JP2007009709A - リニア空燃比センサの劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を迅速に実行すること。
【解決手段】 フィードバック制御系にインパルス状の外乱ＬＲ、ＲＬを所定回数出力する。外乱ＬＲ、ＲＬの出力後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを微分した微分値Ｄ_O2を出力する。この微分値Ｄ_O2に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間Ｌと時定数τとを判定パラメータとして演算する。リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦが収束しているか否かを判定し、演算されたむだ時間Ｌの終了時点で外乱の生成をリセットする。これとともに、外乱ＲＬ、ＬＲのリセット後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの収束を判定した場合に次回の外乱ＲＬ、ＬＲを生成する。次回の外乱ＲＬ、ＬＲの絶対値｜Ｈ_dis｜は、前回の外乱ＲＬ、ＬＲに係る微分ピーク値Ｄ_O2PKが所定のしきい値ＴｈＰを下回ったときに初めて増量される。
【選択図】 図６

Description

本発明はリニア空燃比センサの劣化診断装置に関し、より詳細には、エンジンの排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化を検出するリニア空燃比センサの劣化診断装置に関する。

従来、この種のリニア空燃比センサの劣化診断装置としては、例えば特許文献１に開示されている技術がある。この特許文献１に開示されている技術では、通常運転時では、ＰＩＤ動作によって空燃比のフィードバック制御を実行するとともに、診断時には、フィードバック制御系のＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えることにより、リニア空燃比センサの出力変動を拡大し、センサ劣化度合いが大きい程、応答周期が長くなることに基づいて、リニア空燃比センサの応答劣化を拡大して検出するようにしている。
特許第３３７７３３６号公報

特許文献１に開示されている装置では、リニア空燃比センサの出力変動を拡大しているのでリニア空燃比センサの劣化判定が容易になる反面、診断時にＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えているので、目標空燃比に対する追従性が低下する結果、診断時のエミッション低下が不可避になるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を迅速に実行することのできるリニア空燃比センサの劣化診断装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、エンジンの目標空燃比を制御するフィードバック制御系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化診断装置であって、前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を所定回数出力する外乱発生手段と、外乱発生手段による外乱出力後にリニア空燃比センサの出力の微分値を出力する微分手段と、微分手段が出力した微分値に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間と時定数の少なくとも一方を劣化判定の判定パラメータとして演算する判定パラメータ演算手段と、リニア空燃比センサの出力が収束しているか否かを判定する収束判定手段と、外乱発生手段が発生する外乱の値を設定する外乱値設定手段とを備え、前記外乱値設定手段は、前回の外乱の発生によって得られた微分ピーク値が所定のしきい値を下回った場合に次回の外乱の絶対値を増加するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置である。この態様では、外乱値設定手段を設け、微分ピーク値（微分手段が出力した微分値のピーク値）が所定のしきい値を下回った場合に次回の外乱の絶対値を増加するようにしている。これは、リニア空燃比センサの劣化が進む程、微分ピーク値が低くなることに着目したものであり、劣化の進んでいないリニア空燃比センサを診断する場合には、外乱の絶対値が小さい状態で劣化診断を実行することができる結果、診断のための外乱による目標空燃比への影響を可及的に抑制することが可能になる。この発明において、エンジンの目標空燃比は、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。さらに、外乱発生手段が生成する「外乱」とは、空燃比のフィードバック制御系の状態を一時的に乱す外的作用をいい、具体的な例としては、燃料噴射量を意図的にリッチ側またはリーン側に変動させることにより、空燃比のフィードバック制御系に付加されるものである。

好ましい態様において、前記外乱発生手段は、微分手段の出力した微分値が所定のしきい値を越えたことに基づいて、外乱をリセットするものであり、前記しきい値は、外乱の絶対値が大きくなる程、小さくなるように設定されるものである。この態様では、リニア空燃比センサの劣化が進んでいない状態では、微分ピーク値が高くなり、劣化が進むに連れて微分ピーク値が下がる特性に鑑み、劣化の進んでいない状態では、しきい値を比較的高く設定することができる。従って、リニア空燃比センサの劣化が進んでいない状態では、リニア空燃比センサによる外乱のフィードバックを確実に検出することができ、定常変動によるノイズを誤検出するおそれがなくなる。

好ましい態様において、前記外乱発生手段は、空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に変更するものであり、前記外乱値設定手段は、リッチ側の外乱同士、リーン側の外乱同士で微分ピーク値をしきい値と比較するものである。この態様では、外乱を目標空燃比からリッチ側とリーン側とに交互に変更して劣化診断が実行されるので、リッチ側の外乱とリーン側の外乱とが相互に中和され、目標空燃比に対するずれが生じにくくなる。また、判定パラメータをリッチ側、リーン側毎に演算することが可能になり、よりきめの細かい劣化診断を実行することが可能になる。さらに、リッチ側とリーン側とでリニア空燃比センサのむだ時間や時定数が異なる場合であっても、リッチ側、リーン側毎に必要充分な増量で外乱の絶対値を増加することが可能になる。

以上説明したように本発明によれば、劣化の進んでいないリニア空燃比センサを診断する場合には、外乱の絶対値が小さい状態で劣化診断を実行することができる結果、診断のための外乱による目標空燃比への影響を可及的に抑制することが可能になるので、むだ時間、時定数毎に劣化診断が可能なことと相俟って、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を迅速に実行することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

図１は本発明の実施の一形態に係るエンジン１０の系統図である。

図１を参照して、本実施形態の劣化判定装置１に係るエンジン１０には、複数の気筒１１が設けられるとともに、各気筒１１の内部には、図略のクランクシャフトに連結されたピストン１２が嵌挿されることにより、その上方に燃焼室１４が形成されている。エンジン１０には、前記クランクシャフトのエンジン回転速度Ｎｅを検出する回転角度センサＳＷ１が設けられている。

エンジン１０のシリンダヘッドには、前記気筒１１毎に燃焼室１４に向かって開口する吸気ポート１５、排気ポート１６がそれぞれ形成されているとともに、これらのポート１５、１６には、吸気弁１７および排気弁１８がそれぞれ装備されている。

吸気ポート１５には、吸気システム２０が、排気ポート１６には排気システム３０がそれぞれ設けられている。

吸気システム２０は、吸入空気を浄化するエアクリーナ２１を上流端に備えている。エアクリーナ２１には、エレメント２２が内蔵されている。エアクリーナ２１の下流側には、スロットルボディ２３が設けられている。スロットルボディ２３には、吸気システム２０内を流通する吸入空気量Ｑａを調整するスロットルバルブ２４が設けられている。そして、スロットルボディ２３の下流側には、インテークマニホールド２５が設けられ、このインテークマニホールド２５の下流端に設けられた分岐吸気通路２６が対応する気筒１１の吸気ポート１５に接続されている。図示の例では、分岐吸気通路２６に燃料噴射弁２７が設けられている。この吸気システム２０には、エアクリーナ２１とスロットルボディ２３の間にエアフローセンサＳＷ２が配置されている。エアフローセンサＳＷ２は、エレメント２２に濾過された吸入空気の吸入空気量Ｑａを出力するものである。さらに、スロットルボディ２３には、当該スロットルバルブ２４のスロットル開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサＳＷ３が設けられている。

排気システム３０は、排気ポート１６に接続されるエキゾーストマニホールド３１と、このエキゾーストマニホールド３１の下流側に配置され、当該エキゾーストマニホールド３１内に排出された既燃ガスを浄化する三元触媒３２とが設けられている。そして、この排気システム３０には、三元触媒３２の上流側に配置されたリニア空燃比センサＳＷ４と、下流側に配置された酸素濃度センサＳＷ５とが設けられている。リニア空燃比センサＳＷ４は、既燃ガスから酸素濃度に概ね比例する信号を出力するためのものである。酸素濃度センサＳＷ５は、理論空燃比に相当する酸素濃度で出力電圧が急変するように構成されており、理論空燃比に対し酸素濃度が多いか少ないかをオンオフ的に検出することにより、空燃比のフィードバック制御を実行するためのものである。リニア空燃比センサＳＷ４は、フィードバック制御の実空燃比に相当する出力を演算するものであるのに対し、酸素濃度センサＳＷ５は、浄化後の既燃ガスの酸素濃度に相当する検出値を演算するものである。本実施形態において、エンジンの目標空燃比は、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。

上述した各センサＳＷ１〜ＳＷ５並びに燃料噴射弁２７は、コントロールユニット１００に接続されることにより、空燃比のフィードバック制御系を構成している。

図２は本実施形態に係る劣化判定装置１の制御回路ブロック図であり、図３は図２の制御回路によって実現される劣化判定装置１のブロック線図である。

まず、図２を参照して、コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭで具体化される補助記憶装置１０２、ＲＡＭで具体化される主記憶装置１０３を含んでいる。上述した各センサＳＷ１〜ＳＷ５は、ＣＰＵ１０１に接続されており、それぞれ対応する信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦをＣＰＵ１０１に出力するように構成されている。

ＣＰＵ１０１は、補助記憶装置１０２に記憶されているプログラムに基づいて、各センサＳＷ１〜ＳＷ５の出力した信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦを処理し、燃料噴射弁２７を制御して空燃比をフィードバック制御するように構成されている。

補助記憶装置１０２には、詳しくは後述する劣化診断プログラムが記憶されている。

主記憶装置１０３は、補助記憶装置１０２に記憶されたプログラムを実行する過程で、各センサＳＷ１〜ＳＷ５が出力した信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦやこれに基づいて演算された演算値を記憶するように構成されている。さらに本実施形態では、プログラムの実行時において、主記憶装置１０３に所定の制御マップ２００、２２０が記憶されるように構成されている。

図３を参照して、コントロールユニット１００は、同図に示すフィードバック制御系１１０を構成している。このフィードバック制御系１１０は、目標空燃比（λ＝１）を目標値ＤＶとする基準入力要素１１１と、基準入力要素１１１の出力した基準入力ＩＰに補正をかけるＢＩＡＳ補正要素１１２と、ＢＩＡＳ補正要素１１２に補正された動作信号ＡＳに基づいて、エンジン１０（より詳細には燃料噴射弁２７）への操作量ＯＶを決定する主制御要素１１４とを含んでいる。

ＢＩＡＳ補正要素１１２と主制御要素１１４との間には、リニア空燃比センサＳＷ４により検出された実空燃比に相当する出力ＰＦが入力されるようになっており、主制御要素１１４は、基準入力要素１１１の基準入力ＩＰからＢＩＡＳ補正要素１１２の補正量ＳＳを差し引き、さらにリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを差し引いた動作信号ＡＳを受けて、ゲインＫ_Pを含む所定の伝達関数Ｇ_P（Ｓ）に基づき、操作量ＯＶを出力するように構成されている。

次に、基準入力要素１１１とＢＩＡＳ補正要素１１２との間には、副制御要素１１５が接続されている。この副制御要素１１５は、酸素濃度センサＳＷ５からの検出値ＳＦを受けて、ゲインＫ_Sを含む所定の伝達関数Ｇ_S（Ｓ）に基づき、副補正量ＳｂＳを出力するように構成されている。従って、主制御要素１１４には、この副補正量ＳｂＳが差し引かれた動作信号ＡＳが入力されることになっている。

さらに、本実施形態に係るフィードバック制御系１１０には、外乱ＬＲ、ＲＬを交互に発生させる外乱発生手段１１６が機能的に構成されている。この外乱発生手段１１６は、補助記憶装置１０２に記憶されたプログラムが実行されることにより、次に説明するリニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断時において、動作するものである。外乱発生手段１１６は、燃料噴射量にインパルス状の外乱を与えることによって、過渡的に空燃比をリッチ側またはリーン側に変更するように構成されている。この明細書では、リッチ側に空燃比を変化させるときの外乱はＬＲと表記し、リーン側に空燃比を変化させるときの外乱はＲＬと表記する。外乱発生手段１１６が出力する外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜の初期値は、新品のリニア空燃比センサＳＷ４が検出するのに必要充分な値に設定される。外乱発生手段１１６が出力した外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLは、それぞれ主記憶装置１０３に記憶されるようになっている。そして、予め劣化診断プログラムに設定されている出力回数Ｎ_ENDだけ外乱ＬＲ、ＲＬを交互に同数出力するように設定されている。これにより、診断によって意図的に変更された空燃比が中和され、主制御要素１１４によって制御されている空燃比が必要以上に乱されないようにして、エミッションの低下を阻止するようにしている。

図４および図５は本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。また図６は図４および図５のフローチャートを実行することによって得られた信号のタイミングチャートである。

まず、図４および図６を参照して、劣化診断プログラムが実行されると、ＣＰＵ１０１は診断条件が成立するのを待機する（ステップＳ１）。ここで診断条件とは、
（１） 回転角度センサＳＷ１で検出されるエンジン回転速度Ｎｅの変化量が所定変化量以下であり、
（２） スロットルセンサＳＷ３によって検出されるスロットル開度ＴＶＯの変化量が所定変化量以下であり、且つ
（３） ＣＥ＝Ｑａ／Ｎｅで演算される充填効率ＣＥの変化量が所定変化量以下である
という条件を全て満たすいわゆる定常運転時であることをいう。

仮に加速時等、診断条件を満たさない場合には、診断条件を満たすまで待機し、診断条件が成立している場合には、次に収束判定しきい値設定サブルーチンに移行し、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定される（ステップＳ２）。

収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定されると、今度はこの収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣに基づいて、収束判定が実行される（ステップＳ３）。この収束判定では、外乱発生手段１１６による外乱ＲＬ、ＬＲがリセットされている状態において、図６に示すように、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの変動幅ＯＰとしきい値ＴｈＣとが比較されるとともに、微分値Ｄ_O2の変動幅ｄＯＰとしきい値ｄＴｈＣとが比較され、各変動幅ＯＰ、ｄＯＰが何れも対応するしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣ未満である場合に空燃比が収束したと判定する。このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１がリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦが収束しているか否かを判定する収束判定手段を機能的に構成している。

空燃比が収束したと判定されると、ＣＰＵ１０１は、タイマをスタートし（ステップＳ４）、タイマのカウントダウンにより、そのタイマ時間が０になるのを待機する（ステップＳ５）。そして、タイマ時間が０になった後、診断を開始してから外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが比較され（ステップＳ６）、Ｎ_RL＞Ｎ_LRが成立する場合には外乱ＬＲがフィードバック制御系１１０に出力されるとともに（ステップＳ７）、不成立の場合には、外乱ＲＬがフィードバック制御系１１０に出力される（ステップＳ８）。これにより、例えば、図６に示すように、まず、外乱ＬＲが出力され、これによってリニア空燃比センサＳＷ４の出力が変化することになる。

外乱発生手段１１６が外乱ＬＲ（またはＲＬ）を出力すると、ＣＰＵ１０１は、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの微分値Ｄ_O2を演算する（ステップＳ９）。これにより、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦが外乱ＬＲ（またはＲＬ）によってどのように変化するか把握することが可能になる。このように本実施形態のＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６による外乱出力後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを微分した微分値Ｄ_O2を出力する微分手段を機能的に構成している。

ここで、リニア空燃比センサＳＷ４の検出値は、通常、所定のむだ時間Ｌと時定数τを伴うものである。

図７はリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答特性を示すグラフである。

図７を参照して、リニア空燃比センサＳＷ４の入力ｘ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間には
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ−Ｌ） （Ｌ≧０） （１）
という関係が成立し、むだ時間要素としてのリニア空燃比センサＳＷ４は、次式の伝達関数に従う。

Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）＝ｅ^-Ls （２）
但し、Ｙ（ｓ）：出力の複素関数、Ｘ（ｓ）：入力の複素関数
従って、むだ時間要素としてのリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答ｈ（ｔ）は、逆ラプラス変換により、次式の通りとなり、図７のように決まる。

ｈ（ｔ）＝ｕ（ｔ−Ｌ） （３）
但し、ｕ（ｔ）：単位ステップ関数（１（ｔ≧０）且つ０（ｔ＜０））
そこで、本実施形態では、むだ時間Ｌが経過するのを待機し、むだ時間Ｌの終了を検出して外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするようにしている。かかる制御を実行するために、ＣＰＵ１０１は、図４に示すように、演算された微分値±Ｄ_O2と所定のしきい値±ＴｈＤとを比較し、＋Ｄ_O2＞＋ＴｈＤまたは−Ｄ_O2＜−ＴｈＤが成立するのを待機し（ステップＳ１０）、成立した場合には、リニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌを演算し（ステップＳ１１）、外乱発生手段１１６による外乱をリセットする（ステップＳ１２）。

次に、時定数τは、一次遅れ要素の伝達関数
Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）＝Ｋ／（１−τ） （４）
の定数である。

この式（４）から逆ラプラス変換によって得られるステップ応答ｈ（ｔ）
ｈ（ｔ）＝Ｋ（１−ｅ^-t/M） （５）
但し、Ｋ、Ｔ：定数
から、
ｈ（ｔ）｜_τ=M ＝０．６３２Ｋ （６）
が得られることから、これにむだ時間Ｌの特性を加えると、時定数τとリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答ｈ（ｔ）とは図７で示す関係になる。

図７から明らかなように、時定数τが大きい程、ステップ応答波形の立ち上がりが遅くなり、最終値に達するまでの時間がかかる。そして、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化が進む程、時定数τは長くなる。

図５を参照して、そこで本実施形態では、時定数τを劣化診断の要素として取り入れるために、リニア空燃比センサＳＷ４の出力の微分ピーク値（ＣＰＵ１０１が出力した微分値±Ｄ_O2のピーク値）Ｄ_O2PKを演算し（ステップＳ１４）、この微分ピーク値Ｄ_O2PKからリニア空燃比センサＳＷ４の時定数τを演算するようにしている（ステップＳ１５）。

ここで、本実施形態では、ステップＳ１５の時定数τの演算が終了した後、微分ピーク値Ｄ_O2PKが所定のしきい値ＴｈＰ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。この判定は、外乱ＬＲ、ＲＬの値±Ｈ_disが適切であるか否かを判定するものであり、仮にステップＳ１６において、微分ピーク値Ｄ_O2PKが所定のしきい値ＴｈＰ以上である場合には、補正値ｈを０に設定して外乱ＬＲ、ＲＬの値±Ｈ_disをそのまま維持し（ステップＳ１７）、微分ピーク値Ｄ_O2PKが所定のしきい値ＴｈＰに満たない場合には、次の出力時に絶対値｜Ｈ_dis｜に所定の増加量Ｎだけ補正値ｈが加算されるように設定している（ステップＳ１８）。さらに本実施形態では、リッチ側の外乱ＬＲとリーン側の外乱ＲＬとを交互に実行していることから、外乱値設定手段としてのＣＰＵ１０１も、リッチ側、リーン側毎に外乱ＬＲ、ＲＬの値±Ｈ_disを管理している。そして、ステップＳ１６における判定は、リッチ側同士、リーン側同士で実行される。

時定数τの演算が終了し、外乱ＬＲ、ＲＬの補正値ｈを決定すると、ＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６が生成した外乱が、燃料を減量するものであったか、増量するものであったかを判定し（ステップＳ１９）、減量の場合はＲＬとして、増量の場合はＬＲとして、それぞれ判定パラメータ（演算されたむだ時間Ｌ、時定数τ）を主記憶装置１０３に保存し（ステップＳ２０、Ｓ２１）、主記憶装置１０３に記憶されている発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLをインクリメントする（ステップＳ２２、Ｓ２３）。

次いで、リーン側の外乱ＲＬの場合には、ステップＳ１７またはＳ１８で設定された補正値ｈが外乱ＬＲ、ＲＬの値Ｈ_disから差し引かれ（ステップＳ２４）、リッチ側の外乱ＬＲの場合には、ステップＳ１７またはＳ１８で設定された補正値ｈが外乱ＬＲ、ＲＬの値Ｈ_disに加算される（ステップＳ２５）。このように本実施形態におけるＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６が発生する外乱ＬＲ、ＲＬの値±Ｈ_disを設定する外乱値設定手段を機能的に構成している。

その後、各外乱ＬＲ、ＲＬについて、所要の回数Ｎ_ENDを終了したか否かが判定される（ステップＳ２６、Ｓ２７）。

ここで、何れかの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが所要の回数Ｎ_ENDに満たない場合には、主記憶装置１０３に予め記憶されている制御マップ２００から、リセット計数Ｄｋを索引し（ステップＳ２８）、索引したリセット計数Ｄｋを現在のしきい値±ＴｈＤに乗じてしきい値を設定するようにしている（ステップＳ２９）。制御マップ２００には、外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜が大きくなる程、値が小さくなるリセット計数Ｄｋが設定されている。この結果、本実施形態では、ステップＳ２４、２５によって外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜が変更された場合、この変更に伴って、しきい値±ＴｈＤが低くなるように設定される。そして、このステップＳ２９の後、ステップＳ１に戻って処理が繰り返される。

他方、ステップＳ２６、Ｓ２７において、双方の発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが何れも終了している場合には、劣化判定処理に移行する。

図８は劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図８を参照して、ここでは、劣化判定を行うために、むだ時間Ｌと時定数τの和を過渡時間Ｔとして定義し、ステップＳ２２までの処理が終了すると、ＣＰＵ１０１は、リッチ側の外乱ＬＲとリーン側の外乱ＲＬに係る平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLをそれぞれ演算する（ステップＳ２１１）。次いで、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の差を演算し、その値が所定のしきい値ＴｈＢを越えていないかどうか判定する（ステップＳ２１２）。各平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLにおいて、絶対値の差が大きい場合には、主制御要素１１４による空燃比制御がリッチ側またはリーン側にずれてしまうので、そのようなずれを防止するために、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の差が演算されている。

仮に両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の差がしきい値ＴｈＢ以下の場合、今度は、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の和がしきい値ＴｈＡを越えているか否かが判定される（ステップＳ２１３）。両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の和が大きい場合には、酸素濃度センサＳＷ５でサブフィードバック制御を実行していることもあり、フィードバック制御が過補正になり、制御が緩慢になって発散しやすくなるからである。

仮に、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の和がしきい値ＴｈＡ以下の場合には、過渡時間について正常と判定される（ステップＳ２１４）。他方、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の和がしきい値ＴｈＡを越えている場合には、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化がリッチ側でもリーン側でも起きていると判定される（ステップＳ２１５）。

他方、ステップＳ２１２において、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の差がしきい値ＴｈＢを越えている場合、リッチ側の平均過渡時間Ｔ_LRとリッチ側のしきい値ＴｈＲとが比較されてリッチ側で過渡時間劣化が生じているか否かが判定され（ステップＳ２１６）、しきい値ＴｈＲを越えている場合には、リッチ側過渡時間Ｔ_LR劣化が生じていると判定される（ステップＳ２１７）。他方、平均過渡時間Ｔ_LRがしきい値ＴｈＲ以下の場合には、さらにリーン側の平均過渡時間Ｔ_RLとリーン側のしきい値ＴｈＬとが比較され、リーン側で過渡時間劣化が生じているか否かが判定される（ステップＳ２１８）。リーン側の平均過渡時間Ｔ_RLがしきい値ＴｈＬを越えている場合には、リーン側過渡時間Ｔ_RL劣化が生じていると判定され（ステップＳ２１９）、しきい値ＴｈＬ以内である場合には、正常判定がなされる。なおしきい値ＴｈＢ、ＴｈＡの設定によっては、ステップＳ２１８を省略し、ステップＳ２１６でＮＯと判定された場合には、そのままステップＳ２１９の判定を実行するようにしてもよい。

そして、ステップＳ２１４、Ｓ２１５、Ｓ２１７、Ｓ２１９の何れかが終了すると、処理が終了する。このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１が図４のステップＳ１１並びに図５のステップＳ１５を実行することにより、微分手段が出力した微分値Ｄ_O2に基づいてリニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌと時定数τとを劣化判定の判定パラメータとして演算する判定パラメータ演算手段を機能的に構成している。

次に、図４における収束判定しきい値設定サブルーチン（ステップＳ２）について詳述する。

図９は、図４における収束判定しきい値設定サブルーチン（ステップＳ２）の一例を示すフローチャートである。

図９を参照して、この例では、予め、吸入空気量Ｑａからしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを求めるマップ２２０を主記憶装置１０３内に記憶させておき、エアフローセンサＳＷ２から検出された吸入空気量Ｑａからしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを索引して（ステップＳ２０５）、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを設定するようにしている（ステップＳ２０６）。この形態では、吸入空気量Ｑａが少なくなるに連れて収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣの値を小さく設定し、収束判定を厳格にすることが可能になる。このように図９の実施形態では、エンジン１０の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローセンサＳＷ２を設け、ＣＰＵ１０１が機能的に構成する収束判定手段は、吸入空気量Ｑａが少ないほど収束条件を厳しくし、吸入空気量Ｑａの変化に伴う時定数τの判定基準を補正することができる結果、誤判定を回避することが可能になる。

以上説明したように本実施形態では、実空燃比に相当する制御量をフィードバックするリニア空燃比センサＳＷ４の劣化を診断するに当たり、外乱ＬＲ、ＲＬを生成した後、むだ時間Ｌを演算し、むだ時間Ｌの演算終了後に、外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするようにしているので、フィードバック制御系１１０の目標空燃比を維持したままの状態で、劣化診断を実行することが可能になるため、エミッションの低下も可及的に抑制することが可能になる。しかも、微分ピーク値Ｄ_O2PKが所定のしきい値ＴｈＰを下回ったときに初めて外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜を増加させているので、劣化の進んでいないリニア空燃比センサＳＷ４を診断する場合には、外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜が小さい状態で劣化診断を実行することができる結果、診断のための外乱ＬＲ、ＲＬによる目標空燃比への影響を可及的に抑制することが可能になる。

また本実施形態では、ＣＰＵ１０１の出力した微分値±Ｄ_O2が所定のしきい値±ＴｈＤを越えたことに基づいて、外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするものであり、前記しきい値±ＴｈＤは、図５のステップＳ２８、Ｓ２９により、外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜が大きくなる程、小さくなるように設定されるものである。このため本実施形態では、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化の進んでいない状態では、しきい値±ＴｈＤを比較的高く設定することができる。従って、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化が進んでいない状態では、リニア空燃比センサＳＷ４による外乱ＬＲ、ＲＬのフィードバックを確実に検出することができ、定常変動によるノイズを誤検出するおそれがなくなる。

また本実施形態では、空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に変更するものであり、リッチ側の外乱ＬＲ同士、リーン側の外乱ＲＬ同士で微分ピーク値Ｄ_O2PKをしきい値と比較するものである。このため本実施形態では、外乱ＬＲ、ＲＬを目標空燃比からリッチ側とリーン側とに交互に変更して劣化診断が実行されるので、リッチ側の外乱ＬＲ、ＲＬとリーン側の外乱ＬＲ、ＲＬとが相互に中和され、目標空燃比に対するずれが生じにくくなる。また、判定パラメータをリッチ側、リーン側毎に演算することが可能になり、よりきめの細かい劣化診断を実行することが可能になる。さらに、リッチ側とリーン側とでリニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌや時定数τが異なる場合であっても、リッチ側、リーン側毎に必要充分な増量で外乱ＬＲ、ＲＬの絶対値｜Ｈ_dis｜を増加することが可能になる。

上述した実施形態は本発明の好ましい具体例を説明したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。例えば、劣化診断を具体化するに当たり、図８で示したフローチャートをむだ時間Ｌ毎、時定数τ毎に実行し、それぞれの劣化状態を判定するようにしてもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係るエンジンの系統図である。 本実施形態に係る劣化判定装置の制御回路ブロック図である。 図２の制御回路によって実現される劣化判定装置のブロック線図である。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 図４および図５のフローチャートを実行することによって得られた信号のタイミングチャートである。 リニア空燃比センサのステップ応答特性を示すグラフである。 劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図４における収束判定しきい値設定サブルーチンの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 劣化判定装置
１０ エンジン
２０ 吸気システム
２７ 燃料噴射弁
３０ 排気システム
３２ 三元触媒
１００ コントロールユニット
１０１ ＣＰＵ（微分手段、判定パラメータ演算手段、収束判定手段、外乱値設定手段の一例）
１０２ 補助記憶装置
１０３ 主記憶装置
１１０ フィードバック制御系
１１６ 外乱発生手段
２００ マップ
Ｄ_O2 微分値
Ｄ_O2PK 微分ピーク値
ＤＶ 目標値
ＩＰ 基準入力
Ｌ むだ時間
Ｎｅ エンジン回転速度
Ｎ_END 出力回数
Ｎ_LR、Ｎ_RL 発生回数
ＯＶ 操作量
ＰＦ 実空燃比に相当するリニア空燃比センサの出力
Ｑａ 吸入空気量
ＬＲ、ＲＬ 外乱
ＳＷ１ 回転角度センサ
ＳＷ２ エアフローセンサ（吸入空気量検出手段の一例）
ＳＷ３ スロットルセンサ
ＳＷ４ リニア空燃比センサ
ＳＷ５ 酸素濃度センサ
Ｔ 過渡時間
ＴｈＡ、ＴｈＢ、ＴｈＣ、ｄＴｈＣ、＋ＴｈＤ、−ＴｈＤ、ＴｈＬ、ＴｈＲ しきい値

Claims (3)

1. エンジンの目標空燃比を制御するフィードバック制御系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化診断装置であって、
   前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を所定回数出力する外乱発生手段と、
   外乱発生手段による外乱出力後にリニア空燃比センサの出力の微分値を出力する微分手段と、
   微分手段が出力した微分値に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間と時定数の少なくとも一方を劣化判定の判定パラメータとして演算する判定パラメータ演算手段と、
   リニア空燃比センサの出力が収束しているか否かを判定する収束判定手段と、
   外乱発生手段が発生する外乱の値を設定する外乱値設定手段と
   を備え、
   前記外乱値設定手段は、前回の外乱の発生によって得られた微分ピーク値が所定のしきい値を下回った場合に次回の外乱の絶対値を増加するものである
   ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
2. 請求項１記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   前記外乱発生手段は、微分手段の出力した微分値が所定のしきい値を越えたことに基づいて、外乱をリセットするものであり、
   前記しきい値は、外乱の絶対値が大きくなる程、小さくなるように設定されるものである
   ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
3. 請求項１または２記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   前記外乱発生手段は、空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に変更するものであり、
   前記外乱値設定手段は、リッチ側の外乱同士、リーン側の外乱同士で微分ピーク値をしきい値と比較するものである
   ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。

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