JP4365830B2 - 内燃機関の空燃比センサ診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比センサ診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられている空燃比センサが劣化しているか否かを診断する内燃機関の空燃比センサ診断装置に関する。

内燃機関から排出される排気中の有害成分である未燃炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘを浄化するため、排気通路の途中に、三元触媒を取り付けることが従来から行われている。三元触媒は、流入する排気が理論空燃比の近傍である時、最も効率よく有害成分を浄化する。

そのため、三元触媒の前方には排気中の空燃比（酸素濃度）を検出する空燃比センサが配置され、当該空燃比センサの出力を用いて、三元触媒に流入する排気の空燃比が制御されている。

よって、空燃比センサが劣化およびなんらかの理由によって障害をきたした場合、空燃比の制御精度が悪化し、触媒の浄化効率が低下する。このため、空燃比センサの特性変化を検出する方法や装置が従来から提案されている。

空燃比センサの特性変化を検出する技術の例として、目標空燃比切換時の広域空燃比センサの検出値の変化の様子を検出し、この検出結果から広域空燃比センサの応答劣化を検出するもの（例えば、特許文献１）、空燃比センサの検出値の周波数応答特性からゲイン特性と応答特性を検出し、ゲイン劣化と応答劣化を検出するもの（例えば、特許文献２）等がある。

特開平１０−１６９４９３号公報 特開２００５−１９４８９１号公報

しかしなから、広域空燃比センサの劣化パターンには、応答時間が遅れる応答劣化だけでなく、応答そのものが増減するゲイン劣化が存在するため、応答劣化だけを検出する診断方式では、ゲイン劣化を検出することができず、診断精度に問題がある。

空燃比センサの検出値の周波数応答特性からゲイン特性と応答特性を検出し、ゲイン劣化と応答劣化を検出するものでは、応答特性を検出するために、空燃比を強制的に振動させなくてはならず、その間に運転性の悪化または排気悪化などの影響が起こり得る。

本発明は前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排気や運転性が悪化することなく、空燃比センサのゲイン劣化と応答劣化を検出することができる内燃機関の空燃比センサ診断装置および診断方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、内燃機関の排気通路に設けられたリニア空燃比センサの劣化判定を行う空燃比センサ診断装置であって、目標空燃比が変更されてから前記リニア空燃比センサの検出値が所定値に到達するまでの所要時間である応答時間を検出する応答時間検出手段と、前記応答時間検出手段によって検出される応答時間に基づいて前記リニア空燃比センサの劣化指標を演算する劣化指標演算手段と、前記劣化指標演算手段により演算された劣化指標に基づき前記リニア空燃比センサの劣化を判定する劣化判定手段とを有し、前記応答時間検出手段は、前記リニア空燃比センサの検出値が予め定めた第１所定値に到達するまでの第１応答時間を検出する第１応答時間検出手段と、前記リニア空燃比センサの検出値が前記第１所定値より大きい第２所定値に到達するまでの第２応答時間を検出する第２応答時間検出手段とを含み、前記劣化指標演算手段は、少なくとも前記第１応答時間に基づいて第１劣化指標を演算する第１劣化指標演算手段と、少なくとも前記第２応答時間に基づいて第２劣化指標を演算する第２劣化指標演算手段とを含み、前記劣化判定手段は、前記第１劣化指標と前記第２劣化指標に基づき前記リニア空燃比センサの劣化を判定する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、変更直前の前記目標空燃比と変更直後の前記目標空燃比の差の絶対値である目標空燃比変更量は所定値以上とし、前記変更直後の目標空燃比を前記第２応答時間検出手段によって前記第２応答時間が検出されるまで保持する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記第１劣化指標演算手段および前記第２劣化指標演算手段は、前記第１応答時間と前記第２応答時間の差、和、積、商の少なくとも一つ、あるいは前記第１応答時間と前記第２応答時間のいずれかの値に基づいて前記第１劣化指標および前記第２劣化指標を演算する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記第１劣化指標演算手段が、前記第１応答時間に基づいて前記リニア空燃比センサの応答時間の異常を検出する応答劣化指標を演算し、前記第２劣化指標演算手段は前記第１応答時間と前記第２応答時間に基づいて前記リニア空燃比センサの空燃比に対する感度異常を検出するゲイン劣化指標演算する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記第１劣化指標演算手段は、前記第１応答時間を所定値で除算した値、あるいは第１応答時間を応答劣化指標とし、前記第２劣化指標演算手段は、第２応答時間を第１応答時間で除算した値をゲイン劣化指標とする。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記目標空燃比の変更後に、前記第１応答時間あるいは前記第２応答時間が検出されるまでに、前記目標空燃比が変更された場合には前記第１応答時間および前記第２応答時間の検出を中止する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、内燃機関の吸入空気流量を検出する空気流量検出手段によって検出される内燃機関の吸入空気流量と、回転数検出手段によって検出される内燃機関の回転数の変化を検出する運転状態検出手段を有し、応答時間検出中に、前記運動状態検出手段によって検出した吸入空気量変化の絶対値が所定値以上、あるいは回転数変化の絶対値が所定値以上になれば、前記第１応答時間および前記第２応答時間の検出を中止する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記リニア空燃比センサの検出値と前記目標空燃比との偏差を演算し、その偏差が所定範囲内にあるかを判定する偏差判定手段を有し、前記偏差判定手段により偏差が所定範囲内にあると判定されている時のみ、目標空燃比を変更して空燃比センサ診断を開始する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記リニア空燃比センサは三元触媒の上流側に設けられ、前記三元触媒の下流後に酸素センサが設けられ、前記リニア空燃比センサの検出値と前記酸素センサの検出値に基づいて前記三元触媒の劣化を検出する触媒劣化判定手段と、前記劣化指標演算手段の演算結果に基づいて前記触媒劣化指標演算手段の演算結果を補正する触媒劣化判定補正手段とを有している。

本発明による空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記ゲイン劣化指標または前記応答劣化指標の少なくとも何れかに基づいて前記三元触媒診断の結果を補正する。

本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置は、好ましくは、前記劣化判定手段により前記リニア空燃比センサが劣化していると判定された場合には、前記三元触媒の診断を禁止する。

また、前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の空燃比センサ診断方法は、排気通路に設けられたリニア空燃比センサの劣化判定を行う空燃比センサ診断方法であって、前記リニア空燃比センサの検出値が予め定めた第１所定値に到達するまでの第１応答時間と、前記リニア空燃比センサの検出値が前記第１所定値より大きい第２所定値に到達するまでの第２応答時間を検出し、少なくとも前記第１応答時間に基づいて第１劣化指標を演算し、少なくとも前記第２応答時間に基づいて第２劣化指標を演算し、前記第１劣化指標と前記第２劣化指標に基づき前記リニア空燃比センサの劣化を判定する。

本発明の内燃機関の空燃比センサの診断装置によれば、目標空燃比がステップ状に変化した時のリニア空燃比センサの応答時間を２点以上計測し、その応答時間に基づいて複数の劣化指標を演算することで、リニア空燃比センサの診断精度、性能を向上させることができ、しかも劣化要因（ゲイン劣化、応答劣化）を特定することができる。

以下、本発明の内燃機関の空燃比センサ診断装置の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による内燃機関の空燃比センサ診断装置を適用される筒内噴射式内燃機関（エンジン）の全体構成を示している。

エンジン１０７は、シリンダブロック１０７ｂとピストン１０７ａによって複数個の燃焼室１０７ｃを画定している。

エンジン１０７の燃焼室１０７ｃに導入される吸入空気は、エアクリーナ１０２の入口部１０２ａから取り入れられ、内燃機関の運転状態計測手段の一つである空気流量計（エアフロセンサ）１０３を通り、吸気流量を制御する電制スロットル弁１０５ａが収容されたスロットルボディ１０５を通ってコレクタ１０６に入る。電制スロットル弁１０５ａは、電動モータ１２４によって駆動され、開度設定される。

エアフロセンサ１０３は、吸気流量を表す信号を内燃機関制御装置であるコントロールユニット１１５に出力する。スロットルボディ１０５には、内燃機関の運転状態計測手段の一つとして、電制スロットル弁１０５ａの開度を検出するスロットルセンサ１０４が取り付けられている。スロットルセンサ１０４は、電制スロットル弁１０５ａの開度を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。

コレクタ１０６に吸入された空気は、シリンダブロック１０７ｂに接続された吸気管１０１によって各燃焼室１０７ｃに分配供給される。

ガソリン等の燃料は、燃料タンク１０８から燃料ポンプ１０９により一次加圧されて燃料圧力レギュレータ１１０により一定の圧力に調圧され、高圧燃料ポンプ１１１によって高い圧力に二次加圧されてコモンレール１２６へ圧送される。高圧燃料は、各燃焼室１０７ｃ毎に設けられているインジェクタ１１２によって燃焼室１０７ｃに直接噴射される。

コモンレール１２６には高圧燃料の圧力を検出する燃料圧力センサ１２１が取り付けられている。燃料圧力センサ１２１は高圧燃料の圧力を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。

シリンダブロック１０７ｂには各燃焼室１０７ｃ毎に点火プラグ１１４が取り付けられている。燃焼室１０７ｃに噴射された燃料は、点火コイル１１３によって高電圧化された点火信号により点火プラグ１１４によって着火される。

排気弁１０７ｄのカムシャフト１００にはカム角センサ１１６が取り付けられている。カム角センサ１１６は、カムシャフト１００の位相を検出するための信号をコントロールユニット１１５に出力する。ここで、カム角センサ１１６は、吸気弁１０７ｅ側のカムシャフト１２２に取り付けられてもよい。また、エンジン１０７のクランクシャフト１０７ｆの回転と位相を検出するために、クランク角センサ１１７がクランクシャフト１０７ｆに設けられている。クランク角センサ１１７は、クランクシャフト１０７ｆの回転と位相を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。

排気管１１９には三元触媒１２０が設けられている。三元触媒１２０の上流側にはリニア空燃比センサ１１８が設けられている。リニア空燃比センサ１１８は、排気ガス中の酸素を定量的に検出し、その検出信号をコントロールユニット１１５に出力する。三元触媒１２０の下流側には、排気ガス中の酸素の有無を検出する酸素センサ１２５が取り付けられている。酸素センサ１２５は排気ガス中の酸素の有無を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。

コントロールユニット１１５は、マイクロコンピュータによる電子制御式のものであり、燃圧制御、空燃比制御、点火制御、およびリニア空燃比センサ１１８の劣化診断を行う。

なお、ここでは、筒内噴射式内燃機関について説明したが、本発明は、これに限らず、インジェクタ１１２を吸気ポートに取り付けたポート噴射内燃機関についても適用できる（図２参照）。

空燃比制御装置と本発明による空燃比センサ診断装置の実施形態１を、図２を参照して説明する。

空燃比制御装置は、空燃比制御手段２０６と、目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段２０７とを有する。空燃比制御手段２０６は、リニア空燃比センサ１１８によって検出された排気ガス中の酸素の検出値と目標空燃比設定手段２０７の出力に基づき燃料噴射量を演算し、燃料噴射指令をインジェクタ１１２に出力する。

空燃比センサ診断装置は、応答時間検出手段２０８と、劣化指標演算手段２１１と、劣化判定手段２１４とを有する。

応答時間検出手段２０８は、目標空燃比設定手段２０７によって設定される目標空燃比が変更された時点からリニア空燃比センサ１１８の検出値が所定値（目標空燃比）に到達するまでの所要時間である応答時間を計測する。劣化指標演算手段２１１は、応答時間検出手段２０８によって計測された応答時間に基づいて劣化指標を演算する。劣化判定手段２１４は、劣化指標演算手段２１１によって演算された劣化指標に基づいてリニア空燃比センサ１１８の劣化の有無を判定する。

実施形態１の特徴は、応答時間計測手段２０８が第１応答時間検出手段２０９と第２応答時間検出手段２１０とを備えており、リニア空燃比センサ１１８の一つの応答波形から異なる条件による第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２を検出し、劣化指標演算手段２１１が、第１応答時間Ｔ１、第２応答時間Ｔ２の各々に基づいて劣化指標を個々に演算する第１劣化指標演算手段２１２と第２劣化指標演算手段２１３とを有していることである。

劣化指標演算手段２１１は、第１劣化指標演算手段２１２によって演算された第１劣化指標Ｉ１と、第２劣化指標演算手段２１３によって演算された第２劣化指標Ｉ２の二つの劣化指標より、リニア空燃比センサ１１８の劣化の有無を判定する。

すなわち、本実施形態では、リニア空燃比センサ１１８の一つの応答波形から複数の応答時間を検出し、その応答時間の各々に応じて異なる劣化指標を演算することが行われる。これにより、リニア空燃比センサ１１８に起こり得る複数の劣化状態（応答劣化、ゲイン劣化）を区別して検出することが可能となる。

図３は、実施形態１による空燃比センサ診断装置による空燃比センサ診断の処理フローを示している。

空燃比センサ診断の開始後、まず、目標空燃比を変更し（ステップＳ３０１）、第１応答時間Ｔ１、第２応答時間Ｔ２の値をクリアする（ステップＳ３０２）。

その後、リニア空燃比センサ１１８の検出値より実空燃比を検出すると共に、目標空燃比変更時点よりの時間計測（応答時間検出）を行う（ステップＳ３０３）。そして、空燃比センサ診断の中断条件が成立していないかを監視する（ステップＳ３０４）。空燃比センサ診断の中断条件としては、その後の目標空燃比の変更や、燃料カットなどが挙げられる。

空燃比センサ診断の中断条件が成立した場合には、誤診断の防止のために、空燃比センサ診断処理を直ちに終了する。

中断条件が成立していない場合には、リニア空燃比センサ１１８によって検出された実空燃比が第１所定値Ｇ１以上で、かつＴ１＝０であるか否かを判定する（ステップＳ３０５）。実空燃比が第１所定値Ｇ１以上で、かつＴ１＝０であれば、第１応答時間検出手段２０９が、その時の時間計測値より第１応答時間Ｔ１を検出する（ステップＳ３０７）。そして、第１劣化指標演算手段２１２が第１応答時間Ｔ１に基づいて第１劣化指標Ｉ１を演算する（ステップＳ３０９）。なお、実空燃比が第１所定値Ｇ１以上で、かつＴ１＝０の条件が成立しない場合には、ステップＳ３０３に戻る。

また、中断条件が成立していない場合には、リニア空燃比センサ１１８によって検出された実空燃比が第２所定値Ｇ２以上で、かつＴ２＝０であるか否かを判定する（ステップＳ３０６）。実空燃比が第２所定値Ｇ２以上で、かつＴ２＝０であれば、第２応答時間検出手段２１０が、その時の時間計測値より第２応答時間Ｔ２を検出する（ステップＳ３０８）。そして、第２劣化指標演算手段２１３が第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２とに基づいて第２劣化指標Ｉ２を演算する（ステップＳ３０９）。なお、実空燃比が第２所定値Ｇ２以上で、かつＴ１＝０の条件が成立しない場合には、ステップＳ３０３に戻る。

ここで重要なことは、第１所定値Ｇ１と第２所定値Ｇ２とが異なった値であり、Ｇ１＜Ｇ２の関係にあることである。たとえば、第１所定値Ｇ１は、目標空燃比の変更直前の値と変更直後の値である目標空燃比変化量に対して１０％応答となる点（変化量×０．１）とし、第２所定値Ｇ２は、目標空燃比の変更直前の値と変更直後の値である目標空燃比変化量に対して６４％応答となる点（変化量×０．６４）とした。

なお、第１劣化指標Ｉ１も、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２に基づいて、第２劣化指標Ｉ２の演算式とは異なる演算式によって演算してもよい。

そして、劣化判定手段２１４が、第１劣化指標Ｉ１と第２劣化指標Ｉ２に基づいて、リニア空燃比センサ１１８の劣化を、応答劣化とゲイン劣化とで区別して判定する。

図４は図３に示したフローチャートを実施した際のタイムチャートの一例である。目標空燃比をステップ状に変化するよう変化量Ｒ１を与え、リニア空燃比センサ１１８の検出値（以下、実空燃比）が第１所定値Ｇ１になる時の第１応答時間Ｔ１と、実空燃比が所定値Ｔ２になる時の第２応答時間Ｔ２をそれぞれ検出し、これらに基づき第１劣化指標Ｉ１と第２劣化指標Ｉ２を演算する。

変化量Ｒ１による目標空燃比の変更は、第１応答時間Ｔ１ならびに第２応答時間Ｔ２が検出されるまで保持する。なお、本実施形態では、目標空燃比の変化量Ｒ１を＋１．４とした。しかし、変化量Ｒ１は、これ以外の値を用いてもよく、符号はマイナスでもよい。

また、応答時間は、目標空燃比変更後のサンプリング周期を積算して求め、図のように、第１応答時間Ｔ１、第２応答時間Ｔ２が確定してから値を検出してもよいが、リアルタイムに検出（図中点線）してもよい。さらに、第１劣化指標Ｉ１、第２劣化指標Ｉ２は、第１応答時間Ｔ１、第２応答時間Ｔ２の検出以降の任意のタイミングで算出してもよい。

図５、図６は、目標空燃比変更後のリニア空燃比センサ１１８の出力信号（実空燃比）の応答波形を示している。

リニア空燃比センサ１１８の応答波形は、リニア空燃比センサ１１８の劣化の種類によって異なる。図５はリニア空燃比センサ１１８が正常な場合の波形（実線）とゲイン劣化時の波形（破線）とを示し、図６はリニア空燃比センサ１１８が正常な場合の波形（実線）と応答劣化時の波形（破線）とを示している。

ゲイン劣化については、図５に示されているように、第１所定値Ｇ１以上の領域で、正常時とゲイン劣化時とで応答波形が異なるが、第１所定値Ｇ１以下の領域では、応答波形は、常時とゲイン劣化時とでほぼ一致する。つまり、正常時の第１応答時間Ｔ１ｎとゲイン劣化時の第１応答時間Ｔ１ｇとは、ほぼ同じであるが、第２応答時間Ｔ２に関しては、正常時の第２応答時間Ｔ２ｎとゲイン劣化時の第２応答時間Ｔ２ｇとが大きく異なったものになる。

応答劣化については、図６に示されているように、全域に亘って正常時と応答劣化時とで応答波形が一致することはない。つまり、正常時の第１応答時間Ｔ１ｎと応答劣化時の第１応答時間Ｔ１ｒ、正常時の第２応答時間Ｔ２ｎと応答劣化時の第２応答時間Ｔ２ｇの何れもが異なったものになる。

上述のことは、実空燃比が第１所定値Ｇ１となる時の第１応答時間Ｔ１は応答劣化に対して感度をもち、実空燃比が第２所定値Ｇ２となる時の第２応答時間Ｔ２は応答劣化とゲイン劣化のどちらの劣化にも感度があることを意味する。
本発明者らは、リニア空燃比センサの劣化と応答波形に上記の関係があることを実験により確認した。

図７は、劣化指標（第１劣化指標Ｉ１、第２劣化指標Ｉ２）を用いてリニア空燃比センサ１１８の劣化判定を行う方法の一例を示している。本実施形態では、劣化が進むほど、劣化指標が大きくなるから、劣化指標が所定のしきい値以上になれば劣化と判定し、それ以下ならば正常と判定する。

第１応答時間Ｔ１、第２応答時間Ｔ２は、それぞれ劣化に対して感度を持つから、図８に示されているように、第１応答時間Ｔ１自体を第１劣化指標Ｉ１、第２応答時間Ｔ２自体を第２劣化指標Ｉ２しとしてもよい。これ以外に、第１劣化指標Ｉ１、第２劣化指標Ｉ２は、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２を用いた四則演算を行った結果の演算値でよい。たとえば、第２劣化指標Ｉ２は、Ｉ２＝Ｔ２−Ｔ１、Ｉ２＝Ｔ１＋Ｔ２、Ｉ２＝Ｔ１×Ｔ２、Ｉ２＝Ｔ２÷Ｔ１の何れかの演算値であってもよい。

第１劣化指標Ｉ１はリニア空燃比センサ１１８の応答時間が遅れる応答劣化を検出する応答劣化指標Ｉｒとして用いることができる。この応答劣化指標Ｉｒは、応答時間Ｔ１、あるいは第１応答時間Ｔ１を所定値（基準値）Ｔ０で除算した値（Ｔ１／Ｔ０）であってよい。所定値Ｔ０は、リニア空燃比センサ１１８が正常時の応答時間Ｔ１を予め測定した値を用いた。なお、所定値Ｔ０は、吸入空気量や噴射した燃料量に基づいた演算により算定してもよい。

第２劣化指標Ｉ２はリニア空燃比センサ１１８の感度が小さくなるゲイン劣化を検出するゲイン劣化指標Ｉｇとして用いることができる。ゲイン劣化指標Ｉｇは、第２応答時間Ｔ２を第１応答時間Ｔ１で除算した値（Ｔ２／Ｔ１）を用いた。

図４〜図６を用いて説明したように、第２応答時間Ｔ２は、応答劣化とゲイン劣化に感度を持つ。一方、第１応答時間Ｔ１は、応答劣化にのみ感度を持ち、ゲイン劣化ではほぼ一定である。さらに、第２応答時間Ｔ２と第１応答時間Ｔ１は、応答劣化において、応答時間Ｔ１が増加すれば、第２応答時間Ｔ２も増加する正の相関があるため、（Ｔ２／Ｔ１）は、応答劣化よりも、ゲイン劣化に対して感度が高い。よって、（Ｔ２／Ｔ１）をゲイン劣化指標Ｉｇとして用いることが好ましい。

なお、応答劣化指標Ｉｒは、例えば、第１応答時間Ｔ１と所定値Ｔ０の加算、減算、乗算によっても得ることができ、ゲイン劣化指標Ｉｇも、同様に、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２の加算、減算、乗算によっても得られる。また、これらを複数組み合わせても可能である。

このように求めた劣化指標（応答劣化指標Ｉｒ、ゲイン劣化指標Ｉｇ）を用いて、劣化判定手段２１４が行うリニア空燃比センサ１１８の劣化判定の一例を、図９、図１０を参照して説明する。

図９は、応答劣化指標Ｉｒによる応答劣化判定を示している。本実施形態では、応答劣化が進むほど、応答劣化指標Ｉｒが大きくなり、所定のしきい値以上になれば、劣化と判定し、それ以下ならば、正常と判定する。

図１０は、ゲイン劣化指標Ｉｇによるゲイン劣化判定を示している。ゲイン劣化指標Ｉｇは、ゲインが小さくなるほど劣化指標が大きくなる。そのためゲインが大きくなるゲイン劣化を想定すると、所定のしきい値に上限と下限を設け、ゲイン劣化指標がそれを越える場合は劣化と判定し、上限と下限の間にある時に正常であると判定する。

以上により、排気や運転性を悪化することなく、リニア空燃比センサ１１８のゲイン劣化と応答劣化を特定して検出することができる。

次に、空燃比制御装置と本発明による空燃比センサ診断装置の実施形態２を、図１１を参照して説明する。なお、図１１において、図２に対応する部分は、図２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

実施形態２では、実施形態１のものに、新たに、偏差判定手段１３１３と、運転状態検出手段１３１４とを追加した構成となっている。これらの手段を追加することで応答時間Ｔ１およびＴ２の検出精度が向上し、リニア空燃比センサ１１８の診断を、より精密に行うことができる。

追加した手段の役割として、偏差判定手段１３１３は、実空燃比と目標空燃比の偏差を演算し、その偏差が所定の偏差収束判定範囲にあるかを判定する。偏差判定手段１３１３による偏差判定結果は目標空燃比設定手段２０７に入力され、空燃比の偏差が所定の偏差収束判定範囲以内である時のみ、空燃比センサ診断のための目標空燃比の変更を許可し、そうでない時には、誤診断防止のために、空燃比センサ診断のための目標空燃比の変更を禁止し、空燃比センサ診断が行われないようにする。

運転状態検出手段１３１４は、空気流量計１０３、クランク角センサ１１７の出力から、吸入空気流量、エンジン回転数の変動を検出する。運転状態検出手段１３１４によって検出されたエンジン１０７の運転状態に関する情報（空気流量、エンジン回転数の変動に関する情報）は応答時間検出手段２０８に入力される。応答時間検出手段２０８は、吸入空気流量の変動の絶対値が所定値以上、あるいはエンジン回転数の変動の絶対値が所定値以上の少なくとも何れか一方である時には誤診断防止のために、応答時間検出を禁止（中止）し、空燃比センサ診断が行われないようにする。

劣化指標演算手段２１１は、第１劣化指標演算手段２１２に代えて応答劣化指標演算手段１３１５を、第２劣化指標演算手段２１３に代えてゲイン劣化指標演算手段１３１６を有する。

応答劣化指標演算手段１３１５は、第１応答時間検出手段２０９によって検出された第１応答時間Ｔ１に基づいて応答劣化指標Ｉｒを演算する。

ゲイン劣化指標演算手段１３１６は、第１応答時間検出手段２０９によって検出された第１応答時間Ｔ１と第２応答時間検出手段２１０によって検出された第２応答時間Ｔ２に基づいてゲイン劣化指標Ｉｇを演算する。

図１２は、実施形態２による空燃比センサ診断装置による空燃比センサ診断の処理フローを示している。

空燃比センサ診断の開始後、まず、リニア空燃比センサ１１８の出力信号より実空燃比を検出する（ステップＳ１４０１）。そして、偏差判定手段１３１３によって実空燃比と目標空燃比の偏差が所定の偏差収束判定範囲にあるか否かを判定する。ここでは、偏差収束判定範囲は、目標空燃比に対して±０．００１とした。この範囲は、０．００１以上の値としてもよく、０．００１以下の値としてもよい。また、吸入空気流量や第１応答時間Ｔ１と、第２応答時間Ｔ２に求められる検出精度に基づいて定めてもよい。

実空燃比と目標空燃比の偏差が所定の偏差収束判定範囲外であれば、ステップＳ１４０１に戻る。

実空燃比と目標空燃比の偏差が所定の偏差収束判定範囲内であれば、目標空燃比を変更し（ステップＳ１４０３）、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２の値をクリアする（ステップＳ１４０４）。

次に、実空燃比、応答時間、吸入空気流量、エンジン回転数を検出する（ステップＳ１４０５）。その後、空燃比センサ診断の中断条件が成立していないかを監視する（ステップＳ１４０６）。

本実施形態での中断条件としては、目標空燃比の変更や燃料カット、所定値｜Ｑ｜以上の吸入空気流量の変動、所定値｜Ｎ｜以上のエンジン回転数の変動が挙げられる。本実施形態では、Ｑは１００［ｇ／ｍｉｎ］、Ｎは５００［ｒｐｍ］とした。これらの、ＱおよびＮには、これ以上の値を使用してもよく、またこれ以下の値を使用してもよい。また、吸入空気流量や第１応答時間Ｔ１と、第２応答時間Ｔ２に求められる検出精度に基づいて定めてもよい。

空燃比センサ診断の中断条件が成立した場合には、誤診断の防止のために、空燃比センサ診断処理を直ちに終了する。

中断条件が成立していない場合には、リニア空燃比センサ１１８によって検出された実空燃比が第１所定値Ｇ１以上で、かつＴ１＝０であるか否かを判定する（ステップＳ１４０７）。実空燃比が第１所定値Ｇ１以上で、かつＴ１＝０であれば、第１応答時間検出手段２０９が、その時の時間計測値より第１応答時間Ｔ１を検出する（ステップＳ１４０９）。そして、応答劣化指標演算手段１３１５が第１応答時間Ｔ１に基づいて応答劣化指標Ｉｒを演算する（ステップＳ１４１１）。なお、実空燃比が第１所定値Ｇ１以上で、かつＴ１＝０の条件が成立しない場合には、ステップＳ１４０５に戻る。

また、中断条件が成立していない場合には、リニア空燃比センサ１１８によって検出された実空燃比が第２所定値Ｇ２以上で、かつＴ２＝０であるか否かを判定する（ステップＳ１４０８）。実空燃比が第２所定値Ｇ２以上で、かつＴ２＝０であれば、第２応答時間検出手段２１０が、その時の時間計測値より第２応答時間Ｔ２を検出する（ステップＳ１４１０）。そして、ゲイン劣化指標演算手段１３１６が第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２とに基づいてゲイン劣化指標Ｉｇを演算する（ステップＳ１４１２）。なお、実空燃比が第２所定値Ｇ２以上で、かつＴ１＝０の条件が成立しない場合には、ステップＳ１４０５に戻る。

そして、劣化判定手段２１４が、応答劣化指標Ｉｒとゲイン劣化指標Ｉｇに基づいて、リニア空燃比センサ１１８の劣化を、応答劣化とゲイン劣化とで区別して判定する。

図１３は図１２に示したフローチャートを実施した際のタイムチャートの一例である。
実空燃比と目標空燃比との偏差が偏差収束判定範囲に入ってから、目標空燃比をステップ状に変更する。その後、実空燃比が第１所定値Ｇ１になる時の第１応答時間Ｔ１および実空燃比が第２所定値Ｇ２になる時の第２応答時間Ｔ２をそれぞれ検出し、これらに基づき応答劣化指標Ｉｒとゲイン劣化指標Ｉｇを演算する。

図１４は図１２に示したフローチャートを実施した際のタイムチャートの別の例である。図１３に示されているとタイムチャート同様に、実空燃比と目標空燃比との偏差が偏差収束判定範囲に入ってから、目標空燃比をステップ状に変更する。その後、実空燃比が第１所定値Ｇ１になる時の第１応答時間Ｔ１の検出中あるいは実空燃比が第２所定値Ｇ２になる時の第２応答時間Ｔ２の検出中に、例えば、吸入空気流量の変動が変動許容しきい値を超えたときには、第１応答時間Ｔ１および第２応答時間Ｔ２の検出を中止する。

ここで、本実施形態では、吸入空気流量の変動は、目標空燃比を切り換えた時の吸入空気流量を基準にして演算した。なお、吸入空気流量の変動は、応答時間測定中の空気流量の積算値や平均値を用いてもよい。また、これらに基づいて第１応答時間Ｔ１および第２応答時間Ｔ２の補正値を演算し、補正を行ってもよい。

以上により、排気や運転性を悪化することなく、誤診断の虞れを排除して、リニア空燃比センサ１１８のゲイン劣化と応答劣化を特定して検出することができる。

次に、空燃比制御装置と本発明による空燃比センサ診断装置の実施形態３を、図１５を参照して説明する。なお、図１５においても、図２に対応する部分は、図２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態では、触媒劣化判定手段１７１３と、触媒劣化判定補正手段１７１４とが追加されている。

これらの手段を追加することで、リニア空燃比センサ１１８に、触媒診断が誤診断となるような劣化が発生した場合において、誤診断をすることなく触媒診断が実施できる。また、同じ実空燃比の応答を用いて触媒診断とリニア空燃比センサ診断の両方行うことが可能になる。

追加した手段の役割として、触媒劣化判定手段１７１３は、リニア空燃比センサ１１８の検出値と酸素センサ１２５の検出値から、三元触媒１２０の劣化判定指標を演算し、三元触媒１２０の劣化を診断する。

なお、劣化判定手段２１４によってリニア空燃比センサ１１８が劣化していると判定された場合には、触媒劣化判定手段１７１３による三元触媒１２０の診断を禁止する。

触媒劣化判定補正手段１７１４は、劣化指標演算手段２１１の演算結果に基づき、触媒劣化判定手段１７１３の判定結果を補正する。

図１６は、実施形態３による空燃比センサ診断装置による空燃比センサ診断の処理フローを示している。

空燃比センサ診断の開始後、まず、リニア空燃比センサ１１８の出力信号より実空燃比を検出する（ステップＳ１８０１）。

次に、触媒診断許可条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１８０２）。触媒診断許可条件としては、実空燃比が所定の偏差収束判定範囲内にあること等が挙げられる。触媒診断許可条件が成立していれば、目標空燃比を変更する（ステップＳ１８０３）。

その後、実空燃比と応答時間とを検出し（ステップＳ１８０４）、リニア空燃比センサ１１８の診断を行う（ステップＳ１８０５）。そして、その診断結果に基づいて触媒診断補正値を演算する（ステップＳ１８０６）。

また、目標空燃比変更後、実空燃比と酸素センサ１２５の出力を検出し（ステップＳ１８０７）、それに基づいて触媒劣化判定指標を演算する（ステップＳ１８０８）。
さらに、演算した触媒劣化判定補正値に基づいて触媒劣化判定指標を補正する（ステップＳ１８０９）。

図１７は図１６に示されているフローチャートを実施した際のタイムチャートの一例である。実空燃比と目標空燃比との偏差が偏差収束判定範囲に入ってから、目標空燃比をステップ状に変更する。その後、目標空燃比のステップ変化に対する実空燃比と酸素センサ出力の応答時間の差から触媒劣化判定指標を演算する。その間の実空燃比の第１応答時間Ｔ１および第２応答時間Ｔ２を用いて、リニア空燃比センサ１１８のゲイン劣化指標Ｉｇの演算を行い、ゲイン劣化指標Ｉｇに基づいて触媒劣化判定補正値Ｃを演算する。

触媒劣化判定指標Ｃが演算されると、触媒劣化判定補正値Ｃに基づいて触媒劣化判定指標を補正する。なお、触媒劣化判定補正値Ｃは応答劣化指標Ｉｒに基づいて演算してもよく、ゲイン劣化指標Ｉｇと応答劣化指標Ｉｒの二つを用いて演算してもよい。

図１８は、ゲイン劣化指標Ｉｇと触媒劣化判定補正値Ｃとの関係を示している。本実施形態では、ゲイン劣化指標Ｉｇが大きいほどゲインが小さくなっている。ゲインが小さい時とは、実空燃比の真値が実空燃比よりも大きく、そのため触媒劣化判定指標Ｃは小さく演算される、よって、触媒劣化判定補正値Ｃはゲイン劣化指標Ｉｇの増加に伴って大きくなる。

図１９は、応答劣化指標Ｉｒと触媒劣化判定補正値Ｃとの関係を示している。本実施形態では、応答劣化指標Ｉｒが大きくなるほど、応答遅れが大きくなり、触媒診断実施時のリニア空燃比センサ１１８と酸素センサ１２５の出力の応答時間の差が小さくなるため、触媒劣化判定指標Ｃは小さく演算される。よって触媒劣化判定補正値Ｃは応答劣化指標Ｉｒの増加にとともに大きくなる。

本発明による空燃比センサ診断装置を適用される筒内噴射式内燃機関の全体構成を示す全体構成図。 空燃比制御装置と本発明による空燃比センサ診断装置の実施形態１を示すブロック図。 実施形態１による空燃比センサ診断装置による空燃比センサ診断の処理フローを示すフローチャート。 図３に示したフローチャートを実施した際のタイムチャート。 リニア空燃比センサのゲイン劣化時の応答波形の一例を示すグラフ。 リニア空燃比センサの応答劣化時の応答波形の一例を示すグラフ。 リニア空燃比センサの劣化と劣化指標の関係を示すグラフ。 第１劣化指標と第２劣化指標の演算式の一例を示すグラフ。 応答遅れ時間と応答劣化指標の関係の一例を示すグラフ。 ゲイン劣化とゲイン劣化指標の関係の一例を示すグラフ。 空燃比制御装置と本発明による空燃比センサ診断装置の実施形態２を示すブロック図。 実施形態２による空燃比センサ診断装置による空燃比センサ診断の処理フローを示すフローチャート。 図１２に示したフローチャートを実施した際のタイムチャート。 図１２に示したフローチャートを実施した際のタイムチャート。 空燃比制御装置と本発明による空燃比センサ診断装置の実施形態３を示すブロック図。 実施形態３による空燃比センサ診断装置による空燃比センサ診断の処理フローを示すフローチャート。 図１６に示したフローチャートを実施した際のタイムチャート。 ゲイン劣化指標と触媒劣化判定補正値との関係を示すグラフ。 応答劣化指標と触媒劣化判定補正値の関係を示すグラフ。

符号の説明

１０１ 吸気管
１０２ エアクリーナ
１０３ 空気流量計
１０４ スロットルセンサ
１０５ スロットルボディ
１０６ コレクタ
１０７ 筒内噴射内燃機関
１０９ 燃料ポンプ
１１１ 高圧燃料ポンプ
１１２ インジェクタ
１１３ 点火コイル
１１４ 点火プラグ
１１５ コントロールユニット
１１６ カム角センサ
１１７ クランク角センサ
１１８ 空燃比センサ
１２５ 酸素センサ
１２６ コモンレール
２０６ 空燃比制御手段
２０７ 目標空燃比設定手段
２０８ 応答時間検出手段
２０９ 第１応答時間検出手段
２１０ 第２応答時間検出手段
２１１ 劣化指標演算手段
２１２ 第１劣化指標演算手段
２１３ 第２劣化指標演算手段
２１４ 劣化判定手段
１３１３ 偏差判定手段
１３１４ 運転状態検出手段
１３１５ 応答劣化指標演算手段
１３１６ ゲイン劣化指標演算手段
１７１３ 触媒劣化判定手段
１７１４ 触媒劣化判定補正手段

Claims (12)

1. 排気通路に設けられたリニア空燃比センサの劣化判定を行う内燃機関の空燃比センサ診断装置であって
   目標空燃比が変更されてから前記リニア空燃比センサの検出値が所定値に到達するまでの所要時間である応答時間を検出する応答時間検出手段と、前記応答時間検出手段によって検出される応答時間に基づいて前記リニア空燃比センサの劣化指標を演算する劣化指標演算手段と、前記劣化指標演算手段により演算された劣化指標に基づき前記リニア空燃比センサの劣化を判定する劣化判定手段とを有し、
   前記応答時間検出手段は、前記リニア空燃比センサの検出値が予め定めた第１所定値に到達するまでの第１応答時間を検出する第１応答時間検出手段と、前記リニア空燃比センサの検出値が前記第１所定値より大きい第２所定値に到達するまでの第２応答時間を検出する第２応答時間検出手段とを含み、
   前記劣化指標演算手段は、少なくとも前記第１応答時間に基づいて第１劣化指標を演算する第１劣化指標演算手段と、少なくとも前記第２応答時間に基づいて第２劣化指標を演算する第２劣化指標演算手段とを含み、
   前記劣化判定手段は、前記第１劣化指標と前記第２劣化指標に基づき前記リニア空燃比センサの劣化を判定することを特徴とする内燃機関の空燃比センサ診断装置。
2. 変更直前の前記目標空燃比と変更直後の前記目標空燃比の差の絶対値である目標空燃比変更量は所定値以上とし、前記変更直後の目標空燃比を前記第２応答時間検出手段によって前記第２応答時間が検出されるまで保持することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
3. 前記第１劣化指標演算手段および前記第２劣化指標演算手段は、前記第１応答時間と前記第２応答時間の差、和、積、商の少なくとも一つ、あるいは前記第１応答時間と前記第２応答時間のいずれかの値に基づいて前記第１劣化指標および前記第２劣化指標を演算することを特徴とする請求項１又は２に内燃機関の空燃比センサ診断装置。
4. 前記第１劣化指標演算手段は、前記第１応答時間に基づいて前記リニア空燃比センサの応答時間の異常を検出する応答劣化指標を演算し、前記第２劣化指標演算手段は前記第１応答時間と前記第２応答時間に基づいて前記リニア空燃比センサの空燃比に対する感度異常を検出するゲイン劣化指標演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
5. 前記第１劣化指標演算手段は、前記第１応答時間を所定値で除算した値、あるいは第１応答時間を応答劣化指標とし、前記第２劣化指標演算手段は、第２応答時間を第１応答時間で除算した値をゲイン劣化指標とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
6. 前記目標空燃比の変更後に、前記第１応答時間あるいは前記第２応答時間が検出されるまでに、前記目標空燃比が変更された場合には前記第１応答時間および前記第２応答時間の検出を中止することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
7. 内燃機関の吸入空気流量を検出する空気流量検出手段によって検出される内燃機関の吸入空気流量と、回転数検出手段によって検出される内燃機関の回転数の変化を検出する運転状態検出手段を有し、応答時間検出中に、前記運動状態検出手段によって検出した吸入空気量変化の絶対値が所定値以上、あるいは回転数変化の絶対値が所定値以上になれば、前記第１応答時間および前記第２応答時間の検出を中止することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
8. 前記リニア空燃比センサの検出値と前記目標空燃比との偏差を演算し、その偏差が所定範囲内にあるかを判定する偏差判定手段を有し、前記偏差判定手段により偏差が所定範囲内にあると判定されている時のみ、目標空燃比を変更して空燃比センサ診断を開始することを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
9. 前記リニア空燃比センサは三元触媒の上流側に設けられ、前記三元触媒の下流後に酸素センサが設けられ、前記リニア空燃比センサの検出値と前記酸素センサの検出値に基づいて前記三元触媒の劣化を検出する触媒劣化判定手段と、
   前記劣化指標演算手段の演算結果に基づいて前記触媒劣化指標演算手段の演算結果を補正する触媒劣化判定補正手段と、
   を有していることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
10. 前記ゲイン劣化指標または前記応答劣化指標の少なくとも何れかに基づいて前記三元触媒診断の結果を補正することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
11. 前記劣化判定手段により前記リニア空燃比センサが劣化していると判定された場合には、前記三元触媒の診断を禁止することを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の空燃比センサ診断装置。
12. 内燃機関の排気通路に設けられたリニア空燃比センサの劣化判定を行う内燃機関の空燃比センサ診断方法であって、
    前記リニア空燃比センサの検出値が予め定めた第１所定値に到達するまでの第１応答時間と、前記リニア空燃比センサの検出値が前記第１所定値より大きい第２所定値に到達するまでの第２応答時間を検出し、少なくとも前記第１応答時間に基づいて第１劣化指標を演算し、少なくとも前記第２応答時間に基づいて第２劣化指標を演算し、前記第１劣化指標と前記第２劣化指標に基づき前記リニア空燃比センサの劣化を判定することを特徴とする内燃機関の空燃比センサ診断方法。

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