JP5195483B2 - 排気センサの診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられている排気浄化触媒の下流側に配置されている排気センサの診断装置に関するものである。

従来から内燃機関の排気通路に設けられている排気浄化触媒による排気成分の浄化状態を把握するために、触媒上流排気センサに加えて同触媒の下流側にも排気センサとしての酸素センサを設けて、触媒通過後の排気の空燃比を検出して、触媒上流排気センサに基づく空燃比フィードバック制御による空燃比補正値に対して修正値を算出する、空燃比のフィードバック制御が実行されている。

前記触媒下流の酸素センサは、通過する排気の空燃比がリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比がリッチのときには吸蔵した酸素を放出する酸素ストレージ作用を有する触媒の下流に設けられているため、触媒上流側の空燃比を変更した後の触媒下流側の空燃比の変化を監視することにより触媒の酸素吸蔵量を推定することができる。

ところで、前記のフィードバック制御では下流側の酸素センサの出力に基づいてその制御が行われるため、同酸素センサに異常が生じていると正常な修正値が算出できなくなり、排気の浄化が十分に行われなくなるおそれがある。そこで、先記下流側の酸素センサの異常の有無を診断する装置が従来から提案されている(特許文献１参照)。

これは、触媒の下流側に設けられる酸素センサの異常診断に際して、同酸素センサの異常が判定されるまでの時間を短縮することによりエミッションの悪化を抑制するために、触媒の下流側の空燃比に基づいて触媒の上流側の空燃比を強制変更し、そのときに変化する触媒の下流側の空燃比に基づいて触媒の推定酸素吸蔵量を算出し、この推定酸素吸蔵量と判定値(出荷時の設定値等)との比較に基づいて触媒の下流側の空燃比を検出する酸素センサの異常の有無を診断するようにしている。

特開２００６−９７００号公報

しかしながら、上記従来例では、触媒の上流側の空燃比を強制変更し、そのときに変化する触媒の下流側の空燃比に基づいて触媒の推定酸素吸蔵量を算出し、この推定酸素吸蔵量が判定値を超えたら排気センサとしての酸素センサの異常と判定するものであるため、触媒が劣化して推定酸素吸蔵量が低下した状態となって、排気センサの応答が遅れても異常と判定ができない不具合があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、上流触媒の酸素吸蔵量による影響の抑制に好適な排気センサの診断装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の冷機始動毎に触媒が活性化されるまで、内燃機関の排気通路に配設される排気浄化用触媒の活性率を検出若しくは演算する触媒活性率推定演算手段と、前記内燃機関の冷機始動後に触媒の上流側空燃比をリッチ側とリーン側との間で強制変更する空燃比アクティブ制御手段と、前記触媒活性率推定演算手段により検出若しくは演算された触媒活性率が、内燃機関の冷機始動後の予め設定した値より低い値である非活性状態において、前記空燃比アクティブ手段を作動させて、得られる排気センサの出力信号に基づいて排気センサの異常を判定する異常判定手段と、を備え、前記異常判定手段は、排気センサの出力信号のリッチ側からリーン側への変化速度、リーン側からリッチ側への変化速度、リッチ側シフト量、リーン側シフト量の一つ若しくは２つ以上のパラメータに基づいて排気センサの異常を判定するようにした。

したがって、本発明では、触媒活性率推定演算手段により検出若しくは演算された触媒活性率が予め設定した値より低い値である内燃機関の冷機始動後の非活性状態において、前記空燃比アクティブ手段を作動させて、得られる排気センサの出力信号に基づいて排気センサの異常を判定するものであるため、上流触媒の酸素ストレージ機能の影響を受けずに、精度よく下流排気センサの応答性・無駄時間・出力シフトの診断が可能である。また、上流触媒の劣化度合いに影響されずに、下流排気センサの異常の有無の診断が可能である。
また、冷機始動毎に、下流排気センサの診断を実行できるので、市場での診断実行頻度が十分に確保でき、高頻度の診断が期待できる。
さらに、上流触媒の酸素ストレージ機能の影響を受けないので、アクティブに変化させる空燃比Ａ／Ｆの振幅・周期を狭めることができるので、排気性能低下や運転性低下への影響が少なくできる。
しかも、異常判定手段は、排気センサの出力信号のリッチ側からリーン側への変化速度、リーン側からリッチ側への変化速度、リッチ側シフト量、リーン側シフト量の一つ若しくは２つ以上のパラメータに基づいて排気センサの異常を判定するため、下流排気センサの応答性を正確に診断することができる。

本発明の一実施形態を示す排気センサの診断装置を含む車両用内燃機関及びその周辺機器の概略構成のシステム構成図。 同じく冷機始動時に実行される排気センサの診断フローチャート。 診断フローチャートの実行に基づく触媒活性率、目標空燃比、下流排気センサの出力信号等の各変化を示すタイムチャート。 本発明の第２実施形態の第１実施例を示す排気センサの診断装置における排気センサの診断フローチャート。 第１実施例における診断フローチャートの実行に基づく触媒活性率、目標空燃比、下流排気センサの出力信号等の各変化を示すタイムチャート。 本発明の第２実施形態の第２実施例を示す排気センサの診断装置における排気センサの診断フローチャート。 第２実施例における診断フローチャートの実行に基づく触媒活性率、目標空燃比、下流排気センサの出力信号等の各変化を示すタイムチャート。 本発明の第２実施形態の第２実施例のセンサ補正特性を示す特性図。 本発明の第２実施形態の第３実施例を示す排気センサの診断装置における診断フローチャートの実行に基づく触媒活性率、目標空燃比、下流排気センサの出力信号等の各変化を示すタイムチャート。 本発明の第２実施形態の第３実施例の空燃比のアクティブ制御特性を示す特性図。

以下、本発明の排気センサの診断装置を各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した排気センサの診断装置の第１実施形態を示す車両用内燃機関及びその周辺機器の概略構成のシステム構成図である。

図１において、内燃機関１の吸気通路２には、エアクリーナ３を通過させ、スロットルバルブ４の開度制御により調整された吸入空気が導入され、スロットルバルブ４の下流に設けられたインジェクタ５より噴射された燃料と混合されて図示しない燃焼室に導入され、燃焼室で燃焼される。吸入される空気の量（吸入空気量）は、エアフロメータ６により検出される。

また、燃焼室での燃焼により生じた排気が送られる排気通路７には、排気中の成分を浄化する排気浄化用の触媒８が設けられている。この触媒８は、理論空燃比近傍での燃焼が行われる状態において、排気中のＨＣやＣＯを酸化するとともに同排気中のＮＯｘを還元して排気を浄化する三元触媒により構成されている。また、この触媒８は通過する排気の空燃比が、理論空燃比よりもリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する、いわゆる酸素ストレージ機能を備える。前記触媒８は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲でのみ、排気中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを酸化還元反応により効率的に浄化する。この浄化状態を検出するため、前記触媒８の上流側には上流排気センサ９としての空燃比センサが設けられ、触媒の下流側には下流排気センサ１０としての酸素センサが設けられている。以下では、これらのセンサを「上流排気センサ」、「下流排気センサ」という。なお、１１はＨＣトラップ機能を持つ下流側触媒である。

前記空燃比センサからなる上流排気センサ９は、周知の限界電流式酸素センサであり、濃淡電池式酸素センサの検出部に拡散律速層と呼ばれるセラミック層を備えることにより排気中の酸素濃度に応じた出力電流が得られるセンサである。即ち、排気中の酸素濃度と密接な関係にある空燃比が理論空燃比である場合には、その出力電流は「０」になり、空燃比がリッチになるにつれて出力電流は負の方向に大きくなり、空燃比がリーンになるにつれて出力電流は正の方向に大きくなる。このため、この上流排気センサ９の出力に基づき、触媒８の上流側の空燃比についてそのリーン度合いやリッチ度合いを検出することができる。

前記酸素センサからなる下流排気センサ１０は、周知の濃淡電池式の酸素センサであり、その出力特性は、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには約１Ｖ程度の出力が得られ、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには約０Ｖ程度の出力が得られ、理論空燃比近傍でその出力電圧が大きく変化するように構成されている。このため、この下流排気センサ１０の出力に基づき、触媒８の下流側の空燃比がリーンとなっているかリッチとなっているかを検出することができる。

前記下流排気センサ１０は、触媒８での排気浄化作用の状態を監視するために同触媒８の下流側に設けられ、上流排気センサ９の出力がリッチを示しているときに下流排気センサ１０の出力がリーンとなっているときには、触媒８から酸素が放出されており、同触媒８での酸化作用が促進されていることを把握できる。また、上流排気センサ９の出力がリーンを示しているときに下流排気センサ１０の出力がリッチとなっているときには、触媒８に酸素が吸蔵されており、同触媒８での還元作用が促進されていることを把握できる。

前記触媒８は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲でのみ、排気中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを酸化還元反応により効率的に浄化する。そうした触媒８を有効に機能させるには、混合気の空燃比を上記理論空燃比近傍の狭い範囲の中心に合わせこむ、厳密な空燃比制御が必要となる。

そうした空燃比の制御は、エンジン制御装置１２より行われる。エンジン制御装置１２には、上記エアフロメータ６や前記上流排気センサ９、下流排気センサ１０、アクセルペダルの踏み込み量を検出する図示しないアクセルセンサ、あるいは機関回転速度を検出する図示しない回転速度センサを始めとする各種センサ類の検出信号が入力されている。そしてそれらセンサ類の検出信号より把握される内燃機関１や車両の運転状況に応じて、上記スロットルバルブ４やインジェクタ５等を駆動制御して、上記のような空燃比の制御を行っている。そうしたエンジン制御装置１２による空燃比制御の概要は次の通りである。

まずエンジン制御装置１２は、上記アクセルペダルの踏み込み量や機関回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ４の開度を調整する。その一方、エアフロメータ６により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ５からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることはできる。

加えて、エンジン制御装置１２は、前記触媒８上流側の上流排気センサ９の検出結果により、触媒８の上流側の空燃比についてその実測値を把握し、この実測値と目標空燃比、すなわち理論空燃比との乖離度合に基づいて算出される空燃比フィードバック補正量に基づいて、インジェクタ５の燃料噴射量をフィードバック補正している。この空燃比フィードバック制御により、要求される空燃比制御の精度が確保される。

また、エンジン制御装置１２は、前記触媒８下流側の下流排気センサ１０の検出結果より、触媒８の酸素吸蔵状態、あるいは酸素放出状態を推定し、この推定に基づいて上記空燃比フィードバック補正量に対する修正を行う。この修正処理では、下流排気センサ１０の出力に基づいて算出されるサブフィードバック補正量が増減補正され、同サブフィードバック補正量によって上記空燃比フィードバック補正量は修正される。

具体的には、下流排気センサ１０の出力がリッチを示している間は、触媒８上流側の空燃比が一定量ずつリーン寄りに変化するように、すなわち触媒８上流側の空燃比が少しずつリーン側に近づいていくように、サブフィードバック補正量が一定量ずつマイナス側に増大される。一方、下流排気センサ１０の出力がリーンを示している間は、触媒８上流側の空燃比が一定量ずつリッチ寄りに変化するように、すなわち触媒８上流側の空燃比が少しずつリッチ側に近づいていくように、サブフィードバック補正量が一定量ずつプラス側に増大される。このようなサブフィードバック制御により、触媒８の浄化作用が有効に活用される。

ところで、触媒８下流側の下流排気センサ１０に異常が生じると、その出力信号は実際の排気の空燃比を反映しなくなり、上記サブフィードバック制御を正確に行うことができなくなる。更には、サブフィードバック補正量による空燃比フィードバック補正量の修正にも悪影響を与えるおそれもある。

そこで、本実施形態では、エンジン１の冷機始動毎に触媒８が活性化されるまでの期間において、空燃比のアクティブ制御を通じて前記下流排気センサ１０の異常の有無を診断するようにしている。このアクティブ制御では、目標空燃比をリッチ（例えば目標空燃比＝１４．１）とリーン（例えば目標空燃比＝１５．１）との間で反転させる。

図２は下流排気センサ１０の異常の有無を診断する診断フローチャートであり、エンジン１の冷機始動後における触媒８の非活性状態において、エンジン制御装置で所定時間毎に実行される。以下、下流排気センサ１０の異常有無の診断手順を図２に示す診断フローチャートを参照して説明する。

エンジン１が始動されると、先ず、ステップＳ１において、触媒８の温度を推定演算する。触媒８の温度は、前回のエンジン停止時の触媒温度、エンジン停止時間、エンジン始動後の運転状態等により変化する。ＥＣＭに記憶された前回のエンジン停止時の触媒温度、前回のエンジン停止時からエンジン始動までの時間、燃焼室に導入される吸気量と燃焼温度を反映する点火時期とを乗算して得られる燃焼室での発熱量を経時的に積算して求められる触媒８に入熱される熱量等に基づいて、触媒温度を推定演算する。また、前記燃焼温度は空燃比に応じても補正することにより、より推定精度を向上させることができる。なお、触媒８やその近傍に温度センサを設けて触媒温度を検出してもよい。

ステップＳ２では、触媒温度が活性温度(活性点)に到達しているか否かが判定され、触媒温度が活性温度を超えており活性されている場合には、今回の診断フローチャートの実行が中止される。この判定において、触媒温度が活性温度未満で完全に活性されていない場合には、今回の診断フローチャートを実行するために、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、目標空燃比をリッチとリーンとの間で反転させる空燃比のアクティブ制御を開始させる。この空燃比のアクティブ制御では、目標空燃比をリッチ（例えば目標空燃比＝１４．１）とリーン（例えば目標空燃比＝１５．１）との間で反転させる。この空燃比のアクティブ制御では、触媒８の上流側の空燃比について、上流排気センサ９による実測値を把握し、この実測値と目標空燃比との乖離度合に基づいて算出される空燃比フィードバック補正量に基づいて、インジェクタ５の燃料噴射量をフィードバック補正することで実行される。なお、エアフロメータ６により検出される吸入空気量の実測値に対して、リッチとリーンとの間で反転させる目標空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ５からの燃料噴射量を調整する、ある程度に理論空燃比に近づける、オープン制御の空燃比アクティブ制御であってもよい。

前記目標空燃比は、リッチ側において「１４．１」よりも大きく、例えば、「１４．２〜１４．５」としてもよく、また、リーン側において「１５．１」よりも小さく、例えば、「１５．０〜１４．６」としてもよい。これは、触媒８が未だ活性化されていないため、通過する排気の空燃比が、理論空燃比よりもリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する、いわゆる酸素ストレージ機能が充分に発揮されない状態にあるため、下流排気センサ１０の出力がアクティブに変化する空燃比に忠実に反応することができるためである。また、同様の理由により、アクティブに変化させる空燃比のリッチ・リーン・リッチ・・と変化させる周期を狭めることができる。

ステップＳ４では、下流排気センサ１０の出力信号に基づいて、そのリッチ→リーン反転速度の最大値(ここでは、出力信号の減少速度の最大値とする)、リーン→リッチ反転速度の最小値(ここでは、出力信号の増加速度の最大値とする)、応答無駄時間、リッチシフト量、リーンシフト量を演算する。ところで、上流側触媒８は未だ活性化されていないため、通過する排気の空燃比が、理論空燃比よりもリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する、いわゆる酸素ストレージ機能が充分に発揮されない状態にある。このため、下流排気センサ１０は、上流側触媒８の酸素ストレージ機能の影響を受けずに、前記空燃比のアクティブ制御に応答して、その出力信号を空燃比リッチ側では「１Ｖ」寄りの出力信号と空燃比リーン側では「０Ｖ」寄りの出力信号との間で変化させて出力する。

そして、下流排気センサ１０が正常である場合には、空燃比リッチ側では「１Ｖ」の出力信号(リッチシフト量)と空燃比リーン側では「０Ｖ」の出力信号(リーンシフト量)が得られ、そのリッチ→リーン反転速度の最大値及びリーン→リッチ反転速度の最小値は、規定された数値が得られる。

また、下流排気センサ１０が劣化等の故障を生じている場合には、空燃比リッチ側では出力信号(リッチシフト量)が「１Ｖ」より低下され、空燃比リーン側では出力信号(リーンシフト量)が「０Ｖ」より上昇されることとなり、そのリッチ→リーン反転速度の最大値及びリーン→リッチ反転速度の最小値も、規定された数値から低下することとなる。

ステップＳ５では、ステップＳ４で演算したリッチ→リーン反転速度の最大値、リーン→リッチ反転速度の最小値が予め設定した反転速度基準(クライテリア)を超えているか否か、及び、リッチシフト量、リーンシフト量が予め設定したシフト量基準(クライテリア)を超えているか否かを判定する。そして、反転速度基準およびシフト量基準のいずれの判定においても超えている場合にはステップＳ６へ進み、下流排気センサ１０は正常であると判定する。また、前記判定において、いずれか一方でも超えていない場合にはステップＳ７へ進み、下流排気センサ１０は異常であると判定する。

図３は前記診断フローチャートが実行された際の触媒活性率、目標空燃比、下流排気センサ１０の出力信号の各変化を示すタイムチャートである。

即ち、時点ｔ０でエンジン１が始動されると、燃焼室で燃焼された排気ガスが排気通路を介して触媒８に送られ、触媒８は燃焼ガスにより温度上昇を開始する(図中Ａ参照)。同時にステップＳ１が実行され、触媒活性状態(触媒活性率・温度)が演算される。そして、エンジン１の始動からの積算熱量が一定値に至ることにより、触媒８が活性化されたとステップＳ２で判定されまでの触媒非活性の間のいずれかの時点ｔ１において、ステップＳ３での目標空燃比をリッチとリーンとの間で反転させる空燃比のアクティブ制御が開始される。

空燃比のアクティブ制御が開始されると、目標空燃比はリッチ（例えば目標空燃比＝１４．１）とリーン（例えば目標空燃比＝１５．１）との間で反転され、触媒８の上流側の空燃比について、上流排気センサ９による実測値を把握し、この実測値と目標空燃比との乖離度合に基づいて算出される空燃比フィードバック補正量に基づいて、インジェクタ５の燃料噴射量をフィードバック補正することで実行される(図中Ｂ参照)。この空燃比のアクティブ制御は、図中のＣに示すように、エアフロメータ６により検出される吸入空気量の実測値に対して、リッチとリーンとの間で反転させる目標空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ５からの燃料噴射量を調整する、ある程度に理論空燃比に近づける、オープン制御であってもよい。

この時点では、上流側触媒８は未だ活性化されていないため、通過する排気の空燃比が、理論空燃比よりもリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する、いわゆる酸素ストレージ機能を充分に発揮しない状態にある。このため、下流排気センサ１０は、上流側触媒８の酸素ストレージ機能の影響を受けずに、前記空燃比のアクティブ制御に応答して、その出力信号を空燃比リッチ側では「１Ｖ」寄りの出力信号と空燃比リーン側では「０Ｖ」寄りの出力信号との間で変化させて出力する(図中Ｄ参照)。図中Ｄにおいて、実線は下流排気センサ１０が正常である場合の出力変化を示し、破線は下流排気センサ１０が劣化等の故障を生じている場合の出力変化を示している。

ステップＳ４が実行されることにより、図中Ｄの下流排気センサ１０の出力信号に基づいて、そのリッチ→リーン反転速度の最大値(図中Ｅの上側の特性)、リーン→リッチ反転速度の最小値(図中Ｅの下側の特性)、リッチシフト量(図中Ｆの特性)、リーンシフト量(図中Ｆの特性)が演算される。

下流排気センサ１０が正常である場合には、図中Ｄの実線で示すように、空燃比リッチ側では出力信号(リッチシフト量)が「１Ｖ」近傍に上昇され、空燃比リーン側では出力信号(リーンシフト量)が「０Ｖ」近傍に低下されることとなり、そのリッチ→リーン反転速度の最大値及びリーン→リッチ反転速度の最小値も、規定された数値となる。このため、そのリッチ→リーン反転速度の最大値が、図中Ｅの上側の実線の特性に示すように変化され、そのリーン→リッチ反転速度の最小値は、図中Ｅの下側の実線の特性に示すように変化される。また、リッチシフト量は、図中Ｆの実線の特性に示すように変化され、そのリーンシフト量は、図中Ｇの実線の特性に示すように変化される。

ところが、下流排気センサ１０が劣化等の故障を生じている場合には、図中Ｄの破線で示すように、空燃比リッチ側では出力信号(リッチシフト量)が「１Ｖ」より低下され、空燃比リーン側では出力信号(リーンシフト量)が「０Ｖ」より上昇されることとなり、そのリッチ→リーン反転速度の最大値及びリーン→リッチ反転速度の最小値も、規定された数値から低下することとなる。このため、そのリッチ→リーン反転速度の最大値が、図中Ｅの上側の破線の特性に示すように変化され、そのリーン→リッチ反転速度の最小値は、図中Ｅの下側の破線の特性に示すように変化される。また、リッチシフト量は、図中Ｆの破線の特性に示すように変化され、そのリーンシフト量は、図中Ｇの破線の特性に示すように変化される。

これらのリッチ→リーン反転速度の最大値、リーン→リッチ反転速度の最小値、及び、リッチシフト量、リーンシフト量は、ステップＳ５において、予め設定した反転速度基準(図中Ｅの上下の一点鎖線)、予め設定したシフト量基準(図中Ｆ、Ｇの一点鎖線)と比較されることにより、反転速度基準およびシフト量基準のいずれの判定においても超えている場合には、下流排気センサ１０は正常であると判定され、また、いずれか一方でも超えていない場合には、下流排気センサ１０は異常であると判定することができる。

以上のように、本実施形態においては、冷機始動毎の触媒非活性状態において、空燃比のアクティブ制御を実施させ、触媒８の下流排気センサ１０の出力変化に基づいて、下流排気センサ１０の故障を判定するものであるため、上流触媒８の酸素ストレージ機能の影響を受けずに、精度よく下流排気センサ１０の応答性・無駄時間・出力シフトの診断が可能である。また、上流触媒８の劣化度合いに影響されずに、下流排気センサ１０の異常の有無の診断が可能である。しかも、冷機始動毎に、下流排気センサ１０の診断を実行できるので、市場での診断実行頻度が十分に確保でき、高頻度の診断が期待できる。さらに、上流触媒８の酸素ストレージ機能の影響を受けないので、アクティブに変化させる空燃比Ａ／Ｆの振幅・周期を狭めることができるので、排気性能低下や運転性低下への影響が少なくできる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）内燃機関１の排気通路７に配設される排気浄化用触媒８の活性率を検出若しくは演算する触媒活性率推定演算手段(ステップＳ１)と、前記触媒８の上流側空燃比をリッチ側とリーン側との間で強制変更する空燃比アクティブ制御手段(ステップＳ３)と、前記触媒活性率推定演算手段により検出若しくは演算された触媒活性率が予め設定した値より低い非活性状態において、前記空燃比アクティブ手段を作動させて、得られる排気センサ１０の出力信号に基づいて排気センサ１０の異常を判定する異常判定手段(ステップＳ４−ステップＳ５)と、を備える。

即ち、触媒活性率推定演算手段により検出若しくは演算された触媒活性率が予め設定した値より低い非活性状態において、前記空燃比アクティブ手段を作動させて、得られる排気センサ１０の出力信号に基づいて排気センサ１０の異常を判定するものであるため、上流触媒８の酸素ストレージ機能の影響を受けずに、精度よく下流排気センサ１０の応答性・無駄時間・出力シフトの診断が可能である。また、上流触媒８の劣化度合いに影響されずに、下流排気センサ１０の異常の有無の診断が可能である。しかも、冷機始動毎に、下流排気センサ１０の診断を実行できるので、市場での診断実行頻度が十分に確保でき、高頻度の診断が期待できる。さらに、上流触媒８の酸素ストレージ機能の影響を受けないので、アクティブに変化させる空燃比Ａ／Ｆの振幅・周期を狭めることができるので、排気性能低下や運転性低下への影響が少なくできる。

（イ）異常判定手段(ステップＳ４−ステップＳ５)は、排気センサ１０の出力信号のリッチ側からリーン側への変化速度、リーン側からリッチ側への変化速度、リッチ側シフト量、リーン側シフト量の一つ若しくは２つ以上のパラメータに基づいて排気センサ１０の異常を判定するため、下流排気センサ１０の応答性を正確に診断することができる。

（第２実施形態）
図４〜図１０は、本発明を適用した排気センサの診断装置の第２実施形態を示し、図４、５は第１実施例の排気センサの診断装置、図６〜８は第２実施例の排気センサの診断装置、図９〜１０は第３実施例の排気センサの診断装置である。本実施形態においては、触媒８の活性化の進行を考慮した構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

排気通路７に配置されている触媒８は、その活性化の進行に連れて、通過する排気の空燃比が、理論空燃比よりもリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する、いわゆる酸素ストレージ機能が活性化され増進される。このため、空燃比のアクティブ制御を実施した場合における下流排気センサ１０の出力信号は、触媒８の活性化の進行に連れて、出力信号が減衰されていくこととなる。

図４、５に示す本実施形態の第１実施例の診断装置においては、触媒８の活性化の進行に連れて酸素ストレージ機能が活性化され増進されて、下流排気センサ１０の出力信号が減衰されることを考慮して、そのクライテリアとしての判定基準を可変とするようにしたものである。その他の構成は第１実施形態と同様に構成されている。

即ち、触媒８が活性状態に近いほど、下流排気センサ１０の診断パラメータ(リッチ→リーン反転速度の最大値、リーン→リッチ反転速度の最小値、及び、リッチシフト量、リーンシフト量)は低下されて、異常であるとの判定が出やすいため、ステップＳ１０により、触媒活性率に応じて、クライテリア（判定基準）を低下させるように可変とする。

具体的には、図５（Ｅ）のリッチ→リーン反転速度の最大値に対して、触媒活性状態が低い場合には反転速度基準Ｈ１とし、触媒活性状態が高くなるに連れて反転速度基準を低下させ、最終的に触媒活性状態が高くなる場合には反転速度基準Ｈ２へと変化させるようにする。同様に、リーン→リッチ反転速度の最小値に対しても、触媒活性状態が低い場合には反転速度基準Ｌ１とし、触媒活性状態が高くなるに連れて反転速度基準を上昇させ、最終的に触媒活性状態が高くなる場合には反転速度基準Ｌ２へと変化させるようにする。

また、図５(Ｆ)、(Ｇ)のリッチシフト量、リーンシフト量についても、触媒活性状態が低い場合にはシフト量基準ＬＨ１、ＬＮ１とし、触媒活性状態が高くなるに連れてシフト量基準を低下及び上昇させ、最終的に触媒活性状態が高くなる場合にはシフト量基準ＬＨ２、ＬＮ２へと変化させるようにする。

以上のクライテリアの可変化により、触媒活性化の進行による下流排気センサ１０の出力信号の減衰に影響されずに下流排気センサ１０の異常判定を正確に実施することができる。

図６〜８に示す本実施形態の第２実施例の診断装置においては、触媒８の活性化の進行に連れて酸素ストレージ機能が活性化され増進されて、下流排気センサ１０の出力信号が減衰されることを考慮して、下流排気センサ１０の出力信号を触媒８の活性率に応じて増幅補正するようにしたものである。その他の構成は第１実施形態と同様に構成されている。

即ち、触媒８が活性状態に近いほど、下流排気センサ１０の診断パラメータ(リッチ→リーン反転速度の最大値、リーン→リッチ反転速度の最小値、及び、リッチシフト量、リーンシフト量)は低下されて、異常であるとの判定が出やすいため、ステップＳ１１により、触媒活性率に応じて、下流排気センサ１０の出力信号を増幅補正して、触媒非活性時と同等の出力を得られるようにする。

具体的には、図８に示すように、触媒８の活性率が上昇されるに連れて、下流排気センサ１０の出力信号に加える補正率を１倍から徐々に増加させ、得られる補正後の下流排気センサ１０の出力信号を、図７（Ｅ）に示すように、触媒非活性時と同等となるようにする。

これにより、ステップＳ５での、比較するリッチ→リーン反転速度の最大値に対する反転速度基準、リーン→リッチ反転速度の最小値に対する反転速度基準、リッチシフト量・リーンシフト量に対するシフト量基準を、触媒非活性時における基準、例えば、第１実施形態における比較基準と同等のものを使用することができる。

以上の下流排気センサ１０の出力信号の補正により、触媒活性化の進行による下流排気センサ１０の出力信号の減衰に影響されずに下流排気センサ１０の異常判定を正確に実施することができる。

図９，１０に示す本実施形態の第３実施例の診断装置においては、触媒８の活性化の進行に連れて酸素ストレージ機能が活性化され増進されて、下流排気センサ１０の出力信号が減衰されることを考慮して、空燃比のアクティブ制御の入力振幅を触媒８の活性率に応じて増幅補正するようにしたものである。その他の構成は第１実施形態と同様に構成されている。

即ち、触媒８が活性状態に近いほど、下流排気センサ１０の診断パラメータ(リッチ→リーン反転速度の最大値、リーン→リッチ反転速度の最小値、及び、リッチシフト量、リーンシフト量)は低下されて、異常であるとの判定が出やすいため、ステップＳ１１により、触媒活性率に応じて、空燃比のアクティブ制御の入力振幅を増幅補正して、触媒非活性時と同等の出力を得られるようにする。

具体的には、図１０に示すように、触媒８の活性率が上昇されるに連れて、空燃比のアクティブ制御の入力振幅に加える補正率を１倍から徐々に増加させ、得られる補正後の空燃比のアクティブ制御の出力振幅を、図９（Ｂ若しくはＣ）に示すように変化させ、図９（Ｄ）に示すように、得られる下流排気センサ１０の出力信号を触媒非活性時と同等の出力を得られるようにする。

これにより、ステップＳ５での、比較するリッチ→リーン反転速度の最大値に対する反転速度基準、リーン→リッチ反転速度の最小値に対する反転速度基準、リッチシフト量・リーンシフト量に対するシフト量基準を、触媒非活性時における基準、例えば、第１実施形態における比較基準と同等のものを使用することができる。

以上の空燃比のアクティブ制御の入力信号の補正により、触媒活性化の進行による下流排気センサ１０の出力信号の減衰に影響されずに下流排気センサ１０の異常判定を正確に実施することができる。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（ウ）第１実施例では、異常判定手段(ステップＳ４−ステップＳ１０−ステップＳ５)は、触媒活性率推定演算手段(ステップＳ１)よりの触媒活性率の上昇に応じて、排気センサ１０の出力信号に対する異常判定基準を低下させるため、触媒活性率を考慮した診断ができ、診断精度を向上させることができる。また、リッチ側とリーン側との間でアクティブに制御する空燃比の振幅を、触媒活性時よりも狭めることができるので、排気性能低下への影響を小さくでき、さらに、診断時間も短縮することができる。

（エ）第２実施例では、異常判定手段(ステップＳ１１−ステップＳ４−ステップＳ５)は、触媒活性率推定演算手段(ステップＳ１)よりの触媒活性率の上昇に応じて、排気センサ１０の出力信号を増加補正するため、触媒活性率を考慮した診断ができ、診断精度を向上させることができる。また、リッチ側とリーン側との間でアクティブに制御する空燃比の振幅を、触媒活性時よりも狭めることができるので、排気性能低下への影響を小さくでき、さらに、診断時間も短縮することができる。

（オ）第３実施例では、異常判定手段(ステップＳ１１−ステップＳ４−ステップＳ５)は、触媒活性率推定演算手段(ステップＳ１)よりの触媒活性率の上昇に応じて、空燃比アクティブ制御手段による空燃比振幅を増加させるため、触媒活性率を考慮した診断ができ、診断精度を向上させることができる。また、リッチ側とリーン側との間でアクティブに制御する空燃比の振幅を、触媒活性時よりも狭めることができるので、排気性能低下への影響を小さくでき、さらに、診断時間も短縮することができる。

１ 内燃機関、エンジン
２ 吸気通路
３ エアクリーナ
４ スロットルバルブ
５ インジェクタ
６ エアフロメータ
７ 排気通路
８ 触媒
９ 上流側センサ
１０ 下流側センサ
１２ エンジン制御装置

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配設される排気浄化用触媒の下流側空燃比を検出する排気センサの診断装置であり、
   前記内燃機関の冷機始動毎に触媒が活性化されるまで、触媒の活性率を検出若しくは演算する触媒活性率推定演算手段と、
   前記内燃機関の冷機始動後に触媒の上流側空燃比をリッチ側とリーン側との間で強制変更する空燃比アクティブ制御手段と、
   前記触媒活性率推定演算手段により検出若しくは演算された触媒活性率が、内燃機関の冷機始動後の予め設定した値より低い値である非活性状態において、前記空燃比アクティブ手段を作動させて、得られる排気センサの出力信号に基づいて排気センサの異常を判定する異常判定手段と、を備え、
   前記異常判定手段は、排気センサの出力信号のリッチ側からリーン側への変化速度、リーン側からリッチ側への変化速度、リッチ側シフト量、リーン側シフト量の一つ若しくは２つ以上のパラメータに基づいて排気センサの異常を判定することを特徴とする排気センサの診断装置。
2. 前記異常判定手段は、触媒活性率推定演算手段よりの触媒活性率の上昇に応じて、排気センサの出力信号に対する異常判定基準を低下させることを特徴とする請求項１に記載の排気センサの診断装置。
3. 前記異常判定手段は、触媒活性率推定演算手段よりの触媒活性率の上昇に応じて、排気センサの出力信号を増加補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気センサの診断装置。
4. 前記異常判定手段は、触媒活性率推定演算手段よりの触媒活性率の上昇に応じて、空燃比アクティブ制御手段による空燃比振幅を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気センサの診断装置。

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