JP2017008794A - 内燃機関の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比のフィードバック状態の影響を受けずに、内燃機関に設けられた空燃比センサの故障診断を行うことのできる内燃機関の診断装置を提供する。
【解決手段】内燃機関に供給される燃料の基準燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を行うシステムにおいて、空燃比センサ１３１の出力値から得られる実空燃比と、内燃機関１１０の吸入空気量及び回転数に基づき算出される燃料噴射量と前記吸入空気量とから算出される推定空燃比とを比較して、空燃比フィードバック領域外で空燃比センサ１３１の故障診断を実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の診断装置に係り、特に、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの故障診断を行う内燃機関の診断装置に関する。

自動車の有害な排気ガスを減少させると共に、燃費や運転性を向上させるための手段として、エンジン等の内燃機関の排気ガス成分に関する情報に基づい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。

ところで、上記の空燃比制御装置において、使用される燃料噴射弁、空気計量センサ、空燃比センサなどの故障や劣化による排気ガス成分の異常や制御システム上での異常により、制御を適正に行うことができない場合が発生する。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、上記のような燃料系システムに排気規制値の１．５倍を超えるような異常が発生した場合、速やかに運転者にその異常を警告して修理を促す必要がある。

したがって、燃料系システムもしくは空燃比センサが何らかの原因で故障した場合には、部品交換等の適切な処置を施す必要があり、従来、前記した空燃比センサの故障診断検出においては、空燃比フィードバック量が所定値を超過するか否かを判断してその空燃比センサの異常判定を実施している。

図６は、従来の故障診断装置を示すブロック図である。触媒前空燃比センサ信号計測部６０１では、触媒前の空燃比を計測する。吸入空気量計測部６０２では、内燃機関に吸入される空気量を計測する。回転数計測部６０４では、内燃機関の回転数を計測する。触媒前空燃比センサ故障判定部６０３では、触媒前に配置された空燃比センサの故障がないことを判定する。空燃比フィードバック許可判定部６０６では、始動時吸気温度計測部６０５で計測された始動時吸気温度を考慮しながら、吸入空気量計測部６０２で計測された吸入空気量と回転数計測部６０４で計測されたエンジン回転数を用いて空燃比フィードバック許可判定を行う。目標空燃比算出部６０７では、吸入空気量計測部６０２で計測された吸入空気量と回転数計測部６０４で計測されたエンジン回転数を用いて目標空燃比を算出し、空燃比フィードバック補正量算出部６０８では、触媒前空燃比センサ信号計測部６０１で算出された触媒前空燃比と目標空燃比算出部６０７で算出された目標空燃比の差分をもって、空燃比フィードバック補正量を算出する。

また、診断領域判定部６１１では、診断実行の許可を判定している。空燃比センサにおいて空燃比が減少するリーン故障が発生した場合、空燃比フィードバック補正量は増量方向へ補正がかかる。上限判定値演算部６１０では、吸入空気量計測部６０２で計測された吸入空気量を基に空燃比センサ故障量上限判定値を算出する。そして、燃料系システム故障判定部６１２では、診断領域判定部６１１で診断実行が許可されている場合、空燃比フィードバック補正量算出部６０８で算出された空燃比フィードバック補正量と上限判定値演算部６１０で算出された空燃比センサ故障量上限判定値を比較して、空燃比センサのリーン故障を判定する。

一方、空燃比センサにおいて空燃比が増加するリッチ故障が発生した場合、空燃比フィードバック補正量は減量方向へ補正がかかる。下限判定値演算部６０９では、吸入空気量計測部６０２で計測された吸入空気量を基に空燃比センサ故障量下限判定値を算出する。そして、燃料系システム故障判定部６１２では、診断領域判定部６１１で診断実行が許可されている場合、空燃比フィードバック補正量算出部６０８で算出された空燃比フィードバック補正量と下限判定値演算部６０９で算出された空燃比センサ故障量下限判定値を比較して、空燃比センサのリッチ故障を判定する。

しかしながら、上記のような空燃比フィードバック量をもって空燃比センサの故障を検出する従来の故障診断装置においては、目標空燃比に対するフィードバック実施中しか空燃比センサの故障を判定することが出来ない。近年では、様々な状況下で故障診断を行うことが求められており、車両の使用状況によらずに故障診断を実現するにはフィードバック領域外でも故障診断を行う必要がある。

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、空燃比のフィードバック状態の影響を受けずに、内燃機関に設けられた空燃比センサの故障診断を行うことのできる内燃機関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、本発明に係る内燃機関の診断装置は、基本的に、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの出力値に基づいて、前記内燃機関に供給される燃料の基準燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の診断装置であって、前記空燃比センサの出力値から得られる実空燃比と、前記内燃機関の吸入空気量及び回転数に基づき算出される燃料噴射量と前記吸入空気量とから算出される推定空燃比とを比較して、前記空燃比センサの故障診断を行うことを特徴とする。

本発明によれば、触媒前空燃比センサの出力信号を用いて空燃比フィードバック制御を行うシステムにおいて、内燃機関の吸入空気量と回転数に基づき算出される燃料噴射量から算出される推定空燃比と、触媒前空燃比センサから得られる空燃比の関係から、燃料系に配された空燃比センサの故障を空燃比フィードバック領域以外でも判定することが可能となる。

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。

本発明に係る内燃機関の診断装置が適用される内燃機関システムの基本構成図。 図１に示す診断装置の内部構成を示したブロック図。 図２に示す診断装置と空燃比フィードバック制御の関連を説明するブロック図。 図２に示す診断装置による故障診断フローを説明するフローチャート。 図４に示す故障診断フローにおける診断領域判定フローを説明するフローチャート。 従来の故障診断装置を示すブロック図。

以下、本発明に係る内燃機関の診断装置の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の診断装置が適用される内燃機関システムの基本構成を示したものである。

図示実施形態の内燃機関システム１００は、基本的に、燃焼室１１４ａを有する内燃機関（以下、エンジンと称することがある）１１０と、吸気系１２０と、排気系１３０とからなり、該内燃機関１１０には、点火装置１１１と燃料噴射装置１１２と回転数検出装置１１３が取り付けられており、この回転数検出装置１１３によって、リングギアあるいはプレート１１５の回転数Neが検出されるようになっている。

また、前記吸気系１２０には、エアークリーナ１２１とスロットルバルブ１２２と流量検出装置１２３が設けられている。エアークリーナ１２１を介して吸入された空気（吸気）は、スロットルバルブ１２２で流量を調節された後、流量検出装置１２３でその流量（吸入空気量）を検出し、その下流側で燃料噴射装置１１２から所定の角度で噴射される燃料と混合されて各気筒１１４の燃焼室１１４ａへ供給される。また、この吸気系１２０には、吸気温度を検出する吸気温度センサ（不図示）が設けられている。

また、前記排気系１３０には、例えば酸素センサ（Ｏ_２センサ）からなる空燃比センサ１３１と三元触媒１３２が取り付けられており、内燃機関１１０の燃焼室１１４ａでの燃焼により発生した排気ガスは、三元触媒１３２で浄化された後に大気へ排出される。三元触媒１３２の下流側には酸素センサ１３３が取り付けられており、三元触媒１３２で浄化された後の触媒後の空燃比（酸素濃度）が検出されるようになっている。

また、内燃機関システム１００は、内燃機関１１０に取り付けられた燃料噴射装置１１２の燃料噴射量等を制御する制御装置１４０を備えている。この制御装置１４０は、流量検出装置１２３の出力信号（吸入空気量）QARと回転数検出装置１１３によって検出されたリングギアあるいはプレート１１５の回転数Neを取り込み、それらに基づいて燃料噴射量Tiを計算し、燃料噴射装置１１２へその演算結果を送信して噴射量を制御する。また、当該制御装置１４０は、内燃機関１１０内の三元触媒１３２の上流側の空燃比を空燃比センサ１３１から取り込み、その内燃機関１１０内の空燃比が理論空燃比となるように、空燃比補正係数を算出すると共にその空燃比補正係数に基づいて燃料噴射装置１１２からの燃料噴射量Tiを補正する空燃比フィードバック制御を行う（図３も併せて参照）。

また、前記制御装置１４０は、三元触媒１３２の下流側に配置された酸素センサ１３３の出力信号を取り込み、その出力値に基づいて三元触媒１３２の上流側に配置された空燃比センサ１３１の特性変化量を補正することにより、より的確な空燃比フィードバック制御を行うことができる（図３も併せて参照）。また、制御装置１４０は、点火装置１１１やスロットルバルブ１２２、燃料ポンプ１１８等にも制御信号を送信し、例えば点火装置１１１の点火時期やスロットルバルブ１２２の開度等を制御するようになっている。

上記した燃料噴射装置１１２は、燃料管１１６を介して燃料タンク１１７と接続されており、燃料タンク１１７内の燃料は、燃料ポンプ１１８によって吸引及び加圧された後、プレッシャーレギュレータ１１９を備えた燃料管１１６を通って燃料噴射装置１１２の燃料導入口へ導かれ、噴射に対して余分な燃料は、燃料管１１６を介して再び燃料タンク１１７へ戻される。

また、本実施形態においては、空燃比センサ１３１の故障診断を行う診断装置２００が、例えば前記制御装置１４０内に内蔵されている。

図２は、図１に示す診断装置の内部構成を示したブロック図である。

触媒前空燃比センサ信号計測部２０１、吸入空気量計測部２０２、回転数計測部２０４、始動時吸気温度計測部２０５では、従来の故障診断装置と同様に、触媒前の空燃比、内燃機関に吸入される空気量、内燃機関の回転数、始動時吸気温度を計測する。また、始動時吸気温度計測部２０５では、計測された始動時吸気温度に基づき燃料温度を導出して燃料比重を算出する。なお、始動時吸気温度計測部２０５は、燃料比重に代えて、燃料密度を算出するようにしてもよい。

触媒前空燃比センサ平均化処理部２０３では、触媒前空燃比センサ信号計測部２０１で計測された触媒前の空燃比から、診断用の実空燃比を算出する。

一方で、燃料噴射量演算部２０６では、吸入空気量計測部２０２で計測された吸入空気量と回転数計測部２０４で計測されたエンジン回転数と始動時吸気温度計測部２０５で算出された燃料比重から、内燃機関１１０の燃焼室１１４ａに供給する燃料の燃料噴射量を算出し、推定空燃比演算部２０７で、その燃料噴射量と吸入空気量計測部２０２で計測された吸入空気量から推定空燃比を算出する。

そして、実空燃比/推定空燃比比較演算部２０８では、触媒前空燃比センサ平均化処理部２０３で算出された診断用の実空燃比と推定空燃比演算部２０７で算出された推定空燃比を比較するため、推定空燃比に対する実空燃比の比率を算出する。

また、診断領域判定部２１１では、診断実行の許可を判定している。上限判定値演算部２０９及び下限判定値演算部２１０では、排ガス規制等から想定される空燃比センサの故障量から上限判定値および下限判定値を設定しており、空燃比センサ故障判定部２１２では、診断領域判定部２１１で診断実行が許可されている場合、実空燃比/推定空燃比比較演算部２０８で算出された比率と上限判定値演算部２０９及び下限判定値演算部２１０で設定された上限判定値および下限判定値とを比較して、空燃比センサの故障を判定する。

ここで、本内燃機関システムでは、内燃機関１００の燃焼室１１４ａに供給される燃料の基準燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を行っており、図２に示す診断装置２００は、その空燃比フィードバック制御とリンクして構成されている。図３は、図２に示す診断装置２００と空燃比フィードバック制御の関連を説明するブロック図である。

図３に示すように、通常、三元触媒１３２による排気浄化システムでは、触媒前の空燃比センサ１３１の出力信号を用いて、ＰＩ制御等により、触媒前の空燃比を目標空燃比（理論空燃比等）に制御している。その際、触媒後の酸素センサ１３３の出力信号により、目標空燃比を補正することによって、空燃比センサ１３１の検出ずれを吸収すると共に、三元触媒１３２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によって、より的確な空燃比フィードバック制御を実行している。吸入空気量計測部もしくは燃料噴射装置等の特性異常により空燃比ずれが発生した場合、空燃比フィードバック領域内であれば、前記したような空燃比フィードバック量で空燃比ずれ分を検出可能であるが、空燃比フィードバック領域外では空燃比フィードバック量で空燃比ずれ分を検出することは困難である。

本実施形態では、計測された実空燃比（すなわち、触媒前の空燃比センサ１３１の出力値から得られる実空燃比）と、吸入空気量と燃料噴射量から算出された推定空燃比とを比較することで、空燃比フィードバック領域外であっても空燃比ずれを検出可能となり、空燃比センサ１３１に故障がなければそのずれ分が空燃比センサ１３１の特性異常分と考えられるため、排気規制値等から求められる判定値と比較することで、空燃比センサ１３１の故障判定が可能となる。

図４は、図２に示す診断装置２００による故障診断フローを具体的に説明するフローチャートであり、図５は、そのうちの診断領域判定フローを説明するフローチャートである。

図４に示すように、まず、ステップＳ４０１で、始動時吸気温度THASを計測し、ステップＳ４０２で、ステップＳ４０１で計測された始動時吸気温度THASから燃料比重補正値Fmitudoを算出する。

次いで、ステップＳ４０３で、触媒前空燃比センサ１３１の出力信号から実空燃比RABFを計測し、ステップＳ４０４で、吸入空気量計測部２０２により吸入空気量QARを計測し、ステップＳ４０５で、回転数計測部２０４によりエンジン回転数Neを計測する。そして、ステップＳ４０６で、吸入空気量QARとエンジン回転数Neと燃料比重補正値Fmitudo等から燃料噴射量QFGを演算し、ステップＳ４０７で、吸入空気量QARと燃料噴射量QFG等から推定空燃比DUMYAFを演算する。

次に、ステップＳ４０８で、外乱を排除するために実空燃比RABFに重み付け（例えば、荷重平均等）を行ってフィルタリング後の実空燃比RABFCを演算し、ステップＳ４０９で、その実空燃比RABFCと推定空燃比DUMYAFから空燃比率AFRATIO（＝RABFC/DUMYAF）を演算する。また、ステップＳ４１０、Ｓ４１１では、触媒前空燃比センサ１３１の出力信号に従った故障判定のための上限判定値及び下限判定値を算出する。なお、図示例では、触媒前空燃比に従ったテーブルから上限判定値及び下限判定値を導出しているが、ステップＳ４１０、Ｓ４１１で求められる上限判定値及び下限判定値は、システムの特性（要求）により定数としても良い。

次に、ステップＳ４１２では、診断領域判定を行う。具体的には、図５に示すように、エンジン回転数、吸入空気量、燃料カット判定結果、始動後経過時間、空燃比センサ活性判定結果、パージ起動判定結果等を取り込み、それら各種条件をチェックし（ステップＳ５０１）、診断領域内であると判定した場合には（ステップＳ５０２）、診断を許可して（ステップＳ５０３）、ステップＳ４１３に進む。一方、診断領域内でない（すなわち、診断領域外である）と判定した場合には、診断を実行しない。なお、上記ステップＳ５０１では、始動後経過時間と空燃比センサ活性判定結果の両方をチェックする必要はなく、そのうちの一方のみをチェックするようにしてもよい。

次に、ステップＳ４１３では、ステップＳ４０９で算出された空燃比率AFRATIOとステップＳ４１０、Ｓ４１１で算出された故障判定のための上限判定値及び下限判定値とを比較し、空燃比率AFRATIOが上限判定値より大きい、または、空燃比率AFRATIOが下限判定値より小さい場合には、ステップＳ４１４で、空燃比センサ１３１の故障と判定して、空燃比センサ故障判定フラグを付与する。一方、空燃比率AFRATIOが上限判定値以下且つ下限判定値以上の場合には、ステップＳ４１５で、OKと判定（すなわち、空燃比センサ１３１の故障無しと判定）する。

なお、上記した実施形態では、空燃比センサ１３１の故障判定の指標として、推定空燃比に対する実空燃比の比率を採用したが、その指標としては、例えば、実空燃比に対する推定空燃比の比率を使用してもよいし、実空燃比と推定空燃比との差分（偏差）等を使用してもよい。

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、様々な変形形態が含まれる。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、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。

内燃機関の排気系に設けられた触媒の上流側に配設された空燃比センサ（触媒前空燃比センサ）の故障を検出する診断装置であり、車両自己診断規制強化に対して必須の技術である。

１００ 内燃機関システム
１１０ 内燃機関
１１１ 点火装置
１１２ 燃料噴射装置
１１３ 回転数検出装置
１１４ａ 燃焼室
１１４ 気筒
１１５ リングギアあるいはプレート
１１６ 燃料管
１１７ 燃料タンク
１１８ 燃料ポンプ
１１９ プレッシャーレギュレータ
１２０ 吸気系
１２１ エアークリーナ
１２２ スロットルバルブ
１２３ 流量検出装置
１３０ 排気系
１３１ 空燃比センサ（触媒前空燃比センサ）
１３２ 三元触媒
１３３ 酸素センサ（触媒後酸素センサ）
１４０ 制御装置
２００ 診断装置
２０１ 触媒前空燃比センサ信号計測部
２０２ 吸入空気量計測部
２０３ 触媒前空燃比センサ平均化処理部
２０４ 回転数計測部
２０５ 始動時吸気温度計測部
２０６ 燃料噴射量演算部
２０７ 推定空燃比演算部
２０８ 実空燃比/推定空燃比比較演算部
２０９ 上限判定値演算部
２１０ 下限判定値演算部
２１１ 診断領域判定部
２１２ 空燃比センサ故障判定部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの出力値に基づいて、前記内燃機関に供給される燃料の基準燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の診断装置であって、
   前記空燃比センサの出力値から得られる実空燃比と、前記内燃機関の吸入空気量及び回転数に基づき算出される燃料噴射量と前記吸入空気量とから算出される推定空燃比とを比較して、前記空燃比センサの故障診断を行うことを特徴とする内燃機関の診断装置。
2. 内燃機関の排気系に設けられた触媒の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前空燃比センサと触媒後酸素センサの出力値に基づいて、前記内燃機関に供給される燃料の基準燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の制御装置であって、
   前記触媒前空燃比センサの出力値から得られる実空燃比と、前記内燃機関の吸入空気量及び回転数に基づき算出される燃料噴射量と前記吸入空気量とから算出される推定空燃比とを比較して、空燃比フィードバック領域外で前記触媒前空燃比センサの故障診断を行うことを特徴とする内燃機関の診断装置。
3. 前記実空燃比は、前記触媒後酸素センサの出力値に基づいて前記触媒前空燃比センサの特性変化量を補正して得られたものであることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の診断装置。
4. 前記燃料噴射量は、前記内燃機関の吸気温度を用いて補正された燃料比重に基づき算出されることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の診断装置。
5. 前記実空燃比は、前記触媒前空燃比センサの出力値に重み付けを行って得られたものであることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の診断装置。

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