JP4273843B2 - 内燃機関の排気浄化促進装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化促進装置に係り、詳しくは、排気中の有害物質の排出量低減効果を高める排気流動制御手段の故障診断技術に関する。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2等の未燃物の他、スモーク、ＮＯｘ等を含む）を低減させることを目的とした技術として、触媒上での反応を利用した排気浄化技術がある。しかしながら、当該排気浄化技術は、触媒が活性化されるまでの間にＨＣ等の未燃物が大気中に放出されるという問題があり、このように触媒活性化までに放出される有害物質量は、コールドモードでの全放出量の９割にも達する場合があり重要な問題となっている。
【０００３】
そこで、例えば、下記特許文献１，２等に記載されているように、排気圧上昇により冷態時に触媒を早期活性化させる技術が開発されている。ここでは、例えば、排気通路下流に排気流動制御手段として密閉型の可変排気バルブを設け、当該可変排気バルブを調節して排気管の断面積を変更させ、排気通路抵抗や排気密度を上昇させたり、排気流速を低下させることにより、排気圧や排気温度の上昇を図るようにしている。
【０００４】
このように排気圧を上昇させたりすると、例えば、排気系内に未燃物を供給した場合（燃料の二段噴射等）、ＥＧＲ（排気再循環）を実施した場合、排気空燃比の変調（排気Ａ／Ｆ変調）を実施した場合において、各性能が増強されて、排気通路内の未燃物の反応が促進されて排気温度が上昇し、触媒が早期に活性化されて排気の浄化が飛躍的に促進されるようになる。
【０００５】
ところで、上記可変排気バルブは、高温高圧の環境下に置かれるため、長期間使用していると、故障して正常に作動しなくなる場合がある。このように可変排気バルブが正常に作動しなくなると、排気圧を上昇させたいにも拘わらずバルブが閉弁作動せず、排気圧が実際には上昇しなかったり、排気圧を上昇させたくないにも拘わらずバルブが閉弁作動したままとなり、排気圧が高い状態のまま保持されるといった現象が発生する。
【０００６】
そして、排気圧が上昇しなくなると、排気の浄化が促進されないために触媒活性化までに放出される有害物質を十分に浄化できなくなるおそれがあり、また、排気圧が高いままに保持されると、排気効率が低下して内燃機関の出力が低下してしまい好ましいことではない。
【０００７】
そこで、排気通路に排気圧センサを設け、当該排気圧センサからの排気圧情報に基づいて前記可変排気バルブ等の排気流動制御手段の異常を検出することが考えられている。特に、排気通路が一本である場合には、排気流動制御手段に異常が発生し当該排気通路の排気圧が意図に反して増減すると、内燃機関の運転状態に多大な影響を与えることになるため、このような排気流動制御手段の異常検出はとりわけ重要である。
【０００８】
しかしながら、排気圧センサを用いる場合、当該排気圧センサを別途設けなければならず、一般に排気圧センサは高温高圧に耐える仕様であるため高価であり、部品コストが増大するという問題がある。そこで、例えば、下記特許文献３等では、空燃比制御等の排気低減制御を行うために、触媒等の排気浄化手段の入口側近傍に設けられて排気中の特定成分（例えば酸素）の濃度を検出する排気センサを利用して、当該排気センサからの特定成分濃度情報に基づいて排気圧力を推定し、前記可変排気バルブ等の排気流動制御手段の異常を検出することを提案している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平３−１１７６１１号公報
【特許文献２】
特開平４−１８３９２１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５６９５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、排気圧力は、触媒による排気流の絞り効果等により、触媒の上流側で上昇してしまう場合がある。このため、前記排気センサの出力変化は、前記排気流動制御手段による排気圧力変化だけではなく、上記触媒による絞り効果の影響等も含まれてしまうため、上記排気流動制御手段に係る排気圧力変化の検出精度が悪化し、上記排気流動制御手段の異常検出精度に問題を生じるおそれがある。
【００１１】
また、上記排気流動制御手段の作動時には排圧が上昇して、前記排気センサの出力が変化するため、前記排気センサの出力を空燃比制御等の排気低減制御にも使用している場合であると、これに伴って、空燃比制御等の排気低減制御も変化してしまい、排気低減制御の精度が低下して排気が悪化するという問題を生じるおそれがある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気の流動状態を制御する排気流動制御手段の異常を安価にして確実に検出可能にしながらも、排気流動制御手段の異常検出精度の低下及び空燃比制御等の排気低減制御の精度の低下を抑制できる内燃機関の排気浄化促進装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、排気流路に設けられて、排気の流動状態を制御することにより排気圧力を上昇可能な排気流動制御手段と、前記排気流動制御手段よりも上流側の前記排気流路に設けられて、排気中の特定成分濃度を検出する排気センサと、前記排気センサからの出力に基づいて排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出する故障診断手段と、前記排気流動制御手段よりも上流側の前記排気流路に設けられて、排気を浄化する排気浄化手段とを備え、前記排気センサが、排気低減制御を行うために、前記排気浄化手段の出口側近傍に設けられて特定成分濃度を検出するものであり、前記排気流動制御手段の作動中には、前記排気センサからの出力が、上記排気低減制御への利用を禁止されることを特徴とする。
【００１４】
従って、排気圧センサを別途設けることなく、既存の排気センサからの情報に基づいて排気圧力が推定されることになり、排気センサの出力を監視することで、排気流動制御手段の異常を検出することができる。これにより、安価にして確実に排気流動制御手段の故障を診断することができる。また、排気センサを排気浄化手段よりも下流側に設けることで、排気浄化手段による排気流の絞り効果等に伴う排気圧力の上昇の影響を受けることなく排気流動制御手段による排気圧力変化だけを検出することができる。これにより、排気流動制御手段の異常検出精度の低下を抑制することができる。また、排気流動制御手段の作動中に排圧の上昇に伴う排気センサの出力変化を生じても、空燃比制御等の排気低減制御の誤動作を防止することができ、排気低減制御の精度の低下を抑制して排気の悪化を防止することができる。
【００１５】
ここに、本発明は次のような知見に基づきなされたものであり、以下に説明する。一般に排気圧が増大すると、排気中の各成分の拡散速度が増加し分圧が増大する。一方、排気センサが例えばＯ2センサである場合に、Ｏ2センサ出力の理論式として下記の式（１）で示されるネルンストの式がよく知られている。
【００１６】
［ネルンストの式］
起電力（Ｏ2センサ出力）＝気体定数×作動温度
／（４×ファラデー定数）×ｌｎ（大気側Ｏ2分圧／排気側Ｏ2分圧） （１）
但し、排気側Ｏ2分圧は、下記の式（２）で表わされる。
排気側Ｏ2分圧＝排気圧×排気Ｏ2濃度 （２）
【００１７】
このネルンストの式は、つまり、排気圧が増大すると、Ｏ2成分の多いリーン空燃比側では排気側Ｏ2分圧が増加して起電力（Ｏ2センサ出力）が低下し、一方、Ｈ2成分の多いリッチ空燃比側では、Ｈ2分圧が増加する一方で排気側Ｏ2分圧が減少して起電力（Ｏ2センサ出力）が増大することを示している。このことは、即ち、起電力（Ｏ2センサ出力）を監視することにより、排気圧の増減を検出でき、例えば、大気圧下での目標出力と比較することにより、排気流動制御手段の異常を検出できることを意味する。
【００１８】
また、排気センサがＡ／Ｆセンサ（ＬＡＦＳ）である場合に、Ａ／Ｆセンサ出力の理論式として下記の式（３）、（４）で示されるポンプ電流の式がよく知られている。
【００１９】
［ポンプ電流の式］
リーン側でのポンプ電流（Ａ／Ｆセンサ出力）
＝４×ファラデー定数×Ｏ2拡散定数×拡散通路の開口部断面積
／（気体定数×作動温度×拡散通路の長さ）
×（排気側Ｏ2分圧−ガス検出室側（大気側）Ｏ2分圧）） （３）
リッチ側でのポンプ電流（Ａ／Ｆセンサ出力）
＝２×ファラデー定数×拡散通路の開口部断面積
／（気体定数×作動温度×拡散通路の長さ）
×Ｈ2拡散定数×排気側Ｈ2分圧×ＣＯ拡散定数×排気側ＣＯ分圧 （４）
ここで、リーン側でのポンプ電流及びリッチ側でのポンプ電流は、一方が正（＋）で他方が負（−）である。
【００２０】
このポンプ電流の式は、つまり、排気圧が増大すると、Ｏ2成分の多いリーン空燃比側では排気側Ｏ2分圧が増加してポンプ電流が増大し、Ａ／Ｆセンサ出力が増加し、一方、Ｈ2成分の多いリッチ空燃比側では、Ｈ2分圧が増加してポンプ電流が逆方向に増大し、Ａ／Ｆセンサ出力が減少することを示している。このことは、即ち、ポンプ電流（Ａ／Ｆセンサ出力）を監視することにより、排気圧の増減を検出でき、例えば、大気圧下での目標出力と比較することにより、排気流動制御手段の異常を検出できることを意味する。
【００２１】
なお、排気センサはＮＯｘセンサであってもよく、この場合においても理論式として上記ポンプ電流の式を適用することができる。
【００２２】
また、第二番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、第一番目の発明において、前記故障診断手段が、前記排気センサからの出力と基準圧下における同一成分濃度での目標出力とを比較することにより排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出するものであることを特徴とする。
【００２３】
従って、排気センサからの出力情報と予め設定された基準圧（例えば、大気圧等）下における同一成分濃度（同一排気空燃比）での目標出力とを比較することにより、容易にして適正に排気圧力が推定されることになり、当該排気センサの出力と目標出力との比較値を監視することにより、排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【００２４】
また、第三番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、第一番目の発明において、前記故障診断手段が、前記排気センサからの成分濃度の異なる複数の出力と基準圧下における各前記成分濃度での複数の目標出力との関係に基づいて排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出するものであることを特徴とする。
【００２５】
従って、排気センサからの成分濃度（排気空燃比）の異なる複数の出力情報と予め設定された基準圧（例えば、大気圧等）下における各成分濃度（各排気空燃比等）での複数の目標出力との関係、例えば複数の排気センサ出力の差と複数の目標出力の差との比を求めることにより、排気センサの出力信号に含まれるノイズ等の排気圧以外の誤差要因を排除して排気圧力がより適正に推定されることになり、当該排気センサの複数の出力と複数の目標出力との関係を監視することにより、排気流動制御手段の異常を精度よく検出することができる。
【００２６】
また、第四番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記排気センサが、二以上の成分濃度を検出可能なものであり、排気空燃比がリーン空燃比のときには、少なくとも一つの特定成分濃度を検出し、排気空燃比がリッチ空燃比のときには、他の特定成分濃度を検出することを特徴とする。
【００２７】
従って、例えば、リーン空燃比では排気中にＯ2成分が多く、リッチ空燃比では排気中にＨ2成分が多いが、これらリーン空燃比における一つの特定成分（Ｏ2成分）とリッチ空燃比における他の特定成分（Ｈ2成分）を排気センサでそれぞれ検出することができると、リーン空燃比かリッチ空燃比かに拘わらず常に良好に排気圧力が推定されることになり、排気センサの出力を監視することで、空燃比に拘わらず広い空燃比範囲で排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明による内燃機関の排気浄化促進装置の実施の形態を図１〜９に基づいて説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化促進装置の概略構成図、図２は、バタフライ弁の説明図、図３は、第一番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図４は、第二番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図５は、第三番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図６は、目標Ａ／ＦとＡ／Ｆセンサ出力との関係を表わすグラフ、図７は、第四番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図８は、第五番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図９は、他の実施の形態に係る誤作動防止ルーチンを示すフローチャートである。
【００３１】
まず、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化促進装置の構成を説明する。図１に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下単に「エンジン」という。）１としては、例えば、燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）と共に圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施できる筒内噴射型の火花点火式のガソリンエンジンを適用している。このガソリンエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）を実現することができる。なお、このガソリンエンジン１として、本実施の形態では四気筒のエンジンを適用している。
【００３２】
前記エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４と共に電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射することができる。点火プラグ４には、高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した図示しない燃料供給装置が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプ及び高圧燃料ポンプが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧又は高燃圧で供給し、当該燃料を燃料噴射弁６から燃料室内に向けて所望の燃圧で噴射することができる。
【００３３】
前記シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端が分岐してそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１０には、吸入空気量を調整する電磁式のスロットル弁１４が設けられている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端が分岐してそれぞれ接続されている。
【００３４】
なお、上記エンジン１は、その構造が周知であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３５】
前記排気マニホールド１２の他端には、排気管（排気通路）２０が接続されている。排気管２０には、排気浄化触媒装置（排気浄化手段）として三元触媒３０が介装されている。この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。
【００３６】
前記排気管２０の三元触媒３０よりも下流側には、排気中の特定成分濃度を検出する排気センサ２２が配設されている。さらに、この排気センサ２２よりも下流側には、排気流動制御装置４０が介装されている。排気流動制御装置４０は、排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2等の未燃物の他、スモーク、ＮＯｘ等を含む）の低減を促進させることを目的とする装置であり、排気圧、排気密度及び排気流速の少なくともいずれか一つを変更することができるようになっている。具体的には、当該排気流動制御装置４０は、排気管２０の流路面積を調節できる密閉型の開閉弁４２が電子コントロールユニット（ＥＣＵ）６０に電気的に接続されたものである。
【００３７】
前記開閉弁４２としては、種々の方式が考えられるが（例えばバタフライ弁やポペット弁等）、本実施の形態では、図２に示すようなバタフライ弁を適用している。このバタフライ弁は、排気管２０を貫通する軸４３回りに円盤４４が回転することで排気管２０の流路面積を調節することができるようになっている。なお、開閉弁４２は、図示しないアクチュエータで作動するようになっている。
【００３８】
ＥＣＵ６０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、エンジン１を含めた排気浄化促進装置の総合的な制御を行うことができる。ＥＣＵ６０の入力側には、上述した排気センサ２２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００３９】
一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、開閉弁４２等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスに、各種センサ類からの検出情報に基づき推定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、弁開度等の各種情報がそれぞれ出力されることにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施され、所望の弁開度となるよう適正なタイミングで開閉弁４２が開閉操作される。さらに、ＥＣＵ６０の出力側には、警告ランプ５０も接続されている。
【００４０】
このように構成された本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化促進装置の作用、即ち、前記開閉弁４２により構成される排気流動制御装置４０の故障診断手法について説明する。
【００４１】
上述したように、エンジン１が冷態状態にあるときには、三元触媒３０を早期に活性化させるべく一時的に開閉弁４２を閉弁操作するようにしている。これにより、排気管２０内の排気圧が上昇して排気管２０内の未燃焼の燃料の反応が促進されて排気温度が上昇することになり、三元触媒３０が早期に活性化される。
【００４２】
ところで、密閉型の開閉弁４２は、高温高圧の環境下にあるため、長期間に亘って使用していると、故障して開閉が十分になされなく場合がある。このように開閉弁４２が故障して排気流動制御装置４０としての機能が損なわれると、上述したように、開閉弁４２が十分に閉弁しない場合には、エンジン１の冷態時において有害物質を十分に浄化できなくなるおそれがあり、一方、開閉弁４２が十分に開弁しない場合には、排気効率が低下して内燃機関の出力が低下するといった不具合を発生するおそれがある。
【００４３】
そこで、本実施の形態では、排気低減制御を行うために、前記三元触媒３０の出口側近傍に設けられている前記排気センサ２２が排気中の特定成分の分圧を利用して濃度検出していることに着目し、当該排気センサ２２の出力に基づいて排気圧を推定し、開閉弁４２の故障、即ち、排気流動制御装置４０の異常を診断するようにしている（故障診断手段）。
【００４４】
なお、特定成分の分圧を利用する排気センサ２２には、Ｏ2センサ、Ａ／Ｆセンサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、ＣＯセンサ、Ｈ2センサ等の種々のセンサがあるが、本実施の形態では、Ｏ2センサを適用した場合及びＡ／Ｆセンサを適用した場合についてそれぞれ説明する。
【００４５】
［第一番目の実施の形態］
第一番目の実施の形態は、排気センサ２２としてＯ2センサを利用した場合である。なお、Ｏ2センサを利用した場合には、先に説明したネルンストの式が適用される。
【００４６】
図３に示すように、ステップＳ１０では、Ｏ2センサからの情報に基づき、排気空燃比がリッチ空燃比（ストイキを含む）、即ち、排気がリッチ雰囲気にあるか否かを判別する。このようにリッチ雰囲気であるか否かを判別するのは、上述したように、排気空燃比がリッチ空燃比であるときには、排気圧が増大するとＨ2分圧が増加してＯ2センサ出力が増大することになるが、この変化度合いがリーン空燃比でのＯ2分圧の変化よりも明確であって故障診断に適しているからである。
【００４７】
ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合、即ち、リーン雰囲気の場合には、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、開閉弁４２が閉状態（ここでは全閉状態）であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で全閉と判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００４８】
開閉弁４２が閉状態である場合には、排気圧は予め設定された所定の高圧（例えば、８００ｍｍＨｇ＝１０６７ｈＰａ）にまで達しているはずであり、この所定圧に対応するＯ2センサ出力Ａ0も実験等により分かっている。そこで、ステップＳ１４では、Ｏ2センサ出力が上記Ｏ2センサ出力Ａ0近傍にあるか否かを判別する。ここでは、検出されるＯ2センサ出力が所定値Ａ2（但し、Ａ0（所定圧：８００ｍｍＨｇ）≦Ａ2）より小さいか否かを判別する。
【００４９】
ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ2より小さい場合には、開閉弁４２が閉状態であるにも拘わらず、Ｈ2分圧が低く、排気圧が十分に上がっていないような異常な状況と考えられる。つまり、開閉弁４２に何らかの故障が発生していると考えられる。従って、このような場合には、次にステップＳ１６に進み、開閉弁４２が故障と判定し、警告ランプ５０を点灯して運転者に異常を知らせる。
【００５０】
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ2以上である場合には、排気圧が十分に上がっており、開閉弁４２は正常に作動していると判定できる。従って、この場合には、次にステップＳ１８に進み、故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００５１】
また、ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、開閉弁４２が開状態（ここでは全開状態）にある場合には、次にステップＳ１９に進む。開閉弁４２が開状態である場合には、排気圧は大気圧近傍値となるはずであり、この場合、Ｏ2センサ出力は通常使用時の値を示す。そこで、ステップＳ１９では、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ3（但し、Ａ3≧Ａ0（所定圧：８００ｍｍＨｇ））より大きいか否かを判別する。
【００５２】
ステップＳ１９の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ3を超えている場合には、開閉弁４２が開状態であるにも拘わらず、Ｈ2分圧が高く、排気圧が十分に上がってしまっている異常な状況と考えられる。つまり、開閉弁４２に何らかの故障が発生していると考えられる。従って、このような場合には、前記ステップＳ１６に進み、上述と同様に、開閉弁４２が故障と判定し、警告ランプ５０を点灯して運転者に異常を知らせる。
【００５３】
一方、ステップＳ１９の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ3以下である場合には、排気圧は十分に低く、開閉弁４２は正常に作動していると判定できる。従って、この場合には、前記ステップＳ１８に進み、上述と同様に、故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００５４】
［第二番目の実施の形態］
第二番目の実施の形態は、上述した第一番目の実施の形態の場合と同様に、排気センサ２２としてＯ2センサを利用した場合であり、先に説明したネルンストの式が適用される。なお、上述した第一番目の実施の形態の場合と同様な部分については、重複する説明を省略し、上述した第一番目の実施の形態の場合と異なる部分についてのみ説明する。
【００５５】
図３に示すように、ステップＳ２０で前記ステップＳ１０と同様にリッチ雰囲気であるか否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、次にステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、同一リッチ雰囲気（同一成分濃度）の下、Ｏ2センサ出力と開閉弁４２の開度に応じて設定されたＯ2センサの目標出力との差の絶対値が所定値Ａ4よりも大きい（｜Ｏ2センサ出力−目標出力｜＞Ａ4）か否かを判別する。
【００５６】
つまり、本実施の形態では、上述した第一番目の実施の形態の場合と異なり、開閉弁４２が閉状態であるか開状態であるかによらず、実際のＯ2センサ出力と予め設定された目標出力との差を検出することにより、排気圧のずれを監視するようにしている。このようにすれば、開閉弁４２が全閉及び全開以外の中間の開度に調整された場合であっても、排気圧の異常な状況を確実に検出でき、開閉弁４２の故障を的確に判定することができる。
【００５７】
このような本実施の形態では、ステップＳ２２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ出力と目標出力との差の絶対値が所定値Ａ4よりも大きい場合には、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が高すぎる、又は、低すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、次にステップＳ２４に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００５８】
一方、ステップＳ２２の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ出力と目標出力との差の絶対値が所定値Ａ4以下である場合には、排気圧は目標とする排気圧に近く、開閉弁４２は正常に作動していると判定でき、この場合には、次にステップＳ２６に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００５９】
［第三番目の実施の形態］
第三番目の実施の形態は、排気センサ２２としてＡ／Ｆセンサを利用した場合である。なお、Ａ／Ｆセンサを利用した場合には、先に説明したポンプ電流の式が適用される。
【００６０】
図５に示すように、ステップＳ３０では、Ａ／Ｆセンサからの情報に基づき、排気空燃比がリーン空燃比、即ち、排気がリーン雰囲気にあるか否かを判別する。このようにＡ／Ｆセンサの場合にリーン雰囲気であるか否かを判別するのは、排気空燃比がリーン空燃比であるときには、排気圧変化に応じたＡ／Ｆセンサ出力（Ａ／Ｆ）の変化度合いが明確であって故障診断に適しているからである。
【００６１】
つまり、図６からわかるように、排気圧を大気圧（破線）及び所定の高圧（例えば、８００ｍｍＨｇ＝１０６７ｈＰａ）（実線）とした場合、空燃比Ａ／Ｆがリーン空燃比の範囲では、排気圧が高圧になるとＡ／Ｆセンサの出力値の変化が大きく現れるからである。
【００６２】
ステップＳ３０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合、即ち、リッチ雰囲気の場合には、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ３０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、同一リーン雰囲気（同一成分濃度）の下、Ａ／Ｆセンサ出力と開閉便４２の開度に応じて設定されたＡ／Ｆセンサの目標Ａ／Ｆ（目標出力）との差の絶対値が所定値Ｂ1よりも大きい（｜Ａ／Ｆセンサ出力−目標Ａ／Ｆ｜＞Ｂ1）か否かを判別する。
【００６３】
つまり、本実施の形態では、上述した第二番目の実施の形態の場合と同様、開閉弁４２が閉状態であるか開状態であるかによらず、実際のＡ／Ｆセンサ出力と予め設定された目標Ａ／Ｆとの差を検出することにより、排気圧のずれを監視するようにしている。これにより、開閉弁４２が全閉及び全開以外の中間の開度に調整された場合であっても、Ａ／Ｆセンサにより排気圧の異常な状況を確実に検出でき、開閉弁４２の故障を常時良好に判定することができる。
【００６４】
このような本実施の形態では、ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ａ／Ｆセンサ出力と目標Ａ／Ｆとの差の絶対値が所定値Ｂ1よりも大きい場合には、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が高すぎる、又は、低すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、次にステップＳ３４に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００６５】
一方、ステップＳ３２の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ａ／Ｆセンサ出力と目標Ａ／Ｆとの差の絶対値が所定値Ｂ1以下である場合には、排気圧は目標とする排気圧に近く、開閉弁４２は正常に作動していると判定でき、この場合には、次にステップＳ３６に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００６６】
［第四番目の実施の形態］
第四番目の実施の形態は、上述した第三番目の実施の形態と同様に、排気センサ２２としてＡ／Ｆセンサを利用した場合であり、先に説明したポンプ電流の式が適用される。なお、本実施の形態は、空燃比Ａ／Ｆが、リーン空燃比である場合のＡ／Ｆセンサ出力と、リッチ空燃比（ストイキを含む）である場合のＡ／Ｆセンサ出力との双方を使用する点において、前述した第三番目の実施の形態と異なる。
【００６７】
図７に示すように、まず、ステップＳ４０において、開閉弁４２が所定の開度に設定されると、空燃比Ａ／Ｆが所定のリーン空燃比である場合のＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦがＬＡＦ０として読み込まれると共に、同一空燃比近傍でのＯ2分圧に基づくＡ／Ｆセンサ出力（一つの特定成分濃度）がＬＡＦ１として検出される。つまり、空燃比Ａ／Ｆが所定のリーン空燃比となったときのＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦのＬＡＦ０とＡ／Ｆセンサ出力のＬＡＦ１とがＥＣＵ６０に記憶される。
【００６８】
また、ステップＳ４２では、開閉弁４２が上記所定の開度に設定され且つ空燃比Ａ／Ｆが所定のリッチ空燃比（又はストイキ）である場合のＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦがＲＡＦ０として読み込まれると共に、同一空燃比近傍でのＨ2分圧に基づくＡ／Ｆセンサ出力（他の特定成分濃度）がＲＡＦ１として検出される。つまり、空燃比Ａ／Ｆが所定のリッチ空燃比となったときのＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦのＲＡＦ０とＡ／Ｆセンサ出力のＲＡＦ１とがＥＣＵ６０に記憶される。
【００６９】
そして、このようにＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦのＬＡＦ０及びＲＡＦ０とＡ／Ｆセンサ出力のＬＡＦ１及びＲＡＦ１とが求められたら、次のステップＳ４４において、開閉弁４２が閉状態（本実施の形態では全閉状態）であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、開閉弁４２が開状態である場合には、次にステップＳ４５において、下記の式（５）が成立するか否かを判別する。
【００７０】
（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）／（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）＞Ｃ１ （５）
【００７１】
つまり、リーン空燃比とリッチ空燃比におけるＡ／Ｆセンサ出力の差（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）と目標Ａ／Ｆの差（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）との比が所定値Ｃ１よりも大きいか否かを判別する。即ち、Ａ／Ｆセンサ出力の傾きを求め、この値が所定値Ｃ１よりも大きいか否かを判別する。これは、図６に示したように、Ａ／Ｆセンサ出力は、排気圧が増減変化してもストイキ近傍では目標Ａ／Ｆのままに保持され、排気圧が増減するとストイキ近傍を中心としてＡ／Ｆセンサの出力勾配が変化し、上記値が変化するためである。
【００７２】
そして、このようにＡ／Ｆセンサ出力の差（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）と目標Ａ／Ｆの差（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）とをとり、さらにこれらの比をとるようにすると、Ａ／Ｆセンサ出力に含まれるノイズ、即ち、排気圧以外の要因による出力誤差を排除することができる。
【００７３】
具体的には、Ａ／Ｆセンサ出力のＬＡＦ１及びＲＡＦ１は、「目標Ａ／Ｆ＋排気圧以外の要因による出力誤差＋排気圧による出力誤差」、又は、「目標Ａ／Ｆ×排気圧以外の要因による出力誤差×排気圧による出力誤差」として示され、排気圧以外の要因による出力誤差が目標Ａ／Ｆに対して加算又は乗算されてしまう。
【００７４】
ここで、排気圧以外の要因による出力誤差の作用する方向は常に同一方向である一方、排気圧による出力誤差は上述したようにリーン側とリッチ側とで逆になるので、Ａ／Ｆセンサ出力の差（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）と目標Ａ／Ｆの差（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）とをとれば、排気圧以外の要因による上記加算に伴う誤差をなくすことができると共に、Ａ／Ｆセンサ出力の比（ＬＡＦ１／ＲＡＦ１）及び目標Ａ／Ｆの比（ＬＡＦ０／ＲＡＦ０）をとり、さらにこれらの比を求めて判別を行うことにより、排気圧以外の要因による上記乗算に伴う誤差をなくすことができる。
【００７５】
これにより、排気圧以外の要因による出力誤差を一切排除し、排気圧による出力誤差のみを純粋に考慮して排気圧のずれを監視することができ、開閉弁４２の故障を精度よく判定することができる。
【００７６】
このような本実施の形態では、ステップＳ４５の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記式（５）が成立する場合には、Ａ／Ｆセンサの上記出力勾配が大きくなり、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が高すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、次にステップＳ４６に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００７７】
一方、ステップＳ４５の判別結果が偽（Ｎｏ）で、上記式（５）が成立しない場合には、排気圧は目標とする排気圧に近く、開閉弁４２は正常に作動していると判定でき、この場合には、次にステップＳ４８に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００７８】
また、ステップＳ４４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、開閉弁４２が閉状態である場合には、次にステップＳ４７において下記の式（６）が成立するか否かを判別する。
【００７９】
（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）／（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）＜Ｃ２ （６）
【００８０】
このような本実施の形態では、ステップＳ４７の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記式（６）が成立する場合には、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が低すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、前記ステップＳ４６に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００８１】
一方、ステップＳ４７の判別結果が偽（Ｎｏ）で、上記式（６）が成立しない場合には、前記ステップＳ４８に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００８２】
［第五番目の実施の形態］
第五番目の実施の形態は、上述した第三、四番目の実施の形態と同様に、排気センサ２２としてＡ／Ｆセンサを利用した場合であり、先に説明したポンプ電流の式が適用される。なお、本実施の形態は、開閉弁４２が、開状態である場合のＡ／Ｆセンサ出力と、閉状態である場合のＡ／Ｆセンサ出力との双方を使用する点において、前述した第三、四番目の実施の形態と異なる。
【００８３】
図８に示すように、ステップＳ５０では、目標Ａ／Ｆが所定値ＡＦ１（例えば、２０）より大きいか否かを判別する。このような判別を行うのは、前述した第三番目の実施の形態のステップＳ３０において、排気がリーン雰囲気にあるか否かを判別したのと同様の理由によるものである。ステップＳ５０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、そのまま当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次のステップＳ５２に進む。
【００８４】
ステップＳ５２では、目標排気圧が所定値Ｐ１（例えば、５００ｍｍＨｇ＝６６７ｈＰａ）以上であるか否かを判別する。つまり、開閉弁４２が閉状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ５４に進む。ステップＳ５４では、下記の式（７）から閉状態における指標１を求める。
【００８５】
【００８６】
一方、ステップＳ５２の判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、目標排気圧が所定値Ｐ１よりも小さい場合には、次にステップＳ５６に進み、目標排気圧が所定値Ｐ２（例えば、１００ｍｍＨｇ＝１３３ｈＰａ）よりも小さいか否かを判別する。つまり、開閉弁４２が開状態にあるか否かを上述と同様に判別する。なお、開閉弁４２が開状態にある場合には、目標排気圧は大気圧に等しくなるが、このように目標排気圧がある程度小さければ故障判定は可能である。
【００８７】
ステップｓ５６の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、当該ルーチンを抜け、真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ５８に進む。ステップＳ５８では、下記の式（８）から開状態における指標２を求める。
【００８８】
【００８９】
なお、ここでは、排気圧の影響が少ないストイキを原点としてＡ／Ｆセンサ出力の傾きを、
（Ａ／Ｆセンサ出力−ストイキＡ／Ｆ）／（目標Ａ／Ｆ−ストイキＡ／Ｆ）
として求めて指標１及び指標２を設定するようにしたが、指標１及び指標２を、
Ａ／Ｆセンサ出力−目標Ａ／Ｆ、
又は、
（Ａ／Ｆセンサ出力）／（目標Ａ／Ｆ）
とすることも可能である。
【００９０】
また、指標１及び指標２としては、目標排気圧がそれぞれ所定値Ｐ１、所定値Ｐ２に切り換わる直前、直後に求めた指標を使用するのがよく、これにより、指標１及び指標２が共に同一運転条件下での指標となり、故障判定の精度が向上する。また、指標１及び指標２は平均値を求めてもよいが、瞬時値を用いることも可能である。また、ストイキＡ／Ｆは使用燃料に応じて変更するのが望ましいが、固定値とすることも可能である。
【００９１】
ステップＳ６０では、指標１及び指標２が求められているか否かを判別する。上述したようにして指標１及び指標２が求められている場合には、次にステップＳ６２に進む。ステップＳ６２では、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１（例えば、０．４）より小さい（指標１−指標２＜Ｄ１）か否かを判別する。つまり、本実施の形態では、開閉弁４２の作動前後のＡ／Ｆセンサ出力の関係から故障判定を行うようにする。
【００９２】
ここで、所定値Ｄ１は固定値であってもよいが、目標排気圧に応じて変更するようにすることも可能である。また、本実施の形態では、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１より小さいか否かを判別するようにしているが、指標１と指標２との比が所定値Ｄ２より小さい（指標１／指標２＜Ｄ２）か否か判別するようにすることも可能である。
【００９３】
ステップＳ６２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１より小さい場合には、異常な状況と判断でき、この場合には、次にステップＳ６４に進み、上述した場合と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００９４】
一方、ステップＳ６２の判別結果が偽（Ｎｏ）で、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１以上の場合には、問題はないと判定でき、この場合には、次にステップＳ６６に進み、上述した場合と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００９５】
なお、ステップＳ５２及びステップＳ５６の判別において、判別閾値である所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とをそれぞれ別の値としたが、所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とは同じ値であってもよい。また、本実施の形態を前述した第三、四番目の実施の形態の場合と組み合わせて併用することも可能である。
【００９６】
以上、第一〜五番目の実施の形態においては、前記排気センサ２２を前記触媒３０の下流側（出口側近傍）に設置していることから、いずれの実施の形態においても、当該排気センサ２２が当該触媒３０の絞り効果による排圧変化の影響を受けないので、排気流動制御装置４０による排圧変化のみを検出することが可能となり、当該排気流動制御装置４０の異常検出精度が向上する。
【００９７】
［他の実施の形態］
なお、前述した第一〜五番目の実施の形態のように、前記排気センサ２２が、排気低減制御を行うために、前記触媒３０の出口側近傍に設けられて特定成分濃度を検出するものである場合、例えば、図９に示すように、ステップＳ７０において、前記排気流動制御装置４０が作動中か否かを判別し、ステップＳ７０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、排気流動制御装置４０が作動中の場合には、次にステップＳ７２に進み、前記排気センサ２２からの出力の上記排気低減制御への利用を禁止し、一方、ステップＳ７１の判別結果が偽（Ｎｏ）で、排気流動制御装置４０の作動が停止中の場合には、問題ないと判定して、次にステップＳ７４に進み、前記排気センサ２２からの出力の上記排気低減制御への利用を許可するようにすれば、排気流動制御装置４０の作動中に排圧の上昇に伴う排気センサ２２の出力変化を生じても、空燃比制御等の排気低減制御の誤動作を防止することができ、排気低減制御の精度の低下を抑制して排気の悪化を防止することができる。
【００９８】
また、前述した第三〜五番目の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサを用いるようにしたが、Ａ／Ｆセンサに代えてＮＯｘセンサを用いることも可能であり、ＮＯｘセンサは、Ａ／Ｆセンサと作動原理が同じであるため、Ａ／Ｆセンサの場合と同様な効果を得ることができる。
【００９９】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、排気低減制御に使用する排気センサ２２からの出力に基づいて排気流動制御装置４０の異常を診断するようにしたが、この排気センサ２２とは別に、異常診断用の排気センサを新たに設け、当該排気センサからの出力に基づいて排気流動制御手段の異常診断を行うことも可能である。
【０１００】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、センサ出力を使用したが、例えば、センサ出力を排圧に変換して、変換後の排圧に基づいて故障診断を行うことも可能である。
【０１０１】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、排気流動制御装置４０として、密閉型の開閉弁４２を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、排気圧を可変制御可能なものであれば、排気流動制御装置４０として適用することが可能である。
【０１０２】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、排気浄化手段として三元触媒３０を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、他の触媒や排気流の絞り効果を伴う他の排気浄化手段に適用することも可能である。
【０１０３】
【発明の効果】
第一番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、排気圧センサを別途設けることなく、既存の排気センサからの情報に基づいて排気圧力を推定でき、排気センサの出力を監視して、排気流動制御手段の異常を検出することにより、安価にして確実に排気流動制御手段の故障を診断することができる。また、排気センサを排気浄化手段よりも下流側に設けることで、排気浄化手段による排気流の絞り効果等に伴う排気圧力の上昇の影響を受けることなく排気流動制御手段による排気圧力変化だけを検出することができる。これにより、排気流動制御手段の異常検出精度の低下を抑制することができる。また、排気流動制御手段の作動中に排圧の上昇に伴う排気センサの出力変化を生じても、空燃比制御等の排気低減制御の誤動作を防止することができ、排気低減制御の精度の低下を抑制して排気の悪化を防止することができる。
【０１０４】
第二番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、排気センサからの出力情報と予め設定された基準圧下における同一成分濃度での目標出力とを比較することにより、容易にして適正に排気圧力を推定でき、当該排気センサの出力と目標出力との比較値を監視することにより、排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【０１０５】
第三番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、排気センサからの成分濃度の異なる複数の出力情報と予め設定された基準圧下における各成分濃度での複数の目標出力との関係、例えば複数の排気センサ出力の差と複数の目標出力の差との比を求めることにより、排気センサの出力信号に含まれるノイズ等の排気圧以外の誤差要因を排除して排気圧力をより適正に推定でき、当該排気センサの複数の出力と複数の目標出力との関係を監視することにより、排気流動制御手段の異常を精度よく検出することができる。
【０１０６】
第四番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、リーン空燃比では排気中にＯ２成分が多く、リッチ空燃比では排気中にＨ２成分が多いが、これらリーン空燃比における一つの特定成分（Ｏ2成分）とリッチ空燃比における他の特定成分（Ｈ2成分）を排気センサでそれぞれ検出することにより、リーン空燃比かリッチ空燃比かに拘わらず常に良好に排気圧力を推定でき、排気センサの出力を監視することにより、空燃比に拘わらず広い空燃比範囲で排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化促進装置の概略構成図である。
【図２】バタフライ弁の説明図である。
【図３】第一番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】第二番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】第三番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】目標Ａ／ＦとＡ／Ｆセンサ出力との関係を表わすグラフである。
【図７】第四番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】第五番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】他の実施の形態に係る誤作動防止ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン本体
２０ 排気管
２２ 排気センサ
３０ 三元触媒
４０ 排気流動制御装置
４２ 開閉弁
５０ 警告ランプ
６０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
本発明は、内燃機関の排気浄化促進装置に係り、詳しくは、排気中の有害物質の排出量低減効果を高める排気流動制御手段の故障診断技術に関する。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2等の未燃物の他、スモーク、ＮＯｘ等を含む）を低減させることを目的とした技術として、触媒上での反応を利用した排気浄化技術がある。しかしながら、当該排気浄化技術は、触媒が活性化されるまでの間にＨＣ等の未燃物が大気中に放出されるという問題があり、このように触媒活性化までに放出される有害物質量は、コールドモードでの全放出量の９割にも達する場合があり重要な問題となっている。
【０００３】
そこで、例えば、下記特許文献１，２等に記載されているように、排気圧上昇により冷態時に触媒を早期活性化させる技術が開発されている。ここでは、例えば、排気通路下流に排気流動制御手段として密閉型の可変排気バルブを設け、当該可変排気バルブを調節して排気管の断面積を変更させ、排気通路抵抗や排気密度を上昇させたり、排気流速を低下させることにより、排気圧や排気温度の上昇を図るようにしている。
【０００４】
このように排気圧を上昇させたりすると、例えば、排気系内に未燃物を供給した場合（燃料の二段噴射等）、ＥＧＲ（排気再循環）を実施した場合、排気空燃比の変調（排気Ａ／Ｆ変調）を実施した場合において、各性能が増強されて、排気通路内の未燃物の反応が促進されて排気温度が上昇し、触媒が早期に活性化されて排気の浄化が飛躍的に促進されるようになる。
【０００５】
ところで、上記可変排気バルブは、高温高圧の環境下に置かれるため、長期間使用していると、故障して正常に作動しなくなる場合がある。このように可変排気バルブが正常に作動しなくなると、排気圧を上昇させたいにも拘わらずバルブが閉弁作動せず、排気圧が実際には上昇しなかったり、排気圧を上昇させたくないにも拘わらずバルブが閉弁作動したままとなり、排気圧が高い状態のまま保持されるといった現象が発生する。
【０００６】
そして、排気圧が上昇しなくなると、排気の浄化が促進されないために触媒活性化までに放出される有害物質を十分に浄化できなくなるおそれがあり、また、排気圧が高いままに保持されると、排気効率が低下して内燃機関の出力が低下してしまい好ましいことではない。
【０００７】
そこで、排気通路に排気圧センサを設け、当該排気圧センサからの排気圧情報に基づいて前記可変排気バルブ等の排気流動制御手段の異常を検出することが考えられている。特に、排気通路が一本である場合には、排気流動制御手段に異常が発生し当該排気通路の排気圧が意図に反して増減すると、内燃機関の運転状態に多大な影響を与えることになるため、このような排気流動制御手段の異常検出はとりわけ重要である。
【０００８】
しかしながら、排気圧センサを用いる場合、当該排気圧センサを別途設けなければならず、一般に排気圧センサは高温高圧に耐える仕様であるため高価であり、部品コストが増大するという問題がある。そこで、例えば、下記特許文献３等では、空燃比制御等の排気低減制御を行うために、触媒等の排気浄化手段の入口側近傍に設けられて排気中の特定成分（例えば酸素）の濃度を検出する排気センサを利用して、当該排気センサからの特定成分濃度情報に基づいて排気圧力を推定し、前記可変排気バルブ等の排気流動制御手段の異常を検出することを提案している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平３−１１７６１１号公報
【特許文献２】
特開平４−１８３９２１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５６９５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、排気圧力は、触媒による排気流の絞り効果等により、触媒の上流側で上昇してしまう場合がある。このため、前記排気センサの出力変化は、前記排気流動制御手段による排気圧力変化だけではなく、上記触媒による絞り効果の影響等も含まれてしまうため、上記排気流動制御手段に係る排気圧力変化の検出精度が悪化し、上記排気流動制御手段の異常検出精度に問題を生じるおそれがある。
【００１１】
また、上記排気流動制御手段の作動時には排圧が上昇して、前記排気センサの出力が変化するため、前記排気センサの出力を空燃比制御等の排気低減制御にも使用している場合であると、これに伴って、空燃比制御等の排気低減制御も変化してしまい、排気低減制御の精度が低下して排気が悪化するという問題を生じるおそれがある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気の流動状態を制御する排気流動制御手段の異常を安価にして確実に検出可能にしながらも、排気流動制御手段の異常検出精度の低下及び空燃比制御等の排気低減制御の精度の低下を抑制できる内燃機関の排気浄化促進装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、排気流路に設けられて、排気の流動状態を制御することにより排気圧力を上昇可能な排気流動制御手段と、前記排気流動制御手段よりも上流側の前記排気流路に設けられて、排気中の特定成分濃度を検出する排気センサと、前記排気センサからの出力に基づいて排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出する故障診断手段と、前記排気流動制御手段よりも上流側の前記排気流路に設けられて、排気を浄化する排気浄化手段とを備え、前記排気センサが、排気低減制御を行うために、前記排気浄化手段の出口側近傍に設けられて特定成分濃度を検出するものであり、前記排気流動制御手段の作動中には、前記排気センサからの出力が、上記排気低減制御への利用を禁止されることを特徴とする。
【００１４】
従って、排気圧センサを別途設けることなく、既存の排気センサからの情報に基づいて排気圧力が推定されることになり、排気センサの出力を監視することで、排気流動制御手段の異常を検出することができる。これにより、安価にして確実に排気流動制御手段の故障を診断することができる。また、排気センサを排気浄化手段よりも下流側に設けることで、排気浄化手段による排気流の絞り効果等に伴う排気圧力の上昇の影響を受けることなく排気流動制御手段による排気圧力変化だけを検出することができる。これにより、排気流動制御手段の異常検出精度の低下を抑制することができる。また、排気流動制御手段の作動中に排圧の上昇に伴う排気センサの出力変化を生じても、空燃比制御等の排気低減制御の誤動作を防止することができ、排気低減制御の精度の低下を抑制して排気の悪化を防止することができる。
【００１５】
ここに、本発明は次のような知見に基づきなされたものであり、以下に説明する。一般に排気圧が増大すると、排気中の各成分の拡散速度が増加し分圧が増大する。一方、排気センサが例えばＯ2センサである場合に、Ｏ2センサ出力の理論式として下記の式（１）で示されるネルンストの式がよく知られている。
【００１６】
［ネルンストの式］
起電力（Ｏ2センサ出力）＝気体定数×作動温度
／（４×ファラデー定数）×ｌｎ（大気側Ｏ2分圧／排気側Ｏ2分圧） （１）
但し、排気側Ｏ2分圧は、下記の式（２）で表わされる。
排気側Ｏ2分圧＝排気圧×排気Ｏ2濃度 （２）
【００１７】
このネルンストの式は、つまり、排気圧が増大すると、Ｏ2成分の多いリーン空燃比側では排気側Ｏ2分圧が増加して起電力（Ｏ2センサ出力）が低下し、一方、Ｈ2成分の多いリッチ空燃比側では、Ｈ2分圧が増加する一方で排気側Ｏ2分圧が減少して起電力（Ｏ2センサ出力）が増大することを示している。このことは、即ち、起電力（Ｏ2センサ出力）を監視することにより、排気圧の増減を検出でき、例えば、大気圧下での目標出力と比較することにより、排気流動制御手段の異常を検出できることを意味する。
【００１８】
また、排気センサがＡ／Ｆセンサ（ＬＡＦＳ）である場合に、Ａ／Ｆセンサ出力の理論式として下記の式（３）、（４）で示されるポンプ電流の式がよく知られている。
【００１９】
［ポンプ電流の式］
リーン側でのポンプ電流（Ａ／Ｆセンサ出力）
＝４×ファラデー定数×Ｏ2拡散定数×拡散通路の開口部断面積
／（気体定数×作動温度×拡散通路の長さ）
×（排気側Ｏ2分圧−ガス検出室側（大気側）Ｏ2分圧）） （３）
リッチ側でのポンプ電流（Ａ／Ｆセンサ出力）
＝２×ファラデー定数×拡散通路の開口部断面積
／（気体定数×作動温度×拡散通路の長さ）
×Ｈ2拡散定数×排気側Ｈ2分圧×ＣＯ拡散定数×排気側ＣＯ分圧 （４）
ここで、リーン側でのポンプ電流及びリッチ側でのポンプ電流は、一方が正（＋）で他方が負（−）である。
【００２０】
このポンプ電流の式は、つまり、排気圧が増大すると、Ｏ2成分の多いリーン空燃比側では排気側Ｏ2分圧が増加してポンプ電流が増大し、Ａ／Ｆセンサ出力が増加し、一方、Ｈ2成分の多いリッチ空燃比側では、Ｈ2分圧が増加してポンプ電流が逆方向に増大し、Ａ／Ｆセンサ出力が減少することを示している。このことは、即ち、ポンプ電流（Ａ／Ｆセンサ出力）を監視することにより、排気圧の増減を検出でき、例えば、大気圧下での目標出力と比較することにより、排気流動制御手段の異常を検出できることを意味する。
【００２１】
なお、排気センサはＮＯｘセンサであってもよく、この場合においても理論式として上記ポンプ電流の式を適用することができる。
【００２２】
また、第二番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、第一番目の発明において、前記故障診断手段が、前記排気センサからの出力と基準圧下における同一成分濃度での目標出力とを比較することにより排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出するものであることを特徴とする。
【００２３】
従って、排気センサからの出力情報と予め設定された基準圧（例えば、大気圧等）下における同一成分濃度（同一排気空燃比）での目標出力とを比較することにより、容易にして適正に排気圧力が推定されることになり、当該排気センサの出力と目標出力との比較値を監視することにより、排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【００２４】
また、第三番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、第一番目の発明において、前記故障診断手段が、前記排気センサからの成分濃度の異なる複数の出力と基準圧下における各前記成分濃度での複数の目標出力との関係に基づいて排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出するものであることを特徴とする。
【００２５】
従って、排気センサからの成分濃度（排気空燃比）の異なる複数の出力情報と予め設定された基準圧（例えば、大気圧等）下における各成分濃度（各排気空燃比等）での複数の目標出力との関係、例えば複数の排気センサ出力の差と複数の目標出力の差との比を求めることにより、排気センサの出力信号に含まれるノイズ等の排気圧以外の誤差要因を排除して排気圧力がより適正に推定されることになり、当該排気センサの複数の出力と複数の目標出力との関係を監視することにより、排気流動制御手段の異常を精度よく検出することができる。
【００２６】
また、第四番目の発明による内燃機関の排気浄化促進装置は、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記排気センサが、二以上の成分濃度を検出可能なものであり、排気空燃比がリーン空燃比のときには、少なくとも一つの特定成分濃度を検出し、排気空燃比がリッチ空燃比のときには、他の特定成分濃度を検出することを特徴とする。
【００２７】
従って、例えば、リーン空燃比では排気中にＯ2成分が多く、リッチ空燃比では排気中にＨ2成分が多いが、これらリーン空燃比における一つの特定成分（Ｏ2成分）とリッチ空燃比における他の特定成分（Ｈ2成分）を排気センサでそれぞれ検出することができると、リーン空燃比かリッチ空燃比かに拘わらず常に良好に排気圧力が推定されることになり、排気センサの出力を監視することで、空燃比に拘わらず広い空燃比範囲で排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明による内燃機関の排気浄化促進装置の実施の形態を図１〜９に基づいて説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化促進装置の概略構成図、図２は、バタフライ弁の説明図、図３は、第一番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図４は、第二番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図５は、第三番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図６は、目標Ａ／ＦとＡ／Ｆセンサ出力との関係を表わすグラフ、図７は、第四番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図８は、第五番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャート、図９は、他の実施の形態に係る誤作動防止ルーチンを示すフローチャートである。
【００３１】
まず、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化促進装置の構成を説明する。図１に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下単に「エンジン」という。）１としては、例えば、燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）と共に圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施できる筒内噴射型の火花点火式のガソリンエンジンを適用している。このガソリンエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）を実現することができる。なお、このガソリンエンジン１として、本実施の形態では四気筒のエンジンを適用している。
【００３２】
前記エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４と共に電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射することができる。点火プラグ４には、高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した図示しない燃料供給装置が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプ及び高圧燃料ポンプが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧又は高燃圧で供給し、当該燃料を燃料噴射弁６から燃料室内に向けて所望の燃圧で噴射することができる。
【００３３】
前記シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端が分岐してそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１０には、吸入空気量を調整する電磁式のスロットル弁１４が設けられている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端が分岐してそれぞれ接続されている。
【００３４】
なお、上記エンジン１は、その構造が周知であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３５】
前記排気マニホールド１２の他端には、排気管（排気通路）２０が接続されている。排気管２０には、排気浄化触媒装置（排気浄化手段）として三元触媒３０が介装されている。この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。
【００３６】
前記排気管２０の三元触媒３０よりも下流側には、排気中の特定成分濃度を検出する排気センサ２２が配設されている。さらに、この排気センサ２２よりも下流側には、排気流動制御装置４０が介装されている。排気流動制御装置４０は、排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2等の未燃物の他、スモーク、ＮＯｘ等を含む）の低減を促進させることを目的とする装置であり、排気圧、排気密度及び排気流速の少なくともいずれか一つを変更することができるようになっている。具体的には、当該排気流動制御装置４０は、排気管２０の流路面積を調節できる密閉型の開閉弁４２が電子コントロールユニット（ＥＣＵ）６０に電気的に接続されたものである。
【００３７】
前記開閉弁４２としては、種々の方式が考えられるが（例えばバタフライ弁やポペット弁等）、本実施の形態では、図２に示すようなバタフライ弁を適用している。このバタフライ弁は、排気管２０を貫通する軸４３回りに円盤４４が回転することで排気管２０の流路面積を調節することができるようになっている。なお、開閉弁４２は、図示しないアクチュエータで作動するようになっている。
【００３８】
ＥＣＵ６０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、エンジン１を含めた排気浄化促進装置の総合的な制御を行うことができる。ＥＣＵ６０の入力側には、上述した排気センサ２２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００３９】
一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、開閉弁４２等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスに、各種センサ類からの検出情報に基づき推定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、弁開度等の各種情報がそれぞれ出力されることにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施され、所望の弁開度となるよう適正なタイミングで開閉弁４２が開閉操作される。さらに、ＥＣＵ６０の出力側には、警告ランプ５０も接続されている。
【００４０】
このように構成された本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化促進装置の作用、即ち、前記開閉弁４２により構成される排気流動制御装置４０の故障診断手法について説明する。
【００４１】
上述したように、エンジン１が冷態状態にあるときには、三元触媒３０を早期に活性化させるべく一時的に開閉弁４２を閉弁操作するようにしている。これにより、排気管２０内の排気圧が上昇して排気管２０内の未燃焼の燃料の反応が促進されて排気温度が上昇することになり、三元触媒３０が早期に活性化される。
【００４２】
ところで、密閉型の開閉弁４２は、高温高圧の環境下にあるため、長期間に亘って使用していると、故障して開閉が十分になされなく場合がある。このように開閉弁４２が故障して排気流動制御装置４０としての機能が損なわれると、上述したように、開閉弁４２が十分に閉弁しない場合には、エンジン１の冷態時において有害物質を十分に浄化できなくなるおそれがあり、一方、開閉弁４２が十分に開弁しない場合には、排気効率が低下して内燃機関の出力が低下するといった不具合を発生するおそれがある。
【００４３】
そこで、本実施の形態では、排気低減制御を行うために、前記三元触媒３０の出口側近傍に設けられている前記排気センサ２２が排気中の特定成分の分圧を利用して濃度検出していることに着目し、当該排気センサ２２の出力に基づいて排気圧を推定し、開閉弁４２の故障、即ち、排気流動制御装置４０の異常を診断するようにしている（故障診断手段）。
【００４４】
なお、特定成分の分圧を利用する排気センサ２２には、Ｏ2センサ、Ａ／Ｆセンサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、ＣＯセンサ、Ｈ2センサ等の種々のセンサがあるが、本実施の形態では、Ｏ2センサを適用した場合及びＡ／Ｆセンサを適用した場合についてそれぞれ説明する。
【００４５】
［第一番目の実施の形態］
第一番目の実施の形態は、排気センサ２２としてＯ2センサを利用した場合である。なお、Ｏ2センサを利用した場合には、先に説明したネルンストの式が適用される。
【００４６】
図３に示すように、ステップＳ１０では、Ｏ2センサからの情報に基づき、排気空燃比がリッチ空燃比（ストイキを含む）、即ち、排気がリッチ雰囲気にあるか否かを判別する。このようにリッチ雰囲気であるか否かを判別するのは、上述したように、排気空燃比がリッチ空燃比であるときには、排気圧が増大するとＨ2分圧が増加してＯ2センサ出力が増大することになるが、この変化度合いがリーン空燃比でのＯ2分圧の変化よりも明確であって故障診断に適しているからである。
【００４７】
ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合、即ち、リーン雰囲気の場合には、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、開閉弁４２が閉状態（ここでは全閉状態）であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で全閉と判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００４８】
開閉弁４２が閉状態である場合には、排気圧は予め設定された所定の高圧（例えば、８００ｍｍＨｇ＝１０６７ｈＰａ）にまで達しているはずであり、この所定圧に対応するＯ2センサ出力Ａ0も実験等により分かっている。そこで、ステップＳ１４では、Ｏ2センサ出力が上記Ｏ2センサ出力Ａ0近傍にあるか否かを判別する。ここでは、検出されるＯ2センサ出力が所定値Ａ2（但し、Ａ0（所定圧：８００ｍｍＨｇ）≦Ａ2）より小さいか否かを判別する。
【００４９】
ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ2より小さい場合には、開閉弁４２が閉状態であるにも拘わらず、Ｈ2分圧が低く、排気圧が十分に上がっていないような異常な状況と考えられる。つまり、開閉弁４２に何らかの故障が発生していると考えられる。従って、このような場合には、次にステップＳ１６に進み、開閉弁４２が故障と判定し、警告ランプ５０を点灯して運転者に異常を知らせる。
【００５０】
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ2以上である場合には、排気圧が十分に上がっており、開閉弁４２は正常に作動していると判定できる。従って、この場合には、次にステップＳ１８に進み、故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００５１】
また、ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、開閉弁４２が開状態（ここでは全開状態）にある場合には、次にステップＳ１９に進む。開閉弁４２が開状態である場合には、排気圧は大気圧近傍値となるはずであり、この場合、Ｏ2センサ出力は通常使用時の値を示す。そこで、ステップＳ１９では、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ3（但し、Ａ3≧Ａ0（所定圧：８００ｍｍＨｇ））より大きいか否かを判別する。
【００５２】
ステップＳ１９の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ3を超えている場合には、開閉弁４２が開状態であるにも拘わらず、Ｈ2分圧が高く、排気圧が十分に上がってしまっている異常な状況と考えられる。つまり、開閉弁４２に何らかの故障が発生していると考えられる。従って、このような場合には、前記ステップＳ１６に進み、上述と同様に、開閉弁４２が故障と判定し、警告ランプ５０を点灯して運転者に異常を知らせる。
【００５３】
一方、ステップＳ１９の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ出力が所定値Ａ3以下である場合には、排気圧は十分に低く、開閉弁４２は正常に作動していると判定できる。従って、この場合には、前記ステップＳ１８に進み、上述と同様に、故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００５４】
［第二番目の実施の形態］
第二番目の実施の形態は、上述した第一番目の実施の形態の場合と同様に、排気センサ２２としてＯ2センサを利用した場合であり、先に説明したネルンストの式が適用される。なお、上述した第一番目の実施の形態の場合と同様な部分については、重複する説明を省略し、上述した第一番目の実施の形態の場合と異なる部分についてのみ説明する。
【００５５】
図３に示すように、ステップＳ２０で前記ステップＳ１０と同様にリッチ雰囲気であるか否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、次にステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、同一リッチ雰囲気（同一成分濃度）の下、Ｏ2センサ出力と開閉弁４２の開度に応じて設定されたＯ2センサの目標出力との差の絶対値が所定値Ａ4よりも大きい（｜Ｏ2センサ出力−目標出力｜＞Ａ4）か否かを判別する。
【００５６】
つまり、本実施の形態では、上述した第一番目の実施の形態の場合と異なり、開閉弁４２が閉状態であるか開状態であるかによらず、実際のＯ2センサ出力と予め設定された目標出力との差を検出することにより、排気圧のずれを監視するようにしている。このようにすれば、開閉弁４２が全閉及び全開以外の中間の開度に調整された場合であっても、排気圧の異常な状況を確実に検出でき、開閉弁４２の故障を的確に判定することができる。
【００５７】
このような本実施の形態では、ステップＳ２２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ出力と目標出力との差の絶対値が所定値Ａ4よりも大きい場合には、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が高すぎる、又は、低すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、次にステップＳ２４に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００５８】
一方、ステップＳ２２の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ出力と目標出力との差の絶対値が所定値Ａ4以下である場合には、排気圧は目標とする排気圧に近く、開閉弁４２は正常に作動していると判定でき、この場合には、次にステップＳ２６に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００５９】
［第三番目の実施の形態］
第三番目の実施の形態は、排気センサ２２としてＡ／Ｆセンサを利用した場合である。なお、Ａ／Ｆセンサを利用した場合には、先に説明したポンプ電流の式が適用される。
【００６０】
図５に示すように、ステップＳ３０では、Ａ／Ｆセンサからの情報に基づき、排気空燃比がリーン空燃比、即ち、排気がリーン雰囲気にあるか否かを判別する。このようにＡ／Ｆセンサの場合にリーン雰囲気であるか否かを判別するのは、排気空燃比がリーン空燃比であるときには、排気圧変化に応じたＡ／Ｆセンサ出力（Ａ／Ｆ）の変化度合いが明確であって故障診断に適しているからである。
【００６１】
つまり、図６からわかるように、排気圧を大気圧（破線）及び所定の高圧（例えば、８００ｍｍＨｇ＝１０６７ｈＰａ）（実線）とした場合、空燃比Ａ／Ｆがリーン空燃比の範囲では、排気圧が高圧になるとＡ／Ｆセンサの出力値の変化が大きく現れるからである。
【００６２】
ステップＳ３０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合、即ち、リッチ雰囲気の場合には、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ３０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、同一リーン雰囲気（同一成分濃度）の下、Ａ／Ｆセンサ出力と開閉便４２の開度に応じて設定されたＡ／Ｆセンサの目標Ａ／Ｆ（目標出力）との差の絶対値が所定値Ｂ1よりも大きい（｜Ａ／Ｆセンサ出力−目標Ａ／Ｆ｜＞Ｂ1）か否かを判別する。
【００６３】
つまり、本実施の形態では、上述した第二番目の実施の形態の場合と同様、開閉弁４２が閉状態であるか開状態であるかによらず、実際のＡ／Ｆセンサ出力と予め設定された目標Ａ／Ｆとの差を検出することにより、排気圧のずれを監視するようにしている。これにより、開閉弁４２が全閉及び全開以外の中間の開度に調整された場合であっても、Ａ／Ｆセンサにより排気圧の異常な状況を確実に検出でき、開閉弁４２の故障を常時良好に判定することができる。
【００６４】
このような本実施の形態では、ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ａ／Ｆセンサ出力と目標Ａ／Ｆとの差の絶対値が所定値Ｂ1よりも大きい場合には、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が高すぎる、又は、低すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、次にステップＳ３４に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００６５】
一方、ステップＳ３２の判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ａ／Ｆセンサ出力と目標Ａ／Ｆとの差の絶対値が所定値Ｂ1以下である場合には、排気圧は目標とする排気圧に近く、開閉弁４２は正常に作動していると判定でき、この場合には、次にステップＳ３６に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００６６】
［第四番目の実施の形態］
第四番目の実施の形態は、上述した第三番目の実施の形態と同様に、排気センサ２２としてＡ／Ｆセンサを利用した場合であり、先に説明したポンプ電流の式が適用される。なお、本実施の形態は、空燃比Ａ／Ｆが、リーン空燃比である場合のＡ／Ｆセンサ出力と、リッチ空燃比（ストイキを含む）である場合のＡ／Ｆセンサ出力との双方を使用する点において、前述した第三番目の実施の形態と異なる。
【００６７】
図７に示すように、まず、ステップＳ４０において、開閉弁４２が所定の開度に設定されると、空燃比Ａ／Ｆが所定のリーン空燃比である場合のＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦがＬＡＦ０として読み込まれると共に、同一空燃比近傍でのＯ2分圧に基づくＡ／Ｆセンサ出力（一つの特定成分濃度）がＬＡＦ１として検出される。つまり、空燃比Ａ／Ｆが所定のリーン空燃比となったときのＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦのＬＡＦ０とＡ／Ｆセンサ出力のＬＡＦ１とがＥＣＵ６０に記憶される。
【００６８】
また、ステップＳ４２では、開閉弁４２が上記所定の開度に設定され且つ空燃比Ａ／Ｆが所定のリッチ空燃比（又はストイキ）である場合のＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦがＲＡＦ０として読み込まれると共に、同一空燃比近傍でのＨ2分圧に基づくＡ／Ｆセンサ出力（他の特定成分濃度）がＲＡＦ１として検出される。つまり、空燃比Ａ／Ｆが所定のリッチ空燃比となったときのＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦのＲＡＦ０とＡ／Ｆセンサ出力のＲＡＦ１とがＥＣＵ６０に記憶される。
【００６９】
そして、このようにＡ／Ｆセンサの目標Ａ／ＦのＬＡＦ０及びＲＡＦ０とＡ／Ｆセンサ出力のＬＡＦ１及びＲＡＦ１とが求められたら、次のステップＳ４４において、開閉弁４２が閉状態（本実施の形態では全閉状態）であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、開閉弁４２が開状態である場合には、次にステップＳ４５において、下記の式（５）が成立するか否かを判別する。
【００７０】
（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）／（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）＞Ｃ１ （５）
【００７１】
つまり、リーン空燃比とリッチ空燃比におけるＡ／Ｆセンサ出力の差（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）と目標Ａ／Ｆの差（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）との比が所定値Ｃ１よりも大きいか否かを判別する。即ち、Ａ／Ｆセンサ出力の傾きを求め、この値が所定値Ｃ１よりも大きいか否かを判別する。これは、図６に示したように、Ａ／Ｆセンサ出力は、排気圧が増減変化してもストイキ近傍では目標Ａ／Ｆのままに保持され、排気圧が増減するとストイキ近傍を中心としてＡ／Ｆセンサの出力勾配が変化し、上記値が変化するためである。
【００７２】
そして、このようにＡ／Ｆセンサ出力の差（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）と目標Ａ／Ｆの差（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）とをとり、さらにこれらの比をとるようにすると、Ａ／Ｆセンサ出力に含まれるノイズ、即ち、排気圧以外の要因による出力誤差を排除することができる。
【００７３】
具体的には、Ａ／Ｆセンサ出力のＬＡＦ１及びＲＡＦ１は、「目標Ａ／Ｆ＋排気圧以外の要因による出力誤差＋排気圧による出力誤差」、又は、「目標Ａ／Ｆ×排気圧以外の要因による出力誤差×排気圧による出力誤差」として示され、排気圧以外の要因による出力誤差が目標Ａ／Ｆに対して加算又は乗算されてしまう。
【００７４】
ここで、排気圧以外の要因による出力誤差の作用する方向は常に同一方向である一方、排気圧による出力誤差は上述したようにリーン側とリッチ側とで逆になるので、Ａ／Ｆセンサ出力の差（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）と目標Ａ／Ｆの差（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）とをとれば、排気圧以外の要因による上記加算に伴う誤差をなくすことができると共に、Ａ／Ｆセンサ出力の比（ＬＡＦ１／ＲＡＦ１）及び目標Ａ／Ｆの比（ＬＡＦ０／ＲＡＦ０）をとり、さらにこれらの比を求めて判別を行うことにより、排気圧以外の要因による上記乗算に伴う誤差をなくすことができる。
【００７５】
これにより、排気圧以外の要因による出力誤差を一切排除し、排気圧による出力誤差のみを純粋に考慮して排気圧のずれを監視することができ、開閉弁４２の故障を精度よく判定することができる。
【００７６】
このような本実施の形態では、ステップＳ４５の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記式（５）が成立する場合には、Ａ／Ｆセンサの上記出力勾配が大きくなり、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が高すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、次にステップＳ４６に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００７７】
一方、ステップＳ４５の判別結果が偽（Ｎｏ）で、上記式（５）が成立しない場合には、排気圧は目標とする排気圧に近く、開閉弁４２は正常に作動していると判定でき、この場合には、次にステップＳ４８に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００７８】
また、ステップＳ４４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、開閉弁４２が閉状態である場合には、次にステップＳ４７において下記の式（６）が成立するか否かを判別する。
【００７９】
（ＬＡＦ１−ＲＡＦ１）／（ＬＡＦ０−ＲＡＦ０）＜Ｃ２ （６）
【００８０】
このような本実施の形態では、ステップＳ４７の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、上記式（６）が成立する場合には、開閉弁４２の開度に対し、排気圧が低すぎるような異常な状況と判定でき、この場合には、前記ステップＳ４６に進み、前記ステップＳ１６と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００８１】
一方、ステップＳ４７の判別結果が偽（Ｎｏ）で、上記式（６）が成立しない場合には、前記ステップＳ４８に進み、前記ステップＳ１８と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００８２】
［第五番目の実施の形態］
第五番目の実施の形態は、上述した第三、四番目の実施の形態と同様に、排気センサ２２としてＡ／Ｆセンサを利用した場合であり、先に説明したポンプ電流の式が適用される。なお、本実施の形態は、開閉弁４２が、開状態である場合のＡ／Ｆセンサ出力と、閉状態である場合のＡ／Ｆセンサ出力との双方を使用する点において、前述した第三、四番目の実施の形態と異なる。
【００８３】
図８に示すように、ステップＳ５０では、目標Ａ／Ｆが所定値ＡＦ１（例えば、２０）より大きいか否かを判別する。このような判別を行うのは、前述した第三番目の実施の形態のステップＳ３０において、排気がリーン雰囲気にあるか否かを判別したのと同様の理由によるものである。ステップＳ５０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、そのまま当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次のステップＳ５２に進む。
【００８４】
ステップＳ５２では、目標排気圧が所定値Ｐ１（例えば、５００ｍｍＨｇ＝６６７ｈＰａ）以上であるか否かを判別する。つまり、開閉弁４２が閉状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ５４に進む。ステップＳ５４では、下記の式（７）から閉状態における指標１を求める。
【００８５】
一方、ステップＳ５２の判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、目標排気圧が所定値Ｐ１よりも小さい場合には、次にステップＳ５６に進み、目標排気圧が所定値Ｐ２（例えば、１００ｍｍＨｇ＝１３３ｈＰａ）よりも小さいか否かを判別する。つまり、開閉弁４２が開状態にあるか否かを上述と同様に判別する。なお、開閉弁４２が開状態にある場合には、目標排気圧は大気圧に等しくなるが、このように目標排気圧がある程度小さければ故障判定は可能である。
【００８７】
ステップｓ５６の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、当該ルーチンを抜け、真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ５８に進む。ステップＳ５８では、下記の式（８）から開状態における指標２を求める。
【００８８】
なお、ここでは、排気圧の影響が少ないストイキを原点としてＡ／Ｆセンサ出力の傾きを、
（Ａ／Ｆセンサ出力−ストイキＡ／Ｆ）／（目標Ａ／Ｆ−ストイキＡ／Ｆ）
として求めて指標１及び指標２を設定するようにしたが、指標１及び指標２を、
Ａ／Ｆセンサ出力−目標Ａ／Ｆ、
又は、
（Ａ／Ｆセンサ出力）／（目標Ａ／Ｆ）
とすることも可能である。
【００９０】
また、指標１及び指標２としては、目標排気圧がそれぞれ所定値Ｐ１、所定値Ｐ２に切り換わる直前、直後に求めた指標を使用するのがよく、これにより、指標１及び指標２が共に同一運転条件下での指標となり、故障判定の精度が向上する。また、指標１及び指標２は平均値を求めてもよいが、瞬時値を用いることも可能である。また、ストイキＡ／Ｆは使用燃料に応じて変更するのが望ましいが、固定値とすることも可能である。
【００９１】
ステップＳ６０では、指標１及び指標２が求められているか否かを判別する。上述したようにして指標１及び指標２が求められている場合には、次にステップＳ６２に進む。ステップＳ６２では、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１（例えば、０．４）より小さい（指標１−指標２＜Ｄ１）か否かを判別する。つまり、本実施の形態では、開閉弁４２の作動前後のＡ／Ｆセンサ出力の関係から故障判定を行うようにする。
【００９２】
ここで、所定値Ｄ１は固定値であってもよいが、目標排気圧に応じて変更するようにすることも可能である。また、本実施の形態では、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１より小さいか否かを判別するようにしているが、指標１と指標２との比が所定値Ｄ２より小さい（指標１／指標２＜Ｄ２）か否か判別するようにすることも可能である。
【００９３】
ステップＳ６２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１より小さい場合には、異常な状況と判断でき、この場合には、次にステップＳ６４に進み、上述した場合と同様に故障と判定し、警告ランプ５０を点灯する。
【００９４】
一方、ステップＳ６２の判別結果が偽（Ｎｏ）で、指標１と指標２との差が所定値Ｄ１以上の場合には、問題はないと判定でき、この場合には、次にステップＳ６６に進み、上述した場合と同様に故障判定を行わず、又は、故障判定を解除し、警告ランプ５０を点灯せず消灯状態に保持する。
【００９５】
なお、ステップＳ５２及びステップＳ５６の判別において、判別閾値である所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とをそれぞれ別の値としたが、所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とは同じ値であってもよい。また、本実施の形態を前述した第三、四番目の実施の形態の場合と組み合わせて併用することも可能である。
【００９６】
以上、第一〜五番目の実施の形態においては、前記排気センサ２２を前記触媒３０の下流側（出口側近傍）に設置していることから、いずれの実施の形態においても、当該排気センサ２２が当該触媒３０の絞り効果による排圧変化の影響を受けないので、排気流動制御装置４０による排圧変化のみを検出することが可能となり、当該排気流動制御装置４０の異常検出精度が向上する。
【００９７】
［他の実施の形態］
なお、前述した第一〜五番目の実施の形態のように、前記排気センサ２２が、排気低減制御を行うために、前記触媒３０の出口側近傍に設けられて特定成分濃度を検出するものである場合、例えば、図９に示すように、ステップＳ７０において、前記排気流動制御装置４０が作動中か否かを判別し、ステップＳ７０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、排気流動制御装置４０が作動中の場合には、次にステップＳ７２に進み、前記排気センサ２２からの出力の上記排気低減制御への利用を禁止し、一方、ステップＳ７１の判別結果が偽（Ｎｏ）で、排気流動制御装置４０の作動が停止中の場合には、問題ないと判定して、次にステップＳ７４に進み、前記排気センサ２２からの出力の上記排気低減制御への利用を許可するようにすれば、排気流動制御装置４０の作動中に排圧の上昇に伴う排気センサ２２の出力変化を生じても、空燃比制御等の排気低減制御の誤動作を防止することができ、排気低減制御の精度の低下を抑制して排気の悪化を防止することができる。
【００９８】
また、前述した第三〜五番目の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサを用いるようにしたが、Ａ／Ｆセンサに代えてＮＯｘセンサを用いることも可能であり、ＮＯｘセンサは、Ａ／Ｆセンサと作動原理が同じであるため、Ａ／Ｆセンサの場合と同様な効果を得ることができる。
【００９９】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、排気低減制御に使用する排気センサ２２からの出力に基づいて排気流動制御装置４０の異常を診断するようにしたが、この排気センサ２２とは別に、異常診断用の排気センサを新たに設け、当該排気センサからの出力に基づいて排気流動制御手段の異常診断を行うことも可能である。
【０１００】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、センサ出力を使用したが、例えば、センサ出力を排圧に変換して、変換後の排圧に基づいて故障診断を行うことも可能である。
【０１０１】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、排気流動制御装置４０として、密閉型の開閉弁４２を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、排気圧を可変制御可能なものであれば、排気流動制御装置４０として適用することが可能である。
【０１０２】
また、前述した第一〜五番目の実施の形態では、排気浄化手段として三元触媒３０を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、他の触媒や排気流の絞り効果を伴う他の排気浄化手段に適用することも可能である。
【０１０３】
【発明の効果】
第一番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、排気圧センサを別途設けることなく、既存の排気センサからの情報に基づいて排気圧力を推定でき、排気センサの出力を監視して、排気流動制御手段の異常を検出することにより、安価にして確実に排気流動制御手段の故障を診断することができる。また、排気センサを排気浄化手段よりも下流側に設けることで、排気浄化手段による排気流の絞り効果等に伴う排気圧力の上昇の影響を受けることなく排気流動制御手段による排気圧力変化だけを検出することができる。これにより、排気流動制御手段の異常検出精度の低下を抑制することができる。また、排気流動制御手段の作動中に排圧の上昇に伴う排気センサの出力変化を生じても、空燃比制御等の排気低減制御の誤動作を防止することができ、排気低減制御の精度の低下を抑制して排気の悪化を防止することができる。
【０１０４】
第二番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、排気センサからの出力情報と予め設定された基準圧下における同一成分濃度での目標出力とを比較することにより、容易にして適正に排気圧力を推定でき、当該排気センサの出力と目標出力との比較値を監視することにより、排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【０１０５】
第三番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、排気センサからの成分濃度の異なる複数の出力情報と予め設定された基準圧下における各成分濃度での複数の目標出力との関係、例えば複数の排気センサ出力の差と複数の目標出力の差との比を求めることにより、排気センサの出力信号に含まれるノイズ等の排気圧以外の誤差要因を排除して排気圧力をより適正に推定でき、当該排気センサの複数の出力と複数の目標出力との関係を監視することにより、排気流動制御手段の異常を精度よく検出することができる。
【０１０６】
第四番目の発明の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、リーン空燃比では排気中にＯ２成分が多く、リッチ空燃比では排気中にＨ２成分が多いが、これらリーン空燃比における一つの特定成分（Ｏ2成分）とリッチ空燃比における他の特定成分（Ｈ2成分）を排気センサでそれぞれ検出することにより、リーン空燃比かリッチ空燃比かに拘わらず常に良好に排気圧力を推定でき、排気センサの出力を監視することにより、空燃比に拘わらず広い空燃比範囲で排気流動制御手段の異常を常時検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化促進装置の概略構成図である。
【図２】バタフライ弁の説明図である。
【図３】第一番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】第二番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】第三番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】目標Ａ／ＦとＡ／Ｆセンサ出力との関係を表わすグラフである。
【図７】第四番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】第五番目の実施の形態に係る故障診断ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】他の実施の形態に係る誤作動防止ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン本体
２０ 排気管
２２ 排気センサ
３０ 三元触媒
４０ 排気流動制御装置
４２ 開閉弁
５０ 警告ランプ
６０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
Claims (4)
- 排気流路に設けられて、排気の流動状態を制御することにより排気圧力を上昇可能な排気流動制御手段と、
前記排気流動制御手段よりも上流側の前記排気流路に設けられて、排気中の特定成分の濃度を検出する排気センサと、
前記排気センサからの出力に基づいて排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出する故障診断手段と、
前記排気流動制御手段よりも上流側の前記排気流路に設けられて、排気を浄化する排気浄化手段と
を備え、
前記排気センサが、排気低減制御を行うために、前記排気浄化手段の出口側近傍に設けられて特定成分濃度を検出するものであり、
前記排気流動制御手段の作動中には、前記排気センサからの出力が、上記排気低減制御への利用を禁止される
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化促進装置。 - 請求項１において、
前記故障診断手段が、
前記排気センサからの出力と基準圧下における同一成分濃度での目標出力とを比較することにより排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出するものである
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化促進装置。 - 請求項１において、
前記故障診断手段が、
前記排気センサからの成分濃度の異なる複数の出力と基準圧下における各前記成分濃度での複数の目標出力との関係に基づいて排気圧力を推定して、前記排気流動制御手段の異常を検出するものである
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化促進装置。 - 請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記排気センサが、
二以上の成分濃度を検出可能なものであり、
排気空燃比がリーン空燃比のときには、少なくとも一つの特定成分濃度を検出し、
排気空燃比がリッチ空燃比のときには、他の特定成分濃度を検出する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化促進装置。
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