JP2009127595A - Abnormality diagnostic system of air-fuel ratio sensor - Google Patents

Abnormality diagnostic system of air-fuel ratio sensor Download PDF

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JP2009127595A JP2007306441A JP2007306441A JP2009127595A JP 2009127595 A JP2009127595 A JP 2009127595A JP 2007306441 A JP2007306441 A JP 2007306441A JP 2007306441 A JP2007306441 A JP 2007306441A JP 2009127595 A JP2009127595 A JP 2009127595A
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靖志 岩▲崎▼
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suitably detect abnormality of an individual characteristic of an air-fuel ratio sensor. <P>SOLUTION: A system up to the air-fuel ratio sensor 17 from a fuel injection valve 12 is modeled by a primary delay element, and a parameter in the primary delay element is identified based on the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio to this model. Abnormality of a predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor is determined based on the identified parameter. When identifying the parameter, a correction is made for removing a bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio. The abnormality of the predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor, not mere abnormality of the air-fuel ratio sensor can be specified and detected. Identification can be performed after removing the bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio, and identification accuracy and diagnostic accuracy can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to an apparatus for diagnosing abnormality of an air-fuel ratio sensor that detects an air-fuel ratio of exhaust gas of an internal combustion engine.

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。   In an internal combustion engine equipped with an exhaust gas purification system using a catalyst, in order to effectively remove harmful components of exhaust gas by the catalyst, the mixture ratio of air and fuel in the air-fuel mixture burned in the internal combustion engine, that is, the air-fuel ratio is reduced. Control is essential. In order to perform such control of the air-fuel ratio, an air-fuel ratio sensor for detecting the air-fuel ratio is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine based on the concentration of a specific component of the exhaust gas, and the detected air-fuel ratio is set to a predetermined target air-fuel ratio. Feedback control is carried out so that it can approach.

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。   By the way, if an abnormality such as deterioration or failure occurs in the air-fuel ratio sensor, accurate air-fuel ratio feedback control cannot be performed, and exhaust gas emission deteriorates. Therefore, it has been conventionally performed to diagnose abnormality of the air-fuel ratio sensor. In particular, in the case of an engine mounted on an automobile, it is requested by the laws and regulations of each country to detect an abnormality in the air-fuel ratio sensor in an on-board state (onboard) in order to prevent traveling in a state where exhaust gas has deteriorated. ing.

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。   Patent Document 1 discloses an abnormality of an air-fuel ratio sensor that detects an abnormality of the air-fuel ratio sensor based on a trajectory length or area of an air-fuel ratio sensor output that periodically increases and decreases by open-loop control. A detection device is disclosed.

特開2005−30358号公報JP 2005-30358 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、空燃比センサ自体の異常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。即ち、空燃比センサには複数の特性が含まれているが、このうちいずれが異常なのかを特定することができない。   However, with the technique described in Patent Document 1, although the abnormality of the air-fuel ratio sensor itself can be specified, the details of the abnormality cannot be specified. That is, the air-fuel ratio sensor includes a plurality of characteristics, but it is impossible to specify which of these is abnormal.

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に検出することができる空燃比センサの異常診断装置を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor that can preferably detect abnormality of individual characteristics included in the air-fuel ratio sensor. It is in.

本発明の一形態によれば、
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によりモデル化し、当該モデルに対する入力空燃比と出力空燃比に基づき、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、
該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判定する異常判定手段と、
前記同定手段による同定時に前記入力空燃比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、
前記同定手段による同定時に前記入力空燃比と前記出力空燃比の間のバイアスを除去するように前記入力空燃比及び前記出力空燃比を補正するバイアス補正手段であって、前記入力空燃比及び前記出力空燃比のそれぞれについて、1振動周期当たりのリッチ側の値とリーン側の値の平均値をバイアス値として算出し、実際のデータから前記バイアス値を減じて実際のデータを補正するバイアス補正手段と
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。
According to one aspect of the invention,
An air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis device for detecting an air-fuel ratio of exhaust gas of an internal combustion engine,
Identifying means for modeling a system from a fuel injection valve to an air-fuel ratio sensor with a first-order lag element, and identifying a parameter in the first-order lag element based on an input air-fuel ratio and an output air-fuel ratio for the model;
An abnormality determining means for determining an abnormality of a predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor based on the parameter identified by the identifying means;
Active control means for executing active control for forcibly oscillating the input air-fuel ratio at the time of identification by the identification means;
Bias correcting means for correcting the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio so as to remove a bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio at the time of identification by the identifying means, the input air-fuel ratio and the output Bias correction means for calculating an average value of a rich side value and a lean side value per vibration period as a bias value for each air-fuel ratio, and subtracting the bias value from actual data to correct the actual data; An abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor is provided.

これによれば、単に空燃比センサ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。よって当該特性の異常を特定して検出することができ、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。またこれに加えて、入力空燃比と出力空燃比の間にバイアス(ずれ)があった場合にこれを除去した上で同定を行うことができ、同定精度や診断精度を向上することができる。   According to this, the abnormality of the predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor is determined instead of simply determining the abnormality of the air-fuel ratio sensor. Therefore, the abnormality of the characteristic can be specified and detected, and the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor can be executed more precisely and in detail. In addition to this, when there is a bias (deviation) between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio, the identification can be performed after removing the bias, and the identification accuracy and the diagnostic accuracy can be improved.

好ましくは、前記バイアス補正手段は、1振動周期当たりに、リッチ側の値をサンプリング間隔毎に積算してこれをサンプル数で除することによりリッチ側の値の平均値を求めると共に、リーン側の値をサンプリング間隔毎に積算してこれをサンプル数で除することによりリーン側の値の平均値を求め、これらリッチ側の値の平均値とリーン側の値の平均値との平均値を求めることによりバイアス値を算出し、且つ、当該バイアス値を半周期毎に更新する。   Preferably, the bias correction unit obtains an average value of the rich side values by accumulating the rich side values at every sampling interval and dividing the result by the number of samples per vibration period, and also at the lean side. The average value of the values on the lean side is obtained by accumulating the values at every sampling interval and dividing this by the number of samples, and the average value of the average value of these rich side values and the average value of the lean side values is obtained. Thus, the bias value is calculated, and the bias value is updated every half cycle.

また、本発明の他の形態によれば、
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によりモデル化し、当該モデルに対する入力空燃比と出力空燃比に基づき、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、
該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判定する異常判定手段と
を備え、
前記同定手段は、前記入力空燃比と前記出力空燃比の間のバイアスに相当するバイアス成分を含めて前記パラメータの同定を行う
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。
According to another aspect of the present invention,
An air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis device for detecting an air-fuel ratio of exhaust gas of an internal combustion engine,
Identifying means for modeling a system from a fuel injection valve to an air-fuel ratio sensor with a first-order lag element, and identifying a parameter in the first-order lag element based on an input air-fuel ratio and an output air-fuel ratio for the model;
An abnormality determining means for determining an abnormality of a predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor based on the parameter identified by the identifying means;
An abnormality diagnosis apparatus for an air-fuel ratio sensor is provided, wherein the identification means identifies the parameter including a bias component corresponding to a bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio.

これによっても空燃比センサの所定の特性の異常を特定して検出することができ、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。またこれに加えて、入力空燃比と出力空燃比の間のバイアスに相当するバイアス成分を含めてパラメータの同定を行うので、パラメータの同定精度を向上することができる。   This also makes it possible to identify and detect an abnormality in a predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor, and to perform an abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor more precisely and in detail. In addition to this, since parameter identification is performed including a bias component corresponding to a bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio, the parameter identification accuracy can be improved.

この場合、好ましくは、前記同定手段は、カルマンフィルタを用いて、前記パラメータと前記バイアス成分を同時に同定する。   In this case, preferably, the identification unit simultaneously identifies the parameter and the bias component using a Kalman filter.

また好ましくは、前記同定手段による同定時に前記入力空燃比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を備える。   In addition, preferably, active control means for executing active control for forcibly oscillating the input air-fuel ratio at the time of identification by the identification means is provided.

好ましくは、前記パラメータがゲイン及び時定数を含み、前記空燃比センサの所定の特性が、前記ゲインに対応する出力と前記時定数に対応する応答性とを含む。   Preferably, the parameter includes a gain and a time constant, and the predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor includes an output corresponding to the gain and a responsiveness corresponding to the time constant.

これにより空燃比センサの特に重要な特性である出力及び応答性の異常を検出することが可能となる。   This makes it possible to detect abnormalities in output and responsiveness, which are particularly important characteristics of the air-fuel ratio sensor.

本発明によれば、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常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。   According to the present invention, an excellent effect is exhibited that abnormalities in individual characteristics included in the air-fuel ratio sensor can be suitably detected.

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。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

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。   FIG. 1 is a schematic view of an internal combustion engine according to the present embodiment. As shown in the figure, the internal combustion engine 1 generates power by burning a mixture of fuel and air inside a combustion chamber 3 formed in a cylinder block 2 and reciprocating a piston 4 in the combustion chamber 3. To do. The internal combustion engine 1 of the present embodiment is a vehicular multi-cylinder engine (for example, a four-cylinder engine, only one cylinder is shown), and is a spark ignition internal combustion engine, more specifically a gasoline engine.

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。   In the cylinder head of the internal combustion engine 1, an intake valve Vi for opening and closing the intake port and an exhaust valve Ve for opening and closing the exhaust port are provided for each cylinder. Each intake valve Vi and each exhaust valve Ve are opened and closed by a camshaft (not shown). A spark plug 7 for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber 3 is attached to the top of the cylinder head for each cylinder.

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。   The intake port of each cylinder is connected to a surge tank 8 serving as an intake air collecting chamber via a branch pipe for each cylinder. An intake pipe 13 that forms an intake manifold passage is connected to the upstream side of the surge tank 8, and an air cleaner 9 is provided at the upstream end of the intake pipe 13. An air flow meter 5 for detecting the intake air amount and an electronically controlled throttle valve 10 are incorporated in the intake pipe 13 in order from the upstream side. An intake passage is formed by the intake port, the branch pipe, the surge tank 8 and the intake pipe 13.

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。   An injector (fuel injection valve) 12 that injects fuel into the intake passage, particularly into the intake port, is provided for each cylinder. The fuel injected from the injector 12 is mixed with intake air to form an air-fuel mixture. The air-fuel mixture is sucked into the combustion chamber 3 when the intake valve Vi is opened, compressed by the piston 4, and ignited and burned by the spark plug 7. It is done.

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空燃比センサである。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出力を発する。他方、触媒後センサ18は所謂Oセンサからなり、理論空燃比を境に出力が急変する特性を持つ。 On the other hand, the exhaust port of each cylinder is connected to an exhaust pipe 6 forming an exhaust collecting passage through a branch pipe for each cylinder. An exhaust passage is formed by the exhaust port, the branch pipe, and the exhaust pipe 6. Catalysts 11 and 19 made of a three-way catalyst are attached to the exhaust pipe 6 on the upstream side and the downstream side. Air-fuel ratio sensors 17 and 18 for detecting the air-fuel ratio of the exhaust gas, that is, pre-catalyst sensors and post-catalyst sensors 17 and 18 are installed at positions before and after the upstream catalyst 11, respectively. These pre-catalyst sensor and post-catalyst sensors 17 and 18 are air-fuel ratio sensors that detect the air-fuel ratio based on the oxygen concentration in the exhaust gas. The pre-catalyst sensor 17 is a so-called wide-range air-fuel ratio sensor, can continuously detect an air-fuel ratio over a relatively wide range, and generates an output proportional to the air-fuel ratio. On the other hand, the post-catalyst sensor 18 is a so-called O 2 sensor, and has a characteristic that the output changes suddenly at the theoretical air-fuel ratio.

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。   The spark plug 7, the throttle valve 10, the injector 12, and the like described above are electrically connected to an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 20 as control means. The ECU 20 includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port, a storage device, and the like, all not shown. In addition to the air flow meter 5, the pre-catalyst sensor 17, and the post-catalyst sensor 18, the ECU 20 includes a crank angle sensor 14 that detects the crank angle of the internal combustion engine 1 and an accelerator that detects the accelerator opening, as shown in the figure. The opening sensor 15 and other various sensors are electrically connected via an A / D converter or the like (not shown). The ECU 20 controls the ignition plug 7, the throttle valve 10, the injector 12, etc. so as to obtain a desired output based on the detection values of various sensors, etc., and the ignition timing, fuel injection amount, fuel injection timing, throttle opening. Control the degree etc. The throttle opening is normally controlled to an opening corresponding to the accelerator opening.

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。   The catalysts 11 and 19 simultaneously purify NOx, HC and CO when the air-fuel ratio A / F of the exhaust gas flowing into the catalyst 11 and 19 is the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric, for example, A / F = 14.6). In response to this, the ECU 20 controls the air-fuel ratio so that the air-fuel ratio A / F of the exhaust gas flowing into the catalysts 11 and 19 becomes equal to the stoichiometric air-fuel ratio during normal operation of the internal combustion engine (so-called stoichiometric). control). Specifically, the ECU 20 sets a target air-fuel ratio A / Ft that is equal to the stoichiometric air-fuel ratio, and makes the basic injection amount such that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture flowing into the combustion chamber 3 matches the target air-fuel ratio A / Ft. Is calculated. Then, the basic injection amount is feedback-corrected according to the difference between the actual air-fuel ratio detected by the pre-catalyst sensor 17 and the target air-fuel ratio A / Ft, and the injector 12 is operated for the energization time corresponding to the corrected injection amount. Energize (turn on). As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas supplied to the catalysts 11 and 19 is maintained near the stoichiometric air-fuel ratio, and the maximum purification performance is exhibited in the catalysts 11 and 19. Thus, the ECU 20 feedback-controls the air-fuel ratio (fuel injection amount) so that the actual air-fuel ratio detected by the pre-catalyst sensor 17 approaches the target air-fuel ratio A / Ft. The post-catalyst sensor 18 is provided to correct the air-fuel ratio deviation in such air-fuel ratio feedback control.

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。但し上流側触媒11の下流側に設置された空燃比センサ、即ち触媒後センサ18に対しても本発明は適用可能である。   Next, abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor in the present embodiment will be described. The object of diagnosis in this embodiment is an air-fuel ratio sensor installed on the upstream side of the upstream catalyst 11, that is, a pre-catalyst sensor 17. However, the present invention can also be applied to an air-fuel ratio sensor installed downstream of the upstream catalyst 11, that is, a post-catalyst sensor 18.

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によりモデル化され、当該モデルに対する入力空燃比と出力空燃比に基づき、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。   In the abnormality diagnosis, the system from the injector 12 to the pre-catalyst sensor 17 is modeled by a first-order lag element, and parameters in the first-order lag element are identified (estimated) based on the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio for the model. . Based on the identified parameters, an abnormality in a predetermined characteristic of the pre-catalyst sensor 17 is determined.

入力空燃比として、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が用いられる。以下、入力空燃比を単に入力と称し、u(t)で表す(u(t)=Ga/Q)。他方、出力空燃比として、触媒前センサ17の出力値から換算される空燃比が用いられる。以下、出力空燃比を単に出力と称し、y(t)で表す。   As the input air-fuel ratio, a ratio Ga / Q between the fuel injection amount Q calculated based on the energization time of the injector 12 and the intake air amount Ga calculated based on the output of the air flow meter 5 is used. Hereinafter, the input air-fuel ratio is simply referred to as input and is represented by u (t) (u (t) = Ga / Q). On the other hand, the air-fuel ratio converted from the output value of the pre-catalyst sensor 17 is used as the output air-fuel ratio. Hereinafter, the output air-fuel ratio is simply referred to as output, and is represented by y (t).

図2に示すように、本実施形態では前記パラメータの同定に際し、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。   As shown in FIG. 2, in the present embodiment, active control for forcibly oscillating the input u (t) is executed when the parameter is identified. In this active control, the target air-fuel ratio A / Ft, and hence the input u (t), is vibrated at a constant period so as to swing by the same amplitude on the lean side and the rich side with a predetermined center air-fuel ratio A / Fc as a boundary. Along with this, the air-fuel ratio detected by the pre-catalyst sensor 17, that is, the output y (t) is vibrated so as to follow the vibration of the input u (t). The center air-fuel ratio A / Fc in the vibration of the target air-fuel ratio A / Ft and the input u (t) is made equal to the theoretical air-fuel ratio, and the amplitude of the vibration is larger than that in the normal air-fuel ratio control. 5 etc.

この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る。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。   The reason for executing this active control is to make it easier to diagnose the abnormality of the pre-catalyst sensor 17 by changing the air-fuel ratio more drastically than usual. In addition, since the active control is executed during the steady operation of the engine, each control amount and each detected value is stabilized and diagnostic accuracy is improved. However, abnormality diagnosis may be executed during normal air-fuel ratio control.

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。   As shown in the figure, the input u (t) is a stepped waveform, whereas the output y (t) is a waveform with a first-order lag. In the figure, L is a dead time based on a transport delay from the input u (t) to the output y (t). This dead time L corresponds to the time difference from the time when the air-fuel mixture existing in the combustion chamber 3 in the cylinder burns to the time when the exhaust gas based on this combustion reaches the pre-catalyst sensor 17. Practically, the start point of the dead time L can be set, for example, at the time of ignition or when the exhaust valve is opened. However, since the time from ignition to opening the exhaust valve is extremely short compared to the entire dead time, there is no particular problem in terms of accuracy even if it is set at any time.

簡単化のためこのむだ時間L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値である。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。   Assuming that the dead time L is zero for simplification, the first-order lag element is represented by G (s) = k / (1 + Ts). Here, k is the gain of the pre-catalyst sensor 17, and T represents the time constant of the pre-catalyst sensor 17. The gain k is a value related to output among the characteristics of the pre-catalyst sensor 17, while the time constant T is a value related to responsiveness among the characteristics of the pre-catalyst sensor 17. In FIG. 2, a solid line representing the output y (t) indicates a case where the pre-catalyst sensor 17 is normal. On the other hand, when an abnormality occurs in the output characteristics of the pre-catalyst sensor 17, the gain k becomes larger than normal, and the sensor output increases (expands) as indicated by a, or the gain k becomes smaller than normal. As shown by b, the sensor output decreases (reduces). Therefore, an increase abnormality or a decrease abnormality of the sensor output can be specified by comparing the identified gain k with a predetermined value. On the other hand, if an abnormality occurs in the responsiveness of the pre-catalyst sensor 17, in most cases, the time constant T becomes larger than normal, and the sensor output comes out with a delay as shown by c. Therefore, the responsiveness abnormality of the sensor can be specified by comparing the identified time constant T with a predetermined value.

本実施形態では、少なくとも、ゲインk及び時定数Tという二つのパラメータが同時に同定され、それぞれに対応したセンサ出力異常及びセンサ応答性異常という二つの異常が同時に且つ個別に判定される。こうして、触媒前センサ17に含まれる個々の特性の異常を好適に検出することができる。   In the present embodiment, at least two parameters of gain k and time constant T are identified at the same time, and two abnormalities corresponding to the sensor output abnormality and sensor response abnormality are simultaneously and individually determined. In this way, it is possible to preferably detect abnormality of individual characteristics included in the pre-catalyst sensor 17.

次に、ECU20によって実行されるこれらゲインk及び時定数Tの同定方法を説明する。   Next, a method for identifying the gain k and time constant T executed by the ECU 20 will be described.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

Figure 2009127595
Figure 2009127595

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bとb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的に且つ同時に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。 Equation (20) is a function of the values at the current sample time t and the previous sample time t−1, and this equation means that b 1 and b 2 are based on the current value and the previous value, that is, T and k are updated every time. Thus, the time constant T and the gain k are identified sequentially and simultaneously by the sequential least square method. In this sequential identification method, a large number of sample data is acquired and temporarily stored, and the calculation load can be reduced as compared with the method of performing identification, and the capacity of the buffer for temporarily storing data can be reduced. It is suitable for mounting on an ECU (particularly an automotive ECU).

こうして同定されたゲインk及び時定数T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。   Using the gain k and time constant T thus identified, the ECU 20 performs an abnormality determination as follows. First, when the identified time constant T is larger than a predetermined time constant abnormality determination value Ts, a response delay occurs, and it is determined that the pre-catalyst sensor 17 is responsive abnormality. On the other hand, when the identified time constant T is equal to or less than the time constant abnormality determination value Ts, the pre-catalyst sensor 17 is determined to be normal with respect to responsiveness.

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。   If the identified gain k is greater than the predetermined gain increase abnormality determination value ks1, the pre-catalyst sensor 17 is determined to have an output increase abnormality, and the identified gain k is the predetermined gain reduction abnormality determination value ks2 (< If it is smaller than ks1), it is determined that the pre-catalyst sensor 17 is in an output decrease abnormality. When the identified gain k is not less than the gain reduction abnormality determination value ks2 and not more than the gain increase abnormality determination value ks1, it is determined that the pre-catalyst sensor 17 is normal with respect to the output.

このように本実施形態によれば、空燃比センサの個々の特性(出力及び応答性)の異常を個別に且つ同時に検出できる。従って空燃比センサの異常診断装置としては極めて好適なものである。   As described above, according to this embodiment, it is possible to individually and simultaneously detect abnormality of individual characteristics (output and responsiveness) of the air-fuel ratio sensor. Therefore, it is extremely suitable as an abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor.

図3及び図4は、正常な触媒前センサ17の場合と異常な触媒前センサ17の場合とで時定数Tとゲインkとを前述の逐次最小自乗法により逐次同定した結果を示す。図3が正常な触媒前センサ17の場合、図4が異常な触媒前センサ17の場合である。図3(A)及び図4(A)は入力(破線)と出力(実線)との振動の様子を示す。   3 and 4 show the results of sequentially identifying the time constant T and the gain k by the above-mentioned sequential least square method in the case of the normal pre-catalyst sensor 17 and the case of the abnormal pre-catalyst sensor 17. FIG. 3 shows the case of the normal pre-catalyst sensor 17, and FIG. 4 shows the case of the abnormal pre-catalyst sensor 17. FIG. 3A and FIG. 4A show the state of vibration between the input (broken line) and the output (solid line).

図3(B)及び図4(B)は、アクティブ制御開始時からの時定数T(破線)とゲインk(実線)との推移を示す。同定値である時定数Tとゲインkはサンプル時刻毎に毎回更新されていき、次第に一定値に収束していく。アクティブ制御開始時(同定開始時)t0から、それらの値がほぼ収束するような所定時間(例えば5秒)経過後の時点(判定時期)t1で、時定数Tとゲインkとが取得され、これら取得された時定数Tとゲインkとが前記異常判定値Ts1,ks1,ks2と比較されて、応答性及び出力の異常判定がなされる。   FIGS. 3B and 4B show transitions of the time constant T (broken line) and the gain k (solid line) from the start of active control. The time constant T and the gain k, which are identification values, are updated every sampling time and gradually converge to a constant value. The time constant T and the gain k are acquired at a time point (determination time) t1 after a predetermined time (for example, 5 seconds) has elapsed from when the active control starts (at the start of identification) t0, and the values almost converge. The obtained time constant T and gain k are compared with the abnormality determination values Ts1, ks1, and ks2, and abnormality determination of responsiveness and output is made.

異常な触媒前センサ17として、正常な触媒前センサ17に比べ応答性がほぼ同じで出力が1/2であるセンサを用いて試験を行ったところ、判定時期t1での時定数Tについては、正常センサの場合0.18、異常センサの場合0.17とほぼ同等であった。他方、判定時期t1でのゲインkについては、正常センサの場合1、異常センサの場合0.5であった。これにより実際のセンサと同様の結果を得られることが確認された。   When a test was performed using an abnormal pre-catalyst sensor 17 having a response almost equal to that of the normal pre-catalyst sensor 17 and an output of ½, the time constant T at the determination time t1 is It was almost the same as 0.18 for the normal sensor and 0.17 for the abnormal sensor. On the other hand, the gain k at the determination time t1 is 1 for the normal sensor and 0.5 for the abnormal sensor. As a result, it was confirmed that the same result as the actual sensor could be obtained.

ところで、実際の入出力データは、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5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。   By the way, the actual input / output data may be biased (shifted) toward the lean side or the rich side with respect to one side due to factors such as load fluctuation, learning shift, and sensor value shift. FIG. 5 shows test results showing the state of this bias. In the figure, u (t) c and y (t) c represent values obtained by passing the input u (t) and the output y (t) through a low-pass filter, or their moving averages. Since the air-fuel ratio detected by the pre-catalyst sensor 17 is controlled to be close to the theoretical air-fuel ratio (A / F = 14.6), the output y (t) that is the detection value of the pre-catalyst sensor 17 is theoretically. It fluctuates around the air-fuel ratio, and the value passed through the low-pass filter or the moving average y (t) c is also kept near the theoretical air-fuel ratio. On the other hand, the input u (t) is biased to the lean side in the illustrated example for the reason described above.

かかるバイアス状態で同定を行うと正確な同定値を得ることが困難であることから、本実施形態の場合、同定時において、入出力データに対してバイアスを除去するような補正が行われる。これにより正確な同定を行うことができ、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もできる。   Since it is difficult to obtain an accurate identification value when identification is performed in such a bias state, in this embodiment, correction is performed so as to remove the bias for input / output data at the time of identification. As a result, accurate identification can be performed, and robustness against load fluctuation, learning deviation, and the like can be improved.

ここで参考例として、ローパスフィルタを通した値もしくは移動平均を用いて入出力データをバイアス除去補正する方法を示す。図6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)が補正後の入力u(t)及び出力y(t)の値とされる。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、入出力の値はゼロ基準の値Δu(t)、Δy(t)に変換され、両者の変動の中心がゼロに合わせられる。   Here, as a reference example, a method for correcting bias removal of input / output data using a value that has passed through a low-pass filter or a moving average is shown. As shown in FIG. 6, the data of the input u (t) and the output y (t) are passed through the low-pass filter, or the moving average is calculated, and the bias values u (t) c and y (t) c are sequentially obtained. Is calculated automatically. Then, sequentially, the difference Δu (t) (= u (t) −u (t) c) between the input u (t) and its bias value u (t) c, the output y (t) and its bias value A difference Δy (t) (= y (t) −y (t) c) with respect to y (t) c is calculated, and these differences Δu (t) and Δy (t) are corrected inputs u (t) and The value of output y (t) is used. These differences Δu (t) and Δy (t) are collectively displayed as ΔA / F. In this way, the bias is removed, and the input / output values are converted to zero reference values Δu (t) and Δy (t), and the centers of the fluctuations thereof are set to zero.

例えば、図7に示すような入力u(t)について、そのローパスフィルタを通した値u(t)cを用いて補正を行うと、図8に示すような値Δu(t)となる。   For example, when the input u (t) as shown in FIG. 7 is corrected using the value u (t) c that has passed through the low-pass filter, the value Δu (t) as shown in FIG. 8 is obtained.

しかしながら、この参考例にかかる方法だと、図8の破線円内に示すように、アクティブ制御開始直後の一定時間内において、バイアスを十分に除去しきれないという問題がある。この時間内ではローパスフィルタを通した値もしくは移動平均が十分に収束し切れていないため、その影響が出ているものと推測される。そこで、本実施形態では、参考例と異なる方法で次のようにバイアス除去を行う。   However, the method according to this reference example has a problem that the bias cannot be sufficiently removed within a certain time immediately after the start of the active control, as shown in a broken-line circle in FIG. Within this time, the value passed through the low-pass filter or the moving average is not sufficiently converged, so that it is estimated that the influence has occurred. Therefore, in the present embodiment, bias removal is performed as follows by a method different from the reference example.

まず、バイアス除去の第1の態様を説明する。この第1の態様は、入力u(t)及び出力y(t)のそれぞれについて、1振動周期当たりのリッチ側の値とリーン側の値の平均値を入力バイアス値u(t)及び出力バイアス値y(t)として算出し、実際のデータu(t)、出力y(t)からバイアス値u(t)、y(t)を減じて実際のデータを補正するものである。 First, the first aspect of bias removal will be described. In the first aspect, for each of the input u (t) and the output y (t), the average value of the rich side value and the lean side value per vibration period is set as the input bias value u b (t) and the output. Calculated as the bias value y b (t) and corrects the actual data by subtracting the bias values u b (t) and y b (t) from the actual data u (t) and output y (t). .

バイアス値算出の様子を図9に示す。なお入力と出力で算出方法は同じであるので、図には入力の場合のみを示す。   FIG. 9 shows how the bias value is calculated. Since the calculation method is the same for input and output, only the input case is shown in the figure.

図示するように、アクティブ制御の開始と同時に入力u(t)が振動させられ、入力u(t)は所定時間毎にリッチ側の値u(t)とリーン側の値u(t)とを交互に取るようになる。まず最初の1振動周期τにおいて、最初のリッチ側制御のとき(半周期)にリッチ側の値u(t)がサンプリング間隔Δ毎に積算される。この積算はアクティブ制御の開始と同時に目標空燃比がリッチ側に切り替えられた時からリーン側に切り替えられる時まで実行される。次のリーン側制御のとき(半周期)にも同様に、リーン側の値u(t)がサンプリング間隔Δ毎に積算される。この積算も目標空燃比がリーン側に切り替えられた時からリッチ側に切り替えられる時まで実行される。このときの各リッチ側の値u(t)及びリーン側の値u(t)と、それらのサンプル数N、Nと、積算値Σu(t)、Σu(t)とが、ECU20のバッファに一時記憶される。 As shown in the figure, the input u (t) is vibrated simultaneously with the start of the active control, and the input u (t) has a rich value u R (t) and a lean value u L (t) every predetermined time. And come to take alternately. First, in the first one vibration period τ 1 , the rich value u R (t) is integrated at every sampling interval Δ during the first rich side control (half cycle). This integration is executed from the time when the target air-fuel ratio is switched to the rich side to the time when the target air-fuel ratio is switched to the lean side simultaneously with the start of the active control. Similarly, during the next lean side control (half cycle), the lean side value u L (t) is integrated at every sampling interval Δ. This integration is also performed from when the target air-fuel ratio is switched to the lean side to when it is switched to the rich side. At this time, each rich side value u R (t) and lean side value u L (t), the number of samples N R , N L , integrated values Σu R (t), Σu L (t) Is temporarily stored in the buffer of the ECU 20.

次に、ECU20において、リッチ側の値の積算値Σu(t)をサンプル数Nで除することにより得られる平均値と、リーン側の値の積算値Σu(t)をサンプル数Nで除することにより得られる平均値との平均値が、当該1周期τにおけるバイアス値u(t)として算出される。即ち、1振動周期当たりの入力及び出力のバイアス値u(t)、y(t)は次式(21)に従って算出される。 Next, the ECU 20 calculates the average value obtained by dividing the rich-side integrated value Σu R (t) by the sample number N R and the lean-side integrated value Σu L (t) from the sample number N. An average value with the average value obtained by dividing by L is calculated as the bias value u b (t) in the one period τ 1 . That is, the input and output bias values u b (t) and y b (t) per vibration period are calculated according to the following equation (21).

Figure 2009127595
Figure 2009127595

但し、同定精度向上のため、最初の1周期τにおいて取得された入出力データは補正されず、同定にも用いられない。同定への使用が開始されるのは、最初の1周期τの後の半周期τ21からである。この半周期τ21でも同様に、リッチ側の値u(t)がサンプリング間隔Δ毎に積算される。そして最初の1周期τ内の後半の半周期τ12におけるリーン側の値u(t)、サンプル数N及び積算値Σu(t)と、その後の半周期τ21におけるリッチ側の値u(t)、サンプル数N及び積算値Σu(t)とを用いて、式(21)から、当該半周期τ21におけるバイアス値u(t)がECU20により算出される。そしてECU20により、この半周期τ21におけるバイアス値u(t)が最初の1周期τにおけるバイアス値u(t)と置き換えられ、バイアス値u(t)が更新される。 However, in order to improve identification accuracy, the input / output data acquired in the first one cycle τ 1 is not corrected and is not used for identification. The use for identification begins from the half period τ 21 after the first period τ 1 . Similarly, in this half cycle τ 21 , the rich value u R (t) is integrated at every sampling interval Δ. The lean-side value u L (t), the sample number N L and the integrated value Σu L (t) in the latter half cycle τ 12 in the first one cycle τ 1 , and the rich-side value in the subsequent half cycle τ 21 Using the value u R (t), the number of samples N R and the integrated value Σu R (t), the ECU 20 calculates the bias value u b (t) in the half cycle τ 21 from the equation (21). Then the ECU 20, the bias value u b in a half period tau 21 (t) is replaced with the bias value in the first one period τ 1 u b (t), the bias value u b (t) is updated.

次にECU20は、このバイアス値u(t)を、当該半周期τ21における各入力データu(t)から減じて、各入力データu(t)を補正する。即ち、リッチ側及びリーン側の区別無く実際の入出力データをu(t)、y(t)、補正後の入出力データをu’(t)、y’(t)とすると、補正後の入出力データは次式(22)で表される。 Next, the ECU 20 corrects each input data u R (t) by subtracting the bias value u b (t) from each input data u R (t) in the half cycle τ 21 . That is, if the actual input / output data is u (t), y (t), and the corrected input / output data is u ′ (t), y ′ (t) without distinction between the rich side and the lean side, The input / output data is expressed by the following equation (22).

Figure 2009127595
Figure 2009127595

この補正後の入出力データu’(t)、y’(t)を用いて当該半周期τ21における同定が実施される。以降同様に、半周期毎に(τ22、τ31・・・)、バイアス値u(t)、y(t)が更新されると共に、このバイアス値u(t)、y(t)を用いて実際の入出力データu(t)、y(t)が補正されることとなる。こうして入出力データu(t)、y(t)をバイアス除去補正してゼロ基準の値に置き換えることができ、同定精度やロバスト性を向上できると共に、診断精度をも向上することができる。特に、アクティブ制御の開始直後から実際の入出力データに基づきバイアス除去補正を行うので、アクティブ制御開始直後からバイアスを十分に除去することが可能である。 Identification in the half cycle τ 21 is performed using the corrected input / output data u ′ (t), y ′ (t). Similarly, the bias values u b (t) and y b (t) are updated every half cycle (τ 22 , τ 31 ...), And the bias values u b (t) and y b ( The actual input / output data u (t) and y (t) are corrected using t). In this way, the input / output data u (t) and y (t) can be bias-removed and replaced with a zero reference value, so that identification accuracy and robustness can be improved and diagnostic accuracy can also be improved. In particular, since bias removal correction is performed based on actual input / output data immediately after the start of active control, it is possible to sufficiently remove the bias immediately after the start of active control.

次に、バイアス除去の第2の態様を説明する。この第2の態様は、一次遅れ要素のパラメータT,kの同定時に、入出力間のバイアスに相当するバイアス成分cを含めて同定を行うものである。   Next, a second mode of bias removal will be described. In the second mode, the identification is performed including the bias component c corresponding to the bias between the input and output when the parameters T and k of the first-order lag element are identified.

本実施形態では、一次遅れ要素のパラメータT,kとバイアス成分cの同時同定について、前述したような逐次最小自乗法を用いる方法ではなく、以下に述べるようなカルマンフィルタ(或いはカルマンフィルタ法)を用いる方法を示す。しかしながら、逐次最小自乗法を用いるようにしてもよい。かかる同定はECU20により実施される。   In the present embodiment, a method using a Kalman filter (or Kalman filter method) as described below, instead of the method using the sequential least square method as described above, for simultaneous identification of the parameters T and k of the first-order lag element and the bias component c. Indicates. However, the sequential least square method may be used. Such identification is performed by the ECU 20.

まず、インジェクタ12から触媒前センサ17までの系のモデルの伝達関数G(s)は、既に述べたように次式で表される。   First, as already described, the transfer function G (s) of the model of the system from the injector 12 to the pre-catalyst sensor 17 is expressed by the following equation.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

また、このモデルに対する入力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(23)が成立する。   Further, when the Laplace transform of the input u (t) and the output y (t) for this model is U (s), Y (s), the following equation (23) is established.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

(23)式を逆ラプラス変換すると次式(24)が得られる。   When the equation (23) is subjected to inverse Laplace transform, the following equation (24) is obtained.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

ここで、ECU20のデジタル処理におけるサンプリング間隔Δ(秒)の間は入力が一定であると仮定して(ゼロ次ホールド)、(24)式を離散化し、さらにバイアス成分cを考慮してやると、次式(25)のように整理することができる。なおωは離散化などによる誤差である。   Here, assuming that the input is constant during the sampling interval Δ (seconds) in the digital processing of the ECU 20 (zero-order hold), the equation (24) is discretized, and the bias component c is further considered. It can be arranged as shown in equation (25). Note that ω is an error due to discretization.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

この式(25)により、結局、同定用の線形モデルは次式(26)のように表すことができる。   By this formula (25), the linear model for identification can be expressed as the following formula (26) after all.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

これを次式(26)’に書き換える(定義する)。   This is rewritten (defined) as the following equation (26) '.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

以下、この式(26)’についてカルマンフィルタによりパラメータベクトルθ(t)(a,b,c)を推定し、これによりa,b,cを求め、a,bを用いてゲインk及び時定数Tを求める。   Hereinafter, the parameter vector θ (t) (a, b, c) is estimated for the expression (26) ′ by the Kalman filter, thereby obtaining a, b, c, and the gain k and the time constant T using a, b. Ask for.

ここで(25)式において、バイアス成分cを含めたことにより、実際の入力u(t)及び出力y(t)に対するバイアス除去の処理(例えば前述の例に示したような補正)は不要となる。入出力間のバイアスを前提とした上で各値が計算される。ゲインk及び時定数Tは、バイアスに無関係な値であるが、入出力間のバイアスを前提とした上でサンプリング間隔Δ毎に逐次同定される。逆にバイアスを前提としない場合にはゲインk及び時定数Tの同定精度が悪化してしまう。なお実際の入出力間のバイアスが無いような場合ではゼロに近いバイアス成分cが同定されることとなる。   Here, in the equation (25), by including the bias component c, it is not necessary to perform a bias removal process (for example, correction as shown in the above example) on the actual input u (t) and output y (t). Become. Each value is calculated assuming a bias between input and output. The gain k and the time constant T are values irrelevant to the bias, but are sequentially identified at every sampling interval Δ on the assumption of a bias between input and output. On the contrary, when the bias is not assumed, the identification accuracy of the gain k and the time constant T is deteriorated. In the case where there is no actual bias between input and output, a bias component c close to zero is identified.

さて、式(26)’のパラメータベクトルθ(t)は、サンプリング間隔Δ毎に更新される時変パラメータとみなせる。よってθ(t)の推定値   The parameter vector θ (t) in the equation (26) ′ can be regarded as a time-varying parameter that is updated every sampling interval Δ. Therefore, the estimated value of θ (t)

Figure 2009127595
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を状態変数x(t)として以下のような状態方程式で表す。 Is represented by the following state equation with state variable x (t).

Figure 2009127595
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ここでv(t)及びw(t)はそれぞれシステムノイズ及び観測ノイズであり、平均0の白色ノイズである。V及びWをv(t)及びw(t)の共分散行列とし、以下のような形式のカルマンフィルタに適用してパラメータベクトルθ(t)の推定を行う。ここでV及びWは固定値とする。また初期値を以下の通りとする。   Here, v (t) and w (t) are system noise and observation noise, respectively, and are average white noise. V and W are assumed to be covariance matrices of v (t) and w (t), and applied to a Kalman filter of the following format to estimate the parameter vector θ (t). Here, V and W are fixed values. The initial values are as follows.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

ステップ1:次式(28)によりカルマンフィルタゲインF(t)を算出する。   Step 1: A Kalman filter gain F (t) is calculated by the following equation (28).

Figure 2009127595
Figure 2009127595

ステップ2:算出されたカルマンフィルタゲインF(t)を用いて推定値を次式(29)のように更新する。   Step 2: Using the calculated Kalman filter gain F (t), the estimated value is updated as in the following equation (29).

Figure 2009127595
Figure 2009127595

ここで左辺の項(便宜上「xハット(t|t)」などと称す)は、あるサンプリング時刻での推定値(今回推定値)を意味し、右辺第1項(xハット(t|t−1))はそれより1サンプリング間隔前の前回推定値を意味する。また右辺括弧内において、1項目のy(t)は今回観測値(出力)を意味し、2項目のφ(t)とxハット(t|t−1)の積は、前回推定値から予測される観測値(出力)を意味する。(29)式は、今回推定値を、前回推定値と、今回観測値と前回推定値から予測される観測値との間のずれを用いて算出していることを示しているといえる。 Here, the term on the left side (referred to as “x hat (t | t)” or the like for convenience) means an estimated value (current estimated value) at a certain sampling time, and the first term on the right side (x hat (t | t−t− 1)) means the previous estimated value one sampling interval before. In the right parenthesis, one item y (t) means the current observed value (output), and the product of two items φ T (t) and x hat (t | t−1) is calculated from the previous estimated value. Means the expected observation (output). Equation (29) can be said to indicate that the current estimated value is calculated using the previous estimated value and the difference between the current observed value and the observed value predicted from the previous estimated value.

ステップ3:推定誤差共分散行列Xを次式(30)のように更新する。   Step 3: Update the estimated error covariance matrix X as shown in the following equation (30).

Figure 2009127595
Figure 2009127595

ステップ4:パラメータを次回のために以下のように更新する。   Step 4: Update parameters for next time as follows.

Figure 2009127595
Figure 2009127595

ステップ5:ステップ1からステップ4を繰り返す。   Step 5: Repeat Step 1 to Step 4.

以上のような更新則により、推定値をサンプリング間隔毎に逐次更新する。こうすることにより、サンプリング間隔毎に、パラメータベクトルθ(t)(a,b,c)を推定し、a,b,cを算出し、このうちa,bを用いてゲインk及び時定数Tを同定すると同時に、バイアス成分cを同定する。同定開始から所定時間経過後のゲインk及び時定数Tが前述の劣化判定値と比較され、触媒前センサ17の出力異常及び応答性異常が個別に且つ同時に判定される。   The estimated value is sequentially updated at every sampling interval according to the update rule as described above. By doing so, the parameter vector θ (t) (a, b, c) is estimated at each sampling interval, and a, b, c are calculated. Among these, a, b are used to obtain the gain k and the time constant T. At the same time, the bias component c is identified. The gain k and time constant T after the elapse of a predetermined time from the start of identification are compared with the above-described deterioration determination value, and output abnormality and responsiveness abnormality of the pre-catalyst sensor 17 are individually and simultaneously determined.

これによれば、実際の入出力データにバイアスがある場合においても、パラメータk、Tの同定精度やロバスト性を向上でき、診断精度を向上することができる。特に、アクティブ制御開始直後からバイアス成分cを含めたパラメータk、Tの同定を行うので、アクティブ制御開始直後から正確なパラメータ同定値を得ることが可能である。   According to this, even when there is a bias in the actual input / output data, the identification accuracy and robustness of the parameters k and T can be improved, and the diagnostic accuracy can be improved. In particular, since the parameters k and T including the bias component c are identified immediately after the start of active control, it is possible to obtain an accurate parameter identification value immediately after the start of active control.

なお、ここで述べたカルマンフィルタを用いる方法ではなく、逐次最小自乗法を用いる方法を採用する場合、例えば、前式(7)にバイアス成分cを含めて次式(7)’のように変形し、この式(7)’に基づいて逐次最小自乗法によりk、T、cを同定するようにしてもよい。   In addition, when the method using the sequential least square method is adopted instead of the method using the Kalman filter described here, for example, the bias component c is included in the previous equation (7) and the following equation (7) ′ is modified. Further, k, T, and c may be identified by the sequential least square method based on the equation (7) ′.

Figure 2009127595
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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車両用多気筒火花点火式内燃機関であったが、内燃機関の用途、形式等は特に限定されない。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センサにも適用可能である。このようなO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出力及び応答性という代表的な二つの特性の異常を判定するようにしているが、これに限らず、例えば一方の特性の異常のみを判定するようにしてもよいし、出力及び応答性に加えて他の特性の異常を判定するようにしてもよい。前記実施形態では複数のパラメータを同時に同定し、複数の特性の異常を同時に判定するようにしているが、これに限らず、かかる同定及び異常判定を時間差を以て行ってもよい。 The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but various other embodiments of the present invention are conceivable. For example, although the above-mentioned internal combustion engine is a multi-cylinder spark ignition internal combustion engine for vehicles, the use, type, etc. of the internal combustion engine are not particularly limited. Although the application example to the so-called wide-range air-fuel ratio sensor has been described in the above embodiment, the present invention can be applied to a so-called O 2 sensor such as the post-catalyst sensor 18. A sensor for detecting the air-fuel ratio of exhaust gas, including such an O 2 sensor, is referred to as an air-fuel ratio sensor according to the present invention. In the above-described embodiment, the abnormality of two typical characteristics of the output of the air-fuel ratio sensor and the responsiveness is determined. However, the present invention is not limited to this. For example, only the abnormality of one characteristic may be determined. In addition to the output and responsiveness, abnormality of other characteristics may be determined. In the above embodiment, a plurality of parameters are identified at the same time, and abnormality of a plurality of characteristics is determined at the same time. However, the present invention is not limited to this, and the identification and abnormality determination may be performed with a time difference.

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。   The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes all modifications, applications, and equivalents included in the concept of the present invention defined by the claims. Therefore, the present invention should not be construed as being limited, and can be applied to any other technique belonging to the scope of the idea of the present invention.

本実施形態に係る内燃機関の概略図である。It is the schematic of the internal combustion engine which concerns on this embodiment. 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。It is a figure which shows schematically the mode of a change of the input and output at the time of active control. 入力空燃比と出力空燃比との変化に対する時定数とゲインの変化を示す試験結果であり、正常センサの場合である。This is a test result showing a change in time constant and gain with respect to a change in input air-fuel ratio and output air-fuel ratio, and is a case of a normal sensor. 入力空燃比と出力空燃比との変化に対する時定数とゲインの変化を示す試験結果であり、異常センサの場合である。This is a test result showing a change in time constant and gain with respect to a change in input air-fuel ratio and output air-fuel ratio, and is a case of an abnormal sensor. 入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、両者の間にバイアスがある状態である。It is a test result which shows the mode of a change with an input air fuel ratio and an output air fuel ratio, and is a state with a bias between both. 参考例としてのバイアス除去補正の方法を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the method of the bias removal correction | amendment as a reference example. 入力空燃比の変化の様子を示す試験結果であり、参考例のバイアス除去補正前の状態である。It is a test result which shows the mode of a change of an input air fuel ratio, and is the state before bias removal correction | amendment of a reference example. 入力空燃比の変化の様子を示す試験結果であり、参考例のバイアス除去補正後の状態である。It is a test result which shows the mode of the change of an input air fuel ratio, and is the state after the bias removal correction | amendment of a reference example. 本実施形態に係るバイアス値の算出方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of the bias value which concerns on this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

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
18 触媒後センサ
20 電子制御ユニット(ECU)
A/F 空燃比
u(t) 入力(入力空燃比)
y(t) 出力(出力空燃比)
k ゲイン
T 時定数
τ 周期
(t) 入力バイアス値
(t) 出力バイアス値
Δ サンプリング間隔
N サンプル数
c バイアス成分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion engine 3 Combustion chamber 5 Air flow meter 6 Exhaust pipe 7 Spark plug 12 Injector 14 Crank angle sensor 15 Accelerator opening sensor 17 Pre-catalyst sensor 18 Post-catalyst sensor 20 Electronic control unit (ECU)
A / F Air-fuel ratio u (t) Input (input air-fuel ratio)
y (t) output (output air-fuel ratio)
k gain T time constant τ period u b (t) input bias value y b (t) output bias value Δ sampling interval N number of samples c bias component

Claims (6)

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によりモデル化し、当該モデルに対する入力空燃比と出力空燃比に基づき、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、
該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判定する異常判定手段と、
前記同定手段による同定時に前記入力空燃比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、
前記同定手段による同定時に前記入力空燃比と前記出力空燃比の間のバイアスを除去するように前記入力空燃比及び前記出力空燃比を補正するバイアス補正手段であって、前記入力空燃比及び前記出力空燃比のそれぞれについて、1振動周期当たりのリッチ側の値とリーン側の値の平均値をバイアス値として算出し、実際のデータから前記バイアス値を減じて実際のデータを補正するバイアス補正手段と
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。
An air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis device for detecting an air-fuel ratio of exhaust gas of an internal combustion engine,
Identifying means for modeling a system from a fuel injection valve to an air-fuel ratio sensor with a first-order lag element, and identifying a parameter in the first-order lag element based on an input air-fuel ratio and an output air-fuel ratio for the model;
An abnormality determination means for determining an abnormality of a predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor based on the parameter identified by the identification means;
Active control means for executing active control for forcibly oscillating the input air-fuel ratio at the time of identification by the identification means;
Bias correcting means for correcting the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio so as to remove a bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio at the time of identification by the identifying means, the input air-fuel ratio and the output Bias correction means for calculating an average value of a rich side value and a lean side value per vibration period as a bias value for each air-fuel ratio, and subtracting the bias value from actual data to correct the actual data; An abnormality diagnosis apparatus for an air-fuel ratio sensor, comprising:
前記バイアス補正手段は、1振動周期当たりに、リッチ側の値をサンプリング間隔毎に積算してこれをサンプル数で除することによりリッチ側の値の平均値を求めると共に、リーン側の値をサンプリング間隔毎に積算してこれをサンプル数で除することによりリーン側の値の平均値を求め、これらリッチ側の値の平均値とリーン側の値の平均値との平均値を求めることによりバイアス値を算出し、且つ、当該バイアス値を半周期毎に更新する
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。
The bias correction means calculates the average value of the rich side value by sampling the rich side value by integrating the rich side value at every sampling interval and dividing this by the number of samples per vibration period. Bias by calculating the average value of the lean side values by accumulating at intervals and dividing this by the number of samples, and calculating the average value of these rich side values and the average value of the lean side values The abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein the value is calculated and the bias value is updated every half cycle.
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によりモデル化し、当該モデルに対する入力空燃比と出力空燃比に基づき、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、
該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判定する異常判定手段と
を備え、
前記同定手段は、前記入力空燃比と前記出力空燃比の間のバイアスに相当するバイアス成分を含めて前記パラメータの同定を行う
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
An air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis device for detecting an air-fuel ratio of exhaust gas of an internal combustion engine,
Identifying means for modeling a system from a fuel injection valve to an air-fuel ratio sensor with a first-order lag element, and identifying a parameter in the first-order lag element based on an input air-fuel ratio and an output air-fuel ratio for the model;
An abnormality determining means for determining an abnormality of a predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor based on the parameter identified by the identifying means;
The abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor, wherein the identification means identifies the parameter including a bias component corresponding to a bias between the input air-fuel ratio and the output air-fuel ratio.
前記同定手段は、カルマンフィルタを用いて、前記パラメータと前記バイアス成分を同時に同定する
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。
The abnormality diagnosis apparatus for an air-fuel ratio sensor according to claim 3, wherein the identification unit simultaneously identifies the parameter and the bias component using a Kalman filter.
前記同定手段による同定時に前記入力空燃比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を備える
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の空燃比センサの異常診断装置。
The abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor according to claim 3 or 4, further comprising active control means for executing active control for forcibly oscillating the input air-fuel ratio at the time of identification by the identification means.
前記パラメータがゲイン及び時定数を含み、前記空燃比センサの所定の特性が、前記ゲインに対応する出力と前記時定数に対応する応答性とを含む
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
6. The parameter according to claim 1, wherein the parameter includes a gain and a time constant, and the predetermined characteristic of the air-fuel ratio sensor includes an output corresponding to the gain and a responsiveness corresponding to the time constant. An abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio sensor according to claim 1.
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CN106468683A (en) * 2015-08-17 2017-03-01 马涅蒂-马瑞利公司 For controlling circuit and the method for single unit linear oxygen sensors

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