JP3542471B2 - 内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系の触媒コンバータの上流側に設けられる酸素濃度センサの異常を検出する異常検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気系の触媒コンバータの上流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサの異常を検出する手法として、エンジンに供給する燃料量を増量したにも拘わらず酸素濃度センサの出力レベルが所定値以下即ちリーン側に停滞している場合に、その酸素濃度センサは異常であるとする異常検出装置が提案されている(実公昭62−28675号公報)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の手法によれば、酸素濃度センサの異常検出は、エンジンへ供給する燃料量を増量した時でなければ行われない。その一方で、燃費等の観点から、エンジンへ供給する燃料量の増量の回数はできるだけ少なく抑えることが要求される。従って、供給燃料量の増量が特に必要とされない場合には酸素濃度センサの異常検知処理を行うことができず、異常検出頻度が非常に少なくなる。
【0004】
また、特にガスエンジンの場合は燃料成分のばらつきによる空燃比のばらつきが大きく、供給燃料量を増量する制御を行った場合であっても、エンジンに供給する混合気の空燃比を確実にリッチ化することができなかった場合には、酸素濃度センサの異常を誤検知してしまうおそれがある。
【0005】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、燃料増量時に限定されることなく、触媒コンバータの上流側に設けられた酸素濃度センサの異常を検出することができる、内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置は、内燃機関の排気系に設けられた触媒コンバータの上流側及び下流側にそれぞれ設けられ、前記排気系を通過する排気ガス中の酸素濃度を検出する第1及び第2の酸素濃度センサと、前記第2の酸素濃度センサの出力が変化したときに、前記第1の酸素濃度センサの出力が変化しない場合は前記第1の酸素濃度センサが異常であると判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする。
【0007】
この構成によれば、第2の酸素濃度センサの出力が変化したときに、第1の酸素濃度センサの出力が変化しない場合は第1の酸素濃度センサが異常であると判定される。このように下流側に設けられる第2の酸素濃度センサの出力変化に応じて上流側に設けられる第1の酸素濃度センサの異常を検出するので、異常検出を燃料増量時に限定されることなく、高い頻度で上流側に設けられる酸素濃度センサの異常を検出することが可能であり、また、誤検知の可能性を大幅に減少させることができる。
【0008】
請求項2の内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置は、上記請求項1の異常検出装置における異常判定手段は、前記第2の酸素濃度センサの出力が前記内燃機関に供給する混合気の空燃比がリッチ側であることを示しているときに、前記第1の酸素濃度センサの出力が前記空燃比がリーン側であることを示している状態が所定期間継続した場合は前記第1の酸素濃度センサが異常であると判定することを特徴とする。
【0009】
この構成によれば、第2の酸素濃度センサの出力が内燃機関に供給される混合気の空燃比がリッチ側であることを示しているときに、第1の酸素濃度センサの出力が空燃比がリーン側であることを示している状態が所定期間継続した場合は第1の酸素濃度センサが異常であると判定されるので、上記と同様の効果に加えて、エンジンに供給する混合気の空燃比を確実にリッチ化することができなかった場合の、上流側に設けられる第1の酸素濃度センサの異常の誤検知を防止することができる。
【0010】
ここで、請求項2に記載した「所定期間」とは、触媒コンバータの上流側に設けられる第1の酸素濃度センサの異常を判定するために予め定められる期間であって、具体的には、所定期間TMFSO1Sとして設定されている期間である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【0012】
図1は、本発明の実施の一形態に係る酸素濃度センサの異常検出装置を組み込んだ内燃機関(以下、「エンジン」という)の全体構成を示す図である。同図において、例えば4気筒のエンジン1の吸気管2の途中にはスロットル弁3が配されている。スロットル弁3にはスロットル弁開度(θTH)センサ4が連結されており、当該スロットル弁3の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット(以下「ECU」という)5に供給する。
【0013】
燃料噴射弁6はエンジン1とスロットル弁3との間かつ吸気管2の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各燃料噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にECU5に電気的に接続されて当該ECU5からの信号により燃料噴射弁6の開弁時間が制御される。
【0014】
一方、スロットル弁の直ぐ下流には管7を介して吸気管内負圧(PBG)センサ8が設けられており、このPBGセンサ8により検出された負圧PBG(ゲージ圧)は電気信号に変換され、前記ECU5に供給される。また、その下流には吸気温(TA)センサ9が取り付けられており、吸気温TAを検出して対応する電気信号を出力してECU5に供給する。
【0015】
エンジン1の本体にはサーミスタ等からなるエンジン水温(TW)センサ10が装着され、エンジン水温(冷却水温)TWを検出して対応する温度信号を出力してECU5に供給する。
【0016】
エンジン1の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数(NE)センサ11及び気筒判別(CLY)センサ12が取り付けられている。エンジン回転数センサ11はエンジン1の各気筒の吸入行程開始時の上死点(TDC)に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で(4気筒エンジンではクランク角度180°毎に)TDC信号パルスを出力し、気筒判別センサ12は、特定の気筒の所定のクランク角度位置で信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはECU5に供給される。
【0017】
エンジン1の排気管13には、三元触媒(触媒コンバータ)14が配置されており、排気ガス中のHC、CO,NOx等の成分の浄化を行う。
【0018】
三元触媒14の上流側及び下流側には、それぞれ、第1及び第2の酸素濃度センサとしての酸素濃度センサ16、17(以下「上流側O2センサ16」、「下流側O2センサ17」という)が装着されており、上流側O2センサ16及び下流側O2センサ17はそれぞれ排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出値に応じて、エンジン1へ供給される混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチ側であるかリーン側であるかを示す電気信号を出力し、ECU5に供給する。具体的には、上流側O2センサ16及び下流側O2センサ17は、それぞれ、混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側である場合は基準値より大きい出力レベルの(リッチ側の)信号を出力し、混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側である場合は基準値より小さい出力レベルの(リーン側の)信号を出力する。
【0019】
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路5a、中央演算処理回路(以下「CPU」という)5b、CPU5bで実行される各種演算プログラム、該演算プログラムで使用されるテーブルやマップ及び演算結果等を記憶する記憶手段5c、前記燃料噴射弁6に駆動信号を供給する出力回路5d等から構成される。
【0020】
CPU5bは、上述した各種エンジンパラメータ信号に基づいて、上流側O2センサ16及び下流側O2センサ17により検出された排気ガス中の酸素濃度に応じた空燃比フィードバック制御を行う空燃比フィードバック制御運転領域やオープンループ制御運転領域等の種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別したエンジン運転状態に応じて、次式(1)に基づき、前記TDC信号パルスに同期して燃料噴射弁6の燃料噴射時間TOUTを演算する。
【0021】
TOUT=TI×KO2×K1+K2 ……(1)
ここで、TIは基本燃料量、具体的にはエンジン回転数NEと吸気管内絶対圧PBAとに応じて決定される基本燃料噴射時間であり、このTI値を決定するためのTIマップが記憶手段5cに記憶されている。KO2は、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2及び下流側O2センサ17の出力電圧SVO2に基づいて算出される空燃比補正係数であり、空燃比フィードバック制御中は上流側O2センサ16によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように設定され、オープンループ制御中はエンジン運転状態に応じた所定値に設定される。
【0022】
CPU5bは、上述したように算出した結果に基づいて、燃料噴射弁6を駆動する信号を、出力回路5dを介して出力する。
【0023】
次に、上流側O2センサ16の異常を検出する異常検出手順について、図2及び図3を参照して説明する。なお、図2及び図3に示す異常検出手順は、異常判定手段としてのECU5によって実行される。
【0024】
図2は、上流側O2センサ16の異常を検出する異常検出手順を示すフローチャートである。
【0025】
まず、ステップS101では、エンジン1が本手順による異常検出を実行可能な状態であるか否かを判定するための、異常検出条件判定処理を行う。
【0026】
図3はステップS101において実行される異常検出条件判定処理手順を示すフローチャートである。
【0027】
ステップS201では、上流側O2センサ16の異常判定がすでに行われたことを「1」で示す異常検出実行フラグFFSDO1が「1」であるか否かを判別する。
【0028】
フラグFFSDO1が「1」ではなく、上流側O2センサ16の異常がまだ検出されていない場合は、エンジン1がアイドリング中であることを「1」で示すフラグFIDLEが「0」であるか否か(ステップS202)、下流側O2センサ17が活性化されていることを「1」で示すフラグFnSO2が「1」であるか否か(ステップS203)、エンジン回転数NEが第1の所定回転数NO2SHTL(例えば1500rpm)と第1の所定回転数NO2SHTLより高い第2の所定回転数NO2SHTH(例えば5000rpm)との間にあるか否か(ステップS204)、吸気管内負圧PBG(ゲージ圧)がヒステリシスを持って設定されている高負荷判別用閾値PBO2SHTL(例えば300mmHg)より小さいか否か(ステップS205)、及び空燃比のリーン化制御中ではないか否か(ステップS206)を判別する。
【0029】
ステップS201の答が肯定(YES)である場合、又はステップS202〜S206のいずれかの答が否定(NO)である場合は、異常検出条件が満たされていることを「1」で示すフラグFSVLを「0」に設定し(ステップS208)、更に、異常検出手順を実行可能であることを「1」で示す異常検出実行可能フラグFPO2SHTMを”0”にして(ステップS209)、本手順を終了する。
【0030】
ステップS201が否定(NO)であって且つステップS202〜ステップS206の答が全て肯定(YES)である場合は、下流側O2センサ17の出力電圧SVO2が基準値FSO1SV(例えば0.5V)より大きいか否か、即ち下流側02センサ17の出力レベルがリッチ側であるか否かを判別する(ステップS210)。
【0031】
ステップS210の判別で、下流側O2センサ17の出力電圧SVO2が基準値FSO1SVより大きい場合は、カウントダウンタイマtmSVLを所定時間TMSVL(例えば5sec)に設定し、異常検知条件が満たされていることを「1」で示すフラグFSVLを「1」に設定し(ステップS212)、更に、異常検出実行可能フラグFPO2SHTMを「1」に設定して(ステップS213)、本手順を終了する。
【0032】
ここで、カウントダウンタイマtmSVLは、例えば三元触媒14の劣化等により、上流側O2センサ16の異常検出が不可能となることを回避するためのタイマである。すなわち、下流側O2センサ17の挙動は上流側O2センサ16及び下流側O2センサ17の間に配置される三元触媒14に依存し、三元触媒14が正常である場合は下流側O2センサ17の反転周期は比較的長い(図4)が、三元触媒14が劣化してその酸素吸着能力が低下すると下流側O2センサ17の反転周期が短くなる(図5)ため、異常を判定する前に異常検出条件が不成立となり異常検出を行うことが出来なくなる。本実施の形態では、この点を考慮して、下流側O2センサ17の出力がリッチ側からリーン側に切り替わった場合であっても、直ちに異常検出処理を終了せず、出力がリーン側に切り替わってから所定時間(TMSVL)が経過して出力が安定した後に下流側O2センサ17の出力がリーン側に切り替わったと仮定し、上流側O2センサ16の異常検出条件は満たされていないと判断するようにしている。
【0033】
一方、ステップS210の判別で、下流側O2センサ17の出力電圧SVO2が基準値FSO1SVより小さい場合、即ち下流側O2センサ17の出力レベルがリーン側である場合は、フラグFSVLが「1」であるか否かを判別し(ステップS214)、フラグFSVLが「1」である場合は、ダウンカウントタイマtmSVLが「0」であるか否かを判別する(ステップS215)。
【0034】
そして、ステップS215の判別で、ダウンカウントタイマtmSVLが「0」である場合は、上述したステップS213において異常検出実行可能フラグFPO2SHTMを「1」に設定して、本手順を終了する。
【0035】
ステップS214の答が否定(NO)である場合又はステップS215の答が肯定(YES)である場合は、上述したステップS209において異常検出実行可能フラグFPO2SHTMを「0」に設定して、本手順を終了する。
【0036】
図2に戻り、ステップS102では、異常検出実行可能フラグFPO2SHTMが「1」であるか否かを判別し、異常検出実行可能フラグFPO2SHTMが「0」である場合は、異常検出用カウントダウンタイマtFS01Sの値を所定期間TMFSO1S(例えば10sec)に設定し(ステップS103)、直ちに本手順を終了する。
【0037】
ステップS102の判別で、異常検出実行可能フラグFPO2SHTMが「1」である場合は、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2の値が基準値FSPVO2RL(例えば0.06V)より小さいか否かを判別する(ステップS104)。
【0038】
ステップS104の判別で、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2の値が基準値FSPVO2RLより小さい場合、即ち上流側O2センサ16の出力レベルがリーン側である場合は、異常検出用カウントダウンタイマtFS01Sが「0」であるか否かを判別する(ステップS105)。
【0039】
ステップS105の判別で、異常検出用カウントダウンタイマtFS01Sの値が「0」である場合、即ち下流側O2センサ17の出力レベルはリッチ側であるにも拘わらず上流側O2センサ16の出力レベルが所定期間TMFS01Sに亘ってリーン側である場合は、上流側O2センサ16はショートしている、即ちセンサ本体又はその配線に短絡が生じていると考えられる。従って、上流側O2センサ16がショートしていることを「1」で示すフラグFPO2SHTを「1」に設定し(ステップS106)、上流側O2センサ16の異常判定を行ったことを「1」で示すフラグFFSDO1を「1」に設定し(ステップS107)、上流側O2センサ16が正常に機能していることを「1」で示すフラグFOK01を「0」に設定し(ステップS108)、更にカウントダウンタイマtmSVLを「0」に設定して(ステップS109)、本手順を終了する。
【0040】
また、ステップS104において、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2の値が基準値FSPVO2RLより小さい場合、即ち上流側O2センサ16の出力レベルがリッチ側である場合は、上流側O2センサ16はショートしていないと考えられる。従って、フラグFPO2SHTを「0」に設定し(ステップS110)、上流側O2センサ16の異常判定を行ったことを「1」で示すフラグFFSDO1を「1」に設定し(ステップS111)、上流側O2センサ16が正常に機能していることを「1」で示すフラグFOK01を「1」に設定し(ステップS112)、その後上述したステップS103において、異常検出用カウントダウンタイマtFS01Sの値を所定期間TMFS01S(例えば10sec)に設定し、本手順を終了する。
【0041】
図4及び図5は上述した図2及び図3の処理手順を具体的に説明するためのタイミングチャートであり、図4において、図4(a)〜図4(f)は、それぞれ下流側O2センサ17の出力電圧SVO2、フラグFSVL、異常検出実行可能フラグFPO2SHTM、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2、異常判定用カウントダウンタイマtFS01S、及び上流側O2センサ16がショートしていることを示すフラグFPO2SHTの値の推移を示している。また、図5において、図5(a)〜図5(g)は、それぞれ下流側O2センサ17の出力電圧SVO2、カウントダウンタイマtmSVL、フラグFSVL、異常検出実行可能フラグFPO2SHTM、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2、異常判定用カウントダウンタイマtFS01S、及び上流側O2センサ16が正常であることを示すフラグFOK01Sの値の推移を示している。
【0042】
図4は、時刻t1において下流側O2センサ17の出力電圧SVO2が基準値FS01SVより大きくなった場合即ち下流側O2センサ17の出力レベルがリーン側からリッチ側へ反転した場合の異常検出動作例を示している。
【0043】
時刻t1で下流側O2センサ17の出力電圧SVO2が基準値FSO1SVより大きくなる(下流側O2センサ17の出力レベルがリーン側からリッチ側へ反転する)と、フラグFSVL及び異常検出実行可能フラグPO2SHTMがそれぞれ「1」に設定される(ステップS212、213)。従ってステップS102の答は肯定(YES)となり、異常判定用カウントダウンタイマtFS01Sのカウントダウンが開始される。
【0044】
そして、図4(d)に破線Aで示すように、通常は下流側O2センサ17の出力電圧SVO2より先に上流側O2センサ16の出力電圧PVO2がリーンからリッチへ反転しているので、図4(c)のフラグFPO2SHTMが「1」に設定された時点では、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2は基準値FSPVO2RLより大きく、ステップS104の答は否定(NO)となり、上流側O2センサ16は正常に機能していると判断される。従って、異常検出実行フラグFFSDO1が「1」に設定され(ステップS111)異常検出実行可能フラグFPO2SHTMが「0」に設定される(ステップS201,ステップS209)。
【0045】
また、図4(d)に実線Bで示すように、下流側O2センサ17の出力レベルがリッチ側であるにも拘わらず、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2が基準値FSPVO2RLより小さい状態即ち上流側O2センサ16の出力レベルがリーン側である状態が、異常判定用カウントダウンタイマtFS01Sが時刻t3において「0」になるまで継続すると(ステップS105の答が肯定)、上流側O2センサ16はショートしていると判定される。従って、図4(f)に示すように、時刻t3において、フラグFPO2SHTは上流側O2センサ16のショートが検出されたことを示すために「1」に設定される(ステップS106)。
【0046】
図5は、図4の異常検出時と比較して触媒の劣化により下流側O2センサ17の反転周期が短くなっている場合の異常検出動作例を示している。
【0047】
時刻t11で下流側O2センサ17の出力電圧SVO2が基準値FSO1SVより大きくなる(下流側O2センサ17の出力レベルがリッチ側へ反転する)と、フラグFSVL及び異常検出実行可能フラグFPO2SHTMがそれぞれ「1」に設定される(ステップS212、213)。従ってステップS102の答は肯定(YES)となり、異常判定用カウントダウンタイマtFS01Sのカウントダウンが開始される。その後、時刻t12において下流側O2センサ17の出力レベルがリーン側に反転すると、カウントダウンタイマtmSVLのカウントダウンが開始されるが、カウントダウンタイマtmSVLのカウント値が「0」に達していない時刻t13において下流側O2センサ17の出力レベルは再びリッチ側に反転しているので、異常検出動作は中止されず、カウントダウンタイマtFS01Sのカウントダウンも時刻t11から継続して行われる。
【0048】
そして、異常検出用カウントダウンタイマtFS01Sのカウント値が「0」に達していない時刻t15において、上流側O2センサ16の出力電圧PVO2が基準値FSPVO2RLより大きくなる(上流側O2センサ16の出力レベルがリッチ側に反転する)と、ステップS104の答は否定(NO)となり、上流側O2センサ16は正常であると判断される。従って、時刻t15において、フラグFOK01は、上流側O2センサ16が正常に機能していることを示すために「1」に設定される(ステップS112)。
【0049】
また、時刻t16でリセットされ且つ時刻t17でカウントダウンが開始されたカウントダウンタイマtmSVLのカウント値が時刻t18において「0」に達すると、ステップS215の答は肯定(YES)となり、下流側O2センサ17の出力レベルはリーン側に安定していると考えられるので、図5(d)に示すように異常検出実行可能フラグFPO2SHTMは「0」に設定される。
【0050】
以上説明したように、本実施の形態によれば、下流側O2センサ17の出力レベルがリッチ側である場合、すなわち空燃比が確実にリッチであることを確認したときに上流側O2センサ16の異常検出が行われる。従って、従来のように供給燃料増量時に限定されることなく、高い頻度で上流側O2センサ16の異常検出を実行することが可能となる。
【0051】
また、下流側O2センサ17の出力レベルから確実に空燃比がリッチであることを確認した後に上流側O2センサ16の異常検出を行うようにしたので、従来のように例えば燃料の組成にばらつきがあるために供給燃料量の増量制御を行った場合であっても空燃比が確実にリッチにならない場合や、供給燃料量の増量制御を行っているがその増量係数が小さいために空燃比がリッチにならない場合の、上流側O2センサ16の異常の誤検知を防止することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置によれば、触媒コンバータの下流側の第2の酸素濃度センサの出力が変化したときに、上流側の第1の酸素濃度センサの出力が変化しない場合は第1の酸素濃度センサが異常であると判定されるので、燃料増量時に限定されることなく、高い頻度で触媒コンバータの上流側に設けられた酸素濃度センサの異常を検出することができ、また、誤検知の可能性を大幅に減少させることができる。
【0053】
また、請求項2の内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置によれば、第2の酸素濃度センサの出力が内燃機関に供給される混合気の空燃比がリッチ側であることを示しているときに、第1の酸素濃度センサの出力が空燃比がリーン側であることを示している状態が所定期間継続した場合は第1の酸素濃度センサが異常であると判定されるので、エンジンに供給する混合気の空燃比を確実にリッチ化することができなかった場合の、上流側に設けられる第1の酸素濃度センサの異常の誤検知を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る、酸素濃度センサの異常検出装置を組み込んだ内燃機関の全体構成図である。
【図2】図1に示した上流側酸素濃度センサの異常検出を行う異常検出手順を示すフローチャートである。
【図3】図2のステップS101において実行される異常検出条件判定処理手順を示すフローチャートである。
【図4】図2に示した異常検出手順及び図3に示した異常検出条件判定処理手順を具体的に説明するためのタイミングチャートである。
【図5】図2に示した異常検出手順及び図3に示した異常検出条件判定処理手順を具体的に説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 内燃機関
5 電子コントロールユニット(異常判定手段)
14 三元触媒(触媒コンバータ)
16 上流側酸素濃度センサ (第1の酸素濃度センサ)
17 下流側酸素濃度センサ (第2の酸素濃度センサ)
Claims (2)
- 内燃機関の排気系に設けられた触媒コンバータの上流側及び下流側にそれぞれ設けられ、前記排気系を通過する排気ガス中の酸素濃度を検出する第1及び第2の酸素濃度センサと、前記第2の酸素濃度センサの出力が変化したときに、前記第1の酸素濃度センサの出力が変化しない場合は前記第1の酸素濃度センサが異常であると判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置。
- 前記異常判定手段は、前記第2の酸素濃度センサの出力が前記内燃機関に供給する混合気の空燃比がリッチ側であることを示しているときに、前記第1の酸素濃度センサの出力が前記空燃比がリーン側であることを示している状態が所定期間継続した場合は前記第1の酸素濃度センサが異常であると判定することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の酸素濃度センサの異常検出装置。
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