JP2017172445A - 空燃比センサの異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼に供される混合気の空燃比を異常判定のために変化させることを必要とすることなく空燃比センサの異常の有無を判定できるようにした空燃比センサの異常判定装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ４２は、筒内圧センサ５２によって検出される筒内圧Ｐｃの時系列データに基づき、実測図示熱効率を算出する一方、回転速度および負荷率に基づき基準図示熱効率を算出する。そして、実測図示熱効率を基準図示熱効率で割った比と空燃比とが１対１の対応関係を有することに鑑み、混合気の空燃比を推定し、この推定値と空燃比センサ５４によって検出される空燃比との差が所定値以上である場合、空燃比センサ５４に異常があると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空燃比センサの異常判定装置に関する。

たとえば特許文献１には、燃焼室内において燃焼に供される混合気の空燃比を理論空燃比に対してリーン側とリッチ側とに交互に変化させた際の空燃比センサの検出値の応答性に基づき、空燃比センサの異常の有無を判定する異常判定装置が記載されている。

特開２０１３−１０８４６６号公報

ただし、上記装置の場合、空燃比センサの異常判定のために空燃比を変化させる必要があるため、空燃比センサの異常判定が、排気の浄化効率等の観点から混合気の空燃比を最適な値に設定することを妨げる要因となる。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼に供される混合気の空燃比を異常判定のために変化させることを必要とすることなく空燃比センサの異常の有無を判定できるようにした空燃比センサの異常判定装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、空燃比センサの異常判定装置は、筒内圧を検出する筒内圧センサと、排気通路内の排気中の成分に基づき前記燃焼室内の混合気の空燃比を検出する空燃比センサと、を備える内燃機関に適用され、前記内燃機関のクランク軸の回転速度の検出値に基づき、基準図示熱効率を算出する基準効率算出処理部と、前記筒内圧センサによる前記筒内圧の検出値の時系列データに基づき、実際の図示熱効率である実測図示熱効率を算出する実効率算出処理部と、前記基準図示熱効率と前記実測図示熱効率との比に基づき、前記燃焼室内の空燃比を推定する推定処理部と、前記推定処理部によって推定された空燃比と前記空燃比センサが検出した空燃比との差が所定値以上である場合、前記空燃比センサに異常があると判定する異常判定処理部と、を備える。

発明者は、基準図示熱効率と実測図示熱効率との比と、実測図示熱効率を実現したときの燃焼室内の混合気の空燃比との間には、１対１の対応関係があることを見出した。上記構成では、この関係に基づき、推定処理部によって空燃比を推定し、異常判定処理部によって、推定された空燃比と空燃比センサの検出値との差に基づき異常の有無を判定する。ここで、実測図示熱効率は、混合気の空燃比が理論空燃比であるか否か、理論空燃比よりもリーンであるか否か、理論空燃比よりもリッチであるか否かにかかわらず算出することができる。このため、上記構成では、燃焼に供される混合気の空燃比を異常判定のために変化させることを必要とすることなく空燃比センサの異常の有無を判定できる。

空燃比センサの異常判定装置の一実施形態および内燃機関を示す図。 同実施形態にかかる異常判定のための一連の処理を示す流れ図。 同実施形態にかかる基準図示熱効率を定めるマップを示す図。 同実施形態にかかる空燃比の推定に用いるデータを示す図。

以下、空燃比センサの異常判定装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、内燃機関１０の吸気通路１２には、吸気通路１２の流路断面積を調整するスロットルバルブ１４が設けられている。また、吸気通路１２のうちスロットルバルブ１４の下流には、燃料噴射弁１６が設けられている。吸気通路１２に吸入された空気と燃料噴射弁１６から噴射された燃料とは、吸気バルブ１８の開動作に伴って、シリンダ２０およびピストン２２によって区画される燃焼室２４に流入する。燃焼室２４に流入した空気と燃料との混合気は、点火装置２６の火花放電によって、燃焼に供される。そして、混合気の燃焼エネルギは、ピストン２２を介してクランク軸２８の回転エネルギに変換される。また、燃焼に供された混合気は、排気バルブ３０の開動作に伴って、排気として、排気通路３２に排出される。排気通路３２には、三元触媒等の排気の後処理装置３４が設けられている。

制御装置４０は、内燃機関１０を制御対象とし、その制御量（トルク、排気成分）を制御するために、スロットルバルブ１４、燃料噴射弁１６、点火装置２６等の各種アクチュエータを操作する。制御装置４０は、中央処理装置（ＣＰＵ４２）およびメモリ４４を備えており、メモリ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２が実行することにより、上記制御量を制御する。制御装置４０は、制御量の制御に際し、クランク軸２８の回転角度を検出するクランク角センサ５０の出力信号Ｓｃｒや、燃焼室２４内の圧力（筒内圧Ｐｃ）を検出する筒内圧センサ５２の検出値、後処理装置３４の上流に設けられた空燃比センサ５４の出力電圧ＶＡＦ、エアフローメータ５６によって検出される吸入空気量Ｇａ等を参照する。なお、空燃比センサ５４は、排気成分に基づき、燃焼室２４内において燃焼に供される混合気の空燃比を検出するものである。

また、制御装置４０は、空燃比センサ５４の異常の有無を判定する処理を実行する。以下、これについて説明する。
図２に、空燃比センサ５４の異常の有無を判定する処理の手順を示す。図２に示す処理は、メモリ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２が実行することにより実現される。図２に示す処理は、たとえば所定周期で繰り返し実行される。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ４２は、まず、クランク角センサ５０の出力信号Ｓｃｒから算出されるクランク軸２８の回転速度ＮＥとエアフローメータ５６によって検出される吸入空気量Ｇａから算出される負荷率とを取得する（Ｓ１２）。そしてＣＰＵ４２は、回転速度ＮＥおよび負荷率ＫＬに基づき、基準図示熱効率ηｂを取得する（Ｓ１４）。これは、メモリ４４に記憶された回転速度ＮＥおよび負荷率ＫＬと、基準図示熱効率ηｂとの関係を規定する２次元マップを用いて実行される。なお、本実施形態において、基準図示熱効率は、燃焼室２４内の混合気の空燃比が理論空燃比であって且つ、点火時期が基準となる点火時期（たとえば、ＭＢＴ）であるときの値とする。

図３に、２次元マップを模式的に示す。図３に示すように、基準図示熱効率ηｂは、回転速度ＮＥが低回転速度と高回転速度との間の所定速度において極大となり、所定速度よりも低回転領域では回転速度が高いほど大きい値となり、所定速度よりも高回転領域では、回転速度が高いほど小さい値となる。なお、マップは、入力変数（ここでは、回転速度ＮＥおよび負荷率ＫＬ）の離散的な値と、出力変数（ここでは、基準図示熱効率ηｂ）の離散的な値との組を示すデータである。ちなみに、ＣＰＵ４２は、ステップＳ１２において取得した入力変数が、２次元マップの入力変数のいずれにも一致しない場合、補間演算によって基準図示熱効率ηｂを算出する。

図２に戻り、ＣＰＵ４２は、１燃焼サイクルにおいて燃焼室２４内に供給された燃料が持っているエネルギ量と図示出力とを算出して、エネルギ量に対する図示出力の割合として実測図示熱効率ηを算出する（Ｓ１６）。ここで、エネルギ量は、次のようにして算出される。まず、筒内圧センサ５２によって検出される筒内圧Ｐｃの時系列データに基づき、燃焼によって発生する熱量Ｑを算出する。熱量Ｑは、燃焼室２４内の容積Ｖと、筒内圧Ｐｃと、混合気の比熱κとを用いて、以下の式の時間積分値となる。なお、時間積分は、筒内圧センサ５２が筒内圧Ｐｃを検出する対象となる気筒の１燃焼サイクルにおいて燃料が燃焼する期間全体で行う。

ｄＱ＝｛１／（κ−１）｝・（Ｖ・ｄＰｃ＋κ・Ｐｃ・ｄＶ）
ここで、容積Ｖは、クランク軸２８の回転角度によって変化するものであり、クランク角センサ５０の出力信号Ｓｃｒから算出されるクランク角度に応じて算出される。ＣＰＵ４２は、熱量Ｑを算出すると、熱量Ｑに基づき、噴射量を推定する。ここでは、予め、熱量Ｑを入力変数とし噴射量を出力変数とする１次元マップをメモリ４４に記憶しておき、この１次元マップを用いて噴射量を推定する。なお、本実施形態では、上記比熱κを、定数とする。

そして、ＣＰＵ４２は、噴射量からエネルギ量を算出する。ここでは、メモリ４４に、噴射量とエネルギ量との関係を定めた１次元マップを備えておき、この１次元マップを用いて噴射量からエネルギ量を算出する。

一方、ＣＰＵ４２は、図示出力を、ポンピングロスを無視する近似で、燃焼行程における「Ｐｃ・ｄＶ」の時間積分値から圧縮行程における「Ｐｃ・ｄＶ」の時間積分値を減算することによって算出する。

次にＣＰＵ４２は、実測図示熱効率ηを基準図示熱効率ηｂで割った比Ｒηを算出する（Ｓ１８）。そして、ＣＰＵ４２は、比Ｒηに基づき、筒内圧Ｐｃを生じさせるに至った燃焼室２４内の混合気の空燃比の推定値として、空燃比センサ５４の出力電圧の推定値ＶＡＦｅを算出する（Ｓ２０）。ここでは、メモリ４４に記憶された比Ｒηと空燃比（出力電圧ＶＡＦ）との関係を定めた１次元マップを用いて推定値ＶＡＦｅを算出する。

図４に、上記１次元マップに含まれる情報を模式的に示す。図示されるように、１次元マップは、比Ｒηが大きいほど空燃比（出力電圧ＶＡＦが示す値）をリーンとするものである。これは、空燃比がリーンである場合、リッチである場合と比較して、燃料によって奪われる熱量が少なくなることに起因して、筒内圧が高くなり、ひいては図示熱効率ηが高くなるためである。

図２に戻り、ＣＰＵ４２は、出力電圧ＶＡＦを取得し（Ｓ２２）、出力電圧ＶＡＦと推定値ＶＡＦｅとの差の絶対値が所定値α以上であるか否かを判定する（Ｓ２４）。所定値αは、空燃比センサ５４に異常がある場合の上記絶対値の大きさの最小値に設定される。そして、ＣＰＵ４２は、所定値α以上であると判定する場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、空燃比センサ５４に異常があると判定する（Ｓ２６）。ちなみに、ＣＰＵ４２は、異常があると判定する場合、その旨を外部に通知する処理を実行することが望ましい。

なお、ＣＰＵ４２は、ステップＳ２６の処理が完了する場合や、ステップＳ２４において否定判定する場合には、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
ここで、本実施形態の作用を説明する。

燃焼室２４において混合気を燃焼させる状態である内燃機関１０の稼働状態において、ＣＰＵ４２は、実測図示熱効率ηから比Ｒηを算出し、比Ｒηに基づき、推定値ＶＡＦｅを算出する。ここで、空燃比センサ５４が正常であるなら、出力電圧ＶＡＦは推定値ＶＡＦｅと同一であるか近似するはずである。このため、ＣＰＵ４２は、出力電圧ＶＡＦと推定値ＶＡＦｅとの差の絶対値が所定値α以上である場合に、異常があると判定する。この処理は、目標空燃比が理論空燃比であっても、理論空燃比よりもリーン側の値やリッチ側の値であっても、実行することができる。このため、燃焼に供される混合気の空燃比を異常判定のために変化させることを必要とすることなく空燃比センサの異常の有無を判定できる。

＜対応関係＞
上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項と、実施形態における事項との対応関係は、次の通りである。なお、以下において、「メモリ４４に記憶されたプログラムに従って所定の処理を実行するＣＰＵ４２」のことを、記載を簡素化するために、「所定の処理を実行するＣＰＵ４２」と記載する。基準効率算出処理部は、ステップＳ１４の処理を実行するＣＰＵ４２に対応し、実効率算出処理部は、ステップＳ１６の処理を実行するＣＰＵ４２に対応し、推定処理部は、ステップＳ２０の処理を実行するＣＰＵ４２に対応し、異常判定処理部は、ステップＳ２４，Ｓ２６の処理を実行するＣＰＵ４２に対応する。また、推定処理部によって推定された空燃比は、推定値ＶＡＦｅに対応し、空燃比センサが検出した空燃比は、出力電圧ＶＡＦに対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。
・基準図示熱効率としては、空燃比が理論空燃比であるときのものに限らない。ただし、基準図示熱効率において前提とする空燃比が理論空燃比ではない場合、図４に示した比Ｒηと、空燃比との関係を規定するデータを、理論空燃比ではない空燃比における基準図示熱効率に基づくものとして作成する。

・基準図示熱効率を、回転速度ＮＥおよび負荷率ＫＬに基づき算出する代わりに、回転速度ＮＥのみから算出してもよい。これは、回転速度ＮＥと基準図示熱効率ηとの関係を定めた１次元マップを備えることで実現できる。

・上記実施形態では、噴射量を、熱量Ｑと噴射量との関係を定めた１次元マップに基づき算出したが、これに限らず、熱量Ｑおよび空燃比を入力変数とし、噴射量を出力変数とする２次元マップに基づき算出してもよい。ここで、空燃比は、目標空燃比に変更がないことを条件に、空燃比センサ５４に異常がないと判定されているときの空燃比センサ５４によって検出された空燃比のうちの直近の過去の値を用いる。ちなみに、内燃機関１０を初めて駆動したときには、図２の処理が以前に実行されていないものの、空燃比センサ５４の検出値が正しいとすればよい。

また、上記比熱κについても、定数とする代わりに、上記のように噴射量を算出する際に用いる空燃比に基づき算出してもよい。
・実測図示熱効率の算出処理のうち１燃焼サイクルにおいて燃焼室２４内に供給された燃料が持っているエネルギ量の算出処理としては、上記実施形態において例示したものに限らない。たとえば、空燃比の開ループ制御時において燃料噴射弁１６の開ループ操作量から把握される噴射量を用いてエネルギ量を算出してもよい。ただし、燃料噴射弁１６の個体差や経年変化に起因して燃料噴射弁１６から噴射される燃料量に誤差が生じることに鑑みれば、以下のようにすることがより望ましい。

すなわち、空燃比センサ５４の出力電圧ＶＡＦをフィードバック制御量として、空燃比を目標空燃比とするための開ループ操作量としてのベース噴射量をフィードバック補正量にて補正したものに応じて燃料噴射弁１６を操作して空燃比フィードバック制御を実行する。そして、空燃比センサ５４が正常であるときに、上記フィードバック補正量を回転速度と負荷とによって定まる運転領域毎に記憶しておき、記憶されたフィードバック補正量にてベース噴射量を補正した値を開ループ操作量として空燃比を開ループ制御し、このときの噴射量をベース噴射量としてエネルギ量を算出する。

１０…内燃機関、１２…吸気通路、１４…スロットルバルブ、１６…燃料噴射弁、１８…吸気バルブ、２０…シリンダ、２２…ピストン、２４…燃焼室、２６…点火装置、２８…クランク軸、３０…排気バルブ、３２…排気通路、３４…後処理装置、４０…制御装置、４２…ＣＰＵ、４４…メモリ、５０…クランク角センサ、５２…筒内圧センサ、５４…空燃比センサ、５６…エアフローメータ。

Claims (1)

1. 筒内圧を検出する筒内圧センサと、排気通路内の排気中の成分に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を検出する空燃比センサと、を備える内燃機関に適用され、
   前記内燃機関のクランク軸の回転速度の検出値に基づき、基準図示熱効率を算出する基準効率算出処理部と、
   前記筒内圧センサによる前記筒内圧の検出値の時系列データに基づき、実際の図示熱効率である実測図示熱効率を算出する実効率算出処理部と、
   前記基準図示熱効率と前記実測図示熱効率との比に基づき、前記燃焼室内の空燃比を推定する推定処理部と、
   前記推定処理部によって推定された空燃比と前記空燃比センサが検出した空燃比との差が所定値以上である場合、前記空燃比センサに異常があると判定する異常判定処理部と、を備える空燃比センサの異常判定装置。

Images