JP2008121524A - 空燃比センサの診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサ診断装置について外乱に対する安定性や診断精度を改善する。
【解決手段】空燃比センサ診断装置Ｄ１は、内燃機関の空燃比を検出する空燃比センサ１３の出力から空燃比センサの応答性に関する指標を求める応答性指標算出手段２３を備え、この応答性指標算出手段で求めた応答性指標に基づいて空燃比センサの診断を行う。そしてその応答性指標算出手段は、空燃比センサの応答を近似する１次遅れ系ないし高次遅れ系を表す式における係数またはこの係数から求まる空燃比センサの時定数を応答性指標として求めるようにされている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御装置における空燃比センサを診断する診断装置に関する。

車両などに搭載される内燃機関については、その排気系に浄化用触媒を設置して排気ガスを浄化することが広く行われている。こうした触媒による排気ガス浄化では、特定の空燃比の近傍において高い浄化効率が得られる。このため内燃機関へ供給される混合気の空燃比を高効率浄化範囲に保つための空燃比制御が必要となり、そのために空燃比制御装置が設けられている。

空燃比制御装置は、排気系に設けられる空燃比センサを備えており、この空燃比センサで排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出し、その検出空燃比に基づくフィードバック制御で内燃機関への混合気の空燃比制御を行うようにされている。このような空燃比制御装置では、空燃比センサの検出精度が重要であり、空燃比センサが劣化するなどして異常になると空燃比の検出精度が低下し、効果的な空燃比制御を行えなくなる。このため空燃比センサの状態を常時的に診断してその異常をいち早く検出できるようにする必要がある。

そのために設けられているのが空燃比センサ診断装置であり、従来における空燃比センサ診断装置では、空燃比センサの出力の傾きから空燃比センサの診断を行うようにされている。具体的には、燃料カット後のように空燃比が大きく変動する状態でのセンサ出力について所定の２点間の傾きを算出し、その算出傾きが所定の判定基準値よりも小さい場合に異常と診断する手法である（例えば特許文献１〜５）。

特開２００４−３５１３号公報 特開平８−１７７５７５号公報 特開２００１−３２９９０４号公報 特開２００６−７７６５９号公報 特開２００５−３２５７８８号公報

従来の空燃比センサ診断装置で空燃比センサの異常診断の評価指標とされているセンサ出力の傾きは、時々刻々変化する値であり、空燃比が変動した直後に大きく、それから次第に小さくなる傾向がある。またセンサ出力の傾きを空燃比センサの異常診断指標とする場合には、センサ出力における所定の２点間の傾きを用いることになり、診断に用いるデータ数が少ないものとならざるを得ない。このため、センサ出力の傾きを診断指標とする従来の空燃比センサ診断装置は、外乱に対して強い診断になりにくく、また診断精度についても必ずしも十分といえず、さらなる改善の余地がある。

本発明は、このような事情を背景になされたものであり、空燃比センサ診断装置について外乱に対する安定性や診断精度を改善することを課題としている。

空燃比センサの応答は、空燃比が大きく変動する状態であれば一次遅れ系ないし高次遅れ系で近似することができる。そしてその一次遅れ系ないし高次遅れ系を表す式における係数またはこの係数から求めることのできる空燃比センサの時定数は空燃比センサの応答性に依存して定まり、しかも時間に関して一定な値である。したがってこうした係数または時定数を応答性指標とすることにより、診断精度をより高めることが可能となり、また診断の外乱に対する安定性も高めることが可能となる。

以上が上記課題を解決するについての本発明における基本的な考え方である。したがって本発明では、内燃機関の空燃比を検出する空燃比センサの出力から前記空燃比センサの応答性に関する指標を求める応答性指標算出手段を備え、前記応答性指標算出手段で求めた応答性指標に基づいて前記空燃比センサの診断を行うようにされている空燃比センサの診断装置において、前記応答性指標算出手段は、前記空燃比センサの応答を近似する１次遅れ系ないし高次遅れ系を表す式における係数または前記係数から求まる前記空燃比センサの時定数を前記応答性指標として求めるようにされていることを特徴としている。

また本発明では、上記のような空燃比センサの診断装置について、所定の診断条件を満たすとして診断を許可される期間の単位である診断許可単位の１つで求める複数の前記応答性指標から平均応答性指標または最大応答性指標を求め、これら平均応答性指標または最大応答性指標に基づいて前記診断を前記診断許可単位ごとに行うようにしている。このようにすることにより、診断精度をより一層高めることができる。

また本発明では、上記のような空燃比センサの診断装置について、所定の診断条件を満たすとして診断を許可される期間の単位である診断許可単位の１つで求める複数の前記応答性指標から平均応答性指標または最大応答性指標を求めるとともに、前記平均応答性指標または最大応答性指標を複数の前記診断許可単位について平均することで複数診断許可単位平均応答性指標を求め、この複数診断許可単位平均応答性指標に基づいて前記診断を行うようにしている。このようにすることにより、診断許可単位ごとの応答性指標のばらつきを平均処理によって小さくすることができ、診断の精度をさらに一層高めることが可能となる。

また本発明では、上記のような空燃比センサの診断装置について、前記応答性指標を前記内燃機関の運転状態に応じて補正する運転状態補正手段を設け、この運転状態補正手段で補正した前記応答性指標に基づいて前記診断を行うようにしている。このようにすることにより、空燃比センサの診断に内燃機関の運転状態の影響がおよぶのを有効に避けることができ、内燃機関の運転状態に関わらず高い診断精度を保つことが可能となる。

以上のような本発明によれば、空燃比センサ診断装置について外乱に対する安定性や診断精度を改善することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に示すのは、本発明による空燃比センサ診断装置が適用される内燃機関とその周辺の模式化した構造である。

内燃機関１には吸気管２と排気管３が接続している。吸気管２の上流にはエアフローメータ５が設けられ、吸気管２の吸入空気量を検出している。エアフローメータ５の下流にはスロットルバルブ６が設けられ、吸気管２の吸入空気量を制御している。スロットルバルブ６の下流には燃料噴射装置１０が設けられている。燃料噴射装置１０は、吸気管２による吸入空気に燃料を噴射することで内燃機関１への混合気を生成するもので、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１１に設けられている空燃比制御装置１２（図２）により制御される。

空燃比制御装置による燃料噴射装置１０の燃料噴射量の制御は、空燃比センサ１３による検出空燃比に基づいて行われる。空燃比センサ１３は、排気管３の下流に設けられており、内燃機関１から排出される排気ガス中の酸素濃度から混合気の空燃比を検出するようにさている。空燃比センサ１３の下流には触媒１４が設けられ、排気ガス中の有害物質を除去して排気ガスを浄化できるようにされている。

ＥＣＵ１１には、上述の空燃比制御装置の他に、後述する空燃比センサ診断装置Ｄ１（図２）が設けられ、またクランク１５の角度を検出するクランク角センサ１６などの各種センサの診断に機能する各種診断装置（図示を省略）などが設けられている。

図２に第１の実施形態による空燃比センサ診断装置の構成を示す。空燃比センサ診断装置Ｄ１は、空燃比センサ診断プログラムをコンピュータ上で動作させるようにした診断システムとして構成され、ＥＣＵ１１に、その１つの機能要素として組み込まれるのが通常である。なお図２では、空燃比センサ診断装置Ｄ１に関連するＥＣＵ１１の部分構成として空燃比制御装置１２も示してある。

空燃比センサ１３は、経時的な劣化などで応答性を低下させる。そして空燃比センサ１３に応答性低下という異常を生じると、正しい空燃比データが得られず、空燃比制御装置１２による空燃比制御が適切に行えなくなる。つまり内燃機関１への混合気の空燃比を高効率浄化範囲に保てなくなる。そこで空燃比センサ１３の状態を常時的に診断し、異常が生じた場合にはいち早くそのことを把握できるようにする必要がある。空燃比センサ診断装置Ｄ１は、こうした空燃比センサ１３の診断に機能するもので、空燃比センサ１３の出力から空燃比センサ１３の応答性を表す指標を求め、その応答性指標に基づいて空燃比センサ１３の異常診断を行う。

こうした機能を負う空燃比センサ診断装置Ｄ１は、診断条件判定手段２１、変化率算出手段２２、時定数算出手段２３、運転状態補正手段２４、時定数平均手段２５、および判定手段２６を備えている。

診断条件判定手段２１は、診断の可否を判定する。後述するように本実施形態の空燃比センサ診断装置Ｄ１では、空燃比センサ１３の出力から求まる空燃比センサ１３の時定数を応答性指標として空燃比センサ１３の診断を行う。この場合、応答性指標として有効な時定数は、例えば内燃機関１に対する燃料カットなどにより空燃比が大きく変動する状態において得られる。図３に示すのは空燃比センサ１３の応答の例、つまり空燃比センサ１３の応答曲線（応答の時間波形）の例である。応答曲線Ｍは、燃料カットの開始により空燃比がリッチからリーンに移行し、それから燃料リカバーが開始されてリーンからリッチに戻るまでの空燃比センサ１３の出力λについてのものである。なお、実線で示す応答曲線Ｍは、空燃比センサ１３が正常な場合であり、これに重ねて点線で示す応答曲線Ｍ´は、空燃比センサ１３が異常な場合である。こうした応答曲線Ｍ、Ｍ´には、燃料カットによりリッチからリーンに移行する立上り部Ｍａ、Ｍａ´や燃料リカバーによりリーンからリッチに移行する立下り部Ｍｂ、Ｍｂ´のように空燃比が大きく変動する部分が現れ、このような空燃比変動部においてのみ応答性指標として有効な時定数が得られる。したがって空燃比センサ１３の応答曲線について立上り部Ｍａ、Ｍａ´や立下り部Ｍｂ、Ｍｂ´のような空燃比変動部を判定し、さらにその空燃比変動部について、後述の１次遅れ系ないし高次遅れ系で近似できる範囲を判定して診断許可期間の単位とすることになるが、こうした判定を行うのが診断条件判定手段２１である。すなわち診断条件判定手段２１は、診断が許可される期間の単位である診断許可単位を所定の診断条件から判定することになる。なお、診断可とするのは立上り部Ｍａ、Ｍａ´と立下り部Ｍｂ、Ｍｂ´のいずれであってもよいが、本実施形態では立下り部Ｍｂ、Ｍｂ´で診断を行うものとしている。

ここで、燃料カットは、内燃機関１を駆動させた状態で燃料噴射装置１０による燃料の噴射を停止することで、例えば車輌の減速時に一定時間スロットルが閉じた状態が継続した場合などに行われる。また燃料リカバーは、燃料カット状態の後に再び燃料噴射装置１０による燃料の噴射を行うことである。

変化率算出手段２２は、空燃比センサ１３の出力λから後述のようにしてその変化率ｄλ/ｄｔを求める。

時定数算出手段２３は、応答性指標算出手段であり、応答性指標として空燃比センサ１３のその都度の時定数を求める。時定数τは、変化率ｄλ/ｄｔをセンサ出力λで除算することで求める。ただし、時定数算出手段２３では、後述のように、時定数による応答性指標を１／τとして求める。このようにすることで、後述のように複数の点（タイミング）について時定数を求める場合の各時定数のばらつきの影響を小さくすることができる。

図３に示した空燃比センサ１３のセンサ出力λの応答曲線における立上り部や立下り部は、係数をｋ１〜ｋｎ、収束値をλｃとして、下記の（１）式で表される高次遅れ系で近似することができる。
λ＋ｋ１×ｄλ/ｄｔ＋・・・＋ｋｎ×ｄ^ｎλ/ｄｔ^ｎ＝λｃ …… （１）
この（１）式における係数ｋ１〜ｋｎは、空燃比センサ１３の応答性に依存して定まり、しかも図３の時間軸に関して変化せずに一定となる値である。したがって係数ｋ（ｋ１〜ｋｎ）を応答性指標とすることで、より精度の高い診断を行うことが可能となる。また係数ｋを応答性指標とすることで、複数のタイミングについて応答性指標を得ることができ、外乱に強い診断が可能となる。

このような係数ｋは、空燃比センサ１３の時定数τに対応している。具体的にいうと、１次遅れ系の場合は下記の（２）式で表され、係数ｋと時定数τは同じ値となる。

λ＋τｄλ/ｄｔ＝λｃ …… （２）
また例えば２次遅れ系の場合は、ｋ１＝τ１＋τ２、ｋ２＝τ１・τ２となり、３次遅れ系の場合は、ｋ１＝τ１＋τ２＋τ３、ｋ２＝τ１・τ２＋τ１・τ３＋τ２・τ３、ｋ３＝τ１・τ２・τ３となる。

こうした１次遅れ系ないし高次遅れ系を表す式における係数ｋの値は、（１）式や（２）式におけるλｃが与えられれば求めることができ、また係数ｋの値が求まれば、それから時定数τも求めることができる。したがって係数ｋと時定数τは、空燃比センサ１３の診断のための応答性指標として同値であり、いずれを応答性指標に用いてもよい。

係数ｋと時定数τのいずれを応答性指標とするにしても、これらを与える１次遅れ系ないし高次遅れ系のいずれを用いるかが問題になるが、本実施形態では１次遅れ系で近似するようにしている。このようにしたのは、一般的な内燃機関における空燃比センサの場合は１次遅れ系による近似で十分であり、また次数が少ないほど計算負荷が少なく済むという理由による。ただ、内燃機関のシステム構成などによっては、２次遅れ系ないし３次遅れ系を用いるのが適切な場合もある。１次遅れ系で近似する場合、上述のように係数ｋと時定数τは同じになる。このため本実施形態では、応答性指標算出手段が時定数算出手段２３となっているが、係数ｋを応答性指標とする場合には、係数算出手段として応答性指標算出手段を構成することになる。

ここで、（１）式や（２）式におけるｄλ/ｄｔ、つまりセンサ出力λの変化率ｄλ/ｄｔは、変化率算出手段２２により一定のタイミングで求められ、あるタイミングiにおけるｄλ/ｄｔは、下記の（３）式のように、ｉとそのｊタイミング前それぞれにおけるλの差分として求められ、本実施形態ではｊを１としている。つまり変化率算出時とそれより１タイミング前それぞれにおけるλの差分としてｄλ/ｄｔを求めるようにしている。

ｄλ/ｄｔ＝λ(i)-λ(i-ｊ) …… （３）
運転状態補正手段２４は、内燃機関１の運転状態に応じて時定数を補正し、それにより診断精度の向上に機能する。このような運転状態補正手段２４は、内燃機関１の特性に応じて設けられるもので、内燃機関１が運転状態に応じた時定数の補正を行わなくても十分な精度での診断を可能とする特性を有する場合には省略することができる。

時定数平均手段２５は、応答性指標平均手段であり、複数のタイミングのそれぞれで応答性指標として求める時定数について平均を求めるなどに機能する。このような時定数平均手段２５は、１つのタイミングでの時定数だけを応答性指標としても十分な精度で異常診断が可能な場合には省略することができる。

判定手段２６は、時定数平均手段２５で求めた平均時定数を予め設定の閾値と比較することで空燃比センサ１３の状態を判定する。

次に、以上のような空燃比センサ診断装置Ｄ１でなされる空燃比センサ１３の診断処理について説明する。図４に、空燃比センサ診断装置Ｄ１におけるセンサ異常診断処理の流れを示す。このセンサ異常診断ルーチンは、エンジンが起動されると同時に起動され、エンジンが停止するまで、空燃比センサ１３のサンプル周期（例えば１０ｍｓ）ごとに実行され続ける。

センサ異常診断では、まず診断条件判定手段２１が診断許可条件について判定する（診断条件判定処理：ステップ１０１）。具体的には、診断許可条件が満たされていれば診断許可フラグＦａに１をセットし、診断許可条件が満たされていない場合には診断許可フラグＦａに０をセットする。なお、ステップ１０１については、その詳細を後述する。

ステップ１０１に続くステップ１０２では、診断が許可されているか否かを診断条件判定手段２１が判定する（診断可否判定処理）。具体的にはＦａ＝１となっているか否かを判定し、Ｆａ＝１となっている場合には診断が許可されているとして、ステップ１０３に進む。

ステップ１０３では、応答性指標として時定数の逆数を求める。具体的には、下記の（４）式に基づいて時定数の逆数１／τを算出する（時定数算出処理）。（４）式は、（２）式におけるλｃを０として変形することで得られた式である。（４）式に基づく１／τの算出では、まず変化率算出手段２２が上述のようにしてｄλ／ｄｔを求め、それから時定数算出手段２３が（４）式により１／τを算出する。このような処理は、１次遅れ系の波形から係数の同定を行っていることにほかならない。

１／τ＝−(ｄλ／ｄｔ)／λ …… （４）
ステップ１０３で１／τを求めたら、その１／τを運転状態補正手段２４が補正する（応答性指標補正処理：ステップ１０４）。内燃機関１のシステムの構成によっては１／τが運転状態によって大きくばらつくことのあることが分かっている。そこで、運転状態による１／τの大きなばらつきが予測される場合には、そのばらつきを運転状態に基づいて補正する、つまり時定数１／τを運転状態で正規化することで、診断に運転状態の影響がおよぶことのないようし、高い診断精度を保てるようにする。本実施形態では、吸入空気量Ｑａを運転状態の指標とし、この吸入空気量Ｑａで１／τを正規化するようにしている。

図５に完全な１次遅れ系の応答を示し、図６の(ａ)に空燃比センサ１３の応答の例を示す。１／τは、図６の(ｂ)に示す診断許可期間（Ｔ３〜Ｔ４）、つまり空燃比が大きく変動して１次遅れ系や高次遅れ系で近似できるとして診断許可条件が満たされる範囲内であれば、どのタイミングで求めても概ね同じ値を示す。したがって診断には、いずれかのタイミングで求めた１つの１／τを用いるだけでも、それなりに高い精度での診断が可能であるが、診断許可期間について複数のタイミングのそれぞれで求めた複数の１／τについて平均して平均時定数１／Τを求め、その平均時定数１／Τを応答性指標とすることで、診断精度をより高いものとすることができる。このとこが本実施形態において時定数平均手段２５を設け、この時定数平均手段２５で求める平均時定数１／Τを応答性指標とする理由である。

時定数平均手段２５は、ステップ１０５〜１０８の各処理を行う。ステップ１０５では、１つの診断許可単位（診断許可期間の単位）、つまり図６における診断許可期間（Ｔ３〜Ｔ４）中に１／τの平均を取る回数ｎ（これは診断許可単位で１／τを求める回数ｎともいえる）をカウントする（平均回数カウント処理）。ステップ１０６では、ステップ１０３での処理として診断許可単位中に複数のタイミングのそれぞれで時定数算出手段２３が算出する時定数１／τを順次積算することで積算時定数１／Τadを更新しながら求める（時定数積算処理）。ステップ１０７では、診断許可単位の終了についての判定を行う（診断許可単位終了判定処理）。具体的には、診断許可フラグＦａの値を判定し、前回値が１で今回値が０になったとき、診断許可単位が終了したとしてステップ１０８に進む。ステップ１０８では、診断許可単位の終了までに取得される複数の１／τからステップ１０６で得られる１／Τadをステップ１０５によるカウント数（平均回数）ｎで除算して平均を取ることで平均時定数１／Τavを求める。

平均時定数１／Τavが求まったら、それに基づいて異常の有無を判定する（異常判定処理：ステップ１０９）。具体的には、予め実験により求めて設定してある異常判定閾値１／Τshとステップ１０８で求めた平均時定数１／Τavについて、１／Τavが１／Τshより小さいか否か、つまり１／Τsh＞１／Τavを判定し、それが肯定的な場合には空燃比センサ１３に異常が生じているとみなし、異常報知処理（ステップ１１０）に進む。ステップ１１０では、例えば警告灯を点灯するなどの適宜な警告手法により空燃比センサ１３の異常を報知する。こうしたステップ１１０を終えたら、ステップ１１１としてセンサ異常診断ルーチン終了処理を行う。具体的には、ステップ１０５のカウント数ｎとステップ１０６の１／Τadを０にリセットし、１つの診断許可単位についてのセンサ異常診断ルーチンを終了する。

以下では、ステップ１０１における処理の詳細について説明する。本実施形態では、図３に関して上述したように、空燃比センサ１３の応答曲線における立下り部Ｍｂ、Ｍｂ´、つまり燃料カット後の燃料リカバー時における応答部分で診断を行うものとしている。ところで、１次遅れ系の理想的な応答における立下りでは、図５に示すようにλは単調に減少し、ｄλ／ｄｔは単調に増加する。しかし、空燃比センサ１３からの実際の出力にあっては、診断開始の直前の条件や燃料リカバー途中で通常の運転が始まるなどの影響により、図６の(ａ)に示すように燃料リカバー開始直後と終了直前は理想的な１次遅れ系の応答から外れるのが通常である。こうした理想的な１次遅れ系で近似できない範囲については、適切な応答性指標を得られない。このため、１次遅れ系に近似できる範囲だけで診断を行うようにする必要があり、したがって診断許可条件についての判定を行うステップ１０１が必要となる。

図６の(ｂ)は、図６の(ａ)に示す空燃比センサ１３の応答における時間波形と診断許可フラグＦａの関係を示したものである。Ｆａは診断条件判定手段２１により処理される。具体的にいうと、Ｆａは、センサ異常診断ルーチンが起動されると０にセットされる。その後、時刻Ｔ３で後述する診断開始条件が満たされるとＦａが１にセットされる。図６の(ｂ)に示すように、診断開始条件が満たされてから後述の診断終了条件が満たされるまで、つまり診断許可期間では、λが１次遅れ系に近似できる範囲であり、その間を通じてＦａは1にセットされ続ける。そして時刻Ｔ４において診断終了条件が満たされると、Ｆａは０にセットされ、次に診断開始条件が満たされるまで０にセットされ続ける。

以上がステップ１０１でなされる処理の背景と概略である。こうしたステップ１０１における処理の流れを図７に示す。まずステップ２０１で診断許可フラグＦａを０にリセットする（診断許可フラグリセット処理）。ステップ２０２では、ＥＣＵ１１から得られる燃料カットフラグ情報に基づいて燃料カットの開始を判定する（燃料カット開始判定処理）。燃料カットの開始が検出されと、ステップ２０３で空燃比リーン判定処理を行う。具体的には、空燃比センサ１３からの出力λが所定のリーン判定空燃比λLよりもリーンになったか否かを判定する。それには空燃比が徐々にリーンに向かい出力λが空燃比λLに達するまで待機することになる。これは図６の(ｂ)における時刻Ｔ１のタイミングまで待機することを意味する。ここで、λLは空燃比センサ１３のリーン側の出力範囲の上限値付近に設定するのが好ましい。本実施形態では、λLを空燃比センサ１３のリーン側の出力範囲の上限値の９９％に設定している。

ステップ２０３で空燃比が所定のリーン状態になったと判定されたら、ステップ２０４に進み、燃料カット継続時間Ｔcutを計測する燃料カット継続時間計測処理を行う。ここで計測した燃料カット継続時間Ｔcutは、後述のように診断許可条件の１つとして用いられる。

続くステップ２０５では、燃料リカバー開始判定処理を行う。具体的には、ステップ２０３でλLより大きくなったλが、再びλLより小さくなることを検出し、その時点を燃料リカバーの開始時点と判定する。これは、図６の(ｂ)における時刻Ｔ２のタイミングを検出したことに相当する。

燃料リカバー開始を検出したら、ステップ２０６として燃料カット継続時間判定処理を行う。具体的には、ステップ２０４で求めた燃料カット継続時間Ｔcutと予め実験的に求めて設定されている燃料カット継続時間閾値ＴshについてＴcut＞Ｔshを判定し、それが肯定的な場合、つまりＴcutがＴshより大きい場合にはステップ２０７に進み、否定的な場合、つまりＴcutがＴshより小さい場合には診断を禁止する。

ここで、内燃機関のシステム構成によっては、燃料リカバー直前の影響が燃料リカバー後も長い間減衰しにくく、燃料リカバー直前の影響が燃料リカバー後におよぶことで診断の精度が低下するおそれのある場合がある。しかしこれについては、燃料カット継続時間が一定以上であれば、そうした事態を避けることが可能であるとの知見が得られている。こうした知見に基づいたのがステップ２０６の燃料カット継続時間判定処理であり、この処理を行うことにより、内燃機関のシステム構成に関係なく高精度な診断が可能となる。したがって燃料カット継続時間判定処理は、内燃機関のシステム構成によっては必ずしも必要でなく、省略することができる。燃料カット継続時間判定処理を省略する場合には、当然にステップ２０４での計測燃料カット継続時間計測処理も省略することになる。

ステップ２０７は、診断開始を実質的に制御するステップである。このステップ２０７では、空燃比センサ１３の出力λの変化率ｄλ／ｄｔを判定する（センサ出力変化率単調増加性判定処理）。具体的には変化率ｄλ／ｄｔが単調増加にあるか否かを判定し、単調増加と判定されればステップ２０８に進む。この処理は、燃料リカバー直前の影響がなくなり、１次遅れ系で近似できるようになるまで待機していることに相当し、図６の(ｂ)における時刻Ｔ３のタイミングから診断を許可することに相当する。

ステップ２０８は、診断終了を制御するステップである。前述のように燃料リカバー中の１次遅れの応答ではλが単調に減少する。このことを利用してステップ２０８では診断許可単位の終了を判定する。具体的には、λが単調に減少しているか否かをｄλ／ｄｔの正負から判定し、ｄλ／ｄｔが正になった場合に単調減少が終了して診断許可単位が終了したと判定し、診断禁止とする。これは、図６の(ｂ)における時刻Ｔ４のタイミングを判定していることに相当する。

ステップ２０９では、診断条件が成立している場合、つまりステップ２０７とステップ２０８それぞれの判定結果が肯定的である場合に診断許可フラグＦａを１にセットする。

以上のように本実施形態の空燃比センサ診断装置Ｄ１では、空燃比センサ１３の診断のための応答性指標として、時間に関して一定であり、しかも多数の点（タイミング）について取得することが可能な空燃比センサ１３の時定数を用いるようにしている。このため精度が高く外乱にも強い診断が可能となる。また本実施形態では、時定数を応答性指標とするについて、複数のタイミングについて取得した時定数から平均時定数を求め、これを応答性指標として診断を行うようにしている。このためより一層、診断精度を高めることができる。

以下では第２の実施形態について説明する。図８に、第２の実施形態による空燃比センサ診断装置の構成を示す。本実施形態の空燃比センサ診断装置Ｄ２は、基本的には第１の実施形態の空燃比センサ診断装置Ｄ１と同様で、空燃比センサ診断装置Ｄ１が平均時定数を応答性指標としていたのに対し、最大時定数を応答性指標とする点で相違している。すなわち空燃比センサ診断装置Ｄ２は、空燃比センサ診断装置Ｄ１の時定数平均手段２５に代えて最大時定数検索手段２７を最大応答性指標検索手段として備えいる。この他の構成については空燃比センサ診断装置Ｄ１と同一なので、共通する要素については図２と同一の符号を付し、それらについての説明は適宜省略する。

図９に、空燃比センサ診断装置Ｄ２におけるセンサ異常診断処理の流れを示す。このセンサ異常診断ルーチンは、ステップ３０１〜ステップ３１０の各処理を含む。ただしステップ３０１〜ステップ３０４の各ステップでなされる処理は、図４におけるステップ１０１〜ステップ１０４の各ステップでなされる処理と同一であり、またステップ３０７でなされる処理は、図４におけるステップ１０７でなされる処理と同一であり、さらにステップ３０９でなされる処理は、図４におけるステップ１１０でなされる処理と同一であるので、これらの処理については説明を省略する。

ステップ３０５とステップ３０６では、複数のタイミングについて求めた複数の時定数１／τの中から最大の時定数１／Τmaxを最大時定数検索手段２７が検索して抽出する（最大時定数抽出処理）。具体的には、各タイミングにおいて順に１／τ_１、１／τ_２、…１／τ_ｉとして時定数が求められるとして、前回タイミングまでの１／τ_１、１／τ_２、…１／τ_ｉ−１の中から既に抽出されている仮の最大時定数１／Τmaxtと今回タイミングで求めた１／τ_ｉをステップ３０５で比較し、１／τ_ｉが１／Τmaxtよりも大きい場合にはステップ３０６において１／τ_ｉを仮の最大時定数１／Τmaxtとして記憶する（最大時定数格納処理）。こうしたステップ３０５とステップ３０６をステップ３０７で診断許可単位終了の判定がなされるまで繰り返すことにより、診断許可単位中に得られる複数の時定数１／τの中から最大時定数１／Τmaxを抽出することができる。

最大時定数１／Τmaxが抽出されたら、ステップ３０８で異常判定処理を行う。具体的には、予め実験により求めて設定してある異常判定閾値１／Τshと最大時定数１／Τmaxについて、１／Τmaxが１／Τshより小さいか否か、つまり１／Τsh＞１／Τmaxを判定し、それが肯定的な場合には空燃比センサ１３に異常が生じているとみなし、ステップ３０９で異常報知を行う。こうしたステップ３０９を終えたら、ステップ３１０としてセンサ異常診断ルーチン終了処理を行う。具体的には、ステップ３０６の１／Τmaxを０にリセットしてセンサ異常診断ルーチンを終了する。

以上のように最大時定数を実際の応答性指標とする本実施形態の空燃比センサ診断装置Ｄ２では、応答が最も早い場合の評価ができ、正常な場合と異常な場合とでの空燃比センサ１３の応答性の違いをより精密に評価することができる。

以下では第３の実施形態について説明する。第３の実施形態による空燃比センサ診断装置は、その構成において図２の空燃比センサ診断装置Ｄ１と同じとされるか、または空燃比センサ診断装置Ｄ１に図８の空燃比センサ診断装置Ｄ２における最大時定数検索手段２７を追加した構成とされる。

本実施形態は、センサ異常診断処理の仕方に特徴がある。すなわち第１や第２の各実施形態では診断許可単位について求めた平均時定数や最大時定数を応答性指標として診断許可単位ごとに診断を行うようにしていたのに対し、本実施形態では、複数の診断許可単位について時定数の平均を求め、それにより得られる複数診断許可単位平均時定数（複数診断許可単位平均応答性指標）を応答性指標として診断を行うようにしている。

図１０に、第３の実施形態におけるセンサ異常診断処理の流れを示す。このセンサ異常診断ルーチンは、ステップ４０１〜ステップ４１２の各処理を含む。ただしステップ４０１とステップ４０２の各ステップでなされる処理は、図４におけるステップ１０１とステップ１０２の各ステップでなされる処理と同一であり、またステップ４０４でなされる処理は、図４におけるステップ１０４でなされる処理と同一であり、さらにステップ４１１でなされる処理は、図４におけるステップ１１０でなされる処理と同一であるので、これらの処理については説明を省略する。

ステップ４０２で診断許可フラグＦａを判定し、Ｆａ＝１となっている場合には診断が許可されているとして、ステップ４０３に進む。ステップ４０３では、診断許可単位ごとの代表時定数１／Ｔrpを求める。代表時定数１／Ｔrpとしては、平均時定数と最大時定数のいずれでもよい。

代表時定数１／Ｔrpが求まったら、ステップ４０４で１／Ｔrpを運転状態補正手段２４により補正してステップ４０５に進む。ステップ４０５〜４０９は、時定数平均手段２５により実行される。ステップ４０５では、所定回数の診断許可単位について１／Ｔrpを積算するために、積算回数Ｎをカウントする（積算回数カウント処理）。ステップ４０６では、ステップ４０３において診断許可単位ごとに求める平均時定数１／Ｔavを順次積算することで複数診断許可単位積算時定数１／Ｔgを更新しながら求める（診断許可単位代表時定数の積算処理）。この積算処理は、積算回数Ｎが所定の空燃比変動回数Ｎshに達するまで繰り返す。そのためにステップ４０７で積算回数Ｎが空燃比変動回数Ｎshに達したか否かを判定する（積算回数判定処理）。積算回数Ｎが空燃比変動回数Ｎshに達したと判定されたらステップ４０９に進む。ステップ４０９では、空燃比変動回数Ｎshだけ平均時定数１／Ｔrpを積算して得られた複数診断許可単位積算時定数１／ＴgをＮshで除算して平均を取ることで複数診断許可単位平均時定数１／Ｔnavを求める（複数診断許可単位平均時定数算出処理）。

複数診断許可単位平均時定数１／Ｔnavが求まったら、それに基づいて異常の有無を判定し（異常判定処理：ステップ４１０）、その結果が異常有りであればステップ４１１で異常を報知する。ステップ４１１を終えたら、ステップ４１２として、カウント数Ｎ、代表時定数１／Ｔrp、積算時定数１／Ｔgのそれぞれを０にリセットして診断を続行する。

以上のような第３の実施形態によれば、複数診断許可単位についての平均時定数を応答性指標としたことにより、診断許可単位ごとの時定数のばらつきを平均処理によって小さくすることができ、診断の精度をさらに一層高めることが可能となる。

以下では第４の実施形態について説明する。第１〜第３の各実施形態では、空燃比が大きく変動する場合として燃料リカバー時の空燃比変動つまりリーンからリッチの空燃比変動を利用して診断を行うようにしていた。これに対して本実施形態では、燃料カットにより空燃比がリッチからリーンになる場合の空燃比変動（図６の応答曲線における立上り部）を利用して診断を行う。リッチ‐リーン空燃比変動により診断を行う場合も、空燃比センサ診断装置の構成は、第１の実施形態や第２の実施形態における空燃比センサ診断装置のそれと同じでよい。本実施形態では、第２の実施形態における空燃比センサ診断装置Ｄ２を用いるものとしている。

図１１に、本実施形態におけるセンサ異常診断処理の流れを示す。このセンサ異常診断ルーチンは、ステップ５０１〜ステップ５１０の各処理を含む。ただしステップ５０１とステップ５０３を除いて図９のセンサ異常診断ルーチンと同じである。すなわちステップ５０２でなされる処理は、図９におけるステップ３０２でなされる処理と同一であり、ステップ５０４〜ステップ５１０の各ステップでなされる処理は、図９におけるステップ３０４〜ステップ３１０の各ステップでなされる処理と同一であるので、これらの処理については説明を省略する。

ステップ５０１では、診断許可条件の判定処理がなされる。具体的には、診断許可条件が満たされていれば診断許可フラグＦａに１をセットし、診断許可条件が満たされていない場合には診断許可フラグＦａに０をセットする。なお、ステップ５０１については、その詳細を後述する。

ステップ５０３では、応答性指標として時定数の逆数を求める。具体的には、空燃比センサ１３のリーン側出力範囲上限値をλｃとして、下記の（５）式に基づいて時定数の逆数１／τを算出する（時定数算出処理）。（４）式は、（２）式を変形することで得られた式である。（５）式に基づく１／τの算出では、まず変化率算出手段２２が上述のようにしてｄλ／ｄｔを求め、それから時定数算出手段２３が（５）式により１／τを算出する。

１／τ＝(ｄλ／ｄｔ)／（λｃ−λ） …… （５）
図１２に、ステップ５０１における処理の流れを示す。まずステップ６０１で診断許可フラグＦａを０にリセットする（診断許可フラグリセット処理）。ステップ６０２では、ＥＣＵ１１から得られる燃料カットフラグ情報に基づいて燃料カットの開始を判定する（燃料カット開始判定処理）。

燃料カットの開始が検出されと、ステップ６０３で診断許可単位の開始点を判定する。燃料カット時の応答は、外乱の影響があると、図１３に示すように、燃料カット開始直後に一旦リッチになってからリーンになることがある。この外乱の影響を受けないようにするために、空燃比が所定の開始基準値λR１を超えた時点を診断許可単位の開始点とする。すなわちステップ６０３では、空燃比センサ１３の出力λと開始基準空燃比λR１についてλ＞λR１を判定し、それが肯定的なった時点を診断許可単位の開始点とする。

ステップ６０４では診断許可単位の終了点を判定する。診断は空燃比が所定の終了基準値λR2を超えるまで許可する。空燃比がある程度リーンになると、酸素濃度の差が小さくなり、条件によらず空燃比センサ１３が同様の応答を示す。終了基準値λR2は、このような状況で診断しないようにするために設定されものであり、空燃比センサ１３の出力λが終了基準値λR2を超えた時点を診断許可単位の終了点とする。すなわちステップ６０４では、λ＜λR2を判定し、それが肯定的である間は診断可とし、否定的になった時点を診断許可単位の終了点とする。

ステップ６０５では、診断条件が成立している場合、つまりステップ６０３とステップ６０４それぞれの判定結果が肯定的である場合に診断許可フラグＦａを１にセットする。

以上のようにリッチ‐リーン空燃比変動時に診断を行う第４の実施形態でも第１の実施形態と同様に、精度が高く外乱にも強い診断が可能となり、また最大時定数を応答性指標としていることにより、第２の実施形態の場合と同様に、応答が最も早い場合の評価ができ、正常な場合と異常な場合とでの空燃比センサ１３の応答性の違いをより精密に評価することができる。

以上、本発明を実施するための形態のいくつかについて説明したが、これは代表的な例に過ぎず、本発明は、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。

本発明による空燃比センサ診断装置が適用される内燃機関とその周辺の模式化した構造を示す図である。 第１の実施形態による空燃比センサ診断装置の構成を示す図である。 空燃比センサの応答例を示す図である。 第１の実施形態による空燃比センサ診断装置におけるセンサ異常診断処理の流れを示す図である。 完全な１次遅れ系の応答を示す図である。 空燃比センサの応答例と診断許可単位の関係を示す図である。 第１の実施形態における診断条件判定処理の流れを示す図である。 第２の実施形態による空燃比センサ診断装置の構成を示す図である。 第２の実施形態による空燃比センサ診断装置におけるセンサ異常診断処理の流れを示す図である。 第３の実施形態による空燃比センサ診断装置におけるセンサ異常診断処理の流れを示す図である。 第４の実施形態による空燃比センサ診断装置におけるセンサ異常診断処理の流れを示す図である。 第４の実施形態における診断条件判定処理の流れを示す図である。 空燃比がリッチからリーンに変わるときの実際の空燃比センサの応答を説明する図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１３ 空燃比センサ
２３ 時定数算出手段（応答性指標算出手段）
２４ 運転状態補正手段
２５ 時定数平均手段（応答性指標平均手段）
２７ 最大時定数検索手段（最大応答性指標検索手段）
Ｄ1、Ｄ２ 空燃比センサ診断装置

Claims (4)

1. 内燃機関の空燃比を検出する空燃比センサの出力から前記空燃比センサの応答性に関する指標を求める応答性指標算出手段を備え、前記応答性指標算出手段で求めた応答性指標に基づいて前記空燃比センサの診断を行うようにされている空燃比センサの診断装置において、
   前記応答性指標算出手段は、前記空燃比センサの応答を近似する１次遅れ系ないし高次遅れ系を表す式における係数または前記係数から求まる前記空燃比センサの時定数を前記応答性指標として求めるようにされていることを特徴とする空燃比センサの診断装置。
2. 所定の診断条件を満たすとして診断を許可される期間の単位である診断許可単位の１つで求める複数の前記応答性指標から平均応答性指標または最大応答性指標を求め、これら平均応答性指標または最大応答性指標に基づいて前記診断を前記診断許可単位ごとに行うようにされていることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの診断装置。
3. 所定の診断条件を満たすとして診断を許可される期間の単位である診断許可単位の１つで求める複数の前記応答性指標から平均応答性指標または最大応答性指標を求めるとともに、前記平均応答性指標または最大応答性指標を複数の前記診断許可単位について平均することで複数診断許可単位平均応答性指標を求め、この複数診断許可単位平均応答性指標に基づいて前記診断を行うようにされていることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの診断装置。
4. 前記応答性指標を前記内燃機関の運転状態に応じて補正する運転状態補正手段を備え、この運転状態補正手段で補正した前記応答性指標に基づいて前記診断を行うようにされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の空燃比センサの診断装置。

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