JP5035688B2

JP5035688B2 - 空燃比センサの異常診断装置

Info

Publication number: JP5035688B2
Application number: JP2008052691A
Authority: JP
Inventors: 靖志岩▲崎▼; 徹木所; 圭児今村; 中村　　文彦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP2009209747A

Description

本発明は空燃比センサの異常診断装置に係り、特に、多気筒内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置に関する。

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。

例えば特許文献１には、目標空燃比の急変時において、空燃比補正係数の変化量と目標空燃比の変化量との比較結果から空燃比センサの異常を診断する装置が開示されている。

特開平８−２７０４８２号公報

ところで、多気筒内燃機関においては、実際の空燃比が気筒間でズレたりばらついたりすることがあり、例えば一部の気筒の燃料噴射系の故障等により当該一部気筒の燃料噴射量が残部気筒の燃料噴射量より大きくずれてしまう場合がある。この場合、空燃比センサの出力にもその気筒間空燃比ばらつきの影響が出てしまい、空燃比センサが正常であるにも拘わらず正常な出力が得られなくなって空燃比センサを異常と誤診断してしまう可能性がある。なお特許文献１に記載の装置においても、空燃比センサの正常時に気筒間空燃比ばらつきが発生すると、これに起因して正常な空燃比補正係数変化量が得られなくなり、誤診断してしまう可能性がある。

そこで、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、気筒間空燃比ばらつきの影響を排除して誤診断を防止し得る空燃比センサの異常診断装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
多気筒内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
少なくとも前記空燃比センサの出力に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する診断手段と、
気筒間の空燃比ばらつきに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータに基づき、前記空燃比センサの出力を補正する出力補正手段と
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。

これによれば、検出されたインバランスパラメータに基づき、空燃比センサの出力を、気筒間空燃比ばらつきがないときに得られるような値に補正することができる。これにより気筒間空燃比ばらつきの影響を排除し、本来の空燃比センサ出力を得て誤診断を防止できる。

好ましくは、前記出力補正手段は、前記出力に対してなまし処理又はフィルタリング処理を実行することにより前記出力を補正し、且つ、前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータに応じて、前記なまし処理におけるなまし率を設定するか、又は前記フィルタリング処理におけるカットオフ周波数を設定する。

気筒間空燃比ばらつきが発生すると、空燃比センサ出力の変動が大きくなり、その出力波形に高周波の変動が重畳してくるようになるが、その出力に対してなまし処理又はフィルタリング処理を実行すると高周波変動成分を抑制ないし消失させることができる。特に気筒間空燃比ばらつきの度合いが大きくなるほど出力変動が大きくなる傾向にあるので、インバランスパラメータに応じてなまし率又はカットオフ周波数を設定するのが好適である。

好ましくは、前記診断手段は、燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する入力と、前記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、前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記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る。

このような一次遅れモデルを用いた同定手法により、一次遅れ要素におけるパラメータを同定し、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診断できる。単なる空燃比センサの異常ではなく、空燃比センサの所定の特性の異常を診断できるので、異常診断をより緻密に実行することが可能である。

本発明の他の形態によれば、
多気筒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、
燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する入力と、前記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、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記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、
気筒間の空燃比ばらつきに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータに基づき、前記同定されたパラメータを補正する同定パラメータ補正手段と
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。

気筒間空燃比ばらつきが発生すると、空燃比センサ出力の変動が大きくなり、その出力波形に高周波の変動が重畳してくるようになるが、その出力をそのまま用いてモデル同定を行うと、同定されたパラメータが、気筒間空燃比ばらつきが無い場合に比べて減少する。本発明の他の形態によれば、検出されたインバランスパラメータに基づき、同定されたパラメータを、気筒間空燃比ばらつきがないときに得られるような値に補正することができる。これにより気筒間空燃比ばらつきの影響を排除し、本来の同定パラメータを得て誤診断を防止できる。

好ましくは、前記一次遅れ要素におけるパラメータが少なくともゲインと時定数を含み、前記空燃比センサの所定の特性が少なくとも前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とを含む。

これにより、空燃比センサの代表的な特性である出力と応答性について個別に且つ同時に診断を行うことができ、より緻密で詳細な異常診断を実行することができる。

好ましくは、前記検出手段は、前記空燃比センサの出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づき、前記インバランスパラメータを算出する。

気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど、空燃比センサ出力の変動及び振幅が大きくなり、空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積が増大する。そこでこの相関性を利用し、空燃比センサ出力の軌跡長又は軌跡面積に基づいてインバランスパラメータが算出される。

代替的に、前記検出手段は、
前記空燃比センサの下流側の前記排気通路に配置され、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化する触媒と、
前記触媒の下流側の前記排気通路に配置された触媒後空燃比センサと、
前記空燃比センサにより検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるような主空燃比制御及び前記触媒後空燃比センサにより検出された空燃比を前記目標空燃比に一致させるような補助空燃比制御を実行する空燃比制御手段であって、前記触媒後空燃比センサの出力に基づき前記補助空燃比制御のための制御量を算出する空燃比制御手段と、
前記算出された制御量に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
を備えるのが好ましい。

気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど補助空燃比制御における制御量が、空燃比をよりリッチ側に補正するような増大側の値に変化するという特性がある。よってこの特性を利用し、当該制御量に基づきインバランスパラメータが算出される。

代替的に、前記検出手段は、
前記空燃比センサの下流側の前記排気通路に配置された触媒と、
前記触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量を検出する手段と、
前記検出された吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
を備えるのが好ましい。

気筒間空燃比ばらつきが発生すると、吸蔵酸素量と放出酸素量の対称関係が崩れ、一方に対し他方が大きくなる。よってこのことを利用し、吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づきインバランスパラメータが算出される。

好ましくは、前記インバランスパラメータがインバランス割合からなり、当該インバランス割合が式：ＩＢ＝（Ｑ−Ｑｓ）／Ｑｓ（但し、ＩＢはインバランス割合、Ｑはインバランス気筒の燃料噴射量、Ｑｓはバランス気筒の燃料噴射量）により表される。

このインバランス割合は、気筒間空燃比ばらつきに関するパラメータ即ちインバランスパラメータとして特に好適である。

本発明によれば、気筒間空燃比ばらつきの影響を排除して誤診断を防止できるという、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は自動車用の多気筒内燃機関であり、より具体的には並列４気筒の火花点火式内燃機関即ちガソリンエンジンである。但し本発明が適用可能な内燃機関はこのようなものに限られず、多気筒内燃機関であれば気筒数、形式等は特に限定されない。

図示しないが、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と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。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４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、電子制御式のスロットルバルブ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の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、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排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる触媒１１，１９が直列に取り付けられている。上流触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１及び第２の空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前及び直後の位置の排気通路に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。このように上流触媒１１の上流側の排気合流部に単一の触媒前センサ１７が設置されている。

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１６、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ある。図２には触媒前センサ１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、検出した排気空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）に比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比がストイキであるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）であり、このストイキを境に空燃比−電圧特性の傾きが変化する。

他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図３には触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒはストイキを境に過渡的に変化し、排気空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）がストイキよりリーンのときには０．１Ｖ程度の低い電圧を示し、排気空燃比がストイキよりリッチのときには０．９Ｖ程度の高い電圧を示す。これらのほぼ中間の電圧Ｖｒｅｆｒ＝０．４５Ｖをストイキ相当値とし、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより高いときには排気空燃比はストイキよりリッチ、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより低いときには排気空燃比はストイキよりリーンというように、排気空燃比を検出している。

上流触媒１１及び下流触媒１９は、それぞ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）近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。加えて上流触媒１１及び下流触媒１９は、排気中に存在する水素Ｈ₂も酸化（燃焼）して浄化する。

そして特に上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比制御がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ１７によって検出された排気空燃比を所定の目標空燃比であるストイキに一致させるような主空燃比制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ１８によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。

［空燃比センサ異常診断の基本的内容］
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、このモデルに対する入力と、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。

入力として、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、即ち入力空燃比が用いられる。以下、入力ないし入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。他方、触媒前センサ１７の出力としては、出力空燃比、即ち触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｒから換算される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが用いられる。以下、出力ないし出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆ）。入力空燃比ｕ（ｔ）をモデルに与えたときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、一次遅れ要素におけるパラメータを同定し、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。

図４に示すように、本実施形態では、パラメータ同定の際に、空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御（同定用アクティブ制御）が実行される。このアクティブ制御では、目標空燃比Ａ／Ｆｔ即ち入力空燃比ｕ（ｔ）が、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるように、一定周期で振動させられる。振動の振幅は通常の空燃比制御のときより大きく、例えば空燃比で０．５などとされる。中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされる。

このアクティブ制御を実行する理由は、アクティブ制御がエンジンの定常運転時に実行されることから、各制御量及び各検出値が安定し、診断精度が向上するからである。また入力空燃比ｕ（ｔ）を敢えて大きく変化させたときの方がセンサの各特性（特に出力及び応答性）の良し悪しを好適に診断できるからである。しかしながら、通常の空燃比制御時に異常診断を実行するようにしてもよい。

図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はほぼステップ状の波形であり、これに対し出力空燃比ｙ（ｔ）は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力空燃比ｕ（ｔ）から出力空燃比ｙ（ｔ）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、インジェクタ１２における燃料噴射時から、その燃料噴射による排気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４において、出力空燃比ｙ（ｔ）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これらゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を説明する。

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ｂ₁とｂ₂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異常診断として極めて緻密で且つ好適なものを実現することが可能となる。

図５及び図６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とを逐次最小自乗法により逐次同定した結果を示す。図５が正常な触媒前センサ１７の場合、図６が異常な触媒前センサ１７の場合である。図５（Ａ）及び図６（Ａ）は入力空燃比（破線）と出力空燃比（実線）との振動の様子を示す。

図５（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、アクティブ制御開始時からの時定数Ｔ（破線）とゲインｋ（実線）との推移を示す。時定数Ｔとゲインｋとはサンプル時刻毎に毎回更新されていき、次第に一定値に収束していく。アクティブ制御開始時（同定開始時）ｔ０から、それらの値がほぼ収束するような所定時間（例えば５秒）経過後の時点（判定時期）ｔ１で、時定数Ｔとゲインｋとが取得され、これら取得された時定数Ｔとゲインｋとが前記異常判定値Ｔｓ１，ｋｓ１，ｋｓ２と比較されて、応答性及び出力の異常判定がなされる。

異常な触媒前センサ１７として、正常な触媒前センサ１７に比べ応答性がほぼ同じで出力が１／２であるセンサを用いて試験を行ったところ、判定時期ｔ１での時定数Ｔについては、正常センサの場合０．１８、異常センサの場合０．１７とほぼ同等であった。他方、判定時期ｔ１でのゲインｋについては、正常センサの場合１、異常センサの場合０．５であった。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。

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うこととしている。

図７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。なお、異常診断がアクティブ制御中に実施されることから、アクティブ制御フラグ出力部５８も設けられている。

入力算出部５２では入力空燃比ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力空燃比ｕ（ｔ）は前述の例ではインジェクタ１２の通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算される吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑであった。しかしながらここでは、インジェクタ通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑが燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正され、その補正後の燃料噴射量Ｑ’を使用して入力空燃比ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力空燃比ｕ（ｔ）が燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正される。

インジェクタ１２から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室３に吸入されるが、残りの部分は吸気ポートの内壁面に付着し燃焼室３に入らない。そこで、インジェクタ１２から噴射された燃料量をｆｉとし、全気筒分の燃料付着率をＲ（＜１）とすると、その噴射燃料量ｆｉのうち、吸気ポート壁面に付着する分はＲ・ｆｉ、燃焼室３に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。

他方、吸気ポート壁面に付着した燃料のうち、一部は蒸発して次の吸気行程で燃焼室３内に入るが、残りは残留してそのまま付着し続ける。そこで、吸気ポート壁面に付着した燃料量をｆｗとし、全気筒分の燃料残留率をＰ（＜１）とすると、壁面付着燃料量ｆｗのうち、そのまま壁面に付着し続ける分はＰ・ｆｗ、燃焼室３に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。

４サイクルエンジンの吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を１回ずつ終えて１サイクルとし（即ち、１サイクル＝７２０°クランク角）、今回のサイクルをｋｓ、次回のサイクルをｋｓ＋１とする。また、筒内燃焼室３に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。
ｆｗ（ｋｓ＋１）＝Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）＋Ｒ・ｆｉ（ｋｓ）・・・（２１）
ｆｃ（ｋｓ）＝（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）＋（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ）・・・（２２）

式（２１）の意味するところは、次回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ＋１）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）の残留分Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）の壁面付着分Ｒ・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。また、式（２２）の意味するところは、今回サイクルで燃焼室３内に流入する流入燃料量ｆｃ（ｋｓ）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）のうちの蒸発分（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）のうち壁面付着しないで直接燃焼室３内に流入する分（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。

こうして、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に際し、燃料噴射量Ｑ’の値として流入燃料量ｆｃの値が用いられる。この流入燃料量ｆｃは、燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき、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を補正したものにほかならない。よって、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に流入燃料量ｆｃの値を用いることにより、入力空燃比の値を実情に近いより正確な値とすることができ、パラメータの同定精度を向上することが可能になる。

なお、エンジン温度及び吸気温が高いほど、燃料の気化が促進されることから、燃料付着量は減少し、燃料蒸発量は増大する。従って燃料残留率Ｐ及び燃料付着率Ｒはエンジン温度（若しくは水温）及び吸気温の少なくとも一方の関数とするのが好ましい。ここで説明したような燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づく補正を「燃料ダイナミクス補正」と称することとする。

図８には、燃料ダイナミクス補正のない場合（破線）とある場合（実線）とでアクティブ制御中の入力空燃比ｕ（ｔ）の変化の違いを調べた試験結果である。図中円内に示されるように、燃料ダイナミクス補正のある場合はない場合に比べ、入力空燃比ｕ（ｔ）が反転された直後に入力空燃比ｕ（ｔ）の波形が若干なまされる傾向にある。

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、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との両方がシフト補正される。

入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とは、負荷変動、学習ズレ及びセンサ値ズレ等の要因に伴い、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。図９はこのバイアスの様子を示す試験結果である。図中、ｕ（ｔ）ｃ及びｙ（ｔ）ｃはそれぞれ入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とをローパスフィルタを通した値、もしくはそれらの移動平均を示す。触媒前センサ１７で検出される空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近となるよう制御されていることから、触媒前センサ１７の検出値である出力空燃比ｙ（ｔ）は理論空燃比を中心に変動し、そのローパスフィルタを通した値もしくは移動平均ｙ（ｔ）ｃも理論空燃比付近に保たれる。これに対し、入力空燃比ｕ（ｔ）は、前述の理由から、図示例ではリーン側にバイアスしている。

かかる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。具体的には、図１０に示すように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）と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、バイアス値ｕ（ｔ）ｃ、ｙ（ｔ）ｃが逐次的に算出される。そして、逐次的に、入力空燃比ｕ（ｔ）とそのバイアス値ｕ（ｔ）ｃとの差Δｕ（ｔ）（＝ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ）ｃ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）とそのバイアス値ｙ（ｔ）ｃとの差Δｙ（ｔ）（＝ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ）ｃ）が算出され、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）がゼロ基準の値に置き換えられる。なお、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）をまとめてΔＡ／Ｆで表示する（図５（Ａ）及び図６（Ａ）においても同様）。

こうしてバイアスは除去され、バイアス除去後の入出力空燃比の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図１１に示される如くゼロ基準の値に変更される。即ち、両者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、この例では入出力空燃比の両方を補正し、入出力空燃比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、入力空燃比のみを補正し、その変動中心を出力空燃比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空燃比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。前述したように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間には輸送遅れによるむだ時間Ｌが存在する。しかしながら、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分だけ入力空燃比ｕ（ｔ）が出力空燃比ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。

図１２には、むだ時間補正前の入力空燃比（破線）、むだ時間補正後の入力空燃比（実線）及び出力空燃比（一点鎖線）が示される。なお入力空燃比及び出力空燃比としてバイアス補正後の値が用いられる。むだ時間Ｌだけ入力空燃比が遅らせられると、入力空燃比の振動と出力空燃比の振動とが時間差無く同期するようになり、これにより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。

むだ時間算出の第１の態様としては、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又は関数に従ってむだ時間を算出する方法がある。図１３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。

むだ時間算出の第２の態様として次のようなものもある。まず、アクティブ制御中の入力空燃比及び出力空燃比の分散値が次式により逐次的に求められる。

ηは入力空燃比又は出力空燃比の値であり、η_avgはＭ回移動平均、即ち今回（ｔ）から（Ｍ−１）回前（ｔ−（Ｍ−１））までのデータの平均値である。Ｍは例えば５などとされる。入力空燃比又は出力空燃比の変化が大きいほどその分散値は大きくなる。

図１４はむだ時間補正に関する試験結果であり、正常センサの場合を示す。上段のグラフは、ａ：むだ時間補正前の入力空燃比、ｂ：むだ時間補正後の入力空燃比、ｃ：出力空燃比をそれぞれ示す。なおａ及びｂで示した入力空燃比は燃料ダイナミクス補正及びバイアス補正を実施した後の値であり、ｃで示した出力空燃比はバイアス補正を実施した後の値である。中段のグラフは、ｄ：ａで示したむだ時間補正前の入力空燃比の分散値、ｅ：ｃで示した出力空燃比の分散値をそれぞれ示す。下段のグラフにおいて、鋸歯状の波形ｆはむだ時間カウンタの値、高い位置にある横線ｇは後述のようにして算出されるむだ時間、低い位置にある横線ｈはむだ時間ｇを１／４になました値をそれぞれ示す。

図１５には図１２のａ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１５から分かるように、入力空燃比の分散値ｄ及び出力空燃比の分散値ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転するタイミングで分散値ｄ，ｅのピークｄｐ，ｅｐが生ずる。よって、これらピークの時間差（ｅｐ−ｄｐ）をむだ時間ｇとして算出する。図１４に戻って、入力空燃比の分散値ピークｄｐが発生すると、その発生時からむだ時間カウンタｆが時間のカウントを開始する。そして、出力空燃比の分散値ピークｅｐが発生した時点で、カウントが停止され、そのカウント値がむだ時間ｇとして保持される。このむだ時間ｇは入力空燃比の反転毎に更新され、且つその反転毎に、なまし後のむだ時間ｈが計算されていく。なまし後のむだ時間ｈを計算する理由はノイズの影響を除去するためである。なまし後のむだ時間ｈの値はやがて一定値付近に収束するようになる。そこで、アクティブ制御の開始時から、なまし後のむだ時間ｈがほぼ一定値に収束するようになる所定時間経過後の時点で、なまし後のむだ時間ｈが取得され、その取得された値が最終的なむだ時間Ｌとして決定される。

ところで、図１４及び図１５により説明した以上の算出方法は正常センサの場合であるが、これに対し、異常センサの場合だと、同様の方法を採用するのが必ずしも適切ではない。即ち、図１６及び図１７に示される如く、例えば応答遅れが生じている異常センサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとして十分大きな値を得ることができず、そのピークｅｐが現れるタイミングに関しても誤差が大きくなる。

そこで、出力空燃比の分散値ピークｅｐを所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１４及び図１５に示すように、その分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓより大きい場合は、前述のように、入出力空燃比の分散値ピークｄｐ，ｅｐ同士の時間差（ｅｐ−ｄｐ）を以てむだ時間ｇとする。他方、図１６及び図１７に示すように、出力空燃比の分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓ以下の場合は、入出力空燃比ａ，ｃ自体の極値ａｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ａｐ）を以てむだ時間ｇとする。これにより異常センサの場合でも正確にむだ時間を算出することができる。

さて、これら第１の態様及び第２の態様のいずれか一方のみを用いてむだ時間を算出し、入力空燃比のむだ時間補正を行うことができるが、以下の第３の態様では、第１の態様及び第２の態様の両方を使用してむだ時間を算出する。第３の態様では、第１の態様に従ってマップから算出された第１のむだ時間と、第２の態様に従って分散値又は極値から算出された第２のむだ時間とを比較し、両者が接近していればマップから算出された第１のむだ時間を用いる。他方、両者が隔離していれば分散値又は極値から算出された第２のむだ時間を用いると共に、その第２のむだ時間を用いてマップデータを更新する。本来、最適なむだ時間の値はマップ値から大きくずれることはないが、何等かの原因でその最適なむだ時間の値がマップ値から大きくずれる可能性もある。一方、分散値又は極値から算出された第２のむだ時間は現状を反映した実際の値といえる。よって、このようなマップ更新を行うことで不測の事態に対処可能となると共に、マップデータを常に現状に即した最適値に維持することが可能になる。

図１８には第３の態様の手順を概略的に示す。まずステップＳ１０１では、第１の態様に従い、図１３に示したようなマップから第１のむだ時間Ｌ１を算出する。次にステップＳ１０２では、第２の態様に従い、入出力空燃比の分散値又は極値から第２のむだ時間Ｌ２を算出する。この後、ステップＳ１０３では、これら第１及び第２のむだ時間Ｌ１，Ｌ２の差の絶対値であるむだ時間ズレ量Ｌ１２を算出し、このむだ時間ズレ量Ｌ１２を所定値Ｌ１２ｓと比較する。むだ時間ズレ量Ｌ１２が所定値Ｌ１２ｓ以下の場合、両者のズレが小さいとして、ステップＳ１０４において、マップから算出された第１のむだ時間Ｌ１を最終的なむだ時間Ｌとして決定する。

他方、むだ時間ズレ量Ｌ１２が所定値Ｌ１２ｓより大きい場合、両者のズレが大きいとして、ステップＳ１０５において、入出力空燃比の分散値又は極値から算出された第２のむだ時間Ｌ２を最終的なむだ時間Ｌとして決定する。そして、ステップＳ１０６において、その第２のむだ時間Ｌ２に対応するマップ中の第１のむだ時間Ｌ１を第２のむだ時間Ｌ２で置き換え、マップデータを更新する。

なお、前述のむだ時間補正では、入力空燃比をむだ時間分だけ遅らせて出力空燃比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、出力空燃比をむだ時間分だけ早めて入力空燃比とタイミングを一致させたり、入力空燃比を遅らせ且つ出力空燃比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。補正の対象は入出力空燃比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１９に基づいて説明する。まず、ステップＳ２０１では空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御が実行され、ステップＳ２０２では、燃料ダイナミクス補正がなされた後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値が算出され、ステップＳ２０３では、図９〜図１１に示したように、入出力空燃比の間のバイアスが無くなるように入力空燃比ｕ（ｔ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。

続くステップＳ２０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ２０５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空燃比ｕ（ｔ）の値がむだ時間Ｌ分だけシフト補正される。次のステップＳ２０６では、ステップＳ２０５で得られたむだ時間補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）と、ステップＳ２０３で得られたバイアス補正後の出力空燃比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Ｓ２０７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。

なお、上述のセンサ異常診断については種々の変形例が考えられる。例えば、燃料を燃焼室３に直接噴射する直噴式エンジンの場合、吸気通路壁面への燃料付着を考慮する必要がないので、燃料ダイナミクス補正は省略されることとなる。上記診断は所謂広域空燃比センサへの適用例であったが、触媒後センサ１８のような所謂Ｏ₂センサへの適用例も可能である。このようなＯ₂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いうものとする。上記診断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同定してもよい。上記診断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。

ところで、上記の空燃比センサ（触媒前センサ１７）異常診断において、例えばある気筒のインジェクタの故障等により、実際の空燃比が気筒間でズレたりばらついたりすると、その影響が空燃比センサの出力に現れてしまい、空燃比センサが正常であるにも拘わらず異常と誤診断してしまうことがあることが判明した。

図２０には、そのような空燃比ばらつきが無い場合（点線）と有る場合（実線）における触媒前センサ１７の出力（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）を示す。なお空燃比ばらつきが有る場合の波形は、後述するインバランス割合が＋３０％であるときの波形である。図示するように、空燃比ばらつきが生じると１エンジンサイクル（＝７２０°クランク角）間で空燃比の変動が発生し、これに伴ってセンサ出力の変動が大きくなり、空燃比ばらつきが無い場合の波形に高周波の変動が重畳してくるようになる。この高周波変動の影響で、最終的に得られる時定数Ｔ及びゲインｋの値が本来得られる値より小さくなってしまう。

図２１には、正常な空燃比センサの場合における空燃比ばらつきと時定数Ｔ及びゲインｋとの関係を示す。横軸には、気筒間空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）に関するパラメータであるインバランスパラメータとして、インバランス割合（％）がとってある。インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレを起こしている気筒（インバランス気筒）の燃料噴射量がどれくらいの割合で、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合をＩＢ、インバランス気筒の燃料噴射量をＱ、バランス気筒の燃料噴射量即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合が大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつきは大きい。

一方、縦軸には時定数Ｔ及びゲインｋの同定値のベース比がとってある。即ち、インバランス割合が０％のときの値をベース値とし、実際に同定された時定数Ｔ及びゲインｋの値をベース値で除した値がベース比である。図中、「Ｌ→Ｒ時定数」とあるのは入力空燃比をリーンからリッチに切り替えたときに同定された時定数、「Ｒ→Ｌ時定数」とあるのは入力空燃比をリッチからリーンに切り替えたときに同定された時定数をそれぞれ示す。

図示するように、インバランス割合が大きくなるほど、時定数Ｔ及びゲインｋの同定値が小さくなり、前述の各異常判定値Ｔｓ、ｋｓ２を下回って正常なセンサに対して異常と誤判定する可能性がある。

そこで本実施形態では、誤診断を防止するため次の補正を行う。まず実際のインバランス割合ＩＢの値を検出する。そしてこの検出されたインバランス割合ＩＢの値に基づき、同定に用いられる出力空燃比を補正する（補正の第１の態様）か、又は同定されたパラメータである時定数Ｔ及びゲインｋを補正する（補正の第２の態様）。

［インバランス割合の検出］
まず、インバランス割合検出の第１の態様について説明する。図２０に示したように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると空燃比センサ出力に高周波変動が重畳するようになる。そこで空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づきインバランス割合が検出される。空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長とは、サンプリング間隔Δ間における空燃比センサ出力の変化量を所定時間積算して得られる値である。また空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡面積とは、所定の基準値と実際の空燃比センサ出力との差をサンプリング間隔Δ毎に所定時間積算して得られる値である。気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど、高周波変動における振幅が大きくなり、空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積が大きくなっていく。そこで当該軌跡長又は軌跡面積を計測し、予め定められたマップ又は関数を用いて、インバランス割合の値が求められる。

次にインバランス割合検出の第２の態様について説明する。この態様では気筒間空燃比ばらつきが大きくなるほど補助空燃比制御における制御量が、空燃比をよりリッチ側に補正するような増大側の値に更新されていくという特性を利用して、その制御量に基づきインバランス割合の値を検出する。

補助空燃比制御における制御量を取得する際には、ストイキをそれぞれ目標空燃比とする主空燃比制御及び補助空燃比制御が実行される。ここでこれら空燃比制御について説明する。

図２２に空燃比制御ルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により１エンジンサイクル（＝７２０°クランク角）毎、もしくは所定のサンプリング間隔毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ３０１では、燃焼室内混合気の空燃比をストイキとするような基本の燃料噴射量即ち基本噴射量Ｑｂが算出される。基本噴射量Ｑｂは例えば、エアフローメータにより検出された吸入空気量Ｇａに基づき、式：Ｑｂ＝Ｇａ／１４．６により算出される。

ステップＳ３０２では触媒前センサ１７の出力（出力電圧）Ｖｆが取得される。ステップＳ３０３では、このセンサ出力Ｖｆとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆ（図２参照）との差、即ち触媒前センサ出力差ΔＶｆ＝Ｖｆ−Ｖｒｅｆｆが算出される。

ステップＳ３０４では、この触媒前センサ出力差ΔＶｆに基づき、図２３に示したようなマップ（関数でもよい、以下同様）から主空燃比補正量（補正係数）Ｋｆが算出される。触媒前センサ出力差ΔＶｆ及び主空燃比補正量Ｋｆは、主空燃比制御のための制御量をなす。例えばゲインをＰｆとするとＫｆ＝Ｐｆ×ΔＶｆで表される。そしてステップＳ３０５では、図２４に示すような別ルーチンで設定された補助空燃比補正量Ｋｒの値が取得される。最後に、ステップＳ３０６にて、各気筒のインジェクタ１２から噴射すべき最終的な燃料噴射量即ち最終噴射量Ｑｆｎｌが式：Ｑｆｎｌ＝Ｋｆ×Ｑｂ＋Ｋｒにより算出される。

図２３のマップによれば、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより大きい（ΔＶｆ＞０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、１に対しより大きな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒前センサ出力Ｖｆがストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆより小さい（ΔＶｆ＜０）ほど、即ち実際の触媒前空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、１に対しより小さな補正量Ｋｆが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。こうして、触媒前センサ１７によって検出された触媒前空燃比をストイキに一致させるような主空燃比フィードバック制御が実行される。

ステップＳ３０６で得られた最終噴射量Ｑｆｎｌの値は、全気筒に対し一律に用いられる。即ち、１エンジンサイクルもしくは所定のサンプリング間隔の間、最終噴射量Ｑｆｎｌに等しい量の燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射され、次のエンジンサイクルもしくは所定のサンプリング間隔後では新たに計算された最終噴射量Ｑｆｎｌの燃料が各気筒のインジェクタ１２から順次噴射される。

なお、周知のように、最終噴射量Ｑｆｎｌの算出に当たっては他の補正（水温補正、バッテリ電圧補正等）を追加することも可能である。

図２４には補助空燃比補正量の設定ルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期（例えば１６ミリ秒）で繰り返し実行される。

まずステップＳ４０１では、ＥＣＵ２０に装備されたタイマのカウントが実行され、ステップＳ４０２では、触媒後センサ１７の出力（出力電圧）Ｖｒが取得される。ステップＳ４０３では、このセンサ出力Ｖｒとストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒ（図３参照）との差、即ち触媒後センサ出力差ΔＶｒ＝Ｖｒｅｆｒ−Ｖｒが算出され、この触媒後センサ出力差ΔＶｒが前回積算値に積算される。図２５には触媒後センサ出力差ΔＶｒとその積算の様子を示す。

ステップＳ４０４では、タイマ値が所定値ｔｓを超えたか否かが判断される。所定値ｔｓを超えていなければルーチンが終了される。

タイマ値が所定値ｔｓを超えている場合、ステップＳ４０５で、この時点での触媒後センサ出力差積算値ΣΔＶｒが、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇとして更新記憶される。そしてステップＳ４０６で、この触媒後センサ学習値ΔＶｒｇに基づき、図２６に示したようなマップから、補助空燃比補正量Ｋｒが算出され、この補助空燃比補正量Ｋｒが更新記憶される。触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒは、補助空燃比制御のための制御量をなす。例えばゲインをＰｒとするとＫｒ＝Ｐｒ×ΔＶｒｇで表される。最後に、ステップＳ４０７にて、触媒後センサ出力差積算値ΣΔＶｒ及びタイマがリセットされる。

触媒後センサ出力差ΔＶｒを所定時間ｔｓの間積算する理由は、触媒後センサ出力Ｖｒのストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒに対する時間平均的なズレ量を検知するためである。積算時間を規定する所定値ｔｓは１エンジンサイクルより遙かに長い時間であり、よって触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒの更新は１エンジンサイクルより遙かに長い周期で行われる。

図２６のマップによれば、触媒後センサ出力Ｖｒが時間平均的にストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒより小さい（ΔＶｒｇ＞０）ほど、即ち実際の触媒後空燃比がストイキからリーン側に離れるほど、０に対しより大きな補正量Ｋｒが得られ、最終噴射量算出の際に基本噴射量Ｑｂは増量補正される。反対に、触媒後センサ出力Ｖｒが時間平均的にストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒより大きい（ΔＶｒｇ＜０）ほど、即ち実際の触媒後空燃比がストイキからリッチ側に離れるほど、０に対しより小さな補正量Ｋｒが得られ、基本噴射量Ｑｂは減量補正される。こうして、触媒後センサ１８によって検出された触媒後空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比フィードバック制御が実行される。触媒前センサ１７の劣化等の理由で主空燃比フィードバック制御を実行してもその結果がストイキからズレることがあるので、このズレを補正する目的で、補助空燃比フィードバック制御が実行される。

ところで、インジェクタ等の燃料供給系やエアフローメータ等の空気系に全気筒に影響を及ぼすような異常が発生した場合、主空燃比制御におけるフィードバック補正量の絶対値が大きくなるため、これをＥＣＵでモニタすることでその異常を検出、診断できる。例えば、燃料噴射量が全体的にストイキ相当量より＋５％ずれている（即ち、全ての気筒において燃料噴射量がストイキ相当量より５％ずつずれている）と、主空燃比制御におけるフィードバック補正量はその＋５％ズレを補正するような値、即ち−５％相当の補正量となり、これにより燃料供給系若しくは空気系が５％ずれていることを検出することができる。そしてこのフィードバック補正量の絶対値が比較的大きい所定値以上となったときに、燃料供給系若しくは空気系が全体として異常であることを検出することができる。

一方、燃料供給系や空気系が全体的にずれているのではなく、気筒間にばらつきが発生している場合を考える。図２７は、１気筒（＃１気筒）のみが他の３気筒（＃２〜＃４気筒）よりも空燃比リッチ側にずれている場合を示す。例えば、＃１気筒のインジェクタに異常が発生し、＃１気筒の燃料噴射量がストイキ相当量から大きく２０％ずれており、他方、＃２〜＃４気筒では正常で、燃料噴射量がストイキ相当量であるとする。このときトータルで見れば２０％のずれであり（２０＋０＋０＋０＝２０）、これは、全気筒が５％ずつずれているときと同じとなるはずである（５＋５＋５＋５＝２０）。

しかし、１気筒のみ大きくリッチ側にずれているときの方が、全気筒で少なく均等にリッチ側にずれているときよりも、燃焼室から発生する水素量が多くなる。そしてこの水素量が多くなった分、排気中の酸素濃度が減少することから、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、１気筒のみずれているときの方が全気筒均等にずれているときよりもリッチ側にずれることとなる。

図２８には、ストイキ相当量を基準噴射量Ｑｓとした場合のある１気筒におけるインバランス割合（％）と、当該１気筒の燃焼室で発生する水素量（ｇ）との関係を示す。図示するように、インバランス割合が増加するほど、発生水素量は二次関数的に増加する。よって１気筒のみリッチ側に２０％ずれた場合の方が、全気筒が５％ずつずれた場合よりトータルでの発生水素量が多くなり、触媒前センサ出力Ｖｆはよりリッチ側の値を示すようになる。

トータルとして同等のずれであっても、気筒間に空燃比ばらつきのある場合の方が、全体がずれている場合よりもエミッションが悪化する。例えば後者で、全気筒が５％ずつずれている場合には、例えば主空燃比フィードバック制御で−５％の補正を行えば、全気筒一律に５％ずれを解消することができる。しかし前者で、１気筒のみ２０％ずれている場合には、主空燃比フィードバック制御で−５％の補正をしても、＃１気筒＝１５％、＃２気筒＝−５％、＃３気筒＝−５％、＃４気筒＝−５％のずれとなり、トータルではズレが解消しているように見えるが（１５＋（−５）＋（−５）＋（−５）＝０）、気筒別に見ればズレているのであり、よって気筒単位でエミッションが悪化する。

一方、主空燃比フィードバック制御では、トータルとしての触媒前空燃比を検出してこれをストイキとするよう制御するため、主空燃比フィードバック制御の補正量からは、気筒間空燃比ばらつきが発生していることを検出することができない。つまり気筒間空燃比ばらつきが発生していても、トータルでのズレ量がゼロであれば補正量もゼロとなり、見掛け上はあたかも主空燃比フィードバック制御が問題なく正常に行われているように見えてしまう。

そこで、気筒間空燃比ばらつきがある場合に全体がずれている場合よりも水素量が多くなり、触媒前センサ出力Ｖｆがリッチ側にずれるという特性を利用して、以下のようにしてインバランス割合を検出することとしている。

排気中に水素が含まれている場合、この排気に触媒を作用させることにより、排気中の水素を酸化（燃焼）して浄化することができる。そして、触媒を通過せず水素が浄化されていない排気の空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）を触媒前センサ１７で検出し、触媒を通過し水素が浄化された排気の空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）を触媒後センサ１８で検出する。触媒前センサ１７で検出された空燃比は、触媒後センサ１８で検出された空燃比よりも、水素の影響でリッチ側にずれる。逆に言えば、触媒後センサ１８で検出された空燃比は、触媒前センサ１７で検出された空燃比よりも、水素の影響でリーン側にずれる。そこでこのリーン側へのずれ（乖離）状態に基づき、インバランス割合が検出される。

分かり易くいうと、触媒後センサ１８で検出された空燃比が真の排気空燃比と言えるものであり、触媒前センサ１７で検出された空燃比は、真の排気空燃比に水素分が加わって見掛け上リッチにずれた排気空燃比である。言ってしまえば、触媒前センサ１７が騙されているのである。一部気筒の残部気筒に対する空燃比リッチずれ量が多いほど、水素分は二次関数的に多くなる。よって触媒後センサ１８の検出空燃比に対する触媒前センサ１７の検出空燃比のリッチ側へのズレ量、即ち触媒前センサ１７の検出空燃比に対する触媒後センサ１８の検出空燃比のリーン側へのズレ量に基づき、インバランス割合を検出できるのである。

図２７に示すように、例えば＃１気筒のみでインジェクタに異常が発生し、＃１気筒の空燃比が他の＃２〜＃４気筒の空燃比より大きくリッチ側にずれているとする。このとき主空燃比フィードバック制御が実行されているので、全気筒の排ガスが合流した後のトータルの排ガスの空燃比は、図２７（Ａ）に示すように、ストイキ近傍に制御されている。即ち、触媒前センサ出力Ｖｆはストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｆの近傍となっている。しかしながら、＃１気筒の空燃比はストイキより大きくリッチであり、＃２〜＃４気筒の空燃比はストイキよりリーンであり、全体のバランスとしてストイキ近傍になっているに過ぎない。しかも＃１気筒から水素が多量に発生される結果、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、真の空燃比よりもリッチ側にずれた空燃比を誤ってストイキとして表示している。

他方、水素を含む排ガスが触媒１１を通過すると、水素が浄化されてその影響が取り除かれる。従って、図２７（Ｂ）に示すように、触媒後センサ１８の出力Ｖｒは、真の空燃比、即ちストイキよりリーンの空燃比を表示することとなる。即ち、触媒後センサ出力Ｖｒはストイキ相当センサ出力Ｖｒｅｆｒよりリーン側の低い値となる。

別の見方をすると、例えば全体で２５という触媒前空燃比検出値のリッチズレを補正するため、主空燃比フィードバック制御で−２５のリーン補正を行い、触媒前空燃比検出値のリッチズレを０とする。しかし、２５のうちの５は純粋な空燃比ずれではなく水素の影響によるもので、主空燃比フィードバック制御は５だけリーン側に補正しすぎである。よって触媒後空燃比はリーンに５だけずれる結果となる。

よって、主空燃比フィードバック制御により触媒前空燃比がストイキに制御されているにも拘わらず、触媒後センサ１８からは、ストイキよりリーンの触媒後空燃比が継続的に検出されるようになる（即ち、触媒後センサ出力がリーンに張り付く）。

なお、触媒後センサ１８がストイキよりリーンの排気空燃比を検出すると、補助空燃比フィードバック制御によるリッチ補正がなされ、燃料噴射量が全気筒一律に増量される。すると触媒前空燃比検出値のリッチずれはさらに大きくなり、触媒後空燃比はリーンに維持される。こうしてやがては、ばらつきの程度に見合った主空燃比補正量及び補助空燃比補正量に収束していく。

ところで、図２４〜図２６を用いて説明したように、補助空燃比フィードバック制御においては、所定時間毎に（即ち所定の更新速度で）、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇと補助空燃比補正量Ｋｒとが学習ないし更新される。ここで一部気筒のインジェクタの故障等により気筒間空燃比ばらつきが発生すると、触媒後センサ出力Ｖｒが継続的にリーンな値となるので、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇ及び補助空燃比補正量Ｋｒは、大きなリーンずれをストイキに戻すような大きな正の値となる。

これを示すのが図２９である。図２９は、インバランス割合と触媒後センサ学習値ΔＶｒｇとの関係を調べた試験結果である。インバランス割合はリッチずれのときが正、リーンずれのときが負である。図示するように、インバランス割合がリッチずれ方向に大きくなるほど、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇはより大きな値、即ち空燃比をよりリッチ側に補正するような値となる。

そこで、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇがばらつきの程度に見合った一定値に収束した後の触媒後センサ学習値ΔＶｒｇの値を取得し、この値と、予め定められたマップ又は関数から、インバランス割合の値が求められる。

なお、代替的に、触媒後センサ学習値ΔＶｒｇに基づいて算出される補助空燃比補正量Ｋｒに基づいてインバランス割合の値を求めてもよい。

このインバランス割合検出方法によれば、空燃比センサに高い応答性が要求されず、高速のデータサンプルや処理能力の高いＥＣＵも不要である。また外乱に強く、ロバスト性が高く、機関運転条件やセンサ設置位置にも制約がない。従って非常に実用的であり、高精度な検出が可能である。

次にインバランス割合検出の第３の態様について説明する。本実施形態では、上流触媒１１（及び下流触媒１９）として酸素吸蔵能を有する三元触媒が用いられている。この場合、触媒１１に流入する排気ガスの空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）がストイキよりリーンのときには触媒１１が排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がストイキよりリッチのときには触媒１１が既に吸蔵していた酸素を放出する。一方、かかる三元触媒の劣化診断法として所謂Ｃｍａｘ法が知られている。これは、触媒が劣化すると触媒の酸素吸蔵能が低下するという特性を利用して、触媒が現状で吸蔵（又は放出）可能な酸素量（即ち、酸素吸蔵容量ＯＳＣ）を計測し、この計測値を所定値と比較して触媒の劣化を判定する方法である。この劣化検出においては、空燃比をリッチ・リーンに強制的に切替制御するアクティブ空燃比制御が実行され、このアクティブ空燃比制御実行中に触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量とを複数ずつ計測し、その平均値を最終的な酸素吸蔵容量ＯＳＣとして、所定値と比較する。

ここで、吸蔵酸素量と放出酸素量との計測について図３０を参照しつつ説明する。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔ（破線）と、触媒前センサ１７で検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ（実線）を示す。また（Ｂ）は触媒後センサ出力電圧Ｖｒを示す。（Ｃ）は触媒１１から放出された酸素量即ち放出酸素量ＯＳＡａの積算値を示し、（Ｄ）は触媒に吸蔵された酸素量即ち吸蔵酸素量ＯＳＡｂの積算値を示す。

図示するように、アクティブ空燃比制御の実行により、触媒に流入する排気ガスの空燃比は所定のタイミングで強制的にリーン及びリッチに交互に切り替えられる。例えば時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリーン（例えば１５．１）に設定され、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸収し続け、排気中のリーン成分（ＮＯｘ）を還元して浄化するが、飽和状態即ち満杯まで酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転し、触媒後センサ１８の出力がストイキ相当値Ｖｒｅｆｒに達する（時刻ｔ１）。この時点で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがストイキよりリッチ（例えば１４．１）に切り替えられる。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入される。このとき触媒１１では、それまで吸蔵していた酸素を放出し続け、排気中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）を酸化して浄化するが、やがて触媒１１から全ての吸蔵酸素が放出され尽くすとその時点で酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比がリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力がストイキ相当値Ｖｒｅｆｒに達する（時刻ｔ２）。この時点で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比に切り替えられる。このようにして、空燃比のリッチ・リーンへの切替えが繰り返し実行される。

（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の放出サイクルでは、極短い所定周期毎の放出酸素量ＯＳＡａが順次積算されていく。より詳しくは、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当値に達した時ｔ１１から、触媒後センサ１８の出力がリーン側に反転した（Ｖｒｅｆｒに達した）時ｔ２まで、１演算周期毎の放出酸素量ｄＯＳＡ（ｄＯＳＡａ）が次式（１）により計算され、この１演算周期毎の値が周期毎に積算されていく。こうして得られた最終的な積算値が、触媒の酸素吸蔵容量に相当する放出酸素量ＯＳＡａの計測値となる。

Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じると過剰又は不足分の空気量を計算できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。

時刻ｔ２〜ｔ３の吸蔵サイクルでも同様に、（Ｄ）に示すように、触媒前センサ１７の出力がストイキ相当値に達した時ｔ２１から、触媒後センサ１８の出力がリッチ側に反転した（Ｖｒｅｆｒに達した）時ｔ３まで、１演算周期毎の吸蔵酸素量ｄＯＳＡ（ｄＯＳＡｂ）が前記式（１）により計算され、この１演算周期毎の値が周期毎に積算されていく。こうして得られた最終的な積算値が、触媒の酸素吸蔵容量に相当する吸蔵酸素量ＯＳＡｂの計測値となる。こうして放出サイクルと吸蔵サイクルを繰り返すことにより、複数ずつの放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとが計測、取得される。

ところで、原理的には、触媒における吸蔵可能な酸素量と放出可能な酸素量とは等しく、よって上記の放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとは等しいはずである。つまり両者は対称の関係にある。ところが、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、この対称関係が崩れ、両者は非対称となる。即ち、触媒前センサ１７の出力は水素の影響で真の値よりリッチ側にずれた値である。このため触媒に実際に与えられている排気ガスの空燃比は、触媒前センサ１７で検出される見掛け上の空燃比より若干リーンである。よって、放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとの計測値は等しくならず、前者は後者より大きくなる。

よってこのことを利用してインバランス割合の検出を行う。即ち、放出酸素量ＯＳＡａと吸蔵酸素量ＯＳＡｂとをそれぞれ計測すると共に、これら計測値の比Ｒ＝ＯＳＡａ／ＯＳＡｂを算出し、この比Ｒと、予め定められたマップ又は関数から、インバランス割合の値が求められる。比Ｒが大きくなるほどインバランス割合も大きくなる。

なお、上記第１〜第３の態様以外に、代替的に、触媒上流側の排気ガス中の水素濃度を水素濃度センサにより検出してその検出値に基づいてインバランス割合を検出しても良い。気筒間空燃比ばらつきが発生すると排気中水素濃度が急増し、インバランス割合と排気中水素濃度との間に相関関係が見られるからである。

［補正の第１の態様（出力空燃比の補正）］
さて、以上のようにしてインバランス割合が検出されたならば、次に、触媒前センサ１７について、同定パラメータとしての時定数Ｔ及びゲインｋの同定に用いられる出力空燃比ｙ（ｔ）が補正される。言い換えれば、パラメータ同定を行う前に出力空燃比ｙ（ｔ）が補正され、補正後の出力空燃比ｙ’（ｔ）に基づいてパラメータ同定が行われる。

この補正では、出力空燃比ｙ（ｔ）に対してなまし処理又はフィルタリング処理を実行することにより出力空燃比ｙ（ｔ）が補正される。図２０を参照して説明したように、気筒間空燃比ばらつきが有ると触媒前センサ１７の出力に高周波変動が重畳してくるので、この高周波成分を除去するようなまし処理又はフィルタリング処理が実行される。そして、検出されたインバランス割合に応じて、なまし処理におけるなまし率が設定されるか、又はフィルタリング処理におけるカットオフ周波数が設定される。

なまし処理は所定のサンプリング周期Δ毎に実行され、今回の出力空燃比をｙ（ｔ）、今回のなまし後の出力空燃比をｙ’（ｔ）、前回のなまし後の出力空燃比をｙ’（ｔ−１）、なまし率をＭとすると、今回のなまし後の出力空燃比ｙ’（ｔ）は次式により算出される。

そして、検出されたインバランス割合に応じたなまし率Ｍが所定のマップ又は関数から取得され、この取得されたなまし率Ｍが、今回のなまし後の出力空燃比ｙ’（ｔ）の算出に用いられる。図３１にはインバランス割合となまし率Ｍの関係を予め定めたマップの例を示す。図示するように、インバランス割合が０（％）のときはなまし率Ｍが１で、実質的になましは行われない。しかし、インバランス割合が０（％）からプラス側或いはマイナス側に離れるほど、なまし率Ｍは１よりも増加していく傾向にあり（図示例では２，４）、なまし度合いが大きくなっていく。これはインバランス割合が大きくなるほど高周波変動の振幅が増大していくことに対応している。こうしてインバランス割合に応じたなまし処理が実行可能となり、触媒前センサ１７の出力から気筒間空燃比ばらつきの影響を取り除いて正確な触媒前センサ１７の異常診断を行え、誤診断を防止できる。

また、フィルタリング処理については、出力空燃比ｙ（ｔ）の信号がローパスフィルタを通過させられ、所定のカットオフ周波数ｆｃを下回る信号のみがローパスフィルタを通過させられる。そして、検出されたインバランス割合に応じたカットオフ周波数ｆｃが所定のマップ又は関数から取得され、この取得されたカットオフ周波数ｆｃに基づきフィルタリング処理が実行される。図示しないが、インバランス割合が０（％）のときはカットオフ周波数ｆｃが所定の既定値であり、インバランス割合が０（％）からプラス側或いはマイナス側に離れるほど、カットオフ周波数ｆｃは既定値よりも減少していく傾向にある。これはインバランス割合が大きくなるほど高周波変動が増大するため、これを抑制する必要があるからである。こうしてインバランス割合に応じたフィルタリング処理が実行可能となり、触媒前センサ１７の出力から気筒間空燃比ばらつきの影響を取り除いて正確な触媒前センサ１７の異常診断を行え、誤診断を防止できる。

図３２に当該第１の態様を含む空燃比センサ異常診断処理の手順を示す。当該処理はＥＣＵ２０により実行されるものである。

まずステップＳ５０１では、異常診断のための前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件とは、例えば、エンジンの暖機が終了していること（例えば冷却水温が７５℃以上）、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が活性済みであること、触媒１１，１９が活性済みであることなどである。

前提条件が成立していない場合、ステップＳ５０１が繰り返されて待機状態となる。他方、前提条件が成立した場合、ステップＳ５０２において、上述の第１〜第３の態様のいずれかに従って、インバランス割合ＩＢの値が検出、取得される。

次いで、ステップＳ５０３に進み、検出されたインバランス割合の値に対応したなまし率Ｍ又はカットオフ周波数ｆｃの値が算出、取得される。そしてステップＳ５０４において、以降継続的に、触媒前センサ１７の出力即ち出力空燃比ｙ（ｔ）がなまし処理されるか又はフィルタリング処理され、出力空燃比ｙ（ｔ）が補正される。

次に、ステップＳ５０５において、同定パラメータとしてのゲインｋ及び時定数Ｔの同定を実行するのに適した条件（同定条件）が成立しているか否かが判断される。この同定条件とは、例えばエンジンが定常運転状態にあることなどである。

同定条件が成立していない場合、ステップＳ５０５が繰り返されて待機状態となる。他方、同定条件が成立した場合、ステップＳ５０６において、上述の一次遅れモデルを利用したゲインｋ及び時定数Ｔの同定が実行される。

こうしてゲインｋ及び時定数Ｔの同定値が得られたならば、ステップＳ５０７において、各同定値と、対応する各異常判定値（ゲイン増大異常判定値ｋｓ１、ゲイン縮小異常判定値ｋｓ２及び時定数異常判定値Ｔｓ）とが比較される。同定されたゲインｋがｋｓ１≦ｋ≦ｋｓ２の範囲内にあり、且つ、同定された時定数ＴがＴ≦Ｔｓの範囲内にある場合には、ステップＳ５０８において触媒前センサ１７は正常と判定される。他方、同定されたゲインｋ及び時定数Ｔの少なくとも一方が各範囲内にない場合には、ステップＳ５０９において触媒前センサ１７は異常と判定される。以上で処理が終了する。なお、触媒前センサ１７が異常と判定された場合、各同定値と各異常判定値との比較結果に応じて各特性の異常が個別に判定される。また異常の事実をユーザに知らせるべくチェックランプ等の警告装置が起動させられる。

［補正の第２の態様（ゲイン及び時定数の補正）］
次に、補正の第２の態様について説明する。この態様では、検出されたインバランス割合ＩＢの値に基づき、同定されたゲインｋ及び時定数Ｔの値が補正される。図２１に示したように、気筒間空燃比ばらつきの程度が大きくなりインバランス割合が増大するほど、ゲインｋ及び時定数Ｔの値が減少する。そこで、ゲインｋ及び時定数Ｔがインバランス割合＝０（％）のときの値になるよう、ゲインｋ及び時定数Ｔが、検出されたインバランス割合に応じて増大側に補正される。これにより気筒間空燃比ばらつきの影響を排除したゲインｋ及び時定数Ｔに対して各異常判定値との比較即ち異常判定を行うことができ、気筒間空燃比ばらつきの影響による誤診断を防止できる。

図３３にはインバランス割合とゲイン補正係数Ｈｋ及び時定数補正係数ＨＴの関係を予め定めたマップの例を示す。ゲイン補正係数Ｈｋ及び時定数補正係数ＨＴはそれぞれ同定されたゲインｋ及び時定数Ｔに乗じられる値である。図示するように、インバランス割合が０（％）のときは各補正係数Ｈｋ，ＨＴが１で、実質的に補正は行われない。しかし、インバランス割合が０（％）からプラス側或いはマイナス側に離れるほど、各補正係数Ｈｋ，ＨＴは１よりも増加していく傾向にあり（図示例では１．１，１．２，１．３）、補正度合いが大きくなっていく。これはインバランス割合が大きくなるほどゲインｋ及び時定数Ｔの同定値が減少していくことに対応している。この補正により、ゲインｋ及び時定数Ｔの同定値を気筒間空燃比ばらつきが無いときの値に補正することができる。

図３４に当該第２の態様を含む異常診断処理の手順を示す。当該処理はＥＣＵ２０により実行されるものである。

まずステップＳ６０１では、前記ステップＳ５０１と同様、異常診断のための前提条件が成立しているか否かが判断される。前提条件が成立していない場合、ステップＳ６０１が繰り返されて待機状態となる。他方、前提条件が成立した場合、ステップＳ６０２において、前記ステップＳ５０２と同様、インバランス割合の値が検出、取得される。

次いで、ステップＳ６０３に進み、検出されたインバランス割合の値に対応したゲイン補正係数Ｈｋ及び時定数補正係数ＨＴの値が図３３に示したようなマップ等から算出、取得される。

次に、ステップＳ６０４において、前記ステップＳ５０５と同様、同定条件が成立しているか否かが判断される。同定条件が成立していない場合、ステップＳ６０４が繰り返されて待機状態となる。他方、同定条件が成立した場合、ステップＳ６０５において、前記ステップＳ５０６と同様、ゲインｋ及び時定数Ｔの同定が実行される。

こうしてゲインｋ及び時定数Ｔの同定値が得られたならば、ステップＳ６０６において、各同定値にそれぞれステップＳ６０３で取得されたゲイン補正係数Ｈｋ及び時定数補正係数ＨＴの値が乗算され、ゲインｋ及び時定数Ｔの同定値がｋ’、Ｔ’に補正される。

次いでステップＳ６０７において、補正された各同定値と、対応する各異常判定値ｋｓ１，ｋｓ２，Ｔｓとが比較される。補正されたゲインｋ’がｋｓ１≦ｋ’≦ｋｓ２の範囲内にあり、且つ、補正された時定数Ｔ’がＴ’≦Ｔｓの範囲内にある場合、ステップＳ６０８において触媒前センサ１７は正常と判定される。他方、補正されたゲインｋ’及び時定数Ｔ’の少なくとも一方が各範囲内にない場合には、ステップＳ６０９において触媒前センサ１７は異常と判定される。以上で処理が終了する。なお、触媒前センサ１７が異常と判定された場合、センサの各特性の異常が個別に判定される点、及び警告装置が起動される点は前記同様である。

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）噴射式であったが、直噴式エンジンや両噴射方式を兼ね備えたデュアル噴射式エンジンにも、本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒前に広域空燃比センサを用い、触媒後にＯ₂センサを用いたが、例えば触媒後に広域空燃比センサを用いたり、触媒前にＯ₂センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサ及びＯ₂センサを含め、広く、排気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いうものとする。補正の第１の態様は前記実施形態のような一次遅れモデルを用いた診断方法以外にも適用可能である。またインバランスパラメータとしては、インバランス割合以外にも、気筒間空燃比ばらつきの大きさに相関したパラメータであれば採用可能である。

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。

本発明の一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を示すグラフである。触媒後センサの出力特性を示すグラフである。アクティブ制御時における入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を概略的に示す図である。ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフであり、正常センサの場合である。ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフであり、異常センサの場合である。異常診断システムのブロック図である。燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力空燃比を比較した試験結果である。入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正前の状態である。バイアス補正の方法を説明するための概略図である。入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正後の状態である。むだ時間補正前後の入力空燃比を示す試験結果である。むだ時間算出マップである。むだ時間算出の第２の態様を説明するための試験結果であり、正常センサの場合である。むだ時間算出方法を説明するための図１４に対応した概略図である。むだ時間算出の第２の態様を説明するための試験結果であり、異常センサの場合である。むだ時間算出方法を説明するための図１６に対応した概略図である。むだ時間算出の第３の態様に係るフローチャートである。空燃比センサ異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。空燃比ばらつきが無い場合と有る場合の触媒前センサ出力変化を示すグラフである。インバランス割合と時定数及びゲインとの関係を示すグラフである。空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。主空燃比補正量の算出マップである。補助空燃比補正量の設定ルーチンを示すフローチャートである。触媒後センサ出力差とその積算の様子を示すグラフである。補助空燃比補正量の算出マップである。１気筒が他の３気筒よりも空燃比リッチ側にずれている場合を示す図である。インバランス割合と水素量の関係を示すグラフである。インバランス割合と触媒後センサ学習値との関係を示すグラフである。吸蔵酸素量と放出酸素量との計測方法を説明するためのタイムチャートである。インバランス割合となまし率との関係を規定したマップである。補正の第１の態様を含む空燃比センサ異常診断処理の手順を示すフローチャートである。インバランス割合とゲイン補正係数及び時定数補正係数との関係を規定したマップである。補正の第２の態様を含む空燃比センサ異常診断処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
３燃焼室
６排気管
１１上流触媒
１２インジェクタ
１４排気マニフォールド
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

多気筒内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
少なくとも前記空燃比センサの出力に基づいて前記空燃比センサの異常を診断する診断手段と、
気筒間の空燃比ばらつきに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータに基づき、前記空燃比センサの出力を補正する出力補正手段と
を備え、
前記診断手段は、
燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する入力と、前記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、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記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、
前記同定手段は、前記出力補正手段により補正された前記空燃比センサの出力に基づいて前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
前記出力補正手段は、前記出力に対してなまし処理又はフィルタリング処理を実行することにより前記出力を補正し、且つ、前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータに応じて、前記なまし処理におけるなまし率を設定するか、又は前記フィルタリング処理におけるカットオフ周波数を設定する
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。
前記出力補正手段は、前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータが、気筒間空燃比ばらつきが大きくなるような値であるほど、なまし度合いが大きくなるような前記なまし率を設定するか、又はより減少された前記カットオフ周波数を設定する
ことを特徴とする請求項２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
多気筒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、
燃料噴射弁から前記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てなるモデルに対する入力と、前記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、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記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、
気筒間の空燃比ばらつきに関するパラメータであるインバランスパラメータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータに基づき、前記同定されたパラメータを補正する同定パラメータ補正手段と
を備え、
前記異常判定手段は、前記同定パラメータ補正手段により補正された前記パラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
前記同定パラメータ補正手段は、前記検出手段により検出された前記インバランスパラメータが、気筒間空燃比ばらつきが大きくなるような値であるほど、前記パラメータを増大側に補正し、前記パラメータを気筒間空燃比ばらつきが無いときの値になるよう補正する
ことを特徴とする請求項４に記載の空燃比センサの異常診断装置。
前記一次遅れ要素におけるパラメータが少なくともゲインと時定数を含み、前記空燃比センサの所定の特性が少なくとも前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とを含む
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。
前記検出手段は、前記空燃比センサの出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づき、前記インバランスパラメータを算出する
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。
前記検出手段は、
前記空燃比センサの下流側の前記排気通路に配置され、排気中に含まれる少なくとも水素を酸化して浄化する触媒と、
前記触媒の下流側の前記排気通路に配置された触媒後空燃比センサと、
前記空燃比センサにより検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるような主空燃比制御及び前記触媒後空燃比センサにより検出された空燃比を前記目標空燃比に一致させるような補助空燃比制御を実行する空燃比制御手段であって、前記触媒後空燃比センサの出力に基づき前記補助空燃比制御のための制御量を算出する空燃比制御手段と、
前記算出された制御量に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
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。
前記検出手段は、
前記空燃比センサの下流側の前記排気通路に配置された触媒と、
前記触媒の吸蔵酸素量と放出酸素量を検出する手段と、
前記検出された吸蔵酸素量と放出酸素量の比又は差に基づき、前記インバランスパラメータを算出する手段と
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。
前記インバランスパラメータがインバランス割合からなり、当該インバランス割合が式：ＩＢ＝（Ｑ−Ｑｓ）／Ｑｓ（但し、ＩＢはインバランス割合、Ｑはインバランス気筒の燃料噴射量、Ｑｓはバランス気筒の燃料噴射量）により表され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。