(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサと、排気の実空燃比に応じた上記空燃比センサのセンサ出力に基づいて、目標空燃比へ向けた空燃比フィードバック制御を行う制御部と、を有する空燃比センサの診断装置において、
上記制御部は、
上記空燃比フィードバック制御中に、上記目標空燃比に対して実空燃比が追従しないフィードバックの制御不良を判定し、
上記制御不良と判定されたときに、所定期間、上記空燃比フィードバック制御を中断し、
上記所定期間の空燃比フィードバック制御の中断の後、空燃比フィードバック制御を再開するとともに、上記制御不良の判定を行い、
上記空燃比フィードバック制御の中断中のセンサ出力の変動幅が所定の基準変動幅を超えることなく、上記制御不良との判定が繰り返されることによる空燃比フィドバック制御の中断回数が所定の基準回数を超えると、上記空燃比センサが異常であると判定する、
ことを特徴とする空燃比センサの診断装置。
【請求項２】
上記空燃比センサが実空燃比を幅広く検出可能な広域型のものであることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの診断装置。
【請求項３】
上記制御部は、上記センサ出力の最大値と最小値との偏差により上記変動幅を算出し、かつ、上記空燃比センサが異常であると判定されたときに、上記最大値と最小値とを記憶し、
この記憶された最大値と最小値とに基づいて空燃比センサの異常の態様を識別可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の空燃比センサの診断装置。
【請求項４】
燃料系で発生した蒸発燃料を一時的に吸着し、これをパージして吸気系へ供給する蒸発燃料処理装置と、そのパージ流量を制御するパージ制御弁と、を有し、
上記制御部は、上記フィードバックの制御不良を判定すると、所定期間、上記空燃比フィードバック制御を中断するとともに、上記パージを禁止することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空燃比センサの診断装置。
【請求項５】
内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの診断方法において、
排気の実空燃比に応じた空燃比センサのセンサ出力に基づいて、目標空燃比へ向けた空燃比フィードバック制御を行い、
この空燃比フィードバック制御中に、上記目標空燃比に対して実空燃比が追従しないフィードバックの制御不良を判定し、
この制御不良と判定されたときに、所定期間、上記空燃比フィードバック制御を中断し、
上記所定期間の空燃比フィードバック制御の中断の後、空燃比フィードバック制御を再開するとともに、上記制御不良の判定を行い、
上記空燃比フィードバック制御の中断中のセンサ出力の変動幅が所定の基準変動幅を超えることなく、上記制御不良との判定が繰り返されることによる空燃比フィドバック制御の中断回数が所定の基準回数を超えると、上記空燃比センサが異常であると判定する、
ことを特徴とする空燃比センサの診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの異常・故障を診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用内燃機関の分野では、排気系に空燃比センサを設け、排気の実空燃比に応じたセンサ出力に基づいて、例えば燃料噴射量を増減変化させることで、内燃機関の空燃比を目標空燃比例えば理論空燃比にクローズドループ制御する、いわゆる空燃比フィードバック制御が一般的に行われている。このようなセンサには異常・故障の診断が義務付けられており、その診断手法として、例えば特許文献１では、広域型の空燃比センサの診断技術について記載されている。簡単に説明すると、機関の始動からセンサの活性後に、理論空燃比（ストイキ）とは異なる所定の空燃比へ向けたフィードフォワード制御を行い、このフィードフォワード制御中に、センサ出力がストイキに対応するものである場合に、センサの中間電位故障（異常）と判定している。また、燃料カット中にセンサ出力がストイキに対応するものである場合にも、センサの中間電位故障と判定している。
【特許文献１】特開２００１−２４１３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１のように、センサの異常・故障を診断するために、理論空燃比から外れた所定の空燃比へ向けたフィードフォーワード制御を行うものでは、この診断中の機関運転性の低下や排気エミッションの低下が懸念される。また、上記の特許文献１では、センサ出力がストイキに対応する以外の電圧域で固定されるような中間電位故障以外のセンサの異常・故障については考察されていない。更に、フィードフォワード制御を行う領域、つまりはセンサの診断が行われる領域がアイドル運転時に限定されるため、例えば車両走行中にセンサの異常・故障が生じても、アイドル運転へ移行するまで診断が行われないために、その異常・故障を検出できないという問題がある。
【０００４】
ところで、空燃比フィードバック制御が良好に行われずに制御不良となる要因として、燃料噴射弁やエアフローメータ等の故障の他、蒸発燃料処理装置により吸気系へパージされる蒸発燃料の影響等が挙げられる。すなわち、蒸発燃料処理装置により吸気系へパージされる蒸発燃料の影響により、例えばリッチとリーンとの切換周期が長くなって、実空燃比が目標空燃比へ良好に追従しなくなる。このようなパージ等に起因するフィードバックの制御不良からフィードバック制御が正常に行われる状態へ復帰させるように、例えば、制御不良時には、空燃比補正係数を所定期間だけ「１」に初期化・クランプして、空燃比フィードバック制御を一時的に中断し、燃料噴射量をオープンループ制御することが考えられる。
【０００５】
そして本発明は、上述したような空燃比センサの異常・故障時にも、フィードバックの制御不良と判定され、上記のフィードバック制御の中断が行われることに着目してなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの診断に関し、排気の実空燃比に応じた空燃比センサのセンサ出力に基づいて、目標空燃比へ向けた空燃比フィードバック制御を行い、この空燃比フィードバック制御中に、上記目標空燃比に対して実空燃比が追従しないフィードバックの制御不良を判定し、この制御不良と判定されたときに、所定期間、上記空燃比フィードバック制御を中断し、上記所定期間の空燃比フィードバック制御の中断の後、空燃比フィードバック制御を再開するとともに、上記制御不良の判定を行い、上記空燃比フィードバック制御の中断中のセンサ出力の変動幅が所定の基準変動幅を超えることなく、上記制御不良との判定が繰り返されることによる空燃比フィドバック制御の中断回数が所定の基準回数を超えると、上記空燃比センサが異常であると判定する、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、パージ等に起因するフィードバックの制御不良からフィードバック制御が正常に行われる状態へ復帰させるように、空燃比フィードバック制御を一時的に中断する処理を利用した簡素な制御処理で、空燃比センサの診断を行うことができ、演算負荷や記憶される制御処理を軽減することができる。また、センサの診断のためだけに特別な運転を行う必要がなく、空燃比フィードバック制御中であれば、このフィードバックの制御不良の判定が行われることから、実質的に空燃比センサの診断が行われることとなり、診断の機会が多く、センサの異常・故障を早期に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好ましい実施例を図面に基づいて説明する。図１は、この発明の一実施例に係る空燃比センサの診断装置が適用された内燃機関のシステム構成を示している。内燃機関２０の燃焼室２１には、略中央上部に点火プラグ９が配設されているとともに、吸気弁２２を介して吸気通路２３と、排気弁２４を介して排気通路２５と、が接続されている。吸気通路２３には、上流側より順に、エアクリーナ２６、吸気流量を計測するエアフロメータ３、吸気通路２３を開閉する電子制御式のスロットル弁２７及びそのスロットル開度を検出するスロットル開度センサ４、及び吸気通路２３の吸気ポート２３Ａへ燃料を噴射する燃料噴射弁５が設けられている。なお、このようなポート噴射式の内燃機関に限らず、燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直噴型の内燃機関に本発明を適用することもできる。
【０００９】
排気通路２５には、燃焼室２１に近く比較的排気温度の高い排気マニホールド集合部２５Ａ又はその近傍の上流位置にフロント触媒１３が配設されているとともに、このフロント触媒１３よりも下流側であって、比較的排気温度の低い車両の床下位置にリア触媒１４が配設されている。つまり、冷機始動時を含めて高効率に排気を浄化するために、排気通路２５の中で周囲温度の異なる複数箇所に触媒を直列に配置した触媒システムとなっている。フロント触媒１３は、好ましくは、理論空燃比近傍でＮＯＸ，ＨＣ，ＣＯをほぼ０（零）まで低減可能な三元触媒と、この三元触媒が活性化する前に排出されるＨＣを一時的に吸着するＨＣ吸着触媒とを組み合わせたＨＣ吸着型三元触媒であり、リア触媒１４は、例えば上記のＨＣ吸着触媒である。但し、これに限らず、上記の三元触媒、ＨＣ吸着触媒の他、リーン運転時のような酸素過剰な領域でＮＯXをトラップし、ストイキ又はリッチ運転時にはＮＯXを放出，還元するＮＯＸトラップ触媒等の他の触媒を単独又は組み合わせて用いても良い。
【００１０】
また、排気通路２５には、フロント触媒１３の上流側に空燃比センサ１１が設けられている。なお、センサ１１として、この実施例では排気の実空燃比に応じたセンサ出力（電圧）を出力し、排気の実空燃比を幅広く検出可能な広域型の空燃比センサが用いられている。但し、簡易的な酸素センサ（Ｏ２センサ）を用いたものに本発明を適用することも可能である。機関回転速度（機関回転数）は、例えばクランクシャフトの回転角位置を検出するポジション（ＰＯＳ）センサ７とカムシャフトの位相を検出する位相（ＰＨＡＳＥ）センサ８との検出信号に基づいて演算される。また、内燃機関２０のシリンダブロックには、ノッキング（ノック）の発生を検出するノックセンサ６や、機関温度としての機関水温を検出する水温センサ１０が取り付けられている。
【００１１】
燃料蒸発処理装置としてのキャニスタ３０は、周知のように、活性炭等の吸着剤が充填されており、燃料タンク３１内の蒸発燃料を一時的に吸着し、所定のパージ時には、吸着剤からパージ（脱離）された蒸発燃料を含んだガスを、パージ通路３２を通して、スロットル下流の吸気通路２３へ供給するものである。パージ通路３２には、パージ流量を制御するパージ制御弁３３が設けられている。
【００１２】
制御部（エンジンコントロールモジュール）１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータシステムであって、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有している。この制御部１には、スタータ信号やイグニッション信号等の各種信号が入力されるとともに、上記の各種センサ類３，４，６〜８，１０〜１１から入力される検出信号に基づいて、各種アクチュエータ類へ制御信号を出力し、その動作を制御する。例えば、エアフロメータ３や水温センサ１０等の検出信号に基づいて基本噴射パルス幅Ｔｐを算出するとともに、空燃比センサ１１のセンサ出力に基づいて、空燃比のクローズドループ制御を行う。すなわち、主に吸入空気量および機関回転数から基本噴射パルス幅Ｔｐを求めるとともに、排気の実空燃比に応じた空燃比センサ１１のセンサ出力に基づく擬似的なＰＩ制御等によって空燃比フィードバック補正係数αを逐次算出し、上記基本噴射パルス幅Ｔｐに上記補正係数αを乗じて、最終的な噴射パルス幅Ｔｉつまり燃料噴射量を決定する。この空燃比フィードバック制御により、実際の空燃比は、目標空燃比を中心として周期的に振れるように変動することになる。更に、上記のパージ制御弁３３のＯＮ・ＯＦＦをデューティー制御することによって、パージのＯＮ・ＯＦＦが切り換えられるとともに、そのパージ流量が制御される。
【００１３】
図２及び図３は上記の制御部１により記憶及び極短期間（例えば１０ｍｓ、あるいは所定クランク角）毎に繰り返し実行される制御処理の流れを示すフローチャートである。図２のステップＳ１１では、図３のルーチンにより設定される空燃比補正係数αの初期化要求フラグＦＬＧを読み込む。図３を参照して、ステップＳ３０では、上記の空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を行う条件が成立するかを判定する。例えば、始動時、低水温時、高水温時、高負荷時、減速時、及びＮからＤへのシフト直後を除き、空燃比フィードバック制御が行われる。空燃比フィードバック制御が行われる運転領域でなければ、本ルーチンを終了し、空燃比フィードバック制御中であれば、ステップＳ３１以降へ進む。
【００１４】
ステップＳ３１では、空燃比センサ１１のセンサ出力に基づいて、空燃比フィードバック制御中に目標空燃比ｔＡＦＳに対して実空燃比ｒＡＦＳが良好に追従しない状態、つまり空燃比補正係数αの初期化要求がある状態であるか否かを判定する。例えば、目標空燃比ｔＡＦＳに対する実空燃比ｒＡＦＳの偏差が所定値以上の状態が所定期間を超え、結果的に空燃比補正係数αが最小又は最大側のリミットに張り付いているような場合に、フィードバックの制御不良であると判定し、ステップＳ３２〜Ｓ３４の処理が実行される。ステップＳ３２では、上記の初期化要求フラグＦＬＧを「１」に設定する。ステップＳ３３では、空燃比フィードバック制御を中断する。具体的には、上記の空燃比補正係数αを「１（１００％）」に強制的に初期化・クランプして、冷却水温などのパラメータに応じた他の補正係数でもって燃料噴射量をオープンループ制御する。ステップＳ３４では、上記のキャニスタ３０によるパージを禁止する。具体的には、パージ制御弁３３を閉として、蒸発燃料を含むガスの吸気系への供給を禁止する。
【００１５】
ステップＳ３５では、適宜なカウンタやタイマ等を用いて、ステップＳ３３でのフィードバック制御の中断から所定期間ΔＤ１（例えば４〜６秒程度）が経過したかを判定する。所定期間ΔＤ１が経過していれば、ステップＳ３６へ進み、上記のフラグＦＬＧを０（ゼロ）に設定するとともに、ステップＳ３７において、上記の空燃比フィードバック制御を再開する。つまり、センサ出力に基づいて空燃比補正係数αを算出し、この空燃比補正係数αにより燃料噴射量を増減する。
【００１６】
再び図２を参照して、ステップＳ１２では、上記のフラグＦＬＧが０から１へ切り替わったかを判定する。例えば、前回演算時のＦＬＧの値を記憶しておき、前回演算時のＦＬＧの値が「０」で、今回のＦＬＧの値が「１」である場合、ＦＬＧが０から１へ切り替わったと判定する。
【００１７】
ＦＬＧが０から１となると、中断の頻度・回数を表すカウンタＣＬＰＣＮＴの値に１をインクリメントし、つまりＣＬＰＣＮＴに１を加えて更新するとともに（ステップＳ１３）、実空燃比に応じた空燃比センサ１１のセンサ出力の最大値ＡＦＳＭＡＸ及び最小値ＡＦＳＭＡＸの値を「０」に初期化する（ステップＳ１４）。
【００１８】
ステップＳ１５では、フラグＦＬＧの値が「１」であるかを判定し、１でなければ本ルーチンを終了し、１であればステップＳ１６以降へ進む。ステップＳ１６及びＳ１７では、実空燃比（センサ出力）ｒＡＦＳが最大値ＡＦＳＭＡＸを超えていれば、最大値ＡＦＳＭＡＸを現在の実空燃比ｒＡＦＳの値に更新する。ステップＳ１８及びＳ１９では、実空燃比ｒＡＦＳが最小値ＡＦＳＭＩＮよりも低ければ、最小値ＡＦＳＭＩＮを現在の実空燃比ｒＡＦＳの値に更新する。
【００１９】
ステップＳ２０では、実空燃比の変動幅（ＡＦＳＭＡＸ−ＡＦＳＭＩＮ）が、予め設定・記憶された所定の基準変動幅ΔＡＦＳ０を超えているかを判定する。実空燃比の変動幅（ＡＦＳＭＡＸ−ＡＦＳＭＩＮ）が基準変動幅ΔＡＦＳ０を超えていれば、ステップＳ２１へ進み、中断回数のカウンタ値ＣＬＰＣＮＴを０に初期化する。
【００２０】
ステップＳ２２では、中断回数ＣＬＰＣＮＴが、予め設定・記憶された所定の基準回数ＮＧＣＮＴ以上であるかを判定する。ＣＬＰＣＮＴがＮＧＣＮＴ以上であれば、ステップＳ２３及びステップＳ２４の処理を実行する。ステップＳ２３では、空燃比センサ１１の異常・故障であると判定する。この判定に応じて、警告ランプや警告音により運転者にセンサの異常・故障を知らせるとともに、空燃比フィードバック制御の中止等の制御処理が行われる。
【００２１】
ステップＳ２４では、この異常と判定された時点での実空燃比の最大値ＡＦＳＭＡＸと最小値ＡＦＳＭＩＮとを、それぞれＤＡＦＳＸ，ＤＡＦＳＮとして記憶する。これらのＤＡＦＳＸ，ＤＡＦＳＮを利用して、例えばＤＡＦＳＸとＤＡＦＳＮがともに０（Ｖ）に近い小さな値であればセンサ断線、５（Ｖ）付近であればショートしているなどと、空燃比センサ１１の異常の態様を識別することができる。
【００２２】
このような本実施例による作用効果について、図４のタイムチャートを参照して説明する。時期Ｔ１において、何らかの不具合によって空燃比センサ１１が故障し、そのセンサ出力（電圧）が例えば０Ｖに固定されると、目標空燃比ｔＡＦＳに対してセンサ出力（実空燃比）ｒＡＦＳが良好に追従しなくなり、空燃比補正係数αの値がリミット値に張り付く形となり、所定時間ΔＤ２経過後の時期Ｔ２において、フィードバックの制御不良と判定され、上述したように、初期化要求フラグＦＬＧが「１」に設定される。これによって、フィードバック補正係数αが「１」にクランプ（初期化）され、冷却水温などのパラメータに応じた他の補正係数でもって燃料噴射量がオープンループ制御され、かつ、キャニスタ３０によるパージが禁止される。また、フィードバックの制御不良と判定された時点Ｔ２からセンサ出力（電圧値）をモニタし、その最小値ＡＦＳＭＩＮと最大値ＡＦＳＭＡＸとを逐次更新する。
【００２３】
このフィードバック制御の中断から所定期間ΔＤ１が経過すると、時期Ｔ３において、フラグＦＬＧが「０」にリセットされて、上記の空燃比フィードバック制御が再開される。そして、上記最小値ＡＦＳＭＩＮと最大値ＡＦＳＭＡＸとの偏差である実空燃比の変動幅が所定の基準変動幅を超えることなく、上記のフィードバック制御の中断が所定の異常基準回数ＮＧＣＮＴ（この例では「３」）だけ繰り返されると、時期Ｔ４において、空燃比センサ１１が異常・故障であると判定される。
【００２４】
仮に空燃比センサ１１が異常・故障しておらず、パージ流量の影響でフィードバック制御が制御不良に陥っているような場合には、上記のフィードバック制御の中断を所定期間ΔＤ１行うことによって、多くの場合、空燃比フィードバック制御が正常化される。また、燃料噴射弁や点火プラグ等の他の部品の異常・故障により初期化要求ＦＬＧが「１」にクランプされた場合には、センサ出力の変動幅が上記の基準変動幅ΔＡＦＳ０をはるかに超えて大きくなることから、空燃比センサ１１の異常と判定されることはない。
【００２５】
以上のような本実施例によれば、パージ等に起因するフィードバックの制御不良からフィードバック制御が正常に行われる状態へ復帰させるように、空燃比フィードバック制御を一時的に中断するという制御処理を利用し、この中断の頻度、より具体的にはセンサ出力（実空燃比）の変動幅が基準変動幅ΔＡＦＳ０を超えることのない状態での中断回数ＣＬＰＣＮＴを用いた簡素な制御処理によって空燃比センサ１１の診断を行うことができ、演算負荷や記憶される制御処理を軽減することができる。また、空燃比フィードバック制御中であれば、フィードバックの制御不良の判定が行われることから、実質的に空燃比センサ１１の診断が行われることとなり、診断の機会が多く、センサの異常・故障を早期に検出することができ、かつ、センサ診断のためだけに特別な運転を行う必要もない。しかも、センサの異常・故障と診断されたときの最小値ＡＦＳＭＩＮと最大値ＡＦＳＭＡＸとを記憶しておき、これらを利用して空燃比センサ１１の異常の態様を簡便に識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例が適用された内燃機関のシステム構成を示す構成図。
【図２】空燃比センサの診断処理の流れを示すフローチャート。
【図３】初期化要求フラグの設定処理及びフィードバック制御の中断処理の流れを示すフローチャート。
【図４】空燃比センサの異常時の制御の流れを示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００２７】
１…制御部
１１…空燃比センサ
１３…フロント触媒
１４…リア触媒
２０…内燃機関
２５…排気通路（排気系）
３０…キャニスタ（蒸発燃料処理装置）
３３…パージ制御弁
【図１】
0004678336.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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