JPH0893531A - 内燃機関の空燃比制御装置における診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】酸素センサの出力に基づく空燃比フィードバッ
ク制御において、排気性状の悪化を来す酸素センサの劣
化を的確に診断する。 【構成】空燃比フィードバック制御中に、リッチ継続時
間ＴＲとリーン継続時間ＴＬとをそれぞれに計測する
（Ｓ７，Ｓ８）。そして、前記時間ＴＲ，ＴＬの比Δｔ
に基づいて空燃比制御点のずれを検出する一方（Ｓ1
4）、前記時間ＴＲ，ＴＬを加算して求められる制御周
期Ｔと初期状態における制御周期Ｔｏとの比ΔＴから制
御周期の延びを検出する（Ｓ10）。次いで、前記Δｔと
ΔＴとの組み合わせから、酸素センサの劣化の有無を判
別する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の空燃比制御装
置における診断装置に関し、詳しくは、排気中の酸素濃
度を介して機関吸入混合気の空燃比を検出する構成の空
燃比制御装置において、前記酸素濃度を検出するセンサ
の劣化を診断する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の空燃比制御装置として、酸素
センサで検出される排気中の酸素濃度に基づいて、目標
空燃比（理論空燃比）に対する実際の空燃比のリッチ・
リーンを判別し、かかる判別結果に基づいて実際の空燃
比を理論空燃比（目標空燃比）に近づけるように機関へ
の燃料供給量をフィードバック制御するものが知られて
いる（特開昭６０−２４０８４０号公報等参照）。

【０００３】上記空燃比フィードバック制御によって空
燃比を理論空燃比付近に制御することで、三元触媒を有
効に働かせて排気有害成分を良好に浄化させることがで
きるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記酸素セ
ンサを用いた空燃比フィードバック制御においては、酸
素センサの酸素濃度変化に対する応答特性が経時劣化等
によって変化し、例えばリーン→リッチ変化に対する応
答が初期状態に比して遅くなると、リーン化制御に対し
てリッチ化制御が過多となって結果的に空燃比制御点が
リッチ側にずれてしまい、これによって三元触媒におけ
る転換効率を維持できなくなってＣＯ，ＨＣ等の排出量
を増大させてしまうことになる。

【０００５】そこで、排気性状が許容レベルを越えるよ
うな応答劣化が発生していることを的確に診断できる装
置の提供が望まれるが、空燃比制御点のずれが同じであ
っても、酸素センサの全体的な応答劣化によって制御周
期が延びると、ずれた制御点を中心にして大きく空燃比
が振れることによって、より排気有害成分の排出量が増
大するという特性があり、空燃比制御点のずれのみから
は、酸素センサの劣化状態を排気有害成分の排出量に関
連させて的確に診断させることができないという問題が
あった。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みなさたものであ
り、排気有害成分の排出量に相関させて酸素センサ（酸
素濃度検出手段）の劣化状態を的確に診断できる診断装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのため請求項１の発明
にかかる内燃機関の空燃比制御装置における診断装置
は、図１に示すように構成される。図１において、酸素
濃度検出手段は機関排気中の酸素濃度を検出し、空燃比
フィードバック制御手段は、前記検出される酸素濃度に
基づいて、機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィ
ードバック制御する。

【０００８】一方、制御周期検出手段は、前記空燃比フ
ィードバック制御手段による空燃比フィードバック制御
の制御周期を検出する。また、制御空燃比ずれ検出手段
は、前記空燃比フィードバック制御手段による制御空燃
比の目標空燃比に対するずれを検出する。そして、診断
手段は、前記制御周期検出手段で検出された制御周期と
前記制御空燃比ずれ検出手段で検出された制御空燃比の
ずれとの組み合わせに基づいて前記酸素濃度検出手段の
劣化を判別する。

【０００９】請求項２の発明にかかる診断装置では、前
記制御空燃比ずれ検出手段が、目標空燃比に対するリッ
チ継続時間とリーン継続時間との比に基づいて制御空燃
比の目標空燃比に対するずれを検出する構成とした。請
求項３の発明にかかる診断装置では、前記診断手段が、
制御空燃比のずれが目標空燃比に対してリッチ方向であ
るかリーン方向であるかによって異なる特性で前記酸素
濃度検出手段の劣化を判別する構成とした。

【００１０】

【作用】請求項１の発明にかかる診断装置によると、空
燃比フィードバック制御における制御周期が検出される
と共に、目標空燃比に対する制御空燃比のずれが検出さ
れる。そして、前記制御周期と制御空燃比のずれとの組
み合わせに基づいて前記酸素濃度検出手段の劣化を判別
する。

【００１１】即ち、制御空燃比のずれが同じ状態であっ
ても、制御周期が長く空燃比の振れ幅が大きい場合には
排気有害成分の排出量がより多くなるので、例えば制御
空燃比のずれ量が比較的小さいときでも制御周期が長い
場合には劣化判定を行えるように、制御周期と制御空燃
比のずれとの両方を考慮して劣化診断を行う構成とし、
以て、排気有害成分の排出量に相関する劣化診断を可能
にした。

【００１２】請求項２の発明にかかる診断装置では、空
燃比フィードバック制御に伴って目標空燃比に対するリ
ッチ・リーンを繰り返すときに、リッチ継続時間とリー
ン継続時間とをそれぞれに計測し、該リッチ継続時間と
リーン継続時間との比に基づいて、リッチ化制御とリー
ン化制御とのバランスの変化、即ち、制御空燃比のずれ
を検出する。

【００１３】請求項３の発明にかかる診断装置では、前
記制御周期と制御空燃比のずれとの組み合わせに対する
劣化判定の特性を、制御空燃比のずれがリーン化方向で
あるかリッチ化方向であるかによって異ならせ、制御空
燃比がリーン側にずれた場合の排気有害成分の許容排出
量と、制御空燃比がリッチ側にずれた場合の排気有害成
分の許容排出量との違いに対応して劣化診断を行えるよ
うにした。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図２において、内燃機関１にはエアクリーナ２か
ら吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホールド
５を介して空気が吸入される。前記吸気マニホールド５
の各ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けら
れている。

【００１５】燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて
開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であ
って、後述するコントロールユニット12からの噴射パル
ス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプ
から圧送されてプレッシャレギュレータにより所定の圧
力に調整された燃料を、機関１に間欠的に噴射供給す
る。

【００１６】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，三元触媒10及びマフラー11を介して排気が排
出される。コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等
を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種
のセンサからの入力信号を受け、後述の如く演算処理し
て、燃料噴射弁６の作動を制御する。

【００１７】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。また、クランク
角センサ14が設けられていて、基準ピストン位置毎の基
準角度信号ＲＥＦと、クランク角１°又は２°毎の単位
角度信号ＰＯＳとを出力する。ここで、基準角度信号Ｒ
ＥＦの周期、或いは、所定時間内における単位角度信号
ＰＯＳの発生数を計測することにより、機関回転速度Ｎ
ｅを算出できる。

【００１８】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部には排気中の酸素濃
度を検出する酸素濃度検出手段としての酸素センサ16が
設けられている。前記酸素センサ16は、大気中の酸素濃
度に対する排気中の酸素濃度の比に応じた起電力を発生
する酸素濃淡電池であり、排気中の酸素濃度が理論空燃
比を境に急変することを利用し、理論空燃比のみ（理論
空燃比に対するリッチ・リーン）を検出し得る公知のリ
ッチ・リーンセンサである。以下、リッチ・リーンと
は、理論空燃比に対するリッチ空燃比・リーン空燃比を
示すものとする。

【００１９】更に、前記スロットル弁４には、その開度
ＴＶＯを検出するポテンショメータ式のスロットルセン
サ17が設けられている。ここにおいて、コントロールユ
ニット12に内蔵されたマイクロコンピュータのＣＰＵ
は、吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとに基づいて目
標空燃比（本実施例では理論空燃比）相当の基本燃料噴
射量Ｔｐを演算する一方、前記冷却水温度Ｔｗに基づく
増量補正係数や過渡運転時用の補正係数などを含む各種
補正係数ＣＯＥＦを設定し、更に、前記酸素センサ16の
出力に基づいて検出される実際の機関吸入混合気の空燃
比を目標空燃比（理論空燃比）にフィードバック制御す
るための空燃比フィードバック補正係数αを演算する
（空燃比フィードバック制御手段）。

【００２０】次いで、前記基本燃料噴射量Ｔｐに、前記
各種補正係数ＣＯＥＦ，空燃比フィードバック補正係数
αを乗算して有効噴射量Ｔｅ（←Ｔｐ×ＣＯＥＦ×α）
を演算し、更に、この有効噴射量Ｔｅに燃料噴射弁６の
作動遅れを補正するための電圧補正分Ｔｓを加算して、
この加算結果を最終的な燃料噴射量Ｔｉ（←Ｔｅ＋Ｔ
ｓ）として設定する。

【００２１】そして、コントロールユニット12は、前記
演算した燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パル
ス信号を燃料噴射弁６に対して機関回転に同期した所定
タイミングで出力することで、機関への燃料供給を電子
制御する。本実施例において、前記空燃比フィードバッ
ク補正係数αは、酸素センサ16の出力と該出力の理論空
燃比相当値との比較によって実際の空燃比のリッチ・リ
ーンを判別し、該判別結果に基づいて比例・積分制御に
より設定される。具体的には、図５に示すように、空燃
比のリッチ→リーン（リーン→リッチ）反転時に空燃比
フィードバック補正係数αを理論空燃比に近づける方向
に所定比例分だけ増大（減少）修正し、その後、空燃比
がリッチ（リーン）に反転するまで所定積分分によって
所定周期毎に空燃比フィードバック補正係数αを徐々に
増大（減少）修正する。

【００２２】ところで、前記空燃比フィードバック制御
に用いる酸素センサ16に劣化が生じその出力特性（応答
特性）が変化すると、空燃比制御点が理論空燃比からず
れて、三元触媒10における転換効率が悪化し、排気有害
成分の排出量を増大させることになってしまう。そこ
で、本実施例では、図３及び図４のフローチャートに示
すようにして、酸素センサ16の劣化診断を行う。尚、本
実施例において、制御周期検出手段，制御空燃比ずれ検
出手段及び診断手段としての機能は、前記図３及び図４
のフローチャートに示すように、コントロールユニット
12がソフトウェア的に備えている。

【００２３】図３及び図４のフローチャートにおいて、
まず、ステップ１（図中にはＳ１と記してある。以下同
様）〜ステップ５では、酸素センサ16の診断条件が成立
しているか否かを判別する。具体的には、以下の条件が
全て成立しているときにのみ酸素センサ16の劣化診断を
行う。 ａ．冷却水温度Ｔｗが所定温度（例えば70℃）以上（ス
テップ１） ｂ．基本燃料噴射量Ｔｐ（機関負荷）が所定範囲内（ス
テップ２） ｃ．機関回転速度Ｎｅが所定範囲内（ステップ３） ｄ．スロットル弁開度が略一定（ステップ４） ｅ．空燃比フィードバック制御中（ステップ５） 上記ａ〜ｄの診断条件は、酸素センサ16の出力特性が、
温度依存性を有し、かつ、ガス流速によって大きく変化
するために、機関の運転条件を制限するものであり、ま
た、本実施例では、空燃比フィードバック制御に伴う空
燃比の変動に基づいて診断を行うので上記ｅを診断条件
とする。

【００２４】前記ａ〜ｅの診断条件が全て成立している
ことがステップ１〜ステップ５で判別されると、ステッ
プ６へ進み、酸素センサ16の出力を読み込む。そして、
ステップ７では、酸素センサ16の出力が理論空燃比相当
値を継続的に上回っている時間、即ち、リッチ継続時間
ＴＲを計測する（図５参照）。また、ステップ８では、
酸素センサ16の出力が理論空燃比相当値を継続的に下回
っている時間、即ち、リーン継続時間ＴＬを計測する
（図５参照）。

【００２５】尚、前記リッチ継続時間ＴＲ及びリーン継
続時間ＴＬの計測においては、前記時間ＴＲ，ＴＬをそ
れぞれに複数回に渡って計測し、該計測時間を平均化処
理することが好ましい。ステップ９では、前記計測され
たリッチ継続時間ＴＲ及びリーン継続時間ＴＬの加算値
（＝ＴＲ＋ＴＬ）、即ち、空燃比フィードバック制御の
１周期を求める。

【００２６】そして、次のステップ10では、前記ステッ
プ９で求めた時間Ｔと、予め記憶しておいた初期状態
（酸素センサ16の新品状態）における前記時間Ｔｏとの
比ΔＴ（＝Ｔ／Ｔｏ）を演算する。ステップ11では、前
記比ΔＴが所定値（例えば1.2 ）以上であるか否かを判
別する。ここで、前記比ΔＴが所定値未満であるときに
は、応答遅れの発生があるとしても空燃比制御精度の悪
化につながるようなレベルではないものと判断し、ステ
ップ12へ進み、酸素センサ16の正常状態を判定する。

【００２７】一方、前記比ΔＴが所定値を越える場合に
は、所定割合以上に制御周期が延びていることになり、
この場合には、ステップ13へ進んで、酸素センサ16の応
答劣化の発生を判定する。尚、前記ステップ13における
劣化判定は暫定的なものであり、前記ステップ13で応答
劣化が判定されても、後述する各ステップにおける処理
によって、排気性状が許容レベルを越えるような劣化状
態であるか否かを判別して、該判別結果に基づいて酸素
センサ16の最終的な劣化判別を行うようになっている。

【００２８】ステップ13で暫定的な劣化判定がなされる
と、次にステップ14へ進み、前記リッチ継続時間ＴＲと
リーン継続時間ＴＬとの比Δｔを算出する。そして、ス
テップ15では、前記比Δｔと基準値とを比較する。前記
基準値は、酸素センサ16の初期状態での比Δｔであり、
初期状態において酸素センサ16の応答特性が、酸素濃度
の変化方向において差がないとすれば1.0 となり、応答
特性に差がある場合には1.0 以外の数値となる。初期状
態で応答特性に差がある場合には、空燃比フィードバッ
ク補正係数αを制御するときの比例分又は積分分を空燃
比のリッチ・リーンによって区別して設定することで、
前記応答特性の差による制御点のずれが修正される。

【００２９】ステップ15において、前記ステップ14で求
めた比Δｔが基準値を越えていると判別されたときに
は、初期状態におけるリッチ継続時間ＴＲとリーン継続
時間ＴＬとのバランスに対してリッチ継続時間ＴＲが拡
大していることになる。この場合は、空燃比のリッチ→
リーン変化に対する酸素センサ16の検出応答が遅くなっ
たために、リッチ判定されている時間が長くなったもの
と見做し、ステップ16へ進み、酸素センサ16の検出特性
がリッチ側にずれていることを判定する。

【００３０】一方、前記ステップ14で求めた比Δｔが基
準値以下であると判別されたときには、リッチ・リーン
のバランスはそのままで全体的な応答特性の劣化によっ
て周期が延びているか、又は、初期バランスに対してリ
ーン継続時間ＴＬが拡大しているものと推定され、この
場合は、ステップ20へ進み、酸素センサ16の検出特性が
リーン側にずれていることを判定する。

【００３１】ステップ16で酸素センサ16のリッチ検出傾
向が判定されたときには、ステップ17へ進み、図６に示
すような劣化判定マップを参照して、酸素センサ16の劣
化診断を行う。前記図６に示す劣化判定マップは、酸素
センサ16の検出特性がリッチ側にずれる応答劣化が生じ
たときに参照すべく予め設定されたものであり、制御周
期の延びを示す前記ΔＴと、リッチ・リーンバランスの
変化を示す前記Δｔとをパラメータとして、酸素センサ
16の劣化判定領域と正常判定領域とを分けるものであ
る。換言すれば、前記劣化判定マップは、前記ΔＴとΔ
ｔとの組み合わせ毎に、酸素センサ16の劣化，正常を記
憶させてあるものである。

【００３２】かかる劣化判定マップにおいては、制御周
期の延びが小さい状態であっても、リッチ側へのずれが
大きいときには劣化判定がなされ、逆に、リッチ側への
ずれが小さいときであっても、制御周期の延びが大きい
ときには劣化判定がなされるようになっている。即ち、
制御周期の延びは空燃比の振れ幅の拡大を示し、振れ幅
が大きいと空燃比の制御中心としては理論空燃比（目標
空燃比）に比較的近い状態であっても、三元触媒におけ
る転換効率を維持できる空燃比幅を越えて空燃比が変動
し、三元触媒における転換効率が悪化することになって
しまう。

【００３３】そこで、空燃比の振れ幅と制御点のずれと
の両方を加味して、許容レベルを越える排気有害成分が
排出されることになってしまう条件を予め求め、かかる
条件をマップに表している。従って、空燃比制御点のず
れとしては小さい状態であっても、空燃比振れ幅の拡大
によって、排気性状が悪化する状態を確実に診断でき、
また、空燃比制御点のずれがあっても、空燃比振れ幅が
比較的小さいために許容レベルを越えるような排気性状
の悪化を来すことがないような状態を劣化判定の対象か
ら外すことができる。

【００３４】ステップ17におけるマップ参照によって、
制御周期の延びを示す前記ΔＴと、リッチ・リーンバラ
ンスの変化を示す前記Δｔとの組み合わせが、排気性状
の悪化につながる酸素センサ16の劣化状態を示すと判別
されたときには、ステップ18へ進み、酸素センサ16にお
ける応答劣化の発生を最終的に判定する。一方、ステッ
プ17におけるマップ参照によって、制御周期の延びを示
す前記ΔＴと、リッチ・リーンバランスの変化を示す前
記Δｔとの組み合わせが、排気性状の悪化につながるよ
うな酸素センサ16の劣化状態を示していないと判別され
たときには、ステップ19へ進み、酸素センサ16の応答劣
化が許容レベル内であることを判定する。

【００３５】同様に、ステップ20で酸素センサ16の検出
特性がリーン側にずれていることが判別された場合に
は、ステップ21へ進んで、リーン側に検出特性がずれて
いるときに参照すべく予め設定された劣化判定マップ
（図７参照）を参照し、前記ΔＴ，Δｔの組み合わせに
基づいて酸素センサ16に排気性状の悪化を招くような劣
化が発生しているか否かを判別する（ステップ18，1
9）。

【００３６】ここで、空燃比制御点のずれ方向によって
２つの劣化判定マップを備えているのは、空燃比制御点
のずれ方向によって増大する排気有害成分の種類が異な
り、また、有害成分によってその排出量の許容レベルも
異なるため、制御周期及び制御点のずれ幅が同じであっ
ても、排気性状の悪化に対応するものとして劣化判定を
行うべきであるか否かが空燃比のずれ方向によって異な
るためであり、かかる構成によって空燃比制御点がリッ
チ・リーンのいずれの方向にずれたときでも、排気性状
の悪化につながる酸素センサ16の劣化状態を精度良く診
断できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明にか
かる内燃機関の空燃比制御装置における診断装置による
と、目標空燃比に対する制御空燃比のずれと、空燃比の
振れ幅に対応する制御周期との組み合わせに基づいて酸
素濃度検出手段の劣化を判別する構成としたので、排気
有害成分の排出量に相関させて酸素濃度検出手段の劣化
状態を的確に診断できるという効果がある。

【００３８】請求項２の発明にかかる診断装置による
と、目標空燃比に対するリッチ継続時間とリーン継続時
間とをそれぞれに計測することで、空燃比フィードバッ
ク制御における制御点のずれを簡便に検出できるという
効果がある。請求項３の発明にかかる診断装置による
と、制御空燃比のずれ方向によって異なる特性で劣化診
断を行わせる構成としたので、制御空燃比がリーンにず
れた場合の排気有害成分の許容排出量と、制御空燃比が
リッチにずれた場合の排気有害成分の許容排出量との違
いに対応して劣化診断を行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図２】実施例のシステム構成図。

【図３】実施例における劣化診断を示すフローチャー
ト。

【図４】実施例における劣化診断を示すフローチャー
ト。

【図５】実施例における空燃比フィードバック制御の様
子を示すタイムチャート。

【図６】リッチ検出傾向に劣化したときの劣化判別の特
性を示す図。

【図７】リーン検出傾向に劣化したときの劣化判別の特
性を示す図。

【符号の説明】

１ 内燃機関 ６ 燃料噴射弁 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 酸素センサ 17 スロットルセンサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度
   検出手段と、 該酸素濃度検出手段で検出される酸素濃度に基づいて、
   機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック
   制御する空燃比フィードバック制御手段と、 を含んで構成された内燃機関の空燃比制御装置におい
   て、 前記空燃比フィードバック制御手段による空燃比フィー
   ドバック制御の制御周期を検出する制御周期検出手段
   と、 前記空燃比フィードバック制御手段による制御空燃比の
   目標空燃比に対するずれを検出する制御空燃比ずれ検出
   手段と、 前記制御周期検出手段で検出された制御周期と前記制御
   空燃比ずれ検出手段で検出された制御空燃比のずれとの
   組み合わせに基づいて前記酸素濃度検出手段の劣化を判
   別する診断手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比
   制御装置における診断装置。
2. 【請求項２】前記制御空燃比ずれ検出手段が、目標空燃
   比に対するリッチ継続時間とリーン継続時間との比に基
   づいて制御空燃比の目標空燃比に対するずれを検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御
   装置における診断装置。
3. 【請求項３】前記診断手段が、制御空燃比のずれが目標
   空燃比に対してリッチ方向であるかリーン方向であるか
   によって異なる特性で前記酸素濃度検出手段の劣化を判
   別することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記
   載の内燃機関の空燃比制御装置における診断装置。