内燃機関の空燃比制御装置
【課題】 通過帯域幅が比較的広いバンドパスフィルタ処理を用いて抽出信号の十分なＳ／Ｎを確保し、空燃比センサの故障判定を短時間で精度良く行う空燃比制御装置を提供する。
【解決手段】 空燃比を周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御を行い、空燃比振動制御実行中における検出当量比の今回値ＫＡＣＴ(k)と、０．５次周波数成分を減衰させるように設定された離散遅延時間ＮＩＭＢ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NIMB)との差分ＤＫＡＣＴ(k)を算出し、差分ＤＫＡＣＴ(k)についてバンドパスフィルタ処理及び積算演算を行って周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１と、故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨとを比較し、その比較結果に応じて、空燃比センサの応答特性劣化故障を判定する。
【解決手段】 空燃比を周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御を行い、空燃比振動制御実行中における検出当量比の今回値ＫＡＣＴ(k)と、０．５次周波数成分を減衰させるように設定された離散遅延時間ＮＩＭＢ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NIMB)との差分ＤＫＡＣＴ(k)を算出し、差分ＤＫＡＣＴ(k)についてバンドパスフィルタ処理及び積算演算を行って周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１と、故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨとを比較し、その比較結果に応じて、空燃比センサの応答特性劣化故障を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に機関排気系に設けられる空燃比センサの応答特性劣化故障を判定する機能を有する空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、機関排気系に設けられた空燃比センサの応答特性劣化故障を判定する装置が示されている。この装置によれば、機関運転中に空燃比を所定周波数で振動させる空燃比振動制御が実行され、その制御実行中における空燃比センサ出力信号に含まれる所定周波数成分の強度が判定閾値以下であるとき、空燃比センサの応答特性劣化故障が発生していると判定される。
【０００３】
また特許文献２には空燃比センサの出力信号に基づいて、複数気筒のそれぞれに対応する空燃比が許容限度を超えてばらつくインバランス故障を判定する機能を有する空燃比制御装置が示されている。特許文献２に示されるようにインバランス故障が発生すると、空燃比センサ出力信号に含まれる０．５次周波数成分の強度が増加することが知られている。０．５次周波数成分は、機関の回転速度に対応する周波数の１／２の周波数成分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３３４１８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された装置では、所定周波数成分の強度を算出するために、バンドパスフィルタ処理を用いて所定周波数成分の抽出が行われるが、気筒毎の空燃比にばらつきがあると、インバランス故障と判定されるほどインバランス度合が大きくない状態でも、空燃比センサ出力信号に含まれる０．５次周波数成分が増加する。そのため、所定周波数が上記０．５次周波数の近傍にある場合、所定周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ処理の通過帯域幅ＷＢを狭くすることが必要となる。
【０００６】
図７は通過帯域幅ＷＢと、過渡応答特性との関係を示す図であり、図７（ａ）に示す実線Ｌ１，破線Ｌ２，及び一点鎖線Ｌ３で示す特性と、図７（ｂ）に示す実線Ｌ１１，破線Ｌ１２，及び一点鎖線Ｌ１３で示す特性とが対応している。すなわち、通過帯域幅ＷＢを狭くするほど、過渡応答特性における立ち上り時間（バンドパスフィルタ処理の開始時点ｔ０からフィルタ出力ＶＯＵＴが定常出力ＶＳＴに達するまでの時間）が長くなる。図８（ａ）は、バンドパスフィルタ処理の開始時点ｔ０からの、フィルタ出力信号の立ち上り特性の一例を示している。また、入力信号（空燃比センサ出力信号）がステップ的に変化したような場合に、通過帯域幅ＷＢを狭くするほど図８（ｂ）に示すような初期発振が発生し易くなる。
【０００７】
このようにバンドパスフィルタ処理の通過帯域幅ＷＢを狭くすると不都合な点があるため、通過帯域幅ＷＢを比較的広く設定しつつ、抽出信号のＳ／Ｎ（不要周波数成分強度に対する抽出周波数成分強度の比率）を高くすることが望まれていた。
【０００８】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、通過帯域幅が比較的広いバンドパスフィルタ処理を用いて抽出信号の十分なＳ／Ｎを確保し、空燃比センサの故障判定を短時間で精度良く行うことができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、複数気筒を有する内燃機関の排気通路において空燃比を検出する空燃比検出手段（１５）を備える内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比を設定周波数（ｆ１）で振動させる空燃比振動手段と、前記空燃比振動手段の作動中に、前記空燃比検出手段による今回検出値（ＫＡＣＴ(k)）と、前記設定周波数（ｆ１）とは異なる特定周波数（ｆＩＭＢ）に対応する特定周波数成分を減衰させるように設定された特定期間（ＮＩＭＢ）前の過去値（ＫＡＣＴ(k-NIMB)）との差分を差分信号（ＤＫＡＣＴ(k)）として生成する差分信号生成手段と、前記差分信号（ＤＫＡＣＴ(k)）に含まれる前記設定周波数（ｆ１）に対応する設定周波数成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）と、故障判定閾値（ＭＰＴｆ１ＴＨ）との相対関係に基づいて、前記空燃比検出手段（１５）の応答特性劣化故障を判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記故障判定手段は、前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）を、前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の振幅を設定積算期間（ＴＣＡＩＮＴ，ＴＩＮＴ）に亘って積算することにより算出するものであり、前記設定周波数（ｆ１）は、前記機関の回転速度（ＮＥ）が高くなるほど高く設定され、さらに下記ａ），ｂ），及びｃ）の何れか一つが実行されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置：
ａ）前記設定積算期間（ＴＣＡＩＮＴ）を前記機関回転速度（ＮＥ）が高くなるほど短くなるように設定する；
ｂ）前記故障判定閾値（ＭＰＴｆ１ＴＨ）を前記機関回転速度（ＮＥ）が高くなるほど大きくなるように設定する；
ｃ）前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）を前記機関回転速度（ＮＥ）が高くなるほど小さくなるように補正する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、空燃比を設定周波数で振動させる空燃比振動制御が行われ、空燃比振動制御実行中における空燃比検出手段による今回検出値と、特定周波数に対応する特定周波数成分を減衰させるように設定された特定期間前の過去値との差分が差分信号として生成され、この差分信号に含まれる設定周波数に対応する設定周波数成分が抽出される。抽出手段により抽出される設定周波数成分の強度と故障判定閾値との相対関係に基づいて、空燃比検出手段の応答特性劣化故障が判定される。差分信号に含まれる特定周波数成分は大きく減衰しているため、比較的広い通過帯域幅のバンドパスフィルタ処理を用いて、設定周波数成分を十分なＳ／Ｎで抽出することができる。その結果、空燃比検出手段の応答特性劣化故障判定を短時間で精度良く行うことができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、抽出手段により抽出される設定周波数成分の振幅を設定積算期間に亘って積算することにより、設定周波数成分の強度が算出され、設定周波数は、機関の回転速度が高くなるほど高く設定される。さらにａ）設定積算期間を機関回転速度が高くなるほど短くなるように設定すること、ｂ）故障判定閾値を機関回転速度が高くなるほど大きくなるように設定すること、及びｃ）設定周波数成分の強度を機関回転速度が高くなるほど小さくなるように補正することの何れか一つが実行される。機関運転状態に応じた周波数で空燃比振動制御を行うことにより、故障判定実行中における排気特性の悪化、あるいは機関回転速度の変化に起因する判定精度の低下を抑制することができる。すなわち、設定積算期間を機関回転速度が高くなるほど短く設定することにより、空燃比振動制御の実行時間が短縮され、排気特性の悪化を抑制できる。また、設定積算期間を一定時間とする場合には、機関回転速度が高くなるほど、積算演算により算出される設定周波数成分強度が増加する。したがって、機関回転速度が高くなるほど故障判定閾値が大きくなるように設定すること、または設定周波数成分強度がより小さくなるように補正することにより、判定精度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその空燃比制御装置の構成を示す図である。
【図２】インバランス故障の判定手法を説明するための周波数成分強度分布を示す図である。
【図３】特定の周波数成分を減衰させる差分演算処理の特性を示す図である。
【図４】酸素濃度センサ（空燃比センサ）の応答特性劣化故障判定を行う処理のフローチャートである。
【図５】図４に示す処理の変形例を示すフローチャートである。
【図６】図５の処理で参照されるテーブルを示す図である。
【図７】バンドパスフィルタ処理の通過帯域幅と過渡応答特性との関係を説明するための図である。
【図８】バンドパスフィルタ処理出力の過渡応答例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその空燃比制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、その検出信号は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。
【００１５】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１６】
スロットル弁３の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。
【００１７】
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。
【００１８】
排気通路１３には三元触媒１４が設けられている。三元触媒１４は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
【００１９】
三元触媒１４の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１５（以下「ＬＡＦセンサ１５」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１５は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００２０】
ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２１及び当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ２２が接続されており、それらセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。スロットル弁３は図示しないアクチュエータにより開閉駆動され、スロットル弁開度ＴＨはアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＥＣＵ５により制御される。
なお、図示は省略しているが、エンジン１には周知の排気還流機構が設けられている。
【００２１】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路を備えている。
【００２２】
ＥＣＵ５のＣＰＵは、上述の各種センサの検出信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）を用いて、ＴＤＣパルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。燃料噴射時間ＴＯＵＴは、噴射される燃料量にほぼ比例するので、以下「燃料噴射量ＴＯＵＴ」という。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×ＫＴＯＴＡＬ （１）
【００２３】
ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて設定されたＴＩＭテーブルを検索して決定される。ＴＩＭテーブルは、エンジンにおいて燃焼する混合気の空燃比ＡＦがほぼ理論空燃比になるように設定されている。
【００２４】
ＫＣＭＤはエンジン１の運転状態に応じて設定される目標空燃比係数である。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、以下「目標当量比」という。後述するように、空燃比のインバランス故障判定を行うときは、１．０±ＤＡＦの範囲で時間経過に伴って正弦波状に変化するように設定される。
【００２５】
ＫＡＦは、空燃比フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１５の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ（比例積分微分）制御あるいは適応制御器（Self Tuning Regulator）を用いた適応制御により算出される空燃比補正係数である。
【００２６】
ＫＴＯＴＡＬは夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数（エンジン冷却水温ＴＭに応じた補正係数ＫＴＷ、吸気温ＴＡに応じた補正係数ＫＴＡなど）の積である。
【００２７】
ＥＣＵ５のＣＰＵは上述のようにして求めた燃料噴射量ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路を介して燃料噴射弁６に供給する。また、ＥＣＵ５のＣＰＵは、以下に説明するようにＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障判定を行う。
【００２８】
本実施形態における応答特性劣化故障判定手法は、基本的には特許文献１に示される手法と同一のものであり、エンジン運転中に空燃比を振動周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御を実行し、その制御実行中におけるＬＡＦセンサ１５の出力信号ＳＬＡＦに含まれる周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１と、故障判定閾値ＭＰＴｆ１ＴＨとの比較結果に応じて、応答特性劣化故障が判定される。
【００２９】
図２は、ＬＡＦセンサ出力信号ＳＬＡＦの周波数成分強度分布の一例を示す図であり、この例は振動周波数ｆ１をエンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］に対応するエンジン回転周波数ｆＮＥ（＝ＮＥ／６０）の０．４倍に設定し、インバランス故障が発生している状態に対応する。この状態では、エンジン回転周波数ｆＮＥの１／２の周波数ｆＩＭＢに対応する０．５次周波数成分が増加するため、図２に示すように周波数ｆ１成分の強度ＭＰＴｆ１と、０．５次周波数成分の強度ＭＩＭＢとがピーク値を示す。
【００３０】
このように比較的周波数が近接した成分の強度を精度良く算出するために、本実施形態では、ＬＡＦセンサ出力ＳＬＡＦから算出される検出当量比の今回値ＫＡＣＴ(k)と、所定期間ＴＰ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NP)との差分ＤＫＡＣＴ(k)を下記式（２）により算出し、差分ＤＫＡＣＴ(k)を用いてインバランス故障判定を行う。式（２）のＮＰは、所定期間ＴＰを、ＬＡＦセンサ出力ＳＬＡＦのサンプリング周期ＴＰＳＰで離散化した離散遅延期間である。
ＤＫＡＣＴ(k)＝ＫＡＣＴ(k)−ＫＡＣＴ(k-NP) （２）
【００３１】
式（２）により算出される差分ＤＫＡＣＴ(k)のゲイン周波数特性は、一般に図３に示すような特性を示す。図３に示す減衰極周波数ｆＰＯＬＥは、下記式（３）に示すように所定期間ＴＰの逆数に相当する周波数である。
ｆＰＯＬＥ＝１／ＴＰ （３）
【００３２】
本実施形態では、周波数ｆ１成分を抽出するときに減衰極周波数ｆＰＯＬＥを０．５次周波数ｆＩＭＢとするため、検出当量比ＫＡＣＴのサンプリングをクランク角度３０度毎に行い、式（２）の離散遅延期間ＮＰを「２４」に設定する。このように減衰させたい周波数に応じたサンプリング周期ＴＰＳＰ及び対応する離散遅延期間ＮＰを使用することによって、抽出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３３】
そして、差分ＤＫＡＣＴ(k)について、周波数ｆ１成分を抽出するバンドパスフィルタ処理を行い、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。このバンドパスフィルタ処理の通過帯域幅ＷＢを比較的の広く設定することにより、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障判定を短時間で精度良く行うこと可能となる。
【００３４】
図４は、本実施形態における応答特性劣化故障判定処理のフローチャートである。この処理は、応答特性劣化故障判定の実行条件が成立しているときに、所定クランク角度ＣＡＣＡＬ（例えば３０度）毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
【００３５】
応答特性劣化故障判定実行条件は、例えば下記の条件１）〜１１）がすべて満たされると成立する。
１）エンジン回転数ＮＥが所定上下限値の範囲内にある。
２）吸気圧ＰＢＡが所定圧より高い（判定に必要な排気流量が確保されている）。
３）ＬＡＦセンサ１５が活性化している。
４）ＬＡＦセンサ１５の出力に応じた空燃比フィードバック制御が実行されている。
５）エンジン冷却水温ＴＷが所定温度より高い。
６）エンジン回転数ＮＥの単位時間当たりの変化量ＤＮＥが所定回転数変化量より小さい。
７）吸気圧ＰＢＡの単位時間当たりの変化量ＤＰＢＡＦが所定吸気圧変化量より小さい。
８）燃料の加速増量（急加速時に実行される）が行われていない。
９）排気還流率が所定値より大きい。
１０）ＬＡＦセンサ出力が上限値または下限値に張り付いた状態ではない。
１１）ＬＡＦセンサの応答特性が正常である（応答特性劣化故障が発生しているとの判定が行われていない）。
【００３６】
判定実行条件が成立すると、目標当量比ＫＣＭＤを下記式（４）によって振動させる空燃比振動制御を開始する。空燃比振動制御実行中は、空燃比補正係数ＫＡＦを「１．０」または「１．０」以外の特定の値に固定する。式（４）のＫｆ１は、例えば振動周波数ｆ１を０．４ｆＮＥとする場合には、「０．４」に設定される振動周波数係数であり、「ｋ」は目標当量比ＫＣＭＤの算出周期ＣＡＣＡＬで離散化した離散化時刻である。またＤＡＦは、振動制御の振幅であり、所定値に設定される。
ＫＣＭＤ＝ＤＡＦ×ｓｉｎ（Ｋｆ１×ＣＡＣＡＬ×ｋ）＋１ （４）
【００３７】
図４のステップＳ１１では、空燃比振動制御フラグＦＰＴが「１」であるか否かを判別する。空燃比振動制御フラグＦＰＴは、空燃比振動制御の開始時点から所定安定化時間ＴＳＴＢＬが経過すると「１」に設定される。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに処理を終了する。
【００３８】
ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、検出当量比ＫＡＣＴの今回値ＫＡＣＴ(k)を取得し、メモリに格納する処理を行う（ステップＳ１２）。メモリには、上述した式（２）による差分ＤＫＡＣＴの算出に必要な数の過去値が格納される。
【００３９】
ステップＳ１３では、下記式（５）により、差分ＤＫＡＣＴ(k)を算出する。式（５）のＮＩＭＢは、０．５次周波数成分を減衰させるための離散遅延期間であり、本実施形態では「２４」に設定される。
ＤＫＡＣＴ(k)＝ＫＡＣＴ(k)−ＫＡＣＴ(k-NIMB) （５）
【００４０】
ステップＳ１４では、第１差分ＤＫＡＣＴ１(k)について、周波数ｆ１成分を抽出するバンドパスフィルタ処理を行い、ステップＳ１５ではステップＳ１４で得られるバンドパスフィルタ処理出力の絶対値（振幅）を積算することにより、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。
【００４１】
ステップＳ１６では、周波数成分強度の算出開始時点から所定積算クランク角度期間ＴＣＡＩＮＴ（例えばクランク軸が５０回転する期間）が経過したか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間は直ちに処理を終了する。ステップＳ１６の答が肯定（ＹＥＳ）となると、周波数ｆ１成分強度ＭＴＰｆ１が故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ１７）。
【００４２】
ステップＳ１７の答が否定（ＮＯ）であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障が発生していると判定する（ステップＳ１９）。一方、ステップＳ１７の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性は許容限度内にある（正常）と判定する（ステップＳ１８）。
【００４３】
以上のように本実施形態では、空燃比を周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御が行われ、空燃比振動制御実行中における検出当量比の今回値ＫＡＣＴ(k)と、０．５次周波数ｆＩＭＢに対応する０．５次周波数成分を減衰させるように設定された離散遅延期間ＮＩＭＢ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NIMB)との差分ＤＫＡＣＴ(k)が算出され、差分ＤＫＡＣＴ(k)に含まれる周波数ｆ１に対応する周波数ｆ１成分がバンドパスフィルタ処理により抽出され、バンドパスフィルタ処理出力の絶対値の積算演算によって周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１が算出される。周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１が故障判定閾値ＭＰＴｆ１ＴＨ以下であるとき、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障が発生していると判定される。差分ＤＫＡＣＴ(k)に含まれる０．５次周波数成分は大きく減衰しているため、気筒毎の空燃比にばらつきがある状態においても、比較的広い通過帯域幅のバンドパスフィルタ処理を用いて、周波数ｆ１成分を十分なＳ／Ｎで抽出することができる。その結果、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障判定を短時間で精度良く行うことができる。
【００４４】
また本実施形態では、空燃比振動制御の周波数ｆ１は、エンジン回転周波数ｆＮＥの０．４倍に設定されるので、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど周波数ｆ１が高くなり、さらに周波数成分強度を算出するための積算時間は、クランク角度期間ＴＣＡＩＮＴで設定されるので、エンジン回転数ＮＥが高くなるほどクランク角度期間ＴＣＡＩＮＴに対応する積算実行時間は短くなる。したがって、空燃比振動制御の実行時間を短縮し、排気特性の悪化及び判定精度の低下を抑制することができる。すなわち、一定の振動周波数で振動させる場合には、エンジン回転数ＮＥと特定の関係となり（エンジン回転数ＮＥに対応する周波数の１／２倍、１倍などに該当し）、空燃比振動制御による空燃比変動と、エンジン回転に起因するノイズによる空燃比変動とが区別できずに、判定精度が低下する可能性があるが、本実施形態においては、周波数ｆ１はエンジン回転周波数ｆＮＥの０．４倍に設定されるので、そのような事態を確実に回避することが可能である。また、故障判定に例えば２０振動周期の期間を要する場合、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど故障判定時間が短縮され、空燃比振動制御を行うことに起因する排気特性の悪化を抑制することができる。
【００４５】
本実施形態では、ＬＡＦセンサ１５が空燃比検出手段に相当し、燃料噴射弁６が空燃比振動手段の一部に相当し、ＥＣＵ５が空燃比振動手段の一部、差分信号生成手段、抽出手段、及び故障判定手段を構成する。具体的には、図４のステップＳ１３が差分信号生成手段に相当し、ステップＳ１４が抽出手段に相当し、ステップＳ１５，Ｓ１７〜Ｓ１９が故障判定手段に相当する。
【００４６】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図４に示す処理は、図５に示すように変形してもよい。図５に示す処理は、図４のステップＳ１６及びＳ１７をそれぞれステップＳ１６ａ及びＳ１７ａに変更し、さらにステップＳ１６ｂを追加したものである。
【００４７】
ステップＳ１６ａでは、周波数成分強度の算出開始時点から所定積算期間ＴＩＮＴ（例えばＮＥ＝１５００ｒｐｍで２０周期の空燃比振動が行われる２秒程度の期間）が経過したか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間は直ちに処理を終了する。ステップＳ１６ａの答が肯定（ＹＥＳ）となると、エンジン回転数ＮＥに応じて図６に示すＫＭＣＲテーブルを検索し、補正係数ＫＭＣＲを算出する。ＫＭＣＲテーブルは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど補正係数値ＫＭＣＲが増加するように設定されている。
【００４８】
ステップＳ１７ａでは、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１が故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨに補正係数ＫＭＣＲを乗算した値より大きいか否かを判別する。周波数ｆ１成分強度ＭＴＰｆ１が補正された故障判定閾値（ＭＴＰｆ１ＴＨ×ＫＭＣＲ）以下であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障が発生していると判定し（ステップＳ１９）、ステップＳ１７ａの答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性は許容限度内にある（正常）と判定する（ステップＳ１８）。
【００４９】
この変形例では、所定積算期間ＴＩＮＴは一定時間に設定されるので、算出される周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１はエンジン回転数ＮＥが高くなるほど、積算演算の回数が増加するため、その値が増加する。したがって、故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨに補正係数ＫＭＣＲを乗算することにより補正して使用することにより、判定精度の低下を抑制することができる。
【００５０】
なお、ステップＳ１７ａでは、故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨに補正係数ＫＭＣＲを乗算することに代えて、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を補正係数ＫＭＣＲで除算するようにしてもよい。これにより、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１はエンジン回転数ＮＥが高くなるほど減少するように補正されるので、判定精度の低下を抑制することができる。
【００５１】
また上述した実施形態では、周波数ｆ１をエンジン回転周波数ｆＮＥの定数倍の値（エンジン回転に同期した周波数）に設定したが、例えば４Ｈｚ程度の固定周波数に設定するようにしてもよい。ただし、固定周波数とする場合には、故障判定の実行条件におけるエンジン回転数ＮＥの範囲を比較的狭い範囲に限定することが望ましい。この場合、故障判定処理は、一定時間のサンプリング周期ＴＰＳＰ（例えば１２．５ミリ秒）で実行し、離散時間ＮＩＭＢは、０．５次周波数成分を減衰させるべくエンジン回転数ＮＥの逆数に比例するように設定する。
【００５２】
また上述した実施形態では、０．５次周波数成分を減衰させるように設定された離散遅延期間ＮＩＭＢ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NIMB)を用いて差分ＤＫＡＣＴ(k)を算出し、差分ＤＫＡＣＴ(k)に含まれる周波数ｆ１成分を抽出するようにしたが、０．５次周波数成分に限らず他の周期的なノイズ成分がある場合に、そのノイズ成分を減衰させるように離散遅延期間を設定するようにしてもよい。
【００５３】
また周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１の算出処理（バンドパスフィルタ処理及びバンドパスフィルタ処理出力の絶対値の積算処理）は、故障判定処理とは別に最適の実行周期で実行するようにしてもよい。その場合には、故障判定処理では周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１の算出を行わず、並行して実行される周波数成分強度算出処理で算出された周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を読み込んで、判定処理を行う。
【００５４】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御装置にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（空燃比振動手段、差分信号生成手段、抽出手段、故障判定手段）
６ 燃料噴射弁（空燃比変動手段）
１５ 比例型酸素濃度センサ（空燃比検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に機関排気系に設けられる空燃比センサの応答特性劣化故障を判定する機能を有する空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、機関排気系に設けられた空燃比センサの応答特性劣化故障を判定する装置が示されている。この装置によれば、機関運転中に空燃比を所定周波数で振動させる空燃比振動制御が実行され、その制御実行中における空燃比センサ出力信号に含まれる所定周波数成分の強度が判定閾値以下であるとき、空燃比センサの応答特性劣化故障が発生していると判定される。
【０００３】
また特許文献２には空燃比センサの出力信号に基づいて、複数気筒のそれぞれに対応する空燃比が許容限度を超えてばらつくインバランス故障を判定する機能を有する空燃比制御装置が示されている。特許文献２に示されるようにインバランス故障が発生すると、空燃比センサ出力信号に含まれる０．５次周波数成分の強度が増加することが知られている。０．５次周波数成分は、機関の回転速度に対応する周波数の１／２の周波数成分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３３４１８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された装置では、所定周波数成分の強度を算出するために、バンドパスフィルタ処理を用いて所定周波数成分の抽出が行われるが、気筒毎の空燃比にばらつきがあると、インバランス故障と判定されるほどインバランス度合が大きくない状態でも、空燃比センサ出力信号に含まれる０．５次周波数成分が増加する。そのため、所定周波数が上記０．５次周波数の近傍にある場合、所定周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ処理の通過帯域幅ＷＢを狭くすることが必要となる。
【０００６】
図７は通過帯域幅ＷＢと、過渡応答特性との関係を示す図であり、図７（ａ）に示す実線Ｌ１，破線Ｌ２，及び一点鎖線Ｌ３で示す特性と、図７（ｂ）に示す実線Ｌ１１，破線Ｌ１２，及び一点鎖線Ｌ１３で示す特性とが対応している。すなわち、通過帯域幅ＷＢを狭くするほど、過渡応答特性における立ち上り時間（バンドパスフィルタ処理の開始時点ｔ０からフィルタ出力ＶＯＵＴが定常出力ＶＳＴに達するまでの時間）が長くなる。図８（ａ）は、バンドパスフィルタ処理の開始時点ｔ０からの、フィルタ出力信号の立ち上り特性の一例を示している。また、入力信号（空燃比センサ出力信号）がステップ的に変化したような場合に、通過帯域幅ＷＢを狭くするほど図８（ｂ）に示すような初期発振が発生し易くなる。
【０００７】
このようにバンドパスフィルタ処理の通過帯域幅ＷＢを狭くすると不都合な点があるため、通過帯域幅ＷＢを比較的広く設定しつつ、抽出信号のＳ／Ｎ（不要周波数成分強度に対する抽出周波数成分強度の比率）を高くすることが望まれていた。
【０００８】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、通過帯域幅が比較的広いバンドパスフィルタ処理を用いて抽出信号の十分なＳ／Ｎを確保し、空燃比センサの故障判定を短時間で精度良く行うことができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、複数気筒を有する内燃機関の排気通路において空燃比を検出する空燃比検出手段（１５）を備える内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比を設定周波数（ｆ１）で振動させる空燃比振動手段と、前記空燃比振動手段の作動中に、前記空燃比検出手段による今回検出値（ＫＡＣＴ(k)）と、前記設定周波数（ｆ１）とは異なる特定周波数（ｆＩＭＢ）に対応する特定周波数成分を減衰させるように設定された特定期間（ＮＩＭＢ）前の過去値（ＫＡＣＴ(k-NIMB)）との差分を差分信号（ＤＫＡＣＴ(k)）として生成する差分信号生成手段と、前記差分信号（ＤＫＡＣＴ(k)）に含まれる前記設定周波数（ｆ１）に対応する設定周波数成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）と、故障判定閾値（ＭＰＴｆ１ＴＨ）との相対関係に基づいて、前記空燃比検出手段（１５）の応答特性劣化故障を判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記故障判定手段は、前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）を、前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の振幅を設定積算期間（ＴＣＡＩＮＴ，ＴＩＮＴ）に亘って積算することにより算出するものであり、前記設定周波数（ｆ１）は、前記機関の回転速度（ＮＥ）が高くなるほど高く設定され、さらに下記ａ），ｂ），及びｃ）の何れか一つが実行されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置：
ａ）前記設定積算期間（ＴＣＡＩＮＴ）を前記機関回転速度（ＮＥ）が高くなるほど短くなるように設定する；
ｂ）前記故障判定閾値（ＭＰＴｆ１ＴＨ）を前記機関回転速度（ＮＥ）が高くなるほど大きくなるように設定する；
ｃ）前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）を前記機関回転速度（ＮＥ）が高くなるほど小さくなるように補正する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、空燃比を設定周波数で振動させる空燃比振動制御が行われ、空燃比振動制御実行中における空燃比検出手段による今回検出値と、特定周波数に対応する特定周波数成分を減衰させるように設定された特定期間前の過去値との差分が差分信号として生成され、この差分信号に含まれる設定周波数に対応する設定周波数成分が抽出される。抽出手段により抽出される設定周波数成分の強度と故障判定閾値との相対関係に基づいて、空燃比検出手段の応答特性劣化故障が判定される。差分信号に含まれる特定周波数成分は大きく減衰しているため、比較的広い通過帯域幅のバンドパスフィルタ処理を用いて、設定周波数成分を十分なＳ／Ｎで抽出することができる。その結果、空燃比検出手段の応答特性劣化故障判定を短時間で精度良く行うことができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、抽出手段により抽出される設定周波数成分の振幅を設定積算期間に亘って積算することにより、設定周波数成分の強度が算出され、設定周波数は、機関の回転速度が高くなるほど高く設定される。さらにａ）設定積算期間を機関回転速度が高くなるほど短くなるように設定すること、ｂ）故障判定閾値を機関回転速度が高くなるほど大きくなるように設定すること、及びｃ）設定周波数成分の強度を機関回転速度が高くなるほど小さくなるように補正することの何れか一つが実行される。機関運転状態に応じた周波数で空燃比振動制御を行うことにより、故障判定実行中における排気特性の悪化、あるいは機関回転速度の変化に起因する判定精度の低下を抑制することができる。すなわち、設定積算期間を機関回転速度が高くなるほど短く設定することにより、空燃比振動制御の実行時間が短縮され、排気特性の悪化を抑制できる。また、設定積算期間を一定時間とする場合には、機関回転速度が高くなるほど、積算演算により算出される設定周波数成分強度が増加する。したがって、機関回転速度が高くなるほど故障判定閾値が大きくなるように設定すること、または設定周波数成分強度がより小さくなるように補正することにより、判定精度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその空燃比制御装置の構成を示す図である。
【図２】インバランス故障の判定手法を説明するための周波数成分強度分布を示す図である。
【図３】特定の周波数成分を減衰させる差分演算処理の特性を示す図である。
【図４】酸素濃度センサ（空燃比センサ）の応答特性劣化故障判定を行う処理のフローチャートである。
【図５】図４に示す処理の変形例を示すフローチャートである。
【図６】図５の処理で参照されるテーブルを示す図である。
【図７】バンドパスフィルタ処理の通過帯域幅と過渡応答特性との関係を説明するための図である。
【図８】バンドパスフィルタ処理出力の過渡応答例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその空燃比制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、その検出信号は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。
【００１５】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１６】
スロットル弁３の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。
【００１７】
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。
【００１８】
排気通路１３には三元触媒１４が設けられている。三元触媒１４は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
【００１９】
三元触媒１４の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１５（以下「ＬＡＦセンサ１５」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１５は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００２０】
ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２１及び当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ２２が接続されており、それらセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。スロットル弁３は図示しないアクチュエータにより開閉駆動され、スロットル弁開度ＴＨはアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＥＣＵ５により制御される。
なお、図示は省略しているが、エンジン１には周知の排気還流機構が設けられている。
【００２１】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路を備えている。
【００２２】
ＥＣＵ５のＣＰＵは、上述の各種センサの検出信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）を用いて、ＴＤＣパルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。燃料噴射時間ＴＯＵＴは、噴射される燃料量にほぼ比例するので、以下「燃料噴射量ＴＯＵＴ」という。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×ＫＴＯＴＡＬ （１）
【００２３】
ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて設定されたＴＩＭテーブルを検索して決定される。ＴＩＭテーブルは、エンジンにおいて燃焼する混合気の空燃比ＡＦがほぼ理論空燃比になるように設定されている。
【００２４】
ＫＣＭＤはエンジン１の運転状態に応じて設定される目標空燃比係数である。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、以下「目標当量比」という。後述するように、空燃比のインバランス故障判定を行うときは、１．０±ＤＡＦの範囲で時間経過に伴って正弦波状に変化するように設定される。
【００２５】
ＫＡＦは、空燃比フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１５の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ（比例積分微分）制御あるいは適応制御器（Self Tuning Regulator）を用いた適応制御により算出される空燃比補正係数である。
【００２６】
ＫＴＯＴＡＬは夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数（エンジン冷却水温ＴＭに応じた補正係数ＫＴＷ、吸気温ＴＡに応じた補正係数ＫＴＡなど）の積である。
【００２７】
ＥＣＵ５のＣＰＵは上述のようにして求めた燃料噴射量ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路を介して燃料噴射弁６に供給する。また、ＥＣＵ５のＣＰＵは、以下に説明するようにＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障判定を行う。
【００２８】
本実施形態における応答特性劣化故障判定手法は、基本的には特許文献１に示される手法と同一のものであり、エンジン運転中に空燃比を振動周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御を実行し、その制御実行中におけるＬＡＦセンサ１５の出力信号ＳＬＡＦに含まれる周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１と、故障判定閾値ＭＰＴｆ１ＴＨとの比較結果に応じて、応答特性劣化故障が判定される。
【００２９】
図２は、ＬＡＦセンサ出力信号ＳＬＡＦの周波数成分強度分布の一例を示す図であり、この例は振動周波数ｆ１をエンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］に対応するエンジン回転周波数ｆＮＥ（＝ＮＥ／６０）の０．４倍に設定し、インバランス故障が発生している状態に対応する。この状態では、エンジン回転周波数ｆＮＥの１／２の周波数ｆＩＭＢに対応する０．５次周波数成分が増加するため、図２に示すように周波数ｆ１成分の強度ＭＰＴｆ１と、０．５次周波数成分の強度ＭＩＭＢとがピーク値を示す。
【００３０】
このように比較的周波数が近接した成分の強度を精度良く算出するために、本実施形態では、ＬＡＦセンサ出力ＳＬＡＦから算出される検出当量比の今回値ＫＡＣＴ(k)と、所定期間ＴＰ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NP)との差分ＤＫＡＣＴ(k)を下記式（２）により算出し、差分ＤＫＡＣＴ(k)を用いてインバランス故障判定を行う。式（２）のＮＰは、所定期間ＴＰを、ＬＡＦセンサ出力ＳＬＡＦのサンプリング周期ＴＰＳＰで離散化した離散遅延期間である。
ＤＫＡＣＴ(k)＝ＫＡＣＴ(k)−ＫＡＣＴ(k-NP) （２）
【００３１】
式（２）により算出される差分ＤＫＡＣＴ(k)のゲイン周波数特性は、一般に図３に示すような特性を示す。図３に示す減衰極周波数ｆＰＯＬＥは、下記式（３）に示すように所定期間ＴＰの逆数に相当する周波数である。
ｆＰＯＬＥ＝１／ＴＰ （３）
【００３２】
本実施形態では、周波数ｆ１成分を抽出するときに減衰極周波数ｆＰＯＬＥを０．５次周波数ｆＩＭＢとするため、検出当量比ＫＡＣＴのサンプリングをクランク角度３０度毎に行い、式（２）の離散遅延期間ＮＰを「２４」に設定する。このように減衰させたい周波数に応じたサンプリング周期ＴＰＳＰ及び対応する離散遅延期間ＮＰを使用することによって、抽出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３３】
そして、差分ＤＫＡＣＴ(k)について、周波数ｆ１成分を抽出するバンドパスフィルタ処理を行い、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。このバンドパスフィルタ処理の通過帯域幅ＷＢを比較的の広く設定することにより、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障判定を短時間で精度良く行うこと可能となる。
【００３４】
図４は、本実施形態における応答特性劣化故障判定処理のフローチャートである。この処理は、応答特性劣化故障判定の実行条件が成立しているときに、所定クランク角度ＣＡＣＡＬ（例えば３０度）毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
【００３５】
応答特性劣化故障判定実行条件は、例えば下記の条件１）〜１１）がすべて満たされると成立する。
１）エンジン回転数ＮＥが所定上下限値の範囲内にある。
２）吸気圧ＰＢＡが所定圧より高い（判定に必要な排気流量が確保されている）。
３）ＬＡＦセンサ１５が活性化している。
４）ＬＡＦセンサ１５の出力に応じた空燃比フィードバック制御が実行されている。
５）エンジン冷却水温ＴＷが所定温度より高い。
６）エンジン回転数ＮＥの単位時間当たりの変化量ＤＮＥが所定回転数変化量より小さい。
７）吸気圧ＰＢＡの単位時間当たりの変化量ＤＰＢＡＦが所定吸気圧変化量より小さい。
８）燃料の加速増量（急加速時に実行される）が行われていない。
９）排気還流率が所定値より大きい。
１０）ＬＡＦセンサ出力が上限値または下限値に張り付いた状態ではない。
１１）ＬＡＦセンサの応答特性が正常である（応答特性劣化故障が発生しているとの判定が行われていない）。
【００３６】
判定実行条件が成立すると、目標当量比ＫＣＭＤを下記式（４）によって振動させる空燃比振動制御を開始する。空燃比振動制御実行中は、空燃比補正係数ＫＡＦを「１．０」または「１．０」以外の特定の値に固定する。式（４）のＫｆ１は、例えば振動周波数ｆ１を０．４ｆＮＥとする場合には、「０．４」に設定される振動周波数係数であり、「ｋ」は目標当量比ＫＣＭＤの算出周期ＣＡＣＡＬで離散化した離散化時刻である。またＤＡＦは、振動制御の振幅であり、所定値に設定される。
ＫＣＭＤ＝ＤＡＦ×ｓｉｎ（Ｋｆ１×ＣＡＣＡＬ×ｋ）＋１ （４）
【００３７】
図４のステップＳ１１では、空燃比振動制御フラグＦＰＴが「１」であるか否かを判別する。空燃比振動制御フラグＦＰＴは、空燃比振動制御の開始時点から所定安定化時間ＴＳＴＢＬが経過すると「１」に設定される。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに処理を終了する。
【００３８】
ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、検出当量比ＫＡＣＴの今回値ＫＡＣＴ(k)を取得し、メモリに格納する処理を行う（ステップＳ１２）。メモリには、上述した式（２）による差分ＤＫＡＣＴの算出に必要な数の過去値が格納される。
【００３９】
ステップＳ１３では、下記式（５）により、差分ＤＫＡＣＴ(k)を算出する。式（５）のＮＩＭＢは、０．５次周波数成分を減衰させるための離散遅延期間であり、本実施形態では「２４」に設定される。
ＤＫＡＣＴ(k)＝ＫＡＣＴ(k)−ＫＡＣＴ(k-NIMB) （５）
【００４０】
ステップＳ１４では、第１差分ＤＫＡＣＴ１(k)について、周波数ｆ１成分を抽出するバンドパスフィルタ処理を行い、ステップＳ１５ではステップＳ１４で得られるバンドパスフィルタ処理出力の絶対値（振幅）を積算することにより、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。
【００４１】
ステップＳ１６では、周波数成分強度の算出開始時点から所定積算クランク角度期間ＴＣＡＩＮＴ（例えばクランク軸が５０回転する期間）が経過したか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間は直ちに処理を終了する。ステップＳ１６の答が肯定（ＹＥＳ）となると、周波数ｆ１成分強度ＭＴＰｆ１が故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ１７）。
【００４２】
ステップＳ１７の答が否定（ＮＯ）であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障が発生していると判定する（ステップＳ１９）。一方、ステップＳ１７の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性は許容限度内にある（正常）と判定する（ステップＳ１８）。
【００４３】
以上のように本実施形態では、空燃比を周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御が行われ、空燃比振動制御実行中における検出当量比の今回値ＫＡＣＴ(k)と、０．５次周波数ｆＩＭＢに対応する０．５次周波数成分を減衰させるように設定された離散遅延期間ＮＩＭＢ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NIMB)との差分ＤＫＡＣＴ(k)が算出され、差分ＤＫＡＣＴ(k)に含まれる周波数ｆ１に対応する周波数ｆ１成分がバンドパスフィルタ処理により抽出され、バンドパスフィルタ処理出力の絶対値の積算演算によって周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１が算出される。周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１が故障判定閾値ＭＰＴｆ１ＴＨ以下であるとき、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障が発生していると判定される。差分ＤＫＡＣＴ(k)に含まれる０．５次周波数成分は大きく減衰しているため、気筒毎の空燃比にばらつきがある状態においても、比較的広い通過帯域幅のバンドパスフィルタ処理を用いて、周波数ｆ１成分を十分なＳ／Ｎで抽出することができる。その結果、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障判定を短時間で精度良く行うことができる。
【００４４】
また本実施形態では、空燃比振動制御の周波数ｆ１は、エンジン回転周波数ｆＮＥの０．４倍に設定されるので、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど周波数ｆ１が高くなり、さらに周波数成分強度を算出するための積算時間は、クランク角度期間ＴＣＡＩＮＴで設定されるので、エンジン回転数ＮＥが高くなるほどクランク角度期間ＴＣＡＩＮＴに対応する積算実行時間は短くなる。したがって、空燃比振動制御の実行時間を短縮し、排気特性の悪化及び判定精度の低下を抑制することができる。すなわち、一定の振動周波数で振動させる場合には、エンジン回転数ＮＥと特定の関係となり（エンジン回転数ＮＥに対応する周波数の１／２倍、１倍などに該当し）、空燃比振動制御による空燃比変動と、エンジン回転に起因するノイズによる空燃比変動とが区別できずに、判定精度が低下する可能性があるが、本実施形態においては、周波数ｆ１はエンジン回転周波数ｆＮＥの０．４倍に設定されるので、そのような事態を確実に回避することが可能である。また、故障判定に例えば２０振動周期の期間を要する場合、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど故障判定時間が短縮され、空燃比振動制御を行うことに起因する排気特性の悪化を抑制することができる。
【００４５】
本実施形態では、ＬＡＦセンサ１５が空燃比検出手段に相当し、燃料噴射弁６が空燃比振動手段の一部に相当し、ＥＣＵ５が空燃比振動手段の一部、差分信号生成手段、抽出手段、及び故障判定手段を構成する。具体的には、図４のステップＳ１３が差分信号生成手段に相当し、ステップＳ１４が抽出手段に相当し、ステップＳ１５，Ｓ１７〜Ｓ１９が故障判定手段に相当する。
【００４６】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図４に示す処理は、図５に示すように変形してもよい。図５に示す処理は、図４のステップＳ１６及びＳ１７をそれぞれステップＳ１６ａ及びＳ１７ａに変更し、さらにステップＳ１６ｂを追加したものである。
【００４７】
ステップＳ１６ａでは、周波数成分強度の算出開始時点から所定積算期間ＴＩＮＴ（例えばＮＥ＝１５００ｒｐｍで２０周期の空燃比振動が行われる２秒程度の期間）が経過したか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間は直ちに処理を終了する。ステップＳ１６ａの答が肯定（ＹＥＳ）となると、エンジン回転数ＮＥに応じて図６に示すＫＭＣＲテーブルを検索し、補正係数ＫＭＣＲを算出する。ＫＭＣＲテーブルは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど補正係数値ＫＭＣＲが増加するように設定されている。
【００４８】
ステップＳ１７ａでは、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１が故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨに補正係数ＫＭＣＲを乗算した値より大きいか否かを判別する。周波数ｆ１成分強度ＭＴＰｆ１が補正された故障判定閾値（ＭＴＰｆ１ＴＨ×ＫＭＣＲ）以下であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性劣化故障が発生していると判定し（ステップＳ１９）、ステップＳ１７ａの答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＬＡＦセンサ１５の応答特性は許容限度内にある（正常）と判定する（ステップＳ１８）。
【００４９】
この変形例では、所定積算期間ＴＩＮＴは一定時間に設定されるので、算出される周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１はエンジン回転数ＮＥが高くなるほど、積算演算の回数が増加するため、その値が増加する。したがって、故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨに補正係数ＫＭＣＲを乗算することにより補正して使用することにより、判定精度の低下を抑制することができる。
【００５０】
なお、ステップＳ１７ａでは、故障判定閾値ＭＴＰｆ１ＴＨに補正係数ＫＭＣＲを乗算することに代えて、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を補正係数ＫＭＣＲで除算するようにしてもよい。これにより、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１はエンジン回転数ＮＥが高くなるほど減少するように補正されるので、判定精度の低下を抑制することができる。
【００５１】
また上述した実施形態では、周波数ｆ１をエンジン回転周波数ｆＮＥの定数倍の値（エンジン回転に同期した周波数）に設定したが、例えば４Ｈｚ程度の固定周波数に設定するようにしてもよい。ただし、固定周波数とする場合には、故障判定の実行条件におけるエンジン回転数ＮＥの範囲を比較的狭い範囲に限定することが望ましい。この場合、故障判定処理は、一定時間のサンプリング周期ＴＰＳＰ（例えば１２．５ミリ秒）で実行し、離散時間ＮＩＭＢは、０．５次周波数成分を減衰させるべくエンジン回転数ＮＥの逆数に比例するように設定する。
【００５２】
また上述した実施形態では、０．５次周波数成分を減衰させるように設定された離散遅延期間ＮＩＭＢ前の過去値ＫＡＣＴ(k-NIMB)を用いて差分ＤＫＡＣＴ(k)を算出し、差分ＤＫＡＣＴ(k)に含まれる周波数ｆ１成分を抽出するようにしたが、０．５次周波数成分に限らず他の周期的なノイズ成分がある場合に、そのノイズ成分を減衰させるように離散遅延期間を設定するようにしてもよい。
【００５３】
また周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１の算出処理（バンドパスフィルタ処理及びバンドパスフィルタ処理出力の絶対値の積算処理）は、故障判定処理とは別に最適の実行周期で実行するようにしてもよい。その場合には、故障判定処理では周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１の算出を行わず、並行して実行される周波数成分強度算出処理で算出された周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を読み込んで、判定処理を行う。
【００５４】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御装置にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（空燃比振動手段、差分信号生成手段、抽出手段、故障判定手段）
６ 燃料噴射弁（空燃比変動手段）
１５ 比例型酸素濃度センサ（空燃比検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数気筒を有する内燃機関の排気通路において空燃比を検出する空燃比検出手段を備える内燃機関の空燃比制御装置において、
前記空燃比を設定周波数で振動させる空燃比振動手段と、
前記空燃比振動手段の作動中に、前記空燃比検出手段による今回検出値と、前記設定周波数とは異なる特定周波数に対応する特定周波数成分を減衰させるように設定された特定期間前の過去値との差分を差分信号として生成する差分信号生成手段と、
前記差分信号に含まれる前記設定周波数に対応する設定周波数成分を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の強度と、故障判定閾値との相対関係に基づいて、前記空燃比検出手段の応答特性劣化故障を判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記故障判定手段は、前記設定周波数成分の強度を、前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の振幅を設定積算期間に亘って積算することにより算出するものであり、
前記設定周波数は、前記機関の回転速度が高くなるほど高く設定され、さらに下記ａ），ｂ），及びｃ）の何れか一つが実行されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置：
ａ）前記設定積算期間を前記機関回転速度が高くなるほど短くなるように設定する；
ｂ）前記故障判定閾値を前記機関回転速度が高くなるほど大きくなるように設定する； ｃ）前記設定周波数成分の強度を前記機関回転速度が高くなるほど小さくなるように補正する。
【請求項１】
複数気筒を有する内燃機関の排気通路において空燃比を検出する空燃比検出手段を備える内燃機関の空燃比制御装置において、
前記空燃比を設定周波数で振動させる空燃比振動手段と、
前記空燃比振動手段の作動中に、前記空燃比検出手段による今回検出値と、前記設定周波数とは異なる特定周波数に対応する特定周波数成分を減衰させるように設定された特定期間前の過去値との差分を差分信号として生成する差分信号生成手段と、
前記差分信号に含まれる前記設定周波数に対応する設定周波数成分を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の強度と、故障判定閾値との相対関係に基づいて、前記空燃比検出手段の応答特性劣化故障を判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記故障判定手段は、前記設定周波数成分の強度を、前記抽出手段により抽出される前記設定周波数成分の振幅を設定積算期間に亘って積算することにより算出するものであり、
前記設定周波数は、前記機関の回転速度が高くなるほど高く設定され、さらに下記ａ），ｂ），及びｃ）の何れか一つが実行されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置：
ａ）前記設定積算期間を前記機関回転速度が高くなるほど短くなるように設定する；
ｂ）前記故障判定閾値を前記機関回転速度が高くなるほど大きくなるように設定する； ｃ）前記設定周波数成分の強度を前記機関回転速度が高くなるほど小さくなるように補正する。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−５００２９（Ｐ２０１３−５００２９Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６６８４（Ｐ２０１１−１８６６８４）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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