JP2010096019A - Abnormality diagnostic device of air-fuel ratio control device for internal combustion engine - Google Patents

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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 accurately diagnose abnormality of an air-fuel ratio control device by using an air-fuel ratio behavior model estimating behavior of an air-fuel ratio from the amount of fuel injected represented by using an ARX (Autoregressive with exogenous input) model. <P>SOLUTION: The A/F behavior models for the amount of fuel injection are individually constructed with respect to a transient state and a steady state based on the past time-series data on the amount of fuel injected and the actual A/F. By using the models, determination to predict whether it is the transient state or the steady state, and estimation of predicted A/F, are performed. Meanwhile, it is actually determined whether it is the transient state or the steady state based on the actual operating condition of an engine, thereby acquiring the actual A/F from an A/F sensor. When a predictive determination result agrees with the actual determination result and a difference between the predicted A/F and the actual A/F is a threshold or below, it is determined that the air-fuel ratio control device is normal, and when the predictive determination result does not agree with the actual determination result or the difference between the predicted A/F and the actual A/F exceeds the threshold, it is determined that the air-fuel ratio control device is abnormal. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置に関する。以下、内燃機関を「機関」と称呼することもある。   The present invention relates to an abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine. Hereinafter, the internal combustion engine may be referred to as an “engine”.

従来より、機関の排気通路に配設された空燃比センサの検出結果に基づいて燃料噴射弁(インジェクタ)から噴射される燃料の量(燃料噴射量)を調整することで、空燃比(機関に供給される混合気の空燃比)を制御する空燃比制御装置が広く知られている。   Conventionally, by adjusting the amount of fuel (fuel injection amount) injected from the fuel injection valve (injector) based on the detection result of the air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage of the engine, the air-fuel ratio (in the engine) 2. Description of the Related Art An air-fuel ratio control apparatus that controls an air-fuel ratio of an air-fuel mixture to be supplied is widely known.

係る空燃比制御装置において、空燃比センサ、インジェクタ、吸気通路から吸入される空気の流量を計測するエアフローメータ等の空燃比制御に使用される構成部材に異常が発生すると、空燃比を適切に制御できなくなる。このため、空燃比制御装置の異常を診断する必要が生じる。空燃比制御装置の異常の有無を判定する機能を有する空燃比制御装置の異常診断装置として種々のものが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
特開平8−232721号公報
In such an air-fuel ratio control apparatus, when an abnormality occurs in a component used for air-fuel ratio control, such as an air flow meter that measures the flow rate of air sucked from an air-fuel ratio sensor, an injector, or an intake passage, the air-fuel ratio is appropriately controlled. become unable. For this reason, it is necessary to diagnose abnormality of the air-fuel ratio control device. Various apparatus for diagnosing abnormality of an air-fuel ratio control apparatus having a function of determining whether there is an abnormality in the air-fuel ratio control apparatus have been proposed (for example, see Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 8-232721

本発明の目的は、空燃比制御装置の異常診断装置の一つとして、システム同定分野で広く知られているARX(Auto-Regressive with eXogenous input)モデル(外部入力付き自己回帰モデル)を用いて表した「燃料噴射量から空燃比の挙動を推定する空燃比挙動モデル」を利用して、空燃比制御装置の異常診断を精度良く行えるもの、を提供することにある。   An object of the present invention is to express an ARX (Auto-Regressive with eXogenous input) model (autoregressive model with external input) widely known in the field of system identification as one of abnormality diagnosis devices for an air-fuel ratio control device. An object of the present invention is to provide an apparatus capable of accurately diagnosing an abnormality in an air-fuel ratio control apparatus by using the “air-fuel ratio behavior model for estimating the air-fuel ratio behavior from the fuel injection amount”.

本発明に係る空燃比制御装置の異常診断装置は、記憶手段と、分類手段と、平面推定手段と、モデル構築手段と、予測判定手段と、実判定手段と、空燃比予測手段と、異常判定手段と、を備えている。以下、これらについて順に説明する。   An abnormality diagnosis apparatus for an air-fuel ratio control apparatus according to the present invention includes a storage means, a classification means, a plane estimation means, a model construction means, a prediction determination means, an actual determination means, an air-fuel ratio prediction means, and an abnormality determination. Means. Hereinafter, these will be described in order.

記憶手段では、複数の異なる時刻のそれぞれについて、空燃比センサによる検出空燃比の(各時刻を基準とする)過去の(複数の)時系列データと、(指令)燃料噴射量の(各時刻を基準とする)過去の(複数の)時系列データとが、取得され且つ記憶される。   In the storage means, for each of a plurality of different times, the past (a plurality of) time-series data (based on each time) of the air-fuel ratio detected by the air-fuel ratio sensor, and (the command) the fuel injection amount (each time The past (a plurality of) time-series data is obtained and stored.

分類手段では、各時刻についての検出空燃比の時系列データと燃料噴射量の時系列データとを含んだ各時刻についての観測データが得られる。ここで、各時刻についての観測データの回帰ベクトル空間での確率分布が、過渡運転状態に対応する分布傾向と定常運転状態に対応する分布傾向との2つの分布傾向を有する分布に従うと仮定される。「2つの分布傾向を有する分布」としては、例えば、混合正規分布が採用され得る。この仮定のもと、各時刻についての観測データに基づいて、「2つの分布傾向を有する分布」が最尤推定法等を用いて求められる。そして、求められた分布に基づいて、各時刻についての観測データが、「過渡運転状態に対応するグループ」と「定常運転状態に対応するグループ」とに分類される。   The classifying means obtains observation data for each time including time-series data of the detected air-fuel ratio and time-series data of the fuel injection amount for each time. Here, it is assumed that the probability distribution in the regression vector space of the observation data for each time follows a distribution having two distribution tendencies, a distribution trend corresponding to the transient operation state and a distribution trend corresponding to the steady operation state. . As the “distribution having two distribution tendencies”, for example, a mixed normal distribution can be adopted. Under this assumption, “a distribution having two distribution tendencies” is obtained using the maximum likelihood estimation method or the like based on observation data at each time. Then, based on the obtained distribution, the observation data for each time is classified into “group corresponding to the transient operation state” and “group corresponding to the steady operation state”.

この分類に際し、各時刻についての観測データについて、求められた分布が有する「過渡運転状態に対応する分布傾向」と「定常運転状態に対応する分布傾向」との2つの分布傾向のうちで観測データが帰属する確率が大きい方の分布傾向が選択されて、各時刻についての観測データが選択された分布傾向に対応する運転状態に対応するグループに分類されるように構成され得る。   In this classification, the observed data at each time is the observed data among the two distribution tendencies of the obtained distribution: “distribution trend corresponding to the transient operation state” and “distribution trend corresponding to the steady operation state”. The distribution tendency with the larger probability of belonging to is selected and the observation data for each time is classified into a group corresponding to the driving state corresponding to the selected distribution tendency.

平面推定手段では、分類された各時刻についての前記観測データに基づいて(分類結果に基づいて)、回帰ベクトル空間にて「過渡運転状態に対応するグループ内のデータの分布領域」と「定常運転状態に対応するグループ内のデータの分布領域」とを分割する超平面(分離超平面を表すパラメータ)が推定される。この(同定されるべき)パラメータの推定は、例えば、2次計画問題(2次最小化問題、2次最適化問題)を解くことで達成され得る。   In the plane estimation means, based on the observation data for each classified time (based on the classification result), the “distribution region of data in the group corresponding to the transient operation state” and the “steady operation” in the regression vector space. A hyperplane (a parameter representing the separation hyperplane) that divides the “data distribution area in the group corresponding to the state” is estimated. This estimation of parameters (to be identified) can be achieved, for example, by solving a quadratic programming problem (secondary minimization problem, quadratic optimization problem).

モデル構築手段では、空燃比の現在までの時系列データと燃料噴射量の現在までの時系列データとから(将来の)空燃比を予測する空燃比挙動モデルとして、「過渡運転状態についての空燃比挙動モデル」と「定常運転状態についての空燃比挙動モデル」とがそれぞれ、別の局所ARXモデルを用いて個別に表される。「過渡運転状態についての空燃比挙動モデル」内の(同定されるべき)パラメータは「過渡運転状態に対応するグループ」に分類された観測データに基づいて、「定常運転状態についての空燃比挙動モデル」内の(同定されるべき)パラメータは「定常運転状態に対応するグループ」に分類された観測データに基づいて、個別に同定される。これにより、「過渡運転状態についての空燃比挙動モデル」と「定常運転状態についての空燃比挙動モデル」とが個別に構築される。   In the model construction means, as the air-fuel ratio behavior model that predicts the (future) air-fuel ratio from the time-series data up to the present of the air-fuel ratio and the time-series data of the fuel injection amount up to the present, The “behavior model” and the “air-fuel ratio behavior model for the steady operation state” are individually expressed using different local ARX models. The parameters (to be identified) in the “air-fuel ratio behavior model for the transient operation state” are based on the observation data classified into the “group corresponding to the transient operation state” and the “air-fuel ratio behavior model for the steady operation state”. Parameters to be identified (to be identified) are individually identified based on observation data classified into “groups corresponding to steady operating states”. Thereby, the “air-fuel ratio behavior model for the transient operation state” and the “air-fuel ratio behavior model for the steady operation state” are individually constructed.

予測判定手段では、推定された分離超平面と、検出空燃比の(過去から)現在までの時系列データとに基づいて、過渡運転状態か定常運転状態かが判定される(予測判定)。この予測判定は、例えば、推定された分離超平面を表す式における回帰ベクトルの各成分として検出空燃比の(過去から)現在までの時系列データを代入した場合において、その式の値が正となるか負となるかを判定することで達成され得る。   The prediction determination means determines whether the state is a transient operation state or a steady operation state based on the estimated separation hyperplane and the time series data of the detected air-fuel ratio (from the past) to the present (prediction determination). For example, when the time series data of the detected air-fuel ratio (from the past) to the present is substituted as each component of the regression vector in the equation representing the estimated separation hyperplane, the value of the equation is positive. It can be achieved by determining whether it is negative or negative.

実判定手段では、内燃機関の実際の運転状態に基づいて、過渡運転状態か定常運転状態かが判定される(実判定)。実際の運転状態としては、例えば、アクセルペダル開度(の変化速度)等が挙げられる。   The actual determination means determines whether the engine is in a transient operation state or a steady operation state based on the actual operation state of the internal combustion engine (actual determination). As an actual driving state, for example, an accelerator pedal opening degree (change speed thereof) and the like can be mentioned.

空燃比予測手段では、構築された空燃比挙動モデルのうち前記予測判定の結果に対応する空燃比挙動モデルと、検出空燃比の(過去から)現在までの時系列データ及び燃料噴射量の(過去から)現在までの時系列データとに基づいて、(将来の)空燃比が予測される。   In the air-fuel ratio prediction means, among the constructed air-fuel ratio behavior models, the air-fuel ratio behavior model corresponding to the result of the prediction determination, the time-series data of the detected air-fuel ratio (from the past) to the present, and the (past To) a (future) air-fuel ratio is predicted based on time-series data up to the present.

異常判定手段では、予測判定の結果と実判定の結果との比較、並びに、予測された空燃比と検出空燃比との比較に基づいて、空燃比制御装置の異常の有無が判定される。好ましくは、予測判定の結果と実判定の結果とが一致し且つ予測空燃比と検出空燃比との差が閾値以下のときに「空燃比制御装置が正常」と判定され、予測判定の結果と実判定の結果とが一致しないとき又は予測空燃比と検出空燃比との差が閾値を超えたときに「空燃比制御装置が異常」と判定される。   The abnormality determination means determines whether the air-fuel ratio control apparatus is abnormal based on a comparison between the prediction determination result and the actual determination result and a comparison between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio. Preferably, when the result of the prediction determination matches the result of the actual determination and the difference between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio is equal to or less than a threshold value, it is determined that “the air-fuel ratio control device is normal”, and the result of the prediction determination When the actual determination result does not match or when the difference between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio exceeds the threshold value, it is determined that “the air-fuel ratio control device is abnormal”.

以下、上記構成による作用・効果について説明する。一般に、過渡運転状態及び定常運転状態の何れか一方のデータに基づいて構築された空燃比挙動モデルを使用すると、過渡運転状態及び定常運転状態の何れか他方の状態における空燃比挙動の推定精度が低くなる。これに対し、上記構成によれば、空燃比挙動モデルとして、「過渡運転状態についての空燃比挙動モデル」と「定常運転状態についての空燃比挙動モデル」とが個別に構築され、過渡運転状態と予測判定されている間は「過渡運転状態についての空燃比挙動モデル」を使用して空燃比が推定され、定常運転状態と予測判定されている間は「定常運転状態についての空燃比挙動モデル」を使用して空燃比が推定される。従って、過渡運転状態か定常運転状態かにかかわらず空燃比挙動を安定して精度良く推定することができる。   Hereinafter, the operation and effect of the above configuration will be described. In general, when an air-fuel ratio behavior model constructed based on data in either a transient operation state or a steady operation state is used, the estimation accuracy of the air-fuel ratio behavior in either the transient operation state or the steady operation state is improved. Lower. On the other hand, according to the above configuration, as the air-fuel ratio behavior model, the “air-fuel ratio behavior model for the transient operation state” and the “air-fuel ratio behavior model for the steady operation state” are individually constructed, and the transient operation state and The air / fuel ratio is estimated using the “air-fuel ratio behavior model for the transient operation state” while the prediction determination is being made, and the “air-fuel ratio behavior model for the steady operation state” while being predicted and determined to be the steady operation state. Is used to estimate the air / fuel ratio. Therefore, it is possible to stably and accurately estimate the air-fuel ratio behavior regardless of the transient operation state or the steady operation state.

また、一般に、過渡・定常の予測判定の精度は、空燃比制御系の経年変化、機関の個体誤差等により大きく影響を受ける。これに対し、上記構成によれば、実際の観測データに基づいて推定された回帰ベクトル空間での分離超平面を利用して過渡・定常の予測判定が行われる。従って、空燃比制御系の経年変化、機関の個体誤差等に影響されることなく過渡・定常の予測判定を精度良く行うことができる。   Further, in general, the accuracy of transient / steady state prediction determination is greatly influenced by aging of the air-fuel ratio control system, individual errors of the engine, and the like. On the other hand, according to the above configuration, transient / steady state prediction determination is performed using the separated hyperplane in the regression vector space estimated based on actual observation data. Therefore, it is possible to perform the transient / steady state prediction determination with high accuracy without being affected by the secular change of the air-fuel ratio control system, the individual error of the engine, or the like.

また、空燃比制御装置の異常診断が、予測空燃比と検出空燃比との比較のみに基づいて行われる場合、異常診断の精度が必ずしも高いとは言えない。これに対し、上記構成によれば、空燃比制御装置の異常診断が、予測空燃比と検出空燃比との比較のみならず、過渡・定常についての予測判定の結果と実判定の結果との比較にも基づいて行われる。従って、複数の比較情報に基づいて異常診断が行われるから、異常診断の精度が高い。   Further, when the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device is performed based only on the comparison between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio, the accuracy of the abnormality diagnosis is not necessarily high. On the other hand, according to the above configuration, the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device not only compares the predicted air-fuel ratio with the detected air-fuel ratio, but also compares the result of the prediction determination with respect to the transient / steady state and the result of the actual determination. Also done based on. Accordingly, the abnormality diagnosis is performed based on the plurality of pieces of comparison information, and thus the accuracy of the abnormality diagnosis is high.

例えば、予測空燃比と検出空燃比との差が非常に小さいであって且つ過渡・定常についての予測判定の結果と実判定の結果とが異なっている場合、異常診断が予測空燃比と検出空燃比との比較のみに基づいて行われる場合には「空燃比制御装置が正常」と判定されてしまう。これに対し、上記構成では、「空燃比制御装置が異常」と判定することができる。   For example, if the difference between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio is very small and the prediction determination result for transient / steady state is different from the actual determination result, the abnormality diagnosis is performed when the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio are different. When the determination is made only based on the comparison with the fuel ratio, it is determined that “the air-fuel ratio control device is normal”. On the other hand, in the above configuration, it can be determined that “the air-fuel ratio control device is abnormal”.

以下、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。   Embodiments of an abnormality diagnosis apparatus for an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置の異常診断装置を火花点火式多気筒(4気筒)内燃機関10(燃料はガソリン)に適用したシステムの概略構成を示している。この内燃機関10は、シリンダブロック、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部20と、シリンダブロック部20の上に固定されるシリンダヘッド部30と、シリンダブロック部20にガソリン混合気を供給するための吸気系統40と、シリンダブロック部20からの排気ガスを外部に放出するための排気系統50とを含んでいる。
(Constitution)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a system in which an abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device according to an embodiment of the present invention is applied to a spark ignition type multi-cylinder (four-cylinder) internal combustion engine 10 (fuel is gasoline). The internal combustion engine 10 includes a cylinder block 20 including a cylinder block and an oil pan, a cylinder head 30 fixed on the cylinder block 20, and a gasoline mixture supplied to the cylinder block 20. An intake system 40 and an exhaust system 50 for releasing the exhaust gas from the cylinder block 20 to the outside are included.

シリンダブロック部20は、シリンダ21、ピストン22、コンロッド23、及びクランク軸24を含んでいる。シリンダ21とピストン22のヘッドは、シリンダヘッド部30とともに燃焼室25を形成している。   The cylinder block unit 20 includes a cylinder 21, a piston 22, a connecting rod 23, and a crankshaft 24. The heads of the cylinder 21 and the piston 22 form a combustion chamber 25 together with the cylinder head portion 30.

シリンダヘッド部30は、燃焼室25に連通した吸気ポート31、吸気ポート31を開閉する吸気弁32、吸気弁32を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに吸気弁32の開閉タイミングを連続的に変更する可変吸気タイミング装置33、可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、燃焼室25に連通した排気ポート34、排気ポート34を開閉する排気弁35、排気弁35を駆動するエキゾーストカムシャフト36、点火プラグ37、点火プラグ37に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ38、及び燃料を吸気ポート31内にて噴射する燃料噴射弁39を備えている。   The cylinder head portion 30 includes an intake port 31 communicating with the combustion chamber 25, an intake valve 32 that opens and closes the intake port 31, an intake camshaft that drives the intake valve 32, and continuously changes the opening and closing timing of the intake valve 32. A variable intake timing device 33, an actuator 33a of the variable intake timing device 33, an exhaust port 34 communicating with the combustion chamber 25, an exhaust valve 35 for opening and closing the exhaust port 34, an exhaust camshaft 36 for driving the exhaust valve 35, an ignition plug 37, An igniter 38 including an ignition coil that generates a high voltage to be applied to the spark plug 37 and a fuel injection valve 39 for injecting fuel into the intake port 31 are provided.

吸気系統40は、吸気ポート31に連通し同吸気ポート31とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管41、吸気管41の端部に設けられたエアフィルタ42、吸気管41内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁43、スロットル弁43を駆動するスロットル弁アクチュエータ43a、吸気通路から燃焼室25に流入する吸気の流速を可変とするスワールコントロール弁(SC弁)44、及び、SC弁44を駆動するSC弁アクチュエータ44aを備えている。   The intake system 40 is provided in an intake pipe 41 including an intake manifold that communicates with the intake port 31 and forms an intake passage together with the intake port 31, an air filter 42 provided at an end of the intake pipe 41, and the intake pipe 41. A throttle valve 43 for changing the opening cross-sectional area of the intake passage, a throttle valve actuator 43a for driving the throttle valve 43, a swirl control valve (SC valve) 44 for changing the flow rate of the intake air flowing from the intake passage into the combustion chamber 25, An SC valve actuator 44a for driving the SC valve 44 is provided.

排気系統50は、排気ポート34に連通したエキゾーストマニホールド51、エキゾーストマニホールド51(実際には、各排気ポート34に連通したそれぞれのエキゾーストマニホールド51が集合した集合部)に接続されたエキゾーストパイプ(排気管)52、エキゾーストパイプ52に配設(介装)された三元触媒53、EGRガス通路54を備えている。排気ポート34、エキゾーストマニホールド51、及びエキゾーストパイプ52は、排気通路を構成している。   The exhaust system 50 includes an exhaust manifold 51 that communicates with the exhaust port 34, and an exhaust pipe (exhaust pipe) that is connected to the exhaust manifold 51 (actually, a collection portion of the exhaust manifolds 51 that communicate with each exhaust port 34). ) 52, a three-way catalyst 53 and an EGR gas passage 54 disposed (interposed) in the exhaust pipe 52. The exhaust port 34, the exhaust manifold 51, and the exhaust pipe 52 constitute an exhaust passage.

EGRガス通路54は、三元触媒53よりも上流の排気通路と、スロットル弁43よりも下流の吸気通路とを連通するように構成されている。EGRガス通路54には、EGRガスクーラ55、EGR弁56、EGR弁56のアクチュエータ56aが介装されている。EGR弁56のアクチュエータ56aにより、EGR弁56の開口面積が調整可能となっている。   The EGR gas passage 54 is configured to communicate the exhaust passage upstream of the three-way catalyst 53 and the intake passage downstream of the throttle valve 43. In the EGR gas passage 54, an EGR gas cooler 55, an EGR valve 56, and an actuator 56a of the EGR valve 56 are interposed. The opening area of the EGR valve 56 can be adjusted by the actuator 56a of the EGR valve 56.

一方、このシステムは、エアフローメータ61、スロットル弁開度センサ62、カムポジションセンサ63、クランクポジションセンサ64、水温センサ65、三元触媒53の上流の排気通路(本例では、上記各々のエキゾーストマニホールド51が集合した集合部)に配設されたA/Fセンサ66、EGR弁開度センサ67、アクセル開度センサ68を備えている。   On the other hand, this system includes an air flow meter 61, a throttle valve opening sensor 62, a cam position sensor 63, a crank position sensor 64, a water temperature sensor 65, an exhaust passage upstream of the three-way catalyst 53 (in this example, each of the exhaust manifolds described above). 51, an A / F sensor 66, an EGR valve opening sensor 67, and an accelerator opening sensor 68 are provided.

エアフローメータ61は、吸気通路を流れる新気の流量(質量流量)を検出し、新気流量Gaを表す信号を出力するようになっている。スロットル弁開度センサ62は、スロットル弁43の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ63は、吸気弁32の開閉タイミングを検出し、開閉タイミングVVTを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ64は、クランク軸24の回転速度を検出し、エンジン回転速度NEを表す信号を出力するようになっている。水温センサ65は、内燃機関10の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。A/Fセンサ66は、排ガスの空燃比を検出し、空燃比を表す信号を出力するようになっている。EGR弁開度センサ67は、EGR弁56の開度を検出し、EGR弁開度Aegrを表す信号を出力するようになっている。アクセル開度センサ68は、運転者によって操作されるアクセルペダル81の操作量を検出し、アクセルペダル81の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。   The air flow meter 61 detects the flow rate (mass flow rate) of fresh air flowing through the intake passage and outputs a signal representing the fresh air flow rate Ga. The throttle valve opening sensor 62 detects the opening of the throttle valve 43 and outputs a signal representing the throttle valve opening TA. The cam position sensor 63 detects the opening / closing timing of the intake valve 32 and outputs a signal representing the opening / closing timing VVT. The crank position sensor 64 detects the rotational speed of the crankshaft 24 and outputs a signal representing the engine rotational speed NE. The water temperature sensor 65 detects the temperature of the cooling water of the internal combustion engine 10 and outputs a signal representing the cooling water temperature THW. The A / F sensor 66 detects the air-fuel ratio of the exhaust gas and outputs a signal representing the air-fuel ratio. The EGR valve opening degree sensor 67 detects the opening degree of the EGR valve 56 and outputs a signal representing the EGR valve opening degree Aegr. The accelerator opening sensor 68 detects the operation amount of the accelerator pedal 81 operated by the driver, and outputs a signal representing the operation amount Accp of the accelerator pedal 81.

電気制御装置70は、互いにバスで接続されたCPU71、CPU71が実行するルーチン(プログラム)、テーブル(マップ)、及び定数等を予め記憶したROM72、RAM73、バックアップRAM74、並びにADコンバータを含むインターフェース75等からなるマイクロコンピュータである。   The electric control device 70 includes a CPU 71 connected to each other by a bus, a routine (program) executed by the CPU 71, a table (map), and a ROM 72, a RAM 73, a backup RAM 74, and an interface 75 including an AD converter. It is the microcomputer which consists of.

インターフェース75は、前記センサ61〜68に接続され、CPU71にセンサ61〜68からの信号を供給するとともに、同CPU71の指示に応じて可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、イグナイタ38、燃料噴射弁39、スロットル弁アクチュエータ43a、SC弁アクチュエータ44a、及びEGR弁56のアクチュエータ56aへ駆動信号を送出するようになっている。   The interface 75 is connected to the sensors 61 to 68, supplies signals from the sensors 61 to 68 to the CPU 71, and in response to instructions from the CPU 71, the actuator 33a, the igniter 38, and the fuel injection valve 39 of the variable intake timing device 33. A drive signal is sent to the throttle valve actuator 43a, the SC valve actuator 44a, and the actuator 56a of the EGR valve 56.

(空燃比制御)
本例での空燃比制御装置では、A/Fセンサ66の出力(実A/F)、及び、エアフローメータ61の出力(新気流量Ga)に基づいて、周知の手法の1つを利用して、機関に供給される混合気の空燃比が理論空燃比に一致するように、インジェクタ39に噴射指示される(指令)燃料噴射量(従って、実際に噴射される燃料の量)がフィードバック制御されるようになっている。従って、空燃比制御装置に異常(具体的には、A/Fセンサ66、エアフローメータ61、インジェクタ39等の異常)が発生すると、空燃比を理論空燃比に精度良く一致させることができなくなる。従って、空燃比制御装置の異常を診断する必要がある。
(Air-fuel ratio control)
The air-fuel ratio control apparatus in this example uses one of well-known methods based on the output of the A / F sensor 66 (actual A / F) and the output of the air flow meter 61 (new air flow rate Ga). Thus, the feedback control is performed on the (command) fuel injection amount (accordingly, the amount of fuel actually injected) instructed to the injector 39 so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine matches the stoichiometric air-fuel ratio. It has come to be. Therefore, if an abnormality occurs in the air-fuel ratio control device (specifically, an abnormality in the A / F sensor 66, the air flow meter 61, the injector 39, etc.), the air-fuel ratio cannot be matched with the theoretical air-fuel ratio with high accuracy. Therefore, it is necessary to diagnose abnormality of the air-fuel ratio control device.

本例では、空燃比制御装置の異常診断を行うにあたり、「燃料噴射量から空燃比の挙動を推定する空燃比挙動モデル」(以下、「A/F挙動モデル」と称呼する。)が使用される。以下、先ず、このA/F挙動モデルについて説明する。   In this example, when performing abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device, an “air-fuel ratio behavior model for estimating the behavior of the air-fuel ratio from the fuel injection amount” (hereinafter referred to as “A / F behavior model”) is used. The Hereinafter, the A / F behavior model will be described first.

(A/F挙動モデル)
一般に、過渡運転状態と定常運転状態とでは空燃比挙動が異なる。従って、本例では、「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」と、「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」とが個別に準備される。
(A / F behavior model)
In general, the air-fuel ratio behavior differs between the transient operation state and the steady operation state. Therefore, in this example, the “A / F behavior model for the transient operation state” and the “A / F behavior model for the steady operation state” are separately prepared.

時刻kにおける(指令)燃料噴射量(従って、実燃料噴射量)をu(k)、時刻kを基準として過去の燃料噴射量の時系列データをu(k-1),u(k-2),…とする。時刻kにおける実A/Fをy(k)、時刻kを基準として過去の実A/Fの時系列データをy(k-1),y(k-2),…とする。ここで、(k-j)(j:1,2,…)は、時刻kを基準としてj回前のサンプルタイミングの時刻を表す。サンプルタイミングの時間間隔は、例えば、或る燃料噴射時刻と次の燃料噴射時刻との時間間隔に対応する。本例のように4気筒内燃機関の場合、クランク軸24が180°だけ回転する時間(180°CA)に対応する。   The (command) fuel injection amount (accordingly, the actual fuel injection amount) at time k is u (k), and time series data of past fuel injection amounts with respect to time k are u (k-1), u (k-2 ), ... The real A / F at time k is y (k), and the time series data of the past real A / F with respect to time k is y (k-1), y (k-2),. Here, (k−j) (j: 1, 2,...) Represents the time of the sample timing j times before the time k. The time interval of the sample timing corresponds to the time interval between a certain fuel injection time and the next fuel injection time, for example. In the case of a four-cylinder internal combustion engine as in this example, this corresponds to the time (180 ° CA) during which the crankshaft 24 rotates by 180 °.

本例で使用される「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」、及び「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」はそれぞれ、別の局所ARXモデルを用いて、下記(1)式、(2)式で表される。   The “A / F behavior model for the transient operation state” and the “A / F behavior model for the steady operation state” used in this example are respectively expressed by the following formula (1) using different local ARX models: It is expressed by equation (2).

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上記(1)式、(2)式において、a**,b**,c*は、後述するように同定されるA/F挙動モデル内の同定パラメータである。f*,g*,hは、後述するように同定される分離超平面を表すパラメータである。ε(k)は、誤差である。自然数n,mはそれぞれ、A/F挙動モデルを記述するために必要な実A/F及び燃料噴射量の過去の時系列データの個数を表す。(1)式、(2)式はそれぞれ、下記(3)式、(4)式をもって表すことができる。 In the above formulas (1) and (2), a ** , b ** , and c * are identification parameters in the A / F behavior model identified as described later. f * , g * , and h are parameters representing separation hyperplanes identified as described later. ε (k) is an error. The natural numbers n and m respectively represent the number of past time series data of actual A / F and fuel injection amount necessary for describing the A / F behavior model. The expressions (1) and (2) can be expressed by the following expressions (3) and (4), respectively.

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上記(3)式、(4)式において、x(k)は、回帰ベクトルであり、過去の燃料噴射量及び実A/Fの時系列データを用いて、下記(5)式に従って表される。θ*は、A/F挙動モデル内の同定パラメータを用いたベクトルであり、下記(6)式、(7)式に従って表される。後述するように、回帰ベクトル空間にて、過渡運転状態に対応する観測データ(後述)の分布領域と定常運転状態に対応する観測データ(後述)の分布領域とは、下記(8)式で表わされる超平面(分離超平面)で分割される。a,bはそれぞれ、後述のように同定されるベクトル及びスカラーであり、下記(9)式、(10)式にて表される。文字の右肩に付された「T」は、転置行列を意味する。 In the above formulas (3) and (4), x (k) is a regression vector and is expressed according to the following formula (5) using the past fuel injection amount and the time series data of the actual A / F. . θ * is a vector using the identification parameter in the A / F behavior model, and is expressed according to the following equations (6) and (7). As will be described later, in the regression vector space, the distribution region of observation data (described later) corresponding to the transient operation state and the distribution region of observation data (described later) corresponding to the steady operation state are expressed by the following equation (8). It is divided by a hyperplane (separated hyperplane). Each of a and b is a vector and a scalar identified as described later, and is represented by the following equations (9) and (10). “T” attached to the right shoulder of the letter means a transposed matrix.

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以下、図2を参照しながら、「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」、及び「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」を構築するために必要となる、上述した分離超平面の推定(分離超平面を表すパラメータの同定)、並びに、A/F挙動モデル内の同定パラメータの同定について説明する。   Hereinafter, referring to FIG. 2, the above-described separation hyperplane required for constructing the “A / F behavior model for the transient operation state” and the “A / F behavior model for the steady operation state” is described. The estimation (identification of the parameter representing the separation hyperplane) and the identification parameter identification in the A / F behavior model will be described.

<クラスタリング>(図2のステップ205)
時刻kについての観測データベクトルzkを下記(11)式をもって定義する。本例では、N個の異なる時刻k(k=1,2,…,N)について、それぞれ、各時刻kを基準とする過去の燃料噴射量の時系列データu(k-1),u(k-2),…と、各時刻kを基準とする過去の実A/Fの時系列データy(k-1),y(k-2),…と、各時刻kにおける実A/Fy(k)とが、計測され且つ所定のデータベース(RAM73)に記憶される。観測データベクトルzkは、前記データベースからデータを読み出すことで、N個の異なる時刻k(k=1,2,…,N)についてそれぞれ取得される。このN個の観測データzkが、以下に説明するように、過渡運転状態に対応するグループ(クラスタC1)と定常運転状態に対応するグループ(クラスタC2)とに分類される。
<Clustering> (Step 205 in FIG. 2)
An observation data vector z k for time k is defined by the following equation (11). In this example, time series data u (k−1), u () of past fuel injection amounts with respect to each time k for N different times k (k = 1, 2,..., N), respectively. k-2), ... and time series data y (k-1), y (k-2), ... of the past actual A / F with respect to each time k, and the actual A / Fy at each time k (k) is measured and stored in a predetermined database (RAM 73). The observation data vector z k is acquired for each of N different times k (k = 1, 2,..., N) by reading data from the database. The N pieces of observation data z k are classified into a group (cluster C 1 ) corresponding to the transient operation state and a group (cluster C 2 ) corresponding to the steady operation state as described below.

Figure 2010096019
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このN個の観測データベクトルzkの回帰ベクトル空間での確率分布が、過渡運転状態に対応する分布傾向と定常運転状態に対応する分布傾向との2つの分布傾向を有する分布に従うと仮定する。この2つの分布傾向を有する分布としては、本例では、混合正規分布が採用される。即ち、N個の観測データベクトルzkの回帰ベクトル空間での確率分布が、下記(12)式で表されると仮定する。 It is assumed that the probability distribution in the regression vector space of the N observation data vectors z k follows a distribution having two distribution trends, a distribution trend corresponding to the transient operation state and a distribution trend corresponding to the steady operation state. In this example, a mixed normal distribution is adopted as the distribution having the two distribution tendencies. That is, it is assumed that the probability distribution in the regression vector space of N observation data vectors z k is expressed by the following equation (12).

Figure 2010096019
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(12)式において、Φは、混合正規分布を表すパラメータ(後述するように同定される)を用いたベクトルであり、下記(13)式で表わされる。(12)式において、P1,P2はそれぞれ、過渡運転状態及び定常運転状態に対応する正規分布であって、下記(14)式、(15)式にて表される。μ1,μ2はそれぞれP1,P2の平均であり、Σ1,Σ2はそれぞれP1,P2の分散である。α1,α2はそれぞれP1,P2の重み係数であり、下記(16)式に示す関係を有する。 In the equation (12), Φ is a vector using a parameter (identified as described later) representing a mixed normal distribution, and is represented by the following equation (13). In the equation (12), P 1 and P 2 are normal distributions corresponding to the transient operation state and the steady operation state, and are expressed by the following equations (14) and (15). μ 1 and μ 2 are averages of P 1 and P 2 , respectively, and Σ 1 and Σ 2 are variances of P 1 and P 2 , respectively. α 1 and α 2 are weighting factors of P 1 and P 2 , respectively, and have a relationship shown in the following equation (16).

Figure 2010096019
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混合正規分布を表すパラメータΦは、本例では、最尤推定法を用いて同定される。即ち、下記(17)式で表される尤度関数L(Φ)が最大化するようにパラメータΦが同定される。これにより、上記混合正規分布が求められる。図3は、このようにして求められた混合正規分布(p=α1・p1+α2・p2)の一例を2次元に簡素化して表した図である。この手順では、非凸最適化問題を解くことになるが、周知のEMアルゴリズムを用いて反復的に計算することで非凸最適化問題を解くことができる。 In this example, the parameter Φ representing the mixed normal distribution is identified using the maximum likelihood estimation method. That is, the parameter Φ is identified so that the likelihood function L (Φ) expressed by the following equation (17) is maximized. Thereby, the mixed normal distribution is obtained. FIG. 3 is a diagram showing an example of the mixed normal distribution (p = α 1 · p 1 + α 2 · p 2 ) obtained in this way, simplified in two dimensions. In this procedure, the non-convex optimization problem is solved, but the non-convex optimization problem can be solved by iteratively calculating using a well-known EM algorithm.

Figure 2010096019
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同定されたパラメータΦ(従って、求められた混合正規分布p=α1・p1+α2・p2)を用いて、N個の観測データzkが、過渡運転状態に対応するグループ(クラスタC1)と定常運転状態に対応するグループ(クラスタC2)とに分類される。この分類に際し、例えば、N個の観測データzkは、過渡運転状態に対応する正規分布(α1・p1)と定常運転状態に対応する正規分布(α2・p2)との2つの正規分布のうちで観測データが帰属する確率が大きい方の正規分布に対応する運転状態に対応するグループに分類される(図3を参照)。 Using the identified parameter Φ (therefore, the obtained mixed normal distribution p = α 1 · p 1 + α 2 · p 2 ), N observation data z k are converted into a group (cluster C) corresponding to the transient operation state. 1 ) and a group (cluster C 2 ) corresponding to the steady operation state. In this classification, for example, N pieces of observation data z k have two distributions, a normal distribution (α 1 · p 1 ) corresponding to the transient operation state and a normal distribution (α 2 · p 2 ) corresponding to the steady operation state. The normal distribution is classified into a group corresponding to the driving state corresponding to the normal distribution with the higher probability that the observation data belongs (see FIG. 3).

例えば、図3に示す観測データzpの場合、過渡運転状態に対応する正規分布(α1・p1)に帰属する確率の方が定常運転状態に対応する正規分布(α2・p2)に帰属する確率よりも大きい。従って、観測データzpは、過渡運転状態に対応するグループ(クラスタC1)に分類される。以下、N個の観測データzk(k=1,2,…,N)のうちで、N1個の観測データzk(k=k11,k12,…k1N1)が過渡運転状態に対応するグループ(クラスタC1)に分類され、N2個の観測データzk(k=k21,k22,…k2N2)が定常運転状態に対応するグループ(クラスタC2)に分類されたものとする。ここで、N=N1+N2が成立する。 For example, in the case of the observation data zp shown in FIG. 3, the probability attributed to the normal distribution (α 1 · p 1 ) corresponding to the transient operation state is the normal distribution (α 2 · p 2 ) corresponding to the steady operation state. Greater than the probability of belonging. Therefore, the observation data zp is classified into a group (cluster C 1 ) corresponding to the transient operation state. Hereinafter, among the N observation data z k (k = 1, 2,..., N), N 1 observation data z k (k = k 11 , k 12 ,... K 1N1 ) is in a transient operation state. It is classified into a corresponding group (cluster C 1 ), and N 2 observation data z k (k = k 21 , k 22 ,... K 2N2 ) is classified into a group (cluster C 2 ) corresponding to the steady operation state. Shall. Here, N = N 1 + N 2 is established.

<分離超平面の推定>(図2のステップ210)
次に、回帰ベクトル空間において、過渡運転状態に対応するグループ内の観測データの分布領域と定常運転状態に対応するグループ内の観測データの分布領域とを分割する超平面(分離超平面)の推定について説明する。
<Estimation of Separation Hyperplane> (Step 210 in FIG. 2)
Next, in the regression vector space, estimation of a hyperplane (separated hyperplane) that divides the distribution region of observation data in the group corresponding to the transient operation state and the distribution region of observation data in the group corresponding to the steady operation state Will be described.

上述のように、この分離超平面は、上記(8)式に従って表される。従って、この分離超平面の推定は、具体的には、(9)式、(10)式に示すパラメータa,bを同定することで達成される。このパラメータa,bは、本例では、上述のように2つのグループ(クラスタC,クラスタC)に分類されたN個の観測データzkに基づいて、下記(18)式に示す2次計画問題(2次最小化問題、2次最適化問題)を解くことで同定される。 As described above, this separated hyperplane is expressed according to the above equation (8). Therefore, the estimation of the separation hyperplane is specifically achieved by identifying the parameters a and b shown in the equations (9) and (10). In this example, the parameters a and b are represented by the following equation (18) based on N pieces of observation data z k classified into two groups (cluster C 1 and cluster C 2 ) as described above. It is identified by solving the next planning problem (secondary minimization problem, second optimization problem).

Figure 2010096019
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<A/F挙動モデル内の同定パラメータの同定>(図2のステップ215)
次に、(6)式、(7)式に示すA/F挙動モデル内の同定パラメータθ1,θ2の同定について説明する。本例では、過渡運転状態に対応する同定パラメータθ1が、過渡運転状態に対応するグループ(クラスタC1)に分類されたN1個の観測データzk(k=k11,k12,…k1N1)に基づいて、最小2乗法を用いて下記(19)式に示すように同定され、定常運転状態に対応する同定パラメータθ2が、定常運転状態に対応するグループ(クラスタC2)に分類されたN2個の観測データzk(k=k21,k22,…k2N2)に基づいて、最小2乗法を用いて下記(20)式に示すように同定される。
<Identification of Identification Parameter in A / F Behavior Model> (Step 215 in FIG. 2)
Next, identification of identification parameters θ 1 and θ 2 in the A / F behavior model shown in equations (6) and (7) will be described. In this example, the identification parameter θ 1 corresponding to the transient operation state has N 1 observation data z k (k = k 11 , k 12 ,...) Classified into a group (cluster C 1 ) corresponding to the transient operation state. k 1N1 ) is identified using the least square method as shown in the following equation (19), and the identification parameter θ 2 corresponding to the steady operation state is assigned to the group (cluster C 2 ) corresponding to the steady operation state. Based on the classified N 2 observation data z k (k = k 21 , k 22 ,... K 2N2 ), identification is performed using the least square method as shown in the following equation (20).

Figure 2010096019
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以上の手順(図2のステップ205,210,215)により、(9)式、(10)式に示すパラメータa,b、並びに、(6)式、(7)式に示す同定パラメータθ1,θ2が同定される。これらの同定されたパラメータを用いて、(3)式、(4)式にそれぞれ対応する局所ARXモデルである「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」及び「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」が、(21)式、(22)式に示すように個別に構築される。ξ(k)は、回帰ベクトルであり、過去から現在までの燃料噴射量及び実A/Fの時系列データを用いて、下記(23)式に従って表される。ここで、(k)は現在を表し、(k-j)(j:1,2,…)は、現在を基準としてj回前のサンプルタイミングの時刻を表す。(k+1)は、現在を基準として次回のサンプルタイミングの時刻(即ち、将来)を表す。サンプルタイミングの時間間隔は、上述と同様、或る燃料噴射時刻と次の燃料噴射時刻との時間間隔に対応する。本例のように4気筒内燃機関の場合、クランク軸24が180°だけ回転する時間(180°CA)に対応する。 By the above procedure (steps 205, 210, and 215 in FIG. 2), the parameters a and b shown in the equations (9) and (10), and the identification parameters θ 1 , θ 2 is identified. Using these identified parameters, “A / F behavior model for transient operation state” and “A / F for steady operation state” which are local ARX models corresponding to equations (3) and (4), respectively. The “behavior model” is individually constructed as shown in equations (21) and (22). ξ (k) is a regression vector and is expressed according to the following equation (23) using the fuel injection amount from the past to the present and the time series data of the actual A / F. Here, (k) represents the present, and (kj) (j: 1, 2,...) Represents the time of the sample timing j times before the present. (k + 1) represents the time (that is, the future) of the next sample timing with the present as a reference. The time interval of the sample timing corresponds to the time interval between a certain fuel injection time and the next fuel injection time, as described above. In the case of a four-cylinder internal combustion engine as in this example, this corresponds to the time (180 ° CA) during which the crankshaft 24 rotates by 180 °.

Figure 2010096019
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即ち、過渡運転状態(後述する予測判定で過渡運転状態と判定された場合)では、(21)式に示す「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」を用いて、過去から現在までの燃料噴射量及び実A/Fの時系列データに基づき、将来の空燃比(予測A/F)が推定される。また、定常運転状態(後述する予測判定で定常運転状態と判定された場合)では、(22)式に示す「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」を用いて、過去から現在までの燃料噴射量及び実A/Fの時系列データに基づき、将来の空燃比(予測A/F)が推定される。   That is, in the transient operation state (when it is determined as the transient operation state in the prediction determination described later), the fuel from the past to the present is expressed by using the “A / F behavior model for the transient operation state” shown in Equation (21). A future air-fuel ratio (predicted A / F) is estimated based on the injection amount and time series data of the actual A / F. Further, in the steady operation state (when it is determined as the steady operation state in the prediction determination described later), the fuel from the past to the present is obtained using the “A / F behavior model for the steady operation state” shown in Equation (22). A future air-fuel ratio (predicted A / F) is estimated based on the injection amount and time series data of the actual A / F.

(空燃比制御装置の異常診断)
次に、上述した(21)式、(22)式にて表されるA/F挙動モデルを用いた「空燃比制御装置の異常診断」について、図2を参照しながら説明する。
(Abnormality diagnosis of air-fuel ratio control device)
Next, “abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device” using the A / F behavior model expressed by the above-described equations (21) and (22) will be described with reference to FIG.

図2のステップ220では、上述のように推定された分離超平面と、過去から現在までの実A/Fの時系列データに基づいて、内燃機関10が過渡運転状態にあるか定常運転状態にあるかが判定される(定常・過渡の予測判定)。具体的には、この予測判定では、下記(24)式が成立している場合に「過渡運転状態」と判定され、下記(25)式が成立している場合に「定常運転状態」と判定される。   In step 220 of FIG. 2, the internal combustion engine 10 is in a transient operation state or a steady operation state based on the separation hyperplane estimated as described above and the actual A / F time-series data from the past to the present. It is determined whether it is present (steady state / transient prediction determination). Specifically, in this prediction determination, when the following equation (24) is satisfied, it is determined as “transient operation state”, and when the following equation (25) is satisfied, it is determined as “steady operation state”. Is done.

Figure 2010096019
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図2のステップ225では、上述の(21)式、(22)式にて表されるA/F挙動モデルのうちで上述の予測判定で判定された運転状態に対応するA/F挙動モデルと、過去から現在までの燃料噴射量及び実A/Fの時系列データに基づいて、予測A/F(上述)が推定される。   In step 225 of FIG. 2, the A / F behavior model corresponding to the driving state determined by the above prediction determination among the A / F behavior models represented by the above equations (21) and (22), and The predicted A / F (described above) is estimated based on the fuel injection amount from the past to the present and the time series data of the actual A / F.

図2のステップ230では、内燃機関10の実際の運転状態に基づいて、内燃機関10が過渡運転状態にあるか定常運転状態にあるかが判定される(定常・過渡の実判定)。具体的には、この実判定では、スロットル弁開度センサ62から得られるスロットル弁開度TAの変化速度(dTA/dt)が閾値以上である場合に「過渡運転状態」と判定され、スロットル弁開度TAの変化速度(dTA/dt)が閾値未満である場合に「定常運転状態」と判定される。なお、スロットル弁開度TAの変化速度(dTA/dt)に代えて、アクセル開度センサ68から得られるアクセルペダル操作量Accpの変化速度(dAccp/dt)が使用されてもよい。   In step 230 of FIG. 2, it is determined whether the internal combustion engine 10 is in a transient operation state or a steady operation state based on the actual operation state of the internal combustion engine 10 (actual determination of steady / transient). Specifically, in this actual determination, when the change speed (dTA / dt) of the throttle valve opening TA obtained from the throttle valve opening sensor 62 is equal to or greater than a threshold value, it is determined as “transient operation state”, and the throttle valve When the change rate (dTA / dt) of the opening degree TA is less than the threshold value, it is determined as “steady operation state”. Instead of the changing speed (dTA / dt) of the throttle valve opening TA, the changing speed (dAccp / dt) of the accelerator pedal operation amount Accp obtained from the accelerator opening sensor 68 may be used.

図2のステップ235では、上述の予測判定の結果と上述の実判定の結果との比較、並びに、上述の予測A/FとA/Fセンサ66から得られる実A/Fとの比較に基づいて、空燃比制御装置の異常診断が行われる。   In step 235 of FIG. 2, based on the comparison between the above-described prediction determination result and the above-described actual determination result, and comparison between the above-described prediction A / F and the actual A / F obtained from the A / F sensor 66. Thus, abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device is performed.

具体的には、予測判定の結果と実判定の結果とが一致し且つ予測A/Fと実A/Fとの差が閾値以下のときに「空燃比制御装置が正常」と判定され、予測判定の結果と実判定の結果とが一致しないとき又は予測A/Fと実A/Fとの差が閾値を超えたときに「空燃比制御装置が異常」と判定される。   Specifically, when the result of the prediction determination matches the result of the actual determination and the difference between the prediction A / F and the actual A / F is equal to or less than a threshold value, it is determined that “the air-fuel ratio control device is normal” and the prediction When the result of the determination does not match the result of the actual determination, or when the difference between the predicted A / F and the actual A / F exceeds the threshold value, it is determined that “the air-fuel ratio control device is abnormal”.

以上、上記実施形態に係る内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置によれば、それぞれが燃料噴射量及び実A/Fについての時系列データを含むN個の観測データzkが、過渡運転状態に対応するグループと定常運転状態に対応するグループとに分類される。回帰ベクトル空間において、過渡運転状態に対応するグループ内の観測データの分布領域と定常運転状態に対応するグループ内の観測データの分布領域とを分割する超平面(分離超平面)が推定される。加えて、過渡運転状態に対応するグループ内の観測データに基づいて「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」内のパラメータが同定されて、局所ARXモデルである「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」が構築される。同様に、定常運転状態に対応するグループ内の観測データに基づいて「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」内のパラメータが同定されて、局所ARXモデルである「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」が構築される。このように燃料噴射量に対する2つのA/F挙動モデルが個別に構築された状態において、上述のように推定された分離超平面と、過去から現在までの実A/Fの時系列データに基づいて、定常・過渡の予測判定が行われ、予測判定で判定された運転状態に対応するA/F挙動モデルと、過去から現在までの燃料噴射量及び実A/Fの時系列データに基づいて、予測A/Fが推定される。同様に、内燃機関10の実際の運転状態に基づいて、定常・過渡の実判定が行われ、A/Fセンサから実A/Fが取得される。空燃比制御装置の異常診断では、予測判定の結果と実判定の結果とが一致し且つ予測A/Fと実A/Fとの差が閾値以下のときに「空燃比制御装置が正常」と判定され、予測判定の結果と実判定の結果とが一致しないとき又は予測A/Fと実A/Fとの差が閾値を超えたときに「空燃比制御装置が異常」と判定される。 As described above, according to the abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to the above-described embodiment, N pieces of observation data z k each including time-series data regarding the fuel injection amount and the actual A / F are converted into transient operation. It is classified into a group corresponding to the state and a group corresponding to the steady operation state. In the regression vector space, a hyperplane (separated hyperplane) that divides the distribution region of the observation data in the group corresponding to the transient operation state and the distribution region of the observation data in the group corresponding to the steady operation state is estimated. In addition, parameters in the “A / F behavior model for the transient operation state” are identified based on the observation data in the group corresponding to the transient operation state, and the local ARX model “A / F for the transient operation state” is identified. The “F behavior model” is constructed. Similarly, the parameters in the “A / F behavior model for the steady operation state” are identified based on the observation data in the group corresponding to the steady operation state, and “A / F for the steady operation state” which is the local ARX model. The “F behavior model” is constructed. In the state where the two A / F behavior models for the fuel injection amount are individually constructed as described above, based on the separation hyperplane estimated as described above and the time series data of the actual A / F from the past to the present. Thus, steady / transient prediction determination is performed, based on the A / F behavior model corresponding to the operation state determined by the prediction determination, the fuel injection amount from the past to the present, and the time series data of the actual A / F. The prediction A / F is estimated. Similarly, steady / transient actual determination is performed based on the actual operating state of the internal combustion engine 10, and the actual A / F is acquired from the A / F sensor. In the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device, when the result of the prediction determination matches the result of the actual determination and the difference between the prediction A / F and the actual A / F is less than or equal to the threshold value, When the result of the prediction determination does not match the result of the actual determination, or when the difference between the prediction A / F and the actual A / F exceeds the threshold, it is determined that the air-fuel ratio control device is abnormal.

以下、上記構成による作用・効果について説明する。通常、過渡運転状態でのデータに基づいて構築された空燃比挙動モデルを使用すると、定常運転状態での空燃比挙動の推定精度が低くなる(逆も同様)。これに対し、上記実施形態によれば、「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」と「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」とが個別に構築され、過渡運転状態と予測判定されている間は「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」を使用して予測A/Fが推定され、定常運転状態と予測判定されている間は「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」を使用して予測A/Fが推定される。従って、過渡運転状態か定常運転状態かにかかわらず安定して予測A/Fを精度良く推定できる。   Hereinafter, the operation and effect of the above configuration will be described. Normally, when an air-fuel ratio behavior model constructed based on data in a transient operation state is used, the estimation accuracy of the air-fuel ratio behavior in a steady operation state is lowered (and vice versa). On the other hand, according to the above-described embodiment, the “A / F behavior model for the transient operation state” and the “A / F behavior model for the steady operation state” are individually constructed, and the transient operation state is predicted and determined. The predicted A / F is estimated using the “A / F behavior model for the transient operation state” while the “A / F behavior model for the steady operation state” is predicted while being predicted to be the steady operation state. Is used to estimate the predicted A / F. Therefore, it is possible to estimate the predicted A / F stably with high accuracy regardless of the transient operation state or the steady operation state.

また、通常、過渡・定常の予測判定の精度は、空燃比制御系の経年変化、機関の個体誤差等により大きく影響を受ける。これに対し、上記実施形態によれば、実際のN個の観測データzkに基づいて回帰ベクトル空間での分離超平面が推定され、この分離超平面を利用して過渡・定常の予測判定が行われる。従って、空燃比制御系の経年変化、機関の個体誤差等に影響されることなく過渡・定常の予測判定を精度良く行うことができる。 Usually, the accuracy of transient / steady state prediction determination is greatly influenced by aging of the air-fuel ratio control system, individual errors of the engine, and the like. On the other hand, according to the above embodiment, the separation hyperplane in the regression vector space is estimated based on the actual N observation data z k , and transient / steady state prediction determination is performed using this separation hyperplane. Done. Therefore, it is possible to perform the transient / steady state prediction determination with high accuracy without being affected by the secular change of the air-fuel ratio control system, the individual error of the engine, or the like.

更には、空燃比制御装置の異常診断が、予測A/Fと実A/Fとの比較のみに基づいて行われる場合、異常診断の精度が必ずしも高いとは言えない。これに対し、上記実施形態によれば、空燃比制御装置の異常診断が、予測A/Fと実A/Fとの比較のみならず、過渡・定常についての予測判定の結果と実判定の結果との比較にも基づいて行われる。従って、複数の比較情報に基づいて異常診断が行われるから、異常診断の精度が高い。   Furthermore, when the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control device is performed based only on the comparison between the predicted A / F and the actual A / F, it cannot be said that the accuracy of the abnormality diagnosis is necessarily high. On the other hand, according to the above-described embodiment, the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio control apparatus is not only a comparison between the predicted A / F and the actual A / F, but also the result of the prediction determination and the result of the actual determination regarding transient / steady state. It is also based on the comparison. Accordingly, the abnormality diagnosis is performed based on the plurality of pieces of comparison information, and thus the accuracy of the abnormality diagnosis is high.

例えば、予測A/Fと実A/Fとが共に理論空燃比近傍にあり両者の差が非常に小さいであって且つ過渡・定常についての予測判定の結果と実判定の結果とが異なっている場合、異常診断が予測A/Fと実A/Fとの比較のみに基づいて行われる場合には「空燃比制御装置が正常」と判定されてしまう。これに対し、上記実施形態では、「空燃比制御装置が異常」と判定することができる。   For example, both the predicted A / F and the actual A / F are in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio, the difference between them is very small, and the result of the prediction determination for the transient / steady state is different from the result of the actual determination. In this case, if the abnormality diagnosis is performed only based on the comparison between the predicted A / F and the actual A / F, it is determined that the air-fuel ratio control device is normal. On the other hand, in the above embodiment, it can be determined that “the air-fuel ratio control apparatus is abnormal”.

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、イグニッションON後、観測データzkがN個分得られた段階で、図2のステップ205,210,215の手順によりA/F挙動モデルを1回のみ構築し、その後は、イグニッションOFFまで構築したA/F挙動モデルを使い続けてもよいし、イグニッションONの間に亘って、所定の周期をもってA/F挙動モデルを繰り返し更新してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, after the ignition is turned on, when N pieces of observation data z k are obtained, the A / F behavior model is constructed only once by the procedure of steps 205, 210, and 215 in FIG. May continue to use the A / F behavior model constructed until the ignition is turned off, or may repeatedly update the A / F behavior model with a predetermined period during the ignition on.

また、上記実施形態では、「過渡運転状態についてのA/F挙動モデル」及び「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」の2種類のA/F挙動モデルが構築されているが、「過渡運転状態」を更に「減速運転状態」と「加速運転状態」とに分けて、「減速運転状態についてのA/F挙動モデル」、「加速運転状態についてのA/F挙動モデル」、及び「定常運転状態についてのA/F挙動モデル」の3種類のA/F挙動モデルが構築されてもよい。   In the above embodiment, two types of A / F behavior models, “A / F behavior model for transient operation state” and “A / F behavior model for steady operation state”, are constructed. The “operating state” is further divided into “decelerated operating state” and “accelerated operating state”, “A / F behavior model for decelerating operating state”, “A / F behavior model for accelerated operating state”, and “steady state” Three types of A / F behavior models of “A / F behavior model for operating state” may be constructed.

加えて、上記実施形態では、(1)式、(21)式等が過渡運転状態に対応し、(2)式、(22)式等が定常運転状態に対応しているが、(1)式、(21)式等が定常運転状態に対応し、(2)式、(22)式等が過渡運転状態に対応していてもよい。   In addition, in the above embodiment, Equation (1), Equation (21), etc. correspond to the transient operation state, Equation (2), Equation (22), etc. correspond to the steady operation state, (1) Equations (21) and the like may correspond to the steady operation state, and equations (2) and (22) and the like may correspond to the transient operation state.

本発明の実施形態に係る空燃比制御装置の異常診断装置を火花点火式多気筒内燃機関に適用したシステムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a system in which an abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device according to an embodiment of the present invention is applied to a spark ignition type multi-cylinder internal combustion engine. 図1に示した異常診断装置により実行される、A/F挙動モデルの構築、及び、空燃比制御装置の異常診断の手順を示したフローチャートである。2 is a flowchart showing a procedure for constructing an A / F behavior model and diagnosing an abnormality of an air-fuel ratio control device, which is executed by the abnormality diagnosis device shown in FIG. 1. 観測データの分類に使用される混合正規分布の一例を2次元に簡素化して表した図である。It is the figure which simplified and expressed an example of the mixed normal distribution used for classification of observation data.

符号の説明Explanation of symbols

10…火花点火式多気筒内燃機関、39…燃料噴射弁、61…エアフローメータ、62…スロットル弁開度センサ、66…A/Fセンサ、68…アクセル開度センサ、70…電気制御装置、71…CPU、73…RAM   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Spark ignition type multi-cylinder internal combustion engine, 39 ... Fuel injection valve, 61 ... Air flow meter, 62 ... Throttle valve opening sensor, 66 ... A / F sensor, 68 ... Accelerator opening sensor, 70 ... Electric control apparatus, 71 ... CPU, 73 ... RAM

Claims (3)

内燃機関の排気通路内の排ガスの空燃比を検出する空燃比センサの検出結果に基づいて燃料噴射弁から噴射される燃料の量を調整することで空燃比を制御する空燃比制御手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置に適用される異常診断装置であって、
複数の異なる時刻のそれぞれについて前記検出空燃比の過去の時系列データと前記燃料噴射量の過去の時系列データとを記憶する記憶手段と、
前記各時刻についての前記検出空燃比の時系列データと前記燃料噴射量の時系列データとを含んでなる前記各時刻についての観測データの回帰ベクトル空間での確率分布が、過渡運転状態に対応する分布傾向と定常運転状態に対応する分布傾向との2つの分布傾向を有する分布に従うとの仮定のもと、前記各時刻についての観測データに基づいて前記2つの分布傾向を有する分布を求め、前記求めた分布に基づいて前記各時刻についての観測データを前記過渡運転状態に対応するグループと前記定常運転状態に対応するグループとに分類する分類手段と、
前記分類された前記各時刻についての前記観測データに基づいて、前記回帰ベクトル空間にて前記過渡運転状態に対応するグループ内のデータの分布領域と前記定常運転状態に対応するグループ内のデータの分布領域とを分割する超平面である分離超平面を推定する平面推定手段と、
空燃比の現在までの時系列データと前記燃料噴射量の現在までの時系列データとから空燃比を予測する前記過渡運転状態についての空燃比挙動モデルと前記定常運転状態についての空燃比挙動モデルとをそれぞれ別の局所ARXモデルを用いて個別に表した場合において、前記過渡運転状態についての空燃比挙動モデル内のパラメータと前記定常運転状態についての空燃比挙動モデル内のパラメータとを、前記過渡運転状態に対応するグループに分類された観測データと前記定常運転状態に対応するグループに分類された観測データとにそれぞれ基づいて個別に同定することで、前記過渡運転状態についての空燃比挙動モデルと前記定常運転状態についての空燃比挙動モデルとを個別に構築するモデル構築手段と、
前記推定された分離超平面と、前記検出空燃比の現在までの時系列データとに基づいて、前記内燃機関が前記過渡運転状態にあるか前記定常運転状態にあるかを判定する予測判定手段と、
前記内燃機関の実際の運転状態に基づいて、前記内燃機関が前記過渡運転状態にあるか前記定常運転状態にあるかを判定する実判定手段と、
前記構築された空燃比挙動モデルのうち前記予測判定手段により判定された運転状態に対応する空燃比挙動モデルと、前記検出空燃比の現在までの時系列データ及び前記燃料噴射量の現在までの時系列データとに基づいて、空燃比を予測する空燃比予測手段と、
前記予測判定手段による判定結果と前記実判定手段による判定結果との比較、並びに、前記予測された空燃比と前記検出空燃比との比較に基づいて、前記空燃比制御装置の異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えた内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置。
Air-fuel ratio control means is provided for controlling the air-fuel ratio by adjusting the amount of fuel injected from the fuel injection valve based on the detection result of the air-fuel ratio sensor for detecting the air-fuel ratio of the exhaust gas in the exhaust passage of the internal combustion engine. An abnormality diagnosis device applied to an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine,
Storage means for storing past time-series data of the detected air-fuel ratio and past time-series data of the fuel injection amount for each of a plurality of different times;
The probability distribution in the regression vector space of the observation data for each time including the time series data of the detected air-fuel ratio and the time series data of the fuel injection amount for each time corresponds to the transient operation state. Under the assumption that a distribution trend and a distribution trend corresponding to a steady operation state follow a distribution having two distribution trends, a distribution having the two distribution trends is obtained based on observation data for each time, Classification means for classifying observation data for each time based on the obtained distribution into a group corresponding to the transient operation state and a group corresponding to the steady operation state;
Based on the observation data for each classified time, the distribution region of data in the group corresponding to the transient operation state and the distribution of data in the group corresponding to the steady operation state in the regression vector space Plane estimation means for estimating a separated hyperplane that is a hyperplane that divides the region;
An air-fuel ratio behavior model for the transient operation state and an air-fuel ratio behavior model for the steady operation state for predicting the air-fuel ratio from the time-series data of the air-fuel ratio to the present and the time-series data of the fuel injection amount to the present; Are individually expressed using different local ARX models, the parameters in the air-fuel ratio behavior model for the transient operation state and the parameters in the air-fuel ratio behavior model for the steady operation state are represented by the transient operation. By individually identifying the observation data classified into the group corresponding to the state and the observation data classified into the group corresponding to the steady operation state, respectively, the air-fuel ratio behavior model for the transient operation state and the Model construction means for individually constructing an air-fuel ratio behavior model for a steady operation state;
A prediction determination means for determining whether the internal combustion engine is in the transient operation state or the steady operation state based on the estimated separation hyperplane and time-series data of the detected air-fuel ratio up to the present time; ,
Actual determination means for determining whether the internal combustion engine is in the transient operation state or the steady operation state based on an actual operation state of the internal combustion engine;
Of the constructed air-fuel ratio behavior model, the air-fuel ratio behavior model corresponding to the operating state determined by the prediction determination means, the time-series data of the detected air-fuel ratio up to the present, and the time of the fuel injection amount up to the present Air-fuel ratio predicting means for predicting the air-fuel ratio based on the series data;
Based on the comparison between the determination result by the prediction determination means and the determination result by the actual determination means, and the comparison between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio, the presence or absence of abnormality of the air-fuel ratio control device is determined. An abnormality determination means to perform,
An abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine comprising:
請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置において、
前記異常判定手段は、
前記予測判定手段による判定結果と前記実判定手段による判定結果とが一致し且つ前記予測された空燃比と前記検出空燃比との差が閾値以下のときに前記空燃比制御装置が正常と判定し、前記予測判定手段による判定結果と前記実判定手段による判定結果とが一致しないとき又は前記予測された空燃比と前記検出空燃比との差が前記閾値を超えたときに前記空燃比制御装置が異常と判定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置。
The abnormality diagnosis apparatus for an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1,
The abnormality determining means includes
When the determination result by the prediction determination unit matches the determination result by the actual determination unit and the difference between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio is equal to or less than a threshold value, the air-fuel ratio control apparatus determines that it is normal. When the determination result by the prediction determination means and the determination result by the actual determination means do not match or when the difference between the predicted air-fuel ratio and the detected air-fuel ratio exceeds the threshold, the air-fuel ratio control device An abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine configured to determine an abnormality.
請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置において、
前記分類手段は、
前記各時刻についての観測データをそれぞれ、前記求められた分布が有する前記過渡運転状態に対応する分布傾向と前記定常運転状態に対応する分布傾向との2つの分布傾向のうちで前記観測データが帰属する確率が大きい方の分布傾向に対応する運転状態に対応するグループに分類するように構成された内燃機関の空燃比制御装置の異常診断装置。
In the abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2,
The classification means includes
The observation data for each time is attributed to two of the two distribution trends, the distribution trend corresponding to the transient operation state and the distribution trend corresponding to the steady operation state of the obtained distribution. An abnormality diagnosis device for an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine configured to be classified into a group corresponding to an operating state corresponding to a distribution tendency having a higher probability of performing.
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