JP2009002280A - 空燃比センサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮着火式内燃機関に設けられた空燃比センサに好適な空燃比センサの異常診断装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る異常診断装置は、燃料噴射量と吸入空気量とに基づき計算空燃比Ａ／Ｆｋを算出する手段と、内燃機関の運転状態が機関運転要求に従って比較的急激に変化し、これにより計算空燃比が比較的急激に変化したときの当該計算空燃比と、空燃比センサによって検出された実際の空燃比Ａ／Ｆｒとに基づき、空燃比センサの異常を判定する手段とを備える。空燃比を強制的に変更・変動させないので、異常診断時の排気エミッション及び燃焼状態の悪化、並びに振動、ノイズ等の悪化を確実に防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮着火式内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置に関する。

一般に、圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンでは、通常、理論空燃比よりも高い（リーンな）空燃比で燃焼及び運転が行われている。そして、これに伴うＮＯｘの排出を抑制すべく、排気中のＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒を排気系に設けたり、排気の一部を吸気系に還流させる排気還流（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置を設けたりしている。近年、ＮＯｘ触媒やＥＧＲ装置を十分機能させるため、ディーゼルエンジンにおいても排気ガスの空燃比を検出し、その検出値を排ガス制御に用いるようになってきている。このため、ディーゼルエンジンの排気系に空燃比センサを設置する例がしばしば見受けられる。空燃比センサは、実質的には排気ガスの酸素濃度を検出するものであるため、酸素センサ或いは酸素濃度センサなどとも称される。

空燃比センサは、その検出素子が常時高温の排気に晒されるため、比較的劣化しやすく、異常となりやすい。空燃比センサに異常を来すと所望の排ガス制御ができなくなり、必然的にエミッションが悪化してしまう。よって空燃比センサの異常を診断することが従来から行われている。特に、自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で空燃比センサの異常を診断することが各国法規等からも要請されている。

従来の空燃比センサの異常診断はガソリンエンジンにおけるものが主流である。ガソリンエンジンでは三元触媒が搭載され、この三元触媒が高い浄化率を示す理論空燃比に排気空燃比をフィードバック制御する必要があるために、空燃比センサが設置されるからである。従って、ディーゼルエンジンにおいて空燃比センサの異常診断を行う例は比較的少ない。その一例として特許文献１に開示されたものを挙げると、エンジンの定常運転時において酸素濃度センサの上流側に還元剤が供給され、この供給時の酸素濃度センサの出力変化の応答性に基づいて、酸素濃度センサの劣化度合いが診断される。

特開２００３−２９３８４４号公報

ガソリンエンジンにおける空燃比センサの異常診断では、排気空燃比を理論空燃比近傍で敢えて強制的に（アクティブに）変動させ、そのときのセンサの応答性等を評価するやり方が一般的である。この際、排気空燃比が理論空燃比から少なからず外れるので排ガスエミッションの悪化は避けられないが、それでも、理論空燃比近傍で変動させている限り、三元触媒の浄化能を利用できるので、排ガスエミッションの悪化をある程度抑制することができる。

しかしながら、ディーゼルエンジンの場合だと、通常、理論空燃比よりもリーンでしかも広範な空燃比領域（Ａ／Ｆ＝２０〜６０程度）で運転しているため、空燃比を強制的に理論空燃比（Ａ／Ｆ＝約１４．６）近傍に移行したり、それを強制的に変動させたりすれば、燃焼そのものに悪影響を及ぼす。そして、排気エミッションが著しく悪化するのみならず、所望の機関出力すら得られなくなり、振動、ノイズ等も悪化する。即ち、強制的な空燃比の変更や変動はディーゼルエンジンにはなじまず、エンジンの性能を大きく損う結果となる。
そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮着火式内燃機関に設けられた空燃比センサに好適な空燃比センサの異常診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
圧縮着火式内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
前記内燃機関における少なくとも燃料噴射量と吸入空気量とに基づき計算空燃比を算出する計算空燃比算出手段と、
前記内燃機関の運転状態が機関運転要求に従って比較的急激に変化し、これにより前記計算空燃比が比較的急激に変化したときの当該計算空燃比と、前記空燃比センサによって検出された実際の空燃比とに基づき、前記空燃比センサの異常を判定する異常判定手段と
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

この本発明の第１の形態によれば、空燃比を強制的に変化させたような場合ではなく、機関運転要求に従って内燃機関の運転状態が比較的急激に変化し、これにより計算空燃比が比較的急激に変化したときに、このときの計算空燃比及び実際の空燃比に基づいて空燃比センサの異常が判定される。よって、空燃比を強制的に変更したり変動させたりすることがなく、異常診断時の排気エミッション及び燃焼状態の悪化、並びに振動、ノイズ等の悪化を確実に防止することができる。そして圧縮着火式内燃機関に設けられた空燃比センサに好適な異常診断装置を提供することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記異常判定手段は、前記計算空燃比に基づいて応答性異常判定値を算出すると共に、前記計算空燃比の変化開始から所定時間経過後の前記実際の空燃比を、前記応答性異常判定値と比較して、前記空燃比センサの異常を判定する
ことを特徴とする。

これによれば、空燃比センサの異常、特に空燃比センサの応答性異常を判定するための基準となる応答性異常判定値が、計算空燃比に基づいて算出される。よって計算空燃比の実際の変化状態に即した適切な応答性異常判定値を得ることができる。そして、計算空燃比の変化開始から所定時間経過後の実際の空燃比を、応答性異常判定値と比較して、空燃比センサの異常特に応答性異常が判定される。これにより空燃比センサの応答性異常を確実に検出することが可能になる。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記異常判定手段は、前記計算空燃比の変化開始時期と前記実際の空燃比の変化開始時期との差からむだ時間を算出し、当該むだ時間を所定のむだ時間異常判定値と比較して、前記空燃比センサの異常を判定する
ことを特徴とする。

これにより空燃比センサの異常、特に空燃比センサのむだ時間の異常を確実に検出することができる。

本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３のいずれかの形態において、
前記異常判定手段は、前記内燃機関の運転状態が定常状態から比較的急激に変化したときに前記空燃比センサの異常を判定し、且つ、その定常状態の間に前記計算空燃比と前記実際の空燃比とが定常状態となったとき、前記計算空燃比と前記実際の空燃比とを一致させるための補正を行う
ことを特徴とする。

これによれば、内燃機関の運転状態が定常状態から比較的急激に変化したときに空燃比センサの異常を判定するので、例えば自動車用内燃機関の場合ではアイドル状態からの車両発進時や、定速走行からの加速時又は減速時に異常診断を実行でき、多くの診断機会を確保することができる。また、計算空燃比と実際の空燃比とが定常状態となったときにこれらを一致させるための補正を行うので、両者のズレを無くした上で診断を実行でき、診断精度を向上することができる。

本発明の第５の形態は、前記第１乃至第４のいずれかの形態において、
前記異常判定手段は、前記計算空燃比が所定値以上変化したときの変化速度を算出し、当該変化速度が所定値以上の場合に、前記空燃比センサの異常を判定する
ことを特徴とする。

これによれば、計算空燃比の変化速度が所定値以上の場合、即ち計算空燃比が十分速く変化した場合に限って診断を実行するので、空燃比センサの応答性異常を正確に検出することができる。

本発明の第６の形態は、前記第３の形態において、
前記異常判定手段は、前記むだ時間の間における吸入空気量の積算値を算出し、当該吸入空気量の積算値に基づいて前記むだ時間異常判定値を算出する
ことを特徴とする。

計算空燃比の変化開始時期から実際の空燃比の変化開始時期までの間のむだ時間は、吸入空気量の大小即ち排気ガス流量の大小に応じて変化する。この第６の形態によれば、むだ時間の間の排気ガス流量を考慮した適切なむだ時間異常判定値を算出することができ、むだ時間の異常を正確に検出することが可能になる。

本発明によれば、圧縮着火式内燃機関に設けられた空燃比センサに好適な空燃比センサの異常診断装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。１０は自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ（燃料噴射弁）１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。

エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。

ターボチャージャ１９の下流側の排気通路１５には触媒３０が設置されている。本実施形態の場合、触媒３０は、排気ガス中のＮＯｘを還元して除去するためのＮＯｘ触媒からなっている。ＮＯｘ触媒は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からなり、通常の排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収する。そして、ポスト噴射等によるリッチスパイクが実行され、排気空燃比が一時的にリッチとされたとき、ＮＯｘ触媒から吸収ＮＯｘが放出され、この放出ＮＯｘが還元剤としての排気中ＨＣと反応してＮＯｘが還元除去される。なお、排気通路に設けられる他の排気浄化装置として、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）や酸化触媒を設けるのが好ましい。ＮＯｘ触媒は選択還元型ＮＯｘ触媒であってもよい。

またエンジン１０には、排気の一部を吸気系に還流させるためのＥＧＲ装置３５が設けられる。ＥＧＲ装置３５は、排気通路１５（排気マニフォルド１２）及び吸気通路２１（吸気マニフォルド１１）を連通するＥＧＲ通路３６と、ＥＧＲ通路３６に設けられたＥＧＲ弁３７と、ＥＧＲ通路３６においてＥＧＲ弁３７の上流側に設けられたＥＧＲクーラ３８とを備える。ＥＧＲ弁３７は、ＥＧＲ通路３６を流れる排気ガス、即ち排気系から吸気系に環流されるＥＧＲガスの流量を調節する。ＥＧＲクーラ３８は、吸気系に戻されるＥＧＲガスの流量を増大すべくＥＧＲガスを冷却する。

エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４及びＥＧＲ弁３７等を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、エンジン１０のクランク角を検出するクランク角センサ２６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２７、及びコモンレール１８内の燃料圧力（コモンレール圧）を検出するコモンレール圧センサ２８が含まれる。ＥＣＵ１００はクランク角センサ２６の出力に基づきエンジン１０の回転速度を算出する。

ＥＣＵ１００は、インジェクタ１４から噴射される燃料噴射量をエンジン運転状態（主に回転速度及びアクセル開度）に基づき制御する。またＥＣＵ１００は、吸気全体に対するＥＧＲガス量の比率が所定の目標ＥＧＲ率になるように、ＥＧＲ弁３７及びスロットルバルブ２４を制御する。さらにＥＣＵ１００は、コモンレール圧センサ２８により検出された実際のコモンレール圧が所定の目標コモンレール圧になるように、高圧ポンプ１７を制御する。

排気通路１５において、ＮＯｘ触媒３０の上流側には、ＮＯｘ触媒３０に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆを検出するための空燃比センサ４０が設置されており、この空燃比センサ４０もＥＣＵ１００に接続されている。空燃比センサ４０は、例えば、ＮＯｘ触媒３０に吸収されたＮＯｘ量の推定に用いられ、さらに、ＮＯｘ触媒３０から吸収ＮＯｘを放出させるためのリッチスパイクのタイミングを決定するために用いられる。なお空燃比センサ４０の用途及び目的は他にも様々なものが可能である。

空燃比センサ４０は、酸素センサ或いは酸素濃度センサなどとも称され、排気ガスの酸素濃度に応じた電流信号を出力する。この電流信号の値はＥＣＵ１００により空燃比に換算される。空燃比センサ４０は、エンジンが運転する空燃比領域（例えばＡ／Ｆ＝２０〜６０程度）に対応して、広範囲の空燃比領域に亘る空燃比を連続的に検出可能である。

他のセンサ類として、排気温を検出する排気温センサや、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ等を設けるのも好ましい。

次に、空燃比センサ４０の異常診断について説明する。

当該異常診断においては、まずＥＣＵ１００が、エンジン１０における燃料噴射量Ｑと吸入空気量Ｇａとに基づき計算空燃比なる値を算出する。即ち、ＥＣＵ１００は、クランク角センサ２６の出力に基づき検出されるエンジン回転速度Ｎｅと、アクセル開度センサ２７によって検出されるアクセル開度Ａｃとに基づき、所定のマップ等に従って、次回噴射すべき燃料量である燃料噴射量Ｑを噴射毎に決定している。そしてＥＣＵ１００は、この内部値若しくは指示値としての燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ２２によって検出された吸入空気量Ｇａとに基づき、これらの比である計算空燃比Ａ／Ｆｋ＝Ｇａ／Ｑを算出する。この計算空燃比Ａ／Ｆｋは、空燃比センサ４０に与えられる入力空燃比としての性格を有する。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転状態が機関運転要求に従って比較的急激に変化し、これにより計算空燃比Ａ／Ｆｋが比較的急激に変化したときの当該計算空燃比と、空燃比センサ４０によって検出された実際の空燃比Ａ／Ｆｒとに基づき、空燃比センサ４０の異常を判定する。即ち、エンジン１０の運転状態が比較的急激に変化すると、ほぼ同時に計算空燃比Ａ／Ｆｋが比較的急激に変化し、これに伴って実際の空燃比Ａ／Ｆｒがやや遅れて変化する。よって計算空燃比Ａ／Ｆｋの変化に対する実際の空燃比Ａ／Ｆｒの変化の応答性を調べることにより、空燃比センサ４０の応答性の異常を検出することができる。ここでエンジン運転状態が変化する場合には、エンジンが加速する場合と減速する場合との両方が含まれる。実際の空燃比Ａ／Ｆｒは、空燃比センサ４０から得られる出力空燃比としての性格を有する。

機関運転要求とは、ユーザ（車両の場合はドライバ）や運転状況の要求（例えばエアコンの作動等）に従ってエンジンが運転及び制御されるときの当該要求のことをいう。つまり、機関運転要求に従ってエンジン１０の運転状態が変化するとは、ユーザや運転状況の要求に従ってエンジンがパッシブに、即ち通常通り、運転及び制御されているときにエンジン１０の運転状態が変化することをいう。よって、ユーザや運転状況の要求とは無関係にエンジン１０の運転状態が強制的ないしアクティブに変化される場合は含まれず、典型的にはガソリンエンジンにおける空燃比センサ異常診断のように、アクティブ空燃比制御によって空燃比が強制的に変化される場合は含まれない。

本実施形態のエンジンに関しては、アクセルペダルやアクセルレバー等のアクセル部材がユーザの要求に従って操作される。そしてアクセル部材の操作量即ちアクセル開度がアクセル開度センサ２７によって検出される。よって、アクセル開度センサ２７で検出されたアクセル開度の値は機関運転要求に対応した値となる。このほか、図示しない周辺装置（エアコン、Ａ／Ｃジェネレータ等）の作動状態に応じてエンジン負荷が変化されたり、車両の走行条件又は環境（降坂・登坂走行、高地、寒冷地等）に応じてエンジン負荷が変化されたりする。このような運転状況の変化に対応してエンジンを制御すべくＥＣＵ２０に入力される信号が機関運転要求に対応する。

このように、本発明の実施形態では、エンジン運転状態や空燃比が強制的ないしアクティブに変化させられるような場合ではなく、通常の機関運転要求に従ったエンジン運転時にエンジン運転状態がたまたま比較的急激に変化したときに、即ち成り行き変動の際に、このときの計算空燃比Ａ／Ｆｋ及び実際の空燃比Ａ／Ｆｒの変化を利用して、空燃比センサ４０の異常を診断する。よって、空燃比を強制的に理論空燃比近傍に移行したり変動させたりすることが無く、排気エミッションの悪化、エンジンの燃焼状態の悪化、及び振動、ノイズの悪化等を確実に防止することができる。そして、ディーゼルエンジンに設けられた空燃比センサにとって好適な異常診断装置を提供することができる。

以下、図２を参照しつつ、本実施形態の空燃比センサ異常診断の内容を説明する。図中、実線は計算空燃比Ａ／Ｆｋを表し、破線は空燃比センサ４０によって検出された実際の空燃比Ａ／Ｆｒを表す。なお図３に診断手順をフローチャートで示したので適宜参照されたい。
以下に説明する診断処理はＥＣＵ１００によってデジタル方式で行われる。

前提として、エンジン運転状態の変化に対する計算空燃比Ａ／Ｆｋの変化については、時間遅れ即ちむだ時間が無視できる程に小さく、ほぼ同時に起こるとみなされる。なぜなら、例えばアクセル開度の変化に対して燃料噴射量Ｑ及び吸入空気量Ｇａは即座に変化することができるからである。これに対して、実際の空燃比Ａ／Ｆｒは、エンジン運転状態及び計算空燃比Ａ／Ｆｋの変化に対してあるむだ時間を経た後に変化する。なぜなら、空燃比センサ４０が、エアフローメータ２２から所定距離を隔てた下流側にあり、且つ空燃比センサ４０自体にも排ガスが当たってからその排ガス相当の信号が出力されるまでに応答遅れがあるからである。

まず、エンジンの定常状態がＥＣＵ１００により検出される（図３：ステップＳ１０１）。即ち、検出されたエンジン回転速度Ｎｅ及びアクセル開度Ａｃが略一定であるとき、エンジンの運転状態が定常であることが検出される。このエンジン定常状態に伴い、計算空燃比Ａ／Ｆｋも略一定の定常状態となる（時期ｔ１）。

次に、実際の空燃比Ａ／Ｆｒの定常状態がＥＣＵ１００により検出される（図３：ステップＳ１０２）。即ち、空燃比センサ４０により検出された実際の空燃比Ａ／Ｆｒが略一定であるとき、実際の空燃比Ａ／Ｆｒが定常であることが検出される（時期ｔ２）。実際の空燃比Ａ／Ｆｒの定常状態は、エンジンの定常状態から遅れて実現される。

こうして計算空燃比Ａ／Ｆｋと実際の空燃比Ａ／Ｆｒが定常状態になったとき、両者の値は必ずしも一致しない。なぜなら、計算空燃比Ａ／ＦｋにはＥＧＲの影響が考慮されておらず、空燃比センサ４０の検出値にも誤差が存在し、また空燃比センサ４０に対する排気ガスの当たり方がその時々で異なるからである。よって、計算空燃比Ａ／Ｆｋと実際の空燃比Ａ／Ｆｒとの大小関係も、その時々に応じて異なる。

そこで次に、これら計算空燃比Ａ／Ｆｋと実際の空燃比Ａ／Ｆｒとの値を一致させ、両者のズレを無くすための補正がＥＣＵ１００によって実行される（時期ｔ３）（図３：ステップＳ１０３）。まず、両者のズレ量ΔＡ／Ｆが式：ΔＡ／Ｆ＝｜Ａ／Ｆｋ−Ａ／Ｆｒ｜から算出され、このズレ量ΔＡ／Ｆが、小さい方の値に加算されるか、又は大きい方の値から減算され、両者の値が一致させられる。図示例では、計算空燃比Ａ／Ｆｋが実際の空燃比Ａ／Ｆｒより小さいので、ズレ量ΔＡ／Ｆが計算空燃比Ａ／Ｆｋに加算され、計算空燃比Ａ／Ｆｋが実際の空燃比Ａ／Ｆｒに一致させられている。

この際、ズレ量算出に用いる計算空燃比Ａ／Ｆｋ及び実際の空燃比Ａ／Ｆｒの値については、両者の実測値に所定の演算処理を施した値を用いるのが好ましい。例えば、所定時間中に測定された複数の実測値を単純に平均化した平均値を用いることができる。或いは、その複数の実測値に対してフーリエ解析を実行し、そのうちの低次の直流成分のみを用いてもよい。即ち、例えば図４に示すような定常状態の計算空燃比Ａ／Ｆｋ及び実際の空燃比Ａ／Ｆｒについて所定の演算周期毎に複数の実測値を取得し、これら実測値に対してフーリエ解析を実行すると、図５に示すように、複数の周波数帯域毎に振幅値が求められる。定常状態での値であるので、ある低周波数成分のみが支配的であり、それ以外の周波数成分は非常に小さい。よって、複数の周波数帯域のうち、両者の振幅が最大になる周波数帯域同士で、振幅の差の絶対値を求め、これをズレ量ΔＡ／Ｆとすることができる。低次の値のみをズレ量算出に用いるので演算量は少なくて済む。

このようなズレ補正を実行すると、計算空燃比Ａ／Ｆｋと実際の空燃比Ａ／Ｆｒとのズレを無くした上で異常診断を実行でき、診断精度を向上することができる。

このズレ補正が行われた後は、エンジン運転状態が機関運転要求に従って比較的急激に変化するまで、即ち成り行き変動の開始まで、待機状態となる。そして、成り行き変動が開始したならば、その変動開始時期ｔ４がＥＣＵ１００によって検出、記憶される（図３：ステップＳ１０４）。この成り行き変動開始と同時に計算空燃比Ａ／Ｆｋも比較的急激に変化し始め、成り行き変動開始時期ｔ４は計算空燃比Ａ／Ｆｋの変化開始時期とみなされる。なお、成り行き変動開始前にズレ補正が終了していない場合には診断が中止される。

図２において、変動開始時期ｔ４以降には、所定の演算周期Δｔ毎の各演算タイミングが縦線で示されている。なお、所定演算周期Δｔ毎に演算を行う点は変動開始時期ｔ４以前でも同じである。成り行き変動開始の判断については、検出されたアクセル開度Ａｃ及び回転速度Ｎｅの少なくとも一方が、１ないし複数の演算周期間に所定値より大きく変化したとき、ＥＣＵ１００が成り行き変動開始と判断する。図は成り行き変動の開始により、計算空燃比Ａ／Ｆｋがより高い値即ちリーン側に変化する場合を示す。

成り行き変動が開始されると、ＥＣＵ１００は、計算空燃比Ａ／Ｆｋに基づいて、空燃比センサ４０の応答性異常判定のための基準値即ち応答性異常判定値Ｊを、各演算タイミング毎に逐次的に算出する（図３：ステップＳ１０５）。この応答性異常判定値Ｊは後に実際の空燃比Ａ／Ｆｒと比較され、空燃比センサ４０の異常を判定する際に用いられる。応答性異常判定値Ｊは、物理モデル等を考慮した所定の演算処理を計算空燃比Ａ／Ｆｋに施して得られる。例えば、計算空燃比Ａ／Ｆｋに一次乃至高次遅れの伝達関数を乗じて応答性異常判定値Ｊが算出される。図示例は一次遅れの伝達関数を用いた例である。或いは、計算空燃比Ａ／Ｆｋになまし処理を行って応答性異常判定値Ｊを算出してもよい。さらには、より簡単に、計算空燃比Ａ／Ｆｋの値を１より大きい値で除して応答性異常判定値Ｊを算出してもよい。要は、計算空燃比Ａ／Ｆｋに追従するがそれよりやや遅れて値が変化するような応答性異常判定値Ｊを算出できれば、どのような演算処理を採用してもよい。なお演算処理におけるパラメータをエンジン運転状態（例えば回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃ）によって変化させてもよい。

また、成り行き変動開始後、ＥＣＵ１００は、吸入空気量Ｇａと、計算空燃比軌跡長Ｌとの値を、各演算タイミング毎に積算する（図３：ステップＳ１０６）。吸入空気量Ｇａの積算は変動開始時期ｔ４の次の演算タイミングｔ５から実行される。他方、計算空燃比軌跡長Ｌとは、今回（ｎ）と前回（ｎ−１）の演算タイミングにおける計算空燃比の差をいい、今回の演算タイミングにおける計算空燃比軌跡長Ｌ（ｎ）は式：Ｌ（ｎ）＝Ａ／Ｆｋ（ｎ）−Ａ／Ｆｋ（ｎ−１）で表される。この計算空燃比軌跡長Ｌが、変動開始時期ｔ４の次の演算タイミングｔ５から、各演算タイミング毎に積算される。

そして、成り行き変動開始後に実際の空燃比Ａ／Ｆｒが変化を開始したとき、その変化開始時期ｔ６がＥＣＵ１００によって検出、記憶される（図３：ステップＳ１０７）。この変化開始の判断については、今回の演算タイミングにおける実際の空燃比Ａ／Ｆｒ（ｎ）が、前回の演算タイミングにおける実際の空燃比Ａ／Ｆｒ（ｎ−１）より所定値以上大きいとき、ＥＣＵ１００が実際の空燃比Ａ／Ｆｒの変化開始と判断する。図は計算空燃比Ａ／Ｆｋの変化に追従して、実際の空燃比Ａ／Ｆｒがより高い値即ちリーン側に変化する場合を示す。なお、破線ａは空燃比センサが正常の場合、破線ｂは空燃比センサが異常の場合をそれぞれ示す。

次に、ＥＣＵ１００は、成り行き変動開始時期（計算空燃比変化開始時期）ｔ４と実際の空燃比の変化開始時期ｔ６との差（ｔ６−ｔ４）をむだ時間ｔｄとして算出する（図３：ステップＳ１０８）。このむだ時間ｔｄは、計算空燃比が変化してから実際の空燃比が変化するまでの遅れ時間に相当する。

この後ＥＣＵ１００は、実際の空燃比の変化開始時期ｔ６までに積算された吸入空気量Ｇａの積算値、即ち積算空気量ΣＧａに基づき、図６に示されるような所定のマップ（関数でもよい）を使用して、むだ時間異常判定値ｔｄｓなる値を算出する（図３：ステップＳ１０９）。むだ時間異常判定値ｔｄｓは、実際に検出されたむだ時間ｔｄが正常か否かを判断するための基準値である。吸入空気量が多いほど、排気ガスの流量が多く、むだ時間は短くなる。よってマップにおいては、積算空気量ΣＧａの増大につれむだ時間異常判定値ｔｄｓが減少するように両者が関係づけられている。このマップを利用してむだ時間異常判定値ｔｄｓを設定することにより、むだ時間の間の排気ガス流量を考慮した適切なむだ時間異常判定値ｔｄｓを設定することが可能になり、むだ時間の異常を正確に検出することが可能になる。

次に、ＥＣＵ１００は、計算空燃比軌跡長Ｌの積算値、即ち積算計算空燃比軌跡長ΣＬが、所定値ΣＬｓ以上の値に到達したことを検出する（時期ｔ７）（図３：ステップＳ１１０）。

するとＥＣＵ１００は、その到達時期ｔ７における積算計算空燃比軌跡長ΣＬと、成り行き変動開始時期ｔ４から到達時期ｔ７までの間の時間（ｔ７−ｔ４）に基づき、計算空燃比変化速度Ｖを算出する（図３：ステップＳ１１１）。計算空燃比変化速度Ｖは式：Ｖ＝ΣＬ／（ｔ７−ｔ４）で表される。

次にＥＣＵ１００は、この計算空燃比変化速度Ｖを所定値Ｖｓと比較する（図３：ステップＳ１１２）。そして、計算空燃比変化速度Ｖが所定値Ｖｓ未満のときは診断を中止し、その後の異常判定を実行しない。他方、計算空燃比変化速度Ｖが所定値Ｖｓ以上のときは診断を続行する。

本診断は、計算空燃比が比較的急激に変化したときにそのときの実際の空燃比の変化を検出し、空燃比センサ４０の応答性を評価するものである。よって、計算空燃比が比較的緩慢に変化した場合には実際の空燃比の変化も緩慢となり、空燃比センサ４０の応答性を正確に評価できない可能性がある。この観点から、計算空燃比変化速度Ｖが所定値Ｖｓ未満のときは診断を中止するようにしている。計算空燃比変化速度Ｖが所定値Ｖｓ以上の場合、即ち計算空燃比が十分速く変化した場合に限って診断を実行するので、空燃比センサ４０の応答性異常を正確に検出することができる。

計算空燃比変化速度Ｖが所定値Ｖｓ以上の場合、前記到達時期ｔ７における実際の空燃比Ａ／Ｆｒと、その到達時期ｔ７における応答性異常判定値Ｊとの比較が、ＥＣＵ１００によってなされる（図３：ステップＳ１１３）。実際の空燃比Ａ／Ｆｒが応答性異常判定値Ｊより大きい場合（図２の破線ａの場合）、実際の空燃比Ａ／Ｆｒが十分速く追従変化しており、空燃比センサ４０の応答性は正常とみなすことができる。

他方、実際の空燃比Ａ／Ｆｒが応答性異常判定値Ｊ以下の場合（図２の破線ｂの場合）、実際の空燃比Ａ／Ｆｒの追従変化が遅く、空燃比センサ４０の応答性は異常とみなすことができる。よってこの場合は直ちに、ＥＣＵ１００によって空燃比センサ４０を異常と最終的に判定する（図３：ステップＳ１１６）。

実際の空燃比Ａ／Ｆｒが応答性異常判定値Ｊより大きい場合には、次に、むだ時間ｔｄ（＝ｔ６−ｔ４）とむだ時間異常判定値ｔｄｓとの比較が、ＥＣＵ１００によってなされる（図３：ステップＳ１１４）。即ち、空燃比センサ４０の応答性が正常であっても、検出したむだ時間ｔｄがあまりに長ければ、空燃比センサ４０の初期の応答性が悪かったり、あるいは空燃比センサ４０より上流側の部分で何等かの異常がある可能性がある。そこで、むだ時間ｔｄがむだ時間異常判定値ｔｄｓ以上の値であるときには、ＥＣＵ１００により空燃比センサ４０のむだ時間ｔｄが異常であるとみなし、空燃比センサ４０を最終的に異常と判定する（図３：ステップＳ１１６）。なおこの最終的な異常判定に対応して、当該異常をユーザに知らせるため、警告装置（警告ランプ、ブザー等）を作動させるのが好ましい。

他方、むだ時間ｔｄがむだ時間異常判定値ｔｄｓ未満の値であるときには、ＥＣＵ１００によって最終的に空燃比センサ４０を正常と判定する（図３：ステップＳ１１５）。このように本実施形態では、確実を期すため、１）到達時期ｔ７における実際の空燃比Ａ／Ｆｒが応答性異常判定値Ｊより大きい（即ち、応答性が正常）という条件と、２）むだ時間ｔｄがむだ時間異常判定値ｔｄｓ未満である（即ち、むだ時間が正常）という条件との二条件が成立したときに限って、空燃比センサ４０が正常と最終判定し、いずれか一方の条件が非成立ならば空燃比センサ４０を異常と最終判定している。しかしながら、他の判定方法も可能であり、例えばいずれか一方の条件が成立したときに空燃比センサ４０を正常と判定し、二条件非成立のときに空燃比センサ４０を異常と判定してもよい。いずれか一方の条件のみで判定を行ってもよく、この場合、応答性異常とむだ時間異常とのいずれか一方のみが判定される。

このように、本実施形態の異常診断によれば、エンジン運転状態や空燃比を強制的に変化させることがなく、エンジンの通常運転時に空燃比センサ４０の異常を診断できるので、排気エミッション及びエンジン燃焼状態の悪化、及び振動、ノイズ等の悪化を確実に防止することができる。よってディーゼルエンジンの空燃比センサに極めて好適である。また、実際の空燃比と比較される応答性異常判定値を計算空燃比に基づいて算出するので、計算空燃比の実際の変化状態に即した適切な応答性異常判定値を得ることができる。即ち、計算空燃比の変化速度が大きい場合には大きい変化速度の応答性異常判定値を得ることができ、逆に計算空燃比の変化速度が小さい場合には小さい変化速度の応答性異常判定値を得ることができる。ここで異常判定は計算空燃比の変化開始後、所定時間を経過した後に行われるが、この異常判定時期において適切な応答性異常判定値が得られるよう、応答性異常判定値を求める際の演算処理におけるパラメータを決定するのが好ましい。さらにエンジンの運転状態が定常状態から比較的急激に変化したときに空燃比センサ４０の異常を診断するので、例えばアイドル状態からの車両発進時や、定速走行からの加速時又は減速時に異常診断を実行可能であり、多くの診断機会を確保することができる。また両空燃比の値が安定してから診断を実質的に開始するので、診断精度を向上することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態では計算空燃比から応答性異常判定値を算出し、この応答性異常判定値を実際の空燃比と比較したが、これに限らず、例えば計算空燃比を実際の空燃比と直接比較してもよい。例えばこれらの差が所定値より大きいときに空燃比センサを異常と判定することができる。計算空燃比の算出に際して、燃料噴射量及び吸入空気量に加え、他の値（例えば吸気温、吸気圧、大気圧等）を用いてもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 本実施形態に係る異常診断の内容を説明するためのタイムチャートである。 本実施形態に係る異常診断の内容を説明するためのフローチャートである。 定常状態の計算空燃比及び実際の空燃比を示すグラフである。 図４の実測値に対してフーリエ解析を実行した結果である。 むだ時間異常判定値算出用マップである。

符号の説明

１０ 圧縮着火式内燃機関
１３ 燃焼室
１４ インジェクタ
１５ 排気通路
２２ エアフローメータ
２６ クランク角センサ
２７ アクセル開度センサ
３０ 触媒
４０ 空燃比センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｑ 燃料噴射量
Ｇａ 吸入空気量
Ａ／Ｆｋ 計算空燃比
Ａ／Ｆｒ 実際の空燃比
Ｊ 応答性異常判定値
ｔｄ むだ時間
ｔｄｓ むだ時間異常判定値
Ｖ 計算空燃比変化速度
ΣＧａ 積算空気量

Claims (6)

1. 圧縮着火式内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
   前記内燃機関における少なくとも燃料噴射量と吸入空気量とに基づき計算空燃比を算出する計算空燃比算出手段と、
   前記内燃機関の運転状態が機関運転要求に従って比較的急激に変化し、これにより前記計算空燃比が比較的急激に変化したときの当該計算空燃比と、前記空燃比センサによって検出された実際の空燃比とに基づき、前記空燃比センサの異常を判定する異常判定手段と
   を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
2. 前記異常判定手段は、前記計算空燃比に基づいて応答性異常判定値を算出すると共に、前記計算空燃比の変化開始から所定時間経過後の前記実際の空燃比を、前記応答性異常判定値と比較して、前記空燃比センサの異常を判定する
   ことを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの異常診断装置。
3. 前記異常判定手段は、前記計算空燃比の変化開始時期と前記実際の空燃比の変化開始時期との差からむだ時間を算出し、当該むだ時間を所定のむだ時間異常判定値と比較して、前記空燃比センサの異常を判定する
   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異常診断装置。
4. 前記異常判定手段は、前記内燃機関の運転状態が定常状態から比較的急激に変化したときに前記空燃比センサの異常を判定し、且つ、その定常状態の間に前記計算空燃比と前記実際の空燃比とが定常状態となったとき、前記計算空燃比と前記実際の空燃比とを一致させるための補正を行う
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
5. 前記異常判定手段は、前記計算空燃比が所定値以上変化したときの変化速度を算出し、当該変化速度が所定値以上の場合に、前記空燃比センサの異常を判定する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
6. 前記異常判定手段は、前記むだ時間の間における吸入空気量の積算値を算出し、当該吸入空気量の積算値に基づいて前記むだ時間異常判定値を算出する
   ことを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。

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