(57)【要約】【課題】十分な診断精度を確保し、誤診断を未然に防止する。【解決手段】本発明によれば、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサであって、触媒層を有するセンサ素子を備えた空燃比センサの異常診断装置が提供される。空燃比センサに供給される排気ガスの空燃比を所定の中心空燃比を境にリッチおよびリーンに交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行する。空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定し、使用初期状態にあると判定したとき、アクティブ空燃比制御における中心空燃比を所定の基準値よりもリッチ側またはリーン側にシフトさせる。【選択図】図５
2011185205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサであって、触媒層を有するセンサ素子を備えた空燃比センサの異常診断装置であって、
前記空燃比センサに供給される排気ガスの空燃比を所定の中心空燃比を境にリッチおよびリーンに交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記空燃比センサが使用初期状態にあると判定されたとき、前記アクティブ空燃比制御における前記中心空燃比を所定の基準値よりもリッチ側またはリーン側にシフトさせるシフト手段と、
を備えることを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記空燃比センサの慣らし度合いに相関するパラメータに基づいて、前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する
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診断装置。
【請求項３】
前記パラメータが、前記空燃比センサの温度に応じて変化する温度パラメータの積算値からなる
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。
【請求項４】
前記パラメータが、前記内燃機関が搭載された車両の走行距離からなる
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。
【請求項５】
前記判定手段は、前記基準値を前記中心空燃比とする前記アクティブ空燃比制御の所定周期内における前記空燃比センサの出力の分散値に基づいて、前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する
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診断装置。
【請求項６】
前記判定手段は、前記基準値を前記中心空燃比とする前記アクティブ空燃比制御において空燃比がリーンおよびリッチの一方から他方へと切り替えられた場合に１より多い前記分散値のピークを検出したとき、前記空燃比センサを使用初期状態にあると判定する
ことを特徴とする請求項５に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記所定周期が、前記アクティブ空燃比制御の最初の１乃至複数周期である
ことを特徴とする請求項５または６に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記基準値が、ストイキに等しい値である
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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を診断する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、車両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。
【０００４】
従来、アクティブ空燃比制御により空燃比を周期的に増減し、これに伴って増減する空燃比センサ出力の軌跡長又は面積に基づいて空燃比センサの異常を診断する手法が開発されている。また特許文献１には、空燃比センサを含む系を一次遅れ要素とむだ時間要素によりモデル化し、このモデルに対する入力と出力に基づき、カルマンフィルタを用いて、一次遅れ要素とむだ時間要素における複数のパラメータを同定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２７５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、空燃比センサの中には、触媒層を有するセンサ素子を備えたものがある。そしてこのような空燃比センサが使用初期状態にあり、且つその出力が所定空燃比を通過するとき、応答性が使用初期状態でない場合に比べて低下することが判明した。
【０００７】
この応答性低下を考慮しないと、十分な診断精度を確保することが困難となり、また正常なセンサを、応答性が悪化した異常なセンサであると誤診断する虞がある。
【０００８】
そこで本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その一の目的は、触媒層を有するセンサ素子を備えた使用初期状態にある空燃比センサについて、十分な診断精度を確保し、誤診断を未然に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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、
内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサであって、触媒層を有するセンサ素子を備えた空燃比センサの異常診断装置であって、
前記空燃比センサに供給される排気ガスの空燃比を所定の中心空燃比を境にリッチおよびリーンに交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記空燃比センサが使用初期状態にあると判定されたとき、前記アクティブ空燃比制御における前記中心空燃比を所定の基準値よりもリッチ側またはリーン側にシフトさせるシフト手段と、
を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。
【００１０】
好ましくは、前記判定手段は、前記空燃比センサの慣らし度合いに相関するパラメータに基づいて、前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する。
【００１１】
好ましくは、前記パラメータが、前記空燃比センサの温度に応じて変化する温度パラメータの積算値からなる。
【００１２】
好ましくは、前記パラメータが、前記内燃機関が搭載された車両の走行距離からなる。
【００１３】
好ましくは、前記判定手段は、前記基準値を前記中心空燃比とする前記アクティブ空燃比制御の所定周期内における前記空燃比センサの出力の分散値に基づいて、前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する。
【００１４】
好ましくは、前記判定手段は、前記基準値を前記中心空燃比とする前記アクティブ空燃比制御において空燃比がリーンおよびリッチの一方から他方へと切り替えられた場合に１より多い前記分散値のピークを検出したとき、前記空燃比センサを使用初期状態にあると判定する。
【００１５】
好ましくは、前記所定周期が、前記アクティブ空燃比制御の最初の１乃至複数周期である。
【００１６】
好ましくは、前記基準値が、ストイキに等しい値である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、触媒層を有するセンサ素子を備えた使用初期状態にある空燃比センサについて、十分な診断精度を確保し、誤診断を未然に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ができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】空燃比センサのセンサ素子の構造を示す断面図である。
【図３】入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示すタイムチャートである。
【図４】入力空燃比を切り替えた場合の出力空燃比の変化の様子を示すタイムチャートである。
【図５】空燃比および分散値の変化の様子を示すタイムチャートである。
【図６】アドミタンスとカウント値との関係を規定するマップである。
【図７】異常診断処理の第１実施例に関するフローチャートである。
【図８】異常診断処理の第２実施例に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態を添付図面に基づき説明する。
【００２０】
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（エンジン）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、即ち上流触媒１１と下流触媒１９とが取り付けられている。上流触媒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は排気ガス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大きさの出力信号を発する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ2センサからなり、ストイキ（理論空燃比）を境に出力が急変する特性を持つ。
【００２５】
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。
【００２６】
触媒１１，１９は、これに供給される排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ（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に供給される排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキに近づくように、混合気の空燃比を制御する（これをストイキ制御という）。具体的にはＥＣＵ２０は、ストイキに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ１７によって検出された実際の空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくよう、燃料噴射量をフィードバック制御する。なお補助的に、触媒後センサ１８によって検出された実際の空燃比Ａ／Ｆｒを目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づけさせるような燃料噴射量のフィードバック制御も実行される。
【００２７】
図２に、異常診断の対象となる触媒前センサ１７のセンサ素子６０の構造を示す。センサ素子６０は、絶縁層６１と、絶縁層６１に固着された板状の固体電解質６２と、この固体電解質６２の表裏面に互いに対向するよう設置された一対の電極すなわち排気電極６３および大気電極６４とを備える。例えば、絶縁層６１はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、固体電解質６２は部分安定化ジルコニア製のシートからなる。電極６３，６４は白金からなる。
【００２８】
絶縁層６１のうち、内側の大気電極６４に対面する部位には大気室６５が形成されており、大気電極６４が大気に晒されるようになっている。絶縁層６１にはヒータ６６が埋設されている。排気電極６３及び固体電解質６２の上に、例えば多孔質セラミックからなる拡散抵抗層６８が積層され、拡散抵抗層６８の上に遮蔽層６９が積層されている。素子雰囲気の排ガスは、拡散抵抗層６８の入口面６８ａから拡散抵抗層６８の内部に浸入し、拡散抵抗層６８の内部を拡散して排気電極６３に至る。このとき排気電極６３に到達したガスの酸素濃度に応じた限界電流が電極６３，６４間に流れ、この限界電流に基づきセンサ出力が構築される。
【００２９】
特に、拡散抵抗層６８の入口面６８ａには触媒層７０が設けられている。排気ガスが触媒層７０を透過することによって排気中の水素が浄化され、水素が除かれたガスが排気電極６３によって検知される。これによって水素に起因するセンサ出力のズレが防止される。
【００３０】
触媒層７０は、アルミナ、ジルコニア、コージェライト等のセラミック担体粒子と、セラミック担体粒子に化学的結合によって直接担持された白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属と、助触媒とを含む。特に助触媒は二酸化セリウムＣｅＯ2等の酸素吸蔵成分を含み、触媒層７０に酸素吸蔵能を付与する。すなわち、触媒層７０に供給される排気ガスがストイキよりリーンであると、触媒層７０が排気ガス中の過剰酸素を吸蔵し、他方、触媒層７０に供給される排気ガスがストイキよりリッチであると、触媒層７０は吸蔵酸素を放出する。
【００３１】
かかる触媒層７０の存在により、排気ガス中の水素のみならず他の有害成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）も浄化したガスを排気電極６３に供給できる。なお上流触媒１１と下流触媒１９も触媒層７０と同様に構成されている。また触媒後センサ１８のセンサ素子にも同様の触媒層が設けられている。
【００３２】
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。既に述べたように、本実施形態で診断対象となるのは触媒前センサ１７である。
【００３３】
図３に示すように、本実施形態では、空燃比センサの異常診断の際に、混合気の空燃比ひいては触媒前センサ１７に供給される排気ガスの空燃比を所定の中心空燃比を境にリッチおよびリーンに交互に且つアクティブに切り替えるアクティブ空燃比制御が実行される。特に、図示するような中心空燃比の基準値はストイキに等しい値、すなわち１４．６とされている。
【００３４】
このアクティブ制御では、目標空燃比Ａ／Ｆｔ（図示せず）が一定周期で振動させられ、振動の振幅は例えば空燃比で０．５などとされる。従ってリーン時の空燃比は１５．１、リッチ時の空燃比は１４．１である。アクティブ空燃比制御はエンジンの定常運転時に実行される。よって各制御量及び検出値が安定し、診断精度が向上する。
【００３５】
図３に示すように、アクティブ空燃比制御の１周期とは、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチおよびリーンの一方に切り替えられた時τ１（図示例ではリーンへの切替時）から次に同方向に切り替えられる時τ３までの期間をいう。これに対し、アクティブ空燃比制御の半周期とは、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチおよびリーンの一方に切り替えられた時τ１から次に逆方向に切り替えられる時τ２までの期間をいう。
【００３６】
目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えとほぼ同時に混合気の空燃比がフィードフォワード制御によって切り替えられ、輸送遅れに基づくむだ時間を経過した後、切替後の空燃比の値を有する排気ガスが触媒前センサ１７に到達する。
【００３７】
触媒前センサ１７への入力である入力空燃比として、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が用いられる。以下、入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。目標空燃比Ａ／Ｆｔの切替時から入力空燃比ｕ（ｔ）の切替時までのタイムラグは極僅かであり、無視して差し支えない。
【００３８】
他方、触媒前センサ１７からの出力である出力空燃比は、触媒前センサ１７の出力信号に基づいて計算された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆそのものである。以下、出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆ）。このような入力空燃比ｕ（ｔ）を触媒前センサ１７に与えたときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、触媒前センサ１７の正常または異常が診断される。
【００３９】
図３に示すように、入力空燃比ｕ（ｔ）は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。
【００４０】
なお、簡単化のためむだ時間Ｌをゼロと仮定すると、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間の伝達関数における一次遅れ要素はＧ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）で表すことができる。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の時定数である。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。
【００４１】
図３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。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。
【００４２】
かかる特性に鑑み、触媒前センサ１７の正常または異常は、診断パラメータである出力空燃比ｙ（ｔ）（すなわち触媒前センサ１７の出力）の軌跡長、面積若しくは単位時間当たりの変化率（傾き）、または触媒前センサ１７のゲイン若しくは時定数に基づいて判断される。
【００４３】
軌跡長の場合、図３に示すように、所定のサンプリング周期Δ毎の出力空燃比の今回値ｙ（ｔ）と前回値ｙ（ｔ−１）との差の絶対値を、出力空燃比の応答開始時刻τ３１からサンプリング周期Δ毎に積算する。そして、次に入力空燃比ｕ（ｔ）が反転される時点τ４における積算値が、所定の正常範囲内に入っていれば触媒前センサ１７を正常と判定し、当該正常範囲内に入っていなければ触媒前センサ１７を異常と判定する。
【００４４】
面積の場合、図３に示すように、所定のサンプリング周期Δ（例えば１６ｍｓ）毎の出力空燃比の今回値ｙ（ｔ）と初期値ｙ（０）との差の絶対値を、出力空燃比の応答開始時刻τ３１からサンプリング周期Δ毎に積算する。そして、次に入力空燃比ｕ（ｔ）が反転される時点τ４における積算値が、所定の正常範囲内に入っていれば触媒前センサ１７を正常と判定し、当該正常範囲内に入っていなければ触媒前センサ１７を異常と判定する。
【００４５】
単位時間当たりの変化率の場合、応答開始時刻τ３１における出力空燃比ｙ（０）と、所定の複数サンプリング周期ＮΔ（Ｎは２以上の整数）後の出力空燃比ｙ（ＮΔ）との差の絶対値が、所定の正常範囲内に入っていれば触媒前センサ１７を正常と判定し、当該正常範囲内に入っていなければ触媒前センサ１７を異常と判定する。
【００４６】
触媒前センサ１７のゲイン若しくは時定数の場合、例えば特許文献１に開示されているように、触媒前センサ１７を含む系を少なくとも一次遅れ要素によりモデル化する。そしてこのモデルに対する入力空燃比ｕ（ｔ）および出力空燃比ｙ（ｔ）に基づき、一次遅れ要素におけるゲインｋと時定数Ｔを同定もしくは推定する。同定されたゲインｋと時定数Ｔを対応する正常範囲と比較し、例えば両者が正常範囲内に入っていれば触媒前センサ１７を正常と判定し、そうでないときには触媒前センサ１７を異常と判定する。この手法では、ゲインｋに対応する出力異常と時定数Ｔに対応する応答性異常とを個別に診断できる。なおむだ時間の異常も診断したいときにはむだ時間要素（Ｇ（ｓ）＝ｅ-Ls）も含めてモデルを構築すればよい。
【００４７】
さて、本実施形態のような触媒層を有する空燃比センサの場合、これが使用初期状態（以下「慣らし中」ともいう）にあり、且つその出力が所定空燃比を通過するとき、応答性が使用初期状態でない場合（以下「慣らし後」ともいう）に比べて低下することが判明した。
【００４８】
この点を図４を用いて説明する。図４は、入力空燃比を１５．４から１４．４に切り替えた場合の、慣らし中と慣らし後の触媒前センサ１７の出力空燃比の変化の様子を示す。図中円内に示すように、慣らし中のセンサでは、ストイキ付近を通過するとき、慣らし後のセンサよりも応答性が低下しており、またストイキ付近を通過する前後よりも変化速度が一時的に遅くなる所謂息継ぎ現象が発生している。
【００４９】
かかる息継ぎ現象が発生する理由は、慣らし中だと、触媒前センサ１７の排気電極６３と触媒層７０における反応がストイキ付近で低下するためと考えられる。特に、触媒層７０の酸素吸蔵能の影響が大きいと考えられる。すなわち、リーン空燃比、すなわち触媒層７０が酸素を吸蔵している状態から、リッチ空燃比、すなわち触媒層７０が酸素を放出する状態に切り替えられるとき、ストイキ付近で酸素放出の反応速度が遅くなるためと考えられる。このため、かかる息継ぎ現象は、空燃比をリッチからリーンに切り替えたときよりも、空燃比をリーンからリッチに切り替えたときの方が、顕著に発生する傾向にある。
【００５０】
こうした応答性低下を考慮しないと、十分な診断精度を確保することが困難となり、また正常なセンサを、応答性が悪化した異常なセンサであると誤診断する虞がある。
【００５１】
そこで本実施形態では、この対策として、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを判定し、使用初期状態にあると判定したとき、アクティブ空燃比制御における中心空燃比を、基準値であるストイキよりもリッチ側またはリーン側にシフトさせることとしている。
【００５２】
図５には、診断時における各空燃比の変化の様子を示す。詳細は後述するが、時刻ｔ１より前では中心空燃比をストイキとするアクティブ空燃比制御が実行されており、時刻ｔ１以降では中心空燃比をストイキよりリッチな値とするアクティブ空燃比制御が実行されている。このように中心空燃比をリッチ側にシフトすると、触媒前センサ１７に供給される排気ガスの空燃比がストイキ付近になるタイミングを大幅に遅らせることができるか、またはストイキ付近になること自体を抑制でき、息継ぎ現象が発生する空燃比領域をできるだけ避けて診断を行うことができる。よって、息継ぎ現象に起因する応答性の低下を抑制し、十分な診断精度を確保すると同時に誤診断を未然に防止することができる。
【００５３】
図示例では、アクティブ空燃比制御の振幅（０．５）に等しい値だけ中心空燃比がリッチ側にシフトされており、中心空燃比は１４．１（＝１４．６−０．５）とされている。この場合、リーン側に切り替えられたときの入力空燃比ｕ（ｔ）は１４．６であり、出力空燃比ｙ（ｔ）はその応答変化の最終期でストイキ付近に到達する。もっとも、その最終期は出力空燃比ｙ（ｔ）の変化速度が最も遅くなる期間であるから、最終期にストイキ付近を通過しても診断精度への影響は非常に少ない。他方、最終期でもストイキ付近を通過しないようにより大きくリッチ側にシフトさせることも考えられるが、シフト量を過度に大きくすると診断時のエミッションが著しく悪化する。よって診断精度とエミッションのバランスを考慮してシフト量を定めるのが好ましく、図示例はその好適例の一つである。
【００５４】
なお、図示例とは逆に中心空燃比をリーン側にシフトさせることも当然可能である。
【００５５】
本実施形態において、中心空燃比のシフトを行うのは、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるときだけである。触媒前センサ１７が使用初期状態にない場合、つまり慣らし後は、中心空燃比をシフトせずストイキとしてアクティブ空燃比制御を実施する。このようにシフトを行う期間を限定することで、シフトに伴うエミッションおよびドライバビリティの悪化を極力防止することが可能となる。
【００５６】
ここで、空燃比センサの使用初期状態について説明する。エンジンが車両に搭載されている場合、空燃比センサの性能保証期間は例えば車両走行距離で150000mile（240000km）とされる。一方、息継ぎ現象が無くなるには、使用温度条件等によっても変わるが例えば最大で1000kmの走行が必要である。よって息継ぎ現象が無くなるまでの使用初期状態とは、例えば空燃比センサの性能保証期間の最初の約0.4%の期間をいう。
【００５７】
次に、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを判定する際の判定方法を説明する。この判定は、まず一つに、触媒前センサ１７の慣らし度合いに相関するパラメータに基づいて行うのが好適である。
【００５８】
第１の判定方法は、エンジンが車両に搭載されている場合に、上述の通り、車両の走行距離に基づいて判定を行う方法である。車両の走行距離が長くなるほど、触媒前センサ１７の新品時からの慣らし度合いが大きくなる。よって車両の走行距離は、触媒前センサ１７の慣らし度合いに相関するパラメータであるといえる。車両の走行距離を当該パラメータとすることにより、単純な方法で、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを好適に判定することができる。
【００５９】
第２の判定方法は、触媒前センサ１７の温度に応じて変化する温度パラメータの積算値に基づいて判定を行う方法である。温度パラメータについては、触媒前センサ１７の温度自体のほか、触媒前センサ１７のセンサ素子６０のアドミタンスＹ（１／Ω）を好適に用いることができる。センサ素子６０の温度が高くなるほど、センサ素子６０のインピーダンスＺ（Ω）は低下し、インピーダンスＺの逆数であるアドミタンスＹは高くなる傾向にある。そこで本実施形態ではセンサ素子６０のアドミタンスＹに応じたカウント値Ｃを所定時間毎に積算し、当該積算値が所定値以上に達した時に使用初期状態終了とする。
【００６０】
カウント値Ｃは、図６に示すような、アドミタンスＹとカウント値Ｃとの関係を予め定めたマップから求められる。ＥＣＵ２０は、センサの新品時から、所定時間（例えば１ｓ）毎に、アドミタンスＹを検出し、アドミタンスＹに対応したカウント値Ｃをマップから求め、求めたカウント値Ｃを積算（すなわちＳＲＡＭのカウンタをカウントアップ）する。
【００６１】
図６に示すように、アドミタンスＹが大きくなるほどカウント値Ｃも大きくなる。これは、センサ素子温度が高くなるほど大きなカウント値Ｃが得られることを意味する。こうしてＥＣＵ２０は、センサの新品時から所定時間毎にカウント値Ｃを積算し、その積算値ΣＣが所定値Ａ以上に達した時に使用初期状態終了（すなわち慣らし終了）と判定する。
【００６２】
この第２の判定方法ではカウント値Ｃが温度パラメータをなす。かかる温度パラメータの積算値に基づいて判定を行うことにより、センサの温度履歴を反映させつつ使用初期状態終了を判定することができる。例えば高温条件下で多くセンサが使用されたならば早期に使用初期状態終了と判定でき、逆に低温条件下で多くセンサが使用されたならば遅い時期に使用初期状態終了と判定でき、実状に即した判定が可能である。従って触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを、実際の使用状況に即して的確に判定することができる。
【００６３】
これら第１および第２の判定方法のほか、第３の判定方法もあるが、これについては後に詳しく述べることとする。
【００６４】
図７に、第１または第２の判定方法を用いた異常診断処理の第１実施例に関するルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により所定のサンプリング周期Δ毎に繰り返し実行される。
【００６５】
まずステップＳ１０１では、現トリップ中での診断が未完了か否かが判断される。すなわち、本実施形態では１トリップ当たりに１回、診断を実施するようにしており、現トリップ中で診断を１回も完了してなければ判定はイエスとなる。逆に既に診断を１回完了した場合は判定はノーとなる。なおトリップとはエンジンの始動から停止までの期間をいう。代替的に、診断を１トリップ当たりに複数回実施するようにしてもよい。
【００６６】
判定がノーのときはルーチン終了となり、判定がイエスのときはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、アクティブ空燃比制御の実行条件が成立しているか否かが判断される。
例えば、次の各条件（１）〜（４）が全て成立したとき実行条件成立となる。
【００６７】
（１）図示しない水温センサによって検出されたエンジン冷却水温が所定の閾値（例えば７５℃）以上。閾値は、エンジンが暖機状態となるような温度のうちの最低温度として設定される。
【００６８】
（２）ＥＣＵ２０によって検出された触媒前センサ１７のアドミタンスＹが所定の閾値以上。この閾値も、触媒前センサ１７が活性状態となるような値のうちの最小値として設定される。
【００６９】
（３）エアフローメータ５によって検出された吸入空気量ＧａがＧａ１≦Ｇａ≦Ｇａ２を満たす所定範囲内にあること。例えばＧａ１＝１５（ｇ／ｓ）、Ｇａ２＝３０（ｇ／ｓ）とすることができる。この条件は実質的に、エンジンが定常運転状態にあることと等価である。
【００７０】
（４）ＥＣＵ２０によって推定された上流触媒１１の温度ＴｃがＴｃ１≦Ｔｃ≦Ｔｃ２を満たす所定範囲内にあること。例えばＴｃ１＝６００（℃）、Ｔｃ２＝８００（℃）とすることができる。この条件は実質的に、上流触媒１１が十分な暖機状態にあることと等価である。
【００７１】
判定がノーのときはルーチン終了となり、判定がイエスのときはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かが、前述の第１および第２の判定方法のいずれかに従って判定される。
使用初期状態にない、すなわち触媒前センサ１７が慣らし後であると判定されたときには、ステップＳ１０４をスキップしてステップＳ１０５に進む。他方、使用初期状態にある、すなわち触媒前センサ１７が慣らし中であると判定されたときには、ステップＳ１０４において、アクティブ空燃比制御の中心空燃比がストイキに対しリッチ側に所定量シフト或いは変更され、ステップＳ１０５に進む。
【００７２】
これにより例えば、触媒前センサ１７が慣らし中であるときには、アクティブ空燃比制御の中心空燃比が基準値１４．６よりリッチな１４．１に設定され、他方、触媒前センサ１７が慣らし後であるときには、アクティブ空燃比制御の中心空燃比が基準値１４．６に設定される。
【００７３】
ステップＳ１０５では、設定された中心空燃比を中心としたアクティブ空燃比制御が実行される。
【００７４】
ステップＳ１０６では、アクティブ空燃比制御の実行中に、図示しない別ルーチンにおいて、上述の診断パラメータＸが算出される。ここでいう診断パラメータＸとは、出力空燃比ｙ（ｔ）の軌跡長、面積若しくは単位時間当たりの変化率（傾き）、または触媒前センサ１７のゲインｋ若しくは時定数Ｔの少なくとも一つである。
【００７５】
ステップＳ１０７では、アクティブ空燃比制御の半周期終了毎に、アクティブ空燃比制御の終了周期数Ｎが所定値Ｎ１以上に達したか否かが判断される。所定値Ｎ１は例えば５とされる。
【００７６】
Ｎ＜Ｎ１のときはルーチン終了となり、Ｎ≧Ｎ１のときはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、最終的に算出された診断パラメータＸがＸ１≦Ｘ≦Ｘ２を満たす所定の正常範囲内に入っているか否かが判断される。
診断パラメータＸが正常範囲内に入っている場合、ステップＳ１０９に進んで触媒前センサ１７は正常であると判定される。他方、診断パラメータＸが正常範囲内に入っていない場合、ステップＳ１１０に進んで触媒前センサ１７は異常であると判定される。以上によりルーチン終了となる。
【００７７】
次に、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを判定するための第３の判定方法を説明する。この第３の判定方法は、基準値１４．６を中心空燃比とするアクティブ空燃比制御を実行した場合に、その所定周期内の出力空燃比ｙ（ｔ）の分散値に基づいて判定を行う方法である。
【００７８】
出力空燃比ｙ（ｔ）の分散値Ｖは次式（１）に従ってＥＣＵ２０により逐次的に求められる。
【００７９】
【数１】
2011185205.tif 000003
【００８０】
ｙavg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。出力空燃比ｙ（ｔ）の変化が大きいほどその分散値Ｖは大きくなる。
【００８１】
図５に示す例において、アクティブ空燃比制御の最初の１周期目には、基準値であるストイキを中心空燃比とするアクティブ空燃比制御が実行されている。この場合、アクティブ空燃比制御の開始と同時（時刻ｔ０）に、入力空燃比ｕ（ｔ）はストイキからリーンに切り替えられ、次いで所定時間経過後（時刻ｔ０１）に、入力空燃比ｕ（ｔ）はリーンからリッチに切り替えられている。
【００８２】
このリッチへの切替後、出力空燃比ｙ（ｔ）がストイキ付近を通過する際、応答性が一時的に低下する息継ぎ現象が発生している（図中ａ参照）。そしてこの発生と同時に分散値Ｖが立ち上がる。つまり、アクティブ空燃比制御の半周期内において、息継ぎ現象が発生してない場合には出力空燃比ｙ（ｔ）の応答変化開始時にしか分散値のピーク或いは最大値（図中ｂ参照）が見られないのに対し、息継ぎ現象が発生した場合だと、出力空燃比ｙ（ｔ）の応答変化開始時に加え、息継ぎ現象発生時にも分散値のピーク（図中ｃ参照）が見られる。つまり、アクティブ空燃比制御の半周期内において、分散値のピークを２回検出した場合には触媒前センサ１７を使用初期状態にあると判定でき、分散値のピークを１回しか検出しない場合には触媒前センサ１７を使用初期状態にないと判定できる。
【００８３】
よってこの特性に鑑み、本実施形態では、ストイキを中心空燃比とするアクティブ空燃比制御において入力空燃比ｕ（ｔ）をリーンおよびリッチの一方から他方へと切り替えた場合に、１より多い分散値のピークを検出したとき、触媒前センサ１７を使用初期状態にあると判定する。これにより触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを好適かつ的確に判定することが可能である。
【００８４】
特に本実施形態では、図示例の如く、最初の１周期目でストイキを中心空燃比とするアクティブ空燃比制御を実行し、この１周期目のうち、入力空燃比ｕ（ｔ）をリーンからリッチに切り替えたときの半周期内（つまりリッチ制御中）において、分散値のピークを２回検出したとき、触媒前センサ１７を使用初期状態にあると判定する。そして使用初期状態にあると判定した場合、２周期目から直ちに中心空燃比をシフトして診断パラメータＸを算出し、実質的な診断処理を実行する。
【００８５】
このように、実質的な診断処理の前に使用初期状態か否かを判定することにより、中心空燃比のシフトを必要最小限で実行でき、中心空燃比のシフトに伴うエミッションやドライバビリティの悪化を最小限に止めることができる。
【００８６】
なお、使用初期状態か否かの判定は、必ずしもアクティブ空燃比制御の最初の１周期内で実行する必要はなく、例えば最初から複数周期（２周期、３周期等）内で実行することも可能である。
【００８７】
図８に、第３の判定方法を用いた異常診断処理の第２実施例に関するルーチンを示す。このルーチンもＥＣＵ２０により所定のサンプリング周期Δ毎に繰り返し実行される。この第２実施例において、前記第１実施例と同様のステップについてはステップ番号を２００番台に変更して図示するに止める。以下、相違点を中心に説明する。
【００８８】
この第２実施例は、前記ステップＳ１０３がステップＳ２０３Ａに変更される点、およびステップＳ２１１〜Ｓ２１７が新たに追加される点で、前記第１実施例と相違する。
【００８９】
ステップＳ２０３Ａでは、シフトフラグがオンか否かが判断される。シフトフラグは、触媒前センサ１７が使用初期状態にあると判定された場合（ステップＳ２１６がイエスの場合）に、中心空燃比をシフトさせるべく、ステップＳ２１７でオンされるフラグであり、初期状態はオフである。
【００９０】
ステップＳ２０５でアクティブ空燃比制御が実行されると、ステップＳ２１１でアクティブ空燃比制御の終了周期数Ｎが所定値Ｎ２未満か否かが判断される。本実施形態ではＮ２＝１である。最初の１周期目の実行中はＮ＝０であり、判定はイエスとなる。つまりここでは、現在最初の１周期目が実行中であるか否かが判断されている。
Ｎ＜Ｎ２の場合、ステップＳ２１２に進んで、リッチ制御中であるか否かが判断される。ノーの場合は終了され、イエスの場合はステップＳ２１３に進む。
【００９１】
ステップＳ２１３では、図示しない別ルーチンにより分散値Ｖが逐次的に算出される。そしてステップＳ２１４では、図示しない別ルーチンにより、分散値Ｖのピークを検出する処理が実行される。
【００９２】
次いでステップＳ２１５では、リッチ制御が終了したか否か、すなわち入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチからリーンに切り替えられたか否かが判断される。ノーの場合は終了され、イエスの場合はステップＳ２１６に進む。
【００９３】
ステップＳ２１６では、リッチ制御中に分散値ピークが２回検出されたか否かが判断される。ノーの場合は終了され、イエスの場合はステップＳ２１７に進んでシフトフラグがオンされ、その後終了される。
【００９４】
他方、ステップＳ２１１でＮ≧Ｎ２の場合、すなわちアクティブ空燃比制御が１周期目を終了したと判断された場合、ステップＳ２０６以降に進んで実質的な診断処理がなされる。
【００９５】
このルーチンによれば、アクティブ空燃比制御開始初期はシフトフラグがオフなので、ステップＳ２０４がスキップされて中心空燃比はストイキとされる。そしてステップＳ２１１からステップＳ２１２以降に進んで触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かが判定される。ステップＳ２１６がイエスとなったとき、すなわち触媒前センサ１７が使用初期状態にあると判定されたとき、ステップＳ２１７でシフトフラグがオンされる。すると次回のルーチン実行時以降、ステップＳ２０３Ａはイエスとなり、ステップＳ２０４で中心空燃比がシフトされる。そしてこの状態で、２周期目以降、ステップＳ２０６以降の診断処理がなされる。
【００９６】
他方、最初の１周期内でステップＳ２１６の判断結果がイエスとならないとき、すなわち触媒前センサ１７が使用初期状態にないと判定されたときには、シフトフラグがオンされずオフのままである。すると次回のルーチン実行時以降、ステップＳ２０３Ａはノーとなり、ステップＳ２０４での中心空燃比シフトは行われない。結局、中心空燃比がストイキの状態で２周期目以降に診断処理がなされることとなる。
【００９７】
このように、最初の１周期内で使用初期状態にあると判定した場合のみ中心空燃比をストイキからシフトするので、エミッションやドライバビリティの悪化を最小限に止めることが可能である。
【００９８】
以上、本発明の好適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。例えば内燃機関の用途、形式等は任意であり、車両用に限定されない。上記の各数値も一例であり、適宜変更可能である。
【００９９】
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。
【符号の説明】
【０１００】
１  内燃機関
３  燃焼室
５  エアフローメータ
６  排気管
７  点火プラグ
１１  上流触媒
１２  インジェクタ
１４  クランク角センサ
１５  アクセル開度センサ
１７  触媒前センサ
１８  触媒後センサ
１９  下流触媒
２０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６０  センサ素子
７０  触媒層
Ａ／Ｆ  空燃比
ｕ（ｔ）  入力空燃比
ｙ（ｔ）  出力空燃比
Ｘ  診断パラメータ
Ｙ  アドミタンス
Ｖ  分散値
【図１】
2011185205.tif 000004
【図２】
2011185205.tif 000005
【図３】
2011185205.tif 000006
【図４】
2011185205.tif 000007
【図５】
2011185205.tif 000008
【図６】
2011185205.tif 000009
【図７】
2011185205.tif 000010
【図８】
2011185205.tif 000011