JP2011226350A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時におけるエミッションの悪化やドライバビリティの悪化を防止した内燃機関の空燃比制御装置を提供すること。
【解決手段】空燃比センサの暖機完了時における空燃比が、空燃比センサの暖機時に行われたオープン制御によって目標空燃比と乖離している場合は、内燃機関の燃焼状態の安定性に基づき実空燃比が目標空燃比に近づく速度を設定する燃焼安定性ＦＢ制御を実施する。これにより、実空燃比が目標空燃比に徐々に近づいていくため、燃焼状態が急激に変化することを防止することができる。従って、エミッションの悪化やドライバビリティの悪化を防止することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。

内燃機関の燃焼を安定させるため、排気空燃比に基づき排気空燃比が所望の目標空燃比となるように補正する、所謂空燃比フィードバック制御（以下、空燃比ＦＢ制御という）が広く知られている。空燃比を検出する手段として、例えば特許文献１には、触媒上流側に設けられた空燃比センサを用いる方法が開示されている。この文献では、空燃比センサの検出値と目標空燃比との差に基づき、排気空燃比が目標空燃比となるように空燃比ＦＢ制御を行っている。

ところで、空燃比センサは温度による影響が大きく、例えば空燃比センサの低温時には検出精度が著しく低下する。つまり、冷間時に内燃機関を始動した場合、空燃比センサの検出値は実際の空燃比とは異なる場合がある。そのため、空燃比センサ低温時には空燃比センサの検出精度が有効となるまで所定の暖機時間を要し、空燃比センサの暖機が完了するまでは前述した空燃比ＦＢ制御を行うことができない。そこで冷間始動時には、空燃比センサの暖機が完了するまで空燃比ＦＢ制御に代わりオープン制御が行われる。

特開２００５−１６３７４６

オープン制御では、実際の空燃比によらず予め設定された量の燃料が噴射されるため、実際の空燃比が目標空燃比に近づいているかは定かではない。そのため、空燃比ＦＢ制御が開始される空燃比センサの暖機完了時に検出した空燃比と目標空燃比とが乖離している場合がある。このような場合に前述した空燃比ＦＢ制御を行うと、空燃比センサの検出値と目標空燃比との差が大きいため燃料噴射量の補正量が大きくなる。つまり、燃焼状態がリーン側又はリッチ側に急激に変化することとなる。この結果、燃焼状態が不安定となり、エミッションやドライバビリティの悪化を招く恐れがあった。特に、筒内直接噴射式の内燃機関において成層燃焼を行う場合、上述したエミッションやドライバビリティの悪化に加え、点火プラグがくすぶり失火する可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、空燃比フィードバック開始時おけるエミッションの悪化やドライバビリティの悪化を防止した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。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射手段と、内燃機関の排気管に設置され排出ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
空燃比検出手段の暖機が完了したことを判定する暖機判定手段と、内燃機関の燃焼状態の安定性を検出する燃焼安定性検出手段と、暖機判定手段が空燃比検出手段の暖機が完了したと判定した場合において空燃比検出手段の検出した空燃比（以下、実空燃比という）と目標空燃比とに基づき燃料噴射手段の燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御手段（以下、空燃比ＦＢ制御手段という）と、空燃比検出手段の暖機が完了した時点における実空燃比と目標空燃比とに所定値以上差がある場合、燃焼安定制検出手段より検出された燃焼安定性に基づき実空燃比を目標空燃比に近づける速度を設定する空燃比徐変制御手段とを備え、空燃比ＦＢ制御手段は、空燃比徐変制御手段により設定された速度に基づいて空燃比ＦＢ制御を実行することを特徴とする。

上記構成によれば、空燃比徐変制御手段によって、燃焼安定性に基づいて実空燃比が目標空燃比に近づく速度が設定される。これにより、実空燃比を目標空燃比に対して徐々に近づけることが可能となる。この結果、空燃比検出手段の暖機完了時に検出した実空燃比が目標空燃比と乖離した状態であっても、実空燃比がリッチ又はリーン側に急激に変化することがない。従って、エミッションの悪化やドライバビリティの悪化を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、空燃比徐変制御手段は、燃焼安定性が悪化した場合は実空燃比が目標空燃比に近づく速度が遅くなるようにし、燃焼安定性が所定値よりも小さい場合は実空燃比が目標空燃比に近づく速度が早くなるように設定することを特徴とする。

上記構成によれば、燃焼安定性が良好な場合は実空燃比が目標空燃比に近づく速度が早くなるように設定され、燃焼安定性が悪化している場合は実空燃比が目標空燃比に近づく速度が遅くなるように設定される。これにより、常に一定の速度で目標空燃比に近づける場合と比較して、燃焼安定性を悪化させる可能性を低くすることができる。また、燃焼状態が良好な場合には、一定の速度で目標空燃比に近づける場合と比較して、早く目標燃圧に到達させることができる。

請求項３に記載の発明は、空燃比徐変制御手段は、空燃比検出手段の暖機が完了した時点における実空燃比と目標空燃比とに所定値以上差がある場合、空燃比検出手段の暖機完了時に検出した実空燃比を仮の目標空燃比の始点として設定すると共に、燃焼安定性に基づき仮の目標空燃比を目標空燃比に近づける速度の変化率（以下、目標値徐変率という）を設定し、空燃ＦＢ制御手段は、目標値徐変率により設定された仮の目標空燃比と実空燃比とに基づき燃料噴射量を補正することを特徴とする。

上記構成によれば、空燃比徐変制御手段が燃焼安定性に基づき設定した目標値徐変率によって仮の目標空燃比が設定される。そして、仮の目標空燃比と実空燃比とに基づきＦＢ制御が実施される。従って、空燃比検出手段の暖機完了時に検出された実空燃比と目標空燃比とが乖離した状態であっても、空燃比ＦＢ制御で参照される値は仮の目標空燃比と実空燃比であるため、燃料噴射量の補正量が大きくなることを防止することができる。

請求項４に記載の発明は、空燃比徐変制御手段は、燃焼安定性に基づき空燃比ＦＢ制御による燃料噴射量の補正係数（以下、ＦＢゲインという）の値を変更することにより、実空燃比を目標空燃比に近づける速度を設定することを特徴とする。

上記構成によれば、燃焼安定性に基づき空燃比ＦＢ制御によるＦＢゲインを変更することにより燃料噴射量を調節している。そのため、請求項３に記載の発明のように、仮の目標空燃比を設定することなく、実空燃比を目標空燃比に近づける速度を設定することができる。

燃焼安定性検出手段としては、請求項５に記載の発明のように筒内圧センサの検出値に基づき内燃機関の燃焼安定性を検出するとよい。また、請求項６に記載の発明のようにクランク角センサの検出値に基づき内燃機関の燃焼安定性を検出してもよい。

空燃比制御システム全体の概略構成図 始動時の空燃比制御の処理手順を示すフローチャート 通常の空燃比ＦＢ制御の処理手順を示すフローチャート 燃焼安定性ＦＢ制御の処理手順を示すフローチャート 始動時の空燃比制御の遷移状態を示すタイムチャート 第２実施形態における燃焼安定性ＦＢ制御の処理手順を示すフローチャート 第２実施形態における始動時の空燃比制御の遷移状態を示すタイムチャート

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について図面に基づいて説明する。図１は空燃比制御システム全体の概略構成を示す図である。なお、図１では便宜上１つの気筒のみを示している。

図１に示すように筒内噴射式の内燃機関であるエンジン１の吸気管２の最上流部にはエアクリーナ３が設けられている。このエアクリーナ３の下流側にはＤＣモータ４によって開度調節されるスロットル弁５が設けられている。ＤＣモータ４は、使用者のアクセル踏込量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサからの信号に基づいて駆動される。具体的には、アクセル開度に応じてエンジン制御装置６（以下、「ＥＣＵ」という）から出力される信号に基づいてスロットル弁５の開度（スロットル開度）が制御される。このスロットル開度に応じて各気筒ヘの吸入空気量が調節される。スロットル弁５の近傍には、スロットル開度を検出するスロットルセンサ７が設けられている。また、エアクリーナ３とスロットル弁５との間には吸入される空気量（以下、「吸気量」という）を検出するエアフローメータ８が設けられている。

スロットル弁５の下流側にはサージタンク９が設けられ、このサージタンク９には吸気管内の圧力を検出する吸気圧センサ１０が設けられている。また、サージタンク９にはエンジン１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールドが接続されている。各気筒の吸気マニホールド内には吸気ポートが形成され、この吸気ポートがエンジン１の各気筒に形成された吸気弁１１に連結されている。

エンジン１の各気筒には、各気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタ１２（請求項でいう燃料噴射手段）が取り付けられている。インジェクタ１２への燃料の供給は、燃料ポンプ（図示せず）と高圧ポンプ（図示せず）の２つのポンプによって行われる。燃焼室へ燃料を直接噴射するには、噴射燃圧が燃焼室内の圧力よりも高圧である必要がある。そのため、まず燃料タンク（図示せず）内に配置された燃料ポンプ（図示せず）によって燃料を吸上げて燃料の圧力（以下、「燃圧」という）を高める。さらに燃料配管に設けられた高圧ポンプによって加圧し、デリバリパイプ（図示せず）に圧送する。高圧ポンプによって加圧された燃料は例えば、２〜１０ＭＰａの範囲内の所定圧となり、デリバリパイプによって各気筒のインジェクタ１２に分配される。この高圧の燃料がインジェクタ１２から燃焼室内に噴射され、吸気ポートから供給される吸気と混合して混合気が形成される。

燃焼室内の混合気は、エンジン１のシリンダヘッドに取り付けられた点火プラグ１３によって点火される。点火プラグ１３は各気筒にそれぞれ取り付けられており、各点火プラグ１３の火花放電によって気筒内の混合気に点火される。

点火によって混合気が爆発（膨張）し、ピストン１４が図１中の下側に移動することによって、コネクティングロッドを介してクランク軸が回転する。クランク軸の径外方にはクランク角センサ１５が設けられている。クランク角センサ１５は、クランク軸の回転角度（クランク角）を検出しＥＣＵ６に出力する。また、エンジン１のシリンダブロックには水温センサ１６が設けられており、エンジン１の冷却水温を検出しＥＣＵ６に出力する。

エンジン１の排気弁１７から排出される排出ガスは、排気マニホールドを介して一本の排気管１８に合流する。この排気管１８には、理論空燃比付近で排出ガスを浄化する三元触媒１９が接続されている。また、三元触媒１９の上流側には排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２０（請求項でいう空燃比検出手段）が設けられている。空燃比センサ２０は温度による影響が大きく、検出値が有効となるまで所定の暖機時間を必要とする。ＥＣＵ６では、空燃比センサ２０が暖気完了後に検出した空燃比（以下、実空燃比）と、エンジンの運転状態に応じて設定される目標空燃比とに基づき、インジェクタ１２の燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御（以下、「空燃比ＦＢ制御」という）を行っている。

前述した各種センサの出力信号はＥＣＵ６に入力される。ＥＣＵ６は、マイクロコンピュータを主体として、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（記憶媒体）及びＲＡＭ（一時記憶媒体）等から構成されている。ＥＣＵ６には制御プログラムや制御マップが記憶されている。例えば、エンジンの運転状況（エンジン回転数や吸気量）に応じて目標空燃比を算出するための目標空燃比マップが記憶されている。このような制御プログラムや制御マップによって各種センサ出力に基づき前述したＤＣモータ４、インジェクタ１２、点火プラグ１３が制御される。

以下、ＥＣＵにて行われる空燃比制御の処理手順について図２を用いて説明する。本制御は、所定期間（例えば、４ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まず、ステップ１００にて空燃比センサ２０が有効であるかが判定される。換言すると、空燃比センサ２０の暖機が完了しているかどうかが判定される（請求項でいう暖機判定手段）。前述したように空燃比センサ２０は温度による影響を大きく受けるため、空燃比センサ２０の暖機完了前は検出精度が著しく低下している。そのため、暖機完了前の空燃比センサ２０の検出値は、実際の空燃比と異なるおそれがある。本ステップでの「空燃比センサが有効」とは空燃比センサ２０の暖機が完了している状態であり、この状態での空燃比センサ２０の検出値は実際の空燃比と略等しい。

ステップ１００にて空燃比センサ２０の暖機が完了していないと判定された場合はステップ２００に移行する。ステップ２００では、開ループによって空燃比制御が行われる（以下、「オープン制御」という）。具体的には、予め実験等により設定された燃料噴射量が噴射され、予め設定された点火時期に点火されることで燃焼が行われる。このオープン制御による燃焼によって空燃比センサ２０は徐々に暖機される。そして、本ルーチンを一旦終了する。

一方、ステップ１００にて空燃比センサ２０の暖機が完了していると判定された場合、つまり空燃比センサ２０が有効であると判定された場合はステップ３００に移行する。ステップ３００では実空燃比と目標空燃比との差が所定値以上であるかが判定される。目標空燃比と実空燃比との差が所定値以上である場合に、後述する通常の空燃比ＦＢ制御を実施すると、燃料噴射量の補正量が多いため燃焼状態が急激に変化してしまう。これにより、エミッションやドライバビリティの悪化を招く恐れがある。そのため、目標空燃比と実空燃比との差が所定値以上である場合はステップ４００に移行し、燃焼安定性に基づく空燃比ＦＢ制御（以下、「燃焼安定性ＦＢ制御」という）が実施される。一方、目標空燃比と実空燃比との差が所定値よりも少ない場合は、ステップ５００に移行し、通常の空燃比ＦＢ制御が実施される。

本ルーチンは所定期間毎に実行されるため、燃焼安定性ＦＢ制御は、空燃比センサが有効となった時点で検出された実空燃比と目標空燃比との差が所定値以上である場合に実施される。つまり、始動時だけでなく、空燃比センサの暖機が完了し、ＦＢ制御開始時において実空燃比と目標空燃比との差が所定値以上の場合には、燃焼安定性ＦＢ制御が実施される。

以上の処理手順によって、空燃比制御を終了する。

次に、ステップ４００にて実施される燃焼安定性ＦＢ制御、及びステップ５００にて実施される通常の空燃比ＦＢ制御について図３及び図４を用いて説明する。

まずは、通常の空燃比ＦＢ制御（ステップ５００）について図３を用いて説明する。

通常の空燃比ＦＢ制御は、まず、ステップ５０１にて基本噴射量Ｔｐを算出する。具体的にはエンジン運転状態、例えばクランク角センサから出力される回転数や吸気圧センサから出力される吸気管圧力等に基づくマップ等から基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。

基本噴射量Ｔｐの算出後、ステップ５０２に移行し目標空燃比と実空燃比とから空燃比ＦＢ補正係数ＦＡＦを算出する。空燃比ＦＢ補正係数ＦＡＦは、目標空燃比と実空燃比との差が大きいほど燃料噴射量ＴＡＵを大きく変化させる値となる。しかし、本ルーチンは、ステップ３００にて目標空燃比と実空燃比との差が所定値よりも小さいと判定されている場合に実施される。従って、燃料噴射量ＴＡＵが大きく変化することがないため、空燃比が急激に変化することはない。

次にステップ５０３にて、基本噴射量Ｔｐ及び空燃比ＦＢ補正係数ＦＡＦ用いて次式により実際に噴射する燃料噴射量ＴＡＵを算出する。

ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ
ここで、ＦＡＬＬは、空燃比ＦＢ補正係数ＦＡＦ以外の補正係数（例えば冷却水温による補正係数、加減速時の補正係数等）である。

以上の処理手順によって通常の空燃比ＦＢ制御が行われる。

次にステップ４００で行われる燃焼安定性ＦＢ制御（請求項でいう空燃比徐変制御手段）について図４を用いて説明する。前述した通常の空燃比ＦＢ制御では、目標空燃比と実空燃比とに基づいて燃料噴射量を補正していた。これに対し燃焼安定性ＦＢ制御では、燃焼安定性に基づいて設定される仮の目標空燃比と実空燃比とに基づいて燃料噴射量の補正を行う。以下詳細に説明する。

まず、ステップ４０１にて仮の目標空燃比を設定する。具体的には、空燃比センサ２０が有効となった時点での検出値を仮の目標空燃比の始点として設定する。この仮の目標空燃比の始点を設定した後の初回の燃料噴射時は、仮の目標空燃比と実空燃比とが同じ値となるため空燃比ＦＢ制御による補正を行うことなく、エンジン運転状態に応じて設定される基本燃料噴射量が噴射される。

仮の目標空燃比の設定後、ステップ４０２にて燃焼安定性が悪化したかどうかを判定する。燃焼安定性は、筒内圧センサ（請求項でいう安定性検出手段）の検出値に基づき検出される。具体的には、筒内圧センサにより検出される燃焼室内の圧力変化のばらつきを用いて燃焼状態の安定性を検出する。仮の目標空燃比の始点を設定した直後は前述した基本燃料噴射量の燃焼によって変化する燃焼安定性を検出し、仮の目標空燃比の始点を設定した直後以降は、前回の燃焼によって変化した燃焼安定性を検出する。また、燃焼安定性は、クランク角センサ１５（請求項でいう安定性検出手段）の検出値に基づき検出することもできる。この場合はクランク角センサ１５により検出されるクランク軸の回転のばらつきに基づいて燃焼状態の安定性を検出する。

燃焼安定性が悪化したかどうかの判定は、燃焼安定性と所定値（以下、「安定性限界」という）とを比較することにより行われる。具体的には、燃焼安定性が安定性限界以上の場合は燃焼安定性が悪化している、つまり前回の燃焼が適切に行われていないと判断し、燃焼安定性が安定性限界よりも小さい場合は前回の燃焼が良好に行われていると判断する。このような方法で燃焼安定性が悪化したかどうかが判定され、燃焼安定性が悪化している場合はステップ４０３に移行し、燃焼安定性が悪化していない場合はステップ４０４に移行する。

ステップ４０３及びステップ４０４では、燃焼安定性に基づき仮の目標空燃比を目標空燃比に近づける速度の変化率（以下、「目標値徐変率」という）を設定する。例えば、前回の目標値徐変率と同じ値で今回の仮の目標空燃比を設定すると、仮の目標空燃比は前回と同じ速度で目標空燃比に近づくことになる。つまり、目標値徐変率は、今回設定する仮の目標空燃比を前回と比較してどの程度目標空燃比に近い値にするか、という仮の目標空燃比の傾きと捉えることもできる。従って、前回の目標値徐変率で設定した仮の目標空燃比によるＦＢ制御の結果、燃焼安定性が悪化した場合に、前回と同じ目標値徐変率で今回の仮の目標空燃比を設定すると、燃焼安定性はさらに悪化する可能性がある。

ステップ４０２にて燃焼安定性が悪化していると判定されたステップ４０３では、前述したように前回と同じ目標値徐変率で今回の仮の目標空燃比設定すると、燃焼安定性はさらに悪化してしまう。そのため、目標値徐変率を前回の値よりも小さい値に設定する。これにより仮の目標空燃比は目標空燃比に緩やかに近づいていく。換言すると、仮の目標空燃比が目標空燃比に近づく速度が遅くなるように設定される。そして、目標値徐変率の設定後ステップ４０５へ移行する。

ステップ４０３に対し、前回の燃焼が良好に行われていると判定されたステップ４０４では、安定性限界に対してまだ余裕があるため、目標値徐変率を前回の目標値徐変率よりも大きい値に設定しても燃焼安定性が悪化する可能性が少ない。そのため、前回の目標値徐変率よりも大きな値に設定する。これにより、仮の目標空燃比が目標空燃比に近づく速度は速くなるように設定される。そして、目標値徐変率の設定後ステップ４０５へ移行する。

ステップ４０５ではステップ４０３又はステップ４０４にて設定された目標値徐変率に基づき仮の目標空燃比を更新し、ステップ４０６へ移行する。

ステップ４０６では、ステップ４０５にて更新された仮の目標空燃比と実空燃比とから空燃比を補正する。具体的には、燃焼安定性に応じて設定された仮の目標空燃比と実空燃比とに基づいて算出される燃焼安定性ＦＢ係数ＦＡＦ２と基本燃料噴射量Ｔｐとを用いて次式により燃料噴射量ＴＡＵを算出する。

ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ２×ＦＡＬＬ
燃焼安定性ＦＢ係数ＦＡＦ２は、仮の目標空燃比と実空燃比との差が大きいほど燃料噴射量ＴＡＵを大きく変化させることとなる。しかし、前述したように仮の目標空燃比は燃焼安定性に応じて設定されるため、実空燃比と仮の目標空燃比とが大きく乖離することはない。

ステップ４０７では、仮の空燃比に基づき補正された燃料噴射量によって燃焼が行われた後の実空燃比が目標空燃比に到達したかどうかが判定される。実空燃比が目標空燃比に到達した場合は本ルーチンを終了し、実空燃比が目標空燃比に到達していない場合は、ステップ４０２に移行し、ステップ４０２〜ステップ４０７の処理が行われる。以上の処理手順によって燃焼安定性ＦＢ制御が行われる。

次に上述した始動時における空燃比制御の処理手順に対応する各種制御の遷移状態を図５に基づき説明する。

まず時刻ｔ０においてエンジンが始動される。始動直後は空燃比センサ２０の暖機が完了していないため、空燃比センサ使用可否フラグ、及び空燃比ＦＢフラグは「ＯＦＦ」となっている。そのため、時刻ｔ０〜ｔ１間は、オープン制御によって予め決められた燃料が噴射される（ステップ２００）。前述したように空燃比センサ２０の暖機が完了していないため実空燃比を検出することはできないが、ｔ０〜ｔ１間において空燃比センサ２０は理論空燃比を示す値を暫定的に出力する。また、始動時は確実にエンジンを始動させる必要があるため、通常時よりも多くの燃料が噴射されるように設定されている。そのため、始動直後の実空燃比は図５に示すようにリッチとなる。

オープン制御によって空燃比センサの暖機が行われ、時刻ｔ１にて空燃比センサの暖機が完了する。つまり、空燃比センサが有効となる。これにより、空燃比センサ使用可否フラグ、及び空燃比ＦＢフラグが「ＯＮ」となり、燃焼安定性ＦＢ制御、又は空燃比ＦＢ制御が実行可能となる（ステップ１００）。そして、時刻ｔ１において空燃比センサの検出値（実空燃比）と目標空燃比との差が所定値以上であるため（ステップ３００）、時刻ｔ１以降は燃焼安定性ＦＢ制御が実施される（ステップ４００）。従って、時刻ｔ１における実空燃比を仮の目標空燃比の始点として設定する（ステップ４０１）。なお、図５中の一転鎖線は仮の目標空燃比を示している。

時刻ｔ１〜時刻ｔ２間では、燃焼安定性が安定性限界よりも小さい値であるため（ステップ４０２）、目標値徐変率を大きな値に設定する。つまり、仮の目標空燃比が目標空燃比に早く近づくように設定する（ステップ４０４）。そして仮の目標空燃比と実空燃比とから燃料噴射量の補正が行われ、空燃比が補正される。また、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４では燃焼安定性が安定性限界を上回り燃焼状態が悪化しているため、目標値徐変率を小さな値に設定する。つまり、仮の目標空燃比が目標空燃比に近づく早さが遅くなるように設定する（ステップ４０５）。

そして、時刻ｔ５において、実空燃比が目標空燃比に到達した時点で始動時における空燃比制御を終了する。

次に本実施形態の作用効果について説明する。

上記構成によれば、空燃比センサ２０が有効になったときに検出した実空燃比と目標空燃比とに所定値以上差がある場合は、空燃比徐変制御手段によって仮の目標空燃比が設定されると共に、燃焼安定性に応じて目標値徐変率が設定される。つまり、燃焼安定性に基づき仮の目標空燃比が目標空燃比に近づく速度が調節される。そして、通常の空燃比ＦＢ制御が参照する目標空燃比を仮の目標空燃比とすることによって、仮の目標空燃比と実空燃比とによって燃料噴射量の補正が行われる。従って、目標空燃比に対して徐々に近づくように設定される仮の目標空燃比と実空燃比とに基づき燃料噴射量の補正が行われるため、実空燃比も徐々に目標空燃比に近づいていく。具体的には、仮の目標空燃比が目標空燃比に近づく速度と略同じ速度で実空燃比が目標空燃比に近づいていく。つまり、燃焼安定性に基づき実空燃比を目標空燃比に近づける速度を設定している。これにより、オープン制御によって実空燃比と目標空燃比とが乖離した場合であっても、燃料噴射量の補正量が急激に変化することがない。従って、実空燃比がリーン又はリッチ側に急激に変化することがないため、燃焼状態が不安定になることを防止することができ、その結果、エミッションの悪化やドライバビリティの悪化を防止することができる。

また、燃料噴射量が急激に変化することがないため、点火プラグがくすぶり失火することを防止することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態を含む以下の実施形態においては、既に説明した実施形態の構成と同一構成又は相当する構成については、同一番号を付しその重複説明を省略する。

第１実施形態では、燃焼安定性に基づいて仮の目標空燃比を設定することにより、実空燃比が目標空燃比に徐々に近づくように制御していた。これに対し、第２実施形態では、仮の目標空燃比を設定することなく、燃焼安定性に応じてＦＢゲインを設定することにより燃料噴射量を補正し、実空燃比が徐々に目標空燃比に近づくように制御する。

ここでＦＢゲインについて説明する。ＦＢゲインとは空燃比ＦＢ係数ＦＡＦを算出する際の係数である。例えば、ＰＩＤ制御により空燃比ＦＢ係数ＦＡＦを算出する場合は、目標空燃比と実空燃比との偏差に対する比例項・積分項・微分項に基づき次式より算出される。

ＦＡＦ＝Ｋｐ×偏差 ＋ Ｋｉ×偏差の積算値 ＋ Ｋｄ×前回偏差との差
Ｋｐ・Ｋｉ・Ｋｄはそれぞれ比例係数・積分係数・微分係数であり、これらの係数をＦＢゲインという。

ＰＩＤ制御という観点で第１実施形態を考えると、第１実施形態では、燃焼安定性に基づいて設定された仮の目標空燃比と実空燃比との偏差を用いて燃焼安定性ＦＢ係数ＦＡＦ２を算出しており、ＦＢゲインの値は通常の空燃比ＦＢ制御と同じ値を用いていた。これに対し、第２実施形態では、燃焼安定性に応じてこれらの係数（ＦＢゲイン）を変更する。

以下、第２実施形態における燃焼安定性ＦＢ制御の処理手順について、図６に基づき説明する。

燃焼安定性ＦＢ制御（ステップ４００）は、図２のステップ３００にて、目標空燃比と実空燃比との差が所定値以上であると判定された場合に実施される。ステップ６０１では、燃焼安定性を検出し、燃焼安定性が悪化したかどうかを判定する。燃焼安定性は、第１実施形態と同様に、筒内圧センサにより検出される燃焼室内の圧力変化のばらつきやクランク角センサ１５により検出されるクランク軸の回転のばらつきに基づいて検出される。

燃焼安定性が悪化したかどうかの判定は、燃焼安定性と安定性限界とを比較することにより行われる。具体的には、燃焼安定性が安定性限界以上の場合は燃焼安定性が悪化している、つまり前回の燃焼が適切に行われていないと判断し、燃焼安定性が安定性限界よりも小さい場合は前回の燃焼が良好に行われていると判断する。このような方法で燃焼安定性が悪化したかどうかが判定され、燃焼安定性が悪化している場合はステップ６０２に移行し、燃焼安定性が悪化していない場合はステップ６０３に移行する。

ステップ６０２及びステップ６０３では、燃焼安定性に基づき実空燃比を目標空燃比に近づける速度を設定する。具体的には、前述したＦＢゲインを設定する。本制御は、空燃比センサ２０の暖機完了時において実空燃比と目標空燃比との差が所定値以上である場合に実施されるため、通常の空燃比ＦＢ制御に用いるＦＢゲインを用いると、空燃比ＦＢ補正係数が大きな値となり、燃料噴射量の補正量が多くなるため空燃比が急激に変化し燃焼状態をさらに悪化させる可能性がある。

ステップ６０１において燃焼安定性が悪化していると判定されたステップ６０２では、燃料噴射量の補正量を、通常の空燃比ＦＢ制御による燃料噴射量の補正量よりも少なくする必要がある。そのため、燃焼安定性に基づいてＦＢゲインを、通常の空燃比ＦＢ制御時と比較して小さな値に設定する。そして、ＦＢゲインの設定後ステップ６０４に移行する。

ステップ６０２に対し、前回の燃焼が良好に行われていると判定されたステップ６０３では、安定性限界に対して、まだ余裕があるためＦＢゲインを前回のＦＢゲインよりも大きな値に設定しても燃焼安定性が悪化する可能性が少ない。そのため、前回のＦＢゲインよりも大きな値に設定する。これにより、実空燃比が目標空燃比に近づく速度が早くなる。そして、ＦＢゲインの設定後ステップ６０４へ移行する。

ステップ６０４では、ステップ６０２又はステップ６０３にて燃焼安定性に応じて設定されたＦＢゲインに基づき燃料噴射量を補正する。具体的には、燃焼安定性に応じて設定されたＦＢゲイン（ＰＩＤ制御時においてはＫｐ・Ｋｉ・Ｋｄ）と目標空燃比と実空燃比とに基づいて算出される燃焼安定性ＦＢ係数ＦＡＦ３と、基本燃料噴射量Ｔｐとを用いて次式により燃料噴射量ＴＡＵを算出する。

ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ３×ＦＡＬＬ
これにより、燃焼安定性に応じて設定された燃焼安定性ＦＢ係数によって燃料噴射量ＴＡＵが算出される。つまり、燃焼安定性に応じて実空燃比が目標空燃比に近づく速度を設定される。

次いでステップ６０５では、補正された燃料噴射量によって燃焼が行われた後の実空燃比が目標空燃比に到達したかどうかが判定される。実空燃比が目標空燃比に到達した場合は本ルーチンを終了し、実空燃比が目標空燃比に到達していない場合は、ステップ６０１に移行し、ステップ６０１〜ステップ６０５の処理が行われる。以上の処理手順によって燃焼安定性ＦＢ制御が行われる。

次に、上述した始動時における空燃比制御の処理手順に対応する各種制御の遷移状態を図７に基づき説明する。

まず、時刻ｔ０においてエンジンが始動される。始動直後は空燃比センサ２０の暖機が完了していないため、空燃比センサ使用可否フラグ、及び空燃比ＦＢフラグは「ＯＦＦ」となっている（ステップ１００）。そのため、時刻ｔ０〜ｔ１間は、オープン制御によって予め決められた燃料が噴射される（ステップ２００）。

オープン制御によって空燃比センサの暖機が行われ、時刻ｔ１にて空燃比センサの暖機が完了する。つまり、空燃比センサが有効となる。これにより、空燃比センサ使用可否フラグ、及び空燃比ＦＢフラグが「ＯＮ」となり、ＦＢ制御が実行可能となる（ステップ１００）。さらに、時刻ｔ１において空燃比センサの検出値（実空燃比）と目標空燃比との差が所定値以上であるため（ステップ３００）、時刻ｔ１以降は燃焼安定性ＦＢ制御が実施される（ステップ４００）。つまり、燃焼安定性を検出し、ＦＢゲインの設定、空燃比の補正が開始される（ステップ６０１〜ステップ６０５）。

時刻ｔ１〜時刻ｔ２間では、燃焼安定性が安定性限界よりも小さい値であるため（ステップ６０１）、ＦＢゲインを大きな値に設定する。つまり、実空燃比が目標空燃比に早く近づくように設定する（ステップ６０３）。また、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４では燃焼安定性が安定性限界を上回り燃焼状態が悪化しているため（ステップ６０１）、ＦＢゲインを小さな値に設定する。つまり、実空燃比が目標空燃比に近づく早さが遅くなるように設定する（ステップ６０２）。

そして、時刻ｔ５において、実空燃比が目標空燃比に到達した時点で始動時における空燃比制御を終了する。

次に、第２実施形態の作用効果について説明する。

上記構成によれば、空燃比センサ２０が有効になったときに検出した実空燃比と目標空燃比とに差がある場合は、燃焼安定性に基づきＦＢゲインが設定される。具体的には、燃焼安定性が悪化している場合は実空燃比が目標空燃比に近づく速度が遅くなるようにＦＢゲインが設定される。逆に、燃焼安定性が良好な場合は実空燃比が目標空燃比に近づく速度が早くなるようにＦＢゲインが設定される。つまり、燃焼安定性に応じて実空燃比が目標空燃比に近づく速度が設定される。これにより、オープン制御によって実空燃比と目標空燃比とが乖離した場合であっても、ＦＢ制御が開始されても燃料噴射量の補正量が急激に変化することがない。従って、実空燃比がリーン又はリッチ側に急激に変化することがないため、燃焼状態が不安定になることを防止することができ、その結果、エミッションの悪化やドライバビリティの悪化を防止することができる。

以上のごとく、上記第１実施形態及び第２実施形態によれば、ＦＢ制御による燃料噴射量の補正量を燃焼安定性に応じて設定することにより、エミッションやドライバビリティの悪化を防止した内燃機関の空燃比制御装置を提供することができる。

［他の実施形態］
・第１実施形態及び第２実施形態では、燃焼安定性ＦＢ制御において、燃焼安定性が良好な場合は実空燃比を目標空燃比に近づける速度を前回と比較して早くなるように設定していたが、前回と同じ速度で設定してもよい。

・第１実施形態及び第２実施形態では、空燃比センサの暖機完了時において、実空燃比と目標空燃比とに所定値以上の差がある場合に燃焼安定性ＦＢ制御を実施し、実空燃比が目標空燃比に到達するまで燃焼安定性ＦＢ制御を繰り返し行っていた。しかし、実空燃比が目標空燃比に到達する前であっても、燃焼安定性ＦＢ制御によって実空燃比と目標空燃比との差が所定値以下となった場合には、燃焼安定性ＦＢを繰り返し行うことなく通常の空燃比ＦＢ制御に切り換える態様にしてもよい。

１ エンジン（内燃機関）
６ ＥＣＵ
１２ インジェクタ（燃料噴射手段）
１５ クランク角センサ（燃焼安定性検出手段）
２０ 排気管
２０ 空燃比センサ（空燃比検出手段）

Claims (6)

1. 内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   前記内燃機関の排気管に設置され排出ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段の暖機が完了したことを判定する暖機判定手段と、
   前記内燃機関の燃焼状態の安定性を検出する燃焼安定性検出手段と、
   前記暖機判定手段が前記空燃比検出手段の暖機が完了したと判定した場合において前記空燃比検出手段の検出した空燃比（以下、実空燃比という）と目標空燃比とに基づき前記燃料噴射手段の燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御手段（以下、空燃比ＦＢ制御手段という）と、
   前記空燃比検出手段の暖機が完了した時点における前記実空燃比と前記目標空燃比とに所定値以上差がある場合、前記燃焼安定制検出手段にて検出された燃焼安定性に基づき前記実空燃比を前記目標空燃比に近づける速度を設定する空燃比徐変制御手段と
   を備え、
   前記空燃比ＦＢ制御手段は、前記空燃比徐変制御手段により設定された速度に基づいて空燃比ＦＢ制御を実行することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記空燃比徐変制御手段は、前記燃焼安定性が悪化した場合は前記実空燃比が前記目標空燃比に近づく速度が遅くなるように設定し、前記燃焼安定性が良好な場合は前記実空燃比が前記目標空燃比に近づく速度が早くなるように設定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。
3. 前記空燃比徐変制御手段は、前記空燃比検出手段の暖機が完了した時点における前記実空燃比と前記目標空燃比とに所定値以上差がある場合、前記空燃比検出手段の暖機完了時に検出した前記実空燃比を仮の目標空燃比の始点として設定すると共に、前記燃焼安定性に基づき前記仮の目標空燃比を前記目標空燃比に近づける速度の変化率（目標値徐変率）を設定し、
   前記空燃比ＦＢ制御手段は、前記目標値徐変率により設定された仮の目標空燃比と前記実空燃比とに基づき前記燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記空燃比徐変制御手段は、前記燃焼安定性に基づき前記空燃比ＦＢ制御による前記燃料噴射量の補正係数（フィードバックゲイン）を変更することにより、前記実空燃比を前記目標空燃比に近づける速度を設定することを特徴とする請求項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。
5. 前記燃焼安定性検出手段は筒内圧センサの検出値に基づき前記内燃機関の燃焼安定性を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 前記燃焼安定性検出手段はクランク角センサの検出値に基づき前記内燃機関の燃焼安定性を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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