JP5182111B2 - 空燃比センサの異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比センサの異常診断装置に関する。

従来から、内燃機関の排気ガス中のエミッションを低下させるために、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の出力信号を利用して、内燃機関に供給される燃料混合気の空燃比をフィードバック制御することが行われている。

空燃比センサの異常を判定する方法として、アクティブ制御により空燃比をリッチ／リーンに強制的に変動させ、センサ出力の応答性から空燃比センサの異常を判定する方法が知られている。このような方法は、例えば特許文献１に記載されている。

特開平５−２６０７７号公報

異常診断のプロセスは、ある程度センサ出力が安定した状態で行われることが好ましく、フィードバック制御からアクティブ制御に移行するためには、所定の移行条件を満たすことが必要である。しかし、何らかの理由によりセンサ出力のハンチングが発生すると、アクティブ制御への移行条件が成立せず、異常診断の機会が損なわれてしまう場合がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、空燃比センサにおいて出力のハンチングが生じている場合であっても、異常診断の機会を適切に確保することを目的とする。

本発明に係る空燃比センサの異常診断装置は、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの異常診断において、前記内燃機関への燃料噴射量をリッチ／リーンに強制的に変化させるアクティブ制御を行うアクティブ制御手段と、前記アクティブ制御に移行するための移行条件を満たすか否かを判定する判定手段と、前記空燃比センサの出力のハンチングを検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記移行条件を補正する補正手段と、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記内燃機関への燃料噴射量を制御するフィードバック制御手段と、を有し、前記判定手段は、前記空燃比センサの出力変動の大きさに基づく判定値が、所定の閾値より小さいことを移行条件とし、前記補正手段は、前記空燃比センサの出力のハンチング度合いが大きいほど、前記フィードバック制御手段が燃料噴射量の制御を行う際のフィードバック補正量を小さくすることで、前記判定値を小さくする補正を行う。

上記構成において、前記判定手段は、前記空燃比センサの出力変動に基づく判定値が、所定の閾値より小さいことを移行条件とし、前記補正手段は、前記空燃比センサの出力のハンチング度合いが大きくなるほど、前記閾値を大きくする補正を行う構成とすることができる。

上記構成において、前記空燃比センサの出力のハンチングは、前記内燃機関における空燃比制御のフィードバック補正率の変動量及び前記内燃機関の吸気系に設けられたスロットルの開度の変動量に基づいて検出される構成とすることができる。

本発明によれば、検出手段により検出された空燃比センサ出力のハンチングに基づいて、アクティブ制御に移行するための移行条件が補正されるため、異常診断の機会を適切に確保することができる。

図１は、実施例１に係る空燃比センサの異常診断装置を備えたエンジンの構成を示した模式図である。 図２は、実施例１に係る空燃比センサのアクティブ制御中における出力変動を示すグラフである。 図３（ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る空燃比センサの出力を示すグラフである。 図４は、実施例１に係る空燃比制御システムにおけるスロットル開度の変動量とＦ／Ｂ補正率の変動量との関係を示したグラフである。 図５は、実施例１に係る空燃比センサの異常診断装置における制御の流れを示したフローチャート（ぞの１）である。 図６は、実施例１に係る空燃比センサの異常診断装置における制御の流れを示したタイミングチャートである。 図７は、実施例１に係る空燃比センサの異常診断装置における制御の流れを示したフローチャート（ぞの２）である。 図８は、実施例１に係る空燃比センサの補正後の出力変動を示すグラフである。 図９は、実施例２に係る空燃比センサの異常診断装置における制御の流れを示したフローチャートである。

以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る空燃比センサの異常診断装置としてのＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を備えたエンジン１００の概略図である。内燃機関としてのエンジン１００は、エンジン本体１０、吸気系の吸気通路１２、及び排気系の排気通路１４を備えている。吸気通路１２には、エアフィルタ１６及び空気吸入量を測定するためのエアフロメータ１８が設けられている。エアフロメータ１８の下流には、流量調節のためのスロットルバルブ２０及び当該スロットルバルブ２０の開度を検出するスロットル開度センサ２２が設けられている。スロットルバルブ２０の下流には、サージタンク２３が設けられており、さらに下流には通路内に燃料を噴射するためのインジェクタ２４が設けられている。

排気通路１４には、上流側触媒２６（スタートキャタリスト）及び下流側触媒２８（ＮＯ_Ｘ吸収触媒または３元触媒）が直列に設けられている。上流側触媒２６の前段部分には空燃比センサ３０が設けられている。空燃比センサ３０は、排気ガス中の酸素濃度を検出することにより、エンジン本体１０で燃焼された混合気の空燃比を検出する。上流側触媒２６と下流側触媒２８との間には、酸素センサ３２が設けられている。

エンジン本体１０は、ＥＣＵ４０により制御される。ＥＣＵ４０は、上述のインジェクタ２４及び各種センサに電気的に接続されており、エンジン本体１０への燃料噴射量をリッチ／リーンに強制的に変化させるアクティブ制御手段として機能する。ＥＣＵ４０は他にも、空燃比センサ３０の異常診断を行う際にアクティブ制御に移行するための移行条件を満たすか否かを判定する判定手段、空燃比センサ３０からの出力のハンチングを検出する検出手段、及びハンチングの検出結果に基づいてアクティブ制御への移行条件を補正する補正手段、として機能する。これらの機能の詳細については後述する。

通常時には、エンジン本体１０に供給される混合気中の空燃比を一定に制御するためのフィードバック制御が実行される。フィードバック制御の際には、空燃比センサ３０により排気ガス中の空燃比がモニタリングされ、その結果に基づいてＥＣＵ４０がインジェクタ２４からの燃料噴射量を調節する。より詳細には、出力値である空燃比センサ３０の出力と、目標値である空燃比との偏差及びその積分値と微分値に基づいて、入力値である燃料噴射量を制御するＰＩＤ制御が行われる。また、所定期間ごとにフィードバック制御を中断して、空燃比センサ３０の異常診断を行うためのアクティブ制御（オープンループ制御）が実行される。アクティブ制御の際には、ＥＣＵ４０がインジェクタ２４からの燃料噴射量を基準値に対してリッチ／リーンに強制的に増減させ、空燃比センサ３０の出力を振動させる。燃料噴射量の変化に対する空燃比センサ３０の応答性の良否を測ることにより、センサの異常が診断される。

図２（ａ）は、アクティブ制御により燃料噴射量をリッチ／リーンに強制的に変化させた際の、空燃比センサの出力変化を示した図である。空燃比センサの出力変化の大きさは、例えば出力変化量の積算値（図２（ｂ）の軌跡長）、反転時からのセンサ出力の積算値（図２（ｃ）の斜線部分の面積）、及びセンサ出力の最大変化量（図２（ｄ）の軌跡の最大傾斜角）などに基づいて算出することができる。例えば図示するように、アクティブ制御に対する空燃比センサの出力変化が大きい場合には正常、小さい場合には異常（応答遅れ）であるとの判定がなされる。

ところで、異常診断のために空燃比のアクティブ制御を行うことは、ドライバビリティやエミッションに大きな影響を与える。従って、本来的には運転状態や制御状態が安定している時にアクティブ制御を実行することが望ましい。フィードバック制御からアクティブ制御に移行するための移行条件は、空燃比センサ３０の出力変動に基づいて定められ、変動が大きい場合にはアクティブ制御への移行は行われない。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ正常時及び異常時（応答遅れ故障発生時）における空燃比センサ３０の出力を示したグラフである。図３（ａ）に示すように、正常時における空燃比センサ３０の出力は、ｆｕｅｌ−ｃｕｔ時を除いて比較的安定している。また、図中の楕円で囲まれた箇所では、故障診断のためのアクティブ制御が行われている。一方、図３（ｂ）に示すように、応答遅れ故障時の空燃比センサ３０はハンチングが発生しており出力の変動が大きい。このため、故障診断のためのアクティブ制御も行われていない。なお、出力変動の大小は、空燃比センサ３０の出力の変動量や、フィードバック制御に用いられるフィードバック補正率（Ｆ／Ｂ補正率）から算出することができる。

このように、空燃比センサ３０の故障等により出力のハンチングが発生すると、故障診断のためのアクティブ制御に移行することができない。このため、本来はセンサが故障しているにもかかわらず故障診断を行うことができないという問題が生じる。従って、センサ出力のハンチングが発生した場合でも、故障診断の機会を適切に確保する必要があり、そのためには後述するように、ハンチングの検出に応じてアクティブ制御への移行条件を適宜補正（緩和）する必要がある。

図４は、空燃比センサ３０を用いたフィードバック制御における、スロットル開度の変動量とフィードバック補正率の変動量との関係を示したグラフである。空燃比センサ３０の正常時（ディレーなし）のデータを■で、異常時（ディレーあり）のデータを◇でそれぞれ示す。なお、スロットル開度の変動量は、図１に示すスロットル開度センサ２２により取得される。

図示するように、正常時及び異常時の双方において、データの集合は右肩上がりの傾向を示しており、スロットル開度の変動量が増加するに従ってＦ／Ｂ補正率の変動量も増加することが分かる。また、図中に楕円で囲まれた箇所については、センサ出力のハンチングが生じていることが分かる。以上のように、スロットル開度の変動量及びＦ／Ｂ補正率の変動量から、センサ出力のハンチングを検出することができる。以下の説明では、スロットル開度の変動量及びＦ／Ｂ補正率の変動量を、ハンチング判定のためのパラメータとして用いる。

以下、図面を参照して本実施例に係る空燃比センサの異常診断装置（ＥＣＵ４０）の動作について説明する。大まかな流れとしては、最初にＥＣＵ４０がハンチングの検出処理を行い、続いて検出結果を踏まえた上で異常診断を行うか否かの判定処理を行う。

図５は、上記のＥＣＵ４０による制御のうち、ハンチング判定パラメータの取得に関する部分を説明するフローチャートである。また、図６は図５の制御に対応するタイミングチャートである。

図５に示すように、最初にＥＣＵ４０が、ハンチング判定パラメータの算出を行うための前提条件が満たされているか否かの判定を行う（ステップＳ１０）。前提条件としては例えば、空燃比センサ３０が活性済みであること、特殊な空燃比制御が実行中でないこと、吸入空気量が所定範囲内であることなどが挙げられる。前提条件が成立した場合は、ＥＣＵ４０が前提条件成立時間をカウントアップする（ステップＳ１２）。前提条件成立時間カウンタは、ステップＳ１０で前提条件が成立してからの累積時間を計るものである。前提条件が成立しない場合は、ＥＣＵ４０が前提条件成立時間をクリアする（ステップＳ１４）。

続いて、ＥＣＵ４０は前提条件成立時間が所定のディレー時間を超えたか否かの判定を行う（ステップＳ１６）。本実施例では、ディレー時間の長さを１ｓとしているが、この値は任意に設定可能である。ディレー時間を経過したら、ＥＣＵ４０は変動量積算のタイミングであるか否かを判定し（ステップＳ１８）、ＹＥＳの場合には変動量積算時間のカウントアップ（ステップＳ２０）、Ｆ／Ｂ補正率変動量の積算（ステップＳ２２）、及びスロットル開度変動量の積算（ステップＳ２４）をそれぞれ行う。これにより、所定の時間間隔ごとにＦ／Ｂ補正率及びスロットル開度の変動量が測定され、積算される。変動量測定の時間間隔は任意に設定可能であるが、本実施例では１２８ｍｓ毎に変動量の測定・積算を行うものとする。

続いて、ＥＣＵ４０は変動量積算時間が所定の積算時間を越えたか否かの判定を行う（ステップＳ２６）。本実施例では、積算時間を５ｓとしているが、この値は任意に設定可能である。積算時間を経過したら、ＥＣＵ４０は期間内に積算されたＦ／Ｂ補正率変動量の積算値及びスロットル開度変動量の積算値を、記憶領域である公開ＲＡＭに記憶し（ステップＳ２８）、それまでの積算値及び積算時間をクリアする（ステップＳ３０、Ｓ３２）。

図６のタイミングチャートをもとに、具体的な制御動作について説明する。図中の前提条件成立フラグは、図５のステップＳ１０における前提条件が成立したか否かを示すフラグである。前提条件成立時間カウンタ及び変動量積算時間カウンタは、それぞれ図５のステップＳ１６及びＳ２６における分岐を判定するためのカウンタである。Ｆ／Ｂ補正率変動量積算値及びスロットル開度変動量積算値は、それぞれ図５のステップＳ２２及びＳ２４において所定時間（１２８ｍｓ）毎に積算されるものである。

最初に、測定のための前提条件が成立すると、前提条件成立フラグがＨレベルになり（Ａ）、前提条件成立時間カウンタのカウントアップが始まる（Ｂ）。ディレー時間である１ｓが経過すると（Ｃ）、それを受けて変動量積算時間カウンタのカウントアップが始まり（Ｄ）、同時にＦ／Ｂ補正率の変動量及びスロットル開度の変動量の積算が始まる（Ｅ、Ｆ）。

変動量積算時間カウンタは、所定の積算時間（５ｓ）を経過するとリセットされる（Ｇ）。同時に、Ｆ／Ｂ補正率の変動量積算値がリセットされ（Ｈ）、それまでの積算値が公開ＲＡＭへ格納される（Ｉ）。スロットル開度の変動量積算値も同様にリセットされ（Ｊ）、それまでの積算値は公開ＲＡＭへ格納される（Ｋ）。

変動量積算時間カウンタは、リセット後に再びカウントアップが開始され（Ｇ）、Ｆ／Ｂ補正率及びスロットル開度の変動量の積算も同時に開始される（Ｈ、Ｊ）。しかし、何らかの原因により測定の前提条件が成立しなくなると、前提条件成立フラグがＬレベルとなり（Ｌ）、前提条件成立時間カウンタはリセットされる（Ｍ）。このとき、変動量積算時間カウンタ、Ｆ／Ｂ補正率変動量積算値、及びスロットル開度変動量積算値はリセットされず、そのままの値を維持する（Ｎ、Ｏ、Ｐ）。再び前提条件が満たされると、前提条件成立フラグがＨレベルとなり（Ｑ）、前提条件成立時間カウンタのカウントアップが開始される（Ｒ）。そして、一定のディレー時間が経過後に（Ｓ）、変動量積算時間カウンタのカウントアップが再開され（Ｔ）、Ｆ／Ｂ補正率変動量及びスロットル開度変動量についても積算が再開される（Ｕ、Ｖ）。

以上のように、所定の時間間隔（１２８ｍｓ）毎にＦ／Ｂ補正率及びスロットル開度の変動量が測定され、その積算値が算出される。算出された各変動量の積算値は、所定の積算時間（５ｓ）毎に更新され、以下に説明するアクティブ制御への移行判定処理に用いられる。

図７は、本実施例に係る空燃比センサの異常診断装置における制御のうち、異常診断のためのアクティブ制御に移行するか否かを判定する判定処理のフローチャートである。最初に、ＥＣＵ４０が、アクティブ制御移行条件を補正するためのハンチング判定パラメータを取得する（ステップＳ４０）。図４で説明したように、空燃比センサ出力のハンチングは、Ｆ／Ｂ補正率の変動量とスロットル開度の変動量に基づいて検出される。従って、ここで取得されるハンチング判定パラメータとは、図５のステップＳ２８で公開ＲＡＭに記憶されたＦ／Ｂ補正率の変動量積算値及びスロットル開度の変動量積算値である。

続いて、ＥＣＵ４０はステップＳ４０で検出されたハンチング判定パラメータに基づき、下記の表１のパラメータの中からフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を補正するための積分ゲイン補正係数を選択する（ステップＳ４２）。

表１は、ハンチング判定パラメータであるＦ／Ｂ補正率の変動量及びスロットル開度の変動量に対し、フィードバック制御に用いられる積分ゲイン補正係数がどのように選択されるかを示したテーブルである。Ｆ／Ｂ補正率の変動量は、「Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ」の順に大きくなるものとし、スロットル開度の変動量は、「ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ」の順に大きくなるものとする。また、表中の数字は積分ゲイン補正係数を示している。前述のように、本実施例のフィードバック制御は一般的なＰＩＤ制御であり、積分ゲインはその中でもフィードバック補正量に最も大きいインパクトを与えるものである。表１では、通常時の積分ゲインを「１」として、それに対する補正時の積分ゲインの倍率を示している。

図４に示されるように、Ｆ／Ｂ補正率の変動量が大きいほどハンチング度合いは大きくなる。また、図５のグラフが右肩上がりの傾向にあることから、Ｆ／Ｂ補正率の変動量が同じであれば、スロットル開度が小さいほどハンチング度合いは大きいといえる。以上のことから、表１では表の右上から左下に進むにつれて、積分ゲイン補正係数の値は小さくなる。換言すれば、ハンチングの度合いが大きいほど、積分ゲイン補正係数の値が小さくなるようにテーブルが作成されている。

ＥＣＵ４０は、ステップＳ４２において表１から選択した積分ゲイン補正係数を用いて、空燃比センサの出力を補正する（ステップＳ４４）。続いて、ＥＣＵ４０は、修正後の空燃比センサの出力に基づいて、異常診断のためのアクティブ制御に移行するか否かの判定を行う（ステップＳ４６）。具体的には、空燃比センサ３０の出力変動の大きさを所定の閾値と比較し、変動量が閾値より小さい場合にはアクティブ制御を実行可能と判定し、大きい場合にはアクティブ制御を実行不可能と判断する。ステップＳ４６でＹＥＳと判定された場合は、ＥＣＵ４０は前述したアクティブ制御を実施することにより、空燃比センサの異常診断を行う（ステップＳ４８）。ステップＳ４６でＮＯと判定された場合には、異常診断は行われない。

図８は、図７のステップＳ４４において出力を補正した後の空燃比センサ３０の出力を示したグラフである。ここでは、積分ゲインの補正係数（表１）の値を０．５としている。図３（ｂ）のグラフと比較すると、ハンチングが抑制されていることが分かる。これにより、図７のステップＳ４６において、アクティブ制御への移行条件が満たされやすくなっている。

以上のように本実施例では、検出手段及び補正手段として機能するＥＣＵ４０が、空燃比センサ３０のハンチングを検出し、移行条件である空燃比センサ３０の出力を補正している。これにより、センサ出力のハンチングが生じている場合であっても、異常診断の機会を適切に確保することができる。

実施例２は、実施例１とは異なる方法でアクティブ制御への移行条件を補正するものである。実施例２に係る空燃比センサの異常診断装置及びその周辺機器の構成は実施例１（図１）と同様であり、ハンチング検出のプロセス（図５）についても実施例１と共通である。従って、これらについては詳細な説明を省略する。

図９は、実施例２に係る空燃比センサの異常診断装置における制御のうち、アクティブ制御に移行するか否かを判定する判定処理のフローチャートである。実施例１（図７）と共通する部分については、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。最初に、実施例１の場合と同様に、ＥＣＵ４０がハンチング判定パラメータを取得する（ステップＳ４０）。

続いて、ＥＣＵ４０はステップＳ４０で取得したハンチング判定パラメータに基づき、下記の表２に示すテーブルの中から、移行判定に用いられる閾値を選択する（ステップＳ４３）。実施例２では、移行判定に使用されるパラメータをＦ／Ｂ補正率［％］とし、Ｆ／Ｂ補正率が所定の閾値より小さい場合にアクティブ制御への移行を行うものとする。通常時は、Ｆ／Ｂ補正率が５．０％の範囲内にある場合に、移行条件が満たされるものとする。

表２は、ハンチング判定パラメータであるＦ／Ｂ補正率の変動量及びスロットル開度の変動量に対し、アクティブ制御への移行判定に用いられる閾値がどのように選択されるかを示したテーブルである。Ｆ／Ｂ補正率の変動量は、「Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ」の順に大きくなるものとし、スロットル開度の変動量は、「ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ」の順に大きくなるものとする。また、表中の数字は上述の閾値を示し、単位は％（パーセント）である。表２に示されるように、アクティブ制御への移行の判定閾値は、表の右上から左下に進むに従って大きくなる。換言すれば、ハンチングの度合いが大きいほど、判定閾値が大きくなるようにテーブルが作成されている。

ＥＣＵ４０はステップＳ４３で選択された判定閾値を用いて、アクティブ制御に移行するか否かの判定を行う（ステップＳ４６）。移行条件が満たされれば、実施例１と同様にアクティブ制御による異常診断が実施される（ステップＳ４８）。実施例１でも述べたように、アクティブ制御に移行するか否かは、空燃比センサ３０の出力変動に基づく判定値（ここでは空燃比センサの出力変動量）が、所定の判定閾値より大きいか否かにより判定される。従って、ハンチング度合いが大きくなるほど判定閾値も大きくなり、アクティブ制御への移行条件が緩和される結果となる。

以上のように、実施例２では実施例１と同様に、検出手段及び補正手段として機能するＥＣＵ４０が、空燃比センサ３０の出力のハンチングを検出し、検出結果に基づいてアクティブ制御への移行条件を補正している（図９ステップＳ４３）。従って、実施例１の場合と同様に、ハンチングが発生した場合であっても異常診断の機会を適切に確保することができる。

実施例２では、移行判定に使用されるパラメータとしてＦ／Ｂ補正率を用いたが、空燃比センサ３０の出力変動に基づく判定値であれば、他にも種々のパラメータを用いることができる。例えば、空燃比の変動量（ΔＡ／Ｆ）を判定パラメータとして用いてもよい。この場合も、移行判定に用いられる閾値は表２と同じように、右上から左下に進むに従って値が大きくなるように設定されることが好ましい。

また、実施例１及び実施例２においては、Ｆ／Ｂ補正率の変動量及びスロットル開度の変動量に基づいてハンチングの検出を行ったが、空燃比センサ３０の出力のハンチング検出方法はこれに限定されるものではない。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ エンジン本体
１８ エアフロメータ
２２ スロットル開度センサ
３０ 空燃比センサ
３２ 酸素センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサの異常診断において、前記内燃機関への燃料噴射量をリッチ／リーンに強制的に変化させるアクティブ制御を行うアクティブ制御手段と、
   前記アクティブ制御に移行するための移行条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
   前記空燃比センサの出力のハンチングを検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて、前記移行条件を補正する補正手段と、
   前記空燃比センサの出力に基づいて、前記内燃機関への燃料噴射量を制御するフィードバック制御手段と、を有し、
   前記判定手段は、前記空燃比センサの出力変動の大きさに基づく判定値が、所定の閾値より小さいことを移行条件とし、
   前記補正手段は、前記空燃比センサの出力のハンチング度合いが大きいほど、前記フィードバック制御手段が燃料噴射量の制御を行う際のフィードバック補正量を小さくすることで、前記判定値を小さくする補正を行うことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
2. 前記判定手段は、前記空燃比センサの出力変動に基づく判定値が、所定の閾値より小さいことを移行条件とし、
   前記補正手段は、前記空燃比センサの出力のハンチング度合いが大きいほど、前記閾値を大きくする補正を行うことを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの異常診断装置。
3. 前記空燃比センサの出力のハンチングは、前記内燃機関における空燃比制御のフィードバック補正率の変動量及び前記内燃機関の吸気系に設けられたスロットルの開度の変動量に基づいて検出されることを特徴とする請求項１または２記載の空燃比センサの異常診断装置。

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