JP7534092B2 - 下流側空燃比検出装置の異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は下流側空燃比検出装置の異常診断装置に関する。

従来、酸素を吸蔵可能な触媒を内燃機関の排気通路に配置し、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を触媒において浄化することが知られている。

しかしながら、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量近傍であるときには、理論空燃比よりもリーンな空燃比の排気ガスに対する触媒の浄化性能が低下する。この結果、触媒からＮＯｘが流出し、触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになる。

一方、触媒の酸素吸蔵量がゼロ近傍であるときには、理論空燃比よりもリッチな空燃比の排気ガスに対する触媒の浄化性能が低下する。この結果、触媒からＨＣ及びＣＯが流出し、触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになる。

このため、排気エミッションの悪化を抑制するためには、触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の出力に基づいて混合気の空燃比をフィードバック制御することが望ましい。しかしながら、斯かる下流側空燃比検出装置は、使用に伴って徐々に劣化し、その応答特性が悪化する場合がある。

これに対して、特許文献１に記載の劣化診断装置では、燃料カットが実施されるときの下流側空燃比検出装置の出力に基づいて、下流側空燃比検出装置の劣化が判定される。また、触媒の酸素ストレージ作用の影響を低減すべく、燃料カットが開始されてから酸素が下流側空燃比検出装置に到達するまでの吸入空気量の積算値のようなパラメータ値が閾値未満である場合には、下流側空燃比検出装置の劣化判定が禁止される。

特開２０１２－５２４６２号公報

しかしながら、上記の手法では、燃料カットの実施時にのみ下流側空燃比検出装置の劣化が判定されるため、所望のタイミングで異常診断を行うことができない。また、燃料カット以外のときに異常診断が行われる場合には、吸入空気量の積算値のようなパラメータ値が閾値以上であったとしても、異常診断時の触媒の酸素吸蔵量は混合気の空燃比に応じて変化する。このため、上記の手法では、触媒の酸素ストレージ作用の影響を低減することが困難である。

さらに、上記の手法では、下流側空燃比検出装置の上流側に一つの触媒が配置されることが想定されている。このため、下流側空燃比検出装置の上流側に複数の触媒が配置された場合に、複数の触媒が下流側空燃比検出装置の出力に与える影響が一切考慮されていない。したがって、下流側空燃比検出装置の異常診断の手法には改善の余地がある。

上記課題に鑑みて、本発明の目的は、触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の異常診断の信頼性を向上させることにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路において触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の異常診断装置であって、前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を制御する空燃比制御部と、前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比を変化させたときの前記下流側空燃比検出装置の出力変化特性に基づいて、該下流側空燃比検出装置の異常を判定する異常判定部と、前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比を変化させたときの前記触媒の酸素吸蔵量の変化量を算出する酸素変化量算出部とを備え、前記触媒が、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ機能を有する四元触媒であり、前記異常判定部は、前記酸素吸蔵量の変化量が下限閾値未満である場合に、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定せず、前記酸素吸蔵量の変化量が前記下限閾値よりも大きな上限閾値よりも大きい場合にも、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定しない、下流側空燃比検出装置の異常診断装置。

（２）前記下流側空燃比検出装置は複数の触媒の下流側に配置され、前記酸素変化量算出部は、前記複数の触媒のそれぞれについて、前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比を変化させたときの酸素吸蔵量の変化量を算出し、前記複数の触媒の少なくとも一つが、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ機能を有する四元触媒であり、前記異常判定部は、前記四元触媒の前記酸素吸蔵量の変化量が前記下限閾値未満である場合に、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定せず、前記四元触媒の前記酸素吸蔵量の変化量が前記下限閾値よりも大きな上限閾値よりも大きい場合にも、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定しない、上記（１）に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。

（３）前記排気通路において前記触媒の上流側に配置された上流側空燃比検出装置を更に備え、前記酸素変化量算出部は前記上流側空燃比検出装置の出力値と前記下流側空燃比検出装置の出力値との差と、吸入空気量又は吸入空気量と相関する所定のパラメータとの積に基づいて前記酸素吸蔵量の変化量を算出する、上記（１）に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。

（４）前記排気通路において前記複数の触媒のそれぞれの上流側に配置された上流側空燃比検出装置を更に備え、前記酸素変化量算出部は、前記複数の触媒のそれぞれについて、該触媒の両側に配置された空燃比検出装置の出力値の差と、吸入空気量又は吸入空気量と相関する所定のパラメータとの積に基づいて前記酸素吸蔵量の変化量を算出する、上記（２）に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。

（５）前記異常判定部は、前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比を変化させたときに前記四元触媒において粒子状物質が燃焼したと判定した場合にも、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定しない、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。

本発明によれば、触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の異常診断の信頼性を向上させることができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る下流側空燃比検出装置の異常診断装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、三元触媒の浄化特性を示す。 図３は、第１空燃比センサの電圧－電流特性を示す図である。 図４は、センサ印加電圧が０．４５Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。 図５は、本発明の第一実施形態に係る異常診断装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図６は、混合気の目標空燃比を変化させたときの第１空燃比センサの出力値及び第３空燃比センサの出力値のタイムチャートである。 図７は、第３空燃比センサの異常診断時の混合気の目標空燃比等のタイムチャートである。 図８は、第一実施形態において第３空燃比センサの異常判定が許可される領域を示す図である。 図９は、第一実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、混合気の目標空燃比を変化させたときの第３空燃比センサの出力値のタイムチャートである。 図１１は、第二実施形態において第３空燃比センサの異常判定が許可される領域を示す図である。 図１２は、第二実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、混合気の目標空燃比を変化させたときの第１空燃比センサの出力値及び第３空燃比センサの出力値のタイムチャートである。 図１４は、第三実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、本発明の第四実施形態に係る異常診断装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図１６は、第四実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

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。

＜第一実施形態＞
最初に図１～図９を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜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下流側空燃比検出装置の異常診断装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、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。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。

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等は、空気を燃焼室５に導く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、第１触媒２０を内蔵した第１ケーシング２１に連結される。第１ケーシング２１は、排気管２２を介して、第２触媒２３を内蔵した第２ケーシング２４に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、第１ケーシング２１、排気管２２、第２ケーシング２４等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。第１触媒２０は最も上流側に配置された触媒であり、第２触媒２３は最も下流側に配置された触媒である。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて内燃機関の各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１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を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、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、第１触媒２０の上流側の排気通路（排気マニホルド１９の集合部）には、内燃機関の燃焼室５から排出されて第１触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を検出する第１空燃比センサ４０が配置される。第１空燃比センサ４０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、第１触媒２０の下流側且つ第２触媒２３の上流側の排気通路（第１触媒２０と第２触媒２３との間の排気管２２内）には、第１触媒２０から流出して第２触媒２３に流入する排気ガスの空燃比を検出する第２空燃比センサ４１が配置される。第２空燃比センサ４１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、第２触媒２３の下流側の排気通路（第２触媒２３の下流側の排気管２２内）には、第２触媒２３から流出する排気ガスの空燃比を検出する第３空燃比センサ４２が配置される。第３空燃比センサ４２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、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４３には、アクセルペダル４３の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４４が接続され、負荷センサ４４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。ＥＣＵ３１は負荷センサ４４の出力に基づいて機関負荷を算出する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４５が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４５の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路４６を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、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、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、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。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された第１触媒２０及び第２触媒２３は同様な構成を有する。このため、以下、第１触媒２０について説明する。第１触媒２０は、酸素を吸蔵可能であり、例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。第１触媒２０は、セラミック、金属等から成る担体と、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等）と、酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えばセリア（ＣｅＯ₂）等）とを有する。貴金属及び助触媒は担体に担持される。

図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、第１触媒２０によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率は、は、第１触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、第１触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。

また、第１触媒２０は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、第１触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、第１触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、ＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、第１触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、第１触媒２０においてＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが効果的に浄化される。

＜空燃比センサの出力特性＞
排気通路に配置された第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２は同様な構成を有する。このため、以下、図３及び図４を参照して、第１空燃比センサ４０の出力特性について説明する。

図３は、第１空燃比センサ４０の電圧－電流（Ｖ－Ｉ）特性を示す図である。図３からわかるように、第１空燃比センサ４０では、出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各空燃比におけるＶ－Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、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。したがって、第１空燃比センサ４０は限界電流式の空燃比センサである。

図４は、センサ印加電圧が０．４５Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。すなわち、図４には、図３の破線上の点における排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係が示される。図４からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、第１空燃比センサ４０の出力電流Ｉはゼロとなる。また、第１空燃比センサ４０では、排気ガスの空燃比が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、第１空燃比センサ４０の出力電流Ｉが大きくなる。したがって、第１空燃比センサ４０の出力（出力電流Ｉ）は排気ガスの空燃比に比例して大きくなり、第１空燃比センサ４０は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。

＜下流側空燃比検出装置の異常診断装置＞
しかしながら、第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２のような空燃比検出装置は、使用に伴って徐々に劣化し、その応答特性が悪化する場合がある。特に、触媒から流出する排気ガスの状態を精度良く推測するためには、触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の劣化状態を監視する必要がある。

そこで、本実施形態では、下流側空燃比検出装置の異常を診断する下流側空燃比検出装置の異常診断装置（以下、単に「異常診断装置」という）が内燃機関に設けられる。図５は、本発明の第一実施形態に係る異常診断装置１の構成を概略的に示すブロック図である。異常診断装置１は、第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１、空燃比制御部７１、異常判定部７２及び酸素変化量算出部７３を備え、第３空燃比センサ４２の異常を診断する。第１空燃比センサ４０及び第２空燃比センサ４１は上流側空燃比検出装置の一例であり、第３空燃比センサ４２は下流側空燃比検出装置の一例である。また、本実施形態では、ＥＣＵ３１が、空燃比制御部７１、異常判定部７２及び酸素変化量算出部７３として機能する。

空燃比制御部７１は、内燃機関の燃焼室５内の混合気の空燃比、すなわち燃焼室５から排気通路に排出される排気ガスの空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部７１は、混合気の目標空燃比を設定し、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。例えば、空燃比制御部７１は、第１空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量をフィードバック制御する。ここで、空燃比センサの出力空燃比とは、空燃比センサの出力値に相当する空燃比、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。

なお、空燃比制御部７１は、第１空燃比センサ４０を用いることなく、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部７１は、燃料噴射弁１１の燃焼噴射量と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量を燃料噴射弁１１から燃焼室５に供給する。

第一実施形態では、第３空燃比センサ４２の異常が診断されるとき、空燃比制御部７１は混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。具体的には、空燃比制御部７１は混合気の目標空燃比を理論空燃比から理論空燃比よりもリーンな値に切り替える。

異常判定部７２は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときの第３空燃比センサ４２の出力変化特性に基づいて、第３空燃比センサ４２の異常を判定する。第３空燃比センサ４２の応答特性が悪化すると、第３空燃比センサ４２に流入する排気ガスの空燃比が変化したときに、第３空燃比センサ４２の出力の変化が遅くなる。このため、異常判定部７２は、例えば、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するときの時間が基準値よりも長い場合に、第３空燃比センサ４２が異常であると判定する。所定の出力区間及び基準値は混合気の目標空燃比に基づいて設定される。

ところで、図１に示されるように、第３空燃比センサ４２は内燃機関の排気通路において複数の触媒（第１触媒２０及び第２触媒２３）の下流側に配置される。このため、第３空燃比センサ４２の出力は第１触媒２０及び第２触媒２３における排気浄化の影響を受ける。

図６は、混合気の目標空燃比を変化させたときの第１空燃比センサ４０の出力値及び第３空燃比センサ４２の出力値のタイムチャートである。図６には、混合気の目標空燃比が破線で示され、第１空燃比センサ４０の出力値が実線で示される。また、図６には、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合の第３空燃比センサ４２の出力値が一点鎖線で示され、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合の第３空燃比センサ４２の出力値が二点鎖線で示される。

図６の例では、時刻ｔ０において混合気の目標空燃比が理論空燃比に設定されている。このため、時刻ｔ０において、第１空燃比センサ４０及び第３空燃比センサ４２の出力値はゼロとなる。その後、時刻ｔ１において、異常診断のために混合気の目標空燃比が理論空燃比から理論空燃比よりもリーンな値に切り替えられる。これに伴い、時刻ｔ１の後、第１空燃比センサ４０の出力値が目標空燃比に向かって変化する。このとき、排気ガスが入れ替わるのに時間を要するため、第１空燃比センサ４０の出力値は目標空燃比の変化に対して遅れて変化する。

一方、第３空燃比センサ４２には、第１触媒２０及び第２触媒２３を通過した排気ガスが流入する。第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が適切な値であるときには、酸素の吸蔵によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられる。この結果、排気ガス中のＮＯｘは第１触媒２０及び第２触媒２３において浄化され、第３空燃比センサ４２の出力値は理論空燃比に維持される。

第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ないほど、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに第１触媒２０及び第２触媒２３に吸蔵可能な酸素の量は多くなる。このため、第３空燃比センサ４２の出力値が理論空燃比に維持される時間は、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ないほど長くなる。

異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達するまでの時間が短くなる。この結果、時刻ｔ２において、第３空燃比センサ４２の出力値が目標空燃比に向かって変化し始める。このとき、第１空燃比センサ４０の出力値は目標空燃比に未だ達していない。このため、第３空燃比センサ４２の出力値の変化が遅くなる。

一方、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達するまでの時間が長くなる。この結果、時刻ｔ２よりも後の時刻ｔ３において、第３空燃比センサ４２の出力値が目標空燃比に向かって変化し始める。このとき、第１空燃比センサ４０の出力値は目標空燃比に達している。このため、第３空燃比センサ４２の出力値の変化が早くなる。

図６に示されるように、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合には、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間（図６の例ではＩａ～Ｉｂ）を通過するときの時間がＴ１となる。一方、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合には、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するときの時間がＴ２となる。第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合の時間Ｔ１は、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合の時間Ｔ２よりも長い。

このため、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合には、第３空燃比センサ４２が正常であっても、第３空燃比センサ４２の応答特性が悪化していると判定されるおそれがある。したがって、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合、すなわち、混合気の空燃比をリーン側に変化させたときの第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量が小さい場合には、第３空燃比センサ４２の異常が誤判定されるおそれがある。

また、内燃機関の気筒間で空燃比のバラツキ（いわゆるインバランス）が生じることがある。この結果、第３空燃比センサ４２が特定の気筒の排気ガスの影響を強く受ける場合に、第３空燃比センサ４２の出力が排気ガス全体の平均空燃比からずれる場合がある。混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリーンに変更された場合、インバランスの影響は、第１触媒２０及び第２触媒２３のそれぞれに排気ガス中の酸素を吸蔵させることで低減可能である。

このため、異常診断の精度を向上させるためには、第１触媒２０及び第２触媒２３のそれぞれにおいて酸素吸蔵量が大きく変化した後の第３空燃比センサ４２の出力に基づいて第３空燃比センサ４２の異常を判定する必要がある。そこで、本実施形態では、以下のように、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量が算出され、酸素吸蔵量の変化量に基づいて第３空燃比センサ４２の異常判定の可否が判定される。

酸素変化量算出部７３は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときの触媒の酸素吸蔵量の変化量を算出する。本実施形態のように下流側空燃比検出装置が複数の触媒の下流側に配置されている場合には、酸素変化量算出部７３は、複数の触媒のそれぞれについて、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときの酸素吸蔵量の変化量を算出する。具体的には、酸素変化量算出部７３は、第３空燃比センサ４２の上流側に配置された第１触媒２０及び第２触媒２３のそれぞれについて、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときの酸素吸蔵量の変化量を算出する。

例えば、酸素変化量算出部７３は、触媒の両側に配置された空燃比センサの出力値の差に基づいて触媒の酸素吸蔵量の変化量を算出する。このことによって、触媒の酸素吸蔵量の変化量を精度良く算出することができる。本実施形態では、酸素変化量算出部７３は、第１空燃比センサ４０の出力値と第２空燃比センサ４１の出力値との差に基づいて第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出し、第２空燃比センサ４１の出力値と第３空燃比センサ４２の出力値との差に基づいて第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量を算出する。

以下、図７を参照して、触媒の酸素吸蔵量の算出方法について具体的に説明する。図７は、第３空燃比センサ４２の異常診断時の混合気の目標空燃比、第１空燃比センサ４０の出力値、第２空燃比センサ４１の出力値及び第３空燃比センサ４２の出力値のタイムチャートである。

図７の例では、図６の例と同様に混合気の目標空燃比が切り替えられる。すなわち、時刻ｔ１において、混合気の目標空燃比が理論空燃比から理論空燃比よりもリーンな値に切り替えられる。この結果、時刻ｔ２において、第１空燃比センサ４０の出力値が上昇し始める。

時刻ｔ２の後、排気ガス中の酸素が第１触媒２０に吸蔵される。その後、第１触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量近傍に達し、時刻ｔ３において、第２空燃比センサ４１の出力値が上昇し始める。時刻ｔ３の後、排気ガス中の酸素が第２触媒２３に吸蔵される。その後、第２触媒２３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量近傍に達し、時刻ｔ４において、第３空燃比センサ４２の出力値が上昇し始める。

第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量、すなわち混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな値に切り替えられた後に第１触媒２０に吸蔵された酸素の量は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第１空燃比センサ４０の出力値と第２空燃比センサ４１の出力値との差に比例して大きくなる。また、理論空燃比よりもリーンな空燃比の排気ガス中の酸素の量、すなわち第１触媒２０に吸蔵される酸素の量は吸入空気量に比例して多くなる。

このため、酸素変化量算出部７３は、第１空燃比センサ４０の出力値と第２空燃比センサ４１の出力値との差に吸入空気量を乗算した値を積算することによって第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。具体的には、酸素変化量算出部７３は下記式（１）によって第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１を算出する。

ここで、Ｉ１は第１空燃比センサ４０の出力値であり、Ｉ２は第２空燃比センサ４１の出力値であり、Ｇａは吸入空気量である。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９の出力に基づいて算出される。

時刻ｔ２は、第１空燃比センサ４０の出力値が目標空燃比に向かって変化し始めるときの時刻であり、例えば第１空燃比センサ４０の出力値が理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。時刻ｔ３は、第２空燃比センサ４１の出力値が目標空燃比に向かって変化し始めるときの時刻であり、例えば第２空燃比センサ４１の出力値がリーン判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。リーン判定空燃比は、予め定められ、例えば１４．６５に設定される。

第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量、すなわち混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな値に切り替えられた後に第２触媒２３に吸蔵された酸素の量は、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第２空燃比センサ４１の出力値と第３空燃比センサ４２の出力値との差に比例して大きくなる。また、理論空燃比よりもリーンな空燃比の排気ガス中の酸素の量、すなわち第２触媒２３に吸蔵される酸素の量は吸入空気量に比例して多くなる。

このため、酸素変化量算出部７３は、第２空燃比センサ４１の出力値と第３空燃比センサ４２の出力値との差に吸入空気量を乗算した値を積算することによって第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量を算出する。具体的には、酸素変化量算出部７３は下記式（２）によって第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２を算出する。

ここで、Ｉ２は第２空燃比センサ４１の出力値であり、Ｉ３は第３空燃比センサ４２の出力値であり、Ｇａは吸入空気量である。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９の出力に基づいて算出される。

時刻ｔ３は、第２空燃比センサ４１の出力値が目標空燃比に向かって変化し始めるときの時刻であり、例えば第２空燃比センサ４１の出力値がリーン判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。時刻ｔ４は、第３空燃比センサ４２の出力値が目標空燃比に向かって変化し始めるときの時刻であり、例えば第３空燃比センサ４２の出力値がリーン判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。

なお、上記式（１）、（２）において、吸入空気量Ｇａの代わりに、吸入空気量と相関する他のパラメータが用いられてもよい。他のパラメータの例は、機関負荷、内燃機関の出力トルク、筒内圧、燃料噴射量等である。機関負荷は例えば負荷センサ４４の出力に基づいて算出される。出力トルクは、例えば、内燃機関の出力軸（クランクシャフト）に配置されたトルクセンサによって検出され、又は機関負荷、スロットル弁１８の開度、筒内圧等に基づいて算出される。筒内圧は、例えば、気筒内に配置された筒内圧センサによって検出される。燃料噴射量は例えばＥＣＵ３１から燃料噴射弁１１への指令値に基づいて算出される。

また、第１空燃比センサ４０の出力値Ｉ１、第２空燃比センサ４１の出力値Ｉ２及び第３空燃比センサ４２の出力値Ｉ３として、出力電流の値の代わりに、出力電流に相当する空燃比の値、すなわち出力空燃比が用いられてもよい。

また、上記式（１）において、時刻ｔ２の代わりに、混合気の目標空燃比が理論空燃比から目標空燃比に切り替えられた時刻ｔ１が用いられてもよい。この場合、上記式（１）において、第１空燃比センサ４０の出力値Ｉ１の代わりに、混合気の目標空燃比に相当する出力電流の値又は混合気の目標空燃比が用いられてもよい。この場合、第１空燃比センサ４０は異常診断装置１から省略されてもよい。

また、上記式（２）において、時刻ｔ３の代わりに、混合気の目標空燃比が理論空燃比から目標空燃比に切り替えられた時刻ｔ１が用いられてもよい。

異常判定部７２は、複数の触媒（本実施形態では第１触媒２０及び第２触媒２３）のうちの少なくとも一つの触媒の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値未満である場合には、下流側空燃比検出装置（本実施形態では第３空燃比センサ４２）の異常を判定しない。一方、異常判定部７２は、複数の触媒の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値以上である場合には、下流側空燃比検出装置の異常を判定する。このことによって、下流側空燃比検出装置の異常診断の信頼性を向上させることができる。

図８は、第一実施形態において第３空燃比センサ４２の異常判定が許可される領域を示す図である。図８において、ＴＨＬ１は第１触媒２０についての下限閾値であり、ＴＨＬ２は第２触媒２３についての下限閾値である。図８に示されるように、第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が下限値ＴＨＬ１以上であり且つ第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値ＴＨＬ２以上であるときに第３空燃比センサ４２の異常判定が許可される。

＜異常判定処理＞
以下、図９のフローチャートを参照して、本実施形態において第３空燃比センサ４２の異常を判定するための制御について説明する。図９は、第一実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、空燃比制御部７１は異常判定条件が成立しているか否かを判定する。異常判定は、例えば、内燃機関の始動後に所定時間が経過しており且つ内燃機関の始動後に第３空燃比センサ４２の異常判定が未だ行われていない場合に成立する。なお、異常判定条件に、第１触媒２０及び第２触媒２３の温度が予め定められた活性温度以上であること、第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２の温度が予め定められた活性温度以上であること、機関回転数が所定範囲内であること、機関負荷が所定範囲内であること等が含まれていてもよい。

ステップＳ１０１において異常判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において異常判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、空燃比制御部７１は混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。具体的には、空燃比制御部７１は、混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。リーン設定空燃比は、予め定められ、例えば１４．８～１６．６に設定される。

次いで、ステップＳ１０３において、酸素変化量算出部７３は第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１を算出する。

次いで、ステップＳ１０４において、異常判定部７２は第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１が下限閾値ＴＨＬ１以上であるか否かを判定する。下限閾値ＴＨＬ１は、予め定められ、例えば未使用（新触）の第１触媒２０の最大酸素吸蔵量の１／５以上の値に設定される。

ステップＳ１０４において第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１が下限閾値ＴＨＬ１未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、第３空燃比センサ４２の異常は判定されない。言い換えれば、第３空燃比センサ４２の異常判定が禁止される。

一方、ステップＳ１０４において第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１が下限閾値ＴＨＬ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、酸素変化量算出部７３は第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２を算出する。

次いで、ステップＳ１０６において、異常判定部７２は第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２が下限閾値ＴＨＬ２以上であるか否かを判定する。下限閾値ＴＨＬ２は、予め定められ、例えば未使用（新触）の第２触媒２３の最大酸素吸蔵量の１／５以上の値に設定される。下限閾値ＴＨＬ２は上限閾値ＴＨＬ１と同じであっても異なっていてもよい。

ステップＳ１０６において第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２が下限閾値ＴＨＬ２未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、第３空燃比センサ４２の異常は判定されない。言い換えれば、第３空燃比センサ４２の異常判定が禁止される。

一方、ステップＳ１０６において第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２が下限閾値ＴＨＬ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、異常判定部７２は、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの時間として、応答時間Ｔを取得する。所定の出力区間は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな範囲に設定される。

次いで、ステップＳ１０８において、異常判定部７２は、応答時間Ｔが基準値Ｔｒｅｆ以下であるか否かを判定する。基準値Ｔｒｅｆは、実験、計算等によって予め定められる。

ステップＳ１０８において応答時間Ｔが基準値Ｔｒｅｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、異常判定部７２は、第３空燃比センサ４２の応答特性が正常であると判定する。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０８において応答時間Ｔが基準値Ｔよりも長いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、異常判定部７２は、第３空燃比センサ４２の応答特性が異常であると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。ステップＳ１１０の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１０７において第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの出力の傾きが取得され、ステップＳ１０８において出力の傾きが基準値以上であるか否かが判定されてもよい。

また、燃料噴射弁１１による燃料噴射を停止する燃料カット制御が実行された場合には、空気が排気通路に供給され、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなる。このため、異常判定部７２は、空燃比制御部７１が燃料カット制御によって混合気の空燃比を変化させたときの第３空燃比センサ４２の出力変化特性に基づいて、第３空燃比センサ４２の異常を判定してもよい。この場合、ステップＳ１０２において、異常判定部７２は、燃料カット制御が実行されている否かを判定し、燃料カット制御が実行されていると判定された場合に、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。

また、ステップＳ１０４又はステップＳ１０６の判定が否定された場合、空燃比制御部７１は、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量を減少させるべく、混合気の空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチにしてもよい。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る異常診断装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る異常診断装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第二実施形態では、第２触媒２３は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのフィルタ機能を有する四元触媒として構成される。四元触媒は、触媒作用によってＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化することができると共に、フィルタ機能によってＰＭを捕集することができる。

本願の発明者は、鋭意検討の結果、四元触媒では、ＰＭの触媒への堆積状態が第３空燃比センサ４２の出力変化に影響を与えることを見出した。図１０は、混合気の目標空燃比を変化させたときの第３空燃比センサ４２の出力値のタイムチャートである。図１０には、異常診断の開始時に第２触媒２３の酸素吸蔵量が少なく且つＰＭが第２触媒２３に堆積していない場合の第３空燃比センサ４２の出力値が実線で示される。また、異常診断の開始時に第２触媒２３の酸素吸蔵量が少なく且つＰＭが第２触媒２３に堆積している場合の第３空燃比センサ４２の出力値が破線で示される。

図１０の例では、図６の例と同様に、混合気の目標空燃比が切り替えられる。図１０に示されるように、ＰＭが第２触媒２３に堆積している場合、ＰＭが第２触媒２３に堆積していない場合に比べて、第３空燃比センサ４２の出力値の変化が遅くなる。この結果、ＰＭが第２触媒２３に堆積している場合の応答時間Ｔ４が、ＰＭが第２触媒２３に堆積していない場合の応答時間Ｔ３よりも長くなる。

このことは、ＰＭの局所的な堆積が酸素の吸蔵後に第２触媒２３から流出する排気ガスの空燃比に影響を与えているからであると考えられる。なお、異常診断の開始時に第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合には、このような現象は生じない。

このため、四元触媒である第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合には、第３空燃比センサ４２が正常であっても、第３空燃比センサ４２の応答特性が悪化していると判定されるおそれがある。すなわち、四元触媒である第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合には、第３空燃比センサ４２の異常が誤判定されるおそれがある。

このため、第二実施形態では、異常判定部７２は、第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量が上限閾値よりも大きい場合には、第３空燃比センサ４２の異常を判定しない。このことによって、第２触媒２３が四元触媒である場合に、第３空燃比センサ４２の異常診断の信頼性が低下することを抑制することができる。

図１１は、第二実施形態において第３空燃比センサ４２の異常判定が許可される領域を示す図である。図１１において、ＴＨＬ１は第１触媒２０についての下限閾値であり、ＴＨＬ２は第２触媒２３についての下限閾値であり、ＴＨＵは第２触媒２３についての上限閾値である。図１１に示されるように、第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が下限値ＴＨＬ１以上であり且つ第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値ＴＨＬ以上且つ上限閾値ＴＨＵ以下であるときに第３空燃比センサ４２の異常判定が許可される。

また、第２触媒２３においてＰＭの燃焼が生じると、第２触媒２３から流出する排気ガスに燃焼ガスが混ざり、第３空燃比センサ４２の出力値が低下する（リッチになる）。このため、ＰＭの燃焼が生じている場合も、第３空燃比センサ４２の異常が誤判定されるおそれがある。

そこで、第二実施形態では、異常判定部７２は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときに第２触媒２３においてＰＭが燃焼したと判定した場合には、第３空燃比センサ４２の異常を判定しない。このことによって、第２触媒２３が四元触媒である場合に、第３空燃比センサ４２の異常診断の信頼性が低下することをより一層抑制することができる。

＜異常判定処理＞
図１２は、第二実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

ステップＳ２０１～ステップＳ２０５は図９のステップＳ１０１～ステップＳ１０５と同様に実行される。ステップＳ２０５の後、ステップＳ２０６において、異常判定部７２は、第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２が下限閾値ＴＨＬ２以上且つ上限閾値ＴＨＵ以下であるか否かを判定する。上限閾値ＴＨＵは、予め定められ、下限閾値ＴＨＬ２よりも大きな値に設定される。上限閾値ＴＨＵは例えば未使用（新触）の第２触媒２３の最大酸素吸蔵量の１／２以上の値に設定される。

ステップＳ２０６において第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２が下限閾値ＴＨＬ２未満又は上限値ＴＨＵよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、第３空燃比センサ４２の異常は判定されない。言い換えれば、第３空燃比センサ４２の異常判定が禁止される。

一方、ステップＳ２０６において第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２が下限閾値ＴＨＬ２以上且つ上限閾値ＴＨＵ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７では、図９のステップＳ１０７と同様に、異常判定部７２は応答時間Ｔを取得する。

次いで、ステップＳ２０８において、異常判定部７２は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときに第２触媒２３においてＰＭが燃焼したか否かを判定する。例えば、異常判定部７２は、混合気の目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されてから第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するまでの期間の第２触媒２３の平均温度が所定温度以上である場合に、第２触媒２３においてＰＭが燃焼したと判定する。

第２触媒２３の温度は、例えば、第２触媒２３に配置された温度センサによって検出される。なお、第２触媒２３の温度は、第２触媒２３に流入する排気ガスの温度又は第２触媒２３から流出する排気ガスの温度を検出する温度センサの出力に基づいて算出されてもよい。また、第２触媒２３の温度は内燃機関の所定の運転パラメータ（積算吸入空気量等）に基づいて算出されてもよい。

ステップＳ２０８において第２触媒２３においてＰＭが燃焼したと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、第３空燃比センサ４２の異常は判定されない。言い換えれば、第３空燃比センサ４２の異常判定が禁止される。

一方、ステップＳ２０８において第２触媒２３においてＰＭが燃焼しなかったと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９～ステップＳ２１１は図９のステップＳ１０８～ステップＳ１１０と同様に実行される。なお、本制御ルーチンは図９の制御ルーチンと同様に変形可能である。

また、第二実施形態において、第２触媒２３に加えて又は第２触媒２３の代わりに、第１触媒２０が四元触媒として構成されていてもよい。この場合、ステップＳ２０４において、異常判定部７２は、第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１が下限閾値ＴＨＬ１以上且つ上限閾値ＴＨＵ以下であるか否かを判定する。上限閾値ＴＨＵは、予め定められ、下限閾値ＴＨＬ１よりも大きな値に設定される。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る異常診断装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る異常診断装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第三実施形態では、空燃比制御部７１は、第３空燃比センサ４２の異常が診断されるとき、空燃比制御部７１は混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにする。具体的には、空燃比制御部７１は混合気の目標空燃比を理論空燃比から理論空燃比よりもリッチな値に切り替える。

図１３は、混合気の目標空燃比を変化させたときの第１空燃比センサ４０の出力値及び第３空燃比センサ４２の出力値のタイムチャートである。図１３には、混合気の目標空燃比が破線で示され、第１空燃比センサ４０の出力値が実線で示される。また、図１３には、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合の第３空燃比センサ４２の出力値が一点鎖線で示され、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合の第３空燃比センサ４２の出力値が二点鎖線で示される。

図１３の例では、図６の例と異なり、時刻ｔ１において、異常診断のために混合気の目標空燃比が理論空燃比から理論空燃比よりもリッチな値に切り替えられる。これに伴い、時刻ｔ１の後、第１空燃比センサ４０の出力値が目標空燃比に向かって変化する。このとき、排気ガスが入れ替わるのに時間を要するため、第１空燃比センサ４０の出力値は目標空燃比の変化に対して遅れて変化する。

一方、第３空燃比センサ４２には、第１触媒２０及び第２触媒２３を通過した排気ガスが流入する。第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が適切な値であるときには、酸素の放出によって触媒２０の雰囲気が理論空燃比に近付けられる。この結果、排気ガス中のＨＣ及びＣＯは第１触媒２０及び第２触媒２３において浄化され、第３空燃比センサ４２の出力値は理論空燃比に維持される。

第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多いほど、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに第１触媒２０及び第２触媒２３から放出可能な酸素の量は多くなる。このため、第３空燃比センサ４２の出力値が理論空燃比に維持される時間は、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多いほど長くなる。

異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量がゼロに達するまでの時間が短くなる。この結果、時刻ｔ２において、第３空燃比センサ４２の出力値が目標空燃比に向かって変化し始める。このとき、第１空燃比センサ４０の出力値は目標空燃比に未だ達していない。このため、第３空燃比センサ４２の出力値の変化が遅くなる。

一方、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量がゼロに達するまでの時間が長くなる。この結果、時刻ｔ２よりも後の時刻ｔ３において、第３空燃比センサ４２の出力値が目標空燃比に向かって変化し始める。このとき、第１空燃比センサ４０の出力値は目標空燃比に達している。このため、第３空燃比センサ４２の出力値の変化が早くなる。

図１３に示されるように、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合には、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間（図１３の例ではＩｃ～Ｉｄ）を通過するときの時間がＴ５となる。一方、異常診断の開始時の第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合には、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するときの時間がＴ６となる。第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合の時間Ｔ５は、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が多い場合の時間Ｔ６よりも長い。

このため、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合には、第３空燃比センサ４２が正常であっても、第３空燃比センサ４２の応答特性が悪化していると判定されるおそれがある。したがって、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量が少ない場合、すなわち、混合気の空燃比をリッチ側に変化させたときの第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量が小さい場合には、第３空燃比センサ４２の異常が誤判定されるおそれがある。また、混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリッチに変更された場合、インバランスの影響は、第１触媒２０及び第２触媒２３のそれぞれから排気ガス中の酸素を放出させることで低減可能である。

このため、第一実施形態と同様に、異常判定部７２は、複数の触媒（本実施形態では第１触媒２０及び第２触媒２３）のうちの少なくとも一つの触媒の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値未満である場合には、下流側空燃比検出装置（本実施形態では第３空燃比センサ４２）の異常を判定しない。一方、異常判定部７２は、複数の触媒についての酸素吸蔵量の変化量が下限閾値以上である場合に、下流側空燃比検出装置の異常を判定する。このことによって、下流側空燃比検出装置の異常診断の信頼性を向上させることができる。

第三実施形態においても、上記式（１）によって第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１を算出し、上記式（２）によって第２触媒２３の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ２を算出することができる。なお、第一実施形態において、触媒の酸素吸蔵量の変化量とは、触媒に吸蔵される酸素の量に相当し、第三実施形態において、触媒の酸素吸蔵量の変化量とは、触媒から放出される酸素の量に相当する。

第三実施形態では、上記式（１）において、時刻ｔ２は、例えば、第１空燃比センサ４０の出力値が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。また、上記式（１）、（２）において、時刻ｔ３は、例えば第２空燃比センサ４１の出力値がリッチ判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。また、上記式（２）において、時刻ｔ４は、例えば、第３空燃比センサ４２の出力値がリッチ判定空燃比に相当する値に達した時刻に設定される。リッチ判定空燃比は、予め定められ、例えば１４．５５に設定される。

＜異常判定処理＞
図１４は、第三実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ３０１において、図９のステップＳ１０１と同様に、空燃比制御部７１は異常判定条件が成立しているか否かを判定する。異常判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ３０１において異常判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、空燃比制御部７１は混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにする。具体的には、空燃比制御部７１は、混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１の燃焼噴射量を制御する。リッチ設定空燃比は、予め定められ、例えば１２．６～１４．４に設定される。

ステップＳ３０３～ステップＳ３１０は図９のステップＳ１０３～ステップＳ１１０と同様に実行される。このとき、ステップＳ３０７において応答時間Ｔを取得するときの所定の出力区間は、理論空燃比よりもリッチな範囲に設定される。

なお、ステップ３０５において第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの出力の傾きが取得され、ステップＳ３０８において出力の傾きの絶対値が基準値以上であるか否かが判定されてもよい。

また、ステップＳ３０４又はステップＳ３０６の判定が否定された場合、空燃比制御部７１は、第１触媒２０及び第２触媒２３の酸素吸蔵量を増加させるべく、混合気の空燃比を一時的に理論空燃比よりもリーンにしてもよい。

＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る異常診断装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る異常診断装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図１５は、本発明の第四実施形態に係る異常診断装置１’の構成を概略的に示すブロック図である。異常診断装置１’は、第１空燃比センサ４０、空燃比制御部７１、異常判定部７２及び酸素変化量算出部７３を備え、第２空燃比センサ４１の異常を診断する。第１空燃比センサ４０は上流側空燃比検出装置の一例であり、第２空燃比センサ４１は下流側空燃比検出装置の一例である。

図１に示されるように、第２空燃比センサ４１は内燃機関の排気通路において第１触媒２０の下流側且つ第２触媒２３の上流側に配置される。このため、第２空燃比センサ４１は第１触媒２０による排気浄化の影響を受ける。したがって、第１触媒２０の酸素吸蔵量が多いときに第２空燃比センサ４１の異常診断が行われると、第３空燃比センサ４２の異常診断と同様の問題が生じる。

そこで、第四実施形態では、酸素変化量算出部７３は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときの第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出し、異常判定部７２は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を変化させたときの第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値未満である場合には、第２空燃比センサ４１の異常を判定しない。一方、異常判定部７２は、第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が下限閾値以上である場合に、第２空燃比センサ４１の異常を判定する。このことによって、第２空燃比センサ４１の異常診断の信頼性を向上させることができる。

＜異常判定処理＞
以下、図１６のフローチャートを参照して、第四実施形態において第２空燃比センサ４１の異常を判定するための制御について説明する。図１６は、第四実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

ステップＳ４０１～ステップＳ４０４は図９のステップＳ１０１～ステップＳ１０４と同様に実行される。ステップＳ４０４において第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１が下限閾値ＴＨＬ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。

ステップＳ４０５では、異常判定部７２は、第２空燃比センサ４１の出力が所定の出力区間を経過するときの時間として、応答時間Ｔを取得する。所定の出力区間は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな範囲に設定される。

次いで、ステップＳ４０６において、異常判定部７２は、応答時間Ｔが基準値Ｔｒｅｆ以下であるか否かを判定する。基準値Ｔｒｅｆは、実験、計算等によって予め定められる。

ステップＳ４０６において応答時間Ｔが基準値Ｔｒｅｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０７に進む。ステップＳ４０７では、異常判定部７２は、第２空燃比センサ４１の応答特性が正常であると判定する。ステップＳ４０７の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ４０６において応答時間Ｔが基準値Ｔよりも長いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０８に進む。ステップＳ４０８では、異常判定部７２は、第３空燃比センサ４２の応答特性が異常であると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。ステップＳ４０８の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、本制御ルーチンは図９の制御ルーチンと同様に変形可能である。また、第四実施形態において、第２触媒２３及び第３空燃比センサ４２は内燃機関から省略されてもよい。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２は、排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。この場合、上記式（１）、（２）において、第１空燃比センサ４０の出力値Ｉ１、第２空燃比センサ４１の出力値Ｉ２及び第３空燃比センサ４２の出力値Ｉ３として、出力電圧の値、出力電圧に相当する空燃比の値等が用いられてもよい。

また、内燃機関の排気通路に三つ以上の触媒が配置され、最も下流側の触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の異常診断が、上述したように行われてもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図１２の制御ルーチンにおいて、ステップＳ２０２の代わりに図１４のステップＳ３０２が実行される。

また、第二実施形態と第四実施形態とが組み合わされる場合、第１触媒２０が四元触媒として構成され、図１６のステップＳ４０４において、異常判定部７２は、第１触媒２０の酸素吸蔵量の変化量ＯＣＡ１が下限閾値ＴＨＬ１以上且つ上限閾値ＴＨＵ以下であるか否かを判定する。上限閾値ＴＨＵは、予め定められ、下限閾値ＴＨＬ１よりも大きな値に設定される。また、図１６の制御ルーチンにおいて、ステップＳ４０５とステップＳ４０６との間に図１２のステップＳ２０８が実行される。

また、第三実施形態と第四実施形態とが組み合わされる場合、図１６の制御ルーチンにおいて、ステップＳ４０２の代わりに図１４のステップＳ３０２が実行される。

また、第一実施形態における図９のステップＳ１０２～ステップＳ１１０と、第三実施形態における図１４のステップＳ３０２～ステップＳ３１０とが連続的に実行されてもよい。すなわち、異常判定部７２は、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンに変化させたときの下流側空燃比検出装置の出力特性と、空燃比制御部７１が混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチに変化させたときの下流側空燃比検出装置の出力特性とに基づいて下流側空燃比検出装置の異常を判定してもよい。

１、１’ 異常診断装置
５ 燃焼室
２０ 第１触媒
２２ 排気管
２３ 第２触媒
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４０ 第１空燃比センサ
４１ 第２空燃比センサ
４２ 第３空燃比センサ４２
７１ 空燃比制御部
７２ 異常判定部
７３ 酸素変化量算出部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路において触媒の下流側に配置された下流側空燃比検出装置の異常診断装置であって、
   前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を制御する空燃比制御部と、
   前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比をリッチからリーンに変化させたときの前記下流側空燃比検出装置の出力変化特性に基づいて、該下流側空燃比検出装置の異常を判定する異常判定部と、
   前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比をリッチからリーンに変化させたときの前記触媒の酸素吸蔵量の変化量を算出する酸素変化量算出部と
   を備え、
   前記触媒が、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ機能を有する四元触媒であり、
   前記異常判定部は、前記酸素吸蔵量の変化量が下限閾値未満である場合に、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定せず、前記酸素吸蔵量の変化量が前記下限閾値よりも大きな上限閾値よりも大きい場合にも、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定しない、下流側空燃比検出装置の異常診断装置。
2. 前記下流側空燃比検出装置は複数の触媒の下流側に配置され、
   前記酸素変化量算出部は、前記複数の触媒のそれぞれについて、前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比を変化させたときの酸素吸蔵量の変化量を算出し、
   前記複数の触媒の少なくとも一つが、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ機能を有する四元触媒であり、
   前記異常判定部は、前記四元触媒の前記酸素吸蔵量の変化量が前記下限閾値未満である場合に、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定せず、前記四元触媒の前記酸素吸蔵量の変化量が前記下限閾値よりも大きな上限閾値よりも大きい場合にも、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定しない、請求項１に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。
3. 前記排気通路において前記触媒の上流側に配置された上流側空燃比検出装置を更に備え、
   前記酸素変化量算出部は、前記上流側空燃比検出装置の出力値と前記下流側空燃比検出装置の出力値との差と、吸入空気量又は吸入空気量と相関する所定のパラメータとの積に基づいて前記酸素吸蔵量の変化量を算出する、請求項１に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。
4. 前記排気通路において前記複数の触媒のそれぞれの上流側に配置された上流側空燃比検出装置を更に備え、
   前記酸素変化量算出部は、前記複数の触媒のそれぞれについて、該触媒の両側に配置された空燃比検出装置の出力値の差と、吸入空気量又は吸入空気量と相関する所定のパラメータとの積に基づいて前記酸素吸蔵量の変化量を算出する、請求項２に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。
5. 前記異常判定部は、前記空燃比制御部が前記混合気の空燃比を変化させたときに前記四元触媒において粒子状物質が燃焼したと判定した場合にも、前記下流側空燃比検出装置の異常を判定しない、請求項１から４のいずれか１項に記載の下流側空燃比検出装置の異常診断装置。

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