JP4726663B2

JP4726663B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP4726663B2
Application number: JP2006078020A
Authority: JP
Inventors: 章清村; 寿宣尾崎
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: US20070221183A1; DE102007013578A1; JP2007255232A; DE102007013578B4; US7533662B2

Description

本発明は、排気センサの出力に基づいて内燃機関の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。

特許文献１には、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサの出力に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算する空燃比制御方法において、燃料カット状態から燃料の供給が再開されるときに、該燃料供給の再開開始から所定時間において、前記空燃比フィードバック補正係数の変更を禁止することが開示されている。
特開平０５−１４１２９４号公報

上記のように、燃料供給の再開開始から所定時間において空燃比フィードバック補正係数の変更を禁止すれば、空燃比センサの検出遅れによって実際の空燃比よりも大幅にリーンとなる検出結果に基づいて空燃比フィードバック補正係数が変更され、空燃比がリッチ側に過補正されてしまうことを回避できる。
しかし、経時劣化によって空燃比センサの応答性が悪化すると、検出応答遅れの間に空燃比フィードバック補正係数の変更が開始されてしまい、空燃比がリッチ側に過補正されて排気性能・運転性が悪化する可能性があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、空燃比センサの検出応答が劣化しても、応答遅れの間に空燃比が過補正されることを回避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。

そのため請求項１記載の発明は、排気管に介装される触媒コンバータの上流側に設けられる第１排気センサの出力と、前記触媒コンバータの下流側に設けられる第２排気センサの出力とに基づいて空燃比操作量を演算する内燃機関の空燃比制御装置であって、前記第２排気センサの出力に基づく空燃比操作量の制御ゲインを、前記第１排気センサの応答特性に応じて補正することを特徴とする。
かかる構成によると、第２排気センサの出力に基づく空燃比操作量の制御ゲインを、第１排気センサの応答特性に応じて補正する。
前記第１排気センサの応答劣化時に前記制御ゲインを大きくすると、第２排気センサのリッチ検出に対して制御空燃比をより大きくリーン化させるように制御される。
従って、燃料カット後の燃料供給の再開に伴って第２排気センサの出力がリッチ側に動くと、第１排気センサの出力に基づく空燃比操作量のリッチ側への変化が制限されることになり、第１排気センサの応答劣化によって空燃比操作量が過剰設定されることを抑止でき、排気性能・運転性の悪化を抑制することができると共に、応答劣化に対する排気性能の悪化を抑止できることで、排気性能を悪化させる応答劣化を診断させるときの判定基準をより劣化側に設定でき、これにより、誤診断されることが抑止され、前記応答劣化診断の信頼性を向上させることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第１排気センサの出力から検出される排気空燃比と目標空燃比との偏差に基づく積分動作によって空燃比操作量を演算すると共に、前記第２排気センサの出力に応じて、前記空燃比操作量をリッチ化方向に変化させるときの積分ゲインとリーン化方向に変化させるときの積分ゲインとを個別に変更する一方、前記第１排気センサの応答特性に応じて、前記積分動作のゲインの変更に補正を加えることを特徴とする。
かかる構成によると、空燃比操作量をリッチ化方向に変化させるときの積分ゲインとリーン化方向に変化させるときの積分ゲインとを、第２排気センサの出力に応じて個別に変更することで、第２排気センサで検出される排気空燃比が目標に近づくように、空燃比操作量による制御空燃比を変更するが、第１排気センサの応答が劣化したときには、前記積分ゲインの変更に補正を加えて、第１排気センサの応答遅れによる過剰補正を抑制する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第１排気センサの出力から検出される排気空燃比と目標空燃比との偏差に基づき空燃比操作量を演算すると共に、前記第２排気センサの出力に応じて、前記目標空燃比を変更する一方、前記第１排気センサの応答特性に応じて、前記目標空燃比の変更に補正を加えることを特徴とする。
かかる構成によると、目標空燃比を第２排気センサの出力に応じて変更することで、第２排気センサで検出される排気空燃比が目標に近づくように、空燃比操作量による制御空燃比を変更するが、第１排気センサの応答が劣化したときには、前記目標空燃比の変更に補正を加えて、第１排気センサの応答遅れによる過剰補正を抑制する。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
図１において、エンジン１０１（ガソリン内燃機関）の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装される。

そして、前記電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。
各気筒の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられている。
前記燃料噴射弁１３１は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。

前記燃焼室１０６内に形成された混合気は、図示省略した点火プラグによる火花点火によって着火燃焼する。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排気管に排出され、フロント触媒コンバータ１０８（例えば三元触媒コンバータ）及びリア触媒コンバータ１０９（例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒コンバータ）で浄化された後、大気中に放出される。

前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１１１，排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動される。
燃料タンク１３５には、電動式の燃料ポンプ１３６が内蔵され、この燃料ポンプ１３６を駆動することで燃料が前記燃料噴射弁１３１に向けて圧送される。
前記燃料ポンプ１３６から吐出された燃料を各燃料噴射弁１３１に分配する分配管１３７には、燃圧センサ１３８が設けられており、該燃圧センサ１３８で検出される燃圧が目標圧になるように、前記燃料ポンプ１３６の吐出量が前記コントロールユニット１１４によってフィードバック制御されるようになっている。

前記コントロールユニット１１４は、マイクロコンピュータを内蔵し、予め記憶されたプログラムに従って各種センサからの検出信号を演算処理し、前記電子制御スロットル１０４，燃料噴射弁１３１，燃料ポンプ１３６などの制御信号を出力する。
前記各種センサとしては、前記燃圧センサ１３８の他、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１１６、エンジン１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０に支持されるシグナルプレートに設けられる被検出部を検出することでクランクシャフト１２０の回転位置信号を出力するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、エンジン１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、前記フロント触媒コンバータ１０８の上流側での排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を広域に検出する空燃比センサ１２１（第１排気センサ）、前記フロント触媒コンバータ１０８の下流側での排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出する酸素センサ１２２（第２排気センサ）等が設けられている。

ここで、前記空燃比センサ１２１の構造及び空燃比検出原理について説明する。
但し、前記空燃比センサ１２１の構造及び検出原理を以下のものに限定するものではない。
図２に前記空燃比センサ１２１の構造を示す。
前記空燃比センサ１２１の本体１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア等の耐熱性多孔質絶縁材料で形成され、該本体１には、ヒータ部２が設けられる。

また、前記本体１には、大気と連通する大気導入孔３、及び、ガス導入孔４及び保護層５を介してエンジン排気側と連通するガス拡散層６が設けられている。
センシング部電極７Ａ，７Ｂは、大気導入孔３とガス拡散層６とに臨んで設けられると共に、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂは、ガス拡散層６とこれに対応する本体１の周囲とに設けられる。

前記センシング部電極７Ａ，７Ｂの間には、ガス拡散層６内の酸素イオン濃度（酸素分圧）と大気中の酸素イオン濃度との比に応じた電圧が発生し、該電圧に基づいてガス拡散層６内の排気空燃比の理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に対するリッチ・リーンが検出される。
一方、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂには、センシング部電極７Ａ，７Ｂの間に発生する電圧、つまり、ガス拡散層６内のリッチ・リーンに応じて電圧が印加される。

前記酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂに所定の電圧が印加されると、これに応じてガス拡散層６内の酸素イオンが移動され、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間に電流が流れる。
ここで、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間に流れる電流値（限界電流）Ｉｐは、排気中の酸素イオン濃度に影響されるので、電流値（限界電流）Ｉｐを検出することで空燃比を検出できる。

即ち、図３のテーブル（Ａ）に示すように、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間の電流・電圧と、空燃比との間に相関関係が得られ、センシング部電極７Ａ，７Ｂのリッチ・リーン出力に基づいて酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂに対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、酸素ポンプ電極部８Ａ，８Ｂ間を流れる電流値（限界電流）Ｉｐに基づいて空燃比を検出できる。

以上のような空燃比検出原理により、酸素ポンプ電極部間の電流値Ｉｐを、図３のテーブル（Ｂ）によって空燃比データに変換することで、空燃比を広範囲に検出することができる。
一方、前記酸素センサ１２２は、例えば、ジルコニアからなるチューブ状の基体の内面及び外面にそれぞれ電極を配して、前記チューブ状の基体の内側に大気を導入し、外側を排気に接触させ、大気と排気との酸素分圧の違いによって前記電極間に起電力を生じさせる酸素濃淡電池を含んで構成されるセンサである。

尚、前記酸素センサ１２２に代えて、前記空燃比センサ１２１と同じ構造の空燃比センサ（第２排気センサ）を、前記フロント触媒コンバータ１０８の下流側に設けることができ、また、空燃比センサ１２１に代えて、前記酸素センサ１２２と同じ構造の酸素センサ（第１排気センサ）を、前記フロント触媒コンバータ１０８の上流側に設けることができる。

前記コントロールユニット１１４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等から構成されるマイクロコンピュータを含んでなり、以下のようにして燃料噴射弁１３１による燃料噴射を制御する。
前記コントロールユニット１１４は、エアフローメータ１１５で検出される吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ１１７から出力される回転位置信号から求められるエンジン回転速度Ｎｅとから、目標空燃比に対応する基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算する。

また、前記コントロールユニット１１４は、低水温時に燃料を増量補正する補正係数Ｋｗ、エンジン１０１の始動及び始動後に燃料を増量補正する補正係数Ｋas、実際の空燃比を目標空燃比に一致させるための空燃比フィードバック補正係数LAMBDA（空燃比操作量）、燃料噴射弁１３１の電源電圧による開弁遅れ分を補正するための補正分Ｔｓを演算する。

そして、コントロールユニット１１４は、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉを、Ｔｉ＝Ｔｐ×（１＋Ｋｗ＋Ｋas＋・・・）×LAMBDA＋Ｔｓとして演算する。
最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉを演算すると、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を前記燃料噴射弁１３１に出力し、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉから電圧補正分Ｔｓを除いた有効噴射パルス幅Ｔｅに比例する量の燃料を噴射させる。

上記空燃比フィードバック補正係数LAMBDA（空燃比操作量）は、空燃比センサ１２１で検出される実際の空燃比と目標空燃比との偏差に基づく比例・積分・微分動作によって設定され、該空燃比フィードバック補正係数LAMBDAによる噴射パルス幅の補正によって、実際の空燃比が目標空燃比にフィードバック制御される。
上記の空燃比センサ１２１の出力に基づく空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの演算を、ここでは、第１の空燃比フィードバック制御という。

また、前記酸素センサ１２２で検出される空燃比に基づいて第２の空燃比フィードバック制御が行われる。
前記第２の空燃比フィードバック制御として、前記空燃比フィードバック補正係数LAMBDAのスキップ操作量，積分定数（積分ゲイン），前記スキップ操作量による操作タイミングの遅延時間，空燃比センサ１２１の検出空燃比と比較させる目標空燃比などを、酸素センサ１２２の検出結果に基づいて可変とする制御が行われる（特開平０１−２５７７３８号公報参照）。

このように、本実施形態では、空燃比センサ１２１（第１排気センサ）の出力と、酸素センサ１２２の出力とに基づいて、空燃比操作量としての空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが演算される。
更に、前記コントロールユニット１１４は、エンジン１０１の減速時に前記燃料噴射弁１３１による燃料噴射を停止させる、所謂減速燃料カット制御を行う。

前記減速燃料カット制御においては、アクセルペダルがアイドル位置で、かつ、エンジン回転速度Ｎｅが所定回転速度Ｎｅ１を超える減速運転時に燃料カットを開始し、非アイドル運転に移行するか、又は、エンジン回転速度Ｎｅが所定回転速度Ｎｅ２（＜Ｎｅ１）を下回ると、燃料噴射弁１３１による燃料噴射を再開させる。
ここで、前記減速燃料カット中は、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAがクランプされるオープン制御状態となり、燃料噴射が再開された時点から予め記憶された遅延時間が経過してから、空燃比フィードバック制御を再開させるようにしてある。

前記減速燃料カット状態から燃料噴射を再開させると、排気空燃比は超リーン状態から目標空燃比付近に変化することになるが、空燃比センサ１２１の出力は係る排気空燃比の変化に対して遅れを持って変化する。
そこで、前記遅延時間が経過してから空燃比フィードバック制御を再開させることで、空燃比センサ１２１の過渡応答の間に空燃比フィードバック制御が再開されて、燃料噴射量が過剰に増量補正されることがないようにしてある。

しかし、前記空燃比センサ１２１の経時劣化が進んで、前記応答遅れが大きくなると、前記遅延時間が経過してから空燃比フィードバック制御を再開させても、空燃比センサ１２１が実際よりも大幅にリーンな空燃比を検出することで、燃料噴射量が過剰に増量補正されることになってしまう。
そこで、本実施形態では、前記空燃比センサ１２１の経時劣化により応答が悪化しても、過剰に燃料が補正されることを回避すべく、図４のフローチャートに示す処理を行う。

図４のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１１では、空燃比センサ１２１の出力に応じた空燃比フィードバック制御中であるか否かを判断する。
そして、空燃比フィードバック制御中であれば、ステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１２では、前記フロント触媒コンバータ１０８の下流に設けた酸素センサ１２２が、活性状態であるか否かを判断する。

前記酸素センサ１２２が活性状態であるか否かは、エンジン１０１の冷却水温度や前記フロント触媒コンバータ１０８の温度などから推定したり、前記酸素センサ１２２の出力から判断したりすることができる。
そして、酸素センサ１２２の活性状態であるときには、ステップＳ１３へ進む。
ステップＳ１３では、酸素センサ１２２の出力に応じて空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの上限値MAX及び下限値MINを設定する。

具体的には、酸素センサ１２２の出力が排気空燃比のリッチ状態を示す場合には、上限値MAXを標準値MAXsよりも低い値である応答遅れ用上限値MAXdに切り換え、酸素センサ１２２の出力が排気空燃比のリーン状態を示す場合には、下限値MINを標準値MINsよりも高い値である応答遅れ用下限値MINdに切り換える（図５参照）。
また、上記のようにして上下限値を、酸素センサ１２２のリッチ・リーン出力に応じて２段階に切り換える代わりに、酸素センサ１２２の出力がリッチ側に変化するほど上限値MAXを標準値MAXsよりもより小さくし、酸素センサ１２２の出力がリーン側に変化するほど下限値MINを標準値MINsよりもより大きくすることができる（図６参照）。

ステップＳ１４では、最新に演算された空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが前記上限値MAX以上であるか否かを判断する。
そして、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが前記上限値MAX未満であれば、ステップＳ１５を迂回してステップＳ１６へ進み、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが前記上限値MAX以上であればステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを前記上限値MAXにして燃料噴射量の補正に用いるようにすることで、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが上限値MAXを超えないようにする（図７参照）。
ステップＳ１６では、最新に演算された空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが前記下限値MIN以下であるか否かを判断する。

そして、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが前記下限値MINを超える場合には、ステップＳ１７を迂回してそのまま本ルーチンを終了させ、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが前記下限値MIN以下であればステップＳ１７へ進む。
ステップＳ１７では、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを前記下限値MINにして燃料噴射量の補正に用いるようにすることで、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが下限値MINを下回らないようにする。

上記のように、酸素センサ１２２の出力に応じて上限値MAX及び下限値MINを設定し、この上限値MAX及び下限値MINで空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを制限するようにすれば、空燃比センサ１２１の応答遅れによって空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが過剰設定されることを防止できる。
例えば、減速燃料カット後に燃料噴射が再開されると、前記フロント触媒コンバータ１０８の上流側における排気空燃比がリッチ側に変化し始めた後、触媒の酸素ストレージ効果によって下流側の排気空燃比が遅れてリッチ側に変化する。

従って、フロント触媒コンバータ１０８の下流側で排気空燃比を検出する酸素センサ１２２が空燃比のリッチ変化を検出しているときには、既にフロント触媒コンバータ１０８の上流側における排気空燃比はリッチ変化を示していて、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAは減少変化に転じているべきである。
即ち、減速燃料カット後に酸素センサ１２２がリッチ変化を検出するようになったときには、実際の空燃比が目標或いは目標よりもリッチであるから、目標空燃比にするために要求される空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの値は小さいはずであり、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの値が大きい場合には、空燃比センサ１２１の応答遅れの増大によって空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが過剰に増大設定されていると推定される。

換言すれば、酸素センサ１２２がリッチ空燃比を検出する場合に、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの上限値MAXを下げても、空燃比センサ１２１が通常の過渡応答を示す場合には、必要な補正が制限されることはなく、下げた上限値MAXを超えるような空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの設定は、空燃比センサ１２１の過渡応答の劣化による過剰補正であると判断される。

そこで、酸素センサ１２２がリッチ空燃比を検出する場合に、上限値MAXを下げて空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを制限することで、空燃比センサ１２１の過渡応答の劣化による過剰な増量補正が回避され、排気性能・運転性の悪化を抑制できる（図７参照）。
また、空燃比センサ１２１の応答劣化に対する排気性能の悪化を抑止できることで、排気性能を悪化させる応答劣化を診断させるときの判定基準をより劣化側に設定でき、これにより、誤診断されることが抑止され、前記応答劣化診断の信頼性を向上させることができる。

尚、図７は、減速燃料カット後の空燃比センサ１２１の検出遅れによって空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが大きく増大変化させられることを、前記酸素センサ１２２の出力のリッチ側への変化に応じて徐々に低下させられる上限値MAXで制限する場合を示す。
一方、空燃比をオープン制御によってリッチ側に制御している状態から、空燃比フィードバック制御を再開させるときには、酸素センサ１２２がリーン側への変化を検知したときに下限値MINを上げることで、空燃比センサ１２１の過渡応答の劣化によって空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが過剰に減少設定されることを防止できる。

尚、上限値MAX及び下限値MINを酸素センサ１２２の出力に応じて変化させる代わりに、上限値MAXのみを酸素センサ１２２の出力に応じて変化させることができる。
また、オープン制御からフィードバック制御を再開させた直後の所定期間に限定して、酸素センサ１２２の出力に応じた上限値MAX及び／又は下限値MINの変更を行わせることができ、オープン制御がリーン空燃比状態であれば上限値MAXのみを変化させ、オープン制御がリッチ空燃比状態であれば下限値MINのみを変化させるようにできる。

図８のフローチャートは、前記空燃比センサ１２１の経時劣化により応答が悪化したときの燃料の過剰補正を回避するためのゲイン補正処理を示す。
図８のフローチャートにおいて、ステップＳ２１では、空燃比フィードバック制御条件が成立しているか否かを判別する。
そして、空燃比フィードバック制御条件が成立している場合には、ステップＳ２２へ進み、空燃比センサ１２１の応答特性と、そのときのエンジン１０１の冷却水温度とから、空燃比フィードバック制御における制御ゲインの補正係数HOSGを設定する。

前記空燃比センサ１２１の応答特性は、例えば、目標空燃比のステップ変化に対する応答時間の計測によって診断することができる他、空燃比センサ１２１の使用時間（車両の走行距離等）などから推定することも可能であり、前記応答時間や使用時間が長いほど応答劣化が進行しているものと判断できる。
また、エンジン１０１の冷却水温度は、空燃比センサ１２１の素子温度に相関するデータとして検出される。

同じ空燃比センサ１２１の場合でも、センサ素子の温度が低くなるほど検出応答性は低下することから、前記冷却水温度から温度条件による検出応答の変化が推定されることになる。
ここで、空燃比センサ１２１の検出応答が低下しているほど、空燃比フィードバック制御における比例ゲイン・積分ゲインを低下させ、また、冷却水温度が低いほど空燃比フィードバック制御における比例ゲイン・積分ゲインを低下させるように、前記補正係数HOSGを設定する。

ステップＳ２３では、前記補正係数HOSGで空燃比フィードバック制御に用いる制御ゲイン（比例ゲイン・積分ゲイン）を補正設定する。
そして、ステップＳ２４では、前記補正設定された制御ゲインを用いて前記空燃比センサ１２１の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を行わせる。
経時劣化によって空燃比センサ１２１の検出応答が悪化したときに制御ゲインを低下させれば、例えば減速燃料カット後の燃料噴射の再開時に、空燃比センサ１２１がリーン状態を継続して検出しても、係るリーン検出に基づく空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの変化が抑制される結果、過剰に増量補正されることを抑止できる（図９）。

即ち、上記図８のフローチャートに示した処理においても、図４のフローチャートに示した処理と同様に、空燃比センサ１２１の過渡応答の劣化による過剰な増量補正が回避される結果、排気性能・運転性の悪化を抑制でき、また、応答劣化に対する排気性能の悪化を抑止できることで、排気性能を悪化させる応答劣化を診断させるときの判定基準をより劣化側に設定でき、前記応答劣化診断の信頼性を向上させることができる。

尚、前記補正係数HOSGを、空燃比センサ１２１の応答特性のみから設定させることができる。
図１０のフローチャートは、前記空燃比センサ１２１の経時劣化により応答が悪化したときの燃料の過剰補正を回避するため、第２の空燃比フィードバック制御を補正する処理を示す。
図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ３１では、空燃比フィードバック制御中であるか否かを判別する。

そして、空燃比フィードバック制御中であれば、ステップＳ３２へ進み、酸素センサ１２２による第２の空燃比フィードバック制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
前記第２の空燃比フィードバック制御の実行条件としては、酸素センサ１２２が活性状態であることなどが含まれる。

ステップＳ３２で、第２の空燃比フィードバック制御の実行条件が成立していると判断されると、ステップＳ３３へ進む。
ステップＳ３３では、空燃比センサ１２１の応答特性に基づいて、前記第２の空燃比フィードバック制御の補正係数KPHOSを設定する。
前記空燃比センサ１２１の応答特性は、前述のように、例えば、目標空燃比のステップ変化に対する応答時間の計測によって診断することができる他、空燃比センサ１２１の使用時間（車両の走行距離等）などから推定することも可能である。

そして、前記空燃比センサ１２１の検出応答が悪化するほど前記補正係数KPHOSを大きくし、第２の空燃比フィードバック制御の制御ゲインを大きくする。
ステップＳ３４では、前記補正係数KPHOSに基づいて第２の空燃比フィードバック制御を補正設定する。
具体的には、酸素センサ１２２の出力に基づく、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの積分定数（積分ゲイン）の変更や、空燃比センサ１２１の検出空燃比と比較させる目標空燃比の変更を、前記補正係数KPHOSに基づいて修正する。

次いで、ステップＳ３５では、前記補正係数KPHOSで変更された積分ゲインや目標空燃比に基づいて、第１の空燃比フィードバック制御を実行させる。
前記第２の空燃比フィードバック制御として、例えば、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAの積分動作に用いる積分定数（積分ゲイン）を酸素センサ１２２の検出結果に基づいて可変にする場合、酸素センサ１２２が排気空燃比のリッチを検出したときに、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを減少変化させる積分定数（積分ゲイン）を増大させ、及び／又は、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを増大変化させる積分定数（積分ゲイン）を減少させることで、制御空燃比をリーン側に移行させる。

一方、酸素センサ１２２が排気空燃比のリーンを検出したときに、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを増大変化させる積分定数（積分ゲイン）を増大させ、及び／又は、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAを減少変化させる積分定数（積分ゲイン）を減少させることで、制御空燃比をリッチ側に移行させる。
また、前記第２の空燃比フィードバック制御として、空燃比センサ１２１を用いた空燃比フィードバック制御（第１の空燃比フィードバック制御）における目標空燃比を、酸素センサ１２２の出力に応じて変更する場合、酸素センサ１２２が排気空燃比のリッチを検出したときに、前記目標空燃比をリーン側に修正して空燃比センサ１２１を用いた空燃比フィードバック制御の制御空燃比をリーン側に移行させ、酸素センサ１２２が排気空燃比のリーンを検出したときに、前記目標空燃比をリッチ側に修正して空燃比センサ１２１を用いた空燃比フィードバック制御の制御空燃比をリッチ側に移行させる。

そして、前記補正係数KPHOSは、前記積分定数（積分ゲイン）及び／又は目標空燃比の酸素センサ１２２の検出結果に基づく変更幅を、前記空燃比センサ１２１の検出応答が悪化するほど増大変化させる（図１１参照）。
ここで、空燃比センサ１２１の検出応答が悪化し、例えば、減速燃料カット後の燃料噴射の開始後になかなかセンサ出力がリッチ側に変化しない場合でも、酸素センサ１２２が排気空燃比のリッチ化を検出するようになると、第２の空燃比フィードバック制御によって、第１の空燃比フィードバック制御の制御中心をリーン側に移行させることになり、然も、空燃比センサ１２１の検出応答が悪化するほど前記リーン側への移行が大きくなるように前記補正係数KPHOSが設定されるようになっている。

従って、空燃比センサ１２１の出力変化が大幅に遅れることで、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAが過剰に増大設定されてしまうことを抑止することができる。
これにより、図４、図８のフローチャートに示した処理と同様に、空燃比センサ１２１の過渡応答の劣化による過剰な増量補正が回避され、排気性能・運転性の悪化を抑制でき、また、応答劣化に対する排気性能の悪化を抑止できることで、排気性能を悪化させる応答劣化を診断させるときの判定基準をより劣化側に設定でき、前記応答劣化診断の信頼性を向上させることができる。

尚、空燃比センサ１２１の検出応答の悪化に対して徐々に補正係数KPHOSを変化させるのではなく、空燃比センサ１２１が正常であるか応答劣化状態であるかのいずれかに判別し、補正係数KPHOSを２段階に変化させることができる。
図１２のフローチャートは、上記のように、空燃比センサ１２１が正常であるか応答劣化状態であるかのいずれかに判別し、補正係数KPHOSを２段階に変化させる処理を示す。

図１２のフローチャートにおいて、ステップＳ４１では、空燃比フィードバック制御中であるか否かを判別する。
そして、空燃比フィードバック制御中であれば、ステップＳ４２へ進み、酸素センサ１２２による第２の空燃比フィードバック制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。

ステップＳ４２で、第２の空燃比フィードバック制御の実行条件が成立していると判断されると、ステップＳ４３へ進む。
ステップＳ４３では、空燃比センサ１２１が正常であるか応答劣化状態であるかを判別する。
そして、空燃比センサ１２１が正常で初期の応答特性を示す場合には、ステップＳ４５へ進み、前記補正係数KPHOSとして予め正常時に適合する値として記憶されている正常時用の補正係数KPHOSを設定する。

一方、空燃比センサ１２１が応答劣化状態であると判断されたときには、ステップＳ４４へ進み、前記補正係数KPHOSとして予め応答劣化時に適合する値として記憶されている劣化時用の補正係数KPHOSを設定する。
ステップＳ４６では、前記補正係数KPHOSに基づいて第２の空燃比フィードバック制御を補正設定する。

次いで、ステップＳ４７では、前記補正係数KPHOSで変更された積分ゲインや目標空燃比に基づいて、第１の空燃比フィードバック制御を実行させる。
ここで、劣化時用の補正係数KPHOSは、酸素センサ１２２の検出結果に応じた積分ゲイン・目標空燃比の変更量を、正常時用の補正係数KPHOSを用いる場合よりも大きく補正する値であり、例えば、前記第２の空燃比フィードバック制御として、空燃比センサ１２１を用いた空燃比フィードバック制御（第１の空燃比フィードバック制御）における目標空燃比を、酸素センサ１２２の出力に応じて変更する場合、劣化時用の補正係数KPHOSは、目標空燃比がより大きく修正されるようにする。

従って、減速燃料カット後の燃料噴射の再開時に、酸素センサ１２２が空燃比のリッチ変化を検出するようになってからも、空燃比センサ１２１がリーン状態を検出し続ける応答劣化状態になると、空燃比センサ１２１の出力に基づく空燃比フィードバック制御の制御空燃比がリーン側に修正され、過剰なリッチ補正が回避される。
従って、前述の図４、図８、図１０のフローチャートに示した処理と同様に、空燃比センサ１２１の過渡応答の劣化による過剰な増量補正が回避され、排気性能・運転性の悪化を抑制でき、また、応答劣化に対する排気性能の悪化を抑止できることで、排気性能を悪化させる応答劣化を診断させるときの判定基準をより劣化側に設定でき、前記応答劣化診断の信頼性を向上させることができる。

ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。

（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記第１排気センサの応答特性の経時劣化及び前記第１排気センサの温度条件に応じて、前記第２排気センサの出力に基づく空燃比操作量の制御ゲインを補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

かかる構成によると、経時的な応答特性の低下に加え、空燃比制御を行うときの温度条件による応答特性の変動を加味して、第２排気センサの出力に基づく空燃比操作量の制御ゲインを補正する。

実施形態における内燃機関のシステム図。実施形態における空燃比センサの構造図。実施形態における空燃比センサの検出原理を説明するための図。前記空燃比センサの応答低下による燃料の過剰補正を回避するための処理を示すフローチャート。前記図４のフローチャートに示す処理における限界値の設定特性を示すタイムチャート。前記図４のフローチャートに示す処理における限界値の設定特性を示すタイムチャート。前記図４のフローチャートに示す処理における制御特性を示すタイムチャート。前記空燃比センサの応答低下による燃料の過剰補正を回避するための処理を示すフローチャート。前記図８のフローチャートに示す処理における制御特性を示すタイムチャート。前記空燃比センサの応答低下による燃料の過剰補正を回避するための処理を示すフローチャート。前記図１０のフローチャートに示す処理における制御特性を示すタイムチャート。前記空燃比センサの応答低下による燃料の過剰補正を回避するための処理を示すフローチャート。

符号の説明

１０１…エンジン、１０４…電子制御スロットル、１０８…フロント触媒コンバータ、１０９…リア触媒コンバータ、１１４…コントロールユニット、１２１…空燃比センサ、１２２…酸素センサ、１３１…燃料噴射弁、１３５…燃料タンク、１３６…燃料ポンプ

Claims

排気管に介装される触媒コンバータの上流側に設けられる第１排気センサの出力と、前記触媒コンバータの下流側に設けられる第２排気センサの出力とに基づいて空燃比操作量を演算する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記第２排気センサの出力に基づく空燃比操作量の制御ゲインを、前記第１排気センサの応答特性に応じて補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記第１排気センサの出力から検出される排気空燃比と目標空燃比との偏差に基づく積分動作によって空燃比操作量を演算すると共に、
前記第２排気センサの出力に応じて、前記空燃比操作量をリッチ化方向に変化させるときの積分ゲインとリーン化方向に変化させるときの積分ゲインとを個別に変更する一方、
前記第１排気センサの応答特性に応じて、前記積分動作のゲインの変更に補正を加えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記第１排気センサの出力から検出される排気空燃比と目標空燃比との偏差に基づき空燃比操作量を演算すると共に、
前記第２排気センサの出力に応じて、前記目標空燃比を変更する一方、
前記第１排気センサの応答特性に応じて、前記目標空燃比の変更に補正を加えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。