JP2010019186A - 酸素濃度センサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フューエルカット中の吸気制御を通じて異常診断を早期に完了させることと、同吸気制御に起因する振動の発生を抑制することとの両立を図ることのできる酸素濃度センサの異常診断装置を提供する。
【解決手段】この異常診断装置では、内燃機関の排気管内を流れる排気の酸素濃度に応じて出力が変化する酸素センサについて、その異常診断をフューエルカットの実行中に行うものであり、吸入空気量を調整するスロットルバルブの開度を異常診断のために増大させるとともに、この制御を開始したときにはフューエルカットが終了するまでその終了を禁止する。
【選択図】図８

Description

本発明は、排気の酸素濃度に応じて出力が変化する酸素濃度センサの異常診断について、これをフューエルカットの実行中に行う酸素濃度センサの異常診断装置に関する。

上記異常診断装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。同文献のものをはじめとして、従来の異常診断装置では次の考え方に基づいて酸素濃度センサの異常診断を行うようにしている。

すなわち、フューエルカットの実行中においては吸入空気に含まれる酸素が燃焼室にて燃焼されずに排気通路に送り出されるため、酸素濃度センサが正常な状態にあれば、その出力値は理論空燃比よりもリーン側の空燃比に対応したものとなる。従って、フューエルカットの実行中に得られる酸素濃度センサの出力値が理論空燃比よりもリッチ側の空燃比に対応した値の場合には、これをもって酸素濃度センサに異常が生じている旨判定することが可能となる。

具体的には、酸素濃度センサとして濃淡電池式酸素センサ（いわゆるＯ２センサ）を備える内燃機関において、同センサの異常診断を行う場合、酸素濃度センサの出力電圧がリッチの空燃比に対応した値であることをもってセンサに異常が生じている旨判定することができる。また、酸素濃度センサとして限界電流式酸素センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）を備える内燃機関において、同センサの異常診断を行う場合、酸素濃度センサの出力電流がリッチの空燃比に対応した値であることをもってセンサに異常が生じている旨判定することができる。
特開２００６−２８４４２５号公報

ところで、フューエルカットが開始された直後は、排気通路内にはそれまでの混合気の燃焼により生じた排気が存在しているため（以下、「残留排気」）、吸入空気が燃焼されずに排気通路に送り出される状態にあるとはいえ、酸素濃度センサの出力値は残留排気の影響を受けたものとなる。すなわち、排気通路内に存在している排気の状態によっては、酸素濃度センサに異常が生じていなくともその出力値がリッチ側の空燃比に対応した値となることもあるため、より正確な診断を行ううえではこの点についても考慮する必要がある。

そこで、異常診断に際しての上記残留排気の影響を排除するため、フューエルカットの開始後において排気通路中の排気が十分に外部に送り出されたと推定される時間が経過するまでは、異常診断の開始を保留することも考えられる。しかしこの場合には、異常診断の完了時期が異常診断の開始を保留した分だけ遅れることになるため、より早期に異常検出を完了させることが困難となる点において課題を残すものとなっている。

従って、この点に鑑みさらに改良を加え、フューエルカットの開始にともない吸気量制御弁の制御を通じて吸入空気量を増大させることにより、残留排気を速やかに排気通路の外部に送り出しつつ、これと並行して異常診断を行うことも考えられる。しかしこうした吸気量制御弁の制御を実行する場合には、同制御弁の開度の変化に起因する機関回転速度の過度の変動をまねくことも想定されるため、この点についても考慮のうえ具体的な制御構造を設定することが望ましいものの、ここまでの事項を検討した異常診断装置の提案はいまのところなされていない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フューエルカット中の吸気制御を通じて異常診断を早期に完了させることと、同吸気制御に起因する振動の発生を抑制することとの両立を図ることのできる酸素濃度センサの異常診断装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路を流れる排気の酸素濃度に応じて出力が変化する酸素濃度センサについて、その異常診断をフューエルカットの実行中に行う酸素濃度センサの異常診断装置において、吸入空気量を調整する吸気量制御弁の開度を前記異常診断のために増大させる吸気制御と、この吸気制御を開始したときにはフューエルカットが終了するまで同吸気制御の終了を禁止する禁止制御とを行う制御手段を備えることを要旨としている。

上記発明によれば、異常診断に際して吸気制御を通じて残留排気を排気通路の外部に送り出すようにしていることにより、異常診断をフューエルカット開始後のより早い時期またはフューエルカットと同時に開始することが許容されるため、異常診断を早期に完了させることができるようになる。

ここで、異常診断のために吸気制御を開始し、その後の異常診断の完了にともない吸気制御を終了したとすると、この場合にはフューエルカットの実行中において吸気量制御弁の開度が減少することになるため、これに起因して機関回転速度の過度の変動をまねくことも想定される。上記発明ではこの点に鑑み、吸気制御を開始したときにはフューエルカットが終了するまで吸気制御の終了を禁止するようにしているため、上述したフューエルカット中における吸気量制御弁の開度の急激な減少が生じる状況をまねくことは回避されるようになる。従って、フューエルカット中の吸気制御に起因した機関回転速度の過度の変動の発生を抑制することができるようになる。

すなわち上記発明によれば、フューエルカット中の吸気制御を通じて異常診断を早期に完了させることと、同吸気制御に起因する機関回転速度の過度の変動を抑制することとの両立を図ることができるようになる。

（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、フューエルカットの実行条件が成立していること及び前記異常診断の実行条件が成立していることに基づいてフューエルカットとともに前記吸気制御を開始し、フューエルカットの実行中である限りは前記開始した吸気制御の終了を禁止することを要旨としている。

（３）請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、フューエルカットの終了条件の成立と同時に前記吸気制御を終了することを要旨としている。

（４）請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記内燃機関は、アクセルペダルの操作量に応じて前記吸気量制御弁の開度を調整するものであって、アクセルペダルが踏み込まれている状態から開放された状態に移行したことをフューエルカットの実行条件とするものであり、前記制御手段は、前記吸気制御の実行中においては前記吸気量制御弁の開度をアクセルペダルの操作量に応じた開度よりも大きいものに維持することを要旨としている。

上記発明によれば、フューエルカットの実行中に吸気制御を実行するようにしているため、フューエルカット中における吸気量制御弁の開度はアクセルペダルの操作量に応じた開度よりも大きいもの、すなわち吸気量制御弁の開度の制御を通じて選択可能な最小開度よりも大きい開度に維持される。これにより、吸気量制御弁が最小開度に維持されるときと比較して吸入空気量が増量されるため、残留排気を速やかに排出することができるようになる。

（５）請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、前記吸気制御の実行中において吸入空気量が予め設定された基準吸気量以上か否かを判定し、基準吸気量以上である旨の判定結果が得られたときには前記吸気量制御弁の開度をそのときの開度に維持することを要旨としている。

上記発明では、吸入空気量が予め設定された基準吸気量以上のとき、すなわち残留排気を速やかに外部に送り出すうえで十分と考えられる吸入空気量が得られているとき、吸気量制御弁の開度をそのときの開度に維持するようにしている。従って、吸入空気量が不要に増大されることを抑制するとともに、吸気量制御弁の開度の減少に起因する機関回転速度の変動を抑制することができるようになる。

（６）請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、前記吸気制御において吸気量制御弁の開度を増大させる量である開度補正量について、これを機関回転速度に基づいて算出することを要旨としている。

上記発明では、吸入空気量と相関のある機関回転速度に基づいて開度補正量を設定するようにしているため、フューエルカット中において吸気量制御弁の開度が過度に大きくまたは小さく設定されることを抑制することができるようになる。

（７）請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、機関回転速度が高回転領域を除く低回転領域または中回転領域にあるときには機関回転速度の増大にともない前記開度補正量を増大させることを要旨としている。

（８）請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、機関回転速度が高回転領域にあるときには機関回転速度の変化にかかわらず前記開度補正量を一定の値に維持することを要旨としている。

（９）請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、前記制御手段は、吸入空気量が予め設定された判定空気量未満であるときには前記吸気制御を開始しないことを要旨としている。

図１〜図８を参照して、本発明を車載内燃機関に搭載される酸素濃度センサの異常診断装置として具体化した一実施形態について説明する。
図１に示されるように、内燃機関１は、吸入空気と燃料との混合気を燃焼させる機関本体１０と、この機関本体１０の燃焼室１１に吸入空気及び燃料を供給する吸気装置２０と、燃焼室１１での燃焼後のガスを外部に送り出す排気装置３０と、内燃機関１の各種装置を統括的に制御する制御装置４０とにより構成されている。

吸気装置２０は、燃焼室１１に接続される吸気管２１と、この吸気管２１の途中に設けられて吸入空気の通路面積を変更するスロットルバルブ２２と、このスロットルバルブ２２を迂回して吸入空気を流通させるアイドル回転速度制御装置２３と、吸気管２１内に燃料を噴射するインジェクタ２４とにより構成されている。アイドル回転速度制御装置２３は、スロットルバルブ２２を迂回する態様で吸気管２１に接続されるバイパス通路２３Ａと、このバイパス通路２３Ａの途中に設けられて吸入空気の通路面積を変更するアイドルスピードコントロールバルブ２３Ｂとにより構成されている。

排気装置３０は、燃焼室１１に接続される排気管３１と、この排気管３１の途中に設けられて排気を浄化する三元触媒装置３２とにより構成されている。
機関本体１０は、燃焼室１１での混合気の燃焼を通じて往復運動するピストン１２と、このピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト１３と、吸気管２１と燃焼室１１との接続部を開閉する吸気弁１４と、排気管３１と燃焼室１１との接続部を開閉する排気弁１５とにより構成されている。

制御装置４０は、機関運転状態等をモニタする各種センサ、すなわちアクセルポジションセンサ４２及び回転速度センサ４３及びエアフロメータ４４及びスロットルポジションセンサ４５及び酸素センサ４６を含む各種センサと、これらセンサの出力に基づいて各装置の動作を制御する電子制御装置４１とにより構成されている。

アクセルポジションセンサ４２は、車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル操作量ＡＰ」）に応じて出力が変化するものであり、アクセルペダルの付近に設けられている。また回転速度センサ４３は、クランクシャフト１３の回転速度（以下、「機関回転速度ＮＥ」）に応じて出力が変化するものであり、クランクシャフト１３の付近に設けられている。またエアフロメータ４４は、吸気管２１内を流通する吸入空気の流量（以下、「吸入空気量ＧＡ」）に応じて出力が変化するものであり、スロットルバルブ２２の吸気上流側に設けられている。またスロットルポジションセンサ４５は、スロットルバルブ２２の開度（以下、「スロットル開度ＴＡ」）に応じて出力が変化するものであり、スロットルバルブ２２の付近に設けられている。また酸素センサ４６は、排気管３１内を流通する排気の酸素濃度に応じて出力が変化するものであり、三元触媒装置３２の排気下流側且つその付近に設けられている。

ここで、酸素センサ４６の詳細な構成について説明する。
酸素センサ４６は、固体電解質であるジルコニア素子の特性を利用した濃淡電池式のものであり、大気中の酸素濃度と排気の酸素濃度との差に基づいて起電力を発生する。図２に示すように、起電力の発生に必要となる排気の酸素濃度は、理論空燃比の混合気の燃焼により生じた排気の酸素濃度の近くにあり、この付近で出力電圧は約１Ｖと約０Ｖとの間で大きく変化する。すなわち、酸素センサ４６の出力電圧は排気の酸素濃度が理論空燃比よりもリッチのときに約１Ｖ（以下、この出力電圧を「リッチ信号」とする）となり、酸素濃度が理論空燃比よりもリーンのときに約０Ｖ（以下、この出力電圧を「リーン信号」とする）となる。これにより、酸素センサ４６の出力電圧に基づいて混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを把握することができる。具体的には、酸素センサ４６がリッチ信号を出力した場合には、この結果を生じさせた排気の燃焼前の混合気はリッチであったとみなすことができる。反対に、酸素センサ４６がリーン信号を出力した場合、この結果を生じさせた排気の燃焼前の混合気はリーンであったとみなすことができる。

制御装置４０は、アクセル操作量ＡＰに基づいてスロットル開度ＴＡを調整するスロットル制御、及び吸入空気量ＧＡに基づいて燃料噴射量を調整する噴射制御、及び酸素センサの４６の出力電圧に基づいて混合気の空燃比を理論空燃比に近づける空燃比制御等を行う。ここで、酸素センサ４６においてはその出力特性に異常が生じること、例えば排気の酸素濃度がリーン信号を出力させる程度の大きさであるにもかかわらずリッチ信号が出力されることもある。この場合には、空燃比制御の適切な実行態様を維持することが困難となるため、酸素センサ４６の異常を速やかに検出してその改善を運転者等に促すことが必要となる。

そこで、本実施形態の制御装置４０においては、酸素センサ４６の異常を検出するための異常診断制御を内燃機関１の運転がなされる毎に実行するとともに、これを通じて酸素センサ４６の異常が検出された際にはその旨を示すインジケータランプを点灯し、併せてその旨を示すデータを電子制御装置４１のメモリに記録するようにしている。

上記異常診断制御は、フューエルカットの実行中における酸素センサ４６の出力電圧に基づいて同センサ４６に異常が生じているか否かを判定する「診断基本処理（図３）」と、この処理による診断結果の誤りを抑制しつつ診断の早期完了を図るための「診断補助処理（図４及び図５）」とにより構成されている。

「診断基本処理」では、次の態様をもって酸素センサ４６の異常検出を行う。すなわち、フューエルカットの実行中においては吸入空気が燃焼されることなく排気管３１内に送り出されるため、酸素センサ４６が正常な状態であればその出力はリーン信号を示す。従って、フューエルカット中の酸素センサ４６の出力がリッチ信号であるときには、これをもって酸素センサ４６に異常が生じている旨判定する。

図３を参照して、「診断基本処理」の詳細な処理手順について説明する。なお、同処理は内燃機関１の始動後に開始された後、所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
この処理では、ステップＳ１１においてフューエルカットの実行中か否かを判定し、ステップＳ１２において酸素センサ４６の診断結果が確定していることを示す診断完了フラグがオフに設定されているか否かを判定し、またステップＳ１３において酸素センサ４６の異常診断のための前提条件が成立しているか否かを判定する。そしてこれら判定条件のうちいずれか一つでも成立していないものがあるときには、本処理を一旦終了する。

ここで、フューエルカットが実行されていないときには、排気管３１内を流れる排気の酸素濃度が酸素センサ４６の出力を確実にリーン信号にするものとは限らないため、上述した酸素センサ４６のリッチ信号に基づく異常検出を行ううえで好ましい環境にあるとはいえない。そこで本診断基本処理では、ステップＳ１１の判定処理を通じて異常診断を行うか否かを選択するようにしている。

また、酸素センサ４６の状態の診断結果が確定しているときには、内燃機関１の運転が停止されるまでに酸素センサ４６の状態がさらに変化するおそれは小さいため、さらに異常診断を行う必要はないと考えられる。そこで本診断基本処理では、ステップＳ１２の判定処理を通じて異常診断を行うか否かを選択するようにしている。

また、異常診断のための前提条件が成立していないときには、異常診断を実行してもその結果の信頼性が十分に確保されない等の不都合をまねくことが想定される。そこで本診断基本処理では、ステップＳ１３の判定処理を通じて異常診断を行うか否かを選択するようにしている。なお、ここでは上記前提条件として、酸素センサ４６の温度が活性温度以上であること、及びフューエルカット開始直前の酸素センサ４６の出力がリッチ信号であることが設定されている。

次のステップＳ１４では、酸素センサ４６の異常診断を開始する。すなわち、ここでは異常診断の実行条件（ステップＳ１１〜Ｓ１３の条件）が成立してからの経過時間（以下、「診断時間ＴＳ」）の計測を開始する。

そしてステップＳ１５では、酸素センサ４６の出力がリッチ信号であるか否かを判定し、リッチ信号ではない旨の判定結果が得られたときには、ステップＳ１７において酸素センサ４６に異常が生じていない旨（酸素センサ４６が正常である旨）の診断結果を確定する。このとき、酸素センサ４６の異常診断が完了したことを示す診断完了フラグをオフからオンに書き換える。

一方、ステップＳ１５においてリッチ信号である旨の判定結果が得られたときには、ステップＳ１６では診断時間ＴＳが判定時間ＴＸ以上となったか否かをさらに判定する。そしてステップＳ１５及びＳ１６の双方の条件が満たされている旨判定したときには、ステップＳ１７において酸素センサ４６に異常が生じている旨の診断結果を確定する。このとき、酸素センサ４６の異常診断が完了したことを示す診断完了フラグ及び酸素センサ４６に異常が生じている旨を示す異常フラグをオフからオンに書き換え、且つインジケータランプを点灯する。

ここで、フューエルカット中においては先にも述べたとおり、正常な状態にある酸素センサ４６の出力はリーン信号となるはずであるため、出力がリッチ信号である場合には酸素センサ４６に異常が生じていると考えられる。ただし、フューエルカット開始直前の混合気がリッチであること等に起因して、異常診断が開始された直後の残留排気の酸素濃度が酸素センサ４６にリッチ信号を生じさせる程度に小さい場合もあるため、酸素センサ４６の異常診断を正確に行ううえではこの点についても考慮する必要がある。そこで本診断基本処理では、フューエルカット開始前の排気の影響により診断結果が誤ったものとなる可能性が高い期間内、すなわち診断時間ＴＳが判定時間ＴＸ未満のときには、ステップＳ１５において出力がリッチ信号である旨の判定結果が得られても診断結果の確定を行わないようにしている。そして、このように診断結果の確定を保留することにより、酸素センサ４６が正常であるにもかかわらず異常であるとの判定をしてしまうことの抑制が可能となり、また判定時間ＴＸとして、より大きい値を予め設定しておくことによりそうした効果を一層確実なものとすることが可能となる。一方、判定時間ＴＸとして大きい値が設定されるほど診断結果の確定時期が先送りされることになるため、酸素センサ４６の異常診断を速やかに完了させる観点からすると、判定時間ＴＸとして極力小さい値を設定することが要求される。

そこで、当該異常診断制御では、診断結果の誤りの抑制と診断結果の早期の確定との両立を図るため、「診断基本処理（図３）」に併せて「診断補助処理（図４及び図５）」を実行するようにしている。この「診断補助処理」では、異常診断の実行条件が成立しているとき、吸入空気量ＧＡを増大させることにより排気管３１内の排気を速やかに外部に送り出し、フューエルカット開始前の排気が異常診断に影響を及ぼす期間の短縮を図るようにしている。そしてこうした吸入空気量ＧＡを増大させる制御の採用に併せて、先の判定時間ＴＸとしてより小さい値、すなわち同制御を採用しない場合には設定が許容されない値（ここでは７ｓｅｃ）を設定するようにしている。

図４及び図５を参照して、「診断補助処理」の詳細な処理手順について説明する。なお同処理は、「診断基本処理」とともに開始された後に所定の演算周期毎に繰り返し実行される。また図５は、同処理の一部として実行される「補正量算出処理」の詳細を示したものである。

この処理では、ステップＳ２１においてフューエルカットの実行中か否かを判定し、またステップＳ２２において診断完了フラグがオフに設定されているか否かを判定し、またステップＳ２３において酸素センサ４６の異常診断のための前提条件が成立しているか否かを判定する。なお同前提条件としては、酸素センサ４６の温度が活性温度以上であること、及びフューエルカット開始直前の酸素センサ４６の出力がリッチ信号であることが設定されている。

そしてこれら条件のうちいずれか一つでも成立していないものがあるときには、ステップＳ２４の処理の実行を保留する。また、ステップＳ２１において条件が満たされていない旨判定したときには、ステップＳ２２以降の全ての処理を省略して本診断補助処理を一旦終了し、ステップＳ２２またはＳ２３において条件が満たされていない旨判定したときには、ステップＳ２５の処理に移行する。

次のステップＳ２４では、図５に示す「補正量算出処理」を開始し、この処理を通じてスロットル開度ＴＡの増大側への補正量（以下、「開度補正量ＴＡＡ」）を算出する。この開度補正量ＴＡＡは、フューエルカット開始後の所定時期までに残留排気を排気管３１内から外部に十分に送り出すために必要となる吸入空気量ＧＡ（以下、「要求空気量ＧＡＸ」）について、これを得るための値として各機関回転速度ＮＥに対して予め設定されている。また、フューエルカット実行中におけるスロットル開度ＴＡ（以下、「最小開度ＴＡＬ」）の補正量であるため、実質的には最小開度ＴＡＬを基準としたときのスロットル開度ＴＡの大きさに相当する。

そしてステップＳ２５では、開度補正量ＴＡＡをスロットル開度ＴＡに反映し、すなわち最小開度ＴＡＬに開度補正量ＴＡＡを加算してこれを今回制御周期でのスロットル開度ＴＡの指令値として設定する。これにより、電子制御装置４１を通じて別途実行されるスロットル制御において、スロットルポジションセンサ４５により検出されるスロットル開度ＴＡを上記指令値と同じものにすべくスロットルバルブ２２の制御が行われる。以降では、開度補正量ＴＡＡに基づくスロットル開度ＴＡの補正により、実際のスロットル開度ＴＡが最小開度ＴＡＬよりも大きいものに維持する上記制御を開度増大制御とする。

なお、ステップＳ２２またはＳ２３において条件が満たされていない旨判定したときにステップＳ２５の処理を行うようにしているため、開度補正量ＴＡＡとして「０」よりも大きい値がすでに算出されているときには、結果として前回制御周期において算出された開度補正量ＴＡＡがスロットル開度ＴＡに反映される。すなわち、開度増大制御の実行中において、診断結果の確定がなされた場合または異常診断の前提条件が不成立となった場合、フューエルカット実行中である限りはすでに算出されている開度補正量ＴＡＡをスロットル開度ＴＡに反映させ、これにより実際のスロットル開度ＴＡをその時点での開度に維持するようにしている。またすなわち、開度増大制御の実行中において診断結果が確定した場合であっても、フューエルカットが終了するまでは開度増大制御の終了を禁止し、スロットル開度ＴＡを診断結果が確定した時点での開度に維持するようにしている。

診断結果の確定がなされた場合においては、スロットル開度ＴＡをフューエルカット中の本来の開度すなわちアクセル操作量ＡＰに対応した最小開度ＴＡＬに変更することも考えられる。しかしこの場合には、スロットル開度ＴＡの減少にともなう機関回転速度ＮＥの過度の変動が生じ、搭乗者に違和感を与えるおそれもある。そこで本診断補助処理では、上述のようにフューエルカットの終了まで開度増大制御を継続することにより、そうした搭乗者への違和感の付与を抑制するようにしている。

図５を参照して、「補正量算出処理」の詳細について説明する。
本処理においては、まずステップＳ３１を通じて今回の内燃機関１の運転開始後において算出した開度補正量ＴＡＡのうちの最新のものを前回制御周期の開度補正量（以下、「前回補正量ＴＡＦ」）として設定する。なお、開度補正量ＴＡＡの初期値は「０」に設定されているため、運転開始後の最初のフューエルカットに基づいて本補正量算出処理が実行された際には、前回補正量ＴＡＦとしてもまずは「０」が設定される。また、開度補正量ＴＡＡはフューエルカットの終了毎に初期化されるため、運転開始後の２回目以降のフューエルカットに基づいて本補正量算出処理が実行された際にも前回補正量ＴＡＦはまず「０」に設定される。

次に、回転速度センサ４３により検出された機関回転速度ＮＥに基づいて開度補正量ＴＡＡを算出する。具体的には、図６（ａ）に示す態様をもって予め記憶されているマップに基づいて、そのときの機関回転速度ＮＥに対応した開度補正量ＴＡＡを算出する。同マップにおいては、フューエルカットからの復帰がなされる機関回転速度ＮＥを下限回転速度ＮＥＬとし、フューエルカット中において要求空気量ＧＡＸ以上の吸入空気量ＧＡが得られる機関回転速度ＮＥを基準回転速度ＮＥＨとして、次のように機関回転速度ＮＥと開度補正量ＴＡＡとの関係が設定されている。すなわち、下限回転速度ＮＥＬから基準回転速度ＮＥＨまでの領域では機関回転速度ＮＥが増大するにつれて開度補正量ＴＡＡは次第に小さくなり、また基準回転速度ＮＥＨよりも大きい領域では機関回転速度ＮＥにかかわらず開度補正量ＴＡＡは一定の値となる。

図６（ｂ）に示されるように、フューエルカット中においては機関回転速度ＮＥが低下するにつれて吸入空気量ＧＡと要求空気量ＧＡＸとの差（以下、「空気量差△ＧＡ」）は増大する傾向を示す。従って、任意の機関回転速度ＮＥにあるときに要求空気量ＧＡＸを得るためには、同回転速度ＮＥにおいての空気量差△ＧＡに対応する分だけスロットル開度ＴＡを増大側に補正する必要がある。そこで、本診断補助処理の設計に際しては、機関回転速度ＮＥ毎の空気量差△ＧＡを試験により把握し、この空気量差△ＧＡに応じた分だけ吸入空気量ＧＡを増大させるために必要となるスロットル開度ＴＡを設定し、この作業を各機関回転速度ＮＥについて行うことにより図６のマップを構成している。

ここで、同マップに基づく開度補正量ＴＡＡの算出態様の一例について説明する。
フューエルカット開始時の機関回転速度ＮＥが回転速度ＮＥ１であり、この回転速度ＮＥ１に基づいて得られる吸入空気量ＧＡが空気量ＧＡ１であったとすると、この時点で吸入空気量ＧＡ１は要求空気量ＧＡＸに対して空気量△ＧＡだけ不足していることになる。従って、開度補正量ＴＡＡとしてはこの不足分の空気量△ＧＡを増大させる値（開度補正量ＴＡＡ１）が算出される。

さて、上記ステップＳ３２の処理を通じて開度補正量ＴＡＡを算出した後、次のステップＳ３３では、アイドルスピードコントロールバルブ２３Ｂの開度（以下、「ＩＳＣ開度」）に基づいて開度補正量ＴＡＡの補正量（以下、「補助補正量ＴＡＢ」）を算出する。具体的には、図７（ａ）に示す態様をもって予め記憶されているマップに基づいて、そのときのＩＳＣ開度に対応した補助補正量ＴＡＢを算出する。同マップにおいては、ＩＳＣ開度が「０」のときには補助補正量ＴＡＢも「０」、且つＩＳＣ開度が増大するにつれて補助補正量ＴＡＢも次第に大きくなる態様でこれらパラメータの関係が設定されている。ちなみに、当該内燃機関１においてアイドルスピードコントロールバルブ２３Ｂは図７（ｂ）に示す態様をもって制御されている。すなわち、機関回転速度ＮＥが低回転領域及び中回転領域にあるときには機関回転速度ＮＥが増大するにつれてＩＳＣ開度は次第に小さくなり、機関回転速度ＮＥが高回転領域にあるときには機関回転速度ＮＥの大きさにかかわらずＩＳＣ開度は「０」に維持される。

そしてステップＳ３４において、ステップＳ３２で算出した開度補正量ＴＡＡからステップＳ３３で算出した補助補正量ＴＡＢを減算し、その結果を新たな開度補正量ＴＡＡとして設定する。

ここで、ＩＳＣ開度が「０」よりも大きいときには、アイドルスピードコントロールバルブ２３Ｂ及びスロットルバルブ２２のそれぞれを通過する吸入空気を合わせたものが燃焼室に供給される空気量となる。従って、そのような状態においてステップＳ３２により算出した開度補正量ＴＡＡをそのままスロットル開度ＴＡに反映させた際には、ＩＳＣ開度に応じた分だけ吸入空気量ＧＡが要求吸気量ＧＡＸを上回るようになる。すなわち、スロットル開度ＴＡが不要に増大側に補正されることになる。そこで本診断補助処理では、そうしたスロットル開度ＴＡの過度の補正を抑制するため、上記ステップＳ３２〜Ｓ３４の演算処理を通じて、ＩＳＣ開度を加味した開度補正量ＴＡＡの算出を行うようにしている。

次のステップＳ３６では、エアフロメータ４４により検出された吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ以上か否かを判定し、要求空気量ＧＡＸ以上である旨の判定結果が得られたときには、ステップＳ３７において前回補正量ＴＡＦを開度補正量ＴＡＡとして設定する。すなわち、吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ以上のときには、開度補正量ＴＡＡを前回補正量ＴＡＦに維持する。一方、要求空気量ＧＡＸ未満である旨の判定結果が得られたときには、ステップＳ３６の処理を省略して次の処理へ移行する。

開度増大制御にともない吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸに達したときには、残留排気の外部への送り出しが十分になされた状態にあると推定されるため、吸入空気量ＧＡをそれ以上に増量させる必要、すなわちスロットル開度ＴＡをそれ以上に増大させる必要はない。そこで、スロットル開度ＴＡを増大側に補正された開度からアクセル操作量ＡＰに対応した最小開度ＴＡＬに変更することも考えられるが、この場合にはスロットル開度ＴＡの減少にともなう機関回転速度ＮＥの過度の変動が生じ、搭乗者に違和感を与えるおそれもある。従って本診断補助処理では、スロットル開度ＴＡの開度増大制御を通じて吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸに達したときには、開度補正量ＴＡＡを前回補正量ＴＡＦに維持することにより、スロットル開度ＴＡをその時点での開度に維持するようにしている。これにより、スロットル開度ＴＡが増大側に過度に補正されることの抑制と、フューエルカット実行中において機関回転速度ＮＥの過度の変動が生じることの抑制との両立が図られるようになる。

また、今回のフューエルカットが開始された最初の制御周期において、吸入空気量ＧＡがすでに要求空気量ＧＡＸ以上であるときにも、残留排気の外部への送り出しが十分になされた状態にあると推定されるため、吸入空気量ＧＡをそれ以上に増量させる必要、すなわちスロットル開度ＴＡをそれ以上に増大させる必要はない。本診断補助処理によれば、フューエルカット開始後の最初の制御周期において前回補正量ＴＡＦは「０」に設定されており、吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ以上である旨判定された際には、この前回補正量ＴＡＦが開度補正量ＴＡＡとして設定される。これにより、開度補正制御の制御ルーチンが実行されているとはいえ、スロットル開度ＴＡは増大側に補正されることなく最小開度ＴＡＬに維持されるため、スロットル開度ＴＡの不要な補正は抑制される。

さて、先のステップＳ３５またはＳ３６の処理を実行した後、ステップＳ３７においてアイドルスピードコントロールバルブ２３Ｂの学習が完了していない旨判定したときには、ステップＳ３８を通じて開度補正量ＴＡＡを「０」に設定する。一方、学習が完了している旨の判定結果が得られたときには、ステップＳ３８の処理を省略し、ステップＳ３４にて設定した開度補正量ＴＡＡを今回制御周期での最終的な開度補正量ＴＡＡとして維持する。

アイドルスピードコントロールバルブ２３Ｂの学習が完了していない条件のもと、フューエルカット実行中にスロットル開度ＴＡの増大側への補正を実行した際には、これに起因して機関回転速度ＮＥの不安定化をまねくこともある。そこで本診断補助処理では、そうした状況が生じることを抑制するため、ステップＳ３７の判定処理においてそれまでの処理を通じて算出した開度補正量ＴＡＡをスロットル開度ＴＡに反映させてもよいか否かを確認するようにしている。

図８を参照して、異常診断制御の実行態様の一例について説明する。
時刻ｔ１１においてアクセル操作量ＡＰが「０」である旨判定され、これに基づいてフューエルカットが開始されたとすると、「診断基本処理」によりステップＳ１１の条件が成立している旨判定され、さらにステップＳ１２及びＳ１３の条件が成立しているか否かの判定がなされる。そして、ステップＳ１１〜Ｓ１３の全ての条件（異常診断の実行条件）が成立している旨の判定結果が得られたとすると、ステップＳ１４を通じて異常診断が開始される。またこれと並行して、「診断補助処理」においてもステップＳ２１〜Ｓ２３の全ての条件が成立している旨の判定結果が得られるため、ステップＳ２４を通じて開度増大制御が開始される。

そしてこの開度増大制御により、スロットル開度ＴＡはフューエルカット開始時の開度ＴＡ１から増大側に向けて補正されるため、吸入空気量ＧＡはこれにともない増加する傾向を示すようになる。ちなみに、開度増大制御がなされない場合には、アクセル操作量ＡＰが「０」であることに基づいてスロットル開度ＴＡは最小開度ＴＡＬに維持されるため（（ｃ）の破線）、吸入空気量ＧＡもこれに応じた小さなものとなる。

時刻ｔ１２において吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸに到達したとすると、「診断補助処理」のステップＳ３５及びＳ３６により開度補正量ＴＡＡとして前回補正量ＴＡＦが設定され、吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ以上である限りスロットル開度ＴＡは時刻ｔ１２での開度ＴＡ２に維持される。

そして時刻ｔ１３において、異常診断が開始された時刻ｔ１１からの経過時間である診断時間ＴＳが判定時間ＴＸに達し、この時点で酸素センサ４６の出力がリッチ信号であるとすると、「診断基本処理」のステップＳ１５〜Ｓ１７の処理を通じて酸素センサ４６に異常が生じている旨の診断結果が確定される。この診断結果の確定がなされて以降、フューエルカットが終了する時刻ｔ１４まではスロットル開度ＴＡは同診断結果の確定時の開度ＴＡ２に維持され、時刻ｔ１４のフューエルカットの終了にともないアクセル操作量ＡＰに対応した開度に向けて変更される。

またあるいは、時刻ｔ１１〜ｔ１３の間に酸素センサ４６の出力がリッチ信号からリーン信号に変化したとすると、「診断基本処理」のステップＳ１５及びＳ１７の処理を通じて酸素センサ４６に異常が生じていない旨の診断結果が確定される。この場合、例えば診断結果が確定した時点でのスロットル開度ＴＡ１であるとすると、同時点からフューエルカット終了までの間、スロットル開度ＴＡは開度ＴＡ１に維持される。

［実施形態の効果］
以上にて詳述した本実施形態の酸素濃度センサの異常診断装置によれば、以下に示す効果が得られる。

（１）本実施形態の異常診断装置では、異常診断に際して開度増大制御を通じて残留排気を排気通路の外部に送り出すようにしていることにより、異常診断をフューエルカット開始後のより早い時期またはフューエルカットと同時に開始することが許容されるため、異常診断を早期に完了させることができるようになる。

ここで、異常診断のために開度増大制御を開始し、その後の異常診断の完了にともない同制御を終了したとすると、この場合にはフューエルカット実行中においてスロットル開度ＴＡが減少することになるため、これに起因して機関回転速度ＮＥの過度の変動をまねくことも想定される。当該異常診断装置ではこの点に鑑み、開度増大制御を開始したときにはフューエルカットが終了するまで同制御の終了を禁止するようにしているため、上述したフューエルカット中におけるスロットル開度ＴＡの急激な減少が生じる状況をまねくことは回避されるようになる。従って、フューエルカット中の開度増大制御に起因した機関回転速度ＮＥの過度の変動の発生を抑制することができるようになる。

すなわち当該異常診断装置によれば、フューエルカット中の開度増大制御を通じて異常診断を早期に完了させることと、同制御に起因する機関回転速度ＮＥの過度の変動を抑制することとの両立を図ることができるようになる。ちなみに、運転者がアクセルペダルを開放している期間においての機関回転速度ＮＥの変動は、アクセルペダルを踏み込んでいるときの同程度の変動と比較して運転者に与える違和感は一層大きなものになると想定される。そしてこの点において、フューエルカット中の機関回転速度ＮＥの変動を抑制すべく開度増大制御の終了を禁止する当該異常診断装置について、その実用性は十分に担保されているといえる。

（２）本実施形態の異常診断装置では、吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ以上のとき、すなわち残留排気を速やかに外部に送り出すうえで十分と考えられる吸入空気量が得られているとき、スロットル開度ＴＡをそのときの開度に維持するようにしている。従って、吸入空気量ＧＡが不要に増大されることを抑制するとともに、スロットル開度ＴＡの減少に起因する機関回転速度ＮＥの変動を抑制することができるようになる。

（３）本実施形態の異常診断装置では、吸入空気量ＧＡと相関のある機関回転速度ＮＥに基づいて開度補正量ＴＡＡを設定するようにしている。これにより、フューエルカット中においてスロットル開度ＴＡが過度に大きく補正されることを抑制することができるようになる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の実施態様は上記実施形態に限られるものではなく、例えば以下に示す態様をもって実施することもできる。

・上記実施形態では、異常診断の完了後も「診断基本処理」自体についてはこれを所定の演算周期毎に繰り返し実行する構成としたが、例えば次のように変更することもできる。すなわち、異常診断の完了後は「診断基本処理」を終了し、内燃機関１の運転終了までこれを行わないようにすることもできる。またあるいは、酸素センサ４６に異常が生じている旨の診断結果が確定したときには、上記態様をもって「診断基本処理」を終了し、酸素センサ４６に異常が生じていない旨の診断結果が確定したときには、次のフューエルカットが実行されたときに再び異常診断を行うこともできる。すなわち、酸素センサ４６に異常が生じていない旨の判定結果が得られたときには、これをもって診断結果を確定することを保留し、異常が生じている旨の判定結果が得られたときにのみ診断結果を確定することもできる。

・上記実施形態では、「診断基本処理」による異常診断の開始後において、酸素センサ４６の出力がリーン信号であるときにはこれをもって異常が生じていない旨判定するようにしたが、診断結果の確定態様を次のように変更することもできる。すなわち、診断時間ＴＳが判定時間ＴＸに達するまでは酸素センサ４６の出力にかかわらず診断結果の確定を保留し、診断時間ＴＳが判定時間ＴＸに達した時点での出力に基づいて、酸素センサ４６の状態が正常か異常かの診断結果を確定する。要するに、診断時間ＴＳが判定時間ＴＸに達した時点で診断結果が確定する態様であれば、その態様は上記実施形態のものに限られず適宜変更することができる。

・上記実施形態では、異常診断の開始とともに開度増大制御を開始するようにしたが、同制御の開始時期はこれに限られるものではない。例えば、フューエルカット開始後において異常診断の開始に先立ち開度増大制御を開始することもできる。またあるいは、フューエルカット開始とともに開度増大制御を開始することもできる。

・上記実施形態では、フューエルカットの終了と同時に開度増大制御を終了するようにしたが、同終了の時期はこれに限られるものではない。例えば、フューエルカットの終了直後に開度増大制御を終了することもできる。

・上記実施形態では、「診断補助処理」の構成を採用することによりフューエルカット開始後において開度増大制御を実行した際には、同フューエルカットの終了まで同制御を継続するすなわちその終了を禁止するようにしたが、同終了の禁止態様はこれに限られるものではない。例えば、診断結果が確定した後においては、ステップＳ２３〜Ｓ２５の処理に代えてスロットル開度ＴＡの変更を禁止する処理を実行することもできる。

・上記実施形態では、「診断補助処理」においてステップＳ２１〜Ｓ２３の全ての条件が満たされているときに開度増大制御を実行するようにしたが、同制御を実行するための条件はこれに限られるものではない。例えば、ステップＳ２１〜Ｓ２３の判定処理に代えて、「診断基本処理」において異常診断が開始されているか否か（ステップＳ１４以降の処理が開始されているか否か）を判定し、開始されている旨の判定結果が得られたときに開度増大制御を実行することもできる。

・上記実施形態では、開度増大制御において機関回転速度ＮＥ及びＩＳＣ開度に基づいて開度補正量ＴＡＡを算出するようにしたが、他に例えば、エアフロメータ４４による吸入空気量ＧＡと要求空気量ＧＡＸとの差に基づいて開度補正量ＴＡＡを算出することもできる。要するに、開度補正量ＴＡＡとして、吸入空気量ＧＡを要求空気量ＧＡＸに到達させることのできる値が算出される態様であれば、その具体的な算出態様は上記実施形態のものに限られず適宜変更することができる。

・上記実施形態の「診断補助処理」において、開度増大制御のための前提条件として、吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ未満であることを追加することもできる。この条件が成立していないとき、すなわち吸入空気量ＧＡが要求空気量ＧＡＸ以上のときには、開度増大制御を行わなくとも残留排気が排気管３１の外部に送り出されると推定されるため、上記前提条件の追加によりスロットル開度ＴＡの不要な補正がなされることを抑制することができるようになる。

・上記実施形態では、フューエルカット実行中のスロットル開度ＴＡが最小開度ＴＡＬに設定される構成を前提としたが、例えば最小開度ＴＡＬ付近の開度に設定される構成をはじめとして、その他の開度に設定される構成を前提とした場合においても上記実施形態と同様の作用効果を奏することはできる。

・上記実施形態では、濃淡電池式酸素センサを異常診断の対象としたが、限界電流式酸素センサについても上記実施形態に準じた態様をもって異常診断を行うことは可能であり、この場合においても上記実施形態に準じた作用効果が奏せられるようになる。

本発明の酸素センサの異常診断装置を具体化した一実施形態について、同装置を搭載した車載内燃機関の構成を模式的に示す模式図。 同実施形態の酸素センサについて、その出力と酸素濃度との関係を示すグラフ。 同実施形態において実行される「診断基本処理」について、その処理手順を示すフローチャート。 同実施形態において実行される「診断補助処理」について、その処理手順を示すフローチャート。 同実施形態において実行される「診断基本処理」について、その一部を構成する「補正量算出処理」の処理手順を示すフローチャート。 （ａ）同実施形態の「補正量算出処理」において用いる機関回転速度と基本補正開度との関係を示すマップ。（ｂ）スロットル開度補正時の要求吸気量と機関回転速度との関係を示すグラフ。 （ａ）同実施形態の「補正量算出処理」において用いるＩＳＣ開度と補助補正量との関係を示すマップ。（ｂ）機関回転速度とＩＳＣ開度との関係を示すマップ。 同実施形態の異常診断制御について、その実行態様の一例を示すタイミングチャート。

符号の説明

１…内燃機関、１０…機関本体、１１…燃焼室、１２…ピストン、１３…クランクシャフト、１４…吸気弁、１５…排気弁、２０…吸気装置、２１…吸気管、２２…スロットルバルブ、２３…アイドル回転速度制御装置、２３Ａ…バイパス通路、２３Ｂ…アイドルスピードコントロールバルブ、２４…インジェクタ、３０…排気装置、３１…排気管、３２…三元触媒装置、４０…制御装置、４１…電子制御装置、４２…アクセルポジションセンサ、４３…回転速度センサ、４４…エアフロメータ、４５…スロットルポジションセンサ、４６…酸素センサ。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路を流れる排気の酸素濃度に応じて出力が変化する酸素濃度センサについて、その異常診断をフューエルカットの実行中に行う酸素濃度センサの異常診断装置において、
   吸入空気量を調整する吸気量制御弁の開度を前記異常診断のために増大させる吸気制御と、この吸気制御を開始したときにはフューエルカットが終了するまで同吸気制御の終了を禁止する禁止制御とを行う制御手段を備える
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
2. 請求項１に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、フューエルカットの実行条件が成立していること及び前記異常診断の実行条件が成立していることに基づいてフューエルカットとともに前記吸気制御を開始し、フューエルカットの実行中である限りは前記開始した吸気制御の終了を禁止する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
3. 請求項２に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、フューエルカットの終了条件の成立と同時に前記吸気制御を終了する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記内燃機関は、アクセルペダルの操作量に応じて前記吸気量制御弁の開度を調整するものであって、アクセルペダルが踏み込まれている状態から開放された状態に移行したことをフューエルカットの実行条件とするものであり、
   前記制御手段は、前記吸気制御の実行中においては前記吸気量制御弁の開度をアクセルペダルの操作量に応じた開度よりも大きいものに維持する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、前記吸気制御の実行中において吸入空気量が予め設定された基準吸気量以上か否かを判定し、基準吸気量以上である旨の判定結果が得られたときには前記吸気量制御弁の開度をそのときの開度に維持する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、前記吸気制御において吸気量制御弁の開度を増大させる量である開度補正量について、これを機関回転速度に基づいて算出する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
7. 請求項６に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、機関回転速度が高回転領域を除く低回転領域または中回転領域にあるときには機関回転速度の増大にともない前記開度補正量を増大させる
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
8. 請求項６または７に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、機関回転速度が高回転領域にあるときには機関回転速度の変化にかかわらず前記開度補正量を一定の値に維持する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの異常診断装置において、
   前記制御手段は、吸入空気量が予め設定された判定空気量未満であるときには前記吸気制御を開始しない
   ことを特徴とする酸素濃度センサの異常診断装置。

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