JP2006105054A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デュアルインジェクションシステムを備えた内燃機関に適用される空燃比制御装置であって、触媒の上流、及び下流の排気通路にそれぞれ配設された空燃比センサに基づくそれぞれの空燃比フィードバック制御間の相互干渉を回避し得るとともに、急激な機関のトルク変動の発生を抑制し得るものを提供すること。
【解決手段】 この装置は、上流側空燃比センサ出力値に基づく値Dabyfをハイパスフィルタ（Ａ１５）処理した値に基づく上流側フィードバック補正係数KFimainによりポート噴射量Fipのみを補正する。また、下流側空燃比センサ出力値に基づく値DVoxsをローパスフィルタ（Ａ１０）処理した値に基づく下流側フィードバック補正係数KFisubによりポート噴射量Fipと筒内噴射量Ficとを共に補正する。更に、筒内噴射割合Ｒに応じてローパスフィルタ（Ａ１０）のカットオフ周波数ωlpfを変更する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に三元触媒（以下、単に「触媒」と云うこともある。）の上流側及び下流側の排気通路にそれぞれ配設された上流側空燃比センサ、及び下流側空燃比センサの各出力値に基づいて機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。なお、以下、内燃機関を、単に「機関」と云うこともある。

従来より、この種の空燃比制御装置が広く知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この空燃比制御装置（排気浄化装置）は、吸気弁よりも上流の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁（以下、「ポート噴射弁」と称呼する。）を備えた内燃機関に適用されていて、以下のように機関に供給される混合気の空燃比を制御する。

即ち、この装置は、下流側空燃比センサの出力値と同センサの出力の目標値である下流側目標値との差に基づいて（具体的には、サブフィードバックコントローラで同差を比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）して）サブフィードバック補正量を算出する。また、この装置は、上流側空燃比センサの出力値を上記算出したサブフィードバック補正量で補正した値と同上流側空燃比センサの出力の目標値である上流側目標値との差に基づいて（具体的には、メインフィードバックコントローラで同差を比例・積分処理（ＰＩ処理）して）メインフィードバック補正量を算出する。

そして、この装置は、ポート噴射弁から噴射される燃料量（以下、「ポート噴射量」と称呼する。）を上記算出したメインフィードバック補正量により補正することで機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御するようになっている。
特開２００４−１８３５８５号公報

上記開示された装置は、サブフィードバック補正量の値に応じてメインフィード補正量を算出するための値（即ち、ＰＩ処理される値）が直接変更されるように構成されている。換言すれば、メインフィードバック補正量を算出するメインフィードバックコントローラとサブフィードバック補正量を算出するサブフィードバックコントローラとが直列に配置されている。

従って、メインフィードバックコントローラに使用されるメインフィードバック制御定数（比例ゲイン、及び積分ゲイン）とサブフィードバックコントローラに使用されるサブフィードバック制御定数（比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲイン）のいずれか一方側の適合を行う際には他方側の値が強く影響する。

換言すれば、フィードバック制御ループ（閉ループ）毎にそれぞれのフィードバック制御定数の適合を互いに独立して実行することができない。従って、各フィードバック制御定数の適合が困難であって同適合を行う際の労力が多大であるという問題があった。

係る問題に対処するためには、メインフィードバックコントローラとサブフィードバックコントローラとを燃料噴射量の補正に関して並列に配置することが好ましいと考えられる。この場合、具体的には、サブフィードバックコントローラにより下流側空燃比センサ出力値と上記下流側目標値との差に基づいてサブフィードバック補正量が算出されるとともに、メインフィードバックコントローラにより上流側空燃比センサ出力値と上記上流側目標値との差に基づいてメインフィードバック補正量が算出される。そして、上記算出されたメインフィードバック補正量と上記サブフィードバック補正量とによりそれぞれ独立にポート噴射量が直接補正されることで機関に供給される混合気の空燃比がフィードバック制御される。

これにより、フィードバック制御ループ毎にそれぞれのフィードバック制御定数の適合を互いに独立して実行することができるようになり、各フィードバック制御定数の適合を行う際の労力が低減され得る。

ところで、触媒は、通常、流入する排ガスの空燃比がリーン空燃比のとき同排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して同窒素酸化物から奪った酸素を内部に貯蔵するとともに同流入する排ガスの空燃比がリッチ空燃比のとき同貯蔵している酸素により同排ガス中のＨＣ，ＣＯ等の未燃成分を酸化する機能（以下、「酸素吸蔵機能」と称呼する。）を有している。係る酸素吸蔵機能により、触媒上流の排ガスの空燃比変動における比較的周波数の高い高周波数成分、及び同空燃比変動における比較的周波数が低くて振幅（理論空燃比からの偏移量）が比較的小さい低周波数成分は完全に吸収されることで触媒下流の排ガスの空燃比変動として現れ難い傾向がある。

一方、触媒上流の排ガスの空燃比変動における比較的周波数が低くて振幅が比較的大きい低周波数成分（以下、「触媒通過低周波数成分」と称呼する。）は上記触媒の酸素吸蔵機能では完全には吸収されずに触媒を通過し、この結果、少し遅れて触媒下流の排ガスの空燃比変動として現れ易い傾向がある。換言すれば、酸素吸蔵機能を有する触媒が触媒通過低周波数成分に対してフィードバック制御上の「むだ時間要素」として機能する。

このように、触媒が触媒通過低周波数成分に対して「むだ時間要素」として機能することにより、上流側空燃比センサの出力値と下流側空燃比センサの出力値とが理論空燃比に対して互いに逆方向に偏移した空燃比を示す値となる場合が存在する。この場合、上記メインフィードバック補正量に基づく機関の空燃比制御（メインフィードバック制御）とサブフィードバック補正量に基づく機関の空燃比制御（サブフィードバック制御）とが互いに干渉することになるので良好な機関の空燃比制御を行うことができない。

係るメインフィードバック制御とサブフィードバック制御との干渉は、排ガスの空燃比変動に関するメインフィードバック制御の制御周波数帯域とサブフィードバック制御の制御周波数帯域とを互いに重複しないように設定することで回避され得る。このためには、上記触媒通過低周波数成分に係る周波数帯域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有効であると考えられる。

更には、この場合、下流側空燃比センサの出力値に不可避的に現れるノイズ等に起因する高周波数成分を除去することがメインフィードバック制御とサブフィードバック制御との間の制御周波数帯域の重複を確実に回避する上で好ましいと考えられる。

以上のことから、本出願人は、特願２００４−１３２２５において、以下のような空燃比制御装置（排気浄化装置）を既に提案している。この装置は、図１６にそれらの周波数−ゲイン特性を示した共通のカットオフ周波数ω1を有するハイパスフィルタとローパスフィルタとを使用する。このカットオフ周波数ω1は、例えば、上記触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値（上限値）近傍に設定されている。

この提案された装置は、下流側空燃比センサ出力値と上記下流側目標値との差の値をローパスフィルタ処理した後の値に基づいてサブフィードバックコントローラによりサブフィードバック補正量を算出する。これにより、下流側空燃比センサ出力値の変動におけるカットオフ周波数ω1以上の高周波数成分が減衰されるから、サブフィードバック制御の制御周波数帯域は同カットオフ周波数ω1以下の帯域となり得る。

また、この提案された装置は、上流側空燃比センサ出力値と上記上流側目標値との差の値をハイパスフィルタ処理した後の値に基づいてメインフィードバックコントローラによりメインフィードバック補正量を算出する。これにより、上流側空燃比センサ出力値の変動におけるカットオフ周波数ω1以下の低周波数成分が減衰されるから、メインフィードバック制御の制御周波数帯域は同カットオフ周波数ω1以上の帯域となり得る。

そして、この提案された装置は、上記算出されたメインフィードバック補正量と上記サブフィードバック補正量とによりそれぞれ独立にポート噴射量を直接補正することで機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する。

これにより、上述したように、各フィードバック制御定数の適合を行う際の労力が低減され得る。また、メインフィードバック制御の制御周波数帯域とサブフィードバック制御の制御周波数帯域とが互いに重複しないように設定され得るから、上述したメインフィードバック制御とサブフィードバック制御との干渉が回避でき、この結果、良好な機関の空燃比制御が達成され得る。

ところで、近年、燃焼効率の向上、低燃費化を達成するため、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（以下、「筒内噴射弁」と称呼する。）を主たる燃料噴射弁として備えるとともに、機関始動時の始動性の確保等のために上記ポート噴射弁をも従たる燃料噴射弁として備えた内燃機関が開発されてきている（例えば、特許文献２を参照。）。以下、このように筒内噴射弁とポート噴射弁の２つの燃料噴射弁を備えたシステムを「デュアルインジェクションシステム」と呼ぶ。また、筒内噴射弁から噴射される燃料量を「筒内噴射量」と呼ぶことにする。
特開２００４−６０４７４号公報

このようなデュアルインジェクションシステムを備えた内燃機関に対して上記提案された空燃比制御装置を適用する場合、上記メインフィードバック補正量による燃料噴射量の補正対象及び上記サブフィードバック補正量による燃料噴射量の補正対象を、ポート噴射量及び筒内噴射量のうちからどのように設定すべきかが問題となる。上記特許文献２には、係る燃料噴射量の補正対象の設定の仕方については開示も示唆もされていない。

そして、本出願人によるその後の更なる研究により、上記燃料噴射量の補正対象の設定の仕方によっては、機関に急激な出力変動（即ち、トルク変動）が発生し、（機関が車両の駆動源として使用されている場合）ドライバビリティが悪化する場合があることが判明した。

従って、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、デュアルインジェクションシステムを備えた内燃機関に適用される空燃比制御装置であって、触媒の上流、及び下流の排気通路にそれぞれ配設された空燃比センサに基づくそれぞれの空燃比フィードバック制御間の相互干渉を回避し得るとともに、急激な機関のトルク変動の発生を抑制し得るものを提供することにある。

本発明に係る空燃比制御装置は、デュアルインジェクションシステムを備えた内燃機関に適用される。この装置は、上流側空燃比センサの出力値に基づく値であってハイパスフィルタ処理がなされている値に基づいて（上流側フィードバックコントローラにより）上流側フィードバック補正量を算出し、前記算出された上流側フィードバック補正量により前記ポート噴射手段（前記ポート噴射弁）により噴射される燃料の量（前記ポート噴射量）のみを補正することで前記内燃機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する上流側フィードバック制御手段と、下流側空燃比センサの出力値に基づく値に基づいて（下流側フィードバックコントローラにより）下流側フィードバック補正量を算出し、前記算出された下流側フィードバック補正量により前記筒内噴射手段（前記筒内噴射弁）により噴射される燃料の量（前記筒内噴射量）、及び／又は前記ポート噴射手段により噴射される燃料の量を補正することで前記内燃機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する下流側フィードバック制御手段とを備えている。なお、以下、前記筒内噴射量と前記ポート噴射量とを「燃料噴射量」と総称することもある。

これによれば、上流側フィードバック制御手段により算出された上流側フィードバック補正量と下流側フィードバック制御手段により算出された下流側フィードバック補正量とによりそれぞれ独立に燃料噴射量を直接補正するように構成することで、上記提案された装置と同様、各フィードバック制御定数の適合を行う際の労力が低減され得る。

また、上流側フィードバックコントローラには上流側空燃比センサの出力値に基づく値であってハイパスフィルタ処理がなされている値が入力される。ここで、ハイパスフィルタ処理におけるハイパスフィルタのカットオフ周波数は、一般に、触媒の酸素吸蔵機能の程度に照らして決定されるべきであり、好ましくは、上述したように、上記触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値（上限値）近傍に設定される。

これにより、上述のように、上流側フィードバック制御の制御周波数帯域と下流側フィードバック制御の制御周波数帯域とが互いに重複しないように設定され得、上記提案された装置と同様、上流側フィードバック制御と下流側フィードバック制御との干渉が回避され得る。

ここにおいて、「上流側空燃比センサの出力値に基づく値であってハイパスフィルタ処理がなされている値」は、例えば、前記上流側空燃比センサの出力値（或いは、検出空燃比）、又は前記上流側空燃比センサの出力値と同センサの出力の目標値であ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。

また、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」は、例えば、前記下流側空燃比センサの出力値と同センサの出力の目標値である下流側目標値との相違の程度に応じた値である。

「上流側目標値」、及び「下流側目標値」は理論空燃比に相当する値に設定されることが好適であり、或いは、これらの値は対応する空燃比が互いに等しくなるように設定されることが好適である。

また、「センサの出力値と目標値との相違の程度に応じた値」は、例えば、センサの出力値と目標値との偏差、センサの出力値に対応する検出空燃比（実空燃比）と目標値に対応する目標空燃比との偏差、筒内吸入空気量をセンサの出力値に対応する検出空燃比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を目標値に対応する目標空燃比で除した値である目標筒内燃料供給量との偏差であって、これらに限定されない。

なお、上記構成によれば、機関が過渡運転状態にある場合等、排ガスの空燃比が上記ハイパスフィルタ処理におけるハイパスフィルタのカットオフ周波数以上の高周波数で急変・変動するような場合における空燃比制御（即ち、過渡運転状態における空燃比の急変に対する補償）は、上流側フィードバック制御により迅速に行われる。

また、触媒下流の空燃比変動として現れ得る上記触媒通過低周波数成分の周波数帯域（一般には、比較的低い周波数帯域）の定常的な空燃比変動に対する空燃比制御は、下流側フィードバック制御により確実に達成され得る。

更に、本発明に係る空燃比制御装置の特徴は、上記上流側フィードバック補正量により上記ポート噴射量のみが補正されること（即ち、上流側フィードバック補正量により筒内噴射量が補正されないこと）にある。

筒内噴射弁により直接燃焼室内に噴射された燃料は、その全量が直後の燃焼に寄与し得る。従って、筒内噴射量が変動すると、その変動の影響の総てが機関の出力変動（即ち、トルク変動）として現れ得る。従って、フィードバック補正量により筒内噴射量を補正することで空燃比フィードバック制御を実行する場合において、フィードバック補正量が急激に変動すると、筒内噴射量が急激に変動することで機関に急激なトルク変動が発生し、この結果、ドライバビリティが悪化し易くなる。

ここで、フィードバック補正量の変動周波数が高いほど、同一の振幅に対する変化速度が大きくなるから同フィードバック補正量の急激な変動が発生し易い。従って、少なくともハイパスフィルタのカットオフ周波数（例えば、上述した触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値近傍）以上の高周波数で変動し得る上流側フィードバック補正量には急激な変動が発生し易い。よって上流側フィードバック補正量により筒内噴射量を補正することは、急激な機関のトルク変動が発生し易くなることに繋がるから好ましくない。

一方、上述のごとく、ポート噴射弁により吸気弁よりも上流の吸気通路（吸気ポート）に噴射された燃料は、その一部が吸気ポート、及び吸気弁（以下、「吸気ポート等」と称呼する。）に一旦付着する。従って、ポート噴射量が急激に変動しても、実際に燃焼室内に吸入される燃料の量（以下、「筒内吸入燃料量」と称呼する。）の変動は減衰され、その結果、機関に急激なトルク変動が発生し難い。よって、急激な変動が発生し易い上流側フィードバック補正量によりポート噴射量を補正しても急激な機関のトルク変動が発生し難い。

以上のことから、上記構成のように、上流側フィードバック補正量により、筒内噴射量を補正することなくポート噴射量のみを補正することで上流側フィードバック制御を行えば、上流側フィードバック制御に基づく急激な機関のトルク変動が発生することを抑制できる。

一方、下流側フィードバック補正量は、触媒通過低周波数成分の周波数帯域内の周波数である比較的低い周波数でしか変動し得ないからその変化速度は比較的小さい。従って、下流側フィードバック補正量には急激な変動が発生し難い。よって、上記構成のように、下流側フィードバック補正量により、ポート噴射量のみならず、筒内噴射量のみ、或いは、ポート噴射量及び筒内噴射量を補正することで下流側フィードバック制御を行っても、下流側フィードバック制御に基づく急激な機関のトルク変動は発生し難い。

この結果、上記本発明に係る空燃比制御装置によれば、上流側フィードバック制御に基づく急激な機関のトルク変動の発生、及び下流側フィードバック制御に基づく急激な機関のトルク変動の発生を共に抑制することができ、従って、ドライバビリティの悪化を抑制することができる。

この場合、下流側フィードバック補正量により少なくとも筒内噴射量を補正することで下流側フィードバック制御が行われることが好適である。その理由は以下のとおりである。即ち、上述したように、筒内噴射弁により噴射された燃料は、その全量が直後の燃焼に寄与し得る。従って、フィードバック補正量により筒内噴射量を補正することで空燃比フィードバック制御を実行すると、同フィードバック補正量の影響の全てが直ちに排ガスの空燃比に反映され得るから、空燃比フィードバック制御において高い応答性が確保し得る。

一方、上述のごとく、ポート噴射弁により噴射された燃料は、その一部が吸気ポートに一旦付着する。従って、フィードバック補正量によりポート噴射量を補正することで空燃比フィードバック制御を実行すると、同フィードバック補正量の影響の全てが直ちに排ガスの空燃比に反映されることはない。この結果、フィードバック補正量により筒内噴射量を補正する場合に比して空燃比フィードバック制御の応答性が低くなる。

以上のことから、上記のように、下流側フィードバック補正量により少なくとも筒内噴射量が補正されるように構成すると、下流側フィードバック制御において高い応答性が確保され得る。この結果、ドライバビリティの悪化を抑制しつつ、触媒から排出されるエミッションの排出量も一層抑制することができる。

上記本発明に係る空燃比制御装置において、前記下流側フィードバック制御手段が、下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってローパスフィルタ処理がなされている値に基づいて下流側フィードバック補正量を算出し、前記算出された下流側フィードバック補正量により少なくとも筒内噴射量を補正するように構成されている場合であって、筒内噴射量とポート噴射量の和に対する筒内噴射量の比率である筒内噴射割合を内燃機関の運転状態に応じて変更する筒内噴射割合変更手段が備えられている場合、前記筒内噴射割合に応じて前記下流側フィードバック制御手段による前記ローパスフィルタ処理におけるフィルタ特性を変更するローパスフィルタ特性変更手段を更に備えることが好適である。ここで、「フィルタ特性」としては、例えば、カットオフ周波数、ゲイン等が挙げられる。

デュアルインジェクションシステムを備えた内燃機関においては、一般に、上記筒内噴射割合が機関の運転状態（例えば、機関の回転速度、筒内吸入空気量、冷却水温等）に応じて変更せしめられるように構成される場合が多い。ここで、一般に、同一のフィードバック補正量の変動に対する、同フィードバック補正量により補正される燃料噴射量の変動における変化速度は、同燃料噴射量そのものが大きくなるほど大きくなる。換言すれば、フィードバック補正量に急激な変動が発生していなくても、同フィードバック補正量により補正される筒内噴射量そのものが大きくなるほど急激な機関のトルク変動が発生し易くなる。

従って、上述のように急激な変動が発生し難い下流側フィードバック補正量により筒内噴射量が補正される場合においても、筒内噴射割合が大きくなることで筒内噴射量が大きくなるほど急激な機関のトルク変動が発生し易くなる。この場合、係る急激な機関のトルク変動の発生を抑制するため、筒内噴射割合の増大に応じて、下流側フィードバック補正量の変動における周波数をより低くすることでその変化速度をより小さくすることが考えられる。このためには、下流側フィードバック補正量の計算に使用される上記ローパスフィルタのカットオフ周波数を、（例えば、触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値以下の値であって）筒内噴射割合が増大するほどより低い値に設定すればよい。

本発明は係る知見に基づくものである。即ち、上記構成のように、筒内噴射割合に応じてローパスフィルタ処理におけるフィルタ特性を変更するように構成すれば、例えば、筒内噴射割合の増大に応じてローパスフィルタのカットオフ周波数をより低い値に設定することができる。この結果、筒内噴射割合にかかわらず安定して急激な機関のトルク変動の発生を抑制することができる。

この場合、筒内噴射割合の増大に応じてローパスフィルタのゲインをより低い値に設定するように構成してもよい。下流側フィードバック補正量の計算に使用されるローパスフィルタのゲインを小さくすると、同下流側フィードバック補正量の変動幅が小さくなるからその変化速度も小さくなる。従って、これによっても、筒内噴射割合にかかわらず安定して急激な機関のトルク変動の発生を抑制することができる。

なお、ここにおいて、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってローパスフィルタ処理がなされている値」は、例えば、下流側空燃比センサの出力値と上記下流側目標値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、又は下流側空燃比センサの出力値（或いは、検出空燃比）をローパスフィルタ処理した後の値と下流側目標値（或いは、下流側目標空燃比）との相違の程度に応じた値である。

また、上記本発明に係る空燃比制御装置においては、前記下流側フィードバック制御手段は、下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってローパスフィルタ処理がなされている値に基づいてローパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量を算出するとともに、下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってバンドパスフィルタ処理がなされている値に基づいてバンドパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量を算出し、前記算出されたローパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量により筒内噴射量のみを補正するとともに、前記算出されたバンドパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量によりポート噴射量のみを補正することで前記内燃機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御するように構成されてもよい。

上述したように、筒内噴射割合の増大に応じて下流側フィードバック補正量の計算に使用されるローパスフィルタのカットオフ周波数を小さくするように構成される場合において、上流側フィードバック補正量の計算に使用されるハイパスフィルタのカットオフ周波数を常に一定（例えば、上記触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値）に維持する場合について考える。なお、ローパスフィルタのカットオフ周波数の変動範囲は、最小値ωmin〜最大値ωmaxとする（最大値ωmaxは、例えば、上記触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値に設定される）。

この場合、筒内噴射割合が大きくなると、ローパスフィルタのカットオフ周波数がハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも低い値となることで、何れの空燃比フィードバック制御の制御周波数帯域にも含まれない周波数帯域（以下、「制御対象外周波数帯域」と称呼する。）が下流側フィードバック制御の制御周波数帯域において発生し得る。係る制御対象外周波数帯域が発生することは、確実な空燃比制御を維持する上で、一般に好ましくないと考えられる。

ここで、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」の変動における上記ローパスフィルタのカットオフ周波数の変動範囲内（ωmin〜ωmax）の周波数成分に基づいて計算される下流側フィードバック補正量により筒内噴射量を補正するように構成すると、上述したように、筒内噴射割合の増大により急激な機関のトルク変動が発生し易くなる。これに対し、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」の変動における上記（ωmin〜ωmax）の周波数成分に基づいて計算される下流側フィードバック補正量によりポート噴射量を補正するように構成すると、筒内噴射割合にかかわらず、上述したように、燃料の吸気ポート等への付着に起因して急激な機関のトルク変動が発生し難い。

従って、例えば、上記最小値ωminを低周波数側カットオフ周波数とし、上記最大値ωmaxを高周波数側カットオフ周波数とするバンドパスフィルタを新たに準備し、上記構成のように、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」であって同準備したバンドパスフィルタによるフィルタ処理がなされている値に基づく下流側フィードバック補正量（即ち、上記バンドパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量）によりポート噴射量を補正するように構成すれば、下流側フィードバック制御の制御周波数帯域において制御対象外周波数帯域を発生させることなく、且つ急激な機関のトルク変動の発生を確実に抑制することができる。

また、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」の変動における上記最小値ωmin未満の周波数成分は、その変化速度が十分に小さい。換言すれば、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」の変動における上記最小値ωmin未満の周波数成分に基づいて計算される下流側フィードバック補正量により筒内噴射量を補正するように構成しても、筒内噴射割合の増大により急激な機関のトルク変動が発生し易くなることはない。

従って、ローパスフィルタのカットオフ周波数を上記最小値ωminに設定するとともに、上記構成のように、「下流側空燃比センサの出力値に基づく値」であって同ローパスフィルタによるフィルタ処理がなされている値に基づく下流側フィードバック補正量（即ち、上記ローパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量）により筒内噴射量を補正するように構成すれば、急激な機関のトルク変動の発生を抑制しつつ、上記最小値ωmin未満の周波数成分に基づく下流側フィードバック制御において高い応答性が確保され得る。

以上のように、下流側フィードバック制御の制御周波数帯域を、ポート噴射量の補正に係わる高周波数側の帯域と筒内噴射量の補正に係わる低周波数側の帯域とに分けることにより、下流側フィードバック制御において或る程度の高い応答性を確保しつつ、下流側フィードバック制御の制御周波数帯域において制御対象外周波数帯域を発生させることなく急激な機関のトルク変動の発生を確実に抑制することができる。

この場合、ハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数とバンドパスフィルタ処理の高周波数側のカットオフ周波数とが同一であるとともに、バンドパスフィルタ処理の低周波数側のカットオフ周波数とローパスフィルタ処理のカットオフ周波数とが同一であることが好適である。

これによれば、ポート噴射量の補正に係わる上流側フィードバック制御の制御周波数帯域と、ポート噴射量の補正に係わる下流側フィードバック制御の制御周波数帯域と、筒内噴射量の補正に係わる下流側フィードバック制御の制御周波数帯域とが連続することになり、制御対象外周波数帯域が完全になくなる。即ち、あらゆる周波数の空燃比変動に対して何れかの空燃比フィードバック制御により確実に空燃比制御が実行され得るようになり、この結果、触媒から排出されるエミッションの排出量をより一層安定して抑制することができる。

以下、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による空燃比制御装置をデュアルインジェクションシステムを備えた火花点火式多気筒（４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、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２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３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２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、燃料を吸気ポート３１内に噴射するポート噴射弁３９Ｐ、燃料を燃焼室２５内に直接噴射する筒内噴射弁３９Ｃを備えている。

吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し同吸気ポート３１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４３ａを備えている。

排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１（実際には、各排気ポート３４に連通したそれぞれのエキゾーストマニホールド５１が集合した集合部）に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設（介装）された上流側の三元触媒５３（上流側触媒コンバータ、又はスタート・キャタリティック・コンバータとも云うが、以下「第１触媒５３」と称呼する。）、及びこの第１触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設（介装）された下流側の三元触媒５４（車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・キャタリティック・コンバータとも云うが、以下「第２触媒５４」と称呼する。）を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。

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、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、第１触媒５３の上流の排気通路（本例では、上記各々のエキゾーストマニホールド５１が集合した集合部）に配設された空燃比センサ６６（以下、「上流側空燃比センサ６６」と称呼する。）、第１触媒５３の下流であって第２触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７（以下、「下流側空燃比センサ６７」と称呼する。）、及びアクセル開度センサ６８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単位時間あたり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量（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。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４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。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。

上流側空燃比センサ６６は、限界電流式の酸素濃度センサであり、図３に示したように、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である出力値vabyfsを出力するようになっていて、特に、空燃比が理論空燃比であるときには出力値vabyfsは値vstoichになる。図３から明らかなように、上流側空燃比センサ６６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６７は、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサであり、図４に示したように、理論空燃比近傍において急変する電圧である出力値Voxsを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６７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０．５（Ｖ）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６８は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、同アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。

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）、及び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、並びに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６１〜６８接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６８からの信号を供給するとともに、同ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、ポート噴射弁３９Ｐ、筒内噴射弁３９Ｃ、及びスロットル弁アクチュエータ４３ａ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。

第１、第２触媒５３，５４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・放出する上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、第１、第２触媒５３，５４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、上流側、及び下流側空燃比センサ６６，６７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（即ち、第１触媒上流の空燃比）、及び下流空燃比センサ出力値Voxs（即ち、第１触媒下流、且つ第２触媒上流の空燃比）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〜Ａ１７の各要素を含んで構成されている。以下、図５を参照しながら各要素について説明していく。

<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。上流側目標空燃比設定手段Ａ１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。

基本燃料噴射量決定手段Ａ２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とを引数とする所定のテーブルに基づいて求められる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(k)を上流側目標空燃比設定手段Ａ１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、基本燃料噴射量Fbaseを求める。即ち、基本燃料噴射量Fbaseは、機関の空燃比を上流側目標空燃比abyfr(k)とするために必要な今回の吸気行程に対するポート噴射弁３９Ｐ及び筒内噴射弁３９Ｃからの燃料噴射量の合計量である。このように、本装置は、上流側目標空燃比設定手段Ａ１、及び基本燃料噴射量決定手段Ａ２を利用して基本燃料噴射量Fbaseを求める。

<筒内噴射量、及びポート噴射量の算出>
次に、筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipの算出について説明する。筒内噴射割合決定手段（筒内噴射割合変更手段）Ａ３は、内燃機関１０の運転状態であるエンジン回転速度NEと、上記筒内吸入空気量Mcと、冷却水温THWとを引数とする所定のテーブルに基づいて、筒内噴射量Ficとポート噴射量Fipの和に対する筒内噴射量Ficの比率（より正確には、後述する基本筒内噴射量Fbasecと後述する基本ポート噴射量Fbasepの和に対する基本筒内噴射量Fbasecの比率）である筒内噴射割合Ｒを決定する。これにより、機関の運転状態に応じて筒内噴射割合Ｒが変更せしめられる。

基本筒内噴射量決定手段Ａ４は、基本燃料噴射量決定手段Ａ２により求められた基本燃料噴射量Fbaseに上記決定された筒内噴射割合Ｒを乗算することで、下記(1)式に従って基本筒内噴射量Fbasecを決定する。

Fbasec＝Fbase・Ｒ ・・・(1)

同様に、基本ポート噴射量決定手段Ａ５は、上記基本燃料噴射量Fbaseに値（1−Ｒ）を乗算することで、下記(2)式に従って基本ポート噴射量Fbasepを決定する。

Fbasep＝Fbase・(1−Ｒ) ・・・(2)

筒内噴射量算出手段Ａ６は、基本筒内噴射量決定手段Ａ４により求められた基本筒内噴射量Fbasec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）を乗算することで、下記(3)式に基づいて、（最終）筒内噴射量Ficを求める。

Fic＝Fbasec・KFisub ・・・(3)

同様に、ポート噴射量算出手段Ａ７は、基本ポート噴射量決定手段Ａ５により求められた基本ポート噴射量Fbasepに、上記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）を乗算することで、下記(4)式に基づいて、（最終）ポート噴射量Fipを求める。

Fip＝Fbasep・KFisub・KFimain ・・・(4)

本装置は、このようにして、筒内噴射量算出手段Ａ６により基本筒内噴射量Fbasecをサブフィードバック補正係数KFisubにより補正することにより得られる筒内噴射量Ficの燃料を今回の吸気行程を迎える気筒に対して筒内噴射弁３９Ｃにより噴射する。また、ポート噴射量算出手段Ａ７により基本ポート噴射量Fbasep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ポート噴射量Fipの燃料を今回の吸気行程を迎える気筒に対してポート噴射弁３９Ｐにより噴射する。

<サブフィードバック制御>
続いて、下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Ａ８は、上述した上流側目標空燃比設定手段Ａ１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Ａ９は、下記(5)式に基づいて、下流側目標値設定手段Ａ８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６７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６７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 ・・・(5)

ローパスフィルタＡ１０（LPF）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、τlpfはローパスフィルタＡ１０の時定数、GlpfはローパスフィルタＡ１０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Ａ１０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Ａ１０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Ａ１０のカットオフ周波数ωlpfは、後述するＬＰＦ特性変更手段Ａ１７により変更されるようになっている。

Glpf・（１／（１+τlpf・s）） ・・・(6)

ローパスフィルタＡ１０は、出力偏差量算出手段Ａ９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(6)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６７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Ａ１１（下流側フィードバックコントローラ）は、ローパスフィルタＡ１０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(7)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 ・・・(7)

上記(7)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６７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Ａ１１に入力することでサブフィードバック補正係数KFisubを求める。そして、本装置は、前記基本筒内噴射量Fbasec、及び前記基本ポート噴射量Fbasepに同サブフィードバック補正係数KFisubをそれぞれ乗算することで、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)基本ポート噴射量Fbasepの補正とは独立に同基本筒内噴射量Fbasec、及び基本ポート噴射量Fbasep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６７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Ａ９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Ａ１１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、筒内噴射量算出手段Ａ６、及びポート噴射量算出手段Ａ７にてそれぞれ求められる筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipの合計量は基本燃料噴射量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、筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipの合計量は基本燃料噴射量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Ａ１１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６７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、及び微分項Kd・DDVoxslow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。この値が基本筒内噴射量Fbasec、及び基本ポート噴射量Fbasepにそれぞれ乗算されることにより、筒内噴射弁３９Ｃ、及びポート噴射弁３９Ｐの誤差（指令される燃料噴射量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第１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、筒内噴射量算出手段Ａ６、ポート噴射量算出手段Ａ７、下流側目標値設定手段Ａ８、出力偏差量算出手段Ａ９、ローパスフィルタＡ１０、及びＰＩＤコントローラＡ１１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Ａ１２は、上流側空燃比センサ６６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６６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Ａ１３は、上流側目標空燃比設定手段Ａ１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６６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６６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Ａ１４は、下記(8)式に基づいて、テーブル変換手段Ａ１２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Ａ１３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６６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) ・・・(8)

ハイパスフィルタＡ１５（HPF）は、その特性をラプラス演算子sを用いて表した下記(9)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(9)式において、τhpfはハイパスフィルタＡ１５の時定数、GhpfはハイパスフィルタＡ１５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Ａ１５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Ａ１５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、ハイパスフィルタＡ１５のカットオフ周波数ωhpfは、本例では、触媒通過低周波数成分の周波数帯域の最大値（後述する値ωcut）に設定されている。

Ghpf・（１−１／（１+τhpf・s）） ・・・(9)

ハイパスフィルタＡ１５は、前記上流側空燃比偏差算出手段Ａ１４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(9)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６６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Ａ１６（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Ａ１５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(10)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 ・・・(10)

上記(10)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（より正確には、基本ポート噴射量Fbasep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６６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Ａ１６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、前記基本ポート噴射量Fbasep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筒内噴射量Fbasec及び基本ポート噴射量Fbasepの補正とは独立に同基本ポート噴射量Fbasep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Ａ１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Ａ１４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Ａ１５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Ａ１６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、筒内噴射量算出手段Ａ６、及びポート噴射量算出手段Ａ７にてそれぞれ求められる筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipの合計量は、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Ａ１５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、筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipの合計量は、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、ポート噴射量算出手段Ａ７、テーブル変換手段Ａ１２、目標空燃比遅延手段Ａ１３、上流側空燃比偏差算出手段Ａ１４、ハイパスフィルタＡ１５、及びＰＩコントローラＡ１６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>
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Ａ１５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、第１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Ａ１５のカットオフ周波数ωhpfを第１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Ａ１５のカットオフ周波数ωhpfは第１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。）に設定されることが好ましいと考えられる。以上のことから、本例では、ハイパスフィルタＡ１５のカットオフ周波数ωhpfは上記値ωcut（一定）に設定されている。なお、値ωcutは、第１触媒５３を用いた実験等を通して取得され得る。

そして、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Ａ１６に入力される値Dabyfhiには、ハイパスフィルタＡ１５のカットオフ周波数ωhpf（＝ωcut）以上の高周波数成分のみが含まれているから、メイン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。

一方、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Ａ１１に入力される値DVoxslowには、ローパスフィルタＡ１０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、サブ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。

ここで、本装置は、後述するようにカットオフ周波数ωlpfを値ωcut以下の値に設定する。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、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Ａ１５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Ａ１５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、第１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Ａ１０のカットオフ周波数ωlpf以下の比較的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６７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Ａ１０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。

<メインフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生の抑制>
ＰＩコントローラＡ１６の出力であるメインフィードバック補正係数KFimainは、ハイパスフィルタＡ１５のカットオフ周波数ωhpf（＝ωcut）以上の高周波数で変動し得るから、その変化速度は大きくなり得る。従って、メインフィードバック補正係数KFimainには急激な変動が発生し得る。ここで、上述したように、係る急激な変動が発生し得るメインフィードバック補正係数KFimainにより筒内噴射量Fic（正確には、基本筒内噴射量Fbasec）を補正するように構成すると、機関に急激なトルク変動が発生し得る。

これに対し、本例では、メインフィードバック補正係数KFimainに急激な変動が発生しても機関に急激なトルク変動が発生しないように、メインフィードバック補正係数KFimainによりポート噴射量Fip（正確には、基本ポート噴射量Fbasep）のみを補正することでメインフィードバック制御が実行される。これにより、メインフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生が抑制される。

<サブフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生の抑制>
ＰＩＤコントローラＡ１１の出力であるサブフィードバック補正係数KFisubは、上記値ωcut以下の周波数である比較的低い周波数でしか変動し得ないからその変化速度は比較的小さい。従って、サブフィードバック補正係数KFisubには急激な変動が発生し難い。よって、本例では、サブフィードバック補正係数KFisubにより、ポート噴射量Fip（正確には、基本ポート噴射量Fbasep）のみならず筒内噴射量Fic（正確には、基本筒内噴射量Fbasec）をも補正することでサブフィードバック制御が実行される。

しかしながら、上述したように、急激な変動が発生し難いサブフィードバック補正係数KFisubにより筒内噴射量Ficが補正される場合においても、筒内噴射割合Ｒが大きくなることで筒内噴射量Ficが大きくなるほど急激な機関のトルク変動が発生し易くなる傾向がある。

この場合、筒内噴射割合Ｒが大きくなるほど、サブフィードバック補正係数KFisubの変動における最大周波数（即ち、カットオフ周波数ωlpf）をより低くすることでサブフィードバック補正係数KFisubの変化速度をより小さくすれば、係るサブフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生を抑制することができると考えられる。

以上のことから、本装置（具体的には、ＬＰＦ特性変更手段Ａ１７）は、図７に示す筒内噴射割合Ｒとカットオフ周波数ωlpfとの関係に従って、筒内噴射割合決定手段Ａ３により逐次決定・変更されていく筒内噴射割合Ｒに応じてローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfを逐次変更していく。これにより、カットオフ周波数ωlpfは、値ω0〜上記値ωcutの範囲内において、筒内噴射割合Ｒが大きくなるほどより小さい値に設定される（図６を参照）。

なお、図７に示す筒内噴射割合Ｒとカットオフ周波数ωlpfとの関係は、例えば、筒内噴射割合Ｒを或る値に固定した場合において急激な機関のトルク変動が発生しなくなるカットオフ周波数ωlpfの最大値を取得する実験を、筒内噴射割合Ｒを「０」〜「１」の範囲内で徐々に変更しながら繰り返し行うことで取得できる。

このようにして、ＬＰＦ特性変更手段Ａ１７によりローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfが変更されることでサブフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生が抑制される。以上、ＬＰＦ特性変更手段Ａ１７はローパス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、上記第１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。
<空燃比フィードバック制御>
ＣＰＵ７１は、図８にフローチャートにより示した筒内噴射量Fic、ポート噴射量Fipの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各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８００から処理を開始してステップ８０５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６４の出力に基づいて得られるエンジン回転速度NEと、Ga,NEを引数とするテーブル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。

次に、ＣＰＵ７１はステップ８１０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８１５に進み、エンジン回転速度NEと、上記求めた筒内吸入空気量Mcと、水温センサ６５から得られる冷却水温THWと、NE,Mc,THWを引数とするテーブルMapＲとに基づいて筒内噴射割合Ｒを求める。

続いて、ＣＰＵ７１はステップ８２０に進んで、上記求めた基本燃料噴射量Fbaseと、上記求めた筒内噴射割合Ｒと、上記(1),(2)式とに基づいて、基本筒内噴射量Fbasec、及び基本ポート噴射量Fbasepを求める。

次に、ＣＰＵ７１はステップ８２５に進み、上記求めた基本筒内噴射量Fbasecに、後述するルーチンで計算されているサブフィードバック補正係数KFisubを乗じることで上記(3)式に従って筒内噴射量Ficを算出する。

そして、ＣＰＵ７１はステップ８３０に進んで、上記求めた基本ポート噴射量Fbasepに、上記サブフィードバック補正係数KFisubと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とをそれぞれ乗じることで上記(4)式に従ってポート噴射量Fipを算出する。

そして、ＣＰＵ７１はステップ８３５に進み、筒内噴射量Ficの燃料を所定の時期に噴射するための指示を今回の吸気行程を迎える気筒の筒内噴射弁３９Ｃに対して行い、且つポート噴射量Fipの燃料を所定の時期に噴射するための指示を今回の吸気行程を迎える気筒のポート噴射弁３９Ｐに対して行った後、ステップ８９５に進み、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、即ち、筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipの燃料が吸気行程を迎える気筒に対してそれぞれ噴射される。

<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KFiupを算出する際の作動について説明すると、ＣＰＵ７１は図９にフローチャートにより示した（上流側フィードバック制御手段に相当する）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９００から処理を開始し、ステップ９０５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、機関の冷却水温THW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６６が完全活性状態にあるときに成立する。

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９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、現時点の上流側空燃比センサ６６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９１５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(8)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９２０に進み、前記上流側空燃比偏差Dabyfを、カットオフ周波数ωhpf（＝ωcut一定）のハイパスフィルタＡ１５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９２５にて上記(10)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９３０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９３０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９２０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８のステップ８３０によりポート噴射量Fipのみ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。

一方、ステップ９０５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９０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ９３５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９４０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９９５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KFisubを算出する際の作動について説明すると、ＣＰＵ７１は図１０にフローチャートにより示した（下流側フィードバック制御手段に相当する）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THW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６７が完全活性状態にあるときに成立する。

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１００５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１０に進み、上記(5)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６７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１０１５に進んで、図７に示す筒内噴射割合Ｒとカットオフ周波数ωlpfとの関係を表す関数funcωlpf(Ｒ)と、先のステップ８１５にて求められている現時点での筒内噴射割合Ｒとに基づいて現時点で設定すべきローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfを求める。

続いて、ＣＰＵ７１はステップ１０２０に進み、前記出力偏差量DVoxsを、上記求めたカットオフ周波数ωlpfのローパスフィルタＡ１０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１０２５に進み、下記(11)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 ・・・(11)

上記(11)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１０４０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１０３０に進み、上記(7)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１０３５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１０２０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１０４０にて、上記ステップ１０２０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１０９５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８のステップ８２５，８３０により筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fip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。

一方、ステップ１００５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１００５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０４５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１０５０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１０９５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第１実施形態によれば、第１触媒５３の上流に配設された上流側空燃比センサ６６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Ａ１５（カットオフ周波数：ωhpf=ωcut一定）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Ａ１６）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、第１触媒５３の下流であって第２触媒５４の上流に配設された下流側空燃比センサ６７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Ａ１０（カットオフ周波数：ω0≦ωlpf≦ωcut）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Ａ１１）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で互いに独立に筒内噴射量Fic、ポート噴射量Fip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（ωcut以上）、低周波数帯域（ωcut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、第１触媒５３の下流の空燃比変動として現れ得る程度の比較的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Ａ１１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、急激な変動が発生し易い上記メインフィードバック補正係数KFimainに急激な変動が発生しても機関に急激なトルク変動が発生しないように、メインフィードバック補正係数KFimainによりポート噴射量Fip（正確には、基本ポート噴射量Fbasep）のみを補正することでメインフィードバック制御が実行される。換言すれば、メインフィードバック補正係数KFimainにより筒内噴射量Ficが補正されない。これにより、メインフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生が抑制される。

更には、急激な変動が発生し難いサブフィードバック補正係数KFisubにより筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipを共に補正することでサブフィードバック制御が実行される。このとき、筒内噴射割合Ｒが大きくなって筒内噴射量Ficが大きくなることに起因する急激な機関のトルク変動の発生を抑制するため、ローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfが、ω0≦ωlpf≦ωcutの範囲内で、筒内噴射割合Ｒが大きくなるほどより小さくなるように設定される。これにより、筒内噴射割合Ｒにかかわらずサブフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生が抑制される。

本発明は上記第１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、上記第１実施形態においては、サブフィードバック補正係数KFisubにより筒内噴射量Fic、及びポート噴射量Fipを共に補正することでサブフィードバック制御が実行されているが、サブフィードバック補正係数KFisubにより筒内噴射量Ficのみを補正することでサブフィードバック制御が実行されてもよい。

また、サブフィードバック補正係数KFisubによりポート噴射量Fipのみを補正することでサブフィードバック制御が実行されてもよい。この場合、ローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfは上記値ωcut一定に維持されることが好ましい。筒内噴射割合Ｒにかかわらずサブフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動は発生し難く、カットオフ周波数ωlpfを変更する必要がないからである。これにより、上記制御対象外周波数帯域が完全になくなるから、触媒から排出されるエミッションの排出量をより一層安定して抑制することができる。

また、上記第１実施形態においては、ローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfを、筒内噴射割合Ｒが大きくなるほどより小さくなるように設定しているが、カットオフ周波数ωlpfを一定（例えば、上記値ωcut）に維持するとともに、ローパスフィルタＡ１０のゲインGlpfを、筒内噴射割合Ｒが大きくなるほどより小さくなるように設定してもよい。これにより、筒内噴射割合Ｒが大きくなるほどサブフィードバック補正係数KFisubの変動幅が小さくなることで、筒内噴射割合Ｒにかかわらずサブフィードバック制御に起因する急激な機関のトルク変動の発生が抑制される。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る空燃比制御装置について説明する。この第２実施形態は、その機能ブロック図である図１１に示したように、図５に機能ブロック図が示される上記第１実施形態に対して、ＬＰＦ特性変更手段Ａ１７を省略した点、バンドパスフィルタＡ１８、及びＰＩＤコントローラＡ１９を新たに加えた点で、第１実施形態と主として異なる。以下、係る相違点を中心として説明する。

この第２実施形態では、ＬＰＦ特性変更手段Ａ１７が省略されていて、図１２に示すように、ローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfが、第１実施形態におけるカットオフ周波数ωlpfの変動範囲の最小値（即ち、図６，７に示した値ω0）に固定される。また、ハイパスフィルタＡ１５のカットオフ周波数ωhpfは、図１２に示すように、第１実施形態と同様、値ωcutに固定される。

一方、第２実施形態は、バンドパスフィルタＡ１８（BPF）を備えている。バンドパスフィルタＡ１８は、その特性をラプラス演算子sを用いて表した下記(12)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。このバンドパスフィルタＡ１８の周波数−ゲイン特性は図１２に示したとおりである。図１２に示したように、バンドパスフィルタＡ１８は、入力値（入力信号）の変動における、ローパスフィルタＡ１０のカットオフ周波数ωlpfと等しい低周波数側のカットオフ周波数ω0（＝１／τlpf）以下の低周波数成分を減衰するとともにハイパスフィルタＡ１５のカットオフ周波数ωhpfと等しい高周波数側のカットオフ周波数ωcut（＝１／τhpf）以上の高周波数成分を減衰する。これにより、バンドパスフィルタＡ１８は、上記低周波数側のカットオフ周波数ω0以上、上記高周波数側のカットオフ周波数ωcut以下の中周波数成分（即ち、第１実施形態におけるカットオフ周波数ωlpfの変動範囲内の周波数成分）のみが通過することを実質的に許容する。

１／（１+τhpf・s）＋（１−１／（１+τlpf・s）） ・・・(12)

バンドパスフィルタＡ１８は、出力偏差量算出手段Ａ９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(12)式に従って同出力偏差量DVoxsの値をバンドパスフィルタ処理した後の値であるバンドパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxsbaを出力する。従って、バンドパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxsbaは、「下流側空燃比センサ６７の出力値に基づく値であってバンドパスフィルタ処理がなされている値」であって、「下流側空燃比センサ６７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バンドパスフィルタ処理した後の値」である。

また、第２実施形態は、ＰＩＤコントローラＡ１９を備えている。ＰＩＤコントローラＡ１９は、バンドパスフィルタＡ１８の出力値であるバンドパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxsbaを比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、上記(7)式と同じ式に基づいてバンドパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量としてのバンドパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisubba（＞０）を求める。なお、上記第１実施形態では、ＰＩＤコントローラＡ１１の出力値を単に「サブフィードバック補正係数KFisub」と呼んでいたが、この第２実施形態では、ＰＩＤコントローラＡ１１の出力値を、上記「バンドパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisubba」と区別するため、「ローパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisublow」と呼ぶことにする。

更に、上記第１実施形態では、ローパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisublowにより筒内噴射量Fic（正確には、基本筒内噴射量Fbasec）及びポート噴射量Fip（正確には、基本ポート噴射量Fbasep）が共に補正されているが、この第２実施形態では、図１１に示すように、ローパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisublowにより筒内噴射量Fic（正確には、基本筒内噴射量Fbasec）のみが補正され、バンドパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisubbaによりポート噴射量Fic（正確には、基本ポート噴射量Fbasep）のみが補正される。

また、この第２実施形態では、図１１に示すように、第１実施形態と同様、メインフィードバック補正係数KFimainによりポート噴射量Fip（正確には、基本ポート噴射量Fbasep）のみが補正される。

即ち、第２実施形態では、図１２に示すように、サブフィードバック制御の制御周波数帯域（ωcut以下）が、ポート噴射量Fipの補正に係わる高周波数側の帯域（ω0以上ωcut以下。ＢＰＦ分担帯域）と筒内噴射量Ficの補正に係わる低周波数側の帯域（ω0以下。ＬＰＦ分担帯域）とに分けられている。

そして、メインフィードバック制御の制御周波数帯域であるωcut以上の全帯域（ＨＰＦ分担帯域）とサブフィードバック制御における上記ＢＰＦ分担帯域（即ち、ω0以上の周波数帯域）がポート噴射量Fipの補正に係わり、サブフィードバック制御における上記ＬＰＦ分担帯域のみ（即ち、ω0以下の周波数帯域）が筒内噴射量Ficの補正に係わる。

この相違点に基づき、第２実施形態のＣＰＵ７１は、第１実施形態のＣＰＵ７１が実行する図８〜図１０に示したルーチンのうち、図９に示したメインフィードバック補正係数KFimainを計算するルーチンのみを実行するとともに、図８のルーチンに代えて図８のルーチンに対応する図１３にフローチャートにより示した筒内噴射量Fic及びポート噴射量Fipを計算するルーチン、図１０のルーチンに代えて図１０のルーチンに対応する図１４にフローチャートにより示したローパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisublowを計算するルーチンをそれぞれ実行する。更には、第２実施形態のＣＰＵ７１は、図１５にフローチャートにより示したバンドパスフィルタ処理後サブフィードバック補正係数KFisubbaを計算するルーチンを追加的に実行する。

図１３に示したルーチンに含まれるステップのうち、図８に示したルーチンと同一のステップについては図８におけるステップ番号と同一のステップ番号が付されている。同様に、図１４、及び図１５に示したルーチンに含まれるステップのうち、図１０に示したルーチンと同一のステップについては図１０におけるステップ番号と同一のステップ番号が付されている。

図１３、及び図１４に示したルーチンは、図８、及び図１０に示したルーチンとそれぞれ酷似し、また、図１５に示したルーチンは、図１４に示したルーチンと酷似しているから、図１３〜図１５に示したそれぞれのルーチンの詳細についての説明は省略する。

以上、第２実施形態によれば、ポート噴射量Fipの補正に係わる制御周波数帯域である、図１２に示したＨＰＦ分担帯域とＢＰＦ分担帯域（即ち、ω0以上の周波数帯域）の空燃比変動は、ポート噴射量Fipの変動として現れる。従って、急激な空燃比変動によりポート噴射量Fipが急激に変動しても、上述したように、燃料の吸気ポート等への付着に起因して前記筒内吸入燃料量の変動は減衰され、この結果、機関に急激なトルク変動が発生し難い。

更には、筒内噴射量Ficの補正に係わる制御周波数帯域である、図１２に示したＬＰＦ分担帯域（即ち、ω0以下の周波数帯域）の空燃比変動は、その変化速度が十分に小さいから急激に変動し得ない。従って、ＬＰＦ分担帯域の空燃比変動に起因して機関に急激なトルク変動が発生することはない。以上のことから、急激な機関のトルク変動の発生を確実に抑制することができる。

更には、図１２に示したように、ＨＰＦ分担帯域とＢＰＦ分担帯域とＬＰＦ分担帯域とがそれぞれ連続することになり、制御対象外周波数帯域が完全になくなる。即ち、あらゆる周波数の空燃比変動に対して何れかの空燃比フィードバック制御により確実に空燃比制御が実行され得るようになり、この結果、触媒から排出されるエミッションの排出量をより一層安定して抑制することができる。

本発明は上記各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、上記各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６６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、上記各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６７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、上記各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）を基本ポート噴射量Fbasep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ポート噴射量Fbasep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、上記各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（或いは、KFisublow，KFisubba）（＞０）を基本筒内噴射量Fbasec、或いは基本ポート噴射量Fbasep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筒内噴射量Fbasec、或いは基本ポート噴射量Fbasep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、上記各実施形態においては、下流側空燃比センサ６７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（或いは、KFisublow，KFisubba）を算出しているが、同下流側空燃比センサ６７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（或いは、KFisublow，KFisubba）を算出するように構成してもよい。

また、上記各実施形態においては、フィルタ（ハイパスフィルタＡ１５、ローパスフィルタＡ１０）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。

また、上記各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Ａ１５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、及び図１１を参照）、前記上流側空燃比偏差Dabyfの代わりに上流空燃比センサ６６の検出空燃比abyfsを直接ハイパスフィルタＡ１５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。

上記各実施形態においてハイパスフィルタＡ１５に入力される上流側空燃比偏差Dabyfは、上流空燃比センサ６６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Ａ１５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Ａ１５に入力した場合の同ハイパスフィルタＡ１５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、これによっても、上記各実施形態と全く同一の作用・効果が得られる。

本発明の第１実施形態に係る空燃比制御装置を適用した内燃機関の概略図である。 図１に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気流量との関係を示したグラフである。 図１に示した上流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したグラフである。 図１に示した下流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係をそれぞれ示したグラフである。 図１に示した空燃比制御装置が空燃比フィードバック制御を実行する際の機能ブロック図である。 図５に示したハイパスフィルタ、及びローパスフィルタについての周波数−ゲイン特性をそれぞれ示した図である。 図１に示したＣＰＵが参照する関数により表される、筒内噴射割合とローパスフィルタのカットオフ周波数との関係を示したグラフである。 図１に示したＣＰＵが実行する筒内噴射量、及びポート噴射量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するメインフィードバック補正係数を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するサブフィードバック補正係数を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置が空燃比フィードバック制御を実行する際の機能ブロック図である。 図１１に示したハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、及びバンドパスフィルタについての周波数−ゲイン特性をそれぞれ示した図である。 本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置のＣＰＵが実行する筒内噴射量、及びポート噴射量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置のＣＰＵが実行するサブフィードバック補正係数を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置のＣＰＵが実行するサブフィードバック補正係数を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。 従来の空燃比制御装置が使用するハイパスフィルタ、及びローパスフィルタについての周波数−ゲイン特性をそれぞれ示した図である。

符号の説明

１０…内燃機関、２５…燃焼室、３９Ｃ…筒内噴射弁、３９Ｐ…ポート噴射弁、５２…エキゾーストパイプ（排気管）、５３…三元触媒（第１触媒）、６６…上流側空燃比センサ、６７…下流側空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ、Ａ１０…ローパスフィルタ、Ａ１５…ハイパスフィルタ、Ａ１７…ＬＰＦ特性変更手段、Ａ１８…バンドパスフィルタ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
   前記触媒よりも上流の前記排気通路に配設された上流側空燃比センサと、
   前記触媒よりも下流の前記排気通路に配設された下流側空燃比センサと、
   吸気弁よりも上流の吸気通路に燃料を噴射するポート噴射手段と、
   燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射手段と、
   を備えた内燃機関に適用される内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記上流側空燃比センサの出力値に基づく値であってハイパスフィルタ処理がなされている値に基づいて上流側フィードバック補正量を算出し、前記算出された上流側フィードバック補正量により前記ポート噴射手段により噴射される燃料の量のみを補正することで前記内燃機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する上流側フィードバック制御手段と、
   前記下流側空燃比センサの出力値に基づく値に基づいて下流側フィードバック補正量を算出し、前記算出された下流側フィードバック補正量により前記筒内噴射手段により噴射される燃料の量、及び／又は前記ポート噴射手段により噴射される燃料の量を補正することで前記内燃機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する下流側フィードバック制御手段と、
   を備えた内燃機関の空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記下流側フィードバック制御手段は、
   前記下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってローパスフィルタ処理がなされている値に基づいて下流側フィードバック補正量を算出し、前記算出された下流側フィードバック補正量により少なくとも前記筒内噴射手段により噴射される燃料の量を補正するように構成されていて、
   前記筒内噴射手段により噴射される燃料の量と前記ポート噴射手段により噴射される燃料の量の和に対する同筒内噴射手段により噴射される燃料の量の比率である筒内噴射割合を前記内燃機関の運転状態に応じて変更する筒内噴射割合変更手段と、
   前記筒内噴射割合に応じて前記下流側フィードバック制御手段による前記ローパスフィルタ処理におけるフィルタ特性を変更するローパスフィルタ特性変更手段と、
   を更に備えた内燃機関の空燃比制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記ローパスフィルタ特性変更手段は、
   前記フィルタ特性としてのローパスフィルタのゲイン、及び／又はカットオフ周波数を変更するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記下流側フィードバック制御手段は、
   前記下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってローパスフィルタ処理がなされている値に基づいてローパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量を算出するとともに、前記下流側空燃比センサの出力値に基づく値であってバンドパスフィルタ処理がなされている値に基づいてバンドパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量を算出し、
   前記算出されたローパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量により前記筒内噴射手段により噴射される燃料の量のみを補正するとともに、前記算出されたバンドパスフィルタ処理後下流側フィードバック補正量により前記ポート噴射手段により噴射される燃料の量のみを補正することで前記内燃機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記上流側フィードバック制御手段による前記ハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数と前記下流側フィードバック制御手段による前記バンドパスフィルタ処理の高周波数側のカットオフ周波数とが同一であるとともに、
   前記下流側フィードバック制御手段による前記バンドパスフィルタ処理の低周波数側のカットオフ周波数と前記下流側フィードバック制御手段による前記ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数とが同一である内燃機関の空燃比制御装置。
   

Images