JP4789991B2 - 排気ガスセンサの劣化故障診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路内の設けられる排気ガスセンサの劣化故障を検知する診断装置に関する。

車両の内燃機関の排気通路には、一般に排気ガス成分を計測するための排気ガスセンサが取り付けられている。排気ガスセンサは、排気ガス中の空燃比を出力し、内燃機関の制御装置がこの出力値に基づいて内燃機関に供給する燃料の空燃比を制御する。したがって、排気ガスセンサが劣化故障し、正確な空燃比を反映したセンサ出力を提供できない場合、制御装置は内燃機関に対して正確な空燃比の制御を行うことができない。

このような排気ガスセンサの初期異常や、劣化故障を検知する手法として、いくつかの技術が開示されている。例えば、故障時の排気ガスセンサの出力波形は正常時の振幅よりも減衰することを利用して、この出力波形の減衰量を計測して、排気ガスセンサの異常を判断する技術がある。特許文献１には、この出力波形の減衰量による異常判断を段階的に複数のフィルタを用いて出力波形を処理することで、排気の悪化や運転性の悪化を抑えつつ、排気ガスセンサの劣化故障を検知する手法が開示されている。
特開２００７−２７０７４５号公報

前記した公知技術（特許文献１）においては、排気ガスセンサの出力波形の振幅が減衰する故障モードに対処することができる。しかしながら、この手法では、例えば空燃比がリッチ状態（燃料が多く、空気が少ない）からリーン状態（燃料が少なく、空気が多い）へ移行するとき、もしくは、リーン状態からリッチ状態へ移行するときのいずれか一方の行程において、排気ガスセンサに異常が発生する場合は検知することができない。

また、排気ガスセンサの異常には、正弦波を入力波形としたときに、出力波形が周波数歪みを生じさせるような故障モードも存在する。周波数歪みとは、正弦波を入力波形としたときに、異なる出力波形となることであり、例えば、出力波形の一部に矩形波や三角波が混じる、入力波形と出力波形とで波形の立ち上がりや立ち下がりが異なる、場合が相当する。入力波形と出力波形とは異なるが、振幅は振幅異常と判断できるほど減衰しない場合、前記した振幅の減衰を比較する公知技術では排気ガスセンサの異常を判定できなかった。

本発明は、前記課題を鑑み、内燃機関の排気通路内に設けられる排気ガスセンサの劣化故障を診断するにあたり、検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障形態を検知する診断装置を提供することを目的とする。

前記問題を解決するため、本発明の一の実施形態は、内燃機関の排気通路に設けられ、この内燃機関の排気ガス成分に応じた出力を発生する排気ガスセンサの劣化故障診断装置であって、検知用信号を発生し、この検知用信号を基本燃料噴射量に加算もしくは乗算して検知用信号を含む燃料噴射量を算出する検知用信号発生手段と、排気ガスセンサの状態を判定する排気ガスセンサ評価手段と、を備えている。

排気ガスセンサ評価手段は、所定の周波数帯域の周波数成分を抽出する第一のバンドパスフィルタ、および、この第一のバンドパスフィルタと異なる周波数帯域の周波数成分を抽出する１または２以上の他のバンドパスフィルタを備える。

そして、排気ガスセンサ評価手段は、燃料噴射量に対する排気ガスセンサの出力から第一のバンドパスフィルタによって抽出された第一の周波数成分と他のバンドパスフィルタによって抽出された他の周波数成分との比率に基づいて、排気ガスセンサの状態を判定するよう構成した。

検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される排気ガスセンサの故障形態において、出力波形に含まれる周波数成分は、入力波形に含まれる周波数成分とは異なる。そこで、前記構成によれば、出力波形の評価にあたって、複数の周波数帯域の異なるバンドパスフィルタを通して波形固有の周波数成分が取得される。そして、周波数成分の比率を判定することによって、検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される排気ガスセンサの故障形態が検知される。このように、例えば正弦波を入力波形としたときに異なる出力波形となる周波数歪みを伴う故障は、複数の周波数帯域の異なるバンドパスフィルタを通して波形固有の周波数成分の比率を判定することにより、正常か故障かを判断することができる。

前記した一実施形態の構成において、第一のバンドパスフィルタの周波数帯域は、検知用信号の周波数帯域と一致させるよう構成することができる。

前記構成において、検知用信号は、所定のオフセット値に正弦波もしくは余弦波を加算した信号とするように構成することができる。

前記構成において、他のバンドパスフィルタの周波数帯域は、第一のバンドパスフィルタの周波数帯域の整数倍の周波数であるように構成することが好ましい。

前記構成において、周波数成分の比率は、第一のバンドパスフィルタが抽出した第一の周波数成分と他のバンドパスフィルタが抽出した他の周波数成分との比に基づき算出され、比率が所定値以下のとき故障と判定するように構成することができる。

さらに、排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサの出力から検知用信号に対応する周波数応答を抽出し、この周波数応答に基づいて排気ガスセンサの状態を判定する構成を加えてもよい。かかる構成の付加によって、排気ガスセンサの出力波形の振幅が減衰する故障モードにも対処することができる。

また、通常運転時における排気ガスセンサからの出力値に基づいて燃料噴射量を補正するために算出されるフィードバック補正係数からフィードバック代表値を演算するフィードバック代表値演算手段と、前記フィードバック代表値を前記検知用信号が含まれる基本燃料噴射量に乗算して、前記内燃機関に入力するための最終燃料噴射量を算出する燃料量計算手段と、をさらに備え、前記フィードバック代表値演算手段は、劣化故障検知中においては、故障検知前の前記フィードバック補正係数から計算したフィードバック代表値を保持し、前記燃料量計算手段は、この保持したフィードバック代表値を用いて前記最終燃料噴射量の算出をするように構成することもできる。

本発明は、内燃機関の排気通路内に設けられる排気ガスセンサの劣化故障を診断するにあたり、検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障形態を検知する診断装置を提供することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる概念を説明するための全体的な構成を示すブロック図である。

［機能ブロックの説明］
検知用信号発生部１０１は、オフセット値ＩＤＯＦＴに三角関数波ＦＤＳＩＮなどを加算した所定の検知用信号ＫＩＤＳＩＮを発生する機能を有する。検知用信号ＫＩＤＳＩＮが基本燃料噴射量に加算されて燃料噴射量ＩＮＪが算出され、燃料が内燃機関１０２へ噴射される。なお、本実施形態では検知用信号ＫＩＤＳＩＮが加算される実施例を説明し、検知用信号ＫＩＤＳＩＮが乗算される実施例は後記する。

この燃料噴射量に応じた出力である排気ガスが内燃機関１０２の排気系から排出される。広域空燃比センサ（排気ガスセンサ、以下ＬＡＦセンサと表記する）１０３は、排出された排気ガスを検知し、その出力である当量比ＫＡＣＴを応答性評価部１０４へ送る。応答性評価部１０４は、当量比ＫＡＣＴを周波数帯域が異なる２つの第１バンドパスフィルタＢＦ１と第２バンドパスフィルタＢＦ２によってバンドパスフィルタリングを行うとともに、絶対値変換や積分等を行い、排気ガスセンサ評価部へ結果を送信する。排気ガスセンサ評価部は、これらの値に基づいて排気ガスセンサの劣化故障診断を行う機能を有する。

内燃機関１０２は、インジェクション・コントローラによって最終燃料噴射量が制御されることが可能な内燃機関である。ＬＡＦセンサ１０３は、内燃機関１０２から排出される排気ガスに対して、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出し、当量比ＫＡＣＴを発生するセンサである。

本実施形態では、検知用信号ＫＩＤＳＩＮを周波数ｆｉｄが約４Ｈｚの正弦波としており、第１バンドパスフィルタＢＦ１の周波数帯域は周波数ｆｉｄと同じ約４Ｈｚとし、第２バンドパスフィルタＢＦ２の周波数帯域は周波数ｆｉｄの整数倍（２倍）の約８Ｈｚとしている。なお、これは一実施例であり、検知用信号は正弦波であること、約４Ｈｚの周波数に限定されないことは言うまでもない。

そしてこれら検知用信号発生部１０１、応答性評価部１０４および排気ガスセンサ評価部の機能は、図２に示すＥＣＵ（電子制御ユニット）において実現することができる。図２は、ＥＣＵ２００の全体的なブロック図である。ＥＣＵ２００は、排気ガスセンサ故障診断専用のＥＣＵを設けることとしてもよいが、本実施形態では、内燃機関系統を制御するＥＣＵ２００に、検知用信号発生部２０２、応答性評価部２０４（第１バンドパスフィルタＢＦ１、第２バンドパスフィルタＢＦ２を含む）、燃料量計算部２０６および排気ガスセンサ評価部２０３の機能を組み込んでいる。

ＥＣＵ２００は、演算を実行するプロセッサ、各種データを一時記憶する記憶領域およびプロセッサによる演算の作業領域を提供するランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、プロセッサが実行するプログラムおよび演算に使用する各種のデータが予め格納されている読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、およびプロセッサによる演算の結果およびエンジン系統の各部から得られたデータのうち保存しておくものを格納する書き換え可能な不揮発性メモリを備えている。不揮発性メモリは、システム停止後も常時電圧供給されるバックアップ機能付きＲＡＭで実現することができる。

入力インタフェース２０１は、ＥＣＵ２００とエンジン系統の各部とのインタフェース部であり、エンジン系統の様々な箇所から送られてくる車両の運転状態を示す情報を受け取って信号処理を行い、アナログ情報はデジタル信号に変換し、これらを排気ガスセンサ評価部２０３、応答性評価部２０４、および燃料量計算部２０６に渡す。図２では、ＬＡＦセンサ１０３から出力される当量比ＫＡＣＴ値、車速Ｖ、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷Ｗ、およびＬＡＦセンサ活性信号が示されているが、これに限定されるものではなく、その他種々の情報が入力される。

検知用信号発生部２０２は、排気ガスセンサ評価部２０３からの指令に基づいて、オフセット値ＩＤＯＦＴに三角関数波ＦＤＳＩＮなどを加算した所定の検知用信号ＫＩＤＳＩＮを発生させる機能を有する（図１も併せて参照）。この検知用信号ＫＩＤＳＩＮについては、排気ガスセンサ故障診断プロセスにおいて詳述する。

排気ガスセンサ評価部２０３は、入力インタフェース２０１から渡されるデータに基づいて、後記する排気ガスセンサ故障診断プロセスを実行すべく演算および条件判断を行い、さらに、検知用信号発生部２０２、応答性評価部２０４、および燃料量計算部２０６を制御する。

応答性評価部２０４は、排気ガスセンサ評価部２０３からの指令を受けて、ＬＡＦセンサ１０３からの出力である当量比ＫＡＣＴを、２つの第１バンドパスフィルタＢＦ１と第２バンドパスフィルタＢＦ２によってバンドパスフィルタリングする。この後、排気ガスセンサ評価部２０３の評価に応じて、この値を絶対値へと変換し、さらに変換した値を所定の期間にわたって積分する機能を有する。これらの機能については、排気ガスセンサ故障診断プロセスにおいて詳述する。

燃料量計算部２０６は、検知用信号発生部２０２で演算した上記検知用信号ＫＩＤＳＩＮを受け取り、基本燃料噴射量に加算して生成された燃料噴射量ＩＮＪを出力インタフェース２０５に渡す機能を有する。

出力インタフェース２０５は、燃料噴射料ＩＮＪを内燃機関１０２のインジェクション機能に出力する機能を有する。また、出力インタフェース２０５は、排気ガスセンサ評価部２０３からの制御信号を受け取り、故障ランプへの出力も行う。しかしながらこれに限定するものではなく出力インタフェース２０５には、他のコントローラ等を接続することもできる。

［排気ガスセンサ故障診断プロセスの説明］
次に図３を参照して、ＬＡＦセンサ１０３の劣化故障を診断する排気ガスセンサ故障診断プロセスについて説明する。図３は本実施形態の排気ガスセンサ故障診断プロセスを表すフローチャートである。

メインプログラムから、排気ガスセンサ故障診断プロセスが呼び出されると、排気ガスセンサ評価部２０３は、排気ガスセンサ評価済みフラグを参照し、排気ガスセンサが既に劣化故障の評価済みであるか否かを判断する（Ｓ３０１）。ここでは、まだ排気ガスセンサは評価されておらず、排気ガスセンサ評価済みフラグは０に設定されているため、プロセスをＳ３０２へと進め、検知条件が成立しているか否かを判断する。ここで、検知条件とは、車速、エンジン回転数、およびエンジン負荷が所定範囲内にある状態をいう。よって、排気ガスセンサ評価部２０３は、入力インタフェース２０１を介して、車速Ｖ、エンジン回転数Ｎｅ、およびエンジン負荷Ｗを取得し、これらのすべてが所定の範囲内にあるか否かを判断する。この検知条件が満たされていない場合（Ｓ３０２：Ｎｏ）、排気ガスセンサ評価部２０３は、プロセスをＳ３１５へと進める。この場合、劣化故障検知を行わない。

劣化故障検知を行わないことから、応答性評価部２０４は検知信号を停止すべく検知用信号発生部２０２に指令を送り、切り替えスイッチによってＫＩＤＳＩＮを０とする（ステップＳ３１５）。

ここで、ＫＩＤＳＩＮとは、基本燃料噴射量に加算されて、図１に示すように検知用信号が加算された燃料噴射量を出力させるための係数である。よって、ＫＩＤＳＩＮが０ときは、通常の運転時の基本燃料噴射量である燃料噴射量ＩＮＪがインジェクションから噴射されることになる。

なお、特許第３９５７２０８号公報にて開示されているように、検知用信号発生部２０２に指令を送ると、排気ガスセンサ評価部２０３は、タイマーに所定の時間をセットし、タイマーのカウントダウンを開始するように構成することもできる。ここで、タイマーにセットされる所定の時間は、排気ガスセンサ評価条件が成立して検知用信号が反映された燃料噴射が行われるようになってから、エンジンから検知用信号が反映された燃料噴射に対する応答が安定して出力されるまでの時間である。このように、所定時間経過後から評価を開始するようにタイマーをセットすることで、検出信号が燃料に反映された直後の安定しない出力状態を回避して応答を評価することができるため、検知精度を向上させることができる。

ＫＩＤＳＩＮを０にセットすると（Ｓ３１５）、排気ガスセンサ評価部２０３は、排気ガスセンサ評価済みフラグを０にリセット（Ｓ３１６）して本プロセスを終了する。

次にメインプログラムによって、再び排気ガスセンサ故障診断プロセスが呼び出されると、Ｓ３０１のプロセスが実行されるが、ここでも排気ガスセンサは未評価であるため、プロセスはＳ３０２に進められ、検知条件が成立しているか否かが判定される。Ｓ３０２において検知条件が成立している場合、排気ガスセンサ評価部２０３は、入力インタフェース２０１を介してＬＡＦセンサ活性信号を受け取り、ＬＡＦセンサ１０３が活性済みであるか否かを判断する（Ｓ３０３）。エンジン始動から間もない場合には、ＬＡＦセンサ１０３は活性化していない。したがって、エンジン始動後所定の時間が経過していない場合には、排気ガスセンサ評価部２０３は、プロセスをＳ３１５へと進める（Ｓ３０３：Ｎｏ）。その後のＳ３１６への流れは前記と同様であるため省略する。

前記したプロセス終了後、メインプログラムにより再び排気ガスセンサ故障診断プロセスが呼び出される。前述のプロセスにより排気ガスセンサ評価済みフラグがリセットされ、さらにエンジン始動後所定の時間が経過することによってＬＡＦセンサ１０３が活性済みになっているため、排気ガスセンサ評価部２０３は、プロセスをＳ３０１からＳ３０２へと進め、Ｓ３０３にてプロセスをＳ３０４へと進める。

前記した検知条件がすべて満たされた場合、排気ガスセンサ評価部２０３は、検知用信号発生部２０２に対してＫＩＤＳＩＮの算出要求を送信する。ＫＩＤＳＩＮの算出要求が送信されると、検知用信号発生部２０２は、周波数ｆｉｄ（ここでは４Ｈｚを使用する）、振幅ａｉｄの正弦波ＩＤＳＩＮを発生させる。そして、発生させた正弦波ＩＤＳＩＮにオフセット量ＩＤＯＦＴ（ここでは１．０とする）を加算したＫＩＤＳＩＮを作成する（Ｓ３０４）。

そして、このＫＩＤＳＩＮを継続的に燃料量計算部２０６に送信する。ＫＩＤＳＩＮが送信されると、燃料量計算部２０６は、基本燃料噴射量にＫＩＤＳＩＮを加算して燃料噴射量ＩＮＪを算出する。この燃料噴射量ＩＮＪは、出力インタフェース２０５を介して内燃機関１０２のインジェクションに入力される。

内燃機関１０２が燃料噴射量ＩＮＪで運転されると、入力である燃料噴射量ＩＮＪに応じた出力である排気ガスがエンジンの排気系から排出される。ＬＡＦセンサ１０３は、排出された排気ガスを検知し、その出力ＫＡＣＴが入力インタフェース２０１を介して応答性評価部２０４に入力される。応答性評価部２０４は、例えば、以下の式にＫＡＣＴを代入してバンドパスフィルタリング済みの出力ＫＡＣＴ＿Ｆを算出する（Ｓ３０５，Ｓ３０８）。

ＫＡＣＴ＿Ｆ（ｋ）＝ａ１ＫＡＣＴ＿Ｆ（ｋ−１）＋ａ２ＫＡＣＴ＿Ｆ（ｋ−２）＋ａ３ＫＡＣＴ＿Ｆ（ｋ−３）＋ｂ０ＫＡＣＴ（ｋ）＋ｂ１ＫＡＣＴ（ｋ−１）＋ｂ２ＫＡＣＴ（ｋ−２）＋ｂ３ＫＡＣＴ（ｋ−３）
ａ１，ａ２，ａ３，ｂ０，ｂ１，ｂ２，ｂ３：フィルタ係数

ここで、第１バンドパスフィルタＢＦ１の周波数特性は、図４に示すように検知用信号周波数ｆｉｄと同じ４Ｈｚを通過させるフィルタであり、バンドパスフィルタリング済みの出力をＫＡＣＴ＿Ｆ１とする。そして、第２バンドパスフィルタＢＦ２の周波数特性は周波数ｆｉｄの整数倍（２倍）の約８Ｈｚとしており、バンドパスフィルタリング済みの出力をＫＡＣＴ＿Ｆ２とする。

［各クライテリアの判定］
次に、排気ガスセンサ評価部２０３は、ＫＡＣＴ＿Ｆ１とＫＡＣＴ＿Ｆ２を用いて、具体的にクライテリアと比較し、ＬＡＦセンサ１０３の故障を判定する。クライテリアは、１から３の３通りあり、正常モード、出力波形の振幅が減衰する故障モード、および、検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障モードを判別する基準である。

クライテリア１は、入力波形に対する出力波形の振幅の減衰率を求め、この減衰率が所定値を超えるか否かを判定する。そして、減衰率が所定値を下回れば、ＬＡＦセンサ１０３は故障と判断される。次に、クライテリア２は、減衰率が所定値より小さいか否かを判定する。そして、減衰率が所定値より大きければ、ＬＡＦセンサ１０３は正常と判断される。

図５は、クライテリアを模式的に表した説明図である。このように、クライテリア１により減衰率が所定値より小さい場合には出力波形の振幅が減衰する故障モードの故障であり、クライテリア２により減衰率が所定値より大きい場合は正常モードと判断される。しかし、検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障モードの故障は、図５のクライテリア１とクライテリア２との間に分布している。

そこで、本実施形態は、クライテリア１とクライテリア２との間に新たにクライテリア３を設け、このクライテリア３で検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障モードの判定を行う。

［クライテリア１，２の判定］
クライテリア１では、４Ｈｚにおいてバンドパスフィルタリング済みの出力ＫＡＣＴ＿Ｆ１が検知用信号ＫＩＤＳＩＮと比較して減衰しているか否かを判定する（Ｓ３０６）。図６はバンドパスフィルタＢＦ１の出力の一例を示すものであり、（ａ）では振幅が大きく減衰は観測されていないが、（ｂ）では振幅が小さく減衰している。（ｂ）のように減衰して、かつ所定の減衰率が小さければＬＡＦセンサ１０３は故障していると判断され（Ｓ３０６：Ｎｏ）、故障ランプが点灯される（Ｓ３１２）。そして、排気ガスセンサ評価済みフラグが１にセットされて（Ｓ３１３）、プロセスはＳ３１４に進められる。排気ガスセンサ評価部２０３は、ＫＩＤＳＩＮを１．０にセット（Ｓ３１４）するように検知信号発生部２０２に指令し、検知信号を停止した後、本プロセスを終了する。

次に、図６（ａ）の場合は、振幅の減衰率を所定値と比較するクライテリア２の判定に進む（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）。

クライテリア２の判定において、振幅の減衰率が所定値以上であれば、ＬＡＦセンサ１０３は正常であり（Ｓ３０７：Ｎｏ）、排気ガスセンサ評価部２０３は、排気ガスセンサは劣化故障をしていないと判断し、排気ガスセンサ評価済みフラグを１にセットして（Ｓ３１１）、その指令を燃料量計算部２０６へ送信する。そして排気ガスセンサ評価部２０３は、ＫＩＤＳＩＮを０にセット（Ｓ３１４）するように検知信号発生部２０２に指令し、検知信号を停止した後、本プロセスを終了する。そして、クライテリア２の判定においてもＬＡＦセンサ１０３が故障か否か判断できないとき、すなわち振幅の減衰率が所定値を下回るとき、クライテリア３の判定に進む（Ｓ３０７：Ｙｅｓ）。

なお、クライテリア１、２の判定手法は、特許第３９５７２０８号において開示されているように、応答性評価部２０４がＫＡＣＴ＿Ｆ１から絶対値に変換したＫＡＣＴ＿ＦＡを算出し、このＫＡＣＴ＿ＦＡから積分値ＬＡＦ＿ＤＬＹＰを算出し、排気ガスセンサ評価部２０３が、積分値ＬＡＦ＿ＤＬＹＰが所定値ＬＡＦ＿ＤＬＹＰ＿ＯＫ以上であるか否かを判断するよう構成してもよい。ここで、ＬＡＦ＿ＤＬＹＰ＿ＯＫ値は、積分値ＬＡＦ＿ＤＬＹＰに基づいて排気ガスセンサが劣化故障しているか否かを判断するためのしきい値である。

［クライテリア３の判定］
まず、クライテリア３の判定の手法について説明した後、図３のフローに戻って説明する。図７は、ＬＡＦセンサ１０３が正常の場合における、入力信号を４Ｈｚの正弦波としたときの（ａ）出力信号と（ｂ）出力の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果である。図８は、ＬＡＦセンサ１０３が検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障の場合における、入力信号を４Ｈｚの正弦波としたときの（ａ）出力信号と（ｂ）出力信号のＦＦＴの結果である。

図７では、（ａ）のようにＬＡＦセンサ１０３の出力波形が入力信号と同様に正常な正弦波であれば、（ｂ）のように入力信号の周波数成分（４Ｈｚ）のみが大きくなっている。一方、図８では、（ａ）のようにリッチ側となるプラスからリーン側となるマイナスへＬＡＦセンサ１０３の出力が推移するときは、応答性が劣化し、遅れが生じている。そして、この出力波形の固有の周波数は、（ｂ）のように、入力信号の周波数成分（４Ｈｚ）と、その整数倍の周波数成分（８Ｈｚ，１２Ｈｚ・・）が大きくなっている。

本実施形態は、この点に着目し、（４Ｈｚの周波数成分）／（８Ｈｚの周波数成分）の比率を算出する。この比率は、図７の正常時と比べて、図８の検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障時の方が小さくなる。クライテリア３では、この値を比較することで故障の判定を行っている。

ＬＡＦセンサ１０３の故障パターンは、図９に示すように６パターンが想定される。図９において、（ａ）は正常な状態であり、（ｂ）リーンからリッチ、リッチからリーンへの推移において対称的な応答の遅れが生ずる故障状態であり、（ｃ）はリーンからリッチに推移するときに応答遅れが長くなる故障状態であり、（ｄ）は（ｃ）とは逆にリッチからリーンに推移するときに応答遅れが長くなる故障状態であり、（ｅ）はリッチのときに遅れが生ずる故障状態であり、（ｆ）は（ｅ）とは逆にリーンのときに遅れが生ずる故障状態であり、（ｇ）はリッチおよびリーンのときに遅れが生ずる故障状態である。前記した図８の故障状態は、図９（ｄ）のリッチからリーンに推移するときに応答遅れが長くなる場合に相当している。

以下の説明では（ｂ）〜（ｇ）の故障状態を、この順に故障パターン１〜６として説明する。なお、故障パターン１は、前記した振幅の減衰を比較する従来技術を用いて判定することができるため、以下では故障パターン２〜６について説明する。

図１０は、故障パターン２〜６の代表的な例について入力信号を４Ｈｚの正弦波としたときの、４Ｈｚの周波数成分の出力に対する各周波数の周波成分の比率を示している。図１０の縦軸は比率であり、横軸は周波数である。従って、横軸の４Ｈｚの比率は、同じ周波数成分となるため、１となる。

図１０から分かるように、（４Ｈｚの周波数成分）／（８Ｈｚの周波数成分）の比率は、故障パターン２，３においても、故障パターン４〜６においても、明らかに正常状態と異なり、低くなっている。特に故障パターン２，３の比率は、図７（ｂ）と図８（ｂ）とのＦＦＴ結果からも明らかである。このように入力に対して出力に周波数歪みが生ずる故障形態では、入力と出力との周波数成分が異なるため、複数の異なる周波数帯域のバンドパスフィルタによるバンドパスフィルタリングを行うことによって故障や異常を検出することが可能となる。

以上のように、本実施形態は前記したクライテリア１および２によって故障パターン１「両側対称応答」を検出することができ、クライテリア３によって故障パターン２，３「片側応答遅れ」、故障パターン４「両側時間遅れ」、故障パターン５，６「片側時間遅れ」を検出することができる。かかる構成によって、従来技術の出力信号の振幅が減衰する故障に加えて、従来技術ではできなかった出力信号が減衰しないような波形に対しても故障の診断を可能としている。

排気ガスセンサ故障診断プロセスに戻ると、排気ガスセンサ評価部２０３は、クライテリア２の判定でもＬＡＦセンサ１０３が故障か否か判断できないとき（Ｓ３０７：Ｙｅｓ）、ＫＡＣＴ＿Ｆ１とＫＡＣＴ＿Ｆ２（Ｓ３０８）を用いて、（４Ｈｚの周波数成分）／（８Ｈｚの周波数成分）の比率ＲＦが算出される（Ｓ３０９）。比率ＲＦは、４Ｈｚの周波数成分と８Ｈｚの周波数成分とが前記した図７，８や図１０の関係から算出された所定値と比較され、所定値よりも小さければ、ＬＡＦセンサ１０３は故障と判定され（Ｓ３１０：Ｎｏ）、故障ランプが点灯される（Ｓ３１２）。比率ＲＦが所定値より大きければ正常と判定され（Ｓ３１０：Ｙｅｓ）、排気ガスセンサ評価部２０３は、排気ガスセンサは劣化故障をしていないと判断し、排気ガスセンサ評価済みフラグを１にセットして（Ｓ３１１）指令を燃料量計算部２０６に送信する。そして排気ガスセンサ評価部２０３は、ＫＩＤＳＩＮを０にセット（Ｓ３１４）するように検知信号発生部２０２に指令し、検知信号を停止した後、本プロセスを終了する。

本実施形態によれば、バンドパスフィルタリングを施した出力を用いて、検知用周波数以外の周波数成分を取り除くことにより、センサ計測の際のノイズ成分を除去でき、特に過渡運転時に生じる空燃比変動などによって生じる他の周波数成分の影響を取り除くことができ、検知精度をより向上させることができる。

前記した説明では、周波数帯域が異なる複数のバンドパスフィルタとして、４Ｈｚと８Ｈｚのバンドパスフィルタを例にあげて説明したが、図７や図１０の一例に示すように他の周波数帯域においても特徴的な波形固有の周波数成分が現れている場合もあり、４Ｈｚと８Ｈｚのバンドパスフィルタに限定されないことは言うまでもない。

このように本実施形態は、従来の周波数成分の振幅の減衰を評価するクライテリア１の判定に加え、振幅が減衰せず検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障もクライテリア３によって診断が可能とする。

なお、前記では正弦波を検知用信号として使用したが、余弦波としても、同様の効果を有する。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記した第１実施形態と重複する部分については省略し、差異のある部分を中心に説明する。図１１は排気ガスセンサの劣化故障診断装置の第２実施形態を説明するための全体的な構成を示すブロック図である。なお、第１実施形態と共通の機能ブロックについては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態は、検知用信号を基本燃料噴射量に乗算して検知用信号を含む燃料噴射量を算出する。すなわち、本実施形態にかかる燃料量計算部は、検知用信号発生部１０１で演算した検知用信号ＫＩＤＳＩＮを受け取り基本燃料噴射量に乗じて生成された最終燃料噴射量ＩＮＪを出力インタフェースに渡す機能を有する。

また、劣化故障検知を行わない場合、応答性評価部１０４は検知信号を停止すべく検知用信号発生部１０１に指令を送り、検知用信号発生部１０１にてＩＤＯＦＴを定数１．０、ＦＤＳＩＮを定数０に設定し、これらを加算した合成信号であるＫＩＤＳＩＮを作成する（この場合、合成信号ＫＩＤＳＩＮは１．０となる）。ＫＩＤＳＩＮが１．０ときは、通常の運転時の基本燃料噴射量がインジェクションから噴射されることになる。従って、図３に示したフローにおいて、Ｓ３１４，Ｓ３１５は、いずれもＫＩＤＳＩＮを１．０にセットすることとなる。

以上、図を参照して本実施形態を説明したが、本実施形態は発生された検知用信号を入力としてどのように用いるかのみが第１実施形態と異なり、第１実施形態と同様な排気ガスセンサの故障診断をすることができる。

なお、本実施形態によれば、排気ガスセンサを評価するための正弦波変動などの検知用信号を乗じた燃料噴射量をエンジンに与え、その後の排気ガスセンサ出力に基づいて排気ガスセンサの応答性を評価するため、常に一定の割合以上の周波数成分を含む排気ガスセンサからの出力を得ることができ、周波数応答特性を用いて排気ガスセンサの状態判断を行う際に、検知精度を向上させることが可能となる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記した第１実施形態または第２実施形態と重複する部分については省略し、差異のある部分を中心に説明する。図１２は排気ガスセンサの劣化故障診断装置の第３実施形態を説明するための全体的な構成を示すブロック図である。なお、第１実施形態または第２実施形態と共通の機能ブロックについては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

第３実施形態は、後記するようにフィードバック代表値を用いて劣化故障検知中の燃料噴射量を補正することにより、フィードバックを停止した場合に比較して、検知中の排気ガス成分の増加をより小さくすることができる。なお、以下の実施例では検知用信号ＫＩＤＳＩＮを燃料噴射量に乗算する第２実施形態に対してフィードバックを行うものとして説明するが、検知用信号ＫＩＤＳＩＮを燃料噴射量に加算する第１実施形態に対して同様に適用することができる。

本実施形態は検知用信号発生部１０１が発生したＫＩＤＳＩＮが乗算された第２燃料噴射量ＩＮＪ２が算出された後、フィードバック制御を行う。そのため本実施形態は、ＬＡＦセンサ１０３の出力をフィードバック補償器４０４に戻し、フィードバック代表値演算器４０９および互いに連動するスイッチ４１０，４１１をさらに備えている。

フィードバック補償器４０４は、ＬＡＦセンサ１０３からの出力値に基づいて、空燃比を適正に保つためのフィードバック補正係数ＫＡＦを発生する機能を有し、このフィードバック補償器による演算は、排気ガスセンサの劣化故障検知中においては停止する。

フィードバック代表値演算器４０９は、フィードバック補償器４０４で演算されるフィードバック補正係数ＫＡＦを用いて、その代表的な値であるフィードバック代表値ＫＡＦＣＥＮＴＥＲを演算する。具体的には、ＫＡＦＣＥＮＴＥＲはフィードバック補正係数ＫＡＦの平均値、中央値、なまし値など、主にフィードバック補正係数の定常偏差を代表する値である。排気ガスセンサの劣化故障検知中において、フィードバック補償器４０４はフィードバック補正係数演算を停止する。

このフィードバック代表値は、最終燃料噴射量を発生させるためにフィードバック補正係数に代わって、検知用信号を含んだ基本燃料噴射量に乗算される係数となる。フィードバック代表値演算器４０９についても、通常運転中はフィードバック代表値演算を行っているが、劣化故障検知中においてはフィードバック代表値の演算を停止し、演算停止直前のフィードバック代表値を保持することとなる。

燃料噴射量に対するフィードバック補償において、劣化故障検知中以外ではフィードバック補正係数ＫＡＦを用い、検知中ではフィードバック代表値演算器４０９に保持されたフィードバック代表値ＫＡＦＣＥＮＴＥＲを用いる。この切替は、図中のスイッチ１１０、１１１で表され、両スイッチは連動して同時に動作する。

そして、これら排気ガスセンサ評価部、検知用信号発生部１０１、フィードバック補償器４０４、応答性評価部１０５、およびフィードバック代表値演算器４０９の機能は、第１実施形態と同様にＥＣＵにおいて実現することができる。

なお、本実施形態において図２における燃料量計算部２０６は、検知用信号発生部２０２で演算した上記検知用信号ＫＩＤＳＩＮを受け取り基本燃料噴射量（以下第１基本燃料噴射量とする）に加算し、さらにこれにフィードバック補正係数（または、フィードバック代表値）を乗じて生成された最終燃料噴射量ＩＮＪＦを出力インタフェース２０５に渡す機能を有する。

また、燃料量計算部２０６には、排気ガスセンサからの検出値を利用して空燃比を理論空燃比近傍に保つための前述のフィードバック補正係数を演算するフィードバック補償機能、および後述するフィードバック代表値演算機能が組み込まれている。

次に図１３を参照して、ＬＡＦセンサ１０３の劣化故障を診断する排気ガスセンサ故障診断プロセスについて説明する。図１３は本実施形態の排気ガスセンサ故障診断プロセスを表すフローチャートである。なお、図３と同じステップについては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態は図３に示す第１実施形態における検知条件成立（Ｓ３０２）後にフィードバック代表値の演算等（Ｓ５０３，Ｓ５０４，Ｓ５１９，Ｓ５２０）を行い、ＫＩＤＳＩＮに１．０をセット（Ｓ５１４）前にフィードバック代表値の演算等（Ｓ５１６，Ｓ５１７）を行うことが、第１実施形態と異なっている。また、前記したように本実施形態では、検知用信号ＫＩＤＳＩＮを燃料噴射量に乗算することから、Ｓ５１４，Ｓ５１５において検知用信号ＫＩＤＳＩＮは１．０にセットされる。

検知条件が満たされていない場合（Ｓ３０２：Ｎｏ）、排気ガスセンサ評価部２０３は、プロセスをＳ５１９へと進める。この場合、劣化故障検知を行わないので、通常運転時の動作であるフィードバック補正係数の演算を行い、Ｓ５２０にてフィードバック代表値演算を行う。

具体的には、フィードバック補正係数ＫＡＦの計算は、ＬＡＦセンサからの出力に基づいて行われる。排気ガスセンサ評価部２０３は、入力インタフェースを介して受け取ったＬＡＦセンサからの出力値であるＫＡＣＴに基づいてインジェクションが吐出する最終燃料噴射量がリーンであるかリッチであるかの判定を行う。リッチと判定したとき、燃料量計算部２０６は、フィードバック補正係数の前回演算値を一定割合だけ減らし、リーンの時は一定割合だけ増加させる。また、理論空燃比近傍に空燃比制御するために、信号がリーンからリッチ、またはリッチからリーンへと変わったときは、一定割合ではなく不連続な階段状に補正係数を変化させることとしてもよい。

また、フィードバック代表値は、フィードバック補正係数ＫＡＦを以下のようになまし計算することによって得られ、演算結果は格納されて保持される。
ＫＡＦＣＥＮＴＥＲ＝（１−ｃ１）・ＫＡＦ_ｉ−１＋ｃ１・ＫＡＦ_ｉ
ここで、ｃ１はなまし係数である。ここでは、なまし計算を使用したが、複数のフィードバック補正係数の平均値などを用いてフィードバック代表値ＫＡＦＣＥＮＴＥＲとすることもできる。

例えば、平均値を用いる場合は、
ＫＡＦＣＥＮＴＥＲ＝（ＫＡＦ_ｉ＋ＫＡＦ_ｉ＋１＋・・・＋ＫＡＦ_ｉ−ｊ）／（ｉ−ｊ＋１）
と計算することができる。

また、フィードバック補正係数の中央値を求め、これをフィードバック代表値ＫＡＦＣＥＮＴＥＲとすることもできる。この場合において、得られたフィードバック補正係数ＫＡＦ値を値の小さい順に並べ替えたＫＡＦ_１からＫＡＦ_ｎの中からｍ個の中央の値 ＫＡＦ_Ｍ１，ＫＡＦ_Ｍ２，・・・，ＫＡＦ_Ｍｍを取り出し、以下のように平均値を計算することにより中央値を求めることとしてもよい。
ＫＡＦＣＥＮＴＥＲ＝（ＫＡＦ_Ｍ１＋・・・＋ＫＡＦ_Ｍｍ）／ｍ

劣化故障検知を行わない場合は、前記のように、ＫＩＤＳＩＮが１．０となり、通常の運転時の基本燃料噴射量が出力され、これにフィードバック補正係数ＫＡＦが乗じられた最終燃料噴射量ＩＮＪＦがインジェクションから噴射されることになる。

なお、Ｓ５１９および後記するＳ５１６におけるフィードバック補正係数演算は、フューエルカット中はフィードバックを停止するなどを含む通常のフィードバック演算動作におけるフィードバック補正係数演算を意味し、あらゆる条件下においてフィードバック補正係数を算出し続けるという意味ではない。

Ｓ３０２において検知条件が成立している場合、排気ガスセンサ評価部２０３は、プロセスを劣化検知の準備を行うためにプロセスをＳ５０３に進め、燃料量計算部２０６に指令を送信して、フィードバック補正係数演算を停止させ、Ｓ５０４にてフィードバック代表値演算も停止させる同時に、その時点において演算されたフィードバック代表値を保持させる。

そして、検知条件がすべて満たされた場合、排気ガスセンサ評価部２０３は、検知用信号発生部２０２に対してＫＡＣＴ＿Ｆ１，２の算出要求を送信する。ＫＡＣＴ＿Ｆ１，２の算出要求が送信されると、検知用信号発生部２０２はＫＩＤＳＩＮを作成する（Ｓ３０６）。そして、このＫＩＤＳＩＮを継続的に燃料量計算部２０６に送信する。ＫＩＤＳＩＮが送信されると、燃料量計算部２０６は、第１基本燃料噴射量にＫＩＤＳＩＮを乗算し、さらに格納されているフィードバック代表値ＫＡＦＣＥＮＴＥＲを乗じて最終燃料噴射量ＩＮＪＦを算出する。そして、この最終燃料噴射量ＩＮＪＦは、出力インタフェース２０５を介して内燃機関１０２のインジェクションに入力される。

その後、第１実施形態において説明したフローが継続され、排気ガスセンサは劣化故障をしていないと判断されると、排気ガスセンサ評価済みフラグを１にセットして（Ｓ３１３）、フィードバック補正係数演算（Ｓ５１６）およびフィードバック演算値演算（Ｓ５１７）を実行させる指令を燃料量計算部２０６に送信する。そして排気ガスセンサ評価部２０３は、ＫＩＤＳＩＮを１．０にセット（Ｓ５１４）するように検知信号発生部２０２に指令し、検知信号を停止した後、本プロセスを終了する。

かかる構成とすることにより、劣化故障検知のためにフィードバック演算を停止しても、フィードバック補正係数に基づいたフィードバック代表値を用いて燃料量を制御するため、検知精度を高めたまま劣化検知中の排気ガス成分の増加を抑制することが可能となる。

以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。

本発明にかかる排気ガスセンサの劣化故障診断装置の第１実施形態を説明するための全体的な構成を示すブロック図である。 第１実施形態のＥＣＵ（電子制御ユニット）の全体的なブロック図である。 第１実施形態の排気ガスセンサ故障診断プロセスを表すフローチャートである。 第１実施形態で使用するバンドパスフィルタの周波数特性例である。 第１実施形態における故障診断のクライテリアを模式的に表した説明図である。 バンドパスフィルタの出力の一例を示すものである。 ＬＡＦセンサが正常の場合における、入力信号を４Ｈｚの正弦波としたときの出力信号と出力の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果である。 ＬＡＦセンサが検知用信号の入力波形と異なる波形が出力される故障の場合における、入力信号を４Ｈｚの正弦波としたときの出力信号と出力信号のＦＦＴの結果である。 ＬＡＦセンサの故障パターンの説明図である。 故障パターンの代表的な例について周波数成分の比率を示した図である。 本発明にかかる排気ガスセンサの劣化故障診断装置の第２実施形態を説明するための全体的な構成を示すブロック図である。 本発明にかかる排気ガスセンサの劣化故障診断装置の第３実施形態を説明するための全体的な構成を示すブロック図である。 第３実施形態の排気ガスセンサ故障診断プロセスを表すフローチャートである。

符号の説明

１０１ 検知用信号発生部
１０２ 内燃機関
１０３ ＬＡＦセンサ
１０４ 応答性評価部
２００ ＥＣＵ
２０１ 入力インタフェース
２０２ 検知用信号発生部
２０３ 排気ガスセンサ評価部
２０４ 応答性評価部
２０５ 出力インタフェース
２０６ 燃料量計算部

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、この内燃機関の排気ガス成分に応じた出力を発生する排気ガスセンサの劣化故障診断装置であって、
   検知用信号を発生する検知用信号発生手段と、
   前記検知用信号が反映された燃料噴射量を算出する燃料量計算手段と、
   前記排気ガスセンサの状態を判定する排気ガスセンサ評価手段と、を備え、
   前記排気ガスセンサ評価手段は、
   所定の周波数帯域の周波数成分を抽出する第一のバンドパスフィルタ、および、この第一のバンドパスフィルタと異なる周波数帯域の周波数成分を抽出する１または２以上の他のバンドパスフィルタを備え、
   前記燃料噴射量に対する前記排気ガスセンサの出力から前記第一のバンドパスフィルタによって抽出された第一の周波数成分と前記他のバンドパスフィルタによって抽出された他の周波数成分との相対的な大小関係が所定の関係にあるときに、前記排気ガスセンサの状態を故障と判定するよう構成された、排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
2. 前記第一のバンドパスフィルタの周波数帯域は、前記検知用信号の周波数帯域と一致している、請求項１に記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
3. 前記検知用信号は、所定のオフセット値に正弦波もしくは余弦波を加算した信号である、請求項１または請求項２に記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
4. 前記他のバンドパスフィルタの周波数帯域は、前記第一のバンドパスフィルタの周波数帯域の整数倍の周波数である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
5. 前記相対的な大小関係は、前記他のバンドパスフィルタが抽出した前記他の周波数成分に対する前記第一のバンドパスフィルタが抽出した前記第一の周波数成分の比として算出し、該比が所定値以下のとき故障と判定する、請求項１ないし４のいずれかに記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
6. 前記排気ガスセンサ評価手段は、前記排気ガスセンサの出力から前記検知用信号に対応する周波数応答を抽出し、この周波数応答に基づいて前記排気ガスセンサの状態を判定する、請求項１に記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
7. 通常運転時における排気ガスセンサからの出力値に基づいて燃料噴射量を補正するために算出されるフィードバック補正係数からフィードバック代表値を演算するフィードバック代表値演算手段をさらに備え、
   前記劣化故障診断中においては、前記フィードバック代表値演算手段を停止するとともに、停止直前の前記フィードバック代表値を保持し、前記燃料量計算手段は、前記保持したフィードバック代表値を用いて最終燃料噴射量の算出をする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
8. 入力波形である前記検知用信号の振幅に対する出力波形である前記第一の周波数成分の振幅の減衰率が、第１しきい値以下のときに前記排気ガスセンサは故障していると判断し、前記第１しきい値より大きい第２しきい値以上のときに正常と判断するとともに、前記減衰率が前記第１しきい値よりも大きくかつ前記第２しきい値よりも小さいときに、前記排気ガスセンサの劣化故障診断を行う、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。

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