以下、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置を火花点火式V型8気筒内燃機関10に適用したシステムの概略構成を示している。この内燃機関10は、V字型を構成する2つのバンク(バンクA及びバンクB)を有していて、各バンクには部分気筒群としての4つの気筒が(図1において紙面垂直方向に)それぞれ1列に配置されている。
なお、図1は、各バンクにおける特定の気筒の概略構成をそれぞれ示しているが、他の気筒の概略構成も同様である。以下、バンクA側に関連する構成・処理等については符号・変数の末尾等に「A」又は「(A)」の符号を付し、バンクB側に関連する構成・処理等については符号・変数の末尾等に「B」又は「(B)」の符号を付して説明する。
この内燃機関10は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部20と、シリンダブロック部20の上に固定されるシリンダヘッド部30と、シリンダブロック部20にガソリン混合気を供給するための吸気系統40と、シリンダブロック部20からの排気ガスを外部に放出するための排気系統50とを含んでいる。
シリンダブロック部20は、シリンダ21A,21B、ピストン22A,22B、コンロッド23A,23B、及びクランク軸24を含んでいる。ピストン22A,22Bはシリンダ21A,21B内をそれぞれ往復動し、ピストン22A,22Bの往復動がそれぞれコンロッド23A,23Bを介してクランク軸24に伝達され、これにより同クランク軸24が回転するようになっている。シリンダ21A,21Bとピストン22A,22Bのヘッドは、シリンダヘッド部30とともにそれぞれ燃焼室25A,25Bを形成している。
シリンダヘッド部30は、燃焼室25A,25Bにそれぞれ連通した吸気ポート31A,31B、吸気ポート31A,31Bをそれぞれ開閉する吸気弁32A,32B、吸気弁32A,32Bをそれぞれ駆動する吸気弁駆動装置33A,33B、燃焼室25A,25Bにそれぞれ連通した排気ポート34A,34B、排気ポート34A,34Bをそれぞれ開閉する排気弁35A,35B、排気弁35A,35Bをそれぞれ駆動する排気弁駆動装置36A,36B、点火プラグ37A,37B、及び燃料を吸気ポート31A,31B内にそれぞれ噴射するインジェクタ(燃料噴射手段)38A,38Bを備えている。点火プラグ37A,37B、及びインジェクタ38A,38Bはそれぞれ、後述する電気制御装置70からの指示により駆動されるようになっている。
吸気弁駆動装置33A,33B(排気弁駆動装置36A,36Bについても同様である。)は、気筒毎に、吸気弁(排気弁)を中立位置に付勢する図示しない2つのスプリングと、同吸気弁(排気弁)を開弁方向又は閉弁方向に付勢する電磁力をそれぞれ発生する図示しない2つの電磁石とを備えていて、後述する電気制御装置70からの指示により同2つの電磁石への通電を制御することで吸気弁32A,32B(排気弁35A,35B)のリフト量をそれぞれ制御できるようになっている。
また、吸気弁駆動装置33A,33B(排気弁駆動装置36A,36Bについても同様である。)は、対応するバンク側の4つの気筒の状態を、機関10の運転状態に応じた電気制御装置70からの指示に応じて選択される全気筒稼働状態及び一部気筒休止状態の何れかの状態に設定できるようになっている。
一部気筒休止状態が選択されている場合(即ち、減筒運転時)では、各バンクにつき2つ(合計4つ)の所定の気筒(即ち、前記休止対象気筒)についての吸気弁、及び排気弁が閉弁状態に維持されるとともに他の4つの気筒(即ち、前記常時稼働気筒)についての吸気弁、及び排気弁に対してはクランク軸24の回転に応じた所定のリフト量制御が実行されるようになっている。一方、全気筒稼働状態が選択されている場合(即ち、全筒運転時)では、8つの気筒(即ち、4つの休止対象気筒と4つの常時稼働気筒)についての吸気弁、及び排気弁の全てに対して上記所定のリフト量制御が実行されるようになっている。
更に、減筒運転時においては、電気制御装置70からの指示により、休止対象気筒についての点火プラグ37A,37B及びインジェクタ38A,38Bは非駆動状態に維持されるようになっている。このように、機関10の運転状態に応じて、8つの気筒の全てが稼働する全気筒稼動状態と、各バンクにつき2つ(合計4つ)の休止対象気筒が休止する一部気筒休止状態との何れかを選択し、8つの気筒の状態を同選択された状態にする機構(手段)が気筒休止機構に相当する。
吸気系統40は、バンクA側の4つの吸気ポート31A,バンクB側の4つの吸気ポート31Bにそれぞれ連通し同吸気ポート31A,31Bとともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管41、吸気管41の端部に設けられたエアフィルタ42、吸気管41内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁43、及びスロットル弁駆動手段を構成するDCモータからなるスロットル弁アクチュエータ44を備えている。
排気系統50は、バンクA側(バンクB側)の4つの排気ポート33A(33B)にそれぞれ連通した4本のエキゾーストマニホールド51A(51B)、4本のエキゾーストマニホールド51A(51B)の下流側端部にそれぞれ接続されるとともに同下流側端部を集合させたエキゾーストパイプ(排気管)52A(52B)、エキゾーストパイプ52A(52B)にそれぞれ配設(介装)された上流側触媒(三元触媒、又はスタート・コンバータとも云う。)53A(53B)、エキゾーストパイプ52A,52Bの下流側端部にそれぞれ接続されるとともに同下流側端部を集合させた下流側エキゾーストパイプ54、及び下流側エキゾーストパイプ54に配設(介装)された下流側触媒(三元触媒、又は、車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・コンバータとも云う。)55を備えている。
即ち、上流側触媒53A(53B)は、バンクA側(バンクB側)の2つの常時稼働気筒及び2つの休止対象気筒から排出される排ガスが集合せしめられて成る排ガスが通過する前記集合排気通路としてのエキゾーストパイプ52A(52B)に配設されている。
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ61、スロットルポジションセンサ62、クランクポジションセンサ63、上流側触媒53A(53B)の上流のエキゾーストパイプ52A(52B)(即ち、集合排気通路)に配設された空燃比センサ64A(64B)(以下、「上流側空燃比センサ64A」(「上流側空燃比センサ64B」)と称呼する。)、上流側触媒53A(53B)の下流のエキゾーストパイプ52A(52B)(即ち、集合排気通路)に配設された空燃比センサ65A(65B)(以下、「下流側空燃比センサ65A」(「下流側空燃比センサ65B」)と称呼する。)、及びアクセル開度センサ66を備えている。
熱線式エアフローメータ61は、吸気管41内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ61の出力Vgと、計測された吸入空気流量Gaとの関係は、図2に示したとおりである。スロットルポジションセンサ62は、スロットル弁43の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ63は、クランク軸24が10°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸24が360°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度NEを表す。
上流側空燃比センサ64A,64Bは、図3に示したように所謂限界電流式の酸素濃度センサであって、空燃比A/Fに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfs(A),vabyfs(B)をそれぞれ出力するようになっていて、特に、空燃比A/Fが理論空燃比であるとき値vstoichを出力するようになっている。図3から明らかなように、上流側空燃比センサ64A,64Bによれば、広範囲にわたる空燃比A/Fを精度良く検出することができる。
下流側空燃比センサ65A,65Bは、図4に示したように所謂濃淡電池式の酸素濃度センサであって、理論空燃比において急変する電圧Voxs(A),Voxs(B)をそれぞれ出力するようになっている。より具体的に述べると、下流側空燃比センサ65A,65Bは、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略0.1(V)、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略0.9(V)、及び空燃比が理論空燃比のときは略0.5(V)(値Voxsref)の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ66は、運転者によって操作されるアクセルペダル67の操作量を検出し、同アクセルペダル67の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
更に、このシステムは電気制御装置70を備えている。電気制御装置70は、互いにバスで接続されたCPU71、CPU71が実行するルーチン(プログラム)、テーブル(ルックアップテーブル、マップ)、定数等を予め記憶したROM72、CPU71が必要に応じてデータを一時的に格納するRAM73、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップRAM74、及びADコンバータを含むインターフェース75等からなるマイクロコンピュータである。
インターフェース75は、前記センサ61〜66と接続され、CPU71にセンサ61〜66からの信号を供給するとともに、同CPU71の指示に応じて吸気弁駆動装置33A,33B、排気弁駆動装置36A,36B、点火プラグ37A,37B、インジェクタ38A,38B、及びスロットル弁アクチュエータ44に駆動信号を送出するようになっている。
(空燃比フィードバック制御の概要)
次に、上記のように構成された空燃比制御装置が行う機関に供給される混合気の空燃比(以下、単に「機関の空燃比」と云うこともある。)のフィードバック制御の概要について説明する。
上流側触媒53A,53Bのような三元触媒(以下、単に「触媒」と云うこともある。)は、触媒に流入するガスの空燃比が理論空燃比であるときに、HC,COを酸化するとともにNOxを還元し、これらの有害成分を高い効率で浄化する。また、触媒は、酸素を吸蔵・放出する前述した酸素吸蔵機能(酸素吸蔵・放出機能)を有し、この酸素吸蔵・放出機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、HC,CO、及びNOxを浄化することができる。即ち、機関の空燃比がリーンとなって触媒に流入するガスにNOxが多量に含まれると、触媒はNOxから酸素分子を奪って同酸素分子を吸蔵するとともに同NOxを還元し、これによりNOxを浄化する。また、機関の空燃比がリッチになって触媒に流入するガスにHC,COが多量に含まれると、触媒はこれらに吸蔵している酸素分子を与えて(放出して)酸化し、これによりHC,COを浄化する。
従って、触媒が連続的に流入する多量のHC,COを効率的に浄化するためには、同触媒が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に連続的に流入する多量のNOxを効率的に浄化するためには、同触媒が酸素を十分に貯蔵し得る状態になければならないことになる。以上のことから、触媒の浄化能力は、同触媒が貯蔵し得る最大の酸素量(最大酸素吸蔵量)に依存する。
一方、上流側触媒53A,53Bのような三元触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化し、これに伴い最大酸素吸蔵量が次第に低下してくる。このように最大酸素吸蔵量が低下した場合であっても、エミッションの排出量を継続的に抑制するには、触媒から排出されるガスの空燃比(従って、触媒に流入するガスの空燃比)が、理論空燃比に極めて近い状態となるように制御する必要がある。
そこで、本実施形態の空燃比制御装置は、バンク毎に、上流側、及び下流側空燃比センサ64A(64B),65A(65B)の出力値が対応するセンサ目標値(原則的に理論空燃比に対応する値)にそれぞれ一致するように、上流側空燃比センサ出力値vabyfs(A)(vabyfs(B))(即ち、上流側触媒53A(53B)上流の空燃比)、及び下流側空燃比センサ出力値Voxs(A)(Voxs(B))(即ち、上流側触媒53A(53B)下流の空燃比)に応じて機関の空燃比をフィードバック制御する。
より具体的に述べると、この空燃比制御装置(以下、「本装置」と云うこともある。)は、その機能ブロック図である図5に示したように、A1〜A15の要素を含んで構成されている。なお、本装置は、実際には、A1〜A15の要素をバンク毎にそれぞれ備えているが、対応する要素の内容・機能はそれぞれ同一である。従って、以下、バンクの区別をすることなく、A1〜A15の要素について、図5を参照しながら説明していく。従って、以下の説明においては、名称・変数の末尾等に本来付されるべきバンクの別を示すための「A」又は「B」等の符号を付すことを省略する。
<基本燃料噴射量の決定>
先ず、基本燃料噴射量Fbaseの決定について説明する。筒内吸入空気量算出手段A1は、エアフローメータ61が計測している吸入空気流量Gaと、クランクポジションセンサ63の出力に基づいて得られるエンジン回転速度NEと、ROM72が記憶しているテーブルMapMcとに基づいて今回の吸気行程を迎える気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Mcを求める。
上流側目標空燃比設定手段A2は、内燃機関10の運転状態であるエンジン回転速度NE、及びスロットル弁開度TA等に基づいて上流側空燃比センサ出力の目標値(上流側目標値)に対応する上流側目標空燃比abyfr(k)を決定する。ここで、添え字の(k)は、今回の吸気行程に対する値であることを示している(以下、他の物理量についても同様。)。この上流側目標空燃比abyfr(k)は、例えば、内燃機関10の暖機終了後においては、特殊な場合を除き理論空燃比に設定されている。また、上流側目標空燃比abyfrは、各気筒の吸気行程に対応されながらRAM73に記憶されていく。
基本燃料噴射量算出手段A3は、筒内吸入空気量算出手段A1により求められた筒内吸入空気量Mc(k)を上流側目標空燃比設定手段A2により設定された上流側目標空燃比abyfr(k)で除することにより、機関の空燃比を同上流側目標空燃比abyfr(k)とするための今回の吸気行程に対する基本燃料噴射量Fbaseを求める。
このように、本装置は、筒内吸入空気量算出手段A1、上流側目標空燃比設定手段A2、及び基本燃料噴射量算出手段A3を利用して、基本燃料噴射量Fbaseを求める。
<燃料噴射量の算出>
次に、燃料噴射量Fiの算出について説明する。燃料噴射量算出手段A4は、基本燃料噴射量算出手段A3により求められた基本燃料噴射量Fbaseに、後述するサブフィードバック補正係数KFisub(下流側フィードバック補正量)と後述するメインフィードバック補正係数KFimain(上流側フィードバック補正量)とを乗算することで、下記(1)式に基づいて、(最終)燃料噴射量Fiを求める。
Fi=Fbase・KFisub・KFimain ・・・(1)
本装置は、このようにして、燃料噴射量算出手段A4により基本燃料噴射量Fbaseをメインフィードバック補正係数KFimainとサブフィードバック補正係数KFisubとによりそれぞれ独立に補正することにより得られる燃料噴射量Fiの燃料を今回の吸気行程を迎える気筒に対してインジェクタ38により噴射する。
<サブフィードバック制御>
続いて、上流側フィードバック制御としてのサブフィードバック制御について説明する。下流側目標値設定手段A5は、上述した上流側目標空燃比設定手段A2と同様、内燃機関10の運転状態であるエンジン回転速度NE、及びスロットル弁開度TA等に基づいて下流側空燃比センサ出力の目標値である下流側目標値Voxsrefを決定する。この下流側目標値Voxsrefは、例えば、内燃機関10の暖機終了後においては、特殊な場合を除き理論空燃比に対応する値である0.5(V)に設定されている(図4を参照。)。また、本例では、下流側目標値Voxsrefは、同下流側目標値Voxsrefに対応する下流側目標空燃比が上述した上流側目標空燃比abyfr(k)と常時一致するように設定される。
出力偏差量算出手段A6は、下記(2)式に基づいて、下流側目標値設定手段A5により設定されている現時点での下流側目標値Voxsrefから現時点での下流側空燃比センサ65の出力値Voxsを減じることにより、出力偏差量DVoxsを求める。この出力偏差量DVoxsは、「下流側空燃比センサ65の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの相違の程度に応じた値」に相当する。
DVoxs=Voxsref-Voxs ・・・(2)
ローパスフィルタA7(LPF)は、その特性をラプラス演算子sを用いて表した下記(3)式に示すように、一次のフィルタ(ソフトフィルタ、デジタルフィルタ)である。下記(3)式において、τlpfはローパスフィルタA7の時定数、GlpfはローパスフィルタA7の入力信号周波数「0」でのゲイン(以下、単に「ゲイン」と称呼する。本例では、Glpf=1)である。このローパスフィルタA7の周波数−ゲイン特性は図6に示したとおりである。図6に示したように、ローパスフィルタA7は、入力値(入力信号)の変動におけるカットオフ周波数ωlpf(=1/τlpf)以上の高周波数成分を減衰することで同高周波数成分が通過することを実質的に禁止する。なお、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfは、後述するLPF特性変更手段A15により変更されるようになっている。
Glpf・(1/(1+τlpf・s)) ・・・(3)
ローパスフィルタA7は、出力偏差量算出手段A6により求められた前記出力偏差量DVoxsの値を入力するとともに、上記(3)式に従って同出力偏差量DVoxsの値をローパスフィルタ処理した後の値であるローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowを出力する。従って、ローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowは、「下流側空燃比センサ65の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの相違の程度に応じた値をローパスフィルタ処理した後の値」である。
PIDコントローラA8(上流側フィードバックコントローラ)は、ローパスフィルタA7の出力値であるローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowを比例・積分・微分処理(PID処理)することで、下記(4)式に基づいて下流側フィードバック補正量としてのサブフィードバック補正係数KFisub(>0)を求める。
KFisub=(Kp・DVoxslow+Ki・SDVoxslow+Kd・DDVoxslow)+1 ・・・(4)
上記(4)式において、Kpは予め設定された比例ゲイン(比例定数)、Kiは予め設定された積分ゲイン(積分定数)、Kdは予め設定された微分ゲイン(微分定数)である。また、SDVoxslowはローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの時間積分値であり、DDVoxslowはローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの時間微分値である。
このようにして、本装置は、下流側空燃比センサ65の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの相違の程度に応じた値をローパスフィルタ処理した後の値であるローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslow(下流側フィードバック入力値)をPIDコントローラA8に入力することでサブフィードバック補正係数KFisubを求め、前記基本燃料噴射量Fbaseに同サブフィードバック補正係数KFisubを乗算することで、後述するメインフィードバック制御による(前記メインフィードバック補正係数KFimainによる)基本燃料噴射量Fbaseの補正とは独立に同基本燃料噴射量Fbaseを補正してサブフィードバック制御を実行する。
例えば、機関の平均的(定常的)な空燃比がリーンであるために下流側空燃比センサ65の出力値Voxsが理論空燃比よりもリーンである空燃比に対応した値を定常的に示すと、出力偏差量算出手段A6により求められる出力偏差量DVoxsの値が定常的に正の値となる(図4を参照)。従って、ローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowも正の値となり、PIDコントローラA8にて求められるサブフィードバック補正係数KFisubは「1」より大きい値となる。これにより、燃料噴射量算出手段A4にて求められる燃料噴射量Fiは基本燃料噴射量Fbaseよりも大きくなって、機関の空燃比がリッチとなるように制御される。
反対に、機関の定常的な空燃比がリッチであるために下流側空燃比センサ出力値Voxsが理論空燃比よりもリッチである空燃比に対応した値を定常的に示すと、出力偏差量DVoxs(従って、ローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslow)が負の値となるので、サブフィードバック補正係数KFisubは「1」より小さい値(>0)となる。これにより、燃料噴射量Fiは基本燃料噴射量Fbaseよりも小さくなって、機関の空燃比がリーンとなるように制御される。
また、PIDコントローラA8は積分処理を実行する(即ち、積分(I)項「Ki・SDVoxslow」が使用されている)から、機関が定常運転状態にある場合、出力偏差量DVoxsが「0」になることが保証される。換言すれば、下流側空燃比センサ65の出力値Voxsの下流側目標値Voxsrefからの定常偏差がゼロになる。そして、定常運転状態では、出力偏差量DVoxsが「0」になることで比例項Kp・DVoxslowが「0」となるから、サブフィードバック補正係数KFisubは積分項Ki・SDVoxslowの値に「1」を加えた値となる。この値が基本燃焼噴射量Fbaseに乗算されることにより、インジェクタ38の誤差(指令される燃料噴射量である燃料噴射量Fiと実際の燃料噴射量の差)、エアフローメータ61の誤差(吸入空気流量計測値Gaと実際の吸入空気流量の差)が補償されつつ、定常運転状態において上流側触媒53の下流の空燃比(従って、機関の空燃比)が下流側目標値Voxsrefに対応する目標空燃比(即ち、原則的に理論空燃比)に収束する。以上、燃料噴射量算出手段A4、下流側目標値設定手段A5、出力偏差量算出手段A6、ローパスフィルタA7、及びPIDコントローラA8が下流側フィードバック制御手段に相当する。
<メインフィードバック制御>
続いて、上流側フィードバック制御としてのメインフィードバック制御について説明する。テーブル変換手段A9は、上流側空燃比センサ64の出力値vabyfsと、先に説明した図3に示した上流側空燃比センサ出力値vabyfsと空燃比A/Fとの関係を規定したテーブルとに基づいて、上流側空燃比センサ64による現時点における検出空燃比abyfsを求める。
目標空燃比遅延手段A10は、上流側目標空燃比設定手段A2により吸気行程毎に求められRAM73に記憶されている上流側目標空燃比abyfrのうち、現時点からNストローク(N回の吸気行程)前に吸気行程を迎えた気筒についての上流側目標空燃比abyfrをRAM73から読み出し、これを上流側目標空燃比abyfr(k-N)として設定する。ここで、前記値Nは、内燃機関10の排気量、及び燃焼室25から上流側空燃比センサ64までの距離等により異なる値である。
このように、現時点からNストローク前の上流側目標空燃比abyfr(k-N)が使用されるのは、燃焼室25内で燃焼された混合気が上流側空燃比センサ64に到達するまでには、Nストロークに相当する時間Lを要しているからである。
上流側空燃比偏差算出手段A11は、下記(5)式に基づいて、テーブル変換手段A9により求められた現時点での上記検出空燃比abyfsから、目標空燃比遅延手段A10により設定された現時点からNストローク前の上流側目標空燃比abyfr(k-N)を減じることにより、上流側空燃比偏差Dabyfを求める。この上流側空燃比偏差Dabyfは、Nストローク前の時点での実際の空燃比と目標空燃比との差を表す量であって、「上流側空燃比センサ64の出力値vabyfsと上流側目標値との相違の程度に応じた値」に相当する。
Dabyf=abyfs−abyfr(k-N) ・・・(5)
ハイパスフィルタA12(HPF)は、その特性をラプラス演算子sを用いて表した下記(6)式に示すように、一次のフィルタ(ソフトフィルタ、デジタルフィルタ)である。下記(6)式において、τhpfはハイパスフィルタA12の時定数、GhpfはハイパスフィルタA12の入力信号周波数「∞」でのゲイン(以下、単に「ゲイン」と称呼する。本例では、Ghpf=1)である。このハイパスフィルタA12の周波数−ゲイン特性は図6に示したとおりである。図6に示したように、ハイパスフィルタA12は、入力値(入力信号)の変動におけるカットオフ周波数ωhpf(=1/τhpf)以下の低周波数成分を減衰することで同低周波数成分が通過することを実質的に禁止する。なお、図6では、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfとハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfとが共に、値ωcut(後述するように全筒運転時にて使用される定数)に設定されている場合が示されている。また、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfは、後述するHPF特性変更手段A14により変更されるようになっている。
Ghpf・(1−1/(1+τhpf・s)) ・・・(6)
ハイパスフィルタA12は、前記上流側空燃比偏差算出手段A11により求められた前記上流側空燃比偏差Dabyfの値を入力するとともに、上記(6)式に従って同上流側空燃比偏差Dabyfの値をハイパスフィルタ処理した後の値であるハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiを出力する。従って、ハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiは、「上流側空燃比センサ64の出力値vabyfsと上流側目標値との相違の程度に応じた値をハイパスフィルタ処理した後の値」である。
PIコントローラA13(上流側フィードバックコントローラ)は、ハイパスフィルタA12の出力値であるハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiを比例・積分処理(PI処理)することで、下記(7)式に基づいてメインフィードバック補正係数KFimain(>0)を求める。
KFimain=(Gp・Dabyfhi+Gi・SDabyfhi)+1 ・・・(7)
上記(7)式において、Gpは予め設定された比例ゲイン(比例定数)、Giは積分ゲイン(積分定数)である。また、SDabyfhiはハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiの時間積分値である。
このようにして、本装置は、メインフィードバック制御回路とサブフィードバック制御回路とを基本燃料噴射量Fbaseの補正に関して並列に接続している。また、本装置は、上流側空燃比センサ64の出力値vabyfsと上流側目標空燃比abyfrに対応する上流側目標値との相違の程度に応じた値をハイパスフィルタ処理した後の値であるハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhi(上流側フィードバック入力値)をPIコントローラA13に入力することでメインフィードバック補正係数KFimainを求め、前記基本燃料噴射量Fbaseに同メインフィードバック補正係数KFimainを乗算することで、前記サブフィードバック制御による基本燃料噴射量Fbaseの補正とは独立に同基本燃料噴射量Fbaseを補正してメインフィードバック制御を実行する。
例えば、機関の空燃比が急変してリーンとなると、図3から理解できるように、上流空燃比センサ出力値に基づく検出空燃比abyfsは上流側目標空燃比設定手段A2により設定されている上流側目標空燃比abyfrも大きな値となる。このため、上流側空燃比偏差算出手段A11により求められた上流側空燃比偏差Dabyfは正の値となる。ここで、機関の空燃比の急変によりこの上流側空燃比偏差Dabyfを示す信号には前記カットオフ周波数ωhpf以上の高周波数成分が含まれている。係る高周波数成分は、ハイパスフィルタA12を通過し得る。従って、ハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiも正の値となる。この結果、PIコントローラA13により算出されるメインフィードバック補正係数KFimainが「1」より大きい値となる。これにより、燃料噴射量算出手段A4にて求められる燃料噴射量Fiは、基本燃料噴射量Fbaseよりも大きくなって、機関の空燃比がリッチとなるように制御される。
反対に、機関の空燃比が急変してリッチとなると、検出空燃比abyfsは上流側目標空燃比abyfrよりも小さい値となる。このため、上流側空燃比偏差Dabyfは負の値となる。この場合も、上流側空燃比偏差Dabyfを示す信号にはハイパスフィルタA12を通過し得る前記カットオフ周波数ωhpf以上の高周波数成分が含まれている。従って、ハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiも負の値となる。この結果、メインフィードバック補正係数KFimainが「1」より小さい値(>0)となる。これにより、燃料噴射量Fiは、基本燃料噴射量Fbaseよりも小さくなって、機関の空燃比がリーンとなるように制御される。
以上、燃料噴射量算出手段A4、テーブル変換手段A9、目標空燃比遅延手段A10、上流側空燃比偏差算出手段A11、ハイパスフィルタA12、及びPIコントローラA13は上流側フィードバック制御手段に相当する。
<空燃比フィードバック制御間の相互干渉の回避>
上述したように、上流側フィードバックコントローラであるPIコントローラA13に入力される値Dabyfhiには、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf以上の高周波数成分のみが含まれているから、上流側フィードバック制御の制御周波数帯域はωhpf以上の帯域となる。
同様に、下流側フィードバックコントローラであるPIDコントローラA8に入力される値DVoxslowには、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpf以下の低周波数成分のみが含まれているから、下流側フィードバック制御の制御周波数帯域はωlpf以下の帯域となる。
更に、本装置は、カットオフ周波数ωhpfとカットオフ周波数ωlpfとを常に等しい値に設定する。これにより、メインフィードバック制御、及びサブフィードバック制御の制御周波数帯域が互いに重複しないように設定されることで上記2つの空燃比フィードバック制御間の相互の干渉が回避される。更には、上述した制御対象外周波数帯域の発生が防止される。
更には、機関が過渡運転状態にある場合等、排ガスの空燃比がハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf以上の高周波数で急変・変動するような場合、係る空燃比変動により、上流側空燃比センサ出力値に基づく検出空燃比abyfsにはカットオフ周波数ωhpf以上の高周波数成分が含まれる。この高周波数成分はハイパスフィルタA12を通過する。従って、本装置においては、過渡運転状態における空燃比の急変に対する空燃比制御(補償)はメインフィードバック制御により迅速、且つ確実に行われ得る。
また、上流側触媒53の下流の空燃比変動として現れ得る程度の、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpf以下の極低周波数での定常的な空燃比変動が発生するような場合、係る定常的な空燃比変動により、下流側空燃比センサ65の出力値Voxsにはカットオフ周波数ωlpf以下の低周波数成分が含まれる。この低周波数成分はローパスフィルタA7を通過する。従って、本装置においては、このような定常的な空燃比変動に対する空燃比制御は、サブフィードバック制御により確実に達成され得る。
<フィルタのカットオフ周波数の変更>
次に、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf、及びローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfの変更について説明する。一般に、ハイパスフィルタへの入力信号が定常状態から過渡状態に移行する場合(例えば、入力信号が或る値に維持された状態からステップ状に変化するような場合)、ハイパスフィルタは、入力信号が過渡状態に移行した時点から同ハイパスフィルタの時定数に相当する期間に亘って、同入力信号におけるあらゆる周波数成分を実質的に通過させてしまう。換言すれば、ハイパスフィルタのカットオフ周波数より低い周波数成分をも実質的に通過させてしまう。
従って、カットオフ周波数より低い周波数成分の通過をできるだけ禁止するという観点からはハイパスフィルタの時定数はなるべく小さい方が好ましい。ここで、ハイパスフィルタの時定数は同ハイパスフィルタのカットオフ周波数と反比例する関係にある。以上のことから、係る観点からすれば、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfはなるべく大きい方が好ましい。
他方、上述したように、上流側触媒53のような三元触媒を通過し得る前記触媒通過低周波数成分の周波数帯域には上限がある。即ち、排ガスの空燃比変動における、触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値を超える周波数成分は、触媒を通過し得ない。従って、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfを上流側触媒53に関する触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値を超える値に設定すると、上述した制御対象外周波数帯域が実質的に発生してしまう。
よって、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfは上流側触媒53に関する触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値(或いは、その近傍)に設定されることが好ましいと考えられる。ここで、或る三元触媒に関する触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値は、同三元触媒が劣化していくほど大きくなる傾向がある。換言すれば、上流側触媒53に関する触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値は、同上流側触媒53が新しいほど(延べ使用期間が短いほど)小さくなる。
以上のことから、上述した制御対象外周波数帯域の実質的な発生を確実に防止するためには、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfは新品の上流側触媒53に関する触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値(以下、「値ωcut」と称呼する。)に設定されるべきである。上記値ωcutは、新品の上流側触媒53を用いた実験等を通して取得され得る。
係る知見に基づき、本装置(HPF特性変更手段A14(及びLPF特性変更手段A15))は、全筒運転時において、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf(従って、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpf)を、上記値ωcut(一定値)に設定する(図6を参照)。
一方、減筒運転時においては、本装置(HPF特性変更手段A14(及びLPF特性変更手段A15))は、上記カットオフ周波数ωhpf(従って、カットオフ周波数ωlpf)を、上記値ωcutと異なる値に設定する。以下、その理由について説明する。
本例では、4つの常時稼働気筒のみが稼働する減筒運転時において、8つの気筒全てが稼働する全筒運転時に比して、気筒の排気弁35から排ガスがエキゾーストパイプ52(集合排気通路)へ向けて実際に排出される周期(排気周期)が2倍になるとともに、同排出される排ガスの1回あたりの排出量が2倍になる。
この結果、減筒運転時においては、全筒運転時に比して、エキゾーストパイプ52を通過する排ガス中の酸素濃度の変動周期が2倍になるとともに、その変動幅も大きくなる。また、所謂限界電流式の上流側空燃比センサ64の出力vabyfsは、排ガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度の差に基づく値である。
従って、図7に示すように、減筒運転時においては、全筒運転時に比して、上流側空燃比センサ出力vabyfsの変動周期が2倍になるとともに、上流側空燃比センサ出力vabyfsにおける、同変動周期(従って、排気周期)に相当する周波数成分(即ち、前記排気周期相当周波数成分)の変動幅が大きくなる。図7において、Tallは全筒運転時における排気周期であり、Thlfは減筒運転時における排気周期である。なお、理解を容易にするため、図7は、上流側空燃比センサ出力vabyfsにおける排気周期相当周波数成分のみを示している。
このような振幅の大きい排出周期相当周波数成分を含んだ上流側空燃比センサ出力(信号)をPIコントローラA13に入力すると、メインフィードバック補正係数KFimainが空燃比を不必要に過補正する値に算出され得、この結果、適切なメインフィードバック制御が実行され得なくなる可能がある。
このため、減筒運転時においては、係る排出周期相当周波数成分に係る周波数(以下、「減筒運転時排出周期相当周波数ωhlf」と称呼する。)をメインフィードバック制御の制御周波数帯域から外すことが好ましい。ここで、減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfはエンジン回転速度NEに依存して、図6に示すように、最小値ωhlfminから最大値ωhlfmaxの間で変化し得、係る最大値ωhlfmaxは、上記値ωcutよりも大きくなる。
従って、減筒運転時においては、係る排出周期相当周波数成分をメインフィードバック制御の制御周波数帯域から確実に外すため、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfを上記減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfの最大値ωhlfmax(一定値)に設定することが好ましいと考えられる。
以上のことから、本装置(HPF特性変更手段A14(及びLPF特性変更手段A15))は、減筒運転時において、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf(従って、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpf)を、上記最大値ωhlfmax(>ωcut)に設定する(図8を参照)。
即ち、本装置(HPF特性変更手段A14、及びLPF特性変更手段A15)は、減筒運転時において、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf、及びローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfを共に、全筒運転時に比してより高い値に設定する。以上、HPF特性変更手段A14、及びLPF特性変更手段A15はフィルタ特性変更手段に相当する。以上が、本装置が行う機関の空燃比のフィードバック制御の概要である。
(実際の作動)
次に、上記実施形態に係る空燃比制御装置の実際の作動について説明する。CPU71は、図9〜図12にフローチャートにより示したそれぞれのルーチンをバンク毎に独立して実行する。以下も、上記と同様、バンクの区別をすることなく図9〜図12のルーチンについて順に説明していく。従って、以下の説明においても、名称・変数の末尾等に本来付されるべきバンクの別を示すための「A」又は「B」等の符号を付すことを省略する。
<空燃比フィードバック制御>
CPU71は、図9に示した燃料噴射量Fiの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、現時点で稼働中の気筒のクランク角が吸気上死点前の所定クランク角度(例えば、BTDC90°CA)となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、CPU71はステップ900から処理を開始してステップ905に進み、エアフローメータ61が計測している吸入空気流量Gaと、クランクポジションセンサ63の出力に基づいて得られるエンジン回転速度NEと、前記テーブルMapMcとに基づいて今回の吸気行程を迎える気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Mcを求める。
次に、CPU71はステップ910に進み、上記求めた筒内吸入空気流量Mcを現時点での上流側目標空燃比abyfr(k)で除することで、機関の空燃比を同上流側目標空燃比abyfr(k)とするための基本燃料噴射量Fbaseを求める。
次いで、CPU71はステップ915に進み、上記求めた基本燃料噴射量Fbaseに、後述するルーチンで計算されているメインフィードバック補正係数KFimainとサブフィードバック補正係数KFisubとをそれぞれ乗じることで上記(1)式に従って燃料噴射量Fiを算出する。
そして、CPU71はステップ920に進み、燃料噴射量Fiの燃料を噴射するための指示を今回の吸気行程を迎える気筒のインジェクタ38に対して行った後、ステップ995に進んで本ルーチンを一旦終了する。
以上により、メインフィードバック制御、及びサブフィードバック制御によりそれぞれ独立に補正された後の燃料噴射量Fiの燃料が現時点で稼働中の吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
<気筒休止制御>
次に、気筒休止制御における作動について説明すると、CPU71は、図10に示した気筒休止制御を行うルーチンを所定時間(例えば、8msec)の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1000から処理を開始し、ステップ1005に進んで、クランクポジションセンサ63の出力に基づいて取得されるエンジン回転速度NEと、先のステップ905にて算出されている現時点での(最新の)筒内吸入空気量Mcと、ステップ1005内に記載したテーブルとに基づいて全気筒稼動フラグALLの値を「0」、又は「1」のいずれか一方に設定する。ここで、全気筒稼動フラグALLは、その値が「1」のとき機関10が全気筒稼動状態(全筒運転時)にあることを示し、その値が「0」のとき機関10が一部気筒休止状態(減筒運転時)にあることを示す。
次に、CPU71はステップ1010に進み、全気筒稼動フラグALLの値が「1」であるか否かを判定し、「Yes」と判定する場合には、ステップ1015に進んで対応するバンク側の4つの気筒全てが稼動状態となるように4つの気筒全てについての吸気弁駆動装置33、排気弁駆動装置36、及び点火プラグ37に所定の駆動指示を付与した後、ステップ1095に進んで本ルーチンを一旦終了する。
一方、ステップ1010の判定において「No」と判定する場合には、CPU71はステップ1020に進んで、対応するバンク側の2つの休止対象気筒が休止状態となるように同2つの休止対象気筒についての吸気弁駆動装置33、及び排気弁駆動装置36に吸気弁32、及び排気弁35を共に閉弁状態に維持するための駆動指示を付与するとともに、同2つの休止対象気筒についての点火プラグ37及びインジェクタ38を非駆動状態に維持する。また、CPU71は、2つの休止対象気筒を除いた残りの2つの気筒(即ち、常時稼働気筒)についての吸気弁駆動装置33、排気弁駆動装置36、及び点火プラグ37には全気筒稼動フラグALLの値が「1」である場合と同様の前記所定の駆動指示を付与する。
これにより、機関10の運転状態に応じて、機関10(吸気弁駆動装置33、及び排気弁駆動装置36)が全気筒稼動状態(全筒運転時)、或いは、休止対象気筒が休止気筒となる一部気筒休止状態(減筒運転時)の何れか一方になるように制御される。
<メインフィードバック補正係数の計算>
次に、メインフィードバック制御においてメインフィードバック補正係数KFimainを算出する際の作動について説明すると、CPU71は図11にフローチャートにより示したルーチンを所定時間(例えば、8msec)の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1100から処理を開始し、ステップ1105に進んでメインフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。
このメインフィードバック制御条件は、例えば、図示しない水温センサにより検出される機関の冷却水温が第1所定温度以上であって、機関の一回転当りの吸入空気量(負荷)が所定値以下であって、上流側空燃比センサ64が完全活性状態にある場合に成立する。
いま、メインフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、CPU71はステップ1105にて「Yes」と判定してステップ1110に進み、現時点の上流側空燃比センサ64の出力値vabyfsを図3に示したテーブルに基づいて変換することにより、現時点における検出空燃比abyfsを求める。
続いて、CPU71はステップ1115に進んで、上記求めた検出空燃比abyfsから、現時点からNストローク前の上流側目標空燃比abyfr(k−N)を減じることで上記(5)式に従って、現時点からNストローク前の実際の空燃比と目標空燃比との差を表す上流側空燃比偏差Dabyfを求める。
次いで、CPU71はステップ1120に進み、全気筒稼動フラグALLの値が「1」であるか否かを判定し、全筒運転時である場合(即ち、「Yes」と判定する場合)、ステップ1125に進んでハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfを上記値ωcutに設定する。一方、減筒運転時である場合(即ち、「No」と判定する場合)、CPU71はステップ1130に進んで上記カットオフ周波数ωhpfを上記減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfの最大値ωhlfmaxに設定する。
続いて、CPU71はステップ1135に進み、前記上流側空燃比偏差Dabyfを、上記設定されたカットオフ周波数ωhpfのハイパスフィルタA12によりハイパスフィルタ処理してハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiを取得し、続くステップ1140にて上記(7)式に従ってメインフィードバック補正係数KFimainを求める。ここで、SDabyfhiとしてはステップ1145にて前回の本ルーチン実行時において求められている最新値が使用される。
即ち、CPU71はステップ1145に進むと、その時点におけるハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差の積分値SDabyfhiに上記ステップ1135にて求めたハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiを加えて、新たなハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差の積分値SDabyfhiを求める。
そして、CPU71はステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。以上により、メインフィードバック補正係数KFimainが求められ、このメインフィードバック補正係数KFimainが前述した図9のステップ915により燃料噴射量Fiに反映されることで上述したメインフィードバック制御に基づく機関の空燃比制御が実行される。また、全筒運転時であるか減筒運転時であるかによって、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfが変更される。
一方、ステップ1105の判定時において、メインフィードバック制御条件が不成立であると、CPU71は同ステップ1105にて「No」と判定してステップ1150に進んでメインフィードバック補正係数KFimainの値を「1」に設定し、続くステップ1155にてハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差の積分値SDabyfhiの値を「0」にリセットした後、ステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。
このように、メインフィードバック制御条件が不成立であるときは、メインフィードバック補正係数KFimainの値を「1」としてメインフィードバック制御に基づく機関の空燃比の補正を行わない。
<サブフィードバック補正係数の計算>
次に、サブフィードバック制御においてサブフィードバック補正係数KFidownを算出する際の作動について説明すると、CPU71は図12にフローチャートにより示したルーチンを所定時間(例えば、8msec)の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1200から処理を開始し、ステップ1205に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。
サブフィードバック制御条件は、例えば、機関の冷却水温が前記第1所定温度よりも高い第2所定温度以上であって、機関の一回転当りの吸入空気量(負荷)が所定値以下であって、下流側空燃比センサ65が完全活性状態にある場合に成立する。
いま、サブフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、CPU71はステップ1205にて「Yes」と判定してステップ1210に進み、上記(2)式に従って、現時点での下流側目標値Voxsrefから現時点での下流側空燃比センサ65の出力値Voxsを減じることにより、出力偏差量DVoxsを求める。
次に、CPU71はステップ1215に進んで、全気筒稼動フラグALLの値が「1」であるか否かを判定し、全筒運転時である場合(即ち、「Yes」と判定する場合)、ステップ1220に進んでローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfを上記値ωcutに設定する。一方、減筒運転時である場合(即ち、「No」と判定する場合)、CPU71はステップ1225に進んで上記カットオフ周波数ωlpfを上記減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfの最大値ωhlfmaxに設定する。
次に、CPU71はステップ1230に進んで、前記出力偏差量DVoxsを、上記設定されたカットオフ周波数ωlpfのローパスフィルタA7によりローパスフィルタ処理してローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowを取得する。
次いで、CPU71はステップ1235に進み、下記(8)式に基づきローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの微分値DDVoxslowを求める。
DDVoxslow=(DVoxslow-DVoxslow1)/Δt ・・・(8)
上記(8)式において、DVoxslow1は前回の本ルーチン実行時において後述するステップ1250にて設定(更新)されたローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの前回値である。また、Δtは本ルーチンの実行間隔時間(所定時間)である。
次いで、CPU71はステップ1240に進み、上記(4)式に従って、サブフィードバック制御係数KFisubを求めた後、ステップ1245に進んで、その時点におけるローパスフィルタ通過後出力偏差量の積分値SDVoxslowに上記ステップ1230にて求めたローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowを加えて、新たなローパスフィルタ通過後出力偏差量の積分値SDVoxslowを求め、続くステップ1250にて、上記ステップ1230にて求めたローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowをローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの前回値DVoxslow1として設定した後、ステップ1295に進んで本ルーチンを一旦終了する。
以上により、サブフィードバック制御係数KFisubが求められ、このサブフィードバック制御係数KFisubが前述した図9のステップ915により燃料噴射量Fiに反映されることで上述したサブフィードバック制御に基づく機関の空燃比制御が実行される。また、全筒運転時であるか減筒運転時であるかによって、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωhpfが変更される。
一方、ステップ1205の判定時において、サブフィードバック制御条件が不成立であると、CPU71は同ステップ1205にて「No」と判定してステップ1255に進んでサブフィードバック制御係数KFisubの値を「1」に設定し、続くステップ1260にてローパスフィルタ通過後出力偏差量の積分値SDVoxslowを「0」にリセットした後、ステップ1295に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、サブフィードバック制御条件が不成立であるときは、サブフィードバック制御係数KFisubを「1」としてサブフィードバック制御に基づく機関の空燃比の補正を行わない。
以上、説明したように、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の実施形態によれば、上流側触媒53の上流に配設された上流側空燃比センサ64の出力値vabyfsに基づく空燃比制御である上流側フィードバック制御(メインフィードバック制御)において、上流側空燃比センサ出力値vabyfsに基づく値(上流側空燃比偏差Dabyf)をハイパスフィルタA12(カットオフ周波数:ωhpf)によりハイパスフィルタ処理した後の値を上流側フィードバックコントローラ(PIコントローラA13)で比例・積分処理(PI処理)することでメインフィードバック補正係数KFimainが求められる。
また、上流側触媒53の下流に配設された下流側空燃比センサ65の出力値Voxsに基づく空燃比制御である下流側フィードバック制御(サブフィードバック制御)において、下流側空燃比センサ出力値Voxsに基づく値(出力偏差量DVoxs)をローパスフィルタA7(カットオフ周波数:ωlpf(=ωhpf))によりローパスフィルタ処理した後の値を下流側フィードバックコントローラ(PIDコントローラA8)で比例・積分・微分処理(PID処理)することでサブフィードバック補正係数KFisubが求められる。
そして、メインフィードバック補正係数KFimain、及びサブフィードバック補正係数KFisubで互いに独立に燃料噴射量Fiを補正することにより、メインフィードバック制御、及びサブフィードバック制御がそれぞれ実行される。
これにより、メインフィードバック制御、及びサブフィードバック制御の制御周波数帯域はそれぞれ、高周波数帯域(ωhpf以上)、低周波数帯域(ωlpf(=ωhpf)以下)となり、それぞれが互いに重複しないように設定され得る。これにより、メインフィードバック制御、及びサブフィードバック制御の間の相互干渉が回避されるから、良好な空燃比制御が達成され得、この結果、エミッションの排出量を安定して抑制することができる。
また、これにより、メインフィードバック制御は、機関が過渡運転状態にある場合等における高周波数の空燃比変動(外乱等による高周波数の変動を含む。)に対する空燃比制御を達成し得る。サブフィードバック制御は、上流側触媒53の下流の空燃比変動として現れ得る程度の極低周波数での定常的な空燃比変動に対する空燃比制御を達成し得る。また、サブフィードバック制御では、PIDコントローラA8にて積分処理が実行されるから、第1触媒下流の空燃比の目標空燃比(理論空燃比)からの定常偏差が「0」になることが保証される。この結果、定常運転状態でのエミッションの排出量を効果的に低減することができる。
また、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf、及びローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfは、全筒運転時においては、上述した制御対象外周波数帯域の実質的な発生を確実に防止することを優先して、新品の上流側触媒53に関する触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値ωcutに設定される。一方、減筒運転時においては、上述した排出周期相当周波数成分をメインフィードバック制御の制御周波数帯域から確実に外すことを優先して、上記減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfの最大値ωhlfmax(>ωcut)に設定される。これにより、全筒運転時か減筒運転時かにかかわらず安定した空燃比制御が維持され得る。
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、減筒運転時において、ハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpf、及びローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfを、エンジン回転速度NEにかかわらず上記減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfの最大値ωhlfmax一定に維持するように構成されているが、減筒運転時において、現時点でのエンジン回転速度NEに応じた減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfに一致するように同カットオフ周波数ωhpf、及びωlpfを逐次変更するように構成してもよい。
また、上記実施形態においては、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfは、常にハイパスフィルタA12のカットオフ周波数ωhpfと一致するように、上記値ωcut、及び値ωhlfmax(>ωcut)の何れかに設定されるが、例えば、ローパスフィルタA7のカットオフ周波数ωlpfは、常に上記値ωcut一定に維持されてもよい。
また、上記実施形態においては、減筒運転時において、上述した排出周期相当周波数成分をメインフィードバック制御の制御周波数帯域から確実に外すため、上記カットオフ周波数ωhpf、及びωlpfを、上記値ωcutよりも大きい上記減筒運転時排出周期相当周波数ωhlfの最大値ωhlfmaxに設定しているが、減筒運転時において、上記カットオフ周波数ωhpf、及びωlpfを上記値ωcutに維持するとともに、ハイパスフィルタA12のゲインGhpfを「1」より小さい値に設定してもよい。これにより、上記排出周期相当周波数成分を含んだ振幅の大きい上流側空燃比センサ出力(信号)が上流側フィードバックコントローラ(PIコントローラA13)に入力することが防止されるため、これによっても、減筒運転時において適切な上流側フィードバック制御(メインフィードバック制御)が維持され得る。
また、上記実施形態においては、「上流側空燃比センサの出力値に基づく値」である「上流側空燃比センサの出力値と上流側目標値との相違の程度に応じた値」として、上流側空燃比センサ64の検出空燃比abyfsと上流側目標空燃比abyfrとの差が使用されているが、上流側空燃比センサ出力値vabyfsそのものと上流側目標空燃比abyfrに対応する上流側目標値との差、或いは、筒内吸入空気量Mcを検出空燃比abyfsで除した値である実際の筒内燃料供給量と同筒内吸入空気量Mcを目標空燃比abyfrで除した値である目標筒内燃料供給量との差を使用してもよい。
同様に、上記実施形態においては、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」である「下流側空燃比センサの出力値と下流側目標値との相違の程度に応じた値」として、下流側空燃比センサ出力値Voxsそのものと下流側目標値Voxsrefとの差が使用されているが、下流側空燃比センサ65の検出空燃比(図4を参照。)と目標空燃比abyfrとの差を使用してもよい。
また、上記実施形態においては、上流側フィードバック補正量としてのメインフィードバック補正係数KFimain(>0)を基本燃料噴射量Fbaseに乗じることでメインフィードバック制御を実行しているが、同メインフィードバック補正係数KFimainに相当する正負の値を採りえるメインフィードバック補正量を基本燃料噴射量Fbaseに加算することによりメインフィードバック制御を実行してもよい。
同様に、上記実施形態においては、下流側フィードバック補正量としてのサブフィードバック補正係数KFisub(>0)を基本燃料噴射量Fbaseに乗じることでサブフィードバック制御を実行しているが、同サブフィードバック補正係数KFisubに相当する正負の値を採りえるサブフィードバック補正量を基本燃料噴射量Fbaseに加算することによりサブフィードバック制御を実行してもよい。
また、上記実施形態においては、下流側空燃比センサ65の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの差DVoxsをローパスフィルタ処理した後の値DVoxslowに基づいてサブフィードバック補正係数KFisubを算出しているが、同下流側空燃比センサ65の出力値Voxsをローパスフィルタ処理した後の値と同下流側目標値Voxsrefとの差に基づいて同サブフィードバック補正係数KFisubを算出するように構成してもよい。
また、上記実施形態においては、フィルタ(ハイパスフィルタA12、ローパスフィルタA7)として、1次フィルタを使用しているが、各フィルタが分担するそれぞれの帯域をさらに明白に分ける必要がある場合、これらのフィルタとして2次以上のフィルタを使用してもよい。
加えて、上記実施形態においては、「上流側空燃比センサの出力値と上流側目標値との相違の程度に応じた値」としての上流側空燃比偏差DabyfをハイパスフィルタA12に入力してメインフィードバック補正係数KFimainを算出するようになっているが(図5を参照)、図13に示すように、前記上流側空燃比偏差Dabyfの代わりに上流空燃比センサ64の検出空燃比abyfsを直接ハイパスフィルタA12に入力してメインフィードバック補正係数KFimainを算出するように構成してもよい。
上記実施形態においてハイパスフィルタA12に入力される上流側空燃比偏差Dabyfは、上流空燃比センサ64の検出空燃比abyfsから上流側目標空燃比abyfr(原則的に、理論空燃比で一定)を減じた値である。従って、上流側空燃比偏差Dabyfを示す信号は、検出空燃比abyfsを示す信号と、変動の中心値が異なる一方で同じタイミング、同じ振幅で増減する同一の波形を有する信号となる。
よって、ハイパスフィルタA12を通過した後のカットオフ周波数ωhpf以上の高周波数成分からなる上記ハイパスフィルタ通過後上流側空燃比偏差Dabyfhiを示す信号は、検出空燃比abyfsをハイパスフィルタA12に入力した場合の同ハイパスフィルタA12の出力値を示す信号と、全く同一の値をとる信号となる。
以上のことから、図5に示した機能ブロック図において上流側空燃比偏差算出手段A11を省略した図13に示した機能ブロック図に基づく構成においても、上記実施形態と全く同一の作用・効果が得られる。
10…内燃機関、25A,25B…燃焼室、38A,38B…インジェクタ、52A,52B…エキゾーストパイプ(排気管)、53A,53B…三元触媒(上流側触媒)、64A,64B…上流側空燃比センサ、65A,65B…下流側空燃比センサ、70…電気制御装置、71…CPU、A7…ローパスフィルタ、A12…ハイパスフィルタ、A14…HPF特性変更手段、A15…LPF特性変更手段