JP4604882B2 - 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、診断時には、専らＤ動作を禁止してＰＩ動作に切り換えているに過ぎないので、リニア空燃比センサの過渡的な特性（むだ時間や一次遅れ）の変化を検出することができなかった。そのため、リニア空燃比センサの劣化そのものを検出することはできるものの、劣化態様を詳細に分析することはできなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、劣化態様をも詳細に分析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と、この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と、前記フィードバック制御系に設けられ、前記リニア空燃比センサの出力が入力されるとともに、この出力と目標値との差に基づいて操作量を出力する主制御要素と、所定の診断条件が成立したときに前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を出力する外乱発生手段と、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と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演算する判定パラメータ演算手段と、前記診断条件の成立時に前記主制御要素のゲインを小さくするゲイン切換手段とを備え、該ゲイン切換手段は、診断終了後において目標空燃比とリニア空燃比センサの検出に基づく実空燃比との差が所定値未満となったときに前記ゲインを通常値に戻すものであり、前記外乱発生手段は、むだ時間の演算を終了した時点で外乱の生成をリセットするものであるとともに、外乱のリセット後に収束判定手段がリニア空燃比センサの出力の収束を判定した場合に次回の外乱を生成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、所定の診断条件が成立したときに、外乱発生手段がインパルス状の外乱をフィードバック制御系に出力することにより、外乱に対応した実空燃比がリニア空燃比センサから出力される結果、このリニア空燃比センサの出力の微分値からむだ時間または時定数の少なくとも一方を検出し、リニア空燃比センサの過渡的な特性（むだ時間や時定数）の変化を検出して劣化診断を実行することが可能になる。このため、リニア空燃比センサの劣化そのものばかりでなく、劣化態様を詳細に分析することも可能になる。しかも、劣化診断時にフィードバック制御系の主制御要素のゲインを小さくする制御を実行しているので、外乱を出力しているにも拘わらずフィードバック制御系の発散を防止することができ、フィードバック制御系の安定度を維持することが可能になる。また、診断終了後直ちにゲインを戻すのではなく、目標空燃比とリニア空燃比センサの検出に基づく実空燃比との差が所定値未満となったときにゲインを戻しているので、ゲインの変更後に大きなフィードバック補正が作用して発散が生じるのを防止し、制御の乱れによるエミッションの低下を抑制することが可能になる。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。

好ましい態様において、前記フィードバック制御系は、前記エンジンの排気ガスを浄化する触媒の下流側に配置され、当該触媒に浄化された排気ガス中の酸素濃度を検出値として出力する酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサからの検出値が入力されるとともに、この検出値に基づく副補正量に基づき目標値を補正する副制御要素とを備え、前記ゲイン切換手段は、前記診断条件の成立時に前記副制御要素のゲインを小さくするものである。この態様では、リニア空燃比センサによるフィードバックのみならず、酸素濃度センサも制御要素として機能し、基準入力を修正することになる。そして、この態様においては、劣化診断時に副制御要素の伝達関数のゲインもゲイン切換手段によって制御されることになるので、外乱を出力しているにも拘わらずフィードバック制御系の発散を防止することができ、フィードバック制御系の安定度を維持することが可能になる。

好ましい態様において、前記外乱発生手段は、むだ時間の演算を終了した時点で外乱の生成をリセットするものであるとともに、外乱のリセット後に収束判定手段がリニア空燃比センサの出力の収束を判定した場合に次回の外乱を生成するものである。この態様では、リニア空燃比センサの劣化状態に応じて必要最小限の期間だけ外乱を出力させることが可能になる。従って、診断時間を可及的に短縮化できるとともに、むだ時間に基づく正確な劣化診断を実行することが可能になる。また、このように外乱の出力時間を可変長とした場合であっても、ゲイン切換手段によって、開ループ伝達関数のゲインが小さくされるので、外乱の出力態様に対応して、制御の発散を防止し、エミッションの低下を防止することが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、外乱をインパルス状に出力してリニア空燃比センサのむだ時間や時定数を判定パラメータとして利用し、劣化態様を詳細に分析することが可能になるとともに、そのような外乱を利用しているにも拘わらず、フィードバック制御系の発散を可及的に防止することができ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に浄化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。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１０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は、基準入力要素１１１の出力する基準入力ＩＰを補正するものであり、初期値は、０となるように設定されている。

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_PPを含む所定の伝達関数
Ｇ_P（Ｓ）＝Ｋ_PP｛１＋（１／Ｔ_I）＋Ｔ_D｝ （１）
但し、Ｋ_PP：比例ゲイン、Ｔ_I：積分時間、Ｔ_D：微分時間
に基づき、操作量ＯＶを出力するように構成されている。（１）式から明らかなように、本実施形態において、主制御要素１１４は、ＰＩＤ動作の伝達関数Ｇ_P（Ｓ）に設定されている。図３では簡略化されているが、主制御要素１１４の出力した操作量ＯＶに基づき、エンジン１０の燃料噴射弁２７は、所定のタイミングと噴射量で燃料を噴射し、その混合気がエンジン１０で燃焼される。そして、その既燃ガスがエンジン１０から排気システム３０に排出されると、リニア空燃比センサＳＷ４が、三元触媒３２の上流側で当該既燃ガスの酸素濃度を検出し、実空燃比に相当する出力ＰＦをフィードバックするとともに、酸素濃度センサＳＷ５が、三元触媒３２の下流側で浄化された排気ガスの酸素濃度を検出し、検出値ＳＦを出力する。

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_SPを含む所定の伝達関数
Ｇ_S（Ｓ）＝Ｋ_SP｛１＋（１／Ｔ_I）＋Ｔ_D｝ （２）
但し、Ｋ_SP：比例ゲイン、Ｔ_I：積分時間、Ｔ_D：微分時間
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。（２）式から明らかなように、本実施形態において、副制御要素１１５は、ＰＩＤ動作の伝達関数Ｇ_S（Ｓ）に設定されている。

次に、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。

さらに、本実施形態に係るフィードバック制御系１１０には、後述する劣化診断時において、各制御要素１１４、１１５のゲインＫ_PP、Ｋ_SPを変更可能なゲイン切換手段１１８が機能的に構成されている。

図４および図５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６は図４および図５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および図６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、ゲイン切換手段１１８が両制御要素１１４、１１５のゲインＫ_PP、Ｋ_SPを小さく変更する（ステップＳ２）。

この制御により、リニア空燃比センサＳＷ４の主フィードバック量に対する主制御要素１１４の応答は緩やかになるとともに、副制御要素１１５は、診断時に外乱ＬＲ、ＲＬが出力された場合でも、比較的小さな副補正量ＳｂＳを出力することになる。

次いで、収束判定しきい値設定副ルーチンに移行し、収束判定しきい値ＴｈＣ、ｄＴｈＣが設定される（ステップＳ３）。

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Ｓ４）。この収束判定では、外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬがリセットされている状態において、図６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Ｓ４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Ｓ５）、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Ｓ６）。そして、タイマ時間が０になった後、診断を開始してから外乱ＬＲ、ＲＬの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLが比較され（ステップＳ７）、Ｎ_RL＞Ｎ_LRが成立する場合には外乱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Ｓ８）、不成立の場合には、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Ｓ９）。これにより、例えば、図６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、入力された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Ｓ１０）。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７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７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） （３）
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 （４）
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７のように決まる。

ｈ（ｔ）＝ｕ（ｔ−Ｌ） （５）
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４に示すように、演算された微分値±Ｄ_O2と所定のしきい値±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Ｓ１１）、成立した場合には、リニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌを演算し（ステップＳ１２）、外乱発生手段１１６による外乱をリセットする（ステップＳ１４）。

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） （６）
の定数である。

この式（６）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） （７）
但し、Ｋ、Ｍ：定数
から、
ｈ（ｔ）｜_τ=M ＝０．６３２Ｋ （８）
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７で示す関係になる。

図７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。

図５を参照して、そこで本実施形態では、時定数τを劣化診断の要素として取り入れるために、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Ｓ１５）、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Ｓ１６）。

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Ｓ１７）、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Ｓ１８、Ｓ１９）、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Ｓ２０、Ｓ２１）。

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Ｓ２２、Ｓ２３）、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す。

他方、ステップＳ２２、Ｓ２３において、何れの発生回数Ｎ_LR、Ｎ_RLも所要の回数Ｎ_ENDに達している場合には、目標空燃比から実空燃比を差し引いた値が所定のしきい値ＴｈＡＦ未満になる、すなわち、制御が充分に収束するのを待機する（ステップＳ２４）。出力が収束した場合には、各制御要素１１５のゲインＫ_PP、Ｋ_SPを元の値に戻す（ステップＳ２５）。これにより、出力が発散するのを抑制し、診断状態からエミッションの低下を来すことなく、通常のフィードバック制御に戻すことができる。そして、その後、制御は、劣化判定処理に移行する。

このように本実施形態では、ＣＰＵ１０１が図４のステップＳ１２並びに図５のステップＳ１６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８は劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図８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Ｓ２５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で副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。これらの判定により、本実施形態においては、表１に示すようにリニア空燃比センサＳＷ４の劣化により、どのようなエミッション低下が生じているかを分析することが可能になる。

図９は図４における収束判定しきい値設定副ルーチン（ステップＳ３）の一例を示すフローチャートである。

図９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Ｓ３０５）、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Ｓ３０６）。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９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するものである。これにより、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、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、所定の診断条件が成立したときに、外乱発生手段１１６がインパルス状の外乱ＬＲ、ＲＬをフィードバック制御系１１０に出力することにより、外乱ＬＲ、ＲＬを受けた実空燃比に対応する出力ＰＦがリニア空燃比センサＳＷ４から主制御要素１１４に入力される結果、このリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの微分値Ｄ_O2からむだ時間Ｌまたは時定数τの少なくとも一方を検出し、リニア空燃比センサＳＷ４の過渡的な特性（むだ時間Ｌや時定数τ）の変化を検出して劣化診断を実行することが可能になる。このため、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化そのものばかりでなく、劣化態様を詳細に分析することも可能になる。しかも、劣化診断時にフィードバック制御系１１０の開ループ伝達関数Ｇ_P（Ｓ）、Ｇ_S（Ｓ）のゲインＫ_PP、Ｋ_SPを小さくする制御を実行しているので、外乱ＬＲ、ＲＬを出力しているにも拘わらずフィードバック制御系１１０の発散を防止することができ、フィードバック制御系１１０の安定度を維持することが可能になる。

また、本実施形態では、前記フィードバック制御系１１０は、エンジン１０の排気ガスを浄化する触媒３２の下流側に配置され、当該触媒に浄化された排気ガス中の酸素濃度を検出値ＳＦとして出力する酸素濃度センサＳＷ５と、前記酸素濃度センサＳＷ５からの検出値ＳＦが入力されるとともに、この検出値ＳＦに基づく副補正量を基準入力ＩＰに加える副制御要素１１５とを備え、前記ゲイン切換手段は、前記診断条件の成立時に副制御要素１１５のゲインを小さくするものである。このため本実施形態では、リニア空燃比センサＳＷ４によるフィードバックのみならず、酸素濃度センサＳＷ５も制御要素として機能し、基準入力ＩＰを修正することになる。そして、この態様においては、劣化診断時に副制御要素１１５の伝達関数のゲインＫ_SPもゲイン切換手段１１８によって制御されることになるので、外乱ＬＲ、ＲＬを出力しているにも拘わらずフィードバック制御系１１０の発散を防止することができ、フィードバック制御系１１０の安定度を維持することが可能になる。

また、本実施形態では、前記ゲイン切換手段１１８は、診断終了後において目標空燃比とリニア空燃比センサＳＷ４の検出に基づく実空燃比との差が所定の条件を満たす場合に各制御要素１１４、１１５のゲインＫ_PP、Ｋ_SPを通常値に戻すものである。このため本実施形態では、各制御要素１１４、１１５のゲインＫ_PP、Ｋ_SPの変更後に大きなフィードバック補正が作用して発散が生じるのを防止し、制御の乱れによるエミッションの低下を抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、外乱発生手段１１６は、むだ時間Ｌの演算を終了した時点で外乱ＬＲ、ＲＬの生成をリセットするものであるとともに、外乱ＬＲ、ＲＬのリセット後にＣＰＵ１０１がリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの収束を判定した場合に次回の外乱ＬＲ、ＲＬを生成するものである。このため本実施形態では、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化状態に応じて必要最小限の期間だけ外乱ＬＲ、ＲＬを出力させることが可能になる。従って、診断時間を可及的に短縮化できるとともに、むだ時間Ｌに基づく正確な劣化診断を実行することが可能になる。また、このように外乱ＬＲ、ＲＬの出力時間を可変長とした場合であっても、ゲイン切換手段１１８によって、開ループ伝達関数Ｇ_P（ｓ）、Ｇ_S（ｓ）のゲインＫ_PP、Ｋ_SPが小さくされるので、外乱ＬＲ、ＲＬの出力態様に対応して制御の発散を防止し、エミッションの低下を防止することが可能になる。

以上説明したように本実施形態によれば、外乱ＬＲ、ＲＬをインパルス状に出力してリニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌや時定数τを判定パラメータとして利用し、劣化態様を詳細に分析することが可能になるとともに、そのような外乱ＬＲ、ＲＬを利用しているにも拘わらず、フィードバック制御系１１０の発散を可及的に防止することができ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、劣化診断を具体化するに当たり、図８で示したフローチャートにおける過渡時間Ｔに代えて、選択される判定パラメータ毎（むだ時間Ｌ毎、時定数τ毎）に処理を実行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。 図４および図５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副ルーチンの別の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、判定パラメータ演算手段の一例）
１０２ 補助記憶装置
１０３ 主記憶装置
１１０ フィードバック制御系
１１１ 基準入力要素
１１２ ＢＩＡＳ補正要素
１１４ 主制御要素
１１５ 副制御要素
１１６ 外乱発生手段
１１８ ゲイン切換手段
Ｄ_O2 微分値
ＤＶ 目標値
Ｇ_P、Ｇ_S 伝達関数
ＩＰ 基準入力
Ｋ_PP、Ｋ_SP ゲイン
Ｌ むだ時間
ＬＲ、ＲＬ 外乱
Ｎｅ エンジン回転速度
ＰＦ 実空燃比に相当するリニア空燃比センサの出力
Ｑａ 吸入空気量
ＳｂＳ 副補正量
ＳＦ 検出値
ＳＷ１ 回転角度センサ
ＳＷ２ エアフローセンサ
ＳＷ３ スロットルセンサ
ＳＷ４ リニア空燃比センサ
ＳＷ５ 酸素濃度センサ
Ｔ 過渡時間
Ｔ_RL、Ｔ_LR 平均過渡時間
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と、
   この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と、
   前記フィードバック制御系に設けられ、前記リニア空燃比センサの出力が入力されるとともに、この出力と目標値との差に基づいて操作量を出力する主制御要素と、
   所定の診断条件が成立したときに前記フィードバック制御系にインパルス状の外乱を出力する外乱発生手段と、
   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と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演算する判定パラメータ演算手段と、
   前記診断条件の成立時に前記主制御要素のゲインを小さくするゲイン切換手段とを備え、
   該ゲイン切換手段は、診断終了後において目標空燃比とリニア空燃比センサの検出に基づく実空燃比との差が所定値未満となったときに前記ゲインを通常値に戻すものであり、
   前記外乱発生手段は、むだ時間の演算を終了した時点で外乱の生成をリセットするものであるとともに、外乱のリセット後に収束判定手段がリニア空燃比センサの出力の収束を判定した場合に次回の外乱を生成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、
   前記フィードバック制御系は、前記エンジンの排気ガスを浄化する触媒の下流側に配置され、当該触媒に浄化された排気ガス中の酸素濃度を検出値として出力する酸素濃度センサと、
   前記酸素濃度センサからの検出値が入力されるとともに、この検出値に基づく副補正量に基づき目標値を補正する副制御要素と
   を備え、
   前記ゲイン切換手段は、前記診断条件の成立時に前記副制御要素のゲインを小さくするものである
   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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