JP3957208B2

JP3957208B2 - 排気ガスセンサの劣化故障診断装置

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Publication number: JP3957208B2
Application number: JP2003319792A
Authority: JP
Inventors: 秀隆牧; 将岐津田; 浩北川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: CA2480915C; US20050061067A1; CN1594850B; JP2005083340A; CA2480915A1; CN1594850A; US7021300B2; EP1515032A3; EP1515032A2

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。特許文献１および特許文献２には、矩形波形を変調した燃料信号を発生させ、酸素センサによって排気ガスを検出し、この出力信号を処理することで酸素センサの動作状態を決定する手法が開示されている。
特開平７−１４５７５１号公報米国特許５３２５７１１号

しかしながら、上述の手法は、矩形波形を変調した燃料量を内燃機関に対して入力し、上記入力に対する内燃機関からの応答を使用している。多くの周波数成分を有する被変調矩形波形入力に対して出力される応答はノイズの影響を受けやすく、さらに、この応答の信号は、内燃機関の運転状態、特に過渡運転時に生じる空燃比変動の影響を受けるため、センサ状態を評価するための出力信号の周波数を常に一定に保つのが難しい。したがって、これらの出力に基づいてセンサ状態を評価した場合、評価精度は悪化する。一方、排気ガス規制の強化や触媒の貴金属胆持量の低下に伴い、空燃比制御の精度が従来よりも重要となり、排気ガスセンサの特性劣化故障による排気ガス成分の増加を押さえるためにも検知精度も従来よりも高くすると同時に、劣化検知中の排気ガス成分の増加をより小さくする必要が生じている。

従って、本発明は、排気ガスセンサの劣化故障に対する検知精度のさらなる向上、および劣化故障検知中における排気ガス成分の増加をより最小限にできる排気ガスセンサの故障診断装置を提供することを目的とする。

本発明の排気ガスセンサの劣化故障診断装置は、発明の一形態（請求項１）によると、内燃機関の排気通路に設けられ、該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、該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基本燃料噴射量を算出する検知用信号発生手段と、通常運転時におけるフィードバック補正係数に基づいてフィードバック代表値を演算し、該フィードバック代表値を前記検知用信号を含む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フィードバック代表値演算手段と、前記最終燃料噴射量に対する前記内燃機関の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、該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排気ガスセンサ評価手段と、を備える。ここで、フィードバック代表値とは、フィードバック係数の定常偏差を代表する値である。この発明によると、被変調矩形波形および排気ガスレベルに応じた合成出力を用いずに、所定の周波数の検知用信号を乗じた燃料供給を行うので、排気ガス中に含まれる検知用周波数成分の割合を多く保つことができる。そしてこの状態で、排気ガスセンサの出力の前記周波数における周波数応答に基づいて排気ガスセンサの状態を診断することができるため、容易に排気ガス中に含まれるノイズ成分の割合を減少させることができ、排気ガスセンサの劣化故障検知精度を向上させることができる。それと同時に、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、単に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。

また、この発明のもう一つの形態（請求項２）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記フィードバック代表値は、排気ガスセンサの劣化故障検知の開始前における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。ここで、フィードバック代表値とは、具体的には、フィードバック補正係数の平均値、中央値、またはなまし値である。この発明によると、劣化故障検知の開始前におけるフィードバック補正係数の平均値などに基づいてフィードバック代表値が算出されるため、エンジンの特性に適合したフィードバック代表値によって燃料噴射量を補正でき、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。

また、この発明のもう一つの形態（請求項３）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、排気ガスセンサの劣化故障診断装置は、前記基本燃料噴射量に乗算する前記検知用信号が、所定のオフセット値に正弦波、余弦波、または三角波のいずれかを加算した信号である。この発明によると、生成が容易な信号を用い、検知用の周波数成分の割合を十分に多く、さらに排気ガス中の検知用周波数成分の大きさを保ちつつ、排気ガスセンサの特定周波数の応答を評価に用いることができるため、排気ガスセンサの劣化故障検知精度をより向上させることができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項４）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記基本燃料噴射量に乗算する前記検知用信号が、所定のオフセット値に少なくとも２つ以上の三角関数波からなる合成波を加算した信号である。これにより、特に検知が困難な運転領域などで、周波数が異なる２以上の三角関数波の合成波を与え、２つ以上の周波数の応答を排気ガスセンサの状態の判定に用いることができる。さらに、排気ガスセンサの状態を判定しやすい所望の特定波形になるように、三角関数波を合成し燃料噴射量に反映させることができるため、排気ガスセンサの劣化故障検知精度をより向上させることができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項５）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記排気ガスセンサ評価手段は、前記排気ガスセンサの状態の判定を、前記検知用信号を含む最終燃料噴射量の供給後から所定時間経過後に行う。この発明によると、検知用信号が燃料に反映された直後である排気ガス空燃比の安定しない状態を回避して、排気ガスセンサの状態の判定を安定化できるので、排気ガスセンサの劣化故障検知精度をより向上させることができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項６）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサからの出力をバンドパスフィルタに通した出力を用いて前記排気ガスセンサの状態を判定する。この発明によると、排気ガスに含まれる、検知用周波数以外の周波数成分、すなわち排気ガスセンサの状態を判定する際にノイズとなる成分を除去することができるので、排気ガスセンサの劣化故障検知精度をより向上させることができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項７）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサからの出力をバンドパスフィルタに通し、該バンドパスフィルタに通した出力の絶対値を積分した値が所定値を下回るときに前記排気ガスセンサの状態を故障と判定する。

また、この発明のもう一つの形態（請求項８）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサからの出力をバンドパスフィルタに通し、該バンドパスフィルタに通した出力の絶対値をなまし計算した値が所定値を下回るときに前記排気ガスセンサの状態を故障と判定する。上記請求項７および８の発明によると、排気ガスセンサからの出力の変動を平均化させることができるため、排気ガスセンサの劣化故障検知精度をより向上させることができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項９）による排気ガスセンサの劣化故障診断装置において、前記フィードバック補正係数は、触媒前に配置される排気ガスセンサ若しくは触媒後に配置される排気ガスセンサ、または触媒前および触媒後の両方に配置される排気ガスセンサからの出力に基づいて決定される。この発明によると、燃料噴射料を補正して、検知用信号を燃料噴射量に与えることにより生じる、リーンまたはリッチへのドリフトをより抑制することができるため、本検知手法によって生じる触媒浄化率の低下を抑制し、排気ガス中の有害成分の排出量が増加するのを防止したまま検知精度を保つことができる。

１．機能ブロックの説明
図１乃至図２を参照しつつ各機能ブロックについて説明する。図１は、この発明の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。

検知用信号発生部101は、オフセット値IDOFTに三角関数波FDSINなどを重ね合わせた所定の検知用信号KIDSINを発生する機能を有する。応答性評価部105は、広域空燃比センサ（以下LAFセンサと表記する）103からの出力である当量比KACTを、バンドパスフィルタリングし、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し、排気ガスセンサ評価部へ送信する機能を有する。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を判定する機能を有する。

フィードバック補償器104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109は、フィードバック補償器104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104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109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。

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104、応答性評価部105、およびフィードバック代表値演算器109の機能は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）において実現することができるため、これら各部の動作は後のＥＣＵの説明および排気ガスセンサ故障診断プロセスにおいて詳述することとする。

内燃機関102は、後述する燃料量計算部206の出力に基づいて、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、エンジン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。

燃料量の演算において本検知器は、劣化検知中において基本燃料噴射量に検知用信号KIDSINを乗じ、劣化検知中以外では1.0を乗ずる。また、前述のように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109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。

上述の通りこれらの機能は、図２に示すＥＣＵによって統合的に実現することができる。図２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）200の全体的なブロック図である。ＥＣＵ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、エンジン系統を制御するＥＣＵに、検知用信号発生部202、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。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、後述の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、検知用信号制御部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KACTを、バンドパスフィルタリングし、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（以下第１基本燃料噴射量とする）に乗じ、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INJ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。

出力インタフェース205は、燃料噴射料INJをエンジン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。

２．排気ガスセンサ故障診断プロセスの説明
次に、排気ガスセンサである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。

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、排気ガスセンサ評価部203は、プロセスをS319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、S320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−ｃ_１）・ＫＡＦ_ｉ−１＋ｃ_１・ＫＡＦ_ｉ
ここで、ｃ_１はなまし係数
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、

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KAF₁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。

続いて、ここでは劣化故障検知を行わないから、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、検知用信号発生部202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）。ここで、KIDSINとは、第１基本燃料噴射量に乗じて、図１に示すように検知用信号を含んだ基本燃料噴射量（以下、第２基本燃料噴射量とする）を出力させるための係数である。よって、KIDSINが1.0ときは、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INJがインジェクションから噴射されることになる。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TM_KACTFDに所定の時間をセットし（S322）、タイマーTM_KACTFDのカウントダウンを開始する。ここで、TM_KACTFDにセットされる所定の時間は、後述するように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後述する積分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。

TM_KACTFDにタイマー設定すると、排気ガスセンサ評価部203は、次に、タイマーTM_LAFDET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。ここで、TM_LAFDETに設定する時間は、排気ガスセンサ劣化故障を判断するために後に出力の絶対値を積分するための積分時間である。TM_LAFDETに時間をセットすると（S323）、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（S324）して本プロセスを終了する。尚、S319および後述のS316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。

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、プロセスを劣化検知の準備を行うためにプロセスをS303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、S304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。

次に、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(S305)。ここで、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S321へと進める。S305の前にフィードバック補償係数およびフィードバック代表値の演算は既に停止しているが、LAFセンサ103は活性化していないため、これらの演算を停止し続けるべきであることはいうまでもない。S321以降の動作は上述したものと同様であるため説明を省略する。

上述のプロセス終了後、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排気ガスセンサ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、上記同様にS303およびS304を処理し、S305にてプロセスをS306へと進める。

上述の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_FAの算出要求を送信する。KACT_FAの算出要求が送信されると、検知用信号発生部202は、まず周波数fid（ここでは３Ｈｚを使用する）、振幅aid（ここでは0.03とする）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（ここでは、1.0+0.03*sin 6πt）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を乗じ、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INJを算出する。そして、この最終燃料噴射量INJは、出力インタフェース205を介してエンジン102のインジェクションに入力される。エンジンが最終燃料噴射量INJで運転すると、入力である最終燃料噴射量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。そして、LAFセンサ103は、排出された排気ガスを検知し、その出力KACTを入力インタフェース201を介して、応答性評価部204に入力する。応答性評価部204は、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（S307）。

KACT_F(k)=a1 KACT_F(k-1)+a2 KACT_F(k-2)+a3 KACT_F(k-3)
+b0 KACT(k)+b1 KACT(k-1)+b2 KACT(k-2)+b3 KACT(k-3)
a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3：フィルタ係数
ここで、バンドパスフィルタ周波数特性は、図４に示すような検知用信号周波数と同じ３Ｈｚを通過させるフィルタである。

そして、KACT_F値を算出すると（図５）、応答性評価部204は、KACT_Fから絶対値に変換したKACT_FAを算出（S308）する。

排気ガスセンサ評価部203は、KACT_FA算出の終了を応答性評価部204から受け取ると、タイマーTM_KACTFDが０であるか否かを判断する（S309）。ここで、タイマーTM_KACTFDが０ではない場合、排気ガスセンサ評価部203は、プロセスをS323へと進める。S323以降のプロセスは前述の動作と同様であるため説明を省略する。一方、タイマーTM_KACTEDが０の場合、排気ガスセンサ評価部203は、応答性評価部204にタイマー条件がクリアされていることを通知し、応答性評価部204は、この通知を受けてKACT_FAの積分値LAF_DLYPの逐次算出を開始する（S310）。このようにタイマーTM_KACTEDが０になり、検知用信号の入力が安定して当量比KACTに反映されるまで積分値演算の開始を待つことで検知精度を向上させることができる。横軸を連続的な時間としたLAF_DLYPの算出結果例を図６に示す。

応答性評価部204でLAF_DLYPの計算を行うと、排気ガスセンサ評価部203は、タイマーTM_LAFDETが０であるか否かを判断する。ここで、タイマーTM_LAFDETが０ではない場合は、プロセスをS324へと進める。S324以降のプロセスは前述と同様であるため説明を省略する。一方、タイマーTM_LAFDETが０である場合、所定期間におけるKACT_FAの積分を終了させ、排気ガスセンサ評価部203は、応答性評価部204から算出した積分値LAF_DLYPの現時点の値を要求して受信し、プロセスをS312へと進める。そしてS312において、排気ガスセンサ評価部203は、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。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。

積分値LAF_DLYPが判定値LAF_DLYP_OK値以上である場合、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（S313）、フィードバック補正係数演算（S316）およびフィードバック演算値演算（S317）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（S318）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。

一方、積分値LAF_DLYPが判定値LAF_DLYP_OK値以上ではない場合、排気ガスセンサ評価部203は、排気ガスセンサが劣化故障を生じていると判定して、排気ガスセンサ異常を示す情報を格納し、さらに出力インタフェース205を介して排気ガスセンサ故障ランプを点灯させる（S314）。そして、排気ガスセンサ評価済みフラグを１にセットして（S315）、プロセスをS316に進める。S316以降の動作は、上述したものと同様であるから説明を省略する。

代替の排気ガスセンサ劣化故障の判定方法として、S310において、積分値LAF_DLYP値に基づいて排気ガスセンサの劣化故障を判定せずに、図７に示すようにKACT_FA値の平滑平均値を算出するようになまし計算を行い、なまし計算値LAF_AVEに基づいて排気ガスセンサの劣化故障を判定することもできる。たとえば、なまし計算値LAF_AVEを計算する式は以下のようになる。

ＬＡＦ＿ＡＶＥ＝（１−ｃ_２）・ＫＡＣＴ＿ＦＡ_ｉ−１＋ｃ_２・ＫＡＣＴ＿ＦＡ_ｉ
ここで、ｃ_２は、なまし係数
この場合、S312において、排気ガスセンサ評価部203は、なまし計算値に対する判定値LAF_AVE_OK以上であるか否かを判定し、LAF_AVE_OK値以上ではない場合、排気ガスセンサが劣化故障を生じていると判定する。一方、LAF_AVE値がLAF_AVE_OK以上である場合、排気ガスセンサが劣化故障を生じていないと判定する。

本発明によれば、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。排気ガス酸素レベルに対応した合成出力などを用いていないため、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。

また、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、上述のように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。

さらに、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。

また、バンドパスフィルタリングを施した出力波形の絶対値の所定期間におけるなまし計算値などの平均値、または積分値に基づいて、排気ガスセンサの劣化故障判断を行うため、エンジン運転負荷の変動等によって生ずる単発的な空燃比スパイクなどの影響を排気ガスセンサ劣化検知の評価から排除することができ、劣化故障判断の精度をより向上させることができる。

３．合成波を使用する場合
上述において正弦波を検知用信号として使用したが、単一周波数の三角関数波、または三角波のいずれか、もしくは、これら複数の波形を含む合成波としても、同様の効果を有する。いずれの場合も、検知用信号振幅に制限がある場合、所望の単一周波数もしくは複数の周波数のスペクトル成分を大きくすることができ、ノイズに対する検知精度をより高めることができる。

たとえば、エンジンの吸気系には、燃料付着遅れが存在する。特に、低温時や、北米地域で販売されているガソリンなど、揮発成分中の重質分が多いガソリンではこの遅れが顕著になる。これを補正する燃料付着遅れに対する技術も存在するが、通常のガソリンでセッティングした制御パラメータでは、重質分が多いガソリンを用いたときに補正が不十分であることがあるなど、補正が完全でないことがある。このような場合、空燃比の指令値波形に対して、実空燃比の波形の立ち上がりが悪いなどの現象が発生している。このようなときに、本発明の技術を適用すると、実空燃比の振幅が想定した振幅より小さくなり、検知精度が低下する。そこで、この付着による実空燃比の振幅の低下を小さくできる波形を与えるために、三角関数波の合成波を与える。図８に、基本サイン波と、のこぎり波との合成波を用いる場合の実施例を示す。

図９の波形を見て分かるように、燃料量が増加方向に変化するタイミングで、のこぎり波の振幅がステップ状に増加するように、位相をあわせた合成波形とすると、燃料量が増加する際に燃料付着する分を補正することができる。よって、実空燃比が小さくなることを低減することができるので、排気ガスセンサの劣化検知の精度の低下を防ぐことができる。ここでは、サイン波とのこぎり波の合成波形を示したが、エンジンの付着特性に合わせた動的な補正波形など、任意の三角関数波を足しあわせた合成波で、所望の波形を与えればより効果的である。

４．触媒前後の排気ガスセンサ出力フィードバックを用いる場合
また、図１０に示したように、触媒前後の排気ガスセンサ出力を用いたフィードバック系を持つシステムに、本検知手法を用いることもできる。本発明によれば、最終燃料噴射量が、触媒前排気ガスセンサ出力と触媒後排気ガスセンサの両者の出力に基づいて決定されたフィードバック補正係数に基づいて補正されることにより、通常制御中の触媒が要求するフィードバック制御性をさらに向上させることができる。よって、その値を用いて演算されたフィードバック代表値の精度も同時に向上させることが可能となる。よって、検知中のリーンまたはリッチへのドリフトをより高精度に抑制することができるため、検知精度を保ちつつ、排気ガスセンサの劣化故障診断中において生ずる触媒浄化率の低下を抑制して、排気ガス中の有害成分の排出量増加を防止することができる。

この発明の一つの実施形態である排気ガスセンサ故障診断装置のブロック図。この発明の一つの実施形態である排気ガスセンサ故障診断装置で使用するＥＣＵの一例を示す図。本発明の実施形態を表すフローチャート。本発明で使用するバンドパスフィルタ周波数特性例。検知用周波数fidの抽出例。 LAFセンサ応答性パラメータLAF_DLYP算出の一例。 LAFセンサ応答性パラメータLAF_AVEの算出の一例。合成波を用いたときの排気ガスセンサ故障診断装置のブロック図。入力する合成波の例。触媒前後の排気ガスセンサ出力フィードバックを用いた排気ガスセンサ故障診断装置のブロック図。

符号の説明

２０１入力インタフェース
２０２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

内燃機関の排気通路に設けられ、該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、該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基本燃料噴射量を算出する検知用信号発生手段と、
通常運転時における排気ガスセンサからの出力値に基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を含む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、
前記最終燃料噴射量に対する前記内燃機関の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、該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排気ガスセンサ評価手段と、を備え、
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、故障検知開始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、排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記フィードバック代表値は、排気ガスセンサの劣化故障検知の開始前における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、請求項１記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記基本燃料噴射量に乗算する前記検知用信号が、所定のオフセット値に正弦波、余弦波、または三角波のいずれかを加算した信号である、請求項１記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記基本燃料噴射量に乗算する前記検知用信号が、所定のオフセット値に少なくとも２つ以上の三角関数波からなる合成波を加算した信号である、請求項１記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記排気ガスセンサ評価手段は、前記排気ガスセンサの状態の判定を、前記検知用信号を含む最終燃料噴射量の供給後から所定時間経過後に行う、請求項１記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサからの出力をバンドパスフィルタに通した出力を用いて前記排気ガスセンサの状態を判定する、請求項１記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサからの出力をバンドパスフィルタに通し、該バンドパスフィルタに通した出力の絶対値を積分した値が所定値を下回るときに前記排気ガスセンサの状態を故障と判定する、請求項６記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
前記排気ガスセンサ評価手段は、排気ガスセンサからの出力をバンドパスフィルタに通し、該バンドパスフィルタに通した出力の絶対値をなまし計算した値が所定値を下回るときに前記排気ガスセンサの状態を故障と判定する、請求項６記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
前記フィードバック補正係数は、触媒前に配置される排気ガスセンサ若しくは触媒後に配置される排気ガスセンサ、または触媒前および触媒後の両方に配置される排気ガスセンサからの出力に基づいて決定される、請求項１に記載の排気ガスセンサの劣化故障診断装置。
内燃機関の排気通路に設けられ、該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方法であって、
通常運転時の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ステップと、
故障検知開始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するステップと、
検知用信号を発生し、該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基本燃料噴射量を算出するステップと、
前記検知用信号を含む基本燃料噴射量に前記保持されたフィードバック代表値を乗算して最終燃料噴射量を算出するステップと、
前記最終燃料噴射量に対する前記内燃機関の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、該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ステップと、
を含む排気ガスセンサの劣化故障診断方法。