JP4470661B2 - 排出ガスセンサの異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、排出ガス浄化用の触媒の下流側に設置された排出ガスセンサの異常診断を行う排出ガスセンサの異常診断装置に関する発明である。

近年の自動車は、排出ガス浄化のために、例えば、特許文献１（特開平４−１６７５７号公報）、特許文献２（特開平８−１７７５７５公報）、特許文献３（特許第３２２７９１２号公報）等に記載されているように、排気管に触媒を設置すると共に、この触媒の上流側に酸素センサ、空燃比センサ等の排出ガスセンサを設置し、この触媒上流側の排出ガスセンサ（以下「触媒上流側センサ」という）で検出した排出ガスの空燃比が触媒の浄化ウインドウの範囲内となるように空燃比（燃料噴射量）を制御することで、排出ガスの浄化率を高めるようにしている。しかし、触媒が劣化すると、排出ガスの浄化率が低下するため、触媒の下流側に排出ガスセンサ（以下「触媒下流側センサ」という）を設置し、この触媒下流側センサで触媒の流出ガスの空燃比をモニターすることで、触媒の劣化判定を行うようにしたものがある。
特開平４−１６７５７号公報 特開平８−１７７５７５公報 特許第３２２７９１２号公報

このシステムでは、触媒下流側センサが劣化すると、検出応答性が遅くなるため、本来、劣化と判定すべき触媒を劣化していないと誤判定する可能性がある。この誤判定を避けるために、触媒下流側センサの異常を早期に検出する必要がある。

上記特許文献１〜３には、エンジン運転中に燃料カットによる空燃比のリッチ／リーンの切り換えを利用して触媒上流側センサの応答性を計測して異常診断する技術が記載されているが、この触媒上流側センサの異常診断技術をそのまま触媒下流側センサの異常診断に適用することはできない。この理由は、触媒上流側センサとは異なり、触媒下流側センサは触媒の状態の影響を受けてしまうためである。

つまり、触媒を通過する排出ガスの空燃比は、触媒の酸素吸蔵量（リーン成分吸蔵量）の影響を受けてかなり変化するため、触媒上流側の空燃比のリッチ／リーンを切り換えたときの触媒下流側の空燃比の挙動は、触媒の酸素吸蔵量によってかなり変化する。このため、触媒上流側の空燃比のリッチ／リーンの切り換えが触媒下流側センサの出力変化としてあまり現れないような場合でも、触媒下流側センサの応答性が悪化しているのか、触媒下流側の空燃比が徐々に変化しているのかを区別することができず、触媒下流側センサの正常／異常を誤判定する可能性がある。

また、この対策として、通常の走行時に、触媒下流側センサの異常診断のために、触媒下流側の空燃比の変化が大きく現れるように、触媒上流側の空燃比を大きく変化させることが考えられるが、触媒上流側の空燃比を大きく変化させると、触媒の浄化能力を越えて触媒上流側の空燃比を変化させることになってしまい、排気エミッションが悪化してしまう不具合が発生する。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、排気エミッションを悪化させずに、触媒下流側センサの正常／異常を精度良く判定することができる排出ガスセンサの異常診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、触媒の状態がリーンの状態で空燃比リッチ制御を実行したときの触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性（応答時間、センサ出力変化の傾き等）を応答性計測手段により計測し、この応答性計測値に基づいて触媒下流側センサの異常診断を異常診断手段により行うことを第１の特徴とし、更に燃料カット又は空燃比リーン制御を実行した後に空燃比リッチ制御を実行し、触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたか否かを、空燃比リッチ制御を実行してから所定時間経過後の触媒下流側センサの出力に基づいて推定し、触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたと推定されたときのみ、空燃比リッチ制御により触媒下流側センサの出力がリーンからリッチへ変化したときの該触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測することを第２の特徴とするものである。つまり、触媒の状態がリーンの状態であれば、触媒下流側の空燃比もリーンの状態になっているものと推定できるため、この状態で空燃比リッチ制御が実行されたときに、触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測すれば、触媒の状態がほぼ一定の状態で触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を精度良く計測することができ、この応答性計測値に基づいて触媒下流側センサの正常／異常を精度良く判定することができる。しかも、応答性計測前の触媒の状態がリーンの状態であるため、触媒下流側の空燃比が確実にリッチ側に変化するように、触媒上流側の空燃比を大きくリッチ側に変化させても、触媒で排出ガスのリッチ成分を浄化することができ、排気エミッションを悪化させずに済む。

この場合、請求項１に係る発明の第２の特徴では、燃料カット又は空燃比リーン制御を実行した後に空燃比リッチ制御を実行し、触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたか否かを、空燃比リッチ制御を実行してから所定時間経過後の触媒下流側センサの出力に基づいて推定し、触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたと推定されたときのみ、空燃比リッチ制御により触媒下流側センサの出力がリーンからリッチへ変化したときの該触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測して該触媒下流側センサの異常診断を実行するようにしているため、エンジン運転中に、燃料カット又は空燃比リーン制御を利用して触媒下流側センサの異常診断を実施できると共に、燃料カット又は空燃比リーン制御により増加した触媒の酸素吸蔵量（リーン成分吸蔵量）を空燃比リッチ制御により減少させることができて、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
具体的には、請求項２のように、触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測する際に、触媒下流側センサの出力がリーン側の所定値からリッチ側の所定値に到達するまでの応答時間又は触媒下流側センサの出力変化に基づいて、触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測するようにすると良い。

更に、請求項１のように、触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたと推定されたときのみ、空燃比リッチ制御により触媒下流側センサの出力がリーンからリッチへ変化したときの触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測して該触媒下流側センサの異常診断を実行するようにすれば、触媒下流側センサの異常診断時に、常に触媒が一定のリーン状態で触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測できるため、触媒下流側センサの応答性を精度良く計測することができて、触媒下流側センサの異常診断精度を向上させることができる。

また、請求項３のように、空燃比リッチ制御によるリッチ度合を触媒の状態がリッチ側に変化するように設定するようにすると良い。これにより、触媒下流側の空燃比を確実にリーンからリッチへ変化させることができて、応答性の計測精度を向上させることができる。

また、排出ガス流量が少ないと、触媒上流側の空燃比をリーンからリッチへ変化させても、触媒の状態がリッチ側に変化しない可能性があり、その結果、触媒下流側センサの応答性が悪化しているのか、触媒下流側の空燃比が徐々に変化しているのかを正確に区別できなくなる可能性がある。

この対策として、請求項４のように、排出ガス流量が所定量以下のときに触媒下流側センサの応答性の計測を禁止するようにすると良い。このようにすれば、排出ガス流量が少ないときに、触媒下流側センサの正常／異常を誤判定することを未然に防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３（排気通路）には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２４が設けられ、この触媒２４の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する空燃比センサ、酸素センサ等の排出ガスセンサ（以下「触媒上流側センサ」という）２５が設けられ、触媒２４の下流側に、排出ガスのリッチ／リーンを検出する酸素センサ（以下「触媒下流側センサ」という）２６が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、エンジン１１のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２８が取り付けられている。このクランク角センサ２８の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御する。

その際、ＥＣＵ２９は、図示しない空燃比フィードバック制御プログラムを実行することで、触媒上流側センサ２５の検出空燃比が目標空燃比に一致するように空燃比（燃料噴射量）を制御して、触媒２４の上流側の空燃比が触媒２４の浄化ウインド内（ストイキ付近）に収まるように制御する。この際、触媒下流側センサ２６の出力は、触媒２４の上流側の目標空燃比を補正するのに用いられたり、触媒２４の劣化診断に用いられる。

また、ＥＣＵ２９は、後述する図２の触媒下流側センサ異常診断ルーチンを実行することで、次のようにして燃料カットを利用して触媒下流側センサ２６の異常診断を実施する。エンジン運転中に燃料カットが実行されると、触媒２４内に多量の酸素（リーン成分）が流れ込むため、触媒２４の酸素吸蔵量（リーン成分吸蔵量）が増加して、触媒２４の状態がリーンの状態になる。このため、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）は、排出ガスのリーン成分を触媒２４内で十分に浄化することができず、ＮＯｘ等のリーン成分の排出量が増加する傾向がある。そこで、本実施例では、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）のＮＯｘ等のリーン成分の排出量を低減するために、図３に示すように、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）に、一時的に空燃比をリッチに制御して、触媒２４の吸蔵リーン成分と排出ガスのリッチ成分との反応を促進させて触媒２４のリーン成分吸蔵量を減少させ、触媒２４の状態を速やかにストイキ付近に回復させるようにしている。

本実施例の触媒下流側センサ２６の異常診断は、この燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）に一時的に実行される空燃比リッチ制御を利用して、触媒下流側センサ２６のリーンからリッチへの所定電圧間（例えば０．３Ｖ→０．５Ｖ）の応答時間を計測し、この応答時間に基づいて触媒下流側センサ２６の異常診断を行うようにしている。

以下、本実施例の触媒下流側センサ２６の異常診断を実行する図２の触媒下流側センサ異常診断ルーチンの処理内容を説明する。本ルーチンは、エンジン運転中に所定周期（例えば５ｍｓ周期）で実行され、特許請求の範囲でいう応答性計測手段と異常診断手段としての役割を果たす。

本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、吸入空気量が所定量以上であるか否かで、排出ガス流量が所定量以上であるか否かを判定し、その結果、吸入空気量が所定量未満（排出ガス流量が所定量未満）と判定されれば、以降の処理を実行することなく、そのまま本ルーチンを終了する。排出ガス流量が少ないと、空燃比リッチ制御を行っても、触媒２４の状態がリッチ側に変化しないため、触媒下流側センサ２６の応答性が悪化しているのか、触媒２４の下流側の空燃比が徐々に変化しているのかを正確に区別できないためである。

これに対して、上記ステップ１０１で、吸入空気量が所定量以上（排出ガス流量が所定量以上）と判定されれば、ステップ１０２に進み、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）の空燃比リッチ制御を所定時間以上実施したか否かで、触媒２４のリーン成分吸蔵量（酸素吸蔵量）が十分に減少したか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定されれば、以降の処理を実行することなく、そのまま本ルーチンを終了する。

その後、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）の空燃比リッチ制御を所定時間以上実施して、触媒２４のリーン成分吸蔵量（酸素吸蔵量）が十分に減少したと推定できる状態になった段階で、ステップ１０３に進み、触媒下流側センサ２６の出力電圧をリーン側のしきい電圧である例えば０．１５Ｖと比較し、触媒下流側センサ２６の出力電圧が０．１５Ｖ未満であれば、燃料カットにより触媒下流側センサ２６の出力電圧が十分にリーン側に変化したと判断して、ステップ１０４に進み、診断前提条件フラグＦＸを“１”にセットして本ルーチンを終了する。もし、燃料カットにより触媒下流側センサ２６の出力電圧が十分にリーン側に変化していない場合は、触媒下流側センサ２６の応答時間を正確に計測できないため、診断前提条件フラグＦＸが“０”に維持され、触媒下流側センサ２６の応答時間計測・異常診断が禁止される。

一方、上記ステップ１０３で、触媒下流側センサ２６の出力電圧が０．１５Ｖ以上と判定されれば、ステップ１０５に進み、診断前提条件フラグＦＸが“１”にセットされているか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定されれば、診断前提条件が不成立と判断して、以降の処理を実行することなく、そのまま本ルーチンを終了する。

これに対して、上記ステップ１０５で、診断前提条件フラグＦＸが“１”にセットされていると判定されれば、診断前提条件が成立していると判断して、続くステップ１０６〜１０８の処理によって、触媒下流側センサ２６の出力電圧がリーン側の所定電圧（例えば０．３Ｖ）からリッチ側の所定電圧（例えば０．５Ｖ）に到達するまでの応答時間をタイムカウンタＴＣによりカウントする。すなわち、触媒下流側センサ２６の出力電圧がリーン側の所定電圧（例えば０．３Ｖ）以上になったときにタイムカウンタＴＣのカウントアップを開始し、触媒下流側センサ２６の出力電圧がリッチ側の所定電圧（例えば０．５Ｖ）に到達した時点で、タイムカウンタＴＣのカウントアップ動作を終了して、ステップ１０９に進み、タイムカウンタＴＣで計測した触媒下流側センサ２６の応答時間ＴＣを判定値と比較し、応答時間ＴＣが判定値以上であれば、ステップ１１０に進み、触媒下流側センサ２６が異常（応答性劣化）と判定し、次のステップ１１１で、異常情報をＥＣＵ２９のバックアップＲＡＭ等の書き換え可能な不揮発性メモリに記憶すると共に、警告表示を行って運転者に知らせる。一方、応答時間ＴＣが判定値未満であれば、ステップ１１２に進み、触媒下流側センサ２６が正常と判定判定する。この後、ステップ１１３に進み、タイムカウンタＴＣと診断前提条件フラグＦＸをリセットして、本ルーチンを終了する。

以上説明した本実施例によれば、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）にＮＯｘ低減のために一時的に実行される空燃比リッチ制御を利用して、触媒下流側センサ２６のリーンからリッチへの所定電圧間（例えば０．３Ｖ→０．５Ｖ）の応答時間を計測するようにしたので、触媒２４の状態がほぼ一定の状態で触媒下流側センサ２６のリーンからリッチへの応答時間を精度良く計測することができ、この応答時間に基づいて触媒下流側センサ２６の正常／異常を精度良く判定することができる。しかも、応答時間計測前の触媒２４の状態がリーンの状態であるため、触媒２４の下流側の空燃比が確実にリッチ側に変化するように、触媒２４の上流側の空燃比を大きくリッチ側に変化させても、触媒２４で排出ガスのリッチ成分を浄化することができ、排気エミッションを悪化させずに済む。

しかも、本実施例では、エンジン運転中に、燃料カットを利用して触媒下流側センサ２６の異常診断を実施できると共に、燃料カットにより増加した触媒２４の酸素吸蔵量（リーン成分吸蔵量）を空燃比リッチ制御により減少させることができて、ＮＯｘ排出量を低減することができる。

更に、本実施例では、燃料カットにより触媒下流側センサ２６の出力電圧が十分にリーン側（例えば０．１５Ｖ未満）に変化したときのみ（換言すれば、燃料カットにより触媒２４のリーン成分吸蔵量が飽和状態になったと推定されるときのみ）、触媒下流側センサ２６の応答時間を計測するようにしたので、常に触媒２４が一定のリーン状態で触媒下流側センサ２６の応答時間を精度良く計測することができる。

また、本実施例では、触媒下流側センサ２６の出力電圧がリーン側の所定電圧（例えば０．３Ｖ）からリッチ側の所定電圧（例えば０．５Ｖ）に到達するまでの応答時間を計測するようにしたので、空燃比リッチ制御により触媒２４の状態がリッチ側に変化するまでの触媒下流側センサ２６の応答時間を計測することができ、応答時間の精度を更に向上させることができる。

また、排出ガス流量が少ないと、燃料カット復帰後（燃料噴射再開後）に空燃比リッチ制御を行っても、触媒２４の状態がリッチ側に変化しない可能性があることを考慮して、本実施例では、排出ガス流量（吸入空気量）が所定量以下のときに応答時間の計測を禁止するようにしたので、排出ガス流量が少ないときに、触媒下流側センサ２６の正常／異常を誤判定することを未然に防止できる。

尚、本実施例では、触媒下流側センサ２６の応答性を表す情報として、応答時間を計測するようにしたが、触媒下流側センサ２６の出力変化の傾きを計測したり、所定時間の出力変化量を計測するようにしても良い。

また、本実施例では、燃料カットを利用して触媒下流側センサ２６の応答時間計測・異常診断を実行するようにしたが、空燃比リーン制御が所定期間以上続いたときに、触媒２４の状態がリーンの状態であると判断して空燃比リッチ制御を実行し、触媒下流側センサ２６の応答時間計測・異常診断を実行するようにしても良い。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 触媒下流側センサ異常診断ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例の触媒下流側センサの異常診断方法を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２４…触媒、２５…触媒上流側センサ、２６…触媒下流側センサ、２９…ＥＣＵ（異常診断手段，応答性計測手段）

Claims (4)

1. 排出ガス浄化用の触媒の下流側に設置された排出ガスセンサ（以下「触媒下流側センサ」という）の異常診断を行うものにおいて、
   前記触媒の状態がリーンの状態で空燃比リッチ制御を実行したときの前記触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測する応答性計測手段と、
   前記触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性に基づいて前記触媒下流側センサの異常診断を行う異常診断手段とを備え、
   前記応答性計測手段は、燃料カット又は空燃比リーン制御を実行した後に空燃比リッチ制御を実行し、前記触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたか否かを、前記空燃比リッチ制御を実行してから所定時間経過後の前記触媒下流側センサの出力に基づいて推定し、前記触媒のリーン成分吸蔵量が飽和状態になっていたと推定されたときのみ、前記空燃比リッチ制御により前記触媒下流側センサの出力がリーンからリッチへ変化したときの該触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測することを特徴とする排出ガスセンサの異常診断装置。
2. 前記応答性計測手段は、前記触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測する際に、前記触媒下流側センサの出力がリーン側の所定値からリッチ側の所定値に到達するまでの応答時間又は前記触媒下流側センサの出力変化に基づいて、前記触媒下流側センサのリーンからリッチへの応答性を計測することを特徴とする請求項１に記載の排出ガスセンサの異常診断装置。
3. 前記応答性計測手段は、前記空燃比リッチ制御によるリッチ度合を前記触媒の状態がリッチ側に変化するように設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排出ガスセンサの異常診断装置。
4. 前記応答性計測手段は、排出ガス流量が所定量以下のときに前記応答性の計測を禁止する手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排出ガスセンサの異常診断装置。

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