JP3775570B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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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（理論空燃比付近）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】
そこで、本発明者らは、この欠点を解消するために、特願２０００−４０４６７１号の明細書に記載されているように、下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比とに基づいてサブフィードバック制御の中間目標値を設定し、下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値との偏差に基づいて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システムを実用化に向けて開発中である。
【０００６】
このシステムを実用化にするに当たって、次のような新たな技術的課題が判明している。一般に、下流側排ガスセンサは、図４に示すように排ガスの空燃比がリッチかリーンかで出力特性が反転する酸素センサ（Ｏ2 センサ）が用いられている。この酸素センサの出力特性はＺ特性と称され、空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）付近の領域、つまり酸素センサの出力電圧が０．３〜０．７Ｖの領域では、空燃比の変化が小さくても、酸素センサの出力電圧が急激に変化し、反対に、出力電圧が０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する酸素センサの出力電圧の変化が小さくなる特性がある。
【０００７】
このようなＺ特性の酸素センサの出力電圧をそのまま用いて中間目標値（中間目標電圧）を設定して、サブフィードバック制御を行うと、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する酸素センサの出力電圧の変化が小さいため、実際の空燃比の変化量に対して、中間目標値（中間目標電圧）の更新量が小さくなり、空燃比の変化に対してサブフィードバック制御の応答が遅くなってしまい、その応答遅れによって、０．７Ｖ以上のリッチ域では、ＨＣ、ＣＯの排出量が増加し、０．３Ｖ以下のリーン域では、ＮＯｘの排出量が増加する欠点がある。
【０００８】
また、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する酸素センサの出力電圧の変化が急峻であるため、空燃比の変化に対して中間目標値（中間目標電圧）の更新量が大きくなりすぎて、ハンチングが発生しやすくなり、サブフィードバック制御の安定性が低下する欠点がある。
【０００９】
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、中間目標値を用いてメイン／サブフィードバック制御を行うシステムにおいて、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサの出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保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にある。
【００１０】
【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、下流側排ガスセンサの過去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過去の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し、下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値との偏差に基づいて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ものにおいて、下流側排ガスセンサの出力に応じて、前記中間目標値の更新量、更新速度、前記サブフィードバック制御の制御ゲイン、制御周期、制御範囲のうちの少なくとも１つを制御補正手段によって変更するようにしたものである。このようにすれば、下流側排ガスセンサの出力特性がリニアな特性でなくても、その出力特性の影響を補償する適正な制御条件に変更することで、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサの出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００１１】
この場合、請求項２のように、下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との偏差に減衰率を乗算した値と、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、下流側排ガスセンサの出力に応じて減衰率を変更するようにしても良い。このようにすれば、中間目標値を簡単な演算処理で設定できると共に、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償するための制御条件の変更を、簡単な演算処理で行うことができる。
【００１２】
また、請求項３のように、下流側排ガスセンサの検出空燃比と中間目標値との偏差に対する比例積分動作で演算した値を所定の制御範囲内に制限することで、上流側目標空燃比の補正量を求め、下流側排ガスセンサの出力に応じて比例積分動作のゲイン（制御ゲイン）及び／又は制御範囲を変更す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応答良く反映させることができると共に、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償するための制御条件の変更を、簡単な演算処理で行うことができる。
【００１３】
また、請求項４のように、リニアライズ手段によって下流側排ガスセンサの出力を該下流側排ガスセンサの出力特性に応じてリニアライズ化した空燃比検出値を用いて、中間目標値を算出するようにしても良い。このようにすれば、下流側排ガスセンサの出力特性（空燃比の検出特性）がＺ特性であっても、その出力特性をリニアな特性に変換した空燃比検出値を用いて中間目標値を算出することができるので、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサの出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００１４】
また、請求項５のように、下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比とに基づいて設定した中間目標値を、下流側排ガスセンサの出力特性に応じて補正するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
以下、本発明の実施形態（１）を図１乃至図７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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、図４に示すように、排ガスの空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に対してリッチかリーンかによって出力特性が反転する酸素センサ（Ｏ2 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、空燃比がリーンの領域では、０．１〜０．３Ｖ程度の出力電圧を発生し、空燃比がリッチの領域では、０．７〜０．９Ｖ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
以下、本実施形態（１）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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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
【００２５】
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。
【００２６】
次に、目標空燃比補正部４４で中間目標値Ｏ2midtargを設定し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。
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、中間目標値計算部４６、減衰率設定部４７及び補正量計算部４８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。
【００２７】
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。
【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。また、Ｋdec は減衰率であり、減衰率設定部４７で、図５の減衰率設定マップを用いて、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて０＜Ｋdec ＜１の範囲内で設定される。
【００２９】
図５の減衰率設定マップの特性は、図４に示す下流側排ガスセンサ２５（酸素センサ）のＺ型の出力特性の影響を補償するために、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、減衰率Ｋdec が最大値（例えば０．９８）に設定され、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、減衰率Ｋdec が小さくなるように設定されている。尚、減衰率設定部４７は、特許請求の範囲でいう制御補正手段に相当する役割を果たす。
【００３０】
以上のようにして、減衰率設定部４７において、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて設定した減衰率Ｋdec を用いて中間目標値計算部４６で中間目標値Ｏ2midtarg(i) を計算した後、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。
【００３１】
【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、所定時間毎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、図５の減衰率設定マップ（又は数式）を用いて、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて減衰率Ｋdec を設定する。
【００３４】
そして、次のステップ１０３で、この減衰率Ｋdec を用いて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。
【００３５】
この後、ステップ１０４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１０５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)
【００３６】
この後、ステップ１０６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１０７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。
【００３７】
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６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。
【００３８】
以上説明した本実施形態（１）によれば、排ガスの空燃比が理論空燃比付近の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、減衰率Ｋdec を最大値に設定したので、空燃比の変化に対して中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量が大きくなりすぎることを回避することができて、ハンチングを防止でき、理論空燃比付近のサブフィードバック制御の安定性を向上できる。しかも、リッチ域やリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、減衰率Ｋdec を小さくするように設定したので、中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量を実際の空燃比の変化量に対応するように大きくすることができ、空燃比の変化に対してサブフィードバック制御を応答良く追従させることができ、リッチ域やリーン域での排気エミッションを低減することができる。
【００３９】
従って、本実施形態（１）によれば、下流側排ガスセンサ２５の出力特性がリニアな特性でなくても、その出力特性の影響を補償する適正な減衰率Ｋdec に変更することで、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００４０】
尚、本実施形態（１）では、減衰率Ｋdec を変更することで、中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量を変更するようにしたが、これ以外の方法で中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量を変更するようにしても良い。
或は、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新周期（更新速度）を変更するようにしても良い。
【００４１】
［実施形態（２）］
上記実施形態（１）では、下流側排ガスセンサ２５の出力電圧に応じて減衰率Ｋdec を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性を補償するようにしたが、図８及び図９に示す本発明の実施形態（２）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性を補償するようにしている。
【００４２】
図８の比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）を変更するマップの特性は、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）が最小値に設定され、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）が大きくなるように設定されている。
【００４３】
本実施形態（２）で用いる図９の補正量算出プログラムは、前記実施形態（１）で説明した図６の補正量算出プログラムのステップ１０２の処理をステップ１０２ａの処理に変更したものであり、それ以外の各ステップの処理は同じである。図９の補正量算出プログラムでは、ステップ１０１で、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) を読み込んだ後、ステップ１０２ａに進み、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて、図８のマップにより比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を変更する。そして、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) を算出した後、上記ステップ１０２ａで設定した比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を用いて、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) を算出する（ステップ１０３〜１０６）。
【００４４】
尚、本実施形態（２）では、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。また、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を、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)とをパラメータとする二次元マップにより算出するようにしても良い。
【００４５】
以上説明した本実施形態（２）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償する適正な比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 に変更することができ、それによって、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００４６】
［実施形態（３）］
図１０及び図１１に示す本発明の実施形態（３）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性を補償するようにしている。
【００４７】
図１０の制御範囲を変更するマップの特性は、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）の幅が最も狭くなるように設定され、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）の幅が広くなるように設定されている。
【００４８】
本実施形態（３）で用いる図１１の補正量算出プログラムは、前記実施形態（１）で説明した図６の補正量算出プログラムのステップ１０２の処理をステップ１０２ｂの処理に変更したものであり、それ以外の各ステップの処理は同じである。図１１の補正量算出プログラムでは、ステップ１０１で、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) を読み込んだ後、ステップ１０２ｂに進み、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて、図１０のマップにより制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を変更する。そして、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) を算出した後、上記ステップ１０２ｂで設定した制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を用いて、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) をガード処理する（ステップ１０３〜１０６）。
【００４９】
尚、本実施形態（３）では、前記実施形態（２）と同じく、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。また、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を、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)とをパラメータとする二次元マップにより算出しても良い。
【００５０】
以上説明した本実施形態（３）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償する適正な制御範囲に変更することができ、それによって、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
尚、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じてサブフィードバック制御の制御周期（補正量ＡＦcomp(i) の演算周期）を変更するようにしても良い。
【００５１】
［実施形態（４）］
本発明の実施形態（４）では、図１２に示すマップを用いて、下流側排ガスセンサ２５の出力を該下流側排ガスセンサ２５の出力特性に応じてリニアライズ化して空燃比検出値を求め、この空燃比検出値を用いて、中間目標値を算出するようにしている。このようにすれば、下流側排ガスセンサ２５の出力特性（空燃比の検出特性）がＺ特性であっても、その出力特性をリニアな特性に変換した空燃比検出値を用いて中間目標値を算出することができるので、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００５２】
［実施形態（５）］
本発明の実施形態（５）では、下流側排ガスセンサ２５の過去の出力と最終目標値とに基づいて設定した中間目標値を、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に応じて補正し、補正後の中間目標値を用いてサブフィードバック制御を実行するようにしている。このようにしても、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００５３】
以上説明した各実施形態（１）〜（５）は、適宜組み合わせて実施するようにしても良い。
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。
【００５４】
また、前記各実施形態では、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。
【００５５】
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】本発明の実施形態（１）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】下流側排ガスセンサ（酸素センサ）の出力特性を示す図
【図５】下流側排ガスセンサの出力に応じて減衰率Ｋdec 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】実施形態（１）の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
【図８】下流側排ガスセンサの出力に応じて比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）を設定するマップを概念的に示す図
【図９】実施形態（２）の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
【図１０】下流側排ガスセンサの出力に応じて制御範囲を設定するマップを概念的に示す図
【図１１】実施形態（３）の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
【図１２】下流側排ガスセンサの出力を該下流側排ガスセンサの出力特性に応じてリニアライズ化するためのマップを概念的に示す図
【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…減衰率設定部（制御補正手段）、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（理論空燃比付近）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】
そこで、本発明者らは、この欠点を解消するために、特願２０００−４０４６７１号の明細書に記載されているように、下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比とに基づいてサブフィードバック制御の中間目標値を設定し、下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値との偏差に基づいて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システムを実用化に向けて開発中である。
【０００６】
このシステムを実用化にするに当たって、次のような新たな技術的課題が判明している。一般に、下流側排ガスセンサは、図４に示すように排ガスの空燃比がリッチかリーンかで出力特性が反転する酸素センサ（Ｏ2 センサ）が用いられている。この酸素センサの出力特性はＺ特性と称され、空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）付近の領域、つまり酸素センサの出力電圧が０．３〜０．７Ｖの領域では、空燃比の変化が小さくても、酸素センサの出力電圧が急激に変化し、反対に、出力電圧が０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する酸素センサの出力電圧の変化が小さくなる特性がある。
【０００７】
このようなＺ特性の酸素センサの出力電圧をそのまま用いて中間目標値（中間目標電圧）を設定して、サブフィードバック制御を行うと、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する酸素センサの出力電圧の変化が小さいため、実際の空燃比の変化量に対して、中間目標値（中間目標電圧）の更新量が小さくなり、空燃比の変化に対してサブフィードバック制御の応答が遅くなってしまい、その応答遅れによって、０．７Ｖ以上のリッチ域では、ＨＣ、ＣＯの排出量が増加し、０．３Ｖ以下のリーン域では、ＮＯｘの排出量が増加する欠点がある。
【０００８】
また、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する酸素センサの出力電圧の変化が急峻であるため、空燃比の変化に対して中間目標値（中間目標電圧）の更新量が大きくなりすぎて、ハンチングが発生しやすくなり、サブフィードバック制御の安定性が低下する欠点がある。
【０００９】
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、中間目標値を用いてメイン／サブフィードバック制御を行うシステムにおいて、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサの出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保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にある。
【００１０】
【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、下流側排ガスセンサの過去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過去の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し、下流側排ガスセンサの検出空燃比と前記中間目標値との偏差に基づいて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ものにおいて、下流側排ガスセンサの出力に応じて、前記中間目標値の更新量、更新速度、前記サブフィードバック制御の制御ゲイン、制御周期、制御範囲のうちの少なくとも１つを制御補正手段によって変更するようにしたものである。このようにすれば、下流側排ガスセンサの出力特性がリニアな特性でなくても、その出力特性の影響を補償する適正な制御条件に変更することで、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサの出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００１１】
この場合、請求項２のように、下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との偏差に減衰率を乗算した値と、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、下流側排ガスセンサの出力に応じて減衰率を変更するようにしても良い。このようにすれば、中間目標値を簡単な演算処理で設定できると共に、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償するための制御条件の変更を、簡単な演算処理で行うことができる。
【００１２】
また、請求項３のように、下流側排ガスセンサの検出空燃比と中間目標値との偏差に対する比例積分動作で演算した値を所定の制御範囲内に制限することで、上流側目標空燃比の補正量を求め、下流側排ガスセンサの出力に応じて比例積分動作のゲイン（制御ゲイン）及び／又は制御範囲を変更す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応答良く反映させることができると共に、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償するための制御条件の変更を、簡単な演算処理で行うことができる。
【００１３】
また、請求項４のように、リニアライズ手段によって下流側排ガスセンサの出力を該下流側排ガスセンサの出力特性に応じてリニアライズ化した空燃比検出値を用いて、中間目標値を算出するようにしても良い。このようにすれば、下流側排ガスセンサの出力特性（空燃比の検出特性）がＺ特性であっても、その出力特性をリニアな特性に変換した空燃比検出値を用いて中間目標値を算出することができるので、下流側排ガスセンサの出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサの出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００１４】
また、請求項５のように、下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比とに基づいて設定した中間目標値を、下流側排ガスセンサの出力特性に応じて補正するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
以下、本発明の実施形態（１）を図１乃至図７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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、図４に示すように、排ガスの空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に対してリッチかリーンかによって出力特性が反転する酸素センサ（Ｏ2 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、空燃比がリーンの領域では、０．１〜０．３Ｖ程度の出力電圧を発生し、空燃比がリッチの領域では、０．７〜０．９Ｖ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
以下、本実施形態（１）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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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
【００２５】
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。
【００２６】
次に、目標空燃比補正部４４で中間目標値Ｏ2midtargを設定し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。
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、中間目標値計算部４６、減衰率設定部４７及び補正量計算部４８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。
【００２７】
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。
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。また、Ｋdec は減衰率であり、減衰率設定部４７で、図５の減衰率設定マップを用いて、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて０＜Ｋdec ＜１の範囲内で設定される。
【００２９】
図５の減衰率設定マップの特性は、図４に示す下流側排ガスセンサ２５（酸素センサ）のＺ型の出力特性の影響を補償するために、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、減衰率Ｋdec が最大値（例えば０．９８）に設定され、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、減衰率Ｋdec が小さくなるように設定されている。尚、減衰率設定部４７は、特許請求の範囲でいう制御補正手段に相当する役割を果たす。
【００３０】
以上のようにして、減衰率設定部４７において、下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて設定した減衰率Ｋdec を用いて中間目標値計算部４６で中間目標値Ｏ2midtarg(i) を計算した後、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。
【００３１】
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、所定時間毎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、図５の減衰率設定マップ（又は数式）を用いて、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて減衰率Ｋdec を設定する。
【００３４】
そして、次のステップ１０３で、この減衰率Ｋdec を用いて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。
【００３５】
この後、ステップ１０４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１０５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)
【００３６】
この後、ステップ１０６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１０７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。
【００３７】
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６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。
【００３８】
以上説明した本実施形態（１）によれば、排ガスの空燃比が理論空燃比付近の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、減衰率Ｋdec を最大値に設定したので、空燃比の変化に対して中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量が大きくなりすぎることを回避することができて、ハンチングを防止でき、理論空燃比付近のサブフィードバック制御の安定性を向上できる。しかも、リッチ域やリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、減衰率Ｋdec を小さくするように設定したので、中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量を実際の空燃比の変化量に対応するように大きくすることができ、空燃比の変化に対してサブフィードバック制御を応答良く追従させることができ、リッチ域やリーン域での排気エミッションを低減することができる。
【００３９】
従って、本実施形態（１）によれば、下流側排ガスセンサ２５の出力特性がリニアな特性でなくても、その出力特性の影響を補償する適正な減衰率Ｋdec に変更することで、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００４０】
尚、本実施形態（１）では、減衰率Ｋdec を変更することで、中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量を変更するようにしたが、これ以外の方法で中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新量を変更するようにしても良い。
或は、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて中間目標値Ｏ2midtarg(i) の更新周期（更新速度）を変更するようにしても良い。
【００４１】
［実施形態（２）］
上記実施形態（１）では、下流側排ガスセンサ２５の出力電圧に応じて減衰率Ｋdec を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性を補償するようにしたが、図８及び図９に示す本発明の実施形態（２）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性を補償するようにしている。
【００４２】
図８の比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）を変更するマップの特性は、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）が最小値に設定され、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）が大きくなるように設定されている。
【００４３】
本実施形態（２）で用いる図９の補正量算出プログラムは、前記実施形態（１）で説明した図６の補正量算出プログラムのステップ１０２の処理をステップ１０２ａの処理に変更したものであり、それ以外の各ステップの処理は同じである。図９の補正量算出プログラムでは、ステップ１０１で、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) を読み込んだ後、ステップ１０２ａに進み、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて、図８のマップにより比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を変更する。そして、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) を算出した後、上記ステップ１０２ａで設定した比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を用いて、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) を算出する（ステップ１０３〜１０６）。
【００４４】
尚、本実施形態（２）では、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。また、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を、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)とをパラメータとする二次元マップにより算出するようにしても良い。
【００４５】
以上説明した本実施形態（２）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償する適正な比例・積分ゲインＫ1 ，Ｋ2 に変更することができ、それによって、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００４６】
［実施形態（３）］
図１０及び図１１に示す本発明の実施形態（３）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性を補償するようにしている。
【００４７】
図１０の制御範囲を変更するマップの特性は、理論空燃比付近（０．３〜０．７Ｖ）の領域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が急峻であることを考慮して、制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）の幅が最も狭くなるように設定され、０．７Ｖ以上のリッチ域や、０．３Ｖ以下のリーン域では、空燃比の変化に対する下流側排ガスセンサ２５の出力電圧の変化が小さいことを考慮して、リッチ、リーンの度合が強くなるほど、制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）の幅が広くなるように設定されている。
【００４８】
本実施形態（３）で用いる図１１の補正量算出プログラムは、前記実施形態（１）で説明した図６の補正量算出プログラムのステップ１０２の処理をステップ１０２ｂの処理に変更したものであり、それ以外の各ステップの処理は同じである。図１１の補正量算出プログラムでは、ステップ１０１で、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) を読み込んだ後、ステップ１０２ｂに進み、現在の下流側排ガスセンサ２５の出力Ｏ2out(i) に応じて、図１０のマップにより制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を変更する。そして、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) を算出した後、上記ステップ１０２ｂで設定した制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を用いて、上流側目標空燃比ＡＦref の補正量ＡＦcomp(i) をガード処理する（ステップ１０３〜１０６）。
【００４９】
尚、本実施形態（３）では、前記実施形態（２）と同じく、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。また、中間目標値Ｏ2midtarg(i) を、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)とをパラメータとする二次元マップにより算出しても良い。
【００５０】
以上説明した本実施形態（３）では、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じて制御範囲（上限ガード値と下限ガード値）を変更することで、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償する適正な制御範囲に変更することができ、それによって、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
尚、下流側排ガスセンサ２５の出力に応じてサブフィードバック制御の制御周期（補正量ＡＦcomp(i) の演算周期）を変更するようにしても良い。
【００５１】
［実施形態（４）］
本発明の実施形態（４）では、図１２に示すマップを用いて、下流側排ガスセンサ２５の出力を該下流側排ガスセンサ２５の出力特性に応じてリニアライズ化して空燃比検出値を求め、この空燃比検出値を用いて、中間目標値を算出するようにしている。このようにすれば、下流側排ガスセンサ２５の出力特性（空燃比の検出特性）がＺ特性であっても、その出力特性をリニアな特性に変換した空燃比検出値を用いて中間目標値を算出することができるので、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００５２】
［実施形態（５）］
本発明の実施形態（５）では、下流側排ガスセンサ２５の過去の出力と最終目標値とに基づいて設定した中間目標値を、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に応じて補正し、補正後の中間目標値を用いてサブフィードバック制御を実行するようにしている。このようにしても、下流側排ガスセンサ２５の出力特性の影響を補償して、応答性と安定性とを両立させたサブフィードバック制御を行うことができ、下流側排ガスセンサ２５の出力特性に左右されない安定した排ガス浄化性能を確保することができる。
【００５３】
以上説明した各実施形態（１）〜（５）は、適宜組み合わせて実施するようにしても良い。
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。
【００５４】
また、前記各実施形態では、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。
【００５５】
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】本発明の実施形態（１）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】下流側排ガスセンサ（酸素センサ）の出力特性を示す図
【図５】下流側排ガスセンサの出力に応じて減衰率Ｋdec 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】実施形態（１）の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
【図８】下流側排ガスセンサの出力に応じて比例ゲインＫ1 （積分ゲインＫ2 ）を設定するマップを概念的に示す図
【図９】実施形態（２）の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
【図１０】下流側排ガスセンサの出力に応じて制御範囲を設定するマップを概念的に示す図
【図１１】実施形態（３）の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
【図１２】下流側排ガスセンサの出力を該下流側排ガスセンサの出力特性に応じてリニアライズ化するためのマップを概念的に示す図
【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…減衰率設定部（制御補正手段）、４７…補正量計算部。
Claims (5)
- 排ガス浄化用の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過去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過去の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と、
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出力に応じて、前記中間目標値の更新量、更新速度、前記サブフィードバック制御の制御ゲイン、制御周期、制御範囲のうちの少なくとも１つを変更する制御補正手段を備えてい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、前記下流側排ガスセンサの過去の検出空燃比と最終的な下流側目標空燃比との偏差に減衰率を乗算した値と、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、
前記制御補正手段は、前記下流側排ガスセンサの出力に応じて前記減衰率を変更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の偏差に対する比例積分動作で演算した値を所定の制御範囲内に制限することで前記上流側目標空燃比の補正量を求め、
前記制御補正手段は、前記下流側排ガスセンサの出力に応じて前記比例積分動作のゲイン及び／又は前記制御範囲を変更す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。 - 排ガス浄化用の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過去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過去の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と、
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出力を該下流側排ガスセンサの出力特性に応じてリニアライズ化して空燃比検出値を求めるリニアライズ手段を備え、
前記中間目標値設定手段は、前記リニアライズ手段でリニアライズ化した空燃比検出値を用いて前記中間目標値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。 - 排ガス浄化用の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過去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過去の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と、
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出力特性に応じて前記中間目標値を補正する制御補正手段を備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
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