JP4692294B2 - 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診断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遅れ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。

そこで本件出願人は、先に、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案している。その構成では（むだ時間＋一次遅れ要素）のプロセス伝達関数Ｇ（ｓ）

（但し、Ｌはむだ時間、τは時定数、Ｋはゲイン）
のパラメータであるむだ時間Ｌと時定数τとをそれぞれ求め、これらの何れかに遅れが生じている場合には、センサが劣化しているものと判定するようにしている。

図１０は、センサの出力を示すタイミングチャートであり、図１１は、図１０の分析を示すグラフである。なお、図１０（Ａ）〜（Ｄ）において、実線は、正常なリニア空燃比センサの出力、破線は、時定数の遅れがあるリニア空燃比センサの出力である。

図１０（Ａ）〜（Ｄ）並びに図１１を参照して、図示の例では、インパルス状の外乱（燃料噴射量）ＬＲ、ＲＬをリッチ側とリーン側とに交互に出力し、空燃比センサの出力を実空燃比ＰＦとして検出する。そして、空燃比センサのむだ時間Ｌ、時定数τを求めるために、通常は、空燃比センサの出力を実空燃比ＰＦとしてモニタし、この実空燃比ＰＦを微分し、その値が所定の値に達するまでの時間をむだ時間Ｌとするとともに、前記所定の値から微分値がピークに達するまでの時間を時定数τとしている。

ここで、空燃比センサに塵埃が付着する等した場合、空燃比センサのステップ応答が鈍くなる結果、時定数τも、図１１に示すように長くなる。ところが演算上は、図１０（Ｃ）（Ｄ）の矢印Difで示すように、むだ時間Ｌも長くなっているかのような演算結果が出力されることが判明した。しかして、むだ時間は、根幹的な制御パラメータであり、その精度を高めることは、制御理論上、極めて重要な意義を有する。仮に、リニア空燃比センサの劣化によりむだ時間の遅れが所定量を超えている場合には、フィードバックゲインを小さくすることによって、消極的に対応することは可能であるものの、もはや適切なフィードバック制御を行うことはできなくなる。そのため、むだ時間遅れが大きい場合には、センサの交換が必要となってくる。他方、時手数は、センサのごみ詰まり等によっても生じ得るものであり、単純なメンテナンスによって時手数の遅れを改善することが可能となる。また、制御理論的にも、即時にある程度のフィードバックが可能であるとともに、遅れ量を正確に検出すれば、フィードバックを高める等、影響を適切に相殺する制御理論的な扱いも可能となる。にも拘わらず、時定数の遅れをむだ時間の遅れと誤検出された場合には、不必要なリニア空燃比センサの交換を行うこととなり、不経済である。

本発明は以上のような技術的課題に鑑み、むだ時間、時定数に基づいて空燃比センサの劣化を診断するに当たり、正確にむだ時間と時定数の遅れを計測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、エンジンの排気ガス中の酸素濃度に基づいて、空燃比のフィードバック制御を実行するフィードバック制御系と、前記フィードバック制御系に設けられ、前記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と、所定の診断条件が成立したときに前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を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前記リニア空燃比センサの出力に基づいて前記リニア空燃比センサのむだ時間と時定数とを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、演算された判定パラメータに基づいて前記リニア空燃比センサの劣化を判定する判定手段とを備え、前記判定パラメータ演算手段は、前記外乱発生手段による外乱の出力開始から前記リニア空燃比センサの出力を微分した微分値が所定のしきい値に達するまでの時間に基づいてむだ時間を演算するとともに、前記リニア空燃比センサの出力の時定数演算期間内の前記微分値のピーク値に基づいて時定数を演算し、さらにこの判定パラメータ演算手段は、前記ピーク値が予め設定された基準値に達していないときに遅れが生じていると判定して、前記ピーク値に基づき演算された時定数と、遅れがない場合の時定数との差から時定数遅れ量を求め、この時定数遅れ量から予め記憶しているマップより求められる補正値によりむだ時間を補正するむだ時間補正手段を有してい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、空燃比センサの出力に基づいて、むだ時間、時定数が演算される。この時点で演算されたむだ時間は、時定数の遅れに基づく誤差を含んでいる場合があるが、むだ時間補正手段が時定数の遅れに応じてむだ時間を補正することにより、むだ時間と時定数の何れに遅れが生じているのかを正確に把握することが可能となり、制御理論上、最も重要な「むだ時間」に基づく劣化診断を正確に行うことが可能になる。この発明において、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過渡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、前記判定パラメータ演算手段は、むだ時間の演算を終了した時点を起点として、予め設定された時定数演算期間内に時定数を演算するものである。この態様では、時定数が、むだ時間の検出を起点として、予め設定された時定数演算期間内に演算されるので、必要最低限の時間で、時定数を演算し、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。［発明が解決しようとする課題］欄にて説明したように、リニア空燃比センサは、「むだ時間＋一次遅れ要素」のプロセス伝達関数Ｇ（ｓ）に従うため、むだ時間を演算することにより、リニア空燃比センサの時定数を予測することが可能になる。従って、前記時定数演算期間を設定し、この時定数演算期間内にて時定数を演算することにより、必要最小限の時間で正確な時定数を求めることが可能になる。なお、上述したように、演算された時定数に遅れが出ている場合もあり得るので、前記時定数演算期間には、所定の遅れを考慮した補正値が織り込まれている。

好ましい態様において、前記判定パラメータ演算手段は、前記時定数演算期間を調整する時定数演算期間調整手段を有しているものである。この態様では、診断時の諸状況（例えば、運転時間やリニア空燃比センサの出力の挙動）に応じて適宜、時定数演算期間を調整し、適切に時定数を演算することが可能になる。

好ましい態様において、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段を設け、前記時定数演算期間調整手段は、前記運転状態検出手段が検出した運転状態に応じて前記時定数演算期間を調整するものである。この態様では、運転状態に拘わらず好適に時定数を演算することが可能になる。

好ましい態様において、前記外乱発生手段は、予め設定された診断期間内に燃料噴射量をリッチ側に増量するリッチ側外乱とリーン側に減量するリーン側外乱とを複数回出力するものであり、前記判定手段は、前記診断期間内に判定パラメータ演算手段が積算したリーン側の外乱に対する判定パラメータとリッチ側の外乱に対する判定パラメータとをそれぞれ平均して基準値と比較することにより、前記リニア空燃比センサの劣化を判定するものである。この態様では、複数回外乱を出力して判定パラメータを演算し、その平均値によってリニア空燃比センサの劣化を判定しているので、より精度の高い劣化判定を実現することが可能になる。また、診断期間を設定し、その診断期間内に外乱を出力するようにしているので、必要以上に外乱を出力し、排気性能を低下させる恐れがない。また、診断期間を設定することにより、他の診断制御との整合性を容易にとることができ、設計の自由度を高めることが可能になる。

好ましい態様において、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。この態様では、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、診断期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。

以上説明したように、本発明では、「むだ時間＋一次遅れ要素」としてリニア空燃比センサの劣化診断を実行することにより、目標空燃比を変更することなく、劣化診断を行うことができるとともに、むだ時間、時定数に基づいて空燃比センサの劣化を診断するに当たり、むだ時間と時定数の遅れとをそれぞれ正確に計測することができるので、極めて高い精度で的確な劣化診断を行う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の形態について説明する。

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を検出するクランク角センサＳＷ１が設けられている。

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。本実施形態において、スロットルバルブ２４は、電子制御式であり、そのアクチュエータ１２４によって開弁量が制御されるようになっている。

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、この三元触媒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ことにより、空燃比Ａ／Ｆのフィードバック制御を実行するためのものである。本実施形態において、エンジンの目標空燃比Ａ／Ｆは、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。

さらに本実施形態においては、図略のアクセルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサＳＷ５が設けられている。

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Ａ／Ｆ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、入力要素としてＣＰＵ１０１に接続されており、それぞれ対応する信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＡＯＦ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、ＡＯＦを処理し、出力要素として接続されている燃料噴射弁２７やアクチュエータ１２４を制御して空燃比Ａ／Ｆ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、ＡＯＦ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Ａ／Ｆ（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に補正信号ＳＳを出力して補正をかける補正要素１１２と、補正要素１１２に補正された動作信号ＡＳに基づいて、操作量ＯＶを決定するフィードバック要素１１４とを含んでいる。

補正要素１１２とフィードバック要素１１４との間には、リニア空燃比センサＳＷ４の出力（実空燃比）ＰＦが入力されるようになっており、フィードバック要素１１４は、基準入力要素１１１の基準入力ＩＰから補正要素１１２の補正信号ＳＳを差し引き、さらに出力（実空燃比）ＰＦを差し引いた動作信号ＡＳを受けて、フィードバックゲインＫを含む所定の伝達関数Ｇ（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、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ＬＲ、ＲＬを与えることによって、過渡的に空燃比Ａ／Ｆ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Ａ／Ｆ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Ａ／Ｆ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の出力回数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。これら出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLは、予め劣化診断プログラムにおいて、それぞれ等量の所要回数Ｎ_endだけ実行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Ａ／Ｆが中和され、フィードバック要素１１４によって制御されている空燃比Ａ／Ｆ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。

次に、補助記憶装置１０２に記憶されている制御マップＭ２（図６参照）について説明する。

図４は、補助記憶装置１０２に記憶されている制御マップＭ１、Ｍ２の基となるグラフであり、（Ａ）は実験値に基づいて作成された吸入空気量Ｑａと時定数演算期間Ｔ_damの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は実験値に基づいて作成された補正値Ｎ_amdと時定数遅れ量τ_dyの関係を示すグラフである。

詳しくは後述するように、補助記憶装置１０２に記憶されている劣化診断プログラムは、リニア空燃比センサＳＷ４の出力（実空燃比）ＰＦに基づいてむだ時間Ｌ、時定数τを演算するのであるが、時定数τを演算する際、演算に必要な時間はエンジン１０の吸入空気量Ｑａに依存する。そこで、本実施形態では、図４（Ａ）のようなグラフに基づく制御マップＭ１を作成し、この制御マップＭ１に基づいて、必要充分な期間、すなわち時定数演算期間Ｔ_damを設け、時定数τを演算することとしている。

次に、図１０（Ｃ）（Ｄ）並びに図１１を用いて詳しく説明したように、時定数τが遅れた場合、演算上は、専ら、むだ時間Ｌが長くなっているかのような結果が出力される。他方、図１１に示すような時定数遅れ量τ_dyは、時定数τの演算値から求めることが可能である。そこで本実施形態では、図４（Ｂ）のようなグラフに基づく制御マップＭ２を作成し、この制御マップＭ２に基づいて、むだ時間Ｌの補正値（補正量）を演算することとしている。

図５および図６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７は図５および図６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５および図７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Ｓ２０）。ここで診断条件とは、
（１） クランク角センサ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、診断期間Ｔ_diaが設定され（ステップＳ２１）、診断期間Ｔを経過した場合には、図９に示す劣化診断判定処理に移行する（ステップＳ２２）。エンジン１０の診断処理は、リニア空燃比センサＳＷ４のみならず、数項目を短時間で処理することが必要であるため、診断期間Ｔ_diaを設け、この診断期間Ｔ_diaを経過した場合には、強制的に外乱ＬＲ、ＲＬの出力による診断処理を終了することにより、必要充分な時間で的確な劣化診断を図るようにしているのである。

診断期間Ｔ_diaの計測が開始され、診断期間Ｔ_diaが満了する前においては、診断期間Ｔ_diaを計測開始した後の外乱ＬＲ、ＲＬの出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが比較され（ステップＳ２３）、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Ｓ２４）、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Ｓ２５）。これにより、例えば、図７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。

次に、コントロールユニット１００のＣＰＵ１０１は、入力された実空燃比ＰＦの微分値Ｄ_O2を演算する（ステップＳ２６）。これにより、リニア空燃比センサＳＷ４の出力した実空燃比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（実空燃比）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は、「むだ時間＋一次遅れ要素」である。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７に示すように、演算された微分値Ｄ_O2が所定のしきい値＋ＴｈＤ、−ＴｈＤを越えるのを待機する（ステップＳ２７）。

仮にステップＳ２６で演算された微分値Ｄ_O2がしきい値＋ＴｈＤ、−ＴｈＤ以下であれば、ステップＳ２６に戻って処理を繰り返す。

他方、ステップＳ２７の判別で、演算された微分値Ｄ_O2がしきい値＋ＴｈＤ、−ＴｈＤを越えた場合には、リニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌ_preを演算し（ステップＳ２８）、外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬをリセットする（ステップＳ２９）。このように、むだ時間Ｌ_preの演算を終了した時点で外乱ＬＲ、ＲＬをリセットすることにより、必要以上に外乱ＬＲ、ＲＬが出力されなくなり、目標空燃比を維持したまま劣化診断を実行することが可能になる。ところで、図１０（Ｃ）（Ｄ）並びに図１１で上述したように、この段階で検出されたむだ時間Ｌ_preは、時定数τの遅れに基づく誤差を含んでいる可能性がある。そのため、本実施形態では、この時点で演算されたむだ時間Ｌ_preを補正前のものとして時定数τの演算後に補正することにより、正確なむだ時間Ｌを演算できるようにしている。

次に、本実施形態では、この外乱ＬＲ、ＲＬのリセット時に、時定数演算期間Ｔ_damの計測を開始するように構成されている（ステップＳ３０）。この時定数演算期間Ｔ_damもまた、劣化診断を必要充分な時間で実行するために設定されるものである。上述したように、リニア空燃比センサＳＷ４は、「むだ時間＋一次遅れ要素」として扱うことができるものであるため、むだ時間Ｌを演算することにより、リニア空燃比センサＳＷ４の時定数τを予測することが可能になる。従って、ステップＳ３０において時定数演算期間Ｔ_damを設定し、この時定数演算期間Ｔ_dam内にて時定数τを演算することにより、必要最小限の時間で正確な時定数τを求めることとしているのである。

次に、この時定数演算期間Ｔ_damについて説明する。

図８は吸入空気量と微分値との関係を示すグラフであり、（Ａ）は低負荷運転時、（Ｂ）は高負荷運転時を示している。

図８（Ａ）（Ｂ）を参照して、エンジン１０の運転状態が低負荷運転時においては、エンジン１０の吸入空気量Ｑａは少ないため、排気流速が遅く、むだ時間Ｌの遅れが大きくなり、リニア空燃比センサＳＷ４の出力（実空燃比）ＰＦは、緩やかな変化特性を示す。これに対し、高負荷運転時においては、吸入空気量Ｑａが多いため、排気流速が速く、むだ時間Ｌの遅れが小さくなり、リニア空燃比センサＳＷ４の出力（実空燃比）ＰＦも急峻な変化特性を示す。従って、図４（Ａ）で説明したように、実験等で、時定数演算期間Ｔ_damを吸入空気量Ｑａ（或いはエンジン負荷）に応じて変動するように制御マップＭ１を定めておき、この制御マップＭ１に基づいて時定数演算期間Ｔ_damを決定することにより、極めて好適な劣化診断処理を実行することが可能になる。なお、上述したように、時定数τに遅れが出ている場合もあり得るので、制御マップＭ１には、所定の遅れを考慮した補正値が織り込まれている。

図５に戻って、時定数演算期間Ｔ_damが設定されると、ステップＳ２６で演算された微分値Ｄ_O2のピーク値Ｄ_O2PKが演算される（ステップＳ３１）。ここで本実施形態においては、この演算の後、時定数演算期間Ｔ_damを経過しているか否かが判定され（ステップＳ３２）、この時定数演算期間Ｔ_damにてピーク値Ｄ_O2PKの演算が繰り返される。これにより、制御マップＭ１に基づいて設定された適切な時定数演算期間Ｔ_damにて微分値Ｄ_O2のピーク値Ｄ_O2PK、すなわち時定数τを必要充分な時間内に演算することが可能になる。

時定数演算期間Ｔ_damを過ぎると、演算されたピーク値Ｄ_O2PKから時定数τが演算される（ステップＳ３３）。上述したように、リニア空燃比センサＳＷ４は、「むだ時間＋一次遅れ要素」として扱うことができるものであるため、時定数演算期間Ｔ_dam内における微分値Ｄ_O2のピーク値Ｄ_O2PKを演算することにより、時定数τを求めることが可能になる。

次に、図６を参照して、時定数τの演算が終了すると、ＣＰＵ１０１は、時定数劣化診断サブルーチンが実行される（ステップＳ３６）。この時点で時定数τの診断を行い、時定数τの遅れを検出することによって、むだ時間Ｌの補正を実行するためである。このサブルーチンの内容としては、ステップＳ３３で演算されたピーク値Ｄ_O2PKが予め設定された基準値に達しているか否かを判定し、達していない場合には、遅れが生じているものとして判定して、前記ピーク値Ｄ _O2PK に基づき演算された時定数τと、遅れがない場合の時定数τとの差から時定数遅れ量を求め、この時定数遅れ量を主記憶装置１０３に保存することとしている。

ステップＳ３６の時定数サブルーチンが終了すると、時定数τの診断値に基づいて、上述した制御マップＭ２からむだ時間Ｌの補正値を索引し（ステップＳ３７）、補正前のむだ時間Ｌ_preを補正するようにしている（ステップＳ３８）。時定数τに遅れがない場合には、補正量は０となる。逆に時定数τに遅れがある場合（図１１参照）には、その遅れ分に相当する補正量がむだ時間Ｌ_preから差し引かれる（図４（Ｂ）参照）。これにより、正確なむだ時間Ｌの演算が可能になる。

次に、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Ｓ３９）、外乱が減量方向の場合はＲＬとして、増量の場合はＬＲとして、それぞれ劣化検出値（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Ｓ４０、Ｓ４１）、主記憶装置１０３に記憶されている出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLをインクリメントする（ステップＳ４２、Ｓ４３）。

次いで各外乱ＬＲ、ＲＬについて、所要の診断回数Ｎ_ENDを終了したか否かが判定され（ステップＳ４４、Ｓ４５）、何れかの出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが所要の診断回数Ｎ_ENDに満たない場合には、ステップＳ２２に戻って処理を繰り返し、双方の出力回数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９は劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図９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として定義している。尤も、過渡時間Ｔは、むだ時間Ｌのみ、或いは時定数τのみであってもよいことはいうまでもない。

ステップＳ４３までの処理が終了すると、ＣＰＵ１０１は、まず、カウントされた外乱ＬＲ、ＲＬの出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLがそれぞれ所定の最小値Ｎ_min以上であるか否かを判定し（ステップＳ２０９、Ｓ２１０）、最小値Ｎ_minに満たない場合には、直ちに過渡時間遅れと判定する（ステップＳ２１７、Ｓ２１９）。通常、リニア空燃比センサＳＷ４が正常な場合には、診断期間Ｔ_dia内に必要な出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLの演算が実行されるのに対し、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化が進むと、フィードバックが発散しやすくなることから、判定パラメータの積算数が少なくなる。そのような場合には、排気性能の低下を抑止する観点から、劣化判定を下すことにより、僅かでも劣化の可能性があるリニア空燃比センサに対してより安全側な判定診断（すなわち不良判定）を行うことにより、フェールセーフ機能を高めているのである。

カウントされた外乱ＬＲ、ＲＬの出力回数Ｎ_LR、Ｎ_RLがそれぞれ所定の最小値Ｎ_min以上である場合、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の絶対値の差を演算し、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、絶対値の差が大きい場合には、フィードバック要素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の絶対値の差が演算されている。

仮に両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の差がしきい値ＴｈＢ以下の場合、今度は、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの絶対値の和がしきい値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の絶対値の和が大きい場合には、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の絶対値の和がしきい値ＴｈＡ以下の場合には、過渡時間Ｔ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の絶対値の和がしきい値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の絶対値の差がしきい値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遅れ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、リッチ側過渡時間遅れが生じていると判定される（ステップＳ２１７）。また、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遅れ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、リーン側過渡時間遅れ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。

以上説明したように本実施形態では、リニア空燃比センサＳＷ４の出力（実空燃比）ＰＦに基づいて、むだ時間Ｌ、時定数τが演算される。この時点で演算されたむだ時間Ｌは、時定数τの遅れに基づく誤差を含んでいる場合があるが、むだ時間補正手段としてのコントロールユニット１００が、時定数τの遅れに応じてむだ時間Ｌを補正することにより、むだ時間Ｌと時定数τの何れに遅れが生じているのかを正確に把握することが可能となり、制御理論上、最も重要な「むだ時間Ｌ」に基づく劣化診断を正確に行うことが可能になる。

また、本実施形態では、むだ時間Ｌの演算を終了した時点を起点として、予め設定された時定数演算期間Ｔ_dam内に時定数τを演算するものである。このため本実施形態では、必要最低限の時間で、時定数τを演算し、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。上述したようにリニア空燃比センサＳＷ４は、「むだ時間Ｌ＋一次遅れ要素」のプロセス伝達関数Ｇ（ｓ）に従うため、むだ時間Ｌを演算することにより、リニア空燃比センサＳＷ４の時定数τを予測することが可能になる。従って、前記時定数演算期間Ｔ_damを設定し、この時定数演算期間Ｔ_dam内にて時定数τを演算することにより、必要最小限の時間で正確な時定数τを求めることが可能になる。

また、本実施形態では、外乱ＬＲ、ＲＬの出力開始から、リニア空燃比センサＳＷ４の出力を微分した微分値Ｄ_O2が所定のしきい値±ＴｈＤに達するまでの時間に基づいてむだ時間Ｌを演算するとともに、時定数演算期間Ｔ_dam中の微分値Ｄ_O2のピークに基づいて時定数τを演算するものである。このため本実施形態では、むだ時間Ｌ、時定数τをそれぞれリニア空燃比センサＳＷ４の出力の微分値Ｄ_O2に基づいて演算しているので、より精度の高い劣化診断を図ることが可能になる。

また、本実施形態では、制御マップＭ１を設けることにより、コントロールユニット１００が時定数演算期間Ｔ_damを調整する時定数演算期間調整手段を構成している。このため本実施形態では、診断時の諸状況（例えば、運転時間やリニア空燃比センサＳＷ４の出力の挙動）に応じて適宜、時定数演算期間Ｔ_damを調整し、適切に時定数τを演算することが可能になる。

また、本実施形態では、コントロールユニット１００が、エンジン１０の運転状態を検出する運転状態検出手段を機能的に構成しているとともに、この運転状態検出手段としてのコントロールユニット１００が検出した運転状態に応じて時定数演算期間Ｔ_damを調整するものである。このため本実施形態では、運転状態に拘わらず好適に時定数τを演算することが可能になる。

また、本実施形態では、予め設定された診断期間Ｔ_dia内に燃料噴射量をリッチ側に増量するリッチ側外乱ＬＲ、ＲＬとリーン側に減量するリーン側外乱ＬＲ、ＲＬとを交互に同じ出力回数だけ複数回出力し、診断期間Ｔ_dia内に積算されたリーン側の外乱ＬＲ、ＲＬに対する判定パラメータ（過渡時間Ｔ）とリッチ側の外乱ＬＲ、ＲＬに対する判定パラメータとをそれぞれ平均して基準値ＴｈＡ、ＴｈＢ、ＴｈＲ、ＴｈＬと比較することにより、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化を判定するものである。このため本実施形態では、より精度の高い劣化判定を実現することが可能になる。また、診断期間Ｔ_diaを設定し、その診断期間Ｔ_dia内に外乱ＬＲ、ＲＬを出力するようにしているので、必要以上に外乱ＬＲ、ＲＬを出力し、排気性能を低下させる恐れがない。また、診断期間Ｔ_diaを設定することにより、他の診断制御との整合性を容易にとることができ、設計の自由度を高めることが可能になる。

また、本実施形態では、時定数τの演算に際しては、むだ時間Ｌの演算が終了した時点で外乱の生成がリセットされるので、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を出力させることが可能になる。このため、診断期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。

このように本実施形態においては、目標空燃比を変更することなく、劣化診断を行うことができるとともに、「むだ時間＋一次遅れ要素」としてリニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断を実行することができるので、極めて高い精度で的確な劣化診断を行う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。例えば、むだ時間Ｌ、時定数τを求める方法としては、必ずしも微分値を演算する方法である必要はなく、リニア空燃比センサＳＷ４の出力値や出力期間等から直接判定する方法を採用してもよい。

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。 補助記憶装置に記憶されている制御マップの基となるグラフであり、（Ａ）は実験値に基づいて作成された吸入空気量と時定数演算期間の関係を示すグラフであり、（Ｂ）は実験値に基づいて作成された補正値と時定数遅れ量の関係を示すグラフである。 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５および図６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。 吸入空気量と微分値との関係を示すグラフであり、（Ａ）は低負荷運転時、（Ｂ）は高負荷運転時を示している。 劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。 センサの出力を示すタイミングチャートである。 図１０の分析を示すグラフである。

符号の説明

１ 劣化判定装置
１０ エンジン
１００ コントロールユニット（微分手段、判定パラメータ演算手段、判定手段、むだ時間補正手段、時定数演算期間調整手段の一例）
１１０ フィードバック制御系
１１６ 外乱発生手段
Ａ／Ｆ 空燃比
Ｄ_O2 微分値
Ｄ_O2PK 微分ピーク値
Ｇ（Ｓ） プロセス伝達関数
Ｋ フィードバックゲイン
Ｌ むだ時間
Ｌ_pre 補正前むだ時間
ＬＲ、ＲＬ 外乱
Ｎ_END 診断回数
Ｎ_LR、Ｎ_RL 出力回数
Ｍ１ 制御マップ
Ｍ２ 制御マップ
ＰＦ 出力（実空燃比）
Ｑａ 吸入空気量
ＳＷ１ クランク角センサ
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 アクセル開度センサ
Ｔ 過渡時間
ＴｈＡ、ＴｈＢ、ＴｈＣ、ｄＴｈＣ、＋ＴｈＤ、−ＴｈＤ、ＴｈＬ、ＴｈＲ しきい値
Ｔ_dam 時定数演算期間
ＴＶＯ スロットル開度
τ 時定数
τ_dy 時定数遅れ量

Claims (6)

1. エンジンの排気ガス中の酸素濃度に基づいて、空燃比のフィードバック制御を実行するフィードバック制御系と、
   前記フィードバック制御系に設けられ、前記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と、
   所定の診断条件が成立したときに前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を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前記リニア空燃比センサの出力に基づいて前記リニア空燃比センサのむだ時間と時定数とを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、
   演算された判定パラメータに基づいて前記リニア空燃比センサの劣化を判定する判定手段と
   を備え、
   前記判定パラメータ演算手段は、前記外乱発生手段による外乱の出力開始から前記リニア空燃比センサの出力を微分した微分値が所定のしきい値に達するまでの時間に基づいてむだ時間を演算するとともに、前記リニア空燃比センサの出力の時定数演算期間内の前記微分値のピーク値に基づいて時定数を演算し、
   さらにこの判定パラメータ演算手段は、前記ピーク値が予め設定された基準値に達していないときに遅れが生じていると判定して、前記ピーク値に基づき演算された時定数と、遅れがない場合の時定数との差から時定数遅れ量を求め、この時定数遅れ量から予め記憶しているマップより求められる補正値によりむだ時間を補正するむだ時間補正手段を有している
   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、
   前記判定パラメータ演算手段は、むだ時間の演算を終了した時点を起点として、予め設定された時定数演算期間内に時定数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または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、
   前記判定パラメータ演算手段は、前記時定数演算期間を調整する時定数演算期間調整手
   段を有してい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３記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段を設け、
   前記時定数演算期間調整手段は、前記運転状態検出手段が検出した運転状態に応じて前記時定数演算期間を調整するものである
   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４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、
   前記外乱発生手段は、予め設定された診断期間内に燃料噴射量をリッチ側に増量するリッチ側外乱とリーン側に減量するリーン側外乱とを複数回出力するものであり、
   前記判定手段は、前記診断期間内に判定パラメータ演算手段が積算したリーン側の外乱に対する判定パラメータとリッチ側の外乱に対する判定パラメータとをそれぞれ平均して基準値と比較することにより、前記リニア空燃比センサの劣化を判定するものである
   ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
6. 請求項１から５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、
   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ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
   

Images