JP4218555B2

JP4218555B2 - センサ異常検出装置及びそれを搭載した車両

Info

Publication number: JP4218555B2
Application number: JP2004067453A
Authority: JP
Inventors: 隆弘西垣; 幸男小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2005256671A

Description

本発明は、センサ異常検出装置及びそれを搭載した車両に関する。

従来、センサ異常検出装置としては、触媒コンバータに充填された触媒の酸素吸蔵量に基づいて触媒コンバータの下流に設置したリア排気センサの異常を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された装置は、リア排気センサの出力がリーンを示すまで目標空燃比を強制的に所定のリーン空燃比に設定し、リア排気センサの出力値がリッチを示すまで目標空燃比を所定のリッチ空燃比に設定するという空燃比制御を行い、目標空燃比がリーン空燃比である期間中に触媒に流入する酸素量又は目標空燃比がリッチ空燃比である期間中に消費された触媒に吸蔵された酸素量から触媒の酸素吸蔵量を演算し、演算した酸素吸蔵量が理論的な触媒の最大酸素吸蔵量を超えたときにリア排気センサの異常を検出する。
特開２００４−１９５４２号公報

しかしながら、この特許文献１に記載された異常検出装置では触媒コンバータの下流に設置したリア排気センサの異常を検出することができるものの触媒に流入する酸素量を積算して酸素吸蔵量を求める際に誤差が含まれることがあり、この誤差が含まれているときにはリア排気センサの異常を検出する精度が十分ではない場合があった。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、触媒コンバータの下流に設置したリア排気センサの異常を十分な精度で検出することができるセンサ異常検出装置及びそれを搭載した車両を提供することを目的とする。

本発明のセンサ異常検出装置は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のセンサ異常検出装置は、
空気と燃料とを所定の空燃比となるようにした混合気を燃焼させ燃焼エネルギを運動エネルギに変換し燃焼後の排気を排気管に排出する内燃機関と、
前記排気管に接続され酸素の吸蔵・放出が可能であり前記内燃機関の排気を浄化する触媒が充填された触媒コンバータと、
前記排気管のうち前記触媒コンバータの下流に設置され前記排気に含まれる酸素量に応じて出力値が変化するリア排気センサと、
前記リア排気センサの出力値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量を演算する酸素吸蔵量演算手段と、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記酸素吸蔵量演算手段によって演算された酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを前記触媒温度検出手段によって検出された温度を加味して判定し前記所定値を超えたときには前記リア排気センサに異常が発生したと判定する異常判定手段と、
を備えたものである。

このセンサ異常検出装置では、リア排気センサの出力値に基づいて触媒の酸素吸蔵量を演算し触媒の温度を加味して酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを判定し、所定値を超えたときにはリア排気センサの異常を検出する。ここで、触媒に吸蔵可能な酸素量は触媒の温度に依存して変化するため、触媒の温度を考慮せずにリア排気センサの出力値により酸素吸蔵量を求めると演算した酸素吸蔵量に誤差が含まれることがある。したがって、触媒の温度を加味して判定することによりこの誤差を補正してリア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。

本発明のセンサ異常検出装置において、前記異常判定手段は、前記温度を加味して判定するに際し、前記酸素吸蔵量を前記温度に基づいて補正するか又は前記所定値を前記温度に基づいて補正したうえで判定してもよい。こうすれば、リア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。

本発明のセンサ異常検出装置は、
空気と燃料とを所定の空燃比となるようにした混合気を燃焼させ燃焼エネルギを運動エネルギに変換し燃焼後の排気を排気管に排出する内燃機関と、
前記排気管に接続され酸素の吸蔵・放出が可能であり前記内燃機関の排気を浄化する触媒が充填された触媒コンバータと、
前記排気管のうち前記触媒コンバータの下流に設置され前記排気に含まれる酸素量に応じて出力値が変化するリア排気センサと、
前記リア排気センサの出力値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量を演算する酸素吸蔵量演算手段と、
前記触媒コンバータに含まれる成分の酸素消費量を把握する酸素消費量把握手段と、
前記酸素吸蔵量演算手段によって演算された酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを前記酸素消費量把握手段によって把握された酸素消費量を加味して判定し前記所定値を超えたときには前記リア排気センサに異常が発生したと判定する異常判定手段と、
を備えたものである。

このセンサ異常検出装置では、リア排気センサの出力値に基づいて触媒の酸素吸蔵量を演算し触媒コンバータに含まれる成分の酸素消費量を加味して酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを判定し、所定値を超えたときにはリア排気センサの異常を検出する。ここで、触媒コンバータに含まれる成分が酸素を消費するとリア排気センサの出力値の変化にずれが生じ、演算した酸素吸蔵量に誤差が含まれることがある。したがって、触媒コンバータに含まれる成分の酸素消費量を加味して判定することによりこの誤差を補正してリア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。

本発明のセンサ異常検出装置において、前記異常判定手段は、前記酸素消費量を加味して判定するに際し、前記酸素吸蔵量を前記酸素消費量に基づいて補正するか又は前記所定値を前記酸素消費量に基づいて補正したうえで判定してもよい。こうすれば、リア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。

本発明のセンサ異常検出装置は、
空気と燃料とを所定の空燃比となるようにした混合気を燃焼させ燃焼エネルギを運動エネルギに変換し燃焼後の排気を排気管に排出する内燃機関と、
前記排気管に接続され酸素の吸蔵・放出が可能であり前記内燃機関の排気を浄化する触媒が充填された触媒コンバータと、
前記排気管のうち前記触媒コンバータの下流に設置され前記排気に含まれる酸素量に応じて出力値が変化するリア排気センサと、
前記リア排気センサの出力値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量を演算する酸素吸蔵量演算手段と、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記触媒コンバータに含まれる成分の酸素消費量を把握する酸素消費量把握手段と、
前記酸素吸蔵量演算手段によって演算された酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを前記触媒温度検出手段によって検出された温度及び前記酸素消費量把握手段によって把握された前記酸素消費量を加味して判定し前記所定値を超えたときには前記リア排気センサに異常が発生したと判定する前記異常判定手段と、
を備えたものである。

このセンサ異常検出装置では、リア排気センサの出力値に基づいて触媒の酸素吸蔵量を演算し触媒の温度及び触媒コンバータに含まれる成分の酸素消費量を加味して酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを判定し、所定値を超えたときにはリア排気センサの異常を検出する。ここで、触媒に吸蔵可能な酸素量は触媒の温度に依存して変化するため、触媒の温度を考慮せずにリア排気センサの出力値により酸素吸蔵量を求めると演算した酸素吸蔵量に誤差が含まれることがある。また、触媒コンバータに含まれる成分が酸素を消費するとリア排気センサの出力値の変化にずれが生じ、演算した酸素吸蔵量に誤差が含まれることがある。したがって、触媒の温度及び触媒コンバータに含まれる成分の酸素消費量を加味して判定することによりこれらの誤差を補正してリア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。

このセンサ異常検出装置において、前記異常判定手段は、前記温度を加味して判定するに際し、前記温度に基づいて前記酸素吸蔵量を補正するか又は前記温度に基づいて前記所定値を補正し、前記酸素消費量を加味して判定するに際し、前記酸素消費量を前記温度に基づいて修正し該修正した酸素消費量に基づいて前記酸素吸蔵量を補正するか又は該修正した酸素消費量に基づいて前記所定値を補正したうえで判定してもよい。こうすれば、触媒コンバータに含まれる成分は、触媒の温度に依存して燃焼することがあるため、触媒の温度に基づいて修正した酸素消費量を用いてリア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。また、このセンサ異常検出装置は、前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段、を備え、前記酸素消費量把握手段は、前記検出した触媒の温度に基づいて修正して前記酸素消費量を把握するものとしてもよい。また、触媒温度検出手段を備えるセンサ異常検出装置において、前記酸素消費量把握手段は、前記検出した触媒の温度が高いほど大きくなる傾向に前記酸素消費量を把握するものとしてもよい。

本発明のセンサ異常検出装置は、前記内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記リア排気センサの出力値がリーンを示すまで目標空燃比を所定のリーン空燃比となるようにし、リア排気センサの出力値がリッチを示すまで目標空燃比を所定のリッチ空燃比となるように目標空燃比を交互に設定し該設定した目標空燃比となるように前記燃料噴射手段により前記燃料を前記内燃機関に噴射させる燃料噴射制御手段と、を備え、前記酸素吸蔵量演算手段は、前記燃料噴射制御手段が前記目標空燃比を交互に設定して制御しているときの前記リア排気センサの出力値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量を演算してもよい。ここで、リア排気センサの出力値がリーンを示すまで目標空燃比をリーン空燃比とすると余剰酸素が触媒に吸蔵されていく。一方、リア排気センサの出力値がリッチを示すまで目標空燃比をリッチ空燃比とすると、余剰の燃料により触媒に吸蔵された酸素が消費されていく。このように、リア排気センサの出力値が変化するまでは酸素吸蔵量が増加するか減少するかのどちらかであるため、吸蔵された酸素量又は消費された酸素量から酸素吸蔵量を演算しやすい。

ここで、「所定値」とは、リア排気センサの異常を判定する閾値であり、例えば、触媒に吸蔵可能な酸素吸蔵量を超え通常取り得ないような酸素吸蔵量の値としてもよい。更に、通常取り得ないような酸素吸蔵量の値であり異常を検出するまでの時間が長くなりすぎないような値としてもよい。

本発明の車両は、上述した種々の態様のいずれかのセンサ異常検出装置を搭載したものである。本発明のセンサ異常検出装置はリア排気センサの異常を適正に検出することができるから、これを搭載した車両も同様の効果を奏するものとなる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例である車両１０が搭載するエンジン２０の構成の概略を示す構成図である。車両１０は、図１に示すように、燃料を燃焼した燃焼エネルギを運動エネルギに変換するエンジン２０と、エンジン２０の下流側に接続され排気を浄化する排気浄化触媒３１が充填された触媒コンバータ３０と、触媒コンバータ３０の上流に設置され空燃比（空気量／燃料量）に応じて出力値が変化するフロント排気センサ３５と、触媒コンバータ３０の下流に設置され空燃比がリッチかリーンかに応じて出力値が変化するリア排気センサ３６と、触媒コンバータ３０に設置され排気浄化触媒３１の温度を検出する温度センサ３８と、エンジンシステム全体をコントロールするエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）５０とを備える。なお、エンジン２０の出力軸としてのクランクシャフト２７には図示しない駆動軸、図示しないデファレンシャルギヤ、図示しない駆動輪などが接続され、エンジン２０から出力された動力は最終的に図示しない駆動輪に出力されるようになっている。

エンジン２０は、例えばガソリンなどの炭化水素系の燃料により動力を出力可能な内燃機関として構成されている。このエンジン２０は、スロットルバルブ２２を介して吸入された空気とインジェクタ２３から噴射された燃料との混合気を吸気バルブ２４を介して燃焼室に吸入し、この混合気を点火プラグ２５による電気火花によって爆発燃焼させた燃焼エネルギにより押し下げられるピストン２６の往復運動をクランクシャフト２７が回転する運動エネルギに変換する。なお、吸入される空気はエアクリーナ２１によって清浄化されたあとスロットルバルブ２２を通過する。また、エンジン２０からの排気は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ），窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する触媒コンバータ３０を介して車外へ排出される。

触媒コンバータ３０は、排気管３４に接続され排気浄化触媒３１が充填されたものである。排気浄化触媒３１は、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの酸化触媒と、ロジウム（Ｒｈ）などの還元触媒と、セリア（ＣｅＯ₂）などの助触媒などを触媒の構成成分としてハニカム構造体に担持されたいわゆる三元触媒である。そして、酸化触媒の作用によりエンジン２０から排出された排気に含まれるＨＣ及びＣＯが水（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）などに浄化され、還元触媒の作用により排気に含まれるＮＯｘが窒素（Ｎ₂）や酸素（Ｏ₂）などに浄化される。この三元触媒では、混合気の空燃比が理論空燃比近傍のいわゆるウインドウ領域のときに還元触媒のＮＯｘの吸着・分解反応とその際に生成する酸化成分によるＨＣ，ＣＯの酸化反応とがバランスよく進み、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘのすべてに対して高い浄化率を示す。ここで、ＣｅＯ₂は、Ｃｅの価数が３価と４価の間で可逆的に変化する性質を持つため、排気がリーン雰囲気のときには３価から４価へ変化して排気から酸素を吸蔵し、排気がリッチ雰囲気のときには４価から３価に変化して排気へ酸素を放出する。なお、三元触媒の温度が高くなると、ＣｅＯ₂などの触媒成分が活性化するため、三元触媒に吸蔵可能な酸素量が大きくなる。

また、この排気浄化触媒３１は、図２に示すように、無機保持マット３２を巻き付けて触媒コンバータ３０の内部に固定される。この無機保持マット３２は、アルミナファイバーからなる耐熱性・断熱性・シール性を有するマットである。また、無機保持マット３２は、組み付け性の向上のため有機バインダを含浸させたあと圧力を加えながら乾燥して全体的に肉薄な状態とし、肉薄な状態で排気浄化触媒３１に巻き付けられ触媒コンバータ３０の内部に圧入されて組み付けられる。そして、無機保持マット３２に含浸された有機バインダをエンジン２０の排気の熱により燃焼させて無機保持マット３２を膨張させ、排気浄化触媒３１の保持性などを高めるようになっている。

フロント排気センサ３５は、排気管３４のうち触媒コンバータ３０の上流に設置され空燃比に応じて出力値が変化するセンサであり、本実施例では所定の電圧（例えば０．３Ｖ）を印加した状態で酸素濃度に応じた限界電流を出力する限界電流式酸素センサを採用している。この限界電流式酸素センサは空燃比に対する出力電流値がリニアな関係であるため、出力電流値から直接空燃比を求めることができる。なお、このフロント排気センサ３５は、電気的にエンジンＥＣＵ５０に接続されている。

リア排気センサ３６は、排気管３４のうち触媒コンバータ３０の下流に設置され空燃比がリッチかリーンかに応じて出力値が変化するセンサであり、本実施例では電解質であるジルコニアを大気と接触する基準電極と排気と接触する測定電極とで挟み両電極の酸素濃度差に応じた起電力を生じるジルコニア酸素センサを採用している。このリア排気センサ３６は理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５〜１４．７）を境に出力電圧がリッチ側で約１Ｖ、リーン側で約０Ｖとなるため、適切な閾値Ｖ０（例えば０．４５Ｖ）を設定して出力電圧と閾値との大小を比較することによりエンジン２０へ噴射される混合気の空燃比がリッチなのかリーンなのかを判別することができる。なお、このリア排気センサ３６は、電気的にエンジンＥＣＵ５０に接続されている。

エンジンＥＣＵ５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。このエンジンＥＣＵ５０は、エンジン２０の状態を検出する種々のセンサからの信号が入力ポートを介して入力されている。エンジンＥＣＵ５０には、クランクシャフト２７の回転位置を検出するクランク角センサ２７ａからのクランクポジションやエンジン２０の吸入空気量を検出するエアフローメータ２８からの吸入空気量、フロント排気センサ３５からの信号及びリア排気センサ３６からの信号、温度センサ３８からの信号、シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ及び車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、エンジンＥＣＵ５０からは、インジェクタ２３への駆動信号、点火プラグ２５の着火を行うイグナイタと一体化されたイグニッションコイル２９への制御信号などのほか、エンジン２０を駆動するための種々の制御信号が図示しない出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された本実施例の車両１０の動作、まず触媒コンバータ３０に含まれる酸素を消費する成分の量をカウントする動作について説明する。図３は、エンジンＥＣＵ５０のＣＰＵ５２により実行されるエージングカウントルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ＲＯＭ５４に記憶され、ＣＰＵ５２により所定タイミングごと（例えば数ｍｓｅｃごと）に繰り返し実行される。エージングカウントルーチンが開始されると、ＣＰＵ５２は、エージングカウンタの値が０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１００）。このエージングカウンタには、触媒コンバータ３０の内部の無機保持マット３２などに含まれる有機バインダなどの酸素を消費する成分（以下酸素消費成分とする）の量に対応するカウンタの初期値が設定され、この初期値から酸素消費成分の減少と共に値が減少し酸素消費成分が燃焼して消失したときに値が０になるように設定されている。エージングカウンタの値が０以下であるときには、ＣＰＵ５２は、エージングカウンタのカウント量を０にセットし（ステップＳ１１０）、このルーチンを終了し、エージングカウンタの値が０より大きいときは、排気浄化触媒３１の温度を温度センサ３８から入力し（ステップＳ１２０）、排気浄化触媒３１の温度に基づいたカウント量をセットし（ステップＳ１３０）、セットされたカウント量でカウンタをダウンカウントしてこのルーチンを終了する（ステップＳ１４０）。ここで、カウント量について説明する。本実施例では、排気浄化触媒３１の温度を変化させたときの温度と酸素消費成分の減少量とを経験的に求め、この酸素消費成分の減少量に対応するカウント量を設定し、このカウント量と排気浄化触媒３１の温度との関係を求めたマップを作成してＲＯＭ５４に記憶しておき、このマップを用いてカウント量をセットする。このマップの一例を図４に示す。排気浄化触媒３１の温度が低いときには酸素消費成分は燃焼しないためカウント量は０であり、酸素消費成分が燃焼し始める温度Ｔ０から温度が高くなると酸素消費成分が燃焼しやすくなり、酸素消費量が大きくなるため、カウント量も大きくなるように設定されている。つまり、カウント量は、排気浄化触媒３１の温度に基づいて修正された酸素消費成分の酸素消費量に相当する。

次に、触媒コンバータ３０の下流に設置されたリア排気センサ３６の異常を検出する動作について説明する。図５は、エンジンＥＣＵ５０のＣＰＵ５２により実行されるエンジン制御ルーチンのフローチャートであり、図８及び図９は、エンジン制御ルーチンを実行したときのタイムチャートである。このルーチンは、ＲＯＭ５４に記憶され、ＣＰＵ５２により所定クランク角（例えば１８０°ＣＡ）ごとに繰り返し実行される。このルーチンが実行されると、異常検出フラグＦ３が１にセットされているか否かを判定する（ステップＳ２００）。この異常検出フラグＦ３は、後述の異常判定ルーチンにおいてリア排気センサ３６の異常が検出されたときに１にセットされるフラグであり、初期値は０に設定されている。異常検出フラグＦ３が１にセットされていないと判定されたときには、ＣＰＵ５２は、リア排気センサ３６の出力値を入力し（ステップＳ２１０）、リーン制御実行フラグＦ２が１にセットされているか否かを判定する（ステップＳ２２０）。このリーン制御実行フラグＦ２は、後述のリーン空燃比制御が行われているときに１にセットされるフラグであり、初期値は０にセットされている。リーン制御実行フラグＦ２が１にセットされていないと判定されたときには、ＣＰＵ５２は、リッチ制御実行フラグＦ１が１にセットされているか否かを判定する（ステップＳ２３０）。このリッチ制御実行フラグＦ１は、後述のリッチ空燃比制御が行われているときに１にセットされるフラグであり、初期値は０にセットされている。リッチ制御実行フラグＦ１が１にセットされていないと判定されたときには、ＣＰＵ５２は、異常検出条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ２４０）。この異常検出条件は、例えば、排気浄化触媒３１の温度が排気浄化触媒３１の活性化する温度Ｔ１以上であり、車速Ｖが一定であり、アクセル開度Ａｃが大きく変化していないときなどに成立する。なお、排気浄化触媒３１が活性化していなければ排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を求めることができないため、この温度Ｔ１以上であるときに後述の異常検出制御を実行する。異常検出条件が成立していないときには、ＣＰＵ５２は、ＲＯＭ５４に記憶された通常時空燃比制御ルーチンを実行する（ステップＳ２５０）。

ステップＳ２５０の通常時空燃比制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ５２は、目標空燃比を理論空燃比（例えば１４．６など）に設定し、エアフローメータ２８で検出された吸入空気量に対する基本燃料噴射量ＴＰを算出し、燃料噴射量ＴＡＵを次式（１）より算出する。すなわち、フロント排気センサ３５の出力値から混合気の空燃比を測定し、目標空燃比と測定空燃比との差分が０になる燃料噴射量となるような空燃比補正係数ＦＡＦ１を決定する。次にリア排気センサ３６の出力値がリーンを示すときは測定空燃比がリッチになるように、出力値がリッチを示すときは測定空燃比がリーンになるような空燃比補正係数ＦＡＦ２を決定する。空燃比補正係数ＦＡＦ１，ＦＡＦ２やその他の補正係数ａ，ｂを基本燃料噴射量ＴＰに掛けることにより燃料噴射量ＴＡＵを算出する。
ＴＡＵ←ＴＰ・ＦＡＦ１・ＦＡＦ２・ａ・ｂ…（１）
そして、ＣＰＵ５２は、燃料噴射量ＴＡＵの燃料がインジェクタ２３から噴射されるようにインジェクタ２３の開弁時間を制御する。なお、燃料噴射量ＴＡＵは、算出されるごとにＲＡＭ５６に記憶される。

次に、ステップＳ２４０で異常検出条件が成立したときには、ＣＰＵ５２は、ステップＳ２１０で入力したリア排気センサ３６の出力値はリーンか否かを判定する（ステップＳ２６０）。リア排気センサ３６の出力値がリーンでないときには、ＣＰＵ５２は、通常時空燃比制御ルーチンを実行し（ステップＳ２５０）、このルーチンを終了し、一方、リア排気センサ３６の出力値がリーンであるときには、リア排気センサ３６の異常検出制御を実行する（図９のｔ０参照）。なお、ここではリア排気センサ３６の出力値がリーンであるときに異常検出制御を実行するとしたが、リッチであるときに実行するとしてもよい。まず、ＣＰＵ５２は、リッチ制御実行フラグＦ１を１にセットし（ステップＳ２７０）、ＲＯＭ５４に記憶されたリッチ空燃比制御ルーチンを実行する（ステップＳ２８０）。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ５２は、目標空燃比を所定のリッチ空燃比（例えば１４．１など）に設定し、目標空燃比と測定空燃比との差分が０になる燃料噴射量となるような空燃比補正係数ＦＡＦ１を決定する。そして、ＣＰＵ５２は、上述の式（１）を用いて燃料噴射量ＴＡＵを決定し、その燃料噴射量ＴＡＵの燃料をエンジン２０へ噴射するようにインジェクタ２３を操作し、このルーチンを終了する。なお、リア排気センサ３６の出力値をリッチ空燃比制御に用いると測定空燃比を理論空燃比に引き戻してしまうことがあるため、この制御の際には空燃比補正係数ＦＡＦ２は１にセットされる。

続いて、ＣＰＵ５２は、ＲＯＭ５４に記憶された異常判定ルーチンを実行する（ステップＳ２９０）。図６は、ＣＰＵ５２により実行される異常判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ５２は、燃料噴射量ＴＡＵと、排気浄化触媒３１の温度と、上述のエージングカウントルーチンでセットされているカウント量を読み出し（ステップＳ２９１）、今回の排気浄化触媒３１に吸蔵される酸素量Ｓを演算する（ステップＳ２９２）。ここで、酸素量Ｓは、次式（２）によって求めることができる。すなわち、目標空燃比と理論空燃比との差分ΔＲをとり、この差分に燃料噴射量ＴＡＵと
空気中に含まれる酸素の比率ｒ（０．２）を掛けると目標空燃比がリッチ空燃比のときは不足酸素量として酸素量Ｓが演算される。また、目標空燃比がリーン空燃比のときは余剰酸素量として酸素量Ｓが演算される。
Ｓ＝ΔＲ・ＴＡＵ・ｒ…（２）
なお、酸素量Ｓは、本実施例では式（２）を用いて演算するとしたが、燃料噴射量ＴＡＵ、差分ΔＲ及び比率ｒと酸素吸蔵量とを予め経験的に定めたマップを作成してＲＯＭ５
４に記憶させ、このマップを用いて求めてもよい。

次に、ＣＰＵ５２は、排気浄化触媒３１の温度及びエージングカウンタにセットされているカウント量に基づいて酸素量Ｓを補正する（ステップＳ２９３）。ここで、酸素量Ｓの補正について説明する。まず、排気浄化触媒３１の温度に基づいて酸素量Ｓを補正する。本実施例では、排気浄化触媒３１の温度を変化させたときの酸素吸蔵量を予め求め、その結果から温度が変化しても所定の基準温度における酸素吸蔵量となるような第１補正係数を求め、この温度と第１補正係数との関係を対応付けたマップを作成してＲＯＭ５４に記憶しておく。そして、現在の排気浄化触媒３１の現在の温度に対応する第１補正係数をこのマップから読み出し、酸素量Ｓにその第１補正係数を乗じることにより温度補正を行う。このマップの一例を図７に示す。排気浄化触媒３１が活性化する温度Ｔ１では第１補正係数はＬ１（例えば１など）に設定され、温度Ｔ１より高くなると排気浄化触媒３１に吸蔵可能な酸素量が増加するため、第１補正係数が小さくなるように、つまり、酸素量Ｓが小さくなるように設定されている。次に、エージングカウンタにセットされるカウント量に対応する酸素消費成分の酸素消費量をこの温度補正した酸素量Ｓから差し引く補正を行う。ここで、カウント量に対応する酸素消費成分の酸素消費量は既に述べたとおり温度による修正がなされているため、温度補正した酸素量Ｓからこの酸素消費量をそのまま差し引けば、酸素量Ｓにつき温度と酸素消費成分の酸素消費量を加味した補正が完了する。その後、ＣＰＵ５２は、前回の酸素吸蔵量を読み出して今回の補正後の酸素量Ｓを加えて酸素吸蔵量を演算しＲＡＭ５６に記憶させ（ステップＳ２９４）、演算した酸素吸蔵量が所定値を超えているか否かを判定し（ステップＳ２９５）、酸素吸蔵量が所定値を超えていないと判定されたときには、そのままこのルーチンを終了する。ここで、酸素吸蔵量は、燃料噴射が行われるごとに演算される酸素量Ｓの積算量であり、初期値が０にセットされ、リア排気センサ３６の出力値が反転するごとに０にセットされる（図９参照）。また、排気浄化触媒３１の温度及びカウント量に基づいて補正された酸素量Ｓから酸素吸蔵量を演算するため、演算された酸素吸蔵量もこれらに基づいて補正されたものとなる。なお、所定値は、予め求めた排気浄化触媒３１の吸蔵可能な最大酸素吸蔵量（例えば新品状態のものなど）にマージンを加えた量として設定されている（図９参照）。

一方、異常判定ルーチンのステップＳ２９５で酸素吸蔵量が所定値を超えていると判定されたときには（図８のｔ６）、ＣＰＵ５２は、異常検出フラグＦ３を１にセットし（ステップＳ２９６）、異常発生処理を行い（ステップＳ２９７）、このルーチンを終了する。ここで、異常発生処理とは、例えば、図示しないインジケータに備えたリア排気センサ３６の異常発生ランプを点灯させ報知することなどを行う。図５のフローチャートに戻り、ステップＳ１００で異常検出フラグＦ３が１にセットされていると判定されたときには、ＣＰＵ５２は、ＲＯＭ５４に記憶された異常時空燃比制御ルーチンを実行する（ステップＳ３７０）。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ５２は、目標空燃比を理論空燃比に設定し、フロント排気センサ３５の出力値のみから混合気の空燃比を測定し、目標空燃比と測定空燃比との差分が０になる燃料噴射量となるような空燃比補正係数ＦＡＦ１を決定する。そして、ＣＰＵ５２は、上述の式（１）を用いて燃料噴射量ＴＡＵを決定し（ここでは空燃比補正係数ＦＡＦ２＝１である。）、その燃料噴射量ＴＡＵの燃料をエンジン２０へ噴射するようにインジェクタ２３を操作し、このルーチンを終了する。

次に、ステップＳ２３０でリッチ制御実行フラグＦ１が１にセットされていると判定されたときには、ＣＰＵ５２は、リア排気センサ３６の出力値がリッチであるか否かを判定し（ステップＳ３００）、リア排気センサ３６の出力値がリッチでないときにはリッチ空燃比制御ルーチンを継続して実行し（ステップＳ２８０）、そのまま上述した異常判定ルーチンを実行し（ステップＳ２９０）、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ３００でリア排気センサ３６の出力値がリッチであるときには、空燃比変動カウンタのカウンタ値が５以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１０）。ここで、空燃比変動カウンタは、リア排気センサ３６の出力値が反転した回数をカウントするものであり、初期値は０にセットされている。なお、本実施例ではリア排気センサ３６の異常検出を行いながらリッチ空燃比制御（図９のｔ０〜ｔ１，ｔ２〜ｔ３，ｔ４〜ｔ５）とリーン空燃比制御（図９のｔ１〜２，ｔ３〜４）とを５回交互に繰り返すように設定されている。空燃比変動カウンタのカウンタ値が５以上でないときには、ＣＰＵ５２は、リッチ制御実行フラグＦ１を０にセットしリーン制御実行フラグＦ２を１にセットし空燃比変動カウンタのカウンタ値に１を加える（ステップＳ３２０）。ここで、リア排気センサ３６の出力値がリッチに切り替わると、排気浄化触媒３１に吸蔵された酸素が全て消費されているため、ＲＡＭ５６に記憶された酸素吸蔵量を０にリセットする。

そして、ＣＰＵ５２は、ＲＯＭ５４に記憶されたリーン空燃比制御ルーチンを実行する（ステップＳ３３０）。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ５２は、目標空燃比を所定のリーン空燃比（例えば、１５．１など）に設定し、目標空燃比と測定空燃比との差分が０になる燃料噴射量となるような空燃比補正係数ＦＡＦ１を決定する。そして、ＣＰＵ５２は、上述の式（１）を用いて燃料噴射量ＴＡＵを決定し、その燃料噴射量の燃料をエンジン２０へ噴射するようにインジェクタ２３を操作し、このルーチンを終了する。なお、リア排気センサ３６の出力値をリーン空燃比制御に用いると測定空燃比を理論空燃比に引き戻してしまうことがあるため、この制御の際には空燃比補正係数ＦＡＦ２は１にセットされる。

次に、ステップＳ２２０でリーン制御実行フラグＦ２が１にセットされていると判定されたときには、ＣＰＵ５２は、リア排気センサ３６の出力値がリーンであるか否かを判定し（ステップＳ３４０）、リア排気センサ３６の出力値がリーンでないときには、リーン空燃比制御ルーチンを継続して実行し（ステップＳ３３０）、そのまま上述した異常判定ルーチンを実行し（ステップＳ２９０）、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ３４０でリア排気センサ３６の出力値がリーンであるときには、リッチ制御実行フラグＦ１を１にセットしリーン制御実行フラグＦ２を０にセットし空燃比変動カウンタのカウンタ値に１を加え（ステップＳ３５０）、リッチ空燃比制御ルーチンを実行し（ステップＳ２８０）、そのまま上述した異常判定ルーチンを実行し（ステップＳ２９０）、このルーチンを終了する。

その後、ステップＳ２９５で酸素吸蔵量が所定値を超えていないと判定されたときには、リッチ空燃比制御の継続又はリーン空燃比制御の継続が交互に繰り返され、空燃比変動カウンタのカウンタ値が増加していく。そして、ステップＳ３１０で空燃比変動カウンタのカウンタ値が５以上であるときには（図９のｔ５）、ＣＰＵ５２は、リッチ制御実行フラグＦ１を０にセットすると共に空燃比変動カウンタのカウンタ値をクリアし（ステップＳ３６０）、このルーチンを終了する。

次に、図８及び図９に示したタイミングチャートを用いて一連の処理を説明する。排気浄化触媒３１の温度が排気浄化触媒３１の活性化する温度Ｔ１以上であり、車速Ｖが一定であり、アクセル開度Ａｃが大きく変化していないときなどの異常検出条件が成立し、リア排気センサ３６の出力値がリーンであるときにリア排気センサ３６の異常検出制御が実行される（ｔ０）。リア排気センサ３６に異常が発生しセンサ出力が出ないときに異常検出制御が実行されると、図８に示すように、演算された排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量が所定値を超え（ｔ６）、リア排気センサ３６の異常が検出され、異常発生ランプを点灯させるなどの異常検出処理が行われる。一方、リア排気センサ３６が正常であるときに異常検出制御が実行されると、図９に示すように、ＣＰＵ５２は、目標空燃比をリッチ空燃比に設定して空燃比制御を実行し、リア排気センサ３６の出力値がリッチを示すまでリッチ空燃比に制御する。このときに、インジェクタ２３が燃料を噴射するごとに排気浄化触媒３１から消費される酸素量Ｓを演算し、演算した酸素量Ｓを排気浄化触媒３１の温度及びエージングカウンタのカウント量に基づいて補正し、補正した酸素量Ｓを積算して酸素吸蔵量を演算し、酸素吸蔵量が所定値を超えているか否かを判定する。酸素吸蔵量が所定値を超えていないときには、リッチ空燃比の制御を継続し（ｔ０〜ｔ１）、酸素量Ｓが積算されていき、リア排気センサ３６の出力値がリッチを示すと、酸素吸蔵量を０にリセットし、目標空燃比をリーン空燃比に設定して空燃比制御を実行する（ｔ１〜ｔ２）。そして、リッチ空燃比制御の継続、リーン空燃比制御の継続を交互に繰り返す間、酸素量Ｓを演算・補正して積算した酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを判定する。そして、５回目の空燃比制御でリア排気センサ３６の出力値がリッチになるとき酸素吸蔵量が所定値を超えていなければリア排気センサ３６は正常であると検出し異常検出制御を終了する（ｔ５）。ここで、排気浄化触媒３１に吸蔵可能な酸素量は温度に依存して変化するため、排気浄化触媒３１の温度を考慮せずにリア排気センサ３６の出力値により酸素吸蔵量を求めると演算した酸素吸蔵量に誤差が含まれることがある。また、触媒コンバータ３０に含まれる成分が酸素を消費するとリア排気センサ３６の出力値の変化にずれが生じ、演算した酸素吸蔵量に誤差が含まれることがある。また、この酸素消費成分による酸素消費量も排気浄化触媒３１の温度に依存して変化する。したがって、酸素量Ｓを補正しない場合は、一点鎖線で示すようにこれらの誤差によりリア排気センサ３６が正常であるにもかかわらず異常であると判定されてしまう。

ここで、本実施例の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施例のインジェクタ２３が本発明の燃料噴射手段に相当し、温度センサ３８が触媒温度検出手段に相当し、エンジンＥＣＵ５０が酸素吸蔵量演算手段、異常判定手段、酸素消費量把握手段及び燃料噴射制御手段に相当する。

以上詳述した本実施例の車両１０では、リア排気センサ３６の出力値に基づいて排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を演算し、エージングカウンタのカウント量を用いて排気浄化触媒３１の温度に基づいて酸素消費量を修正し、修正した酸素消費量及び排気浄化触媒３１の温度に基づいて酸素吸蔵量を補正し、補正した酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを判定し、所定値を超えたときにはリア排気センサ３６の異常を検出する。したがって、排気浄化触媒３１の温度及び触媒コンバータ３０に含まれる成分の酸素消費量に基づいて誤差を補正してリア排気センサの異常を十分な精度で検出することができる。

更に、リア排気センサ３６の出力値がリーンを示すまで目標空燃比を所定のリーン空燃比となるようにし、リア排気センサ３６の出力値がリッチを示すまで目標空燃比を所定のリッチ空燃比となるように目標空燃比を交互に設定して制御し、この目標空燃比を交互に設定して制御しているときのリア排気センサ３６の出力値に基づいて排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を演算する。ここで、リア排気センサ３６の出力値がリーンを示すまで目標空燃比をリーン空燃比とすると余剰酸素が排気浄化触媒３１に吸蔵されていく。一方、リア排気センサ３６の出力値がリッチを示すまで目標空燃比をリッチ空燃比とすると、余剰の燃料により排気浄化触媒３１に吸蔵された酸素が消費されていく。このように、リア排気センサ３６の出力値が変化するまでは酸素吸蔵量が増加するか減少するかのどちらかであるため、吸蔵された酸素量又は消費された酸素量から酸素吸蔵量を演算しやすい。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施例では、エージングカウンタを用いて触媒コンバータ３０に含まれる酸素消費成分の酸素消費量によって排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を補正するとしたが、これを省略して排気浄化触媒３１の温度のみに基づいて酸素吸蔵量を補正するとしてもよい。こうすれば、例えば、車両１０への装着前に触媒コンバータ３０のエージングを行い、車両１０への装着時に酸素消費成分が含まれていないような場合に、簡易にリア排気センサ３６の異常を十分な精度で検出することができる。

また、上述した実施例では、排気浄化触媒３１の温度に基づいて排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を補正するとしたが、これを省略して触媒コンバータ３０に含まれる酸素消費成分の酸素消費量のみに基づいて排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を補正するとしてもよい。こうすれば、例えば、触媒コンバータ３０の温度に大きな変化がない場合に、簡易にリア排気センサ３６の異常を十分な精度で検出することができる。

更に、上述した実施例では、第１補正係数を用いて酸素量Ｓを小さい値に補正するとしたが、図１０に示すマップの第２補正係数により排気浄化触媒３１の温度に基づいてリア排気センサ３６の異常を判定する所定値を大きな値に補正してもよい。図１０に示すマップは、排気浄化触媒３１が活性化する温度Ｔ１のときに第２補正係数はＬ２（例えば１など）に設定され、排気浄化触媒３１が活性化する温度Ｔ１を超えて温度が高くなると第２補正係数が大きくなるように、つまり、所定値が大きくなるように設定されている。こうしても、リア排気センサ３６の異常を十分な精度で検出することができる。また、エージングカウンタのカウント量に対応する酸素消費成分の酸素消費量を酸素量Ｓから差し引いて小さい値に補正するとしたが、酸素消費成分の酸素消費量を所定値に加えて所定値を大きい値に補正してもよい。こうしても、リア排気センサ３６の異常を十分な精度で検出することができる。

更にまた、上述した実施例では、温度センサ３８を用いて排気浄化触媒３１の温度を直接測定するとしたが、エアフローメータ２８によって検出された積算吸入空気量からこの温度を推定するとしてもよい。混合気の燃焼により加熱した排気によって排気浄化触媒３１の温度が上昇することになり、積算吸入空気量（積算排気量）と排気浄化触媒３１の温度は相関関係にあるため、積算吸入空気量と排気浄化触媒３１の温度の関係を経験的に求めたマップをＲＯＭ５４に記憶しておき、このマップから温度を求めてもよい。こうすれば、温度センサ３８を設置することなく排気浄化触媒３１の温度を求めることができる。

そして、上述して実施例では、排気浄化触媒３１の温度が温度Ｔ０を超えてから高くなるほどエージングカウンタのカウント量が大きくなるように設定されたマップを用いてカウント量を設定するとしたが、温度Ｔ０を超えてから高くなるほどエージングカウンタのカウント量が大きくなるようにステップ的に定めたマップを用いてカウント量を設定してもよい。こうしても、酸素消費成分の燃焼により消費された酸素消費量を排気浄化触媒３１の温度に基づいて修正しリア排気センサ３６の異常を十分な精度で検出することができる。

そしてまた、上述して実施例では、排気浄化触媒３１の温度が温度Ｔ１を超えてから高いほど第１補正係数が小さくなるように設定されたマップを用いて排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を小さい値に補正するとしたが、排気浄化触媒３１の温度が温度Ｔ１を超えてから高いほど第１補正係数が小さくなるようにステップ的に定めたマップを用いて第１補正係数を設定してもよい。こうしても、排気浄化触媒３１の酸素吸蔵量を酸素消費量に基づいて補正しリア排気センサ３６の異常を十分な精度で検出することができる。

そして更に、上述した実施例では、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とを繰り返しながらリア排気センサ３６の異常を検出するとしたが、例えば燃料カットの実行時など、空燃比がリーン空燃比又はリッチ空燃比に偏る時期を利用してリア排気センサ３６の異常検出を行ってもよい。

本実施例のエンジン２０の構成の概略を示す構成図である。本実施例の触媒コンバータ３０の説明図である。本実施例のエージングカウントルーチンである。本実施例のエージングカウンタのカウント量を求めるマップである。本実施例のエンジン制御ルーチンである。本実施例の異常判定ルーチンである。本実施例の第１補正係数のマップである。リア排気センサ３６の異常検出時の空燃比制御のタイムチャートである。リア排気センサ３６の異常検出時の空燃比制御のタイムチャートである。本実施例の第２補正係数のマップである。

符号の説明

１０車両、２０エンジン、２１エアクリーナ、２２スロットルバルブ、２３インジェクタ、２４吸気バルブ、２５点火プラグ、２６ピストン、２７クランクシャフト、２７ａクランク角センサ、２８エアフローメータ、２９イグニッションコイル、３０触媒コンバータ、３１触媒、３２無機保持マット、３４排気管、３５フロント排気センサ、３６リア排気センサ、３８温度センサ、５０エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、５２ＣＰＵ、５４ＲＯＭ、５６ＲＡＭ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ。

Claims

空気と燃料とを所定の空燃比となるようにした混合気を燃焼させ燃焼エネルギを運動エネルギに変換し燃焼後の排気を排気管に排出する内燃機関と、
前記排気管に接続され酸素の吸蔵・放出が可能であり前記内燃機関の排気を浄化する触媒が充填された触媒コンバータと、
前記排気管のうち前記触媒コンバータの下流に設置され前記排気に含まれる酸素量に応じて出力値が変化するリア排気センサと、
前記リア排気センサの出力値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量を演算する酸素吸蔵量演算手段と、
前記触媒コンバータに含まれる成分が燃焼して酸素を消費する量である酸素消費量を把握する酸素消費量把握手段と、
前記酸素吸蔵量演算手段によって演算された酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを前記酸素消費量把握手段によって把握された酸素消費量を加味して判定し前記所定値を超えたときには前記リア排気センサに異常が発生したと判定する異常判定手段と、
を備えたセンサ異常検出装置。
前記異常判定手段は、前記酸素消費量を加味して判定するに際し、前記酸素吸蔵量を前記酸素消費量に基づいて補正するか又は前記所定値を前記酸素消費量に基づいて補正したうえで判定する、請求項１に記載のセンサ異常検出装置。
請求項１又は２に記載のセンサ異常検出装置であって、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段、を備え、
前記酸素消費量把握手段は、前記検出した触媒の温度に基づいて修正して前記酸素消費量を把握する、センサ異常検出装置。
請求項１又は２に記載のセンサ異常検出装置であって、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段、を備え、
前記異常判定手段は、前記酸素吸蔵量演算手段によって演算された酸素吸蔵量が所定値を超えたか否かを前記触媒温度検出手段によって検出された温度及び前記酸素消費量把握手段によって把握された前記酸素消費量を加味して判定し前記所定値を超えたときには前記リア排気センサに異常が発生したと判定する、センサ異常検出装置。
前記異常判定手段は、前記温度を加味して判定するに際し、前記温度に基づいて前記酸素吸蔵量を補正するか又は前記温度に基づいて前記所定値を補正し、前記酸素消費量を加味して判定するに際し、前記酸素消費量を前記温度に基づいて修正し該修正した酸素消費量に基づいて前記酸素吸蔵量を補正するか又は該修正した酸素消費量に基づいて前記所定値を補正したうえで判定する、請求項４に記載のセンサ異常検出装置。
前記酸素消費量把握手段は、前記検出した触媒温度が高いほど大きくなる傾向に前記酸素消費量を把握する、請求項３〜５のいずれか１項に記載のセンサ異常検出装置。
請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ異常検出装置であって、
前記内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記リア排気センサの出力値がリーンを示すまで目標空燃比を所定のリーン空燃比となるようにし、リア排気センサの出力値がリッチを示すまで目標空燃比を所定のリッチ空燃比となるように目標空燃比を交互に設定し該設定した目標空燃比となるように前記燃料噴射手段により前記燃料を前記内燃機関に噴射させる燃料噴射制御手段と、
を備え、
前記酸素吸蔵量演算手段は、前記燃料噴射制御手段が前記目標空燃比を交互に設定して制御しているときの前記リア排気センサの出力値に基づいて前記触媒の酸素吸蔵量を演算する、
センサ異常検出装置。
請求項１〜７に記載のセンサ異常検出装置を備えた車両。