JP5770585B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に排気系に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が目標空燃比と一致するようにフィードバック制御を行う空燃比制御装置に関する。

特許文献１には、排気系に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比（当量比）が目標空燃比（目標当量比）と一致するようにフィードバック制御を行う空燃比制御装置が示されている。この装置によれば、空燃比制御系の空燃比応答モデルの逆モデル式に検出空燃比を適用し、さらにフィルタ処理を行うことにより、空燃比制御入力の推定値（Ｕｅ）が算出される一方、目標空燃比（φｒ）に空燃比補正量（φｄ）を加算することにより、空燃比制御入力が算出される。そして、空燃比制御入力のフィルタ処理を行うことにより算出されるフィルタ処理後空燃比制御入力（Ｕｆ）と、空燃比制御入力の推定値（Ｕｅ）との差分が、上記空燃比補正量（φｄ）として算出される。この制御手法により、例えば機関吸気系への蒸発燃料の供給といった外乱が加わった場合における空燃比制御性能（実空燃比の目標空燃比への追従性能）を高めることができる。

特開２００２−４７９８０号公報

上記特許文献１に示された装置では、フィルタ処理後空燃比制御入力（Ｕｆ）と、空燃比制御入力の推定値（Ｕｅ）との差分が、そのまま空燃比補正量（φｄ）として目標空燃比に加算され、空燃比制御入力として使用されるため、以下のような課題があった。

すなわち、機関の排気系には一般に排気浄化触媒が設けられるが、外乱が加わった場合において排気浄化触媒の浄化能力を維持するためには、排気浄化触媒に蓄積した酸素量を考慮する必要がある。上記従来の装置ではこの点が考慮されておらず、改善の余地があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、空燃比制御系に外乱が加わることなどに起因する、排気浄化触媒へ供給される酸素の過不足分を相殺し、排気浄化触媒の浄化性能を良好に維持することができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路（１３）に設けられた排気浄化触媒（１４）と、該排気浄化触媒（１４）の上流側において空燃比を検出する空燃比検出手段（１５）とを備える内燃機関の空燃比制御装置において、前記機関の吸入空気量（ＧＡＩＲ）を検出する吸入空気量検出手段と、前記機関の運転状態に応じて基本目標空燃比（ＫＣＭＤbase）を算出する基本目標空燃比算出手段と、前記基本目標空燃比（ＫＣＭＤbase）に応じて目標空燃比（ＫＣＭＤ）を算出する目標空燃比算出手段と、前記空燃比検出手段（１５）による検出空燃比（ＫＡＣＴ）と前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）との差を示す空燃比差分値（ＤＫｉｎ）を算出する空燃比差分値算出手段と、前記検出空燃比（ＫＡＣＴ）が前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）と一致するように前記空燃比を制御するフィードバック制御手段とを備え、前記目標空燃比算出手段は、前記吸入空気量（ＧＡＩＲ）及び空燃比差分値（ＤＫｉｎ）に応じて前記基本目標空燃比（ＫＣＭＤbase）を補正することにより、前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）を算出するものであって、前記吸入空気量（ＧＡＩＲ）及び空燃比差分値（ＤＫｉｎ）に応じて前記排気浄化触媒（１４）に蓄積された酸素量を示す酸素量相関値（ＯＳＣｔｍｐ）を算出する酸素量相関値算出手段を有し、前記酸素量相関値（ＯＳＣｔｍｐ）に基づいて前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）を算出し、前記排気浄化触媒（１４）の下流側に下流側空燃比検出手段（１６）が設けられており、前記基本目標空燃比算出手段は、前記下流側空燃比検出手段の検出値（ＶＯ２）が目標値（ＶＯ２ＴＲＧＴ）と一致するように前記基本目標空燃比（ＫＣＭＤbase）を算出し、前記酸素量相関値算出手段は、前記下流側空燃比検出手段の検出値（ＶＯ２）と前記目標値（ＶＯ２ＴＲＧＴ）との差（ＤＶＯ２）が増加するほど減少する忘却係数（λ）を算出する忘却係数算出手段と、前記吸入空気量（ＧＡＩＲ）及び空燃比差分値（ＤＫｉｎ）に応じて前記酸素量相関値（ＯＳＣｔｍｐ）の変化量を示す変化量相関値（ＤＯＳＣｔｍｐ）を算出する変化量相関値算出手段とを有し、前記酸素量相関値の前回値（ＯＳＣ(k-1)）と前記忘却係数（λ）との積に前記変化量相関値（ＤＯＳＣｔｍｐ）を加算することにより、前記酸素量相関値（ＯＳＣｔｍｐ）を算出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比差分値算出手段は、前記検出空燃比（ＫＡＣＴ）の１燃焼サイクル期間の整数倍の期間における平均値である平均検出空燃比（ＫＡＣＴＡＶＥ）を算出する平均化手段を有し、前記平均検出空燃比（ＫＡＣＴＡＶＥ）と前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）との差を前記空燃比差分値（ＤＫｉｎ）として算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比差分値算出手段は、前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）と相関のある目標空燃比相関値（ＫＣＭＤＣＭ）を算出する目標空燃比相関値手段を有し、前記平均検出空燃比（ＫＡＣＴＡＶＥ）と前記目標空燃比相関値（ＫＣＭＤＣＭ）との差を前記空燃比差分値（ＤＫｉｎ）として算出し、前記目標空燃比相関値算出手段は、前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）を用いて前記目標空燃比相関値（ＫＣＭＤＣＭ）を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記目標空燃比相関値算出手段は、前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）の変更時点から検出空燃比（ＫＡＣＴ）が変化する時点までの応答遅れに応じて、前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）を修正することにより前記目標空燃比相関値（ＫＣＭＤＣＭ）を算出することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関運転状態に応じて基本目標空燃比が算出されるとともに、検出空燃比と目標空燃比との差を示す空燃比差分値が算出され、検出される吸入空気量及び空燃比差分値に応じて基本目標空燃比を補正することにより目標空燃比が算出され、検出空燃比が目標空燃比と一致するように空燃比制御が行われる。検出吸入空気量及び空燃比差分値に応じて基本目標空燃比を補正して目標空燃比を算出することにより、排気浄化触媒への酸素供給量に応じた目標空燃比の設定を行うことができる。その結果、空燃比制御系に外乱が加わることなどに起因する、排気浄化触媒へ供給される酸素の過不足分を相殺し、排気浄化触媒の浄化性能を良好に維持することができる。より具体的には、吸入空気量及び空燃比差分値に応じて排気浄化触媒に蓄積された酸素量を示す酸素量相関値が算出され、酸素量相関値に基づいて目標空燃比が算出されるので、排気浄化触媒に蓄積した酸素量に応じた目標空燃比の設定を行うことができ、実空燃比の変動による酸素供給量の過不足を適切に補償し、排気浄化触媒の排気浄化性能を良好に維持することができる。また、下流側空燃比検出手段の検出値が目標値と一致するように目標空燃比が算出され、下流側空燃比検出手段の検出値と目標値との差（下流側空燃比ずれ）が増加するほど減少する忘却係数が算出される。さらに吸入空気量及び空燃比差分値に応じて酸素量相関値の変化量を示す変化量相関値が算出され、酸素量相関値の前回値と忘却係数との積に変化量相関値を加算することにより、酸素量相関値が算出される。したがって、下流側空燃比ずれが増加すると忘却係数が減少し、酸素量相関値の算出における前回値の寄与度が減少する。下流側空燃比ずれの増加は、それまでに算出された酸素量相関値の信頼性が低いことを示すので、その寄与度を減少させることにより、下流側空燃比ずれが「０」となるように算出される基本目標空燃比に近い目標空燃比が得られ、目標空燃比の過補正を防止できる。

請求項２に記載の発明によれば、検出空燃比の１燃焼サイクル期間の整数倍の期間における平均値として平均検出空燃比が算出され、平均検出空燃比と目標空燃比との差が空燃比差分値として算出されるので、気筒毎の空燃比ばらつきの影響を排除して正確な空燃比制御を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、目標空燃比と相関のある目標空燃比相関値が目標空燃比を用いて算出され、平均検出空燃比と目標空燃比相関値との差が空燃比差分値として算出される。空燃比制御に適用される目標空燃比を用いて目標空燃比相関値が算出されるので、補正前の基本目標空燃比を用いて算出する場合に比べて空燃比差分値を適切に算出し、目標空燃比の適切な設定を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、目標空燃比の変更時点から検出空燃比が変化する時点までの応答遅れに応じて、目標空燃比を修正することにより目標空燃比相関値が算出されるので、空燃比制御系のむだ時間及び空燃比検出手段の応答遅れが考慮され、検出空燃比の検出タイミングに合わせた目標空燃比相関値が得られる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその空燃比制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態における空燃比制御系の構成を示すブロック図である。 目標当量比（ＫＣＭＤ）を算出する処理のフローチャートである。 目標当量比（ＫＣＭＤ）の修正を説明するためのタイムチャートである。 図３の処理で参照されるテーブルを示す図である。 図３の処理を説明するための動作例を示すタイムチャートである。 図２に示す空燃比制御系の変形例を示すブロック図である。 図２に示す空燃比制御系の変形例を示すブロック図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその空燃比制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気通路２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、その検出信号は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気通路２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］を検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

排気通路１３には三元触媒１４が設けられている。三元触媒１４は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。

三元触媒１４の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１５（以下「ＬＡＦセンサ１５」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１５は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号を出力する。三元触媒１４の下流側には、二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１６が設けられている。Ｏ２センサ１６は、空燃比が理論空燃比近傍にあるとき、センサ出力ＶＯ２が急激に変化する特性を有し、Ｏ２センサ出力ＶＯ２は、空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあるとき高レベルとなり、リーン側にあるとき低レベルとなる。これらのセンサ１５及び１６の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２１及び当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ２２が接続されており、それらセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。スロットル弁３は図示しないアクチュエータにより開閉駆動され、スロットル弁開度ＴＨはアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＥＣＵ５により制御される。
なお、図示は省略しているが、エンジン１には周知の排気還流機構が設けられている。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路を備えている。

図２は、本実施形態における空燃比制御系の構成を示すブロック図である。図２に示す空燃比制御系は、第１フィードバック制御器３１、加算部３２、第２フィードバック制御器３３、エンジン１（燃料噴射弁６を含む）、ＬＡＦセンサ１５、三元触媒１４、Ｏ２センサ１６、修正部３４、平均化部３５、減算部３６、補正量算出部３７によって構成される。この空燃比制御系に含まれるエンジン１、ＬＡＦセンサ１５、三元触媒１４、及びＯ２センサ１６以外の構成要素の機能は、ＥＣＵ５のＣＰＵによる演算処理により実現される。なお、図２においては、ＬＡＦセンサ出力を当量比ＫＡＣＴに変換するブロックは省略されている。

第１フィードバック制御器３１は、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標値ＶＯ２ＴＲＧＴと一致するように、スライディングモード制御またはＰＩＤ（比例積分微分）制御により、基本目標空燃比係数ＫＣＭＤbaseを算出する。基本目標空燃比係数ＫＣＭＤbaseは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、以下「基本目標当量比ＫＣＭＤbase」という。Ｏ２センサ出力ＶＯ２と目標値ＶＯ２ＴＲＧＴの差（＝ＶＯ２−ＶＯ２ＴＲＧＴ）を、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２として出力する。

加算部３２は、基本目標当量比ＫＣＭＤbaseに当量比補正量ＤＫｏｕｔを加算することにより、目標当量比ＫＣＭＤを算出する。
第２フィードバック制御器３３は、ＬＡＦセンサ１５の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するように、燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを算出する。燃料噴射時間ＴＯＵＴは、噴射される燃料量にほぼ比例するので、以下「燃料噴射量ＴＯＵＴ」という。

具体的には、第２フィードバック制御器３３は下記式（１）に目標当量比ＫＣＭＤを適用して、ＴＤＣパルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×ＫＴＯＴＡＬ （１）
ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて設定されたＴＩＭテーブルを検索して決定される。ＴＩＭテーブルは、エンジンにおいて燃焼する混合気の空燃比ＡＦがほぼ理論空燃比になるように設定されている。

ＫＡＦは、空燃比フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１５の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ制御あるいは適応制御器（Self Tuning Regulator）を用いた適応制御により算出される空燃比補正係数である。

ＫＴＯＴＡＬは上記センサの検出信号に応じて演算される他の補正係数（エンジン冷却水温ＴＭに応じた補正係数ＫＴＷ、吸気温ＴＡに応じた補正係数ＫＴＡなど）の積である。

修正部３４は、目標当量比ＫＣＭＤが変化した時点から検出当量比ＫＡＣＴが変化する時点までのむだ時間及びＬＡＦセンサ１５の応答遅れを考慮して、目標当量比ＫＣＭＤを修正し、修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭを算出する。平均化部３５は、検出当量比ＫＡＣＴの１燃焼サイクル期間（各気筒において１回の燃焼が行われるクランク角度７２０度の期間）の平均値として、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥを算出する。減算部３６は、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥから修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭを減算することにより、当量比差分値ＤＫｉｎを算出する。

補正量算出部３７は、当量比差分値ＤＫｉｎ、検出される吸入空気流量ＧＡＩＲ、及びＯ２センサ出力偏差ＤＶＯ２に応じて、当量比補正量ＤＫｏｕｔを算出する。

図３は、図２に示すブロック３１，３２，３４〜３７による、目標当量比ＫＣＭＤを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。

ステップＳ１０では、基本目標当量比ＫＣＭＤbaseを算出する。具体的には、エンジン運転状態に応じて基本値ＫＣＭＤＢを算出するとともに、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標値ＶＯ２ＴＲＧＴと一致するように（Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２が「０」となるように）、修正量ＤＫＣＭＤを算出し、基本値ＫＣＭＤＢに修正量ＤＫＣＭＤを加算することにより、基本目標当量比ＫＣＭＤbaseを算出する。修正量ＤＫＣＭＤの算出には、スライディングモード制御またはＰＩＤ制御が適用される。

ステップＳ１１では、下記式（２）に目標当量比ＫＣＭＤを適用し、修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭを算出する。式（２）の「ｋ」は、演算周期ＴＣで離散化した離散化時刻であり、「α」はＬＡＦセンサ１５の応答特性に応じて「０」から「１」の間の値に設定される遅れ係数である。式（２）においては、むだ時間は１演算周期ＴＣで近似されている。
ＫＣＭＤＣＭ(k)＝（１−α）×ＫＣＭＤＣＭ(k-1)＋α×ＫＣＭＤ(k-2) （２）

修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭ(k)は、目標当量比ＫＣＭＤの変化が検出当量比ＫＡＣＴの変化として検出されるまでの遅れ時間（空燃比制御系のむだ時間＋ＬＡＦセンサ１５の応答遅れ時間）に応じて、目標当量比ＫＣＭＤを検出当量比ＫＡＣＴの検出タイミングと合わせるように修正したパラメータに相当する。

例えば、図４に実線で示すように目標当量比ＫＣＭＤがステップ状に変化した場合には、修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭは、破線で示すようにむだ時間分だけ遅れ、且つ一次遅れ特性で目標当量比ＫＣＭＤに一致するように変化する。

ステップＳ１２では、下記式（３）により平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥを算出する。
ＫＡＣＴＡＶＥ＝
（ＫＡＣＴ(k)＋ＫＡＣＴ(k-1)＋ＫＡＣＴ(k-2)＋ＫＡＣＴ(k-3)）／４ （３）

ステップＳ１３では、下記式（４）に平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥ及び修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭを適用し、当量比差分値ＤＫｉｎを算出する。当量比差分値ＤＫｉｎは、正の値をとるとき実空燃比が目標空燃比よりリッチ側にあり、負の値をとるときリーン側にあることを示す。
ＤＫｉｎ＝ＫＡＣＴＡＶＥ−ＫＣＭＤＣＭ （４）

ステップＳ１４では、当量比差分値ＤＫｉｎについて不感帯処理を行うことにより、不感帯処理後差分値ＤＫＮｉｎを算出する。具体的には、当量比差分値ＤＫｉｎに応じて図５（ａ）に示すテーブルを検索することにより、不感帯処理後差分値ＤＫＮｉｎが算出される。すなわち、当量比差分値ＤＫｉｎが負の所定値（−ＤＫＸ）以上かつ正の所定値ＤＫＸ以下であるときは、不感帯処理後差分値ＤＫＮｉｎは「０」に設定される。なお、不感帯処理関数は、図５（ａ）に示すものに代えて図５（ｂ）に示す関数を使用してもよい。不感帯処理を行うことにより、ＬＡＦセンサ出力の小さな変動の影響を排除し、安定した空燃比制御を行うことができる。

ステップＳ１５では、不感帯処理後差分値ＤＫＮｉｎについて、不要なノイズ成分を除去するためのローパスフィルタ処理を行い、フィルタ処理後差分値ＤＫＭｉｎを算出する。

ステップＳ１６では、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２に応じて図５（ｃ）に示すλテーブルを検索し、忘却係数λを算出する。λテーブルは、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２の絶対値が所定値ＤＶＸ以下の範囲で、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２の絶対値が増加するほど、忘却係数λが減少するように設定され、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２の絶対値が所定値ＤＶＸより大きいの範囲で、忘却係数λが「０」となるように設定されている。図５（ｃ）のλＭＡＸは「１．０」未満の値、例えば「０．９」に設定される。

ステップＳ１７では、フィルタ処理後差分値ＤＫＭｉｎ及び検出吸入空気流量ＧＡＩＲを下記式（５）に適用して、仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐを算出し、さらに仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐ及び忘却係数λを下記式（６）に適用して、仮酸素蓄積量ＯＳＣｔｍｐを算出する。
ＤＯＳＣｔｍｐ＝−ＤＫＭｉｎ×ＧＡＩＲ （５）
ＯＳＣｔｍｐ＝λ×ＯＳＣ(k-1)＋ＤＯＣＳｔｍｐ （６）

仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐは、三元触媒１４に蓄積した酸素量の変化量を示すパラメータであり、フィルタ処理後差分値ＤＫＭｉｎに対応する変化量を示す。フィルタ処理後差分値ＤＫＭｉｎが負の値をとるとき、酸素蓄積量が増加するので、負号が付されている。また、式（６）のＯＳＣ(k-1)は、後述するステップＳ２３で算出される酸素蓄積量ＯＳＣの前回値である。仮酸素蓄積量ＯＳＣｔｍｐは、三元触媒１４の酸素蓄積量が仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐだけ変化したときの酸素蓄積量を示す。

ステップＳ１８では、仮酸素蓄積量ＯＳＣｔｍｐ及び検出吸入空気流量ＧＡＩＲを下記式（７）に適用し、当量比補正量ＤＫｏｕｔを算出する。当量比補正量ＤＫｏｕｔは、仮酸素蓄積量ＯＳＣｔｍｐを相殺するのに必要な、基本目標当量比ＫＣＭＤbaseの変更量に相当する。
ＤＫｏｕｔ＝ＯＳＣｔｍｐ／ＧＡＩＲ （７）

ステップＳ１９〜Ｓ２２では、当量比補正量ＤＫｏｕｔを上限値ＤＫＣＬＭＨ及び下限値ＤＫＣＬＭＬの範囲内に制限するリミット処理を行う。すなわち、当量比補正量ＤＫｏｕｔが上限値ＤＫＣＬＭＨを超えているときは当量比補正量ＤＫｏｕｔを上限値ＤＫＣＬＭＨに設定し（ステップＳ１９，Ｓ２１）、当量比補正量ＤＫｏｕｔが下限値ＤＫＣＬＭＬを下回っているときは当量比補正量ＤＫｏｕｔを下限値ＤＫＣＬＭＬに設定する（ステップＳ２０，Ｓ２２）。

ステップＳ２３では、当量比補正量ＤＫｏｕｔ及び検出吸入空気流量ＧＡＩＲを下記式（８）に適用し、酸素量変化量ＤＯＳＣを算出するとともに、酸素量変化量ＤＯＳＣを下記式（９）に適用して、酸素蓄積量ＯＳＣを算出する。酸素蓄積量ＯＳＣ(k)は、三元触媒１４に蓄積された酸素量の推定値に相当する。
ＤＯＳＣ＝−ＤＫｏｕｔ×ＧＡＩＲ （８）
ＯＳＣ(k)＝ＯＣＳｔｍｐ＋ＤＯＳＣ （９）

ステップＳ２４では、基本目標当量比ＫＣＭＤbase及び当量比補正量ＤＫｏｕｔを下記式（１０）に適用し、目標当量比ＫＣＭＤを算出する。
ＫＣＭＤ＝ＫＣＭＤbase＋ＤＫｏｕｔ （１０）

図６（ａ）及び（ｂ）は、図３の処理を説明するためのタイムチャートであり、外乱の影響で検出当量比ＫＡＣＴがリーン側に大きく低下した例が示されている。図６（ａ）は、基本目標当量比ＫＣＭＤbase、検出当量比ＫＡＣＴ、及び目標当量比ＫＣＭＤの推移を示し、図６（ｂ）はＯ２センサ出力ＶＯ２の推移を示す。時刻ｔ１から検出当量比ＫＡＣＴの減少が始まると、基本目標当量比ＫＣＭＤbaseが当量比補正量ＤＫｏｕｔによって増加方向に直ちに補正されて目標当量比ＫＣＭＤが算出される。その結果、燃料噴射量ＴＯＵＴが直ちに修正され、三元触媒１４への過剰な酸素供給が迅速に解消される。基本目標当量比ＫＣＭＤbaseは、三元触媒１４の下流側においてＯ２センサ出力ＶＯ２が変化した後に増加方向に更新されるため、当量比補正量ＤＫｏｕｔによる補正を行わない場合には、燃料噴射量ＴＯＵＴの増加は基本目標当量比ＫＣＭＤbaseの増加後となり、三元触媒１４への過剰な酸素供給が長く継続することなる。

時刻ｔ１からの検出当量比ＫＡＣＴの急激な低下によって、三元触媒１４の酸素蓄積量は急激に増加するため、Ｏ２センサ出力ＶＯ２は時刻ｔ２から低下し始めるが、当量比補正量ＤＫｏｕｔにより補正された目標当量比ＫＣＭＤが直ちに増加することによって、酸素蓄積量の増加が抑制されるので、三元触媒１４への供給酸素量の過不足が相殺される。その結果、酸素蓄積量が最適値から外れる時間が短縮され、三元触媒１４の排気浄化性能を良好に維持することができる。

図６（ｃ）は、気筒毎の空燃比にインバランスがある場合における検出当量比ＫＡＣＴ、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥ、及び目標当量比ＫＣＭＤの推移を示す。平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥを用いることよって、空燃比インバランスがある場合において、当量比差分値ＤＫｉｎが短時間に大きく変動することが回避され、安定した空燃比制御を維持することができる。

以上のように本実施形態では、エンジン運転状態（Ｏ２センサ出力ＶＯ２を含む）に応じて基本目標当量比ＫＣＭＤbaseが算出されるとともに、目標当量比ＫＣＭＤと相関のある修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭが算出され、検出当量比ＫＡＣＴを平均化することにより、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥが算出される。そして、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥと修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭとの差が当量比差分値ＤＫｉｎとして算出され、検出される吸入空気流量ＧＡＩＲ及び当量比差分値ＤＫｉｎに応じて基本目標空燃比ＫＣＭＤbaseを補正して目標当量比ＫＣＭＤが算出される。これにより、三元触媒１４への酸素供給量に応じて目標当量比ＫＣＭＤを適切に設定し、空燃比制御系に外乱が加わることなどに起因する、三元触媒１４へ供給される酸素の過不足分を相殺し、三元触媒１４の浄化性能を良好に維持することができる。

また、空燃比制御に適用される目標当量比ＫＣＭＤについて時間遅れ補正を行うことにより、修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭが算出されるので、補正前の基本目標当量比ＫＣＭＤbaseを用いて算出する場合（後述する変形例１参照）に比べて空燃比差分値ＤＫｉｎを適切に算出し、目標当量比ＫＣＭＤの適切な補正を行うことができる。

また、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標値ＶＯ２ＴＲＧＴと一致するように基本目標当量比ＫＣＭＤbaseが算出され、Ｏ２センサ出力ＶＯ２と目標値ＶＯ２ＴＲＧＴとの差であるＯ２センサ出力偏差ＤＶＯ２の絶対値が増加するほど減少するように忘却係数λが算出される。さらに吸入空気流量ＧＡＩＲにフィルタ処理後差分値ＤＫＭｉｎを乗算することにより、三元触媒１４の酸素蓄積量の変化量を示す仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐが算出され、酸素量相関値の前回値ＯＳＣ(k-1)と忘却係数λとの積に仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐを加算することにより、仮酸素蓄積量ＯＳＣｔｍｐが算出される。したがって、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２の絶対値が増加すると忘却係数λが減少し、酸素蓄積量の算出における前回値ＯＳＣ(k-1)の寄与度が減少する。Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２の絶対値の増加は、すでに算出された酸素蓄積量の前回値ＯＳＣ(k-1)の信頼性が低いことを示すので、その寄与度を減少させることにより、Ｏ２センサ出力偏差ＤＶＯ２が「０」となるように算出される基本目標当量比ＫＣＭＤbaseに近い目標当量比ＫＣＭＤが得られ、目標当量比ＫＣＭＤの過補正を防止できる。

また目標当量比ＫＣＭＤの変更時点から検出当量比ＫＡＣＴが変化する時点までの応答遅れに応じて、目標当量比ＫＣＭＤを修正することにより修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭが算出されるので、空燃比制御系のむだ時間及びＬＡＦセンサ１５の応答遅れが考慮され、検出当量比ＫＡＣＴの検出タイミングに合わせた修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭが得られる。また、検出当量比ＫＡＣＴの１燃焼サイクル期間における平均値として平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥが算出され、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥと修正目標当量比ＫＣＭＤＣＭとの差が当量比差分値ＤＫｉｎとして算出されるので、気筒毎の空燃比ばらつきの影響を排除して正確な空燃比制御を行うことができる。

本実施形態では、ＬＡＦセンサ１５が空燃比検出手段に相当し、吸入空気流量センサ７が吸入空気量検出手段に相当し、Ｏ２センサ１６が下流側空燃比検出手段に相当し、ＥＣＵ５が、基本目標空燃比算出手段、目標空燃比算出手段、目標空燃比相関値手段、空燃比差分値算出手段、フィードバック制御手段、酸素量相関値算出手段、忘却係数算出手段、変化量相関値算出手段、及び平均化手段を構成する。具体的には、図３のステップＳ１０が基本目標空燃比算出手段に相当し、ステップＳ１１が目標空燃比相関値手段に相当し、ステップＳ１１〜Ｓ１３が空燃比差分値算出手段に相当し、ステップＳ１２が平均化手段に相当し、ステップＳ１４〜Ｓ２４が目標空燃比算出手段に相当し、ステップＳ１６及び１７が酸素量相関値算出手段、ステップＳ１６が忘却係数算出手段に相当し、ステップＳ１７が変化量相関値算出手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、以下に示すように種々の変形が可能である。
［変形例１］
図２に示す空燃比制御系の構成は、図７に示すように変形してもよい。図７に示す空燃比制御系は、図２の修正部３４及び減算部３６をそれぞれ修正部３４ａ及び減算部３６ａに変更するとともに遅延部３８を追加し、かつ目標当量比ＫＣＭＤに代えて基本目標当量比ＫＣＭＤbaseを修正部３４ａに入力するようにしたものである。

修正部３４ａは、下記式（２ａ)に基本目標当量比ＫＣＭＤbaseを適用して、修正目標当量比ＫＣＭＤＭを算出する。
ＫＣＭＤＭ(k)＝（１−α）×ＫＣＭＤＭ(k-1)＋α×ＫＣＭＤbase(k-2) （２ａ）
減算部３６ａは、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥから修正目標当量比ＫＣＭＤＭを減算することにより当量比差分値ＤＫｉｎを算出する。

遅延部３８は、入力される当量比補正量ＤＫｏｕｔを１演算周期だけ遅延させて出力する。
この変形例でも、上述した実施形態に近い制御性能が得られる。

この変形例では、修正部３４ａ及び減算部３６ａが空燃比差分値算出手段の一部に相当し、修正部３４ａが目標空燃比相関値算出手段に相当し、遅延部３８が目標空燃比算出手段の一部に相当する。

［変形例２］
図７に示す空燃比制御系の構成は、図８（ａ）に示すように変形してもよい。図８（ａ）に示す空燃比制御系は、図７の修正部３４ａを削除し、減算部３６ａを減算部３６ｂに変更したものである。
減算部３６ｂは、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥから基本目標当量比ＫＣＭＤbaseを減算することにより、当量比差分値ＤＫｉｎを算出する。

この変形例では、基本目標当量比ＫＣＭＤbaseの変更直後における過渡状態での制御性能が、上述した実施形態より劣るが、外乱による三元触媒１４へ供給される酸素の過不足分を相殺し、三元触媒１４を維持する効果は得られる。
この変形例では、平均化部３５及び減算部３６ｂが空燃比差分値算出手段に相当する。

なお、図２に示す空燃比制御系において、修正部３４を削除し、目標当量比ＫＣＭＤを直接、減算部３６に入力するようにしてもよい。

［変形例３］
図２に示す空燃比制御系の構成は、図８（ｂ）に示すように変形してもよい。図８（ｂ）に示す空燃比制御系は、図２の修正部３４及び平均化部３５を削除し、減算部３６を減算部３６ｃに変更したものである。
減算部３６ｃは、検出当量比ＫＡＣＴから目標当量比ＫＣＭＤを減算することにより、当量比差分値ＤＫｉｎを算出する。

この変形例では、気筒毎の空燃比にインバランスがある場合の制御性能、及び目標当量比ＫＣＭＤの変更直後における過渡状態での制御性能が、上述した実施形態より劣るが、外乱による三元触媒１４へ供給される酸素の過不足分を相殺し、三元触媒１４を維持する効果は得られる。
この変形例では、減算部３６ｃが空燃比差分値算出手段に相当する。

なお、図７に示す空燃比制御系において、修正部３４ａ及び平均化部３５を削除し、減算部３６に、基本目標当量比ＫＣＭＤbase及び検出当量比ＫＡＣＴを入力するようにしてもよい。

［その他の変形例］
上述した実施形態では、１燃焼サイクル期間（全気筒のおいて１回の燃焼が行われる期間）における検出当量比ＫＡＣＴの平均値として、平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥを算出するようにしたが、これに限るものではなく、２燃焼サイクル期間あるいは３燃焼サイクル期間など、１燃焼サイクル期間の整数倍の期間における検出当量比ＫＡＣＴの平均値を平均検出当量比ＫＡＣＴＡＶＥとして算出するようにしてもよい。

上述した実施形態では、吸入空気流量センサ７により検出される吸入空気流量ＧＡＩＲをそのまま使用して、仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐ及び酸素量変化量ＤＯＳＣを算出するようにしたが、吸入空気流量ＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］を１ＴＤＣ期間（ＴＤＣパルスの発生周期）あたりの気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ［ｇ／ＴＤＣ］に変換し、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを使用して仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐ及び酸素量変化量ＤＯＳＣを算出するようにしてもよい。

また吸入空気流量センサ７を使用せずに、大気圧ＰＡを検出する大気圧センサを設け、検出される大気圧ＰＡ、吸気圧ＰＢＡ、及びスロットル弁開度ＴＨに応じて、公知の手法で推定吸入空気量流量ＨＧＡＩＲを算出し、推定吸入空気量流量ＨＧＡＩＲを仮酸素量変化量ＤＯＳＣｔｍｐ及び酸素量変化量ＤＯＳＣに適用するようにしてもよい。この場合には、大気圧センサ、吸気圧センサ８、スロットル弁開度センサ４、及びＥＣＵ５が吸入空気量検出手段を構成する。

また本発明は、偶数の気筒を備えるＶ型内燃機関（例えばＶ型６気筒内燃機関、Ｖ型８気筒内燃機関）の空燃比制御にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御にも適用が可能である。

１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（目標空燃比算出手段、目標空燃比相関値手段、空燃比差分値算出手段、目標空燃比算出手段、フィードバック制御手段、酸素量相関値算出手段、忘却係数算出手段、変化量相関値算出手段、平均化手段）
７ 吸入空気流量センサ（吸入空気量検出手段）
１４ 三元触媒（排気浄化触媒）
１５ 比例型酸素濃度センサ（空燃比検出手段）
１６ 二値型酸素濃度センサ（下流側空燃比検出手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側において空燃比を検出する空燃比検出手段とを備える内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記機関の運転状態に応じて基本目標空燃比を算出する基本目標空燃比算出手段と、
   前記基本目標空燃比に応じて目標空燃比を算出する目標空燃比算出手段と、
   前記空燃比検出手段による検出空燃比と前記目標空燃比との差を示す空燃比差分値を算出する空燃比差分値算出手段と、
   前記検出空燃比が前記目標空燃比と一致するように前記空燃比を制御するフィードバック制御手段とを備え、
   前記目標空燃比算出手段は、前記吸入空気量及び空燃比差分値に応じて前記基本目標空燃比を補正することにより、前記目標空燃比を算出するものであって、
   前記吸入空気量及び空燃比差分値に応じて前記排気浄化触媒に蓄積された酸素量を示す酸素量相関値を算出する酸素量相関値算出手段を有し、前記酸素量相関値に基づいて前記目標空燃比を算出し、
   前記排気浄化触媒の下流側に下流側空燃比検出手段が設けられており、
   前記基本目標空燃比算出手段は、前記下流側空燃比検出手段の検出値が目標値と一致するように前記基本目標空燃比を算出し、
   前記酸素量相関値算出手段は、
   前記下流側空燃比検出手段の検出値と前記目標値との差が増加するほど減少する忘却係数を算出する忘却係数算出手段と、
   前記吸入空気量及び空燃比差分値に応じて前記酸素量相関値の変化量を示す変化量相関値を算出する変化量相関値算出手段とを有し、
   前記酸素量相関値の前回値と前記忘却係数との積に前記変化量相関値を加算することにより、前記酸素量相関値を算出することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記空燃比差分値算出手段は、
   前記検出空燃比の１燃焼サイクル期間の整数倍の期間における平均値である平均検出空燃比を算出する平均化手段を有し、
   前記平均検出空燃比と前記目標空燃比との差を前記空燃比差分値として算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記空燃比差分値算出手段は、
   前記目標空燃比と相関のある目標空燃比相関値を算出する目標空燃比相関値手段を有し、
   前記平均検出空燃比と前記目標空燃比相関値との差を前記空燃比差分値として算出し、
   前記目標空燃比相関値算出手段は、前記目標空燃比を用いて前記目標空燃比相関値を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記目標空燃比相関値算出手段は、前記目標空燃比の変更時点から検出空燃比が変化する時点までの応答遅れに応じて、前記目標空燃比を修正することにより前記目標空燃比相関値を算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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