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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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を低下させるように(設定可能な目標空燃比の下限値を増大させるように)、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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。