に空燃比センサ４０、４１の温度を第一の温度Ｔ1にした状態で下流側空燃比センサ４１に異常があると仮判定された場合にのみ空燃比センサ４０、４１の温度が第二の温度Ｔ2に昇温される。逆に、下流側空燃比センサ４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている時間Δｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリーン判定空燃比αよりもリーンでない場合には、下流側空燃比センサ４１には素子割れが生じていないと判断できる。このため、このような場合には、下流側空燃比センサ４１の異常診断は終了せしめられる。したがって、このような場合には、下流側空燃比センサ４１の温度は、図１９及び図２０のように第二の温度Ｔ2まで昇温せしめられない。このため、本実施形態によれば、燃費の悪化を抑制することができる。
【０１００】
なお、図７からわかるように、空燃比センサ４０、４１に穿設された貫通穴の直径が０．５ｍｍの場合には、貫通穴の直径が０．２ｍｍの場合に比べて、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときの出力電流Ｉが大きい。すなわち、空燃比センサ４０、４１に穿設された貫通穴の直径が大きいほど、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときの出力電流が大きくなる。換言すると、空燃比センサ４０、４１に発生した素子割れが大きいほど、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であるときの出力電流が大きくなる。このため、空燃比センサ４０、４１に大きな素子割れが発生した場合には、下流側空燃比センサ４１の温度を第二の温度Ｔ2にまで昇温せずに、第一の温度Ｔ1の状態にしても、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第二リーン判定空燃比β以上になる。このため、下流側空燃比センサ４１の温度を第二の温度Ｔ2にまで昇温しなくても、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していると判定することができる。
【０１０１】
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の温度を第一の温度Ｔ1とした状態で、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第二リーン判定空燃比β以上になった場合には、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定するようにしている。したがって、この場合、下流側空燃比センサ４１の温度を第二の温度Ｔ2まで昇温することなく下流側空燃比センサ４１の素子割れの異常判定が行われることになる。すなわち、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている状態で、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているときに、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが第二リーン判定空燃比β以上の空燃比であることを示す電流値となっている場合には、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていると本判定するようにしている。
【０１０２】
また、図８Ｂに示したように下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは変動しており、図２０に示したように下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は変動している。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉ或いは下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第一リーン判定空燃比αや第二リーン判定空燃比β以上であるか否かは、或る程度の時間における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の推移に基づいて判断するのが好ましいといえる。
【０１０３】
そこで、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の診断期間（例えば、図２０の時刻ｔ2からｔ3）のうち空燃比センサ４０、４１の出力空燃比が第一リーン空燃比α以上の空燃比である期間が予め定められた割合（５割以上）以上となっているときに、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比が第一リーン判定空燃比α以上であると判定される。同様に、空燃比センサ４０、４１の診断期間（例えば、図２０の時刻ｔ5からｔ6）のうち空燃比センサ４０、４１の出力空燃比が第二リーン空燃比β以上の空燃比である期間が予め定められた割合（５割以上）以上となっているときに、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比が第二リーン判定空燃比β以上であると判定される。
【０１０４】
すなわち、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の温度が第一の温度Ｔ1とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されている診断期間のうち空燃比センサ４０、４１の出力電流が第一リーン空燃比α以上の空燃比であることを示す電流値となっている期間の割合が予め定められた割合以上となっている場合には、空燃比センサ４０、４１の出力電流が第一リーン空燃比α以上の空燃比であることを示す電流値となっていると判定され、空燃比センサ４０、４１が第二の温度Ｔ2とされている状態で空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されている診断期間のうち空燃比センサ４０、４１の出力電流が第二リーン空燃比β以上の空燃比であることを示す電流値となっている期間の割合が予め定められた割合以上となっている場合には、空燃比センサの出力電流Ｉが第二リーン空燃比以上βの空燃比であることを示す電流値となっていると判定される。
【０１０５】
なお、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うにあたって、上述した第一実施形態と同様に、一定時間Δｔ1における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の平均値を用いることもできる。
【０１０６】
＜フローチャート＞
図２１及び図２２は、下流側空燃比センサ４１の異常診断ルーチンを示している。この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。なお、図２１及び図２２のステップＳ４１〜Ｓ４７及びステップＳ５５〜Ｓ５９は、それぞれ図１７及び図１８のステップＳ１１〜Ｓ１７及びステップＳ２５〜Ｓ２９と同様であるため、説明を省略する。
【０１０７】
ステップＳ４８では、アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したか否かが判定される。アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過していないときには、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したときにはステップＳ４９へと進む。ステップＳ４９では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが予め定められた第一リーン判定空燃比α、例えば１５．０よりもリーンであるか否か、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この第一リーン判定空燃比αに対応する設定電流値よりも大きくなったか否かが判定される。
【０１０８】
ステップＳ４９において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが予め定められた第一リーン判定空燃比αよりも大きいと判定されたとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉがこの第一リーン判定空燃比αに対応する設定電流値よりも大きいと判定されたときには、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、積算時間Δｔαに微少時間Δｔ（制御ルーチンの割り込み間隔に相当）が加算され、ステップＳ５１へと進む。一方、ステップＳ４９において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第一リーン判定空燃比αよりも小さいとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この第一リーン判定空燃比αに対応する設定電流値よりも低いときにはステップＳ５０がスキップされる。
【０１０９】
ステップＳ５１では、図１９及び図２０に示した一定時間Δｔ1が経過したか否かが判定される。一定時間ｔ1が経過していないときには制御ルーチンが終了せしめられる。一方、一定時間Δｔ1を経過したときには、次の制御ルーチンにおいて、ステップＳ５１からステップＳ５２に進む。ステップＳ５２では、積算時間Δｔαを一定時間Δｔ1で除算した値、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第一リーン判定空燃比αよりも大きい時間の比率が、予め定められた所定の割合Ｒ、例えば７割以上であるか否かが判定される。積算時間Δｔαを一定時間Δｔ1で除算した値が所定の割合Ｒよりも小さいと判定された場合には、下流側空燃比センサ４１には素子割れが発生していないと判定される。したがって、このときには、ステップＳ５３に進んで、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。一方、ステップＳ５２において、積算時間Δｔαを一定時間Δｔ1で除算した値が所定の割合Ｒよりも小さいと判定された場合には下流側空燃比センサ４１に異常が発生していると仮判定され、ステップＳ５４へと進む。ステップＳ５４では、低温検出フラグがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１０】
ステップＳ６０では、アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したか否かが判定される。アクティブ制御が開始された後、一定時間Δｔ0が経過したときにはステップＳ６１へと進む。ステップＳ６１では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが予め定められた第二リーン判定空燃比β、例えば１６．５よりもリーンであるか否か、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この第二リーン判定空燃比βに対応する設定電流値よりも大きくなったか否かが判定される。
【０１１１】
ステップＳ６１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが予め定められた第二リーン判定空燃比βよりも大きいと判定されたとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉがこの第二リーン判定空燃比βに対応する設定電流値よりも大きいと判定されたときには、ステップＳ６２に進む。ステップＳ６２では、積算時間Δｔβに微少時間Δｔ（制御ルーチンの割り込み間隔に相当）が加算され、ステップＳ６３へと進む。一方、ステップＳ６１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第二リーン判定空燃比βよりも小さいとき、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この第二リーン判定空燃比βに対応する設定電流値よりも低いときにはステップＳ６２がスキップされる。
【０１１２】
ステップＳ６３では、図１９及び図２０に示した一定時間Δｔ1が経過したか否かが判定される。一定時間ｔ1が経過していないときには制御ルーチンが終了せしめられる。一方、一定時間Δｔ1を経過したときには、次の制御ルーチンにおいて、ステップＳ６３からステップＳ６４に進む。ステップＳ６４では、積算時間Δｔβを一定時間Δｔ1で除算した値、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第二リーン判定空燃比βよりも大きい時間の比率が、予め定められた所定の割合Ｒ、例えば７割以上であるか否かが判定される。積算時間Δｔαを一定時間Δｔ1で除算した値が所定の割合Ｒよりも小さいと判定された場合には、下流側空燃比センサ４１には素子割れが発生していないと判定される。したがって、このときには、ステップＳ６５に進んで、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。一方、ステップＳ６４において、積算時間Δｔβを一定時間Δｔ1で除算した値が所定の割合Ｒよりも小さいと判定された場合には下流側空燃比センサ４１に異常が発生していると本判定される。したがって、このときには、ステップＳ６６に進んで、下流側空燃比センサ４１には素子割れの異常が発生していると判定される。次いで、ステップＳ６７では、下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｓが通常運転時の温度Ｔ3（例えば、６００℃）となるようにセンサ温度制御装置により制御される。次いで、ステップＳ６８では、低温検出フラグがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１３】
なお、図２１及び図２２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説明してきたが、上流側空燃比センサ４０の異常診断についても、図２１及び図２２を参照しつつ説明してきた方法と同様な方法でもって行うことができる。
【０１１４】
なお、上述した実施形態では、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うべく空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にするために、アクティブ制御を行っている。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うにあたって必ずしもアクティブ制御を実行する必要はない。したがって、上流側空燃比センサ４０の異常診断を行うにあたっては、例えば、通常制御の実行中であって、上流側空燃比センサ４０周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比が制御されているとき、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときに異常診断を行ってもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
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】
2016084725.tif 000003
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2016084725.tif 000019
【図１８】
2016084725.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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