JP5041294B2

JP5041294B2 - 空燃比センサの異常診断装置

Info

Publication number: JP5041294B2
Application number: JP2008199752A
Authority: JP
Inventors: 靖志岩▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: JP2010037982A

Description

本発明は空燃比センサの異常診断装置に係り、特に、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、燃料噴射量を周期的に増減したときの空燃比センサ出力の軌跡長に基づいて空燃比センサの異常を検出する装置が開示されている。

特開２００５−３０３５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、空燃比センサ自体が正常なのか異常なのかは判別できるものの、空燃比センサの特性のうち、いずれが正常なのか異常なのかを判別することができない。即ち、空燃比センサには複数の特性が含まれているが、特許文献１に記載の技術だと、これら特性のうちのいずれが異常なのかまでは判別することができない。

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、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができ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、
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、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記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前記入力と、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、
前記アクティブ制御手段は、前記中心空燃比に相当する燃料噴射量（中心噴射量）を所定の学習値に基づいて算出し、この中心噴射量に基づいてアクティブ制御中の燃料噴射量を算出して前記燃料噴射弁から噴射させるものであり、
前記学習値は、複数に分割された内燃機関の運転領域毎に学習されるものであり、
前記アクティブ制御及び同定の実行中に内燃機関の運転状態が学習完了領域と学習未完了領域との間で移行したとき、移行直後に同定を一時的に停止させるか、又は移行と同時に前記アクティブ制御及び同定を中止させる移行時禁止手段をさらに備える
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

この本発明の一形態によれば、単に空燃比センサの異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。よって空燃比センサの複数の特性のうち、いずれが異常なのかを判別することができ、空燃比センサの異常診断をより緻密且つ詳細に実行することができる。特に、内燃機関の運転領域毎に学習値が学習され、この学習値に基づいて中心噴射量が算出され、この中心噴射量に基づいてアクティブ制御中の燃料噴射量（アクティブ噴射量）が算出される。このとき、アクティブ制御及び同定の実行中に内燃機関の運転状態が学習値の学習完了領域と学習未完了領域との間で移行すると、中心噴射量を正確に算出できなくなる虞がある。そこで本発明の一形態では、移行直後に同定を一時的に停止するか、又は移行と同時にアクティブ制御及び同定を中止させる。こうすることにより、前者の場合には移行直後の待ち時間を設けて、その間の不正確な中心噴射量に基づく不正確なアクティブ噴射量の算出、ひいては不正確な入力による同定を防止することができる。他方、後者の場合には、移行と同時にアクティブ制御及び同定を中止させるので、やはり同様に不正確な入力による同定を防止することができる。こうしてパラメータの同定精度、ひいては診断精度を向上することが可能となる。

好ましくは、前記移行時禁止手段は、移行直後に同定を一時的に停止させるものであり、且つ、前記移行時から、前記アクティブ制御が所定周期を終了するまでの間、同定を停止させるものである。

好ましくは、前記学習値は、空燃比学習値とパージ濃度学習値とを含む。

本発明の他の形態によれば、
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、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記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前記入力と、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、
前記内燃機関は、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、前記蒸発燃料を含むパージガスを前記キャニスタから吸気通路に吸入させるパージを実行するパージ手段とを備え、
前記アクティブ制御手段は、前記パージ及びアクティブ制御の実行中、前記中心空燃比に相当する燃料噴射量（中心噴射量）を、空燃比学習値とパージ濃度学習値とを含む学習値に基づいて算出すると共に、前記吸気通路に吸入されるパージガスに含まれる燃料量（パージ燃料量）を前記パージ濃度学習値に基づいて推定し、これら中心噴射量と推定パージ燃料量とに基づいてアクティブ制御中の燃料噴射量を算出して前記燃料噴射弁から噴射させるものである
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

この本発明の他の形態によっても、単に空燃比センサの異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定されるので、空燃比センサの異常診断をより緻密且つ詳細に実行することができる。特に、パージ及びアクティブ制御の実行中には、実際のパージ燃料量がパージ濃度学習値に基づいて推定され、この推定パージ燃料量に基づいてアクティブ噴射量が算出される。従って、実際のパージ燃料量の増減の影響をアクティブ噴射量に色濃く反映させることができ、実際のパージ燃料量の大小に拘わらず、アクティブ噴射量の算出精度を高め、ひいては入力の精度を向上し、同定精度や診断精度を高めることが可能となる。

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。

本発明によれば、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン、１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。但し、内燃機関の形式、種類、用途等は特に限定されない。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１１，１９が取り付けられている。上流側触媒１１の前後の位置にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１７，１８、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。これら触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８は排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１，１９に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に等しくなるように、空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、燃焼室３内に流入する混合気の空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致させるような基本噴射量を算出する。そして、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比と目標空燃比Ａ／Ｆｔとの差に応じて基本噴射量をフィードバック補正し、この補正後の噴射量に応じた通電時間だけインジェクタ１２を通電（オン）する。この結果、触媒１１，１９に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１，１９において最大の浄化性能が発揮されるようになる。このようにＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくように空燃比ないし燃料噴射量をフィードバック制御する。なお、触媒後センサ１８は、このような空燃比フィードバック制御における中心空燃比のズレを補正するために設けられている。

加えて、内燃機関１には、燃料タンク３０内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタ３１と、前記蒸発燃料を含むパージガスをキャニスタ３１から吸気通路に吸入させるパージを実行するパージ手段とが備えられている。キャニスタ３１は、その内部に活性炭を備えており、燃料タンク３０内の蒸発燃料を入口３１Ａから導入して吸着する。本実施形態のキャニスタ３１は燃料タンク３０の内部に配置されているが、外部に配置されていてもよい。キャニスタ３１は、大気導入口３１Ｂを備えると共に、パージ通路３２を介してパージガスを内燃機関１の吸気通路に送出する。パージ通路３２は、スロットルバルブ１０とサージタンク８の間の吸気管１３に連通されている。パージ通路３２には、その内部を流れるパージガスの流量を制御するためのパージ制御弁３３が設けられている。パージ制御弁３３は、ＥＣＵ２０によりデューティ制御されることによりその開度が制御される。このようにＥＣＵ２０、パージ制御弁３３及びパージ通路３２によりパージ手段が構成される。

燃料タンク３０内には、フューエルポンプ３４とフューエルフィルタ３５とプレッシャレギュレータ３６が設けられ、フューエルポンプ３４により吸引された燃料はフューエルフィルタ３５を通過した後プレッシャレギュレータ３６により調圧され、燃料通路３７を介してデリバリパイプ３８に送られる。このデリバリパイプ３８に貯留された燃料がインジェクタ１２から噴射される。

［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Ｖｆ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２に示すように、本実施形態では、パラメータ同定の際に、燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃに対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御（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ひいては入力空燃比ｕ（ｔ）が、中心空燃比Ａ／Ｆｃに対してリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるよう、燃料噴射量Ｑが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、本実施形態では空燃比で０．５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。

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。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２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３及び図４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３が正常な触媒前センサ１７の場合、図４が異常な触媒前センサ１７の場合である。図３（Ａ）及び図４（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３（Ｂ）及び図４（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５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。

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６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で行われるバイアス補正について説明する。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７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８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３（Ａ）及び図４（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９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、この算出されたむだ時間Ｌに基づいて入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）の少なくとも一方が補正される。特に本実施形態の場合、算出されたむだ時間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１０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。

以下、むだ時間の算出方法を説明する。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σが次式（２３）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を意味し、η_avgは入力空燃比又は出力空燃比の今回（ｔ）時点における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１１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１２には図１１のａ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１２から分かるように、入力空燃比及び出力空燃比の分散値ｄ，ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転を開始するタイミングに合わせて瞬時的に立ち上がる。よってむだ時間の算出開始タイミングを、例えば入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングとし、むだ時間の算出終了タイミングを、出力空燃比の分散値ｅが所定のしきい値ｅｐｓを超えたタイミングとし、これらタイミング同士の時間差をむだ時間ｇとして算出する。図１１を参照して、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ｅがしきい値ｅｐｓを超えた時点で、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１１及び図１２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、ある程度劣化したセンサの場合だと、同様の方法を採用するのが困難な場合もある。即ち、図１３及び図１４に示される如く、例えば応答遅れが生じているセンサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとしてしきい値ｅｐｓを超えるような十分大きな値を得ることができず、むだ時間の算出が行えない。

そこで、出力空燃比ｅの分散値を所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１１及び図１２に示すように、その分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えた場合は、前述のようにその超えた時点と、入力空燃比の分散値ピークｄｐが現れた時点との時間差を以てむだ時間ｇとする。他方、図１３及び図１４に示すように、出力空燃比の分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えない場合は、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。これにより劣化した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。

こ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。

また、むだ時間算出の開始タイミングは、前述の如き、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングに限られない。そもそも、入力空燃比ａ（具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔ）の切り替えないし反転はＥＣＵ自身が行うので、そのタイミングはＥＣＵ自身が把握している。また、目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えから実際の燃料噴射量が切り替えられるまでのタイムラグは無視し得る程度である。よってＥＣＵ２０が入力空燃比ａを切り替えた時点、具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔを切り替えた時点或いは燃料噴射量を切り替えた時点を、むだ時間算出の開始タイミングとすることが可能である。ちなみに、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れるタイミングは、燃料噴射量が切り替えられるタイミングに一致している。

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１５に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１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Ｓ１０２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Ｓ１０３では、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Ｓ１０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ１０５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Ｓ１０６では、ステップＳ１０５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Ｓ１０３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Ｓ１０７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。上記診断では一次遅れ要素Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）の二つのパラメータｋ，Ｔを同定し、それぞれに対応する二つの特性（出力及び応答性）の異常を診断したが、例えば、一若しくは三以上のパラメータを同定し、一若しくは三以上の特性について異常を診断してもよい。例えば、一次遅れ要素としてむだ時間を含むもの、即ち

を設定し、三つのパラメータｋ，Ｔ，Ｌを同時に同定し、それぞれに対応する三つの特性（出力、応答性及びむだ時間）の異常を同時に診断してもよい。なお、各パラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、各特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。

ところで、同定精度や診断精度の向上のためには、入力空燃比の算出や制御を精度良く行うのが適切である。そこで以下、そのための手法について説明する。

［入力空燃比算出の基本態様］
前述したように、入力空燃比ｕ（ｔ）は、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からなる。そしてここでの燃料噴射量Ｑは次のように計算される。

まず、ある吸入空気量Ｇａに対して中心空燃比Ａ／Ｆｃ、即ち理論空燃比＝１４．６が得られるような燃料噴射量（基本噴射量Ｑｂ）が、次式（２４）により計算される。なおこの基本噴射量Ｑｂが本発明にいう中心噴射量をなすものである。

ここで、Ｑｍは、吸入空気量Ｇａの検出値に基づき所定のマップから求められるマップ噴射量であり、このマップ噴射量Ｑｍは、機関適合時のような標準状態において理論空燃比が得られるような値として予め規定されている。またＫｆは増減補正係数であり、加減速等に伴う増減補正のために用いられる値である。Ｋｇは学習値であり、その内容は後述する。Ｑｆｂは空燃比フィードバック補正項であり、触媒前センサ１７で検出された実際の空燃比と理論空燃比との差に基づく値であり、且つ、実際の空燃比を理論空燃比に近づけさせるための値である。例えば実際の空燃比が理論空燃比より大きいリーンのときは、基本噴射量Ｑｂを増大させるべく大きな値（正の値）となり、逆に実際の空燃比が理論空燃比より小さいリッチのときは、基本噴射量Ｑｂを減少させるべく小さな値（負の値）となる。Ｑｗはウェット補正項であり、燃料の壁面付着を考慮した値であり、エンジンの暖機完了前、図示しない水温センサで検出された冷却水温に基づき所定のマップから求められる。

学習値Ｋｇは次式（２５）により表される。

Ｋｆｂは、空燃比学習値であり、前記空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂに基づいて随時更新される学習値である。具体的に述べると、実際の空燃比と理論空燃比との差が大きいときには絶対値の大きい空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂが逐次的に（サンプル時刻毎に）得られるが、この値が、サンプリング間隔より長い所定周期で徐々に空燃比学習値Ｋｆｂに反映されていくと、空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂの絶対値が小さくなっていく。端的に言えば、サンプル時刻毎に変化する空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂをなました値に相当するものが空燃比学習値Ｋｆｂである。空燃比学習値Ｋｆｂが実状に合致する値に到達すれば、空燃比フィードバック補正量が少なくて済むという性質のものである。この空燃比学習値Ｋｆｂは、内燃機関毎の空燃比個体ばらつきを吸収するなどの目的で使用される。

Ｋｐは、パージ濃度学習値であり、パージ実行時のパージガスに含まれる燃料の量（パージ燃料量）に対応した学習値である。パージ実行時には、インジェクタ１２から噴射された燃料に加え、パージガスに含まれる燃料が燃焼室３に吸入される。従って、パージ燃料量を考慮してインジェクタ１２からの燃料噴射量を決定しないと、燃焼室３内に、所望の空燃比（理論空燃比）を実現し得るような燃料量を供給できない。そこで基本噴射量Ｑｂの算出に際してパージ濃度学習値Ｋｐを用いることとしている。パージ濃度学習値Ｋｐは、パージ実行時の実際の空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂと、空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂの基準値（本実施形態では０）との差に基づいて更新される。即ち、パージ燃料が多いときには触媒前センサ１７の出力がリッチ側に振れ、これに伴いインジェクタ１２からの燃料噴射量を減少するよう空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂが小さくなる。逆に、パージ燃料が少ないときには触媒前センサ１７の出力がリーン側に振れ、これに伴いインジェクタ１２からの燃料噴射量を増大するよう空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂが大きくなる。このようにパージ燃料量の大小は空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂに反映されるので、パージ実行時の実際の空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂとその基準値との差でもってパージ濃度学習値Ｋｐを随時学習することにより、パージ実行時の平均的なパージ燃料量をインジェクタ１２からの燃料噴射量に反映させることができる。なおパージは内燃機関の暖機が終了した後に行われる。パージに際しては目標パージ率が算出され、目標パージ率に応じたデューティ比の駆動信号がパージ制御弁３３に送られる。なおパージ率とは、吸入空気量Ｇａに対するパージガス流量の比率をパーセントで表した値である。

こうして求められた基本噴射量Ｑｂは、実際の吸入空気量Ｇａに対して、燃焼室３内の空燃比を理論空燃比とするような、インジェクタ１２からの燃料噴射量である。よってストイキ制御中にはこの基本噴射量Ｑｂがインジェクタ１２から噴射される。しかしながら、アクティブ制御中には、燃焼室３内の空燃比を理論空燃比より大きいリーン空燃比又は理論空燃比より小さいリッチ空燃比にする必要がある。そこで、基本噴射量Ｑｂにアクティブ係数Ｋａを乗じて、アクティブ制御中にインジェクタ１２から噴射される燃料噴射量（アクティブ噴射量）Ｑａが算出される（Ｑａ＝Ｋａ×Ｑｂ）。

アクティブ係数Ｋａは、理論空燃比を、アクティブ制御中の空燃比（リーン空燃比又はリッチ空燃比）で除した値にほぼ等しい。本実施形態の場合、リーン空燃比＝１５．１、リッチ空燃比＝１４．１であり、リーン空燃比のときのアクティブ係数Ｋａｌは０．９６５、リッチ空燃比のときのアクティブ係数Ｋａｒは１．０３５とされる。つまりストイキ制御中よりも、リーン空燃比のときには０．０３５Ｑｂだけ燃料噴射量が減量され、リッチ空燃比のときには０．０３５Ｑｂだけ燃料噴射量が増量される。この減量分或いは増量分の燃料噴射量を総じてアクティブ増減噴射量といい、減量分の燃料噴射量をアクティブ減量噴射量、増量分の燃料噴射量をアクティブ増量噴射量という。こうして求められたアクティブ噴射量Ｑａが、入力空燃比ｕ（ｔ）を算出するときの燃料噴射量Ｑをなすものであり、アクティブ噴射量Ｑａに応じた時間だけインジェクタ１２が通電され、アクティブ噴射量Ｑａに等しい量の燃料がインジェクタ１２から噴射される。

なお、ストイキ制御中とアクティブ制御中では空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂの意味が異なる。ストイキ制御中の空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂは、単純に、触媒前センサ１７によって検出された空燃比と理論空燃比との差に基づく値であるが、アクティブ制御中の空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂは、触媒前センサ１７によって検出された空燃比をなました値と、理論空燃比との差に基づく値である。従ってストイキ制御中では燃料噴射量がフィードバック制御されるが、アクティブ制御中ではほぼオープン制御に近い方法で燃料噴射量が制御される。

上述の計算方法では燃料噴射量の単位で計算を行ったが、燃料噴射量とインジェクタ１２の通電時間とが比例関係にあるため、通電時間の単位で計算を行ってもよい。この通電時間の単位で計算を行う場合も本発明に含めることとする。

［第１の態様：内燃機関の運転状態の考慮］
ところで、アクティブ制御及びパラメータ同定を実行する条件は、次の（１）及び（２）のいずれか一方の条件が成立したときとされる。
（１）現在の内燃機関の運転状態が位置する運転領域において、学習値Ｋｇの学習完了履歴有り。
（２）現在の空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂから求まるフィードバック（Ｆ／Ｂ）補正率が所定範囲内にある。

条件（１）について説明すると、図１６に示すように、内燃機関の全運転領域は、負荷（より具体的には吸入空気量Ｇａ）に応じて複数の領域Ｌ１〜Ｌ５に予め区分ないし分割されている。そして条件（１）が成立するためには、過去の何れかの時点において、学習値Ｋｇの学習が少なくとも１回完了したことが必要とされる。例えば、新車出荷直後やバッテリ交換直後には、全領域Ｌ１〜Ｌ５の学習値Ｋｇとしては値が入力されておらず、全領域Ｌ１〜Ｌ５についてまだ学習が１回も完了していない。そしてその後車両が走行していくうちに、順次各領域について学習が完了していく。図示例では、領域Ｌ１〜Ｌ３では学習完了（学習完了履歴有り）となっているが、領域Ｌ４〜Ｌ５では学習未完了（学習完了履歴無し）となっている。よって現在の内燃機関の運転状態が、図中黒丸で示すように、学習完了領域（Ｌ１〜Ｌ３のいずれか）に位置すれば、条件（１）は成立となる。逆に、現在の内燃機関の運転状態が、図中白丸で示すように、学習未完了領域（Ｌ４〜Ｌ５のいずれか）に位置すれば、条件（１）は非成立となる。

なお、内燃機関の運転領域の区分の仕方はここで述べたような負荷のみによる区分に限られない。負荷に加えて或いは負荷に代えて、機関回転数により区分してもよいし、他の運転状態パラメータにより区分してもよい。分割数も上記で示したような５つに限定されない。

次に条件（２）について説明する。Ｆ／Ｂ補正率は、基本噴射量Ｑｂと空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂとの比で表され、具体的にはＱｆｂ／Ｑｂで表される。条件（２）は、例えばＦ／Ｂ補正率が±２％以内であることである。

条件（１）を要する理由は、現在の内燃機関の運転状態が学習完了履歴が有る運転領域に位置していれば、内燃機関の個体差に基づく空燃比ズレが既に学習済みであり、基本噴射量Ｑｂの精度が保証され、アクティブ噴射量Ｑａも正確に算出できるからである。また条件（２）を要する理由は、Ｆ／Ｂ補正率が所定範囲内にあれば、実際に起きている空燃比ズレが小さく、基本噴射量Ｑｂの精度が保証され、アクティブ噴射量Ｑａも正確に算出できるからである。

ところで、アクティブ制御の実行条件は条件（１）及び（２）のいずれかが成立することである。従って条件（１）が成立しなくても（即ち、内燃機関の運転状態が学習完了領域に位置していなくても）、条件（２）が成立すれば（即ち、Ｆ／Ｂ補正率が所定範囲内にあれば）、アクティブ制御が実行可能となる。

しかしながら、アクティブ制御の開始後では開始前と比較して、空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂの意味が異なり、Ｆ／Ｂ補正率が所定範囲内にあっても、内燃機関の運転状態が学習完了領域に位置しているときと同等の、基本噴射量Ｑｂの算出精度を保証できない。このため、アクティブ制御中に、図１６に矢示する如く学習完了領域から学習未完了領域に移行したとき、基本噴射量Ｑｂを正確に算出できなくなる虞がある。また同様の問題が、アクティブ制御中に学習未完了領域から学習完了領域に移行したときにも起こり得る。

そこでこの第１の態様では、アクティブ制御及び同定の実行中に内燃機関の運転状態が学習完了領域と学習未完了領域との間で移行したときには、次の対策（Ａ）及び（Ｂ）のいずれかを施す。
（Ａ）移行直後に同定を一時的に停止する。
（Ｂ）移行と同時にアクティブ制御及び同定を中止させる。
こうすることにより、対策（Ａ）の場合には、移行直後の待ち時間を設けて、その間の不正確な基本噴射量Ｑｂに基づく不正確なアクティブ噴射量Ｑａの算出、ひいては不正確な入力空燃比ｕ（ｔ）による同定を防止することができる。一方、かかる待ち時間が経過すれば、各値が移行後の領域に対応した値に落ち着くので、この経過後に同定を再開することにより、正確な基本噴射量Ｑｂに基づく正確なアクティブ噴射量Ｑａの算出、ひいては正確な入力空燃比ｕ（ｔ）による高精度の同定を実現することができる。他方、対策（Ｂ）の場合には、移行と同時にアクティブ制御及び同定を中止させるので、やはり同様に不正確な入力空燃比ｕ（ｔ）による同定を防止することができる。

以下、これら対策（Ａ）及び（Ｂ）の具体例を順番に説明する。図１７には、対策（Ａ）を実現するようにＥＣＵ２０によって実行されるアクティブ制御及びパラメータ同定の手順を示す。

まずステップＳ２０１では、現在の内燃機関の運転状態が位置する運転領域（現領域）において、学習値Ｋｇの学習完了履歴が有るか否か（即ち、前記条件（１）が成立しているか否か）が判断される。判断結果がイエスの場合、ステップＳ２０３に進んでアクティブ制御が実行ないし開始され、ステップＳ２０４で入力空燃比ｕ（ｔ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）のデータ（入出力データ）が取得され、この取得されたデータにより同定が実行される。

他方、ステップＳ２０１の判断結果がノーの場合、ステップＳ２０２に進んで、現在のＦ／Ｂ補正率が所定範囲内にあるか否か（即ち、前記条件（２）が成立しているか否か）が判断される。判断結果がイエスの場合にはステップＳ２０３、Ｓ２０４に進み、アクティブ制御及び同定が実行され、他方、判断結果がノーの場合には、ステップＳ２０１及びステップＳ２０２の何れか一方の判断結果がイエスになるまで待機状態となる。

ステップＳ２０４の次にステップＳ２０５に進み、内燃機関の運転状態が学習完了領域と学習未完了領域との間で移行したか否かが判断される。移行がない場合にはステップＳ２０３に戻ってアクティブ制御及び同定が引き続き実行されるが、移行があった場合には、ステップＳ２０６〜Ｓ２１１において、同定が一時的に停止（ポーズ）される。即ち、この一時停止期間中にはアクティブ制御は継続されるものの、入出力データは破棄され、従って同定も停止される。ここで移行ありとなるのは、学習完了領域から学習未完了領域に移行した場合の他、学習未完了領域から学習完了領域に移行した場合も含まれる。前者の場合は、ステップＳ２０１の判断結果がイエスで学習完了領域からアクティブ制御が開始された場合に起こり、後者の場合は、ステップＳ２０１の判断結果がノーだがステップＳ２０２の判断結果がイエスで学習未完了領域からアクティブ制御が開始された場合に起こり得る。

まず、ステップＳ２０６では、マスクカウンタの値Ｎが所定の初期値にセットされる。本実施形態の初期値は５である。次にステップＳ２０７においてマスクカウンタの値Ｎが所定のマスク解除しきい値Ｎｓ以上か否かが判断される。本実施形態のマスク解除しきい値Ｎｓは１である。判断結果がイエスの場合、ステップＳ２０８において、同定を停止するための停止フラグがオンされ、ステップＳ２０９において、ＥＣＵ２０に取り込まれた入出力データが破棄されると共に、その入出力データを用いた同定が停止される。これにより、同定パラメータであるゲインｋ及び時定数Ｔの更新が一時的に停止されることとなる。次にステップＳ２１０において、アクティブ制御の１周期が終了したか否かが判断される。アクティブ制御の１周期とは、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチ空燃比及びリーン空燃比の一方から他方に切り替えられた時から、次に同方向に切り替えられた時までの期間をいう。１周期が終了していない場合、待機状態となり、ステップＳ２０９の入出力データ破棄と同定停止が継続される。他方、１周期が終了した場合、ステップＳ２１１に進んでマスクカウンタの値Ｎが１だけ減算され（Ｎ＝Ｎ−１）、ステップＳ２０７に戻る。

こうして、学習完了・未完了領域間での移行があったときには、その直後、Ｎ≧Ｎｓが成立しなくなるまで、本実施形態ではアクティブ制御の５周期の間、入出力データが破棄され続け、同定が停止され続けることとなる。

他方、ステップＳ２０７においてＮ≧Ｎｓが非成立となった場合には、ステップＳ２１２に進んで停止フラグがオフされ、ポーズが解除となり、ステップＳ２１３において入出力データの取得と同定が再開される。これにより同定パラメータであるゲインｋ及び時定数Ｔは、一時停止開始直前の値から再び更新されることとなる。

次に、対策（Ｂ）について説明する。図１８には、対策（Ｂ）を実現するようにＥＣＵ２０によって実行されるアクティブ制御及びパラメータ同定の手順を示す。なお図１８に示すフローチャートは図１７に示したフローチャートと異なり、所定のサンプリング周期毎に全体が繰り返し実行されるものである。

ステップＳ３０１，Ｓ３０２では前記ステップＳ２０１，Ｓ２０２と同様に、現在の内燃機関の運転状態が位置する運転領域において学習値Ｋｇの学習完了履歴が有るか否か（即ち、前記条件（１）が成立しているか否か）、及び、現在のＦ／Ｂ補正率が所定範囲内にあるか否か（即ち、前記条件（２）が成立しているか否か）が判断される。

いずれの判断結果もノーの場合、ステップＳ３０８に進んでアクティブ制御が禁止され、その後ステップＳ３０９でＥＣＵ２０に取り込まれた入出力データが破棄され、同定が禁止される。

他方、いずれか一方の判断結果がイエスの場合、ステップＳ３０３に進んで、移行フラグがオフであるか否かが判断される。この移行フラグは、アクティブ制御中に内燃機関の運転状態が学習完了領域と学習未完了領域との間で移行したときにオンされるフラグであり、初期状態はオフである。移行フラグがオフでない（オンである）ときにはステップＳ３０８，Ｓ３０９でアクティブ制御が禁止され、入出力データが破棄され、同定が禁止される。

他方、移行フラグがオフであるときには、ステップＳ３０４に進んでアクティブ制御が実行ないし開始され、ステップＳ３０５で入出力データが取得され、この取得されたデータにより同定が実行される。この後、ステップＳ３０６に進み、学習完了・未完了領域間での内燃機関の運転状態の移行があったか否かが判断される。移行がない場合には終了され、移行があった場合にはステップＳ３０７において移行フラグがオンされた後、終了される。

これによると、まず条件（１）及び（２）のいずれかが成立した時点でアクティブ制御が開始され（Ｓ３０１とＳ３０２のいずれかがイエス）、入出力データ取得と同定が実行される（Ｓ３０４，Ｓ３０５）。この段階で移行フラグはまだオフである（Ｓ３０３がイエス）。そして、学習完了・未完了領域間での移行があった時点で（Ｓ３０６がイエス）、移行フラグがオンされる（Ｓ３０７）。次のルーチン実行時、移行フラグがオンなので（Ｓ３０３がノー）、アクティブ制御が禁止され、入出力データが破棄され、同定が禁止される（Ｓ３０８，Ｓ３０９）。こうして移行と同時にアクティブ制御と同定が中止されることとなる。

［第２の態様：アクティブ噴射量算出方法の改良］
前述したように、基本態様において、アクティブ噴射量Ｑａは、次式（２４）により算出される基本噴射量Ｑｂに、アクティブ係数Ｋａを乗じて算出される。

但しＱｍはマップ噴射量、Ｋｆは増減補正係数、Ｋｇは学習値、Ｑｆｂは空燃比フィードバック補正項、Ｑｗはウェット補正項である。

また学習値Ｋｇは次式（２５）により表される。

但しＫｆｂは空燃比学習値、Ｋｐはパージ濃度学習値である。学習値Ｋｇにはパージ濃度学習値Ｋｐが含まれているため、基本噴射量Ｑｂには、過去の経緯に基づく平均的な或いは大凡のパージ燃料量の影響が加味されている。

しかしながら、パージ実行中で且つアクティブ制御中において、実際ないし現在のパージ燃料量は、必ずしもパージ濃度学習値Ｋｐに相当する燃料量と等しくならない。このため実際のパージ燃料量が例えばパージ濃度学習値相当の燃料量よりも多いときには、基本噴射量Ｑｂがストイキ相当量よりも少なくなり、アクティブ噴射量Ｑａも目標空燃比相当の噴射量より少なくなり、結果的に空燃比が目標空燃比よりリーンとなってしまう。即ち、実際のパージ燃料量がパージ濃度学習値相当の燃料量よりも多いと、触媒前センサ１７の出力が目標空燃比よりもリッチ側に振れ、このリッチ誤差を解消するよう負の空燃比フィードバック補正項Ｑｆｂが算出される。そうなると計算される基本噴射量Ｑｂがストイキ相当量よりも少なくなる。アクティブ噴射量Ｑａが基本噴射量Ｑｂと、定数であるアクティブ係数Ｋａとの積であるため、基本噴射量Ｑｂがストイキ相当量よりも少なくなると、計算されるアクティブ噴射量Ｑａも目標空燃比相当の噴射量より少なくなる。結果的に、実際の噴射量が目標空燃比相当の噴射量より少なくなり、触媒前センサ１７に供給される排気ガスの空燃比（入力空燃比ｕ（ｔ））が目標空燃比よりリーンとなる。なお、実際のパージ燃料量がパージ濃度学習値相当の燃料量よりも少ないときには、逆の原理でアクティブ噴射量Ｑａが目標空燃比相当の噴射量より多くなり、結果的に空燃比が目標空燃比よりリッチとなる。

このように、パージ実行中にアクティブ制御を行ったとき、実際のパージ燃料量に応じて入力空燃比ｕ（ｔ）が目標空燃比に対して誤差を生じるという問題がある。

そこでこの問題を解決するため、ＥＣＵ２０によりアクティブ噴射量Ｑａを計算する際の計算方法を次のように変更する。まず、前式（２４）により基本噴射量Ｑｂが算出され、次に、次式（２６）により、推定値としてのパージ燃料量Ｑｐが算出される。

このパージ燃料量Ｑｐは、実際のパージガスに含まれている燃料量の推定値である。なおＫｐを１００で除しているのは、Ｋｐがパーセントの単位を持つ値だからである。こうして実際のパージ燃料量Ｑｐが、基本噴射量Ｑｂとは別個独立した値として推定される。

次に、基本噴射量Ｑｂと推定パージ燃料量Ｑｐとに基づき、次式（２７）により、基本噴射量Ｑｂに対し増量或いは減量されるアクティブ増減噴射量ΔＱが算出される。

但し、増量時（リッチ空燃比制御時）のアクティブ係数Ｋａは１．０３５、減量時（リーン空燃比制御時）のアクティブ係数Ｋａは０．９６５である。

最後に、基本噴射量Ｑｂとアクティブ増減噴射量ΔＱとに基づき、アクティブ噴射量Ｑａが次式（２８）により算出される。なお、こうして算出されたアクティブ噴射量Ｑａに応じた時間だけインジェクタ１２が通電され、アクティブ噴射量Ｑａに等しい量の燃料がインジェクタ１２から噴射されることとなる。

この計算方法によれば、推定パージ燃料量Ｑｐを基本噴射量Ｑｂとは別に算出し、基本噴射量Ｑｂ及び推定パージ燃料量Ｑｐの和に対して（Ｋａ−１）を乗じて増量或いは減量分のアクティブ増減噴射量ΔＱを算出し、このアクティブ増減噴射量ΔＱを基本噴射量Ｑｂに加算してアクティブ噴射量Ｑａを求めるようにしている。特に、推定パージ燃料量Ｑｐを基本噴射量Ｑｂとは別に算出するので、実際のパージ燃料量の増減の影響をアクティブ噴射量Ｑａに色濃く反映させることができる。具体的には、推定パージ燃料量Ｑｐに対して（Ｋａ−１）を乗じ、推定パージ燃料量Ｑｐ単独についての増量或いは減量分を求め（式（２７））、これを基本噴射量Ｑｂに加算してアクティブ噴射量Ｑａを求めている（式（２８））。この結果、実際のパージ燃料量の大小に拘わらず、アクティブ噴射量Ｑａの算出精度を高め、ひいては入力空燃比ｕ（ｔ）の精度を向上し、同定精度や診断精度を高めることが可能となる。

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、前記実施形態では一次遅れモデルにおける同定手法として逐次最小自乗法を用いたが、他にも様々な同定手法が採用可能であり、例えばカルマンフィルタ法等が採用可能である。

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。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。むだ時間算出方法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１１に対応した概略図である。むだ時間算出方法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１３に対応した概略図である。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。内燃機関の運転領域の区分と、学習完了・未完了領域及びこの間の運転状態の移行を示す図である。第１の態様に係るフローチャートである。第１の態様に係る別の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
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３０燃料タンク
３１キャニスタ
３２パージ通路
３３パージ制御弁
Ａ／Ｆｃ中心空燃比
ｕ（ｔ）入力空燃比
ｙ（ｔ）出力空燃比
Ｑｂ基本噴射量
Ｋｇ学習値
Ｋｆｂ空燃比学習値
Ｋｐパージ濃度学習値
Ｑａアクティブ噴射量
Ｑｐパージ燃料量
ｋゲイン
Ｔ時定数

Claims

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、
燃料噴射弁からの燃料噴射量を周期的に増減して入力としての空燃比を所定の中心空燃比に対してリッチ側及びリーン側に交互に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段と、
アクティブ制御中、前記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前記入力と、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、
前記アクティブ制御手段は、前記中心空燃比に相当する燃料噴射量（中心噴射量）を所定の学習値に基づいて算出し、この中心噴射量に基づいてアクティブ制御中の燃料噴射量を算出して前記燃料噴射弁から噴射させるものであり、
前記学習値は、複数に分割された内燃機関の運転領域毎に学習されるものであり、
前記アクティブ制御及び同定の実行中に内燃機関の運転状態が学習完了領域と学習未完了領域との間で移行したとき、移行直後に同定を一時的に停止させるか、又は移行と同時に前記アクティブ制御及び同定を中止させる移行時禁止手段をさらに備える
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
前記移行時禁止手段は、移行直後に同定を一時的に停止させるものであり、且つ、前記移行時から、前記アクティブ制御が所定周期を終了するまでの間、同定を停止させるものである
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。
前記学習値は、空燃比学習値とパージ濃度学習値とを含む
ことを特徴とする請求項１又は２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３のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。