JP5772956B2 - 排気センサの劣化診断装置および劣化診断方法 - Google Patents

Description

この発明は、排気組成の検出のために内燃機関の排気通路に設けられる排気センサ、特に触媒装置の下流側に設けられる下流側排気センサの劣化を診断する劣化診断装置および劣化診断方法に関する。

内燃機関の空燃比をフィードバック制御するために内燃機関の排気通路に排気センサ（いわゆる広域型空燃比センサあるいは酸素センサ）を備えた空燃比制御装置が公知であり、さらに空燃比制御の精度向上のために、触媒装置の上流側の排気センサに加えて触媒装置の下流側にも排気センサを備えた構成が公知である。

このような排気センサは、経年劣化あるいは熱的劣化により出力の応答性が悪化し得るので、従来から種々の劣化診断装置が提案されており、特許文献１には、出力信号の反転周期に基づいて劣化診断を行うことが開示されている。特に、この反転周期は、内燃機関の負荷つまり吸入空気量に影響されるので、所定の診断期間内で積算された吸入空気量が大きいほど劣化判定閾値を小さな値とし、検出された反転周期がこの劣化判定閾値よりも長いときに排気センサが劣化していると判断する。

上記の先行技術における劣化診断装置は、基本的に、排気センサの出力の反転には、一定量の排気（積算値）が排気センサを通流することが必要である、という認識に基づいており、従って、吸入空気量（単位時間当たりの流量）が大であればそれだけ短い時間で上記の積算値に達するため、反転周期に対する劣化判定閾値を小さな値としているのである。なお、特許文献１の技術は、触媒装置の上流側の排気センサを対象としている。

しかしながら、触媒装置の下流側に配置された下流側排気センサの診断においては、排気センサ付近の排気組成の変化が触媒装置の酸素ストレージ能力の影響を受け、しかも、触媒装置を流れる排気の流速によって、排気センサの出力の反転に要する排気量（積算値）が左右される。すなわち、本発明の発明者の新たな知見によれば、下流側排気センサの場合、触媒装置ならびに下流の排気センサを通過する排気の流速が高いと、排気センサの出力の反転には、より多量の排気（積算値）が必要である。換言すれば、吸入空気量（単位時間当たりの流量）が大であれば、触媒装置ならびに下流の排気センサを通過する排気の流速が高くなり、１回の出力の反転に要する排気量（積算値）ないし吸入空気量（積算値）が大となる。

上記の先行技術における劣化診断装置においては、このような流速の影響が考慮されておらず、下流側排気センサの適切な診断が行えない。

特開平１１−１６６４３８号公報

この発明は、内燃機関の排気通路において触媒装置の下流側に配置された排気センサの劣化を診断する装置であって、内燃機関の吸入空気量に応じて、該吸入空気量が大きいほど大となる特性でもって吸入空気量積算閾値を設定する閾値設定手段と、診断開始時点から吸入空気量を積算していき、該積算値が上記吸入空気量積算閾値に達したときに診断期間を終了する診断期間設定手段と、この診断期間における上記排気センサの出力反転回数に基づいて上記排気センサの劣化を判定する劣化判定手段と、を備えて構成されている。

この発明は、基本的には、排気センサが劣化していない場合、排気センサの出力の反転には、吸入空気量の積算値（つまり触媒装置ならびに下流の排気センサを通過した総排気量）が所定量必要である、という認識に基づくものである。従って、吸入空気量の積算値が所定の吸入空気量積算閾値に達するまでの診断期間における排気センサの出力反転回数は、排気センサが劣化していなければ、所定回数の反転が得られるものの、排気センサが劣化するに従って、その反転回数が少なくなり、これによって、劣化が判定される。

ここで、本発明では、特に、上記吸入空気量積算閾値が吸入空気量（単位時間当たりの流量）に応じて設定され、吸入空気量が大つまり排気流速が高いほど吸入空気量積算閾値が大きく与えられる。これにより前述した排気流速の影響が相殺され、より適切な診断が可能となる。

この発明に係る排気センサの劣化診断装置によれば、触媒装置ならびに下流の排気センサを通過する排気の流速の影響を排除して、より高精度に劣化診断を行うことができる。

この発明に係る劣化診断装置が適用される内燃機関の構成説明図。 劣化診断の処理の流れを示すフローチャート。 吸入空気量平均値ＱＭａｖに対する吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧの特性を示す特性図。 劣化診断の一例を示すタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る劣化診断装置が適用される内燃機関の吸気系および排気系の構成を示しており、ガソリンを燃料とする火花点火機関である内燃機関１の吸気通路２には、スロットル弁３が配置されているとともに、その上流側に、吸入空気量を例えば質量流量として計測するエアフロメータ４が配置されている。また吸気ポートへ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁５が各気筒毎に設けられている。

一方、車両後端に向かって延びる排気通路６には、排気マニホルドの集合部に相当する比較的上流側の位置に第１触媒装置７が介装されているとともに、これよりも下流の車両床下に相当する位置に第２触媒装置８が介装されており、さらに下流の消音器９を介して排気通路６先端が外部に開放されている。上記第１触媒装置７および上記第２触媒装置８は、いずれも三元触媒からなる。そして、空燃比フィードバック制御のために、第１触媒装置７の上流側に上流側排気センサ１０が設けられ、かつ下流側に下流側排気センサ１１が設けられている。これらの排気センサ１０，１１は、連続的な空燃比の検出が可能ないわゆる広域型空燃比センサあるいはリッチ，リーンを示す出力がオン・オフ的に得られる酸素センサ（Ｏ２センサ）のいずれであってもよいが、本実施例では、上流側排気センサ１０は広域型空燃比センサからなり、下流側排気センサ１１は酸素センサからなる。

上流側排気センサ１０および下流側排気センサ１１の検出信号は、図示せぬ他のセンサ類の信号とともにエンジンコントロールユニット１２に入力され、周知のように、燃料噴射弁５の燃料噴射量が目標空燃比（例えば理論空燃比）に沿うようにフィードバック制御される。すなわち、上流側排気センサ１０の検出空燃比に基づいて空燃比補正係数が算出され、この空燃比補正係数を基本燃料噴射量に乗じることによって、燃料噴射量が補正される。下流側排気センサ１１の検出信号は、上記空燃比補正係数をさらに補正するために用いられる。また、上記下流側排気センサ１１は、経年劣化ないし熱的劣化により出力変化の応答性が低下し、これに伴って空燃比制御の精度が低下するため、上記エンジンコントロールユニット１２は、下流側排気センサ１１の劣化の診断を行う。なお、エンジンコントロールユニット１２は、同時に上流側排気センサ１０の劣化診断も行っているが、この部分は本発明の対象ではないので、その説明は省略する。

図２は、上記エンジンコントロールユニット１２が実行する下流側排気センサ１１の劣化診断の処理の流れを示したフローチャートである。

このフローチャートに示すルーチンは、所定の時間間隔毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行されるものであって、ステップ１では、劣化診断が可能な診断条件が成立しているか否かを判定する。この診断条件としては、例えば、車速が所定値（例えば７０ｋｍ／ｈ）以上であること、負荷変動が所定範囲内にあること、これら２つの条件を満たした状態が所定時間以上継続していること、の３つである。この診断条件が成立しない場合（あるいは診断の途中で診断条件から外れた場合）は、ステップ２へ進み、後述するパラメータ、つまり吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌと、吸入空気量平均値ＱＭａｖと、下流側排気センサ１１の出力反転回数Ｎと、をそれぞれ初期化して、ルーチンを終了する。

ステップ１で診断条件が成立していれば、ステップ３へ進み、診断に用いるいくつかのパラメータの演算を行う。１つは、エアフロメータ４が検出する吸入空気量ＱＭ（単位時間当たりの流量）を積算し、診断が開始してからの空気量の総量つまり吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌを逐次算出する。また、エアフロメータ４が検出する吸入空気量ＱＭ（単位時間当たりの流量）の平均値つまり吸入空気量平均値ＱＭａｖを、例えば、加重平均処理により算出する。そして、この吸入空気量平均値ＱＭａｖに基づいて、例えば所定のテーブルを用いて、吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧを算出する。つまり、図２のルーチンの実行のたびに、吸入空気量平均値ＱＭａｖが求められ、これに対応して吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧが与えられる。なお、この吸入空気量平均値ＱＭａｖは、診断条件成立後つまり診断開始時点からの吸入空気量ＱＭの平均を表す。

またステップ２において、さらに、診断が開始してからの下流側排気センサ１１の出力反転回数Ｎを算出する。これは、例えば、下流側排気センサ１１の出力の増加・減少の方向を監視し、増加から減少に転じたとき、あるいは減少から増加に転じたときに、Ｎに１を加算することで行う。

次にステップ３からステップ４へ進み、それまでの吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌをその時点の吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧと比較し、吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌが吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧ以上であるか否かを判定する。吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧに達していなければ、ルーチンを終了する。従って、ステップ１の診断条件が成立している状態が継続している間は、ステップ３，４の処理が繰り返され、逐次求められる吸入空気量平均値ＱＭａｖに対応した吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧに吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌが達するまで、出力反転回数Ｎの計測が継続される。

吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌが吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧ以上となったら、ステップ４からステップ５へ進み、それまでの出力反転回数Ｎを反転回数閾値Ｎｍｉｎと比較する。出力反転回数Ｎが反転回数閾値Ｎｍｉｎ以上であれば、ステップ６へ進んで、下流側排気センサ１１は正常であると判定する。もし出力反転回数Ｎが反転回数閾値Ｎｍｉｎ未満であれば、ステップ７へ進んで、下流側排気センサ１１の劣化などの故障状態であると判定する。勿論、１回の診断で故障と最終判定せずに、複数回の診断で最終的に故障と確定するようにしてもよい。

図３は、吸入空気量平均値ＱＭａｖに対して設定される吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧの特性を示している。図の実線で示すように、吸入空気量平均値ＱＭａｖが大きいほど吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧが大きな値として与えられる。これは、前述したように、内燃機関の吸入空気量（単位時間当たりの流量）が大であれば、触媒装置ならびに下流の排気センサを通過する排気の流速が高くなり、１回の出力の反転に要する排気量積算値ないし吸入空気量積算値が大となる、という本発明者による新たな知見に基づくものであり、図示する特性の勾配（つまり吸入空気量平均値ＱＭａｖの増加に対する吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧの増加割合）は、前述した流速増加による影響を相殺する程度に設定される。ここで、従前の当業者の認識によれば、仮想線で示す比較例のように、吸入空気量平均値ＱＭａｖの大小に拘わらず吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧが一定値として与えられることとなる。なお、図３の例では、吸入空気量平均値ＱＭａｖの増加に対し吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧがリニアに、つまり連続的に変化する形となっているが、吸入空気量平均値ＱＭａｖの増加に対し吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧがステップ的に増加していくようにすることもできる。

図４は、劣化診断の一例を示したタイムチャートであり、車速ＶＳＰと、吸入空気量ＱＭと、空燃比フィードバック制御用の空燃比補正係数αと、吸入空気量平均値ＱＭａｖと、吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧと、吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌと、をそれぞれ示している。なお、互いに比較される吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧと吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌとは同じ欄に重ねて図示している。

ここで、図４の例では、下流側排気センサ１１の劣化診断を行う際に、通常時の上流側排気センサ１０の検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御から、下流側排気センサ１１の検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御に切り換えている。この下流側排気センサ１１の検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御においては、空燃比補正係数αの反転周期は、第１触媒装置７における触媒の酸素ストレージ能力の影響を受けるので、通常時の上流側排気センサ１０の検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御の際の反転周期に比べて相対的に長いものとなっている。

この図４の例では、車速が所定値以上となった時刻ｔ１において診断条件が成立し、吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌとして吸入空気量ＱＭの積算が開始される。この吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌは、時間経過に伴って徐々に増加していく。一方、吸入空気量平均値ＱＭａｖが前述したようにルーチンの実行のたびに求められ、これに応じて吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧが設定される。なお、図４では、説明のために、演算実行間隔を大きく図示してある。そして、この例では、時刻ｔ２において吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌが吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧに到達し、これによって診断期間が終了する。図４には、下流側排気センサ１１の出力は図示していないが、下流側排気センサ１１が劣化していなければ、空燃比補正係数αの変化にほぼ追従するような形で反転するので、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの診断期間における出力反転回数Ｎを計測し、これを反転回数閾値Ｎｍｉｎと比較することで劣化の診断がなされる。

なお、空燃比補正係数αとしては、一定の条件を満たす場合（例えば触媒が酸素ストレージ能力を発揮しない条件等で）には、通常の上流側排気センサ１０の検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御により周期的な増減変化を生じる空燃比補正係数αをそのまま用いて、劣化診断を行うことも可能であり、あるいは、上流側排気センサ１０の検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御を一時的にキャンセルし、空燃比補正係数αを診断のために強制的に所定の周期で増減変化させるようにしてもよい。

また反転回数閾値Ｎｍｉｎとしては、固定値であってもよく、あるいは、機関運転条件やそのときの空燃比補正係数αの反転周期などに応じて適宜に設定される値であってもよい。

このように上記実施例では、結果的に、診断開始の時刻ｔ１から診断終了の時刻ｔ２までの間の平均的な吸入空気量つまり吸入空気量平均値ＱＭａｖに対応して、該吸入空気量平均値ＱＭａｖが大であるほど診断終了までの吸入空気量積算値ＱＭｔｏｔａｌが大となることとなる。従って、吸入空気量ＱＭ（単位時間当たりの流量）が大きく第１触媒装置７や下流側排気センサ１１を通過する排気の流速が高い場合の下流側排気センサ１１の出力反転に与える影響を相殺でき、それだけ劣化診断の精度が向上する。特に、診断開始時点ｔ１からの吸入空気量平均値ＱＭａｖを逐次求め、これに対応して吸入空気量積算閾値ＷＫＳＴＲＧを逐次設定することによって、短時間で変化しやすい吸入空気量ＱＭの影響を的確に把握して診断に直接に反映させることができる。従って、例えば診断に必要な時間が過度に長くなって診断の頻度が低下するといった不具合を伴うことがない。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路において触媒装置の下流側に配置された排気センサの劣化を、空燃比を周期的に変化させたときの出力反転回数から診断する装置であって、
   診断開始時点から吸入空気量を積算していき、該積算値が吸入空気量積算閾値に達したときに診断期間を終了する診断期間設定手段と、
   この診断期間における上記排気センサの出力反転回数に基づいて上記排気センサの劣化を判定する劣化判定手段と、
   内燃機関の吸入空気量に応じて、該吸入空気量が大きいほど大となる特性でもって上記吸入空気量積算閾値を設定する閾値設定手段と、
   を備えてなる排気センサの劣化診断装置。
2. 上記閾値設定手段は、所定の時間間隔毎に、診断開始時点からの上記吸入空気量の平均値を求め、この平均吸入空気量に基づいて吸入空気量積算閾値を逐次設定する請求項１に記載の排気センサの劣化診断装置。
3. 内燃機関の排気通路において触媒装置の下流側に配置された排気センサの劣化を、空燃比を周期的に変化させたときの出力反転回数から診断する方法であって、
   内燃機関の吸入空気量に応じて、該吸入空気量が大きいほど大となる特性でもって吸入空気量積算閾値を設定し、
   診断開始時点から吸入空気量を積算していき、該積算値が上記吸入空気量積算閾値に達したときに診断期間を終了し、
   この診断期間における上記排気センサの出力反転回数に基づいて上記排気センサの劣化を判定する、排気センサの劣化診断方法。
4. 上記吸入空気量積算閾値の設定は、所定の時間間隔毎に、診断開始時点からの上記吸入空気量の平均値を求め、この平均吸入空気量に基づいて吸入空気量積算閾値を逐次設定する請求項３に記載の排気センサの劣化診断方法。

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