JP2007309103A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化判定用の閾値を設定するための工数を不要とし、しかも正確な酸素濃度センサの劣化判定を行うことができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】フュエルカット運転を開始した後に、ローパスフィルタ処理したＯ２センサの出力（フィルタ処理後出力）ＦＳＶＯ２が所定電圧ＤＳＶＸ低下した時点から、劣化したＯ２センサ出力の推定値である基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２（Ｌ１２）を算出する。正常なＯ２センサのフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２は、実線Ｌ１１で示すように推移する一方、劣化したＯ２センサのフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２は、破線Ｌ１３で示すように推移する。基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が所定レベルＮＧＳＶＯ２Ｘより小さくなった時点で、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２より大きいとき、Ｏ２センサは劣化していると判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に内燃機関の排気系に設けられた酸素濃度センサの劣化判定機能を有するものに関する。

内燃機関の排気系に設けられる酸素濃度センサの劣化判定手法は、従来より種々提案されている。特許文献１には、機関排気系に設けられる触媒の下流側に配置される酸素濃度センサの劣化判定装置が示されている。この装置によれば、燃料供給を遮断するフュエルカット運転を開始した後、酸素濃度センサ出力が所定レベルに対してリッチ側からリーン側へ移行した時点ｔ０からの経過時間と、酸素濃度センサ出力とに基づいて酸素濃度センサの劣化が判定される。より具体的には、移行時点ｔ０からの経過時間が所定時間に達した時点における酸素濃度センサ出力が、所定閾値より大きいとき（所定閾値に対応する空燃比よりリッチ側の空燃比を示す値であるとき）、酸素濃度センサが劣化したと判定される。

特許第２８５８４０６号公報

しかしながら、上記従来の装置では、予め多くの酸素濃度センサについてテストを行うことにより判定用の所定閾値を設定しておかないと、正確な判定を行うことができない。すなわち、判定用の所定閾値の設定に多くの工数を要する。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、劣化判定用の閾値を設定するための工数を不要とし、しかも正確な酸素濃度センサの劣化判定を行うことができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気系に酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（１８）を備える内燃機関（１）の制御装置において、前記酸素濃度センサ（１８）の応答特性が劣化したときの出力値（ＮＧＳＶＯ２）を推定する推定手段と、該推定手段により推定された出力値（ＮＧＳＶＯ２）と、前記酸素濃度センサの検出値（ＦＳＶＯ２）とを比較し、該比較結果に基づいて前記酸素濃度センサ（１８）の劣化を判定する劣化判定手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記推定手段は、前記機関への燃料の供給を遮断するフュエルカット運転の開始を示すフュエルカット開始信号（ＦＦＣ）、及び前記酸素濃度センサの特定の検出値（ＳＶＯ２ＮＧＩＮＩ）に基づいて前記出力値（ＮＧＳＶＯ２）の推定を行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関の吸入空気量（ＳＵＭＧＡＩＲ）を検出する吸入空気量検出手段を備え、前記推定手段は、前記機関への燃料の供給を遮断するフュエルカット運転の開始時点を示すフュエルカット開始信号（ＦＦＣ）、検出される吸入空気量（ＳＵＭＧＡＩＲ）、及び前記酸素濃度センサの特定の検出値（ＳＶＯ２ＮＧＩＮＩ）に基づいて前記出力値（ＮＧＳＶＯ２）の推定を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置において、前記特定の検出値（ＳＶＯ２ＮＧＩＮＩ）は、前記フュエルカット運転開始後、前記酸素濃度センサの検出値が所定量（ＤＳＶＸ）変化した時点における検出値であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、前記特定の検出値（ＳＶＯ２ＮＧＩＮＩ）は、前記フュエルカット運転開始後の吸入空気量（ＳＵＭＧＡＩＲ）が所定空気量（ＳＵＭＧＡＩＲＬ）に達した時点における検出値であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置において、前記酸素濃度センサの検出値のローパスフィルタ処理を行うフィルタ手段を備え、前記推定手段及び劣化判定手段は、前記ローパスフィルタ処理された検出値（ＦＳＶＯ２）を用いることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、前記推定手段は、前記ローパスフィルタ処理による時間遅れ（ｋＴ）を補償するタイミング補償手段を備えることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、前記排気系には、排気浄化用の触媒（１４）が設けられており、前記酸素濃度センサ（１８）は前記触媒（１４）の下流側に配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、酸素濃度センサの応答特性が劣化したときの出力値が推定され、該推定された出力値と、酸素濃度センサの検出値とが比較され、該比較結果に基づいて酸素濃度センサの劣化が判定される。したがって、劣化判定用の閾値を予め設定する必要がなく、閾値設定のための工数を不要とすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、機関への燃料の供給を遮断するフュエルカット運転の開始を示すフュエルカット開始信号、及び酸素濃度センサの特定の検出値に基づいて、劣化した酸素濃度センサの出力値の推定が行われる。特定の検出値を適切に設定することにより、フュエルカット運転の開始時点から実際にその変化が排気系で検出されるまでのむだ時間や酸素濃度センサの上流側に設けられている触媒の影響を排除し、正確な判定が可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、フュエルカット開始信号、検出吸入空気量、及び酸素濃度センサの特定の検出値に基づいて劣化した酸素濃度センサの出力値の推定が行われる。検出吸入空気量も参照することにより、フュエルカット運転開始後の酸素濃度センサの検出値の変化量が少ないときでも、正確な劣化判定が可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、特定の検出値は、フュエルカット運転開始後、酸素濃度センサの検出値が所定量変化した時点における検出値とされる。フュエルカット運転開始後、酸素濃度センサの検出値が所定量変化した時点は、吸気系でのフュエルカットの結果が排気系で確実に検出された時点であり、このときの検出値を用いて劣化した酸素濃度センサの出力値を推定することにより、劣化した酸素濃度センサの実際の出力値を精度良く推定することができる。

請求項５に記載の発明によれば、特定の検出値は、フュエルカット運転開始後の吸入空気量が所定空気量に達した時点における検出値とされる。フュエルカット運転を開始しても、酸素濃度センサの検出値が変化しない状態が比較的長く続く場合があるので、その場合に吸入空気量が所定空気量に達した時点の検出値を用いて劣化した酸素濃度センサの出力値を推定することにより、吸気系でのフュエルカットの結果が酸素濃度センサにより明確に検出されない場合においても、劣化判定を行うことが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、フィルタ手段により、酸素濃度センサの検出値に含まれるノイズ成分が低減されるので、より正確な判定が可能となる。
請求項７に記載の発明によれば、ローパスフィルタ処理による時間遅れが補償されて出力値の推定が行われるので、ローパスフィルタ処理された検出値と、比較される推定出力値とのタイミング関係が適正なものとなり、正確な判定を行うことができる。

請求項８に記載の発明によれば、排気浄化用触媒の下流側に配置されている酸素濃度センサについて、触媒の劣化度合（酸素蓄積能力）の影響を受けることなく正確な劣化判定を行うができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力して電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

排気管１３には三元触媒１４及び１５が上流側からこの順序で設けられている。三元触媒は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。

三元触媒１４の上流位置には、比例型酸素濃度センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
三元触媒１４と１５の間には、二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。このＯ２センサ１８は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）を用いて、前記ＴＤＣ信号パルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２ （１）

ここで、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて設定されたＴＩＭテーブルを検索して決定される。ＴＩＭテーブルは、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。

ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、通常制御中は、Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２に応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。

ＫＡＦは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１７の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ（比例積分微分）制御あるいは適応制御器（Self Tuning Regulator）を用いた適応制御により算出される空燃比補正係数である。

Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路を介して燃料噴射弁６に供給する。また、ＥＣＵ５のＣＰＵは、以下に説明するようにＯ２センサ１８の劣化判定を行う。

図２は、本実施形態におけるＯ２センサ１８の応答特性の劣化判定手法を説明するためのタイムチャートである。この図には、時刻ｔ０にエンジン１への燃料供給を遮断するフュエルカット運転が開始された例が示されている。実線Ｌ１は、Ｏ２センサ１８が劣化した状態をシミュレートすることにより得られるＯ２センサ出力の推移を示す。時刻ｔ０では、Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２は、リッチ空燃比を示す初期レベルＳＶＯ２ＳＴにあり、時刻ｔ０から少し遅れて低下し始める。本実施形態では、初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＳＶＸ低下した時刻ｔ１におけるＯ２センサ出力ＳＶＯ２ＮＧＩＮＩを用いて以後のＯ２センサ出力の推定値である基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２を算出する。具体的には、図２に太い破線で示すステップ入力が時刻ｔ１に入力されたと仮定した場合における劣化したＯ２センサの出力として、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２を算出する。その算出結果が、細い破線Ｌ３で示されている。そして、実際に検出されるＯ２センサ出力ＳＶＯ２が、この破線Ｌ３に相当する基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２より大きい（よりリッチ側の空燃比を示す値である）とき、Ｏ２センサ１８が劣化したと判定する。

なお、後述する劣化判定処理ではＯ２センサ出力ＳＶＯ２そのものではなく、Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２のローパスフィルタ処理を行って得られるフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２、及びローパスフィルタ処理による時間遅れを補償した基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２を用いて劣化判定が行われる。

このように、フュエルカット運転開始時点の初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＳＶＸ低下した（リーン方向へ移行した）時刻ｔ１は、吸気系でのフュエルカットの結果が排気系で確実に検出された時点であり、このときのセンサ出力ＳＶＯ２ＥＳを用いて劣化したＯ２センサの以後の出力値を推定することにより、劣化したＯ２センサの実際の出力値を精度良く推定することができる。したがって、推定値ＮＧＳＶＯ２Ｕと実際のＯ２センサ出力ＳＶＯ２とを比較することにより、判定閾値を事前のテストで設定することなく、正確な劣化判定を行うことができる。

ここで、所定電圧ＤＳＶＸは、初期レベルＳＶＯ２ＳＴの２０〜４０％程度（例えば２００ｍＶ）に設定することが望ましい。

図３は、上述したＯ２センサ１８の劣化判定を行う処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵで所定時間（例えば１０ミリ秒）毎に実行される。
ステップＳ１１では、下記式（２）にＯ２センサ出力ＳＶＯ２を適用してローパスフィルタ処理を行い、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２(k)を算出する。
ＦＳＶＯ２(k)＝
ｂ０・ＳＶＯ２(k)＋ｂ１・ＳＶＯ２(k-1)＋…＋ｂｍ・ＳＶＯ２(k-m)
＋ａ１・ＦＳＶＯ２(k-1)＋ａ２・ＦＳＶＯ２(k-2)＋…
＋ａｎ・ＦＳＶＯ２(k-n) （２）

ここで、ｋは本処理の実行周期で離散化したサンプリング時刻、ｂ０〜ｂｍ及びａ１〜ａｎはフィルタ係数である。ｍ及びｎはそれぞれ例えば８及び０に設定され、ｂ０〜ｂ８は、例えばすべて０．１１１１に設定される。このローパスフィルタ処理による離散化遅れ時間ｋＴは、「５」である。

ステップＳ１２では、後述するステップＳ２５で算出される推定ＮＧセンサ正規化出力ＮＧＳＶＯ２Ｕを、下記式（３）に適用してローパスフィルタ処理を行い、フィルタ処理後正規化出力ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ(k)を算出する。
ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ(k)＝
ｂ０・ＮＧＳＶＯ２Ｕ(k)＋ｂ１・ＮＧＳＶＯ２Ｕ(k-1)＋…
＋ｂｍ・ＮＧＳＶＯ２Ｕ(k-m)
＋ａ１・ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ(k-1)＋ａ２・ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ(k-2)＋…
＋ａｎ・ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ(k-n) （３）

ステップＳ１３では、Ｏ２センサ１８が活性化しているか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときは、判定許可フラグＦＭＣＮＤ、初期レベルＳＶＯ２ＳＴ、及び吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲをすべて「０」に設定するとともに、推定ＮＧセンサ正規化出力ＮＧＳＶＯ２Ｕを「１．０」に設定する（ステップＳ１５）。その後直ちに本処理を終了する。

ステップＳ１３の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、遅れ時間ｋＴ前のフュエルカットフラグＦＦＣ(k-kT)の値が「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１４）。フュエルカットフラグＦＦＣは、フュエルカット運転が開始されると「１」に設定される。ステップＳ１４の答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ１５に進む。フュエルカット運転が開始され、フュエルカットフラグＦＦＣ(k-kT)が「１」となると、ステップＳ１４からステップＳ１６に進み、吸入空気流量ＧＡＩＲを積算することより、吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲを算出する。すなわち、吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲは、フュエルカット運転開始時点から吸入された空気量の総和を示す。

続くステップＳ１７では、判定終了フラグＦＤＯＮＥが「１」であるか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので、ステップＳ１８に進み、初期レベルＳＶＯ２ＳＴが「０」であるか否かを判別する。最初はこの答は肯定（ＹＥＳ）であるので、ステップＳ１９に進み、初期レベルＳＶＯ２ＳＴをその時点のフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２に設定する。ステップＳ２４では、判定許可フラグＦＭＣＮＤが「１」であるか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので直ちに本処理を終了する。

ステップＳ１９を実行した後は、ステップＳ１８の答が否定（ＮＯ）となるのでステップＳ２０に進み、判定許可フラグＦＭＣＮＤが「０」であるか否かを判別する。最初はこの答が肯定（ＹＥＳ）であるので、ステップＳ２１に進み、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＶＳＸを減算した値より小さいか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので、ステップＳ２２に進み、吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲが所定空気量ＳＵＭＧＡＩＲＬより大きいか否かを判別する。最初はこの答が否定（ＮＯ）であるので直ちにステップＳ２４に進む。

フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が低下してステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）となると、ステップＳ２３に進み、判定許可フラグＦＭＣＮＤを「１」に設定するとともに、下記式（４）にフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２を適用し、推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩを算出する。式（４）に適用されるフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が、図２の時刻ｔ１におけるＯ２センサ出力ＳＶＯ２ＮＧＩＮＩに対応するフィルタ処理後出力である。
ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩ＝ＦＳＶＯ２×ＮＧＴ^kT （４）

ここで、ＮＧＴは後述するステップＳ２５の演算で、推定ＮＧセンサ正規化出力ＮＧＳＶＯ２Ｕの算出に使用する所定係数であり、例えば０．９５１２に設定される。フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２に所定係数ＮＧＴのｋＴ乗を乗算することにより、ローパスフィルタ処理による時間遅れｋＴが補償される。

ステップＳ２３実行後、前記ステップＳ２４に進むと、ステップＳ２４の答は肯定（ＹＥＳ）となるので、下記式（５）により、推定ＮＧセンサ正規化出力ＮＧＳＶＯ２Ｕを算出するとともに、下記式（６）にステップＳ１２で算出されるフィルタ処理後正規化出力ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ及びステップＳ２３で算出される推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩを適用し、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２を算出する（ステップＳ２５）。
ＮＧＳＶＯ２Ｕ＝ＮＧＳＶＯ２Ｕ×ＮＧＴ （５）
ＮＧＳＶＯ２＝ＦＮＧＳＶＯ２Ｕ(k)×ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩ （６）

式（５）の所定係数ＮＧＴは、応答特性が劣化したＯ２センサ（使用可能なＯ２センサより僅かに劣化したＯ２センサ）の推定出力特性が得られるように「１．０」より若干小さい値に設定されるので、推定ＮＧセンサ正規化出力ＮＧＳＶＯ２Ｕは、「１．０」から「０」に向かって徐々に減少する。式（６）は、フィルタ処理後正規化出力ＦＮＧＳＶＯ２Ｕに推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩを乗算して、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２を算出するものであり、ローパスフィルタ処理による遅れ時間ｋＴが補償された推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩを乗算することにより、比較対象であるフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２のタイミングと、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２のタイミングとのずれが無くなり、正確な判定を行うことができる。

続くステップＳ２６では、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が所定レベルＮＧＳＶＯ２Ｘ（例えば２００ｍＶ）より小さいか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので、直ちに本処理を終了する。基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が所定レベルＮＧＳＶＯ２Ｘを下回ると、ステップＳ２７に進み、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２より大きいか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、Ｏ２センサ１８は正常と判定し、判定終了フラグＦＤＯＮＥを「１」に設定する（ステップＳ２９）。

ステップＳ２７でＦＳＶＯ２＞ＮＧＳＶＯ２であるときは、Ｏ２センサ１８は劣化（応答特性劣化）していると判定し、判定終了フラグＦＤＯＮＥを「１」に設定する（ステップＳ２８）。判定終了フラグＦＤＯＮＥが「１」に設定された後は、ステップＳ１７の答が肯定（ＹＥＳ）となり、直ちに本処理を終了する。

Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２の低下速度が遅い、あるいは低下しない場合には、ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）となる（フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＳＶＸだけ低いレベルより低くなる）前に吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲが所定空気量ＳＵＭＧＡＩＲＬを超えるので、ステップＳ２２からステップＳ２３に進む。その後、ステップＳ２５〜Ｓ２７が実行され、判定が行われる。

図４は、ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）となってステップＳ２３に進む例を説明するためのタイムチャートである。同図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ判定許可フラグＦＭＣＮＤ、フュエルカットフラグＦＦＣ(k-kT)、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２、及び判定終了フラグＦＤＯＮＥの推移を示す。

時刻ｔ１０にフュエルカットフラグＦＦＣ(k-kT)が「１」となり、その時点のフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が初期レベルＳＶＯ２ＳＴとして記憶される。時刻ｔ１１において、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＳＶＸだけ低下し、判定許可フラグＦＭＣＮＤが「１」に設定される。そしてこの時点のフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２に所定係数ＮＧＴのｋＴ乗を乗算することにより推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩが算出され、これを用いて同図（ｃ）に一点鎖線Ｌ１２で示す基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が算出される。

正常なＯ２センサのフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２は、実線Ｌ１１で示すように推移する一方、劣化したＯ２センサのフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２は、破線Ｌ１３で示すように推移する。基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が所定レベルＮＧＳＶＯ２Ｘに達する時刻ｔ１２において、ステップＳ２７の判定が実行され、実線Ｌ１１の例ではＯ２センサは正常であるとの判定が行われる一方、破線Ｌ１３の例では劣化したとの判定が行われる。同時に、判定終了フラグＦＤＯＮＥが「１」に設定される。

図５は、ステップＳ２２の答が肯定（ＹＥＳ）となってステップＳ２３に進む例を説明するためのタイムチャートである。同図（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ判定許可フラグＦＭＣＮＤ、吸入空気流量ＧＡＩＲ、フュエルカットフラグＦＦＣ(k-kT)、吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲ、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２、及び判定終了フラグＦＤＯＮＥの推移を示す。

時刻ｔ２０にフュエルカットフラグＦＦＣ(k-kT)が「１」となり、その時点のフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が初期レベルＳＶＯ２ＳＴとして記憶されるとともに、吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲの算出が開始される。破線Ｌ２３は劣化したＯ２センサに対応するフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２の推移を示す。フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が所定電圧ＤＳＶＸ低下する前に、時刻ｔ２１において、吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲが所定空気量ＳＵＭＧＡＩＲＬに達し、判定許可フラグＦＭＣＮＤが「１」に設定される。そしてこの時点のフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２に所定係数ＮＧＴのｋＴ乗を乗算することにより推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩが算出され、これを用いて同図（ｅ）に一点鎖線Ｌ２２で示す基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が算出される。その後基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が所定レベルＮＧＳＶＯ２Ｘに達する時刻ｔ２２において、ステップＳ２７の判定が実行され、Ｏ２センサは劣化したとの判定が行われる。同時に、判定終了フラグＦＤＯＮＥが「１」に設定される。

正常なＯ２センサのフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２は、実線Ｌ２１で示すように時刻ｔ２１ａにおいて、初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＳＶＸ低下するので、図４に示す例と同様にして、Ｏ２センサは正常であるとの判定が行われる。

以上のように本実施形態では、Ｏ２センサ１８の応答特性が劣化したときの出力値を示す基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が算出され、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２と、フィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２とが比較され、該比較結果に基づいてＯ２センサ１８の劣化が判定される。したがって、劣化判定用の閾値を予め設定する必要がなく、閾値設定のための工数を無くすことができる。

またフュエルカット運転が開始された後、及びフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が初期レベルＳＶＯ２ＳＴから所定電圧ＤＳＶＸ低下した時点のフィルタ処理出力ＦＳＶＯ２に基づいて、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２が算出されるので、フュエルカット運転の開始時点から実際にその結果が排気系で検出されるまでのむだ時間やＯ２センサ１８の上流側に設けられている三元触媒１４の影響を排除し、正確な判定が可能となる。

またフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２が、フュエルカット運転開始後比較的長時間に亘って低下しない場合には、フュエルカット運転開始時点からの吸入空気量ＳＵＭＧＡＩＲが所定空気量ＳＵＭＧＡＩＲＬに達した時点で判定が行われるので、吸気系でのフュエルカットの結果がＯ２センサ出力により明確に検出されない場合においても、劣化判定を行うことができる。

さらにローパスフィルタ処理により、Ｏ２センサ出力ＳＶＯ２に含まれるノイズ成分が低減されるので、より正確な判定が可能となる。また、ローパスフィルタ処理による時間遅れｋＴが補償された推定ＮＧセンサ出力初期値ＦＳＶＯ２ＮＧＩＮＩを用いることにより、基準推定ＮＧセンサ出力ＮＧＳＶＯ２とフィルタ処理後出力ＦＳＶＯ２のタイミングを一致させ、正確な判定を行うことができる。

本実施形態では、吸入空気流量センサ７が吸入空気量検出手段の一部を構成し、ＥＣＵ５が吸入空気量検出手段の一部、推定手段、劣化判定手段、タイミング補償手段及びフィルタ手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ１６が吸入空気量検出手段の一部に相当し、ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１８〜Ｓ２３，及びＳ２５が推定手段に相当し、ステップＳ１１，Ｓ２６〜Ｓ２９が判定手段に相当し、ステップＳ２３がタイミング補償手段に相当し、ステップＳ１１及びＳ１２がフィルタ手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、Ｏ２センサ１８が排気浄化用の三元触媒の下流側に配置される例を示したが、本発明は図６（ａ）に示すように上流側に配置される場合にも適用可能である。さらに図６（ｂ）に示すように、三元触媒１４及び１５を単一の容器に格納し、その中間に酸素濃度センサ１８が配置される場合にも本発明を適用することができる。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの排気系に設けられる酸素濃度センサの劣化判定にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 本発明の劣化判定手法を説明するためのタイムチャートである。 酸素濃度センサの劣化判定処理のフローチャートである。 図３に示す処理を説明するためのタイムチャートである。 図３に示す処理を説明するためのタイムチャートである。 上述した実施形態の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（吸入空気量検出手段、推定手段、劣化判定手段、タイミング補償手段、フィルタ手段）
７ 吸入空気流量センサ（吸入空気量検出手段）
１３ 排気管
１４ 三元触媒
１８ 酸素濃度センサ

Claims (8)

1. 排気系に酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備える内燃機関の制御装置において、
   前記酸素濃度センサの応答特性が劣化したときの出力値を推定する推定手段と、
   該推定手段により推定された出力値と、前記酸素濃度センサの検出値とを比較し、該比較結果に基づいて前記酸素濃度センサの劣化を判定する劣化判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記推定手段は、前記機関への燃料の供給を遮断するフュエルカット運転の開始を示すフュエルカット開始信号及び前記酸素濃度センサの特定の検出値に基づいて、前記出力値の推定を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
   前記推定手段は、前記機関への燃料の供給を遮断するフュエルカット運転の開始時点を示すフュエルカット開始信号、検出される吸入空気量、及び前記酸素濃度センサの特定の検出値に基づいて前記出力値の推定を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記特定の検出値は、前記フュエルカット運転開始後、前記酸素濃度センサの検出値が所定量変化した時点における検出値であることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記特定の検出値は、前記フュエルカット運転開始後の吸入空気量が所定空気量に達した時点における検出値であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記酸素濃度センサの検出値のローパスフィルタ処理を行うフィルタ手段を備え、前記推定手段及び劣化判定手段は、前記ローパスフィルタ処理された検出値を用いることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記推定手段は、前記ローパスフィルタ処理による時間遅れを補償するタイミング補償手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記排気系には、排気浄化用の触媒が設けられており、前記酸素濃度センサは前記触媒の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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