JP2011007071A - 空燃比センサの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサにおける異常有りの旨の判断を厳しく行うようにしたとしても、同空燃比センサでの異常の有無の判断を正確に行うことのできる空燃比センサの異常検出装置を提供する。
【解決手段】空燃比センサ２６の異常の有無を判断するための異常検出処理は、以下の手順により行われる。エンジン１の空燃比をリッチ状態とリーン状態との間で周期的に変動させるアクティブ空燃比制御を行い、同制御中における空燃比センサ２６の出力の応答性に対応する応答性パラメータを同センサ２６の出力に基づき求め、それを異常検出用のデータとして取得する。そして、予め定められた設定回数分だけ取得した各データの最大値と最小値との幅をそれら各データの増減方向の分布幅として求め、この分布幅が異常判定値未満のときには空燃比センサ２６での異常有りの旨判断とし、同分布幅が異常判定値以上のときには空燃比センサ２６での異常無しの旨判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空燃比センサの異常検出装置に関する。

自動車用等の内燃機関においては、排気中の酸素濃度に基づき同機関の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサが設けられ、その空燃比センサからの出力に基づき同機関の空燃比が理論空燃比となるよう燃料噴射量を補正することが行われている。こうした燃料噴射量の補正を通じて内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御することにより、同機関の排気系に設けられる排気浄化触媒の排気浄化能力が良好に保たれ、同機関の排気エミッションの改善が図られる。

上記内燃機関においては、空燃比センサの劣化等の異常が排気エミッションに影響を及ぼすおそれがあるため、そうした影響を未然に防ぐことを意図して空燃比センサの異常の有無を判断する異常検出装置も設けられる。同異常検出装置としては、例えば特許文献１に示されるように、以下の［１］〜［３］の手順により、空燃比センサでの異常の有無を判断するものが知られている。［１］内燃機関の空燃比をリッチとリーンとの間で周期的に変動させるアクティブ空燃比制御を行う。［２］アクティブ空燃比制御中における空燃比センサの出力に基づき同出力の応答性に対応するパラメータ（以下、応答性パラメータという）を求め、それを異常検出用のデータとして取得する。［３］取得したデータと異常判定値との比較に基づき、空燃比センサでの異常の有無を判断する。

特開２００４−２２５６８４公報（段落［００３０］〜［００３９］、［００４１］、［００５２］、［００５５］、［００５６］、図５）

ところで、近年は内燃機関の排気エミッション改善に対する要求が厳しくなっており、こうした要求を満たすことのできない空燃比センサを異常と判断すべく、上記［３］の手順における異常判定値を正常寄りの値に移行させ、空燃比センサでの異常有りの旨の判断を厳しく行うことが考えられている。

ただし、上記［３］の手順における空燃比センサでの異常有りの旨の判断を厳しく行うと、空燃比センサにおける正常時の出力と異常時の出力との差が小さくなり、上記［２］の手順で求められる応答性パラメータに空燃比センサでの異常の有無による違いが生じにくくなる。特に、内燃機関の小吸気量状態にあっては、同機関の排気圧（排気の流量に対応）が低下し、空燃比センサの劣化等の異常による影響が同センサの出力に現れにくくなるため、応答性パラメータに空燃比センサでの異常の有無による違いが生じにくいという上述した傾向が顕著になる。更に、内燃機関の小吸気量状態での自動車の加減速走行時には、内燃機関における各種機器の応答遅れに起因して上記応答性パラメータが大きく変動するため、上記［２］の手順で取得されたデータが空燃比センサの異常の有無を判別しにくい値になる可能性が高い。

以上のように、上記［２］の手順で求められる応答性パラメータに空燃比センサでの異常の有無による違いが生じにくくなると、上記［３］の手順による空燃比センサでの異常の有無の判断を正確に行うことが困難になる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、空燃比センサにおける異常有りの旨の判断を厳しく行うようにしたとしても、同空燃比センサでの異常の有無の判断を正確に行うことのできる空燃比センサの異常検出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。
請求項１記載の発明によれば、以下の手順で空燃比センサでの異常の有無の判断が行われる。すなわち、アクティブ空燃比制御を行い、同制御中に空燃比センサの出力がリッチピークとリーンピークとの間で変化する際、その変化の応答性に対応するパラメータ（以下、応答性パラメータという）が上記出力に基づき求められて異常検出用のデータとして取得される。そして、複数回のデータの取得により得られた各データの増減方向の分布幅が求められ、その分布幅と異常判定値との比較に基づき空燃比センサでの異常の有無が判断される。詳しくは、上記分布幅が異常判定値未満であれば空燃比センサでの異常有りの旨判断され、同分布幅が異常判定値以上であれば空燃比センサでの異常無しの旨判断（正常である旨判断）される。

ここで、空燃比センサで異常が生じたときには、アクティブ空燃比制御中における同センサの出力の応答性が悪くなる関係から、同制御中における上記応答性パラメータの変化が小さくなり、取得された各データのばらつきも小さくなる。一方、空燃比センサが正常なときには、アクティブ空燃比制御中における同センサの出力の応答性が良好である関係から、同制御中における上記応答性パラメータの変化が大きくなり、取得された各データのばらつきが空燃比センサの異常時と比較して大幅に大きくなる傾向がある。このため、上記取得したデータの増減方向の分布幅に関しては、空燃比センサに異常が発生していないとき（正常なとき）には、異常が発生しているときに比べて大幅に大きくなる。

以上のことから分かるように、上記取得したデータの増減方向の分布幅には、空燃比センサでの異常の有無による違いが大きく現れることとなる。このことは、空燃比センサでの異常の有無の判断を厳しく行うべく上記異常判定値を正常寄りの値に移行させたとき、その異常判定値と空燃比センサの正常時の上記分布幅との間にある程度の間隔を持たせることができることを意味する。従って、上記分布幅と異常判定値との比較に基づき空燃比センサでの異常の有無を判断するに当たり、同異常判定値を正常寄りに移行させて空燃比センサにおける異常有りの旨の判断を厳しく行うようにしたとしても、同空燃比センサでの異常の有無の判断を正確に行うことができるようになる。

請求項２記載の発明によれば、取得された各データの増減方向の分布幅が、それら各データのうちの最大値と最小値とを用いて正確に求められる。このため、求められた上記分布幅と異常判定値との比較に基づき、空燃比センサでの異常の有無の判断を正確に行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、取得された各データに適正なばらつきの生じる回数に設定された設定回数分だけ同データの取得が行われ、それら取得されたデータのうちの最大値と最小値との幅が上記分布幅として求められる。このため、取得した各データの増減方向の分布幅を的確に求めることができる。

請求項４記載の発明によれば、アクティブ空燃比制御中に空燃比センサの出力がリッチピークからリーンピークに変化する際に取得した各データの増減方向の分布幅と異常判定値との比較に基づき、空燃比センサの出力がリッチからリーンに変化する際における同センサの異常の有無が判断される。また、上記空燃比センサの出力がリーンピークからリッチピークに変化する際に取得した各データの増減方向の分布幅と異常判定値との比較に基づき、空燃比センサの出力がリーンからリッチに変化する際における同センサの異常の有無を判断することが行われる。このため、空燃比センサの出力がリッチからリーンに変化する際の異常が発生している場合であれ、あるいはリーンからリッチに変化する際の異常が発生している場合であれ、それらの異常に関して異常有りの旨の判断を的確に行うことができる。

本実施形態における空燃比センサの異常検出装置が適用されるエンジン全体を示す略図。 排気中の酸素濃度変化に対する空燃比センサの出力の変化を示すグラフ。 空燃比センサの異常の有無を判断するための異常検出処理の実行手順を示すフローチャート。 （ａ）及び（ｂ）は、アクティブ空燃比制御中における燃料噴射量の増減態様、及び空燃比センサの出力の変化態様を示すタイムチャート。 アクティブ空燃比制御中に空燃比センサの出力がリッチピークからリーンピークに変化する際に、応答性パラメータのデータとして取得された変化速度θの最大値θｍａｘの分布を示した分布図。 アクティブ空燃比制御中に空燃比センサの出力がリーンピークからリッチピークに変化する際に、応答性パラメータのデータとして取得された変化速度θの最大値θｍａｘの分布を示した分布図。 第１判断処理の実行手順を示すフローチャート。 第２判断処理の実行手順を示すフローチャート。

以下、本発明を自動車用エンジンに設けられた空燃比センサの異常検出装置に具体化した一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１に示されるエンジン１においては、各気筒の燃焼室２に吸気通路３及び排気通路４が接続されている。そして、エンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１１が設けられた吸気通路３を介して燃焼室２に空気が吸入されるとともに、燃料噴射弁５から吸気通路３内に燃料が噴射供給されることにより、燃焼室２内に空気と燃料とからなる混合気が充填される。この混合気が各気筒の点火プラグ６による点火に基づき燃焼すると、そのときの燃焼エネルギによってピストン７が往復移動し、エンジン１の出力軸であるクランクシャフト８が回転する。また、燃焼後の混合気は排気として排気通路４に送り出される。

上記エンジン１を原動機として搭載する自動車には、同エンジン１の運転制御など各種制御を実行する電子制御装置１９が設けられている。この電子制御装置１９は、上記制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。

電子制御装置１９の入力ポートには、以下に示す各種センサ等が接続されている。
・自動車の運転者によって踏込操作されるアクセルペダル２０の踏み込み量（アクセル踏込量）を検出するアクセルポジションセンサ２１。

・エンジン１の吸気通路３に設けられたスロットルバルブ１１の開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ２２。
・吸気通路３を通過して燃焼室２に吸入される空気の量（吸気量）を検出するエアフロメータ２３。

・クランクシャフト８の回転に対応した信号を出力するクランクポジションセンサ２４。
・エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ２５。

・排気通路４に設けられてエンジン１の排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する空燃比センサ２６。
また、電子制御装置１９の出力ポートには、燃料噴射弁５、点火プラグ６、及びスロットルバルブ１１といった各種機器の駆動回路が接続されている。

電子制御装置１９は、上記各センサから入力された検出信号より把握されるエンジン運転状態に応じて、上記出力ポートに接続された各機器類の駆動回路に指令信号を出力する。こうして点火プラグ６の点火時期制御、スロットルバルブ１１の開度制御、及び、燃料噴射弁５による燃料噴射の制御といった各種制御が電子制御装置１９により実施されている。

上記燃料噴射弁５による燃料噴射の制御としては、例えば、燃料噴射量の空燃比フィードバック補正を含む燃料噴射量制御があげられる。上記燃料噴射量の空燃比フィードバック補正は、燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正値ＦＤをエンジン１の空燃比が理論空燃比となるよう空燃比センサ２６の出力ＶＡＦ等に基づき増減した後、同空燃比フィードバック補正値ＦＤで上記補正を行うことにより実現される。こうした空燃比フィードバック補正を通じてエンジン１の空燃比を理論空燃比に制御することにより、同エンジン１の排気通路４に設けられる排気浄化触媒の排気浄化性能を良好に保ち、エンジン１の排気エミッションの改善を図ることが可能になる。

上記空燃比センサ２６の出力ＶＡＦは、図２に示されるように、排気中の酸素濃度が薄くなるほど小さくなり、理論空燃比での混合気の燃焼が行われたときには、そのときの排気中の酸素濃度Ｘに対応して例えば「１．０ｖ」となる。従って、リッチ混合気の燃焼（リッチ燃焼）に起因して排気中の酸素濃度が薄くなるほど、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦが「１．０ｖ」よりも小さい値になる。また、リーン混合気の燃焼（リーン燃焼）に起因して排気中の酸素濃度が濃くなるほど、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦ「１．０ｖ」よりも大きい値になる。そして、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦが「１．０」よりも大きくなるほど、上記空燃比フィードバック補正値ＦＤがエンジン１の燃料噴射量を増量すべく増大する。また、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦが「１．０」よりも小さくなるほど、空燃比フィードバック補正値ＦＤがエンジン１の燃料噴射量を減量すべく減少する。このように変化する空燃比フィードバック補正値ＦＤに基づきエンジン１の燃料噴射量を増減補正することにより、エンジン１の空燃比が理論空燃比に制御される。

次に、電子制御装置１９を通じて行われる空燃比センサ２６の劣化等の異常の有無を判断するための異常検出処理について、同処理を実行するための異常検出処理ルーチンを示す図３のフローチャートを参照して説明する。この異常検出処理ルーチンは、電子制御装置１９を通じて、例えば所定時間毎の時間割り込みにて周期的に実行される。

同ルーチンにおいては、まず、上記異常検出処理を実行するうえでの前提条件である診断条件が成立しているか否かが判断される（Ｓ１０１）。上記診断条件が成立している旨の判断は、例えば、エンジン１における冷却水温、回転速度、負荷、空燃比変動、吸入空気量（吸気量）、及び吸気量変動等がすべて上記異常検出処理を実行可能な領域にあること等の条件の成立をもってなされる。なお、エンジン回転速度は、クランクポジションセンサ２４からの検出信号に基づき求められる。また、エンジン負荷は、エンジン１の吸入空気量に対応するパラメータと上記エンジン回転速度とから算出される。ここで用いられる吸入空気量に対応するパラメータとしては、例えば、エアフロメータ２３からの検出信号に基づき求められるエンジン１の吸入空気量の実測値や、スロットルポジションセンサ２２によって検出されるスロットル開度等が用いられる。

上記ステップＳ１０１で診断条件が成立している旨判断されると、空燃比センサ２６での異常の有無の判断に用いられるデータを取得するためのアクティブ空燃比制御が実行される（Ｓ１０２）。このアクティブ空燃比制御は、エンジン１の燃料噴射量を例えば図４（ａ）に示されるように周期的に増減させ、それによってエンジン１の空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態と理論空燃比よりもリーンな状態との間で周期的に変動させるようにしたものである。なお、同制御でエンジン１の空燃比を変動させる際の理論空燃比に対する空燃比の変化量については、例えば、リッチ側及びリーン側に対しそれぞれ理論空燃比の３％程度とされる。

こうしたアクティブ空燃比制御が行われると、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの応答性に対応するパラメータ（以下、応答性パラメータという）を同制御中における空燃比センサ２６の出力ＶＡＦに基づき求め、それを異常検出用のデータとして取得するための処理（図３のＳ１０３、Ｓ１０４）が行われる。上記応答性パラメータとしては、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークとリーンピークとの間で変化する際における同出力ＶＡＦの変化速度θの最大値θｍａｘを用いることができる。ここで、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの変化速度θは、単位時間当たりの同出力ＶＡＦの変化を表す値であって、リッチピークとリーンピークとの間での変化期間中に所定の時間間隔Δｔ毎に同出力ＶＡＦを取り込み、その取り込み毎に次の式「θ＝（今回ＶＡＦ−前回ＶＡＦ）／Δｔ」を用いて算出される。

従って、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦにおけるリッチピークからリーンピークまでの変化が完了すると、そのときに上記リッチピークからリーンピークまでの間における同出力ＶＡＦの変化速度θの最大値θｍａｘ（正の方向についての最大値）が決定される。そして、この最大値θｍａｘが上記リッチピークからリーンピークまでの間における上記応答性パラメータに対応するデータとして取得される（Ｓ１０３）。より詳しくは、同最大値θｍａｘが電子制御装置１９のＲＡＭに記憶される。こうした最大値θｍａｘの記憶は、アクティブ空燃比制御中、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦにおけるリッチピークからリーンピークまでの変化が完了する毎に行われる。

また、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦにおけるリーンピークからリッチピークまでの変化が完了すると、そのときに上記リーンピークからリッチピークまでの間における同出力ＶＡＦの変化速度θの最大値θｍａｘ（負の方向についての最大値）が決定される。そして、この最大値θｍａｘが上記リーンピークからリッチピークまでの間における上記応答性パラメータに対応するデータとして取得される（Ｓ１０４）。より詳しくは、同最大値θｍａｘが電子制御装置１９のＲＡＭに記憶される。こうした最大値θｍａｘの記憶は、アクティブ空燃比制御中、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦにおけるリーンピークからリッチピークまでの変化が完了する毎に行われる。

以上のようにデータ（最大値θｍａｘ）の取得が行われると、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際における同センサ２６の異常の有無を判断するための第１判断処理（Ｓ１０５）が行われる。この第１判断処理では、空燃比センサ２６での上記異常の有無の判断を、例えば次のように行うことが考えられる。すなわち、アクティブ空燃比制御中、空燃比センサ２６からの出力ＶＡＦがリッチピークからリーンピークに変化したときの上記データと異常判定値との比較に基づき、空燃比センサ２６での上記異常の有無を判断する。更に、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンからリッチに変化する際における同センサ２６の異常の有無を判断するための第２判断処理（Ｓ１０６）も行われる。この第２判断処理では、空燃比センサ２６での上記異常の有無の判断を、例えば次のように行うことが考えられる。すなわち、アクティブ空燃比制御中、空燃比センサ２６からの出力ＶＡＦがリーンピークからリッチピークに変化したときの上記データと異常判定値との比較に基づき、空燃比センサ２６での上記異常の有無を判断する。

そして、上記空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際における同センサ２６の異常の有無の判断が終了するとともに（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、上記出力ＶＡＦがリーンからリッチに変化する際における空燃比センサ２６の異常の有無の判断が終了すると（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、アクティブ空燃比制御が停止される（Ｓ１０９）。

ところで、［背景技術］の欄にも記載したように、近年はエンジン１の排気エミッション改善に対する要求が厳しくなっており、こうした要求を満たすことのできない空燃比センサ２６を異常と判断するようにしている。具体的には、上記第１判断処理（Ｓ１０５）及び第２判断処理（Ｓ１０６）で用いられる異常判定値をそれぞれ正常寄りの値に移行させ、それによって空燃比センサ２６での異常有りの旨の判断を厳しく行うようにすることが考えられる。

ただし、上記のように空燃比センサ２６での異常有りの旨の判断を厳しく行うと、空燃比センサ２６における正常時と異常時との出力ＶＡＦの差が小さくなり、ステップＳ１０３，Ｓ１０４で求められる応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）に、空燃比センサ２６での異常の有無による違いが生じにくくなる。特に、エンジン１の小吸気量状態にあっては、同エンジン１の排気圧（排気の流量に対応）が低下し、空燃比センサ２６の劣化等の異常による影響が同センサ２６の出力ＶＡＦに現れにくくなるため、応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）に空燃比センサ２６での異常の有無による違いが生じにくいという上述した傾向が顕著になる。更に、エンジン１の小吸気量状態での自動車の加減速走行時には、エンジン１における各種機器の応答遅れに起因して上記応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）が大きく変動するため、上記ステップＳ１０３，Ｓ１０４で取得されたデータが空燃比センサ２６の異常の有無を判別しにくい値になる可能性が高い。

以上のように、上記ステップＳ１０３，Ｓ１０４で求められた応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）に空燃比センサ２６での異常の有無による違いが生じにくくなると、第１判断処理（Ｓ１０５）及び第２判断処理（Ｓ１０６）による空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことが困難になるという不具合が生じる。以下、この理由について図５及び図６を参照して更に詳しく説明するとともに、上記不具合への対策の概要について同じく図５及び図６を参照して説明する。

図５は、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークからリーンピークに変化する際に、応答性パラメータのデータとして取得された最大値θｍａｘの分布を示したものである。なお、同図において、「□」は空燃比センサ２６が正常な状態であるときに取得した上記データを示しており、「○」は空燃比センサ２６が正常ではあるものの異常に対し許容下限状態であるときに取得した上記データを示しており、［△］は空燃比センサ２６が劣化等による異常状態であるときに取得した上記データを示している。

上記「□」で示されるデータの分布する領域ＲＡ１は上記［○］で示されるデータの分布する領域ＲＡ２に対し図中上側に位置し、同領域ＲＡ２は上記「△」で示されるデータの分布する領域ＲＡ３に対し図中上側に位置する。これは、空燃比センサ２６に劣化等の異常が生じると、アクティブ空燃比制御中における空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が正常時（図４（ｂ）の実線）に対し二点鎖線で示されるように悪化し、それによる影響が図５上でのデータの分布に現れるためである。また、上記領域ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３はそれぞれエンジン１の吸気量が増大するほど図中上側に変位するようになる。これは、エンジン１の吸気量増大に伴い同エンジン１の排気圧（排気の流量に対応）が上昇し、多量の排気が空燃比センサ２６を通過するようになり、それによってエンジン１の実空燃比の変化に対する空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が向上するためである。

ここで、エンジン１の排気エミッションの厳しい要求に伴い、第１判断処理（図３のＳ１０５）で用いられる異常判定値を正常寄りの値に移行させると、空燃比センサ２６での異常の有無の判断が厳しく行われるようになる。この場合、上記排気エミッションの厳しい要求を満たすことのできない空燃比センサ２６が異常と見なされることから、領域ＲＡ２と領域ＲＡ３とが図中の上下方向について接近するようになり、エンジン１の小吸気量状態で領域ＲＡ２と領域ＲＡ３とが重なるようになる。このように領域ＲＡ２と領域ＲＡ３とが重なるということは、その重なる部分及びその付近において、上記応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）に空燃比センサ２６での異常の有無による違いが現れにくくなっていることを意味する。これにより、上記第１判断処理による空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことが困難になるという不具合が生じる。

こうした不具合への対策として、本実施形態の第１判断処理では、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークからリーンピークに変化する毎に取得された各データ（最大値θｍａｘ）に基づき、同空燃比センサ２６での異常の有無の判断が次のようにして行われる。すなわち、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークからリーンピークに変化する毎に取得された各データ（最大値θｍａｘ）の増減方向の分布幅が求められ、その分布幅と異常判定値との比較に基づき空燃比センサ２６での異常の有無が判断される。詳しくは、上記分布幅が異常判定値未満であれば空燃比センサ２６での異常有りの旨判断され、同分布幅が異常判定値以上であれば空燃比センサ２６での異常無しの旨判断（正常である旨判断）される。

ここで、空燃比センサ２６で異常が生じたときには、アクティブ空燃比制御中における同センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が悪くなる関係から、同制御中における上記応答性パラメータの変化が小さくなり、取得された各データのばらつきも小さくなる。一方、空燃比センサ２６が正常なときには、アクティブ空燃比制御中における同センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が良好である関係から、同制御中における上記応答性パラメータの変化が大きくなり、取得された各データのばらつきが空燃比センサ２６の異常時と比較して大幅に大きくなる傾向がある。このため、上記取得したデータの増減方向の分布幅に関しては、空燃比センサ２６に異常が発生していないとき（正常なとき）には、異常が発生しているときに比べて大幅に大きくなる。ちなみに、図５において、図中上下方向の幅「Ｙ１ａ」は空燃比センサ２６が正常な状態であるときの上記取得したデータの増減方向の分布幅を示しており、幅「Ｙ１ｂ」は空燃比センサ２６が劣化等の異常状態であるときの上記取得したデータの増減方向の分布幅を示している。

以上のことから分かるように、上記取得したデータの増減方向の分布幅には、空燃比センサ２６での異常の有無による違いが大きく現れることとなる。このことは、空燃比センサ２６での異常の有無の判断を厳しく行うべく上記異常判定値を正常寄りの値に移行させたとき、その異常判定値と空燃比センサ２６の正常時の上記分布幅との間にある程度の間隔を持たせることができることを意味する。従って、上記分布幅と異常判定値との比較に基づき空燃比センサ２６での異常の有無を判断するに当たり、同異常判定値を正常寄りに移行させて空燃比センサ２６における異常有りの旨の判断を厳しく行うようにしたとしても、同空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことができるようになる。

図６は、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンピークからリッチピークに変化する際に、応答性パラメータのデータとして取得された最大値θｍａｘの分布を示したものである。なお、同図においても、図５と同様、「□」は空燃比センサ２６が正常な状態であるときに取得した上記データを示しており、「○」は空燃比センサ２６が正常ではあるものの異常に対し許容下限状態であるときに取得した上記データを示しており、［△］は空燃比センサ２６が異常な状態であるときに取得した上記データを示している。

上記「□」で示されるデータの分布する領域ＲＡ４は上記［○］で示されるデータの分布する領域ＲＡ５に対し図中下側に位置し、同領域ＲＡ５は上記「△」で示されるデータの分布する領域ＲＡ６に対し図中下側に位置する。これは、空燃比センサ２６に劣化等の異常が生じると、アクティブ空燃比制御中における空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が正常時（図４（ｂ）の実線）に対し二点鎖線で示されるように悪化し、それによる影響が図６上でのデータの分布に現れるためである。また、上記領域ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６はそれぞれエンジン１の吸気量が増大するほど図中下側に変位するようになる。これは、エンジン１の吸気量増大に伴い同エンジン１の排気圧（排気の流量に対応）が上昇し、多量の排気が空燃比センサ２６を通過するようになり、それによってエンジン１の実空燃比の変化に対する空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が向上するためである。

ここで、エンジン１の排気エミッションの厳しい要求に伴い、第２判断処理（図３のＳ１０６）で用いられる異常判定値を正常寄りの値に移行させると、空燃比センサ２６での異常の有無の判断が厳しく行われるようになる。この場合、上記排気エミッションの厳しい要求を満たすことのできない空燃比センサ２６が異常と見なされることから、領域ＲＡ５と領域ＲＡ６とが図中の上下方向について接近するようになり、エンジン１の小吸気量状態で領域ＲＡ５と領域ＲＡ６とが重なるようになる。このように領域ＲＡ５と領域ＲＡ６とが重なるということは、その重なる部分及びその付近において、上記応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）に空燃比センサ２６での異常の有無による違いが現れにくくなっていることを意味する。これにより、上記第２判断処理による空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことが困難になるという不具合が生じる。

こうした不具合への対策として、本実施形態の第２判断処理では、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンからリッチピークに変化する毎に取得された各データ（最大値θｍａｘ）に基づき、同空燃比センサ２６での異常の有無の判断が次のようにして行われる。すなわち、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンピークからリッチピークに変化する毎に取得された各データ（最大値θｍａｘ）の増減方向の分布幅が求められ、その分布幅と異常判定値との比較に基づき空燃比センサ２６での異常の有無が判断される。詳しくは、上記分布幅が異常判定値未満であれば空燃比センサ２６での異常有りの旨判断され、同分布幅が異常判定値以上であれば空燃比センサ２６での異常無しの旨判断（正常である旨判断）される。

ここで、空燃比センサ２６で異常が生じたときには、アクティブ空燃比制御中における同センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が悪くなる関係から、同制御中における上記応答性パラメータの変化が小さくなり、取得された各データのばらつきも小さくなる。一方、空燃比センサ２６が正常なときには、アクティブ空燃比制御中における同センサ２６の出力ＶＡＦの応答性が良好である関係から、同制御中における上記応答性パラメータの変化が大きくなり、取得された各データのばらつきが空燃比センサ２６の異常時と比較して大幅に大きくなる傾向がある。このため、上記取得したデータの増減方向の分布幅に関しては、空燃比センサ２６に異常が発生しているとき（正常なとき）には、異常が発生しているときに比べて大幅に大きくなる。ちなみに、図６において、図中上下方向の幅「Ｙ２ａ」は空燃比センサ２６が正常な状態であるときの上記取得したデータの増減方向の分布幅を示しており、幅「Ｙ２ｂ」は空燃比センサ２６が劣化等の異常状態であるときの上記取得したデータの増減方向の分布幅を示している。

以上のことから分かるように、上記取得したデータの増減方向の分布幅には、空燃比センサ２６での異常の有無による違いが大きく現れることとなる。このことは、空燃比センサ２６での異常の有無の判断を厳しく行うべく上記異常判定値を正常寄りの値に移行させたとき、その異常判定値と空燃比センサ２６の正常時の上記分布幅との間にある程度の間隔を持たせることができることを意味する。従って、上記分布幅と異常判定値との比較に基づき空燃比センサ２６での異常の有無を判断するに当たり、同異常判定値を正常寄りに移行させて空燃比センサ２６における異常有りの旨の判断を厳しく行うようにしたとしても、同空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことができるようになる。

次に、異常検出ルーチン（図３）のステップＳ１０５で行われる第１判断処理の詳細な実行手順について、第１判断処理ルーチンを示す図７のフローチャートを参照して説明する。この第１判断処理ルーチンは、上記異常検出ルーチンのステップＳ１０５に進む毎に実行される。

第１判断処理ルーチンにおいては、まず、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦにおけるリッチピークからリーンピークへの変化が完了し、そのリッチピークからリーンピークへの変化の際におけるデータ（最大値θｍａｘ）の取得が行われたか否かが判断される（Ｓ２０１）。

ここで肯定判定であれば、上記データの取得回数Ｎ１が「１」だけカウントアップされる（Ｓ２０２）。この取得回数Ｎ１が設定回数Ａ以上になると（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークからリーンピークに変化する毎に取得された各データに基づき、それら各データの増減方向（図５の上下方向）の分布幅Ｙ１が求められる（Ｓ２０４）。詳しくは、上記分布幅Ｙ１は、上記設定回数Ａ分の取得データのうちの正の方向についての最大値と最小値とに基づき、それら最大値と最小値との幅として求められる。なお、上記設定回数Ａは、その回数分だけ取得されたデータに適正なばらつきの生じる得る回数として予め実験等により定められた値、例えば５回という値に定められている。

その後、上記分布幅Ｙ１と異常判定値Ｈ１との比較に基づく空燃比センサ２６での異常の有無の判断が行われる。詳しくは、上記分布幅Ｙ１が異常判定値Ｈ１以上であれば（図７のＳ２０５：ＹＥＳ）、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際における同センサ２６の異常は生じておらず、同センサ２６は正常である旨判断される（Ｓ２０６）。また、上記分布幅Ｙ１が異常判定値Ｈ１未満であれば（Ｓ２０５：ＮＯ）、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際における同センサ２６の異常が生じている旨判断される（Ｓ２０７）。そして、これら空燃比センサ２６の正常か異常かの判断（Ｓ２０６、Ｓ２０７）が行われると、取得回数Ｎ１がクリアされて「０」とされる（Ｓ２０８）。

次に、異常検出ルーチン（図３）のステップＳ１０６で行われる第２判断処理の詳細な実行手順について、第１判断処理ルーチンを示す図８のフローチャートを参照して説明する。この第２判断処理ルーチンは、上記異常検出ルーチンのステップＳ１０６に進む毎に実行される。

第２判断処理ルーチンにおいては、まず、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦにおけるリーンピークからリッチピークへの変化が完了し、そのリーンピークからリッチピークへの変化の際におけるデータ（最大値θｍａｘ）の取得が行われたか否かが判断される（Ｓ３０１）。

ここで肯定判定であれば、上記データの取得回数Ｎ２が「１」だけカウントアップされる（Ｓ２０２）。この取得回数Ｎ２が設定回数Ａ以上になると（Ｓ３０３：ＹＥＳ）、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンピークからリッチピークに変化する毎に取得された各データに基づき、それら各データの増減方向（図６の上下方向）の分布幅Ｙ２が求められる（Ｓ３０４）。詳しくは、上記分布幅Ｙ２は、上記設定回数Ａ分の取得データのうちの負の方向についての最大値と最小値とに基づき、それら最大値と最小値との幅として求められる。

その後、上記分布幅Ｙ２と異常判定値Ｈ２との比較に基づく空燃比センサ２６での異常の有無の判断が行われる。詳しくは、上記分布幅Ｙ１が異常判定値Ｈ１以上であれば（図８のＳ２０５：ＹＥＳ）、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンからリッチに変化する際における同センサ２６の異常は生じておらず、同センサ２６は正常である旨判断される（Ｓ３０６）。また、上記分布幅Ｙ２が異常判定値Ｈ２未満であれば（Ｓ３０５：ＮＯ）、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際における同センサ２６の異常が生じている旨判断される（Ｓ３０７）。そして、これら空燃比センサ２６の正常か異常かの判断（Ｓ３０６、Ｓ３０７）が行われると、取得回数Ｎ２がクリアされて「０」とされる（Ｓ３０８）。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）空燃比センサ２６での異常の有無の判断は、次の手順で行われることとなる。すなわち、アクティブ空燃比制御を行い、同制御中に空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークとリーンピークとの間で変化する際、その変化の応答性に対応する応答性パラメータ（最大値θｍａｘ）が上記出力ＶＡＦに基づき求められて異常検出用のデータとして取得される。そして、複数回のデータの取得により得られた各データの増減方向の分布幅Ｙ１，Ｙ２が求められ、その分布幅Ｙ１，Ｙ２と異常判定値Ｈ１，Ｈ２との比較に基づき空燃比センサ２６での異常の有無が判断される。詳しくは、上記分布幅Ｙ１，Ｙ２が異常判定値Ｈ１，Ｈ２未満であれば空燃比センサ２６での異常有りの旨判断され、同分布幅Ｙ１，Ｙ２が異常判定値Ｈ１，Ｈ２以上であれば空燃比センサ２６での異常無しの旨判断（正常である旨判断）される。

ここで、上記分布幅Ｙ１，Ｙ２に関しては、空燃比センサ２６に異常が発生していないとき（正常なとき）には、異常が発生しているときに比べて大幅に大きくなる。このため、上記分布幅Ｙ１，Ｙ２には、空燃比センサ２６での異常の有無による違いが大きく現れる。このことは、空燃比センサ２６での異常の有無の判断を厳しく行うべく上記異常判定値Ｈ１，Ｈ２を正常寄りの値に移行させたとき、その異常判定値Ｈ１，Ｈ２と空燃比センサ２６の正常時の上記分布幅Ｙ１，Ｙ２との間にある程度の間隔を持たせることができることを意味する。従って、上記分布幅Ｙ１，Ｙ２と異常判定値Ｈ１，Ｈ２との比較に基づき空燃比センサ２６での異常の有無を判断するに当たり、同異常判定値Ｈ１，Ｈ２を正常寄りに移行させて空燃比センサ２６における異常有りの旨の判断を厳しく行うようにしたとしても、同空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことができるようになる。

（２）上記記分布幅Ｙ１，Ｙ２は、設定回数Ａ分だけ取得された各データのうちの最大値と最小値とに基づき、それら最大値と最小値との間の幅として求められる。これにより、設定回数Ａ分だけ取得された各データの増減方向の分布幅Ｙ１，Ｙ２が、それら各データのうちの最大値と最小値とを用いて正確に求められることとなる。このため、求められた上記分布幅Ｙ１，Ｙ２と異常判定値Ｈ１，Ｈ２との比較に基づき、空燃比センサ２６での異常の有無の判断を正確に行うことができる。

（３）上記設定回数Ａは、その回数分だけ取得されたデータに適度なばらつきの生じる得る回数とされている。そして、上記設定回数Ａ分だけ取得された各データのうちの最大値と最小値との幅が上記分布幅Ｙ１，Ｙ２，として求められる。このため、上記各データの増減方向の分布幅Ｙ１，Ｙ２を的確に求めることができる。

（４）第１判断処理により、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチピークからリーンピークに変化する際に取得した設定回数Ａ分の各データの分布幅Ｙ１と異常判定値Ｈ１との比較に基づき、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際における同センサ２６の異常の有無が判断される。また、第２判断処理により、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンピークからリッチピークに変化する際に取得した設定回数Ａ分の各データの分布幅Ｙ２と異常判定値Ｈ２との比較に基づき、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリーンからリッチに変化する際における同センサ２６の異常の有無が判断される。このため、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦがリッチからリーンに変化する際の異常が発生している場合であれ、あるいはリーンからリッチに変化する際の異常が発生している場合であれ、それらの異常に関して異常有りの旨の判断を的確に行うことができる。

また、上記二種類の異常のうちの一方のみが生じている場合、空燃比センサ２６からの出力ＶＡＦに基づく空燃比フィードバック補正により、エンジン１の空燃比を理論空燃比に制御しようとする際、同制御に伴うエンジン１の空燃比の変動中心が理論空燃比からずれることは避けられない。その結果、エンジン１の排気通路４に設けられる排気浄化触媒の排気浄化性能を良好に保つことができず、エンジン１の排気エミッションが悪化するおそれがある。しかし、上述したように二種類の異常のうちの一方のみが生じている場合でも同異常が発生している旨の判断を行うことができるため、その旨の判断に基づき上記異常に対処することで上述した排気エミッションの悪化を抑制することが可能になる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・空燃比センサ２６の出力ＶＡＦのリッチからリーンへの変化時に生じる異常の有無の判断とリーンからリッチへの変化時に生じる異常の有無の判断とを別々に行ったが、こうした異常の有無の判断の仕方を必ずしも採用する必要はない。例えば、応答性パラメータのデータとしてアクティブ空燃比制御中における出力ＶＡＦの単位時間当たりの変化量の絶対値を取得し、設定回数Ａ分だけ取得した上記データの増減方向の分布幅を用いて空燃比センサ２６での異常の有無を判断してもよい。この場合、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦの変化方向に関係なく、同センサ２６での異常の有無が判断される。

・設定回数Ａを２回、３回、又は４回等にしたり６回以上にしたりするなど、設定回数Ａの値を適宜変更してもよい。
・アクティブ空燃比制御中に求められる応答性パラメータとして、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦのリッチピークとリーンピークとの間での軌跡長ΣＳを用いてもよい。なお、上記軌跡長ΣＳは、空燃比センサ２６の出力ＶＡＦのリッチピークとリーンピークとの間での同出力ＶＡＦの所定時間毎の変化の積算値である。ちなみに、応答性パラメータとしては、上記軌跡長ΣＳを用いる場合と比較して、上記実施形態のように変化速度θの最大値θｍａｘを用いる方が好ましい。これは、変化速度θの最大値θｍａｘは、軌跡長ΣＳよりも、アクセル踏込量の変化等の外乱に起因する影響を受けにくいためである。このため、分布幅Ｙ１，Ｙ２を定めるためのデータとして上記最大値θｍａｘを用いることで、上記分布幅Ｙ１，Ｙ２を上記外乱の影響を受けることなく適正なものとしやすくなる。

１…エンジン、２…燃焼室、３…吸気通路、４…排気通路、５…燃料噴射弁、６…点火プラグ、７…ピストン、８…クランクシャフト、１１…スロットルバルブ、１９…電子制御装置、２０…アクセルペダル、２１…アクセルポジションセンサ、２２…スロットルポジションセンサ、２３…エアフロメータ、２４…クランクポジションセンサ、２５…水温センサ、２６…空燃比センサ。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気中の酸素濃度に基づき同機関の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサの異常検出装置であって、内燃機関の空燃比をリッチとリーンとの間で周期的に変動させるアクティブ空燃比制御を行い、同制御中における前記空燃比センサの出力がリッチピークとリーンピークとの間で変化する際の応答性に対応するパラメータを同出力に基づき求めて異常検出用のデータとして取得し、そのデータを用いて空燃比センサでの異常の有無を判断する空燃比センサの異常検出装置において、
   前記データの取得を複数回行って得られた各データの増減方向の分布幅を求め、その分布幅と異常判定値との比較に基づき、同分布幅が前記異常判定値未満であれば前記空燃比センサでの異常有りの旨判断し、同分布幅が前記異常判定値以上であれば前記空燃比センサでの異常無しの旨判断する
   ことを特徴とする空燃比センサの異常検出装置。
2. 前記分布幅は、取得された各データのうちの最大値と最小値とに基づき、それら最大値と最小値との間の幅として求められる
   請求項１記載の空燃比センサの異常検出装置。
3. 前記データの取得回数が予め定められた設定回数となったとき、その設定回数分だけ取得されたデータのうちの最大値と最小値との幅が前記分布幅として求められ、
   前記設定回数は、その設定回数分だけ取得されたデータに適正なばらつきの生じる得る回数とされている
   請求項２記載の空燃比センサの異常検出装置。
4. 前記データの取得に関しては、前記アクティブ空燃比制御中における前記空燃比センサの出力がリッチピークからリーンピークに変化する際の取得と、リーンピークからリッチピークに変化する際の取得とに分けられ、それらデータの取得における取得回数が別々に計測されるものであり、
   前記空燃比センサの異常の有無の判断は、前記アクティブ空燃比制御中において、前記空燃比センサの出力がリッチピークからリーンピークに変化する際に取得した各データの増減方向についての分布幅と異常判定値との比較に基づき行われるとともに、前記空燃比センサの出力がリーンピークからリッチピークに変化する際に取得した各データの増減方向についての分布幅と異常判定値との比較に基づき行われる
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の空燃比センサの異常検出装置。

Images