JP5287458B2

JP5287458B2 - 酸素センサの応答性判定装置

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Publication number: JP5287458B2
Application number: JP2009099077A
Authority: JP
Inventors: 有輔川村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: JP2010249003A

Description

本発明は酸素センサの応答性判定装置に関し、特に空燃比の変動に応じたセンサ出力に基づき、酸素センサの応答性について判定をする酸素センサの応答性判定装置に関する。

従来、例えば内燃機関の排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるか、リーンであるかを検出するために酸素センサが用いられている。かかる検出に用いられる酸素センサのセンサ出力は、主に内燃機関の空燃比制御に利用されている。このため例えば酸素センサが劣化し、センサ出力の状態が初期の状態と異なってきた場合には、空燃比制御を適切に行えなくなる結果、排気エミッションが悪化する虞がある。これに対して、酸素センサ等のセンサの劣化や故障に関する技術が例えば特許文献１から５までで開示されている。

特開２００４−３２４４７５号公報特公平７−４７９４２号公報特開２００６−４６１７９号公報特開２００６−５７５８８号公報特開２００８−３８９００号公報

ところで、酸素センサの応答性について判定するにあたっては、例えばセンサ出力がある所定値から他の所定値に到達するまでの経過時間に基づき判定することができる。ところが、この場合には各所定値が一定値となるため、劣化等による経時変化でセンサ出力の最大値や最小値が変化し、この結果、例えばセンサ出力が予め設定した所定値にまで到達できなくなったような場合には、判定を行えない事態が生じ得ると考えられる点で問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、劣化等による経時変化でセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、応答性についての判定を好適に行える酸素センサの応答性判定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、酸素センサのセンサ出力の最大値および最小値に基づき、空燃比の変動に応じたセンサ出力の検出区間を決定する決定手段と、前記検出区間に対応する前記酸素センサの空燃比の変動に応じたセンサ出力の時間の長さに基づき、前記酸素センサの応答性について判定する第１の判定手段とを備え、前記決定手段は、予め設定された劣化前における前記酸素センサのセンサ出力である第１の初期値を前記最大値と前記最小値との差で除算した値に前記最小値を加算した値である第１の所定値と、予め設定された劣化前における前記酸素センサのセンサ出力である第２の初期値を前記最大値と前記最小値との差で除算した値に前記最小値を加算した値である第２の所定値と、を前記検出区間として決定し、前記第１の判定手段は、前記検出区間に対応する前記酸素センサの空燃比の変動に応じたセンサ出力の時間の長さとして、前記酸素センサのセンサ出力が前記第１の所定値から前記第２の所定値に変化するまでに要する時間の長さを用いる酸素センサの応答性判定装置である。

また本発明は前記酸素センサの空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、前記酸素センサの応答性について判定する第２の判定手段をさらに備えた構成であることが好ましい。

本発明によれば、劣化等による経時変化でセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、酸素センサの応答性についての判定を好適に行える。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａを内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ａの具体的な構成を模式的に示す図である。アクティブ空燃比制御および触媒２２の酸素吸蔵能を説明するための図である。ＥＣＵ１Ａの動作をフローチャートで示す図である。検出区間の決定と第１の判定とを説明するための図である。ＥＣＵ１Ｂの動作をフローチャートで示す図である。ＥＣＵ１Ｂにおける第２の判定を説明するための図である。具体的には図７では、（ａ）でリッチからリーンに反転した酸素センサ２４の出力電圧波形を酸素センサ２４の応答性が高い場合と低い場合とについてそれぞれ示している。また図７では、（ｂ）で（ａ）と共通の時間軸で（ａ）に示す各出力電圧波形の傾きそれぞれを示している。出力電圧波形の傾きの極大値に基づき判定する場合の第２の判定を説明するための図である。具体的には図８では、（ａ）でリーンからリッチに反転した酸素センサ２４の出力電圧波形を酸素センサ２４の応答性が高い場合と低い場合とについてそれぞれ示している。また図８では、（ｂ）で（ａ）と共通の時間軸で（ａ）に示す各出力電圧波形の傾きそれぞれを示している。ＥＣＵ１Ｃにおける第２の判定を説明するための図である。具体的には図９では、リーンからリッチに反転した場合の酸素センサ２４の出力電圧波形を酸素センサ２４の応答性が高い場合については（ａ）で、応答性が低い場合については（ｂ）でそれぞれ示している。また図９では、（ｂ）で（ａ）と共通の時間軸で（ａ）に示すセンサ出力の２回微分値を、（ｄ）で（ｃ）と共通の時間軸で（ｃ）に示すセンサ出力の２回微分値をそれぞれ示している。ＥＣＵ１Ｄにおける第２の判定を説明するための図である。具体的には図１０では、（ａ）でリーンからリッチに反転した場合の酸素センサ２４の出力電圧波形を酸素センサ２４の応答性が高い場合と低い場合とについてそれぞれ示している。また図１０では、（ｂ）で（ａ）と共通の時間軸で（ａ）に示す各出力電圧波形の傾きそれぞれを示している。ＥＣＵ１Ｅにおける第２の判定を説明するための図である。具体的には図１１ではリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４の出力電圧波形を酸素センサ２４の応答性が高い場合と低い場合とについてそれぞれ示している。ＥＣＵ１Ｆにおける第２の判定を説明するための図である。具体的には図１２では、（ａ）でリーンからリッチに反転した場合の酸素センサ２４の出力電圧波形を酸素センサ２４の応答性が高い場合と低い場合とについてそれぞれ示している。また図１２では、（ｂ）で（ａ）と共通の時間軸で（ａ）に示す各センサ出力の２回微分値それぞれを示している。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１はＥＣＵ１Ａで実現されている本実施例に係る酸素センサの応答性判定装置を内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ａと内燃機関システム１００とは図示しない車両に搭載されている。内燃機関システム１００は吸気系１０と排気系２０と内燃機関５０と燃料噴射系６０とを備えている。
吸気系１０は、エアクリーナ１１と、エアフロメータ１２と、スロットル弁１３と、サージタンク１４と、インテークマニホールド１５とを備えている、エアクリーナ１１は吸気を濾過し、エアフロメータ１２は吸入空気量ＧＡを計測する。スロットル弁１３は吸入空気量を調節し、サージタンク１４は吸気を一時的に貯蔵する。インテークマニホールド１５は吸気を内燃機関５０の各気筒に分配する。

排気系２０はエキゾーストマニホールド２１と触媒２２とを備えている。エキゾーストマニホールド２１は各気筒からの排気を合流させる。触媒２２は三元触媒であり、排気を浄化する。触媒２２は排気空燃比がリッチのときに酸素を放出する一方で、リーンのときに酸素を吸蔵する性質（酸素吸蔵能）を有しており、触媒２２では係る性質を利用して排気の浄化が行われている。排気系２０には触媒２２の上流にＡ／Ｆセンサ２３が、触媒２２の下流に酸素センサ２４がそれぞれ設けられている。Ａ／Ｆセンサ２３は排気中の酸素濃度に基づき排気空燃比をリニアに検出するために用いられる。酸素センサ２４は排気中の酸素濃度に基づき排気空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するために用いられる。

内燃機関５０はシリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５５と、排気弁５６とを備えている。シリンダブロック５１にはシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５７はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。

シリンダヘッド５２には吸気ポート５２ａと排気ポート５２ｂとが形成されている。吸気ポート５２ａは燃焼室５７に吸気を導き、排気ポート５２ｂは燃焼室５７のガスを排気する。シリンダヘッド５２にはこれら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂを開閉するための吸排気弁５５、５６が設けられている。内燃機関５０において、内燃機関５０には、回転数ＮＥに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ７１や、内燃機関５０の水温を検出するために用いられる水温センサ７２などの各種のセンサが配設されている。

燃料噴射系６０は燃料噴射弁６１と、燃料噴射ポンプ６２と、燃料タンク６３とを備えている。燃料噴射弁６１は燃料を噴射し、燃料噴射ポンプ６２は燃料を加圧して噴射圧を発生させる。燃料タンク６３は燃料を貯留する。燃料噴射弁６１は具体的には吸気ポート５２ａ内に燃料噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。なお、燃料噴射弁６１の配置は、例えば筒内に直接燃料を噴射できる配置であってもよい。

図２に示すように、ＥＣＵ１Ａは具体的にはＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４等からなるマイクロコンピュータと入出力回路５、６とを備えている。これらＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４、および入出力回路５、６は互いにバス７で接続されている。ＥＣＵ１Ａには、エアフロメータ１２や、Ａ／Ｆセンサ２３や、酸素センサ２４や、クランク角センサ７１や、水温センサ７２や、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ７３などの各種のセンサが電気的に接続されている。またＥＣＵ１Ａには、燃料噴射弁６１や燃料噴射ポンプ６２が制御対象として電気的に接続されている。

ＥＣＵ１Ａは主に内燃機関５０を制御するように構成されている。ＥＣＵ１Ａは具体的には例えば燃料噴射弁６１や燃料噴射ポンプ６２を制御するように構成されている。燃料噴射弁６１はＥＣＵ１Ａの制御のもと、適宜の噴射時期に開弁されて燃料を噴射する。このとき燃料噴射量はＥＣＵ１Ａの制御のもと、燃料噴射弁６１が閉弁されるまでの間の開弁期間の長さで調節される。燃料噴射ポンプ６２は、ＥＣＵ１Ａの制御のもと噴射圧を適宜の噴射圧に調節する。

ＲＯＭ３はＣＰＵ２が実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵ２がＲＯＭ３に格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭ４の一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１Ａでは各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。

この点、ＥＣＵ１Ａではフューエルカット（以下、Ｆ／Ｃと称す）を行う制御手段（以下、Ｆ／Ｃ制御手段と称す）や、空燃比制御を行う制御手段（以下、空燃比制御手段と称す）や、触媒２２の酸素吸蔵量を検出する検出手段（以下、酸素吸蔵量検出手段と称す）や、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の検出区間を決定する決定手段や、酸素センサ２４の応答性について判定をする第１の判定手段（以下、第１の応答性判定手段と称す）が機能的に実現される。
Ｆ／Ｃ制御手段は具体的には所定のエンジン回転数ＮＥ以上で、アクセルＯＦＦになった場合にＦ／Ｃを行うように実現されている。

空燃比制御手段は具体的には触媒２２の酸素吸蔵能を検出するにあたり、アクティブ空燃比制御を行うように実現されている。アクティブ空燃比制御とは、図３に示すように、触媒２２の下流に配設された酸素センサ２４のセンサ出力に基づき、酸素センサ２４のセンサ出力が反転したときに、排気空燃比もリッチ、リーン間で反転するように所定の燃料噴射量ｍｆｒ及び燃料噴射時間Δｔで燃料噴射制御を行う制御である。

酸素吸蔵量検出手段は具体的には以下に示すようにして触媒２２の酸素吸蔵能を検出するように実現されている。ここで、触媒２２の酸素吸蔵能は最大酸素吸蔵量で把握することができる。そして、最大酸素吸蔵量は例えば図３に示す演算式を利用して求めることができる。この演算式は触媒２２が吸蔵或いは放出する酸素量を算出するとともに、算出した酸素量を積算していくように構成されている。なお、この演算式では空燃比（ここでは制御Ａ／Ｆ−ストイキＡ／Ｆ）に燃料噴射量（ここでは単位時間当たりの燃料噴射量ｍｆｒ×燃料噴射時間Δｔ）を乗じることで空気量が求まることから、この空気量にさらに空気中の酸素濃度（ここでは０．２３）を乗じることで触媒２２が吸蔵或いは放出する酸素量を求めている。そしてこの酸素量は触媒２２が酸素を放出し切ったときを基準とすれば、図３に示す酸素吸蔵量として表すことができる。

このため酸素センサ２４のセンサ出力が反転したときに、排気空燃比もリッチ、リーン間で反転するように所定の燃料噴射量ｍｆｒ及び燃料噴射時間Δｔで燃料噴射制御を行うとともに、このときにＡ／Ｆセンサ２３で制御Ａ／Ｆを検出するようにすれば、上記演算式を利用して最大酸素吸蔵量を算出できる。

決定手段は具体的には酸素センサ２４のセンサ出力の最大値および最小値に基づき、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の検出区間を決定するように実現されている。この点、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力は、本実施例ではさらに具体的にはＦ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力となっている。なお、Ｆ／Ｃの場合、酸素センサ２４のセンサ出力はリッチからリーンに反転する。また、アクティブ空燃比制御の場合、酸素センサ２４のセンサ出力はリッチからリーンに、またはリーンからリッチに反転する。

第１の応答性判定手段は具体的には検出区間に対応する排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の時間の長さに基づき、酸素センサ２４の応答性について判定するように実現されている。この点、第１の応答性判定手段は、本実施例ではさらに具体的には検出区間が決定された後、最初にＦ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力につき、決定された検出区間に対応する時間の長さを検出するとともに、検出した時間の長さに基づき、酸素センサ２４の応答性について判定するように実現されている。

次にＥＣＵ１Ａの動作を図４に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートは内燃機関５０運転中に、ごく短い時間間隔で繰り返し実行される。また本フローチャートは、例えば内燃機関５０の始動１回につき（すなわち１トリップにつき）、１回だけ第１の判定を行うようにしてもよい。ＥＣＵ１ＡはＦ／Ｃが開始されたか否かを判定する（ステップＳ１）。否定判定であれば、ＥＣＵ１Ａはアクティブ空燃比制御が開始されたか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２で否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。一方、ステップＳ１またはＳ２で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは検出区間の決定前であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３で否定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは検出区間を決定する（ステップＳ４）。ステップＳ４の後には本フローチャートを一旦終了する。一方、ステップＳ３で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは酸素センサ２４の応答性について第１の判定をする（ステップＳ５）。

この点、次に検出区間の決定および第１の判定について図５を用いて具体的に説明する。酸素センサ２４の応答性についての判定は、具体的には酸素センサ２４のセンサ出力である出力電圧が、第１の所定値から第２の所定値に変化するまでに要する時間である変化時間の長さに基づき行われる。そして、この変化時間の長さが検出区間に対応する時間の長さとなる。この点、第１の所定値と第２の所定値とは具体的には次の式１および式２によって定義されている。
第１の所定値＝第１の初期値／（最大電圧−最小電圧）＋最小電圧・・・（式１）
第２の所定値＝第２の初期値／（最大電圧−最小電圧）＋最小電圧・・・（式２）

ここで、第１および第２の初期値は、劣化前の初期の酸素センサ２４について予め設定した所定値である。また最大電圧および最小電圧は、実際のセンサ出力の最大電圧および最小電圧であり、センサ出力の最大値および最小値に相当する。この点、ＥＣＵ１Ａは内燃機関５０運転中にごく短いサンプリング周期で酸素センサ２４のセンサ出力を検出している。このため最大電圧および最小電圧は、Ｆ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御で酸素センサ２４のセンサ出力が反転した際に、上記のようにして検出したセンサ出力に基づき検出することができる。

初期の酸素センサ２４では、最大電圧は１となっており、最小電圧は０（ゼロ）となっている。したがって、例えば判定時が酸素センサ２４の劣化前であれば、最大電圧は１、最小電圧は０（ゼロ）になることから、式（１）および式（２）から、第１の所定値は第１の初期値となり、第２の所定値は第２の初期値となる。
一方、例えば酸素センサ２４の最大電圧が経時変化によって低下したとする。この場合、センサ出力反転時の出力電圧波形は、初期の出力電圧波形とは異なってくる。そして、かかる出力電圧波形の変化は基準としての意味合いにおいて、第１および第２の初期値に影響を及ぼすことになる。すなわち、センサ出力反転時の出力電圧波形が、初期の出力電圧波形と異なってきた場合には、第１および第２の初期値は、例えば最も時間が短くなる部分として当初狙った部分に対応しなくなってしまうことになる。

このためこの場合に、仮に出力電圧が第１の初期値から第２の初期値に変化するまでに要する時間に基づき、応答性について判定を行った場合には、正確な判定を行えなくなる虞がある。さらに最大電圧の低下度合いによっては、最大電圧が例えば第１の初期値を下回ることも考えられ、この場合には応答性についての判定そのものができなくなる虞もある。なお、これらのことは例えば酸素センサ２４の最小電圧が初期の最小電圧よりも高くなった場合についても同様である。

これに対してＥＣＵ１Ａでは、式（１）および式（２）によって第１の初期値の代わりに、実際のセンサ出力の最大電圧および最小電圧に見合った第１および第２の所定値を算出する。そしてこれにより、ＥＣＵ１Ａは検出区間を決定することができる。またＥＣＵ１Ａは、酸素センサ２４の出力電圧が第１の所定値から第２の所定値に変化するまでに要する変化時間の長さに基づき、酸素センサ２４の応答性について判定をする。このためＥＣＵ１Ａは、劣化等による経時変化で半恒常的に変化するセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、応答性についての判定を好適に行える。

なお、酸素センサ２４の応答性について判定をするにあたって、ＥＣＵ１Ａは具体的には例えば所定の判定値と変化時間の長さとの大小関係に基づき、酸素センサ２４の応答性の異常判定を行うことができる。一方、ＥＣＵ１Ａでは変化時間の長さによって酸素センサ２４の応答性の度合いをより正確に把握することができる。このためＥＣＵ１Ａは、応答性の低下度合いについて判定をする場合に特に適している。この点、酸素センサ２４の応答性の度合いを正確に判定できれば、アクティブ空燃比制御時に触媒２２の酸素吸蔵能をより正確に検出できる。このためＥＣＵ１Ａはアクティブ空燃比制御時に触媒２２の酸素吸蔵能を検出する場合に特に適している。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｂは、第２の判定手段に相当する第２の応答性判定手段をさらに備えている点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。このため本実施例ではＥＣＵ１Ｂについては図示省略する。なお、第１の応答性判定手段の代わりに第２の応答性判定手段を備えることも可能である。
第２の応答性判定手段は、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、酸素センサ２４の応答性について判定するように実現されている。
この点、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力は、本実施例では具体的にはＦ／Ｃ、またはアクティブ空燃比制御によってリッチからリーンに反転する酸素センサ２４のセンサ出力となっている。
また、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度は、本実施例では具体的には当該センサ出力に対応する出力電圧波形の傾きの極小値となっている。

次にＥＣＵ１Ｂの動作について図６に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートはステップＳ１１、Ｓ１２が追加されている点以外、図４に示すフローチャートと同一のものとなっている。このためここでは特にステップＳ１１、Ｓ１２について説明する。また本フローチャートは、例えば内燃機関５０の始動１回につき（すなわち１トリップにつき）、第１および第２の判定それぞれを１回だけ行うようにしてもよい。ステップＳ１またはＳ２の肯定判定に続いて、ＥＣＵ１Ｂは酸素センサ２４のセンサ出力が、リッチからリーンに反転するか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１で否定判定であれば、ステップＳ３に進む。一方、ステップＳ１１で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｂは酸素センサ２４の応答性について第２の判定をする（ステップＳ１２）。ステップ１２の後にはステップＳ３に進む。

次にＥＣＵ１Ｂにおける第２の判定について図７を用いて具体的に説明する。図７（ａ）に示すように、酸素センサ２４の応答性が高い場合は、応答性が低い場合と比較して、出力電圧波形における中間部分の傾きが急になる。そして図７（ｂ）に示すように、出力電圧波形の傾きの極小値は、応答性が高い場合のほうが、応答性が低い場合と比較して小さくなる（絶対値としては大きくなる）。すなわち、当該極小値は応答性が高い場合ほど小さくなる。

そして当該極小値によれば、酸素センサ２４のセンサ出力の変化が最も急峻なところを的確に捉えることができる。したがって当該極小値に基づき酸素センサ２４の応答性について判定をする第２の判定によれば、最大電圧が低下した場合であってもその影響を受けずに判定をすることができる。このためＥＣＵ１Ｂは、劣化等による経時変化でセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、応答性についての判定を好適に行える。またＥＣＵ１Ｂは、実施例１で前述した変化時間と当該極小値との２つの要素により応答性についての判定を二重に行うので、より信頼性の高い判定結果を得ることができる。この点、二重に判定を行う場合には、酸素センサ２４の劣化度合いに応じて応答性についての判定のし易さや判定精度が異なってくる場合に、より信頼性の高い判定結果を利用できるようになる点で有効である。

なお、アクティブ空燃比制御実行時には、第２の応答性判定手段は当該極小値の代わりに、アクティブ空燃比制御によってリーンからリッチに反転する酸素センサ２４のセンサ出力に対応する出力電圧波形の傾きの極大値に基づき、酸素センサ２４の応答性について判定をするように実現されてもよい。そしてこの場合には、図６に示すフローチャートのステップＳ１１で、酸素センサ２４のセンサ出力が、リーンからリッチに反転するか否かを判定するように変更することで、図６に示すフローチャートの動作を適用できる。この場合の出力電圧波形および対応する傾きについて図８に示す。

この場合にも、酸素センサ２４の応答性が高い場合は、図８（ａ）に示すように応答性が低い場合と比較して、出力電圧波形における中間部分の傾きが急になる。そしてこの場合には、図８（ｂ）に示すように応答性が高い場合のほうが、応答性が低い場合と比較して出力電圧波形の傾きの極大値が大きくなる。すなわち、当該極大値は応答性が高い場合ほど大きくなる。したがって、第２の応答性判定手段は、アクティブ空燃比制御実行時にはかかる傾向を示す当該極大値に基づき応答性について判定をすることもできる。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｃは、第２の応答性判定手段が以下に示すように実現されている点以外、ＥＣＵ１Ｂと実質的に同一のものとなっている。このため本実施例ではＥＣＵ１Ｃについては図示省略する。なお、第１の応答性判定手段の代わりに第２の応答性判定手段を備えることも可能である。
第２の応答性判定手段は、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、酸素センサ２４の応答性について判定をするように実現されている。
この点、ＥＣＵ１Ｃでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力が、具体的にはＦ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力となっている。
また、ＥＣＵ１Ｃでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度が、具体的には当該センサ出力の出力電圧波形における反転開始時、または反転終了時のカーブの２回微分値となっている。

次にＥＣＵ１Ｃにおける第２の判定について図９を用いて具体的に説明する。なお、ＥＣＵ１Ｃの動作は、図６に示すフローチャートにおいてステップＳ１１を省略するとともに、ステップＳ１またはＳ２の肯定判定に続くステップをステップＳ１２とした場合の動作と同じになる。このため本実施例ではフローチャートについては図示省略する。ここで、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の出力電圧波形において、出力変化の少ない状態から、急激な出力変化を開始する部分にあたるカーブ、または急激な出力変化をした後で、出力変化の少ない状態に移行する部分にあたるカーブでは、出力電圧の変化度合いが大きいため、応答性の差が顕著に現れる。

この点、図９（ａ）、（ｃ）に示すように、酸素センサ２４の応答性が高い場合は、応答性が低い場合と比較してこれらのカーブが急になる。そしてこれらカーブの２回微分値の絶対値は、図９（ｂ）、（ｄ）に示すように応答性が高い場合のほうが、応答性が低い場合と比較して大きくなる。すなわち、当該２回微分値は、酸素センサ２４の出力電圧の反転開始時、または反転終了時の変化の急峻さを示しており、応答性が高い場合ほど当該２回微分値の絶対値が大きくなる。

そして当該２回微分値によれば、出力電圧の反転開始時、または反転終了時を的確に捉えることができる。したがって当該２回微分値に基づき酸素センサ２４の応答性について判定をする第２の判定によれば、酸素センサ２４の最大出力が低下した場合であっても、その影響を受けることなく判定をすることができる。このためＥＣＵ１Ｃは、劣化等による経時変化でセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、応答性についての判定を好適に行える。またＥＣＵ１Ｃは、実施例１で前述した変化時間と当該２回微分値との２つの要素により応答性についての判定を二重に行うので、より信頼性の高い判定結果を得ることができる。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｄは、第２の応答性判定手段が以下に示すように実現されている点以外、ＥＣＵ１Ｂと実質的に同一のものとなっている。このため本実施例では、ＥＣＵ１Ｄについては図示省略する。なお、第１の応答性判定手段の代わりに第２の応答性判定手段を備えることも可能である。
第２の応答性判定手段は、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、酸素センサ２４の応答性について判定をするように実現されている。
この点、ＥＣＵ１Ｄでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力が、具体的にはＦ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力となっている。
また、ＥＣＵ１Ｄでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度が、具体的には当該センサ出力の出力電圧波形における所定の大きさの傾きに対応する出力電圧値となっている。

次にＥＣＵ１Ｄにおける第２の判定について図１０を用いて具体的に説明する。なお、ＥＣＵ１Ｄの動作は、図６に示すフローチャートにおいてステップＳ１１を省略するとともに、ステップＳ１またはＳ２の肯定判定に続くステップをステップＳ１２とした場合の動作と同じになる。このため本実施例ではフローチャートについては図示省略する。ここで、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の出力電圧波形において、酸素センサ２４の応答性が異なる場合には、傾きが同じである場合であっても、その傾きに対応する出力電圧値それぞれは互いに異なってくる。

この点、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように出力電圧の反転が始まってから、傾きが最大になるまでの間（立ち上がり時）においては、酸素センサ２４の応答性が高い場合ほど、所定の大きさの傾きに対応する出力電圧値は小さくなる。また出力電圧波形の傾きが最大になってから、出力電圧の反転が終了するまでの間（立ち下り時）においては、酸素センサ２４の応答性が高い場合ほど、所定の大きさの傾きに対応する出力電圧値は大きくなる。このため、当該出力電圧値に基づき酸素センサ２４の応答性について第２の判定をするＥＣＵ１Ｄによれば、実施例１で前述した変化時間と当該出力電圧値との２つの要素により応答性についての判定を二重に行うことで、より信頼性の高い判定結果を得ることができる。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｅは、第２の応答性判定手段が以下に示すように実現されている点以外、ＥＣＵ１Ｂと実質的に同一のものとなっている。このため本実施例ではＥＣＵ１Ｅについては図示省略する。なお、第１の応答性判定手段の代わりに第２の応答性判定手段を備えることも可能である。
第２の応答性判定手段は、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、酸素センサ２４の応答性について判定をするように実現されている。
この点、ＥＣＵ１Ｅでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力が、具体的にはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力となっている。
また、ＥＣＵ１Ｅでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度が、具体的には当該センサ出力の反転開始側における急激な出力変化開始時の出力電圧値となっている。
ＥＣＵ１Ｅは、酸素センサ２４の上流に触媒２２がある場合に適用できる。

次にＥＣＵ１Ｅにおける第２の判定について図１１を用いて具体的に説明する。なお、ＥＣＵ１Ｅの動作は、図６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１１の判定処理をアクティブ空燃比制御であるか否かを判定するように変更した場合の動作と同じになる。このため本実施例ではフローチャートについては図示省略する。ここで、例えばアクティブ空燃比制御で空燃比をリッチに反転した直後においては、触媒２２後の排気空燃比はほぼストイキとなる。したがってこの場合には、酸素センサ２４の出力電圧もストイキに対応する電圧（約０．５Ｖ）に向かって次第に遷移する。そしてこの場合には図１１に示すように、応答性の低い場合のほうが、応答性の高い場合よりも急激な出力変化を開始するまでの間に酸素センサ２４のセンサ出力が振幅中心に近寄る。

そして、センサ出力の反転開始時における急激な出力変化開始時の出力電圧値によれば、出力電圧の反転開始時の状態のみに基づいた判定をすることができる。したがって当該出力電圧値に基づき酸素センサ２４の応答性について判定をする第２の判定によれば、酸素センサ２４の最大出力が低下した場合であっても、その影響を受けることなく判定をすることができる。このためＥＣＵ１Ｅは、劣化等による経時変化で酸素センサ２４のセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、応答性についての判定を好適に行える。またＥＣＵ１Ｅは、実施例１で前述した変化時間と当該出力電圧値との２つの要素により応答性についての判定を二重に行えるので、より信頼性の高い判定結果を得ることができる。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｆは、第２の応答性判定手段が以下に示すように実現されている点以外、ＥＣＵ１Ｂと実質的に同一のものとなっている。このため本実施例ではＥＣＵ１Ｆについては図示省略する。なお、第１の応答性判定手段の代わりに第２の応答性判定手段を備えることも可能である。
第２の応答性判定手段は、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、酸素センサ２４の応答性について判定をするように実現されている。
この点、ＥＣＵ１Ｆでは排気空燃比の変動に応じたセンサ出力が、具体的にはＦ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力となっている。
またＥＣＵ１Ｆでは、排気空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度が、具体的には当該センサ出力の２回微分値の極大点および極小点間の時間の長さとなっている。

次にＥＣＵ１Ｆにおける第２の判定について図１２を用いて具体的に説明する。なお、ＥＣＵ１Ｆの動作は、図６に示すフローチャートにおいてステップＳ１１を省略するとともに、ステップＳ１またはＳ２の肯定判定に続くステップをステップＳ１２とした場合の動作と同じになる。このため本実施例ではフローチャートについては図示省略する。ここで、酸素センサ２４のセンサ出力の２回微分値の極大点と極小点の組み合わせは、当該センサ出力の出力電圧波形における反転開始点と反転終了点の組み合わせに対応する。この点、図１２に示すように、応答性が高い場合のほうが、応答性が低い場合よりも極大点および極小点間の時間の長さが短くなる。

そして、当該時間の長さによれば、センサ出力の反転開始から反転終了までに要する時間を明確に捉えることができ、また応答性について判定するにあたり、所定の出力電圧を特定する必要がなくなる。したがって当該時間の長さに基づき酸素センサ２４の応答性について判定をする第２の判定によれば、酸素センサ２４の最大出力が低下した場合であっても、その影響を受けることなく判定をすることができる。このためＥＣＵ１Ｆは、劣化等による経時変化でセンサ出力の最大値や最小値が変化した場合であっても、応答性についての判定を好適に行える。またＥＣＵ１Ｆは、実施例１で前述した変化時間と極大点および極小点間の時間との２つの要素により応答性についての判定を二重に行えるので、より信頼性の高い判定結果を得ることができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、空燃比の変動に応じたセンサ出力がＦ／Ｃまたはアクティブ空燃比制御によってリッチ、リーン間で反転する酸素センサ２４のセンサ出力である場合について説明した。しかしながら本発明においては必ずしもこれに限られず、空燃比の変動に応じたセンサ出力は、例えば酸素センサの応答性について判定するために専用に設定された空燃比制御によって変動する空燃比の変動に応じたセンサ出力であってもよい。
また上述した実施例２から６まででは、第１の応答性判定手段と組み合わされる第２の応答性判定手段が１つである場合について説明した。しかしながら本発明においては必ずしもこれに限られず、第１の判定手段と組み合わされる第２の判定手段は複数であってもよい。

１ＥＣＵ
１０吸気系
１２エアフロメータ
２０排気系
２２触媒
２３Ａ／Ｆセンサ
２４酸素センサ
５０内燃機関
６０燃料噴射系
６１燃料噴射弁
６２燃料噴射ポンプ

Claims

酸素センサのセンサ出力の最大値および最小値に基づき、空燃比の変動に応じたセンサ出力の検出区間を決定する決定手段と、
前記検出区間に対応する前記酸素センサの空燃比の変動に応じたセンサ出力の時間の長さに基づき、前記酸素センサの応答性について判定する第１の判定手段とを備え、
前記決定手段は、予め設定された劣化前における前記酸素センサのセンサ出力である第１の初期値を前記最大値と前記最小値との差で除算した値に前記最小値を加算した値である第１の所定値と、予め設定された劣化前における前記酸素センサのセンサ出力である第２の初期値を前記最大値と前記最小値との差で除算した値に前記最小値を加算した値である第２の所定値と、を前記検出区間として決定し、
前記第１の判定手段は、前記検出区間に対応する前記酸素センサの空燃比の変動に応じたセンサ出力の時間の長さとして、前記酸素センサのセンサ出力が前記第１の所定値から前記第２の所定値に変化するまでに要する時間の長さを用いる酸素センサの応答性判定装置。
請求項１記載の酸素センサの応答性判定装置であって、
前記酸素センサの空燃比の変動に応じたセンサ出力の変化速度に基づき、前記酸素センサの応答性について判定する第２の判定手段をさらに備えた酸素センサの応答性判定装置。