JP5083044B2 - 空燃比検出手段の劣化診断装置及び劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気空燃比を検出するセンサの劣化診断に関する。

内燃機関の排気エミッション低減のために、排気の空燃比に応じて燃料噴射量を決定する制御が知られている。

この排気の空燃比を検出するセンサ（空燃比センサ）の劣化診断方法として、特許文献１には、燃料噴射量を周期的に増減させて空燃比を強制的に変化させた際の、空燃比センサの出力の軌跡長または面積に基づいて劣化を検出する方法が開示されている。
特開２００５−３０３５８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、診断中に運転状態が変化しなければ劣化診断を正確に行えるが、診断中に運転状態が徐々に変化するような場合には、診断のための空燃比の変化以外に、燃料噴射弁等の特性ズレを補正するための燃料噴射量補正が行われてしまうため、思い通りの空燃比に制御することが困難となり、誤診断をするおそれがある。すなわち、劣化診断を行うことができるのは、定常運転状態に限られてしまうという問題があった。

そこで、本発明では、劣化診断の頻度を低下させることなく、かつ、機関運転状態が変化する場合の誤診断を防止することを目的とする。

本発明の空燃比検出手段の劣化診断装置は、内燃機関の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、空燃比検出手段の検出値に基づいて燃料噴射量を変更することにより空燃比のフィードバック制御を行うフィードバック制御手段と、劣化診断用に空燃比をリッチ方向及びリーン方向に周期的に繰り返し変化させる目標空燃比設定手段と、空燃比の変化に対する空燃比検出手段の応答特性モデルを逐次同定演算する同定手段と、逐次同定演算中に運転状態が変化しない定常状態であったか、運転状態が変化した非定常状態であったかを判定する運転状態判定手段と、応答特性に基づいて空燃比検出手段の劣化を判定する劣化判定手段と、を備え、同定手段は、劣化診断中に、フィードバック制御中の燃料噴射量に基づいて算出した推定空燃比を入力値として応答特性モデルを逐次同定演算する第一の逐次同定演算と、目標空燃比設定手段が設定した劣化診断用の目標空燃比を入力値として応答特性モデルを逐次同定演算する第二の逐次同定演算とを行い、劣化判定手段は、定常状態であった場合には第一の逐次同定演算の結果に基づいて、非定常状態であった場合は第二の逐次同定演算の結果に基づいて劣化判定を行う。

本発明によれば、劣化診断中に運転状態が変化した場合には、目標空燃比を入力とする第二の逐次同定演算の結果に基づいて劣化判定を行うので、運転状態が変化した場合の誤診断を防止しつつ、劣化診断の頻度の低下を防止することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用する内燃機関システムの概略図である。１はエンジン、２は吸気通路、３は排気通路、４は吸気バルブ、５は排気バルブ、１２は空燃比検出手段としての空燃比センサ、１４はフィードバック制御手段、目標空燃比設定手段、同定手段、運転状態判定手段及び劣化判定手段としてのコントロールユニットである。エンジン本体１にはシリンダ６を設け、シリンダ６内にはピストン１０を摺動可能に配置する。また、シリンダ６の天井面にはシリンダ６内の混合気に火花点火をする点火栓１１を設ける。

吸気通路２はシリンダ６に開口し、この開口部を吸気バルブ４により開閉する。同様に排気通路３はシリンダ６に開口し、この開口部を排気バルブ５により開閉する。

吸気通路２には、吸気流の上流側から順に、吸入空気量を測定するエアフローメータ９、シリンダ６に流入する空気量を調整するスロットルバルブ８、吸気通路４内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁７を設ける。

排気通路３には、排気を浄化するための排気浄化触媒１３を介装し、排気浄化触媒１３の上流側には空燃比センサ１２を設ける。排気浄化触媒１３としては、三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等を用いることができる。

空燃比センサ１２は排気中の酸素濃度を検出するセンサであり、センサ電圧をコントロールユニット１４に出力する。コントロールユニット１４はこのセンサ電圧に基づいて空燃比を算出する。また、空燃比センサ１２はセンサ素子を加熱するためのヒータをそれぞれ備えており、冷間始動時等にも早期にセンサを活性状態にすることで排気性能の悪化を抑制する。

コントロールユニット１４は、エアフローメータ９、空燃比センサ１２、エンジン回転数センサ１５、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、その他図示しないセンサ類の検出値に基づいて、スロットルバルブ８の開度制御、燃料噴射量制御、点火時期制御、減速時の燃料カット制御、アイドルストップ制御、空燃比フィードバック制御等を行う。

上記の空燃比フィードバック制御は、排気の空燃比がストイキな状態を維持するために、空燃比センサ１２の検出値に基づいて燃料噴射量の増減を行う制御である。コントロールユニット１４は、エアフローメータ９の検出値等に基づいて、空燃比がストイキとなるように燃料噴射量を設定するが、例えば燃料噴射弁７の製造誤差や経年劣化等により、実際に噴射する燃料量とコントロールユニット１４が設定した燃料噴射量とが乖離が生じる場合もある。そこで、実際の排気の空燃比を検出し、これを燃料噴射量制御にフィードバックすることにより排気の空燃比をストイキに保持する。

ところで、空燃比センサ１２は、経年劣化等により燃料噴射量の増減に対する応答性が悪化する。図２は空燃比を周期的に変化させた場合の、正常な空燃比センサ１２及び劣化した空燃比センサ１２の検出値と、燃料補正係数の変化を示した図である。ここで、燃料補正係数は、目標空燃比に基づいて算出される基本燃料噴射量を、空燃比センサ１２の検出値に基づいて補正するための係数である。図中の矩形波は目標空燃比を示し、曲線は、実線が正常な場合、破線が劣化した場合について示したものである。

目標空燃比がリッチ側又はリーン側に振れると、空燃比センサ１２の検出値もリッチ側又はリーン側に振れる。そして、燃料補正係数も空燃比センサ１２の検出値の変化に応じて変化する。このとき、空燃比センサ１２が正常であれば、目標空燃比が切り換わってから、検出値がリッチ又はリーン方法への変化を開始するまでの遅れ時間はほとんどない。しかし、劣化している場合には、この遅れ時間が長くなり、目標空燃比の変化が繰り返されると、いずれこの変化に追従できなくなる。また、燃料補正係数については、目標空燃比が変化すると基本燃料噴射量も変化するため、空燃比センサ１２の劣化による遅れ時間の増大はない。しかし、検出値が目標空燃比から大きくずれているため、燃料補正係数は正常な場合に比べて大きく補正するような値になってしまう。

このように、空燃比センサ１２が劣化すると、精度のよい空燃比フィードバック制御を行うことが難しくなり、結果として排気性能の悪化を招くこととなる。

そこで、以下に説明する制御を実行することにより、空燃比センサ１２の劣化診断を行うこととする。

図３は空燃比センサ１２の劣化診断の制御ロジックを示すフローチャートである。

ステップＳ１０１では、診断許可条件が成立しているか否かを判定する。例えば、次のi）〜iii）の条件が成立しているときに、診断許可条件が成立していると判定する。i）エンジン始動後所定時間が経過しているか否かを判定する。これは、始動時燃料増量や壁流の影響による誤診断を防止するためである。ii）空燃比センサ１２が活性化しているかを判定する。これは、空燃比センサ１２が不活性の状態で診断が行われることによる誤診断を防止するためである。なお、この判定は冷却水温に基づいて行う。iii）排気浄化触媒１３が活性化しているかを判定する。これは、排気浄化触媒１３が不活性の状態では、一般に、ＨＣ排出量低減や早期活性化のために空燃比をストイキよりもリーン側に維持する等の制御を行っており、目標空燃比を周期的に変化させるとかえって排気性能を悪化させるおそれがあるためである。この判定は、冷却水温や空燃比センサ１２の出力に基づいて行うことができる。

診断許可条件が成立しているときはステップＳ１０２に進み、成立していないときはそのまま処理を終了する。

ステップＳ１０２では、診断用の目標空燃比を設定する。すなわち、図２に示したように、リッチ方向への変化とリーン方向への変化が周期的に繰り返すような目標空燃比を設定する。

ステップＳ１０３、Ｓ１０４では、空燃比センサ１２の出力特性についての同定を行う。ここでは、入力値を推定空燃比、出力値を空燃比センサ１２の検出値に基づく実空燃比とするカルマンフィルタによる逐次同定演算を行うこととする。

ステップＳ１０３では、燃料噴射指令値とエアフローメータ９の検出値とから算出した推定空燃比を入力値とした演算（第一の逐次同定演算：以下、逐次同定演算（ａ）という）を行う。一方、ステップＳ１０４では、目標空燃比を入力値とした演算（第二の逐次同定演算：逐次同定演算（ｂ）という）を行う。なお、ステップＳ１０３、Ｓ１０４の演算は、いずれが先でもよく、また、両者を並行して行ってもよい。

ステップＳ１０５では、診断中の運転状態が定常状態であったか否かを判定する。例えば、３００ｍｓ前の吸入空気量と現在の吸入空気量とを比較し、両者の差が予め設定した閾値Ａより小さければ、定常状態であったと判定し、大きければ非定常状態であったと判定する。定常状態の場合はステップＳ１０６で定常状態フラグをセットしてステップＳ１０７に進み、非定常状態の場合はそのまま処理を終了する。

ステップＳ１０７では、診断終了条件が成立したか否かを、例えば、診断開始から予め設定した所定期間が経過したか否かで行う。この所定期間は、同定演算を行うのに十分な時間を設定する。

ステップＳ１０８では、定常判定フラグがセットされているか否か（定常判定フラグ＝１か否か）を判定する。セットされている場合はステップＳ１０９に進み、セットされていない場合はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１０９では、診断パラメータとして、逐次同定演算（ａ）の結果を選択し、ステップＳ１１０では、同様に逐次同定演算（ｂ）のを選択する。

すなわち、診断中に運転状態が変化しなければ、エアフローメータ９で検出した実際の吸入空気量に基づく推定空燃比を入力値とする演算結果を用いて診断を行い、診断中に運転状態が変化した場合には、目標空燃比を入力値とする同定演算結果を用いる。

運転状態が変化すると、診断のための空燃比変化に応じた燃料噴射量の変化以外にも燃料噴射量補正がかかってしまい、このような場合には、同定演算における入力値と出力値（空燃比センサ１２の出力）との相関関係がずれてしまうため、同定演算が正しく行われなくなる。その結果、空燃比センサ１２が正常であっても劣化していると誤診断してしまう恐れがあるので、燃料噴射指令値に基づく推定空燃比を入力値とする同定演算を用いた診断を行うことはできない。

そこで、上記制御のように、目標空燃比を入力値とする同定演算も行っておき、運転状態が変化した場合にはこの演算結果を用いて診断を行うこととする。これにより、診断頻度の低下を回避することができる。

ステップＳ１１１では、ステップＳ１０９またはステップＳ１１０で選択した診断パラメータに基づいて劣化判定を行う。具体的には、逐次同定演算の結果得られたゲイン−周波数特性を用いて、特定周波数におけるゲインが低下しているか否かを判定する。

図４は逐次同定演算の結果得られるボード線図の一例を示す図であり、実線Ａは実験等を通して予め作成しておいた空燃比センサ１２が正常な場合の特性を示しており、Ｂ、Ｃ及びＤは逐次同定演算結果を示している。特定の周波数（図４では３Ｈｚ）において、Ｄのように正常な場合とほぼ重なる、または正常な場合より大きいか、ＢやＣのように小さいかを判定する。

なお、ゲインの低下量に許容範囲を設け、正常なゲインからの低下量が所定範囲内を正常領域としてもよい。

正常な場合とほぼ重なる又は正常な場合より大きければ、ステップＳ１１２に進み正常であると判定し、小さければステップＳ１１３に進み、劣化していると判定する。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）エンジン１の排気の空燃比を検出する空燃比センサ１２と、空燃比センサ１２の検出値に基づいて燃料噴射量を変更することにより空燃比のフィードバック制御を行うフィードバック制御手段、劣化診断用に空燃比をリッチ方向及びリーン方向に周期的に繰り返し変化させる目標空燃比設定手段、空燃比の変化に対する空燃比センサ１２の応答特性モデルを逐次同定演算する同定手段、逐次同定演算中に運転状態が変化しない定常状態であったか、運転状態が変化する非定常状態であったかを判定する運転状態判定手段、及び応答特性に基づいて空燃比センサ１２の劣化を判定する劣化判定手段としてのコントロールユニット１４、を備え、フィードバック制御中の燃料噴射量に基づいて算出した推定空燃比をモデルに入力する第一の逐次同定演算と、目標空燃比設定手段が設定した目標空燃比をモデルに入力する第二の逐次同定演算とを行い、定常状態であった場合には第一の逐次同定演算の結果に基づいて、非定常状態であった場合は第二の逐次同定演算の結果に基づいて劣化判定を行うので、非定常状態であっても誤診断することなく空燃比センサ１２の劣化診断を行うことが可能となる。これにより、劣化診断の頻度の低下を防止することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本実施形態を適用するシステムの構成図である。 空燃比の変化に対する空燃比センサ検出値及び燃料補正係数の変化を示す図である。 劣化診断の制御ロジックを示すフローチャートである。 逐次同定演算の結果得られるボード線図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 吸気バルブ
５ 排気バルブ
６ シリンダ
７ 燃料噴射弁
８ スロットルバルブ
９ エアフローメータ
１０ ピストン
１１ 点火栓
１２ 空燃比センサ
１３ 排気浄化触媒
１４ コントロールユニット
１５ エンジン回転数センサ
１６ アクセル開度センサ
１７ 車速センサ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段の検出値に基づいて燃料噴射量を変更することにより空燃比のフィードバック制御を行うフィードバック制御手段と、
   劣化診断用に目標空燃比をリッチ方向及びリーン方向に周期的に繰り返し変化させる目標空燃比設定手段と、
   空燃比の変化に対する前記空燃比検出手段の応答特性モデルを逐次同定演算する同定手段と、
   前記逐次同定演算中に運転状態が変化しない定常状態であったか、運転状態が変化した非定常状態であったかを判定する運転状態判定手段と、
   前記応答特性に基づいて前記空燃比検出手段の劣化を判定する劣化判定手段と、
   を備え、
   前記同定手段は、劣化診断中に、前記フィードバック制御中の燃料噴射量に基づいて算出した推定空燃比を入力値として前記応答特性モデルを逐次同定演算する第一の逐次同定演算と、前記目標空燃比設定手段が設定した劣化診断用の目標空燃比を入力値として前記応答特性モデルを逐次同定演算する第二の逐次同定演算とを行い、
   劣化判定手段は、定常状態であった場合には前記第一の逐次同定演算の結果に基づいて、非定常状態であった場合は前記第二の逐次同定演算の結果に基づいて劣化判定を行うことを特徴とする空燃比検出手段の劣化診断装置。
2. 前記劣化判定手段は、同定された応答特性モデルのゲインと正常な場合の応答特性のゲインとの特定周波数における差が、所定の閾値より大きい場合に劣化していると判定することを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出手段の劣化診断装置。
3. 目標空燃比をリッチ方向及びリーン方向に周期的に繰り返し変化させ、
   前記目標空燃比の周期的な変化に伴うフィードバック制御中の燃料噴射量に基づいて算出した推定空燃比を入力値として応答特性モデルを逐次同定演算する第一の逐次同定演算と、劣化診断用の前記目標空燃比を入力値として応答特性モデルを逐次同定演算する第二の逐次同定演算とを行い、
   前記逐次同定演算中に運転状態が変化しない定常状態であったか、運転状態が変化した非定常状態であったかを判定し、
   定常状態であった場合には前記第一の逐次同定演算の結果に基づいて、非定常状態であった場合は前記第二の逐次同定演算の結果に基づいて劣化判定を行うことを特徴とする空燃比検出手段の劣化診断方法。

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