JP2008261289A - 空燃比センサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空燃比センサの誤設置を検出する。
【解決手段】 内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素とむだ時間要素とによりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力と空燃比センサから得られる出力とに基づき、少なくともむだ時間要素におけるむだ時間を同定する手段と、この同定されたむだ時間に基づき当該むだ時間の異常を判定する手段とを備える。空燃比センサの設置位置を誤るとむだ時間が正常時より変化するので、実際のむだ時間を同定しその異常を判定することで、空燃比センサの誤設置を検出できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常を診断する装置に関する。

触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの特定成分の濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサを設け、その検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるようフィードバック制御を実施している。

ところで、空燃比センサに劣化、故障等の異常を来すと、正確な空燃比フィードバック制御が実行できなくなり排ガスエミッションが悪化する。よって空燃比センサの異常を診断することが従来から行われている。特に、自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で空燃比センサの異常を検出することが各国法規等からも要請されている。

特許文献１には、オープンループ制御により空燃比を周期的に増減し、これに伴って増減する空燃比センサ出力の軌跡長又は面積に基づいて空燃比センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置が開示されている。また、特許文献２には、燃料の噴射から触媒下流の空燃比センサ出力までの系をモデル化し、このモデルの伝達関数を一次遅れ要素とむだ時間要素とで表し、このモデルにおいて逐次同定された同定パラメータ（比例定数、遅れの時定数、むだ時間）に基づいて空燃比フィードバック制御ゲインを逐次変更することが開示されている。同定されたむだ時間は触媒の劣化診断にも利用される。

特開２００５−３０３５８号公報 特開２００４−３６０５９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、空燃比センサの異常自体は特定できるものの、その異常の詳細までは特定することができない。また、特許文献２に記載の技術は空燃比フィードバック制御の制御ゲインの最適化を狙ったものであり、これに付随して触媒の劣化診断は行えるものの、空燃比センサの異常診断を行うことはできない。

ところで、空燃比センサの異常に関し、センサの組み付け時或いは交換時にセンサの組み付け位置を誤る誤設置の問題がある。この誤設置が起こると、センサ自体が異常であるときと同様に、所望の空燃比フィードバック制御が実行できなくなり、排ガスエミッションが悪化してしまう。

よって本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、空燃比センサの誤設置を検出可能な空燃比センサの異常診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素とむだ時間要素とによりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力と空燃比センサから得られる出力とに基づき、少なくとも前記むだ時間要素におけるむだ時間を同定する同定手段と、
該同定手段により同定されたむだ時間に基づき、当該むだ時間の異常を判定する異常判定手段と
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

空燃比センサの設置位置を誤ると、燃焼室から空燃比センサまでの排気通路長が変化し、むだ時間が正常時よりも変化する。よって、入力及び出力に基づき実際のむだ時間を同定（若しくは推定）し、むだ時間の異常を判定することで、空燃比センサの誤設置を検出することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記同定手段が、前記入力と前記出力とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータをも同定し、
前記異常判定手段が、前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常をも判定する
ことを特徴とする。

この第２の形態によれば、単に空燃比センサの異常が検出されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が検出される。よって空燃比センサの複数の特性のうち、いずれが異常なのかを判別することができ、空燃比センサの異常診断をより緻密且つ詳細に実行することができる。

本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。

この第３の形態によれば、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常が判定されるので、その少なくとも二つの特性の異常を個別に判定でき、空燃比センサの異常診断として極めて好適なものとすることができる。

本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくともゲインと時定数であり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも出力と応答性であることを特徴とする。

空燃比センサの特性のうち、出力と応答性はセンサの性能を左右するような重要な特性である。この第４の形態によれば、少なくとも、これら重要な二つの特性の異常を診断できるので、空燃比センサの異常診断として極めて好適である。

本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記同定手段が、前記むだ時間要素におけるむだ時間と、前記一次遅れ要素におけるゲイン及び時定数とを同時に同定する
ことを特徴とする。

本発明の第６の形態は、前記第５の形態において、
前記異常判定手段が、前記同定されたむだ時間に基づいて前記むだ時間の異常を判定すると同時に、前記同定されたゲイン及び時定数に基づいて前記空燃比センサの出力及び応答性の異常を判定する
ことを特徴とする。

これら第５及び第６の形態によれば、三つのパラメータの同定及び三つの異常判定を同時に効率良く行うことができる。

本発明の第７の形態は、前記第１乃至第６のいずれかの形態において、
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方を補正するバイアス補正手段を備える
ことを特徴とする。

これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を向上することができる。

本発明の第８の形態は、前記第７の形態において、
前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
このアクティブ制御中におけるバイアス補正後の入出力データを、アクティブ制御の開始時から所定時間を経過した時点からサンプリングする遅延サンプリング手段と
を備え、
前記同定手段が、前記遅延サンプリング手段によりサンプリングされた入出力データに基づき、少なくとも前記むだ時間を同定する
ことを特徴とする。

これによれば、同定値に悪影響を与えるようなアクティブ制御開始直後の初期データを排除でき、同定値のロバスト性を向上することができる。

本発明の第９の形態は、前記第７の形態において、
前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
このアクティブ制御中におけるバイアス補正後の入出力データを増大補正する増大補正手段と
を備え、
前記同定手段が、前記増大補正手段により増大補正された入出力データに基づき、少なくとも前記むだ時間を同定する
ことを特徴とする。

これによりノイズの影響を低減し、同定値の精度及びロバスト性を向上することができる。

本発明の第１０の形態は、前記第１乃至第９のいずれかの形態において、
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力を補正する燃料補正手段を備える
ことを特徴とする。

これにより同定精度を向上することが可能となる。

本発明によれば、空燃比センサの誤設置を好適に検出することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン、１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１１，１９が取り付けられている。上流側触媒１１の前後の位置にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１７，１８、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。これら触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８は排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ_２センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１，１９に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に等しくなるように、空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、燃焼室３内に流入する混合気の空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致させるような基本噴射量を算出する。そして、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比と目標空燃比Ａ／Ｆｔとの差に応じて基本噴射量をフィードバック補正し、この補正後の噴射量に応じた通電時間だけインジェクタ１２を通電（オン）する。この結果、触媒１１，１９に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１，１９において最大の浄化性能が発揮されるようになる。このようにＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。なお、触媒後センサ１８は、このような空燃比フィードバック制御における空燃比ズレを補正するために設けられている。

次に、本実施形態における空燃比センサの異常診断について説明する。本実施形態で診断対象となるのは上流側触媒１１の上流側に設置された空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７である。

当該異常診断においては、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が一次遅れ要素とむだ時間要素とによりモデル化され、触媒前センサ１７に与えられる入力と、触媒前センサ１７から得られる出力とに基づき、むだ時間要素におけるむだ時間が同定（推定）される。そして、この同定されたむだ時間に基づき、当該むだ時間の異常が判定される。

入力として、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑ、即ち入力空燃比Ａ／Ｆｉｎが用いられる。以下、入力をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ａ／Ｆｉｎ＝Ｇａ／Ｑ）。他方、出力として、触媒前センサ１７の出力電流値から換算される空燃比、即ち出力空燃比Ａ／Ｆｏｕｔが用いられる。以下、出力をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｏｕｔ）。入力ｕ（ｔ）を触媒前センサ１７に与えたときの出力ｙ（ｔ）の出方からむだ時間を同定し、この同定されたむだ時間に基づき当該むだ時間の異常が判定される。

これと併せて、本実施形態では、前記入力と前記出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータが同定（推定）される。そして、この同定されたパラメータに基づき、触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。

図２に示すように、本実施形態では、空燃比センサの異常診断の際に、入力ｕ（ｔ）を強制的に振動させるアクティブ制御が実行される。このアクティブ制御では、目標空燃比Ａ／Ｆｔひいては入力ｕ（ｔ）が、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるように、一定周期で振動させられる。そしてこれに伴って、触媒前センサ１７で検出される空燃比即ち出力ｙ（ｔ）が、入力ｕ（ｔ）の振動に追従するように振動させられる。目標空燃比Ａ／Ｆｔ及び入力ｕ（ｔ）の振動における中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされ、その振動の振幅は通常の空燃比制御のときより大きく、例えば空燃比で０．５などとされる。

このように異常診断時にアクティブ制御を実行する理由は、空燃比を通常時より敢えて大きく急激に変化させて触媒前センサ１７の異常診断を行い易くするためであり、また、アクティブ制御がエンジンの定常運転時に実行されることから、各制御量及び各検出値が安定し、診断精度が向上するからである。しかしながら、通常の空燃比制御時に異常診断を実行するようにしてもよい。

図示されるように、入力ｕ（ｔ）はステップ状の波形であり、これに対し出力ｙ（ｔ）は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力ｕ（ｔ）から出力ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。このむだ時間Ｌは、シリンダ内の燃焼室３に存在する混合気が燃焼した時からこの燃焼に基づく排気ガスが触媒前センサ１７に到達する時までの時間差に相当する。実用上は、むだ時間Ｌの開始時点を例えば点火時又は排気弁開弁時とすることができる。もっとも、むだ時間全体に比べると点火時から排気弁開弁時までの時間は極短いので、いずれに設定しても精度上特に差し支えない。

さて、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系は、一次遅れ要素Ｇ_１（ｓ）＝Ｋ／（１＋Ｔｓ）とむだ時間要素Ｇ_２（ｓ）＝ｅ^−ｓＬの積である伝達関数Ｇ（ｓ）＝（Ｋ／（１＋Ｔｓ））・ｅ^−ｓＬによりモデル化される。ここで、Ｋは触媒前センサ１７のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１７の時定数を表す。ゲインＫは、触媒前センサ１７の特性のうち出力に関わるパラメータであり、他方、時定数Ｔは、触媒前センサ１７の特性のうち応答性に関わるパラメータである。図２において、出力ｙ（ｔ）を表す実線は触媒前センサ１７が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１７の出力特性に異常が生じると、ゲインＫが正常時より大きくなり、ａで示す如くセンサ出力が増大（拡大）するか、またはゲインＫが正常時より小さくなり、ｂで示す如くセンサ出力が減少（縮小）する。よって、同定されたゲインＫを所定値と比較することでセンサ出力の増大異常又は減少異常を特定することができる。他方、触媒前センサ１７の応答性に異常が生じると、殆どの場合、時定数Ｔが正常時より大きくなり、ｃで示す如くセンサ出力が遅れて出てくるようになる。よって、同定された時定数Ｔを所定値と比較することでセンサの応答性異常を特定することができる。

ところで、このような触媒前センサ１７自体の異常の他に、触媒前センサ１７の組み付け時或いは交換時に触媒前センサ１７の組み付け位置を誤る誤設置という異常がある。例えば、触媒前センサ１７を触媒後センサ１８のための穴に組み付けてしまった場合などである。この誤設置が起こると、ＥＣＵ２０側には本来予定していないセンサ出力が入力されることになり、センサ自体が異常であるときと同様に所望の空燃比制御が実行できなくなり、排ガスエミッションが悪化する。また、触媒前センサ１７が正常位置に設置された場合であっても、触媒前センサ１７の上流側の排気通路に何等かの異常が発生し、センサ出力が正常時よりも遅れて（或いは希に早く）ＥＣＵ２０に入力されることがあり、このときも所望の空燃比制御が妨げられて排ガスエミッションが悪化する。さらに、ガスがセンサに接触してからセンサ出力が発生するまでの未反応時間が、センサ劣化により長期化する場合もある。この場合はセンサ自体の異常であり、触媒後センサ１８のような所謂Ｏ_２センサにおいて特に問題となる。

本発明者は、これらの異常が全てむだ時間に影響を及ぼす点に着目し、実際のむだ時間を同定することでこれらの異常を検出し得ることを見出した。例えば、触媒前センサ１７を燃焼室３からより遠い位置に誤って設置してしまった場合にはむだ時間が正常時よりも長期化し、触媒前センサ１７を燃焼室３からより近い位置に誤って設置してしまった場合にはむだ時間が正常時よりも短期化する。また、触媒前センサ１７の上流側に何等かの異常が発生し排気ガスの流通状態が変化すれば、むだ時間が正常時よりも変化する。触媒前センサ１７の未反応時間がセンサ劣化により長期化すれば、むだ時間も正常時より長期化する。よって、同定したむだ時間を予め定められた異常判定値と比較することにより、むだ時間の異常を検出し、誤設置をはじめとする触媒前センサ１７に関連した上記の異常を検出することができる。

また、本実施形態では、むだ時間Ｌ、ゲインＫ及び時定数Ｔという三つのパラメータが同時に同定され、それぞれに対応したむだ時間の異常、センサ出力の異常及びセンサ応答性の異常という三つの異常が同時に判定される。よってこれらの異常を同時且つ個別に診断することができる。

次に、ＥＣＵ２０によって実行されるむだ時間Ｌ、ゲインＫ及び時定数Ｔの同定について説明する。

前述したように、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系の伝達関数Ｇ（ｓ）は次式（１）で表される。

また、この系に対する入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）のラプラス変換をＵ（ｓ），Ｙ（ｓ）とすると、次式（２）が成立する。

式（２）の両辺の自然対数をとって次式（３）が得られる。

ところで、例えば入力ｕ（ｔ）のラプラス変換Ｕ（ｓ）は次式（４）で表される。

ここでＣは複素数であり、ｓ∈ＣはｓがＣの要素であることを意味する。実数Ｒは複素数Ｃの部分集合であるから、ｓを実数に選んでも式（２）は成立する。従って、ｓ＝σ（σ＞０，σ∈Ｒ）をＴσ≒０が成立するほど十分小さい値であると仮定して、ｌｎ（１＋Ｔσ）を

とテーラ展開すると、式（３）は以下のように変形できる。

Δはサンプリング時間であり、ｕ[i]＝ｕ（Δ・ｉ）、ｉ＝１，・・・はサンプルデータ列である。同様にＹについても以下のような近似式を用いる。

が得られる。
（１５）式から分かるように、ゲインＫの同定値は唯一つ定まるのに対し、時定数Ｔとむだ時間Ｌの同定値についてはＴ_ａ〜Ｔ_ｃ，Ｌ_ａ〜Ｌ_ｃの各三つの候補がある。実用上は、打ち切り誤差や数値計算誤差などを考慮し、Ｔ_ａ〜Ｔ_ｃ，Ｌ_ａ〜Ｌ_ｃから適切な同定値を算出し得るような各一つを予め選択し、最終同定値として採択するようにする。例えばＫ，Ｔ_ａ，Ｌ_ａが最終的に同定されるゲイン、時定数、むだ時間の組み合わせとなる。なお、（６）式の打ち切り次数に応じて時定数Ｔとむだ時間Ｌの同定値候補数が変化する。この例では４次までで打ち切って三つの候補を得たが、例えば、３次までで打ち切れば二つの候補が得られ、２次までで打ち切れば唯一つの候補が定まる。

上述の同定では、入出力の値がサンプリング時間毎にＥＣＵ２０のバッファに順次記憶されていき、所定数のデータが貯まった時点でこれらデータを全て用い、上述の計算により最小自乗法を用いてゲインＫ、時定数Ｔ及びむだ時間Ｌが同時に同定される。

こうして同定されたゲインＫ、時定数Ｔ及びむだ時間Ｌを用いて、ＥＣＵ２０により次のように異常判定が実行される。まず、同定された時定数Ｔが所定の時定数異常判定値Ｔｓより大きい場合、応答遅れが生じており、触媒前センサ１７は応答性異常であると判定される。他方、同定された時定数Ｔが時定数異常判定値Ｔｓ以下の場合、触媒前センサ１７は応答性に関して正常と判定される。

また、同定されたゲインＫが所定のゲイン増大異常判定値Ｋｓ１より大きい場合、触媒前センサ１７は出力増大異常であると判定され、同定されたゲインＫが所定のゲイン縮小異常判定値Ｋｓ２（＜Ｋｓ１）より小さい場合、触媒前センサ１７は出力減少異常であると判定される。同定されたゲインＫがゲイン縮小異常判定値Ｋｓ２以上で且つゲイン増大異常判定値Ｋｓ１以下の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常であると判定される。

さらに、同定されたむだ時間Ｌが所定のむだ時間増大異常判定値Ｌｓ１より大きい場合、むだ時間は増大異常であると判定され、同定されたむだ時間Ｌが所定のむだ時間縮小異常判定値Ｌｓ２（＜Ｌｓ１）より小さい場合、むだ時間は減少異常であると判定される。同定されたむだ時間Ｌがむだ時間縮小異常判定値Ｌｓ２以上で且つむだ時間増大異常判定値Ｌｓ１以下の場合、むだ時間は正常であると判定される。

このように本発明に係る異常診断によれば、空燃比センサに関するむだ時間の異常を好適に検出することができる。そしてむだ時間異常の要因となるような誤設置等の異常をも好適に検出することができる。また、単に空燃比センサ自体の異常に止まらず、空燃比センサの個々の特性（出力及び応答性）の異常を好適に検出できる。そして、これら三つの異常を同時且つ個別に検出できる。よって空燃比センサの異常診断として極めて好適なものを実現することが可能となる。

図３には、正常な触媒前センサ１７についてゲインＫ、時定数Ｔ及びむだ時間Ｌを同定した結果を示す。図３（Ａ）はアクティブ制御によって強制振動される入力（破線）と出力（実線）とを示す。なお、図示される入力及び出力は後述する各補正を行った後の値である。

図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）にはそれぞれゲインＫ、時定数Ｔ及びむだ時間Ｌの同定値の推移を示す。なお、同一の入出力データに対して、破線はパソコン上でシミュレーションした結果を示し、実線は実際にＥＣＵ２０上で計算した結果を示す。演算精度の関係で両者の値は若干ずれているが、ほぼ同じ結果を得ていることが分かる。

図示例では、入出力データが５００サンプル取得された時点から各同定値の計算が開始され、その後１サンプル毎に各同定値が計算されている。本結果から、約７００サンプル以上で各同定値が安定していることが分かる（図３（Ｄ）破線円参照）。よって実際にはＥＣＵ２０が、各同定値が安定し始めるような所定数（例えば７００サンプル）の入出力データを取得した時点で各同定値を計算し、各異常判定値と比較することにより、各異常判定を実施する。７００サンプルのデータ取得に要する時間は約１０秒であり、診断開始から比較的短時間のうちに各異常判定を実施できる。

ところで、実際のエンジンには負荷変動などの様々な外乱があり、これらを適切に考慮しないと同定精度やロバスト性を向上することができない。このため、本実施形態に係る異常診断では、以下のような入出力に対する種々の補正を行うこととしている。

図４は異常診断システムのブロック図であり、このシステムはＥＣＵ２０内に構築されている。同定部（同定手段）５０において前述のようなパラメータＫ，Ｔ，Ｌの同定を行うため、入力算出部（燃料補正手段）５２、バイアス補正部（バイアス補正手段）５４及びデータ補正部（遅延サンプリング手段及び増大補正手段）５６が設けられる。なお、異常診断がアクティブ制御中に実施されることから、アクティブ制御フラグ出力部５８も設けられている。また、同定部５０において同定されたパラメータＫ，Ｔ，Ｌに基づき各異常判定を行うため、異常判定部（異常判定手段）６０も設けられている。

入力算出部５２では入力ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力ｕ（ｔ）は前述の例では、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算される吸入空気量Ｇａとの比（即ち、入力空燃比）Ｇａ／Ｑであった。しかしながらここでは、インジェクタ通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑが燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正され、その補正後の燃料噴射量Ｑ’を使用して入力ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力ｕ（ｔ）が燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正される。

インジェクタ１２から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室３に吸入されるが、残りの部分は吸気ポートの内壁面に付着し燃焼室３に入らない。そこで、インジェクタ１２から噴射された燃料量をｆｉとし、全気筒分の燃料付着率をＲ（＜１）とすると、その噴射燃料量ｆｉのうち、吸気ポート壁面に付着する分はＲ・ｆｉ、燃焼室３に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。

他方、吸気ポート壁面に付着した燃料のうち、一部は蒸発して次の吸気行程で燃焼室３内に入るが、残りは残留してそのまま付着し続ける。そこで、吸気ポート壁面に付着した燃料量をｆｗとし、全気筒分の燃料残留率をＰ（＜１）とすると、壁面付着燃料量ｆｗのうち、そのまま壁面に付着し続ける分はＰ・ｆｗ、燃焼室３に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。

４サイクルエンジンの吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を１回ずつ終えて１サイクルとし（即ち、１サイクル＝７２０°クランク角）、今回のサイクルをｋｓ、次回のサイクルをｋｓ＋１とする。また、筒内燃焼室３に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。
ｆｗ（ｋｓ＋１）＝Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）＋Ｒ・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（１６）
ｆｃ（ｋｓ）＝（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）＋（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（１７）
式（１６）の意味するところは、次回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ＋１）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）の残留分Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）の壁面付着分Ｒ・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。また、式（１７）の意味するところは、今回サイクルで燃焼室３内に流入する流入燃料量ｆｃ（ｋｓ）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）のうちの蒸発分（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）のうち壁面付着しないで直接燃焼室３内に流入する分（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。

こうして、入力ｕ（ｔ）の算出に際し、燃料噴射量Ｑ’の値として流入燃料量ｆｃの値が用いられる。この流入燃料量ｆｃは、燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量を補正したものにほかならない。よって、入力ｕ（ｔ）の算出に流入燃料量ｆｃの値を用いることにより、入力の値を実情に近いより正確な値とすることができ、パラメータの同定精度を向上することが可能になる。

なお、エンジン温度及び吸気温が高いほど、燃料の気化が促進されることから、燃料付着量は減少し、燃料蒸発量は増大する。従って燃料残留率Ｐ及び燃料付着率Ｒはエンジン温度（若しくは水温）及び吸気温の少なくとも一方の関数とするのが好ましい。ここで説明したような燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づく補正を「燃料ダイナミクス補正」と称することとする。

図５には、燃料ダイナミクス補正のない場合（破線）とある場合（実線）とでアクティブ制御中の入力の変化の違いを調べた試験結果を示す。図中円内に示されるように、燃料ダイナミクス補正のある場合はない場合に比べ、入力空燃比が反転された直後に入力空燃比の波形が若干なまされる傾向にある。

次に、バイアス補正部５４について説明する。このバイアス補正部５４では、入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。

入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）とは、負荷変動、学習ズレ及びセンサ値ズレ等の要因に伴い、一方に対し他方がリーン側又はリッチ側にバイアスしてしまう（ズレてしまう）場合がある。図６はこのバイアスの様子を示す試験結果である。図中、ｕ（ｔ）ｃ及びｙ（ｔ）ｃはそれぞれ入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）とをローパスフィルタを通した値、もしくはそれらの移動平均を示す。触媒前センサ１７で検出される空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近となるよう制御されていることから、触媒前センサ１７の検出値である出力ｙ（ｔ）は理論空燃比を中心に変動し、そのローパスフィルタを通した値もしくは移動平均ｙ（ｔ）ｃも理論空燃比付近に保たれる。これに対し、入力ｕ（ｔ）は、前述の理由から、図示例ではリーン側にバイアスしている。

かかるバイアス状態で同定を行うのは好ましくないことから、バイアスを除去するような補正が行われる。具体的には、図７に示すように、入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）とのデータがローパスフィルタを通過され、もしくは移動平均を算出し、バイアス値ｕ（ｔ）ｃ、ｙ（ｔ）ｃが逐次的に算出される。そして、逐次的に、入力ｕ（ｔ）とそのバイアス値ｕ（ｔ）ｃとの差Δｕ（ｔ）（＝ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ）ｃ）、及び出力ｙ（ｔ）とそのバイアス値ｙ（ｔ）ｃとの差Δｙ（ｔ）（＝ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ）ｃ）が算出され、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）がゼロ基準の値に置き換えられる。なお、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）をまとめてΔＡ／Ｆで表示する。

こうしてバイアスは除去され、バイアス補正後の入出力の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図８に示される如くゼロ基準の値に変更される。即ち、両者の変動の中心がゼロに合わせられ、負荷変動や学習ズレ等の影響を無くすことができる。これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を高めることができる。

なお、この例では入出力の両方を補正し、入出力の変動中心をゼロに合わせてバイアスを除去する方法を採用したが、これ以外の方法も採用できる。例えば、入力のみを補正し、その変動中心を出力の変動中心に合わせたり、その逆を行ったりすることができる。補正の対象は入出力の少なくともいずれか一方であればよい。

次に、データ補正部５６について説明する。前述したパラメータ同定の際には、以下に再度示す（１２）式から分かるように、実数ラプラス変換式が所定数のデータの積算値で近似される。

この場合、包絡係数ｅ^−σｔに着目すると、この値が経時的に最初に大きく徐々に減少する値であるので、積算開始直後の初期のデータ値が同定結果に大きく影響することとなる。また、図９に破線円で示すように、バイアス除去補正後の入出力データは、アクティブ制御開始直後ではその前の変動の影響が残っていて入出力データが比較的バラつき、互いに乖離する傾向にある。これらを併せ考えると、アクティブ制御開始直後の初期の入出力データは同定結果に悪影響を及ぼすことが懸念される。

よってこの点に鑑み、データ補正部５６では次のような処理を行う。まず、アクティブ制御の開始時から所定時間を経過する前は、バイアス補正後の入出力データの取得及び記憶、即ちサンプリングを実行せず、その所定時間を経過した時点からサンプリングを実行する（即ち、遅延サンプリングを実行する）。具体的には、アクティブ制御の開始時から所定数のデータについてはサンプリングを実行せず、その所定数を超えたデータからサンプリングを実行する。或いは、これに代えて若しくはこれに加えて、バイアス除去補正後の入出力データの振動ピーク即ちリッチピーク及びリーンピークの少なくとも一方同士を比較し、これらの差が所定値以内となった時点からサンプリングを実行する。これにより、同定値に悪影響を与えるような初期データを排除でき、同定値のロバスト性を向上することができる。

ところで、式（１２）に見られるように、ｕ（ｔ）、ｙ（ｔ）は理論的には正負のいずれの値をも取り得る。しかし、図１０（Ａ）に示すように、アクティブ制御時におけるバイアス除去補正後の入出力データは、０を中心に振動し、０に対称の値である。これを積算していくと、その積算値は０付近の小さな値となり、ノイズの影響を受けやすくなる可能性がある。

そこで、データ補正部５６では、サンプリングしたバイアス除去補正後の各入出力データに対し、一律に所定の正値を加算し、データを増大補正する。本実施形態では、図１０（Ａ）に示すようなバイアス除去補正後の各入出力データに一律に０．５を加算し、図１０（Ｂ）に示すような０．５を中心に振動する入出力データを得るようにしている。これにより積算値を０．５付近の値に増大し、ノイズの影響を低減し、同定値の精度及びロバスト性を向上することができる。

なお、本実施形態ではデータ補正部５６において遅延サンプリングとデータ増大補正との両方を行うようにしたが、いずれか一方を行うようにしてもよい。図３（Ａ）に示したのは、データ補正部５６において遅延サンプリング及びデータ増大補正がなされた後の入出力データを示す。

次に、上述の全ての補正及び処理を含む空燃比センサ異常診断の手順を図１１に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１では入力ｕ（ｔ）を強制的に振動させるアクティブ制御が実行され、ステップＳ１０２では、燃料ダイナミクス補正がなされた後の入力ｕ（ｔ）が算出され、ステップＳ１０３では、図６〜図８に示したように、入出力間のバイアスが無くなるように入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）がバイアス補正される。

続くステップＳ１０４では遅延サンプリングが実行される。即ち、現時点（ステップＳ１０４の実行時期）が、アクティブ制御の開始時から所定時間経過前ならば、バイアス補正後の入出力データのサンプリングが実行されない。他方、現時点が、アクティブ制御の開始時から所定時間経過時以降ならば、バイアス補正後の入出力データが各一個サンプリングされる。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４でサンプリングされた入出力データが増大補正される。そしてステップＳ１０６に進み、サンプリングされた入出力データの数が所定数（例えば７００個）以上となったか否かが判断される。サンプルデータ数が所定数以上となっていなければステップＳ１０１〜Ｓ１０５が繰り返し実行される。そしてやがてサンプルデータ数が所定数以上となったならば、次のステップＳ１０７で、増大補正後の全ての入出力データを使用して三つのパラメータであるゲインＫ、時定数Ｔ及びむだ時間Ｌが同定される。そして、ステップＳ１０８において、これら同定されたパラメータＫ，Ｔ，Ｌと各異常判定値（ゲイン増大異常判定値Ｋｓ１及びゲイン縮小異常判定値Ｋｓ２、時定数異常判定値Ｔｓ、むだ時間増大異常判定値Ｌｓ１及びむだ時間縮小異常判定値Ｌｓ２）とが比較され、触媒前センサ１７の出力及び応答性、並びにむだ時間の正常・異常が判定される。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンにも本発明は適用可能である。但し、この場合は吸気通路壁面への燃料付着を考慮する必要がないので、燃料ダイナミクス補正は省略されることとなる。前記実施形態では所謂広域空燃比センサへの適用例を示したが、本発明は触媒後センサ１８のような所謂Ｏ_２センサにも適用可能である。このようなＯ_２センサも含めて、広く、排気ガスの空燃比を検出するためのセンサを本発明にいう空燃比センサというものとする。前記実施形態では空燃比センサの特性のうち、出力及び応答性という二つの特性の異常が診断されたが、これに限らず、一若しくは三以上の特性について異常を診断するものであってもよい。同様に、一次遅れ要素におけるパラメータとしてゲインＫ及び時定数Ｔのいずれか一方のみ、或いはゲインＫ及び時定数Ｔに加えてさらに他のパラメータを使用してもよい。前記実施形態では複数のパラメータを同時に同定し、複数の異常を同時に判定しているが、これに限らず、複数のパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、複数の異常の判定を時間差を以て行ってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態に係る内燃機関の概略図である。 アクティブ制御時における入力と出力との変化の様子を概略的に示す図である。 ゲイン、時定数及びむだ時間を同定した結果を示すグラフである。 異常診断システムのブロック図である。 燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力を比較した試験結果である。 入力と出力との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正前の状態である。 バイアス補正の方法を説明するための概略図である。 入力と出力との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正後の状態である。 バイアス補正後の入力及び出力を示す試験結果である。 （Ａ）は増大補正前の入力及び出力を示し、（Ｂ）は増大補正後の入力及び出力を示す。 空燃比センサの異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５０ 同定部
５２ 入力算出部
５４ バイアス補正部
５６ データ補正部
５８ アクティブ制御フラグ出力部
６０ 異常判定部
Ａ／Ｆ 空燃比
ｕ（ｔ） 入力
ｙ（ｔ） 出力
Ｋ ゲイン
Ｔ 時定数
Ｌ むだ時間

Claims (10)

1. 内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
   燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素とむだ時間要素とによりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力と空燃比センサから得られる出力とに基づき、少なくとも前記むだ時間要素におけるむだ時間を同定する同定手段と、
   該同定手段により同定されたむだ時間に基づき、当該むだ時間の異常を判定する異常判定手段と
   を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
2. 前記同定手段が、前記入力と前記出力とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータをも同定し、
   前記異常判定手段が、前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常をも判定する
   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. 前記異常判定手段が、前記同定手段により同定された少なくとも二つの前記パラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定する
   ことを特徴とする請求項２記載の空燃比センサの異常診断装置。
4. 前記少なくとも二つのパラメータが少なくともゲインと時定数であり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも出力と応答性である
   ことを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。
5. 前記同定手段が、前記むだ時間要素におけるむだ時間と、前記一次遅れ要素におけるゲイン及び時定数とを同時に同定する
   ことを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
6. 前記異常判定手段が、前記同定されたむだ時間に基づいて前記むだ時間の異常を判定すると同時に、前記同定されたゲイン及び時定数に基づいて前記空燃比センサの出力及び応答性の異常を判定する
   ことを特徴とする請求項５記載の空燃比センサの異常診断装置。
7. 前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方を補正するバイアス補正手段を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
8. 前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
   このアクティブ制御中におけるバイアス補正後の入出力データを、アクティブ制御の開始時から所定時間を経過した時点からサンプリングする遅延サンプリング手段と
   を備え、
   前記同定手段が、前記遅延サンプリング手段によりサンプリングされた入出力データに基づき、少なくとも前記むだ時間を同定する
   ことを特徴とする請求項７記載の空燃比センサの異常診断装置。
9. 前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
   このアクティブ制御中におけるバイアス補正後の入出力データを増大補正する増大補正手段と
   を備え、
   前記同定手段が、前記増大補正手段により増大補正された入出力データに基づき、少なくとも前記むだ時間を同定する
   ことを特徴とする請求項７記載の空燃比センサの異常診断装置。
10. 燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力を補正する燃料補正手段を備える
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。

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