JP4548249B2 - リニア空燃比センサの劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明はリニア空燃比センサの劣化診断装置に関し、より詳細には、エンジンの排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化を検出するリニア空燃比センサの劣化診断装置に関する。

従来、この種のリニア空燃比センサの劣化診断装置としては、例えば特許文献１に開示されている技術がある。この特許文献１に開示されている技術では、通常運転時では、ＰＩＤ動作によって空燃比のフィードバック制御を実行するとともに、診断時には、フィードバック制御系のＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えることにより、リニア空燃比センサの出力変動を拡大し、センサ劣化度合いが大きい程、応答周期が長くなることに基づいて、リニア空燃比センサの応答劣化を拡大して検出するようにしている。
特許第３３７７３３６号公報

特許文献１に開示されている装置では、リニア空燃比センサの出力変動を拡大しているのでリニア空燃比センサの劣化判定が容易になる反面、診断時にＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えているので、目標空燃比に対する追従性が低下する結果、診断時のエミッション低下が不可避になるという問題があった。

特に、特許文献１において、片側劣化（リーン側からリッチ側、或いはリッチ側からリーン側に空燃比が変動した際、何れか一方のみについて、センサ出力変化の応答性が悪化する応答劣化）が生じている場合、平均空燃比が目標空燃比からずれてしまうという問題を来す恐れもある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、リニア空燃比センサに片側劣化が生じている場合であっても、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を実行することのできるリニア空燃比センサの劣化診断装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、エンジンの目標空燃比を制御するフィードバック制御系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化診断装置であって、空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に変更することにより前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を所定回数出力する外乱発生手段と、外乱発生手段が出力する外乱の目標時間積分値を設定する目標値設定手段と、外乱発生手段による外乱出力後にリニア空燃比センサの出力の微分値を出力する微分手段と、微分手段が出力した微分値に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間と時定数のうち少なくとも一方を劣化判定の判定パラメータとして、リッチ側、リーン側毎に演算する判定パラメータ演算手段と、少なくとも前記微分値が所定のしきい値を越えた後に外乱をリセットする外乱リセット手段と、外乱のリセット後に実際に出力された外乱の実績時間積分値を演算する実績値演算手段とを備え、前記外乱リセット手段は、前記微分値が所定のしきい値を越え、且つ現在出力されている外乱の実績時間積分値が当該外乱の目標時間積分値以上になった後に外乱をリセットするものであり、前記目標値設定手段は、２回目以降の外乱に対し、前回の外乱の実績時間積分値を相殺する目標時間積分値を設定するものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置である。この態様では、外乱を目標空燃比からリッチ側とリーン側とに交互に変更して劣化診断が実行されるので、リッチ側の外乱とリーン側の外乱とが相互に中和され、目標空燃比に対するずれが生じにくくなる。また、判定パラメータをリッチ側、リーン側毎に演算することが可能になり、よりきめの細かい劣化診断を実行することが可能になる。さらに、２回目以降の外乱を出力する際に、前回の外乱の実績時間積分値を相殺するように次の外乱の目標時間積分値が設定されるとともに、前記微分値が所定のしきい値を越え、且つ現在出力されている外乱の実績時間積分値が当該外乱の目標時間積分値以上になった後に外乱がリセットされるので、トータルでもリッチ側とリーン側とで外乱が中和され、目標空燃比に対する悪影響を可及的に防止することが可能になる。また、演算された微分値が所定のしきい値を越えるまでは、外乱が出力され続けるので、小さな目標時間積分値を設定しても、確実にむだ時間の演算が可能になる。この発明において、エンジンの目標空燃比は、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。さらに、外乱発生手段が生成する「外乱」とは、空燃比のフィードバック制御系の状態を一時的に乱す外的作用をいい、具体的な例としては、燃料噴射量を意図的にリッチ側またはリーン側に変動させることにより、空燃比のフィードバック制御系に付加されるものである。また、「時間積分値」は、外乱の振幅（空燃比の変更幅）と出力時間の面積を求めた値であってもよく、振幅と空気量と出力時間の体積を求めた値であってもよい。「目標時間積分値」とは、外乱発生手段が出力すべき外乱の時間積分値をいい、「実績時間積分値」とは、実際に外乱発生手段が出力した外乱の時間積分値をいう。

好ましい態様において、前記判定パラメータ演算手段は、判定パラメータとしてむだ時間を演算するものであり、前記目標値設定手段は、初回の外乱発生時においては、リニア空燃比センサの劣化診断に必要最小限の目標時間積分値を設定するものであり、前記外乱リセット手段は、初回の外乱生成後、むだ時間の演算終了時点で外乱の生成をリセットするものである。この態様では、最初の外乱の時間積分値がリニア空燃比センサの劣化診断に必要充分な値に設定されるので、出力される外乱を可及的に小さく設定し、目標空燃比に対する悪影響を防止することが可能になる。また、この初回の外乱に関しては、当該初回の外乱を生成した後、むだ時間を演算し、むだ時間の演算終了後に、外乱をリセットするようにしているので、可及的に小さな外乱で劣化の進んだリニア空燃比センサを診断する場合においても、むだ時間等を確実に検出することが可能になる。この態様において、「必要最小限」とは、正常なリニア空燃比センサが出力するであろう外乱面積のことをいう。

以上説明したように、本発明によれば、トータルでもリッチ側とリーン側とで外乱が中和され、目標空燃比に対する悪影響を可及的に防止することが可能になる結果、リニア空燃比センサに片側劣化が生じている場合であっても、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を実行することが可能になるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

図１は本発明の実施の一形態に係るエンジン１０の系統図である。

図１を参照して、本実施形態の劣化判定装置１に係るエンジン１０には、複数の気筒１１が設けられるとともに、各気筒１１の内部には、図略のクランクシャフトに連結されたピストン１２が嵌挿されることにより、その上方に燃焼室１４が形成されている。エンジン１０には、前記クランクシャフトのエンジン回転速度Ｎｅを検出する回転角度センサＳＷ１が設けられている。

エンジン１０のシリンダヘッドには、前記気筒１１毎に燃焼室１４に向かって開口する吸気ポート１５、排気ポート１６がそれぞれ形成されているとともに、これらのポート１５、１６には、吸気弁１７および排気弁１８がそれぞれ装備されている。

吸気ポート１５には、吸気システム２０が、排気ポート１６には排気システム３０がそれぞれ設けられている。

吸気システム２０は、吸入空気を浄化するエアクリーナ２１を上流端に備えている。エアクリーナ２１には、エレメント２２が内蔵されている。エアクリーナ２１の下流側には、スロットルボディ２３が設けられている。スロットルボディ２３には、吸気システム２０内を流通する吸入空気量Ｑａを調整するスロットルバルブ２４が設けられている。そして、スロットルボディ２３の下流側には、インテークマニホールド２５が設けられ、このインテークマニホールド２５の下流端に設けられた分岐吸気通路２６が対応する気筒１１の吸気ポート１５に接続されている。図示の例では、分岐吸気通路２６に燃料噴射弁２７が設けられている。この吸気システム２０には、エアクリーナ２１とスロットルボディ２３の間にエアフローセンサＳＷ２が配置されている。エアフローセンサＳＷ２は、エレメント２２に濾過された吸入空気の吸入空気量Ｑａを出力するものである。さらに、スロットルボディ２３には、当該スロットルバルブ２４のスロットル開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサＳＷ３が設けられている。

排気システム３０は、排気ポート１６に接続されるエキゾーストマニホールド３１と、このエキゾーストマニホールド３１の下流側に配置され、当該エキゾーストマニホールド３１内に排出された既燃ガスを浄化する三元触媒３２とが設けられている。本実施形態の三元触媒３２は、酸化触媒に酸素吸蔵材としてＣｅＯ₂を添加した酸素吸蔵機能（ＯＳＣ：Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を有するものである。そして、この排気システム３０には、三元触媒３２の上流側に配置されたリニア空燃比センサＳＷ４と、下流側に配置された酸素濃度センサＳＷ５とが設けられている。リニア空燃比センサＳＷ４は、既燃ガスから酸素濃度に概ね比例する信号を出力するためのものである。酸素濃度センサＳＷ５は、理論空燃比に相当する酸素濃度で出力電圧が急変するように構成されており、理論空燃比に対し酸素濃度が多いか少ないかをオンオフ的に検出することにより、空燃比のフィードバック制御を実行するためのものである。リニア空燃比センサＳＷ４は、フィードバック制御の実空燃比に相当する出力を演算するものであるのに対し、酸素濃度センサＳＷ５は、浄化後の既燃ガスの酸素濃度に相当する検出値を演算するものである。本実施形態において、エンジンの目標空燃比は、原則として理論空燃比（λ＝１）に設定される。

上述した各センサＳＷ１〜ＳＷ５並びに燃料噴射弁２７は、コントロールユニット１００に接続されることにより、空燃比のフィードバック制御系を構成している。

図２は本実施形態に係る劣化判定装置１の制御回路ブロック図であり、図３は図２の制御回路によって実現される劣化判定装置１のブロック線図である。

まず、図２を参照して、コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭで具体化される補助記憶装置１０２、ＲＡＭで具体化される主記憶装置１０３を含んでいる。上述した各センサＳＷ１〜ＳＷ５は、ＣＰＵ１０１に接続されており、それぞれ対応する信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦをＣＰＵ１０１に出力するように構成されている。

ＣＰＵ１０１は、補助記憶装置１０２に記憶されているプログラムに基づいて、各センサＳＷ１〜ＳＷ５の出力した信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦを処理し、燃料噴射弁２７を制御して空燃比をフィードバック制御するように構成されている。

補助記憶装置１０２には、詳しくは後述する劣化診断プログラムが記憶されている。

主記憶装置１０３は、補助記憶装置１０２に記憶されたプログラムを実行する過程で、各センサＳＷ１〜ＳＷ５が出力した信号Ｎｅ、Ｑａ、ＴＶＯ、ＰＦ、ＳＦやこれに基づいて演算された演算値を記憶するように構成されている。

図３を参照して、コントロールユニット１００は、同図に示すフィードバック制御系１１０を構成している。このフィードバック制御系１１０は、目標空燃比（λ＝１）を目標値ＤＶとする基準入力要素１１１と、基準入力要素１１１の出力した基準入力ＩＰに補正をかけるＢＩＡＳ補正要素１１２と、ＢＩＡＳ補正要素１１２に補正された動作信号ＡＳに基づいて、エンジン１０（より詳細には燃料噴射弁２７）への操作量ＯＶを決定する主制御要素１１４とを含んでいる。

ＢＩＡＳ補正要素１１２と主制御要素１１４との間には、リニア空燃比センサＳＷ４により検出された実空燃比に相当する出力ＰＦが入力されるようになっており、主制御要素１１４は、基準入力要素１１１の基準入力ＩＰからＢＩＡＳ補正要素１１２の補正量ＳＳを差し引き、さらにリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを差し引いた動作信号ＡＳを受けて、ゲインＫ_Pを含む所定の伝達関数Ｇ_P（Ｓ）に基づき、操作量ＯＶを出力するように構成されている。

次に、基準入力要素１１１とＢＩＡＳ補正要素１１２との間には、副制御要素１１５が接続されている。この副制御要素１１５は、酸素濃度センサＳＷ５からの検出値ＳＦを受けて、ゲインＫ_Sを含む所定の伝達関数Ｇ_S（Ｓ）に基づき、副補正量ＳｂＳを出力するように構成されている。従って、主制御要素１１４には、この副補正量ＳｂＳが差し引かれた動作信号ＡＳが入力されることになっている。

さらに、本実施形態に係るフィードバック制御系１１０には、外乱ＬＲ、ＲＬを交互に発生させる外乱発生手段１１６が機能的に構成されている。この外乱発生手段１１６は、補助記憶装置１０２に記憶されたプログラムが実行されることにより、次に説明するリニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断時において、動作するものである。外乱発生手段１１６は、燃料噴射量にインパルス状の外乱を与えることによって、過渡的に空燃比をリッチ側またはリーン側に変更するように構成されている。以下の説明では、リッチ側に空燃比を変化させるときの外乱はＬＲと表記し、リーン側に空燃比を変化させるときの外乱はＲＬと表記する。外乱発生手段１１６が出力した外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLは、それぞれ主記憶装置１０３に記憶されるようになっている。そして、予め劣化診断プログラムに設定されている出力回数Ｎ_ENDだけ外乱ＬＲ、ＲＬを交互に同数出力するように設定されている。これにより、診断によって意図的に変更された空燃比が中和され、主制御要素１１４によって制御されている空燃比が必要以上に乱されないようにして、エミッションの低下を阻止するようにしている。

次にこの外乱発生手段１１６が発生する外乱ＬＲ、ＲＬの目標時間積分値Ｉ_Tを設定するために、このフィードバック制御系１１０には、目標値設定手段１１９が設けられている。目標時間積分値Ｉ_Tとは、外乱発生手段１１６が出力すべき時間積分値Ｉのことをいう。本実施形態において、時間積分値Ｉとは、外乱ＬＲ、ＲＬの振幅±Ｈ_dis（空燃比の変更幅）を出力時間［ｔ_a、ｔ_b］で積分した面積の値（酸素モル）をいう。本実施形態において、目標値設定手段１１９による目標時間積分値Ｉ_Tの初期値は、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断のために必要最小限の値に設定される。なお、後述するように、実際に出力された外乱ＬＲ、ＲＬの時間積分値Ｉを実績時間積分値Ｉ_Rという。

図４〜図６は本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。また図７は図４〜図６のフローチャートを実行することによって得られた信号のタイミングチャートである。

まず、図４を参照して、劣化診断プログラムが実行されると、ＣＰＵ１０１は診断条件が成立するのを待機する（ステップＳ１）。ここで診断条件とは、
（１） 回転角度センサＳＷ１で検出されるエンジン回転速度Ｎｅの変化量が所定変化量以下であり、
（２） スロットルセンサＳＷ３によって検出されるスロットル開度ＴＶＯの変化量が所定変化量以下であり、且つ
（３） ＣＥ＝Ｑａ／Ｎｅで演算される充填効率ＣＥの変化量が所定変化量以下である
という条件を全て満たすいわゆる定常運転時であることをいう。

仮に加速時等、診断条件を満たさない場合には、診断条件を満たすまで待機し、診断条件が成立している場合には、次に収束判定しきい値設定サブルーチンに移行し、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定される（ステップＳ２）。

収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定されると、今度はこの収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣに基づいて、収束判定が実行される（ステップＳ３）。この収束判定では、外乱発生手段１１６による外乱ＲＬ、ＬＲがリセットされている状態において、図７に示すように、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの変動幅ＯＰとしきい値ＴｈＣとが比較されるとともに、微分値Ｄ_O2の変動幅ｄＯＰとしきい値ｄＴｈＣとが比較され、各変動幅ＯＰ、ｄＯＰが何れも対応するしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣ未満である場合に空燃比が収束したと判定する。このステップＳ３を実行することにより、ＣＰＵ１０１は、収束判定手段を機能的に構成している。

空燃比が収束したと判定されると、ＣＰＵ１０１は、タイマをスタートし（ステップＳ４）、タイマのカウントダウンにより、そのタイマ時間が０になるのを待機する（ステップＳ５）。そして、タイマ時間が０になった後、ＣＰＵ１０１は、まず、今回の外乱ＬＲ、ＲＬの出力が、診断実行条件成立後初回であるか否かを判定する（ステップＳ６）。この判定で初回であれば、目標値設定手段１１９は、初回の外乱ＬＲ、ＲＬを必要最低限の目標時間積分値Ｉ_Tで設定し（ステップＳ７）、２回目以降であれば、前回の実績時間積分値Ｉ_Rを今回の目標時間積分値Ｉ_Tに設定する（ステップＳ８）。例えば、６０ｋｍ／ｈで定常走行し、外乱ＬＲの振幅割合を６％に設定し、吸入空気量Ｑａがある値でほぼ一定である場合には、初回の外乱ＬＲの目標時間積分値Ｉ_Tは、約＋２７（酸素モル）となる。

次いで、設定された目標時間積分値Ｉ_Tに基づき、外乱ＬＲ、ＲＬの振幅の絶対値｜Ｈ_dis｜と出力時間［ｔ_a、ｔ_b］とが決定される（ステップＳ９）。一般に振幅の絶対値｜Ｈ_dis｜が大きい程、劣化が進んだリニア空燃比センサＳＷ４でも応答しやすくなる一方、振幅の絶対値｜Ｈ_dis｜が極端に小さいと、同じ目標時間積分値Ｉ_Tであっても、リニア空燃比センサＳＷ４が反応しなくなることから、本実施形態においては、そのような特性を勘案して、振幅の絶対値｜Ｈ_dis｜を設定し、次いで出力時間［ｔ_a、ｔ_b］を決定するように設定されている。

次に、図５を参照して、振幅の絶対値｜Ｈ_dis｜および出力時間［ｔ_a、ｔ_b］が決定された後、外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが比較され（ステップＳ１０）、Ｎ_RL＞Ｎ_LRが成立する場合には、設定された目標時間積分値Ｉ_Tに基づいて外乱ＬＲがフィードバック制御系１１０に出力されるとともに（ステップＳ１１）、不成立の場合には、設定された目標時間積分値Ｉ_Tに基づいて外乱ＲＬがフィードバック制御系１１０に出力される（ステップＳ１２）。これにより、例えば、図７に示すように、まず、外乱ＬＲが出力され、これによってリニア空燃比センサＳＷ４の出力が変化することになる。

外乱発生手段１１６が外乱ＬＲ（またはＲＬ）を出力すると、ＣＰＵ１０１は、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの微分値Ｄ_O2を演算する（ステップＳ１３）。これにより、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦが外乱ＬＲ（またはＲＬ）によってどのように変化するか把握することが可能になる。このように本実施形態のＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６による外乱出力後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦを微分した微分値Ｄ_O2を出力する微分手段を機能的に構成している。

ここで、リニア空燃比センサＳＷ４の検出値は、通常、所定のむだ時間Ｌと時定数τを伴うものである。

図８はリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答特性を示すグラフである。

図８を参照して、リニア空燃比センサＳＷ４の入力ｘ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間には
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ−Ｌ） （Ｌ≧０） （１）
という関係が成立し、むだ時間要素としてのリニア空燃比センサＳＷ４は、次式の伝達関数に従う。

Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）＝ｅ^-Ls （２）
但し、Ｙ（ｓ）：出力の複素関数、Ｘ（ｓ）：入力の複素関数
従って、むだ時間要素としてのリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答ｈ（ｔ）は、逆ラプラス変換により、次式の通りとなり、図８のように決まる。

ｈ（ｔ）＝ｕ（ｔ−Ｌ） （３）
但し、ｕ（ｔ）：単位ステップ関数（１（ｔ≧０）且つ０（ｔ＜０））
そこで、本実施形態では、むだ時間Ｌが経過するのを待機し、むだ時間Ｌの終了を検出して外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするようにしている。かかる制御を実行するために、ＣＰＵ１０１は、図５に示すように、演算された微分値±Ｄ_O2と所定のリセットしきい値±ＴｈＤとを比較し、＋Ｄ_O2＞＋ＴｈＤまたは−Ｄ_O2＜−ＴｈＤが成立するのを待機し（ステップＳ１４）、成立した場合には、リニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌを演算する（ステップＳ１５）。

次いで、本実施形態では、現時点での振幅±Ｈ_disと出力時間［ｔ_a、ｔ_b］に基づいて、今回の実績時間積分値Ｉ_Rを演算する（ステップＳ１６）。次いで、今回の実績時間積分値Ｉ_Rと当該外乱ＬＲ、ＲＬの目標時間積分値Ｉ_Tとを比較し（ステップＳ１７）、実績時間積分値Ｉ_Rが目標時間積分値Ｉ_T（すなわち前回の実績時間積分値Ｉ_R）以上になるまで外乱ＬＲ、ＲＬの出力を継続する。そして、ステップＳ１７において、実績時間積分値Ｉ_Rが目標時間積分値Ｉ_T以上になった場合に初めて外乱をリセットし（ステップＳ１８）、次のステップに移行する。なお初回については、前回の実績時間積分値Ｉ_Rがリニア空燃比センサＳＷ４の診断に必要最小限の値に設定されているため、外乱発生手段１１６は、初回の外乱ＬＲ、ＲＬ生成後、むだ時間Ｌの演算終了時点で外乱ＬＲ、ＲＬの生成をリセットすることになる。このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１が、実績値演算手段を機能的に構成している。

上述したように、図４のステップＳ６の判定で、２回目以降の外乱ＬＲ、ＲＬを出力する場合には、ステップＳ８において、前回の実績時間積分値Ｉ_Rが今回の目標時間積分値Ｉ_Tに設定されることから、ステップＳ６からステップＳ１７までを実行することにより、本実施形態では、ＣＰＵ１０１が、２回目以降の外乱を出力する際に前回の外乱の実績時間積分値を相殺する目標時間積分値Ｉ_Tで次の外乱を設定する目標値設定手段１１９と、現在出力されている外乱ＬＲ、ＲＬの実績時間積分値Ｉ_Rが当該外乱の目標時間積分値Ｉ_T以上になった後に外乱をリセットする外乱リセット手段とを機能的に構成することになる。例えば、初回の外乱ＬＲの目標時間積分値Ｉ_Tを２７に設定し、交互に１０回ずつ外乱ＬＲ、ＲＬを出力して、リッチ側に劣化したリニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断を実行した結果、１回目および２回目の実績時間積分値Ｉ_Rが＋７２、−７２だった場合には、ステップＳ６からステップＳ１７までを実行することにより、表１に示す結果が得られる。

このように本実施形態においては、相当量の外乱ＬＲ、ＲＬを出力した場合であっても、リーン側とリッチ側とで実績時間積分値Ｉ_Rが相殺され、空燃比の中心ずれを防止することが可能になる。

なお表１において、２回目の実績時間積分値Ｉ_Rの絶対値が目標時間積分値Ｉ_Tの絶対値よりも大きくなった場合には、その差分が残ることになるが、３回目以降の外乱の出力においては、図４、図５で示したフローチャートを実行することにより、そのような差分が生じなくなる。従って、本実施形態では、初回の目標時間積分値Ｉ_Tを実験等で適切に設定しておくことにより、片側劣化が生じている場合の差分を、三元触媒３２の酸素吸蔵機能（ＯＳＣ）により吸収可能な充分小さな値とすることが可能になる。換言すれば、初回の目標時間積分値Ｉ_Tを充分大きな値に設定したとしても、２回目以降の外乱ＬＲ、ＲＬの出力によって、外乱ＬＲ、ＲＬが相殺されるので、目標空燃比のずれを防止することができるばかりでなく、エミッションの低下を可及的に防止することも可能になる。

次に、時定数τは、一次遅れ要素の伝達関数
Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）＝Ｋ／（１−τ） （４）
の定数である。

この式（４）から逆ラプラス変換によって得られるステップ応答ｈ（ｔ）
ｈ（ｔ）＝Ｋ（１−ｅ^-t/M） （５）
但し、Ｋ、Ｍ：定数
から、
ｈ（ｔ）｜_τ=M ＝０．６３２Ｋ （６）
が得られることから、これにむだ時間Ｌの特性を加えると、時定数τとリニア空燃比センサＳＷ４のステップ応答ｈ（ｔ）とは図８で示す関係になる。

図８から明らかなように、時定数τが大きい程、ステップ応答波形の立ち上がりが遅くなり、最終値に達するまでの時間がかかる。そして、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化が進む程、時定数τは長くなる。

そこで本実施形態では、図６に示すように、時定数τを劣化診断の要素として取り入れるため、リニア空燃比センサＳＷ４の出力の微分ピーク値（ＣＰＵ１０１が出力した微分値±Ｄ_O2のピーク値）Ｄ_O2PKを演算し（ステップＳ２０）、この微分ピーク値Ｄ_O2PKからリニア空燃比センサＳＷ４の時定数τを演算するようにしている（ステップＳ２１）。

時定数τの演算が終了すると、ＣＰＵ１０１は、外乱発生手段１１６が生成した外乱が、燃料を減量するものであったか、増量するものであったかを判定し（ステップＳ２２）、減量の場合はＲＬとして、増量の場合はＬＲとして、それぞれ判定パラメータ（演算されたむだ時間Ｌ、時定数τ）を主記憶装置１０３に保存し（ステップＳ２３、Ｓ２４）、主記憶装置１０３に記憶されている発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLをインクリメントする（ステップＳ２５、Ｓ２６）。

その後、各外乱ＬＲ、ＲＬについて、所要の回数Ｎ_ENDを終了したか否かが判定され（ステップＳ２７、Ｓ２８）、何れかの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが所要の回数Ｎ_ENDに満たない場合には、ステップＳ１に戻って処理を繰り返し、双方の発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが終了している場合には、劣化判定処理に移行する。

図９は劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図９を参照して、ここでは、劣化判定を行うために、むだ時間Ｌと時定数τの和を過渡時間Ｔとして定義し、ステップＳ２２までの処理が終了すると、ＣＰＵ１０１は、リッチ側の外乱ＬＲとリーン側の外乱ＲＬに係る平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLをそれぞれ演算する（ステップＳ２１１）。次いで、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値を演算し、その値が所定のしきい値ＴｈＢを越えていないかどうか判定する（ステップＳ２１２）。各平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLにおいて、差の絶対値が大きい場合には、主制御要素１１４による空燃比制御がリッチ側またはリーン側にずれてしまうので、そのようなずれを防止するために、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値が演算されている。

仮に両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値がしきい値ＴｈＢ以下の場合、今度は、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和がしきい値ＴｈＡを越えているか否かが判定される（ステップＳ２１３）。両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和が大きい場合には、酸素濃度センサＳＷ５でサブフィードバック制御を実行していることもあり、フィードバック制御が過補正になり、制御が緩慢になって発散しやすくなるからである。

仮に、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和がしきい値ＴｈＡ以下の場合には、過渡時間について正常と判定される（ステップＳ２１４）。他方、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの和がしきい値ＴｈＡを越えている場合には、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化がリッチ側でもリーン側でも起きていると判定される（ステップＳ２１５）。

他方、ステップＳ２１２において、両平均過渡時間Ｔ_LR、Ｔ_RLの差の絶対値がしきい値ＴｈＢを越えている場合、リッチ側の平均過渡時間Ｔ_LRとリッチ側のしきい値ＴｈＲとが比較されてリッチ側で過渡時間劣化が生じているか否かが判定され（ステップＳ２１６）、しきい値ＴｈＲを越えている場合には、リッチ側過渡時間Ｔ_LR劣化が生じていると判定される（ステップＳ２１７）。他方、平均過渡時間Ｔ_LRがしきい値ＴｈＲ以下の場合には、さらにリーン側の平均過渡時間Ｔ_RLとリーン側のしきい値ＴｈＬとが比較され、リーン側で過渡時間劣化が生じているか否かが判定される（ステップＳ２１８）。リーン側の平均過渡時間Ｔ_RLがしきい値ＴｈＬを越えている場合には、リーン側過渡時間Ｔ_RL劣化が生じていると判定され（ステップＳ２１９）、しきい値ＴｈＬ以内である場合には、正常判定がなされる。なおしきい値ＴｈＢ、ＴｈＡの設定によっては、ステップＳ２１８を省略し、ステップＳ２１６でＮＯと判定された場合には、そのままステップＳ２１９の判定を実行するようにしてもよい。

そして、ステップＳ２１４、Ｓ２１５、Ｓ２１７、Ｓ２１９の何れかが終了すると、処理が終了する。このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１が図５のステップＳ１５並びに図６のステップＳ２１を実行することにより、判定パラメータ演算手段を機能的に構成している。

図１０は図４における収束判定しきい値設定サブルーチン（ステップＳ２）の一例を示すフローチャートである。

図１０を参照して、この例では、予め、吸入空気量Ｑａからしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを求めるマップ２２０を主記憶装置１０３内に記憶させておき、エアフローセンサＳＷ２から検出された吸入空気量Ｑａからしきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを索引して（ステップＳ２０５）、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣを設定するようにしている（ステップＳ２０６）。この形態では、吸入空気量Ｑａが少なくなるに連れて収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣの値を小さく設定し、収束判定を厳格にすることが可能になる。このように図１０の実施形態では、エンジン１０の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローセンサＳＷ２を設け、ＣＰＵ１０１が機能的に構成する収束判定手段は、吸入空気量Ｑａが少ないほど収束条件を厳しくし、吸入空気量Ｑａの変化に伴う時定数τの判定基準を補正することができる結果、誤判定を回避することが可能になる。

以上説明したように本実施形態では、外乱ＬＲ、ＲＬを目標空燃比からリッチ側とリーン側とに交互に変更して劣化診断が実行されるので、リッチ側の外乱ＬＲ、ＲＬとリーン側の外乱ＬＲ、ＲＬとが相互に中和され、目標空燃比に対するずれが生じにくくなる。また、判定パラメータ（むだ時間Ｌ、時定数τ、或いは過渡時間Ｔ）をリッチ側、リーン側毎に演算することが可能になり、よりきめの細かい劣化診断を実行することが可能になる。さらに、２回目以降の外乱ＬＲ、ＲＬを出力する際に、前回の外乱ＬＲ、ＲＬの時間積分値を相殺するように次の外乱ＬＲ、ＲＬの目標時間積分値Ｉ_Tが設定されるとともに、前記微分値±Ｄ_O2が所定のしきい値±ＴｈＤを越え、且つ現在出力されている外乱ＬＲ、ＲＬの実績時間積分値Ｉ_Rが当該外乱ＬＲ、ＲＬの目標時間積分値Ｉ_T以上になった後に外乱ＬＲ、ＲＬがリセットされるので、表１で示したように、トータルでもリッチ側とリーン側とで外乱ＬＲ、ＲＬが中和され、目標空燃比に対する悪影響を可及的に防止することが可能になる。また、演算された微分値±Ｄ_O2が所定のしきい値±ＴｈＤを越えるまでは、外乱ＬＲ、ＲＬが出力され続けるので、小さな目標時間積分値Ｉ_Tを設定しても、確実にむだ時間Ｌの演算が可能になる。

また本実施形態において、前記目標値設定手段１１９は、初回の外乱ＬＲ、ＲＬ発生時においては、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断に必要最小限の目標時間積分値Ｉ_Tを設定するものであり、前記外乱リセット手段は、初回の外乱ＬＲ、ＲＬ生成後、むだ時間Ｌの演算終了時点で外乱ＬＲ、ＲＬの生成をリセットするものである。このため本実施形態では、最初の外乱ＬＲ、ＲＬの目標時間積分値Ｉ_Tがリニア空燃比センサＳＷ４の劣化診断に必要充分な値に設定されるので、出力される外乱ＬＲ、ＲＬを可及的に小さく設定し、目標空燃比に対する悪影響を防止することが可能になる。また、この初回の外乱ＬＲ、ＲＬに関しては、当該初回の外乱ＬＲ、ＲＬを生成した後、むだ時間Ｌを演算し、むだ時間Ｌの演算終了後に、外乱ＬＲ、ＲＬをリセットするようにしているので、可及的に小さな外乱ＬＲ、ＲＬで劣化の進んだリニア空燃比センサＳＷ４を診断する場合においても、むだ時間Ｌ等を確実に検出することが可能になる。

このように本実施形態によれば、トータルでもリッチ側とリーン側とで外乱ＬＲ、ＲＬが中和され、目標空燃比に対する悪影響を可及的に防止することが可能になる結果、リニア空燃比センサＳＷ４に片側劣化が生じている場合であっても、診断時のエミッション低下を可及的に防止することができ、精度の高い劣化検出を実行することが可能になるという顕著な効果を奏する。

上述した実施形態は本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

例えば、時間積分値は、外乱ＬＲ、ＲＬの振幅±Ｈ_disと吸入空気量Ｑａと出力時間［ｔ_a、ｔ_b］の体積を求めた値であってもよい。また、リニア空燃比センサＳＷ４の応答特性に応じて、初回の振幅±Ｈ_disを小さな値で設定し、漸次、振幅±Ｈ_disを増加するようにしてもよい。

また、劣化診断を具体化するに当たり、図９で示したフローチャートをむだ時間Ｌ毎、時定数τ毎に実行し、それぞれの劣化状態を判定するようにしてもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係るエンジンの系統図である。 本実施形態に係る劣化判定装置の制御回路ブロック図である。 図２の制御回路によって実現される劣化判定装置のブロック線図である。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 本実施形態における劣化診断プログラムのフローチャートである。 図４から図６のフローチャートを実行することによって得られた信号のタイミングチャートである。 リニア空燃比センサのステップ応答特性を示すグラフである。 劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図４における収束判定しきい値設定サブルーチンの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 劣化判定装置
１０ エンジン
３２ 三元触媒
１００ コントロールユニット
１０１ ＣＰＵ（微分手段、判定パラメータ設定手段、外乱リセット手段、実績値演算手段の一例）
１１０ フィードバック制御系
１１６ 外乱発生手段
１１９ 目標値設定手段
Ｄ_O2 微分値
Ｄ_O2PK 微分ピーク値
Ｉ 時間積分値
Ｉ_R 実績時間積分値
Ｉ_T 目標時間積分値
Ｌ むだ時間
ＬＲ、ＲＬ 外乱
ＰＦ 実空燃比に相当するリニア空燃比センサの出力
ＳＦ 検出値
ＳＷ４ リニア空燃比センサ
ＳＷ５ 酸素濃度センサ
Ｔ_LR、Ｔ_RL 平均過渡時間
ＴＶＯ スロットル開度
τ 時定数

Claims (2)

1. エンジンの目標空燃比を制御するフィードバック制御系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力するリニア空燃比センサの劣化診断装置であって、
   空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に変更することにより前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を所定回数出力する外乱発生手段と、
   外乱発生手段が出力する外乱の目標時間積分値を設定する目標値設定手段と、
   外乱発生手段による外乱出力後にリニア空燃比センサの出力の微分値を出力する微分手段と、
   微分手段が出力した微分値に基づいてリニア空燃比センサのむだ時間と時定数のうち少なくとも一方を劣化判定の判定パラメータとして、リッチ側、リーン側毎に演算する判定パラメータ演算手段と、
   少なくとも前記微分値が所定のしきい値を越えた後に外乱をリセットする外乱リセット手段と、
   外乱のリセット後に実際に出力された外乱の実績時間積分値を演算する実績値演算手段と
   を備え、
   前記外乱リセット手段は、前記微分値が所定のしきい値を越え、且つ現在出力されている外乱の実績時間積分値が当該外乱の目標時間積分値以上になった後に外乱をリセットするものであり、
   前記目標値設定手段は、２回目以降の外乱に対し、前回の外乱の実績時間積分値を相殺する目標時間積分値を設定するものである
   ことを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。
2. 請求項１記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
   前記判定パラメータ演算手段は、判定パラメータとして少なくともむだ時間を演算するものであり、
   前記目標値設定手段は、初回の外乱発生時においては、リニア空燃比センサの劣化診断に必要最小限の目標時間積分値を設定するものであり、
   前記外乱リセット手段は、初回の外乱生成後、むだ時間の演算終了時点で外乱の生成をリセットするものであることを特徴とするリニア空燃比センサの劣化診断装置。

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