JP2008190454A - 空燃比センサの異常診断装置及び異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの個々の特性の異常を好適に診断すると共に、診断時の排ガスエミッション悪化を防止する。
【解決手段】燃料噴射弁から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、機関運転要求に従って入力空燃比が比較的急激に変化したときの入力空燃比に基づく入力ｕ（ｔ）と、その変化に応答した空燃比センサの出力ｙ（ｔ）とから一次遅れ要素のパラメータＴ，ｋを同定する。そして同定されたパラメータに基づき空燃比センサの特性（応答性及び出力）の異常を判定する。空燃比センサの応答性異常と出力異常とを同時且つ個別に診断でき、診断時に入力空燃比を強制的に変化させないので排ガスエミッションの悪化を防止できる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常を診断する装置及び方法に関する。

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有効に行うため、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。

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ガス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。

特許文献１には、オープンループ制御により空燃比を周期的に増減し、これに伴って増減する空燃比センサ出力の軌跡長又は面積に基づいて空燃比センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置が開示されている。また、特許文献２には、空燃比センサの検出遅れ特性を表したプラントモデルを逐次同定し、同定したプラントモデルのパラメータを用いて空燃比フィードバック制御における制御ゲインを設定する空燃比制御装置が開示されている。これにおいて、空燃比センサの応答劣化の診断をフィードバック制御中に行うときには逐次同定が停止される。

特開２００５−３０３５８号公報 特開２００４−６８６０２号公報

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は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を判別することができない。

また、特許文献１に記載の技術では、空燃比センサの異常検出に際し強制的に空燃比を増減するアクティブ空燃比制御を行っている。しかしながら、アクティブ空燃比制御を実施すると排ガスエミッションの悪化が避けられないという問題がある。

他方、特許文献２に記載の技術では、空燃比センサの特性のうち、応答性の劣化のみが診断される。しかし、空燃比センサには他の特性も含まれており、この他の特性の異常を判別することができない。そもそも、特許文献２に記載の技術は空燃比制御に関するものであり、空燃比センサの異常診断に特化したものではない。よって逐次同定したプラントモデルのパラメータは空燃比フィードバック制御の制御ゲインを設定するために用いられ、空燃比センサの応答遅れ診断の際には逐次同定が停止される。

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、また、診断時の排ガスエミッションの悪化を防止し得る空燃比センサの異常診断装置及び異常診断方法を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から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、機関運転要求に従って空燃比センサに与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したときの該入力空燃比に基づく入力と、前記入力空燃比の変化に応答して変化する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同定する同定手段と、
該同定手段により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異常判定手段と
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。

この本発明の第１の形態によれば、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。

また、この第１の形態によれば、機関運転要求に従って空燃比センサに与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したときの入力及び出力に基づいてパラメータの同定が行われる。空燃比センサのモデル同定は入力空燃比ができるだけ急激に且つ大きく変化するタイミングで行うのが望ましいが、第１の形態の場合だと、通常のエンジン制御によりたまたまそのように入力空燃比が変化したときにモデル同定が行われる。従ってアクティブ空燃比制御等によって入力空燃比を意図的且つ強制的に変化させることがなく、診断時の排ガスエミッションの悪化を好適に防止することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。

この第２の形態によれば、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常が判定されるので、その少なくとも二つの特性の異常を同時且つ個別に判定でき、空燃比センサの異常診断として極めて好適なものとすることができる。

本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする。

空燃比センサの特性のうち、応答性と出力はセンサの性能を左右するような重要な特性である。この第３の形態によれば、少なくとも、これら重要な二つの特性の異常を診断できるので、空燃比センサの異常診断として極めて好適である。

本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３のいずれかの形態において、
前記機関運転要求に従って入力空燃比が比較的急激に変化するときが、減速要求に従ってフューエルカットが開始されるときであることを特徴とする。

この第４の形態によれば、確実な入力の変化を安定して得ることができ、同定精度を向上することができる。また、フューエルカットは通常のエンジン運転時に比較的頻繁に実行されるので、フューエルカット開始時を同定タイミングに設定することにより診断頻度も確保することができる。

本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記入力が、前記入力空燃比の逆数からなることを特徴とする。

例えばストイキ制御からフューエルカットに移行するとき、入力空燃比は例えば１４．６から無限大に変化する。しかし、無限大という値はモデル同定で取り扱うことが困難である。この第５の形態によれば、入力が入力空燃比の逆数からなるので、ストイキ制御からフューエルカットに移行するとき、入力が１／１４．６から０に変化し、０が有限値であることから、モデル同定において好適に取り扱うことができる値となる。これにより入力をモデル同定に適した値に設定することが可能となる。

本発明の第６の形態は、前記第１乃至第５のいずれかの形態において、
前記出力が、前記空燃比センサから出力される電流値からなることを特徴とする。

本発明の第７の形態は、前記第１乃至第６のいずれかの形態において、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するむだ時間補正手段を備えることを特徴とする。

これにより輸送遅れの影響を無くし、パラメータの同定精度を向上することが可能となる。

本発明の第８の形態は、前記第７の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを特徴とする。

本発明の第９の形態は、前記第７の形態において、
前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、前記むだ時間を算出すると共に、前記入力と前記出力との実際の時間差を計測して実際のむだ時間を計測し、前記むだ時間と前記実際のむだ時間とのズレ量が所定値より大きいとき、前記実際のむだ時間により前記マップのデータを更新することを特徴とする。

本発明の第１０の形態は、前記第１乃至第９のいずれかの形態において、
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するバイアス補正手段を備えることを特徴とする。

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向上することができる。

本発明の第１１の形態は、前記第１乃至第１０のいずれかの形態において、
前記同定手段は、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする。

これにより同定に際しての演算負荷やメモリ容量が軽減され、実用性が向上する。

本発明の第１２の形態によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断方法であって、
燃料噴射弁から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、機関運転要求に従って空燃比センサに与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したときの該入力空燃比に基づく入力と、前記入力空燃比の変化に応答して変化する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同定するステップと、
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ステップと
を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断方法が提供される。

本発明の第１３の形態は、前記第１２の形態において、
前記異常判定ステップは、同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする。

本発明の第１４の形態は、前記第１３の形態において、
前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする。

本発明の第１５の形態は、前記第１２乃至第１４のいずれかの形態において、
前記機関運転要求に従って入力空燃比が比較的急激に変化するときが、減速要求に従ってフューエルカットが開始されるときであることを特徴とする。

本発明の第１６の形態は、前記第１５の形態において、
前記入力が、前記入力空燃比の逆数からなることを特徴とする。

本発明の第１７の形態は、前記第１２乃至第１６のいずれかの形態において、
前記出力が、前記空燃比センサから出力される電流値からなることを特徴とする。

本発明の第１８の形態は、前記第１２乃至第１７のいずれかの形態において、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする。

本発明の第１９の形態は、前記第１８の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする。

本発明の第２０の形態は、前記第１８の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、前記むだ時間を算出すると共に、前記入力と前記出力との実際の時間差を計測して実際のむだ時間を計測し、前記むだ時間と前記実際のむだ時間とのズレ量が所定値より大きいとき、前記実際のむだ時間により前記マップのデータを更新することを含むことを特徴とする。

本発明の第２１の形態は、前記第２０の形態において、
前記むだ時間補正ステップは、次のステップＡ〜Ｄにより実際のむだ時間を計測することを含むことを特徴とする。
Ａ．出力が比較的急激に変化している最中の直線近似できる領域を特定し、当該領域の回帰直線を求めるステップ。
Ｂ．少なくとも出力が比較的急激に変化する前の所定期間において移動平均を求め、その変化直前とみなせるような移動平均上の１点を特定するステップ。
Ｃ．当該１点を通る出力一定の直線を仮想し、この仮想直線と前記回帰直線との交点を求め、当該交点における時刻を出力変化開始時刻と特定するステップ。
Ｄ．入力変化開始時刻から出力変化開始時刻までの時間を算出し、この時間を実際のむだ時間として決定するステップ。

本発明の第２２の形態は、前記第１２乃至第２１のいずれかの形態において、
前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、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、また、診断時の排ガスエミッションの悪化を防止し得る空燃比センサの異常診断装置及び異常診断方法を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

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。

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１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４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１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。

内燃機関１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３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

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８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３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５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

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）１２が気筒ごとに配設されている。インジェクタ１２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３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

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６に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１１，１９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１７，１８、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８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１７，１８は排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する。触媒前センサ１７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１８は所謂Ｏ_２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。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２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５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、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７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２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。

触媒１１，１９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１１，１９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３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１７によって検出される実際の空燃比Ａ／Ｆｆｒ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１２を通電（オン）する。この結果、触媒１１，１９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１１，１９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１７によって検出される実際の空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。

なお、触媒前センサ１７は、これに接触する排気ガスの酸素濃度に応じた電流値を出力する。ＥＣＵ２０はこの電流値を空燃比に換算して、或いは電流値自体を直接、空燃比制御に用いる。他方、触媒後センサ１８は、これに接触する排気ガスの酸素濃度に応じた電圧値を出力すると共に、その酸素濃度が理論空燃比相当の酸素濃度より濃いか薄いかに応じて、基本的に２値の電圧値を出力する。ＥＣＵ２０はこの電圧値を理論空燃比相当の参照電圧と比較して、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンかリッチかを決定する。

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側触媒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１７である。

当該異常診断においては、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、機関運転要求に従って触媒前センサ１７に与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したときの当該入力空燃比に基づく入力と、その入力空燃比の変化に応答して変化する触媒前センサ１７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１７の所定の特性の異常が判定される。

機関運転要求とは、ユーザ（車両の場合はドライバ）や運転状況の要求に従ってエンジンが運転及び制御されるときの当該要求のことをいう。つまり、機関運転要求に従って入力空燃比が変化するとは、ユーザや運転状況の要求に従ってエンジンが（パッシブに）運転及び制御されているときに触媒前センサ１７に与えられる入力空燃比が変化することをいう。よって、ユーザや運転状況の要求とは無関係に入力空燃比が強制的に変化される場合は含まれず、典型的には、特許文献１に開示されたようなアクティブ空燃比制御によって入力空燃比が強制的に変化される場合は含まれない。

本実施形態のエンジンに関しては、アクセルペダルやアクセルレバー等のアクセル部材がユーザの要求に従って操作される。そしてアクセル部材の操作量即ちアクセル開度がアクセル開度センサ１５によって検出される。よって、アクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度の値は機関運転要求に対応した値となる。このほか、図示しない周辺装置（エアコン、Ａ／Ｃジェネレータ等）の作動状態に応じてエンジン負荷が変化されたり、車両の走行条件又は環境（降坂・登坂走行、高地、寒冷地等）に応じてエンジン負荷が変化されたりする。このような運転状況の変化に対応してエンジンを制御すべくＥＣＵ２０に入力される信号が機関運転要求に対応する。

また、入力空燃比が比較的急激に変化するとは、上述した通常の空燃比フィードバック制御時における入力空燃比の平均的な変化に比べて、入力空燃比の変化速度が速く、また変化前と変化後とで入力空燃比の値が大きく異なることをいう。なお変化にはリーン側への変化とリッチ側への変化とが両方含まれる。

このように、本発明の実施形態では、アクティブ空燃比制御等によって入力空燃比が強制的に変化させられるような場合ではなく、通常の機関運転要求に従ったエンジン運転時にたまたま入力空燃比が比較的急激に変化したときに、この変化を利用してモデル同定を行い、触媒前センサ１７の所定の特性の異常を判定する。よって、強制的な空燃比変化に起因する排ガスエミッションの悪化を確実に防止することができる。

本実施形態では、機関運転要求に従って入力空燃比が比較的急激に変化するときの好適例として、ユーザの減速要求に従って燃料噴射を停止するフューエルカット（Ｆ／Ｃ）が開始されるときが採用される。このようなフューエルカットの開始時は入力空燃比が理論空燃比付近から無限大に急速に変化するので、確実な入力変化を安定して得ることができ、モデル同定を行う上で好適なタイミングである。しかも、減速フューエルカットは通常のエンジン運転時に比較的頻繁に行われるので、診断頻度を確保する上でも好適である。本実施形態の場合、減速フューエルカットは、１）アクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度が略全閉であること、２）クランク角センサ１４の出力に基づいて計算されるエンジン回転速度がアイドル速度より若干高い所定速度以上であること、の二条件を満たしたときに実行される。これら二条件が満たされたときにフューエルカットフラグがオンとなり、インジェクタ１２への通電が停止される。

さて、一時遅れ系モデルに対する入力としては入力空燃比に基づく値が用いられる。入力空燃比は、本実施形態の場合、インジェクタ１２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５の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑが用いられる。以下、入力空燃比をνＡＦで表す（νＡＦ＝Ｇａ／Ｑ）。

但し、本実施形態の場合、入力空燃比の値を入力としてそのまま用いると次のような不都合がある。即ち、フューエルカット時には燃料噴射量Ｑ＝０、つまり入力空燃比νＡＦ＝∞となるが、無限大という値はモデル同定で取り扱うことが困難である。そこで本実施形態では、入力空燃比の逆数（燃空比ともいう）１／νＡＦ（＝Ｑ／Ｇａ）を入力として用いることとする。こうするとストイキ制御からフューエルカットに移行するとき、入力が１／１４．６から０に変化し、０が有限値であるので、モデル同定において好適に取り扱うことが可能となる。

本実施形態において、フューエルカット中であるとき（フューエルカットフラグがオンのとき）の入力ｕ（ｔ）は基本的には次式で表される。
ｕ（ｔ）＝１／νＡＦ（ｔ） （Ｓ_ＦＣ＜αのとき）・・・（Ａ１）
ｕ（ｔ）＝ ０ （Ｓ_ＦＣ≧αのとき）・・・（Ａ２）
ここで、Ｓ_ＦＣはフューエルカット開始時刻（フューエルカットフラグがオンとなった時刻）からの経過時間を表す。αは所定のしきい値で、数１００ｍｓ程度の値とされる。このαは、フューエルカット開始時刻においてシリンダ内の燃焼室３に存在したガス（空気）が触媒前センサ１７に到達するまでの時間（輸送遅れ）とほぼ同等の値に設定される。なお、フューエルカット中でないとき（フューエルカットフラグがオフのとき）の入力ｕ（ｔ）は前式（Ａ１）で表されるような入力空燃比の逆数とされる。

他方、一時遅れ系モデルに対する出力としては、触媒前センサ１７から出力される電流値そのものが用いられる。以下、このセンサ出力電流値をｉＯ_２で表す。出力ｙ（ｔ）は基本的に次式で表される。
ｙ（ｔ）＝ｉＯ_２（ｔ）・・・（Ｂ）
ここで、触媒前センサ１７の出力特性の一例について図２を参照しつつ説明する。図示されるように、触媒前センサ１７から出力される電流値ｉＯ_２は、触媒前センサ１７に接触する排気ガスの空燃比ないし酸素濃度に応じてリニアに変化する。図示例では、排ガス空燃比が理論空燃比（１４．６）のときセンサ出力電流値は０（ｍＡ）、排ガス空燃比が１８のときセンサ出力電流値は約０．５（ｍＡ）、排ガス空燃比が１３のときセンサ出力電流値は約−０．４（ｍＡ）である。また、フューエルカット（Ｆ／Ｃ）時においては、触媒前センサ１７に空気が接触させられており、このとき空気中の酸素濃度（２０％）に対応してセンサ出力電流値は約２．５（ｍＡ）という最大値（リーンリミット）を示す。ストイキ制御からフューエルカットに移行すると、センサ出力電流値は０（ｍＡ）付近から約２．５（ｍＡ）へと急速に変化する。センサ出力電流値はフューエルカット時も含めて常に有限値であるため、モデル同定には好適な値となる。

フューエルカット開始時、入力空燃比の逆数からなる入力ｕ（ｔ）は１／１４．６付近から０に急激に変化し、これに応答して、センサ出力電流値からなる出力ｙ（ｔ）は０ｍＡ付近から２．５ｍＡ付近に急激に変化する。この入力変化と出力変化との関係から、一次遅れ要素におけるパラメータが同定され、この同定されたパラメータに基づき触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。

ここで触媒前センサ１７の特性の異常について説明する。図３には理解を容易にするためアクティブ空燃比制御を実行したときの入力空燃比νＡＦと出力空燃比μＡＦとの関係を示す。入力空燃比νＡＦは前述したようにＧａ／Ｑとして計算された値であり、出力空燃比μＡＦは触媒前センサ１７からの出力電流値ｉＯ_２を空燃比に換算した値である。繰り返すが、本実施形態の同定方法ではアクティブ空燃比制御は実施されない。図示例はあくまでセンサの特性異常を説明するためだけのものであり、本実施形態の同定方法と無関係であることに留意されたい。

図３に示すように、アクティブ空燃比制御の実行により、インジェクタ１２の位置での混合気の空燃比（即ち、入力空燃比νＡＦ）が一定周期且つ一定振幅で強制的に振動させられ、これに追従して、触媒前センサ１７で検出される空燃比（即ち、出力空燃比μＡＦ）も同様に振動させられる。振動の中心となる中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比と等しくされる。また、振動の振幅はリーン側及びリッチ側で同一であり、通常の空燃比制御のときの振幅よりも大きく、例えば空燃比で０．５などとされる。

入力空燃比νＡＦが矩形のステップ波形であるのに対し、出力空燃比μＡＦは一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力空燃比νＡＦから出力空燃比μＡＦまでの輸送遅れに基づくむだ時間である。即ち、このむだ時間Ｌは、シリンダ内の燃焼室３に存在したガスが触媒前センサ１７に到達するまでの時間差に相当する。

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１７のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１７の時定数を表す。ゲインｋは、触媒前センサ１７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１７の特性のうち応答性に関わる値である。図３において、出力空燃比μＡＦを表す実線は触媒前センサ１７が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１７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１７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。

次に、ＥＣＵ２０によって実行されるゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を説明する。ここでは入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）として前記式（Ａ１），（Ａ２），（Ｂ）で表されるような基本値が用いられる。

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ｂ_１とｂ_２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。

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１７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１７は応答性に関して正常と判定される。

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１７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１７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１７は出力に関して正常であると判定される。

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重要な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。そして空燃比センサの異常診断として極めて好適なものを実現することが可能となる。

また、機関運転要求に従って空燃比センサに与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したとき、同定を行うので、アクティブ空燃比制御等によって入力空燃比を意図的且つ強制的に変化させることがなく、診断時の排ガスエミッションの悪化を防止することができる。空燃比センサのモデル同定は入力空燃比ができるだけ急激に且つ大きく変化するタイミングで行うのが望ましいが、本実施形態の場合、通常のエンジン制御によりたまたまそのように入力空燃比が変化したときにモデル同定を行うので、排ガスエミッションの悪化を回避しつつ、精度の高い同定及び診断を実行することが可能である。また、そのように入力空燃比が比較的急激に変化するときとしてフューエルカットの開始時が用いられるので、確実な入力の変化を安定して得ることができ、同定精度を向上することができ、診断頻度も確保することができる。さらに、同定の際の入力として空燃比の逆数を用いるため、フューエルカット開始時におけるモデル同定に好適な入力とすることができる。

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い、補正後の入出力データに基づいて同定を行うこととしている。

図４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）５０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５２、バイアス補正部（バイアス補正手段）５４及びむだ時間補正部（むだ時間補正手段）５６が設けられる。異常診断がフューエルカットの開始時に実施されることから、フューエルカットフラグ出力部５８も設けられている。フューエルカットフラグ出力部５８は、フューエルカットの実行又は停止に応じてフューエルカットフラグオン信号又はフューエルカットフラグオフ信号を入力算出部５２、むだ時間補正部５６及び同定部５０にそれぞれ出力する。

入力算出部５２では入力ｕ（ｔ）の算出が行われる。即ち、フューエルカットの実行中であってフューエルカット開始時刻（フューエルカットフラグ出力部５８から入力算出部５２にフューエルカットフラグオン信号が出力開始された時刻）からの経過時間Ｓ_ＦＣが所定のしきい値αより小さいときは、前述の式（Ａ１）に従い、入力空燃比の逆数１／νＡＦが入力ｕ（ｔ）として算出される。また、フューエルカットの実行中であってフューエルカット開始時刻からの経過時間Ｓ_ＦＣが所定のしきい値α以上であるときは、前述の式（Ａ２）に従い、０が入力ｕ（ｔ）として算出される。なお、フューエルカット停止時（フューエルカットフラグ出力部５８から入力算出部５２にフューエルカットフラグオフ信号が出力されている時）には入力空燃比の逆数１／νＡＦが入力ｕ（ｔ）として算出される。

次に、バイアス補正部５４について説明する。このバイアス補正部５４では、入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。

入力ｕ（ｔ）と出力ｙ（ｔ）とは、負荷変動、学習ズレ及びセンサ値ズレ等の理由で、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。このような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。

図５（Ａ）、（Ｂ）には入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）の変化を示す（実線参照）。入力ｕ（ｔ）が０となっている部分、及び出力ｙ（ｔ）がリーンリミット（約２．５ｍＡ）となっている部分がフューエルカットの実行中を示す。バイアス補正の方法としては、まず入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）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、その結果としてバイアス値ｕ_ｂ（ｔ）、ｙ_ｂ（ｔ）が逐次的に算出される（破線参照）。そして、Ｓ_ＦＣ≧αが最初に成立した時刻（フューエルカット開始時刻からの経過時間が最初にα以上となった時刻）ｔ’でのバイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）、ｙ_ｂ（ｔ’）が取得される（円内参照）。所定値αが数１００ｍｓ程度の極めて短い時間であるので、時刻ｔ’でのバイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）、ｙ_ｂ（ｔ’）は、フューエルカット前でのバイアス値とほぼ変わらず、図示例では入力バイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）が約０．０７５、出力バイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）が約０という値になっている。

フューエルカット前ではストイキ制御が実行されており、触媒前センサ１７からの出力が理論空燃比（＝１４．６）相当の０ｍＡ付近となるように空燃比が制御されていることから、触媒前センサ１７の出力ｙ（ｔ）は０ｍＡ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_ｂ（ｔ）も０ｍＡ付近となっている。これに対し入力ｕ（ｔ）は、本来理論空燃比の逆数１／１４．６＝０．０６８という値になるはずであるが、図示例ではリッチ側へのバイアスが生じており、約０．０７５という値になっている。

そこでこのようなバイアスを除去する補正が行われる。前述のように、時刻ｔ’でのバイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）、ｙ_ｂ（ｔ’）が求められたら、次に、これらバイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）、ｙ_ｂ（ｔ’）と入出力ｕ（ｔ）、ｙ（ｔ）とに基づき、次式に従ってバイアス補正後の入出力ｕ’（ｔ）、ｙ’（ｔ）が逐次的に算出される。
ｕ’（ｔ）＝ｕ_ｂ（ｔ’）−ｕ（ｔ）
ｙ’（ｔ）＝ｙ_ｂ（ｔ’）＋ｙ（ｔ）

図５の円内部分における入出力ｕ（ｔ）、ｙ（ｔ）のバイアス補正後の値ｕ’（ｔ）、ｙ’（ｔ）を図６に拡大して示す。これから分かるように、バイアス補正により、入出力ｕ（ｔ）、ｙ（ｔ）は両者とも、フューエルカット前でほぼゼロとなるようなゼロ基準の値に変換される。ここで入力に関しては、バイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）から入力ｕ（ｔ）を減算してバイアス補正後の入力ｕ’（ｔ）を計算しているため、フューエルカット開始時にはバイアス補正後の入力ｕ’（ｔ）がプラス側に急変し、バイアス補正後の出力ｙ’（ｔ）と同様の傾向を示すようになる。なお、入力ｕ（ｔ）からバイアス値ｕ_ｂ（ｔ’）を減じてバイアス補正後の入力ｕ’（ｔ）を計算してもよい。この場合、フューエルカット開始時にはバイアス補正後の入力ｕ’（ｔ）が補正前の入力ｕ（ｔ）と同様マイナス側に急変し、同定後のゲインがマイナスの値で得られることとなる。

こうしてバイアスは除去され、バイアス除去後の入出力はそ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。

なお、この例では入出力の両方を補正し、入出力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、入力のみを補正し、その変動中心を出力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の少なくともいずれか一方であればよい。

次に、むだ時間補正部５６について説明する。図３を参照して説明したように、入力空燃比νＡＦと出力空燃比μＡＦとの間には輸送遅れによるむだ時間Ｌが存在する。このむだ時間Ｌは当然に入力ｕ（ｔ）である入力空燃比の逆数１／νＡＦと出力ｙ（ｔ）であるセンサ出力電流値ｉＯ_２との間にも同様に存在する。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５６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、このむだ時間Ｌ分だけ入力ｕ（ｔ）が出力ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。

理解の容易化のため、図７にむだ時間補正前後の入力空燃比νＡＦと出力空燃比μＡＦとを示す。破線は補正前の入力空燃比、実線は補正後の入力空燃比、一点鎖線は出力空燃比を示す。入力空燃比が補正されてむだ時間Ｌ分だけ遅らせられる結果、補正後の入力空燃比と出力空燃比とはほぼ時間差無く変化するようになる。これにより、センサの劣化状態と無関係な輸送遅れの影響を排除して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。

本実施形態におけるむだ時間の算出方法については、エンジン運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づいて所定のマップ（関数でもよい）に従ってむだ時間を算出する方法が採用される。図８にはそのようなむだ時間算出マップの一例を示す。このマップから分かるように、本実施形態ではエンジン回転速度Ｎｅの検出値に基づきむだ時間Ｌを算出するようになっている。むだ時間Ｌはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなるほど小さな値が設定される。その理由は、エンジン回転速度Ｎｅが大きくなるほど排気ガス流速が速くなり、輸送遅れが少なくなるからである。

むだ時間の算出タイミングについては、フューエルカットの開始時付近、例えばＳ_ＦＣ≧αが最初に成立した時刻ｔ’でのエンジン回転速度Ｎｅを取得し、このエンジン回転速度Ｎｅに基づいてマップからむだ時間を算出するようにする。

ところで、前記マップは実機試験等に基づいて予め作製されるものであるが、エンジンの使用期間が長期化するにつれ、マップデータが実際の値と合わなくなってくる可能性もある。そこで、本実施形態では、むだ時間補正部５６において以下の方法により実際のむだ時間Ｌｒを計測し、この計測された実際のむだ時間Ｌｒを用いて必要に応じてマップデータを更新し、常に正確なむだ時間をマップから取得可能としている。以下、実際のむだ時間Ｌｒの計測方法及びマップデータの更新方法を説明する。

図９には、フューエルカット開始時付近における出力ｙ（ｔ）としてのセンサ出力電流値ｉＯ_２の変化の様子を実線にて示す。また最下部にはフューエルカットフラグのオンオフ状態を併記する。図示するように、フューエルカットフラグがオンされてフューエルカットが開始されたとき、その開始時刻ｔ_ＦＣから僅かに遅れてセンサ出力電流値ｉＯ_２が急激に大きく立ち上がり、フューエルカット時相当の電流値（約２．５ｍＡ）に到達する。ところで、フューエルカット開始直後のセンサ出力電流値ｉＯ_２は安定しないため、どの時点でセンサ出力電流値ｉＯ_２が立ち上がり始めたのかを判断するのかが難しい。そこでこの立ち上がり開始点の特定を含めて、以下の手順で実際のむだ時間Ｌｒを計測することとする。

まず、センサ出力電流値ｉＯ_２が立ち上がっている最中にセンサ出力電流値ｉＯ_２がほぼ直線的に一定に単調増加し、直線近似できる領域を特定する。具体的には、その直線近似できる領域の始点と終点の時刻ｔｓ，ｔｅを決定する。ここで計測処理は、ＥＣＵでの他の処理と同様、数ミリないし数十ミリ秒オーダーの所定のサイクル周期毎に繰り返し行われる。センサ出力電流値ｉＯ_２の線図上の複数の点は各サイクル周期のセンサ出力電流計測値を表している。本実施形態では、センサ出力電流値ｉＯ_２が理論空燃比よりリーン側の０．５ｍＡを最初に超えた点Ｐの時刻を始点時刻ｔｓとしている。また、センサ出力電流値ｉＯ_２がさらにリーン側の１ｍＡを最初に超えた点Ｑの時刻を終点時刻ｔｅとしている。始点時刻ｔｓと終点時刻ｔｅは次のように表される。
ｔｓ＝ｍｉｎ（ｔ）｜ｉＯ_２（ｔ）＞０．５
ｔｅ＝ｍｉｎ（ｔ）｜ｉＯ_２（ｔ）＞１．０

次に、これら始点時刻ｔｓ及び終点時刻ｔｅに対応する２点Ｐ，Ｑを結ぶ回帰直線：ｉＯ_２＝ａｔ＋ｂを求める（二点鎖線で示す）。なお、代替的に、始点時刻ｔｓ及び終点時刻ｔｅの間に含まれる複数の点のデータから最小２乗法を用いて近似的に回帰直線を求めてもよい。

一方、一点鎖線で示すように、センサ出力電流値ｉＯ_２の移動平均ｉＯ_２ｍを逐次求めておく。この移動平均ｉＯ_２ｍは、少なくとも、センサ出力電流値ｉＯ_２が立ち上がる前の所定期間において求めておくようにし、好ましくはセンサ出力電流値ｉＯ_２が立ち上がる直前の所定期間において求めておくようにする。図示例では移動平均が常時求められている。

そして、この移動平均上で、センサ出力電流値ｉＯ_２の立ち上り直前とみなせるような１点Ｒを特定する。本実施形態では、始点時刻ｔｓから所定時間（本実施形態では１秒）前の時点での移動平均上の１点Ｒが特定される。この１点Ｒのセンサ出力電流値をｉＯ_２ｍＲとし、次式で表す。
ｉＯ_２ｍＲ＝ｉＯ_２ｍ（ｔ）｜ｔ＝ｔｓ−１．０

さらに、この１点Ｒを通るセンサ出力電流値一定の直線Ｓを仮想し、この直線Ｓと前述の回帰直線：ｉＯ_２＝ａｔ＋ｂとの交点Ｘを求める。そして、この交点Ｘをセンサ出力電流値ｉＯ_２の立ち上がり開始点と特定し、交点Ｘにおける時刻ｔ_Ｘをセンサ出力電流値ｉＯ_２の立ち上がり開始時刻と特定する。立ち上がり開始時刻ｔ_Ｘは次式で表される。
ｔ_Ｘ＝（ｉＯ_２ｍＲ−ｂ）／ａ

この後、フューエルカット開始時刻ｔ_ＦＣからセンサ出力電流値立ち上がり開始時刻ｔ_Ｘまでの時間Ｌｒ（＝ｔ_Ｘ−ｔ_ＦＣ）を算出し、この時間Ｌｒを実際のむだ時間として決定する。こうして実際のむだ時間の計測が終了する。

一方、この実際のむだ時間Ｌｒの計測時（例えばｔ_Ｘ）におけるエンジン回転速度Ｎｅに対応したむだ時間Ｌを図８のマップから取得する。この取得されたマップデータとしてのむだ時間Ｌと、計測された実際のむだ時間Ｌｒとを比較し、これらの差が所定値より大きいようであれば、マップデータとしてのむだ時間Ｌを計測された実際のむだ時間Ｌｒで置き換え、マップデータを更新する。この更新後の値は次回以降のむだ時間算出の際に利用される。

なお、ここで説明したむだ時間補正では、入力をむだ時間分だけ遅らせて出力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、出力をむだ時間分だけ早めて入力とタイミングを一致させたり、入力を遅らせ且つ出力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。補正の対象は入力及び出力の少なくともいずれか一方であればよい。

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１０に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１では、前記式（Ａ１），（Ａ２）に基づいて入力ｕ（ｔ）が算出され、ステップＳ１０２では、入出力間のバイアスが無くなるように入力ｕ（ｔ）及び出力ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。

続くステップＳ１０３ではむだ時間Ｌが図８に示したようなマップから算出され、ステップＳ１０４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ｕ（ｔ）がむだ時間Ｌ分だけシフト補正される。次のステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で得られたむだ時間補正後の入力ｕ（ｔ）と、ステップＳ１０２で得られたバイアス補正後の出力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Ｓ１０６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１７）の応答性及び出力の正常・異常が判定される。

図１１及び図１２は、正常な触媒前センサ１７の場合と異常な触媒前センサ１７の場合とで時定数Ｔとゲインｋとを逐次同定した結果を示す。図１１が正常な触媒前センサ１７の場合、図１２が異常な触媒前センサ１７の場合である。異常な触媒前センサ１７としては、正常な触媒前センサ１７に比べ出力がほぼ同じで応答性が約２倍であるセンサを用いた。

図１１（Ａ）、（Ｂ）及び図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、フューエルカット中でないとき（フューエルカットフラグがオフのとき（破線参照））にはストイキ制御が実行されており、このとき、基本値としての入力ｕ（ｔ）（補正前の入力）の値は理論空燃比の逆数即ち１／１４．６＝０．０６８付近の値であり、出力ｙ（ｔ）の値は理論空燃比相当の０ｍＡ付近の値である。

一方、フューエルカット中であるとき（フューエルカットフラグがオンのとき（破線参照））、フューエルカット開始時点から所定時間α経過前までは入力ｕ（ｔ）の値が空燃比の逆数からなり、入力ｕ（ｔ）が０に向かって瞬時的に変化する。またこれに応答して、出力ｙ（ｔ）の値も、リーン側の最大値（約２．５ｍＡ）に向かって瞬時的に変化する。そして、フューエルカット開始時点から所定時間α経過時以降だと、入力ｕ（ｔ）の値が０、出力ｙ（ｔ）の値がリーン側の最大値（約２．５ｍＡ）に保持される。

このような入出力に対してバイアス補正及びむだ時間補正を行い、補正後の入出力を用いて逐次同定された時定数Ｔとゲインｋは、フューエルカットの開始時毎に実質的に更新される。図１１（Ｄ）及び図１２（Ｄ）に示すように、ゲインｋの値は、センサ正常時とセンサ異常時とでほぼ同じ値（約３３）に収束している。これに対し、図１１（Ｃ）及び図１２（Ｃ）に示すように、時定数Ｔの値は、センサ正常時が約０．３５という値に収束しているのに対し、センサ異常時だとほぼ２倍の約０．７という値に収束している。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。

触媒前センサ１７の正常・異常の判定については、最低１回、好ましくは複数回のフューエルカット開始時を経て更新された時定数Ｔとゲインｋとの値を用いて、各異常判定値との比較を行い、応答性及び出力の正常・異常を判定するようにする。

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。例えば上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式の火花点火式エンジンであったが、エンジンの形式や噴射方式等は特に限定されず、例えば直噴式エンジンやディーゼルエンジンにも本発明は適用可能である。前記実施形態では所謂広域空燃比センサへの適用例を示したが、本発明は、触媒後センサ１８のような、所謂Ｏ_２センサにも適用可能である。このようなＯ_２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する。

前記実施形態では空燃比センサの特性のうち、応答性及び出力という二つの特性の異常が診断されたが、これに限らず、一若しくは三以上の特性について異常を診断するものであってもよい。同様に、一次遅れ要素におけるパラメータとして時定数Ｔ及びゲインｋのいずれか一方のみ、或いは時定数Ｔ及びゲインｋに加えてさらに他のパラメータを使用してもよい。前記実施形態では一次遅れ要素における二つのパラメータＴ，ｋを同時に同定し、空燃比センサの二つの特性の異常を同時に判定しているが、これに限らず、少なくとも二つのパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、また、少なくとも二つの特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。

前記実施形態ではフューエルカット時以外の空燃比を理論空燃比に制御したが、これに限らず、例えば理論空燃比よりリーン側の空燃比に制御（所謂リーンバーン制御）してもよい。

なお、上述の実施形態においては、ＥＣＵ２０によって同定手段、異常判定手段、むだ時間補正手段及びバイアス補正手段が構成される。

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。

本実施形態に係る内燃機関の概略図である。 触媒前センサの出力特性の一例を示すグラフである。 入力空燃比と出力空燃比との変化を参考的に示すグラフである。 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。 バイアス補正前の入力及び出力を示すグラフである。 バイアス補正後の入力及び出力を示すグラフである。 むだ時間補正前後の入力空燃比と出力空燃比とを参考的に示すグラフである。 むだ時間算出マップである。 実際のむだ時間の計測方法を説明するための図である。 本実施形態の空燃比センサの異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。 時定数とゲインの同定結果を示し、正常センサの場合である。 時定数とゲインの同定結果を示し、異常センサの場合である。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
７ 点火プラグ
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ アクセル開度センサ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ａ／Ｆ 空燃比
ｕ（ｔ） 入力
ｙ（ｔ） 出力
νＡＦ 入力空燃比
ｉＯ_２ センサ出力電流値
Ｑ 燃料噴射量
Ｇａ 吸入空気量
Ｔ 時定数
ｋ ゲイン
Ｌ むだ時間
Ｌｒ 実際のむだ時間
Ｎｅ エンジン回転速度
ｕ_ｂ（ｔ） 入力バイアス値
ｙ_ｂ（ｔ） 出力バイアス値

Claims (22)

1. 内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断装置であって、
   燃料噴射弁から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、機関運転要求に従って空燃比センサに与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したときの該入力空燃比に基づく入力と、前記入力空燃比の変化に応答して変化する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同定する同定手段と、
   該同定手段により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異常判定手段と
   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。
2. 前記異常判定手段は、前記同定手段により同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定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。
3. 前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする請求項２記載の空燃比センサの異常診断装置。
4. 前記機関運転要求に従って入力空燃比が比較的急激に変化するときが、減速要求に従ってフューエルカットが開始されるときであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
5. 前記入力が、前記入力空燃比の逆数からなることを特徴とする請求項４記載の空燃比センサの異常診断装置。
6. 前記出力が、前記空燃比センサから出力される電流値からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
7. 前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するむだ時間補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
8. 前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを特徴とする請求項７記載の空燃比センサの異常診断装置。
9. 前記むだ時間補正手段は、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、前記むだ時間を算出すると共に、前記入力と前記出力との実際の時間差を計測して実際のむだ時間を計測し、前記むだ時間と前記実際のむだ時間とのズレ量が所定値より大きいとき、前記実際のむだ時間により前記マップのデータを更新することを特徴とする請求項７記載の空燃比センサの異常診断装置。
10. 前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するバイアス補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
11. 前記同定手段は、逐次最小自乗法により前記パラメータを逐次同定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
12. 内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの異常診断方法であって、
    燃料噴射弁から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、機関運転要求に従って空燃比センサに与えられる入力空燃比が比較的急激に変化したときの該入力空燃比に基づく入力と、前記入力空燃比の変化に応答して変化する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同定するステップと、
    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ステップと
    を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常診断方法。
13. 前記異常判定ステップは、同定された少なくとも二つのパラメータに基づき、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つの異常を判定することを特徴とする請求項１２記載の空燃比センサの異常診断方法。
14. 前記少なくとも二つのパラメータが少なくとも時定数とゲインであり、前記空燃比センサの特性のうちの少なくとも二つが少なくとも応答性と出力であることを特徴とする請求項１３記載の空燃比センサの異常診断方法。
15. 前記機関運転要求に従って入力空燃比が比較的急激に変化するときが、減速要求に従ってフューエルカットが開始されるときであることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
16. 前記入力が、前記入力空燃比の逆数からなることを特徴とする請求項１５記載の空燃比センサの異常診断方法。
17. 前記出力が、前記空燃比センサから出力される電流値からなることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
18. 前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間分だけ前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。
19. 前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って、前記むだ時間を算出することを含むことを特徴とする請求項１８記載の空燃比センサの異常診断方法。
20. 前記むだ時間補正ステップは、前記内燃機関の運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップに従って、前記むだ時間を算出すると共に、前記入力と前記出力との実際の時間差を計測して実際のむだ時間を計測し、前記むだ時間と前記実際のむだ時間とのズレ量が所定値より大きいとき、前記実際のむだ時間により前記マップのデータを更新することを含むことを特徴とする請求項１８記載の空燃比センサの異常診断方法。
21. 前記むだ時間補正ステップは、次のステップＡ〜Ｄにより実際のむだ時間を計測することを含むことを特徴とする請求項２０記載の空燃比センサの異常診断方法。
    Ａ．出力が比較的急激に変化している最中の直線近似できる領域を特定し、当該領域の回帰直線を求めるステップ。
    Ｂ．少なくとも出力が比較的急激に変化する前の所定期間において移動平均を求め、その変化直前とみなせるような移動平均上の１点を特定するステップ。
    Ｃ．当該１点を通る出力一定の直線を仮想し、この仮想直線と前記回帰直線との交点を求め、当該交点における時刻を出力変化開始時刻と特定するステップ。
    Ｄ．入力変化開始時刻から出力変化開始時刻までの時間を算出し、この時間を実際のむだ時間として決定するステップ。
22. 前記入力と前記出力との間のバイアスを除去するように前記入力と前記出力との少なくとも一方をシフト補正するステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至２１のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断方法。

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