JP2010270678A - 内燃機関の酸素センサ診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に取り付けられた触媒前酸素センサのスイッチング特性の理論空燃比に対するずれを的確に検出する。
【解決手段】内燃機関の触媒２０６の上流側と下流側に触媒前酸素センサ２０５と触媒後酸素センサ２１５を設けて、空燃比補正係数を算出し、空燃比フィードバック制御を行う場合に、触媒後酸素センサ信号に基づき、触媒前のリッチ判定とリーン判定に対する空燃比補正係数の遅延操作を行う。このときのリッチ判定の遅延時間ＤＲとリーン判定の遅延時間ＤＬの差分遅延時間ＤＢＮと、その差分遅延時間ＤＢＮとリッチ時間ＴＲとの比率である差分遅延率ＲＢＮにより、触媒前酸素センサ２０５の理論空燃比に対するスイッチング特性ずれの有無を診断する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスの酸素濃度に応じて信号を出力する酸素センサの診断に関する。

自動車の有害排気ガスを減少させ、かつ燃費や運転性を向上させるための手段として、エンジン等内燃機関の排気ガス成分に関する情報によって、空燃比を制御するフィードバック方式の空燃比制御装置が実用化されている。

上記の空燃比制御装置において、排気ガス成分の異常や、制御システム上での異常は、使用されるセンサ、例えば酸素センサ自身の故障や劣化により、制御を適正に行うことができない場合が生じる。

特に、上記の酸素センサは、エンジン排気直後に設置されて、高温、高圧や振動の影響、粗悪燃料等の影響を受けるため、劣化し易い傾向がある。また、多気筒エンジンの場合には、他のサイクルの影響を受けることから、極めて正確な検出精度を備えている必要がある。

特に北米向けの自動車は、ＯＢＤII規制（車載自己診断装置の装着を義務付けた法律）に対応する必要があり、上記酸素センサに排気規制値の１．５倍を超えるような故障が発生した場合、速やかに運転者の異常を警告し、修理を促す必要がある。

したがって、酸素センサの検出精度が何らかの原因で低下した時には、センサの交換等の適切な処置を施す必要があり、従来においては、適切な酸素センサの劣化状態を容易にかつ適切に検出する手段がなかった。

酸素センサの劣化検出方法として、特許文献１に示す方法があり、かかる方法においては、触媒前の酸素センサ信号よって判定されるリッチ、リーン判定を、触媒後の酸素のセンサ信号によって遅延させることで、触媒前酸素センサの２つの劣化モード（後述）を触媒前酸素センサの周波数から検出し、異常状態を判定している。

特開特開平４−３５０３４５号公報

上記の特許文献１の酸素センサ劣化診断は、酸素センサの応答性の悪化と、スイッチング特性のずれという２つの劣化モード（図３および図４を参照）を区別することなく、診断を実行している。

これは、触媒前酸素センサ信号よって判定されるリッチ、リーン判定を、触媒後酸素センサ信号によって遅延させることで、両タイプの劣化を酸素センサの周波数から一挙に判定するというものである。

図３は、空燃比変動に伴う酸素センサの応答性が劣化した劣化モードを説明する図であり、図４は、スイッチング特性ずれの劣化モードを説明する図である。

酸素センサの応答性が劣化すると、図３に示すように、制御信号がリーン指令、またリッチ指令を出しても、応答良く酸素センサ信号が反応せず、その周期が長くなる（周波数が低くなる）。従って、周期時間を計測することで酸素センサの応答劣化の状態を判定することができる。

一方、図４に示すスイッチング特性ずれの劣化モードは、酸素センサの周期に影響を及ぼさない。例えば、空燃比＝１４．７（λ＝１．０）において切り替わるスイッチングポイントがリーン側にずれている場合には、リッチ指令の時間が長くなり、リーン指令の時間が短くなるだけで、リッチ、リーントータルの時間（周期時間）は正常に対し変わらない。

また、スイッチングポイントがリッチ側にずれている場合には、リーン指令の時間が長くなり、リッチ指令の時間が短くなるだけで、リッチ、リーントータルの時間（周期時間）は正常に対し変わらない。

特許文献１に示す技術では、触媒前酸素センサ信号よって判定されるリッチ、リーン判定を、触媒後酸素センサ信号によって遅延させることで、図４に示すスイッチング特性ずれの劣化モードも酸素センサの周期に現れるようにして、診断を実行している。

ところで、図４に示すスッチング特性ずれの劣化モードは、触媒後酸素センサ信号による遅延操作によって制御される空燃比フィードバック制御の異常そのものと考え、燃料系診断として扱われることが多い。これは、診断のために触媒前酸素センサ信号によるリッチ／リーン判定に遅延操作をすること自体が、燃料制御の一部と考えられるからである。

燃料系診断の故障コードと酸素センサ診断の故障コードは区別する必要があり、図３と図４に示す２つの劣化モードを分離して検出する必要がある。本発明は、図４の劣化モードのみを検出する診断方法を提案するものである。

なお、故障コードとは、診断項目毎に設定してある数値であり、通常４桁の数から構成される。特定の部品が故障した場合、故障診断テスタを車輌に装着し、故障コードをモニタすることで、故障部位を特定することができる。

上記課題を解決する本発明の内燃機関の酸素センサ診断装置は、触媒前酸素センサの信号に基づいて触媒前の空燃比がリッチ状態であるか否かを判定し、リッチ状態のリッチ時間を計測する。そして、触媒後酸素センサの信号に応じて、リーン状態からリッチ状態に切り換わってからの遅延時間である第１の遅延時間と、リッチ状態からリーン状態に切り換わってからの遅延時間である第２の遅延時間を演算する。

そして、第１の遅延時間と第２の遅延時間に基づいて差分遅延時間を演算し、差分遅延時間とリッチ時間に基づいて差分遅延率を演算する。そして、差分遅延時間と差分遅延率に基づいて、理論空燃比に対する触媒前酸素センサのスイッチング特性ずれの有無を判定する。

本発明によれば、触媒前空燃比のリッチ時間、リッチ判定遅延時間、リーン判定遅延時間によって、理論空燃比に対する触媒前酸素センサのスイッチング特性ずれを的確に検出することができる。従って、酸素センサ診断の故障コードと燃料系診断の故障コードとを区別することができる。

本実施の形態に係わる内燃機関の酸素センサ診断装置の機能ブロック図。 本実施の形態に係わる内燃機関システムの一例を示す図。 触媒前酸素センサの応答性が劣化している故障モードを説明する図。 触媒前酸素センサのスイッチング特性がずれている故障モードを説明する図。 本実施の形態に係わる空燃比フィードバック制御のブロック線図。 図５のブロック線図の動作説明図。 第１の遅延時間DR、第２の遅延時間DLの演算方法を示すブロック線図。 触媒前酸素センサのスイッチング特性ずれと空燃比補正係数の関係を示す図。 触媒前酸素センサのスイッチング特性ずれを検出する方法を示す図。 酸素センサ診断装置の動作例を示すタイムチャート。 診断領域判定方法を示すフローチャート。 触媒前酸素センサ信号によるリッチ／リーン判定方法を示すフローチャート。 空燃比フィードバック制御方法を示すフローチャート。 第１の遅延時間および第２の遅延時間の演算方法を示すフローチャート。 触媒前酸素センサの診断方法を示すフローチャート。

以下、本実施の形態における内燃機関の酸素センサ診断装置及びそれによる診断方法について説明する。

図１は、本実施の形態に係わる内燃機関の酸素センサ診断装置の機能ブロック図である。

触媒前酸素センサ信号計測手段１０１は、触媒前酸素センサ２０５（図２を参照）により、触媒前の酸素濃度を計測する。触媒後酸素センサ信号計測手段１０２は、触媒後酸素センサ２１５（図２を参照）により、触媒後の酸素濃度を計測する。

リッチ／リーン判定手段１０３は、触媒前の空燃比がリッチまたはリーンであるかを判定する。リッチ時間計測手段１０４は、リッチ判定中のリッチ時間を計測する。第１の遅延時間演算手段１０５は、リッチ／リーン判定手段１０３の出力がリーンからリッチに切り換ってからの遅延時間（第１の遅延時間ＤＲ）を、触媒後酸素センサ２１５の信号に基づいて演算する。第２の遅延時間演算手段１０６は、リッチ／リーン判定手段１０３の出力がリッチからリーンに切り換ってからの遅延時間（第２の遅延時間）ＤＬを、触媒後酸素センサ２１５の信号に基づいて演算する。

差分遅延時間演算手段１０７は、第１の遅延時間演算手段１０５によって算出された第１の遅延時間ＤＲと、第２の遅延時間演算手段１０６によって算出された第２の遅延時間ＤＬとの差分遅延時間ＤＢＮを演算する。

差分遅延率演算手段１０８は、リッチ時間計測手段１０４によって計測されたリッチ時間ＴＲと、差分遅延時間演算手段１０７によって演算された差分遅延時間ＤＢＮとの比率である差分遅延率ＲＢＮを演算する。診断領域判定手段１０９は、内燃機関の状態等に基づいて、触媒前酸素センサ２０５の診断が可能な診断領域内であるか否かを判定する。

スイッチング特性ずれ判定手段１１０は、診断領域判定手段１０９から診断領域内であるとの信号を受け取った場合に、差分遅延時間演算手段１０７により演算された差分遅延時間ＤＢＮと、差分遅延率演算手段１０８により演算された差分遅延率ＲＢＮとに基づいて、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれの有無を判定する処理を行う。

以上が、本発明の概要であり、以下、本発明の対象となる内燃機関システムから説明する。図２は、本実施の形態に係わる内燃機関システムの一例を示す図である。

内燃機関システムは、図２に示すように、内燃機関と、吸気系と、排気系を有しており、内燃機関には、点火装置２０１、燃料噴射装置２０２および回転数検出装置２０３が取り付けられている。

エアークリーナ２００から流入される空気は、スロットルバルブ２１３で流量を調節された後、流量検出手段２０４で流量を計り、燃料噴射装置２０２から所定の角度で噴射される燃料と混合されて各気筒２１４に供給される。また、排気系には空燃比センサ２０５、三元触媒２０６が取り付けられており、排気ガスは三元触媒２０６で浄化された後に、大気に排出される。

内燃機関制御装置２０７は、流量検出手段２０４の出力信号Ｑａと回転数検出装置２０３によってリングギアまたはプレート２０８の回転数Ｎｅを取り込み、燃料噴射量Ｔｉを計算し、燃料噴射装置の噴射量を制御する。

また、内燃機関制御装置２０７は、内燃機関内の空燃比を触媒前酸素センサ２０５から検出し、内燃機関内の空燃比が理論空燃比になるように燃料噴射量Ｔｉを補正する空燃比フィードバック制御を行う。また、触媒後の空燃比を酸素センサ２１５で検出する。

一方、燃料タンク２０９内の燃料は、燃料ポンプ２１０によって、吸引・加圧された後、プレッシャーレギュレータ２１１を備えた燃料管２１２を通って燃料噴射装置２０２の燃料入口に導かれ、余分な燃料は、燃料タンク２０９に戻される。以上が、対象となる内燃機関システムである。

では、本発明を具体的に説明する。
まず、対象とする触媒前酸素センサ２０５の劣化モードを、図３、図４に示す。図３は、触媒前酸素センサの応答性が劣化している故障モードを説明する図、図４は、触媒前酸素センサのスイッチング特性がずれている故障モードを説明する図である。

図３に示すように、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性は正常だが、実空燃比に対する感度がにぶくなった劣化状態になると、実空燃比に対する応答性が遅くなる。従って、空燃比フィードバック制御を実行した時に、リッチ、リーンの反転の検出自体が遅れ、長い周期でフィードバックがかかることとなる。従って、三元触媒２０６の転換効率が良いストイキ（空燃比＝１４．７）に制御することが困難になり、排気が悪化するおそれがある。

従って、触媒前酸素センサ２０５の応答性が劣化する劣化モードを検出する必要がある。触媒前酸素センサ２０５の応答性の劣化は、上述したように、触媒前酸素センサ２０５のセンサ信号の周期に、その劣化の度合いが現れる。従って、触媒前酸素センサ２０５のセンサ信号の周期（リッチから次のリッチになるまでの時間、またはリーンから次のリーンになるまでの時間）を直接検出し、ＮＧ判定時間と比較することで、劣化状態を検出することができる。

一方、図４に示す劣化モードは、触媒前酸素センサ２０５の周期に直接、影響を及ぼさない。触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリーン側にずれていれば、リッチ指令の時間が長くなり、リーン指令の時間が短くなるだけで、リッチ、リーントータルの時間（周期時間）は正常に対し変わらない。

また、逆に、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリッチ側にずれていれば、リーン指令の時間が長くなり、リッチ指令の時間が短くなるだけで、リッチ、リーントータルの時間（周期時間）は正常に対し変わらない。この劣化モードの検出方法について、以下記述する。

図５に本発明を含めた空燃比フィードバック制御のブロック線図を示す。通常、三元触媒２０６による排気浄化システムは、触媒前酸素センサ２０５の信号により、触媒前の空燃比を理論空燃比に制御している。

本診断は、図４の触媒前酸素センサ２０５の劣化モードを検出するために、図５に示す点線で囲まれた部分を追加する。触媒後酸素センサ２１５の信号によるリッチ／リーン判定を遅延する点は、特開平４−３５０３４５号公報と同等であり、それゆえに、図３と図４の劣化モードを分離する必要になる。

図６は、図５のブロック線図の動作説明図である。触媒後の空燃比がリーンの場合、PI制御により、第１の遅延時間DRは増加、第２遅延時間DLは減少する。したがって、触媒前酸素センサ２０５の信号によるリッチ判定が遅れる方向に変化（リーンと見せかける）する。よって、空燃比補正係数は徐々に大きくなり、触媒２０６を通じて、やがて、触媒後の空燃比がリッチに変化する。

触媒後の空燃比がリッチになると、PI制御により、第１の遅延時間DRは減少、第２遅延時間DLは増加する。したがって、触媒前酸素センサ２０５の信号によるリーン判定が遅れる方向に変化（リッチと見せかける）する。よって、空燃比補正係数は徐々に小さくなり、触媒２０６を通じて、やがて、触媒後の空燃比がリーンに変化する。これを繰り返すことにより、空燃比フィードバック制御が実行される。

図７は、第１の遅延時間DRと、第２の遅延時間DLの演算方法を示すブロック線図である。第１の遅延時間DRと、第２の遅延時間DLは、上述したPI制御方法で算出され、触媒後酸素センサ２１５のストイキ点（S/L）に対する偏差ｅを基に演算する。

偏差ｅに係数１を乗算した値を比例分（Ｐ分）とする。偏差ｅに係数２を乗算し、過去に積算した値（初期値はゼロ）に加算した値を積分分（Ｉ分）とする。この比例分（Ｐ分）と積分分（Ｉ分）を加算し、瞬時演算の遅延時間DLYを演算する。

瞬時演算の遅延時間DLYは、触媒後酸素センサ２１５がリーンの時、減算され、負側に増加していく。そして、逆に、触媒後酸素センサ２１５がリッチの時は、加算され、正側に増加していく。この瞬時演算の遅延時間DLYを、触媒前酸素センサ２０５の信号がリーンからリッチに反転した時（フラグ#FRLセット）に、第１の遅延時間DRに代入し、この時を起点に第１の遅延時間DR分だけ待ってから、フラグ#FRICHをセットする。

また、この瞬時演算の遅延時間DLYを、触媒前酸素センサ２０５の信号がリッチからリーンに反転した時（フラグ#FRLリセット）に、第２の遅延時間DLに代入し、この時を起点に第２の遅延時間DL分だけ待ってから、フラグ#FRICHをリセットする。そして、このフラグ#FRICHの状態を参照して、空燃比補正係数を演算し、基準燃料供給量を補正する空燃比フィードバック制御を行う。

図５に示すブロック線図の動作を図６、図７で説明してきたが、この制御の効果を考えると、図８に示すような理解ができる。触媒前酸素センサ２０５に、図４に示すような、スイッチング特性ずれの劣化モードが発生すると、そのスイッチング特性のずれ分を吸収するように空燃比補正係数が変化する。

つまり、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリーン側にずれていると、空燃比補正係数は、リッチ方向に変化する。従って、空燃比補正係数が全体的に正の傾きをもって変化することになる。

また、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリッチ側にずれていると、空燃比補正係数は、リーン方向に変化する。従って、空燃比補正係数が全体的に負の傾きをもって変化することになる。

この効果は、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれが、触媒２０６を介して、触媒後酸素センサ２１５に現れることによって発生する。そこで、図４の劣化モードを検出すべく、図９に示す方法をとる。上述した空燃比補正係数の変化を検出することができれば、スイッチング特性ずれを検出できる。従って、空燃比補正係数の変化を検出すべく、差分遅延時間、差分遅延率を式（１）、（２）より演算する。
差分遅延時間DBN＝（DR−DL） ・・・（１）
差分遅延率RBN＝（DR−DL）/TR ・・・（２）
DR：第１の遅延時間
DL：第２の遅延時間
TR：リッチ時間

上記式（１）の差分遅延時間DBNは、第１の遅延時間DRと第１の遅延時間DLの差分であり、リッチ方向への補正（リッチ補正）とリーン方向への補正（リーン補正）のバランス値を現すことになる。そして、式（２）の差分遅延率RBNは、式（１）のバランス値を触媒前酸素センサ２０５のリッチ時間で除算した値であり、触媒前酸素センサ２０５の信号のみの空燃比フィードバック量に対する触媒後酸素センサ２１５による影響度（触媒後酸素センサ２１５で補正したときの影響度）を現しており、上述した傾きになる（空燃比補正係数の全体的な傾きに現れる）。したがって、これらの値（DBN、RBN）が極端に大きいとき、または極端に小さいとき（負側に大）に、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれが有ると判断することができる。

上記の差分遅延時間DBN、差分遅延率RBNを式（１）、式（２）により演算し、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれの有無を検出する。ここで、差分遅延時間ＤＢＮが時間上限値１よりも大きく、かつ、差分遅延率ＲＢＮが遅延率上限値３よりも大きい場合には、空燃比補正係数の全体的な傾きが正側に大となっていることを示しており、リッチ補正をかけすぎていると考え、これは、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがストイキ（空燃比＝１４．７）よりもリーン側にずれている（リーンＮＧ）と判断し、スイッチング特性ずれが発生していると判断する。

また、差分遅延時間ＤＢＮが時間下限値２よりも小さく、かつ差分遅延率ＲＢＮが遅延率下限値４より小さい場合には、空燃比補正係数の全体的な傾きが負側に大となっていることを示しており、リーン補正をかけすぎていると考え、これは、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがストイキ（空燃比＝１４．７）よりもリッチ側にずれている（リッチＮＧ）と判断し、同様にスイッチング特性ずれが発生していると判断する。

但し、図７に示した第１の遅延時間DRと、第２の遅延時間DLの演算は、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれが、触媒２０６を介して、触媒後酸素センサ２１５に現れることを利用して演算しているため、触媒２０６の影響を受けることになる。

そこで、本診断の実行前に、触媒２０６の劣化度（触媒の伝達感度特性等）を予め求めておく必要がある。触媒２０６の劣化度は、触媒前酸素センサ２０５の信号と触媒後酸素センサ２１５の信号の周波数応答から求める。触媒２０６の劣化度は、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれに影響しない。

触媒前酸素センサ２０５にスイッチング特性ずれが発生しても、そのずれを明らかに超えるリッチ、リーン化の指令値（触媒前酸素センサ２０５の制御のＰ分を大きく振る）を与えれば、スイッチング特性ずれに影響せずに、周波数応答により、触媒２０６の劣化度を求めることができる。

なお、触媒２０６の劣化度の他、空間速度（吸入空気量）も、選択した診断領域によっては、補正量として使用することができる。

上述した方法により、触媒２０６の劣化度または吸入空気量を求め、上記した時間上限値１、時間下限値２、遅延率上限値３、遅延率下限値４、または、差分遅延時間ＤＢＮと差分遅延率ＲＢＮを補正することにより、正確なスイッチング特性ずれを判定することができる。

以上より、前述した式（１）は、式（３）になり、式（２）は、式（４）になる。
DBN＝（DR−DL）×KHOS ・・・（３）
RBN＝DBN/TR ・・・（４）
DR：第１の遅延時間
DL：第２の遅延時間
TR：リッチ時間
KHOS：触媒劣化補正係数 または 吸入空気量補正係数
DBN：差分遅延時間
RBN：差分遅延率

なお、図７の触媒前酸素センサ２０５のリッチ／リーン判定に遅延操作する制御自体に、排気を低減する効果もある。

図１０は、酸素センサ診断装置の動作例を示すタイムチャートである。例えば、触媒前酸素センサ２０５にスイッチング特性ずれ（リーン側）が発生すると、空燃比補正係数は、図１０のような挙動となる。このとき、演算した差分遅延時間DBN、差分遅延率RBNも、図１０に示すような挙動となり、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリーン側に大きくずれると、差分遅延時間ＤＢＮは時間上限値１よりも大になり、差分遅延率ＲＢＮも遅延率上限値３よりも大になる。これより、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれ（リーン側）の異常を検出することができる。

また、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリッチ側に大きくずれると、差分遅延時間ＤＢＮは時間下限値２より小になり、差分遅延率ＲＢＮも遅延率下限値４よりも小になる。これより、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれ（リッチ側）の異常を検出することができる。本例は、差分遅延時間DBN、差分遅延率RBNに、触媒２０６の劣化補正係数または吸入空気量補正係数を乗じた例である。

以降、本実施の形態における触媒前酸素センサ２０５の診断方法について図１１から図１５のフローチャートを用いて説明する。

図１１は、診断領域判定方法を示すフローチャートである。ステップ１１０１からステップ１１１２では、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれの診断が可能な状態であるか否かが判定される。

ステップ１１０１では、内燃機関の回転数が所定範囲内にあるかチェックする。ステップ１１０２では、内燃機関の負荷が所定範囲内であるか否かをチェックする。ステップ１１０３では、水温が所定値以上か否かをチェックする。ステップ１１０４では、車速が所定範囲内であるか否かをチェックする。ステップ１１０５では、吸気温が所定範囲内か否かをチェックする。ステップ１１０６では、大気圧が所定値以上か否かをチェックする。ステップ１１０７では、バッテリ電圧が所定範囲内か否かをチェックする。ステップ１１０８では、燃料カット中でないかをチェックする。

ステップ１１０９では、空燃比制御フィードバック中か否かをチェックする。ステップ１１１０では、本制御に用いられる各種センサに故障がないか否かをチェックする。ステップ１１１１では、ステップ１１０１〜１１１０の条件が全て成立していれば、診断領域内と判定する。そして、ステップ１１１２では、ステップ１１０１〜１１１０の条件のうち一つでも外れていれば、診断領域外と判定する。

図１２は、触媒前酸素センサの信号によるリッチ／リーン判定方法を示すフローチャートである。ステップ１２０１では、触媒前酸素センサ２０５の信号が、判定値Ｓ／Ｌ以上か否かを判定する。ここで、判定値Ｓ／Ｌ以上であれば（ＹＥＳ）、ステップ１２０２に移行し、フラグ#FRL＝１にセットする。一方、判定値Ｓ／Ｌ未満であれば（ＮＯ）、ステップ１２０３に移行して、フラグ#FRL＝0にリセットする。そして、ステップ１２０４で、前回値のフラグ#FRLを記憶しておくために、フラグ#FRL（前回値）に今回のフラグ#FRLを代入する。

図１３は、本発明の遅延操作による空燃比フィードバック制御のフローチャートである。ステップ１３０１では、触媒前の空燃比がリーンからリッチに変化したか否かをチェックする。

そして、リーンからリッチに変化したタイミングであれば（ステップ１３０１でＹＥＳ）、ステップ１３０２に移行し、第１の遅延時間DRをダウンタイマの初期値にセットする。

一方、ステップ１３０１でリーンからリッチに変化したタイミングではないと判定された場合には、ステップ１３０３に移行し、触媒前の空燃比がリッチ状態であるか否かが判定される。そして、ステップ１３０３で触媒前の空燃比がリッチ状態であると判定された場合には（ステップ１３０３でＹＥＳ）、ステップ１３０４に移行し、ダウンタイマのデクリメントが行われ（この時の初期値はDR）、次いで、ステップ１３０５に移行し、リッチタイマのインクリメントが行われる。そして、ステップ１３０６に移行し、ダウンタイマ＝０になったか否かが判定される。

ステップ１３０６でダウンタイマ＝0であれば（ＹＥＳ）、ステップ１３０７に移行して、フラグ#FRICH＝1にセットする。一方、ステップ１３０６でダウンタイマ＝0でなければ、ステップ１３０８に移行して、フラグ#FRICHを保持する。

また、ステップ１３０３で触媒前の空燃比がリッチ状態ではないと判定された場合には（ステップ１３０３でＮＯ）、ステップ１３０９に移行し、ステップ１３０９で、触媒前の空燃比がリッチからリーンに変化したか否かをチェックする。

そして、リッチからリーンに変化したタイミングであれば（ステップ１３０９でＹＥＳ）、ステップ１３１０に移行し、リッチ時間ＴＲにリッチタイマ値を代入する。そして、ステップ１３１１に移行して第２の遅延時間DLをダウンタイマの初期値にセットし、ステップ１３１２で、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれの診断判定（図１５に詳細を記述する）を実行する。

また、ステップ１３０９で、触媒前の空燃比がリッチからリーンに変化したタイミングではないと判定された場合は（ステップ１３０９でＮＯ）、ステップ１３１３に移行し、ステップ１３１３で、リッチタイマを０（リッチタイマ＝0）にする。

そして、ステップ１３１４に移行し、ダウンタイマをデクリメントし（この時の初期値はDL）、ステップ１３１５に移行する。そして、ステップ１３１５では、ダウンタイマ＝０になったか否かが判定される。

ステップ１３１５でダウンタイマ＝0であれば（ＹＥＳ）、ステップ１３１６に移行して、フラグ#FRICH＝0にリセットする。一方、ステップ１３１５でダウンタイマ＝0でなければ（ＮＯ）、ステップ１３１７に移行して、フラグ#FRICHを保持する。

そして、ステップ１３１８で、フラグ#FRCIHの値から空燃比補正係数を演算し、ステップ１３１９で、燃料噴射量を演算する。

図１４は、第１の遅延時間DRおよび第２の遅延時間DLの演算方法を示すフローチャートである。

まず、ステップ１４０１で、触媒後酸素センサ２１５の信号から、Ｓ／Ｌとの偏差ｅを演算する。そして、ステップ１４０２では、比例分（Ｐ分）PBUNを演算する。比例分PBUNは、偏差ｅに比例分（Ｐ分）のゲイン係数Ｋ１を乗算することによって算出される。それから、ステップ１４０３では、積分分（I分）IBUNを演算する。積分分IBUNは、偏差ｅに積分分（Ｉ分）のゲイン係数Ｋ２を乗算し、積分分IBUNの前回値を加算することによって算出される。次いで、ステップ１４０４では、比例分PBUNと積分分IBUNを加算して、瞬時演算の遅延時間DLYを演算する。

ステップ１４０５では、触媒前の空燃比がリーンからリッチに変化したか否かをチェックする。ここで、リーンからリッチに変化したタイミングであれば（ステップ１４０５でＹＥＳ）、ステップ１４０６に移行し、ステップ１４０４で演算した瞬時演算の遅延時間DLYを第１の遅延時間DRに代入する（DLY自体が負の値になっているので、負号を付けてDRを正とする）。一方、ステップ１４０５で、リーンからリッチに変化したタイミングではない（ＮＯ）と判断された場合には、ステップ１４０７に移行する。

次に、ステップ１４０７で、触媒前の空燃比がリッチからリーンに変化したか否かをチェックする。ここで、リッチからリーンに変化したタイミングであれば（ステップ１４０７でＹＥＳ）、ステップ１４０８に移行し、ステップ１４０４で演算した瞬時演算の遅延時間DLYを第２の遅延時間DLに代入する。そして、ステップ１４０７で、リッチからリーンに変化したタイミングではない（ＮＯ）と判断された場合には、ＲＴＳに移行する。

図１５は、図１３のステップ１３１２の詳細であり、触媒前酸素のセンサの診断方法を示すフローチャートである。

ステップ１５０１では、触媒前酸素センサ２０５の診断が可能な診断領域かどうか判定する（詳細は図１１参照）。ここで、診断領域内（ＹＥＳ）であれば、ステップ１５０２に移行し、触媒劣化度補正係数KHOSを演算しているか、チェックする。触媒劣化度補正係数KHOSを演算していれば（ＹＥＳ）、ステップ１５０３に移行し、第１の遅延時間DR、第２の遅延時間DL、触媒劣化度補正係数KHOSより、差分遅延時間DBNを演算する。

次に、ステップ１５０４で、差分遅延時間DBNとリッチ時間TRから、差分遅延率RBNを演算する。そして、ステップ１５０５に移行し、ステップ１５０３で求めた差分遅延時間DBNが時間上限値１より大で、かつ差分遅延率RBNが遅延率上限値３より大であるか否かを判定する。そして、ステップ１５０５の条件を満たす場合、すなわち、ステップ１５０３で求めた差分遅延時間DBNが時間上限値１より大で、かつ差分遅延率RBNが遅延率上限値３より大である場合には、ステップ１５０６に移行して、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリーン側にずれているリーンNGと判定する。

一方、ステップ１５０５の条件を満たさない場合には、ステップ１５０７に移行し、差分遅延時間DBNが時間下限値２よりも小で、かつ差分遅延率RBNが遅延率下限値４よりも小であるか否かを判定する。そして、差分遅延時間DBNが時間下限値２より小で、かつ差分遅延率RBNが遅延率下限値４より小である場合には、ステップ１５０８に移行して、触媒前酸素センサ２０５のスイッチングポイントがリッチ側にずれているリッチNGと判定する。

そして、ステップ１５０５およびステップ１５０７の条件をいずれも満たさない場合には、ステップ１５０９に移行し、差分遅延時間DBNが時間上限値１以下で時間下限値２以上であり、かつ差分遅延率RBNが遅延率上限値３以下で遅延率下限値４以上であるか否かを判定する。そして、ステップ１５０９の条件を満たす場合（ＹＥＳ）、すなわち、差分遅延時間DBNが時間上限値１以下で時間下限値２以上であり、かつ差分遅延率RBNが遅延率上限値３以下で遅延率下限値４以上である場合には、ステップ１５１０に移行して、触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれはないとする、OK判定を行う。そして、ステップ１５０９の条件を満たさない場合（ＮＯ）は、そのままＲＴＳに移行する。

なお、触媒劣化度補正係数KHOSではなく、吸入空気量で補正する場合は、診断領域内の負荷を高負荷領域に限定し、図１５のステップ１５０２で、吸入空気量から補正係数KHOSを演算する。他のフローチャートは同一である。

上記した内燃機関の酸素センサ診断装置および診断方法によれば、触媒前の空燃比のリッチ時間ＴＲ、リッチ判定遅延時間ＤＲ、リーン判定遅延時間ＤＬによって、理論空燃比に対する触媒前酸素センサ２０５のスイッチング特性ずれを的確に検出することができる。従って、触媒前酸素センサ診断の故障コードと燃料系診断の故障コードとを区別することができる。

１０１：触媒前酸素センサ信号計測手段、１０２：触媒後酸素センサ信号計測手段
１０３：触媒前リッチ／リーン判定手段、１０４：リッチ時間計測手段
１０５：第１の遅延時間演算手段、１０６：第２の遅延時間演算手段
１０７：差分遅延時間演算手段、１０８：差分遅延率演算手段
１０９：診断領域判定手段、１１０：スイッチング特性ずれ判定手段
２００：エアークリーナ、２０１：点火装置、２０２：燃料噴射装置
２０３：回転数検出装置、２０４：流量検出装置
２０５：触媒前酸素センサ、２０６：触媒、２０７：内燃機関制御装置
２０８：プレートまたはリングギア、２０９：燃料タンク、２１０：燃料ポンプ
２１１：プレッシャーレギュレータ、２１２：燃料管、２１３：スロットルバルブ
２１４：気筒、２１５：触媒後酸素センサ

Claims (16)

1. 内燃機関の排気系に設けられた触媒の上流側に設けられた触媒前酸素センサと、触媒の下流側に設けられた触媒後酸素センサの信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の酸素センサ診断装置であって、
   前記触媒前酸素センサの信号に基づき、触媒前の空燃比がリッチ状態またはリーン状態のいずれかであることを検出する触媒前リッチ／リーン判定手段と、
   該触媒前リッチ／リーン判定手段によって検出されるリッチ状態のリッチ時間を計測するリッチ時間計測手段と、
   前記触媒後酸素センサの信号に応じて、前記触媒前リッチ／リーン判定手段の出力がリーンからリッチに切り換ってからの遅延時間である第１の遅延時間を演算する第１の遅延時間演算手段と、
   前記触媒後酸素センサの信号に応じて、前記触媒前リッチ／リーン判定手段の出力がリッチからリーンに切り換ってからの遅延時間である第２の遅延時間を演算する第２の遅延時間演算手段と、
   前記第１の遅延時間と前記第２の遅延時間に基づいて差分遅延時間を演算する差分遅延時間演算手段と、
   該差分遅延時間と前記リッチ時間に基づいて差分遅延率を演算する差分遅延率演算手段と、
   前記差分遅延時間と前記差分遅延率に基づいて、前記触媒前酸素センサの理論空燃比に対するスイッチング特性ずれの有無を判定するスイッチング特性ずれ判定手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の酸素センサ診断装置。
2. 前記触媒前リッチ／リーン判定手段は、前記触媒前酸素センサの信号と予め設定された判定値とを比較して、該判定値よりも大きいときはリッチ状態と判定し、前記判定値よりも小さいときはリーン状態と判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
3. 前記リッチ時間計測手段は、リッチ状態の継続時間を計測することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
4. 前記第１の遅延時間演算手段は、前記触媒前リッチ／リーン判定手段の信号がリーンからリッチに切り換ってからの遅延時間を、前記触媒後酸素センサの信号に基づいたPI制御により演算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
5. 前記第２の遅延時間演算手段は、前記触媒前リッチ／リーン判定手段の信号がリッチからリーンに切り換ってからの遅延時間を、前記触媒後酸素センサの信号に基づいたPI制御により演算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
6. 前記差分遅延時間演算手段は、前記第１の遅延時間と前記第２の遅延時間の差分を差分遅延時間とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
7. 前記差分遅延率演算手段は、前記差分遅延時間と前記リッチ時間との比率を差分遅延率とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
8. 前記スイッチング特性ずれ判定手段は、前記差分遅延時間が予め設定された時間下限値よりも小さく、かつ、前記差分遅延率が予め設定された遅延率下限値よりも小さいときに、前記触媒前酸素センサのスイッチングポイントがリッチ側にずれていると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
9. 前記スイッチング特性ずれ判定手段は、前記差分遅延時間が予め設定された時間上限値より大きく、かつ、前記差分遅延率が予め設定された遅延率上限値より大きいときに、前記触媒前酸素センサのスイッチングポイントがリーン側にずれていると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
10. 前記差分遅延時間演算手段は、前記差分遅延時間を前記触媒の劣化度または吸入空気量に基づいて補正することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
11. 前記差分遅延率演算手段は、前記差分遅延率を前記触媒の劣化度または吸入空気量に基づいて補正することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
12. 前記時間下限値は、前記触媒の劣化度または吸入空気量に基づいて補正されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
13. 前記時間上限値は、前記触媒の劣化度または吸入空気量に基づいて補正されることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
14. 前記遅延率下限値は、前記触媒の劣化度または吸入空気量に基づいて補正されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
15. 前記遅延率上限値は、前記触媒の劣化度または吸入空気量に基づいて補正されることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。
16. 前記触媒前酸素センサの診断実行を許可するか否かを判定する診断領域判定手段を備え、
    該診断領域判定手段は、内燃機関の回転数が所定範囲内、負荷が所定範囲内、エンジン水温が所定範囲内、車速が所定範囲内、吸入空気温度が所定範囲内、大気圧が所定値以上、バッテリ電圧が所定範囲内、非燃料カット状態、空燃比フィードバック制御中、用いられるセンサが故障していないときの全ての条件を満たす場合に、前記触媒前酸素センサの診断実行を許可することを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の内燃機関の酸素センサ診断装置。

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