JP4525196B2 - 空燃比センサの異常検出装置 - Google Patents

Description

この発明は空燃比センサの異常検出装置に関し、特に、内燃機関等の排気ガスの酸素濃度を測定する酸素センサの異常検出装置に適用して好適である。

従来から、内燃機関の排気ガス中のエミッションを低下させるために、内燃機関の排気系に取り付けたＡ／Ｆセンサ（酸素センサ）の出力信号に基づいて、内燃機関に供給する燃料混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）が制御されている。

このようなＡ／Ｆセンサの異常を判定する方法として、オープンループ制御によりＡ／Ｆをリーン／リッチに強制振動させて、そのときのセンサ出力の応答性からＡ／Ｆセンサの異常を検出する方法が知られている。

特許第２８３７６９０号公報 特開平６−３４５９７号公報 特開平８−１００６３５号公報 特公平７−４２８８４号公報

オープンループ制御でＡ／Ｆをリーン／リッチに強制振動させる場合、Ａ／Ｆがストイキとなるベース燃料噴射量に対して一定量の燃料噴射量を増量、減量する。この方法によれば、フィードバック制御のようにＡ／Ｆセンサの出力に応じて燃料噴射量を補正することがないため、Ａ／Ｆセンサの応答性を直接的に検出することができるが、ベース燃料噴射量に誤差が含まれる場合、誤差分を補正してベース燃料噴射量をストイキに対応した値に戻す制御はできない。

ベース燃料噴射量は吸入空気量に応じて定められるが、吸入空気量の検出値に誤差が含まれる場合、この誤差に応じてベース燃料噴射量が変動してしまうという問題が発生する。また、燃料噴射弁による燃料噴射量にも誤差が含まれることがある。従って、オープンループ制御の場合にベース燃料噴射量をストイキに対応した正確な値に設定することは困難である。そして、ベース燃料噴射量がストイキに対応した噴射量から外れている状態で、ベース燃料噴射量に対して燃料噴射量を増量、減量すると、Ａ／Ｆが過度にリッチ側、またはリーン側へ制御されてしまうこととなる。これにより、エミッション、ドライバビリティが悪化するという問題が発生する。

オープンループ制御によりＡ／Ｆセンサの異常検出を行う以前にはフィードバック制御により空燃比が制御されているため、フィードバック制御における目標Ａ／Ｆと実出力の偏差の学習値に基づいて、オープンループ制御におけるベース燃料噴射量を設定する方法も考えられる。しかしながら、フィードバック制御における学習値自体にも誤差が含まれるため、学習値に基づいて、オープンループ制御におけるベース燃料噴射量をストイキに対応した値に正確に設定することは困難である。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、オープンループ制御により燃料噴射量を増減させて空燃比センサの異常を検出する際に、エミッション、ドライバビリティの悪化させることなく異常検出を行うことを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、空燃比が目標値となるベース燃料噴射量を基準として燃料噴射量をリッチ側又はリーン側に強制的かつ周期的に増減させる空燃比アクティブ制御の実施中に、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検出する異常検出装置において、前記空燃比アクティブ制御による燃料噴射量の増減に応じて変動する前記空燃比センサの出力のなまし出力を算出し、算出したなまし出力と前記目標値との偏差を求める偏差取得手段と、前記偏差に０よりも大きく１よりも小さい係数を乗じて算出される値を０に近づけるように前記ベース燃料噴射量をフィードバック補正するフィードバック手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記目標値は、理論空燃比に対応した前記空燃比センサの出力であることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料噴射量をリッチ側又はリーン側に強制的かつ周期的に増減させた際の空燃比センサの出力のなまし出力と目標値との偏差に０よりも大きく１よりも小さい係数を乗じて算出される値を０に近づけるようにベース燃料噴射量を補正することができるため、空燃比が過度にリーン側またはリッチ側へ変動してしまうことを抑止でき、エミッション、ドライバビリティを向上させることが可能となる。

第２の発明によれば、目標値を理論空燃比に対応した値とすることで、ベース燃料噴射量を理論空燃比に対応した値に制御することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の各実施の形態にかかる空燃比センサの異常検出装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。

エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０は、吸気通路１２を流れる空気流入量Ｇａを検出するセンサである。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。

スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンク２８の更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。

排気通路１４には、上流側触媒（スタートキャタリスト）３２と下流側触媒（ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒または３元触媒）３４とが直列に配置されている。排気通路１４における上流側触媒３２の上流には、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）３５が配置されている。空燃比センサ３５は排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサであって、上流側触媒３２に流入する排気ガス中の酸素濃度に基づいて内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比を検出するものである。また、排気通路１４における上流側触媒３２と下流側触媒３４の間には、Ｏ２センサ３８が配置されている。

図１に示すように、本実施形態の異常検出装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、車速ＳＰＤを検出する車速センサ４４などが接続されている。

本実施形態の異常検出装置は、オープンループ制御により、ベース噴射量を基準として燃料噴射弁３０から噴射する燃料噴射量を周期的に増減させる制御（空燃比アクティブ制御）を行い、そのときの空燃比センサ３５の応答性からセンサの異常を検出する。オープンループ制御により燃料噴射量を増減させることで、空燃比センサ３５の応答性を直接的に検出することができ、異常検出を正確に行うことができる。

オープンループ制御による空燃比アクティブ制御では、ベース燃料噴射量ＴＡＵに対して所定の噴射量ΔTauを増量または減量することで、燃料噴射量を周期的に増減させる。ベース燃料噴射量ＴＡＵは、ストイキ（＝１４．６）の空燃比に対応した燃料噴射量であって、吸入空気量Ｇａに基づいて求められる値である。また、ΔTauは、ベース燃料噴射量に所定の比率を乗算して得られる値である。従って、吸入空気量Ｇａが異なる条件下ではベース燃料噴射量ＴＡＵは異なり、ベース燃料噴射量ＴＡＵに応じてΔTauの値も異なる値となる。

図２は、オープンループ制御により空燃比アクティブ制御を行った場合の、車速、Ａ／Ｆセンサ３５の出力（Ａ／Ｆ出力５０）、Ａ／Ｆ出力５０と目標Ａ／Ｆ出力６０との偏差（ΔＡ／Ｆ）の変動を示すタイミングチャートである。図２の例では、車速が６０（ｋｍ／ｈ）、８０（ｋｍ／ｈ）、１００（ｋｍ／ｈ）のそれぞれの場合に、空燃比アクティブ制御を行っている。すなわち、図２において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの区間、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの区間、および時刻ｔ５以降の区間で空燃比アクティブ制御を行っている。従って、これらの区間では、Ａ／Ｆ出力５０は燃料噴射量の増減に応じてリッチ／リーンに変動する。本実施形態の装置では、Ａ／Ｆ出力５０から求めた出力の軌跡長、またはＡ／Ｆ出力５０と目標Ａ／Ｆ出力６０とによって囲まれる面積に基づいて、空燃比センサ３５の応答性を評価し、空燃比センサ３５の異常検出を行う。ここで、目標Ａ／Ｆ出力６０は、ストイキに対応した量の燃料が燃料噴射弁３０から噴射された場合のＡ／Ｆセンサ５０の出力である。ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁３０における燃料噴射量に対応した目標Ａ／Ｆ出力６０の値を予め記憶している。

図２に示すように、オープンループ制御でＡ／Ｆを強制振動させた場合、Ａ／Ｆ出力５０の中心値が、目標Ａ／Ｆ出力６０から外れる場合がある。図２の例では、車速６０（ｋｍ／ｈ）及び８０（ｋｍ／ｈ）の場合に、Ａ／Ｆ出力５０の中心値が目標Ａ／Ｆ出力６０に対してリーン側へシフトしている。また、車速１００（ｋｍ／ｈ）の場合には、Ａ／Ｆ出力５０の中心値が目標Ａ／Ｆ出力６０に対してリッチ側へシフトしている。このように、Ａ／Ｆ出力５０の中心値が目標Ａ／Ｆ出力から外れると、エミッション、ドライバビリティが悪化する場合がある。

そこで、本実施形態の装置では、周期的に変動するＡ／Ｆ出力５０になまし処理を施して、Ａ／Ｆ出力５０の中心値（なましＡ／Ｆ出力５５）を求め、なましＡ／Ｆ出力５５が目標Ａ／Ｆ６０出力と一致するように燃料噴射量のフィードバック制御を行う。

Ａ／Ｆ出力５０は、所定のタイミング毎に空燃比センサ３５から検出される。そして、所定のタイミング毎に検出されたＡ／Ｆ出力５０を用いて、以下の（１）式からなましＡ／Ｆ出力５５を算出する。
ａ_ｎ＋１＝ａ_ｎ＋（ｂ_ｎ＋１−ａ_ｎ）／Ｋ ・・・（１）

（１）式において、ｂ_ｎ＋１は、空燃比アクティブ制御を開始してから第ｎ＋１回目に検出されたＡ／Ｆ出力５０である。また、ａ_ｎ＋１は、ｂ_ｎ＋１を用いて算出されたなましＡ／Ｆ出力５５である。（１）式に示されるように、なましＡ／Ｆ出力５５（ａ_ｎ＋１）は、Ａ／Ｆ出力５０（ｂ_ｎ＋１）と前回算出されたなましＡ／Ｆ出力５５（ａ_ｎ）とから算出される。なお、Ａ／Ｆ出力５５は、例えばサンプリング周期毎に検出し、サンプリング周期毎に（１）式の演算を行ってなましＡ／Ｆ出力５５を算出する。（１）式から算出されたなましＡ／Ｆ出力５５は、Ａ／Ｆ出力５０のノイズの影響を受けにくいため、リーン／リッチに振動するＡ／Ｆ出力５０の中心値を正確に算出することができる。

なましＡ／Ｆ出力５５を算出した後、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ出力６０との偏差（ストイキずれ量ΔＡ／Ｆ）を算出する。そして、フィードバック制御により、ΔＡ／Ｆに応じてベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する。そして、補正したベース燃料噴射量ＴＡＵに対してΔTauの燃料量を増量、減量する。

図３は、上述した方法で、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正しながら空燃比アクティブ制御を行った場合の各出力を示すタイミングチャートである。ここでは、ΔＡ／Ｆが０となるようにベース燃料噴射量ＴＡＵをフィードバック制御している。これにより、図２においてリッチ側またはリーン側にシフトしていたＡ／Ｆ出力５０は、目標Ａ／Ｆ出力６０を中心とした出力となる。

このように、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正しながら空燃比アクティブ制御を行うことで、図３に示すようにリッチ／リーンに強制振動させたＡ／Ｆ出力５０の中心値を目標Ａ／Ｆ出力６０とほぼ一致させることができる。これにより、空燃比が過度にリッチまたはリーンに変動してしまうことを抑えることができ、エミッション、ドライバビリティの悪化を抑止することができる。

図３の例では、なましＡ／Ｆ出力５５に基づいてストイキずれ量ΔＡ／Ｆを算出したが、Ａ／Ｆ出力５０のリッチ側のピーク値とリーン側のピーク値の平均値を求め、この平均値と目標Ａ／Ｆ６０との偏差をストイキずれ量ΔＡ／Ｆとしてもよい。

次に、図４及び図５のフローチャートに基づいて、本実施形態にかかる異常検出装置における処理の手順を説明する。ここで、図４はベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する処理を示している。また、図５は空燃比センサ３５の異常を判定する処理を示している。

最初に、図４のフローチャートに基づいて、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する処理について説明する。先ず、ステップＳ１では、アクティブ制御条件が成立しているか否かを判定する。ここで、アクティブ制御条件の成立している場合とは、定速運転時など負荷変動の少ない運転条件の場合、空燃比センサ３５が活性状態に達している場合、水温が適温に達している場合、触媒温度が適温に達している場合、などをいう。アクティブ制御条件が成立している場合はステップＳ２へ進み、アクティブ制御条件が成立していない場合はステップＳ１で待機する。

ステップＳ２では、ベース燃料噴射量ＴＡＵを算出する。ベース燃料噴射量ＴＡＵは吸入空気量Ｇａの関数であり、ここでは現時点の吸入空気量Ｇａと理論空燃比とからベース燃料噴射量ＴＡＵを算出する。次のステップＳ３では、ベース燃料噴射量ＴＡＵに補正係数αを乗算して、ベース燃料噴射量ＴＡＵの補正値ＴＡＵ_補正値を算出する。後述するように、補正係数αはストイキずれ量ΔＡ／Ｆの関数であり、αの初期値は例えば１に設定しておく。

次のステップＳ４では、アクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａを算出する。ここでは、ＴＡＵ_補正値に対して、ＴＡＵ_補正値の一定の割合（＝ｓ）の燃料噴射量ΔTauを加算または減算してアクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａを算出する。すなわち、ＴＡＵ_Ａ＝ＴＡＵ_補正値±ｓ×ＴＡＵ_補正値の演算を行ってリッチ側、リーン側のＴＡＵ_Ａをそれぞれ算出する。

次のステップＳ５では、アクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａによる空燃比アクティブ制御を実施し、所定の周期で燃料噴射量を増減させる。次のステップＳ６では、このとき空燃比センサ３５から得られるＡ／Ｆ出力５０を検出する。

次のステップＳ７では、ステップＳ６で検出したＡ／Ｆ出力５０の軌跡長を求める。次のステップＳ８では、Ａ／Ｆ出力５０になまし処理を施して、なましＡ／Ｆ出力５５を求める。次のステップＳ９では、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ出力６０との差分をとり、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆを算出する。

次のステップＳ１０では、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが所定のしきい値ＴＨ以下であるか否かを判定する。すなわち、ここでは、ΔＡ／Ｆ≦ＴＨであるか否かを判定する。ΔＡ／Ｆ≦ＴＨの場合は、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが許容範囲内であるため、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する必要は生じない。従って、この場合はステップＳ１１へ進み、補正係数αの値を初期化（α＝１）する。

一方、ステップＳ１０でΔＡ／Ｆ＞ＴＨの場合は、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが許容範囲を超えているため、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する必要がある。この場合は、ステップＳ１２へ進み、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆに応じた補正係数αを求める。この際、ΔＡ／Ｆと補正係数αとの関係を規定したマップから補正係数αを求める。または、ΔＡ／Ｆに所定のゲインＧを乗算して補正係数αを算出してもよい。ステップＳ１２の後はステップＳ３へ戻り、ステップＳ３以降の処理を再び行う。この際、ステップＳ３において、補正係数αの値がストイキずれ量ΔＡ／Ｆに応じた値に設定されているため、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆに応じてベース燃料噴射量ＴＡＵを補正して、補正値ＴＡＵ_補正値を求めることができる。そして、ステップＳ４では、補正値ＴＡＵ_補正値に基づいてアクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａが算出され、ステップＳ５でアクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａによる空燃比アクティブ制御が実施される。

次に、図５のフローチャートに基づいて、空燃比センサ３５の異常を判定する処理について説明する。先ず、ステップＳ２１では、ダイアグ判定条件が成立しているか否かを判定する。ここでは、例えば燃料噴射量の増減が所定回数以上行われたか否かを判定する。そして、所定回数以上の燃料噴射量の増減が行われた場合は、異常判定を行うために必要なＡ／Ｆ出力５０の軌跡長が算出されているため、ダイアグ判定条件が成立したと判定し、ステップＳ２２へ進む。一方、燃料噴射量の増減が所定回数に達していない場合は、Ａ／Ｆ出力５０の軌跡長が異常判定を行う値に達していないため、ダイアグ判定条件が成立していないと判定し、処理を終了する（RETURN）。

ステップＳ２２では、図４のステップＳ７の処理によって算出されたＡ／Ｆセンサ出力５０の軌跡長を積算し、積算値が所定の規定値以下であるか否かを判定する。ステップＳ２２で軌跡長の積算値が所定の規定値以下の場合は、Ａ／Ｆセンサ出力５０が低下しているため、ステップＳ２３へ進み、空燃比センサ３５の異常判定を行う。一方、ステップＳ２２で軌跡長の積算値が所定の規定値より大きい場合は、正常なＡ／Ｆセンサ出力５０が得られているため、ステップＳ２４へ進み、空燃比センサ３５が正常であると判定する。

図４の処理によれば、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ出力６０との偏差からストイキずれ量ΔＡ／Ｆを算出し、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆをフィードバックしてベース燃料噴射量ＴＡＵの補正値ＴＡＵ_補正値を算出するようにしたため、ベース燃料噴射量ＴＡＵを理論空燃比に対応した量に補正することが可能となる。そして、ベース燃料噴射量ＴＡＵを適正化することで、空燃比アクティブ制御において、空燃比が過度にリーン側またはリッチ側へ変動してしまうことを抑えることができ、エミッション、ドライバビリティが悪化してしまうことを抑止できる。

なお、図５の処理では、Ａ／Ｆセンサ出力５０の軌跡長に基づいて空燃比センサ３５の異常判定を行ったが、Ａ／Ｆ出力５０と目標Ａ／Ｆ出力６０とによって囲まれる面積に基づいて異常判定を行ってもよい。

以上説明したように実施の形態１によれば、オープンループ制御により空燃比アクティブ制御を行って空燃比センサ３５の異常検出を行う場合において、Ａ／Ｆ出力５０の中心値が目標Ａ／Ｆ６０と一致するように制御を行うことが可能となる。従って、空燃比が過度にリーン側またはリッチ側へ変動してしまうことを抑止でき、エミッション、ドライバビリティの悪化を抑制することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、実施の形態１の方法で空燃比センサ３５の異常検出を行う場合において、より短時間かつ高精度にＡ／Ｆ出力５０の中心値を目標Ａ／Ｆ６０に一致させるものである。

実施の形態１で説明したように、なましＡ／Ｆ出力５５は（１）式から算出する。この際、Ａ／Ｆ出力５０はリッチ／リーンに周期的に変動しているため、（１）式におけるなまし係数Ｋが小さいと、なましＡ／Ｆ出力５５もリッチ／リーンに変動してしまう場合がある。この場合、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ６０との偏差（ストイキずれ量ΔＡ／Ｆ）が変動するため、ベース燃料噴射量ＴＡＵへのフィードバック量が変動する。このような場合、ベース燃料噴射量ＴＡＵへのフィードバック量の制御性を高めるためには、（１）式におけるなまし係数Ｋをできるだけ大きくすることが望ましい。

ところが、なまし係数Ｋを大きくし過ぎると、なましＡ／Ｆ出力５５が収束して一定値に達するまでの時間が長くなり、Ａ／Ｆ出力５０の中心値に対してなましＡ／Ｆ出力５５が遅れた出力となる。この場合、Ａ／Ｆ出力５０の中心値となましＡ／Ｆ出力５５が一致するまでの時間が比較的長くなるため、ベース燃料噴射量ＴＡＵを制御してＡ／Ｆ出力５０の中心値を目標Ａ／Ｆ６０に一致させるまでに一定の時間を要してしまう場合がある。

このため実施の形態２では、なましＡ／Ｆ出力５５が変動することによる制御への影響を抑えるため、Ａ／Ｆ出力５０を縮小して、縮小Ａ／Ｆ出力５２を求めるようにしている。そして、縮小Ａ／Ｆ出力５２に対してなまし処理を実施する。

縮小Ａ／Ｆ出力５２は以下の式から算出する。
縮小Ａ／Ｆ出力＝目標Ａ／Ｆ＋（Ａ／Ｆ出力−目標Ａ／Ｆ）／Ｓ
上式において、係数ＳはＡ／Ｆ出力５０を縮小する際の縮小率を示している。ここで、縮小Ａ／Ｆ出力５２はＡ／Ｆ出力５０の１／３〜１／５程度が好適であるため、係数Ｓの値は３〜５程度の値としておく。

縮小Ａ／Ｆ出力５２をＡ／Ｆ出力の１／３よりも大きくすると、Ａ／Ｆ出力５０を縮小したことによる効果が小さくなる。一方、縮小Ａ／Ｆ出力５２をＡ／Ｆ出力の１／５よりも小さくすると、縮小Ａ／Ｆ出力５２から求めたなましＡ／Ｆ出力５５も小さくなるため、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが小さくなり、制御性が低下する場合がある。従って、縮小Ａ／Ｆ出力５２は、Ａ／Ｆ出力５０の１／３〜１／５程度とするのが好適である。

図６は、Ａ／Ｆ出力５０、縮小Ａ／Ｆ出力５２、なましＡ／Ｆ出力５５、目標Ａ／Ｆ６０を示すタイミングチャートである。

図６では、Ａ／Ｆ出力５０を縮小して縮小Ａ／Ｆ出力５２を求めた後、縮小Ａ／Ｆ出力５２に対して実施の形態１で説明したなまし処理を実施してなましＡ／Ｆ出力５５を求めている。これにより、Ａ／Ｆ出力５０の変動に起因したなましＡ／Ｆ出力５５の変動を最小限に抑えることができる。

これにより、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ６０との偏差（ストイキずれ量ΔＡ／Ｆ）の変動を抑えることができ、なましＡ／Ｆ出力５５に基づいて実施の形態１と同様に制御することで、ベース燃料噴射量ＴＡＵへのフィードバック量の制御性を高めることが可能となる。

また、なまし係数Ｋの値をより小さな値に設定することができるため、なましＡ／Ｆ出力５５が一定値に収束するまでの時間を短くすることができ、Ａ／Ｆ出力５０に対するなましＡ／Ｆ出力５５の時間遅れを最小限に抑えることができる。従って、実施の形態２の方法によれば、なまし係数Ｋの値を小さくした状態で、ベース燃料噴射量ＴＡＵの制御性を高めることができる。これにより、短時間でベース燃料噴射量ＴＡＵを目標Ａ／Ｆ６０に到達させることが可能である。

図７は、実施の形態２の方法で、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正しながら空燃比アクティブ制御を行った場合の各出力を示すタイミングチャートである。図７のタイミングチャートでは、Ａ／Ｆ出力（Ａ／Ｆ出力５０、なましＡ／Ｆ出力５５、縮小Ａ／Ｆ出力５２、目標Ａ／Ｆ６０）、Ｆ／Ｂ補正係数α、燃料噴射量、空燃比学習値、をそれぞれ示している。図７のＦ／Ｂ補正係数αは、図４で説明した補正係数αに相当する係数であって、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆの関数である。

図７のタイミングチャートの例では、なまし係数Ｋの値をより小さな値に設定し、Ｋ＝３２としている。そして、なまし係数Ｋを小さくした場合のベース燃料噴射量ＴＡＵの制御性を確認するために、時刻ｔ１１と時刻ｔ１２において空燃比学習値を意図的に変更している。すなわち、時刻１１の時点では空燃比学習値を０．０５（５％）だけリーン側へ変更し、時刻ｔ１２の時点では空燃比学習値を０．０５（５％）だけリッチ側へ変更している。これにより、時刻ｔ１１で空燃比学習値がリーン側へ変更された直後は、ベース燃料噴射量ＴＡＵがリーン側へ変動し、時刻ｔ１２で空燃比学習値がリッチ側へ変更された直後は、ベース燃料噴射量ＴＡＵがリッチ側へ変動している。

図７に示すように、時刻ｔ１１でベース燃料噴射量ＴＡＵがリーン側へ変動すると、Ａ／Ｆ出力５０、縮小Ａ／Ｆ出力５２がリーン側へ変動し、縮小Ａ／Ｆ出力５２から算出されたなましＡ／Ｆ出力５５もリーン側へ変動する。

なましＡ／Ｆ出力５５がリーン側に変動すると、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ出力６０との偏差ΔＡ／Ｆが大きくなり、図７に示すようにΔＡ／Ｆの値に応じて補正係数αの値が１よりも大きな値に設定される。従って、補正係数αとベース燃料噴射量ＴＡＵを乗算することで、補正係数αに基づいてベース燃料噴射量ＴＡＵがストイキ側に補正される。

同様に、時刻ｔ１２でベース燃料噴射量ＴＡＵがリッチ側へ変動すると、Ａ／Ｆ出力５０、縮小Ａ／Ｆ出力５２がリッチ側へ変動し、縮小Ａ／Ｆ出力５２から算出されたなましＡ／Ｆ出力５５がリッチ側へ変動する。

なましＡ／Ｆ出力５５がリッチ側に変動すると、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ出力６０との偏差ΔＡ／Ｆが大きくなり、図７に示すようにΔＡ／Ｆの値に応じて補正係数αの値が１よりも小さな値に設定される。従って、補正係数αとベース燃料噴射量ＴＡＵを乗算することで、補正係数αに基づいてベース燃料噴射量ＴＡＵがストイキ側に補正される。

図７に示すように、なまし係数Ｋを小さくした場合であっても、空燃比学習値を５％変更した時刻ｔ１１、時刻ｔ１２の時点からＡ／Ｆ出力５０の変動の２〜３周期が経過した後には、ベース燃料噴射量ＴＡＵがストイキに収束している。従って、実施の形態２の方法によれば、なましＡ／Ｆ出力５５を縮小Ａ／Ｆ出力５２から求めることで、短時間でベース燃料噴射量ＴＡＵを所望の値に収束させることが可能である。

次に、図８のフローチャートに基づいて、実施の形態２におけるベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する処理について説明する。先ず、ステップＳ２１では、アクティブ制御条件が成立しているか否かを判定する。ここで、アクティブ制御条件の成立している場合とは、定速運転時など負荷変動の少ない運転条件の場合、空燃比センサ３５が活性状態に達している場合、水温が適温に達している場合、触媒温度が適温に達している場合、などをいう。アクティブ制御条件が成立している場合はステップＳ２２へ進み、アクティブ制御条件が成立していない場合はステップＳ２１で待機する。

ステップＳ２２では、ベース燃料噴射量ＴＡＵを算出する。ベース燃料噴射量ＴＡＵは吸入空気量Ｇａの関数であり、ここでは現時点の吸入空気量Ｇａと理論空燃比とからベース燃料噴射量ＴＡＵを算出する。次のステップＳ２３では、ベース燃料噴射量ＴＡＵに補正係数αを乗算して、ベース燃料噴射量ＴＡＵの補正値ＴＡＵ_補正値を算出する。後述するように、補正係数αはストイキずれ量ΔＡ／Ｆの関数であり、αの初期値は例えば１に設定しておく。

次のステップＳ２４では、アクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａを算出する。ここでは、ＴＡＵ_補正値に対して、ＴＡＵ_補正値の一定の割合（＝ｓ）の燃料噴射量ΔTauを加算または減算してアクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａを算出する。すなわち、ＴＡＵ_Ａ＝ＴＡＵ_補正値±ｓ×ＴＡＵ_補正値の演算を行ってリッチ側、リーン側のＴＡＵ_Ａをそれぞれ算出する。

次のステップＳ２５では、アクティブ噴射量ＴＡＵ_Ａによる空燃比アクティブ制御を実施し、所定の周期で燃料噴射量を増減させる。次のステップＳ２６では、このとき空燃比センサ３５から得られるＡ／Ｆ出力５０を検出する。次のステップＳ２７では、ステップＳ２６で検出したＡ／Ｆ出力５０の軌跡長を求める。

次のステップＳ２８では、ステップＳ２６で検出したＡ／Ｆ出力５０から縮小Ａ／Ｆ出力５２を算出する。次のステップＳ２９では、ステップＳ２８で算出した縮小Ａ／Ｆ出力５２になまし処理を施して、なましＡ／Ｆ出力５５を求める。次のステップＳ３０では、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ出力６０との差分をとり、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆを算出する。

次のステップＳ３１では、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが所定のしきい値ＴＨ以下であるか否かを判定する。すなわち、ここでは、ΔＡ／Ｆ≦ＴＨであるか否かを判定する。ΔＡ／Ｆ≦ＴＨの場合は、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが許容範囲内であるため、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する必要は生じない。従って、この場合はステップＳ３２へ進み、補正係数αの値を初期化（α＝１）する。

一方、ステップＳ３１でΔＡ／Ｆ＞ＴＨの場合は、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆが許容範囲を超えているため、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する必要がある。この場合は、ステップＳ３３へ進み、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆに応じた補正係数αを求める。この際、ΔＡ／Ｆと補正係数αとの関係を規定したマップから補正係数αを求める。または、ΔＡ／Ｆに所定のゲインＧを乗算して補正係数αを算出してもよい。ステップＳ３３の後はステップＳ２３へ戻り、ステップＳ２３以降の処理を再び行う。この際、ステップＳ２３において、補正係数αの値がストイキずれ量ΔＡ／Ｆに応じた値に設定されているため、ストイキずれ量ΔＡ／Ｆに応じてベース燃料噴射量ＴＡＵを補正することが可能となる。

図８の処理が終了した後は、実施の形態１と同様に、図５のフローチャートに基づいて空燃比センサ３５の異常を判定する処理を行う。

以上説明したように実施の形態２によれば、Ａ／Ｆ出力５０を縮小して縮小Ａ／Ｆ出力５２を求めた後、縮小Ａ／Ｆ出力５２に対してなまし処理を実施するようにしたため、なましＡ／Ｆ出力５５の変動を抑えることができる。従って、なましＡ／Ｆ出力５５と目標Ａ／Ｆ６０との偏差（ストイキずれ量ΔＡ／Ｆ）の変動を抑えることができ、ベース燃料噴射量ＴＡＵへのフィードバック量の制御性を高めることが可能となる。

また、なまし係数Ｋの値をより小さな値に設定することができるため、なましＡ／Ｆ出力５５が一定値に収束するまでの時間を短くすることができ、Ａ／Ｆ出力５０に対するなましＡ／Ｆ出力５５の時間遅れを最小限に抑えることができる。従って、なまし係数Ｋの値を小さくした状態でベース燃料噴射量ＴＡＵの制御性を高めることができ、短時間でベース燃料噴射量ＴＡＵを目標Ａ／Ｆ６０に到達させることが可能となる。

なお、実施の形態２では、縮小Ａ／Ｆ出力５２からなましＡ／Ｆ出力５５を求めてストイキずれ量ΔＡ／Ｆを算出したが、実施の形態１で説明したように、縮小Ａ／Ｆ出力５２のリッチ側のピーク値とリーン側のピーク値の平均値を求め、この平均値と目標Ａ／Ｆ６０との偏差をストイキずれ量ΔＡ／Ｆとしてもよい。

また、実施の形態１の方法でＡ／Ｆ出力５０から直接なましＡ／Ｆ出力５５を求めた後、なましＡ／Ｆ出力５５を縮小するようにしても良い。この方法でも、縮小したなましＡ／Ｆ出力における変動を最小限に抑えることができ、ベース燃料噴射量ＴＡＵの制御性を高めることができる。

本発明の各実施の形態にかかる空燃比センサの異常検出装置及びその周辺の構造を説明するための模式図である。 オープンループ制御により空燃比アクティブ制御を行った場合の各出力を示すタイミングチャートである。 ベース燃料噴射量を補正しながら空燃比アクティブ制御を行った場合の各出力を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１にかかる異常検出装置において、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１にかかる異常検出装置において、空燃比センサの異常を判定する処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、Ａ／Ｆ出力、なましＡ／Ｆ出力、縮小Ａ／Ｆ出力、目標Ａ／Ｆを示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２において、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正しながら空燃比アクティブ制御を行った場合の各出力を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる異常検出装置において、ベース燃料噴射量ＴＡＵを補正する処理を示すフローチャートである。

符号の説明

３０ 燃料噴射弁
３５ Ａ／Ｆセンサ
４０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 空燃比が目標値となるベース燃料噴射量を基準として燃料噴射量をリッチ側又はリーン側に強制的かつ周期的に増減させる空燃比アクティブ制御の実施中に、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検出する異常検出装置において、
   前記空燃比アクティブ制御による燃料噴射量の増減に応じて変動する前記空燃比センサの出力のなまし出力を算出し、算出したなまし出力と前記目標値との偏差を求める偏差取得手段と、
   前記偏差に０よりも大きく１よりも小さい係数を乗じて算出される値を０に近づけるように前記ベース燃料噴射量をフィードバック補正するフィードバック手段と、
   を備えたことを特徴とする空燃比センサの異常検出装置。
2. 前記目標値は、理論空燃比に対応した前記空燃比センサの出力であることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの異常検出装置。

Images