(57)【要約】【課題】空燃比センサのリッチ信号が正常に出力されるかの診断を、通常運転中に精度良く行えるようにする。【解決手段】  吸入空気量Ｇａが所定値Ｇａ０以上の状態が所定時間以上（ｃ１≧ｃ１０）のときに、排気浄化触媒下流側の空燃比センサがリッチ信号を出力しているかを判定し、リッチ信号出力時は、その出力電圧Ｖｒがセンサ素子の結露等によらない正規出力Ｖｒ０以下であって、かつ、所定時間以上（ｃ２≧ｃ２０）継続して出力されたことを判定したときに、リッチ信号が正常に出力されると診断する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置され、大気と排気との間に介装されたセンサ素子を備え、前記大気と排気との酸素分圧の相違に応じた排気空燃比の検出信号を出力する空燃比センサに対し、
前記空燃比センサが正常にリッチ信号を出力するかを診断するリッチ出力診断手段と、
所定の診断許可条件の成立を判定したときに、前記リッチ出力診断手段による診断を許可するリッチ出力診断許可手段と、
を含んで構成される空燃比センサの診断装置であって、
吸入空気量を検出する手段を備え、
前記リッチ診断許可手段は、吸入空気量が所定値以上の状態が所定時間継続していることを、前記所定の診断許可条件とすることを特徴とする空燃比センサの診断装置。
【請求項２】
前記空燃比センサは、排気空燃比が基準空燃比を境として、出力値が大きく変化する特性を有する酸素センサで構成されている請求項１に記載の空燃比センサの診断装置。
【請求項３】
前記所定の診断許可条件は、前記空燃比センサの出力がリッチ時の正規出力上限値以下であることを含む請求項１または請求項２に記載の空燃比センサの診断装置。
【請求項４】
前記リッチ出力診断手段は、前記空燃比センサのリッチ信号が所定時間継続して出力されたことを検出したときに、前記空燃比センサがリッチ信号を正常に出力していると診断する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の空燃比センサの診断装置。
【請求項５】
前記空燃比センサは、排気浄化触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサであって、排気浄化触媒の上流側に排気空燃比検出信号を出力する上流側空燃比センサが配置され、内燃機関は、該上流側空燃比センサと下流側空燃比センサの各空燃比検出値に基づいて、空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段を備える請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の空燃比センサの診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気中酸素に感応して空燃比を検出する空燃比センサを診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の排気浄化触媒の上流側と下流側に空燃比センサを備え、これら空燃比センサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御する装置において、下流側の空燃比センサの出力値を基準値と比較してリッチ／リーン出力判定を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２１２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記触媒下流側に用いられる空燃比センサ（酸素センサ）は、大気と排気との間に介装されたセンサ素子を備え、前記大気と排気との酸素分圧の相違に応じた排気空燃比の検出信号を出力している。
【０００５】
この種の空燃比制御装置においては、空燃比制御を正常に遂行するため、前記下流側の空燃比センサがリッチ信号及びリーン信号を正常に出力するかの診断（以下、前者をリッチ出力診断、後者をリーン出力診断という）が実行される。
【０００６】
これらリッチ出力診断，リーン出力診断は、診断のための特別な運転を行うことなく、通常運転中に診断することが運転性能、燃費等の悪化を抑制できる上で望ましい。
【０００７】
ところで、センサ素子が損傷し、損傷部分を介して排気が該素子内側の大気室に流入すると、センサ素子内外の酸素分圧の差が小さくなってリッチであってもリッチ信号が出力されない場合がある（以下、このようなセンサ素子の損傷を素子割れという）。
【０００８】
したがって、素子割れを生じた空燃比センサに対しては、リッチ信号が正常と判定されることを回避する必要があるが、運転状況によっては、素子割れを生じていても、ノイズ等で誤ってリッチ信号が出力されてしまう場合もある。
【０００９】
素子割れの有無を別途診断した上で、リッチ出力診断を行えば、精度は確保できるが、診断の数が増えて複雑化する。
【００１０】
このため、従来は、通常運転中のリッチ出力診断を行わず、診断のための特別な運転、例えば、空燃比をリッチまたはリーンに強制的に切換制御しつつ診断するというアクティブ制御等で診断しているが、リッチ出力診断のために、かかる特別な運転による診断を行うことは、運転性能、燃費等の悪化に繋がっていた。
【００１１】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、素子割れを生じた空燃比センサに対しても、通常運転中でも空燃比センサのリッチ出力診断を高精度に行えるようにした空燃比センサの診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このため本発明は、内燃機関の排気通路に配置され、大気と排気との間に介装されたセンサ素子を備え、前記大気と排気との酸素分圧の相違に応じた排気空燃比の検出信号を出力する空燃比センサに対し、
前記空燃比センサが正常にリッチ信号を出力するかを診断するリッチ出力診断手段と、
所定の診断許可条件の成立を判定したときに、前記リッチ出力診断手段による診断を許可するリッチ出力診断許可手段と、
を含んで構成される空燃比センサの診断装置であって、
吸入空気量を検出する手段を備え、
前記リッチ診断許可手段は、吸入空気量が所定値以上の状態が所定時間継続していることを、前記所定の診断許可条件とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
かかる構成とすれば、吸入空気量が小さい状態では空燃比センサに素子割れを生じていても排気が大気側へ侵入しにくく、ノイズ等によりリッチ信号が正常であると誤診断されてしまう可能性があるが、吸入空気量が所定値以上の状態が所定時間継続することを診断の条件としているため、素子割れを生じているときは、排気がセンサ素子の損傷部分から素子内側の大気側に進入し、酸素分圧差が十分小さく保たれ、空燃比センサがリッチ信号を出力することなく、リッチ信号が正常に出力されるとの誤判定を確実に回避できる。
【００１４】
したがって、素子割れ診断を別途行うことなく、通常運転中でも高精度なリッチ出力診断を行え、特別な診断用の運転を必要以上行わなくても済む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態にかかる空燃比センサの診断装置を備えた内燃機関の概要構成を示す図。
【図２】上記内燃機関の空燃比フィードバック制御に用いられる触媒下流側の空燃比センサ（酸素センサ）のセンサ素子周辺部を示す断面部。
【図３】上記触媒下流側の空燃比センサの診断のメインルーチンを示すフローチャート。
【図４】触媒下流側の空燃比センサのリッチ出力診断（サブルーチン）の前段を示すフローチャート。
【図５】触媒下流側の空燃比センサのリッチ出力診断（サブルーチン）の後段を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態にかかる空燃比センサの診断装置を備えた内燃機関の概要構成を示す。
【００１７】
内燃機関１は、吸気通路２及び排気通路３を備え、吸気通路２には、吸入空気量Ｇａを検出するエアフロメータ４、吸入空気量を調節するスロットルバルブ５、吸気ポート部分に燃料噴射弁６が配設されている。前記スロットルバルブ５は、電動式等のスロットルアクチュエータ７により駆動される。排気通路３には、排気浄化触媒（以下、単に「触媒」ともいう）８が配設され、該触媒８の上流側及び下流側にそれぞれ上流側空燃比センサ９、下流側空燃比センサ１０が配設されている。
【００１８】
吸入空気（新気）は、吸気通路２を介して吸気行程で開弁する吸気バルブ１１から燃焼室１２に導入される。該燃焼室１２には、点火プラグ１３が装着されている。
【００１９】
前記燃料噴射弁６から吸気ポート内に噴射された燃料は、前記吸入空気と混合しつつ燃焼室１２内に導入され、点火プラグ１３により点火されて着火燃焼し、燃焼排気は排気行程で開弁する排気バルブ１４から排気通路３へ排出される。
【００２０】
前記触媒８は、理論空燃比近傍での燃焼が行われる状態において、排気中のＨＣやＣＯを酸化するとともに同排気中のＮＯｘを還元して排気を浄化するＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘを同時に浄化することのできる三元触媒で構成されている。三元触媒は、また、これを通過する排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには排気中の酸素を吸蔵する一方、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する酸素ストレージ作用を有している。
【００２１】
上流側空燃比センサ９は、排気空燃比をリニアに検出するように構成され、下流側空燃比センサ１０は、排気空燃比が基準空燃比（理論空燃比）を境として、出力電圧が大きく変化する特性を有しており、基準空燃比よりリッチか、リーンかを検出するいわゆる酸素センサで構成されている。
【００２２】
したがって、下流側空燃比センサ１０によって、触媒８の下流にリッチな排気（ＨＣ，ＣＯを多く含む）、あるいは、リーンな排気（ＮＯｘを多く含む）が流出してきたかを判別できる。
【００２３】
図２は、上記下流側空燃比センサ（酸素センサ）１０の概要構成を示す。該下流側空燃比センサ１０は、カバー３１を備えており、該カバー３１が排気に晒されるように排気通路３に組み付けられる。
【００２４】
カバー３１には、その内部に排気を導くための孔（図示せず）が設けられており、該カバー３１の内部に、センサ素子３２が配置されている。センサ素子３２は、一端（図２における下端）が閉じられた管状の構造を有し、該管状構造の外側表面は、拡散抵抗層３３で覆われている。拡散抵抗層３３は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質であり、センサ素子３２の表面付近における排気の拡散速度を律する働きを有している。
【００２５】
拡散抵抗層３３の内側には排気側電極３４、固体電解質層３５および大気側電極３６が設けられている。排気側電極３４および大気側電極３６は、Ｐｔのように触媒作用の高い貴金属で構成された電極であり、それぞれ後述する制御回路と電気的に接続されている。固体電解質層３５は、ＺｒＯ２などを含む焼結体であり、酸素イオンを伝導させる特性を有している。
【００２６】
センサ素子３２の内側には、大気に開放された大気室３７が形成されている。大気室３７には、センサ素子３２を加熱するためのヒータ３８が配置されている。センサ素子３２は、４００℃程度の活性温度において安定した出力特性を示す。ヒータ３８は、制御回路と電気的に接続されており、センサ素子３２を適当な温度に加熱維持することができる。
【００２７】
機関の運転状態を検出する各種センサとして、前記エアフロメータ４、上流側空燃比センサ９，下流側空燃比センサ１０の他、アクセル開度ＡＣＣを検出するアクセル開度センサ１５、機関回転速度ＮＥを検出する回転速度センサ１６、スロットルバルブ５の開度を検出するスロットルセンサ１７、機関温度として冷却水温度を検出する水温センサ１８等が配設され、これらセンサ類からの検出信号は、各種制御を行うＥＣＵ（電子制御装置）２０に入力される。
【００２８】
ところで、前記触媒（三元触媒）８による浄化効率は混合気の空燃比の影響を強く受け、上記ＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘを同時に浄化するには混合気の空燃比を理論空燃比近傍の範囲に設定する必要がある。したがって、空燃比センサ９,１０が活性化して、空燃比の検出が可能になった後は、基本的に、触媒８を有効に機能させるために、混合気の空燃比を上記範囲の中心に合わせこむ空燃比制御が行われる。
【００２９】
そして前記ＥＣＵ２０は、前記センサ類からの検出信号に基づいて把握される内燃機関１や車両の運転状況に応じて、スロットルバルブ５や燃料噴射弁６等を駆動制御して空燃比制御（空燃比フィードバック制御）を行っている。このようなＥＣＵ２０による空燃比制御の概要は以下の通りである。
【００３０】
まず、上記アクセル開度ＡＣＣ、機関回転速度ＮＥ等の検出値に応じて目標吸入空気量を算出し、該目標吸入空気量に応じた吸入空気量Ｇａが得られるようにスロットルバルブ５の開度を制御する。
【００３１】
一方、エアフロメータ４により検出される実吸入空気量に対して、理論空燃比が得られる基本燃料噴射量を算出する。
【００３２】
また、上流側空燃比センサ９により検出される触媒８上流側の空燃比と目標空燃比、すなわち理論空燃比との偏差に基づいて、前記基本燃料噴射量をフィードバック補正するための空燃比フィードバック補正量を算出する。
【００３３】
さらに、下流側空燃比センサ１０により検出される触媒８下流側の空燃比により、触媒８の酸素吸蔵状態、あるいは酸素放出状態を推定し、この推定に基づいて上記空燃比フィードバック補正量に対する修正を行う。この修正処理では、下流側空燃比センサ１０の出力に基づいて算出されるサブフィードバック補正量が増減補正され、該サブフィードバック補正量によって前記空燃比フィードバック補正量が修正される。具体的には、下流側空燃比センサ１０がリッチ信号を出力している間は、混合気の空燃比が一定量ずつリーン寄りに変化するように、サブフィードバック補正量が一定量ずつマイナス側に増大される。一方、下流側空燃比センサ１０がリーン信号を出力している間は、混合気の空燃比が一定量ずつリッチ側に近づくように、サブフィードバック補正量が一定量ずつプラス側に増大される。
【００３４】
このようにして増減されるサブフィードバック補正量によって修正された空燃比フィードバック補正量によって、前記基本燃料噴射量が補正され、該補正された最終的な燃料噴射量を燃料噴射弁６から噴射させて空燃比をフィードバック制御する。かかる空燃比フィードバック制御により、触媒８の浄化作用が有効に活用されることとなる。
【００３５】
一方、かかる空燃比フィードバック制御を正常に遂行するため、前記空燃比センサ９，１０の診断が行われる。
【００３６】
以下、本発明に係る下流側空燃比センサ１０のリッチ出力診断を含む通常運転中の診断について説明する。ここで、通常運転とは、この種の診断のための特別な運転を行うことなく、通常に運転している状態をいう。該通常運転中は、基本的に前記空燃比フィードバック制御が行われ、また、加速時には、空燃比を過渡的にリッチとした空燃比制御が行われるため、触媒８下流側の空燃比が少なくともリッチとなる期間が存在する。
【００３７】
したがって、下流側空燃比センサ１０がリッチ信号を正常に出力する機能を有していれば、通常運転中に触媒８下流側の空燃比がリッチとなるときに、リッチ信号を出力するはずであり、このリッチ信号の出力履歴に基づいてリッチ出力診断を行う。
【００３８】
上記下流側空燃比センサ９の診断を、図３〜図５に示したフローチャートにしたがって、説明する。図３はメインフローを示す。
【００３９】
ステップＳ１では、前提条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、機関１の始動後、当該リッチ出力診断の終了前であること、空燃比センサ出力系の断線、短絡等の診断結果が正常であること、バッテリ電圧が所定値以上であること等、当該リッチ出力診断を実行するための各条件を全て満たしているかを判定する。
【００４０】
前提条件の非成立時は、このルーチンを終了し、成立時は、ステップＳ２へ進む。
【００４１】
ステップＳ２では、前記下流側空燃比センサ１０が活性状態であるとの判定が終了しているかを判定する。この活性判定は、始動後の経過時間，吸入空気量もしくは燃料噴射量の積算値等が、下流側空燃比センサ１０が活性化する値として設定された設定値以上となっているか等の判定によって行うことができる。
【００４２】
下流側空燃比センサ１０が活性していることが判定済のときは、ステップＳ３へ進み、下流側空燃比センサ１０のリーン出力診断により、リーン信号が正常に出力されると診断されたかを図示しないサブルーチンによるリーン出力診断フラグの値に判定する。該リーン出力診断は、排気空燃比がリーンとなる機会がある通常運転中に、下流側空燃比センサ１０がリーン信号を出力した履歴があるか、より、高精度には、所定時間以上継続したリーン信号出力の履歴があるか等によって判定することができる。
【００４３】
下流側空燃比センサ１０のリーン信号が正常に出力されると診断されたと判定されたときは、ステップＳ４へ進み、本発明にかかるリッチ出力診断により、リッチ信号が正常に出力されると診断されたかを、後述するサブルーチンによるリッチ出力診断フラグの値によって判定する。
【００４４】
そして、リッチ信号も正常との診断結果である場合は、ステップＳ５へ進み、下流側空燃比センサ１０は正常と診断し、それ以外の場合は、正常判定を下すことなくこのルーチンを終了する。
【００４５】
図４及び図５は、上記リッチ出力診断のサブルーチンのフローを示す。
【００４６】
ステップＳ１１では、エアフロメータ４により検出された吸入空気量Ｇａを読み込む。
【００４７】
ステップＳ１２では、前記吸入空気量Ｇａが所定値Ｇａ０以上であるかを判定する。
【００４８】
所定値Ｇａ０以上と判定されたときは、ステップＳ１３へ進み、カウンタＣ１をカウントアップした後、ステップＳ１５へ進む。
【００４９】
所定値Ｇａ０未満と判定されたときは、ステップＳ１４へ進んで該カウンタＣ１のカウント値ｃ１を０にリセットし、このフローを抜ける。
【００５０】
ステップＳ１５では、前記カウント値ｃ１が所定値ｃ１０以上であるかを判定する。
【００５１】
カウント値ｃ１が所定値ｃ１０以上、つまり、吸入空気量Ｇａが所定値Ｇａ０以上である状態の継続時間が所定時間ｔ１以上と判定されたときは、ステップＳ１６へ進み、Ｇａが所定値未満と判定されたときは、このフローを抜ける。
【００５２】
すなわち、吸入空気量Ｇａが所定値Ｇａ０未満であるか、所定値Ｇａ０以上であっても所定時間ｔ１以上継続しない場合は、リッチ信号の正常判定は回避される。
【００５３】
ステップＳ１６では、下流側空燃比センサ１０がリッチ信号を出力しているかを判定する。リッチ信号が出力されていないときは、ステップＳ１７へ進み、後述するリッチ信号出力継続時間計測用カウンタＣ２のカウント値ｃ２を０にリセットした後、このフローを抜ける。
【００５４】
リッチ信号が出力されていると判定されたときは、ステップＳ１８へ進み、該リッチ信号の出力電圧Ｖｒが所定値Ｖｒ０以下に維持されているかを判定する。該所定値Ｖｒ０は、空燃比がリッチ時における正規出力の上限値以下に設定されている。
【００５５】
出力電圧Ｖｒが所定値Ｖｒ０以下に維持されていると判定されたときは、ステップＳ１９へ進み、出力電圧Ｖｒが所定値Ｖｒ０より大きいと判定されたときは、リッチ出力正常判定を下すことなく、このフローを抜ける。
【００５６】
これは、センサ素子の結露により前記ヒータの出力回路の電流が漏れる等によって、下流側空燃比センサ１０の出力電圧Ｖｒを増大させてしまうことがあり、このような信号を、正常なリッチ信号と誤判定してリッチ信号の正常判定が下されてしまうことを回避するためである。
【００５７】
ステップＳ１９で、前記出力電圧Ｖｒが所定値Ｖｒ０以下である正常なリッチ信号の出力継続時間を計測するためのカウンタＣ２をカウントアップした後、ステップＳ２０へ進む。
【００５８】
ステップＳ２０では、カウンタＣ２のカウント値ｃ２が所定値ｃ２０以上であるかを判定し、カウント値ｃ２が所定値ｃ２０未満のときは、このフローを抜ける。
【００５９】
そして、カウント値ｃ２が所定値ｃ２０に達したとき、つまり、吸入空気量Ｇａが所定値Ｇａ０以上の高吸入空気量状態が所定時間ｔ２以上継続しており、かつ、結露等による異常出力でなく、正常なリッチ信号が所定時間以上継続して出力されたときに、ステップＳ２１へ進んで、下流側空燃比センサ１０はリッチ信号を正常に出力すると診断し、リッチ出力診断フラグを１にセットする。
【００６０】
かかる構成により、以下の作用効果が得られる。
【００６１】
下流側空燃比センサ１０のセンサ素子３２に損傷（素子割れ）を生じていた場合でも、吸入空気量が小、あるいは、吸入空気量Ｇａが一時的に大であるときは、リッチな排気がセンサ素子内側の大気室に侵入しにくい状況であり、リッチ信号が出力されて正常と判定されてしまう場合がある。
【００６２】
そこで、吸入空気量Ｇａ大の状態が所定時間ｔ１以上継続したことを条件としてリッチ出力診断を行うため、センサ素子に割れを生じていたときに、誤ってリッチ信号が正常に出力されると誤診断されることを確実に回避できる。
【００６３】
これにより、素子割れ診断を別途行わなくとも、通常運転中にリッチ出力診断を高精度に行うことができ、診断のための特別な運転、例えば、下流側空燃比センサの信号出力が反転する毎に、燃料噴射量を変化させることにより目標空燃比がリッチ（例えば目標空燃比＝１４．１）とリーン（例えば目標空燃比＝１５．１）との間で反転させるアクティブ制御等を必要以上行うことを回避でき、運転性能、燃費を良好に維持できる。
【００６４】
また、本実施形態では、リッチ信号の出力電圧Ｖｒが所定値Ｖｒ０以下であることも条件としているため、結露によって出力電圧が増大することによる誤判定も回避でき、さらに、リッチ信号が所定時間ｔ２以上継続して出力されることも条件に加えているため、より、診断精度を高めることができる。
【００６５】
また、本実施形態では、排気浄化触媒の上流側に空燃比をリニアに検出する広域型空燃比センサ、触媒の下流側に空燃比のリッチ、リーンを検出する酸素センサで構成される空燃比センサを配設し、これら２つの空燃比センサの検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を行うシステムにおいて、下流側空燃比センサの診断に適用したが、例えば、触媒上流側の空燃比センサとして酸素センサを用いる場合に、該酸素センサのリッチ出力診断に適用することもできる。
【００６６】
さらに、本発明の適用対象となる空燃比センサは、酸素センサに限らず、大気と排気との間に介装されたセンサ素子を備え、前記大気と排気との酸素分圧の相違に応じた排気空燃比の検出信号を出力する空燃比センサであればよく、空燃比をリニアに検出できるものであってもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１…内燃機関
２…吸気通路
３…排気通路
４…エアフロメータ
５…スロットルバルブ
６…燃料噴射弁
７…スロットルアクチュエータ
８…排気浄化触媒
９…上流側空燃比センサ
１０…下流側空燃比センサ
１５…アクセル開度センサ
１６…回転速度センサ
１７…スロットルセンサ
１８…水温センサ
２０…ＥＣＵ
３２…センサ素子
３７…大気室
３８…ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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