(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に介装された排気浄化触媒の上流側と下流側に夫々備えられ、排気中の特定成分から空燃比の所定空燃比に対するリッチ，リーンを検出する空燃比検出手段を備え、該排気浄化触媒の劣化を診断する装置において、
前記排気浄化触媒の上流側の排気通路から分岐され、該排気浄化触媒をバイパスして設けられたバイパス通路と、
排気流を排気の低温状態で前記排気浄化触媒が介装された排気通路に流し、排気の高温状態で前記バイパス通路に流すように切り換えるバイパス制御弁と、
前記バイパス通路の前記排気通路との合流部より下流側に設けられた空燃比検出手段の出力に基づいて、該下流側の空燃比検出手段が活性化したかを判断する活性化判断手段と、
該空燃比活性判断手段により活性化したと判断するまでの活性進行状態に基づいて前記バイパス制御弁の故障を診断する故障診断手段と、
を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の故障診断装置。
【請求項２】
前記故障診断手段は、機関の始動時から前記下流側の空燃比検出手段が活性化するまでの活性化時間と、予め設定された空燃比検出手段の標準活性化時間とを比較し、前記活性化時間が前記標準活性化時間より短い場合に前記バイパス制御弁の故障が生じたと判断する請求項１に記載の内燃機関の故障診断装置。
【請求項３】
前記故障診断手段は、運転状態を表す運転状態パラメータを機関の始動時から前記下流側の空燃比検出手段が活性化するまで積算した積算パラメータと、予め設定された標準積算パラメータとを比較し、前記積算パラメータが前記標準積算パラメータより小さい場合にバイパス制御弁の故障が生じたと判断する請求項１に記載の内燃機関の故障診断装置。
【請求項４】
前記運転状態パラメータは、燃料噴射量に機関回転速度を乗じた値である請求項３に記載の内燃機関の故障診断装置。
【請求項５】
前記標準積算パラメータは、機関の冷却水温に対応して設定する請求項３または請求項４に記載の内燃機関の故障診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路と、排気通路に介装された排気浄化触媒をバイパスして設けられた通路との切換えを行う制御弁を備えた内燃機関において、排気浄化触媒の下流側からの空燃比検出信号に基づいて制御弁の故障を診断する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関の故障診断装置としては、例えば特開平５８−１３５３２４号に開示されたものある。このものは図８に示すように、過給機のタービン羽根車１３への排気導入通路２に、バイパス制御弁１５を介して分岐させた排気放出用バイパス通路５に、排気放出用バイパス通路内のガス状態を検出する温度センサ等の検出手段１４を設けた構成としている。この検出手段１４の出力信号は、コントロールユニット１０に送られ、検出手段１４の出力信号によってバイパス通路５へ流入されるはずの排気が流入しないことを検出した際に、バイパス制御弁の故障として報知を発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の内燃機関の故障診断装置にあっては、バイパス制御弁の異常を検知するために、バイパス通路に通路内の排気状態の検出手段として温度センサを増設する構成となっているため、排気状態の検出手段を新たに付加することによるコスト増大が問題となっていた。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、既存のデュアルＯ２  センサシステムのリアＯ２  センサを、排気浄化触媒の劣化診断の本来の目的とは別途に、バイパス通路内における排気の状態の検出に流用することにより、新たに装置を付加することなくバイパス制御弁の故障を診断する内燃機関の故障診断装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に介装された排気浄化触媒の上流側と下流側に夫々備えられ、排気中の特定成分から空燃比の所定空燃比に対するリッチ，リーンを検出する空燃比検出手段を備え、該排気浄化触媒の劣化を診断する装置において、前記排気浄化触媒の上流側の排気通路から分岐され、該排気浄化触媒をバイパスして設けられたバイパス通路と、排気流を排気の低温状態で前記排気浄化触媒が介装された排気通路に流し、排気の高温状態で前記バイパス通路に流すように切り換えるバイパス制御弁と、前記バイパス通路の前記排気通路との合流部より下流側に設けられた空燃比検出手段の出力に基づいて、該下流側の空燃比検出手段が活性化したかを判断する活性化判断手段と、該空燃比活性判断手段により活性化したと判断するまでの活性進行状態に基づいて前記バイパス制御弁の故障を診断する故障診断手段と、を含んで構成するようにした。
【０００６】
このように前記排気浄化触媒の下流側の空燃比検出手段を利用して、該空燃比検出手段が活性化するまでの期間を検出し、該期間に応じてバイパス制御弁の故障を診断することにより、新たな装置を付加することなくバイパス制御弁の故障を診断することができ、簡単な構成でコストアップすることなく内燃機関の故障診断を行うことができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記故障診断手段は、機関の始動時から前記下流側の空燃比検出手段が活性化するまでの活性化時間と、予め設定された空燃比検出手段の標準活性化時間とを比較し、前記活性化時間が前記標準活性化時間より短い場合に前記バイパス制御弁の故障が生じたと判断するようにした。
このように前記空燃比検出手段が活性化するまでの期間を、機関の始動時からの経過時間により設定し、この経過時間と、予め実験的に設定された標準活性化時間との比較から前記バイパス制御弁の故障を診断することにより、簡単な計算で精度良く故障を診断することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記故障診断手段は、運転状態を表す運転状態パラメータを機関の始動時から前記下流側の空燃比検出手段が活性化するまで積算した積算パラメータと、予め設定された標準積算パラメータとを比較し、前記積算パラメータが前記標準積算パラメータより小さい場合にバイパス制御弁の故障が生じたと判断するようにした。
【０００９】
このように前記空燃比検出手段が活性化するまでの期間を、機関の始動時から運転状態パラメータを積算した積算パラメータにより設定し、この積算パラメータと、予め実験的に設定された標準積算パラメータとの比較から前記バイパス制御弁の故障を診断することにより、簡単な計算で精度良く故障を診断することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記運転状態パラメータは、燃料噴射量に機関回転速度を乗じた値とした。
このように前記空燃比検出手段が活性化するまでの期間を表す運転状態パラメータに運転状態を考慮した値を用いているため、故障診断の精度をより向上させることができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、前記標準積算パラメータは、機関の冷却水温に対応して設定するようにした。
これにより、機関の暖機状態に対応した標準積算パラメータを設定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
まず、Ｏ２  センサの活性化時間からバイパス制御弁の故障を検出する第１の実施の形態における構成を図１に示した。内燃機関１の排気管２の途中にフロント触媒３とリア触媒４を配設し、フロント触媒３をバイパスしてリア触媒４の上流部に合流するバイパス通路５を配設する。そして、このバイパス通路５の上流側分岐点に、排気の流れをフロント触媒３側とバイパス通路５側に切り替えるバイパス制御弁６を配置する。このバイパス制御弁６は駆動装置７（例えばステップモータ等）により駆動され、フロント触媒３側のバルブ６ａ  と、バイパス通路５側のバルブ６ｂ  とがそれぞれほぼ直交する状態でシャフト６ｃ  に固定されている。即ち、バルブ６ａ  が全開の場合はバルブ６ｂ  が全閉となり、逆にバルブ６ａ  が全閉の場合には、バルブ６ａ  が全開となる。
【００１３】
また、フロント触媒３の直上流に配設される上流側酸素センサ（フロントＯ２  センサ）８は、高温排気温度による劣化を防止するためにバルブ６ａの下流側に配設している。一方、フロント触媒３の下流側のバイパス通路５との合流部近傍に下流側酸素センサ（リアＯ２  センサ）９を配設している。これらのＯ２  センサの信号をコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１０に入力し、この信号に基づいて、基準空燃比からのずれを表す空燃比補正係数αを演算する。
【００１４】
ここで、フロント触媒３側に排気を流す場合は、フロントＯ２  センサ８の信号に基づいて空燃比補正係数αを演算すると共に、リアＯ２  センサ９の周波数（反転周期）との比較により触媒の劣化診断を行う。一方、バイパス通路５側に排気を流す場合はリアＯ２  センサ９の信号に基づいて空燃比補正係数αを演算する。
Ｃ／Ｕ１０には、吸入空気流量、機関回転速度が入力され、それらの結果から基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ  を演算し、燃料噴射パルス幅Ｔｉ  （＝Ｔｐ  ×α）を、基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ  を空燃比補正係数αで補正することにより求める。この燃料噴射パルス幅Ｔｉ  に基づいて、吸気管１１に設置されたインジェクタ１２から燃料を噴射する。さらに、Ｃ／Ｕ１０においては機関回転速度ＮＲＰＭ、基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ  、および冷却水温から排気温度を予測し、低速負荷時等の低排気温度時に対しては、フロント触媒３側に排気を流し、また、高速高負荷時等の高排気温度時に対しては、排気流の圧力損失を軽減するためバイパス通路５側に排気を流すようにＣ／Ｕ１０で判断し、駆動装置７によりバイパス制御弁６を駆動して排気流の流路を切り替える。
【００１５】
次に、バイパス制御弁の故障診断の手順を図２に示すフローチャートに従い説明する。
まず、ステップ１（Ｓ１）においてはスタートスイッチがオンとなっているかを調べ、オンとなった場合にＳ２において始動時における機関の冷却水温ＴＷＩＮＴを調べる。この冷却水温ＴＷＩＮＴが所定値、例えば２５℃以下の冷機時始動の場合にＳ３へ進み、以下のステップに示す故障診断を行う。
【００１６】
Ｓ３においては、バイパス通路５側のバイパス制御弁６ｂを閉じる条件かを前述の機関回転速度ＮＲＰＭ、基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ  、および冷却水温から予測される排気温度から判断し、バイパス制御弁６ｂを閉じる場合に対してはＳ４へ進む。以降、リアＯ２  センサが活性化するまでにバイパス制御弁６ｂが開く条件となった場合は、このルーチンを終了する。
【００１７】
Ｓ４においては、リアＯ２  センサが活性化したか否かを判断する。リアＯ２  センサが活性化するまではＳ３に戻り、活性化したと判断した場合にＳ５へ進む。
このＯ２  センサの活性化挙動は温度に依存しており、Ｏ２  のリーンとリッチに対する出力値の差が特定の温度から徐々に拡大する傾向がある。図３にＯ２  センサの温度に対する出力を示した。ここでは、Ｏ２  センサの出力がある所定値ＶＳＬＳＲ  以上、またはＶＣＬＳＬ  以下となったときに制御可能温度に達した、即ち活性化したと判断するようにした。
【００１８】
Ｓ５においては、スタートスイッチのオン時からリアＯ２  センサが活性化されるまでのリアＯ２  センサ活性化時間と、予め実験的に求めたリアＯ２  センサ標準活性化時間とを比較する。ここで、バイパス制御弁からのバイパス通路側への排気の漏れが発生している場合は、漏れた排気が直接リアＯ２  センサに触れＯ２  センサを加熱させるため、図４に示すように、リアＯ２  センサが制御可能温度に達するまでの活性化時間がバイパス制御弁からの漏れがない場合と比較して早まっている。
【００１９】
このため、実際のリアＯ２  センサの活性化時間が標準活性化時間より早くなっている場合は、Ｓ６でバイパス制御弁６の故障を示す報知を発生させて終了する。一方、Ｓ５で実際のリアＯ２  センサ活性化時間が標準活性化時間にほぼ等しい場合は、バイパス制御弁６に異常はないと判断し、このルーチンを終了する。
以上説明したように、バイパス通路内の排気状態をデュアルＯ２  センサシステムのリアＯ２  センサを流用することにより、新たに装置を付加することなく、且つ、コストアップすることなく、バイパス制御弁の故障（漏れ）を診断することができる。
【００２０】
次に、前記Ｏ２  センサの活性化時間によるバイパス制御弁の故障判定を、他の方法で行う第２の実施の形態を以下に説明する。本実施の形態の構成は、第１の実施の形態における図２のフローチャートのＳ５が異なっている。まず、このＳ５の処理の概略を以下に説明する。
Ｓ４でリアＯ２  センサが活性化したと判断した後、Ｓ５においては、スタートスイッチのオン時からリアＯ２  センサが活性化するまでの間の運転状態（基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ  ×機関回転速度ＮＲＰＭ）からリアＯ２  センサの活性状態を推測する。そして、リアＯ２  センサがまだ活性していないと判断した場合は、バイパス制御弁に漏れが生じたために実際のリアＯ２  センサの活性化時間が早まったと判断し、バイパス制御弁の故障を示す報知を発生させる。一方、リアＯ２  センサが活性化していると判断した場合は、バイパス制御弁の異常はないとして、このルーチンを終了する。
【００２１】
次に、リアＯ２  センサ活性状態の具体的な判定方法を説明する。Ｏ２  センサの温度は運転状態に依存する。そこで、運転状態、即ち、排気温度、排気量、始動からの経過時間ｔ等を表すパラメータとして、スタートスイッチのオン時からのＴｐ  ，ＮＲＰＭの積算値を合計したΣ（Ｔｐ×ＮＲＰＭ）を用いると、リアＯ２  センサの温度とは図６に示す関係となる。この図から、リアＯ２  センサが制御可能温度に達する、つまり活性化するΣ（Ｔｐ×ＮＲＰＭ）の値であるＴＰＮＲＰＭを求めることができる。
【００２２】
また、ＴＰＮＲＰＭは機関の始動時における冷却水温ＴＷＩＮＴに対して、図７に示す関係をもつ。この関係より、Ｓ５においてリアＯ２  センサが活性化したと判断した時点のΣ（Ｔｐ×ＮＲＰＭ）と、ＴＷＩＮＴから参照したリアＯ２  センサの標準活性値ＴＰＮＲＰＭを比較し、Σ（Ｔｐ×ＮＲＰＭ）よりＴＰＮＲＰＭの方が大きい場合は、バイパス制御弁６のバイパス通路側５への排気の漏れによりリアＯ２  センサの活性化が早まったものと判断し、Ｓ６でバイパス制御弁故障報知装置により報知を発生させる。一方、Σ（Ｔｐ×ＮＲＰＭ）がＴＰＮＰＲＭにほぼ等しい場合は、バイパス制御弁からの漏れはなかったと判断する。
【００２３】
以上のように、本実施の形態においては、リアＯ２  センサの標準活性値として運転状態を考慮した値を用いるため、故障診断の精度をより向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、排気浄化触媒の下流側の空燃比検出手段を利用してバイパス制御弁の故障を診断することにより、新たな装置を付加することなくバイパス制御弁の故障を診断することができ、簡単な構成でコストアップすることなく内燃機関の故障診断を行うことができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明によれば、空燃比検出手段が活性化するまでの期間を機関の始動時からの経過時間により設定してバイパス制御弁の故障を診断することにより、簡単な計算で精度良く診断することができる。
請求項３に記載の発明によれば、空燃比検出手段が活性化するまでの期間を積算パラメータにより設定してバイパス制御弁の故障を診断することにより、簡単な計算で精度良く診断することができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明によれば、運転状態パラメータに運転状態を考慮した値を用いているため、故障診断の精度をより向上させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、機関の暖機状態に対応して標準積算パラメータを設定することができ、以て、運転状態に即した診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のおけるシステム構成図。
【図２】第１の実施の形態のおける故障診断のフローチャート図。
【図３】Ｏ２  センサの温度に対する出力の変化を示す図。
【図４】Ｏ２  センサの活性化時間のバイパス制御弁の状態による変化を説明する図。
【図５】第２の実施の形態のおける故障診断のフローチャート図。
【図６】Σ（Ｔｐ  ×ＮＲＰＭ）に対するＯ２  センサの温度変化を示す図。
【図７】始動時の冷却水温度に対するＴＰＮＲＰＭの変化を示す図。
【図８】従来の技術における排気通路の構成を示す図。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  排気管
３  フロント触媒
４  リア触媒
５  バイパス通路
６，６ａ，６ｂ    バイパス制御弁
８      上流側酸素センサ
９      下流側酸素センサ
１０  コントロールユニット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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