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JP6414466B2 - 酸素濃度センサの故障判定装置 - Google Patents

酸素濃度センサの故障判定装置 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられた触媒の下流側に配置した酸素濃度センサの故障判定を行う酸素濃度センサの故障判定装置に関する。
エンジン（内燃機関）の排気系には、排気を浄化するために、通常、三元触媒やＮＯｘ吸蔵触媒等の触媒が備えられている。そして、これらの触媒の下流に、空燃比制御を行うために、酸素濃度センサが備えられているものがある。
また、内燃機関の燃料噴射モードを負荷等に応じて切り換える技術も知られている。燃料噴射モードは、例えば排気の空燃比をフィードバックしながらストイキオやリーン状態で運転を行う通常運転モードや、負荷の大きい場合等にリッチ化するように空燃比をオープンループ制御するエンリッチ運転モード、減速時等のような無負荷時に燃料噴射を停止する燃料カットモードがある。
そして、燃料カットモードの解除後のリッチ化を利用して酸素濃度センサの劣化を検出する故障判定において、排ガス流量積算値が所定量に満たない場合にはモニタを禁止する方法が提案されている（特許文献１）。
また、走行中の目標空燃比をリーンからリッチに制御した際の酸素センサの出力から故障を検出する方法が提案されている（特許文献２）。
特許第３６７６６４１号公報 特許第４５４８４４３号公報
しかしながら、上述した技術では、実際の空燃比は燃料補正量の学習や、過渡的な吸入空気量の変動によって目標通りにリッチとならない場合があり、その場合、流量が大きくても、酸素濃度センサの応答が遅れ、故障と誤判定する可能性がある。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、故障の誤判定を防止し、酸素濃度センサの故障を精度よく検出する酸素濃度センサの故障判定装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成する本発明の第１の態様は、内燃機関の排気系に設けられた触媒の下流側に配置された酸素濃度センサの故障判定装置であって、内燃機関の燃料カットモードの解除後のリッチ化制御中の前記酸素濃度センサの出力が所定の出力区間を通過する期間の大きさ又は前記解除後のリッチ化制御中の前記酸素濃度センサの出力が所定出力になるまでの期間の大きさに基づいて当該酸素濃度センサの故障判定をする故障判定手段と、前記リッチ化制御中の実際の燃料供給量から、ストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量の時間平均を算出するリッチ燃料供給量算出手段と、前記リッチ燃料供給量に基づいて前記故障判定手段の故障判定を制限する故障判定制限手段と、を備えたことを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置にある。
かかる態様では、リッチ化制御中の実際の燃料供給量から、ストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量の時間平均に基づいて、故障判定手段の故障判定を制限することにより、酸素濃度センサの故障の誤判定を防止することができる。
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の酸素濃度センサの故障判定装置において、前記故障判定制限手段は、前記リッチ燃料供給量が所定値以下の場合に前記故障判定手段の故障判定を制限することを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置にある。
かかる態様では、リッチ燃料供給量が所定値以下の場合に、故障判定手段の故障判定を制限することにより、酸素濃度センサの故障の誤判定を防止する。
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の酸素濃度センサの故障判定装置において、前記故障判定手段は、前記リッチ化制御中の前記酸素濃度センサの出力が所定の出力区間を通過する期間の大きさが所定の故障判定値より大きい場合に故障判定をすることを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置にある。
かかる態様では、リッチ化制御中の酸素濃度センサの出力が所定の出力区間を通過する期間の大きさが所定の故障判定値より大きい場合に故障判定をするので、故障を精度よく判定できる。
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の酸素濃度センサの故障判定装置において、前記故障判定制限手段は、前記リッチ燃料供給量が所定値以下の場合に、前記故障判定手段の前記故障判定値を大きく設定することを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置にある。
かかる態様では、リッチ燃料供給量が所定値以下の場合に、故障判定手段の故障判定値を大きく設定して故障判定手段の故障判定を制限することにより、酸素濃度センサの故障の誤判定を防止する。
本発明によれば、リッチ化制御中の実際の燃料供給量から、ストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量の時間平均に基づいて、故障判定手段の故障判定を制限することにより、酸素濃度センサの故障の誤判定を防止することができる。
本発明の故障判定装置が適用されたエンジンの吸排気系の概略構成図である。 実施形態１を示すタイムチャートである。 実施形態１のフローチャートである。 実施形態２を示すタイムチャートである。 実施形態２のフローチャートである。
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
本発明の故障判定装置が適用されたエンジン１(内燃機関)の吸排気系の概略構成図である。
エンジン１は、車両に搭載され、例えば燃料を噴射弁から筒内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射式のガソリンエンジンである。
図１に示すように、エンジン１の吸気通路２には、吸入空気流量を調節する電子制御式のスロットルバルブ１０が設けられている。スロットルバルブ１０には、スロットルバルブ１０の開き度合を検出するスロットルポジションセンサ１１が備えられている。
また、スロットルバルブ１０の上流側の吸気通路２には、吸気流量を検出するエアフローセンサ１２が設けられている。
更にエンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０、図示しないカム角センサや水温センサや等のエンジン１の運転状況を検出するセンサが設けられている。
エンジン１の排気通路３には、三元触媒等の排気浄化触媒３０が介装されている。
排気浄化触媒３０の上流側には排気浄化触媒３０に流入する排気中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度センサ３１と、下流側には排気浄化触媒３０通過後の排気中の酸素濃度を検出する下流側酸素濃度センサ（空燃比検出装置）３２とが設けられている。
ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ４０の入力側には、上記スロットルポジションセンサ１１、エアフローセンサ１２、クランク角センサ２０、上流側酸素濃度センサ３１、下流側酸素濃度センサ３２、及び図示しない水温センサ、アクセルの開度を検出するアクセルポジションセンサ、車速センサ、その他エンジン１及び車両の運転状態を検出するセンサ類からの検出情報が入力される。
ＥＣＵ４０の出力側には、上記スロットルバルブ１０や燃料噴射弁４、点火プラグ５等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて目標スロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、スロットルバルブ１０、燃料噴射弁４等を制御する。
特に、ＥＣＵ４０は、エンジン１の燃料噴射モードを負荷等に応じて切り換える。燃料噴射モードは、例えばストイキオ状態あるいはリーン状態となるように排気の空燃比をフィードバックしながら運転を行う通常運転モード(第２の運転モード)や、負荷の大きい場合等に空燃比をリッチ化するようにオープンループ制御するエンリッチ運転モード（第１の運転モード）、減速時等のような無負荷時に燃料噴射を停止する燃料カットモード(第３の運転モード)がある。なお、通常運転モードでは上流側酸素濃度センサ３１及び下流側酸素濃度センサ３２からの出力に基づいてフィードバック運転を行い、エンリッチ運転モード及び燃料カットモードでは、オープンループ運転を行う。
また、ＥＣＵ４０は、下流側酸素濃度センサ３２の故障判定機能を有している。
下流側酸素濃度センサ３２の故障判定は、エンジン運転中に燃料カットモードに移行して燃料噴射を停止（燃料カット）した際に、下流側酸素濃度センサ３２により検出した排気の空燃比の変化に基づいて下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を行う（故障判定手段）。
具体的には、故障判定手段は、エンジン１の燃料カットモードの解除後のリッチ化制御中の下流側酸素濃度センサ３２の出力が所定の出力区間を通過する期間、例えば、０．３Ｖから０．５Ｖになるまでの期間を求め、期間が所定値より大きい場合に、下流側酸素濃度センサ３２が故障だと判定する。
故障判定はこれに限定されず、エンジン１の燃料カットモードの解除後のリッチ化制御中の下流側酸素濃度センサ３２の出力が所定出力になるまでの期間に基づいて判断してもよい。例えば、燃料カットモードの解除後、出力が０．３Ｖ又は０．５Ｖになるまでの期間の大きさが所定値より大きい場合は故障と判定してもよい。又は、所定期間、例えば、解除後、１５０回程度の所定点火回数を経過する際の下流側酸素濃度センサ３２の出力が所定値に到達したか否かを判断し、到達していない場合には、故障と判定してもよい。
図２は、燃料カットモード解除後のリッチ化制御モードにおける下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖの推移並びにストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量ΔＦ及びその時間平均ΔＦaveの推移の一例を示すタイムチャートである。図中実線はリッチ化が正常に行われた場合、破線は、燃料補正量の学習や過渡的な空気吸入量の変動により目標値通りにリッチとならない場合を示している。
通常運転モードによる空燃比のフィードバック運転から燃料カット（Ｆ／Ｃ）すると、下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖは、燃料カット開始からタイムラグをおいて下がり始め、出力が０Ｖとなるが、図２中実線で示すように、燃料カットモードが解除され、リッチ化制御モード（Ａ／Ｆ制御（リッチ化））になると、出力値Ｖは、タイムラグをおいて上昇し、リッチ化制御が終了する。そして、このときの下流側酸素濃度センサ３２の出力値の上昇度合い、具体的には下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖが所定範囲Ａ−Ｂ（例えば、０．３Ｖから０．５Ｖまで）変化する際の所要時間Ｔslopeは略一定の値となる。また、燃料カットモード解除から下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖが所定値、例えば、０．３Ｖ又は０．５Ｖまで上昇するまでの期間、すなわち、所要時間も略一定の値となる。
ＥＣＵ４０の故障判定手段は、この所要時間Ｔslopeを測定し、この値があらかじめ設定された所定の閾値以下である場合には下流側酸素濃度センサ３２が正常であると判定し、閾値を超えた場合には下流側酸素濃度センサ３２が故障であると判定する。また、所要時間Ｔslopeの代わりに、例えば、０．３Ｖ又は０．５Ｖまで上昇するまでの所要時間を測定し、所要時間があらかじめ設定された閾値以下である場合には下流側酸素濃度センサ３２が正常であると判定し、閾値を超える場合には下流側酸素濃度センサ３２が故障であると判定してもよい。また、燃料カットモード解除後、あらかじめ設定された所要時間の間に、例えば、０．５Ｖまで上昇した場合には、下流側酸素濃度センサ３２が正常であると判定し、０．５Ｖまで上昇しなかった場合には下流側酸素濃度センサ３２が正常であると判定し、閾値を超える場合には下流側酸素濃度センサ３２が故障であると判定してもよい。
更に、本実施形態では、燃料カットモード解除後のリッチ化制御モードにおいてリッチ化が不十分であった場合、上記下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を制限する機能を有する。
図２中破線で示すように、燃料カットモードが解除されてリッチ化制御となっても、リッチ化が不十分であった場合、下流側酸素濃度センサ３２の出力値の上昇が遅延し、上昇の度合いが小さくなる。具体的には下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖが所定範囲Ａ−Ｂ（例えば、０．３Ｖから０．５Ｖまで）変化する際の所要時間Ｔslopeが大きくなる。また、燃料カットモード解除から下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖが所定値、例えば、０．３Ｖ又は０．５Ｖまで上昇するまでの所要時間も大きくなる。したがって、下流側酸素濃度センサ３２が故障していると誤判定する虞がある。
そこで、ＥＣＵ４０は、燃料カットモード解除後のリッチ化制御中の実際の燃料供給量から、ストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量の時間平均であるリッチ燃料供給量の時間平均（ΔＦave）を算出し（リッチ燃料供給量算出手段）、当該リッチ燃料供給量の時間平均があらかじめ設定した閾値より小さい場合には、上記下流側酸素濃度センサ３２の故障判定を禁止する（故障判定禁止手段）。なお、実際の燃料供給量は、燃料のインジェクタの駆動時間とエンジン回転数から単位時間あたりの燃料噴射量を演算し、この燃料噴射量と空燃比Ａ／Ｆとによってストイキオ燃焼に対する単位時間当たり余剰な燃料量、すなわち、リッチ燃料供給量ΔＦとしている。
かかるリッチ燃料供給量ΔＦは、図２に実線で示すように、リッチ化制御の際に大きくなり、リッチ化制御が終了すると、０となり、時間平均ΔＦaveはリッチ化が終了すると、一定値をとる。
一方、図２に破線で示すように、リッチ化が不十分であった場合、リッチ燃料供給量ΔＦはリッチ化が十分な場合と比較して小さく、時間平均ΔＦaveも小さくなる。これは燃料の補正量の学習や過渡的な吸入空気量の変動によるものである。よって、リッチ燃料供給量の時間平均ΔＦaveが、リッチ化が正常だった場合のΔＦaveの値よりも低く設定された閾値である故障判定許可設定値より小さい場合に、故障判定を禁止する（故障判定禁止手段）。なお、リッチ化が十分な場合には、ΔＦaveは故障判定許可設定値より大きくなり、故障判定は許可される。
本実施形態の故障判定のフローを図３を参照しながら説明する。図３に示すように、ステップＳ１で故障判定条件が成立すると、ステップＳ２で空燃比Ａ／Ｆがリッチかどうかを判断する。Ａ／Ｆがリッチの場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）では、ステップＳ３でΔＦを演算する。ΔＦは、上述したとおり、燃料のインジェクタの駆動時間とエンジン回転数から単位時間あたりの燃料噴射量を演算し、この燃料噴射量と空燃比Ａ／Ｆとによってストイキオ燃焼に対する単位時間当たり余剰な燃料量である。なお、Ａ／Ｆがリッチでない場合（ステップＳ２；Ｎｏ）では、そのまま終了する。
次に、ステップＳ４で、ΣΔＦ（ｎ）を求める。ΣΔＦ（ｎ）は、ΔＦの積算値であり、ΣΔＦ（ｎ）＝ΣΔＦ（ｎ−１）＋ΔＦである。次に、ステップＳ５で下流側酸素濃度センサ３２の出力ＲｒＯ２Ｓが所定値ＡＶ、例えば、０．３Ｖ以上か否かを判断し、所定値ＡＶ以上の場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）の場合、ステップＳ６でＴslopeをカウントアップし、ステップＳ７でＴslopeが所定値より大きいか否かを判断する。ステップＳ５で下流側酸素濃度センサ３２の出力ＲｒＯ２Ｓが所定値ＡＶ未満の（ステップＳ５；Ｎｏ）の場合、そのままステップＳ７でＴslopeが所定値より大きいか否かを判断する。
Ｔslopeが所定値より大きい場合には（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、ステップＳ８でΔＦの時間当たりの平均値ΔＦaveを演算する。ΔＦの演算開始からＴslopeが０．５ｓｅｃを超えるまでの所要時間をＴLRとすると、ΔFave＝ΣΔF（ｎ）／ＴLRとなる。
ステップＳ９でΔＦaveが故障判定許可値より大きい場合（ステップＳ９；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０でＴslope故障判定カウントをカウントアップし、ステップＳ１１で故障判定カウントが３以上か否かを判断し、故障判定カウントが３以上の場合には（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、ステップＳ１２で下流側酸素濃度センサ３２を故障と判定し、終了する。なお、故障判定カウントが３より小さい場合には（ステップＳ１１；Ｎｏ）、下流側酸素濃度センサ３２を故障とは判定せず、そのまま終了する。
Ｔslopeが所定値以下の場合には（ステップＳ７；Ｎｏ）、ステップＳ１３で下流側酸素濃度センサ３２の出力ＲｒＯ２Ｓが所定値ＢＶ、例えば、０．５Ｖ以上か否かを判断し、所定値ＢＶ以上の場合には（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１４で下流側酸素濃度センサ３２を正常と判定し、終了する。ステップＳ１３で所定値ＢＶ未満の場合には（ステップＳ１３；Ｎｏ）、そのまま終了する。
ステップＳ９でΔＦaveが故障判定許可値以下の場合（ステップＳ９；Ｎｏ）、故障判定が禁止され、そのまま終了する。
以上説明したフローにより、Ｔslopeが所定値より大きい場合でも、ΔＦaveが故障許可値以上でないと、故障判定の許可がされず、ΔＦaveが故障許可値より小さい場合には、故障との判定が禁止される。
以上説明したように、故障判定禁止手段による故障判定禁止により、燃料カットモード解除後のリッチ化制御においてリッチ化が不十分な場合に、下流側酸素濃度センサ３２の故障と判定する誤判定を防止することができる。
（実施形態２）
図４には実施形態２に係る故障判定禁止を説明するタイムチャートを示す。
図４は、図２と同様に、燃料カットモード解除後のリッチ化制御モードにおける下流側酸素濃度センサ３２の出力値Ｖの推移並びにストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量ΔＦ及びその時間平均ΔＦaveの推移の一例を示すタイムチャートであり、図２と同一部分については重複する説明は省略する。
本実施形態では、故障判定禁止手段が、故障判定を許可される範囲は、故障判定禁止手段が禁止しない範囲を決定する故障判定許可設定値を、リッチ化が十分な場合には小さくし、リッチ化が不十分な場合には大きくする。これにより、実際の故障以外の場合の故障判定をより確実に防止することができる。
本実施形態の故障判定のフローを図５を参照しながら説明する。図５に示すように、ステップＳ２１で故障判定条件が成立すると、ステップＳ２２で空燃比Ａ／Ｆがリッチかどうかを判断する。Ａ／Ｆがリッチの場合（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）では、ステップＳ２３でΔＦを演算する。なお、Ａ／Ｆがリッチでない場合（ステップＳ２２；Ｎｏ）では、そのまま終了する。
次に、ステップＳ２４で、ΣΔＦ（ｎ）を求める。次に、ステップＳ２５で下流側酸素濃度センサ３２の出力ＲｒＯ２Ｓが所定値Ａ、例えば、０．３Ｖ以上か否かを判断し、所定値ＡＶ以上の場合（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）の場合、ステップＳ２６でＴslopeをカウントアップし、ステップＳ２７で下流側酸素濃度センサ３２の出力ＲｒＯ２Ｓが所定値Ｂ、例えば、０．５Ｖ以上か否かを判断する。
ステップＳ２７で所定値ＢＶ以上の場合には、ステップＳ２８でＴslope計測を完了し、ステップＳ２９でΔＦの時間当たりの平均値ΔＦaveを演算し、ステップＳ３０でＴslope故障判定値を決定する。ここで、Ｔslope故障判定値は、ΔＦaveの値で決定されるマップ値であり、ΔＦaveが小さいほど、Ｔslope故障判定値が大きくなるように設定されている。
そして、ステップＳ３１で、ＴslopeがステップＳ３０で設定したＴslope故障判定値より大きいか否かを判断する。ステップＳ３１でＴslopeがＴslope故障判定値より大きい場合（ステップＳ３１；Ｙｅｓ）、ステップＳ３２で下流側酸素濃度センサ３２であるＲｒＯ２Ｓを正常判定しているか否かを判断する。
ステップＳ３２でＲｒＯ２Ｓを正常判定していない場合（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、ステップＳ３３でＴslope故障判定カウントをカウントアップし、ステップＳ３４で故障判定カウントが３以上か否かを判断し、故障判定カウントが３以上の場合には（ステップＳ３４；Ｙｅｓ）、ステップＳ３５で下流側酸素濃度センサ３２を故障と判定し、終了する。なお、故障判定カウントが３より小さい場合には（ステップＳ３４；Ｎｏ）、下流側酸素濃度センサ３２を故障とは判定せず、そのまま終了する。
ステップ３１でＴslopeがＴslope故障判定値より小さい場合には（ステップＳ３１；Ｎｏ）、ステップＳ３６で下流側酸素濃度センサ３２であるＲｒＯ２Ｓを正常と判定し、終了する。ステップＳ３２でＲｒＯ２Ｓを正常と判定している場合には（ステップＳ３２；Ｎｏ）、そのまま終了する。
以上説明したフローにより、Ｔslope故障判定値を可変とし、ΔFaveが小さいほど、Ｔslope故障判定値を大きくして判断するようにしているので、ΔＦaveが故障許可値以上でないと、故障判定の許可がされず、ΔＴslopeがＴslope故障判定値より小さい場合には、故障との判定がされないことになる。
本発明は上記実施形態のように筒内燃料噴射式のガソリンエンジンだけでなく、各種内燃機関に適用可能であり、その排気系に設けられた各種触媒の下流側に配置された空燃比検出装置の故障判定に広く適用することができる。
１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 燃料噴射弁
１０ スロットルバルブ
１１ スロットルポジションセンサ
１２ エアフローセンサ
２０ クランク角センサ
３０ 排気浄化触媒
３１ 上流側酸素濃度センサ
３２ 下流側酸素濃度センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気系に設けられた触媒の下流側に配置された酸素濃度センサの故障判定装置であって、内燃機関の燃料カットモードの解除後のリッチ化制御中の前記酸素濃度センサの出力が所定の出力区間を通過する期間の大きさ又は前記解除後のリッチ化制御中の前記酸素濃度センサの出力が所定出力になるまでの期間の大きさに基づいて当該酸素濃度センサの故障判定をする故障判定手段と、前記リッチ化制御中の実際の燃料供給量から、ストイキオ燃焼に必要な燃料供給量に対するリッチ分の燃料供給量の時間平均を算出するリッチ燃料供給量算出手段と、前記リッチ燃料供給量に基づいて前記故障判定手段の故障判定を制限する故障判定制限手段と、を備えたことを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置。
  2. 請求項１に記載の酸素濃度センサの故障判定装置において、前記故障判定制限手段は、前記リッチ燃料供給量が所定値以下の場合に前記故障判定手段の故障判定を制限することを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置。
  3. 請求項１又は２に記載の酸素濃度センサの故障判定装置において、前記故障判定手段は、前記リッチ化制御中の前記酸素濃度センサの出力が所定の出力区間を通過する期間の大きさが所定の故障判定値より大きい場合に故障判定をすることを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置。
  4. 請求項３に記載の酸素濃度センサの故障判定装置において、前記故障判定制限手段は、前記リッチ燃料供給量が所定値以下の場合に、前記故障判定手段の前記故障判定値を大きく設定することを特徴とする酸素濃度センサの故障判定装置。
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