JP2009191814A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 失火の発生による機関空燃比制御の乱れが可及的に抑制され得る、空燃比制御装置を提供すること。
【解決手段】 空燃比制御装置（６）は、メインフィードバック部（６１２）と、サブフィードバック部（６０８）と、失火検知部（６０３）と、目標空燃比シフト部（６０４）と、を備えている。失火検知部（６０３）は、失火発生状態を検知する。目標空燃比シフト部（６０４）は、失火検知部（６０３）により検知された失火発生状態に基づいて、目標空燃比を、理論空燃比から一時的にシフトさせる。本発明においては、目標空燃比シフト部（６０４）は、失火が発生した場合に上流側空燃比センサ（６７）に生じる応答と同じ方向に、目標空燃比をシフトさせる
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の空燃比を制御する、空燃比制御装置に関する。なお、本明細書における以下の記述において、「内燃機関」は、単に「機関」と略称されることもある（例えば「機関空燃比」等）。

この種の装置として、例えば、特開平６−１２９２８７号公報、特開平８−１４０９２号公報、特開平８−６８３５２号公報、特開平１０−１０３１３９号公報、等に開示されたものが知られている。これらの装置における排気通路には、空燃比センサが配設されている。この空燃比センサは、酸素濃度センサであって、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を生じるようになっている。そして、この種の装置は、前記空燃比センサの出力に基づいて、機関空燃比を制御するようになっている。
特開平６−１２９２８７号公報 特開平８−１４０９２号公報 特開平８−６８３５２号公報 特開平１０−１０３１３９号公報

失火［misfire］が発生すると、燃焼室に供給された燃料混合気における未燃燃料及び酸素は、燃焼に供されることなく、前記排気通路に放出される。このため、失火発生時（特に点火系の異常による失火時）には、前記空燃比センサにて、真の機関空燃比（前記燃焼室に実際に供給された燃料混合気の空燃比）に対応するものとは明らかに異なる出力（応答）が生じ得る。このため、この種の装置においては、失火の発生により、機関空燃比の制御に乱れが生じることがあり得る。

具体的には、例えば、点火系の異常による失火時において、前記空燃比センサにて酸素濃度の増大が検知される。すると、真の機関空燃比がたとえ理論空燃比（場合によっては弱リッチ）であったとしても、機関空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンであると誤って判断される。そして、このような判断に基づいて、機関空燃比が誤ってリッチ方向に制御される（特開平８−６８３５２号公報における「従来の技術」欄を参照）。

本発明は、このような課題に対処するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、失火の発生による機関空燃比制御の乱れが可及的に抑制され得る、空燃比制御装置を提供することにある。

本発明の適用対象となる内燃機関（特にいわゆる４サイクル内燃機関）には、上流側空燃比センサと、下流側空燃比センサと、排気ガス浄化用の触媒と、が設けられている。前記上流側空燃比センサは、前記触媒よりも上流側の排気通路に配設されている。前記下流側空燃比センサは、前記触媒よりも下流側の前記排気通路に配設されている。これらの空燃比センサは、排気ガスの空燃比（排気ガス中の特定成分の濃度：例えば酸素濃度）に対応する出力を生じるように構成されている。

例えば、複数の前記触媒が設けられている場合には、それらのうちの最上流側のもの（以下、「上流側触媒」と称する。）の両側に、前記上流側空燃比センサ及び前記下流側空燃比センサが設けられている。具体的には、前記上流側触媒の直前に前記上流側空燃比センサが設けられているとともに、前記上流側触媒の直後に前記下流側空燃比センサが設けられている。

本発明の空燃比制御装置は、メインフィードバック部と、サブフィードバック部と、失火検知部と、目標空燃比シフト部と、を備えている（なお、「部」は「手段」とも言い換えられ得る（例えば「メインフィードバック手段」等：以下同様。）。

前記メインフィードバック部は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を目標空燃比に近づけるためのメインフィードバック補正値を取得するようになっている。前記サブフィードバック部は、前記下流側空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック補正値による空燃比制御に対する補正（前記上流側空燃比センサの前記出力の目標値に対する補正、前記上流側空燃比センサの前記出力に対する補正、あるいは前記メインフィードバック補正値に対する補正）を行うためのサブフィードバック補正値を取得するようになっている。具体的には、例えば、前記サブフィードバック部は、前記触媒から流出する排気ガスの空燃比を理論空燃比に近づける（ひいては前記触媒に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比に近づける）方向で前記サブフィードバック補正値を取得するようになっている。

なお、前記空燃比制御装置は、さらにサブフィードバック学習部を備え得る。このサブフィードバック学習部は、前記サブフィードバック補正値に基づいて、定常的誤差を補正する（定常偏差分を学習する）ためのサブフィードバック学習値を取得するようになっている。具体的には、例えば、前記サブフィードバック学習部は、ＰＩ（あるいはＰＩＤ）制御による前記サブフィードバック補正値のうちの、積分項に基づいて、前記サブフィードバック学習値を取得するようになっている。

前記失火検知部は、失火発生状態（具体的には、失火の発生、失火率、失火発生タイミング、失火発生気筒、等のうちの少なくとも１つ）を検知するようになっている。前記目標空燃比シフト部は、前記失火検知部により検知された前記失火発生状態に基づいて、目標空燃比を、理論空燃比から一時的にシフトさせるようになっている。

※本発明の特徴は、前記目標空燃比シフト部が、失火が発生した場合に前記上流側空燃比センサに生じる応答と同じ方向に、前記目標空燃比をシフトさせるようになっていることにある。

かかる構成を備えた本発明の空燃比制御装置においては、燃焼室を経た排気ガスの空燃比に対応する出力が、前記上流側空燃比センサにて生じる。この出力に基づいて、前記メインフィードバック補正値が取得される。また、前記触媒から流出した排気ガスの空燃比に対応する出力が、前記下流側空燃比センサにて生じる。この出力に基づいて、前記サブフィードバック補正値が取得される。これらのメインフィードバック補正値及びサブフィードバック補正値に基づいて、機関空燃比制御が行われる。

ここで、失火が発生すると、前記上流側空燃比センサの前記出力は、真の機関空燃比に対応するものとは明らかに異なるものとなり得る（なお、失火時の未燃の燃料混合気は、通常、前記触媒にて反応したり浄化されたりするので、失火による前記下流側空燃比センサの出力への影響は小さい。）。

例えば、前記上流側空燃比センサとして限界電流式の酸素濃度センサが用いられている場合、その検知部との反応速度は、Ｏ_２ガスの方がＨＣガスよりも大きい。よって、この場合、真の機関空燃比が理論空燃比及びその近傍であっても、失火発生時には、前記上流側空燃比センサにより、Ｏ_２ガス濃度の大幅な上昇が検知される。すなわち、失火発生時には、前記上流側空燃比センサの前記出力は、理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比に対応するものとなり得る（このような、失火発生時に前記上流側空燃比センサにリーン側出力が生じることを、以下、「リーン応答」と称する。）。

このような失火発生時のリーン応答に応じて機関空燃比がリッチ方向に誤って制御されてしまうと、真の機関空燃比の平均値がリッチ側にずれる。これにより、前記サブフィードバック部によって機関空燃比をリーン側に補正する傾向が増大する。すると、前記サブフィードバック補正値における積分項が、本来収束すべき値よりもリーン側にシフトする。あるいは、前記サブフィードバック学習値がリーン側にシフトする。これらのリーンシフトが一旦発生すると、上述の積分項や学習値が本来収束すべき値にまで回復するためには、かなりの運転時間が必要となってしまう。さらに、失火の頻発（失火率の増大）によって大幅なリーンシフトが生じると、早期回復が著しく困難となる。

そこで、本発明の空燃比制御装置においては、前記目標空燃比シフト部は、失火が発生した場合に前記上流側空燃比センサに生じる応答と同じ方向に、前記目標空燃比を一時的にシフトさせる。具体的には、失火発生時に前記上流側空燃比センサに上述のリーン応答が生じる場合、前記目標空燃比シフト部は、前記目標空燃比を一時的にリーン側にシフトさせる。

このとき、例えば、前記目標空燃比シフト部は、前記失火率に応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる度合いを決定する。この度合いは、失火発生時に前記上流側空燃比センサに生じる応答が前記内燃機関の運転状態に応じて変化し得ることから、当該運転状態に応じても決定され得る。あるいは、前記目標空燃比シフト部は、失火が発生した場合に前記上流側空燃比センサに生じる応答の推定結果に応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる度合いを決定する。

前記目標空燃比シフト部は、前記失火発生タイミングに応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる時点を決定し得る。具体的には、例えば、失火による前記上流側空燃比センサのリーン応答に基づく誤った燃料噴射量増量補正（これは前記メインフィードバック補正値によって行われる）を抑制するために、当該リーン応答の発生時期に合わせて、前記目標空燃比のリーン側への一時的なシフト時期が設定され得る。

また、前記目標空燃比シフト部は、前記失火発生気筒に対して、前記目標空燃比のシフトを実施し得る。具体的には、例えば、上述のリーン応答に基づく燃料噴射量増量補正による、真の機関空燃比の平均値のリッチシフトを、より適切に相殺するために、当該失火発生気筒に対して前記目標空燃比のリーン側への一時的なシフトが実施され得る。

本発明によれば、失火発生時の前記上流側空燃比センサの応答に基づく機関空燃比の誤った方向への制御が、上述のような目標空燃比のシフトによって、可及的に補償され得る。したがって、本発明によれば、失火の発生による機関空燃比制御の乱れが、可及的に抑制され得る。

また、本発明によれば、失火が発生しやすい運転領域（これには実際の失火発生時も含まれ得る）にて空燃比フィードバック制御を停止する技術（特開平８−６８３５２号公報参照）とは異なり、失火発生時も可及的に適切な範囲で空燃比フィードバック制御が実施される。したがって、より適切な空燃比制御が実施され得る。

以下、本発明の実施形態（本願の出願時点において出願人が最良と考えている実施形態）について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件（記述要件・実施可能要件）を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。実施形態に対する変形例（modification）の例示は、当該実施形態の説明中に挿入されると、首尾一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜内燃機関の装置構成＞
図１は、本発明の一実施形態が適用された４サイクル内燃機関１（以下、単に「内燃機関１」と称する。）の概略構成図である。この内燃機関１は、シリンダブロック部２と、シリンダヘッド部３と、吸気系統４と、排気系統５と、本発明の空燃比制御装置の一実施形態である制御装置６と、を備えている。

＜＜エンジンブロック＞＞
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２は、シリンダヘッド部３とともに、内燃機関１の本体部分（エンジンブロック）を構成するものであって、シリンダブロック部２の上端部にはシリンダヘッド部３が固定されている。

シリンダブロック部２には、複数のシリンダ２１が形成されている。各シリンダ２１内には、ピストン２２が、往復移動可能に収容されている。シリンダ２１及びピストン２２の下方には、クランクシャフト２３が回転可能に支持されつつ収容されている。クランクシャフト２３は、ピストン２２の往復移動に基づいて回転駆動されるように、コンロッド２４を介して、クランクシャフト２３と連結されている。

シリンダヘッド部３の下端面（シリンダブロック部２と対向する面）には、凹部が形成されている。この凹部は、シリンダ２１の上端部に対応する位置に設けられている。この凹部の内側の空間と、ピストン２２の頂面よりも上側のシリンダ２１の内側の空間と、によって、燃焼室２５が形成されている。

シリンダヘッド部３は、吸気ポート３１と、吸気弁３２と、可変吸気タイミング装置３３と、排気ポート３４と、排気弁３５と、エキゾーストカムシャフト３６と、点火プラグ３７と、イグナイタ３８と、インジェクタ３９と、を備えている。

吸気ポート３１は、燃焼室２５に連通するように設けられている。吸気弁３２は、吸気ポート３１を開閉するように設けられている。可変吸気タイミング装置３３は、吸気弁３２を駆動する図示しないインテークカムシャフトを備えるとともに、このインテークカムシャフトの位相角を連続的に変更するためのアクチュエータ３３ａを備えている。

排気ポート３４は、燃焼室２５に連通するように設けられている。排気弁３５は、排気ポート３４を開閉するように設けられている。エキゾーストカムシャフト３６は、排気弁３５を駆動するように設けられている。

点火プラグ３７は、その端部（下端部）に設けられた火花発生電極が燃焼室２５の上端部に露出するように配置されている。イグナイタ３８は、点火プラグ３７における上述の火花発生電極に印加するための高電圧を発生するイグニッションコイルを備えている。インジェクタ３９は、燃料を吸気ポート３１内に噴射するように設けられている。

＜＜吸排気系統＞＞
吸気系統４は、吸気管４１と、エアフィルタ４２と、スロットル弁４３と、を備えている。インテークマニホールドを含む吸気管４１は、吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するものであって、吸気ポート３１に連通するように設けられている。この吸気管４１には、エアフィルタ４２が介装されている。吸気管４１における、エアフィルタ４２と吸気ポート３１との間の位置には、スロットル弁４３が介装されている。スロットル弁４３は、吸気通路の開口断面積を可変とするように設けられていて、スロットル弁アクチュエータ４３ａによって駆動されるようになっている。

排気系統５は、エキゾーストマニホールド５１と、排気管５２と、複数の触媒（上流側触媒５３及び下流側触媒５４）と、を備えている。エキゾーストマニホールド５１は、排気ポート３４に連通するように設けられている。排気管５２は、排気ポート３４及びエキゾーストマニホールド５１とともに排気通路を構成するものであって、エキゾーストマニホールド５１に接続されている。この排気管５２には、上流側触媒５３及び下流側触媒５４が介装されている。

上流側触媒５３及び下流側触媒５４は、いわゆる三元触媒であって、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘを浄化し得るように構成されている。上流側触媒５３は、複数の触媒のうちの最上流側に配置されている。下流側触媒５４は、上流側触媒５３の直後、すなわち、上流側触媒５３から排出された排気ガスが他の触媒を介さずにそのまま流入し得るような位置に、配置されている。

＜制御装置の構成＞
本実施形態に係る制御装置６は、インジェクタ３９からの燃料噴射（量及びタイミング）や、点火プラグ３７による火花発生を含む、内燃機関１の運転動作を制御するように、以下の通りに構成されている。

制御装置６は、エンジン電子コントロールユニット（ＥＣＵ）６０を備えている。本発明のメインフィードバック部、サブフィードバック部、サブフィードバック学習部、失火影響抑制部（帯域抑制部、帯域変更部、マスク処理部）、及び失火検知部を構成するＥＣＵ６０は、ＣＰＵ６０ａと、ＲＯＭ６０ｂと、ＲＡＭ６０ｃと、バックアップＲＡＭ６０ｄと、インターフェース６０ｅと、双方向バス６０ｆと、を備えている。ＣＰＵ６０ａ、ＲＯＭ６０ｂ、ＲＡＭ６０ｃ、バックアップＲＡＭ６０ｄ、及びインターフェース６０ｅは、双方向バス６０ｆによって互いに接続されている。

ＲＯＭ６０ｂには、ＣＰＵ６０ａにより実行されるルーチン（プログラム）、及びその実行の際に用いられるテーブル、マップ、パラメータ、等が、予め格納されている。ＲＡＭ６０ｃは、ＣＰＵ６０ａによりルーチンが実行される際に、必要に応じてデータを一時的に格納し得るように構成されている。バックアップＲＡＭ６０ｄは、電源が投入された状態でＣＰＵ６０ａによりルーチンが実行される際にデータを格納するとともに、この格納されたデータを電源遮断後も保持し得るように構成されている。

インターフェース６０ｅは、後述する各種センサと電気的に接続されていて、これらからの信号をＣＰＵ６０ａに伝達し得るように構成されている。また、インターフェース６０ｅは、可変吸気タイミング装置３３（アクチュエータ３３ａ）、イグナイタ３８、インジェクタ３９、スロットル弁アクチュエータ４３ａ、等の動作部と電気的に接続されていて、これらの動作部を動作させるための動作信号をＣＰＵ６０ａからこれらの動作部に伝達し得るように構成されている。すなわち、ＥＣＵ６０は、後述する各種センサからの信号を受け取るとともに、当該信号に応じたＣＰＵ６０ａの演算結果に基づいて、上述の動作信号を各動作部に送出するようになっている。

＜＜各種センサ＞＞
本実施形態においては、エアフローメータ６２と、スロットルポジションセンサ６３と、カムポジションセンサ６４と、クランクポジションセンサ６５と、冷却水温センサ６６と、上流側空燃比センサ６７（以下「Ａ／Ｆセンサ６７」と称する）と、下流側空燃比センサ６８（以下「Ｏ₂センサ６８」と称する）と、アクセル開度センサ６９と、が設けられている。

エアフローメータ６２は、吸気管４１に介装されている。このエアフローメータ６２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である吸入空気流量Ｇａに対応する信号を出力するように構成されている。

スロットルポジションセンサ６３は、吸気管４１における、スロットル弁４３に対応する位置に装着されている。スロットルポジションセンサ６３は、スロットル弁４３の回転位相（スロットル弁開度ＴＡ）に対応する信号を出力するように構成されている。

カムポジションセンサ６４は、シリンダヘッド部３に装着されている。このカムポジションセンサ６４は、可変吸気タイミング装置３３に備えられている上述の図示しないインテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランクシャフト２３が１８０°回転する毎に）、一つのパルスを有する信号（カム位置信号Ｇ２：気筒判別に用いられる）を発生するように構成されている。

クランクポジションセンサ６５は、クランクシャフト２３と対向するように配置されている。このクランクポジションセンサ６５は、クランクシャフト２３の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号を出力するように構成されている。具体的には、クランクポジションセンサ６５は、クランクシャフト２３が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに、クランクシャフト２３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構成されている。すなわち、クランクポジションセンサ６５の出力信号に基づいて、エンジン回転数Ｎｅが取得されるようになっている。

冷却水温センサ６６は、シリンダブロック部２に装着されている。この冷却水温センサ６６は、シリンダブロック部２の内部に設けられたウォータージャケット内の冷却水の温度（冷却水温THW）に対応する信号を出力するように構成されている。

Ａ／Ｆセンサ６７は、上流側触媒５３の直前の排気通路（より詳細にはエキゾーストマニホールド５１における末端部であって排気管５２との接続部）に配設されている。このＡ／Ｆセンサ６７は、排気ポート３４を介して燃焼室２５から排出された排気ガスの酸素濃度に対応する電圧を出力するように構成されている。具体的には、このＡ／Ｆセンサ６７は、限界電流式の酸素濃度センサであって、図２Ａに示されているように、理論空燃比（略１４．６）にて理論空燃比対応値Vstoichとなるとともに、理論空燃比の前後の広範囲にわたって空燃比を検出し得るような、ほぼリニアな特性の出力電圧Vafsを生じるように構成されている。

Ｏ₂センサ６８は、上流側触媒５３の直後、すなわち、上流側触媒５３よりも下流側且つ下流側触媒５４よりも上流側の排気通路（排気管５２）に配設されている。このＯ₂センサ６８は、上流側触媒５３を経た排気ガスの酸素濃度に対応する電圧を出力するように構成されている。具体的には、このＯ₂センサ６８は、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサであって、図２Ｂに示されているように、空燃比が理論空燃比にて理論空燃比対応値Voxs_ref＝０．５［Ｖ］、理論空燃比よりもリッチのときはリッチ対応値（略０．９［Ｖ］）、及び理論空燃比よりもリーンのときはリーン対応値（略０．１［Ｖ］）となるとともに、理論空燃比近傍において急変する電圧Voxsを出力するように構成されている。

アクセル開度センサ６９は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を表す信号（アクセルペダル操作量Accp）を出力するようになっている。

＜実施形態における機能ブロック構成＞
図３は、図１に示されている本実施形態の制御装置６の機能ブロック図である。以下、図３を参照しつつ、この制御装置６の機能ブロック構成について説明する。この制御装置６は、６０１〜６１３の各機能ブロックを備えている。なお、以下の説明において、図１に示されている各要素について言及する場合は、図１の符号が適宜参照されるものとする。また、「フィードバック」は単に「Ｆ／Ｂ」と略称されることもある。

＜＜基本燃料噴射量算出部＞＞
空気量算出部（air quantity calculator）６０１は、エアフローメータ６２の出力に基づいて得られる吸入空気流量Ｇａと、クランクポジションセンサ６５の出力に基づいて得られるエンジン回転数Ｎｅと、ＲＯＭ６０ｂに記憶されているマップであるMapMcと、に基づき、筒内吸入空気量Ｍｃを算出するようになっている。

ＡＦＲ設定部（ＡＦＲ setter）６０２は、機関空燃比の制御目標値（上流側触媒５３よりも上流側の排気ガスの空燃比の目標値：原則的には理論空燃比stoich）である目標空燃比ＡＦＲを設定するようになっている。

失火検知部（Misfire detector）６０３は、回転数変動（エンジン回転数Ｎｅの変動ΔＮｅ）等に基づいて、失火発生状態（失火の発生、失火の発生タイミング、失火発生気筒、及び失火率）を検知し得るようになっている。このような失火検知部６０３は周知であるので（例えば、特開平６−３０７２８４号公報、特開平５−７１４０９号公報、等参照。）、その構成についての詳細な説明は、本明細書では省略されている。

本発明の目標空燃比シフト部に対応するＡＦＲシフト部（ＡＦＲ shifter）６０４は、失火検知部６０３により検知された失火発生状態に基づいて、目標空燃比ＡＦＲを、理論空燃比から一時的にシフトさせるようになっている。すなわち、このＡＦＲシフト部６０４は、失火発生状態に基づいて目標空燃比ＡＦＲを一時的にリーン側（失火が発生した場合に生じるＡ／Ｆセンサ６７のリーン応答と同じ方向）にシフトさせるようになっている。

本実施形態においては、ＡＦＲシフト部６０４は、失火検知部６０３によって検知された失火率（所定期間内における失火発生回数の燃料噴射回数に対する割合）に応じて、目標空燃比ＡＦＲのリーンスパイクを実行するようになっている（詳細は後述する）。さらに、ＡＦＲシフト部６０４は、このリーンスパイクの度合い（シフト量）であるリーンスパイク量ΔＡＦＲを、運転状態（エンジン回転数Ｎｅ）及び図４に示されているマップ（これは実験やコンピュータシミュレーション等によりあらかじめ求められたものである）に基づいて決定する（リーンスパイクが行われない場合はΔＡＦＲ＝０とする）ようになっている。

Ｆｉｂ算出部（Ｆｉｂ calculator）６０５は、空気量算出部６０１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを、ＡＦＲ設定部６０２によって設定された目標空燃比ＡＦＲ（上述のリーンスパイクが実行された場合はリーンスパイク量ΔＡＦＲが加算された値）で除することにより、基本燃料噴射量Ｆｉｂを算出するようになっている。

＜＜サブＦ／Ｂ・サブＦ／Ｂ学習部＞＞
下流側目標値設定部（Downstream-side target value setter）６０６は、上流側触媒５３から流出する排気ガスの空燃比の目標値である下流側目標値Vox_refを設定するようになっている。本実施形態においては、具体的には、下流側目標値設定部６０６は、下流側目標値Vox_refを、理論空燃比に対応する値である０．５［Ｖ］に設定するようになっている。

出力偏差量算出部（Output deviation calculator）６０７は、下流側目標値Vox_refからＯ₂センサ６８の出力値Voxsを減じることにより、出力偏差量DVoxsを求めるようになっている。

本発明のサブフィードバック部及びサブフィードバック学習部を構成するＰＩＤコントローラ６０８は、出力偏差量DVoxsを比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記（１）式に基づいてサブＦ／Ｂ補正量Vsfb（サブフィードバック補正値）を求めるようになっている。ここで、下記（１）式において、Kpは予め設定された比例ゲイン（一定値）、Kiは予め設定された積分ゲイン（一定値）、Kdは予め設定された微分ゲイン（一定値）、SDVoxsは出力偏差量DVoxsの時間積分値（積算値）であり、DDVoxsは出力偏差量DVoxsの時間微分値である。
Vsfb＝Kp・DVoxs＋Ki・SDVoxs＋Kd・DDVoxs ・・・（１）

すなわち、ＰＩＤコントローラ６０８は、Ｏ₂センサ６８の出力に基づいて、後述するメインＦ／Ｂによる空燃比制御に対する補正（Ａ／Ｆセンサ６７の出力に対する補正）を行うためのであるサブＦ／Ｂ補正量Vsfbを取得するようになっている。

また、ＰＩＤコントローラ６０８は、所定タイミングが到来する毎に、積分項Ki・SDVoxsにおける定常的な成分をサブＦ／Ｂ学習値Learnとして取得するとともに、これをバックアップＲＡＭ６０ｄに格納するようになっている。すなわち、ＰＩＤコントローラ６０８は、サブＦ／Ｂ補正量Vsfbに基づいて、定常的誤差を補正する（定常偏差分を学習する）ためのサブＦ／Ｂ学習値Learnを取得するようになっている。

なお、サブＦ／Ｂ及びサブＦ／Ｂ学習の詳細については周知なので、本明細書においては、これらについての詳細な説明は省略されている（後述するメインＦ／Ｂについても同様である）。

＜＜メインＦ／Ｂ部＞＞
Ａ／Ｆ出力算出部（A/F output calculator）６０９は、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値VafsとサブＦ／Ｂ補正量Vsfbとを加えた値（制御用空燃比相当出力値）を、テーブル変換部６１０に出力するようになっている。

テーブル変換部（Table conversion device）６１０は、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値Vafsと空燃比Ａ／Ｆとの関係を規定したテーブルMapafsと、Ａ／Ｆ出力算出部６０９の出力（制御用空燃比相当出力値＝Vafs＋Vsfb）と、に基づいて、制御用空燃比ＡＦＳを求めるようになっている。

空燃比偏差算出部（Air-fuel ratio deviation calculator）６１１は、制御用空燃比ＡＦＳから目標空燃比ＡＦＲを減じることにより、空燃比偏差ＤＡＦを求めるようになっている。

本発明のメインフィードバック部を構成するＰＩコントローラ６１２は、この空燃比偏差ＤＡＦを比例・積分処理（ＰＩ処理）することで、下記（２）式に基づいて、メインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢ（メインフィードバック補正値）を取得するようになっている。ここで、下記（２）式において、Ｇｐは比例ゲイン（一定値）、Ｇｉは積分ゲイン（一定値）、SDAFは空燃比偏差ＤＡＦの時間積分値（積算値）である。
ＤＦＢ＝Ｇｐ・ＤＡＦ＋Ｇｉ・SDAF ・・・（２）

すなわち、ＰＩコントローラ６１２は、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値VafsにサブＦ／Ｂ補正量Vsfbを加えた値（制御用空燃比相当出力値）に基づいて、上流側触媒５３に流入する排気ガスの空燃比を目標空燃比に近づけるためのメインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢを取得するようになっている。

指令燃料噴射量算出部（Command fuel injection quantity calculator）６１３は、Ｆｉｂ算出部６０５にて算出された基本燃料噴射量Ｆｉｂに、上述のメインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢを加えることで、指令燃料噴射量Ｆｉｃを算出するようになっている。

＜実施形態の構成による動作の説明＞
以下、本実施形態の制御装置６の動作について説明する。

＜＜空燃比制御の概要＞＞
上述のように、この制御装置６は、Ｏ₂センサ６８の出力値Voxsが理論空燃比に対応する下流側目標値Voxs_refとなるように、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値Vafs（すなわち上流側触媒５３の上流の排気ガスの空燃比）及びＯ₂センサ６８の出力値Voxs（すなわち上流側触媒５３の直後の排気ガスの空燃比）に応じて、機関空燃比を制御する。

具体的には、Ｏ₂センサ６８の出力値Voxsに基づいてＰＩＤコントローラ６０８により比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）及び学習処理を行うことで、下流側目標値Voxs_refとＯ₂センサ６８の出力値Voxsとの定常偏差がゼロになるように、サブＦＢ補正量Vsfbを算出する。また、この制御装置６は、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値Vafsを、サブＦＢ補正量Vsfbで補正することで、制御用空燃比ＡＦＳを求める。そして、この制御装置６は、燃焼室２５内に供給された燃料の過不足分を補償すべく、制御用空燃比ＡＦＳが目標空燃比ＡＦＲと一致するように空燃比をフィードバック制御する。すなわち、この制御装置６は、制御用空燃比ＡＦＳと目標空燃比ＡＦＲとの偏差である空燃比偏差ＤＡＦを比例・積分処理（ＰＩ処理）することで、メインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢを算出し、このメインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢで基本燃料噴射量Ｆｉｂを補正することで指令燃料噴射量Ｆｉｃを算出し、この指令燃料噴射量Ｆｉｃに対応する燃料噴射指示をインジェクタ３９に対して行う。

このようにして、本実施形態においては、定常状態において、制御用空燃比ＡＦＳが目標空燃比ＡＦＲに一致するように、ひいては、上流側触媒５３の上下流の空燃比が目標空燃比ＡＦＲに一致するように、機関空燃比が制御される。また、本実施形態においては、上流側触媒５３から流出する排気ガスの平均空燃比が理論空燃比となるように、ひいては、上流側触媒５３に流入する排気ガスの平均空燃比が理論空燃比となるように、機関空燃比が制御される。

＜＜実施形態の構成による作用・効果＞＞
図５は、図３に示されている本実施形態の制御装置６の動作説明のためのタイムチャートである。図５においては、図１に示されている内燃機関１にて、目標空燃比ＡＦＲが理論空燃比stoichであり、点火異常に起因する失火が繰り返し発生している場合における、検出空燃比、目標空燃比シフト（リーンスパイク）、触媒上流の実排気空燃比、及びメインＦ／Ｂ補正量の変化の様子の一例が示されている。なお、この図５の例においては、エアフローメータ６２、Ａ／Ｆセンサ６７、Ｏ₂センサ６８、及びインジェクタ３９は正常（定格通りの性能を発揮する状態）であるものとする。（図５に関する以上の条件は、後述する図６等においても同様である。）

以下、図５を参照すると、（ｉ）に示されているように失火が断続的に発生すると、（ii）に示されているように、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値Vafsにて、リーン方向の大きなピーク（失火時のリーン応答）が断続的に発生する（なお、このリーン応答のタイミングが失火発生のタイミングよりも遅れているのは、排気ガスの輸送遅れや、Ａ／Ｆセンサ６７の応答遅れによるものである。）。このようなリーン応答は、以下の理由に基づく。

点火異常により失火が発生すると、未燃の排気ガス中には、多量のＨＣ、及び多量のＯ_２（酸素）ガスが含まれている。もっとも、エアフローメータ６２及びインジェクタ３９は正常であるから、未燃の排気ガスの空燃比は、理論空燃比stoichあるいはその近傍に維持されている。

ここで、Ａ／Ｆセンサ６７は、限界電流式の酸素濃度センサであって、その検知部との反応速度は、Ｏ_２ガスの方がＨＣガスよりも大きい。したがって、失火が発生すると、Ｏ_２ガスがＡ／Ｆセンサ６７と反応することで、Ａ／Ｆセンサ６７の出力値Vafs（すなわち検出空燃比）は、実排気空燃比よりもリーン方向にずれる。（なお、ＨＣガス及びＯ_２ガスを多量に含む失火時の排気ガスのほとんどは、上流側触媒５３内で処理されたり互いに反応したりするため、Ｏ₂センサ６８においては、Ａ／Ｆセンサ６７とは異なり、失火時に多量のＯ_２ガスが到達するという事態は生じ難い。したがって、Ｏ₂センサ６８の出力値Voxsが失火によりリーン方向にずれる傾向は非常に小さい。）

そこで、本実施形態においては、（iii）に示されているように、失火率に応じて（失火の発生頻度に対応して）、目標空燃比ＡＦＲのリーンスパイクが実行される。なお、本例においては、矩形波状のリーンスパイクが行われる。すると、失火時のリーン応答に伴う燃料噴射量増量補正とともに、リーンスパイクに伴う燃料噴射量減量補正が行われる（図中（iv）参照）。これにより、（ｖ）に示されているように、上流側触媒５３に流入する排気ガスにおける実際の空燃比（真の機関空燃比）の平均値の、リッチ側へのシフトが、効果的に抑制される。

また、Ａ／Ｆセンサ６７の酸素濃度に対する応答特性は、当該Ａ／Ｆセンサ６７を通過する排気ガスの状態（量や速度等）による影響を受ける。このため、（ii）に示されているようなリーン応答、及びこれに基づく増量補正の度合いは、運転状態によって異なる。そこで、本実施形態においては、リーンスパイク量ΔＡＦＲが、運転状態（エンジン回転数Ｎｅ）と図４のマップとに基づいて決定される。すなわち、運転条件毎に適切なリーンスパイク量ΔＡＦＲが設定される。

このように、本実施形態によれば、失火発生時のリーン応答に対応して行われる本来不要な燃料噴射量増量補正に基づく、サブＦ／Ｂ補正量Vsfbにおける積分項Ki・SDVoxsあるいはサブＦ／Ｂ学習値Learnのリーン側へのズレが、効果的に補償され得る。

また、本実施形態においては、失火率に応じて目標空燃比ＡＦＲのリーンスパイクが実行される。したがって、本実施形態によれば、失火タイミングが正確に判明していない場合であっても、すなわち、失火率しか検知できないような失火検知部６０３を用いた場合であっても、上述のような学習値ズレ等の抑制が、良好に行われる。

一方、上述のようなリーンスパイクがない場合、（vi）に示されているように、リーン応答に対応した増量補正により、メインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢの平均値が、中心値「０」に対して増量方向にシフトする（図中ΔＤＦＢａｖ参照）。この結果、（vii）に示されているように、真の機関空燃比の平均値がリッチ側へシフトする（図中Δ［Ａ／Ｆ］ａｖ参照）。このことは、サブＦ／Ｂ補正量Vsfbにおける積分項Ki・SDVoxs（あるいはサブＦ／Ｂ学習値Learn）が、本来収束すべき値に対して減量方向（リーン方向）へずれることにもつながる。

このような積分項Ki・SDVoxsやサブＦ／Ｂ学習値Learnのズレが発生すると、これらが本来収束すべき値にまで回復するためには、かなりの運転時間が必要となってしまう。さらに、失火の頻発（失火率の増大）によって大幅なズレが生じると、積分項Ki・SDVoxsやサブＦ／Ｂ学習値Learnの、本来収束すべき値への早期回復が、著しく困難となる。

＜第２の実施形態＞
以下、上述の実施形態（第１の実施形態）の一部を変更（modify）した、他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述の第１の実施形態における各構成要素と同様の構成・機能を有する構成要素については、本実施形態においても同一の名称及び同一の符号が付されているものとし、当該構成要素の説明については、上述の第１の実施形態における説明が、矛盾しない範囲で適宜援用され得るものとする（第３以降の実施形態についても同様である）。

本実施形態においては、ＡＦＲシフト部６０４は、失火検知部６０３によって検知された失火発生タイミングに応じて、目標空燃比ＡＦＲのリーンシフト（リーンスパイク）の実施時期を設定するようになっている。具体的には、本実施形態においては、ＡＦＲシフト部６０４は、エンジン回転数Ｎｅや吸入空気流量Ｇａ等の運転状態と、マップ（このマップは各運転状態及び各失火発生気筒におけるリーン応答を実験により求めることで得られる）と、に基づいて、リーン応答の発生時期に合わせて、リーンスパイクの実施時期を設定するようになっている。なお、本例においても、上述の第１の実施形態と同様に、矩形波状のリーンスパイクが、運転状態に応じたリーンスパイク量ΔＡＦＲで行われる。

図６は、図１に示されている制御装置６の、第２の実施形態の動作説明のためのタイムチャートである。図６に示されているように、本実施形態においては、失火発生によるＡ／Ｆセンサ６７の出力値Vafsのリーン応答に合わせて、目標空燃比ＡＦＲが設定される。すると、当該リーン応答に伴う、メインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢの変動量が効果的に抑制される。これにより、真の機関空燃比やその平均値の変動が、効果的に抑制される。

したがって、本実施形態によれば、失火発生時のリーン応答に伴うサブＦ／Ｂ補正量Vsfbにおける積分項Ki・SDVoxsあるいはサブＦ／Ｂ学習値Learnのリーン側へのズレが、効果的に補償され得る。また、失火発生に伴う空燃比変動が可及的に抑制されることで、ドライバビリティが向上する。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態においては、ＡＦＲシフト部６０４は、上述の第２の実施形態と同様に、リーン応答の発生時期に合わせて、リーンスパイクの実施時期を設定するようになっている。さらに、本実施形態においては、ＡＦＲシフト部６０４は、失火が発生した場合にＡ／Ｆセンサ６７に生じるリーン応答の推定結果に応じて、目標空燃比ＡＦＲのリーンスパイクの実施状況を決定するようになっている。すなわち、本実施形態におけるＡＦＲシフト部６０４は、図６の（iii）に示されているような矩形波状の入力を１次遅れ処理することで得られる出力に対応する態様で、リーンスパイク量ΔＡＦＲを設定するようになっている。

図７は、図１に示されている制御装置６の、第３の実施形態の動作説明のためのタイムチャートである。図７に示されているように、本実施形態においては、リーンスパイクが、Ａ／Ｆセンサ６７のリーン応答を模擬した態様で実施される。すなわち、目標空燃比ＡＦＲの設定が、よりＡ／Ｆセンサ６７のリーン応答に合わせた形で行われる。したがって、Ａ／Ｆセンサ６７のリーン応答に伴う、メインＦ／Ｂ補正量ＤＦＢによる本来不要な増量補正が、よりいっそう効果的に抑制される。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態においては、ＡＦＲシフト部６０４は、失火検知部６０３によって特定された失火発生タイミング及び失火発生気筒に基づいて、当該特定された気筒に対してリーンスパイクを行うようになっている。具体的には、ＡＦＲシフト部６０４は、特定気筒にて連続的な失火が生じるような運転状態において、当該気筒での最初の失火発生の検知に対応して、失火発生継続中は、当該気筒の燃料噴射量を、Ａ／Ｆセンサ６７のリーン応答（かかるリーン応答も、上述のように、各運転状態に対応して予め求められている。）相当に減量するようになっている。

本実施形態においては、失火が発生した気筒に対して、Ａ／Ｆセンサ６７のリーン応答相当に実際にリーンな燃料混合気が供給される。これにより、当該リーン応答に基づく燃料噴射量増量補正による、真の機関空燃比の平均値のリッチシフトが、より適切に相殺され得る。

＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の各実施形態は、上述した通り、出願人が本願の出願時点において最良であると考えた本発明の具体化の例を単に示したものにすぎないのであって、本発明はもとより上述の実施形態によって何ら限定されるべきものではない。よって、上述の実施形態に対して、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、種々の変形が施され得ることは、当然である。

以下、変形例について幾つか例示する。もっとも、変形例とて、下記のものに限定されるものではないことは、いうまでもない。本発明を、上述の実施形態や下記変形例の記載に基づいて限定解釈することは、（特に先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。

また、上述の実施形態や、下記の各変形例に記載された事項は、技術的に矛盾しない範囲において、適宜組み合わせて適用され得ることも、いうまでもない。

（１）本発明は、上述した実施形態にて開示された具体的構成に限定されない。例えば、気筒数、気筒配列方式（直列、Ｖ型、水平対向）、燃料噴射方式（ポート噴射、筒内直接噴射）、触媒個数、空燃比センサ個数、サブＦ／Ｂやその学習の有無、等については、特に限定はない。

失火検知部６０３は、シリンダブロック部２に装着された筒内圧センサや振動センサの出力に基づいて、失火の発生等を検知するように構成され得る。あるいは、失火検知部６０３は、正常に着火したときと失火が生じたときとで、点火プラグ３７の火花発生電極間のイオン電流値あるいは電気抵抗値が相違することを利用した構成であってもよい。

リーンスパイク量ΔＡＦＲの設定にかかる図４のマップにおいて、エンジン回転数Ｎｅに代えて吸入空気流量Ｇａが用いられてもよい。あるいは、図４のマップは、吸入空気流量Ｇａとエンジン回転数Ｎｅとをパラメータとした３次元マップであってもよい。さらには、吸入空気流量Ｇａやエンジン回転数Ｎｅに代えて、もしくはこれらとともに、他のパラメータ（冷却水温THW等）が用いられてもよい。あるいは、リーンスパイク量ΔＡＦＲは、運転状態にかかわらず一定値であってもよい。

（２）その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。

さらに、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されているものは、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。

本発明の空燃比制御装置の一実施形態が適用された４サイクル内燃機関の概略構成図である。 図１に示されている上流側空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の出力電圧と排気ガスの空燃比（酸素濃度）との関係を示すグラフである。 図１に示されている下流側空燃比センサ（Ｏ₂センサ）の出力電圧と排気ガスの空燃比（酸素濃度）との関係を示すグラフである。 図１に示されている制御装置の第一の実施形態の機能ブロック図である。 図３に示されている制御装置におけるリーンスパイク量の決定に用いられるマップを示した図である。 図３に示されている制御装置の動作説明のためのタイムチャートである。 図３に示されている制御装置の、他の実施形態の動作説明のためのタイムチャートである。 図３に示されている制御装置の、他の実施形態の動作説明のためのタイムチャートである。

符号の説明

１…内燃機関 ２…シリンダブロック部 ３…シリンダヘッド部
４…吸気系統 ５…排気系統 ５３…上流側触媒
６…制御装置 ６０…ＥＣＵ ６０ａ…ＣＰＵ
６２…エアフローメータ ６５…クランクポジションセンサ
６７…上流側空燃比センサ ６８…下流側空燃比センサ
６０２…ＡＦＲ（目標空燃比）設定部 ６０３…失火検知部
６０４…ＡＦＲ（目標空燃比）シフト部 ６０５…Ｆｉｂ（基本燃料噴射量）算出部
６０６…Ｖox_ref（下流側目標値）設定部 ６０７…出力偏差量算出部
６０８…ＰＩＤコントローラ ６１２…ＰＩコントローラ

Claims (6)

1. 内燃機関の空燃比を制御する、空燃比制御装置であって、
   排気ガス浄化用の触媒よりも上流側の排気通路に配設された上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を目標空燃比に近づけるためのメインフィードバック補正値を取得する、メインフィードバック部と、
   前記触媒よりも下流側の前記排気通路に配設された下流側空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック補正値による空燃比制御に対する補正を行うためのサブフィードバック補正値を取得する、サブフィードバック部と、
   失火発生状態を検知する、失火検知部と、
   前記失火検知部により検知された前記失火発生状態に基づいて、目標空燃比を、理論空燃比から一時的にシフトさせる、目標空燃比シフト部と、
   を備え、
   前記目標空燃比シフト部は、失火が発生した場合に前記上流側空燃比センサに生じる応答と同じ方向に、前記目標空燃比をシフトさせることを特徴とする、空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記失火検知部は、失火率を検知し、
   前記目標空燃比シフト部は、前記失火率に応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる度合いを決定することを特徴とする、空燃比制御装置。
3. 請求項２に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記目標空燃比シフト部は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる度合いを決定することを特徴とする、空燃比制御装置。
4. 請求項１に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記目標空燃比シフト部は、失火が発生した場合に前記上流側空燃比センサに生じる応答の推定結果に応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる度合いを決定することを特徴とする、空燃比制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記失火検知部は、失火の発生タイミングを検知し、
   前記目標空燃比シフト部は、前記発生タイミングに応じて、前記目標空燃比を前記理論空燃比から一時的にシフトさせる時点を決定することを特徴とする、空燃比制御装置。
6. 請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１項に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記失火検知部は、失火発生気筒を検知し、
   前記目標空燃比シフト部は、前記失火発生気筒に対して、前記目標空燃比のシフトを実施することを特徴とする、空燃比制御装置。

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