JP3889410B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に適応制御理論を応用したフィードバック制御により機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御する制御装置に関する。

現代制御理論の１つである最適レギュレータを空燃比フィードバック制御に応用し、機関の排気系に設けられた広域空燃比センサの出力と、機関の動的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とに基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比制御装置は、従来より知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平３−１８５２４４号公報

しかしながら、上記従来の制御装置では、空燃比センサの応答特性が経時変化等により劣化することを考慮していないため、設計上想定されている以上に劣化した場合には、機関の動的モデルの無駄時間が無視できないほど変化し、制御性能が極端に低下することがあった。

また、上記従来の制御装置では、機関の動的モデルに基づいて定められた最適フィードバックゲインを用いているため、空燃比センサの応答特性やその他の機関の動的モデルを変化させる要因に劣化等が起きた場合に、最適フィードバックゲインが合わなくなることがあった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、空燃比センサの応答特性が劣化した場合においても、制御性能の低下を最小限に抑え、長期間に亘って良好な制御性能を維持する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を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサの出力に基づいて漸化式形式の適応制御器を用いて前記機関の空燃比を目標値に収束させるように前記機関に供給する燃料をフィードバック制御する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、前記フィードバック制御手段で用いられる適応パラメータに基づいて、前記空燃比センサの応答特性の劣化を検出する応答特性劣化検出手段と、前記空燃比センサの応答特性の劣化を検出したときは、前記適応パラメータの調整速度を低下させる調整速度低減手段とを設けたことを特徴とする。

請求項１記載の空燃比制御装置によれば、空燃比センサの応答特性の劣化を検出したときに、フィードバック制御に用いる適応パラメータの調整速度が下げられるので、空燃比センサの応答特性が劣化した場合においても、制御性能の低下を最小限に抑え、長期間に亘って良好な制御性能を維持することができる。また、適応フィードバック制御に用いる適応パラメータに基づいて、空燃比センサの応答特性の劣化が検出されるので、応答特性の劣化を簡単な構成で検出することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構成を示す図である。同図中、１は各気筒に吸気弁及び排気弁（図示せず）を各１対ずつ設けたＤＯＨＣ直列４気筒のエンジンである。

エンジン１の吸気管２は分岐部（吸気マニホルド）１１を介してエンジン１の各気筒の燃焼室に連通する。吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、スロットル弁開度θＴＨに応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。吸気管２には、スロットル弁３をバイパスする補助空気通路６が設けられており、該通路６の途中には補助空気量制御弁７が配されている。補助空気量制御弁７は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によりその開弁量が制御される。

吸気管２のスロットル弁３の上流側には吸気温（ＴＡ）センサ８が装着されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。吸気管２のスロットル弁３と吸気マニホルド１１の間には、チャンバ９が設けられており、チャンバ９には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ１０が取り付けられている。ＰＢＡセンサ１０の検出信号はＥＣＵ５に供給される。

エンジン１の本体にはエンジン水温（ＴＷ）センサ１３が装着されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１４が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１４は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置で信号パルス（以下「ＣＹＬ信号パルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣ信号パルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫ信号パルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬ信号パルス、ＴＤＣ信号パルス及びＣＲＫ信号パルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。

吸気マニホルド１１の吸気弁の少し上流側には、各気筒毎に燃料噴射弁１２が設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されているとともにＥＣＵ５に電気的に接続されて、ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射時期及び燃料噴射時間（開弁時間）が制御される。エンジン１の点火プラグ（図示せず）もＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５により点火時期θＩＧが制御される。

排気管１６は分岐部（排気マニホルド）１５を介してエンジン１の燃焼室に接続されている。排気管１６には分岐部１５が集合する部分の直ぐ下流側に、広域空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）１７が設けられている。さらにＬＡＦセンサ１７の下流側には直下三元触媒１９及び床下三元触媒２０が配されており、またこれらの三元触媒１９及び２０の間には酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８が装着されている。三元触媒１９、２０は、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の浄化を行う。

ＬＡＦセンサ１７は、ローパスフィルタ２２を介してＥＣＵ５に接続されており、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に略比例した電気信号を出力し、その電気信号をＥＣＵ５に供給する。Ｏ２センサ１８は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。Ｏ２センサ１８は、ローパスフィルタ２３を介してＥＣＵ５に接続されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。

排気還流機構３０は、吸気管２のチャンバ９と排気管１６とを接続する排気還流路３１と、排気還流路３１の途中に設けられ、排気還流量を制御する排気還流弁（ＥＧＲ弁）３２と、ＥＧＲ弁３２の弁開度を検出し、その検出信号をＥＣＵ５に供給するリフトセンサ３３とから成る。ＥＧＲ弁３２は、ソレノイドを有する電磁弁であり、ソレノイドはＥＣＵ５に接続され、その弁開度がＥＣＵ５からの制御信号によりリニアに変化させることができるように構成されている。

エンジン１は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタイミングとの２段階に切換可能なバルブタイミング切換機構６０を有する。このバルブタイミングの切換は、弁リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選択時は２つの吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した燃焼を確保するようにしている。

バルブタイミング切換機構６０は、バルブタイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがＥＣＵ５接続されている。油圧センサの検出信号はＥＣＵ５に供給され、ＥＣＵ５は電磁弁を制御してバルブタイミングの切換制御を行う。

また、ＥＣＵ５には、大気圧を検出する大気圧（ＰＡ）センサ２１が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５は、上述した各種センサからの入力信号波形を整形して電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変化する等の機能を有する入力回路と、中央処理回路（ＣＰＵ）と、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラムや後述する各種マップ及び演算結果等を記憶するＲＯＭ及びＲＡＭからなる記憶回路と、燃料噴射弁１２等の各種電磁弁や点火プラグに駆動信号を出力する出力回路とを備えている。

ＥＣＵ５は、上述の各種エンジン運転パラメータ信号に基づいて、ＬＡＦセンサ１７及びＯ２センサ１８の出力に応じたフィードバック制御運転領域やオープン制御運転領域等の種々のエンジン運転状態を判別するとともに、エンジン運転状態に応じ、下記数式１により燃料噴射弁１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算し、この演算結果に基づいて燃料噴射弁１２を駆動する信号を出力する。
［数１］
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭＦ×ＫＴＯＴＡＬ×ＫＣＭＤＭ×ＫＦＢ
図２は上記数式１による燃料噴射時間ＴＯＵＴの算出手法を説明するための機能ブロック図であり、これを参照して本実施の形態における燃料噴射時間ＴＯＵＴの算出手法の概要を説明する。なお、本実施の形態ではエンジンへの燃料供給量は燃料噴射時間として算出されるが、これは噴射される燃料量に対応するので、ＴＯＵＴを燃料噴射量若しくは燃料量とも呼んでいる。

図２においてブロックＢ１は、吸入空気量に対応した基本燃料量ＴＩＭＦを算出する。この基本燃料量ＴＩＭＦは、基本的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されるが、スロットル弁３からエンジン１の燃焼室に至る吸気系をモデル化し、その吸気系モデルに基づいて吸入空気の遅れを考慮した補正を行うことが望ましい。その場合には、検出パラメータとしてスロットル弁開度θＴＨ及び大気圧ＰＡをさらに用いる。

ブロックＢ２〜Ｂ４は乗算ブロックであり、ブロックの入力パラメータを乗算して出力する。これらのブロックにより、上記数式１の演算が行われ、ブロックＢ４の出力として、燃料噴射量ＴＯＵＴが得られる。

ブロックＢ９は、エンジン水温ＴＷに応じて設定されるエンジン水温補正係数ＫＴＷ，排気還流実行中に排気還流量に応じて設定されるＥＧＲ補正係数ＫＥＧＲ等のフィードフォワード系補正係数をすべて乗算することにより、補正係数ＫＴＯＴＡＬを算出し、ブロックＢ２に入力する。

ブロックＢ２１は、エンジン回転数ＮＥ、吸気管内絶対圧ＰＢＡ等に応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤを決定し、ブロックＢ２２に入力する。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。ブロックＢ２２は、ローパスフィルタ２３を介して入力されるＯ２センサ出力ＶＭＯ２に基づいて目標空燃比係数ＫＣＭＤを修正し、ブロックＢ１８及びＢ２３に入力する。ブロックＢ２３は、ＫＣＭＤ値に応じて燃料冷却補正を行い最終目標空燃比係数ＫＣＭＤＭを算出し、ブロックＢ３に入力する。

ブロックＢ１０は、ローパスフィルタ２２を介して入力されるＬＡＦセンサ出力値を、ＣＲＫ信号パルスの発生毎にサンプリングし、そのサンプル値をリングバッファメモリに順次記憶し、エンジン運転状態に応じて最適のタイミングでサンプリングしたサンプル値を選択し（ＬＡＦセンサ出力選択処理）、ローパスフィルタブロックＢ１６及びＢ１７を介してブロックＢ１８及びＢ１９に入力する。このＬＡＦセンサ出力選択処理は、サンプリングのタイミングによっては変化する空燃比を正確に検出できないこと、燃焼室から排出される排気ガスがＬＡＦセンサ１７に到達するまでの時間やＬＡＦセンサ自体の反応時間がエンジン運転状態によって変化することを考慮したものである。

ブロックＢ１８は、検出空燃比と目標空燃比との偏差に応じてＰＩＤ制御によりＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦを算出してブロックＢ２０に入力する。ブロックＢ１９は、検出空燃比に基づいて適応制御（Self Tuning Regulation）により適応補正係数ＫＳＴＲを算出してブロックＢ２０に入力する。この適応制御は、目標空燃比係数ＫＣＭＤ（ＫＣＭＤＭ）を基本燃料量ＴＩＭＦに乗算するだけでは、エンジンの応答遅れがあるため目標空燃比がなまされた検出空燃比になってしまうため、これを動的に補償し、外乱に対するタフネス性を向上させるために導入したものである。

ブロックＢ２０は、入力されるＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ及び適応補正係数ＫＳＴＲのいずれか一方をエンジン運転状態に応じて選択し、フィードバック補正係数ＫＦＢとしてブロックＢ４に入力する。これは、エンジン運転状態によっては、適応制御ではなく従来のＰＩＤ制御によって算出したＫＬＡＦ値を用いた方がよいことを考慮したものである。

以上のように本実施の形態では、ＬＡＦセンサ１７の出力の応じて通常のＰＩＤ制御により算出したＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦと、適応制御により算出した適応補正係数ＫＳＴＲとを切り換えて、補正係数ＫＦＢとして上記数式１に適用して、燃料噴射量ＴＯＵＴを算出している。適応補正係数ＫＳＴＲにより、目標空燃比を変更したときの追従性及び外乱に対するタフネス性を向上させて、触媒の浄化率を向上させ、種々のエンジン運転状態において良好な排気ガス特性を得ることができる。

本実施の形態では、上述した図２の各ブロックの機能は、ＥＣＵ５のＣＰＵによる演算処理により実現されるので、この処理のフローチャートを参照して処理の内容を具体的に説明する。

図３は、ＬＡＦセンサ１７の出力に応じてＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ及び適応補正係数ＫＳＴＲを算出する処理のフローチャートである。本処理はＴＤＣ信号パルスの発生毎に実行される。

ステップＳ１では、始動モードか否か、すなわちクランキング中か否かを判別し、始動モードのときは始動モードの処理へ移行する。始動モードでなければ、目標空燃比係数（目標当量比）ＫＣＭＤ及び最終目標空燃比係数ＫＣＭＤＭの算出（ステップＳ２）及びＬＡＦセンサ出力選択処理を行う（ステップＳ３）とともに検出当量比ＫＡＣＴの演算を行う（ステップＳ４）。検出当量比ＫＡＣＴは、ＬＡＦセンサ１７の出力を当量比に変換したものである。

次いでＬＡＦセンサ１７の活性化が完了したか否かの活性判別を行う（ステップＳ５）。これは、例えばＬＡＦセンサ１７の出力電圧とその中心電圧との差を所定値（例えば０．４Ｖ）と比較し、該差が所定値より小さいとき活性化が完了したと判別するものである。

次にエンジン運転状態がＬＡＦセンサ１７の出力に基づくフィードバック制御を実行する運転領域（以下「ＬＡＦフィードバック領域」という）にあるか否かの判別を行う（ステップＳ６）。これは、例えばＬＡＦセンサ１７の活性化が完了し、且つフュエルカット中やスロットル全開運転中でないとき、ＬＡＦフィードバック領域と判定するものである。この判別の結果、ＬＡＦフィードバック領域にないときはリセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴを「１」に設定し、ＬＡＦフィードバック領域にあるときは「０」とする。

続くステップＳ７では、リセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴが「１」か否かを判別し、ＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴ＝１のときは、ステップＳ８に進んでＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ、適応補正係数ＫＳＴＲ及びフィードバック補正係数ＫＦＢをいずれも「１．０」に設定するとともに、ＰＩＤ制御の積分項ＫＬＡＦＩを「０」に設定して、本処理を終了する。また、ＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴ＝０のときは、フィードバック補正係数ＫＦＢの演算を行って（ステップＳ９）、本処理を終了する。

図４は、図３のステップＳ２における最終目標空燃比係数ＫＣＭＤＭを算出する処理のフローチャートである。

ステップＳ２３では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じてマップを検索し、基本値ＫＢＳを算出する。なお、そのマップにはアイドル時用の値も設定されている。

続くステップＳ２４では、エンジン始動直後のリーンバーン制御を実行すべき条件が成立するか否かを判別し、条件が成立したときは始動後リーンフラグＦＡＳＴＬＥＡＮを「１」に設定する一方、条件不成立のときは「０」とする。このリーンバーン制御実行条件は、例えばエンジン始動後所定期間内であって、エンジン水温ＴＷ、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定範囲内にあるとき成立する。なお、始動直後のリーンバーン制御は、エンジン始動直後の触媒が未活性の状態でＨＣの排出量が増加すること防止する目的で行うものである。

次いでステップＳ２５では、スロットル弁が全開（ＷＯＴ）の状態か否かを判別し、全開のときはＷＯＴフラグＦＷＯＴを「１」に設定し、全開でなければ「０」とする。次いで、エンジン水温ＴＷに応じて増量補正係数ＫＷＯＴを算出する（ステップＳ２６）。このとき高水温時の補正係数ＫＸＷＯＴも算出する。

続くステップＳ２７では、目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出し、次いで算出したＫＣＭＤ値のリミット処理（所定上下限値の範囲内に入るようにする処理）を行う（ステップＳ２８）。このステップＳ２７の処理は図５を参照して後述する。

続くステップＳ２９では、Ｏ２センサ１８の活性化が完了しているか否かの判別を行い、活性化が完了したときは、活性フラグＦＭＯ２を「１」に設定し、完了していないときは、「０」とする。例えばエンジン始動後所定期間経過したとき、活性化完了と判定する。次いで、Ｏ２センサ１８の出力ＶＭＯ２に応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤの補正項ＤＫＣＭＤＯ２を算出する（ステップＳ３２）。この処理は、Ｏ２センサ出力ＶＭＯ２と基準値ＶＲＥＦＭとの偏差に応じてＰＩＤ制御により、補正項ＤＫＣＭＤＯ２を算出するものである。

続くステップＳ３３では、次式により目標空燃比係数ＫＣＭＤの補正を行う。

ＫＣＭＤ＝ＫＣＭＤ＋ＤＫＣＭＤＯ２
これにより、ＬＡＦセンサ１７の出力のずれを補償するように目標空燃比係数ＫＣＭＤを設定することができる。

続くステップＳ３４では、算出したＫＣＭＤ値に応じてＫＣＭＤ−ＫＥＴＣテーブルを検索して補正係数ＫＥＴＣを算出し、次式により最終目標空燃比係数ＫＣＭＤＭを算出する。

ＫＣＭＤＭ＝ＫＣＭＤ×ＫＥＴＣ
補正係数ＫＥＴＣは、ＫＣＭＤ値が増加し、燃料噴射量が増加するほど、噴射による燃料冷却効果が大きくなることを考慮して、その影響を補正するものであり、ＫＣＭＤ値が増加するほど大きな値に設定される。

次いで、ＫＣＭＤＭ値のリミット処理を行うとともに（ステップＳ３５）、ステップＳ３３で得られたＫＣＭＤ値をリングバッファに格納して（ステップＳ３６）、本処理を終了する。

図５は、図４のステップＳ２７におけるＫＣＭＤ算出処理のフローチャートである。

先ずステップＳ５１では、図４のステップＳ２４で設定した始動後リーンフラグＦＡＳＴＬＥＡＮが「１」か否かを判別し、ＦＡＳＴＬＥＡＮ＝１であるときは、ＫＣＭＤＡＳＴＬＥＡＮマップを検索して、リーン制御時の中心空燃比に相当するリーン目標値ＫＣＭＤＡＳＴＬＥＡＮを算出する（ステップＳ５２）。ここで、ＫＣＭＤＡＳＴＬＥＡＮマップは、エンジン水温ＴＷ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じてリーン目標値ＫＣＭＤＡＳＴＬＥＡＮが設定されたマップである。そして、目標空燃比係数ＫＣＭＤをリーン目標値ＫＣＭＤＡＳＴＬＥＡＮに設定して（ステップＳ５３）、ステップＳ６１に進む。

一方前記ステップＳ５１でＦＡＳＴＬＡＥＡＮ＝０であって、始動後リーンバーン制御実行条件が成立しないときは、エンジン水温ＴＷが所定水温ＴＷＣＭＤ（例えば８０℃）より高いか否かを判別する。そしてＴＷ＞ＴＷＣＭＤが成立するときは、ＫＣＭＤ値を図４のステップＳ２３で算出した基本値ＫＢＳに設定して（ステップＳ５７）、ステップＳ６１に進む。また、ＴＷ≦ＴＷＣＭＤが成立するときは、エンジン水温ＴＷ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたマップを検索して、低水温用目標値ＫＴＷＣＭＤを算出し（ステップＳ５５）、基本値ＫＢＳがこのＫＴＷＣＭＤ値より大きいか否かを判別する（ステップＳ５６）。その結果ＫＢＳ＞ＫＴＷＣＭＤであるときは、前記ステップＳ５７に進み、ＫＢＳ≦ＫＴＷＣＭＤであるときは、基本値ＫＢＳを低水温用目標値ＫＴＷＣＭＤに置き換えて（ステップＳ５８）、ステップＳ６１に進む。

ステップＳ６１では、下記式によりＫＣＭＤ値を補正してステップＳ６２に進む。調整用加算項ＫＣＭＤＯＦＦＳＥＴは、エンジンの排気系やＬＡＦセンサの特性のばらつきや経時変化の影響を反映させて、目標空燃比係数ＫＣＭＤを微調整し、三元触媒のウィンドウゾーンの最適な位置をとるようにするためのパラメータである。この調整用加算項ＫＣＭＤＯＦＦＳＥＴは、ＬＡＦセンサ１７の特性等により設定されるが、Ｏ２センサ１８等の出力に応じて学習させることが望ましい。

ＫＣＭＤ＝ＫＣＭＤ＋ＫＣＭＤＯＦＦＳＥＴ
ステップＳ６２では、図４のステップＳ２５で設定したＷＯＴフラグＦＷＯＴが「１」か否かを判別し、ＦＷＯＴ＝０であれば直ちに本処理を終了し、ＦＷＯＴ＝１のときは、高負荷用のＫＣＭＤ値の設定処理を行い（ステップＳ６３）、本処理を終了する。この処理は、ＫＣＭＤ値を図４のステップＳ２６で算出した高負荷用増量補正係数ＫＷＯＴ，ＫＸＷＯＴと比較し、ＫＣＭＤ値がこれらの係数値より小さいときは、ＫＣＭＤ値に補正係数ＫＷＯＴ又はＫＸＷＯＴを乗算して補正を行うものである。

次に図３のステップＳ３におけるＬＡＦセンサ出力選択処理について説明する。

エンジンの排気ガスは排気行程で排出されることから、多気筒エンジンの排気系集合部において空燃比の挙動を見ると、明らかにＴＤＣ信号パルスに同期している。したがって、ＬＡＦセンサ１７により空燃比を検出するときもＴＤＣ信号パルスに同期して行う必要がある。ところが、センサ出力のサンプルタイミングによっては空燃比の挙動を正確に把握できない場合が生じる。例えば、ＴＤＣ信号パルスに対して排気系集合部の空燃比が図６のようであるとき、ＥＣＵ５が認識する空燃比は図７に示すように、サンプルタイミングによって全く異なる値となる。この場合、実際のＬＡＦセンサの出力変化を可能な限り正確に把握できるタイミングでサンプリングすることが望ましい。

さらに、空燃比の変化は排気ガスのセンサまでの到達時間やセンサの反応時間によっても相違する。そのうち、センサまでの到達時間は排気ガス圧力、排気ガスボリューム等に依存して変化する。さらに、ＴＤＣ信号パルスに同期してサンプリングすることはクランク角度に基づいてサンプリングすることになるので、必然的にエンジン回転数ＮＥの影響を受ける。このように、空燃比の検出の最適なタイミングは、エンジン運転状態に大きく依存する。

そこで、本実施の形態では図８に示すように、ＣＲＫ信号パルス（クランク角度３０度毎に発生する）の発生毎にサンプリングしたＬＡＦセンサ出力をリングバッファ（本実施の形態では１８個の格納場所を有する）に順次格納し、最適タイミングの出力値（１７回前の値から今回値までの中の最適の値）を検出当量比ＫＡＣＴに変換してフィードバック制御に使用するようにしている。

図９は、図３のステップＳ３におけるＬＡＦセンサ出力選択処理のフローチャートある。

先ずステップＳ８１では、エンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＳＥＬＶより低いか否かを判別し、ＮＥ＜ＮＥＳＥＬＶであるときは、吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定圧ＰＢＡＳＥＬＶ１以上か否かを判別し（ステップＳ８２）、ＰＢＡ≧ＰＢＡＳＥＬＶ１であるときは、さらに吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定圧ＰＢＡＳＥＬＶ２（＞ＰＢＡＳＥＬＶ１）より低いか否かを判別する（ステップＳ８３）。その結果、ステップＳ８１〜Ｓ８３のいずれかの答が否定（ＮＯ）のときは、タイミングを固定値とし（ステップＳ８５）、その固定値に応じてリングバッファに格納したＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦを選択して（ステップＳ８８）、本処理を終了する。

一方ステップＳ８１〜Ｓ８３の答がすべて肯定（ＹＥＳ）のときは、排気還流実行中か否かを判別する（ステップＳ８４）。その結果排気還流実行中のときは、検出したエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、ＥＧＲオン用のタイミングマップを検索し（ステップＳ８７）、排気還流を実行していないときはＥＧＲオフ用のタイミングマップを検索し（ステップＳ８６）、その検索結果に応じてリングバッファに格納したＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦを選択して（ステップＳ８８）、本処理を終了する。

上記タイミングマップは、図１０に示すように、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、エンジン回転数ＮＥが低いほど、あるいは吸気管内絶対圧ＰＢＡが高いほど早いクランク角度位置でサンプリングした値を選択するように設定されている。ここで、「早い」とは、前のＴＤＣ位置により近い位置でサンプリングした値（換言すれば古い値）を意味する。このように設定したのは、ＬＡＦセンサ出力は、図７に示したように、実際の空燃比の極大値又は極小値（以下「極値」という）に可能な限り近い位置でサンプリングするのが最良であるが、その極値、例えば最初のピーク値は、センサの反応時間を一定と仮定すれば、図１１に示すように、エンジン回転数ＮＥが低下するほど早いクランク角度位置で生じ、また、負荷が高いほど排気ガス圧力や排気ガスボリュームが増加し、排気ガスの流速が増してセンサへの到達時間が早まるからである。

以上のように、図９の処理によれば、エンジン運転状態に応じて最適なタイミングでサンプリングしたセンサ出力ＶＬＡＦが選択されるので、空燃比の検出精度を向上させることができる。

なお、ＣＲＫセンサの異常を検出したときは、ＴＤＣ信号パルスの発生時のＬＡＦセンサ出力を採用する。

次に図３のステップＳ４における検出当量比ＫＡＣＴの算出処理について説明する。図１２は、このＫＡＣＴ算出処理のフローチャートである。

先ずステップＳ１０１では、上述した図９の処理により選択されたセンサ出力選択値ＶＬＡＦＳＥＬからセンサ出力中心値ＶＣＥＮＴを減算して、テンポラリ値ＶＬＡＦＴＥＭＰを算出する。ここで、中心値ＶＣＥＮＴは、混合気の空燃比が理論空燃比のときのＬＡＦセンサ出力値である。

次いで、ＶＬＡＦＴＥＭＰ値が負の値か否かを判別し（ステップＳ１０２）、ＶＬＡＦＴＥＭＰ＜０であって、空燃比が理論空燃比よりリーン側のときは、リーン補正係数ＫＬＢＬＬを乗算して、ＶＬＡＦＴＥＭＰ値を補正する（ステップＳ１０３）一方、ＶＬＡＦＴＥＭＰ≧０であって、空燃比が理論空燃比よりリッチ側のときは、リッチ補正係数ＫＬＢＬＲを乗算して、ＶＬＡＦＴＥＭＰ値を補正する（ステップＳ１０４）。ここで、リーン補正係数ＫＬＢＬＬ及びリッチ補正係数ＫＬＢＬＲは、ＬＡＦセンサに装着されたラベル抵抗の値に応じて算出されるばらつき補正用の補正係数である。ラベル抵抗値は、予めＬＡＦセンサの特性を測定して、その結果に応じて設定されており、ＥＣＵ５がその値を読み取って補正係数ＫＬＢＬＬ，ＫＬＢＬＲを決定する。

続くステップＳ１０５では、テンポラリ値ＶＬＡＦＴＥＭＰにテーブル中心値ＶＯＵＴＣＮＴを加算して、修正出力値ＶＬＡＦＥを算出し、次いでＶＬＡＦＥ値に応じてＫＡＣＴテーブルを検索して、検出当量比ＫＡＣＴを算出する（ステップＳ１０６）。ここで、ＫＡＣＴテーブルは、修正出力値ＶＬＡＦＥに応じて検出当量比ＫＡＣＴを算出するためのテーブルであり、テーブル中心値ＶＯＵＴＣＮＴは理論空燃比（ＫＡＣＴ＝１．０）に対応する格子点データ（修正出力値）である。

以上の処理により、ＬＡＦセンサの特性ばらつきの影響を排除した検出当量比ＫＡＣＴを得ることができる。

図１３は、図３のステップＳ６におけるＬＡＦフィードバック領域判別処理のフローチャートである。

先ずステップＳ１２１では、ＬＡＦセンサ１７が不活性状態にあるか否かを判別し、活性状態にあるときはフュエルカット中であることを「１」で示すフラグＦＦＣが「１」か否かを判別し（ステップＳ１２２）、ＦＦＣ＝０であるときは、スロットル弁全開中であることを「１」で示すフラグＦＷＯＴが「１」か否かを判別し（ステップＳ１２３）、ＦＷＯＴ＝１でないときは、図示しないセンサによって検出したバッテリ電圧ＶＢＡＴが所定下限値ＶＢＬＯＷより低いか否かを判別し（ステップＳ１２４）、ＶＢＡＴ≧ＶＢＬＯＷであるときは、理論空燃比に対応するＬＡＦセンサ出力のずれ（ＬＡＦセンサストイキずれ）があるか否かを判別する。そして、ステップＳ１２１〜Ｓ１２５のいずれかの答が肯定（ＹＥＳ）のときは、ＬＡＦセンサ出力に基づくフィードバックを停止すべき旨を「１」で示すＫＬＡＦリセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴを「１」に設定する（ステップＳ１３２）。

一方、ステップＳ１２１〜Ｓ１２５の答がすべて否定（ＮＯ）のときは、ＫＬＡＦリセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴを「０」に設定する（ステップＳ１３１）。

続くステップＳ１３３では、Ｏ２センサ１８が不活性状態にあるか否かを判別し、活性状態にあるときは、エンジン水温ＴＷが所定下限水温ＴＷＬＯＷ（例えば０℃）より低いか否かを判別する（ステップＳ１３４）。そして、Ｏ２センサ１８が不活性状態のときまたはＴＷ＜ＴＷＬＯＷであるときは、ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦを現在値に維持すべきことを「１」で示すホールドフラグＦＫＬＡＦＨＯＬＤを「１」に設定して（ステップＳ１３６）、本処理を終了する。一方、Ｏ２センサ１８が活性状態にあり且つＴＷ≧ＴＷＬＯＷであるときは、ＦＫＬＡＦＨＯＬＤ＝０として（ステップＳ１３５）、本処理を終了する。

次に図３のステップＳ９におけるフィードバック補正係数ＫＦＢの算出処理を説明する。

フィードバック補正係数ＫＦＢは、前述したようにエンジン運転状態に応じてＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ又は適応補正係数ＫＳＴＲに設定される。そこで、先ず図１４及び図１５を参照して、これらの補正係数の算出手法を説明する。

図１４は、ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ算出処理のフローチャートである。

同図のステップＳ３０１では、ホールドフラグＦＫＬＡＦＨＯＬＤが「１」か否かを判別し、ＦＫＬＡＦＨＯＬＤ＝１のときは、直ちに本処理を終了し、ＦＫＬＡＦＨＯＬＤ＝０のときは、ＫＬＡＦリセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴが「１」か否かを判別する（ステップＳ３０２）。その結果、ＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴ＝１のときは、ステップＳ３０３に進み、ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦを１．０に設定するとともに、積分制御ゲインＫＩ及び目標当量比ＫＣＭＤと検出当量比ＫＡＣＴとの偏差ＤＫＡＦを「０」に設定して、本処理を終了する。

ステップＳ３０２でＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴ＝０のときは、ステップＳ３０４に進み、比例制御ゲインＫＰ、積分制御ゲインＫＩ及び微分制御ゲインＫＤをエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたマップから検索する。ただし、アイドル状態のときはアイドル用のゲインを採用する。次いで、目標当量比ＫＣＭＤと検出当量比ＫＡＣＴとの偏差ＤＫＡＦ（ｋ）（＝ＫＣＭＤ（ｋ）−ＫＡＣＴ（ｋ））を算出し（ステップＳ３０５）、偏差ＤＫＡＦ（ｋ）及び各制御ゲインＫＰ，ＫＩ，ＫＤを下記式に適用して、比例項ＫＬＡＦＰ（ｋ）、積分項ＫＬＡＦＩ（ｋ）及び微分項ＫＬＡＦＤ（ｋ）を算出する（ステップＳ３０６）。

ＫＬＡＦＰ（ｋ）＝ＤＫＡＦ（ｋ）×ＫＰ
ＫＬＡＦＩ（ｋ）＝ＤＫＡＦ（ｋ）×ＫＩ＋ＫＬＡＦ（ｋ−１）
ＫＬＡＦＤ（ｋ）＝（ＤＫＡＦ（ｋ）−ＤＫＡＦ（ｋ−１））×ＫＤ
続くステップＳ３０７〜Ｓ３１０では、積分項ＫＬＡＦＩ（ｋ）のリミット処理を行う。すなわち、ＫＬＡＦＩ（ｋ）値が所定上下限値ＫＬＡＦＩＬＭＴＨ，ＫＬＡＦＩＬＭＴＬの範囲内にあるか否かを判別し（ステップＳ３０７、Ｓ３０８）、ＫＬＡＦＩ（ｋ）＞ＫＬＡＦＩＬＭＴＨであるときは、ＫＬＡＦＩ（ｋ）＝ＫＬＡＦＬＭＴＨとし（ステップＳ３１０）、ＫＬＡＦＩ（ｋ）＜ＫＬＡＦＩＬＭＴＬであるときは、ＫＬＡＦＩ（ｋ）＝ＫＬＡＦＩＬＭＴＬとする（ステップＳ３０９）。

続くステップＳ３１１では、下記式によりＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ（ｋ）を算出する。

ＫＬＡＦ（ｋ）＝ＫＬＡＦＰ（ｋ）＋ＫＬＡＦＩ（ｋ）＋ＫＬＡＦＤ（ｋ）
＋１．０
次いで、ＫＬＡＦ（ｋ）値が所定上限値ＫＬＡＦＬＭＴＨより大きいか否かを判別し（ステップＳ３１２）、ＫＬＡＦ（ｋ）＞ＫＬＡＦＬＭＴＨであるときは、ＫＬＡＦ（ｋ）＝ＫＬＡＦＬＭＴＨとして（ステップＳ３１６）、本処理を終了する。

ステップＳ３１２で、ＫＬＡＦ（ｋ）≦ＫＬＡＦＬＭＴＨであるときは、ＫＬＡＦ（ｋ）値が所定下限値ＫＬＡＦＬＭＴＬより小さいか否かを判別し（ステップＳ３１４）、ＫＬＡＦ（ｋ）≧ＫＬＡＦＬＭＴＬであれば直ちに本処理を終了する一方、ＫＬＡＦ（ｋ）＜ＫＬＡＦＬＭＴＬであるときは、ＫＬＡＦ（ｋ）＝ＫＬＡＦＬＭＴＬとして（ステップＳ３１５）、本処理を終了する。

本処理により、検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するように、ＰＩＤ制御によりＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦが算出される。

次に適応補正係数ＫＳＴＲ算出処理について、図１５を参照して説明する。

図１５は、図２のブロックＢ１９、すなわち適応制御（ＳＴＲ（Self Tuning Regulator））ブロックの構成を示すブロック図であり、このＳＴＲブロックは、目標空燃比係数（目標当量比）ＫＣＭＤ（ｋ）と検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）とが一致するように適応補正係数ＫＳＴＲを設定するＳＴＲコントローラと、該ＳＴＲコントローラで使用するパラメータを設定するパラメータ調整機構とからなる。

本実施の形態における適応制御の調整則の一つに、ランダウらが提案したパラメータ調整則がある。この手法は、適応システムを線形ブロックと非線形ブロックとから構成される等価フィードバック系に変換し、非線形ブロックについては入出力に関するポポフの積分不等式が成立し、線形ブロックは強正実となるように調整則を決めることによって、適応システムの安定を保証する手法である。この手法は、例えば「コンピュートロール」（コロナ社刊）Ｎｏ．２７，２８頁〜４１頁、ないしは「自動制御ハンドブック」（オーム社刊）７０３頁〜７０７頁に記載されているように、公知技術である。

本実施の形態では、このランダウらの調整則を用いた。以下説明すると、ランダウらの調整則では、離散系の制御対象の伝達関数Ａ（Ｚ^−１）／Ｂ（Ｚ^−１）の分母分子の多項式を数式２で（１）、（２）のようにおいたとき、適応パラメータθ^Ｔハット（ｋ）及び適応パラメータ調整機構への入力ζ^Ｔ（ｋ）は、数式２で（３）、（４）のように定められる。数式２では、ｍ＝１、ｎ＝１、ｄ＝２の場合、即ち１次系で２制御サイクル分の無駄時間を持つプラントを例にとった。ここで、ｋは時刻、より具体的には制御サイクルを示す。また、数式２において、ｕ（ｋ）及びｙ（ｋ）は、本実施の形態では、それぞれＫＳＴＲ（ｋ）及びＫＡＣＴ（ｋ）に対応する。

ここで、適応パラメータθハット（ｋ）は、数式３で表される。また、数式３中のΓ（ｋ）及びｅアスタリスク（ｋ）は、それぞれゲイン行列及び同定誤差信号であり、数式４及び数式５のような漸化式で表される。

また数式４中のλ１（ｋ）、λ２（ｋ）の選び方により、種々の具体的なアルゴリズムが与えられる。λ１（ｋ）＝１，λ２（ｋ）＝λ（０＜λ＜２）とすると漸減ゲインアルゴリズム（λ＝１の場合、最小自乗法）、λ１（ｋ）＝λ１（０＜λ１＜１）、λ２（ｋ）＝λ２（０＜λ２＜２）とすると、可変ゲインアルゴリズム（λ２＝１の場合、重み付き最小自乗法）、λ１（ｋ）／λ２（ｋ）＝σとおき、λ３が数式６のように表されるとき、λ１（ｋ）＝λ３とおくと固定トレースアルゴリズムとなる。また、λ１（ｋ）＝１，λ２（ｋ）＝０のとき固定ゲインアルゴリズムとなる。この場合は数式４から明らかなように、Γ（ｋ）＝Γ（ｋ−１）となり、よってΓ（ｋ）＝Γの固定値となる。

ここで、図１５にあっては、前記ＳＴＲコントローラ（適応制御器）と適応パラメータ調整機構とは燃料噴射量演算系の外におかれ、検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）が目標当量比ＫＣＭＤ（ｋ−ｄ’）（ここでｄ’はＫＣＭＤがＫＡＣＴに反映されるまでの無駄時間）に適応的に一致するように動作して適応補正係数ＫＳＴＲ（ｋ）を演算する。

このように、適応補正係数ＫＳＴＲ（ｋ）及び検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）が求められて適応パラメータ調整機構に入力され、そこで適応パラメータθハット（ｋ）が算出されてＳＴＲコントローラに入力される。ＳＴＲコントローラには入力として目標当量比ＫＣＭＤ（ｋ）が与えられ、検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）が目標当量比ＫＣＭＤ（ｋ）に一致するように漸化式を用いて適応補正係数ＫＳＴＲ（ｋ）が算出される。適応補正係数ＫＳＴＲ（ｋ）は、具体的には数式７に示すように求められる。

図１６は、上述した手法により適応補正係数ＫＳＴＲを算出する処理のフローチャートである。本実施の形態では、λ１＝１、λ２＝０として固定ゲインアルゴリズムを用いて説明を行う。この場合には、ゲイン行列Γは固定となり、数式８で表される。

先ずステップＳ１４１では、ＬＡＦセンサ１７の応答特性が劣化したこと（応答遅れが増大したこと）を「０」で示す応答劣化フラグＦＳＴＲＲＳＰが「１」か否かを判別し、ＦＳＴＲＲＳＰ＝１であって、応答特性が劣化していないときは、通常のゲイン行列Γを選択し（ステップＳ１４３）、ＦＳＴＲＲＳＰ＝０であって、応答特性が劣化したときは、応答劣化時用のゲイン行列Γを選択して（ステップＳ１４２）、ステップＳ１４４に進む。ここで、応答劣化時用のゲイン行列Γは、その構成要素の値が通常のゲイン行列Γの構成要素の値より小さな値に設定されている。具体的には、本実施の形態ではゲイン行列Γを数式８に示すように対角要素以外の要素がすべて０の正方行列としているので、応答劣化時用の対角要素Ｇ１１〜Ｇ４４が、通常のゲイン行列の対角要素より小さな値に設定されている。

このように、ＬＡＦセンサの応答劣化時は、通常時（応答劣化前）よりもゲインの小さいゲイン行列を用いることにより、パラメータ調整機構の適応速度が低下し、ＬＡＦセンサの応答遅れがあっても適応制御の安定性を確保することができる。

ステップＳ１４４では、前述したように適応パラメータ（θハット（ｋ））の演算を行い、次いでＬＡＦセンサ応答劣化判定（ステップＳ１４５）及び上記数式７による適応補正係数ＫＳＴＲの演算を行って（ステップＳ１４６）、本処理を終了する。

図１７は、上記ステップＳ１４５におけるＬＡＦセンサ１７の応答劣化の判定を行う処理のフローチャートであり、ステップＳ４０１では、適応パラメータｒ１が所定値ｒ１ＲＳＰより小さいか否かを判別し、ｒ１＜ｒ１ＲＳＰであるときは、さらに適応パラメータｒ２が所定値ｒ２ＲＳＰより小さいか否かを判別する（ステップＳ４０２）。その結果、ステップＳ４０１又はＳ４０２の答が否定（ＮＯ）のときは、応答特性が劣化していないと判定して、応答劣化フラグＦＳＴＲＲＳＰを「１」に設定する（ステップＳ４０４）一方、ステップＳ４０１及びＳ４０２の答がともに肯定（ＹＥＳ）のときは、劣化したと判定して、フラグＦＳＴＲＲＳＰを「０」に設定して（ステップＳ４０３）、本処理を終了する。

適応パラメータｒ１，ｒ２は、パラメータ調整機構の応答性を決定するパラメータであり、ＬＡＦセンサの応答特性が劣化すると、ｒ１値及びｒ２値が低下する。したがって、これらのパラメータ値と所定値とを比較することにより、ＬＡＦセンサの応答特性の劣化を判定することができる。

次に上述のようにして算出するＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦと適応補正係数ＫＳＴＲとを切り換えて、すなわちＰＩＤ制御と適応制御とを切り換えて、フィードバック補正係数ＫＦＢを算出する手法を説明する。

図１８は、図３のステップＳ９におけるフィードバック補正係数ＫＦＢの算出処理のフローチャートである。

先ずステップＳ１５１では、図３の処理の前回実行時がオープンループ制御であったか（ＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴ＝１であったか）否かを判別し、オープンループ制御でなかったときは、目標当量比ＫＣＭＤの変化量ＤＫＣＭＤ（＝｜ＫＣＭＤ（ｋ）−ＫＣＭＤ（ｋ−１）｜）が基準値ＤＫＣＭＤＲＥＦより大きいか否かを判別する。そして、前回がオープンループ制御だったとき又は、前回がフィードバック制御であり且つ変化量ＤＫＣＭＤが基準値ＤＫＣＭＤＲＥＦより大きいときは、ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦによるフィードバック制御を実行すべき運転領域（以下「ＰＩＤ制御領域」という）と判定し、カウンタＣを「０」にリセットするとともに（ステップＳ１５３）、ステップＳ１６４に進み、ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ演算処理（図２０（ａ））を実行する。

図２０（ａ）のステップＳ２０１では、前回の制御でＳＴＲフラグＦＫＳＴＲが「１」であったか否かを判別する。このＳＴＲフラグＦＫＳＴＲは、適応補正係数ＫＳＴＲによるフィードバック制御を実行すべき運転領域（以下「適応制御領域」という）であることを「１」で示し、フィードバック補正係数算出後に設定される（ステップＳ２０４、図２０（ｂ）、ステップＳ２１３）。

ステップＳ２０１で、前回はＦＫＳＴＲ＝０であったときは直ちにステップＳ２０３に進み、前回はＦＫＳＴＲ＝１であったときは、ＰＩＤ制御の積分項の前回値ＫＡＬＦＩ（ｋ−１）を、適応補正係数の前回値ＫＳＴＲ（ｋ−１）に設定して（ステップＳ２０２）、ステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、前述した図１４の処理によりＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦを算出し、次いでステップＳ２０４に進み、ＳＴＲフラグＦＫＳＴＲを「０」に設定して、図２０（ａ）の処理を終了する。

ここで、適応制御からＰＩＤ制御への切換時（前回ＦＫＳＴＲ＝１のとき）は、ＰＩＤ制御の積分項ＫＬＡＦＩが急変する可能性があるため、ステップＳ２０２により、ＫＬＡＦＩ（ｋ−１）＝ＫＳＴＲ（ｋ−１）としている。これにより、適応補正係数ＫＳＴＲ（ｋ−１）とＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ（ｋ）との差を小さくとどめ、切換を滑らかにして制御の安定性を確保することができる。

図１８にもどり、続くステップＳ１６５では、フィードバック補正係数ＫＦＢをステップＳ１６４で算出したＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ（ｋ）に設定して（ステップＳ１６５）、本処理を終了する。

なお、前回がオープンループ制御であったときは、ＰＩＤ制御領域と判定するのは、例えばフュエルカット状態からの復帰時のような場合には、ＬＡＦセンサの検出遅れなどから、必ずしも検出値が真の値を示すとは限らないため、制御が不安定となる可能性があるからである。また、同様の理由で、目標当量比ＫＣＭＤの変化量ＤＫＣＭＤが大きいとき、例えばスロットル全開増量状態から復帰したとき、リーンバーン制御から理論空燃比制御に復帰したとき等においてもＰＩＤ制御領域と判定している。

ステップＳ１５１及びＳ１５２の答がともに否定（ＮＯ）のとき、すなわち前回もフィードバック制御であり、かつ目標当量比ＫＣＭＤの変化量ＤＫＣＭＤが基準値ＤＫＣＭＤＲＥＦ以下のときは、カウンタＣを「１」だけインクリメントして（ステップＳ１５４）、ステップＳ１５５でカウンタＣの値を所定値ＣＲＥＦ（例えば５）と比較する。ここで、カウンタＣの値がＣＲＥＦ値以下の場合は前記ステップＳ１６４に進む。

カウンタＣの値がＣＲＥＦ値以下のときＰＩＤ制御領域とするのは、オープンループ制御からの復帰直後や目標当量比ＫＣＭＤが大きく変化した直後は、燃料の燃焼が完了するまでの遅れやＬＡＦセンサの検出遅れの影響を吸収できないからである。

次にステップＳ１５６に進み、適応制御領域か否かの判別処理（図１９）を実行する。図１９の処理は、現在のエンジン運転状態から、フィードバック補正係数ＫＦＢを、適応制御則にしたがって求めるか、ＰＩＤ制御則に従って求めるか判別するものである。

すなわち、エンジン水温ＴＷが所定水温ＴＷＳＴＲＯＮより低いか否かを判別し（ステップＳ１７０）、ＴＷ≧ＴＷＳＴＲＯＮであるときは、エンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＳＴＲＬＭＴ以上であるか否かを判別し（ステップＳ１７１）、ＮＥ＜ＮＥＳＴＲＬＭＴであるときは、エンジンがアイドル状態か否かを判別し（ステップＳ１７２）、アイドル状態でないときは、吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定値以下の低負荷状態か否かを判別し（ステップＳ１７３）、低負荷状態でないときは、エンジンのバルブタイミングが高速バルブタイミングか否かを判別し（ステップＳ１７４）、高速バルブタイミングでないときは、検出当量比ＫＡＣＴが所定値ａより小さいか否かを判別し（ステップＳ１７５）、所定値ａ以上のときは、検出当量比ＫＡＣＴが所定値ｂ（＞ａ）より大きいか否かを判別する（ステップＳ１７６）。

その結果、ステップＳ１７０〜Ｓ１７６のいずれかの答が肯定（ＹＥＳ）のときは、ＰＩＤ制御領域と判定して（ステップＳ１７８）、本処理を終了する。

ここで、ＰＩＤ制御領域と判定し、ＰＩＤ制御によりフィードバック補正係数ＫＦＢを算出することとした理由は以下の通りである。低水温時（ＴＷ＜ＴＷＳＴＲＯＮ）は、燃焼が安定せず、失火などが生じるおそれがあり、安定した検出当量比ＫＡＣＴが得られないからである。なお、エンジン水温ＴＷが異常に高いときも、同様の理由でＰＩＤ制御によりフィードバック補正係数ＫＦＢを算出する。また、高回転時（ＮＥ≧ＮＥＳＴＲＬＭＴ）は、ＥＣＵの演算時間が不足しがちであるとともに、燃焼も安定しないからである。また、高速バルブタイミング選択時は、吸排気弁がともに開弁しているオーバラップ期間が長いので、吸気がそのまま排気弁を通過して排出される、いわゆる吹き抜けが生じるおそれがあり、安定した検出当量比ＫＡＣＴを期待できないからである。また、エンジンのアイドル時は、運転状態がほぼ安定しており、適応制御のような高いゲインの制御は必要としないからである。

また、検出当量比ＫＡＣＴが所定値ａより小さいとき若しくは所定値ｂより大きいときは、エンジンの空燃比がリーン又はリッチのときであり、適応制御のような高いゲインの制御は行わない方がよいからである。この判別は、本実施の形態においては、検出当量比ＫＡＣＴで行ったが、目標当量比ＫＣＭＤを用いて行ってもよい。

一方ステップＳ１７０〜Ｓ１７６の答がすべて否定（ＮＯ）のときは、適応制御領域と判定して（ステップＳ１７７）、本処理を終了する。

図１８に戻り、ステップＳ１５７では、図１９の処理の結果から、フィードバック補正係数ＫＦＢを適応制御で算出するか否かを判別する。ステップＳ１５７の答が否定（ＮＯ）のときは、前記ステップＳ１６４に進み、ステップＳ１５７の答が肯定（ＹＥＳ）のときは、ステップＳ１５８に進み、前回ＳＴＲフラグＦＫＳＴＲが「０」であったか否かを判別する。

その結果前回ＦＫＳＴＲ＝１であったときは、直ちにステップＳ１６１に進み、前回はＦＫＳＴＲ＝０であったときは、検出当量比ＫＡＣＴが所定上下限値ＫＡＣＴＬＭＴＨ（例えば１．０１），ＫＡＣＴＬＭＴＬ（例えば０．９９の範囲内にあるか否かを判別し（ステップＳ１５９、Ｓ１６０）、ＫＡＣＴ＜ＫＡＣＴＬＭＴＬ又はＫＡＣＴ＞ＫＡＣＴＬＭＴＨであるときは、前記ステップＳ１６４に進んで、ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦを算出する。また、ＫＡＣＴＬＭＴＬ≦ＫＡＣＴ≦ＫＡＣＴＬＭＴＨであるときは、ステップＳ１６１に進み、ＫＳＴＲ演算処理（図２０（ｂ））を実行する。

ステップＳ１５８〜Ｓ１６０により、ＰＩＤ制御から適応制御への切換は、適応制御領域であって、且つ検出当量比ＫＡＣＴが１．０付近の値のときに行われる。これにより、ＰＩＤ制御から適応制御への切換を滑らかに行うことができ、制御の安定性を確保することができる。

図２０（ｂ）のステップＳ２１０では、前回フラグＫＳＴＲが「０」であったか否かを判別する。その結果、前回はＦＫＳＴＲ＝１であったときは、直ちにステップＳ２１２に進み、前述した手法により適応補正係数ＫＳＴＲを算出し、次いでフラグＦＫＳＴＲを「１」に設定して、図２０（ｂ）の処理を終了する。

一方、前回はＦＫＳＴＲ＝０であったときは、適応パラメータ（ゲインを決定するスカラ量）ｂ０を、ＰＩＤ補正係数の前回値ＫＬＡＦ（ｋ−１）で除算した値に置き換えて（ステップＳ２１１）、前記ステップＳ２１２に進む。

ステップＳ２１１で、適応パラメータｂ０をｂ０／ＫＬＡＦ（ｋ−１）に置き換えることにより、ＰＩＤ制御から適応制御への切換をより滑らかに行うことができ、制御の安定性を確保することができる。これは、以下のような理由による。前記数式７のｂ０をｂ０／ＫＬＡＦ（ｋ−１）に置き換えると、数式９の第１式に示すようになるが、第１式の第１項は、ＰＩＤ制御実行中はＫＳＴＲ（ｋ）＝１としているので、１となる。従って、適応制御開始当初のＫＳＴＲ（ｋ）値は、ＫＬＡＦ（ｋ−１）に等しくなり、補正係数値が滑らかに切り換えられることになる。

図１８に戻り、ステップＳ１６１で求めた適応補正係数ＫＳＴＲの値と１．０との差の絶対値｜ＫＳＴＲ（ｋ）−１．０｜が基準値ＫＳＴＲＲＥＦより大きいか否かを判別し（ステップＳ１６２）、｜ＫＳＴＲ（ｋ）−１．０｜＞ＫＳＴＲＲＥＦであるときは、前記ステップＳ１６４に進む一方、｜ＫＳＴＲ（ｋ）−１．０｜≦ＫＳＴＲＲＥＦであるときは、フィードバック補正係数ＫＦＢをＫＳＴＲ（ｋ）値に設定して（ステップＳ１６３）、本処理を終了する。

ここで、適応補正係数ＫＳＴＲと１．０との差の絶対値が基準値ＫＳＴＲＲＥＦより大きいときは、ＰＩＤ制御領域とするのは、制御の安定性確保のためである。

（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態では、ＬＡＦセンサ１７の応答特性の劣化判定は、図１７の処理により行ったが、本実施の形態ではこれに代えて、以下に述べる手法により応答特性の劣化度合いを判定する。これ以外の点は第１の実施の形態と同一である。

図２１に示すように、目標空燃比が理論空燃比である状態からフュエルカット状態に移行するときにおいて、フュエルカット実行開始時点から、ＬＡＦセンサ出力が空燃比Ａ／Ｆ＝３０に相当する値となるまでの検出時間ＴＤＥＴを、予めＬＡＦセンサが正常な段階で実験的に求めておき、これを基準時間ＴＤＥＴＲＥＦとする。そして、実際のエンジン運転時に前記検出時間ＴＤＥＴを計測し、基準時間ＴＤＥＴＲＥＦからの遅れ時間τ（＝ＴＤＥＴ−ＴＤＥＴＲＥＦ）を算出する。この遅れ時間τは、ＬＡＦセンサの応答特性が劣化するほど長くなるので、これによりセンサの応答特性の劣化度合いを判定することができる。

即ち本実施の形態では、遅れ時間τが所定時間τＲＥＦ以下のときは、応答劣化フラグＦＳＴＲＲＳＰを「１」とし、所定時間τＲＥＦを越えたとき、応答劣化フラグＦＳＴＲＲＳＰを「０」に設定する。

本実施の形態によれば、遅れ時間τによりＬＡＦセンサの応答特性の劣化度合いを検出することが可能となる。

（第３の実施の形態）
上述した第１又は第２の実施の形態では、ＬＡＦセンサ１７の応答劣化検出時（ＦＳＴＲＲＳＰ＝０のとき）は、適応補正係数ＫＳＴＲ算出処理におけるゲイン行列Γを、応答劣化時用のものに変更するフェールセーフアクションを行うようにしたが、本実施の形態ではこれに代えて、若しくはこれに加えて、ＬＡＦセンサ出力選択処理において、よりサンプル時期の遅い出力値を選択するフェールセーフアクションを行う。

具体的には、図１６のＫＳＴＲ算出処理はステップＳ１４１〜Ｓ１４３を削除した構成とし、若しくはそのまま残し、さらに図９のＬＡＦセンサ出力選択処理に代えて、図２２の処理を用いる。その他の点は第２の実施の形態と同一である。

図２２のステップＳ８１〜Ｓ８８の処理は、図９と同一である。

同図のステップＳ８９では、応答劣化フラグＦＳＴＲＲＳＰが「０」か否かを判別し、ＦＳＴＲＲＳＰ＝１であって、応答劣化を検出していないときは、直ちにステップＳ８８に進む一方、ＦＳＴＲＲＳＰ＝０であって応答劣化を検出しているときは、応答特性、即ち遅れ時間τに応じて図２３に示すように設定されたテーブルから、変数ＳＥＬＶＣＡＬを決定し（ステップＳ９０）、次いで変数ＳＥＬＶＣＡＬ、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、補正量ＳＥＬＶＣＲを算出する（ステップＳ９１）。具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定された複数のマップをメモリに格納しておき、ＳＥＬＶＣＡＬ値に応じてそのうちの１つを選択する。そして、その選択したマップをエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて検索し、補正量ＳＥＬＶＣＲを算出する。

次いで、前記ステップＳ８５〜Ｓ８７で決定した選択タイミングを、補正量ＳＥＬＶＣＲにより、より遅いタイミングに補正し（ステップＳ９２）、ステップＳ８８に進む。

本処理によれば、ＬＡＦセンサの応答特性の劣化度合いに応じて、より適切なＬＡＦセンサ出力値を選択することができ、適応制御の安定性を確保することができる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態では、ＬＡＦセンサの応答特性劣化を検出したときは、上述した第１又は第２の実施の形態におけるゲイン行列Γの変更に代えて、適応補正係数ＫＳＴＲの算出タイミングを１ＴＤＣ（ＴＤＣ信号パルスの発生間隔に相当する期間）だけ遅らせるフェールセーフアクションを行う。これ以外の点は、第１又は第２の実施の形態と同一である。

具体的には、＃Ｎ気筒（Ｎ＝１〜４）に供給する燃料量の算出に用いる適応補正係数ＫＳＴＲは、通常は＃Ｎ気筒の膨張行程開始直後に演算するが、ＬＡＦセンサの応答劣化検出時は、該当気筒の排気行程開始直後に演算するようにする。

これにより、ＬＡＦセンサの応答特性劣化による適応制御の不安定化を防止することができる。このフェールセーフアクションは、応答遅れが大きく、ＬＡＦセンサ出力選択タイミングの変更（第３の実施の形態）で対処できない場合に特に有効である。

（第５の実施の形態）
本実施の形態では、ＬＡＦセンサの応答特性劣化を検出したときは、上述した第４の実施の形態における、適応補正係数ＫＳＴＲの算出タイミングを１ＴＤＣだけ遅らせるフェールセーフアクションに加えて、さらに無駄時間のサイクル数ｄ＝２の適応制御を、ｄ＝３の適応制御の構成に切り換えるフェールセーフアクションを行う。これ以外の点は、第４の実施の形態と同一である。

具体的には、ＬＡＦセンサの応答特性劣化を検出したとき（ＦＳＴＲＲＳＰ＝０のとき）は、図１５に示すＳＴＲコントローラ及びパラメータ調整機構に代えて、図２４に示すＳＴＲコントローラ及びパラメータ調整機構の構成を用いて適応補正係数ＫＳＴＲの算出を行う。この場合、適応パラメータθ^Ｔハット（ｋ）は、数式２の（３）に代えて数式１０のようにおかれ、パラメータ調整機構への入力ζ^Ｔ（ｋ）は数式２の（４）に代えて数式１１のようにおかれる。さらに、適応補正係数ＫＳＴＲの算出式は前記数式７に代えて、数式１２を用いる。

これにより、ＬＡＦセンサの応答特性劣化時においても、良好な適応制御を行うことができる。

（第６の実施の形態）
本実施の形態では、ＬＡＦセンサの応答特性劣化を検出したときは、上述した第１又は第２の実施の形態におけるゲイン行列Γの変更に代えて、適応制御を禁止する、即ち空燃比フィードバック制御は、ＰＩＤ制御のみとするフェールセーフアクションを行う。これ以外の点は、第１又は第２の実施の形態と同一である。

具体的には、図１９に示すＳＴＲ領域判別処理において、ステップＳ１７６とステップＳ１７７の間に、図２５に示すようにステップＳ１７６ａを挿入し、ＦＳＴＲＲＳＰ＝０であってＬＡＦセンサの応答特性劣化を検出したときは、ステップＳ１７８に進むようにする。また、ＦＳＴＲＲＳＰ＝１であって、応答特性劣化が検出されていないときは、ステップＳ１７７に進む。

これにより、ＬＡＦセンサの応答特性劣化検出時は、適応制御が禁止され、制御の不安定化を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態における空燃比制御手法を説明するための機能ブロック図である。 ＬＡＦセンサ出力に基づいて空燃比補正係数を算出する処理のフローチャートである。 最終目標空燃比係数（ＫＣＭＤＭ）算出処理のフローチャートである。 目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）算出処理のフローチャートである。 ＴＤＣ信号パルスとＬＡＦセンサ出力との関係を示す図である。 ＬＡＦセンサ出力の最適なサンプリング時期を説明するための図である。 ＬＡＦセンサ出力選択処理を説明するための図である。 ＬＡＦセンサ出力選択処理のフローチャートである。 ＬＡＦセンサ出力選択用タイミングマップを示す図である。 図１１のマップの設定傾向説明するための図である。 検出当量比（ＫＡＣＴ）算出処理のフローチャートである。 ＬＡＦフィードバック領域判別処理のフローチャートである。 ＰＩＤ補正係数（ＫＬＡＦ）算出処理のフローチャートである。 適応補正係数（ＫＳＴＲ）の算出処理を説明するためのブロック図である。 適応補正係数（ＫＳＴＲ）の算出処理のフローチャートである。 ＬＡＦセンサ応答劣化判定処理のフローチャートである。 フィードバック補正係数（ＫＦＢ）の算出処理のフローチャートである。 適応制御領域を判別する処理のフローチャートである。 ＫＬＡＦ演算処理及びＫＳＴＲ演算処理のフローチャートである。 ＬＡＦセンサ応答劣化判定手法を説明するための図である。 ＬＡＦセンサ出力選択処理のフローチャートである。 ＬＡＦセンサの応答劣化度合いに応じた変数を算出するためのテーブルを示す図である。 適応補正係数（ＫＳＴＲ）の算出処理を説明するためのブロック図である。 図１９の処理の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１ 内燃機関（本体）
２ 吸気管
５ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
１２ 燃料噴射弁
１６ 排気管
１７ 広域空燃比センサ
１８ 酸素濃度センサ
１９、２０ 三元触媒

Claims (1)

1. 内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサの出力に基づいて漸化式形式の適応制御器を用いて前記機関の空燃比を目標値に収束させるように前記機関に供給する燃料をフィードバック制御する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、
   前記フィードバック制御手段で用いられる適応パラメータに基づいて、前記空燃比センサの応答特性の劣化を検出する応答特性劣化検出手段と、
   前記空燃比センサの応答特性の劣化を検出したときは、前記適応パラメータの調整速度を低下させる調整速度低減手段とを設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

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