JP2017115799A - 空燃比センサの異常検出装置および異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの応答性の異常をリッチ方向およびリーン方向のいずれにおいても検出できる空燃比センサの異常検出装置および異常検出方法を提供する。【解決手段】空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間において逐次に検出する。検出した各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出するとともに、前記検出した各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出する。算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”の対比に基づいて、空燃比がリッチ側に変動する際の空燃比センサの応答性の異常、および空燃比がリーン側に変動する際の空燃比センサの応答性の異常を判定する。【選択図】図１

Description

この発明は、空燃比センサを用いて空燃比フィードバック制御を実行する内燃機関の空燃比センサの異常検出装置および異常検出方法に関する。

自動車の内燃機関は、空燃比に応じて出力電圧が変化する空燃比センサ（ＬＡＦセンサ，Ａ／Ｆセンサともいう）を備え、この空燃比センサの検知出力から噴射燃料と吸込み空気との混合気の空燃比（空気の質量と燃料の質量との比）を求め、その空燃比が理想的な空燃比いわゆる理論空燃比となるよう、燃料の噴射量をフィードバック制御（空燃比フィードバック制御）する。

空燃比センサは、具体的には、大気中の酸素の濃度と排出ガス中の酸素の濃度との差に応じて起電力が変化する。すなわち、吸気に対して燃料の比率が多い場合（空燃比がリッチ）、吸気中の酸素がより多く消費されるため、排出ガス中の酸素の濃度が低下し、これに伴い空燃比センサの出力電圧が上昇する。吸気に対して燃料の比率が少ない場合（空燃比がリーン）、吸気中の酸素の消費が少ないため、排出ガス中の酸素の濃度が上昇し、これに伴い空燃比センサの出力電圧が下降する。

この空燃比センサが故障すると、当然ながら適正な空燃比フィードバック制御が困難となる。

空燃比センサの故障対策として、例えば特許文献１のように、空燃比センサの出力電圧の変化を監視し、その監視結果に基づいて空燃比センサの異常を検出する装置が提案されている。

特開２００５−３０７９６１号公報

空燃比センサの応答性に関する異常として、空燃比がリッチで出力電圧が上昇方向に変化する際の出力電圧の応答遅れ、および空燃比がリーンで出力電圧が下降方向に変化する際の応答遅れがある。

上記検出装置の場合、空燃比センサの応答性に関する異常を検出できても、その応答性がリッチ方向における異常なのか、リーン方向における異常なのか、判別できない。

この発明の目的は、空燃比センサの応答性の異常をリッチ方向およびリーン方向のいずれにおいても検出できる空燃比センサの異常検出装置および異常検出方法を提供することである。

請求項１に係る発明の空燃比センサの異常検出装置は、空燃比に応じて出力電圧が変化する空燃比センサの異常を検出するものであって、検出手段、算出手段、判定手段を備える。検出手段は、前記空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、前記空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間において逐次に検出する。算出手段は、前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出するとともに、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出する。判定手段は、前記算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”の対比に基づいて、前記空燃比がリッチ側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常、および前記空燃比がリーン側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常を判定する。

請求項２に係る発明の空燃比センサの異常検出装置は、請求項１に係る発明の検出手段について限定している。検出手段は、前記空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、前記空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間ｔ０当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間において逐次に検出し、かつこの一定時間ｔ１の検出を所定回数Ｎにわたり繰り返す。

請求項３に係る発明の空燃比センサの異常検出装置は、請求項１に係る発明の算出手段および判定手段について限定している。算出手段は、前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出し、前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最小値側変化量“＋ΔＶmin”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmin”を算出し、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出し、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最小値側変化量“−ΔＶmin”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmin”を算出する。判定手段は、前記算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”“＋Ｃmin”“−Ｃmin”の対比に基づいて、前記空燃比がリッチ側に変動する際の前記空燃比センサの“リッチ方向の応答遅れ異常”と“リッチ方向の反応開始遅れ異常”、および前記空燃比がリーン側に変動する際の前記空燃比センサの“リーン方向の応答遅れ異常”と“リーン方向の反応開始遅れ異常”を判定する。

請求項４に係る発明の空燃比センサの異常検出装置は、請求項３に係る発明の判定手段について限定している。判定手段は、前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に設定値Ｃｓ以上、かつ前記割合“＋Ｃmin”“−Ｃmin”が共に前記設定値Ｃｓ未満の場合に、前記空燃比センサに異常なしと判定する。さらに、判定手段は、前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず、かつ前記割合“＋Ｃmax”が前記割合“−Ｃmax”より大きくてその差が所定値以上の場合に、前記空燃比センサに“リーン方向の応答遅れ異常”があると判定する。そして、判定手段は、前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず、かつ前記割合“−Ｃmax”が前記割合“＋Ｃmax”より大きくてその差が所定値以上の場合に、前記空燃比センサに“リッチ方向の応答遅れ異常”があると判定する。

請求項５に係る発明の空燃比センサの異常検出装置は、請求項４に係る発明の判定手段について限定している。判定手段は、前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず、かつ前記割合“＋Ｃmin”“−Ｃmin”が共に前記設定値Ｃｓ以上の場合に、前記空燃比センサに“リッチとリーンの両方向の応答遅れ異常”があると判定する。

請求項６に係る発明の空燃比センサの異常検出装置は、請求項４に係る発明の判定手段について限定している。判定手段は、前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上、かつ前記割合“＋Ｃmin”と前記割合“−Ｃmin”との差が所定値以上の場合に、前記空燃比センサに“反応開始遅れ異常”があると判定する。

請求項７に係る発明の空燃比センサの異常検出方法は、空燃比に応じて出力電圧が変化する空燃比センサの異常を検出する方法であって、まず、前記空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、前記空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間当たりの上昇方向の変化量＋ΔＶおよび下降方向の変化量−ΔＶを一定時間において逐次に検出する。さらに、前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出するとともに、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出する。そして、前記算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”の対比に基づいて、前記空燃比がリッチ側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常、および前記空燃比がリーン側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常を判定する。

この発明の空燃比センサの異常検出装置および異常検出方法によれば、空燃比センサの応答性の異常をリッチ方向およびリーン方向のいずれにおいても検出できる。

この発明の一実施形態の構成を示す図。 同実施形態に係わる空燃比センサに異常がない場合の同空燃比センサの出力電圧波形を示す図。 同実施形態の制御を示すフローチャート。 図３中の判定処理ルーチンを具体的に示すフローチャート。 同実施形態に係わる空燃比センサに“リーン方向の応答遅れ”異常がある場合の空燃比センサの出力電圧波形を示す図。 同実施形態に係わる空燃比センサに“リッチ方向の応答遅れ”異常がある場合の空燃比センサの出力電圧波形を示す図。 同実施形態に係わる空燃比センサに“リーンとリッチの両方向の応答遅れ”異常がある場合の空燃比センサの出力電圧波形を示す図。 同実施形態に係わる空燃比センサに“リッチ方向の反応開始遅れ”異常がある場合の空燃比センサの出力電圧波形を示す図。 同実施形態に係わる空燃比センサに“リーン方向の反応開始遅れ”異常がある場合の空燃比センサの出力電圧波形を示す図。

以下、この発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、内燃機関（エンジン）１は、シリンダ２、ピストン３、点火プラグ４、吸気弁５、排気弁６を有し、ピストン３の下降により、シリンダ２内の燃焼室２ａに、吸気ポート７および吸気弁５を通して空気を吸込む（吸気行程）。

吸気ポート７には、吸気量を検知するエアーフローメータ１１、吸気量を決定するスロットル弁１２、吸気弁５に向けて燃料を噴射する吸気路噴射インジェクタ１３が配置されている。

吸気路噴射インジェクタ１３が噴射する燃料は吸込み空気と混合され、その混合気が吸気弁５を介して燃焼室２ａに供給される。燃焼室２ａ内に供給された混合気はピストン３の上昇によって圧縮され（圧縮行程）、その圧縮混合気が点火プラグ４の火花により着火して燃焼・爆発する（燃焼行程）。この燃焼・爆発によってピストン３が再び下降し、上記動作が繰り返される。燃焼・爆発によって生じるガスは、排気弁６および排気ポート８を通って排出される（排気行程）。

排気ポート８には、空燃比センサ１４、および排出ガスを浄化する触媒１５が配置されている。

空燃比センサ１４は、ＬＡＦ（Linear Air-Fuel ratio）センサやＡ／Ｆ（Air-Fuel ratio）センサとも称し、排気弁６を経た排出ガス中の酸素の濃度と大気中の酸素の濃度との差に応じて起電力が変化する。すなわち、吸気に対して燃料の比率が多い場合（空燃比がリッチ）、吸気中の酸素がより多く消費されるため、排出ガス中の酸素の濃度が低下し、これに伴い、図２に示すように、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが上昇する。吸気に対して燃料の比率が少ない場合（空燃比がリーン）、吸気中の酸素の消費が少ないため、排出ガス中の酸素の濃度が上昇し、これに伴い、図２に示すように、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが下降する。この電圧波形は、空燃比センサ１４に異常がない場合のもので、上昇時の傾きと下降時の傾きとがほぼ同じである。

一方、制御部であるＥＣＵ２０に、上記エアーフローメータ１１、スロットル弁１２、吸気路噴射インジェクタ１３、空燃比センサ１４、点火コイル２１、回転数センサ２２、アクセル開度センサ２３、異常報知ランプ２４、メモリ２５などが接続される。

点火コイル２１は、点火プラグ４に点火用の駆動電圧を供給する。回転数センサ２２は、ピストン３の上下動に連動するクランクの角度を回転数として検知する。アクセル開度センサ２３は、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検知する。異常報知ランプ２４は、空燃比センサ１４の異常を報知するためのもので、内燃機関１が搭載された車両の運転席付近に配置される。メモリ２５は、空燃比センサ１４の異常内容を記憶する。

そして、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転を制御する機能に加え、空燃比センサ１４の異常を検出する異常検出装置としても機能するもので、空燃比センサ１４の異常検出に関わる次の（１）〜（４）の手段を有する。
（１）空燃比センサ１４の出力電圧Ｖから噴射燃料と吸込み空気との混合気の空燃比（平均値）を求め、その空燃比が理論空燃比となるよう、吸気路噴射インジェクタ１３の燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段。なお、空燃比フィードバック制御手段は、空燃比（平均値）が理論空燃比となるいわゆるストイキ（stoiciometry）状態において、最適な燃焼状態が得られるよう、空燃比を意図的にリッチ側とリーン側に交互に微少変動させる制御を行う。

（２）上記空燃比フィードバック制御手段によりストイキ状態が設定されて、空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖの単位時間ｔ０当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間ｔ１（＞ｔ０）において逐次に検出する検出手段。

（３）上記検出手段で検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”（％）を算出するとともに、上記検出手段で検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”（％）を算出する算出手段。

（４）上記算出手段で算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”の対比に基づいて、空燃比がリッチ側に変動する際の空燃比センサ１４の応答性の異常、および空燃比がリーン側に変動する際の空燃比センサ１４の応答性の異常を判定する判定手段。

なお、上記（２）の検出手段は、具体的には、上記空燃比フィードバック制御手段によりストイキ状態が維持されて、空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖの単位時間ｔ０当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間ｔ１（＞ｔ０）において逐次に検出し、かつこの一定時間ｔ１の検出を所定回数Ｎにわたり繰り返す。

上記（４）の判定手段は、具体的には、上記算出手段で算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”“＋Ｃmin”“−Ｃmin”の対比に基づいて、空燃比がリッチ側に変動する際の空燃比センサ１４の“リッチ方向の応答遅れ異常”と“リッチ方向の反応開始遅れ異常”、および空燃比がリーン側に変動する際の空燃比センサ１４の“リーン方向の応答遅れ異常”と“リーン方向の反応開始遅れ異常”をそれぞれ判定する。

つぎに、ＥＣＵ２０が実行する異常検出処理を図３のフローチャートを参照しながら説明する。
ＥＣＵ２０は、燃焼がストイキ状態の場合（ステップＳ１）、かつ異常検出フラグｆが“０”の場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖの単位時間ｔ０当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を逐次に検出する（ステップＳ３）。そして、ＥＣＵ２０は、タイムカウントｔを開始し（ステップＳ４）。そのタイムカウントｔと予め定められた一定時間（例えば10msec）ｔ１とを比較する（ステップＳ５）。

タイムカウントｔが一定時間ｔ１未満の場合（ステップＳ５のＮＯ）、ＥＣＵ２０は、ステッププＳ３に戻って上記検出を続ける。

タイムカウントｔが一定時間ｔ１に達したとき（ステップＳ５のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、タイムカウントｔを零にクリアするとともに（ステップＳ６）、検出回数ｎを“１”アップし（ステップＳ７）、その検出回数ｎと予め定めた所定回数（例えば５回）Ｎとを比較する（ステップＳ８）。検出回数ｎが所定回数Ｎ未満の場合（ステップＳ８のＮＯ）、ＥＣＵ２０は、ステッププＳ３に戻って検出を繰り返す。検出回数ｎが所定回数Ｎに達した場合（ステップＳ８のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、検出回数ｎを零にクリアする（ステップＳ９）。

こうして、一定時間ｔ１の検出が所定回数Ｎにわたって繰り返されることにより、多数の変化量“＋ΔＶ”“−ΔＶ”が検出される。

各変化量“＋ΔＶ”の検出分布をリッチ方向側分布として横軸の右側領域（零より＋側）に割当て、各変化量“−ΔＶ”の検出分布をリーン方向側分布として横軸の左側領域（零より＋側）に割当て、かつ各変化量“＋ΔＶ”“−ΔＶ”の値ごとの総検出数Ｇを縦軸に割当てた場合、空燃比センサ１４に異常がなければ、リッチ方向側分布は最大値側変化量“＋ΔＶmax”において総検出数Ｇが多く分布し、リーン方向側分布は最大値側変化量“−ΔＶmax”において総検出数Ｇが多く分布する。

上記ステップＳ９において検出回数ｎを零にクリアした後、ＥＣＵ２０は、上記検出した各変化量“＋ΔＶ”から最大値側変化量“＋ΔＶmax”および最小値側変化量“＋ΔＶmin”を抽出するとともに、上記検出した各変化量“−ΔＶ”から最大値側変化量“−ΔＶmax”および最小値側変化量“−ΔＶmin”を抽出する（ステップＳ１０）。

この場合、ＥＣＵ２０は、１回目（ｎ＝１）の一定時間ｔ１において検出した各変化量に対し上記抽出を行い、２回目（ｎ＝２）の一定時間ｔ１において検出した各変化量に対し上記抽出を行い、３回目（ｎ＝３）の一定時間ｔ１において検出した各変化量に対して上記抽出を行い、同様の抽出を所定回数Ｎだけ繰り返す。

続いて、ＥＣＵ２０は、上記抽出した最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合“＋Ｃmax”（％）を算出し、上記抽出した最小値側変化量“＋ΔＶmin”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合“＋Ｃmin”（％）を算出し、上記抽出した最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合“−Ｃmax”（％）を算出し、上記抽出した最小値側変化量“−ΔＶmin”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合“−Ｃmin”（％）を算出する（ステップＳ１１）。

この場合、ＥＣＵ２０は、１回目（ｎ＝１）の一定時間ｔ１において検出した各変化量に対し上記割合の算出を行い、２回目（ｎ＝２）の一定時間ｔ１において検出した各変化量に対し上記割合の算出を行い、３回目（ｎ＝３）の一定時間ｔ１において検出した各変化量に対し上記割合の算出を行い、この算出を所定回数Ｎだけ繰り返してその平均値を求める。

１回目（ｎ＝１）から５回目（ｎ＝５）までの検出に対し算出される割合の平均値を“＋Ｃmax0”“−Ｃmax0”という。同様に、１回目（ｎ＝１）から５回目（ｎ＝５）までの検出に対し算出される割合の平均値を“＋Ｃmin0”“−Ｃmin0”という。

そして、ＥＣＵ２０は、上記求めた平均値“＋Ｃmax0”“−Ｃmax0”“＋Ｃmin0”“−Ｃmin0”の対比に基づいて、空燃比センサ１４の応答性の異常を判定する（ステップＳ１２）。この判定処理の内容については後述する。

異常がない場合（ステップＳ１３のＮＯ）、ＥＣＵ２０は、初めのステップＳ１からの処理を繰り返す。

異常がある場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、異常の旨を異常報知ランプ２４の発光により運転者に報知するとともに、その異常を表わすデータをメモリ２５に記憶する（ステップＳ１４）。これに伴い、ＥＣＵ２０は、異常検出フラグｆを“１”にセットし（ステップＳ１５）、初めのステップＳ１からの処理を繰り返す。この場合、異常検出フラグｆが“１”なので（ステップＳ２のＮＯ）、ＥＣＵ２０は、ステップＳ３からの検出処理を実行しない。

メモリ２５内のデータは、空燃比センサ１４の交換や修理を行う作業者がパーソナルコンピュータを使って読み出すことが可能である。作業者は、この読み出しにより、空燃比センサ１４に生じている異常が何なのかを的確に認識することができる。

以下、上記ステップＳ１２の判定処理の内容について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
［１］異常なし
空燃比センサ１４の応答性に異常がない場合、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖは、図２に示すように、上昇時の傾きと下降時の傾きとがほぼ同じとなる。リッチ方向（上昇方向）の各変化量“＋ΔＶ”は、最大値側変化量“＋ΔＶmax”をより多く含む。リーン方向（下降方向）の各変化量“−ΔＶ”は、最大値側変化量“−ΔＶmax”をより多く含む。

この場合、最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“＋Ｃmax0”は、設定値Ｃｓ以上となる。最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“−Ｃmax0”も、設定値Ｃｓ以上となる。

最大値側変化量“＋ΔＶmin”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“＋Ｃmin0”は、設定値Ｃｓ未満となる。最大値側変化量“−ΔＶmin”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“−Ｃmin0”も、設定値Ｃｓ未満となる。

こうして、平均値“＋Ｃmax0”“＋Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ以上という条件が成立し（ステップＳ２１のＹＥＳ）、かつ平均値“＋Ｃmin0”“−Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ未満という条件が成立した場合（ステップＳ２２のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１４に異常なしと判定する（ステップＳ２３）。

［２］リーン方向の応答遅れ異常
空燃比の増加に対して空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが適切に追従しながら上昇し、空燃比の減少に対しては空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが適切に追従せず遅れて下降していくことがある。

この場合、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖは、下降時の傾きが上昇時の傾きに比べて緩やかになる。これに伴い、リッチ方向（上昇方向）の各変化量“＋ΔＶ”は、最大値側変化量“＋ΔＶmax”を多めに含む。リーン方向（下降方向）の各変化量“−ΔＶ”は、最小値側変化量“−ΔＶmin”をより多く含む。

最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“＋Ｃmax0”は、設定値Ｃｓ未満となる。最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“−Ｃmax0”も、設定値Ｃｓ未満となる。ただし、平均値“＋Ｃmax0”は、平均値“−Ｃmax0”よりもはるかに大きくて、その差が所定値以上である。

こうして、平均値“＋Ｃmax0”“＋Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず（ステップＳ２１のＮＯ）、かつ平均値“＋Ｃmax0”が平均値“−Ｃmax0”よりもはるかに大きくてその差が所定値以上の場合（ステップＳ２４のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１４に“リーン方向の応答遅れ異常”があると判定する（ステップＳ２５）。

［３］リッチ方向の応答遅れ異常
空燃比の増加に対して空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが適切に追従せず遅れて上昇し、空燃比の減少に対しては空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが適切に追従しながら下降していくことがある。

この場合、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖは、図６に示すように、上昇時の傾きが下降時の傾きに比べて緩やかになる。リッチ方向（上昇方向）の各変化量“＋ΔＶ”は、最小値側変化量“＋ΔＶmin”をより多く含む。リーン方向（下降方向）の各変化量“−ΔＶ”は、最大値側変化量“−ΔＶmax”を多めに含む。

最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“＋Ｃmax0”は、設定値Ｃｓ未満となる。最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“−Ｃmax0”も、設定値Ｃｓ未満となる。ただし、平均値“−Ｃmax0”は、平均値“＋Ｃmax0”よりもはるかに大きくて、その差が所定値以上である。

こうして、平均値“＋Ｃmax”“＋Ｃmin”が共に設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず（ステップＳ２１のＮＯ）、かつ平均値“−Ｃmax”が平均値“＋Ｃmax”よりもはるかに大きくてその差が所定値以上の場合（ステップＳ２４のＮＯ、ステップＳ２６のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１４に“リッチ方向の応答遅れ異常”があると判定する（ステップＳ２７）。

［４］リッチとリーンの両方向の応答遅れ異常
空燃比の増加に対して空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが適切に追従せず遅れて上昇し、しかも空燃比の減少に対しても空燃比センサ１４の出力電圧Ｖが適切に追従せず遅れて下降していくことがある。

この場合、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖは、図７に示すように、上昇時の傾きおよび下降時の傾きが共に緩やかになる。リッチ方向（上昇方向）の各変化量“＋ΔＶ”は、最小値側変化量“＋ΔＶmin”をより多く含む。リーン方向（下降方向）の各変化量“−ΔＶ”も、最大値側変化量“−ΔＶmax”をより多く含む。

最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“＋Ｃmax0”は、設定値Ｃｓ未満となる。最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“−Ｃmax”も、設定値Ｃｓ未満となる。

最大値側変化量“＋ΔＶmin”の総検出数Ｇが変化量“＋ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“＋Ｃmin0”は、設定値Ｃｓ以上となる。最大値側変化量“−ΔＶmin”の総検出数Ｇが変化量“−ΔＶ”の総検出数Ｇに占める割合の平均値“−Ｃmin0”も、設定値Ｃｓ以上となる。

こうして、平均値“＋Ｃmax0”“＋Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず（ステップＳ２１のＮＯ）、かつ平均値“＋Ｃmin0”“−Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ以上の場合（ステップＳ２４のＮＯ、ステップＳ２６のＮＯ、ステップＳ２８のＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１４に“リッチとリーンの両方向の応答遅れ異常”があると判定する（ステップＳ２９）。

［５］反応開始遅れ異常
空燃比が減少から増加に切換わったにもかかわらず、図８に示すように、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖがすぐに上昇しないことがある。また、空燃比が増加から減少に切換わったにもかかわらず、図９に示すように、空燃比センサ１４の出力電圧Ｖがすぐに下降しないことがある。

この場合、平均値“＋Ｃmax0”“＋Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ以上という条件は成立するが（ステップＳ２１のＹＥＳ）、平均値“＋Ｃmin0”“−Ｃmin0”が共に設定値Ｃｓ未満という条件は成立しない（ステップＳ２２のＹＥＳ）。この場合、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１４に“反応開始遅れ異常”があると判定する（ステップＳ３０）。

［６］まとめ
以上のように、空燃比センサ１４の応答性の異常をリッチ方向およびリーン方向のいずれにおいても検出できる。しかも、“リーン方向の応答開始遅れ異常”“リッチ方向の応答開始遅れ異常”“リッチとリーンの両方向の応答開始遅れ異常”“反応開始遅れ異常”を的確に識別して検出できる。

このように、空燃比センサ１４の異常の内容を的確に識別して検出できることにより、空燃比センサ１４の異常内容に応じた適切な排出ガス低減対策をとることが可能となる。

空燃比センサ１４に異常が生じていることを異常報知ランプ２４の発光により報知するので、空燃比センサ１４の早期の交換または修理が可能となる。異常内容を表わすデータをメモリ２５に記憶するので、空燃比センサ１４の交換または修理に際しての作業が容易となる。

なお、平均値“＋Ｃmax0”“−Ｃmax0”“＋Ｃmin0”“−Ｃmin0”の対比に基づく異常判定の結果が、“異常なし”に該当せず、しかも“上記リッチ方向の応答遅れ異常”“上記リーン方向の応答遅れ異常”“リッチとリーンの両方向の応答遅れ異常”“反応開始遅れ異常”のいずれにも該当しない場合には（ステップＳ２１のＮＯ、ステップＳ２４のＮＯ、ステップＳ２６のＮＯ、ステップＳ２８のＮＯ）、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１４に他の何らかの異常があると判定する（ステップＳ３０）。

上記実施形態では、空燃比センサ１４の応答遅れの異常および反応開始遅れの異常を検出する場合を例に説明したが、空燃比センサ１４が空燃比の変化に比べて過剰に応答したり反応する異常についても、同様の判定処理により検出することが可能である。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…内燃機関、２…シリンダ、２ａ…燃焼室、３…ピストン、４…点火プラグ、５…吸気弁、６…排気弁、７…吸気ポート、８…排気ポート、１１…エアーフローメータ、１２…スロットル弁、１３…吸気路噴射インジェクタ、１４…空燃比センサ、１５…触媒、２０…ＥＣＵ、２１…点火コイル、２２…回転数センサ、２３…アクセル開度センサ、２４…異常報知ランプ、２５…メモリ

Claims (7)

1. 空燃比に応じて出力電圧が変化する空燃比センサの異常検出装置であって、
   前記空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、前記空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間において逐次に検出する検出手段と、
   前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出するとともに、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出する算出手段と、
   前記算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”の対比に基づいて、前記空燃比がリッチ側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常、および前記空燃比がリーン側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比センサの異常検出装置。
2. 前記検出手段は、前記空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、前記空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間ｔ０当たりの上昇方向の変化量“＋ΔＶ”および下降方向の変化量“−ΔＶ”を一定時間において逐次に検出し、かつこの一定時間ｔ１の検出を所定回数Ｎにわたり繰り返す
   ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの異常検出装置。
3. 前記算出手段は、前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出し、前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最小値側変化量“＋ΔＶmin”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmin”を算出し、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出し、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最小値側変化量“−ΔＶmin”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmin”を算出する、
   前記判定手段は、前記算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”“＋Ｃmin”“−Ｃmin”の対比に基づいて、前記空燃比がリッチ側に変動する際の前記空燃比センサの“リッチ方向の応答遅れ異常”と“リッチ方向の反応開始遅れ異常”、および前記空燃比がリーン側に変動する際の前記空燃比センサの“リーン方向の応答遅れ異常”と“リーン方向の反応開始遅れ異常”を判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの異常検出装置。
4. 前記判定手段は、
   前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に設定値Ｃｓ以上、かつ前記割合“＋Ｃmin”“−Ｃmin”が共に前記設定値Ｃｓ未満の場合に、前記空燃比センサに異常なしと判定し、
   前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず、かつ前記割合“＋Ｃmax”が前記割合“−Ｃmax”より大きくてその差が所定値以上の場合に、前記空燃比センサに“リーン方向の応答遅れ異常”があると判定する、
   前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず、かつ前記割合“−Ｃmax”が前記割合“＋Ｃmax”より大きくてその差が所定値以上の場合に、前記空燃比センサに“リッチ方向の応答遅れ異常”があると判定し、
   ことを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの異常検出装置。
5. 前記判定手段は、
   前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上という条件が成立せず、かつ前記割合“＋Ｃmin”“−Ｃmin”が共に前記設定値Ｃｓ以上の場合に、前記空燃比センサに“リッチとリーンの両方向の応答遅れ異常”があると判定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の空燃比センサの異常検出装置。
6. 前記判定手段は、
   前記割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”が共に前記設定値Ｃｓ以上、かつ前記割合“＋Ｃmin”と前記割合“−Ｃmin”との差が所定値以上の場合に、前記空燃比センサに“反応開始遅れ異常”があると判定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の空燃比センサの異常検出装置。
7. 空燃比に応じて出力電圧が変化する空燃比センサの異常検出方法であって、
   前記空燃比がリッチ側とリーン側に交互に変動する状況において、前記空燃比センサの出力電圧Ｖの単位時間当たりの上昇方向の変化量＋ΔＶおよび下降方向の変化量−ΔＶを一定時間において逐次に検出し、
   前記検出した上昇方向の各変化量“＋ΔＶ”のうち最大値側変化量“＋ΔＶmax”の総検出数が各変化量“＋ΔＶ”の総検出数に占める割合“＋Ｃmax”を算出するとともに、前記検出した下降方向の各変化量“−ΔＶ”のうち最大値側変化量“−ΔＶmax”の総検出数が各変化量“−ΔＶ”の総検出数に占める割合“−Ｃmax”を算出し、
   前記算出した割合“＋Ｃmax”“−Ｃmax”の対比に基づいて、前記空燃比がリッチ側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常、および前記空燃比がリーン側に変動する際の前記空燃比センサの応答性の異常を判定する、
   ことを特徴とする空燃比センサの異常検出方法。

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