JP2017020416A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷間始動時、空燃比センサが未活性の状態においても、フィードバック制御によって混合気の実際の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、目標空燃比に応じた所望の排ガス特性及び燃費を得ることができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】本発明による内燃機関の制御装置では、ＬＡＦセンサ５６によって混合気の空燃比（検出当量比ＫＬＡＦ）を検出する。また、空燃比推定手段により、圧縮行程中の混合気の燃焼が開始される前に検出された実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳに応じ、混合気の比熱比に基づいて、混合気の空燃比（推定当量比ＫＣＰＳ）を推定する（図３のステップ１１）。そして、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にないと判定されたときには、推定空燃比（推定当量比ＫＣＰＳ）に基づき、推定空燃比を目標空燃比（目標当量比ＫＣＭＤ）に収束するようにフィードバック制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、空燃比を制御する内燃機関の制御装置に関し、特に内燃機関の冷間始動時、空燃比センサが非活性の状態において空燃比を制御する制御装置に関する。

従来、空燃比の制御は一般に、排気通路に設けられた空燃比センサにより、排ガスの酸素濃度を介して空燃比を検出し、この検出空燃比を目標空燃比に収束するようにフィードバック制御することによって、行われる。また、空燃比センサは、所定温度以上である活性状態でなければ、空燃比を正確に検出できないという特性を有する。このため、例えば内燃機関が冷間始動された後、空燃比センサが活性状態になるまでは、空燃比制御として、検出空燃比に基づくフィードバック制御が行えず、フィードフォワード制御が行われる。

例えば特許文献１に開示された制御装置では、エンジンの始動時から触媒が活性化するまでの所定期間においては、排ガス中のＨＣを低減するために、燃料噴射量を減量補正するための始動時リーン係数を設定することにより、空燃比が理論空燃比よりもリーン側に制御される。また、この始動時リーン制御の実行中、エンジン回転数が、エンジン水温に応じて設定される解除回転数を下回ったときには、燃焼状態の悪化や燃焼変動が生じたと判定し、始動時リーン係数をクリアすることで、始動時リーン制御が解除され、空燃比が理論空燃比に制御される。

特開平１０−１８４４２１号公報

上述した従来の制御装置では、エンジンの始動時から触媒が活性化するまでの間、排ガス中のＨＣを低減するために、フィードフォワード制御である始動時リーン制御が実行される。このため、排ガス中のＨＣを確実に低減するためには、始動時リーン制御における目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に大きなマージン（余裕）をもって設定することが必要になり、その結果、安定した燃焼状態を確保できないおそれがある。また、燃焼状態が実際に不安定になり、エンジン回転数が解除回転数を下回った場合には、始動時リーン制御が解除され、空燃比が理論空燃比にフィードフォワード制御されるので、実際の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にずれることがあり、その場合には、排ガス中のＨＣを有効に低減することができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の冷間始動時、空燃比センサが未活性の状態においても、フィードバック制御によって実際の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、それにより、目標空燃比に応じた所望の排ガス特性及び燃費を得ることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、混合気の空燃比を制御する内燃機関の制御装置であって、混合気の空燃比の目標となる目標空燃比（目標当量比ＫＣＭＤ）を設定する目標空燃比設定手段（ＥＣＵ２、図５のステップ２１）と、排気通路７に設けられ、活性状態において、気筒３ａから排出された排ガスの酸素濃度に基づき、混合気の空燃比（検出当量比ＫＬＡＦ）を検出する空燃比センサ（ＬＡＦセンサ５６）と、気筒３ａ内の圧力を筒内圧ＰＣＹＬとして検出する筒内圧センサ５１と、圧縮行程中の混合気の燃焼が開始される前に検出された筒内圧（実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳ）に応じ、混合気の比熱比に基づいて、混合気の空燃比（推定当量比ＫＣＰＳ）を推定する空燃比推定手段（ＥＣＵ２、図３、ステップ１１）と、空燃比センサが活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段（触媒温度センサ５７、ＥＣＵ２、図５のステップ２２）と、空燃比センサが活性状態にないと判定されたときに、空燃比推定手段で推定された空燃比を目標空燃比に収束するようにフィードバック制御し、空燃比センサが活性状態にあると判定されたときに、空燃比センサで検出された空燃比を目標空燃比に収束するようにフィードバック制御する制御手段（ＥＣＵ２、図５のステップ２４、３０、２５〜２７）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置では、混合気の空燃比の目標となる目標空燃比が設定されるとともに、空燃比が空燃比センサによって検出される。また、空燃比センサとは別個に、混合気の空燃比を推定する空燃比推定手段を備える。この空燃比推定手段は、圧縮行程中の混合気の燃焼が開始される前に筒内圧センサで検出された筒内圧に応じ、混合気の比熱比に基づいて、空燃比を推定する。そして、空燃比センサが活性状態にないと判定されたときには、空燃比推定手段で推定された空燃比に基づき、この推定空燃比を目標空燃比に収束するようにフィードバック制御する。したがって、例えば内燃機関の冷間始動の直後において、空燃比センサが活性状態にないときでも、空燃比をフィードフォワード制御する従来の場合と異なり、リーン側への余分なマージンを設定することなく、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、したがって、目標空燃比に応じた所望の排ガス特性及び燃費を得ることができる。

一方、空燃比センサが活性状態にあると判定されたときには、空燃比センサで検出された空燃比に基づき、この検出空燃比を目標空燃比に収束するようにフィードバック制御するので、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、排気通路７の空燃比センサよりも下流側に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒２８と、三元触媒２８の暖機を促進するために、混合気の燃焼が終了した後に燃料を追加噴射する触媒暖機制御を実行する触媒暖機制御手段（ＥＣＵ２、図５のステップ３１、３５）と、触媒暖機制御において追加噴射される燃料の量である追加噴射量（膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄ）を、目標空燃比と直前の圧縮行程において推定された空燃比との差に基づいて算出する追加噴射量算出手段（ＥＣＵ２、図３のステップ３５）と、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、排気通路の空燃比センサよりも下流側に三元触媒が設けられており、例えば内燃機関の冷間始動の直後には、三元触媒の暖機を促進するための触媒暖機制御が実行される。この触媒暖機制御は、混合気の燃焼が終了した後に燃料を追加噴射することによって行われ、追加噴射された燃料が三元触媒において燃焼することによって、三元触媒が急速に昇温し、暖機される。

また、この場合の追加噴射量は、目標空燃比と直前の圧縮行程において推定された空燃比との差に基づいて算出される。これにより、目標空燃比に応じ、直前に燃焼した混合気の実際の空燃比を反映させながら、追加噴射量を適切に設定でき、三元触媒の暖機を適切に行うことができる。また、目標空燃比が理論空燃比に設定されている場合には、上記のように設定される追加噴射量は理論空燃比に対する燃料の不足分に相当する。このため、三元触媒における燃焼がストイキ燃焼として行われるので、三元触媒の浄化性能が最大限に発揮されることで、非常に良好な排ガス特性を得ることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、触媒暖機制御が実行される場合に、混合気を生成するために噴射される燃料の量である主噴射量（圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔ）を、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側になるように算出する主噴射量算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ３３）をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、触媒暖機制御が実行される場合、燃料の主噴射量を上記のように算出することにより、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側に制御され、燃焼ガス中に空気が確実に残される。そして、この残余空気が追加噴射された燃料とともに三元触媒において燃焼することで、燃焼が良好に行われるので、三元触媒の暖機をより短時間で行うことができる。

本発明を適用した内燃機関の構成を概略的に示す図である。 制御装置の概略構成を示すブロック図である。 混合気の空燃比の推定処理を示すフローチャートである。 実筒内圧−基準筒内圧の圧力差と混合気の当量比との関係を示す図である。 空燃比制御処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示すように、本発明を適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３は、例えば４つの気筒３ａを有するガソリンエンジンであり、車両（図示せず）に動力源として搭載されている。

エンジン３の各気筒３ａには、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）４及び点火プラグ５が、気筒３ａの燃焼室（図示せず）に臨むように設けられている。インジェクタ４は、燃焼室内に燃料を直接、噴射するタイプのものである。点火プラグ５からの火花の放電によって、燃料と空気との混合気が点火され、燃焼が行われる。インジェクタ４からの燃料噴射量及び燃料噴射時期と点火プラグ５の点火時期ＩＧＬＯＧは、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２からの制御信号によって制御される（図２参照）。

なお、本実施形態において「混合気」は、気筒３ａに充填され、燃焼に供される筒内ガスであり、後述するＥＧＲ装置１４による排気還流（外部ＥＧＲ）が行われる場合には、外部ＥＧＲガスを含むものである。

エンジン３の各気筒３ａには、その内部の圧力（筒内圧）を検出する筒内圧センサ５１が設けられている。本実施形態では、筒内圧センサ５１は、インジェクタ一体型のものであり、図示しないが、燃焼室に臨み、筒内圧をピックアップする圧力検出素子や、圧力検出素子からの信号を増幅し、出力する増幅回路などが、インジェクタ４に一体に組み付けられている。筒内圧センサ５１で検出された筒内圧ＰＣＹＬを表す検出信号は、ＥＣＵ２に入力される。

また、エンジン３は、ターボチャージャ１３及びＥＧＲ装置１４などを備えている。ターボチャージャ１３は、吸気通路６に設けられたコンプレッサ２１と、排気通路７に設けられ、シャフト２２を介してコンプレッサ２１に一体に連結されたタービン２３を備えている。排気通路７を流れる排ガスによってタービン２３が駆動され、それと一体にコンプレッサ２１が回転することによって、吸気が過給される。また、ウェイストゲートバルブ（図示せず）などをＥＣＵ２からの制御信号で制御することで、過給圧が調整される。

吸気通路６には、上流側から順に、吸気絞り弁２５、ターボチャージャ１３のコンプレッサ２１、過給によって昇温した吸気を冷却するためのインタークーラ２６、及びスロットル弁２７が設けられている。吸気絞り弁２５は、その下流側に外部ＥＧＲガスを導入するための負圧を発生させるものであり、その開度は、ＥＣＵ２からの制御信号に応じ、ＬＰアクチュエータ２５ａを介して制御される。

スロットル弁２７は、吸気通路６の吸気マニホルド６ａよりも上流側に配置されている。スロットル弁２７の開度は、ＥＣＵ２からの制御信号に応じ、ＴＨアクチュエータ２７ａを介して制御され、それにより、気筒３ａに吸入される筒内ガス量が制御される。

排気通路７のタービン２３よりも下流側には、三元触媒２８が設けられている。三元触媒２８は、昇温された活性状態において、排ガス中のＨＣやＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。

ＥＧＲ装置１４は、気筒３ａから排気通路７に排出された排ガスの一部を、ＥＧＲ通路４１を介し、外部ＥＧＲガスとして吸気通路６に還流させるものである。図１に示すように、ＥＧＲ通路４１は、排気通路７のタービン２３及び三元触媒２８よりも下流側と、吸気通路６のコンプレッサ２１と吸気絞り弁２５との間に接続されている。この構成により、外部ＥＧＲガスは、排ガスがタービン２３に対して仕事を行った後の状態で取り出されるため、比較的低圧になる。すなわち、ＥＧＲ装置１４は、いわゆる低圧ＥＧＲ装置として構成されている。

ＥＧＲ通路４１の途中には、ＥＧＲ弁４２と、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３が設けられている。ＥＧＲ弁４２の開度は、ＥＣＵ２からの制御信号に応じ、ＥＧＲアクチュエータ４２ａを介して制御され、それにより、外部ＥＧＲガス量が制御される。

また、エンジン３には、その運転状態を検出するために、前述した筒内圧センサ５１に加えて、以下のような各種のセンサが設けられている（図２参照）。

クランク角センサ５２は、クランクシャフトの回転に伴い、所定のクランク角度ごとに、パルス信号であるＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角度（例えば０．５度）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

また、ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒３ａにおいて、エンジン３のピストン（図示せず）が吸気ＴＤＣ（上死点）付近の所定のクランク角度位置にあることを表す信号であり、本実施形態のようにエンジン３が４気筒の場合には、クランク角度１８０度ごとに出力される。ＥＣＵ２は、ＴＤＣ信号およびＣＲＫ信号に応じて、ＴＤＣ信号の出力タイミングを基準とするクランク角ＣＡを、気筒３ａごとに算出する。また、ＥＣＵ２は、ＴＤＣ信号及びＣＲＫ信号に応じて、所定のクランク角度（例えば３０度）ごとに、クランク角ステージＦＩＳＴＧ（＝０〜２３）を算出し、割り当てる。

また、吸気通路６には、吸気絞り弁２５の上流側にエアフローセンサ５３が設けられ、スロットル弁２７の下流側の吸気チャンバ６ｂに、吸気圧センサ５４及び吸気温センサ５５が設けられている。エアフローセンサ５３は、気筒３ａに吸入される空気（新気）の量（吸入空気量）ＧＡＩＲを検出し、吸気圧センサ５４は、気筒３ａに吸入される吸気の圧力（吸気圧）ＰＢＡを絶対圧として検出し、吸気温センサ５５は、外部ＥＧＲガスを含む吸気の温度（吸気温）ＴＡを検出する。これらの検出信号はＥＣＵ２に入力される。

排気通路７の三元触媒２８のすぐ上流側にはＬＡＦセンサ５６が設けられ、三元触媒２８には触媒温度センサ５７が設けられている。ＬＡＦセンサ５６は、理論空燃比を含む広い空燃比領域において、三元触媒２８に流入する排ガス中の酸素濃度を連続的に検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この検出信号に基づき、混合気の当量比（以下「検出当量比」という）ＫＬＡＦを算出する。触媒温度センサ５７は、三元触媒２８の温度（以下「触媒温度」という）ＴＣＡＴを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、ＥＣＵ２には、水温センサ５８からエンジン３を冷却する冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）ＴＷを表す検出信号が、アクセル開度センサ５９から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、それぞれ入力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサの検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別し、インジェクタ４の燃料噴射量や点火プラグ５の点火時期ＩＧＬＯＧの制御などを含むエンジン制御を実行する。また、本実施形態では特に、ＥＣＵ２は、混合気の空燃比を推定するとともに、推定した空燃比などに応じて空燃比制御を実行する。

本実施形態では、ＥＣＵ２が、目標空燃比設定手段、空燃比推定手段、活性状態判定手段、制御手段、触媒暖機制御手段、追加噴射量算出手段、及び主噴射量算出手段に相当する。

図３は、ＥＣＵ２で実行される、混合気の空燃比の推定処理を示す。この推定処理は、本出願人による出願（特願２０１５−１３８５９８号）において詳しく開示したものと基本的に同じであるので、以下、その概要について説明する。

本処理は、気筒３ａごとに、前述したクランク角ステージＦＩＳＴＧの切替周期と同じ周期（例えばクランク角度３０度ごと）で、繰り返し実行される。なお、筒内圧センサ５１で検出された筒内圧ＰＣＹＬに直接、関連する処理は、本処理とは別個に、ＣＲＫ信号の発生周期と同じ周期（例えばクランク角度０．５度ごと）で実行され、例えば、検出された筒内圧ＰＣＹＬがクランク角ＣＡに対応して記憶される。

図３の推定処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、クランク角ステージＦＩＳＴＧが、吸気ＴＤＣ（上死点）に相当する第１所定値ＳＴＧ１に等しいか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、当該気筒３ａが吸気行程に移行した直後の段階にあるときには、吸気関連パラメータとして、検出された吸気温ＴＡ及びエンジン水温ＴＷを読み出し、取得する（ステップ２）とともに、ＥＣＵ２のＲＡＭの所定領域に記憶し、本処理を終了する。

前記ステップ１の判別結果がＮＯのときには、クランク角ステージＦＩＳＴＧが、圧縮ＢＤＣ（下死点）に相当する第２所定値ＳＴＧ２に等しいか否かを判別する（ステップ３）。この判別結果がＹＥＳで、当該気筒３ａが圧縮行程に移行した直後の段階にあるときには、圧縮関連パラメータとして、検出された吸気圧ＰＢＡ及びエンジン回転数ＮＥと、その時点で設定されている点火時期ＩＧＬＯＧを読み出し、取得する（ステップ４）とともに、ＥＣＵ２のＲＡＭの所定領域に記憶する。

次に、基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦの設定処理を実行する（ステップ５）。この基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦは、混合気の燃焼が開始される直前のタイミングを予測し、クランク角で表したものである。具体的には、この設定処理では、前記ステップ４で取得した吸気圧ＰＢＡ及びエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、遅角補正量ΔＣ＿ＣＡを算出するとともに、この遅角補正量ΔＣ＿ＣＡを前記ステップ４で取得した点火時期ＩＧＬＯＧから減算することによって、基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦが設定される。

上記ステップ５に続くステップ６では、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦの算出処理を実行する。この基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦは、混合気中に外部ＥＧＲガスが存在せず且つ混合気の空燃比が理論空燃比であるという条件で、上記の基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦにおいて発生する筒内圧である。

具体的には、この算出処理ではまず、ステップ５で設定された基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦと、吸気弁の閉弁タイミングＩＶＣ、吸気温ＴＡ及び吸気圧ＰＢＡに応じ、所定の基準筒内圧マップを検索することによって、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦのマップ値を算出する。図示しないが、この基準筒内圧マップは、上述した混合気の組成の条件で、上記の４つの入力パラメータの様々な条件に対し、混合気の比熱比の温度特性に基づいて、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦをあらかじめ算出し、その結果をマップ化したものである。そして、基準筒内圧マップから得られたマップ値を、エンジン回転数ＮＥ及びエンジン水温ＴＷに応じて設定された伝熱補正係数で補正することによって、最終的な基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦが算出される。

次に、ＡＦ係数Ｃ＿ＡＦの算出処理を実行し（ステップ７）、本処理を終了する。図４に示すように、このＡＦ係数Ｃ＿ＡＦは、圧力差ΔＰ（後述する実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳと基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦとの差）と混合気の当量比ＫＡＦの間に、線形関係が認められることから、圧力差ΔＰに対する当量比ＫＡＦの傾き（ＫＡＦ／ΔＰ）をＡＦ係数Ｃ＿ＡＦと定義したものである。また、上記の傾きが吸気条件及び圧縮条件に応じて変化するという特性が認められることから、ＡＦ係数Ｃ＿ＡＦの算出処理を行うものである。

具体的には、この算出処理では、基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦと、吸気弁の閉弁タイミングＩＶＣ、吸気温ＴＡ及び吸気圧ＰＢＡに応じ、所定のＡＦ係数マップを検索することによって、ＡＦ係数Ｃ＿ＡＦが算出される。これらの４つの入力パラメータは、上記の吸気条件及び圧縮条件を表すものであり、基準筒内圧マップの入力パラメータと共通である。図示しないが、このＡＦ係数マップは、上記の４つの入力パラメータの様々な条件に対し、混合気の比熱比の温度特性に基づいて、ＡＦ係数Ｃ＿ＡＦをあらかじめ算出し、その結果をマップ化したものである。

前記ステップ３の判別結果がＮＯのときには、クランク角ステージＦＩＳＴＧが、圧縮ＴＤＣ（上死点）に相当する第３所定値ＳＴＧ３に等しいか否かを判別する（ステップ８）。この判別結果がＮＯのときには、そのまま本処理を終了する。一方、ステップ８の判別結果がＹＥＳで、当該気筒３ａが圧縮行程が終了した直後の段階にあるときには、ステップ５で設定した基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦにおいて検出された筒内圧ＰＣＹＬを、ＲＡＭから読み出し、実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳとして取得する（ステップ９）。

次に、取得した実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳと基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦとの差（＝Ｐ＿ＣＰＳ−Ｐ＿ＲＥＦ）を、圧力差ΔＰとして算出する（ステップ１０）。次に、これまでに算出した圧力差ΔＰとＡＦ係数Ｃ＿ＡＦを用い、次式（１）によって、混合気の当量比（以下「推定当量比」という）ＫＣＰＳを算出する（ステップ１１）。
ＫＣＰＳ＝ΔＰ×Ｃ＿ＡＦ＋１．０ ・・・（１）
この式（１）は、上述したＡＦ係数Ｃ＿ＡＦの定義と、空燃比が理論空燃比のとき（当量比ＫＡＦ＝１．０）に、実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳが基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦに一致し、圧力差ΔＰが０になるという関係から、導き出される（図４参照）。

次に、次式（２）により、推定当量比ＫＣＰＳと理論空燃比（＝１４．７）から混合気の空燃比ＡＦＣＰＳを算出し（ステップ１２）、本処理を終了する。
ＡＦＣＰＳ＝１４．７／ＫＣＰＳ ・・・（２）

以上の空燃比の推定処理によれば、所定の混合気の組成条件で、混合気の燃焼の開始直前のタイミングに相当する基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦにおいて検出された実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳと基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦとの圧力差ΔＰに基づき、混合気の比熱比の温度特性を良好に反映させながら、混合気の当量比及び空燃比を精度良く推定することができる。

次に、図５を参照しながら、ＥＣＵ２で実行される空燃比制御処理について説明する。この空燃比制御では、燃料噴射量による空燃比のフィードバック制御が行われる。また、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にあるか否に応じて、ＬＡＦセンサ５６で検出された空燃比に基づく制御（以下「検出空燃比制御」という）と、図３の推定処理で算出された推定空燃比に基づく制御（以下「推定空燃比制御」という）が使い分けられる。本処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。また、本処理では、空燃比を表すパラメータとして、当量比が用いられる。

本処理では、まずステップ２１において、混合気の目標当量比ＫＣＭＤを設定する。その設定は、例えば、要求トルクＴＲＱＣＭＤ及びエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって行われる。要求トルクＴＲＱＣＭＤは、アクセル開度ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて算出される。この目標当量比ＫＣＭＤは、加速時（スロットル全開時）などを除くエンジン３の定常運転状態では、始動直後のアイドル運転状態を含めて、通常、理論空燃比に相当するストイキ当量比（＝１．０）に設定される。

次に、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にあるか否かを判別する（ステップ２２）。この判別は、例えば触媒温度センサ５８で検出された触媒温度ＴＣＡＴが、ＬＡＦセンサ５６の活性温度に相当する第１所定温度ＴＲＥＦ１（例えば５００℃）以上であるか否かに基づいて、行われる。

この判別結果がＹＥＳで、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にあるときには、検出空燃比制御を実行すべきと判定し、そのことを表すために、検出空燃比制御フラグＦ＿ＦＢＬＡＦを「１」に、推定空燃比制御フラグＦ＿ＦＢＣＰＳを「０」に、それぞれセットする（ステップ２３）。また、ＬＡＦセンサ５６で検出された検出当量比ＫＬＡＦを、実当量比ＫＡＣＴとして設定する（ステップ２４）。

次に、圧縮行程において噴射する燃料量（以下「圧縮行程噴射量」という）ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔの基本値ＧＦＢＡＳＥを算出する（ステップ２５）。この算出は、例えば、目標当量比ＫＣＭＤ、吸入空気量ＧＡＩＲ及び理論空燃比（＝１４．７）を用い、次式（３）によって行われる。
ＧＦＢＡＳＥ＝（ＧＡＩＲ／１４．７）×ＫＣＭＤ ・・・（３）

次に、目標当量比ＫＣＭＤと実当量比ＫＡＣＴに応じ、ＰＩＤフィードバック制御によって、実当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに収束するように、空燃比補正係数ＫＡＦを算出する（ステップ２６）。なお、この空燃比補正係数ＫＡＦの算出を、ＳＴＲ（セルフ・チューニング・レギュレータ）などの現代制御理論を用いて行ってもよい。次に、基本値ＧＦＢＡＳＥに空燃比補正係数ＫＡＦを乗算することによって、圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔを算出する（ステップ２７）。

次に、膨張行程において噴射する燃料量（以下「膨張行程噴射量」という）ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄを０に設定し（ステップ２８）、本処理を終了する。後述するように、この膨張行程噴射は、エンジン３の冷間始動時、三元触媒２８を急速に昇温し、暖機するための触媒暖機制御として実行されるものである。

一方、前記ステップ２２の判別結果がＮＯで、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にないときには、推定空燃比制御を実行すべきと判定し、そのことを表すために、検出空燃比制御フラグＦ＿ＦＢＬＡＦを「０」に、推定空燃比制御フラグＦ＿ＦＢＣＰＳを「１」に、それぞれセットする（ステップ２９）。また、推定当量比ＫＣＰＳを実当量比ＫＡＣＴとして設定する（ステップ３０）。

次に、触媒暖機制御フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮが「１」であるか否かを判別する（ステップ３１）。この触媒暖機制御フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮは、三元触媒２８を急速に暖機するための触媒暖機制御が要求されているときに「１」にセットされるものである。このステップ３１の判別結果がＮＯで、触媒暖機制御が要求されていないときには、前記ステップ２５以降に進み、目標当量比ＫＣＭＤと実当量比ＫＡＣＴ（＝推定当量比ＫＣＰＳ）に応じたフィードバック制御によって、圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔを算出するとともに、膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄを０に設定する。

前記ステップ３１の判別結果がＹＥＳで、触媒暖機制御が要求されているときには、触媒温度ＴＣＡＴが第２所定温度ＴＲＥＦ２よりも高いか否かを判別する（ステップ３２）。この第２所定温度ＴＲＥＦ２は、膨張行程で噴射された燃料が三元触媒２８において燃焼することが可能な下限温度に相当する（例えば３５０℃）。このため、ステップ３２の判別結果がＮＯのときには、膨張行程噴射を行わないものとして、前記ステップ２５以降を実行する。この場合には、エンジン３での燃焼が進むにつれて、三元触媒２８は、流入する排ガスの熱によって次第に昇温される。

一方、前記ステップ３２の判別結果がＹＥＳで、触媒温度ＴＣＡＴが第２所定温度ＴＲＥＦ２を上回ったときには、膨張行程噴射を行うものとして、まず圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔを次式（４）によって算出する（ステップ３３）。
ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔ＝（ＧＡＩＲ／１４．７）×（１．０−ΔＫ） ・・・（４）
右辺のΔＫは、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーン側に補正し、燃焼ガス中に空気を残すための減少補正量であり、混合気の燃焼安定性と膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄの両方を確保できるような値に設定されている。

この算出結果に基づき、圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔの燃料が圧縮行程において噴射され、気筒３ａ内で混合気の燃焼が行われるとともに、燃焼の開始直前に検出された実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳに応じ、図３の推定処理によって、燃焼に供される混合気の推定当量比ＫＣＰＳが算出される。前記ステップ３３に続くステップ３４では、算出された推定当量比ＫＣＰＳを取得する。

次に、この推定当量比ＫＣＰＳと目標当量比ＫＣＭＤを用い、膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄを次式（５）によって算出し（ステップ３５）、本処理を終了する。
ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄ＝（ＧＡＩＲ／１４．７）×（ＫＣＭＤ−ＫＣＰＳ）
・・・（５）

この算出結果に基づき、膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄの燃料が、膨張行程において噴射される。噴射された燃料は、燃焼ガス中に残された空気とともに、排気行程において気筒３ａから排出され、第２所定温度ＴＲＥＦ２以上に昇温された三元触媒２８において燃焼する。これにより、三元触媒２８が急速に昇温し、暖機される。

以上のように、本実施形態によれば、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にないと判定されたときには、図３の推定処理による推定当量比ＫＣＰＳを実当量比ＫＡＣＴとし（図５のステップ３０）、この実当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに収束するように、圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔをフィードバック制御する（ステップ２５〜２７）。したがって、エンジン３の冷間始動後、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にないときでも、空燃比をフィードフォワード制御する従来の場合と異なり、リーン側への余分なマージンを設定することなく、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、したがって、目標空燃比に応じた所望の排ガス特性及び燃費を得ることができる。

また、エンジン３の冷間始動の直後などにおいて、三元触媒２８の触媒暖機制御を実行する場合には、そのための膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄを、目標当量比ＫＣＭＤと直前の圧縮行程において算出された推定当量比ＫＣＰＳとの差に基づいて算出する（ステップ３４、３５）。これにより、目標空燃比に応じ、直前に燃焼した混合気の実際の空燃比を反映させながら、膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄを適切に設定でき、三元触媒２８の暖機を適切に行うことができる。

また、目標当量比ＫＣＭＤがストイキ当量比に設定されている場合には、上記のように設定される膨張行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄは、ストイキ当量比に対する燃料の不足分に相当する。このため、三元触媒２８における燃焼がストイキ燃焼として行われるので、三元触媒２８の浄化性能が最大限に発揮されることで、非常に良好な排ガス特性を得ることができる。

さらに、触媒暖機制御を実行する場合には、圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔを、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側になるように算出する（ステップ３３）。これにより、燃焼ガス中に空気が確実に残され、この残余空気が追加噴射された燃料とともに三元触媒２８において燃焼することで、燃焼が良好に行われるので、三元触媒２８の暖機をより短時間で行うことができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、混合気を生成するための燃料を、圧縮行程において噴射しているが、吸気行程に噴射するものでもよい。また、実施形態では、触媒暖機制御のための追加燃料を、インジェクタ４から膨張行程において供給しているが、本発明は、これに限らず、例えば排気通路７の三元触媒２８よりも上流側に、インジェクタ４とは別個の燃料噴射弁などの燃料供給装置を設け、この燃料供給装置から排気通路７に追加燃料を適当なタイミングで供給するようにしてもよい。

また、実施形態では、触媒暖機制御が実行される場合の圧縮行程噴射量ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔを、ストイキ当量比と減少補正量ΔＫとの差（１．０−ΔＫ）に基づいて設定しているが、目標当量比ＫＣＭＤと減少補正量ΔＫとの差（ＫＣＭＤ−ΔＫ）に基づいて設定することも可能である。

また、実施形態では、ＬＡＦセンサ５６が活性状態にあるか否かの判定を、触媒温度ＴＣＡＴに基づいて行っているが、これに限らず、エンジン３の運転状態を表す適当なパラメータ、例えばエンジン水温ＴＷやエンジン３の始動時からの燃料噴射量又は吸入空気量の積算値などに応じて行うようにしてもよい。

さらに、実施形態では、エンジン３は車両用のエンジンであるが、本発明は、他の用途のエンジン、例えばクランクシャフトを鉛直方向に配置した船外機用のエンジンなどにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することができる。

２ ＥＣＵ（目標空燃比設定手段、空燃比推定手段、活性状態判定手段、制御手段、触 媒暖機制御手段、追加噴射量算出手段、主噴射量算出手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
４ 燃料噴射弁
７ 排気通路
２８ 三元触媒
５１ 筒内圧センサ
５６ ＬＡＦセンサ（空燃比センサ）
５７ 触媒温度センサ（活性状態判定手段）
ＫＣＭＤ 目標当量比（目標空燃比）
ＫＬＡＦ 検出当量比（検出された空燃比）
ＰＣＹＬ 筒内圧（筒内圧センサで検出された筒内圧）
Ｐ＿ＣＰＳ 実筒内圧（燃焼が開始される前に検出された筒内圧）
ＫＣＰＳ 推定当量比（推定された空燃比）
ＫＡＣＴ 実当量比（実空燃比）
ＧＦＵＥＬ＿１ｓｔ 圧縮行程噴射量（主噴射量）
ＧＦＵＥＬ＿２ｎｄ 膨張行程噴射量（追加噴射量）

Claims (3)

1. 混合気の空燃比を制御する内燃機関の制御装置であって、
   混合気の空燃比の目標となる目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
   排気通路に設けられ、活性状態において、気筒から排出された排ガスの酸素濃度に基づき、混合気の空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記気筒内の圧力を筒内圧として検出する筒内圧センサと、
   圧縮行程中の混合気の燃焼が開始される前に検出された筒内圧に応じ、混合気の比熱比に基づいて、混合気の空燃比を推定する空燃比推定手段と、
   前記空燃比センサが活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段と、
   前記空燃比センサが活性状態にないと判定されたときには、前記空燃比推定手段で推定された空燃比を前記目標空燃比に収束するようにフィードバック制御し、前記空燃比センサが活性状態にあると判定されたときには、前記空燃比センサで検出された空燃比を前記目標空燃比に収束するようにフィードバック制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記排気通路の前記空燃比センサよりも下流側に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒と、
   当該三元触媒の暖機を促進するために、混合気の燃焼が終了した後に燃料を追加噴射する触媒暖機制御を実行する触媒暖機制御手段と、
   当該触媒暖機制御において追加噴射される燃料の量である追加噴射量を、前記目標空燃比と直前の圧縮行程において推定された空燃比との差に基づいて算出する追加噴射量算出手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記触媒暖機制御が実行される場合に、混合気を生成するために噴射される燃料の量である主噴射量を、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側になるように算出する主噴射量算出手段をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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