(57)【要約】【課題】  空燃比センサの劣化モード（ゲイン劣化、応答性劣化）及びその劣化度を高精度に診断でき、該診断結果に基づいて空燃比フィードバック制御を最適化することのできる制御装置を提供する。【解決手段】  空燃比調節手段（３０）から空燃比センサ（５２）までの周波数応答特性を演算する手段（１４０）を備え、周波数応答特性のゲイン特性と位相特性に基づいて、空燃比センサ（５２）を診断する。この診断結果に基づいて、空燃比フィードバック制御（ＰＩ制御）のパラメータ（Ｐ分ゲイン、Ｉ分ゲイン）を最適化する。【選択図】図１４
2008180225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空燃比を制御するエンジンの制御装置であって、
空燃比検出手段により検出される検出空燃比と空燃比調節手段に出力される空燃比制御信号とに基づいて、前記空燃比調節手段から前記空燃比検出手段までの周波数応答特性を演算する周波数応答特性演算手段を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項２】
前記周波数応答特性演算手段で演算された周波数応答特性に基づいて、前記空燃比検出手段を診断する診断手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記周波数応答特性演算手段は、前記周波数応答特性として、ゲイン特性及び位相特性を演算することを特徴と請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記診断手段は、前記ゲイン特性が所定値以上変化し、かつ前記位相特性が所定値以上変化しないとき、前記空燃比検出手段のゲイン特性が変化したと判定し、前記ゲイン特性が所定値以上変化し、かつ前記位相特性が所定値以上変化したとき、前記空燃比検出手段の応答特性が変化したと判定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
【請求項５】
前記診断手段は、ゲイン特性基準値及び位相特性基準値を演算する周波数応答特性基準値演算手段と、前記ゲイン特性と前記ゲイン特性基準値、並びに、前記位相特性と前記位相特性基準値を比較するゲイン・位相比較手段と、を備え、前記ゲイン・位相比較手段の比較結果に基づいて、前記空燃比検出手段を診断することを特徴とする請求項３又は４に記載のエンジンの制御装置。
【請求項６】
前記ゲイン・位相比較手段は、前記ゲイン特性基準値と前記ゲイン特性の差であるΔゲインを求めるとともに、前記位相特性基準値と前記位相特性の差であるΔ位相を求め、前記診断手段は、前記Δゲインの絶対値が所定値以上かつ前記Δ位相の絶対値が所定値未満のとき、前記空燃比検出手段のゲイン特性が変化したと判定し、前記Δゲインの絶対値が所定値以上かつ前記Δ位相の絶対値が所定値以上のとき、前記空燃比検出手段の応答特性が変化したと判定することを特徴とする請求項５に記載のエンジンの制御装置。
【請求項７】
前記周波数応答特性基準値演算手段は、前記エンジンの運転状態に基づいて、前記ゲイン特性基準値及び前記位相特性基準値を演算することを特徴とする請求項５又は６に記載のエンジンの制御装置。
【請求項８】
前記周波数応答特性基準値演算手段は、少なくともエンジン回転数及び吸入空気量に基づいて、前記ゲイン特性基準値及び前記位相特性基準値を演算することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項９】
前記検出空燃比に基づいて、前記空燃比調節手段に供給する空燃比制御信号を設定する空燃比制御手段を備えていること特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１０】
前記空燃比制御手段は、目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、前記目標空燃比と前記検出空燃比との差に基づいて、空燃比補正量を演算する空燃比補正量演算手段と、を備えていることを特徴とする請求項９に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１１】
前記空燃比調節手段は、燃料噴射弁等の燃料供給量調節手段及び又はスロットル弁等の吸入空気量調節手段であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１２】
前記空燃比制御手段は、気筒別に空燃比補正量を演算する気筒別空燃比補正量演算手段を備え、前記周波数応答特性演算手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号のエンジン回転数周波数のＮ／２次（Ｎ＝１，２，３，４，・・・）成分を演算する周波数成分演算手段を備えていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１３】
前記空燃比制御手段は、全気筒の空燃比を均等に補正する補正量を演算する手段と、特定気筒の空燃比を補正する補正量を演算する手段と、を備え、前記周波数応答特性演算手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号のエンジン回転数周波数のＮ／２次（Ｎ＝１，２，３，４，・・・）成分を演算する周波数成分演算手段を備えていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１４】
前記周波数応答特性演算手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号のエンジン回転数相当周波数の少なくとも１／２次成分を演算する周波数成分演算手段を備えていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１５】
前記診断手段は、ゲイン特性基準値及び位相特性基準値を演算する周波数応答特性基準値演算手段と、前記周波数成分演算手段により演算されたゲイン特性と前記ゲイン特性基準値、並びに、前記周波数成分演算手段により演算された位相特性と前記位相特性基準値を比較するゲイン・位相比較手段と、を備え、前記ゲイン・位相比較手段の比較結果に基づいて、前記空燃比検出手段を診断することを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１６】
前記診断手段による前記空燃比検出手段の診断結果に基づいて、前記空燃比制御手段における空燃比制御パラメータの補正量を演算するパラメータ補正量演算手段を備えていることを特徴とする請求項９から１５のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項１７】
前記空燃比制御手段は、前記目標空燃比と前記検出空燃比との差に基づいて、前記混合気の空燃比を前記目標空燃比とすべくＰＩＤ制御を行うようにされ、前記パラメータ補正量演算手段は、前記ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインの少なくとも一つのゲインの補正量を演算することを特徴とする請求項１６に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１８】
前記全気筒の空燃比補正量演算手段は、前記パラメータ補正量演算手段により演算された前記ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインの少なくとも一つのゲインの補正量に基づいて、前記Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分を補正することを特徴とする請求項１７に記載のエンジンの制御装置。
【請求項１９】
前記パラメータ補正量演算手段は、前記診断手段の診断結果である前記空燃比検出手段のゲイン劣化度及び応答性劣化度に基づいて、前記ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインの補正量を演算することを特徴とする請求項１７又は１８に記載のエンジンの制御装置。
【請求項２０】
前記診断手段による前記空燃比検出手段の診断結果に基づいて、前記空燃比検出手段から得られる第一の信号と、該第一の信号と検出空燃比補正量に基づいて演算される第二の信号と、前記第二の信号に基づく検出空燃比の補正量を演算する検出空燃比補正量演算手段と、該手段により演算された検出空燃比補正量に基づいて、前記空燃比検出手段から前記空燃比制御手段に入力される信号があらわす検出空燃比を補正する検出空燃比補正手段と、を備えていることを特徴とする請求項９から１５のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項２１】
前記空燃比制御手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号に基づく空燃比フィードバック制御を行うようにされ、この空燃比フィードバック制御時において、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に補正するリッチ補正期間を求めるとともに、理論空燃比よりリーン側に補正するリーン補正期間を求め、前記リッチ補正期間と前記リーン補正期間とからリッチ・リーン周期を求めるようにされ、前記診断手段は、前記リッチ・リーン周期並びに前記周波数応答特性演算手段により演算されたゲイン特性及び位相特性に基づいて、前記空燃比検出手段を診断することを特徴とする請求項９から２０のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項２２】
前記周波数応答特性演算手段で演算された周波数応答特性に基づいて、前記空燃比検出手段以外の特性を診断する手段と、エンジンの運転状態に基づいて、診断対象が前記空燃比検出手段であるか、それ以外のものであるかを判定する診断対象判定手段と、を備えていることを特徴とする請求項２から２１のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項２３】
前記空燃比検出手段以外の特性は、前記空燃比調節手段の特性、燃料の特性、及び燃焼特性のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項２２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項２４】
請求項１から２３のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置を搭載した自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼に供される混合気の空燃比を調節するための、スロットル弁や燃料噴射弁等の空燃比調節手段が配備されるとともに、排気通路にリニア空燃比センサ等の空燃比検出手段が配在されているエンジンの制御装置に係り、特に、空燃比検出手段が劣化したかどうか等を診断し、加えて、その診断結果に基づいて空燃比制御を最適化できるようにされた制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、排ガス規制が強化されつつある。エンジンから排出されるHC、CO、NOxを浄化するために排気通路に三元触媒を設け、該触媒の高効率利用のために、触媒上流に空燃比に対してリニアな出力（信号）が得られるリニア空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサ）を用いて、ロバスト性の高い空燃比フィードバック制御を行うのが一般的になりつつある。一方、北米、欧州、国内等の自己診断規制もされつつあり、Ａ／Ｆセンサの診断精度も高精度化が、すなわちＡ／Ｆセンサの劣化モード（ゲイン劣化、応答性劣化）及びその劣化度の高精度検出が要求されつつある。こうした背景からＡ／Ｆセンサの劣化を高精度に検出する方法（診断方法）及び該診断結果に応じて空燃比フィードバック制御パラメータを最適化し、排気浄化システムの性能維持を図る方法が従来より提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７０１９３号公報（第１〜２２頁、図１〜図１２）
【特許文献２】特開平７−２４７８８６号公報（第１〜１５頁、図１〜図１３）
【特許文献３】特開２００２−６１５３７号公報（第１〜１３頁、図１〜図２２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、Ａ／Ｆセンサ出力の時間微分値と該センサ正常時の時間微分値との相関をとり、相関値が所定値以下のとき、該センサが異常であると判定することが提案されている。しかしながら、かかる提案では、Ａ／Ｆセンサの応答性の変化を検出することは可能であるが、Ａ／Ｆセンサのゲイン劣化を検出するために別途診断を行う必要がある。また、その診断結果を制御に反映させるものではないので、前述のようにＡ／Ｆセンサの性能変化（劣化）に応じて排気浄化システムの性能維持については格別配慮されていない。
【０００５】
また、下記特許文献２には、空燃比フィードバック制御系に漸化式形式のパラメータ調整機構を備える適応制御器を設け、この適応制御器に目標空燃比とＡ／Ｆセンサ出力を入力し、フィードバック補正量を適応的に決定することが提案されている。かかる提案によれば、Ａ／Ｆセンサの特性変化（劣化）に応じて空燃比フィードバック補正量が適応していくので、Ａ／Ｆセンサの性能変化（劣化）に応じて排気浄化システムの性能維持が図れる。しかしながら、一方で、適応される補正パラメータから、Ａ／Ｆセンサの劣化モード（ゲイン劣化及び応答性劣化）の特定及び劣化度を明確にすることは困難であり、したがって、Ａ／Ｆセンサの診断精度の観点では課題がある。
【０００６】
さらに、下記特許文献３においては、気筒間の空燃比をばらつかせることにより、個別排気通路（排気管）集合部にエンジン２回転相当の空燃比振動を発生させ、振動波形の振幅のみから、Ａ／Ｆセンサの応答性劣化を検出し、さらに劣化状態に応じて空燃比フィードバック制御のパラメータを調節することが提案されている。しかしながら、前述のようにＡ／Ｆセンサの代表的劣化モードには、応答性劣化に加えてゲイン劣化もあり、どちらの劣化モード発生時においても、空燃比振動の振幅は減少するため、劣化モードの特定は不可能である。また、後述するように、ゲイン劣化の場合と応答性劣化の場合とでは、空燃比フィードバック制御の最適パラメータは異なるので、例えば、ゲイン劣化を応答性劣化と劣化モードを誤診断した場合、むしろ空燃比フィードバック制御の制御精度が低下する。
【０００７】
本発明は、前述した従来の問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、Ａ／Ｆセンサ等の空燃比検出手段を診断してその劣化モードがゲイン劣化であるか応答性劣化であるかを正確に判定できるとともに、その劣化度を定量的に検出できるようにされ、かつ、その診断結果に基づいて空燃比フィードバック制御を最適化できるようにされたエンジンの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明に係るエンジンの制御装置は、空燃比を制御する制御装置であって、空燃比検出手段により検出される検出空燃比と空燃比調節手段に出力される空燃比制御信号とに基づいて、前記空燃比調節手段から前記空燃比検出手段までの周波数応答特性を演算する周波数応答特性演算手段を備えていることを特徴としている（図１参照）。
【０００９】
すなわち、例えば、空燃比調節手段の一つである燃料噴射弁に供給される空燃比制御信号から、排気通路における三元触媒入口近傍に配在される空燃比検出手段の一つであるＡ／Ｆセンサで検出される検出空燃比までには、伝達特性（遅れ要素）が存在する。この伝達特性は、（１）噴射燃料の気化率が１００％ではなく一部が吸気通路内に残留すること、（２）エンジンが間欠燃焼であること、（３）排気弁からＡ／Ｆセンサまでの排気（排ガス）の拡散減少及びその輸送時間が発生すること、（４）そしてＡ／Ｆセンサ自身における、実空燃比からセンサ出力までの伝達特性、に起因する。本第１態様は、この伝達特性を周波数応答特性として検出することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る制御装置の第２態様は、第１態様の構成に加えて、前記周波数応答特性演算手段で演算された周波数応答特性に基づいて、前記空燃比検出手段を診断する診断手段を備える（図２参照）。
【００１１】
すなわち、空燃比制御信号から空燃比検出手段で検出される検出空燃比までの伝達特性の主要因である上記（１）から（３）までの伝達特性は、エンジンの運転状態が決まれば、ほとんど変化することはない。したがって、特定の運転状態において、空燃比制御信号から検出空燃比までの伝達特性（遅れ要素）が変化した場合は、（４）の特性が変化したと考えることができる。したがって、周波数応答特性に基づいて空燃比検出手段の性能を検出、つまり、空燃比検出手段が劣化したかどうか、及び、その劣化度等を診断することができる。
【００１２】
本発明に係る制御装置の第３態様は、前記周波数応答特性演算手段は、前記周波数応答特性として、ゲイン特性及び位相特性を演算するようにされる（図３参照）。
【００１３】
すなわち、周波数応答特性を任意の周波数に対するゲイン特性と位相特性で表すことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る制御装置の第４態様では、前記診断手段は、前記ゲイン特性が所定値以上変化し、かつ前記位相特性が所定値以上変化しないとき、前記空燃比検出手段のゲイン特性が変化したと判定し、前記ゲイン特性が所定値以上変化し、かつ前記位相特性が所定値以上変化したとき、前記空燃比検出手段の応答特性が変化したと判定するようにされる（図４参照）。
【００１５】
すなわち、正常時の空燃比検出手段（Ａ／Ｆセンサ）における、実空燃比からＡ／Ｆセンサの出力までの伝達特性を（１）式のように一次遅れ系で表したとすると、
【００１６】
【数１】
2008180225.tif 000003
【００１７】
Ａ／Ｆセンサのゲイン特性はK0で表され、応答特性はτ0で表される。したがって、Ａ／Ｆセンサのゲイン特性が変化した場合、実空燃比からＡ／Ｆセンサの出力までの伝達特性は、（２）式で表される。
【００１８】
【数２】
2008180225.tif 000004
【００１９】
（１）式及び（２）式の周波数応答特性（ゲイン特性、位相特性）を図２１に示す。すなわち、周波数応答特性のうち、ゲイン特性のみが変化し、位相特性は変化しない。一方、Ａ／Ｆセンサの応答特性が変化した場合、実空燃比からＡ／Ｆセンサの出力までの伝達特性は、（３）式で表される。
【００２０】
【数３】
2008180225.tif 000005
【００２１】
（１）式及び（３）式の周波数応答特性（ゲイン特性、位相特性）を図２２に示す。すなわち、周波数応答特性の、ゲイン特性及び位相特性の双方が変化する。以上から、本態様では、ゲイン特性が変化しかつ位相特性が変化しないとき、Ａ／Ｆセンサのゲイン特性が変化したと判定し、ゲイン特性及び位相特性の双方が変化したとき、Ａ／Ｆセンサの応答特性が変化したと判定する。
【００２２】
本発明に係る制御装置の第５態様では、前記診断手段は、ゲイン特性基準値及び位相特性基準値を演算する周波数応答特性基準値演算手段と、前記ゲイン特性と前記ゲイン特性基準値、並びに、前記位相特性と前記位相特性基準値を比較するゲイン・位相比較手段と、を備え、前記ゲイン・位相比較手段の比較結果に基づいて、前記空燃比検出手段を診断するようにされる（図５参照）。
【００２３】
すなわち、例えば、空燃比検出手段（Ａ／Ｆセンサ）正常時のゲイン特性及び位相特性をそれぞれ、ゲイン特性基準値及び位相特性基準値とし、図２０及び図２１で示されるように、それぞれを、前記周波数応答特性演算手段で演算（検出）されたゲイン特性及び位相特性と比較することで、Ａ／Ｆセンサの性能変化（劣化）を検出するものである。
【００２４】
本発明に係る制御装置の第６態様においては、前記ゲイン・位相比較手段は、前記ゲイン特性基準値と前記ゲイン特性の差であるΔゲインを求めるとともに、前記位相特性基準値と前記位相特性の差であるΔ位相を求め、前記診断手段は、前記Δゲインの絶対値が所定値以上かつ前記Δ位相の絶対値が所定値未満のとき、前記空燃比検出手段のゲイン特性が変化したと判定し、前記Δゲインの絶対値が所定値以上かつ前記Δ位相の絶対値が所定値以上のとき、前記空燃比検出手段の応答特性が変化したと判定するようにされる（図６参照）。
【００２５】
すなわち、本態様は、前記第５態様に対して、より具体的な構成を開示しているものである。
【００２６】
本発明に係る制御装置の第７態様においては、前記周波数応答特性基準値演算手段は、前記エンジンの運転状態に基づいて、前記ゲイン特性基準値及び前記位相特性基準値を演算するようにされる。
【００２７】
すなわち、前述の空燃比制御信号から検出空燃比までの伝達特性（遅れ要素）の構成要素（１）、（２）、（３）は、エンジンの運転状態が一定であれば、ほとんど変化しないが、個々の運転状態に応じて、前記（１）、（２）、（３）は変化する。そこで、比較対象の基準値である周波数応答特性基準値を運転状態に基づいて設定するようにした。
【００２８】
本発明に係る制御装置の第８態様では、前記周波数応答特性基準値演算手段は、少なくともエンジン回転数及び吸入空気量に基づいて、前記ゲイン特性基準値及び前記位相特性基準値を演算するようにされる（図７参照）。
【００２９】
このようにされるのは、空燃比制御信号から検出空燃比までの伝達特性（遅れ要素）の構成要素（１）、（２）、（３）は、主にエンジン回転数と吸入空気量（もしくはエンジントルク）により決まる知見を得たことによるものである。
【００３０】
本発明に係る制御装置の第９態様においては、前記構成に加えて、前記検出空燃比に基づいて、前記空燃比調節手段に供給する空燃比制御信号を設定する空燃比制御手段を備える（図８参照）。
【００３１】
すなわち、空燃比検出手段から得られる信号（Ａ／Ｆセンサ出力）を用いて、空燃比フィードバック制御を行うようにされる。
【００３２】
本発明に係る制御装置の第１０態様においては、前記空燃比制御手段は、目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、前記目標空燃比と前記検出空燃比との差に基づいて、空燃比補正量を演算する空燃比補正量演算手段と、を備える（図９参照）。
これは、前記空燃比制御手段のより詳細な構成を開示したものである。
【００３３】
本発明に係る制御装置の第１１態様では、前記空燃比調節手段は、燃料噴射弁等の燃料供給量調節手段及び又はスロットル弁等の吸入空気量調節手段とされる（図１０参照）。
【００３４】
これは、空燃比調節手段の具体例を開示したものである。燃料供給量調節手段としては、燃料噴射弁（インジェクタ）が挙げられるが、その取付位置は、吸気ポート（ポート噴射）の他、燃焼室（筒内噴射）等であってもよい。また、吸入空気量調節手段としては、スロットル弁が挙げられるが、その他、吸気弁（の開閉時期、リフト量等）、ＩＳＣバルブ、ＥＧＲバルブ等を操作することでも、吸入空気量を調節することができる。
【００３５】
本発明に係る制御装置の第１２態様においては、前記空燃比制御手段は、気筒別に空燃比補正量を演算する気筒別空燃比補正量演算手段を備え、前記周波数応答特性演算手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号のエンジン回転数周波数のＮ／２次（Ｎ＝１，２，３，４，・・・）成分を演算する周波数成分演算手段を備える（図１１参照）。
【００３６】
すなわち、気筒別に空燃比を補正し、気筒間の空燃比をばらつかせることにより、個別排気通路（排気管）集合部にエンジン２回転相当の空燃比振動を発生させる。この振動波形のエンジン２回転相当周波数の整数倍に相当する、Ｎ／２次（Ｎ＝１，２，３，４，・・・）成分を抽出し、周波数応答特性（ゲイン特性、位相特性）を演算するようにされる。
【００３７】
本発明に係る制御装置の第１３態様においては、前記空燃比制御手段は、全気筒の空燃比を均等に補正する補正量を演算する手段と、特定気筒の空燃比を補正する補正量を演算する手段と、を備え、前記周波数応答特性演算手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号のエンジン回転数周波数のＮ／２次（Ｎ＝１，２，３，４，・・・）成分を演算する周波数成分演算手段を備える（図１２参照）。
【００３８】
すなわち、全気筒の空燃比を均等に補正する従来型の空燃比制御（フィードフォワード制御、フィードバック制御）を備えていれば、特定の気筒のみ空燃比を他の気筒のそれと異ならせるだけで、個別排気通路（排気管）集合部にエンジン２回転相当の空燃比振動を発生させることは可能である。この振動波形のエンジン２回転相当周波数の整数倍に相当する、Ｎ／２次（Ｎ＝１，２，３，４，・・・）成分を抽出し、周波数応答特性（ゲイン特性、位相特性）を演算するようにされる。
【００３９】
本発明に係る制御装置の第１４態様においては、前記周波数応答特性演算手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号のエンジン回転数相当周波数の少なくとも１／２次成分を演算する周波数成分演算手段を備える。
【００４０】
すなわち、本態様では、第１２及び第１３態様に対して、より具体的にエンジン２回転相当周波数であるエンジン回転数相当周波数の１／２次成分を用いることを開示している。これは、周波数応答特性を検出する場合、エンジン回転数相当周波数１／２次成分を用いることがＳ／Ｎ比の観点でもっとも望ましいという知見に基づいている。
【００４１】
本発明に係る制御装置の第１５態様は、第１２態様又は第１３態様の構成に加え、前記診断手段は、ゲイン特性基準値及び位相特性基準値を演算する周波数応答特性基準値演算手段と、前記周波数成分演算手段により演算されたゲイン特性と前記ゲイン特性基準値、並びに、前記周波数成分演算手段により演算された位相特性と前記位相特性基準値を比較するゲイン・位相比較手段と、を備え、前記ゲイン・位相比較手段の比較結果に基づいて、前記空燃比検出手段を診断するようにされる（図１３参照）。
【００４２】
本発明に係る制御装置の第１６態様では、前記構成に加えて、前記診断手段による前記空燃比検出手段の診断結果に基づいて、前記空燃比制御手段における空燃比制御パラメータの補正量を演算するパラメータ補正量演算手段を備える（図１４参照）。
【００４３】
すなわち、空燃比フィードバック制御のパラメータは、空燃比検出手段（Ａ／Ｆセンサ）正常時を前提に最適化されているのが一般的である。Ａ／Ｆセンサの特性が変化した場合、空燃比制御信号から検出空燃比までの伝達特性（遅れ要素）も変化するので、空燃比フィードバック（F/B）制御（ＰＩ制御、ＰＩＤ制御）の最適パラメータも変化する（図２３、図２４参照）。このことから、Ａ／Ｆセンサの特性変化が検出された場合は、その情報に基づいて、空燃比フィードバック制御のパラメータを最適化する。
【００４４】
本発明に係る制御装置の第１７態様においては、前記空燃比制御手段は、前記目標空燃比と前記検出空燃比との差に基づいて、前記混合気の空燃比を前記目標空燃比とすべくＰＩＤ制御を行うようにされ、前記パラメータ補正量演算手段は、前記ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインの補正量を演算するようにされる（図１５参照）。
【００４５】
すなわち、本態様は、第１６態様に対して、より具体的な構成を開示したもので、空燃比フィードバック制御としてＰＩＤ制御を用い、Ａ／Ｆセンサの特性変化が検出された場合は、その情報に基づいて、ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインを最適化するようにされる。図２３、図２４はＰＩ制御の場合のゲイン特性変化時、応答特性変化時、それぞれにおける最適なＰ分ゲイン及びＩ分ゲインを示している。
【００４６】
本発明に係る制御装置の第１８態様では、前記第１７態様のもとで、前記全気筒の空燃比補正量演算手段は、前記パラメータ補正量演算手段により演算された前記ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインの少なくとも一つのゲインの補正量に基づいて、前記Ｐ分、Ｉ分、及びＤ分を補正するようにされる（図１６参照）。
【００４７】
本発明に係る制御装置の第１９態様では、前記パラメータ補正量演算手段は、前記診断手段の診断結果である前記空燃比検出手段のゲイン劣化度及び応答性劣化度に基づいて、前記ＰＩＤ制御のパラメータであるＰ分、Ｉ分、Ｄ分ゲインの少なくとも一つのゲインの補正量を演算するようにされる（図１７参照）。
【００４８】
本発明に係る制御装置の第２０態様では、前記診断手段による前記空燃比検出手段の診断結果に基づいて、前記空燃比検出手段から得られる第一の信号と、該第一の信号と検出空燃比補正量に基づいて演算される第二の信号と、前記第二の信号に基づく検出空燃比の補正量を演算する検出空燃比補正量演算手段と、該手段により演算された検出空燃比補正量に基づいて、前記空燃比検出手段から前記空燃比制御手段に入力される信号があらわす検出空燃比を補正する検出空燃比補正手段と、を備える（図１８参照）。
【００４９】
すなわち、本発明に係る制御装置では、空燃比検出手段（Ａ／Ｆセンサ）の劣化モードがゲイン劣化であるか応答性劣化であるかを判定可能であり、また、その劣化度も定量的に検出可能である。したがって、本態様では、その劣化情報に基づいてＡ／Ｆセンサの出力（検出空燃比）に正常状態と同等の出力が得られるよう逆補正を施し、空燃比制御手段の入力信号とするようにされる。
【００５０】
本発明に係る制御装置の第２１態様においては、前記空燃比制御手段は、前記空燃比検出手段から得られる信号に基づく空燃比フィードバック制御を行うようにされ、この空燃比フィードバック制御時において、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に補正するリッチ補正期間を求めるとともに、理論空燃比よりリーン側に補正するリーン補正期間を求め、前記リッチ補正期間と前記リーン補正期間とからリッチ・リーン周期を求めるようにされ、前記診断手段は、前記リッチ・リーン周期並びに前記周波数応答特性演算手段により演算されたゲイン特性及び位相特性に基づいて、前記空燃比検出手段を診断するようにされる（図１９参照）。
【００５１】
すなわち、空燃比検出手段（Ａ／Ｆセンサ）によっては正常時においても応答時定数が大きく、位相特性が比較的低周波から位相遅れを発生するものがある。この場合、位相特性の検出精度を上げるべく、空燃比フィードバック制御時のリッチ・リーン周期を用いて比較的低周波の位相特性を検出する。言い換えれば、例えば、Ａ／Ｆセンサの応答特性が劣化するとリッチ・リーン周期が長期化することを用いるものである。
【００５２】
本発明に係る制御装置の第２２態様では、前記構成に加えて、前記周波数応答特性演算手段で演算された周波数応答特性に基づいて、前記空燃比検出手段以外の特性を診断する手段と、エンジンの運転状態に基づいて、診断対象が前記空燃比検出手段であるか、それ以外のものであるかを判定する診断対象判定手段と、を備える（図２０参照）。
【００５３】
本発明に係る制御装置の第２３態様では、前記空燃比検出手段以外の特性は、前記空燃比調節手段の特性、燃料の特性、及び燃焼特性のうちの少なくとも一つとされる。
【００５４】
すなわち、前述のように、例えば、空燃比調節手段の一つである燃料噴射弁に供給される空燃比制御信号から空燃比検出手段（Ａ／Ｆセンサ）で検出される検出空燃比までの伝達特性は、（１）噴射燃料の気化率が１００％ではなく一部が吸気通路内に残留すること、（２）エンジンが間欠燃焼であること、（３）排気弁からＡ／Ｆセンサまでの排気（排ガス）の拡散減少及びその輸送時間が発生すること、（４）そしてＡ／Ｆセンサ自身の空燃比からセンサ出力までの伝達特性、に起因する。上記（１）から（３）までの伝達特性は、エンジンの運転状態が決まれば、ほとんど変化することはないが、特殊な条件下では変化することがある。例えば、燃料の性状が変化すると（１）の伝達特性が変化する。燃料の性状はエンジンが比較的低温の領域でのみ（１）の伝達特性に影響を与えるので、例えば、Ａ／Ｆセンサが正常でかつエンジン冷却水温が所定値以下のときに、周波数応答特性が変化したときは、燃料性状が変化したと判定するようにされる。
【００５５】
一方、本発明に係る自動車は、前記制御装置が適用されたエンジンを搭載していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００５６】
本発明に係る制御装置は、Ａ／Ｆセンサ等の空燃比検出手段を診断してその劣化モードがゲイン劣化であるか応答性劣化であるかを正確に判定できるとともに、その劣化度を定量的に検出できる。このため、空燃比検出手段の診断結果に基づいて空燃比フィードバック制御を最適化でき、さらには、空燃比検出手段の特性変化にロバストな排気浄化システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図２５は、本発明に係る制御装置の第１実施形態を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図である。
【００５８】
図示のエンジン１０は、例えば４つの気筒＃１、＃２、＃３、＃４（図２７参照）を有する多気筒エンジンであって、シリンダ１２と、このシリンダ１２の各気筒＃１、＃２、＃３、＃４内に摺動自在に嵌挿されたピストン１５と、を有し、該ピストン１５上方には燃焼室１７が画成される。燃焼室１７には、点火プラグ３５が臨設されている。
【００５９】
燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路２０の始端部に設けられたエアクリーナ２１から取り入れられ、エアフローセンサ２４を通り、電制スロットル弁２５を通ってコレクタ２７に入り、このコレクタ２７から前記吸気通路２０の下流端（吸気ポート）に配在された吸気弁２８を介して各気筒#１、#２、#３、#４の燃焼室１７に吸入される。また、前記吸気通路２０の下流部分（分岐通路部）には、燃料噴射弁３０が臨設されている。
【００６０】
燃焼室１７に吸入された空気と燃料噴射弁３０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ３５により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排気）は、燃焼室１７から排気弁４８を介して排気通路４０の上流部分を形成する個別通路部４０Ａ（図２７参照）に排出され、その個別通路部４０Ａから排気集合部４０Ｂを通って排気通路４０に配備された三元触媒５０に流入して浄化された後、外部に排出される。
【００６１】
また、排気通路４０における三元触媒５０より下流側には酸素センサ５１が配在され、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部４０ＢにはＡ／Ｆセンサ５２が配在されている。
【００６２】
前記Ａ／Ｆセンサ５２は、排気中に含まれる酸素の濃度に対して線形の出力特性を持つ。排気中の酸素濃度と空燃比の関係はほぼ線形になっており、したがって、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ５２により、前記排気集合部４０Ｂにおける空燃比を求めることが可能となる。また、前記酸素センサ５１からの信号により、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを求めることができる。
【００６３】
また、燃焼室１７から排気通路４０に排出された排気ガスの一部は、必要に応じてＥＧＲ通路４１を介して吸気通路２０に導入され、吸気通路２０の分岐通路部を介して各気筒の燃焼室１７に還流される。前記ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲ率を調整するためのＥＧＲバルブ４２が介装されている。
【００６４】
そして、本実施形態の制御装置１においては、エンジン１０の種々の制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１００が備えられている。
【００６５】
コントロールユニット１００は、基本的には、図２６に示される如くに、ＣＰＵ１０１、入力回路１０２、入出力ポート１０３、ＲＡＭ１０４、ＲＯＭ１０５等で構成される。
【００６６】
コントロールユニット１００には、入力信号として、エアフローセンサ２４により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ２８により検出されるスロットル弁２５の開度に応じた信号、クランク角センサ３７から得られるクランクシャフト１８の回転（エンジン回転数）・位相をあらわす信号、排気通路４０における三元触媒５０より下流側に配在された酸素センサ５１により検出される排気中の酸素濃度に応じた信号、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部４０Ｂに配在されたＡ／Ｆセンサ５２により検出される酸素濃度（空燃比）に応じた信号、シリンダ１２に配設された水温センサ１９により検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、アクセルセンサ３６から得られるアクセルペダル３９の踏み込み量（運転者の要求トルクを示す）に応じた信号等が供給される。
【００６７】
コントロールユニット１００においては、Ａ／Ｆセンサ５２、酸素センサ５１、スロットルセンサ２８、エアフローセンサ２４、クランク角センサ３７、水温センサ１９、及びアクセルセンサ３６、等の各センサの出力が入力され、入力回路１０２にてノイズ除去等の信号処理を行った後、入出力ポート１０３に送られる。入力ポートの値はＲＡＭ１０４に保管され、ＣＰＵ１０１内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ１０５に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ操作量を表す値はＲＡＭ１０４に保管された後、入出力ポート１０３に送られる。
【００６８】
点火プラグ３５に対する作動信号は点火出力回路１１６内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時点である。出力ポート１０３にセットされた点火プラグ３５用の信号は点火出力回路１１６で点火に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグ３５に供給される。また、燃料噴射弁３０の駆動信号（空燃比制御信号）は開弁時ＯＮ、閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路１１７で燃料噴射弁３０を開弁するのに十分なエネルギーに増幅されて燃料噴射弁３０に供給される。電制スロットル弁２５の目標開度を実現する駆動信号は、電制スロットル弁駆動回路１１８を経て、電制スロットル弁３０に送られる。
【００６９】
コントロールユニット１００ではＡ／Ｆセンサ５２の信号から三元触媒５０上流の空燃比を算出し、酸素センサ５１の信号から、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを算出する。また、両センサ５１、５２の出力を用いて三元触媒５０の浄化効率が最適となるよう燃料噴射量もしくは吸入空気量を逐次補正するフィードバック制御を行う。
【００７０】
次に、コントロールユニット１００が実行する処理内容を具体的に説明する。
図２７は、制御システム図で、コントロールユニット１００は、機能ブロック図で示されている如くの、基本燃料噴射量演算手段１２１、空燃比補正量演算手段１２２、及び空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）補正量演算手段１２３を有する空燃比制御手段１２０と、Ａ／Ｆセンサ診断許可判定手段１３０、周波数応答特性演算手段１４０、及び、Ａ／Ｆセンサ診断手段１５０、を備えている。
以下、各処理手段を詳細に説明する。
【００７１】
＜基本燃料噴射量演算手段１２１＞
本演算手段１２１では、エンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Qaに基づき、任意の運転状態において目標トルクと目標空燃比を同時に実現する燃料噴射量を演算する。具体的には、図２８に示されるように、基本燃料噴射量Tpを演算する。ここに、Kは定数であり、吸入空気量に対して常に理論空燃比を実現するよう調節するための値である。また、Cylは、エンジン１０の気筒数（ここでは、４）を表す。
【００７２】
＜空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３＞
本演算手段１２３では、Ａ／Ｆセンサ５２で検出される空燃比に基づいて、任意の運転状態において排気集合部４０Ｂ（触媒５０入口）の平均空燃比が目標空燃比となるように空燃比Ｆ／Ｂ補正量を演算する。具体的には、図２９に示されるように、空燃比フィードバック制御（ＰＩ制御）時に、目標空燃比TabfとＡ／Ｆセンサ５２の検出空燃比Rabfとの偏差Dltabfから、空燃比補正項Lalphaを演算する。空燃比補正項Lalphaは、基本燃料噴射量Tpに乗ぜられる。
【００７３】
＜Ａ／Ｆセンサ診断許可判定手段１３０＞
本判定手段１３０では、Ａ／Ｆセンサ５２の診断許可判定を行う。具体的には、図３０に示されるように、Twn≧Twndag、かつ、ΔNe≦DNedag、かつ、ΔQa≦DQadag、かつ、Fcmpdag=0のとき、診断（応答特性の検出）許可フラグFpdag=1とし、応答特性の検出を許可する。それ以外のときは診断を禁止し、Fpdag=0とする。
【００７４】
ここに、
Twn：エンジン冷却水温
ΔNe：エンジン回転数変化率
ΔQa：空気流入量変化率
Fcmpdag：診断完了フラグ
である。なお、ΔNe及びΔQaは、前回jobで演算される値と今回jobで演算される値との差としてもよい。
【００７５】
＜空燃比補正量演算手段１２２＞
本演算手段１２２では、空燃比補正量の演算を行う。通常時、すなわち、診断許可フラグFpdag=0のときは、前記基本燃料噴射量Tp及び前記空燃比補正項Lalphaにより排気集合部４０Ｂの空燃比が目標空燃比となるように各気筒#１、#２、#３、#４に対する燃料噴射量が演算される。Fpdag=1のときは、排気集合部４０Ｂで空燃比の振動を起こすべく全気筒の当量比を周波数fa_n[Hz]でKchosR、KchosLだけスイッチする。具体的には、図３１に示される処理にて行う。  すなわち、Fpdag=1のときは、周波数fa_n[Hz]でChosをKchosRとKchosLで周期的にスイッチし、Fpdag=0のときは、Chos=0とする。なお、KchosR及びKchosLの値はエンジン及び触媒の特性に合わせて排気エミッションが悪化しないよう設定するのが好ましい。また、Ａ／Ｆセンサ５２の周波数応答特性を得るには複数の周波数で空燃比を振動させ、Ａ／Ｆセンサ５２の出力を得る必要がある。したがって、図３１中にも示されているように、空燃比の振動周波数であるfa_nは一つではなく、fa_0, fa_1, ・・・と複数ある。
【００７６】
上記のようにして、空燃比制御手段１２０においては、基本燃料噴射量Tpが空燃比Ｆ／Ｂ補正量及び空燃比補正量に応じて補正されて、最終燃料噴射量TiOが得られ、この最終燃料噴射量TiOに応じたパルス幅を持つ噴射駆動（パルス）信号（空燃比制御信号）が前記各燃料噴射弁３０にそれぞれ所定のタイミングで供給される。
【００７７】
＜周波数応答特性演算手段１４０＞
本演算手段１４０では、Ａ／Ｆセンサ５２から得られる信号の周波数分析を行う。具体的には、図３２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ５２の出力信号をＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）を用いて周波数fa_nのパワースペクトル（＝ゲイン特性）Power(fa_n)及び位相スペクトルPhase(fa_n)を演算する。ここでは、特定の周波数のみのスペクトルを演算するため、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）ではなくＤＦＴを用いている。なお、ＤＦＴの処理内容については、多くの文献、書物があるので、ここでは、省略する。
【００７８】
＜Ａ／Ｆセンサ診断手段１５０＞
ここでは、周波数応答特性演算手段１４０で求められたPower(fa_n)、Phase(fa_n)を用いて、Ａ／Ｆセンサ５２の診断を行う。具体的には、図３３に示されるように、ゲイン特性Power(fa_n)が所定値以上もしくは所定値以下、かつ、位相特性Phase(fa_n)が所定値以下でないとき、すなわち、ゲイン特性のみ変化したとき、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性が変化したと判定し、ゲイン特性Power(fa_n)が所定値以上もしくは所定値以下、かつ、位相特性Phase(fa_n)が所定値以下のとき、すなわち、ゲイン特性及び位相特性の双方が変化したとき、Ａ／Ｆセンサ５２の応答特性が変化したと判定する。また、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性変化、応答特性のいずれの場合も、劣化報知灯２７を点灯（Fdet=１）し、例えば運転者に劣化を通知する。前記所定値は、エンジン１０及び触媒５０の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。
【００７９】
以上のように、本実施形態においては、燃料噴射弁３０からＡ／Ｆセンサ５２までの周波数応答特性に基づいて、Ａ／Ｆセンサ５２を診断するので、Ａ／Ｆセンサ５２の劣化モードがゲイン劣化であるか応答性劣化であるかを正確に判定できる
【００８０】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第２実施形態を説明する。第２実施形態の各部の構成は、前述した第１実施形態（図２４〜図３３）のものと、空燃比制御手段１２０以外の部分は略同じであるので、重複説明を省略し、以下においては、本実施形態の空燃比制御手段１２０について図３４を参照しながら説明する。
【００８１】
本第２実施形態の空燃比制御手段１２０では、第１実施形態（図２５）の空燃比制御手段１２０における（全気筒）空燃比補正量演算手段１２２が１番気筒空燃比補正量演算手段１２４になっており、補正量Chosが１番気筒#１の空燃比（燃料噴射量）にのみ反映するようになっている。以下、第１実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００８２】
＜１番気筒空燃比補正量演算手段１２４＞
本演算手段１２４では、１番気筒#１の空燃比補正量の演算を行う。通常時、すなわち、Fpdag=0のときは、前述の基本燃料噴射量Tp及び空燃比Ｆ／Ｂ補正量Lalphaにより排気集合部４０Ｂの空燃比が目標空燃比となるよう各気筒#１、#２、#３、#４に対する燃料噴射量が演算される。Fpdag=1のときは、排気集合部４０Ｂで空燃比の振動を起こすべく１番気筒#１の当量比のみ所定量Kchosだけ増量する。具体的には、図３５に示される処理にて行う。すなわち、Fpdag=1のときは、１番気筒当量比変化量Chos=Kchosとし、Fpdag=0のときは、Chos=0とする。なお、Kchosの値はエンジン及び触媒の特性に合わせて排気が悪化しないよう設定するのが好ましい。
【００８３】
＜周波数応答特性演算手段１４０＞
本演算手段１４０では、Ａ／Ｆセンサ５２から得られる信号の周波数分析を行う。具体的には、図３６に示されるようにＡ／Ｆセンサの出力信号をＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）を用いてエンジンの２回転周期に相当する周波数faのパワースペクトル（＝ゲイン特性）Power(fa)及び位相スペクトルPhase(fa)を演算する。なお、エンジンの２回転周期に相当する周波数faと回転数Neの関係が図３８に示されている、すなわち、回転数に応じて自動的に周波数faは変化するので、複数の回転数でPower、Phaseを求めることで、周波数特性の概略を求めることができる。なお、ここでは、特定の周波数faのみのスペクトルを演算するため、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）ではなくＤＦＴを用いることとした。また、サンプリング周期は、サンプリング定理により、エンジン２回転周期の２倍より大きければよいが、ここでは、クランク角センサ３７あるいはカム角センサから得られる気筒信号（４気筒の場合、１８０°毎に出力）により割り込み処理を行う。
【００８４】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第３実施形態を説明する。第３実施形態の各部の構成は、第２実施形態のもの（図３４）とＡ／Ｆセンサ診断手段１５０の処理内容が異なるだけで他の部分は略同様な構成である。以下、第２実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００８５】
＜Ａ／Ｆセンサ診断手段１５０＞
本第３実施形態のＡ／Ｆセンサ診断手段１５０では、周波数応答特性演算手段で求められたPower(fa(Ne))、Phase(fa(Ne))を用いて、Ａ／Ｆセンサ５２の診断を行う。具体的には、図３７に示されるように、ゲイン特性Power(fa(Ne))とゲイン特性基準値Power0との差Δpower(fa)を演算する。ゲイン特性基準値Power0は、例えば、Ａ／Ｆセンサ５２の正常時におけるある吸入空気量Qaとあるエンジン回転数Ne（とKchosの値）の運転状態で決まるゲイン特性から予め決めておく。また、位相特性Phase(fa(Ne))と位相特性基準値Phase0との差Δphase(fa)を演算する。位相特性基準値Phase0は、例えば、Ａ／Ｆセンサ正常時におけるある吸入空気量Qaとあるエンジン回転数Ne（とKchosの値）の運転状態で決まる位相特性から予め決めておく。位相は、例えば、エンジンのTDC(Top Dead Center)もしくはいわゆる気筒判別信号のタイミングからの位相で決める。Δpowerの絶対値が所定値以上、かつ、Δphaseの絶対値が所定値以下のとき、すなわちゲイン特性のみ変化したとき、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性が変化したと判定し、Δpowerの絶対値が所定値以上かつΔphaseの絶対値が所定値以上のとき、すなわち、ゲイン特性及び位相特性の双方が変化したとき、Ａ／Ｆセンサ５２の応答特性が変化したと判定する。また、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性変化、応答特性のいずれの場合も、劣化報知灯２７を点灯（Fdet=１）し、例えば運転者に劣化を通知する。前記所定値は、エンジン及び触媒の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。
【００８６】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第４実施形態を説明する。第４実施形態の各部の構成は、第２実施形態のもの（図３４）とは、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３及びＡ／Ｆセンサ診断手段１５０の処理内容、及び、新たに空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段１６０が備えられているところが異なり、他の部分は略同様な構成である（図３８参照）。以下、第２及び第３実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００８７】
＜空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３＞
本実施形態の空燃比制御手段１２０では、Ａ／Ｆセンサ５２で検出される空燃比に基づいて、任意の運転状態において排気集合部４０Ｂ（触媒５０入口）の平均空燃比が目標空燃比となるよう空燃比フィードバック制御（ＰＩ制御）を行う。具体的には、図３９に示されるように、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３において、前記ＰＩ制御時に、目標空燃比TabfとＡ／Ｆセンサ５２の検出空燃比Rabfとの偏差Dltabfから、空燃比補正項Lalphaを演算する。空燃比補正項Lalphaは、前記基本燃料噴射量Tpに乗ぜられる。また、後述の空燃比フィードバック制御パラメータ補正量演算手段１６０で演算されるＰ分ゲイン補正量及びＩ分ゲイン補正量により、Ａ／Ｆセンサ５２の特性変化（劣化度）に応じて、ＰＩ制御が最適化される。
【００８８】
＜空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段１６０＞
本演算手段１６０では、Ａ／Ｆセンサ診断手段１５０の診断結果、つまり、Ａ／Ｆセンサ５２の特性変化（劣化度）に応じて、最適なＰ分ゲイン、Ｉ分ゲイン補正量を演算する。具体的には、図４０に示されるように、Ａ／Ｆセンサ５２の特性が所定量変化したことを示すFdet=1のとき、最適なＰ分ゲイン補正量及びＩ分ゲイン補正量を求める。すなわち、A./Fセンサ５２のゲイン特性が変化したとき（Fgain=1のとき）、Δpowerに基づいて、Ｐ分ゲイン補正量を求め、Δphaseに基づいて、Ｉ分ゲイン補正量を求める。また、A./Fセンサ５２の応答特性が変化したとき（Fres=1のとき）、Δpowerに基づいて、Ｐ分ゲイン補正量を求め、Δphaseに基づいて、Ｉ分ゲイン補正量を求める。A./Fセンサ５２のゲイン特性が変化したときと、応答特性が変化したときの最適なP分ゲイン、Ｉ分ゲインは異なるので、個々に最適なパラメータは持たせる。最適なパラメータは、例えば、図２３及び図２４に示されるように予めシミュレーション又は実験により求めておく。Ａ／Ｆセンサ５２の特性が正常であるとき、すなわち、Fdet=0のとき、Ｐ分ゲイン補正量及びＩ分ゲイン補正量は１とし、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３で設定されるＰ分ゲイン及びＩ分ゲインに対して補正を行わない。
【００８９】
図４１（Ａ）と（Ｂ）は、本発明（第４実施形態）と従来（Ａ／Ｆセンサ特性変化によるＰＩ制御の適応なし）における比較試験結果を示している。具体的には、定常で、リッチの空燃比外乱を入れたときの外乱応答性で評価している。本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ５２の特性が変化（劣化）しても、それに応じて、ＰＩ制御のＰ分ゲイン及びＩ分ゲインが最適化されるので、性能はほとんど変わらない。一方、従来方式では、Ａ／Ｆセンサの性能変化に適応しないので、Ａ／Ｆセンサ特性変化時に、外乱応答性が悪化していることがわかる。
【００９０】
［第５実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第５実施形態を説明する。第５実施形態の各部の構成は、第４実施形態のもの（図３８）とは、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３及び空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段１６０の処理内容が異なり、他の部分は略同様な構成である（図４２参照）。以下、第４実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００９１】
前述した第４実施形態では、空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段１６０で、空燃比フィードバック制御(ＰＩ制御)のパラメータであるＰ分ゲイン及びＩ分ゲインの補正量がそれぞれ演算されるが、本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ５２から得られる信号（出力値）に対して行う補正量K1及びK2が演算される。補正量K1、K2は、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３に送られ、Ａ／Ｆセンサ５２の出力補正に用いられ、Ａ／Ｆセンサ５２の特性変化に応じて最適化される。それ以外は、第４実施形態と同様である。以下、第４実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００９２】
＜空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３＞
本実施形態の空燃比制御手段１２０では、Ａ／Ｆセンサ５２で検出される空燃比に基づいて、任意の運転状態において排気集合部４０Ｂ（触媒１２入口）の平均空燃比が目標空燃比となるように空燃比フィードバック制御（ＰＩ制御）を行う。具体的には、図４３に示されるように、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３において、目標空燃比TabfとＡ／Ｆセンサ５２の検出空燃比Rabfとの偏差Dltabfから、空燃比補正項Lalphaを演算する。空燃比補正項Lalphaは前記基本燃料噴射量Tpに乗ぜられる。また、後述の空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段１６０で演算される補正量K1、K2により、Ａ／Ｆセンサ５２の特性変化に応じて、Ａ／Ｆセンサ５２の出力が補正される。より具体的には、K1は、Ａ／Ｆセンサ５２のゲインが劣化したときは、正常時のゲインと同等となるようK1により逆補正を行う。Ａ／Ｆセンサ５２の応答性が劣化したときは、正常時の応答性と同等となるようK2により位相進み補償を行う。
【００９３】
＜空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段１６０＞
本演算手段１６０では、Ａ／Ｆセンサの診断手段１５０の診断結果に基づいて、つまり、Ａ／Ｆセンサ５２の特性変化（劣化度）に応じて、空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３で用いるパラメータK1及びK2を演算する。具体的には、図４４に示されるように、Ａ／Ｆセンサ５２の特性が所定量変化したことを示すFdet=1のとき、図のようにして最適なK1、K2を求める。すなわち、A/Fセンサ５２のゲイン特性が変化したとき（Fgain=1のとき）、Δpowerにもとづいて、K1を求め、また、A/Fセンサ５２の応答性特性が変化したとき（Fres=1のとき）、Δphaseに基づいて、K2を求める。最適なパラメータは、予めシミュレーション又は実験により求めておく。Ａ／Ｆセンサ５２の特性が正常であるとき、すなわち、Fdet=0のとき、K1=1、K2=0とし、Ａ／Ｆセンサの出力に対して補正を行わず、ＰＩ制御の入力値として用いる。
【００９４】
［第６実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第６実施形態を説明する。第６実施形態の各部の構成は、第２実施形態のもの（図３４）とＡ／Ｆセンサ診断手段１５０の処理内容が異なるだけで他の部分は略同様な構成である（図４５参照）。以下、第２実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００９５】
＜Ａ／Ｆセンサ診断手段１５０＞
ここでは、周波数応答特性演算手段１４０で求められたPower(fa(Ne))、Phase(fa(Ne))及び空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段１２３で演算されるLalphaを用いてＡ／Ｆセンサ５２の診断を行う。具体的には、図４６に示されるように、ゲイン特性Power(fa(Ne))とゲイン特性基準値Power0との差Δpower(fa)を演算する。ゲイン特性基準値Power0は、例えば、Ａ／Ｆセンサ正常時におけるある吸入空気量Qaとあるエンジン回転数Ne（とKchosの値）の運転状態で決まるゲイン特性から予め決めておく。また、位相特性Phase(fa(Ne))と位相特性基準値Phase0との差Δphase(fa)を演算する。位相特性基準値Phase0は、例えば、Ａ／Ｆセンサ正常時におけるある吸入空気量Qaとあるエンジン回転数Ne（とKchosの値）の運転状態で決まる位相特性から予め決めておく。位相は、例えば、エンジンのTDC(Top Dead Center)もしくはいわゆる気筒判別信号のタイミングからの位相で決める。
【００９６】
Δpowerの絶対値が所定値以上、かつ、Δphaseの絶対値が所定値以下のとき、すなわちゲイン特性のみ変化したとき、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性が変化したと判定し、Δpowerの絶対値が所定値以上、かつ、Δphaseの絶対値が所定値以上、かつ、Lalphaの反転周期が所定値以上のとき、Ａ／Ｆセンサ５２の応答特性が変化したと判定する。ここにLalphaの反転周期は、Lalphaがリッチ補正の値を示す時間とリーン補正の値を示す時間の総和で表される。すなわち、Ａ／Ｆセンサ５２の応答性が悪化するに応じて、Ａ／Ｆセンサ５２を用いた空燃比フィードバック制御で演算されるLalphaの値がリッチ補正を示す時間、リーン補正を示す時間が長期化することに着目し、Ａ／Ｆセンサの応答性劣化の検出精度をより高くすることを図るものである。
【００９７】
また、Ａ／Ｆセンサのゲイン特性変化、応答特性のいずれの場合も、劣化報知灯２７を点灯（Fdet=１）し、例えば運転者に劣化を通知する。前記所定値は、エンジン及び触媒の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。
【００９８】
［第７実施形態］
次に、本発明に係る制御装置の第７実施形態を説明する。第７実施形態は、第２実施形態のもの（図３４）に、Ａ／Ｆセンサ５２の診断に加えて、Ａ／Ｆセンサ以外の特性診断をも行うことができるようにしたもので、第２実施形態のＡ／Ｆセンサ診断許可判定手段１３０に代えてＡ／Ｆセンサ他診断許可判定手段１７０が、また、Ａ／Ｆセンサの診断手段１５０に代えてＡ／Ｆセンサ他診断手段１８０が備えられている（図４７参照）。以下、第２実施形態と異なる部分を重点的に説明する。
【００９９】
＜Ａ／Ｆセンサ他診断許可判定手段１７０、Ａ／Ｆセンサ他診断手段１８０＞
本実施形態では、周波数応答特性演算手段１４０で求められたPower(fa(Ne))、Phase(fa(Ne))及び水温Twnを用いてＡ／Ｆセンサ５２の診断及びＡ／Ｆセンサ以外の特性診断を行う。ここでは、Ａ／Ｆセンサ以外の特性診断として、燃料性状を検出（診断）する方式を示す。具体的には、図４８に示されるように、ゲイン特性Power(fa(Ne))とゲイン特性基準値Power0との差Δpower(fa)を演算する。ゲイン特性基準値Power0は、例えば、Ａ／Ｆセンサ正常時におけるある吸入空気量Qaとあるエンジン回転数Ne（とKchosの値）の運転状態で決まるゲイン特性から予め決めておく。また、位相特性Phase(fa(Ne))と位相特性基準値Phase0との差Δphase(fa)を演算する。位相特性基準値Phase0は、例えば、Ａ／Ｆセンサ正常時におけるある吸入空気量Qaとあるエンジン回転数Ne（とKchosの値）の運転状態で決まる位相特性から予め決めておく。位相は、例えば、エンジンのTDC(Top Dead Center)もしくはいわゆる気筒判別信号のタイミングからの位相で決める。
【０１００】
そして、水温Twnが所定値以上のとき、Δpowerの絶対値が所定値以上、かつ、Δphaseの絶対値が所定値以下のとき、すなわちゲイン特性のみ変化したとき、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性が変化したと判定し、Δpowerの絶対値が所定値以上、かつ、Δphaseの絶対値が所定値以上のとき、Ａ／Ｆセンサ５２の応答特性が変化したと判定する。
【０１０１】
また、水温Twnが所定値以下のとき、Δpowerの絶対値が所定値以上もしくはΔphaseの絶対値が所定値以上のとき、Ａ／Ｆセンサ５２以外のデバイスが異常と判定し、特に、ここでは燃料性状が変わったこととする。すなわち、燃料性状が変化すると、燃料噴射量の気化率が変化するため、Ａ／Ｆセンサ５２の特性が変化しなくても、燃料噴射弁３０からＡ／Ｆセンサ５２までの伝達特性が変化する。ただし、燃料性状差は、一般に低温時のみ発生するため、水温TwnがTwndag1以下のときのみ、燃料性状判定とするものである。
【０１０２】
また、Ａ／Ｆセンサ５２のゲイン特性変化、応答特性のいずれの場合も、劣化報知灯２７を点灯（Fdet=１）し、例えば運転者に劣化を通知する。前記所定値は、エンジン及び触媒の特性及び目標とする診断性能に応じて経験的に決めるのがよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明に係る制御装置の第１態様の説明に供される図。
【図２】本発明に係る制御装置の第２態様の説明に供される図。
【図３】本発明に係る制御装置の第３態様の説明に供される図。
【図４】本発明に係る制御装置の第４態様の説明に供される図。
【図５】本発明に係る制御装置の第５態様の説明に供される図。
【図６】本発明に係る制御装置の第６態様の説明に供される図。
【図７】本発明に係る制御装置の第７態様の説明に供される図。
【図８】本発明に係る制御装置の第９態様の説明に供される図。
【図９】本発明に係る制御装置の第１０態様の説明に供される図。
【図１０】本発明に係る制御装置の第１１態様の説明に供される図。
【図１１】本発明に係る制御装置の第１２態様の説明に供される図。
【図１２】本発明に係る制御装置の第１３態様の説明に供される図。
【図１３】本発明に係る制御装置の第１５態様の説明に供される図。
【図１４】本発明に係る制御装置の第１６態様の説明に供される図。
【図１５】本発明に係る制御装置の第１７態様の説明に供される図。
【図１６】本発明に係る制御装置の第１８態様の説明に供される図。
【図１７】本発明に係る制御装置の第１９態様の説明に供される図。
【図１８】本発明に係る制御装置の第２０態様の説明に供される図。
【図１９】本発明に係る制御装置の第２１態様の説明に供される図。
【図２０】本発明に係る制御装置の第２２態様の説明に供される図。
【図２１】Ａ／Ｆセンサ正常時、Ａ／Ｆセンサゲイン特性変化時のぞれぞれの周波数応答特性を示す図。
【図２２】Ａ／Ｆセンサ正常時、Ａ／Ｆセンサ応答特性変化時のぞれぞれの周波数応答特性を示す図。
【図２３】Ａ／Ｆセンサ正常時、Ａ／Ｆセンサゲイン特性変化時のぞれぞれのＰＩ制御の最適Ｐ分、Ｉ分ゲインを示す図。
【図２４】Ａ／Ｆセンサ正常時、Ａ／Ｆセンサ応答特性変化時のぞれぞれのＰＩ制御の最適Ｐ分、Ｉ分ゲインを示す図。
【図２５】本発明に係る制御装置の第１実施形態をそれが適用されたエンジンと共に示す概略構成図。
【図２６】第１実施形態におけるコントロールユニットの内部構成図。
【図２７】第１実施形態の制御システム図。
【図２８】第１実施形態における基本燃料噴射量演算手段の説明に供される図。
【図２９】第１実施形態における空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段の説明に供される図。
【図３０】第１実施形態におけるＡ／Ｆセンサ診断許可判定手段の説明に供される図。
【図３１】第１実施形態における空燃比補正量演算手段の説明に供される図。
【図３２】第１実施形態における周波数応答特性演算手段の説明に供される図。
【図３３】第１実施形態におけるＡ／Ｆセンサ診断手段の説明に供される図。
【図３４】第２実施形態の制御システム図。
【図３５】第２実施形態における１番気筒空燃比補正量演算手段の説明に供される図。
【図３６】第２実施形態における周波数応答特性演算手段の説明に供される図。
【図３７】第３実施形態におけるＡ／Ｆセンサ診断手段の説明に供される図。
【図３８】第４実施形態の制御システム図。
【図３９】第４実施形態における空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段の説明に供される図。
【図４０】第４実施形態における空燃Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段の説明に供される図。
【図４１】本発明の第４実施形態と従来とのＡ／Ｆセンサ出力の比較試験結果を示す図。
【図４２】第５実施形態の制御システム図。
【図４３】第５実施形態における空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段の説明に供される図。
【図４４】第５実施形態における空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段の説明に供される図。
【図４５】第６実施形態の制御システム図。
【図４６】第６実施形態におけるＡ／Ｆセンサ性能判定手段を表したブロック図。
【図４７】第７実施形態の制御システム図。
【図４８】第７実施形態におけるＡ／Ｆセンサ他診断手段の説明に供される図。
【符号の説明】
【０１０４】
１    制御装置
１０  エンジン
１７  燃焼室
１９  水温センサ
２０  吸気通路
２１  エアクリーナ
２４  エアフローセンサ
２５  電制スロットル弁
２７  コレクタ
２８  スロットル開度センサ
３０  燃料噴射弁
３５  点火プラグ
３７  クランク角（エンジン回転数）センサ
３９  アクセル開度センサ
４０  排気通路
４０Ｂ  排気集合部
４１  ＥＧＲ通路
５０  三元触媒
５１  酸素センサ
５２  Ａ／Ｆセンサ
１００  コントロールユニット
１２０  空燃比制御手段
１２１  基本燃料噴射量演算手段
１２２  空燃比補正量演算手段
１２３  空燃比Ｆ／Ｂ補正量演算手段
１２４  １番気筒空燃比補正量演算手段
１３０  Ａ／Ｆセンサ診断許可判定手段
１４０  周波数応答特性演算手段
１５０  Ａ／Ｆセンサ診断手段
１６０  空燃比Ｆ／Ｂ制御パラメータ補正量演算手段
１７０  Ａ／Ｆセンサ他診断許可判定手段
１８０  Ａ／Ｆセンサ他診断手段
【図１】
2008180225.tif 000006
【図２】
2008180225.tif 000007
【図３】
2008180225.tif 000008
【図４】
2008180225.tif 000009
【図５】
2008180225.tif 000010
【図６】
2008180225.tif 000011
【図７】
2008180225.tif 000012
【図８】
2008180225.tif 000013
【図９】
2008180225.tif 000014
【図１０】
2008180225.tif 000015
【図１１】
2008180225.tif 000016
【図１２】
2008180225.tif 000017
【図１３】
2008180225.tif 000018
【図１４】
2008180225.tif 000019
【図１５】
2008180225.tif 000020
【図１６】
2008180225.tif 000021
【図１７】
2008180225.tif 000022
【図１８】
2008180225.tif 000023
【図１９】
2008180225.tif 000024
【図２０】
2008180225.tif 000025
【図２１】
2008180225.tif 000026
【図２２】
2008180225.tif 000027
【図２３】
2008180225.tif 000028
【図２４】
2008180225.tif 000029
【図２５】
2008180225.tif 000030
【図２６】
2008180225.tif 000031
【図２７】
2008180225.tif 000032
【図２８】
2008180225.tif 000033
【図２９】
2008180225.tif 000034
【図３０】
2008180225.tif 000035
【図３１】
2008180225.tif 000036
【図３２】
2008180225.tif 000037
【図３３】
2008180225.tif 000038
【図３４】
2008180225.tif 000039
【図３５】
2008180225.tif 000040
【図３６】
2008180225.tif 000041
【図３７】
2008180225.tif 000042
【図３８】
2008180225.tif 000043
【図３９】
2008180225.tif 000044
【図４０】
2008180225.tif 000045
【図４１】
2008180225.tif 000046
【図４２】
2008180225.tif 000047
【図４３】
2008180225.tif 000048
【図４４】
2008180225.tif 000049
【図４５】
2008180225.tif 000050
【図４６】
2008180225.tif 000051
【図４７】
2008180225.tif 000052
【図４８】
2008180225.tif 000053