JP4835588B2

JP4835588B2 - 内燃機関の酸素センサ故障診断装置

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Publication number: JP4835588B2
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Inventors: 貴志中村
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Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2011-12-14
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Description

本発明は、自動車用エンジン（内燃機関）等の排気系に配設される酸素センサを故障診断するための装置に係る。特に、本発明は、触媒下流側に配置された酸素センサの故障診断を行う診断装置の実用性を向上するための対策に関する。

従来より、例えば下記の特許文献１及び特許文献２に開示されているように、自動車用エンジンの排気系において、触媒（例えば三元触媒）の上流に空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサと呼ぶ場合もある）を、下流に酸素濃度センサ（以下、単に酸素センサと呼ぶ場合もある）をそれぞれ備えた構成が知られている。

このような構成とすることで、特許文献１に開示されているように、各センサの出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行うようにしている。また、特許文献２に開示されているように、上記酸素センサの出力に基づいて後述する触媒劣化判定動作を行うことも可能である。そして、これら動作の信頼性を確保するためには酸素センサに故障が発生していないことが必要である。

この酸素センサの故障発生状況について説明する前に、上記触媒劣化判定動作について説明する。排気ガスを浄化するための三元触媒は、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ₂ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有している。このため、流入する排気ガスの空燃比がリッチである場合には貯蔵している酸素によりＨＣ，ＣＯ等の未燃成分を酸化する一方、流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して、このＮＯｘから奪った酸素を触媒内部に貯蔵する。これにより、三元触媒は、エンジンの実空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、上記未燃成分や窒素酸化物を効果的に浄化することが可能である。従って、三元触媒が貯蔵し得る酸素量の最大値が大きいほど、三元触媒の浄化能力は高いと言える。

ところが、この種の触媒は、継続使用するに従って、燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、あるいは触媒に加わる熱によって劣化が生じ、この劣化の程度に応じて上記最大酸素貯蔵量は減少していく。従って、この最大酸素貯蔵量が精度良く算出・推定できれば、触媒の劣化を判定することができる。

この触媒の最大酸素貯蔵量を算出するための手法としてアクティブ制御が知られている。このアクティブ制御では、上記酸素センサがリーン出力を発している場合に、エンジンに供給する混合気の空燃比をリッチにし、その後、酸素センサがリッチ出力を発するようになると、エンジンに供給する混合気の空燃比をリーンに切り換える。このようにして、触媒下流側に設けられた酸素センサの検出値がリッチ／リーンで反転する毎に、混合気の目標空燃比を所定のリッチ目標値と所定のリーン目標値との間で反転させる。

その結果、触媒が酸素を一杯に吸蔵した状態と、吸蔵酸素を完全に放出した状態とが繰り返し実現されることになる。従って、それらの期間内に、触媒に流入した酸素量を積算したり、或いは、触媒に流入した排気ガス中の酸素不足量を積算すれば、触媒の酸素貯蔵能力（最大酸素貯蔵量）Ｃmaxを計算により求めることができる。そして、この手法で算出したＣmaxに基づいて、触媒の劣化の状態を検知することができる。以上が触媒劣化判定動作である。

しかしながら、上述したように、空燃比のフィードバック制御や上記アクティブ制御による触媒劣化判定動作は、上記酸素センサが正常に作動していることを前提とする動作である。従って、この酸素センサに故障が生じている場合には上記動作を適正に行うことができなくなる。つまり、空燃比が適正な値（例えばストイキ）に調整できなくなったり、触媒劣化判定の信頼性が得られなくなってしまう。

上記酸素センサは、高温の排気ガス中という悪条件下で使用されるため、故障の可能性を有している。例えば、電気回路の断線や短絡の他に、センサ周囲の酸素濃度が変化してもそれに応じた信号（電圧値）が出力されない状態（一般に「ＶＡ縮小」と呼ばれている状態）となったりする。このため、この酸素センサの故障を早期に発見することが望まれている。

例えば下記の特許文献３には、上記アクティブ制御によって酸素センサの故障診断を行うことが開示されている。つまり、上述したアクティブ制御により、混合気の目標空燃比を、所定のリッチ目標値（例えば１４．１）と所定のリーン目標値（例えば１５．１）との間で反転させていき、空燃比がリッチになったことに伴って現れるセンサ出力と空燃比がリーンになったことに伴って現れるセンサ出力との両出力が交互に得られるか否かによって酸素センサの故障診断を行うようになっている。

尚、上述した触媒劣化判定動作と酸素センサの故障診断動作とは共に上記アクティブ制御により実施可能であるので、これら動作（触媒劣化判定動作及び酸素センサの故障診断動作）は同時並行も可能である。
特開２００５−１３３６２０号公報特開２００６−１７０７８号公報特開２００４−１９５４２号公報

上述したように、これまでの酸素センサの故障診断手法では、上記アクティブ制御において、目標空燃比を、リッチ側の目標値（１４．１）とリーン側の目標値（１５．１）との間で切り換えていくものであった。例えば空燃比のストイキ制御中に、目標空燃比を「１５．１」に切り換えて固定し、その後に、酸素センサがリーン出力を発すると、目標空燃比を「１４．１」に切り換えて固定し、酸素センサがリッチ出力を発するまで、この目標空燃比を固定することで故障診断を行っていた。

つまり、目標空燃比をリーン側に設定した状態で、触媒が酸素を一杯に吸蔵した状態となって酸素センサがリーン出力を発するのを待ち、このリーン出力が発せられた後に、目標空燃比をリッチ側に設定した状態で、触媒が吸蔵酸素を完全に放出した状態となって酸素センサがリッチ出力を発するのを待ち、このリッチ出力が発せられたことで、酸素センサに故障が生じていないと判断されるものであった。

このため、酸素センサの出力信号が切り換わるまでには比較的長い時間を要することがあり、その結果、酸素センサの故障の有無が判定できるまでに長い時間を要してしまう可能性が高かった。以下に詳述する。

上述した如く、酸素センサの故障診断は、上記触媒劣化判定動作を行うための上記アクティブ制御によって行えるため、この触媒劣化判定動作の実行条件が成立した場合に酸素センサの故障診断も実行される。そして、この触媒劣化判定動作の実行条件は、エンジンの運転状態が比較的高負荷で安定した状態、つまり、上記空燃比フィードバック制御による空燃比の変動が殆ど生じない状態となった限られた状況下で成立するようにしている。その理由は、触媒劣化判定動作の実行中に空燃比が頻繁に変動する状況であると、その度に、単位時間当たりに触媒に流入する酸素量が変化し、触媒に貯蔵されている酸素量を算出するための演算処理が煩雑になるからである。

このため、上述した如く酸素センサの故障の有無が判定できるまでに比較的長い時間を要している状況では、この故障の有無の判定が完了する前に上記実行条件が解除されてしまう可能性が高く（例えば、酸素センサ故障診断途中でドライバがアクセル踏み込み操作を行って上記実行条件が解除された場合など）、この故障診断動作が無駄になってしまう（故障診断結果が得られない）といった状況を招いていた。

そして、この故障診断動作のためのアクティブ制御は、本来目標とすべき空燃比（例えば１４．６）から外れた空燃比でのエンジン駆動状態が継続されるものであるため、排気エミッションに悪影響を及ぼしたり、燃料消費率の悪化を招いたりする制御状態にあり、このようなエンジン駆動状態が無駄に行われてしまうことは好ましくない。また、故障診断動作が正常に完了する頻度が低いため、仮に酸素センサに故障が発生していたとしてもその発見が遅れてしまう可能性があり、エンジンの通常運転状態において、空燃比が適正な値に調整できなくなったり、触媒が劣化した状態のまま継続使用されてしまうといった状況を招く可能性があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、酸素センサの故障の有無を早期に判定できる酸素センサ故障診断装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、酸素センサの出力信号の履歴を記憶しておき、アクティブ制御によって酸素センサの故障診断動作を行う場合に、上記履歴を参照し、酸素センサからリッチ出力がなされた履歴がある場合には、この酸素センサはリッチ側においては正常と判断して、アクティブ制御実行時においては、リッチ側の診断動作は行わないようにする。また、酸素センサからリーン出力がなされた履歴がある場合には、この酸素センサはリーン側においては正常と判断して、アクティブ制御実行時においては、リーン側の診断動作は行わないようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒の下流側に配設されて触媒下流側における排気ガスの酸素濃度に応じたリッチ信号またはリーン信号を出力する酸素センサに対し、上記内燃機関の目標空燃比を強制的にリッチ側に設定するリッチ側診断動作を行った場合に酸素センサからリッチ信号が出力された場合にはリッチ側においては正常と判断し、上記内燃機関の目標空燃比を強制的にリーン側に設定するリーン側診断動作を行った場合に酸素センサからリーン信号が出力された場合にはリーン側においては正常と判断する酸素センサ故障診断装置を対象とする。この酸素センサ故障診断装置に対し、履歴記憶手段と、故障診断手段とを備えさせている。履歴記憶手段は、上記酸素センサの信号出力の履歴を記憶するものである。そして、故障診断手段は、上記酸素センサの信号出力の履歴に、リッチ信号の出力が存在し且つリーン信号の出力が存在していない場合には、酸素センサ故障診断時に、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する動作をキャンセルし、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定するリーン側診断動作を行い、その後、酸素センサからリーン信号が出力された場合には、リッチ側及びリーン側共に正常であって酸素センサに故障はないと判断し、酸素センサからリーン信号が出力されない場合には、酸素センサに故障が発生していると判断する一方、上記酸素センサの信号出力の履歴に、リーン信号の出力が存在し且つリッチ信号の出力が存在していない場合には、酸素センサ故障診断時に、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する動作をキャンセルし、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定するリッチ側診断動作を行い、その後、酸素センサからリッチ信号が出力された場合には、リッチ側及びリーン側共に正常であって酸素センサに故障はないと判断し、酸素センサからリッチ信号が出力されない場合には、酸素センサに故障が発生していると判断するものである。

この特定事項により、内燃機関の駆動中にあっては、上記酸素センサの信号出力の履歴が履歴記憶手段に記憶されていく。つまり、触媒下流側における排気ガスの酸素濃度が低いリッチ状態が生じた場合にはリッチ信号の出力履歴が履歴記憶手段に記憶され、排気ガスの酸素濃度が高いリーン状態が生じた場合にはリーン信号の出力履歴が履歴記憶手段に記憶されていく。そして、上記アクティブ制御によって酸素センサ故障診断を行うに際し、上記履歴記憶手段に記憶されている信号出力履歴を参照する。この際、上記履歴記憶手段に記憶されている信号出力履歴としてリッチ信号の出力が存在する場合には、内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する動作（リッチ側の診断動作）をキャンセルする。また、上記履歴記憶手段に記憶されている信号出力履歴としてリーン信号の出力が存在する場合には、内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する動作（リーン側の診断動作）をキャンセルする。このように、過去の信号の出力履歴に応じてリッチ側の診断動作やリーン側の診断動作を実行しないことで、酸素センサの故障の有無が判定できるまでの時間を短縮化できる。その結果、上記アクティブ制御が無駄に終了してしまったり、無用に（診断結果が得られることなしに）排気エミッションが悪化したりするといった状況を回避することができる。

また、上記履歴記憶手段に記憶されている信号出力履歴としてリッチ信号の出力及びリーン信号の出力が共に存在しない場合の動作として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、この場合に、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリッチ側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する一方、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリーン側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する構成としている。これにより、酸素センサの信号出力がリッチ側とリーン側とで交互に反転する動作を早期に完了させることができ、リッチ信号の出力及びリーン信号の出力が共に存在していない場合であっても、酸素センサの故障の有無が判定できるまでの時間を短縮化できる。

また、上記履歴記憶手段に記憶されている信号出力履歴としてリッチ信号の出力及びリーン信号の出力が共に存在しない場合における、上述したものとは異なる動作として以下のものが挙げられる。つまり、信号出力履歴としてリッチ信号の出力及びリーン信号の出力が共に存在しない場合、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリッチ側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する一方、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリーン側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する構成としている。

これにより、例えば、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリッチ側寄りである際には、内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する。そして、酸素センサがリッチ側において正常であった場合には、短時間のうちに酸素センサからは所定のリッチ信号が出力され、この酸素センサがリッチ側において正常であることが判断できる。この場合、その後、内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定することで、酸素センサがリーン側においても正常であるか否かの判断動作が行われる。一方、酸素センサがリッチ側において故障している場合には、所定時間（触媒の現在の酸素吸蔵量を消費する時間に相当：例えば３０ｓｅｃ程度）を経過しても酸素センサから所定のリッチ信号が出力されないことで、早期のうちに故障判断を行うことができる。

同様に、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリーン側寄りである際には、内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する。そして、酸素センサがリーン側において正常であった場合には、短時間のうちに酸素センサからは所定のリーン信号が出力され、この酸素センサがリーン側において正常であることが判断できる。この場合、その後、内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定することで、酸素センサがリッチ側においても正常であるか否かの判断動作が行われる。一方、酸素センサがリーン側において故障している場合には、所定時間（触媒の酸素吸蔵能力と現在の酸素吸蔵量との差分の酸素量を吸蔵するのに必要な時間に相当：例えば３０ｓｅｃ程度）を経過しても酸素センサから所定のリーン信号が出力されないことで、早期のうちに故障判断を行うことができる。

このように、本解決手段に係る故障診断動作は、最初に故障診断される側（リッチ側またはリーン側）にあっては酸素センサの信号出力をリッチ側とリーン側との間で反転させることなしに故障診断が完了する。つまり、酸素センサの信号出力が反転して所定の出力値に達するまで待つといった動作を経ることなしに一方側（最初に故障診断される側）の故障診断を完了させることができ、酸素センサの故障診断に要する時間の大幅な短縮化が図れる。

本発明では、アクティブ制御によって酸素センサ故障診断を行う場合に、酸素センサの出力信号の履歴を参照し、酸素センサからリッチ出力がなされた履歴がある場合には、リッチ側の診断動作は行わないようにする。また、酸素センサからリーン出力がなされた履歴がある場合には、リーン側の診断動作は行わないようにしている。このため、酸素センサ故障診断を早期に完了させることが可能になる。その結果、上記アクティブ制御が無駄に終了してしまったり、無用に（診断結果が得られることなしに）排気エミッションが悪化したりするといった状況を回避することができる。また、酸素センサ故障診断動作が正常に完了する頻度が高くなるため、酸素センサの故障を早期に発見することが可能性になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る酸素センサの故障診断装置を自動車用４気筒ガソリンエンジン（内燃機関）に適用した場合について説明する。

−エンジン−
図１は本実施形態に係るエンジン１及びその吸排気系の概略構成を示す図である。なお、この図１ではエンジン１の１気筒の構成のみを示している。

本実施形態におけるエンジン１は、例えば４気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室１ａを形成するピストン１ｂ及び出力軸であるクランクシャフト１５を備えている。ピストン１ｂはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１ｂの往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換されるようになっている。

クランクシャフト１５には、外周面に複数の突起（歯）１７ａを有するシグナルロータ１７が取り付けられている。このシグナルロータ１７の側方近傍にはクランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）２４が配置されている。このクランクポジションセンサ２４は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の突起１７ａに対応するパルス状の信号（出力パルス）を発生する。

エンジン１のシリンダブロック１ｃには、エンジン水温（冷却水温）を検出する水温センサ２１が配置されている。

エンジン１の燃焼室１ａには点火プラグ３が配置されている。点火プラグ３の点火タイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２００によって制御される。

エンジン１の燃焼室１ａには吸気通路１１と排気通路１２とが接続されている。吸気通路１１と燃焼室１ａとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ａとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ａとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより、排気通路１２と燃焼室１ａとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフト（共に図示省略）の各回転によって行われる。

吸気通路１１には、エアクリーナ７、熱線式のエアフローメータ２２、吸気温センサ２３（エアフローメータ２２に内蔵）、及び、エンジン１の吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ５が配置されている。このスロットルバルブ５はスロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ２５によって検出される。

エンジン１の排気通路１２には三元触媒８が配置されている。この三元触媒８は、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ₂ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有しており、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ，ＣＯ，及びＮＯｘを浄化することが可能となっている。即ち、エンジン１の空燃比がリーンとなって、三元触媒８に流入する排気ガス中の酸素及びＮＯｘが増加すると、酸素の一部を三元触媒８が吸蔵することで、還元雰囲気を作り出し、ＮＯｘの還元・浄化を促進する。一方、エンジン１の空燃比がリッチになって、三元触媒８に流入する排気ガスにＨＣ，ＣＯが多量に含まれると、三元触媒８は内部に吸蔵している酸素分子を放出し、これらのＨＣ，ＣＯに酸素分子を与え、酸化・浄化を促進する。

上記三元触媒８の上流側の排気通路１２には空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）２６が配置されている。この空燃比センサ２６は、例えば限界電流式の酸素濃度センサが適用されており、広い空燃比領域に亘って空燃比に対応した出力電圧を発生する構成となっている。

また、三元触媒８の下流側の排気通路１２には酸素センサ（Ｏ₂センサ）１０１が配置されている。この酸素センサ１０１は、例えば起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサが適用されており、その出力値が理論空燃比付近でステップ状に変化する構成となっている。なお、この酸素センサ１０１の詳細については後述する。これら空燃比センサ２６及び酸素センサ１０１の発生する信号は、それぞれＡ／Ｄ変換された後に、ＥＣＵ２００に入力される。

そして、吸気通路１１には燃料噴射用のインジェクタ２が配置されている。このインジェクタ２には、燃料タンクから燃料ポンプによって所定圧力の燃料が供給され、吸気通路１１に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１ａに導入される。燃焼室１ａに導入された混合気（燃料＋空気）は、エンジン１の圧縮行程を経た後、点火プラグ３にて点火されて燃焼・爆発する。この混合気の燃焼室１ａ内での燃焼・爆発によりピストン１ｂが往復運動してクランクシャフト１５が回転する。以上のエンジン１の運転状態はＥＣＵ２００によって制御される。

−酸素センサ１０１−
次に、上記酸素センサ１０１の構造について説明する。

図２は、本実施形態において用いられる酸素センサ１０１の内部構造を示す断面図である。この酸素センサ１０１は、ハウジング１０２と、その中に保持されるセンサ素子１０３とを備えている。センサ素子１０３は、その内部に大気室１０４を備える中空の部材である。また、このセンサ素子１０３の内側表面には大気室１０４に晒される大気側電極（白金電極）１０５が形成されている。一方、センサ素子１０３の外側表面には排気側電極（白金電極）１０６が形成されている。

上記センサ素子１０３は、その先端部分が突出するように上記ハウジング１０２に嵌め込まれている。ハウジング１０２にはカバー１０７が組み付けられており、センサ素子１０３の先端部分は、そのカバー１０７により覆われている。酸素センサ１０１は、上記カバー１０７が排気ガスに晒されるように排気通路１２に取り付けられている。カバー１０７には排気ガスを取り込むための通気口が設けられているため、センサ素子１０３の先端部分は、排気通路１２内の排気ガスに晒された状態となる。

一方、上述した大気室１０４は、排気通路１２の外部空間、すなわち、大気に開放されるように設けられている。このため、酸素センサ１０１が排気通路１２に組み付けられた状態では、センサ素子１０３の大気側電極１０５は大気に晒された状態となり、排気側電極１０６は排気ガスに晒された状態となる。

上記センサ素子１０３は、このような状況下では、排気側電極１０６に接しているガス中の酸素の有無、つまり、排気ガス中の酸素の有無に応じて出力を急変させる特性を有している。より具体的には、センサ素子１０３は、排気側電極１０６の表面に酸素が存在する場合は、排気側電極１０６と大気側電極１０５との間に小さな電位差を発生させ、一方、排気側電極１０６の表面に酸素が存在しない場合は、それらの電極１０５，１０６間に大きな電位差を発生させる特性を有している。

排気ガスがリーンである場合は、排気ガス中のＮＯｘが分解されることにより排気側電極１０６の表面に酸素が供給される。このため、このような場合には、センサ素子１０３の出力は小さな値となる。これに対して、排気ガスがリッチである場合は、排気側電極１０６の表面に酸素は供給されない。このため、センサ素子１０３は、このような状況下では大きな出力を発生する。酸素センサ１０１は、以上のような原理により、排気空燃比がリーンであるかリッチであるかに応じて、それぞれリーン出力（例えば０．２Ｖ）或いはリッチ出力（例えば０．６Ｖ）を発生するようになっている。

また、この酸素センサ１０１には、図示しないヒータが組み込まれている。このヒータは、車載のバッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体によって構成されており、その発熱体の発熱によってセンサ素子１０３の全体を加熱するようになっている。

−ＥＣＵ−
上記ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び、バックアップＲＡＭなどを備えている。ＲＯＭは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭはＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭはエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

ＥＣＵ２００には、図１に示すように、水温センサ２１、エアフローメータ２２、吸気温センサ２３、クランクポジションセンサ２４、スロットル開度センサ２５、空燃比センサ２６、及び、酸素センサ１０１などの各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ２００には、インジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ４、及び、スロットルバルブ５のスロットルモータ６などが接続されている。

そして、ＥＣＵ２００は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。例えば、エンジン１の排気通路１２に配置した空燃比センサ２６及び酸素センサ１０１の各出力に基づいて排気ガス中の酸素濃度を算出し、その算出した酸素濃度から得られる実際の空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致するように、インジェクタ２から吸気通路１１に噴射する燃料噴射量を制御する「空燃比フィードバック制御」を実行する。この「空燃比フィードバック制御」の詳細については後述する。

さらに、ＥＣＵ２００は、上述した「アクティブ制御」による酸素センサ１０１の故障診断を実行する。この酸素センサ１０１の故障診断の手法についても後述する。

また、ＥＣＵ２００は、所定のフューエルカット条件、例えばエンジン回転数が予め定められた所定値（フューエルカット回転数）以上でアクセルオフという条件が成立したときにフューエルカットを実行する。このようにフューエルカットを実行することにより、インジェクタ２からの燃料噴射が停止されて、燃費や排気エミッションが改善される。

なお、フューエルカット中に車両の速度が低下し、エンジン回転数がフューエルカット回転数よりも低くなったときには、エンジンストールを防止するためにフューエルカットを中止してインジェクタ２からの燃料噴射を行う。また、フューエルカット中にアクセルペダルが踏まれた場合（加速時）にも、フューエルカットを中止してインジェクタ２からの燃料噴射を行う。

−空燃比フィードバック制御−
次に、上記空燃比フィードバック制御の具体的な動作手順について説明する。

本実施形態における空燃比フィードバック制御では、上記空燃比センサ２６の出力に基づいて、三元触媒８の上流における排気空燃比を理論空燃比に近づけるためのメインフィードバック制御と、上記酸素センサ１０１の出力に基づいて、上記メインフィードバック制御のずれを補償するためのサブフィードバック制御とが組み合わされて実行される。

メインフィードバック制御では、空燃比センサ２６の出力を基礎として検知される排気空燃比が、理論空燃比と一致するように、インジェクタ２からの燃料噴射量の増減が調整される。より具体的には、検知された排気空燃比が理論空燃比よりリッチであれば、燃料噴射量が減量調整され、逆に、その排気空燃比が理論空燃比よりリーンであれば、燃料噴射量が増量調整される。

このメインフィードバック制御によれば、理想的には、三元触媒８に流れ込む排気ガスの空燃比を理論空燃比に維持することができる。そして、その状態が厳密に維持されれば、三元触媒８の吸蔵酸素量がほぼ一定量に保たれるため、その下流に未浄化の成分を含む排気ガスが流出してくるのを完全に阻止することができる。

しかしながら、空燃比センサ２６の出力にはある程度の誤差が含まれている。また、インジェクタ２の噴射特性にもある程度のバラツキがある。このため、現実的には、メインフィードバック制御を実行するだけで三元触媒８の上流の排気空燃比を厳密に理論空燃比に制御することは困難である。更に、エンジン１においては、燃料増量やフューエルカットなど、排気空燃比を意図的に理論空燃比から乖離させる制御が行われる。そして、これらの制御が行われると、三元触媒８は、酸素を完全に脱離した状態、或いは酸素を能力一杯に吸蔵した状態となることがあり、下流側に未浄化成分を流出させ易い状態となる。

以上のような理由により、メインフィードバック制御が実行されていても、三元触媒８の下流には未浄化の成分を含む排気ガスが流出してくることがある。つまり、メインフィードバック制御が実行されていても、三元触媒８の上流の排気空燃比は、全体としてリッチ側或いはリーン側に偏ることがあり、その結果、三元触媒８の下流には、ＨＣやＣＯを含むリッチな排気ガス、或いは、ＮＯｘを含むリーンな排気ガスが流出してくることがある。

このような流出が生ずると、酸素センサ１０１は、排気ガスの空燃比に応じてリッチ出力或いはリーン出力を発生する。このため、本実施形態のシステムでは、酸素センサ１０１からリッチ出力が発せられた場合には、三元触媒８の上流の排気空燃比が全体としてリッチ側に偏っていたと判断することができ、また、酸素センサ１０１からリーン出力が発せられた場合には、三元触媒８の上流の排気空燃比が全体としてリーン側に偏っていたと判断することができる。

サブフィードバック制御では、酸素センサ１０１の出力値と、その出力値の制御目標値との差を小さくするための制御（例えばＰＩＤ制御）が実行される。より具体的には、上記の差が小さくなるように、空燃比センサ２６の出力を補正する処理が行われる。空燃比センサ２６の出力が上記の如く補正されると、全体としてリッチ側或いはリーン側に偏っていた三元触媒８の上流の空燃比が理論空燃比に近づけられる。その結果、メインフィードバック制御のずれが補償され、三元触媒８の下流に未浄化の成分が吹き抜け難い状態が形成される。このため、優れたエミッション特性を実現することが可能になる。以上が本実施形態における空燃比フィードバック制御である。

−酸素センサ故障診断動作−
次に、本発明に係る故障診断装置により実行される酸素センサ１０１の故障診断動作についての２つの実施形態を説明する。

（第１実施形態）
本実施形態における酸素センサ１０１の故障診断動作は、アクティブ制御により行われる。先ず、このアクティブ制御の基本動作について説明する。

このアクティブ制御は、酸素センサ１０１がリーン出力を発している場合に、エンジン１に供給する混合気の空燃比（目標空燃比）を強制的にリッチ側に設定し、その後、酸素センサ１０１がリッチ出力を発するようになると、エンジン１に供給する混合気の空燃比（目標空燃比）を強制的にリーン側に切り換える。このようにして、酸素センサ１０１の検出値がリッチ／リーンで反転する毎に、混合気の目標空燃比を、リーン側とリッチ側との間で反転させる。そして、この酸素センサ１０１の検出値がリッチ／リーンで反転する状況が生じない場合には酸素センサ１０１に故障が発生していると判断するようにしている。

そして、本実施形態の特徴とするところは、エンジン始動後における酸素センサ１０１の出力信号の履歴を記憶しておき（履歴記憶手段による履歴記憶動作）、アクティブ制御によって酸素センサ１０１の故障診断動作を行う場合に、上記履歴を参照して、酸素センサ１０１からリッチ出力（例えば０．６Ｖ）がなされた履歴がある場合には、この酸素センサ１０１はリッチ側においては正常（故障していない）と判断し、アクティブ制御実行時においては、リッチ側の制御、つまり、目標空燃比を強制的にリッチ側に設定する動作は行わない（目標空燃比をリッチ側に設定するアクティブ制御をキャンセルする）ようにしている。

また、酸素センサ１０１からリーン出力（例えば０．２Ｖ）がなされた履歴がある場合には、この酸素センサ１０１はリーン側においては正常（故障していない）と判断し、アクティブ制御実行時においては、リーン側の制御、つまり、目標空燃比を強制的にリーン側に設定する動作は行わない（目標空燃比をリーン側に設定するアクティブ制御をキャンセルする）ようにしている。

以下、酸素センサ１０１の故障診断動作の具体的な制御手順について図３及び図４のフローチャート及び図５〜図７のタイミングチャートに沿って説明する。この図５〜図７で示した上下２段の波形のうち、上段では、ＥＣＵ２００において設定される目標空燃比を太線で示し、それに応じた実空燃比（上記空燃比センサ２６により検知される空燃比）を細線で示している。また、下段は上記酸素センサ１０１の出力値の変化を示している。ここでは、酸素センサ１０１のリーン出力を「０．２Ｖ」とし、リッチ出力を「０．６Ｖ」としている。

尚、図５は、酸素センサ１０１からリッチ出力がなされた履歴のみがある場合における故障診断時の波形を示し、図６は、酸素センサ１０１からリーン出力がなされた履歴のみがある場合における故障診断時の波形を示し、図７は、酸素センサ１０１からリッチ出力がなされた履歴もリーン出力がなされた履歴も無い場合における故障診断時の波形を示している。

図３のフローチャートにおいて、エンジン１の駆動中にあっては、先ず、ステップＳＴ１で、酸素センサ１０１が活性状態にあるか否かを判定する。つまり、酸素センサ１０１が触媒下流側の酸素濃度に応じた信号が出力できる環境下（出力が保証できる状態）にあるか否かを判定する。これは、例えば酸素センサ１０１の温度が所定温度以上であるか否かを判定することで活性状態にあるか否かを判定できる。尚、酸素センサ１０１の温度を直接検知するようにしてもよいが、実際には、酸素センサ１０１に組み込まれているヒータの通電時間が所定時間（例えば３０ｓｅｃ）以上である場合に酸素センサ１０１は活性状態にあると判断したり、酸素センサ１０１自体の電気抵抗を検出することで活性状態にあるか否かを判断するようにしている。

酸素センサ１０１が未だ活性状態ではなく、ステップＳＴ１でＮｏ判定された場合には、酸素センサ１０１の故障診断動作を実行することなく、本ルーチンを終了する。

一方、酸素センサ１０１が活性状態であり、ステップＳＴ１でＹｅｓ判定された場合には、ステップＳＴ２に移り、酸素センサ１０１の出力信号が０．６Ｖ以上であるか、つまり、リッチ出力を発しているか否かを判定する。ここで、酸素センサ１０１の出力信号が０．６Ｖ以上である場合（Ｙｅｓ判定された場合）には、ステップＳＴ３に移って、リッチ側出力の履歴をセットする。例えば、上記ＥＣＵ２００のＲＡＭに「リッチ側出力履歴」を書き込む。この「リッチ側出力履歴」はエンジン１の停止に伴って消去される。また、酸素センサ１０１の出力信号が０．６Ｖ未満である場合（Ｎｏ判定された場合）には、このリッチ側出力の履歴をセットすることなく、ステップＳＴ４に移る。

そして、ステップＳＴ４では、酸素センサ１０１の出力信号が０．２Ｖ以下であるか、つまり、リーン出力を発しているか否かを判定する。ここで、酸素センサ１０１の出力信号が０．２Ｖ以下である場合（Ｙｅｓ判定された場合）には、ステップＳＴ５に移って、リーン側出力の履歴をセットする。例えば、上記ＥＣＵ２００のＲＡＭに「リーン側出力履歴」を書き込む。この「リーン側出力履歴」はエンジン１の停止に伴って消去される。また、酸素センサ１０１の出力信号が０．２Ｖを超えている場合（Ｎｏ判定された場合）には、このリーン側出力の履歴をセットすることなく、ステップＳＴ６に移る。

ステップＳＴ６では、酸素センサ１０１の故障診断実行条件が成立したか否かを判定する。この故障診断実行条件は、例えば、エンジン１の運転状態が比較的高負荷で安定した状態、つまり、上記空燃比フィードバック制御による空燃比の変動が殆ど生じない状態となった場合に成立する。より具体的には、例えばアクセル開度が３０％以上の値で略固定されており、車速が６０ｋｍ／ｈ程度で維持されている場合に故障診断実行条件が成立する。この故障診断実行条件はこれに限定されるものではなく、任意に設定可能である。

そして、上記故障診断実行条件が成立しておらず、ステップＳＴ６でＮｏ判定されると、酸素センサ１０１の故障診断動作を実行することなく、本ルーチンを終了する。

これに対し、上記故障診断実行条件が成立しており、ステップＳＴ６でＹｅｓ判定されると、ステップＳＴ７に移る。このステップＳＴ７では、故障診断実行条件の成立に伴い、アクティブ制御（強制空燃比制御）を開始する。

このアクティブ制御の具体的な制御手順を図４のフローチャートに沿って説明する。先ず、ステップＳＴ１１において、空燃比スキップ制御が未実施であるか否かを判定する。この空燃比スキップ制御は、目標空燃比を上記アクティブ制御における目標空燃比（リーン側の目標空燃比またはリッチ側の目標空燃比）に設定するための動作であり、本ルーチンの制御開始時には未だ空燃比スキップ制御は実施されていないため、このステップＳＴ１１ではＹｅｓ判定されてステップＳＴ１２に移ることになる。

ステップＳＴ１２以降の動作では、空燃比スキップ制御が開始される。この空燃比スキップ制御は、上述した如く、目標空燃比を上記アクティブ制御のための目標空燃比に設定する動作である。以下、具体的に説明する。

先ず、ステップＳＴ１２において、上記リッチ側出力の履歴及びリーン側出力の履歴の存在を確認する動作を行う。例えばＲＡＭに「リッチ側出力履歴」及び「リーン側出力履歴」が書き込まれているか否かを確認する。そして、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共に有り」の状態ではないか否かを判定する。ここで、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共に有り」の状態であった場合には、ステップＳＴ１２でＮｏ判定されることになり、ステップＳＴ１８に移る。

一方、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共に有り」の状態ではなく、ステップＳＴ１２でＹｅｓ判定されると、ステップＳＴ１３に移り、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の状態であるか否かを判定する。ここで、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の状態であった場合には、ステップＳＴ１３でＹｅｓ判定されることになり、ステップＳＴ１５に移る。一方、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」ではない状態、つまり、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共に有り」の状態ではなく（ステップＳＴ１２でＹｅｓ判定）且つ「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の状態ではない、即ち、リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴のうち一方の出力履歴のみが存在していると判定された場合には、ステップＳＴ１３でＮｏ判定されてステップＳＴ１４に移ることになる。

ステップＳＴ１４にあっては、「リッチ側出力履歴」のみが存在していた場合には、アクティブ制御の開始に伴って目標空燃比をリーン側に設定する（空燃比スキップ制御）。ここでは目標空燃比を「１５．１」に設定する（図５のタイミングＴ１）。逆に、「リーン側出力履歴」のみが存在していた場合には、アクティブ制御の開始に伴って目標空燃比をリッチ側に設定する（空燃比スキップ制御）。ここでは目標空燃比を「１４．１」に設定する（図６のタイミングＴ１）。

このようにして、強制的に設定される目標空燃比によってエンジン１の空燃比が変更された後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリーン側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）からリーン側（０．２Ｖ）に変化したか否かを監視する。尚、目標空燃比をリッチ側に変更した場合には、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）からリッチ側（０．６Ｖ）に変化したか否かを監視する。

そして、再びステップＳＴ１１に戻る。この場合、既に空燃比スキップ制御は開始済み（上記ステップＳＴ１４で開始済み）であるので、ステップＳＴ１１においてＮｏ判定されて、ステップＳＴ１８での酸素センサ１０１の出力信号監視による故障診断動作を継続することになる。

以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号が切り換わったことが認識されると（目標空燃比をリーン側に設定した場合には図５におけるタイミングＴ２、目標空燃比をリッチ側に設定した場合には図６におけるタイミングＴ２）、この設定された側（前者の場合はリーン側、後者の場合はリッチ側）においては酸素センサ１０１の故障は生じていないとして、酸素センサ１０１は正常であると判断される（故障診断手段による正常診断動作）。尚、この際に得られたリーン側の信号出力またはリッチ側の信号出力は、出力履歴としてセットされ（ＥＣＵ２００のＲＡＭに書き込まれ）、次回の履歴参照動作に利用される（履歴有りと判断される）。

このようにして、上記「リッチ側出力履歴」のみが存在していた場合に目標空燃比をリーン側に設定した際、酸素センサ１０１からリーン出力がなされると、酸素センサ１０１のリッチ側に故障が無いことは上記「リッチ側出力履歴」の存在により確認され且つリーン側に故障が無いことは上記酸素センサ１０１の出力信号が切り換わった（リーン出力がなされた）ことにより確認され、これによって酸素センサ１０１が正常であることが判断される。一方、上記「リーン側出力履歴」のみが存在していた場合に目標空燃比をリッチ側に設定した際、酸素センサ１０１からリッチ出力がなされると、酸素センサ１０１のリーン側に故障が無いことは上記「リーン側出力履歴」の存在により確認され且つリッチ側に故障が無いことは上記酸素センサ１０１の出力信号が切り換わった（リッチ出力がなされた）ことにより確認され、これによって酸素センサ１０１が正常であることが判断される。

一方、上記ステップＳＴ１３において、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の状態である場合には、このステップＳＴ１３でＹｅｓ判定されてステップＳＴ１５に移ることになる。この場合には、何れの出力履歴も存在していないので、アクティブ制御においては、リーン側及びリッチ側共に目標空燃比を強制的に交互に設定して酸素センサ１０１の故障診断を行う必要がある。

ステップＳＴ１５では、現在の酸素センサ１０１の出力信号は０．５Ｖ以上であるか否かを判定する。ここで、酸素センサ１０１の出力信号が０．５Ｖ以上である場合（Ｙｅｓ判定された場合）には、ステップＳＴ１６に移って、目標空燃比を強制的にリーン側（１５．１）にセットする（図７のタイミングＴ１）。その後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリーン側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したことが認識されると（図７のタイミングＴ２）、このリーン側においては酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして酸素センサ１０１の出力信号が切り換わることで、ステップＳＴ１５ではＮｏ判定されることになり、ステップＳＴ１７に移って、目標空燃比は強制的にリッチ側（１４．１）にセットされる。その後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリッチ側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したことが認識されると（図７のタイミングＴ３）、このリッチ側においては酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして、酸素センサ１０１の出力信号としてリッチ側出力（０．６Ｖ）及びリーン側出力（０．２Ｖ）が共に出力された場合には酸素センサ１０１は故障していないと判断される。

尚、アクティブ制御の開始時における酸素センサ１０１の出力信号が０．５Ｖ未満であった場合には、ステップＳＴ１５でＮｏ判定され、ステップＳＴ１７に移って、先ず、目標空燃比を強制的にリッチ側（１４．１）にセットする。その後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリッチ側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したことが認識されると、このリッチ側においては酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして酸素センサ１０１の出力信号が切り換わることで、ステップＳＴ１５ではＹｅｓ判定されることになり、ステップＳＴ１６に移って、目標空燃比は強制的にリーン側（１５．１）にセットされる。その後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリーン側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したことが認識されると、このリーン側においては酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

一方、上記「リッチ側出力履歴」のみが存在していた場合に上記動作を行っても酸素センサ１０１からリーン出力がなされない場合には、酸素センサ１０１はリーン側において故障していると判断される。同様に、上記「リーン側出力履歴」のみが存在していた場合に上記動作を行っても酸素センサ１０１からリッチ出力がなされない場合には、酸素センサ１０１はリッチ側において故障していると判断される。更に、上記「リッチ側出力履歴」及び「リーン側出力履歴」が共に存在していない場合に、上記動作を行ってもリッチ側及びリーン側のうち一方側のみしか出力されない場合や、リッチ側及びリーン側共に出力されない場合には酸素センサ１０１は故障していると判断される。このようにして故障判断が成されると、警告などの情報を発信する。例えば、ダイアグノーシスへの情報書き込みを行う。

尚、上記ステップＳＴ１２において、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共に有り」の状態であった場合には、このステップＳＴ１２でＮｏ判定されることになり、ステップＳＴ１８に移る。この場合、ステップＳＴ１８では、上記アクティブ制御を開始することなしに酸素センサ１０１はリッチ側及びリーン側共に故障していないと判断されることになる。

尚、上記「リッチ側出力履歴」及び「リーン側出力履歴」が共に存在していない場合における酸素センサ１０１の故障診断動作は、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ／リーンで反転する毎に、混合気の目標空燃比をリーン側とリッチ側とで反転させるといった上記アクティブ制御により行われるので、触媒劣化判定動作も同時並行可能である。この触媒劣化判定動作の原理としては、上述したように、目標空燃比をリッチ側とリーン側との間で反転させることで、三元触媒８が酸素を一杯に吸蔵した状態と、吸蔵酸素を完全に放出した状態とを繰り返して実現させ、それらの期間内に、三元触媒８に流入した酸素量を積算したり、或いは、三元触媒８に流入した排気ガス中の酸素不足量を積算することで、触媒の酸素貯蔵能力（最大酸素貯蔵量）Ｃmaxを計算により求め、それに基づいて、触媒の劣化の状態を検知する。この触媒劣化判定動作については上述したように従来より公知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。また、上記「リッチ側出力履歴」及び「リーン側出力履歴」が共に存在しており、上記アクティブ制御による酸素センサ１０１の故障診断動作が必要ない場合には、上記ステップＳＴ７のアクティブ制御（強制空燃比制御）は触媒劣化判定のみの動作として実行される。

以上、説明したように、本実施形態では、アクティブ制御によって酸素センサ１０１の故障診断動作を行うに際し、記憶されている酸素センサ１０１の信号出力履歴としてリッチ信号の出力が存在する場合には、リッチ側の診断動作をキャンセルする。また、上記信号出力履歴としてリーン信号の出力が存在する場合には、リーン側の診断動作をキャンセルする。このように、過去の信号の出力履歴に応じてリッチ側の診断動作やリーン側の診断動作を不要とすることで、酸素センサ１０１の故障の有無が判定できるまでの時間を短縮化できる。その結果、酸素センサ１０１の故障の有無を早期に判定でき、上記アクティブ制御が無駄に終了してしまったり、無用に（診断結果が得られることなしに）排気エミッションが悪化したりするといった状況を回避することができる。

（第２実施形態）
次に、酸素センサ１０１の故障診断動作についての第２実施形態を説明する。

本実施形態も、アクティブ制御により酸素センサ１０１の故障診断動作を行うものであり、以下の説明では、上述した第１実施形態との相違点について主に説明する。

本実施形態に係る酸素センサ１０１の故障診断動作において、「リッチ側出力履歴」の取得動作や「リッチ側出力履歴」の取得動作は上述した第１実施形態において図３のフローチャートを用いて説明した動作と同様である。従って、これら出力履歴の取得動作については、ここでの説明を省略する。また、リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴のうち一方の出力履歴のみが存在している場合の動作も、上述した第１実施形態において図４のフローチャート（ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１４の動作）、及び、図５，図６のタイミングチャートを用いて説明した動作と同様である。従って、ここでの説明は省略する。

本実施形態の特徴とする動作は、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の状態である場合における酸素センサ１０１の故障診断動作にある。以下、具体的に説明する。

図８は、本実施形態におけるアクティブ制御の具体的な制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートにおけるステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１４の動作は上記第１実施形態において図４のフローチャートを用いて説明した動作と同様である。

また、図９及び図１０は、本実施形態において、酸素センサ１０１からリッチ出力がなされた履歴もリーン出力がなされた履歴も無い場合における故障診断時の波形の一例を示している。より具体的に、図９は、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサ１０１からリーン寄りの出力信号が出力されている場合における故障診断時の波形であり、図１０は、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサ１０１からリッチ寄りの出力信号が出力されている場合における故障診断時の波形である。

図８に示すフローチャートにおいて、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の状態であった場合には、ステップＳＴ１３でＹｅｓ判定されることにより、ステップＳＴ２０に移る。

このステップＳＴ２０では、現在の酸素センサ１０１の出力信号はストイキに対応する出力信号に比べてリーン寄りであるか否かを判定する。具体的には、現在の酸素センサ１０１の出力信号が０．４５Ｖ未満であるか否かを判定する。この値は、これに限定されるものではない。

ここで、酸素センサ１０１の出力信号がリーン寄り（０．４５Ｖ未満）である場合（Ｙｅｓ判定された場合）には、ステップＳＴ１６に移って、目標空燃比を強制的にリーン側（１５．１）にセットする（図９のタイミングＴ１）。その後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリーン側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したことが認識されると（図９のタイミングＴ２）、このリーン側においては酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして酸素センサ１０１のリーン側において故障は生じていないと判断されると、目標空燃比は強制的にリッチ側（１４．１）にセットされる（図９のタイミングＴ２）。この状態で、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリッチ側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したことが認識されると（図９のタイミングＴ３）、このリッチ側においても酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして、酸素センサ１０１の出力信号としてリーン側出力（０．２Ｖ）及びリッチ側出力（０．６Ｖ）が共に出力された場合には酸素センサ１０１は故障していないと判断され、故障診断動作を終了する。

一方、上記アクティブ制御の開始時における酸素センサ１０１の出力信号がストイキに対応する出力信号に比べてリーン寄りではない（０．４５Ｖ以上）であった場合には、ステップＳＴ２０でＮｏ判定され、ステップＳＴ１７に移って、目標空燃比を強制的にリッチ側（１４．１）にセットする（図１０のタイミングＴ１）。その後、ステップＳＴ１８に移って、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリッチ側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリッチ側（０．６Ｖ）に変化したことが認識されると（図１０のタイミングＴ２）、このリッチ側においては酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして酸素センサ１０１のリッチ側において故障は生じていないと判断されると、目標空燃比は強制的にリーン側（１５．１）にセットされる（図１０のタイミングＴ２）。この状態で、酸素センサ１０１の出力信号を監視することで、その故障診断動作を実行する。つまり、今、目標空燃比をリーン側に変更したことで、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したか否かを監視する。以上のようにして故障診断動作を継続し、酸素センサ１０１の出力信号がリーン側（０．２Ｖ）に変化したことが認識されると（図１０のタイミングＴ３）、このリーン側においても酸素センサ１０１の故障は生じていないと判断される。

このようにして、酸素センサ１０１の出力信号としてリッチ側出力（０．６Ｖ）及びリーン側出力（０．２Ｖ）が共に出力された場合には酸素センサ１０１は故障していないと判断され、故障診断動作を終了する。

一方、上記「リッチ側出力履歴」及び「リーン側出力履歴」が共に存在していない場合に、リッチ側及びリーン側のうち少なくとも一方側の出力が得られない場合には酸素センサ１０１は故障していると判断される。

例えば、図９に示すように、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサ１０１からリーン寄りの出力信号が出力されている場合に、目標空燃比を強制的にリーン側（１５．１）にセットした後、所定時間（触媒の酸素吸蔵能力と現在の酸素吸蔵量との差分の酸素量を吸蔵するのに必要な時間に相当：例えば３０ｓｅｃ程度）を経過しても酸素センサ１０１からリーン側の出力（０．２Ｖ）が得られないときには、酸素センサ１０１は故障していると判断し、この時点で故障診断動作を終了する。また、この場合に、酸素センサ１０１からリーン側の出力（０．２Ｖ）が得られ、目標空燃比を強制的にリッチ側（１４．１）にセットした後、所定時間（触媒の現在の酸素吸蔵量を消費する時間に相当：例えば３０ｓｅｃ程度）を経過しても酸素センサ１０１からリッチ側の出力（０．６Ｖ）が得られないときには、酸素センサ１０１は故障していると判断し、この時点で故障診断動作を終了する。同様に、図１０に示すように、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサ１０１からリッチ寄りの出力信号が出力されている場合に、目標空燃比を強制的にリッチ側（１４．１）にセットした後、所定時間（触媒の現在の酸素吸蔵量を消費する時間に相当：例えば３０ｓｅｃ程度）を経過しても酸素センサ１０１からリッチ側の出力（０．６Ｖ）が得られないときには、酸素センサ１０１は故障していると判断し、この時点で故障診断動作を終了する。また、この場合に、酸素センサ１０１からリッチ側の出力（０．６Ｖ）が得られ、目標空燃比を強制的にリーン側（１５．１）にセットした後、所定時間（触媒の酸素吸蔵能力と現在の酸素吸蔵量との差分の酸素量を吸蔵するのに必要な時間に相当：例えば３０ｓｅｃ程度）を経過しても酸素センサ１０１からリーン側の出力（０．２Ｖ）が得られないときには、酸素センサ１０１は故障していると判断し、この時点で故障診断動作を終了する。

このようにして故障判断が成されると、警告などの情報を発信する。例えば、ダイアグノーシスへの情報書き込みを行う。

尚、本実施形態においても、上記第１実施形態の場合と同様に、酸素センサ１０１の故障診断動作はアクティブ制御により行われるので、触媒劣化判定動作も同時並行可能である。このアクティブ制御による触媒劣化判定動作については上述したので、ここでの説明は省略する。

以上、説明したように、本実施形態では、上述した第１実施形態の場合と同様に、アクティブ制御によって酸素センサ１０１の故障診断動作を行うに際し、記憶されている酸素センサ１０１の信号出力履歴としてリッチ信号の出力が存在する場合には、リッチ側の診断動作をキャンセルする。また、上記信号出力履歴としてリーン信号の出力が存在する場合には、リーン側の診断動作をキャンセルする。このように、過去の信号の出力履歴に応じてリッチ側の診断動作やリーン側の診断動作を不要とすることで、酸素センサ１０１の故障の有無が判定できるまでの時間を短縮化できる。その結果、酸素センサ１０１の故障の有無を早期に判定でき、上記アクティブ制御が無駄に終了してしまったり、無用に（診断結果が得られることなしに）排気エミッションが悪化したりするといった状況を回避することができる。

それに加えて、本実施形態に係る酸素センサ１０１の故障診断動作では、「リッチ側出力履歴及びリーン側出力履歴が共になし」の場合において、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサ１０１からリーン寄りの出力信号が出力されている場合には、目標空燃比を強制的にリーン側（１５．１）にセットしている。また、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサ１０１からリッチ寄りの出力信号が出力されている場合には、目標空燃比を強制的にリッチ側（１４．１）にセットしている。

このため、最初に故障診断される側（リーン側またはリッチ側）にあっては酸素センサ１０１の信号出力をリーン側とリッチ側との間で反転させることなしに故障診断が完了する。つまり、酸素センサ１０１の信号出力が反転して所定の出力値に達するまで待つといった動作を経ることなしに一方側の故障診断を完了させることができる。言い換えると、酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサ１０１からの出力値（電圧値）と、酸素センサ１０１が正常であることを判断するための出力値（電圧値：リーン側では０．２Ｖ、リッチ側では０．６Ｖ）との差が小さい状況で故障診断動作を開始することができる。従って、酸素センサ１０１の故障診断に要する時間の大幅な短縮化が図れる。

尚、上述した第１実施形態に係る酸素センサ１０１の故障診断動作では、最初に故障診断される側（リッチ側またはリーン側）にあっては、酸素センサ１０１の信号出力をリッチ側とリーン側との間で反転させるようにしていた。これは、上述した触媒の劣化の状態を検知する触媒劣化判定動作においては、酸素センサ１０１の信号出力をリッチ側とリーン側との間で反転させた時点から、この触媒劣化判定動作が開始されることを考慮したものである。つまり、早期にこの反転動作を行わせることで、触媒劣化判定動作の開始タイミングを早め、その結果、この触媒劣化判定を早期に完了させることを可能にするための動作である。言い換えると、上記第１実施形態に係る酸素センサ１０１の故障診断動作は、触媒劣化判定動作が並行される場合に、この触媒劣化判定動作の早期完了を可能としながら、酸素センサ１０１の故障診断動作も比較的早期に完了することができるといった利点がある。

一方、第２実施形態に係る酸素センサ１０１の故障診断動作は、酸素センサ１０１の信号出力がリッチ側とリーン側との間での反転するのを待つことなしに一方側（リーン側またはリッチ側）の故障診断動作を完了することができるため、酸素センサ１０１の故障診断動作を極めて早期に完了することが可能である。特に、この動作は、上記触媒劣化判定動作が並行されない場合に有効な動作となっている。

−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態は、酸素センサ１０１の故障診断装置を自動車用４気筒ガソリンエンジン１に適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンに対しても適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型やＶ型や水平対向型等の別）についても特に限定されるものではない。

また、リッチ側またはリーン側のセンサ出力履歴を取得する制御と、強制空燃比制御＋酸素センサ故障診断制御との重み付けをするための条件を加えるようにしてもよい。例えば、一定時間走行を継続するまではセンサ出力履歴が取得できるか否かを監視し続け、一定時間以上走行したにも拘わらず出力履歴が取得できない場合は、強制的に空燃比をリッチ側またはリーン側に制御して、酸素センサ１０１の出力が正常になされるか否かを診断するような条件である。

また、上記各実施形態では、エンジン１の駆動中に、酸素センサ１０１の出力信号が０．６Ｖ以上となった履歴があればリッチ側出力の履歴をセットし、この出力信号が０．２Ｖ以下となった履歴があればリーン側出力の履歴をセットするようにして、リッチ側やリーン側が正常であることの判断に役立てるようにしていた。このように、酸素センサ１０１の出力信号の監視が可能である構成を利用し、以下の動作を行うことも可能である。つまり、上述したフューエルカット条件が成立してインジェクタ２からの燃料噴射が停止された状況において（空燃比が極端にリーンとなっている状態において）、酸素センサ１０１の出力信号が０．２Ｖ以下にならない場合には、酸素センサ１０１のリーン側で故障が発生していると診断するものである。その他、エンジン１の制御動作において、排気空燃比を意図的に理論空燃比から乖離させる制御が行われる状況下で、この空燃比に応じた酸素センサ１０１の出力信号が得られない場合にも、その側（リーン側またはリッチ側）において故障が発生していると診断することが可能である。

実施形態に係るエンジン及びその吸排気系の概略構成を示す図である。実施形態において用いられる酸素センサの内部構造を示す断面図である。酸素センサの故障診断動作の制御手順を示すフローチャート図である。第１実施形態に係るアクティブ制御の手順を示すフローチャート図である。酸素センサからリッチ出力がなされた履歴のみがある場合における故障診断動作時の目標空燃比、実空燃比、酸素センサの出力値の変化の一例をそれぞれ示すタイミングチャート図である。酸素センサからリーン出力がなされた履歴のみがある場合における故障診断動作時の目標空燃比、実空燃比、酸素センサの出力値の変化の一例をそれぞれ示すタイミングチャート図である。第１実施形態において、酸素センサからリッチ出力がなされた履歴もリーン出力がなされた履歴も無い場合における故障診断動作時の目標空燃比、実空燃比、酸素センサの出力値の変化の一例をそれぞれ示すタイミングチャート図である。第２実施形態に係るアクティブ制御の手順を示すフローチャート図である。第２実施形態において、酸素センサからリッチ出力がなされた履歴もリーン出力がなされた履歴も無い場合であって、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサからリーン寄りの信号が出力されている場合における故障診断動作時の目標空燃比、実空燃比、酸素センサの出力値の変化の一例をそれぞれ示すタイミングチャート図である。第２実施形態において、酸素センサからリッチ出力がなされた履歴もリーン出力がなされた履歴も無い場合であって、酸素センサ故障診断実行条件の成立時に酸素センサからリッチ寄りの信号が出力されている場合における故障診断動作時の目標空燃比、実空燃比、酸素センサの出力値の変化の一例をそれぞれ示すタイミングチャート図である。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
８三元触媒
１０１酸素センサ

Claims

内燃機関の排気ガスを浄化する触媒の下流側に配設されて触媒下流側における排気ガスの酸素濃度に応じたリッチ信号またはリーン信号を出力する酸素センサに対し、上記内燃機関の目標空燃比を強制的にリッチ側に設定するリッチ側診断動作を行った場合に酸素センサからリッチ信号が出力された場合にはリッチ側においては正常と判断し、上記内燃機関の目標空燃比を強制的にリーン側に設定するリーン側診断動作を行った場合に酸素センサからリーン信号が出力された場合にはリーン側においては正常と判断する酸素センサ故障診断装置であって、
上記酸素センサの信号出力の履歴を記憶する履歴記憶手段を備えており、
上記酸素センサの信号出力の履歴に、リッチ信号の出力が存在し且つリーン信号の出力が存在していない場合には、酸素センサ故障診断時に、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する動作をキャンセルし、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定するリーン側診断動作を行い、その後、酸素センサからリーン信号が出力された場合には、リッチ側及びリーン側共に正常であって酸素センサに故障はないと判断し、酸素センサからリーン信号が出力されない場合には、酸素センサに故障が発生していると判断する一方、
上記酸素センサの信号出力の履歴に、リーン信号の出力が存在し且つリッチ信号の出力が存在していない場合には、酸素センサ故障診断時に、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する動作をキャンセルし、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定するリッチ側診断動作を行い、その後、酸素センサからリッチ信号が出力された場合には、リッチ側及びリーン側共に正常であって酸素センサに故障はないと判断し、酸素センサからリッチ信号が出力されない場合には、酸素センサに故障が発生していると判断する故障診断手段を備えていることを特徴とする内燃機関の酸素センサ故障診断装置。
請求項１記載の内燃機関の酸素センサ故障診断装置において、
上記酸素センサの信号出力の履歴に、リッチ信号の出力及びリーン信号の出力が共に存在しない場合、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリッチ側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定する一方、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリーン側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の酸素センサ故障診断装置。
請求項１記載の内燃機関の酸素センサ故障診断装置において、
上記酸素センサの信号出力の履歴に、リッチ信号の出力及びリーン信号の出力が共に存在しない場合、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリッチ側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリッチ側に設定する一方、上記酸素センサ故障診断実行条件の成立時における酸素センサの信号出力が理論空燃比に対応する出力よりもリーン側寄りである場合には、上記内燃機関の目標空燃比をリーン側に設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の酸素センサ故障診断装置。