JPH07269400A - 内燃機関の空燃比センサの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、空燃比センサの故障診断を行う際
に、運転状態に応じて複数の診断領域を設定し、それら
の診断結果に応じて故障を判定し診断精度を向上させた
空燃比センサの故障診断装置の提供を目的とする。 【構成】機関の運転状態を検出する運転状態検出手段
と、機関の排気ガスの空燃比を測定する空燃比センサを
備え、空燃比センサの応答性劣化故障を診断する故障診
断手段、前記運転状態検出手段の情報に基づき複数の運
転領域の故障診断手段出力に応じて故障を判定する構成
とした。 【効果】空燃比センサの故障診断を精度良くでき、排気
の悪化を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気ガスの空
燃比を計測し、空気と燃料との混合比を制御するために
必要な空燃比センサの故障診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空燃比センサは大気中と排気ガス中との
酸素濃度の差に応じた電圧又は信号を出力し、この信号
によって内燃機関の制御装置は空気と燃料の混合比を変
化させて排気ガス中のエミッションが悪化しないように
制御している。

【０００３】エミッションを低く保つにはフィードバッ
クバック系での空燃比センサの応答性が速いことが必要
である。

【０００４】しかし、センサ自身の経年変化や排気ガス
中の含有物によるセンサの汚損等により応答性が遅くな
り、エミッションが悪化する。

【０００５】このためラムダ制御の制御性能を常時監視
して、空燃比センサの故障を診断していた。例えば、特
開平4−292546 号公報で開示された診断方法が知られて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、応答性は内燃
機関の運転状態によっても変化するので、すべての運転
領域で診断することはできない。

【０００７】また、応答性はセンサ自身の持つ特性によ
っても変化する。

【０００８】例えば、大気中と排気ガス中の酸素濃度差
が一定でも、センサ内部の酸素イオンの移動度が低いと
きは応答性が遅い。

【０００９】移動度は、特にセンサ自身の温度に依存し
ているので、センサの温度が低いときは応答性が遅い。
逆にセンサの温度が高いときはセンサの内部抵抗が高く
なり、内燃機関の制御装置がセンサの真の電圧変化を捉
えることができず、応答性が悪化していると誤診断す
る。

【００１０】さらに、大気側の酸素濃度が下がれば電圧
が低下するので、排気ガス中の酸素の有無をはっきりと
区別できず、応答性が悪化していると誤判定する。

【００１１】本発明は、空燃比センサの故障診断を行う
際に、運転状態に応じて複数の診断領域を設定し、それ
らの診断結果に応じて故障を判定し診断精度を向上させ
た空燃比センサの故障診断装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、機
関の排気系の温度を計測又は推定する手段を備え、前記
運転状態検出手段の情報に基づき複数の運転領域の故障
診断手段出力に応じて故障を判定する手段を備えた。

【００１３】

【作用】本発明の空燃比センサの故障診断装置によれ
ば、複数の運転領域の故障診断手段出力に応じて故障を
判定することで、故障診断の精度を高める事ができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面により説明す
る。

【００１５】図１は、本発明の空燃比センサ診断の全体
のシステム構成を示す。

【００１６】エンジン本体１０１にはエンジンの水温を
検出する水温センサ１０２が装着され、また回転情報を
取り込むリンギア１０３とクランク角センサ１０４、更
に図示していない気筒識別のための信号をカム軸に備え
ている。エンジン本体１０１の吸気通路１０７には、エ
アークリーナー１０８を、その下流側に吸入空気量を計
測するエアフローセンサ１０９，スロットルチャンバー
及びスロットルセンサ１１０，エンジンのアイドル回転
数を制御するアイドルスピードコントロールバルブ１１
１を備えている。上記の各センサの出力信号は、エンジ
ン制御装置112に入力され、クランク角度，エンジン回
転数，吸入空気量，エンジン水温等が計測または演算さ
れ、エンジンの運転状態を示すパラメータに基づき点
火，燃料，アイドル回転数等の制御量を演算し、点火プ
ラグ１１３，燃料噴射弁１１４，アイドルスピードコン
トロールバルブ１１１等のアクチュエータへ出力してエ
ンジンの制御を行う。

【００１７】排気通路１１５には、触媒コンバータ１１
７とその前後に空燃比センサ１１８，１１９を備えてい
る。本実施例では空燃比センサを用いたが、空燃比セン
サに限定されるものではなく、酸素濃度センサ等を用い
ても良い。

【００１８】本システムでは、有害排気成分の浄化率向
上のために、触媒コンバータ１１７の上流側空燃比セン
サ１１８の出力信号に基づき、エンジンの空燃比を理論
空燃比近傍に制御するための空燃比フィードバック制御
により燃料噴射弁１１４の燃料噴射量の制御を行ってい
る。

【００１９】まず、応答性を測定する方法を図２により
説明する。

【００２０】本発明では、空燃比センサの電圧が所定値
以上の場合、空燃比の補正分αを徐々に減らし、混合比
を薄くする。混合比が薄くなれば排気ガス中の未燃酸素
が存在し、空燃比センサは大気との酸素濃度差が少なく
なったことを検出し、電圧が低下する。電圧がしきい値
ＳＬＶＬを下回ったときに空燃比の補正分にＰｒ分を加
算し、その後Ｉｒ分を加算して、混合比を濃くしてい
く。今度は、排気ガス中の酸素濃度が低下し、空燃比セ
ンサは電圧が上昇する。そして、しきい値SLVHを上回っ
たときに空燃比の補正分にＰｌ分を減算し、その後Ｉｌ
分を減算する。こうした空燃比センサの電圧による混合
比のフィードバックバックをエンジン制御装置は行って
いる。

【００２１】このとき、空燃比センサは酸素の有無に応
じた信号を繰り返すので、信号の立ち上がりや立ち下が
りの応答性が速いほど、フィードバックバック系の応答
が良いので、排気ガスのエミッションを低く保つことが
できる。

【００２２】よって応答性は、混合比を制御している時
の空燃比センサの立ち上がりまたは立ち下がりを測定す
る。測定方法として、２つの所定電圧間の時間を測定す
る方法や、所定時間内に変化する電圧を測定する方法が
ある。図３−ａは所定電圧間を横切る時間を測定する方
法で、時間が短いほど応答性がよいと判定される。

【００２３】図３−ｂは所定時間内の電圧変化を測定す
る方法で電圧変化が大きいほど応答性が良いと判定され
る。

【００２４】次に空燃比センサ電圧の温度特性を図４に
示す。

【００２５】空燃比センサは大気と排気ガスとの酸素濃
度の差に応じた電圧を出力するが、電気的には内部抵抗
を持つ信号源に近似できる。信号源は空燃比センサの温
度が低いと電圧が小さい。所定の温度以上で電圧は一定
となる。これはセンサ内部の酸素イオンの移動度が一定
になるためである。

【００２６】一方、センサの出力電圧を測定する時は、
センサの内部抵抗と測定系のインピーダンスで分割され
た電圧をエンジン制御装置は取り込むことになる。

【００２７】センサの内部抵抗はセンサの温度が高いほ
ど大きくなるので、エンジン制御装置が取り込む電圧
は、大気と排気ガスの酸素濃度差が一定でも図５に示す
ようにセンサの温度に依存し、センサ電圧がもっとも高
くなる温度が存在する。

【００２８】センサ温度が異常に低いとき、または異常
に高いときは電圧が低くなるため混合比制御を行ってい
る時の電圧振幅が小さくなり、所定の電圧を横切る時間
が長くなったり、所定の時間内の電圧変化が小さくな
り、応答性が悪化していると誤判定する問題がある。

【００２９】このため本発明では、診断領域をセンサ温
度の高い領域と低い領域とで別々に応答性を診断し、両
者の診断結果が故障と判定したときに空燃比センサを故
障とする。

【００３０】または診断領域毎にセンサ温度がわかれ
ば、センサ温度に応じた補正係数を乗じて、誤判定を防
止する。

【００３１】診断の概要を図６で説明する。

【００３２】まず、センサ温度を求める。

【００３３】センサ温度は温度センサを用いてもよい
が、本発明では回転数と負荷で求められるエンジン運転
状態からセンサ温度を推定する。

【００３４】空燃比センサの取り付け位置での熱容量が
小さく、排気ガス温度がそのままセンサ温度となり得る
場合は、回転数と負荷で求められるテーブル値をセンサ
の応答性の補正に用いる。

【００３５】熱容量が大きく、排気ガスの温度の変化に
対してセンサ温度の追従が遅い場合は、回転数と負荷の
平均値を用いて、テーブル値をセンサの応答性の補正に
用いてもよい。

【００３６】次に、エンジンの運転状態を計測し、信頼
できる空燃比センサの応答性が求められる診断領域かど
うかを判断する。

【００３７】診断領域内であれば空燃比センサの応答性
を測定し、空燃比センサの劣化判定を行う。

【００３８】計測のためのフローチャートを図７に示
す。

【００３９】空燃比センサの診断を行うため、所定の回
転数および負荷の範囲内にエンジンが運転されているか
どうかを判定する。

【００４０】診断領域内で、空燃比センサの電圧が２つ
のしきい値電圧を横切る時間、または所定時間内の電圧
変化を測定する。

【００４１】１回毎に測定された応答時間はばらつきが
あるので所定回数分の平均計算を行って、平均値としき
い値とを比較し応答性の劣化判定をする。

【００４２】所定回数の平均値を求める前に、エンジン
の運転状態が診断領域から外れたときは、平均値処理を
次の診断領域まで遅らせる。

【００４３】応答性が遅い場合は、ラムダ制御の周期も
遅くなるため所定の診断回数を得るまでの時間が長くな
る。特にＦＴＰ試験のようなモード運転で試験時間が限
られている場合、応答性を判定する機会がなくなってし
まうことがある。このため、１回毎の応答性が遅い測定
が続いたときは判定回数を減らして早めに空燃比センサ
の劣化判定を行う。判定する測定回数は応答時間のテー
ブルとする。

【００４４】判定は、応答時間がしきい値を上回ってい
る時、または電圧変化がしきい値を下回っている時は、
応答性が劣化していると判定しＮＧフラグをセットす
る。

【００４５】図８に計測のタイミングチャートを示す。

【００４６】エンジンの運転状態が診断領域内にあると
きに、診断条件を満足していることを示すフラグをセッ
トする。診断領域から外れたときはフラグをクリアす
る。

【００４７】診断領域内にあるとき、空燃比センサの電
圧をモニタし、電圧が下限しきい値と上限しきい値との
間を横切る時間の立ち上がり時間と立ち下がり時間を測
定する。同時に空燃比センサの温度から、補正値を乗じ
てｔｒとｔｆを計算する。

【００４８】立ち上がり時間ｔｒと立ち下がり時間ｔｆ
は平均計算用のサムＳｔｒとＳｔｆにそれぞれ次のよう
に加算する。

【００４９】Ｓｔｒ＝Σｔｒ Ｓｔｆ＝Σｔｆ 同時に測定回数カウンタＣｔｒ，Ｃｔｆをインクリメン
トする。

【００５０】平均値（Ａｖｔｒ，Ａｖｔｆ）を次のよう
に求める。

【００５１】Ａｖｔｒ＝Ｓｔｒ／Ｃｔｒ Ａｖｔｆ＝Ｓｔｆ／Ｃｔｆ 仮の平均値から応答性判定の回数をテーブル値から設定
する。

【００５２】判定回数は図９に示したように、応答性の
仮平均値が大きい時（応答性が遅いとき）は判定回数を
小さくし、早めに応答性の診断を行うようにする。

【００５３】診断回数がテーブル値に達したとき空燃比
センサの応答性Ａｖｔｒ，Ａｖｔｆをしきい値Ｔｈｔ
ｒ，Ｔｈｔｆとをそれぞれ比較し、劣化を判定する。

【００５４】応答性が遅いと判定したときは空燃比セン
サの故障判定フラグをセットする。応答性判定のしきい
値はＯＢＤ−ＩＩの法律によれば、ＦＴＰ試験を行った
ときの排気ガス中に含まれるＨＣが規制値の１.５ 倍に
なる値とする。

【００５５】前記までの発明では、空燃比センサの応答
性を測定するための電圧しきい値を一定にして、エンジ
ンの運転領域に応じた計数を乗じたが、空燃比センサ電
圧の振幅が小さいときは、係数の補正が不十分で、応答
性は劣化していると判定されることがある。

【００５６】この場合、電圧しきい値を一定にするので
はなく、振幅から求める方法もある。すなわち、図１０
に示すように電圧の振幅に上限用と下限用の２つの係数
を乗じてしきい値を求めてもよい。または診断領域毎に
しきい値を変えてもよい。

【００５７】これらの場合の空燃比センサの応答性は、
しきい値電圧差ΔＶと横切る時間Δｔから計算される値
とにより、立ち上がり時間や立ち下がり時間は次のよう
に求め、応答性の判定に使う。

【００５８】ｔｒ＝ΔＶ／Δｔ この計算による応答性診断は、空燃比センサの振幅に依
存しないので判定が確実にできる。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、空燃比センサの応答劣
化を確実に判定できるので、ユーザーやディーラーへの
空燃比センサの故障判定を報知でき、早期に、大気中へ
の有害排気ガス成分の排出を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空燃比センサの故障診断装置全体のシ
ステム構成図である。

【図２】本発明の空燃比制御の説明図である。

【図３】本発明の空燃比センサの応答性測定の説明図で
ある。

【図４】本発明の空燃比センサの電気的特性の説明図で
ある。

【図５】本発明の空燃比センサの電圧取り込み時の温度
特性図である。

【図６】本発明の空燃比センサの劣化判定の概念図であ
る。

【図７】本発明の空燃比センサの劣化判定のフローチャ
ートである。

【図８】本発明の空燃比センサの劣化判定のタイミング
チャートである。

【図９】本発明の空燃比センサの劣化判定回数のテーブ
ルデータを示す図である。

【図１０】本発明の空燃比センサの応答性測定のための
しきい値変更手段を示す図である。

【符号の説明】

１０１…エンジン本体、１０２…水温センサ、１０４…
クランク角センサ、１０９…エアフローセンサ、１１０
…スロットルチャンバ及びスロットルセンサ、１１１…
アイドルスピードコントロールバルブ、１１３…点火プ
ラグ、１１４…燃料噴射弁、１１７…触媒コンバータ、
１１８…空燃比センサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の運転状態を検出する運転状態検出手
   段と、機関の排気系の酸素濃度を計測する空燃比センサ
   を備え、空燃比センサの故障を診断する故障診断手段を
   有する内燃機関の空燃比センサの故障診断装置におい
   て、 空燃比制御値が変化したときの空燃比センサの応答性を
   測定し、 前記運転状態検出手段の情報に基づき複数の運転領域毎
   の応答性に応じて診断判定回数条件を変えて故障を判定
   することを特徴とする内燃機関の空燃比センサの故障診
   断装置。
2. 【請求項２】請求項１において、複数の運転領域の故障
   診断手段出力の論理積または、論理積と論理和の組み合
   わせに応じて故障を判定する手段を備えたことを特徴と
   する内燃機関の空燃比センサの故障診断装置。