JP2012229659A - 空燃比センサの診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒内の中心空燃比や目標空燃比補正量に基づいて、内燃機関に取り付けられた触媒前の空燃比センサのオフセット故障を的確に診断することのできる触媒前の空燃比センサの故障診断装置を提供する。
【解決手段】空燃比センサの診断装置２５０は、空燃比センサ１１２と酸素センサ１１３と空気流量検出手段１１０の出力信号に基づいて演算された中心空燃比と目標空燃比補正量のうち、目標空燃比補正量が中心空燃比に対して著しく大きいまたは小さい時には、空燃比センサ１１２のオフセット故障と判定する。また、中心空燃比が理論空燃比に対して著しく大きいまたは小さい時にも、空燃比センサ１１２のオフセット故障と判定する。そして、空燃比センサ１１２のオフセット故障と判定した場合はランプ等を点灯して運転者にその異常を警告する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空燃比センサの診断装置に関し、特に内燃機関の空燃比センサのオフセット故障を診断することのできる空燃比センサの診断装置に関する。

従来から、車両から排出される有害ガスに起因する大気汚染を低減するために、車両から排出される有害物質の抑制を行う様々な技術開発が進められている。

その開発技術の一つとして、例えば車載式故障診断装置（ＯＢＤ：On Board Diagnostic System）が挙げられる。ＯＢＤは、車両自身が排気ガス対策を行う装置の異常（例えば、突発的故障）を検知又は監督することで、異常発生時に警告灯等によって運転者に警報もしくは表示すると共に、その異常や故障内容を記憶装置に記憶保持することのできる故障診断装置である。これにより、運転者は排気ガス対策を行う装置の異常や故障を迅速かつ適格に認識して車両の整備を行うことができ、車両から排出される有害ガスの低減をすることができる。

特に、米国の自動車業界においては、１９９４年型車両から前記ＯＢＤに対して新たに触媒浄化率の低下、エンジン失火、酸素センサの劣化燃料蒸発ガス排出制御装置の異常の検知が要求され、これらの異常をＯＢＤが検知した場合にはインパネ上の警告灯を点灯させて運転者に警告すると共に、その故障情報を記憶して標準規格化されたスキャンツールで読み出せることが要求されるようになった（ＯＢＤII規制）。このような規制下においては、内燃機関で使用される空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）の異常か、もしくは他の機器の異常かを検知すると共に、例えば空燃比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には、速やかに運転者にその異常を警告して車両の整備や修理を促す必要がある。

一方、日本の自動車業界においても、近年、車両の排気ガスの測定方法や車載式故障診断装置の基準等が改正され、例えば２００８年からガソリン又はＬＰＧを燃料とする車両総重量3.5t以下の新車に対しては高度な車載式故障診断装置の装着が義務付けられる等、車両から排出される有害物質の抑制に向けた取り組みが活発となってきたため、当該分野においては車両の高度な「診断ツール」の開発が必須の課題となっている。

ところで、車両の排気ガス中の有害ガスを抑制し、燃費や運転性を向上させる手段として、内燃機関における排気ガス成分に関する情報に基づいて燃料噴射量を制御するフィードバック方式の内燃機関の制御装置が実用化されている。

特許文献１には、触媒前に配置された空燃比センサの出力信号と空気流量とに基づいて触媒内の酸素蓄積量を演算し、該酸素蓄積量と触媒後に配置された酸素センサの出力信号とに基づいて触媒内の中心空燃比を演算して目標空燃比を補正する（空燃比フィードバック制御）ことで、より精度の高い空燃比制御を実現して燃料噴射量を制御する内燃機関の制御装置が開示されている。

特許第４３３８６６３号公報

ところで、前記制御装置においては、内燃機関で使用されるセンサ、例えば空燃比センサの故障や劣化によって、排気ガス成分や制御システム上での異常が発生した場合、燃料噴射量を適正に制御することができないといった問題がある。

ここで、空燃比センサの故障モードとしては、例えば応答劣化、スタック（固着）、オフセット故障等が挙げられる。なお、オフセットとは、空燃比センサにて検出される空燃比が、実空燃比に対して増加方向もしくは減少方向にずれることであり、そのずれ量が過大になると空燃比センサのオフセット故障と診断される。

前記故障モードのうち、特に空燃比センサのオフセット故障の場合には、触媒後の酸素センサを用いてその空燃比のオフセットずれを制御（吸収）することが考えられる。図８は、酸素センサに基づくオフセットずれの制御方法を示したものである。ここで、横軸は実空燃比、縦軸は空燃比センサによって検出された空燃比（ＲＡＢＦ）を示している。

図示するように、例えば実空燃比が１４．７の場合、正規の特性（実線）Ｌを有する空燃比センサに対して上方または下方にオフセットずれが発生し、空燃比センサの特性がオフセットずれの特性（破線）Ｌ１，Ｌ２となると、動作点はそれぞれａ１，ａ２点へ移動する（矢印Ａ１，Ａ２方向）。すると、空燃比センサの検出値が１４．７から逸脱してしまうため、仮に実空燃比を１４．７で制御するように指示されている場合には、空燃比センサ制御によって動作点はそれぞれｂ１，ｂ２点へ移動する（矢印Ｂ１，Ｂ２方向）。しかしながら、このときの実空燃比はそれぞれｃ１，ｃ２点の値となり、このｃ１，ｃ２点の空燃比が酸素センサの出力信号となってしまうため、上方へのオフセットずれの場合には酸素センサはリッチを示し、下方へのオフセットずれの場合には酸素センサはリーンを示すこととなる。そこで、この触媒後の酸素センサの出力信号を利用して目標空燃比を補正する、即ちｂ１，ｂ２点の動作点をｏ点へ移動させる（矢印Ｃ１，Ｃ２方向）ことで、空燃比が１４．７となるように空燃比センサのオフセットずれを制御（吸収）する。

また、このような酸素センサの出力信号を用いることで、触媒の状況に応じた目標空燃比の補正を行うこともできる。通常の三元触媒の場合、空燃比を理論空燃比の１４．７に制御することが望ましいものの、例えば内燃機関の運転領域や、触媒の劣化状態、触媒の活性状態等によって、必ずしも空燃比を１４．７に制御することが良いとは限らない。そこで、酸素センサの制御内で触媒内の酸素蓄積量を演算し、その演算された酸素蓄積量から、触媒の状況に応じて最も排気浄化率の高い空燃比（触媒内中心空燃比）を演算して目標空燃比を補正することで、内燃機関の運転領域等に応じた空燃比フィードバック制御を実現することもできる。

しかしながら、前記空燃比センサは、内燃機関の排気直後に設置され、高温且つ高圧の雰囲気下に曝されると共に、振動や粗悪燃料等の影響を大きく受けるため、他のセンサと比較して劣化し易い傾向にある。例えば多気筒エンジンの場合には、他の燃焼サイクルの影響を受けるために極めて正確な空燃比センサの制御が要求されるものの、上記するような何らかの原因で空燃比センサの検出精度が極度に低下すると、例えば図８で示すような空燃比センサのオフセットずれを制御（吸収）し得なくなり、内燃機関を効率的に運転することができなくなる可能性がある。そこで、内燃機関を効率的に運転し、自動車から排出される有害ガスを確実に抑制するために、内燃機関における空燃比センサの故障や劣化を迅速且つ正確に検出すると共に、センサ交換等の適切な処置を施す必要がある場合には、運転者にその故障や劣化等の異常の情報を迅速に認識させる故障診断装置の開発が望まれている。

例えば前記故障モードのうち、応答劣化の検出方法の一例としては、所定時間内における空燃比フィードバック制御で演算されるリッチ、リーン反転回数を計測する方法があり、この所定時間内におけるリッチ、リーン反転回数が著しく少ない場合に空燃比センサの故障と判定して運転者に警告することができる。

また、空燃比センサのスタックの検出方法の一例としては、触媒前の空燃比センサの出力信号と触媒後の酸素センサの出力信号との関係を検出する方法があり、例えば、空燃比センサの出力信号がリッチを示している一方で酸素センサの出力信号がリーンを示している状態が頻繁に発生する場合に空燃比センサの故障と判定して運転者に警告することができる。

それに対して、空燃比センサのオフセット故障においては、そのオフセットずれ量が比較的小さければ酸素センサの出力信号を用いてある程度オフセットずれを制御（吸収）し得るものの、そのずれ量が大きくなると（オフセット故障）、そのオフセットずれを制御（吸収）することができなくなり、さらに従来技術においてはこのオフセット故障を適切に検出することもできないため、運転者に空燃比センサのオフセット故障を警告することができないのが現状である。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、触媒内の中心空燃比や目標空燃比補正量に基づいて、空燃比センサのオフセット故障を診断することのできる触媒前の空燃比センサの診断装置を提供することにある。

上記する課題を解決するために、本発明に係る空燃比センサの診断装置は、排気通路に配置された触媒と、該触媒の上流側の空燃比を検出する空燃比センサと、前記触媒の下流側の排気ガス中における酸素濃度を検出する酸素センサと、流入空気流量を検出する空気流量検出手段と、を有する内燃機関の空燃比センサの診断装置であって、前記診断装置は、前記空燃比と前記空気流量と前記酸素濃度とに基づいて演算される触媒内の中心空燃比および目標空燃比補正量の少なくともいずれか一方に基づいて前記空燃比センサの故障を診断するものである。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、例えば内燃機関が触媒前の空燃比センサと触媒後の酸素センサの出力信号によって空燃比フィードバック制御を行う場合、空燃比センサと酸素センサの出力信号と流入空気流量とに基づいて演算される触媒内の中心空燃比と目標空燃比補正量の関係または該中心空燃比から、空燃比センサの劣化状態を含めた空燃比センサのオフセット故障を正確に診断することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る空燃比センサの診断装置を含む制御装置が適用される内燃機関全体の基本構成図。 図１で示す制御装置を示したブロック図。 図１で示す空燃比センサのオフセット故障の診断指標を示した図。 図２で示す空燃比センサの診断装置を説明したブロック図。 図２で示す空燃比センサの診断装置の空燃比センサの診断のフローチャート。 図２で示す診断領域判定手段の診断領域判定のフローチャート。 図６で示す診断領域判定手段の診断領域判定のフローチャートの一例。 空燃比センサのオフセットずれを説明した図。

以下、本発明に係る空燃比センサの診断装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る空燃比センサの診断装置が適用される制御装置を含む内燃機関全体の基本構成を示したものである。なお、図示する実施の形態においては、内燃機関が単一の気筒を備える場合について説明するが、本実施の形態は多気筒の内燃機関に適用することができる。

図１で示す内燃機関１００は、内部に燃焼室１０１が形成された気筒１０２と、該気筒１０２に接続された吸気通路１０３と排気通路１０４を備えている。なお、内燃機関１００の気筒１０２には、さらに点火装置１０５とプレート（又はリングギア）１０６が取り付けられており、回転数検出手段１１８によって前記プレート１０６の回転数が検出されるようになっている。

また、吸気通路１０３には、燃料噴射装置１０７が取り付けられており、エアクリーナ１０８から流入される空気は、スロットルバルブ１０９によって流量を調節された後、吸気通路１０３で燃料噴射装置１０７から所定の角度で噴射される燃料と混合されて、気筒１０２の燃焼室１０１へ供給される。ここで、吸気通路１０３には空気流量検出手段１１０が設けられており、スロットルバルブ１０９によって流量を調節された後の空気の流量が検出されるようになっている。

また、排気通路１０４には、三元触媒１１１が取り付けられており、燃焼室１０１で燃料が燃焼した後の排気ガスは三元触媒１１１で浄化されて外部へ排出される。ここで、排気通路１０４の三元触媒１１１の上流側には空燃比センサ１１２が取り付けられ、三元触媒１１１の下流側には酸素センサ１１３が取り付けられており、三元触媒１１１前の空燃比と三元触媒１１１後の酸素濃度がそれぞれ検出されるようになっている。

なお、燃料噴射装置１０７は、プレッシャーレギュレータ１１４を備えた燃料管１１５を介して燃料タンク１１６と接続されており、燃料タンク１１６の内部の燃料Ｆは、燃料ポンプ１１７によって吸引及び加圧された後、燃料管１１５を通って燃料噴射装置１０７の燃料入口へ導入されると共に、余分な燃料Ｆは、燃料タンク１１６へ戻されるようになっている。

また、制御装置２００は、空気流量検出手段１１０の出力信号ＱＡＲと回転数検出手段１１８によって検出されたプレート１０６の回転数Ｎｅを取り込み、燃料噴射量Ｔｉを計算して燃料噴射装置１０７の噴射量を制御する。その際、制御装置２００は、さらに排気通路１０４に配置された空燃比センサ１１２の出力信号ＲＡＢＦを取り込み、内燃機関１００の空燃比を理論空燃比になるように燃料噴射量Ｔｉを補正することで空燃比フィードバック制御を行う。なお、図示する制御装置２００では、排気通路１０４に配置された酸素センサ１１３の出力信号ＶＯ２Ｒも取り込み、さらに高度な空燃比フィードバック制御を行うことができる。また、制御装置２００は、点火装置１０５やスロットルバルブ１０９、燃料ポンプ１１７にも制御信号を送信し、例えば点火装置１０５の点火時期やスロットルバルブ１０９の開度等を制御して、内燃機関１００の効率的な運転が行われるようになっている。

次に、図２は、図１で示す制御装置２００の内部構成を示したものである。

まず、制御装置２００は、空燃比センサ１１２の出力信号を使用した空燃比フィードバック制御装置と該空燃比センサ１１２を診断する診断装置２５０とを備えている。

前記空燃比フィードバック制御装置は、主として酸素濃度制御手段２１０と目標空燃比演算手段２２０と空燃比センサ制御手段２３０と燃料噴射制御手段２４０とによって実行される。通常、三元触媒１１１による排気浄化システムにおいては、触媒前に配置された空燃比センサ１１２の信号を用いて、ＰＩ制御等によって触媒前の空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比等）となるように制御される。その際、図示するように酸素濃度制御手段２１０を適用することで、触媒後に配置された酸素センサ１１３の信号を用いて目標空燃比を補正することができ、該補正によって空燃比センサ１１２の検出信号のずれを制御（吸収）すると共に、触媒が要求する空燃比（触媒内中心空燃比）に目標空燃比を合わせることができる。これにより、一層正確な空燃比フィードバック制御を実現することができ、燃焼室に噴射される燃料の燃料噴射量を精緻に制御することができる。

より具体的には、酸素濃度制御手段２１０では、空気流量検出手段１１０の出力信号ＱＡＲと空燃比センサ１１２の出力信号ＲＡＢＦと酸素センサ１１３の出力信号ＶＯ２Ｒとに基づいて目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２を演算する。次いで、目標空燃比演算手段２２０では、その演算結果に基づいて目標空燃比を演算する。そして、空燃比センサ制御手段２３０では、その目標空燃比と空燃比センサ１１２の出力信号ＲＡＢＦに基づいて、触媒前の空燃比が目標空燃比となるように空燃比センサ制御量を演算し、その演算結果を燃料噴射制御手段２４０へと送信する。燃料噴射制御手段２４０では、燃焼室に噴射される燃料の燃料噴射量を制御するために、空燃比センサ制御手段２３０から送信された演算結果と空気流量検出手段１１０の出力信号ＱＡＲとに基づいて燃料噴射量を演算し、その制御信号を燃料噴射装置１０７へ送信する。

次に、酸素濃度制御手段２１０の内部構成について、より詳細に説明する。酸素濃度制御手段２１０は、触媒内の酸素蓄積量演算手段２０１と、比例分補正値演算手段２０２と、積分分補正値演算手段２０３と、触媒内の中心空燃比演算手段２０４と、目標空燃比補正量演算手段２０５とから大略構成される。

酸素蓄積量演算手段２０１では、空燃比センサ１１２によって検出された空燃比ＲＡＢＦと、空気流量検出手段１１０によって検出された吸入空気流量ＱＡＲと、中心空燃比演算手段２０４によって少なくとも１回以上前に演算された中心空燃比とから、触媒内の酸素蓄積量を演算する。次いで、比例分補正値演算手段２０２と積分分補正値演算手段２０３と中心空燃比演算手段２０４では、酸素蓄積量演算手段２０１によって演算された酸素蓄積量と酸素センサ１１３によって検出された酸素濃度ＶＯ２Ｒとから、それぞれ比例分補正値ＰＢと積分分補正値ＩＢと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを演算する。そして、目標空燃比補正量演算手段２０５では、これらの演算結果に基づいて目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２を演算する。なお、既述したように、中心空燃比演算手段２０４で演算された中心空燃比ＣＮＴＡＢＦは、酸素蓄積量演算手段２０１における酸素蓄積量の演算にも使用される。

次に、前記空燃比フィードバック制御装置内で演算される演算結果を用いて制御装置２００内で実行される、空燃比センサ１１２のオフセット故障診断について説明する。前記オフセット故障診断は、主として空燃比センサの診断装置２５０によって実行される。ここで、空燃比センサ１１２のオフセット故障はオフセットずれの過度の状態であり、既述したように、酸素濃度制御手段２１０には、空燃比センサ１１２のオフセットずれを制御（吸収）する機能が備わっていることから、酸素濃度制御手段２１０内で演算されるパラメータをモニタリングすることで、空燃比センサ１１２のオフセット故障を診断することができる。より具体的には、空燃比センサの診断装置２５０では、酸素濃度制御手段２１０内で演算された目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２や中心空燃比ＣＮＴＡＢＦに基づいて空燃比センサ１１２のオフセット故障を診断する。

すなわち、前記空燃比センサの診断装置２５０は、上限判定値演算手段２５１と、下限判定値演算手段２５２と、第１故障診断手段２５３と、第２故障診断手段２５４と、診断領域判定手段２５５とから大略構成されており、上限判定値演算手段２５１と下限判定値演算手段２５２では、中心空燃比演算手段２０４によって演算された中心空燃比ＣＮＴＡＢＦから、それぞれ目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２を判定するための上限判定値と下限判定値を演算する。次いで、第１故障診断手段２５３では、目標空燃比補正量演算手段２０５によって演算された目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２と上限判定値と下限判定値とを比較し、例えば目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が上限判定値以上、または目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が下限判定値以下の場合には、空燃比センサのオフセット故障であると診断する。なお、この故障診断は、診断領域判定手段２５５によって診断領域が判定され、故障診断の実行が許可された場合に実行される。また、第２故障診断手段２５４では、中心空燃比演算手段２０４によって演算された中心空燃比ＣＮＴＡＢＦから空燃比センサのオフセット故障診断を実行する。例えば、前記中心空燃比ＣＮＴＡＢＦと予め定められた所定値を比較することで、空燃比センサの故障診断を行う。なお、この第２故障診断手段２５４においても、診断領域判定手段２５５によって診断領域が判定され、故障診断の実行が許可された場合に空燃比センサの故障診断が実行される。

なお、第１故障診断手段２５３と第２故障診断手段２５４の故障診断結果等は、例えば図１で示すＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置に記憶され、標準規格化されたスキャンツールを車両に接続することで、該スキャンツールで読み出せるようになっている。また、前記第１故障診断手段２５３と第２故障診断手段２５４は、例えばインパネ上の警告灯等と接続されていて、その警告灯の点灯等によって前記故障診断結果を運転者に認識させることもできる。

次に、図３は、図１で示す空燃比センサのオフセット故障の診断指標を説明したものである。

まず、酸素濃度制御手段２１０の内部の演算について具体的に説明すると、酸素蓄積量演算手段２０１では、空燃比ＲＡＢＦと空気流量ＱＡＲと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを用いて、以下の式（１）に基づいて三元触媒内の酸素蓄積量ＯＳＥＳＴを演算する。

ここで、「ｏｌｄ」とは、ループ演算における前回時の演算結果を意味するものである。

比例分補正値演算手段２０２と積分分補正値演算手段２０３と中心空燃比演算手段２０４とはそれぞれ、酸素蓄積量演算手段２０１で演算された前記酸素蓄積量ＯＳＥＳＴと酸素センサ１１３で検出した酸素濃度ＶＯ２Ｒとに基づいたマップ１，マップ２，マップ３を予め用意している。したがって、比例分補正値演算手段２０２と積分分補正値演算手段２０３と中心空燃比演算手段２０４では、酸素蓄積量ＯＳＥＳＴと酸素濃度ＶＯ２Ｒとそれらのマップ１，２，３から、それぞれ比例分補正値ＰＢと積分分補正値ＩＢと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを演算することができる。そして、目標空燃比補正量演算手段２０５では、前記比例分補正値ＰＢと積分分補正値ＩＢと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦとを加算して、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２を演算する。

ところで、空燃比センサ１１２のオフセット故障の発生状態としては、急劣化と経時劣化とが挙げられる。

前記オフセット故障の発生状態のうち、空燃比センサ１１２の急劣化の場合には、三元触媒１１１を介して酸素センサ１１３の出力信号ＶＯ２Ｒにその影響が出やすくなる。したがって、比例分補正値ＰＢと積分分補正値ＩＢが比較的大きく変化することで、酸素濃度制御手段２１０の出力値である目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が相対的に大きく変化する。そして、この演算結果に基づいて、目標空燃比演算手段２２０で演算される目標空燃比が補正され、空燃比センサ制御手段２３０によって、空燃比センサの出力信号ＲＡＢＦが実空燃比となるように制御されることとなる。このように、オフセット急劣化の場合には、空燃比センサ１１２の出力信号ＲＡＢＦのオフセット故障分は、主として目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２に反映される。そのため、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２を診断指標としてモニタリングすることで、空燃比センサ１１２のオフセット故障診断を行うことができる。

一方で、空燃比センサ１１２の経時劣化の場合には、急劣化の場合と比較して、酸素センサの出力信号ＶＯ２Ｒにその影響が出にくくなる。したがって、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２はあまり変化せず、空燃比センサ制御手段２３０において空燃比センサ１１２の出力信号ＲＡＢＦが実空燃比に制御されなくなる。即ち、この制御装置においては、酸素蓄積量演算手段２０１におけるＲＡＢＦ−ＣＮＴＡＢＦ_ｏｌｄ＝０なる制御の動作が支配的となる。このように、オフセット経時劣化の場合には、中心空燃比演算手段２０４で演算される中心空燃比ＣＮＴＡＢＦにその影響が比較的大きく出る。そのため、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを診断指標としてモニタリングすることで空燃比センサ１１２のオフセット故障診断を行うことができる。

このように、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２と中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを診断指標とすることで、空燃比センサ１１２の劣化状態に関わらず、空燃比センサ１１２のオフセット故障を診断することができると共に、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２と中心空燃比ＣＮＴＡＢＦのいずれに基づいて前記故障が検出されたかを検知することで、空燃比センサ１１２の劣化状態を正確に診断することができる。

図４は、図２で示す空燃比センサの診断装置２５０を具体的に説明したものである。

既述するように、空燃比センサ１１２の急劣化や経時劣化等の劣化状態によって酸素センサ１１３の出力信号ＶＯ２Ｒにその影響が現れやすい場合と現れにくい場合があるため、空燃比センサの診断装置２５０においては、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２と中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを診断指標として用いて空燃比センサ１１２のオフセット故障を診断する。

まず、特に空燃比センサ１１２の急劣化状態におけるオフセット故障を診断する第１故障診断手段２５３について説明する。

最初に、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦに基づいて第１故障診断手段２５３で判断指標として用いる上限判定値と下限演算値を演算する。具体的には、中心空燃比換算手段２５６で中心空燃比ＣＮＴＡＢＦに対する加重平均値または運転領域毎の学習値を換算し、上限判定値演算手段２５１で、その換算結果に対して所定値αを加算して上限判定値を演算する。また、下限判定値演算手段２５２では、中心空燃比に対する加重平均値または運転領域毎の学習値から所定値βを減算して下限判定値を演算する。なお、所定値αと所定値βは同一の値とすることができる。また、所定値αや所定値βは、中心空燃比換算手段２５６で換算された中心空燃比に対する加重平均値または運転領域毎の学習値に基づくテーブル１やテーブル２から演算することもできる。

そして、第１故障診断手段２５３では、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が上限判定値よりも大きい時、または、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が下限判定値よりも小さい時に、空燃比センサ１１２のオフセット故障であると診断する。このように、上限判定値と下限判定値を中心空燃比ＣＮＴＡＢＦに対する加重平均値または学習値から演算することで、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦに対して目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が過度な値になっている状態をオフセット故障と判定することができる。なお、この故障診断は、診断領域判定手段２５５によって故障診断の実行が許可された場合に実行されるものである。

次に、特に空燃比センサ１１２の経時劣化状態におけるオフセット故障を診断する第２故障診断手段２５４について説明する。

第２故障診断手段２５４では、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦが定数γよりも大きい時、または、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦが定数ζよりも小さい時に、空燃比センサ１１２のオフセット故障であると診断する。ここで、触媒内の中心空燃比ＣＮＴＡＢＦは、理論空燃比である１４．７に対して大きく逸脱することは考え難いことから、定数γと定数ζにおいても１４．７近傍に設定するのが好ましい。なお、この故障診断は、第１故障診断手段２５３と同様、診断領域判定手段２５５によって故障診断の実行が許可された場合に実行されるものである。

以下、上記実施の形態の空燃比センサの診断装置による空燃比センサの故障診断方法について説明する。図５は、空燃比センサの診断装置２５０の空燃比センサ故障診断のフローチャートを示したものである。

まず、ステップ５０１では、空燃比センサ１１２によって触媒前の空燃比ＲＡＢＦを計測し、ステップ５０２では、酸素センサ１１３によって触媒後の酸素濃度ＶＯ２Ｒを計測し、ステップ５０３では、内燃機関に流入する吸入空気流量ＱＡＲを計測する。ステップ５０４では、空燃比ＲＡＢＦと空気流量ＱＡＲと中心空燃比ＣＡＮＴＡＢＦとから触媒内の酸素蓄積量ＯＳＥＳＴを演算する。ステップ５０５では、酸素蓄積量ＯＳＥＳＴと酸素濃度ＶＯ２Ｒから、マップ１に基づいて比例分補正値ＰＢを演算し、ステップ５０６では、酸素蓄積量ＯＳＥＳＴと酸素濃度ＶＯ２Ｒから、マップ２に基づいて積分分補正値ＩＢを演算し、ステップ５０７では、酸素蓄積量ＯＳＥＳＴと酸素濃度ＶＯ２Ｒから、マップ３に基づいて触媒内の中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを演算する。ステップ５０８では、比例分補正値ＰＢと積分分補正値ＩＢと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦを加算して目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２を演算する。ステップ５０９では、積分分補正値ＩＢと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦと酸素蓄積量ＯＳＥＳＴの前回値を、それぞれ積分分補正値ＩＢ_ｏｌｄと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦ_ｏｌｄと酸素蓄積量ＯＳＥＳＴ_ｏｌｄとする。なお、この積分分補正値ＩＢ_ｏｌｄと中心空燃比ＣＮＴＡＢＦ_ｏｌｄと酸素蓄積量ＯＳＥＳＴ_ｏｌｄは、ステップ５０４やステップ５０６での演算に使用される。

ステップ５１０では、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦの加重平均値または運転領域毎の学習値ＣＮＴＡＢＦＬＴを換算する。ステップ５１１では、そのＣＮＴＡＢＦＬＴからテーブル１に基づいて上限判定値を演算し、ステップ５１２では、ＣＮＴＡＢＦＬＴからテーブル２に基づいて下限判定値を演算する。ステップ５１３では、診断領域を判定し、故障診断の実行を許可するか否かを判定する。ステップ５１３で故障診断の実行を許可する場合にはステップ５１４とステップ５１５へ進み、許可しない場合には故障診断は実行しない。ステップ５１４では、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が上限判定値よりも大または下限判定値よりも小であるか否かを判定し、目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が上限判定値よりも大または下限判定値よりも小である場合にはステップ５１６に進み、オフセット故障であると判定する。また、ステップ５１５では、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦが定数γよりも大または定数ζよりも小であるか否かを判定し、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦが定数γよりも大または定数ζよりも小である場合にはステップ５１６に進み、オフセット故障であると判定する。なお、ステップ５１４で目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が下限判定値以上かつ上限判定値以下であり、中心空燃比ＣＮＴＡＢＦが定数ζ以上かつ定数γ以下であると判定された場合にはステップ５１７に進み、オフセット故障がないと判定する。なお、ステップ５１０よりも前にステップ５１３の診断領域判定を行うことができる。また、ステップ５１４で目標空燃比補正量ＴＡＢＦＲＯ２が下限判定値以上かつ上限判定値以下であると判定された後にステップ５１５の判定を行い、ステップ５１５でさらに中心空燃比ＣＮＴＡＢＦが定数ζ以上かつ定数γ以下であると判定された場合に、オフセット故障がないと判定することもできる。

なお、ステップ５１６でオフセット故障であると判定した場合には、例えばインパネ上の警告灯等を点灯させて、その判定結果を運転者に認識させる。

次に、前記ステップ５１３における（診断領域判定手段２５５での）診断領域判定について説明する。図６は、診断領域判定手段２５５による診断領域判定のフローチャートを示したものであり、図７は、その一例を示したものである。

図６で示すように、ステップ６０１では、診断領域の各種条件を判定する。具体的には、内燃機関の回転数が所定範囲内であるか、内燃機関の負荷が所定範囲内であるか、水温が所定値以上か、車両速度が所定範囲内であるか、吸気温度が所定範囲内であるか、大気圧が所定値以下か、バッテリ電圧が所定範囲内であるか、燃料カット中でない（非燃料カット状態）か、空燃比制御フィードバック中か、空燃比センサ以外の用いられるセンサ（例えば、空気流量検出手段や酸素センサ）が故障していないか、をそれぞれ判定する。それらの条件が全て成立している場合にはステップ６０２に進み、診断領域内であると判定して故障診断の実行を許可する。また、上記条件のうちのいずれか一つでも成立していない場合にはステップ６０３に進み、診断領域外であると判定して故障診断の実行を許可しない。

図７は、その診断領域判定のフローチャートの一例を示したものであり、図６に示すステップ６０１についてステップ７０１からステップ７１０まで順次実行したものである。即ち、ステップ７０１では、内燃機関の回転数が所定範囲内にあるかを判定する。ステップ７０２では、内燃機関の負荷が所定範囲内であるかを判定する。ステップ７０３では、水温が所定値以上かを判定する。ステップ７０４では、車速が所定範囲内であるかを判定する。ステップ７０５では、吸気温度が所定範囲内であるかを判定する。ステップ７０６では、大気圧が所定値以下かを判定する。ステップ７０７では、バッテリ電圧が所定範囲内であるかを判定する。ステップ７０８では、燃料カット中でないかを判定する。ステップ７０９では、空燃比制御フィードバック中かを判定する。ステップ７１０では、空燃比センサ以外の用いられるセンサに故障がないかを判定する。そして、ステップ７０１〜７１０の条件が全て成立している場合には、ステップ７１１で診断領域内であると判定する。また、ステップ７０１〜７１０の条件のうちのいずれか一つでも成立していない場合には、ステップ７１２で診断領域外であると判定する。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

内燃機関に取り付けたれた触媒前の空燃比センサのオフセット故障を診断する診断装置であり、車両自己診断規制の強化に対して必須の技術である。

１００…内燃機関、１０１…燃焼室、１０２…気筒、１０３…吸気通路、１０４…排気通路、１０５…点火装置、１０６…プレートまたはリングギア、１０７…燃料噴射装置、１０８…エアクリーナ、１０９…スロットルバルブ、１１０…空気流量検出手段、１１１…三元触媒、１１２…空燃比センサ、１１３…酸素センサ、１１４…プレッシャーレギュレータ、１１５…燃料管、１１６…燃料タンク、１１７…燃料ポンプ、１１８…回転数検出手段、２００…制御装置、２０１…酸素蓄積量演算手段、２０２…比例分補正値演算手段、２０３…積分分補正値演算手段、２０４…中心空燃比演算手段、２０５…目標空燃比補正量演算手段、２１０…酸素濃度制御手段、２２０…目標空燃比演算手段、２３０…空燃比センサ制御手段、２４０…燃料噴射制御手段、２５０…空燃比センサの診断装置、２５１…上限判定値演算手段、２５２…下限判定値演算手段、２５３…第１故障診断手段、２５４…第２故障診断手段、２５５…診断領域判定手段、２５６…中心空燃比換算手段

Claims (13)

1. 排気通路に配置された触媒と、該触媒の上流側の空燃比を検出する空燃比センサと、前記触媒の下流側の排気ガス中における酸素濃度を検出する酸素センサと、流入空気流量を検出する空気流量検出手段と、を有する内燃機関の空燃比センサの診断装置であって、
   前記診断装置は、前記空燃比と前記空気流量と前記酸素濃度とに基づいて演算される触媒内の中心空燃比および目標空燃比補正量の少なくともいずれか一方に基づいて前記空燃比センサの故障を診断することを特徴とする空燃比センサの診断装置。
2. 前記診断装置は、前記目標空燃比補正量に基づいて前記空燃比センサの故障を診断する第１故障診断手段を備え、
   該第１故障診断手段は、前記中心空燃比に基づいて演算される上限判定値および下限判定値に基づいて前記空燃比センサの故障を診断することを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの診断装置。
3. 前記上限判定値は、前記中心空燃比に対する加重平均値または運転領域毎の学習値に第１の所定値を加算することで演算され、
   前記下限判定値は、前記中心空燃比に対する前記加重平均値または運転領域毎の前記学習値から第２の所定値を減算することで演算されることを特徴とする請求項２に記載の空燃比センサの診断装置。
4. 前記第１の所定値は、前記中心空燃比に対する前記加重平均値または運転領域毎の前記学習値に基づく第１のテーブルから演算されることを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの診断装置。
5. 前記第２の所定値は、前記中心空燃比に対する前記加重平均値または運転領域毎の前記学習値に基づく第２のテーブルから演算されることを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの診断装置。
6. 前記第１故障診断手段は、前記目標空燃比補正量が前記上限判定値よりも大きい時、または、前記目標空燃比補正量が前記下限判定値よりも小さい時に、前記空燃比センサの故障と診断することを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の空燃比センサの診断装置。
7. 前記診断装置は、さらに前記中心空燃比に基づいて前記空燃比センサの故障を診断する第２故障診断手段を備えることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の空燃比センサの診断装置。
8. 前記第２故障診断手段は、前記中心空燃比が第３の所定値よりも大きい時、または、前記中心空燃比が第４の所定値よりも小さい時に、前記空燃比センサの故障と診断することを特徴とする請求項７に記載の空燃比センサの診断装置。
9. 前記第３の所定値及び前記第４の所定値の少なくともいずれか一方は、理論空燃比に基づいて演算されることを特徴とする請求項８に記載の空燃比センサの診断装置。
10. 前記診断装置は、さらに前記空燃比センサの診断の実行を許可するために診断領域を判定する診断領域判定手段を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の空燃比センサの診断装置。
11. 前記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、水温が所定範囲内、車両速度が所定範囲内、内燃機関の流入空気温度が所定範囲内、大気圧が所定値以下、バッテリ電圧が所定範囲内、内燃機関が非燃料カット状態、空燃比フィードバック制御中、空燃比センサ以外の用いられるセンサが故障していない時に、前記空燃比センサの故障診断の実行を許可することを特徴とする請求項１０に記載の空燃比センサの診断装置。
12. 前記中心空燃比は、該中心空燃比と前記空燃比と前記空気流量とに基づいて演算される触媒内酸素蓄積量と前記酸素濃度とに基づいて演算され、
    前記目標空燃比補正量は、少なくとも前記中心空燃比に基づいて演算されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の空燃比センサの診断装置。
13. 前記診断装置は、前記空燃比センサによって検出される空燃比と実空燃比とのずれ量が過大である時に、前記空燃比センサの故障と診断することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の空燃比センサの診断装置。

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