JP5477055B2 - 内燃機関の異常検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の異常検出装置に係り、特に、内燃機関に搭載されるアルコール濃度センサの異常を検出するのに好適な内燃機関の異常検出装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを備えた内燃機関が知られている。また、本公報には、目標空燃比の他、検出されたアルコール濃度によっても燃料噴射量が制御され、その結果、目標空燃比と空燃比センサの検出値との差が所定値よりも大きい場合にアルコール濃度センサが異常であると判定することが開示されている。このような手法によれば、アルコール濃度センサにより検出されたアルコール濃度が実際の濃度と異なる場合には、誤った燃料噴射量に制御されるため、燃料過多や空気過多となったことを判定することで、アルコール濃度センサの異常を検出することができる。

実開平２−１３９３４１号公報

ところで、空燃比センサの検出値は、吸入空気量のばらつきや、インジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきの影響を受ける。上記従来のアルコール濃度センサの異常を検出する手法では、これらの影響が含まれるため誤判定を起こすおそれがあり信頼性に欠ける。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アルコール濃度以外の他の要素による影響を排除した空燃比センサの出力特性に基づいて、高精度にアルコール濃度センサの異常を検出することのできる内燃機関の異常検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサにより検出される空燃比（以下、検出空燃比という。）を目標空燃比に一致させるように、前記空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
前記フィードバックされた結果、検出空燃比と目標空燃比との差が規定値よりも小さい範囲で収束している場合に、収束状態にあると判定する収束状態判定手段と、
前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比に応じて燃料噴射量を増量するリッチ化制御手段と、
前記リッチ化制御手段により燃料噴射量が増量された後、前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定されるまでの間に、前記フィードバック制御により減量された燃料減量量（以下、第１減量量という。）を算出する第１減量量算出手段と、
前記アルコール濃度センサにより検出された検出値から、前記フィードバック制御により減量される燃料減量量（以下、第２減量量という。）を算出する第２減量量算出手段と、
前記第１減量量と前記第２減量量との差が閾値よりも大きい場合に、前記アルコール濃度センサが異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力（以下、検出空燃比という。）を目標空燃比に一致させるように、前記空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
前記フィードバックされた結果、検出空燃比と目標空燃比との差が規定値よりも小さい範囲で収束している場合に、収束状態にあると判定する収束状態判定手段と、
前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比（以下、リッチ目標空燃比という。）に応じて燃料噴射量を増量するリッチ化制御手段と、
前記リッチ化制御手段により燃料噴射量が増量された場合における検出空燃比がリッチ目標空燃比より低いほどアルコール濃度が高い関係を予め定めたマップを記憶する記憶手段と、
前記マップから前記リッチ化制御手段により燃料噴射量が増量された場合における検出空燃比に対応するアルコール濃度を算出するアルコール濃度算出手段と、
前記アルコール濃度算出手段により算出された算出値と、前記アルコール濃度センサにより検出された検出値との差が閾値よりも大きい場合に、前記アルコール濃度センサが異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とする。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
低分子ＨＣを還元する触媒層を介して排気ガスの空燃比を検出する第１空燃比センサと、
前記触媒層を介さずに排気ガスの空燃比を検出する第２空燃比センサと、
前記第１及び第２空燃比センサの中から選択された空燃比センサ（以下、選択空燃比センサという。）により検出される空燃比を目標空燃比に一致させるように、前記選択空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
前記フィードバックされた結果、前記選択空燃比センサにより検出される空燃比と目標空燃比との差が規定値よりも小さい範囲で収束している場合に、収束状態にあると判定する収束状態判定手段と、
前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比に応じて燃料噴射量を増量するリッチ化制御手段と、
前記リッチ化制御手段により目標空燃比がリッチ雰囲気に変更された後、前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、前記第１空燃比センサと前記第２空燃比センサとの出力差からアルコール濃度を算出するアルコール濃度算出手段と、
前記アルコール濃度算出手段により算出された算出値と、前記アルコール濃度センサにより検出された検出値との差が閾値よりも大きい場合に、前記アルコール濃度センサが異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、まず、フィードバック制御により空燃比センサの出力を収束状態とする。収束状態とすることで、吸入空気量のばらつきやインジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきが吸収された状態とすることができる。その後、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比に応じて燃料噴射量を増量する。空燃比センサの出力には、リッチ雰囲気においてはアルコール濃度が高いほど、現実の空燃比よりもリッチにずれる現象が生じる。よって、その後、フィードバック制御により空燃比センサの出力が収束状態とされるまでの間に減量される燃料の減量量は、アルコール濃度が高いほど多くなる。このため、本発明によれば、吸入空気量のばらつきやインジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきの影響を排除し、アルコール濃度の影響により生じる空燃比センサの出力ずれから算出される減量量に基づいて、アルコール濃度センサの異常を精度高く検出することができる。

第２の発明によれば、第１の発明と同様に、収束状態とした後、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比（リッチ目標空燃比）に応じて燃料噴射量を増量する。その後、燃料噴射量が増量された場合における検出空燃比とリッチ目標空燃比との差からアルコール濃度を算出する。上述した空燃比センサの検出空燃比の出力ずれにより、リッチ雰囲気においてはアルコール濃度が高いほど目標空燃比と検出空燃比との差は大きくなる。このため、本発明によれば、吸入空気量のばらつきやインジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきの影響を排除し、アルコール濃度の影響により生じる空燃比センサの出力ずれを利用して、アルコール濃度センサの異常を精度高く検出することができる。

第３の発明によれば、第１の発明と同様に、選択された空燃比センサの出力を収束状態とした後、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比に応じて燃料噴射量を増量する。その後、フィードバック制御により選択された空燃比センサの出力を収束状態とする。低分子ＨＣを還元する触媒層を介して空燃比を検出する第１空燃比センサに比して、触媒層を介さず空燃比を検出する第２空燃比センサは、アルコール濃度が高いほど検出空燃比が現実の空燃比よりもリッチにずれる現象が生じる。そのため、アルコール濃度が高いほど第１空燃比センサと第２空燃比センサとの出力差は大きくなる。このため、本発明によれば、吸入空気量のばらつきやインジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきの影響を排除して、アルコール濃度の影響による空燃比センサの出力ずれを利用して、アルコール濃度センサの異常を精度高く検出することができる。

本発明の実施の形態１に係るシステムのハード構成を説明するための図である。 現実の空燃比（分析計により計測）に対する空燃比センサの検出空燃比を示す図である。 本発明の実施の形態１の異常検出処理において変動する空燃比センサ２６の検出空燃比λと燃料噴射量を表すタイミングチャートである。 目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２に変更すると共に噴射量を１．２Ｑに変更した後の減量量ΔＱａとエタノール濃度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１において、アルコール濃度センサ２０の異常を診断するために、ＥＣＵ５０が実行する異常診断ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、アルコール濃度センサ２０の異常を診断するために、ＥＣＵ５０が実行する異常診断ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係るシステムのハード構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３における第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２との出力特性を示す図である。 本発明の実施の形態３の異常検出処理において変動する第１空燃比センサ３０の検出空燃比λ及び第２空燃比センサ３２の検出空燃比λ´とそのセンサ出力差を表すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３において、アルコール濃度センサ２０の異常を診断するために、ＥＣＵ５０が実行する異常診断ルーチンのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステムのハード構成を説明するための図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０はエンジン本体１２を備えている。また、内燃機関１０は燃料タンク１４を備えている。燃料タンク１４は燃料配管１６を介してエンジン本体１２に設けられたインジェクタ１８に接続されている。インジェクタ１８は、燃料タンク１４から供給される燃料をポート噴射するものであっても筒内に直接噴射するものであってもよい。

燃料タンク１４には、ガソリンとアルコールとが混合された燃料が給油されることが想定されている。なお、本実施形態においては、アルコールとしてエタノールを用いることとするがメタノール等であってもよい。また、給油される燃料は、ガソリン又はアルコールのみの燃料であってもよい。燃料配管１６には、燃料中のアルコール濃度（エタノール濃度）を検出するアルコール濃度センサ２０が配置されている。

エンジン本体１２には排気通路２２が接続されている。排気通路２２には排気ガスを浄化する触媒２４が配置されている。触媒２４上流の排気通路２２には空燃比センサ２６が配置されている。空燃比センサ２６のセンサ素子部には、通過する分子の大きさに応じて通過速度が変化する拡散層を有するが、低分子ＨＣを還元する触媒は塗布されていないものとする。空燃比センサ２６は、酸素濃度を直線的特性にて検出することができ、酸素濃度に応じた臨界電流を出力し得る。この空燃比センサ出力（臨界電流）は、排気ガスの空燃比と相関を有している。具体的には、空燃比がリーン側になるほど臨界電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほど臨界電流は減少する。以下、現実の空燃比に対して、空燃比センサ２６により検出される検出値（空燃比センサ出力）に相当する空燃比を、単に「検出空燃比」と記す。

本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のアルコール濃度センサ２０、空燃比センサ２６の他、エンジン回転数を検知するためのクランク角センサ、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ等の各種センサが接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述のインジェクタ１８の他、点火プラグ等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

ＥＣＵ５０は、内燃機関１０のエンジン回転数、負荷、吸入空気量等に基づく所定のマップを用いることによって、内燃機関１０の運転状態に応じた噴射量を取得する。さらに、この噴射量にアルコール濃度センサ２０により検出されたエタノール濃度に応じた補正係数を乗じて基本噴射量を決定する。加えて、本実施形態のシステムでは、空燃比センサ２６の出力に基づいてフィードバック制御が実行される。フィードバック制御では、空燃比センサ２６の検出空燃比が、所定の目標空燃比（例えば、理論空燃比（ストイキ））と一致するように、基本噴射量に増減補正が施される。

［実施の形態１におけるアルコール濃度センサの異常検出］
ところで、アルコール濃度センサ２０に異常が生じ、誤ったエタノール濃度が出力される場合がある。上述したシステム構成において、アルコール濃度センサ２０が誤ったエタノール濃度を出力すれば、誤ったエタノール濃度に応じて決定された基本噴射量が噴射される。誤った基本噴射量が噴射されることで、燃料過多や空気過多となり、排気ガスの空燃比は目標空燃比から外れることとなる。そのため、アルコール濃度センサ２０の異常検出手法として、空燃比センサ２６の検出空燃比が目標空燃比から所定値以上外れた場合に、アルコール濃度センサ２０に異常が生じていると判定する手法が考えられる。

しかしながら、空燃比センサ２６の出力には、吸入空気量のばらつきや、インジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきの影響も含まれる。そのため、エタノール濃度以外の他の要因が含まれる上述の異常検出手法は、精度が高いとは言えず信頼性に欠けるものである。よって、エタノール濃度以外の影響を排除した精度の高い異常検出手法が望まれる。

このような課題を解決するために、発明者が着目したエタノール濃度に対する空燃比センサの出力特性について説明する。図２は、現実の空燃比（分析計により計測）に対する空燃比センサ２６の検出空燃比を示す図である。

図２は、エタノール濃度の異なる複数の燃料についての実験結果を表している。混合燃料については、エタノールの百分率で表した容積比をｘとして、Ｅｘという形で品質が示される。例えば、Ｅ１０はエタノールを容積比で１０％含む燃料である。図２に示す実線６０はＥ０の燃料における空燃比センサ２６の出力特性を、実線６２はＥ１０の燃料における空燃比センサ２６の出力特性を、実線６４はＥ１００の燃料における空燃比センサ２６の出力特性を表している。

図２に表すように、分析計により計測される現実の空燃比が１以上のストイキ及びリーン雰囲気においては、エタノール濃度によらず空燃比センサ２６の出力特性に差はない。一方、現実の空燃比が１よりも低いリッチ雰囲気においては、エタノール濃度が低い燃料Ｅ０（実線６０）よりも、エタノール濃度が高い燃料Ｅ１０（実線６２）、Ｅ１００（実線６４）ほどリッチ側に大きく出力ずれが生じている。このように、空燃比センサ２６は、リッチ雰囲気においてエタノール濃度が高いほどリッチ側に大きく出力ずれが生じる出力特性を有する。この空燃比センサ２６の出力特性は、現実の空燃比に対するものであり、吸入空気量のばらつきやインジェクタの機差・経時劣化による噴射量のばらつきが排除された、これらのばらつきに寄らない特性である。

そこで、本実施形態のシステムでは、リッチ雰囲気においてエタノール濃度が高いほど空燃比センサ２６の出力がリッチ側にずれる出力特性を利用して、アルコール濃度センサ２０の異常検出を行うこととした。

より具体的な異常検出の内容について図３〜図４を用いて説明する。以下、一例として、エタノール濃度４０％の燃料を用いている場合について説明する。図３は、異常検出処理において変動する空燃比センサ２６の検出空燃比λと燃料噴射量を表すタイミングチャートである。

図３の時刻ｔ_０前において、目標空燃比λ_ｒｅｆは１（ストイキ）に設定されている。上述した通り、本実施形態においては、アルコール濃度センサ２０により検出されたエタノール濃度に応じた補正係数を運転状態に応じた噴射量に乗じた基本噴射量Ｑに対して、フィードバック制御による増減補正が実施されている。その結果、時刻ｔ_０において空燃比センサ２６の検出空燃比λは１に収束した収束状態にある。収束状態では、インジェクタによるばらつき等は吸収された状態にある。

図３の時刻ｔ_０において、目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２（リッチ）に変更する。目標空燃比λ_ｒｅｆの変更に伴い噴射量は約１．２倍され基本噴射量は１．２Ｑに変更される。１．２Ｑの噴射量が噴射されると、空燃比センサ２６の検出空燃比λは０．８２をΔλ以上下回る。これは、図２において説明した空燃比センサ２６の出力特性により、リッチ雰囲気においてはエタノール濃度に応じてリッチ側に出力ずれが生じるためである。

図３の時刻ｔ_１において、フィードバック制御により噴射量が１．２ＱからＱ´に減量補正される。その後、空燃比センサ２６の検出空燃比λは０．８２を中心にΔλ以内に収束した収束状態となる。燃料噴射量も１．２Ｑから減量補正されてＱ´（平均値）を中心に収束した収束状態となる。この場合、空燃比センサ２６の検出空燃比λが０．８２に収束するまでに減量補正された燃料の減量量は、１．２ＱとＱ´との差である減量量ΔＱａである。

図４は、図３において、目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２に変更すると共に噴射量を１．２Ｑに変更した後の減量量ΔＱａとエタノール濃度との関係を示す図である。図４に示す関係は、アルコール濃度センサ２０が正常に機能している条件下において予め実験等により定められる。

図４に示す縦軸は、図３において説明した減量量ΔＱａの噴射量１．２Ｑに対する割合を示している。図４に示す通り、燃料噴射量１．２Ｑに対して１％減量されており、そのエタノール濃度は４０％であることが算出される。

一方、アルコール濃度センサ２０に異常が生じ、現実のエタノール濃度が４０％であるのに対して、検出されるエタノール濃度が７０％である場合には、図４から、空燃比センサ２６の検出空燃比λが０．８２に収束するまでに燃料噴射量１．２Ｑが１．２５％減量されるものと推定される。この場合、フィードバック制御により空燃比センサ２６の検出空燃比λが０．８２に収束するまでに減量補正させる噴射量は、減量量ΔＱｅであると算出される。減量量ΔＱａと減量量ΔＱｅとが閾値以上乖離している場合には、アルコール濃度センサ２０の出力は異常であると判定することができる。

（異常診断ルーチン）
図５は、上述のアルコール濃度センサ２０の異常を診断するために、ＥＣＵ５０が実行する異常診断ルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、ＯＢＤ（On-board diagnostics）実行条件が成立しているか否かが判定される。ＯＢＤ実行条件は、例えば、目標空燃比λ_ｒｅｆが１（ストイキ）に設定された状態で、空燃比センサ２６の検出空燃比λが１を中心にΔλ以内に収束した収束状態にある場合に成立する。ＯＢＤ実行条件が成立していないと判定された場合には、本ルーチンの処理は終了される。

一方、ＯＢＤ実行条件が成立していると判定された場合には、目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２（リッチ）に変更する（ステップ１１０）。変更された目標空燃比λ_ｒｅｆに対応して基本噴射量は約１．２倍に増量される。

次に、目標空燃比λ_ｒｅｆと空燃比センサ２６の検出空燃比λについて、式（１）が成立しているか否かが判定される（ステップ１２０）。Δλは、フィードバック制御により空燃比センサ２６の検出空燃比λが目標空燃比λ_ｒｅｆに収束しているか否かの判定に用いられる目標収束判定値である。
｜λ_ｒｅｆ−λ｜ ＜ Δλ ・・・（１）

式（１）が成立していないと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、未だ検出空燃比λが収束していないと判断することができる。この場合には、検出空燃比λの収束を待つために所定時間経過後、再度ステップ１２０の処理を行う。

式（１）が成立していると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、検出空燃比λがフィードバック制御により目標空燃比λ_ｒｅｆからΔλの範囲内に収束した収束状態にあると判断することができる。次に、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０により検出されるエタノール濃度から、燃料噴射量の減量量ΔＱｅを算出する（ステップ１３０）。具体的には、ＥＣＵ５０は、上述した図４に示すマップを予め記憶している。アルコール濃度センサ２０により検出されたエタノール濃度に対応した減量量ΔＱｅをマップから取得する。

次に、上記ステップ１１０において基本噴射量が約１．２倍に増量されてから、検出空燃比λが０．８２に収束するまでの間に減量された減量量ΔＱａを算出する。その後、式（２）が成立しているか否かを判定する（ステップ１４０）。ΔＱａは、上述した図３に示す１．２ＱとＱ´との差である。また、ΔＱはアルコール濃度センサ２０の異常を判定する閾値である。
｜ΔＱａ−ΔＱｅ｜ ＞ ΔＱ ・・・（２）

式（２）が成立しないと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０が正常値を出力していると判断することができる。ＥＣＵ５０は、正常を示すフラグを設定又は正常を示す信号を出力する（ステップ１５０）。その後、本ルーチンの処理は終了される。

一方、式（２）が成立すると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０が異常値を出力していると判断することができる。ＥＣＵ５０は、異常を示すフラグを設定又は異常を示す信号を出力する（ステップ１６０）。その後、本ルーチンの処理は終了される。

なお、本ルーチンの処理が終了された後、他のルーチンおいて上記ステップ１５０、１６０において設定されたフラグ又は出力された信号に基づいて、アルコール濃度センサ２０の正常／異常を示すユーザ表示がなされる。

以上説明したように、図５に示すルーチンによれば、ストイキにおいて吸入空気量やインジェクタのばらつきを吸収した収束状態から、エタノール濃度の違いのみによって生じる空燃比センサ２６の出力ずれを利用し、リッチ雰囲気での収束状態における減量量ΔＱａを算出することができる。減量量ΔＱａは、エタノール濃度の違いのみから影響を受け、また、収束状態において算出されるため精度高く算出される。そして、減量量ΔＱａと、アルコール濃度センサ２０の実際の検出値に基づく減量量ΔＱｅとが閾値ΔＱ以上乖離している場合には、アルコール濃度センサ２０に異常が生じていると診断することができる。

このように、本実施形態のシステムによれば、エタノール濃度の違いのみよって生じる空燃比センサの出力ずれを利用して、吸入空気量やインジェクタのばらつきの影響を受けずに、高精度にアルコール濃度センサ２０の異常を診断することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、目標空燃比λ_ｒｅｆの設定を１から０．８２に変更することとしているが、目標空燃比λ_ｒｅｆの設定はこれに限定されるものではない。変更前の目標空燃比λ_ｒｅｆをストイキ又はリーンに設定し、変更後の目標空燃比λ_ｒｅｆをリッチに設定することとしてもよい。この場合、ＥＣＵ５０は、変更後の目標空燃比に対応した図４に相当するマップを予め記憶することとする。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ステップ１００においてＯＢＤ実行条件を判定することとしているが、さらに条件を加えることとしてもよい。具体的には、ステップ１００の条件に加え、アルコール濃度センサ２０の検出値を用いた噴射量制御を行った際の空燃比ずれが所定値以上の場合に、ステップ１１０以降の異常診断処理を実行することとしてもよい。これにより、リッチに制御する回数を減少させ、エミッション悪化を抑制することができる。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ステップ１００においてＯＢＤ実行条件を判定することとしているが、さらに条件を加えることとしてもよい。具体的には、フューエルカット後のリッチ制御に合わせて、ステップ１１０以降の異常診断処理を実行することとしてもよい。これにより、エミッション悪化を抑制することができる。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、アルコール濃度センサ２０が前記第１の発明における「アルコール濃度センサ」に、空燃比センサ２６が前記第１の発明における「空燃比センサ」に、ＥＣＵ５０によるフィードバック制御が前記第１の発明における「フィードバック制御手段」に、それぞれ相当している。

また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００又は１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「収束状態判定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「リッチ化制御手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２減量量算出手段」が、上記ステップ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１減量量算出手段」と「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。

更に、実施の形態１においては、上記ステップ１００、１２０におけるΔλが前記第１の発明における「規定値」に、上記ステップ１３０において算出される減量量ΔＱｅが前記第１の発明における「第２減量量」に、上記ステップ１４０において算出される減量量ΔＱａが前記第１の発明における「第１減量量」に、上記ステップ１４０におけるΔＱが前記第１の発明における「閾値」に、それぞれ対応している。

実施の形態２．
［実施の形態２のシステム構成］
次に、図１、図３、図４及び図６を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１に示す構成において、ＥＣＵ５０に後述する図６のルーチンを実施させることで実現することができる。

［実施の形態２におけるアルコール濃度センサの異常検出］
上述した実施の形態１では、目標空燃比λ_ｒｅｆをリッチに変更後、収束状態となるまでに減量された燃料の減量量ΔＱａに基づいて、エタノール濃度センサの異常を検出することができる。これに対して、本実施の形態では、エタノール濃度により異なる空燃比センサの出力特性から生じる検出空燃比λと目標空燃比λ_ｒｅｆとの差に基づいて、より短時間でアルコール濃度センサ２０の異常を検出できる点に特徴を有している。

より具体的な異常検出の内容について図３〜図４を用いて説明する。以下、一例として、エタノール濃度４０％の燃料を用いている場合について説明する。なお、上述した実施の形態１において説明した内容と同様な点については説明を簡略又は省略する。

図４には、図３の時刻ｔ_０において目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２に変更すると共に噴射量を１．２Ｑに変更した後の時刻ｔ_１における空燃比センサ２６の検出空燃比λと、エタノール濃度との関係が示されている。図４に示す関係は、アルコール濃度センサ２０が正常に機能している条件下において予め実験等により定められる。

図４に示す縦軸には、図３の時刻ｔ_１における空燃比センサ２６に検出される空燃比が示されている。図４に示す通り、図３の時刻ｔ_１において検出される空燃比（検出空燃比λａ）は０．８１２であり、そのエタノール濃度は４０％であると算出される。上述した空燃比センサ２６の出力特性により、リッチ雰囲気においてはエタノール濃度に応じてリッチ側に出力ずれが生じる。そのため、検出空燃比λａが目標空燃比λ_ｒｅｆを大きく下回りその差が大きくなるほどエタノール濃度は高くなる関係にある（図４）。

そのため、アルコール濃度センサ２０に異常が生じ、現実のエタノール濃度４０％に対して、センサ検出されたエタノール濃度が７０％である場合には、上述の検出空燃比λａに応じたエタノール濃度４０％と大きく乖離しているため、アルコール濃度センサ２０の出力に異常が生じていると判定することができる。

（異常診断ルーチン）
図６は、上述のアルコール濃度センサ２０の異常を診断するために、ＥＣＵ５０が実行する異常診断ルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンは、上述した図５のステップ１２０〜ステップ１４０の処理がステップ２３０〜ステップ２４０の処理に換えられている点を除き、図５に示すルーチンと同様である。以下、図６において、図５に示すステップと同じステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図６に示すルーチンでは、ステップ１１０の処理後、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０によりエタノール濃度Ａｅを検出する（ステップ２３０）。

次に、上記ステップ１１０で目標空燃比λ_ｒｅｆをリッチ変更し、それに応じて基本噴射量が増量された場合における、図３の時刻ｔ_１での検出空燃比λａを空燃比センサ２６に取得させる。そして、ＥＣＵ５０に予め記憶した上述の図４に示すマップから、検出空燃比λａに対応するエタノール濃度Ａａを取得する。その後、式（３）が成立しているか否かを判定する（ステップ２４０）。ΔＡ_thrは、アルコール濃度センサ２０の異常を判定する閾値である。
｜Ａａ−Ａｅ｜ ＞ ΔＡ_thr ・・・（３）

式（３）が成立しないと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０が正常値を出力していると判断することができる。ＥＣＵ５０は、正常を示すフラグを設定又は正常を示す信号を出力する（ステップ１５０）。一方、式（３）が成立すると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０が異常値を出力していると判断することができる。ＥＣＵ５０は、異常を示すフラグを設定又は異常を示す信号を出力する（ステップ１６０）。その後、本ルーチンの処理は終了される。

以上説明したように、図６に示すルーチンによれば、ストイキにおいて吸入空気量やインジェクタのばらつきを吸収した収束状態から、リッチ雰囲気における時刻ｔ_１における検出空燃比λａを検出することができる。上述した空燃比センサ２６の出力特性により、リッチ雰囲気においてはエタノール濃度が高いほど目標空燃比λ_ｒｅｆと検出空燃比λａとに差が生じる。そのため、検出空燃比差Δλａに対応するエタノール濃度Ａａと、アルコール濃度センサ２０の実際の検出値（エタノール濃度Ａｅ）とを比較して、アルコール濃度センサ２０に異常が生じているか否かを診断することができる。

このように、本実施形態のシステムによれば、エタノール濃度の違いのみよって生じる空燃比センサの出力ずれを利用して、吸入空気量やインジェクタのばらつきの影響を受けず、実施の形態１よりも短時間でアルコール濃度センサ２０の異常を診断することができる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいては、目標空燃比λ_ｒｅｆの設定を１から０．８２に変更することとしているが、目標空燃比λ_ｒｅｆの設定はこれに限定されるものではない。変更前の目標空燃比λ_ｒｅｆをストイキ又はリーンに設定し、変更後の目標空燃比λ_ｒｅｆをリッチに設定することとしてもよい。この場合、ＥＣＵ５０は、変更後の目標空燃比に対応した図４に相当するマップを予め記憶することとする。

尚、上述した実施の形態２においては、アルコール濃度センサ２０が前記第２の発明における「アルコール濃度センサ」に、空燃比センサ２６が前記第２の発明における「空燃比センサ」に、ＥＣＵ５０によるフィードバック制御が前記第２の発明における「フィードバック制御手段」に、それぞれ相当している。

また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第２の発明における「収束状態判定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第２の発明における「リッチ化制御手段」が、上記ステップ２３０〜２４０の処理を実行することにより前記第２の発明における「アルコール濃度算出手段」と「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
［実施の形態３のシステム構成］
次に、図７〜図１０を参照して本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態のシステムは図７に示す構成において、ＥＣＵ５０に後述する図１０のルーチンを実施させることで実現することができる。

図７は、本発明の実施の形態３に係るシステムのハード構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは図１に示すハード構成において、空燃比センサ２６に換えて、第１空燃比センサ３０及び第２空燃比センサ３２が加えられている点を除き、図１に示す構成と同様である。そのため、図１に示す構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図７に示す排気通路２２の触媒２４上流には第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２とが配置されている。第１空燃比センサ３０のセンサ素子部は、通過する分子の大きさに応じて通過速度が変化する拡散層を有し、低分子ＨＣを還元する触媒が塗布されている。一方、第２空燃比センサ３２のセンサ素子部は、通過する分子の大きさに応じて通過速度が変化する拡散層を有するが、低分子ＨＣを還元する触媒は塗布されていないものとする。空燃比センサ３０、３２は、酸素濃度を直線的特性にて検出することができ、酸素濃度に応じた臨界電流を出力し得る。この空燃比センサ出力（臨界電流）は、排気ガスの空燃比と相関を有している。具体的には、排気ガスの空燃比がリーン側になるほど臨界電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほど臨界電流は減少する。

図７に示すＥＣＵ５０の入力側には、図１に示す空燃比センサ２６に換えて、第１空燃比センサ３０、第２空燃比センサ３２が接続されている。本実施形態のシステムでは、第１空燃比センサ３０の出力に基づいてフィードバック制御が実行される。フィードバック制御では、第１空燃比センサ３０の出力に相関した空燃比が、所定の目標空燃比（例えば、理論空燃比（ストイキ））と一致するように、基本噴射量に増減補正が施される。

［実施の形態３におけるアルコール濃度センサの異常検出］
上述した実施の形態１では、目標空燃比λ_ｒｅｆをリッチに変更後、収束状態となるまでに減量された燃料の減量量ΔＱａに基づいて、エタノール濃度センサの異常を検出することができる。これに対して、本実施の形態では、第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２とでエタノール濃度により異なる出力特性から生じる出力差に基づいて、アルコール濃度センサ２０の異常を精度高く検出できる点に特徴を有している。

具体的な異常検出の内容について図８〜図９を用いて説明する。図８は、第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２との出力特性を示す図である。図８の横軸は、エタノール濃度と相関を有するＨ２濃度を表している。以下、説明容易のためエタノール濃度とも記す。また、図８の縦軸は、現実の空燃比と空燃比センサ３０、３２の検出空燃比との出力ずれを表している。

空燃比センサ３０、３２は、それぞれ図２で説明したリッチ雰囲気においてエタノール濃度が高いほどセンサ出力がリッチ側にずれる出力特性を有している。図８の実線８０は、第１空燃比センサ３０の出力特性を表している。第１空燃比センサ３０は、低分子ＨＣを還元する触媒層を有するため、エタノール濃度が高くなっても出力変動は小さい。図８の実線８２は、第２空燃比センサ３２の出力特性を表している。第２空燃比センサ３２は、上記触媒層を有さないため、エタノール濃度が高くなるほど低分子ＨＣの影響を受けて、第２空燃比センサ３２の出力ずれは大きくなる。そのため、第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２の出力差は、エタノール濃度が高いほど大きくなる傾向にある。

そこで、本実施形態のシステムでは、エタノール濃度が高いほど空燃比センサ３０、３２の出力差が大きくなることを利用して出力差からエタノール濃度を算出し、アルコール濃度センサ２０の検出値と比較することにより、アルコール濃度センサ２０の異常検出を行うこととした。

より具体的な異常検出の内容について図９を用いて説明する。図９は、異常検出処理において変動する第１空燃比センサ３０の検出空燃比λ及び第２空燃比センサ３２の検出空燃比λ´とそのセンサ出力差を表すタイミングチャートである。

図９の時刻ｔ_０前において、目標空燃比λ_ｒｅｆは１（ストイキ）に設定されている。上述した通り、本実施形態においては、アルコール濃度センサ２０により検出されたエタノール濃度に応じた補正係数を運転状態に応じた噴射量に乗じた基本噴射量に対して、第１空燃比センサ３０の出力に基づくフィードバック制御が実行される。フィードバック制御により、時刻ｔ_０において第１空燃比センサ３０の検出空燃比λは１に収束した収束状態にある。収束状態では、インジェクタによるばらつき等は吸収された状態にある。

図９の時刻ｔ_０において、目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２（リッチ）に変更する。目標空燃比λ_ｒｅｆの変更に伴い噴射量も増量される。その結果、第１空燃比センサ３０の検出空燃比λ及び第２空燃比センサ３２の検出空燃比λ´は０．８２をΔλ以上下回る。これは、上述した空燃比センサの出力特性により、リッチ雰囲気においてはエタノール濃度に応じてリッチ側に出力ずれが生じるためである。

その後、第１空燃比センサ３０の検出空燃比λは０．８２を中心にΔλ以内に収束した収束状態となる。第２空燃比センサ３２の検出空燃比λ´は、空燃比センサの出力特性により、エタノール濃度に応じてリッチ側に出力ずれが生じた状態で収束する。

リッチ雰囲気における収束状態において、上述した図８から、エタノール濃度の差に応じて生じる検出空燃比λと検出空燃比λ´との出力差からエタノール濃度を算出することができる。算出されたエタノール濃度が、アルコール濃度センサ２０の検出値と閾値以上乖離している場合には、アルコール濃度センサ２０の出力に異常が生じていると判定することができる。

（異常診断ルーチン）
図１０は、上述のアルコール濃度センサ２０の異常を診断するために、ＥＣＵ５０が実行する異常診断ルーチンのフローチャートである。以下、図１０において、図５に示すステップと同一のステップについては同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１０に示すルーチンでは、まず、ステップ３００において、ＯＢＤ（On-board diagnostics）実行条件が成立しているか否かが判定される。ＯＢＤ実行条件は、例えば、目標空燃比λ_ｒｅｆが１（ストイキ）に設定された状態で、第１空燃比センサ３０の検出空燃比λが１を中心にΔλ以内に収束した収束状態にある場合に成立する。ＯＢＤ実行条件が成立していないと判定された場合には、本ルーチンの処理は終了される。

一方、ＯＢＤ実行条件が成立していると判定された場合には、目標空燃比λ_ｒｅｆを０．８２（リッチ）に変更する（ステップ１１０）。変更された目標空燃比λ_ｒｅｆに対応して基本噴射量は約１．２倍に増量される。

次に、目標空燃比λ_ｒｅｆと第１空燃比センサ３０の検出空燃比λについて、式（４）が成立しているか否かが判定される（ステップ３２０）。Δλは、フィードバック制御により第１空燃比センサ３０の検出空燃比λが目標空燃比λ_ｒｅｆに収束しているか否かの判定に用いられる目標収束判定値である。
｜λ_ｒｅｆ−λ｜ ＜ Δλ ・・・（４）

式（４）が成立していないと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、未だ第１空燃比センサ３０の検出空燃比λが収束していないと判断することができる。この場合には、検出空燃比λの収束を待つために所定時間経過後、再度ステップ３２０の処理を行う。

式（４）が成立していると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、検出空燃比λがフィードバック制御により目標空燃比λ_ｒｅｆからΔλの範囲内に収束した収束状態にあると判断することができる。次に、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０によりエタノール濃度Ａｅを検出する（ステップ３３０）。

次に、リッチに変更された目標空燃比λ_ｒｅｆでの収束状態における、第１空燃比センサ３０の検出空燃比λと第２空燃比センサ３２の検出空燃比λ´とを取得する。そして、ＥＣＵ５０に予め記憶された上述の図８に示すマップから、検出空燃比λと検出空燃比λ´との差に応じたエタノール濃度Ａａを取得する。その後、式（５）が成立しているか否かを判定する（ステップ３４０）。ΔＡ_thrは、アルコール濃度センサ２０の異常を判定する閾値である。
｜Ａａ−Ａｅ｜ ＞ ΔＡ_thr ・・・（５）

式（５）が成立しないと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０が正常値を出力していると判断することができる。ＥＣＵ５０は、正常を示すフラグを設定又は正常を示す信号を出力する（ステップ１５０）。一方、式（５）が成立すると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ２０が異常値を出力していると判断することができる。ＥＣＵ５０は、異常を示すフラグを設定又は異常を示す信号を出力する（ステップ１６０）。その後、本ルーチンの処理は終了される。

以上説明したように、図１０に示すルーチンによれば、ストイキにおいて吸入空気量やインジェクタのばらつきを吸収した収束状態から、エタノール濃度の違いのみによって生じる第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２との出力ずれの違いを利用して、両センサの出力差から、精度高くエタノール濃度Ａａを算出することができる。算出したエタノール濃度Ａａと、アルコール濃度センサ２０の実際の検出値（エタノール濃度Ａｅ）とを比較して、アルコール濃度センサ２０に異常が生じているか否かを精度高く診断することができる。また、触媒層を有する第１空燃比センサの出力に基づいてフィードバック制御を行うことで、収束状態までの時間が短縮され、エミッション悪化を防止することもできる。

ところで、上述した実施の形態３のシステムにおいては、フィードバック制御を第１空燃比センサ３０の出力に基づいて行うこととしているが、第２空燃比センサ３２の出力に基づいてフィードバック制御を行うこととしてもよい。

また、上述した実施の形態３のシステムにおいては、第１空燃比センサ３０と第２空燃比センサ３２とを別体で設けることとしているが、触媒層を有する電極部と触媒層を有しない電極部とを両方備える１つの空燃比センサを設けることとしてもよい。

また、上述した実施の形態３のシステムにおいては、目標空燃比λ_ｒｅｆの設定を１から０．８２に変更することとしているが、目標空燃比λ_ｒｅｆの設定はこれに限定されるものではない。変更前の目標空燃比λ_ｒｅｆをストイキ又はリーンに設定し、変更後の目標空燃比λ_ｒｅｆをリッチに設定することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、アルコール濃度センサ２０が前記第３の発明における「アルコール濃度センサ」に、第１空燃比センサ３０が前記第３の発明における「第１空燃比センサ」に、第２空燃比センサ３２が前記第３の発明における「第２空燃比センサ」に、ＥＣＵ５０によるフィードバック制御が前記第３の発明における「フィードバック制御手段」に、それぞれ相当している。

また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ３００又は３２０の処理を実行することにより前記第３の発明における「収束状態判定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「リッチ化制御手段」が、上記ステップ３３０〜３４０の処理を実行することにより前記第３の発明における「アルコール濃度算出手段」と「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１８ インジェクタ
２０ アルコール濃度センサ
２２ 排気通路
２４ 触媒
２６ 空燃比センサ
３０ 第１空燃比センサ
３２ 第２空燃比センサ
５０ ＥＣＵ
Ａａ、Ａｅ エタノール濃度
ΔＱａ、ΔＱｅ 減量量
λ、λａ 検出空燃比
λ_ｒｅｆ 目標空燃比

Claims (3)

1. 燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
   排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサにより検出される空燃比（以下、検出空燃比という。）を目標空燃比に一致させるように、前記空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
   前記フィードバックされた結果、検出空燃比と目標空燃比との差が規定値よりも小さい範囲で収束している場合に、収束状態にあると判定する収束状態判定手段と、
   前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比に応じて燃料噴射量を増量するリッチ化制御手段と、
   前記リッチ化制御手段により燃料噴射量が増量された後、前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定されるまでの間に、前記フィードバック制御により減量された燃料減量量（以下、第１減量量という。）を算出する第１減量量算出手段と、
   前記アルコール濃度センサにより検出された検出値から、前記フィードバック制御により減量される燃料減量量（以下、第２減量量という。）を算出する第２減量量算出手段と、
   前記第１減量量と前記第２減量量との差が閾値よりも大きい場合に、前記アルコール濃度センサが異常であると判定する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
2. 燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
   排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサの出力（以下、検出空燃比という。）を目標空燃比に一致させるように、前記空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
   前記フィードバックされた結果、検出空燃比と目標空燃比との差が規定値よりも小さい範囲で収束している場合に、収束状態にあると判定する収束状態判定手段と、
   前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比（以下、リッチ目標空燃比という。）に応じて燃料噴射量を増量するリッチ化制御手段と、
   前記リッチ化制御手段により燃料噴射量が増量された場合における検出空燃比がリッチ目標空燃比より低いほどアルコール濃度が高い関係を予め定めたマップを記憶する記憶手段と、
   前記マップから前記リッチ化制御手段により燃料噴射量が増量された場合における検出空燃比に対応するアルコール濃度を算出するアルコール濃度算出手段と、
   前記アルコール濃度算出手段により算出された算出値と、前記アルコール濃度センサにより検出された検出値との差が閾値よりも大きい場合に、前記アルコール濃度センサが異常であると判定する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
3. 燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサと、
   低分子ＨＣを還元する触媒層を介して排気ガスの空燃比を検出する第１空燃比センサと、
   前記触媒層を介さずに排気ガスの空燃比を検出する第２空燃比センサと、
   前記第１及び第２空燃比センサの中から選択された空燃比センサ（以下、選択空燃比センサという。）により検出される空燃比を目標空燃比に一致させるように、前記選択空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
   前記フィードバックされた結果、前記選択空燃比センサにより検出される空燃比と目標空燃比との差が規定値よりも小さい範囲で収束している場合に、収束状態にあると判定する収束状態判定手段と、
   前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、目標空燃比をリッチに変更すると共に、該リッチに変更された目標空燃比に応じて燃料噴射量を増量するリッチ化制御手段と、
   前記リッチ化制御手段により目標空燃比がリッチ雰囲気に変更された後、前記収束状態判定手段により収束状態にあると判定された場合に、前記第１空燃比センサと前記第２空燃比センサとの出力差からアルコール濃度を算出するアルコール濃度算出手段と、
   前記アルコール濃度算出手段により算出された算出値と、前記アルコール濃度センサにより検出された検出値との差が閾値よりも大きい場合に、前記アルコール濃度センサが異常であると判定する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。

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