JP6222020B2 - 空燃比センサの異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比センサの異常診断装置に関する。

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微粒子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、空燃比センサの応答性が鈍くなってしまう。このような空燃比センサの応答性劣化が生じると、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、空燃比センサの応答性劣化の異常を診断する異常診断装置が提案されている（例えば、特許文献１〜４）。このような異常診断装置としては、例えば、燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御の開始に伴う空燃比センサの出力値の変化に基づいて空燃比センサの異常を診断する装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に記載された異常診断装置では、燃料カット制御の開始から空燃比センサの出力電圧が規定値に低下するまでの応答時間を計測すると共に、応答時間と平均吸入空気量との関係に基づいて応答時間を補正するようにしている。そして、このようにして補正された応答時間が予め定められた所定の基準応答時間以上である場合に空燃比センサに異常があると判定するようにしている。特許文献１によれば、斯かる異常診断装置により、空燃比センサが排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に設けられた下流側空燃比センサである場合にも、排気浄化触媒の劣化の影響を受けずに下流側空燃比センサの異常診断を行うことができるとされている。

特開２０１２−２１１５６１号公報 特開２００８−１９０４５４号公報 特開２０１１−１０６４１５号公報 特開２０１２−０５２４６２号公報

ところで、上述したように、空燃比センサにおける応答性劣化の異常診断は、空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比を変化させたときに空燃比センサの出力電圧が所定値だけ変化するのにかかる時間（応答時間）等に基づいて行われる。ところが、斯かる応答時間は、空燃比センサの応答性劣化のみならず、他の要因に基づいても変化してしまう。このような他の要因としては、空燃比センサの出力ゲインが挙げられる。

空燃比センサの出力ゲインは、例えば、空燃比センサの製造バラツキによって空燃比センサにおいて用いられる拡散律速層の拡散距離等が空燃比センサの各固体毎に異なることによって変化する。また、空燃比センサ周りの排気ガスの圧力等によっても空燃比センサの出力ゲインが変化する。このように空燃比センサの出力ゲインに応じて上述した応答時間が変化してしまうため、上述したような異常診断によっては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ない場合があった。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、空燃比センサの出力ゲインが変化した場合であっても空燃比センサにおける応答性劣化に基づく異常を正確に診断することができる異常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、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を実行可能な内燃機関の排気通路に設けられて該排気通路内を流通する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置において、前記燃料カット制御の実行開始又は実行終了に伴って前記空燃比センサの出力値が変化している期間中における前記空燃比センサの出力値に基づいて、前記空燃比センサの応答性を示す応答性パラメータを算出すると共に、該算出された応答性パラメータの値と所定の閾値とを比較して前記空燃比センサの応答性に関する異常を診断し、前記燃料カット制御中に前記空燃比センサの出力値が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に相当する値に収束したときの収束値を検出すると共に、該検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記空燃比センサの応答性が上記算出された応答性パラメータの値に相当する応答性よりもより速いものとして扱われるように、前記応答性パラメータの値、前記応答性パラメータの算出に用いられるパラメータの値及び前記閾値のうち少なくともいずれか一つを補正し、補正後に算出された応答性パラメータの値及び閾値に基づいて前記空燃比センサの応答性に関する異常を診断する、空燃比センサの異常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、前記応答性パラメータは、前記期間中であって前記燃料カット制御の開始に伴い前記空燃比センサの出力値がリーン空燃比に相当する低リーン基準値から、該低リーン基準値に相当する空燃比よりもリーンな空燃比に相当する高リーン基準値まで変化するのにかかる出力変化時間、又は、前記期間中であって前記燃料カット制御の終了に伴い前記空燃比センサの出力値が前記高リーン基準値から前記低リーン基準値まで変化するのにかかる出力変化時間であり、当該異常診断装置は、前記出力変化時間が所定の閾値以上であるときに前記空燃比センサに異常があると判定する。

第３の発明では、第２の発明において、当該異常診断装置は、前記検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記出力変化時間を短くなるように補正するか、又は前記閾値を大きくなるように補正する。

第４の発明では、第１の発明において、前記応答性パラメータは、前記期間中であって前記燃料カット制御の開始に伴い前記空燃比センサの出力値がリーン空燃比に相当する低リーン基準値から、該低リーン基準値に相当する空燃比よりもリーンな空燃比に相当する高リーン基準値まで変化する間の時間変化率、又は、前記期間中であって前記燃料カット制御の終了に伴い前記空燃比センサの出力値が前記高リーン基準値から前記低リーン基準値まで変化する間の時間変化率であり、当該異常診断装置は、前記時間変化率が所定の閾値以下であるときに空燃比センサに異常があると判定する。

第５の発明では、第４の発明において、当該異常診断装置は、前記検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記時間変化率を大きくなるように補正するか、又は前記閾値を小さくなるように補正する。

第６の発明では、第２又は第４の発明において、当該異常診断装置は、前記検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記低リーン基準値に相当する空燃比と前記高リーン基準値に相当する空燃比との間隔が小さくなるようにこれら低リーン基準値及び高リーン基準値を補正する。

第７の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、前記燃料カット制御中の前記空燃比センサの出力値における収束値として、前記燃料カット制御中に前記空燃比センサの出力値が収束したと判定されてから所定の時間が経過するまでの測定期間における該空燃比センサの出力値の平均値が用いられ、前記測定期間中における前記空燃比センサの出力値の変動を示すパラメータの値が診断中止基準値よりも出力値の変動が大きいことを表す値であるときには前記空燃比センサの異常診断を行わない。

第８の発明では、第１〜第７のいずれか一つの発明において、当該異常診断装置は、前記収束値が予め定められた範囲外の値であった場合には、前記空燃比センサの異常診断を行わない。

本発明によれば、空燃比センサの出力ゲインが変化した場合であっても空燃比センサにおける応答性劣化に基づく異常を正確に診断することができる異常診断装置が提供される。

図１は、本発明の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２は、空燃比センサの構造を概略的に示す図である。 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、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図５は、内燃機関の通常運転時における、目標空燃比等のタイムチャートである。 図６は、燃料カット制御を行った際における目標空燃比等のタイムチャートである。 図７は、燃料カット制御開始時における上流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。 図８は、出力収束値と、上昇時間の補正量との関係を示す図である。 図９は、正常な空燃比センサ及び応答性が低下している空燃比センサの出力収束値と応答時間との関係を示す図である。 図１０は、本実施形態の異常診断装置によって行われる上流側空燃比センサの異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、出力収束値の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１２は、上昇時間の算出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、低下時間の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、下流側空燃比センサにおける出力収束値の算出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、燃料カット制御開始時における上流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。 図１６は、出力収束値の算出処理の制御ルーチンを示す、図１１と同様なフローチャートである。 図１７は燃料カット制御の開始時における上流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。 図１８は、燃料カット制御開始時における上流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。 図１９は、第二実施形態の異常診断装置によって行われる上流側空燃比センサの異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２０は、燃料カット制御開始時における上流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。

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。

＜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空燃比センサの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。なお、ＥＣＵ３１は、内燃機関の制御を行う制御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））を担持させたものである。排気浄化触媒２０、２４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。

排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４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よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒２０、２４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な空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）であるときには、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。この結果、排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力が維持されている限り、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比に関わらず、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。

＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１としては、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（素子）の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。

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。そ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、そ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。以下では、斯かる領域を比例領域と称す。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。以下では、斯かる領域を水分解領域と称する。

図４は、印加電圧を０．４５Ｖ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。また、排気空燃比が一定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、しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ４０、４１として如何なる空燃比センサを用いてもよい。したがって、空燃比センサ４０、４１としては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。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。

＜基本的な空燃比制御＞
このように構成された内燃機関では、両空燃比センサ４０、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。本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力電流（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空燃比に相当）に基づいてこの出力電流が目標空燃比に相当する値となるようにフィードバック制御が行われる。加えて、下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて目標空燃比が変更される。

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、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力電流（出力値）Ｉｆ、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量ＯＳＡ及び下流側空燃比センサ４１の出力電流（出力値）Ｉｒのタイムチャートである。

なお、空燃比センサ４０、４１の出力電流は、図４に示したように、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときにゼロになる。加えて、当該排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに負の値となり、当該排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに正の値となる。また、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又はリーン空燃比であるときには、理論空燃比からの差が大きくなるほど、空燃比センサ４０、４１の出力電流の絶対値が大きくなる。また、「通常運転（通常制御）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、後述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の出力電流Ｉｒがゼロよりも小さいリッチ判定基準値Ｉｒｉｃｈ以下となったときに目標空燃比は理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ（例えば、１５）に設定され、維持される。ここで、リッチ判定基準値Ｉｒｉｃｈは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）に相当する値である。

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（最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない量）以上になると、目標空燃比は理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比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前において、目標空燃比ＡＦＴ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の出力電流Ｉｆもゼロより小さい値（リッチ空燃比に相当）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の出力電流Ｉｒはほぼゼロ（理論空燃比に相当）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の出力電流Ｉｒがリッチ判定基準値Ｉｒｉｃｈ（リッチ判定基準空燃比に相当）以下となる。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リーン空燃比になり、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ＯＳＡ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ＡＦＴｌｅａｎ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、通常運転時に行われる空燃比の制御は、必ずしも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。

＜燃料カット制御＞
また、本実施形態の内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速時等に、内燃機関の動作中に燃料噴射弁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、所定の燃料カット開始条件が成立したときに開始される。具体的には、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の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量に達する。

また、燃料カット制御は、所定の燃料カット終了条件が成立すると終了せしめられる。燃料カット終了条件としては、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量が所定値以上になること（すなわち、機関負荷が或る程度の値になること）、或いは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下になること等が挙げられる。また、本実施形態の内燃機関では、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設定空燃比よりもリッチな復帰後リッチ空燃比にする復帰後リッチ制御が行われる。これにより、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迅速に放出させることができる。

＜空燃比センサの異常診断＞
ところで、上述したように空燃比センサ４０、４１はその使用に伴って劣化し、空燃比センサ４０、４１に異常が生じる場合がある。このように空燃比センサ４０、４１に異常が生じると、その出力の精度が悪化し、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を適切に制御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、本実施形態の内燃機関には、空燃比センサ４０、４１の異常を自己診断する異常診断装置が設けられる。

このような異常診断装置によって行われる異常診断制御としては、例えば、燃料カット制御の際に行うものが挙げられる。具体的には、燃料カット制御の実行中（特に、開始直後）及び燃料カット制御の終了後（特に、終了直後）における空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒの変化に基づいて空燃比センサ４０、４１の応答性に関する異常診断が行われる。

図６は、燃料カット制御を行った際における目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒ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（ＦＣフラグオン）、時刻ｔ₃において燃料カット制御が終了せしめられる（ＦＣフラグオフ）。

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前には、上述した通常運転時における空燃比制御が行われている。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からはリーン度合いの大きなリーン空燃比のガスが排出され、よって上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが急激に上昇する。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の出力電流Ｉｒはほぼゼロ（理論空燃比に相当）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の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量（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の出力電流Ｉｒも急激に上昇する。

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、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチな復帰後リッチ空燃比ＡＦＴｒｔに設定される。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆがゼロよりも小さい値（リッチ空燃比に相当）になると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ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の出力電流Ｉｆはほぼゼロに収束する。

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の出力電流Ｉｒがリッチ判定基準値Ｉｒｉｃｈ以下となる。このように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒがリッチ判定基準値Ｉｒｉｃｈ以下に達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。その後、上述した通常運転における空燃比制御が開始され、図示した例では、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リーン空燃比とに交互に設定されるように制御される。

空燃比センサ４０、４１に応答性劣化の異常が生じていない場合には、このように燃料カット制御を行うと、これら空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒは図中に実線で示したように推移する。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆは、燃料カット制御の開始に伴って、ゼロよりも小さい値（リッチ空燃比に相当）からゼロよりも大きい値（リーン空燃比に相当）へ急激に変化する。一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒは、燃料カット制御の開始から多少の時間間隔を空けてほぼゼロからゼロよりも大きい値へ急激に変化する。

また、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆは、燃料カット制御の終了に伴って、ゼロよりも大きい値からゼロよりも小さい値へ急激に変化する。一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒは、燃料カット制御の終了から多少の時間間隔を空けて、ゼロよりも大きい値からほぼゼロへ急激に変化する。

一方、下流側空燃比センサ４１に異常が生じている場合、特に応答速度低下の異常が生じている場合には、燃料カット制御を行うと、これら空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒは図中に破線で示したように推移する。すなわち、燃料カット制御が開始されたときに空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒが上昇する速度はそれほど速くない。同様に、燃料カット制御が終了されたときに空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒが低下する速度もそれほど速くない。すなわち、空燃比センサ４０、４１に応答性劣化の異常が生じている場合には、異常が生じていない場合に比べて、燃料カット制御の開始後及び終了後における空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒの上昇速度及び低下速度が遅くなる。

そこで、本実施形態では、燃料カット制御の開始後に、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒが低基準値Ｉｆｌｏｗ、Ｉｒｌｏｗ（例えば、空燃比１５．５に相当）から高基準値Ｉｆｈｉｇｈ、Ｉｒｈｉｇｈ（例えば、空燃比１８に相当）まで変化するのにかかる時間（以下、「上昇時間」という）Δｔｕｐが算出される。このようにして算出された上昇時間Δｔｕｐが、予め定められた異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆよりも短い場合には空燃比センサ４０、４１には異常が生じていないと判定される。一方、このようにして算出された上昇時間Δｔｕｐが、予め定められた異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆ以上である場合には空燃比センサ４０、４１に異常が生じていると判定される。

同様にして、本実施形態では、燃料カット制御の終了後に空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｆ、Ｉｒが高基準値Ｉｆｈｉｇｈ、Ｉｒｈｉｇｈから低基準値Ｉｆｌｏｗ、Ｉｒｌｏｗに到達するまでにかかる時間（以下、「低下時間」という）Δｔｄｗｎが算出される。このようにして算出された低下時間Δｔｄｗｎが予め定められた異常判定基準低下時間よりも短い場合には、空燃比センサ４０、４１には異常が生じていないと判定される。一方、このようして算出された低下時間Δｔｄｗｎが予め定められた異常判定基準低下時間以上である場合には、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていると判定される。なお、以下の説明では、上述した「上昇時間」と「低下時間」とをまとめて「応答時間」と表現する。

このようにして異常診断が行われた結果、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定された場合には、例えば、ユーザに下流側空燃比センサ４１の異常を知らせる警告灯が点灯せしめられる。

なお、上述した例では、空燃比センサ４０、４１の応答性を示すパラメータとして応答時間を用いて、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行っている。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の応答性を示すパラメータとして応答時間以外のパラメータを用いてもよい。このようなパラメータとしては、例えば、燃料カット制御の開始に伴って空燃比センサ４０、４１の出力値が変化している期間中において空燃比センサ４０、４１の出力電流が低基準値から高基準値まで変化する間の時間変化率（単位時間あたりの出力電流の変化量）や、燃料カット制御の終了に伴って空燃比センサ４０、４１の出力値が変化している期間中において空燃比センサ４０、４１の出力電流が高基準値から低基準値まで変化する間の時間変化率等が挙げられる。この場合、時間変化率が予め定められた異常判定基準変化率よりも大きい場合には空燃比センサ４０、４１には異常が生じていないと判定される。一方、時間変化率が予め定められた異常判定基準変化率以下である場合には空燃比センサ４０、４１には異常が生じていると判定される。したがって、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の応答性を示すパラメータの値と所定の異常判定閾値（異常判定基準応答時間、異常判定基準変化率等）とを比較して空燃比センサ４０、４１の応答性に関する異常を診断しているといえる。

＜異常診断における問題点＞
ところで、上述した応答時間や時間変化率は、空燃比センサ４０、４１の応答性劣化のみならず、他の要因に応じて、具体的には空燃比センサ４０、４１の出力ゲインに応じても変化する。出力ゲインは、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比の変化に対する出力電流の大きさの変化の比率を表すものである。このため、出力ゲインが大きいと、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比の理論空燃比からの偏差が同一であっても、出力電流の絶対値が大きくなる。

空燃比センサ４０、４１の出力ゲインは、様々な要因によって変化する。例えば、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの圧力が高くなったり、空燃比センサ４０、４１の電極５２、５３の面積が大きくなったりすると、出力ゲインは小さくなる。また、空燃比センサ４０、４１の拡散律速層５４の拡散距離（拡散律速層の厚みに相当）が長くなるほど、出力ゲインは小さくなる。

図７は、燃料カット制御開始時における上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆのタイムチャートである。このうち、図７（Ａ）は、空燃比センサ４０、４１に応答性劣化が生じた場合のタイムチャートであり、図７（Ｂ）は、出力ゲインの低下が生じた場合におけるタイムチャートである。図中の破線は、空燃比センサ４０、４１に応答性劣化や出力ゲインの低下が生じていない場合を示している。なお、図７に示した例では、時刻ｔ₁において燃料カット制御が開始される。

図７（Ａ）に示したように、上流側空燃比センサ４０に応答性劣化が生じている場合（実線）には、応答性劣化が生じていない場合（破線）に比べて出力電流Ｉｆの上昇速度が上昇期間全体に亘って遅くなる。この結果、上流側空燃比センサ４０に応答性劣化が生じている場合には、応答性劣化が生じていない場合に比べて、上昇時間Δｔｕｐが長くなる。

一方、図７（Ｂ）に示したように、出力ゲインの低下が生じた場合、燃料カット制御中に上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが最終的に収束する収束値が変化する。図７（Ｂ）に実線で示した例では、出力ゲインの低下が生じた結果、出力ゲインの低下が生じていない場合に比べて、出力電流Ｉｆの収束値が小さくなっている。他方、このように出力ゲインが低下しても、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが最終的に収束するタイミングは変化しない。この結果、出力ゲインが低下すると、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗから高基準値Ｉｆｈｉｇｈまで変化するのにかかる上昇時間Δｔｕｐが長くなる。逆に、出力ゲインが上昇した場合には、上昇時間Δｔｕｐが短くなる。

このように、上流側空燃比センサ４０に応答性劣化が生じている場合であっても、出力ゲインの低下が生じている場合であっても、応答性劣化が生じていない場合や出力ゲインの低下が生じていない場合に比べて、上昇時間Δｔｕｐが長くなる。したがって、上昇時間Δｔｕｐが長くなったときには上流側空燃比センサ４０に応答性劣化が生じているのか或いは出力ゲインが低下しているのかを特定することができない。このため、実際には上流側空燃比センサ４０には応答性劣化は生じておらず出力ゲインの低下のみが生じている場合であっても、上昇時間Δｔｕｐが長くなり、応答性劣化の異常が生じていると判定されることになる。

なお、図７では上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆにおける上昇時間Δｔｕｐを例にとって説明した。しかしながら、このような現象、すなわち出力ゲインの低下により応答性劣化が生じた場合と同様な変化が起こる現象は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆにおける低下時間Δｔｕｐや時間変化率にも生じる。また、このような現象は、上流側空燃比センサ４０のみならず、下流側空燃比センサ４１にもおいても生じる。

＜本願発明における異常診断＞
ここで、図７からわかるように、空燃比センサ４０、４１に応答性劣化が生じた場合には、上昇時間Δｔｕｐ等は変化するが、燃料カット制御中に空燃比センサ４０、４１の出力電流が収束する値は変化しない。一方、空燃比センサ４０、４１の出力ゲインが変化した場合には、上昇時間Δｔｕｐ等のみならず、燃料カット制御中に空燃比センサ４０、４１の出力電流が収束する値も変化する。そこで、本実施形態では、燃料カット制御中に空燃比センサ４０、４１の出力電流が収束したときの収束値に基づいて、上昇時間Δｔｕｐ等を補正するようにしている。そして、このようにして補正した後の上昇時間Δｔｕｐ’等に基づいて空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うようにしている。

以下では、上流側空燃比センサ４０の上昇時間Δｔｕｐを補正する場合を例にとって具体的に説明する。まず、図６を参照して説明したように、燃料カット制御を開始した後の上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗから高基準値Ｉｆｈｉｇｈまで変化するのにかかる時間である上昇時間Δｔｕｐが算出される。その後、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが一定の値に収束すると、このときの値が収束値Ｉｆｃｏｎとして検出される。

図８は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが収束したときの収束値（以下、「出力収束値」ともいう）Ｉｆｃｏｎと、上昇時間（応答時間）の補正量Ｍとの関係を示す図である。図８からわかるように、出力収束値Ｉｆｃｏｎが大きくなるほど、上昇時間の補正量Ｍが増大せしめられる。特に図８に示した例では、出力収束値Ｉｆｃｏｎが或る所定の値よりも大きいときには上昇時間の補正量Ｍが０よりも大きい値とされる。一方、出力収束値Ｉｆｃｏｎが或る所定の値よりも小さいときには上昇時間の補正量が０よりも小さい値とされる。

そして、図８に示したようなマップを用いて、上述したように検出された上流側空燃比センサ４０の出力収束値Ｉｆｃｏｎに基づいて、上昇時間の補正量Ｍが算出される。その後、このようにして算出された上昇時間の補正量Ｍが上述したように算出された上昇時間Δｔｕｐに加算されたものが補正後の上昇時間Δｔｕｐ’として算出される。したがって、出力収束値Ｉｆｃｏｎが或る所定の値よりも大きいときには補正後の上昇時間Δｔｕｐ’は実際に検出された上昇時間Δｔｕｐよりも長い時間とされる。一方、出力収束値Ｉｆｃｏｎが或る所定の値よりも小さいときには補正後の上昇時間Δｔｕｐ’は実際に検出された上昇時間Δｔｕｐよりも短い時間とされる。

そして、このようにして算出された補正後の上昇時間Δｔｕｐ’が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆと比較される。比較の結果、補正後の上昇時間Δｔｕｐ’が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆよりも短い場合には上流側空燃比センサ４０には異常が生じていないと判定される。一方、比較の結果、補正後の上昇時間Δｔｕｐ’が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆ以上である場合には、上流側空燃比センサ４０には異常が生じていると判定される。

図９は、正常な空燃比センサ及び応答性が低下している空燃比センサの出力収束値と応答時間との関係を示す図である。図９（Ａ）は上述したような応答時間の補正を行っていない場合を、図９（Ｂ）は上述したような応答時間の補正を行った場合をそれぞれ示している。上述したような応答時間の補正を行っていない場合には、図９（Ａ）に示したように、空燃比センサが正常であっても出力収束値に応じて応答時間が変化することがわかる。この結果、空燃比センサが正常である場合に出力収束値が小さいときの応答時間と、空燃比センサの応答性が低下している場合に出力収束値が大きいときの応答時間とはほとんど同一の値となってしまう。このため、空燃比センサの応答性の低下を正確に検出することができない。

一方、上述したような応答時間の補正を行っている場合には、図９（Ｂ）に示したように、少なくとも空燃比センサが正常であるときには出力収束値が変化しても応答時間はほとんど変化しない。この結果、空燃比センサが正常である場合に取り得る応答時間と空燃比センサの応答性が低下している場合に取り得る応答時間との間には差がある。このため、空燃比センサの応答性の低下を正確に検出することができる。すなわち、本実施形態によれば、空燃比センサの出力収束値が変化しても、すなわち空燃比センサの出力ゲインが変化しても、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。

なお、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力収束値Ｉｆｃｏｎの算出は、以下のようにして行われる。まず、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆの収束判定が行われる。出力電流Ｉｆの収束判定は、例えば、燃料カット制御が開始されてからの経過時間が予め定められた収束判定基準時間以上であるか否かによって行われ、収束判定基準時間以上経過しているときに出力電流Ｉｆが収束していると判定される。この収束判定基準時間は、燃料カット制御を開始してから上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが収束するまでに通常かかる時間の最大値、或いはこの最大値と僅かに異なる時間とされる。或いは、出力電流Ｉｆの収束判定は、出力電流Ｉｆの単位時間当たりの変化量が収束判定基準量以下であるか否かによって行われてもよく、この場合、収束判定基準量以下であるときに出力電流Ｉｆが収束していると判定される。

そして、このように上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが収束したと判定されてから予め定められた所定の時間が経過するまでの測定期間に亘って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが検出される。そして、この測定機関における上流側空燃比センサ４０の出力電流の平均値が出力収束値Ｉｆｃｏｎとされる。

また、下流側空燃比センサ４１の出力収束値Ｉｒｃｏｎも同様に算出される。ただし、下流側空燃比センサ４１の収束判定は、燃料カット制御が開始されてからの経過時間ではなく、燃料カット制御の開始後に燃焼室５に供給された積算吸入空気量が基準積算量に到達したと推定されてからの経過時間に基づいて行われる。又は、燃料カット制御の開始後に下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロよりも大きいリーン判定基準値以上になってからの経過時間に基づいて行われる。このように収束判定を行うのは、上流側排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されることにより、燃料カット制御の開始後に下流側空燃比センサ４１の出力電流の上昇が遅れるためである。なお、予め定められた基準積算量は、上流側排気浄化触媒２０の未使用時の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに相当する酸素量が含まれる空気の量以上とされる。また、リーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められたリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）に相当する値である。

或いは、下流側空燃比センサ４１の収束判定は、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達したと推定された後における出力電流Ｉｆの単位時間当たりの変化量に基づいて行われる。又は、燃料カット制御の開始後に下流側空燃比センサ４１の出力電流がリーン判定基準値以上になった後における出力電流Ｉｆの単位時間当たりの変化量に基づいて行われる。

なお、上記実施形態では、図８に示したように出力収束値Ｉｆｃｏｎに基づいて上昇時間の補正量Ｍを算出している。しかしながら、出力収束値Ｉｆｃｏｎに基づいて上昇時間の補正率を算出するようにしてもよい。この場合、このようにして算出された補正率を実際に検出された上昇時間Δｔｕｐに乗算することで補正上昇率Δｔｕｐ’が算出されることになる。また、補正率は、出力収束値Ｉｆｃｏｎが大きくなるほど増大せしめられる。

また、上述した例では、上流側空燃比センサ４０における上昇時間Δｔｕｐを例にとったが、下流側空燃比センサ４１の上昇時間Δｔｕｐ、両空燃比センサ４０、４１における低下時間Δｔｄｗｎについても同様に空燃比センサ４０、４１の出力収束値に基づいて補正を行うことが可能である。

＜フローチャート＞
図１０は、本実施形態の異常診断装置によって行われる上流側空燃比センサ４０の異常診断処理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実行される。

図１０に示した例では、まず、ステップＳ１１において、異常診断処理の実行条件が成立しているか否かが判定される。異常診断処理の実行条件が成立する場合とは、例えば、以下のような条件の少なくとも一部、好ましくは全てを満たしている場合である。
・機関冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）によって検出された機関冷却水の温度が所定温度以上であること。
・前回の燃料カット制御が終了してからの経過時間が予め定められた所定時間以上であること。
・機関高負荷運転時等に一時的に燃料噴射量を増量する増量制御が終了してからの経過時間が予め定められた所定時間以上であること。
・上流側空燃比センサ４０の応答性に関する異常診断が未だに終了していないこと。

ステップＳ１１において、異常診断処理の実行条件が成立していないと判定された場合、例えば、温度センサ（図示せず）によって検出された機関冷却水の温度が所定温度未満である場合、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、異常診断処理の実行条件が成立していると判定された場合、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では図１１に示す出力収束値Ｉｆｃｏｎの算出処理が実行され、次いで、ステップＳ１３では図１２に示す上昇時間Δｔｕｐの算出処理が実行される。

その後、ステップＳ１４では、収束値算出フラグ及び上昇時間算出フラグがＯＮになっているか否かが判定される。収束値算出フラグは、出力収束値Ｉｆｃｏｎの算出が完了するとＯＮにされ、その前にはＯＦＦとされるフラグである。また、上昇時間算出フラグは、上昇時間Δｔｕｐの算出が完了するとＯＮにされ、その前にはＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ１４において、収束値算出フラグ及び上昇時間算出フラグのうち少なくともいずれか一方がＯＦＦであると判定された場合には、上流側空燃比センサ４０の異常診断を行うのに十分なデータが集まっていないため、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、収束値算出フラグ及び上昇時間算出フラグがＯＮになってい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、ステップＳ１２において算出された出力収束値Ｉｆｃｏｎに基づいて、図８に示したようなマップを用いて補正量Ｍが算出される。次いで、ステップＳ１６では、ステップＳ１３で算出された上昇時間ΔｔｕｐにステップＳ１５で算出された補正量Ｍを加算した値（Δｔｕｐ＋Ｍ）、すなわち補正後の上昇時間Δｔｕｐ’が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆよりも短いか否かが判定される。補正後の上昇時間Δｔｕｐ’（＝Δｔｕｐ＋Ｍ）が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆよりも短いと判定された場合にはステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、上流側空燃比センサ４０は正常であると判定され、ステップＳ１９へと進む。一方、ステップＳ１６において、補正後の上昇時間Δｔｕｐ’が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では、上流側空燃比センサ４０には異常が生じていると判定され、警告灯が点灯せしめられ、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、収束値算出フラグ及び上昇時間算出フラグがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

図１１は、出力収束値Ｉｆｃｏｎの算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１１に示した制御ルーチンは、図１０のステップＳ１２において実行される。

図１１に示したように、まず、ステップＳ３１では、収束値算出フラグがＯＦＦであるか否かが判定される。収束値算出フラグがＯＮである場合には、既に収束値Ｉｆｃｏｎの算出が終了しているため、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、収束値算出フラグがＯＦＦ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、燃料カット制御（ＦＣ）を開始してからの経過時間ｔｆｃが予め定められた収束判定基準時間ｔｆｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。この収束判定基準時間ｔｆｃｒｅｆは、燃料カット制御を開始してから上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが収束するまでに通常かかる時間の最大値、或いはこの最大値と僅かに異なる時間とされる。燃料カット制御を開始してからの経過時間ｔｆｃが収束判定基準時間ｔｒｅｆよりも短いと判定された場合には、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが収束していないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、燃料カット制御を開始してからの経過時間ｔｆｃが収束判定基準時間ｔｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ３３へと進む。

ステップＳ３３では、上流側空燃比センサ４０の今回の出力電流Ｉｆを出力電流積算値ΣＩｆに加算したものが新たな出力電流積算値ΣＩｆとされる。次いで、ステップＳ３４では、ステップＳ３３における出力電流Ｉｆの積算回数がＮ回以上であるか否か、すなわち上流側空燃比センサ４０が収束したと判定してからの経過時間が所定時間以上であるか否かが判定される。出力電流Ｉｆの積算回数がＮ回よりも少ないと判定された場合には、適切な出力収束値Ｉｆｃｏｎを算出することができないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、出力電流Ｉｆの積算回数がＮ回以上であると判定された場合にはステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、出力電流積算値ΣＩｆを積算回数Ｎで除算した値が出力収束値Ｉｆｃｏｎとして算出される。次いで、ステップＳ３６では、収束値算出フラグがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

図１２は、上昇時間Δｔｕｐの算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１２に示した制御ルーチンは、図１０のステップＳ１３において実行される。

図１２に示したように、まず、ステップＳ４１では、上昇時間算出フラグがＯＦＦであるか否かが判定される。上昇時間算出フラグがＯＮである場合には、既に上昇時間Δｔｕｐの算出が終了しているため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ４１において、上昇時間算出フラグがＯＦＦであると判定された場合には、ステップＳ４２へと進む。

ステップＳ４２では、現在、燃料カット制御（ＦＣ）中であるか否かが判定される。燃料カット制御中でないと判定された場合には、上昇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。その後、燃料カット制御が開始されると、ステップＳ４２において、現在、燃料カット制御中であると判定されてステップＳ４３へと進む。ステップＳ４３では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗよりも低いか否かが判定される。

ステップＳ４３において、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗよりも低いと判定された場合には、ステップＳ４４へと進む。ステップＳ４４では、応答時間Δｔｕｐがゼロにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、燃料カット制御開始から時間が経過して排気空燃比の上昇に伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが上昇すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ４３において出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗ以上であると判定され、ステップＳ４５へと進む。

ステップＳ４５では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが高基準値Ｉｆｈｉｇｈよりも小さいか否かが判定される。ステップＳ４５において、出力電流Ｉｆが高基準値Ｉｆｈｉｇｈよりも小さいと判定された場合にはステップＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、上昇時間Δｔｕｐに微少時間Δｔ（制御ルーチンの実行間隔に相当）を加算した値が新たな上昇時間Δｔｕｐとされ、制御ルーチンが終了せしめられる。その後、排気空燃比の更なる上昇に伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが上昇すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ４５において出力電流Ｉｆが高基準値Ｉｆｈｉｇ以上であると判定され、ステップＳ４７へと進む。ステップＳ４７では、応答時間算出フラグがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

なお、上記フローチャートでは、上流側空燃比センサ４０の上昇時間Δｔｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０の異常診断を行った場合を示している。しかしながら、同様な制御ルーチンを用いて、上流側空燃比センサ４０の低下時間Δｔｄｗｎに基づいて上流側空燃比センサ４０の異常診断を行うことができる。ただし、この場合、図１２に示した上昇時間算出処理の代わりに、図１３に示した低下時間算出処理が行われる（図１３のステップ番号は、図１２における対応するステップの番号にダッシュを付した番号となっている）。図１３に示した低下時間算出処理の制御ルーチンステップＳ４２’において、燃料カット制御の終了後であるか否かが判定されることになる。また、ステップＳ４３’においては、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒが高基準値Ｉｒｈｉｈｇよりも高いか否かが判定される。加えて、ステップＳ４５’においては、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒが低基準値Ｉｒｌｏｗよりも高いか否かが判定される。

加えて、同様な制御ルーチンを用いて、下流側空燃比センサ４１の上昇時間Δｔｕｐや低下時間Δｔｄｗｎに基づいて下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うこともできる。この場合、図１１に示した収束値算出処理の代わりに、図１４に示した収束値算出処理が行われる。

図１４は、下流側空燃比センサ４１における出力収束値Ｉｒｃｏｎの算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１４におけるステップＳ５６〜Ｓ５９は、図１１におけるステップＳ３３〜Ｓ３６と同様であることから説明を省略する。

図１４に示したように、先ず、ステップＳ５１では、収束値算出フラグがＯＦＦであるか否かが判定される。収束値算出フラグがＯＦＦであると判定された場合には、ステップＳ５２へと進む。ステップＳ５２では、燃料カット制御が開始されてから燃焼室５に供給された吸入空気量の積算値（積算空気量）ΣＭｃが予め定められた基準積算量Ｍｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。加えて、ステップＳ５３では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒがゼロよりも大きいリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以上となったか否かが判定される。

ステップＳ５２及びＳ５３において、燃料カット制御開始後の積算空気量ΣＭｃが基準積算量Ｍｃｒｅｆよりも少なく且つ下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒもリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎよりも小さいと判定された場合には、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Ｃｍａｘに到達していない可能性があることを意味する。したがって、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となっており、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒはゼロからあまり変化しない。このため、このような場合には、上昇時間Δｔｕｐを検出することはできない。したがって、このような場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ５２において燃料カット制御開始後の積算空気量ΣＭｃが基準積算量Ｍｃｒｅｆ以上である場合、又はステップＳ５３において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒがリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以上であると判定された場合には、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Ｃｍａｘに到達していることを意味する。したがって、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比は徐々に上昇していく。このため、このような場合には、ステップＳ５４へと進み、経過時間ｔｆｃに微少時間Δｔ（制御ルーチンの実行間隔に相当）が加算した値が新たな経過時間ｔｆｃとされ、経過時間の計測が開始される。その後、ステップＳ５５へと進み、ステップＳ５４で算出された経過時間ｔｆｃが予め定められた収束判定基準時間ｔｆｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ５４で算出された経過時間ｔｆｃが収束判定基準時間ｔｆｃｒｅｆよりも短いと判定された場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒが収束していないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ５４で算出された経過時間ｔｆｃが収束判定基準時間ｔｆｃｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ５６へと進む。

＜第一実施形態の第一変形例＞
次に、図１５及び図１６を参照して、本発明の第一実施形態の第一変形例に係る異常診断装置について説明する。本変形例では、燃料カット制御中に空燃比センサ４０、４１の出力電流が収束するときの推移に応じて、異常診断制御の実行を中止するようにしている。

ところで、空燃比センサ４０、４１の出力ゲインは、上述したように、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの圧力等に応じて変化する。したがって、燃料カット制御の開始後或る程度の時間が経過しても、例えば空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの圧力が変動すると、空燃比センサ４０、４１の出力電流が一定の値に収束しない場合がある。この様子を、図１５に示す。図１５中の実線は、燃料カット制御中に上流側空燃比センサ４０の出力ゲインが変動している場合における出力電流Ｉｆの推移を表している。一方、図１５中の破線は、燃料カット制御中に上流側空燃比センサ４０の出力ゲインが変動していない場合における出力電流Ｉｆの推移を表している。

ここで、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆの時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までの平均値が出力収束値Ｉｆｃｏｎとして算出される。このため、図中に破線で示したように燃料カット制御中に上流側空燃比センサ４０の出力ゲインが変動していなければ、算出される出力収束値はＩｆｃｏｎ₁として算出される。一方、図中に実線で示したように燃料カット制御中に上流側空燃比センサ４０の出力ゲインが時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までに間に変動すると、算出される出力収束値はＩｆｃｏｎ₁とは異なる値であるＩｆｃｏｎ₂となる。このように、出力収束値を算出するための測定期間（時刻ｔ₂〜時刻ｔ₃）中に上流側空燃比センサ４０の出力ゲインが変動してしまうと、出力ゲインが変動していないときとは異なる値となってしまう。この結果、出力ゲインが変動していると、算出される出力収束値Ｉｆｃｏｎは、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗから高基準値Ｉｆｈｉｇｈまで推移している間の出力ゲインに対応する値とは異なる値になってしまう。このため、算出された出力収束値Ｉｆｃｏｎによっては適切な応答時間補正量を算出することができず、その結果、上昇時間Δｔｕｐを適切に補正することができない。

そこで、本変形例では、燃料カット制御中における上流側空燃比センサ４０の出力収束値を算出するための測定期間中に上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが大きく変動したときには、上流側空燃比センサ４０の異常診断を行わないようにしている。具体的には、本変形例では、上流側空燃比センサ４０の出力収束値を算出するにあたって出力電流Ｉｆを積算している間（図１５の時刻ｔ₂から時刻ｔ₃）の出力電流Ｉｆの最大値と最小値との差が予め定められた所定の診断中止基準値よりも大きい場合には、異常診断を行わないこととしている。これにより、上昇時間Δｔｕｐを適切に算出することができないときには上流側空燃比センサ４０の異常診断が行われず、よって適切でない異常診断が実行されてしまうことが防止される。

なお、上記変形例では、出力収束値の算出中における出力電流Ｉｆの最大値と最小値との差に基づいて異常診断実行の可否を決定している。しかしながら、出力電流Ｉｆが変動している程度を示すパラメータであれば、最大値と最小値との差以外のパラメータに基づいて異常診断実行の可否を決定してもよい。このようなパラメータとしては、例えば、出力収束値を算出するための測定期間中の上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆにおける最大変化率や平均変化率（変化率の絶対値を平均したもの）等が挙げられる。この場合、出力電流Ｉｆにおける最大変化率や平均変化率が予め定められた所定の診断中止基準値よりも大きい場合には、異常診断を行わないこととされる。すなわち、本変形例では、出力電流Ｉｆの変動を示すパラメータの値が予め定められた診断中止基準値よりも変動が大きいことを表す値であるときには、上流側空燃比センサ４０の異常診断を行いこととされる。なお、上記例では、上流側空燃比センサ４０を例にとって説明したが、下流側空燃比センサ４１にも同様に適用が可能である。

図１６は、出力収束値Ｉｆｃｏｎの算出処理の制御ルーチンを示す、図１１と同様なフローチャートである。図１６に示した制御ルーチンは、図１０のステップＳ１２において実行される。なお、図１６のステップＳ６１〜Ｓ６３、Ｓ６８、Ｓ７０〜Ｓ７１は、図１１のステップＳ３１〜Ｓ３６と同様であるため説明を省略する。

図１６のステップＳ６４では、現在の上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが現在保存されている出力最大値Ｉｆｍａｘよりも大きいか否かが判定され、ステップＳ６５では、現在の上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが現在保存されている出力最小値Ｉｆｍｉｎよりも小さいか否かが判定される。ステップＳ６４、Ｓ６５において、現在の出力電流Ｉｆが出力最大値Ｉｆｍａｘよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ６６へと進む。ステップＳ６６では、現在の出力電流Ｉｆが出力最大値Ｉｆｍａｘとされ、すなわち出力最大値Ｉｆｍａｘが更新されて、ステップＳ６８へと進む。一方、ステップＳ６４、Ｓ６５において、現在の出力電流Ｉｆが出力最小値Ｉｆｍｉｎよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ６７へと進む。ステップＳ６７では、現在の出力電流Ｉｆが出力最小値Ｉｆｍｉｎとされ、すなわち出力最小値Ｉｆｍｉｎが更新されて、ステップＳ６８へと進む。加えて、ステップＳ６４、Ｓ６５において、現在の出力電流Ｉｆが出力最小値Ｉｆｍｉｎ以上であって出力最大値Ｉｆｍａｘ以下である場合には、ステップＳ６６、Ｓ６７を経由することなく、ステップＳ６８へと進む。

ステップＳ６８では、出力電流Ｉｆの積算回数がＮ回以上であるか否かが判定され、Ｎ回以上であると判定された場合には、ステップＳ６９へと進む。ステップＳ６９では、出力最大値Ｉｆｍａｘと出力最小値Ｉｆｍｉｎとの差ΔＩｆ（Ｉｆｍａｘ−Ｉｆｍｉｎ）が予め定められた診断中止基準値Ｉｆｒｅｆよりも小さいか否かが判定される。差ΔＩｆが診断中止基準値Ｉｆｒｅｆよりも小さいと判定された場合、すなわち出力収束値の算出中における出力電流Ｉｆの変動が小さい場合には、ステップＳ７０へと進む。一方、差ΔＩｆが診断中止基準値Ｉｆｒｅｆ以上であると判定された場合、すなわち出力収束値の算出中における出力電流Ｉｆの変動が大きい場合には、ステップＳ７２へと進む。ステップＳ７２では、上流側空燃比センサ４０の異常診断が一時的に休止され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第一実施形態の第二変形例＞
次に、図１７を参照して、本発明の第一実施形態の第二変形例に係る異常診断装置について説明する。本変形例では、空燃比センサ４０、４１の出力収束値に応じて異常診断制御の実行を中止するようにしている。

ところで、図８に示した出力収束値と応答時間補正量（上昇時間補正量）との関係は、応答性劣化の生じていない空燃比センサ４０、４１を用いて出力ゲインを変化させることによって算出される。このとき、出力ゲインは、出力ゲインが小さすぎて異常と判定されるような値（縮小異常検出レベル）から、出力ゲインが大きすぎて異常と判定されるような値（拡大異常検出レベル）まで変化せしめられる。このため、実際の出力ゲインが縮小異常検出レベルよりも小さい場合であっても、応答時間補正量は縮小異常検出レベルに相当する補正量とされる。同様に、実際の出力ゲインが拡大異常検出レベルよりも大きい場合であっても、応答時間補正量は拡大異常検出レベルに相当する補正量とされる。

この結果、応答性劣化の生じていない空燃比センサ４０、４１を用いた場合であっても、出力ゲインが縮小異常検出レベルよりも小さいときには算出される応答時間が長くなり過ぎるため、応答時間補正量によっては応答時間を十分に短く補正することができない。このため、応答性劣化が生じていない空燃比センサ４０、４１を用いているにも関わらず、補正後の応答時間に基づいて空燃比センサ４０、４１に応答性劣化が生じていると判定されてしまうことになる。一方、応答性劣化の生じている空燃比センサ４０、４１を用いた場合であっても、出力ゲインが拡大異常検出レベルよりも大きいときには算出される応答時間が短くなり過ぎるため、応答時間補正量によっては応答時間を十分に長く補正することができない。その結果、応答性劣化が生じている空燃比センサ４０を用いているにも関わらず、補正後の応答時間に基づいて空燃比センサ４０に応答性劣化が生じていないと判定されてしまうことになる。

そこで、本実施形態では、このように出力ゲインが或る程度大きな値（例えば、拡大異常検出レベル）以上である場合、又は出力ゲインが或る程度小さな値（例えば、縮小異常検出レベル）以下である場合には、空燃比センサ４０の異常判定を行わないようにしている。

図１７を参照して具体的に説明する。図１７は燃料カット制御の開始時における上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆのタイムチャートである。図中の破線は、出力ゲインが適正値である場合における上流側空燃比センサ４０の出力値の推移を示している。上流側空燃比センサ４０の出力収束値Ｉｆｃｏｎが、図１７に実線Ａで示したように、予め定められた高側診断中止基準値（例えば、拡大異常検出レベルに相当）以上である場合には、上流側空燃比センサ４０の異常診断は行われない。同様に、上流側空燃比センサ４０の出力収束値Ｉｆｃｏｎが、図１７に実線Ｂで示したように、予め定められた低側診断中止基準値（例えば、縮小異常検出レベルに相当）以下である場合には、上流側空燃比センサ４０の異常診断は行われない。すなわち、本変形例では、燃料カット制御の開始後に空燃比センサの出力電流が収束したときの出力収束値が予め定められた範囲（例えば、縮小異常検出レベルよりも大きくて拡大異常検出レベルよりも小さい範囲に相当）外の値であった場合には、上流側空燃比センサ４０の異常診断は行われない。

これにより、空燃比センサ４０の出力ゲインが縮小異常検出レベル以下や拡大異常検出レベル以上になっても応答性劣化を適切に診断することができるようになる。

＜第二実施形態＞
次に、図１８及び図１９を参照して、本発明の第二実施形態の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の構成及び制御は基本的に第一実施形態の異常診断装置の構成及び制御と同様である。

ここで、上述した実施形態では、空燃比センサ４０、４１の出力収束値に基づいて、上昇時間Δｔｕｐ及び低下時間Δｔｄｗｎを補正するようにしていた。しかしながら、本実施形態では、燃料カット制御中の空燃比センサ４０、４１の出力収束値に基づいて高基準値Ｉｆｈｉｇｈ及び低基準値Ｉｆｌｏｗを変更するようにしている。

具体的には、まず、図１８の時刻ｔ₀において燃料カット制御が開始されると、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが逐次検出されると共に、計測された出力電流Ｉｆが計測時刻と共に一定時間間隔毎に又は一定出力値間隔毎にＥＣＵ３１のＲＡＭ３３に保存される。その後、上述した実施形態と同様に、出力収束値Ｉｆｃｏｎが算出される。算出された出力収束値Ｉｆｃｏｎに低基準値用係数Ａを乗算したものを低基準値Ｉｆｌｏｗとして算出する（Ｉｆｌｏｗ＝Ｉｆｃｏｎ×Ａ）。ここで、低基準値用係数Ａは０よりも大きく１よりも小さい値とされる。加えて、算出された出力収束値Ｉｆｃｏｎに高基準値用係数Ｂを乗算したものを高基準値Ｉｆｈｉｇｈとして算出する（Ｉｆｈｉｇｈ＝Ｉｆｃｏｎ×Ｂ）。ここで、高基準値用係数Ｂは、０よりも大きく１よりも小さい値とされると共に低基準値用係数Ａよりも大きな値とされる。

その後、図１８に示したように、ＲＡＭ３３に保存されている上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆ及びその到達時刻に基づいて、出力電流Ｉｆが低基準値Ｉｆｌｏｗに到達した時刻ｔ_A及び高基準値Ｉｆｈｉｇｈに到達した時刻ｔ_Bが算出される。このようにして算出された時刻ｔ_A及び時刻ｔ_Bの差を算出することにより、上昇時間Δｔｕｐが算出される。この上昇時間Δｔｕｐが予め定められた異常判定基準上昇時間以上である場合には空燃比センサ４０、４１に異常が生じていると判定される。これにより、本実施形態によれば、上流側空燃比センサ４０の異常を正確に診断することができる。また、同様な手法は、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うのにも用いることができる。

ところで、燃料カット制御開始後、時刻と上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆとの関係を連続的にＲＡＭ３３に保存することになると、ＲＡＭ３３に大きな記憶容量が必要になる。そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆが予め定められた複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆に到達した時刻ｔ₁〜ｔ₆のみがＲＡＭ３３に記憶される（図１８参照）。ここで、複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆は、０以上であって大気ガスに相当する出力電流よりも小さい値とされ、出力基準値ｉ₁からｉ₆に向かって徐々に大きくなる値とされる（ｉ₁＜ｉ₂＜ｉ₃＜・・・）。また、各出力基準値ｉ₁〜ｉ₆は隣り合う値と互いに同一値だけ離れた値とされる（例えば、ｉ₃−ｉ₂＝ｉ₂−ｉ₁）。なお、図示した例ではｉ₁〜ｉ₆の六つの出力基準値が用いられているが、これよりも多くてもよいし、少なくてもよい。

その後、出力収束値Ｉｆｃｏｎが算出され、この出力収束値Ｉｆｃｏｎを用いて高基準値Ｉｆｈｉｇｈ及び低基準値Ｉｆｌｏｗが算出される。しかしながら、このように算出された高基準値Ｉｆｈｉｇｈ及び低基準値Ｉｆｌｏｗは、多くの場合、出力基準値ｉ₁〜ｉ₆と一致しない。そこで、本実施形態では、このようにして算出された高基準値Ｉｆｈｉｇｈに最も近い二つ出力基準値（図１８に示した例ではｉ₄及びｉ₅）に到達した時刻（図１８に示した例では、ｔ₄及びｔ₅）に基づいて下記式（１）のような式を用いて高基準値Ｉｆｈｉｇｈに到達した時刻ｔ_Bが算出される。
ｔ_B＝（ｔ[ｘ＋１]−ｔ[ｘ]）／（ｉ[ｘ＋１]−ｉ[ｘ]）×（Ｉｆｈｉｇｈ−ｉ[ｘ]）＋ｔ[ｘ] …（１）
なお、上記式（１）において、ｉ[ｘ]は、ｉ[ｘ]≦Ｉｆｈｉｇｈ＜ｉ[ｘ＋１]となるように選択される。したがって、図１８に示した例では、ｉ（ｘ）はｉ₄とされる。

同様に、低基準値Ｉｆｌｏｗに最も近い二つの出力基準値（図１８に示した例ではｉ₂及びｉ₃）に到達した時刻（図１８に示した例では、ｔ₂及びｔ₃）に基づいて下記のような式を用いて低基準値Ｉｆｌｏｗに到達した時刻ｔ_Aが算出される。
ｔ_A＝（ｔ[ｙ＋１]−ｔ[ｙ]）／（ｉ[ｙ＋１]−ｉ[ｙ]）×（Ｉｆｌｏｗ−ｉ[ｙ]）＋ｔ（ｙ） …（２）
ここで、上記式（２）において、ｉ[ｙ]は、ｉ[ｙ]≦Ｉｆｌｏｗ＜ｉ[ｙ＋１]となるように選択される。

このように、ＥＣＵ３１のＲＡＭ３３に複数の出力基準値に到達した時刻のみを保存し、保存された時刻データに基づいて、算出された高基準値Ｉｆｈｉｇｈ及び低基準値Ｉｆｌｏｗに到達する時刻を推定することで、ＲＡＭ３３に保存されるデータ量を低減することができる。なお、このような手法は、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うのにも用いることができる。

なお、上記実施形態では、時刻とその時の空燃比センサの出力値との関係を一定出力値間隔毎にデータとしてＲＡＭ３３保存している。しかしながら、斯かる関係を、一定時間間隔毎に保存してもよい。この場合、予め定められた複数の時刻（すなわち、燃料カット制御開始からの経過時間）とこの時刻における上流側空燃比センサ４０の出力電流ＩｆとがデータとしてＲＡＭ３３に保存される。この場合、保存された出力電流のデータに基づいて、上記式（１）及び式（２）と同様な式に基づいて、高基準値Ｉｆｈｉｇｈ及び低基準値Ｉｆｌｏｗに到達する時刻が推定される。

すなわち、本実施形態では、燃料カット制御の開始後、現在の時刻とその時の空燃比センサ４０、４１の出力値との関係が一定時間間隔毎に又は一定出力値間隔毎に保存される。加えて、検出された出力収束値に基づいて低リーン基準値及び高リーン基準値が補正される。そして、補正された低リーン基準値及び高リーン基準値に空燃比センサの出力値が到達した時刻が、前記保存された時刻と出力値との関係に基づいて算出され、これにより応答時間が算出される。

＜フローチャート＞
図１９は、本実施形態の異常診断装置によって行われる上流側空燃比センサ４０の異常診断処理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実行される。

図１９に示した例では、まず、ステップＳ８１において、図１０のステップＳ１１と同様に、異常診断処理の実行条件が成立しているか否かが判定される。次いで、ステップＳ８２では、図１１に示す出力収束値Ｉｆｃｏｎの算出処理が実行される。次いで、ステップＳ８３では、燃料カット制御開始後の上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｆに基づいて複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆に到達した時刻ｔ₁〜ｔ₆が検出され、検出された時刻ｔ₁〜ｔ₆は出力基準値ｉ₁〜ｉ₆と関連付けてＥＣＵ３１のＲＯＭ３３に保存される。全ての出力基準値ｉ₁〜ｉ₆に到達した時刻ｔ₁〜ｔ₆が検出・保存されると、到達時刻算出フラグがＯＮにセットされる。

次いで、ステップＳ８４では、収束値算出フラグ及び到達時刻ｋ算出フラグがＯＮになっているか否かが判定される。上述したように、到達時間算出フラグは、全ての出力基準値に到達した時刻が検出・保存されたときにＯＮにされ、その前にはＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ８４において、収束値算出フラグ及び到達時刻算出フラグのうち少なくともいずれか一方がＯＦＦであると判定された場合には、上流側空燃比センサ４０の異常診断を行うのに十分なデータが集まっていないため、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ８４において、収束値算出フラグ及び到達時刻算出フラグがＯＮになっていると判定された場合には、ステップＳ８５へと進む。ステップＳ８５ではステップＳ８２において算出された出力収束値Ｉｆｃｏｎに高基準値用係数Ｂを乗算して高基準値Ｉｆｈｉｇｈが算出される。加えて、算出された出力収束値Ｉｆｃｏｎに低基準値用係数Ａを乗算して低基準値Ｉｆｌｏｗが算出される。次いで、ステップ８６では、ステップＳ８３で検出・保存された出力基準値及びその到達時間並びにステップＳ８５で算出された高基準値Ｉｆｈｉｇｈに基づいて、上記式（１）により高基準値到達時刻ｔ_Bが算出される。ステップＳ８７では、ステップＳ８３で検出・保存された出力基準値及びその到達時間並びにステップＳ８５で算出された低基準値Ｉｆｌｏｗに基づいて、上記式（２）により低基準値到達時間ｔ_Aが算出される。

次いで、ステップＳ８８では、ステップＳ８６で算出された高基準値到達時刻ｔ_BからステップＳ８７で算出された低基準値到達時刻ｔ_Aを減算した上昇時間Δｔｕｐ（＝ｔ_B−ｔ_A）が異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆよりも短いか否かが判定される。上昇時間Δｔｕｐが異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆよりも短いと判定された場合には、ステップＳ８９へと進む。ステップＳ８９では、上流側空燃比センサ４０は正常であると判定され、ステップＳ９１へと進む。一方、ステップＳ８８において上昇時間Δｔｕｐが異常判定基準上昇時間ｔｕｐｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ９０へと進む。ステップＳ９０では、上流側空燃比センサ４０には異常が生じていると判定され、警告灯が点灯せしめられ、ステップＳ９１へと進む。ステップＳ９１では、収束値算出フラグ及び到達時間算出フラグがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第二実施形態の変形例＞
次に、図２０を参照して、本発明の第二実施形態の変形例に係る異常診断装置について説明する。本変形例では、燃料カット制御後の空燃比センサ４０、４１の出力収束値に応じて異常診断制御の実行を中止するようにしている。

ところで、図１８に示したように上流側空燃比センサ４０の出力収束値に基づいて高基準値及び低基準値を算出する場合、出力収束値Ｉｆｃｏｎが小さすぎると、図２０（Ａ）に示したように、算出された低基準値Ｉｆｌｏｗは複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆のうちの最も低い出力基準値ｉ₁よりも低い値になってしまう。同様に、出力収束値Ｉｆｃｏｎが大きすぎると、図２０（Ｂ）に示したように、算出された高基準値Ｉｆｈｉｇｈは複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆のうちの最も高い出力基準値ｉ₆よりも高い値になってしまう。

そこで、本実施形態では、出力収束値が所定の上側診断中止基準値以上である場合、又は出力収束値が所定の下側診断中止基準値以下である場合には、上流側空燃比センサ４０の異常判定を行わないようにしている。すなわち、本変形例では、燃料カット制御の開始後に空燃比センサの出力電流が収束したときの出力収束値が予め定められた範囲（上側診断中止基準値よりも低く下側診断中止基準値よりも高い範囲）外の値であった場合には、上流側空燃比センサ４０の異常診断は行われない。

なお、上側診断中止基準値は、その出力収束値に基づいて算出された高基準値Ｉｆｈｉｇｈが複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆のうちの最も高い出力基準値ｉ₆となるような値とされる。また、下側診断中止基準値は、その出力収束値に基づいて算出された低基準値Ｉｆｌｏｗが複数の出力基準値ｉ₁〜ｉ₆のうちの最も低い出力基準値ｉ₁となるような値とされる。或いは、第一実施形態の第二変形例と同様に、上側診断中止基準値及び下側診断中止基準値は出力ゲインの拡大異常検出レベル及び縮小異常検出レベルにそれぞれ相当する値であってもよい。

最後に、上述した第一実施形態及び第二実施形態をまとめると、本発明では、燃料カット制御の実行開始又は実行終了に伴って空燃比センサ４０、４１の出力値が変化している期間中における空燃比センサ４０、４１の出力値に基づいて、空燃比センサの応答性を示す応答性パラメータ（例えば、上述した応答時間や時間変化率）が算出される。そして、算出された応答性パラメータの値と所定の異常判定閾値（異常判定基準応答時間や異常判定基準変化率）とを比較して空燃比センサの応答性に関する異常が診断される。

加えて、燃料カット制御中に空燃比センサ４０、４１の出力値がリーン空燃比に相当する値に収束したときの収束値が検出される。そして、検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、空燃比センサ４０、４１の応答性が算出された応答性パラメータの値に相当する応答性よりもより速いものとして扱われるように、応答性パラメータの値、応答性パラメータの算出に用いられるパラメータの値（例えば、高基準値や低基準値）及び異常判定閾値のうち少なくともいずれか一つが補正される。そして、補正後に算出された応答性パラメータの値及び異常判定閾値に基づいて空燃比センサの応答性に関する異常が診断される。

１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
１９ 排気マニホルド
２０ 上流側排気浄化触媒
２４ 下流側排気浄化触媒
３１ ＥＣＵ
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 下流側空燃比センサ

Claims (8)

1. 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を実行可能な内燃機関の排気通路に設けられて該排気通路内を流通する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置において、
   前記燃料カット制御の実行開始又は実行終了に伴って前記空燃比センサの出力値が変化している期間中における前記空燃比センサの出力値に基づいて、前記空燃比センサの応答性を示す応答性パラメータを算出すると共に、該算出された応答性パラメータの値と所定の閾値とを比較して前記空燃比センサの応答性に関する異常を診断し、
   前記燃料カット制御中に前記空燃比センサの出力値が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に相当する値に収束したときの収束値を検出すると共に、該検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記空燃比センサの応答性が上記算出された応答性パラメータの値に相当する応答性よりもより速いものとして扱われるように、前記応答性パラメータの値、前記応答性パラメータの算出に用いられるパラメータの値及び前記閾値のうち少なくともいずれか一つを補正し、補正後に算出された応答性パラメータの値及び前記閾値に基づいて前記空燃比センサの応答性に関する異常を診断する、空燃比センサの異常診断装置。
2. 前記応答性パラメータは、前記期間中であって前記燃料カット制御の開始に伴い前記空燃比センサの出力値がリーン空燃比に相当する低リーン基準値から、該低リーン基準値に相当する空燃比よりもリーンな空燃比に相当する高リーン基準値まで変化するのにかかる出力変化時間、又は、前記期間中であって前記燃料カット制御の終了に伴い前記空燃比センサの出力値が前記高リーン基準値から前記低リーン基準値まで変化するのにかかる出力変化時間であり、
   当該異常診断装置は、前記出力変化時間が所定の閾値以上であるときに前記空燃比センサに異常があると判定する、請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
3. 当該異常診断装置は、前記検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記出力変化時間を短くなるように補正するか、又は前記閾値を大きくなるように補正する、請求項２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
4. 前記応答性パラメータは、前記期間中であって前記燃料カット制御の開始に伴い前記空燃比センサの出力値がリーン空燃比に相当する低リーン基準値から、該低リーン基準値に相当する空燃比よりもリーンな空燃比に相当する高リーン基準値まで変化する間の時間変化率、又は、前記期間中であって前記燃料カット制御の終了に伴い前記空燃比センサの出力値が前記高リーン基準値から前記低リーン基準値まで変化する間の時間変化率であり、
   当該異常診断装置は、前記時間変化率が所定の閾値以下であるときに空燃比センサに異常があると判定する、請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
5. 当該異常診断装置は、前記検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記時間変化率を大きくなるように補正するか、又は前記閾値を小さくなるように補正する、請求項４に記載の空燃比センサの異常診断装置。
6. 当該異常診断装置は、前記検出された収束値に相当する空燃比のリーン度合いが小さくなるほど、前記低リーン基準値に相当する空燃比と前記高リーン基準値に相当する空燃比との間隔が小さくなるようにこれら低リーン基準値及び高リーン基準値を補正する、請求項２又は４に記載の空燃比センサの異常診断装置。
7. 前記燃料カット制御中の前記空燃比センサの出力値における収束値として、前記燃料カット制御中に前記空燃比センサの出力値が収束したと判定されてから所定の時間が経過するまでの測定期間における該空燃比センサの出力値の平均値が用いられ、
   前記測定期間中における前記空燃比センサの出力値の変動を示すパラメータの値が診断中止基準値よりも出力値の変動が大きいことを表す値であるときには前記空燃比センサの異常診断を行わない、請求項１〜６のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
8. 当該異常診断装置は、前記収束値が予め定められた範囲外の値であった場合には、前記空燃比センサの異常診断を行わない、請求項１〜７のいずれか１項に記載の空燃比センサの異常診断装置。

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