JP6998416B2 - 空燃比センサの劣化判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガスの空燃比を検出する空燃比センサの応答劣化を判定する空燃比センサの劣化判定装置に関する。

空燃比センサは、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガスの空燃比を広範囲に検出するものであり、その検出結果は、混合気の空燃比のフィードバック制御や、排ガス浄化装置の再生制御などに用いられる。また、一般に、空燃比センサは、使用が進むにつれて応答性が低下する応答劣化が進行するため、その劣化判定が行われる。さらに、排ガス中の煤が空燃比センサのカバーなどに付着し、堆積量が多くなると、応答性が一時的に低下することが知られている。

この特性に着目し、煤（粒子状物質）の堆積による空燃比センサの応答性の低下を防止する制御装置が、例えば特許文献１に記載されている。この制御装置では、検出された内燃機関の負荷及び回転数に基づき、所定のマップを用いて、空燃比センサへの煤の付着量を推定する。推定された煤付着量が所定量以上のときには、空燃比センサの応答性が悪化するおそれがあるとして、空燃比センサに付着した煤を除去するための煤（ＰＭ）除去制御が実行される。この煤除去制御は、吸入空気量を増大させることで、排気流速を高め、煤を吹き飛ばすとともに、排気温度を上昇させ、煤を燃焼させることによって行われる。

特許第６２５４４１１号公報

上述したように、空燃比センサは、煤の堆積量が多くなると、応答性が低下するという特性を有するものの、その低下度合は、堆積量が同じであっても一定ではない。また、空燃比センサに付着した煤は、その後の内燃機関の運転状態に応じ、例えば高負荷運転が行われたときに、空燃比センサから離脱する（剥がされる）ことがあり、その場合には、応答性の低下は一時的であり、応答性が回復する可能性がある。

これに対し、従来の制御装置では、内燃機関の負荷及び回転数に基づいて推定された空燃比センサの煤付着量が所定量以上のときに、空燃比センサの応答性が悪化するおそれがあると判定するにすぎず、この判定を精度良く行うことができない。また、上記のように、煤の堆積による応答性の低下が一時的で、その後に回復する可能性があるにもかかわらず、煤付着量が所定量以上のときには、応答性が悪化するおそれがあるとして、煤除去制御が無駄に実行されてしまう。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、煤の堆積による一時的な応答性の低下に起因する誤判定を回避しながら、空燃比センサの応答劣化を精度良く判定することができる空燃比センサの劣化判定装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、排気通路５に設けられ、内燃機関３の排ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（実施形態における（以下、本項において同じ）ＡＦセンサ２３）の応答劣化を判定する空燃比センサの劣化判定装置であって、排ガスの空燃比が変化するときの空燃比センサの出力の変化状態に基づき、空燃比センサの応答劣化を判定する応答劣化判定手段（ＥＣＵ２、図３のステップ２、図４）と、内燃機関３の運転中、所定のサイクルごとに、排ガス中の煤が空燃比センサに付着する付着状態、又は付着した煤が空燃比センサから離脱する離脱状態のいずれの状態にあるかを表す付着／離脱状態パラメータ（増減符号値ｃｔＳｉｇｎ）と、空燃比センサに対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す付着／離脱度合パラメータ（煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔ、排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐ、凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔ、ＨＣ補正係数ｋＨＣ）を算出する付着／離脱パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図６のステップ２１～２３、２５、２６）と、所定のサイクルごとに、算出された付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用いて、空燃比センサへの煤の堆積増減量を表す煤堆積増減パラメータ（煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔ）を算出する煤堆積増減パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ１３、図６）と、所定のサイクルごとに、算出された煤堆積増減パラメータを積算することによって、空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータ（煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌ）を算出する煤堆積判定パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ１４）と、応答劣化判定手段による空燃比センサの応答劣化の判定が完了した場合において、算出された煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量（所定値ｃｔＲＥＦ）よりも大きいとき（図３のステップ４：ＮＯ）に、応答劣化の判定を保留する判定保留手段（ＥＣＵ２、図３のステップ４、５）と、を備えることを特徴とする。

この空燃比センサの劣化判定装置によれば、排ガスの空燃比が変化するときに得られた空燃比センサの出力の実際の変化状態に基づき、空燃比センサの応答劣化が判定される。また、この判定結果を許可／保留するための煤堆積判定パラメータが、以下のように算出される。すなわち、内燃機関の運転中、所定のサイクルごとに、まず、空燃比センサに対する煤の付着又は離脱状態を表す付着／離脱状態パラメータと、空燃比センサに対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す付着／離脱度合パラメータを算出する。また、所定のサイクルごとに、これらの付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用いて、空燃比センサへの煤の堆積増減量を表す煤堆積増減パラメータを算出するとともに、この煤堆積増減パラメータを積算することによって、空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータを算出する。

以上の算出方法により、所定のサイクルごとに、煤の付着又は離脱状態を加味し、空燃比センサに対する煤の付着又は離脱に及ぼす影響度合を反映させながら、空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータを常時、精度良く算出することができる。

そして、本発明によれば、空燃比センサの応答劣化の判定の完了時に、そのときの煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量よりも大きいときには、煤の堆積による空燃比センサの一時的な応答性の低下が応答劣化の判定結果に影響を及ぼしているおそれがあるとして、応答劣化の判定を保留する。これにより、応答劣化の誤判定が回避される。一方、煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量以下のときには、誤判定のおそれがないとして、応答劣化の判定を許可する。以上により、煤の堆積による一時的な応答性の低下に起因する誤判定を回避しながら、空燃比センサの応答劣化を精度良く判定することができる。

また、上記の目的を達成するために、請求項２に係る発明は、排気通路５に設けられ、内燃機関３の排ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（ＡＦセンサ２３）の応答劣化を判定する空燃比センサの劣化判定装置であって、排ガスの空燃比が変化するときの空燃比センサの出力の変化状態に基づき、空燃比センサの応答劣化を判定する応答劣化判定手段（ＥＣＵ２、図１３のステップ３５、図４）と、内燃機関３の運転中、所定のサイクルごとに、排ガス中の煤が空燃比センサに付着する付着状態、又は付着した煤が空燃比センサから離脱する離脱状態のいずれの状態にあるかを表す付着／離脱状態パラメータ（増減符号値ｃｔＳｉｇｎ）と、空燃比センサに対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す付着／離脱度合パラメータ（煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔ、排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐ、凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔ、ＨＣ補正係数ｋＨＣ）を算出する付着／離脱パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図６のステップ２１～２３、２５、２６）と、所定のサイクルごとに、算出された付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用いて、空燃比センサへの煤の堆積増減量を表す煤堆積増減パラメータ（煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔ）を算出する煤堆積増減パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ１３、図６）と、所定のサイクルごとに、算出された煤堆積増減パラメータを積算することによって、空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータ（煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌ）を算出する煤堆積判定パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ１４）と、算出された煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量（所定値ｃｔＲＥＦ）よりも大きいとき（図１３のステップ３１：ＮＯ）に、応答劣化の判定を禁止する判定禁止手段（ＥＣＵ２、図１３のステップ３１、３２）と、を備えることを特徴とする。

本発明では、請求項１の場合と同様にして、所定のサイクルごとに、付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用いて、空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータを算出する。そして、本発明によれば、算出された煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量よりも大きいときには、煤の堆積による空燃比センサの一時的な応答性の低下が応答劣化の判定結果に影響を及ぼすおそれがあるとして、応答劣化の判定を禁止する。これにより、応答劣化の誤判定が回避される。一方、煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量以下のときには、誤判定のおそれがないとして、応答劣化の判定を許可する。以上により、請求項１の場合と同様、煤の堆積による一時的な応答性の低下に起因する誤判定を回避しながら、空燃比センサの応答劣化を精度良く判定することができる。また、請求項１の場合には保留される劣化判定手段による劣化判定を、あらかじめ禁止することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の空燃比センサの劣化判定装置において、付着／離脱状態パラメータ（増減符号値ｃｔＳｉｇｎ）は、排ガスの流速が小さいと推定されるときに付着状態を表し、排ガスの流速が大きいと推定されるときに離脱状態を表すように算出されること（図８）を特徴とする。

一般に、排ガスの流速が小さいほど、排ガスと空燃比センサとの接触時間が長いため、排ガス中の煤が空燃比センサに付着しやすいのに対し、排ガスの流速が大きいほど、空燃比センサに付着した煤は、排ガスで吹き飛ばされることで、空燃比センサから離脱しやすい。上記の構成によれば、排ガスの流速に応じ、このような傾向に合致するように、付着／離脱状態パラメータを算出するので、算出した付着／離脱状態パラメータにより、煤の付着状態又は離脱状態を適切に表すことができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置において、内燃機関３の負荷ＬＥを取得する負荷取得手段（アクセル開度センサ２５）と、内燃機関３の回転数ＮＥを取得する回転数取得手段（クランク角センサ２１）と、をさらに備え、付着／離脱パラメータ算出手段は、付着／離脱度合パラメータとして、取得された内燃機関３の負荷ＬＥ及び内燃機関３の回転数ＮＥに基づき、内燃機関３からの煤の排出量による影響度合を表す煤排出量パラメータ（煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔ）を算出すること（図６のステップ２１、図７）を特徴とする。

一般に、内燃機関からの煤の排出量は、内燃機関の負荷及び回転数に応じて変化するとともに、空燃比センサに対する煤の付着又は離脱の度合に大きな影響を及ぼす。したがって、このような傾向に合致するように、取得された内燃機関の負荷及び回転数に基づき、内燃機関からの煤の排出量による影響度合を表す煤排出量パラメータを算出し、付着／離脱度合パラメータとすることによって、煤堆積増減パラメータ及び煤堆積判定パラメータの算出をより精度良く行うことができる。

請求項５に係る発明は、請求項１から４のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置において、排ガスの温度（排気温度ＴＥＸ）を取得する排ガス温度取得手段（排気温度センサ２４）をさらに備え、付着／離脱パラメータ算出手段は、付着／離脱度合パラメータとして、取得された排ガスの温度による影響度合を表す排気温度パラメータ（排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐ）を算出すること（図６のステップ２３、図９）を特徴とする。

一般に、排ガスの温度が低いほど、排ガス中の煤は空燃比センサに付着しやすく、排ガスの温度が高いほど、空燃比センサに付着した煤は離脱しやすい。したがって、このような傾向に合致するように、取得された排ガスの温度による影響度合を表す排気温度パラメータを算出し、付着／離脱度合パラメータとすることによって、煤堆積増減パラメータ及び煤堆積判定パラメータの算出をより精度良く行うことができる。

請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置において、内燃機関３の温度ＴＥを取得する機関温度取得手段（水温センサ２６）をさらに備え、付着／離脱パラメータ算出手段は、付着／離脱度合パラメータとして、取得された内燃機関３の温度ＴＥに基づき、排ガス中の凝縮水による影響度合を表す凝縮水パラメータ（凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔ）を算出すること（図６のステップ２５、図１０）を特徴とする。

一般に、内燃機関の温度が低いほど、排ガス中の水分は凝縮しやすく、凝縮水が多いほど、しやすくなる。したがって、このような傾向に合致するように、取得された内燃機関の温度に基づき、排ガス中の凝縮水による影響度合を表す凝縮水パラメータを算出し、付着／離脱度合パラメータとすることによって、煤堆積増減パラメータ及び煤堆積判定パラメータの算出をより精度良く行うことができる。

請求項７に係る発明は、請求項１から６のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置において、付着／離脱パラメータ算出手段は、付着／離脱度合パラメータとして、内燃機関のリッチ制御時における排ガス中のＨＣ成分の増加による影響度合を表すＨＣパラメータ（ＨＣ補正係数ｋＨＣ）を算出すること（図６のステップ２６、図１１）を特徴とする。

内燃機関のリッチ制御時には、通常制御時と比較して、排ガス中の未燃ＨＣ成分が増加するため、空燃比センサへの煤の付着量は多くなる。この構成によれば、内燃機関のリッチ制御時における排ガス中のＨＣ成分の増加による影響度合を表すＨＣパラメータを算出し、付着／離脱度合パラメータとするので、煤堆積増減パラメータ及び煤堆積判定パラメータの算出をより精度良く行うことができる。

本発明を適用した空燃比センサを含む内燃機関の排気系の構成を、内燃機関とともに概略的に示す図である。 空燃比センサの劣化判定装置を入出力デバイスなどとともに示すブロック図である。 図２のＥＣＵで実行される第１実施形態による空燃比センサの劣化判定処理を示すフローチャートである。 劣化判定の手法を説明するための図である。 煤堆積判定カウンタ値の算出処理を示すフローチャートである。 煤堆積増減カウンタ値の算出処理を示すフローチャートである。 煤排出量カウンタ値の算出に用いられるマップである。 増減符号値の算出に用いられるマップである。 排気温度カウンタ値の算出に用いられるマップである。 凝縮水補正係数の算出に用いられるマップである。 ＨＣ補正係数の算出に用いられるマップである。 図３の劣化判定処理によって得られる動作例を示すタイミングチャートである。 第２実施形態による図２のＥＣＵで実行される空燃比センサの劣化判定処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明を適用した空燃比センサを排気系に備える内燃機関を示している。この内燃機関（ＥＮＧ）（以下「エンジン」という）３は、例えば、車両（図示せず）に搭載された４気筒のガソリンエンジンである。

エンジン３の各気筒（図示せず）には、吸気通路４及び排気通路５が接続されるとともに、燃料噴射弁６及び点火プラグ７が取り付けられている（図２参照）。燃料噴射弁６は、燃料タンクから供給された燃料を燃焼室（いずれも図示せず）に噴射し、点火プラグ７は、燃焼室内に生成された混合気を点火する。燃料噴射弁６及び点火プラグ７の動作は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２からの制御信号によって制御され、それにより燃料噴射量及び燃料噴射時期や点火時期が制御される。

エンジン３のクランクシャフト（図示せず）には、クランク角センサ２１が設けられている。クランク角センサ２１は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号を、所定のクランク角（例えば３０度）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

吸気通路４には、エアフローセンサ２２が設けられている。エアフローセンサ２２は、吸気通路４を介してエンジン３の気筒に吸入される吸入空気量ＧＡＩＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、吸入空気量ＧＡＩＲは、気筒から排出される排ガス流量にほぼ等しいことから、ＥＣＵ２は、吸入空気量ＧＡＩＲから排ガス流量ＱＥＸを算出する。

排気通路５には、上流側から順に、ターボチャージャ（Ｔ／Ｃ）８のタービン８ａ、三元触媒（ＣＡＴ）９及びＤＰＦ (Diesel Particulate Filter)１０が設けられている。

ターボチャージャ８は、タービン８ａが排気エネルギによって回転駆動され、吸気通路４に配置されたコンプレッサ（図示せず）がタービン８ａと一体に回転することによって、過給動作を行う。

三元触媒９は、排ガスが理論空燃比に相当するストイキ雰囲気のときに、排ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する。ＤＰＦ１０は、三元触媒９を通過した排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕捉する。また、粒子状物質の捕捉量が所定量に達したときなどに、粒子状物質を燃焼させる再生運転を行うことによって、ＤＰＦ１０が再生される。

また、排気通路５のタービン８ａよりも下流側で三元触媒９の上流側には、ＡＦセンサ（空燃比センサ）２３及び排気温度センサ２４が設けられている。ＡＦセンサ２３は、ジルコニア及び白金電極などで構成された周知のものであり、理論空燃比に対するリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比領域において、排ガス中の酸素濃度を検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、ＡＦセンサ２３の検出信号に基づき、三元触媒９に流入する排ガス空燃比を算出する。

排気温度センサ２４は、三元触媒９に流入する排ガスの温度（以下「排気温度」という）ＴＥＸを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２５から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、水温センサ２６から、エンジン３の冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）ＴＷを表す検出信号が、それぞれ入力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２１～２６の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、各種の制御を実行する。

この制御には、燃料噴射弁６を介した燃料噴射制御や点火プラグ７を介した点火時期制御などのエンジン制御の他、本実施形態では特に、ＡＦセンサ２３の劣化を判定する劣化判定が含まれる。本実施形態では、ＥＣＵ２は、応答劣化判定手段、付着／離脱パラメータ算出手段、煤堆積増減パラメータ算出手段、煤堆積判定パラメータ算出手段、及び判定保留手段に相当する。

以下、第１実施形態によるＡＦセンサ２３の劣化判定処理について、図３を参照しながら説明する。この劣化判定処理は、排ガス空燃比が変化したときのＡＦセンサ２３の出力の変化状態（推移）に基づき、ＡＦセンサ２３の応答劣化を判定するとともに、その判定の完了時におけるＡＦセンサ２３への煤の堆積量を表す煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌに基づき、判定結果を最終的に確定又は保留するものである。本処理は、エンジン３の運転中、所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、劣化の判定条件が成立しているか否かを判別する。この判定条件として、排ガス空燃比が安定した状態から他の排ガス空燃比に大きく変化することが必要である。本実施形態では、図４に示すように、エンジン３が所定のクルーズ運転からフューエルカット（Ｆ／Ｃ）運転に移行したという条件が設定されている。ステップ１の答えがＮＯのときには、そのまま本処理を終了する。

ステップ１の答えがＹＥＳで、判定条件が成立しているときには、ステップ２において、ＡＦセンサ２３の劣化判定を実行する。図４に示すように、この劣化判定では、エンジン３がクルーズ運転からフューエルカット運転に移行した後のＡＦセンサ２３のセンサ出力ＶＯを監視する。その結果、同図中に「正常」と示されるように、センサ出力ＶＯの立上がり時間（第１所定値ＶＯ１から第２所定値ＶＯ２まで変化するのに要した時間）が、所定値（図示せず）よりも小さく、比較的短い場合には、応答性に関し、ＡＦセンサ２３が正常であると判定する。

これに対し、「劣化１」と示されるように、センサ出力ＶＯの立上がり時間が所定値以上で、比較的長い場合には、ＡＦセンサ２３に応答劣化が発生していると判定する。また、「劣化２」と示されるように、フューエルカット運転の開始時から所定時間ＴＭＲＥＦが経過しても、センサ出力ＶＯが第２所定値ＶＯ２に到達しない場合にも、ＡＦセンサ２３に応答劣化が発生していると判定する。

図３に戻り、ステップ３では、ステップ２による劣化判定が終了したか否かを判別し、その答えがＮＯのときには、そのまま本処理を終了する。一方、ステップ３の答えがＹＥＳで、ＡＦセンサ２３の劣化判定が完了したときには、ステップ４に進み、その時点で算出されている煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦ（例えば０）以上であるか否かを判別する。後述するように、この煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌは、その値が小さいほど、ＡＦセンサ２３の煤堆積量がより大きいことを表す。

このため、ステップ４の答えがＮＯで、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦよりも小さいときには、ＡＦセンサ２３の煤堆積量が大きく、ＡＦセンサ２３に一時的な応答劣化が発生していることで、誤判定を招くおそれがあるとして、ステップ２で得られた判定結果を許可することなく保留し（ステップ５）、そのことを表すために判定許可フラグＦ＿ＪＤＧＯＫを「０」にセットし、本処理を終了する。

一方、ステップ４の答えがＹＥＳで、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦ以上のときには、ＡＦセンサ２３の煤堆積量が小さいことで、上述した誤判定が生じるおそれがないとして、ステップ２による判定結果を許可し（ステップ６）、そのことを表すために判定許可フラグＦ＿ＪＤＧＯＫを「１」にセットし、本処理を終了する。

次に、上記の煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌの算出処理について、図５～図１１を参照しながら説明する。図５のメインフローでは、まずステップ１１において、今回の処理サイクルでイグニッション・スイッチ（図示せず）がオンされたか否かを判別する。この答えがＹＥＳで、エンジン３の運転が開始された直後のときには、前回の運転終了時にＥＣＵ２のＥＥＰＲＯＭに記憶された煤堆積判定カウンタ値の最終値ｃｔＬＡＦＴｔｌＬＳＴを、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌの今回の初期値として設定する（ステップ１２）。

このステップ１２の後、又はステップ１１の答えがＮＯのときには、ステップ１３に進み、煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔを算出する。後述するように、この煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔは、今回の処理サイクルにおけるＡＦセンサ２３への煤の堆積増減量を表す。

次に、ステップ１４に進み、それまでに得られている煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌに、ステップ１３で算出された煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔを加算することによって、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌの今回値を算出し、本処理を終了する。

図６は、上記の煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔの算出処理を示す。本処理では、まずステップ２１において、煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔを算出する。この煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔは、エンジン３から排出される煤の排出量を表すものであり、エンジン負荷ＬＥ及びエンジン回転数ＮＥに応じ、図７のマップを検索することによって、算出される。なお、エンジン負荷ＬＥは、アクセル開度ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて算出される負荷を、全負荷に対する百分率（％）で表したものである。

図７のマップでは、エンジン３からの煤の排出量の傾向に基づき、煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔは、エンジン負荷ＬＥに対しては、５０％付近の中負荷領域で最も大きくなり、エンジン回転数ＮＥに対しては、２０００ｒｐｍ付近の中回転領域で最も大きくなるように設定されている。

次に、ステップ２２において、エンジン負荷ＬＥ及びエンジン回転数ＮＥに応じ、図８のマップを検索することによって、増減符号値ｃｔＳｉｇｎを算出する。この増減符号値ｃｔＳｉｇｎは、ＡＦセンサ２３に煤が付着する付着状態のときに負値（－１）に設定され、付着した煤が空燃比センサ２３から離脱する離脱状態のときに正値（＋１）に設定されるものである。

図８のマップでは、増減符号値ｃｔＳｉｇｎは、中高負荷及び中高回転領域では、排ガスの流速が大きいと推定し、排ガスとＡＦセンサ２３との接触時間が短いため、離脱状態にあるとして正値に設定され、低負荷及び低回転転領域では、排ガスの流速が小さいと推定し、排ガスとＡＦセンサ２３との接触時間が長いため、付着状態にあるとして負値に設定されている。

次に、ステップ２３において、検出された排気温度ＴＥＸに応じ、図９のマップを検索することによって、排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐを算出する。この排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐは、排気温度ＴＥＸが煤の付着／離脱に及ぼす影響度合を表すものである。排気温度ＴＥＸが高いほど、この影響度合が大きいため、図９のマップでは、排気温度影響カウンタ値ｃｔＴｅｍｐは、４００℃以上の高い温度領域において、１．０よりも大きな値に設定されるとともに、排気温度ＴＥＸが高いほど、より大きな値に設定されている。

次に、上記のステップ２１で算出された煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔに、ステップ２２、２３で算出された増減符号値ｃｔＳｉｇｎ及び排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐを乗算することによって、煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔの基本値ｃｔＢａｓｅを算出する（ステップ２４）。

次に、ステップ２５において、エンジン温度ＴＥに応じ、図１０のマップを検索することによって、凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔを算出する。この凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔは、エンジン３の低温時、排ガス中の水分が凝縮することによる、ＡＦセンサ２３への煤の付着度合の増加分を補償するためのものである。このため、図１０のマップでは、凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔは、エンジン温度ＴＥが６０℃以下である低温領域において、１．０よりも大きな値に設定されるとともに、エンジン温度ＴＥが低いほど、より大きな値に設定されている。

なお、エンジン温度ＴＥは、エンジン３を代表する温度であり、本実施形態では、水温センサ２６で検出されたエンジン水温ＴＷがそのまま、エンジン温度ＴＥとして用いられている。このエンジン水温ＴＷに代えて、エンジン温度ＴＥとして、例えば他の温度センサで検出された吸気温度やオイル温度を採用してもよく、あるいはエンジン３の始動時からの運転時間に基づく推定値を用いてもよい。

次に、ステップ２６において、図１１のマップを用いて、ＨＣ補正係数ｋＨＣを算出する。このＨＣ補正係数ｋＨＣは、エンジン３がリッチ制御されたときの排ガス中のＨＣ成分の増加分を補償するためのものである。このため、図１１のマップでは、ＨＣ補正係数ｋＨＣは、エンジン３の通常制御時には値１．０に設定され、リッチ制御時にはより大きな値１．１に設定されている。

最後に、上記のステップ２４で算出された基本値ｃｔＢａｓｅに、ステップ２５、２６で算出された凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔ及びＨＣ補正係数ｋＨＣを乗算することによって、煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔを算出し（ステップ２７）、本処理を終了する。

以上の算出方法から、煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔは、処理サイクルごとのＡＦセンサ２３における煤の堆積量の増減量を表し、ＡＦセンサ２３に煤が付着している付着状態で、堆積量が増加すると推定される場合には、負値として算出され、ＡＦセンサ２３から煤が離脱している離脱状態で、堆積量が減少すると推定される場合には、正値として算出される。また、前述したように、煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔは、図５のステップ１４において、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌを積算する際に加算項として用いられる。

以上の関係から、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌは、煤の付着状態では減少し、その値が小さいほど、ＡＦセンサ２３の煤堆積量がより大きいことを表す。これとは逆に、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌは、煤の離脱状態では増加し、その値が大きいほど、ＡＦセンサ２３の煤堆積量がより小さいことを表す。

次に、図１２を参照しながら、これまでに説明したＡＦセンサ２３の劣化判定処理によって得られる動作例について説明する。この例では、時点ｔ０～時点ｔ１では、排気流速が小さいため、煤の付着状態であると推定して、増減符号値ｃｔＳｉｇｎが－１に設定され、それに応じて、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが値０から減少している。また、時点ｔ１以後は、排気流速が大きくなり、煤の離脱状態であると推定して、増減符号値ｃｔＳｉｇｎが＋１に設定され、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが増加している。

この状態で、時点ｔ２において、フューエルカット運転に移行するのに伴い、ＡＦセンサ２３の劣化判定（図３のステップ２）が実行されるとともに、その劣化判定の完了時に（時点ｔ３）、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦ（＝０）と比較される（ステップ４）。この場合には、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが０よりも小さいため（ステップ４：ＮＯ）、ＡＦセンサ２３の煤堆積量が大きいとして、ＡＦセンサ２３の劣化判定が保留され、判定許可フラグＦ＿ＪＤＧＯＫは「０」に維持される。

その後、排気流速が減少し、増加するのに伴い、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌは、時点ｔ４から減少し、時点ｔ５から増加する。そして、時点ｔ６においてフューエルカット運転に移行するのに伴い、ＡＦセンサ２３の劣化判定が実行される。この場合には、劣化判定の完了時（時点ｔ７）において、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが０よりも大きいため（ステップ４：ＹＥＳ）、ＡＦセンサ２３の煤堆積量が小さいとして、ＡＦセンサ２３の劣化判定が許可され、判定許可フラグＦ＿ＪＤＧＯＫは「１」にセットされる。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン３がクルーズ運転からフューエルカット運転に移行した後に排ガスの空燃比が変化するときのＡＦセンサ２３の出力の実際の変化状態に基づき、ＡＦセンサ２３の応答劣化を判定する（図４）。また、エンジン３の運転中、所定の周期で、ＡＦセンサ２３に対する煤の付着又は離脱状態を表す付着／離脱状態パラメータ（増減符号値ｃｔＳｉｇｎ）と、ＡＦセンサ２３に対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す付着／離脱度合パラメータ（煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔなど）を算出する。

また、これらの付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用い、ＡＦセンサ２３への煤の堆積増減量を表す煤堆積増減パラメータとして、煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔを算出するとともに、これを積算することによって、ＡＦセンサ２３への現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータとして、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌを算出する。

以上の算出方法により、所定の周期で、ＡＦセンサ２３に対する煤の付着又は離脱状態を加味し、煤の付着又は離脱に及ぼす影響度合を反映させながら、ＡＦセンサ２３への現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌを常時、精度良く算出することができる。

そして、ＡＦセンサ２３の応答劣化の判定の完了時において、そのときの煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦよりも小さいとき、すなわち堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌによって表される煤堆積量が、所定値ｃｔＲＥＦに相当する所定量よりも大きいときには、煤の堆積による空燃比センサの一時的な応答性の低下が応答劣化の判定結果に影響を及ぼしているおそれがあるとして、応答劣化の判定を保留する。これにより、応答劣化の誤判定が回避される。

一方、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦ以上のとき、すなわち煤堆積量が所定量よりも大きいときには、煤よりも煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量以下のときには、誤判定のおそれがないとして、応答劣化の判定を許可する。以上により、煤の堆積による一時的な応答性の低下に起因する誤判定を回避しながら、ＡＦセンサ２３の応答劣化を精度良く判定することができる。

また、付着／離脱状態パラメータとしての増減符号値ｃｔＳｉｇｎを、図８のマップにより、エンジン負荷ＬＥ及びエンジン回転数ＮＥに基づき、排ガスの流速が大きいと推定されるときに、煤の離脱状態を表す正値に設定し、排ガスの流速が小さいと推定されるときに、煤の付着状態を表す負値に設定する。これにより、増減符号値ｃｔＳｉｇｎを、煤の付着状態又は離脱状態を適切に表すように算出でき、したがって、増減符号値ｃｔＳｉｇｎを用いた煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔ及び煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌの算出を、より精度良く行うことができる。

また、付着／離脱度合パラメータとして、煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔを、図７のマップにより、エンジン負荷ＬＥ及びエンジン回転数ＮＥに応じて算出し、排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐを、図９のマップにより、排気温度ＴＥＸに応じて算出し、凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔを、図１０のマップにより、エンジン温度ＴＥに応じて算出し、ＨＣ補正係数ｋＨＣを、図１１により、エンジン３の運転モードに応じて算出する。

以上により、これらの付着／離脱度合パラメータを、ＡＦセンサ２３に対する煤の付着／離脱への影響度合を適切に表すように算出でき、したがって、これらの付着／離脱度合パラメータを用いた煤堆積増減カウンタ値ｃｔＬＡＦＡｃｔ及び煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌの算出を、より精度良く行うことができる。

次に、図１３を参照しながら、本発明の第２実施形態によるＡＦセンサ２３の劣化判定処理について説明する。前述した第１実施形態（図３）では、ＡＦセンサ２３の劣化判定を先に実行し、それと並行して算出される煤堆積判定パラメータに応じて、ＡＦセンサ２３の劣化判定を保留するのに対し、本実施形態では、煤堆積判定パラメータを先に算出し、その算出結果に応じて、ＡＦセンサ２３の劣化判定を禁止するものである。

具体的には、まずステップ３１において、図３のステップ４と同様、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが、所定値ｃｔＲＥＦ以上であるか否かを判別する。煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌは、図５～図１１の処理及びマップを用いて、第１実施形態と同様に算出される。

ステップ３１の答えがＮＯで、ｃｔＬＡＦＴｔｌ＜ｃｔＲＥＦが成立するときには、ＡＦセンサ２３の煤堆積量が大きく、ＡＦセンサ２３に一時的な応答劣化が発生していることで、誤判定を招くおそれがあるとして、ＡＦセンサ２３の劣化判定を禁止し（ステップ３２）、そのことを表すために判定許可フラグＦ＿ＪＤＧＯＫ２を「０」にセットし、本処理を終了する。

一方、ステップ３１の答えがＹＥＳで、ｃｔＬＡＦＴｔｌ≧ｃｔＲＥＦが成立するときには、ＡＦセンサ２３の煤堆積量が小さいことで、上述した誤判定が生じるおそれがないとして、ＡＦセンサ２３の劣化判定を許可し（ステップ３３）、そのことを表すために判定許可フラグＦ＿ＪＤＧＯＫ２を「１」にセットする。次いで、ＡＦセンサ２３の劣化判定の条件が成立しているか否かを判別し（ステップ３４）、その成立に応じて、ＡＦセンサ２３の劣化判定を実行する（ステップ３５）。その劣化判定は、図４に示した手法により、第１実施形態と同様に行われる。

以上のように、本実施形態によれば、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦよりも小さいときに、煤の堆積によるＡＦセンサ２３の一時的な応答性の低下が応答劣化の判定結果に影響を及ぼすおそれがあるとして、ＡＦセンサ２３の劣化判定を禁止する一方、煤堆積判定カウンタ値ｃｔＬＡＦＴｔｌが所定値ｃｔＲＥＦ以上のときに、ＡＦセンサ２３の劣化判定を許可する。これにより、第１実施形態と同様、煤の堆積による一時的な応答性の低下に起因する誤判定を回避しながら、ＡＦセンサ２３の応答劣化を精度良く判定することができる。また、第１実施形態では保留されるＡＦセンサ２３の劣化判定を、あらかじめ禁止することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、付着／離脱状態パラメータとしての増減符号値ｃｔＳｉｇｎは、エンジン負荷ＬＥ及びエンジン回転数ＮＥに基づき、排ガスの流速を想定して算出されているが、これに限らず、煤の付着状態又は離脱状態に相関する他の適当なパラメータ、例えば排ガスの流量を用いてもよい。

また、実施形態では、付着／離脱度合パラメータとして、エンジン負荷ＬＥ及びエンジン回転数ＮＥに応じた煤排出量カウンタ値ｃｔＳｏｏｔ、排気温度ＴＥＸに応じた排気温度カウンタ値ｃｔＴｅｍｐ、エンジン温度ＴＥに応じた凝縮水補正係数ｋＤｅｗｄｅｔ、及びエンジン３の運転モードに応じたＨＣ補正係数ｋＨＣを算出しているが、ＡＦセンサ２３に対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す限り、これらとともに又はこれらに代えて、他の適当なパラメータを採用することができる。さらに、同じ付着／離脱度合パラメータを算出するために、実施形態と異なるパラメータを用いることが可能である。

また、実施形態は、空燃比センサとして、ジルコニア及び白金電極などで構成されたＡＦセンサを用いた例であるが、これに限らず、排ガスの空燃比を検出できるものであればよく、例えば、チタニア型酸素濃度センサなどを用いてもよい。

さらに、実施形態は、本発明をガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明の劣化判定装置は、これに限らず、各種の内燃機関、例えばディーゼルエンジンに適用してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

２ ＥＣＵ（応答劣化判定手段、付着／離脱パラメータ算出手段、煤堆積増減パラメ ータ算出手段、煤堆積判定パラメータ算出手段、判定保留手段、判定禁止手段）
３ 内燃機関
５ 排気通路
２１ クランク角センサ（回転数取得手段）
２３ ＡＦセンサ（空燃比センサ）
２４ 排気温度センサ（排ガス温度取得手段）
２５ アクセル開度センサ（負荷取得手段）
２６ 水温センサ（機関温度取得手段）
ｃｔＳｉｇｎ 増減符号値（付着／離脱状態パラメータ）
ｃｔＳｏｏｔ 煤排出量カウンタ値（付着／離脱度合パラメータ）
ｃｔＴｅｍｐ 排気温度カウンタ値（付着／離脱度合パラメータ）
ｋＤｅｗｄｅｔ 凝縮水補正係数（付着／離脱度合パラメータ）
ｋＨＣ ＨＣ補正係数（付着／離脱度合パラメータ）
ｃｔＬＡＦＡｃｔ 煤堆積増減カウンタ値（煤堆積増減パラメータ）
ｃｔＬＡＦＴｔｌ 煤堆積判定カウンタ値（煤堆積判定パラメータ）
ｃｔＲＥＦ 所定値
ＬＥ エンジン負荷（内燃機関の負荷）
ＮＥ エンジン回転数（内燃機関の回転数）
ＴＥＸ 排気温度（排ガスの温度）
ＴＥ 内燃機関の温度

Claims (7)

1. 排気通路に設けられ、内燃機関の排ガスの空燃比を検出する空燃比センサの応答劣化を判定する空燃比センサの劣化判定装置であって、
   排ガスの空燃比が変化するときの前記空燃比センサの出力の変化状態に基づき、当該空燃比センサの応答劣化を判定する応答劣化判定手段と、
   前記内燃機関の運転中、所定のサイクルごとに、排ガス中の煤が前記空燃比センサに付着する付着状態、又は当該付着した煤が前記空燃比センサから離脱する離脱状態のいずれの状態にあるかを表す付着／離脱状態パラメータと、前記空燃比センサに対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す付着／離脱度合パラメータを算出する付着／離脱パラメータ算出手段と、
   前記所定のサイクルごとに、前記算出された付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用いて、前記空燃比センサへの煤の堆積増減量を表す煤堆積増減パラメータを算出する煤堆積増減パラメータ算出手段と、
   前記所定のサイクルごとに、前記算出された煤堆積増減パラメータを積算することによって、前記空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータを算出する煤堆積量パラメータ算出手段と、
   前記応答劣化判定手段による前記空燃比センサの応答劣化の判定が完了した場合において、前記算出された煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量よりも大きいときに、前記応答劣化の判定を保留する判定保留手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比センサの劣化判定装置。
2. 排気通路に設けられ、内燃機関の排ガスの空燃比を検出する空燃比センサの応答劣化を判定する空燃比センサの劣化判定装置であって、
   排ガスの空燃比が変化するときの前記空燃比センサの出力の変化状態に基づき、当該空燃比センサの応答劣化を判定する応答劣化判定手段と、
   前記内燃機関の運転中、所定のサイクルごとに、排ガス中の煤が前記空燃比センサに付着する付着状態、又は当該付着した煤が前記空燃比センサから離脱する離脱状態のいずれの状態にあるかを表す付着／離脱状態パラメータと、前記空燃比センサに対する煤の付着又は離脱への影響度合を表す付着／離脱度合パラメータを算出する付着／離脱パラメータ算出手段と、
   前記所定のサイクルごとに、前記算出された付着／離脱状態パラメータ及び付着／離脱度合パラメータを用いて、前記空燃比センサへの煤の堆積増減量を表す煤堆積増減パラメータを算出する煤堆積増減パラメータ算出手段と、
   前記所定のサイクルごとに、前記算出された煤堆積増減パラメータを積算することによって、前記空燃比センサへの現在の煤の堆積量を表す煤堆積判定パラメータを算出する煤堆積量パラメータ算出手段と、
   前記算出された煤堆積判定パラメータで表される煤堆積量が所定量よりも大きいときに、前記応答劣化判定手段による前記空燃比センサの応答劣化の判定を禁止する判定禁止手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比センサの劣化判定装置。
3. 前記付着／離脱状態パラメータは、排ガスの流速が小さいと推定されるときに前記付着状態を表し、排ガスの流速が大きいと推定されるときに前記離脱状態を表すように算出されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の空燃比センサの劣化判定装置。
4. 前記内燃機関の負荷を取得する負荷取得手段と、
   前記内燃機関の回転数を取得する回転数取得手段と、をさらに備え、
   前記付着／離脱パラメータ算出手段は、前記付着／離脱度合パラメータとして、前記取得された内燃機関の負荷及び内燃機関の回転数に基づき、前記内燃機関からの煤の排出量による影響度合を表す煤排出量パラメータを算出することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置。
5. 排ガスの温度を取得する排ガス温度取得手段をさらに備え、
   前記付着／離脱パラメータ算出手段は、前記付着／離脱度合パラメータとして、前記取得された排ガスの温度による影響度合を表す排ガス温度パラメータを算出することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置。
6. 前記内燃機関の温度を取得する機関温度取得手段をさらに備え、
   前記付着／離脱パラメータ算出手段は、前記付着／離脱度合パラメータとして、前記取得された内燃機関の温度に基づき、排ガス中の凝縮水による影響度合を表す凝縮水パラメータを算出することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置。
7. 前記付着／離脱パラメータ算出手段は、前記付着／離脱度合パラメータとして、前記内燃機関のリッチ制御時における排ガス中のＨＣ量の増加による影響度合を表すＨＣ量パラメータを算出することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の空燃比センサの劣化判定装置。

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