JP5983879B2 - 内燃機関の診断装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の診断装置に関する。
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている。
このような内燃機関に用いられる空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化する。このような劣化としては、例えば、空燃比センサの応答性劣化が挙げられる。空燃比センサの応答性劣化は、センサ素子が被水することを防止するためのセンサカバーに設けられた通気孔がパティキュレート（ＰＭ）により部分的に塞がってしまうこと等により生じる。このように通気孔が部分的に塞がると、センサカバーの内側と外側との間のガス交換が遅くなり、その結果、空燃比センサの出力が鈍くなってしまう。このような空燃比センサの劣化が生じると、内燃機関の制御装置が実行する各種制御に支障が生じてしまう。
そこで、空燃比センサの劣化を診断する診断装置が提案されている（例えば、特許文献１〜５を参照）。このような診断装置としては、例えば、目標空燃比をステップ的に変化させると共に、これに伴って空燃比センサの出力値が第１所定値に到達するまでの第１応答時間と、第１所定値よりも大きい第２所定値に到達するまでの第２応答時間とを検出し、第１応答時間と第２応答時間の二つに基づいて空燃比センサの劣化を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１）。ここで、空燃比センサの劣化パターンとしては、応答時間が遅れる応答性劣化に加えて応答そのものが増減するゲイン劣化が存在する。これに対して、特許文献１に記載の診断装置によれば、第１応答時間と第２応答時間の二つに基づいて空燃比センサの劣化を判定することにより、二つの劣化パターンのうちいずれにより空燃比センサの劣化が生じているのかを正確に特定することができるとされている。
特開２００７−１９２０９３号公報 特開２００４−２２５６８４号公報 特開２００１−２４２１２６号公報 特開２０１０−００７５３４号公報 特開２０１１−１０６４１５号公報
ところで、空燃比センサの応答性劣化の診断は、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比をステップ状に変化させ、このステップ状の変化に対する空燃比センサの応答性を検出することによって行われる。そして、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比をステップ状に変化させる幅が大きいほど、応答性劣化の診断精度は高くなる。
ここで、燃焼室への燃料供給を停止又は大幅に減量する燃料カット制御を実行する際には、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリーンとなり、そのリーン度合いが極めて大きなものとなる。したがって、燃料カット制御の開始直後或いは燃料カット制御の終了直後には、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比が大きくステップ状に変化せしめられる。このため、燃料カット制御の開始直後或いは燃料カット制御の終了直後には高精度の応答性劣化診断を行うことができる。
一方、空燃比センサの出力に基づいて燃料量を制御する内燃機関では、排気浄化触媒の下流側に空燃比センサが設けられることも多い。このような場合には、内燃機関から排出された排気ガスは排気浄化触媒を通過してから下流側の空燃比センサに到達する。このため、排気浄化触媒が酸素吸蔵能力を有するような場合には、下流側の空燃比センサに到達する排気ガスの空燃比は、内燃機関から排出された排気ガスのみならず排気浄化触媒の酸素吸蔵能力や酸素吸蔵量等に応じて変化する。
このため、上述したように応答性劣化診断を行うべく内燃機関から排出される排気ガスの空燃比をステップ状に大幅に変化させたときに、排気浄化触媒の状態に応じて下流側空燃比センサの出力が変化してしまう場合がある。このような場合、下流側空燃比センサの実際の応答性が一定であっても、排気浄化触媒の状態が変化すると、それに伴って、下流側空燃比センサの出力が変化してしまう。
これに対して、例えば、燃料カット制御の終了直後に応答性劣化診断を行えば、排気浄化触媒における酸素吸蔵量を把握した状態で診断を行うことができる。このため、下流側空燃比センサの出力に対する排気浄化触媒の状態の影響を低減することができ、この結果、下流側空燃比センサの応答性劣化の診断精度を高めることができる。
しかしながら、このように燃料カット制御の終了直後に応答性劣化診断を行っても、なお、排気浄化触媒の状態に応じて下流側空燃比センサの出力が変化する。そして、このように排気浄化触媒の状態に応じて下流側空燃比センサの出力が変化すると、下流側空燃比センサの応答性劣化を正確に診断することができなくなってしまう。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気浄化触媒の状態の変化の影響を抑制しつつ、下流側空燃比センサの応答性劣化の異常を正確に診断することができる内燃機関の診断装置を提供することにある。
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配置されると共に流入する排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを具備し、燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、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する内燃機関の診断装置において、前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比以上の一部の空燃比領域である第一空燃比領域を最初に通過するときの第一空燃比変化特性を算出する第一変化特性算出手段と、前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比を含み且つ前記第一空燃比領域とは異なる第二空燃比領域を最初に通過するときの第二空燃比変化特性を算出する第二変化特性算出手段と、前記第一変化特性算出手段によって算出された第一空燃比変化特性と前記第二変化特性算出手段によって算出された第二空燃比変化特性とに基づいて前記空燃比センサの異常を診断する異常診断手段とを備える、内燃機関の診断装置が提供される。
第２の発明では、第１の発明において、前記異常診断手段は、前記第二空燃比変化特性に基づいて前記第一空燃比変化特性を補正して修正空燃比変化特性を算出すると共に、該修正空燃比変化特性に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する。
第３の発明では、第２の発明において、前記第一空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第一空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第一空燃比変化速度であり、前記異常診断手段は、前記第一空燃比変化速度を前記第二空燃比変化特性に基づいて補正して算出された修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には前記空燃比センサは正常であると判定する。
第４の発明では、第３の発明において、前記第二空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度であり、前記異常診断手段は、前記修正空燃比変化速度を算出するにあたり、前記第二空燃比変化速度が速いほど前記修正空燃比変化速度が遅くなるように前記第一空燃比変化速度を補正する。
第５の発明では、第２の発明において、前記第一空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第一空燃比領域内にあるときの該出力空燃比を積算した第一空燃比積算値であり、前記異常診断手段は、前記第一空燃比積算値を前記第二空燃比変化特性に基づいて補正して算出された修正空燃比積算値が異常基準積算値以上である場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比積算値が異常基準積算値よりも小さい場合には前記空燃比センサは正常であると判定する。
第６の発明では、第５の発明において、前記第二空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度であり、前記異常診断手段は、前記修正空燃比積算値を算出するにあたり、前記第二空燃比変化速度が速いほど前記修正空燃比積算値が大きくなるように前記第一空燃比積算値を補正する。
第７の発明では、第４又は第６の発明において、前記第二空燃比領域は理論空燃比よりもリーンな第二領域上限空燃比と理論空燃比よりもリッチ側な第二領域下限空燃比との間の領域である。
第８の発明では、第７の発明において、前記異常診断手段は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域に進入してから一定時間以上経過したときには、前記第二空燃比変化速度に基づく第一空燃比変化速度又は空燃比積算値の補正は実行しない。
第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記空燃比センサは、該空燃比センサを通過する排気ガスの空燃比が所定空燃比領域内にあるときに限界電流を出力する限界電流式空燃比センサであり、前記第一空燃比領域及び前記第二空燃比領域は、前記空燃比センサが限界電流を発生させる前記所定空燃比領域内である。
第１０の発明では、第１〜第９のいずれか一つの発明において、前記第一空燃比領域は、第一領域上限空燃比と該第一領域上限空燃比よりもリッチ側の第一領域下限空燃比との間の領域であり、前記第二空燃比領域は、第二領域上限空燃比と該第二領域上限空燃比よりもリッチ側な第二領域下限空燃比との間の領域であり、前記第二領域上限空燃比は前記第一領域下限空燃比以下である。
第１１の発明では、第１〜第１０のいずれか一つの発明において、前記第二空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度であり、前記異常診断手段は、前記第二空燃比変化速度が触媒異常判定変化速度よりも速いと判定された場合には、前記排気浄化触媒が劣化していると判定する。
上記課題を解決するために、第１２の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に流入する排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを具備し、燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、燃料カット制御の終了後に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する内燃機関の診断装置において、前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比以上の一部の空燃比領域である空燃比領域を最初に通過するときの空燃比変化特性を算出する変化特性算出手段と、前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比の変化速度が基準速度以下になったときの出力空燃比を収束出力空燃比として検出する収束空燃比検出手段と、前記変化特性算出手段によって算出された空燃比変化特性と前記収束空燃比検出手段によって検出された収束出力空燃比とに基づいて前記空燃比センサの異常を診断する異常診断手段とを備える、内燃機関の診断装置が提供される。
第１３の発明では、第１２の発明において、前記異常診断手段は、前記収束空燃比検出手段によって検出された収束出力空燃比がリッチ空燃比である場合には前記空燃比変化特性を補正して修正空燃比変化特性を算出すると共に、該修正空燃比変化特性に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する。
第１４の発明では、第１３の発明において、前記空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である空燃比変化速度であり、前記異常診断手段は、前記空燃比変化速度を補正して算出された修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には前記空燃比センサは正常であると判定する。
第１５の発明では、第１３の発明において、前記空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記空燃比領域内にあるときの該出力空燃比を積算した空燃比積算値であり、前記異常診断手段は、前記空燃比積算値を補正して算出された修正空燃比積算値が異常基準積算値以上である場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比積算値が異常基準積算値よりも小さい場合には前記空燃比センサは正常であると判定する。
第１６の発明では、第１２〜第１５のいずれか一つの発明において、前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチである終了判定空燃比以下になったときに終了せしめられ、前記収束空燃比検出手段によって収束出力空燃比を検出するときには、前記燃料カット制御の終了後、前記空燃比センサの出力空燃比の変化速度が基準速度になるまでは、前記空燃比センサの出力空燃比が前記終了判定空燃比に到達しても前記復帰後リッチ制御は継続される。
第１７の発明では、第１６の発明において、前記異常診断手段による判定を行わないときには、前記収束空燃比検出手段による収束出力空燃比の検出は行われず、前記燃料カット制御の終了後、前記空燃比センサの出力空燃比の変化速度が基準速度になっていなくても前記空燃比センサの出力空燃比が前記終了判定空燃比に到達していれば復帰後リッチ制御は終了せしめられる。
上記課題を解決するために、第１８の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に流入する排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを具備し、燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、燃料カット制御の終了後に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する内燃機関の診断装置において、空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比以上の一部の空燃比領域である第一空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第一空燃比変化速度を算出する第一変化速度算出手段と、空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、空燃比センサの出力空燃比が、前記第一空燃比領域とは異なる第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度を算出する第二変化速度算出手段と、前記第一変化速度算出手段によって算出された第一空燃比変化速度を前記第二変化速度算出手段によって算出された第二空燃比変化速度に基づいて補正して算出された修正空燃比変化速度に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する異常診断手段とを備え、前記異常診断手段は、前記第二空燃比変化速度が速いほど前記修正空燃比変化速度が遅くなるように前記第一空燃比変化速度を補正し、前記修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記第二空燃比変化速度に基づいて補正された第一空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には前記空燃比センサは正常であると判定する、内燃機関の診断装置が提供される。
第１９の発明では、第１〜第１８のいずれか１つの発明において、前記空燃比センサの異常診断において、前記空燃比センサに異常があると判定されたときには、警告灯が点灯せしめられる。
本発明によれば、排気浄化触媒の状態の変化の影響を抑制しつつ、下流側空燃比センサの応答性劣化の異常を正確に診断することができる内燃機関の診断装置が提供される。
図１は、本発明の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２は、空燃比センサの概略的な断面図である。 図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図４は、印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。 図５は、上流側出力空燃比及び下流側出力空燃比等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。 図６は、上流側出力空燃比及び下流側出力空燃比等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。 図７は、上流側出力空燃比及び下流側出力空燃比等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。 図８は、第二空燃比変化時間と補正値との関係を示す図である。 図９は、第二空燃比変化時間と補正係数との関係を示す図である。 図１０は、変化時間算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１２は、上流側出力空燃比及び下流側出力空燃比等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。 図１３は、上流側出力空燃比及び下流側出力空燃比等の、燃料カット制御前後におけるタイムチャートである。 図１４は、下流側空燃比センサの出力空燃比が最初に収束するときを示すタイムチャートである。
以下、図面を参照して本発明の内燃機関の診断装置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。図１は、本発明の第一実施形態に係る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。
＜内燃機関全体の説明＞
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。
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の診断装置が用いられる内燃機関では、他の燃料を用いても良い。
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。
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。
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。
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。
＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。以下では、上流側排気浄化触媒２０についてのみ説明するが、下流側排気浄化触媒２４も同様な構成及び作用を有する。
上流側排気浄化触媒２０は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、上流側排気浄化触媒２０は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。上流側排気浄化触媒２０は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側排気浄化触媒２０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理論空燃比よりもリーン（以下、「リーン空燃比」という）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、上流側排気浄化触媒２０は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（以下、「リッチ空燃比」という）であるときには、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素を放出する。なお、「排気ガスの空燃比」は、その排気ガスが生成されるまでに供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味するものであり、通常はその排気ガスが生成されるにあたって燃焼室５内に供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味する。本明細書では、排気ガスの空燃比を「排気空燃比」という場合もある。
上流側排気浄化触媒２０は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。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ーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには上流側排気浄化触媒２０により排気ガス中の酸素が吸蔵され、これに伴ってＮＯｘが還元浄化される。ただし、酸素吸蔵能力には限界があり、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が上限吸蔵量を超えると、それ以上、上流側排気浄化触媒２０に酸素がほとんど吸蔵されなくなる。この場合、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ーン空燃比であると、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比もリーン空燃比となる。
一方、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場合、酸素吸蔵量が多いときには上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。ただし、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が少なくなって下限吸蔵量を下回ると、それ以上、上流側排気浄化触媒２０から酸素がほとんど放出されなくなる。この場合、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と、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比もリッチ空燃比となる。
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０、２４によれば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０、２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１としては、限界電流式の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、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
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。
また、排気側電極と大気側電極との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、センサ印加電圧を印加したときに固体電解質層を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流Ｉを検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、出力電流（Ｉ）は、排気空燃比が大きくなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。
一方、センサ印加電圧が限界電流領域よりも低い領域では、センサ印加電圧にほぼ比例して出力電流が変化する。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。
図４は、印加電圧を０．４Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上（本実施形態では１８以上）に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として図２に示した構造の限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、少なくとも理論空燃比近傍において、排気空燃比の変化に対して出力値がなだらかに変化すれば、他の構造の限界電流式の空燃比センサや、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。
＜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が目標空燃比となるように制御すると共に、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。
また、本発明の実施形態に係る内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速時等に、燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止又は大幅に減量して燃焼室５内への燃料供給を停止又は大幅に低減する燃料カット制御が実施される。斯かる燃料カット制御は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに実施される。
燃料カット制御が行われたときは、内燃機関から空気又は空気と同様な排気ガスが排出されることになるため、上流側排気浄化触媒２０には空燃比の極めて高い（すなわち、リーン度合いの極めて高い）ガスが流入することになる。この結果、燃料カット制御中には、上流側排気浄化触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は上限吸蔵量に達する。
また、本実施形態の内燃機関では、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を放出させるために、燃料カット制御の終了直後には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする復帰後リッチ制御が行われる。この様子を図５に示す。
図５は、燃料カット制御を行った際に、上流側空燃比センサ４０の出力値に相当する空燃比（以下、「上流側出力空燃比」という）と、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と、下流側空燃比センサ４１の出力値に相当する空燃比（以下、「下流側出力空燃比」という）とのタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に、時刻ｔ3において燃料カット制御が終了せしめられる。
図示した例では、時刻ｔ1において、燃料カット制御が開始せしめられると、機関本体１からはリーン空燃比の排気ガスが排出され、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が増大する。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は増大し、一方、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比のままとなる。
その後、時刻ｔ2において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が上限吸蔵量（Ｃｍａｘ）に達すると上流側排気浄化触媒２０はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなる。このため、時刻ｔ2以降においては、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリーンになる。
時刻ｔ3において、燃料カット制御が終了せしめられると、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を放出させるために、復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、機関本体１からは理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比の排気ガスが排出される。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比になると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。このとき、上流側排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入せしめられても、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素と排気ガス中の未燃ガスとが反応するため、上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比となる。
酸素吸蔵量の減少が続くと、ついには酸素吸蔵量がほぼゼロとなって、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出する。これにより、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気空燃比が理論空燃比よりもリッチとなる。このように、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である終了判定空燃比に達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。その後、通常の空燃比制御が開始され、図示した例では、機関本体から排出される排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように制御される。
なお、復帰後リッチ制御の終了条件は必ずしも下流側空燃比センサ４１によってリッチ空燃比が検出された時でなくてもよく、例えば、燃料カット制御の終了後、一定時間が経過した時等、他の条件で終了するようにされてもよい。
＜応答性劣化診断における課題＞
上述したように、空燃比センサ４０、４１に基づいて燃料噴射量を設定する場合には、空燃比センサ４０、４１に異常が生じて、空燃比センサ４０、４１の出力の精度が悪化してしまうと、燃料噴射量を最適に設定することができなくなる。その結果、排気エミッションの悪化や燃費の悪化を招いてしまう。このため、多くの内燃機関では、空燃比センサ４０、４１の異常を自己診断する診断装置が設けられている。
ところで、このような空燃比センサ４０、４１の出力異常としては、応答性劣化が挙げられる。空燃比センサの応答性劣化は、例えば、センサ素子が被水することを防止するためのセンサカバー（保護層５５よりも外側に設けられたカバー）に設けられた通気孔がパティキュレート（ＰＭ）により部分的に塞がってしまうことより生じる。このような応答性劣化が生じたときにおける空燃比センサの推移の様子を、図６に示す。
図６は、燃料カット制御の実行前後における、上流側出力空燃比及び下流側出力空燃比の図５と同様なタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に、時刻ｔ3において燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット制御が終了せしめられると、復帰後リッチ制御により上流側排気浄化触媒２０にはリッチ空燃比の排気ガスが流入せしめられる。
下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じていない場合、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は図６に実線Ａで示したように推移する。すなわち、燃料カット制御の終了後、機関本体１から下流側空燃比センサ４１まで距離があるため、燃料カット制御の終了から僅かに遅れて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が低下し始める。また、このとき上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となっているため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比もほぼ理論空燃比に収束する。
一方、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じている場合、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は図６に破線Ｂで示したように推移する。すなわち、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じていない場合（実線Ａ）に比べて、出力空燃比の低下速度が遅くなる。このように、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の有無に応じて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の低下速度が変化する。このため、この低下速度を算出することにより、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の有無を診断することができる。特に、このような応答性劣化の診断は、排気空燃比が１８程度と１７程度との間の領域の低下速度に基づいて行うのが好ましい。
ところで、燃料カット制御の終了後の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の推移は、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じても変化する。例えば、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高くて、その酸素吸蔵能力が低下している場合には、燃料カット制御中においても上流側排気浄化触媒２０にはほとんど酸素が吸蔵されない。このため、燃料カット制御が終了し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されると、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比も急激に低下する。
この様子を、図６中に一点鎖線Ｃで示す。図６の一点鎖線Ｃは、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合の出力空燃比の推移を表している。図６の実線Ａと一点鎖線Ｃとの比較からもわかるように、燃料カット制御の終了後においては、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の低下速度は、上流側排気浄化触媒２０に劣化が生じていない場合に比べて速くなる。
一方、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じており且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合には、応答性劣化に伴う出力空燃比の低下速度の低下と、上流側排気浄化触媒２０の劣化に伴う出力空燃比の低下速度の増大とが合わさる。この結果、斯かる場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は、図６中に二点鎖線Ｄで示したように、排気空燃比が１８程度と１７程度との間の領域において、実線Ａの場合（下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合）における出力空燃比と同様に推移する。
このため、上述したように出力空燃比の低下速度に基づいて応答性劣化を診断していると、図６中に二点鎖線Ｄで示したような場合には、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が生じているにもかかわらず、異常判定することができない。
＜本発明における異常診断の原理＞
これに対して、本発明に係る実施形態では、異なる二つの空燃比領域において、その空燃比領域における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の変化速度をそれぞれ算出し、算出された各空燃比領域における変化速度に基づいて下流側空燃比センサ４１の異常（特に、応答性劣化）を診断するようにしている。以下では、図７及び図８を参照して、本発明における下流側空燃比センサ４１の異常診断の原理について説明する。
上述したように、出力空燃比が１８程度と１７程度との間の領域では、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い限り、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の応答性劣化の有無を検出することができる。そこで、本実施形態では、燃料カット制御の終了後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が初めて１８と１７との間の第一空燃比領域Ｘ（図７参照）内を通過するときの出力空燃比の変化速度（以下、「第一空燃比変化速度」という）を算出する。特に、本実施形態では、第一空燃比領域の上限空燃比（すなわち、１８）から第一空燃比領域の下限空燃比（すなわち、１７）まで変化する時間ΔＴ1が第一空燃比変化速度を表すパラメータとして用いられる。この第一空燃比変化時間ΔＴ1は長くなるほど、第一空燃比変化速度が遅くなることを意味する。なお、図１中の第一空燃比変化時間ΔＴ1は実線Ａについての第一空燃比変化速度を表すパラメータである。
加えて、本実施形態では、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ーンな空燃比（例えば、１４．７）と理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比（例えば、１４．５）との間の第二空燃比領域Ｙ（図７参照）内にあるときの出力空燃比の変化速度（以下、「第二空燃比変化速度」という）を算出する。この第二空燃比変化速度についても、第一空燃比変化速度と同様に、第二空燃比領域の上限空燃比から第二空燃比領域の下限空燃比まで変化する時間ΔＴ2が第二空燃比変化速度を表すパラメータとして用いられる。この第二空燃比変化時間ΔＴ2も長くなるほど、第二空燃比変化速度が遅くなることを意味する。なお、図１中の第二空燃比変化時間ΔＴ2は実線Ａについての第一空燃比変化速度を表すパラメータである。
ここで、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が生じていない場合である実線Ａと一点鎖線Ｃとを比較する。その結果、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの高い場合である一点鎖線Ｃでは、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの低い場合である実線Ａに対して、第一空燃比領域Ｘ内での第一空燃比変化速度が速い（第一空燃比変化時間ΔＴ1が短い）ことがわかる。加えて、一点鎖線Ｃでは、実線Ａに対して第二空燃比領域Ｙ内での第二空燃比変化速度が速い（第二空燃比変化時間ΔＴ2が短い）こともわかる。
同様に、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が生じている場合である破線Ｂと二点鎖線Ｄとを比較する。その結果、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの高い場合である二点鎖線Ｄでは、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの低い場合である破線Ｂに対して、第一空燃比領域Ｘ内での第一空燃比変化速度が速い（第一空燃比変化時間ΔＴ1が短い）ことがわかる。加えて、二点鎖線Ｄでは、破線Ｂに対して第二空燃比領域Ｙ内での第二空燃比変化速度が速い（第二空燃比変化時間ΔＴ2が短い）こともわかる。
これらを総合して判断すると、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高くなるほど、第一空燃比変化速度及び第二空燃比変化速度が共に速くなることがわかる。逆に考えると、第二空燃比変化速度に基づいて上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いがわかり、これに基づいて上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに基づく第一空燃比変化速度の変化量がわかるといえる。そこで、本実施形態では、第二空燃比変化速度を算出すると共に、算出された第二空燃比変化速度に基づいて第一空燃比変化速度を補正することとしている。
図８は、第二空燃比変化時間ΔＴ2と補正値Ｍとの関係を示す図である。図８からわかるように、補正値Ｍは、第二空燃比変化時間ΔＴ2が長くなるほど（第二空燃比変化速度が遅くなるほど）小さな値となる。すなわち、第二空燃比変化時間ΔＴ2が長いほど上流側排気浄化触媒２０が吸蔵可能な酸素量は多く、よって上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは小さい。そのため、第二空燃比変化時間ΔＴ2が長いほど、第一空燃比変化速度を補正する必要性は小さい。特に、本実施形態では、第二空燃比変化時間ΔＴ2が基準時間Ｔ２ｒｅｆ以上となった場合には、補正値Ｍはゼロとされる。したがって、本実施形態によれば、下流側空燃比センサ４１の週力空燃比が第二空燃比領域Ｙに進入してから基準時間Ｔ２ｒｅｆ以上経過したときには、第二空燃比変化時間ΔＴ2に基づく補正は行われない。
このようにして算出された補正値Ｍは、第一空燃比変化時間ΔＴ1に加算され、このようにして算出されたものが修正空燃比変化時間ΔＴ1M（＝ΔＴ1＋Ｍ）とされる。したがって、本実施形態では、第二空燃比変化時間ΔＴ2が短いほど修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが長くなるように第一空燃比変化時間ΔＴ1が補正される。換言すると、本実施形態では、第二空燃比変化速度が速いほど修正空燃比変化速度が遅くなるように第一空燃比変化速度が補正されるといえる。上述したように、第一空燃比変化時間は下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の応答性劣化及び上流側排気浄化触媒２０の劣化の影響を受けるが、このように補正を行うことにより第一空燃比変化時間から上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの影響を除去することができる。
本実施形態では、このようにして算出された修正空燃比変化時間ΔＴ1Mに基づいて、下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われる。具体的には、修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが、異常基準変化時間よりも長い場合、すなわち修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が発生していると判定する。
なお、異常基準変化時間は、例えば、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低いときに第一空燃比領域Ｘ内における変化時間が取り得る最低時間よりも僅かに長い時間とされる。そして、異常基準変化時間は、予め定められた値であってもよいし、復帰後リッチ制御中における機関回転数や機関負荷等の運転パラメータに応じて変化する値であってもよい。
逆に、修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが異常基準変化時間よりも短い場合には、すなわち修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常は発生しておらず、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定する。下流側空燃比センサ４１の異常診断をこのように行うことにより、上流側排気浄化触媒２０に劣化が生じても下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の異常を正確に診断することができるようになる。
なお、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づく第一空燃比変化速度の算出は第一変化速度算出手段により行われ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づく第二空燃比変化速度の算出は第二変化速度算出手段により行われる。また、第一空燃比変化速度及び第二空燃比変化速度に基づく下流側空燃比センサ４１の正常及び異常の判定は異常診断手段によって行われる。ＥＣＵ３１は、これら第一変化速度算出手段、第二変化速度算出手段及び異常診断手段として機能する。
また、本実施形態では、診断装置により下流側空燃比センサ４１に異常があると判定された場合には、内燃機関を搭載した車両において警告灯が点灯するように構成される。
加えて、上述したように、一点鎖線Ｃの場合及び二点鎖線Ｄの場合、すなわち第二空燃比変化時間が短い場合には、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高いものとなっている。したがって、これら場合には、上流側排気浄化触媒２０が劣化していると判定するようにしてもよい。具体的には、第二空燃比変化時間が予め定められた触媒異常判定変化時間よりも短い場合には、上流側排気浄化触媒２０が劣化していると判定される。なお、触媒異常判定変化時間は、必ずしも一定の値でなくてもよく、例えば、機関回転数及び機関負荷等の運転パラメータに応じて変化する値であってもよい。
さらに、上記実施形態では、第一空燃比変化時間ΔＴ1及び第二空燃比変化時間ΔＴ2に基づいて異常診断を行っている。しかしながら、第一空燃比変化速度を表すパラメータとして、第一空燃比変化時間ΔＴ1の代わりに、第一領域上限空燃比から第一領域下限空燃比を減算した値を第一空燃比変化時間で除算した第一空燃比変化速度Ｖ1を用いてもよい。また、第二空燃比変化速度を表すパラメータとして、第二空燃比変化時間ΔＴ2の代わりに、第二領域上限空燃比から第二領域下限空燃比を減算した値を第二空燃比変化時間で除算した第二空燃比変化速度Ｖ2を用いてもよい。
或いは、空燃比変化時間ΔＴ1及びΔＴ2の代わりに、出力空燃比が対応する空燃比領域の上限空燃比から下限空燃比まで変化する間に下流側空燃比センサ４１を通過した排気ガス量の積算値を用いてもよい。すなわち、第一空燃比変化時間ΔＴ1の代わりに、出力空燃比が第一空燃比領域の上限空燃比から下限空燃比まで変化する間に下流側空燃比センサ４１を通過した排気ガス量の積算値を用いてもよく、また、第二空燃比変化時間ΔＴ2の代わりに、出力空燃比が第二空燃比領域の上限空燃比から下限空燃比まで変化する間に下流側空燃比センサ４１を通過した排気ガス量の積算値を用いてもよい。この排気ガス量の積算値は、エアフロメータ３９の出力値から推定するようにしてもよいし、機関負荷及び機関回転数から推定するようにしてもよい。
加えて、上記実施形態では、第二空燃比変化時間ΔＴ2に基づいて補正値Ｍを算出すると共に、この補正値Ｍを第一空燃比変化時間ΔＴ1に加算することで、修正空燃比変化時間ΔＴ1Mを算出している。しかしながら、第二空燃比変化時間ΔＴ2に基づいて補正係数Ｋを算出すると共に、この補正係数Ｋを第一空燃比変化時間ΔＴ1に乗算することで、修正空燃比変化時間ΔＴ1Mを算出するようにしてもよい。この場合、第二空燃比変化時間ΔＴ2と補正係数Ｋとの関係は図９に示したようなものとなる。
＜第一空燃比領域及び第二空燃比領域＞
ところで、第一空燃比領域を第一領域上限空燃比とこれよりもリッチ側の第一領域下限空燃比との間の領域とすると、上述した例では、第一領域上限空燃比を１８、第一領域下限空燃比を１７としている。また、第二空燃比領域を第二領域上限空燃比とこれよりもリッチ側の第二領域下限空燃比との間の領域とすると、上述した例では、第二領域上限空燃比を１４．７程度、第二領域下限空燃比を１４．５程度としている。しかしながら、第一空燃比領域及び第二空燃比領域は必ずしもこれらの間の領域でなくてもよい。
まず、第一空燃比領域について説明する。第一空燃比領域は、基本的に、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じたときにその出力空燃比の変化速度が変化する領域であることが必要である。したがって、第一領域上限空燃比は、上流側排気浄化触媒２０から空気が排出されているときの出力空燃比よりも低いことが必要である。
加えて、下流側空燃比センサ４１として上述したように限界電流式空燃比センサを用いたときには、第一領域上限空燃比は、下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させ得る空燃比であることが必要である。例えば、図３に示した例では、下流側空燃比センサ４１における印加電圧を０．４Ｖとしたときには、排気空燃比が１８程度であれば限界電流が出力されるが、排気空燃比がそれ以上になると限界電流は出力されない。このように限界電流が出力されなくなると、実際の空燃比に対する出力電流の精度が悪化するため、空燃比の検出精度が低下する。そこで、第一領域上限空燃比は、下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させ得る空燃比とされ、図３に示したＶ−Ｉ特性を有する空燃比センサでは１８以下とされる。
或いは、下流側空燃比センサ４１として出力電流が大きくなるにつれて印加電圧を大きくするように構成されているセンサを用いた場合には、第一領域上限空燃比は、理論空燃比に相当する排気ガスを検出する際に限界電流が発生する印加電圧を印加したときに、限界電流が発生する上限リーン空燃比としてもよい。
また、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるタイミングは、上流側排気浄化触媒２０が吸蔵可能な酸素量（最大酸素吸蔵量）に応じて変化する。したがって、第一領域下限空燃比を理論空燃比よりも低く設定すると、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化が同程度であっても、上流側排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量に応じて変化する。したがって、第一領域下限空燃比は理論空燃比以上であることが必要である。特に、第一領域下限空燃比は理論空燃比よりもリーンであるのが好ましい。
加えて、下流側空燃比センサ４１として上述したように限界電流式空燃比センサを用いたときには、第一領域下限空燃比も、下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させ得る空燃比であることが必要である。したがって、図３に示したＶ−Ｉ特性を有する空燃比センサでは、１２以上とされる。なお、第一領域上限空燃比及び第一領域下限空燃比のいずれも下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させ得る空燃比であることが必要である点を考慮すると、第一空燃比領域は下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させる空燃比領域内の領域であるといえる。
次に、第二空燃比領域について説明する。第二空燃比領域は、基本的に、下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の有無にかかわらず、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じてその出力空燃比の変化速度が変化する領域であることが必要である。上述したように、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じて理論空燃比近傍における出力空燃比が変化することから、第二空燃比領域は理論空燃比を含むことが好ましい。
したがって、第二領域上限空燃比は、理論空燃比以上（例えば、１４．７、１７等）であることが必要とされる。また、上述した第一領域上限空燃比と同様に、上流側排気浄化触媒２０から空気が排出されているときの出力空燃比よりも低いことが必要である。加えて、下流側空燃比センサ４１として限界電流式空燃比センサを用いたときには、第二領域空燃比は、下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させ得る空燃比であることが必要である。さらに、第二空燃比変化速度に、第一空燃比領域における空燃比変化速度の影響が入ることを防止するために、第二領域上限空燃比は第一領域下限空燃比以下、或いは第一領域下限空燃比よりもリッチ（低い）であることが好ましい。
一方、第二領域下限空燃比は、理論空燃比以下であることが必要とされる。また、復帰後リッチ制御の終了タイミングを、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リッチな終了判定空燃比に達したときとしている場合には、終了判定空燃比を第二領域下限空燃比としてもよい。加えて、下流側空燃比センサ４１として上述したように限界電流式空燃比センサを用いたときには、第二空燃比領域も下流側空燃比センサ４１が限界電流を発生させる空燃比領域内の領域とされる。
なお、第一空燃比領域及び第二空燃比領域の関係を概略的に説明すると、本実施形態では、第一空燃比領域は第二空燃比領域よりもリーンな空燃比領域を含むのが好ましく、第二空燃比領域は第一空燃比領域よりもリッチな空燃比領域を含むのが好ましいといえる。
＜フローチャート＞
図１０は、変化時間算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
まず、ステップＳ１１において、異常診断が未了であるか否かが判定される。異常診断が既に終了している場合には異常診断のために変化時間を算出する必要がないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１１において、異常診断が未了であると判定された場合にはステップＳ１２へと進む。
次いで、ステップＳ１２において、現在、燃料カット制御中であるか否かが判定される。未だ燃料カット制御が行われていないときには、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、条件成立フラグが１であるか否かが判定される。条件成立フラグは、変化時間算出の実行条件が成立したときに１とされ、成立していないときに０とされるフラグである。未だ燃料カット制御が行われていないときには、変化時間算出の実行条件は成立していないため、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、燃料カット制御が行われると、ステップＳ１２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の出力空燃比ＡＦが、第一空燃比領域Ｘの上限空燃比Ｘｕｐ以上である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が第一領域上限空燃比Ｘｕｐよりも低いと判定された場合には、第一空燃比領域Ｘにおける変化時間の算出ができないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第一領域上限空燃比Ｘｕｐ以上であると判定された場合にはステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、条件成立フラグが１とされる。
その後、燃料カット制御が終了せしめられると、ステップＳ１２から再びステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、条件成立フラグが１であると判定され、変化時間の算出を行うべくステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６〜Ｓ１８では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが、第一空燃比領域Ｘ（第一領域上限空燃比Ｘｕｐ〜第一領域下限空燃比Ｘｌｏｗ）内にあるか（ステップＳ１６）、第二空燃比領域Ｙ（第二領域上限空燃比Ｙｕｐ〜第二領域下限空燃比Ｙｌｏｗ）内にあるか（ステップＳ１７）、或いはこれら両領域Ｘ、Ｙを共に通過して第二領域下限空燃比Ｙｌｏｗよりも低い値となっているか（ステップＳ１８）が判定される。
ステップＳ１６〜Ｓ１８において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第一空燃比領域Ｘ内にあると判定された場合には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、暫定第一空燃比変化時間ΔＴ1’に１が加算される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第一空燃比領域Ｘ内にある間はステップＳ１９へ繰り返し進むため、この間、暫定第一空燃比変化時間ΔＴ1’が増加する。その結果、出力空燃比ＡＦが第一空燃比領域Ｘ内にある時間が算出されることになる。
また、ステップＳ１６〜Ｓ１８において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第二空燃比領域Ｙ内にあると判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2’に１が加算される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが第二空燃比領域Ｙ内にある間はステップＳ２０へ繰り返し進むため、この間、暫定第二空燃比変化時間ΔＴ1’が増加する。その結果、出力空燃比ＡＦが第二空燃比領域Ｙ内にある時間が算出されることになる。次いで、ステップＳ２１では、暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2’が基準時間Ｔ２ｒｅｆ以上であるか否かが判定される。暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2’が基準時間Ｔ２ｒｅｆよりも小さいときには制御ルーチンが終了せしめられ、暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2’の増加が繰り返される。
一方、ステップＳ２１において、暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2’が基準時間Ｔ２ｒｅｆ以上であると判定されたときには、それ以上暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2’を増大させも時間ΔＴ2に基づいて算出される補正値Ｍはゼロのまま変化しない。このため、空燃比変化時間の算出が完了せしめられ、ステップＳ２２へと進んで算出完了フラグが１とされる。加えて、ステップＳ２２では、この時の暫定第一空燃比変化時間ΔＴ1の値及び暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2の値が、それぞれ第一空燃比変化時間ΔＴ1及び第二空燃比変化時間ΔＴ2とされる。なお、算出完了フラグは、時間ΔＴ1及び時間ΔＴ2の算出が完了するまでは０とされ、算出が完了すると１とされるフラグである。
一方、ステップＳ１６〜Ｓ１８において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦが両領域Ｘ、Ｙを共に通過して第二領域下限空燃比Ｙｌｏｗよりも低い値となっていると判定された場合にはステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、空燃比変化時間の算出は既に完了せしめられていることから、算出完了フラグが１とされる。加えて、ステップＳ２３でも、この時の暫定第一空燃比変化時間ΔＴ1の値及び暫定第二空燃比変化時間ΔＴ2の値が、それぞれ第一空燃比変化時間ΔＴ1及び第二空燃比変化時間ΔＴ2とされる。
図１１は、異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。異常診断制御では、図１０に示した変化時間算出制御によって算出された変化時間が利用される。
図１１に示したように、まずステップＳ３１では、異常診断が未了であるか否かが判定される。異常診断が既に終了している場合には、異常診断を再度する必要がないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３１において、異常診断が未了である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、算出完了フラグが１であるか否かが判定される。図１０のステップＳ２２又はＳ２３により、算出完了フラグが１にセットされるまでは、算出完了フラグが１ではないとして制御ルーチンが終了せしめられる。一方、算出完了フラグが１にセットされると、ステップＳ３３へと進む。ステップＳ３３では、図１０のステップＳ２２又はＳ２４において算出された変化時間ΔＴ2に基づいて、図８に示したようなマップを用いて補正値Ｍが算出される。次いでステップＳ３４では、図１０のステップＳ２２又はＳ２４において算出された変化時間ΔＴ1にステップＳ３３で算出された補正値Ｍを加算して修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが算出される。
次いで、ステップＳ３５では、修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが異常基準変化時間ΔＴ１ｒｅｆ以上であるか否かが判定される。修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが異常基準変化時間ΔＴ１ｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ３６へと進み、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が発生していると判定される。一方、修正空燃比変化時間ΔＴ1Mが異常基準変化時間ΔＴ１ｒｅｆよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ３７へと進み、下流側空燃比センサ４１には応答性劣化の異常は生じておらず、正常であると判定される。
なお、図１０及び図１１に示した制御ルーチンにおける条件成立フラグ及び算出完了フラグは、例えば、内燃機関を搭載した車両のイグニッションキーがＯＦＦにされた時等に０にリセットされる。
＜第二実施形態＞
次に、図１２を参照して、本発明の第二実施形態に係る診断装置について説明する。第二実施形態に係る診断装置は、基本的に第一実施形態に係る診断装置と同様に構成される。しかしながら、第一実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の変化速度（変化時間）のみに基づいて異常診断が行われているのに対して、第二実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の積算値（積分値）にも基づいて異常診断が行われる。
下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の応答性劣化の有無については、出力空燃比の積算値も、空燃比変化速度と同様な傾向を示す。この様子を、図１２に示す。
図１２は、図７と同様なタイムチャートである。図１２のＩ1Aは、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合（実線Ａ）に、出力空燃比が初めて第一空燃比領域Ｘ内を通過するときの出力空燃比の積算値である。また、図１２のＩ1Bは、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じており且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合（実線Ｂ）に、出力空燃比が初めて第一空燃比領域Ｘ内を通過するときの出力空燃比の積算値である。さらに、図１２のＩ1Cは、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合（一点鎖線Ｃ）に、出力空燃比が初めて第一空燃比領域Ｘ内を通過するときの出力空燃比の積算値である。
これら積算値Ｉ1A、Ｉ1B、Ｉ1Cを比較すると、積算値Ｉ1Bは積算値Ｉ1Aよりも大きい。したがって、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じると、第一空燃比領域Ｘ内を通過するときの出力空燃比の積算値は大きくなることがわかる。また、積算値Ｉ1Cは積算値Ｉ1Aよりも小さい。したがって、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高くなると、第一空燃比領域Ｘ内を通過するときの出力空燃比の積算値は小さくなることがわかる。
一方、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合（二点鎖線Ｄ）には、出力空燃比は第一空燃比領域Ｘ内において実線Ａと同様な挙動を示す。このため、実線Ａで示したような場合と二点鎖線Ｄで示したような場合は、出力空燃比が初めて第一空燃比領域Ｘ内を通過するときの出力空燃比の積算値（以下、「第一空燃比積算値」という）は同程度となる。
このように、第一空燃比積算値も、第一空燃比変化速度と同様な傾向を示すことがわかる。そこで、本実施形態では、第一空燃比積算値に基づいて下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われる。具体的には、上記第一実施形態と同様に第二空燃比変化速度（第二空燃比変化時間）に基づいて算出された補正値を第一空燃比積算値に加えて修正空燃比積算値とする。そして、修正空燃比積算値が、異常基準積算値以上である場合には下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が発生していると判定する。逆に、修正空燃比積算値が、異常基準積算値よりも小さい場合には下流側空燃比センサ４１には応答性劣化の異常が発生していないと判定する。
また、本実施形態では、第二空燃比変化時間が短いほど修正空燃比積算値が大きくなるように第一空燃比積算値が補正される。換言すると、本実施形態では、第二空燃比変化速度が速いほど修正空燃比積算値が大きくなるように第一空燃比積算値が補正される。下流側空燃比センサ４１の異常診断をこのように行うことにより、上記第一実施形態と同様に、上流側排気浄化触媒２０に劣化が生じても下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の異常を正確に診断することができるようになる。
＜第三実施形態＞
次に、図１３を参照して、本発明の第二実施形態に係る診断装置について説明する。第三実施形態に係る診断装置は、基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る診断装置と同様に構成される。しかしながら、第一実施形態及び第二実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第二空燃比領域Ｙ内を通過するときの変化速度（変化時間）に基づいて異常診断が行われているのに対して、第三実施形態では、下流側空燃比センサ４１が収束するときの空燃比である収束出力空燃比に基づいて異常診断が行われる。
図１３は、図７と同様なタイムチャートである。ただし、図１３に示した例では、復帰後リッチ制御は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が終了判定空燃比に達しても終了されずに継続せしめられている。
図１３の実線Ａ及び破線Ｂはいずれも上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合を示しているが、この場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比に収束することがわかる。これは、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合には、上流側排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されており、この吸蔵されていた酸素により上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の未燃ガスが浄化されるためである。
一方、図１３の一点鎖線Ｃ及び二点鎖線Ｄはいずれも上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合を示している。図１３からわかるように、この場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比、より正確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と同一な空燃比に収束する。これは、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合には、上流側排気浄化触媒２０にはほとんど酸素が吸蔵されておらず、その結果、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスがそのまま上流側排気浄化触媒２０から流出することによるものである。
斯かる現象を考慮して、本実施形態では、以下のように下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う。まず、第一実施形態又は第二実施形態と同様に、第一空燃比変化時間ΔＴ1を算出する。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う際には、復帰後リッチ制御を、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が終了判定空燃比に達しても終了させずに継続させる。そして、燃料カット制御の終了後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が最初に収束するときの空燃比が検出される。
図１４は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が最初に収束するときを示すタイムチャートであり、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比とその低下速度の推移を示している。図中の実線Ａは、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合の推移を表している。同様に、図中の破線Ｃは、下流側空燃比センサ４１に応答性劣化が生じておらず且つ上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合の推移を表している。
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の収束は、出力空燃比の低下速度に基づいて判定される。図１３に示した例では、出力空燃比の低下速度が予め定められた基準速度Ｖｒｅｆ以下に低下したときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が収束したものと判定される。そして、このように出力空燃比が収束したと判定されたときの出力空燃比が、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が最初に収束したときの出力空燃比（以下、「収束出力空燃比」という）とされる。なお、基準速度Ｖｒｅｆは、復帰後リッチ制御中における機関回転数や機関負荷等の運転パラメータに応じて変化する値であってもよい。
図１４に実線Ａで示した例では、時刻ｔ11において出力空燃比が収束したと判定されると共に、このときの出力空燃比ＡＦt11が収束出力空燃比とされる。本実施形態では、このように燃料カット制御終了後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が最初に収束したときの収束出力空燃比が理論空燃比以上である場合には、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは低いとして、第一空燃比変化速度の補正は行わない。
一方、図１４に一点鎖線Ｃで示した例では、時刻ｔ12において出力空燃比が収束したと判定されると共に、このときの出力空燃比ＡＦt12が収束時の出力空燃比とされる。本実施形態では、このように燃料カット制御終了後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が最初に収束したときの収束出力空燃比が理論空燃比よりも低い場合には、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは高いとして、第一空燃比変化速度の補正が行われる。特に、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比に収束した場合には、補正値Ｍが予め定められた値とされる。
そして、第一実施形態と同様に、このようにして算出された補正値Ｍを用いて第一空燃比変化速度が補正されて修正空燃比変化速度が求められ、この修正空燃比変化速度に基づいて下流側空燃比センサ４１の異常診断が行われる。具体的には、第一実施形態と同様に、補正値Ｍは、第一空燃比変化時間ΔＴ1に加算され、このようにして算出されたものが修正空燃比変化時間ΔＴ1M（＝ΔＴ1＋Ｍ）とされる。
本実施形態によれば、下流側空燃比センサ４１の異常診断をこのように行うことにより、上記第一実施形態及び第二実施形態と同様に、上流側排気浄化触媒２０に劣化が生じても下流側空燃比センサ４１の応答性劣化の異常を正確に診断することができるようになる。
なお、上述したように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う際には、復帰後リッチ制御は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が終了判定空燃比に達しても終了されずに継続せしめられる。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行わないときには、復帰後リッチ制御は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が終了判定空燃比に達したときに終了せしめられる。
加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が終了判定空燃比に達した後も復帰後リッチ制御を継続させる場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が収束したものと判定されたときに復帰後リッチ制御を終了させるようにしている（図１３で示した例では、時刻ｔ12において復帰後リッチ制御が終了せしめられている）。なお、異常診断を行う際の復帰後リッチ制御の終了タイミングは、必ずしも出力空燃比が収束判定されたときでなくてもよく、例えば、復帰後リッチ制御開始時からの経過時間又は総吸入空気量等が予め定められた所定値に到達したときとされてもよい。
また、本実施形態では、第一空燃比変化速度（第一空燃比変化時間ΔＴ1）の代わりに、上記第二実施形態と同様に、第一空燃比積算値を用いて下流側空燃比センサ４１の以上診断を行ってもよい。
この場合、収束出力空燃比に基づいて算出された補正値を第一空燃比積算値に加えて修正空燃比積算値とし、この修正空燃比積算値が異常基準積算値以上である場合には下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が発生していると判定する。逆に、修正空燃比積算値が異常基準積算値よりも小さい場合には下流側空燃比センサ４１に応答性劣化の異常が発生していないと判定する。
１ 機関本体
５ 燃焼室
６ 吸気弁
８ 排気弁
１１ 燃料噴射弁
１９ 排気マニホルド
２０ 上流側排気浄化触媒
２１ 上流側ケーシング
２３ 下流側ケーシング
２４ 下流側排気浄化触媒
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 下流側空燃比センサ

Claims (19)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に流入する排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを具備し、燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、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する内燃機関の診断装置において、
    前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比以上の一部の空燃比領域である第一空燃比領域を最初に通過するときの第一空燃比変化特性を算出する第一変化特性算出手段と、
    前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比を含み且つ前記第一空燃比領域とは異なる第二空燃比領域を最初に通過するときの第二空燃比変化特性を算出する第二変化特性算出手段と、
    前記第一変化特性算出手段によって算出された第一空燃比変化特性と前記第二変化特性算出手段によって算出された第二空燃比変化特性とに基づいて前記空燃比センサの異常を診断する異常診断手段とを備える、内燃機関の診断装置。
  2. 前記異常診断手段は、前記第二空燃比変化特性に基づいて前記第一空燃比変化特性を補正して修正空燃比変化特性を算出すると共に、該修正空燃比変化特性に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する、請求項１に記載の内燃機関の診断装置。
  3. 前記第一空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第一空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第一空燃比変化速度であり、
    前記異常診断手段は、前記第一空燃比変化速度を前記第二空燃比変化特性に基づいて補正して算出された修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には前記空燃比センサは正常であると判定する、請求項２に記載の内燃機関の診断装置。
  4. 前記第二空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度であり、
    前記異常診断手段は、前記修正空燃比変化速度を算出するにあたり、前記第二空燃比変化速度が速いほど前記修正空燃比変化速度が遅くなるように前記第一空燃比変化速度を補正する、請求項３に記載の内燃機関の診断装置。
  5. 前記第一空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第一空燃比領域内にあるときの該出力空燃比を積算した第一空燃比積算値であり、
    前記異常診断手段は、前記第一空燃比積算値を前記第二空燃比変化特性に基づいて補正して算出された修正空燃比積算値が異常基準積算値以上である場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比積算値が異常基準積算値よりも小さい場合には前記空燃比センサは正常であると判定する、請求項２に記載の内燃機関の診断装置。
  6. 前記第二空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度であり、
    前記異常診断手段は、前記修正空燃比積算値を算出するにあたり、前記第二空燃比変化速度が速いほど前記修正空燃比積算値が大きくなるように前記第一空燃比積算値を補正する、請求項５に記載の内燃機関の診断装置。
  7. 前記第二空燃比領域は理論空燃比よりもリーンな第二領域上限空燃比と理論空燃比よりもリッチ側な第二領域下限空燃比との間の領域である、請求項４又は６に記載の内燃機関の診断装置。
  8. 前記異常診断手段は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域に進入してから一定時間以上経過したときには、前記第二空燃比変化速度に基づく第一空燃比変化速度又は空燃比積算値の補正は実行しない、請求項７に記載の内燃機関の診断装置。
  9. 前記空燃比センサは、該空燃比センサを通過する排気ガスの空燃比が所定空燃比領域内にあるときに限界電流を出力する限界電流式空燃比センサであり、前記第一空燃比領域及び前記第二空燃比領域は、前記空燃比センサが限界電流を発生させる前記所定空燃比領域内である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の診断装置。
  10. 前記第一空燃比領域は、第一領域上限空燃比と該第一領域上限空燃比よりもリッチ側の第一領域下限空燃比との間の領域であり、前記第二空燃比領域は、第二領域上限空燃比と該第二領域上限空燃比よりもリッチ側な第二領域下限空燃比との間の領域であり、前記第二領域上限空燃比は前記第一領域下限空燃比以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の診断装置。
  11. 前記第二空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度であり、
    前記異常診断手段は、前記第二空燃比変化速度が触媒異常判定変化速度よりも速いと判定された場合には、前記排気浄化触媒が劣化していると判定する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の診断装置。
  12. 内燃機関の排気通路に配置されると共に流入する排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを具備し、燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、燃料カット制御の終了後に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する内燃機関の診断装置において、
    前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比以上の一部の空燃比領域を最初に通過するときの空燃比変化特性を算出する変化特性算出手段と、
    前記空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、該空燃比センサの出力空燃比の変化速度が基準速度以下になったときの出力空燃比を収束出力空燃比として検出する収束空燃比検出手段と、
    前記変化特性算出手段によって算出された空燃比変化特性と前記収束空燃比検出手段によって検出された収束出力空燃比とに基づいて前記空燃比センサの異常を診断する異常診断手段とを備える、内燃機関の診断装置。
  13. 前記異常診断手段は、前記収束空燃比検出手段によって検出された収束出力空燃比がリッチ空燃比である場合には前記空燃比変化特性を補正して修正空燃比変化特性を算出すると共に、該修正空燃比変化特性に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する、請求項１２に記載の内燃機関の診断装置。
  14. 前記空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である空燃比変化速度であり、
    前記異常診断手段は、前記空燃比変化速度を補正して算出された修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には前記空燃比センサは正常であると判定する、請求項１３に記載の内燃機関の診断装置。
  15. 前記空燃比変化特性は、前記空燃比センサの出力空燃比が前記空燃比領域内にあるときの該出力空燃比を積算した空燃比積算値であり、
    前記異常診断手段は、前記空燃比積算値を補正して算出された修正空燃比積算値が異常基準積算値以上である場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記修正空燃比積算値が異常基準積算値よりも小さい場合には前記空燃比センサは正常であると判定する、請求項１３に記載の内燃機関の診断装置。
  16. 前記復帰後リッチ制御は、前記空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチである終了判定空燃比以下になったときに終了せしめられ、
    前記収束空燃比検出手段によって収束出力空燃比を検出するときには、前記燃料カット制御の終了後、前記空燃比センサの出力空燃比の変化速度が基準速度になるまでは、前記空燃比センサの出力空燃比が前記終了判定空燃比に到達しても前記復帰後リッチ制御は継続される、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の内燃機関の診断装置。
  17. 前記異常診断手段による判定を行わないときには、前記収束空燃比検出手段による収束出力空燃比の検出は行われず、前記燃料カット制御の終了後、前記空燃比センサの出力空燃比の変化速度が基準速度になっていなくても前記空燃比センサの出力空燃比が前記終了判定空燃比に到達していれば復帰後リッチ制御は終了せしめられる、請求項１６に記載の内燃機関の診断装置。
  18. 内燃機関の排気通路に配置されると共に流入する排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを具備し、燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御と、燃料カット制御の終了後に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する内燃機関の診断装置において、
    空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比以上の一部の空燃比領域である第一空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第一空燃比変化速度を算出する第一変化速度算出手段と、
    空燃比センサから出力される出力空燃比に基づいて、前記燃料カット制御の終了後、空燃比センサの出力空燃比が、前記第一空燃比領域とは異なる第二空燃比領域を最初に通過するときの変化速度である第二空燃比変化速度を算出する第二変化速度算出手段と、
    前記第一変化速度算出手段によって算出された第一空燃比変化速度を前記第二変化速度算出手段によって算出された第二空燃比変化速度に基づいて補正して算出された修正空燃比変化速度に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する異常診断手段とを備え、
    前記異常診断手段は、前記第二空燃比変化速度が速いほど前記修正空燃比変化速度が遅くなるように前記第一空燃比変化速度を補正し、前記修正空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも遅い場合には前記空燃比センサに異常があると判定し、前記第二空燃比変化速度に基づいて補正された第一空燃比変化速度が異常基準変化速度よりも速い場合には前記空燃比センサは正常であると判定する、内燃機関の診断装置。
  19. 前記空燃比センサの異常診断において、前記空燃比センサに異常があると判定されたときには、警告灯が点灯せしめられる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の内燃機関の診断装置。
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