JP4758293B2 - 酸素センサの劣化信号発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応すると共に、理論空燃比を境にしてセンサ出力信号が急変する酸素センサが劣化した状態において出力するセンサ出力信号を、劣化信号として擬似的に発生する酸素センサの劣化信号発生装置に関するものである。

従来より、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度に基づき、排気ガスの空燃比がリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出する酸素センサが知られている。この酸素センサのセンサ素子は、ジルコニア等の固体電解質体を主体に構成されており、出力電圧（センサ出力信号）が排気ガス中の酸素の濃度に応じて（換言すれば、理論空燃比を境にして）二値的に変化することを利用して、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出するものである。酸素センサから出力されるセンサ出力信号はエンジンの各種制御を司るＥＣＵ（電子制御ユニット）に送信され、ＥＣＵでは、受信したセンサ出力信号に基づきエンジンにおける燃料の噴射量の調整等の空燃比フィードバック制御が行われる。

こうした酸素センサは、センサ素子が排気通路内で排気ガスに曝されることとなるため、長期間の使用に伴い経時劣化が生ずる。そこでＥＣＵの開発では、酸素センサがある程度劣化した状態でも空燃比フィードバック制御の精度を維持することができるように、酸素センサ劣化時のセンサ出力信号（劣化信号）に対しても最適な空燃比フィードバック制御のパラメータを決定できるようにする設計が行われている。例えば、加速耐久試験により劣化度合いの異なる酸素センサを用意し、それら酸素センサから得られる劣化信号と、正常な酸素センサのセンサ出力信号とを用い、劣化信号の過渡的な段階における信号状態を予測して、パラメータの設定を行っている。

ところで、実車において排気ガスの浄化状態を確認するための試験を行う場合、酸素センサが劣化した状態においてもＥＣＵによる空燃比フィードバック制御が正しく行われているか否かを確認するため、上記のように加速耐久試験により劣化させた酸素センサが実車に取り付けられる。しかし、こうした試験に用いるため、数種類の劣化状態を再現した酸素センサそれぞれを加速耐久試験により目標通りに作成することは困難である。また、試験において、劣化状態の異なる酸素センサを試験の都度取り換えるには手間もかかる。そのため、酸素センサの劣化信号を擬似的に発生することができる劣化信号発生装置（劣化シミュレータ）が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような劣化信号発生装置は、実車に取り付けた正常な酸素センサ（還元すれば、劣化信号を発生するための基準となる酸素センサ）とＥＣＵとの間に介在され、入力された酸素センサのセンサ出力信号を加工して擬似的に劣化信号を発生し、この劣化信号をＥＣＵに対して出力するものである。特許文献１の劣化信号発生装置では、具体的には、排気ガス中の酸素濃度に応じ、センサ出力信号がリニアに変化する全領域空燃比センサのセンサ出力信号のゲインを変化させたり、センサ出力信号の応答特性に遅れを生じさせたりすることで、擬似的に劣化信号を発生している。
特開２００４−９３９５７号公報

しかしながら、酸素センサが劣化した場合、排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合とリーン側にある場合とで異なった劣化状態を示すことがあった。例えば、空燃比がリッチ側にある場合には正常なセンサ出力信号が出力され、リーン側にある場合に劣化したセンサ出力信号が出力される場合である。特許文献１のように酸素センサのセンサ出力信号のゲインを変化させた場合、センサ出力信号の最大値と最小値との差を変化させることができるものの、最大値と最小値とが共に変動してしまうため、特に、排気ガス中の酸素の濃度に応じてセンサ出力信号の値が二値的に変化する酸素センサにおいて、その劣化状態を正しくシミュレートすることが難しいという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、理論空燃比を境にセンサ出力信号が急変する酸素センサが劣化したときに出力するセンサ出力信号を劣化信号として擬似的に発生するにあたって、排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合とリーン側にある場合とで異なった利得率を用いてセンサ出力信号のゲインを変更することができる酸素センサの劣化信号発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の酸素センサの劣化信号発生装置は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応すると共に、理論空燃比を境にしてセンサ出力信号が急変する酸素センサが劣化したときに出力する当該センサ出力信号を、劣化信号として疑似的に発生する劣化信号発生装置であって、前記酸素センサと同構成をなし、排気ガス中の酸素の濃度に関連した基準信号を出力する基準酸素センサに接続されると共に、前記基準信号を取得する基準信号取得手段と、前記基準信号のゲインを変更した状態で出力するための利得率として、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリーン側である場合の当該基準信号のゲインを変更させるためのリーン利得率、および、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリッチ側である場合の当該基準信号のゲインを変更させるためのリッチ利得率を、それぞれ個別に設定する利得率設定手段と、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリーン側であると判定された場合、前記基準信号に前記リーン利得率を掛け合わせる一方、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリッチ側であると判定された場合、前記基準信号に前記リッチ利得率を掛け合わせることで、前記基準信号のゲインを変更した前記劣化信号を発生するゲイン変更信号発生手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項２に係る発明の酸素センサの劣化信号発生装置は、前記所定のしきい値、前記リーン利得率、および前記リッチ利得率のそれぞれの設定値を記憶するとともに、装置の電源切断時にも前記設定値を保存する記憶手段をさらに備える。

請求項１に係る発明の酸素センサの劣化信号発生装置によれば、酸素センサの出力するセンサ出力信号のゲインが低下した状態を想定した劣化信号を基準センサの基準信号から擬似的に発生することができる。さらに、基準信号のゲインを変更するための利得率として、基準信号が所定のしきい値よりもリッチ側にある場合のリッチ利得率とリーン側にある場合のリーン利得率とを個別に設定することができる。酸素センサの被毒の状態（例えば、排気ガス中に含まれていたＰｂ成分による被毒が特に進んでいる状態や、排気ガス中に含まれるＳｉ成分による被毒が特に進んでいる状態）によっては、酸素センサから出力される劣化信号の状態が、排気ガスの空燃比がリッチ側とリーン側とで異なった状態を示す場合がある。そこで上記のようにリッチ利得率とリーン利得率とを個別に設定することができれば、排気ガスの空燃比が所定のしきい値よりもリッチ側にある場合にのみ劣化した状態の劣化信号を出力する酸素センサや、排気ガスの空燃比が所定のしきい値を境界にしてリッチ側とリーン側とで劣化の度合いの異なる劣化信号を出力する酸素センサなどの劣化信号を擬似的に発生することができ、酸素センサの様々な劣化態様に応じた劣化信号を発生することができる。つまり、本発明の劣化信号発生装置を用いることにより、排気ガスの空燃比が所定の値を境界にしてリッチ側にある場合とリーン側にある場合とでゲインを自由に異ならせて変更させた劣化信号を得ることができ、精密な空燃比フィードバック制御を実現可能なシステムの開発を円滑に行えると共に、その開発期間の短縮を図ることが可能となる。なお、本発明でいう「所定のしきい値」としては、センサ出力信号が実使用において取り得る値であれば特に限定されず、例えばセンサ出力信号の理論空燃比時に出力する値をしきい値にすることができる。

以下、本発明を具体化した劣化信号発生装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の劣化信号発生装置の一例としてのセンサシミュレータ１の概略的な構成を示すブロック図である。なお、本発明の劣化信号発生装置に接続される酸素センサは、排気ガス中の酸素濃度に反応すると共に、理論空燃比を境にしてセンサ出力信号が急変する、いわゆるλ型の酸素センサであり、基準センサ２として、正常な（劣化していない）λ型酸素センサを用いたものとして説明する。

なお、λ型酸素センサについては公知のものを使用しているため、その構造等の詳細については説明を省略するが、以下に、酸素センサに用いられるセンサ素子による排気ガスの空燃比の検出原理について簡単に説明する。このセンサ素子は、高温雰囲気下で酸素イオン導電性を示す性質を有する、例えばジルコニア製の固体電解質体を一対の多孔質電極で挟んだ筒状ないしは板状をなしており、この固体電解質体で２つの雰囲気を隔て、両雰囲気間で酸素分圧に差が生じたとき、固体電解質体内を酸素イオンが移動することを利用するものである。具体的には、固体電解質体で排気ガス雰囲気と大気雰囲気（あるいは基準となる酸素濃度を有する雰囲気）とを隔て、両雰囲気間で酸素分圧の平衡化がなされる際に、固体電解質体内を移動する酸素イオンによって電子が運搬されることにより生ずる起電力を測定し、排気ガスの空燃比がリッチ側かリーン側かを検出するものである。酸素センサの出力するセンサ出力信号の値（起電力）は、排気ガスの空燃比が理論空燃比である場合を境にリッチ側とリーン側とで二値的に急激な変動を示し、一般には、排気ガスの空燃比がリッチ側である場合、センサ素子の出力するセンサ出力信号の値は約０．９Ｖを示し、リーン側である場合、約０．０５Ｖを示す。このようなλ型酸素センサの一例として、本実施の形態では、特開２００４−１３８５９９号公報に開示する筒型のセンサ素子を備えると共に、センサ素子にヒータを内挿させた酸素センサを使用しているものとして説明することとする。

図１に示すように、センサシミュレータ１は、自動車の排気通路（図示外）に取り付けられる酸素センサとしての基準センサ２と、自動車の電子制御を司るＥＣＵ３との間に介在される装置である。基準センサ２は、上記のように、排気通路内を流通する排気ガス中の酸素濃度に応じたセンサ出力信号を出力し、このセンサ出力信号が基準信号としてセンサシミュレータ１に入力されている。センサシミュレータ１は、入力された基準信号に対し、後述する劣化信号発生プログラムの実行により加工を施して劣化信号を発生し、ＥＣＵ３に対して出力を行っている。ＥＣＵ３は、入力された劣化信号に基づき、図示外のエンジンの制御（例えば、インジェクタから噴射する燃料の噴射量や噴射タイミングの調整や、点火時期の調整など）を行っている。また、ＥＣＵ３は、基準センサ２のヒータ回路（図示外）にヒータ駆動電圧の供給も行っており、センサ素子（図示外）の早期活性化や活性化後の安定化を図っている。

センサシミュレータ１は、図示しないケーシング内に、自身の制御を司るＣＰＵ１１と、後述する劣化信号発生プログラム等が記憶された、書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ１２と、各種のデータを一時的に記憶するＲＡＭ１３とを有するマイクロコンピュータ１０を備えている。なお、マイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１、ＥＥＰＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は公知の構成からなるものである。ＥＥＰＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３の記憶エリアの構成については後述する。

マイクロコンピュータ１０には、入力インターフェイス２０を介して基準センサ２から入力される基準信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ３０と、後述する劣化信号発生プログラムによって発生した劣化信号を出力バッファ４０を介してＥＣＵ３に出力するためにＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータ５０とが接続されている。更に、マイクロコンピュータ１０には、劣化信号発生プログラムに用いられる設定値等を利用者が入力するための入力部６０と、入力された設定値等を確認できるように表示する表示部８０の表示制御を行う表示制御部７０とが接続されている。入力部６０としては、例えばプッシュスイッチやロータリースイッチ等が用いられ、表示部８０としては、例えばＬＣＤディスプレイ等が用いられる。また、図示しないが、センサシミュレータ１は電源回路等も備えている。

次に、ＥＥＰＲＯＭ１２の記憶エリアおよびＲＡＭ１３の記憶エリアの概略的な構成について、図２および図３を参照して説明する。図２は、ＥＥＰＲＯＭ１２の記憶エリアの構成を示す概念図である。図３は、ＲＡＭ１３の記憶エリアの構成を示す概念図である。

図２に示すように、ＥＥＰＲＯＭ１２には、設定値記憶エリア１２１、プログラム記憶エリア１２２、初期値記憶エリア１２３が設けられている。設定値記憶エリア１２１は、後述する３つの変数（ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎ，ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ）の設定値が記憶され、劣化信号発生プログラムにおいて利用される。これらの設定値は、予め利用者により入力部６０から任意の値が入力され、ＥＥＰＲＯＭ１２に記憶されることで、電源切断時にも保存することができるように構成されている。プログラム記憶エリア１２２には、劣化信号発生プログラムが記憶されている。ＥＥＰＲＯＭ１２を使用することで、バージョンアップ等にも柔軟に対応できるように構成されている。初期値記憶エリア１２３には、劣化信号発生プログラムで使用される各変数の初期値が記憶されている。更にＥＥＰＲＯＭ１２には、図示外の各種の記憶エリアが設けられている。

また、図３に示すように、ＲＡＭ１３には、ワークエリア１３１、変数記憶エリア１３２が設けられている。ワークエリア１３１には、劣化信号発生プログラムが読み込まれて展開される記憶エリアであり、その実行に利用される。変数記憶エリア１３２には、以下に示す、各種変数が記憶され、劣化信号発生プログラムの実行に際し使用される。

ここで、劣化信号発生プログラムで使用される各変数について説明する。「Ｖｉｎ」は、基準センサ２から取得される基準信号の電圧値を記憶するための変数であり、初期値には０がセットされる。「ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ」は、基準信号の電圧値をもって排気ガスの空燃比がリッチ側にあるかリーン側にあるかを判定するための所定のしきい値を記憶するための変数であり、初期値には利用者により予め設定された値がセットされる。「ＲｉｃｈＧａｉｎ」は、排気ガスの空燃比が所定のしきい値よりもリッチ側にある場合に、基準信号の電圧値に掛け合わせて劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）を得るための利得率（リッチ利得率）を記憶するための変数であり、初期値には利用者により予め設定された値がセットされる。「ＬｅａｎＧａｉｎ」は、排気ガスの空燃比が所定のしきい値よりもリーン側にある場合に、基準信号の電圧値に掛け合わせて劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）を得るための利得率（リーン利得率）を記憶するための変数であり、初期値には利用者により予め設定された値がセットされる。「Ｖｏｕｔ」は、基準信号の電圧値Ｖｉｎのゲインを変更した劣化信号の電圧値を記憶するための変数であり、初期値には０がセットされる。更にＲＡＭ１３には、図示外の各種の記憶エリアが設けられている。

このような構成のセンサシミュレータ１では、図４，図５のフローチャートで示す劣化信号発生プログラムの実行に従って、基準センサ２から１ｍｓ毎に基準信号を取得し、加工を施して劣化信号を発生し、ＥＣＵ３に対し出力を行っている。以下、図４，図５に示す劣化信号発生プログラムの詳細について、図６〜図８のグラフを参照しながら説明する。図４は、劣化信号発生プログラムのメインルーチンのフローチャートである。図５は、ゲイン処理サブルーチンのフローチャートである。図６は、空燃比をリッチ側とリーン側とに交番させた場合に得られる基準信号を時間軸に沿って示した例を示すグラフである。図７は、図６に示した基準信号のリッチ側のゲインを変更した劣化信号の例を示すグラフである。図８、図６に示した基準信号のリーン側のゲインを変更した劣化信号の例を示すグラフである。なお、フローチャートの各ステップを「Ｓ」と略記する。

センサシミュレータ１では、予め、利用者により各種設定値の入力が行われる。具体的には、基準信号のゲインを変更するためのリッチ側における利得率（リッチ利得率）およびリーン側における利得率（リーン利得率）（それぞれ変数ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎの値として利用される。）および所定のしきい値（変数ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄの値として利用される。）が設定される。これらの設定値は入力部６０の操作により行われ、ＥＥＰＲＯＭ１２の設定値記憶エリア１２１に記憶されることで、センサシミュレータ１の電源が落とされた後に再度使用される場合にも、以前入力された設定値が保存されるように構成されている。

センサシミュレータ１による基準センサ２の基準信号から劣化信号の発生は、図４に示す、劣化信号発生プログラムが、ＥＥＰＲＯＭ１２のプログラム記憶エリア１２２よりＲＡＭ１３のワークエリア１３１に読み込まれ実行されることによって開始される。図４に示す劣化信号発生プログラムでは、Ｓ１でまず初期化処理が行われた後、Ｓ２で１ｍｓ毎のリセット信号の受信待ちが行われる。本実施の形態では、劣化信号発生プログラムと並列に図示外のタイマプログラムが実行されており、１ｍｓ毎にリセット信号が出力されている。Ｓ２ではリセット信号の受信待ちが行われ、リセット信号の受信を契機にＳ３へ進むように構成されている。そしてＳ３でゲイン処理のサブルーチンがコールされて実行され、基準センサ２から取得される基準信号（電圧値Ｖｉｎ）を元としてゲインが変更（増幅または減衰）された劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）が発生されて、ＥＣＵ３に対し出力される。このときＶｉｎは、予め設定された所定のしきい値ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄに対し、大きい場合と小さい場合とで異なる利得率ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎにより増幅または減衰されるように構成されている。そしてＳ３の処理後にはＳ２に戻り、次のリセット信号の受信待ちが行われる。すなわち、基準信号を加工して劣化信号を発生するＳ３の処理は、１ｍｓ毎に行われている。以下、劣化信号発生プログラムの具体的な処理内容について説明する。

初期化処理では、劣化信号発生プログラムで使用される各種変数の初期化が行われる（Ｓ１）。初期化は、ＥＥＰＲＯＭ１２の初期値記憶エリア１２３に記憶された初期値（前述）が読み込まれ、各変数の値として、ＲＡＭ１３の対応する変数記憶エリア１３２の記憶エリアに記憶されることで行われる。また、上記した、予め利用者により設定された３つの変数（ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎ，ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ）の値がＥＥＰＲＯＭ１２の設定値記憶エリア１２１より読み込まれ、各変数の値として、対応する変数記憶エリア１３２の記憶エリアに記憶される。劣化信号発生プログラムのＳ１以降の処理では、各変数の値の読み出し、書き込み等はすべて、変数記憶エリア１３２に設けられた、それぞれの処理に対応する各変数の記憶エリアに対して行われる。そしてリセット信号の受信待ちが行われ（Ｓ２：ＮＯ）、リセット信号の受信を契機にゲイン処理のサブルーチンがコールされる（Ｓ２：ＹＥＳ，Ｓ３）。なお、Ｓ１において、予め利用者により入力部６０から入力されＥＥＰＲＯＭ１２に記憶され保存された利得率ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎを、劣化信号発生プログラムで使用するため読み込み、ＲＡＭ１３の変数記憶エリアに記憶させるＣＰＵ１１が、本発明における「利得率設定手段」に相当する。

［ゲイン処理］
ゲイン処理は、基準信号の電圧値Ｖｉｎに対し、排気ガスの空燃比がリッチ側である場合とリーン側である場合とで異なる利得率ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎを掛け合わせて劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）を発生させる処理である。前述したように、本実施の形態の基準センサ２はλ型酸素センサであり、排気ガスの空燃比がリッチ側にあるとき、その排気ガスに曝されるλ型酸素センサの出力電圧値は約０．９Ｖを示し、リーン側にあるときには約０．０５Ｖを示す。従って、混合気の目標空燃比が約１秒毎にリッチ側とリーン側とで交番された場合、λ型酸素センサ、すなわち基準センサ２の基準信号の電圧値は、図６に示すように、約１秒毎に約０．０５Ｖと約０．９Ｖとの間で急峻な変化（例えば区間［Ａ−Ｂ］や区間［Ｃ−Ｄ］など）を示す。

図５に示すゲイン処理では、まず、Ａ／Ｄコンバータ３０を介して入力される基準センサ２の出力電圧が取得され、その電圧値が変数Ｖｉｎとして記憶される（Ｓ２１）。取得された基準信号の電圧値Ｖｉｎは、予め利用者に設定されたしきい値ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄと比較される（Ｓ２２）。上記したように基準信号の電圧値は、約０．０５Ｖと約０．９Ｖとの間で変化するため、ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄは通常、略中間の電圧値（換言すれば、理論空燃比のときに出力される電圧値）である０．４５Ｖに設定される。ＶｉｎがＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄよりも大きかった場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、取得された基準信号の電圧値は、空燃比がリッチ側にある場合の電圧値であると判断される。そして、基準信号のＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄを上回る分の電圧値に利得率ＲｉｃｈＧａｉｎを掛け合わせることでリッチ側のゲインのみを変更した劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）が算出される（Ｓ２３）。具体的には、「ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ＋（Ｖｉｎ−ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ）×ＲｉｃｈＧａｉｎ」が計算され、その結果がＶｏｕｔに記憶される。ここで、基準信号に対し、空燃比がリッチ側である場合にのみゲインを変更した場合の例を、図７に示す。なお、本実施の形態では、ＲｉｃｈＧａｉｎとして０．９０が設定されており、図７ではその設定での劣化信号の波形を示している。図７では、点線で示される基準信号（電圧値Ｖｉｎ）のグラフに対比させ、基準信号の電圧値がＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄとしての０．４５Ｖよりも大きな値を示す場合にのみ電圧値を減衰させた劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）のグラフを１点鎖線で示している。従って基準信号の電圧値が０．４５Ｖ以下である場合には、劣化信号のグラフは基準信号のグラフに一致した状態となる。なお、Ｓ２１で基準センサ２の基準信号を取得してＶｉｎとして記憶させるＡ／Ｄコンバータ３０およびＣＰＵ１１が、本発明における「基準信号取得手段」に相当する。

一方、図５に示すように、ＶｉｎがＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄよりも小さかった場合（Ｓ２２：ＮＯ，Ｓ２５：ＹＥＳ）、同様に、取得された基準信号の電圧値は、空燃比がリーン側にある場合の電圧値であると判断される。そして、基準信号のＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄを下回る分の電圧値に利得率ＬｅａｎＧａｉｎを掛け合わせることでリーン側のゲインのみを変更した劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）が算出される（Ｓ２６）。具体的には、「ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ−（ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ−Ｖｉｎ）×ＬｅａｎＧａｉｎ」が計算され、その計算結果がＶｏｕｔに記憶される。ここで、基準信号に対し、空燃比がリーン側である場合にのみゲインを変更した場合の例を、図８に示す。なお、本実施の形態では、ＬｅａｎＧａｉｎとして０．７０が設定されており、図８ではその設定での劣化信号の波形を示している。図８では、点線で示される基準信号（電圧値Ｖｉｎ）のグラフに対比させ、基準信号の電圧値がＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄとしての０．４５Ｖよりも小さな値を示す場合にのみ電圧値を増幅させた劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）のグラフを１点鎖線で示している。従って基準信号の電圧値が０．４５Ｖ以上である場合には、劣化信号のグラフは基準信号のグラフに一致した状態となる。なお、Ｓ２３およびＳ２６の処理で、基準信号のゲインを変更した劣化信号を発生するＣＰＵ１１が、本発明における「ゲイン変更信号発生手段」に相当する。

また、図５に示すように、ＶｉｎがＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄと同じ値である場合には（Ｓ２２：ＮＯ，Ｓ２５：ＮＯ）、基準信号のゲインを変更する処理は行われず、その電圧値Ｖｉｎが劣化信号の電圧値Ｖｏｕｔとして記憶される（Ｓ２７）。このようにして劣化信号の電圧値Ｖｏｕｔが求められた後には（Ｓ２３／Ｓ２６／Ｓ２７）、Ｓ２９に進む。そして、ゲインを変更したことによって電圧値Ｖｏｕｔが適正値、すなわち０Ｖ以上５Ｖ未満の範囲外となった場合、適正値の範囲内に収まるように補正が行われる。具体的には、Ｖｏｕｔが５Ｖ以上であれば（Ｓ２９：ＹＥＳ）、Ｖｏｕｔには４．９９Ｖが記憶される（Ｓ３０）。一方、Ｖｏｕｔが０Ｖ未満であれば（Ｓ２９：ＮＯ，Ｓ３１：ＹＥＳ）、Ｖｏｕｔには０Ｖが記憶される（Ｓ３３）。また、Ｖｏｕｔが０Ｖ以上５Ｖ未満であれば（Ｓ２９：ＮＯ，Ｓ３１：ＮＯ）、Ｖｏｕｔは適正値であると判断され、補正は行われない。こうして補正が行われた後（Ｓ３０／Ｓ３３／Ｓ３１：ＮＯ）、劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）がＤ／Ａコンバータ５０に対して出力され（Ｓ３５）、その後、メインルーチンに戻り、Ｓ２に戻る。そして次のリセット信号の受信を契機に再びゲイン処理が実行され、劣化信号の電圧値Ｖｏｕｔが更新されることとなる。なお、Ｄ／Ａコンバータ５０では入力される劣化信号の電圧値Ｖｏｕｔがアナログの電圧値にＤ／Ａ変換され、出力バッファ４０に出力される。出力バッファ４０では、アナログの電圧値に変換された劣化信号をＥＣＵ３に対し出力するが、次回のゲイン処理の実行により変更されるまでその電圧値が維持される。

以上説明したように、劣化信号発生プログラムの実行によって、基準信号（電圧値Ｖｉｎ）に対しゲイン処理を行った劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）が発生される。ゲイン処理では排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合とリーン側にある場合とで異なるパラメータを用い、基準信号に対する利得率を個別に設定することが可能であり、様々な形態の基準信号の劣化状態を疑似的に発生することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えばＵＳＢやＲＳ２３２Ｃ等の入出力インターフェイスを備え、対応するケーブルを用いてパーソナルコンピュータに接続し、設定値等の入力や表示確認等を行ってもよい。また、基準センサ２の基準信号や、発生した劣化信号をその入出力インターフェイスを介してパーソナルコンピュータに出力し、パーソナルコンピュータ上で出力波形を発生してモニタリングできるようにしてもよいし、もちろん、表示部８０に出力波形を表示させてもよい。

また、利用者の設定可能な３つの変数（ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎ，ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ）は、Ｓ１の初期化処理でＥＥＰＲＯＭ１２の設定値記憶エリア１２１からＲＡＭ１３の変数記憶エリア１３２にコピーされ、以降の処理では変数記憶エリア１３２の記憶値が参照されたが、これら３つの変数については設定値記憶エリア１２１の記憶値が参照されるようにしてもよい。このようにすれば、利用者が、劣化信号発生プログラムの実行中に設定値を変更した場合に、その変更結果を、発生される劣化信号に即座に反映させることができる。また、ＥＥＰＲＯＭ１２ではなく一般的なＲＯＭを用い、劣化信号発生プログラムの実行開始時に上記３つの変数の設定値を利用者に入力させるようにしてもよい。

また、Ｓ２９〜Ｓ３３で行われた劣化信号の電圧値の補正において、その適正値の範囲は、任意に設定できるようにしてもよい。また、本実施の形態では、劣化信号発生プログラムを実行することでソフトウェア的に基準信号から劣化信号を発生したが、ロジック回路を構成したアナログまたはデジタルハードウェア回路を作製し、劣化信号の発生を行ってもよい。

さらに、本実施の形態では、利得率ＲｉｃｈＧａｉｎ，ＬｅａｎＧａｉｎとして０．９０，０．７０に利用者が個別に設定した例を示したが、利得率はそれぞれ上記値に限られず、他の値を任意に且つ個別に設定可能であることは言うまでもない。

また、本実施の形態のセンサシミュレータ１は、基準信号のゲインを変更した劣化信号を発生することができるが、更に、基準信号の応答特性や遅延時間を変更した劣化信号も発生することができるようにしてもよい。ここで、応答特性とは、目標空燃比が所定の値（理論空燃比に限定されない）を境にしてリッチ側からリーン側、あるいはリーン側からリッチ側へ変更されたことに伴い、酸素センサの出力するセンサ出力信号が変化を開始して予め設定した値となるまでにかかる時間をいう。また、遅延時間とは、目標空燃比がリッチ側からリーン側、あるいはリーン側からリッチ側へ変更されたことに伴い、酸素センサの出力するセンサ出力信号が変化を開始し始めるまでの遅れ時間をいう。そして、上記のように基準信号の応答特性や遅延時間を変更する場合、応答特性を変更するための変移率や遅延時間について、本実施の形態と同様に、目標空燃比がリッチ側からリーン側へ変更された場合と、リーン側からリッチ側へ変更された場合とで、それぞれ個別に設定できるようにすると、精密な空燃比フィードバック制御を実現可能なシステムの開発をより高度に且つ円滑に行える観点から、なおよい。

理論空燃比を境にしてセンサ出力信号が急変する酸素センサが劣化した状態において出力する劣化信号を擬似的に発生することができる劣化信号発生装置に適用することができる。

本実施の形態の劣化信号発生装置の一例としてのセンサシミュレータ１の概略的な構成を示すブロック図である。 ＥＥＰＲＯＭ１２の記憶エリアの構成を示す概念図である。 ＲＡＭ１３の記憶エリアの構成を示す概念図である。 劣化信号発生プログラムのメインルーチンのフローチャートである。 ゲイン処理サブルーチンのフローチャートである。 空燃比をリッチ側とリーン側とに交番させた場合に得られる基準信号を時間軸に沿って示した例を示すグラフである。 図６に示した基準信号のリッチ側のゲインを変更した劣化信号の例を示すグラフである。 図６に示した基準信号のリーン側のゲインを変更した劣化信号の例を示すグラフである。

１ センサシミュレータ
２ 基準センサ
１１ ＣＰＵ
１２ ＥＥＰＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
６０ 入力部
１２１ 設定値記憶エリア
１３２ 変数記憶エリア
Ｖｉｎ 基準信号
Ｖｏｕｔ 劣化信号
ＲｉｃｈＧａｉｎ リッチ利得率
ＬｅａｎＧａｉｎ リーン利得率
ＧａｉｎＴｈｒｅｓｈｏｌｄ しきい値

Claims (2)

1. 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応すると共に、理論空燃比を境にしてセンサ出力信号が急変する酸素センサが劣化したときに出力する当該センサ出力信号を、劣化信号として疑似的に発生する劣化信号発生装置であって、
   前記酸素センサと同構成をなし、排気ガス中の酸素の濃度に関連した基準信号を出力する基準酸素センサに接続されると共に、前記基準信号を取得する基準信号取得手段と、
   前記基準信号のゲインを変更した状態で出力するための利得率として、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリーン側である場合の当該基準信号のゲインを変更させるためのリーン利得率、および、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリッチ側である場合の当該基準信号のゲインを変更させるためのリッチ利得率を、それぞれ個別に設定する利得率設定手段と、
   前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリーン側であると判定された場合、前記基準信号に前記リーン利得率を掛け合わせる一方、前記基準信号の値が所定のしきい値よりもリッチ側であると判定された場合、前記基準信号に前記リッチ利得率を掛け合わせることで、前記基準信号のゲインを変更した前記劣化信号を発生するゲイン変更信号発生手段と
   を備えたことを特徴とする酸素センサの劣化信号発生装置。
2. 前記所定のしきい値、前記リーン利得率、および前記リッチ利得率のそれぞれの設定値を記憶するとともに、装置の電源切断時にも前記設定値を保存する記憶手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの劣化信号発生装置。

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