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】内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置において、燃料噴射量を増減して入力空燃比をリッチ／リーンに切り替え、このときの入力空燃比と空燃比センサからの出力空燃比に基づき、一次遅れモデルにおけるパラメータを同定する。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。空燃比センサの個々の特性の異常を好適に診断できる。同定終了タイミングを決定すべく、パラメータ同定値の収束を検出する。同定終了タイミングを適切に定めることができ、同定精度の悪化等を未然に防止できる。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置において、燃料噴射量を増減して入力空燃比をリッチ／リーンに切り替え、このときの入力空燃比と空燃比センサからの出力空燃比に基づき、一次遅れモデルにおけるパラメータを同定する。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。空燃比センサの個々の特性の異常を好適に診断できる。同定終了タイミングを決定すべく、パラメータ同定値の収束を検出する。同定終了タイミングを適切に定めることができ、同定精度の悪化等を未然に防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空燃比センサの異常診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常を診断するための装置に関する。
【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高効率で行うため、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、排気ガスの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】
例えば特許文献１には、オープンループ制御により燃料噴射量を周期的に増減し、このときの空燃比センサ出力の軌跡長に基づいて空燃比センサの異常を検出する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３５８号公報
【発明の概要】
【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を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までは判別することができない。
【０００７】
そこで本発明は、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】
本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する判定手段と、
外乱の発生を検出する外乱検出手段とを備え、
前記外乱検出手段により外乱の発生が検出されたとき、前記同定手段が前記パラメータの同定を中断する
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】
これによれば、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。ところでパラメータを逐次的に更新して同定する場合、同定の途中で負荷変動などの外乱が発生すると、外乱の影響で同定値が変動し、同定精度が低下したり同定値の収束が遅くなるなどの問題が生ずる。しかし、本発明の一形態によれば、外乱発生が検出されたときパラメータの同定を中断するので、同定値への外乱の影響を抑制し、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を抑制することができる。
【００１０】
好ましくは、前記同定手段は、所定タイミング毎にパラメータ同定値を記憶保持すると共に、前記外乱検出手段により外乱の発生が検出されなくなった後に前記パラメータの同定を再開し、この再開時、外乱発生検出直前に記憶保持してあるパラメータ同定値と等しい値からパラメータの同定を再開する。
【００１１】
こうすると、外乱の影響のない値から同定を再開することができ、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を一層抑制することができる。
【００１２】
好ましくは、前記所定タイミングが、アクティブ制御の１周期が経過するタイミングである。
【００１３】
本発明の他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する判定手段と、
前記同定手段による同定終了タイミングを決定すべく、パラメータ同定値の収束を検出する収束検出手段と
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。
【００１４】
これによっても、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。ところで、パラメータ同定値が収束しているにも拘わらず同定を継続させてしまうと、その継続中に外乱が発生した場合に同定値が変動し、同定精度が悪化するなどの問題がある。この他の形態によれば、同定終了タイミングを決定すべくパラメータ同定値の収束を検出するので、収束検出時点を同定終了タイミングとして決定し、同定終了タイミングを適切に定めることができる。そして同定精度の悪化等を未然に防止することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、前記収束検出手段が、所定時間当たりの前記パラメータ同定値の変動量が所定値より小さくなった時点で前記パラメータの収束を検出し、前記同定手段が、当該時点で前記パラメータの同定を終了する。
【００１６】
好ましくは、前記異常診断装置は、前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出するむだ時間算出手段を備え、
前記判定手段は、前記むだ時間算出手段により算出されたむだ時間に基づきむだ時間の正常・異常をも判定可能であり、
前記判定手段は、前記むだ時間を正常と判定した場合に前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する。
【００１７】
むだ時間が異常だとパラメータの同定を正確に行えなくなり、不正確なパラメータ同定値に基づいてセンサ特性の正常・異常を判定すると、誤った判定結果を生じる可能性がある。この好ましい形態によれば、むだ時間を正常と判定した場合にセンサ特性の正常・異常を判定するので、異常なむだ時間を前提とする同定精度の悪化や診断精度の悪化を未然に防止することができる。
【００１８】
好ましくは、前記一次遅れ要素におけるパラメータがゲインと時定数からなり、前記空燃比センサの所定の特性が前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とからなり、
前記判定手段は、前記出力と前記応答性の正常・異常を判定する際、まず前記応答性の正常・異常を判定し、前記応答性を正常と判定した場合に前記出力の正常・異常を判定する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、空燃比センサの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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】アクティブ制御時における入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を概略的に示す図である。
【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り、正常センサの場合である。
【図４】ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフであり、異常センサの場合である。
【図５】異常診断システム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】むだ時間算出方法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】むだ時間算出方法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】空燃比センサ異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図１６】第１の態様における各値の推移を示すタイムチャートである。
【図１７】第１の態様に係る異常診断処理のフローチャートである。
【図１８】同定時における各値の推移を示すタイムチャートであり、正常センサの場合である。
【図１９】同定時における各値の推移を示すタイムチャートであり、異常センサの場合である。
【図２０】外乱がパラメータ同定値に与える影響を示すグラフである。
【図２１】正常センサとむだ時間異常センサの出力空燃比の波形を示すグラフである。
【図２２】正常センサと応答性異常センサの出力空燃比の波形を示すグラフである。
【図２３】第２の態様に係る異常診断処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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Ｅは、シリンダブロック１に形成された燃焼室２の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室２内でピストン３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Ｅ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。但し、内燃機関の形式、種類、用途等は特に限定されない。
【００２３】
内燃機関Ｅ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２内の混合気に点火するための点火プラグ４が気筒ごとに取り付けられている。
【００２４】
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５に接続されている。サージタンク５の上流側には吸気集合通路をなす吸気管６が接続されており、吸気管６の上流端にはエアクリーナ７が設けられている。そして吸気管６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８と、電子制御式スロットルバルブ９とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク５及び吸気管６により吸気通路が形成される。
【００２５】
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）１０が気筒ごとに配設される。インジェクタ１０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２に吸入され、ピストン３で圧縮され、点火プラグ４で点火燃焼させられる。
【００２６】
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１１に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管１１により排気通路が形成される。排気管１１には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１２，１３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１４，１５、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１４，１５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１４，１５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１４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１５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。
【００２７】
上述の点火プラグ４、スロットルバルブ９及びインジェクタ１０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８、触媒前センサ１４、触媒後センサ１５のほか、内燃機関Ｅのクランク角を検出するクランク角センサ１６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１７、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４、スロットルバルブ９、インジェクタ１０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。
【００２８】
触媒１２，１３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１２，１３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２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１４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１０を通電（オン）する。この結果、触媒１２，１３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１２，１３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１４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ないし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１５は、このような空燃比フィードバック制御における中心空燃比のズレを補正するために設けられている。
【００２９】
［空燃比センサ異常診断の基本的内容］
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１４である。
【００３０】
当該異常診断においては、インジェクタ１０から触媒前センサ１４までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、このモデルに対する入力と、触媒前センサ１４の出力とに基づき、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１４の所定の特性の異常が判定される。
【００３１】
入力として、インジェクタ１０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８の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑ、即ち入力空燃比が用いられる。以下、入力ないし入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。他方、触媒前センサ１４の出力としては、出力空燃比、即ち触媒前センサ１４の出力電圧Ｖｒから換算される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが用いられる。以下、出力ないし出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆ）。入力空燃比ｕ（ｔ）をモデル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１４の所定の特性の異常が判定される。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態では、パラメータ同定の際に、オープン制御に近い方法で入力空燃比ｕ（ｔ）を強制的に振動させるアクティブ制御（同定用アクティブ制御）が実行される。このアクティブ制御では、入力空燃比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交互に同一振幅で切り替えられ、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。
【００３３】
この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。また入力空燃比ｕ（ｔ）を敢えて大きく変化させたときの方がセンサの各特性（特に出力及び応答性）の良し悪しを好適に診断できるからである。
【００３４】
図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はほぼ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。このむだ時間Ｌは、インジェクタ１０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１４に到達するまでの時間差に相当する。
【００３５】
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１４のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１４の時定数を表す。ゲインｋは、触媒前センサ１４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１４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１４が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１４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１４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。
【００３６】
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。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
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。
【００４０】
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１４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１４は応答性に関して正常と判定される。
【００４１】
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１４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１４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１４は出力に関して正常であると判定される。
【００４２】
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緻密で且つ好適なものを実現することが可能となる。
【００４３】
図３及び図４は、正常な触媒前センサ１４の場合と異常な触媒前センサ１４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１４の場合、図４が異常な触媒前センサ１４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。
【００４４】
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（判定タイミング）ｔ１で、同定が終了されると共に時定数Ｔとゲインｋとの値が取得され、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。
【００４５】
異常な触媒前センサ１４として、正常な触媒前センサ１４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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）３０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３１、バイアス補正部３２及びむだ時間補正部（むだ時間補正手段）３３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３４も設けられている。
【００４８】
入力算出部３１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１０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８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。
【００４９】
インジェクタ１０から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室２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２に入らない。そこで、インジェクタ１０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２に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。
【００５０】
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２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２に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。
【００５１】
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２に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。
【００５２】
【数１】
【００５３】
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２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２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。
【００５４】
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１０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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
次に、バイアス補正部３２で行われるバイアス補正について説明する。このバイアス補正部３２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）との両方がシフトされる。
【００５８】
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１４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１４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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
次に、むだ時間補正部３３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３３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、この算出されたむだ時間Ｌに基づいて入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）の少なくとも一方が補正される。特に本実施形態の場合、算出されたむだ時間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。
【００６３】
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。
【００６４】
以下、むだ時間の算出方法を説明する。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σが次式（２３）により逐次的に求められる。
【００６５】
【数２】
【００６６】
ηは入力空燃比又は出力空燃比を意味し、ηａｖｇは入力空燃比又は出力空燃比の今回（ｔ）時点における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。
【００６７】
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：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。
【００６８】
図１２には図１１のａ，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、入力空燃比及び出力空燃比の分散値ｄ，ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転を開始するタイミングに合わせて瞬時的に立ち上がる。よってむだ時間の算出開始タイミングを、例えば入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングとし、むだ時間の算出終了タイミングを、出力空燃比の分散値ｅが所定のしきい値ｅｐｓを超えたタイミングとし、これらタイミング同士の時間差をむだ時間ｇとして算出する。図１１を参照して、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ｅがしきい値ｅｐｓを超えた時点で、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。
【００６９】
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、ある程度劣化したセンサの場合だと、同様の方法を採用するのが困難な場合もある。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センサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとしてしきい値ｅｐｓを超えるような十分大きな値を得ることができず、むだ時間の算出が行えない。
【００７０】
そこで、出力空燃比ｅの分散値を所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１１及び図１２に示すように、その分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えた場合は、前述のようにその超えた時点と、入力空燃比の分散値ピークｄｐが現れた時点との時間差を以てむだ時間ｇとする。他方、図１３及び図１４に示すように、出力空燃比の分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えない場合は、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。これにより劣化した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。
【００７１】
こ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。
【００７２】
また、むだ時間算出の開始タイミングは、前述の如き、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングに限られない。そもそも、入力空燃比ａ（具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔ）の切り替えないし反転はＥＣＵ自身が行うので、そのタイミングはＥＣＵ自身が把握している。また、目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えから実際の燃料噴射量が切り替えられるまでのタイムラグは無視し得る程度である。よってＥＣＵ２０が入力空燃比ａを切り替えた時点、具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔを切り替えた時点或いは燃料噴射量を切り替えた時点を、むだ時間算出の開始タイミングとすることが可能である。ちなみに、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れるタイミングは、燃料噴射量が切り替えられるタイミングに一致している。
【００７３】
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１５に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１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Ｓ１０２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Ｓ１０３では、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。
【００７４】
続くステップＳ１０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ１０５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Ｓ１０６では、ステップＳ１０５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Ｓ１０３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Ｓ１０７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１４）の応答性及び出力の正常・異常が判定される。
【００７５】
なお、上述の異常診断については種々の変形例が考えられる。例えば、燃料を燃焼室２に直接噴射する直噴式エンジンの場合、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。上記診断は所謂広域空燃比センサへの適用例であったが、触媒後センサ１５のような所謂Ｏ２センサへの適用例も可能である。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。上記診断では一次遅れ要素Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）の二つのパラメータｋ，Ｔを同定し、それぞれに対応する二つの特性（出力及び応答性）の異常を診断したが、例えば、一若しくは三以上のパラメータを同定し、一若しくは三以上の特性について異常を診断してもよい。例えば、一次遅れ要素としてむだ時間を含むもの、即ち
【００７６】
【数３】
【００７７】
を設定し、三つのパラメータｋ，Ｔ，Ｌを同時に同定し、それぞれに対応する三つの特性（出力、応答性及びむだ時間）の異常を同時に診断してもよい。なお、各パラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、各特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。
【００７８】
ところで、パラメータｋ，Ｔを上記の如く逐次的に更新して同定する場合、同定の途中で負荷変動などの外乱が発生すると、外乱の影響で同定値が変動してしまい、同定精度が低下したり同定値の収束が遅くなるなどの問題が生ずる。そこでこの問題を解決するため、以下に挙げるような各態様を実施する。
【００７９】
［第１の態様：外乱発生時の同定中断］
前述の基本態様だと、同定途中で外乱が発生してもそのまま同定が続行されるため、パラメータ同定値が真の値から外れた時点で同定が終了し、誤った同定値を得たり誤った正常・異常判定結果を生じたりする虞があった。また、パラメータが外乱の影響でずれてから真の値に復帰するまでに時間が掛かり、その収束が遅れるという問題があった。
【００８０】
そこで、この第１の態様では、外乱の発生が検出されたときにはパラメータの同定を中断する。これにより同定値への外乱の影響を抑制し、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を抑制することができる。
【００８１】
以下、具体例について説明する。図１６には第１の態様における各値の推移を示す。（Ａ）はアクティブ制御中の入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）を示す（但し入力空燃比ｕ（ｔ）はむだ時間補正されていない）。（Ｂ）は同定禁止フラグのオンオフ状態を示す。同定禁止フラグは、ＥＣＵ２０により外乱発生が検出されたとき、具体的には外乱発生とみなせるような後述の条件が成立したときにオンされるＥＣＵ２０内のフラグである。この意味でＥＣＵ２０は外乱検出手段を構成している。（Ｃ）はアクティブ周期カウンタの値を示す。アクティブ周期カウンタは、アクティブ制御の１周期が経過する度に１ずつ繰り上がるＥＣＵ２０内のカウンタである。アクティブ制御の１周期とは、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比及びリーン空燃比の一方から他方に切り替えられた時から、次に同方向に切り替えられた時までの期間をいう。なおその半分の、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比及びリーン空燃比の一方から他方に切り替えられた時から、次に他方から一方に切り替えられた時までの期間をアクティブ制御の半周期という。
【００８２】
（Ｄ）は同定値算出回数カウンタの値を示す。同定値算出回数カウンタ、詳しくは後述するが、パラメータｋ、Ｔの同定値が記憶保持される度に１ずつ繰り上がるＥＣＵ２０内のカウンタである。（Ｅ）は、入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられたときに同定される時定数（ＬＲ時定数という）ＴＬＲの値を示し、（Ｆ）は、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられたときに同定される時定数（ＲＬ時定数という）ＴＲＬの値を示す。即ちここでは、入力空燃比ｕ（ｔ）の半周期毎にＬＲ時定数とＲＬ時定数とが交互に逐次更新される。なお、図示しないが、ゲインｋも同様に同定され逐次更新されることとなる。
【００８３】
図示するように、時刻ｔ０でアクティブ制御が開始されると、アクティブ制御の最初の１周期或いは１回目の間は同定が行われず、所謂捨て山とされる。こうする理由はアクティブ制御開始直後は各値が不安定だからである。最初の１周期を終えて時刻ｔ１において２周期目が開始されると、パラメータｋ、Ｔの同定が開始され、アクティブ周期カウンタが１つ繰り上がる。２周期目開始時刻ｔ１からむだ時間Ｌ１の算出が開始されるが、むだ時間Ｌ１が経過するまでの間は同定が実質的に行われず、むだ時間Ｌ１の算出が終了した時刻ｔ２から同定が実質的に開始される。図示例では時刻ｔ１で入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられているので、まずＬＲ時定数の同定、逐次更新が行われる。
【００８４】
次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられると（時刻ｔ３）、ＬＲ時定数がその時の値に保持され、他方、むだ時間Ｌ２経過後の時刻ｔ４から、ＲＬ時定数の同定、逐次更新が行われる。
【００８５】
次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた時（時刻ｔ５）、即ちアクティブ制御の２周期目を終え３周期目が開始した時、図中白丸１で示すように、その時点でのＬＲ時定数（ＴＬＲ１）とＲＬ時定数（ＴＲＬ１）との値がＥＣＵ２０のメモリに記憶保持される。また同時に、同定値算出回数カウンタが１つ繰り上がり、アクティブ周期カウンタも１つ繰り上がる。なお、このような同定値の記憶保持は前述の基本態様では行われていない。
【００８６】
次に時刻ｔ６で再びＬＲ時定数の同定が開始されるが、図示例では円内に示すように、負荷変動等の外乱の影響でＬＲ時定数の値が大きく変動している。この外乱は時刻ｔ７において検出されており、これと同時に同定禁止フラグがオンされる。
【００８７】
同定禁止フラグがオンされると、以降、ＬＲ時定数の同定が中断され、ＬＲ時定数は同定禁止フラグオンの時点の値に維持される。つまり同定禁止フラグオンの間は、ＬＲ時定数の同定も、ＲＬ時定数の同定も中断され、両時定数は同定禁止フラグオンの時点の値に維持される。
【００８８】
図示例では、次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた時刻ｔ８で、同定禁止フラグオフとなっている。こうなると、その直後のアクティブ制御の１周期或いは１回が、各値の安定を待つための捨て山とされ、同定中断状態が維持される。そして次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた時刻ｔ９で、同定中断が解除され、同定が再開される。
【００８９】
この再開時、それまで維持されてきた同定禁止フラグオン時点の値は破棄され、図中黒丸１’で示すように、同定禁止フラグオン直前に記憶保持したＬＲ時定数ＴＬＲ１及びＲＬ時定数ＴＲＬ１と等しい値から、同定が再開される。即ち、時刻ｔ９からむだ時間Ｌ３経過後の時刻ｔ１０を開始時期として、まずＬＲ時定数が、ＴＬＲ１と等しいＴＬＲ１’から同定再開され、この後、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられ（時刻ｔ１１）、むだ時間Ｌ４が経過した時刻ｔ１２を開始時期として、ＲＬ時定数が、ＴＲＬ１と等しいＴＲＬ１’から同定再開される。なお、アクティブ周期カウンタは同定禁止フラグがオンとなったときにイニシャライズされて同定再開時からカウントが再開される。他方、同定値算出回数カウンタは同定禁止フラグオンとなってもイニシャライズされず、そのカウント値が保持される。
【００９０】
こうして再開後１周期を経過した時刻ｔ１３で、ＬＲ時定数ＴＬＲ２とＲＬ時定数ＴＲＬ２とが記憶保持される。こうして、同定禁止フラグがオンにならない限り、ＬＲ時定数とＲＬ時定数とは、図中白丸３，４で示すように１周期毎に記憶保持されながら、逐次更新されていく。
【００９１】
一方、同定精度を悪化させるような外乱の発生が検出され、同定禁止フラグがオンとなるのは、例えば、次の条件（１）〜（４）の少なくとも一つが成立したときである。なお、条件（１）〜（４）の全てが非成立のときには同定禁止フラグはオフである。
（１）エアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａが、所定値Ｇａ１より小さいか又は所定値Ｇａ２より大きい（但しＧａ１＜Ｇａ２）。
（２）所定時間当たりの吸入空気量の変動量ΔＧａが所定値ΔＧａｓより大きい。
（３）クランク角センサ１６の検出値に基づき算出された機関回転速度Ｎｅが、所定値Ｎｅ１より小さいか又は所定値Ｎｅ２より大きい（但しＮｅ１＜Ｎｅ２）。
（４）パージ率が所定値より大きい。
【００９２】
なお、条件（４）に関して補足説明すると、本実施形態の内燃機関には図示省略するが、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸気通路に吸入（パージ）させるためのパージ手段が備えられている。このパージ手段は蒸発燃料を吸着するキャニスタと、キャニスタからパージさせるパージガスの流量を制御するパージ制御弁とを有している。パージ率とは、吸入空気量Ｇａに対するパージガス流量の比率をパーセントで表した値である。パージ率が大きいと入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン側にずれる傾向にあるので、条件（４）も同定禁止フラグをオンする条件に含めている。
【００９３】
また、次の条件（５）及び（６）の少なくとも一つが成立したときには、条件成立時からアクティブ制御の所定周期を終えるまでの間、同定禁止フラグがオンされる。
（５）パージが開始又は終了した。
（６）内燃機関の運転状態が、学習値の学習完了領域と学習未完了領域との間で移行した。
【００９４】
条件（５）及び（６）のいずれも、入力空燃比ｕ（ｔ）のズレを発生させる原因となり得るので、条件（５）及び（６）の少なくとも一つが成立したときには、同定禁止フラグを所定時間オンするようにしている。ここで条件（６）について、アクティブ制御中には、中心空燃比（ストイキ）に相当する燃料噴射量（中心噴射量という）を所定の学習値に基づいて算出し、この中心噴射量に基づいてアクティブ制御中の燃料噴射量を算出してインジェクタから噴射させるようにしている。学習値は、複数に分割された内燃機関の運転領域毎に学習されるものであるが、例えば新車出荷やバッテリ交換からまだある程度の時間が経過していないときなどには、学習完了領域と学習未完了領域とが混在する場合があり、これら領域間で運転状態が移行すると、アクティブ制御中の燃料噴射量ひいては入力空燃比ｕ（ｔ）がずれることがある。よって、これら領域間で運転状態が移行したときには、同定禁止フラグを所定時間オンするようにしている。
【００９５】
図１７は、第１の態様を実施するような異常診断処理のフローチャートである。図示するフローチャートは所定のサンプリング間隔毎にＥＣＵ２０により繰り返し実行される。
【００９６】
まずステップＳ２０１では、現トリップ中での正常・異常判定が未完了であるか否かが判断される。すなわち本実施形態では１トリップ当たりに１回、触媒前センサ１４の正常・異常判定を行うようにしており、ここでは現トリップ中において既に正常・異常判定を行ったか否かを実質的に判断している。なおトリップとは内燃機関の１回の始動から停止までの期間をいう。
【００９７】
判断結果がノーの場合にはステップＳ２０７に進み、他方、イエスの場合にはステップＳ２０２において、アクティブ制御の実行条件が成立したか否かが判断される。例えば、図示しない水温センサの検出値が所定値以上であり、触媒前後のセンサ１４，１５が活性済みであり、且つ触媒１１が活性済みの場合に実行条件成立となる。
【００９８】
判断結果がノーの場合にはステップＳ２０７に進み、他方、イエスの場合にはステップＳ２０３においてアクティブ制御が実行或いは開始される。
【００９９】
次にステップＳ２０４において、同定禁止フラグがオフで且つアクティブ制御の１周期が終了したか否かが判断される。同定禁止フラグのオンオフは、ＥＣＵ２０により前述の条件（１）〜（６）に基づいて別ルーチンでなされる。ここでいうアクティブ制御の１周期は、前述の捨て山に対応するものである。
【０１００】
判断結果がノーの場合にはステップＳ２０７に進み、他方、イエスの場合には、ステップＳ２０５においてむだ時間算出処理が実施され、ステップＳ２０６においてパラメータ（ゲインｋ、時定数Ｔ）の同定処理が実施される。
【０１０１】
次に、ステップＳ２０７において、同定値算出回数が所定値Ｎ以上となったか否か、具体的には同定値算出回数カウンタの値が所定値Ｎ以上となったか否かが判断される。Ｎは例えば５とされる。
【０１０２】
判断結果がノーの場合には終了され、他方、イエスの場合には、ステップＳ２０８において、最終的なパラメータ同定値に基づき触媒前センサ１４の各特性（出力、応答性）の正常・異常が判定される。
【０１０３】
当該処理によれば、現トリップ中での判定が未完了で且つアクティブ制御実行条件が成立すると、アクティブ制御が開始される。アクティブ制御の最初の１周期ではステップＳ２０４の判断結果がノーであるから、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが実施されず、また同定値算出回数もＮより小さい０であるから、正常・異常判定も実施されない。アクティブ制御のみが実施される。アクティブ制御の２周期目が開始されると、ステップＳ２０４の判断結果がイエスであるから、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが実施され、また同定値算出回数がＮ以上に達しなければ、アクティブ制御とむだ時間算出及びパラメータ同定が継続実施される。そしてアクティブ制御の１周期毎に、同定されたパラメータの値が記憶保持される。
【０１０４】
この途中で、同定禁止フラグがオンになると、ステップＳ２０４の判断結果がノーとなり、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが中断される。但しアクティブ制御は継続される。そして同定禁止フラグがオフになると、その後の１周期即ち捨て山を終えた後、ステップＳ２０４の判断結果がイエスとなり、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが再開される。
【０１０５】
こうして、同定値算出回数がＮに達すると、同定終了となり、最終的なパラメータ同定値に基づいて触媒前センサ１４の各特性の正常・異常が判定される。
【０１０６】
なお、図１６の図示例で示したように、ＬＲ時定数とＲＬ時定数とを個別に同定する場合には、各々の最終的な同定値を、各々に対応した異常判定値と比較して、リッチ方向の応答性とリーン方向の応答性との正常・異常を個別に判定することができる。或いは、各々の最終的な同定値の平均値を異常判定値と比較して時定数の正常・異常を判定することができる。
【０１０７】
このように、当該第１の態様によれば、外乱発生が検出されたときパラメータの同定を中断するので、同定値への外乱の影響を抑制し、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を抑制することができる。特に、所定タイミング（具体的にはアクティブ制御の１周期が経過するタイミング）毎に、パラメータ同定値を記憶保持すると共に、同定中断後の再開時に、外乱発生検出直前に記憶保持してある値と等しい値からパラメータの同定を再開するので、外乱の影響のない値から同定を再開することができ、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を一層抑制することができる。
【０１０８】
［第２の態様：パラメータ同定値の収束検出］
次に、外乱影響抑制のための第２の態様を説明する。基本態様で述べたとおり、同定パラメータ（ゲインｋ、時定数Ｔ）は、同定が進むにつれて逐次的に更新され、徐々に一定値に収束していく。そして、パラメータの同定値が収束するまでにはある程度の時間（データ数）が必要であるため、同定開始から所定時間経過後（データ更新後）に、同定を終了し、その終了時点での同定値に基づいて正常・異常判定をしている。
【０１０９】
ここで、正常センサよりも異常センサの方が同定値が収束するまでに時間（データ数）が必要であるため、基本態様においては、同定開始から終了までの間の所定時間が異常センサに相応しい一定値として設定されている。
【０１１０】
しかしこうすると、正常センサの場合に、既に同定値が収束しているにも拘わらず同定が継続されてしまい、その間に外乱等の影響を受けて同定値が変動し、同定精度が悪化したり、誤って異常と判定してしまうなどの問題があった。
【０１１１】
図１８及び図１９には同定時に於ける各値の推移を示し、図１８は正常センサの場合、図１９は異常センサ（応答性異常が発生しているセンサ）の場合である。両図中、（Ａ）は入力空燃比と出力空燃比を示し、（Ｂ）はゲインｋを示し、（Ｃ）は時定数Ｔを示す。ここでゲインｋ及び時定数Ｔについては、入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられたときの値と、リッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられたときの値とが個別に示される。
【０１１２】
両図から分かるように、正常センサの場合も異常センサの場合も、アクティブ制御及び同定は同一時間実施され、その終了タイミング即ち正常・異常判定タイミングも同じである。これに対し、実際のパラメータ収束タイミングは異なり、正常センサの場合の方が異常センサの場合より早い。
【０１１３】
図２０には、外乱がパラメータ同定値に与える影響を示している。パラメータである時定数Ｔの同定値は既に収束していたが、図中枠内に示されるように、吸入空気量の突然の変化による外乱が入ったことにより、同定値が大きく変動している。
【０１１４】
そこで上記の問題を解決するため、この第２の態様では、同定終了タイミングを決定すべくパラメータ同定値の収束を検出する。このようにパラメータ同定値の収束を検出すれば、収束検出時点を同定終了タイミングとして決定し、正常センサと異常センサひいては劣化度の異なるセンサについて同定終了タイミングを適切に定めることができ、正常センサについては早いタイミング、異常センサについては遅いタイミングとすることができる。そして、特に正常センサの場合に、パラメータ同定値が収束しているにも拘わらず同定が続行され、その続行中に外乱が発生して同定値が変動するのを防止することができる。これにより、同定精度の悪化や誤判定を未然に防止することが可能となる。
【０１１５】
具体的には、所定時間当たりのパラメータ同定値の変動量が逐次的に算出され、この同定値変動量が所定値より小さくなった時点で同定値の収束が検出される。そして、この時点でパラメータの同定が終了される。所定時間はサンプリング間隔Δの倍数とするのが好ましく、例えばΔ、２Δ若しくは３Δなどとすることができる。好ましくは、ゲインｋと時定数Ｔとの変動量を個別に検出するのが好ましく、また、ゲインｋの変動量が所定値より小さく且つ時定数Ｔの変動量が所定値より小さくなった時点で、同定値が収束したことを検出するのが好ましい。さらに、入力空燃比ｕ（ｔ）のリーン空燃比からリッチ空燃比への切替時とその逆への切替時とでゲインｋと時定数Ｔを個別に同定する場合には、両ゲインの変動量が所定値より小さく且つ両時定数の変動量が所定値より小さくなった時点で、同定値が収束したことを検出するのが好ましい。
【０１１６】
ところで、本実施形態ではむだ時間Ｌを算出し、入力空燃比切替後、むだ時間Ｌが経過した後の出力空燃比のデータを用いてゲインｋと時定数Ｔの同定を行っている。しかしこのとき、むだ時間Ｌが異常である場合にはゲインｋと時定数Ｔの同定を正確に行えなくなる可能性があり、センサに応答性異常が生じている場合にはゲインｋの同定を正確に行えなくなる可能性がある。
【０１１７】
これを図２１及び図２２を用いて説明する。まず図２１によりむだ時間異常の場合を説明すると、むだ時間異常センサの場合、正常センサの場合と比較して、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対する出力空燃比ｙ（ｔ）の応答開始タイミングが遅れている。一方、出力空燃比ｙ（ｔ）のデータを用いる期間は、入力空燃比切替後、むだ時間Ｌが経過した時から、次の入力空燃比切替時までの期間（正常センサの場合をＥで示す）である。ここで、むだ時間Ｌは学習されているが、これが正しく学習されていないと、むだ時間異常センサの場合に、例えば図中αで示されるような出力空燃比ｙ（ｔ）の応答開始前のデータが同定に使用されてしまう。これにより、むだ時間異常の場合にゲインｋと時定数Ｔの同定を正確に行えなくなる可能性がある。
【０１１８】
また、図２２により応答性異常の場合を説明すると、応答性異常センサ１，２の場合、正常センサの場合と比較して、出力空燃比ｙ（ｔ）の立ち下がり及び立ち上がりが遅れており、また重度の応答性異常センサ２の場合は軽度の応答性異常センサ１の場合より出力空燃比ｙ（ｔ）の立ち下がり及び立ち上がりが遅れている。ここで、応答性異常センサ２のように、応答性があまりに遅くなっていると、出力空燃比ｙ（ｔ）が期間Ｅの間で収束しきれなくなり、ゲインｋの同定を正確に行えなくなる可能性がある。
【０１１９】
そこで、この第２の態様では、先のパラメータ同定値の収束検出等に加えて、むだ時間、応答性及び出力の正常・異常判定を優先順位を付して行う。この場合、むだ時間を第１優先とし、その他の特性即ち応答性及び出力を第２優先とするのが好ましい。本実施形態における優先順位は１．むだ時間、２．応答性、３．出力である。
【０１２０】
まずむだ時間の正常・異常を判定し、むだ時間を正常と判定した場合に応答性の正常・異常を判定する。そして応答性を正常と判定した場合に出力の正常・異常を判定する。こうすることにより、ある特性が異常である場合にこれに起因して他の特性を誤って異常と判定してしまうことを未然に防止できる。
【０１２１】
図２３は、第２の態様を実施するような異常診断処理のフローチャートである。図示するフローチャートは所定のサンプリング間隔毎にＥＣＵ２０により繰り返し実行される。
【０１２２】
ステップＳ３０１〜Ｓ３０６は前記ステップＳ２０１〜Ｓ２０６と同様である。ステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３０４のいずれかの判断結果がノーのとき、ステップＳ３０８に進む。
【０１２３】
ステップＳ３０７では、所定時間当たりのパラメータ同定値の変動量が算出される。次いでステップＳ３０８では、前記ステップＳ２０７の如く、同定値算出回数が所定値Ｎ以上となったか否かが判断される。またこれに加え、ステップＳ３０７で算出されたパラメータ同定値の変動量が所定値より小さいか否かが判断される。同定値算出回数が所定値Ｎ以上となっているか、またはパラメータ同定値の変動量が所定値より小さい場合には、ステップＳ３０９に進み、それ以外の場合には終了される。これにより、同定値算出回数が所定値Ｎに達する前でも、パラメータ同定値の変動量が所定値より小さくなった場合即ちパラメータ同定値が収束したことが検出された場合には、その時点で同定処理が終了され、ステップＳ３０９〜Ｓ３１３の正常・異常判定処理に移行する。またかかる収束がない場合には、同定値算出回数が所定値Ｎに達した時点で同定処理が終了され、ステップＳ３０９〜Ｓ３１３の正常・異常判定処理に移行する。
【０１２４】
ステップＳ３０９ではまず、最終的に算出されたむだ時間Ｌの正常・異常が判定される。即ち、このむだ時間Ｌが所定のむだ時間異常判定値Ｌｓと比較され、Ｌ≦Ｌｓならむだ時間正常、Ｌ＞Ｌｓならむだ時間異常と判定される。なお、通常むだ時間は異常時に正常時より長くなるので、むだ時間が過剰に長期化した場合のみむだ時間異常と判定している。しかしながら、これに加えて、むだ時間が過剰に短期化した場合にむだ時間異常と判定してもよい。
【０１２５】
続くステップＳ３１０では、ステップＳ３０９での判定結果が正常か否かが判断され、異常であれば終了され、診断自体が終了される。むだ時間が異常である場合には同定されたゲイン及び時定数が正確でない可能性があるため、これらの正常・異常判定は行われない。
【０１２６】
他方、むだ時間が正常であればステップＳ３１１に進んで、最終的に同定された時定数Ｔに基づき、応答性の正常・異常が判定される。即ち、前述の如く、時定数Ｔが所定の時定数異常判定値Ｔｓと比較され、Ｔ≦Ｔｓなら応答性正常、Ｔ＞Ｔｓなら応答性異常と判定される。
【０１２７】
続くステップＳ３１２では、ステップＳ３１１での判定結果が正常か否かが判断され、異常であれば終了され、診断自体が終了される。応答性が異常である場合には同定されたゲインが正確でない可能性があるため、ゲインに対する出力の正常・異常判定は行われない。
【０１２８】
他方、応答性が正常であればステップＳ３１３に進んで、最終的に同定されたゲインｋに基づき、出力の正常・異常が判定される。即ち、前述の如く、ゲインｋが所定のゲイン増大異常判定値ｋｓ１及びゲイン縮小異常判定値ｋｓ２（＜ｋｓ１）と比較され、Ｋｓ２≦ｋ≦ｋｓ１なら出力正常、ｋ＞ｋｓ１又はｋ＜ｋｓ２なら出力異常と判定される。以上で診断処理が終了される。
【０１２９】
なお、この優先順位を付した正常・異常判定は、それ自体、診断精度を高め且つ誤診断を防止するのに有効である。このため、第２の態様と組み合わせることなく単独で発明を構成し得る。そこで、次のような発明（イ）、（ロ）が把握される。
（イ） 内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出するむだ時間算出手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定すると共に、前記むだ時間算出手段により算出されたむだ時間に基づきむだ時間の正常・異常を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、前記むだ時間を正常と判定した場合に前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
（ロ） 前記一次遅れ要素におけるパラメータがゲインと時定数からなり、前記空燃比センサの所定の特性が前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とからなり、
前記判定手段は、前記出力と前記応答性の正常・異常を判定する際、まず前記応答性の正常・異常を判定し、前記応答性を正常と判定した場合に前記出力の正常・異常を判定する
ことを特徴とする（イ）に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【０１３０】
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、前記実施形態では一次遅れモデルにおける同定手法として逐次最小自乗法を用いたが、他にも様々な同定手法が採用可能であり、例えばカルマンフィルタ法等が採用可能である。
【０１３１】
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。
【符号の説明】
【０１３２】
Ｅ 内燃機関
２ 燃焼室
１０ インジェクタ
１１ 排気管
１２ 上流触媒
１４ 触媒前センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ｕ（ｔ） 入力空燃比
ｙ（ｔ） 出力空燃比
ｋ ゲイン
Ｔ 時定数
Ｌ むだ時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は空燃比センサの異常診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常を診断するための装置に関する。
【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高効率で行うため、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、排気ガスの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】
例えば特許文献１には、オープンループ制御により燃料噴射量を周期的に増減し、このときの空燃比センサ出力の軌跡長に基づいて空燃比センサの異常を検出する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３５８号公報
【発明の概要】
【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を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までは判別することができない。
【０００７】
そこで本発明は、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】
本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する判定手段と、
外乱の発生を検出する外乱検出手段とを備え、
前記外乱検出手段により外乱の発生が検出されたとき、前記同定手段が前記パラメータの同定を中断する
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】
これによれば、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。ところでパラメータを逐次的に更新して同定する場合、同定の途中で負荷変動などの外乱が発生すると、外乱の影響で同定値が変動し、同定精度が低下したり同定値の収束が遅くなるなどの問題が生ずる。しかし、本発明の一形態によれば、外乱発生が検出されたときパラメータの同定を中断するので、同定値への外乱の影響を抑制し、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を抑制することができる。
【００１０】
好ましくは、前記同定手段は、所定タイミング毎にパラメータ同定値を記憶保持すると共に、前記外乱検出手段により外乱の発生が検出されなくなった後に前記パラメータの同定を再開し、この再開時、外乱発生検出直前に記憶保持してあるパラメータ同定値と等しい値からパラメータの同定を再開する。
【００１１】
こうすると、外乱の影響のない値から同定を再開することができ、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を一層抑制することができる。
【００１２】
好ましくは、前記所定タイミングが、アクティブ制御の１周期が経過するタイミングである。
【００１３】
本発明の他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する判定手段と、
前記同定手段による同定終了タイミングを決定すべく、パラメータ同定値の収束を検出する収束検出手段と
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。
【００１４】
これによっても、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。ところで、パラメータ同定値が収束しているにも拘わらず同定を継続させてしまうと、その継続中に外乱が発生した場合に同定値が変動し、同定精度が悪化するなどの問題がある。この他の形態によれば、同定終了タイミングを決定すべくパラメータ同定値の収束を検出するので、収束検出時点を同定終了タイミングとして決定し、同定終了タイミングを適切に定めることができる。そして同定精度の悪化等を未然に防止することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、前記収束検出手段が、所定時間当たりの前記パラメータ同定値の変動量が所定値より小さくなった時点で前記パラメータの収束を検出し、前記同定手段が、当該時点で前記パラメータの同定を終了する。
【００１６】
好ましくは、前記異常診断装置は、前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出するむだ時間算出手段を備え、
前記判定手段は、前記むだ時間算出手段により算出されたむだ時間に基づきむだ時間の正常・異常をも判定可能であり、
前記判定手段は、前記むだ時間を正常と判定した場合に前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する。
【００１７】
むだ時間が異常だとパラメータの同定を正確に行えなくなり、不正確なパラメータ同定値に基づいてセンサ特性の正常・異常を判定すると、誤った判定結果を生じる可能性がある。この好ましい形態によれば、むだ時間を正常と判定した場合にセンサ特性の正常・異常を判定するので、異常なむだ時間を前提とする同定精度の悪化や診断精度の悪化を未然に防止することができる。
【００１８】
好ましくは、前記一次遅れ要素におけるパラメータがゲインと時定数からなり、前記空燃比センサの所定の特性が前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とからなり、
前記判定手段は、前記出力と前記応答性の正常・異常を判定する際、まず前記応答性の正常・異常を判定し、前記応答性を正常と判定した場合に前記出力の正常・異常を判定する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、空燃比センサの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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】アクティブ制御時における入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を概略的に示す図である。
【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り、正常センサの場合である。
【図４】ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフであり、異常センサの場合である。
【図５】異常診断システム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】むだ時間算出方法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】むだ時間算出方法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】空燃比センサ異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図１６】第１の態様における各値の推移を示すタイムチャートである。
【図１７】第１の態様に係る異常診断処理のフローチャートである。
【図１８】同定時における各値の推移を示すタイムチャートであり、正常センサの場合である。
【図１９】同定時における各値の推移を示すタイムチャートであり、異常センサの場合である。
【図２０】外乱がパラメータ同定値に与える影響を示すグラフである。
【図２１】正常センサとむだ時間異常センサの出力空燃比の波形を示すグラフである。
【図２２】正常センサと応答性異常センサの出力空燃比の波形を示すグラフである。
【図２３】第２の態様に係る異常診断処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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Ｅは、シリンダブロック１に形成された燃焼室２の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室２内でピストン３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Ｅ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。但し、内燃機関の形式、種類、用途等は特に限定されない。
【００２３】
内燃機関Ｅ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２内の混合気に点火するための点火プラグ４が気筒ごとに取り付けられている。
【００２４】
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５に接続されている。サージタンク５の上流側には吸気集合通路をなす吸気管６が接続されており、吸気管６の上流端にはエアクリーナ７が設けられている。そして吸気管６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８と、電子制御式スロットルバルブ９とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク５及び吸気管６により吸気通路が形成される。
【００２５】
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）１０が気筒ごとに配設される。インジェクタ１０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２に吸入され、ピストン３で圧縮され、点火プラグ４で点火燃焼させられる。
【００２６】
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１１に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管１１により排気通路が形成される。排気管１１には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１２，１３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１４，１５、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１４，１５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１４，１５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１４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１５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。
【００２７】
上述の点火プラグ４、スロットルバルブ９及びインジェクタ１０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８、触媒前センサ１４、触媒後センサ１５のほか、内燃機関Ｅのクランク角を検出するクランク角センサ１６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１７、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４、スロットルバルブ９、インジェクタ１０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。
【００２８】
触媒１２，１３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１２，１３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２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１４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１０を通電（オン）する。この結果、触媒１２，１３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１２，１３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１４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ないし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１５は、このような空燃比フィードバック制御における中心空燃比のズレを補正するために設けられている。
【００２９】
［空燃比センサ異常診断の基本的内容］
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１４である。
【００３０】
当該異常診断においては、インジェクタ１０から触媒前センサ１４までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、このモデルに対する入力と、触媒前センサ１４の出力とに基づき、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１４の所定の特性の異常が判定される。
【００３１】
入力として、インジェクタ１０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８の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑ、即ち入力空燃比が用いられる。以下、入力ないし入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。他方、触媒前センサ１４の出力としては、出力空燃比、即ち触媒前センサ１４の出力電圧Ｖｒから換算される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが用いられる。以下、出力ないし出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆ）。入力空燃比ｕ（ｔ）をモデル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１４の所定の特性の異常が判定される。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態では、パラメータ同定の際に、オープン制御に近い方法で入力空燃比ｕ（ｔ）を強制的に振動させるアクティブ制御（同定用アクティブ制御）が実行される。このアクティブ制御では、入力空燃比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交互に同一振幅で切り替えられ、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。
【００３３】
この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。また入力空燃比ｕ（ｔ）を敢えて大きく変化させたときの方がセンサの各特性（特に出力及び応答性）の良し悪しを好適に診断できるからである。
【００３４】
図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はほぼ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。このむだ時間Ｌは、インジェクタ１０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１４に到達するまでの時間差に相当する。
【００３５】
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１４のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１４の時定数を表す。ゲインｋは、触媒前センサ１４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１４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１４が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１４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１４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。
【００３６】
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。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
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。
【００４０】
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１４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１４は応答性に関して正常と判定される。
【００４１】
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１４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１４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１４は出力に関して正常であると判定される。
【００４２】
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緻密で且つ好適なものを実現することが可能となる。
【００４３】
図３及び図４は、正常な触媒前センサ１４の場合と異常な触媒前センサ１４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１４の場合、図４が異常な触媒前センサ１４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。
【００４４】
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（判定タイミング）ｔ１で、同定が終了されると共に時定数Ｔとゲインｋとの値が取得され、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。
【００４５】
異常な触媒前センサ１４として、正常な触媒前センサ１４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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）３０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３１、バイアス補正部３２及びむだ時間補正部（むだ時間補正手段）３３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３４も設けられている。
【００４８】
入力算出部３１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１０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８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。
【００４９】
インジェクタ１０から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室２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２に入らない。そこで、インジェクタ１０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２に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。
【００５０】
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２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２に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。
【００５１】
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２に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。
【００５２】
【数１】
【００５３】
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２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２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。
【００５４】
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１０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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
次に、バイアス補正部３２で行われるバイアス補正について説明する。このバイアス補正部３２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）との両方がシフトされる。
【００５８】
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１４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１４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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
次に、むだ時間補正部３３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３３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、この算出されたむだ時間Ｌに基づいて入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）の少なくとも一方が補正される。特に本実施形態の場合、算出されたむだ時間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。
【００６３】
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。
【００６４】
以下、むだ時間の算出方法を説明する。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σが次式（２３）により逐次的に求められる。
【００６５】
【数２】
【００６６】
ηは入力空燃比又は出力空燃比を意味し、ηａｖｇは入力空燃比又は出力空燃比の今回（ｔ）時点における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。
【００６７】
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：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。
【００６８】
図１２には図１１のａ，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、入力空燃比及び出力空燃比の分散値ｄ，ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転を開始するタイミングに合わせて瞬時的に立ち上がる。よってむだ時間の算出開始タイミングを、例えば入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングとし、むだ時間の算出終了タイミングを、出力空燃比の分散値ｅが所定のしきい値ｅｐｓを超えたタイミングとし、これらタイミング同士の時間差をむだ時間ｇとして算出する。図１１を参照して、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ｅがしきい値ｅｐｓを超えた時点で、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。
【００６９】
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、ある程度劣化したセンサの場合だと、同様の方法を採用するのが困難な場合もある。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センサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとしてしきい値ｅｐｓを超えるような十分大きな値を得ることができず、むだ時間の算出が行えない。
【００７０】
そこで、出力空燃比ｅの分散値を所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１１及び図１２に示すように、その分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えた場合は、前述のようにその超えた時点と、入力空燃比の分散値ピークｄｐが現れた時点との時間差を以てむだ時間ｇとする。他方、図１３及び図１４に示すように、出力空燃比の分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えない場合は、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。これにより劣化した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。
【００７１】
こ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。
【００７２】
また、むだ時間算出の開始タイミングは、前述の如き、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングに限られない。そもそも、入力空燃比ａ（具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔ）の切り替えないし反転はＥＣＵ自身が行うので、そのタイミングはＥＣＵ自身が把握している。また、目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えから実際の燃料噴射量が切り替えられるまでのタイムラグは無視し得る程度である。よってＥＣＵ２０が入力空燃比ａを切り替えた時点、具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔを切り替えた時点或いは燃料噴射量を切り替えた時点を、むだ時間算出の開始タイミングとすることが可能である。ちなみに、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れるタイミングは、燃料噴射量が切り替えられるタイミングに一致している。
【００７３】
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１５に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１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Ｓ１０２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Ｓ１０３では、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。
【００７４】
続くステップＳ１０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ１０５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Ｓ１０６では、ステップＳ１０５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Ｓ１０３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Ｓ１０７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１４）の応答性及び出力の正常・異常が判定される。
【００７５】
なお、上述の異常診断については種々の変形例が考えられる。例えば、燃料を燃焼室２に直接噴射する直噴式エンジンの場合、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。上記診断は所謂広域空燃比センサへの適用例であったが、触媒後センサ１５のような所謂Ｏ２センサへの適用例も可能である。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。上記診断では一次遅れ要素Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）の二つのパラメータｋ，Ｔを同定し、それぞれに対応する二つの特性（出力及び応答性）の異常を診断したが、例えば、一若しくは三以上のパラメータを同定し、一若しくは三以上の特性について異常を診断してもよい。例えば、一次遅れ要素としてむだ時間を含むもの、即ち
【００７６】
【数３】
【００７７】
を設定し、三つのパラメータｋ，Ｔ，Ｌを同時に同定し、それぞれに対応する三つの特性（出力、応答性及びむだ時間）の異常を同時に診断してもよい。なお、各パラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、各特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。
【００７８】
ところで、パラメータｋ，Ｔを上記の如く逐次的に更新して同定する場合、同定の途中で負荷変動などの外乱が発生すると、外乱の影響で同定値が変動してしまい、同定精度が低下したり同定値の収束が遅くなるなどの問題が生ずる。そこでこの問題を解決するため、以下に挙げるような各態様を実施する。
【００７９】
［第１の態様：外乱発生時の同定中断］
前述の基本態様だと、同定途中で外乱が発生してもそのまま同定が続行されるため、パラメータ同定値が真の値から外れた時点で同定が終了し、誤った同定値を得たり誤った正常・異常判定結果を生じたりする虞があった。また、パラメータが外乱の影響でずれてから真の値に復帰するまでに時間が掛かり、その収束が遅れるという問題があった。
【００８０】
そこで、この第１の態様では、外乱の発生が検出されたときにはパラメータの同定を中断する。これにより同定値への外乱の影響を抑制し、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を抑制することができる。
【００８１】
以下、具体例について説明する。図１６には第１の態様における各値の推移を示す。（Ａ）はアクティブ制御中の入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）を示す（但し入力空燃比ｕ（ｔ）はむだ時間補正されていない）。（Ｂ）は同定禁止フラグのオンオフ状態を示す。同定禁止フラグは、ＥＣＵ２０により外乱発生が検出されたとき、具体的には外乱発生とみなせるような後述の条件が成立したときにオンされるＥＣＵ２０内のフラグである。この意味でＥＣＵ２０は外乱検出手段を構成している。（Ｃ）はアクティブ周期カウンタの値を示す。アクティブ周期カウンタは、アクティブ制御の１周期が経過する度に１ずつ繰り上がるＥＣＵ２０内のカウンタである。アクティブ制御の１周期とは、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比及びリーン空燃比の一方から他方に切り替えられた時から、次に同方向に切り替えられた時までの期間をいう。なおその半分の、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比及びリーン空燃比の一方から他方に切り替えられた時から、次に他方から一方に切り替えられた時までの期間をアクティブ制御の半周期という。
【００８２】
（Ｄ）は同定値算出回数カウンタの値を示す。同定値算出回数カウンタ、詳しくは後述するが、パラメータｋ、Ｔの同定値が記憶保持される度に１ずつ繰り上がるＥＣＵ２０内のカウンタである。（Ｅ）は、入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられたときに同定される時定数（ＬＲ時定数という）ＴＬＲの値を示し、（Ｆ）は、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられたときに同定される時定数（ＲＬ時定数という）ＴＲＬの値を示す。即ちここでは、入力空燃比ｕ（ｔ）の半周期毎にＬＲ時定数とＲＬ時定数とが交互に逐次更新される。なお、図示しないが、ゲインｋも同様に同定され逐次更新されることとなる。
【００８３】
図示するように、時刻ｔ０でアクティブ制御が開始されると、アクティブ制御の最初の１周期或いは１回目の間は同定が行われず、所謂捨て山とされる。こうする理由はアクティブ制御開始直後は各値が不安定だからである。最初の１周期を終えて時刻ｔ１において２周期目が開始されると、パラメータｋ、Ｔの同定が開始され、アクティブ周期カウンタが１つ繰り上がる。２周期目開始時刻ｔ１からむだ時間Ｌ１の算出が開始されるが、むだ時間Ｌ１が経過するまでの間は同定が実質的に行われず、むだ時間Ｌ１の算出が終了した時刻ｔ２から同定が実質的に開始される。図示例では時刻ｔ１で入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられているので、まずＬＲ時定数の同定、逐次更新が行われる。
【００８４】
次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられると（時刻ｔ３）、ＬＲ時定数がその時の値に保持され、他方、むだ時間Ｌ２経過後の時刻ｔ４から、ＲＬ時定数の同定、逐次更新が行われる。
【００８５】
次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた時（時刻ｔ５）、即ちアクティブ制御の２周期目を終え３周期目が開始した時、図中白丸１で示すように、その時点でのＬＲ時定数（ＴＬＲ１）とＲＬ時定数（ＴＲＬ１）との値がＥＣＵ２０のメモリに記憶保持される。また同時に、同定値算出回数カウンタが１つ繰り上がり、アクティブ周期カウンタも１つ繰り上がる。なお、このような同定値の記憶保持は前述の基本態様では行われていない。
【００８６】
次に時刻ｔ６で再びＬＲ時定数の同定が開始されるが、図示例では円内に示すように、負荷変動等の外乱の影響でＬＲ時定数の値が大きく変動している。この外乱は時刻ｔ７において検出されており、これと同時に同定禁止フラグがオンされる。
【００８７】
同定禁止フラグがオンされると、以降、ＬＲ時定数の同定が中断され、ＬＲ時定数は同定禁止フラグオンの時点の値に維持される。つまり同定禁止フラグオンの間は、ＬＲ時定数の同定も、ＲＬ時定数の同定も中断され、両時定数は同定禁止フラグオンの時点の値に維持される。
【００８８】
図示例では、次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた時刻ｔ８で、同定禁止フラグオフとなっている。こうなると、その直後のアクティブ制御の１周期或いは１回が、各値の安定を待つための捨て山とされ、同定中断状態が維持される。そして次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられた時刻ｔ９で、同定中断が解除され、同定が再開される。
【００８９】
この再開時、それまで維持されてきた同定禁止フラグオン時点の値は破棄され、図中黒丸１’で示すように、同定禁止フラグオン直前に記憶保持したＬＲ時定数ＴＬＲ１及びＲＬ時定数ＴＲＬ１と等しい値から、同定が再開される。即ち、時刻ｔ９からむだ時間Ｌ３経過後の時刻ｔ１０を開始時期として、まずＬＲ時定数が、ＴＬＲ１と等しいＴＬＲ１’から同定再開され、この後、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられ（時刻ｔ１１）、むだ時間Ｌ４が経過した時刻ｔ１２を開始時期として、ＲＬ時定数が、ＴＲＬ１と等しいＴＲＬ１’から同定再開される。なお、アクティブ周期カウンタは同定禁止フラグがオンとなったときにイニシャライズされて同定再開時からカウントが再開される。他方、同定値算出回数カウンタは同定禁止フラグオンとなってもイニシャライズされず、そのカウント値が保持される。
【００９０】
こうして再開後１周期を経過した時刻ｔ１３で、ＬＲ時定数ＴＬＲ２とＲＬ時定数ＴＲＬ２とが記憶保持される。こうして、同定禁止フラグがオンにならない限り、ＬＲ時定数とＲＬ時定数とは、図中白丸３，４で示すように１周期毎に記憶保持されながら、逐次更新されていく。
【００９１】
一方、同定精度を悪化させるような外乱の発生が検出され、同定禁止フラグがオンとなるのは、例えば、次の条件（１）〜（４）の少なくとも一つが成立したときである。なお、条件（１）〜（４）の全てが非成立のときには同定禁止フラグはオフである。
（１）エアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａが、所定値Ｇａ１より小さいか又は所定値Ｇａ２より大きい（但しＧａ１＜Ｇａ２）。
（２）所定時間当たりの吸入空気量の変動量ΔＧａが所定値ΔＧａｓより大きい。
（３）クランク角センサ１６の検出値に基づき算出された機関回転速度Ｎｅが、所定値Ｎｅ１より小さいか又は所定値Ｎｅ２より大きい（但しＮｅ１＜Ｎｅ２）。
（４）パージ率が所定値より大きい。
【００９２】
なお、条件（４）に関して補足説明すると、本実施形態の内燃機関には図示省略するが、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸気通路に吸入（パージ）させるためのパージ手段が備えられている。このパージ手段は蒸発燃料を吸着するキャニスタと、キャニスタからパージさせるパージガスの流量を制御するパージ制御弁とを有している。パージ率とは、吸入空気量Ｇａに対するパージガス流量の比率をパーセントで表した値である。パージ率が大きいと入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン側にずれる傾向にあるので、条件（４）も同定禁止フラグをオンする条件に含めている。
【００９３】
また、次の条件（５）及び（６）の少なくとも一つが成立したときには、条件成立時からアクティブ制御の所定周期を終えるまでの間、同定禁止フラグがオンされる。
（５）パージが開始又は終了した。
（６）内燃機関の運転状態が、学習値の学習完了領域と学習未完了領域との間で移行した。
【００９４】
条件（５）及び（６）のいずれも、入力空燃比ｕ（ｔ）のズレを発生させる原因となり得るので、条件（５）及び（６）の少なくとも一つが成立したときには、同定禁止フラグを所定時間オンするようにしている。ここで条件（６）について、アクティブ制御中には、中心空燃比（ストイキ）に相当する燃料噴射量（中心噴射量という）を所定の学習値に基づいて算出し、この中心噴射量に基づいてアクティブ制御中の燃料噴射量を算出してインジェクタから噴射させるようにしている。学習値は、複数に分割された内燃機関の運転領域毎に学習されるものであるが、例えば新車出荷やバッテリ交換からまだある程度の時間が経過していないときなどには、学習完了領域と学習未完了領域とが混在する場合があり、これら領域間で運転状態が移行すると、アクティブ制御中の燃料噴射量ひいては入力空燃比ｕ（ｔ）がずれることがある。よって、これら領域間で運転状態が移行したときには、同定禁止フラグを所定時間オンするようにしている。
【００９５】
図１７は、第１の態様を実施するような異常診断処理のフローチャートである。図示するフローチャートは所定のサンプリング間隔毎にＥＣＵ２０により繰り返し実行される。
【００９６】
まずステップＳ２０１では、現トリップ中での正常・異常判定が未完了であるか否かが判断される。すなわち本実施形態では１トリップ当たりに１回、触媒前センサ１４の正常・異常判定を行うようにしており、ここでは現トリップ中において既に正常・異常判定を行ったか否かを実質的に判断している。なおトリップとは内燃機関の１回の始動から停止までの期間をいう。
【００９７】
判断結果がノーの場合にはステップＳ２０７に進み、他方、イエスの場合にはステップＳ２０２において、アクティブ制御の実行条件が成立したか否かが判断される。例えば、図示しない水温センサの検出値が所定値以上であり、触媒前後のセンサ１４，１５が活性済みであり、且つ触媒１１が活性済みの場合に実行条件成立となる。
【００９８】
判断結果がノーの場合にはステップＳ２０７に進み、他方、イエスの場合にはステップＳ２０３においてアクティブ制御が実行或いは開始される。
【００９９】
次にステップＳ２０４において、同定禁止フラグがオフで且つアクティブ制御の１周期が終了したか否かが判断される。同定禁止フラグのオンオフは、ＥＣＵ２０により前述の条件（１）〜（６）に基づいて別ルーチンでなされる。ここでいうアクティブ制御の１周期は、前述の捨て山に対応するものである。
【０１００】
判断結果がノーの場合にはステップＳ２０７に進み、他方、イエスの場合には、ステップＳ２０５においてむだ時間算出処理が実施され、ステップＳ２０６においてパラメータ（ゲインｋ、時定数Ｔ）の同定処理が実施される。
【０１０１】
次に、ステップＳ２０７において、同定値算出回数が所定値Ｎ以上となったか否か、具体的には同定値算出回数カウンタの値が所定値Ｎ以上となったか否かが判断される。Ｎは例えば５とされる。
【０１０２】
判断結果がノーの場合には終了され、他方、イエスの場合には、ステップＳ２０８において、最終的なパラメータ同定値に基づき触媒前センサ１４の各特性（出力、応答性）の正常・異常が判定される。
【０１０３】
当該処理によれば、現トリップ中での判定が未完了で且つアクティブ制御実行条件が成立すると、アクティブ制御が開始される。アクティブ制御の最初の１周期ではステップＳ２０４の判断結果がノーであるから、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが実施されず、また同定値算出回数もＮより小さい０であるから、正常・異常判定も実施されない。アクティブ制御のみが実施される。アクティブ制御の２周期目が開始されると、ステップＳ２０４の判断結果がイエスであるから、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが実施され、また同定値算出回数がＮ以上に達しなければ、アクティブ制御とむだ時間算出及びパラメータ同定が継続実施される。そしてアクティブ制御の１周期毎に、同定されたパラメータの値が記憶保持される。
【０１０４】
この途中で、同定禁止フラグがオンになると、ステップＳ２０４の判断結果がノーとなり、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが中断される。但しアクティブ制御は継続される。そして同定禁止フラグがオフになると、その後の１周期即ち捨て山を終えた後、ステップＳ２０４の判断結果がイエスとなり、むだ時間算出処理とパラメータ同定処理とが再開される。
【０１０５】
こうして、同定値算出回数がＮに達すると、同定終了となり、最終的なパラメータ同定値に基づいて触媒前センサ１４の各特性の正常・異常が判定される。
【０１０６】
なお、図１６の図示例で示したように、ＬＲ時定数とＲＬ時定数とを個別に同定する場合には、各々の最終的な同定値を、各々に対応した異常判定値と比較して、リッチ方向の応答性とリーン方向の応答性との正常・異常を個別に判定することができる。或いは、各々の最終的な同定値の平均値を異常判定値と比較して時定数の正常・異常を判定することができる。
【０１０７】
このように、当該第１の態様によれば、外乱発生が検出されたときパラメータの同定を中断するので、同定値への外乱の影響を抑制し、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を抑制することができる。特に、所定タイミング（具体的にはアクティブ制御の１周期が経過するタイミング）毎に、パラメータ同定値を記憶保持すると共に、同定中断後の再開時に、外乱発生検出直前に記憶保持してある値と等しい値からパラメータの同定を再開するので、外乱の影響のない値から同定を再開することができ、外乱による同定精度の低下や同定値の収束遅延を一層抑制することができる。
【０１０８】
［第２の態様：パラメータ同定値の収束検出］
次に、外乱影響抑制のための第２の態様を説明する。基本態様で述べたとおり、同定パラメータ（ゲインｋ、時定数Ｔ）は、同定が進むにつれて逐次的に更新され、徐々に一定値に収束していく。そして、パラメータの同定値が収束するまでにはある程度の時間（データ数）が必要であるため、同定開始から所定時間経過後（データ更新後）に、同定を終了し、その終了時点での同定値に基づいて正常・異常判定をしている。
【０１０９】
ここで、正常センサよりも異常センサの方が同定値が収束するまでに時間（データ数）が必要であるため、基本態様においては、同定開始から終了までの間の所定時間が異常センサに相応しい一定値として設定されている。
【０１１０】
しかしこうすると、正常センサの場合に、既に同定値が収束しているにも拘わらず同定が継続されてしまい、その間に外乱等の影響を受けて同定値が変動し、同定精度が悪化したり、誤って異常と判定してしまうなどの問題があった。
【０１１１】
図１８及び図１９には同定時に於ける各値の推移を示し、図１８は正常センサの場合、図１９は異常センサ（応答性異常が発生しているセンサ）の場合である。両図中、（Ａ）は入力空燃比と出力空燃比を示し、（Ｂ）はゲインｋを示し、（Ｃ）は時定数Ｔを示す。ここでゲインｋ及び時定数Ｔについては、入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられたときの値と、リッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられたときの値とが個別に示される。
【０１１２】
両図から分かるように、正常センサの場合も異常センサの場合も、アクティブ制御及び同定は同一時間実施され、その終了タイミング即ち正常・異常判定タイミングも同じである。これに対し、実際のパラメータ収束タイミングは異なり、正常センサの場合の方が異常センサの場合より早い。
【０１１３】
図２０には、外乱がパラメータ同定値に与える影響を示している。パラメータである時定数Ｔの同定値は既に収束していたが、図中枠内に示されるように、吸入空気量の突然の変化による外乱が入ったことにより、同定値が大きく変動している。
【０１１４】
そこで上記の問題を解決するため、この第２の態様では、同定終了タイミングを決定すべくパラメータ同定値の収束を検出する。このようにパラメータ同定値の収束を検出すれば、収束検出時点を同定終了タイミングとして決定し、正常センサと異常センサひいては劣化度の異なるセンサについて同定終了タイミングを適切に定めることができ、正常センサについては早いタイミング、異常センサについては遅いタイミングとすることができる。そして、特に正常センサの場合に、パラメータ同定値が収束しているにも拘わらず同定が続行され、その続行中に外乱が発生して同定値が変動するのを防止することができる。これにより、同定精度の悪化や誤判定を未然に防止することが可能となる。
【０１１５】
具体的には、所定時間当たりのパラメータ同定値の変動量が逐次的に算出され、この同定値変動量が所定値より小さくなった時点で同定値の収束が検出される。そして、この時点でパラメータの同定が終了される。所定時間はサンプリング間隔Δの倍数とするのが好ましく、例えばΔ、２Δ若しくは３Δなどとすることができる。好ましくは、ゲインｋと時定数Ｔとの変動量を個別に検出するのが好ましく、また、ゲインｋの変動量が所定値より小さく且つ時定数Ｔの変動量が所定値より小さくなった時点で、同定値が収束したことを検出するのが好ましい。さらに、入力空燃比ｕ（ｔ）のリーン空燃比からリッチ空燃比への切替時とその逆への切替時とでゲインｋと時定数Ｔを個別に同定する場合には、両ゲインの変動量が所定値より小さく且つ両時定数の変動量が所定値より小さくなった時点で、同定値が収束したことを検出するのが好ましい。
【０１１６】
ところで、本実施形態ではむだ時間Ｌを算出し、入力空燃比切替後、むだ時間Ｌが経過した後の出力空燃比のデータを用いてゲインｋと時定数Ｔの同定を行っている。しかしこのとき、むだ時間Ｌが異常である場合にはゲインｋと時定数Ｔの同定を正確に行えなくなる可能性があり、センサに応答性異常が生じている場合にはゲインｋの同定を正確に行えなくなる可能性がある。
【０１１７】
これを図２１及び図２２を用いて説明する。まず図２１によりむだ時間異常の場合を説明すると、むだ時間異常センサの場合、正常センサの場合と比較して、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対する出力空燃比ｙ（ｔ）の応答開始タイミングが遅れている。一方、出力空燃比ｙ（ｔ）のデータを用いる期間は、入力空燃比切替後、むだ時間Ｌが経過した時から、次の入力空燃比切替時までの期間（正常センサの場合をＥで示す）である。ここで、むだ時間Ｌは学習されているが、これが正しく学習されていないと、むだ時間異常センサの場合に、例えば図中αで示されるような出力空燃比ｙ（ｔ）の応答開始前のデータが同定に使用されてしまう。これにより、むだ時間異常の場合にゲインｋと時定数Ｔの同定を正確に行えなくなる可能性がある。
【０１１８】
また、図２２により応答性異常の場合を説明すると、応答性異常センサ１，２の場合、正常センサの場合と比較して、出力空燃比ｙ（ｔ）の立ち下がり及び立ち上がりが遅れており、また重度の応答性異常センサ２の場合は軽度の応答性異常センサ１の場合より出力空燃比ｙ（ｔ）の立ち下がり及び立ち上がりが遅れている。ここで、応答性異常センサ２のように、応答性があまりに遅くなっていると、出力空燃比ｙ（ｔ）が期間Ｅの間で収束しきれなくなり、ゲインｋの同定を正確に行えなくなる可能性がある。
【０１１９】
そこで、この第２の態様では、先のパラメータ同定値の収束検出等に加えて、むだ時間、応答性及び出力の正常・異常判定を優先順位を付して行う。この場合、むだ時間を第１優先とし、その他の特性即ち応答性及び出力を第２優先とするのが好ましい。本実施形態における優先順位は１．むだ時間、２．応答性、３．出力である。
【０１２０】
まずむだ時間の正常・異常を判定し、むだ時間を正常と判定した場合に応答性の正常・異常を判定する。そして応答性を正常と判定した場合に出力の正常・異常を判定する。こうすることにより、ある特性が異常である場合にこれに起因して他の特性を誤って異常と判定してしまうことを未然に防止できる。
【０１２１】
図２３は、第２の態様を実施するような異常診断処理のフローチャートである。図示するフローチャートは所定のサンプリング間隔毎にＥＣＵ２０により繰り返し実行される。
【０１２２】
ステップＳ３０１〜Ｓ３０６は前記ステップＳ２０１〜Ｓ２０６と同様である。ステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３０４のいずれかの判断結果がノーのとき、ステップＳ３０８に進む。
【０１２３】
ステップＳ３０７では、所定時間当たりのパラメータ同定値の変動量が算出される。次いでステップＳ３０８では、前記ステップＳ２０７の如く、同定値算出回数が所定値Ｎ以上となったか否かが判断される。またこれに加え、ステップＳ３０７で算出されたパラメータ同定値の変動量が所定値より小さいか否かが判断される。同定値算出回数が所定値Ｎ以上となっているか、またはパラメータ同定値の変動量が所定値より小さい場合には、ステップＳ３０９に進み、それ以外の場合には終了される。これにより、同定値算出回数が所定値Ｎに達する前でも、パラメータ同定値の変動量が所定値より小さくなった場合即ちパラメータ同定値が収束したことが検出された場合には、その時点で同定処理が終了され、ステップＳ３０９〜Ｓ３１３の正常・異常判定処理に移行する。またかかる収束がない場合には、同定値算出回数が所定値Ｎに達した時点で同定処理が終了され、ステップＳ３０９〜Ｓ３１３の正常・異常判定処理に移行する。
【０１２４】
ステップＳ３０９ではまず、最終的に算出されたむだ時間Ｌの正常・異常が判定される。即ち、このむだ時間Ｌが所定のむだ時間異常判定値Ｌｓと比較され、Ｌ≦Ｌｓならむだ時間正常、Ｌ＞Ｌｓならむだ時間異常と判定される。なお、通常むだ時間は異常時に正常時より長くなるので、むだ時間が過剰に長期化した場合のみむだ時間異常と判定している。しかしながら、これに加えて、むだ時間が過剰に短期化した場合にむだ時間異常と判定してもよい。
【０１２５】
続くステップＳ３１０では、ステップＳ３０９での判定結果が正常か否かが判断され、異常であれば終了され、診断自体が終了される。むだ時間が異常である場合には同定されたゲイン及び時定数が正確でない可能性があるため、これらの正常・異常判定は行われない。
【０１２６】
他方、むだ時間が正常であればステップＳ３１１に進んで、最終的に同定された時定数Ｔに基づき、応答性の正常・異常が判定される。即ち、前述の如く、時定数Ｔが所定の時定数異常判定値Ｔｓと比較され、Ｔ≦Ｔｓなら応答性正常、Ｔ＞Ｔｓなら応答性異常と判定される。
【０１２７】
続くステップＳ３１２では、ステップＳ３１１での判定結果が正常か否かが判断され、異常であれば終了され、診断自体が終了される。応答性が異常である場合には同定されたゲインが正確でない可能性があるため、ゲインに対する出力の正常・異常判定は行われない。
【０１２８】
他方、応答性が正常であればステップＳ３１３に進んで、最終的に同定されたゲインｋに基づき、出力の正常・異常が判定される。即ち、前述の如く、ゲインｋが所定のゲイン増大異常判定値ｋｓ１及びゲイン縮小異常判定値ｋｓ２（＜ｋｓ１）と比較され、Ｋｓ２≦ｋ≦ｋｓ１なら出力正常、ｋ＞ｋｓ１又はｋ＜ｋｓ２なら出力異常と判定される。以上で診断処理が終了される。
【０１２９】
なお、この優先順位を付した正常・異常判定は、それ自体、診断精度を高め且つ誤診断を防止するのに有効である。このため、第２の態様と組み合わせることなく単独で発明を構成し得る。そこで、次のような発明（イ）、（ロ）が把握される。
（イ） 内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出するむだ時間算出手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定すると共に、前記むだ時間算出手段により算出されたむだ時間に基づきむだ時間の正常・異常を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、前記むだ時間を正常と判定した場合に前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
（ロ） 前記一次遅れ要素におけるパラメータがゲインと時定数からなり、前記空燃比センサの所定の特性が前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とからなり、
前記判定手段は、前記出力と前記応答性の正常・異常を判定する際、まず前記応答性の正常・異常を判定し、前記応答性を正常と判定した場合に前記出力の正常・異常を判定する
ことを特徴とする（イ）に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【０１３０】
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、前記実施形態では一次遅れモデルにおける同定手法として逐次最小自乗法を用いたが、他にも様々な同定手法が採用可能であり、例えばカルマンフィルタ法等が採用可能である。
【０１３１】
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。
【符号の説明】
【０１３２】
Ｅ 内燃機関
２ 燃焼室
１０ インジェクタ
１１ 排気管
１２ 上流触媒
１４ 触媒前センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ｕ（ｔ） 入力空燃比
ｙ（ｔ） 出力空燃比
ｋ ゲイン
Ｔ 時定数
Ｌ むだ時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する判定手段と、
前記同定手段による同定終了タイミングを決定すべく、パラメータ同定値の収束を検出する収束検出手段と
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】
前記収束検出手段が、所定時間当たりの前記パラメータ同定値の変動量が所定値より小さくなった時点で前記パラメータの収束を検出し、前記同定手段が、当該時点で前記パラメータの同定を終了する
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】
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出するむだ時間算出手段を備え、
前記判定手段は、前記むだ時間算出手段により算出されたむだ時間に基づきむだ時間の正常・異常をも判定可能であり、
前記判定手段は、前記むだ時間を正常と判定した場合に前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記一次遅れ要素におけるパラメータがゲインと時定数からなり、前記空燃比センサの所定の特性が前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とからなり、
前記判定手段は、前記出力と前記応答性の正常・異常を判定する際、まず前記応答性の正常・異常を判定し、前記応答性を正常と判定した場合に前記出力の正常・異常を判定する
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１】
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する前記入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを逐次的に更新しつつ同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する判定手段と、
前記同定手段による同定終了タイミングを決定すべく、パラメータ同定値の収束を検出する収束検出手段と
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】
前記収束検出手段が、所定時間当たりの前記パラメータ同定値の変動量が所定値より小さくなった時点で前記パラメータの収束を検出し、前記同定手段が、当該時点で前記パラメータの同定を終了する
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】
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出するむだ時間算出手段を備え、
前記判定手段は、前記むだ時間算出手段により算出されたむだ時間に基づきむだ時間の正常・異常をも判定可能であり、
前記判定手段は、前記むだ時間を正常と判定した場合に前記空燃比センサの所定の特性の正常・異常を判定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記一次遅れ要素におけるパラメータがゲインと時定数からなり、前記空燃比センサの所定の特性が前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とからなり、
前記判定手段は、前記出力と前記応答性の正常・異常を判定する際、まず前記応答性の正常・異常を判定し、前記応答性を正常と判定した場合に前記出力の正常・異常を判定する
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。
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−１２７３５６（Ｐ２０１２−１２７３５６Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６６１５９（Ｐ２０１２−６６１５９）
【出願日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【分割の表示】特願２００８−２０４４７９（Ｐ２００８−２０４４７９）の分割
【原出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【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２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【分割の表示】特願２００８−２０４４７９（Ｐ２００８−２０４４７９）の分割
【原出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【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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