JP4196794B2 - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比検出装置に関するものである。

従来より、内燃機関の排気管に空燃比センサを配設し、この空燃比センサの検出信号により内燃機関から排出される排ガスの空燃比（排気空燃比）を検出するようにした空燃比検出装置が実用化されている。そして、この空燃比検出装置を用いた空燃比制御システムでは、その検出空燃比が目標値で安定するよう空燃比フィードバック制御が実施されるようになっている。

特許文献１では、所定の周期、振幅で空燃比を強制的に変動させる空燃比強制変動手段と、酸素濃度センサからの出力に基づいて空燃比の強制変動状態を制御する空燃比変動制御手段とを備えた空燃比制御装置が提案されている。この空燃比制御装置では、空燃比変動の変動中心値を補正する等、空燃比の強制変動状態を制御することにより、触媒コンバータの浄化効率を向上させるようにしていた。

しかしながら、上記の如く空燃比を強制変動させる構成にあっては、空燃比センサにより空燃比が精度良く検出されないと、空燃比を精度良く変動制御させることができないという問題が生じる。つまり、一般に知られているように空燃比センサはジルコニア等の固体電解質体とそれを挟むように配される一対の電極とを有しており、電極間を伝導する酸素イオン量に応じて排ガス中の酸素濃度（すなわち空燃比）が検出される。この場合、センサ個体差や経時変化等の要因により前記各電極において反応速度が相違したりすると、空燃比がリッチ側に変化する時の応答性とリーン側に変化する時の応答性とに差異が生じることが考えられ、このセンサ応答性の差異に起因して平均空燃比が目標値（例えば１４．７）から外れてしまう。この空燃比のズレにより空燃比の制御精度低下を招き、ひいては空燃比制御時において排気エミッションの悪化が生じる。空燃比を強制変動させない場合であっても、空燃比がリッチ側に変化する時の応答性とリーン側に変化する時の応答性とに差異が生じると、空燃比の制御性が低下するという問題が生じる。
特公平７−３３７９３号公報

本発明は、空燃比センサの動特性を反映して空燃比の検出を実施することにより、空燃比の検出精度を向上させることができる内燃機関の空燃比検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、空燃比センサ信号から検出された空燃比検出値のリッチ側、リーン側への変化量データがそれぞれ算出されると共に、空燃比補正量のリッチ側、リーン側への変化量データがそれぞれ算出される。また、前記算出された空燃比検出値のリッチ側、リーン側への変化量データと前記算出された空燃比補正量のリッチ側、リーン側への変化量データとに基づいて、リッチ側への変化時、リーン側への変化時のそれぞれについて前記空燃比センサの応答性データが算出される。そして、前記算出された応答性データを用いて前記空燃比検出値が補正される。

上記構成によれば、空燃比センサのリッチ側変化時及びリッチ側変化時の応答性データが個別に得られる。そのため、前記応答性データから空燃比センサの動特性を知り得ることができ、その動特性を反映して空燃比検出値が補正できる。これにより、空燃比の検出精度が向上し、ひいては空燃比制御システムにおいて空燃比の制御精度が向上することとなる。

なおここで言う、リッチ側への変化、リーン側への変化とは、空燃比検出値や空燃比補正量の変化の方向を表現したものであり、リッチ向きの変化又はリーン向きの変化と解釈されるものである。故に、理論空燃比を跨いでリッチ側又はリーン側に変化する場合に限定されるものではない。空燃比補正量のリッチ側、リーン側の変化は空燃比検出値の変化に合わせて例えば燃料増量、燃料減量させるための変化を言う。

請求項２に記載の発明では、空燃比センサのリッチ側への応答性とリーン側への応答性との差を無くすよう空燃比検出値が補正される。これにより、空燃比センサのリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに差があってもその差が解消されるようにして空燃比補正が実施できる。従って、リッチ側又はリーン側への予期しない空燃比ズレが解消でき、ひいては空燃比の検出精度向上が実現できる。例えば、理論空燃比を中心にリッチ側・リーン側にそれぞれ等幅で空燃比を変動させる場合では、その平均空燃比を理論空燃比とすることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、リッチ側への変化時、リーン側への変化時の各応答性データを等しくするような応答性パラメータが算出され、その応答性パラメータを用いて空燃比検出値が補正される。この場合、前記応答性パラメータを用いることにより、空燃比センサのリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに差があってもその差が解消されるようにして空燃比補正が実施でき、前述の通り空燃比の検出精度向上が可能となる。

請求項４に記載の発明では、リッチ側への変化時、リーン側への変化時のそれぞれについて空燃比検出値の変化量データと空燃比補正量の変化量データとの比から応答性データが算出される。この場合、空燃比検出値の変化と空燃比補正量の変化とを対比させて応答性データが求められるため、応答性データの信頼性が増す。よって、空燃比検出値の補正がより好適に実施できるようになる。

請求項５に記載したように、前記空燃比検出値の変化量データや前記空燃比補正量の変化量データとしては、それらの変化速度又は変化加速度が算出されると良い。特にこの場合、変化速度又は変化加速度がなまし演算により算出されると良い。

空燃比センサはその初期特性としてリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに差異を持つものがある。また、リッチ側又はリーン側の何れかの変化時にのみ応答性を高めたいとする場合も考えられる。それ故、請求項６に記載したように、前記空燃比センサのリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに所定の差異を持たせるようにして空燃比検出値を補正すると良い。これにより、空燃比検出値の応答性をその都度望み通りに調整することが可能となる。

請求項７に記載の発明では、前記空燃比検出値に対して位相進み・位相遅れ処理を施すことにより当該空燃比検出値の補正が実施される。この場合、空燃比検出値の応答性を精度良く調整することができる。

請求項８に記載の発明では、少なくとも空燃比センサの状態を含む所定条件の成立時に空燃比検出値補正手段による空燃比検出値の補正が実施される。この所定条件には、例えば、空燃比センサがフェイルしていないこと、同センサが所定の活性状態であることなどが含まれる。本構成によれば、センサ応答性の検出が困難である場合に空燃比検出値が誤って補正されるといった事態が抑制できる。従って、空燃比の検出精度が維持できる。

請求項９に記載の発明では、空燃比がリッチ側及びリーン側に強制変動される構成にあって、その空燃比変動に伴い前記空燃比検出値がリッチ側に変化する時、又は前記空燃比検出値がリーン側に変化する時の変化量データを基に空燃比検出値の補正が実施される。この場合、空燃比がリッチ側又はリーン側に変化した時の変化量データを十分に得ることができ、信頼性の高い空燃比検出値の補正が実現できる。なお、こうして空燃比を強制変動させる場合、空燃比変動の周期や振幅を予め規定しておくと良い。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１の最上流部にはエアクリーナ１２が設けられ、このエアクリーナ１２の下流側には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１３が設けられている。エアフローメータ１３の下流側には、ＤＣモータ等のアクチュエータによって開度調節されるスロットルバルブ１４と、スロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ１５とが設けられている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられており、吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２４に排出される。エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒毎に点火プラグ２７が取り付けられており、点火プラグ２７には、点火コイル等よりなる図示しない点火装置を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２７の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

排気管２４には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられ、この触媒３１の上流側には排ガスを検出対象として混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３２（リニアＡ／Ｆセンサ等）が設けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３３や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３４が取り付けられている。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁１９の燃料噴射量や点火プラグ２７による点火時期を制御する。特に燃料噴射量制御では、空燃比センサ３２により検出された空燃比（検出空燃比）と目標空燃比との偏差に基づいて空燃比補正量としての空燃比補正係数ＦＡＦを算出し、この空燃比補正係数ＦＡＦを用いた空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施することとしている。

ここで、空燃比センサ３２の構成を図９を用いて説明する。本空燃比センサ３２は積層型構造のセンサ素子５０を有し、図９にはセンサ素子５０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子５０は図９の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子５０は、固体電解質層５１、拡散抵抗層５２、遮蔽層５３及び絶縁層５４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子５０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層５１は部分安定化ジルコニア製のシートよりなり、その固体電解質層５１を挟んで上下一対の電極５５，５６が対向配置されている。電極５５，５６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層５２は電極５５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層５３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層５２，５３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層５４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極５６に対面する部位には大気ダクト５７が形成されている。また、同絶縁層５４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ５８が埋設されている。ヒータ５８はバッテリ電源からの通電により発熱する発熱体よりなり、その発熱により素子全体が加熱される。なお以下の説明では、電極５５を拡散層側電極、電極５６を大気側電極とも言う。

上記センサ素子５０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層５２の側方部位から導入されて拡散層側電極５５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極５５，５６間の電圧印加により拡散層側電極５５で分解され、イオン化されて固体電解質層５１を通過した後、大気側電極５６より大気ダクト５７に排出される。このとき、大気側電極５６→拡散層側電極５５の向きに電流が流れ、その電流レベルに応じたセンサ信号が出力される。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト５７内の酸素が大気側電極５６で分解され、イオン化されて固体電解質層５１を通過した後、拡散層側電極５５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極５５→大気側電極５６の向きに電流が流れ、その電流レベルに応じたセンサ信号が出力される。

上記の如く空燃比センサ３２（センサ素子５０）では、拡散層側電極５５及び大気側電極５６で酸素の分解反応等が行われるが、各電極５５，５６で反応速度が異なると、リッチ時、リーン時の各々でセンサ応答性が相違する。この応答性の相違はセンサ個体差や経時変化を要因とし、センサ応答性が相違すると、空燃比制御に悪影響が及ぶことが考えられる。そこで本実施の形態の空燃比検出装置では、空燃比の検出精度を向上させるべく空燃比センサ信号から検出される空燃比検出値を、リッチ側への変化時におけるセンサ応答性とリーン側への変化時におけるセンサ応答性とに基づいて補正することとし、その詳細を以下に説明する。

図２は、空燃比検出装置の構成を機能別に示す機能ブロック図であり、それら各機能を簡単に説明する。空燃比調整部Ｍ１では、後述する空燃比センサ信号処理部Ｍ５より取り込まれる修正空燃比φｍと目標空燃比との偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦが算出される。空燃比補正係数記憶部Ｍ２では、少なくとも空燃比補正係数ＦＡＦの今回値と前回値とが記憶され、修正空燃比記憶部Ｍ３では、少なくとも修正空燃比φｍの今回値と前回値とが記憶される。応答性検出部Ｍ４では、空燃比補正係数ＦＡＦと修正空燃比φｍとに基づいて、空燃比センサ３２のリッチ側、リーン側への応答性を表す応答性パラメータ（パラメータα）が算出される。空燃比センサ信号処理部Ｍ５では、空燃比センサ信号から算出された検出空燃比φｓｉｇと前記パラメータαとに基づいて修正空燃比φｍが算出される。なおここでは、空燃比を燃料過剰率（燃料量／空気量）で説明するが、これに代えて空気過剰率を用いる構成であっても何ら差し支えはない。

本実施の形態では、空燃比調整部Ｍ１が「補正量算出手段」に相当し、応答性検出部Ｍ４が「空燃比検出値変化算出手段」、「補正量変化算出手段」、「応答性データ算出手段」及び「パラメータ算出手段」に相当し、空燃比センサ信号処理部Ｍ５が「空燃比検出値補正手段」に相当する。

上記の各機能はＥＣＵ４０が実行する制御プログラムにより実現されるようになっており、空燃比調整部Ｍ１、応答性検出部Ｍ４及び空燃比センサ信号処理部Ｍ５についてその処理手順を説明する。

図３は、空燃比調整部Ｍ１におけるＦＡＦ算出処理を示すフローチャートである。図３において、先ずステップＳ１０１では、空燃比Ｆ／Ｂ条件が成立しているか否かを判別する。空燃比Ｆ／Ｂ条件には、例えば冷却水温が所定温度以上であること、高回転・高負荷状態でないこと、空燃比センサ３２が活性状態にあることなどが含まれる。条件成立の場合ステップＳ１０２に進み、目標空燃比φｒｅｆと修正空燃比φｍとから空燃比偏差ｅｒｒを算出する（ｅｒｒ＝φｒｅｆ−φｍ）。その後、ステップＳ１０３では、周知のＰＩ制御手法に基づいて次式により空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。

ＦＡＦ＝ＫＦｐ・ｅｒｒ＋ＫＦｉ・Σｅｒｒ
ＫＦｐは比例定数、ＫＦｉは積分定数である。なお、空燃比補正係数ＦＡＦの算出手法について限定はなく、過去のＦＡＦ値を反映させてＦＡＦ値の今回値を算出するもの、エンジン１０の動的挙動を表したモデルを用いてＦＡＦ値を算出するものなどが任意に適用できる。

空燃比Ｆ／Ｂ条件が不成立の場合にはステップＳ１０４に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１とする。

次に、図４〜図６は、応答性検出部Ｍ４における演算処理を示すフローチャートであり、そのうち図４は空燃比補正係数ＦＡＦの変化速度を算出するためのＦＡＦ変化速度算出処理を示すフローチャート、図５は修正空燃比φｍの変化速度を算出するためのφｍ変化速度算出処理を示すフローチャート、図６はパラメータα算出処理を示すフローチャートである。

先ず図４のＦＡＦ変化速度算出処理において、ステップＳ２０１では、今現在、空燃比補正係数ＦＡＦの演算中であるか否かを判別し、ＦＡＦ演算中であることを条件にステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、空燃比補正係数の今回値ＦＡＦ（ｋ）と前回値ＦＡＦ（ｋ−１）との差からその変化量ΔＦＡＦを算出する。その後、ステップＳ２０３では、空燃比補正係数の変化量ΔＦＡＦが０よりも大きいか否かを判別する。ここで、ΔＦＡＦ＞０であることは、燃料噴射弁１９による燃料噴射量が増量側に補正され、それに伴い空燃比がリッチ側に変化することを意味する。

ΔＦＡＦ＞０の場合ステップＳ２０４に進み、リッチ側に変化する時の空燃比補正係数の変化速度ΔＦＡＦＲを次式により算出する。

ΔＦＡＦＲ（ｋ）＝ΔＦＡＦＲ（ｋ−１）＋ｋｓｍ１（ΔＦＡＦ（ｋ）−ΔＦＡＦ（ｋ−１））
上式中、ｋｓｍ１はなまし率である。

また、ΔＦＡＦ≦０の場合ステップＳ２０５に進み、リーン側に変化する時の空燃比補正係数の変化速度ΔＦＡＦＬを次式により算出する。
ΔＦＡＦＬ（ｋ）＝ΔＦＡＦＬ（ｋ−１）＋ｋｓｍ１（ΔＦＡＦ（ｋ）−ΔＦＡＦ（ｋ−１））
以上により、リッチ変化時及びリーン変化時における空燃比補正量の変化量データとして空燃比補正係数の変化速度ΔＦＡＦＲ，ΔＦＡＦＬが算出される。

次に、図５のφｍ変化速度算出処理において、ステップＳ３０１では、今現在、修正空燃比φｍの演算中であるか否かを判別し、φｍ演算中であることを条件にステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２では、修正空燃比の今回値φｍ（ｋ）と前回値φｍ（ｋ−１）との差からその変化量Δφｍを算出する。その後、ステップＳ３０３では、修正空燃比の変化量Δφｍが０よりも大きいか否かを判別する。ここで、Δφｍ＞０であることは、燃料過剰率が増加しており空燃比がリッチ側に変化することを意味する。

Δφｍ＞０の場合ステップＳ３０４に進み、リッチ側に変化する時の修正空燃比の変化速度ΔφｍＲを次式により算出する。

ΔφｍＲ（ｋ）＝ΔφｍＲ（ｋ−１）＋ｋｓｍ２（Δφｍ（ｋ）−Δφｍ（ｋ−１））
上式中、ｋｓｍ２はなまし率である。

また、Δφｍ≦０の場合ステップＳ３０５に進み、リーン側に変化する時の修正空燃比の変化速度ΔφｍＬを次式により算出する。

ΔφｍＬ（ｋ）＝ΔφｍＬ（ｋ−１）＋ｋｓｍ２（Δφｍ（ｋ）−Δφｍ（ｋ−１））
以上により、リッチ変化時及びリーン変化時における空燃比検出値の変化量データとして修正空燃比の変化速度ΔφｍＲ，ΔφｍＬが算出される。

また、図６のパラメータα算出処理において、ステップＳ４０１では、リッチ側への空燃比変化時における修正空燃比の変化速度ΔφｍＲと空燃比補正係数の変化速度ΔＦＡＦＲとの比ｃｏｍｐＲ（＝ΔφｍＲ（ｋ）／ΔＦＡＦＲ（ｋ））を算出すると共に、リーン側への空燃比変化時における修正空燃比の変化速度ΔφｍＬと空燃比補正係数の変化速度ΔＦＡＦＬとの比ｃｏｍｐＬ（＝ΔφｍＬ（ｋ）／ΔＦＡＦＬ（ｋ））を算出する。

その後、ステップＳ４０２では、前記算出したｃｏｍｐＲとｃｏｍｐＬとの比ｃｏｍｐＲＬを算出し、続くステップＳ４０３では、ｃｏｍｐＲＬを目標値（＝１）にするためのＰＩ補償器を使ってパラメータαを算出する。すなわち、
ｅ＝ｃｏｍｐＲＬ−１
α＝１＋ｋｐ・ｅ＋ｋｉ（Σｅ）
としてパラメータαを算出する。なお、ｋｐは比例定数、ｋｉは積分定数である。

以上により、リッチ変化時及びリーン変化時における空燃比センサ３２の応答性データとしてｃｏｍｐＲ，ｃｏｍｐＬが算出されると共に、応答性パラメータとしてパラメータαが算出される。

ところで本実施の形態では、位相進みフィルタを用いて空燃比センサ信号処理を実施することとしており、その伝達関数は次の（１）式のように表される。Ａはセンサ時定数の中央値である。

また、連続時間を離散時間に変換するための双一次ｓ−ｚ変換は次の（２）式で表される。（２）式において、ｈ＝２／Ｔ（Ｔはサンプル周期）である。

上記（２）式により、上記（１）式は次の（３）式となる。

上記（３）式を差分方程式に展開すると、次の（４）式が得られる。

Ｙはフィルタ出力、Ｕはフィルタ入力である。上記（４）式により、フィルタ入力である検出空燃比φｓｉｇに対して位相進み処理が実施され、その結果、修正空燃比φｍが算出できる。

図７は、空燃比センサ信号処理部Ｍ５におけるセンサ信号処理を示すフローチャートである。

図７において、ステップＳ５０１では、センサ信号処理の実行条件が成立しているか否かを判別する。その実行条件には、例えば空燃比センサ３２がフェイルしていないこと、同センサ３２が活性状態にあることなどが含まれる。また、ステップＳ５０２では、空燃比がリッチ向きに変化しているか否かを判別する。具体的には、検出空燃比φｓｉｇの前回値と今回値との差を求め、その「今回値−前回値」が正であればリッチ向きに空燃比が変化している旨判定する。

実行条件成立の下でリッチ向き変化時である場合（すなわちステップＳ５０２がＹＥＳの場合）、ステップＳ５０３に進んでパラメータαを１に初期化する。また、リーン向き変化時である場合（ステップＳ５０２がＮＯの場合）、そのままステップＳ５０４に進んで前記（４）式を用いて位相進み処理を実施する。これにより、リーン側への空燃比変化時において検出空燃比φｓｉｇがパラメータαに応じて補正され、修正空燃比φｍが算出される。

図８は、空燃比φと空燃比補正係数ＦＡＦの挙動を示すタイムチャートである。図８には空燃比補正係数ＦＡＦの変化を一点鎖線で、検出空燃比φｓｉｇの変化を実線で、修正空燃比φｍの変化を二点鎖線で示しており、（ａ）にはＦＡＦ及びφｓｉｇの挙動を、（ｂ）にはＦＡＦ、φｓｉｇ及びφｍの挙動を示している。なお、理論空燃比（φ＝１）を目標空燃比としている。

（ａ）に示すように、空燃比センサ信号から算出した検出空燃比φｓｉｇが図示の如くリッチ・リーンで変動する場合、空燃比補正係数ＦＡＦはそれに応じて変動する。この場合、検出空燃比φｓｉｇは全体としてリッチ側にシフトしており、その平均空燃比は図の平均空燃比ズレ分だけ理論空燃比からリッチ側にずれている。これは、リーン側への空燃比変化時よりもリッチ側への空燃比変化時の方が高応答であることが理由であると考えられる。

かかる場合、（ｂ）に示すように、リーン側への空燃比変化時において検出空燃比φｓｉｇに対して位相進み処理が施され、図示の通り修正空燃比φｍが求められる。修正空燃比φｍによればその平均空燃比が理論空燃比に一致し、（ａ）に見られるような平均空燃比ズレが解消される。そして、修正空燃比φｍを用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施される。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

空燃比センサ３２のリッチ側変化時の応答性とリーン側変化時の応答性とを個別に検出するようにしたため、応答性データから空燃比センサ３２の動特性を知り得ることができ、その動特性を反映して検出空燃比φｓｉｇの補正が実施できる。これにより、空燃比の検出精度が向上し、ひいては空燃比制御システムにおいて空燃比の制御精度が向上することとなる。この場合特に、空燃比センサ３２のリッチ側への応答性とリーン側への応答性とを等しくするようなパラメータαを算出し、そのパラメータαを用いて検出空燃比φｓｉｇを補正する構成としたため、空燃比センサ３２のリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに差があってもその差が解消されるようにして検出空燃比φｓｉｇの補正が実施できる。従って、リッチ側又はリーン側への予期しない空燃比ズレが解消でき、ひいては空燃比の検出精度向上が実現できる。

また、リッチ側への変化時、リーン側への変化時のそれぞれについて修正空燃比φｍの変化量データ（ΔφｍＲ，ΔφｍＬ）と空燃比補正係数ＦＡＦの変化量データ（ΔＦＡＦＲ，ΔＦＡＦＬ）との比から応答性データ（ｃｏｍｐＲ，ｃｏｍｐＬ）を算出する構成としたため、修正空燃比φｍの変化と空燃比補正係数ＦＡＦの変化とを対比させて応答性データが求められる。それ故、応答性データの信頼性が増し、検出空燃比φｓｉｇの補正がより好適に実施できるようになる。

例えば空燃比センサ３２がフェイルしていないこと、同センサ３２が活性状態にあることなどの所定条件の成立時に検出空燃比φｓｉｇの補正を許容する構成としたため、センサ応答性の検出が困難である場合に検出空燃比φｓｉｇが誤って補正されるといった事態が抑制できる。従って、空燃比の検出精度が向上する。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、リッチ側及びリーン側への応答性を無くすように設定したパラメータαを用いて検出空燃比φｓｉｇを補正したが、この構成を変更する。例えば、空燃比センサ３２のリッチ側、リーン側へのそれぞれの応答性データ（ｃｏｍｐＲ，ｃｏｍｐＬ）を個別に用いて検出空燃比φｓｉｇを補正する。この場合、リッチ側への応答性データとリーン側への応答性データの少なくとも一方を用いて補正を実施すれば良く、その使い分けは応答性変化の状態に応じて行うと良い。

また上記実施の形態では、リッチ側へのセンサ応答性とリーン側へのセンサ応答性との差を無くすように検出空燃比φｓｉｇを補正する構成としたが、この構成に限定されない。すなわち、空燃比センサ３２はその初期特性としてリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに差異を持つものがある。また、リッチ側又はリーン側の何れかの変化時にのみ応答性を高めたいとする場合も考えられる。それ故、空燃比センサ３２のリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに所定の差異を持たせるようにして検出空燃比φｓｉｇを補正すると良い。これにより、検出空燃比φｓｉｇの応答性をその都度望み通りに調整することが可能となる。

上記実施の形態では、空燃比検出値、空燃比補正量のリッチ側又はリーン側への変化量データとして、修正空燃比の変化速度ΔφｍＲ，ΔφｍＬ、空燃比補正係数の変化速度ΔＦＡＦＲ，ΔＦＡＦＬを用いたが、これに代えて、修正空燃比の変化加速度、空燃比補正係数の変化加速度を用いる構成としても良い。

上記実施の形態では、応答性検出部Ｍ４において修正空燃比φｍを用いて空燃比検出値の変化量データを算出する構成としたが、これに代えて、検出空燃比φｓｉｇを用いて空燃比検出値の変化量データを算出する構成としても良い。

上記実施の形態では、リーン側への空燃比変化時において検出空燃比φｓｉｇに対して位相進み処理を施すことにより修正空燃比φｍを算出したが、これに代えて、リッチ側への空燃比変化時において検出空燃比φｓｉｇに対して位相遅れ処理を施すことにより修正空燃比φｍを算出するようにしても良い。また、検出空燃比φｓｉｇの補正手法は位相進み・位相遅れ処理に限定されず、他の補正手法であっても良い。例えば、検出空燃比φｓｉｇに対して所定の補正係数を掛け合わせて補正しても良い。

所定周期で空燃比を強制変動させる空燃比変動手段を設け、その空燃比変動を実施した状態下で空燃比センサ３２の応答性検出、並びに空燃比検出値（検出空燃比φｓｉｇ）の補正を実施するようにしても良い。この空燃比変動は、例えばエンジンの冷間始動時における触媒コンバータの早期活性化や通常運転時における触媒浄化効率の向上（機能再生）を目的に実施されるものであって、具体的には数Ｈｚ程度の周期でリッチ側、リーン側それぞれに向けて空燃比が変動される。かかる場合、空燃比変動に伴い空燃比がリッチ側又はリーン側に変化する時の空燃比検出値及び空燃比補正量の変化量データを用いて空燃比検出値の補正を実施する。これにより、空燃比がリッチ側又はリーン側に変化した時の変化量データを十分に得ることができ、信頼性の高い空燃比補正が実現できる。

空燃比検出値（検出空燃比φｓｉｇ）の補正に際し、空燃比補正量の変化量データを使わずに空燃比検出値の変化量データだけを使うようにしても良い。本構成によっても、空燃比センサ３２の動特性を知り得ることが可能であり、空燃比の検出精度の向上を図ることができる。特に上述したように空燃比を強制変動させる場合には、空燃比の変動量が予め分かるため、空燃比検出値の変化量データだけを用いての空燃比補正が可能となる。またこの場合、空燃比センサ３２のリッチ側への応答性とリーン側への応答性との差を無くすよう空燃比検出値を補正すると良い。空燃比検出値の変化量データとしてはその変化速度又は変化加速度を用いると良い。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 空燃比検出装置の構成を示す機能ブロック図である。 ＦＡＦ算出処理を示すフローチャートである。 ＦＡＦ変化速度の算出処理を示すフローチャートである。 φｍ変化速度の算出処理を示すフローチャートである。 パラメータαの算出処理を示すフローチャートである。 センサ信号処理を示すフローチャートである。 空燃比と空燃比補正係数の挙動を示すタイムチャートである。 センサ素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…エンジン、
２４…排気管、
３２…空燃比センサ、
４０…ＥＣＵ、Ｍ１…空燃比調整部、Ｍ４…応答性検出部、Ｍ５…空燃比センサ信号処理部。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に設置された空燃比センサと、
   空燃比センサ信号から検出された空燃比検出値を目標値に一致させるための空燃比補正量を算出する補正量算出手段と、
   前記空燃比検出値のリッチ側、リーン側への変化量データをそれぞれ算出する空燃比検出値変化算出手段と、
   前記空燃比補正量のリッチ側、リーン側への変化量データをそれぞれ算出する補正量変化算出手段と、
   前記算出した空燃比検出値のリッチ側、リーン側への変化量データと前記算出した空燃比補正量のリッチ側、リーン側への変化量データとに基づいて、リッチ側への変化時、リーン側への変化時のそれぞれについて前記空燃比センサの応答性データを算出する応答性データ算出手段と、
   前記算出した応答性データを用いて前記空燃比検出値を補正する空燃比検出値補正手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
2. 前記空燃比検出値補正手段は、空燃比センサのリッチ側への応答性とリーン側への応答性との差を無くすよう前記空燃比検出値を補正する請求項１記載の内燃機関の空燃比検出装置。
3. 前記応答性データ算出手段により算出したリッチ側への変化時、リーン側への変化時の各応答性データを等しくするような応答性パラメータを算出するパラメータ算出手段を更に備え、
   前記空燃比検出値補正手段は、前記応答性パラメータを用いて前記空燃比検出値を補正する請求項２記載の内燃機関の空燃比検出装置。
4. 前記応答性データ算出手段は、リッチ側への変化時、リーン側への変化時のそれぞれについて、前記空燃比検出値の変化量データと前記空燃比補正量の変化量データとの比から応答性データを算出する請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
5. 前記空燃比検出値の変化量データとしてその変化速度又は変化加速度を算出し、前記空燃比補正量の変化量データとしてその変化速度又は変化加速度を算出する請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
6. 前記空燃比検出値補正手段は、前記空燃比センサのリッチ側への応答性とリーン側への応答性とに所定の差異を持たせるようにして空燃比検出値を補正する請求項１記載の内燃機関の空燃比検出装置。
7. 前記空燃比検出値補正手段は、前記空燃比検出値に対して位相進み・位相遅れ処理を施すことにより当該空燃比検出値の補正を実施する請求項１乃至６の何れかに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
8. 少なくとも空燃比センサの状態を含む所定条件の成立時に前記空燃比検出値補正手段による空燃比検出値の補正を実施する請求項１乃至７の何れかに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
9. 空燃比をリッチ側及びリーン側に強制変動させる空燃比変動手段を備え、該空燃比変動手段による空燃比変動に伴い前記空燃比検出値がリッチ側に変化する時、又は前記空燃比検出値がリーン側に変化する時の変化量データを基に空燃比検出値の補正を実施する請求項１乃至８の何れかに記載の内燃機関の空燃比検出装置。

Images