JP2006063840A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【解決手段】 上流側触媒１２の上流にメインA/Fセンサ１６を、下流側触媒１４の前後に第１および第２酸素センサ１８，２０を配置する。第２酸素センサ２０の出力O2_S2をストイキ出力に一致させるための学習値SFBGを学習する（５０，５６，５８）。出力O2_S2に基づく第２サブフィードバック補正量SFB2（４８）を学習値SFBGと共にメインA/Fセンサ１６の出力A/Fsに加算して、メインフィードバックを修正する（５４）。この際、第１酸素センサ１８の出力O2_S1に表れる定常偏差が消滅するように、その出力O2_S1の目標値SFBT1を学習する。学習値SFBGの収束後は、SFB2に代えて、O2_S1とSFBT1との偏差ΔO2_S1に基づく第１サブフィードバック補正量SFB1をメインフィードバックの補正に用いる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、特に、直列に配置された２つの触媒と、それらの触媒の前後および間に配置された３つの排気センサとを備える内燃機関の空燃比制御装置に関する。

従来、例えば特開平６−２９４３４２号公報に開示されるように、直列に配置された２つの触媒を備える内燃機関が知られている。この内燃機関において、上流側触媒の上流には第１酸素センサが配置されている。また、上流側触媒と下流側触媒との間には第２酸素センサが配置されている。更に、下流側触媒の下流には第３酸素センサが配置されている。

上記従来の内燃機関では、第１酸素センサの出力に基づく燃料噴射量のメインフィードバック制御が実行される。このようなメインフィードバック制御によれば、上流側触媒に流れ込む排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御することができる。

また、上記従来の内燃機関では、第２または第３酸素センサの出力に基づいて、上述したフィードバック制御の内容を修正するサブフィードバック制御が行われる。内燃機関の個体差や経時変化に起因して、メインフィードバック制御の目標空燃比が理論空燃比からずれると、上流側触媒の下流、更には、下流側触媒の下流にリッチ或いはリーンに偏った排気ガスが吹き抜ける事態が生ずる。上述したサブフィードバック制御によれば、そのようなずれを修正することができ、長期間にわたって安定的に良好なエミッション特性を実現することができる。

特開平６−２９４３４２号公報 特開２００２−２７６４３２号公報

ところで、上流側触媒と下流側触媒の間に位置する排気センサと（以下、「中段排気センサ」と称す）、下流側触媒の下流に位置する排気センサ（以下、「後段排気センサ」と称す）とを用いてサブフィードバック制御を行う手法としては、例えば、後段排気センサの出力に基づいてメインフィードバック制御の制御中心を修正し、中段排気センサの出力に基づいてメインフィードバック制御の瞬間的なずれを修正する手法が考えられる。

そして、上記の手法は、例えば、後段排気センサの出力中央値（平均的な値）と、後段排気センサのストイキ出力との偏差を学習し、その偏差（学習値）をメインフィードバック制御に反映させること、および、中段排気センサの出力（瞬間値）と中段排気センサのストイキ出力との偏差に対応するサブフィードバック値をメインフィードバック制御に反映させることにより実現することができる。

しかしながら、後段排気センサの出力中央値を後段排気センサのストイキ出力とするためのメインフィードバック制御の内容と、中段排気センサの出力を中段排気センサのストイキ出力とするためのメインフィードバック制御の内容とは、一致しないことがある。

すなわち、上流側触媒および下流側触媒が、最も優れた浄化能力を発揮する空燃比の領域（以下、「触媒ウィンドウ」と称す）は、それらの温度によって変化する。このため、上流側触媒の温度と下流側触媒の温度が異なれば、それぞれの触媒の下流を理論空燃比の雰囲気とするのに適した排気空燃比（内燃機関から排出された段階での空燃比）は、自ずと異なった値となる。

また、中段排気センサや後段排気センサには、それぞれ個体差や経時変化に起因するバラツキが重畳している。そして、このバラツキのため、中段排気センサがストイキ出力を発する空燃比の条件と、後段排気センサがストイキ出力を発する空燃比の条件とは異なったものとなる。

これらの理由により、中段排気センサにストイキ出力を発生させるための排気空燃比の目標値と、後段排気センサにストイキ出力を発生させるための排気空燃比の目標値とは必ずしも一致しない。このため、後段排気センサの出力中央値をストイキ出力とする学習値と、中段排気センサの出力をストイキ出力とするサブフィードバック値とを、同時にメインフィードバック制御に反映させた場合、それらが互いに打ち消し合い、下流側触媒から流出する排気ガスがリッチ或いはリーンに偏る事態が生じ得る。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、後段排気センサの出力に基づいて学習された学習値と、中段排気センサの出力に基づいて算出されるサブフィードバック値とを、互いに打ち消し合うことがないように、メインフィードバック制御に反映させることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
前記上流側触媒の上流に配置される前段排気センサと、
前記上流側触媒と前記下流側触媒の間に配置される中段排気センサと、
前記下流側触媒の下流に配置される後段排気センサと、
前記前段排気センサの出力に基づいて燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
前記中段排気センサの出力および前記後段排気センサの出力に基づいて前記前段排気センサの出力を補正するサブフィードバック手段とを備え、
前記サブフィードバック手段は、
前記後段排気センサの出力に基づいて、その出力中心をストイキ出力とするために前記前段排気センサの出力に施すべき補正値を学習値として学習する学習値学習手段と、
前記中段排気センサの出力を目標出力に近づけるために前記前段排気センサの出力に施すべき補正値を第１サブフィードバック補正量として算出する第１サブフィードバック補正量算出手段と、
前記前段排気センサの出力が、前記学習値により補正されている状況下で、前記中段排気センサの出力中央値をその目標出力として学習する中段目標学習手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記中段目標学習手段は、前記前段排気センサの出力が、収束した学習値により補正されている状況下で、前記中段排気センサの出力中央値を前記目標出力として学習することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記サブフィードバック手段は、前記学習値の収束を判定する学習完了判定手段を備え、
前記学習値学習手段は、前記学習値の収束が判定された時点で当該学習値の学習を終了する学習終了手段を含み、
前記サブフィードバック手段は、更に、前記学習値が収束するまでは、前記第１サブフィードバック補正量による前記前段排気センサの出力補正を禁止し、かつ、前記前段排気センサの出力を前記学習値により補正し、また、前記学習値が収束した後は、前記前段排気センサの出力を前記第１サブフィードバック補正量および前記学習値により補正する補正実行手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、後段排気センサの出力中心をストイキ出力とするための学習値により前段排気センサの出力が補正されている状況下で、中段排気センサの出力中央値を、その出力の目標出力として学習することができる。つまり、本発明によれば、後段排気センサの出力中心がストイキに一致する際に、中段排気センサの出力中央値がとる値を、その目標出力として学習することができる。このため、本発明によれば、中段排気センサの出力を目標出力に一致させるための第１サブフィードバック補正量と、後段排気センサの出力をストイキ出力とするための学習値とが互いに打ち消し合うのを避けることができる。

第２の発明によれば、前段排気センサの出力が学習値の収束値により補正されている状況下で、中段排気センサの目標出力を学習することができる。このため、本発明によれば、後段排気センサの出力中央値がストイキ出力と一致する状況と、中段排気センサの出力値が目標出力と一致する状況とを、長期安定的に整合させることができる。

第３の発明によれば、学習値が収束した時点でその学習を終了することができる。また、学習値が収束するまでは、中段排気センサの出力を基礎とする前段排気センサの出力補正（第１サブフィードバック補正量による補正）を禁止しながら、前段排気センサの出力を学習値により補正することができる。このため、本発明によれば、中段排気センサの出力に影響されることなく、後段排気センサの出力中央値をストイキ出力とするための学習値を正確に学習することができる。更に、学習値が収束した後は、その学習値と、その学習値を打ち消すことがないように算出される第１サブフィードバック補正量とに基づいてメインフィードバック制御を修正することにより、極めて良好なエミッション特性を実現する空燃比フィードバック制御を実現することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の空燃比制御装置の構成を説明するための図である。図１に示す通り、本実施形態の装置は、内燃機関の排気通路１０に配置された上流側触媒（S/C）１２および下流側触媒（U/F）１４を備えている。上流側触媒１２および下流側触媒１４は、何れも、CO、HCおよびNoxを同時に浄化することのできる三元触媒である。

上流側触媒１２の上流には、メイン空燃比センサ１６が配置されている。メイン空燃比センサ１６は、上流側触媒１２に流入する排気ガスの空燃比A/Fに対してほぼリニアな出力を発するセンサである。上流側触媒１２と下流側触媒１４の間、および下流側触媒１４の下流には、それぞれ第１酸素センサ１８および第２酸素センサ２０が配置されている。第１酸素センサ１８および第２酸素センサ２０は、それぞれ、その周辺を流れる排気ガスが理論空燃比に対してリッチであるか、或いはリーンであるかに応じて出力を急変させるセンサである。

メイン空燃比センサ１６の出力、第１酸素センサ１８の出力、および第２酸素センサ２０の出力は、それぞれECU(Electronic Control Unit)３０に供給されている。ECU３０には、更に、エアフロメータ３２、回転数センサ３４、および燃料噴射弁３６などが接続されている。エアフロメータ３２は、内燃機関の吸入空気量Gaを検出するセンサである。回転数センサ３４は機関回転数Neに応じた出力を発するセンサである。また、燃料噴射弁３６は、内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射するための電磁弁である。

［実施の形態１における空燃比制御の前提］
図２は、本実施形態において実行される空燃比制御の前提を説明するための制御ブロック図である。ここでは、本実施形態において実行される空燃比制御の詳細を説明するに先立って、先ず、図２を参照して、本実施形態の装置が解決しようとする課題について説明する。

図２に示す制御ブロックは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU３０に適当な処理を実行させることにより実現することができる。図２において、Cat１２およびCat１４は、それぞれ図１に示す上流側触媒１２および下流側触媒１４に対応している。また、図２におけるA/Fs１６、02s１８およびO2s２０は、それぞれ図１に示すメインA/Fセンサ１６、第１酸素センサ１８および第２酸素センサ２０に対応している。また、図２におけるEng４０は、図１に示すシステムが組み込まれる内燃機関の本体を意味するものとする。

図２に示す制御ブロックにおいて、メインA/Fセンサ１６は、内燃機関４０から流出し、上流側触媒１４へ流入する排気ガスの空燃比に対応する出力A/Fs[v]を発生する。この出力A/Fsは、具体的には、上流側触媒１４に流入する排気ガスの空燃比が大きいほど、つまり、その空燃比がリーンであるほど大きな値となる。

図２に示す制御ブロックにおいて、第１酸素センサ１８は、上流側触媒１２から下流側触媒１４に向かって流通する排気ガス中の酸素濃度に応じた出力O2_S1[v]を発生する。第１酸素センサ１８の出力O2_S1[v]は、差分器４２に供給される。差分器４２では、その出力O2_S1とサブフィードバックの目標値SFBT1との差ΔO2_S1＝SFBT1−O2_S1が算出される。上記の差ΔO2_S1は第１サブフィードバックコントローラ４４に供給される。そして、第１サブフィードバックコントローラ４４は、上記の差ΔO2_S1に対する比例項Gp_sfb1と微分項Gd_sfb1・sとを算出し、それらの和「Gp_sfb1＋Gd_sfb1・s」を第１サブフィードバック補正量SFB1として算出する。

第２酸素センサ２０は、下流側触媒１４から流出してくる排気ガス中の酸素濃度に応じた出力O2_S2[v]を発生する。第２酸素センサ２０の出力O2_S2[v]は、差分器４６に供給される。差分器４６では、その出力O2_S2とサブフィードバックの目標値SFBT2との差ΔO2_S2＝SFBT2−O2_S2が算出される。差分器４６により算出された上記の差ΔO2_S2は、第２サブフィードバックコントローラ４８および第３サブフィードバックコントローラ４９に供給される。

第２サブフィードバックコントローラ５０は、差分器４６の出力ΔO2_S2を基礎としてその比例項Gp_sfb2と微分項Gd_sfb2・sとを算出し、更に、それらの和を第２サブフィードバック補正量SFB2として算出するブロックである。一方、第３サブフィードバックコントローラ５０は、差分器４６の出力ΔO2_S2を基礎とする積分項「Gi_sfb2・1/s」を算出するブロックである。

第１サブフィードバック補正量SFB1、および第２サブフィードバック補正量SFB2は、何れも、切り替え器５２に供給されている。切り替え器５２は、それらのサブフィードバック補正量SFB2およびSFB3の一方を、選択的に加算器５４に供給するためのブロックである。

また、第３サブフィードバックコントローラ５０により算出される積分項Gi_sfb2・1/sは、ローパスフィルタ５６に供給される。ローパスフィルタ５６は、上記の積分項Gi_sfb2・1/sに生ずる変化分を取り出すためのブロックである。ローパスフィルタ５６の出力は、積算器５８に供給される。積算器５８は、ローパスフィルタ５６を通過した変化分（増減）を積算し、その結果を学習値SFBGとして記憶するためのブロックである。

図２に示す制御ブロックにおいて、第３サブフィードバックコントローラ５０は、ローパスフィルタ５６により取り出された成分が積算器５８において学習値SFBGに取り込まれる際には、そこで取り込まれるのと同じ値を積分項Gi_sfb2・1/sから相殺する（減ずる）。以上の処理によれば、積分項Gi_sfb2・1/sに表れる定常的な値を学習値SFBGに取り込むことができる。

図２に示す制御ブロックにおいて、加算器５４は、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsと、切り替え器５２から供給される第１または第２サブフィードバック補正量SFB1,SFB2と、積算器５８から供給される学習値SFBGとを加算して補正電圧値Vfbを算出する。切り替え器５２は、具体的には、学習値SFBGが収束するまで、つまり、学習値SFBGの学習が終了するまでは、第２サブフィードバック補正量SFB2を加算器５４に供給し、その学習が終了した後は、第１サブフィードバック補正量SFB1を加算器５０に供給するものとする。

従って、加算器５４によれば、学習値SFBGの収束前は、次式で表される補正電圧値Vfbが算出される。
Vfb＝A/Fs＋SFB2＋SFBG ・・・（１）
また、学習値SFBGの収束後は、次式で表される補正電圧値Vfbが算出される。
Vfb＝A/Fs＋SFB1＋SFBG ・・・（２）
尚、以下の記載においては、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsを、上記（１）式または（２）式に従って補正電圧値Vfbに変換することを「サブフィードバック制御」と称することとする。

図２に示す制御ブロックによれば、補正電圧値Vfbは、電圧−空燃比変換器６０に供給される。電圧−空燃比変換器６０は、電圧−空燃比変換マップを記憶しており、そのマップに従って、補正電圧値Vfbに対応する補正空燃比eabyfを決定する。電圧−空燃比変換器６０の処理によれば、具体的には、補正電圧値Vfbが大きな値であるほど、補正空燃比eabyfは大きな値、つまり、リーンな値に決定される。

ECU３０は、上記の如く決定された補正空燃比eabyfを基礎としてメインフィードバック制御を実行する。メインフィードバック制御では、上述した補正空燃比eabyfと目標空燃比（理論空燃比）との偏差が消滅するように、ベースの燃料噴射量に増減補正が施される。その結果、最終的な燃料噴射量は、補正空燃比eabyfが理論空燃比に変化するように決定されることになる。尚、メインフィードバック制御の内容は、本発明の主要部ではなく、また、既に公知の事項であるため、ここでは、これ以上の説明は省略することとする。

上述した通り、図２に示す制御ブロックによれば、内燃機関４０の始動後、学習値SFBGの収束前は、補正電圧値Vfbを算出するにあたって、A/Fsに、学習値SFBGと共に、第２サブフィードバック補正量SFB2、つまり、第２酸素センサ２０の出力偏差ΔO2_S2を基礎とする比例項Gp_sfb2と微分項Gd_sfb2・sとが加えられる。

比例項Gp_sfb2は、出力O2_S2と目標値SFBT2との偏差（瞬間値）に比例する値である。また、微分項Gd_sfb2・sは、その偏差の増減速度に比例する値である。そして、これらをA/Fsに加算して補正電圧値Vfbを算出することとすれば、時々刻々得られる出力O2_S2の瞬間値を目標値SFBT2に近づけるように、メインフィードバックの内容を迅速に修正することができる。このため、第２サブフィードバック補正量SFB2＝Gp_sfb2＋Gd_sfb2・sを用いたサブフィードバック制御によれば、下流側触媒１４の後段における空燃比の瞬間値を目標空燃比（理論空燃比）に一致させるうえで好適な空燃比制御を実現することができる。

また、学習値SFBGは、第２酸素センサ２０の出力偏差ΔO2_S2の積分項項Gi_sfb2・1/sに、定常的に表れる値を抽出したものである。積分項Gi_sfb2・1/sは、第２酸素センサ２０の出力O2_S2が長期的にみてストイキ出力であれば、つまり、その出力O2_S2の中央値がストイキ出力であればゼロとなる量である。そして、出力O2_S2の中央値がリッチ側或いはリーン側の何れかに偏っていると、その偏りの大きさが定常的な値として積分項Gi_sfb2・1/sに表れる。

従って、図２に示す制御ブロックによれば、学習値SFBGには、下流側触媒１４の後段における空燃比の長期的偏りの大きさが学習されることになる。そして、学習値SFBGをA/Fsに加算して補正電圧値Vfbを算出することとすれば、その長期的な偏りが解消されるように、つまり、下流側触媒１４の後段における空燃比の中心値が理論空燃比に一致するように、メインフィードバック制御の内容を修正することが可能である。

以上の理由により、図２に示す制御ブロックによれば、学習値SFBGが収束するまでの間は、下流側触媒１４の後段における空燃比を、瞬間的にも長期的にも理論空燃比の近傍に維持するための空燃比制御を実現することができる。換言すると、図２に示す制御ブロックによれば、下流側触媒１４の後段における空燃比を精度良く理論空燃比の近傍に制御しつつ、その中央値が理論空燃比に一致するように学習値SFBGの学習を進行させることができる。

サブフィードバックの手法としては、学習値SFBGが十分に収束するまでの間に、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例・微分制御を行うことも考えられる。つまり、第２酸素センサ２０の出力O2_S2を基礎とする比例項Gp_sfb2と微分項Gd_sfb2・sとの和（SFB2）をA/Fsに加算する代わりに、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例項Gp_sfb1と微分項Gd_sfb1・sとの和（SFB1）をA/Fsに加算することも考えられる。

第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例項Gp_sfb1と微分項Gd_sfb1・sとを用いたサブフィードバックによれば、下流側触媒１４の「前段」における空燃比の瞬間値を理論空燃比の近傍に制御することができる。この場合、下流側触媒１４の浄化作用により、下流側触媒１４から流出する排気ガスは、必然的に十分に浄化されたものとなる。

一方、第２酸素センサ２０の出力O2_S2を基礎とする比例項Gp_sfb2と微分項Gd_sfb2・sとを用いたサブフィードバック制御は、あくまで、下流側触媒１４の「後段」に流出してきた排気ガスの空燃比を理論空燃比に一致させようとするものである。従って、このようなサブフィードバック制御によれば、下流側触媒１４の後段に、ある程度未浄化の排気ガスが流出してくる可能性がある。

このように、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例・微分制御の特性と、第２酸素センサ２０の出力O2_S2を基礎とする比例・微分制御の特性とを比較した場合、内燃機関のエミッション特性を良好に維持するうえでは、前者の制御が後者の制御に対して優れている。このため、エミッション特性を改善するうえでは、学習値SFBGが収束する以前から、サブフィードバック制御には、第２酸素センサ２０の出力O2_S2を基礎とする比例・微分制御ではなく、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例・微分制御を組み込むべきとも考えられる。

ところが、収束過程にある学習値SFBGをA/Fsの補正に用いつつ、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例項Gp_sfb1および微分項Gd_sfb1・sをA/Fsに加算することとすると、異なる２種類の入力（OS_O2とOS_O1）を基礎とする２種類の補正がメインフィードバック制御に施されることになる。そして、入力を異にする２種類の補正は、互いに背反する要求を発し、相殺されてしまうことがある。学習値SFBGの学習中にこのような事態が生ずると、学習値SFBGの学習が進行しない。このため、学習値SFBGの学習中に第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例・微分制御を実行することとすると、学習値SFBGの収束に要する時間が長期化し易い。

これに対して、学習値SFBGが十分に収束し、その学習が終了した後は、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする比例・微分制御の実行を妨げる理由が存在しない。このため、図２に示す制御ブロックでは、既述した通り、学習値SFBGの収束前は、学習値SFBGと共に第２サブフィードバック補正量SFB2がA/Fsに加算されるように、また、学習値SFBGの収束後は、学習値SFBGと共に、第１サブフィードバック補正量SFB1がA/Fｗに加算されるように、切り替え器５２の状態が切り換えられる。

その結果、図２に示す制御ブロックによれば、学習値SFBGが未収束の間は、下流側触媒１４の「後段」における空燃比を理論空燃比の近傍に維持しつつ、短時間で学習値SFBGの学習を終了させ得る空燃比制御を実現することができる。また、学習値SFBGの学習終了後は、下流側触媒１４の「後段」における空燃比の中央値を理論空燃比に制御しつつ、下流側触媒１４の「前段」における空燃比を理論空燃比に制御することにより、極めて良好なエミッション特性を達成する空燃比制御を実現することができる。

［図２に示す制御ブロックの課題］
以上説明した通り、図２に示す制御ブロックは、内燃機関に対して良好なエミッション特性を与えるうえで優れた特性を有するものである。しかしながら、この制御ブロックには、以下に説明する課題が内在している。

すなわち、上流側触媒１２および下流側触媒１４には、それぞれ、排気ガスを効率的に浄化することのできる空燃比の領域、つまり、触媒ウィンドウが存在する。それらの触媒ウィンドウは、温度特性を有しており、上流側触媒１２の温度と下流側触媒１４の温度が異なれば、それぞれ異なったものとなる。また、それらの触媒ウィンドウは、触媒の固体間バラツキによっても異なったものとなる。このため、上流側触媒１４の下流を理論空燃比とするための排気空燃比（上流側触媒１２上流の空燃比、以下同様）の目標値と、下流側触媒１４の下流を理論空燃比とするための排気空燃比の目標値とは、異なった値となることがある。

更に、第１酸素センサ１８の出力特性、および第２酸素センサ２０の出力特性には、それぞれ、固体間のバラツキや経時変化に起因するバラツキが重畳している。このため、第１酸素センサ１８が理論空燃比と認識する空燃比と、第２酸素センサ２０が理論空燃比と認識する空燃比とは必ずしも一致しない。そして、この不一致のために、第１酸素センサ１２にストイキ出力を発生させるための排気空燃比の目標値と、第２酸素センサ１４にストイキ出力を発生させるための排気空燃比の目標値とは、異なった値となることがある。

図２に示す制御ブロックでは、既述した通り、第２酸素センサ２０の出力中央値がストイキ出力になるように学習値SFBGを学習する。このため、学習値SFBGが収束した後は、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsを学習値SFBGで補正することにより、下流側触媒１４の後段における空燃比の中央値を、第２酸素センサ２０が理論空燃比と認識する値に一致させることができる。つまり、第２酸素センサ２０の出力中央値をストイキ出力に一致させることができる。

ところが、第２酸素センサ２０の出力中央値がストイキ出力に一致している場合において、上流側触媒１２の下流における空燃比は、触媒ウィンドウやセンサ特性のバラツキのために、必ずしも第１酸素センサ１８が理論空燃比と認識する値に一致しない。このため、図２に示す制御ブロックによると、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsが学習値SFBGによって補正された場合に、第２酸素センサ２０の出力中央値はストイキ出力に一致するが、第１酸素センサ１８の出力O2_S1が、リッチ或いはリーンに偏った値となる事態が生じ得る。

図２に示す制御ブロックでは、上述した通り、学習値SFBGの収束後は、第１酸素センサ１８の出力偏差ΔO2_S1に基づく第１サブフィードバック補正量SFB1が、学習値SFBGと共にA/Fsに加算される。第１酸素センサ１８の出力O2_S1がリッチ或いはリーンに偏っていれば、第１サブフィードバック補正量SFB1は、その偏りを消滅させるように算出される。そして、そのSFB1がA/Fsに加算されることにより、下流側触媒１４の前段における空燃比は、第１酸素センサ１８により理論空燃比と認識される値に向かって変化する。

下流側触媒１４の前段における空燃比に上記の変化が生ずると、その影響で、下流側触媒１４の後段における空燃比が、リッチ側或いはリーン側に振られる事態が生じ得る。そして、このような事態が生ずると、下流側触媒１４の後段における空燃比の中央値が、理論空燃比に一致するという理想的な状態が損なわれることになる。

以上説明した通り、図２に示す制御ブロックにおいては、学習値SFBGが収束した後に、学習値SFBGによる作用が、第１サブフィードバック補正量SFB1により打ち消されるという事態が生ずる。つまり、図２に示す制御ブロックには、学習値SFBGの学習後に、下流側触媒１４の後段におけるエミッション状態を最良の状態に維持することができないという課題が内在している。

［実施の形態１における空燃比制御］
図３および図４は、本実施形態において実行される制御の内容を説明するための制御ブロック図である。本実施形態において実行される制御は、図２に示す制御ブロックにより実現される制御を基礎としつつ、上述した課題の解決を目的としたものである。尚、以下の説明において、図３および図４に示す構成要素のうち、図２に示す要素と共通するものについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図３は、本実施形態の装置において、内燃機関４０の始動後、学習値SFBGの収束前に実行される制御の内容を説明するための制御ブロック図である。図３に示す制御ブロック図では、差分器４２の出力が、つまり、第１酸素センサ１８の出力偏差ΔO2_S1が、ローパスフィルタ７０に供給されている。ローパスフィルタ７０は、出力偏差ΔO2_S1の定常値を算出するためのブロックである。つまり、ローパスフィルタ７０によれば、第１酸素センサ１８の出力O2S1とサブフィードバック目標値SFBT1との間に生じている定常的なずれの大きさを算出することができる。

ローパスフィルタ７０により算出された値は、サブフィードバック目標値SFBT1にフィードバックされる。つまり、図３に示す制御ブロックによれば、第１酸素センサ１８の出力目標であるサブフィードバック目標値SFBT1は、出力偏差ΔO2_S1の定常値がゼロとなるように、より具体的には、第１酸素センサ１８の出力O2_S1の中央値と一致するように学習される。

図３に示す制御ブロックは、既述した通り、学習値SFBGの学習課程において実現されるブロックである。つまり、このブロックは、下流側触媒１４の後段における空燃比が理論空燃比に制御されている状況下で実現されるものである。従って、上述したローパスフィルタ７０の機能によれば、下流側触媒１４の後段が理論空燃比となっている状況下で第１酸素センサ１８が発している出力O2_S1の中央値をサブフィードバック目標値SFBT1として学習することができる。

図４は、本実施形態の装置が、学習値SFBGの収束後に実行する制御の内容を説明するための制御ブロック図である。図４に示す制御ブロックにより実現される制御は、実質的に、図２に示す制御ブロックにより、学習値SFBGの収束後に実現される制御と同様である。つまり、ここでは、第１酸素センサ１８の出力偏差ΔO2_S1を基礎とする比例項Gp_sfb1と微分項Gd_sfb1・sの和（SFB1）が、学習値SFBGと共にA/Fsに加えられる。そして、ここでは、学習値SFBGは最早更新されることはなく、また、第２酸素センサ２０の出力偏差ΔO2_S2を基礎とする比例項Gp_sfb2および微分項Gd_sfb2・s（SFB2）は、メインフィードバック制御には何ら反映されない。

但し、図４に示す制御ブロックにおいて、第１酸素センサ１８の出力偏差ΔO2_S1の基礎となるサブフィードバック目標値SFBT1は、学習値SFBGの収束過程において、第１酸素センサ１８の出力O2_S1の中央値がとる値として学習された値である。このため、図４に示す制御ブロックによれば、第１サブフィードバック補正量SFB1は、上流側触媒１２の後段における空燃比を目標空燃比とするための補正量として作用すると同時に、下流側触媒１４の後段における空燃比の中央値を理論空燃比とするための補正量としても作用する。

つまり、図４に示す制御ブロックにおいては、学習値SFBGの要求が、第１酸素センサ１８の出力O2_S1を基礎とする第１サブフィードバック補正量SFB1により不当に打ち消されることがなく、学習値SFBGの収束後も、下流側触媒１４の後段における空燃比は、精度良く理論空燃比に制御される。このため、本実施形態の装置によれば、学習値SFBGの学習前後を通じて、極めて優れたエミッション特性を内燃機関４０に付与することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上述した機能を実現するために、ECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓが検出される（ステップ１００）。

次に、学習済みフラグがOFFであるか否かが判別される（ステップ１０２）。学習済みフラグは、学習値SFBGの学習が終わることによりONとされるフラグである。従って、学習済みフラグがOFFであると判別された場合は、学習値SFBGの学習が未だ終了していないと判断することができる。この場合は、先ず、第１酸素センサ１８の出力O2_S1が検出される（ステップ１０２）。

次に、第１酸素センサ１８の出力O2_S1に重畳している定常的なずれを抽出するために、その出力O2_S1とサブフィードバック目標値SFBT1との偏差ΔO2_S1のローパス値が算出される（ステップ１０６）。

次いで、そのローパス値に基づいて、第１酸素センサ１８の出力O2_S1の中央値がサブフィードバック目標値SFBT1に近づくように、サブフィードバック目標値SFBT1が修正される（ステップ１０８）。以上の処理が繰り返し実行されることにより、サブフィードバック目標値SFBT1は、第１酸素センサ１８の出力O2_S1の中央値と一致する値に学習される。

図５に示すルーチンでは、次に、第２酸素センサ２０の出力O2_S2が検出される（ステップ１１０）。更に、その出力O2_S2に基づいて、第２サブフィードバック補正量SFB2が算出される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、先ず、第２酸素センサ２０の出力O2_S2とサブフィードバック目標値SFBT2との偏差ΔO2_S2＝SFBT2−O2_S2が算出される。そして、その偏差ΔO2_S2の比例項Gp_sfb2と積分項Gd_sfb2・sとの和が第２サブフィードバック補正量SFB2として算出される。

次に、第２酸素センサ２０の出力O2_S2に基づいて、その積分項Gi_sfb2・1/sが算出され、更に、その積分項Gi_sfb2・1/sのローパス値が算出される（ステップ１１４）。そして、算出されたローパス値（つまり、積分項Gi_sf2b・1/sの変化分）を積算することにより学習値SFBGが更新される（ステップ１１６）。

次いで、学習値SFBGが収束値に達しているか否かが判別される（ステップ１１８）。ここでは、具体的には、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて学習値SFBGに生じた変化量が判定値に満たない場合にその収束が判定される。

学習値SFBGの収束が認められなかった場合は、ステップ１２０の処理がジャンプされ、次にステップ１２２の処理が実行される。一方、学習値SFBGの収束が認められた場合は、学習済みフラグがONとされる（ステップ１２０）。

図５に示すルーチンでは、次に、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓに、第２サブフィードバック補正量SFB2と、学習値SFBGとを加算することにより、補正電圧値Vfbが算出される（ステップ１２２）。次いで、その補正電圧値Vfbに対応する補正空燃比eabyfが算出される（ステップ１２４）。ECU３０は、補正電圧値Vfbと補正空燃比eabyfとの関係を定めたマップを記憶しており、ここでは、そのマップに従って補正空燃比eabyfが算出される。

以後、補正空燃比eabyfを目標空燃比（理論空燃比）とするためのメインフィードバック量が算出され（ステップ１２６）、ベース噴射量が算出され（ステップ１２８）、そのベース噴射量をメインフィードバック量で補正することにより、最終的な燃料噴射量が算出される（ステップ１３０）。以上の処理によれば、本実施形態の装置において、図３に示す制御ブロックの機能を実現することができる。

学習値SFBGの収束が認められた後に、つまり、学習済みフラグがONとされた後に図５に示すルーチンが起動されると、今度は、ステップ１０２において、学習済みフラグがOFFでないと判断される。この場合、先ず、第１酸素センサ１８の出力O2_S1が検出され（ステップ１３２）、次に、その出力O2_S1に基づいて、第１サブフィードバック補正量SFB1が算出される（ステップ１３４）。

更に、この場合は、学習値SFBGを更新することなく、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓに、収束済みの学習値SFBGと共に第１サブフィードバック補正量SFB1を加えることにより、補正電圧値Vfbが算出される（ステップ１３６）。以後、このようにして算出された補正電圧値Vfbに基づいて、メインフィードバック制御が実行される（ステップ１２４〜１３０）。以上の処理によれば、本実施形態の装置において、図４に示す制御ブロックの機能を実現することができる。

以上説明した通り、本発明の実施の形態１の装置によれば、学習値SFBGの収束前は図３に示す制御ブロックの機能を実現し、また、学習値SFBGの収束後は、図４に示す制御ブロックの機能を実現することができる。このため、本実施形態の装置によれば、内燃機関４０の始動後、下流側触媒１４の後段における空燃比を精度良く理論空燃比に制御しつつ、短時間で学習値SFBGの学習を終了させることができる。また、この装置によれば、学習値SFBGの収束後に、下流側触媒１４の後段における空燃比の中央値を理論空燃比に一致させながら、下流側触媒１４の前段における空燃比を迅速に目標空燃比に制御して、極めて優れたエミッション特性を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、上流触媒１２の上流に配置されるセンサがA/Fセンサとされ、また、その他のセンサが酸素センサとされているが、本発明において用い得るセンサは、これらの組み合わせに限定されるものではない。すなわち、それらのセンサは、何れも、A/Fセンサ、酸素センサ、NOxセンサ、HCセンサなど、フィードバック制御の基礎として排気ガスの特性を検出するセンサであれば、如何なるセンサであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、メインA/Fセンサ１６が前記第１の発明における「前段排気センサ」に、第１酸素センサ１８が前記第１の発明における「中段排気センサ」に、また、第２酸素センサ２０が前記第１の発明における「後段排気センサ」に、それぞれ相当している。また、ここでは、ECU３０が、ステップ１２４〜１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「メインフィードバック手段」が、ステップ１００〜１２２および１３２〜１３６の処理を実行することにより前記第１の発明における「サブフィードバック手段」が、ステップ１１０，１１４および１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「学習値学習手段」が、ステップ１３２および１３４の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１サブフィードバック補正量算出手段」が、ステップ１０６および１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「中段目標学習手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、学習値SFBGの収束した時点においてステップ１０６および１０８の処理を実行することにより、前記第２の発明における「中段目標学習手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、ステップ１１８の処理を実行することにより前記第３の発明における「学習完了判定手段」が、ステップ１０２の処理を実行することにより前記第３の発明における「学習終了手段」が、上記ステップ１０２の処理に続いてステップ１０４〜１２２の処理、或いはステップ１３２〜１３６の処理を選択的に実行することにより前記第３の発明における「補正実行手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行される制御の前提となる制御を説明するための制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１において学習値SFBGの収束前に実行される制御の内容を説明するための制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１において学習値SFBGの収束後に実行される制御の内容を説明するための制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 排気通路
１２ 上流側触媒
１４ 下流側触媒
１６ メインA/Fセンサ
１８ 第１酸素センサ
２０ 第２酸素センサ
３０ ECU(Electronic Control Unit)
４０ 内燃機関
４２、４６ 差分器
SFBT1，SFBT2 サブフィードバック目標値
SFB1 第１サブフィードバック補正量
SFB2 第２サブフィードバック補正量
SFBG 学習値
A/Fs メインA/Fセンサの出力
O2_S1 第１酸素センサの出力
O2_S2 第２酸素センサの出力
Gp_sfb1 出力O2_S1を基礎とする比例項
Gd_sfb1・s 出力O2_S1を基礎とする微分項
Gi_sfb2・1/s 出力O2_S1を基礎とする積分項
Gp_sfb2 出力O2_S2を基礎とする比例項
Gd_sfb2・s 出力O2_S2を基礎とする微分項
Gi_sfb2・1/s 出力O2_S2を基礎とする積分項
Vfb 補正電圧値

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置された上流側触媒と、
   前記上流側触媒の下流に配置される下流側触媒と、
   前記上流側触媒の上流に配置される前段排気センサと、
   前記上流側触媒と前記下流側触媒の間に配置される中段排気センサと、
   前記下流側触媒の下流に配置される後段排気センサと、
   前記前段排気センサの出力に基づいて燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
   前記中段排気センサの出力および前記後段排気センサの出力に基づいて前記前段排気センサの出力を補正するサブフィードバック手段とを備え、
   前記サブフィードバック手段は、
   前記後段排気センサの出力に基づいて、その出力中心をストイキ出力とするために前記前段排気センサの出力に施すべき補正値を学習値として学習する学習値学習手段と、
   前記中段排気センサの出力を目標出力に近づけるために前記前段排気センサの出力に施すべき補正値を第１サブフィードバック補正量として算出する第１サブフィードバック補正量算出手段と、
   前記前段排気センサの出力が、前記学習値により補正されている状況下で、前記中段排気センサの出力中央値をその目標出力として学習する中段目標学習手段と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記中段目標学習手段は、前記前段排気センサの出力が、収束した学習値により補正されている状況下で、前記中段排気センサの出力中央値を前記目標出力として学習することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記サブフィードバック手段は、前記学習値の収束を判定する学習完了判定手段を備え、
   前記学習値学習手段は、前記学習値の収束が判定された時点で当該学習値の学習を終了する学習終了手段を含み、
   前記サブフィードバック手段は、更に、前記学習値が収束するまでは、前記第１サブフィードバック補正量による前記前段排気センサの出力補正を禁止し、かつ、前記前段排気センサの出力を前記学習値により補正し、また、前記学習値が収束した後は、前記前段排気センサの出力を前記第１サブフィードバック補正量および前記学習値により補正する補正実行手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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