(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に設けられた酸素センサからの検出信号に基づいて燃焼混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
該空燃比フィードバック制御手段において目標空燃比よりもリーンであるときに用いる制御定数とリッチであるときに用いる制御定数とを個別に変更することで前記空燃比フィードバック制御における空燃比制御点を修正する制御定数変更手段と、
を備えた内燃機関における酸素センサの劣化診断装置であって、
前記空燃比フィードバック制御手段によるフィードバック制御中に、前記酸素センサからの検出信号の周期を検出する周期検出手段と、
該周期検出手段で検出された周期が判定値よりも所定値以上に大きいときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定する劣化診断手段と、
前記制御定数変更手段により制御定数が大きく変更されるほど前記判定値をより大きな値に設定する判定値補正手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項２】
前記劣化診断手段が、前記周期が前記判定値よりも所定値以上に大きいときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定すると共に、前記周期が前記判定値よりも所定値以上に小さいときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項３】
前記判定値補正手段に代えて、前記制御定数変更手段により変更される制御定数の基本値からのずれが所定値以上であるときに、前記劣化診断手段における判定を停止させる判定停止手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項４】
前記酸素センサが排気通路に介装された触媒の上流側に設けられる一方、前記触媒の下流側に第２の酸素センサを備え、前記制御定数変更手段が、前記第２の酸素センサからの検出信号に基づいて前記制御定数を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項５】
前記空燃比フィードバック制御手段が、比例・積分制御によって燃焼混合気の空燃比をフィードバック制御する構成であり、前記制御定数変更手段が、前記比例・積分制御における比例定数を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項６】
前記周期検出手段で検出された周期を、少なくとも機関回転速度に応じて補正設定する周期補正手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項７】
前記酸素センサの活性状態を判定する活性判定手段を備え、
前記劣化診断手段が、前記活性判定手段により前記酸素センサの活性状態が判定されているときにのみ、前記周期に基づく劣化診断を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【請求項８】
前記周期測定手段が、計測された周期の平均値を演算し、前記劣化診断手段が前記周期の平均値に基づいて劣化診断を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関における酸素センサの劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関における酸素センサの劣化診断装置に関し、詳しくは、空燃比のフィードバック制御中における酸素センサの検出信号の周期に基づいて、酸素センサの応答劣化を診断する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、酸素センサを用いた空燃比フィードバック制御において、酸素センサの検出信号の周期に基づき、酸素センサの応答劣化を診断する方法が知られている（特開昭６１−１９２８３２号公報等参照）。
また、触媒の上流側と下流側とにそれぞれ酸素センサを設け、上流側の酸素センサからの検出信号に基づき空燃比フィードバック制御を行わせる一方、下流側の酸素センサからの検出信号に基づいて前記空燃比フィードバック制御における制御定数（例えば比例定数）を変更する空燃比制御装置が提案されている（特開昭６２−１４７０３４号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように触媒の下流側に設けられる酸素センサの検出信号に基づき比例定数などの制御定数を変更する構成の場合、上流側の酸素センサの検出信号の周期が、前記制御定数の変更に影響されて変化し、上流側の酸素センサの周期に基づく劣化診断の精度が低下してしまう惧れがあった。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、空燃比フィードバック制御に用いる制御定数が変更されても、周期に基づく劣化診断の信頼性が低下することを回避できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明は、図１に示すように構成される。
図１において、空燃比フィードバック制御手段は、排気通路に設けられた酸素センサからの検出信号に基づいて燃焼混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する。
【０００６】
また、制御定数変更手段は、空燃比フィードバック制御手段において目標空燃比よりもリーンであるときに用いる制御定数とリッチであるときに用いる制御定数とを個別に変更することで前記空燃比フィードバック制御における空燃比制御点を修正する。
一方、周期検出手段は、前記空燃比フィードバック制御手段によるフィードバック制御中に、前記酸素センサからの検出信号の周期を検出する。
そして、劣化診断手段は、周期検出手段で検出された周期が判定値よりも所定値以上に大きいときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定する。
【０００７】
ここで、判定値補正手段は、制御定数変更手段により制御定数が大きく変更されるほど前記判定値をより大きな値に設定する。
上記構成において、酸素センサの検出信号の周期が応答劣化によって増大変化していることを、初期状態の酸素センサで得られる周期に基づいて設定される判定値と、実際に検出された周期とを比較することで判別するが、空燃比制御点を修正すべく制御定数が大きく変更されるほど周期が大きくなる傾向を示すので、制御定数が大きく変更されるほど前記判定値をより大きな値に設定する。
【０００８】
請求項２記載の発明では、前記劣化診断手段が、前記周期が前記判定値よりも所定値以上に大きいときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定すると共に、前記周期が前記判定値よりも所定値以上に小さいときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定する構成とした。
即ち、周期が判定値を含む許容範囲外であるときに、前記酸素センサにおける劣化の発生を判定する。
請求項３記載の発明では、前記判定値補正手段に代えて、前記制御定数変更手段により変更される制御定数の基本値からのずれが所定値以上であるときに、前記劣化診断手段における判定を停止させる判定停止手段（図１中点線示）を設ける構成とした。
【０００９】
かかる構成によると、制御定数を所定以上に大きく変更したときには、これに影響されて周期も大きく変化することになって、劣化による周期の変化と区別することができなくなるので、制御定数の変更が小さいときにのみ診断を行わせ、制御定数の変更が所定値以上に大きなときには、診断を停止させる。
尚、制御定数の基本値からのずれが所定値未満であるときに、変更される制御定数に応じて判定値を補正させて、診断を行わせることが好ましい。
【００１０】
請求項４記載の発明では、前記酸素センサが排気通路に介装された触媒の上流側に設けられる一方、前記触媒の下流側に第２の酸素センサを備え、前記制御定数変更手段が、前記第２の酸素センサからの検出信号に基づいて前記制御定数を変更する構成とした。
前記触媒下流側に設けられる第２の酸素センサは、触媒上流側に設けられる酸素センサ（第１の酸素センサ）の出力特性のばらつきを補償するために設けられるものであり、第２の酸素センサで検出される空燃比が目標空燃比になるように制御定数を変更することで空燃比制御点の修正を図る。
【００１１】
請求項５記載の発明では、前記空燃比フィードバック制御手段が、比例・積分制御によって燃焼混合気の空燃比をフィードバック制御する構成であり、前記制御定数変更手段が、前記比例・積分制御における比例定数を変更する構成とした。
前記第２の酸素センサの検出信号に基づいて比例定数を変更する場合には、リッチ化方向の比例定数を減少させた分だけリーン化方向の比例定数を増大させることで制御点をリーン側に修正し、逆に、リーン化方向の比例定数を減少させた分だけリッチ化方向の比例定数を増大させることで制御点をリッチ側が修正することが行われるが、このようにして前記比例定数のバランスを変更することで周期が変化する。
【００１２】
請求項６記載の発明では、前記周期検出手段で検出された周期を、少なくとも機関回転速度に応じて補正設定する周期補正手段を設ける構成とした。
空燃比フィードバック制御の周期は、排気流速に強く影響されるため、排気流速に相関が強い機関回転速度に応じて周期を補正設定することで、機関回転速度の変化による周期の変動を除外して、応答劣化による周期の増大を診断し得る。ここで、機関回転速度と共に機関負荷に応じて周期を補正設定する構成としても良いが、機関負荷により酸素センサの温度が変化して周期が変化する程度であり、機関回転速度の方が周期に与える影響が大きく、補正による効果が大きい。
【００１３】
請求項７記載の発明では、前記酸素センサの活性状態を判定する活性判定手段を備え、前記劣化診断手段が、前記活性判定手段により前記酸素センサの活性状態が判定されているときにのみ、前記周期に基づく劣化診断を行う構成とした。
酸素センサの非活性状態では応答性が低下し、劣化による応答性の低下と区別ができなくなってしまうので、活性化してから診断を行わせる構成とした。
【００１４】
請求項８記載の発明では、前記周期測定手段が、計測された周期の平均値を演算し、劣化診断手段が前記周期の平均値に基づいて劣化診断を行う構成とした。
かかる構成によると、瞬間的な周期の変化ではなく、継続的な周期のシフトに基づいて、劣化診断を行わせることになる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１，２記載の発明によると、空燃比フィードバック制御における制御定数の変更に伴う周期の変化があっても、劣化による周期の変化と区別して、酸素センサの応答劣化を精度良く診断できるという効果がある。
請求項３記載の発明によると、空燃比フィードバック制御における制御定数の変更に伴う周期の変化に基づいて酸素センサの応答劣化が誤診断されることを未然に防止できるという効果がある。
【００１６】
請求項４記載の発明によると、触媒下流側に設けた酸素センサによって上流側酸素センサの出力特性のばらつき等を補償して、高精度な空燃比制御を実現しつつ、上流側酸素センサの応答劣化を精度良く診断できるという効果がある。
請求項５記載の発明によると、比例・積分制御によって空燃比フィードバック制御が行われる構成において、比例定数の変更による制御周期の変化があっても、酸素センサの応答劣化が誤診断されることを防止できるという効果がある。
【００１７】
請求項６記載の発明によると、機関回転速度の変化による周期の変動を除外して、劣化による周期の変化を精度良く判定させることができるという効果がある。
請求項７記載の発明によると、酸素センサの非活性による長い周期を、酸素センサの応答劣化に因るものとして誤診断することを回避できるという効果がある。
【００１８】
請求項８記載の発明によると、周期の瞬間的な増大を、酸素センサの応答劣化に因るものとして誤診断することを回避できるという効果がある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図２は、実施例における内燃機関のシステム構成を示す図である。
図において、内燃機関１には、スロットル弁２によって計量される空気が、吸気マニホールド３を介して吸引され、燃焼排気は、排気マニホールド４及び触媒５を介して大気中に排出される。
【００２０】
機関への燃料噴射量を制御するマイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット６には、各種のセンサからの検出信号が入力される。
前記各種のセンサとしては、スロットル弁２の上流側で機関の吸入空気量を検出するエアフローメータ７、機関のカム軸やクランク軸から機関回転信号を取り出す回転センサ８、機関の冷却水温度を検出する水温センサ９，機関の吸気温度を検出する吸気温センサ10、機関１と組み合わされる変速機11の出力軸から車速信号を取り出す車速センサ12、排気マニホールド４の集合部で排気中の酸素濃度を検出する第１の酸素センサ13、触媒５の下流側で排気中の酸素濃度を検出する第２の酸素センサ14などが設けられる。
【００２１】
コントロールユニット６は、前記エアフローメータ７で検出される吸入空気量Ｑａ及び回転センサ８からの検出信号に基づき算出される機関回転速度Ｎｅに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを演算する。また、前記第１，第２の酸素センサ13，14からの検出信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを設定し、また、水温などに応じて各種補正係数ＣＯを演算し、更に、バッテリ電圧に応じて電圧補正分Ｔｓを設定する。ここで、前記基本燃料噴射量Ｔｐを、前記空燃比フィードバック補正係数α，各種補正係数ＣＯ，電圧補正分Ｔｓで補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉを算出する（Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯ＋Ｔｓ）。
【００２２】
そして、図示しない燃料噴射弁に対して、前記燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の駆動信号を回転に同期した噴射タイミングにおいて出力することで、燃料噴射弁から前記燃料噴射量Ｔｉの燃料を噴射させる。
前記空燃比フィードバック補正係数αは、以下のようにして設定される。
まず、第１の酸素センサ13の検出信号（出力電圧）と、目標空燃比相当のスライスレベルとを比較することで、燃焼混合気の空燃比が目標空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを判別する。
【００２３】
空燃比がリッチであるときには、空燃比がリーンに反転するまで、補正係数α（初期値＝1.0 ）を所定の積分定数ＩＲによって徐々に減少変化させ、空燃比がリーンに反転すると、所定の比例定数ＰＬだけ補正係数αを増大させる。そして、空燃比が再度のリッチに反転するまで、補正係数αを所定の積分定数ＩＬによって徐々に増大変化させ、空燃比がリッチに反転すると、所定の比例定数ＰＲだけ補正係数αを減少させた後、前記積分定数ＩＲによる積分制御を行わせ、以下、これを繰り返すことで、実際の空燃比を目標空燃比付近に比例・積分制御する（空燃比フィードバック制御手段）。
【００２４】
一方、前記第２の酸素センサ14の検出信号と、目標空燃比相当のスライスレベルとを比較することで、燃焼混合気の空燃比が目標空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを判別し、前記比例定数ＰＬ，ＰＲ（制御定数）を補正するためのＰ分補正値ＰHOS （初期値＝０）を、前記同様に比例・積分制御する。
ここで、前記Ｐ分補正値ＰHOS により、比例定数ＰＬ，ＰＲ（制御定数）の基本値ＰＬB ，ＰＲB を下式のようにして補正して、補正係数αの比例制御に用いる比例定数ＰＬ，ＰＲを設定する（制御定数変更手段）。
【００２５】
ＰＬ←ＰＬB ＋ＰHOS
ＰＲ←ＰＲB −ＰHOS
即ち、第２の酸素センサ14で検出される空燃比がリーンであるときには、Ｐ分補正値ＰHOS が増大設定されることで、比例定数ＰＬが増大されるのに対して、比例定数ＰＲが減少され、空燃比制御点がリッチ方向に修正される。同様に、第２の酸素センサ14で検出される空燃比がリッチであるときには、Ｐ分補正値ＰHOS が減少設定されることで、比例定数ＰＬが減少されるのに対して、比例定数ＰＲが増大され、空燃比制御点がリーン方向に修正され、結果的に、第２の酸素センサ14で検出される空燃比が目標空燃比に近づく方向に、第１の酸素センサ13による空燃比制御点が修正される。
【００２６】
一方、コントロールユニット６は、図３のフローチャートに示すようにして、前記第１の酸素センサ13における応答劣化の有無を診断する。
まず、Ｓ１では、酸素センサ13が活性状態であるか否かを判別する（活性判定手段）。
活性判定は、機関負荷，水温，車速，外気温などの運転条件に基づいて酸素センサ13の素子温が活性温度に達しているか否かを推定させることによって行える。また、触媒の温度を検出するセンサを備える場合には、該温度センサの検出結果から酸素センサ13の素子温を推定する構成としても良いし、また、運転条件から推定される触媒温度に基づいて酸素センサ13の素子温を推定する構成としても良い。
【００２７】
酸素センサ13が活性状態であると判定されると、Ｓ２へ進み、運転条件が予め設定された診断領域内であるか否かを判別する。
診断領域は、機関負荷を代表する基本燃料噴射量Ｔｐが所定範囲内、機関回転速度Ｎｅが所定範囲内、車速が所定範囲内である領域として予め設定される。尚、診断領域は、空燃比のフィードバック制御領域に含まれており、診断領域に該当しているか否かの判別は、第１，第２酸素センサ13，14からの検出信号に基づく空燃比フィードバック制御が行われているか否かを判別することにもなる。
【００２８】
診断領域に該当しているとき（空燃比フィードバック制御中）には、Ｓ３（周期検出手段）へ進み、酸素センサ13からの検出信号の周期Ｔを計測する（図４参照）。
Ｓ４では、酸素センサ13の出力電圧の変化幅が所定値以上であるか否かを判別し、前記変化幅が所定値未満であるときには、周期Ｔが正しく計測できていないものと判断し、Ｓ１の活性判定に戻って周期の計測を再度行わせる。
【００２９】
一方、前記変化幅が所定値以上であったときには、Ｓ５へ進み、計測された周期Ｔを、機関負荷を代表する基本燃料噴射量Ｔｐと機関回転速度Ｎｅとに基づいて補正して、機関負荷及び機関回転速度による周期Ｔの変動分を除く標準化を行う（周期補正手段）。
周期Ｔ（周波数）は、排気流速に強く影響され、排気流速は、機関回転速度Ｎｅとの相関が強いので、排気流速が速くなって周期が短くなる傾向となる高回転側では、周期Ｔを増大修正し、逆に低回転側では周期Ｔを減少補正し、一定回転速度条件で計測される周期Ｔに揃えるようにする。また、機関負荷による周期Ｔの変動は比較的小さいが、高負荷になって酸素センサ13の温度が高くなると、応答が速くなって周波数が早くなる（周期が短くなる）ので、高負荷時に周期Ｔを増大補正し、低負荷時に周期Ｔを減少補正し、一定負荷条件で計測される周期Ｔに揃えるようにする。
【００３０】
尚、上記のように周波数に与える影響は、機関回転速度の方が大きいので、機関回転速度のみに基づいて周期Ｔを補正する構成としても良い。
次のＳ６では、計測された周期Ｔの数をカウントすると共に、周期Ｔを逐次積算する。
そして、Ｓ７では、周期Ｔの計測数が所定値以上になっているか否かを判別し、所定数に達するまでは、Ｓ１に戻って周期Ｔの計測を再度行わせるようにする。
【００３１】
Ｓ７で周期Ｔの計測数が所定値以上になったことが判別されると、Ｓ８へ進み、周期Ｔの積算値を計測数で除算することで、周期Ｔの平均値を求め、周期Ｔの瞬間的な変化に基づいて酸素センサ13の応答劣化が誤診断されることを回避する。尚、周期Ｔを周波数に変換し、周波数の平均値を求める構成としても良い。
Ｓ９では、第２の酸素センサ14に基づき設定されるＰ分補正値ＰHOS の絶対値が、所定値以上であるか否かを判別する。
【００３２】
Ｐ分補正値ＰHOS の絶対値が所定値以上であるときには、比例定数ＰＬ，ＰＲが大きく補正されることによる周波数の変化が大きく、酸素センサ13の応答劣化に因る周波数の変化と区別することが困難になるため、最終的な診断結果を出すことなく本ルーチンを終了させて、診断を停止させる（判定停止手段）。
一方、Ｐ分補正値ＰHOS の絶対値が所定値未満であるときには、Ｓ10へ進み、前記周期Ｔの平均値と比較させる判定値を、Ｐ分補正値ＰHOS に応じて補正設定する（判定値補正手段）。
【００３３】
例えば、図５に示すように、比例定数ＰＬ，ＰＲの基本値ＰＬB ，ＰＲB が、ＰＬB ＝５％，ＰＲB ＝５％であったときに、Ｐ分補正値ＰHOS によってＰＬB ＝１％，ＰＲB ＝９％或いはＰＬB ＝９％，ＰＲB ＝１％のように大きく補正されて比例定数ＰＬ，ＰＲのバランスが大きく変化するほど、周期Ｔが大きくなる（周波数が低下する）傾向を示すときには、Ｐ分補正値ＰHOS の絶対値が大きいときほど、判定値（周期のＯＫ範囲）を増大シフトさせる。
【００３４】
尚、Ｐ分補正値ＰHOS の絶対値が所定値以上の場合であっても、Ｐ分補正値ＰHOS の絶対値に基づく判定値の補正設定によって、診断精度を確保できるときには、前記Ｓ９のステップを省略しても良い。
Ｓ11では、周期Ｔの平均値と、前記Ｓ10で補正設定された判定値（周期の許容範囲）とを比較する。そして、周期Ｔの平均値が、判定値に対して所定以上に大きい場合或いは所定以上に小さい場合（許容範囲外であるとき）には、Ｓ12へ進み、酸素センサ13の応答劣化の発生を判定する（劣化診断手段）。
【００３５】
ここで、酸素センサ13に応答劣化（故障）が発生していることを、ランプ15等で警告することが好ましい。
一方、Ｓ11で、周期Ｔの平均値と判定値とが近似している場合（周期Ｔの平均値が許容範囲内であるとき）には、Ｓ13へ進んで、酸素センサ13の正常判定を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１〜３記載の劣化診断装置の基本構成ブロック図。
【図２】実施例における内燃機関のシステム構成図。
【図３】実施例における劣化診断を示すフローチャート。
【図４】実施例における周期Ｔ計測の様子を示すタイムチャート。
【図５】実施例における周期ＴのＯＫ，ＮＧ判定領域と比例定数との相関を示す図。
【符号の説明】
１    内燃機関
２    スロットル弁
３    吸気マニホールド
４    排気マニホールド
５    触媒
６    コントロールユニット
７    エアフローメータ
８    回転センサ
９    水温センサ
10    吸気温センサ
11    変速機
12    車速センサ
13    第１の酸素センサ
14    第２の酸素センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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