JP2009024609A - 内燃機関の異常検出装置および内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の異常検出装置および内燃機関の空燃比制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】この発明は、入力空燃比を現実の空燃比に応じて適切に設定して、異常検出を精度良く行なうことができる内燃機関の異常検出装置を提供することを目的とする。また、この発明の他の目的は、入力空燃比を現実の空燃比に応じて適切に設定して、空燃比制御を精度良く行なうことができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】吸気弁Ｖｉの閉弁時刻（ＩＶＣ時刻）における吸入空気量の推定演算値ｋｌ_ＩＶＣを計算する。この推定演算値ｋｌ_ＩＶＣを用いて、気筒２の筒内空燃比を計算する。得られた筒内空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）として用いて、一次遅れ要素におけるパラメータを同定する。同定したパラメータに基づいて、触媒前センサ１７（空燃比センサ）の異常の有無を判定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の異常検出装置および内燃機関の空燃比制御装置に関する。
従来、例えば、特開２００５−３０３５８号公報に開示されているように、空燃比センサの出力を利用して当該空燃比センサの異常を検出する装置が知られている。この従来技術によれば、オープンループ制御により燃料噴射量を増減し、この増減の結果生ずる空燃比センサの出力変化を評価することにより、空燃比センサの異常の有無を判定している。
また、例えば、特開２００４−６８６０２号公報で言及されているように、空燃比センサの出力を燃料噴射量にフィードバックする内燃機関の空燃比制御装置が知られている。この従来技術によれば、先ず、燃料噴射弁から空燃比センサまでの制御系を表すプラントモデルを逐次同定する。そしてこのモデルにおいて同定したパラメータの値を利用して、フィードバック制御を行っている。
特開２００５−３０３５８号公報 特開２００４−６８６０２号公報 特開平５−１８００５９号公報 特開平８−２３２７２７号公報 特開２００６−１１８４２９号公報 特開２００３−９７３３４号公報 特開２００４−３１６４５７号公報 特開２００４−３６０５９１号公報
上記の各従来技術では、エアフローメータ出力に基づく吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて算出した空燃比を、空燃比センサの特性評価のための入力情報や、パラメータの同定のための入力情報として用いている（以下、このような入力情報を総称して「入力空燃比」とも呼称する）。また、入力空燃比は、空燃比センサのみならず、触媒やサブＯ２センサの異常検出に用いられることもある。
しかしながら、エアフローメータの出力に基づく吸入空気量と現実の気筒内の吸入空気量とが一致しなかったり、燃料噴射弁（インジェクタ）が噴射した燃料量と現実の気筒内の燃料量が一致しなかったりすることがある。これに起因して、入力空燃比と現実の空燃比とがずれてしまい、計算精度の低下を招くおそれがある。従来の技術では、この点について未だ改善の余地があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためにされたもので、入力空燃比を現実の空燃比に応じて適切に設定して、異常検出を精度良く行なうことができる内燃機関の異常検出装置を提供することを目的とする。また、この発明の他の目的は、入力空燃比を現実の空燃比に応じて適切に設定して、空燃比制御を精度良く行なうことができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
所定の周期で、前記内燃機関の気筒ごとに吸入空気量の推定値を繰り返し算出する推定値算出手段と、
前記内燃機関の１つの気筒について、１燃焼サイクルごとに、該１つの気筒の吸気弁が吸気行程を経て閉弁する閉弁時刻を取得する時刻取得手段と、
前記１つの気筒の今回の燃焼サイクルの前記閉弁時刻の前後にわたって前記推定値算出手段が算出した複数の推定値のうち、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻までの時間と、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻までの時間と、に基づいて、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻における該１つの気筒の吸入空気量の推定演算を行う推定演算手段と、
前記今回の燃焼サイクルで前記推定演算手段により前記内燃機関の前記１つの気筒について得られた吸入空気量の推定演算値と、該今回の燃焼サイクルで該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
前記出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記排気ガスセンサの異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
内燃機関に備えられる排気ガスセンサの出力を取得するセンサ出力取得手段と、
前記内燃機関の吸気通路に備えられるエアフローメータの出力を取得するエアフロ出力取得手段と、
前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量を検出する空気授受量検出手段と、
前記エアフロ出力取得手段により得られる前記エアフローメータの出力と、前記空気授受量検出手段により得られる前記空気の量とに基づいて、前記内燃機関の１つの気筒の吸入空気量を算出する実筒内吸入空気量算出手段と、
前記実筒内吸入空気量算出手段により前記１つの気筒について得られた吸入空気量と、該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
前記センサ出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記排気ガスセンサの異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、
前記異常判定手段は、
前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
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排気ガスセンサの異常の有無を判定するパラメータ異常判定手段と、
を含むことを特徴とする。
第４の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
内燃機関の触媒の下流に備えられる排気ガスセンサの出力を取得する出力取得手段と、
所定の周期で、前記内燃機関の気筒ごとに吸入空気量の推定値を繰り返し算出する推定値算出手段と、
前記内燃機関の１つの気筒について、１燃焼サイクルごとに、該１つの気筒の吸気弁が吸気行程を経て閉弁する閉弁時刻を取得する時刻取得手段と、
前記１つの気筒の今回の燃焼サイクルの前記閉弁時刻の前後にわたって前記推定値算出手段が算出した複数の推定値のうち、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻までの時間と、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻までの時間と、に基づいて、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻における該１つの気筒の吸入空気量の推定演算を行う推定演算手段と、
前記今回の燃焼サイクルで前記推定演算手段により前記内燃機関の前記１つの気筒について得られた吸入空気量の推定演算値と、該今回の燃焼サイクルで該１つの気筒に供給された燃料の量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
前記出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記触媒の異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
第５の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
内燃機関の排気通路の触媒の下流に備えられる排気ガスセンサの出力を取得するセンサ出力取得手段と、
前記内燃機関の吸気通路に備えられるエアフローメータの出力を取得するエアフロ出力取得手段と、
前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量を検出する空気授受量検出手段と、
前記エアフロ出力取得手段により得られる前記エアフローメータの出力と、前記空気授受量検出手段により得られる前記空気の量とに基づいて、前記内燃機関の１つの気筒の吸入空気量を算出する実筒内吸入空気量算出手段と、
前記実筒内吸入空気量算出手段により前記１つの気筒について得られた吸入空気量と、該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
前記センサ出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記触媒の異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第６の発明は、第４の発明または第５の発明において、
前記異常判定手段は、
前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
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触媒の異常の有無を判定するパラメータ異常判定手段と、
を含むことを特徴とする。
また、第７の発明は、第３の発明または第６の発明において、
前記内燃機関が前記筒内空燃比算出手段の算出結果の精度が低下する所定運転状態にある間、前記同定手段の同定を禁止または該同定手段による同定の反映率を低減する同定制限手段を備えることを特徴とする。
また、第８の発明は、第１乃至７の発明のいずれか１つにおいて、
前記内燃機関の燃料噴射弁の噴射量と該内燃機関の運転状態とに基づいて、前記１つの気筒への前記燃料供給量を算出する筒内燃料量算出手段を備えることを特徴とする。
第９の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒の上流に配置される排気ガスセンサと、
前記触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比と一致するように、前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
所定の周期で、前記内燃機関の気筒ごとに吸入空気量の推定値を繰り返し算出する推定値算出手段と、
前記内燃機関の１つの気筒について、１燃焼サイクルごとに、該１つの気筒の吸気弁が吸気行程を経て閉弁する閉弁時刻を取得する時刻取得手段と、
前記１つの気筒の今回の燃焼サイクルの前記閉弁時刻の前後にわたって前記推定値算出手段が算出した複数の推定値のうち、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻までの時間と、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻までの時間と、に基づいて、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻における該１つの気筒の吸入空気量の推定演算を行う推定演算手段と、
前記今回の燃焼サイクルで前記推定演算手段により前記内燃機関の前記１つの気筒について得られた吸入空気量の推定演算値と、該今回の燃焼サイクルで該１つの気筒に供給された燃料の量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータを用いて前記フィードバック制御手段のフィードバック補正量を設定する設定手段と、
を備えることを特徴とする。
第１０の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒の上流に配置される排気ガスセンサと、
前記触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比と一致するように、前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
前記内燃機関の吸気通路に配置されるエアフローメータと、
前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量を検出する空気授受量検出手段と、
前記エアフロ出力取得手段により得られる前記エアフローメータの出力と、前記空気授受量検出手段により得られる前記空気の量とに基づいて、前記内燃機関の１つの気筒の吸入空気量を算出する実筒内吸入空気量算出手段と、
前記実筒内吸入空気量算出手段により前記１つの気筒について得られた吸入空気量と該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータを用いて前記フィードバック制御手段のフィードバック補正量を設定する設定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第１１の発明は、第９の発明または第１０の発明において、
前記内燃機関が前記筒内空燃比算出手段の算出結果の精度が低下する所定運転状態にある間、前記同定手段の同定を禁止または該同定手段による同定の反映率を低減する同定制限手段を備えることを特徴とする。
また、第１２の発明は、第９乃至１１の発明のいずれか１つにおいて、
前記内燃機関の燃料噴射弁の噴射量と該内燃機関の運転状態とに基づいて、前記１つの気筒への前記燃料供給量を算出する筒内燃料量算出手段を備えることを特徴とする。
第１の発明によれば、吸気弁の閉弁時刻の吸入空気量を高精度に推定演算し、この推定演算値を用いて筒内空燃比算出手段が算出した空燃比を利用して、排気ガスセンサの異常を高精度に検出することができる。
第２の発明によれば、エアフローメータ下流における空気量の変化分を考慮することにより、気筒内の現実の吸入空気量を高精度に算出することができる。その結果、この算出値を利用して、排気ガスセンサの異常を高精度に検出することができる。
第３の発明によれば、気筒内の現実の吸入空気量を高精度に求め、この値を利用して一次遅れ要素のパラメータを精度良く同定することができる。特に、第３の発明では、吸気弁開弁中に燃料噴射量の基礎とした吸入空気量と吸気弁閉弁時期に確定した吸入空気量との間にずれがあった場合に（空燃比荒れ）、このずれを利用して同定機会を増加することができる。このため、入力情報の精度向上と同定機会の増加を同時に実現し、高精度に同定されたパラメータに基づいて排気ガスセンサの異常を高い精度で検出することができる。
第４の発明によれば、吸気弁の閉弁時刻の吸入空気量を高精度に推定演算し、この推定演算値を用いて筒内空燃比算出手段が算出した空燃比を利用して、触媒の異常を高精度に検出することができる。
第５の発明によれば、エアフローメータ下流における空気量の変化分を考慮することにより、気筒内の現実の吸入空気量を高精度に算出することができる。その結果、この算出値を利用して、触媒の異常を高精度に検出することができる。
第６の発明によれば、気筒内の現実の吸入空気量を高精度に求め、この値を利用して一次遅れ要素のパラメータを精度良く同定することができる。特に、第６の発明では、吸気弁開弁中に燃料噴射量の基礎とした吸入空気量と、吸気弁閉弁時期に確定した吸入空気量との間にずれがあった場合に（空燃比荒れ）、このずれを利用して同定機会を増加することができる。このため、入力情報の精度向上と同定機会の増加を同時に実現し、高精度に同定されたパラメータに基づいて触媒の異常を高い精度で検出することができる。
第７の発明によれば、筒内空燃比の算出結果の精度が低い時期には同定動作を制限することができ、入力空燃比の精度が低い不適切な時期に同定が行われるのを抑制することができる。
第８の発明によれば、吸気弁が閉弁したときの気筒内の現実の燃料量を高精度に求めることができる。これにより、筒内空燃比の算出精度を向上することができる。
第９の発明によれば、吸気弁の閉弁時刻の吸入空気量を高精度に推定演算し、この推定演算値を用いて筒内空燃比算出手段が算出した空燃比を利用して、一次遅れ要素のパラメータを同定することができる。特に、第９の発明では、吸気弁開弁中に燃料噴射量の基礎とした吸入空気量と、吸気弁閉弁時期に確定した吸入空気量との間にずれがあった場合に（空燃比荒れ）、このずれを利用して同定機会を増加することができる。このため、入力情報の精度向上と同定機会の増加を同時に実現し、高精度に同定されたパラメータに基づいて空燃比フィードバック制御を行うことができる。
第１０の発明によれば、エアフローメータ下流における空気量の変化分を考慮することにより気筒内の現実の吸入空気量を高精度に算出でき、この算出値を利用して一次遅れ要素のパラメータを同定することができる。特に、第１０の発明では、吸気弁開弁中に燃料噴射量の基礎とした吸入空気量と、吸気弁閉弁時期に確定した吸入空気量との間にずれがあった場合に（空燃比荒れ）、このずれを利用して同定機会を増加することができる。このため、入力情報の精度向上と同定機会の増加を同時に実現し、高精度に同定されたパラメータに基づいて空燃比フィードバック制御を行うことができる。
第１１の発明によれば、筒内空燃比の算出結果の精度が低い時期には同定動作を制限することができ、入力空燃比の精度が低い不適切な時期に同定が行われるのを抑制することができる。
第１２の発明によれば、吸気弁が閉弁したときの気筒内の現実の燃料量を高精度に求めることができる。これにより、筒内空燃比の算出精度を向上することができる。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１の内燃機関の異常検出装置について説明する。実施の形態１では、一次遅れ系で表現した空燃比センサ応答特性モデルを利用して、空燃比センサの異常を検出する。このとき、実施の形態１では、吸気弁閉弁時の吸入空気量を高精度に推定演算し、この推定演算で得られた値を当該応答特性モデルのパラメータの逐次同定の入力情報として用いる点に特徴を有している。
［実施の形態１の構成］
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、気筒２の燃焼室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触媒前センサ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Ｏ２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Ａ／Ｆｆｒ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Ａ／Ｆｆｒ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。
［実施の形態１の空燃比センサ異常検出］
次に、本実施形態における空燃比センサの異常検出について、詳細に説明する。なお、本実施形態で異常検出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。
（実施の形態１の同定方法）
本実施形態では、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が、一次遅れ要素によりモデル化される。そして、後述する手法によって設定される入力空燃比と、触媒前センサ１７の出力に基づく空燃比（以下、「出力空燃比」とも呼称する）とに基づき、この一次遅れ要素におけるパラメータを同定（推定）する。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を判定する。
入力空燃比には、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、後述する吸入空気量の推定演算処理で得られる吸入空気量ｋｌ_ＩＶＣとの比ｋｌ_ＩＶＣ／Ｑを用いる。以下、入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝ｋｌ_ＩＶＣ／Ｑ）。出力空燃比は、触媒前センサ１７の出力に基づいて計算された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒそのものである。以下、出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆｒ）。本実施形態では、ある入力空燃比ｕ（ｔ）で燃焼行程が行われその後排気ガスが触媒前センサ１７に達したときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、一次遅れ要素におけるパラメータを同定する。
簡単化のためむだ時間をゼロと仮定すると、一次遅れ要素はＧ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）で表される。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値である。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値である。
以下、ＥＣＵ２０によって実行される、本実施形態のゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を具体的に説明する。
まず、時定数：Ｔ、ゲインｋを持つ一次遅れ系の伝達関数は、以下のように表される。
Figure 2009024609
上記にｓ→ｚの双一次変換（連続→離散変換）
Figure 2009024609
を施す（ｓに代入する）と
Figure 2009024609
式（４）をＴ、ｋについて解くと、
Figure 2009024609
このように、未知のパラメータｂ１、ｂ２が求まれば、式（５）からセンサの時定数Ｔとゲインｋを求めることが出来る。
Figure 2009024609
また、式（６）を逆ｚ変換すると下記式を得る。
Figure 2009024609
上記式をサンプル時刻ｔ、ｔ−１、・・・、１についてまとめると
Figure 2009024609
ここで、
Figure 2009024609
と定義しなおすと、以下のように表現できる。
Figure 2009024609
以上より、未知のパラメータｂ１、ｂ２を含む同定パラメータベクトルθの最小自乗同定値は、下記の式のように同定することが可能である。
Figure 2009024609
さらに式（５）からＴ、ｋを求めることができる。
Figure 2009024609
式（１１）から、下式のようにも表せる。
Figure 2009024609
このため、再度、式（１１）から、
Figure 2009024609
また、
Figure 2009024609
式（１３）を変形すると、
Figure 2009024609
Figure 2009024609
ここで、次の逆行列に関する定理において、
Figure 2009024609
とおくと、式（１４）は次のように表すことができる。
Figure 2009024609
また、式（１７）の両辺からφ（ｔ）をかけた上で式変形すると、Ｐ（ｔ）も次のように漸化的に表すことが出来る。
Figure 2009024609
さらに、予測誤差を以下のように定義する。
Figure 2009024609
式（１５）に式（１８）、（１９）を代入することにより、最終的に次のような漸化式を得ることが出来る。
Figure 2009024609
式（２０）は、今回のサンプル時刻ｔと前回のサンプル時刻ｔ−１とにおける値の関数であり、この式の意味するところは、今回値と前回値に基づいてｂ１とｂ２が、即ちＴとｋが毎回更新されていくことにほかならない。こうして、時定数Ｔとゲインｋは逐次最小自乗法により逐次同定されることになる。この逐次同定を行うやり方だと、サンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方よりも演算負荷を軽減できると共に、データを一時的に溜めるバッファの容量も減少できて、ＥＣＵ（特に自動車用ＥＣＵ）への実装に好適である。
（実施の形態１の入力空燃比の設定に関する処理）
次に、上記同定方法において利用する入力空燃比ｕ（ｔ）を設定するための一連の処理について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ２０が、吸気弁閉弁時の吸入空気量ｋｌ_ＩＶＣの推定演算処理を記憶している。本実施形態では、この推定演算処理により得た吸入空気量に基づいて吸気弁閉弁時の筒内空燃比を算出し、この筒内空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）とする。なお、以下の説明では、気筒２に関して吸入空気量等の推定演算の説明を行うが、下記の説明内容は複数の気筒を備える内燃機関にも適用できる。この場合には、個々の気筒について本実施形態の思想をそれぞれ適用すればよい。
具体的には、本実施形態は、（i）吸気弁の閉弁時刻を取得する処理（以下、「ＩＶＣ時刻取得処理」とも呼称する）、（ii）吸入空気量の推定値を逐次算出する処理（「推定値逐次算出処理」とも呼称する）、を備えている。また、本実施形態の装置は、（iii）逐次算出された推定値を用いて吸気弁閉弁時の吸入空気量を推定演算する処理（「ｋｌ_ＩＶＣ算出処理」とも呼称する）、（iv）推定演算された吸入空気量を用いて空燃比を推定する処理（「筒内空燃比算出処理」とも呼称する）、を備えている。
本実施形態では、上記（iv）によって最終的に算出される筒内空燃比を、入力空燃比ｕ（ｔ）として設定する。以下、順を追って説明する。
（i）ＩＶＣ時刻取得処理
本実施形態では、ＥＣＵ２０が、クランク角センサ１４の出力などに基づいて、吸気弁Ｖｉが吸気行程を経て閉弁（ＩＶＣ：Intake Valve Close）した時刻（以下、ＩＶＣ時刻とも呼称する）を取得する処理を記憶している。このＩＶＣ時刻取得処理は、具体的には、例えば、気筒２の状態が吸気ＴＤＣタイミングに至った際に、以下の処理を実行することにより実現できる。先ず、予め、バルブ作用角は吸気ＴＤＣタイミングまでに既知としておくようにする。バルブ作用角が既知のため、ＴＤＣタイミングで機関回転数ＮＥとバルブ作用角とに基づいて、ＩＶＣ時刻を算出することができる。
（ii）推定値逐次算出処理
本実施形態では、ＥＣＵ２０が、気筒２の吸入空気量を所定の周期で繰り返し演算する「推定値逐次算出処理」を記憶している。この処理は、吸気管モデル等、物理モデルを利用することにより、ＥＣＵ２０がスロットル開度ＴＡや機関回転数ＮＥなどに基づいて気筒２の吸入空気量の推定値ｋｌ（以下、単にｋｌとも呼称する）を所定の周期で算出する処理である。
この処理は、物理モデル等を利用した逐次演算を行う処理である。このため、演算タイミングが離散的なものになり、その演算周期は例えば８ｍｓ（ミリ秒）等固定的な値となる。なお、この推定値逐次算出処理は、具体的には、例えば、特開２００２−１３００４１号公報に開示されている技術を用いることができる。また、他の種々の公知の吸入空気量推定手法を応用することもできるため、その詳細な説明は省略する。
（iii）ｋｌ_ＩＶＣ算出処理
次に、本実施形態にかかる吸気弁Ｖｉの閉弁時刻における吸入空気量の推定演算手法について説明する。気筒２内の現実の吸入空気量は、吸気行程を経て吸気弁Ｖｉが閉弁した時点（つまりＩＶＣ時刻）で確定する。ＩＶＣ時刻に確定した吸入空気量についての推定値（以下、「ｋｌ_ＩＶＣ」とも呼称する）を精度良く推定演算することができれば、現実の吸入空気量に対応したより正確な制御が可能になる。
上述したように、推定値逐次算出処理は、ある固定的な周期で繰り返しｋｌを算出する処理である。一方、ＩＶＣ時刻はその周期が完全に固定されているわけではなく、種々の要因（例えば、回転数の変化、可変バルブ・タイミング機構などによる吸気弁動作の積極的な変更、予期しない吸気弁動作のずれなど）により変化することがある。
そこで、実施の形態１は、ＩＶＣ時刻とｋｌ算出のタイミングとの相対的な関係が変化する状況下でも、精度良くｋｌ_ＩＶＣを推定演算すべく、以下述べる処理を実行することとする。以下、図２を参照しつつ、ｋｌ_ＩＶＣ算出処理について個別に説明する。
図２は、気筒２の１燃焼サイクルの行程と、上述した推定値逐次算出処理におけるｋｌの算出の様子と、本実施形態の特徴である吸入空気量の推定演算の手法とを、時間の経過を追って示す図である。図２の紙面中央には、紙面右方に時間の進行方向をとって、気筒２内での燃焼サイクルの各行程の進行を示すタイミングチャートが図示されている。
図２において紙面下方を向く多数の矢印は、既述した推定値逐次算出処理の推定値ｋｌが算出された時刻に相当している。上述したように、推定値逐次算出処理は所定の周期で繰り返しｋｌを算出する。図２には、このｋｌ算出頻度が機関回転数ＮＥに応じて変化する様子も示されている。図２のように、１回の燃焼サイクル（以下、単に「１燃焼サイクル）と呼称する）あたりのｋｌ算出頻度は、機関回転数ＮＥに応じて変化する。機関回転数ＮＥつまり回転速度が増加すると、１燃焼サイクルに要する時間が短くなるからである。
より具体的に説明すると、機関回転数ＮＥが４０００ｒｐｍの場合には、ｋｌの算出が行われる時間間隔に比して、排、吸、圧およびそれ以降の各行程が速やかに進行する。これに起因して、１燃焼サイクルの中で得られるｋｌの数は比較的少なくなる。一方、ＮＥが相対的に小さくなると、１燃焼サイクルの中でｋｌが算出される頻度が増加し、１燃焼サイクルあたりに得られるｋｌの数は相対的に多くなる。その結果、図２にも示すように、３０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍとなるにつれ、吸気行程から圧縮行程にかけて算出されるｋｌの数が多くなる。
また、図２では、１燃焼サイクル行程のなかで吸気弁Ｖｉが開かれている時間領域を、タイミングチャートに重ねて、紙面左右を向く矢印で記載している。図２に示すように、吸気弁Ｖｉは、吸気行程開始時点よりも若干前に開弁（ＩＶＯ：Intake Valve Open）し、吸気行程終了時点から若干遅れて閉弁（ＩＶＣ）される。以下の説明では、吸気弁Ｖｉの開弁時刻をＩＶＯ時刻とも呼称し、吸気弁Ｖｉの閉弁時刻を、ＩＶＣ時刻とも呼称する。
図２のタイミングチャートの下方に示した図は、吸入空気量の時間変化のイメージを示すものである。図には、ＩＶＯ時刻に吸気弁Ｖｉが開弁された後、気筒２内に空気が吸入されていき、吸入空気量が増加していく様子が示されている。なお、図２には、目標空燃比に基づいて今回の燃焼行程に寄与する燃料の噴射量を算出する時刻ｔ_ｉｎｊと、点火プラグ７の点火時期を算出する時刻ｔ_ｉｇとがそれぞれ示されている。
上述したように、ＩＶＣ時刻が変化することに起因して、ＩＶＣ時刻とｋｌの算出時刻との相対的な関係が図２に示すように変化する。このような状況下にあってｋｌ_ＩＶＣを精度良く得るため、本実施形態では、ＩＶＣ時刻を挟んで算出された２つのｋｌと、それらの算出時期との比率から、ｋｌ_ＩＶＣを推定演算することとする。
具体的には、ＩＶＣ時刻の直前に算出されたｋｌ（以下、ｋｌ_ａとも呼称する）と、ＩＶＣ時刻の直後に算出されたｋｌ（以下、ｋｌ_ｂとも呼称する）と、ｋｌ_ａの算出時刻からＩＶＣ時刻まで時間ｔ１と、ＩＶＣ時刻からｋｌ_ｂの算出時刻までの時間ｔ２とを用いて、下記の式（２１）〜（２３）に基づいてｋｌ_ＩＶＣを推定演算する。
ｋｌ_ＩＶＣ＝ｋｌ_ａ＋（ｋｌ_ｂ−ｋｌ_ａ）×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２） ・・・（２１）
ｔ１＝Ｔｉｖｃ−Ｔｋｌ_ａ ・・・（２２）
ｔ２＝Ｔｋｌ_ｂ−Ｔｉｖｃ ・・・（２３）
Ｔｉｖｃは、上述したＥＣＵ２０に予め記憶した処理を実行することにより、ｋｌ算出とは独立に取得したＩＶＣ時刻である。Ｔｋｌ_ａおよびＴｋｌ_ｂはｋｌ_ａ、ｋｌ_ｂが算出された時刻である。
このような手法によれば、ＩＶＣ時刻を起点として、ｋｌ_ａ、ｋｌ_ｂのそれぞれの算出時刻までの時間ｔ１、ｔ２を、ｋｌ_ＩＶＣの推定演算に反映させることができる。よって、ｋｌ算出のタイミングに対してＩＶＣ時刻が相対的に変化した場合にも、その変化を吸入空気量の推定演算に確実に反映させることができる。その結果、吸気弁閉弁時刻における吸入空気量を高精度に推定演算することができる。
また、既述したように、吸入空気量は吸気弁Ｖｉの閉弁時刻に確定することから、ＩＶＣ時刻後に得られるｋｌ（つまりｋｌ_ｂ）を推定演算に用いることで、吸入空気量の推定演算の精度を高めることができる。そして、ＩＶＣ時刻の前後にそれぞれ得られたｋｌ（ｋｌ_ａとｋｌ_ｂ）の両方を利用することで、ＩＶＣ時刻の前後にわたる吸入空気量の変化の情報を、推定演算に活用することができる。以上のように、本実施形態の手法によれば、高い推定精度で、ＩＶＣ時刻の変化に柔軟に対応しつつ、ｋｌ_ＩＶＣの推定演算を行うことができる。
（iv）筒内空燃比の算出処理
次に、上記の吸入空気量の推定演算値を用いた、内燃機関１の筒内空燃比の計算について説明する。本実施形態では、上記式（２１）によりｋｌ_ＩＶＣを推定演算したあと、下記の式（２４）に基づいて、筒内空燃比を算出する。
筒内空燃比 ＝ ｋｌ_ＩＶＣ／燃料噴射量 ・・・（２４）
なお、式（４）には、同一の燃焼サイクルについて得られたｋｌ_ＩＶＣと燃料噴射量を代入する。例えば、図２に示す燃焼サイクルでは、ｔ_ｉｎｊにおいて算出された燃料噴射量の値を用いることができる。この演算により空燃比の高精度な推定値を得ることができる。
本実施形態では、式（２４）によって得られた筒内空燃比を、入力空燃比ｕ（ｔ）として設定する。
なお、ｋｌ_ＩＶＣの算出に用いるためのＩＶＣ時刻は、現実の吸気弁１６の閉弁時刻よりも前に予測により求めた値に限られない。例えば、カム角センサなど種々のセンサを用いるなどして吸気弁１６の動作を監視して、吸気弁１６が現実に閉弁したであろう確定的な時刻を事後的に取得してもよい。
（実施の形態１のセンサ特性異常判定方法）
次に、上述した同定方法により同定されたパラメータを利用して、センサ特性の異常を判定する方法について述べる。
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。
具体的には、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する。また、同定されたゲインｋが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する。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する。
また、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、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。
具体的には、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する。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する。
このような実施の形態１の異常検出によれば、単に空燃比センサ自体の異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。そして、二つの同定パラメータＴ，ｋにより、応答性及び出力という二つのセンサ特性の異常が、とりわけ同時且つ個別に、判定される。よって空燃比センサの異常検出として極めて好適なものを実現することが可能となる。
［実施の形態１の効果］
以上説明した実施の形態１によれば、筒内空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）として用いることにより、次に述べる効果を得ることができる。図３は、実施の形態１の効果を説明するための図であって、空燃比センサ応答特性モデルの同定動作イメージを示す図である。
図３（ａ）は、実施の形態１にかかる同定動作イメージであって、吸気弁閉弁時の吸入空気量を考慮する場合の応答モデルの同定動作イメージである。図３（ｂ）は、本実施形態との比較のために示す、目標空燃比を入力情報として用いる場合の応答モデルの同定動作イメージである。図３（ａ）、（ｂ）のそれぞれには、紙面右側を時間軸として、紙面上方から順に、目標空燃比の時間変化、モデルへの入力空燃比ｕ（ｔ）の時間変化、入力空燃比ｕ（ｔ）に応じてモデルが出力する出力空燃比ｙ（ｔ）の時間変化、空燃比センサの出力の時間変化、内燃機関の運転状態（内燃機関１が車両に搭載されている場合の車速）の時間変化、が示されている。
本実施形態のようなポート噴射の内燃機関では、目標空燃比の設定、エアフローメータ等に基づく吸入空気量の推定値算出、燃料噴射量の設定、燃料噴射、吸気弁閉弁、燃焼行程、という順に内燃機関の運転が進行する。このとき、エアフローメータ等に基づく吸入空気量推定値と吸気弁閉弁時の現実の吸入空気量とがずれ、結果的に目標空燃比と現実の空燃比が一致しなくなる場合がある。この場合には、図３（ａ）に示すように、目標空燃比は一定であるにもかかわらず、空燃比センサ出力が変動することになる。
そこで、本願発明者は、この点について鋭意検討を重ねた結果、入力空燃比ｕ（ｔ）として筒内空燃比の値を用いることによりこのような空燃比センサ出力の変動を同定に利用するという手法に想到した。筒内空燃比は、既述した吸入空気量のずれ分を含む、より正確な空燃比を示している。つまり、吸入空気量のずれが生じた場合には、そのずれ分の変化が筒内空燃比に反映される。このため、筒内空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）として設定することにより、図３（ａ）に示すように、出力空燃比ｙ（ｔ）が現実の空燃比の変化に近づくように頻繁に（細かく）変化するようになる。
一方、図３（ｂ）の比較例では、目標空燃比を逐次同定のためにモデルへ入力する値ｕ（ｔ）としている。この場合、目標空燃比がある特定の空燃比（例えば理論空燃比付近）に固定される状況下では、入力空燃比ｕ（ｔ）も一定の値とされ、モデルからの出力空燃比ｙ（ｔ）も一定になっている。従って、比較例の手法では、吸入空気量のずれに起因する空燃比変動が空燃比センサ側で検出されている状況下であっても、入力空燃比ｕ（ｔ）は一定の値となる。
出力空燃比ｙ（ｔ）が変化する頻度が多いほど、逐次同定の機会（同定機会）が多くなると考えることができる。図３（ａ）の本実施形態によれば、上述した吸入空気量のずれに起因する空燃比変動を把握して同定に活用することにより、同定機会を増加することができる。一方、図３（ｂ）の比較例のように入力空燃比ｕ（ｔ）として目標空燃比を用いる場合、通常運転中に出力空燃比ｙ（ｔ）が固定的な値となり、同定機会が得られない。結果、図３（ａ）に示す実施の形態１の同定動作によれば、図３（ｂ）のように目標空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）として与える同定方法に比して、より多くの同定機会を得ることができる。
なお、図３（ａ）、（ｂ）には、同定の機会を得るためアクティブ制御を行う様子も示されている。アクティブ制御とは、オープンループ制御により燃料噴射量を増減し、目標空燃比を変化させる制御である。アクティブ制御により目標空燃比が変化し、当該変化が入力空燃比ｕ（ｔ）に反映され、最終的に出力空燃比ｙ（ｔ）が変化する。この出力空燃比ｙ（ｔ）の変化と、空燃比センサ出力の挙動の比較を行うことで、逐次同定を行うことができる。
しかしながら、良好なエミッション特性を得るという観点から、アクティブ制御の実行可能時期が制限されることがある。アクティブ制御の実行を禁止されている時期には、同定機会が得られなくなる。また、アクティブ制御による目標空燃比の変化が、エミッション特性に好ましくない影響を及ぼす可能性もある。結果的に、比較例の手法では、同定を行うことができる時期が制限されてしまう。
この点、図３（ａ）の本実施形態は、図３（ｂ）の比較例とは異なり、アクティブ制御に頼らずに同定機会を得ることができる。換言すれば、本実施形態では、通常の運転状態においても、継続的に、一次遅れ要素のパラメータの同定を進めることができる。このように、本実施形態によれば、入力情報の精度向上と同定機会の増加を同時に実現し、高精度に同定したパラメータに基づいて排気ガスセンサの異常を高い精度で検出することができる。
なお、図３（ａ）で示した本実施形態の同定動作の中のアクティブ制御の様子は、説明の便宜上示したものである。つまり、本実施形態においては、アクティブ制御は必須の構成要素ではない。既述したように、本実施形態はアクティブ制御に頼らずに同定機会を得ることができるからである。但し、必要に応じて本実施形態にアクティブ制御を組み合わせることは可能である。
なお、本実施形態によれば、目標空燃比一定の状況下における空燃比センサ出力の変動を、外乱による空燃比荒れとして認識するのではなく、パラメータ同定のための情報として有効に利用することができる。図３（ｂ）の比較例の場合、目標空燃比一定の状況下における空燃比センサ出力の変動は、外乱的なエラーとして扱わざるをえない。この点、本実施形態によれば、目標空燃比一定の状況下における空燃比センサ出力の変動を有用な情報に置き換えているので、同定機会の増加という利点とともに、触媒前センサ１７の出力変化のうち外乱的なエラーと認識される分が少なくなるという優れた利点がある。
尚、上述した実施の形態１では、上述の（i）ＩＶＣ時刻を取得する処理が、前記第１の発明の「時刻取得手段」に相当している。また、上記の実施の形態１の（ii）推定値逐次算出処理が、前記第１の発明の「推定値算出手段」に、（iii）ｋｌ_ＩＶＣ算出処理が、前記第１の発明の「推定演算手段」に、（iv）筒内空燃比の算出処理が、前記第１の発明の「筒内空燃比算出手段」に、それぞれ相当している。なお、実施の形態１では、インジェクタ１２の燃料噴射量が前記第１の発明における「燃料供給量」に相当している。
また、上述した実施の形態１の同定方法で述べた各種計算により、前記第１の発明の「同定手段」が実現されている。そして、実施の形態１で述べた時定数Ｔやゲインｋを各種判定値と比較する手法が、前記第１の発明における「異常判定手段」に相当するとともに、前記第３の発明における「パラメータ異常判定手段」に相当している。
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、既述した逐次同定方法を用いて各種パラメータを同定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。実施の形態１と異なるパラメータ同定方法（例えば、逐次的でない同定方法）であっても、本発明の思想に基づいて、同定の際のモデル入力にｋｌ_ＩＶＣに基づく筒内空燃比を入力することができる。
（第２変形例）
実施の形態１では、触媒前センサ１７（空燃比センサ）を、異常検出の対象とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。触媒後センサ１８（Ｏ２センサ）を、異常検出の対象としてもよい。この場合には、入力空燃比ｕ（ｔ）には実施の形態１と同様に筒内空燃比を用いる。そして、実施の形態１で触媒前センサ１７の出力を用いていたところを、触媒後センサ１８の出力で置き換えるなどして、触媒後センサ１８の特性に対応する各種パラメータ（ゲインや時定数など）を同定すればよい。
（第３変形例）
第３変形例は、実施の形態１と同様の構成において、触媒１１を異常検出の対象とする点に特徴を有している。以下、内燃機関１の構成を前提に、第３変形例について説明する。
第３変形例では、酸素吸蔵能（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を始めとした触媒１１に関する特性をモデル化した数式のパラメータを、触媒後センサ１８の出力を利用して同定する。このような場合、同定に用いられる伝達関数は、例えば、以下のような無駄時間Ｌを含む関数で定義することができる。
Ｇ（ｓ） ＝ ｋ／（１＋Ｔｓ） ＋ ｅｘｐ（−Ｌｓ） ・・・（２５）
なお、触媒、ＯＳＣについてのモデル化に関する技術は、例えば、特開２００３−９７３３４号公報、特開２００４−３１６４５７号公報、特開２００４−３６０５９１号公報などに開示されているように、既に公知である。従って、これら公知技術を利用して、適宜、同定すべき伝達関数の設定などを行うことができる。
第３変形例では、式（１）に代えて、式（２５）の各種パラメータ（ｋ、Ｔ、Ｌ）を同定する。第３変形例では、単純化のため、式（２５）における第１項は触媒後センサ１８の特性とみなすこととし、第２項の指数関数ｅｘｐ（−Ｌｓ）のパラメータＬに基づいてＯＳＣを把握する。この無駄時間Ｌを所定の判定値Ｌ０と比較することにより、触媒１１の異常の有無を判定することができる。
同定の際に、ｋｌ_ＩＶＣに基づく筒内空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）として用いることにより、同定機会の向上など実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、所定の判定値Ｌ０は、例えば、予め実験等により触媒１１の劣化が認められる程度にＯＳＣが減少した場合の無駄時間を計測し、当該計測値に基づいて定めておくことができる。
なお、式（２５）を用いる場合、より高い精度で触媒特性を把握する観点から、式（２５）の第１項に触媒後センサ１８の特性と触媒の特性とが含まれているものとして、パラメータｋ、Ｔを扱っても良い。触媒能力によっては、ＯＳＣが限界となる前に、触媒下流にガス（酸素）が漏れ出ることがあるからである。また、触媒の特性を表現した数式は、式（２５）に限定されるものではない。触媒特性のモデル化に関しては、より精密なモデル化の観点から多くの技術が公知となっている。従って、これら公知となっている触媒特性を表現した各種数式を、式（２５）に代えて用いても良い。
なお、第３変形例にかかるパラメータの同定は、触媒後センサ１８が正規の特性を示すときに行うことが好ましい。触媒１１の異常を判断することが容易だからである。
尚、上述した実施の形態１の第３変形例では、無駄時間Ｌを判定値と比較する手法が、前記第４の発明における「異常判定手段」に相当するとともに、前記第６の発明における「パラメータ異常判定手段」に相当している。
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
以下、図４を用いて、実施の形態２に係る内燃機関３１について説明する。図４に示すように、内燃機関３１の構成は、実施の形態１の内燃機関１の構成と一部共通している。以下、内燃機関１と同様の構成については、同一の符号を付して、説明を省略する。
内燃機関３１は、エアフローメータ５の下流位置の吸気管１３に、パージ通路３４が接続されている。パージ通路３４には、パージ通路３４とキャニスタ側の構成（図示せず）との連通状態を切り替えるパージ弁３６が備えられている。また、実施の形態２を適用する内燃機関は、ブレーキブースタ３８を備えている。ブレーキブースタ３８は、サージタンク８に接続されている。
また、内燃機関３１は、ブローバイガスを吸気通路に還流する機構（ＰＣＶ機構：Positive Crankcase Ventilation機構）４０を備えている。なお、図４では、便宜上、ＰＣＶ機構４０を簡略化して示している。ＰＣＶ機構４０は、気筒２のクランクケース（図示せず）とサージタンク８との間に介在し、クランクケースに吹き抜けたブローバイガスを吸気通路へと還流することができる。このように、内燃機関３１では、吸気通路に各種の機構が接続されている。パージ弁３６、ブレーキブースタ３８は、ＥＣＵ２０に接続されている。
また、内燃機関３１では、ＥＣＵ２０が、パージガスの濃度学習処理を記憶している。また、内燃機関３１では、ＥＣＵ２０が、オイル希釈燃料量推定処理や、吸気ポートの壁面付着燃料量の推定処理を記憶している。これらの処理内容に関する技術は、既に多くの技術が公知となっており、新規な事項ではない。従って、ここではその詳細な説明は省略する。
また、実施の形態２に係る内燃機関は、実施の形態１と同様に空燃比センサの異常判定処理（モデルパラメータ同定の処理を含む）を備えるものとする。但し、実施の形態２は、実施の形態１で述べたｋｌ_ＩＶＣの推定演算処理は備えていないものとする。
［実施の形態２の特徴］
実施の形態２は、次に述べる２つの特徴を備えている。第１の特徴は、エアフローメータ５の下流において内燃機関１の吸気通路と授受される空気量を検出し、当該授受される空気量を考慮して筒内空燃比を算出する点である。また、第２の特徴は、インジェクタの噴射量以外の他の要因を考慮して筒内空燃比を算出する点である。以下、それぞれの特徴について詳細に説明する。
（a）実施の形態２の第１の特徴
本実施形態のように、パージ燃料やオイル希釈燃料を含む新気をエアフローメータ５の下流に流している場合、気筒内の現実の空気量がエアフローメータ出力値と異なる場合がある。また、ブレーキブースタ動作によれば、筒内の現実の吸入空気量が、エアフローメータ出力値よりも大きくなる場合や小さくなる場合が生じうる。
そこで、実施の形態２は、（i）パージにより気筒内に供給された新気の量と、（ii）ブローバイガスにより気筒内に供給された新気の量と、（iii）ブレーキブースタ動作により気筒内に供給若しくは吸い出された空気の量とを、モデル入力に反映する。反映すべき空気の量は、例えば、次のような手法で特定することができる。
先ず、パージ弁３２やブレーキブースタ３４の動作量に応じて吸気通路に流入する空気量を把握しておく。また、ＰＣＶ機構４０を介して気筒内に供給される空気量を、適宜把握可能としておく。
そして、上記の（i）〜（iii）の空気量の変化量分を、エアフローメータ出力に基づいて得られる吸入空気量に加えて、気筒２内の現実の吸入空気量（以下、「実筒内吸入空気量」とも呼称する）を算出する。その後、この実筒内吸入空気量を吸入空気量として、筒内空燃比を算出する。この筒内空燃比を入力空燃比ｕ（ｔ）として設定することにより、上記の（i）〜（iii）の空気量を入力空燃比ｕ（ｔ）に反映することができ、より正確な入力空燃比ｕ（ｔ）をモデルに対して与えることができる。
（b）実施の形態２の第２の特徴
パージ燃料やオイル希釈燃料を含む新気をエアフローメータ５の下流に流している場合、この新気により、空気と共に燃料も吸気通路内に流入する。また、本実施形態のようにポート噴射により燃料を供給する場合、壁面付着により一部の燃料が気筒内に流入しなかったり、逆に付着燃料の脱離により気筒内に燃料が流入したりする。このため、筒内の現実の燃料量が、目標空燃比に基づくインジェクタ１２の燃料噴射量と一致しない場合がある。
そこで、実施の形態２では、（iv）パージにより気筒内に供給された燃料の量と、（v）ブローバイガスにより気筒内に供給されたオイル希釈燃料量と、（vi）壁面付着による燃料量の増減とを、モデル入力に反映する。反映すべき燃料の量は、例えば、次に述べる手法により特定することができる。
先ず、パージガスの濃度学習方法と、パージ弁３２の動作量に応じて吸気通路に流入するパージガスの量を把握する方法とを併用して、パージが実行された場合に気筒２に流入する燃料の量を把握可能としておく。また、ブローバイガスに関してはオイル希釈燃料量推定処理を、壁面付着による影響については壁面付着燃料量推定処理を、それぞれ用いて、内燃機関３１の運転状態に応じて気筒２に流入すると予想される燃料量を把握可能としておく。
上記の（iv）〜（vi）の要因により気筒２に供給される燃料量相当分を、インジェクタ１２の燃料噴射量から差し引くことにより、気筒２内の現実の燃料量（以下、「実筒内燃料量」とも呼称する）を算出する。この実筒内燃料量に基づいて算出した筒内空燃比を、入力空燃比ｕ（ｔ）とする。これにより、上記の（iv）〜（vi）の燃料量を入力空燃比ｕ（ｔ）に反映することができる。
以上説明した実施の形態２の第１、２の特徴をまとめると、下記の式（２６）のように表すことができる。
入力空燃比ｕ（ｔ）＝ 実筒内吸入空気量 ／ 実筒内燃料量 ・・・（２６）
式（２５）における実筒内吸入空気量は、既述したように、エアフローメータ５の出力と、（i）〜（iii）の要素とに基づいて算出された吸入空気量である。式（２６）における実筒内燃料量は、既述したように、インジェクタ１２の噴射量と、（iv）〜（vi）の要素とに基づいて算出された燃料量である。
上記の式（２６）を、実施の形態１の式（２４）に代えて用いて、一次遅れ要素のパラメータの同定に利用する。そして、実施の形態１と同様に、同定されたパラメータを各種判定値と比較することにより、触媒前センサ１７の異常の有無を判定することができる。
［実施の形態２の効果］
図５は、実施の形態２で得られる効果を説明すべく示す比較例の図である。この比較例は、入力空燃比ｕ（ｔ）を、エアフローメータ５の出力に基づく吸入空気量と、インジェクタ１２の噴射量に基づく燃料量とにより算出した場合を示している。
既述したように、パージガスやブローバイガスなどの影響により、吸入空気量がエアフローメータ５の出力に基づく値と一致しなくなったり、燃料量がインジェクタ１２の噴射量と一致しなくなったりする。この場合、図５の比較例のような入力空燃比の設定方法では、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との対応が取れなくなるおそれがある。
具体的には、例えば、図５に示すように、吸入空気量が一定の状況下においてインジェクタ１２の噴射量が減少したとき、同時にパージにより気筒２内に燃料が流入するという事態が想定される。このような場合、インジェクタ１２側の燃料減少分と、パージにより流入する燃料増加分とが相殺され、気筒２内の筒内燃料量が変化しないことになる。その結果、インジェクタ１２の噴射量が減少しているにもかかわらず、その変化が触媒前センサ１７の出力に現れない（センサ出力が変化しない）という事態が生じる。
比較例における入力空燃比の設定方法によれば、図５に示すように、インジェクタ１２の噴射量減少に応じて入力空燃比ｕ（ｔ）も一律に変化する。その結果、図５に示すように、入力空燃比ｕ（ｔ）が変化しているにもかかわらず触媒前センサ１７出力が何ら変化しないという事態が発生する。このような場合、例えば、無駄時間や応答遅れといった触媒前センサ１７の特性が極大であると認識（同定）されてしまうおそれがある。
この点、本実施形態による入力空燃比ｕ（ｔ）の設定手法によれば、図５に示すような事態を回避しつつ同定を行うことができる。
なお、図５では、燃料噴射量の不一致に関する問題点のみ、すなわち実施の形態２の第２の特徴に関する事項のみを述べた。しかしながら、図示していないが、第１の特徴を備える構成であれば、吸入空気量に関しても同様の効果を得ることができる。また、第１の特徴については、燃料噴射の後、吸気弁閉弁時までに、上記（i）〜（iii）の空気量変化が発生したときには、この変化が入力空燃比ｕ（ｔ）に現れる。従って、実施の形態１と同様、同定機会の増加などの利点がある。
なお、（i）〜（iii）の空気量変化を吸入空気量に反映させる際の演算方法や、（iv）〜（vi）の燃料量ずれを燃料噴射量に反映させる演算方法は、本実施形態の演算方法（つまり、単なる加算、減算）になんら限定されるものではない。エアフローメータ出力に基づく吸入空気量やインジェクタ１２の燃料噴射量に対して、（i）〜（vi）の反映させるべき量に応じた補正量を適宜加減乗除し、実筒内吸入空気量や実筒内燃料量を計算してもよい。
なお、上述した実施の形態２では、上述した第１の特徴の動作により、前記第２の発明における「空気授受量検出手段」および「実筒内吸入空気量算出手段」が実現されている。なお、実施の形態２では、上述した第１の特徴における（i）〜（iii）の空気量が、前記第２の発明における「前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量」に相当している。
そして、実施の形態２では、実筒内吸入空気量を利用して空燃比を計算することにより（式（２７））、前記第２の発明における「筒内空燃比算出手段」が実現されている。また、上述した実施の形態２では、実施の形態１と同様に同定したパラメータを各種判定値と比較してセンサ異常の有無を判定する手法が、前記第２の発明における「異常判定手段」に相当するとともに、前記第３の発明の「パラメータ異常判定手段」に相当している。
また、実施の形態２では、上述した第２の特徴の動作により、前記第８の発明における、「筒内燃料量算出手段」が実現されている。
［実施の形態２の変形例］
（第１変形例）
実施の形態２の第１、２の特徴は、それぞれを独立に利用しても良い。例えば、下記の式（２７）によって入力空燃比ｕ（ｔ）を与えても良い。
入力空燃比ｕ（ｔ）＝ 実筒内吸入空気量／インジェクタ１２の燃料噴射量 ・・・（２７）
また、下記の式（２８）によって入力空燃比ｕ（ｔ）を与えても良い。
入力空燃比ｕ（ｔ）＝ エアフローメータ５の出力に基づく吸入空気量／実筒内燃料量 ・・・（２８）
また、第１の特徴の（i）〜（iii）の空気量は、必ずしも全てを実筒内吸入空気量に反映させなくともよい。（i）〜（iii）の空気量から、択一的にまたは２つを選択して、実吸入空気量の算出を行っても良い。（iv）〜（vi）の燃料量についても同様である。
（第２変形例）
実施の形態２を、触媒後センサ１８の異常の有無の判定に用いることもできる。例えば、触媒後センサ１８を異常検出の対象とする場合には、実施の形態１の第２変形例と同様に、触媒後センサ１８の特性に対応する各種パラメータを同定して異常検出を行えばよい。
（第３変形例）
また、実施の形態２を、触媒１１の異常の有無の判定に用いることもできる。触媒１１の異常検出を行う場合には、実施の形態１の第３変形例と同様に、触媒１１に関する特性をモデル化した数式のパラメータ（ｋ、Ｔ、Ｌ）を同定する。そして、同定された無駄時間Ｌと所定の判定値との比較により、触媒１１の異常の有無を判定すればよい。
尚、上述した実施の形態２の第３変形例では、無駄時間Ｌを所定の判定値と比較する手法が、前記第５の発明における「異常判定手段」に相当するとともに、前記第６の発明における「パラメータ異常判定手段」に相当している。
実施の形態３．
実施の形態３は、上述した実施の形態１、２において、ｋｌ_ＩＶＣ、実吸入空気量、筒内燃料量の計算の精度が悪化する領域においては、同定を禁止する点に特徴を有している。
具体的には、実施の形態３では、パージ濃度学習が未確定の場合、オイル希釈燃料量の推定値が未確定の場合、触媒前センサ１７が非活性の場合、エアフローメータ５やインジェクタ１２の故障が認められる場合には、同定を禁止することとする。また、冷間時には壁面付着燃料量の推定精度が悪化するため、冷間時にも同定を禁止する。このような動作は、フラグを適宜設定したり、温度センサを用いて温度を把握したりするなどの手法により、ＥＣＵ２０に上記の状態をそれぞれ監視させつつ同定の実行と禁止を切り替えることにより実現できる。
以上説明した実施の形態３によれば、吸入空気量や燃料量に関する推定の精度が悪い時期には同定を禁止でき、不適切な時期に低い精度で同定が行われてしまうのを確実に制限することができる。なお、実施の形態３では同定を禁止することとしたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上記の特定の状況下では、同定を完全に停止するのではなく、上記特定状況に該当しない他の期間に比して同定の反映率を相対的に小さくしてもよい。
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１のようなパラメータ同定を利用するセンサ異常検出の思想とは異なる観点から、吸気弁閉弁時の吸入空気量（ｋｌ_ＩＶＣ）を空燃比センサ異常検出に利用するというものである。実施の形態４では、オープンループ制御により燃料噴射量を増減し、この増減の結果変化した空燃比センサの出力を評価する空燃比センサ異常検出に、ｋｌ_ＩＶＣを利用する。
実施の形態４は、実施の形態１と同様に図１の構成の内燃機関に適用される。また、実施の形態４は、実施の形態１と同様に、筒内空燃比を算出するための各種処理（（i）ＩＶＣ時刻を取得する処理、（ii）推定値逐次算出処理、（iii）ｋｌ_ＩＶＣ算出処理、（iv）筒内空燃比の算出処理）を備えているものとする。
実施の形態４では、具体的には、先ず、オープンループ制御により、燃料噴射量をリーン側、リッチ側に強制的に振動させる。そして、この燃料噴射量の増減の結果として生ずる、触媒前センサ１７の出力変化を取得する。また、当該オープンループによる燃料噴射量の増減を行う期間のｋｌ_ＩＶＣを推定演算し、この期間の筒内空燃比の変化を計算しておく。触媒前センサ１７の出力変化の情報と筒内空燃比の変化の情報とを利用して、触媒前センサ１７の応答特性を評価する。高精度に算出された筒内空燃比を触媒前センサ１７の評価に用いることにより、高い精度で触媒前センサ１７の異常を検出することができる。
なお、オープンループ制御により燃料噴射量を増減して空燃比センサの異常検出を行う技術（この技術は、アクティブ制御とも呼称されている）自体は、例えば、特開２００５−３０３５８号公報に開示されている。従って、アクティブ制御そのものに関する説明は、ここでは省略する。
尚、実施の形態４では、（i）ＩＶＣ時刻を取得する処理が前記第１の発明の「時刻取得手段」に、（ii）推定値逐次算出処理が前記第１の発明の「推定値算出手段」に、（iii）ｋｌ_ＩＶＣ算出処理が、前記第１の発明の「推定演算手段」に、（iv）筒内空燃比の算出処理が前記第１の発明の「筒内空燃比算出手段」に、それぞれ相当している。そして、触媒前センサ１７の出力変化の情報と筒内空燃比の変化の情報とを利用して触媒前センサ１７の応答特性を評価することにより（アクティブ制御を利用した特性評価により）、前記第１の発明における「異常判定手段」が実現されている。
なお、実施の形態４においても、実施の形態１の各変形例のように、触媒後センサ１８や触媒１１についての異常検出を行うこともできる。この場合には、具体的には、例えば、評価対象が正常な状態のときのアクティブ制御による触媒後センサ１８の予想出力変化を予め把握しておき（或いは応答モデル等で算出し）、これを触媒後センサ１８の現実の出力変化と比較することにより、評価対象の異常を検出することができる。なお、実施の形態４は、上述した各実施の形態およびそれらの変形例と組み合わせて用いても良い。
実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態２の実筒内吸入空気量や実筒内燃料量に基づく空燃比を、アクティブ制御に組み合わせる。これにより、実施の形態５では、実施の形態２のようなパラメータ同定を利用するセンサ異常検出の思想とは異なる観点から、実筒内吸入空気量や実筒内燃料量をセンサ異常検出に利用する。
具体的には、アクティブ制御中、オープンループによる燃料噴射量の増減を行う期間について、この燃料噴射量の増減の結果として生ずる触媒前センサ１７の出力変化を取得する。また、当該アクティブ制御期間中の、式（２６）における入力空燃比ｕ（ｔ）の変化を計算しておく。計算で求めた入力空燃比ｕ（ｔ）と、触媒前センサ１７の出力とを利用して、触媒前センサ１７の応答特性を評価する。
その結果、実筒内吸入空気量や実筒内燃料量に基づいて得られた高精度な空燃比情報を利用して、高い精度で触媒前センサ１７の異常を検出することができる。なお、式（２６）に代えて、式（２７）や式（２８）を用いても良い。
尚、実施の形態５では、実施の形態２と同様に実筒内吸入空気量を利用して空燃比を計算することにより（式（２６））、前記第２の発明における「筒内空燃比算出手段」が実現されている。また、上述した実施の形態５では、アクティブ制御を利用した特性評価により、前記第２の発明における「異常判定手段」が実現されている。
なお、実施の形態５においても、実施の形態４と同様に、触媒後センサ１８や触媒１１についての異常検出を行うことができる。また、実施の形態５を、上述した各実施の形態およびそれらの変形例と組み合わせて用いても良い。
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６の内燃機関の空燃比制御装置について説明する。実施の形態６は、実施の形態１の同定方法および入力空燃比設定方法を用いて、一次遅れ要素のパラメータを同定する。そして、同定されたパラメータを、空燃比フィードバック制御に利用する。
実施の形態６は、実施の形態１と同様に、図１の構成の内燃機関に適用することができる。また、実施の形態６は、実施の形態１と同様に、ＥＣＵ２０が、一次遅れ要素のパラメータを同定するための処理や、ｋｌ_ＩＶＣを利用して入力空燃比ｕ（ｔ）を設定するための処理を記憶している。なお、実施の形態６は、実施の形態１のセンサ特性異常判定を実行する処理（同定したパラメータを各種異常判定値と比較する処理）は備えていなくともよい。以下の説明では、実施の形態１と同様の内容については説明を省略し、実施の形態６の特徴点、すなわち空燃比制御に関する点のみを説明する。
図６は、実施の形態６が備えるフィードバック制御システムの概念図であって、実施の形態６にかかるフィードバック補正量の算出方法を説明するための概念図である。図６に示すように、実施の形態６では、筒内空燃比の計算値が入力空燃比ｕ（ｔ）として空燃比センサ応答モデルに入力され、実施の形態１と同様に逐次同定が行われる。
そして、触媒前センサ１７の現実の出力と、空燃比センサ出力応答モデル（Ａ／Ｆ応答モデル）のパラメータとがメインフィードバックコントローラ２００に入力される。メインフィードバックコントローラ２００は、それらの入力値に基づいてフィードバック補正量を算出する。算出されたフィードバック補正量に基づいて、フィードバック制御が実行される。
以上説明した実施の形態６によれば、実施の形態１と同様にモデルのパラメータの同定を効果的に行い、当該同定されたパラメータを利用してフィードバック制御を行うことができる。なお、実施の形態６に、実施の形態３にかかる同定の制限の思想を組み合わせても良い。
実施の形態７．
実施の形態６では、実施の形態１の特徴の一部（同定方法および入力空燃比設定方法）を、空燃比フィードバック制御に組み合わせている。これに対し、実施の形態７は、実施の形態２を、空燃比フィードバック制御に組み合わせるというものである。
具体的には、実施の形態２と同様に、図４の構成の内燃機関において実筒内吸入空気量や実筒内燃料量の計算を行うための処理をＥＣＵ２０に記憶させておく。そして、ＥＣＵ２０に、実筒内吸入空気量や実筒内燃料量を用いて筒内空燃比を計算する処理を記憶させておく（式（２６））。この筒内空燃比を図６のフィードバック制御システムの空燃比応答モデルの入力空燃比ｕ（ｔ）として利用する。
これにより、実施の形態２と同様にモデルのパラメータの同定を効果的に行い、当該同定されたパラメータを利用してフィードバック制御を効果的に行うことができる。なお、実施の形態７に、実施の形態３にかかる同定の制限の思想を組み合わせても良い。
なお、上記説明した実施の形態１〜７では、ポート噴射式の内燃機関を前提として説明を行った。しかしながら、必要に応じて、本発明を、直噴式の内燃機関や、ポート噴射と直噴を併用する内燃機関に適用することもできる。燃料噴射時期に当初予測した空燃比と、吸気弁閉弁時に現実に確定した空燃比との間のずれ（空燃比荒れ）が生じうる状況下であれば、内燃機関の構造に何ら捉われることなく、本発明の効果が発揮されるからである。
但し、ポート噴射式内燃機関では、吸気弁が閉弁する前に燃料を噴射しておくことが求められるため、上記の空燃比荒れの対処の要望が直噴式の内燃機関に比して高いと考えることができる。よって、実施の形態１〜７は、ポート噴射式内燃機関では特に優れた効果を発揮する。
また、実施の形態１〜７にかかる装置を適用可能な内燃機関は、図１、４の構成に限られるものではない。例えば、上流側触媒１１のみを備えるような内燃機関であってもよい。また、気筒数についても何ら限定されることはなく、多気筒の内燃機関についても各気筒ごとに筒内空燃比を算出することにより、本実施形態の思想を利用することができる。
なお、既述したように、実施の形態２の第２の特徴（実筒内燃料量の算出）は、実施の形態２の第１の特徴（実吸入空気量の算出）とは独立した思想に基づいている。よって、上記の実施の形態のそれぞれに対して、当該第２の特徴（実筒内燃料量の算出）にかかる思想のみを個別に組み合わせることもできる。
本発明の実施の形態１の異常検出装置が適用される内燃機関の構成の一例を示す図である。 実施の形態１の吸入空気量の推定演算の内容を説明する図である。 実施の形態１の同定動作イメージを、比較例とともに示す図である。 実施の形態２の異常検出装置が適用される内燃機関の構成の一例を示す図である。 実施の形態２の効果を説明するための図である。 実施の形態６の空燃比制御装置にかかるフィードバック補正量の算出用システムの概念図である。
符号の説明
１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃焼室
４ ピストン
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
８ サージタンク
９ エアクリーナ
１０ スロットルバルブ
１１，１９ 触媒
１２ インジェクタ
１３ 吸気管
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（空燃比センサ）
１８ 触媒後センサ（Ｏ２センサ）
２０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁
３１ 内燃機関
３４ パージ通路
３６ パージ弁
３８ ブレーキブースタ
４０ ＰＣＶ機構
２００ メインフィードバックコントローラ
ｋｌ 吸入空気量の推定値
ｋｌ_ＩＶＣ 吸気弁閉弁時刻の吸入空気量の推定演算値
ｕ（ｔ） 入力空燃比（モデル入力）
ｙ（ｔ） 出力空燃比（モデル出力）

Claims (12)

  1. 内燃機関に備えられる排気ガスセンサの出力を取得する出力取得手段と、
    所定の周期で、前記内燃機関の気筒ごとに吸入空気量の推定値を繰り返し算出する推定値算出手段と、
    前記内燃機関の１つの気筒について、１燃焼サイクルごとに、該１つの気筒の吸気弁が吸気行程を経て閉弁する閉弁時刻を取得する時刻取得手段と、
    前記１つの気筒の今回の燃焼サイクルの前記閉弁時刻の前後にわたって前記推定値算出手段が算出した複数の推定値のうち、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻までの時間と、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻までの時間と、に基づいて、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻における該１つの気筒の吸入空気量の推定演算を行う推定演算手段と、
    前記今回の燃焼サイクルで前記推定演算手段により前記内燃機関の前記１つの気筒について得られた吸入空気量の推定演算値と、該今回の燃焼サイクルで該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
    前記出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記排気ガスセンサの異常の有無を判定する異常判定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  2. 内燃機関に備えられる排気ガスセンサの出力を取得するセンサ出力取得手段と、
    前記内燃機関の吸気通路に備えられるエアフローメータの出力を取得するエアフロ出力取得手段と、
    前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量を検出する空気授受量検出手段と、
    前記エアフロ出力取得手段により得られる前記エアフローメータの出力と、前記空気授受量検出手段により得られる前記空気の量とに基づいて、前記内燃機関の１つの気筒の吸入空気量を算出する実筒内吸入空気量算出手段と、
    前記実筒内吸入空気量算出手段により前記１つの気筒について得られた吸入空気量と、該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
    前記センサ出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記排気ガスセンサの異常の有無を判定する異常判定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  3. 請求項１または２に記載の内燃機関の異常検出装置において、
    前記異常判定手段は、
    前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
    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排気ガスセンサの異常の有無を判定するパラメータ異常判定手段と、
    を含むことを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  4. 内燃機関の触媒の下流に備えられる排気ガスセンサの出力を取得する出力取得手段と、
    所定の周期で、前記内燃機関の気筒ごとに吸入空気量の推定値を繰り返し算出する推定値算出手段と、
    前記内燃機関の１つの気筒について、１燃焼サイクルごとに、該１つの気筒の吸気弁が吸気行程を経て閉弁する閉弁時刻を取得する時刻取得手段と、
    前記１つの気筒の今回の燃焼サイクルの前記閉弁時刻の前後にわたって前記推定値算出手段が算出した複数の推定値のうち、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻までの時間と、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻までの時間と、に基づいて、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻における該１つの気筒の吸入空気量の推定演算を行う推定演算手段と、
    前記今回の燃焼サイクルで前記推定演算手段により前記内燃機関の前記１つの気筒について得られた吸入空気量の推定演算値と、該今回の燃焼サイクルで該１つの気筒に供給された燃料の量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
    前記出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記触媒の異常の有無を判定する異常判定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  5. 内燃機関の排気通路の触媒の下流に備えられる排気ガスセンサの出力を取得するセンサ出力取得手段と、
    前記内燃機関の吸気通路に備えられるエアフローメータの出力を取得するエアフロ出力取得手段と、
    前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量を検出する空気授受量検出手段と、
    前記エアフロ出力取得手段により得られる前記エアフローメータの出力と、前記空気授受量検出手段により得られる前記空気の量とに基づいて、前記内燃機関の１つの気筒の吸入空気量を算出する実筒内吸入空気量算出手段と、
    前記実筒内吸入空気量算出手段により前記１つの気筒について得られた吸入空気量と、該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
    前記センサ出力取得手段が取得した前記排気ガスセンサの出力と、前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記触媒の異常の有無を判定する異常判定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  6. 請求項４または５に記載の内燃機関の異常検出装置において、
    前記異常判定手段は、
    前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
    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触媒の異常の有無を判定するパラメータ異常判定手段と、
    を含むことを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  7. 請求項３または６に記載の内燃機関の異常検出装置において、
    前記内燃機関が前記筒内空燃比算出手段の算出結果の精度が低下する所定運転状態にある間、前記同定手段の同定を禁止または該同定手段による同定の反映率を低減する同定制限手段を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関の異常検出装置において、
    前記内燃機関の燃料噴射弁の噴射量と該内燃機関の運転状態とに基づいて、前記１つの気筒への前記燃料供給量を算出する筒内燃料量算出手段を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
  9. 内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
    前記触媒の上流に配置される排気ガスセンサと、
    前記触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比と一致するように、前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
    所定の周期で、前記内燃機関の気筒ごとに吸入空気量の推定値を繰り返し算出する推定値算出手段と、
    前記内燃機関の１つの気筒について、１燃焼サイクルごとに、該１つの気筒の吸気弁が吸気行程を経て閉弁する閉弁時刻を取得する時刻取得手段と、
    前記１つの気筒の今回の燃焼サイクルの前記閉弁時刻の前後にわたって前記推定値算出手段が算出した複数の推定値のうち、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された推定値の少なくとも１つと、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻の前に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻までの時間と、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻から該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻よりも後に算出された該少なくとも１つの該推定値の算出時刻までの時間と、に基づいて、該今回の燃焼サイクルの該閉弁時刻における該１つの気筒の吸入空気量の推定演算を行う推定演算手段と、
    前記今回の燃焼サイクルで前記推定演算手段により前記内燃機関の前記１つの気筒について得られた吸入空気量の推定演算値と、該今回の燃焼サイクルで該１つの気筒に供給された燃料の量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
    前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
    前記同定手段により同定されたパラメータを用いて前記フィードバック制御手段のフィードバック補正量を設定する設定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
  10. 内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
    前記触媒の上流に配置される排気ガスセンサと、
    前記触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比と一致するように、前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックするフィードバック制御手段と、
    前記内燃機関の吸気通路に配置されるエアフローメータと、
    前記エアフローメータの下流において前記吸気通路がその外部と授受する空気の量を検出する空気授受量検出手段と、
    前記エアフロ出力取得手段により得られる前記エアフローメータの出力と、前記空気授受量検出手段により得られる前記空気の量とに基づいて、前記内燃機関の１つの気筒の吸入空気量を算出する実筒内吸入空気量算出手段と、
    前記実筒内吸入空気量算出手段により前記１つの気筒について得られた吸入空気量と該１つの気筒への燃料供給量とに基づいて、該１つの気筒の空燃比を算出する筒内空燃比算出手段と、
    前記１つの気筒から前記排気ガスセンサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、前記排気ガスセンサの出力と前記筒内空燃比算出手段が算出した空燃比とに基づいて、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
    前記同定手段により同定されたパラメータを用いて前記フィードバック制御手段のフィードバック補正量を設定する設定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
  11. 請求項９または１０に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記内燃機関が前記筒内空燃比算出手段の算出結果の精度が低下する所定運転状態にある間、前記同定手段の同定を禁止または該同定手段による同定の反映率を低減する同定制限手段を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
  12. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記内燃機関の燃料噴射弁の噴射量と該内燃機関の運転状態とに基づいて、前記１つの気筒への前記燃料供給量を算出する筒内燃料量算出手段を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
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