空燃比センサの異常診断装置及び異常診断方法
【課題】空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断する。
【解決手段】燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比ｕ（ｔ）と空燃比センサから出力される出力空燃比ｙ（ｔ）とに基づき一次遅れ要素におけるパラメータを同定する。そして同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する。好ましくは、前記パラメータが時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性が応答性と出力である。空燃比センサの応答性異常ｃと出力異常ａ，ｂとを同時且つ個別に診断することができる。
【解決手段】燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比ｕ（ｔ）と空燃比センサから出力される出力空燃比ｙ（ｔ）とに基づき一次遅れ要素におけるパラメータを同定する。そして同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する。好ましくは、前記パラメータが時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性が応答性と出力である。空燃比センサの応答性異常ｃと出力異常ａ，ｂとを同時且つ個別に診断することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常を診断する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの特定成分の濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサを設け、その検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるようフィードバック制御を実施している。
【０００３】
ところで、空燃比センサに劣化、故障等の異常を来すと、正確な空燃比フィードバック制御が実行できなくなり排ガスエミッションが悪化する。よって空燃比センサの異常を診断することが従来から行われている。特に、自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で空燃比センサの異常を検出することが各国法規等からも要請されている。
【０００４】
特許文献１には、オープンループ制御により空燃比を周期的に増減し、これに伴って増減する空燃比センサ出力の軌跡長又は面積に基づいて空燃比センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置が開示されている。また、特許文献２には、空燃比センサの検出遅れ特性を表したプラントモデルを逐次同定し、同定したプラントモデルのパラメータを用いて空燃比フィードバック制御における制御ゲインを設定する空燃比制御装置が開示されている。これにおいて、空燃比センサの応答劣化の診断をフィードバック制御中に行うときには逐次同定が停止される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３５８号公報
【特許文献２】特開２００４−６８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、空燃比センサ自体が正常なのか異常なのかは判別できるものの、空燃比センサの特性のうち、いずれが正常なのか異常なのかは判別することができない。即ち、空燃比センサには複数の特性が含まれているが、特許文献１に記載の技術だと、これら特性のうちのいずれが異常なのかを判別することができない。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、空燃比センサの特性のうち、応答性の劣化のみが診断される。しかし、空燃比センサには他の特性も含まれており、この他の特性の異常を判別することができない。そもそも、特許文献２に記載の技術は空燃比制御に関するものであり、空燃比センサの異常診断に特化したものではない。よって逐次同定したプラントモデルのパラメータは空燃比フィードバック制御の制御ゲインを設定するために用いられ、空燃比センサの応答遅れ診断の際には逐次同定が停止される。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができる空燃比センサの異常診断装置及び異常診断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
該同定手段により同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【００１０】
この第１の形態によれば、単に空燃比センサの異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。よって空燃比センサの複数の特性のうち、いずれが異常なのかを判別することができ、空燃比センサの異常診断をより緻密且つ詳細に実行することができる。
【００１１】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。
【００１２】
この第２の形態によれば、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常が判定されるので、その少なくとも二つの特性の異常を同時且つ個別に判定でき、空燃比センサの異常診断として極めて好適なものとすることができる。
【００１３】
本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする。
【００１４】
空燃比センサの特性のうち、応答性と出力はセンサの性能を左右するような重要な特性である。この第３の形態によれば、少なくとも、これら重要な二つの特性の異常を診断できるので、空燃比センサの異常診断として極めて好適である。
【００１５】
本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３いずれかの形態において、
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するむだ時間補正手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
これにより輸送遅れの影響を無くし、パラメータの同定精度を向上することが可能となる。
【００１７】
本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第６の形態は、前記第４の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする。
【００１９】
本発明の第７の形態は、前記第６の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする。
【００２０】
本発明の第８の形態は、前記第４の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第９の形態は、前記第１乃至第８いずれかの形態において、
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するバイアス補正手段を備えることを特徴とする。
【００２２】
これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を向上することができる。
【００２３】
本発明の第１０の形態は、前記第１乃至第９いずれかの形態において、
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正する燃料補正手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
これによりパラメータの同定精度を向上することが可能となる。
【００２５】
本発明の第１１の形態は、前記第１乃至第１０いずれかの形態において、
前記同定手段は、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする。
【００２６】
これにより同定に際しての演算負荷やメモリ容量が軽減され、実用性が向上する。
【００２７】
本発明の第１２の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断方法であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定するステップと、
同定されたパラメータに基づき空燃比センサの異常を判定するステップと
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断方法が提供される。
【００２８】
本発明の第１３の形態は、前記第１２の形態において、
前記異常判定ステップは、前記同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。
【００２９】
本発明の第１４の形態は、前記第１３の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の第１５の形態は、前記第１２乃至第１４いずれかの形態において、
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする。
【００３１】
本発明の第１６の形態は、前記第１５の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする。
【００３２】
本発明の第１７の形態は、前記第１５の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【００３３】
本発明の第１８の形態は、前記第１７の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする。
【００３４】
本発明の第１９の形態は、前記第１５の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明の第２０の形態は、前記第１２乃至第１９いずれかの形態において、
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする。
【００３６】
本発明の第２１の形態は、前記第１２乃至第２０いずれかの形態において、
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正するステップを備えることを特徴とする。
【００３７】
本発明の第２２の形態は、前記第１２乃至第２１いずれかの形態において、
前記同定ステップは、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。
【００４０】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン、１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。
【００４１】
内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。
【００４２】
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。
【００４３】
吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。
【００４４】
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１１，１９が取り付けられている。上流側触媒１１の前後の位置にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１７，１８、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。これら触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８は排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ2センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。
【００４５】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。
【００４６】
触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１，１９に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に等しくなるように、空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、燃焼室３内に流入する混合気の空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致させるような基本噴射量を算出する。そして、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比Ａ／Ｆｆｒと目標空燃比Ａ／Ｆｔとの差に応じて基本噴射量をフィードバック補正し、この補正後の噴射量に応じた通電時間だけインジェクタ１２を通電（オン）する。この結果、触媒１１，１９に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１，１９において最大の浄化性能が発揮されるようになる。このようにＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。
【００４７】
次に、本実施形態における空燃比センサの異常診断について説明する。本実施形態で診断対象となるのは上流側触媒１１の上流側に設置された空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７である。
【００４８】
当該異常診断においては、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、触媒前センサ１７に与えられる入力空燃比と、触媒前センサ１７から出力される出力空燃比とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータが同定（推定）される。そして、この同定されたパラメータに基づき、触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。
【００４９】
入力空燃比として、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑが用いられる。以下、入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。他方、出力空燃比は、触媒前センサ１７の出力に基づいて計算された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒそのものである。以下、出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆｒ）。このような入力空燃比ｕ（ｔ）を触媒前センサ１７に与えたときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、一次遅れ要素におけるパラメータを同定し、この同定されたパラメータに基づき触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。
【００５０】
図２に示すように、本実施形態では、空燃比センサの異常診断の際に、空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御が実行される。このアクティブ制御では、触媒前センサ１７で検出される空燃比Ａ／Ｆｆｒ（即ち出力空燃比ｙ（ｔ））が、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔ（即ち入力空燃比ｕ（ｔ））が一定周期で振動させられる。振動の振幅は通常の空燃比制御のときより大きく、例えば空燃比で０．５などとされる。中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされる。
【００５１】
このように異常診断時にアクティブ制御を実行する理由は、アクティブ制御がエンジンの定常運転時に実行されることから、各制御量及び各検出値が安定し、診断精度が向上するからである。しかしながら、通常の空燃比制御時に異常診断を実行するようにしてもよい。
【００５２】
図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はステップ状の波形であり、これに対し出力空燃比ｙ（ｔ）は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力空燃比ｕ（ｔ）から出力空燃比ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。即ち、このむだ時間Ｌは、インジェクタ１２における燃料噴射時から、その燃料噴射による排気ガスが触媒前センサ１７に到達するまでの時間差に相当する。
【００５３】
簡単化のためこのむだ時間Ｌをゼロと仮定すると、一次遅れ要素はＧ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）で表される。ここで、ｋは触媒前センサ１７のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１７の時定数を表す。ゲインｋは、触媒前センサ１７の特性のうち出力に関わる値であり、他方、時定数Ｔは、触媒前センサ１７の特性のうち応答性に関わる値である。図２において、出力空燃比ｙ（ｔ）を表す実線は触媒前センサ１７が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１７の出力特性に異常が生じると、ゲインｋが正常時より大きくなり、ａで示す如くセンサ出力が増大（拡大）するか、またはゲインｋが正常時より小さくなり、ｂで示す如くセンサ出力が減少（縮小）する。よって、同定されたゲインｋを所定値と比較することでセンサ出力の増大異常又は減少異常を特定することができる。他方、触媒前センサ１７の応答性に異常が生じると、殆どの場合、時定数Ｔが正常時より大きくなり、ｃで示す如くセンサ出力が遅れて出てくるようになる。よって、同定された時定数Ｔを所定値と比較することでセンサの応答性異常を特定することができる。
【００５４】
次に、ＥＣＵ２０によって実行されるこれらゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を説明する。
【００５５】
【数１】
【００５６】
【数２】
【００５７】
式（２０）は、今回のサンプル時刻ｔと前回のサンプル時刻ｔ−１とにおける値の関数であり、この式の意味するところは、今回値と前回値に基づいてｂ1とｂ2が、即ちＴとｋが毎回更新されていくことにほかならない。こうして、時定数Ｔとゲインｋは逐次最小自乗法により逐次同定されることになる。この逐次同定を行うやり方だと、サンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方よりも演算負荷を軽減できると共に、データを一時的に溜めるバッファの容量も減少できて、ＥＣＵ（特に自動車用ＥＣＵ）への実装に好適である。
【００５８】
ＥＣＵ２０により実行されるセンサ特性の異常判定方法は次の通りである。まず、同定された時定数Ｔが所定の時定数異常判定値Ｔｓより大きい場合、応答遅れが生じており、触媒前センサ１７は応答性異常であると判定される。他方、同定された時定数Ｔが時定数異常判定値Ｔｓ以下の場合、触媒前センサ１７は応答性に関して正常と判定される。
【００５９】
また、同定されたゲインｋが所定のゲイン増大異常判定値ｋｓ１より大きい場合、触媒前センサ１７は出力増大異常であると判定され、同定されたゲインｋがゲイン縮小異常判定値ｋｓ２（＜ｋｓ１）より小さい場合、触媒前センサ１７は出力減少異常であると判定される。同定されたゲインｋがゲイン縮小異常判定値ｋｓ２以上で且つゲイン増大異常判定値ｋｓ１以下の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常であると判定される。
【００６０】
このように本発明に係る異常診断によれば、単に空燃比センサ自体の異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。そして、二つの同定パラメータＴ，ｋにより、応答性及び出力という二つのセンサ特性の異常が、とりわけ同時且つ個別に、判定される。よって空燃比センサの異常診断として極めて好適なものを実現することが可能となる。
【００６１】
図３及び図４は、正常な触媒前センサ１７の場合と異常な触媒前センサ１７の場合とで時定数Ｔとゲインｋとを逐次最小自乗法により逐次同定した結果を示す。図３が正常な触媒前センサ１７の場合、図４が異常な触媒前センサ１７の場合である。図３（Ａ）及び図４（Ａ）は入力空燃比（破線）と出力空燃比（実線）との振動の様子を示す。
【００６２】
図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）は、アクティブ制御開始時からの時定数Ｔ（破線）とゲインｋ（実線）との推移を示す。時定数Ｔとゲインｋとはサンプル時刻毎に毎回更新されていき、次第に一定値に収束していく。アクティブ制御開始時（同定開始時）ｔ０から、それらの値がほぼ収束するような所定時間（例えば５秒）経過後の時点（判定時期）ｔ１で、時定数Ｔとゲインｋとが取得され、これら取得された時定数Ｔとゲインｋとが前記異常判定値Ｔｓ１，ｋｓ１，ｋｓ２と比較されて、応答性及び出力の異常判定がなされる。
【００６３】
異常な触媒前センサ１７として、正常な触媒前センサ１７に比べ応答性がほぼ同じで出力が１／２であるセンサを用いて試験を行ったところ、判定時期ｔ１での時定数Ｔについては、正常センサの場合０．１８、異常センサの場合０．１７とほぼ同等であった。他方、判定時期ｔ１でのゲインｋについては、正常センサの場合１、異常センサの場合０．５であった。これにより実際のセンサと同様の結果を得られることが確認された。
【００６４】
ところで、実際のエンジンには負荷変動などの様々な外乱があり、これらを適切に考慮しないと同定精度やロバスト性を向上することができない。このため、本実施形態に係る異常診断では、以下のような入出力データに対する種々の補正を行うこととしている。
【００６５】
図５は、モデルパラメータを同定するためのシステム全体のブロック図である。このようなシステムはＥＣＵ２０内に構築されている。同定部（同定手段）５０において前述のようなパラメータＴ，ｋの同定を行うため、入力算出部５２、バイアス補正部（バイアス補正手段）５４及びむだ時間補正部（むだ時間補正手段）５６が設けられる。なお、異常診断がアクティブ制御中に実施されることから、アクティブ制御フラグ出力部５８も設けられている。
【００６６】
入力算出部５２では入力空燃比ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力空燃比ｕ（ｔ）は前述の例ではインジェクタ１２の通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算される吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑであった。しかしながらここでは、インジェクタ通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑが燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正され、その補正後の燃料噴射量Ｑ’を使用して入力空燃比ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力空燃比ｕ（ｔ）が燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正される。
【００６７】
インジェクタ１２から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室３に吸入されるが、残りの部分は吸気ポートの内壁面に付着し燃焼室３に入らない。そこで、インジェクタ１２から噴射された燃料量をｆｉとし、全気筒分の燃料付着率をＲ（＜１）とすると、その噴射燃料量ｆｉのうち、吸気ポート壁面に付着する分はＲ・ｆｉ、燃焼室３に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。
【００６８】
他方、吸気ポート壁面に付着した燃料のうち、一部は蒸発して次の吸気行程で燃焼室３内に入るが、残りは残留してそのまま付着し続ける。そこで、吸気ポート壁面に付着した燃料量をｆｗとし、全気筒分の燃料残留率をＰ（＜１）とすると、壁面付着燃料量ｆｗのうち、そのまま壁面に付着し続ける分はＰ・ｆｗ、燃焼室３に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。
【００６９】
４サイクルエンジンの吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を１回ずつ終えて１サイクルとし（即ち、１サイクル＝７２０°クランク角）、今回のサイクルをｋｓ、次回のサイクルをｋｓ＋１とする。また、筒内燃焼室３に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。
ｆｗ（ｋｓ＋１）＝Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）＋Ｒ・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（２１）
ｆｃ（ｋｓ）＝（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）＋（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（２２）
【００７０】
式（２１）の意味するところは、次回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ＋１）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）の残留分Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）の壁面付着分Ｒ・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。また、式（２２）の意味するところは、今回サイクルで燃焼室３内に流入する流入燃料量ｆｃ（ｋｓ）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）のうちの蒸発分（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）のうち壁面付着しないで直接燃焼室３内に流入する分（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。
【００７１】
こうして、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に際し、燃料噴射量Ｑ’の値として流入燃料量ｆｃの値が用いられる。この流入燃料量ｆｃは、燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量を補正したものにほかならない。よって、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に流入燃料量ｆｃの値を用いることにより、入力空燃比の値を実情に近いより正確な値とすることができ、パラメータの同定精度を向上することが可能になる。
【００７２】
なお、エンジン温度及び吸気温が高いほど、燃料の気化が促進されることから、燃料付着量は減少し、燃料蒸発量は増大する。従って燃料残留率Ｐ及び燃料付着率Ｒはエンジン温度（若しくは水温）及び吸気温の少なくとも一方の関数とするのが好ましい。ここで説明したような燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づく補正を「燃料ダイナミクス補正」と称することとする。
【００７３】
図６には、燃料ダイナミクス補正のない場合（破線）とある場合（実線）とでアクティブ制御中の入力空燃比ｕ（ｔ）の変化の違いを調べた試験結果である。図中円内に示されるように、燃料ダイナミクス補正のある場合はない場合に比べ、入力空燃比ｕ（ｔ）が反転された直後に入力空燃比ｕ（ｔ）の波形が若干なまされる傾向にある。
【００７４】
次に、バイアス補正部５４について説明する。このバイアス補正部５４では、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。
【００７５】
入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とは、負荷変動、学習ズレ及びセンサ値ズレ等の要因に伴い、一方に対し他方がリーン側又はリッチ側にバイアスしてしまう（ズレてしまう）場合がある。図７はこのバイアスの様子を示す試験結果である。図中、ｕ（ｔ）ｃ及びｙ（ｔ）ｃはそれぞれ入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とをローパスフィルタを通した値、もしくはそれらの移動平均を示す。触媒前センサ１７で検出される空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近となるよう制御されていることから、触媒前センサ１７の検出値である出力空燃比ｙ（ｔ）は理論空燃比を中心に変動し、そのローパスフィルタを通した値もしくは移動平均ｙ（ｔ）ｃも理論空燃比付近に保たれる。これに対し、入力空燃比ｕ（ｔ）は、前述の理由から、図示例ではリーン側にバイアスしている。
【００７６】
かかるバイアス状態で同定を行うのは好ましくないことから、バイアスを除去するような補正が行われる。具体的には、図８に示すように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とのデータがローパスフィルタを通過され、もしくは移動平均を算出し、バイアス値ｕ（ｔ）ｃ、ｙ（ｔ）ｃが逐次的に算出される。そして、逐次的に、入力空燃比ｕ（ｔ）とそのバイアス値ｕ（ｔ）ｃとの差Δｕ（ｔ）（＝ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ）ｃ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）とそのバイアス値ｙ（ｔ）ｃとの差Δｙ（ｔ）（＝ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ）ｃ）が算出され、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）がゼロ基準の値に置き換えられる。なお、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）をまとめてΔＡ／Ｆで表示する（図３（Ａ）及び図４（Ａ）においても同様）。
【００７７】
こうしてバイアスは除去され、バイアス除去後の入出力空燃比の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図９に示される如くゼロ基準の値に変更される。即ち、両者の変動の中心がゼロに合わせられ、負荷変動や学習ズレ等の影響を無くすことができる。これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を高めることができる。
【００７８】
なお、この例では入出力空燃比の両方を補正し、入出力空燃比の変動中心をゼロに合わせてバイアスを除去する方法を採用したが、これ以外の方法も採用できる。例えば、入力空燃比のみを補正し、その変動中心を出力空燃比の変動中心に合わせたり、その逆を行ったりすることができる。補正の対象は入出力空燃比の少なくともいずれか一方であればよい。
【００７９】
次に、むだ時間補正部５６について説明する。前述したように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間には輸送遅れによるむだ時間Ｌが存在する。しかしながら、正確なモデルパラメータの同定を行うためには、このむだ時間Ｌを除去するような補正を行うのが好ましい。そこでこのような補正をむだ時間補正部５６で行うこととしている。具体的には、後述の方法でむだ時間Ｌが算出され、このむだ時間Ｌ分だけ入力空燃比ｕ（ｔ）が出力空燃比ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。
【００８０】
図１０には、むだ時間補正前の入力空燃比（破線）、むだ時間補正後の入力空燃比（実線）及び出力空燃比（一点鎖線）が示される。なお入力空燃比及び出力空燃比としてバイアス補正後の値が用いられる。むだ時間Ｌだけ入力空燃比が遅らせられると、入力空燃比の振動と出力空燃比の振動とが時間差無く同期するようになり、これによりモデルパラメータの同定精度を向上させることができる。
【００８１】
むだ時間算出の第１の態様としては、エンジン運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づいて所定のマップ又は関数に従ってむだ時間を算出する方法がある。図１１にはそのようなむだ時間算出マップの一例を示す。このマップでは、エンジン回転速度Ｎｅの検出値に基づきむだ時間Ｌを算出するようになっている。
【００８２】
むだ時間算出の第２の態様として次のようなものもある。まず、アクティブ制御中の入力空燃比及び出力空燃比の分散値が次式により逐次的に求められる。
【００８３】
【数３】
【００８４】
ηは入力空燃比又は出力空燃比の値であり、ηavgはＭ回移動平均、即ち今回（ｔ）から（Ｍ−１）回前（ｔ−（Ｍ−１））までのデータの平均値である。Ｍは例えば５などとされる。入力空燃比又は出力空燃比の変化が大きいほどその分散値は大きくなる。
【００８５】
図１２はむだ時間補正に関する試験結果であり、正常センサの場合を示す。上段のグラフは、ａ：むだ時間補正前の入力空燃比、ｂ：むだ時間補正後の入力空燃比、ｃ：出力空燃比をそれぞれ示す。なおａ及びｂで示した入力空燃比は燃料ダイナミクス補正及びバイアス補正を実施した後の値であり、ｃで示した出力空燃比はバイアス補正を実施した後の値である。中段のグラフは、ｄ：ａで示したむだ時間補正前の入力空燃比の分散値、ｅ：ｃで示した出力空燃比の分散値をそれぞれ示す。下段のグラフにおいて、鋸歯状の波形ｆはむだ時間カウンタの値、高い位置にある横線ｇは後述のようにして算出されるむだ時間、低い位置にある横線ｈはむだ時間ｇを１／４になました値をそれぞれ示す。
【００８６】
図１３には図１２のａ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１３から分かるように、入力空燃比の分散値ｄ及び出力空燃比の分散値ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転するタイミングで分散値ｄ，ｅのピークｄｐ，ｅｐが生ずる。よって、これらピークの時間差（ｅｐ−ｄｐ）をむだ時間ｇとして算出する。図１２に戻って、入力空燃比の分散値ピークｄｐが発生すると、その発生時からむだ時間カウンタｆが時間のカウントを開始する。そして、出力空燃比の分散値ピークｅｐが発生した時点で、カウントが停止され、そのカウント値がむだ時間ｇとして保持される。このむだ時間ｇは入力空燃比の反転毎に更新され、且つその反転毎に、なまし後のむだ時間ｈが計算されていく。なまし後のむだ時間ｈを計算する理由はノイズの影響を除去するためである。なまし後のむだ時間ｈの値はやがて一定値付近に収束するようになる。そこで、アクティブ制御の開始時から、なまし後のむだ時間ｈがほぼ一定値に収束するようになる所定時間経過後の時点で、なまし後のむだ時間ｈが取得され、その取得された値が最終的なむだ時間Ｌとして決定される。
【００８７】
ところで、図１２及び図１３により説明した以上の算出方法は正常センサの場合であるが、これに対し、異常センサの場合だと、同様の方法を採用するのが必ずしも適切ではない。即ち、図１４及び図１５に示される如く、例えば応答遅れが生じている異常センサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとして十分大きな値を得ることができず、そのピークｅｐが現れるタイミングに関しても誤差が大きくなる。
【００８８】
そこで、出力空燃比の分散値ピークｅｐを所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１２及び図１３に示すように、その分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓより大きい場合は、前述のように、入出力空燃比の分散値ピークｄｐ，ｅｐ同士の時間差（ｅｐ−ｄｐ）を以てむだ時間ｇとする。他方、図１４及び図１５に示すように、出力空燃比の分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓ以下の場合は、入出力空燃比ａ，ｃ自体の極値ａｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ａｐ）を以てむだ時間ｇとする。これにより異常センサの場合でも正確にむだ時間を算出することができる。
【００８９】
さて、これら第１の態様及び第２の態様のいずれか一方のみを用いてむだ時間を算出し、入力空燃比のむだ時間補正を行うことができるが、以下の第３の態様では、第１の態様及び第２の態様の両方を使用してむだ時間を算出する。第３の態様では、第１の態様に従ってマップから算出された第１のむだ時間と、第２の態様に従って分散値又は極値から算出された第２のむだ時間とを比較し、両者が接近していればマップから算出された第１のむだ時間を用いる。他方、両者が隔離していれば分散値又は極値から算出された第２のむだ時間を用いると共に、その第２のむだ時間を用いてマップデータを更新する。本来、最適なむだ時間の値はマップ値から大きくずれることはないが、何等かの原因でその最適なむだ時間の値がマップ値から大きくずれる可能性もある。一方、分散値又は極値から算出された第２のむだ時間は現状を反映した実際の値といえる。よって、このようなマップ更新を行うことで不測の事態に対処可能となると共に、マップデータを常に現状に即した最適値に維持することが可能になる。
【００９０】
図１６には第３の態様の手順を概略的に示す。まずステップＳ１０１では、第１の態様に従い、図１１に示したようなマップから第１のむだ時間Ｌ１を算出する。次にステップＳ１０２では、第２の態様に従い、入出力空燃比の分散値又は極値から第２のむだ時間Ｌ２を算出する。この後、ステップＳ１０３では、これら第１及び第２のむだ時間Ｌ１，Ｌ２の差の絶対値であるむだ時間ズレ量Ｌ１２を算出し、このむだ時間ズレ量Ｌ１２を所定値Ｌ１２ｓと比較する。むだ時間ズレ量Ｌ１２が所定値Ｌ１２ｓ以下の場合、両者のズレが小さいとして、ステップＳ１０４において、マップから算出された第１のむだ時間Ｌ１を最終的なむだ時間Ｌとして決定する。
【００９１】
他方、むだ時間ズレ量Ｌ１２が所定値Ｌ１２ｓより大きい場合、両者のズレが大きいとして、ステップＳ１０５において、入出力空燃比の分散値又は極値から算出された第２のむだ時間Ｌ２を最終的なむだ時間Ｌとして決定する。そして、ステップＳ１０６において、その第２のむだ時間Ｌ２に対応するマップ中の第１のむだ時間Ｌ１を第２のむだ時間Ｌ２で置き換え、マップデータを更新する。
【００９２】
なお、前述のむだ時間補正では、入力空燃比をむだ時間分だけ遅らせて出力空燃比とタイミングを一致させる補正を行ったが、これ以外の方法も採用できる。例えば、逐次同定を行わないやり方、例えばサンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方だと、出力空燃比をむだ時間分だけ早めて入力空燃比とタイミングを一致させたり、入力空燃比を遅らせ且つ出力空燃比を早めて両者のタイミングを一致させたりすることができる。補正の対象は入出力空燃比の少なくともいずれか一方であればよい。
【００９３】
次に、上述の全ての補正を含む空燃比センサ異常診断の手順を図１７に基づいて説明する。まず、ステップＳ２０１では空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御が実行され、ステップＳ２０２では、燃料ダイナミクス補正がなされた後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値が算出され、ステップＳ２０３では、図７〜図９に示したように、入出力空燃比の間のバイアスが無くなるように入力空燃比ｕ（ｔ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。
【００９４】
続くステップＳ２０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ２０５においてむだ時間Ｌが無くなるように、バイアス補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値がむだ時間Ｌ分だけシフト補正される。次のステップＳ２０６では、ステップＳ２０５で得られたむだ時間補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）と、ステップＳ２０３で得られたバイアス補正後の出力空燃比ｙ（ｔ）との関係から、モデルパラメータである時定数Ｔとゲインｋとが同定される。そして、ステップＳ２０７において、同定されたパラメータＴ，ｋと各異常判定値（時定数異常判定値Ｔｓ、ゲイン増大異常判定値ｋｓ１及びゲイン縮小異常判定値ｋｓ２）とが比較され、空燃比センサ（触媒前センサ１７）の応答性及び出力の正常・異常が判定される。
【００９５】
以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンにも本発明は適用可能である。但し、この場合は吸気通路壁面への燃料付着を考慮する必要がないので、燃料ダイナミクス補正は省略されることとなる。前記実施形態では所謂広域空燃比センサへの適用例を示したが、本発明は、触媒後センサ１８のような、所謂Ｏ2センサにも適用可能である。このようなＯ2センサも含めて、広く、排気ガスの空燃比を検出するためのセンサを本発明にいう空燃比センサとするものとする。前記実施形態では空燃比センサの特性のうち、応答性及び出力という二つの特性の異常が診断されたが、これに限らず、一若しくは三以上の特性について異常を診断するものであってもよい。同様に、一次遅れ要素におけるパラメータとして時定数Ｔ及びゲインｋのいずれか一方のみ、或いは時定数Ｔ及びゲインｋに加えてさらに他のパラメータを使用してもよい。前記実施形態では一次遅れ要素における二つのパラメータＴ，ｋを同時に同定し、空燃比センサの二つの特性の異常を同時に判定しているが、これに限らず、少なくとも二つのパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、また、少なくとも二つの特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。
【００９６】
なお、上述の実施形態においては、ＥＣＵ２０によって同定手段、異常判定手段、むだ時間補正手段、バイアス補正手段及び燃料補正手段が構成される。
【００９７】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示すグラフである。
【図３】入力空燃比と出力空燃比との変化に対する時定数とゲインの変化を示す試験結果であり、正常センサの場合である。
【図４】入力空燃比と出力空燃比との変化に対する時定数とゲインの変化を示す試験結果であり、異常センサの場合である。
【図５】パラメータを同定するためのシステム全体のブロック図である。
【図６】燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力空燃比を比較した試験結果である。
【図７】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正前の状態である。
【図８】バイアス補正の方法を説明するための概略図である。
【図９】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正後の状態である。
【図１０】むだ時間補正前後の入力空燃比を示す試験結果である。
【図１１】むだ時間算出マップである。
【図１２】むだ時間算出の第２の態様を説明するための試験結果であり、正常センサの場合である。
【図１３】むだ時間算出方法を説明するための図１２に対応した概略図である。
【図１４】むだ時間算出の第２の態様を説明するための試験結果であり、異常センサの場合である。
【図１５】むだ時間算出方法を説明するための図１４に対応した概略図である。
【図１６】むだ時間算出の第３の態様に係るフローチャートである。
【図１７】本実施形態の空燃比センサの異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ａ／Ｆ 空燃比
ｕ（ｔ） 入力空燃比
ｙ（ｔ） 出力空燃比
Ｔ 時定数
ｋ ゲイン
Ｌ むだ時間
Ｌ１ 第１のむだ時間
Ｌ２ 第２のむだ時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常を診断する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの特定成分の濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサを設け、その検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるようフィードバック制御を実施している。
【０００３】
ところで、空燃比センサに劣化、故障等の異常を来すと、正確な空燃比フィードバック制御が実行できなくなり排ガスエミッションが悪化する。よって空燃比センサの異常を診断することが従来から行われている。特に、自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で空燃比センサの異常を検出することが各国法規等からも要請されている。
【０００４】
特許文献１には、オープンループ制御により空燃比を周期的に増減し、これに伴って増減する空燃比センサ出力の軌跡長又は面積に基づいて空燃比センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置が開示されている。また、特許文献２には、空燃比センサの検出遅れ特性を表したプラントモデルを逐次同定し、同定したプラントモデルのパラメータを用いて空燃比フィードバック制御における制御ゲインを設定する空燃比制御装置が開示されている。これにおいて、空燃比センサの応答劣化の診断をフィードバック制御中に行うときには逐次同定が停止される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３５８号公報
【特許文献２】特開２００４−６８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、空燃比センサ自体が正常なのか異常なのかは判別できるものの、空燃比センサの特性のうち、いずれが正常なのか異常なのかは判別することができない。即ち、空燃比センサには複数の特性が含まれているが、特許文献１に記載の技術だと、これら特性のうちのいずれが異常なのかを判別することができない。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、空燃比センサの特性のうち、応答性の劣化のみが診断される。しかし、空燃比センサには他の特性も含まれており、この他の特性の異常を判別することができない。そもそも、特許文献２に記載の技術は空燃比制御に関するものであり、空燃比センサの異常診断に特化したものではない。よって逐次同定したプラントモデルのパラメータは空燃比フィードバック制御の制御ゲインを設定するために用いられ、空燃比センサの応答遅れ診断の際には逐次同定が停止される。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができる空燃比センサの異常診断装置及び異常診断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
該同定手段により同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。
【００１０】
この第１の形態によれば、単に空燃比センサの異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。よって空燃比センサの複数の特性のうち、いずれが異常なのかを判別することができ、空燃比センサの異常診断をより緻密且つ詳細に実行することができる。
【００１１】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。
【００１２】
この第２の形態によれば、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常が判定されるので、その少なくとも二つの特性の異常を同時且つ個別に判定でき、空燃比センサの異常診断として極めて好適なものとすることができる。
【００１３】
本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする。
【００１４】
空燃比センサの特性のうち、応答性と出力はセンサの性能を左右するような重要な特性である。この第３の形態によれば、少なくとも、これら重要な二つの特性の異常を診断できるので、空燃比センサの異常診断として極めて好適である。
【００１５】
本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３いずれかの形態において、
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するむだ時間補正手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
これにより輸送遅れの影響を無くし、パラメータの同定精度を向上することが可能となる。
【００１７】
本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第６の形態は、前記第４の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする。
【００１９】
本発明の第７の形態は、前記第６の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする。
【００２０】
本発明の第８の形態は、前記第４の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第９の形態は、前記第１乃至第８いずれかの形態において、
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するバイアス補正手段を備えることを特徴とする。
【００２２】
これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を向上することができる。
【００２３】
本発明の第１０の形態は、前記第１乃至第９いずれかの形態において、
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正する燃料補正手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
これによりパラメータの同定精度を向上することが可能となる。
【００２５】
本発明の第１１の形態は、前記第１乃至第１０いずれかの形態において、
前記同定手段は、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする。
【００２６】
これにより同定に際しての演算負荷やメモリ容量が軽減され、実用性が向上する。
【００２７】
本発明の第１２の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断方法であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定するステップと、
同定されたパラメータに基づき空燃比センサの異常を判定するステップと
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断方法が提供される。
【００２８】
本発明の第１３の形態は、前記第１２の形態において、
前記異常判定ステップは、前記同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。
【００２９】
本発明の第１４の形態は、前記第１３の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の第１５の形態は、前記第１２乃至第１４いずれかの形態において、
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする。
【００３１】
本発明の第１６の形態は、前記第１５の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする。
【００３２】
本発明の第１７の形態は、前記第１５の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【００３３】
本発明の第１８の形態は、前記第１７の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする。
【００３４】
本発明の第１９の形態は、前記第１５の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明の第２０の形態は、前記第１２乃至第１９いずれかの形態において、
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする。
【００３６】
本発明の第２１の形態は、前記第１２乃至第２０いずれかの形態において、
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正するステップを備えることを特徴とする。
【００３７】
本発明の第２２の形態は、前記第１２乃至第２１いずれかの形態において、
前記同定ステップは、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。
【００４０】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン、１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。
【００４１】
内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。
【００４２】
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。
【００４３】
吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。
【００４４】
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１１，１９が取り付けられている。上流側触媒１１の前後の位置にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１７，１８、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。これら触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８は排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ2センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。
【００４５】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。
【００４６】
触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１，１９に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に等しくなるように、空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、燃焼室３内に流入する混合気の空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致させるような基本噴射量を算出する。そして、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比Ａ／Ｆｆｒと目標空燃比Ａ／Ｆｔとの差に応じて基本噴射量をフィードバック補正し、この補正後の噴射量に応じた通電時間だけインジェクタ１２を通電（オン）する。この結果、触媒１１，１９に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１，１９において最大の浄化性能が発揮されるようになる。このようにＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。
【００４７】
次に、本実施形態における空燃比センサの異常診断について説明する。本実施形態で診断対象となるのは上流側触媒１１の上流側に設置された空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７である。
【００４８】
当該異常診断においては、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、触媒前センサ１７に与えられる入力空燃比と、触媒前センサ１７から出力される出力空燃比とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータが同定（推定）される。そして、この同定されたパラメータに基づき、触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。
【００４９】
入力空燃比として、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑが用いられる。以下、入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。他方、出力空燃比は、触媒前センサ１７の出力に基づいて計算された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒそのものである。以下、出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆｒ）。このような入力空燃比ｕ（ｔ）を触媒前センサ１７に与えたときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、一次遅れ要素におけるパラメータを同定し、この同定されたパラメータに基づき触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。
【００５０】
図２に示すように、本実施形態では、空燃比センサの異常診断の際に、空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御が実行される。このアクティブ制御では、触媒前センサ１７で検出される空燃比Ａ／Ｆｆｒ（即ち出力空燃比ｙ（ｔ））が、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔ（即ち入力空燃比ｕ（ｔ））が一定周期で振動させられる。振動の振幅は通常の空燃比制御のときより大きく、例えば空燃比で０．５などとされる。中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされる。
【００５１】
このように異常診断時にアクティブ制御を実行する理由は、アクティブ制御がエンジンの定常運転時に実行されることから、各制御量及び各検出値が安定し、診断精度が向上するからである。しかしながら、通常の空燃比制御時に異常診断を実行するようにしてもよい。
【００５２】
図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はステップ状の波形であり、これに対し出力空燃比ｙ（ｔ）は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力空燃比ｕ（ｔ）から出力空燃比ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。即ち、このむだ時間Ｌは、インジェクタ１２における燃料噴射時から、その燃料噴射による排気ガスが触媒前センサ１７に到達するまでの時間差に相当する。
【００５３】
簡単化のためこのむだ時間Ｌをゼロと仮定すると、一次遅れ要素はＧ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）で表される。ここで、ｋは触媒前センサ１７のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１７の時定数を表す。ゲインｋは、触媒前センサ１７の特性のうち出力に関わる値であり、他方、時定数Ｔは、触媒前センサ１７の特性のうち応答性に関わる値である。図２において、出力空燃比ｙ（ｔ）を表す実線は触媒前センサ１７が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１７の出力特性に異常が生じると、ゲインｋが正常時より大きくなり、ａで示す如くセンサ出力が増大（拡大）するか、またはゲインｋが正常時より小さくなり、ｂで示す如くセンサ出力が減少（縮小）する。よって、同定されたゲインｋを所定値と比較することでセンサ出力の増大異常又は減少異常を特定することができる。他方、触媒前センサ１７の応答性に異常が生じると、殆どの場合、時定数Ｔが正常時より大きくなり、ｃで示す如くセンサ出力が遅れて出てくるようになる。よって、同定された時定数Ｔを所定値と比較することでセンサの応答性異常を特定することができる。
【００５４】
次に、ＥＣＵ２０によって実行されるこれらゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を説明する。
【００５５】
【数１】
【００５６】
【数２】
【００５７】
式（２０）は、今回のサンプル時刻ｔと前回のサンプル時刻ｔ−１とにおける値の関数であり、この式の意味するところは、今回値と前回値に基づいてｂ1とｂ2が、即ちＴとｋが毎回更新されていくことにほかならない。こうして、時定数Ｔとゲインｋは逐次最小自乗法により逐次同定されることになる。この逐次同定を行うやり方だと、サンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方よりも演算負荷を軽減できると共に、データを一時的に溜めるバッファの容量も減少できて、ＥＣＵ（特に自動車用ＥＣＵ）への実装に好適である。
【００５８】
ＥＣＵ２０により実行されるセンサ特性の異常判定方法は次の通りである。まず、同定された時定数Ｔが所定の時定数異常判定値Ｔｓより大きい場合、応答遅れが生じており、触媒前センサ１７は応答性異常であると判定される。他方、同定された時定数Ｔが時定数異常判定値Ｔｓ以下の場合、触媒前センサ１７は応答性に関して正常と判定される。
【００５９】
また、同定されたゲインｋが所定のゲイン増大異常判定値ｋｓ１より大きい場合、触媒前センサ１７は出力増大異常であると判定され、同定されたゲインｋがゲイン縮小異常判定値ｋｓ２（＜ｋｓ１）より小さい場合、触媒前センサ１７は出力減少異常であると判定される。同定されたゲインｋがゲイン縮小異常判定値ｋｓ２以上で且つゲイン増大異常判定値ｋｓ１以下の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常であると判定される。
【００６０】
このように本発明に係る異常診断によれば、単に空燃比センサ自体の異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。そして、二つの同定パラメータＴ，ｋにより、応答性及び出力という二つのセンサ特性の異常が、とりわけ同時且つ個別に、判定される。よって空燃比センサの異常診断として極めて好適なものを実現することが可能となる。
【００６１】
図３及び図４は、正常な触媒前センサ１７の場合と異常な触媒前センサ１７の場合とで時定数Ｔとゲインｋとを逐次最小自乗法により逐次同定した結果を示す。図３が正常な触媒前センサ１７の場合、図４が異常な触媒前センサ１７の場合である。図３（Ａ）及び図４（Ａ）は入力空燃比（破線）と出力空燃比（実線）との振動の様子を示す。
【００６２】
図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）は、アクティブ制御開始時からの時定数Ｔ（破線）とゲインｋ（実線）との推移を示す。時定数Ｔとゲインｋとはサンプル時刻毎に毎回更新されていき、次第に一定値に収束していく。アクティブ制御開始時（同定開始時）ｔ０から、それらの値がほぼ収束するような所定時間（例えば５秒）経過後の時点（判定時期）ｔ１で、時定数Ｔとゲインｋとが取得され、これら取得された時定数Ｔとゲインｋとが前記異常判定値Ｔｓ１，ｋｓ１，ｋｓ２と比較されて、応答性及び出力の異常判定がなされる。
【００６３】
異常な触媒前センサ１７として、正常な触媒前センサ１７に比べ応答性がほぼ同じで出力が１／２であるセンサを用いて試験を行ったところ、判定時期ｔ１での時定数Ｔについては、正常センサの場合０．１８、異常センサの場合０．１７とほぼ同等であった。他方、判定時期ｔ１でのゲインｋについては、正常センサの場合１、異常センサの場合０．５であった。これにより実際のセンサと同様の結果を得られることが確認された。
【００６４】
ところで、実際のエンジンには負荷変動などの様々な外乱があり、これらを適切に考慮しないと同定精度やロバスト性を向上することができない。このため、本実施形態に係る異常診断では、以下のような入出力データに対する種々の補正を行うこととしている。
【００６５】
図５は、モデルパラメータを同定するためのシステム全体のブロック図である。このようなシステムはＥＣＵ２０内に構築されている。同定部（同定手段）５０において前述のようなパラメータＴ，ｋの同定を行うため、入力算出部５２、バイアス補正部（バイアス補正手段）５４及びむだ時間補正部（むだ時間補正手段）５６が設けられる。なお、異常診断がアクティブ制御中に実施されることから、アクティブ制御フラグ出力部５８も設けられている。
【００６６】
入力算出部５２では入力空燃比ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力空燃比ｕ（ｔ）は前述の例ではインジェクタ１２の通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算される吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑであった。しかしながらここでは、インジェクタ通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑが燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正され、その補正後の燃料噴射量Ｑ’を使用して入力空燃比ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力空燃比ｕ（ｔ）が燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正される。
【００６７】
インジェクタ１２から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室３に吸入されるが、残りの部分は吸気ポートの内壁面に付着し燃焼室３に入らない。そこで、インジェクタ１２から噴射された燃料量をｆｉとし、全気筒分の燃料付着率をＲ（＜１）とすると、その噴射燃料量ｆｉのうち、吸気ポート壁面に付着する分はＲ・ｆｉ、燃焼室３に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。
【００６８】
他方、吸気ポート壁面に付着した燃料のうち、一部は蒸発して次の吸気行程で燃焼室３内に入るが、残りは残留してそのまま付着し続ける。そこで、吸気ポート壁面に付着した燃料量をｆｗとし、全気筒分の燃料残留率をＰ（＜１）とすると、壁面付着燃料量ｆｗのうち、そのまま壁面に付着し続ける分はＰ・ｆｗ、燃焼室３に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。
【００６９】
４サイクルエンジンの吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を１回ずつ終えて１サイクルとし（即ち、１サイクル＝７２０°クランク角）、今回のサイクルをｋｓ、次回のサイクルをｋｓ＋１とする。また、筒内燃焼室３に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。
ｆｗ（ｋｓ＋１）＝Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）＋Ｒ・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（２１）
ｆｃ（ｋｓ）＝（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）＋（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（２２）
【００７０】
式（２１）の意味するところは、次回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ＋１）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）の残留分Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）の壁面付着分Ｒ・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。また、式（２２）の意味するところは、今回サイクルで燃焼室３内に流入する流入燃料量ｆｃ（ｋｓ）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）のうちの蒸発分（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）のうち壁面付着しないで直接燃焼室３内に流入する分（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。
【００７１】
こうして、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に際し、燃料噴射量Ｑ’の値として流入燃料量ｆｃの値が用いられる。この流入燃料量ｆｃは、燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量を補正したものにほかならない。よって、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に流入燃料量ｆｃの値を用いることにより、入力空燃比の値を実情に近いより正確な値とすることができ、パラメータの同定精度を向上することが可能になる。
【００７２】
なお、エンジン温度及び吸気温が高いほど、燃料の気化が促進されることから、燃料付着量は減少し、燃料蒸発量は増大する。従って燃料残留率Ｐ及び燃料付着率Ｒはエンジン温度（若しくは水温）及び吸気温の少なくとも一方の関数とするのが好ましい。ここで説明したような燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づく補正を「燃料ダイナミクス補正」と称することとする。
【００７３】
図６には、燃料ダイナミクス補正のない場合（破線）とある場合（実線）とでアクティブ制御中の入力空燃比ｕ（ｔ）の変化の違いを調べた試験結果である。図中円内に示されるように、燃料ダイナミクス補正のある場合はない場合に比べ、入力空燃比ｕ（ｔ）が反転された直後に入力空燃比ｕ（ｔ）の波形が若干なまされる傾向にある。
【００７４】
次に、バイアス補正部５４について説明する。このバイアス補正部５４では、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。
【００７５】
入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とは、負荷変動、学習ズレ及びセンサ値ズレ等の要因に伴い、一方に対し他方がリーン側又はリッチ側にバイアスしてしまう（ズレてしまう）場合がある。図７はこのバイアスの様子を示す試験結果である。図中、ｕ（ｔ）ｃ及びｙ（ｔ）ｃはそれぞれ入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とをローパスフィルタを通した値、もしくはそれらの移動平均を示す。触媒前センサ１７で検出される空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近となるよう制御されていることから、触媒前センサ１７の検出値である出力空燃比ｙ（ｔ）は理論空燃比を中心に変動し、そのローパスフィルタを通した値もしくは移動平均ｙ（ｔ）ｃも理論空燃比付近に保たれる。これに対し、入力空燃比ｕ（ｔ）は、前述の理由から、図示例ではリーン側にバイアスしている。
【００７６】
かかるバイアス状態で同定を行うのは好ましくないことから、バイアスを除去するような補正が行われる。具体的には、図８に示すように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とのデータがローパスフィルタを通過され、もしくは移動平均を算出し、バイアス値ｕ（ｔ）ｃ、ｙ（ｔ）ｃが逐次的に算出される。そして、逐次的に、入力空燃比ｕ（ｔ）とそのバイアス値ｕ（ｔ）ｃとの差Δｕ（ｔ）（＝ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ）ｃ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）とそのバイアス値ｙ（ｔ）ｃとの差Δｙ（ｔ）（＝ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ）ｃ）が算出され、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）がゼロ基準の値に置き換えられる。なお、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）をまとめてΔＡ／Ｆで表示する（図３（Ａ）及び図４（Ａ）においても同様）。
【００７７】
こうしてバイアスは除去され、バイアス除去後の入出力空燃比の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図９に示される如くゼロ基準の値に変更される。即ち、両者の変動の中心がゼロに合わせられ、負荷変動や学習ズレ等の影響を無くすことができる。これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を高めることができる。
【００７８】
なお、この例では入出力空燃比の両方を補正し、入出力空燃比の変動中心をゼロに合わせてバイアスを除去する方法を採用したが、これ以外の方法も採用できる。例えば、入力空燃比のみを補正し、その変動中心を出力空燃比の変動中心に合わせたり、その逆を行ったりすることができる。補正の対象は入出力空燃比の少なくともいずれか一方であればよい。
【００７９】
次に、むだ時間補正部５６について説明する。前述したように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間には輸送遅れによるむだ時間Ｌが存在する。しかしながら、正確なモデルパラメータの同定を行うためには、このむだ時間Ｌを除去するような補正を行うのが好ましい。そこでこのような補正をむだ時間補正部５６で行うこととしている。具体的には、後述の方法でむだ時間Ｌが算出され、このむだ時間Ｌ分だけ入力空燃比ｕ（ｔ）が出力空燃比ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。
【００８０】
図１０には、むだ時間補正前の入力空燃比（破線）、むだ時間補正後の入力空燃比（実線）及び出力空燃比（一点鎖線）が示される。なお入力空燃比及び出力空燃比としてバイアス補正後の値が用いられる。むだ時間Ｌだけ入力空燃比が遅らせられると、入力空燃比の振動と出力空燃比の振動とが時間差無く同期するようになり、これによりモデルパラメータの同定精度を向上させることができる。
【００８１】
むだ時間算出の第１の態様としては、エンジン運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づいて所定のマップ又は関数に従ってむだ時間を算出する方法がある。図１１にはそのようなむだ時間算出マップの一例を示す。このマップでは、エンジン回転速度Ｎｅの検出値に基づきむだ時間Ｌを算出するようになっている。
【００８２】
むだ時間算出の第２の態様として次のようなものもある。まず、アクティブ制御中の入力空燃比及び出力空燃比の分散値が次式により逐次的に求められる。
【００８３】
【数３】
【００８４】
ηは入力空燃比又は出力空燃比の値であり、ηavgはＭ回移動平均、即ち今回（ｔ）から（Ｍ−１）回前（ｔ−（Ｍ−１））までのデータの平均値である。Ｍは例えば５などとされる。入力空燃比又は出力空燃比の変化が大きいほどその分散値は大きくなる。
【００８５】
図１２はむだ時間補正に関する試験結果であり、正常センサの場合を示す。上段のグラフは、ａ：むだ時間補正前の入力空燃比、ｂ：むだ時間補正後の入力空燃比、ｃ：出力空燃比をそれぞれ示す。なおａ及びｂで示した入力空燃比は燃料ダイナミクス補正及びバイアス補正を実施した後の値であり、ｃで示した出力空燃比はバイアス補正を実施した後の値である。中段のグラフは、ｄ：ａで示したむだ時間補正前の入力空燃比の分散値、ｅ：ｃで示した出力空燃比の分散値をそれぞれ示す。下段のグラフにおいて、鋸歯状の波形ｆはむだ時間カウンタの値、高い位置にある横線ｇは後述のようにして算出されるむだ時間、低い位置にある横線ｈはむだ時間ｇを１／４になました値をそれぞれ示す。
【００８６】
図１３には図１２のａ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１３から分かるように、入力空燃比の分散値ｄ及び出力空燃比の分散値ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転するタイミングで分散値ｄ，ｅのピークｄｐ，ｅｐが生ずる。よって、これらピークの時間差（ｅｐ−ｄｐ）をむだ時間ｇとして算出する。図１２に戻って、入力空燃比の分散値ピークｄｐが発生すると、その発生時からむだ時間カウンタｆが時間のカウントを開始する。そして、出力空燃比の分散値ピークｅｐが発生した時点で、カウントが停止され、そのカウント値がむだ時間ｇとして保持される。このむだ時間ｇは入力空燃比の反転毎に更新され、且つその反転毎に、なまし後のむだ時間ｈが計算されていく。なまし後のむだ時間ｈを計算する理由はノイズの影響を除去するためである。なまし後のむだ時間ｈの値はやがて一定値付近に収束するようになる。そこで、アクティブ制御の開始時から、なまし後のむだ時間ｈがほぼ一定値に収束するようになる所定時間経過後の時点で、なまし後のむだ時間ｈが取得され、その取得された値が最終的なむだ時間Ｌとして決定される。
【００８７】
ところで、図１２及び図１３により説明した以上の算出方法は正常センサの場合であるが、これに対し、異常センサの場合だと、同様の方法を採用するのが必ずしも適切ではない。即ち、図１４及び図１５に示される如く、例えば応答遅れが生じている異常センサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとして十分大きな値を得ることができず、そのピークｅｐが現れるタイミングに関しても誤差が大きくなる。
【００８８】
そこで、出力空燃比の分散値ピークｅｐを所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１２及び図１３に示すように、その分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓより大きい場合は、前述のように、入出力空燃比の分散値ピークｄｐ，ｅｐ同士の時間差（ｅｐ−ｄｐ）を以てむだ時間ｇとする。他方、図１４及び図１５に示すように、出力空燃比の分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓ以下の場合は、入出力空燃比ａ，ｃ自体の極値ａｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ａｐ）を以てむだ時間ｇとする。これにより異常センサの場合でも正確にむだ時間を算出することができる。
【００８９】
さて、これら第１の態様及び第２の態様のいずれか一方のみを用いてむだ時間を算出し、入力空燃比のむだ時間補正を行うことができるが、以下の第３の態様では、第１の態様及び第２の態様の両方を使用してむだ時間を算出する。第３の態様では、第１の態様に従ってマップから算出された第１のむだ時間と、第２の態様に従って分散値又は極値から算出された第２のむだ時間とを比較し、両者が接近していればマップから算出された第１のむだ時間を用いる。他方、両者が隔離していれば分散値又は極値から算出された第２のむだ時間を用いると共に、その第２のむだ時間を用いてマップデータを更新する。本来、最適なむだ時間の値はマップ値から大きくずれることはないが、何等かの原因でその最適なむだ時間の値がマップ値から大きくずれる可能性もある。一方、分散値又は極値から算出された第２のむだ時間は現状を反映した実際の値といえる。よって、このようなマップ更新を行うことで不測の事態に対処可能となると共に、マップデータを常に現状に即した最適値に維持することが可能になる。
【００９０】
図１６には第３の態様の手順を概略的に示す。まずステップＳ１０１では、第１の態様に従い、図１１に示したようなマップから第１のむだ時間Ｌ１を算出する。次にステップＳ１０２では、第２の態様に従い、入出力空燃比の分散値又は極値から第２のむだ時間Ｌ２を算出する。この後、ステップＳ１０３では、これら第１及び第２のむだ時間Ｌ１，Ｌ２の差の絶対値であるむだ時間ズレ量Ｌ１２を算出し、このむだ時間ズレ量Ｌ１２を所定値Ｌ１２ｓと比較する。むだ時間ズレ量Ｌ１２が所定値Ｌ１２ｓ以下の場合、両者のズレが小さいとして、ステップＳ１０４において、マップから算出された第１のむだ時間Ｌ１を最終的なむだ時間Ｌとして決定する。
【００９１】
他方、むだ時間ズレ量Ｌ１２が所定値Ｌ１２ｓより大きい場合、両者のズレが大きいとして、ステップＳ１０５において、入出力空燃比の分散値又は極値から算出された第２のむだ時間Ｌ２を最終的なむだ時間Ｌとして決定する。そして、ステップＳ１０６において、その第２のむだ時間Ｌ２に対応するマップ中の第１のむだ時間Ｌ１を第２のむだ時間Ｌ２で置き換え、マップデータを更新する。
【００９２】
なお、前述のむだ時間補正では、入力空燃比をむだ時間分だけ遅らせて出力空燃比とタイミングを一致させる補正を行ったが、これ以外の方法も採用できる。例えば、逐次同定を行わないやり方、例えばサンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方だと、出力空燃比をむだ時間分だけ早めて入力空燃比とタイミングを一致させたり、入力空燃比を遅らせ且つ出力空燃比を早めて両者のタイミングを一致させたりすることができる。補正の対象は入出力空燃比の少なくともいずれか一方であればよい。
【００９３】
次に、上述の全ての補正を含む空燃比センサ異常診断の手順を図１７に基づいて説明する。まず、ステップＳ２０１では空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御が実行され、ステップＳ２０２では、燃料ダイナミクス補正がなされた後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値が算出され、ステップＳ２０３では、図７〜図９に示したように、入出力空燃比の間のバイアスが無くなるように入力空燃比ｕ（ｔ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。
【００９４】
続くステップＳ２０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ２０５においてむだ時間Ｌが無くなるように、バイアス補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値がむだ時間Ｌ分だけシフト補正される。次のステップＳ２０６では、ステップＳ２０５で得られたむだ時間補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）と、ステップＳ２０３で得られたバイアス補正後の出力空燃比ｙ（ｔ）との関係から、モデルパラメータである時定数Ｔとゲインｋとが同定される。そして、ステップＳ２０７において、同定されたパラメータＴ，ｋと各異常判定値（時定数異常判定値Ｔｓ、ゲイン増大異常判定値ｋｓ１及びゲイン縮小異常判定値ｋｓ２）とが比較され、空燃比センサ（触媒前センサ１７）の応答性及び出力の正常・異常が判定される。
【００９５】
以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンにも本発明は適用可能である。但し、この場合は吸気通路壁面への燃料付着を考慮する必要がないので、燃料ダイナミクス補正は省略されることとなる。前記実施形態では所謂広域空燃比センサへの適用例を示したが、本発明は、触媒後センサ１８のような、所謂Ｏ2センサにも適用可能である。このようなＯ2センサも含めて、広く、排気ガスの空燃比を検出するためのセンサを本発明にいう空燃比センサとするものとする。前記実施形態では空燃比センサの特性のうち、応答性及び出力という二つの特性の異常が診断されたが、これに限らず、一若しくは三以上の特性について異常を診断するものであってもよい。同様に、一次遅れ要素におけるパラメータとして時定数Ｔ及びゲインｋのいずれか一方のみ、或いは時定数Ｔ及びゲインｋに加えてさらに他のパラメータを使用してもよい。前記実施形態では一次遅れ要素における二つのパラメータＴ，ｋを同時に同定し、空燃比センサの二つの特性の異常を同時に判定しているが、これに限らず、少なくとも二つのパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、また、少なくとも二つの特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。
【００９６】
なお、上述の実施形態においては、ＥＣＵ２０によって同定手段、異常判定手段、むだ時間補正手段、バイアス補正手段及び燃料補正手段が構成される。
【００９７】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示すグラフである。
【図３】入力空燃比と出力空燃比との変化に対する時定数とゲインの変化を示す試験結果であり、正常センサの場合である。
【図４】入力空燃比と出力空燃比との変化に対する時定数とゲインの変化を示す試験結果であり、異常センサの場合である。
【図５】パラメータを同定するためのシステム全体のブロック図である。
【図６】燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力空燃比を比較した試験結果である。
【図７】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正前の状態である。
【図８】バイアス補正の方法を説明するための概略図である。
【図９】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正後の状態である。
【図１０】むだ時間補正前後の入力空燃比を示す試験結果である。
【図１１】むだ時間算出マップである。
【図１２】むだ時間算出の第２の態様を説明するための試験結果であり、正常センサの場合である。
【図１３】むだ時間算出方法を説明するための図１２に対応した概略図である。
【図１４】むだ時間算出の第２の態様を説明するための試験結果であり、異常センサの場合である。
【図１５】むだ時間算出方法を説明するための図１４に対応した概略図である。
【図１６】むだ時間算出の第３の態様に係るフローチャートである。
【図１７】本実施形態の空燃比センサの異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ａ／Ｆ 空燃比
ｕ（ｔ） 入力空燃比
ｙ（ｔ） 出力空燃比
Ｔ 時定数
ｋ ゲイン
Ｌ むだ時間
Ｌ１ 第１のむだ時間
Ｌ２ 第２のむだ時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
該同定手段により同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と
を備えた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】
前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする請求項２記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するむだ時間補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項６】
前記むだ時間補正手段は、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記むだ時間補正手段は、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項６記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するバイアス補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１０】
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正する燃料補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記同定手段は、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１２】
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断方法であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定するステップと、
同定されたパラメータに基づき空燃比センサの異常を判定するステップと
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１３】
前記異常判定ステップは、前記同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする請求項１２記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１４】
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする請求項１３記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１５】
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至１４いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１６】
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１７】
前記むだ時間補正ステップは、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１８】
前記むだ時間補正ステップは、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１７記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１９】
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項２０】
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至１９いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項２１】
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至２０いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項２２】
前記同定ステップは、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする請求項１２乃至２１いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
該同定手段により同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と
を備えた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】
前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする請求項２記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するむだ時間補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項６】
前記むだ時間補正手段は、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記むだ時間補正手段は、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項６記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するバイアス補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１０】
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正する燃料補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記同定手段は、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１２】
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断方法であって、
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに与えられる入力空燃比と空燃比センサから出力される出力空燃比とに基づき前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定するステップと、
同定されたパラメータに基づき空燃比センサの異常を判定するステップと
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１３】
前記異常判定ステップは、前記同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする請求項１２記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１４】
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする請求項１３記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１５】
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至１４いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１６】
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１７】
前記むだ時間補正ステップは、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値を算出し、前記出力空燃比の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力空燃比の分散値ピークと前記出力空燃比の分散値ピークとの時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１８】
前記むだ時間補正ステップは、前記出力空燃比の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１７記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項１９】
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、第１のむだ時間を算出すると共に、前記入力空燃比と前記出力空燃比との分散値ピークの時間差又は前記入力空燃比と前記出力空燃比との極値の時間差に基づき、第２のむだ時間を算出し、前記第１のむだ時間に対する前記第２のむだ時間のズレ量が所定値より大きいとき、前記第２のむだ時間を最終的なむだ時間として決定すると共に、その第２のむだ時間により前記マップのデータを更新することを含むことを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項２０】
前記入力空燃比と前記出力空燃比との間のバイアスを除去するように前記入力空燃比と前記出力空燃比との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至１９いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項２１】
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力空燃比を補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至２０いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【請求項２２】
前記同定ステップは、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする請求項１２乃至２１いずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−１７５２０２（Ｐ２００８−１７５２０２Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０９４７８（Ｐ２００７−３０９４７８）
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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