JP3826996B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化用の触媒の上流側と下流側にそれぞれ空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）又は酸素センサを設置して内燃機関の空燃比をフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日の自動車は、排気管に三元触媒を設置して排ガスを浄化するようにしているが、触媒の排ガス浄化率を高めるためには、排ガスの空燃比を触媒の浄化ウインド内（目標空燃比付近）に制御する必要がある。そこで、触媒の上流側と下流側にそれぞれ排ガスセンサ（空燃比センサ又は酸素センサ）を設置し、上流側排ガスセンサで検出される排ガスの空燃比が上流側目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御すると共に、下流側排ガスセンサで検出される排ガスの空燃比が下流側目標空燃比となるように上流側目標空燃比を補正するサブフィードバック制御を実施するようにしたものがある。
【０００３】
このようなメイン／サブフィードバックシステムでは、特許第２５１８２４７号公報に示すように、下流側排ガスセンサの検出空燃比と下流側目標空燃比との偏差が大きくなるほど、空燃比フィードバック制御定数（例えばスキップ量）の更新量を大きくすることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒の動特性は、触媒の劣化度合、触媒内のリーン／リッチ成分吸着状態、エンジン運転状態によって変化するが、上記従来のメイン／サブフィードバックシステムでは、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性が十分とは言えない。このため、触媒の動特性の変化に対してサブフィードバック制御の応答遅れが発生して触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）が不安定となり、ハンチングが発生する可能性がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性を向上でき、安定した空燃比制御を行う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にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の空燃比制御装置は、触媒の上流側と下流側にそれぞれ排ガスセンサを設け、上流側排ガスセンサの検出空燃比が上流側目標空燃比となるように燃料噴射量を空燃比フィードバック制御手段によりフィードバック制御すると共に、下流側排ガスセンサの検出空燃比が下流側目標空燃比となるように上流側目標空燃比をサブフィードバック制御手段により補正するシステムにおいて、下流側排ガスセンサの検出空燃比と現在制御されるべき最終的な下流側目標空燃比とに基づいて当該検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に位置する中間目標値を中間目標値設定手段により設定し、前記サブフィードバック制御手段は、下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値とに基づいて上流側目標空燃比の補正量を算出する。このようにすれば、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性が向上し、触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）が安定して、触媒の動特性の変化によるハンチングが発生しなくなり、安定した空燃比制御を行うことが可能となる。
【０００７】
この場合、請求項２のように、中間目標値は、前回演算時（又は所定演算回数前）の下流側排ガスセンサの検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に収まるように設定するようにすると良い。このようにすれば、触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）の中間目標値への収束性が良くなる。
【０００８】
また、請求項３のように、前回演算時（又は所定演算回数前）の下流側排ガスセンサの検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との偏差に１未満の正の係数を乗算した値と、最終的な下流側目標空燃比とを加算して中間目標値を求めるようにすると良い。このようにすれば、前回演算時（又は所定演算回数前）の下流側排ガスセンサの検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に収まる中間目標値を簡単な演算処理で設定することができ、中間目標値を求める演算処理を簡略化することができる。
【０００９】
また、請求項４のように、上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、中間目標値と下流側排ガスセンサの検出空燃比との偏差が大きくなるほど、大きくなる項（例えば比例項）を含ませるようにしても良い。このようにすれば、触媒の動特性の変化を上流側目標空燃比の補正量に迅速に反映させることができ、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性を更に向上することができる。
【００１０】
また、請求項５のように、上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、中間目標値と下流側排ガスセンサの検出空燃比との偏差の積算値が大きくなるほど、大きくなる項（例えば積分項）を含ませるようにしても良い。このようにすれば、制御系が安定しているときの触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）と中間目標値との定常偏差（オフセット量）が少なくなり、触媒下流側の空燃比の中間目標値への収束性が良くなる。
【００１１】
また、請求項６のように、上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、下流側排ガスセンサの検出空燃比がリッチかリーンかによって切り換えられる項を含ませるようにしても良い。つまり、下流側排ガスセンサの出力がリーンからリッチに変化する応答性と、その反対方向に変化する応答性とが異なるため、下流側排ガスセンサの出力がリッチかリーンかによって切り換えれる項を持てば、リッチ／リーンによる応答性の相違を補償した高精度な空燃比制御を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５が設けられている。
【００１３】
更に、スロットルバルブ１５の下流側にはサージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられている。各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍には、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられている。
【００１４】
一方、エンジン１１の排気管２２の途中には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２３が設置されている。この触媒２３の上流側と下流側には、それぞれ排ガス空燃比又はリッチ／リーンを検出する排ガスセンサ２４，２５が設置されている。本実施形態では、上流側排ガスセンサ２４は、排ガス空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）が用いられ、下流側排ガスセンサ２５は、排ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサが用いられている。従って、下流側排ガスセンサ２５は、空燃比がリーンの時には０．１Ｖ程度の出力電圧を発生し、空燃比がリッチの時には０．９Ｖ程度の出力電圧を発生する。尚、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ２６や、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ２７が取り付けられている。
【００１５】
エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２８は、ＲＯＭ２９、ＲＡＭ３０、ＣＰＵ３１、バッテリ３２でバックアップされたバックアップＲＡＭ３３、入力ポート３４、出力ポート３５等からなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。入力ポート３４には、回転速度センサ２７の出力信号が入力されると共に、エアフローメータ１４、上流側及び下流側排ガスセンサ２４，２５、水温センサ２６の出力信号が、それぞれＡ／Ｄ変換器３６を介して入力される。また、出力ポート３５には、駆動回路３９を介して燃料噴射弁２０、点火プラグ２１等が接続されている。
【００１６】
ＥＣＵ２８は、ＲＯＭ２９に記憶された燃料噴射制御プログラムや点火制御プログラムをＣＰＵ３１で実行することで、燃料噴射弁２０や点火プラグ２１の動作を制御すると共に、空燃比制御プログラムを実行することで、排ガスの空燃比が目標空燃比となるように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。
【００１７】
以下、本実施形態の空燃比フィードバック制御システムについて図２及び図３に基づいて説明する。ここで、図２はＣＰＵ３１の演算処理機能で実現する空燃比制御手段４０の機能を示すブロック図、図３は空燃比フィードバック制御システム全体の機能を示すブロック図である。
【００１８】
空燃比制御手段４０は、燃料噴射量フィードバック制御部４１と目標空燃比計算部４２とから構成され、更に、目標空燃比計算部４２は、負荷目標空燃比計算部４３と目標空燃比補正部４４とから構成されている。
【００１９】
燃料噴射量フィードバック制御部４１は、上流側排ガスセンサ２４の検出空燃比ＡＦが上流側目標空燃比ＡＦref に収束するように、燃料噴射弁２０の燃料噴射時間Ｔinj を算出する。この燃料噴射時間Ｔinj の算出は、制御対象のモデルの線形方程式に対して構築された最適レギュレータにより行われる。この燃料噴射量フィードバック制御部４１が、特許請求の範囲でいう空燃比フィードバック制御手段に相当する役割を果たす。
【００２０】
一方、負荷目標空燃比計算部４３は、ＲＯＭ２９に記憶された関数式又はマップにより吸入空気量（又は吸気管圧力）とエンジン回転速度に応じた負荷目標空燃比ＡＦbaseを算出する。この負荷目標空燃比ＡＦbaseを算出するための関数式又はマップは、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out（検出空燃比）が定常的にほぼ最終目標値Ｏ2targ （最終的な下流側目標空燃比）と等しいときに、上流側目標空燃比ＡＦref を負荷目標空燃比ＡＦbaseに維持すれば、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2outが最終目標値Ｏ2targ 付近に維持されるように予め試験等によって設定されている。
【００２１】
また、目標空燃比補正部４４は、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2outに基づいて、後述する中間目標値Ｏ2midtargを用いて上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcompを算出する。そして、この補正量ＡＦcompを負荷目標空燃比ＡＦbaseに加算することにより、上流側目標空燃比ＡＦref を求め、この上流側目標空燃比ＡＦref を燃料噴射量フィードバック制御部４１に入力する。
ＡＦref ＝ＡＦbase＋ＡＦcomp
尚、上式に代えて、次式により上流側目標空燃比ＡＦref を算出しても良い。
ＡＦref ＝（１＋ＡＦcomp）×ＡＦbase
【００２２】
この場合、目標空燃比計算部４２（負荷目標空燃比計算部４３と目標空燃比補正部４４）が、特許請求の範囲でいうサブフィードバック制御手段に相当する役割を果たす。
【００２３】
次に、目標空燃比補正部４４で中間目標値Ｏ2midtargを用いて上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcompを算出する方法を図３に基づいて説明する。
【００２４】
制御対象を燃料噴射量フィードバック制御部４１、燃料噴射弁２０、エンジン１１、触媒２３、下流側排ガスセンサ２５等からなる系とする。目標空燃比補正部４４は、時間遅れ要素（１／ｚ）４５と中間目標値計算部４６と補正量計算部４７とから構成され、時間遅れ要素４５は、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) を中間目標値計算部４６に入力する。
【００２５】
一方、中間目標値計算部４６は、特許請求の範囲でいう中間目標値設定手段に相当する役割を果たし、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)（最終的な下流側目標空燃比）とに基づいて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を図４のマップ又は下記の（１）式を用いて計算する。これにより、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)との間に中間目標値Ｏ2midtarg(i) が設定される。
【００２６】
この中間目標値Ｏ2midtarg(i) を設定する図４のマップは、非線型単調増加関数によって表される。この非線型単調増加関数は、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) が最終目標値Ｏ2targ(i)よりも小さいとき、すなわちリーン時には、中間目標値Ｏ2midtarg(i) が傾き１、接片０の直線よりも上方に位置し、反対に、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) が最終目標値Ｏ2targ(i)よりも大きいとき、すなわち、リッチ時には、中間目標値Ｏ2midtarg(i) が傾き１、接片０の直線よりも下方に位置するように設定されている。この非線型単調増加関数のカーブ形状は、下流側排ガスセンサ２５の静特性により決定しても良い。
【００２７】
一方、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を数式で演算する場合は、次の（１）式を用いれば良い。
Ｏ2midtarg(i) ＝Ｏ2targ(i)＋Ｋdec ×｛Ｏ2out(i-1) −Ｏ2targ(i)｝……（１）
【００２８】
上式において、Ｏ2targ(i)は今回の最終目標値、Ｏ2out(i-1) は前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力である。Ｋdec は１未満の正の係数（以下「減衰率」という）であり、０＜Ｋdec ＜１の範囲内で設定される。この減衰率Ｋdec は、演算処理の簡略化のために固定値としても良いが、例えば、エンジン運転状態（例えば吸入空気量、エンジン回転速度等）に応じてマップ又は数式により設定するようにしても良い。
【００２９】
また、下流側排ガスセンサ２５（酸素センサ）の出力変化特性は、リーンからリッチに変化する応答性と、その反対方向に変化する応答性とが同一ではなく、前者の応答性が速く、後者の応答性が遅いという特性がある。この特性を考慮して、最終目標値Ｏ2targ(i)に対してリッチ時とリーン時とで減衰率Ｋdec を図５のマップ又は数式により算出するようにしても良い。このようにすれば、リッチ／リーンによる応答性の相違を補償した高精度な中間目標値Ｏ2midtarg(i) を求めることができる。
【００３０】
尚、図５のマップは、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) と最終目標値Ｏ2targ(i)との偏差の絶対値が小さくなるほど、減衰率Ｋdec が大きくなるように設定されることで、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) の最終目標値Ｏ2targ(i)への収束性を向上させるようになっているが、演算処理の簡略化のために、最終目標値Ｏ2targ(i)に対してリッチ時とリーン時とで減衰率Ｋdec を単純に２段階に切り換えるだけにしても良い。
【００３１】
以上のようにして、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を図４のマップ又は前記（１）式を用いて計算した後、この中間目標値Ｏ2midtarg(i) を用いて次式により上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) を算出する。
【００３２】
上式において、Ｆsat は図６に示すような特性の飽和関数であり、補正量ＡＦcomp(i) は、Ｋ1 ×ΔＯ2(i)＋Ｋ2 ×Σ（ΔＯ2(i)）の演算値を上限ガード値と下限ガード値でガード処理して求められる。上式において、Ｋ1 は比例ゲイン、Ｋ2 は積分ゲインである。Ｋ1 ×ΔＯ2(i)は比例項であり、中間目標値Ｏ2midtarg(i) と下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) との偏差ΔＯ2(i)が大きくなるほど、大きくなる。また、Ｋ2 ×ΣΔＯ2(i)は積分項であり、中間目標値Ｏ2midtarg(i) と下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) との偏差ΔＯ2(i)の積算値が大きくなるほど、大きくなる。補正量ＡＦcomp(i) は、比例項と積分項を加算して求めた値を上限ガード値と下限ガード値でガード処理して求められる。
【００３３】
以上説明した目標空燃比補正部４４による補正量ＡＦcomp(i) の算出は、図７の補正量算出プログラムに従って行われる。本プログラムは、所定時間又は所定クランク角毎に実行される。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) を読み込み、次のステップ１０２で、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)（最終的な下流側目標空燃比）とに基づいて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を図４のマップ又は前記（１）式を用いて算出する。これにより、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)との間に中間目標値Ｏ2midtarg(i) が設定される。
【００３４】
この後、ステップ１０３に進み、中間目標値Ｏ2midtarg(i) と下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) との偏差ΔＯ2(i)を算出する。
ΔＯ2(i)＝Ｏ2midtarg(i) −Ｏ2out(i)
そして、次のステップ１０４で、前回までの偏差ΔＯ2 の積算値ΣΔＯ2(i-1)に今回の偏差ΔＯ2(i)を積算して、今回までの偏差ΔＯ2 の積算値ΣΔＯ2(i)を求める。
ΣΔＯ2(i)＝ΣΔＯ2(i-1)＋ΔＯ2(i)
【００３５】
この後、ステップ１０５に進み、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) を次式により算出する。
ＡＦcomp(i) ＝Ｆsat （Ｋ1 ×ΔＯ2(i)＋Ｋ2 ×ΣΔＯ2(i)）
これにより、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) は比例項（Ｋ1 ×ΔＯ2(i)）と積分項（Ｋ2 ×ΣΔＯ2(i)）を加算して求めた値を上限ガード値と下限ガード値でガード処理して求められる。
そして、次のステップ１０６で、今回のΔＯ2(i)とΣΔＯ2(i)をそれぞれ前回のΔＯ2(i-1)とΣΔＯ2(i-1)として記憶して本プログラムを終了する。
【００３６】
エンジン運転中は、吸入空気量（又は吸気管圧力）とエンジン回転速度に応じた負荷目標空燃比ＡＦbaseを算出し、上記図７の補正量算出プログラムで算出した補正量ＡＦcompを負荷目標空燃比ＡＦbaseに加算することで、上流側目標空燃比ＡＦref を求め、上流側排ガスセンサ２４の検出空燃比ＡＦが上流側目標空燃比ＡＦref に収束するように燃料噴射時間Ｔinj （燃料噴射量）を算出する。
【００３７】
以上説明した実施形態によれば、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)とに基づいて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を算出し、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) と中間目標値Ｏ2midtarg(i) とに基づいて上流側目標空燃比ＡＦの補正量ＡＦcomp(i) を算出するようにしたので、触媒２３の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性が向上し、触媒２３下流側の空燃比（下流側排ガスセンサ２５の出力）が安定して、触媒２３の動特性の変化によるハンチングが発生しなくなり、安定した空燃比制御を行うことが可能となる。
【００３８】
尚、下流側排ガスセンサ２５は、酸素センサに代えて、空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）を用いても良く、また、上流側排ガスセンサ２４は、空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）に代えて、酸素センサを用いても良い。
【００３９】
また、上記実施形態では、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を算出する際に前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) を用いたが、所定演算回数前の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-n) を用いても良い。
【００４０】
その他、本発明は、中間目標値Ｏ2midtarg(i) の算出式や補正量ＡＦcomp(i) の算出式を適宜変更しても良い等、種々変更して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】ＥＣＵのＣＰＵの演算処理機能で実現する空燃比制御手段の機能を示すブロック図
【図３】空燃比フィードバック制御システム全体の機能を示す機能ブロック図
【図４】前回演算時の下流側排ガスセンサの出力Ｏ2out(i-1) に応じて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を設定するマップを概念的に示す図
【図５】現在の下流側排ガスセンサの出力Ｏ2out(i) と最終目標値Ｏ2targ(i)との偏差に応じて減衰率を設定するマップを概念的に示す図
【図６】補正量ＡＦcomp(i) を算出する飽和関数を説明する図
【図７】補正量算出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、２０…燃料噴射弁、２２…排気管、２３…触媒、２４…上流側排ガスセンサ、２５…下流側排ガスセンサ、２８…ＥＣＵ（空燃比フィードバック制御手段，サブフィードバック制御手段，中間目標値設定手段）、３１…ＣＰＵ、４０…空燃比制御手段、４１…燃料噴射量フィードバック制御部（空燃比フィードバック制御手段）、４２…目標空燃比計算部（サブフィードバック制御手段）、４３…負荷目標空燃比計算部、４４…目標空燃比補正部、４５…時間遅れ要素（１／ｚ）、４６…中間目標値計算部（中間目標値設定手段）、４７…補正量計算部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化用の触媒の上流側と下流側にそれぞれ空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）又は酸素センサを設置して内燃機関の空燃比をフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日の自動車は、排気管に三元触媒を設置して排ガスを浄化するようにしているが、触媒の排ガス浄化率を高めるためには、排ガスの空燃比を触媒の浄化ウインド内（目標空燃比付近）に制御する必要がある。そこで、触媒の上流側と下流側にそれぞれ排ガスセンサ（空燃比センサ又は酸素センサ）を設置し、上流側排ガスセンサで検出される排ガスの空燃比が上流側目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御すると共に、下流側排ガスセンサで検出される排ガスの空燃比が下流側目標空燃比となるように上流側目標空燃比を補正するサブフィードバック制御を実施するようにしたものがある。
【０００３】
このようなメイン／サブフィードバックシステムでは、特許第２５１８２４７号公報に示すように、下流側排ガスセンサの検出空燃比と下流側目標空燃比との偏差が大きくなるほど、空燃比フィードバック制御定数（例えばスキップ量）の更新量を大きくすることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒の動特性は、触媒の劣化度合、触媒内のリーン／リッチ成分吸着状態、エンジン運転状態によって変化するが、上記従来のメイン／サブフィードバックシステムでは、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性が十分とは言えない。このため、触媒の動特性の変化に対してサブフィードバック制御の応答遅れが発生して触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）が不安定となり、ハンチングが発生する可能性がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性を向上でき、安定した空燃比制御を行う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にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の空燃比制御装置は、触媒の上流側と下流側にそれぞれ排ガスセンサを設け、上流側排ガスセンサの検出空燃比が上流側目標空燃比となるように燃料噴射量を空燃比フィードバック制御手段によりフィードバック制御すると共に、下流側排ガスセンサの検出空燃比が下流側目標空燃比となるように上流側目標空燃比をサブフィードバック制御手段により補正するシステムにおいて、下流側排ガスセンサの検出空燃比と現在制御されるべき最終的な下流側目標空燃比とに基づいて当該検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に位置する中間目標値を中間目標値設定手段により設定し、前記サブフィードバック制御手段は、下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値とに基づいて上流側目標空燃比の補正量を算出する。このようにすれば、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性が向上し、触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）が安定して、触媒の動特性の変化によるハンチングが発生しなくなり、安定した空燃比制御を行うことが可能となる。
【０００７】
この場合、請求項２のように、中間目標値は、前回演算時（又は所定演算回数前）の下流側排ガスセンサの検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に収まるように設定するようにすると良い。このようにすれば、触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）の中間目標値への収束性が良くなる。
【０００８】
また、請求項３のように、前回演算時（又は所定演算回数前）の下流側排ガスセンサの検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との偏差に１未満の正の係数を乗算した値と、最終的な下流側目標空燃比とを加算して中間目標値を求めるようにすると良い。このようにすれば、前回演算時（又は所定演算回数前）の下流側排ガスセンサの検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に収まる中間目標値を簡単な演算処理で設定することができ、中間目標値を求める演算処理を簡略化することができる。
【０００９】
また、請求項４のように、上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、中間目標値と下流側排ガスセンサの検出空燃比との偏差が大きくなるほど、大きくなる項（例えば比例項）を含ませるようにしても良い。このようにすれば、触媒の動特性の変化を上流側目標空燃比の補正量に迅速に反映させることができ、触媒の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性を更に向上することができる。
【００１０】
また、請求項５のように、上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、中間目標値と下流側排ガスセンサの検出空燃比との偏差の積算値が大きくなるほど、大きくなる項（例えば積分項）を含ませるようにしても良い。このようにすれば、制御系が安定しているときの触媒下流側の空燃比（下流側排ガスセンサの出力）と中間目標値との定常偏差（オフセット量）が少なくなり、触媒下流側の空燃比の中間目標値への収束性が良くなる。
【００１１】
また、請求項６のように、上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、下流側排ガスセンサの検出空燃比がリッチかリーンかによって切り換えられる項を含ませるようにしても良い。つまり、下流側排ガスセンサの出力がリーンからリッチに変化する応答性と、その反対方向に変化する応答性とが異なるため、下流側排ガスセンサの出力がリッチかリーンかによって切り換えれる項を持てば、リッチ／リーンによる応答性の相違を補償した高精度な空燃比制御を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５が設けられている。
【００１３】
更に、スロットルバルブ１５の下流側にはサージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられている。各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍には、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられている。
【００１４】
一方、エンジン１１の排気管２２の途中には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２３が設置されている。この触媒２３の上流側と下流側には、それぞれ排ガス空燃比又はリッチ／リーンを検出する排ガスセンサ２４，２５が設置されている。本実施形態では、上流側排ガスセンサ２４は、排ガス空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）が用いられ、下流側排ガスセンサ２５は、排ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサが用いられている。従って、下流側排ガスセンサ２５は、空燃比がリーンの時には０．１Ｖ程度の出力電圧を発生し、空燃比がリッチの時には０．９Ｖ程度の出力電圧を発生する。尚、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ２６や、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ２７が取り付けられている。
【００１５】
エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２８は、ＲＯＭ２９、ＲＡＭ３０、ＣＰＵ３１、バッテリ３２でバックアップされたバックアップＲＡＭ３３、入力ポート３４、出力ポート３５等からなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。入力ポート３４には、回転速度センサ２７の出力信号が入力されると共に、エアフローメータ１４、上流側及び下流側排ガスセンサ２４，２５、水温センサ２６の出力信号が、それぞれＡ／Ｄ変換器３６を介して入力される。また、出力ポート３５には、駆動回路３９を介して燃料噴射弁２０、点火プラグ２１等が接続されている。
【００１６】
ＥＣＵ２８は、ＲＯＭ２９に記憶された燃料噴射制御プログラムや点火制御プログラムをＣＰＵ３１で実行することで、燃料噴射弁２０や点火プラグ２１の動作を制御すると共に、空燃比制御プログラムを実行することで、排ガスの空燃比が目標空燃比となるように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。
【００１７】
以下、本実施形態の空燃比フィードバック制御システムについて図２及び図３に基づいて説明する。ここで、図２はＣＰＵ３１の演算処理機能で実現する空燃比制御手段４０の機能を示すブロック図、図３は空燃比フィードバック制御システム全体の機能を示すブロック図である。
【００１８】
空燃比制御手段４０は、燃料噴射量フィードバック制御部４１と目標空燃比計算部４２とから構成され、更に、目標空燃比計算部４２は、負荷目標空燃比計算部４３と目標空燃比補正部４４とから構成されている。
【００１９】
燃料噴射量フィードバック制御部４１は、上流側排ガスセンサ２４の検出空燃比ＡＦが上流側目標空燃比ＡＦref に収束するように、燃料噴射弁２０の燃料噴射時間Ｔinj を算出する。この燃料噴射時間Ｔinj の算出は、制御対象のモデルの線形方程式に対して構築された最適レギュレータにより行われる。この燃料噴射量フィードバック制御部４１が、特許請求の範囲でいう空燃比フィードバック制御手段に相当する役割を果たす。
【００２０】
一方、負荷目標空燃比計算部４３は、ＲＯＭ２９に記憶された関数式又はマップにより吸入空気量（又は吸気管圧力）とエンジン回転速度に応じた負荷目標空燃比ＡＦbaseを算出する。この負荷目標空燃比ＡＦbaseを算出するための関数式又はマップは、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out（検出空燃比）が定常的にほぼ最終目標値Ｏ2targ （最終的な下流側目標空燃比）と等しいときに、上流側目標空燃比ＡＦref を負荷目標空燃比ＡＦbaseに維持すれば、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2outが最終目標値Ｏ2targ 付近に維持されるように予め試験等によって設定されている。
【００２１】
また、目標空燃比補正部４４は、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2outに基づいて、後述する中間目標値Ｏ2midtargを用いて上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcompを算出する。そして、この補正量ＡＦcompを負荷目標空燃比ＡＦbaseに加算することにより、上流側目標空燃比ＡＦref を求め、この上流側目標空燃比ＡＦref を燃料噴射量フィードバック制御部４１に入力する。
ＡＦref ＝ＡＦbase＋ＡＦcomp
尚、上式に代えて、次式により上流側目標空燃比ＡＦref を算出しても良い。
ＡＦref ＝（１＋ＡＦcomp）×ＡＦbase
【００２２】
この場合、目標空燃比計算部４２（負荷目標空燃比計算部４３と目標空燃比補正部４４）が、特許請求の範囲でいうサブフィードバック制御手段に相当する役割を果たす。
【００２３】
次に、目標空燃比補正部４４で中間目標値Ｏ2midtargを用いて上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcompを算出する方法を図３に基づいて説明する。
【００２４】
制御対象を燃料噴射量フィードバック制御部４１、燃料噴射弁２０、エンジン１１、触媒２３、下流側排ガスセンサ２５等からなる系とする。目標空燃比補正部４４は、時間遅れ要素（１／ｚ）４５と中間目標値計算部４６と補正量計算部４７とから構成され、時間遅れ要素４５は、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) を中間目標値計算部４６に入力する。
【００２５】
一方、中間目標値計算部４６は、特許請求の範囲でいう中間目標値設定手段に相当する役割を果たし、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)（最終的な下流側目標空燃比）とに基づいて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を図４のマップ又は下記の（１）式を用いて計算する。これにより、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)との間に中間目標値Ｏ2midtarg(i) が設定される。
【００２６】
この中間目標値Ｏ2midtarg(i) を設定する図４のマップは、非線型単調増加関数によって表される。この非線型単調増加関数は、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) が最終目標値Ｏ2targ(i)よりも小さいとき、すなわちリーン時には、中間目標値Ｏ2midtarg(i) が傾き１、接片０の直線よりも上方に位置し、反対に、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) が最終目標値Ｏ2targ(i)よりも大きいとき、すなわち、リッチ時には、中間目標値Ｏ2midtarg(i) が傾き１、接片０の直線よりも下方に位置するように設定されている。この非線型単調増加関数のカーブ形状は、下流側排ガスセンサ２５の静特性により決定しても良い。
【００２７】
一方、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を数式で演算する場合は、次の（１）式を用いれば良い。
Ｏ2midtarg(i) ＝Ｏ2targ(i)＋Ｋdec ×｛Ｏ2out(i-1) −Ｏ2targ(i)｝……（１）
【００２８】
上式において、Ｏ2targ(i)は今回の最終目標値、Ｏ2out(i-1) は前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力である。Ｋdec は１未満の正の係数（以下「減衰率」という）であり、０＜Ｋdec ＜１の範囲内で設定される。この減衰率Ｋdec は、演算処理の簡略化のために固定値としても良いが、例えば、エンジン運転状態（例えば吸入空気量、エンジン回転速度等）に応じてマップ又は数式により設定するようにしても良い。
【００２９】
また、下流側排ガスセンサ２５（酸素センサ）の出力変化特性は、リーンからリッチに変化する応答性と、その反対方向に変化する応答性とが同一ではなく、前者の応答性が速く、後者の応答性が遅いという特性がある。この特性を考慮して、最終目標値Ｏ2targ(i)に対してリッチ時とリーン時とで減衰率Ｋdec を図５のマップ又は数式により算出するようにしても良い。このようにすれば、リッチ／リーンによる応答性の相違を補償した高精度な中間目標値Ｏ2midtarg(i) を求めることができる。
【００３０】
尚、図５のマップは、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) と最終目標値Ｏ2targ(i)との偏差の絶対値が小さくなるほど、減衰率Ｋdec が大きくなるように設定されることで、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) の最終目標値Ｏ2targ(i)への収束性を向上させるようになっているが、演算処理の簡略化のために、最終目標値Ｏ2targ(i)に対してリッチ時とリーン時とで減衰率Ｋdec を単純に２段階に切り換えるだけにしても良い。
【００３１】
以上のようにして、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を図４のマップ又は前記（１）式を用いて計算した後、この中間目標値Ｏ2midtarg(i) を用いて次式により上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) を算出する。
上式において、Ｆsat は図６に示すような特性の飽和関数であり、補正量ＡＦcomp(i) は、Ｋ1 ×ΔＯ2(i)＋Ｋ2 ×Σ（ΔＯ2(i)）の演算値を上限ガード値と下限ガード値でガード処理して求められる。上式において、Ｋ1 は比例ゲイン、Ｋ2 は積分ゲインである。Ｋ1 ×ΔＯ2(i)は比例項であり、中間目標値Ｏ2midtarg(i) と下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) との偏差ΔＯ2(i)が大きくなるほど、大きくなる。また、Ｋ2 ×ΣΔＯ2(i)は積分項であり、中間目標値Ｏ2midtarg(i) と下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) との偏差ΔＯ2(i)の積算値が大きくなるほど、大きくなる。補正量ＡＦcomp(i) は、比例項と積分項を加算して求めた値を上限ガード値と下限ガード値でガード処理して求められる。
【００３３】
以上説明した目標空燃比補正部４４による補正量ＡＦcomp(i) の算出は、図７の補正量算出プログラムに従って行われる。本プログラムは、所定時間又は所定クランク角毎に実行される。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) を読み込み、次のステップ１０２で、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)（最終的な下流側目標空燃比）とに基づいて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を図４のマップ又は前記（１）式を用いて算出する。これにより、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)との間に中間目標値Ｏ2midtarg(i) が設定される。
【００３４】
この後、ステップ１０３に進み、中間目標値Ｏ2midtarg(i) と下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) との偏差ΔＯ2(i)を算出する。
ΔＯ2(i)＝Ｏ2midtarg(i) −Ｏ2out(i)
そして、次のステップ１０４で、前回までの偏差ΔＯ2 の積算値ΣΔＯ2(i-1)に今回の偏差ΔＯ2(i)を積算して、今回までの偏差ΔＯ2 の積算値ΣΔＯ2(i)を求める。
ΣΔＯ2(i)＝ΣΔＯ2(i-1)＋ΔＯ2(i)
【００３５】
この後、ステップ１０５に進み、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) を次式により算出する。
ＡＦcomp(i) ＝Ｆsat （Ｋ1 ×ΔＯ2(i)＋Ｋ2 ×ΣΔＯ2(i)）
これにより、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) は比例項（Ｋ1 ×ΔＯ2(i)）と積分項（Ｋ2 ×ΣΔＯ2(i)）を加算して求めた値を上限ガード値と下限ガード値でガード処理して求められる。
そして、次のステップ１０６で、今回のΔＯ2(i)とΣΔＯ2(i)をそれぞれ前回のΔＯ2(i-1)とΣΔＯ2(i-1)として記憶して本プログラムを終了する。
【００３６】
エンジン運転中は、吸入空気量（又は吸気管圧力）とエンジン回転速度に応じた負荷目標空燃比ＡＦbaseを算出し、上記図７の補正量算出プログラムで算出した補正量ＡＦcompを負荷目標空燃比ＡＦbaseに加算することで、上流側目標空燃比ＡＦref を求め、上流側排ガスセンサ２４の検出空燃比ＡＦが上流側目標空燃比ＡＦref に収束するように燃料噴射時間Ｔinj （燃料噴射量）を算出する。
【００３７】
以上説明した実施形態によれば、前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) と最終目標値Ｏ2targ(i)とに基づいて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を算出し、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) と中間目標値Ｏ2midtarg(i) とに基づいて上流側目標空燃比ＡＦの補正量ＡＦcomp(i) を算出するようにしたので、触媒２３の動特性の変化に対するサブフィードバック制御の応答性が向上し、触媒２３下流側の空燃比（下流側排ガスセンサ２５の出力）が安定して、触媒２３の動特性の変化によるハンチングが発生しなくなり、安定した空燃比制御を行うことが可能となる。
【００３８】
尚、下流側排ガスセンサ２５は、酸素センサに代えて、空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）を用いても良く、また、上流側排ガスセンサ２４は、空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）に代えて、酸素センサを用いても良い。
【００３９】
また、上記実施形態では、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を算出する際に前回演算時の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-1) を用いたが、所定演算回数前の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i-n) を用いても良い。
【００４０】
その他、本発明は、中間目標値Ｏ2midtarg(i) の算出式や補正量ＡＦcomp(i) の算出式を適宜変更しても良い等、種々変更して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】ＥＣＵのＣＰＵの演算処理機能で実現する空燃比制御手段の機能を示すブロック図
【図３】空燃比フィードバック制御システム全体の機能を示す機能ブロック図
【図４】前回演算時の下流側排ガスセンサの出力Ｏ2out(i-1) に応じて中間目標値Ｏ2midtarg(i) を設定するマップを概念的に示す図
【図５】現在の下流側排ガスセンサの出力Ｏ2out(i) と最終目標値Ｏ2targ(i)との偏差に応じて減衰率を設定するマップを概念的に示す図
【図６】補正量ＡＦcomp(i) を算出する飽和関数を説明する図
【図７】補正量算出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、２０…燃料噴射弁、２２…排気管、２３…触媒、２４…上流側排ガスセンサ、２５…下流側排ガスセンサ、２８…ＥＣＵ（空燃比フィードバック制御手段，サブフィードバック制御手段，中間目標値設定手段）、３１…ＣＰＵ、４０…空燃比制御手段、４１…燃料噴射量フィードバック制御部（空燃比フィードバック制御手段）、４２…目標空燃比計算部（サブフィードバック制御手段）、４３…負荷目標空燃比計算部、４４…目標空燃比補正部、４５…時間遅れ要素（１／ｚ）、４６…中間目標値計算部（中間目標値設定手段）、４７…補正量計算部。
Claims (6)
- 内燃機関の排ガスを浄化する触媒と、
前記触媒の上流側と下流側でそれぞれ排ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する上流側排ガスセンサ及び下流側排ガスセンサと、
前記上流側排ガスセンサの検出空燃比が上流側目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記下流側排ガスセンサの検出空燃比が下流側目標空燃比となるように前記上流側目標空燃比を補正するサブフィードバック制御を行うサブフィードバック制御手段と
を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記下流側排ガスセンサの検出空燃比と現在制御されるべき最終的な下流側目標空燃比とに基づいて当該検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との間に位置する中間目標値を設定する中間目標値設定手段を備え、
前記サブフィードバック制御手段は、前記下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値とに基づいて前記上流側目標空燃比の補正量を算出することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記中間目標値設定手段は、前記中間目標値を前回演算時又は所定演算回数前の前記下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記最終的な下流側目標空燃比との間に収まるように設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記中間目標値設定手段は、前回演算時又は所定演算回数前の前記下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記最終的な下流側目標空燃比との偏差に１未満の正の係数を乗算した値と、最終的な下流側目標空燃比とを加算して前記中間目標値を求め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。
- 前記上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、前記中間目標値と前記下流側排ガスセンサの検出空燃比との偏差が大きくなるほど、大きくなる項が含まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、前記中間目標値と前記下流側排ガスセンサの検出空燃比との偏差の積算値が大きくなるほど、大きくなる項が含まれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記上流側目標空燃比の補正量を算出する式には、前記下流側排ガスセンサの検出空燃比がリッチかリーンかによって切り換えられる項が含まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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