JP4064148B2 - 素子温を利用して排ガスセンサの故障を検出する装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気系に設けられた排ガスセンサの素子温を制御して、該排ガスセンサの故障を検出する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、触媒装置が設けられている。触媒装置は、内燃機関に供給される混合気の空燃比がリーンのとき、排気ガス中に存在する過剰の酸素でＨＣおよびＣＯを酸化し、空燃比がリッチのとき、ＨＣおよびＣＯによってＮｏｘを還元する。空燃比が理論空燃比領域にあるとき、ＨＣ、ＣＯおよびＮｏｘが同時にかつ効果的に浄化される。
【０００３】
触媒装置の下流には、排ガスセンサが設けられる。排ガスセンサは、排気系に排気されたガス中の酸素濃度を検出する。排ガスセンサの出力は、内燃機関の様々な制御に用いられる。排ガスセンサの応答性が劣化すると、内燃機関を適切に制御することができなくなり、運転状態の悪化を招くおそれがある。
【０００４】
特許第２８１２２５２号公報は、排ガスセンサの出力の微分値に基づいて、排ガスセンサの異常を検出する方法を開示する。排ガスセンサの出力の微分値が所定値以上である頻度が所定回数以下であるとき、排ガスセンサが異常と判定する。この判定手法は、排ガスセンサが正常である場合、該排ガスセンサの出力を時間で微分した値がゼロ近傍以外の大きさのものも存在するのに対し、排ガスセンサが故障している場合、該時間微分値はゼロ近傍のものしか存在しないという知見に基づいている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
触媒装置と排ガスセンサは直列に配置されているので、排ガスセンサの出力の微分値は、触媒の遅れ特性（ローパス特性）の影響を受ける。すなわち、触媒の劣化の程度が変化すると、排ガスセンサの出力も変化する。従来技術に示されるような排ガスセンサ出力の微分値の変動を分析しても、該変動が触媒の応答特性の変化に起因するのか、排ガスセンサの応答特性の変化に起因するのかを判別することは困難である。また、排ガスセンサの劣化を検出するために空燃比を変化させることは、触媒装置の浄化能力を低下させて有害成分を排出させるおそれがある。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、排ガスセンサの故障を、触媒の劣化と区別して検出することである。また、この発明の他の目的は、有害成分を排出させることなく、排ガスセンサの故障を検出することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の一つの側面によると、排気管に配置された排ガスセンサの故障を検出する装置は、排ガスセンサの素子温が異なる状況下で検出された該排ガスセンサの出力を比較することによって、該排ガスセンサの故障を検出する。
【０００８】
この発明によると、排ガスセンサの出力特性が素子温に応じて変化することを利用するので、触媒の劣化等の影響を受けることなく排ガスセンサの故障を検出することができる。さらに、排ガスセンサの故障を検出するために空燃比を操作しないので、有害排ガス成分の排出量を増加させることなく、排ガスセンサの故障を検出することができる。
【０００９】
この発明の他の側面によると、故障検出装置は、素子温を制御する手段をさらに備える。素子温制御手段により、素子温が異なる状況が作られる。この発明の一実施形態では、該異なる状況は、素子温が、通常の運転状態時の温度に制御される状況と、該通常の運転状態時に制御される温度よりも低い温度に制御される状況とを少なくとも含む。当然のことながら、通常の素子温が十分低い場合には、故障を検出する時に素子温を上昇させることもあり得る。このように、排ガスセンサの故障を検出する時は、素子温制御手段によって、素子温を、通常の運転状態時とは異なる温度に制御することができる。
【００１０】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力にフィルタリング処理を施すフィルタをさらに備える。異なる状況下における該フィルタリングされた排ガスセンサの出力を比較することにより、排ガスセンサの故障が検出される。この発明の一実施形態において、フィルタは、バンドパスフィルタを含む。
【００１１】
この発明によると、空燃比の変動による排ガスセンサ出力の変動がフィルタリング処理により除去される。さらに、排ガスセンサ出力のパワースペクトルの大きい部分を抽出することができる。したがって、空燃比制御の影響およびノイズの影響を最小限にし、故障検出の精度を向上させることができる。
【００１２】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力に逐次型最小２乗法による統計処理が実施される。素子温が異なる状況下における、該統計処理された排ガスセンサの出力を比較することにより、排ガスセンサの故障を検出する。一実施形態においては、フィルタリングされた排ガスセンサの出力に、該逐次型最小２乗法による統計処理が実施される。
【００１３】
ノイズの影響、車両および内燃機関の運転状態の影響により、排ガスセンサの出力にはバラツキが生じる。逐次型最小２乗法によって統計処理を実施することにより、このバラツキに起因する故障検出への影響を最小にすることができる。
【００１４】
この発明の一つの側面によると、排ガスセンサの出力は、車両がクルーズ状態にあるときに取得される。この発明によると、素子温が安定し、かつ空燃比制御が安定した状態で排ガスセンサの出力が取得されるので、排ガスセンサの故障を検出する精度が向上する。
【００１５】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力は、車両の内燃機関が所定の運転状態にあるときに取得される。車両および内燃機関の運転状態により、排ガスセンサ出力にはバラツキが生じる。所定の運転状態という条件を課すことにより、このようなバラツキを抑制して故障検出の精度を向上させることができる。
【００１６】
この発明の一つの側面によると、素子温を制御する制御装置は、排ガスセンサの素子の温度を推定する推定器を備える。推定器によって推定された素子温に基づいて、制御装置は、排ガスセンサに設けられたヒーターへの通電デューティを求める。この発明によると、素子温を直接計測する手段を内燃機関に設けるコストを削減することができる。また、素子温を推定することにより、素子温を良好な精度で制御することができる。
【００１７】
この発明の他の側面によると、素子温を制御する装置は、応答指定型制御を実施して、排ガスセンサに設けられたヒーターへの通電デューティを求める。応答指定型制御により、素子温のオーバーシュートおよびアンダーシュートを防止し、素子温の過剰な高温化による破壊や過剰な低温化による不活性化を回避することができる。また、素子温の制御精度を高く維持することができるので、ヒーターの耐久性を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態による内燃機関（以下、「エンジン」という）およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。
【００１９】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）５は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース５ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ５ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ５ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。メモリ５ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う故障検出および素子温制御を実現するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、このＲＯＭに格納されている。ＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ５ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００２０】
エンジン１は、たとえば４気筒を備えるエンジンである。吸気管２が、エンジン１に連結されている。吸気管２の上流側にはスロットル弁３が設けられている。スロットル弁３に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）４は、スロットル弁３の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ５に供給する。
【００２１】
スロットル弁３をバイパスする通路２１が、吸気管２に設けられている。エンジン１に供給する空気量を制御するためのバイパス弁２２が、バイパス通路２１に設けられている。バイパス弁２２は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って駆動される。
【００２２】
燃料噴射弁６は、エンジン１とスロットル弁３の間であって、吸気管２の吸気弁（図示せず）の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁６は、燃料ポンプ（図示せず）に接続され、該燃料ポンプを介して燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受ける。燃料噴射弁６は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って駆動される。
【００２３】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ８および吸気温（Ｔａ）センサ９は、吸気管２のスロットル弁３の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ８およびＴａセンサ９によって検出された吸気管圧力Ｐｂおよび吸気温Ｔａは、それぞれＥＣＵ５に送られる。
【００２４】
エンジン水温（Ｔｗ）センサ１０は、エンジン１のシリンダブロックの、冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられる。Ｔｗセンサ１０によって検出されたエンジン冷却水の温度Ｔｗは、ＥＣＵ５に送られる。
【００２５】
回転数（Ｎｅ）センサ１３は、エンジン１のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）周辺に取り付けられる。Ｎｅセンサ１３は、たとえばピストンのＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるＴＤＣ信号パルスの周期よりも短いクランク角度（たとえば、３０度）の周期で、ＣＲＫ信号パルスを出力する。ＣＲＫ信号パルスは、ＥＣＵ５によってカウントされ、エンジン回転数Ｎｅが検出される。
【００２６】
エンジン１の下流側には排気管１４が連結されている。エンジン１は、排気管１４を介して排気する。排気管１４の途中に設けられた触媒装置１５は、排気管１４を通る排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分を浄化する。触媒装置１５には、２つの触媒が設けられている。上流側に設けられた触媒を上流触媒と呼び、下流側に設けられた触媒を下流触媒と呼ぶ。
【００２７】
広域空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ１６は、触媒装置１５の上流に設けられている。ＬＡＦセンサ１６は、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比領域において、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出する。検出された酸素濃度は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２８】
Ｏ２（排ガス）センサ１７は、上流触媒と下流触媒の間に設けられている。Ｏ２センサ１７は２値型の排気ガス濃度センサである。Ｏ２センサは、空燃比が理論空燃比よりもリッチであるとき高レベルの信号を出力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるとき低レベルの信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２９】
車両の速度を検出する車速（ＶＰ）センサ２３がＥＣＵ５に接続され、検出した車速信号をＥＣＵ５に送る。
【００３０】
ＥＣＵ５に向けて送られた信号は入力インターフェース５ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ５ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ５ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出す。出力インターフェース５ｄは、これらの制御信号を、バイパス弁２２、燃料噴射弁６、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。
【００３１】
図２の（ａ）は、触媒装置１５の構造を示す。排気管１４に流入した排気ガスは、上流触媒２５を通過し、その後下流触媒２６を通過する。上流および下流触媒の間に設けられたＯ２センサの出力に基づく空燃比制御の方が、下流触媒の下流に設けられたＯ２センサの出力に基づく空燃比制御よりも、Ｎｏｘの浄化率を最適に維持しやすいことがわかっている。そのため、この発明に従う実施形態では、Ｏ２センサ１７を、上流および下流触媒の間に設ける。Ｏ２センサ１７は、上流触媒２５を通過した後の排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００３２】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）のＬＡＦセンサ１６からＯ２センサ１７にいたるブロック図である。ＬＡＦセンサ１６は、上流触媒２５に供給される排ガスの空燃比Kactを検出する。Ｏ２センサ１７は、上流触媒２５によって浄化された排ガスの酸素濃度を、電圧Voutとして出力する。
【００３３】
上流触媒２５とＯ２センサ１７は、直列に配置されている。したがって、空燃比KactとＯ２センサ１７の出力Voutとの間には、上流触媒２５およびＯ２センサ１７の遅れおよびむだ時間が存在する。
【００３４】
図３は、Ｏ２センサの出力Voutをフーリエ変換した結果を示す。触媒の劣化が進むと、センサ出力Voutのパワースペクトルは、矢印４１によって示される方向に増大する。反対に、触媒が新品に近いほど、センサ出力Voutのパワースペクトルは、矢印４２によって示される方向に減少する。この特性に基づいて、触媒の劣化を判定することができる。一方、Ｏ２センサが劣化すると、その遅れ特性が大きくなるので、センサ出力Voutのパワースペクトルは、矢印４２の方向に減少する。
【００３５】
このように、Ｏ２センサが劣化または故障すると、センサ出力Voutのパワースペクトルが減少するので、触媒の劣化を正確に検出することができなくなる。言い換えると、センサ出力Voutのパワースペクトルの変化からは、触媒が新品のときの状態とＯ２センサが劣化している状態とを区別することができない。
【００３６】
触媒劣化とＯ２センサ故障の判別
発明の理解を助けるため、触媒の劣化とＯ２センサの故障を区別することのできる手法の概念を説明する。最初に、図４および図５を参照して、触媒の劣化を検出する手法の概念を説明する。
【００３７】
図４は、（ａ）触媒が新品の時、（ｂ）触媒の浄化率が十分残っている時、（ｃ）触媒の浄化率が不十分な時の、Ｏ２センサの出力Voutのパワースペクトルを示す。図４の（ａ）〜（ｃ）における、周波数３〜７Ｈｚに対応するセンサ出力Voutのパワースペクトルのレベル変化が、参照番号４５によって示されている。
【００３８】
図５の（ａ）から（ｃ）は、図４の（ａ）から（ｃ）のセンサ出力Voutに、バンドパスフィルタによってフィルタリング処理を施した結果をそれぞれ示す。周波数３〜７Ｈｚにおけるセンサ出力Voutのパワースペクトルが、フィルタによって強調されている。参照番号４６によって示されるように、触媒が劣化するほど、周波数３〜７Ｈｚにおけるセンサ出力Voutのパワースペクトルが増加している。このように、周波数３〜７Ｈｚにおけるセンサ出力Voutを評価することにより、触媒の劣化状態を判定することができる。
【００３９】
次に、Ｏ２センサの故障を判別する手法の概念を説明する。図６は、Ｏ２センサの出力特性（Ｚカーブと呼ぶ）を示す。グラフ５１は素子温が６００度の場合を示し、グラフ５２は素子温が７００度の場合を示し、グラフ５３は素子温が８００度の場合を示す。素子温が低いほど、Ｏ２センサの出力Voutの変動量が大きくなることがわかる。
【００４０】
図７の（ａ）は、素子温が６００度の場合のセンサ出力Voutの挙動を示す。図７の（ｂ）は、素子温が８００度の場合のセンサ出力Voutの挙動を示す。グラフ５５は車速の変化を示し、グラフ５６および５７は、排ガスセンサの出力変化を示す。図７の（ａ）と（ｂ）を比較して明らかなように、素子温が低い場合のセンサ出力Voutの変動量は、素子温が高い場合のセンサ出力Voutの変動量よりも大きいことがわかる。
【００４１】
図８の（ａ）は、図７の（ａ）に示されるセンサ出力Voutをフーリエ変換した結果を示す。図８の（ｂ）は、図７の（ｂ）に示されるセンサ出力Voutをフーリエ変換した結果を示す。素子温が低くなるほどセンサ出力Voutの変動量が大きくなるので、各周波数におけるセンサ出力Voutのパワースペクトルも、素子温が低くなるほど増大する。
【００４２】
図９のグラフ６２は、素子温が６００度で、かつＯ２センサが故障している（たとえば、Ｏ２センサの遅れ特性が大きい）ときのセンサ出力Voutのパワースペクトルを示す。グラフ６１は、素子温が６００度で、かつＯ２センサが正常なときのセンサ出力Voutのパワースペクトルを示す。グラフ６３は、素子温が８００度で、かつＯ２センサが正常なときのセンサ出力Voutのパワースペクトルを示す。
【００４３】
これらのグラフから明らかなように、Ｏ２センサが故障しているときは、素子温が低くてもセンサ出力Voutのパワースペクトルの増加量が小さいことがわかる。したがって、素子温が低い時（この例では、６００度）と素子温が高い時（この例では、８００度）のセンサ出力Voutを比較することにより、Ｏ２センサが故障しているかどうかを判断することができる。素子温を低くした時のセンサ出力Voutと、素子温が高い時のセンサ出力Voutとの比が所定値より小さければ、Ｏ２センサが故障していることを示す。
【００４４】
この手法によると、空燃比を操作することなくＯ２センサの故障を検出することができるので、触媒浄化率の低下による有害な排ガス量の増大を回避することができる。
【００４５】
素子温を変化させた時のセンサ出力Voutの変化を強調的に抽出するため、センサ出力Voutにフィルタリング処理を施す。図１０は、フィルタリングに使用するバンドパスフィルタのフィルタ特性の一例を示す。
【００４６】
図８および図９で参照したように、素子温が低下すると、センサ出力Voutのパワースペクトルは各周波数において増大する。しかしながら、触媒およびＯ２センサのローパス特性により、各周波数におけるパワースペクトルの値は、周波数の増大と共に小さくなる。また、評価すべきなのは、素子温を変化させた時のセンサ出力Voutの変動成分であるので、定常成分は除去されるのが好ましい。したがって、バンドパスフィルタは、図１０に示されるような通過特性を持つものが使用される。この例では、バンドパスフィルタは、０．１〜１．０Hzの周波数域におけるセンサ出力Voutのパワースペクトルを抽出するように設計されている。
【００４７】
図１１の（ａ）は、素子温が６００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fの挙動を示す。図１１の（ｂ）は、素子温が８００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fの挙動を示す。図１１の（ｃ）は、図１１の（ａ）および（ｂ）に対してフーリエ変換した結果を示す。グラフ６５は、素子温が６００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fのパワースペクトルを示し、グラフ６６は、素子温が８００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fのパワースペクトルを示す。フィルタリングを実施することにより、素子温の変化に応じたセンサ出力Voutの変化を、振幅差６７として抽出することができる。
【００４８】
このように、触媒の劣化は、３〜７Ｈｚの周波数域におけるＯ２センサ出力のパワースペクトルに影響を与えるので、該周波数域におけるＯ２センサ出力Voutを比較することにより判定される。一方、Ｏ２センサの故障は、異なる素子温の状況下におけるＯ２センサ出力Voutを比較することにより検出される。したがって、触媒の劣化とＯ２センサの故障を明確に区別することができる。
【００４９】
故障検出装置の構成
図１２は、本発明の一実施例に従う、Ｏ２センサの故障を検出する装置の機能ブロック図である。第１のパスにおいて、素子温が高い状況が作られる。Ｏ２センサの出力Voutが、バンドパスフィルタ７２に適用される。バンドパスフィルタ７２は、図１０に示されるような特性を持つバンドパスフィルタである。バンドパスフィルタ７２は、式（１）に従って、センサ出力Voutにフィルタリング処理を施し、Vout_fを出力する。av1,av2,...,avn,bv0,bv1,...,bvmは、予めシミュレーション等で定められるフィルタ係数である。
【００５０】
【数１】
【００５１】
フィルタリングされたセンサ出力Vout_f(k)は、乗算器７３によって２乗され、Vout_fsq(k)が出力される（式（２））。
【００５２】
【数２】
【００５３】
代替的に、バンドパスフィルタの代わりに、ローパスフィルタを用いてもよい。また、低周波の通過域を持つバンドパスフィルタは不安定になりやすいので、ハイパスフィルタとローパスフィルタを順番に適用してもよい。
【００５４】
統計処理部７４は、式（３）〜（６）に従い、２乗されたセンサ出力Vout_fsqに逐次型最小２乗法を適用し、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsを算出する。
【００５５】
【数３】
【００５６】
式（３）に示される偏差Eo2(k)は式（４）によって表され、ゲイン係数KP(k)は式（５）に従って算出される。
【００５７】
【数４】
【００５８】
【数５】
【００５９】
式（５）におけるPは、式（６）に従って決定される。
【００６０】
【数６】
【００６１】
ノイズの影響、または車両や内燃機関の運転状態の影響によって、Ｏ２センサ出力にバラツキがある。逐次型最小２乗法を適用することにより、該バラツキが故障検出に及ぼす影響を最小にすることができる。さらに、逐次型最小２乗法を実施することにより、各サイクルで統計処理が完了した後は、該サイクルのフィルタリングされたセンサ出力Vout_fを保持する必要がないので、メモリを節約することができる。
【００６２】
代替的に、逐次型ではない最小２乗法を用いてもよい。また、上記の式（６）におけるλ１およびλ２の値により、適用する最小２乗法の種類が定められる。たとえば、固定ゲイン法では、λ１＝１、λ２＝０である。最小２乗法では、λ１＝１、λ２＝１である。漸減ゲイン法では、λ１＝１、λ２＝λである。重み付き最小２乗法では、λ１＝λ、λ２＝１である。
【００６３】
素子温が高い状況のセンサ出力Voutに基づいて求められたVout_fsq_lsは、Vout_fsq_ls_Hとして第１のメモリ７５に保持される。こうして、第１のパスが終了する。
【００６４】
次に、第２のパスにおいて、素子温が低い状況が作られる。素子温が高い状況の第１のパスと同様に、Ｏ２センサの出力Voutは、バンドパスフィルタ７２、乗算器７３および統計処理部７４に適用される。素子温が低い状況のセンサ出力Voutに基づいて求められた統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsは、Vout_fsq_ls_Lとして第２のメモリ７６に保持される。
【００６５】
故障判定部７７は、第１および第２のメモリ７５および７６に保持された、素子温が高い状況で求められたVout_fsq_ls_Hと、素子温が低い状況で求められたVout_fsq_ls_Lをそれぞれ読み出す。故障判定部７７は、Vout_fsq_ls_LおよびVout_fsq_ls_Hの比を求める。該比Vout_fsq_ls_L／Vout_fsq_ls_Hが、所定値RVFLS_BRより小さければ、素子温が高い状況と低い状況とで、センサ出力の変化が小さいことを示す。これは、素子温が低くなってても、センサ出力が増大していないことを意味し、よってＯ２センサが故障していると判定する。一方、該比Vout_fsq_ls_L／Vout_fsq_ls_Hが所定値RVFLS_BR以上ならば、故障判定部７７は、Ｏ２センサは正常と判定する。
【００６６】
Ｏ２センサが正常と判定されれば、フラグＦ＿Ｏ２ＢＲはゼロにセットされる。Ｏ２センサが故障と判定されれば、フラグＦ＿Ｏ２ＢＲは１にセットされる。フラグＦ＿Ｏ２ＢＲの値が１のとき、ＭＩＬ（警告灯）を点灯することによって、Ｏ２センサに故障が生じていることを通知するようにしてもよい。
【００６７】
素子温制御装置の構成
図１３は、本発明の一実施例に従う、Ｏ２センサの素子温を制御する装置の制御ブロック図である。素子温制御は、Ｏ２センサ１７を制御対象（プラント）とする。Ｏ２センサの素子温を直接測定することが非常に困難であるので、該素子温は、推定器８２によって推定される。推定器８２は、内燃機関の運転状態、および前回のサイクルで制御器８１によって求められた通電デューティＤＵＴＹに基づいて、推定素子温To2_hatを算出する。
【００６８】
推定器８２によって算出された素子の推定温度To2_hatを目標素子温To2_Rと比較し、偏差Ｅｃを求める。該偏差Ｅｃに基づいて、制御器８１は、Ｏ２センサ１７に設けられたヒーターの通電デューティＤＵＴＹを求める。ヒーターは、算出された通電デューティＤＵＴＹに従って駆動される。
【００６９】
このように、制御器８１は、推定温度To2_hatを目標素子温To2_Rに収束させるように、ヒーターに通電するデューティＤＵＴＹを求めるフィードバック制御を実行する。言い換えると、推定素子温To2_hatと目標素子温To2_Rの偏差Ｅｃがゼロになるように、ヒーターに通電するデューティＤＵＴＹを求めるフィードバック制御が実行される。
【００７０】
制御器８１は、応答指定型制御を用いて、該フィードバック制御を実施する。応答指定型制御を用いることにより、制御精度および速応性を高く維持することができる。特に、通常の運転時に設定される温度よりも低い温度に素子温を変更する場合、素子温の低温側へのオーバーシュートによってＯ２センサが不活性化されるおそれがある。また、通常の運転時に設定される温度よりも高い温度に素子温を変更する場合、ヒーター温度のオーバーシュートによってヒーターが破壊されるおそれがある。応答指定型制御によれば、制御量の目標値への収束応答を指定することができるので、Ｏ２センサの不活性化およびヒーターの破壊を防止することができる。
【００７１】
制御対象であるＯ２センサ１７を、出力をＯ２センサの温度To2、入力をヒーターへの通電デューティＤＵＴＹとして、式（７）のようにモデル化することができる。Ｏ２センサの素子は、排気ガスの温度にさらされており、またヒーターにより熱せされている。したがって、排ガス温度Texと、前回のサイクルで算出されたヒーターの通電デューティとに基づいて、素子温To2が決定される。
【００７２】
Ｏ２センサ１７は、離散時間系モデルとしてモデル化される。このようにモデル化することにより、素子温制御のアルゴリズムをコンピュータ処理に適した簡易なものとすることができる。
【００７３】
【数７】
【００７４】
Ao2およびBo2はモデルパラメータであり、予めシミュレーション等に基づいて決められる。ｋは制御サイクルを識別する識別子である。ｋは現在のサイクルを示し、(k+1)は次回のサイクルを示す。
【００７５】
前述したように、Ｏ２センサの温度To2を取得することが困難であるので、該温度To2の代わりに、推定器８２によって算出される推定素子温To2_hatが用いられる。また、排ガスの温度Texを取得することも困難であるので、排ガス温度Texの代わりに、推定器８２によって算出される推定排ガス温Tex_hatが用いられる。
【００７６】
素子温偏差Ｅｃ(ｋ)は、式（８）のように表される。
【００７７】
【数８】
【００７８】
制御器８１は、素子温偏差Ｅｃの収束挙動を規定する切り換え関数σを、式（９）のように求める。poleは、切換関数σの設定パラメータであり、−１＜pole＜１となるように設定される。
【００７９】
【数９】
【００８０】
切換関数σ(k)＝０とした式は等価入力系と呼ばれ、制御量である素子温偏差Ｅｃの収束特性を規定する。σ(k)＝０とすると、式（９）は以下の式（１０）のように変形することができる。
【００８１】
【数１０】
【００８２】
ここで、切換関数σの特性を説明する。図１４は、縦軸がＥｃ(k-1)および横軸がＥｃ(k)の位相平面上に、式（１０）を線８５で表現したものである。この線８５を切換直線と呼ぶ。Ｅｃ(k-1)およびＥｃ(k)の組合せからなる状態量（Ｅｃ(k-1), Ｅｃ(k)）の初期値が、点８６で表されているとする。応答指定型制御は、点８６で表される状態量を、切換直線８５上に載せて該直線８５上に拘束するよう動作する。
【００８３】
応答指定型制御によると、状態量を切換直線８５上に保持することにより、該状態量を、外乱等の影響されることなく、極めて安定的に位相平面上の原点０に収束させることができる。言い換えると、状態量（Ｅｃ(k-1),Ｅｃ(k)）を、式（１０）に示される入力の無い安定系に拘束することにより、外乱およびモデル化誤差に対してロバストに推定素子温To2_hatを目標素子温To2_Rに収束させることができる。
【００８４】
この実施例では、切換関数σに関する位相空間が２次元であるので、切換直線は直線８５で表される。位相空間が３次元である場合には、切換直線は平面で表され、位相空間が４次元以上になると、切換直線は超平面となる。
【００８５】
設定パラメータpoleは、可変に設定することができる。設定パラメータpoleを調整することにより、素子温偏差Ｅｃの減衰（収束）特性を指定することができる。
【００８６】
図１５は、応答指定型制御の応答指定特性の一例を示す。グラフ８７は、poleの値が“１”である場合を示し、グラフ８８はpoleの値が“０．８”である場合を示し、グラフ８９はpoleの値が“０．５”である場合を示す。グラフ８７〜８９から明らかなように、poleの値に従って、素子温偏差Ｅｃの収束速度が変化する。poleの絶対値を小さくするほど、収束速度が速くなる。
【００８７】
推定素子温To2_hatを目標素子温To2_Rに収束させるため、上記の式（７）のようにモデル化された制御対象に与えるべき入力として、制御器８１は、式（１１）に従って制御入力ＤＵＴＹ（すなわち、ヒーター通電デューティ）を求める。Ｋｒｃｈ、ＫａｄｐおよびＫｏ２はフィードバック係数を表しており、例えば最適制御理論等に従って決定することができる。
【００８８】
【数１１】
【００８９】
式（１１）の第１項（切換関数σの比例項）は、状態量を切換直線上に載せるための到達則入力を表す。第２項（切換関数σの積分項）は、モデル化誤差および外乱を抑制しつつ、状態量を切換直線に載せるための適応則入力を表す。第３項は、状態量を切換直線上に拘束するための等価制御入力を表す。
【００９０】
推定器８２は、推定素子温To2_hatを、式（１２）に従って算出する。式（１２）は、式（７）のモデル式に基づいている。Ao2およびBo2は、式（７）に示されたものと同じであり、予めシミュレーション等に基づいて決められた推定パラメータを示す。
【００９１】
【数１２】
【００９２】
式（１２）における推定排ガス温Tex_hat(k)は、式（１３）に従って算出される。
【００９３】
【数１３】
【００９４】
Tex_MAP[]は、エンジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力Ｐｂに基づいて定常排気温マップTex_MAPから抽出された値を示す。図１６に、定常排気温マップTex_MAPの一例を示す。定常排気温マップTex_MAP は、定常状態において、エンジンの運転状態から推定される排気ガスの温度を格納する。Kexは、予めシミュレーション等に基づいて決められた推定パラメータを示す。
【００９５】
こうして、今回のサイクルにおいて推定器８２により算出された推定素子温To2_hat(k+1)は、次回のサイクルにおいて通電デューディＤＵＴＹを求めるのに制御器８１によって使用される。
【００９６】
動作フロー
図１８〜図２１のフローチャートの理解を助けるため、図１７に、本発明の一実施形態に従う故障検出処理の流れを示す。以下のフローチャートにおいて、素子温は、通常の運転状態において所定の高温（たとえば、８００度）に維持されるよう制御される。素子温が８００度に制御されている第１の期間に、Ｏ２センサ出力Voutがフィルタリングされ、統計処理される。
【００９７】
第１の期間が経過したとき、Ｏ２センサの故障を検出するため、素子温を所定の低温（たとえば、６５０度）に下げる制御が開始される。高温から低温への移行期間は、第２の期間で表されている。第２の期間が経過した後の第３の期間の間、素子温は６５０度に維持される。第３の期間の間に、Ｏ２センサ出力Voutがフィルタリングされ、統計処理される。
【００９８】
図１８は、この発明の一実施形態に従う、Ｏ２センサの故障を検出するメインルーチンを示す。ステップＳ１０１において、故障判定処理が完了した時に１がセットされる完了フラグF_CHKの値を調べる。最初にこのルーチンが実行されるとき、故障判定処理はまだ完了していないので、ステップＳ１０１の判断はＮｏとなる。
【００９９】
ステップＳ１０２において、センサ活性フラグが１かどうかを調べる。センサ活性フラグは、Ｏ２センサが活性化された時に１にセットされるフラグである。センサ活性フラグがゼロならば、タイマＴＭＦＬＴＳＴに所定値ＴＭＦＳＴＷＴをセットする（Ｓ１０３）。所定値ＴＭＦＳＴＷＴには、バンドパスフィルタの出力が安定するのに必要な時間（たとえば、１．０秒）が設定される。ステップＳ１０４において、完了フラグF_CHKをゼロにする。
【０１００】
ステップＳ１０５〜Ｓ１０７において、前述した第１〜第３の期間を計測するためのタイマＴＭＢＲＣＨＫ１、ＴＭＢＲＣＨＫ２およびＴＭＢＲＣＨＫ３のそれぞれに、所定の初期値をセットする。ステップＳ１０８において、素子温制御に用いられるフラグおよび変数を初期化する。ステップＳ１０９において、逐次型最小２乗処理（図１９）で算出される統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsと、変数Pを初期化する。
【０１０１】
次にこのルーチンに入ったとき、ステップＳ１０２においてセンサ活性フラグが１ならば、上記の式（１）に従い、Ｏ２センサ出力Voutにフィルタリング処理を施し、Vout_f(k)を求める（Ｓ１０９）。ステップＳ１１０において、車両のクルーズ状態を検出するため、以下の式（１４）に従って車速Ｖｐにローパスフィルタを適用し、車速フィルタリング値Vfltを求める。ここで、afl,...,afnおよびbf0,...,bfmは、ローパスフィルタ係数を示す。ローパスフィルタは、たとえばバタワースフィルタ等を用いることができる。
【０１０２】
【数１４】
【０１０３】
ステップＳ１１１において、ステップＳ１０３でセットされたタイマＴＭＦＬＴＳＴがゼロになったかどうかを調べる。タイマがゼロになっていなければ、ステップＳ１０５に進み、第１〜第３の期間およびフラグ等を初期化する。タイマがゼロになっていれば、Ｏ２フィードバック制御が実施されているかどうかを調べる（Ｓ１１２）。Ｏ２フィードバック制御が実施されていれば、ステップＳ１１３に進む。こうして、バンドパスフィルタの出力が安定し、Ｏ２フィードバック制御によって空燃比が適切に制御されている時に、Ｏ２センサの故障検出が実施されるようにする。
【０１０４】
ステップＳ１１３において、ステップＳ１１０で求められた今回のサイクルにおける車速フィルタリング値Vflt(k)および前回のサイクルにおける車速フィルタリング値Vflt(k-1)を比較し、車速の変動が所定値X_DVLMより大きいかどうかを判断する。車速の変動が所定値X_DVLMより大きければ、車速の変動が大きく、Ｏ２センサの故障検出に適切な状況ではないので、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１１４において、エンジン回転数ＮＥが所定範囲内（下限値X_NELおよび上限値X_NEHの間）にあるかどうかを調べる。エンジン回転数ＮＥが所定範囲に無いならば、エンジン回転数の変動が大きく、Ｏ２センサの故障検出に適切な状況ではないので、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１１５において、吸気管圧力ＰＢが所定範囲内（下限値X_PBLおよび上限値X_PBHの間）にあるかどうかを調べる。吸気管圧力ＰＢが所定範囲に無いならば、エンジン負荷の変動が大きく、Ｏ２センサの故障検出に適切な状況ではないので、ステップＳ１０５に進む。
【０１０５】
ステップＳ１１３〜Ｓ１１５のすべての判断がＹｅｓならば、Ｓ１１６に進み、フィルタリングされたセンサ出力Vout_f(k)に逐次型最小２乗処理（図１９）を実施し、ステップＳ１１７において、素子温制御を実施する（図２１）。
【０１０６】
このルーチンに入ったとき、ステップＳ１０１において完了フラグF_CHKが１ならば、故障判定を実施することなくステップＳ１１７に進み、素子温制御を実施する。このように、故障判定は、所与の運転サイクルにおいて１回だけ実施され、素子温制御は、Ｏ２センサの故障判定にかかわりなく常時実施される。
【０１０７】
図１９は、図１８のステップＳ１１６において実施される逐次型最小２乗処理のルーチンを示す。ステップＳ１２１において、上記の式（２）に従い、フィルタリングされたセンサ出力Vout_f(k)を２乗し、Vout_fsqを求める。ステップＳ１２２において、素子温が高温に維持される第１の期間を計測するタイマTMBRCHK1がゼロになったかどうかを判断する。該タイマがゼロでなければ、フラグF_CHKHに１をセットする（Ｓ１２３）。フラグF_CHKHは、素子温が高温の状況下で統計処理が実施されている間は１にセットされるフラグである。
【０１０８】
ステップＳ１２４〜１２７において、逐次型最小２乗法による統計処理を実施する。ステップＳ１２４において、上記の式（４）に従い、偏差Eo2を求める。ステップＳ１２４で示されるVout_fsq_lsは、前回のサイクルで求められた統計処理済みセンサ出力である。ステップＳ１２５において、上記の式（５）に従いゲイン係数KPを求める。ステップＳ１２５で示されるＰは、前回のサイクルにおいて上記の式（６）に従って計算されたものである。ステップＳ１２６において、次回のサイクルで使用されるＰを算出する。
【０１０９】
ステップＳ１２７において、上記の式（３）に従い、ステップＳ１２４およびＳ１２５で算出された偏差Eo2およびゲイン係数KPを用いて、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsを算出する。ステップＳ１２８が最初に実行されるとき、フラグF_CHKHの値が１なので、算出されたVout_fsq_lsの値を、Vout_fsq_ls_Hとしてメモリに格納する（Ｓ１２９）。
【０１１０】
再びこのルーチンに入ったとき、第１の期間が経過していれば、ステップＳ１２２の判断がＹｅｓになる。ステップＳ１３０に進み、素子温が高温から低温に変化している第２の期間を計測するタイマTMBRCHK2がゼロになったかどうかを判断する。該タイマがゼロでなければ、第１の期間が終了したことを示すためにフラグF_CHKHにゼロをセットし、第２の期間が進行中であることを示すためにフラグF_CHKWに１をセットする（Ｓ１３１）。素子温が変化している間は統計処理を実施すべきではないので、ステップＳ１３９において、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsと変数Ｐを初期化し、その後このルーチンを抜ける。
【０１１１】
再びこのルーチンに入ったとき、第２の期間が経過していれば、ステップＳ１３０の判断がＹｅｓになる。ステップＳ１３２に進み、素子温が低温に維持される第３の期間を計測するタイマTMBRCHK3がゼロになったかどうかを判断する。該タイマがゼロでなければ、第２の期間が終了したことを示すためにフラグF_CHKWにゼロをセットし、第３の期間が進行中であることを示すためにフラグF_CHKLに１をセットする（Ｓ１３３）。
【０１１２】
ステップＳ１２４〜Ｓ１２７において、第１の期間における統計処理と同様に、逐次型最小２乗法によって統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsを算出する。第３の期間において、フラグF_CHKHの値はゼロである。したがって、ステップＳ１２８の判断はＮｏとなる。ステップＳ１３４に進み、ステップＳ１２７において算出されたVout_fsq_lsの値をVout_fsq_ls_Lとしてメモリに格納する。
【０１１３】
再びこのルーチンに入ったとき、第３の期間が経過していれば、ステップＳ１３２の判断がＹｅｓになる。ステップＳ１３５に進み、第３の期間が終了したことを示すためにフラグF_CHKLにゼロをセットする。
【０１１４】
素子温が高温である状況および低温である状況の両方で、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_ls_LおよびVout_fsq_ls_Hが取得された。ステップＳ１３６において、該２つのセンサ出力の比RVFLS=Vout_fsq_ls_L／Vout_fsq_ls_Hを算出する。ステップＳ１３７において、算出された比RVFLSに基づき、故障判定を行う（図２０）。故障判定が完了したので、完了フラグF_CHKに１をセットする（Ｓ１３８）。
【０１１５】
図２０は、図１９のステップＳ１３７において実施される故障判定ルーチンを示す。ステップＳ１４１において、算出された比RVFLSが所定値RVFLS_BRより小さければ、Ｏ２センサは故障していると判断される。この場合、故障フラグＦ＿Ｏ２ＢＲに１がセットされる（Ｓ１４２）。ステップＳ１４１において、算出された比RVFLSが所定値RVFLS_BR以上のとき、Ｏ２センサは正常と判断される。この場合、故障フラグＦ＿Ｏ２ＢＲに１をセットすることなく、このルーチンを抜ける。
【０１１６】
図２１は、図１８のステップＳ１１７において実施される素子温制御ルーチンを示す。ステップＳ１５１において、エンジンが始動中であるかどうかが判断される。エンジンが始動中ならば、ディレータイマTMO2Hに所定値TMO2DLY（たとえば、１０秒）をセットする（Ｓ１５２）。エンジンが始動しているときは、排ガスに含まれる水がＯ２センサの素子にあたることがある。水によって素子温が冷やされている時に素子温を急激に上昇させると、Ｏ２センサが損傷するおそれがある。したがって、エンジン始動時は、所定時間TMO2DLYが経過するまで、素子温を所定値To2R_AEST（たとえば、６００度）に維持する（Ｓ１５３）。
【０１１７】
ステップＳ１５１においてエンジンが始動中でなく、かつステップＳ１５４においてディレータイマTMO2Hにセットされた期間TMO2DLYが経過したとき、ステップＳ１５５に進む。ステップＳ１５５において、フラグF_CHKLおよびF_CHKWのいずれかがゼロならば、第１の期間が進行中であることを示す。第１の期間では、前述したように素子温は高温に維持される。したがって、ステップＳ１５６において、目標素子温To2_Rに、所定の高温TO2R_HI（たとえば、８００度）をセットする。
【０１１８】
ステップＳ１５５において、フラグF_CHKLおよびF_CHKWの両方が１ならば、第３の期間が進行中であることを示す。したがって、ステップＳ１６２において、目標素子温To2_Rに、所定の低温TO2R_LO（たとえば、６５０度）をセットする。
【０１１９】
ステップＳ１５７において、上記の式（８）に従い、素子温偏差Ｅｃを求める。ステップＳ１５７に示される推定素子温To2_hatは、前回のサイクルで算出された推定素子温To2_hat(k)である。ステップＳ１５８において、上記の式（９）に従い、切換関数σの値を求める。ステップＳ１５９において、上記の式（１１）に従い、通電デューティＤＵＴＹを算出する。ステップＳ１５９に示される推定素子温も、前回のサイクルで算出された推定素子温To2_hat(k)である。
【０１２０】
ステップＳ１６０において、上記の式（１３）に従い、推定排ガス温Tex_hat(k)を、前回のサイクルで算出された推定排ガス温Tex_hat(k-1)と、今回のサイクルで検出された運転状態（吸気管圧力Ｐｂおよびエンジン回転数Ｎｅ）に基づいて算出する。ステップＳ１６１において、上記の式（１２）に従い、前回のサイクルで算出された推定素子温To2_hat(k)と、ステップＳ１６０において算出された推定排ガス温Tex_hat(k)と、ステップＳ１５９において算出された通電デューティＤＵＴＹ(k)とに基づいて、推定素子温To2_hat(k+1)を算出する。算出された推定素子温は、次回のサイクルで通電デューティを求めるのに使用される。
【０１２１】
上記のフローチャートの説明においては、排ガスセンサの素子温を、高温から低温に下げる制御を例にあげた。しかしながら、このような形態に限定されることはなく、素子温を低温から高温に上げる制御についても、上記の実施形態を適用することができる。
【０１２２】
上記の説明においては、素子温および排ガス温度は、推定器によって求めるが、温度センサを適切な場所に配置し、該センサによって検出された温度に基づいて求めるようにしてもよい。
【０１２３】
さらに、他の手法による制御によって素子温を制御し、排ガスセンサの故障を検出するようにしてもよい。
【０１２４】
本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用が可能である。
【０１２５】
【発明の効果】
この発明によると、触媒の劣化から区別して、排ガスセンサの故障を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従う、内燃機関およびその制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、触媒装置および排ガスセンサの配置を示す図。
【図３】排ガスセンサ出力の周波数応答の一例を示す図。
【図４】排ガスセンサ出力の周波数応答が、触媒の劣化の程度に応じて変化する様子を示す図。
【図５】フィルタリングされた排ガスセンサ出力の周波数応答が、触媒の劣化の程度に応じて変化する様子を示す図。
【図６】素子温に応じて変化する、排ガスセンサの出力特性の一例を示す図。
【図７】素子温に応じて変化する、排ガスセンサ出力の挙動を示す図。
【図８】素子温に応じて変化する、排ガスセンサ出力の周波数応答を示す図。
【図９】素子温および排ガスセンサの故障／正常に依存して変化する排ガスセンサ出力を示す図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、バンドパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１１】素子温に応じた、排ガスセンサ出力の挙動および周波数応答を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、故障検出装置の機能ブロック図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、素子温制御装置の制御ブロック図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御における切換直線を概略的に示す図。
【図１５】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御における切換関数の設定パラメータに依存する制御量の応答特性を示す図。
【図１６】この発明の一実施例に従う、推定素子温を求めるのに使用される定常排気温マップの一例を示す図。
【図１７】この発明の一実施例に従う、故障検出処理の流れの概要を示す図。
【図１８】この発明の一実施例に従う、故障検出処理のメインルーチンを示すフローチャート。
【図１９】この発明の一実施例に従う、逐次型最小２乗法処理のルーチンを示すフローチャート。
【図２０】この発明の一実施例に従う、故障検出ルーチンを示すフローチャート。
【図２１】この発明の一実施例に従う、素子温制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
５ ＥＣＵ
１４ 排気管
１５ 触媒装置
１７ Ｏ２センサ
２５ 上流触媒
２６ 下流触媒
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気系に設けられた排ガスセンサの素子温を制御して、該排ガスセンサの故障を検出する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、触媒装置が設けられている。触媒装置は、内燃機関に供給される混合気の空燃比がリーンのとき、排気ガス中に存在する過剰の酸素でＨＣおよびＣＯを酸化し、空燃比がリッチのとき、ＨＣおよびＣＯによってＮｏｘを還元する。空燃比が理論空燃比領域にあるとき、ＨＣ、ＣＯおよびＮｏｘが同時にかつ効果的に浄化される。
【０００３】
触媒装置の下流には、排ガスセンサが設けられる。排ガスセンサは、排気系に排気されたガス中の酸素濃度を検出する。排ガスセンサの出力は、内燃機関の様々な制御に用いられる。排ガスセンサの応答性が劣化すると、内燃機関を適切に制御することができなくなり、運転状態の悪化を招くおそれがある。
【０００４】
特許第２８１２２５２号公報は、排ガスセンサの出力の微分値に基づいて、排ガスセンサの異常を検出する方法を開示する。排ガスセンサの出力の微分値が所定値以上である頻度が所定回数以下であるとき、排ガスセンサが異常と判定する。この判定手法は、排ガスセンサが正常である場合、該排ガスセンサの出力を時間で微分した値がゼロ近傍以外の大きさのものも存在するのに対し、排ガスセンサが故障している場合、該時間微分値はゼロ近傍のものしか存在しないという知見に基づいている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
触媒装置と排ガスセンサは直列に配置されているので、排ガスセンサの出力の微分値は、触媒の遅れ特性（ローパス特性）の影響を受ける。すなわち、触媒の劣化の程度が変化すると、排ガスセンサの出力も変化する。従来技術に示されるような排ガスセンサ出力の微分値の変動を分析しても、該変動が触媒の応答特性の変化に起因するのか、排ガスセンサの応答特性の変化に起因するのかを判別することは困難である。また、排ガスセンサの劣化を検出するために空燃比を変化させることは、触媒装置の浄化能力を低下させて有害成分を排出させるおそれがある。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、排ガスセンサの故障を、触媒の劣化と区別して検出することである。また、この発明の他の目的は、有害成分を排出させることなく、排ガスセンサの故障を検出することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の一つの側面によると、排気管に配置された排ガスセンサの故障を検出する装置は、排ガスセンサの素子温が異なる状況下で検出された該排ガスセンサの出力を比較することによって、該排ガスセンサの故障を検出する。
【０００８】
この発明によると、排ガスセンサの出力特性が素子温に応じて変化することを利用するので、触媒の劣化等の影響を受けることなく排ガスセンサの故障を検出することができる。さらに、排ガスセンサの故障を検出するために空燃比を操作しないので、有害排ガス成分の排出量を増加させることなく、排ガスセンサの故障を検出することができる。
【０００９】
この発明の他の側面によると、故障検出装置は、素子温を制御する手段をさらに備える。素子温制御手段により、素子温が異なる状況が作られる。この発明の一実施形態では、該異なる状況は、素子温が、通常の運転状態時の温度に制御される状況と、該通常の運転状態時に制御される温度よりも低い温度に制御される状況とを少なくとも含む。当然のことながら、通常の素子温が十分低い場合には、故障を検出する時に素子温を上昇させることもあり得る。このように、排ガスセンサの故障を検出する時は、素子温制御手段によって、素子温を、通常の運転状態時とは異なる温度に制御することができる。
【００１０】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力にフィルタリング処理を施すフィルタをさらに備える。異なる状況下における該フィルタリングされた排ガスセンサの出力を比較することにより、排ガスセンサの故障が検出される。この発明の一実施形態において、フィルタは、バンドパスフィルタを含む。
【００１１】
この発明によると、空燃比の変動による排ガスセンサ出力の変動がフィルタリング処理により除去される。さらに、排ガスセンサ出力のパワースペクトルの大きい部分を抽出することができる。したがって、空燃比制御の影響およびノイズの影響を最小限にし、故障検出の精度を向上させることができる。
【００１２】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力に逐次型最小２乗法による統計処理が実施される。素子温が異なる状況下における、該統計処理された排ガスセンサの出力を比較することにより、排ガスセンサの故障を検出する。一実施形態においては、フィルタリングされた排ガスセンサの出力に、該逐次型最小２乗法による統計処理が実施される。
【００１３】
ノイズの影響、車両および内燃機関の運転状態の影響により、排ガスセンサの出力にはバラツキが生じる。逐次型最小２乗法によって統計処理を実施することにより、このバラツキに起因する故障検出への影響を最小にすることができる。
【００１４】
この発明の一つの側面によると、排ガスセンサの出力は、車両がクルーズ状態にあるときに取得される。この発明によると、素子温が安定し、かつ空燃比制御が安定した状態で排ガスセンサの出力が取得されるので、排ガスセンサの故障を検出する精度が向上する。
【００１５】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力は、車両の内燃機関が所定の運転状態にあるときに取得される。車両および内燃機関の運転状態により、排ガスセンサ出力にはバラツキが生じる。所定の運転状態という条件を課すことにより、このようなバラツキを抑制して故障検出の精度を向上させることができる。
【００１６】
この発明の一つの側面によると、素子温を制御する制御装置は、排ガスセンサの素子の温度を推定する推定器を備える。推定器によって推定された素子温に基づいて、制御装置は、排ガスセンサに設けられたヒーターへの通電デューティを求める。この発明によると、素子温を直接計測する手段を内燃機関に設けるコストを削減することができる。また、素子温を推定することにより、素子温を良好な精度で制御することができる。
【００１７】
この発明の他の側面によると、素子温を制御する装置は、応答指定型制御を実施して、排ガスセンサに設けられたヒーターへの通電デューティを求める。応答指定型制御により、素子温のオーバーシュートおよびアンダーシュートを防止し、素子温の過剰な高温化による破壊や過剰な低温化による不活性化を回避することができる。また、素子温の制御精度を高く維持することができるので、ヒーターの耐久性を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態による内燃機関（以下、「エンジン」という）およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。
【００１９】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）５は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース５ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ５ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ５ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。メモリ５ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う故障検出および素子温制御を実現するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、このＲＯＭに格納されている。ＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ５ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００２０】
エンジン１は、たとえば４気筒を備えるエンジンである。吸気管２が、エンジン１に連結されている。吸気管２の上流側にはスロットル弁３が設けられている。スロットル弁３に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）４は、スロットル弁３の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ５に供給する。
【００２１】
スロットル弁３をバイパスする通路２１が、吸気管２に設けられている。エンジン１に供給する空気量を制御するためのバイパス弁２２が、バイパス通路２１に設けられている。バイパス弁２２は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って駆動される。
【００２２】
燃料噴射弁６は、エンジン１とスロットル弁３の間であって、吸気管２の吸気弁（図示せず）の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁６は、燃料ポンプ（図示せず）に接続され、該燃料ポンプを介して燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受ける。燃料噴射弁６は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って駆動される。
【００２３】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ８および吸気温（Ｔａ）センサ９は、吸気管２のスロットル弁３の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ８およびＴａセンサ９によって検出された吸気管圧力Ｐｂおよび吸気温Ｔａは、それぞれＥＣＵ５に送られる。
【００２４】
エンジン水温（Ｔｗ）センサ１０は、エンジン１のシリンダブロックの、冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられる。Ｔｗセンサ１０によって検出されたエンジン冷却水の温度Ｔｗは、ＥＣＵ５に送られる。
【００２５】
回転数（Ｎｅ）センサ１３は、エンジン１のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）周辺に取り付けられる。Ｎｅセンサ１３は、たとえばピストンのＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるＴＤＣ信号パルスの周期よりも短いクランク角度（たとえば、３０度）の周期で、ＣＲＫ信号パルスを出力する。ＣＲＫ信号パルスは、ＥＣＵ５によってカウントされ、エンジン回転数Ｎｅが検出される。
【００２６】
エンジン１の下流側には排気管１４が連結されている。エンジン１は、排気管１４を介して排気する。排気管１４の途中に設けられた触媒装置１５は、排気管１４を通る排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分を浄化する。触媒装置１５には、２つの触媒が設けられている。上流側に設けられた触媒を上流触媒と呼び、下流側に設けられた触媒を下流触媒と呼ぶ。
【００２７】
広域空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ１６は、触媒装置１５の上流に設けられている。ＬＡＦセンサ１６は、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比領域において、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出する。検出された酸素濃度は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２８】
Ｏ２（排ガス）センサ１７は、上流触媒と下流触媒の間に設けられている。Ｏ２センサ１７は２値型の排気ガス濃度センサである。Ｏ２センサは、空燃比が理論空燃比よりもリッチであるとき高レベルの信号を出力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるとき低レベルの信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２９】
車両の速度を検出する車速（ＶＰ）センサ２３がＥＣＵ５に接続され、検出した車速信号をＥＣＵ５に送る。
【００３０】
ＥＣＵ５に向けて送られた信号は入力インターフェース５ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ５ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ５ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出す。出力インターフェース５ｄは、これらの制御信号を、バイパス弁２２、燃料噴射弁６、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。
【００３１】
図２の（ａ）は、触媒装置１５の構造を示す。排気管１４に流入した排気ガスは、上流触媒２５を通過し、その後下流触媒２６を通過する。上流および下流触媒の間に設けられたＯ２センサの出力に基づく空燃比制御の方が、下流触媒の下流に設けられたＯ２センサの出力に基づく空燃比制御よりも、Ｎｏｘの浄化率を最適に維持しやすいことがわかっている。そのため、この発明に従う実施形態では、Ｏ２センサ１７を、上流および下流触媒の間に設ける。Ｏ２センサ１７は、上流触媒２５を通過した後の排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００３２】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）のＬＡＦセンサ１６からＯ２センサ１７にいたるブロック図である。ＬＡＦセンサ１６は、上流触媒２５に供給される排ガスの空燃比Kactを検出する。Ｏ２センサ１７は、上流触媒２５によって浄化された排ガスの酸素濃度を、電圧Voutとして出力する。
【００３３】
上流触媒２５とＯ２センサ１７は、直列に配置されている。したがって、空燃比KactとＯ２センサ１７の出力Voutとの間には、上流触媒２５およびＯ２センサ１７の遅れおよびむだ時間が存在する。
【００３４】
図３は、Ｏ２センサの出力Voutをフーリエ変換した結果を示す。触媒の劣化が進むと、センサ出力Voutのパワースペクトルは、矢印４１によって示される方向に増大する。反対に、触媒が新品に近いほど、センサ出力Voutのパワースペクトルは、矢印４２によって示される方向に減少する。この特性に基づいて、触媒の劣化を判定することができる。一方、Ｏ２センサが劣化すると、その遅れ特性が大きくなるので、センサ出力Voutのパワースペクトルは、矢印４２の方向に減少する。
【００３５】
このように、Ｏ２センサが劣化または故障すると、センサ出力Voutのパワースペクトルが減少するので、触媒の劣化を正確に検出することができなくなる。言い換えると、センサ出力Voutのパワースペクトルの変化からは、触媒が新品のときの状態とＯ２センサが劣化している状態とを区別することができない。
【００３６】
触媒劣化とＯ２センサ故障の判別
発明の理解を助けるため、触媒の劣化とＯ２センサの故障を区別することのできる手法の概念を説明する。最初に、図４および図５を参照して、触媒の劣化を検出する手法の概念を説明する。
【００３７】
図４は、（ａ）触媒が新品の時、（ｂ）触媒の浄化率が十分残っている時、（ｃ）触媒の浄化率が不十分な時の、Ｏ２センサの出力Voutのパワースペクトルを示す。図４の（ａ）〜（ｃ）における、周波数３〜７Ｈｚに対応するセンサ出力Voutのパワースペクトルのレベル変化が、参照番号４５によって示されている。
【００３８】
図５の（ａ）から（ｃ）は、図４の（ａ）から（ｃ）のセンサ出力Voutに、バンドパスフィルタによってフィルタリング処理を施した結果をそれぞれ示す。周波数３〜７Ｈｚにおけるセンサ出力Voutのパワースペクトルが、フィルタによって強調されている。参照番号４６によって示されるように、触媒が劣化するほど、周波数３〜７Ｈｚにおけるセンサ出力Voutのパワースペクトルが増加している。このように、周波数３〜７Ｈｚにおけるセンサ出力Voutを評価することにより、触媒の劣化状態を判定することができる。
【００３９】
次に、Ｏ２センサの故障を判別する手法の概念を説明する。図６は、Ｏ２センサの出力特性（Ｚカーブと呼ぶ）を示す。グラフ５１は素子温が６００度の場合を示し、グラフ５２は素子温が７００度の場合を示し、グラフ５３は素子温が８００度の場合を示す。素子温が低いほど、Ｏ２センサの出力Voutの変動量が大きくなることがわかる。
【００４０】
図７の（ａ）は、素子温が６００度の場合のセンサ出力Voutの挙動を示す。図７の（ｂ）は、素子温が８００度の場合のセンサ出力Voutの挙動を示す。グラフ５５は車速の変化を示し、グラフ５６および５７は、排ガスセンサの出力変化を示す。図７の（ａ）と（ｂ）を比較して明らかなように、素子温が低い場合のセンサ出力Voutの変動量は、素子温が高い場合のセンサ出力Voutの変動量よりも大きいことがわかる。
【００４１】
図８の（ａ）は、図７の（ａ）に示されるセンサ出力Voutをフーリエ変換した結果を示す。図８の（ｂ）は、図７の（ｂ）に示されるセンサ出力Voutをフーリエ変換した結果を示す。素子温が低くなるほどセンサ出力Voutの変動量が大きくなるので、各周波数におけるセンサ出力Voutのパワースペクトルも、素子温が低くなるほど増大する。
【００４２】
図９のグラフ６２は、素子温が６００度で、かつＯ２センサが故障している（たとえば、Ｏ２センサの遅れ特性が大きい）ときのセンサ出力Voutのパワースペクトルを示す。グラフ６１は、素子温が６００度で、かつＯ２センサが正常なときのセンサ出力Voutのパワースペクトルを示す。グラフ６３は、素子温が８００度で、かつＯ２センサが正常なときのセンサ出力Voutのパワースペクトルを示す。
【００４３】
これらのグラフから明らかなように、Ｏ２センサが故障しているときは、素子温が低くてもセンサ出力Voutのパワースペクトルの増加量が小さいことがわかる。したがって、素子温が低い時（この例では、６００度）と素子温が高い時（この例では、８００度）のセンサ出力Voutを比較することにより、Ｏ２センサが故障しているかどうかを判断することができる。素子温を低くした時のセンサ出力Voutと、素子温が高い時のセンサ出力Voutとの比が所定値より小さければ、Ｏ２センサが故障していることを示す。
【００４４】
この手法によると、空燃比を操作することなくＯ２センサの故障を検出することができるので、触媒浄化率の低下による有害な排ガス量の増大を回避することができる。
【００４５】
素子温を変化させた時のセンサ出力Voutの変化を強調的に抽出するため、センサ出力Voutにフィルタリング処理を施す。図１０は、フィルタリングに使用するバンドパスフィルタのフィルタ特性の一例を示す。
【００４６】
図８および図９で参照したように、素子温が低下すると、センサ出力Voutのパワースペクトルは各周波数において増大する。しかしながら、触媒およびＯ２センサのローパス特性により、各周波数におけるパワースペクトルの値は、周波数の増大と共に小さくなる。また、評価すべきなのは、素子温を変化させた時のセンサ出力Voutの変動成分であるので、定常成分は除去されるのが好ましい。したがって、バンドパスフィルタは、図１０に示されるような通過特性を持つものが使用される。この例では、バンドパスフィルタは、０．１〜１．０Hzの周波数域におけるセンサ出力Voutのパワースペクトルを抽出するように設計されている。
【００４７】
図１１の（ａ）は、素子温が６００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fの挙動を示す。図１１の（ｂ）は、素子温が８００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fの挙動を示す。図１１の（ｃ）は、図１１の（ａ）および（ｂ）に対してフーリエ変換した結果を示す。グラフ６５は、素子温が６００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fのパワースペクトルを示し、グラフ６６は、素子温が８００度の場合のフィルタリングされたセンサ出力Vout_fのパワースペクトルを示す。フィルタリングを実施することにより、素子温の変化に応じたセンサ出力Voutの変化を、振幅差６７として抽出することができる。
【００４８】
このように、触媒の劣化は、３〜７Ｈｚの周波数域におけるＯ２センサ出力のパワースペクトルに影響を与えるので、該周波数域におけるＯ２センサ出力Voutを比較することにより判定される。一方、Ｏ２センサの故障は、異なる素子温の状況下におけるＯ２センサ出力Voutを比較することにより検出される。したがって、触媒の劣化とＯ２センサの故障を明確に区別することができる。
【００４９】
故障検出装置の構成
図１２は、本発明の一実施例に従う、Ｏ２センサの故障を検出する装置の機能ブロック図である。第１のパスにおいて、素子温が高い状況が作られる。Ｏ２センサの出力Voutが、バンドパスフィルタ７２に適用される。バンドパスフィルタ７２は、図１０に示されるような特性を持つバンドパスフィルタである。バンドパスフィルタ７２は、式（１）に従って、センサ出力Voutにフィルタリング処理を施し、Vout_fを出力する。av1,av2,...,avn,bv0,bv1,...,bvmは、予めシミュレーション等で定められるフィルタ係数である。
【００５０】
【数１】
フィルタリングされたセンサ出力Vout_f(k)は、乗算器７３によって２乗され、Vout_fsq(k)が出力される（式（２））。
【００５２】
【数２】
代替的に、バンドパスフィルタの代わりに、ローパスフィルタを用いてもよい。また、低周波の通過域を持つバンドパスフィルタは不安定になりやすいので、ハイパスフィルタとローパスフィルタを順番に適用してもよい。
【００５４】
統計処理部７４は、式（３）〜（６）に従い、２乗されたセンサ出力Vout_fsqに逐次型最小２乗法を適用し、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsを算出する。
【００５５】
【数３】
式（３）に示される偏差Eo2(k)は式（４）によって表され、ゲイン係数KP(k)は式（５）に従って算出される。
【００５７】
【数４】
【数５】
式（５）におけるPは、式（６）に従って決定される。
【００６０】
【数６】
ノイズの影響、または車両や内燃機関の運転状態の影響によって、Ｏ２センサ出力にバラツキがある。逐次型最小２乗法を適用することにより、該バラツキが故障検出に及ぼす影響を最小にすることができる。さらに、逐次型最小２乗法を実施することにより、各サイクルで統計処理が完了した後は、該サイクルのフィルタリングされたセンサ出力Vout_fを保持する必要がないので、メモリを節約することができる。
【００６２】
代替的に、逐次型ではない最小２乗法を用いてもよい。また、上記の式（６）におけるλ１およびλ２の値により、適用する最小２乗法の種類が定められる。たとえば、固定ゲイン法では、λ１＝１、λ２＝０である。最小２乗法では、λ１＝１、λ２＝１である。漸減ゲイン法では、λ１＝１、λ２＝λである。重み付き最小２乗法では、λ１＝λ、λ２＝１である。
【００６３】
素子温が高い状況のセンサ出力Voutに基づいて求められたVout_fsq_lsは、Vout_fsq_ls_Hとして第１のメモリ７５に保持される。こうして、第１のパスが終了する。
【００６４】
次に、第２のパスにおいて、素子温が低い状況が作られる。素子温が高い状況の第１のパスと同様に、Ｏ２センサの出力Voutは、バンドパスフィルタ７２、乗算器７３および統計処理部７４に適用される。素子温が低い状況のセンサ出力Voutに基づいて求められた統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsは、Vout_fsq_ls_Lとして第２のメモリ７６に保持される。
【００６５】
故障判定部７７は、第１および第２のメモリ７５および７６に保持された、素子温が高い状況で求められたVout_fsq_ls_Hと、素子温が低い状況で求められたVout_fsq_ls_Lをそれぞれ読み出す。故障判定部７７は、Vout_fsq_ls_LおよびVout_fsq_ls_Hの比を求める。該比Vout_fsq_ls_L／Vout_fsq_ls_Hが、所定値RVFLS_BRより小さければ、素子温が高い状況と低い状況とで、センサ出力の変化が小さいことを示す。これは、素子温が低くなってても、センサ出力が増大していないことを意味し、よってＯ２センサが故障していると判定する。一方、該比Vout_fsq_ls_L／Vout_fsq_ls_Hが所定値RVFLS_BR以上ならば、故障判定部７７は、Ｏ２センサは正常と判定する。
【００６６】
Ｏ２センサが正常と判定されれば、フラグＦ＿Ｏ２ＢＲはゼロにセットされる。Ｏ２センサが故障と判定されれば、フラグＦ＿Ｏ２ＢＲは１にセットされる。フラグＦ＿Ｏ２ＢＲの値が１のとき、ＭＩＬ（警告灯）を点灯することによって、Ｏ２センサに故障が生じていることを通知するようにしてもよい。
【００６７】
素子温制御装置の構成
図１３は、本発明の一実施例に従う、Ｏ２センサの素子温を制御する装置の制御ブロック図である。素子温制御は、Ｏ２センサ１７を制御対象（プラント）とする。Ｏ２センサの素子温を直接測定することが非常に困難であるので、該素子温は、推定器８２によって推定される。推定器８２は、内燃機関の運転状態、および前回のサイクルで制御器８１によって求められた通電デューティＤＵＴＹに基づいて、推定素子温To2_hatを算出する。
【００６８】
推定器８２によって算出された素子の推定温度To2_hatを目標素子温To2_Rと比較し、偏差Ｅｃを求める。該偏差Ｅｃに基づいて、制御器８１は、Ｏ２センサ１７に設けられたヒーターの通電デューティＤＵＴＹを求める。ヒーターは、算出された通電デューティＤＵＴＹに従って駆動される。
【００６９】
このように、制御器８１は、推定温度To2_hatを目標素子温To2_Rに収束させるように、ヒーターに通電するデューティＤＵＴＹを求めるフィードバック制御を実行する。言い換えると、推定素子温To2_hatと目標素子温To2_Rの偏差Ｅｃがゼロになるように、ヒーターに通電するデューティＤＵＴＹを求めるフィードバック制御が実行される。
【００７０】
制御器８１は、応答指定型制御を用いて、該フィードバック制御を実施する。応答指定型制御を用いることにより、制御精度および速応性を高く維持することができる。特に、通常の運転時に設定される温度よりも低い温度に素子温を変更する場合、素子温の低温側へのオーバーシュートによってＯ２センサが不活性化されるおそれがある。また、通常の運転時に設定される温度よりも高い温度に素子温を変更する場合、ヒーター温度のオーバーシュートによってヒーターが破壊されるおそれがある。応答指定型制御によれば、制御量の目標値への収束応答を指定することができるので、Ｏ２センサの不活性化およびヒーターの破壊を防止することができる。
【００７１】
制御対象であるＯ２センサ１７を、出力をＯ２センサの温度To2、入力をヒーターへの通電デューティＤＵＴＹとして、式（７）のようにモデル化することができる。Ｏ２センサの素子は、排気ガスの温度にさらされており、またヒーターにより熱せされている。したがって、排ガス温度Texと、前回のサイクルで算出されたヒーターの通電デューティとに基づいて、素子温To2が決定される。
【００７２】
Ｏ２センサ１７は、離散時間系モデルとしてモデル化される。このようにモデル化することにより、素子温制御のアルゴリズムをコンピュータ処理に適した簡易なものとすることができる。
【００７３】
【数７】
Ao2およびBo2はモデルパラメータであり、予めシミュレーション等に基づいて決められる。ｋは制御サイクルを識別する識別子である。ｋは現在のサイクルを示し、(k+1)は次回のサイクルを示す。
【００７５】
前述したように、Ｏ２センサの温度To2を取得することが困難であるので、該温度To2の代わりに、推定器８２によって算出される推定素子温To2_hatが用いられる。また、排ガスの温度Texを取得することも困難であるので、排ガス温度Texの代わりに、推定器８２によって算出される推定排ガス温Tex_hatが用いられる。
【００７６】
素子温偏差Ｅｃ(ｋ)は、式（８）のように表される。
【００７７】
【数８】
制御器８１は、素子温偏差Ｅｃの収束挙動を規定する切り換え関数σを、式（９）のように求める。poleは、切換関数σの設定パラメータであり、−１＜pole＜１となるように設定される。
【００７９】
【数９】
切換関数σ(k)＝０とした式は等価入力系と呼ばれ、制御量である素子温偏差Ｅｃの収束特性を規定する。σ(k)＝０とすると、式（９）は以下の式（１０）のように変形することができる。
【００８１】
【数１０】
ここで、切換関数σの特性を説明する。図１４は、縦軸がＥｃ(k-1)および横軸がＥｃ(k)の位相平面上に、式（１０）を線８５で表現したものである。この線８５を切換直線と呼ぶ。Ｅｃ(k-1)およびＥｃ(k)の組合せからなる状態量（Ｅｃ(k-1), Ｅｃ(k)）の初期値が、点８６で表されているとする。応答指定型制御は、点８６で表される状態量を、切換直線８５上に載せて該直線８５上に拘束するよう動作する。
【００８３】
応答指定型制御によると、状態量を切換直線８５上に保持することにより、該状態量を、外乱等の影響されることなく、極めて安定的に位相平面上の原点０に収束させることができる。言い換えると、状態量（Ｅｃ(k-1),Ｅｃ(k)）を、式（１０）に示される入力の無い安定系に拘束することにより、外乱およびモデル化誤差に対してロバストに推定素子温To2_hatを目標素子温To2_Rに収束させることができる。
【００８４】
この実施例では、切換関数σに関する位相空間が２次元であるので、切換直線は直線８５で表される。位相空間が３次元である場合には、切換直線は平面で表され、位相空間が４次元以上になると、切換直線は超平面となる。
【００８５】
設定パラメータpoleは、可変に設定することができる。設定パラメータpoleを調整することにより、素子温偏差Ｅｃの減衰（収束）特性を指定することができる。
【００８６】
図１５は、応答指定型制御の応答指定特性の一例を示す。グラフ８７は、poleの値が“１”である場合を示し、グラフ８８はpoleの値が“０．８”である場合を示し、グラフ８９はpoleの値が“０．５”である場合を示す。グラフ８７〜８９から明らかなように、poleの値に従って、素子温偏差Ｅｃの収束速度が変化する。poleの絶対値を小さくするほど、収束速度が速くなる。
【００８７】
推定素子温To2_hatを目標素子温To2_Rに収束させるため、上記の式（７）のようにモデル化された制御対象に与えるべき入力として、制御器８１は、式（１１）に従って制御入力ＤＵＴＹ（すなわち、ヒーター通電デューティ）を求める。Ｋｒｃｈ、ＫａｄｐおよびＫｏ２はフィードバック係数を表しており、例えば最適制御理論等に従って決定することができる。
【００８８】
【数１１】
式（１１）の第１項（切換関数σの比例項）は、状態量を切換直線上に載せるための到達則入力を表す。第２項（切換関数σの積分項）は、モデル化誤差および外乱を抑制しつつ、状態量を切換直線に載せるための適応則入力を表す。第３項は、状態量を切換直線上に拘束するための等価制御入力を表す。
【００９０】
推定器８２は、推定素子温To2_hatを、式（１２）に従って算出する。式（１２）は、式（７）のモデル式に基づいている。Ao2およびBo2は、式（７）に示されたものと同じであり、予めシミュレーション等に基づいて決められた推定パラメータを示す。
【００９１】
【数１２】
式（１２）における推定排ガス温Tex_hat(k)は、式（１３）に従って算出される。
【００９３】
【数１３】
Tex_MAP[]は、エンジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力Ｐｂに基づいて定常排気温マップTex_MAPから抽出された値を示す。図１６に、定常排気温マップTex_MAPの一例を示す。定常排気温マップTex_MAP は、定常状態において、エンジンの運転状態から推定される排気ガスの温度を格納する。Kexは、予めシミュレーション等に基づいて決められた推定パラメータを示す。
【００９５】
こうして、今回のサイクルにおいて推定器８２により算出された推定素子温To2_hat(k+1)は、次回のサイクルにおいて通電デューディＤＵＴＹを求めるのに制御器８１によって使用される。
【００９６】
動作フロー
図１８〜図２１のフローチャートの理解を助けるため、図１７に、本発明の一実施形態に従う故障検出処理の流れを示す。以下のフローチャートにおいて、素子温は、通常の運転状態において所定の高温（たとえば、８００度）に維持されるよう制御される。素子温が８００度に制御されている第１の期間に、Ｏ２センサ出力Voutがフィルタリングされ、統計処理される。
【００９７】
第１の期間が経過したとき、Ｏ２センサの故障を検出するため、素子温を所定の低温（たとえば、６５０度）に下げる制御が開始される。高温から低温への移行期間は、第２の期間で表されている。第２の期間が経過した後の第３の期間の間、素子温は６５０度に維持される。第３の期間の間に、Ｏ２センサ出力Voutがフィルタリングされ、統計処理される。
【００９８】
図１８は、この発明の一実施形態に従う、Ｏ２センサの故障を検出するメインルーチンを示す。ステップＳ１０１において、故障判定処理が完了した時に１がセットされる完了フラグF_CHKの値を調べる。最初にこのルーチンが実行されるとき、故障判定処理はまだ完了していないので、ステップＳ１０１の判断はＮｏとなる。
【００９９】
ステップＳ１０２において、センサ活性フラグが１かどうかを調べる。センサ活性フラグは、Ｏ２センサが活性化された時に１にセットされるフラグである。センサ活性フラグがゼロならば、タイマＴＭＦＬＴＳＴに所定値ＴＭＦＳＴＷＴをセットする（Ｓ１０３）。所定値ＴＭＦＳＴＷＴには、バンドパスフィルタの出力が安定するのに必要な時間（たとえば、１．０秒）が設定される。ステップＳ１０４において、完了フラグF_CHKをゼロにする。
【０１００】
ステップＳ１０５〜Ｓ１０７において、前述した第１〜第３の期間を計測するためのタイマＴＭＢＲＣＨＫ１、ＴＭＢＲＣＨＫ２およびＴＭＢＲＣＨＫ３のそれぞれに、所定の初期値をセットする。ステップＳ１０８において、素子温制御に用いられるフラグおよび変数を初期化する。ステップＳ１０９において、逐次型最小２乗処理（図１９）で算出される統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsと、変数Pを初期化する。
【０１０１】
次にこのルーチンに入ったとき、ステップＳ１０２においてセンサ活性フラグが１ならば、上記の式（１）に従い、Ｏ２センサ出力Voutにフィルタリング処理を施し、Vout_f(k)を求める（Ｓ１０９）。ステップＳ１１０において、車両のクルーズ状態を検出するため、以下の式（１４）に従って車速Ｖｐにローパスフィルタを適用し、車速フィルタリング値Vfltを求める。ここで、afl,...,afnおよびbf0,...,bfmは、ローパスフィルタ係数を示す。ローパスフィルタは、たとえばバタワースフィルタ等を用いることができる。
【０１０２】
【数１４】
ステップＳ１１１において、ステップＳ１０３でセットされたタイマＴＭＦＬＴＳＴがゼロになったかどうかを調べる。タイマがゼロになっていなければ、ステップＳ１０５に進み、第１〜第３の期間およびフラグ等を初期化する。タイマがゼロになっていれば、Ｏ２フィードバック制御が実施されているかどうかを調べる（Ｓ１１２）。Ｏ２フィードバック制御が実施されていれば、ステップＳ１１３に進む。こうして、バンドパスフィルタの出力が安定し、Ｏ２フィードバック制御によって空燃比が適切に制御されている時に、Ｏ２センサの故障検出が実施されるようにする。
【０１０４】
ステップＳ１１３において、ステップＳ１１０で求められた今回のサイクルにおける車速フィルタリング値Vflt(k)および前回のサイクルにおける車速フィルタリング値Vflt(k-1)を比較し、車速の変動が所定値X_DVLMより大きいかどうかを判断する。車速の変動が所定値X_DVLMより大きければ、車速の変動が大きく、Ｏ２センサの故障検出に適切な状況ではないので、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１１４において、エンジン回転数ＮＥが所定範囲内（下限値X_NELおよび上限値X_NEHの間）にあるかどうかを調べる。エンジン回転数ＮＥが所定範囲に無いならば、エンジン回転数の変動が大きく、Ｏ２センサの故障検出に適切な状況ではないので、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１１５において、吸気管圧力ＰＢが所定範囲内（下限値X_PBLおよび上限値X_PBHの間）にあるかどうかを調べる。吸気管圧力ＰＢが所定範囲に無いならば、エンジン負荷の変動が大きく、Ｏ２センサの故障検出に適切な状況ではないので、ステップＳ１０５に進む。
【０１０５】
ステップＳ１１３〜Ｓ１１５のすべての判断がＹｅｓならば、Ｓ１１６に進み、フィルタリングされたセンサ出力Vout_f(k)に逐次型最小２乗処理（図１９）を実施し、ステップＳ１１７において、素子温制御を実施する（図２１）。
【０１０６】
このルーチンに入ったとき、ステップＳ１０１において完了フラグF_CHKが１ならば、故障判定を実施することなくステップＳ１１７に進み、素子温制御を実施する。このように、故障判定は、所与の運転サイクルにおいて１回だけ実施され、素子温制御は、Ｏ２センサの故障判定にかかわりなく常時実施される。
【０１０７】
図１９は、図１８のステップＳ１１６において実施される逐次型最小２乗処理のルーチンを示す。ステップＳ１２１において、上記の式（２）に従い、フィルタリングされたセンサ出力Vout_f(k)を２乗し、Vout_fsqを求める。ステップＳ１２２において、素子温が高温に維持される第１の期間を計測するタイマTMBRCHK1がゼロになったかどうかを判断する。該タイマがゼロでなければ、フラグF_CHKHに１をセットする（Ｓ１２３）。フラグF_CHKHは、素子温が高温の状況下で統計処理が実施されている間は１にセットされるフラグである。
【０１０８】
ステップＳ１２４〜１２７において、逐次型最小２乗法による統計処理を実施する。ステップＳ１２４において、上記の式（４）に従い、偏差Eo2を求める。ステップＳ１２４で示されるVout_fsq_lsは、前回のサイクルで求められた統計処理済みセンサ出力である。ステップＳ１２５において、上記の式（５）に従いゲイン係数KPを求める。ステップＳ１２５で示されるＰは、前回のサイクルにおいて上記の式（６）に従って計算されたものである。ステップＳ１２６において、次回のサイクルで使用されるＰを算出する。
【０１０９】
ステップＳ１２７において、上記の式（３）に従い、ステップＳ１２４およびＳ１２５で算出された偏差Eo2およびゲイン係数KPを用いて、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsを算出する。ステップＳ１２８が最初に実行されるとき、フラグF_CHKHの値が１なので、算出されたVout_fsq_lsの値を、Vout_fsq_ls_Hとしてメモリに格納する（Ｓ１２９）。
【０１１０】
再びこのルーチンに入ったとき、第１の期間が経過していれば、ステップＳ１２２の判断がＹｅｓになる。ステップＳ１３０に進み、素子温が高温から低温に変化している第２の期間を計測するタイマTMBRCHK2がゼロになったかどうかを判断する。該タイマがゼロでなければ、第１の期間が終了したことを示すためにフラグF_CHKHにゼロをセットし、第２の期間が進行中であることを示すためにフラグF_CHKWに１をセットする（Ｓ１３１）。素子温が変化している間は統計処理を実施すべきではないので、ステップＳ１３９において、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsと変数Ｐを初期化し、その後このルーチンを抜ける。
【０１１１】
再びこのルーチンに入ったとき、第２の期間が経過していれば、ステップＳ１３０の判断がＹｅｓになる。ステップＳ１３２に進み、素子温が低温に維持される第３の期間を計測するタイマTMBRCHK3がゼロになったかどうかを判断する。該タイマがゼロでなければ、第２の期間が終了したことを示すためにフラグF_CHKWにゼロをセットし、第３の期間が進行中であることを示すためにフラグF_CHKLに１をセットする（Ｓ１３３）。
【０１１２】
ステップＳ１２４〜Ｓ１２７において、第１の期間における統計処理と同様に、逐次型最小２乗法によって統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_lsを算出する。第３の期間において、フラグF_CHKHの値はゼロである。したがって、ステップＳ１２８の判断はＮｏとなる。ステップＳ１３４に進み、ステップＳ１２７において算出されたVout_fsq_lsの値をVout_fsq_ls_Lとしてメモリに格納する。
【０１１３】
再びこのルーチンに入ったとき、第３の期間が経過していれば、ステップＳ１３２の判断がＹｅｓになる。ステップＳ１３５に進み、第３の期間が終了したことを示すためにフラグF_CHKLにゼロをセットする。
【０１１４】
素子温が高温である状況および低温である状況の両方で、統計処理済みセンサ出力Vout_fsq_ls_LおよびVout_fsq_ls_Hが取得された。ステップＳ１３６において、該２つのセンサ出力の比RVFLS=Vout_fsq_ls_L／Vout_fsq_ls_Hを算出する。ステップＳ１３７において、算出された比RVFLSに基づき、故障判定を行う（図２０）。故障判定が完了したので、完了フラグF_CHKに１をセットする（Ｓ１３８）。
【０１１５】
図２０は、図１９のステップＳ１３７において実施される故障判定ルーチンを示す。ステップＳ１４１において、算出された比RVFLSが所定値RVFLS_BRより小さければ、Ｏ２センサは故障していると判断される。この場合、故障フラグＦ＿Ｏ２ＢＲに１がセットされる（Ｓ１４２）。ステップＳ１４１において、算出された比RVFLSが所定値RVFLS_BR以上のとき、Ｏ２センサは正常と判断される。この場合、故障フラグＦ＿Ｏ２ＢＲに１をセットすることなく、このルーチンを抜ける。
【０１１６】
図２１は、図１８のステップＳ１１７において実施される素子温制御ルーチンを示す。ステップＳ１５１において、エンジンが始動中であるかどうかが判断される。エンジンが始動中ならば、ディレータイマTMO2Hに所定値TMO2DLY（たとえば、１０秒）をセットする（Ｓ１５２）。エンジンが始動しているときは、排ガスに含まれる水がＯ２センサの素子にあたることがある。水によって素子温が冷やされている時に素子温を急激に上昇させると、Ｏ２センサが損傷するおそれがある。したがって、エンジン始動時は、所定時間TMO2DLYが経過するまで、素子温を所定値To2R_AEST（たとえば、６００度）に維持する（Ｓ１５３）。
【０１１７】
ステップＳ１５１においてエンジンが始動中でなく、かつステップＳ１５４においてディレータイマTMO2Hにセットされた期間TMO2DLYが経過したとき、ステップＳ１５５に進む。ステップＳ１５５において、フラグF_CHKLおよびF_CHKWのいずれかがゼロならば、第１の期間が進行中であることを示す。第１の期間では、前述したように素子温は高温に維持される。したがって、ステップＳ１５６において、目標素子温To2_Rに、所定の高温TO2R_HI（たとえば、８００度）をセットする。
【０１１８】
ステップＳ１５５において、フラグF_CHKLおよびF_CHKWの両方が１ならば、第３の期間が進行中であることを示す。したがって、ステップＳ１６２において、目標素子温To2_Rに、所定の低温TO2R_LO（たとえば、６５０度）をセットする。
【０１１９】
ステップＳ１５７において、上記の式（８）に従い、素子温偏差Ｅｃを求める。ステップＳ１５７に示される推定素子温To2_hatは、前回のサイクルで算出された推定素子温To2_hat(k)である。ステップＳ１５８において、上記の式（９）に従い、切換関数σの値を求める。ステップＳ１５９において、上記の式（１１）に従い、通電デューティＤＵＴＹを算出する。ステップＳ１５９に示される推定素子温も、前回のサイクルで算出された推定素子温To2_hat(k)である。
【０１２０】
ステップＳ１６０において、上記の式（１３）に従い、推定排ガス温Tex_hat(k)を、前回のサイクルで算出された推定排ガス温Tex_hat(k-1)と、今回のサイクルで検出された運転状態（吸気管圧力Ｐｂおよびエンジン回転数Ｎｅ）に基づいて算出する。ステップＳ１６１において、上記の式（１２）に従い、前回のサイクルで算出された推定素子温To2_hat(k)と、ステップＳ１６０において算出された推定排ガス温Tex_hat(k)と、ステップＳ１５９において算出された通電デューティＤＵＴＹ(k)とに基づいて、推定素子温To2_hat(k+1)を算出する。算出された推定素子温は、次回のサイクルで通電デューティを求めるのに使用される。
【０１２１】
上記のフローチャートの説明においては、排ガスセンサの素子温を、高温から低温に下げる制御を例にあげた。しかしながら、このような形態に限定されることはなく、素子温を低温から高温に上げる制御についても、上記の実施形態を適用することができる。
【０１２２】
上記の説明においては、素子温および排ガス温度は、推定器によって求めるが、温度センサを適切な場所に配置し、該センサによって検出された温度に基づいて求めるようにしてもよい。
【０１２３】
さらに、他の手法による制御によって素子温を制御し、排ガスセンサの故障を検出するようにしてもよい。
【０１２４】
本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用が可能である。
【０１２５】
【発明の効果】
この発明によると、触媒の劣化から区別して、排ガスセンサの故障を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従う、内燃機関およびその制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、触媒装置および排ガスセンサの配置を示す図。
【図３】排ガスセンサ出力の周波数応答の一例を示す図。
【図４】排ガスセンサ出力の周波数応答が、触媒の劣化の程度に応じて変化する様子を示す図。
【図５】フィルタリングされた排ガスセンサ出力の周波数応答が、触媒の劣化の程度に応じて変化する様子を示す図。
【図６】素子温に応じて変化する、排ガスセンサの出力特性の一例を示す図。
【図７】素子温に応じて変化する、排ガスセンサ出力の挙動を示す図。
【図８】素子温に応じて変化する、排ガスセンサ出力の周波数応答を示す図。
【図９】素子温および排ガスセンサの故障／正常に依存して変化する排ガスセンサ出力を示す図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、バンドパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１１】素子温に応じた、排ガスセンサ出力の挙動および周波数応答を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、故障検出装置の機能ブロック図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、素子温制御装置の制御ブロック図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御における切換直線を概略的に示す図。
【図１５】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御における切換関数の設定パラメータに依存する制御量の応答特性を示す図。
【図１６】この発明の一実施例に従う、推定素子温を求めるのに使用される定常排気温マップの一例を示す図。
【図１７】この発明の一実施例に従う、故障検出処理の流れの概要を示す図。
【図１８】この発明の一実施例に従う、故障検出処理のメインルーチンを示すフローチャート。
【図１９】この発明の一実施例に従う、逐次型最小２乗法処理のルーチンを示すフローチャート。
【図２０】この発明の一実施例に従う、故障検出ルーチンを示すフローチャート。
【図２１】この発明の一実施例に従う、素子温制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
５ ＥＣＵ
１４ 排気管
１５ 触媒装置
１７ Ｏ２センサ
２５ 上流触媒
２６ 下流触媒
Claims (11)
- 排気管に配置された排ガスセンサの故障を検出する装置であって、
前記排ガスセンサの素子温が第１の温度に制御された状態で、該排ガスセンサの出力から、所定の周波数領域における成分を抽出して該成分の変動量を示す第１のフィルタリングされた排ガスセンサ出力を生成するとともに、前記排ガスセンサの素子温が第２の温度に制御された状態で、該排ガスセンサの出力から、前記周波数領域における成分を抽出して該成分の変動量を示す第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力を生成するよう構成されたフィルタと、
前記第１のフィルタリングされた排ガスセンサの出力と前記第２のフィルタリングされた排ガスセンサ出力とを比較し、該比較結果に基づいて、前記排ガスセンサの故障を検出する検出手段と、
装置。 - 前記素子温を制御する素子温制御手段をさらに備え、該素子温制御手段により、前記素子温が、前記第１の温度および前記第２の温度に制御される、
請求項１に記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記第２の温度は前記第１の温度よりも低く、
前記検出手段は、前記第１のフィルタリングされた排ガスセンサの出力に対する前記第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力の比が所定値より小さければ、前記排ガスセンサが故障していると判定する、
請求項１または２に記載の装置。 - 前記フィルタは、バンドパスフィルタである、
請求項１から３のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記第１の温度は、通常の運転状態時の温度であり、前記第２の温度は、前記第１の温度よりも低い、
請求項１から４のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記第１のフィルタリングされた排ガスセンサの出力および前記第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力に対し、逐次型最小２乗法により統計処理を実施する統計処理手段をさらに備え、
前記比較は、前記統計処理された第１のフィルタリングされた排ガスセンサの出力および第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力の比に基づいて行われる、
請求項１から５のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記第２の温度は前記第１の温度よりも低く、
前記検出手段は、前記統計処理された第１のフィルタリングされた排ガスセンサの出力に対する前記統計処理された第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力の比が所定値より小さければ、前記排ガスセンサが故障していると判定する、
請求項６に記載の装置。 - 前記第１および第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力は、車両がクルーズ状態にあるときに前記フィルタにより生成される、
請求項１から７のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記第１および第２のフィルタリングされた排ガスセンサの出力は、車両の内燃機関が所定の運転状態にあるときに前記フィルタにより生成される、
請求項１から７のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記素子温制御手段は、前記排ガスセンサの素子の温度を推定し、該推定された素子温に基づいて、前記排ガスセンサに設けられたヒーターへの通電デューティを求める、
請求項２から９のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。 - 前記素子温制御手段は、応答指定型制御を用いて、前記排ガスセンサに設けられたヒーターへの通電デューティを求める、
請求項２から１０のいずれかに記載の排ガスセンサの故障を検出する装置。
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