JP4055476B2 - 触媒下流酸素センサの異常検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの触媒コンバータ下流に設けられる下流酸素センサの劣化を検出する触媒下流酸素センサの異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、触媒コンバータの下流に設けられる下流酸素センサに対して異常検出を実施する技術が知られている。下流酸素センサの異常を燃焼空燃比が変化してからの下流側触媒センサの応答性に基づいて検出しようとする場合、その上流に設けられる触媒コンバータの影響により精度良く異常を検出することが困難である。
【０００３】
一般的に、触媒コンバータは新品である程、その酸素吸着能力が高いので、触媒コンバータの上流側空燃比が変化しても、その変化が下流側へ現れるのに時間を要する。一方、触媒コンバータが劣化してくると、酸素吸着能力が低下してくるために、触媒コンバータの上流側空燃比が変化した直後にその変化が触媒コンバータの下流側へと現れる。
【０００４】
つまり、燃焼空燃比が変化してからの下流酸素センサのセンサ出力の応答性で異常を検出しようとする場合には、下流酸素センサの応答性が悪化しているにも関わらず、触媒コンバータの劣化によって下流側酸素センサの応答性が正常であると誤判定してしまう虞がある。
【０００５】
このように、下流酸素センサの異常を検出する場合には、触媒コンバータの影響が大きく、精度良く異常を検出することが困難であった。これを解決する技術としては、特開平９−１７０９６６号公報に開示される技術が知られている。この技術によれば、触媒コンバータの影響を排除して、精度良く下流酸素センサの異常を検出するために、リッチ側とリーン側にそれぞれ判定値を設ける。そして、このリッチ側とリーン側との判定値に対応する所定電圧に対し、所定電圧から他方の所定電圧まで変化するのに要した時間を応答時間として計測し、この応答時間が長ければ下流酸素センサの異常であるとする技術である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の公報に開示される技術では、リーン側とリッチ側との判定値を越えない限り下流酸素センサの異常検出を実行しない。このため、下流酸素センサの過度の応答性悪化によって例えば、リーン側判定値から徐々にセンサ出力がリッチ側へと移動する場合、センサ異常を検出することができない虞がある。また、仮に検出できたとしても検出するまでの時間が長くなってしまう。
【０００７】
従って、本発明の目的とするところは、下流酸素センサの異常検出を確実に行うことができる下流酸素センサの異常検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明のように空燃比切替判定手段により排気通路中の排出ガス空燃比が切り替えられたと判定されてからの時間を計測し、かつ前記下流酸素センサの出力が、前記第１の所定値よりもリーン側の第２の所定値以下となってからの時間をカウントするとともに前記下流酸素センサの出力値の最小値を演算し、前記下流酸素センサの出力が前記第２の所定値以下となってからのカウント値が所定カウント値となるまでに前記下流センサの最小値が第１の判定値以下とならず、かつ排出ガス空燃比が切り替えられたと判定されてからの時間が所定時間より長いと判定されたときに前記下流酸素センサが異常であると判定する異常検出手段を備える。
【０００９】
これにより、前記下流酸素センサの出力が前記第２の所定値以下となってからのカウント値が所定カウント値となるまでに前記下流センサの最小値が第１の判定値以下とならず、かつ排出ガス空燃比が切り替えられたと判定されてからの時間が所定時間より長いと判定されたときに前記下流酸素センサが異常であると判定するので、排気通路中の空燃比が切り替えられたときには確実に異常検出を実行することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を車両用エンジンに適応した一実施形態について図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明実施の形態の概略構成図である。エンジン１の吸気通路２にはエアフロメータ３が設けられている。エアフロメータ３はエアクリーナ４を通って導かれる吸気量Ｑを直接計測するものである。さらに吸気通路２には、運転者のアクセル５の操作量に応じて開閉し、エンジン１へ供給する吸気量Ｑを調節するスロットル弁６が設けられている。２１はスロットル弁６の開度を検出するスロットル開度センサ、２２はスロットル弁６が全閉のときにオン信号を出力するアイドル・スイッチである。また、エンジン１の各気筒には各気筒に燃料供給系７から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁８が設けられている。
【００２３】
また、ディストリビュータ９には、７２０クランク角度（℃Ａ）毎に基準位置検出用信号を発生する基準位置センサ１０および３０℃Ａ毎にクランク角検出用信号を発生するクランク角センサ１１が設けられている。
【００２４】
さらに、エンジン１のシリンダブロックのウォータジャケット１２には、冷却水温Ｔｈｗを検出するための水温センサ１３が設けられている。一方、排気系には排気マニホールド１４の下流に排ガス中の有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を同時に浄化する三元触媒１５が設けられている。そして、三元触媒１５の上流側、即ち排気マニホールド１４には、リニアＡ／Ｆセンサ（Ａ／Ｆセンサ）１６が設けられ、また三元触媒１５の下流側の排気管１７には下流Ｏ２センサ１８が設けられている。周知のとおり、これら上流のＡ／Ｆセンサ１６は排気マニホールド１４内の排ガスの空燃比をリニアに検出するセンサであり、下流Ｏ２センサ１８は、空燃比が理論空燃比に対してリーンであるかリッチであるかに応じて異なる出力電圧を発生するものである。
【００２５】
また、１９は後述する電子制御装置（ＥＣＵ）２０で下流Ｏ２センサ１８が劣化したと判断された時、運転者へ警告を発するためのアラームである。ＥＣＵ２０は、例えばマイクロコンピュータとして構成され、周知の通りＡ／Ｄ変換器１０１，Ｉ／Ｏポート１０２，ＣＰＵ１０３，ＲＯＭ１０４，ＲＡＭ１０５，バックアップＲＡＭ１０６，クロック発生回路１０７等が設けられている。
【００２６】
次に、ＥＣＵ２０にて実施される空燃比フィードバック制御について説明する。上述のＥＣＵ２０においては三元触媒１５の浄化特性を考慮して空燃比を制御するために、リニアＡ／Ｆセンサ１６の出力値に基づいたフィードバック制御を行う。つまりＥＣＵ２０は、リニアＡ／Ｆセンサ１６で検出される空燃比の出力値が目標空燃比になるように、目標空燃比と実空燃比との偏差に基づいてフィードバック補正係数を算出する。そして、このフィードバック補正係数を用いて、インジェクタ８による燃料噴射量を演算する。
【００２７】
次に、燃料噴射量の演算について記述する。まず、予め設定されたマップを用いて、吸気量Ｑとエンジン回転速度ＮＥとにより定まる基本噴射時間が設定される。そして、この基本噴射時間に、目標空燃比と実空燃比との偏差に基づいて算出されたフィードバック補正係数を乗じて最終的な燃料噴射時間を演算する。これにより、目標空燃比に追従するように空燃比を制御することができる。
【００２８】
この目標空燃比は、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づいたサブフィードバック制御により補正される。つまり、三元触媒１５の浄化特性を考慮する場合、三元触媒１５の下流側で検出される空燃比が理論空燃比近傍に制御されるのが良い。このような理由から、本実施の形態では、下流Ｏ２センサのリッチ／リーン出力に基づいて目標空燃比を補正している。以上のように、リニアＡ／Ｆセンサ１６によるフィードバック制御と、下流Ｏ２センサ１８によるサブフィードバック制御とにより、三元触媒１５の浄化特性を最大限に活用した空燃比制御を実行している。
【００２９】
ところで、下流Ｏ２センサ１８が異常になった場合、上述のように精度良い空燃比制御を実行することが困難になる可能性がある。そこで、本実施の形態では、この下流Ｏ２センサ１８の異常検出に特徴を有する。この三元触媒１５の下流に設けられる下流Ｏ２センサ１８に対して異常検出を実施する場合、下流酸素センサの異常を燃焼空燃比が変化してからの下流側触媒センサの応答性に基づいて検出しようとする。この場合、その上流に設けられる三元触媒１５の影響により精度良く異常を検出することが困難である。
【００３０】
つまり、三元触媒１５には酸素を貯蔵する能力が有り、三元触媒１５の上流側の空燃比が変化してもその下流側に空燃比変化が現れるまでに応答遅れが存在する。この三元触媒１５の酸素貯蔵能力は三元触媒１５の経時変化によって低下する。これにより、三元触媒１５の上流側の空燃比が変化してからその下流側に空燃比変化が現れるまでに応答遅れが小さくなる。
【００３１】
従って、燃焼空燃比が変化してからの下流Ｏ２センサのセンサ出力の応答性で異常を検出しようとする場合には、下流酸素センサの応答性が悪化しているにも関わらず、三元触媒１５の劣化によって下流Ｏ２センサの応答性が正常であると誤判定してしまう虞がある。
【００３２】
本発明では、このような事情に鑑み、以下に示すプログラムによって下流Ｏ２センサ１８の異常を精度良く実行する。まず、図２を用いて本実施の形態のメインプログラムについて説明する。このプログラムは、下流Ｏ２センサ１８の出力値がリッチ側の第１の所定値以上、かつエンジン１にて燃料カットが実行されている場合に起動されるプログラムである。そして、起動された以降では、所定期間毎に実行されるプログラムである。
【００３３】
まず、ステップＳ１０１では、下流Ｏ２センサの出力がリッチ側の第１の所定値よりもリッチ側、かつ燃料カットが実行されてからの時間を計測するために、Ｆ／Ｃタイマをインクリメントし、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、下流Ｏ２センサ１８が第２の所定値よりもリーン側になったか否かが判定される。第２の所定値はリッチ側の値であり、かつ、第１の所定値よりもリーン側の値として設定されている。
【００３４】
本実施の形態では、燃料カット時に下流Ｏ２センサ１８の応答性を検出するものである。その方法は、下流Ｏ２センサ１８の出力がリッチ側に設定される第１の所定値からそれよりもリーン側に設定される第２の所定値よりもリーン側になった場合にのみ異常検出を実行する。つまり、下流Ｏ２センサ１８の劣化度合いや下流Ｏ２センサ１８の取り付け位置等によりその出力が第２の所定値を超えるまでの時間がばらつくことがある。従って、第２の所定値は、このばらつきを吸収するために設定される所定値である。
【００３５】
この下流Ｏ２センサ１８の出力が第２の所定値よりもリッチ側（大きい）の場合は、ステップＳ１０２が否定判別（ＮＯ）されて、そのまま本ルーチンを終了する。一方、出力が第２の所定値よりもリーン側（小さい）の場合には、ステップＳ１０２が肯定判別（ＹＥＳ）されて、ステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３では、下流Ｏ２センサ１８の出力が第２の所定値よりもリーン側になってからカウントされるカウンタがインクリメントされる。これと共に、下流Ｏ２センサ１８の出力値の最小値ＶＯＸ２ｍｉｎを演算する。
【００３６】
この最小値ＶＯＸ２ｍｉｎの演算では、下流Ｏ２センサ１８の出力が第２の所定値を越えてからの毎回の演算で、過去の最小値ＶＯＸ２ｍｉｎと今回の下流Ｏ２センサ１８の出力を比較し、今回の出力の方が小さい場合に最小値ＶＯＸ２ｍｉｎを今回の値に更新する。このようにして、ステップＳ１０３の処理を終えると、ステップＳ１０４へ進み、カウンタが所定カウント値よりも小さいか否かが判定される。このカウンタが所定カウント値よりも大きい場合には、ステップＳ１０４が否定判別（ＮＯ）されて、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３７】
一方、カウンタが所定カウント値よりも小さい場合には、ステップＳ１０４が肯定判別（ＹＥＳ）されて、ステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５以降では、下流Ｏ２センサ１８の最小値ＶＯＸ２ｍｉｎに基づいてその異常判定を実行する。
【００３８】
まず、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０３で演算された下流Ｏ２センサ１８の最小値ＶＯＸ２ｍｉｎが第１の判定値よりもリーン側であるか否かを判定する。最小値ＶＯＸ２ｍｉｎが第１の判定値よりもリーン側（小さい）の場合は、ステップＳ１０５が否定判別（ＮＯ）されてステップＳ１０６に進み、正常判定して本ルーチンを終了する。一方、最小値ＶＯＸ２ｍｉｎが第１の判定値よりもリッチ側（大きい）の場合には、ステップＳ１０５が肯定判別（ＹＥＳ）されてステップＳ１０７へ進む。
【００３９】
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０１で計測されるＦ／Ｃタイマにより経時される燃料カット時間が所定時間を超えたか否かが判定される。燃料カット時間が所定時間を超えていない場合には、ステップＳ１０７が否定判別（ＮＯ）されて、そのまま本ルーチンを終了する。一方、燃料カット時間が所定時間を越えた場合には、ステップＳ１０７が肯定判別（ＹＥＳ）されてステップＳ１０８へ進む。ステップＳ１０８では、下流Ｏ２センサ１８が異常であると判定し、アラーム１９を点灯させる等して本ルーチンを終了する。
【００４０】
以上のように本実施の形態では、下流Ｏ２センサ１８の出力が第２の所定値よりリーン側になってからの所定時間に、下流Ｏ２センサ１８の最小値ＶＯＸ２ｍｉｎが第１の判定値よりもリッチ側の場合に下流Ｏ２センサ１８が異常であると判定した。このように、本実施の形態では下流Ｏ２センサ１８の異常検出を所定時間で行うので、リーン側に設定された第１の判定値を超えなくとも確実に異常検出を実行することができる。
【００４１】
以下では、上述のプログラムについて、図３に示すタイムチャートを用いてその動作例を説明する。図３（ａ）では、燃料カットフラグが示されている。このフラグは、エンジン１の運転中に燃料カットの条件が成立した場合にオンとなるフラグである。時刻Ｔ０において、この燃料カットフラグがオンとなると、図３（ｂ）に示す下流Ｏ２センサ１８の出力が第１の所定値よりもリッチであるかを判定する。このとき、燃料カットフラグがオンで、かつ出力値ＶＯＸ２が第１の所定値以上である場合には、図２に示したプログラムが起動され、以降、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００４２】
時刻Ｔ１において、出力ＶＯＸ２が第２の所定値を超えた場合には、予め設定される所定期間のカウントを開始する。このとき、下流Ｏ２センサ１８の最小値ＶＯＸ２ｍｉｎの更新処理が行われる。そして、予め設定された所定期間が経過して時刻Ｔ２に到達すると、それまで演算された最小値ＶＯＸ２ｍｉｎ（図３では、時刻Ｔ２のときの出力値ＶＯＸ２）と、予め設定されている第１の判定値を比較する。この比較結果に基づいて下流Ｏ２センサ１８の異常判定を実行する。
【００４３】
つまり、本実施の形態では、下流Ｏ２センサ１８の異常検出を所定期間における出力ＶＯＸ２の変化量に基づいて行うことで、この異常検出のためのプログラムが実行されたときには確実に異常判定を実行することができる。
【００４４】
本実施の形態において、空燃比切替判定手段は、図２のフローチャートのステップＳ１０２に、異常検出手段は図２のフローチャートに、それぞれ相当し機能する。
【００４５】
（その他の実施例１）
本実施の形態では、フィードバック制御とサブフィードバック制御を行うエンジン１について記載したが、これに限るものではなく、三元触媒１５の下流側にＯ２センサを備えたものであれば良い。また、三元触媒１５に関しても同様に、酸素貯蔵能力がある触媒であれば、これに限られるものでもない。
【００４６】
（その他の実施例２）
本実施の形態では、燃料カット実行中であることを記述したが、これに限るものでもなく、検出頻度を向上させる目的で、例えば、目標空燃比がリッチ側からリーン側にステップ的に切り替えられたときに異常検出を実行しても良い。この切り替えを判定する構成は、特許請求の範囲に示した空燃比切替判定手段に相当する。
【００４７】
本実施の形態では、リッチ側に第１の所定値を設定し、第１の所定値以上の出力時に図２のプログラムを実行した。これに対して、本実施例では、リーン側に第３の所定値を設定し、第３の所定値よりリーン側の出力時に、空燃比がリッチ側へとステップ的に切り換えられたときにリアＯ２センサ１８の応答性異常を実行する。
【００４８】
具体的には、リアＯ２センサ１８の出力ＶＯＸ２が第４の所定値よりもリッチ側になってからの燃料カット時間をカウントする。第４の所定値は、第３の所定値よりもリッチ側の値である。このとき、リアＯ２センサ１８の出力の最大値ＶＯＸ２ｍａｘを更新する。そして、燃料カット時間が所定時間を経過したときに出力ＶＯＸ２ｍａｘの値が第２の判定値よりもリーンであるときにリアＯ２センサ１８の異常と判定する。
【００４９】
以上のように、本実施例では、空燃比がリーン側からリッチ側へステップ的に切り替えられたときにも、実施の形態同様にリアＯ２センサ１８の異常検出を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態の概略構成図である。
【図２】実施の形態におけるリアＯ２センサの異常を検出するフローチャートである。
【図３】実施の形態を適用した際のタイムチャートである。
【符号の簡単な説明】
１…エンジン、
２…吸気通路、
６…スロットル弁、
７…燃料供給系、
８…燃料噴射弁、
１５…三元触媒、
１６…リニアＡ／Ｆセンサ、
１７…排気管、
１８…下流Ｏ２センサ。

Claims (1)

1. 排気通路中の排出ガスに含まれる有害ガス成分を浄化するためにエンジン排気系に配設される触媒コンバータと、
   前記排気通路中の排出ガス空燃比を検出するために前記触媒コンバータの下流側に配設される下流酸素センサと、
   前記下流酸素センサの出力値がリッチ側の第１の所定値以上のときに燃料カットが実行されたか否かを判定する空燃比切替判定手段と、
   前記空燃比切替判定手段により前記排気通路中の排出ガス空燃比が切り替えられたと判定されてからの時間を計測し、かつ前記下流酸素センサの出力が、前記第１の所定値よりもリーン側の第２の所定値以下となってからの時間をカウントするとともに前記下流酸素センサの出力値の最小値を演算し、前記下流酸素センサの出力が前記第２の所定値以下となってからのカウント値が所定カウント値となるまでに前記下流センサの最小値が第１の判定値以下とならず、かつ排出ガス空燃比が切り替えられたと判定されてからの時間が所定時間より長いと判定されたときに前記下流酸素センサが異常であると判定する異常検出手段とを備えることを特徴とする触媒下流酸素センサの異常検出装置。

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