| 【発明の名称】 |
リニア空燃比センサの劣化診断装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】寺田 浩市
【氏名】宮本 浩二
【氏名】宮腰 穂
【氏名】竹林 広行
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| 【要約】 |
【課題】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、リニア空燃比センサの片側劣化をも確実に検出し、且つ中心空燃比のずれを補正すること。
【解決手段】エンジンの触媒に浄化される排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力する。所定の診断条件が成立したときにフィードバック制御系にインパルス状の外乱をリーン側とリッチ側とに交互に出力する。外乱出力後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの微分値を出力する。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Ｌと時定数τとのうち少なくとも一方を、リーン側、リッチ側でそれぞれ独立した劣化判定の判定パラメータとして演算する。劣化診断時にリーン側の外乱から演算された判定パラメータとリッチ側の外乱から演算された判定パラメータとの差を演算し、演算された差に基づいて目標空燃比に対する基準入力のずれを補正する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガス中の酸素濃度に基づいて、空燃比のフィードバック制御を実行するフィードバック制御系と、
前記排気ガスを浄化する触媒の上流側に配置され、当該触媒に浄化される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、
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リーン側とリッチ側とに交互に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、リーン側、リッチ側でそれぞれ独立した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、
劣化診断時にリーン側の外乱から演算された判定パラメータとリッチ側の外乱から演算された判定パラメータとの差を演算し、演算された差に基づいて目標空燃比に対する基準入力のずれを補正する中心ずれ補正手段と
を備えてい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。
【請求項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、基準入力を補正する補正要素を有し、前記中心ずれ補正手段は、補正要素による補正量を調整して基準入力のずれを補正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。
【請求項３】
請求項１または２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、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
を有してい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。
【請求項４】
請求項３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、前記診断条件の成立時に前記副制御要素のゲインを小さくし、診断終了後の所定条件成立後に副制御要素のゲインを通常値に戻すゲイン切換手段を有してい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。
【請求項５】
請求項３または４記載のリニア空燃比センサの劣化診断装置において、
通常運転時には、前記副制御要素の制御動作が少なくともＰＩ動作になるとともに、劣化診断時には、副制御要素の制御動作がＩ動作のみになるように副制御要素の伝達関数を設定する伝達関数設定手段を設けてい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。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に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。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、三元触媒の上流側にリニア空燃比センサを設け、下流側には酸素濃度センサを設けている。上流側のリニア空燃比センサは、フィードバック制御系に実空燃比に相当する検出値を出力する一方、下流側の酸素濃度センサは、フィードバック制御系の目標空燃比を所定の空燃比に維持するための副制御要素に酸素濃度の検出値を出力するように構成されている。そして、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。
【特許文献１】特許第３３７７３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、リニア空燃比センサの応答劣化には、両側劣化と片側劣化の２つの態様がある。両側劣化とは、リッチ側、リーン側への変動に対するセンサ出力変化の応答性が何れも悪化する応答劣化をいい、片側劣化とは、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をいう。
【０００４】
両側劣化においては、リーン側へもリッチ側へもリニア空燃比センサの出力変化の応答性が悪化するので、フィードバック全体の応答性は遅れるものの、平均空燃比が目標空燃比からずれることはない。これに対して、片側劣化を来しているリニア空燃比センサの出力に基づいて、空燃比をフィードバック制御を実行した場合、平均空燃比が本来の目標空燃比（中心空燃比）からずれてしまうという問題がある。
【０００５】
この点に関し、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、両側劣化についてはリニア空燃比センサの劣化判定が容易になる。しかしながら、単に出力変動を拡大しているだけでは、リニア空燃比センサが片側劣化を来しているか否かを判定することはできなかった。そのため、特許文献１の劣化診断に基づいて、空燃比のフィードバック制御を続けると、平均空燃比が目標空燃比からずれるという不具合を回避することができなかった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、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、リニア空燃比センサの片側劣化をも確実に検出し、且つ中心空燃比のずれを補正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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、エンジンの排気ガス中の酸素濃度に基づいて、空燃比のフィードバック制御を実行するフィードバック制御系と、前記排気ガスを浄化する触媒の上流側に配置され、当該触媒に浄化される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、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リーン側とリッチ側とに交互に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、リーン側、リッチ側でそれぞれ独立した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、劣化診断時にリーン側の外乱から演算された判定パラメータとリッチ側の外乱から演算された判定パラメータとの差を演算し、演算された差に基づいて目標空燃比に対する基準入力のずれを補正する中心ずれ補正手段とを備えてい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劣化診断を実行することが可能になる。しかも、劣化診断時にリーン側の外乱から演算された判定パラメータとリッチ側の外乱から演算された判定パラメータとの差を演算し、演算された差に基づいて目標空燃比に対する基準入力のずれを補正する制御を実行するので、仮にリーン側またはリッチ側の外乱に対する応答劣化が進んだリニア空燃比センサを診断しているときであっても、リッチ側とリーン側とに外乱を加える構成を採用したことに伴い、診断中にフィードバック制御系の基準入力がリッチ側またはリーン側にシフトするおそれが無くなる。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。
【０００８】
好ましい態様において、前記フィードバック制御系は、基準入力を補正する補正要素を有し、前記中心ずれ補正手段は、補正要素による補正量を調整して基準入力のずれを補正するものである。この態様では、フィードバック制御系の前向き要素の基準入力を調整して、リニア空燃比センサの劣化に伴う目標空燃比に対するずれを吸収することが可能になる。
【０００９】
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、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有している。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、この態様においても、中心ずれ補正手段によって、目標空燃比に対する基準入力の補正が実行されるので、副制御要素を加味した補正の実現が可能になる。
【００１０】
好ましい態様において、前記フィードバック制御系は、前記診断条件の成立時に前記副制御要素のゲインを小さくし、診断終了後の所定条件成立後に副制御要素のゲインを通常値に戻すゲイン切換手段を有している。この態様では、劣化診断時に副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、外乱が発生しているときの基準入力に対するフィードバックが緩やかになり、副制御要素による発散を防止することができるとともに、フィードバック制御系に対する制御動作を変更する方式に比べ、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。
【００１１】
好ましい態様において、通常運転時には、前記副制御要素の制御動作が少なくともＰＩ動作になるとともに、劣化診断時には、副制御要素の制御動作がＩ動作のみになるように副制御要素の伝達関数を設定する伝達関数設定手段を設けている。この態様では、通常運転時には、副フィートバック制御系がＰＩ制御、またはＰＩＤ制御を実行するとともに、劣化診断時には、Ｉ動作によってのみフィードバック制御を実行するので、Ｐ項による副補正量の急激な増加を抑制し、出力が発散するのを防止することが可能になる。
【００１２】
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。このため、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、中心ずれ補正手段によって、目標空燃比に対する基準入力のずれが補正されるので、外乱の出力態様に対応して、目標空燃比を維持し、エミッションの低下を防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、劣化診断時に中心ずれ補正手段によって、仮にリーン側またはリッチ側の外乱に対する応答劣化が進んだリニア空燃比センサを診断しているときであっても、診断中にフィードバック制御系の基準入力がリッチ側またはリーン側にシフトするおそれが無くなるので、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、リニア空燃比センサの片側劣化をも確実に検出し、且つ中心空燃比のずれを補正することができるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、操作量ＯＶを決定する主制御要素１１４とを含んでいる。
【００２８】
基準入力要素１１１が出力する「基準入力ＩＰ」とは、フィードバック制御系１１０を動作させる基準として、直接その閉ループに加えられる入力信号をいう。
【００２９】
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。
【００３０】
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ＫPPを含む所定の伝達関数
ＧP（Ｓ）＝ＫPP｛１＋（１／ＴI）＋ＴD｝ （１）
但し、ＫPP：比例ゲイン、ＴI：積分時間、ＴD：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ＧP（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制御量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。
【００３１】
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ＫSPを含む所定の伝達関数
ＧS（Ｓ）＝ＫSP｛１＋（１／ＴI）＋ＴD｝ （２）
但し、ＫSP：比例ゲイン、ＴI：積分時間、ＴD：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ＧS（Ｓ）に設定されている。
【００３２】
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ＮLR、ＮRL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ＮEND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。
【００３３】
さらに、本実施形態に係るフィードバック制御系１１０には、各制御要素１１４、１１５の伝達関数ＧP（Ｓ）、ＧS（Ｓ）を個別に設定可能な伝達関数設定手段１１７と、後述する劣化診断時において、各制御要素１１４、１１５のゲインＫPP、ＫSPを変更可能なゲイン切換手段１１８と、診断過程で目標空燃比のずれを補正する中心ずれ補正手段１１９とが機能的に構成されている（図２参照）。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、伝達関数設定手段１１７が副制御要素１１５の伝達関数ＧS（Ｓ）をＩ動作に変更する（ステップＳ２）。
【００３７】
この制御により、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。
【００３８】
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）。
【００３９】
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ＤO2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。
【００４０】
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ＮLR、ＮRLが比較され（ステップＳ７）、ＮRL＞ＮLR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。
【００４１】
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ＤO2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ＤO2を出力する微分手段を機能的に構成している。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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６に示すように、演算された微分値±ＤO2と所定のしきい値±ＴｈＤとを比較し、＋ＤO2＞＋ＴｈＤまたは−ＤO2＜−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）。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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±ＤO2のピーク値）ＤO2PKを演算し（ステップＳ１５）、この微分ピーク値ＤO2PKからリニア空燃比センサの時定数τを演算するようにしている（ステップＳ１６）。
【００５１】
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ＮLR、ＮRLをインクリメントする（ステップＳ２０、Ｓ２１）。
【００５２】
その後、各外乱ＬＲ、ＲＬについて、所要の回数ＮEND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ＮLR、ＮRLが所要の回数ＮENDに満たない場合には、まず偶数回目に実行されるＲＬ劣化検出の初回目が実行されているか否かを判定し（ステップＳ２４）、仮に実行されていない場合には、ステップＳ１に戻る一方、実行されている場合には、中心ずれ矯正処理（ステップＳ２５、Ｓ２６）が実行される。この中心ずれ矯正処理では、むだ時間Ｌと時定数τの和を過渡時間Ｔとして定義し、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ＴLR、ＴRLの絶対値の差｜Ｔdiff｜を演算する（ステップＳ２５）。次いで、演算された差｜Ｔdiff｜に応じて、ＢＩＡＳ補正要素１１２の補正量ＳＳが調整される。上述のように補正量ＳＳは、初期値は０であるが、ステップＳ２５の判定の結果、基準入力がリッチ側にずれていると判定される場合には、リーン側に調整され、リーン側にずれていると判定される場合には、リッチ側に調整される。これにより、リッチ側の外乱ＬＲとリーン側の外乱ＲＬとに対して、むだ時間Ｌや時定数τが異なる状態でリニア空燃比センサＳＷ４が劣化している場合であっても、目標空燃比に対する基準入力ＩＰが過度にずれないように構成されている。その後、ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。
【００５３】
他方、ステップＳ２２、Ｓ２３において、何れの発生回数ＮLR、ＮRLも所要の回数ＮEND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Ｓ２７）。出力が収束した場合には、副制御要素１１５の伝達関数ＧS（Ｓ）を（２）式のＰＩＤ動作に戻す（ステップＳ２８）。これにより、出力が発散することなく、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。
【００５４】
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。
【００５５】
図８を参照して、このフローでは、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ＴLR、ＴRLをそれぞれ演算する（ステップＳ２１１）。次いで、両平均過渡時間ＴLR、ＴRLの絶対値の差を演算し、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ＴLR、ＴRLにおいて、絶対値の差が大きい場合には、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ＴLR、ＴRLの絶対値の差が演算されている。
【００５６】
仮に両平均過渡時間ＴLR、ＴRLの絶対値の差がしきい値ＴｈＢ以下の場合、今度は、両平均過渡時間ＴLR、ＴRLの絶対値の和がしきい値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ＴLR、ＴRLの絶対値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。
【００５７】
仮に、両平均過渡時間ＴLR、ＴRLの絶対値の和がしきい値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ＴLR、ＴRLの絶対値の和がしきい値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）。
【００５８】
他方、ステップＳ２１２において、両平均過渡時間ＴLR、ＴRLの絶対値の差がしきい値ＴｈＢを越えている場合、リッチ側の平均過渡時間ＴLR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ＴLR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ＴLR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ＴRL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ＴRLがしきい値ＴｈＬを越えている場合には、リーン側過渡時間ＴRL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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
以上説明したように本実施形態では、エンジン１０の排気ガスを浄化する三元触媒３２を制御対象としてフィードバック制御を実行するフィードバック制御系１１０と、この三元触媒３２の上流側に配置され、当該三元触媒３２に浄化される排気ガス中の酸素濃度に比例する値を出力ＰＦとして出力するリニア空燃比センサＳＷ４と、所定の診断条件が成立したときにフィードバック制御系１１０にインパルス状の外乱ＬＲ、ＲＬをリーン側とリッチ側とに交互に出力する外乱発生手段１１６と、外乱発生手段１１６による外乱ＬＲ、ＲＬ出力後にリニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦの微分値ＤO2を出力する微分手段としてのＣＰＵ１０１と、微分手段としてのＣＰＵ１０１が出力した微分値ＤO2に基づいてリニア空燃比センサＳＷ４のむだ時間Ｌと時定数τとのうち少なくとも一方を、リーン側、リッチ側でそれぞれ独立した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してのＣＰＵ１０１と、劣化診断時にリーン側の外乱ＲＬから演算された判定パラメータ（例えば、過渡時間ＴLRの絶対値）とリッチ側の外乱ＬＲから演算された判定パラメータとの差｜Ｄdiff｜を演算し、演算された差に基づいて目標空燃比に対する基準入力ＩＰのずれを補正する中心ずれ補正手段１１９とを備えている。このため本実施形態では、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ＤO2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の劣化診断を実行することが可能になる。しかも、劣化診断時にリーン側の外乱ＲＬから演算された判定パラメータ（例えば、過渡時間ＴLRの絶対値）とリッチ側の外乱ＬＲから演算された判定パラメータ（例えば、過渡時間ＴRLの絶対値）との差｜Ｄdiff｜を演算し、演算された差｜Ｄdiff｜に基づいて目標空燃比に対する基準入力ＩＰのずれを補正する制御を実行するので、仮にリーン側またはリッチ側の外乱ＬＲ、ＲＬに対する応答劣化が進んだリニア空燃比センサＳＷ４を診断しているときであっても、リッチ側とリーン側とに外乱ＬＲ、ＲＬを加える構成を採用したことに伴い、診断中にフィードバック制御系１１０の基準入力ＩＰがリッチ側またはリーン側にシフトするおそれが無くなる。
【００６３】
また、本実施形態では、フィードバック制御系１１０は、基準入力ＩＰを補正するＢＩＡＳ補正要素１１２を有し、前記中心ずれ補正手段１１９は、ＢＩＡＳ補正要素１１２による補正量を調整して基準入力ＩＰのずれを補正するものである。このため本実施形態では、フィードバック制御系１１０の基準入力要素１１１の基準入力ＩＰを調整して、リニア空燃比センサＳＷ４の劣化に伴う目標空燃比に対するずれを吸収することが可能になる。
【００６４】
また、本実施形態では、フィードバック制御系１１０は、三元触媒３２の下流側に配置され、当該三元触媒３２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、リニア空燃比センサＳＷ４の出力ＰＦが入力されるとともに、この出力ＰＦと基準入力ＩＰに基づいて操作量ＯＶを出力する主制御要素１１４と、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ＳｂＳを基準入力ＩＰに加える副制御要素１１５とを有しているものである。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、この態様においても、中心ずれ補正手段１１９によって、目標空燃比に対する基準入力ＩＰの補正が実行されるので、副制御要素を加味した補正の実現が可能になる。
【００６５】
特に、本実施形態では、通常運転時には、副制御要素１１５の制御動作が少なくともＰＩ動作になるとともに、劣化診断時には、副制御要素１１５の制御動作がＩ動作のみになるように副制御要素１１５の伝達関数を設定する伝達関数設定手段１１７を設けている。このため本実施形態では、通常運転時には、副フィートバック制御系がＰＩ制御、またはＰＩＤ制御を実行するとともに、劣化診断時には、Ｉ動作によってのみフィードバック制御を実行するので、Ｐ項による副補正量ＳｂＳの急激な増加を抑制し、出力が発散するのを防止することが可能になる。
【００６６】
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。このため、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、中心ずれ補正手段１１９によって、目標空燃比に対する基準入力ＩＰのずれが補正されるので、外乱ＬＲ、ＲＬの出力態様に対応して、目標空燃比を維持し、エミッションの低下を防止することが可能になる。
【００６７】
以上説明したように本実施形態によれば、劣化診断時に中心ずれ補正手段によって、仮にリーン側またはリッチ側の外乱ＬＲ、ＲＬに対する応答劣化が進んだリニア空燃比センサＳＷ４を診断しているときであっても、診断中にフィードバック制御系１１０の基準入力ＩＰがリッチ側またはリーン側にシフトするおそれが無くなるので、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、リニア空燃比センサＳＷ４の片側劣化をも確実に検出し、且つ中心空燃比（本来の目標空燃比）のずれを補正することができるという顕著な効果を奏する。
【００６８】
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。
【００６９】
例えば、図１０および図１１に示す実施形態を採用することも可能である。
【００７０】
図１０および図１１は、本発明の別の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。
【００７１】
各図に示す実施形態では、図４のステップＳ２における伝達関数の設定変更に代えて、（２）式のゲインＫSPを小さく設定し（ステップＳ１０２）、図５のステップＳ２８を変更して、ゲインＫSPを通常値に戻す処理を実行する点（ステップＳ１２８）が図４および図５の実施形態と異なっている。
【００７２】
このように図１０および図１１に示す実施形態においては、診断条件の成立時に副制御要素１１５のゲインＫSPを小さくし、診断終了後の所定条件成立後に副制御要素１１５のゲインＫSPを通常値に戻すゲイン切換手段１１８を有している。このため本実施形態では、劣化診断時に副制御要素１１５のゲインを小さくする制御を実行しているので、外乱ＬＲ、ＲＬが発生しているときの基準入力ＩＰに対するフィードバックが緩やかになり、副制御要素１１５による発散を防止することができるとともに、フィードバック制御系１１０に対する制御動作を変更する方式に比べ、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。
【００７３】
また、本発明を具体化するに当たり、図４、図５のフローチャートと図１０、図１１のフローチャートとを複合し、伝達関数を変更するとともにゲインを下げる処理を実行してもよい。
【００７４】
加えて、劣化診断や中心ずれ補正を具体化するに当たり、図５で示したフローチャートや図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。
【００７５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の一形態に係るエンジンの系統図である。
【図２】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３】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。
【図４】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５】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６】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。
【図７】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。
【図８】劣化判定処理の詳細を示すフローチャートである。
【図９】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。
【図１０】本発明の別の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１１】本発明の別の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。
【符号の説明】
【００７７】
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
１１７ 伝達関数設定手段
１１８ ゲイン切換手段
１１９ 中心ずれ補正手段
ＤO2 微分値
ＤＶ 目標値
ＧP、ＧS 伝達関数
ＩＰ 基準入力
ＫPP、ＫSP 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
ＳＳ 補正量
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
ＴRL、ＴLR 平均過渡時間
τ 時定数
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３１３７
【氏名又は名称】マツダ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１７年６月２８日（２００５．６．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７８２８
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司
【識別番号】１０００９６１５０
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 孝夫
【識別番号】１０００９９９５５
【弁理士】
【氏名又は名称】樋口 次郎
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| 【公開番号】 |
特開２００７−９７１２（Ｐ２００７−９７１２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１９年１月１８日（２００７．１．１８） |
| 【出願番号】 |
特願２００５−１８７９０８（Ｐ２００５−１８７９０８） |
|