JP4853548B2 - 排気センサ診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気流路に設けられ、排気流路のガス状態を検出する排気センサの応答性を診断する排気センサ診断装置に関する。

従来、内燃機関の排気流路に設けられ、排気流路のガス状態を検出する排気センサとして、Ａ／Ｆセンサ、ＮＯｘセンサ、ＰＭ(Particulate Matter)センサ、排気温センサ等が知られている。エンジンＥＣＵ(Electronic Control Unit)は、これら排気センサの出力に基づいて燃料噴射量、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)ガス量を制御してエンジン運転状態を適切な状態に制御する。

ここで、排気センサにおいて、センサ素子が被水することを防止するためのセンサカバーの通気孔の少なくとも一部が排気ガス中のパティキュレートにより塞がったり、センサ素子の劣化等により、排気センサの出力の応答性が正常な排気センサに比べて低下することがある。

エンジン運転状態が一定で排気センサの出力が変化しない場合は、排気センサの応答性の遅れは問題にならないが、エンジン運転状態が定常状態から過渡状態、過渡状態から定常状態に移行する場合には、応答性の低下した排気センサの出力から検出されるエンジン運転状態は、正常な排気センサから検出される状態よりも遅れた状態になる。

この場合、排気センサの応答性の低下を考慮せず、エンジン運転状態から推定される排気センサの推定出力と、実際の排気センサの実出力との偏差に基づいて排気センサの実出力を補正すると、誤った補正がなされる恐れがある。

そして、応答性の低下した排気センサの出力、あるいは誤った補正がなされた排気センサの出力から求めた排気ガスの状態と、目標の排気ガスの状態との偏差に基づいて燃料噴射量、ＥＧＲガス量等を制御すると、エミッションの悪化や燃焼音の増加を招く恐れがある。

そこで、特許文献１では、排気センサとして、例えば酸素濃度センサの応答性が低下したときの出力値を推定し、この低下推定値と実際の実出力値とを比較して酸素濃度センサの応答性の低下を判定している。

特開２００７−３０９１０３号公報

しかしながら、特許文献１では、酸素濃度センサの低下推定値と実出力値とを比較することにより、酸素濃度センサの低下推定値と実出力値との大小関係、すなわち酸素濃度センサの実際の応答性が、低下推定値よりも高いのか、低いのかを判定することはできるものの、酸素濃度センサの応答性が非常に低下しているのか、僅かであるのか、つまり応答性の低下程度を診断することはできない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、排気センサの応答性の低下程度を診断する排気センサ診断装置を提供することを目的とする。

請求項１から１３に記載の発明によると、正常出力推定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて応答性が正常な排気センサの正常出力を推定し、低下出力推定手段は、正常な排気センサに対して応答性が所定値低下している排気センサの低下出力を推定し、実出力検出手段は、排気センサの実際の実出力を検出する。そして、診断手段は、正常出力推定手段が推定する正常出力と、低下出力推定手段が推定する低下出力と、実出力検出手段が検出する実出力とに基づいて排気センサの応答性を診断する。

このように、排気センサの実出力を応答性の異なる２個の正常出力および低下出力と比較できるので、排気センサの実出力を正常出力または低下出力の一方と比較する場合に比べ、排気センサの応答性の低下程度を診断できる。その結果、排気センサの応答性の低下程度に基づいて適切な処置を実行できる。例えば、低下程度が小さい場合には、実出力を補正し、低下程度が大きい場合には排気センサの実出力に基づくエンジン制御を禁止する等の処置を実行できる。

また、固定値ではなく、内燃機関の運転状態に基づいて応答性が正常な排気センサの正常出力を推定し、正常な排気センサに対して応答性が所定値低下している排気センサの低下出力を推定するので、内燃機関の運転状態に応じて変化する排気センサの応答性を考慮して、排気センサの正常出力および低下出力を推定できる。これにより、内燃機関の運転状態に応じて、排気センサの応答性を高精度に診断できる。
さらに請求項１から１３に記載の発明によると、積算手段は、正常出力と低下出力との偏差の積算値をＳ１として算出し、実出力と正常出力または低下出力との偏差の積算値をＳ２として算出する。そして、診断手段は、Ｓ１とＳ２とに基づいて排気センサの応答性を診断する。
これにより、正常出力と低下出力と実出力とにノイズ等による出力ばらつきが生じても、偏差を積算することにより、積算値に対する出力ばらつきの影響を低減できる。その結果、積算値Ｓ１と積算値Ｓ２とに基づいて排気センサの応答性を高精度に診断できる。

請求項２に記載の発明によると、正常出力推定手段は、内燃機関の運転状態から推定される気筒内のガス状態と、排気ガスが気筒から排気センサに到達するまでに要する時間と、正常な排気センサの応答特性とに基づいて正常出力を推定する。

排気ガスが気筒から排気センサに到達するまでに要する時間と、正常な排気センサの応答特性とは、排気ガスの流速に応じて変化する。したがって、正常出力を推定するときに、排気ガスが気筒から排気センサに到達するまでに要する時間と、正常な排気センサの応答特性とをパラメータとすることにより、排気ガスの流速を考慮して正常出力を高精度に推定できる。

請求項３に記載の発明によると、正常出力推定手段は、正常な排気センサの応答特性を少なくとも含むパラメータに基づいて正常出力を推定し、低下出力推定手段は、正常な排気センサの応答特性に代えて、正常な排気センサの応答特性に対して応答性が所定値低下している排気センサの応答特性を少なくとも含む正常出力の推定時と同じパラメータに基づいて低下出力を推定する。

応答特性以外は正常出力の推定時と同じパラメータを使用して低下出力とを推定するので、低下出力を容易に推定できる。
請求項４に記載の発明によると、低下出力推定手段は、正常出力推定手段が推定した正常出力に対し、一次遅れ処理を行って低下出力を推定する。

これにより、正常出力に対して一次処理を行うことにより、低下出力を容易に推定できる。

請求項５に記載の発明によると、積算手段は、Ｓ１およびＳ２の算出を開始してから、正常出力と低下出力と実出力とが変化し、その後に低下出力および正常出力の少なくとも一方が収束するときにＳ１およびＳ２の算出を終了する。

これにより、排気センサの応答性が著しく低下し、実出力が収束するまでに長い時間を要する場合にも、正常出力および低下出力の少なくとも一方が収束するときにＳ１およびＳ２の算出を終了するので、積算時間が不必要に長くなることを防止できる。

請求項６に記載の発明によると、積算手段は、正常出力と低下出力と実出力とが一致しているときにＳ１およびＳ２の算出を開始する。
このように、正常出力と低下出力と実出力とが一致しているときにＳ１およびＳ２の算出を開始するので、積算値Ｓ１、Ｓ２の算出誤差を低減できる。

ところで、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態に移行すると、排気センサにおいて、所定時間内の遅れで正常出力と低下出力と実出力との少なくともいずれかが変化する。

そこで、請求項７に記載の発明によると、積算手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態に移行するときにＳ１およびＳ２の算出を開始する。
これにより、内燃機関の運転状態が過渡状態に移行する前の正常出力と低下出力と実出力とが変化しない定常状態で積算を実行する時間を極力短縮できる。

ところで、内燃機関の運転状態が過渡状態になってから低下出力および前記正常出力の少なくとも一方が収束するまでの時間が長くなると、正常出力と低下出力と実出力とにノイズが生じた状態で積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とを算出する時間が長くなるので、積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とに誤差が生じやすい。この状態で、積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とに基づいて排気センサの応答性の低下程度を診断すると、排気センサの応答性の低下程度を誤診断する恐れがある。

そこで、請求項８に記載の発明によると、積算手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから低下出力および正常出力の少なくとも一方が収束するまでＳ１およびＳ２を算出し、診断手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから低下出力および正常出力の少なくとも一方が収束するまでの時間が所定時間を超える場合、排気センサの応答性の診断を停止する。

これにより、正常出力と低下出力と実出力とにノイズが生じた状態で積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とを所定時間を超えて算出することを防止するので、誤差を含んだ積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とに基づいて排気センサの応答性の低下程度を診断することを防止できる。その結果、排気センサの応答性を誤診断することを防止できる。

請求項９に記載の発明によると、積算手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから低下出力および正常出力の少なくとも一方が収束するまでＳ１およびＳ２を算出し、診断手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから低下出力および正常出力の少なくとも一方が収束するまでの間において、低下出力と正常出力とのうち値が収束した出力の変化量が所定量より小さい場合、排気センサの応答性の診断を停止する。

これにより、低下出力および正常出力の変化量が小さく積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とが小さいために計測誤差の影響を受けやすい状態で、積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とに基づいて排気センサの応答性を診断することを防止する。その結果、排気センサの応答性の低下程度を誤診断することを防止できる。

請求項１０に記載の発明によると、診断手段は、内燃機関の運転状態が燃料カット状態になると排気センサの応答性を診断する。

燃料噴射がカットされると、気筒内に流入するガス状態と気筒内のガス状態と気筒から排出されるガス状態とはほぼ同じ大気相当になる。さらに、燃料カット中においては、内燃機関の運転状態に対する外乱の影響が非常に小さい。その結果、排気センサの正常出力および低下出力を高精度に推定できるので、排気センサの応答性の低下程度を高精度に診断できる。

請求項１１に記載の発明によると、実出力検出手段は、燃料カット時に、気筒内のガス状態に基づいて実出力を補正する。
前述したように、燃料噴射がカットされると、気筒内に流入するガス状態と気筒内のガス状態と気筒から排出されるガス状態とはほぼ同じ大気相当になる。その結果、吸気量および排気温等により、排気センサが設置されている位置のガス状態を高精度に推定できる。したがって、排気センサの実出力がオフセットずれ、またはゲインずれにより正常値からずれている場合に、推定されたガス状態に一致するように排気センサの実出力を高精度に補正できる。

ところで、気筒内のガス状態が定常状態の場合、排気センサが正常であれば、応答性の違いに関わらず、正常出力と低下出力との推定値は実出力の検出値に一致するはずである。

そこで、請求項１２に記載の発明によると、気筒内のガス状態が定常状態の場合、正常出力推定手段および低下出力推定手段は、実出力に対する正常出力および低下出力のずれを補正する。

これにより、正常出力推定手段および低下出力推定手段がそれぞれ推定する正常出力と低下出力との推定値が実出力の検出値に対してずれている場合に、気筒内のガス状態が定常状態において、正常出力推定手段および低下出力推定手段は、正常出力および低下出力の推定値が実出力の検出値と同じ値になるように補正できる。

請求項１３に記載の発明によると、診断手段は、排気センサが暖機されてから所定時間経過するまで、排気センサの応答性の診断を待機する。
これにより、例えば、エンジン始動時において、排気センサの出力が不安定な状態で排気センサの応答性を診断することを防止する。その結果、排気センサの応答性の低下程度を誤診断することを防止できる。

尚、本発明に備わる複数の手段の各機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、またはそれらの組み合わせにより実現される。また、これら複数の手段の各機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。

本実施形態による排気浄化システムを示すブロック図。 （Ａ）はＡ／Ｆセンサの斜視図、（Ｂ）はセンサ部分の断面図。 燃料カット時の正常出力と実出力との関係を示すタイムチャート。 実出力の応答性の低下程度の小、大、極大を示すタイムチャート。 正常出力と、低下出力および実出力との偏差の積算を示すタイムチャート。 偏差の積算による応答性診断を示すフローチャート。 正常出力と、低下出力、実出力との変化率の違いを示すタイムチャート。 変化率の違いによる応答性診断を示すフローチャート。 正常出力と低下出力と実出力との最大変化率のタイミングの違いを示すタイムチャート。 最大変化率のタイミングの違いによる応答性診断を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
本発明の一実施形態による排気浄化システムを図１に示す。
（排気浄化システム１０）
本実施形態の排気浄化システム１０は、４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンとも言う。）２から排出される排気ガスを浄化するシステムである。

排気浄化システム１０は、スロットル弁１２、ＥＧＲ弁１６、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２０、ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)２２、Ａ／Ｆセンサ３０、ＥＣＵ４０等から構成されている。エンジン２には、図示しないコモンレールにより蓄圧された燃料が燃料噴射弁４から噴射される。

図示しないターボチャージャのコンプレッサは排気流路２１２に設置されたターボチャージャのタービン１４により図示しないシャフトを介して回転駆動される。そして、ターボチャージャのコンプレッサで圧縮された吸気流路２００の吸気は、図示しないインタークーラを通り、スロットル弁１２で流量を調整され、エンジン２の各気筒に吸入される。

スロットル弁１２は、軽負荷領域ではＥＧＲガスをより多く入れるために絞られるが、高負荷領域では吸気量増大やポンピングロスの低減等のために、ほぼ全開状態に保持される。エンジン２に吸入される吸気流量は、図示しない吸気量センサで検出される。

ＥＧＲ弁１６は、エンジン２の吸気流路２００と排気流路２１０とを接続するＥＧＲ流路２２０に設置され、排気側から吸気側に環流させるＥＧＲ量を制御する。
ＤＯＣ２０は、ハニカム構造体にプラチナ等の酸化触媒を担持した構造体であり、燃料噴射弁４からのポスト噴射により排気流路２１０に添加された燃料を酸化反応させる。この反応熱により、排気流路２１０の排気温度が上昇し、ＤＰＦ２２に捕集されているパティキュレートが燃焼する。燃料噴射弁４からのポスト噴射以外にも、ＤＯＣ２０の上流側の排気流路２１０に設置されたＤＰＦ２２の再生専用の燃料添加弁から燃料を添加してもよい。

ＤＰＦ２２は、多孔質のセラミックに白金等の酸化触媒が担持されて形成されたハニカム構造体で形成されている。ＤＰＦ２２のハニカム構造体の排気流れ方向に形成された排気流路の入口側および出口側は、互い違いに封止されている。排気中のパティキュレートは、入口側が封止されておらず出口側が封止されている排気流路から流入し、排気流路を形成するハニカム構造体の隔壁を通過する際に隔壁の細孔に捕集される。排気は、入口側が封止されており出口側が封止されていない排気流路から流出する。

Ａ／Ｆセンサ３０は、ＤＯＣ２０とＤＰＦ２２との間に設置されており、Ａ／Ｆセンサ３０の出力から排気流路２１０中の酸素濃度が検出される。Ａ／Ｆセンサ３０の出力は、酸素濃度に対して極力リニアな特性が望ましい。

図２に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０は、センサ素子３２の周囲を有底円筒状のカバー３４で覆っている。センサ素子３２は、例えば、平板状の固体電解質体を積層した積層型のセンサ素子である。

カバー３４は、排気流路２１０で生成される凝縮水または結露水に対してセンサ素子３２が被水することを防止する。また、排気ガスがカバー３４内に流入し、カバー３４から流出するように、カバー３４の周壁および底壁を貫通して複数の通気孔３６が形成されている。

ＥＣＵ４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き換え可能な記憶装置等を有するマイクロコンピュータにより主に構成されている。ＥＣＵ４０は、ＥＣＵ４０のＲＯＭ、フラッシュメモリ等の記憶装置に記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、エンジン運転状態を制御するとともに、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を診断する。

ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３０、図示しない吸気温センサ、吸気量センサ、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等の各種センサの出力信号からエンジン運転状態を取得する。そして、ＥＣＵ４０は、取得したエンジン運転状態に基づき、燃料噴射弁４の噴射時期および噴射量を制御する。また、ＥＣＵ４０は、エンジン運転状態に基づいて、エンジンの主なトルクを発生するメイン噴射を含み、メイン噴射の前のパイロット噴射、メイン噴射の後のポスト噴射等の多段噴射を実施する。

パイロット噴射は、メイン噴射による着火の前に空気と微少量の燃料とを予め混合させておくために実施される。ポスト噴射は、微少量の燃料を噴射してＤＰＦ２２が捕集しているパティキュレートを燃焼するために実施される。

（Ａ／Ｆセンサ３０の応答性）
次に、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性について説明する。例えば、定速走行状態においてアクセルペダルがオフされ減速運転状態になると、図３の（Ａ）に示すように、ＥＣＵ４０は燃料噴射弁４からの燃料噴射をカットする。燃料カットにより噴射量３００が０になると、エンジン２の気筒内で燃焼が生じないので、図３の（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、エンジン２の気筒内の酸素濃度３１０はステップ応答的に大気相当に上昇し、オーバーシュートすることなく大気相当に収束する。

Ａ／Ｆセンサ３０に気筒内のガスが到達するまでには配管長等により時間遅れがあるので、Ａ／Ｆセンサ３０が設置されている位置の酸素濃度は気筒内の酸素濃度３１０の変化から遅れて変化する。この遅れ時間は、排気ガスの流速によって変化する。そして、排気ガスの流速は、エンジン回転数、燃料噴射量、吸気量等をパラメータとしたエンジン運転状態によって変化する。したがって、気筒内の酸素濃度３１０に対してＡ／Ｆセンサ３０が設置されている位置の酸素濃度が遅れて変化する遅れ時間を、エンジン運転状態に基づいて算出し、推定できる。

Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が正常であれば、図３の（Ｂ）に示すように、エンジン運転状態に基づいて推定された正常出力３２０と、Ａ／Ｆセンサ３０の実際の実出力３２２とは、気筒内の酸素濃度３１０に対してほぼ同じ応答性になる。

一方、Ａ／Ｆセンサ３０の通気孔３６をパティキュレートが塞いだり、センサ素子３２自体が劣化すると、図３の（Ｃ）に示すように、実出力３２２の応答性は正常出力３２０よりも低下する。

ここで、図３に示すように、実出力３２２の応答性を正常出力３２０だけと比較すると、正常出力３２０と実出力３２２との大小関係と偏差の大きさとは検出できる。しかし、実出力３２２と比較する比較対象が正常出力３２０の一つだけなので、実出力３２２の応答性の低下程度を判定することはできない。

そこで、本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性を診断するために、図４に示すように、正常出力３２０に加え、正常出力３２０に対して応答性が所定値低下している低下出力３２４を推定する。

正常出力３２０は、気筒内の酸素濃度と、排気ガスが気筒からＡ／Ｆセンサ３０が設置されている位置に到達するまでに要する時間と、正常なＡ／Ｆセンサ３０の応答特性とをパラメータとして推定される。気筒内の酸素濃度は、吸気量、噴射量、ＥＧＲガス量等に基づいて算出される。

低下出力３２４は、例えば、正常出力３２０を推定するときの正常なＡ／Ｆセンサの応答特性に代えて、応答性が所定値低下しているＡ／Ｆセンサの応答特性を使用して推定される。例えば、低下出力３２４は、正常出力３２０の応答性の遅れを１とすると、５倍程度の遅れに設定される。

また、低下出力３２４は、正常出力３２０に対して一次遅れ処理を行って推定してもよい。
図４の（Ｂ）においては、実出力３２２はほぼ正常出力３２０に等しく、低下出力３２４から正常出力側に大きく離れている。したがって、実出力３２２の応答性の低下程度は、正常出力３２０に対して小さいと診断できる。

図４の（Ｃ）においては、実出力３２２は、正常出力３２０よりも低下出力３２４に近く、正常出力３２０から大きく離れている。したがって、実出力３２２の応答性の低下程度は、正常出力３２０に対して大きいと診断できる。

図４の（Ｄ）においては、実出力３２２の応答性は低下出力３２４よりも低下している。そして、正常出力３２０および低下出力３２４の両方から離れている程度から、実出力３２２の応答性の低下程度は、正常出力３２０に対して極めて大きい（極大）と診断できる。

このように、実出力３２２を正常出力３２０および低下出力３２４の両方と比較することにより、正常出力３２０または低下出力３２４の一方とだけ比較する場合に比べ、正常出力３２０に対して実出力３２２の応答性の低下程度を診断できる。

（積算による診断）
次に、実出力３２２の応答性の低下程度の診断をさらに詳細に説明する。
図５では、エンジン運転状態が、定常状態から燃料カットによる過渡状態に移行し、低下出力３２４または実出力３２２が収束するまでの間、正常出力３２０と低下出力３２４との偏差の積算値Ｓ１と、正常出力３２０と実出力３２２との偏差の積算値Ｓ２とをそれぞれ算出している。そして、Ｓ２／Ｓ１の値に基づいて、実出力３２２の応答性の低下程度を診断する。正常出力３２０と実出力３２２との偏差に代えて、低下出力３２４と実出力３２２との偏差の積算値をＳ２として算出してもよい。

Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が正常であり、実出力３２２が正常出力３２０にほぼ一致する場合は、Ｓ２≒０であるから、Ｓ２／Ｓ１≒０になる。実出力３２２が低下出力３２４とほぼ等しい場合には、Ｓ２／Ｓ１≒１になる。したがって、Ｓ２／Ｓ１に基づいて、Ａ／Ｆセンサ３０の低下程度を診断できる。

（診断ルーチン１）
図６に、偏差の積算に基づくＡ／Ｆセンサ３０の応答性診断ルーチン１を示す。図６の診断ルーチン１は常時実行される。図６において「Ｓ」はステップを表している。

Ｓ４００において、ＥＣＵ４０は、診断条件が成立しているか否かを判定する。ＥＣＵ４０は、以下の条件の少なくともいずれかが成立していると（Ｓ４００：Ｎｏ）、診断条件が成立していないと判定し応答性診断を実行しない。
・Ａ／Ｆセンサが異常である。例えば、Ａ／Ｆセンサ３０の出力が固定であり変化しない。
・Ａ／Ｆセンサ３０が暖機されてから所定時間経過しておらず、Ａ／Ｆセンサ３０の出力が安定しない。
・ＤＰＦ２２の再生のためにポスト噴射または燃料添加弁から燃料添加が実施されているので、ＤＯＣ２０における酸化反応により排気ガス状態が不安定であり、かつ排気ガス中の未燃成分量が変化する。

診断条件が成立していると（Ｓ４００：Ｙｅｓ）、Ｓ４０２においてＥＣＵ４０は、排気酸素濃度が一定で安定しているか否か、つまりエンジン運転状態が定常状態であるか否かを判定する。

排気酸素濃度が一定で安定しており、エンジン運転状態が定常状態の場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、正常出力３２０と低下出力３２４とは実出力３２２に一致するはずである。そこで、エンジン運転状態が定常状態の場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、正常出力３２０と低下出力３２４との推定値を実出力３２２の検出値に一致するように補正しておくことが望ましい。これにより、Ｓ４０６において積算値Ｓ１、Ｓ２を算出する前に正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２とのずれを解消し、積算値Ｓ１、Ｓ２を高精度に算出できる。

排気酸素濃度が安定している場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、Ｓ４０４においてＥＣＵ４０は、エンジン運転状態が過渡状態に移行したか否かを判定する。この判定は、例えば、アクセル開度の変化等により判定する。

エンジン運転状態が過渡状態に移行すると（Ｓ４０４：Ｙｅｓ）、Ｓ４０６においてＥＣＵ４０は、正常出力３２０と低下出力３２４との偏差の積算値Ｓ１と、正常出力３２０と実出力３２２との偏差の積算値Ｓ２とを、エンジン運転状態が過渡状態から定常状態に移行し、正常出力３２０および低下出力３２４の両方が収束するまで算出する。

エンジン運転状態が過渡状態から定常状態に移行し、正常出力３２０および低下出力３２４の両方が収束すると（Ｓ４０８：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４０は、積算値Ｓ１、Ｓ２の算出を終了し、Ｓ４１０において、積算値Ｓ１、Ｓ２を算出している間の正常出力３２０または低下出力３２４の変化量が所定量以上であるか否かを判定する。

正常出力３２０または低下出力３２４の変化量が所定量より小さい場合（Ｓ４１０：Ｎｏ）、ＥＣＵ４０は、正常出力３２０または低下出力３２４の変化量が小さく積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とが小さいために計測誤差の影響を受けやすので、積算値Ｓ１と積算値Ｓ２とに基づいてＡ／Ｆ３０の応答性の低下程度を診断できないと判断する。そして、Ｓ４２０においてＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３０の診断を停止して本ルーチンを終了する。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を誤診断することを防止できる。

Ｓ４１０において正常出力３２０または低下出力３２４の変化量が所定量より小さい場合とは、例えば、燃料カットが実行され排気ガスが大気相当になった場合に、燃料カット前の正常出力３２０および低下出力３２４の値が、大気相当の酸素濃度に近かった場合である。

正常出力３２０または低下出力３２４の変化量が所定量以上の場合（Ｓ４１０：Ｙｅｓ）、Ｓ４１２においてＥＣＵ４０は、積算時間が所定時間以下であるか否かを判定する。積算時間が所定時間よりも長い場合、ＥＣＵ４０は、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２とにノイズが生じた状態で所定時間を超えて積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とを算出すると積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とに誤差が生じやすく、このような積算値Ｓ1と積算値Ｓ２とに基づいてＡ／Ｆ３０の応答性の低下程度を診断できないと判断する。そして、Ｓ４２０においてＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３０の診断を停止して本ルーチンを終了する。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を誤診断することを防止できる。

尚、噴射量変化（減速または加速）時間が所定時間を超える場合、ならびに噴射量変化率が所定値以下になる場合は、Ｓ４１０、Ｓ４１２のいずれかにおいて、Ａ／Ｆセンサ３０の診断を停止する条件に含まれる。

積算時間が所定時間以下の場合（Ｓ４１２：Ｙｅｓ）、Ｓ４１４においてＥＣＵ４０は、Ｓ２／Ｓ１を所定値と比較する。前述したように、積算値Ｓ１は正常出力３２０と低下出力３２４との偏差の積算値であり、積算値Ｓ２は正常出力３２０と実出力３２２との偏差の積算値である。したがって、Ｓ２／Ｓ１の値により、実出力３２２の応答性の低下程度を判定できる。

Ｓ２／Ｓ１＜所定値であれば（Ｓ４１４：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性は異常ではないと判断し、本ルーチンを終了する。Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が異常であるか否か判定するためにＳ２／Ｓ１と比較する所定値は、例えば１に設定される。

Ｓ２／Ｓ１＜所定値であり（Ｓ４１４：Ｙｅｓ）、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が異常ではないと判定して本ルーチンを終了した場合、ＥＣＵ４０は、通常のエンジン制御ルーチンにおいて、Ｓ２／Ｓ１の値に基づいて、つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度に基づいて適切なエンジン制御を実行する。

例えば、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度が小さい場合には、正常出力３２０と実出力３２２との偏差に基づいて正常出力３２０を補正する。一方、Ｓ２／Ｓ１＜所定値ではあるがＡ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度が大きい場合には、正常出力３２０と実出力３２２との偏差に基づいて正常出力３２０を補正するタイミングをエンジン運転状態が安定した条件に限定する。

Ｓ２／Ｓ１≧所定値であれば（Ｓ４１４：Ｎｏ）、ＥＣＵ４０は、Ｓ４１６においてＡ／Ｆセンサ３０の応答性は異常であると判断し、Ｓ４１８において、応答性の低下程度に基づいて適切なフェイルセーフ処理を実行して本ルーチンを終了する。この場合のフェイルセーフ処理としては、警告灯でＡ／Ｆセンサ３０の異常を知らせるか、Ａ／Ｆセンサ３０の出力に基づくエンジン制御を中止するか等が実行される。

以上説明した偏差の積算による応答性の診断によると、エンジン運転状態に基づいて正常出力３２０および低下出力３２４を推定する場合に、エンジン運転状態を検出するための各種センサの出力にノイズが生じたり、Ａ／Ｆセンサ３０の出力にノイズが生じても、ノイズが積算値に与える誤差の影響は小さい。したがって、算出した積算値Ｓ１、Ｓ２を用いたＳ２／Ｓ１に基づいて、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を高精度に診断できる。

また、偏差の積算による応答性の診断を燃料カット中に実行すれば、外乱の影響を極力排除できるとともに、排気流路２１０の酸素濃度が大気相当にステップ応答的に上昇し、オーバーシュートすることなく大気相当に収束する。したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の正常出力３２０および低下出力３２４を高精度に推定できる。その結果、Ｓ２／Ｓ１に基づいてＡ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を高精度に診断できる。

また、燃料カットのように、燃料噴射量が変化し酸素濃度を含むガス状態がステップ応答的に変化する状態を、エンジン運転状態に関わらず強制的に燃料噴射量を増減して実行すると、ディーゼルエンジン２においては、燃料噴射量の増減によりトルク変動が生じ、運転者に違和感を与える。さらに、燃焼音の増大、エミッションの悪化を招く恐れがある。これに対し、アクセル操作に伴う燃料カットでは、運転者に違和感を与えず、燃焼音の増大およびエミッションの悪化を招くことなく、酸素濃度を含むガス状態をステップ応答的に変化させることができる。

尚、燃料カット中においては、排気ガスに与える外乱の影響が小さく排気ガスの成分を大気相当に特定できるので、Ａ／Ｆセンサ３０に限らず他の排気センサについても、正常出力および低下出力を高精度に推定できる。その結果、排気センサの応答性の低下程度を高精度に診断できる。

また、燃料カット中においては排気流路２１０の酸素濃度を含むガス状態は大気相当になる。したがって、例えばＡ／Ｆセンサ３０については、大気相当の酸素濃度と実出力３２２の検出値とが一致するように実出力３２２を補正できる。

尚、診断ルーチン１の実行中に以下に示すように排気流路２１０のガス状態の変動が大きくなる事象が生じた場合には、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度の診断が困難であると判断し、診断ルーチン１の実行を停止する。これは、後述する診断ルーチン２、３においても同様である。
・２段階段以上の減速または加速が実行された。
・ブレーキ操作、シフトチェンジ、クラッチ断が実行された。
・エンジン回転数または吸気量の変化量が所定値以上になる。
・燃料カット以外の過渡状態でＡ／Ｆセンサ３０の応答性を診断する場合において、酸素濃度が収束するときにオーバーシュートまたはアンダーシュートする場合。

（変化率による診断）
積算による診断に代えて、図７では、所定のタイミング３３０における、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率を算出している。そして、変化率を比較して実出力３２２の応答性の低下程度を診断する。

Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が正常であり、実出力３２２の応答性が正常出力３２０の応答性にほぼ一致する場合、過渡状態の所定タイミングにおいて、実出力３２２と正常出力３２０との変化率はほぼ一致する。一方、実出力３２２の応答性が正常出力３２０の応答性よりも低下している場合、過渡状態の所定のタイミングにおいて、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率は異なっている。

ここで、出力の変化率は過渡状態中に変化するので、応答性の異なる正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率の大小関係は、過渡状態のすべてのタイミングで同じではない。しかし、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率の大小関係を比較することにより、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を診断できる。

（診断ルーチン２）
図８に、変化率に基づくＡ／Ｆセンサ３０の応答性診断ルーチン２を示す。図８の診断ルーチン２は常時実行される。図８において「Ｓ」はステップを表している。図８のＳ４３０〜Ｓ４３４は、図６のＳ４００〜Ｓ４０４と実質的に同一処理なので、説明を省略する。

エンジン２が過渡運転を開始してから所定時間が経過すると（Ｓ４３６：Ｙｅｓ）、Ｓ４３８においてＥＣＵ４０は、所定時間が経過した所定タイミングにおいて、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率を算出する。そして、正常出力３２０と低下出力３２４との変化率から、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が正常であると判断できる実出力３２２の変化率の許容範囲を算出する。

実出力３２２の変化率が許容範囲を超えている場合（Ｓ４４０：Ｎｏ）、ＥＣＵ４０は、Ｓ４４２においてＡ／Ｆセンサ３０の応答性は異常であると判断し、Ｓ４４４において、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率に基づいて、つまり応答性の低下程度に基づいて適切なフェイルセーフ処理を実行して本ルーチンを終了する。

実出力の変化率が許容値の範囲内である場合（Ｓ４４０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性は正常であると判断し本ルーチンを終了する。この場合、ＥＣＵ４０は、通常のエンジン制御ルーチンにおいて、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率に基づいて、つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度に基づいて適切なエンジン制御を実行する。

（最大変化率による診断）
積算による診断に代えて、図９では、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率が最大（図９の符号３３２の位置）になるタイミングを検出している。そして、変化率が最大になるタイミングを比較して実出力３２２の応答性の低下程度を診断する。図９から分かるように、応答性が低くなるほど、変化率が最大になるタイミングは遅くなる。したがって、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率が最大になるタイミングを比較することにより、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を診断できる。

（診断ルーチン３）
図１０に、変化率が最大になるタイミングに基づくＡ／Ｆセンサ３０の応答性診断ルーチン３を示す。図１０の診断ルーチン３は常時実行される。図１０において「Ｓ」はステップを表している。図１０のＳ４５０〜Ｓ４５４は、図６のＳ４００〜Ｓ４０４と実質的に同一処理なので、説明を省略する。

エンジン２が過渡運転を開始すると（Ｓ４５４：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４０は、Ｓ４５６において正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率が最大になるタイミングを検出する。そして、Ｓ４５８においてＥＣＵ４０は、実出力３２２の変化率が最大になるタイミングについて、正常出力３２０と低下出力３２４との変化率が最大になるタイミングからＡ／Ｆセンサ３０の応答性が正常であると判断できる許容タイミングを算出する。

そして、Ｓ４６０においてＥＣＵ４０は、実出力３２２の変化率が最大になるタイミングが許容タイミングより遅い場合（Ｓ４６０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４０は、Ｓ４６２においてＡ／Ｆセンサ３０の応答性は異常であると判断し、Ｓ４６４において、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率がそれぞれ最大になるタイミングに基づいて、つまり応答性の低下程度に基づいて適切なフェイルセーフ処理を実行して本ルーチンを終了する。

実出力３２２の変化率が最大になるタイミングが許容タイミングと同じか早い場合（Ｓ４６０：Ｎｏ）、ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性は正常であると判断し本ルーチンを終了する。この場合、ＥＣＵ４０は、通常のエンジン制御ルーチンにおいて、正常出力３２０と低下出力３２４と実出力３２２との変化率がそれぞれ最大になるタイミングに基づいて、つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度に基づいて適切なエンジン制御を実行する。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が本発明の排気センサ診断装置に相当し、Ａ／Ｆセンサ３０が排気センサに相当する。また、図６のＳ４０６の処理が本発明の正常出力推定手段、低下出力推定手段、実出力検出手段が実行する機能に相当し、Ｓ４０４〜Ｓ４０８の処理が積算手段が実行する機能に相当し、Ｓ４００、Ｓ４１０〜Ｓ４１６およびＳ４２０の処理が診断手段が実行する機能に相当する。

また、本実施形態では、図８のＳ４３８が本発明の正常出力推定手段、低下出力推定手段、実出力検出手段、変化率算出手段が実行する機能に相当し、Ｓ４３０、Ｓ４３８〜Ｓ４４２の処理が診断手段が実行する機能に相当する。

また、本実施形態では、図１０のＳ４５６が本発明の正常出力推定手段、低下出力推定手段、実出力検出手段、タイミング算出手段が実行する機能に相当し、Ｓ４５０、Ｓ４５８〜Ｓ４６２の処理が診断手段が実行する機能に相当する。

以上説明した上記実施形態では、応答性が正常なＡ／Ｆセンサ３０の正常出力３２０と、正常出力３２０に対し応答性が所定値低下している低下出力３２４と、Ａ／Ｆセンサ３０の実際の実出力３２２とを比較している。これにより、正常出力３２０または低下出力３２４の一方と実出力３２２との単なる大小関係ではなく、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を診断できる。

［他の実施形態］
上記実施形態では、排気センサとして、排気流路２１０の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ３０を使用した。Ａ／Ｆセンサ３０以外にも、排気流路２１０のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ、排気温度を検出する排気温センサ、排気中のパティキュレート量を検出するＰＭセンサ等、排気流路２１０のガス状態を検出するのであれば、どのような排気センサの応答性の診断に本発明の排気センサ診断装置を用いてもよい。

また、上記実施形態では、燃料カットによる減速運転中の排気流路２１０のガス状態に基づいて排気センサとしてのＡ／Ｆセンサ３０の応答性の低下程度を診断した。これに対し、加速運転中の排気流路２１０のガス状態に基づいて排気センサの応答性の低下程度を診断してもよい。

上記実施形態では、正常出力推定手段、低下出力推定手段、実出力検出手段、診断手段、積算手段、変化率算出手段およびタイミング算出手段の機能を制御プログラムにより機能が特定されるＥＣＵ４０により実現している。これに対し、上記手段の機能の少なくとも一部を、回路構成自体で機能が特定されるハードウェアで実現してもよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

２：ディーゼルエンジン（内燃機関）、３０：Ａ／Ｆセンサ（排気センサ）、４０：ＥＣＵ（排気センサ診断装置、正常出力推定手段、低下出力推定手段、実出力検出手段、診断手段、積算手段、変化率算出手段、タイミング算出手段）、２００：吸気流路、２１０：排気流路

Claims (13)

1. 内燃機関の排気流路に設けられ、前記排気流路のガス状態を検出する排気センサの応答性を診断する排気センサ診断装置において、
   内燃機関の運転状態に基づいて、応答性が正常な排気センサの正常出力を推定する正常出力推定手段と、
   前記正常な排気センサに対して応答性が所定値低下している排気センサの低下出力を推定する低下出力推定手段と、
   前記排気流路に設けられている前記排気センサの実際の実出力を検出する実出力検出手段と、
   前記正常出力推定手段が推定する前記正常出力と前記低下出力推定手段が推定する前記低下出力との偏差の積算値をＳ１とし、前記実出力検出手段が検出する前記実出力と前記正常出力または前記低下出力との偏差の積算値をＳ２とし、前記Ｓ１および前記Ｓ２を算出する積算手段と、
   前記Ｓ１と前記Ｓ２とに基づいて前記排気センサの応答性を診断する診断手段と、
   を備えることを特徴とする排気センサ診断装置。
2. 前記正常出力推定手段は、前記内燃機関の運転状態から推定される気筒内のガス状態と、排気ガスが前記気筒から前記排気センサに到達するまでに要する時間と、前記正常な排気センサの応答特性とに基づいて前記正常出力を推定することを特徴とする請求項１に記載の排気センサ診断装置。
3. 前記正常出力推定手段は、前記正常な排気センサの応答特性を少なくとも含むパラメータに基づいて前記正常出力を推定し、
   前記低下出力推定手段は、前記正常な排気センサの応答特性に代えて、前記正常な排気センサの応答特性に対して応答性が所定値低下している排気センサの応答特性を少なくとも含む前記パラメータに基づいて前記低下出力を推定する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気センサ診断装置。
4. 前記低下出力推定手段は、前記正常出力推定手段が推定した前記正常出力に対し、一次遅れ処理を行って前記低下出力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の排気センサ診断装置。
5. 前記積算手段は、前記Ｓ１および前記Ｓ２の算出を開始してから、前記正常出力と前記低下出力と前記実出力とが変化し、その後に前記低下出力および前記正常出力の少なくともいずれか一方が収束すると前記Ｓ１および前記Ｓ２の算出を終了することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
6. 前記積算手段は、前記正常出力と前記低下出力と前記実出力とが一致しているときに前記Ｓ１および前記Ｓ２の算出を開始することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
7. 前記積算手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態に移行するときに前記Ｓ１および前記Ｓ２の算出を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
8. 前記積算手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから前記低下出力および前記正常出力の少なくとも一方が収束するまで前記Ｓ１および前記Ｓ２を算出し、
   前記診断手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから前記低下出力および前記正常出力の少なくとも一方が収束するまでの時間が所定時間を超える場合、前記排気センサの応答性の診断を停止する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
9. 前記積算手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから前記低下出力および前記正常出力の少なくとも一方が収束するまで前記Ｓ１および前記Ｓ２を算出し、
   前記診断手段は、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態になってから前記低下出力および前記正常出力の少なくとも一方が収束するまでの間において、前記低下出力と前記正常出力とのうち値が収束した出力の変化量が所定量より小さい場合、前記排気センサの応答性の診断を停止する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
10. 前記診断手段は、内燃機関の運転状態が燃料カット状態になると前記排気センサの応答性を診断することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
11. 前記実出力検出手段は、燃料カット時に、前記気筒内のガス状態に基づいて前記実出力を補正することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
12. 前記気筒内のガス状態が定常状態の場合、前記正常出力推定手段および前記低下出力推定手段は、前記実出力に対する前記正常出力および前記低下出力のずれを補正することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。
13. 前記診断手段は、前記排気センサが暖機されてから所定時間経過するまで、前記排気センサの応答性の診断を待機することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の排気センサ診断装置。

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