JP4129221B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係り、特に、排気通路に排気浄化用触媒を備えるとともに、該触媒の下流に空燃比検出手段を有するエンジンにおいて、前記触媒及び前記空燃比検出手段の劣化を確実に判定できるようにされたエンジンの制御装置に関する。

エンジンから排出される排気（に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害成分）を浄化するため、排気通路に三元触媒等の排気浄化用触媒を配備するのが一般的である。近年、北米、欧州、日本国内等における規制強化に伴い、排気浄化用触媒、空燃比センサに代表される排気浄化システムの診断精度も高精度化が要求されつつある。このことから、触媒及び空燃比センサが劣化したか否かを判定する方策が幾つか提案されている。
例えば、下記特許文献１には、触媒上流の空燃比センサ出力信号と触媒下流の空燃比センサ出力信号の相関から触媒の劣化を判定することが提案されている。

また、下記特許文献２には、上流空燃比センサ出力信号の周波数に基づいて下流空燃比センサ出力信号をフィルタ処理し、上流空燃比センサ信号とフィルタ処理後の下流空燃比センサ出力信号の振幅比から触媒の劣化を判定することが提案されている。

一方、下記特許文献３には、排気通路における触媒上流（排気集合部）の平均空燃比の上下で空燃比を振動させたとき、上流平均空燃比に対する触媒下流の酸素センサ出力特性が触媒新品時と触媒劣化時で異なることに着目し、気筒毎に個別に空燃比を制御して空燃比を振動（変動）させることにより、触媒の劣化判定を行うことが提案されている。
特開平５−１７１９２４号公報（第１〜１２頁、図１〜図６） 特開平７−３０５６２３号公報（第１〜１９頁、図１〜図２１） 特開平６−１８５３４５号公報（第１〜８頁、図１、図２）

前記特許文献１，２に所載の制御装置では、エンジンの全気筒の空燃比を等価に補正し、触媒上流の排気集合部における平均空燃比の振動現象と触媒下流の空燃比の振動現象とを用いて、触媒の劣化を判定するようになっているが、この場合、平均空燃比が触媒の高効率浄化範囲を逸脱することがあり、触媒下流の排気悪化を招くおそれがある。また、触媒上流の空燃比振動の周期も０．２Ｈｚ〜１Ｈｚと比較的長く、劣化判定に要する時間もそれに応じて長くなる。また、振動周期が変化するため、それに応じて、種々のフィルタ処理が必要となり処理が複雑になるという問題もある。

また、前記特許文献３に所載の制御装置では、触媒上流の平均空燃比をリッチからリーンまで所定範囲に制御し、触媒下流の酸素センサの出力との関係を演算する必要があり、排気が悪化（有害成分排出量が増加）する時間や劣化判定に要する時間が長くなるおそれがある。

さらに、前記特許文献１、２、３に所載の制御装置は、いずれも、触媒の劣化（酸素貯蔵能力の低下）のみを判定するものであり、触媒下流の空燃比センサ、さらには、触媒上流の空燃比センサの劣化については、なんら配慮されていない。このため、例えば、触媒下流の空燃比センサが劣化した場合は、触媒が実際には劣化していないのに劣化したと誤判定してしまうおそれがある。

本発明は、前記した如くの問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、排気通路に配在された排気浄化用触媒の劣化のみならず空燃比検出手段の劣化をも、排気の悪化を招くことなく比較的短時間で高精度に判定することができるようにされたエンジンの制御装置を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る制御装置の第１態様は、排気通路に排気浄化用触媒と、該排気浄化用触媒の下流にＯ _２ センサとを有するエンジンに適用されるもので、特定の気筒において燃焼に供される混合気の空燃比を他の気筒におけるそれとは異ならしめるように制御する気筒別空燃比制御手段と、前記Ｏ _２ センサ（空燃比検出手段）から得られる信号に基づいて、前記触媒及び前記Ｏ _２ センサの劣化を判定する劣化判定手段と、を備える（図１参照）。

かかる第１態様においては、触媒及びＯ _２ センサの劣化判定にあたっては、燃焼に供される混合気の空燃比を特定の気筒（例えば１番気筒）については他の気筒（例えば２番、３番、４番気筒）におけるそれとは異なるように制御する。つまり、通常は全気筒において空燃比が同一（例えば、１４．６）となるように制御されるのが普通であるが、本発明では少なくとも一つの気筒については空燃比をずらすように（例えば、１２．０となるように）制御し、触媒上流の排気集合部において空燃比の周期的振動（変動）を生成し、その周期的空燃比変動に対する触媒下流の空燃比の応答を検出し、その検出結果から触媒及び触媒下流Ｏ _２ センサの劣化を判定するようにされる。

本発明に係る制御装置の第２態様では、前記Ｏ _２ センサ（空燃比検出手段）から得られる信号を周波数解析する周波数解析手段を備え、前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された所定周波数の位相とパワーに基づいて、前記触媒及び前記Ｏ _２ センサの性能劣化を判定するようにされる（図２参照）。

かかる第２態様においては、前記した如くの、特定の気筒において空燃比をずらすことにより触媒上流で発生する周期的空燃比変動に対する触媒下流の空燃比の応答を触媒下流Ｏ _２ センサで検出し、その信号を周波数解析し、得られた位相とパワーから触媒及び触媒下流Ｏ _２ センサの劣化を判定するようにされる。

本発明に係る制御装置の第３態様では、前記周波数解析手段は、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部で発生する空燃比の周期的振動に相当する周波数ｆａの位相とパワーを解析し、前記劣化判定手段は、前記周波数ｆａの位相とパワーに基づいて、前記触媒及び前記Ｏ _２ センサ（空燃比検出手段）の性能劣化を判定するようにされる（図３参照）。

かかる第３態様においては、前記した如くの、特定の気筒において空燃比をずらすことにより触媒上流の排気集合部で発生する空燃比の周期的振動に相当する周波数ｆａの周期的空燃比変動に対する触媒下流の空燃比応答を触媒下流Ｏ _２ センサで検出し、その信号を周波数解析し、周波数ｆａの位相とパワーから触媒及び触媒下流Ｏ _２ センサの劣化を判定するようにされる。

本発明に係る制御装置の第４態様では、前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された所定周波数の位相が所定値Ａ以下となり、かつ、そのパワーが所定値Ｂ以上となったとき、前記触媒が劣化したと判定するようにされる（図４参照）。

ここで、触媒上流から下流への空燃比の伝達特性は、触媒内の酸素貯蔵能力と排気の輸送時間に依存する。触媒の性能は酸素貯蔵能力に依存することが知られており、酸素貯蔵能力が低下すると、触媒上流から下流への空燃比の伝達特性が変化する。この伝達特性を無駄時間＋一次遅れ系（時定数）で考えると、触媒が劣化（酸素貯蔵能力が低下）するほど出力は無駄時間、時定数が共に小さくなる。このため、特定の気筒において空燃比をずらすことにより発生する空燃比の周期的振動を触媒入口（触媒上流の排気集合部）から入力した場合、触媒が劣化するほど、触媒入口の空燃比振動波形の位相と触媒出口の空燃比振動波形の位相とのずれは小さくなり、触媒入口振動波形のパワーに対する触媒出口振動波形のパワーの比は大きくなる傾向にある。このことから、上記のように触媒下流のＯ _２ センサから得られる信号を周波数解析し、所定周波数の位相が所定値Ａ以下でかつパワーが所定値Ｂ以上となったとき、触媒が劣化したと判定することができる。

本発明に係る制御装置の第５態様では、前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された所定周波数の位相が所定値Ｃ以上となり、かつ、そのパワーが所定値Ｄ以下となったとき、前記Ｏ _２ センサ（空燃比検出手段）が劣化したと判定するようにされる（図５参照）。

ここで、Ｏ _２ センサの伝達特性を無駄時間＋一次遅れ系（時定数）で考えると、劣化するほど、時定数は大きくなる。このことから、特定の気筒において空燃比をずらすことにより発生する空燃比の周期的振動を触媒入口から入力した場合、触媒下流のＯ _２ センサが劣化するほど、触媒入口振動波形のパワーに対する触媒出口振動波形のパワーの比は小さくなる傾向にある。このことから、上記のように触媒下流のＯ _２ センサから得られる信号を周波数解析し、所定周波数のパワーが所定値Ｄ以下となったとき、触媒下流のＯ _２ センサが劣化したと判定することができる。

本発明に係る制御装置の第６態様では、前記所定周波数の位相及びパワーの変化履歴を記憶する履歴記憶手段を備え、前記劣化判定手段は、前記履歴記憶手段に記憶された前記変化履歴に基づいて、所定期間における前記位相の減少量が所定値以上となり、かつ、前記所定期間における前記パワーの増加量が所定値以上となったとき、前記触媒が劣化したと判定し、前記所定期間における前記位相の減少量が所定値以下となり、かつ、前記所定期間における前記パワーの減少量が所定値以上となったとき、前記Ｏ _２ センサ（空燃比検出手段）が劣化したと判定するようにされる（図６参照）。

かかる第６態様においては、触媒（及びＯ _２ センサ）の劣化判定にあたっては、特定の気筒において空燃比をずらすように制御し、その際、触媒出口の空燃比の振動波形のパワー及び位相を演算、記憶しておく。ここで、触媒が劣化すると、第４態様で述べたように、位相は小さくなり、パワーは大きくなる。また、触媒下流のＯ _２ センサが劣化（応答性が低下）すると、第５態様の結果から、位相は変化せず、パワーは小さくなる。このことから、記憶されたパワー及び位相の変化履歴に基づいて、触媒劣化と触媒下流のＯ _２ センサの劣化とを同時に分離して判定することができる。

本発明に係る制御装置の第７態様では、第３態様における周波数ｆａは、エンジンが２回転する周期に相当する周波数とされる。
すなわち、前記した如くに、特定の気筒において空燃比をずらすように制御した際に発生する空燃比の周期的振動は、４サイクルエンジンの場合、エンジンが２回転する周期に相当するので、この周期である周波数ｆａを劣化判定に用いるようにされる。

本発明に係る第８態様では、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部における空燃比が目標値となるように燃焼に供される混合気の空燃比を制御する平均空燃比制御手段を備える（図７参照）。言い換えれば、特定の気筒において空燃比をずらすように制御した際に発生する空燃比の周期的振動の中心となる空燃比（平均空燃比）が目標値となるように制御する平均空燃比制御手段を備える。

本発明に係る制御装置の第９態様では、前記平均空燃比制御手段は、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部に配在された空燃比検出手段の出力に基づいて、燃焼に供せられる混合気の空燃比をフィードバック制御するようにされる（図８参照）。

すなわち、前記排気集合部にも空燃比検出手段を配設し、該空燃比検出手段の出力に基づいて、特定の気筒において空燃比をずらすように制御した際に発生する空燃比の周期的振動の中心となる空燃比（平均空燃比）が目標値となるように燃焼に供せられる混合気の空燃比をフィードバック制御するようにされる。

本発明に係る制御装置の第１０態様においては、前記目標値は、前記触媒の浄化効率が最も高くなる値に設定される。
前記第８、第９、第１０態様により、劣化判定のために特定の気筒において空燃比をずらしても触媒に流入する排気の空燃比は、目標値（触媒の浄化効率が最も高くなる値、例えば理論空燃比＝１４．６）付近で維持されるので、外部に排出される排気の悪化（有害成分の増加）を避けられる。

本発明に係る制御装置の第１１態様では、前記触媒上流の空燃比検出手段から得られる信号を周波数解析する周波数解析手段を備え、前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された、エンジンの２回転成分の位相（Phase１）及びパワー（Power１）から前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化を判定するとともに、前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化情報、並びに、前記位相（Phase１）及び前記パワー（Power１）と、前記触媒下流のＯ _２ センサ（空燃比検出手段）からの信号を周波数解析して得られる、エンジンの２回転成分の位相（Phase２）及びパワー（Power２）と、の関係に基づいて、前記触媒及び前記触媒下流のＯ _２ センサの劣化を判定することを特徴としている（図９参照）。

すなわち、この第１１態様においては、特定の気筒において空燃比をずらすことにより触媒上流で発生する空燃比の周期的振動を触媒上流の空燃比検出手段で検出し、その出力信号を周波数解析し、その位相（Phase１）とパワー（Power１）から触媒上流の空燃比センサの応答劣化を検出する。さらに、その応答劣化を考慮して、触媒上流空燃比検出手段の出力から得られる位相（Phase１）とパワー（Power１）と、触媒下流Ｏ _２ センサの出力から得られる位相（Phase２）とパワー（Power２）の関係から、触媒及び触媒下流のＯ _２ センサの劣化を判定するようにされる。

本発明に係る制御装置の第１２態様では、前記平均空燃比制御手段は、前記劣化判定手段から得られる、前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化情報、前記触媒の劣化情報、及び、前記触媒下流のＯ _２ センサ（空燃比検出手段）の劣化情報のうちの少なくとも一つに基づいて、燃焼に供せられる混合気の空燃比をフィードバック制御するようにされる（図１０参照）。

ここで、触媒上流の空燃比検出手段の応答性は、前記触媒の入口（排気集合部）の平均空燃比を目標値とするフィードバック制御を行う際に影響する。そこでＯ _２ センサの応答性変化（劣化）に応じて、フィードバック制御のパラメータ（例えば、フィードバックゲイン）を変え、常にフィードバック制御を最適化するようにされる。

本発明に係る制御装置の第１３態様においては、前記劣化判定手段から得られる、前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化情報、前記触媒の劣化情報、及び、前記触媒下流のＯ _２ センサ（空燃比検出手段）の劣化情報に基づいて、前記触媒上流の空燃比検出手段、前記触媒、及び、前記触媒下流のＯ _２ センサの正常時に対する前記触媒下流の排気悪化量を演算する排気悪化量演算手段を備える（図１１参照）。

ここで、三元触媒での排気浄化性能は、触媒の性能だけでなく、触媒上流の空燃比検出手段の性能、触媒下流のＯ _２ センサの性能も大きく影響する。このことから、触媒及び触媒上下流のＯ _２ センサの劣化状態を検出（判定）し、排気浄化システムの性能を総合的に診断し、触媒下流の排気悪化量を演算するようにされる。

本発明に係る制御装置の第１４態様においては、前記気筒別空燃比制御手段は、各気筒に対して配備された燃料噴射弁の燃料噴射態様（燃料噴射量、燃料噴射時期、一燃焼サイクル中の噴射回数等）及び又は吸排気弁の開閉態様（開閉時期、リフト量等）を気筒毎に個別に制御可能とされる。

本発明に係る制御装置の第１５態様では、前記気筒別空燃比制御手段は、燃焼に供される混合気の空燃比を一気筒のみ他の気筒と異ならしめることにより、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部において空燃比に周期的振動を発生させるようにされる（図１２参照）。
すなわち、一気筒のみ平均空燃比よりリッチもしくはリーンにすることでも、触媒上流の排気集合部における空燃比に周期的な振動を発生することが可能である。

以上に述べた本発明に係る制御装置は、特に、排ガス規制が強化されている車載用エンジンに好適である。
以上より、本発明においては、気筒間の空燃比を不均一にすることで、特にエンジンの２回転周期に相当する空燃比の振動を、簡易にかつ高精度に、触媒入口で生成し、それを基本信号として、触媒及びその下流のＯ _２ センサの診断を行うことを特徴とするものである。

本発明に係る制御装置は、触媒の劣化判定にあたっては、燃焼に供される混合気の空燃比を特定（一つ又は複数）の気筒については他の気筒におけるそれとは異なるように制御することで、触媒上流の排気集合部において空燃比の周期的振動（好ましくはエンジンの２回転周期に相当する変動）を生成し、その周期的空燃比変動に対する触媒下流の空燃比の応答を検出し、その検出結果から触媒の劣化を判定するようにされるので、触媒の劣化のみならずＯ _２ センサの劣化をも、排気の悪化を招くことなく比較的短時間で高精度に判定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１３は、本発明に係る制御装置の第１実施形態を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図である。

図示のエンジン１０は、多気筒エンジンであって、シリンダ１２と、このシリンダ１２内に摺動自在に嵌挿されたピストン１５と、を有し、該ピストン１５上方には燃焼室１７が画成される。燃焼室１７には、点火プラグ３５が臨設されている。

燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路２０の始端部に設けられたエアクリーナ２１から取り入れられ、エアフローセンサ２４を通り、電制スロットル弁２５を通ってコレクタ２７に入り、このコレクタ２７から前記吸気通路２０（の分岐通路部）の下流端に配在された吸気弁２８を介して各気筒の燃焼室１７に吸入される。

前記吸気通路２０の下流部分（分岐通路部）には、燃料噴射弁３０が臨設されており、この燃料噴射弁３０には、図示されていないが、燃料タンク、燃料ポンプ、燃圧レギュレータ等を備えた燃料供給系により所定圧力に調圧された燃料が供給されるようになっている。

燃焼室１７に吸入された空気と燃料噴射弁３０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ３５により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排気）は、燃焼室１７から排気弁４８を介して排気通路４０の上流部分を形成する個別通路部４０Ａ（図１５参照）に排出され、その個別通路部４０Ａから排気集合部４０Ｂを通って排気通路４０に配備された三元触媒５０に流入して浄化された後、外部に排出される。

また、排気通路４０における三元触媒５０より下流側にはＯ_２センサ５１が配在され、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部４０ＢにはＡ／Ｆセンサ５２が配在されている。

前記Ａ／Ｆセンサ５２は、排気中に含まれる酸素の濃度に対して線形の出力特性を持つ。排気中の酸素濃度と空燃比の関係はほぼ線形になっており、したがって、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ５２により、前記排気集合部における空燃比を求めることが可能となる。また、前記Ｏ_２センサ５１からの信号により、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを求めることができる。

また、燃焼室１７から排気通路４０に排出された排気ガスの一部は、必要に応じてＥＧＲ通路４１を介して吸気通路２０に導入され、吸気通路２０の分岐通路部を介して各気筒の燃焼室１７に還流される。前記ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲ率を調整するためのＥＧＲバルブ４２が介装されている。

そして、本実施形態の制御装置１においては、エンジン１０の種々の制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１００が備えられている。
コントロールユニット１００は、基本的には、図１４に示される如くに、ＣＰＵ１０１、入力回路１０２、入出力ポート１０３、ＲＡＭ１０４、ＲＯＭ１０５等で構成される。

コントロールユニット１００には、入力信号として、エアフローセンサ２４により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ２８により検出されるスロットル弁２５の開度に応じた信号、クランク角センサ３７から得られるクランクシャフト１８の回転（エンジン回転数）・位相をあらわす信号、排気通路４０における三元触媒５０より下流側に配置されたＯ_２センサ５１により検出される排気中の酸素濃度に応じた信号、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部４０Ｂに配置されたＡ／Ｆセンサ５２により検出される酸素濃度（空燃比）に応じた信号、シリンダ１２に配設された水温センサ１６により検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、アクセルセンサ３６から得られるアクセルペダル１９の踏み込み量（運転者の要求トルクを示す）に応じた信号等が供給される。

コントロールユニット１００においては、Ａ／Ｆセンサ５２、酸素センサ５１、スロットルセンサ２８、エアフローセンサ２４、クランク角センサ３７、水温センサ１６、及びアクセルセンサ３６、等の各センサの出力が入力され、入力回路１０２にてノイズ除去等の信号処理を行った後、入出力ポート１０３に送られる。入力ポートの値はＲＡＭ１０４に保管され、ＣＰＵ１０１内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ１０５に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ操作量を表す値はＲＡＭ１０４に保管された後、入出力ポート１０３に送られる。

点火プラグ３５に対する作動信号は点火出力回路１１６内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時点である。入出力ポート１０３にセットされた点火プラグ３５用の信号は点火出力回路１１６で点火に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグ３５に供給される。また、燃料噴射弁３０の駆動信号は開弁時ＯＮ、閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路１１７で燃料噴射弁３０を開弁するのに十分なエネルギーに増幅されて燃料噴射弁３０に送られる。電制スロットル弁２５の目標開度を実現する駆動信号は、電制スロットル弁駆動回路１１８を経て、電制スロットル弁２５に送られる。

コントロールユニット１００ではＡ／Ｆセンサ５２の信号から三元触媒５０上流の空燃比を算出し、Ｏ_２センサ５１の信号から、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを算出する。また、両センサ５１、５２の出力を用いて三元触媒５０の浄化効率が最適となるよう燃料噴射量もしくは吸入空気量を逐次補正するＦ／Ｂ制御を行う。

次に、コントロールユニット１００が実行する制御の内容を具体的に説明する。
図１５は、制御システム図で、コントロールユニット１００は、機能ブロック図で示されている如くの、基本燃料噴射量演算部１２１、＃１（１番気筒）空燃比補正量演算部１２２、空燃比補正項演算部１２３、劣化診断許可判定部１２４、周波数成分演算部１２５、及び、劣化性能演算部１２６を備えている。通常運転時（劣化判定時以外）は、基本燃料噴射量Ｔｐ及び空燃比補正項Ｌａｌｐｈａにより全気筒の空燃比が理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量Ｔｉが演算される。応答特性検出許可時は、排気集合部４０Ｂ（三元触媒５０の入口）で空燃比の周期的振動を起こすべく１番気筒#１の当量比（空燃比とは反比例する）のみ所定量増量し燃料噴射量をＴｉ１とする構成となっている。以下、各ブロック１２１〜１２６の詳細説明を行う。

基本燃料噴射量演算部１２１（図１６参照）
本演算部１２１では、エンジン１０の吸入空気量に基づいて任意の運転条件において目標トルクと目標空燃比を同時に実現する燃料噴射量を演算する。具体的には、図１６に示されるように、エンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｑａに基づいて、基本燃料噴射量Ｔｐを演算する。ここにＫは定数であり、吸入空気量Ｑａに対して常に理論空燃比を実現するよう調整するための値である。またＣｙｌはエンジン１０の気筒数（ここでは４）を表す。

空燃比補正項演算部１２３（図１７参照）
ここでは、Ａ／Ｆセンサ５２で検出される空燃比に基づいて、任意の運転条件において排気通路集合部４０Ｂ（触媒５０入口）の平均空燃比が目標空燃比（目標値）となるようＦ／Ｂ制御する。具体的には、図１７に示されるように、目標空燃比ＴａｂｆとＡ／Ｆセンサ検出空燃比Ｒａｂｆとの偏差Ｄｌｔａｂｆから、空燃比補正項ＬａｌｐｈａをＰＩ制御により演算する。空燃比補正項Ｌａｌｐｈａは前述の基本燃料噴射量Ｔｐに乗ぜられる。

劣化診断許可判定部１２４（図１８参照）
本判定部１２４では、三元触媒５０及びＯ_２センサ５１の劣化診断の許可判定を行う。具体的には図１８に示されるように、Ｔｗｎ≧Ｔｗｎｄａｇ、かつ、ΔＮｅ≦ＤＮｅｄａｇ、かつ、ΔＱａ≦Ｄｑａｄａｇ、かつ、Ｆｃｍｐｄａｇ＝０のとき、応答特性検出許可フラグＦｐｄａｇ＝１とし、応答特性の検出を許可する。それ以外のときは応答特性検出禁止し、Ｆｐｄａｇ＝０とする。
ここに、
Ｔｗｎ：エンジン冷却水温
ΔＮｅ：エンジン回転数変化率
ΔＱａ：空気流入量変化率
である。ΔＮｅ及びΔＱａは前回ｊｏｂで演算される値と今回ｊｏｂで演算される値との差としてもよい。

＃１（１番気筒）空燃比補正量演算部１２２（図１９参照）
本演算部１２２では、＃１（１番気筒）の空燃比補正量の演算を行う。通常運転時、すなわちＦｐｄａｇ＝０のときは、前述の基本燃料噴射量Ｔｐ及びＦ／Ｂ制御操作量Ｌａｌｐｈａにより排気通路集合部（触媒入口）の空燃比が目標空燃比となるよう各気筒に対する燃料噴射量が演算される。Ｆｐｄａｇ＝１のときは、排気通路集合部４０Ｂで空燃比の振動を起こすべく１番気筒#１の当量比のみ所定量Ｋｃｈｏｓ１だけ増量する。具体的には図１９に示される処理にて行う。すなわち、Ｆｐｄａｇ＝１のときは１番気筒当量比変化量Ｃｈｏｓ１＝Ｋｃｈｏｓ１とし、Ｆｐｄａｇ＝０のときはＣｈｏｓ１＝０とする。なお、Ｋｃｈｏｓ１の値はエンジン及び触媒の特性に合わせて排気が悪化しないよう設定するのが好ましい。

周波数成分演算部１２５（図２０参照）
本演算部１２５では、触媒５０下流のＯ_２センサ５１の出力信号の周波数解析を行う。具体的には、図２０に示されるように、Ｏ_２センサ５１の出力信号をＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）を用いてエンジン１０の２回転周期に相当する周波数のパワースペクトルPower２及び位相スペクトルPhase２を演算する。ここでは、特定の周波数のみのスペクトルを演算するため、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）ではなくＤＦＴを用いる。なお、サンプリング周期は、サンプリング定理より、エンジン２回転周期の２倍より大きければよいが、ここでは、クランク角センサ３７からの気筒判別信号（４気筒の場合、１８０°毎に出力）により割り込み処理を行う。なお、ＤＦＴの処理内容については、多くの文献、書物があるので、ここでは、省略する。

劣化性能演算部１２６（図２１参照）
ここでは、周波数成分演算部１２５で求められたPower２、Phase２を用いて、触媒５０及びＯ_２センサ５１の劣化判定を行う。具体的には、図２１に示されるように（Phase２）≦（所定値Ａ）、かつ、（Power２）≧（所定値Ｂ）のとき触媒５０が劣化したと判定するものである。また、（Phase２）≧（所定値Ｃ）、かつ、（Power２）≦（所定値Ｄ）のときＯ_２センサ２０が劣化したと判定する。また、触媒５０の劣化及び酸素センサ５１の劣化のいずれの場合も、劣化報知灯５７（図１５参照）を点灯（Ｆｄａｔ＝１）し、例えば運転者に劣化を通知する。所定値Ａ〜Ｄは、エンジン及び触媒の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。

このような構成とされた本実施形態の制御装置１では、触媒５０の劣化判定にあたっては、燃焼に供される混合気の空燃比を１番気筒#１については他の気筒（#２、#３、#４）におけるそれとは異なるように制御することで、触媒５０上流の排気集合部４０Ｂにおいて空燃比の周期的振動（エンジン１０の２回転周期に相当する変動）を生成し、その周期的空燃比変動に対する触媒５０下流の空燃比の応答をＯ_２センサ５１の出力に基づいて検出し、その検出結果から触媒５０の劣化を判定するようにされるので、触媒５０の劣化のみならずＯ_２センサ５１の劣化をも、排気の悪化を招くことなく比較的短時間で高精度に判定することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第２実施形態を説明する。第２実施形態の各部の構成は、前述した第１実施形態（図１３〜図２１）のものと、劣化性能演算部１２６（図２１）以外の部分は略同じであるので、重複説明を省略し、以下においては、本実施形態の劣化性能演算部２２６について図２２を参照しながら説明する。

本実施形態の劣化性能演算部２２６は、周波数成分演算部で求められたPower２、Phase２を用いて、触媒５０及びＯ_２センサ５１の劣化判定を行う。具体的には、Phase２及びPower２（の履歴）を一旦記憶しておく。記憶手段としては、ＲＡＭ、フラッシュＲＯＭ、外部ＨＤＤ（Hard Disk Drave）等を用いることができる。記憶されているPhase２（０）とPhase２（ｋ）の差をΔPhase２とし、記憶されているPower２（０）とPower２（ｋ）の差をΔPower２とする。なお、Phase２（０）とPhase２（ｋ）は、一定期間Ｔ前後の位相及びパワースペクトルとし、ｋの方が０よりも時間的には後で演算された結果である。（ΔPhase２）≧（所定値Ｅ）、かつ、−（ΔPower２）≧（所定値Ｆ）のとき、触媒５０が劣化したと判定し、また、（ΔPhase２）≦（所定値Ｇ）、かつ、（ΔPower２）≧（所定値Ｈ）のとき、Ｏ_２センサ５１が劣化したと判定する。
また、触媒５０の劣化及びＯ_２センサ５１の劣化のいずれの場合も、劣化報知灯５７を点灯（Ｆｄａｔ＝１）し、例えば運転者に劣化を通知する。

なお、Power２（０）、Phase２（０）は、触媒５０及びＯ_２センサ５１が新品時の特性としてチューニングしておくのもよい。また、所定値Ａ〜Ｄは、エンジン及び触媒の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。上述の一定期間Ｔも触媒もしくはＯ_２センサの性能が変化するダイナミクスを考慮して決めるのがよい。

このように、本実施形態の制御装置２においては、触媒５０（及びＯ_２センサ５１）の劣化判定にあたっては、特定の気筒（１番気筒#１）において空燃比を他の気筒とは異ならしめるように制御し、その際、Ｏ_２センサ５１の出力から触媒５０下流の空燃比の振動波形のパワー及び位相を演算し、その履歴を記憶しておく。ここで、触媒５０が劣化すると、前述したようにように、位相は小さくなり、パワーは大きくなる。また、触媒５０下流のＯ_２センサ５１が劣化（応答性が低下）すると、前述したように、位相は変化せず、パワーは小さくなる。このことから、記憶されたパワー及び位相の変化履歴に基づいて、触媒５０の劣化と触媒５０下流のＯ_２センサ５１の劣化とを同時に分離して判定することができる。
これにより、触媒下流のＯ_２センサ５１の劣化に起因して触媒５０が劣化したと誤判定してしまうことを回避できる。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第３実施形態を、図２３に示される制御システム図を参照しながら説明する。第３実施形態の制御装置３における各部の構成は、前述した第１実施形態（図１３〜図２１）のものと、周波数成分演算部１２５（図２０）及び劣化性能演算部１２６（図２１）以外の部分は略同じであるので、重複説明を省略し、以下においては、本実施形態の周波数成分演算部（第１周波数成分演算部３２５Ａ、第２周波数成分演算部３２５Ｂ）及び劣化性能演算部３２６について説明する。

第１周波数成分演算部３２５Ａ、第２周波数演算部３２５Ｂ（図２４参照）
第１周波数演算部３２５Ａでは、触媒５０上流のＡ／Ｆセンサ５２の出力信号の周波数解析を行い、第２周波数成分演算部３２５Ｂでは、触媒５０下流のＯ_２センサ５１の出力信号の周波数解析を行う。

具体的には、第１周波数成分演算部３２５Ａにおいては、図２４に示されるように、Ａ／Ｆセンサ５２の出力信号をＤＦＴを用いてエンジン１０の２回転周期に相当する周波数のパワースペクトルPower１及び位相スペクトルPhase１を演算する。ここでは、特定の周波数のみのスペクトルを演算するため、ＦＦＴではなくＤＦＴを用いる。なお、サンプリング周期は、サンプリング定理より、エンジン２回転周期の２倍より大きければよいが、ここでは、一般的にクランク角センサ３７からの気筒判別信号（４気筒の場合、１８０°毎に出力）により割り込み処理を行う。なお、ＤＦＴの処理内容については、多くの文献、書物があるので、ここでは、省略する。また、第２周波数成分演算部３２５Ｂにおいても、触媒５０下流のＯ_２センサ５１の出力信号をＤＦＴを用いてエンジン１０の２回転周期に相当する周波数のパワースペクトルPower２及び位相スペクトルPhase２を演算する（第１実施形態と同様）。

劣化性能演算部３２６（図２５参照）
ここでは、第１周波数成分演算部３２５Aで求められたPower１、Phase１及び第２周波数成分演算部３２５Ｂで求められたPower２、Phase２を用いて、Ａ／Ｆセンサ５２、触媒５０、及び、Ｏ_２センサ５１の劣化判定を行う。具体的には、図２５に示されるように、（Phase１）≧（所定値Ｅ）、かつ、（Power２）≦（所定値Ｆ）のとき、Ａ／Ｆセンサ５２が劣化したと判定する。また、この診断において、Ａ／Ｆセンサ５２が劣化していないと判定されたときのみ、（Phase２−Phase１）≦（所定値Ｇ）、かつ、（Power２／Phase１）≧（所定値Ｈ）のとき、触媒５０が劣化したと判定する。また、（Phase２−Phase１）≧（所定値Ｉ）、かつ、（Power２／Power１）≦（所定値Ｊ）のとき、Ｏ_２センサ５１が劣化したと判定する。また、Ａ／Ｆセンサ５２の劣化、触媒５０の劣化及び、Ｏ_２センサ２０の劣化のいずれの場合も、劣化報知灯５７を点灯（Ｆｄａｔ＝１）し、例えば運転者に劣化を通知する。所定値Ｅ〜Ｊは、エンジン及び触媒の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。

［第４実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第４実施形態を、図２６に示される制御システム図を参照しながら説明する。第４実施形態の制御装置４における各部の構成は、前述した第３実施形態（図２３〜図２５）のものと、劣化性能演算部３２６（図２５）及び空燃比補正項演算部１２３（第１実施形態の図１７）以外の部分は略同じであるので、重複説明を省略し、以下においては、本実施形態の劣化性能演算部４２６及び空燃比補正項演算部４２３について説明する。

劣化性能演算部４２６（図２７参照）
本演算部４２６では、劣化指数Ind１，Ind２ａ，Ind２ｂ，Ind３が演算され、空燃比補正項演算部４２３に反映される点が第３実施形態のものと異なる。なお、触媒下流Ｏ_２センサ５１の出力は空燃比補正項演算部４２３に入力される。

図２７に示される劣化性能演算部４２６では、第１周波数成分演算部３２５Aで求められたPower１、Phase１及び第２周波数成分演算部３２５Ｂで求められたPower２、Phase２を用いて、Ａ／Ｆセンサ５２の劣化指数Ind１、触媒５０の劣化指数Ind２a，Ind２b及びＯ_２センサ５１の劣化指数Ind３の演算を行う。具体的には、図２７に示されるように、Power１からＡ／Ｆセンサ５２の劣化指数Ind１を求める。Power１とInd１の関係は、実験から求めるのがよい。また、Phase２から触媒５０の劣化指数Ind２a、Power２から触媒５０の劣化指数Ind２ｂを、Power２からＯ_２センサ５１の劣化指数Ind３を求める。ただし、Ind２a及びInd２bの更新は、触媒５０の性能変化が発生したときに行い、Ind３の更新はＯ_２センサ５１の性能変化が発生したときに行う。各々の性能変化判定は、図２７の上部に示されているように、第２実施形態の劣化性能演算部２２６（図２２）に準じる。ただし、Phase２（ｋ）、Phase２（ｋ＋ｎ）、Power２（ｋ）、Power２（ｋ＋ｎ）は、一定期間Ｔ前後の位相及びパワースペクトルとし、ｋ＋ｎの方がｋよりも時間的には後で演算された結果であり、ｋはシフトしていく。すなわち、一定期間Ｔ毎に、Phase２及びPower２を演算し、その変化量から触媒５０及びＯ_２センサ５１の特性変化を検出し、変化量が一定値を超えた場合は、劣化指数を更新する。上述の一定期間Ｔも触媒５０もしくはＯ_２センサ５１の性能が変化するダイナミクスを考慮して決めるのがよい。

空燃比補正項演算部４２３（図２８参照）
この演算部４２３では、空燃比補正項の演算と、図２７に示される劣化性能演算部４２６で演算されたＡ／Ｆセンサ５２の劣化指数Ind１、触媒５０の劣化指数Ind２a，Ind２b及びＯ_２センサ５１の劣化指数Ind３の反映を行う。具体的には、図２８に示されるように、目標空燃比ＴａｂｆとＡ／Ｆセンサ検出空燃比Ｒａｂｆとの偏差Ｄｌｔａｂｆから、空燃比補正項ＬａｌｐｈａをＰＩ制御により演算する。空燃比補正項Ｌａｌｐｈａは前述の基本燃料噴射量Ｔｐに乗ぜられる。また目標空燃比Ｔａｂｆは、触媒下流Ｏ_２センサ出力ＲＶＯ_２が目標出力ＴｇＲＶＯ_２の偏差に基づいてＰＩ制御で求める。また、本ＰＩ制御には、触媒モデルベースの無駄時間補正項を施す。Ａ／Ｆセンサ５２の劣化指数Ind１は、空燃比補正項Ｌａｌｐｈａを演算するＰＩ制御のＰゲイン、Ｉゲインの調整に用いる。またＯ_２センサ５１の劣化指数Ind３は目標空燃比Ｔａｂｆを演算するＰＩ制御のＰゲイン、Ｉゲインの調整に用いる。また触媒５０劣化指数Ind２a，Ind２bは触媒モデルベースの無駄時間補正部分に、下記に示すように反映する。

触媒モデルベース補正（図２９参照）
図２９に示すように、無駄時間補償は、触媒５０の伝達特性のうち、無駄時間の部分を除いた伝達特性（図中では、（Ａ）の部分で一次遅れ系）と無駄時間の部分も含む伝達特性（図中では、（Ｂ）の部分で一次遅れ＋無駄時間）のそれぞれから得られる出力の差Ｍｈｏｓを演算することで構成される。ここに、Ind２bは一次遅れ系の時定数として反映され、また、Ind２bは無駄時間として反映される。
なお、上記実施形態では、いずれも三元触媒５０下流の空燃比検出手段としてＯ_２センサ５１を用いたが、Ｏ_２センサの変わりにＡ／Ｆセンサを用いてもよい。

本発明に係る制御装置の第１態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第２態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第３態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第４態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第５態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第６態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第８態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第９態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１１態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１２態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１３態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１５態様の説明に供される図。 本発明に係るエンジンの制御装置の第１実施形態の全体構成を示す制御システム図。 第１実施形態におけるコントロールユニットの内部構成図。 第１実施形態の制御システム図。 第１実施形態における基本燃料噴射量演算部の説明に供される図。 第１実施形態における空燃比補正項演算部の説明に供される図。 第１実施形態における劣化診断許可判定部の説明に供される図。 第１実施形態における１番気筒空燃比補正量演算部の説明に供される図。 第１実施形態における周波数成分演算部の説明に供される図。 第１実施形態における劣化性能演算部の説明に供される図。 第２実施形態における劣化性能演算部の説明に供される図。 第３実施形態の制御システム図。 第３実施形態における第１周波数成分演算部の説明に供される図。 第３実施形態における劣化性能演算部の説明に供される図。 第４実施形態の制御システム図。 第４実施形態における劣化性能演算部の説明に供される図。 第４実施形態における空燃比補正項演算部の説明に供される図。 第４実施形態における触媒モデルベース補正の説明に供される図。

符号の説明

１（２、３、４） 第１（第２、第３、第４）実施形態の制御装置
１０ エンジン
１６ 水温センサ
１７ 燃焼室
１９ アクセルペダル
２０ 吸気通路
２１ エアクリーナ
２４ エアフローセンサ
２５ 電制スロットル弁
２７ コレクタ
２８ スロットル開度センサ
３０ 燃料噴射弁
３５ 点火プラグ
３６ アクセル開度センサ
３７ クランク角（エンジン回転数）センサ
４０ 排気通路
４０Ｂ 排気集合部
４１ ＥＧＲ通路
５０ 三元触媒
５１ Ｏ_２センサ
５２ Ａ／Ｆセンサ
１００ コントロールユニット
１２１ 基本燃料噴射量演算部
１２２ 空燃比補正量演算部
１２３、４２３ 空燃比補正項演算部
１２４ 劣化診断許可判定部
１２５、３２５Ａ、３２５Ｂ 周波数成分演算部
１２６、２２６、３２６、４２６ 劣化性能演算部

Claims (15)

1. 排気通路に排気浄化用触媒と、該排気浄化用触媒の下流にＯ _２ センサとを有するエンジンの制御装置であって、
   前記制御装置は、
   特定の気筒における燃焼に供される混合気の空燃比を他の気筒におけるそれとは異ならしめるように制御する気筒別空燃比制御手段と、
   前記Ｏ _２ センサから得られる信号を周波数解析する周波数解析手段と、
   前記周波数解析手段により解析された所定周波数の位相及びパワーに基づいて、前記排気浄化用触媒及び前記Ｏ _２ センサの劣化を判定する劣化判定手段と、
   を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記周波数解析手段は、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部で発生する空燃比の周期的振動に相当する周波数ｆａの位相とパワーを解析し、前記劣化判定手段は、前記周波数ｆａの位相とパワーに基づいて、前記触媒及び前記Ｏ _２ センサの劣化を判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された所定周波数の位相が所定値以下となり、かつ、そのパワーが所定値以上となったとき、前記触媒が劣化したと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された所定周波数の位相が所定値以上となり、かつ、そのパワーが所定値以下となったとき、前記Ｏ _２ センサが劣化したと判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記所定周波数の位相及びパワーの変化履歴を記憶する履歴記憶手段を備え、前記劣化判定手段は、前記履歴記憶手段に記憶された前記変化履歴に基づいて、所定期間における前記位相の減少量が所定値以上となり、かつ、前記所定期間における前記パワーの増加量が所定値以上となったとき、前記触媒が劣化したと判定し、前記所定期間における前記位相の減少量が所定値以下となり、かつ、前記所定期間における前記パワーの減少量が所定値以上となったとき、前記Ｏ _２ センサが劣化したと判定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記周波数ｆａは、エンジンが２回転する周期に相当することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの制御装置。
7. 前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部における空燃比が目標値となるように燃焼に供される混合気の空燃比を制御する平均空燃比制御手段を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
8. 前記平均空燃比制御手段は、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部に配在された空燃比検出手段の出力に基づいて、燃焼に供せられる混合気の空燃比をフィードバック制御することを特徴とする請求項７に記載のエンジンの制御装置。
9. 前記目標値は、前記触媒の浄化効率が最も高くなる値に設定されていることを特徴とする請求項７又は８に記載のエンジンの制御装置。
10. 前記触媒上流の空燃比検出手段から得られる信号を周波数解析する周波数解析手段を備え、前記劣化判定手段は、前記周波数解析手段により解析された、エンジンの２回転成分の位相（Phase１）及びパワー（Power１）から前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化を判定するとともに、前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化情報、並びに、前記位相（Phase１）及び前記パワー（Power１）と、前記触媒下流のＯ _２ センサからの信号を周波数解析して得られる、エンジンの２回転成分の位相（Phase２）及びパワー（Power２）と、の関係に基づいて、前記触媒及び前記触媒下流のＯ _２ センサの劣化を判定することを特徴とする請求項８又は９に記載のエンジンの制御装置。
11. 前記平均空燃比制御手段は、前記劣化判定手段から得られる、前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化情報、前記触媒の劣化情報、及び、前記触媒下流のＯ _２ センサの劣化情報のうちの少なくとも一つに基づいて、燃焼に供せられる混合気の空燃比をフィードバック制御することを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの制御装置。
12. 前記劣化判定手段から得られる、前記触媒上流の空燃比検出手段の劣化情報、前記触媒の劣化情報、及び、前記触媒下流のＯ _２ センサの劣化情報に基づいて、前記触媒上流の空燃比検出手段、前記触媒、及び、前記触媒下流のＯ _２ センサの正常時に対する前記触媒下流の排気悪化量を演算する排気悪化量演算手段を備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のエンジンの制御装置。
13. 前記気筒別空燃比制御手段は、各気筒に対して配備された燃料噴射弁の燃料噴射態様及び又は吸排気弁の開閉態様を気筒毎に個別に制御可能とされていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
14. 前記気筒別空燃比制御手段は、燃焼に供される混合気の空燃比を一気筒のみ他の気筒と異ならしめることにより、前記排気通路における前記触媒上流の排気集合部において空燃比に周期的振動を発生させるようにされていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置を搭載した車両。

Images