JP3525545B2

JP3525545B2 - 空燃比センサの異常診断装置

Info

Publication number: JP3525545B2
Application number: JP08965195A
Authority: JP
Inventors: 純長谷川; 飯田　　寿
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 2004-05-10
Anticipated expiration: 2019-05-10
Also published as: JPH08285808A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関の空燃比に
対してリニアに出力を増減させる空燃比センサの異常診
断装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の空燃比制御システムにおいては、
排気ガス中の酸素濃度に応じてリニアに空燃比を検出す
る空燃比センサ（例えば、限界電流式酸素センサ）が用
いられており、マイクロコンピュータは前記センサによ
る空燃比検出結果を取り込んで内燃機関への燃料噴射量
を制御する。この場合、マイクロコンピュータは前記空
燃比センサによる空燃比検出結果に基づき空燃比補正係
数を算出し、該空燃比補正係数にて燃料噴射量を補正す
る。これにより、内燃機関での最適な燃焼が実現され、
排気ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯX 等）が低減
される。

【０００３】一方で、上記空燃比制御システムでは、空
燃比センサにより検出される空燃比の信頼性が低下する
と制御精度が著しく悪化するため、従来より同空燃比セ
ンサの異常診断を精度良く検出するための技術が要望さ
れている。そこで、従来技術として、例えば特開昭６２
−２２５９４３号公報の「酸素濃度センサの異常検出方
法」では、限界電流式の酸素濃度センサについて印加電
圧と検出電流とに応じて接続系の異常を検出する異常診
断手順が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術では、接続系の断線や短絡等の回路構成上の異常が検
出できるものの、空燃比センサの劣化等が生じた場合に
は、それによる異常の症状を検出することができない。
つまり、空燃比センサにより検出された空燃比の真偽
（センサ出力が正常か否か）を判断すること、即ちセン
サ出力の信頼性を判断することができなかった。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点に着目してな
されたものであってその目的は、空燃比センサの異常を
精度良く診断し、ひいては当該空燃比センサの検出結果
を用いた空燃比制御システムの制御精度向上に貢献する
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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載した発明は、内燃機関の空燃比に対
してリニアに出力を増減させる空燃比センサと、前記空
燃比センサにより検出された空燃比と目標空燃比との偏
差に応じた空燃比補正係数を設定する空燃比補正係数設
定手段と、前記空燃比補正係数設定手段により設定され
た空燃比補正係数を用いて、前記内燃機関への燃料供給
量を補正する空燃比制御手段とを備えた空燃比制御シス
テムに適用されるものであって、前記空燃比センサによ
り検出された空燃比の挙動と、前記空燃比補正係数設定
手段により設定された空燃比補正係数の挙動との比較結
果に基づき、前記空燃比センサの異常を診断するセンサ
異常診断手段を備えることを要旨としている。

【０００７】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記空燃比センサにより検出された
空燃比の振幅を算出する第１の振幅算出手段と、前記空
燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補正係数
の振幅を算出する第２の振幅算出手段とを備え、前記セ
ンサ異常診断手段は、前記第１の振幅算出手段により算
出された空燃比の振幅と、前記第２の振幅算出手段によ
り算出された空燃比補正係数の振幅との比較結果に基づ
いて前記空燃比センサの異常を診断する。

【０００８】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記空燃比センサにより検出された
空燃比の位相と、前記空燃比補正係数設定手段により設
定された空燃比補正係数の位相とのズレ量を算出する位
相ズレ量算出手段を備え、前記センサ異常診断手段は、
前記位相ズレ量算出手段により算出された位相ズレ量に
より前記空燃比センサの異常を診断する。

【０００９】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、前記位相ズレ量算出手段は、前記空
燃比のピーク値の間隔から空燃比の位相を求めると共
に、前記空燃比補正係数の変動時におけるピーク値の間
隔から空燃比補正係数の位相を求め、それら位相から位
相ズレ量を算出する。

【００１０】請求項５に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記空燃比センサにより検出された
空燃比と、目標空燃比との偏差を積算する第１の偏差積
算手段と、前記空燃比補正係数設定手段により設定され
た空燃比補正係数と、該係数の基準値との偏差を積算す
る第２の偏差積算手段とを備え、前記センサ異常診断手
段は、前記第１，第２の偏差積算手段による両積算値の
比較結果に基づき前記空燃比センサの異常を診断する。

【００１１】請求項６に記載の発明では、請求項１〜５
のいずれかに記載の発明において、前記空燃比センサに
より検出された空燃比の周期を算出する空燃比周期算出
手段を備え、前記センサ異常診断手段は、前記空燃比セ
ンサにより検出された空燃比の挙動と、前記空燃比補正
係数設定手段により設定された空燃比補正係数の挙動と
の比較結果に基づき、前記空燃比センサの異常を診断す
る手段と、前記空燃比周期算出手段により算出された周
期に基づき前記空燃比センサの異常を診断する手段とを
備える。

【００１２】請求項７に記載の発明では、請求項１〜６
のいずれかに記載の発明において、前記空燃比補正係数
設定手段により設定された空燃比補正係数の周期を算出
する補正係数周期算出手段を備え、前記センサ異常診断
手段は、前記空燃比センサにより検出された空燃比の挙
動と、前記空燃比補正係数設定手段により設定された空
燃比補正係数の挙動との比較結果に基づき、前記空燃比
センサの異常を診断する手段と、前記補正係数周期算出
手段により算出された周期に基づき前記空燃比センサの
異常を診断する手段とを備える。

【００１３】請求項８に記載の発明では、請求項１〜７
のいずれかに記載の発明において、前記空燃比制御手段
による空燃比制御の開始から所定時間が経過した際に前
記センサ異常診断手段による異常診断を許可する異常診
断許可手段を備える。

【００１４】

【００１５】請求項９に記載の発明は、内燃機関の空燃
比に対してリニアに出力を増減させる空燃比センサと、
前記空燃比センサにより検出された空燃比と目標空燃比
との偏差に応じた空燃比補正係数を設定する空燃比補正
係数設定手段と、前記空燃比補正係数設定手段により設
定された空燃比補正係数を用いて、前記内燃機関への燃
料供給量を補正する空燃比制御手段とを備えた空燃比制
御システムに適用されるものであって、前記空燃比補正
係数設定手段により設定された空燃比補正係数の周期を
算出する補正係数周期算出手段と、前記空燃比補正係数
の周期により前記空燃比センサの異常を診断するセンサ
異常診断手段とを備えることを要旨としている。

【００１６】

【００１７】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、空燃比補正係
数設定手段は、空燃比センサにより検出された空燃比と
目標空燃比との偏差に応じた空燃比補正係数を設定す
る。空燃比制御手段は、空燃比補正係数設定手段により
設定された空燃比補正係数を用いて、内燃機関への燃料
供給量を補正する。そして、センサ異常診断手段は、空
燃比センサにより検出された空燃比の挙動と、空燃比補
正係数設定手段により設定された空燃比補正係数の挙動
との比較結果に基づき、空燃比センサの異常を診断す
る。

【００１８】つまり、空燃比をリニアに検出する空燃比
センサを用いた空燃比制御システムでは、空燃比センサ
により検出された空燃比（センサ出力）に追従して空燃
比補正係数が変化し、該補正係数を用いて燃料供給量を
補正することで精密な空燃比制御が実現される。この場
合、空燃比センサが正常であればその検出結果は実際の
空燃比を反映したものとなり、内燃機関での所望の燃焼
が得られる。これに対して、空燃比センサが異常であれ
ばその検出結果は実際の空燃比を反映できず、センサ出
力に対する空燃比補正係数の不安定な挙動を招く。従っ
て、空燃比センサにより検出された空燃比と空燃比補正
係数とを比較することにより、高精度なセンサ異常診断
が可能となり信頼性の高い空燃比制御システムが実現さ
れる。

【００１９】一方、空燃比センサにより検出された空燃
比（センサ出力）と空燃比補正係数とを比較する場合に
は、以下の（１），（２）に示す異常形態を判別するこ
とによりセンサ異常を容易に且つ高精度に診断すること
ができる。（１）センサ出力（空燃比）の振幅に対して空燃比補正
係数の振幅が大きくなる、又は小さくなる場合。（２）センサ出力の位相に対して空燃比補正係数の位相
がズレる場合。

【００２０】つまり、請求項２に記載の発明によれば、
第１の振幅算出手段は空燃比センサにより検出された空
燃比の振幅を算出し、第２の振幅算出手段は空燃比補正
係数設定手段により設定された空燃比補正係数の振幅を
算出する。そして、センサ異常診断手段は、第１の振幅
算出手段により算出された空燃比の振幅と、第２の振幅
算出手段により算出された空燃比補正係数の振幅との比
較結果に基づいて空燃比センサの異常を診断する。この
場合、上記（１）の異常が容易に診断できる。

【００２１】請求項３に記載の発明によれば、位相ズレ
量算出手段は、空燃比センサにより検出された空燃比の
位相と、空燃比補正係数設定手段により設定された空燃
比補正係数の位相とのズレ量を算出する。センサ異常診
断手段は、位相ズレ量算出手段により算出された位相ズ
レ量により空燃比センサの異常を診断する。この場合、
上記（２）の異常が容易に診断できる。

【００２２】また、請求項４に記載の発明によれば、位
相ズレ量算出手段は、空燃比のピーク値の間隔から空燃
比の位相を求めると共に、空燃比補正係数の変動時にお
けるピーク値の間隔から空燃比補正係数の位相を求め、
それら位相から位相ズレ量を算出する。つまり、内燃機
関をリーン領域で燃焼させる、いわゆるリーンバーンエ
ンジンでは、空燃比の振幅中心がリーン側に大きく移行
する。また、例えば空燃比学習が実施されると、空燃比
補正係数の振幅中心は基準値（１．０）からズレる。こ
れらの場合、センサ出力の位相や空燃比補正係数の位相
を各々のピーク値の間隔から算出することにより、上記
リーンバーンや空燃比学習の影響を受けることなく各位
相が正確に求められる。

【００２３】請求項５に記載の発明によれば、第１の偏
差積算手段は、空燃比センサにより検出された空燃比
と、目標空燃比との偏差を積算する。第２の偏差積算手
段は、空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比
補正係数と、該係数の基準値との偏差を積算する。そし
て、センサ異常診断手段は、第１，第２の偏差積算手段
による両積算値の比較結果に基づき空燃比センサの異常
を診断する。この場合、積算値による異常診断を行うこ
とによって、外乱（センサ出力や補正係数の一時的な乱
れ）による影響の少ない異常診断が可能となる。なお、
この請求項５によれば、上記（１）の異常が診断でき
る。

【００２４】請求項６に記載の発明によれば、空燃比周
期算出手段は、空燃比センサにより検出された空燃比の
周期を算出する。センサ異常診断手段は、空燃比センサ
により検出された空燃比の挙動と、空燃比補正係数設定
手段により設定された空燃比補正係数の挙動との比較結
果に基づき空燃比センサの異常を診断すると共に、空燃
比周期算出手段により算出された周期に基づき空燃比セ
ンサの異常を診断する。

【００２５】つまり、上記（１），（２）の異常形態の
他に、センサ異常時には次の（３）に示す異常形態が現
れる。（３）センサ出力の周期又は空燃比補正係数の周期が所
定の許容範囲を越える場合。

【００２６】従って、請求項６の構成によれば、空燃比
の挙動及び空燃比補正係数の挙動の比較結果に基づき空
燃比センサの異常を診断すると共に、空燃比の周期に基
づき空燃比センサの異常を診断することにより、上記
（１）〜（３）のいずれかの異常が容易に診断できる。

【００２７】請求項７に記載の発明によれば、補正係数
周期算出手段は、空燃比補正係数設定手段により設定さ
れた空燃比補正係数の周期を算出する。センサ異常診断
手段は、空燃比センサにより検出された空燃比の挙動
と、空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補
正係数の挙動との比較結果に基づき空燃比センサの異常
を診断すると共に、補正係数周期算出手段により算出さ
れた周期に基づき空燃比センサの異常を診断する。この
場合、請求項７の構成では、上記（１）〜（３）のいず
れかの異常が容易に診断できる。

【００２８】請求項８に記載の発明によれば、異常診断
許可手段は、空燃比制御手段による空燃比制御の開始か
ら所定時間が経過した際にセンサ異常診断手段による異
常診断を許可する。つまり、上記の各種形態の異常は、
センサ出力を用いた空燃比制御の実施回数（フィードバ
ック回数）が増すに従って顕著になることが考えられ
る。そこで、上記の如く所定時間の経過後に異常診断を
許可することにより、信頼性の高い異常診断が可能とな
る。

【００２９】

【００３０】請求項９に記載の発明によれば、補正係数
算出手段は、空燃比補正係数設定手段により設定された
空燃比補正係数の周期を算出する。センサ異常診断手段
は、空燃比補正係数の周期により空燃比センサの異常を
診断する。この場合、請求項１０の構成では、上記
（３）の異常が容易に診断できる。

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【実施例】

（第１実施例）以下、本発明を内燃機関の空燃比制御装
置において具体化した第１実施例を説明する。

【００３４】図１は本実施例における内燃機関の空燃比
制御装置が設けられた内燃機関とその周辺機器の概略構
成図である。図１に示すように、内燃機関１は４気筒４
サイクルの火花点火式として構成されている。その吸入
空気は上流よりエアクリーナ２、吸気管３、スロットル
バルブ４、サージタンク５及びインテークマニホールド
６を通過して、インテークマニホールド６内で各燃料噴
射弁７から噴射された燃料と混合され、所定空燃比の混
合気として各気筒に供給される。また、内燃機関１の各
気筒に設けられた点火プラグ８には、点火回路９から供
給される高電圧がディストリビュータ１０にて分配供給
され、点火プラグ８は前記各気筒の混合気を所定タイミ
ングで点火する。そして、燃焼後の排気ガスはエキゾー
ストマニホールド１１及び排気管１２を通過し、排気管
１２に設けられた三元触媒１３にて有害成分（ＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯX 等) が浄化されて大気に排出される。

【００３５】前記吸気管３には吸気温センサ２１及び吸
気圧センサ２２が設けられ、吸気温センサ２１は吸入空
気の温度（吸気温Ｔam）を、吸気圧センサ２２はスロッ
トルバルブ４の下流側の吸入空気の圧力（吸気圧ＰＭ）
をそれぞれ検出する。また、前記スロットルバルブ４に
は同バルブ４の開度（スロットル開度ＴＨ）を検出する
ためのスロットルセンサ２３が設けられ、このスロット
ルセンサ２３はスロットル開度ＴＨに応じたアナログ信
号を出力すると共に、スロットルバルブ４が略全閉であ
る旨の検出信号を出力する。また、内燃機関１のシリン
ダブロックには水温センサ２４が設けられ、この水温セ
ンサ２４は内燃機関１内の冷却水の温度（冷却水温Ｔh
w）を検出する。前記ディストリビュータ１０には内燃
機関１の回転数（機関回転数Ｎｅ）を検出するための回
転数センサ２５が設けられ、この回転数センサ２５は内
燃機関１の２回転、すなわち７２０°ＣＡ毎に等間隔で
２４個のパルス信号を出力する。

【００３６】さらに、前記排気管１２の三元触媒１３の
上流側には、内燃機関１から排出される排気ガスの酸素
濃度に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力す
る、限界電流式酸素センサからなるＡ／Ｆセンサ（空燃
比センサ）２６が設けられている。また、三元触媒１３
の下流側には、空燃比λが理論空燃比（λ＝１）に対し
てリッチかリーンかに応じた電圧ＶＯＸ２を出力する下
流側Ｏ₂センサ２７が設けられている。なお、本実施例
では、空燃比を空気過剰率「λ」で表し、理論空燃比
（＝１４．７）を空燃比λ＝１として記載する。

【００３７】図２は、Ａ／Ｆセンサ２６の概略を示す断
面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ２６は排気管
１２の内部に向けて突設されており、同センサ２６はカ
バー３１、センサ本体３２及びヒータ３３に大別され
る。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバ
ー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。
センサ本体３２は、空燃比リーン領域における酸素濃
度、若しくは空燃比リッチ領域における一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）濃度に対応する限界電流を発生する。

【００３８】センサ本体３２の構成について詳述する。
センサ本体３２において、断面カップ状に形成された固
体電解質層３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が
固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されてい
る。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ
溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体
電解質層３４は、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ
₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を
安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体
からなり、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシャ、
ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質から
なる。排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共
に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面に
は多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排気ガ
ス側電極層３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ²
及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気
側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ²以上及び
０．５〜２．０μｍ程度となっている。

【００３９】ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容さ
れており、その発熱エネルギーによりセンサ本体３２
（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電
極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３
は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有
している。

【００４０】上記構成のＡ／Ｆセンサ２６において、セ
ンサ本体３２は理論空燃比点にて濃淡起電力を発生し、
理論空燃比点よりリーン領域の酸素濃度に応じた限界電
流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流
は、排気ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚
さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、セン
サ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るもの
であるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６５
０℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体３
２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１の排気ガスの
みによる加熱では活性領域を制御できない。そのため、
本実施例では、後述するＥＣＵ４１によりヒータ３３が
加熱制御され、センサ本体３２が所定の活性温度に保持
されるようになっている。なお、理論空燃比よりもリッ
チ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）の
濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体
３２はＣＯ濃度に応じた限界電流を発生する。

【００４１】センサ本体３２の電圧−電流特性について
図３を用いて説明する。図３に示すように電流−電圧特
性は、Ａ／Ｆセンサ２６の検出酸素濃度（空燃比）に比
例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流
と、同固体電解質層３４への印加電圧との関係が直線的
であることを示す。そして、センサ本体３２が温度Ｔ＝
Ｔ１にて活性状態にあるとき、図３の実線で示すように
特性線Ｌ１でもって安定した状態を示す。かかる場合、
特性線Ｌ１の電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３
２の限界電流を特定する。この限界電流の増減は空燃比
の増減（即ち、リーン・リッチ）に対応しており、空燃
比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比がリ
ッチ側になるほど限界電流は減少する。

【００４２】また、この電圧−電流特性において電圧軸
Ｖに平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配域と
なっており、その抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾き
は、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵
抗により特定される。固体電解質層３４の内部抵抗は温
度変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低
下すると抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。つま
り、センサ本体３２の温度ＴがＴ１よりも低いＴ２にあ
るとき、電流−電圧特性は図３の破線で示すように特性
線Ｌ２でもって特定される。かかる場合、特性線Ｌ２の
電圧軸Ｖに平行な直線部分がＴ＝Ｔ２におけるセンサ本
体３２の限界電流を特定するもので、この限界電流は特
性線Ｌ１による限界電流とほぼ一致している。

【００４３】そして、特性線Ｌ１において、センサ本体
３２の固体電解質層３４に正の印加電圧Ｖpos を印加す
れば、センサ本体３２に流れる電流が限界電流Ｉpos と
なる（図３の点Ｐａ参照）。また、センサ本体３２の固
体電解質層３４に負の印加電圧Ｖneg を印加すれば、セ
ンサ本体３２に流れる電流が酸素濃度に依存せず、温度
のみに比例する負の温度電流Ｉneg となる（図３の点Ｐ
ｂ参照）。

【００４４】また、図１の内燃機関１の運転を制御する
電子制御装置（以下、ＥＣＵという）４１は、ＣＰＵ
（中央処理装置）４２、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）
４３、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４４、バック
アップＲＡＭ４５等を中心に論理演算回路として構成さ
れ、前記各センサの検出信号を入力する入力ポート４６
及び各アクチュエータに制御信号を出力する出力ポート
４７等に対しバス４８を介して接続されている。そし
て、ＥＣＵ４１は、入力ポート４６を介して前記各セン
サから吸気温Ｔam、吸気圧ＰＭ、スロットル開度ＴＨ、
冷却水温Ｔhw、機関回転数Ｎｅ、空燃比信号等を入力し
て、それらの各値に基づいて燃料噴射量ＴＡＵ、点火時
期Ｉｇ等の制御信号を算出し、さらに、それら制御信号
を出力ポート４７を介して燃料噴射弁７及び点火回路９
等にそれぞれ出力する。また、ＥＣＵ４１は後述するセ
ンサ異常診断処理を実行してＡ／Ｆセンサ２６の異常の
有無を診断し、異常時には警告灯４９を点灯して運転者
に異常発生を警告する。なお、本実施例では、ＣＰＵ４
２により空燃比補正係数設定手段、空燃比制御手段、セ
ンサ異常診断手段、第１の振幅算出手段、第２の振幅算
出手段、位相ズレ量算出手段、空燃比周期算出手段、補
正係数周期算出手段、変動量算出手段及び異常診断許可
手段が構成されている。

【００４５】次に、上述した燃料噴射制御システムにお
いて、空燃比制御を行うために予め設計されている手法
について順次説明する。なお、以下の設計手法は特開平
１−１１０８５３号公報に開示されている。

【００４６】（１）制御対象のモデリングこの実施例では、内燃機関１の空燃比λを制御するシス
テムのモデルに、むだ時間Ｐ＝３を有する次数１の自己
回帰移動平均モデルを用い、更に外乱ｄを考慮して近似
している。

【００４７】まず、自己回帰移動平均モデルを用いた空
燃比λを制御するシステムのモデルは、次の数式１によ
り近似できる。

【００４８】

【数１】

【００４９】ただし、この数式１において、符号ＦＡＦ
は空燃比補正係数を表す。また、符号ａ，ｂはモデルの
応答性を決定するためのモデル定数を表す。また、符号
ｋは、最初のサンプリング開始からの制御回数を示す変
数を表す。

【００５０】さらに、外乱ｄを考慮すると、制御システ
ムのモデルは、次の数式２で近似できる。

【００５１】

【数２】

【００５２】以上のように近似したモデルに対し、ステ
ップ応答を用いて回転周期（３６０°ＣＡ）サンプリン
グで離散化して上記モデル定数ａ，ｂを定めること、即
ち空燃比λを制御する系の伝達関数Ｇを求めることは容
易である。

【００５３】（２）状態変数量Ｘの表示方法（ただし、
Ｘはベクトル量である）上記数式２を、状態変数量Ｘ（ｋ）＝［Ｘ１（ｋ），Ｘ
２（ｋ），Ｘ３（ｋ），Ｘ４（ｋ）］^Tを用いて書き直
すと、数式３の如き行列式となり、更には数式４のよう
になる。ここで、符号Ｔは転置行列を示す。

【００５４】

【数３】

【００５５】

【数４】

【００５６】（３）レギュレータの設計上記数式３，数式４に基づいてレギュレータを設計する
と、空燃比補正係数ＦＡＦは、最適フィードバックゲイ
ンＫ＝［Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４］と、状態変数量Ｘ^T
（ｋ）＝［λ（ｋ），ＦＡＦ（ｋ−３），ＦＡＦ（ｋ−
２），ＦＡＦ（ｋ−１）］とを用いて、数式５のように
表せる。

【００５７】

【数５】

【００５８】さらに、この数式５において、誤差を吸収
させるための積分項ＺＩ（ｋ）加えると、空燃比補正係
数ＦＡＦは、次の数式６によって与えられる。

【００５９】

【数６】

【００６０】なお、上記の積分項ＺＩ（ｋ）は、目標空
燃比λTG及び現実の空燃比λ（ｋ）間の偏差と積分定数
Ｋａとから決まる値であって、次の数式７により与えら
れる。

【００６１】

【数７】

【００６２】図４は、上述のようにモデルを設計した空
燃比λの制御システムのブロック線図を表す。なお、こ
の図４においては、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）をＦＡ
Ｆ（ｋ−１）から導出するためにＺ^-1変換を用いて表記
したが、これは過去の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ−１）
をＲＡＭ４４に記憶しておき、次の制御タイミングで読
み出して用いている。因みに、「ＦＡＦ（ｋ−１）」は
１回前の空燃比補正係数を表し、「ＦＡＦ（ｋ−２）」
は２回前の空燃比補正係数を表し、「ＦＡＦ（ｋ−
３）」は３回前の空燃比補正係数を表す。

【００６３】また、同図４において、二点鎖線で囲まれ
たブロックＰ１が、空燃比λ（ｋ）を目標空燃比λTGに
フィードバック制御している状態にて状態変数量Ｘ
（ｋ）を定める部分であり、ブロックＰ２が、積分項Ｚ
Ｉ（ｋ）を求める部分（累積部）であり、そしてブロッ
クＰ３が、ブロックＰ１で定められた状態変数量Ｘ
（ｋ）とブロックＰ２で求められた積分項ＺＩ（ｋ）と
から今回の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）を演算する部分
である。

【００６４】（４）最適フィードバックゲインＫ及び積
分定数Ｋａの決定最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋａは、例え
ば、次の数式８で示される評価関数Ｊを最小にすること
で設定できる。

【００６５】

【数８】

【００６６】ただしこの数式８において、評価関数Ｊ
は、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）の動きを制約しつつ、
空燃比λ（ｋ）と目標空燃比λTGとの偏差を最小にする
ことを意図したものである。また、空燃比補正係数ＦＡ
Ｆ（ｋ）に対する制約の重み付けは、重みのパラメータ
Ｑ，Ｒの値によって変更できる。従って、重みパラメー
タＱ，Ｒの値を種々変えて最適な制御特性が得られるま
でシミュレーションを繰り返し、最適フィードバックゲ
インＫ及び積分定数Ｋａを定めればよい。

【００６７】さらに、最適フィードバックゲインＫ及び
積分定数Ｋａは、先のモデル定数ａ，ｂに依存してい
る。従って、実際の空燃比λを制御する系の変動（パラ
メータ変動）に対するシステムの安定性（ロバスト性）
を保証するためには、これら各モデル定数ａ，ｂの変動
分を見込んで、最適フィードバックゲインＫ及び積分定
数Ｋａを設定する必要がある。よって、シミュレーショ
ンは、各モデル定数ａ，ｂの現実に生じ得る変動を加味
して行い、安定性を満足する最適フィードバックゲイン
Ｋ及び積分定数Ｋａを定める。

【００６８】以上、（１）制御対象のモデリング、
（２）状態変数量の表示方法、（３）レギュレータの設
計、（４）最適フィードバックゲイン及び積分定数の決
定について説明したが、該実施例の装置では、これらは
何れも既に設定されているものとする。そして、ＥＣＵ
４１では、前記数式６及び数式７のみを用いて、該燃料
噴射制御システムにおける空燃比制御を実行するものと
する。

【００６９】次に、上記のように構成された本実施例に
おける空燃比制御装置の動作を説明する。図５はＥＣＵ
４１内のＣＰＵ４２により実行される燃料噴射量算出ル
ーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンは、内
燃機関１の回転に同期して３６０°ＣＡ毎に実行され
る。

【００７０】さて、ＣＰＵ４２は、先ずステップ１０１
で吸気圧ＰＭ、機関回転数Ｎｅ等に基づいて基本燃料噴
射量Ｔｐを算出し、続くステップ１０２で空燃比λのフ
ィードバック条件が成立しているか否かを判別する。こ
こで、周知のようにフィードバック条件とは、冷却水温
Ｔhwが所定水温以上で、且つ高回転・高負荷でないとき
に成立する。現時点にてフィードバック条件が成立して
いれば、ＣＰＵ４２はステップ１０３に進み、空燃比λ
を目標空燃比λTG（本実施例では、理論空燃比λ＝１と
している）とするための空燃比補正係数ＦＡＦを設定
し、その後ステップ１０４に進む。即ち、ステップ１０
３では、前述の数式６及び数式７に基づいて目標空燃比
λTGとＡ／Ｆセンサ２６にて検出された空燃比λ（ｋ）
とから空燃比補正係数ＦＡＦが算出される。

【００７１】また、前記ステップ１０２でフィードバッ
ク条件が成立していなければ、ＣＰＵ４２はステップ１
０５に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを「１．０」に設定
し、その後ステップ１０４に進む。この場合、ＦＡＦ＝
１．０とは空燃比λを補正しないことを意味し、いわゆ
るオープン制御が実施される。

【００７２】ステップ１０４では、ＣＰＵ４２は、次の
数式９に従って基本燃料噴射量Ｔｐ、空燃比補正係数Ｆ
ＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬから燃料噴射量ＴＡ
Ｕを設定する。

【００７３】

【数９】ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ・ＦＡＬＬその後、上記燃料噴射量ＴＡＵに基づく制御信号が燃料
噴射弁７に出力され、同弁７の開弁時間、即ち実際の燃
料噴射時間が制御され、その結果、空燃比λが目標空燃
比λTGに調整される。

【００７４】以上、空燃比補正係数ＦＡＦが空燃比λと
目標空燃比λTG（本実施例では、λTG＝１．０）との偏
差に応じて設定される旨を記載したが、Ａ／Ｆセンサ２
６が異常になると、空燃比λ（センサ出力）に対する空
燃比補正係数ＦＡＦの挙動が不安定になる。図６は、セ
ンサ出力と空燃比補正係数ＦＡＦとの比較による各種の
異常形態を示すタイムチャートである。図６において、
（ａ）は通常のセンサ出力（空燃比λ）の波形を示し、
（ｂ）〜（ｇ）はセンサ異常時のセンサ出力の波形又は
空燃比補正係数ＦＡＦの波形を示す。

【００７５】各種の異常形態について詳述する。図６
（ｂ）では、Ａ／Ｆセンサ２６による空燃比λ（図６
（ａ））に対して空燃比補正係数ＦＡＦの振幅が大きく
（実線で示す状態）、又は小さく（破線で示す状態）な
っている。即ち、例えばＡ／Ｆセンサ２６が劣化する
と、Ａ／Ｆセンサ２６は実際の空燃比にあった信号（限
界電流）を出力できなくなり、実際の空燃比λと目標空
燃比λTGとの偏差に応じた空燃比補正係数ＦＡＦが得ら
れず過大変動又は過小変動を招く。

【００７６】詳しくは、Ａ／Ｆセンサ２６のセンサ本体
３２が劣化すると、素子内部抵抗が増大する。この場
合、図７の電圧−電流特性に示す抵抗支配域（Ｖ軸との
平行部分よりも小さい電圧域）において、異常（劣化）
時における特性線（破線で示す）の傾きは正常時におけ
る特性線（実線で示す）の傾きよりも小さくなり、Ａ／
Ｆセンサ２６に流れる限界電流が小さくなる（Ｉｐ２＜
Ｉｐ１）。また、同じく図７において、Ｖ軸に平行な直
線部分が傾き（一点鎖線で示す特性では、右上がり）、
正常時よりも限界電流が大きくなる（Ｉｐ３＞Ｉｐ
１）。これらのような場合、正確な空燃比λを検出する
ことができず、目標空燃比λTGとの偏差が実際よりも過
大又は過小となり、空燃比補正係数ＦＡＦが振幅ズレを
生ずる。

【００７７】また、図６（ｃ）では、Ａ／Ｆセンサ２６
による空燃比λの位相（図６（ａ））に対して空燃比補
正係数ＦＡＦの位相が所定量ΔＴだけ遅れている。具体
的には、Ａ／Ｆセンサ２６の汚損（図２に示すカバー３
１の小孔３１ａの目詰まりや電極層３６，３７における
多孔質の目詰まり）によりＡ／Ｆセンサ２６の応答遅れ
を生じる場合、図示の如く空燃比補正係数ＦＡＦの位相
ズレを招く。

【００７８】また、図６（ｄ），（ｅ）では、Ａ／Ｆセ
ンサ２６による空燃比λの周期Ｓλが大きくなると共
に、空燃比補正係数ＦＡＦの周期ＳＦＡＦも大きくなっ
ている。即ち、上述した空燃比補正係数ＦＡＦの振幅ズ
レや位相ズレ等の複数の異常要因が発生した場合、図示
の如く空燃比λと空燃比補正係数ＦＡＦとの少なくとも
一方が周期異常となる。なお、センサの出力ゲインが小
さくなる場合、又は応答性が遅くなる場合には、上記各
周期Ｓλ，ＳＦＡＦが許容値を越え、センサの出力ゲイ
ンが大きくなる場合、又は応答性が早くなる場合には、
上記各周期Ｓλ，ＳＦＡＦが許容値を下回る。

【００７９】さらに、図６（ｆ），（ｇ）では、Ａ／Ｆ
センサ２６による空燃比λの振幅、又は空燃比補正係数
ＦＡＦの振幅が予め設定されている許容範囲を越えてい
る。図示の異常は、やはり上記空燃比補正係数ＦＡＦの
振幅ズレや位相ズレ等の複数の異常要因が発生した場合
に発生し易くなる。

【００８０】そこで本実施例では、上記のような各種異
常を診断すべく以下の異常診断処理を実施する。図８及
び図９は、ＣＰＵ４２により噴射同期で実行される第１
の異常診断ルーチンを示す。

【００８１】図８において、ＣＰＵ４２は、先ずステッ
プ２０１でＡ／Ｆセンサ２６の活性状態を判別する。具
体的には、Ａ／Ｆセンサ２６の素子温（センサ本体３２
の温度）が６５０℃以上、或いはＡ／Ｆセンサ２６の素
子抵抗が９０Ω以下であれば、Ａ／Ｆセンサ２６が活性
化している旨が判別される。また、ＣＰＵ４２は、ステ
ップ２０２で所定の異常診断条件が成立しているか否か
を判別し、続くステップ２０３で内燃機関１の所定の定
常運転条件が成立しているか否かを判別する。ここで、
ステップ２０２の異常診断条件とは、空燃比フィードバ
ック条件が成立していること、空燃比フィードバックの
開始から所定時間が経過していること等が含まれ、ステ
ップ２０３の定常運転条件とは、吸気圧ＰＭが所定圧以
下であること、機関回転数Ｎｅが所定回転数以下である
こと、スロットル開度ＴＨが所定開度以下であること、
又はアイドル状態であること等が含まれる。

【００８２】そして、上記ステップ２０１〜２０３が全
て満たされた場合に異常診断が許可される。この場合、
ＣＰＵ４２は、ステップ２０４〜２０７で周期判定によ
り異常診断を実施し、この周期判定で異常が検出されな
ければ、次にステップ２０８〜２１５で位相ズレ判定に
より異常診断を実施する。さらに、周期判定及び位相ズ
レ判定で共に異常が検出されなければ、ＣＰＵ４２は、
ステップ２１６〜２１８で振幅ズレ判定により異常診断
を実施する。以下、各種異常診断処理を詳述する。

【００８３】つまり、ステップ２０４〜２０７（周期判
定）において、ＣＰＵ４２は、先ずステップ２０４で空
燃比λの周期Ｓλを読み込み、続くステップ２０５で空
燃比補正係数ＦＡＦの周期ＳＦＡＦを読み込む。ここ
で、周期Ｓλ，ＳＦＡＦは後述する算出ルーチンで算出
される。

【００８４】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ２０６で
空燃比λの周期Ｓλが所定の許容範囲（Ａ〜Ｂ）内にあ
るか否を判別し、続くステップ２０７で空燃比補正係数
ＦＡＦの周期ＳＦＡＦが所定の許容範囲（Ｃ〜Ｄ）内に
あるか否かを判別する。この場合、「Ｓλ」，「ＳＦＡ
Ｆ」が共に所定の許容範囲内にあれば、ＣＰＵ４２は周
期異常が発生していないとみなしてステップ２０６，２
０７を共に肯定判別し、ステップ２０８に進む（即ち、
位相ズレ判定に進む）。また、ステップ２０６，２０７
のいずれかが否定判別された場合には、ＣＰＵ４２は、
周期異常が発生しているとみなして後述する図９のステ
ップ２１９に進む。

【００８５】また、ステップ２０８〜２１５（位相ズレ
判定）において、ＣＰＵ４２は、先ずステップ２０８で
空燃比λが目標空燃比λTGに一致するか否かを判別す
る。この場合、λ＝λTGであれば、ＣＰＵ４２はステッ
プ２０９に進んで位相差カウンタＣＤＧ１に「１」をセ
ットする。一方、λ≠λTGであれば、ＣＰＵ４２はステ
ップ２１０に進み、位相差カウンタＣＤＧ１が「０」を
越える値であるか否かを判別する。この場合、ステップ
２０９の処理前であればＣＤＧ１＝０であるから、ＣＰ
Ｕ４２はステップ２１０を否定判別して後述する図９の
ステップ２１６に進む。また、ステップ２０９の処理後
であればＣＤＧ１＞０であるから、ＣＰＵ４２はステッ
プ２１０を肯定判別してステップ２１１に進み、位相差
カウンタＣＤＧ１を「１」インクリメントする。

【００８６】その後、ＣＰＵ４２は、図９のステップ２
１２で空燃比補正係数ＦＡＦが「１．０」であるか否か
を判別し、ＦＡＦ≠１．０であればそのままステップ２
１６に進む。ＦＡＦ＝１．０であれば、ＣＰＵ４２はス
テップ２１３に進み、位相差カウンタＣＤＧ１が所定の
判定値ＫＸ１を越える値であるか否かを判別する。この
場合、空燃比λと空燃比補正係数ＦＡＦとの位相差が所
定範囲内であれば（ＣＤＧ１≦ＫＸ１）、ＣＰＵ４２は
位相ズレ異常が発生していないものとしてステップ２１
３を否定判別し、ステップ２１５で位相差カウンタＣＤ
Ｇ１を「０」にクリアした後、ステップ２１６に進む
（即ち、位相ズレ判定に進む）。このとき、位相差カウ
ンタＣＤＧ１は図１０に示す如くカウント動作する。

【００８７】また、空燃比λと空燃比補正係数ＦＡＦと
の位相差が所定範囲を越えれば（ＣＤＧ１＞ＫＸ１）、
ＣＰＵ４２は位相ズレ異常が発生しているものとしてス
テップ２１３を肯定判別し、ステップ２１４に進む。Ｃ
ＰＵ４２は、ステップ２１４で位相差カウンタＣＤＧ１
を「０」にクリアした後、ステップ２１９に進む。

【００８８】さらに、ステップ２１６〜２１８（振幅ズ
レ判定）において、ＣＰＵ４２は、ステップ２１６で空
燃比λの振幅Δλを読み込み、続くステップ２１７で空
燃比補正係数ＦＡＦの振幅ΔＦＡＦを読み込む。ここ
で、振幅Δλ，ΔＦＡＦは図１５に示す数値であり、こ
れは後述する算出ルーチンで算出される。

【００８９】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ２１８で
「Δλ」と「ΔＦＡＦ」との比が所定の許容範囲内にあ
るか否か、即ち、α＜（Δλ／ΔＦＡＦ）＜βであるか
否かを判別する（例えば、α＝０．８、β＝１．２）。
この場合、「Δλ」と「ΔＦＡＦ」との比が所定の許容
範囲内にあれば、ＣＰＵ４２は振幅ズレ異常が発生して
いないとみなしてステップ２１８を肯定判別し、ステッ
プ２２２に進む。また、ステップ２１８が否定判別され
た場合には、ＣＰＵ４２は、振幅ズレ異常が発生してい
るとみなしてステップ２１９に進む。

【００９０】つまり、上記の如くステップ２１８が肯定
判別された場合、前述した周期異常、位相ズレ異常、振
幅ズレ異常がいずれも発生していないこととなり、ＣＰ
Ｕ４２は、ステップ２２２で異常判定フラグＸＤＧＡＦ
を「０」にクリアして本ルーチンを終了する。

【００９１】また、前述した周期異常、位相ズレ異常、
振幅ズレ異常のいずれかが検出されてステップ２１９に
進んだ場合、ＣＰＵ４２は、異常判定カウンタＣＤＧ２
を「１」インクリメントし、続くステップ２２０で異常
判定カウンタＣＤＧ２が所定の判定値ＫＸ２を越える値
であるか否かを判別する。この場合、ＣＤＧ２≦ＫＸ２
であれば、ＣＰＵ４２はステップ２２１に進み、異常判
定フラグＸＤＧＡＦを「０」にクリアする。また、ＣＤ
Ｇ２＞ＫＸ２であれば、ＣＰＵ４２はステップ２２２に
進み、異常判定フラグＸＤＧＡＦに「１」をセットす
る。なお、この異常判定フラグＸＤＧＡＦのセット処理
に伴い、警告灯４９を点灯させたり、空燃比フィードバ
ックを停止させたりする等のダイアグ処理が実施され
る。以上図８，図９に示す第１の異常診断ルーチンによ
れば、図６（ｂ）〜（ｅ）に示す異常が容易に検出でき
る。

【００９２】次に、前記図８のステップ２０４，２０５
における空燃比λの周期Ｓλ、空燃比補正係数ＦＡＦの
周期ＳＦＡＦを算出する手順について、図１１，図１２
のフローチャートを用いて説明する。

【００９３】図１１において、ＣＰＵ４２は、ステップ
２５１でＡ／Ｆセンサ２６の検出結果に基づき演算され
た空燃比λを読み込む。そして、ＣＰＵ４２は、ステッ
プ２５２で空燃比λが目標空燃比λTG（λTG＝１．０）
に一致するか否かを判別し、続くステップ２５３で今回
の空燃比λi が１回前の空燃比λi-1 よりも大きいか否
か（λi ＞λi-1 か否か）を判別する。ステップ２５
２，２５３のいずれかが否定判別された場合、ＣＰＵ４
２はステップ２５４に進み、周期カウンタＣＡＦ１を
「１」インクリメントする。

【００９４】また、ステップ２５２，２５３が共に肯定
判別された場合、ＣＰＵ４２はステップ２５５に進み、
その時の周期カウンタＣＡＦ１を空燃比λの周期Ｓλと
して記憶する。その後、ＣＰＵ４２は、ステップ２５６
で周期カウンタＣＡＦ１を「０」にクリアして本ルーチ
ンを終了する。上記周期カウンタＣＡＦ１の動作は図１
０に示す通りである。

【００９５】一方、空燃比補正係数ＦＡＦの周期ＳＦＡ
Ｆも上記図１１とほぼ同様の手順で算出される。これを
図１２を用いて説明する。図１２において、ＣＰＵ４２
は、ステップ２６１で空燃比補正係数ＦＡＦを読み込
む。そして、ＣＰＵ４２は、ステップ２６２で空燃比補
正係数ＦＡＦが「１．０」であるか否かを判別し、続く
ステップ２６３で「ＦＡＦi ＞ＦＡＦi-1 」であるか否
かを判別する。ステップ２６２，２６３のいずれかが否
定判別された場合、ＣＰＵ４２はステップ２６４に進
み、周期カウンタＣＡＦ２を「１」インクリメントす
る。

【００９６】また、ステップ２６２，２６３が共に肯定
判別された場合、ＣＰＵ４２はステップ２６５に進み、
その時の周期カウンタＣＡＦ２を空燃比補正係数ＦＡＦ
の周期ＳＦＡＦとして記憶する。その後、ＣＰＵ４２
は、ステップ２６６で周期カウンタＣＡＦ２を「０」に
クリアして本ルーチンを終了する。上記周期カウンタＣ
ＡＦ２の動作は図１０に示す通りである。次に、前記図
９のステップ２１６，２１７における空燃比λの振幅Δ
λ、空燃比補正係数ＦＡＦの振幅ΔＦＡＦを算出する手
順について、図１３，図１４のフローチャートを用いて
説明する。

【００９７】図１３において、ＣＰＵ４２は、ステップ
３０１でＡ／Ｆセンサ２６の検出結果に基づき演算され
た空燃比λを読み込み、続くステップ３０２で今回の空
燃比λi から１回前の空燃比λi-1 を減算した値が正で
あるか否か（λi −λi-1 ＞０か否か）を判別する。λ
i −λi-1 ＞０の場合、ＣＰＵ４２はステップ３０３に
進み、１回前の空燃比λi-1 から２回前の空燃比λi-2
を減算した値が正であるか否か（λi-1 −λi-2 ＞０か
否か）を判別する。この場合、ステップ３０２がＹＥ
Ｓ、ステップ３０３がＮＯであれば、空燃比λがリッチ
ピークを過ぎて反転したことを意味し、ＣＰＵ４２は、
ステップ３０４で１回前の空燃比λi-1 をリッチピーク
λＲとして記憶する。つまり、図１５において時間ｔｂ
では、ステップ３０１→３０２→３０３→３０４の処理
により空燃比λのリッチピークλＲが求められる。

【００９８】また、前記ステップ３０２でλi −λi-1
≦０の場合、ＣＰＵ４２はステップ３０５に進み、１回
前の空燃比λi-1 から２回前の空燃比λi-2 を減算した
値が正であるか否か（λi-1 −λi-2 ＞０か否か）を判
別する。この場合、ステップ３０２がＮＯ、ステップ３
０３がＹＥＳであれば、空燃比λがリーンピークを過ぎ
て反転したことを意味し、ＣＰＵ４２は、ステップ３０
６で１回前の空燃比λi-1 をリーンピークλＬとして記
憶する。つまり、図１５において時間ｔａでは、ステッ
プ３０１→３０２→３０５→３０６の処理により空燃比
λのリーンピークλＬが求められる。

【００９９】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ３０７で
リーンピークλＬからリッチピークλＲを減算して空燃
比λの振幅Δλを算出し（Δλ＝λＬ−λＲ）、本ルー
チンを終了する。

【０１００】一方、空燃比補正係数ＦＡＦの振幅ΔＦＡ
Ｆも上記図１３とほぼ同様の手順で算出される。これを
図１４を用いて説明する。図１４において、ＣＰＵ４２
は、ステップ４０１で空燃比補正係数ＦＡＦを読み込
み、続くステップ４０２でＦＡＦi −ＦＡＦi-1 ＞０か
否かを判別する。ＦＡＦi −ＦＡＦi-1 ＞０の場合、Ｃ
ＰＵ４２はステップ４０３に進み、ＦＡＦi-1 −ＦＡＦ
i-2 ＞０か否かを判別する。この場合、ステップ４０２
がＹＥＳ、ステップ４０３がＮＯであれば、空燃比補正
係数ＦＡＦがリーンピークを過ぎて反転したことを意味
し、ＣＰＵ４２は、ステップ４０４でＦＡＦi-1 をリー
ンピークＦＡＦＬとして記憶する。つまり、図１５にお
いて時間ｔｄではステップ４０１→４０２→４０３→４
０４の処理により「ＦＡＦ」のリーンピークＦＡＦＬが
求められる。

【０１０１】また、前記ステップ４０２でＦＡＦi −Ｆ
ＡＦi-1 ≦０の場合、ＣＰＵ４２はステップ４０５に進
み、ＦＡＦi-1 −ＦＡＦi-2 ＞０か否かを判別する。こ
の場合、ステップ４０２がＮＯ、ステップ４０３がＹＥ
Ｓであれば、空燃比補正係数ＦＡＦがリッチピークで反
転したことを意味し、ＣＰＵ４２は、ステップ４０６で
ＦＡＦi-1 をリッチピークＦＡＦＲとして記憶する。つ
まり、図１５において時間ｔｃでは、ステップ４０１→
４０２→４０５→４０６の処理により「ＦＡＦ」のリッ
チピークＦＡＦＲが求められる。

【０１０２】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ４０７で
リッチピークＦＡＦＲからリーンピークＦＡＦＬを減算
して空燃比補正係数ＦＡＦの振幅ΔＦＡＦを算出し（Δ
ＦＡＦ＝ＦＡＦＲ−ＦＡＦＬ）、本ルーチンを終了す
る。

【０１０３】一方で、図１６のフローチャートは、ＣＰ
Ｕ４２により実行される第２の異常診断ルーチンを示
す。なお、本ルーチンは、図６（ｆ），（ｇ）に示す異
常の有無を診断するものであって、例えば前記図８，図
９のルーチンの直後に実行される。

【０１０４】図１６において、ＣＰＵ４２は、先ずステ
ップ５０１〜５０３で異常診断の前提条件を判別する。
なお、この条件は前述した図８のステップ２０１〜２０
３に相当し、ここでは説明を省略する。

【０１０５】上記前提条件が成立した場合、ＣＰＵ４２
はステップ５０４に進み、Ａ／Ｆセンサ２６の検出結果
に基づき演算された空燃比λが所定の許容範囲（図６
（ｆ）のＹ２〜Ｙ１）内にあるか否かを判別する。これ
が肯定判別された場合、ＣＰＵ４２は続くステップ５０
５で空燃比補正係数ＦＡＦが所定の許容範囲（図６
（ｇ）のＹ４〜Ｙ３）内にあるか否かを判別する。この
場合、ステップ５０４，５０５が共にＹＥＳであれば、
ＣＰＵ４２はステップ５０６に進み、異常判定フラグＸ
ＤＧＡＦを「０」にクリアして本ルーチンを終了する。

【０１０６】また、ステップ５０４，５０５のいずれか
がＮＯであれば、ＣＰＵ４２はステップ５０７に進み、
異常判定カウンタＣＤＧＡＦを「１」インクリメントす
る。そして、この異常判定カウンタＣＤＧＡＦが所定の
判定値ＫＸＡＦを越えれば（ステップ５０８がＹＥ
Ｓ）、ＣＰＵ４２はステップ５０９に進み、異常判定フ
ラグＸＤＧＡＦに「１」をセットする。

【０１０７】以上詳述したように本実施例によれば、Ａ
／Ｆセンサ２６の異常を各種の異常形態に分けて判別す
ることにより容易にセンサ異常診断を実施することがで
き、ひいては空燃比制御システムにおける制御精度向上
を果たすことができる。また、本実施例では空燃比フィ
ードバックの開始から所定時間が経過していることの条
件が成立した場合にのみ、異常診断を許可するようにし
たため（図８のステップ２０２）、異常の症状が顕著に
なると考えられる状態で異常診断が実施されることにな
り、信頼性の高い異常診断が可能となる。本第１実施例
によれば、請求項１〜３，６〜１１に記載した発明が実
現できる。

【０１０８】なお、本実施例では４種の異常形態を想定
し、第１及び第２のセンサ異常診断ルーチンによりこれ
ら異常を診断したが、各種の異常（図６（ｂ）〜（ｇ）
の異常）を個々に診断する個別の異常診断ルーチンを設
定することも可能である。この場合、異常診断の重要度
又は異常発生の頻度に応じて、個々に異なる演算周期を
与えることもできる。

【０１０９】（第２実施例）次に、位相ズレ異常の診断
手順を変更した第２実施例について説明する。図１７の
フローチャートは、第２実施例における異常診断ルーチ
ンを示す。

【０１１０】図１７において、ＣＰＵ４２は、先ずステ
ップ６０１〜６０３で異常診断の前提条件を判別する。
なお、この条件は前述の図８のステップ２０１〜２０３
に相当し、ここでは説明を省略する。

【０１１１】上記前提条件が成立した場合、ＣＰＵ４２
はステップ６０４に進み、空燃比λがピーク値（リーン
ピーク又はリッチピークのいずれか）に達したか否かを
判別する。空燃比λがピーク値に達していれば、ＣＰＵ
４２は、ステップ６０５でカウンタＣＤＧＨＺ１を
「１」インクリメントする。なお、ステップ６０４の判
別は、前述した図１３のフローチャートのように空燃比
λの今回値と前回値との差、及び前回値と前々回値との
差に応じて行われる（図１５のタイムチャート参照）。

【０１１２】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ６０６で
空燃比補正係数ＦＡＦがピーク値（リーンピーク又はリ
ッチピークのいずれか）に達したか否かを判別する。空
燃比補正係数ＦＡＦがピーク値に達していれば、ＣＰＵ
４２は、ステップ６０７でカウンタＣＤＧＨＺ２を
「１」インクリメントする。なお、ステップ６０６の判
別は、前述した図１４のフローチャートのように「ＦＡ
Ｆ」の今回値と前回値との差、及び前回値と前々回値と
の差に応じて行われる（図１５のタイムチャート参
照）。

【０１１３】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ６０８で
カウンタＣＤＧＨＺ１，ＣＤＧＨＺ２の差が所定の判定
値ＫＸＡを越えるか否かを判別する。｜ＣＤＧＨＺ１−
ＣＤＧＨＺ２｜≦ＫＸＡであれば、ＣＰＵ４２は位相ズ
レ異常がないとみなしてステップ６１２に進み、異常判
定フラグＸＤＧＡＦＨＺを「０」にクリアする。また、
｜ＣＤＧＨＺ１−ＣＤＧＨＺ２｜＞ＫＸＡであれば、Ｃ
ＰＵ４２は位相ズレ異常であるとみなしてステップ６０
９に進み、異常判定カウンタＣＤＧＨＺ３を「１」イン
クリメントする。そして、異常判定カウンタＣＤＧＨＺ
３が所定の判定値ＫＸＢを越えれば（ステップ６１０が
ＹＥＳの場合）、即ち所定回数以上、異常判定されれ
ば、ＣＰＵ４２は間違いなくＡ／Ｆセンサ２６が異常で
あるとみなしてステップ６１１に進み、異常判定フラグ
ＸＤＧＡＦＨＺに「１」をセットする。

【０１１４】本第２実施例によれば、空燃比λ（センサ
出力）や空燃比補正係数ＦＡＦの振幅の中心がリーン側
或いはリッチ側に大きく移行するような場合であっても
正確な異常診断が実施できる。つまり、内燃機関１をリ
ーン領域で燃焼させる、いわゆるリーンバーンエンジン
では、センサ出力の振幅中心がリーン側に大きく移行す
る。また、空燃比学習が空燃比制御に反映されると、空
燃比補正係数ＦＡＦの振幅中心は基準値（１．０）から
ズレる。これらの場合、センサ出力の位相や空燃比補正
係数の位相を各々のピーク値の間隔から算出することに
より、上記リーンバーンや空燃比学習の影響を受けるこ
となく各位相が正確に求められ、異常診断が適正に実施
される。なお、本実施例は請求項４に記載した発明に相
当する。

【０１１５】（第３実施例）次に、請求項５に記載した
発明を具体化した第３実施例を説明する。図１８のフロ
ーチャートは、第３実施例におけるセンサ異常診断ルー
チンを示す。なお、本実施例では、ＥＣＵ４１内のＣＰ
Ｕ４２により第１の偏差積算手段及び第２の偏差積算手
段が構成されている。

【０１１６】図１８において、ＣＰＵ４２は、先ずステ
ップ７０１〜７０３で異常診断の前提条件を判別する。
なお、この条件は前述の図８のステップ２０１〜２０３
に相当し、ここでは説明を省略する。上記前提条件が成
立した場合、ＣＰＵ４２はステップ７０４に進んで空燃
比λと目標空燃比（ここでは、目標空燃比＝１．０とし
ている）との差を求め、続くステップ７０５では前記空
燃比λの差を逐次積算して積算値Ｔλを算出する（Ｔλ
i ＝Ｔλi-1 ＋｜λ−１．０｜）。さらに、ＣＰＵ４２
は、ステップ７０６で「ＦＡＦ−１．０」を算出し、続
くステップ７０７では前記「ＦＡＦ」の差を逐次積算し
て積算値ＴＦＡＦを算出する（ＴＦＡＦi ＝ＴＦＡＦi-
1 ＋｜ＦＡＦ−１．０｜）。

【０１１７】その後、ＣＰＵ４２は、ステップ７０８で
異常診断を開始してからｘ秒が経過したか否かを判別
し、ｘ秒経過後であればステップ７０９で前記積算値Ｔ
λと積算値ＴＦＡＦとの比を算出すると共に、その比が
所定の許容範囲（α２〜β２）内にあるか否かを判別す
る（例えば、α２＝０．８、β２＝１．２）。この場
合、ステップ７０９が肯定判別されれば、ＣＰＵ４２は
センサ異常が発生していないとしてステップ７１３に進
み、異常判定フラグＸＤＧＡＦを「０」にクリアする。

【０１１８】また、ステップ７０９が否定判別されれ
ば、ＣＰＵ４２はセンサ異常が発生しているとしてステ
ップ７１０に進み、異常判定カウンタＣＤＧＡＦを
「１」インクリメントする。そして、異常判定カウンタ
ＣＤＧＡＦが所定の判定値ＫＸＣを越えれば（ステップ
７１１がＹＥＳの場合）、ＣＰＵ４２は、ステップ７１
２で異常判定フラグＸＤＧＡＦに「１」をセットする。

【０１１９】つまり、図１９（ａ），（ｂ）に示すよう
に、空燃比λの振幅の総和（斜線部面積）と空燃比補正
係数ＦＡＦの振幅の総和（斜線部面積）との比に応じて
異常診断がなされる。この場合、振幅ズレ異常の形態を
示す図１９（ｂ）では「（Ｔλ／ＴＦＡＦ）＜α２」と
なり、異常発生の旨が判定される。

【０１２０】以上のように本第３実施例によれば、空燃
比λと目標空燃比λTGとの偏差、空燃比補正係数ＦＡＦ
と基準値（＝１．０）との差をそれぞれ積算し、その積
算値を比較することにより振幅ズレ異常が判定できる。
この場合、積算値による異常診断を行うことによって、
外乱（センサ出力や補正係数の一時的な乱れ）による影
響の少ない異常診断が可能となる。

【０１２１】なお、本発明は、上記各実施例の他に次の
ように具体化することもできる。（１）上記各実施例では、空燃比フィードバックが開始
されてから所定時間が経過したことを異常診断の許可条
件としたが、機関始動時（電源投入時）からの経過時間
にて変更することもできる。また、この許可条件を省略
することもできる。

【０１２２】（２）上記実施例では、現代制御理論を用
いて空燃比フィードバック制御を実現した空燃比制御シ
ステムに本発明のセンサ異常診断処理を具体化したが、
当然ながら他の制御（例えば、ＰＩＤ制御等）によるシ
ステムで本発明を具体化してもよい。

【０１２３】

【発明の効果】請求項１〜９に記載の発明によれば、空
燃比センサの異常を精度良く診断し、ひいては当該空燃
比センサの検出結果を用いた空燃比制御システムの制御
精度向上に貢献することができるという優れた効果を発
揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における内燃機関の空燃比制御装置の全
体構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの詳細な構成を示す断面図。

【図３】Ａ／Ｆセンサの電圧−電流特性を示す図。

【図４】空燃比制御システムの原理を説明するためのブ
ロック図。

【図５】燃料噴射量算出ルーチンを示すフローチャー
ト。

【図６】各種の異常形態を示すタイムチャート。

【図７】センサ異常時のセンサ出力を説明するための電
圧−電流特性図。

【図８】第１のセンサ異常診断ルーチンを示すフローチ
ャート。

【図９】図８に続くフローチャート。

【図１０】各種カウンタの動作を示すタイムチャート。

【図１１】空燃比の周期算出ルーチンを示すフローチャ
ート。

【図１２】空燃比補正係数の周期算出ルーチンを示すフ
ローチャート。

【図１３】空燃比の振幅算出ルーチンを示すフローチャ
ート。

【図１４】空燃比補正係数の振幅算出ルーチンを示すフ
ローチャート。

【図１５】図１３，図１４の処理を補足説明するための
タイムチャート。

【図１６】第２のセンサ異常診断ルーチンを示すフロー
チャート。

【図１７】第２実施例のセンサ異常診断ルーチンを示す
フローチャート。

【図１８】第３実施例のセンサ異常診断ルーチンを示す
フローチャート。

【図１９】図１８の処理を補足説明するためのタイムチ
ャート。

【符号の説明】

１…内燃機関、２６…空燃比センサとしてのＡ／Ｆセン
サ、４２…空燃比補正係数設定手段，空燃比制御手段，
センサ異常診断手段，第１の振幅算出手段，第２の振幅
算出手段，位相ズレ量算出手段，空燃比周期算出手段，
補正係数周期算出手段，変動量算出手段，第１の偏差積
算手段，第２の偏差積算手段，異常診断許可手段として
のＣＰＵ。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０１Ｎ 27/41 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｐ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/26 391 G01N 27/409 G01N 27/41 G01N 27/419 F02B 77/08 F02D 41/14 310 F02D 41/22 301 F02D 45/00 368

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の空燃比に対してリニアに出力
を増減させる空燃比センサと、前記空燃比センサにより検出された空燃比と目標空燃比
との偏差に応じた空燃比補正係数を設定する空燃比補正
係数設定手段と、前記空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補
正係数を用いて、前記内燃機関への燃料供給量を補正す
る空燃比制御手段とを備えた空燃比制御システムに適用
されるものであって、前記空燃比センサにより検出された空燃比の挙動と、前
記空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補正
係数の挙動との比較結果に基づき、前記空燃比センサの
異常を診断するセンサ異常診断手段を備えることを特徴
とする空燃比センサの異常診断装置。
【請求項２】前記空燃比センサにより検出された空燃
比の振幅を算出する第１の振幅算出手段と、前記空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補
正係数の振幅を算出する第２の振幅算出手段とを備え、前記センサ異常診断手段は、前記第１の振幅算出手段に
より算出された空燃比の振幅と、前記第２の振幅算出手
段により算出された空燃比補正係数の振幅との比較結果
に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する請求項１
に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項３】前記空燃比センサにより検出された空燃
比の位相と、前記空燃比補正係数設定手段により設定さ
れた空燃比補正係数の位相とのズレ量を算出する位相ズ
レ量算出手段を備え、前記センサ異常診断手段は、前記位相ズレ量算出手段に
より算出された位相ズレ量により前記空燃比センサの異
常を診断する請求項１に記載の空燃比センサの異常診断
装置。
【請求項４】前記位相ズレ量算出手段は、前記空燃比
のピーク値の間隔から空燃比の位相を求めると共に、前
記空燃比補正係数の変動時におけるピーク値の間隔から
空燃比補正係数の位相を求め、それら位相から位相ズレ
量を算出する請求項３に記載の空燃比センサの異常診断
装置。
【請求項５】前記空燃比センサにより検出された空燃
比と、目標空燃比との偏差を積算する第１の偏差積算手
段と、前記空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補
正係数と、該係数の基準値との偏差を積算する第２の偏
差積算手段とを備え、前記センサ異常診断手段は、前記第１，第２の偏差積算
手段による両積算値の比較結果に基づき前記空燃比セン
サの異常を診断する請求項１に記載の空燃比センサの異
常診断装置。
【請求項６】前記空燃比センサにより検出された空燃
比の周期を算出する空燃比周期算出手段を備え、前記センサ異常診断手段は、前記空燃比センサにより検
出された空燃比の挙動と、前記空燃比補正係数設定手段
により設定された空燃比補正係数の挙動との比較結果に
基づき、前記空燃比センサの異常を診断する手段と、前
記空燃比周期算出手段により算出された周期に基づき前
記空燃比センサの異常を診断する手段とを備える請求項
１〜５のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装
置。
【請求項７】前記空燃比補正係数設定手段により設定
された空燃比補正係数の周期を算出する補正係数周期算
出手段を備え、前記センサ異常診断手段は、前記空燃比センサにより検
出された空燃比の挙動と、前記空燃比補正係数設定手段
により設定された空燃比補正係数の挙動との比較結果に
基づき、前記空燃比センサの異常を診断する手段と、前
記補正係数周期算出手段により算出された周期に基づき
前記空燃比センサの異常を診断する手段とを備える請求
項１〜６のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装
置。
【請求項８】前記空燃比制御手段による空燃比制御の
開始から所定時間が経過した際に前記センサ異常診断手
段による異常診断を許可する異常診断許可手段を備える
請求項１〜７のいずれかに記載の空燃比センサの異常診
断装置。
【請求項９】内燃機関の空燃比に対してリニアに出力
を増減させる空燃比センサと、前記空燃比センサにより検出された空燃比と目標空燃比
との偏差に応じた空燃比補正係数を設定する空燃比補正
係数設定手段と、前記空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補
正係数を用いて、前記内燃機関への燃料供給量を補正す
る空燃比制御手段とを備えた空燃比制御システムに適用
されるものであって、前記空燃比補正係数設定手段により設定された空燃比補
正係数の周期を算出する補正係数周期算出手段と、前記空燃比補正係数の周期により前記空燃比センサの異
常を診断するセンサ異常診断手段とを備えることを特徴
とする空燃比センサの異常診断装置。