JP3487050B2 - 空燃比センサ異常検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排ガス浄化用の触
媒の上流側と下流側にそれぞれ設置された空燃比センサ
の異常を検出する空燃比センサ異常検出装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年の空燃比制御システムにおいては、
排ガス中の残留酸素濃度に応じて出力がリニアに変化す
る空燃比センサ（例えば限界電流式酸素センサ）が用い
られ、この空燃比センサにより検出した空燃比をエンジ
ン制御コンピュータに取り込んで空燃比補正量を算出
し、この空燃比補正量に基づいて燃料噴射量を補正する
ようになっている。これにより、エンジンでの最適な燃
焼が実現され、排ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯ
ｘ等）が低減される。

【０００３】このような空燃比制御システムでは、空燃
比センサにより検出される空燃比の信頼性が低下すると
制御精度が著しく悪化するため、空燃比センサの異常診
断を精度良く実施することが要望されている。そこで、
例えば特開平６２−２２５９４３号公報の「酸素濃度セ
ンサの異常検出方法」では、限界電流方式の酸素濃度セ
ンサについて印加電圧と検出電流との関係から接続系の
異常を検出することが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術では、接続系の断線や短絡等の回路構成上の故障を検
出できるものの、空燃比センサの劣化が生じた場合に
は、それによる異常の症状を検出することができない。
つまり、空燃比センサにより検出された空燃比が通常の
制御状態の範囲内であれば、たとえ空燃比センサが劣化
してその出力（空燃比検出値）に顕著なずれが生じたと
しても、エンジン制御コンピュータは、空燃比センサの
出力が正常であると判断して空燃比をフィードバック制
御するため、制御精度が著しく悪化してしまう。

【０００５】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、空燃比センサの異常
を精度良く検出でき、ひいては当該空燃比センサの検出
結果を用いた空燃比制御の精度を向上させることができ
る空燃比センサ異常検出装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の空燃比センサ異常検出装置は、
内燃機関の排ガス通路に設けられた排ガス浄化用の触媒
の上流側と下流側にそれぞれ空燃比センサを設置した空
燃比制御システムに適用される。そして、上流側空燃比
センサの出力に基づいて触媒上流の空燃比中心値を求め
ると共に、下流側空燃比センサの出力に基づいて触媒下
流の空燃比中心値を求めた後、触媒上流の空燃比中心値
と触媒下流の空燃比中心値とのずれを求め、そのずれが
所定範囲内にあるか否かで上流側空燃比センサ又は下流
側空燃比センサが異常であるか否かをセンサ系異常判定
手段によって判定する。

【０００７】つまり、上流側／下流側の両空燃比センサ
が正常であれば、両空燃比センサで検出した触媒上流の
空燃比中心値と触媒下流の空燃比中心値とがほぼ一致す
るため、両者の空燃比中心値のずれが大きくなること
は、上流側／下流側のいずれかの空燃比センサが劣化若
しくは故障していることを意味する。そこで、本発明で
は、両空燃比センサで検出した触媒上流の空燃比中心値
と触媒下流の空燃比中心値とのずれが所定範囲内にある
か否かで上流側空燃比センサ又は下流側空燃比センサが
異常であるか否かを精度良く判定する。

【０００８】この場合、触媒上流側と触媒下流側との間
の空燃比中心値のずれの原因が上流側空燃比センサの異
常によるものか、下流側空燃比センサの異常によるもの
かまでは判別できない。

【０００９】そこで、請求項３では、上流側空燃比セン
サにより検出された空燃比の挙動又は該空燃比の挙動に
よって変化する制御パラメータ（例えば後述する空燃比
補正量，目標空燃比の変化量等）に基づいて上流側空燃
比センサの異常の有無を上流側異常判定手段により判定
する。つまり、上流側空燃比センサにより検出された空
燃比の挙動又は該空燃比の挙動によって変化する制御パ
ラメータは、現実に行われている空燃比制御状態を反映
しているはずであり、もし、それが反映されていないと
きには、上流側空燃比センサが異常と判定される。

【００１０】また、請求項４では、内燃機関の運転状態
に応じて基本燃料噴射量を基本燃料噴射量算出手段によ
り算出すると共に、空燃比センサにより検出された空燃
比と目標空燃比との偏差に応じて空燃比補正量を空燃比
補正量設定手段により設定し、これら基本燃料噴射量と
空燃比補正量とに基づいて燃料噴射量を噴射制御手段に
より制御する。そして、上流側異常判定手段は、前記基
本燃料噴射量が急変したときに上流側空燃比センサによ
り検出された空燃比の挙動又は前記空燃比補正量設定手
段により設定された空燃比補正量の挙動に基づいて前記
上流側空燃比センサの異常の有無を判定する。

【００１１】つまり、内燃機関の運転状態の変化に伴い
基本燃料噴射量が増量補正されると空燃比がリッチ側に
移行し、逆に減量補正されると空燃比がリーン側に移行
するという特性があるため、上流側空燃比センサが正常
であれば、検出された空燃比の挙動、又はその空燃比か
ら算出される空燃比補正量は基本燃料噴射量の補正を反
映する。従って、検出した空燃比の挙動又は空燃比補正
量の挙動が基本燃料噴射量の補正を反映しないときに
は、上流側空燃比センサが異常と判定される。

【００１２】また、請求項５では、上流側異常判定手段
は、目標空燃比が急変したときに前記空燃比補正量設定
手段により設定された空燃比補正量の変化量と目標空燃
比設定手段により設定された目標空燃比の変化量とを比
較することによって上流側空燃比センサの異常の有無を
判定する。つまり、空燃比補正量は、実際の空燃比を目
標空燃比に一致させるべく設定されるものであるから、
上流側空燃比センサが正常であれば、検出した空燃比と
目標空燃比との偏差に応じて適正な空燃比補正量が設定
され、目標空燃比の変化量に対応して空燃比補正量が変
化するようになる。しかし、上流側空燃比センサが異常
であれば、検出した空燃比が不正確であるため、目標空
燃比の変化量に対応した適正な空燃比補正量が設定され
なくなる。この場合には、上流側空燃比センサが異常と
判定される。

【００１３】また、請求項６では、内燃機関の運転状態
に応じて燃料噴射量を増量補正又は減量補正を噴射量補
正手段により行うと共に、この燃料補正時に前記基本燃
料噴射量算出手段により算出された基本燃料噴射量に対
する全ての補正量を全補正量算出手段により算出し、上
流側異常判定手段は、前記噴射量補正手段により燃料噴
射量の増量補正又は減量補正が行われたときに前記全補
正量算出手段により算出された全補正量と前記上流側空
燃比センサにより検出された空燃比の変化量とを比較す
ることによって前記上流側空燃比センサの異常の有無を
判定する。つまり、上流側空燃比センサが正常であれ
ば、基木燃料噴射量に対する全補正量が増量側か減量側
かに対応して上流側空燃比センサの出力が変化する。こ
れに対し、上流側空燃比センサが異常であれば、全補正
量に対応したセンサ出力が得られなくなり、上流側空燃
比センサが異常と判定される。

【００１４】例えば、内燃機関の始動時や高負荷運転時
には、水温増量補正や高負荷増量補正が行われると共
に、空燃比フィードバックが停止され、空燃比がオープ
ンループ制御される。この場合には、基本燃料噴射量に
対する全補正量が増量側に設定され、この増量補正に対
応したセンサ出力が得られるか否かにより上流側空燃比
センサの異常診断がなされる。尚、前記増量補正時に空
燃比フィードバックが継続される場合には、増量補正に
対抗して空燃比補正量が減量側に設定され、これらの全
補正量（増量補正量＋空燃比補正量）とセンサ出力との
比較結果から上流側空燃比センサの異常診断がなされ
る。

【００１５】また、請求項７では、前記空燃比センサに
より検出された空燃比の振幅を振幅検出手段により検出
し、上流側異常判定手段は、内燃機関の運転状態が過渡
状態にあるときに前記振幅検出手段により検出された空
燃比の振幅に基づいて前記上流側空燃比センサの異常の
有無を判定する。つまり、内燃機関の運転状態が過渡状
態になると、空燃比が一時的に変化し、実際の空燃比の
振幅が大きくなる。従って、上流側空燃比センサが正常
であれば、過渡状態でセンサ出力の振幅が大きくなる。
これに対し、上流側空燃比センサが異常であれば、過渡
状態でもセンサ出力の振幅が大きくならない。この場合
には、上流側空燃比センサが異常と判定される。

【００１６】また、請求項８では、前記センサ系異常判
定手段の判定結果と前記上流側異常判定手段の判定結果
とに基づいて上流側／下流側のどちらの空燃比センサが
異常であるかを判別する。つまり、センサ系異常判定手
段によって上流側／下流側のいずれかの空燃比センサが
異常であると判定した場合には、上流側異常判定手段で
上流側空燃比センサの異常が検出されたか否かで上流側
／下流側のどちらの空燃比センサが異常であるか判別さ
れる。これにより、異常になっている空燃比センサが特
定され、修理が容易となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の第１
実施例を図１乃至図１３に基づいて説明する。まず、図
１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説
明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最
上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアク
リーナ１３の下流側に吸気温度Ｔａｍを検出する吸気温
センサ１４が設けられ、この吸気温センサ１４の下流側
にスロットルバルブ１５とスロットル開度ＴＨを検出す
るスロットル開度センサ１６とが設けられている。更
に、スロットルバルブ１５の下流側には、吸気管圧力Ｐ
Ｍを検出する吸気管圧力センサ１７が設けられ、この吸
気管圧力センサ１７の下流側にサージタンク１８が設け
られている。このサージタンク１８には、エンジン１１
の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が接続
され、この吸気マニホールド１９の各気筒の分岐管部に
それぞれ燃料を噴射するインジェクタ２０が取り付けら
れている。

【００１８】また、エンジン１１には各気筒毎に点火プ
ラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１には、点火
回路２２で発生した高圧電流がディストリビュータ２３
を介して供給される。このディストリビュータ２３に
は、７２０℃Ａ（クランク軸２回転）毎に例えば２４個
のパルス信号を出力するクランク角センサ２４が設けら
れ、このクランク角センサ２４の出力パルス間隔によっ
てエンジン回転数Ｎｅを検出するようになっている。ま
た、エンジン１１には、エンジン冷却水温Ｔｈｗを検出
する水温センサ３８が取り付けられている。

【００１９】一方、エンジン１１の排気ポート（図示せ
ず）には、排気マニホールド２５を介して排気管２６
（排ガス通路）が接続され、この排気管２６の途中に、
排ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を低減さ
せる三元触媒等の触媒２７が設けられている。この触媒
２７の上流側と下流側には、排ガスの空燃比に応じたリ
ニアな空燃比信号（限界電流）を出力する上流側空燃比
センサ２８と下流側空燃比センサ２９が設けられてい
る。

【００２０】これら上流側／下流側の空燃比センサ２
８，２９は共に図２に示すような構造となっており、以
下、その構造に付いて具体的に説明する。空燃比センサ
２８，２９は排気管２６内に突出するように取り付けら
れている。空燃比センサ２８，２９は、空燃比リーン領
域における酸素濃度若しくは空燃比リッチ領域における
一酸化炭素（ＣＯ）濃度に対応する限界電流を発生する
酸素濃度検出素子５１と、この酸素濃度検出素子５１を
内側から加熱するヒータ５２と、酸素濃度検出素子５１
を覆うカバー５３とから構成され、カバー５３の周壁
に、排出ガスが流入する多数の小孔５４が形成されてい
る。

【００２１】上記酸素濃度検出素子５１は、有底筒状に
形成された固体電解質層５５と、この固体電解質層５５
の内外周面に固着された大気側電極層５６及び排ガス側
電極層５７と、排ガス側電極層５７の外周面にプラズマ
溶射法等により形成された拡散抵抗層５８とから構成さ
れている。固体電解質層５５は、ＺｒＯ₂ 、ＨｆＯ₂、
ＴｈＯ₂ 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、
Ｙｂ₂ Ｏ₃ 等を安定剤として配合した酸素イオン伝導性
酸化物焼結体により形成されている。また、拡散抵抗層
５８は、アルミナ、マグネシア、ケイ石質、スピネル、
ムライト等の耐熱性無機物質により形成されている。そ
して、排ガス側電極層５７及び大気側電極層５６は、共
に、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成され、そ
の表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。この
場合、排ガス側電極層５７の面積及び厚さは、例えば１
０〜１００ｍｍ² 、０．５〜２．０μｍ程度となってお
り、大気側電極層５６の面積及び厚さは、１０ｍｍ² 以
上、０．５〜２．０μｍ程度となっている。

【００２２】一方、ヒータ５２は酸素濃度検出素子５１
内に収容されており、その発熱エネルギーにより酸素濃
度検出素子５１（大気側電極層５６、固体電解質層５
５、排出ガス側電極層５７及び拡散抵抗層５８）を加熱
して該酸素濃度検出素子５１を活性化する。

【００２３】以上のように構成された空燃比センサ２
８，２９の酸素濃度検出素子５１は、理論空燃比点にて
濃淡起電力を発生し、理論空燃比点よりリーン領域の酸
素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃
度に対応する限界電流は、排出ガス側電極層５７の面
積、拡散抵抗層５８の厚さ、気孔率及び平均孔径により
決定される。また、酸素濃度検出素子５１は酸素濃度を
直線的特性にて検出し得るものであるが、この酸素濃度
検出素子５１を活性化するのに約６５０℃以上の高温が
必要とされる。更に、この酸素濃度検出素子５１は、活
性温度範囲が狭いため、エンジン１１の排ガスのみによ
る加熱では、活性温度を十分に確保できない。それ故
に、ヒータ５２の加熱によって酸素濃度検出素子５１を
活性温度に保持するようになっている。尚、理論空燃比
よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素
（ＣＯ）の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、
酸素濃度検出素子５１はＣＯ濃度に応じた限界電流を発
生する。

【００２４】次に、図３を用いて空燃比センサ２８，２
９の電圧−電流特性について説明する。空燃比センサ２
８，２９の電圧−電流特性は、検出酸素濃度（空燃比）
にほぼ比例する固体電解質層５５への流入電流と、この
固体電解質層５５への印加電圧との関係がほぼリニアな
特性になっている。そして、空燃比センサ２８，２９が
温度Ｔ＝Ｔ１にて活性状態になっている時には、図３に
実線で示す特性線Ｌ１でもって安定した状態となる。こ
の場合、特性線Ｌ１の電圧軸Ｖに平行な直線部分が限界
電流を示している。この限界電流の増減は空燃比の増減
（即ち、リーン、リッチ）に対応しており、空燃比がリ
ーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比がリッチ側
になるほど限界電流は減少する。

【００２５】また、この電圧−電流特性において、電圧
軸Ｖに平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配域
となっており、その抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾
きは固体電解質層５５の内部抵抗により決定される。こ
の固体電解質層３４の内部抵抗は温度変化に伴い変化す
るため、酸素濃度検出素子５１の温度が低下すると、抵
抗の増大により上記傾きが小さくなる。つまり、酸素濃
度検出素子５１の温度ＴがＴ１よりも低いＴ２にあると
きには、電圧−電流特性は図３に点線で示す特性線Ｌ２
へずれる。この場合、特性線Ｌ２の電圧軸Ｖに対して平
行な直線部分がＴ＝Ｔ２における限界電流を決定するも
ので、この限界電流は特性線Ｌ１による限界電流とほぼ
一致している。

【００２６】そして、上記特性線Ｌにおいて、固体電解
質層５５に正の印加電圧Ｖｐｏｓを印加すれば、酸素濃
度検出素子５１に流れる電流が限界電流Ｉｐｏｓとな
る。また、固体電解質層５５に負の印加電圧Ｖｎｅｇを
印加すれば、酸素濃度検出素子５１に流れる電流が酸素
濃度に依存せず、温度のみに比例する負の温度電流Ｉｎ
ｅｇが得られる（図３の点Ｐｂ参照）。尚、本実施例で
は、空燃比センサ２８，２９の素子温度をモニタする回
路が省かれた安価な構成としている。

【００２７】上述した各種のセンサの出力は電子制御回
路３０内に入力ポート３１を介して読み込まれる。電子
制御回路３０は、マイクロコンピュータを主体として構
成され、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、バック
アップＲＡＭ３５を備え、各種センサ出力から得られた
エンジン運転状態パラメータを用いて燃料噴射量ＴＡＵ
や点火時期Ｉｇ等を演算し、その演算結果に応じた信号
を出力ポート３６からインジェクタ２０や点火回路２２
に出力してエンジン１１の運転を制御する。更に、この
電子制御回路３０は、後述するセンサ異常検出処理を実
行して空燃比センサ２８，２９の異常の有無を診断し、
異常時には出力ポート３６から警告ランプ３７に点灯信
号を出力し、警告ランプ３７を点灯して運転者に異常発
生を警告する。

【００２８】次に、電子制御回路３０によって実行され
る空燃比制御の手法について説明する。 ［１］制御対象のモデリング エンジン１１の空燃比λを制御するシステムのモデル
に、むだ時間Ｐ＝３を有する次数１の自己回帰移動平均
モデルを適用したシステムのモデルは、次の（１）式に
より近似できる。

【００２９】 λ（ｋ）＝ａ・λ（ｋ−１）＋ｂ・ＦＡＦ（ｋ−３） ……（１） ここで、ＦＡＦは空燃比補正係数を示し、ａ，ｂはモデ
ルの応答性を決定するためのモデル定数を示し、ｋ，ｋ
−１，ｋ−３はそれぞれ最初のサンプリング開始からの
回数を示す。

【００３０】上記（１）式において、外乱ｄを考慮する
と、制御システムのモデルは、次の（２）式で近似でき
る。 λ（ｋ）＝ａ・λ（ｋ−１）＋ｂ・ＦＡＦ（ｋ−３）＋ｄ（ｋ−１） ……（２） 以上のように近似したモデルに対し、ステップ応答を用
いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散化し
て上記モデル定数ａ，ｂを定めること、即ち空燃比λを
制御する系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。

【００３１】［２］状態変数量Ｘの表示方法（但しＸは
ベクトル量である） 上記（２）式を状態変数量Ｘ（ｋ）＝［Ｘ１（ｋ），Ｘ
２（ｋ），Ｘ３（ｋ），Ｘ４（ｋ）］^T を用いて書き直
すと（Ｔは転置行列を示す）、次の（３）式で表される
行列式となる。

【００３２】

【数１】

【００３３】上記行列式から次式が求められる。 Ｘ１（ｋ＋１）＝ａ・Ｘ１（ｋ）＋ｂ・Ｘ２（ｋ）＋ｄ（ｋ） ＝λ（ｋ＋１） ……（４） Ｘ２（ｋ＋１）＝ＦＡＦ（ｋ−２） ……（５） Ｘ３（ｋ＋１）＝ＦＡＦ（ｋ−１） ……（６） Ｘ４（ｋ＋１）＝ＦＡＦ（ｋ） ……（７）

【００３４】［３］レギュレータの設計 上記（３）〜（７）式に基づいてレギュレータを設計す
ると、空燃比補正係数ＦＡＦは、最適フィードバックゲ
インＫ＝［Ｋｌ，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４］と、状態変数量Ｘ
^T （ｋ）＝［λ（ｋ），ＦＡＦ（ｋ−３），ＦＡＦ（ｋ
−２），ＦＡＦ（ｋ−１）］とを用いて、次の（８）式
のように表される。 ＦＡＦ（ｋ）＝Ｋ・Ｘ^T （ｋ） ＝Ｋ１・λ（ｋ）＋Ｋ２・ＦＡＦ（ｋ−３） ＋Ｋ３・ＦＡＦ（ｋ−２）＋Ｋ４・ＦＡＦ（ｋ−１） ……（８）

【００３５】更に、上記（８）式において、誤差を吸収
させるための積分項ＺＩ（ｋ）を加えると、空燃比補正
係数ＦＡＦは、次の（９）式によって与えられる。 ＦＡＦ（ｋ）＝Ｋ１・λ（ｋ）＋Ｋ２・ＦＡＦ（ｋ−３） ＋Ｋ３・ＦＡＦ（ｋ−２）＋Ｋ４・ＦＡＦ（ｋ−１） ＋ＺＩ（ｋ） ……（９）

【００３６】尚、上記積分項ＺＩ（ｋ）は、目標空燃比
λTGと現実の空燃比λ（ｋ）との間の偏差と積分定数Ｋ
ａとから決まる値であって、次の（１０）式により与え
られる。 ＺＩ（ｋ）＝ＺＩ（ｋ−１）＋｛λTG−λ（ｋ）｝ ……（１０）

【００３７】図４は上述のようにモデルを設計した空燃
比λの制御システムのブロック線図を表す。尚、図４に
おいては、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）をＦＡＦ（ｋ−
１）から導出するためにＺ^-1変換を用いて表記したが、
これは過去の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ−１）をＲＡＭ
３４に記憶しておき、次の制御タイミングで読み出して
用いる。ちなみに、ＦＡＦ（ｋ−１）は前回の空燃比補
正係数を表し、ＦＡＦ（ｋ−２）は前々回の空燃比補正
係数を表し、ＦＡＦ（ｋ−３）は前々々回の空燃比補正
係数を表す。

【００３８】また、図４において、二点鎖線で囲まれた
ブロックＰ１が、空燃比λ（ｋ）を目標空燃比λTGにフ
ィードバック制御している状態にて状態変数量Ｘ（ｋ）
を定める部分であり、ブロックＰ２が、積分項ＺＩ
（ｋ）を求める部分（累積部）であり、ブロックＰ３
が、ブロックＰ１で定められた状態変数量Ｘ（ｋ）とブ
ロックＰ２で求められた積分項ＺＩ（ｋ）とから今回の
空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）を演算する部分である。

【００３９】［４］最適フィードバックゲインＫ及び積
分定数Ｋａの決定 最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋａは、例え
ば次の（１１）式で示される評価関数Ｊを最小にするこ
とで設定できる。

【００４０】

【数２】

【００４１】 上記（１１）式において、評価関数Ｊ
は、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）の動きを制約しつつ、
空燃比λ（ｋ）と目標空燃比λTGとの偏差を最小にする
ことを意図したものである。また、空燃比補正係数ＦＡ
Ｆ（ｋ）に対する制約の重み付けは、重みのパラメータ
Ｑ，Ｒの値によって変更できる。従って、重みパラメー
タＱ，Ｒの値を種々変えて最適な制御特性が得られるま
でシミュレーションを繰り返し、最適フィードバックゲ
インＫ及び積分定数Ｋａを定めれば良い。

【００４２】更に、最適フィードバックゲインＫ及び積
分定数Ｋａは、先のモデル定数ａ，ｂに依存している。
従って、実際の空燃比λを制御する系の変動（パラメー
タ変動）に対するシステムの安定性（ロバスト性）を保
証するためには、これら各モデル定数ａ，ｂの変動分を
見込んで、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋ
ａを設定する必要がある。従って、シミュレーション
は、各モデル定数ａ，ｂの現実に生じ得る変動を加味し
て行い、安定性を満足する最適フィードバックゲインＫ
及び積分定数Ｋａを定める。

【００４３】以上、［１］制御対象のモデリング、
［２］状態変数量の表示方法、［３］レギュレータの設
計、［４］最適フィードバックゲイン及び積分定数の決
定について説明したが、本実施例の空燃比制御システム
では、これらは何れも既に設定されているものとし、電
子制御回路３０では、前記（９）式及び（１０）式のみ
を用いて、空燃比制御を実行するものとする。

【００４４】次に、上記のように構成された空燃比制御
システムの動作を説明する。図５は電子制御回路３０内
のＣＰＵ３２により実行される燃料噴射量算出ルーチン
を示すフローチャ一トである。本ルーチンは、エンジン
１１の回転に同期して３６０℃Ａ毎に実行される。本ル
ーチンの処理が開始されると、まずステップ１０１で吸
気圧ＰＭ、エンジン回転数Ｎｅ等に基づいて基本燃料噴
射量Ｔｐを算出する。このステップ１０１の処理が特許
請求の範囲でいう基本燃料噴射量算出手段として機能す
る。そして次のステップ１０２にて、空燃比λのフィー
ドバック条件が成立しているか否かを判定する。ここ
で、フィードバック条件とは、例えばエンジン冷却水温
Ｔｈｗが所定水温以上で、且つ高回転・高負荷でないと
きに成立する。

【００４５】もし、現時点にてフィードバック条件が成
立していれば、ステップ１０３に進み、空燃比λを目標
空燃比λTGとするための空燃比補正係数ＦＡＦを設定す
る。即ち、ステップ１０３では、前述の（９）式及び
（１０）式に基づいて目標空燃比λTGと上流側空燃比セ
ンサ２８にて検出された空燃比λ（ｋ）とから空燃比補
正係数ＦＡＦを算出する。ここで、目標空燃比λTGは、
例えば図６に示すマップを用いて求められる。このマッ
プによれば、目標空燃比λTGは、高負荷・高回転域及び
低負荷・低回転域において理論空燃比１４．７（λ＝
１．０）に設定され、その中間域ではリーン側空燃比
（λ＞１．０）に設定されるようになっている。上記ス
テップ１０３の処理が特許請求の範囲でいう空燃比補正
量設定手段として機能する。

【００４６】一方、上記ステップ１０２でフィードバッ
ク条件が成立していなければ、ステップ１０４に進み、
空燃比補正係数ＦＡＦを「１．０」に設定する。ここ
で、ＦＡＦ＝１．０とは空燃比λを補正しないことを意
味し、いわゆるオープンループ制御が実施される。

【００４７】上記ステップ１０３又は１０４で空燃比補
正係数ＦＡＦを設定した後、ステップ１０５に進み、次
の（１２）式によって基本燃料噴射量Ｔｐ、空燃比補正
係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬを用いて燃料
噴射量ＴＡＵを算出する。 ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ・ＦＡＬＬ ……（１２）

【００４８】その後、上記燃料噴射量ＴＡＵに基づく制
御信号がインジェクタ２０に出力される。これにより、
インジェクタ２０の開弁時間（燃料噴射時間）が制御さ
れ、空燃比λが目標空燃比λTGに調整される。上記ステ
ップ１０５の処理が特許請求の範囲でいう噴射制御手段
として機能する。

【００４９】次に、上流側空燃比センサ２８又は下流側
空燃比センサ２９のいずれかが異常であるか否かを判定
する処理を説明する。この異常判定処理は、まず図７の
空燃比中心値演算ルーチンによって、両空燃比センサ２
８，２９で検出した触媒上流の空燃比中心値と触媒下流
の空燃比中心値とを算出し、図８のセンサ系異常判定ル
ーチンによって触媒上流の空燃比中心値と触媒下流の空
燃比中心値とのずれを求め、そのずれが所定範囲内にあ
るか否かで上流側空燃比センサ２８又は下流側空燃比セ
ンサ２９が異常であるか否かを判定する。以下、この処
理について詳細に説明する。

【００５０】まず、図７に基づいて触媒２７の上流側・
下流側の空燃比中心値を算出する空燃比中心値算出ルー
チンの処理の流れを説明する。本ルーチンでは、まずス
テップ１１１で、定常運転か否かを判定し、定常運転で
ない場合には、空燃比がずれて正確な空燃比中心値を算
出することはできないので、以降の処理を行うことなく
本ルーチンを終了する。一方、定常運転であれば、ステ
ップ１１２に進み、下流側空燃比センサ２９の出力ＲＡ
／Ｆが所定範囲内（ＫＲＢ＜ＲＡ／Ｆ＜ＫＲＵ；ＫＲ
Ｂ，ＫＲＵは所定値）であるか否かを判定し、この範囲
外であれば、空燃比がずれていて正確な空燃比中心値を
算出することはできないので、以降の処理を行うことな
く本ルーチンを終了する。

【００５１】これに対し、下流側空燃比センサ２９の出
力ＲＡ／Ｆが所定範囲内の場合にはステップ１１３に進
み、第１の所定時間が経過するまで、ステップ１１４
で、ＲＡ／Ｆ平均値を次式により算出する。 ＲＡ／Ｆ平均値＝｛ＲＡ／Ｆ（今回値）＋ＲＡ／Ｆ平均
値（前回値）｝／２ その後、第１の所定時間が経過した時点で、ステップ１
１５に進み、第１の所定時間内に求めたＲＡ／Ｆ平均値
をＲＡ／Ｆ中心値（触媒下流の空燃比中心値）とする。

【００５２】次に、ステップ１１６〜１１９で、上流側
空燃比センサ２８の出力ＦＡ／Ｆに基づいて上述と同様
の方法でＦＡ／Ｆ中心値（触媒上流の空燃比中心値）を
求める。即ち、上流側空燃比センサ２８の出力ＦＡ／Ｆ
が所定範囲内（ＫＦＢ＜ＦＡ／Ｆ＜ＫＦＵ；ＫＦＢ，Ｋ
ＦＵは所定値）であれば、第２の所定時間が経過するま
でＦＡ／Ｆ平均値を算出する処理を繰り返し、第２の所
定時間が経過した時点でＦＡ／Ｆ平均値をＦＡ／Ｆ中心
値とする。

【００５３】一方、図８のセンサ系異常判定ルーチン
は、特許請求の範囲でいうセンサ系異常判定手段として
機能する。本ルーチンでは、まずステップ１２１で、Ｆ
Ａ／Ｆ中心値（触媒上流の空燃比中心値）とＲＡ／Ｆ中
心値（触媒下流の空燃比中心値）とのずれＥｒｒｏｒ
（＝ＦＡ／Ｆ中心値−ＲＡ／Ｆ中心値）を算出する。そ
して次のステップ１２２にて、この空燃比中心値のずれ
Ｅｒｒｏｒの絶対値を所定の異常判定値ｋと比較し、｜
Ｅｒｒｏｒ｜≦ｋの場合には、ずれＥｒｒｏｒが小さ
く、上流側空燃比センサ２８と下流側空燃比センサ２９
の双方が正常と判定して本ルーチンを終了する。

【００５４】もし、｜Ｅｒｒｏｒ｜＞ｋであれば、上流
側空燃比センサ２８又は下流側空燃比センサ２９のいず
れかが劣化若しくは故障してセンサ出力が正しい空燃比
を示していないことを意味する。従って、この場合に
は、ステップ１２３に進み、センサ異常検出処理を行
う。

【００５５】一方、図９及び図１０は、上流側空燃比セ
ンサ２８の異常の有無を判定する上流側空燃比センサ異
常判定ルーチンであり、特許請求の範囲でいう上流側異
常判定手段として機能する。まず、本ルーチンによって
行われる上流側空燃比センサ２８の異常判定の方法を図
１１のタイムチャートを用いて説明する。

【００５６】図１１のタイムチャートにおいて、例えば
時間ｔ１で目標空燃比λTGがリーン側に急変すると、空
燃比補正係数ＦＡＦが減量側に変動する。この空燃比補
正係数ＦＡＦの変動に伴って燃料噴射量が減少すると、
上流側空燃比センサ２８により検出される空燃比λがリ
ーン側に変動する。また、目標空燃比λTGの急変時に
は、第１のカウンタＣＴ１及び第２のカウンタＣＴ２に
所定値ＫＣＴ１，ＫＣＴ２がセットされる。そして、第
１のカウンタＣＴ１は、時間ｔ２以降、時間の経過に伴
いデクリメントされ、第２のカウンタＣＴ２は、空燃比
補正係数ＦＡＦが所定値に収束する時間ｔ２以降、デク
リメントされる。その後、第１のカウンタＣＴ１の値が
「０」になる時間ｔ３では、目標空燃比λTGの変化量△
λTGと空燃比補正係数ＦＡＦの変化量△ＦＡＦとの比が
所定範囲内にあるか否かによって上流側空燃比センサ２
８が異常であるか否かが判定される。

【００５７】つまり、空燃比補正係数ＦＡＦは、実際の
空燃比を目標空燃比λTGに一致させるべく設定されるも
のであるから、上流側空燃比センサ２８が正常であれ
ば、検出した空燃比と目標空燃比λTGとの偏差に応じて
適正な空燃比補正係数ＦＡＦが設定され、目標空燃比λ
TGの変化量△λTGに対応して空燃比補正係数ＦＡＦが変
化するようになる。しかし、上流側空燃比センサ２８が
異常であれば、検出した空燃比が不正確であるため、目
標空燃比λTGの変化量△λTGに対応した適正な空燃比補
正係数ＦＡＦが設定されなくなる。この場合には、上流
側空燃比センサ２８が異常と判定される。

【００５８】図１２は上流側空燃比センサ２８の異常時
のセンサ出力（限界電流）の一例を説明するための図で
ある。図１２は、センサ正常時の特性を「Ｌａ」で示
し、素子劣化やヒータ異常等によるセンサ異常時の特性
を「Ｌｂ」，「Ｌｃ」で示す。この場合、実際の空燃比
を「１６」とすれば、センサ正常時には限界電流Ｉｐａ
がセンサ出力となり、これは実際の空燃比（Ａ／Ｆ＝１
６）に一致する。一方、センサ異常時における限界電流
Ｉｐｂ，Ｉｐｃは、正常時の限界電流Ｉｐａに一致せ
ず、実際の空燃比を検出することはできない。このよう
な状態になると、目標空燃比λTGの変化量△λTGに対応
した適正な空燃比補正係数ＦＡＦが設定されなくなり、
上流側空燃比センサ２８が異常と判定される。

【００５９】図９及び図１０に示す上流側空燃比センサ
異常判定ルーチンは、インジェクタ２０の燃料噴射動作
に同期して実行される。本ルーチンでは、まずステップ
２０１で、現在の目標空燃比λTGと前回の目標空燃比λ
T(i-1)との差が所定の判定値ＫλTG以上であるか否か、
即ち目標空燃比λTGが急変したか否かを判定する。も
し、｜λTG一λT(i-1)｜＜ＫλTGであれば、目標空燃比
λTGが急変していないと判定され、ステップ２０５に進
んで、第１のカウンタＣＴ１の値が「０」を越えるか否
かを判定する。この場合、図１１の時間ｔ１以前のよう
に目標空燃比λTGが所定値に維持されていれば、第１の
カウンタＣＴ１は０（初期値）に保持され、以降の処理
を行うことなく本ルーチンを終了する。

【００６０】その後、｜λTG一λT(i-1)｜≧ＫλTGにな
った時点（図１１の時間ｔ１）で、目標空燃比λTGが急
変したと判断され、ステップ２０２に進み、第１のカウ
ンタＣＴ１に所定値ＫＣＴ１をセットする。ここで、Ｋ
ＣＴ１は例えば１５噴射分に相当する値である。そして
次のステップ２０３で、現在の目標空燃比λTGから１回
前の目標空燃比λT(i-1)を減算して、目標空燃比λTGの
変化量△λTGを算出する（△λTG＝λTG−λT(i-1)）。
この後、ステップ２０４で、その時の空燃比補正係数Ｆ
ＡＦを変化前補正係数ＦＡＦＢＦとしてＲＡＭ３４に記
憶する。

【００６１】その後、ステップ２１１に進んで第１のカ
ウンタＣＴ１を「１」デクリメントし、続くステップ２
１２で、第１のカウンタＣＴ１の値が「０」であるか否
かを判別する。当初は、ステップ２１２で「Ｎｏ」と判
定され、そのまま本ルーチンを終了し、それ以後、ステ
ップ２１２でＣＴ１＝０と判定されるまで、処理の度に
ステップ２１１で第１のカウンタＣＴ１がデクリメント
される。

【００６２】そして、目標空燃比λTGの急変後（図１１
の時間ｔ１以後）、ステップ２０１で「Ｎｏ」と判定さ
れる毎に、ステップ２０５に進み、ＣＴ１＞０であれば
ステップ２０６に進む。そして、ステップ２０６で、現
在の目標空燃比λTGと１回前の目標空燃比λTG(i-1) と
の差をそれまでの△λTGに加算して、△λTGを更新す
る。この後、ステップ２０７で、現在の空燃比補正係数
ＦＡＦと１回前の空燃比補正係数ＦＡＦ(i-1) との差の
絶対値が所定値ＫＦＡＦ以下になったか否か、即ち空燃
比補正係数ＦＡＦが所定の値に収束したか否かを判別す
る。

【００６３】もし、｜ＦＡＦ−ＦＡＦ(i-1) ｜＞ＫＦＡ
Ｆの場合、即ち空燃比補正係数ＦＡＦが収束する前（図
１１の時間ｔｌ〜ｔ２）では、ステップ２０７で「Ｎ
ｏ」と判定され、ステップ２０８に進み、第２のカウン
タＣＴ２に所定値ＫＣＴ２をセットする。ここで、ＫＣ
Ｔ２は例えば１５噴射分に相当する値である。

【００６４】一方、｜ＦＡＦ−ＦＡＦ(i-1) ｜≦ＫＦＡ
Ｆの場合、即ち空燃比補正係数ＦＡＦが収束した後（図
１１の時間ｔ２以降）では、ステップ２０７で「Ｙｅ
ｓ」と判定されて、ステップ２０９に進み、第２のカウ
ンタＣＴ２を「１」デクリメントし、続くステップ２１
０で、第２のカウンタＣＴ２が「０」であるか否かを判
別する。もし、ＣＴ２≠０であれば前述のステップ２１
１に進む。それ以後、ステップ２１０でＣＴ２＝０と判
定されるまで、処理の度にステップ２０９で第２のカウ
ンタＣＴ２がデクリメントされる。

【００６５】その後、両カウンタＣＴ１，ＣＴ２のいず
れかが「０」になると（図１１の時間ｔ３）、図１０の
ステップ２１３に進み、現在の空燃比補正係数ＦＡＦか
ら前記ステップ２０４で記憶した変化前補正係数ＦＡＦ
ＢＦを減算して、空燃比補正係数ＦＡＦの変化量△ＦＡ
Ｆを算出する（△ＦＡＦ＝ＦＡＦ−ＦＡＦＢＦ）。そし
て次のステップ２１４で、両カウンタＣＴ１，ＣＴ２を
共に「０」にクリアする。

【００６６】その後、ステップ２１５で、△ＦＡＦの絶
対値と△λTGの絶対値との比が所定範囲（ＫＣＧＬ〜Ｋ
ＣＧＨ）内にあるか否かを判別する（例えばＫＣＧＬ＝
０．９、ＫＣＧＨ＝１．１）。この際、上記目標空燃比
λTGの変化に対応して空燃比補正係数ＦＡＦが変化して
いれば、ステップ２１５で「Ｙｅｓ」と判定される。つ
まり、目標空燃比λTGの変化に伴って上流側空燃比セン
サ２８が正常な信号を出力していれば、その出力結果を
反映して空燃比補正係数ＦＡＦが正常に変化し、△ＦＡ
Ｆの絶対値と△λTGの絶対値との比が１前後になる。こ
の場合には、上流側空燃比センサ２８が正常であると判
定され、ステップ２１６で、上流側異常判定フラグＸＥ
ＲＡＦを「０」にクリアして本ルーチンを終了する。

【００６７】これに対し、目標空燃比λTGの変化に対し
て空燃比補正係数ＦＡＦが過大変化又は過小変化する場
合には、△ＦＡＦの絶対値と△λTGの絶対値との比が
「１」から大きく離れ、ステップ２１５で「Ｎｏ」と判
定される。この場合には、上流側空燃比センサ２８が異
常と判定され、ステップ２１７に進んで、既に上流側異
常判定フラグＸＥＲＡＦに「１」がセットされているか
否かを判定する。もし、ＸＥＲＡＦ＝０であれば、ステ
ップ２１８でＸＥＲＡＦ＝１にセットし、本ルーチンを
終了する。そして次回の異常判定で再び上流側空燃比セ
ンサ２８が異常と判定されば、ステップ２１９で、所定
のダイアグ処理を実行する（例えば、警告ランプ３７を
点灯させたり、空燃比フィードバックを停止させたりす
る）。

【００６８】一方、図１３は上流側／下流側の空燃比セ
ンサ２８，２９のうち、いずれのセンサが異常であるか
を選別する異常センサ選別ルーチンである。本ルーチン
では、まずステップ２２１で、上流側空燃比センサ２８
が異常であるか否かを判定する。この判定は、前述した
図９及び図１０に示す上流側空燃比センサ異常判定ルー
チンによる異常判定結果、つまり上流側異常判定フラグ
ＸＥＲＡＦが「１」であるか否かによって行い、ＸＥＲ
ＡＦ＝１の場合には、ステップ２２２に進み、上流側空
燃比センサ２８が異常と判定する。

【００６９】これに対し、ＸＥＲＡＦ＝０の場合には、
ステップ２２３に進み、上流側又は下流側の両空燃比セ
ンサ２８，２９のどちらかが異常であるか否かを判定す
る。この判定は、前述した図８に示すセンサ系異常判定
ルーチンによる異常判定結果によって行い、両空燃比セ
ンサ２８，２９のどちらかが異常と判定されれば、ステ
ップ２２４に進み、下流側空燃比センサ２９が異常と判
定する。つまり、ステップ２２１で「Ｎｏ」の場合（上
流側空燃比センサ２８が異常でないと判定された場合）
に、ステップ２２３で、両空燃比センサ２８，２９のど
ちらかが異常であると判定されれば、異常になっている
空燃比センサは、下流側空燃比センサ２９と断定でき
る。一方、ステップ２２３で、「Ｎｏ」と判定された場
合には、両空燃比センサ２８，２９のどちらも異常では
なく、何もすることなく本ルーチンを終了する。

【００７０】以上説明した第１実施例では、上流側／下
流側の両空燃比センサ２８，２９が正常であれば、両空
燃比センサ２８，２９で検出した触媒上流の空燃比中心
値と触媒下流の空燃比中心値とがほぼ一致する点に着目
し、図８に示すセンサ系異常判定ルーチンによって両空
燃比センサ２８，２９で検出した空燃比中心値のずれが
所定範囲内にあるか否かで上流側空燃比センサ２８又は
下流側空燃比センサ２９が異常であるか否かを判定する
ようにしたので、接続系の断線や短絡等の回路構成上の
異常のみならず、センサ劣化による異常も検出すること
ができ、センサ系の異常を精度良く検出することができ
る。これにより、当該空燃比センサ２８，２９の検出結
果を用いた空燃比制御や触媒２７の劣化検出を制御良く
行うことができる。

【００７１】この場合、触媒上流側と触媒下流側の空燃
比中心値のずれの原因が上流側空燃比センサ２８の異常
によるものか、下流側空燃比センサ２９の異常によるも
のかまでは判別できない。

【００７２】そこで、上記第１実施例では、図９及び図
１０に示す上流側空燃比センサ異常判定ルーチンによっ
て目標空燃比λTGの急変時にその変化量△λTGと空燃比
補正係数ＦＡＦの変化量△ＦＡＦとの比較結果から上流
側空燃比センサ２８の異常の有無を判定するようにした
ので、上流側空燃比センサ２８の異常を精度良く判別で
きる。これにより、図１３に示す異常センサ選別ルーチ
ンによって、異常になっている空燃比センサを特定する
ことができ、修理を容易に行うことができる。

【００７３】一方、図１４乃至図１６に示す本発明の実
施形態の第２実施例は、上流側空燃比センサ２８の異常
の有無を第１実施例とは異なる方法で検出するものであ
る。この第２実施例では、燃料噴射量の水温増量時や高
負荷増量時における上流側空燃比センサ２８の出力信号
の挙動から、上流側空燃比センサ２８の異常を検出する
ものであり、その検出原理を図１４のタイムチャートを
用いて説明する。

【００７４】図１４において、時間ｔ１０でイグニショ
ンキーがＯＮ操作されてエンジン１１が始動されたもの
とする。このとき、エンジン冷却水が低温のため水温増
量補正を実施すべく水温補正係数ＦＷＬが「１．０」よ
りも大きい値に設定される。その後、冷却水温が徐々に
上昇して所定値（例えば４０℃）に達すると、時間ｔ１
１で空燃比フィードバックが開始され、空燃比補正係数
ＦＡＦはその時の水温増量に対抗して小さめに（減量側
に）設定される。その結果、空燃比補正係数ＦＡＦは水
温補正係数ＦＷＬの減少に伴い増加し、エンジン１１が
暖機されて水温増量が終了する時間ｔ１２では、空燃比
補正係数ＦＡＦは「１．０」付近に収束する。

【００７５】この際、時間ｔ１０〜ｔ１１では、水温増
量に伴い空燃比λ（上流側空燃比センサ２８による検出
結果）がリッチ側に移行する。このような水温増量補正
に対する空燃比λの挙動に基づき上流側空燃比センサ２
８の異常診断が実施される。また、時間ｔ１１〜ｔ１２
では、水温増量は継続されているが、空燃比補正係数Ｆ
ＡＦが減量側に設定され、空燃比λは目標空燃比λTG
（図１４ではλTG＝１．０）付近に保持されている。こ
の場合には、水温増量補正及びＦＡＦ補正に対する空燃
比λの挙動に基づき上流側空燃比センサ２８の異常診断
が実施される。

【００７６】一方、車両走行中において、時間ｔ１３で
は加速による高負荷増量補正が実施される。このとき、
空燃比フィードバックは一時的にオープンループ制御と
なり、空燃比補正係数ＦＡＦは「１．０」に保持され
る。また、負荷補正係数ＦＯＴＰが増量側に設定され、
空燃比λ（上流側空燃比センサ２８の検出結果）はリッ
チ側に移行する。この時間ｔ１３〜ｔ１４では、高負荷
増量補正に対する空燃比λの挙動に基づき上流側空燃比
センサ２８の異常診断が実施される。

【００７７】その後、車両が減速し始める時間ｔ１４で
は、高負荷増量補正が終了し、負荷補正係数ＦＯＴＰが
「１．０」に戻される。このとき、燃料カットが実行さ
れ、一時的に空燃比λがリーン側に大きく移行し、燃料
カット後に空燃比フィードバックが再開される。

【００７８】以上説明した処理は、図１５に示す燃料噴
射メインルーチンと図１６に示す上流側空燃比センサ異
常判定ルーチンにより次のように実行される。図１５に
示す燃料噴射メインルーチンは、インジェクタ２０の燃
料噴射動作に同期して実行される。本ルーチンの処理が
開始されると、まずステップ３０１で、前述した図５の
燃料噴射量算出ルーチンを実行して燃料噴射量ＴＡＵを
算出する。この後、ステップ３０２で、１／６４なまし
演算により空燃比平均値λＡＶを次式により算出する。 λＡＶ＝（６３・λＡＶ(i-1) ＋λ）／６４

【００７９】そして次のステップ３０３で、下記式のよ
うに、燃料噴射量ＴＡＵを基本燃料噴射量Ｔｐ及び空燃
比学習値ＦＫＧで除算し、燃料噴射量ＴＡＵに対する燃
料補正量ＦＯＴＨＥＲを求める。 ＦＯＴＨＥＲ＝ＴＡＵ／Ｔｐ・ＦＫＧ

【００８０】ここで、燃料補正量ＦＯＴＨＥＲは、空燃
比学習億ＦＫＧを除く全補正量に相当し、例えば水温補
正係数ＦＷＬ、負荷補正係数ＦＯＴＰ及び空燃比補正係
数ＦＡＦを含む補正係数として求められる。つまり、エ
ンジン１１の運転状態（エンジン回転数Ｎｅ，吸気圧Ｐ
Ｍ）に応じて算出される基本燃料噴射量Ｔｐは、本来空
燃比λを理論空燃比λ＝１に制御すべく設定されるもの
であり、エンジン１１毎の個体差や経時変化等による燃
料噴射量のバラツキは空燃比学習値ＦＫＧによる修正さ
れるようになっている。そのため、ステップ３０３で
は、「ＴＡＵ」を「Ｔｐ・ＦＫＧ」で除算することによ
り、空燃比λ＝１を実現することを前提とした「全補正
量」が求められる。上記ステップ３０３の処理が特許請
求の範囲でいう全補正量算出手段として機能する。

【００８１】その後、ステップ３０４で、補正係数平均
値ＦＡＶを次式により算出する。 ＦＡＶ＝（６３・ＦＡＶ(i-1) ＋Ｆ０ＴＨＥＲ）／６４ そして次のステップ３０５で、図１６に示す上流側空燃
比センサ異常判定ルーチンを次のようにして実行する。

【００８２】まずステップ４０１で、水温補正係数ＦＷ
Ｌが所定の判定値ＫＦＷＬを越えるか否かを判定する。
例えば、始動時による水温増量時（図１４の時間ｔ１
０）では、ＦＷＬ＞ＫＦＷＬとなり、ステップ４０１で
「Ｙｅｓ」と判定され、ステップ４０３にジャンプする
が、ＦＷＬ≦ＫＦＷＬの場合には、ステップ４０２に進
み、負荷補正係数ＦＯＴＰが所定の判定値ＫＦＯＴＰを
越えるか否かを判定する。例えば、高負荷増量時（図１
４の時間ｔ１３）には、ＦＯＴＰ＞ＫＦＯＴＰとなり、
ステップ４０２で「Ｙｅｓ」と判定されて、ステップ４
０３に進み、エンジン１１の全運転域において空燃比学
習処理が完了しているか否かを判定する。この場合、水
温増量や高負荷増量がない場合（ステップ４０１，４０
２が共に「Ｎｏ」の場合）、又は空燃比学習が完了して
いない場合（ステップ４０３が「Ｎｏ」の場合）には、
ステップ４０４に進み、カウンタＣＡＦＥＲを［０」に
クリアして本ルーチンを終了する。つまり、空燃比学習
が完了していないと、未学習領域においてエンジン１１
毎の個体差や経時変化による燃料噴射量のバラツキを修
正できない。そこで、空燃比学習の完了時のみ、上流側
空燃比センサ２８の異常診断を行うようにしている。

【００８３】一方、水温増量又は高負荷増量が行われ、
且つ空燃比学習が完了している場合（ステップ４０１，
４０２のいずれかが「Ｙｅｓ」で、且つステップ４０３
が「Ｙｅｓ」の場合）には、ステップ４０５に進み、カ
ウンタＣＡＦＥＲの値が「０」を越えているか否かを判
定する。異常診断の開始当初は、ＣＡＦＥＲ＝０（初期
値）であるため、ステップ４０５で「Ｎｏ」と判定さ
れ、ステップ４０６に進んで、カウンタＣＡＦＥＲに所
定値ＫＣＡＦＥＲ（例えば１５噴射分に相当する値）を
セットし、本ルーチンを終了する。

【００８４】このようにして、ステップ４０６でカウン
タＣＡＦＥＲがセットされると、以後、本ルーチンが実
行されるときには、ステップ４０５で「Ｙｅｓ」と判定
され、ステップ４０７に進んで、カウンタＣＡＦＥＲを
「１」デクリメントする。そして、次のステップ４０８
で、カウンタＣＡＦＥＲが「０」になったか否かを判別
し、「０」になっていなければ、以降の処理を行うこと
なく本ルーチンを終了し、ＣＡＦＥＲ＝０になるまで、
上述した処理を繰り返す。

【００８５】その後、ＣＡＦＥＲ＝０になると、ステッ
プ４０８からステップ４０９へ進み、図１５のステップ
３０２で算出した空燃比平均値λＡＶの目標空燃比λTG
（本実施例ではλTG＝１．０）に対するずれ量「λＡＶ
一１．０」と、前記図１５のステップ３０４で算出した
補正係数平均値ＦＡＶの基準値（＝１．０）に対するず
れ量「ＦＡＶ−１．０」とを算出すると共に、両ずれ量
の比「（λＡＶ一１．０）／（ＦＡＶ一１．０）」を求
め、その比が所定範囲（ＫＦＬ〜ＫＦＨ）内にあるか否
かを判定する（例えば、ＫＦＬ＝一０．８、ＫＦＨ＝−
１．２）。

【００８６】このステップ４０９で「Ｙｅｓ」と判定さ
れた場合には、上流側空燃比センサ２８の出力が正常と
判断され、ステップ４１０に進み、上流側異常判定フラ
グＸＥＲＡＦを［０］にクリアして本ルーチンを終了す
る。

【００８７】一方、上記ステップ４０９で「Ｎｏ」と判
定された場合には、上流側空燃比センサ２８が異常と判
定され、ステップ４１１に進んで、既に上流側異常判定
フラグＸＥＲＡＦに「１」がセットされているか否かを
判定する。もし、ＸＥＲＡＦ＝０であれば、ステップ４
１２でＸＥＲＡＦ＝１にセットし、本ルーチンを終了す
る。そして次回の異常判定で再び上流側空燃比センサ２
８が異常と判定されば、ステップ４１３で、所定のダイ
アグ処理を実行する（例えば、警告ランプ３７を点灯さ
せたり、空燃比フィードバックを停止させたりする）。

【００８８】以上説明した第２実施例によれば、エンジ
ン回転数Ｎｅ及び機関負荷（吸気圧ＰＭ）に基づいて算
出された基本燃料噴射量Ｔｐに対して全補正量を求め
（図１５のステップ３０３，３０４）、その全補正量と
上流側空燃比センサ２８により検出された空燃比λの変
化量との比較結果から上流側空燃比センサ２８の異常の
有無を判定するようにしたので、前記第１実施例と同様
に、上流側空燃比センサ２８の異常を精度良く且つ容易
に判定することができる。

【００８９】一方、図１７及び図１８は、上流側空燃比
センサ２８の異常の有無を上記各実施例とは異なる方法
で検出する第３実施例である。この第３実施例では、過
渡運転時における空燃比λ（上流側空燃比センサ２８の
検出結果）の挙動から、上流側空燃比センサ２８の異常
の有無を判定するものであり、以下、その異常判定原理
を図１７のタイムチャートを用いて説明する。

【００９０】図１７において、時間ｔ２１で車両が急加
速され、それに伴い一時的に空燃比λがリーン側及びリ
ッチ側に変動している。また、時間ｔ２２の急減速時に
おいても空燃比λが大きく変動している。この場合、空
燃比λの変動時におけるリーンピークλＬ及びリッチピ
ークλＲの差（空燃比λの振幅）に基づいて上流側空燃
比センサ２８の異常の有無が判定される。

【００９１】以上説明した処理は、図１８に示す上流側
空燃比センサ異常判定ルーチンにより次のように実行さ
れる。まずステップ５０１で、エンジン１１の運転状態
が定常状態であるか否かを判別する。ここで、定常状態
であるか否かの判定は、加減速時であるか、目標空燃比
λTGが急変したか、又は空燃比補正係数ＦＡＦが急変し
たか等により行われる。定常状態であれば、ステップ５
０２に進み、カウンタＣＡＦＤＴの値が「０」を越えて
いるか否かを判別する。異常診断の開始当初はカウンタ
ＣＡＦＤＴが設定されておらず、０（初期値）のままで
あるので、ステップ５０２で「Ｎｏ」と判定され、以降
の処理を行うことなく本ルーチンを終了する。

【００９２】また、例えば車両が急加速されて過渡状態
となれば、ステップ５０１で「Ｎｏ」と判定され（図１
７の時間ｔ２１）、ステップ５０３に進んでカウンタＣ
ＡＦＤＴに所定値ＫＣＡＦＤＴをセットする。この後、
ステップ５０４で、現在の空燃比λがそれまでに記憶さ
れているリーンピークλＬよりも大きいか否か（λＬよ
りもリーン側か否か）を判別し、λ＞λＬの場合のみス
テップ５０５に進んでリーンピークλＬを更新する。そ
の後、ステップ５０６に進み、現在の空燃比λがそれま
で記憶されているリッチピークλＲよりも小さいか否か
（λＲよりもリッチ側か否か）を判別し、λ＜λＲの場
合のみステップ５０７に進んでリッチピークλＲを更新
する。このようにして、過渡期間におけるリーンピーク
λＬ及びリッチピークλＲが更新される。

【００９３】その後、運転状態が定常状態に復帰すれ
ば、ステップ５０１→５０２→５０８の順に進み、カウ
ンタＣＡＦＤＴを「１」デクリメントし、続くステップ
５０９で、カウンタＣＡＦＤＴが「０」であるか否かを
判定し、ＣＡＦＤＴ≠０であれば、前述のステップ５０
４に進む。つまり、カウンタＣＡＦＤＴがデクリメント
される期間（図１７の時間ｔ２１〜ｔ２２）では、前述
したステップ５０４〜５０７で、リーンピークλＬ及び
リッチピークλＲが更新される。

【００９４】その後、ＣＡＦＤＴ＝０になると（図１７
の時間ｔ２２）、ステップ５０９で「Ｙｅｓ」と判定さ
れ、続くステップ５１０で、リーンピークλＬとリッチ
ピークλＰとの差が所定の判定値ＫＡＦＷＤ以下である
か否かを判別する。ここで、λＬ一λＲ＞ＫＡＦＷＤで
あれば、ステップ５１１に進み、上流側異常判定フラグ
ＸＥＬＥＲを「０」にクリアする。つまり、λＬ一λＲ
＞ＫＡＦＷＤであれば、車両の急加速等による燃料増量
補正が上流側空燃比センサ２８の出力に正常に反映され
ていることを意味し、上流側空燃比センサ２８が正常と
判定される。そして、次のステップ５１５で、次の異常
判定に備えるべくリーンピークλＬ及びリッチピークλ
Ｒを共に「１．０」にリセットして本ルーチンを終了す
る。

【００９５】一方、上記ステップ５１０で、λＬ一λＲ
≦ＫＡＦＷＤと判定されると、ステップ５１２に進み、
上流側異常判定フラグＸＥＬＥＲが既に「１」にセット
されているか否かを判定する。もし、上流側異常判定フ
ラグＸＥＬＥＲがまだ「１」にセットされていなけれ
ば、ステップ５１３に進み、ＸＥＬＥＲ＝１とする。そ
して、次回の異常判定（前述のステップ５０１〜５１０
の処理）で再び異常有りと判定されれば、ステップ５１
４でダイアグ処理を実行する。尚、ステップ５０４〜５
０７でリーンピークλＬ及びリッチピークλＲを更新
し、ステップ５１０でλＬ一λＲを求める処理が特許請
求の範囲でいう空燃比の振幅を検出する振幅検出手段と
して機能する。

【００９６】以上説明した第３実施例によれば、エンジ
ン１１の運転状態が過渡状態にある場合に、上流側空燃
比センサ２８により検出された空燃比λの振幅を求め、
その振幅に基づき上流側空燃比センサ２８の異常を診断
した（図１８のステップ５１０）。これにより、前記各
実施例と同様に、上流側空燃比センサ２８の異常の有無
を精度良く且つ容易に判定することができる。

【００９７】尚、本発明は上記各実施例の他に以下のよ
うに具体化することもできる。 （１）上記各実施例では、現代制御理論を用いて空燃比
フィードバック制御を実現した空燃比制御システムに本
発明を具体化したが、当然ながら他の制御（例えば、Ｐ
ｌＤ制御等）によるシステムで本発明を具体化しても良
い。

【００９８】（２）上記第２実施例では、エンジン１１
の運転時における増量補正（水温増量や高負荷増量につ
いて上流側空燃比センサ２８の異常の有無を判定するよ
うにしたが、減量補正時においても同様に上流側空燃比
センサ２８の異常の有無を判定することができる。例え
ば、燃料タンクにて発生した燃料蒸気（エバポガス）を
エンジン１１の吸気系に放出（パージ）するエバポパー
ジ機構を持った空燃比制御システムでは、エバポパージ
量に応じてインジェクタ２０の燃料噴射量が減量補正さ
れる。このような状態になると、その減量補正時におけ
る空燃比λ（上流側空燃比センサ２８の出力）の変化量
に基づき上流側空燃比センサ２８の異常の有無が判定さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の第１実施例を示すエンジン
制御システム全体の概略構成図

【図２】上流側空燃比センサの詳細な構成を示す断面図

【図３】上流側空燃比センサの電圧一電流特性を示す図

【図４】空燃比制御システムの原理を説明するためのブ
ロック図

【図５】燃料噴射量算出ルーチンの処理の流れを示すフ
ローチャート

【図６】目標空燃比を設定するためのマップ

【図７】空燃比中心値算出ルーチンの処理の流れを示す
フローチャート

【図８】センサ系異常判定ルーチンの処理の流れを示す
フローチャート

【図９】上流側空燃比センサ異常判定ルーチンの処理の
流れを示すフローチャート（その１）

【図１０】上流側空燃比センサ異常判定ルーチンの処理
の流れを示すフローチャート（その２）

【図１１】第１実施例の上流側空燃比センサ異常判定動
作を説明するためのタイムチャート

【図１２】上流側空燃比センサ異常時におけるセンサ出
力を説明するための電圧一電流特性図

【図１３】異常センサ選別ルーチンの処理の流れを示す
フローチャート

【図１４】第２実施例の上流側空燃比センサ異常判定動
作を説明するためのタイムチャート

【図１５】燃料噴射メインルーチンの処理の流れを示す
フローチャート

【図１６】第２実施例の上流側空燃比センサ異常判定ル
ーチンの処理の流れを示すフローチャート

【図１７】第３実施例の上流側空燃比センサ異常判定動
作を説明するためのタイムチャート

【図１８】第３実施例の上流側空燃比センサ異常判定ル
ーチンの処理の流れを示すフローチャート

【符号の説明】

１１…エンジン（内燃機関）、１７…吸気管圧力セン
サ、２４…クランク角センサ、２６…排気管（排ガス通
路）、２７…触媒、２８…上流側空燃比センサ、２９…
下流側空燃比センサ、３０…電子制御回路（センサ故障
判定手段，基本燃料噴射量算出手段，空燃比補正量設定
手段，噴射制御手段，目標空燃比設定手段，噴射量補正
手段，全補正量算出手段，振幅検出手段）、３７…警告
ランプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 27/27 Ｇ０１Ｎ 27/46 Ａ 27/41 ３２５Ｐ (56)参考文献 特開 平８−49585（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−189215（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−296088（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−4496（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−163986（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−259613（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−285808（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−270482（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/26 - 27/49 F02D 41/14 - 41/40

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排ガス通路に設けられた排ガ
   ス浄化用の触媒の上流側と下流側にそれぞれ空燃比セン
   サを設置した空燃比制御システムに適用されるものであ
   って、 前記上流側空燃比センサの出力に基づいて触媒上流の空
   燃比中心値を求める手段と、 前記下流側空燃比センサの出力に基づいて触媒下流の空
   燃比中心値を求める手段と、 前記触媒上流の空燃比中心値と前記触媒下流の空燃比中
   心値とのずれを求める手段と、 前記ずれが所定範囲内にあるか否かで前記上流側空燃比
   センサ又は前記下流側空燃比センサが異常であるか否か
   を判定するセンサ系異常判定手段とを備えていることを
   特徴とする空燃比センサ異常検出装置。
2. 【請求項２】 前記上流側空燃比センサの異常の有無を
   判定する上流側異常判定手段を備えていることを特徴と
   する請求項１に記載の空燃比センサ異常検出装置。
3. 【請求項３】 前記上流側異常判定手段は、上流側空燃
   比センサにより検出された空燃比の挙動又は該空燃比の
   挙動によって変化する制御パラメータに基づいて前記上
   流側空燃比センサの異常の有無を判定することを特徴と
   する請求項２に記載の空燃比センサ異常検出装置。
4. 【請求項４】 内燃機関の運転状態に応じて基本燃料噴
   射量を算出する基本燃料噴射量算出手段と、 前記空燃比センサにより検出された空燃比と目標空燃比
   との偏差に応じて空燃比補正量を設定する空燃比補正量
   設定手段と、 前記基本燃料噴射量と前記空燃比補正量とに基づいて内
   燃機関への燃料噴射量を制御する噴射制御手段とを備
   え、 前記上流側異常判定手段は、前記基本燃料噴射量が急変
   したときに前記上流側空燃比センサにより検出された空
   燃比の挙動又は前記空燃比補正量設定手段により設定さ
   れた空燃比補正量の挙動に基づいて前記上流側空燃比セ
   ンサの異常の有無を判定することを特徴とする請求項３
   に記載の空燃比センサ異常検出装置。
5. 【請求項５】 内燃機関の運転状態に応じた目標空燃比
   を設定する目標空燃比設定手段を備え、 前記上流側異常判定手段は、前記目標空燃比が急変した
   ときに前記空燃比補正量設定手段により設定された空燃
   比補正量の変化量と前記目標空燃比設定手段により設定
   された目標空燃比の変化量とを比較することによって前
   記上流側空燃比センサの異常の有無を判定する手段を有
   することを特徴とする請求項４に記載の空燃比センサ異
   常検出装置。
6. 【請求項６】 内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射量
   を増量補正又は減量補正を行う噴射量補正手段と、 前記噴射量補正手段による燃料補正時に前記基本燃料噴
   射量算出手段により算出された基本燃料噴射量に対する
   全ての補正量を算出する全補正量算出手段とを備え、 前記上流側異常判定手段は、前記噴射量補正手段により
   燃料噴射量の増量補正又は減量補正が行われたときに前
   記全補正量算出手段により算出された全補正量と前記上
   流側空燃比センサにより検出された空燃比の変化量とを
   比較することによって前記上流側空燃比センサの異常の
   有無を判定する手段を有することを特徴とする請求項４
   に記載の空燃比センサ異常検出装置。
7. 【請求項７】 前記空燃比センサにより検出された空燃
   比の振幅を検出する振幅検出手段を備え、 前記上流側異常判定手段は、内燃機関の運転状態が過渡
   状態にあるときに前記振幅検出手段により検出された空
   燃比の振幅に基づいて前記上流側空燃比センサの異常の
   有無を判定する手段を有することを特徴とする請求項４
   に記載の空燃比センサ異常検出装置。
8. 【請求項８】 前記センサ系異常判定手段の判定結果と
   前記上流側異常判定手段の判定結果とに基づいて上流側
   ／下流側のどちらの空燃比センサが異常であるかを判別
   する手段を有することを特徴とする請求項２乃至７のい
   ずれかに記載の空燃比センサ異常検出装置。