空燃比センサの異常診断装置
【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複数の一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに対する入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）に基づき複数の一次遅れ要素のパラメータを同定する。そして、この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。単なる空燃比センサの異常ではなく、空燃比センサの所定の特性の異常を判定するので、異常診断をより緻密且つ詳細に実行できる。実際の系を、単純な一次遅れよりむしろ複数の一次遅れでモデル化した方がより正確である場合に特に有効である。
【解決手段】燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を複数の一次遅れ要素によりモデル化し、空燃比センサに対する入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）に基づき複数の一次遅れ要素のパラメータを同定する。そして、この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。単なる空燃比センサの異常ではなく、空燃比センサの所定の特性の異常を判定するので、異常診断をより緻密且つ詳細に実行できる。実際の系を、単純な一次遅れよりむしろ複数の一次遅れでモデル化した方がより正確である場合に特に有効である。
【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、燃料の噴射から触媒下流の空燃比センサ出力までの系をモデル化し、このモデルの伝達関数を一次遅れ要素とむだ時間要素とで表し、このモデルにおいて逐次同定された同定パラメータ（比例定数、遅れの時定数、むだ時間）に基づいて空燃比フィードバック制御ゲインを逐次変更することが開示されている。同定されたむだ時間は触媒の劣化診断にも利用される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３５８号公報
【特許文献２】特開２００４−３６０５９１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。また、特許文献２に記載の技術は、空燃比フィードバック制御の制御ゲインの最適化を狙ったものであり、これに付随して触媒の劣化診断は行えるものの、空燃比センサの異常診断を行うことはできない。
【０００７】
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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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複数の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と空燃比センサから得られる出力とに基づき、前記複数の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。
【０００９】
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。燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を、単純な一次遅れよりもむしろ複数の一次遅れで表した方がより正確である場合があり、この場合に第１の形態は非常に有効である。
【００１０】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記異常判定手段が、前記同定手段により同定された二つの一次遅れ要素の少なくとも四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。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記少なくとも四つのパラメータが少なくとも第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とであり、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出力と応答性であることを特徴とする。
【００１３】
空燃比センサの特性のうち、出力と応答性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。
【００１４】
本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、
前記同定手段が、前記第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同時に同定することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記異常判定手段が、前記同定された第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とに基づいて、前記空燃比センサの出力と応答性の異常を同時に判定する。
【００１６】
これら第４及び第５の形態によれば、四つのパラメータの同定を同時に行うと共に、二つの異常判定を同時に行うので、同定及び異常判定を効率良く行うことができる。
【００１７】
本発明の第６の形態は、前記第３の形態において、
前記同定手段が、前記二つの一次遅れ要素における第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同定し、
前記異常判定手段が、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン増大異常判定値より大きいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン増大異常判定値より大きいとき、空燃比センサを出力増大異常と判定し、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン縮小異常判定値より小さいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン縮小異常判定値より小さいとき、空燃比センサを出力減少異常と判定し、
前記第１の時定数が所定の第１の時定数異常判定値より大きいか又は前記第２の時定数が所定の第２の時定数異常判定値より大きいとき、空燃比センサを応答性異常と判定する
ことを特徴とする。
【００１８】
二つの一次遅れ要素における第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とは、その各々に対し正常とみなせる数値範囲がある。この第６の形態によれば、四つのパラメータのいずれかが正常範囲から外れた場合に空燃比センサの出力又は応答性の異常と判定するので、より緻密に異常診断を実行することができる。
【００１９】
本発明の第７の形態は、前記第１乃至第６のいずれかの形態において、
前記系が複数の一次遅れ要素の和によりモデル化される
ことを特徴とする。
【００２０】
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系は、複数の一次遅れ要素の和によりモデル化できる場合があり、この場合に第７の形態は非常に有効である。
【００２１】
本発明の第８の形態は、前記第１乃至第７のいずれかの形態において、
前記入力から前記出力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と前記出力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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の第９の形態は、前記第８の形態において、
前記むだ時間補正手段が、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。
【００２４】
本発明の第１０の形態は、前記第８の形態において、
前記むだ時間補正手段が、前記入力と前記出力との分散値を算出し、前記出力の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力の分散値ピークと前記出力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。
【００２５】
本発明の第１１の形態は、前記第１０の形態において、
前記むだ時間補正手段が、前記出力の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力と前記出力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。
【００２６】
本発明の第１２の形態は、前記第８の形態において、
前記むだ時間補正手段が、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、前記入力と前記出力との分散値ピークの時間差又は前記入力と前記出力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。
【００２７】
本発明の第１３の形態は、前記第１乃至第１２のいずれかの形態において、
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方を補正するバイアス補正手段を備える
ことを特徴とする。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明の第１４の形態は、前記第１乃至第１３の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を補正する燃料補正手段を備えることを特徴とする。
【００３０】
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。
【００３１】
本発明の第１５の形態は、前記第１乃至第１４のいずれかの形態において、
前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段を備え、前記同定手段が、前記アクティブ制御中の前記入力と前記出力とに基づき、前記複数の一次遅れ要素におけるパラメータを同定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
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】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。なお、触媒後センサ１８は、このような空燃比フィードバック制御における空燃比ズレを補正するために設けられている。
【００４１】
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。
【００４２】
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までの系が複数の一次遅れ要素によりモデル化され、触媒前センサ１７に与えられる入力と、触媒前センサ１７から得られる出力とに基づき、複数の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。
【００４３】
入力として、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、即ち入力空燃比Ａ／Ｆｕが用いられる。以下、入力をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ａ／Ｆｕ＝Ｇａ／Ｑ）。他方、出力として、触媒前センサ１７の出力電流値から換算される空燃比、即ち出力空燃比Ａ／Ｆｙが用いられる。以下、出力をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｙ）。入力ｕ（ｔ）を触媒前センサ１７に与えたときの出力ｙ（ｔ）の出方から、複数の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。
【００４４】
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、入力ｕ（ｔ）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、目標空燃比Ａ／Ｆｔひいては入力ｕ（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、一定周期で振動させられる。そしてこれに伴って、触媒前センサ１７で検出される空燃比即ち出力ｙ（ｔ）が、入力ｕ（ｔ）の振動に追従するように振動させられる。目標空燃比Ａ／Ｆｔ及び入力ｕ（ｔ）の振動における中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされ、その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。
【００４５】
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、空燃比を通常時より敢えて大きく急激に変化させて触媒前センサ１７の異常診断を行い易くするためであり、また、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。
【００４６】
ここで、複数の一次遅れについて説明する前に、まず系が単純な一次遅れ系であると仮定して説明を行う。図２に示されるように、ステップ状の入力ｕ（ｔ）を与えたとき、出力ｙ（ｔ）の波形は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力ｕ（ｔ）から出力ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。このむだ時間Ｌは、シリンダ内の燃焼室３に存在する混合気が燃焼した時からこの燃焼に基づく排気ガスが触媒前センサ１７に到達する時までの時間差に相当する。実用上は、むだ時間Ｌの開始時点を例えば点火時又は排気弁開弁時とすることができる。もっとも、むだ時間全体に比べると点火時から排気弁開弁時までの時間は極短いので、いずれに設定しても精度上特に差し支えない。
【００４７】
ここでは仮に、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Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）によりモデル化される。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パラメータであり、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パラメータである。図２において、出力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。
【００４８】
ところで、実際には、出力ｙ（ｔ）の波形が図２に示されたような単純な一次遅れの波形ではなく、複数の一次遅れに基づく波形となることがある。即ち、系のモデル化に際して、たしかに単純な一次遅れ系に近似すると簡便ではあるが、複数の一次遅れで表した方がより正確にパラメータ同定及び異常診断を行える場合がある。こうした場合に対応して、本発明では複数の一次遅れ要素を用いてモデル化を行う。以下、複数の一次遅れ要素を用いる例として、二つの一次遅れ要素を用いる場合を挙げて説明を行う。
【００４９】
本実施形態において、二つの一次遅れ要素を用いた伝達関数Ｈ（ｓ）は次式で表される。
【００５０】
【数１】
【００５１】
即ち、伝達関数Ｈ（ｓ）は、二つの一次遅れ要素即ち第１の一次遅れ要素Ｈ1（ｓ）＝ｋ1／（１＋Ｔ1ｓ）と第２の一次遅れ要素Ｈ2（ｓ）＝ｋ2／（１＋Ｔ2ｓ）との和で表される。以下適宜、ｋ1及びｋ2を第１のゲイン及び第２のゲイン、Ｔ1及びＴ2を第１の時定数及び第２の時定数と称する。なお、一般化すると、伝達関数Ｈ（ｓ）は、第１から第ｎ（ｎ≧２）までのｎ個の一次遅れ要素Ｈ1（ｓ）、・・・Ｈn（ｓ）の和で表される。
【００５２】
本実施形態では、以下に述べるように、これらパラメータｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2が同時に逐次同定され、触媒前センサ１７の出力異常及び応答性異常が同時に判定される。よって、触媒前センサ１７の二つの特性の異常を同時に且つ個別に診断することができる。
【００５３】
これらパラメータの同定は、以下の基本アルゴリズムに従ってＥＣＵ２０によって実行される。
【００５４】
まず、式（１）は連続系で表現されているため、これをサンプリング間隔Δの離散系で表現する。式（１）に式（２）を代入して双一次変換を施し、式（３）を得る。
【００５５】
【数２】
【００５６】
【数３】
【００５７】
ここで、（ｔ）は今回のサンプル時刻、（ｔ−１）は前回のサンプル時刻、（ｔ−２）は前々回のサンプル時刻を意味する。
【００５８】
【数４】
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
このように、パラメータｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2は逐次最小自乗法により逐次同定され、これらの値はサンプリング間隔Δ毎に更新されていく。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。
【００６２】
こうして同定されたパラメータｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2に基づき、ＥＣＵ２０により次のように異常判定が実行される。まず、同定された第１の時定数Ｔ1が所定の第１の時定数異常判定値Ｔｓ1より大きいか、又は、同定された第２の時定数Ｔ2が所定の第２の時定数異常判定値Ｔｓ2より大きい場合、触媒前センサ１７は応答性異常であると判定される。他方、同定された第１の時定数Ｔ1が第１の時定数異常判定値Ｔｓ1以下であり、且つ、同定された第２の時定数Ｔ2が第２の時定数異常判定値Ｔｓ2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。
【００６３】
また、同定された第１のゲインｋ1が所定の第１のゲイン増大異常判定値Ｋｓｈ1より大きいか、又は、同定された第２のゲインｋ2が所定の第２のゲイン増大異常判定値ｋｓｈ2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る。また、同定された第１のゲインｋ1が所定の第１のゲイン縮小異常判定値Ｋｓｌ1（＜Ｋｓｈ1）より小さいか、又は、同定された第２のゲインｋ2が所定の第２のゲイン縮小異常判定値ｋｓｌ2（＜Ｋｓｈ2）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。他方、同定された第１のゲインｋ1が第１のゲイン増大異常判定値Ｋｓｈ1以下でかつ第１のゲイン縮小異常判定値Ｋｓｌ1以上であり、且つ、同定された第２のゲインｋ2が第２のゲイン増大異常判定値Ｋｓｈ2以下でかつ第２のゲイン縮小異常判定値Ｋｓｌ2以上の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常と判定される。
【００６４】
このように本実施形態に係る異常診断によれば、単に空燃比センサ自体の異常に止まらず、空燃比センサの個々の特性の異常が診断される。そして、出力及び応答性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、診断される。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。さらに、出力異常に関しては二つのゲインｋ1、ｋ2の正常・異常を個別に判定し、応答性異常については二つの時定数Ｔ1、Ｔ2の正常・異常を個別に判定するので、個々の特性異常をより細部に亘り診断できるようになり、診断精度を向上することができる。
【００６５】
図３には、ゲインｋ1、ｋ2と時定数Ｔ1、Ｔ2を逐次最小自乗法により前述の方法で逐次同定した試験結果を示す。なおこの試験は、エンジンの車載状態において車両が６０ｋｍ／ｈで定常走行している最中に行われた。図３（Ａ）はアクティブ制御によって強制振動される入力（破線）と出力（実線）を示す。なお図示される入力及び出力は後述する各補正を行った後の値である。図３（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれゲイン及び時定数の同定値の推移を示す。
【００６６】
ゲインと時定数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。本試験結果によれば、入出力データのサンプリング開始時（ｔ＝０）から５秒程度でゲインと時定数が収束している。よって実際上は、そのような収束が見られる時点、例えばサンプリング開始時から５秒後の時点を、判定時期として予め定めておき、ＥＣＵ２０により、判定時期における同定値ｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2が取得され、これら取得された同定値ｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2が前記の各異常判定値と比較され、出力及び応答性の異常判定がなされる。
【００６７】
本試験結果によれば、収束後の各同定値はｋ1が約１．２、ｋ2が約０、Ｔ1が約０．１６、Ｔ2が約０であった。つまり結果的に、単純な一次遅れの場合とほぼ変わらないという結果が得られた。しかしながら、空燃比センサの種類によってはｋ2、Ｔ2が０付近とならない可能性もあり、ｋ1、Ｔ1よりもむしろｋ2、Ｔ2の方が、センサ劣化により、正常値から外れ易い場合も想定し得る。この場合に特に本発明は有効である。ここでは二つの一次遅れの例を示したが、実際の空燃比センサの特性等に相応させて三つの一次遅れとすることも可能である。
【００６８】
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に対する種々の補正を行うこととしている。
【００６９】
図４は異常診断システムのブロック図であり、このシステムは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ｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2の同定を行うため、入力算出部（燃料補正手段）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。また、同定部５０において同定されたパラメータに基づき各異常判定を行うため、異常判定部（異常判定手段）６０も設けられている。
【００７０】
入力算出部５２では入力ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力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（即ち、入力空燃比）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ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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） ・・・（１６）
ｆｃ（ｋｓ）＝（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）＋（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（１７）
【００７４】
式（１６）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（１７）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。
【００７５】
こうして、入力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。
【００７６】
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。
【００７７】
図５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の変化の違いを調べた試験結果を示す。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、入力空燃比が反転された直後に入力空燃比の波形が若干なまされる傾向にある。
【００７８】
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ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。
【００７９】
入力ｕ（ｔ）と出力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６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ｕ（ｔ）と出力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。
【００８０】
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７に示すように、入力ｕ（ｔ）と出力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。
【００８１】
こうしてバイアスは除去され、バイアス補正後の入出力の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図８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。
【００８２】
なお、この例では入出力の両方を補正し、入出力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、入力のみを補正し、その変動中心を出力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の少なくともいずれか一方であればよい。
【００８３】
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ｕ（ｔ）と出力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ｕ（ｔ）が出力ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。
【００８４】
図９には、むだ時間補正前の入力（破線）、むだ時間補正後の入力（実線）及び出力（一点鎖線）が示される。なお入力及び出力としてバイアス補正後の値が用いられる。むだ時間Ｌだけ入力が遅らせられると、入力の振動と出力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。
【００８５】
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１０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。なおエンジン回転速度Ｎｅは、クランク角センサ１４の出力に基づきＥＣＵ２０により算出される。
【００８６】
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及び出力の分散値が次式により逐次的に求められる。
【００８７】
【数７】
【００８８】
ηは入力又は出力の値であり、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。入力又は出力の変化が大きいほどその分散値は大きくなる。
【００８９】
図１１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：燃料ダイナミクス補正の無い場合の入力、ｂ：燃料ダイナミクス補正のある場合の入力、ｃ：出力をそれぞれ示す。なおこれら入力及び出力はバイアス補正後の値である。中段のグラフは、ｄ：燃料ダイナミクス補正のある場合の入力の分散値、ｅ：出力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。
【００９０】
図１２には図１１のｂ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１２から分かるように、入力の分散値ｄ及び出力の分散値ｅは、入力ｂ及び出力ｃが反転するタイミングでピークｄｐ，ｅｐを生ずる。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１１に戻って、入力の分散値ピーク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。
【００９１】
ところで、図１１及び図１２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１３及び図１４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。
【００９２】
そこで、出力の分散値ピークｅｐを所定のしきい値ｅｐｓと比較し、その分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓより大きい場合（図１１及び図１２の場合）は、前述のように、入出力の分散値ピークｄｐ，ｅｐ同士の時間差（ｅｐ−ｄｐ）を以てむだ時間ｇとする。他方、図１３及び図１４に示すように、出力の分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓ以下の場合は、入出力ｂ，ｃ自体の極値ｂｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ｂｐ）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。
【００９３】
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、両者が乖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。
【００９４】
図１５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１０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。
【００９５】
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。
【００９６】
ところで、前述のむだ時間補正では、入力をむだ時間分だけ遅らせて出力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、出力をむだ時間分だけ早めて入力とタイミングを一致させたり、入力を遅らせ且つ出力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の少なくともいずれか一方であればよい。
【００９７】
なお、図３（Ａ）に示したのは、むだ時間補正部５６においてむだ時間補正がなされた後の入出力データである。
【００９８】
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１６に基づいて説明する。まず、ステップＳ２０１では入力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ｕ（ｔ）の値が算出され、ステップＳ２０３では、図６〜図８に示したように、入出力の間のバイアスが無くなるように入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。
【００９９】
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ｕ（ｔ）と、ステップＳ２０３で得られたバイアス補正後の出力ｙ（ｔ）とに基づき、モデルパラメータである時定数Ｔ1、Ｔ2とゲインｋ1、ｋ2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Ｔ1、Ｔ2、ｋ1、ｋ2と、各パラメータに対応する各異常判定値とが比較され、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。
【０１００】
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いうものとする。前記実施形態では空燃比センサの特性のうち、出力及び応答性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、同定される複数の一次遅れ要素のパラメータは、ゲイン及び時定数のいずれか一方のみであってもよいし、ゲイン及び時定数に加えてさらに別のパラメータを追加してもよい。前記実施形態では複数のパラメータを同時に同定し、複数の異常を同時に判定しているが、これに限らず、複数のパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、複数の異常の判定を時間差を以て行ってもよい。
【０１０１】
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】
【０１０２】
【図１】本実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】アクティブ制御時の入力と出力との変化の様子を示すグラフであり、一次遅れ系と仮定した場合である。
【図３】ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフである。
【図４】異常診断システムのブロック図である。
【図５】燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力を比較した試験結果である。
【図６】入力と出力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７】バイアス補正の方法を説明するための概略図である。
【図８】入力と出力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９】むだ時間補正前後の入力を示す試験結果である。
【図１０】むだ時間算出マップである。
【図１１】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１２】むだ時間算出方法を説明するための図１１に対応した概略図である。
【図１３】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１４】むだ時間算出方法を説明するための図１３に対応した概略図である。
【図１５】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１６】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】
【０１０３】
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
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
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５０ 同定部
５２ 入力算出部
５４ バイアス補正部
５６ むだ時間補正部
５８ アクティブ制御フラグ出力部
６０ 異常判定部
Ａ／Ｆ 空燃比
ｕ（ｔ） 入力
ｙ（ｔ） 出力
ｋ1 第１のゲイン
ｋ2 第２のゲイン
Ｔ1 第１の時定数
Ｔ2 第２の時定数
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、燃料の噴射から触媒下流の空燃比センサ出力までの系をモデル化し、このモデルの伝達関数を一次遅れ要素とむだ時間要素とで表し、このモデルにおいて逐次同定された同定パラメータ（比例定数、遅れの時定数、むだ時間）に基づいて空燃比フィードバック制御ゲインを逐次変更することが開示されている。同定されたむだ時間は触媒の劣化診断にも利用される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３５８号公報
【特許文献２】特開２００４−３６０５９１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。また、特許文献２に記載の技術は、空燃比フィードバック制御の制御ゲインの最適化を狙ったものであり、これに付随して触媒の劣化診断は行えるものの、空燃比センサの異常診断を行うことはできない。
【０００７】
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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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複数の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と空燃比センサから得られる出力とに基づき、前記複数の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。
【０００９】
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。燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を、単純な一次遅れよりもむしろ複数の一次遅れで表した方がより正確である場合があり、この場合に第１の形態は非常に有効である。
【００１０】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記異常判定手段が、前記同定手段により同定された二つの一次遅れ要素の少なくとも四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。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記少なくとも四つのパラメータが少なくとも第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とであり、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出力と応答性であることを特徴とする。
【００１３】
空燃比センサの特性のうち、出力と応答性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。
【００１４】
本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、
前記同定手段が、前記第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同時に同定することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記異常判定手段が、前記同定された第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とに基づいて、前記空燃比センサの出力と応答性の異常を同時に判定する。
【００１６】
これら第４及び第５の形態によれば、四つのパラメータの同定を同時に行うと共に、二つの異常判定を同時に行うので、同定及び異常判定を効率良く行うことができる。
【００１７】
本発明の第６の形態は、前記第３の形態において、
前記同定手段が、前記二つの一次遅れ要素における第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同定し、
前記異常判定手段が、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン増大異常判定値より大きいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン増大異常判定値より大きいとき、空燃比センサを出力増大異常と判定し、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン縮小異常判定値より小さいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン縮小異常判定値より小さいとき、空燃比センサを出力減少異常と判定し、
前記第１の時定数が所定の第１の時定数異常判定値より大きいか又は前記第２の時定数が所定の第２の時定数異常判定値より大きいとき、空燃比センサを応答性異常と判定する
ことを特徴とする。
【００１８】
二つの一次遅れ要素における第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とは、その各々に対し正常とみなせる数値範囲がある。この第６の形態によれば、四つのパラメータのいずれかが正常範囲から外れた場合に空燃比センサの出力又は応答性の異常と判定するので、より緻密に異常診断を実行することができる。
【００１９】
本発明の第７の形態は、前記第１乃至第６のいずれかの形態において、
前記系が複数の一次遅れ要素の和によりモデル化される
ことを特徴とする。
【００２０】
燃料噴射弁から空燃比センサまでの系は、複数の一次遅れ要素の和によりモデル化できる場合があり、この場合に第７の形態は非常に有効である。
【００２１】
本発明の第８の形態は、前記第１乃至第７のいずれかの形態において、
前記入力から前記出力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と前記出力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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の第９の形態は、前記第８の形態において、
前記むだ時間補正手段が、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。
【００２４】
本発明の第１０の形態は、前記第８の形態において、
前記むだ時間補正手段が、前記入力と前記出力との分散値を算出し、前記出力の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力の分散値ピークと前記出力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。
【００２５】
本発明の第１１の形態は、前記第１０の形態において、
前記むだ時間補正手段が、前記出力の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力と前記出力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。
【００２６】
本発明の第１２の形態は、前記第８の形態において、
前記むだ時間補正手段が、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、前記入力と前記出力との分散値ピークの時間差又は前記入力と前記出力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。
【００２７】
本発明の第１３の形態は、前記第１乃至第１２のいずれかの形態において、
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方を補正するバイアス補正手段を備える
ことを特徴とする。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明の第１４の形態は、前記第１乃至第１３の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を補正する燃料補正手段を備えることを特徴とする。
【００３０】
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。
【００３１】
本発明の第１５の形態は、前記第１乃至第１４のいずれかの形態において、
前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段を備え、前記同定手段が、前記アクティブ制御中の前記入力と前記出力とに基づき、前記複数の一次遅れ要素におけるパラメータを同定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
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】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。なお、触媒後センサ１８は、このような空燃比フィードバック制御における空燃比ズレを補正するために設けられている。
【００４１】
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。
【００４２】
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までの系が複数の一次遅れ要素によりモデル化され、触媒前センサ１７に与えられる入力と、触媒前センサ１７から得られる出力とに基づき、複数の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。
【００４３】
入力として、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、即ち入力空燃比Ａ／Ｆｕが用いられる。以下、入力をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ａ／Ｆｕ＝Ｇａ／Ｑ）。他方、出力として、触媒前センサ１７の出力電流値から換算される空燃比、即ち出力空燃比Ａ／Ｆｙが用いられる。以下、出力をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｙ）。入力ｕ（ｔ）を触媒前センサ１７に与えたときの出力ｙ（ｔ）の出方から、複数の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。
【００４４】
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、入力ｕ（ｔ）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、目標空燃比Ａ／Ｆｔひいては入力ｕ（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、一定周期で振動させられる。そしてこれに伴って、触媒前センサ１７で検出される空燃比即ち出力ｙ（ｔ）が、入力ｕ（ｔ）の振動に追従するように振動させられる。目標空燃比Ａ／Ｆｔ及び入力ｕ（ｔ）の振動における中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされ、その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。
【００４５】
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、空燃比を通常時より敢えて大きく急激に変化させて触媒前センサ１７の異常診断を行い易くするためであり、また、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。
【００４６】
ここで、複数の一次遅れについて説明する前に、まず系が単純な一次遅れ系であると仮定して説明を行う。図２に示されるように、ステップ状の入力ｕ（ｔ）を与えたとき、出力ｙ（ｔ）の波形は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力ｕ（ｔ）から出力ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。このむだ時間Ｌは、シリンダ内の燃焼室３に存在する混合気が燃焼した時からこの燃焼に基づく排気ガスが触媒前センサ１７に到達する時までの時間差に相当する。実用上は、むだ時間Ｌの開始時点を例えば点火時又は排気弁開弁時とすることができる。もっとも、むだ時間全体に比べると点火時から排気弁開弁時までの時間は極短いので、いずれに設定しても精度上特に差し支えない。
【００４７】
ここでは仮に、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Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）によりモデル化される。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パラメータであり、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パラメータである。図２において、出力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。
【００４８】
ところで、実際には、出力ｙ（ｔ）の波形が図２に示されたような単純な一次遅れの波形ではなく、複数の一次遅れに基づく波形となることがある。即ち、系のモデル化に際して、たしかに単純な一次遅れ系に近似すると簡便ではあるが、複数の一次遅れで表した方がより正確にパラメータ同定及び異常診断を行える場合がある。こうした場合に対応して、本発明では複数の一次遅れ要素を用いてモデル化を行う。以下、複数の一次遅れ要素を用いる例として、二つの一次遅れ要素を用いる場合を挙げて説明を行う。
【００４９】
本実施形態において、二つの一次遅れ要素を用いた伝達関数Ｈ（ｓ）は次式で表される。
【００５０】
【数１】
【００５１】
即ち、伝達関数Ｈ（ｓ）は、二つの一次遅れ要素即ち第１の一次遅れ要素Ｈ1（ｓ）＝ｋ1／（１＋Ｔ1ｓ）と第２の一次遅れ要素Ｈ2（ｓ）＝ｋ2／（１＋Ｔ2ｓ）との和で表される。以下適宜、ｋ1及びｋ2を第１のゲイン及び第２のゲイン、Ｔ1及びＴ2を第１の時定数及び第２の時定数と称する。なお、一般化すると、伝達関数Ｈ（ｓ）は、第１から第ｎ（ｎ≧２）までのｎ個の一次遅れ要素Ｈ1（ｓ）、・・・Ｈn（ｓ）の和で表される。
【００５２】
本実施形態では、以下に述べるように、これらパラメータｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2が同時に逐次同定され、触媒前センサ１７の出力異常及び応答性異常が同時に判定される。よって、触媒前センサ１７の二つの特性の異常を同時に且つ個別に診断することができる。
【００５３】
これらパラメータの同定は、以下の基本アルゴリズムに従ってＥＣＵ２０によって実行される。
【００５４】
まず、式（１）は連続系で表現されているため、これをサンプリング間隔Δの離散系で表現する。式（１）に式（２）を代入して双一次変換を施し、式（３）を得る。
【００５５】
【数２】
【００５６】
【数３】
【００５７】
ここで、（ｔ）は今回のサンプル時刻、（ｔ−１）は前回のサンプル時刻、（ｔ−２）は前々回のサンプル時刻を意味する。
【００５８】
【数４】
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
このように、パラメータｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2は逐次最小自乗法により逐次同定され、これらの値はサンプリング間隔Δ毎に更新されていく。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。
【００６２】
こうして同定されたパラメータｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2に基づき、ＥＣＵ２０により次のように異常判定が実行される。まず、同定された第１の時定数Ｔ1が所定の第１の時定数異常判定値Ｔｓ1より大きいか、又は、同定された第２の時定数Ｔ2が所定の第２の時定数異常判定値Ｔｓ2より大きい場合、触媒前センサ１７は応答性異常であると判定される。他方、同定された第１の時定数Ｔ1が第１の時定数異常判定値Ｔｓ1以下であり、且つ、同定された第２の時定数Ｔ2が第２の時定数異常判定値Ｔｓ2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。
【００６３】
また、同定された第１のゲインｋ1が所定の第１のゲイン増大異常判定値Ｋｓｈ1より大きいか、又は、同定された第２のゲインｋ2が所定の第２のゲイン増大異常判定値ｋｓｈ2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る。また、同定された第１のゲインｋ1が所定の第１のゲイン縮小異常判定値Ｋｓｌ1（＜Ｋｓｈ1）より小さいか、又は、同定された第２のゲインｋ2が所定の第２のゲイン縮小異常判定値ｋｓｌ2（＜Ｋｓｈ2）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。他方、同定された第１のゲインｋ1が第１のゲイン増大異常判定値Ｋｓｈ1以下でかつ第１のゲイン縮小異常判定値Ｋｓｌ1以上であり、且つ、同定された第２のゲインｋ2が第２のゲイン増大異常判定値Ｋｓｈ2以下でかつ第２のゲイン縮小異常判定値Ｋｓｌ2以上の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常と判定される。
【００６４】
このように本実施形態に係る異常診断によれば、単に空燃比センサ自体の異常に止まらず、空燃比センサの個々の特性の異常が診断される。そして、出力及び応答性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、診断される。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。さらに、出力異常に関しては二つのゲインｋ1、ｋ2の正常・異常を個別に判定し、応答性異常については二つの時定数Ｔ1、Ｔ2の正常・異常を個別に判定するので、個々の特性異常をより細部に亘り診断できるようになり、診断精度を向上することができる。
【００６５】
図３には、ゲインｋ1、ｋ2と時定数Ｔ1、Ｔ2を逐次最小自乗法により前述の方法で逐次同定した試験結果を示す。なおこの試験は、エンジンの車載状態において車両が６０ｋｍ／ｈで定常走行している最中に行われた。図３（Ａ）はアクティブ制御によって強制振動される入力（破線）と出力（実線）を示す。なお図示される入力及び出力は後述する各補正を行った後の値である。図３（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれゲイン及び時定数の同定値の推移を示す。
【００６６】
ゲインと時定数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。本試験結果によれば、入出力データのサンプリング開始時（ｔ＝０）から５秒程度でゲインと時定数が収束している。よって実際上は、そのような収束が見られる時点、例えばサンプリング開始時から５秒後の時点を、判定時期として予め定めておき、ＥＣＵ２０により、判定時期における同定値ｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2が取得され、これら取得された同定値ｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2が前記の各異常判定値と比較され、出力及び応答性の異常判定がなされる。
【００６７】
本試験結果によれば、収束後の各同定値はｋ1が約１．２、ｋ2が約０、Ｔ1が約０．１６、Ｔ2が約０であった。つまり結果的に、単純な一次遅れの場合とほぼ変わらないという結果が得られた。しかしながら、空燃比センサの種類によってはｋ2、Ｔ2が０付近とならない可能性もあり、ｋ1、Ｔ1よりもむしろｋ2、Ｔ2の方が、センサ劣化により、正常値から外れ易い場合も想定し得る。この場合に特に本発明は有効である。ここでは二つの一次遅れの例を示したが、実際の空燃比センサの特性等に相応させて三つの一次遅れとすることも可能である。
【００６８】
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に対する種々の補正を行うこととしている。
【００６９】
図４は異常診断システムのブロック図であり、このシステムは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ｋ1、ｋ2、Ｔ1、Ｔ2の同定を行うため、入力算出部（燃料補正手段）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。また、同定部５０において同定されたパラメータに基づき各異常判定を行うため、異常判定部（異常判定手段）６０も設けられている。
【００７０】
入力算出部５２では入力ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力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（即ち、入力空燃比）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ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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） ・・・（１６）
ｆｃ（ｋｓ）＝（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）＋（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ） ・・・（１７）
【００７４】
式（１６）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（１７）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。
【００７５】
こうして、入力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。
【００７６】
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。
【００７７】
図５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の変化の違いを調べた試験結果を示す。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、入力空燃比が反転された直後に入力空燃比の波形が若干なまされる傾向にある。
【００７８】
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ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。
【００７９】
入力ｕ（ｔ）と出力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６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ｕ（ｔ）と出力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。
【００８０】
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７に示すように、入力ｕ（ｔ）と出力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。
【００８１】
こうしてバイアスは除去され、バイアス補正後の入出力の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図８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。
【００８２】
なお、この例では入出力の両方を補正し、入出力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、入力のみを補正し、その変動中心を出力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の少なくともいずれか一方であればよい。
【００８３】
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ｕ（ｔ）と出力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ｕ（ｔ）が出力ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。
【００８４】
図９には、むだ時間補正前の入力（破線）、むだ時間補正後の入力（実線）及び出力（一点鎖線）が示される。なお入力及び出力としてバイアス補正後の値が用いられる。むだ時間Ｌだけ入力が遅らせられると、入力の振動と出力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。
【００８５】
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１０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。なおエンジン回転速度Ｎｅは、クランク角センサ１４の出力に基づきＥＣＵ２０により算出される。
【００８６】
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及び出力の分散値が次式により逐次的に求められる。
【００８７】
【数７】
【００８８】
ηは入力又は出力の値であり、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。入力又は出力の変化が大きいほどその分散値は大きくなる。
【００８９】
図１１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：燃料ダイナミクス補正の無い場合の入力、ｂ：燃料ダイナミクス補正のある場合の入力、ｃ：出力をそれぞれ示す。なおこれら入力及び出力はバイアス補正後の値である。中段のグラフは、ｄ：燃料ダイナミクス補正のある場合の入力の分散値、ｅ：出力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。
【００９０】
図１２には図１１のｂ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１２から分かるように、入力の分散値ｄ及び出力の分散値ｅは、入力ｂ及び出力ｃが反転するタイミングでピークｄｐ，ｅｐを生ずる。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１１に戻って、入力の分散値ピーク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。
【００９１】
ところで、図１１及び図１２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１３及び図１４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。
【００９２】
そこで、出力の分散値ピークｅｐを所定のしきい値ｅｐｓと比較し、その分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓより大きい場合（図１１及び図１２の場合）は、前述のように、入出力の分散値ピークｄｐ，ｅｐ同士の時間差（ｅｐ−ｄｐ）を以てむだ時間ｇとする。他方、図１３及び図１４に示すように、出力の分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓ以下の場合は、入出力ｂ，ｃ自体の極値ｂｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ｂｐ）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。
【００９３】
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、両者が乖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。
【００９４】
図１５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１０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。
【００９５】
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。
【００９６】
ところで、前述のむだ時間補正では、入力をむだ時間分だけ遅らせて出力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、出力をむだ時間分だけ早めて入力とタイミングを一致させたり、入力を遅らせ且つ出力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の少なくともいずれか一方であればよい。
【００９７】
なお、図３（Ａ）に示したのは、むだ時間補正部５６においてむだ時間補正がなされた後の入出力データである。
【００９８】
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１６に基づいて説明する。まず、ステップＳ２０１では入力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ｕ（ｔ）の値が算出され、ステップＳ２０３では、図６〜図８に示したように、入出力の間のバイアスが無くなるように入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。
【００９９】
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ｕ（ｔ）と、ステップＳ２０３で得られたバイアス補正後の出力ｙ（ｔ）とに基づき、モデルパラメータである時定数Ｔ1、Ｔ2とゲインｋ1、ｋ2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Ｔ1、Ｔ2、ｋ1、ｋ2と、各パラメータに対応する各異常判定値とが比較され、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。
【０１００】
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いうものとする。前記実施形態では空燃比センサの特性のうち、出力及び応答性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、同定される複数の一次遅れ要素のパラメータは、ゲイン及び時定数のいずれか一方のみであってもよいし、ゲイン及び時定数に加えてさらに別のパラメータを追加してもよい。前記実施形態では複数のパラメータを同時に同定し、複数の異常を同時に判定しているが、これに限らず、複数のパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、複数の異常の判定を時間差を以て行ってもよい。
【０１０１】
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】
【０１０２】
【図１】本実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】アクティブ制御時の入力と出力との変化の様子を示すグラフであり、一次遅れ系と仮定した場合である。
【図３】ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフである。
【図４】異常診断システムのブロック図である。
【図５】燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力を比較した試験結果である。
【図６】入力と出力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７】バイアス補正の方法を説明するための概略図である。
【図８】入力と出力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９】むだ時間補正前後の入力を示す試験結果である。
【図１０】むだ時間算出マップである。
【図１１】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１２】むだ時間算出方法を説明するための図１１に対応した概略図である。
【図１３】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１４】むだ時間算出方法を説明するための図１３に対応した概略図である。
【図１５】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１６】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】
【０１０３】
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
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
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５０ 同定部
５２ 入力算出部
５４ バイアス補正部
５６ むだ時間補正部
５８ アクティブ制御フラグ出力部
６０ 異常判定部
Ａ／Ｆ 空燃比
ｕ（ｔ） 入力
ｙ（ｔ） 出力
ｋ1 第１のゲイン
ｋ2 第２のゲイン
Ｔ1 第１の時定数
Ｔ2 第２の時定数
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複数の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と空燃比センサから得られる出力とに基づき、前記複数の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】
前記異常判定手段が、前記同定手段により同定された二つの一次遅れ要素の少なくとも四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】
前記少なくとも四つのパラメータが少なくとも第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とであり、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出力と応答性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】
前記同定手段が、前記第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同時に同定することを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記異常判定手段が、前記同定された第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とに基づいて、前記空燃比センサの出力と応答性の異常を同時に判定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】
前記同定手段が、前記二つの一次遅れ要素における第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同定し、
前記異常判定手段が、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン増大異常判定値より大きいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン増大異常判定値より大きいとき、空燃比センサを出力増大異常と判定し、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン縮小異常判定値より小さいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン縮小異常判定値より小さいとき、空燃比センサを出力減少異常と判定し、
前記第１の時定数が所定の第１の時定数異常判定値より大きいか又は前記第２の時定数が所定の第２の時定数異常判定値より大きいとき、空燃比センサを応答性異常と判定する
ことを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記系が複数の一次遅れ要素の和によりモデル化される
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記入力から前記出力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と前記出力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７のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記むだ時間補正手段が、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８記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記むだ時間補正手段が、前記入力と前記出力との分散値を算出し、前記出力の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力の分散値ピークと前記出力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８記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記むだ時間補正手段が、前記出力の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力と前記出力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１０記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１２】
前記むだ時間補正手段が、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、前記入力と前記出力との分散値ピークの時間差又は前記入力と前記出力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８記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１３】
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方を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１２のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１４】
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力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１３のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１５】
前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段を備え、前記同定手段が、前記アクティブ制御中の前記入力と前記出力とに基づき、前記複数の一次遅れ要素におけるパラメータを同定することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【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複数の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と空燃比センサから得られる出力とに基づき、前記複数の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】
前記異常判定手段が、前記同定手段により同定された二つの一次遅れ要素の少なくとも四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】
前記少なくとも四つのパラメータが少なくとも第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とであり、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出力と応答性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】
前記同定手段が、前記第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同時に同定することを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記異常判定手段が、前記同定された第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とに基づいて、前記空燃比センサの出力と応答性の異常を同時に判定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】
前記同定手段が、前記二つの一次遅れ要素における第１のゲイン及び第２のゲインと第１の時定数及び第２の時定数とを同定し、
前記異常判定手段が、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン増大異常判定値より大きいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン増大異常判定値より大きいとき、空燃比センサを出力増大異常と判定し、
前記第１のゲインが所定の第１のゲイン縮小異常判定値より小さいか又は前記第２のゲインが所定の第２のゲイン縮小異常判定値より小さいとき、空燃比センサを出力減少異常と判定し、
前記第１の時定数が所定の第１の時定数異常判定値より大きいか又は前記第２の時定数が所定の第２の時定数異常判定値より大きいとき、空燃比センサを応答性異常と判定する
ことを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記系が複数の一次遅れ要素の和によりモデル化される
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記入力から前記出力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と前記出力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７のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記むだ時間補正手段が、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８記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記むだ時間補正手段が、前記入力と前記出力との分散値を算出し、前記出力の分散値ピークが所定値より大きい場合、前記入力の分散値ピークと前記出力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８記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記むだ時間補正手段が、前記出力の分散値ピークが前記所定値以下の場合、前記入力と前記出力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１０記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１２】
前記むだ時間補正手段が、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、前記入力と前記出力との分散値ピークの時間差又は前記入力と前記出力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８記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１３】
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方を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１２のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１４】
燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき前記入力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１３のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項１５】
前記入力を強制的に振動させるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段を備え、前記同定手段が、前記アクティブ制御中の前記入力と前記出力とに基づき、前記複数の一次遅れ要素におけるパラメータを同定することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【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】
【公開番号】特開２００８−２６７８８３（Ｐ２００８−２６７８８３Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０８６５６（Ｐ２００７−１０８６５６）
【出願日】平成１９年４月１７日（２００７．４．１７）
【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１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１７日（２００７．４．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]