JP2009025251A - 排出ガスセンサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの排気管に設けた排出ガスセンサが正常であるにも拘らず、一時的な素子温度の低下によって排出ガスセンサの異常有りと誤診断することを未然に防止する。
【解決手段】エンジン１１の排気管２３内の水やオイルが排出ガスセンサ２４に付着して素子温度が一時的に低下する可能性が有る状態（素子温度低下可能状態）であるか否かを判定し、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、排出ガスセンサ２４自体の異常ではなく排気管２３内の状態によって素子温度が一時的に低下して素子抵抗が一時的に変化する可能性があると判断して、素子抵抗に基づいた排出ガスセンサ２４の異常診断を禁止する。これにより、排出ガスセンサ２４が正常であるにも拘らず、一時的な素子温度の低下によって素子抵抗が一時的に変化した状態を排出ガスセンサ２４の異常有りと誤診断することを未然に防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排出ガスセンサのセンサ素子の抵抗に基づいて該排出ガスセンサの異常の有無を判定する排出ガスセンサの異常診断装置に関する発明である。

近年、内燃機関を搭載した車両では、排気管に排出ガス浄化用の触媒を設置すると共に、この触媒の上流側に空燃比センサや酸素センサ等の排出ガスセンサを設置し、この排出ガスセンサの出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比（燃料噴射量等）をフィードバック制御することで、排出ガスの空燃比が触媒の浄化ウインドの範囲内になるように制御して、触媒の排出ガス浄化効率を高めるようにしている。このような排出ガス浄化システムにおいては、排出ガスセンサが劣化して空燃比制御精度が低下した状態（つまり排出ガス浄化効率が低下した状態）で運転が続けられるのを防ぐために、排出ガスセンサの異常診断を行うようにしたものがある。

この排出ガスセンサの異常診断としては、例えば、特許文献１（特開平８−２７１４７５号公報）に記載されているように、素子温度（センサ素子の温度）に応じて素子抵抗（センサ素子の抵抗）が変化するという特性に着目して、酸素センサのヒータ供給電力が所定値以上になって酸素センサの素子温度が活性温度に昇温した状態になっていると推定されるときに、素子抵抗が活性温度に相当する所定範囲内にあるか否かによって酸素センサの異常の有無を判定するようにしたものがある。
特開平８−２７１４７５号公報（第２頁等）

しかし、上記特許文献１のように、酸素センサの素子抵抗が所定範囲内にあるか否かによって酸素センサの異常の有無を判定する異常診断システムでは、酸素センサが正常な場合でも、センサ素子の被水やオイルの付着等によって素子温度が一時的に低下すると、それに応じて素子抵抗が一時的に変化するため、素子抵抗が一時的に所定範囲から外れて、正常な酸素センサを異常と誤診断してしまう可能性がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、排出ガスセンサが正常であるにも拘らず、一時的な素子温度の低下によって素子抵抗が一時的に変化した状態を排出ガスセンサの異常有りと誤診断することを防止できる排出ガスセンサの異常診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排出ガスセンサのセンサ素子の抵抗に基づいて該排出ガスセンサの異常の有無を判定する異常診断を行う排出ガスセンサの異常診断装置において、排気通路内がセンサ素子の温度を一時的に低下させる可能性が有る状態（以下この状態を「素子温度低下可能状態」という）であるか否かを判定手段により判定し、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、誤診断防止手段により排出ガスセンサの異常診断を禁止するか又は異常判定条件を緩和するようにしたものである。

この構成では、素子温度低下可能状態（排気通路内がセンサ素子の温度を一時的に低下させる可能性が有る状態）であると判定されたときに、排出ガスセンサ自体の異常ではなく排気通路内の状態によって素子温度（センサ素子の温度）が一時的に低下して素子抵抗（センサ素子の抵抗）が一時的に変化する可能性があると判断して、素子抵抗に基づいた排出ガスセンサの異常診断を禁止するか又は異常判定条件を緩和する（異常有りと判定し難くする）ことができる。これにより、排出ガスセンサが正常であるにも拘らず、一時的な素子温度の低下によって素子抵抗が一時的に変化した状態を排出ガスセンサの異常有りと誤診断することを未然に防止することができる。

この場合、請求項２のように、排気通路内の水又はオイルが排出ガスセンサに付着する可能性が有るときに素子温度低下可能状態であると判定するようにしても良い。排気通路内の水やオイルが排出ガスで飛ばされて排出ガスセンサに付着すると、素子温度が一時的に低下する可能性が有るため、排気通路内の水又はオイルが排出ガスセンサに付着する可能性が有るときには、素子温度低下可能状態であると判定することができる。

また、請求項３のように、排気通路内の温度が所定値よりも低いときに素子温度低下可能状態であると判定するようにしても良い。排気通路内の温度が所定値（例えば、水又はオイルの沸点）よりも低いときには、排気通路内の水やオイルが気化し難く、排気通路内の水やオイルが排出ガスセンサに付着する可能性が有るため、素子温度低下可能状態であると判定することができる。

更に、請求項４のように、車両の組み立て直後又は整備工場での部品交換直後に素子温度低下可能態であると判定するようにしても良い。車両の組み立て直後や整備工場での排気系等の部品交換直後は、排気通路内にオイルや水分が付着していることがあり、このオイルや水分が排出ガスで飛ばされて排出ガスセンサに付着する可能性があるため、素子温度低下可能状態であると判定することができる。

また、請求項５のように、異常診断装置の電源となるバッテリの電源ケーブルの取付直後に素子温度低下可能状態であると判定するようにしても良い。一般に、車両の組み立て作業や整備工場での部品交換作業は、バッテリの端子から電源ケーブルを取り外した状態で行うことが多く、車両の組み立てや部品交換が終了した後に、バッテリの端子に電源ケーブルを取り付けることが多い。従って、バッテリの電源ケーブルの取付直後に素子温度低下可能状態と判定することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した２つの実施例を説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図３に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられている。各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４には、センサ素子を加熱するヒータ（図示せず）が内蔵されている（又は外付けされている）。この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２９が取り付けられている。また、クランク軸２７の外周側には、クランク軸２７が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２８が取り付けられ、このクランク角センサ２８の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御する。

その際、ＥＣＵ３０は、排出ガスセンサ２４の出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比（燃料噴射量等）をフィードバック制御することで、排出ガスの空燃比が触媒２５の浄化ウインドの範囲内になるように制御して、触媒２５の排出ガス浄化効率を高めるようにしている。また、排出ガスセンサ２４は、素子温度（センサ素子の温度）が活性温度（例えば７５０℃）まで昇温しないと検出精度が悪いため、ＥＣＵ３０は、素子温度が活性温度になるようにヒータの通電を制御してセンサ素子の加熱を制御する。

一般に、排出ガスセンサ２４は、素子温度が高くなるほど素子抵抗（センサ素子の抵抗）が小さくなるという特性があるため、図２に実線で示すように、エンジン始動後は、時間の経過に伴って素子温度が高くなるのに従って素子抵抗（センサ素子の抵抗）が小さくなり、最終的に素子抵抗がほぼ一定（活性温度に相当する抵抗値）になる。

そこで、ＥＣＵ３０は、後述する図３の異常診断ルーチンを実行することで、所定の異常診断実行条件が成立したときに（例えば排出ガスセンサ２４のヒータの通電量が所定値以上になってから所定時間が経過したときに）、排出ガスセンサ２４の素子抵抗を所定の異常判定値と比較して排出ガスセンサ２４の異常の有無を判定する異常診断を行う。

しかし、図２に破線で示すように、排出ガスセンサ２４が正常の場合でも、例えばセンサ素子の被水やオイルの付着等によって素子温度が一時的に低下すると、それに応じて素子抵抗が一時的に増加するため、素子抵抗が一時的に異常判定値よりも大きくなって、正常な排出ガスセンサ２４を異常と誤診断してしまう可能性がある。

この対策として、ＥＣＵ３０は、排気管２３内が排出ガスセンサ２４の素子温度を一時的に低下させる可能性が有る状態（以下この状態を「素子温度低下可能状態」という）であるか否かを判定し、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、排出ガスセンサ２４の異常診断を禁止するようにしている。

以下、ＥＣＵ３０が実行する図３の異常診断ルーチンの処理内容を説明する。
図３に示す異常診断ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、異常診断実行条件が成立しているか否かを判定する。ここで、異常診断実行条件は、例えば、排出ガスセンサ２４のヒータの通電量（例えば通電デューティ）が所定値以上になってから所定時間が経過したこと、バッテリ電圧が所定値以上であること等である。

これらの条件を全て満たせば、異常診断実行条件が成立するが、いずれか１つでも満たさない条件があれば、異常診断実行条件が不成立となる。異常診断実行条件が不成立と判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、異常診断実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０２に進み、素子温度低下可能状態（排気管２３内が素子温度を一時的に低下させる可能性が有る状態）であるか否かを、例えば、次の(1) と(2) の条件によって判定する。

(1) 排気管２３内の温度が所定値（例えば水又はオイルの沸点）よりも低いこと
ここで、排気管２３内の温度は、例えば、冷却水温、吸気温、外気温等のうちの少なくとも１つに基づいて排気管２３内の温度を推定しても良い。或は、始動時の冷却水温と始動時からの吸入空気量（排出ガス量）の積算値とに基づいて排気管２３内の温度を推定しても良い。また、排気管２３内の温度を検出する温度センサを備えたシステムの場合には、この温度センサで排気管２３内の温度を検出するようにしても良い。

(2) ＥＣＵ３０の電源となるバッテリの電源ケーブルの取付直後（例えばバッテリの端子に電源ケーブルを取り付けた後の最初のエンジン始動から所定期間内）であること
これら２つの条件(1),(2) のうちのいずれか一方を満たせば、素子温度低下可能状態であると判定するが、上記２つの条件(1),(2) を両方とも満たさなければ、素子温度低下可能状態ではないと判定する。このステップ１０２の処理が特許請求の範囲でいう判定手段としての役割を果たす。

上記条件(1) が成立するとき、つまり、排気管２３内の温度が所定値よりも低いときには、排気管２３内の水やオイルが気化し難く、排気管２３内の水やオイルが排出ガスで飛ばされて排出ガスセンサ２４に付着する可能性が有り、排気管２３内の水やオイルが排出ガスセンサ２４に付着すると、素子温度が一時的に低下する可能性が有るため、素子温度低下可能状態であると判定することができる。尚、排気管２３内の温度が所定値以上になっても、それから所定時間が経過するまで素子温度低下可能状態であると判定するようにしても良い。

また、車両の組み立て作業や整備工場での部品交換作業は、バッテリの端子から電源ケーブルを取り外した状態で行うことが多く、車両の組み立てや部品交換が終了した後に、バッテリの端子に電源ケーブルを取り付けることが多い。従って、上記条件(2) が成立するとき、つまり、バッテリの電源ケーブルの取付直後は、車両の組み立て直後又は部品交換直後であると推定することができ、車両の組み立て直後や部品交換直後は、排気管２３内にオイルや水分が付着していることがあり、このオイルや水分が排出ガスで飛ばされて排出ガスセンサ２４に付着する可能性があるため、素子温度低下可能態であると判定することができる。

尚、素子温度低下可能状態であるか否かを判定する方法は、上記(1) や(2) の条件が成立するか否かに限定されず、例えば、他の方法で車両の組み立て直後や整備工場での部品交換直後であるか否かを判定して、素子温度低下可能態である否かを判定するようにしても良い。更に、他の方法で排気管２３内の水やオイルが排出ガスセンサ２４に付着する可能性が有る状態であるか否かを判定して、素子温度低下可能態である否かを判定するようにしても良い。

このステップ１０２で、素子温度低下可能態であると判定された場合には、排出ガスセンサ２４自体の異常ではなく排気管２３内の状態によって素子温度が一時的に低下して素子抵抗が一時的に増加する可能性があると判断して、ステップ１０３以降の異常診断に関する処理を実行することなく、本ルーチンを終了して、異常診断を禁止する。この処理が特許請求の範囲でいう誤診断防止手段としての役割を果たす。

一方、上記ステップ１０２で、素子温度低下可能態ではないと判定された場合には、ステップ１０３以降の異常診断に関する処理を次のようにして実行する。まず、ステップ１０３で、排出ガスセンサ２４の素子抵抗（＝印加電圧／検出電流）を検出した後、ステップ１０４に進み、排出ガスセンサ２４の素子抵抗が異常判定値よりも大きいか否かを判定する。

その結果、排出ガスセンサ２４の素子抵抗が異常判定値以下と判定されれば、ステップ１０６に進み、排出ガスセンサ２４の異常無し（正常）と判定して、本ルーチンを終了する。

これに対して、上記ステップ１０４で、排出ガスセンサ２４の素子抵抗が異常判定値よりも大きいと判定されれば、ステップ１０５に進み、排出ガスセンサ２４の異常有りと判定して、運転席のインストルメントパネルに設けられた警告ランプ（図示せず）を点灯したり、或は、運転席のインストルメントパネルの警告表示部（図示せず）に警告表示して運転者に警告すると共に、その異常情報（異常コード等）をＥＣＵ３０のバックアップＲＡＭ（図示せず）等の書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＣＵ３０の電源オフ中でも記憶データを保持する書き換え可能なメモリ）に記憶して、本ルーチンを終了する。

以上説明した本実施例１では、排気管２３内の温度が所定値よりも低いか否かや、バッテリの電源ケーブルの取付直後であるか否か等によって、排気管２３内の水やオイルが排出ガスセンサ２４に付着する可能性が有る状態であるか否かを判定することで、素子温度低下可能状態（排気管２３内が素子温度を一時的に低下させる可能性が有る状態）であるか否かを判定し、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、排出ガスセンサ２４自体の異常ではなく排気管２３内の状態によって素子温度が一時的に低下して素子抵抗が一時的に変化する可能性があると判断して、素子抵抗に基づいた排出ガスセンサ２４の異常診断を禁止するようにしたので、排出ガスセンサ２４が正常であるにも拘らず、一時的な素子温度の低下によって素子抵抗が一時的に変化した状態を排出ガスセンサ２４の異常有りと誤診断することを未然に防止することができる。

次に、図４を用いて本発明の実施例２を説明する。
前記実施例１では、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、排出ガスセンサ２４の異常診断を禁止するようにしたが、本実施例２では、後述する図４の異常診断ルーチンを実行することで、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、排出ガスセンサ２４の異常判定値を通常よりも緩和して異常有りと判定し難くすることで、排出ガスセンサ２４の異常有りと誤診断することを防止するようにしている。

図４に示す異常診断ルーチンでは、ステップ２０１で、異常診断実行条件が成立していると判定された場合に、ステップ２０２に進み、素子温度低下可能状態であるか否かを判定する。その結果、素子温度低下可能状態ではないと判定された場合には、ステップ２０３に進み、異常判定値を通常値Ａに設定する。

一方、上記ステップ２０２で、素子温度低下可能状態であると判定された場合には、排出ガスセンサ２４自体の異常ではなく排気管２３内の状態によって素子温度が一時的に低下して素子抵抗が一時的に増加する可能性があると判断して、ステップ２０４に進み、異常判定値を通常値Ａよりも大きい緩和値Ｂに設定して、異常有りと判定し難くする。

以上のようにして、素子温度低下可能状態であるか否かで、異常判定値をＡ又はＢに設定した後、ステップ２０５に進み、排出ガスセンサ２４の素子抵抗を検出し、次のステップ２０６で、排出ガスセンサ２４の素子抵抗が異常判定値よりも大きいか否かを判定する。

その結果、排出ガスセンサ２４の素子抵抗が異常判定値以下と判定されれば、ステップ２０８に進み、排出ガスセンサ２４の異常無し（正常）と判定する。

これに対して、上記ステップ２０６で、排出ガスセンサ２４の素子抵抗が異常判定値よりも大きいと判定されれば、ステップ２０７に進み、排出ガスセンサ２４の異常有りと判定する。

以上説明した本実施例２では、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、排出ガスセンサ２４の異常判定値を通常よりも緩和して異常有りと判定し難くするようにしたので、排出ガスセンサ２４が正常であるにも拘らず、一時的な素子温度の低下によって素子抵抗が一時的に変化した状態を排出ガスセンサ２４の異常有りと誤診断することを未然に防止することができる。

尚、上記実施例２では、素子温度低下可能状態であると判定されたときに、異常判定条件を緩和する手段として、異常判定値を通常値Ａよりも大きい値Ｂに設定するようにしたが、これに代えて、検出した素子抵抗を減量補正して異常判定条件を緩和するようにしても良い。

その他、本発明は、素子抵抗に基づく排出ガスセンサ２４の異常診断方法を適宜変更しても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

本発明の実施例１におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 素子抵抗の挙動を説明するタイムチャートである。 実施例１の異常診断ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 実施例２の異常診断ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２４…排出ガスセンサ、、３０…ＥＣＵ（判定手段，誤診断防止手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排出ガスセンサのセンサ素子の抵抗に基づいて該排出ガスセンサの異常の有無を判定する異常診断を行う排出ガスセンサの異常診断装置において、
   前記排気通路内が前記センサ素子の温度を一時的に低下させる可能性が有る状態（以下この状態を「素子温度低下可能状態」という）であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記素子温度低下可能状態であると判定されたときに、前記排出ガスセンサの異常診断を禁止するか又は異常判定条件を緩和する誤診断防止手段と
   を備えていることを特徴とする排出ガスセンサの異常診断装置。
2. 前記判定手段は、前記排気通路内の水又はオイルが前記排出ガスセンサに付着する可能性が有るときに前記素子温度低下可能状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の排出ガスセンサの異常診断装置。
3. 前記判定手段は、前記排気通路内の温度が所定値よりも低いときに前記素子温度低下可能状態であると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排出ガスセンサの異常診断装置。
4. 前記判定手段は、車両の組み立て直後又は整備工場での部品交換直後に前記素子温度低下可能状態であると判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排出ガスセンサの異常診断装置。
5. 前記判定手段は、前記異常診断装置の電源となるバッテリの電源ケーブルの取付直後に前記素子温度低下可能状態であると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排出ガスセンサの異常診断装置。

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