(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気系における触媒装置の下流側に配置した酸素濃度センサを有する空燃比検出装置の故障を検出する故障検出装置であって、
エンジン稼働中の燃料遮断状態において、その燃料遮断の開始から所定期間が経過した後の前記酸素濃度センサの出力が空燃比リッチ側の出力である時、該空燃比検出装置の故障と判定する手段を備え、
前記燃料遮断の開始前の、空気過剰率１近傍を目標とする燃料フィードバック運転の積算時間が所定のしきい値以下のときは前記所定時間を長くするよう構成したことを特徴とする空燃比検出装置の故障検出装置。
【請求項２】
前記燃料遮断の間のエンジンの吸入空気量の積算値を加味して前記所定時間を変更するものである請求項１記載の空燃比検出装置の故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比検出装置の故障検出装置、特に、エンジンの排気系における触媒装置の下流側に配置した酸素濃度センサを有する空燃比検出装置の故障を検出する故障検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用エンジンの排気系には、一般に、排気浄化のための触媒装置が設けられ、通常は、その触媒装置の上流に、空燃比制御のためのフィードバック情報を検出するＯ2センサ（酸素濃度センサ）が配置される。また、触媒装置の劣化判定のため、あるいは、触媒装置上流のＯ2センサの故障診断のため、あるいは、触媒前後の空燃比情報に基づいて空燃比制御を行うために、上流側の酸素濃度センサに加えて、触媒装置の下流側にもＯ2センサを配置したものがある。
【０００３】
ところで、このように排気系にＯ2センサを配置したものにおいては、それらＯ2センサが故障したときにこれをできるだけ早くかつ確実に検出することが必要である。そこで、例えば、特公平６−３１５８号公報に示された空燃比制御装置の故障検出装置のように、エンジン運転中、燃料供給が遮断された状態となった後も一定時間以上リッチ信号を出力し続けている時、Ｏ2センサの故障と判断するものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
排気系の触媒装置の上流側に配置したＯ2センサについては、例えば上記公報に示されているように、エンジン運転中、燃料供給が遮断された状態となった後、一定時間経過しても依然としてリッチ信号を出力し続けている場合に故障と判断することで、Ｏ2センサの故障検出が可能である。上流側のＯ2センサの場合、例えば減速時に燃料が遮断されると、ほどなく壁面付着の燃料もなくなり、Ｏ2センサが正常である限りはリーン信号が出力されるはずである。したがって、燃料遮断状態となった後も一定時間以上リッチ信号を出力し続けている場合は、Ｏ2センサの故障と判断してよい。しかしながら、触媒装置の下流側に配置したＯ2センサ（リアＯ2センサ）の場合は、触媒装置の影響を受けるため、減速燃料カットで燃料が遮断されて一定時間経過するとリーン出力になるというわけにはいかない。つまり、触媒には、酸素（Ｏ2）が吸蔵（ストレージ）されるとともに、炭化水素（ＨＣ）が吸蔵され、燃料遮断状態になると、吸蔵されていたそれら酸素および炭化水素が触媒から放出される。そして、燃料遮断前の運転状態が例えば空燃比リッチ（エンリッチ）の運転であると、吸蔵されている酸素は殆ど無く、炭化水素が多量に吸蔵されているので、その後、減速燃料カットで燃料遮断の状態に入ると、新たに流れてきた酸素は、まず、放出された炭化水素と反応するのに費やされ、それら炭化水素が全て酸化し終わるまでは触媒下流のＯ2センサのところまで酸素が到達しない。そのため、上記一定時間より長い所定期間が経過しないと、リアＯ2センサはリーン出力をしない。しかも、その所定期間というのは、一定でなく、触媒に吸蔵されたＨＣの量によって変わるもので、燃料遮断前の運転状態に左右される。したがって、リアＯ2センサの場合は、燃料遮断後、一定時間経過してもリッチ信号を出力し続けている時に故障と判断するという上記従来の手段では、Ｏ2センサの正確な故障検出ができない。また、リアＯ2センサの故障診断は、上述のとおり、触媒に吸蔵されたＨＣが放出されている間はできないのであるが、例えば減速燃料カットによる燃料遮断の状態は、通常、数秒程度と短いため、リアＯ2センサの故障診断は、ＨＣの放出終了を見計らってタイムリーに行う必要がある。
【０００５】
したがって、触媒下流側の酸素濃度センサの故障検出を正確に行えるようにすることが課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの排気系における触媒装置の下流側に配置した酸素濃度センサを有する空燃比検出装置の故障を検出する故障検出装置であって、エンジン稼働中の燃料遮断状態において、その燃料遮断の開始から所定期間が経過した後の酸素濃度センサの出力が空燃比リッチ側の出力である時、該空燃比検出装置の故障と判定するものである。これによれば、燃料遮断中に、触媒が燃料遮断前に吸蔵した炭化水素を放出し終わるのを待って故障診断を開始するようにでき、触媒から放出される吸蔵炭化水素との反応に酸素が費やされることによる誤検出を防止して、触媒下流側の酸素濃度センサの故障検出を正確に行うことができる。
【０００７】
そして、請求項１に係る発明は、具体的に、燃料遮断の開始前の、空気過剰率１近傍を目標とする燃料フィードバック運転の積算時間が所定のしきい値以下のときは前記所定時間を長くするよう構成したものである。空気過剰率１近傍を目標とする燃料フィードバック運転が長いほど、触媒に吸蔵されている炭化水素は少なくなる。したがって、燃料遮断前の燃料フィードバック運転の積算時間に応じて前記所定時間を変更することにより、炭化水素放出の終了タインミングに応じて可及的速やかに故障診断を開始することができ、短い燃料遮断期間での故障診断が可能となる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る空燃比検出装置の故障検出装置において、燃料遮断の間のエンジンの吸入空気量の積算値を加味して前記所定時間を変更するようにしたものである。故障診断に至らずに終了した燃料遮断を含む燃料遮断の間にエンジンに吸入された空気量が多いほど、触媒に吸蔵されている炭化水素は少ない。したがって、この燃料遮断の間の積算吸入空気量を加味して前記所定時間を変更することにより、炭化水素放出の終了タインミングに応じて可及的速やかに故障診断を開始することができ、短い燃料遮断期間での故障診断が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施の形態の一例に係るエンジンのシステム図である。
【００１１】
図１において、１はエンジン本体、２はその燃焼室である。エンジン本体１には、上記燃焼室２に開口する吸気ポート３および排気ポート４が設けられ、これら吸気ポート３および排気ポート４の燃焼室２への開口部に吸気弁５および排気弁６が配設されている。また、エンジン本体１には吸気ポート３の上流に吸気通路７が接続され、排気ポート４の下流に排気通路８が接続されている。そして、吸気通路７には、上流側から順に、エアークリーナ９，エアーフローセンサ１０，スロットル弁１１，サージタンク１２および燃料噴射弁１３が配設され、また、スロットル弁１１をバイパスするＩＳＣ通路１４が設けられ、該通路１４にデューティソレノイド式のＩＳＣ弁１５が配設されている。また、クランク角信号によりエンジン回転数を検出する回転センサ１６およびエンジン冷却水の水温を検出する水温センサ１７がエンジン本体１に設けられ、スロットル弁１１にはスロットル全閉のアイドル運転を検知するアイドルスイッチ１８が付設され、排気通路には上流側および下流側の二つの触媒装置１９，２０が配設され、フロント側の触媒装置１９の上流側と下流側にそれぞれＯ2センサ２１，２２が配置されている。そして、これら回転センサ１６，水温センサ１７，アイドルスイッチ１８および二つのＯ2センサ２１，２２の各出力信号が、制御情報としてＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２３に入力され、エアーフローセンサ１０のセンサ出力がやはり制御情報としてＥＣＵ２３に入力される。そして、それら制御情報に基づいてＥＣＵ２３で燃料噴射制御およびＩＳＣ制御の処理が行われ、燃料噴射制御の制御信号が燃料噴射弁１３に出力され、ＩＳＣ制御の制御信号がＩＳＣ弁１５に出力される。また、ＥＣＵ２３では、エンジン始動毎に下流側Ｏ2センサ２２の故障診断の処理が行われる。
【００１２】
下流側Ｏ2センサ２２の故障診断は、エンジン稼働中の減速燃料カットの状態で行い、燃料カットの開始から所定期間が経過した後の下流側Ｏ2センサ２２の出力が空燃比リッチ側の出力である時、故障と判定するものであって、減速燃料カット前に上流側触媒装置１９に吸蔵されていて放出される炭化水素（ＨＣ）との反応に酸素が費やされることによる誤検出を防止するため、吸蔵ＨＣの放出が終わるのを待って開始する。また、上流側触媒装置１９に吸蔵された炭化水素の放出が終わった後にタインミングを逸せず故障診断を行えるよう、燃料カットの開始前の運転状態を継続的に検出し、その検出した運転状態から上流側触媒装置１９の吸蔵炭化水素量を算出し、その算出した吸蔵炭化水素量に応じて上記所定期間を変更する。具体的には、空気過剰率１（λ＝１）付近を目標とする燃料フィードバック運転が長いほど、触媒装置１９に吸蔵されている炭化水素は少ないため、減速燃料カット開始前の燃料フィードバック運転の積算時間に応じて上記所定時間を変更する。また、吸蔵炭化水素量が多く放出期間が長くて減速燃料カット中に故障検出を行えず、次回の減速燃料カット時に故障検出が持ち越される場合があり、そういった場合に、故障診断に至らずに終了した燃料カットを含む燃料カットの積算時間が長いほど、吸蔵炭化水素量は少ないことから、その燃料カットの積算時間を加味して上記所定時間を変更する。更にまた、そのように故障診断に至らずに終了した燃料カットを含む燃料カットの間にエンジンに吸入された空気量が多いほど、吸蔵炭化水素量が少ないことから、その燃料カットの間のエンジンの吸入空気量の積算値を加味して上記所定時間を変更する。
【００１３】
この場合の下流側Ｏ2センサ２２の故障診断の具体例を、図２に示すタイムチャートによって次に説明する。図２に示すタイムチャートにおいて、（ａ）は、エンジン始動後の空燃比制御の設定値（制御Ａ／Ｆ）のパターンの一例を示し、（ｂ）は、（ａ）のパターンに対応する下流側Ｏ2センサ２２の出力信号（RearＯ2 起電力）について、故障時のパターンを太実線で示し、正常時のパターンを太破線で示す。
【００１４】
図２の（ａ）に示すパターンでは、エンジンが始動した直後というのは、エンジンが冷たくて燃料の霧化が悪く、燃料の壁面付着も無いため、その分を始動後増量によって補うよう、空燃比制御はリッチ（Rich）側の設定から始め、徐々にλ＝１の設定に戻していく。その後、λ＝１の燃料フィードバック（燃料Ｆ／Ｂ）を開始する。そして、走行状態によっては空燃比リッチの状態（エンリッチ）があり、エンリッチ走行の後、燃料フィードバックに戻り、しばらくして減速燃料カット（減速Ｆ／Ｃ）に入り、その後、燃料復帰し、燃料フィードバックに戻っている。空燃比制御がこういったパターンであるときに、下流側Ｏ2センサ２２が正常の場合は、エンジン始動直後でＯ2センサ２２が冷たい間はまだ活性化していないために、センサ出力はリーン（Lean）に張り付いており、活性化した時点で動き出し、その時点の空燃比制御が始動後増量のリッチ設定であれば、リッチ出力となる。そして、燃料フィードバックが始まると、燃料フィードバックは、λ＝１で、酸素をほぼ使い切る設定であるので、Ｏ2センサ２２の出力はほぼそのままリッチ出力が続き、エンリッチ運転でも当然そのままリッチ出力で、減速燃料カットに入ってしばらくして、余剰酸素が到達して初めてリーン出力となる。それに対し、下流側Ｏ2センサ２２に、リッチ側に張り付いた出力しか出ない故障（リッチスタック故障）が生じると、センサ出力は図２の（ｂ）に太実線で示すとおりで、走行状態にかかわらずリーン出力が出ない。
【００１５】
下流側Ｏ2センサ２２の故障診断は、減速燃料カット（減速Ｆ／Ｃ）の開始から所定期間（図２の例では、「ｔ１−ｔ３」がこれに相当する。）が経過した時に開始し、その時、センサ出力が図２の（ｂ）に太実線で示すようにリッチ信号であれば、故障と判定するものである。そして、その故障診断のタイミングを規定する上記所定期間を、上述のように減速燃料カット前の運転状態によって、具体的には、減速燃料カット開始前の燃料フィードバックの積算時間に応じて、また、減速燃料カットの積算時間およびその間の積算空気量を加味して、上記所定期間を変更する。そのうち、減速燃料カット開始前の燃料フィードバックの積算時間は、図２のパターンの場合、エンリッチ運転から燃料フィードバックに切り替わった時を起点として、燃料フィードバックの持続時間を積算する。そして、その積算時間が、所定のしきい値（図２の（ａ）のＡに相当する時間）より長いかどうかによって、長ければ、故障診断の開始を早め、短ければ、故障診断を遅らせるよう、図２の（ｂ）における「ｔ１−ｔ３」のｔ１を変更することにより上記所定期間を変更する。また、減速燃料カット中の積算空気量に応じて、積算空気量（Ｑｆｃ）が多ければ、故障診断の開始を早め、短ければ、故障診断を遅らせるよう、上記「ｔ１−ｔ３」のｔ３を、例えば図３に示すように変更する。
【００１６】
次に、上記下流側Ｏ2センサ２２の故障診断の処理を図４のフローチャートによって説明する。この処理は、エンジン始動毎にスタートし、まず、ステップＳ１０１でエンジンの運転状態を検出する。そして、ステップＳ１０２で、燃料フィードバック中かどうかを判定し、燃料フィードバック中であれば、ステップＳ１０３で燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂを加算して、ステップＳ１０４へ進む。また、燃料フィードバック中でなければ、そのまま何もせずにステップＳ１０４へ進む。
【００１７】
ステップＳ１０４では、減速燃料カット中かどうかを判定する。そして、減速燃料カット中であれば、ステップＳ１０５で、減速燃料カットの積算時間Ｔｆｃを加算し、減速燃料カット中の積算空気量Ｑｆｃを加算する。また、減速燃料カット前の燃料フィードバックの持続時間が、燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂが長いか短いかを判定するしきい値Ａ（上記図２の（ａ）のＡに相当する）よりも短い場合は、減速燃料カットに入ってからの時間も加える形で、燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂを加算する。そして、ステップＳ１０６へ進む。また、減速燃料カット中でなければ、ステップＳ１１４でＴｆｃおよびＱｆｃを０にリセットし、ステップＳ１１５で燃料フィードバック中かどうかを判定し、燃料フィードバック中でなければ、そのままステップＳ１０１へ戻り、燃料フィードバック中であれば、ステップＳ１１６でＴｆｂを０にリセットしてステップＳ１０１へ戻る。
【００１８】
ステップＳ１０６では、減速燃料カット中の積算空気量Ｑｆｃの函数である図３のテーブル値によって、故障判定時間の補正値ｔ３を演算する。
【００１９】
次に、ステップＳ１０７で、下流側Ｏ2センサ２２のセンサ出力を読み込む。そして、ステップＳ１０８で、そのセンサ出力がリーン信号かどうかによって故障診断を行い、リーン信号であれば、ステップＳ１０９へ進み、正常と判定する。
【００２０】
ステップＳ１０８で、リーン信号でないときは、ステップＳ１１０へ進み、燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂが、しきい値Ａより長いかどうかを判定する。そして、Ｔｆｂがしきい値Ａより長ければ、ステップＳ１１１へ進み、「ｔ１−ｔ３」を故障判定時間（所定期間）として、減速燃料カットの積算時間Ｔｆｃが「ｔ１−ｔ３」を越えたかどうかを判定し、Ｔｆｃが「ｔ１−ｔ３」を越えていなければ、リターンして、ステップＳ１０１に戻る。そして、Ｓ１０１〜１１１を繰り返し、何度目かに、リーン信号がでないままステップＳ１１１でＴｆｃが「ｔ１−ｔ３」を越えたら、ステップＳ１１３で故障と判定する。
【００２１】
また、ステップＳ１１０で、Ｔｆｂが、しきい値Ａ以下というときは、ステップＳ１１２へ進み、「ｔ１−ｔ３」より長い「ｔ２−ｔ３」（ｔ１＜ｔ２）を故障判定時間（所定期間）として、Ｔｆｃが「ｔ２−ｔ３」を越えたかどうかを判定する。そして、Ｔｆｃが「ｔ２−ｔ３」を越えていなければ、リターンして、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１１２までの処理を繰り返して、何度目かに、リーン信号がでないままステップＳ１１２でＴｆｃが「ｔ２−ｔ３」を越えたら、ステップＳ１１３へ進んで、故障と判定する。
【００２２】
以上説明した例は、触媒下流のＯ2センサのリッチスタック故障診断を、専ら減速燃料カット中に行う場合であるが、エンジンが始動してから、減速燃料カットに入って所定期間が経過するまで、Ｏ2センサの出力が一度も空燃比リーン側の出力とならない時は故障と判定し、その間、一度でもリーン出力がでれば、正常と判定するようにしてよい。Ｏ2センサは、正常であれば、冷間始動時にも確実にリーン出力するため、減速燃料カット中だけでなく、始動時にも故障診断を行うようにすることで、下流側Ｏ2センサの故障検出のチャンスが増え、速やかな故障検出が可能となる。
【００２３】
この場合の故障診断の処理を、図５のフローチャートによって次に説明する。エンジンの全体システムは先の例と変わりがない。
【００２４】
この場合の故障診断は、スタートすると、最初に、ステップＳ２０１で下流側Ｏ2センサのセンサ出力を読み込み、次いで、ステップＳ２０２でリーン信号かどうかを判定する。そして、リーン信号であれば、ステップＳ２０３へ進み、直ちに正常と判定する。
【００２５】
ステップＳ２０２で、リーン信号でないときは、ステップＳ２０４へ進み、エンジンの運転状態を検出する。そして、ステップＳ２０５で、燃料フィードバック中かどうかを判定し、燃料フィードバック中であれば、ステップＳ２０６で燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂを加算して、ステップＳ２０７へ進む。また、燃料フィードバック中でなければ、そのまま何もせずにステップＳ２０７へ進む。
【００２６】
そして、ステップＳ２０７で、減速燃料カット中かどうかを判定する。そして、減速燃料カット中であれば、ステップＳ２０８で、減速燃料カットの積算時間Ｔｆｃを加算し、減速燃料カット中の積算空気量Ｑｆｃを加算する。また、減速燃料カット前の燃料フィードバックの持続時間が、燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂが長いか短いかを判定するしきい値Ａ（先の図２の（ａ）のＡに相当する）よりも短い場合は、減速燃料カットに入ってからの時間も加える形で、燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂを加算する。そして、ステップＳ２０９へ進む。また、減速燃料カット中でなければ、ステップＳ２１４でＴｆｃおよびＱｆｃを０にリセットし、ステップＳ２１５で燃料フィードバック中かどうかを判定し、燃料フィードバック中でなければ、そのままステップＳ２０１へ戻り、燃料フィードバック中であれば、ステップＳ２１６でＴｆｂを０にリセットしてステップＳ２０１へ戻る。
【００２７】
ステップＳ２０９では、減速燃料カット中の積算空気量Ｑｆｃの函数（先の図３のテーブル値）によって、故障判定時間の補正値ｔ３を演算する。そして、ステップＳ２１０へ進み、燃料フィードバックの積算時間Ｔｆｂが、しきい値Ａより長いかどうかを判定する。そして、Ｔｆｂがしきい値Ａより長ければ、ステップＳ２１１へ進み、「ｔ１−ｔ３」を故障判定時間（所定期間）として、減速燃料カットの積算時間Ｔｆｃが「ｔ１−ｔ３」を越えたかどうかを判定し、Ｔｆｃが「ｔ１−ｔ３」を越えていなければ、リターンして、ステップＳ２０１に戻る。そして、Ｓ２０１〜２１１を繰り返し、何度目かに、リーン信号がでないままステップＳ２１１でＴｆｃが「ｔ１−ｔ３」を越えたら、ステップＳ２１３で故障と判定する。
【００２８】
また、ステップＳ２１０で、Ｔｆｂが、しきい値Ａ以下というときは、ステップＳ２１２へ進み、「ｔ１−ｔ３」より長い「ｔ２−ｔ３」（ｔ１＜ｔ２）を故障判定時間（所定期間）として、Ｔｆｃが「ｔ２−ｔ３」を越えたかどうかを判定する。そして、Ｔｆｃが「ｔ２−ｔ３」を越えていなければ、リターンして、ステップＳ２０１に戻り、ステップＳ２１２までの処理を繰り返して、何度目かに、リーン信号がでないままステップＳ２１２でＴｆｃが「ｔ２−ｔ３」を越えたら、ステップＳ２１３へ進んで、故障と判定する。
【００２９】
また、他の例として、触媒下流のＯ2センサのリッチスタック故障診断を、専らエンジンの冷間始動時に行うようにしてよい。この場合、冷間始動時に下流側Ｏ2センサの出力が空燃比リーン側の出力とならない時、故障と判定する。冷間始動時、すなわち、エンジン停止から所定時間経過してエンジン温度が下がった状態で始動した直後というのは、Ｏ2センサが冷たく、特に触媒下流側のＯ2センサは、冷えやすくて暖まりにくいため、直ぐには活性化しない。そこで、冷間始動時には、下流側Ｏ2センサの出力は、正常であれば、確実にリーン出力のはずであり、この状態でリッチ出力がでれば故障と判定できる。
【００３０】
この場合の故障診断の処理を、図６のフローチャートによって次に説明する。エンジンの全体システムは、やはり先の例と変わりがない。
【００３１】
図６のフローチャートは、エンジン停止と同時にスタートするもので、スタートすると、まず、ステップＳ３０１で始動スイッチがオン（ＯＮ）したかどうかを判定する。そして、始動スイッチがＯＮでなければ、ステップＳ３０２へ行って、ソーク時間（Tsoak）すなわち、始動スイッチがオフ（ＯＦＦ）となりエンジンが停止してからの時間を加算し、リターンして、ステップＳ３０１で始動スイッチＯＮとなったところで、ステップＳ３０３へ進む。
【００３２】
そして、ステップＳ３０３で、下流側Ｏ2センサのセンサ出力を読み込み、ステップＳ３０４へ進んで、センサ出力がリーン信号であるかどうかを判定し、リーン信号であれば、ステップＳ３０５で正常と判定する。また、リーン信号でなければ、ステップＳ３０６へ進み、ソーク時間（Tsoak）が所定時間Ａより長いかどうかを判定して、ソーク時間がＡより長いときは、エンジンが十分冷えてからの始動すなわち冷間始動であって、センサが活性化していないためリーン出力のはずであるにもかかわらず、リッチ信号ということで、ステップＳ３０７で故障と判定する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料遮断中に、触媒が燃料遮断前に吸蔵した炭化水素を放出し終わるのを待って故障診断を開始することにより、触媒下流側の酸素濃度センサの故障検出を正確かつ速やかに行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の一例に係るエンジンのシステム図である。
【図２】  故障診断のタイムチャートである。
【図３】  故障判定時間の補正値のグラフである。
【図４】  故障診断のフローチャートである。
【図５】  他の例の、故障診断のフローチャートである。
【図６】  さらに他の例の、故障診断のフローチャートである。
【符号の説明】
１  エンジン本体
１０  エアーフローセンサ
１３  燃料噴射弁
１９  触媒装置
２２  Ｏ2センサ（触媒下流側）
２３  ＥＣＵ（エンジン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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