JP7234956B2

JP7234956B2 - 空燃比検出装置の異常検出装置

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Publication number: JP7234956B2
Application number: JP2020016298A
Authority: JP
Inventors: 和弘若尾; 芳之北爪; 圭一郎青木; 康敬神谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2023-03-08
Anticipated expiration: 2040-02-03
Also published as: CN113202650B; JP2021124034A; CN113202650A; US11319890B2; US20210239062A1

Description

本発明は空燃比検出装置の異常検出装置に関する。

従来、排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置を内燃機関の排気通路に配置し、空燃比検出装置の出力に基づいて混合気の空燃比をフィードバック制御することが知られている。斯かるフィードバック制御によって排気ガスの空燃比が所望の値に制御され、排気エミッションの悪化が抑制される。

しかしながら、空燃比検出装置は、使用に伴って徐々に劣化し、その応答性が悪化する場合がある。このため、空燃比検出装置の異常の有無を定期的に監視することが望ましい。

特許文献１に記載の異常診断装置では、触媒の下流側に配置された空燃比検出装置の異常診断が燃料カット中に行われる。燃料カット中の空燃比検出装置の出力変化は触媒の酸素吸蔵量の影響を受ける。このため、斯かる異常診断装置では、空燃比検出装置の応答時間のバラツキを低減すべく、燃料カット中の吸入空気量が所定量未満であるときには、空燃比検出装置の異常診断が禁止される。

特開２００９－１０８６８１号公報

ところで、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタが内燃機関の排気通路に設けられる場合がある。フィルタの温度が高いときにフィルタに酸素が供給されると、フィルタに堆積したＰＭが酸化されて燃焼除去される。このため、フィルタの温度が高いときに燃料カットが行われると、排気通路に供給された空気がフィルタを通過する際に空気中の酸素濃度が低下する。

しかしながら、特許文献１に記載の手法では、空燃比検出装置がフィルタの下流側に配置された場合に、フィルタにおけるＰＭの燃焼が空燃比検出装置の応答性に与える影響が一切考慮されていない。したがって、空燃比検出装置の異常診断の手法には改善の余地がある。

上記課題に鑑みて、本発明の目的は、フィルタの下流側に配置された空燃比検出装置の異常の検出精度を高めることにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路において、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタの下流側に配置された空燃比検出装置の異常検出装置であって、前記内燃機関の燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御中の前記空燃比検出装置の出力変化特性に基づいて該空燃比検出装置の異常を検出する異常検出部と、前記燃料カット制御中の前記フィルタにおける粒子状物質の燃焼量が所定量よりも多いか否かを判定する燃焼判定部とを備え、前記異常検出部は、前記燃焼判定部によって前記燃焼量が前記所定量よりも多いと判定された場合には、前記空燃比検出装置の異常検出を禁止する、空燃比検出装置の異常検出装置。

（２）前記燃焼判定部は、前記燃料カット制御中の前記空燃比検出装置の出力に基づいて、前記燃焼量が前記所定量よりも多いか否かを判定する、上記（１）に記載の空燃比検出装置の異常検出装置。

（３）前記燃焼判定部は、前記燃料カット制御中の前記フィルタの推定温度に基づいて、前記燃焼量が前記所定量よりも多いか否かを判定する、上記（１）に記載の空燃比検出装置の異常検出装置。

（４）前記所定量はゼロである、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の空燃比検出装置の異常検出装置。

本発明によれば、フィルタの下流側に配置された空燃比検出装置の異常の検出精度を高めることができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る空燃比検出装置の異常検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図３は、第３空燃比センサの電圧－電流特性を示す図である。図４は、センサ印加電圧が０．４５Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流との関係を示す図である。図５は、本発明の第一実施形態に係る異常検出装置の構成を概略的に示すブロック図である。図６は、燃料カット制御が実行されたときの第３空燃比センサの出力のタイムチャートである。図７は、第一実施形態における異常検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図８は、本発明の第二実施形態に係る空燃比検出装置の異常検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図９は、第二実施形態における異常検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１～図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る空燃比検出装置の異常検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管１５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して、フィルタ２３を内蔵した下流側ケーシング２４に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２、下流側ケーシング２４等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて内燃機関の各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、触媒２０の上流側の排気通路（排気マニホルド１９の集合部）には、内燃機関の燃焼室５から排出されて触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を検出する第１空燃比センサ４０が配置される。第１空燃比センサ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、触媒２０の下流側且つフィルタ２３の上流側の排気通路（触媒２０とフィルタ２３との間の排気管２２内）には、触媒２０から流出してフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比を検出する第２空燃比センサ４１が配置される。第２空燃比センサ４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、フィルタ２３の下流側の排気通路（フィルタ２３の下流側の排気管２２内）には、フィルタ２３から流出する排気ガスの空燃比を検出する第３空燃比センサ４２が配置される。第３空燃比センサ４２の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４３には、アクセルペダル４３の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４４が接続され、負荷センサ４４の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１は負荷センサ４４の出力に基づいて機関負荷を算出する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４５が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４５の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路４６を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。

内燃機関は、機関本体から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置として、排気通路に配置された触媒２０及びフィルタ２３を備える。本実施形態では、内燃機関の排気通路において、フィルタ２３は触媒２０の下流側に配置される。

触媒２０は、酸素を吸蔵可能であり、例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。触媒２０は、セラミック、金属等から成る担体と、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等）と、酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えばセリア（ＣｅＯ₂）等）とを有する。貴金属及び助触媒は担体に担持される。

図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率は、は、触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。

また、触媒２０は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、ＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０においてＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが効果的に浄化される。

フィルタ２３は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、例えば多孔質のセラミックスから成る。本実施形態では、フィルタ２３はいわゆるガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）である。

ＰＭを含む排気ガスがフィルタ２３に流入すると、ＰＭがフィルタ２３に捕集され、ＰＭがフィルタ２３に堆積する。一方、フィルタ２３の温度が高いときにフィルタ２３に酸素が供給されると、フィルタ２３に堆積したＰＭが酸化されて燃焼除去される。この現象はフィルタ２３の再生と称される。フィルタ２３の再生によって、フィルタ２３に堆積したＰＭの量が減少する。

＜空燃比センサの出力特性＞
内燃機関の排気通路には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置として、第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２が配置されている。第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２は同様な構成を有する。このため、以下、図３及び図４を参照して、第３空燃比センサ４２の出力特性について説明する。

図３は、第３空燃比センサ４２の電圧－電流（Ｖ－Ｉ）特性を示す図である。図３からわかるように、第３空燃比センサ４２では、出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各空燃比におけるＶ－Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。したがって、第３空燃比センサ４２は限界電流式の空燃比センサである。

図４は、センサ印加電圧が０．４５Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。すなわち、図４には、図３の破線上の点における排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係が示される。図４からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、第３空燃比センサ４２の出力電流Ｉはゼロとなる。また、第３空燃比センサ４２では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、第３空燃比センサ４２の出力電流Ｉが大きくなる。したがって、第３空燃比センサ４２は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。

＜空燃比検出装置の異常検出装置＞
しかしながら、第１空燃比センサ４０、第２空燃比センサ４１及び第３空燃比センサ４２のような空燃比検出装置は、使用に伴って徐々に劣化し、その応答性が悪化する場合がある。空燃比検出装置の応答性が悪化すると、空燃比検出装置の出力に基づいて混合気の空燃比を適切に制御することができず、排気エミッションが悪化するおそれがある。このため、本実施形態では、空燃比検出装置の劣化状態を監視すべく、空燃比検出装置の異常を検出する異常検出装置が内燃機関に設けられる。

図５は、本発明の第一実施形態に係る異常検出装置１の構成を概略的に示すブロック図である。異常検出装置１は、異常検出部７１及び燃焼判定部７２を備え、第３空燃比センサ４２の異常を診断する。本実施形態では、ＥＣＵ３１が異常検出部７１及び燃焼判定部７２として機能する。異常検出部７１及び燃焼判定部７２は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能ブロックである。

内燃機関では、所定の実行条件が満たされているときに、燃焼室５への燃料供給を停止する燃料カット制御が実行される。所定の実行条件は、例えば、アクセルペダル４３の踏込み量がゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定回転数以上であるときに満たされる。

燃料カット制御が実行されると、吸気通路から排気通路に空気が供給され、空気が触媒２０に供給される。この結果、触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達し、触媒２０から流出した酸素がフィルタ２３を経て第３空燃比センサ４２に達する。このため、燃料カット制御が実行されると、第３空燃比センサ４２の出力がリーン側に変化する。このとき、第３空燃比センサ４２の応答性が悪化していると、第３空燃比センサ４２の出力の変化が遅くなる。

このため、異常検出部７１は、燃料カット制御中の第３空燃比センサ４２の出力変化特性に基づいて第３空燃比センサ４２の異常を検出する。例えば、異常検出部７１は、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するときの時間が閾値よりも長い場合に、第３空燃比センサ４２が異常であると判定する。一方、異常検出部７１は、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの時間が閾値以下である場合に、第３空燃比センサ４２が正常であると判定する。

ところで、図１に示されるように、第３空燃比センサ４２は、第１空燃比センサ４０及び第２空燃比センサ４１とは異なり、内燃機関の排気通路においてフィルタ２３の下流側に配置されている。このため、フィルタ２３に堆積したＰＭが燃料カット制御中に燃焼した場合には、第３空燃比センサ４２の出力はＰＭの燃焼の影響を受ける。

図６は、燃料カット制御が実行されたときの第３空燃比センサ４２の出力のタイムチャートである。図６には、第３空燃比センサ４２が正常であり且つＰＭが燃焼しない場合の出力変化が実線で示され、第３空燃比センサ４２が異常であり且つＰＭが燃焼しない場合の出力変化が破線で示され、第３空燃比センサ４２が正常であり且つＰＭが燃焼する場合の出力変化が一点鎖線で示される。

最初に、第３空燃比センサ４２が正常であり且つＰＭが燃焼しない場合について説明する。図６の例では、燃料カット制御の開始前の時刻ｔ０において、第３空燃比センサ４２の出力は、ゼロであり、第３空燃比センサ４２に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比であることを示している。

時刻ｔ０の後、時刻ｔ１において、燃料カット制御が開始される。この結果、時刻ｔ１の後、第３空燃比センサ４２の出力がリーン側に向かって上昇する。このとき、第３空燃比センサ４２の出力は所定の出力区間（図６の例ではＩａ～Ｉｂ）を通過し、通過時間はＴ１となる。

一方、第３空燃比センサ４２が異常である場合、すなわち第３空燃比センサ４２の応答性が悪化している場合には、図６に破線で示されるように、第３空燃比センサ４２の出力の変化速度が遅くなる。このため、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するときの時間は、Ｔ１よりも長いＴ２となる。

また、燃料カット制御中にフィルタ２３においてＰＭの燃焼が生じると、フィルタ２３において空気中の酸素が消費されると共に、フィルタ２３から流出する空気に燃焼ガスが混ざる。この結果、空気がフィルタ２３を通過する際に空気中の酸素濃度が低下する。したがって、ＰＭの燃焼が生じる場合には、ＰＭの燃焼が生じない場合と比べて、第３空燃比センサ４２の出力が低下する（リッチになる）。このため、第３空燃比センサ４２が正常であっても、図６に一点鎖線で示されるように第３空燃比センサ４２の出力の変化速度が遅くなり、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するときの時間は、Ｔ１よりも長いＴ３となる。

したがって、燃料カット制御中にフィルタ２３においてＰＭの燃焼が生じた場合には、第３空燃比センサ４２が正常であっても、第３空燃比センサ４２の応答性が悪化していると誤判定されるおそれがある。そこで、本実施形態では、以下のように、フィルタ２３におけるＰＭの燃焼状態が判定され、判定結果に基づいて第３空燃比センサ４２の異常検出の可否が決定される。

燃焼判定部７２は、燃料カット制御中のフィルタ２３におけるＰＭの燃焼量（以下、「ＰＭ燃焼量」と称する）が所定量よりも多いか否かを判定する。例えば、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中の第３空燃比センサ４２の出力に基づいて、ＰＭ燃焼量が所定量よりも多いか否かを判定する。所定量は、予め定められ、第３空燃比センサ４２の出力変化特性の変動量が許容誤差に収まるように設定される。

なお、所定量はゼロであってもよい。すなわち、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中にフィルタ２３においてＰＭが燃焼したか否かを判定してもよい。このことによって、ＰＭの燃焼の影響を完全に排除することができる。

上述したように、フィルタ２３においてＰＭの燃焼が生じる場合には、フィルタ２３においてＰＭの燃焼が生じない場合に比べて、第３空燃比センサ４２の出力が低下する（リッチになる）。このため、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中の第３空燃比センサ４２の出力が所定値に達した場合にはＰＭ燃焼量が所定量以下であると判定し、燃料カット制御中の第３空燃比センサ４２の出力が所定値に達しなかった場合にはＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定する。

異常検出部７１は、燃焼判定部７２によってＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定された場合には、第３空燃比センサ４２の異常検出を禁止する。このことによって、第３空燃比センサ４２の異常を誤検出することを抑制することでき、ひいては第３空燃比センサ４２の異常の検出精度を高めることができる。

＜異常検出処理＞
以下、図７のフローチャートを参照して、第３空燃比センサ４２の異常を検出するための制御について詳細に説明する。図７は、第一実施形態における異常検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、異常検出部７１は、異常検出条件が成立しているか否かを判定する。異常検出条件は、例えば第３空燃比センサ４２の温度が予め定められた活性温度以上であり且つ内燃機関の始動後に第３空燃比センサ４２の異常の有無が未だ判定されていない場合に成立する。第３空燃比センサ４２の温度は例えば第３空燃比センサ４２のインピーダンスに基づいて算出される。

ステップＳ１０１において異常検出条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において異常検出条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、異常検出部７１は、燃料カット制御が実行されているか否かを判定する。燃料カット制御が実行されていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、燃料カット制御が実行されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、異常検出部７１は、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの時間として、応答時間Ｔを取得する。所定の出力区間は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンであり且つ空気の空燃比よりもリッチな範囲に設定される。

次いで、ステップＳ１０４において、異常検出部７１は、応答時間Ｔが閾値Ｔｒｅｆ以下であるか否かを判定する。閾値Ｔｒｅｆは、実験、計算等によって予め定められる。

ステップＳ１０４において応答時間Ｔが閾値Ｔｒｅｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、異常検出部７１は、第３空燃比センサ４２の応答性が正常であると判定する。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０４において応答時間Ｔが閾値Ｔｒｅｆよりも長いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中の第３空燃比センサ４２の出力Ｉを取得する。例えば、燃焼判定部７２は、第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過してから所定時間が経過したときの第３空燃比センサ４２の出力Ｉを取得する。

次いで、ステップＳ１０７において、燃焼判定部７２は、第３空燃比センサ４２の出力Ｉが所定値Ｉｒｅｆ以上であるか否かを判定する。所定値Ｉｒｅｆは、予め定められ、ＰＭ燃焼量が所定量であるときに第３空燃比センサ４２に流入するガスの空燃比に相当する値に設定される。

所定量がゼロである場合には、所定値Ｉｒｅｆは、空気の空燃比に相当する値に設定される。また、所定量がゼロである場合には、所定値Ｉｒｅｆは、フィルタ２３の温度が低いとき（例えば燃料カット制御の開始前の機関負荷が小さいとき）に燃料カット制御が実行された場合の第３空燃比センサ４２の出力に基づいて設定されてもよい。すなわち、所定値Ｉｒｅｆは、空気が実際に第３空燃比センサ４２に流入したときの第３空燃比センサ４２の出力に設定されてもよい。なお、所定値Ｉｒｅｆは、応答時間Ｔを算出するときの所定の出力区間の終点（図６の例ではＩｂ）よりも大きな値に設定される。

ステップＳ１０７において第３空燃比センサ４２の出力Ｉが所定値Ｉｒｅｆ未満であると判定された場合、ＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定され、本制御ルーチンは終了する。すなわち、第３空燃比センサ４２の応答性が異常であると判定されない。言い換えれば、第３空燃比センサ４２の異常検出が禁止される。

一方、ステップＳ１０７において第３空燃比センサ４２の出力Ｉが所定値Ｉｒｅｆ以上であると判定された場合、ＰＭ燃焼量が所定量以下であると判定され、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、異常検出部７１は、第３空燃比センサ４２の応答性が異常であると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７がステップＳ１０３とステップＳ１０４との間に実行され、ステップＳ１０７の判定が肯定された場合にステップＳ１０４が実行され、ステップＳ１０７の判定が否定された場合に本制御ルーチンは終了してもよい。この場合、異常検出部７１は、燃焼判定部７２によってＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定された場合に第３空燃比センサ４２の異常判定を行わない。

また、ステップＳ１０３において第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの出力の傾きが取得され、ステップＳ１０４において出力の傾きが閾値以上であるか否かが判定されてもよい。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る異常検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る異常検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図８は、本発明の第二実施形態に係る空燃比検出装置の異常検出装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。第二実施形態では、内燃機関の排気通路に、フィルタ２３の温度を検出する温度センサ４７が設けられる。温度センサ４７は、フィルタ２３を内蔵した下流側ケーシング２４に配置される。温度センサ４７の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

第３空燃比センサ４２のような空燃比検出装置では、劣化等によってその出力にずれが生じる場合がある。すなわち、所定の空燃比に相当する出力の値が変化する場合がある。このため、フィルタ２３における燃焼の有無を第３空燃比センサ４２の出力に基づいて判定した場合、判定精度が低下するおそれがある。

そこで、第二実施形態では、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中のフィルタ２３の推定温度に基づいて、ＰＭ燃焼量が所定量よりも多いか否かを判定する。このことによって、ＰＭの燃焼状態を精度良く判定することができ、ひいては第３空燃比センサ４２の異常の検出精度をより一層高めることができる。

具体的には、燃焼判定部７２は、温度センサ４７によって検出されたフィルタ２３の温度をフィルタ２３の推定温度として取得する。また、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中のフィルタの推定温度が所定温度以下である場合にはＰＭ燃焼量が所定量以下であると判定し、燃料カット制御中のフィルタの推定温度が所定温度よりも高い場合にはＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定する。

図９は、第二実施形態における異常検出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

ステップＳ２０１～ステップＳ２０５は、図７のステップＳ１０１～ステップＳ１０５と同様であることから説明を省略する。ステップＳ２０４において応答時間Ｔが閾値Ｔｒｅｆよりも長いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０６では、燃焼判定部７２は、燃料カット制御中に温度センサ４７によって検出された温度を燃料カット制御中のフィルタ２３の推定温度ＥＴとして取得する。例えば、燃焼判定部７２は、燃料カット制御が開始されてから第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を通過するまでの間に温度センサ４７によって検出された温度の平均値を燃料カット制御中のフィルタ２３の推定温度ＥＴとして取得する。

なお、温度センサ４７は、触媒２０とフィルタ２３との間の排気通路に配置され、フィルタ２３に流入する排気ガスの温度を検出してもよい。また、温度センサ４７はフィルタ２３の下流側の排気通路に配置され、フィルタ２３から流出する排気ガスの温度を検出してもよい。これらの場合、燃焼判定部７２は、温度センサ４７によって検出された排気ガスの温度に基づいて燃料カット制御中のフィルタ２３の推定温度ＥＴを算出する。

また、温度センサ４７が内燃機関から省略され、燃焼判定部７２は、燃料カット制御が開始される直前の内燃機関の所定の運転パラメータ（例えば機関回転数、吸入空気量、機関負荷等）に基づいて燃料カット制御中のフィルタ２３の推定温度ＥＴを算出してもよい。

次いで、ステップＳ２０７において、燃焼判定部７２は、フィルタ２３の推定温度ＥＴが所定温度ＥＴｒｅｆ以下であるか否かを判定する。所定温度ＥＴｒｅｆは、予め定められ、ＰＭ燃焼量が所定量になるような値に設定される。所定温度ＥＴｒｅｆは例えば５００℃～８００℃に設定される。

ステップＳ２０７においてフィルタ２３の推定温度ＥＴが所定温度ＥＴｒｅｆよりも高いと判定された場合、ＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定され、本制御ルーチンは終了する。すなわち、第３空燃比センサ４２の応答性が異常であると判定されない。言い換えれば、第３空燃比センサ４２の異常検出が禁止される。

一方、ステップＳ２０７においてフィルタ２３の推定温度ＥＴが所定温度ＥＴｒｅｆ以下であると判定された場合、ＰＭ燃焼量が所定量以下であると判定され、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、異常検出部７１は、第３空燃比センサ４２の応答性が異常であると判定し、内燃機関を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させる。ステップＳ２０８の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ２０６及びステップＳ２０７がステップＳ２０３とステップＳ２０４との間に実行され、ステップＳ２０７の判定が肯定された場合にステップＳ２０４が実行され、ステップＳ２０７の判定が否定された場合に本制御ルーチンは終了してもよい。この場合、異常検出部７１は、燃焼判定部７２によってＰＭ燃焼量が所定量よりも多いと判定された場合に第３空燃比センサ４２の異常判定を行わない。

また、ステップＳ２０３において第３空燃比センサ４２の出力が所定の出力区間を経過するときの出力の傾きが取得され、ステップＳ２０４において出力の傾きが閾値以上であるか否かが判定されてもよい。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、フィルタ２３は三元触媒機能を有していてもよい。すなわち、フィルタ２３はいわゆる四元触媒であってもよい。

また、触媒２０、第１空燃比センサ４０及び第２空燃比センサ４１は内燃機関から省略されてもよい。また、内燃機関の排気通路において、フィルタ２３及び第３空燃比センサ４２は触媒２０の上流側に配置されてもよい。

また、第３空燃比センサ４２は、排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。また、第３空燃比センサ４２は、排気ガスの空燃比を検出可能なＮＯｘセンサであってもよい。

また、内燃機関は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。この場合、例えば、内燃機関の排気通路には、触媒２０として酸化触媒が配置され、フィルタ２３としてディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が配置される。

１異常検出装置
５燃焼室
２２排気管
２３フィルタ
３１電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４２第３空燃比センサ
７１異常検出部
７２燃焼判定部

Claims

内燃機関の排気通路において、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタの下流側に配置された空燃比検出装置の異常検出装置であって、
前記内燃機関の燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御中の前記空燃比検出装置の出力変化特性に基づいて該空燃比検出装置の異常を検出する異常検出部と、
前記燃料カット制御中の前記フィルタにおける粒子状物質の燃焼量が所定量よりも多いか否かを判定する燃焼判定部と
を備え、
前記異常検出部は、前記燃焼判定部によって前記燃焼量が前記所定量よりも多いと判定された場合には、前記空燃比検出装置の異常検出を禁止する、空燃比検出装置の異常検出装置。
前記燃焼判定部は、前記燃料カット制御中の前記空燃比検出装置の出力に基づいて、前記燃焼量が前記所定量よりも多いか否かを判定する、請求項１に記載の空燃比検出装置の異常検出装置。
前記燃焼判定部は、前記燃料カット制御中の前記フィルタの推定温度に基づいて、前記燃焼量が前記所定量よりも多いか否かを判定する、請求項１に記載の空燃比検出装置の異常検出装置。
前記所定量はゼロである、請求項１から３のいずれか１項に記載の空燃比検出装置の異常検出装置。