JP2017020417A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサに異常が発生した場合においても、高い精度で推定された空燃比に基づくフィードバック制御によって、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、排ガス特性を良好に維持す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。そして、ＬＡＦセンサに異常が発生したと判定されたときには、検出当量比ＫＬＡＦに代えて推定当量比ＫＣＰＳを用い、推定当量比ＫＣＰＳを目標当量比ＫＣＭＤに収束するようにフィードバック制御する。【選択図】図７

Description

本発明は、混合気の空燃比を制御する内燃機関の制御装置に関し、特に空燃比を検出する空燃比センサの異常時において空燃比を制御する制御装置に関する。

従来、混合気の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って空燃比を検出し、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、行われている。また、空燃比センサが故障した場合には、空燃比を精度良く検出できないため、検出空燃比に基づくフィードバック制御を停止し、フィードフォワード制御に切り替えるとともに、空燃比センサが故障したことを運転者に知らせるための警告灯を点灯させるという対応がとられる。

また、空燃比センサの故障時に、空燃比のフィードバック制御を継続するようにした従来の制御装置が、例えば特許文献１に開示されている。この制御装置では、排気通路に設けられた三元触媒の上流側及び下流側に、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサがそれぞれ配置されている。上流側空燃比センサは、空燃比を連続的に検出するタイプのものである。一方、下流側空燃比センサは、その出力値が、理論空燃比付近で急激に変化し、理論空燃比のリーン側及びリッチ側においてそれぞれほぼ一定の最小値及び最大値を示すタイプ（反転タイプ）のものである。

この制御装置では、上流側空燃比センサが正常のときには、上流側空燃比センサで検出された上流側空燃比に基づき、理論空燃比を目標値とするフィードバック制御が実行される。一方、上流側空燃比センサに異常が発生したときには、下流側空燃比センサで検出された下流側空燃比と所定の学習モデルに基づき、空燃比のフィードバック制御が実行される。

特開２０１０−７１２５９号公報

上述した従来の制御装置では、上流側空燃比センサに加えて、下流側空燃比センサが必要である。また、下流側空燃比センサは、反転タイプであるため、その検出精度は、理論空燃比付近以外の空燃比領域ではかなり低い。このため、下流側空燃比センサで検出された空燃比に基づいてフィードバック制御を行っても、十分な制御精度を確保できず、排ガス特性が悪化するなどの不具合を招いてしまう。

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、空燃比センサに異常が発生した場合においても、高い精度で推定された空燃比に基づくフィードバック制御によって、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、それにより、排ガス特性を良好に維持す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７のステップ２１、図８のステップ２１Ａ）と、排気通路７に設けられ、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、空燃比センサが正常であるか否かを判定する異常判定手段（ＥＣＵ２、図７及び図８のステップ２２）と、空燃比センサが正常で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、空燃比センサが異常である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７及び図８のステップ２２、２４、３３、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、混合気の空燃比を推定するので、空燃比の推定を精度良く行うことができる。

また、空燃比センサの異常判定を実行し、その結果、空燃比センサが正常で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。これにより、混合気の空燃比が目標空燃比に精度良く制御される。

一方、空燃比センサが異常である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。これにより、空燃比センサに異常が発生した場合においても、精度の高い推定空燃比に基づくフィードバック制御によって、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、排ガス特性を良好に維持することができる。

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、内燃機関３は、排気還流による外部ＥＧＲを用いず、目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定した状態で運転されるリーンバーン運転モードを有し、空燃比推定手段は、内燃機関３がリーンバーン運転モードで運転されているときには、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目標空燃比ＴＧＴ＿ＡＦであるという条件で、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦを算出し、算出された基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦと検出された筒内圧との比較結果に基づいて、混合気の空燃比を推定すること（図８のステップ３２Ａ、図３、図９）を特徴とする。

この構成によれば、外部ＥＧＲを併用しないリーンバーン運転中に、空燃比センサに異常が発生したときには、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目標空燃比であるという条件で、基準筒内圧が算出され、算出した基準筒内圧と検出された筒内圧との比較結果に基づいて、混合気の空燃比が推定される。これにより、内燃機関のリーンバーン運転中に空燃比センサに異常が発生した場合でも、推定空燃比を精度良く算出でき、したがって、この推定空燃比に基づくフィードバック制御によって、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御し、排ガス特性を良好に維持することができる。

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。 ストイキ運転用の基準筒内圧マップを示す図である。 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。 ＡＦ係数マップを示す図である。 第１実施形態による空燃比制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態による空燃比制御処理を示すフローチャートである。 リーンバーン運転用の基準筒内圧マップを示す図である。

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。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。

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、気筒３ａに導入するものである。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、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、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、例えばクランク角度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信号及び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、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。

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、ＬＡＦセンサ５６に異常が発生したときに、混合気の空燃比を推定するとともに、推定した空燃比に基づく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、異常判定手段、及び制御手段に相当する。

まず、図３を参照しながら、混合気の空燃比の推定処理について説明する。後述するように、この推定処理は、混合気の目標空燃比が理論空燃比付近に設定されるエンジン３のストイキ運転中に、ＬＡＦセンサ５６が異常と判定されたときに実行される。また、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、ＥＧＲ装置１４による外部ＥＧＲガスが混合気中に存在せず、且つストイキ運転に相当する、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、図４に示すストイキ運転用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。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、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５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、図６に示す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。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ををあらかじめ算出し、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（図５参照）から、導き出される。

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、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、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、ストイキ運転における混合気の当量比ＫＣＰＳ及び空燃比ＡＦＣＰＳを精度良く推定することができる。

次に、図７を参照しながら、第１実施形態による空燃比制御処理について説明する。この空燃比制御は、エンジン３のストイキ運転を対象として実行されるものであり、燃料噴射量によるフィードバック制御が行われる。また、ＬＡＦセンサ５６が正常であるか否に応じて、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、ストイキ運転用の所定のマップ（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。その結果、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、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が正常であるか否かを判定する（ステップ２２）。この判定では、例えば、ＬＡＦセンサ５６で検出された検出当量比ＫＬＡＦが過大、過小又は一定の値を示す状態、あるいは目標当量比ＫＣＭＤと検出当量比ＫＬＡＦとの偏差が所定値以上である状態が、所定時間以上、継続したときに、ＬＡＦセンサ５６が正常でない（異常である）と判定される。

この判別結果がＹＥＳで、ＬＡＦセンサ５６が正常と判定されたときには、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、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、燃料噴射量ＧＦＵＥＬの基本値ＧＦＢＡＳＥを算出する（ステップ２５）。その算出は、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ＫＡＦＦＢを算出する（ステップ２６）。なお、この空燃比補正係数ＫＡＦＦＢ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ＫＡＦＦＢを乗算することによって、燃料噴射量ＧＦＵＥＬを算出し（ステップ２７）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２２の判別結果がＮＯで、ＬＡＦセンサ５６が異常と判定されたときには、筒内圧センサ５１が正常であるか否かを判定する（ステップ２８）。この判定では、例えば、筒内圧センサ５１で検出された筒内圧ＰＣＹＬが過大、過小又は一定の値を示す状態が、所定時間以上、継続したときに、筒内圧センサ５１が異常であると判定される。

この判別結果がＹＥＳで、筒内圧センサ５１が正常と判定されたときには、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）。次に、ＥＧＲ弁４２を閉弁することなどによって、外部ＥＧＲを停止する（ステップ３０）とともに、目標当量比ＫＣＭＤを強制的に値１．０（ストイキ当量比）に設定する（ステップ３１）。

次に、前述した図３の推定処理により、基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦにおいて検出された実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳに応じて、推定当量比ＫＣＰＳを算出する（ステップ３２）。次に、算出した推定当量比ＫＣＰＳを、実当量比ＫＡＣＴとして設定する（ステップ３３）。

その後は、前記ステップ２５〜２７を実行し、目標当量比ＫＣＭＤと実当量比ＫＡＣＴ（＝推定当量比ＫＣＰＳ）に基づくフィードバック制御によって、燃料噴射量ＧＦＵＥＬを算出する。

一方、前記ステップ２８の判別結果がＮＯのとき、すなわちＬＡＦセンサ５６及び筒内圧センサ５１がいずれも異常と判定されたときには、検出空燃比制御又は推定空燃比制御のいずれによるフィードバック制御も実行しないものとし、そのことを表すために、検出空燃比制御フラグＦ＿ＦＢＬＡＦ及び推定空燃比制御フラグＦ＿ＦＢＣＰＳをいずれも「０」にセットする（ステップ３４）。この場合には、例えば、目標当量比ＫＣＭＤを値１．０に設定し、空燃比補正係数ＫＡＦＦＢを値１．０に設定することによって、空燃比のフィードフォワード制御が実行される。

次に、ＬＡＦセンサ５６に異常が発生したことを運転者に知らせるために、警告灯（図示せず）を点灯させ（ステップ３５）、本処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン３のストイキ運転中に、ＬＡＦセンサ５６が正常と判定されたときには、その検出当量比ＫＬＡＦと目標当量比ＫＣＭＤであるストイキ当量比（＝１．０）に基づき、空燃比のフィードバック制御を実行する（図５のステップ２２〜２７）。

一方、ＬＡＦセンサ５６が異常と判定されたときには、図３の推定処理により、基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦにおける実筒内圧Ｐ＿ＣＰＳと基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦとの比較結果に応じて、推定当量比ＫＣＰＳを算出し、この推定当量比ＫＣＰＳとストイキ当量比に基づき、空燃比のフィードバック制御を実行する（ステップ２２、３３、２５〜２７）。これにより、ＬＡＦセンサ５６に異常が発生した場合においても、精度の高い推定当量比ＫＣＰＳに基づく空燃比のフィードバック制御によって、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、排ガス特性を良好に維持することができる。

また、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦの算出する際の混合気の条件に合わせて、外部ＥＧＲを停止するとともに、目標当量比ＫＣＭＤをストイキ当量比に設定した状態で（ステップ３０、３１）、推定当量比ＫＣＰＳを算出するので、その算出を適切に行うことができる。

次に、図８を参照しながら、第２実施形態による空燃比制御処理について説明する。第１実施形態の空燃比制御がストイキ運転を対象とするのに対し、本実施形態の空燃比制御は、外部ＥＧＲを用いず、目標空燃比が理論空燃比付近よりもリーンに設定されるエンジン３のリーンバーン運転を対象として、実行される。

このため、本実施形態では、推定当量比ＫＣＰＳの算出に用いられる基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦは、混合気中に外部ＥＧＲガスが存在しないという条件に加えて、混合気の空燃比が目標空燃比であるという条件で、算出される。図９は、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦを算出するためのリーンバーン運転用の基準筒内圧マップを示す。この基準筒内圧マップでは、入力パラメータとして、図４のストイキ運転用の基準筒内圧マップにおける４つの入力パラメータ（基準クランク角ＣＡ＿ＲＥＦ、吸気閉弁タイミングＩＶＣ、初期筒内温度Ｔ＿ＳＴＲＴ及び吸気圧ＰＢＡ）に加えて、その時点で設定されている目標空燃比ＴＧＴ＿ＡＦが用いられる。この基準筒内圧マップは、これらの５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、マップ化したものである。

なお、図８に示す本実施形態の空燃比制御処理は、第１実施形態（図７）と比較して、一部の実行内容のみが異なるので、図８において、第１実施形態と同じ実行内容のステップに、図７と同じステップ番号を付するとともに、以下、異なる部分を中心として説明する。

本処理ではまず、ステップ２１Ａにおいて、混合気の目標当量比ＫＣＭＤを設定する。この場合、目標当量比ＫＣＭＤ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、リーンバーン運転用の所定のマップ（図示せず）を検索することによって行われ、その結果、目標当量比ＫＣＭＤは、ストイキ当量比よりもかなりリーンに設定される。

次に、ＬＡＦセンサ５６が正常と判定されたときには（ステップ２２：ＹＥＳ）、第１実施形態と同様、ＬＡＦセンサ５６で検出された実当量比ＫＡＣＴを実当量比ＫＡＣＴとして設定し、この実当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに収束するように、空燃比補正係数ＫＡＦＦＢを算出するとともに、この空燃比補正係数ＫＡＦＦＢを基本値ＧＦＢＡＳＥに乗算することによって、燃料噴射量ＧＦＵＥＬを算出する（ステップ２３〜２７）。

一方、ＬＡＦセンサ５６が異常で、筒内圧センサ５１が正常と判定されたときには（ステップ２２：ＮＯ、ステップ２８：ＹＥＳ）、ステップ３２Ａにおいて、推定当量比ＫＣＰＳを算出する。前述したように、この場合の推定当量比ＫＣＰＳの算出は、図３の推定処理により、その時点で設定されている目標空燃比ＴＧＴ＿ＡＦに応じて算出された基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦを用いて、行われる。

なお、本実施形態では、混合気の空燃比が目標空燃比ＴＧＴ＿ＡＦであることを条件として、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦが算出されるため、実際の当量比ＫＡＦが目標当量比ＫＣＭＤのときに、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（図５参照）。この関係から、図３のステップ１１における推定当量比ＫＣＰＳの算出は、前記式（１）に代えて、次式（４）を用いて行われる。
ＫＣＰＳ＝ΔＰ×Ｃ＿ＡＦ＋ＫＣＭＤ ・・・（４）

また、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦの算出条件として目標空燃比ＴＧＴ＿ＡＦが加味されるとともに、リーンバーン運転ではもともと外部ＥＧＲが併用されないため、第１実施形態における外部ＥＧＲの停止（ステップ３０）及び目標当量比ＫＣＭＤの設定（ステップ３１）の処理は、省略される。

その後の処理内容は第１実施形態と同じであり、算出した推定当量比ＫＣＰＳを実当量比ＫＡＣＴとして設定するとともに、実当量比ＫＡＣＴ（＝推定当量比ＫＣＰＳ）と目標当量比ＫＣＭＤに基づくフィードバック制御によって、燃料噴射量ＧＦＵＥＬが算出される（ステップ３３、２５〜２７）。

また、ＬＡＦセンサ５６及び筒内圧センサ５１がいずれも異常と判定されたときには（ステップ２２：ＮＯ、ステップ２８：ＮＯ）、第１実施形態と同様、空燃比のフィードバック制御を停止し、フィードフォワード制御を実行するとともに、ＬＡＦセンサ５６の異常を運転者に知らせるための警告灯が点灯される（ステップ３４、３５）。

以上のように、本実施形態によれば、外部ＥＧＲを併用しないエンジン３のリーンバーン運転中にＬＡＦセンサ５６に異常が発生した場合においても、推定当量比ＫＣＰＳを精度良く算出でき、したがって、推定当量比ＫＣＰＳに基づく空燃比のフィードバック制御によって、混合気の空燃比を目標空燃比に精度良く制御でき、排ガス特性を良好に維持することができる。

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、基準筒内圧Ｐ＿ＲＥＦを算出する際に、第１実施形態ではストイキ運転用の基準筒内圧マップ（図４）を用い、第２実施形態ではリーンバーン運転用の基準筒内圧マップ（図９）を用いているが、例えばエンジン３がストイキ運転とリーンバ−ン運転に切り替えて運転される場合には、図９に示すような、入力パラメータに目標空燃比ＡＧＴ＿ＡＦを加えた基準筒内圧マップを、両運転用に作成し、共通に用いてもよい。

また、実施形態では、ＬＡＦセンサ５６が正常であるか否かの判定を、その検出値の大きさや、検出値と目標空燃比との関係に基づいて行っているが、他の適当な方法で行ってもよいことはもちろんである。

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、異常判定手段、制御手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
７ 排気通路
５１ 筒内圧センサ
５６ ＬＡＦセンサ（空燃比センサ）
ＫＣＭＤ 目標当量比（目標空燃比）
ＴＧＴ＿ＡＦ 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 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）
Ｐ＿ＲＥＦ 基準筒内圧

Claims (2)

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、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正常であるか否かを判定する異常判定手段と、
   前記空燃比センサが正常で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、空燃比センサが異常である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. 前記内燃機関は、排気還流による外部ＥＧＲを用いず、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定した状態で運転されるリーンバーン運転モードを有し、
   前記空燃比推定手段は、前記内燃機関が前記リーンバーン運転モードで運転されているときには、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前記目標空燃比であるという条件で、基準筒内圧を算出し、当該算出された基準筒内圧と前記検出された筒内圧との比較結果に基づいて、混合気の空燃比を推定す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。

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