JP2004204772A - 空燃比センサの診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの応答劣化診断の終了直後に排気性状が悪化することを回避する。
【解決手段】診断条件が成立すると、診断開始直前における空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを記憶してから診断を開始させる。診断においては、フィードバックゲインを大きくしておいて、目標空燃比を強制的に変化させ、空燃比センサの検出値が前記目標空燃比の変化に応答する変化を示すまでの時間をモニタする。そして、前記応答時間が所定時間以下であれば、応答性は正常であると判断し、前記記憶しておいた診断開始直前の補正係数LAMBDAにリセットし、かつ、ゲインを戻して、通常の空燃比フィードバック制御を再開させる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比センサの応答劣化を診断する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空燃比センサの応答劣化を診断する装置としては、特許文献１に開示されるものがあった。
【０００３】
このものは、空燃比フィードバック制御中に目標空燃比を変化させ、該目標空燃比の変化に対する空燃比センサの出力変化に基づいて、空燃比センサの応答劣化を診断する構成である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２６４３４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記診断時には、目標空燃比を強制的に変化させ、然も、フィードバックゲインを大きくしているため、診断終了時点において本来の目標空燃比から大きくずれた状態になっていることがある。
【０００６】
しかし、診断が終了すると、通常のフィードバックゲインに戻されるので、診断終了時点の目標とは大きく異なる空燃比から目標空燃比にまで収束させるのに時間を要し、この間で排気性状を悪化させることがあった。
【０００７】
ここで、診断終了直後もフィードバックゲインを高く維持すれば、本来の目標空燃比付近にまで速く戻すことができるが、空燃比変化速度が速まることでオーバーシュートが発生してしまうという問題が生じる。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、診断終了直後における排気性状の悪化を安定的に回避できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明では、空燃比フィードバック制御中に、ゲインを通常よりも大きくした状態で目標空燃比を変化させ、該目標空燃比の変化に対する空燃比センサの出力変化時間に基づいて応答劣化を診断すると共に、
前記診断開始直前の空燃比フィードバック制御信号を記憶し、診断終了時に、空燃比フィードバック制御信号を前記記憶値にリセットする構成とした。
【００１０】
係る構成によると、応答診断開始直前の空燃比フィードバック制御信号を記憶し、応答診断が終了すると、その時点の空燃比フィードバック制御信号を前記記憶してある診断開始直前の値にリセットし、診断開始直前の値を初期値として通常の空燃比フィードバック制御を再開させる。
【００１１】
診断開始直前の空燃比フィードバック制御信号は、目標空燃比相当になっているものと見なすことができ、診断終了後に空燃比フィードバック制御信号をこの値にリセットすれば、目標空燃比付近に直ちに戻すことが可能である。
【００１２】
請求項２記載の発明では、診断時に空燃比フィードバック制御のゲインを通常よりも大きくする構成とした。
係る構成によると、空燃比センサの診断中には、空燃比フィードバック制御の制御ゲインを応答性の高い診断用のものに変更することで、空燃比センサの製品バラツキや診断開始時の空燃比バラツキ等の影響による誤診断を抑制できる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、目標空燃比の変化から、空燃比センサが所定の空燃比変化を示すまでの時間に基づいて、空燃比センサの応答劣化を診断する構成とした。
【００１４】
係る構成によると、目標空燃比の変化に追従させる空燃比フィードバック制御によって、空燃比センサで検出される空燃比が所定の変化を示すまでの時間（例えば目標空燃比に収束又は目標空燃比を横切るまでの時間）を計測し、該時間の長短に基づいて空燃比センサの酸素濃度変化に対する応答性の劣化を診断する。
【００１５】
従って、空燃比センサの応答劣化を、実際の酸素濃度変化に対する応答時間として精度良く判定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。
実施形態の全体構成を示す図１において、内燃機関11の吸気通路12には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ13及びアクセルペダルと連動して吸入空気流量Ｑａを制御する吸気絞り弁14が設けられる。
【００１７】
前記吸気絞り弁14下流のマニホールド部分には、気筒毎に電磁式の燃料噴射弁15が設けられる。
前記燃料噴射弁15は、後述するようにしてコントロールユニット50において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、所定圧力に制御された燃料を噴射する。
【００１８】
更に、機関11の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ16が設けられる。
一方、排気通路17のマニホールド集合部近傍に、排気中の酸素濃度に基づいて吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ18が設けられる。
【００１９】
前記空燃比センサ18の下流側には、理論空燃比近傍において排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を良好に行って排気を浄化する三元触媒19が介装されている。
【００２０】
ここで、前記空燃比センサ18の構造及び空燃比検出原理について説明する。
図４に前記空燃比センサ18の構造を示す。
前記空燃比センサ18の本体１は、例えば酸素イオン伝導性を有するジルコニアＺｒ₂Ｏ₃等の耐熱性多孔質絶縁材料等で形成され、該本体１には、ヒータ部２が設けられる。
【００２１】
また、前記本体１には、大気（標準ガス）と連通する大気導入孔３、及び、ガス導入孔４及び保護層５を介して機関排気側と連通するガス拡散層６が設けられている。
【００２２】
センシング部電極７Ａ，７Ｂは、大気導入孔３とガス拡散層６とに臨んで設けられると共に、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂは、ガス拡散層６とこれに対応する本体１の周囲とに設けられる。
【００２３】
前記センシング部電極７Ａ，７Ｂの間には、ガス拡散層６内の酸素イオン濃度（酸素分圧）と大気中の酸素イオン濃度との比に応じた電圧が発生し、該電圧に基づいてガス拡散層６内の空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンが検出される。
【００２４】
一方、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂには、センシング部電極７Ａ，７Ｂの間に発生する電圧、つまり、ガス拡散層６内のリッチ・リーンに応じて電圧が印加されるようになっている。
【００２５】
前記酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂにおいては、所定の電圧が印加されると、これに応じてガス拡散層６内の酸素イオンが移動され、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間に電流が流れる。
【００２６】
ここで、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間に、所定電圧を印加したときに該電極間を流れる電流値（限界電流）Ｉｐは、排気中の酸素イオン濃度に影響されるので、電流値（限界電流）Ｉｐを検出することで空燃比を検出できることになる。
【００２７】
即ち、図５のテーブル（Ａ）に示すように、酸素ポンプ電極間の電流・電圧と、空燃比との相関関係が得られ、センシング部電極７Ａ，７Ｂのリッチ・リーン出力に基づいて酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂに対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間を流れる電流値（限界電流）Ｉｐに基づき、空燃比を検出できる。
【００２８】
以上のような空燃比検出原理により、酸素ポンプ電極部間の電流値Ｉｐを検出して、例えば図５のテーブル（Ｂ）を参照すれば、空燃比を広範囲に検出することができる。
【００２９】
ここで、前記図１の説明に戻る。
前記機関11には、クランク軸の角度を検出するクランク角センサ20が設けられており、コントロールユニット50では、該クランク角センサ20から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計測して機関回転速度Ｎｅを検出する。
【００３０】
前記コントロールユニット50は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等から構成されるマイクロコンピュータを含んでなり、前述の空燃比センサ18、エアフローメータ13、水温センサ16、クランク角センサ20等からの入力信号を受け、以下のようにして燃料噴射弁15の燃料噴射量を制御する。
【００３１】
前記コントロールユニット50は、エアフローメータ13で検出される吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ20の信号から求められる機関回転速度Ｎｅとから基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ＝ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（ｋは定数）を演算すると共に、低水温時に強制的にリッチ側に補正する水温補正係数Ｋｗ、始動及び始動後増量補正係数Ｋas、空燃比フィードバック補正係数（空燃比フィードバック制御信号）LAMBDA、電圧補正分Ｔｓ、目標空燃比に対応する目標当量比Ｚ等により、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉ＝Ｔｐ×（１＋Ｋｗ＋Ｋas＋・・・）×LAMBDA×Ｚ＋Ｔｓを演算する。
【００３２】
そして、この燃料噴射パルス幅Ｔｉが駆動パルス信号として前記燃料噴射弁15に送られて、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉから電圧補正分Ｔｓを除いた有効噴射パルス幅Ｔｅに比例する量の燃料が噴射される。
【００３３】
上記空燃比フィードバック補正係数LAMBDAは、空燃比センサ18が検出する実際の空燃比の目標空燃比からのズレを補正するための係数であり、これによって基本燃料パルス幅Ｔｐを補正することで、実際の空燃比を目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致させる。
【００３４】
前記空燃比フィードバック補正係数LAMBDAは、空燃比センサ18で検出される実際の空燃比と目標空燃比との偏差に基づく比例・積分・微分制御によって設定される。
【００３５】
上記コントロールユニット５０における空燃比フィードバック補正係数LAMBDAによる燃料補正機能が、空燃比フィードバック制御装置に相当する。
尚、空燃比センサ18を用いた空燃比フィードバック制御にあっては、理論空燃比に対してリッチかリーンかしか検出できない酸素センサを用いた空燃比フィードバック制御に比べ、空燃比の変動が小さく、触媒表面上での酸素分子の吸着・離脱が効果的に行われず、触媒において３成分（ＮＯx ，ＣＯ，ＨＣ）を同時に浄化する効率が低下してしまう惧れがある。
【００３６】
そこで、空燃比センサ18を用いた空燃比フィードバック制御において、要求空燃比を中心に目標空燃比を微振動させて、触媒における３成分の浄化効率を最大限高めるようにしても良い。
【００３７】
また、前記コントロールユニット50は、前記空燃比センサ18の応答劣化を診断する機能を有しており、以下、診断制御の概略を説明する。
本実施形態における空燃比センサの診断では、空燃比フィードバック制御が行われているときに、目標空燃比を強制的に変化させ、該目標空燃比の変化に対する空燃比センサ18の検出値の応答に基づいて、空燃比センサ18の応答性の低下を診断する。
【００３８】
具体的には、例えば、目標空燃比を変化させてから空燃比センサ18の検出値が目標空燃比に収束するまでの所要時間、或いは、目標空燃比を変化させてから空燃比センサ18の検出値が目標空燃比（若しくは予め定めた所定値でも良い）を横切るまでの所要時間等によって、空燃比センサ18の応答性の低下を診断する。
【００３９】
また、目標空燃比を変化させてからの空燃比センサ18の検出値の変化の傾きを観察して、空燃比センサ18の異常を診断することも可能である。
尚、空燃比センサ18の診断中は、空燃比センサ18の出力が切換え後の目標空燃比に収束するまでの時間バラツキ（応答バラツキ）を極力無くして診断精度を向上させるために、前記フィードバックゲインを、通常の空燃比フィードバック制御時よりも大きくするようになっている。
【００４０】
以下、本実施形態のコントロールユニット50が行う空燃比センサ18の診断制御を、図２に示すフローチャートに従って詳細に説明する。
ステップＳ１では、機関の冷却水温Ｔｗ，機関回転速度Ｎｅ，空燃比センサ18の出力ＶＡＦ，吸入空気流量Ｑａ等を読み込む。
【００４１】
ステップＳ２では、診断許可条件が成立しているか否かを判断する。
診断条件として、例えば以下の４条件を判断する
（１）機関始動後、所定時間以上経過している
（２）空燃比センサ18が活性化している
（３）空燃比フィードバック制御中である
（４）触媒19が活性化している
上記（１）〜（４）の条件が成立すると、ステップ３へ進み、そのときの空燃比フィードバック補正係数LAMBDA、即ち、診断開始直前における空燃比フィードバック制御信号を記憶する。
【００４２】
ステップＳ４では、診断中に用いるフィードバックゲイン（比例ゲイン，積分ゲイン，微分ゲイン）を、通常よりも大きな値に切換える。
尚、比例ゲイン，積分ゲイン，微分ゲインの全てを大きくする必要はなく、前記３つのゲインのうちの少なくとも１つを大きくする構成としても良い。
【００４３】
ステップＳ５では、目標空燃比を周期的にステップ変化させる。
ステップＳ６では、目標空燃比のリッチ→リーン反転時における空燃比センサ18の出力値の応答をモニタし、また、目標空燃比のリーン→リッチ反転時における空燃比センサ18の出力値の応答をモニタする（図３参照）。
【００４４】
前記応答モニタは、前述のように、目標空燃比をステップ変化させてから空燃比センサ18の検出値が切換え後の目標空燃比に収束するまでの所要時間、或いは、目標空燃比をステップ変化させてから空燃比センサ18の検出値が目標空燃比（若しくは予め定めた所定値でも良い）を横切るまでの所要時間を計測して行われる。
【００４５】
ステップＳ７では、前記応答モニタが完了したか否かを判別し、完了するとステップＳ８へ進む。
ステップＳ８では、応答時間の判定を行う。
【００４６】
例えば、目標空燃比がリーン→リッチ反転した時点から空燃比センサ18の検出値（出力値）が目標空燃比（リッチ側目標値）を横切るまでの時間（図３参照）、或いはリッチ→リーン反転した時点から空燃比センサ18の検出値（出力値）が目標空燃比（リーン側目標値）を横切るまでの時間が、所定時間以下であるか否かを判定する。
【００４７】
そして、応答時間が所定時間を超える場合には、ステップ９へ進み、空燃比センサ18の応答劣化を判定する。
ステップＳ９で、応答劣化を判定すると、次のステップＳ１０では、警告灯の点灯などにより、運転者に空燃比センサ18に異常がある旨を認知させ、修理等の処置を促すようにすると共に、空燃比センサ18の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を禁止する。
【００４８】
一方、応答時間が所定時間以下である場合には、ステップ１１へ進み、空燃比センサ18の応答正常を判定する。
ステップＳ１１で、応答正常を判定すると、次のステップＳ１２では、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを前記ステップＳ３で記憶した診断開始直前の値にリセットし、次のステップＳ１３では、空燃比フィードバックゲイン及び目標空燃比を通常値に戻して、通常の空燃比フィードバック制御を再開させる。
【００４９】
上記のように、診断終了時点において、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを診断開始直前の値にリセットすれば、診断終了直後から略目標空燃比付近に制御することができ、オーバーシュートを発生させることなく、速やかに目標空燃比に収束させて、排気性状の悪化等を回避することができる。
【００５０】
例えば、診断終了時点での空燃比フィードバック補正係数LAMBDAがピーク値付近で、そのまま通常制御に復帰させると、本来の目標空燃比相当値にまで徐々に変化する間で排気性状が悪化するが、診断開始直前の値は、略目標空燃比相当値になっているものと推定されるから、係る値にまでステップ変化させれば、目標空燃比付近に速やかに収束させることができ、排気性状の悪化を回避できるものである。
【００５１】
ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の空燃比センサの診断装置において、前記診断を、機関始動後所定時間以上経過していて、かつ、空燃比センサが活性化していて、かつ、排気浄化触媒が活性化していることを条件に実行することを特徴とする空燃比センサの診断装置。
【００５２】
係る構成によると、機関始動後所定時間以上経過していることを条件とすることで、始動後増量の影響や壁流形成の影響による誤診断を回避でき、また、センサ活性を条件とすることで、非活性による応答悪化を、応答劣化と誤診断することが回避され、排気浄化触媒が活性化していることを条件とすることで、診断のための空燃比の変化による排気性状の悪化を抑止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の全体構成図。
【図２】同上実施形態における空燃比センサの診断制御を説明するフローチャート。
【図３】同上実施形態における目標空燃比の切り換えと、該切り換えに伴う空燃比センサの検出値の変化の様子を示すタイムチャート。
【図４】空燃比センサの構造図。
【図５】広域空燃比センサの空燃比検出原理を説明するための図。
【符号の説明】
１…本体、２…ヒータ部、３…大気導入孔、４…検出対象ガス導入孔、５…保護層、６…ガス拡散層、７Ａ，７Ｂ…センシング部電極、８Ａ，８Ｂ…酸素ポンプ電極、11…内燃機関、13…エアフローメータ、17…排気通路、18…空燃比センサ、19…排気浄化触媒（三元触媒）、20…クランク角センサ、50…コントロールユニット

Claims (3)

1. 空燃比の検出値と目標空燃比とに基づいて空燃比フィードバック制御信号を出力する空燃比フィードバック制御装置に対し、排気中の酸素濃度に感応して空燃比検出信号を出力する空燃比センサの診断装置であって、
   前記空燃比フィードバック制御中に目標空燃比を変化させ、該目標空燃比の変化に対する前記空燃比センサの出力変化に基づいて、前記空燃比センサの応答劣化を診断すると共に、
   前記診断開始直前の空燃比フィードバック制御信号を記憶し、前記診断終了時に、前記空燃比フィードバック制御信号を前記記憶値にリセットすることを特徴とする空燃比センサの診断装置。
2. 前記診断時に前記空燃比フィードバック制御のゲインを通常よりも大きくすることを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの診断装置。
3. 前記目標空燃比の変化から、前記空燃比センサが所定の空燃比変化を示すまでの時間に基づいて、前記空燃比センサの応答劣化を診断することを特徴とする請求項１又は２記載の空燃比センサの診断装置。

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