JP4883000B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に配置した排気ガスセンサの出力信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置に関する。

車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）においては、排気通路に排気浄化触媒が配置されている。排気浄化触媒として代表的なものに三元触媒がある。

三元触媒は、同触媒に流入する排気ガスの空燃比が略理論空燃比のとき、排気ガス中の未燃成分（炭化水素：ＨＣ、一酸化炭素：ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能により排気ガスを浄化する。具体的には、三元触媒は、酸素を吸蔵（貯蔵）する酸素吸蔵機能を有しており、流入する排気ガスの空燃比がリッチである場合には吸蔵している酸素にて未燃ＨＣ、ＣＯ等の未燃成分を酸化する（酸素を放出する）。一方、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合には排気ガス中の酸素及びＮＯｘを還元することで得られる酸素を内部に吸蔵する。このようにして、三元触媒は、エンジンの燃焼室から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯやＮＯｘを効果的に浄化することができる。

このような三元触媒の浄化特性は、エンジンの燃焼状態を示す空燃比（Ａ／Ｆ）に依存し、その空燃比が理論空燃比近傍であるときに三元触媒は最も有効に機能する。これは、空燃比がリーンであり排気ガス中の酸素量が多いと、酸化作用が活発となるが還元作用が不活発となり、一方、空燃比がリッチであり排気ガス中の酸素量が少ないと、逆に還元作用が活発となるが酸化作用が不活発になってしまい、上記したＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの有害３成分の全てを良好に浄化させることができないためである。

このような点から、車両に搭載されるエンジンにおいては、Ａ／Ｆセンサ（空燃比に対してリニアな特性を示すセンサ）を排気通路に配置し、そのＡ／Ｆセンサの出力値に基づいて、空燃比（実空燃比）が理論空燃比に一致するように空燃比フィードバック制御を行っている。

空燃比フィードバック制御には、例えばＰＩ（比例・積分）制御が用いられる。ＰＩ制御では、Ａ／Ｆセンサの出力値（実空燃比）と目標空燃比との偏差に基づいて比例項及び積分項を算出し、その算出した比例項及び積分項とを合計してフィードバック補正量を算出している。

具体的には、演算式［フィードバック補正量＝偏差×ＧｎＰ＋偏差時間積分値×ＧｎＩ］に基づいてフィードバック補正量を算出して燃料噴射量に反映している。この演算式において、ＧｎＰは比例ゲイン、ＧｎＩは積分ゲインである。

なお、内燃機関の空燃比制御において排気ガスセンサの応答性に関する技術として、下記の特許文献２及び３に記載の技術がある。

特許文献２に記載の技術では、エンジン始動直後で酸素センサの素子温度が低いときには、リッチ／リーンの判定閾値を補正することで、低温状態であっても空燃比制御性の悪化を抑制している。また、特許文献３に記載の技術では、酸素センサの経年変化によりセンサ出力の応答性が低下したときに、空燃比フィードバック制御のゲイン補正を行うことで、経年劣化（センサ応答劣化）による遅れを制御ゲインにより吸収している。
特開２００６−２２００８５号公報 実開平６−１７４７号公報 特開２０００−２７６８８号公報

ところで、空燃比フィードバック制御は、エンジンの冷却水温が空燃比フィードバック制御開始温度に達したことを条件に開始されるが、冷却水温が空燃比フィードバック制御開始温度からエンジン暖機温度に達するまでの間の低温時において、Ａ／Ｆセンサの応答性が悪くなり、空燃比フィードバック制御が不安定となる。

例えば、図７（ａ）に示すように、冷却水温が暖機温度以上（暖機後）であれば、燃料噴射量の変化（増量または減量：図６（ａ）参照）、排気ガス空燃比に影響を与える外乱に対するＡ／Ｆセンサ出力の応答性が良いので、排気ガスの空燃比が理論空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１４．５）に早期に収束する。

これに対し、冷却水温が暖機温度よりも低い温度（例えば空燃比フィードバック制御開始温度に近い温度）である場合、図７（ｂ）に示すように、燃料噴射量の変化（増量または減量：図６（ｂ）参照）、排気ガス空燃比に影響を与える外乱に対するＡ／Ｆセンサ出力の応答性が悪くなるため、暖機温度以上と同じゲインでは、空燃比フィードバック制御系が不安定となり、排気ガスの空燃比が理論空燃比に対して大きく変動（ハンチング）する。こうした状況になると、排気エミッションが悪化する。また、エンジンの出力トルクが変動するのでドライバビリティが悪くなる。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、排気通路に配置した排気ガスセンサ（Ａ／Ｆセンサ）の出力信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関において、機関低水温時における空燃比フィードバック制御系の安定性を確保することが可能な空燃比制御の実現を目的とする。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、空燃比フィードバック制御を行う内燃機関において、冷却水温によって変化する排気ガスセンサ（Ａ／Ｆセンサ）の応答性に応じて、空燃比フィードバック制御ゲインを可変に設定する点にある。このようなゲイン設定により、機関低水温時における制御系の安定性を確保することができる。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気通路に配置された排気ガスセンサと、空燃比フィードバック制御実行条件が成立した場合に、前記排気ガスセンサの出力に基づいて排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射量を制御する空燃比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を前提としている。そして、このような空燃比制御装置において、前記内燃機関の冷却水温を検出する水温センサと、前記水温センサにて検出される冷却水温に応じて前記空燃比フィードバック制御のゲインを可変に設定するゲイン設定手段と、前記水温センサの故障を検出する故障検出手段とを備えていることを特徴としている。さらに、空燃比フィードバック制御手段は、排気ガスセンサの出力に基づいて比例及び積分動作による空燃比フィードバック制御を実行する。また、ゲイン設定手段は、機関回転数、機関負荷率及び冷却水温をパラメータとする比例ゲイン算出用マップを参照して空燃比フィードバック制御の比例ゲインを設定するとともに、機関回転数、機関負荷率及び冷却水温をパラメータとする積分ゲイン算出用マップを参照して空燃比フィードバック制御の積分ゲインを設定し、かつ、水温センサにて検出される冷却水温が低い場合は高い場合と比較して、比例ゲインを大きい側に設定し、積分ゲインを小さい側に設定する。比例ゲイン算出用マップおよび積分ゲイン算出用マップは、機関回転数、機関負荷率及び冷却水温をパラメータとする３次元マップであり、３次元マップは、複数枚の２次元マップによって構成され、２次元マップは、機関回転数及び機関負荷率をパラメータとしている。そして、水温センサが故障しているときには、複数枚の２次元マップのうち、機関暖機後の冷却水温で適合したマップを用いる。

本発明によれば、空燃比フィードバック制御（ＰＩ制御）のゲイン（比例ゲイン及び積分ゲイン）を、内燃機関の冷却水温に応じて可変に設定するので、機関低水温時には、その低水温時のＡ／Ｆセンサ出力の応答性低下に応じた適切な空燃比フィードバック制御ゲインを設定することができる。これによって、冷却水温が低温（機関暖機温度よりも低い水温）であっても、図７（ｂ）に示すような排気空燃比のハンチングを抑制することができ、空燃比フィードバック制御の収束性が良好となり、制御系の安定性を確保することができる。その結果として、排気ミッションの向上とドライバビリティの向上とを図ることができる。さらに、水温センサの故障を検出する故障検出手段を備え、水温センサが故障しているときには、機関暖機後の冷却水温に基づいて適合したゲイン（比例ゲイン及び積分ゲイン）を故障時（フェイル時）専用ゲインとして用いることにより、水温センサがフェールした場合であっても、通常の空燃比フィードバック制御を実行することができ、暖機後の制御系の安定性を確保することができる。

また、本発明において、排気ガスセンサは、Ａ／Ｆセンサであってもよい。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）について説明する。

−エンジン−
図１は本発明を適用するエンジン１の一例を示す概略構成を示す図である。なお、図１にはエンジン１の１気筒の構成のみを示している。

この例のエンジン１は、例えば４気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室１ａを形成するピストン１ｂ及び出力軸であるクランクシャフト１５を備えている。ピストン１ｂはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１ｂの往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換される。

クランクシャフト１５には、外周面に複数の突起（歯）１７ａを有するシグナルロータ１７が取り付けられている。シグナルロータ１７の側方近傍にはクランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）２４が配置されている。クランクポジションセンサ２４は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の突起１７ａに対応するパルス状の信号（出力パルス）を発生する。また、エンジン１のシリンダブロック１ｃには、エンジン１の冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）を検出する水温センサ２１が配置されている。

エンジン１の燃焼室１ａには点火プラグ３が配置されている。点火プラグ３の点火タイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００によって制御される。

エンジン１の燃焼室１ａには吸気通路１１と排気通路１２とが接続されている。吸気通路１１と燃焼室１ａとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ａとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ａとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより、排気通路１２と燃焼室１ａとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの各回転によって行われる。

吸気通路１１には、エアクリーナ７、吸入空気量を検出する熱線式のエアフロメータ２２、吸気温センサ２３（エアフロメータ２２に内蔵）、及び、エンジン１の吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ５が配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ２５によって検出される。

スロットルバルブ５のスロットル開度はＥＣＵ１００によって駆動制御される。具体的にはエンジン回転数、及び、アクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）などのエンジン１の運転状態に応じた最適な吸入空気量（目標吸気量）が得られるようにスロットルバルブ５のスロットル開度を制御している。より詳細には、スロットル開度センサ２５を用いてスロットルバルブ５の実際のスロットル開度を検出し、その実スロットル開度が、上記目標吸気量が得られるスロットル開度（目標スロットル開度）に一致するようにスロットルバルブ５のスロットルモータ６をフィードバック制御している。

エンジン１の排気通路１２には三元触媒８が配置されている。三元触媒８は酸素貯蔵能力を有し、排気ガスの空燃比がリーンであるときに過剰分の酸素を吸着し、排気ガスの空燃比がリッチであるときに不足分の酸素を放出することにより、燃焼室１ａから排出される排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、及び、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。

三元触媒８の上流側の排気通路１２にＡ／Ｆセンサ２７が配置されている。Ａ／Ｆセンサ２７は、燃焼室１ａから排出された排気ガスの空燃比に対してリニアな特性を示すセンサである。

そして、吸気通路１１には燃料噴射用のインジェクタ２が配置されている。インジェクタ２には、燃料タンクから燃料ポンプによって所定圧力の燃料が供給され、吸気通路１１に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１ａに導入される。燃焼室１ａに導入された混合気（燃料＋空気）は点火プラグ３にて点火されて燃焼・爆発する。この混合気の燃焼室１ａ内での燃焼・爆発によりピストン１ｂが往復運動してクランクシャフト１５が回転する。

以上のエンジン１の運転状態はＥＣＵ１００によって制御される。例えば、インジェクタ２から吸気通路１１への燃料噴射量（インジェクタ２の開弁時間である燃料噴射時間）は、ＥＣＵ１００において、後述する空燃比フィードバック制御によって制御される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。

ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５及び出力インターフェース１０６に接続されている。

入力インターフェース１０５には、水温センサ２１、エアフロメータ２２、吸気温センサ２３、クランクポジションセンサ２４、スロットル開度センサ２５、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ２６、及び、Ａ／Ｆセンサ２７などが接続されており、その各センサの出力信号つまり冷却水温ＴＨＷ、吸入空気量、吸気温度、エンジン回転数ＮＥ、スロットル開度、アクセル開度、及び、空燃比に関する信号がＥＣＵ１００に入力される。一方、出力インターフェース１０６には、インジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ４、及び、スロットルバルブ５のスロットルモータ６などが接続されている。

以上のインジェクタ２、エアフロメータ２２、Ａ／Ｆセンサ２７、及び、ＥＣＵ１００などによって空燃比制御装置が実現されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、下記の空燃比フィードバック制御を含むエンジン１の各種制御を実行する。

−空燃比フィードバック制御―
まず、三元触媒８の浄化特性は、エンジン１の燃焼状態を示す空燃比（Ａ／Ｆ）に依存し、その空燃比が理論空燃比近傍であるときに三元触媒８は最も有効に機能し、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの有害３成分を良好に浄化させることができる。このような三元触媒８の浄化性能を維持するために、この例では空燃比フィードバック制御を実行している。

この例の空燃比フィードバック制御にはＰＩ（比例・積分）制御を用いている。具体的には、下記の演算式（１）に基づいてフィードバック補正量を算出して燃料噴射量（インジェクタ２の開弁時間である燃料噴射時間）に反映して、排気ガスの空燃比が目標空燃比（理論空燃比）に一致するようにフィードバック制御する。

フィードバック補正量＝偏差×ＧｎＰ＋偏差時間積分値×ＧｎＩ ・・（１）
ここで、偏差＝［目標空燃比−実空燃比（Ａ／Ｆセンサ２７の出力値）］、ＧｎＰ：比例ゲイン、ＧｎＩ：積分ゲインである。

なお、上記フィードバック補正量の演算式（１）において、比例項（偏差×ＧｎＰ）は応答性に影響を与える成分であり、積分項（偏差時間積分値×ＧｎＩ）は定常偏差に影響を与える成分である。

また、この例では、後述するように、比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩをエンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じて可変に設定する。ただし、水温センサ２１が故障（フェイル）している場合は、フェイル時専用の比例ゲイン及び積分ゲインを設定する。

−空燃比フィードバックゲイン設定処理−
ところで、空燃比フィードバック制御では、上述したように、エンジン１の冷却水温ＴＨＷが空燃比フィードバック制御開始温度に達したことを条件に開始されるが、冷却水温ＴＨＷが空燃比フィードバック制御開始温度からエンジン暖機温度に達するまでの間（低温時）において、Ａ／Ｆセンサ２７の応答性が悪くなる。例えば、冷却水温ＴＨＷがエンジン暖機温度よりも低い温度（例えば空燃比フィードバック制御開始温度に近い温度）である場合、燃料噴射量の変化（増量・減量）、排気ガス空燃比に影響を与える外乱に対するＡ／Ｆセンサ２７の応答性が悪くなるため制御系が不安定となり、図７（ｂ）に示すように、排気空燃比が理論空燃比に対して大きく変動（ハンチング）する。こうした状況になると、排気エミッションが悪化し、また、ドライバビリティが低下する。

このような点を考慮し、この例では、冷却水温ＴＨＷによって変化するＡ／Ｆセンサ２７の応答性に応じて、空燃比フィードバック制御ゲイン（比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩ）を可変に設定することで、空燃比フィードバック制御系の安定性を確保する点に特徴がある。

その空燃比フィードバックゲイン設定処理の具体的な例を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。図３に示す制御ルーチンはＥＣＵ１００において所定時間毎に繰り返して実行される。

空燃比フィードバックゲイン設定処理の説明に先立ち、この例に用いるマップについて図４及び図５を参照して説明する。

図４に示すマップは、エンジン回転数ＮＥ、エンジン１の負荷率ＫＬ及び冷却水温ＴＨＷをパラメータとして、上記したフィードバック補正量の演算式（１）の比例ゲインＧｎＰを算出するのに用いる３次元マップであって、複数枚（この例では４枚）の２次元マップＰｍａｐ１，Ｐｍａｐ２，Ｐｍａｐ３，Ｐｍａｐ４によって構成されている。この比例ゲイン算出用マップはＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２内に記憶されている。

比例ゲイン算出用マップを構成している各２次元マップＰｍａｐ１〜Ｐｍａｐ４は、それぞれ、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬをパラメータとして、予め設定した複数種（４種）の冷却水温（例えばＴＨＷ１，ＴＨＷ２，ＴＨＷ３，ＴＨＷ４ ＴＨＷ１＜ＴＨＷ２＜ＨＴＨＷ３＜ＴＨＷ４ ＴＨＷ４：エンジン暖機後の冷却水温）において空燃比フィードバック制御系の安定性（収束性）が良好となる比例ゲインＧｎＰを、下記の積分ゲインＧｎＩとの関係を考慮して実験等によって求めた値をマップ化したものである。これら２次元マップＰｍａｐ１〜Ｐｍａｐ４において、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬが同じ条件であれば、冷却水温ＴＨＷが低いほど、比例ゲインＧｎＰが大きな値となるように設定されている。

なお、負荷率ＫＬは、エンジン１への最大吸入空気量に対する現在の運転状態における吸入空気量の割合であって、例えば、エアフロメータ２２の出力信号から得られる吸入空気量とクランクポジションセンサ２４の出力信号から得られるエンジン回転数ＮＥとに基づいて算出される。

図５に示すマップは、エンジン回転数ＮＥ、エンジン１の負荷率ＫＬ及び冷却水温ＴＨＷをパラメータとして、上記したフィードバック補正量の演算式（１）の積分ゲインＧｎＩを算出するのに用いる３次元マップであって、複数枚（この例では４枚）の２次元マップＩｍａｐ１，Ｉｍａｐ２，Ｉｍａｐ３，Ｉｍａｐ４によって構成されている。この積分ゲイン算出用マップもＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２内に記憶されている。

積分ゲイン算出用マップを構成している各２次元マップＩｍａｐ１〜Ｉｍａｐ４は、それぞれ、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬをパラメータとし、予め設定した複数種（４種）の冷却水温（比例ゲインＧｎＰを適合する場合と同じ水温：ＴＨＷ１、ＴＨＷ２，ＴＨＷ３、ＴＨＷ４）において空燃比フィードバック制御系の安定性（収束性）が良好となる積分ゲインＧｎＩを、上記の比例ゲインＧｎＰとの関係を考慮して実験等によって求めた値をマップ化したものである。これら２次元マップＩｍａｐ１〜Ｉｍａｐ４において、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬが同じ条件であれば、冷却水温ＴＨＷが低いほど、積分ゲインＧｎＩが小さな値となるように設定されている。

そして、以上の図４及び図５のゲイン算出用マップを用いて比例ゲインＧｎＰ、積分ゲインＧｎＩを読み込むことで、冷却水温ＴＨＷが低温（エンジン１の暖機温度よりも低い温度エンジン暖機後の水温）である場合、その低水温時のＡ／Ｆセンサ２７の応答性低下に応じた空燃比フィードバック制御ゲイン（比例ゲインＧｎＰ、積分ゲインＧｎＩ）を設定することができ、空燃比フィードバック制御系の安定性を確保することができる。

なお、この例においては、上記した比例ゲイン算出用マップ（３次元マップ）を構成する複数枚の２次元マップＰｍａｐ１〜Ｐｍａｐ４のうち、エンジン暖機後の冷却水温で適合したマップＰｍａｐ４を、後述する水温センサ２１のフェイル時専用マップとして用いる。また、積分ゲインについても同様に、上記した積分ゲイン算出用マップ（３次元マップ）を構成する複数枚の２次元マップＩｍａｐ１〜Ｉｍａｐ４のうち、エンジン暖機後の冷却水温で適合したマップＩｍａｐ４を水温センサ２１のフェイル時専用マップとして用いる。

次に、図３に示す制御ルーチンを各ステップごとに説明する。

ステップＳＴ２０１において、空燃比フィードバック制御実行条件が成立しているか否かを判定し、その判定結果が肯定判定である場合はステップＳＴ２０２に進む。

具体的には、例えば、水温センサ２１にて検出される冷却水温ＴＨＷが空燃比フィードバック制御開始水温以上であること、及び、Ａ／Ｆセンサ２７の素子温度が所定の活性化温度以上であることなどの条件が成立した場合に、空燃比フィードバック制御実行条件が成立していると判定してステップＳＴ２０２に進む。ステップＳＴ２０１の判定結果が否定判定である場合はリターンする。なお、Ａ／Ｆセンサ２７の素子温度は、例えば、センサ素子の素子インピーダンス（交流インピーダンス）と素子温度との間に相関関係があることを利用し、素子インピーダンスを検出し、その検出した素子インピーダンスに基づいて素子温度を間接的に検出する。

ステップＳＴ２０２では、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ２１が正常であるか否かを判定し、その判定結果が肯定判定である場合はステップＳＴ２０３に進む。ステップＳＴ２０２の判定結果が否定判定である場合（水温センサ２１がフェイルしている場合）はステップＳＴ２０５に進む。

水温センサ２１のフェイルは、例えば、センサの２端子間の断線検出、センサの２端子間のショート検出、あるいは、センサ出力が変化しないスタック検出を実施し、それら断線・ショートまたはスタックのいずれか１つが検出された場合は水温センサフェイルと判定する。

ステップＳＴ２０３においては、水温センサ２１の出力信号に基づいてエンジン１の冷却水温ＴＨＷを算出する。

ステップＳＴ２０４では、クランクポジションセンサ２４及びエアフロメータ２２の各出力信号から読み込んだエンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬと、ステップＳＴ２０３で算出した冷却水温ＴＨＷを用いて、図４及び図５に示すマップを参照して、比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを読み込む。

そして、ＥＣＵ１００は、上記ステップＳＴＳＴ２０４において読み込んだ比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを用いて、上記演算式（１）：［フィードバック補正量＝偏差×ＧｎＰ＋偏差時間積分値×ＧｎＩ］にてフィードバック補正量を算出して燃料噴射量（インジェクタ２の開弁時間である燃料噴射時間）に反映する。

なお、ステップＳＴ２０３で算出した冷却水温ＴＨＷが、図４の２次元マップＰｍａｐ１〜Ｐｍａｐ４及び図５の２次元マップＩｍａｐ１〜Ｉｍａｐ４を適合した冷却水温と異なる場合、その算出した冷却水温ＴＨＷに対し、高い側の２次元マップと低い側の２次元マップとを用い、その隣接する２枚の２次元マップに基づいて補間演算により、比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを算出してフィードバック補正量を求めて燃料噴射量（燃料噴射時間）に反映する。

一方、ステップＳＴ２０２の判定結果が否定判定である場合つまり水温センサ２１がフェイルしている場合は、上記したフェイル時専用マップ（Ｐｍａｐ４、Ｉｍａｐ４）を用いて、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬに基づいて比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを読み込み（ステップＳＴ５）、それら比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを用いて、上記演算式（１）：［フィードバック補正量＝偏差×ＧｎＰ＋偏差時間積分値×ＧｎＩ］にてフィードバック補正量を算出して燃料噴射量（燃料噴射時間）に反映する。

以上説明したように、この例によれば、空燃比フィードバック制御（ＰＩ制御）の比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを、エンジン１の冷却水温ＴＨＷに応じて可変とし、冷却水温ＴＨＷが低いときには、その低水温時のＡ／Ｆセンサ２７の応答性低下に応じてＰＩ制御の比例ゲインＧｎＰを大きく設定し、積分ゲインＧｎＩを小さく設定しているので、低水温時であっても適切な空燃比フィードバック制御ゲインを設定することが可能になる。これによって冷却水温ＴＨＷが低温（エンジン１の暖機温度よりも低い水温）であっても、図７（ｂ）に示すような排気空燃比のハンチングを抑制することができ、空燃比フィードバック制御の収束性が良好となり、制御系の安定性を確保することができる。その結果として、排気ミッションの向上とドライバビリティの向上とを図ることができる。

また、この例では、水温センサ２１がフェイルしたときには、フェイル時専用マップ（暖機後の冷却水温で適合したマップ）を参照して、空燃比フィードバック制御の比例ゲインＧｎＰ及び積分ゲインＧｎＩを設定しているので、水温センサ２１のフェール時であっても、通常の空燃比フィードバック制御を実行することができ、エンジン暖機後の制御系の安定性を確保することができる。

−他の実施形態−
以上の例では、排気通路に三元触媒が配置されたエンジンの空燃比制御に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、排気ガス中の空燃比が理論空燃比近傍にある条件下において、排気ガス中の各種有害成分を高い転化効率で無害成分に転化する機能を有する他のタイプの触媒が排気通路に配置されたエンジンの空燃比制御にも適用可能である。

以上の例では、４気筒ガソリンエンジンの空燃比制御に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば筒６気筒ガソリンエンジンなど、他の任意の気筒数の多気筒ガソリンエンジンの空燃比制御にも適用できる。

また、本発明はＶ型多気筒ガソリンエンジンや縦置き式多気筒ガソリンエンジンの空燃比制御にも適用できる。さらに、本発明は、ポート噴射型ガソリンエンジンに限られることなく、筒内直噴型ガソリンエンジンの空燃比制御にも適用可能である。

なお、本発明は、三元触媒８の上流側の排気通路１２に配置したＡ／Ｆセンサ２７に加えて、三元触媒８の下流側の排気通路１２にＯ₂センサを配置したエンジンの空燃比制御にも適用可能である。

本発明を適用するエンジンの一例を示す概略構成図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 ＥＣＵが実行する空燃比フィードバックゲイン設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 比例ゲイン算出用マップの一例を示す図である。 積分ゲイン算出用マップの一例を示す図である。 燃料噴射量変化に対するＡ／Ｆセンサ出力の応答性の変化を示す図である。 空燃比フィードバック制御の周波数応答特性を示すボード線図である。

符号の説明

１ エンジン
２ インジェクタ
８ 三元触媒
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
２１ 水温センサ
２２ エアフロメータ
２４ クランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）
２７ Ａ／Ｆセンサ（排気ガスセンサ）
１００ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に配置された排気ガスセンサと、空燃比フィードバック制御実行条件が成立した場合に、前記排気ガスセンサの出力に基づいて排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射量を制御する空燃比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、
   前記内燃機関の冷却水温を検出する水温センサと、前記水温センサにて検出される冷却水温に応じて前記空燃比フィードバック制御のゲインを可変に設定するゲイン設定手段と、前記水温センサの故障を検出する故障検出手段とを備え、
   前記空燃比フィードバック制御手段は、前記排気ガスセンサの出力に基づいて比例及び積分動作による空燃比フィードバック制御を実行し、
   前記ゲイン設定手段は、機関回転数、機関負荷率及び冷却水温をパラメータとする比例ゲイン算出用マップを参照して前記空燃比フィードバック制御の比例ゲインを設定するとともに、前記機関回転数、前記機関負荷率及び前記冷却水温をパラメータとする積分ゲイン算出用マップを参照して前記空燃比フィードバック制御の積分ゲインを設定し、かつ、前記水温センサにて検出される冷却水温が低い場合は高い場合と比較して、前記比例ゲインを大きい側に設定し、前記積分ゲインを小さい側に設定し、
   前記比例ゲイン算出用マップおよび前記積分ゲイン算出用マップは、前記機関回転数、前記機関負荷率及び前記冷却水温をパラメータとする３次元マップであり、
   前記３次元マップは、複数枚の２次元マップによって構成され、
   前記２次元マップは、前記機関回転数及び前記機関負荷率をパラメータとし、
   前記水温センサが故障しているときには、前記複数枚の２次元マップのうち、機関暖機後の冷却水温で適合したマップを用いることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記排気ガスセンサは、Ａ／Ｆセンサであ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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