JP3589683B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、内燃機関に供給される燃料量を制御して、混合気の空燃比を目標空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の空燃比制御装置としては、例えば、特開平１−１１０８５３号公報に記載されている装置がある。すなわち、この装置も基本的には、内燃機関の空燃比を制御する系の動的なモデルを考え、その都度供給すべき燃料量を、該モデルの内部状態を推定した最適なゲインのもとでフィードバック制御するいわゆる現代制御理論を活用したものではあるが、このような現代制御理論が通常、オブザーバと称される状態観測器の構築が必要とされて、その制御量や制御規模が膨大となることに鑑みて、この装置では特に、
（ １）内燃機関の空燃比を検出する空燃比検出手段
（ ２）内燃機関への燃料供給量を制御する燃料供給量制御手段
（ ３）検出された空燃比に基づいて燃料供給量制御手段の制御量を定め、内燃機関の空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段
を基本的に具え、
（ ４）空燃比制御手段は、空燃比を決定する内燃機関の動的なモデルを、無駄時間を次数１の自己回帰モデルにより近似し、更に外乱を考慮して構築するとともに、
（ ５）内燃機関の空燃比と燃料供給量制御手段の制御量とを、内燃機関の動的なモデルの内部状態を代表する状態変数量として出力する状態変数量出力部
（ ６）目標空燃比と検出された空燃比との偏差を累積する累積部
（ ７）動的なモデルに基づいて予め定められた最適フィードバックゲインと状態変数量及び累積部による累積値とから、燃料供給量制御手段の制御量を算出する制御量算出部
を更に具えることで、こうしたオブザーバの構築を不要としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成においては、上述のモデルが、内燃機関への燃料供給量と混合気の空燃比との間にてきちんとして成立した動的なモデル関係でもって常に構成されなければならない。
【０００４】
然るに、通常にリッチ出力やリーン出力を生ずる酸素濃度センサが約３００（℃）で活性化するのに対し、前記空燃比検出手段を構成する空燃比センサにおいては、その出力である限界電流のリッチリーン出力は４００（℃）から始まる。通常は、限界温度が安定する温度で使用しなければならないので、空燃比をここまでの範囲に亘り計測しようとすると、素子温において６３０（℃）程度が必要であり、これに達するまでは空燃比のフィードバックを開始できない。その結果、このフィードバックの開始時期が、通常の酸素濃度センサによる空燃比のフィードバックに比べかなり遅延されてしまい、排気ガス中のＨＣが悪化するという不具合が生ずる。
【０００５】
この対策として、限界電流が出力し始めたら、即座にフィードバックを開始するという方法が考えられるが、上述の空燃比センサの半暖機状態では、空燃比センサの出力特性が安定しない。このため、燃料噴射量と空燃比との間の動的モデル関係が崩れてしまい、その結果、現代制御理論の活用により期待される空燃比の制御が適正には実現できないという不具合が生ずる。特に、上述のような構成の空燃比制御装置においては、高応答性故に、空燃比制御は益々不安定になりハンチング現象を招くおそれがある。
【０００６】
また、空燃比センサのこのような出力特性に鑑みて、空燃比センサが安定状態にあるか否かを判定し、安定状態にあれば、空燃比センサの出力に基づく空燃比のフィードバック制御を実行し、不安定状態であれば、その制御を予めメモリに格納した擬似データにて代用するもの（特開平１−２１９３２７号公報参照）、また或いは、同じく空燃比センサが安定状態にあるか否かを判定し、安定状態にあれば、理論空燃比以外の所望空燃比となるようフィードバック制御を行い、不安定状態であれば、理論空燃比となるようフィードバック制御を行うもの（特開昭６０−２７７４９号公報参照）、などもあるにはあるが、実際の制御系の内情に沿った柔軟性やフィードバック系の応答性（収束速度）となると、なお改良の余地を残す。
【０００７】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、上述した空燃比制御をより柔軟に、且つ応答性よく実現することのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、この発明では、図９に示されるように、内燃機関Ｍ１へ供給する混合気を形成すべく同内燃機関Ｍ１へ吸入される空気へ燃料を噴射供給する燃料供給手段Ｍ２と、内燃機関Ｍ１の排気ガスに基づいて前記混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段Ｍ３と、これら燃料供給手段Ｍ２から空燃比検出手段Ｍ３までの制御対象に近似して設定された制御モデルに基づき前記検出される空燃比を目標空燃比に制御するための状態フィードバックを実行しつつその都度の空燃比補正係数を求める空燃比制御手段Ｍ４と、この求められる空燃比補正係数に基づいて前記燃料供給手段Ｍ２が供給する燃料量を制御する燃料供給量制御手段Ｍ５とを具える内燃機関の空燃比制御装置であって、前記空燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃比検出の可能な状態か否かを判定する判定手段Ｍ６と、前記制御モデルとして、前記空燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びないとき、のそれぞれの状態に対応して、フィードバックゲインが各々設定記憶された記憶手段Ｍ７と、前記判定手段Ｍ６の判定結果に応じて、これら設定記憶されたフィードバックゲインを選択的に読み出す制御モデル切換手段Ｍ８と、をそれぞれ具えるようにする。そして前記空燃比制御手段Ｍ４は、前記制御モデル切換手段Ｍ８から選択的に読み出されるフィードバックゲインに基づいて前記空燃比補正係数を求めるようにする。
【０００９】
【作用】
記憶手段Ｍ７に前記制御モデルとして、すなわち第１及び第２の制御モデルとして各々設定記憶されるフィードバックゲインとは、空燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びないとき、のそれぞれ実際に適用される状態フィードバック系の状態に対応して求められたものである。
【００１０】
したがって、判定手段Ｍ６の判定結果に応じてこれら第１及び第２の制御モデル（フィードバックゲイン）が選択的に空燃比制御手段Ｍ４に読み込まれることは、空燃比検出手段Ｍ３のその都度の状態に最も即したかたちで、供給される燃料量と検出される空燃比との動的な関係に基づく空燃比補正係数の算出が行われることを意味し、結局、柔軟性に富み、且つ応答性にも優れた前記現代制御理論に基づく空燃比フィードバック制御は、如何なる場合も好適に維持されるようになる。
【００１１】
なお、判定手段Ｍ６による判定手法としては、例えば
（ ａ）空燃比検出手段Ｍ３の温度が所定温度に達すること、及び該所定温度に達して所定時間が経過されること、の論理積条件に基づいて同空燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃比検出の可能な状態にある旨を判定する。
或いは
（ ｂ）前記制御される燃料供給量と前記検出される空燃比との動的な関係が維持されていることを条件に、前記空燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃比検出の可能な状態にある旨を判定する。
などの方法がある。何れの場合も、単に空燃比検出手段Ｍ３の温度のみを検出してその安定状態／不安定状態を判定する方法に比べれば、これら状態について、格段に信頼性の高い判定を行うことが可能となる。
【００１２】
【実施例】
図１に、この発明の一実施例として、４気筒４サイクル型火花点火式内燃機関Ｅ、及びその燃料噴射制御システムに、この発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置を適用した例を示す。
【００１３】
この図１に示される内燃機関Ｅは、その作動下において、
（ １）エアクリーナ１０を通り吸気管２０内に流入する空気流を、同吸気管２０内のスロットルバルブ２０ａ及びサージタンク３０を介してインテークマニホールド４０内に流入させる。
（ ２）図示しない燃料タンクより圧送され、燃料噴射弁４１〜４４を通じて噴射される燃料と、この流入させた空気流とを、同インテークマニホールド４０内で混合して混合気を形成する。
（ ３）この形成した混合気を機関本体５０の各気筒の燃焼室に供給して点火プラグ５１〜５４の点火のもとに燃焼させる。
（ ４）この燃焼させたガスをイグゾーストマニホールド６０及び三元触媒７０を通し排気ガスとして排気管８０内に排出する。
といった動作を繰り返す。
【００１４】
なおここで、上記各点火プラグ５１〜５４は、ディストリビュータ９０から点火回路１００との協働により配電される高電圧を受けて点火する。また、三元触媒７０はイグゾーストマニホールド６０からの排気ガス中の有害成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯＸ 等）を低減する役割を果たす。
【００１５】
また、燃料噴射制御システムは、回転数センサ１１０、スロットルセンサ１２０、負圧センサ１３０、水温センサ１４０、空気温センサ１５０、空燃比センサ１６０、及び酸素濃度センサ１７０をそれぞれ有している。以下に、これら各センサの機能を簡単に説明する。
【００１６】
回転数センサ１１０は、ディストリビュータ９０に配設されて、機関本体５０の出力軸の現実の回転数（内燃機関Ｅの現実の回転数に相当する）を検出し、この検出結果に比例する周波数にてパルス信号を順次発生する。ただし、回転数センサ１１０からのパルス信号の発生数は、内燃機関Ｅの２回転（すなわち７２０度クランク角）あたり、２４個である。
【００１７】
スロットルセンサ１２０は、スロットルバルブ２０ａの現実の開度を検出し、これを開度検出信号として発生する。また、スロットルセンサ１２０は、アイドルスイッチをも内蔵しているものとする。このアイドルスイッチは、スロットルバルブ２０ａの全閉時にこれを検出して全閉検出新語を発生する。
【００１８】
負圧センサ１３０は、吸気管２０内のスロットルバルブ２０ａの下流に生ずる現実の負圧を検出し、これを負圧検出信号として発生する。
水温センサ１４０は、機関本体５０の冷却系統内の現実の冷却水温を検出し、これを水温検出信号として発生する。
【００１９】
空気温センサ１５０は、吸気管２０内スロットルバルブ２０ａの上流に流入する空気流の現実の温度を空気温検出信号として発生する。
また、空燃比センサ１６０は、排気管８０内の三元触媒７０の上流における排気ガス中の現実の未燃焼酸素濃度を検出し、これを空燃比検出信号として発生する。かかる場合、同空燃比検出信号は、機関本体５０に供給される混合気の現実の空燃比λに対しリニアな値をとる。
【００２０】
酸素濃度センサ１７０は、排気管８０内の三元触媒７０の下流における排気ガス中の現実の未燃焼酸素濃度を検出し、これを酸素濃度検出信号として発生する。ただし、この酸素濃度センサ１７０からの酸素濃度検出信号は、空燃比λが理論空燃比λ０ に対しリッチかリーンであるかを表す。
【００２１】
以上説明したセンサは何れも周知であり、その構造等についての詳細な説明は割愛する。
マイクロコンピュータ１８０は、ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３、バックアップＲＡＭ１８４、入力ポート１８５、出力ポート１８６及びバスライン１８７等により構成されている。
【００２２】
ＣＰＵ１８１は、上述した回転数センサ１１０からのパルス信号、スロットルセンサ１２０からの開度検出信号並びに全閉検出信号、負圧センサ１３０からの負圧検出信号、水温センサ１４０からの水温検出信号、空気温センサ１５０からの空気温検出信号、空燃比センサ１６０からの空燃比検出信号、及び酸素濃度センサ１７０からの酸素濃度検出信号についてはこれを入力ポート１８５及びバスライン１８７を介して受入するとともに、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３、及びバックアップＲＡＭ１８４に記憶されているデータについてもこれをバスライン１８７を介して受入して、該燃料噴射制御システムとしての所定のコンピュータプログラムを実行し、この実行中において、バスライン１８７及び出力ポート１８６を介して燃料噴射弁４１〜４４及び点火回路１００を駆動制御するに必要な演算処理を行う。
【００２３】
ただし、上述のコンピュータプログラムはＲＯＭ１８２内に予め記憶されている。
また、このＲＯＭ１８２内には、後述する制御モデルとして、上記空燃比センサ１６０が安定して空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びないとき、のそれぞれの状態に対応して、後述する状態フィードバックが最も早く収束されるための最適フィードバックゲインも各々設定記憶されている。
【００２４】
次に、上述した燃料噴射制御システムにおいて、空燃比制御を行うために予め設計されている手法について順次説明する。
（１）制御対象のモデリング
この実施例では、内燃機関Ｅの空燃比λを制御するシステムのモデルに、無駄時間Ｐ＝３を有する次数１の自己回帰移動平均モデルを用い、更に外乱ｄを考慮して近似している。
【００２５】
まず、自己回帰移動平均モデルを用いた空燃比λを制御するシステムのモデルは、次の（１）式により近似できる。
λ（Ｋ）＝ａ・λ（Ｋ−１）＋ｂ・ＦＡＦ（Ｋ−３） …（１）
ただし、この（１）式において、符号ＦＡＦは空燃比補正係数を表す。また、符号ａ、ｂはそれぞれ定数を表す。また、符号Ｋは、最初のサンプリング開始からの制御回数を示す変数を表す。
【００２６】
更に、外乱ｄを考慮すると、制御システムのモデルは、次の（２）式で近似できる。
λ（Ｋ）＝ａ・λ（Ｋ−１）＋ｂ・ＦＡＦ（Ｋ−３）＋ｄ（Ｋ−１）…（２）
以上のように近似したモデルに対し、ステップ応答を用いた回転周期（３６０度クランク角）サンプリングで離散化して上記各定数ａ、ｂを定めること、すなわち空燃比λを制御する系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
（２）状態変数量ＩＸの表示方法（ただし、ＩＸはベクトル量である）
上記（２）式を、次の（３）式により表される状態変数量ＩＸ（Ｋ）を用いて書き直すと、（４）式の如き行列式となり、更には（５）式のようになる。ただし、（３）式において、符号Ｔは、転置行列を示す。また、式中の記号「＾」はべき乗を示すものとする。

（３）レギュレータの設計
上記（３）式〜（５）式に基づいてレギュレータを設計すると、空燃比補正係数ＦＡＦは、最適フィードバックゲインＩＫ（ベクトル量を有する）に関する次の（６）式、及び状態変数量ＩＸ（Ｋ）に関する（７）式を用いて、（８）式のように表せる。ここでも、式中の記号「＾」はべき乗を示す。

更に、この（８）式において、誤差を吸収させるための積分項ＺＩ（Ｋ）加えると、空燃比補正係数ＦＡＦは、次の（９）式によって与えられる。

なお、上記の積分項ＺＩ（Ｋ）は、目標空燃比λＴＧ及び現実の空燃比λ（Ｋ）間の偏差と積分定数Ｋａとから決まる値であって、次の（１０）式により与えられる。
ＺＩ（Ｋ）＝ＺＩ（Ｋ−１）＋Ｋａ・（λＴＧ−λ（Ｋ）） …（１０）
図２に、上述のようにモデル設計した空燃比λの制御システムのブロック線図を表す。
【００２７】
なお、この図２においては、空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ）をＦＡＦ（Ｋ−１）から導出するために（１／Ｚ）変換を用いて表記したが、これは実際には、過去の空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ−１）をＲＡＭ１８３に記憶しておき、次の制御タイミングで読み出して用いている。因みに、「ＦＡＦ（Ｋ−１）」は１回前の空燃比補正係数を表し、「ＦＡＦ（Ｋ−２）」は２回前の空燃比補正係数を表し、「ＦＡＦ（Ｋ−３）」は３回前の空燃比補正係数を表す。
【００２８】
また、同図２において、一点鎖線で囲まれたブロックＰ１が、空燃比λ（Ｋ）を目標空燃比λＴＧにフィードバック制御している状態にて状態変数量ＩＸ（Ｋ）を定める部分であり、ブロックＰ２が、積分項ＺＩ（Ｋ）を求める部分（累積部）であり、そしてブロックＰ３が、ブロックＰ１で定められた状態変数量ＩＸ（Ｋ）とブロックＰ２で求められた積分項ＺＩ（Ｋ）とから今回の空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ）を演算する部分である。
（４）最適フィードバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａの決定
最適フィードバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａは、例えば、次の（１１）式で示される評価関数Ｊを最小にすることで設定できる。式中の記号「＾」がべき乗を示すことはこれまでと同様である。

ただしこの（１１）式において、評価関数Ｊは、空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ）の動きを制約しつつ、空燃比λ（Ｋ）と目標空燃比λＴＧとの偏差を最小にすることを意図したものである。また、空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ）に対する制約の重み付けは、重みのパラメータＱ、及びＲの値によって変更できる。したがって、重みパラメータＱ、及びＲの値を種々変えて最適な制御特性が得られるまでシミュレーションを繰り返して、最適フィードバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａを定めればよい。
【００２９】
更に、最適フィードバックッゲインＩＫ及び積分定数Ｋａは、先のモデル定数ａ、及びｂ（先の（２）式、或いは（４）式参照）に依存している。したがって、現在の空燃比λを制御する系の変動（パラメータ変動）に対するシステムの安定性（ロバスト性）を保証するためには、これら各モデル定数ａ、及びｂの変動分を見込んで、最適フィードバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａを設定する必要がある。
【００３０】
よって、シミュレーションは、各モデル定数ａ、及びｂの現実に生じ得る変動を加味して行い、安定性を満足する最適フィールドバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａを定める。
【００３１】
以上、制御対象のモデリング、状態変数量の表示方法、レジュレータの設計、並びに最適フィールドバックゲイン及び積分定数の決定について説明したが、該実施例の装置では、これらは何れも既に設定されているものとする。そして以下では、上記（９）式及び（１０）式のみを用いて、該燃料噴射制御システムにおける空燃比制御を実行するものとする。
【００３２】
さて、以上のように構成したこの実施例の装置において、燃料噴射制御システムを作動状態におけば、マイクロコンピュータ１８０（正確にはそのＣＰＵ１８１）は、図３〜図５のフローチャートに従ってコンピュータプログラムの実行を開始する。
【００３３】
すなわちＣＰＵ１８１は、ステップ２００にて同プログラムの実行を開始した後、ステップ３００にて、インテークマニホールド４０内へ噴射供給する燃料の基本噴射量Ｔｐを演算する。この基本噴射量Ｔｐを演算は、内燃機関Ｅの３６０度クランク角毎に回転数センサ１１０から出力されるパルス信号の周波数（これに応じて同内燃機関Ｅの回転数Ｎｅが自ずと求まる）や、負圧センサ１３０から出力される負圧検出信号の値（以下、負圧ＰＭという）等に基づいて行われる。こうして燃料の基本噴射量Ｔｐを演算したＣＰＵ１８１は次いで、空燃比演算処理ルーチン４００（図４及び図５参照）に進み、ここで前述した空燃比補正係数ＦＡＦの算出、設定を開始する。
【００３４】
以下、図４に基づいて、この空燃比演算処理ルーチン４００におけるＣＰＵ１８１の処理手順を説明する。
ステップ４００ａとしてこの空燃比演算処理ルーチン４００を開始したＣＰＵ１８１は、次のステップ４１０にて、空燃比λのフィードバック条件の成立の有無を判別する。ただし、このフィードバック条件の成立は、機関本体５０の冷却系統内の冷却水温が所定水温以上であること、及び内燃機関Ｅの回転数及び負荷が高くないこと、等であるとする。
【００３５】
現段階にてフィードバック条件が成立していなければ、ＣＰＵ１８１は、このステップ４１０において「ＮＯ」と判断し、ステップ４８０にて、空燃比補正係数ＦＡＦを「ＦＡＦ＝１．０」とセットする。すなわちこのことは、空燃比λを補正しないことを意味し、この場合には、いわゆるオープン制御となる。
【００３６】
このようにして空燃比演算処理ルーチン４００の演算処理がステップ４００ｂにて終了すると、ＣＰＵ１８１は、ステップ５００（図３参照）にて、次の（１２）式に基づき、そのときに制御すべき燃料噴射量ＴＡＵを算出、設定する。
ＴＡＵ＝ＦＡＦ・Ｔｐ・ＦＡＬＬ …（１２）
因みにこの（１２）式において、ＦＡＦは、この空燃比演算処理ルーチン４００で求められた空燃比補正係数、Ｔｐは、上記ステップ３００で求められた燃料の基本噴射量、そしてＦＡＬＬは、該燃料噴射制御システムがここで実行される空燃比制御以外の要素で燃料噴射量を補正するための補正係数である。この補正係数ＦＡＬＬに基づく補正としては例えば、ＥＧＲ（エキゾーストガスリサキュレイションシステム）による補正、その時点の電圧による補正、その時点の水温による補正、等々がある。
【００３７】
一方、コンピュータープログラムが上述のようにステップ４１０（図４）に進んだときに空燃比λのフィードバック条件が成立しておれば、ＣＰＵ１８１は同ステップ４１０にて「ＹＥＳ」と判断する。
【００３８】
こうしてフィードバック条件が成立している旨判断したＣＰＵ１８１は、ステップ４２０にて、内燃機関Ｅのその時点での運転状態に応じた目標空燃比入ＴＧを設定した後、ステップ４３０にて、前記空燃比センサ１６０が安定して空燃比検出の可能な状態か否かを判定する。この判定のためのルーチンについては、後に図５を併せ参照して詳述する。
【００３９】
さてここで、空燃比センサ１６０が安定状態にある旨判定される場合、ＣＰＵ１８１は、前記ＲＯＭ１８２に各々設定記憶されている最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）のうち、空燃比センサ１６０の安定状態に対応してモデル化した制御モデルにあって、先の図２に示されるフィードバック系を最も早く収束させ得るフィードバックゲイン（便宜上、これを「第１の制御モデル」という）を選択的に読み込むステップ４４０を実行する。他方、同空燃比センサ１６０が不安定な状態にある旨判定される場合には、ＣＰＵ１８１は、同ＲＯＭ１８２に各々設定記憶されている最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）のうち、空燃比センサ１６０の不安定な状態に対応してモデル化した制御モデルにあって、同図２に示されるフィードバック系を最も早く収束させ得るフィードバックゲイン（便宜上、これを「第２の制御モデル」という）を選択的に読み込むステップ４５０を実行する。
【００４０】
これら最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）とは、先の（９）式におけるフィードバック定数「Ｋ１」〜「Ｋ４」、及び先の（１０）式におけるフィードバック定数「Ｋａ」をそれぞれ特定する値である。通常、このように空燃比センサの安定状態／不安定状態に応じて制御モデルが違えば、先の（４）式での定数ａ、及びｂも自ずと違った値となり、ひいては該最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）の値も、それら制御モデルの違いに応じて異なった値となる。そして、これら制御モデルの違いに応じて異なった最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）、すなわち第１及び第２の制御モデルが、先の（１１）式に基づいて予め経験的に設定できることは前述した通りである。
【００４１】
しかしてＣＰＵ１８１は、次のステップ４６０にて、その選択的に読み込んだ最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝Ａ）を先の（１０）式に代入して積分項ＺＩ（Ｋ）を演算し、更にステップ４７０にて、同選択的に読み込んだ最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４）を先の（９）式に代入して空燃比補正係数ＦＡＦを演算する。
【００４２】
このようにして、ステップ４７０における空燃比補正係数ＦＡＦの演算を終えると、ＣＰＵ１８１は、ステップ５００（図３）にて、先と同様、（１２）式に基づいて、そのときに制御すべき燃料噴射量ＴＡＵを算出、設定する。
【００４３】
そしてＣＰＵ１８１はその後、この設定した燃料噴射量ＴＡＵを燃料噴射出力信号として、バスライン１８７及び出力ポート１８６を介して燃料噴射弁４１〜４４に付与することとなる。これにより燃料噴射弁４１〜４４は、燃料タンクから圧送される燃料をこの燃料噴射出力信号の値に相当する量にてインテークマニホールド４０内に噴射するようになる。
【００４４】
なお、上記ステップ４３０での判定において、空燃比センサ１６０が不活性である旨判定される場合には、先のステップ４８０を通じて、この空燃比補正係数ＦＡＦを強制的に「１．０」とする。すなわち、たとえ前記フィードバック条件が成立していようとも、空燃比センサ１６０が不活性であれば、正常な空燃比制御などそもそも不可能であるため、この場合にもオープン制御として、空燃比の補正は行わない。
【００４５】
ここで、上記ステップ４３０にあたる判定ルーチンについて、その一例を図５に基づき詳述する。
すなわちこの判定ルーチンでは、ステップ４３１１にて、空燃比センサ１６０の素子温ＴＡＦを検出した後、ステップ４３１２で、この素子温ＴＡＦが７００℃以上か否かを判定する。素子温ＴＡＦが７００℃以上であれば、ステップ４３１４に進む。ステップ４３１４では、マイクロコンピュータ１８０自身に内蔵されるとするカウンタＣＡＦを１インクリメントし、ステップ４３１５で、この素子温ＴＡＦが７００℃以上にある時間が、同カウンタＣＡＦでいう例えばカウント値「１０」に相当する時間以上続いたかどうかを判定する。この条件が満たされていれば、ステップ４３１８に進んで、「出力安定」状態である旨判定する。また、このステップ４３１５での判定において、上記素子温ＴＡＦの持続条件が満たされていない旨判断される場合には、ステップ４３１７にて「出力不安定」状態である旨判定する。
【００４６】
他方、上記ステップ４３１２において、素子温ＴＡＦが７００℃に満たない旨判断される場合には、ステップ４３１３で更に、同素子温ＴＡＦが５５０℃以上か否かを判定する。そしてその結果、素子温ＴＡＦが５５０℃以上であれば、ステップ４３１７にて「出力不安定」状態である旨判定し、同素子温ＴＡＦが５５０℃未満であれば、ステップ４３１６で「不活性」状態である旨判定する。
【００４７】
こうした判定ルーチンによれば、単に空燃比センサ１６０の温度のみを検出してその安定状態／不安定状態を判定する方法に比べ、同空燃比センサ１６０のそれら状態について、はるかに信頼性の高い判定を行うことができる。
【００４８】
図６は、こうした空燃比センサの温度−限界電流特性を参考までに示したものであるが、上述した実施例の装置を通じて上記判定ルーチンに基づく空燃比制御が行われることにより、同図６に付記する態様で、上記第１の制御モデルによるフィードバック制御、上記第２の制御モデルによるフィードバック制御、及びそれらに該当しないオープン制御がそれぞれ実施されるようになる。なお、第１の制御モデルによるフィードバック制御が行われるためには、正確には、上記素子温ＴＡＦが７００℃以上に維持される「時間要素」も加味されることとなるが、この図６では便宜上、該「時間要素」についての図示は割愛した。
【００４９】
以上のように、この実施例によれば、空燃比センサの安定状態／不安定状態の判定結果に応じて、これら第１及び第２の制御モデルに応じたフィードバック制御が選択的に実行されることとなる。すなわち、同空燃比センサが不活性である場合を除く如何なる状態にあっても、柔軟性に富み、且つ応答性にも優れた現代制御理論に基づく空燃比制御が実現されるようになる。
【００５０】
ところで、上記の実施例にあっては、空燃比センサの安定状態／不安定状態を判定するのに、図５に例示した判定ルーチンを用いるとしたが、このような判定ルーチンの選択は任意であり、他に例えば、図７に例示するような判定ルーチンを用いるようにしてもよい。
【００５１】
一般に、空燃比センサの出力が安定していないときは、燃料噴射量−空燃比の動的関係が崩れるため、燃料噴射量の動きに空燃比が追従しない。図８は、燃料噴射量−空燃比のこのような動的関係について例示している。すなわち、図８（ｂ）に示される空燃比補正係数ＦＡＦの変動に追従して、燃料噴射量が例えば１０％だけ減ったとすると、そのときの空燃比λも、図８（ａ）に一点鎖線にて示されるように、１０％だけ燃料が薄くなった旨を示す値として検出されるべきものが、このように空燃比センサ自身の出力が安定していないときには、例えば同図８（ａ）に実線にて示されるように、せいぜい２％程度燃料が薄くなった旨を示す値として検出される可能性がある。
【００５２】
そこで、この図７に例示する判定ルーチンでは、ステップ４３２１で、内燃機関Ｅが同一運転条件にあることを確認し、ステップ４３２２で、現在フィードバック中であることを確認した後、ステップ４３２３で、その時点で設定されている空燃比補正係数ＦＡＦと検出された空燃比λとを前記ＲＡＭ１８３に記憶する。そしてその後、ステップ４３２４で、燃料噴射量（ここでは空燃比補正係数ＦＡＦをもって燃料噴射量としている）と空燃比λとの動的関係を確認する。なお、このステップ４３２４の判定式で、「λ」はその時点で検出されている空燃比、「λＢＦ」は前回検出された空燃比、「ＦＡＦ」はその時点で設定されている空燃比補正係数、「ＦＡＦＢＦ」は前回設定された空燃比補正係数、をそれぞれ示すとする。したがって、（λ−λＢＦ）と（ＦＡＦ−ＦＡＦＢＦ）との比の絶対値である「α」の値は、上記動的関係が保たれているほど「１．０」に近づき、逆に上記動的関係が崩れているほど小さくなる（「０．１」に近づく）。このためここでは、上記「α」の値を監視して、同値が「０．８＜α≦１．０」であれば、ステップ４３２５で「出力安定」状態と判定し、同値が「０．６＜α≦０．８」であれば、ステップ４３２６で「出力不安定」状態と判定し、同値が「α≦０．６」であれば、ステップ４３２７で「不活性」状態と判定する。もっとも、上記の実施例では、内燃機関Ｅの空燃比λを制御するシステムのモデルに無駄時間Ｐ＝３を有する次数１の自己回帰移動平均モデルを用いて近似しているため、上記検出される空燃比λも３回転分だけ遅れることとなり、ここでエンジン回転数をｉとおけば、この判定式も正確には、
｜｛λ（ｉ＋３）−λＢＦ（ｉ＋３）｝／｛ＦＡＦ（ｉ）−ＦＡＦＢＦ（ｉ）｝｜＝α
となる。
【００５３】
なお、上記ステップ４３２１において、内燃機関Ｅが同一運転条件にあるか否かは、例えばエンジン回転数と吸気管圧力について各々前回のサンプル値と今回のサンプル値を比較することで判断できる。それら値が近ければ同一運転条件にあると判断される。
【００５４】
また、上記ステップ４３２２において、フィードバック中であるか否かは、先のフィードバック条件の成立の有無（図４ステップ４１０参照）によって判断することができる。
【００５５】
そして、これらステップ４３２１及び４３２２において「ＮＯ」と判定される場合には、ステップ４３２８の処理として、該判定ルーチンとしての前回の判定結果を返す（リターンする）ものとする。
【００５６】
このような判定方法によっても、前記空燃比センサ１６０が安定して空燃比検出の可能な状態か否かを、非常に高い信頼性を持って判定することができる。
なお、上記実施例においては、それが適用される内燃機関並びにその燃料噴射制御システムが図１に示される構成を有するとしたが、この発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置がこの図１に示される内燃機関やその燃料噴射制御システムへの適用に限られるものでないことは勿論であり、例えば先の図２に示される態様にてその制御対象がモデリングできるものであれば、他のいかなる内燃機関並びにその燃料噴射制御システムについても、上記同様にこの発明を適用することができる。
【００５７】
また、空燃比補正係数を求めるための具体処理として図４に示した手順も一例にすぎない。例えば目標空燃比の設定に関しても、積分項の演算などでそれが用いられる以前であれば、同フロー中の何れの箇所で設定されてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、空燃比検出手段のその都度の状態に最も即したかたちで、供給される燃料量と検出される空燃比との動的な関係に基づく空燃比補正係数の算出が行われ、ひいては柔軟性に富み、且つ応答性にも優れた現代制御理論に基づく空燃比フィードバック制御が、如何なる場合も好適に維持されるようになる。
【００５９】
またこの発明によれば、冒頭に示した従来の空燃比制御装置に比べてフィードバックの開始時期を早めることができ、その結果、適正な空燃比制御のもとに、排気ガス中の有害成分のエミッションの低減をより一層促進することができるようにもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置についてその一実施例が適用される内燃機関及びその燃料噴射制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】実施例の空燃比制御装置においてその制御対象としてモデリングされた状態フィードバック系の構成を示すブロック図である。
【図３】同実施例の空燃比制御装置の燃料噴射量設定のためのメイン処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】図３に示される手順のうち、空燃比補正係数の設定手順についてそのその具体的な処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図４に示される空燃比センサ出力の安定状態／不安定状態判定処理についてその具体的な処理手順を示すフローチャートである。
【図６】上記実施例の空燃比制御装置に適用される空燃比センサの温度−限界電流特性とともに、同実施例の空燃比制御装置による制御態様推移を併せ示すグラフである。
【図７】図４に示される空燃比センサ出力の安定状態／不安定状態判定処理について他の処理手順例を示すフローチャートである。
【図８】燃料噴射量の動きに空燃比が追従しない場合の燃料噴射量−空燃比の動的関係について例示したタイミングチャートである。
【図９】この発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置についてその構成概念を示すクレーム対応図である。
【符号の説明】
１０…エアクリーナ、２０…吸気管、２０ａ…スロットルバルブ、３０…サージタンク、４０…インテークマニホールド、４１、４２、４３、４４…燃料噴射弁、５０…機関本体、６０…イグゾーストマニホールド、７０…三元触媒、８０…排気管、９０…ディストリビュータ、１００…点火回路、１１０…回転数センサ、１２０…スロットルセンサ、１３０…負圧センサ、１４０…水温センサ、１５０…空気温センサ、１６０…空燃比センサ、１７０…酸素濃度センサ、１８０…マイクロコンピュータ、１８１…ＣＰＵ、１８２…ＲＯＭ、１８３…ＲＡＭ、１８４…バックアップＲＡＭ、１８５…入力ポート、１８６…出力ポート、１８７…バスライン。

Claims (3)

1. 内燃機関へ供給する混合気を形成すべく同内燃機関へ吸入される空気へ燃料を噴射供給する燃料供給手段と、内燃機関の排気ガスに基づいて前記混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、これら燃料供給手段から空燃比検出手段までの制御対象に近似して設定された制御モデルに基づき前記検出される空燃比を目標空燃比に制御するための状態フィードバックを実行しつつその都度の空燃比補正係数を求める空燃比制御手段と、この求められる空燃比補正係数に基づいて前記燃料供給手段が供給する燃料量を制御する燃料供給量制御手段とを具える内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記空燃比検出手段が安定して空燃比検出の可能な状態か否かを判定する判定手段と、
   前記制御モデルとして、前記空燃比検出手段が安定して空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びないとき、のそれぞれの状態に対応して、フィードバックゲインが各々設定記憶された記憶手段と、
   前記判定手段の判定結果に応じて、これら設定記憶されたフィードバックゲインを選択的に読み出す制御モデル切換手段と、
   を具え、前記空燃比制御手段は、該制御モデル切換手段から選択的に読み出されるフィードバックゲインに基づいて前記空燃比補正係数を求める
   ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記判定手段は、前記空燃比検出手段の温度が所定温度に達すること、及び該所定温度に達して所定時間が経過されること、の論理積条件に基づいて同空燃比検出手段が安定して空燃比検出の可能な状態にある旨を判定する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記判定手段は、前記制御される燃料供給量と前記検出される空燃比との動的な関係が維持されていることを条件に、前記空燃比検出手段が安定して空燃比検出の可能な状態にある旨を判定する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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