JP2008261307A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料増量・減量制御の実行後であっても、実際の空燃比を適切に目標空燃比にすることができる空燃比制御装置を提供する。
【解決手段】空燃比制御装置は機関排気通路内に設けられた三元触媒２０の上流側に配置された空燃比センサ２３と、下流側に配置された酸素センサ２４とを具備し、空燃比センサの出力値に基づいて燃料供給量を制御するメインフィードバック制御と、空燃比センサのずれを補償すべく酸素センサの出力値に基づいて燃料供給量を補正するサブフィードバック制御とを実行する。サブフィードバック制御における燃料供給量の補正量は下流側空燃比センサの出力値と目標空燃比との偏差量を積算した積分項の値に基づいて算出され、目標空燃比と無関係に燃料供給量の増量又は減量が行われる燃料増量・減量制御が実行されたときには、燃料増量・減量制御の完了後所定期間に亘ってサブフィードバック制御における積分項の値の積算が停止される。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。

内燃機関本体から排出された排気ガス中には炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ_X）等の成分が含まれており、従来からこれら成分を浄化するために三元触媒が利用されている。斯かる三元触媒は排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」と称す）がほぼ理論空燃比となっているときにその浄化能力が高くなることから、三元触媒によって排気ガスの浄化を行う際には排気空燃比がほぼ理論空燃比となるように燃焼室への燃料供給量等を制御する必要がある。

このため、多くの内燃機関では、三元触媒の排気上流側において機関排気通路内に排気空燃比を検出することができる空燃比センサを設け、この空燃比センサによって検出される排気空燃比がほぼ理論空燃比になるように燃焼室への燃料供給量を調整するフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御が行われている。

しかし、三元触媒の上流側においては排気ガスが十分混合していないことにより空燃比センサの出力がばらついたり、排気ガスの熱により空燃比センサが劣化したりすることにより、空燃比センサが実際の空燃比を正確に検出することができない場合があり、このような場合には上述したＦ／Ｂ制御による空燃比の制御精度が低下してしまう。

そこで、三元触媒の排気下流側にも機関排気通路内に排気空燃比を検出することができる空燃比センサを設け、下流側空燃比センサの出力に基づいて上流側空燃比センサの出力値が実際の排気空燃比と一致するように上流側空燃比センサの出力値を（結果的には燃料供給量を）補正するサブＦ／Ｂ制御を行うことにより空燃比の制御精度を改善するダブルセンサシステムが既に実用化されている。

そして、このダブルセンサシステムにおいては、上流側空燃比センサの出力値と実際の排気空燃比との間の定常的なずれに対応する学習値をサブＦ／Ｂ制御における補正量に基づいて算出すると共に、算出された学習値に基づいて上流側空燃比センサの出力値を補正する学習制御が行われる。このような学習値は例えば機関停止時にもＥＣＵのＲＡＭに保存されるため、内燃機関の再始動後であってサブＦ／Ｂ制御によって上流側空燃比センサの出力値が十分に補正されていなくても学習値によって適切に補正されることになるため、空燃比の制御精度の悪化を防止することができ、よって排気エミッションの悪化を防止することができる。

ところで、機関運転中に目標空燃比と無関係に燃料供給量の増量又は減量が行われる燃料増量・減量制御（例えば、燃料カット制御や機関始動時における燃料増量制御）の実行後には、排気浄化触媒に過剰な酸素や過剰な燃料が蓄積されている。斯かる状態においては、例えば燃焼室から排出される排気ガスの空燃比と排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比とが大きく異なる値となってしまう。このため、斯かる状態で上記メインＦ／Ｂ制御、サブＦ／Ｂ制御、学習制御等を実行すると、適切に空燃比を制御することができなくなってしまう。

そこで、燃料カット制御の完了後の一定期間において、学習制御を禁止することが提案されている（特許文献１参照）。これにより、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比と排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比とが大きく異なっているときに、すなわち下流側空燃比センサの出力が不適切であるときに学習値を更新することが防止され、その結果、空燃比の不適切な制御を抑制することができる。

特開２００５−１０５８３４号公報 特開２００５−６１３５６号公報

ところで、上述したように、サブＦ／Ｂ制御では、下流側空燃比センサの出力に基づいて上流側空燃比センサの出力値が実際の排気空燃比と一致するように上流側空燃比センサの出力値を（結果的には燃料供給量を）補正すべくＰＩＤ制御又はＰＩ制御が行われる。そして、上記学習制御では、サブＦ／Ｂ制御における積分制御において用いられる積分項の値に基づいて学習値を変更しており、一般に積分項の値が大きくなるほど学習値の変更量が大きくなる。

一方、上述したように燃料カット制御等終了後の一定期間に亘って下流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比は燃焼室から排出される排気ガスの空燃比とは異なるものとなっている。ここで、上記特許文献１に記載の装置では燃料カット制御等終了後の一定期間において学習制御は禁止しているが、サブＦ／Ｂ制御における積分制御は禁止していない。このため、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値については上記一定期間中において燃焼室から排出される排気ガスの空燃比とは異なる空燃比に基づいて積算が行われる。従って、この一定期間が終了する頃には積分項の値の誤差は極めて大きくなっている。よって、上記一定期間の終了後に学習制御を再開すると、誤差の極めて大きい積分項の値に基づいて学習値が算出されることになるため、学習値が不適切な値となってしまい、結果的に排気エミッションの悪化を招くことになる。

そこで、本発明の目的は、燃料増量・減量制御の実行後であっても、実際の空燃比を適切に目標空燃比にすることができる空燃比制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路内に設けられた排気浄化触媒の排気上流側に配置され且つ排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、上記排気浄化触媒の排気下流側に配置され且つ排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサとを具備し、上記上流側空燃比センサの出力値に基づいて排気空燃比が目標空燃比となるように燃料供給量を制御するメインフィードバック制御と、上記上流側空燃比センサの出力値と実際の排気空燃比とのずれを補償すべく上記下流側空燃比センサの出力値に基づいて排気空燃比が目標空燃比となるように燃料供給量を補正するサブフィードバック制御とを実行する内燃機関の空燃比制御装置において、上記サブフィードバック制御における燃料供給量の補正量は下流側空燃比センサの出力値と目標空燃比との偏差量を積算した積分項の値に基づいて算出され、目標空燃比と無関係に燃料供給量の増量又は減量が行われる燃料増量・減量制御が実行されたときには、該燃料増量・減量制御の完了後所定期間に亘って上記サブフィードバック制御における積分項の値の積算が停止される。
第１の発明によれば、燃料増量・減量制御の完了後所定期間に亘ってサブフィードバック制御における積分項の値の積算が停止される。このため、上記所定期間中においては燃焼室から排出される排気ガスの空燃比とは異なる空燃比に基づいて積算が行われてしまうことが防止され、よって積分項の値の誤差は極めて大きくなってしまうことが防止される。従って、例えば学習制御を行っている場合であっても、誤差の極めて大きい積分項の値に基づいて学習値が算出されることはなく、よって学習値が不適切な値とるのが防止される。

第２の発明では、第１の発明において、上記上流側空燃比センサの出力値と実際の排気空燃比との間の定常的なずれに対応する学習値を上記積分項の値に基づいて算出すると共に、算出された学習値に基づいて上記燃料供給量を補正する学習手段をさらに具備する。

第３の発明では、第２の発明において、上記燃料増量・減量制御の完了後所定期間中であっても上記学習手段による学習値の算出が行われる。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、上記サブフィードバック制御における燃料供給量の補正量は上記積分項の値に加えて下流側空燃比センサの出力値と目標空燃比との偏差に比例ゲインを乗算した比例項の値に基づいて算出され、上記燃料増量・減量制御の完了後所定期間中においては、該所定期間以外の期間に比べて上記比例項の値を大きくするようにした。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、上記所定期間は燃料増量・減量制御が完了してから排気浄化触媒から排出される排気ガスの空燃比が目標空燃比近傍となるまでの期間である。

本発明によれば、燃料増量・減量制御の実行後であっても、学習値が不適切な値とるのが防止されるため、実際の空燃比を適切に目標空燃比にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の内燃機関の空燃比制御装置について説明する。図１は本発明の制御装置が搭載される内燃機関全体の図である。図１に示した実施形態では本発明の空燃比制御装置が筒内直噴型火花点火式内燃機関に用いられた場合を示しているが、他の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関等にも用いることができる。

図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気管１５内にはエアフロメータ１６が配置されると共にステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は三元触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２１に連結される。触媒コンバータ２１の出口は排気管２２に連結される。排気マニホルド１９、すなわち排気浄化触媒２０上流側の排気通路内には空燃比センサ２３が配置されると共に、排気管２２、すなわち三元触媒２０下流側の排気通路内には酸素センサ２４が配置される。

電子制御ユニット３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は吸入空気流量に比例した出力電圧を発生し、その出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、空燃比センサ２３は、図２に示したように、排気マニホルド１９内を通過する排気ガス中の酸素濃度に基づいて、斯かる排気ガスの空燃比にほぼ比例した出力電圧（出力値）を発生する。一方、酸素センサ２４は、図３に示したように、排気管２２内を通過する排気ガス、すなわち三元触媒２０を通過した後の排気ガス中の酸素濃度に基づいて、斯かる排気ガスの空燃比が理論空燃比（約１４．７）よりもリッチであるかリーンであるかによって大きく異なる出力電圧（出力値）を発生する。これら出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、空燃比センサ２３及び酸素センサ２４はいずれも排気ガスの空燃比を検出することができればよく、斯かる点ではいずれについても空燃比センサと称することができる。

また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１およびステップモータ１７に接続される。

上述した三元触媒２０は、酸素吸蔵能力を有しており、これにより三元触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸蔵すると共に、三元触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵している酸素を放出することにより排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯを酸化・浄化する。

このような三元触媒２０の酸素吸蔵能力を効果的に利用するためには、排気ガスの空燃比がその後リッチ及びリーンのいずれになっても排気ガスを浄化することができるように、三元触媒２０中に吸蔵されている酸素の量を所定量（例えば、最大酸素吸蔵量の半分）に維持することが必要である。三元触媒２０の酸素吸蔵量が上記所定量に維持されていれば、三元触媒２０は常に或る程度の酸素吸蔵作用及び酸素放出作用を発揮することが可能であり、結果として三元触媒２０により常に排気ガス中の成分の酸化・還元を行うことができるようになる。このため、本実施形態では、三元触媒２０による排気浄化性能を維持すべく、三元触媒の酸素吸蔵量を一定に維持するように空燃比制御を行うこととしている。

そこで、本実施形態では、三元触媒２０よりも排気上流側に配置された空燃比センサ（上流側空燃比センサ）２３によって排気空燃比（三元触媒２０上流側の排気通路、燃焼室５および吸気通路に供給された空気と燃料との比率）を検出すると共に、空燃比センサ２３の出力値が理論空燃比に対応した値となるように燃料噴射弁１１からの燃料供給量についてＦ／Ｂ制御を行うこととしている（以下、このＦ／Ｂ制御を「メインＦ／Ｂ制御」と称す）。これにより、排気空燃比は理論空燃比付近に維持され、その結果三元触媒の酸素吸蔵量が一定に維持され、よって排気エミッションを改善することができる。

以下、メインＦ／Ｂ制御について具体的に説明する。まず、本実施形態では、燃料噴射弁１１から各気筒へと供給すべき燃料量（以下、「目標燃料供給量」と称す）Ｑｆｔ（ｎ）は下記式（１）によって算出される。
Ｑｆｔ（ｎ）＝Ｍｃ（ｎ）／ＡＦＴ＋ＤＱｆ（ｎ−１） …（１）

ここで、上記式（１）においてｎはＥＣＵ３１における計算回数を示す値であり、例えばＱｆｔ（ｎ）は第ｎ回目の計算によって算出された目標燃料供給量を表している。また、Ｍｃ（ｎ）は、吸気弁６の閉弁時までに各気筒の筒内に吸入されたと予想される空気量（以下、「筒内吸入空気量」と称す）を示している。筒内吸入空気量Ｍｃ（ｎ）は、例えば機関回転数Ｎｅと吸気管１５内を通過した空気の流量（以下、「吸気管通過空気流量」と称す）ｍｔとを引数としたマップ又は計算式を予め実験的に又は計算によって求め、このマップ又は計算式をＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に保存し、機関運転中に機関回転数Ｎｅ及び吸気管通過空気流量ｍｔを検出してこれら検出値に基づいて上記マップ又は計算式により算出される。また、ＡＦＴは、排気空燃比の目標値（目標空燃比）であり、本実施形態では理論空燃比（１４．７）である。さらに、ＤＱｆは、後述するメインＦ／Ｂ制御に関して算出される燃料補正量である。燃料噴射弁１１では、このようにして算出された目標燃料供給量に対応する量の燃料が噴射される。

なお、上記説明では、筒内吸入空気量Ｍｃ（ｎ）は、機関回転数Ｎｅと吸気管通過空気流量ｍｔとを引数としたマップ等に基づいて算出されるとしているが、例えばスロットル弁１８の開度及び大気圧等に基づいた計算式等、他の方法によって求められてもよい。

図４は、燃料噴射弁１１からの目標燃料供給量Ｑｆｔ（ｎ）を算出する目標燃料供給量算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは所定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップ１０１において、クランク角センサ４２及びエアフロメータ１６によって機関回転数Ｎｅ及び吸気管通過空気流量ｍｔが検出される。次いで、ステップ１０２では、ステップ１０１において検出された機関回転数Ｎｅ及び吸気管通過空気流量ｍｔに基づいてマップにより又は計算式により時刻ｎにおける筒内吸入空気量Ｍｃ（ｎ）が算出される。次いで、ステップ１０３では、ステップ１０２で算出された筒内吸入空気量Ｍｃ（ｎ）及び後述するメインＦ／Ｂ制御において算出された時刻ｎ−１における燃料補正量ＤＱｆ（ｎ−１）に基づいて上記式（１）により目標燃料供給量Ｑｆｔ（ｎ）が算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。燃料噴射弁１１ではこのように算出された目標燃料供給量Ｑｆｔ（ｎ）に相当する量の燃料が噴射せしめられる。

次に、メインＦ／Ｂ制御について説明する。本実施形態では、メインＦ／Ｂ制御として、ＰＩ制御が行われており、空燃比センサ２３の出力に基づいて算出された実際の燃料供給量と、上述した目標燃料供給量Ｑｆｔとの燃料偏差量ΔＱｆを各計算時毎に算出し、この燃料偏差量ΔＱｆがゼロになるように燃料補正量ＤＱｆを算出している。より具体的には、本実施形態では燃料補正量ＤＱｆは下記式（２）により算出される。下記式（２）において、Ｋｍｐは比例ゲイン、Ｋｍｉは積分ゲインをそれぞれ示している。また、Ｋｍｐ・ΔＱｆ（ｎ）は比例項を、Ｋｍｉ・ΣΔＱｆは積分項をそれぞれ示している。比例ゲインＫｍｐ、積分ゲインＫｍｉは予め定められた一定の値であってもよいし、機関運転状態に応じて変化する値であってもよい。

なお、本実施形態では、メインＦ／Ｂ制御としてＰＩ制御を行っているが、燃料偏差量ΔＱｆがゼロになるように燃料補正量ＤＱｆを算出することができればＰＩＤ制御等、如何なる制御を行ってもよい。

図５は、燃料補正量ＤＱｆを算出するメインＦ／Ｂ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは所定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップ１２１では、メインＦ／Ｂ制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。メインＦ／Ｂ制御の実行条件が成立している場合とは、例えば内燃機関の冷間始動中ではないこと（すなわち、機関冷却水温が一定温度以上であって始動時燃料増量等が行われていないこと）や、機関運転中に燃料噴射弁からの燃料噴射を停止する燃料カット制御中ではないこと等が挙げられる。ステップ１２１においてメインＦ／Ｂ制御の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１２２へと進む。

ステップ１２２では、第ｎ回目の計算時における空燃比センサ２３の出力値ＶＡＦ（ｎ）が検出される。次いで、ステップ１２３では、後述するサブＦ／Ｂ制御の制御ルーチンによって算出された空燃比センサ２３の出力補正値ｅｆｓｆｂ（ｎ）及び後述するサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂをステップ１２２で検出された出力値ＶＡＦ（ｎ）に加算することで、空燃比センサ２３の出力値が補正されて第ｎ回目の計算時における補正出力値ＶＡＦ’（ｎ）が算出される（ＶＡＦ’（ｎ）＝ＶＡＦ（ｎ）＋ｅｆｓｆｂ（ｎ）＋ｅｆｇｆｓｂ（ｎ））。

次いで、ステップ１２４では、ステップ１２３で算出された補正出力値ＶＡＦ’（ｎ）に基づいて図２に示したマップを用いて時刻ｎにおける実空燃比ＡＦＲ（ｎ）が算出される。このようにして算出された実空燃比ＡＦＲ（ｎ）は、第ｎ回目の計算時における三元触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比にほぼ一致した値となっている。

次いで、ステップ１２５では、下記式（３）により、空燃比センサ２３の出力に基づいて算出された燃料供給量と目標燃料供給量Ｑｆｔとの燃料偏差量ΔＱｆが算出される。なお、下記式（３）において、筒内吸入空気量Ｍｃ及び目標燃料供給量Ｑｆｔについては第ｎ回目の計算時における値が用いられているが、第ｎ回目の計算時よりも前の値が用いられてもよい。
ΔＱｆ（ｎ）＝Ｍｃ（ｎ）／ＡＦＲ（ｎ）−Ｑｆｔ（ｎ） …（３）

ステップ１２６では、上記式（２）により時刻ｎにおける燃料補正量ＤＱｆ（ｎ）が算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。算出された燃料補正量ＤＱｆ（ｎ）は、図４に示した制御ルーチンのステップ１０３において用いられる。一方、ステップ１２１においてメインＦ／Ｂ制御の実行条件が成立していないと判定された場合には、燃料補正量ＤＱｆ（ｎ）が更新されることなく制御ルーチンが終了せしめられる。

ところで、排気ガスの熱によって空燃比センサ２３が劣化すること等により空燃比センサ２３の出力にはずれが生じる場合がある。このような場合、本来図２に実線で示したような出力値を発生させる空燃比センサ２３が、例えば図２に破線で示したような出力値を発生させてしまう。このように空燃比センサ２３の出力値にずれが生じると、空燃比センサ２３は例えば本来であれば排気空燃比が理論空燃比になっているときに発生させる出力値を、理論空燃比よりもリーンであるときに発生させてしまう。そこで、本実施形態では、酸素センサ（下流側空燃比センサ）２４を用いたサブＦ／Ｂ制御により空燃比センサ２３の出力値に生じたずれを補償して、空燃比センサ２３の出力値が実際の排気空燃比に対応した値となるようにすることとしている。

すなわち、酸素センサ２４は、図３に示したように、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを検出することができ、理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかの判定にずれを生じることがほとんどない。このため、実際の排気空燃比がリーンとなっているときには酸素センサ２４の出力値は低い値となっており、実際の排気空燃比がリッチとなっているときには酸素センサ２４の出力値は高い値となっている。したがって、実際の排気空燃比がほぼ理論空燃比となっているとき、すなわち理論空燃比付近で上下を繰り返しているときには、酸素センサ２４の出力値は高い値と低い値との間で反転を繰り返す。このような観点から、本実施形態では、酸素センサ２４の出力値が高い値と低い値との間で反転を繰り返すように空燃比センサ２３の出力値を補正することとしている。

図６は、実際の排気空燃比と、酸素センサの出力値と、空燃比センサ２３の出力補正値ｅｆｓｆｂと、サブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂとのタイムチャートである。図６のタイムチャートは、実際の排気空燃比が理論空燃比になるように制御しているにも関わらず、空燃比センサ２３にずれが生じていて実際の排気空燃比が理論空燃比となっていない場合に、空燃比センサ２３に生じているずれが補償されていく様子を示している。

図６に示した例では、時刻ｔ₀において、実際の排気空燃比は理論空燃比となっておらず、理論空燃比よりもリーンとなっている。これは、空燃比センサ２３にずれが生じていて、実際の排気空燃比が理論空燃比よりもリーンである空燃比となっているときに空燃比センサ２３により理論空燃比に対応する出力値が出力されているためである。このとき酸素センサ２４の出力値は低い値となっている。

空燃比センサ２３の出力補正値ｅｆｓｆｂは、上述したように、図５のステップ１２３において補正出力値ＶＡＦ’（ｎ）を算出するために出力値ＶＡＦ（ｎ）に加算される。従って、この出力補正値ｅｆｓｆｂが正の値となっている場合には空燃比センサ２３の出力値はリーン側に補正され、負の値となっている場合には空燃比センサ２３の出力値はリッチ側に補正される。そして出力補正値ｅｆｓｆｂの絶対値が大きいほど空燃比センサ２３の出力値が大きく補正される。

空燃比センサ２３の出力値がほぼ理論空燃比となっているにも関わらず酸素センサ２４の出力値が低い値となっているときには空燃比センサ２３の出力値がリッチ側にずれていることを意味する。そこで、本実施形態では、酸素センサ２４の出力値が低い値となっているときには、図６に示したように、出力補正値ｅｆｓｆｂの値を増大させて、空燃比センサ２３の出力値をリーン側へ補正することとしている。一方、空燃比センサ２３の出力値がほぼ理論空燃比となっているにも関わらず酸素センサ２４の出力値が高い値となっているときには、出力補正値ｅｆｓｆｂの値を減少させて、空燃比センサ２３の出力値をリッチ側へ補正することとしている。

具体的には出力補正値ｅｆｓｆｂの値は下記式（４）により計算される。なお、下記式（４）において、ΔＶＯ（ｎ）は、第ｎ回目の計算時における酸素センサ２４の出力値と目標出力値（本実施形態では、理論空燃比に対応する値）との出力偏差を示しており、Ｋｓｐは比例ゲイン、Ｋｓｉは積分ゲインをそれぞれ示している。また、Ｋｓｐ・ΔＶＯ（ｎ）は比例項を、Ｋｓｉ・ΣΔＶＯは積分項をそれぞれ示している。比例ゲインＫｓｐ、積分ゲインＫｓｉは予め定められた一定の値であってもよいし、機関運転状態に応じて変化する値であってもよい。

なお、本実施形態では、サブＦ／Ｂ制御としてＰＩ制御を行っているが、積分制御が入っていればＰＩＤ制御等、如何なる制御を行ってもよい。

このように、図６に示した例では、空燃比センサ２３の出力補正値ｅｆｓｆｂの値が増大するにつれて、空燃比センサ２３の出力値に生じているずれが補正され、実際の排気空燃比が徐々に理論空燃比に近づいていく。

このようにしてサブＦ／Ｂ制御により空燃比センサ２３の出力値は適宜補正されるが、例えば内燃機関を停止させた場合や燃料カット制御を行った場合等にはサブＦ／Ｂ制御が中断せしめられ、その結果、出力補正値ｅｆｓｆｂの値はゼロにリセットされる。その後、再び内燃機関を始動させた場合や燃料カット制御を終了した場合等には、サブＦ／Ｂ制御が再開されるが、出力補正値ｅｆｓｆｂがゼロにリセットされているため、空燃比センサ２３の出力値を再び適切な値にまで補正するには時間がかかる。

そこで、本実施形態では、空燃比センサ２３の出力値と実際の排気空燃比に対応する値との間に生じている定常的なずれに対応するサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂを上記サブＦ／Ｂ制御における出力補正値ｅｆｓｆｂの積分項の値に基づいて算出すると共に、図５のステップ１２３に示したように、算出されたサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂに基づいて空燃比センサ２３の出力値ＶＡＦを補正することとしている（以下、このような制御を「学習制御」と称す）。このようにして算出されたサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂは、例えば内燃機関を停止させてもゼロにリセットされることはなく、よって内燃機関の停止等の後でもサブＦ／Ｂ制御により比較的早期に空燃比センサ２３の出力値を再び適切な値にまで補正することができるようになる。

具体的には、前回の学習時期（すなわち、サブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂの算出時期）から所定時間ΔＴが経過したときの出力補正値ｅｆｓｆｂが正の値である場合にはサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂを増大させると共に、出力補正値ｅｆｓｆｂが負の値である場合にはサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂを減少させるようにしている。また、サブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂの増大量又は減少量は、出力補正値ｅｆｓｆｂの絶対値が大きくなるほど多くなるようにしている。

特に本実施形態では、前回の学習時期から所定時間ΔＴが経過したときの出力補正値ｅｆｓｆｂ及びサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂはそれぞれ下記式（５）及び（６）により更新される。なお、下記式（５）及び（６）において、αはなまし率であり、予め定められた１以下の正の値となる（０＜α≦１）。したがって、図６に示した例では、時刻ｔ₁において出力補正値ｅｆｓｆｂが正の値となっているため、下記式（５）及び（６）により出力補正値ｅｆｓｆｂが低下せしめられると共にサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂが増大せしめられ、同様に時刻ｔ₂においても出力補正値ｅｆｓｆｂが正の値となっているため、下記式（５）及び（６）により出力補正値ｅｆｓｆｂが低下せしめられると共にサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂが増大せしめられる。
Ｍｓｉ＝ｅｆｓｆｂ−Ｍｓｉ・α …（５）
ｅｆｇｆｓｂ＝ｅｆｇｆｓｂ＋Ｍｓｉ・α …（６）

このようにして算出されたサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂは、空燃比センサ２３の出力補正値ｅｆｓｆｂは、上述したように、図５のステップ１２３において補正出力値ＶＡＦ’（ｎ）を算出するために出力値ＶＡＦ（ｎ）に加算される。そしてサブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂは内燃機関の停止時等にリセットされない。このため、内燃機関の停止後、運転を再開したときに、出力補正値ｅｆｓｆｂがゼロにリセットされていても空燃比センサ２３の出力値を迅速に適切な値に補正することができる。

ところで、機関運転状態によっては、燃焼室に供給された混合気の空燃比が目標空燃比以外の値となるように制御される場合、すなわち目標空燃比とは無関係に燃料供給量の増量又は減量が行われる場合がある。このような場合としては、例えば内燃機関の冷間始動時に機関本体１や三元触媒２０を昇温すべく行われる燃料増量制御や、内燃機関の減速時に行われる燃料減量制御又は燃料カット制御や、三元触媒２０の温度が高すぎる時に排気浄化触媒の温度を低下させるべく行われる燃料増量制御や、機関負荷が高いときに内燃機関の出力を高めるべく行われる燃料増量制御等が挙げられる。

このような燃料供給量の増量又は減量制御（以下、「燃料増量・減量制御」と称す）中は、燃焼室５に供給される混合気の空燃比は目標空燃比になるように制御されていない。従って、このときの排気空燃比に基づいてサブＦ／Ｂ制御や学習制御を実行すると、空燃比センサ２３の出力値を適切に補償することができなくなってしまう。そこで、従来から、燃料増量・減量制御の実行中にはサブＦ／Ｂ制御や学習制御を中止し、燃料増量・減量制御の終了後に再びサブＦ／Ｂ制御や学習制御を開始することが提案されている。

ところが、燃料増量・減量制御の終了後にメインＦ／Ｂ制御によって燃焼室５に供給される混合気の空燃比が理論空燃比に制御されても、燃料増量・減量制御の終了直後においては三元触媒２０から排出される排気ガスの空燃比は理論空燃比になっていないことが多い。すなわち、燃料増量制御の実行中には三元触媒２０に未燃の燃料等が付着し、燃料減量制御の実行中には三元触媒２０内に酸素が吸蔵される。このため、たとえ三元触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になっていても、三元触媒２０から排出される排気ガス中には三元触媒２０内の未燃の燃料や酸素が含まれることになるため、三元触媒２０から排出される排気ガスの空燃比は理論空燃比とは異なる空燃比となる。よって、三元触媒２０の排気下流側に配置された酸素センサ２４によっては燃焼室５内に供給された混合気の空燃比を正確に検出することができない。

そこで、本実施形態では、燃焼増量・減量制御の終了後、三元触媒２０内の雰囲気が適切になるまで、すなわち三元触媒２０内に含まれていた過剰な未燃の燃料や過剰な酸素がなくなってほぼ理論空燃比となるまで、上記サブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算を停止することとしている。

図７は、燃料カット制御時における、燃料カット制御実行の有無、酸素センサ２４の出力値、サブＦ／Ｂ制御における積分項積算実行の有無、学習制御実行の有無、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値、サブＦ／Ｂ学習値のタイムチャートである。

図７に示した例では、時刻ｔ₃において燃料カット制御が開始される。燃料カット制御開始前には酸素センサ２４の出力値は高い値となっており、三元触媒２０から流出した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであることを示している。燃料カット制御が開始されると、酸素センサ２４の出力値が急激に低下して低い値となり、三元触媒２０から流出した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも極めてリーンであることを示す出力となる。また、燃料カット制御の開始と同時にサブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算が停止せしめられる。このため、燃料カット制御の開始からサブＦ／Ｂ制御における積分項の値は一定の値となる。一方、本実施形態では、燃料カット制御が開始された後であっても学習制御は停止されない（図７中の実線）。

その後、時刻ｔ₄において燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット制御が終了せしめられても、三元触媒２０内に多量の酸素が吸蔵されていることから、酸素センサ２４の出力値は低いままである。そして、本実施形態では、燃料カット制御が終了してもなおサブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算は行われない。一方、学習制御は実行され続ける。

このように、燃料カット制御中及び燃料カット制御終了後においても学習制御が実行され続けるため、斯かる期間中においても上記式（５）及び（６）により積分項の値の一部がサブＦ／Ｂ学習値に取り込まれる。図７に示した例では、燃料カット制御中及び燃料カット制御終了後においては、まず前回の積分項の値の取り込みから所定時間ΔＴ経過後の時刻ｔ₅において積分項の値の取り込みが行われ、時刻ｔ₅から所定時間ΔＴ経過後の時刻ｔ₆、時刻ｔ₆から所定時間ΔＴ経過後の時刻ｔ₇においてそれぞれ積分項の値の取り込みが行われる。

その後、時刻ｔ₈において、酸素センサ２４の出力が低い値から高い値へと反転すると、すなわち酸素センサ２４を通過する排気ガスの空燃比がリーンからリッチへと変化すると、三元触媒２０内に含まれていた過剰な酸素がなくなったと考えられるため、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算が再開される。

すなわち、本実施形態では、燃料カット制御が開始されてから酸素センサ２４の出力値が反転するまでの間においては、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算のみが停止され、積分項の値のサブＦ／Ｂ学習値への取り込み等は継続せしめられる。換言すると、本実施形態によれば、燃料カット制御により三元触媒２０に酸素が吸蔵されていて、三元触媒２０から排出される排気ガスの空燃比が燃焼室５内に供給された混合気の空燃比とは異なる空燃比となっている場合、すなわち酸素センサ２４によっては燃焼室５内に供給された混合気の空燃比を正確に検出することができない場合には、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算が停止せしめられる。これにより、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値が酸素センサ２４の不適切な出力に基づいて更新されることがなくなる。このため、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値は燃料カット制御が行われても比較的適切な値に維持されると共に、これに伴ってサブＦ／Ｂ学習値も適切な値に維持される。特に、積分項の値のサブＦ／Ｂ学習値への取り込みは燃料カット制御中及び燃料カット制御終了後一定期間においても行われるため、この期間中にサブＦ／Ｂ学習値を適切に更新することができる。

また、本実施形態では、サブＦ／Ｂ制御における積分項の値の積算を停止しているときには、積分項の値の積算を停止していないときに比べて比例項の値が大きくされる。具体的には、燃料カット制御中及び燃料カット制御終了後一定期間においては、比例ゲインＫｓｉの値を大きくしたり、上記式（４）の比例項の値に１以上の補正係数βを乗算したりすることによって比例項の値が大きくされる。

ここで、積分項の値の積算を停止するとサブＦ／Ｂ制御における出力補正値の応答性が悪化する場合がある。特に、上述したように酸素センサ２４からの出力値の反転に基づいて上記一定期間を定めている場合、すなわちこの出力値の反転に基づいて積分項の値の積算を停止している期間を定めている場合、比例制御だけでは酸素センサ２４の出力値が反転しない場合がある。

これに対して、本実施形態のように、積分項の値の積算を停止している期間中において比例項の値を大きくすることにより、サブＦ／Ｂ制御の応答速度を維持することができるようになる。また、三元触媒２０に吸蔵されていた酸素が少なくなると、酸素センサ２４からの出力値が反転するようになり、よって積分項の値の積算を適切に再開することができるようになる。

なお、上記実施形態では、燃料カット制御の実行中及び燃料カット制御終了後一定期間においても、積分項の値のサブＦ／Ｂ学習値への取り込みを行っているが、斯かる期間において積分項の値のサブＦ／Ｂ学習値への取り込みを停止してもよい。この場合、斯かる期間中にサブＦ／Ｂ学習値の更新は行われないため、燃料カット制御開始直前における積分項の値に誤差が生じる可能性があるような場合にはサブＦ／Ｂ学習値が不適切に更新されてしまうのを防止することができる。

また、上記実施形態では、積分項の値の積算の再開の条件を酸素センサ２４の出力値が一回反転するまでとしているが、一回反転するまでに限らず、複数回反転するまでとしてもよい。また、斯かる条件は、酸素センサ２４の反転回数に限られず、三元触媒２０内の雰囲気が適切になるときであれば如何なる条件であってもよく、例えば燃料カット制御終了からの時間等に基づいて定められてもよい。

図８及び図９は、出力補正値ｅｆｓｆｂを算出するサブＦ／Ｂ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは所定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップ１４１では、時刻ｎにおける酸素センサ２４の出力値ＶＯ（ｎ）が検出される。次いで、ステップ１４２では、ステップ１４１で検出された酸素センサ２４の出力値ＶＯ（ｎ）と目標出力値ＶＯＴとの出力偏差ΔＶＯ（ｎ）が算出される（ΔＶＯ←（ｎ）ＶＯ（ｎ）−ＶＯＴ）。ステップ１４３では、下記式（７）により時刻ｎにおける微分項Ｍｓｐ（ｎ）の値が算出される。
Ｍｓｐ（ｎ）＝Ｋｓｐ・ΔＶＯ（ｎ） …（７）

次いで、ステップ１４４では、積分フラグＸｉｎｔが１であるか否かが判定される。積分フラグＸｉｎｔは積分項の値Ｍｓｉの積算中に１とされ、それ以外のときに０とされるフラグである。従って、ステップ１４４では、現在積分項の値Ｍｓｉの積算の停止中であるか否かが判定される。ステップ１４４において、現在積分項の値Ｍｓｉの積算の停止中ではないと判定された場合（Ｘｉｎｔ＝０）にはステップ１４５へと進む。ステップ１４５では、燃料増量・減量制御が開始されたか否かが判定される。燃料増量・減量制御が開始されたと判定された場合にはステップ１４６へと進む。ステップ１４６では、積分フラグＸｉｎｔが１とされ、ステップ１４７へと進む。燃料増量・減量制御が開始されていないと判定された場合にはステップ１４６がスキップされる。

ステップ１４７では、下記式（８）により時刻ｎにおける積分項の値Ｍｓｉ（ｎ）が算出される。すなわち、ステップ１４７においては通常通り積分項の値の積算が行われる。その後、ステップ１５２へと進む。
Ｍｓｉ（ｎ）＝Ｍｓｉ（ｎ−１）＋Ｋｓｉ・ＶＯ（ｎ） …（８）

一方、ステップ１４４において、現在積分項の値Ｍｓｉの積算の停止中であると判定された場合（Ｘｉｎｔ＝１）にはステップ１４８へと進む。ステップ１４８では、酸素センサ２４の出力がリーンを表す値からリッチを表す値へ、又はその逆へ変化したか否か、すなわち酸素センサ２４の出力が反転したか否かが判定される。酸素センサ２４の出力が反転したと判定された場合にはステップ１４９へと進み、積分フラグＸｉｎｔが０にリセットされ、その後ステップ１５０へと進む。一方、ステップ１４８において、酸素センサ２４の出力が反転していないと判定された場合にはステップ１４９がスキップされる。ステップ１５０では、時刻ｎにおける積分項の値Ｍｓｉ（ｎ）が時刻ｎ−１における積分項の値Ｍｓｉ（ｎ−１）とされる。すなわち、ステップ１５０においては積分項の値Ｍｓｉの積算が行われない。次いで、ステップ１５１では、ステップ１４３で算出された比例項の値Ｍｓｐ（ｎ）に係数β（１よりも大きい値）を乗算したものが比例項の値とされる（Ｍｓｐ（ｎ）＝Ｍｓｐ（ｎ）・β）。その後、ステップ１５２へと進む。

ステップ１５２では、現在が学習タイミングであるか否か、すなわち前回の学習時期から上記所定時間ΔＴが経過しているか否かが判定される。学習タイミングであると判定された場合にはステップ１５３へと進む。ステップ１５３では、上記式（５）及び（６）により、積分項の値Ｍｓｉ（ｎ）が所定量だけ減少又は増加せしめられると共に、サブＦ／Ｂ学習値ｅｆｇｆｓｂが上記所定量だけ増加又は減少せしめられ、ステップ１５４へと進む。一方、ステップ１５２において現在が学習タイミングでないと判定された場合にはステップ１５３がスキップされる。

次いで、ステップ１５４では、下記式（９）により出力補正量ｅｆｓｆｂ（ｎ）が算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。
ｅｆｓｆｂ（ｎ）＝Ｍｓｐ（ｎ）＋Ｍｓｉ（ｎ） …（９）

上記実施形態ではセンサの出力値を補正しているが、燃料噴射量を補正するようにしてもよい。
上記実施形態では、ＰＩ制御を行っている例を示しているが、積分制御さえ入っていればよい。

本発明の空燃比制御装置が用いられる内燃機関全体の図である。 排気空燃比と空燃比センサの出力電圧との関係を示した図である。 排気空燃比と酸素センサの出力電圧との関係を示した図である。 目標燃料供給量を算出する目標燃料供給量算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 燃料補正量を算出するメインＦ／Ｂ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 排気空燃比、酸素センサの出力値、空燃比センサの出力補正値及びサブＦ／Ｂ学習値のタイムチャートである。 燃料カット制御時における各種パラメータのタイムチャートである。 出力補正値を算出するサブＦ／Ｂ制御の制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。 出力補正値を算出するサブＦ／Ｂ制御の制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。

符号の説明

１ 機関本体
３ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気弁
８ 排気弁
１０ 点火栓
１１ 燃料噴射弁
３１ ＥＣＵ
４１ 負荷センサ
４２ クランク角センサ

Claims (5)

1. 機関排気通路内に設けられた排気浄化触媒の排気上流側に配置され且つ排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、上記排気浄化触媒の排気下流側に配置され且つ排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサとを具備し、上記上流側空燃比センサの出力値に基づいて排気空燃比が目標空燃比となるように燃料供給量を制御するメインフィードバック制御と、上記上流側空燃比センサの出力値と実際の排気空燃比とのずれを補償すべく上記下流側空燃比センサの出力値に基づいて排気空燃比が目標空燃比となるように燃料供給量を補正するサブフィードバック制御とを実行する内燃機関の空燃比制御装置において、
   上記サブフィードバック制御における燃料供給量の補正量は下流側空燃比センサの出力値と目標空燃比との偏差量を積算した積分項の値に基づいて算出され、
   目標空燃比と無関係に燃料供給量の増量又は減量が行われる燃料増量・減量制御が実行されたときには、該燃料増量・減量制御の完了後所定期間に亘って上記サブフィードバック制御における積分項の値の積算が停止される、内燃機関の空燃比制御装置。
2. 上記上流側空燃比センサの出力値と実際の排気空燃比との間の定常的なずれに対応する学習値を上記積分項の値に基づいて算出すると共に、算出された学習値に基づいて上記燃料供給量を補正する学習手段をさらに具備する、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 上記燃料増量・減量制御の完了後所定期間中であっても上記学習手段による学習値の算出が行われる、請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 上記サブフィードバック制御における燃料供給量の補正量は上記積分項の値に加えて下流側空燃比センサの出力値と目標空燃比との偏差に比例ゲインを乗算した比例項の値に基づいて算出され、
   上記燃料増量・減量制御の完了後所定期間中においては、該所定期間以外の期間に比べて上記比例項の値を大きくするようにした、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 上記所定期間は燃料増量・減量制御が完了してから排気浄化触媒から排出される排気ガスの空燃比が目標空燃比近傍となるまでの期間である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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