JP4604881B2 - リニア空燃比センサの劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明はリニア空燃比センサの劣化診断装置に関し、より詳細には、エンジンの排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化を検出するリニア空燃比センサの劣化診断装置に関する。

従来、この種のリニア空燃比センサの劣化診断装置としては、例えば特許文献１に開示されている技術がある。この特許文献１に開示されている技術では、通常運転時では、ＰＩＤ動作によって空燃比のフィードバック制御を実行するとともに、診断時には、フィードバック制御系のＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えることにより、リニア空燃比センサの出力変動を拡大し、センサ劣化度合いが大きい程、応答周期が長くなることに基づいて、リニア空燃比センサの応答劣化を拡大して検出するようにしている。
特許第３３７７３３６号公報

特許文献１に開示されている装置では、リニア空燃比センサの出力変動を拡大しているのでリニア空燃比センサの劣化判定が容易になる反面、診断時にＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えているので、目標空燃比に対する追従性が低下する結果、診断時のエミッション低下が不可避になるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を迅速に実行することのできるリニア空燃比センサの劣化診断装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、エンジンの目標空燃比を制御するフィードバック制御系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化診断装置であって、前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を所定回数出力する外乱発生手段と、外乱発生手段による外乱出力後にリニア空燃比センサの出力の微分値を出力する微分手段と、微分手段が出力した微分値に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間と時定数とを劣化判定の判定パラメータとして演算する判定パラメータ演算手段と、リニア空燃比センサの出力が収束しているか否かを判定する収束判定手段とを備え、前記外乱発生手段は、むだ時間の演算を終了した時点で外乱の生成をリセットするものであるとともに、外乱のリセット後に収束判定手段がリニア空燃比センサの出力の収束を判定した場合に次回の外乱を生成するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置である。この態様では、リニア空燃比センサの劣化を診断するに当たり、外乱を生成した後、むだ時間を演算し、むだ時間の演算終了後に、外乱をリセットするようにしているので、フィードバック制御系の目標空燃比を維持したままの状態で、劣化診断を実行することが可能になるため、エミッションの低下も可及的に抑制することが可能になる。しかも、リニア空燃比センサの劣化状態に応じて必要最小限の期間だけ外乱を出力させることが可能になる。このため、診断時間を可及的に短縮化できるとともに、むだ時間に基づく正確な劣化診断を実行することが可能になる。この発明において、エンジンの目標空燃比は、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。さらに、外乱発生手段が生成する「外乱」とは、空燃比のフィードバック制御系の状態を一時的に乱す外的作用をいい、具体的な例としては、燃料噴射量を意図的にリッチ側またはリーン側に変動させることにより、空燃比のフィードバック制御系に付加されるものである。

好ましい態様において、外乱発生手段による外乱の発生時にカウントを開始して、前記フィードバック制御系が有するむだ時間と時定数の和に相当するマスク期間を、外乱発生手段の外乱リセットを規制する期間としてカウントするマスク期間カウント手段を設け、前記外乱発生手段は、マスク期間がカウントされている間は外乱の出力を維持するものであり、前記判定パラメータ演算手段は、外乱発生手段が外乱を出力している間、微分手段が出力した微分値が所定のしきい値を越えることに基づいてむだ時間と時定数とを演算するものである。この態様では、マスク期間カウント手段によってマスク期間がカウントされている間、外乱発生手段が外乱を出力し続けるため、収束判定手段は、マスク期間を経過するまでは、収束判定が規制されることになる。そして、このマスク期間に外乱が出力され続けている間に、微分手段がリニア空燃比センサの出力から微分値を出力し、出力された微分値に基づいて判定パラメータ演算手段がむだ時間と時定数とを演算するので、判定パラメータ演算手段は、マスク期間がカウントされている間は、必ずむだ時間を演算し続け、フィードバック制御系自身の遅れ時間が経過して初めて収束判定を実行することになる。これにより、不随意な外乱による誤判定を防止することが可能になる。このマスク期間は、リニア空燃比センサのフィードバック制御系自身が有するむだ時間、時定数をキャンセルするためのものである。通常、リニア空燃比センサに排気ガス中の酸素が接触するまでに時間を要するので、実際の空燃比に対し、リニア空燃比センサ自身もハード上の制約としてむだ時間や一次遅れを有していることになる。そのようなむだ時間や一次遅れを考慮せずに演算された微分値のみで外乱を停止することとすれば、誤判定が生じることになるため、ハード上、最低限のむだ時間および一次遅れが生じると考えられる間は、マスク期間としてカウントし、このマスク期間を経過するまでは、判定パラメータ演算手段がむだ時間、時定数を演算し続けるようにして、劣化判定の精度を高めるようにしている。

好ましい態様において、前記フィードバック制御系の制御要素が外乱の収束に必要最低限の必要収束期間を、遅くとも外乱発生手段による外乱のリセット後にカウントする必要収束期間カウント手段を設け、前記収束判定手段は、前記必要収束期間の経過後に収束判定を実行するものである。この態様では、必要収束期間カウント手段によって必要収束期間がカウントされている間、収束判定手段は、必要収束期間を経過するまでは、収束判定が規制されることになる。このため外乱発生手段は、一の外乱を出力した後、必要収束期間が経過するまでは次の外乱の出力が禁止されることになる。この必要収束期間は、リニア空燃比センサのフィードバック制御系自身が外乱発生時に目標空燃比に出力を収束させるために最低限必要な時間である。そのような必要収束期間を経ずに次の外乱が出力された場合には、収束の過程で、たまたま別の外乱が生じて出力が収束した場合に、誤判定を来してしまうため、この必要収束期間が経過するまでは、仮に出力が収束していても収束判定を禁止して確実に出力を収束させた後、次の外乱を発生させるようにして、劣化判定の精度を高めるようにしている。なお必要収束期間のカウント開始タイミングは、好ましくは外乱発生手段による外乱のリセット時であるが、外乱の出力期間が収束期間に対して充分に短い場合には、外乱の出力開始時であってもよい。

好ましい態様において、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を設け、前記収束判定手段は、吸入空気量が所定のしきい値を越えて減量側に変化した場合（吸入空気量がしきい値より少なくなった場合）には、当該吸入空気量が前記しきい値以上の場合に比べ収束条件を厳しくするものである。この態様では、吸入空気量の変化に伴う時定数の判定基準を補正し、劣化判定の精度を高めるようにしている。すなわち、吸入空気量が減量方向に変化すると、これに伴って、時定数も大きく変化するため、劣化の進んでいないリニア空燃比センサであっても、比較的反応が遅くなり、劣化誤判定を来すことになる。そこで、吸入空気量が減量側に所定量変化した場合には、収束条件を厳しくすることにより、劣化判定の精度を高めるようにしている。

好ましい態様において、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を設け、前記収束判定手段は、吸入空気量が少ないほど収束条件を厳しくする。

好ましい態様において、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記フィードバック制御系の制御要素が外乱の収束に必要最低限の必要収束期間を、遅くとも外乱発生手段による外乱のリセット後にカウントする必要収束期間カウント手段とを設け、前記収束判定手段は、前記必要収束期間の経過後に収束判定を実行するものであり、前記必要収束時間カウント手段は、吸入空気量が所定のしきい値を越えて減量側に変化した場合には、当該吸入空気量が前記しきい値以下の場合に比べ必要収束期間を長く設定するものである。

好ましい態様において、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記フィードバック制御系の制御要素が外乱の収束に必要最低限の必要収束期間を、遅くとも外乱発生手段による外乱のリセット後にカウントする必要収束期間カウント手段とを設け、前記収束判定手段は、前記必要収束期間の経過後に収束判定を実行するものであり、前記必要収束時間カウント手段は、吸入空気量が少ない程、必要収束期間を長く設定するものである。

以上説明したように、本発明によれば、リニア空燃比センサの劣化を診断するに当たり、リニア空燃比センサの劣化状態に応じて必要最小限の期間だけ外乱を出力させることが可能になるとともに、フィードバック制御系の目標空燃比を維持したままの状態で、劣化診断を実行することが可能になるため、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を迅速に実行することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

図１は本発明の実施の一形態に係るエンジン１０の系統図である。

図１を参照して、本実施形態の劣化判定装置１に係るエンジン１０には、複数の気筒１１が設けられるとともに、各気筒１１の内部には、図略のクランクシャフトに連結されたピストン１２が嵌挿されることにより、その上方に燃焼室１４が形成されている。エンジン１０には、前記クランクシャフトのエンジン回転速度Ｎｅを検出する回転角度センサＳＷ１が設けられている。

エンジン１０のシリンダヘッドには、前記気筒１１毎に燃焼室１４に向かって開口する吸気ポート１５、排気ポート１６がそれぞれ形成されているとともに、これらのポート１５、１６には、吸気弁１７および排気弁１８がそれぞれ装備されている。

吸気ポート１５には、吸気システム２０が、排気ポート１６には排気システム３０がそれぞれ設けられている。

吸気システム２０は、吸入空気を浄化するエアクリーナ２１を上流端に備えている。エアクリーナ２１には、エレメント２２が内蔵されている。エアクリーナ２１の下流側には、スロットルボディ２３が設けられている。スロットルボディ２３には、吸気システム２０内を流通する吸入空気量Ｑａを調整するスロットルバルブ２４が設けられている。そして、スロットルボディ２３の下流側には、インテークマニホールド２５が設けられ、このインテークマニホールド２５の下流端に設けられた分岐吸気通路２６が対応する気筒１１の吸気ポート１５に接続されている。図示の例では、分岐吸気通路２６に燃料噴射弁２７が設けられている。この吸気システム２０には、エアクリーナ２１とスロットルボディ２３の間にエアフローセンサＳＷ２が配置されている。エアフローセンサＳＷ２は、エレメント２２に濾過された吸入空気の吸入空気量Ｑａを出力するものである。さらに、スロットルボディ２３には、当該スロットルバルブ２４のスロットル開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサＳＷ３が設けられている。

排気システム３０は、排気ポート１６に接続されるエキゾーストマニホールド３１と、このエキゾーストマニホールド３１の下流側に配置され、当該エキゾーストマニホールド３１内に排出された既燃ガスを浄化する三元触媒３２とが設けられている。そして、この排気システム３０には、三元触媒３２の上流側に配置されたリニア空燃比センサＳＷ４と、下流側に配置された酸素濃度センサＳＷ５とが設けられている。リニア空燃比センサＳＷ４は、既燃ガスから酸素濃度に概ね比例する信号を出力するためのものである。酸素濃度センサＳＷ５は、理論空燃比に相当する酸素濃度で出力電圧が急変するように構成されており、理論空燃比に対し酸素濃度が多いか少ないかをオンオフ的に検出することにより、空燃比のフィードバック制御を実行するためのものである。リニア空燃比センサＳＷ４は、フィードバック制御の実空燃比に相当する出力を演算するものであるのに対し、酸素濃度センサＳＷ５は、浄化後の既燃ガスの酸素濃度に相当する検出値を演算するものである。本実施形態において、エンジンの目標空燃比は、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。

上述した各センサＳＷ１〜ＳＷ５並びに燃料噴射弁２７は、コントロールユニット１００に接続されることにより、空燃比のフィードバック制御系を構成している。

図２は本実施形態に係る劣化判定装置１の制御回路ブロック図であり、図３は図２の制御回路によって実現される劣化判定装置１のブロック線図である。

まず、図２を参照して、コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭで具体化される補助記憶装置１０２、ＲＡＭで具体化される主記憶装置１０３を含んでいる。上述した各センサＳＷ１〜ＳＷ５は、ＣＰＵ１０１に接続されており、それぞれ対応する信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦをＣＰＵ１０１に出力するように構成されている。

ＣＰＵ１０１は、補助記憶装置１０２に記憶されているプログラムに基づいて、各センサＳＷ１〜ＳＷ５の出力した信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦを処理し、燃料噴射弁２７を制御して空燃比をフィードバック制御するように構成されている。

補助記憶装置１０２には、詳しくは後述する劣化診断プログラムが記憶されている。

主記憶装置１０３は、補助記憶装置１０２に記憶されたプログラムを実行する過程で、各センサＳＷ１〜ＳＷ５が出力した信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦやこれに基づいて演算された演算値を記憶するように構成されている。

図３を参照して、コントロールユニット１００は、同図に示すフィードバック制御系１１０を構成している。このフィードバック制御系１１０は、目標空燃比（λ＝１）を目標値ＤＶとする基準入力要素１１１と、基準入力要素１１１の出力した基準入力ＩＰに補正をかけるＢＩＡＳ補正要素１１２と、ＢＩＡＳ補正要素１１２に補正された動作信号ＡＳに基づいて、エンジン１０（より詳細には燃料噴射弁２７）への操作量ＯＶを決定する主制御要素１１４とを含んでいる。

ＢＩＡＳ補正要素１１２と主制御要素１１４との間には、リニア空燃比センサＳＷ４により検出された実空燃比に相当する出力ＰＦが入力されるようになっており、主制御要素１１４は、基準入力要素１１１の基準入力ＩＰからＢＩＡＳ補正要素１１２の補正量ＳＳを差し引き、さらにリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを差し引いた動作信号ＡＳを受けて、ゲインＫ_Pを含む所定の伝達関数Ｇ_P（Ｓ）に基づき、操作量ＯＶを出力するように構成されている。

次に、基準入力要素１１１とＢＩＡＳ補正要素１１２との間には、副制御要素１１５が接続されている。この副制御要素１１５は、酸素濃度センサＳＷ５からの検出値ＳＦを受けて、ゲインＫ_Sを含む所定の伝達関数Ｇ_S（Ｓ）に基づき、副補正量ＳｂＳを出力するように構成されている。従って、主制御要素１１４には、この副補正量ＳｂＳが差し引かれた動作信号ＡＳが入力されることになっている。

さらに、本実施形態に係るフィードバック制御系１１０には、外乱ＬＲ、ＲＬを交互に発生させる外乱発生手段１１６が機能的に構成されている。この外乱発生手段１１６は、補助記憶装置１０２に記憶されたプログラムが実行されることにより、次に説明するリニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断時において、動作するものである。外乱発生手段１１６は、燃料噴射量にインパルス状の外乱を与えることによって、過渡的に空燃比をリッチ側またはリーン側に変更するように構成されている。以下の説明では、リッチ側に空燃比を変化させるときの外乱はＬＲと表記し、リーン側に空燃比を変化させるときの外乱はＲＬと表記する。外乱発生手段１１６が出力した外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLは、それぞれ主記憶装置１０３に記憶されるようになっている。そして、予め劣化診断プログラムに設定されている出力回数Ｎ_ENDだけ外乱ＬＲ、ＲＬを交互に同数出力するように設定されている。これにより、診断によって意図的に変更された空燃比が中和され、主制御要素１１４によって制御されている空燃比が必要以上に乱されないようにして、エミッションの低下を阻止するようにしている。

図４および図５は本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。また図６は図４および図５のフローチャートを実行することによって得られた信号のタイミングチャートである。

まず、図４および図６を参照して、劣化診断プログラムが実行されると、ＣＰＵ１０１は診断条件が成立するのを待機する（ステップＳ１）。ここで診断条件とは、
（１） 回転角度センサＳＷ１で検出されるエンジン回転速度Ｎｅの変化量が所定変化量以下であり、
（２） スロットルセンサＳＷ３によって検出されるスロットル開度ＴＶＯの変化量が所定変化量以下であり、且つ
（３） ＣＥ＝Ｑａ／Ｎｅで演算される充填効率ＣＥの変化量が所定変化量以下である
という条件を全て満たすいわゆる定常運転時であることをいう。

仮に加速時等、診断条件を満たさない場合には、診断条件を満たすまで待機し、診断条件が成立している場合には、次に収束判定しきい値設定サブルーチンに移行し、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定される（ステップＳ２）。

収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定されると、今度はこの収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣに基づいて、収束判定が実行される（ステップＳ３）。この収束判定では、外乱発生手段１１６による外乱ＲＬ、ＬＲがリセットされている状態において、図６に示すように、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの変動幅ＯＰとしきい値ＴｈＣとが比較されるとともに、微分値Ｄ_O2の変動幅ｄＯＰとしきい値ｄＴｈＣとが比較され、各変動幅ＯＰ、ｄＯＰが何れも対応するしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣ未満である場合に空燃比が収束したと判定する。このステップＳ３を実行することにより、ＣＰＵ１０１は、収束判定手段を機能的に構成している。

空燃比が収束したと判定されると、ＣＰＵ１０１は、タイマをスタートし（ステップＳ４）、タイマのカウントダウンにより、そのタイマ時間が０になるのを待機する（ステップＳ５）。そして、タイマ時間が０になった後、診断を開始してから外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが比較され（ステップＳ６）、Ｎ_RL＞Ｎ_LRが成立する場合には外乱ＬＲがフィードバック制御系１１０に出力されるとともに（ステップＳ７）、不成立の場合には、外乱ＲＬがフィードバック制御系１１０に出力される（ステップＳ８）。これにより、例えば、図６に示すように、まず、外乱ＬＲが出力され、これによってリニア空燃比センサＳＷ４の出力が変化することになる。

外乱発生手段１１６が外乱ＬＲ（またはＲＬ）を出力すると、ＣＰＵ１０１は、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの微分値Ｄ_O2を演算する（ステップＳ９）。これにより、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦが外乱ＬＲ（またはＲＬ）によってどのように変化するか把握することが可能になる。このように本実施形態のＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６による外乱出力後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを微分した微分値Ｄ_O2を出力する微分手段を機能的に構成している。

ここで、リニア空燃比センサＳＷ４の検出値は、通常、所定のむだ時間Ｌと時定数τを伴うものである。

図７はリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答特性を示すグラフである。

図７を参照して、リニア空燃比センサＳＷ４の入力ｘ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間には
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ−Ｌ） （Ｌ≧０） （１）
という関係が成立し、むだ時間要素としてのリニア空燃比センサＳＷ４は、次式の伝達関数に従う。

Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）＝ｅ^-Ls （２）
但し、Ｙ（ｓ）：出力の複素関数、Ｘ（ｓ）：入力の複素関数
従って、むだ時間要素としてのリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答ｈ（ｔ）は、逆ラプラス変換により、次式の通りとなり、図７のように決まる。

ｈ（ｔ）＝ｕ（ｔ−Ｌ） （３）
但し、ｕ（ｔ）：単位ステップ関数（１（ｔ≧０）且つ０（ｔ＜０））
そこで、本実施形態では、むだ時間Ｌが経過するのを待機し、むだ時間Ｌの終了を検出して外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするようにしている。かかる制御を実行するために、ＣＰＵ１０１は、図４に示すように、演算された微分値±Ｄ_O2と所定のリセットしきい値±ＴｈＤとを比較し、＋Ｄ_O2＞＋ＴｈＤまたは−Ｄ_O2＜−ＴｈＤが成立するのを待機し（ステップＳ１０）、成立した場合には、リニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌを演算し（ステップＳ１１）、外乱発生手段１１６による外乱をリセットする（ステップＳ１２）。

次に、時定数τは、一次遅れ要素の伝達関数
Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）＝Ｋ／（１−τ） （４）
の定数である。

この式（４）から逆ラプラス変換によって得られるステップ応答ｈ（ｔ）
ｈ（ｔ）＝Ｋ（１−ｅ^-t/M） （５）
但し、Ｋ、Ｍ：定数
から、
ｈ（ｔ）｜_τ=M ＝０．６３２Ｋ （６）
が得られることから、これにむだ時間Ｌの特性を加えると、時定数τとリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答ｈ（ｔ）とは図７で示す関係になる。

図７から明らかなように、時定数τが大きい程、ステップ応答波形の立ち上がりが遅くなり、最終値に達するまでの時間がかかる。そして、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化が進む程、時定数τは長くなる。

図５を参照して、そこで本実施形態では、時定数τを劣化診断の要素として取り入れるために、リニア空燃比センサＳＷ４の出力の微分ピーク値（ＣＰＵ１０１が出力した微分値±Ｄ_O2のピーク値）Ｄ_O2PKを演算し（ステップＳ１４）、この微分ピーク値Ｄ_O2PKからリニア空燃比センサＳＷ４の時定数τを演算するようにしている（ステップＳ１５）。

時定数τの演算が終了すると、ＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６が生成した外乱が、燃料を減量するものであったか、増量するものであったかを判定し（ステップＳ１６）、減量の場合はＲＬとして、増量の場合はＬＲとして、それぞれ判定パラメータ（演算されたむだ時間Ｌ、時定数τ）を主記憶装置１０３に保存し（ステップＳ１７、Ｓ１８）、主記憶装置１０３に記憶されている発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLをインクリメントする（ステップＳ１９、Ｓ２０）。

その後、各外乱ＬＲ、ＲＬについて、所要の回数Ｎ_ENDを終了したか否かが判定され（ステップＳ２１、Ｓ２２）、何れかの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが所要の回数Ｎ_ENDに満たない場合には、ステップＳ１に戻って処理を繰り返し、双方の発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが終了している場合には、劣化判定処理に移行する。

図８は劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図８を参照して、ここでは、劣化判定を行うために、むだ時間Ｌと時定数τの和を過渡時間Ｔとして定義し、ステップＳ２２までの処理が終了すると、ＣＰＵ１０１は、リッチ側の外乱ＬＲとリーン側の外乱ＲＬに係る平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLをそれぞれ演算する（ステップＳ２１１）。次いで、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値を演算し、その値が所定のしきい値ＴｈＢを越えていないかどうか判定する（ステップＳ２１２）。各平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLにおいて、差の絶対値が大きい場合には、主制御要素１１４による空燃比制御がリッチ側またはリーン側にずれてしまうので、そのようなずれを防止するために、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値が演算されている。

仮に両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値がしきい値ＴｈＢ以下の場合、今度は、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和がしきい値ＴｈＡを越えているか否かが判定される（ステップＳ２１３）。両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和が大きい場合には、酸素濃度センサＳＷ５でサブフィードバック制御を実行していることもあり、フィードバック制御が過補正になり、制御が緩慢になって発散しやすくなるからである。

仮に、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和がしきい値ＴｈＡ以下の場合には、過渡時間について正常と判定される（ステップＳ２１４）。他方、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和がしきい値ＴｈＡを越えている場合には、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化がリッチ側でもリーン側でも起きていると判定される（ステップＳ２１５）。

他方、ステップＳ２１２において、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値がしきい値ＴｈＢを越えている場合、リッチ側の平均過渡時間Ｔ_LRとリッチ側のしきい値ＴｈＲとが比較されてリッチ側で過渡時間劣化が生じているか否かが判定され（ステップＳ２１６）、しきい値ＴｈＲを越えている場合には、リッチ側過渡時間Ｔ_LR劣化が生じていると判定される（ステップＳ２１７）。他方、平均過渡時間Ｔ_LRがしきい値ＴｈＲ以下の場合には、さらにリーン側の平均過渡時間Ｔ_RLとリーン側のしきい値ＴｈＬとが比較され、リーン側で過渡時間劣化が生じているか否かが判定される（ステップＳ２１８）。リーン側の平均過渡時間Ｔ_RLがしきい値ＴｈＬを越えている場合には、リーン側過渡時間Ｔ_RL劣化が生じていると判定され（ステップＳ２１９）、しきい値ＴｈＬ以内である場合には、正常判定がなされる。なおしきい値ＴｈＢ、ＴｈＡの設定によっては、ステップＳ２１８を省略し、ステップＳ２１６でＮＯと判定された場合には、そのままステップＳ２１９の判定を実行するようにしてもよい。

そして、ステップＳ２１４、Ｓ２１５、Ｓ２１７、Ｓ２１９の何れかが終了すると、処理が終了する。このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１が図４のステップＳ１１並びに図５のステップＳ１５を実行することにより、判定パラメータ演算手段を機能的に構成している。

図９は、時定数τと吸入空気量Ｑａとの関係を示すグラフである。

図９を参照して、一般に、リニア空燃比センサＳＷ４の特性として、エアフローセンサＳＷ２で検出される吸入空気量Ｑａが少なくなる程、時定数τは長くなる性質があり、例えば、ある吸入空気量から減量方向に吸入空気量ＱａがΔＱａだけ減量すると、時定数τはΔτだけ増大する。このため、フィードバック制御の収束判定を行うに当たり、常に一定の値でしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを設定している場合には、劣化が進んでいないリニア空燃比センサＳＷ４であっても、吸入空気量Ｑａの低減によって時定数τが増大される（比較的反応が遅くなる）ことによって劣化誤判定をきたす恐れがある。そこで本実施形態では、吸入空気量Ｑａの変動によってしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが変更されるように構成されている。

図１０は図４における収束判定しきい値設定サブルーチン（ステップＳ２）の一例を示すフローチャートである。

図１０を参照して、このサブルーチンでは、まず、吸入空気量Ｑａを演算し（ステップＳ２０１）、演算された吸入空気量Ｑａと所定のしきい値ＶQaとを比較する（ステップＳ２０２）。そして、吸入空気量Ｑａがしきい値ＶQaより小さい場合には、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを小さな値に設定して、収束判定が厳格になるようにし（ステップＳ２０３）、しきい値ＶQa以上の場合には、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが大きな値に設定されるようにしている（ステップＳ２０４）。

このように図１０に示す形態では、エンジンの吸入空気量Ｑａを検出する吸入空気量検出手段としてのエアフローセンサＳＷ２を設け、ＣＰＵ１０１によって機能的に構成される収束判定手段は、吸入空気量Ｑａが所定のしきい値ＶQaを越えて減量側に変化した場合（吸入空気量がしきい値ＶQaより少なくなった場合）には、当該吸入空気量Ｑａが前記しきい値ＶQa以上の場合に比べ収束条件を厳しくするものである。このため図１０に示す実施形態では、吸入空気量Ｑａの変化に伴う時定数τの判定基準を補正し、劣化判定の精度を高めるようにしている。すなわち、吸入空気量Ｑａが減量方向に変化すると、これに伴って、時定数τも大きく変化するため、劣化の進んでいないリニア空燃比センサＳＷ４であっても、比較的反応が遅くなり、劣化誤判定を来すことになる。そこで、吸入空気量Ｑａが減量側に所定量変化した場合には、収束条件を厳しくすることにより、劣化判定の精度を高めるようにしている。

図１１は図４における収束判定しきい値設定サブルーチン（ステップＳ２）の別の例を示すフローチャートである。

図１１を参照して、この例では、予め、吸入空気量Ｑａからしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを求めるマップ２２０を主記憶装置１０３内に記憶させておき、エアフローセンサＳＷ２から検出された吸入空気量Ｑａからしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを索引して（ステップＳ２０５）、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを設定するようにしている（ステップＳ２０６）。この形態では、吸入空気量Ｑａが少なくなるに連れて収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣの値を小さく設定し、収束判定を厳格にすることが可能になる。このように図１１の実施形態では、エンジン１０の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローセンサＳＷ２を設け、ＣＰＵ１０１が機能的に構成する収束判定手段は、吸入空気量Ｑａが少ないほど収束条件を厳しくするものである。図１１の実施形態においても、吸入空気量Ｑａの変化に伴う時定数τの判定基準を補正することができる結果、誤判定を回避することが可能になる。

以上説明したように本実施形態では、実空燃比に相当する制御量をフィードバックするリニア空燃比センサＳＷ４の劣化を診断するに当たり、外乱ＬＲ、ＲＬを生成した後、むだ時間Ｌを演算し、むだ時間Ｌの演算が終了した後、外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするようにしているので、フィードバック制御系１１０の目標空燃比を維持したままの状態で、劣化診断を実行することが可能になるため、エミッションの低下も可及的に抑制することが可能になる。しかも、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化状態に応じて必要最小限の期間だけ外乱ＬＲ、ＲＬを出力させることが可能になる。このため、診断時間を可及的に短縮化できるとともに、むだ時間Ｌに基づく正確な劣化診断を実行することが可能になる。

従って、本実施形態によれば、実空燃比に相当する制御量をフィードバックするリニア空燃比センサＳＷ４の劣化を診断するに当たり、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化状態に応じて必要最小限の期間だけ外乱ＬＲ、ＲＬを出力させることが可能になるとともに、フィードバック制御系１１０の目標空燃比を維持したままの状態で、劣化診断を実行することが可能になるため、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を迅速に実行することができるという顕著な効果を奏する。

上述した実施形態は本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

図１２は本発明の別の実施形態に係るフローチャートであり、図１３は図１２のフローチャートを実行することによって得られたタイミングチャートである。

図１２、図１３を参照して、同図に示す実施形態では、予め主記憶装置１０３にエンジン回転速度Ｎｅと負荷ＬＤとによってマスク期間Ｔｍｋを決定するマップ２４０を記憶している。そして、ステップＳ５とステップＳ６との間に、マップ２４０を索引するステップＳ３０と、索引されたマスク期間ＴｍｋだけタイマをスタートさせるステップＳ３１とを追加するとともに、ステップＳ１１とステップＳ１２との間に、索引されたマスク期間Ｔｍｋの経過を判定するステップＳ３２と、マスク期間Ｔｍｋが経過していない場合には、収束判定の検出値を破棄してステップＳ１０に戻るステップＳ３３とを追加している点が図４、図５のフローチャートと相違している。

このマスク期間Ｔｍｋは、正常なリニア空燃比センサＳＷ４の過渡時間Ｔ（むだ時間Ｌと時定数τの和）に相当する長さに設定されているものである。このマスク期間Ｔｍｋは、リニア空燃比センサＳＷ４のフィードバック制御系１１０自身が有するむだ時間や、時定数をキャンセルするためのものである。通常、リニア空燃比センサＳＷ４に排気ガス中の酸素が接触するまでに時間を要するので、実際の空燃比に対し、リニア空燃比センサＳＷ４自身もハード上の制約としてむだ時間や一次遅れを有していることになる。そのようなむだ時間Ｌや一次遅れを考慮せずに演算された微分値Ｄ_O2のみで外乱ＬＲ、ＲＬを停止することとすれば、誤判定が生じることになるため、ハード上、最低限のむだ時間、一次遅れが生じると考えられる間は、マスク期間Ｔｍｋとしてカウントし、このマスク期間Ｔｍｋを経過するまでは、判定パラメータ演算手段としてのＣＰＵ１０１がむだ時間Ｌ、時定数τを演算し続けるようにして、劣化判定の精度を高めるようにしている。

この結果、本実施形態では、図１３に示すように、外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬの発生時にカウントを開始して、前記フィードバック制御系１１０が有するむだ時間Ｌおよび時定数相当のマスク期間Ｔｍｋをカウントするマスク期間カウント手段を機能的に構成し、前記外乱発生手段１１６は、マスク期間Ｔｍｋがカウントされている間は外乱ＬＲ、ＲＬの出力を維持することになる。このため本実施形態では、マスク期間Ｔｍｋを経過するまでは、収束判定が規制されることになる。そして、このマスク期間Ｔｍｋに外乱ＬＲ、ＲＬが出力され続けている間に、リニア空燃比センサＳＷ４の出力から微分値Ｄ_O2が出力され、出力された微分値Ｄ_O2に基づいてむだ時間Ｌが演算されるので、マスク期間Ｔｍｋがカウントされている間は、必ずむだ時間Ｌが演算され続け、フィードバック制御系１１０自身の遅れ時間Ｔが経過して初めて収束判定を実行することになる。これにより、不随意な外乱による誤判定を防止することが可能になる。

図１４は本発明のさらに具体的な態様を示すフローチャートであり、図１５は図１４のフローチャートを実行することによって得られたタイミングチャートである。

図１４および図１５を参照して、各図に示す実施形態では、ステップＳ１２の次に必要収束時間ＴＣを設定するステップＳ４０を設け、ステップＳ５とステップＳ６との間に、前回の外乱ＬＲ、ＲＬの後に必要収束時間ＴＣが経過するのを判定し、未経過の場合には、ステップＳ４に戻ってタイマを再セットするようにしたステップＳ４１を挿入している点が、図４、図５の実施形態と異なっている。

必要収束期間ＴＣは、フィードバック制御系１１０自身が外乱ＬＲ、ＲＬ発生時に目標空燃比に出力を収束させるために最低限必要な時間である。そのような必要収束期間ＴＣを経ずに次の外乱ＬＲ、ＲＬが出力された場合には、収束の過程で、たまたま別の外乱ＬＲ、ＲＬが生じて出力が収束した場合に、誤判定を来してしまうため、この必要収束期間ＴＣが経過するまでは、仮に出力が収束していても収束判定を禁止して確実に出力を収束させた後、次の外乱ＬＲ、ＲＬを発生させるようにして、劣化判定の精度を高めるようにしている。

この結果、図１４の実施形態では、必要収束期間ＴＣを経過するまでは、収束判定が規制されることになるため、外乱発生手段１１６は、一の外乱ＬＲ（またはＲＬ）を出力した後、必要収束期間ＴＣが経過するまでは次の外乱ＲＬ（またはＬＲ）の出力が禁止されることになる。これにより、不随意な外乱による誤った収束判定を防止し、次の外乱ＲＬ（またはＬＲ）での遅れ時間Ｔの演算を正確にすることが可能になる。

なお、必要収束期間ＴＣのカウント開始タイミングは、遅くとも外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬのリセット後にカウントするものであればよく、好ましくは外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬのリセット時であればよい。外乱ＬＲ、ＲＬの出力期間は、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化状態によって変化するので、カウント開始タイミングを外乱ＬＲ、ＲＬのリセット時に設定すれば、必要収束期間ＴＣの制御が容易になる。但し、外乱ＬＲ、ＲＬの出力期間が収束期間に対して充分に短い場合には、外乱ＬＲ、ＲＬの出力開始時に設定してもよい。また、反対に、フィードバック制御系１１０のフィードバック性能に合わせた変数を必要収束期間ＴＣに設定してもよい。このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１が、遅くとも外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬのリセット後にカウントする必要収束期間ＴＣをカウントする必要収束期間カウント手段を機能的に構成している。

さらに、本実施形態を具体化するに当たり、吸入空気量Ｑａが所定のしきい値を越えて減量側に変化した場合には、当該吸入空気量Ｑａが前記しきい値以下の場合に比べ必要収束期間ＴＣを長く設定するようにしてもよい。

或いは、吸入空気量Ｑａが少ない程、必要収束期間ＴＣを長く設定するようにしてもよい。

また、図１２、図１３で示したマスク期間や図１４、図１５で示した必要収束期間は、同じフローの中で実現することも可能である。

さらに、劣化診断を具体化するに当たり、図８で示したフローチャートをむだ時間Ｌ毎、時定数τ毎に実行し、それぞれの劣化状態を判定するようにしてもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係るエンジンの系統図である。 本実施形態に係る劣化判定装置の制御回路ブロック図である。 図２の制御回路によって実現される劣化判定装置のブロック線図である。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 図４および図５のフローチャートを実行することによって得られた信号のタイミングチャートである。 リニア空燃比センサのステップ応答特性を示すグラフである。 劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。 時定数と吸入空気量との関係を示すグラフである。 図４における収束判定しきい値設定サブルーチンの一例を示すフローチャートである。 図４における収束判定しきい値設定サブルーチンの別の例を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態に係るフローチャートである。 図１２のフローチャートを実行することによって得られたタイミングチャートである。 本発明のさらに具体的な態様を示すフローチャートである。 図１４のフローチャートを実行することによって得られたタイミングチャートである。

符号の説明

１ 劣化判定装置
１０ エンジン
２０ 吸気システム
２７ 燃料噴射弁
３０ 排気システム
３２ 三元触媒
１００ コントロールユニット
１０１ ＣＰＵ（微分手段、判定パラメータ演算手段、収束判定手段、マスク期間カウント手段、必要収束期間カウント手段の一例）
１０２ 補助記憶装置
１０３ 主記憶装置
１１０ フィードバック制御系
１１６ 外乱発生手段
２２０ マップ
２４０ マップ
Ｄ_O2 微分値
Ｄ_O2PK 微分ピーク値
ＤＶ 目標値
ＩＰ 基準入力
Ｌ むだ時間
Ｎｅ エンジン回転速度
Ｎ_END 出力回数
Ｎ_LR、Ｎ_RL 発生回数
ＯＶ 操作量
ＰＦ 実空燃比に相当するリニア空燃比センサの出力
Ｑａ 吸入空気量
ＬＲ、ＲＬ 外乱
ＳＷ１ 回転角度センサ
ＳＷ２ エアフローセンサ（吸入空気量検出手段の一例）
ＳＷ３ スロットルセンサ
ＳＷ４ リニア空燃比センサ
ＳＷ５ 酸素濃度センサ
Ｔ 過渡時間
ＴＣ 必要収束期間
ＴｈＡ、ＴｈＢ、ＴｈＣ、ｄＴｈＣ、＋ＴｈＤ、−ＴｈＤ、ＴｈＬ、ＴｈＲ しきい値
Ｔｍｋ マスク期間
Ｔ_RL、Ｔ_LR 平均過渡時間
ＴＶＯ スロットル開度
Ｖ_Qa 微分値
Δ 空燃比変化量
ΔＱａ 吸入空気変化量
τ 時定数

Claims (7)

1. エンジンの目標空燃比を制御するフィードバック制御系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化診断装置であって、
   前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を所定回数出力する外乱発生手段と、
   外乱発生手段による外乱出力後にリニア空燃比センサの出力の微分値を出力する微分手段と、
   微分手段が出力した微分値に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間と時定数とを劣化判定の判定パラメータとして演算する判定パラメータ演算手段と、
   リニア空燃比センサの出力が収束しているか否かを判定する収束判定手段と
   を備え、
   前記外乱発生手段は、むだ時間の演算を終了した時点で外乱の生成をリセットするものであるとともに、外乱のリセット後に収束判定手段がリニア空燃比センサの出力の収束を判定した場合に次回の外乱を生成するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
2. 請求項１記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   外乱発生手段による外乱の発生時にカウントを開始して、前記フィードバック制御系が有するむだ時間と時定数の和に相当するマスク期間を、外乱発生手段の外乱リセットを規制する期間としてカウントするマスク期間カウント手段を設け、
   前記外乱発生手段は、マスク期間がカウントされている間は外乱の出力を維持するものであり、
   前記判定パラメータ演算手段は、外乱発生手段が外乱を出力している間、微分手段が出力した微分値が所定のしきい値を越えることに基づいてむだ時間と時定数とを演算するものである
   ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
3. 請求項１又は２に記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   前記フィードバック制御系の制御要素が外乱の収束に必要最低限の必要収束期間を、遅くとも外乱発生手段による外乱のリセット後にカウントする必要収束期間カウント手段を設け、
   前記収束判定手段は、前記必要収束期間の経過後に収束判定を実行するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を設け、
   前記収束判定手段は、吸入空気量が所定のしきい値を越えて減量側に変化した場合には、当該吸入空気量が前記しきい値以下の場合に比べ収束条件を厳しくするものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
5. 請求項１から３の何れか１項に記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を設け、
   前記収束判定手段は、吸入空気量が少ないほど収束条件を厳しくするものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
6. 請求項１または２記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記フィードバック制御系の制御要素が外乱の収束に必要最低限の必要収束期間を、遅くとも外乱発生手段による外乱のリセット後にカウントする必要収束期間カウント手段とを設け、
   前記収束判定手段は、前記必要収束期間の経過後に収束判定を実行するものであり、
   前記必要収束時間カウント手段は、吸入空気量が所定のしきい値を越えて減量側に変化した場合には、当該吸入空気量が前記しきい値以下の場合に比べ必要収束期間を長く設定するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
7. 請求項１または２記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記フィードバック制御系の制御要素が外乱の収束に必要最低限の必要収束期間を、遅くとも外乱発生手段による外乱のリセット後にカウントする必要収束期間カウント手段とを設け、
   前記収束判定手段は、前記必要収束期間の経過後に収束判定を実行するものであり、
   前記必要収束時間カウント手段は、吸入空気量が少ない程、必要収束期間を長く設定するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。

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