JP2012251461A - 空燃比検出装置の故障判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オープンループ運転時に触媒に吸着された炭化水素や一酸化炭素による影響を正確に把握して、精度の高い故障判定を可能とする。
【解決手段】エンジン１の作動中に燃料供給を停止し、当該燃料供給の停止後の下流側酸素濃度センサ３２により検出された排気の空燃比の変化に基づいて当該下流側酸素濃度センサ３２の故障判定をする故障判定手段を備え、燃料供給の停止前において空燃比をリッチ状態にしてオープンループ運転するエンリッチ運転モードでのエンジン１の吸入空気量を積算し、当該吸入空気量積算値Ｑolが所定値Ｑolhを超えた場合に下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられた触媒の下流側に配置した空燃比検出装置の故障判定技術に関する。

エンジン（内燃機関）の排気系には、排気を浄化するために、通常、三元触媒やＮＯｘ吸蔵触媒等の触媒が備えられている。そして、これらの触媒の下流に、空燃比制御を行なうために、酸素濃度センサのような空燃比を検出する空燃比検出装置が備えられているものがある。
また、内燃機関の燃料噴射モードを負荷等に応じて切り換える技術も知られている。燃料噴射モードは、例えば排気の空燃比をフィードバックしながらストイキオやリーン状態で運転を行う通常運転モードや、負荷の大きい場合等にリッチ化するように空燃比をオープンループ制御するエンリッチ運転モード、減速時等のような無負荷時に燃料噴射を停止する燃料カットモードがある。

そして、触媒の下流に設けられた空燃比検出装置の故障判断をするために、燃料カットモード開始(燃料カット開始)から所定時間が経過した後に空燃比検出装置により排気がリッチであることが検出された場合に、空燃比検出装置が故障であると判定する技術が開示されている（特許文献１）。
また、このように触媒の下流側の空燃比検出装置の故障判定を行う際に、燃料カット前にエンリッチ運転モードよってリッチ運転を続けると、排気中の炭化水素や一酸化炭素が増加し、これらの成分が触媒に多く吸着された状態で燃料カットが開始された場合、触媒に吸着された炭化水素や一酸化炭素が酸化されるまで触媒から流出する排気がリッチとなり、所定時間を超えて空燃比検出装置がリッチであることを検出して空燃比検出装置が故障していると誤判定をする虞がある。

これに対し、特許文献１では、燃料カット前のオープンループ運転の継続時間に基づいて、燃料カットモード開始からの所定時間、即ち故障判定用の閾値を変更する技術が提案されている。

特許４０６２７６５号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料カット前のオープンループ運転の継続時間に基づいて故障判定の条件を変更しているため、燃料カット前のオープンループ運転の状態によっては、同じ継続時間であっても触媒に吸着される炭化水素や一酸化炭素の量が異なり、正確に故障判定用の閾値を設定することができず、精度の高い故障判定を行うことが困難である。

本発明の目的は、オープンループ運転時に触媒に吸着される炭化水素や一酸化炭素による影響を正確に把握して、精度の高い故障判定を行うことが可能な故障判定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の空燃比検出装置の故障判定装置は、内燃機関の排気系に設けられた触媒の下流側に配置された空燃比検出装置の故障判定装置であって、内燃機関の作動中に燃料供給を停止し、当該燃料供給の停止後の空燃比検出装置により検出された排気の空燃比の変化に基づいて当該空燃比検出装置の故障判定をする故障判定手段と、燃料供給の停止前において空燃比をリッチ状態にして運転する第１の運転モードでの内燃機関の吸入空気量を積算する吸入空気量積算手段と、吸入空気量積算手段により演算された吸入空気量の積算値に基づいて故障判定手段による空燃比検出装置の故障判定を制限する故障判定制限手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の空燃比検出装置の故障判定装置は、請求項１において、故障判定制限手段は、吸入空気量の積算値が所定値を超えた場合に空燃比検出装置の故障判定を禁止することを特徴とする。
また、請求項３の空燃比検出装置の故障判定装置は、請求項１において、故障判定制限手段は、吸入空気量積算手段により演算された吸入空気量の積算値に基づいて、故障判定手段における空燃比検出装置の故障判定用の閾値を変更させることを特徴とする。

また、請求項４の吸入空気量積算手段は、請求項１〜３のいずれか１項において、燃料供給の停止前において空燃比をストイキオまたはリーン状態で運転する第２の運転モード、及び燃料供給を停止する第３の運転モードのうち少なくともいずれか一方での内燃機関の吸入空気量を、第１の運転モードでの吸入空気量の積算値から減算することを特徴とする。

また、請求項５の空燃比検出装置の故障判定装置は、請求項１〜４のいずれか１項において、故障判定手段は、燃料供給の停止後の空燃比検出装置により検出された排気の空燃比が所定範囲を変化する所要時間に基づいて、空燃比検出装置の故障判定をすることを特徴とする。
また、請求項６の空燃比検出装置の故障判定装置は、請求項１〜４のいずれか１項において、故障判定手段は、燃料供給の停止から空燃比検出装置により検出された排気の空燃比が所定空燃比に到達するまでの所要時間に基づいて、空燃比検出装置の故障判定をすることを特徴とする。

本発明の請求項１の空燃比検出装置の故障判定装置によれば、燃料供給の停止前において空燃比をリッチ状態にして運転する第１の運転モードでの内燃機関の吸入空気量が積算され、当該積算値に基づいて故障判定が制限されるので、燃料供給の停止時に触媒に炭化水素や一酸化炭素が多く吸着されていることを原因とする故障判定手段での空燃比検出装置の故障の誤判定を回避することが可能となる。

特に、吸入空気量積算手段により、燃料供給の停止前におけるリッチ状態運転時での内燃機関の吸入空気量を積算することで、燃料供給の停止時における触媒での炭化水素や一酸化炭素の吸着量を推定して、故障判定時における影響を正確に把握することができる。これにより、故障判定の制限を正確に行うことができ、精度の高い故障判定を行うことが可能となる。

本発明の請求項２の空燃比検出装置の故障判定装置によれば、燃料供給の停止前における第１の運転モードでの内燃機関の吸入空気量の積算値が所定値を超えた場合に空燃比検出装置の故障判定が禁止されるので、誤判定される可能性の高い状態での故障判定を回避して、精度の高い故障判定を行うことが可能となる。
本発明の請求項３の空燃比検出装置の故障判定装置によれば、燃料供給の停止前において第１の運転モードでの内燃機関の吸入空気量の積算値に基づいて故障判定手段における故障判定用の閾値が変更されるので、燃料供給の停止時に触媒に炭化水素や一酸化炭素が多く吸着されていることによる影響を正確に反映させて、故障判定手段での空燃比検出装置の故障判定を精度良く行うことが可能となる。

本発明の請求項４の空燃比検出装置の故障判定装置によれば、燃料供給の停止前において空燃比をストイキオまたはリーン状態で運転する第２の運転モード、及び燃料供給を停止する第３の運転モードでの内燃機関の吸入空気量を、第１の運転モードでの吸入空気量の積算値から減算するので、第２及び第３の運転モード時における触媒での炭化水素や一酸化炭素の吸着量の低下を反映させて、燃料供給の停止時での触媒の炭化水素や一酸化炭素の吸着量をより正確に推定することができる。

本発明の請求項５の空燃比検出装置の故障判定装置によれば、燃料供給の停止後の排気の空燃比が所定範囲を変化する所要時間に基づき、例えば当該所要時間が所定時間を超えることで、燃料供給停止による所定範囲での空燃比の低下を正確に検出できていないと見なし、空燃比検出装置が故障であることを判定することが可能となる。
本発明の請求項６の空燃比検出装置の故障判定装置によれば、燃料供給の停止から排気の空燃比が所定空燃比に到達するまでの所要時間に基づき、例えば当該所要時間が所定時間を超えることで、燃料供給停止により低下する空燃比を正確に検出できていないと見なし、空燃比検出装置が故障であることを判定することが可能となる。

本発明の故障判定装置が適用されたエンジンの吸排気系の概略構成図である。 燃料カット前後での吸入空気量積算演算値及び酸素濃度センサの出力値の推移の一例を示すタイムチャートである。 吸入空気量積算値と空燃比低下の所要時間との関係の一例を示すグラフである。 吸入空気量積算値と各判定状況との関係の一例を示すタイムチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の故障判定装置が適用されたエンジン１(内燃機関)の吸排気系の概略構成図である。
エンジン１は、車両に搭載され、例えば燃料を噴射弁から筒内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射式のガソリンエンジンである。

図１に示すように、エンジン１の吸気通路２には、吸入空気流量を調節する電子制御式のスロットルバルブ１０が設けられている。スロットルバルブ１０には、スロットルバルブ１０の開き度合を検出するスロットルポジションセンサ１１が備えられている。
また、スロットルバルブ１０の上流側の吸気通路２には、吸気流量を検出するエアフローセンサ１２が設けられている。

更にエンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０、図示しないカム角センサや水温センサや等のエンジン１の運転状況を検出するセンサが設けられている。
エンジン１の排気通路３には、三元触媒等の排気浄化触媒３０が介装されている。
排気浄化触媒３０の上流側には排気浄化触媒３０に流入する排気中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度センサ３１と、下流側には排気浄化触媒３０通過後の排気中の酸素濃度を検出する下流側酸素濃度センサ３２（空燃比検出装置）とが設けられている。

ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ４０の入力側には、上記スロットルポジションセンサ１１、エアフローセンサ１２、クランク角センサ２０、上流側酸素濃度センサ３１、下流側酸素濃度センサ３２、及び図示しない水温センサ、アクセルの開度を検出するアクセルポジションセンサ、車速センサ、その他エンジン１及び車両の運転状態を検出するセンサ類からの検出情報が入力される。

ＥＣＵ４０の出力側には、上記スロットルバルブ１０や燃料噴射弁４、点火プラグ５等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて目標スロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、スロットルバルブ１０、燃料噴射弁４等を制御する。

特に、ＥＣＵ４０は、エンジン１の燃料噴射モードを負荷等に応じて切り換える。燃料噴射モードは、例えばストイキオ状態あるいはリーン状態となるように排気の空燃比をフィードバックしながら運転を行う通常運転モード(第２の運転モード)や、負荷の大きい場合等に空燃比をリッチ化するようにオープンループ制御するエンリッチ運転モード（第１の運転モード）、減速時等のような無負荷時に燃料噴射を停止する燃料カットモード(第３の運転モード)がある。なお、通常運転モードでは上流側酸素濃度センサ３１及び下流側酸素濃度センサ３２からの出力に基づいてフィードバック運転を行い、エンリッチ運転モード及び燃料カットモードでは、オープンループ運転を行う。

また、ＥＣＵ４０は、下流側酸素濃度センサ３２の故障判定機能を有している。
下流側酸素濃度センサ３２の故障判定は、エンジン運転中に燃料カットモードに移行して燃料噴射を停止（燃料カット）した際に、下流側酸素濃度センサ３２により検出した排気の空燃比の変化に基づいて下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を行う（故障判定手段）。

図２は、燃料カット前後での吸入空気量積算値Ｑol及び下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖの推移の一例を示すタイムチャートである。図中実線は燃料カット開始前に通常運転を行った場合、図中破線は燃料カット開始前にエンリッチ運転を行った場合を示している。
図２中実線で示すように、例えば通常運転モードによる空燃比のフィードバック運転から燃料カットすると、下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖは、燃料カット開始からタイムラグをおいて下がり始める。そして、このときの下流側酸素濃度センサ３２の出力値の低下度合い、具体的には下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖが所定範囲（Ｖ1からＶ2まで）変化する際の所要時間Ｔslopeは略一定の値となる。また、燃料カット開始から下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖが所定値Ｖ2まで低下するまでの所要時間Ｔrlも略一定の値となる。

ＥＣＵ４０は、この所要時間Ｔslopeを測定し、この値があらかじめ設定された閾値Ｔａ以下である場合には下流側酸素濃度センサ３２が正常であると判定し、閾値Ｔａを超える場合には下流側酸素濃度センサ３２が故障であると判定する。また、所要時間Ｔslopeの代わりに、所要時間Ｔrlを測定し、あらかじめ設定された閾値Ｔｂ以下である場合には下流側酸素濃度センサ３２が正常であると判定し、閾値Ｔｂを超える場合には下流側酸素濃度センサ３２が故障であると判定してもよい。

更に、本実施形態では、燃料カット開始前にエンリッチ運転モードであった場合に、上記下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を制限する機能を有する。
図２中破線で示すように、例えばエンリッチ運転モードによる空燃比のオープンループ運転から燃料カットすると、下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖは、燃料カット開始からタイムラグをおいて下がり始めるものの、その下がり方は図２中実線で示す通常運転モードからの燃料カット時と比べて緩やかなものとなる（所要時間Ｔslope’及びＴrl’がＴslope、Ｔrlより大きくなる。）。したがって、下流側酸素濃度センサ３２が故障していると誤判定する虞がある。

そこで、ＥＣＵ４０は、燃料カット開始前におけるオープンループ運転時における吸入空気量積算値Ｑolを演算し（吸入空気量積算手段）、当該吸入空気量積算値Ｑolが閾値Ｑolhを超えた場合には、上記下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を禁止する（故障判定禁止手段）。なお、触媒に吸着された炭化水素や一酸化炭素が下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖに与える影響を確実に除去するため、この下流側酸素濃度センサ３２の故障判定の禁止の解除は、吸入空気量積算値Ｑolが０以下に低下した場合に行う。また、ＥＣＵ４０電源ＯＮ時には、初期設定として、下流側酸素濃度センサ３２の故障判定の禁止は解除される。

図３は、吸入空気量積算値Ｑolと所要時間Ｔslopeとの関係の一例を示すグラフである。
図３に示すように、オープンループ運転時の吸入空気量積算値Ｑolが図中Ｑｂを超えたあたりから、所要時間Ｔslopeが故障判定用の閾値Ｔａを超す傾向となる。当該Ｑｂは、排気浄化触媒３０の容量や、炭化水素や一酸化炭素の吸着能力によって定められる値であって、このＱｂをあらかじめ確認の上、閾値Ｑolhとして設定すればよい。

次に、オープンループ運転時の吸入空気量積算値Ｑolの演算方法について説明する。
ＥＣＵ４０は、下表１の（1）〜（6）の優先順位で夫々の条件が成立した場合に、所定時間(例えば100ｍｓ)毎にエアフローセンサ１２により検出した吸入空気量を積算または減算し、吸入空気量積算値Ｑol(n)を演算する。

表１に示すように、ＥＣＵ４０電源投入時あるいはドライビングサイクル開始時(優先順位１、２)には、初期値として吸入空気量積算値Ｑolを０とする。エンストモード中、始動モード中、または始動後経過時間所定時間以下である場合(優先順位３)には、吸入空気量積算値Ｑol(n)を前回の演算値Ｑol(n-1)から増減させない。

燃料カットモード中、詳しくは全気筒燃料カットモード中またはオーバラン燃料カットモード中または片バンク燃料カットモード中（Ｖ型エンジンのみ適用）（優先順位４）では、前回の演算値Ｑol(n-1)から、吸入空気量Ｑaに係数Ａ1（例えば１０）を掛けた値を減算して、吸入空気量積算値Ｑol(n)を求める。通常運転モード中、詳しくは空燃比フィードバック運転モード中またはストイキオフィードバック運転モード中（優先順位５）では、前回の演算値Ｑol(n-1)から、吸入空気量Ｑaに係数Ａ2（例えば１）を掛けた値を減算して、吸入空気量積算値Ｑol(n)を求める。このように、燃料カット時（優先順位４）とフィードバック運転時（優先順位５）では空燃比をリッチからリーン側にする要因となるので、吸入空気量積算値Ｑol（n）を前回の演算値Ｑol（n-1）より減少させる。なお、燃料カット時の方がフィードバック運転時より大幅に空燃比をリッチからリーン側にするので、吸入空気量積算値Ｑol（n）の減少量を演算するための燃料カット時の係数Ａ1は、フィードバック運転時の係数Ａ2より大きな値に設定されている。

上記以外のオープンループ運転時（エンリッチ運転モード）では、空燃比をリッチ側にすることから、吸入空気量積算値Ｑol（n）を前回の演算値Ｑol（n-1）より増加させる。また、吸入空気量積算値Ｑolは、排気浄化触媒３０の炭化水素や一酸化炭素の最大吸着可能量から上限値Ｑhが設けられている。
なお、Ｖ型エンジンのようにバンク毎に燃料噴射を制御するエンジンでは、各バンク毎に吸入空気量積算値Ｑolを演算すればよい。

図４は、吸入空気量積算値Ｑolと各判定状況との関係の一例を示すタイムチャートである。
図４では、上記のように制御するエンジン１において、互いに時間をおいて２回の燃料カットモードを実行し、その前に各運転モードを実行した場合での吸入空気量積算値Ｑolの推移と、それに伴う故障判定禁止及び故障判定実行許可の判定状況の推移を示すタイムチャートである。

図４に示すように、区間１では、燃料カットを除くオープンループ運転時であるので、吸入空気量積算値Ｑolが増加する(上記表１の優先順位６の条件に該当）。ここで、吸入空気量積算値Ｑolが所定値Ｑolhを超えた時点で故障判定禁止となる（ポイントＡ）。なお、区間１において、吸入空気量積算値Ｑolが上限値Ｑhに達した場合は、上限値Ｑhに維持される。区間２では、フィードバック運転時であるので、吸入空気量積算値Ｑolは減少する（上記表１の優先順位５の条件に該当）。また、区間３では、燃料カットモード（上記表１の優先順位４の条件に該当）であるので、吸入空気量積算値Ｑolは減少する。そして、吸入空気量積算値が０以下となれば故障判定禁止が解除される（ポイントＢ）。実際の故障判定は、燃料カット開始時に故障判定禁止が成立している場合に実行不能となるので、本図での１回目の燃料カットモード時には故障判定は行われない(ポイントＣ)。

その後も同様に、吸入空気量積算値Ｑolの積算が続けられるが、図３に示すように、２回目の燃料カットモード開始時には、吸入空気量積算値Ｑolが閾値Ｑolhを超えていないので、故障判定禁止が解除されている。したがって、２回目の燃料カットモード時には故障判定実行が許可される(ポイントＤ)。
以上のように、本実施形態では、燃料カット時に下流側酸素濃度センサの故障判定を行う際に、それまでのオープンループ運転での吸入空気量積算値Ｑolが閾値Ｑolhを超えた場合には、故障判定の禁止を行うようにしている。これにより、排気浄化触媒３０に炭化水素や一酸化炭素が多く吸着されていることを原因とする下流側酸素濃度センサ３２の故障の誤判定を回避することが可能となる。

特に、本実施形態では、故障判定の禁止を燃料カットモード開始前のオープンループ運転時間に基づいて判定するのではなく、吸入空気量積算値Ｑolを演算して判定するので、燃料カットモード開始時での排気浄化触媒３０での炭化水素や一酸化炭素の吸着量を推定することができ、故障判定時の影響を正確に把握することができる。これにより、故障判定の禁止を正確に行うことができ、精度の高い故障判定を行うことが可能となる。

また、燃料カットモード及び通常運転モードでフィードバック運転する場合に、吸入空気量積算値Ｑolを減算するので、その後の燃料カット開始時における排気浄化触媒３０に吸着されている炭化水素や一酸化炭素による影響を正確に推定することができる。
なお、本実施形態では、吸入空気量積算値Ｑolが閾値Ｑolhを超えたときに、故障判定の禁止を行なうが、本願発明はこれに限定するものではない。例えば吸入空気量積算値Ｑolに基づいて下流側酸素濃度センサ３２の故障判定用の閾値ＴａまたはＴｂを変化させるようにしてもよい。詳しくは、吸入空気量積算値Ｑolが大きくなるにしたがって、故障判定用の閾値ＴａまたはＴｂを大きくすればよい。このようにすれば、吸入空気量積算値Ｑolが大きくなるにしたがって、排気浄化触媒３０に吸着されている炭化水素や一酸化炭素による影響により下流側酸素濃度センサ３２の検出値の変化が小さくなる（所要時間Ｔslope、Ｔrlが大きくなる）が、故障判定用の閾値ＴａまたはＴｂを大きくすることで、故障であると誤判定され難くなる。

また、本発明は上記実施形態のように筒内燃料噴射式のガソリンエンジンだけでなく、各種内燃機関に適用可能であり、その排気系に設けられた各種触媒の下流側に配置された空燃比検出装置の故障判定に広く適用することができる。

１ エンジン
３０ 排気浄化触媒
３２ 下流側酸素濃度センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に設けられた触媒の下流側に配置された空燃比検出装置の故障判定装置であって、
   前記内燃機関の作動中に燃料供給を停止し、当該燃料供給の停止後の前記空燃比検出装置により検出された排気の空燃比の変化に基づいて当該空燃比検出装置の故障判定をする故障判定手段と、
   前記燃料供給の停止前において空燃比をリッチ状態にして運転する第１の運転モードでの前記内燃機関の吸入空気量を積算する吸入空気量積算手段と、
   前記吸入空気量積算手段により演算された前記吸入空気量の積算値に基づいて前記故障判定手段による前記空燃比検出装置の故障判定を制限する故障判定制限手段と、を備えたことを特徴とする空燃比検出装置の故障判定装置。
2. 前記故障判定制限手段は、前記吸入空気量の積算値が所定値を超えた場合に前記空燃比検出装置の故障判定を禁止することを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置の故障判定装置。
3. 前記故障判定制限手段は、前記吸入空気量積算手段により演算された前記吸入空気量の積算値に基づいて、前記故障判定手段における前記空燃比検出装置の故障判定用の閾値を変更させることを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置の故障判定装置。
4. 前記吸入空気量積算手段は、前記燃料供給の停止前において空燃比をストイキオまたはリーン状態で運転する第２の運転モード、及び燃料供給を停止する第３の運転モードのうち少なくともいずれか一方での前記内燃機関の吸入空気量を、前記第１の運転モードでの吸入空気量の積算値から減算することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空燃比検出装置の故障判定装置。
5. 前記故障判定手段は、前記燃料供給の停止後の前記空燃比検出装置により検出された排気の空燃比が所定範囲を変化する所要時間に基づいて、前記空燃比検出装置の故障判定をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空燃比検出装置の故障判定装置。
6. 前記故障判定手段は、前記燃料供給の停止から前記空燃比検出装置により検出された排気の空燃比が所定空燃比に到達するまでの所要時間に基づいて、前記空燃比検出装置の故障判定をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空燃比検出装置の故障判定装置。

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