JP3196400B2 - 内燃機関の2次空気導入装置の異常検出装置 - Google Patents

内燃機関の2次空気導入装置の異常検出装置

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JP3196400B2 JP04975893A JP4975893A JP3196400B2 JP 3196400 B2 JP3196400 B2 JP 3196400B2 JP 04975893 A JP04975893 A JP 04975893A JP 4975893 A JP4975893 A JP 4975893A JP 3196400 B2 JP3196400 B2 JP 3196400B2
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2550/00Monitoring or diagnosing the deterioration of exhaust systems
    • F01N2550/14Systems for adding secondary air into exhaust

Landscapes

  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関の空燃比フ
ィードバック制御システムを利用して2次空気導入装置
の異常を検出する異常検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の触媒コンバータにおける排気
浄化性能を高めるために、該触媒コンバータの上流側に
空燃比センサ例えばO2センサを配設し、その出力信号
に基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比制御
装置が従来から知られている。例えば、空燃比センサと
してO2センサを用いたものでは、該O2センサの出力信
号に基づいて疑似的な比例積分制御によりフィードバッ
ク補正係数αが演算され、このフィードバック補正係数
αを基本燃料噴射量Tpに乗ずることで、空燃比のクロ
ーズドループ制御がなされる。従って、実際の空燃比は
1〜2Hz程度の周期でリッチ,リーンの反転を繰り返
すことになり、その平均的な空燃比が理論空燃比近傍に
維持されるのである。
【0003】一方、内燃機関のアイドル時には、上記フ
ィードバック補正係数αを固定値に保って所謂オープン
ループ制御を行わせるのが一般的である(特開昭61−
145337号公報)が、内燃機関の仕様によっては、
アイドル時に理論空燃比とすると燃焼が不安定化し運転
性が悪化する場合がある。従って、この場合には、アイ
ドル時にクランプされるフィードバック補正係数αを1
以上の高い値に固定し、該フィードバック補正係数αを
基本燃料噴射量Tpに乗ずることによりリッチな混合気
を与えるようにしている。そして、このような所謂リッ
チクランプを実行する場合には、排気系に2次空気を導
入する2次空気導入装置と組み合わせて排気浄化を図る
のが一般的である。すなわち、アイドル時にリッチクラ
ンプ制御を実行すると同時に、排気系の触媒コンバータ
より上流側に2次空気を導入し、触媒コンバータへ流入
する段階での排気成分を理論空燃比相当のものとして、
触媒による排気浄化作用を確保するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のアイドル時のリ
ッチクランプは、排気系への所定量の2次空気導入を前
提としたものであるため、2次空気通路のつまりなどに
より2次空気が正常に導入されないと、触媒コンバータ
の転化性能は急激に低下し、排気エミッションが大幅に
悪化してしまう。そして、一般に、この種の異常は運転
者が気付きにくく、定期点検等により発見されるまで排
気エミッションが悪化した状態のまま運転が継続されて
しまうという問題がある。
【0005】また、経時的な劣化により2次空気導入量
が徐々に低下していく場合には、完全に異常と判定され
るまでの間に、排気エミッションの悪い状態が比較的長
く続くことになり、好ましくない。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
触媒コンバータへ導入される段階での排気組成が確実に
略理論空燃比相当となるようにアイドル時のリッチクラ
ンプ率を制御するとともに、このリッチクランプ率に基
づいて2次空気導入量の不足ひいては2次空気導入装置
の異常を検出するようにした。すなわち、この発明に係
る内燃機関の2次空気導入装置の異常検出装置は、図1
に示すように、触媒コンバータを備えた排気通路に配設
された空燃比センサ1と、少なくともアイドル時に作動
し、排気通路の空燃比センサ1より上流側に2次空気の
導入を行う2次空気導入装置2と、所定のフィードバッ
ク制御条件成立時に上記空燃比センサ1の出力に基づい
て理論空燃比を目標としてフィードバック補正係数を設
定する通常時補正係数設定手段3と、上記フィードバッ
ク補正係数を用いて該係数が大であるほど空燃比がリッ
チとなるように基本燃料噴射量を補正する燃料噴射量補
正手段4と、アイドル時に上記フィードバック補正係数
をリッチ側の固定値に設定するアイドル時リッチクラン
プ手段5と、このフィードバック補正係数の固定後に、
上記空燃比センサ1の出力に基づき、該センサ1の出力
が理論空燃比に近付く方向に、上記フィードバック補正
係数の固定値を、所定期間毎に段階的に補正するアイド
ル時係数補正手段6と、上記フィードバック補正係数の
固定時の初期値に対する上記空燃比センサ1の出力を初
期値として、上記空燃比センサ1の出力がこの初期値か
ら所定量以上変化したときに上記アイドル時係数補正手
段6による補正を終了し、アイドル時のフィードバック
補正係数を確定するアイドル時係数確定手段8と、 この
最終的に確定したフィードバック補正係数を判定基準値
と比較し、該判定基準値より小であるときに2次空気導
入装置が異常であると判定する異常判定手段7、とを備
えたことを特徴としている。
【0007】
【作用】所定のフィードバック制御条件が成立している
場合には、空燃比センサ1の出力に基づいてフィードバ
ック補正係数が設定され、燃料噴射量が補正される。こ
れにより、内燃機関に供給される混合気の平均的な空燃
比が略理論空燃比に維持される。
【0008】一方、機関アイドル時には、アイドル時リ
ッチクランプ手段5によりフィードバック補正係数がリ
ッチ側の固定値として与えられ、内燃機関に供給される
混合気がリッチ状態になるとともに、2次空気導入装置
2により排気通路の触媒コンバータより上流側に2次空
気が導入される。このとき、適正量の2次空気が導入さ
れていれば、空燃比センサ1により検出される空燃比は
略理論空燃比相当となるが、2次空気が不足している場
合には、空燃比センサ1による検出空燃比はリッチ側の
値となる。アイドル時係数補正手段6では、上記空燃比
センサ1の出力に基づき、該センサ1の出力が理論空燃
比に近付くようにフィードバック補正係数を所定期間毎
に段階的に補正するので、2次空気が相対的に不足して
いる場合には、クランプされたフィードバック補正係数
が徐々に減少することになる。従って、2次空気量が不
足していても、機関に供給される混合気のリッチ化の度
合いが弱められ、排気エミッションの悪化は可及的に抑
制される。この補正は、空燃比センサ1の出力が初期値
から所定量以上変化するまで行われ、その時点で、最終
的にフィードバック補正係数が確定される。そして、こ
確定されたフィードバック補正係数が判定基準値以下
であれば、2次空気が大幅に不足していることになり、
異常判定手段7によって異常と判定される。
【0009】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。図2は、この発明の一実施例の機械的
構成を示す構成説明図であって、11は内燃機関、12
はその吸気通路、13は排気通路を示している。上記吸
気通路12には、各吸気ポートへ向けて燃料を供給する
燃料噴射弁14が気筒毎に配設されているとともに、ス
ロットル弁15が介装されており、かつその上流側に、
吸入空気量を検出する例えば熱線式のエアフロメータ1
6が配設されている。
【0010】上記排気通路13には、三元触媒を用いた
触媒コンバータ17が介装されているとともに、該触媒
コンバータ17よりも上流位置に空燃比センサとしてO
2センサ18が配設されている。この空燃比センサとし
てのO2センサ18は、排気中の残存酸素濃度に応じた
起電力を発生するもので、特に、理論空燃比を境に起電
力が急変し、理論空燃比よりリッチ側で高レベル(約1
V程度)に、リーン側で低レベル(約100mV程度)
になる。
【0011】また上記排気通路13の触媒コンバータ1
7上流側、詳しくはO2センサ18との間に、2次空気
導入装置を構成する2次空気通路20の先端が接続され
ている。この2次空気通路20は、2次空気導入用の空
気ポンプ21を備えているとともに、その通路中に、2
次空気の導入,停止を制御するための2次空気制御弁2
2が介装されている。尚、4気筒内燃機関のように排気
脈動が十分大きく得られる場合には、リード弁等を介し
て圧力差により2次空気の導入を行い、上記空気ポンプ
21を省略することも可能である。
【0012】また、23は内燃機関の冷却水温を検出す
る水温センサ、24は機関回転数を検出する回転数セン
サ、詳しくは所定クランク角毎にパルス信号を発するク
ランク角センサ、25は機関アイドル状態の判定のため
にスロットル弁15の開度に応じた出力を発するスロッ
トル開度センサをそれぞれ示している。
【0013】上述した各種センサの検出信号が入力され
るコントロールユニット26は、いわゆるマイクロコン
ピュータシステムを用いたもので、O2センサ18の出
力信号に基づく燃料噴射弁14の噴射量制御つまりフィ
ードバック制御方式による空燃比制御や、2次空気制御
弁22を介した2次空気制御等の内燃機関の種々の制御
を実行するとともに、後述するような2次空気導入装置
の異常診断を行い、異常と判定した場合には警告灯27
を点灯させるようになっている。
【0014】次に、上記実施例における制御の内容につ
いて説明する。
【0015】先ず、通常の運転条件下における空燃比フ
ィードバック制御の概略を説明する。この通常時の空燃
比フィードバック制御は、O2センサ18の出力に基づ
くクローズドループ制御として行われるもので、先ず、
エアフロメータ16が検出した吸入空気量Qとクランク
角センサ24が検出した機関回転数NとからTp=Q/
Nとして基本パルス幅Tp(基本燃料噴射量)を演算す
る。そして、これに種々の増量補正やフィードバック補
正を加えて燃料噴射弁14の実際の駆動パルス幅Ti
(燃料噴射量)を決定するのであり、具体的には次式に
よってパルス幅Tiが求められる。
【0016】Ti=Tp×COEF×α+Ts ここでCOEFは各種増量補正係数であり、例えば水温
に応じた水温増量補正、高速高負荷時の空燃比補正など
からなる。Tsは、燃料噴射弁14の無効時間を補償す
るようにバッテリ電圧に応じて付加される電圧補正係数
である。
【0017】また、αはO2センサ18の出力信号に基
づいて演算されるフィードバック補正係数である。すな
わち、図6,図7に示すように、O2センサ18の出力
信号VO2を所定のスライスレベルSL(理論空燃比に
相当する)と比較し、かつそのリーン側およびリッチ側
への反転に基づく疑似的な比例積分制御によって求めら
れる値で、上記の式から明らかなように、1以上であれ
ばリッチ側へ、1以下であればリーン側へ空燃比が制御
されることになる。
【0018】尚、なんらかの燃料増量を行う必要がある
低水温時や高速高負荷時、あるいは減速中のフューエル
カット時等の非フィードバック制御条件時には上記フィ
ードバック補正係数αが1にクランプされ、実質的には
オープンループ制御となる。
【0019】また、機関アイドル時には、燃焼安定化の
ために所謂リッチクランプ制御が実行され、フィードバ
ック補正係数αが1以上の固定値、αIDLにクランプさ
れ、内燃機関にリッチな混合気が供給される。そして、
同時に、排気成分の酸化を促進するために、2次空気制
御弁22がONとなって、2次空気の導入が行われる。
【0020】尚、上記のアイドル時にクランプされるフ
ィードバック補正係数αIDLの値は、図6に示すように
フィードバック補正係数αの直前4周期における8個の
ピーク値α1〜α8の平均値を求め、かつこれに所定のク
ランプ率を乗じることによって決定される。
【0021】また、上記のようにして固定値として与え
られたアイドル時のフィードバック補正係数αIDLは、
その後、O2センサ18の検出信号に基づいて段階的に
補正され、かつその補正が安定した段階で補正係数α
IDLの値(詳しくは、そのクランプ率)から2次空気導
入装置が異常であるか否かが判定されるようになってい
る。
【0022】次に、図3〜図5のフローチャートを参照
して、アイドル時のフィードバック補正係数αIDLの補
正制御ならびに2次空気導入装置の診断制御について説
明する。尚、この一連の処理は、機関回転数に同期して
所定クランク角毎に繰り返し実行される。
【0023】図3に示す部分は、一連の処理の中で、主
に異常診断を行うか否かの条件を判別している。先ず、
ステップ1(フローチャート中では、S1等と略記す
る)では、すでに診断が完了したことを示す診断終了フ
ラグの状態を判別する。この診断終了フラグは、最終的
に診断が完了した段階で1(ステップ40)となるもの
である。ステップ2では、診断に必要な各種センサ等の
デバイスが総て正常であるか否かを判別する。ステップ
3では、アイドル時にリッチクランプを行うべき種々の
条件が成立しているか否かを判別する。ここで、クラン
プ条件が成立していない場合には、クランプフラグを0
とする(ステップ7)。
【0024】ステップ4では、このクランプフラグの状
態を判別し、0の場合にのみステップ5,6へ進み、モ
ニタ終了フラグをクリアするとともに、上記クランプフ
ラグを1にセットする。尚、上記モニタ終了フラグは、
今回のアイドル運転でのモニタが終了したことを示す。
【0025】ステップ8では、スロットル開度センサ2
5の検出信号からアイドル状態であるか否かを判別す
る。またステップ9では機関回転数Nが所定範囲内にあ
るか否か、ステップ10では負荷(基本燃料噴射量T
p)が所定範囲内にあるか否かをそれぞれ判別する。更
に、ステップ11では、2次空気制御弁22等からなる
2次空気導入装置(EAI)がON作動しているか否か
を判別し、かつステップ12では冷却水温TWが所定範
囲内であるか否かを判別する。尚、上記クランプフラグ
に基づき、アイドル時に図示せぬ他のルーチンによって
フィードバック補正係数αのリッチクランプが実行され
る。つまり、クランプフラグが1となることにより、フ
ィードバック補正係数αがαIDLに固定される。
【0026】上記の種々の条件が成立した場合には、2
次空気導入装置の診断を行うものとし、図4に示す処理
へ進む。また、いずれかの条件が成立しない場合には、
ステップ13〜ステップ17へ進みタイマTM1,初期
値VO2E,ストア終了フラグ,タイマTM2をそれぞ
れクリアするとともに、モニタ終了フラグをセットし、
異常診断を行わずに終了する。
【0027】図4に示すステップ18では、モニタ終了
フラグが1であるか否かを判別する。このモニタ終了フ
ラグは、ステップ5を経てクリアされるので、診断継続
中はステップ18からステップ19へ進む。ステップ1
9では、ストア終了フラグが1であるか否かを判別す
る。このストア終了フラグは、アイドル開始直後のフィ
ードバック補正係数αIDLの初期値に対するO2センサ出
力VO2Eを記憶したか否かを示すもので、その読み込
み前は該フラグが0であるので、ステップ20へ進む。
ステップ20では、アイドル状態の開始、更に詳しくは
2次空気導入装置がONとなってからの経過時間を示す
タイマTM1の値を所定値TM1Jと比較する。このタ
イマTM1の値がTM1J以下であれば、ステップ21
へ進み、該タイマTM1の値をインクリメントする。従
って、2次空気導入装置がON作動したのち、一定時間
(TM1J)だけ経過した時点で、ステップ22へ進
み、ここで、そのときのO2センサ18の出力VO2を初
期値VO2Eとして記憶する。また同時に、ステップ2
3で、タイマTM2をクリアする。このタイマTM2の
値は後述するように、クランプ率の値を一旦修正した時
点からの経過時間を示すものとなる。
【0028】次に、ステップ24では、ステップ22に
て読み込まれたO2センサ出力VO2の値がリーン状態で
あるかリッチ状態であるかを判別する。これは、当初の
フィードバック補正係数αIDLの値に対し2次空気導入
後の排気組成がリーン状態となっているかリッチ状態と
なっているかを示すものとなる。この初期状態でリッチ
状態であれば判定フラグを1にセットし(ステップ2
5)、リーン状態であれば判定フラグをリセットする
(ステップ26)。そして、初期値VO2Eを記憶した
ことを示すストア終了フラグをセットする(ストア2
7)。従って、次回からはステップ19でストア終了フ
ラグが1と判定され、該ステップ19からステップ28
へ進むようになる。ステップ28では、クランプ率修正
後の経過時間を示すタイマTM2を順次インクリメント
する。
【0029】図5に示すステップ29では、上記タイマ
TM2の値を所定値TM2Jと比較する。該タイマTM
2の値がTM2J以上となったら、ステップ30へ進
み、該タイマTM2をクリアするとともに、上記ステッ
プ25,26で設定した判定フラグの状態をステップ3
1で判別する。
【0030】初期状態で判定フラグが1つまりリッチ状
態であった場合には、ステップ32へ進み、O2センサ
18の出力の状態を判定する。つまり、先に記憶したO
2センサ出力の初期値VO2Eと現在の出力VO2との差
を求め、この差が所定値DV以上であるか否かを判定す
る。所定値DV以上の差が無い場合には、ステップ33
へ進み、所定量だけクランプ率を減少補正する。つま
り、アイドル時のフィードバック補正係数αIDLを、図
6に示すように、所定量だけ小さくする。このように、
一旦クランプ率を補正すると、その時点で、タイマTM
2がクリア(ステップ30)されるので、これから更に
所定時間TM2Jだけ経過した時点で再びステップ3
1,32へ進むことになるが、そのときのO2センサ出
力VO2がステップ32の条件を満たすまで低下してい
なければ、再度ステップ33へ進みクランプ率を減少補
正する。
【0031】このようにフィードバック補正係数αIDL
が徐々に減少すれば、O2センサ出力VO2は図6に示す
ように徐々に低下してくる。従って、ステップ32で
(VO2E−VO2)の値が所定値DVを越えるようにな
る。その段階でステップ36へ進み、最終的なクランプ
率を確定する。
【0032】一方、ステップ31で判定フラグが0の場
合、つまり初期のフィードバック補正係数αIDLによっ
てリーン状態であった場合には、ステップ34へ進み、
そのときのO2センサ出力VO2と初期値VO2Eとの差
が所定値DV′以上であるか否かを判定し、この条件が
満たされるまで段階的にクランプ率の増加補正を行う
(ステップ35)。すなわち、図7に示すように、O2
センサ18にて検出される空燃比が略理論空燃比に近付
くようにフィードバック補正係数αIDLが段階的に増加
補正される。そして、ステップ34の条件を満たした段
階でステップ36へ進み、そのクランプ率を確定する。
【0033】ステップ37では、上記のようにして確定
されたクランプ率が所定値以下であるか否かを判定す
る。このクランプ率が所定値以下である場合には、2次
空気通路20の目詰まりや2次空気制御弁22の故障な
どにより2次空気導入量が非常に少ないことを意味する
ので、ステップ39へ進み、2次空気導入装置が異常で
あると判定し、かつ警告灯27を点灯する。クランプ率
が所定値以上であれば、ステップ38へ進み2次空気導
入装置が正常であると判定する。そして、最終的にステ
ップ40で診断終了フラグを1にセットし、一連の診断
処理を終了する。
【0034】図6は、アイドル開始直後の初期に与えら
れたフィードバック補正係数αIDLが実際の2次空気導
入量に対して相対的に過剰な場合、つまりリッチ状態で
ある場合の説明図であり、上述したような制御の結果、
αIDLが段階的に低下することになる。そして、この最
終的に確定されたαIDLのクランプ率が所定値以下であ
れば、2次空気導入量の不足つまり2次空気導入装置の
故障と判定するのである。
【0035】また図7は、逆にアイドル開始直後の初期
に与えられたフィードバック補正係数αIDLが実際の2
次空気導入量に対し相対的に不足している場合を示す説
明図であり、この場合には、αIDLが段階的に増加する
ことになる。
【0036】従って、上記実施例によれば、運転者の格
別な操作を用さずに通常のアイドル運転を継続する中で
2次空気導入装置が異常であるか否かを確実に診断する
ことができる。また、その診断中に運転性の悪化等を来
すことがなく、運転者に何等違和感を与えることがな
い。
【0037】しかも上記実施例では、O2センサ18が
検出する空燃比が略理論空燃比近傍となるようにリッチ
クランプしたフィードバック補正係数αIDLが徐々に補
正されるので、図6に示したような過剰なリッチ状態に
おけるCOの排出や図7に示したような過剰なリーン状
態におけるNOxの排出が可及的に抑制され、2次空気
導入装置が異常であると診断した場合は勿論のこと、異
常と判定されない段階においても2次空気量の過不足に
対し排気エミッションを常に良好な状態に維持すること
ができる。
【0038】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係る内燃機関の2次空気導入装置の異常検出装置によ
れば、運転者の格別な操作を用さずに、通常のアイドル
運転中に2次空気量の不足つまり2次空気導入装置の異
常を確実に検出できる。また、アイドル時にリッチクラ
ンプした状態でも、触媒コンバータに導入される排気組
成が略理論空燃比相当のものとなるようにリッチクラン
プ時のフィードバック補正係数が補正されるので、2次
空気導入装置が異常である場合は勿論のこと、異常と判
定されない段階においても、2次空気量の過不足に対し
触媒コンバータの転化性能を最適に維持でき、排気エミ
ッションを可及的に良好なものに維持することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る異常検出装置の構成を示すクレ
ーム対応図。
【図2】この発明に係る異常検出装置の一実施例を示す
構成説明図。
【図3】この実施例における制御の流れを示すフローチ
ャート。
【図4】図3に続く部分を示すフローチャート。
【図5】図4に続く部分を示すフローチャート。
【図6】リッチクランプ時の初期のフィードバック補正
係数αIDLが相対的に過剰である場合の変化を示す特性
図。
【図7】リッチクランプ時の初期のフィードバック補正
係数αIDLが相対的に不足している場合の変化を示す特
性図。
【符号の説明】
1…空燃比センサ 2…2次空気導入装置 3…通常時補正係数設定手段 4…燃料噴射量補正手段 5…アイドル時リッチクランプ手段 6…アイドル時係数補正手段 7…異常判定手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−26034(JP,A) 特開 昭63−143362(JP,A) 特開 平5−302511(JP,A) 特開 平4−365919(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/22 F02D 41/14 310 F02D 41/16

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 触媒コンバータを備えた排気通路に配設
    された空燃比センサと、 少なくともアイドル時に作動し、排気通路の空燃比セン
    サより上流側に2次空気の導入を行う2次空気導入装置
    と、 所定のフィードバック制御条件成立時に上記空燃比セン
    サの出力に基づいて理論空燃比を目標としてフィードバ
    ック補正係数を設定する通常時補正係数設定手段と、 上記フィードバック補正係数を用いて該係数が大である
    ほど空燃比がリッチとなるように基本燃料噴射量を補正
    する燃料噴射量補正手段と、 アイドル時に上記フィードバック補正係数をリッチ側の
    固定値に設定するアイドル時リッチクランプ手段と、 このフィードバック補正係数の固定後に、上記空燃比セ
    ンサの出力に基づき、該センサの出力が理論空燃比に近
    付く方向に、上記フィードバック補正係数の固定値を
    所定期間毎に段階的に補正するアイドル時係数補正手段
    と、上記フィードバック補正係数の固定時の初期値に対する
    上記空燃比センサの出力を初期値として、上記空燃比セ
    ンサの出力がこの初期値から所定量以上変化したときに
    上記アイドル時係数補正手段による補正を終了し、アイ
    ドル時のフィードバック補正係数を確定するアイドル時
    係数確定手段と、 この最終的に確定した フィードバック補正係数を判定基
    準値と比較し、該判定基準値より小であるときに2次空
    気導入装置が異常であると判定する異常判定手段、 とを備えたことを特徴とする内燃機関の2次空気導入装
    置の異常検出装置。
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