JP2009030613A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御構成の簡素化を図り、しかも応答性や排気エミッションの適正化を実現すること。
【解決手段】エンジン１０の排気管１３には上流側触媒１５及び下流側触媒１６が配設され、上流側触媒１５の上流側、上流側触媒１５と下流側触媒１６との間、下流側触媒１６の下流側にはそれぞれ第１，第２，第３空燃比センサ２１〜２３が配設されている。エンジンＥＣＵ３０は、第１空燃比センサ２１の出力値に基づいて実空燃比を目標空燃比に一致させるようＦ／Ｂ制御を実施する。また、第２，第３空燃比センサ２２，２３の各出力値に基づいて下流側触媒１６の内部空燃比に対応付けたサブＦ／Ｂパラメータを算出し、そのサブＦ／Ｂパラメータを用いてＦ／Ｂ制御における制御パラメータを補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置にかかり、特に空燃比センサにより検出される空燃比に基づいて空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を実施する空燃比制御装置に関するものである。

内燃機関の空燃比制御装置として、内燃機関の排気通路に配置した排気浄化用触媒装置の上流側と下流側とに各々空燃比センサを配置し、それら各空燃比センサの検出信号を用いて空燃比を制御し良好な排気浄化特性を得ようとする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、内燃機関の排気通路において上流側及び下流側に並べて第１触媒装置と第２触媒装置とを配置すると共に、第１触媒装置の上流側及び下流側にそれぞれ第１空燃比センサ及び第２空燃比センサを配置し、これら第１，第２空燃比センサの検出値を用いて空燃比を制御し良好な排気浄化特性を得ようとする技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、上記特許文献１の技術では、単一の触媒装置にて十分な排気浄化効果を得るには触媒装置の大型化が不可欠であり、その触媒装置を挟んで上流側及び下流側に空燃比センサを配置する構成であるために制御の応答性が不十分になるおそれがあった。また、上記特許文献２の技術では、最終的な触媒装置（最下流触媒）から排出される排気を監視することができないため、排気エミッションを悪化させるおそれがあった。

また、上記の如く触媒装置を挟んで２つの空燃比センサを配置する構成において、高い排気浄化特性を維持するためには、下流側センサの検出信号を用いたフィードバック制御の応答性を高める必要があり、当該フィードバック制御において高周波帯域での制御ゲインを高くしなければならない。この場合、上流側センサの検出信号を用いたフィードバック制御は、元々高周波数帯域での制御ゲインが高いものとなっている。そのため、上流側センサの検出信号に基づくフィードバック制御と、下流側センサの検出信号に基づくフィードバック制御とが干渉してしまい、結果として排気エミッションが悪化する等の不都合を招くおそれがあった。

また更に、内燃機関の排気通路において上流側及び下流側に並べて第１触媒装置と第２触媒装置とを配置すると共に、第１触媒装置の上流側、第１，第２触媒装置の間、第２触媒装置の下流側にそれぞれ第１，第２，第３空燃比センサを配置し、第１空燃比センサの出力に基づいて混合気の空燃比が目標空燃比になるようＦ／Ｂ制御を実施する第１のＦ／Ｂ制御手段と、第２空燃比センサの出力に基づいて第１のＦ／Ｂ制御定数を算出する第２のＦ／Ｂ制御手段と、第３空燃比センサの出力に基づいて第２のＦ／Ｂ制御定数を算出する第３のＦ／Ｂ制御手段とを備えた技術が知られている（例えば特許文献３参照）。これにより、最終的な排気特性が改善されるもとしていた。

しかしながら、上記特許文献３の技術は、３重のＦ／Ｂ制御を実施するものであるため、制御構成が煩雑化するといった問題があった。また、触媒装置の下流側における応答遅れ等に起因して第２のＦ／Ｂ制御と第３のＦ／Ｂ制御とが干渉してしまい、制御が不安定になるという問題もあった。つまり、例えば小刻みな空燃比変動が生じる場合等では、第２空燃比センサ出力がリッチ、第３空燃比センサ出力がリーンとなる状態も考えられ、かかる状態下では、第２，第３のＦ／Ｂ制御が干渉し、制御の安定性が低下するおそれがあった。故に、未だ改善の余地が残されていた。
特開平２−６７４４３号公報 特開平５−３２１６５１号公報 特開平８−１４０８８号公報

本発明は、制御構成の簡素化を図り、しかも応答性や排気エミッションの適正化を実現することができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、第１フィードバック制御手段により、第１空燃比センサにより検出される実空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が実施される。また、第２フィードバック制御手段により、第２空燃比センサと第３空燃比センサにより検出される各空燃比に基づいて一つのフィードバック制御手段により、前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータが補正される。ここで、制御パラメータには、目標空燃比、フィードバック補正係数、ゲイン等が含まれる。

本構成によれば、排気通路の上流側及び下流側に触媒装置を設置し、それらの前後に３つの空燃比センサを設けた構成において、第２，第３空燃比センサの各検出値をひとまとめにして扱うことから、従来技術のように３重にＦ／Ｂ制御を実施する構成とは異なり、構成の簡素化を図ることができる。また、下流側触媒装置の前後に設けた空燃比センサの検出値（第２，第３空燃比センサ出力）を好適に用いて空燃比制御が実施できることから、応答性の改善を図りつつ、最終的な排気エミッションを良好な状態で保持することができるようになる。

請求項２に記載の発明では、第２空燃比センサと第３空燃比センサで各々検出される空燃比に基づいて各センサ間の仮想空燃比が算出され、該仮想空燃比により前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータが補正される。この場合、第２，第３空燃比センサの検出結果を１つに集約できるため、制御構成の簡素化を図ることができる。なお、第２，第３空燃比センサ間には下流側触媒装置が配されるため、前記仮想空燃比は下流側触媒装置の内部空燃比であるとも言える。

請求項３に記載の発明では、第２空燃比センサにより検出される空燃比と第３空燃比センサにより検出される空燃比とに所定の重み付けが行われて前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータが補正される。例えば、上流側触媒装置での排気浄化が十分である場合、主に第２空燃比センサの検出値に基づいて制御パラメータの補正を実施し、上流側触媒装置での排気浄化が十分でない場合、主に第３空燃比センサの検出値に基づいて制御パラメータの補正を実施することが考えられる。このことは第２，第３空燃比センサの各検出値に対する重み付けを適宜変更することで対応でき、適正なる応答性を維持しつつ、排気エミッションを良好に管理することが可能となる。

請求項４に記載の発明では、運転状態検出手段により検出される内燃機関の運転状態に基づいて、第２空燃比センサにより検出される空燃比と第３空燃比センサにより検出される空燃比とに対する重み付けが設定される。つまり、内燃機関の運転状態によって上流側触媒装置の浄化特性（反応特性）が変化するが、本請求項４によれば、かかる変化に対応した良好なる空燃比制御が実現できる。ここで言う内燃機関の運転状態には、回転速度、吸入空気量、負荷、排気温度、排気流量、触媒温度、空燃比が含まれる。

ここで、排気流量に応じて上流側触媒装置の浄化特性が変化することが考えられる。そのため、請求項５に記載したように、排気流量検出手段により検出される排気流量に基づいて、第２空燃比センサにより検出される空燃比と第３空燃比センサにより検出される空燃比とに対する重み付けが設定されると良い。より具体的には、請求項６に記載したように、排気流量が大きいほど、第２空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを小さくし、第３空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを大きくすると良い。

請求項７に記載の発明では、劣化検出手段により検出される上流側触媒装置の劣化度合に基づいて、第２空燃比センサにより検出される空燃比と第３空燃比センサにより検出される空燃比とに対する重み付けが設定される。つまり、上流側触媒装置の劣化が進行すると当該触媒装置の浄化機能が低下するが、本請求項７によれば、上流側触媒装置の劣化が進行したとしてもそれに対応した良好なる空燃比制御が実現できる。

具体的には、請求項８に記載したように、上流側触媒装置の劣化度合が大きいほど、第２空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを小さくし、第３空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを大きくすると良い。

請求項９に記載の発明では、第２空燃比センサにより検出される空燃比を入力、第３空燃比センサにより検出される空燃比を出力としたモデルを用い、該モデルの状態推定器により入力から出力の間の状態量が推定されて前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータが補正される。この場合、モデルを用いることで制御精度の向上を図ることができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、多気筒内燃機関である車載４気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築し、当該制御システムにおいてエンジン制御用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いて本制御システムの主要な構成を説明する。

図１において、エンジン１０の吸気ポート近傍には気筒毎に電磁駆動式の燃料噴射弁１１が取り付けられている。燃料噴射弁１１からエンジン１０の各気筒に燃料が噴射供給されると、各気筒の吸気ポートでは吸入空気と燃料噴射弁１１による噴射燃料とが混合されて混合気が形成され、この混合気が吸気バルブ（図示略）の開放に伴い各気筒の燃焼室に導入されて燃焼に供される。

エンジン１０で燃焼に供された混合気は、排気バルブ（図示略）の開放に伴い排気として排気マニホールド１２及び排気管１３を介して排出される。排気管１３には、上流側及び下流側に２つの触媒装置１５，１６が配設されている。これら各触媒装置１５，１６は何れも排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を低減させる三元触媒等を有するものとして構成されている。以下、上流側の触媒装置１５を上流側触媒、下流側の触媒装置１６を下流側触媒とも言う。

排気管１３において上流側触媒１５の上流側、上流側触媒１５と下流側触媒１６との間、下流側触媒１６の下流側にはそれぞれ、第１空燃比センサ２１、第２空燃比センサ２２、第３空燃比センサ２３が配設されている。第１空燃比センサ２１は、排気中の酸素濃度を検出することにより広域の空燃比をリニアに検出する、いわゆるＡ／Ｆセンサにて構成され、第２，第３空燃比センサ２２，２３は、理論空燃比を境にリッチ側、リーン側で各々異なる起電力信号を出力する、いわゆるＯ2センサにて構成される。但しこれら触媒や空燃比センサの構成は一例に過ぎず、第１〜第３空燃比センサ２１〜２３を全てＡ／Ｆセンサ、又はＯ2センサにて構成する等、構成の変更は可能である。また、酸素濃度以外に排気中のＮＯｘ濃度も検出可能な複合型ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）を用いることも可能である。

図示は省略するが、本制御システムでは、前記空燃比センサ２１〜２３以外にも吸入空気量を検出するエアフロメータ、吸気管負圧を検出する吸気管負圧センサ、エンジン水温を検出する水温センサ、エンジンの所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサなど各種センサが設けられており、各空燃比センサ２１〜２３の検出信号と同様、各種センサの検出信号もエンジンＥＣＵ３０に適宜入力されるようになっている。

エンジンＥＣＵ３０は、各空燃比センサ２１〜２３の検出信号に基づいて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。なお以下の説明では、第１空燃比センサ２１の検出信号を第１センサ出力、第２空燃比センサ２２の検出信号を第２センサ出力、第３空燃比センサ２３の検出信号を第３センサ出力とも言う。つまり、エンジンＥＣＵ３０は、Ｆ／Ｂ制御部３１、サブＦ／Ｂ制御部３２及びサブＦ／Ｂパラメータ算出部３３を有しており、Ｆ／Ｂ制御部３１では、第１センサ出力に基づいて実空燃比を求め、その実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいてＦ／Ｂ制御を実施する。これが「第１フィードバック制御手段」に相当する。サブＦ／Ｂ制御部３２では、後述するサブＦ／Ｂパラメータにより目標空燃比を補正する、いわゆるサブＦ／Ｂ制御を実施する。また、サブＦ／Ｂパラメータ算出部３３では、第２センサ出力及び第３センサ出力に基づいて補正パラメータとしてのサブＦ／Ｂパラメータを算出する。サブＦ／Ｂ制御部３２及びサブＦ／Ｂパラメータ算出部３３が「第２フィードバック制御手段」に相当する。本実施の形態では、下流側触媒１６の内部空燃比に対応する仮想センサ出力を求め、これをサブＦ／ＢパラメータとしてサブＦ／Ｂ制御に用いることとしている。具体的には、第２センサ出力、第３センサ出力に対する重み付け量（係数）ｋ１，ｋ２を設定し、各出力に重み付け量ｋ１，ｋ２を乗じて加算したものを仮想センサ出力として算出する。すなわち、
仮想センサ出力＝ｋ１×第２センサ出力＋ｋ２×第３センサ出力
としている。

重み付け量ｋ１，ｋ２の設定には、例えば図４（ａ），（ｂ）の特性を用いる。図４（ａ）は、その都度の吸入空気量をパラメータとしてｋ１，ｋ２を算出する場合の特性を表しており、吸入空気量が少ないほどｋ１の比率を大きく、逆にｋ２の比率を小さくしている。そして、吸入空気量が増えるにつれ、ｋ１の比率を小さく、逆にｋ２の比率を大きくしている。これは、吸入空気量に応じて排気流量が相違し、ひいては上流側触媒１５の浄化特性が変化することを考慮したものである。より具体的に説明すると、吸入空気量が比較的少なく排気流量が少ない場合には、上流側触媒１５で排気が十分に浄化されるため、主に第２センサ出力に基づくサブＦ／Ｂ制御を実施することとし、吸入空気量の増加により排気流量が増加する場合には、上流側触媒１５で排気浄化が十分に行えず未浄化の排気が上流側触媒１５の下流側領域に流れるため、第３センサ出力の重み付けを大きくしてサブＦ／Ｂ制御を実施することとする。吸入空気量に代えて、エンジン回転数、負荷、排気流量をパラメータとして用いることが可能であり、更に排気温度、触媒温度、空燃比を加味して重み付け量を設定することも可能である。要は、排気流量が直接的又は間接的に検出できるものであればよい。

また、図４（ｂ）は、上流側触媒１５の劣化係数をパラメータとしてｋ１，ｋ２を設定する場合の特性を表しており、劣化係数が小さいほど（すなわち劣化が進行していない場合ほど）ｋ１の比率を大きく、逆にｋ２の比率を小さくしている。そして、劣化係数が大きくなるにつれ（すなわち劣化が進行するほど）ｋ１の比率を小さく、逆にｋ２の比率を大きくしている。つまり、上流側触媒１５の劣化が進行すると、当該触媒１５の浄化機能が低下し、それに伴い未浄化の排気が上流側触媒１５の下流側領域に流れることが考えられるため、第３センサ出力の重み付けを大きくしてサブＦ／Ｂ制御を実施することとしている。

図４（ａ），（ｂ）の何れか一方のみを用いて重み付け量ｋ１，ｋ２を設定することもできるが、本実施の形態では両方を用いて最終的な重み付け量を設定することとしている。

因みに、上流側触媒１５の劣化係数は任意の劣化判定手法にて求められれば良く、ここでは詳細な説明は省略するが、例えば、周知のように触媒の上流側センサと下流側センサの各出力の周波数比や振幅比等に基づいて触媒劣化係数が求められる。

図２は、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実現するための燃料噴射制御処理を示すフローチャートであり、本処理は所定の時間周期でエンジンＥＣＵ３０により実行される。

図２において、先ずステップＳ１０１では、例えば基本噴射量マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷等の運転状態パラメータに基づいて基本燃料噴射量ＴＰを算出する。続くステップＳ１０２では、空燃比Ｆ／Ｂの実行条件が成立しているか否かを判別する。かかる実行条件は、エンジン冷却水温が所定温度以上であること、エンジン運転状態が高回転・高負荷領域ではないこと等であり、これらの条件を全て満たしたときにＦ／Ｂ実行条件が成立する。実行条件不成立の場合、ステップＳ１０３に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０とする。この場合、空燃比のＦ／Ｂ補正は行われないこととなる。

また、空燃比Ｆ／Ｂの実行条件成立の場合、ステップＳ１０４では目標空燃比λｔｇの算出処理を実行し、続くステップＳ１０５では、第１センサ出力に基づいて算出した実空燃比（上流側触媒１５に流入する排気空燃比）と目標空燃比λｔｇとの偏差に応じて空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。なお、空燃比補正係数ＦＡＦの算出には任意のＦ／Ｂ手法を用いることができ、例えばＰＩＤ等、周知の手法を用いて空燃比補正係数ＦＡＦが算出される。

空燃比補正係数ＦＡＦの算出後、ステップＳ１０６では、ＦＡＦ以外の各種の補正係数ＦＡＬＬ（例えば冷却水温補正係数、学習補正係数、加減速時の補正係数等）を算出すると共に、基本燃料噴射量ＴＰ、空燃比補正係数ＦＡＦ及び他の各種補正係数ＦＡＬＬを用いて要求燃料噴射量ＴＡＵを算出し、その後本処理を終了する（ＴＡＵ＝ＴＰ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ）。

次に、前記ステップＳ１０４における目標空燃比λｔｇの算出処理を図３に基づいて説明する。図３において、先ずステップＳ２０１では、例えばベース目標空燃比マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷に応じてベース目標空燃比λｂａｓｅを算出する。続くステップＳ２０２では、サブＦ／Ｂ制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。かかる実行条件は、第２，第３空燃比センサ２２，２３が共に活性状態にあること等を含む。実行条件不成立であればステップＳ２０３に進み、目標空燃比補正係数ｋｔｇを１．０とする。この場合、目標空燃比の補正は行われないこととなる。

また、サブＦ／Ｂの実行条件成立の場合、ステップＳ２０４では第２センサ出力及び第３センサ出力を取得し、続くステップＳ２０５ではサブＦ／Ｂパラメータとしての仮想センサ出力を算出する。このとき、前述したとおり第２，第３センサ出力に対する重み付け量ｋ１，ｋ２を設定すると共に、その重み付け量を乗じて加算することにより仮想センサ出力を算出する。その後、ステップＳ２０６では、前記算出した仮想センサ出力に対してガード処理を実施する。このガード処理により、予め定めた所定範囲から外れるような異常値が排除される。

ステップＳ２０７では、前記算出した仮想センサ出力と目標センサ出力（例えば０．４５Ｖ）との偏差に基づいて目標空燃比補正係数ｋｔｇを算出する。このとき、例えばＰＩＤ等、周知のＦ／Ｂ手法を用いて目標空燃比補正係数ｋｔｇが算出される。最後に、ステップＳ２０８では、ベース目標空燃比λｂａｓｅ及び目標空燃比補正係数ｋｔｇにより目標空燃比λｔｇを算出する（λｔｇ＝λｂａｓｅ×ｋｔｇ）。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

第２，第３センサ出力に基づいて仮想センサ出力（補正パラメータ）を算出し、その仮想センサ出力をサブＦ／Ｂ制御に用いることにより、第２，第３センサ出力をひとまとめに扱うことができ、従来技術のように３重にＦ／Ｂ制御を実施する構成に比べて構成の簡素化を図ることができる。また、下流側触媒１６前後の空燃比センサ出力（第２，第３センサ出力）を好適に用いて空燃比制御が実施できることから、応答性の改善を図りつつ、最終的な排気エミッションを良好な状態で保持することができるようになる。

仮想センサ出力の算出に用いる重み付け量ｋ１，ｋ２をエンジン運転状態や上流側触媒１５の劣化状態に基づいて適宜設定する構成としたため、エンジン運転状態や上流側触媒１５の劣化状態が変化したとしても、適正なる応答性を維持しつつ排気エミッションを良好に管理することが可能となる。この場合、長期にわたって排気エミッションが良好に管理できる。

（第２の実施の形態）
上記実施の形態では、排気管１３に上流側及び下流側の２つの触媒装置１５，１６を設け、それら各触媒装置１５，１６の前後に第１〜第３空燃比センサ２１〜２３を配置した制御システムについて説明したが、本実施の形態では、上流側触媒装置１５の前後に２つの空燃比センサを配置した制御システムについて説明する。

図５は、本実施の形態における制御システムを示す構成図である。図５の構成は、前記図１の一部を変更したものであり、その構成を簡単に説明する。排気管１３には上流側触媒１５及び下流側触媒１６が配設されており、上流側触媒１５の上流側及び下流側にはそれぞれ、第１空燃比センサ２１、第２空燃比センサ２２が配設されている。前述のとおり第１空燃比センサ２１は、広域の空燃比をリニアに検出する、いわゆるＡ／Ｆセンサであり、第２空燃比センサ２２は、理論空燃比を境にリッチ側、リーン側で各々異なる起電力信号を出力する、いわゆるＯ2センサである。

エンジンＥＣＵ３０は、各空燃比センサ２１，２２の検出信号（第１センサ出力、第２センサ出力）に基づいて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。この場合、エンジンＥＣＵ３０は、仮想センサ出力算出部４１とＦ／Ｂ制御部４２とを備えている。仮想センサ出力算出部４１は、各空燃比センサ２１，２２の検出信号を取り込み、これら検出信号に基づいて上流側触媒１５の内部空燃比に対応する仮想センサ出力を算出する。Ｆ／Ｂ制御部４２は、仮想センサ出力算出部４１により算出した仮想センサ出力が目標空燃比に一致するよう空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。

仮想センサ出力算出部４１について具体的には、第１センサ出力、第２センサ出力に対する重み付け量（係数）ｋ１，ｋ２を設定し、各出力に重み付け量ｋ１，ｋ２を乗じて加算したものを仮想センサ出力として算出する。すなわち、
仮想センサ出力＝ｋ１×第１センサ出力＋ｋ２×第１センサ出力
としている。

重み付け量ｋ１，ｋ２の設定には、例えば前述した図４（ａ），（ｂ）の特性を用いることができる。前述したとおり、図４（ａ）は、その都度の吸入空気量をパラメータとしてｋ１，ｋ２を算出する場合の特性を表しており、吸入空気量が少ないほどｋ１の比率を大きく、逆にｋ２の比率を小さくしている。そして、吸入空気量が増えるにつれ、ｋ１の比率を小さく、逆にｋ２の比率を大きくしている。なお、吸入空気量に代えて、エンジン回転数、負荷、排気流量をパラメータとして用いることが可能であり、更に排気温度、触媒温度、空燃比を加味して重み付け量を設定することも可能である。要は、排気流量が直接的又は間接的に検出できるものであればよい。

また、図４（ｂ）は、上流側触媒１５の劣化係数をパラメータとしてｋ１，ｋ２を設定する場合の特性を表しており、劣化係数が小さいほど（すなわち劣化が進行していない場合ほど）ｋ１の比率を大きく、逆にｋ２の比率を小さくしている。そして、劣化係数が大きくなるにつれ（すなわち劣化が進行するほど）ｋ１の比率を小さく、逆にｋ２の比率を大きくしている。図４（ａ），（ｂ）の何れか一方のみを用いて重み付け量ｋ１，ｋ２を設定することもできるが、本実施の形態では両方を用いて最終的な重み付け量を設定することとしている。

図６は、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実現するための燃料噴射制御処理を示すフローチャートであり、本処理は所定の時間周期でエンジンＥＣＵ３０により実行される。

図６において、先ずステップＳ３０１では、例えば基本噴射量マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷等の運転状態パラメータに基づいて基本燃料噴射量ＴＰを算出する。続くステップＳ３０２では、空燃比Ｆ／Ｂの実行条件が成立しているか否かを判別する。実行条件不成立の場合、ステップＳ３０３に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０とする。この場合、空燃比のＦ／Ｂ補正は行われないこととなる。

また、空燃比Ｆ／Ｂの実行条件成立の場合、ステップＳ３０４では、目標空燃比マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷に応じて目標空燃比λｔｇを算出する。続くステップＳ３０５では、第１センサ出力と第２センサ出力とを取得する。なおこのとき、第１センサ出力はＡ／Ｆセンサ出力（空燃比に対して比例的に変化する電圧出力）、第２センサ出力はＯ2センサ出力（ストイキを境に急変する起電力出力）であり、それらが異なるセンサ出力であるため、少なくとも一方（ここでは第２センサ出力）を換算して両センサ出力を直接対比できるようにする。

その後、ステップＳ３０６では、前述したとおり第１，第２センサ出力に対する重み付け量ｋ１，ｋ２を設定すると共に、その重み付け量を乗じて加算することにより仮想センサ出力を算出する。ステップＳ３０７では、前記算出した仮想センサ出力に対してガード処理を実施する。このガード処理により、予め定めた所定範囲から外れるような異常値が排除される。

ステップＳ３０８では、前記算出した仮想センサ出力に基づいて算出した仮想空燃比（上流側触媒１５の内部空燃比）と目標空燃比λｔｇとの偏差に応じて空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。ＦＡＦ算出後、ステップＳ３０９では、ＦＡＦ以外の各種の補正係数ＦＡＬＬ（例えば冷却水温補正係数、学習補正係数、加減速時の補正係数等）を算出すると共に、基本燃料噴射量ＴＰ、空燃比補正係数ＦＡＦ及び他の各種補正係数ＦＡＬＬを用いて要求燃料噴射量ＴＡＵを算出し、その後本処理を終了する（ＴＡＵ＝ＴＰ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ）。

以上第２の実施の形態によれば、第１，第２センサ出力に基づいて仮想センサ出力を算出し、その仮想センサ出力を用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する構成とした。つまり、２つのセンサ出力をひとまとめに扱うようにした。これにより、多重のＦ／Ｂ制御を実施する従来技術とは異なり、制御構成の簡素化を図ることができる。また、多重のフィードバック制御が各々干渉するといった不都合が解消できる。その結果、応答性や排気エミッションの適正化を実現することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

前記第１の実施の形態において、上流側触媒１５の活性状態を検出し、その都度の活性状態に応じて第２，第３センサ出力に対する重み付け量ｋ１，ｋ２を設定しても良い。この場合、触媒活性化が完了していない状態（暖機途中）であっても良好な空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施できる。第２の実施の形態についても同様であり、上流側触媒１５の活性状態に応じて第１，第２センサ出力に対する重み付け量ｋ１，ｋ２を設定しても良い。

前記第１の実施の形態では、第２，第３センサ出力に対する重み付け量ｋ１，ｋ２を設定し、その重み付け量を用いてサブＦ／Ｂパラメータ（補正パラメータ）としての仮想センサ出力を算出したが、この構成を以下のように変更する。第２，第３センサ出力に基づいて下流側触媒１６の内部空燃比を推定し、これをサブＦ／ＢパラメータとしてサブＦ／Ｂ制御に用いる。すなわち、第２センサ出力と第３センサ出力とを関連づけたモデルにおいて下流側触媒１６の内部空燃比（触媒内部空燃比）を状態変数とするオブザーバを構築し、該オブザーバの観測結果から触媒内部空燃比を推定する。図７にはカルマンフィルタ式オブザーバのブロック線図を示す。

この場合、第２センサ出力をｕ、第３センサ出力をｙ、状態量としての触媒内部空燃比をＸとすると、以下のモデルが得られる。次の数式中、Ａ，Ｂ，Ｃは定数行列、ｖ、ｗはノイズである。

また、触媒内部空燃比の推定値をＸ＾（エックスハット）とすると、推定誤差ｅは、

となり、第２センサ出力ｕ、第３センサ出力ｙから触媒内部空燃比Ｘを推定する推定器は、

となる。ここで、Ｋは、

である。Ｐは以下のリカッチ方程式の解であり、Ｒ及び以下の式のＱは設計者が与える重み行列である。

以上により触媒内部空燃比の推定値Ｘ＾が求められ、この推定値Ｘ＾をサブＦ／Ｂ制御に用いることで高精度なサブＦ／Ｂ制御が実現できる。

前記第２の実施の形態についても、第１センサ出力と第２センサ出力とを関連づけたモデルを用い、各センサ間の仮想空燃比を推定するようにしても良い。すなわち、第１空燃比センサ２１により検出される空燃比を入力、第２空燃比センサ２２により検出される空燃比を出力としたモデルを用い、該モデルの状態推定器により入力から出力の間の状態量を推定して制御パラメータとしての仮想空燃比（上流側触媒１５の内部空燃比）を算出する。この場合、モデルを用いることで制御精度の向上を図ることができる。

前記第１の実施の形態では、第２，第３センサ出力に基づいて算出した補正パラメータ（サブＦ／Ｂパラメータ）を用いて目標空燃比λｔｇを補正したが、これを変更し、前記補正パラメータにより空燃比補正係数ＦＡＦを補正する構成としても良い。

また、補正パラメータ（サブＦ／Ｂパラメータ）を算出せずに、第２，第３センサ出力に基づいて目標空燃比λｔｇ、空燃比補正係数ＦＡＦ等の制御パラメータを補正するようにしても良い。

上記実施の形態では、エンジン排気管の上流側及び下流側に２つの触媒装置１５，１６を設置すると共に、各触媒装置１５，１６の前後に第１〜第３空燃比センサ２１〜２３を配置したが、この構成を以下のように変更する。エンジン排気管に３つ以上の触媒装置を並べて設置すると共に、各触媒装置の前後にそれぞれ空燃比センサを配置する。つまり、触媒装置を少なくとも３つ、空燃比センサを少なくとも４つ設けた構成とする。この構成において、最も上流側の触媒装置を「上流側触媒装置」、その下流側の２つ以上の触媒装置（触媒群）を「下流側触媒装置」とすれば、前記実施の形態と同様に第１フィードバック制御手段、第２フィードバック制御手段の実現が可能となる。つまり、第２フィードバック制御手段を実現する上で、上流から見て２番目以降の各空燃比センサ（第２，第３空燃比センサに相当）の出力値に基づいて補正パラメータ（サブＦ／Ｂパラメータ）を算出し、その補正パラメータをサブＦ／Ｂ制御に用いる。この場合、２番目以降の各空燃比センサ出力に対して重み付け量を設定し、各センサ出力にそれぞれ重み付け量を乗じて加算したものを補正パラメータとすれば良い。例えば、２番目以降の空燃比センサが３つある場合（すなわち合計４つの空燃比センサを設けた場合）、各センサ出力に対応させて３つの重み付け量ｋａ１，ｋａ２，ｋａ３を設定する。このとき、上流側触媒装置の浄化状況に応じて各重み付け量を設定すると良い。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。 目標空燃比λｔｇの算出処理を示すフローチャートである。 第２，第３センサ出力に対する重み付け量を設定するための特性図である。 第２の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 第２の実施の形態における燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。 カルマンフィルタ式オブザーバを示すブロック線図である。

符号の説明

１０…エンジン、１３…排気管、１５…上流側触媒、１６…下流側触媒、２１…第１空燃比センサ、２２…第２空燃比センサ、２３…第３空燃比センサ、３０…エンジンＥＣＵ、３１…Ｆ／Ｂ制御部、３２…サブＦ／Ｂ制御部、３３…サブＦ／Ｂパラメータ算出部、４１…仮想センサ出力算出部、４２…Ｆ／Ｂ制御部。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ配設された上流側触媒装置及び下流側触媒装置と、
   前記排気通路において上流側触媒装置の上流側、上流側触媒装置と下流側触媒装置との間、下流側触媒装置の下流側にそれぞれ配設され排気の空燃比を検出する第１，第２及び第３空燃比センサと、
   前記第１空燃比センサにより検出される実空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御を実施する第１フィードバック制御手段と、
   前記第２空燃比センサと前記第３空燃比センサにより検出される各空燃比に基づいて一つのフィードバック制御手段により、前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータを補正する第２フィードバック制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記第２フィードバック制御手段は、前記第２空燃比センサと前記第３空燃比センサで各々検出される空燃比に基づいて各センサ間の仮想空燃比を算出し、該仮想空燃比により前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータを補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記第２フィードバック制御手段は、前記第２空燃比センサにより検出される空燃比と前記第３空燃比センサにより検出される空燃比とに所定の重み付けを行い前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータを補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、
   前記第２フィードバック制御手段は、前記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて前記第２空燃比センサにより検出される空燃比と前記第３空燃比センサにより検出される空燃比とに対する重み付けを設定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。
5. 前記運転状態検出手段は、排気流量を検出する排気流量検出手段を含み、
   前記第２フィードバック制御手段は、前記排気流量検出手段により検出される排気流量に基づいて前記第２空燃比センサにより検出される空燃比と前記第３空燃比センサにより検出される空燃比とに対する重み付けを設定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 前記第２フィードバック制御手段は、排気流量が大きいほど、前記第２空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを小さくし、前記第３空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを大きくすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
7. 前記運転状態検出手段は、前記上流側触媒装置の劣化度合を検出する劣化検出手段を含み、
   前記第２フィードバック制御手段は、前記劣化検出手段により検出される前記上流側触媒装置の劣化度合に基づいて前記第２空燃比センサにより検出される空燃比と前記第３空燃比センサにより検出される空燃比とに対する重み付けを設定することを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
8. 前記第２フィードバック制御手段は、前記上流側触媒装置の劣化度合が大きいほど、前記第２空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを小さくし、前記第３空燃比センサにより検出される空燃比に対する重み付けを大きくすることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の空燃比制御装置。
9. 前記第２フィードバック制御手段は、前記第２空燃比センサにより検出される空燃比を入力、前記第３空燃比センサにより検出される空燃比を出力としたモデルを用い、該モデルの状態推定器により入力から出力の間の状態量を推定して前記第１フィードバック制御手段の制御パラメータを補正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。

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