(57)【要約】【課題】空燃比センサが劣化した状態を考慮した制御変数の適合作業を、低コストかつ高精度に行えるようにする。【解決手段】新品の空燃比センサを機関に装着した状態で、空燃比を強制的にステップ変化させ、このときの空燃比操作量と空燃比センサの検出信号とから、燃料噴射弁から空燃比センサまでのプラントモデルのパラメータを同定する。次いで、劣化状態での応答遅れを示す擬似劣化信号を発生させるための補正特性（伝達関数）を、前記パラメータに基づいて設定する。そして、前記補正特性で検出信号を補正することで、劣化状態に見合う過渡遅れを生じさせ、該補正された検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行わせる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気中の成分濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサの擬似劣化信号発生装置であって、
空燃比操作量と前記空燃比センサの検出信号とに基づいて、空燃比変化が前記空燃比センサで検出されるまでの伝達特性を求め、
該伝達特性を基準に、要求の劣化度合いに対応する検出信号の補正特性を設定し、
前記補正特性で、前記空燃比センサの検出信号を補正することで、前記要求の劣化度合いに対応する過渡遅れを強制的に生じさせることを特徴とする空燃比センサの擬似劣化信号発生装置。
【請求項２】
空燃比をステップ変化させる空燃比操作量を強制的に与え、そのときの前記空燃比センサの検出信号に基づいて、空燃比変化が前記空燃比センサで検出されるまでの伝達特性を求めることを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの擬似劣化信号発生装置。
【請求項３】
前記伝達特性を、機関に燃料を噴射する燃料噴射弁から前記空燃比センサまでを制御対象としたプラントモデルのパラメータの同定により求める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擬似劣化信号発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転状態を検出するセンサにおいて、該センサが劣化した状態での検出信号を擬似的に発生させる擬似劣化信号発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の排気中の酸素濃度に基づいて燃焼混合気の空燃比を検出する空燃比センサを排気管に設け、該空燃比センサで検出される実際の空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、機関への燃料供給量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御が知られている。
【０００３】
また、特許文献１に開示される空燃比フィードバック制御においては、空燃比センサの劣化による時定数の変化を検出し、該時定数の変化に対応して目標空燃比を変更する構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−１２８３４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように空燃比センサの劣化時に対応する処理を最適に行わせるには、空燃比センサが劣化した状態での運転を実験的に行わせ、種々のパラメータを予め適合させる必要が生じる。
【０００６】
そこで、従来では、前記適合作業のために、劣化した状態の出力特性を示す空燃比センサを製造し、該劣化空燃比センサを機関に装着して空燃比検出を行わせるようにしていた。
【０００７】
しかし、劣化特性の空燃比センサを要求通りに製造することが難しく、劣化空燃比センサの製造コストが高くなってしまうという問題があった。
また、劣化空燃比センサを機関に装着して実験を行っている最中に、劣化空燃比センサの劣化度合いが進んでしまい、一定の劣化条件で適合作業を行わせることが困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、空燃比センサが劣化した状態に対応する制御パラメータの適合作業を、低コストにかつ精度良く行えるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明では、空燃比操作量と空燃比センサの検出信号とに基づいて、空燃比変化が空燃比センサで検出されるまでの伝達特性を求め、この伝達特性を基準に、要求の劣化度合いに対応する検出信号の補正特性を設定し、該設定した補正特性で空燃比センサの検出信号を補正することで、要求の劣化度合いに対応する過渡遅れを強制的に生じさせる構成とした。
【００１０】
かかる構成によると、空燃比変化が空燃比センサで検出されるまでの伝達特性を検出することで、新品状態における実際の空燃比検出の応答特性を求め、該応答特性（新品の空燃比センサにおける応答性）を基準として、劣化時に見合う応答性を擬似的に発生させるための検出信号の補正特性を設定する。
【００１１】
そして、前記設定した補正特性で、空燃比センサの検出信号を補正することで、要求の劣化度合いに対応する過渡遅れを示す擬似劣化信号を発生させる。
従って、新品の空燃比センサを用いつつ、擬似的に劣化した空燃比検出信号を発生させることができ、かつ、新品の空燃比センサの実際の応答特性を基準として、擬似劣化させるための補正特性を設定するから、要求の劣化状態を高精度にシミュレーションすることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、空燃比をステップ変化させる空燃比操作量を強制的に与え、そのときの空燃比センサの検出信号に基づいて、空燃比変化が空燃比センサで検出されるまでの伝達特性を求める構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、空燃比を強制的にステップ変化させ、このステップ変化に見合う変化が空燃比センサの検出信号に表れるまでの伝達特性を求める。
従って、空燃比操作量に見合う検出信号の変化を容易に捉えることができ、伝達特性を精度良く求めることができる。
【００１４】
請求項３記載の発明では、前記伝達特性を、機関に燃料を噴射する燃料噴射弁から空燃比センサまでを制御対象としたプラントモデルのパラメータの同定により求める構成とした。
【００１５】
かかる構成によると、燃料噴射弁から空燃比センサまでを制御対象としたプラントモデルを設定し、空燃比操作量と空燃比センサの検出信号とに基づいて前記プラントモデルのパラメータを同定する。
【００１６】
従って、燃料噴射弁から空燃比センサまでをモデル化して、要求の劣化度合いに見合う補正特性を精度良く設定させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る擬似劣化信号発生装置が適用される内燃機関のシステム構成図である。
【００１８】
この図１において、内燃機関１１の吸気管１２には、吸入空気流量Ｑａを計測するエアフローメータ１３及び吸入空気流量Ｑａを制御する吸気絞り弁１４が設けられる。
【００１９】
前記吸気絞り弁１４下流のマニホールド部分には、気筒毎に電磁式の燃料噴射弁１５が設けられる。
前記燃料噴射弁１５は、後述するようにしてコントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、所定圧力に制御された燃料を噴射する。
【００２０】
更に、機関１１の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１６が設けられる。
一方、排気マニホールド１７の集合部近傍に、排気中の酸素濃度に基づいて吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１８が設けられる。
【００２１】
前記空燃比センサ１８の下流側には、理論空燃比近傍において排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を良好に行って排気を浄化する三元触媒１９が介装されている。
【００２２】
ここで、前記空燃比センサ１８の構造及び空燃比検出原理について説明する。
図２に前記空燃比センサ１８の構造を示す。
前記空燃比センサ１８の本体１は、例えば酸素イオン伝導性を有するジルコニアＺｒ２Ｏ３等の耐熱性多孔質絶縁材料等で形成され、該本体１には、ヒータ部２が設けられる。
【００２３】
また、前記本体１には、大気（標準ガス）と連通する大気導入孔３、及び、ガス導入孔４及び保護層５を介して機関排気側と連通するガス拡散層６が設けられている。
【００２４】
センシング部電極７Ａ，７Ｂは、大気導入孔３とガス拡散層６とに臨んで設けられると共に、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂは、ガス拡散層６とこれに対応する本体１の周囲とに設けられる。
【００２５】
前記センシング部電極７Ａ，７Ｂの間には、ガス拡散層６内の酸素イオン濃度（酸素分圧）と大気中の酸素イオン濃度との比に応じた電圧が発生し、該電圧に基づいてガス拡散層６内の空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンが検出される。
【００２６】
一方、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂには、センシング部電極７Ａ，７Ｂの間に発生する電圧、つまり、ガス拡散層６内のリッチ・リーンに応じて電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
前記酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂにおいては、所定の電圧が印加されると、これに応じてガス拡散層６内の酸素イオンが移動され、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間に電流が流れる。
【００２８】
ここで、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間に、所定電圧を印加したときに該電極間を流れる電流値（限界電流）Ｉｐは、排気中の酸素イオン濃度に影響されるので、電流値（限界電流）Ｉｐを検出することで空燃比を検出できることになる。
【００２９】
即ち、図３のテーブル（Ａ）に示すように、酸素ポンプ電極間の電流・電圧と、空燃比との相関関係が得られ、センシング部電極７Ａ，７Ｂのリッチ・リーン出力に基づいて酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂに対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間を流れる電流値（限界電流）Ｉｐに基づき、空燃比を検出できる。
【００３０】
以上のような空燃比検出原理により、酸素ポンプ電極部間の電流値Ｉｐを検出して、例えば図３のテーブル（Ｂ）を参照すれば、空燃比を広範囲に検出することができる。
【００３１】
但し、空燃比センサ１８の構造及び空燃比検出原理を上記のものに限定するものではなく、理論空燃比に対するリッチ・リーンのみを検出する所謂ストイキセンサであっても良い。
【００３２】
ここで、前記図１の説明に戻る。
前記機関１１には、クランク軸の角度を検出するクランク角センサ２０が設けられており、コントロールユニット５０では、該クランク角センサ２０から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計測して機関回転速度Ｎｅを検出する。
【００３３】
前記コントロールユニット５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等から構成されるマイクロコンピュータを含んでなり、前述の空燃比センサ１８、エアフローメータ１３、水温センサ１６、クランク角センサ２０等からの入力信号を受け、以下のようにして燃料噴射弁１５の燃料噴射量を制御する。
【００３４】
前記コントロールユニット５０は、エアフローメータ１３で検出される吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ２０の信号から求められる機関回転速度Ｎｅとから基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ＝ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（ｋは定数）を演算すると共に、低水温時に強制的にリッチ側に補正する水温補正係数Ｋｗ、始動及び始動後増量補正係数Ｋａｓ、空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡ、電圧補正分Ｔｓ、目標空燃比に対応する目標当量比Ｚ等により、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉ＝Ｔｐ×（１＋Ｋｗ＋Ｋａｓ＋・・・）×ＬＡＭＢＤＡ×Ｚ＋Ｔｓを演算する。
【００３５】
そして、この燃料噴射パルス幅Ｔｉが駆動パルス信号として前記燃料噴射弁１５に送られて、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉから電圧補正分Ｔｓを除いた有効噴射パルス幅Ｔｅに比例する量の燃料が噴射される。
【００３６】
上記空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡは、空燃比センサ１８が検出する実際の空燃比の目標空燃比からのズレを補正するための係数であり、これによって基本燃料パルス幅Ｔｐを補正することで、実際の空燃比を目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致させる。
【００３７】
前記空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡは、空燃比センサ１８で検出される実際の空燃比と目標空燃比との偏差に基づく比例・積分・微分制御によって設定される。
【００３８】
ここで、前記コントロールユニット５０には、本発明に係る空燃比センサの擬似劣化信号発生装置としての機能が内蔵されており、該擬似劣化信号発生装置を選択的に機能させることができるようになっている。
【００３９】
即ち、前記空燃比センサ１８の検出信号をそのまま用いて通常に空燃比フィードバック制御を行わせる状態と、機関制御仕様の開発・設計時において各種の制御変数を適合する作業のために、前記空燃比センサ１８の検出信号を擬似劣化信号発生装置で処理して空燃比フィードバック制御を行わせる状態とに、スイッチ操作で切り換えられるようになっている。
【００４０】
また、空燃比センサ１８の擬似劣化信号を発生させるに当たって、コントロールユニット５０に対して外部から劣化度合いの要求を指示できるようになっている。
【００４１】
尚、前記劣化度合いは、例えば、走行距離１０万ｋｍ相当，走行距離２０万ｋｍ相当などの車両走行距離で指定される。
また、擬似劣化信号発生装置を機能させる場合の空燃比センサ１８は、新品でかつ標準的な出力特性の空燃比センサであり、劣化した状態の出力特性を示す劣化空燃比センサは用いない。
【００４２】
図４のフローチャートは、前記擬似劣化信号発生装置の処理内容を示すものであり、ステップＳ１では、空燃比センサ１８の検出信号を擬似的に劣化させる要求があるか否かを判断し、擬似劣化要求がある場合には、ステップＳ２へ進む。
【００４３】
ステップＳ２では、燃料噴射弁１５から空燃比センサ１８までを制御対象としたプラントモデルのパラメータの同定が完了しているか否かを判断する。
パラメータ同定が完了していない場合には、ステップＳ３へ進み、同定の実行条件が成立しているか否かを判断する。
【００４４】
前記同定の実行条件としては、各部品やシステムの故障判定がなされていないこと、空燃比センサ１８が活性状態であることなどを判断する。
同定の実行条件が成立している場合には、ステップＳ４へ進み、機関が定常運転状態であるか否かを判断する。
【００４５】
例えば、吸入空気量Ｑの単位時間当たりの変化量ΔＱを求め、この変化量ΔＱの絶対値が所定値以下である状態を定常運転状態と判断する。
機関が定常運転状態であれば、ステップＳ５へ進み、空燃比を強制的にステップ変化させる。該空燃比のステップ変化は、例えば周期的にリッチからリーンへリーンからリッチに反転させるようにする。
【００４６】
尚、空燃比センサ１８の応答劣化を、空燃比の強制的なステップ変化が空燃比センサ１８で検出されるまでの遅れ時間として診断する機能が備えられる場合には、係る応答劣化診断を実行させることで、ステップ的な空燃比変化を発生させることができる。
【００４７】
ステップＳ６では、前記空燃比のリッチ・リーン切り換え信号（空燃比操作量）とそのときの空燃比センサ１８の検出信号に基づいて、前記プラントモデルのパラメータの同定を行う。
【００４８】
前記プラントモデルは、例えば、排気輸送によるむだ時間が補償される２次のＡＲＸモデル（Ａｕｔｏ−Ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｅＸｏｇｅｎｅｏｕｓモデル）で記述し、該モデルのパラメータを、逐次最小２乗法（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  ｌｅａｓｔ−ｓｑｕａｒｅｓ  ｍｅｔｈｏｄ）で同定する。
【００４９】
かかる同定によりステップＳ２で同定完了と判断されるようになると、ステップＳ７へ進み、同定完了後の初回であるか否かを判断し、初回であれば、ステップＳ８へ進む。
【００５０】
ステップＳ８では、前記同定されたパラメータ（プラントモデル）に基づき、劣化状態に見合う応答性を示すように検出信号を補正するための伝達関数（時定数）を、予め設定される劣化度合い毎に設定し、該設定結果を各劣化度合いに対応するテーブルデータとして記憶させる。
【００５１】
即ち、前記同定されたパラメータ（プラントモデル）は、空燃比センサ１８が新品の状態での応答性を示し、また、予め設定される劣化度合いは、例えば新品時に対して時定数が所定割合だけ増した状態として規定できるから、前記同定されたパラメータ（プラントモデル）に基づき、予め設定される劣化度合い毎に検出信号を補正するための補正特性としての伝達関数（時定数）を設定できる。
【００５２】
ステップＳ７で初回でないと判断された場合は、各劣化度合いに対応して検出信号を補正するための伝達関数（時定数）が既に記憶されていることになるから、ステップＳ８を迂回してステップＳ９へ進む。
【００５３】
ステップＳ９では、要求されている劣化度合い（例えば、走行距離１０万ｋｍ相当，走行距離２０万ｋｍ相当など）を読み込む。
そして、ステップＳ１０では、前記ステップＳ９で読み込んだ要求の劣化度合いに対応して記憶されている、検出信号を補正するための伝達関数（時定数）を検索する。
【００５４】
ステップＳ１１では、前記検索した伝達関数（時定数）に基づいて空燃比センサ１８の検出信号を補正して、要求の劣化状態に見合う過渡遅れを強制的に生じさせ、ステップＳ１２では、前記過渡遅れを強制的に生じさせた検出信号を擬似劣化信号として出力する。
【００５５】
前記補正は、アナログ回路による処理で行わせることができると共に、ディジタル信号処理（演算処理）によって行わせることもできる。
前記擬似劣化信号は、空燃比フィードバック制御に用いられ、これにより、新品の空燃比センサ１８を用いながら、空燃比センサ１８が劣化した状態での空燃比フィードバック制御状態がシミュレーションされる。
【００５６】
そして、このときの機関運転状態（排気性状など）から、劣化状態を考慮した各種パラメータの適合を行わせる。
上記のように、新品の空燃比センサ１８の検出信号を擬似的に劣化させる構成であれば、劣化特性の空燃比センサを製造する必要がなく、要求の応答劣化度合いでの空燃比検出を行わせることができ、空燃比センサが劣化した状態での適合作業を、低コストにかつ精度良く行える。
【００５７】
更に、空燃比センサ１８の実際の応答特性を基準として、擬似劣化させるための補正特性を設定するから、要求の劣化状態を高精度にシミュレーションすることができる。
【００５８】
尚、擬似劣化信号発生装置を前記コントロールユニット５０に内蔵させるのではなく、空燃比センサ１８とコントロールユニット５０との間に、別体の擬似劣化信号発生装置を介装させる構成としても良い。
【００５９】
また、空燃比センサの応答劣化がリッチ変化方向とリーン変化方向とで異なる場合には、補正特性をリッチ変化方向とリーン変化方向とで個別に設定させれば良い。
【００６０】
ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の空燃比センサの擬似劣化信号発生装置において、
前記補正特性をリッチ変化方向とリーン変化方向とでそれぞれ個別に設定することを特徴とする空燃比センサの擬似劣化信号発生装置。
【００６１】
かかる構成によると、空燃比センサの劣化特性がリッチ変化方向とリーン変化方向とで異なる場合に、これに対応する補正を行って、実際の劣化状態に近い擬似劣化信号を発生させることができる。
（ロ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の空燃比センサの擬似劣化信号発生装置において、
前記要求の劣化度合いが、走行距離に基づいて指定されることを特徴とする空燃比センサの擬似劣化信号発生装置。
【００６２】
かかる構成によると、センサの劣化度合いが、例えば１０万ｋｍ相当や２０万ｋｍ相当などの走行距離に基づいて指定され、該走行距離での標準的なセンサ劣化に見合う過渡遅れを強制的に生じさせる。
【００６３】
従って、ある走行距離を走行した状態での空燃比センサの劣化状態をシミュレーションすることができ、走行距離を基準とする適合作業を容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態における内燃機関のシステム構成図。
【図２】空燃比センサの構造図。
【図３】空燃比センサの空燃比検出原理を説明するための図。
【図４】擬似劣化信号発生制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１１…内燃機関、１３…エアフローメータ、１５…燃料噴射弁、１７…排気マニホールド、１８…空燃比センサ、２０…クランク角センサ、５０…コントロールユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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