JP2004308574A - 排気ガスセンサの異常検出装置 - Google Patents
排気ガスセンサの異常検出装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】本発明は、触媒下流の排気ガスセンサの異常を検出する装置に関し、排気ガスセンサの応答遅れを精度良く迅速に検出することを目的とする。
【解決手段】内燃機関の排気通路に触媒を配置し、その下流に下流酸素センサを配置する。アクティブ空燃比制御の実行下で酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値をＯＳＣ１として記憶すると共に、ＯＳＣ１の算出時における吸入空気量ＧａをＧａ１として記憶する（ステップ１００）。再び酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値をＯＳＣ２として記憶すると共に、ＯＳＣ２の算出時における吸入空気量ＧａをＧａ２として記憶する（ステップ１０２）。ＧａにたいするＯＳＣの傾き（変化率）Ｋａを算出し（ステップ１０６）、その変化率Ｋａが判定値Ｋｂ以上である場合は初動遅れの発生を判定する（ステップ１０８〜１１２）。
【選択図】 図５
【解決手段】内燃機関の排気通路に触媒を配置し、その下流に下流酸素センサを配置する。アクティブ空燃比制御の実行下で酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値をＯＳＣ１として記憶すると共に、ＯＳＣ１の算出時における吸入空気量ＧａをＧａ１として記憶する（ステップ１００）。再び酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値をＯＳＣ２として記憶すると共に、ＯＳＣ２の算出時における吸入空気量ＧａをＧａ２として記憶する（ステップ１０２）。ＧａにたいするＯＳＣの傾き（変化率）Ｋａを算出し（ステップ１０６）、その変化率Ｋａが判定値Ｋｂ以上である場合は初動遅れの発生を判定する（ステップ１０８〜１１２）。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスセンサの異常検出装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置される触媒の下流に位置する排気ガスセンサの異常を検出するうえで好適な異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平９−４４９６号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に配置された触媒の下流に酸素センサ（以下、「下流酸素センサ」と称す）を備える構成が知られている。下流酸素センサは、触媒から流出してくる排気ガスがリッチであるかリーンであるかに応じた出力を発する。上記従来の装置は、そのセンサ出力を利用することで、高精度な空燃比制御を実現することができる。
【０００３】
上記従来の装置において、所望の空燃比フィードバック制御を得るためには、下流酸素センサが排気ガスの空燃比変化に対して優れた応答性を示すことが必要である。このため、下流酸素センサの応答遅れは速やかに検出できることが望ましい。上記従来の装置は、このような要求に応えるべく、下流酸素センサの出力信号の微分値を演算し、その微分値に基づいて下流酸素センサが適正な応答性を示しているか否かを診断することとしている。このような診断手法によれば、下流酸素センサの応答性悪化に伴ってセンサ出力の変化傾向（反転時における立ち上がり或いは立ち下がりの傾き）が変化する場合には、その応答性の悪化を迅速に検知することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−４４９６号公報
【特許文献２】
特開平５−１２５９７８号公報
【特許文献３】
特開平５−５４４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、下流酸素センサの応答性の悪化は、センサ出力の立ち上がりの開始点、或いは立ち下がりの開始点が遅れるような態様で生ずることがある。つまり、下流酸素センサの応答性の悪化時には、センサ出力の立ち上がり或いは立ち下がりの傾きより、むしろ、センサ出力の反転開始時期に顕著な遅れが生ずることがある。
【０００６】
既述した通り、上記従来の装置は、センサ出力の微分値に基づいて下流酸素センサの異常を検知する。従って、センサ出力の反転開始時期に顕著な遅れが生じても、その立ち上がりの傾き、或いは立ち下がりの傾きに顕著な変化が表れない場合は、下流酸素センサの応答遅れを検知することができない。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、触媒の下流に配置される排気ガスセンサの応答遅れを、センサ出力の傾きの変化に頼ることなく検知することのできる排気ガスセンサの異常検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置される触媒の下流に位置する排気ガスセンサの異常を検出するための装置であって、
前記触媒上流における排気空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、
前記排気ガスセンサの出力がリッチ出力からリーン出力に変化するのを受けて前記触媒上流の排気空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変化させ、また、前記排気ガスセンサの出力がリーン出力からリッチ出力に変化するのを受けて前記触媒上流の排気空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に、前記排気ガスセンサの出力がリッチ出力またはリーン出力に維持される期間中、前記触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算することで、当該触媒の酸素吸蔵容量を算出する酸素吸蔵容量算出手段と、
前記酸素吸蔵容量と、その酸素吸蔵容量が算出された際の吸入空気量との関係に基づいて、前記排気ガスセンサの異常を検出する異常検出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記異常検出手段は、
吸入空気量の異なる２つの領域でそれぞれ算出された酸素吸蔵容量と、前記２つの領域における吸入空気量とに基づいて、吸入空気量の変化に対する酸素吸蔵容量の変化率を求める変化率算出手段と、
前記変化率が判定値を超えている場合に前記排気ガスセンサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記異常検出手段は、
第１の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量と、第２の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量との差を求める容量差算出手段と、
前記酸素吸蔵容量の差が判定値を超えている場合に前記排気ガスセンサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を示す。図１に示す構成は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２の端部にはエアフィルタ１６が配置されている。エアフィルタ１６の下流には、吸気通路１２を流通する空気量、すなわち、吸入空気量Ｇａを検出するためのエアフロメータ１８が配置されている。
【００１３】
エアフロメータ１８の下流には、スロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２２と、スロットルバルブ２０が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２４とが配置されている。吸気通路１２には、更に、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が配置されている。
【００１４】
排気通路１４には、上流側触媒２８と下流側触媒３０とが直列に配置されている。これらの触媒は、内燃機関１０が始動された後、所定の活性温度に達することにより排気ガスの浄化機能を発揮することができる。上流触媒２８、および下流触媒３０は、それぞれ酸素吸蔵容量（ＯＳＣ：Ｏ２ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を有しており、その容量の範囲で酸素を吸蔵することができる。これらの触媒２８，３０は、排気ガス中にＨＣやＣＯなどの未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を放出することでそれらの未燃成分を酸化し、また、排気ガス中に酸素やＮＯｘなどが多く含まれている場合は、余剰酸素を吸蔵することで触媒内部の雰囲気を理論空燃比に保つことができる。上流触媒２８および下流触媒３０は、それぞれ上記の原理により排気ガスを浄化する。
【００１５】
上流側触媒２８の上流には、空燃比センサ３２が配置されている。空燃比センサ３２は、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサである。排気ガス中の酸素濃度は、排気空燃比と相関を有している。このため、空燃比センサ３２によれば、上流触媒２８に流入する排気ガス、つまり、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００１６】
上流触媒２８の下流、つまり、下流触媒３０の上流には、下流酸素センサ３４が配置されている。下流酸素センサ３４は、排気ガス中に酸素が存在するか否かに応じて出力を大きく変化させるセンサである。排気ガス中には、排気空燃比がリッチである場合には酸素は残留しない。一方、排気空燃比がリーンである場合は排気ガス中の酸素が残留する。このため、下流酸素センサ３４によれば、上流触媒２８から流出してくる排気ガスがリッチであるかリーンであるかを正確に検出することができる。
【００１７】
図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種のセンサからセンサ出力が供給されている。また、ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力に基づいて内燃機関１０に供給すべき燃料量を算出し、その燃料量が噴射されるように燃料噴射弁２６を制御することができる。
【００１８】
［酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出手法］
本実施形態の装置は、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出するため、および下流酸素センサ３４の初動遅れ（応答遅れ）を検出するため、アクティブ空燃比制御を実行する。
図２は、ＥＣＵ４０が実行するアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図２（Ａ）は、空燃比センサ３２により検出される空燃比、つまり、上流触媒２８に流入する排気ガスの空燃比（以下、「触媒前空燃比」と称す）の波形を示す。また、図２（Ｂ）は、下流酸素センサ３４により検出される空燃比、つまり、下流酸素センサ３４のセンサ出力波形を示す。更に、図２（Ｃ）は、アクティブ空燃比制御の実行中に算出される上流触媒２８の酸素吸蔵量ＯＳＡ（Ｏ２ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｍｏｕｎｔ）の変化を示す。
【００１９】
アクティブ空燃比制御の実行中は、先ず、触媒前空燃比が所定のリッチ空燃比またはリーン空燃比に維持される。図２（Ａ）は、時刻ｔ１以後、時刻ｔ２までの期間において、触媒前空燃比がリッチ空燃比に維持されている状態を示す。触媒前空燃比がリッチ空燃比に維持されると、上流触媒２８は、吸蔵酸素を放出して排気ガス中の未燃成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化を図る。上流触媒２８中に吸蔵酸素が残存している期間中は、その下流には理論空燃比に浄化された排気ガスが流出する。従って、その間、触媒後空燃比はほぼ理論空燃比に維持される。
【００２０】
触媒前空燃比がリッチに維持された結果、上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費されると、その後、上流触媒２８の下流には、未燃成分を含むリッチな排気ガスが流出し始める。上流触媒２８の下流にリッチな排気ガスが流出し始めると、下流酸素センサ３４のセンサ出力は、リーン出力からリッチ出力に変化する。図２（Ｂ）は、時刻ｔ２において、上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費され、その後、下流酸素センサ３４の出力がリーン出力からリッチ出力に反転した様子を示している。
【００２１】
ＥＣＵ４０は、下流酸素センサ３４の出力がリッチ出力に変化したと判断すると、その時点で、上流触媒２８の吸蔵酸素が使い果たされたと判断する。そして、ＥＣＵ４０は、その後、触媒前空燃比がリーンに反転するように、吸入空気量Ｇａに対する燃料噴射量の割合を変化させる。その結果、時刻ｔ２の後、図２（Ａ）に示すように、触媒前空燃比はリッチからリーンに反転する。
【００２２】
アクティブ空燃比制御の実行中は、以後、触媒前空燃比がリーンに維持される。触媒前空燃比がリーンに維持されている期間中、上流触媒２８は、酸素吸蔵能力一杯に酸素を吸蔵するまで、酸素を吸蔵し続ける。そして、上流触媒２８が排気ガス中の余剰酸素を吸蔵している間は、上流触媒２８の下流に浄化された排気ガスが排出され、その後上流触媒２８に酸素吸蔵能力一杯の酸素が吸蔵されると、その下流に酸素を含むリーンな排気ガスが流出し始める。
【００２３】
図２に示す時刻ｔ３は、上流触媒２８の下流にリーンな排気ガスが流出し始めた時刻を示す。この時刻ｔ３において、下流酸素センサ３４の出力はリッチ出力からリーン出力に反転する。アクティブ空燃比制御の実行中において、ＥＣＵ４０は、このような下流酸素センサ３４の出力反転を受けて、再び触媒前空燃比をリッチに反転させる。以後、アクティブ空燃比制御の実行が継続される限り、上述した処理、つまり、下流酸素センサ３４の出力反転を受けて触媒前空燃比を強制的に反転させる処理が繰り返し実行される。
【００２４】
アクティブ空燃比制御の実行中、下流酸素センサ３４のセンサ出力は、既述した通り、上流触媒２８内の酸素が全て消費された時点でリーン出力からリッチ出力に反転する。また、そのセンサ出力は、上流触媒２８が酸素吸蔵容量ＯＳＣ一杯に酸素を吸蔵した時点でリッチ出力からリーン出力に反転する。従って、下流酸素センサ３４のセンサ出力がリーン出力からリッチ出力に反転した後（この反転を受けて触媒前空燃比は以後リーン空燃比とされる）、そのセンサ出力がリッチ出力からリーン出力に反転するまでの間、上流触媒２８に流入した排気ガス中の酸素過剰量を積算すれば、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。同様に、下流酸素センサ３４のセンサ出力がリッチ出力からリーン出力に反転した後（この反転を受けて触媒前空燃比は以後リッチ空燃比とされる）、そのセンサ出力がリーン出力からリッチ出力に反転するまでの間、上流触媒２８に流入した排気ガス中の酸素不足量を積算すれば、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。
【００２５】
触媒前空燃比Ａ／Ｆがリーンである場合に、上流触媒２８に流入する排気ガス中の酸素過剰量ΔＯＳＡは、次式により求めることができる。
ΔＯＳＡ＝（Ａ／Ｆ−Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉ）×燃料噴射量×０．２２ ・・・（１）
但し、Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉは、理論空燃比であり、０．２２は空気中の酸素の比率である。
一方、触媒前空燃比Ａ／Ｆがリッチである場合に、上流触媒２８に流入する排気ガス中の酸素不足量ΔＯＳＡは、次式により求めることができる。
ΔＯＳＡ＝（Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉ−Ａ／Ｆ）×燃料噴射量×０．２２ ・・・（２）
【００２６】
従って、│Ａ／Ｆ−Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉ│＝ΔＡ／Ｆとすれば、触媒前空燃比Ａ／Ｆがリッチである場合、およびリーンである場合を区別することなく、上流触媒２８に流入する排気ガス中の酸素の過不足量ΔＯＳＡを次式の通り表すことができる。
ΔＯＳＡ＝ΔＡ／Ｆ×燃料噴射量×０．２２ ・・・（３）
【００２７】
ＥＣＵ４０は、下流酸素センサ３４の出力が反転する毎に、酸素吸蔵量ＯＳＡをクリアし、以後、次式に示すように酸素過不足量ΔＯＳＡの積算値を酸素吸蔵量ＯＳＡとして算出する。
図２（Ｃ）に示すＯＳＡの波形は、ＥＣＵ４０がこのようにして算出する酸素吸蔵量ＯＳＡの変化を示す。
【００２８】
下流酸素センサ３４の出力が反転するのは、上流触媒２８内の酸素が全て放出された時点、および上流触媒２８内に酸素が一杯に吸蔵された時点の何れかである。前者の場合は、その後、上流触媒２８に酸素が一杯に吸蔵されて下流酸素センサ３４の出力が再び反転するまで、酸素過剰量ΔＯＳＡを積算することで上流触媒３４の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。また、後者の場合も、その後、上流触媒３４内の酸素が全て放出されて下流酸素センサ３４の出力が再び反転するまで酸素不足量ΔＯＳＡを積算することで上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。つまり、何れの場合において、下流酸素センサ３４の出力が反転した時点では、その時点で算出されている酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして認識することができる。そこで、ＥＣＵ４０は、上記の手法で酸素吸蔵量ＯＳＡを算出しつつ、下流酸素センサ３４の出力が反転した際に、その時点における酸素吸蔵量ＯＳＡをクリアするに先だって、その値を上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして認識することとしている。
【００２９】
［下流酸素センサの初動遅れの影響］
次に、図３を参照して、上記の手法で算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと、下流酸素センサ３４の初動遅れ（応答遅れ）との関係を説明する。
図３（Ａ）は、アクティブ空燃比制御の実行中における下流酸素センサ３４のセンサ出力の波形を示す。この図において、一点鎖線で示す波形は、正常時における下流酸素センサ３４のセンサ出力であり、一方、実線で示す波形は、初動遅れの生じた下流酸素センサ３４のセンサ出力である。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すセンサ出力を受けて算出される酸素吸蔵量ＯＳＡの波形を示す。
【００３０】
既述した通り、ＥＣＵ４０は、下流酸素センサ３４の出力が反転する毎に、その時点で算出されている酸素吸蔵量ＯＳＡ＝ΣΔＯＳＡを上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして確定する。下流酸素センサ３４の真の酸素吸蔵容量ＯＳＣがＯＳＣａである場合、上流触媒２８の下流には、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵量ＯＳＡがＯＳＣａとなった時点で未浄化の排気ガスが流出し始める。下流酸素センサ３４が正常な初動特性を示す場合は、その流出が開始された後、即座にセンサ出力が反転するため、酸素吸蔵容量ＯＳＣはＯＳＣａとして確定される。
【００３１】
これに対して、例えばセンサカバーの目詰まりなどの影響で、下流酸素センサ３４に初動遅れの異常が生じている場合は、上流触媒２８の下流に未浄化の排気ガスが流出し始めた後、即座にはセンサ出力が反転しない。この場合、上流触媒２８の下流に未浄化の排気ガスが流出し始めた後、下流酸素センサ３４の出力が反転するまでの初動遅れ時間Δｔの間も酸素吸蔵量ＯＳＡの積算処理が継続される。その結果、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合は、センサ出力が反転した時点で、真の酸素吸蔵容量ＯＳＣａに比して大きなＯＳＣｂが、その時点における酸素吸蔵容量ＯＳＣとして確定される事態が生ずる。
【００３２】
ところで、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合に確定される酸素吸蔵容量ＯＳＣｂと、真の酸素吸蔵容量ＯＳＣａとの差は、センサ出力の初動遅れ期間をΔｔとすると、次式のように表すことができる。 但し、次式においてΔＯＳＣは、単位時間当たりの酸素過不足量であるものとする。
ＯＳＣｂ−ＯＳＣａ＝ΔＯＳＣ×Δｔ ・・・（５）
【００３３】
酸素過不足量ΔＯＳＡは、上記（１）式および（２）式に示すように燃料噴射量の関数である。燃料噴射量は、基本的には、内燃機関に供給される混合気が理論空燃比となるように決定されるものであり、吸入空気量Ｇａに比例すべきものである。このため、単位時間当たりの酸素過不足量ΔＯＳＡは、吸入空気量Ｇａが多量であるほど大きな値となる。酸素過不足量ΔＯＳＡがこのような特性を有していることから、下流酸素センサ３４の初動遅れに起因する酸素吸蔵容量の誤差ＯＳＣｂ−ＯＳＣａは、吸入空気量Ｇａが多量であるほど大きなものとして表れる。従って、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣは、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合は、吸入空気量Ｇａが少ない場合に比して、吸入空気量Ｇａが多量である場合に大きな値として算出される。
【００３４】
図４は、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと吸入空気量Ｇａとの関係を整理して表した図を示す。図４において、符号▲１▼を付して示す直線は、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じていない場合の関係を示す。また、符号▲２▼を付して示す直線は、下流酸素センサ３４に比較的小さな初動遅れが生じた場合の関係を示す。そして、符号▲３▼を付して示す直線は、下流酸素センサ３４に比較的大きな初動遅れが生じた場合の関係を示す。
【００３５】
下流酸素センサ３４に初動遅れが生じていない場合は、吸入空気量Ｇａの多少に関わらず、ＥＣＵ４０は、精度良く現実の値と合致する酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出することができる。このため、直線▲１▼に示す通り、この場合はＧａの値によらずＯＳＣはほぼ一定の値となる。これに対して、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合は、既述した理由により、吸入空気量Ｇａが多量であるほど酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出値は大きな値となる。そして、この場合、直線▲２▼および▲３▼に示す通り、吸入空気量Ｇａに対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの依存性は、初動遅れが大きいほど顕著なものとなる。
【００３６】
酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出値と吸入空気量Ｇａとが図４に示すような関係を示す場合、両者の依存性が顕著であるか否かに基づいて、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じているか否かを判断することが可能である。そこで、本実施形態では、吸入空気量Ｇａの変化に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化の割合を求め、その割合（変化率）に基づいて下流酸素センサ３４の初動遅れの有無を判断することとした。
【００３７】
［具体的処理の説明］
図５は、上記の機能を実現するためにＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。尚、図５に示すルーチンは、アクティブ空燃比制御の実行条件が成立していること（つまり、アクティブ空燃比制御が実行されていること）を条件に起動されるものとする。
【００３８】
図５に示すルーチンでは、先ず、領域１での算出処理が実行される（ステップ１００）。
本ステップ１００では、具体的には、現在の状況下で酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値を第１酸素吸蔵容量ＯＳＣ１として記憶する処理、およびそのＯＳＣ１の算出時（下流酸素センサ３４の出力反転時）における吸入空気量Ｇａを第１吸入空気量Ｇａ１として記憶する処理が実行される。
【００３９】
次に、領域２での算出処理が実行される（ステップ１０２）。
本ステップ１０２では、具体的には、現在の状況下で酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値を第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ２として記憶する処理、およびそのＯＳＣ２の算出時（下流酸素センサ３４の出力反転時）における吸入空気量Ｇａを第２吸入空気量Ｇａ２として記憶する処理が実行される。
【００４０】
図５に示すルーチンでは、次に、第１吸入空気量Ｇａ１と第２吸入空気量Ｇａ２との差│Ｇａ１−Ｇａ２│が所定の判定値Ｋｇａより大きな値であるか否かが判別される（ステップ１０４）。
【００４１】
その結果、│Ｇａ１−Ｇａ２│＞Ｋｇａが成立しないと判別された場合は、領域１における吸入空気量Ｇａ１と領域２における吸入空気量Ｇａ２との間に、酸素吸蔵容量ＯＳＣの吸入空気Ｇａ依存性を判断するに足る十分な差が生じていなかったと判断される。この場合、以後、速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００４２】
一方、上記ステップ１０４において、│Ｇａ１−Ｇａ２│＞Ｋｇａが成立すると判別された場合は、第１吸入空気量Ｇａ１と第２吸入空気量Ｇａ２との間に、ＯＳＣのＧａ依存性を判断するに足る差が生じていたと判断される。この場合、先ず、吸入空気量Ｇａの変化に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化の割合、つまり、Ｇａに対するＯＳＣの変化率（変化の傾き）Ｋａが算出される（ステップ１０６）。
本ステップ１０６において、ＯＳＣの変化率Ｋａは、具体的には次式により算出される。
Ｋａ＝（ＯＳＣ１−ＯＳＣ２）／（Ｇａ１−Ｇａ２） ・・・（６）
【００４３】
図５に示すルーチンでは、次に、上記ステップ１０６において算出された変化率Ｋａが、判定値Ｋｂより小さいか否かが判別される（ステップ１０８）。
判定値Ｋｂは、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じているか否かを判断するための判定値として予め定められた値である。従って、ＯＳＣの変化率Ｋａが判定値Ｋｂを下回っていると判別された場合は、下流酸素センサ３４に初動遅れは生じていないと判断することができる。一方、ＯＳＣの変化率Ｋａが判定値Ｋｂ以上であると判別された場合は、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じていると判断することができる。
【００４４】
図５に示すルーチンでは、上記ステップ１０８において、Ｋａ＜Ｋｂが成立すると判別された場合、以後、下流酸素センサ３４が正常である旨の判断がなされた後（ステップ１１０）、今回の処理サイクルが終了される。
一方、Ｋａ＜Ｋｂが成立しないと判別された場合は、先ず、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じているとの判断がなされる（ステップ１１２）。
そして、この場合は、判定値Ｋａより初動遅れの量が推定され、その遅れ量を空燃比フィードバック制御に反映させるための処理が実行された後（ステップ１１４）、今回の処理サイクルが終了される。
【００４５】
上記ステップ１１４では、具体的には、初動遅れが大きいほど、下流酸素センサ３４のセンサ出力を空燃比フィードバック制御に反映させる際の制御ゲインを小さくさせる等の処理が行われる。このような処理によれば、空燃比フィードバック制御に対する下流酸素センサ３４の初動遅れの影響を小さくすることができ、初動遅れに起因する制御精度の悪化を抑制することができる。
【００４６】
以上説明した通り、図５に示すルーチンによれば、吸入空気量Ｇａの変化に対して、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣが判定値Ｋｂ以上の変化率Ｋａを示すか否かに基づいて、下流酸素センサ３４の初動遅れの有無を判断することができる。このような手法によれば、下流酸素センサ３４の初動遅れが、センサ出力の立ち上がりが緩やかになるような形態で表れる場合の他、その立ち上がりの時期のみが遅れるような形態で表れる場合にも、初動遅れの発生を検知することができる。このため、本実施形態の装置によれば、下流酸素センサ３４の初動遅れを精度良く迅速に検知することができる。
【００４７】
ところで、上述した実施の形態１においては、領域１や領域２において吸入空気量Ｇａがどのような値を採るかは成り行きに任せ、第１吸入空気量Ｇａ１と第２吸入空気量Ｇａ２との間に大きな差が存在する場合にのみ判定処理を進めることとしているが、その判定の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、吸入空気量Ｇａが既定の第１吸入空気量Ｇａ１となったときに領域１の算出処理を行い、また、吸入空気量Ｇａが既定の第２吸入空気量Ｇａ２（Ｇａ１とは大きく異なる値）となったときに領域２の算出処理を行うこととし、両者の算出後には常に判定処理を進めることとしてもよい。更に、この場合には、Ｇａ１とＧａ２との差が一定となるため、酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化率Ｋａに代えて、第１酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ２との差│Ｇａ１−Ｇａ２│を、初動遅れの有無を判断するためのパラメータとして用いることとしてもよい。
【００４８】
また、上述した実施の形態１においては、領域１および領域２において、第１または第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ１、ＯＳＣ２の算出時における吸入空気量Ｇａが第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２として記録されている。酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出値に生ずる誤差の大きさは、既述した通り、初動遅れの間に発生した吸入空気量Ｇａの関数である。実施の形態１では、上記の第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２を、初動遅れの間に発生した吸入空気量Ｇａの代表値として用いたものである。しかしながら、初動遅れの有無を判定するために用いるべき吸入空気量Ｇａは、そのような第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２に限定されるものではなく、例えば、第１吸入空気量Ｇａ１の算出期間における吸入空気量Ｇａの平均値、或いは、第２吸入空気量Ｇａ２の算出期間における吸入空気量Ｇａの平均値などを第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２として上記判定を行うこととしてもよい。
【００４９】
尚、上述した実施の形態１においては、上流触媒２８が前記第１の発明における「触媒」に相当している。また、ＥＣＵ４０が、上流触媒２８の上流における排気空燃比を制御すべく燃料噴射量を制御することにより前記第１の発明における「排気空燃比制御手段」が、アクティブ空燃比制御を実行することにより前記第１の発明における「アクティブ空燃比制御手段」が、アクティブ空燃比制御の実行中に酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出することにより前記第１の発明における「酸素吸蔵容量算出手段」が、上記ステップ１０６〜１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「異常検出手段」が、それぞれ実現されている。
【００５０】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「変化率算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００５１】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０に、既定の第１吸入空気量Ｇａ１下で第１酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を算出させ、既定の第２吸入空気量Ｇａ２下で第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ２を算出させ、それらの差を演算させることにより前記第３の発明における「容量差算出手段」を実現することができ、更に、その差が判定値を超えている場合に排気ガスセンサの初動遅れの発生を判定させることにより前記第３の発明における「異常判定手段」を実現することができる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、アクティブ空燃比制御の実行中に、触媒の酸素吸蔵容量を算出することができる。この酸素吸蔵容量は、吸入空気量が少ない場合には、排気ガスセンサの応答性が悪化しても、正常時の値と大きく異ならない一方、吸入空気量が多量である場合は、センサの応答性が悪化するに従い、正常時の値に比して顕著に大きな値となる。本発明によれば、酸素吸蔵容量と吸入空気量との関係が、排気ガスセンサの応答性の悪化を示唆しているかに基づいて、その応答性の悪化の有無を精度良く判断することができる。
【００５３】
第２の発明によれば、吸入空気量の変化に対する酸素吸蔵容量の変化率が判定値を超えているか否かに基づいて、下流酸素センサの応答性が悪化しているか否かを精度良く判断することができる。
【００５４】
第３の発明によれば、第１の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量と、第２の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量との差が判定値を超えているか否かに基づいて、下流酸素センサの応答性が悪化しているか否かを精度良く判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１の装置が実行するアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１において算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと、下流酸素センサの初動遅れ（応答遅れ）との関係を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本実施形態の実施の形態１において算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと吸入空気量Ｇａとの関係を整理して表した図である。
【図５】本発明の実施の形態１において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
２８ 上流触媒
３０ 下流触媒
３２ 空燃比センサ
３４ 下流酸素センサ
Ｇａ 吸入空気量
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＡ 酸素吸蔵量
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスセンサの異常検出装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置される触媒の下流に位置する排気ガスセンサの異常を検出するうえで好適な異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平９−４４９６号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に配置された触媒の下流に酸素センサ（以下、「下流酸素センサ」と称す）を備える構成が知られている。下流酸素センサは、触媒から流出してくる排気ガスがリッチであるかリーンであるかに応じた出力を発する。上記従来の装置は、そのセンサ出力を利用することで、高精度な空燃比制御を実現することができる。
【０００３】
上記従来の装置において、所望の空燃比フィードバック制御を得るためには、下流酸素センサが排気ガスの空燃比変化に対して優れた応答性を示すことが必要である。このため、下流酸素センサの応答遅れは速やかに検出できることが望ましい。上記従来の装置は、このような要求に応えるべく、下流酸素センサの出力信号の微分値を演算し、その微分値に基づいて下流酸素センサが適正な応答性を示しているか否かを診断することとしている。このような診断手法によれば、下流酸素センサの応答性悪化に伴ってセンサ出力の変化傾向（反転時における立ち上がり或いは立ち下がりの傾き）が変化する場合には、その応答性の悪化を迅速に検知することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−４４９６号公報
【特許文献２】
特開平５−１２５９７８号公報
【特許文献３】
特開平５−５４４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、下流酸素センサの応答性の悪化は、センサ出力の立ち上がりの開始点、或いは立ち下がりの開始点が遅れるような態様で生ずることがある。つまり、下流酸素センサの応答性の悪化時には、センサ出力の立ち上がり或いは立ち下がりの傾きより、むしろ、センサ出力の反転開始時期に顕著な遅れが生ずることがある。
【０００６】
既述した通り、上記従来の装置は、センサ出力の微分値に基づいて下流酸素センサの異常を検知する。従って、センサ出力の反転開始時期に顕著な遅れが生じても、その立ち上がりの傾き、或いは立ち下がりの傾きに顕著な変化が表れない場合は、下流酸素センサの応答遅れを検知することができない。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、触媒の下流に配置される排気ガスセンサの応答遅れを、センサ出力の傾きの変化に頼ることなく検知することのできる排気ガスセンサの異常検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置される触媒の下流に位置する排気ガスセンサの異常を検出するための装置であって、
前記触媒上流における排気空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、
前記排気ガスセンサの出力がリッチ出力からリーン出力に変化するのを受けて前記触媒上流の排気空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変化させ、また、前記排気ガスセンサの出力がリーン出力からリッチ出力に変化するのを受けて前記触媒上流の排気空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に、前記排気ガスセンサの出力がリッチ出力またはリーン出力に維持される期間中、前記触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算することで、当該触媒の酸素吸蔵容量を算出する酸素吸蔵容量算出手段と、
前記酸素吸蔵容量と、その酸素吸蔵容量が算出された際の吸入空気量との関係に基づいて、前記排気ガスセンサの異常を検出する異常検出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記異常検出手段は、
吸入空気量の異なる２つの領域でそれぞれ算出された酸素吸蔵容量と、前記２つの領域における吸入空気量とに基づいて、吸入空気量の変化に対する酸素吸蔵容量の変化率を求める変化率算出手段と、
前記変化率が判定値を超えている場合に前記排気ガスセンサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記異常検出手段は、
第１の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量と、第２の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量との差を求める容量差算出手段と、
前記酸素吸蔵容量の差が判定値を超えている場合に前記排気ガスセンサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を示す。図１に示す構成は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２の端部にはエアフィルタ１６が配置されている。エアフィルタ１６の下流には、吸気通路１２を流通する空気量、すなわち、吸入空気量Ｇａを検出するためのエアフロメータ１８が配置されている。
【００１３】
エアフロメータ１８の下流には、スロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２２と、スロットルバルブ２０が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２４とが配置されている。吸気通路１２には、更に、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が配置されている。
【００１４】
排気通路１４には、上流側触媒２８と下流側触媒３０とが直列に配置されている。これらの触媒は、内燃機関１０が始動された後、所定の活性温度に達することにより排気ガスの浄化機能を発揮することができる。上流触媒２８、および下流触媒３０は、それぞれ酸素吸蔵容量（ＯＳＣ：Ｏ２ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を有しており、その容量の範囲で酸素を吸蔵することができる。これらの触媒２８，３０は、排気ガス中にＨＣやＣＯなどの未燃成分が含まれている場合は、吸蔵している酸素を放出することでそれらの未燃成分を酸化し、また、排気ガス中に酸素やＮＯｘなどが多く含まれている場合は、余剰酸素を吸蔵することで触媒内部の雰囲気を理論空燃比に保つことができる。上流触媒２８および下流触媒３０は、それぞれ上記の原理により排気ガスを浄化する。
【００１５】
上流側触媒２８の上流には、空燃比センサ３２が配置されている。空燃比センサ３２は、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサである。排気ガス中の酸素濃度は、排気空燃比と相関を有している。このため、空燃比センサ３２によれば、上流触媒２８に流入する排気ガス、つまり、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００１６】
上流触媒２８の下流、つまり、下流触媒３０の上流には、下流酸素センサ３４が配置されている。下流酸素センサ３４は、排気ガス中に酸素が存在するか否かに応じて出力を大きく変化させるセンサである。排気ガス中には、排気空燃比がリッチである場合には酸素は残留しない。一方、排気空燃比がリーンである場合は排気ガス中の酸素が残留する。このため、下流酸素センサ３４によれば、上流触媒２８から流出してくる排気ガスがリッチであるかリーンであるかを正確に検出することができる。
【００１７】
図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種のセンサからセンサ出力が供給されている。また、ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力に基づいて内燃機関１０に供給すべき燃料量を算出し、その燃料量が噴射されるように燃料噴射弁２６を制御することができる。
【００１８】
［酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出手法］
本実施形態の装置は、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出するため、および下流酸素センサ３４の初動遅れ（応答遅れ）を検出するため、アクティブ空燃比制御を実行する。
図２は、ＥＣＵ４０が実行するアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図２（Ａ）は、空燃比センサ３２により検出される空燃比、つまり、上流触媒２８に流入する排気ガスの空燃比（以下、「触媒前空燃比」と称す）の波形を示す。また、図２（Ｂ）は、下流酸素センサ３４により検出される空燃比、つまり、下流酸素センサ３４のセンサ出力波形を示す。更に、図２（Ｃ）は、アクティブ空燃比制御の実行中に算出される上流触媒２８の酸素吸蔵量ＯＳＡ（Ｏ２ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｍｏｕｎｔ）の変化を示す。
【００１９】
アクティブ空燃比制御の実行中は、先ず、触媒前空燃比が所定のリッチ空燃比またはリーン空燃比に維持される。図２（Ａ）は、時刻ｔ１以後、時刻ｔ２までの期間において、触媒前空燃比がリッチ空燃比に維持されている状態を示す。触媒前空燃比がリッチ空燃比に維持されると、上流触媒２８は、吸蔵酸素を放出して排気ガス中の未燃成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化を図る。上流触媒２８中に吸蔵酸素が残存している期間中は、その下流には理論空燃比に浄化された排気ガスが流出する。従って、その間、触媒後空燃比はほぼ理論空燃比に維持される。
【００２０】
触媒前空燃比がリッチに維持された結果、上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費されると、その後、上流触媒２８の下流には、未燃成分を含むリッチな排気ガスが流出し始める。上流触媒２８の下流にリッチな排気ガスが流出し始めると、下流酸素センサ３４のセンサ出力は、リーン出力からリッチ出力に変化する。図２（Ｂ）は、時刻ｔ２において、上流触媒２８中の吸蔵酸素が全て消費され、その後、下流酸素センサ３４の出力がリーン出力からリッチ出力に反転した様子を示している。
【００２１】
ＥＣＵ４０は、下流酸素センサ３４の出力がリッチ出力に変化したと判断すると、その時点で、上流触媒２８の吸蔵酸素が使い果たされたと判断する。そして、ＥＣＵ４０は、その後、触媒前空燃比がリーンに反転するように、吸入空気量Ｇａに対する燃料噴射量の割合を変化させる。その結果、時刻ｔ２の後、図２（Ａ）に示すように、触媒前空燃比はリッチからリーンに反転する。
【００２２】
アクティブ空燃比制御の実行中は、以後、触媒前空燃比がリーンに維持される。触媒前空燃比がリーンに維持されている期間中、上流触媒２８は、酸素吸蔵能力一杯に酸素を吸蔵するまで、酸素を吸蔵し続ける。そして、上流触媒２８が排気ガス中の余剰酸素を吸蔵している間は、上流触媒２８の下流に浄化された排気ガスが排出され、その後上流触媒２８に酸素吸蔵能力一杯の酸素が吸蔵されると、その下流に酸素を含むリーンな排気ガスが流出し始める。
【００２３】
図２に示す時刻ｔ３は、上流触媒２８の下流にリーンな排気ガスが流出し始めた時刻を示す。この時刻ｔ３において、下流酸素センサ３４の出力はリッチ出力からリーン出力に反転する。アクティブ空燃比制御の実行中において、ＥＣＵ４０は、このような下流酸素センサ３４の出力反転を受けて、再び触媒前空燃比をリッチに反転させる。以後、アクティブ空燃比制御の実行が継続される限り、上述した処理、つまり、下流酸素センサ３４の出力反転を受けて触媒前空燃比を強制的に反転させる処理が繰り返し実行される。
【００２４】
アクティブ空燃比制御の実行中、下流酸素センサ３４のセンサ出力は、既述した通り、上流触媒２８内の酸素が全て消費された時点でリーン出力からリッチ出力に反転する。また、そのセンサ出力は、上流触媒２８が酸素吸蔵容量ＯＳＣ一杯に酸素を吸蔵した時点でリッチ出力からリーン出力に反転する。従って、下流酸素センサ３４のセンサ出力がリーン出力からリッチ出力に反転した後（この反転を受けて触媒前空燃比は以後リーン空燃比とされる）、そのセンサ出力がリッチ出力からリーン出力に反転するまでの間、上流触媒２８に流入した排気ガス中の酸素過剰量を積算すれば、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。同様に、下流酸素センサ３４のセンサ出力がリッチ出力からリーン出力に反転した後（この反転を受けて触媒前空燃比は以後リッチ空燃比とされる）、そのセンサ出力がリーン出力からリッチ出力に反転するまでの間、上流触媒２８に流入した排気ガス中の酸素不足量を積算すれば、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。
【００２５】
触媒前空燃比Ａ／Ｆがリーンである場合に、上流触媒２８に流入する排気ガス中の酸素過剰量ΔＯＳＡは、次式により求めることができる。
ΔＯＳＡ＝（Ａ／Ｆ−Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉ）×燃料噴射量×０．２２ ・・・（１）
但し、Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉは、理論空燃比であり、０．２２は空気中の酸素の比率である。
一方、触媒前空燃比Ａ／Ｆがリッチである場合に、上流触媒２８に流入する排気ガス中の酸素不足量ΔＯＳＡは、次式により求めることができる。
ΔＯＳＡ＝（Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉ−Ａ／Ｆ）×燃料噴射量×０．２２ ・・・（２）
【００２６】
従って、│Ａ／Ｆ−Ａ／Ｆｓｔｏｉｃｈｉ│＝ΔＡ／Ｆとすれば、触媒前空燃比Ａ／Ｆがリッチである場合、およびリーンである場合を区別することなく、上流触媒２８に流入する排気ガス中の酸素の過不足量ΔＯＳＡを次式の通り表すことができる。
ΔＯＳＡ＝ΔＡ／Ｆ×燃料噴射量×０．２２ ・・・（３）
【００２７】
ＥＣＵ４０は、下流酸素センサ３４の出力が反転する毎に、酸素吸蔵量ＯＳＡをクリアし、以後、次式に示すように酸素過不足量ΔＯＳＡの積算値を酸素吸蔵量ＯＳＡとして算出する。
【００２８】
下流酸素センサ３４の出力が反転するのは、上流触媒２８内の酸素が全て放出された時点、および上流触媒２８内に酸素が一杯に吸蔵された時点の何れかである。前者の場合は、その後、上流触媒２８に酸素が一杯に吸蔵されて下流酸素センサ３４の出力が再び反転するまで、酸素過剰量ΔＯＳＡを積算することで上流触媒３４の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。また、後者の場合も、その後、上流触媒３４内の酸素が全て放出されて下流酸素センサ３４の出力が再び反転するまで酸素不足量ΔＯＳＡを積算することで上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣを求めることができる。つまり、何れの場合において、下流酸素センサ３４の出力が反転した時点では、その時点で算出されている酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして認識することができる。そこで、ＥＣＵ４０は、上記の手法で酸素吸蔵量ＯＳＡを算出しつつ、下流酸素センサ３４の出力が反転した際に、その時点における酸素吸蔵量ＯＳＡをクリアするに先だって、その値を上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして認識することとしている。
【００２９】
［下流酸素センサの初動遅れの影響］
次に、図３を参照して、上記の手法で算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと、下流酸素センサ３４の初動遅れ（応答遅れ）との関係を説明する。
図３（Ａ）は、アクティブ空燃比制御の実行中における下流酸素センサ３４のセンサ出力の波形を示す。この図において、一点鎖線で示す波形は、正常時における下流酸素センサ３４のセンサ出力であり、一方、実線で示す波形は、初動遅れの生じた下流酸素センサ３４のセンサ出力である。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すセンサ出力を受けて算出される酸素吸蔵量ＯＳＡの波形を示す。
【００３０】
既述した通り、ＥＣＵ４０は、下流酸素センサ３４の出力が反転する毎に、その時点で算出されている酸素吸蔵量ＯＳＡ＝ΣΔＯＳＡを上流触媒２８の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして確定する。下流酸素センサ３４の真の酸素吸蔵容量ＯＳＣがＯＳＣａである場合、上流触媒２８の下流には、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵量ＯＳＡがＯＳＣａとなった時点で未浄化の排気ガスが流出し始める。下流酸素センサ３４が正常な初動特性を示す場合は、その流出が開始された後、即座にセンサ出力が反転するため、酸素吸蔵容量ＯＳＣはＯＳＣａとして確定される。
【００３１】
これに対して、例えばセンサカバーの目詰まりなどの影響で、下流酸素センサ３４に初動遅れの異常が生じている場合は、上流触媒２８の下流に未浄化の排気ガスが流出し始めた後、即座にはセンサ出力が反転しない。この場合、上流触媒２８の下流に未浄化の排気ガスが流出し始めた後、下流酸素センサ３４の出力が反転するまでの初動遅れ時間Δｔの間も酸素吸蔵量ＯＳＡの積算処理が継続される。その結果、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合は、センサ出力が反転した時点で、真の酸素吸蔵容量ＯＳＣａに比して大きなＯＳＣｂが、その時点における酸素吸蔵容量ＯＳＣとして確定される事態が生ずる。
【００３２】
ところで、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合に確定される酸素吸蔵容量ＯＳＣｂと、真の酸素吸蔵容量ＯＳＣａとの差は、センサ出力の初動遅れ期間をΔｔとすると、次式のように表すことができる。 但し、次式においてΔＯＳＣは、単位時間当たりの酸素過不足量であるものとする。
ＯＳＣｂ−ＯＳＣａ＝ΔＯＳＣ×Δｔ ・・・（５）
【００３３】
酸素過不足量ΔＯＳＡは、上記（１）式および（２）式に示すように燃料噴射量の関数である。燃料噴射量は、基本的には、内燃機関に供給される混合気が理論空燃比となるように決定されるものであり、吸入空気量Ｇａに比例すべきものである。このため、単位時間当たりの酸素過不足量ΔＯＳＡは、吸入空気量Ｇａが多量であるほど大きな値となる。酸素過不足量ΔＯＳＡがこのような特性を有していることから、下流酸素センサ３４の初動遅れに起因する酸素吸蔵容量の誤差ＯＳＣｂ−ＯＳＣａは、吸入空気量Ｇａが多量であるほど大きなものとして表れる。従って、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣは、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合は、吸入空気量Ｇａが少ない場合に比して、吸入空気量Ｇａが多量である場合に大きな値として算出される。
【００３４】
図４は、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと吸入空気量Ｇａとの関係を整理して表した図を示す。図４において、符号▲１▼を付して示す直線は、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じていない場合の関係を示す。また、符号▲２▼を付して示す直線は、下流酸素センサ３４に比較的小さな初動遅れが生じた場合の関係を示す。そして、符号▲３▼を付して示す直線は、下流酸素センサ３４に比較的大きな初動遅れが生じた場合の関係を示す。
【００３５】
下流酸素センサ３４に初動遅れが生じていない場合は、吸入空気量Ｇａの多少に関わらず、ＥＣＵ４０は、精度良く現実の値と合致する酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出することができる。このため、直線▲１▼に示す通り、この場合はＧａの値によらずＯＳＣはほぼ一定の値となる。これに対して、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じている場合は、既述した理由により、吸入空気量Ｇａが多量であるほど酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出値は大きな値となる。そして、この場合、直線▲２▼および▲３▼に示す通り、吸入空気量Ｇａに対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの依存性は、初動遅れが大きいほど顕著なものとなる。
【００３６】
酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出値と吸入空気量Ｇａとが図４に示すような関係を示す場合、両者の依存性が顕著であるか否かに基づいて、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じているか否かを判断することが可能である。そこで、本実施形態では、吸入空気量Ｇａの変化に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化の割合を求め、その割合（変化率）に基づいて下流酸素センサ３４の初動遅れの有無を判断することとした。
【００３７】
［具体的処理の説明］
図５は、上記の機能を実現するためにＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。尚、図５に示すルーチンは、アクティブ空燃比制御の実行条件が成立していること（つまり、アクティブ空燃比制御が実行されていること）を条件に起動されるものとする。
【００３８】
図５に示すルーチンでは、先ず、領域１での算出処理が実行される（ステップ１００）。
本ステップ１００では、具体的には、現在の状況下で酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値を第１酸素吸蔵容量ＯＳＣ１として記憶する処理、およびそのＯＳＣ１の算出時（下流酸素センサ３４の出力反転時）における吸入空気量Ｇａを第１吸入空気量Ｇａ１として記憶する処理が実行される。
【００３９】
次に、領域２での算出処理が実行される（ステップ１０２）。
本ステップ１０２では、具体的には、現在の状況下で酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出し、その算出値を第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ２として記憶する処理、およびそのＯＳＣ２の算出時（下流酸素センサ３４の出力反転時）における吸入空気量Ｇａを第２吸入空気量Ｇａ２として記憶する処理が実行される。
【００４０】
図５に示すルーチンでは、次に、第１吸入空気量Ｇａ１と第２吸入空気量Ｇａ２との差│Ｇａ１−Ｇａ２│が所定の判定値Ｋｇａより大きな値であるか否かが判別される（ステップ１０４）。
【００４１】
その結果、│Ｇａ１−Ｇａ２│＞Ｋｇａが成立しないと判別された場合は、領域１における吸入空気量Ｇａ１と領域２における吸入空気量Ｇａ２との間に、酸素吸蔵容量ＯＳＣの吸入空気Ｇａ依存性を判断するに足る十分な差が生じていなかったと判断される。この場合、以後、速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００４２】
一方、上記ステップ１０４において、│Ｇａ１−Ｇａ２│＞Ｋｇａが成立すると判別された場合は、第１吸入空気量Ｇａ１と第２吸入空気量Ｇａ２との間に、ＯＳＣのＧａ依存性を判断するに足る差が生じていたと判断される。この場合、先ず、吸入空気量Ｇａの変化に対する酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化の割合、つまり、Ｇａに対するＯＳＣの変化率（変化の傾き）Ｋａが算出される（ステップ１０６）。
本ステップ１０６において、ＯＳＣの変化率Ｋａは、具体的には次式により算出される。
Ｋａ＝（ＯＳＣ１−ＯＳＣ２）／（Ｇａ１−Ｇａ２） ・・・（６）
【００４３】
図５に示すルーチンでは、次に、上記ステップ１０６において算出された変化率Ｋａが、判定値Ｋｂより小さいか否かが判別される（ステップ１０８）。
判定値Ｋｂは、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じているか否かを判断するための判定値として予め定められた値である。従って、ＯＳＣの変化率Ｋａが判定値Ｋｂを下回っていると判別された場合は、下流酸素センサ３４に初動遅れは生じていないと判断することができる。一方、ＯＳＣの変化率Ｋａが判定値Ｋｂ以上であると判別された場合は、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じていると判断することができる。
【００４４】
図５に示すルーチンでは、上記ステップ１０８において、Ｋａ＜Ｋｂが成立すると判別された場合、以後、下流酸素センサ３４が正常である旨の判断がなされた後（ステップ１１０）、今回の処理サイクルが終了される。
一方、Ｋａ＜Ｋｂが成立しないと判別された場合は、先ず、下流酸素センサ３４に初動遅れが生じているとの判断がなされる（ステップ１１２）。
そして、この場合は、判定値Ｋａより初動遅れの量が推定され、その遅れ量を空燃比フィードバック制御に反映させるための処理が実行された後（ステップ１１４）、今回の処理サイクルが終了される。
【００４５】
上記ステップ１１４では、具体的には、初動遅れが大きいほど、下流酸素センサ３４のセンサ出力を空燃比フィードバック制御に反映させる際の制御ゲインを小さくさせる等の処理が行われる。このような処理によれば、空燃比フィードバック制御に対する下流酸素センサ３４の初動遅れの影響を小さくすることができ、初動遅れに起因する制御精度の悪化を抑制することができる。
【００４６】
以上説明した通り、図５に示すルーチンによれば、吸入空気量Ｇａの変化に対して、ＥＣＵ４０により算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣが判定値Ｋｂ以上の変化率Ｋａを示すか否かに基づいて、下流酸素センサ３４の初動遅れの有無を判断することができる。このような手法によれば、下流酸素センサ３４の初動遅れが、センサ出力の立ち上がりが緩やかになるような形態で表れる場合の他、その立ち上がりの時期のみが遅れるような形態で表れる場合にも、初動遅れの発生を検知することができる。このため、本実施形態の装置によれば、下流酸素センサ３４の初動遅れを精度良く迅速に検知することができる。
【００４７】
ところで、上述した実施の形態１においては、領域１や領域２において吸入空気量Ｇａがどのような値を採るかは成り行きに任せ、第１吸入空気量Ｇａ１と第２吸入空気量Ｇａ２との間に大きな差が存在する場合にのみ判定処理を進めることとしているが、その判定の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、吸入空気量Ｇａが既定の第１吸入空気量Ｇａ１となったときに領域１の算出処理を行い、また、吸入空気量Ｇａが既定の第２吸入空気量Ｇａ２（Ｇａ１とは大きく異なる値）となったときに領域２の算出処理を行うこととし、両者の算出後には常に判定処理を進めることとしてもよい。更に、この場合には、Ｇａ１とＧａ２との差が一定となるため、酸素吸蔵容量ＯＳＣの変化率Ｋａに代えて、第１酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ２との差│Ｇａ１−Ｇａ２│を、初動遅れの有無を判断するためのパラメータとして用いることとしてもよい。
【００４８】
また、上述した実施の形態１においては、領域１および領域２において、第１または第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ１、ＯＳＣ２の算出時における吸入空気量Ｇａが第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２として記録されている。酸素吸蔵容量ＯＳＣの算出値に生ずる誤差の大きさは、既述した通り、初動遅れの間に発生した吸入空気量Ｇａの関数である。実施の形態１では、上記の第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２を、初動遅れの間に発生した吸入空気量Ｇａの代表値として用いたものである。しかしながら、初動遅れの有無を判定するために用いるべき吸入空気量Ｇａは、そのような第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２に限定されるものではなく、例えば、第１吸入空気量Ｇａ１の算出期間における吸入空気量Ｇａの平均値、或いは、第２吸入空気量Ｇａ２の算出期間における吸入空気量Ｇａの平均値などを第１または第２吸入空気量Ｇａ１、Ｇａ２として上記判定を行うこととしてもよい。
【００４９】
尚、上述した実施の形態１においては、上流触媒２８が前記第１の発明における「触媒」に相当している。また、ＥＣＵ４０が、上流触媒２８の上流における排気空燃比を制御すべく燃料噴射量を制御することにより前記第１の発明における「排気空燃比制御手段」が、アクティブ空燃比制御を実行することにより前記第１の発明における「アクティブ空燃比制御手段」が、アクティブ空燃比制御の実行中に酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出することにより前記第１の発明における「酸素吸蔵容量算出手段」が、上記ステップ１０６〜１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「異常検出手段」が、それぞれ実現されている。
【００５０】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「変化率算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００５１】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０に、既定の第１吸入空気量Ｇａ１下で第１酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を算出させ、既定の第２吸入空気量Ｇａ２下で第２酸素吸蔵容量ＯＳＣ２を算出させ、それらの差を演算させることにより前記第３の発明における「容量差算出手段」を実現することができ、更に、その差が判定値を超えている場合に排気ガスセンサの初動遅れの発生を判定させることにより前記第３の発明における「異常判定手段」を実現することができる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、アクティブ空燃比制御の実行中に、触媒の酸素吸蔵容量を算出することができる。この酸素吸蔵容量は、吸入空気量が少ない場合には、排気ガスセンサの応答性が悪化しても、正常時の値と大きく異ならない一方、吸入空気量が多量である場合は、センサの応答性が悪化するに従い、正常時の値に比して顕著に大きな値となる。本発明によれば、酸素吸蔵容量と吸入空気量との関係が、排気ガスセンサの応答性の悪化を示唆しているかに基づいて、その応答性の悪化の有無を精度良く判断することができる。
【００５３】
第２の発明によれば、吸入空気量の変化に対する酸素吸蔵容量の変化率が判定値を超えているか否かに基づいて、下流酸素センサの応答性が悪化しているか否かを精度良く判断することができる。
【００５４】
第３の発明によれば、第１の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量と、第２の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量との差が判定値を超えているか否かに基づいて、下流酸素センサの応答性が悪化しているか否かを精度良く判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１の装置が実行するアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１において算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと、下流酸素センサの初動遅れ（応答遅れ）との関係を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本実施形態の実施の形態１において算出される酸素吸蔵容量ＯＳＣと吸入空気量Ｇａとの関係を整理して表した図である。
【図５】本発明の実施の形態１において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
２８ 上流触媒
３０ 下流触媒
３２ 空燃比センサ
３４ 下流酸素センサ
Ｇａ 吸入空気量
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＡ 酸素吸蔵量
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に配置される触媒の下流に位置する排気ガスセンサの異常を検出するための装置であって、
前記触媒上流における排気空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、
前記排気ガスセンサの出力がリッチ出力からリーン出力に変化するのを受けて前記触媒上流の排気空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変化させ、また、前記排気ガスセンサの出力がリーン出力からリッチ出力に変化するのを受けて前記触媒上流の排気空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行中に、前記排気ガスセンサの出力がリッチ出力またはリーン出力に維持される期間中、前記触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算することで、当該触媒の酸素吸蔵容量を算出する酸素吸蔵容量算出手段と、
前記酸素吸蔵容量と、その酸素吸蔵容量が算出された際の吸入空気量との関係に基づいて、前記排気ガスセンサの異常を検出する異常検出手段と、
を備えることを特徴とする排気ガスセンサの異常検出装置。 - 前記異常検出手段は、
吸入空気量の異なる２つの領域でそれぞれ算出された酸素吸蔵容量と、前記２つの領域における吸入空気量とに基づいて、吸入空気量の変化に対する酸素吸蔵容量の変化率を求める変化率算出手段と、
前記変化率が判定値を超えている場合に前記排気ガスセンサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の排気ガスセンサの異常検出装置。 - 前記異常検出手段は、
第１の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量と、第２の吸入空気量下で算出された酸素吸蔵容量との差を求める容量差算出手段と、
前記酸素吸蔵容量の差が判定値を超えている場合に前記排気ガスセンサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の排気ガスセンサの異常検出装置。
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