(57)【要約】【課題】  酸素濃度センサの故障検知を正確に行う。【解決手段】  本発明による酸素濃度センサの故障検知装置は、酸素濃度センサの出力が所定のしきい値より低い状態が第１の所定期間継続した場合に、燃焼空燃比を故意にリッチ側に変動させて、正常な酸素濃度センサであれば十分に出力変化が起こる第２の所定期間経過したときの酸素濃度センサの出力を監視し、出力の変化がなければ故障と判断する故障検知装置において、排気流量の少ない領域ではこの検知を中止するようにしたので、検知精度を高めることができる。   【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に配置され、排気中の酸素濃度を出力する酸素濃度センサと、
前記酸素濃度センサの出力と所定のしきい値とを比較する比較手段と、
前記比較手段により酸素濃度が前記しきい値より低いと判定されてから第１の所定期間の経過後に、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリッチにする空燃比制御手段と、
空燃比をリッチにしてから第２の所定期間の経過後において、前記酸素濃度センサの出力が前記しきい値より低い場合、該酸素濃度センサが故障していると判定する故障判定手段と、
前記排気系における排気の流量が少ない場合、故障の判定を中止する中止手段と、
を備える酸素濃度センサの故障検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の酸素センサの故障検知に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排ガス浄化装置の下流に設置された酸素センサの故障を検知する技術として、特許文献１が知られている。この技術によると、排ガス浄化装置下流のセカンダリ酸素センサが所定期間リーンの空燃比を出力した場合、空燃比をリッチにする制御を開始し、その後排ガス浄化装置の上流に設置されたプライマリ酸素センサがリッチの空燃比を示しているにもかかわらず、セカンダリ酸素センサがリーンを出力するとき、セカンダリ酸素センサが故障していると判断する。
【特許文献１】特許第３００９６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
酸素センサが短絡、断線等の故障をしている場合、酸素センサの出力が所定期間変動を示さなかったり、または変動幅が小さかったりする状況が起こりうる。しかし、このような状況は酸素センサの故障ではなく、実際に空燃比が安定している状態とも考えられる。後者の場合、上述の手法では、酸素センサの故障を正確に検知することができない。
【０００４】
従って、酸素濃度センサの故障検知をより正確に行う手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一形態は、内燃機関の排気系に配置され、排気中の酸素濃度を出力する酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサの出力と所定のしきい値とを比較する比較手段と、前記比較手段により酸素濃度が前記しきい値より低いと判定されてから第１の所定期間の経過後に、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリッチにする空燃比制御手段と、空燃比をリッチにしてから第２の所定期間の経過後において、前記酸素濃度センサの出力が前記しきい値より低い場合、該酸素濃度センサが故障していると判定する故障判定手段と、前記排気系における排気の流量が少ない場合、故障の判定を中止する中止手段と、を備える酸素濃度センサの故障検知装置である。
【発明の効果】
【０００６】
この形態によると、酸素濃度センサの出力が所定のしきい値より低い状態が第１の所定期間継続した場合に、燃焼空燃比を故意にリッチ側に変動させて、正常な酸素濃度センサであれば十分に出力変化が起こる第２の所定期間経過したときの酸素濃度センサの出力を監視し、出力の変化がなければ故障と判断する故障検知装置において、排気流量の少ない領域ではこの検知を中止するようにしたので、故障検知精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る酸素濃度センサの故障検知装置を含む、内燃機関（以下「エンジン」という）と電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）の概略構成を示す図である。エンジン１は、例えば直列４気筒エンジンである。エンジン１へ通ずる吸気管２の途中にはスロットル弁３が配設されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨＡ）センサ４が連結されており、スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。ＥＣＵ５の構成については後述する。
【０００８】
燃料噴射弁６は、エンジン１の吸気弁（図示せず）の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁６は燃料ポンプを介して燃料タンク（図示せず）に接続されている。また、燃料噴射弁６はＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射の開弁時間が制御される。噴射された燃料は吸気管２からの空気と混合され混合気となり、エンジン１に供給される。
【０００９】
吸気管２には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８および吸気温（ＴＡ）センサ９が取り付けられており、それぞれ絶対圧、吸気温を検出してＥＣＵ５に電気信号として供給する。
【００１０】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等からなり、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号ＥＣＵ５に供給する。
【００１１】
エンジン１の図示しないカム軸周囲またはクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１１が取り付けられている。エンジン回転数センサ１１は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）毎にパルス（以下「ＴＤＣ信号パルス」という）を出力する。このＴＤＣパルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１２】
排気管１３には、三元触媒を備える排気浄化装置１４が設けられている。三元触媒は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され排気中のＯ２濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中のＯ２を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中のＯ２濃度が低くＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積したＯ２により排気中のＨＣ、ＣＯを酸化する機能を有する。排気浄化装置１４の下流側に、さらにＮＯｘ浄化装置を設けても良い。
【００１３】
排気浄化装置１４の上流には、比例型酸素濃度センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ」という）が配設されている。このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００１４】
排気浄化装置１４の下流には、二値型酸素濃度センサ（以下「下流側酸素センサ」という）１８が配設されており、これらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。下流側酸素センサ１８は、出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有しており、理論空燃比よりリッチ側では出力が高レベルとなり、リーン側では出力が低レベルとなる。
【００１５】
ＥＣＵ５はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、プログラム及びデータを格納するＲＯＭや実行時に必要なプログラム及びデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭからなるメモリ５ｃ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。
【００１６】
ＥＣＵ５は、エンジン回転速度やアクセル開度といった運転条件を検出し、予め定められているマップを検索して要求トルクを算出する。続いて、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。
【００１７】
またＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて、エンジン１の運転状態を判別する。そして、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等に従って種々の演算を実行し、出力インターフェース５ｄを介して演算結果に応じた駆動信号を出力して、吸気絞り弁３、燃料噴射弁６等を制御する。
【００１８】
次に、ＥＣＵ５における下流側酸素センサの故障判定について説明する。
【００１９】
下流側酸素センサの故障形態は、センサ内部または外部の回路が断線または短絡した場合に、出力がそれぞれ５Ｖ付近（断線）、０Ｖ付近（短絡）で停滞しているものと考えることができる。そのため、下流側センサ出力を監視し、所定期間内に変動が無いかあるいは少ない場合はセンサ出力の異常と考えることができる。
【００２０】
但し、空燃比がリーンに制御されているときにも下流側センサ出力は０Ｖ近傍を出力するので、これを区別すべく、センサ出力が０Ｖ付近で所定期間内に変動が無いかあるいは変動が少ない場合に、燃焼空燃比を故意にリッチ側に変動させ、正常なセンサであれば十分に出力変化が起こる時間だけ経過させたときの下流側酸素センサの出力挙動を監視し、変動がなければ故障と判断するのである。
【００２１】
図２を参照して、下流側酸素センサの短絡故障を検知するルーチンについて説明する。
【００２２】
まず、下流側酸素センサの出力ＳＶＯ２が所定の電圧Ｌｏｗ故障判定値より小さいか否かを判定する（Ｓ３０）。電圧Ｌｏｗ故障判定値は、下流側酸素センサが短絡した場合に示すと考えられる値（例えば、０．３Ｖ）に設定される。ＳＶＯ２が故障判定値以上の場合は短絡の可能性はないので、ダウンタイマに初期値をセットし（Ｓ３５）、排ガス流量ＳＶ（これについては後述する）の積算値をクリアして（Ｓ３６）このルーチンを終了する。
【００２３】
ＳＶＯ２が故障判定値未満の場合は、以下のようにして実際に短絡しているか否かを判断する。まず、検知実施条件が成立しているかの判断を行う（Ｓ３２）。ここで、図３を参照して、下流側酸素センサの故障検知の実施条件を判断するルーチンについて説明する。
【００２４】
まず、燃料カットの実行中か否かを判定する（Ｓ５０）。燃料カット実行中は適切な実施条件の判断ができないので、Ｓ５２に進み、Ｓ５５でセットされるタイマｆｃｔ１が所定時間だけ経過したか否かを判定する（Ｓ５２）。これは、燃料カットが所定期間以上継続した場合には、酸素センサの応答性が低下し正確な検知ができないことがあるので、これを判定するものである。タイマｆｃｔ１が所定期間だけ経過していない場合は、故障検知の実施条件が不成立とされる（Ｓ６８）。タイマｆｃｔ１が所定期間だけ経過していた場合は、さらにタイマｆｃｔ２をセットする（Ｓ５４）。このタイマｆｃｔ２は、燃料カットからの復帰後も所定期間は、故障検知を停止するためのものである（Ｓ５８参照）。
【００２５】
燃料カットの実行中でない場合は、タイマｆｃｔ１をセットした後（Ｓ５５）、所定の条件が成立しているかを判定する（Ｓ５６）。この条件は、具体的には以下のようなものである。
【００２６】
・目標空燃比が理論空燃比（ストイキ）に制御されていること（目標空燃比がリーンの時にはＳＯ２出力はリーン張り付きとなるため）
・ＬＡＦフィードバックの実行中であること（フィードバック停止中は実際の空燃比は不定となるため）
・フィードバックリミットに張り付いていないこと（フィードバックリミット張り付き時は、ストイキ空燃比が実現されていない可能性があるため）
・酸素センサの温度がフィードバック開始水温以上であること（低温時には酸素センサが活性していないため）
である。
【００２７】
１つでも成立していないときは、故障検知条件は不成立とされる（Ｓ６８）。すべて成立しているときは、続いてＳ５４でセットされたタイマｆｃｔ２が経過しているかを判定する（Ｓ５８）。経過していなければ故障検知の実施条件は不成立となり（Ｓ６８）、経過しているときは、排ガス流量ＳＶを算出する（Ｓ６０）。排ガス流量は、エアフローメータ出力、エンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射量設定値などエンジン吸入空気量と相関のあるパラメータを用いて算出する。そして、前回までに算出された排ガス流量ＳＶの積算値に今回算出された排ガス流量ＳＶを加えたＳＶ積算値を算出し（Ｓ６２）、このＳＶ積算値が所定値より小さいか否かを判定する（Ｓ６４）。所定値に達していないときは、故障検知の実施条件は不成立となり（Ｓ６８）、所定値に達しているときに初めて故障検知の実施条件は成立する（Ｓ６６）。排ガス流量が少ないと、下流側酸素センサが排気の空燃比の変化を検知するまでの時間が長くなる。すると、空燃比を変動させた状態が長時間となって、排ガス浄化性能が低下するおそれがあるので、これを防止するために、ＳＶ積算値が所定値に達していないときは故障検知を行わないようにするのである。
【００２８】
図２に戻り、図３で説明した故障検知の実施条件が成立したかを判定し（Ｓ３４）、条件が成立していないときは、タイマに初期値を設定し（Ｓ３５）、さらに排ガス流量ＳＶの積算値をクリアする（Ｓ３６）。故障検知の実施条件が成立したときは、第１の所定期間が経過したか否かを判定する（Ｓ３８）。所定期間が経過していないときは、このルーチンを終了する。第１の所定期間が経過しているときは、Ｓ６０で算出される排ガス流量ＳＶの積算値が所定値未満であるか否かを判定する（Ｓ４０）。排ガス流量ＳＶの積算値が所定値未満であるときは、以降の処理を行わずにこのルーチンを終了する。排ガスの流量が少ない場合には、酸素センサが空燃比の変化を検知するまでの時間が長くなり、第一の所定期間内には正確な空燃比の変化を検知できない場合があるので、検知実施条件成立後の排ガス流量ＳＶの積算値が所定値を超えるまで検知時間を延長することで、検知精度を高めることができる。
【００２９】
排ガス流量ＳＶの積算値が所定値以上のときは、このような可能性がないので、下流側酸素センサが故障しているか否かを検知するために、空燃比切替制御を実行する（Ｓ４２）。そして、タイマが第２の所定期間を経過したか、つまり、空燃比切替を行った後に、通常であればリッチになると予想される時間だけ経過したかを判定する（Ｓ４４）。第２の所定期間が経過していないときは、このルーチンを終了する。この場合、下流側酸素センサは正常であり、出力ＳＶＯ２が低出力に停滞していたのは故障以外の理由があったものと考えられる。第２の所定期間が経過したときは、下流側酸素センサが故障していることが確定する（Ｓ４６）。
【００３０】
以上説明したように、下流側酸素センサ出力が第１の所定期間内の変動がないかあるいは少ない状態を検知したときに、空燃比切替制御を行い、燃焼空燃比を故意に変動させて、正常なセンサであれば十分に出力変化が起こる第２の所定期間経過させたときの下流側酸素センサの出力挙動を監視し、変動がなければ故障と判断するようにしたので、故障検知精度を高めることができる。
【００３１】
図４は、具体的な故障検知の一例のタイミングチャートである。
【００３２】
時刻ｔ１で、図３で説明した検知条件が成立したものとし、これを示すように検知条件のフラグは１を示す（７２）。下流側酸素センサの出力であるＳＶＯ２（７０）が時刻ｔ２において所定値である０．３Ｖを下回ると、ダウンタイマ（７４）が初期値から所定値ずつ減分されていく。時刻ｔ３において、タイマが第１の所定期間だけ経過すると（Ｓ３８参照）、ＳＶ積算値が所定値以上であることを条件に（Ｓ４０参照）、空燃比切替制御が開始され、空燃比を徐々にリッチにするような制御信号が出力される（７６）。そして、時刻ｔ４においてタイマが第２の所定期間だけ経過すると、下流側酸素センサ出力ＳＶＯ２の値をチェックし、この時点でしきい値である０．３Ｖを超えていたらセンサは正常と判断され（８０）、依然として０．３Ｖ未満であればセンサは故障と判断されるのである（８２）。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【００３４】
本発明によれば、酸素濃度センサの出力が所定のしきい値より低い状態が第１の所定期間継続した場合に、燃焼空燃比を故意にリッチ側に変動させて、正常な酸素濃度センサであれば十分に出力変化が起こる第２の所定期間経過したときの酸素濃度センサの出力を監視し、出力の変化がなければ故障と判断する故障検知装置において、排気流量の少ない領域ではこの検知を中止するようにしたので、故障検知精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の故障検知装置を備える内燃機関の概略図である。
【図２】酸素濃度センサの故障検知のフローチャートである。
【図３】故障検知実施条件判断のフローチャートである。
【図４】本発明による故障検知の一例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１      内燃機関（エンジン）
２      吸気管
５      電子制御装置（ＥＣＵ）
６      燃料噴射弁
１３    排気管
１４    排気浄化装置
１７    比例型酸素濃度センサ（ＬＡＦセンサ）
１８    二値型酸素濃度センサ（下流側酸素センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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