JP3010855B2 - 内燃機関の２次空気供給装置における自己診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸素濃度検出手段を排
気浄化触媒の上流側及び下流側に備え、該下流側の酸素
濃度検出手段の出力に基づいて自己診断を行う内燃機関
の２次空気供給装置における自己診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関にあっては、以下のよう
に空燃比制御が行われる（特開昭６０−２４０８４０号
公報等参照）。機関の吸入空気流量Ｑ及び回転数Ｎを検
出してシリンダに吸入される空気量に対応する基本燃料
供給量Ｔｐ（＝Ｋ・Ｑ／Ｎ；Ｋは定数）を演算し、この
基本燃料供給量Ｔｐを機関温度等により補正したもの
を、排気中酸素濃度の検出によって混合気の空燃比を検
出する空燃比センサからの信号によって設定される空燃
比フィードバック補正係数（空燃比補正量）を用いてフ
ィードバック補正を施し、バッテリ電圧による補正等を
も行って最終的に燃料供給量Ｔｉを設定する。

【０００３】上記空燃比センサからの信号に基づく空燃
比フィードバック補正は空燃比を目標空燃比（理論空燃
比）付近に制御するように行われる。これは、排気系に
介装され、排気中のＣＯ，ＨＣを酸化すると共に、ＮＯ
_X を還元して浄化する排気浄化触媒（三元触媒）の転化
効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼時の排気状態で有効
に機能するように設定されているからである。

【０００４】ところで、上記のような通常の空燃比フィ
ードバック制御装置では１個の空燃比センサを、該セン
サの応答性を高めるため、できるだけ燃焼室に近い排気
マニホールドの集合部分に設けているが、この部分は排
気温度が高いため、空燃比センサが熱的影響や劣化によ
り特性が変化し易く、また、気筒毎の排気の混合が不十
分であるため全気筒の平均的な空燃比を検出しにくく、
空燃比の検出精度に難があり、延いては空燃比制御精度
を悪くしていた。

【０００５】この点に鑑み、排気浄化触媒の下流側にも
空燃比センサを設け、２つの空燃比センサの検出値を用
いて空燃比をフィードバック制御するものが提案されて
いる（特開昭５８−４８７５６号公報等参照）。即ち、
下流側の空燃比センサは燃焼室から離れているため応答
性には難があるが、排気浄化触媒の下流であるため、排
気成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯ_X ，ＣＯ₂ ）のばらつきによ
る特性のばらつきを生じにくく、排気中の毒性成分によ
る被毒量が少ないため被毒による特性変化も受けにく
く、しかも排気の混合状態がよいため全気筒の平均的な
空燃比を検出できる等上流側の空燃比センサに比較し
て、高精度で安定した検出性能が得られる。

【０００６】ここで、排気を浄化する目的で配設された
排気浄化触媒を用いた排気浄化装置では、排気系での酸
素反応を促進させて、所定の転化率を確保するために、
触媒上流側の排気通路に２次空気（酸素）を供給するよ
う構成されたものがある。即ち、アイドル時等において
は、内燃機関の燃焼安定性を高めるため、空燃比をリッ
チ側にクランプするが、この時に、排気中のＣＯ，ＨＣ
成分が増加するのに対処して、上流側の空燃比センサと
排気浄化触媒との間に２次空気を供給し、排気浄化触媒
によるＣＯ，ＨＣ浄化機能を促進するようにしたものが
ある。

【０００７】上記のような２次空気の供給においては、
空燃比状態（ＣＯ，ＨＣ濃度）に対応して最適量を供給
することが望まれ、例えば排気温度の低いときに過剰な
２次空気が供給されると、ＣＯ，ＨＣの燃焼に供されな
い２次空気によって触媒を冷却してしまうことがあり、
また、２次空気の過剰供給は三元触媒においてＮＯ_X の
転化率を低下させてしまうことになる。逆に、２次空気
量が少なすぎると、十分に酸化反応を促進させることが
できなくなり、また、触媒温度を高温に維持できなくな
ってしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な２次空気を供給するものにあっては、２次空気供給系
に何らかの故障、例えば２次空気の供給パイプの詰まり
等の故障が生じても、このような故障は直接機関の運転
性に影響を与えるものではないために、運転者がかかる
故障に気付き難く、２次空気の供給が不足する側に故障
した場合には２次空気の供給による良好な排気浄化が行
えない状態で運転が継続されてしまう惧れがあり、ま
た、２次空気量が過剰になる側に故障した場合には、高
負荷時に触媒温度が必要以上に高くなってしまう惧れが
ある。

【０００９】そこで、従来では、内燃機関の排気通路内
に下流側に向かって２次空気供給手段と空燃比センサと
排気浄化触媒とを順に設け、内燃機関のアイドル時や減
速時等の特定運転状態時における該空燃比センサの出力
に基づいて２次空気供給装置の異常を診断することが行
われていた（特開昭６３−１１１２５６号公報等参
照）。

【００１０】しかしながら、このものにあっては、２次
空気供給装置の異常診断のためだけに、排気浄化触媒の
上流側に空燃比センサを設けると、コスト増加につなが
る惧れがある。また、フィードバック補正係数を設定す
るための信号を得る空燃比センサを前記２次空気供給装
置の異常診断の用途に兼用する場合にあっては、２次空
気供給系に何らかの故障が発生して過剰な空気が供給さ
れた場合に、実際の燃焼は理論空燃比で行われているに
もかかわらず、該空燃比センサにより検出される空燃比
はリーンであると誤検出をし、リッチ燃焼となるように
制御されるため結果的にオーバーリッチとなり、エミッ
ショッの悪化や最悪の場合はエンスト等を発生する惧れ
がある。

【００１１】また、排気浄化触媒の上流側及び下流側の
排気通路に夫々設けられ排気中の酸素濃度を検出する第
１及び第２の酸素濃度検出手段と、前記第１の酸素濃度
検出手段と排気浄化触媒との間の排気通路に所定の運転
条件で２次空気を供給する２次空気供給手段と、を含ん
で構成される内燃機関の２次空気供給装置において、第
２の酸素濃度検出手段で検出される酸素濃度に基づいて
２次空気供給装置の自己診断を行うことが考えられる。
ここで前記第２の酸素濃度検出手段は、リッチ検出，リ
ーン検出の反転周期が長いため、より精度をあげて期間
の計測を行うことが可能となるが、一方では、排気浄化
触媒に相当の量のＯ₂ が蓄えられるため、２次空気供給
後、実際に該第２の酸素濃度検出手段により酸素濃度の
変化が検出されるのに期間がかかるということがあっ
た。

【００１２】そこで、本発明はかかる従来の実情に鑑み
なされたもので、２次空気の供給を強制的に行い、排気
浄化触媒の下流側の排気通路に設けられた第２の酸素濃
度検出手段を用いて診断する一方、排気浄化触媒にＯ ₂
が蓄えられても、２次空気供給装置の故障を確実に診断
できることを可能とした自己診断装置を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明にかか
る内燃機関の２次空気供給装置における自己診断装置
は、機関の排気通路に配設されて排気を浄化する排気浄
化触媒と、該排気浄化触媒の上流側及び下流側の排気通
路に夫々設けられ排気中の酸素濃度を検出する第１及び
第２の酸素濃度検出手段と、前記上流側の酸素センサよ
り下流で前記排気浄化触媒より上流の排気通路に所定の
運転条件で２次空気を供給する２次空気供給手段と、を
含んで構成される内燃機関の２次空気供給装置における
自己診断装置であって、前記２次空気供給手段による２
次空気の供給を強制的に行わせる診断用供給制御手段
と、前記診断用供給制御手段によって２次空気の供給が
開始されてから所定期間経過後に前記第２の酸素濃度検
出手段で検出される酸素濃度が前記２次空気の供給に見
合った変化を示さないときに前記２次空気供給手段が故
障していると診断する故障診断手段と、を含んで構成さ
れる。

【００１４】

【作用】以上の構成によれば、診断用供給制御手段によ
り排気通路に２次空気が強制的に供給され、故障診断手
段により該２次空気の供給に見合った酸素濃度の変化
が、第２の酸素濃度検出手段で検出されるか否かにより
２次空気供給手段の故障が診断される。

【００１５】ここで、第２の酸素濃度検出手段は反転の
周期が長く、第２の酸素濃度検出手段で検出される当該
酸素濃度の変化をより精度をあげて確認することができ
る。また、２次空気を必要とする所定の運転条件におい
て診断を実施すると、触媒の酸素ストレージ効果によ
り、実際に酸素センサに酸素が到達するのに期間がかか
るが、これに対応して２次空気供給開始後所定期間経過
後に第２の酸素濃度検出手段で当該酸素濃度の変化が検
出されたときに、２次空気供給が故障していると診断す
るので、確実に故障を診断することができる。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。一実施例の構成を示す図２において、機関１にはエ
アクリーナ２から吸気ダクト３、スロットル弁４及び吸
気マニホールド５を介して空気が吸入される。吸気マニ
ホールド５の各ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁
６が設けられている。この燃料噴射弁６は、ソレノイド
に通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃
料噴射弁であって、後述するコントロールユニット12か
らの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しな
い燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータに
より所定圧力に制御された燃料を、機関１に噴射供給す
る。

【００１７】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホルード８，排気
ダクト９，排気浄化触媒としての三元触媒10を介して排
気が大気中に排出される。ここで、三元触媒10は排気中
のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行って排気を浄化
しているものである。

【００１８】コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等
を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種
のセンサからの入力信号を受け、後述の如く演算処理し
て、燃料噴射弁６の作動を制御する。前記各種のセンサ
としては、吸気ダクト３中にエアフローメータ13が設け
られていて、機関１の吸入空気流量Ｑに応じた信号を出
力する。

【００１９】また、図２で図示しないディストリビュー
タには、クランク角センサ14が内蔵されており、該クラ
ンク角センサ14から機関回転と同期して出力されるクラ
ンク単位角信号を一定時間カウントして、または、クラ
ンク基準角信号の周期を計測して機関回転数Ｎを検出す
る。また、機関１の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗ
を検出する水温センサ15が設けられている。

【００２０】また、機関１が搭載される車両の車速ＶＳ
Ｐを検出する車速センサ19が設けられている。また、排
気マニホールド８の集合部には第１の酸素センサ31が設
けられている。この第１の酸素センサ31は、排気中の酸
素濃度に感応して出力値が変化する公知のセンサであ
り、例えば大気に対する排気中の酸素濃度比に応じた起
電力を発生する構成となっている。排気中の酸素濃度
は、図３に示すように理論空燃比を境に急変するから、
前記第１の酸素センサ31の出力値に基づいて機関吸入混
合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリー
ンであるかを判別できる。即ち、第１の酸素センサ31は
第１の酸素濃度検出手段の機能を奏するものである。

【００２１】また前記三元触媒10の下流側に第１空燃比
センサと同一の機能を有する第２の酸素濃度検出手段と
しての第２の空燃比センサ32が設けられる。さらに、所
定のアイドル運転条件で空燃比をリッチ側に固定して安
定性を確保する際に、第１の空燃比センサ31と三元触媒
10との間から排気中に２次空気を供給させる２次空気供
給手段の一部を構成する２次空気導入口23が設けられ
る。

【００２２】ところで、本実施例における内燃機関１に
は、以下のような構成の２次空気供給装置50が備えられ
ている。２次空気供給装置50は、スロットル弁４の上流
側の吸気ダクト３に設けられた開口３ａと前記導入口23
とを連通する２次空気導入通路50ａと、この通路50ａに
介装されて前記導入口23から前記開口３ａへ向かう流れ
のみを防止する逆流防止バルブ50ｂと、この逆流防止バ
ルブ50ｂより開口３ａ側の通路50ａに介装される電磁弁
50ｃとからなり、コントロールユニット12から送られる
信号によって電磁弁50ｃの開度が制御される構成となっ
ている。

【００２３】即ち、電磁弁50ｃがオンとなると、２次空
気導入口23に２次空気が導入されることとなり、２次空
気供給手段が構成される。次に、コントロールユニット
12により実行される自己診断ルーチンについて、図４に
示すフローチャート及び図５に示すタイムチャートを参
照しつつ、説明する。尚、本実施例においては、診断用
供給制御手段，故障診断手段としての機能は、図４のフ
ローチャートに示すようにコントロールユニット12がソ
フトウェア的に備えている。

【００２４】まず、ステップ１（図中ではＳ１としてあ
る。以下同様）では、車速センサ19により検出される車
速ＶＳＰがある程度の中速以上の略定常な所定の車速に
なっているか否かを、当該車速ＶＳＰがＬｏとＨｉとの
間にあるか否かにより判断する。そして、車速が中速以
上の所定の車速にある場合は、排気流量が多く、三元触
媒10にＯ₂ が蓄えられらても、排気中のＯ₂ のうち三元
触媒10に蓄積されるＯ ₂ の割合が小さく、該蓄積の影響
が比較的少なくてすむ時であり、２次空気供給装置にお
ける自己診断を行うのに適している運転条件であるとし
て、ステップ２以下に進む。

【００２５】ステップ２では、後述するタイマ２が計測
中であるか否かを判断し、計測中でない場合はステップ
３に進む。ステップ３では、第２の空燃比センサ32によ
り検出される空燃比がリッチか否を判定する。即ち、リ
ッチであれば、空燃比がリッチである時間が所定時間継
続しているか否かを判断するためにステップ４に進む。

【００２６】ステップ４では、後述するタイマ１が計測
中であるか否かを判断し、計測していない場合はステッ
プ５に進み、自己診断を行うため、空燃比フィードバッ
ク補正係数αを１（ 100％）に固定し、その後、ステッ
プ６に進んで、空燃比がリッチとなっている時間Ｔ₁ を
計測するために、タイマ１の計測を開始する。一方ステ
ップ４で、タイマ１が計測中であると判断された場合に
は、ステップ７に進み、前記リッチとなっている時間Ｔ
₁ が所定時間Ｔ_S1経過したか否かを判断する。ここで、
第２の空燃比センサ32は燃焼室から離れており、かつ三
元触媒10の下流であるため、排気成分（ＣＯ，ＨＣ，Ｎ
Ｏ_X ，ＣＯ₂ ）のばらつきによる特性のばらつきを生じ
にくく、排気中の毒性成分による被毒量が少ないため被
毒による特性変化も受けにくく、高精度で安定した検出
性能が得られる。

【００２７】従って、第２の空燃比センサ32により検出
される空燃比がリッチとなっている時間が所定時間Ｔ_S1
経過したと判断される場合には、その後空燃比の変化が
生じた場合に、三元触媒10にＯ₂ が蓄積される影響が比
較的少なくてすむ時であり、空燃比の変化を第２の空燃
比センサ32により検出し易い運転条件，即ち２次空気供
給装置50における自己診断を行うのに適している運転条
件であるとして、ステップ８に進み、２次空気供給装置
50をオンとして自己診断を開始する。

【００２８】そして、ステップ９では、２次空気供給装
置50をオンとしてから第２の空燃比センサ32により検出
される空燃比がリッチ状態から所定のリーン状態に反転
するまでに要する時間Ｔ₂ の計測を開始する。一方、ス
テップ２において、タイマ２が時間Ｔ₂ を計測中である
と判断された場合は、ステップ10以降に進む。

【００２９】ステップ10では、第２の空燃比センサ32に
より検出される空燃比がリーン状態であるか否を判断す
る。そして、リーン状態であると判断された場合には、
当初リッチであった空燃比が２次空気供給装置50により
２次空気導入口23に２次空気が導入されたことにより、
リッチ状態からリーン状態に反転したと判断し、ステッ
プ11において、２次空気供給装置50が正常であると判定
する。

【００３０】また、ステップ10で、第２の空燃比センサ
32により検出される空燃比がリーン状態に反転していな
いと判断された場合は、ステップ12に進み、前記ステッ
プ９で計測を開始した２次空気供給装置50をオンとして
からの経過時間Ｔ₂ が所定時間Ｔ_S2経過したか否かを判
断する。ここで、経過時間Ｔ₂ が所定時間Ｔ_S2経過して
いない場合（Ｎｏ）は、そのままリターンし、再度これ
までのステップを繰り返す。一方、経過時間Ｔ₂ が所定
時間Ｔ_S2経過している場合（Ｙｅｓ）は、２次空気供給
装置50をオンとしてから十分な時間（Ｔ_S2）が経過して
いるにも関わらず、第２の空燃比センサ32により検出さ
れる空燃比がリーン状態に反転していない場合であり、
このときは、２次空気供給装置50をオンとしても２次空
気供給装置50に異常があるため、該２次空気が供給され
ていないと判断できるので、ステップ13において、２次
空気供給装置50が異常であると判定する。

【００３１】ここで、ステップ11またはステップ13にお
いて、２次空気供給装置50の正常、異常判定がなされた
後は、ステップ15に進み、２次空気供給装置50の自己診
断は終了したとして、２次空気供給装置50をオフとし、
２次空気の強制的な供給を停止する。そして、ステップ
５において、自己診断を行うための運転条件に運転条件
をクランプするための空燃比フィードバック補正係数α
の固定を解除し、通常の空燃比フィードバック制御に戻
る。

【００３２】一方、ステップ３において、第２の空燃比
センサ32により検出される空燃比がリッチではないと判
断された場合は、診断に適した状態ではないとして、ス
テップ14においてタイマ１及びタイマ２をリセットし、
ステップ15以降に進む。尚、２次空気供給装置50は、以
下のように構成してもよい。機関、若しくは電動モータ
により駆動されるエアポンプにより圧送される空気を、
プレッシャレギュレータによって所定圧力に調整したの
ち、コントロールユニット12から送られるデューティ信
号によってその開度が制御される電磁式のコントロール
バルブで流量調節を行う構成としてもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、診断用供給制御手段により、第１の酸素濃度検出手
段と排気浄化触媒との間の排気通路に２次空気が強制的
に供給された後所定期間経過後に、故障診断手段によ
り、該２次空気の供給に見合った酸素濃度の変化が検出
されるか否かにより２次空気供給手段の故障が診断され
るので、精度の高い診断を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図

【図２】本発明の一実施例の構成を示すシステム概略図

【図３】排気中成分濃度と空燃比との関係を示す線図

【図４】２次空気供給装置の自己診断を示すフローチャ
ート

【図５】本発明の作用を説明するタイムチャート

【符号の説明】

１ 機関 ９ 排気ダクト 10 三元触媒 12 コントロールユニット 19 車速センサ 23 ２次空気導入口 31 第１の空燃比センサ 32 第２の空燃比センサ 50 ２次空気供給装置 50ａ ２次空気導入通路 50ｃ 電磁弁

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−1444（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−365919（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−216011（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−248908（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−111256（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/22 301 - 321 F02D 41/14 310 G01M 15/00 F02D 45/00 314

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気通路に配設されて排気を浄化す
   る排気浄化触媒と、 該排気浄化触媒の上流側及び下流側の排気通路に夫々設
   けられ排気中の酸素濃度を検出する第１及び第２の酸素
   濃度検出手段と、前記上流側の酸素センサより下流で前記排気浄化触媒よ
   り上流の 排気通路に所定の運転条件で２次空気を供給す
   る２次空気供給手段と、 を含んで構成される内燃機関の２次空気供給装置におけ
   る自己診断装置であって、 前記２次空気供給手段による２次空気の供給を強制的に
   行わせる診断用供給制御手段と、 前記診断用供給制御手段によって２次空気の供給が開始
   されてから所定期間経過後に前記第２の酸素濃度検出手
   段で検出される酸素濃度が前記２次空気の供給に見合っ
   た変化を示さないときに前記２次空気供給手段が故障し
   ていると診断する故障診断手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の２次空
   気供給装置における自己診断装置。