(57)【要約】【課題】リッチ化又はリーン化制御の終了後、低下した触媒の浄化状態を遅れなく検出することができ、迅速に浄化状態を回復することができる内燃機関の空燃比制御装置を得る。【解決手段】下流側Ｏ２センサ出力へのフィルタ処理の定数を、リッチ化又はリーン化制御時に小さくすることにより、低下した触媒の浄化状態を遅れなく検出することができ、リッチ化又はリーン化制御の終了後、ダブルＯ２制御システムにより迅速に浄化状態を回復することができる。また、触媒劣化時の下流側Ｏ２センサ出力変動の影響を抑制することができ、ダブルＯ２制御システムの安定性を維持できる。【選択図】図１
2007303415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設置され、排気ガスを浄化する触媒と、
前記触媒の上流側及び下流側にそれぞれ設けられて排気ガス中の空燃比を検出する上流側及び下流側空燃比センサと、
前記上流側空燃比センサの出力値を用いて前記内燃機関に供給する空燃比を調整する第１空燃比フィードバック制御手段と、
前記下流側空燃比センサの出力値変動を抑制するようにフィルタ処理するフィルタ処理手段と、
前記下流側空燃比センサの出力値のフィルタ処理値を用いて前記第１空燃比フィードバック制御手段の制御定数を調整する第２空燃比フィードバック制御手段と、及び、
前記内燃機関に供給する空燃比が、触媒の雰囲気を理論空燃比付近に制御する目的でなく、リッチ化又はリーン化されているときに、フィルタ処理の抑制を小さくしてフィルタ効果を小さくするように前記フィルタ処理手段のフィルタ定数を変更するフィルタ定数変更手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
フィルタ効果が小さく設定される期間は、前記内燃機関に供給する空燃比が、前記触媒の雰囲気を理論空燃比付近に制御する目的でなくリッチ化もしくはリーン化されている期間、並びにリッチ化もしくはリーン化の終了後の所定期間であることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
フィルタ効果が小さく設定される期間は、前記第１空燃比フィードバック制御手段が停止されている期間、及び前記第２空燃比フィードバック制御手段が停止されている期間のいずれかであることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
フィルタ効果が小さく設定される期間は、前記第１空燃比フィードバック制御手段が停止されている期間とその停止終了後の所定期間、並びに前記第２空燃比フィードバック制御手段が停止されている期間とその停止終了後の所定期間のいずれかであることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
請求項２又は請求項４記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記終了後の所定期間を、終了後の所定時間経過までの期間とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
請求項２又は請求項４記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記終了後の所定期間を、終了後に下流側空燃比センサの出力値が所定値に到達するまでの期間とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
請求項２又は請求項４記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記終了後の所定期間を、終了後に下流側空燃比センサの出力値が所定値に到達してから所定期間経過後の期間とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項８】
請求項２又は請求項４記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記終了後の所定期間を、終了後の積算吸入空気量が所定値に到達するまでの期間とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項９】
請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置であって、
小さく設定されるフィルタ効果は０であることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、触媒の上流側及び下流側に空燃比センサを設けて、上流側及び下流側の空燃比センサの出力により空燃比制御を実施する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路には、一般的に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化する３元触媒が設置されている。この触媒では、理論空燃比付近でＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘのいずれについても浄化率が高くなる。このため、通常、触媒上流側に空燃比センサを設け、空燃比を理論空燃比付近に制御している。ここで、排気ガス中の特定成分濃度を検出する空燃比センサとして、酸素濃度センサを用いた場合を説明する。以後酸素濃度センサをＯ２センサと称する。
【０００３】
しかしながら、触媒上流側に設けられる上流側のＯ２センサは、できるだけ燃焼室に近い排気系の個所、すなわち触媒より上流である排気マニホールドの集合部分に設けているが、高い排気温度に晒され、かつ種々の有毒物の被毒にあうため、Ｏ２センサの出力特性の変動が大きい。この特性変動を補償するために、触媒下流側に下流側のＯ２センサを設け、上流側Ｏ２センサによる第１空燃比フィードバック制御に加えて、下流側Ｏ２センサによる第２空燃比フィードバック制御を行うダブルＯ２センサシステムが既に提案されている。例えば特許文献１又は特許文献２に開示されている。
【０００４】
下流側Ｏ２センサは、上流側Ｏ２センサに比較して応答速度は低いが、以下のような長所がある。すなわち、触媒コンバータの下流側では、排気温度が低いために熱による影響が少なく、かつ種々の有毒物は触媒によってトラップされており被毒が少ないため、Ｏ２センサの出力特性の変動が小さい。さらに、触媒の下流側では、排気ガスがより混合されているため、上流に位置する触媒の浄化状態を比較的安定的に検出できる。
【０００５】
ダブルＯ２センサシステムでは、下流側のＯ２センサの出力を目標値に制御することにより、上流側Ｏ２センサの出力特性の変動を下流側Ｏ２センサで吸収することができ、触媒の浄化状態を良好に保つことができる。
【０００６】
触媒には、上流側空燃比の理論空燃比からの一時的な変動を吸収するために、酸素ストレージ能力を持たせており、空燃比が理論空燃比よりリーン側の場合には、触媒は排気ガス中の酸素を取り込んで蓄積する一方、リッチ側の場合は、触媒中に蓄積されている酸素を放出する。このように、触媒はフィルタ処理のような作用を持ち、上流側の空燃比の変動が触媒内でフィルタ処理され触媒下流側の空燃比となる。
【０００７】
また酸素ストレージ能力は、触媒の製造時に添付される酸素ストレージ能力を持つ物質の量により決まる。また、触媒コンバータの触媒は、高温の排気ガス温度下に晒されるため、車両の通常考えられる使用条件では、その機能が急激に低下しないように耐熱設計されている。しかし、使用中に何らかの原因により、例えば失火など、排気ガス温度が異常に高くなった場合には、触媒の酸素ストレージ能力は著しく低下してしまう。また、通常の使用条件でも走行距離が数万キロにも達してくると経年劣化により、徐々に酸素ストレージ能力が低下していく。このため、製造後の初期は、触媒のＯ２ストレージ能力によるフィルタ作用は大きく、下流側Ｏ２センサの出力は比較的安定しているが、触媒劣化と共にフィルタ作用は小さくなり、下流側に上流側の空燃比の変動が伝わり、下流側Ｏ２センサの出力の安定性が悪くなる。
【０００８】
ダブルＯ２センサシステムでは、下流側Ｏ２センサの出力により、上流側Ｏ２センサを用いた空燃比制御を補正しているが、触媒劣化により下流側のＯ２センサ出力の安定性が悪化するため、上流側Ｏ２センサを用いた空燃比制御の安定性も悪化してしまう。このため、特許文献３に開示されているように、下流側Ｏ２センサの出力にフィルタ処理を加え、フィルタ処理後の下流側Ｏ２センサの出力により、上流側Ｏ２センサを用いた空燃比制御を補正することが提案されている。このフィルタ処理の時定数を、触媒劣化後の下流側Ｏ２センサ出力の変動を吸収できるように設定することで、触媒劣化後も空燃比制御の安定性を変化しないようにしている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６３−１９５３５１号公報
【特許文献２】特開平０６−４２３８７号公報
【特許文献３】特開平０６−５０２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、燃料カット制御、高負荷時のリッチ化制御、燃費向上のためのリーン化制御のように、上流側空燃比がリーン化又はリッチ化されると、触媒中の酸素量は酸素ストレージ能力の上下限に達し、触媒中の雰囲気を理論空燃比に維持できなくなり、浄化能力が大幅に低下してしまう。このため、リーン化又はリッチ化制御の終了後は、なるべく早く触媒中の雰囲気を理論空燃比に戻し、浄化能力を回復させる必要がある。しかし、従来の空燃比制御装置ように、フィルタ処理後の下流側Ｏ２センサ出力を用いて空燃比制御を行なっていたのでは、触媒の浄化状態の検出が遅れ、浄化能力の回復が遅れてしまう問題があった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、下流側空燃比センサ出力へのフィルタ処理の定数を、リッチ化もしくはリーン化制御時に小さくすることにより、低下した触媒の浄化状態を遅れなく検出し、リッチ化もしくはリーン化制御の終了後、迅速に浄化状態を回復することができる内燃機関の空燃比制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係わる内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関の排気系に設置され、排気ガスを浄化する触媒と、前記触媒の上流側及び下流側にそれぞれ設けられて排気ガス中の空燃比を検出する上流側及び下流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサの出力値を用いて前記内燃機関に供給する空燃比を調整する第１空燃比フィードバック制御手段と、前記下流側空燃比センサの出力値変動を抑制するようにフィルタ処理するフィルタ処理手段と、前記下流側空燃比センサの出力値のフィルタ処理値を用いて前記第１空燃比フィードバック制御手段の制御定数を調整する第２空燃比フィードバック制御手段と、及び、前記内燃機関に供給する空燃比が、触媒の雰囲気を理論空燃比付近に制御する目的でなく、リッチ化又はリーン化されているときに、フィルタ処理の抑制を小さくしてフィルタ効果を小さくするように前記フィルタ処理手段のフィルタ定数を変更するフィルタ定数変更手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の内燃機関の空燃比制御装置によれば、下流側空燃比センサ出力へのフィルタ処理の定数を、リッチ化又はリーン化制御時に小さくすることにより、つまり、フィルタ処理の抑制を小さくしてフィルタ効果を小さくすることにより、低下した触媒の浄化状態を遅れなく検出することができ、リッチ化又はリーン化制御の終了後、迅速に浄化状態を回復することができる。また、触媒劣化時の下流側空燃比センサ出力変動の影響を抑制することができ、ダブル空燃比制御システムの安定性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図３はこの発明の実施の形態１による内燃機関の空燃比制御装置を示す構成図である。図において、内燃機関本体１の吸気通路２にはエアフローメータ３が設けられている。エアフローメータ３は吸入空気量を直接計測するものであって、ホットワイヤー（hot-wire）を内蔵して吸入空気量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生する。この出力信号は制御回路10のマルチプレクサ内蔵Ａ／Ｄ変換器101に供給されている。ディストリビュータ４には、その軸が、例えば、クランク角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生するクランク角センサ５、及びクランク角に換算して３０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生するクランク角センサ６が設けられている。これらクランク角センサ５，６のパルス信号は、制御回路10の入出力インターフェイス102に供給され、このうち、クランク角センサ６の出力はＣＰＵ103の割込み端子に供給される。
【００１５】
さらに、吸気通路２には各気筒毎に燃料供給系から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁７が設けられている。また、機関本体１のシリンダブロックのウォータジャケット８には、冷却水の温度を検出する水温センサ９が設けられている。水温センサ９は冷却水の温度THWに応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。この出力もＡ／Ｄ変換器101に供給されている。排気マニホールド11より下流の排気系には、排気ガス中の３つの有害成分ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化する三元触媒を収容する触媒コンバータ12が設けられている。
【００１６】
排気マニホールド11には、すなわち触媒コンバータ12の上流側には第１Ｏ２センサ13（上流側空燃比センサ）が設けられ、触媒コンバータ12の下流側の排気管14には第２Ｏ２センサ15（下流側空燃比センサ）が設けられている。Ｏ２センサ13,15は排気ガス中の空燃比に応じた電気信号を発生する。すなわち、Ｏ２センサ13,15は空燃比に応じて、異なる出力電圧を発生し、制御回路10のＡ／Ｄ変換器101に出力する。制御回路10は、例えばマイクロコンピュータとして構成され、Ａ／Ｄ変換器101、入出力インターフェイス102、ＣＰＵ103の外に、ＲＯＭ104、ＲＡＭ105、バックアップＲＡＭ106、クロック発生回路107等が設けられている。
【００１７】
また、制御回路10において、後述する燃料供給量Ｑｆｕｅｌが演算されると、駆動装置108,109,110により燃料噴射弁７が駆動され、燃料供給量Ｑｆｕｅｌに応じた量の燃料が機関本体１の燃焼室に送り込まれる。なお、ＣＰＵ103の割込み発生は、Ａ／Ｄ変換器101のＡ／Ｄ変換終了時、入出力インターフェイス102がクランク角センサ６のパルス信号を受信した時、クロック発生回路107からの割込信号を受信した時、等である。エアフローメータ３の吸入空気量データＱおよび冷却水温データTHWは所定時間毎に実行されるＡ／Ｄ変換ルーチンによって取込まれて、ＲＡＭ105の所定領域に格納される。つまり、ＲＡＭ105におけるデータＱおよびTHWは所定時間毎に更新されている。また、回転速度データNeはクランク角センサ６の30゜（crank-angle）毎の割込みによって演算されてＲＡＭ105の所定領域に格納される。
【００１８】
図４は上流側Ｏ２センサ13の出力にもとづいて空燃比補正系数FAFを演算する第１空燃比フィードバック制御手段（図１の第１空燃比フィードバック制御手段0103のルーチンであって、所定時間例えば５ms毎に実行される。図２は、横軸に空燃比をとり縦軸にＯ２センサ出力[Ｖ]をとって示す空燃比センサ（Ｏ２センサ）の出力特性図である。なお、図１はこの発明の実施の形態１による内燃機関の空燃比制御装置の基本構成を示す機能ブロック図である。ステップ401では、上流側Ｏ２センサ13の出力Ｖ１をＡ／Ｄ変換して取り込む。ステップ402では、上流側Ｏ２センサ13による空燃比の閉ループ（フィードバック）条件が成立しているか否かを判別する。例えば、理論空燃比制御以外の空燃比制御条件（例えば、機関始動中、低水温時のリッチ化制御中、高負荷パワー増量のリッチ化制御中、燃費向上のためのリーン化制御中、始動後のリーン化制御中、燃料カット中）、上流側Ｏ２センサ１３の不活性状態時、上流側Ｏ２センサ1３が故障している時等はいずれも閉ループ条件が不成立であり、その他の場合は閉ループ条件成立である。
【００１９】
閉ループ条件が不成立のときには、ステップ433に進んで空燃比補正係数FAFを1.0とする。なお、この場合、FAFは閉ループ制御終了直前値もしくは学習値（バックアップＲＡＭの値）としてもよい。ステップ434にてデイレイカウンタCDLYを０にリセットする。ステップ435にてＶ１が比較電圧ＶＲ１以下か否かを判別する、空燃比がリーン（Ｖ１≦ＶＲ１）であれば、ステップ436にて遅延前空燃比フラグF0を０(リーン)とし、ステップ437にて遅延後空燃比フラグF1を０(リーン)とする。他方、空燃比がリッチ（Ｖ１＞ＶＲ１）であれば、ステップ438にて遅延前空燃比フラグF0を１(リッチ)とし、ステップ439にて遅延後空燃比フラグF1を１(リッチ)とする。ステップ434から439にて閉ループ条件不成立時の初期値を設定する。他方、閉ループ条件成立の場合はステップ403に進む。
【００２０】
ステップ403にて、Ｖ１が比較電圧ＶＲ１、例えば、０．４５Ｖ以下か否かを判別する（図２参照）。つまり、空燃比が比較電圧に対し、リッチかリーンかを判別する、空燃比がリーン（Ｖ１≦ＶＲ１）であれば、ステップ404にてデイレイカウンタCDLYが最大値TDR以上であるか判別し、CDLY≧TDRであれば、ステップ405にてデイレイカウンタCDLYを０とし、ステップ406にて遅延前空燃比フラグF0を０(リーン)とし、ステップ416に進む。ステップ404で、CDLY＜TDRであれば、ステップ407にて、遅延前空燃比フラグF0が０(リーン)であるか判別し、F0＝０であればステップ408にてデイレイカウンタCDLYを１減算し、F0＝０でなければ、ステップ409にてデイレイカウンタCDLYを１加算し、ステップ416に進む。
【００２１】
他方、ステップ403でリッチ（Ｖ１＞ＶＲ１）であれば、ステップ410にてデイレイカウンタCDLYが最小値-TDL以下であるか判別し、CDLY≦-TDLであればステップ411にてデイレイカウンタCDLYを０とし、ステップ412にて遅延前空燃比フラグF0を１(リッチ)とし、ステップ416に進む。CDLY＞-TDLであれば、ステップ413にて遅延前空燃比フラグF0が0(リーン)であるか判別し、F0＝０であればステップ414にてデイレイカウンタCDLYを１減算し、F0＝０でなければステップ415にてデイレイカウンタCDLYを１加算し、ステップ416に進む。
【００２２】
ステップ416,417にてデイレイカウンタCDLYを最小値-TDLでガードする。この場合、デイレイカウンタCDLYが最小値-TDLに到達したときには、ステップ418にて遅延後空燃比フラグF1を０（リーン）とする。なお、最小値-TDLは上流側Ｏ２センサ13の出力においてリッチからリーンへの変化があっても、リッチ状態であるとの判断を保持するためのリーン遅延時間であって、負の値で定義される。ステップ419,420にてデイレイカウンタCDLYを最大値TDRでガードする。この場合、デイレイカウンタCDLYが最大値TDRに到達したときには、ステップ421にて遅延後空燃比フラグF1を1（リッチ）とする。なお、最大値TDRは上流側Ｏ２センサ13の出力において、リーンからリッチへの変化があってもリーン状態であるとの判断を保持するためのリッチ遅延時間であって、正の値で定義される。
【００２３】
ステップ422では、遅延後空燃比フラグF1の符号が反転したか否かを判別する、すなわち遅延処理後の空燃比が反転したか否かを判別する。空燃比が反転していれば、ステップ423にて、遅延後空燃比フラグF1の値により、リッチからリーンへの反転か、リーンからリッチへの反転かを判別する。リッチからリーンへの反転であれば、ステップ424にてFAF←FAF＋RSRとスキップ的に増大させ、逆に、リーンからリッチへの反転であれば、ステップ425にてFAF←FAF−RSLとスキップ的に減少させる。つまり、スキップ処理を行う。
【００２４】
ステップ426にて遅延後空燃比フラグF1の符号が反転していなければ、ステップ426,427,428にて積分処理を行う。つまり、ステップ426にて、F1＝０か否かを判別し、F1＝０（リーン）であればステップ427にてFAF←FAF＋KIRとし、他方、F1＝1（リッチ）であればステップ428にてFAF←FAF−KILとする。ここで、積分定数KIR,KILはスキップ定数RSR,RSLに比して十分小さく設定してあり、つまり、KIR（KIL）＜RSR（RSL）である。従って、ステップ427はリーン状態（F1＝０）で燃料噴射量を徐々に増大させ、ステップ428はリッチ状態（F1＝１）で燃料噴射量を徐々に減少させる。
【００２５】
ステップ424,425,427,428にて演算された空燃比補正係数FAFは、ステップ429,430にて最小値例えば０．８にてガードされ、また、ステップ431,432にて最大値例えば１．２にてガードされる。これにより、何らかの原因で空燃比補正係数FAFが大きくなり過ぎ、もしくは小さくなり過ぎた場合に、その値で機関の空燃比を制御してオーバリッチ、オーバリーンになるのを防ぐ。上述のごとく演算されたFAFをＲＡＭ105に格納して、ステップ440にてこのルーチンは終了する。
【００２６】
図５は図４のフローチャートによる動作を補足説明するタイミング図である。上流側Ｏ２センサ13の出力（Ａ）により、図５（Ｂ）に示すごとくリッチ、リーン判別の比較結果の信号が得られると、遅延処理前の空燃比信号（フラグF0に相当）は、図５（Ｃ）に示すごとくリッチ状態もしくはリーン状態に変化する。デイレイカウンタCDLYは、図５（Ｄ）に示すごとく、遅延処理前の空燃比信号F0のリッチ状態でカウントアップされ、リーン状態でカウントダウンされる。この結果、図５（Ｅ）に示すごとく、遅延処理された空燃比信号（フラグF1に相当）が形成される。例えば、時刻t1にて比較結果の信号がリーンからリッチに反転しても、遅延処理された空燃比信号F1はリッチ遅延時間TDRだけリーンに保持された後に、時刻t2にてリッチに変化する。時刻t3にて空燃比信号A/Fがリッチからリーンに変化しても、遅延処理後の空燃比信号F1はリーン遅延時間（TDL）相当だけリッチに保持された後に、時刻t4にてリーンに変化する。
【００２７】
しかし、リッチ遅延処理の開始後、比較結果の信号が時刻t5,t6,t7のごとくリッチ遅延時間TDRより短い期間で反転しても、ディレイカウンタCDLYがリッチ遅延時間TDRに到達するまでの遅延処理中（t5からt8）は、遅延処理前の空燃比信号F0は反転しない。つまり、一時的な比較結果の変動に影響されないため、遅延処理前の空燃比信号F0は比較結果に比べて安定となる。このように遅延処理による安定した遅延処理前の空燃比信号F0および遅延処理後の空燃比信号F1にもとづいて、図５（Ｆ）に示す空燃比補正係数FAFが得られる。
【００２８】
燃料補正係数FAFに応じて、次式のようにエンジン１に供給する燃料供給量Ｑｆｕｅｌが調整され、エンジン１の空燃比が制御される。
Ｑfuel1 ＝ Ｑfuel0× FAF
ここで、Ｑfuel0は基本燃料量であり、次式のように演算される。
Ｑfuel0 ＝ Ｑacyl／目標空燃比
ここで、Ｑacylは、エアフローメータ３により検出される吸入空気量qaに基づき演算されるエンジン１に供給される燃料量である。
目標空燃比は、図６に示すような、横軸にエンジン回転数をとり、縦軸に負荷をとったときの２次元マップに設定された空燃比に設定される。
【００２９】
理論空燃比制御の時は、第２空燃比フィードバック制御手段の実行条件であるため、目標空燃比を第２空燃比フィードバック制御により演算される上流側目標平均空燃比として設定し、フィードフォワード的に反映させるようにしても良い。このようにすることで、目標値が変化した場合のフィードバック追従遅れの改善、また燃料補正係数FAFを１．０の中心付近に維持することができる。また、この燃料補正係数FAFを基に、第１空燃比フィードバック制御における構成要素の経時変化、生産バラツキを吸収するような学習制御が行なわれるため、フィードフォワード補正により燃料補正係数が安定している方が、学習制御の精度が向上する。また、吸入空気量qaは、吸気通路２内のスロットル弁下流に設定された圧力センサの出力および機関の回転速度、又はスロットル弁開度および機関の回転速度に応じて演算しても良い。
【００３０】
図７は、上述した第２空燃比センサ15の出力Ｖ２のフィルタ処理手段0101（図１参照）の動作を表すフローチャートで、この演算は、所定時間毎、例えば５０ms毎に実行される。ステップ701では、下流側Ｏ２センサ15の出力Ｖ２をＡ／Ｄ変換して取込む。この下流側Ｏ２センサ15には、図２に示すセンサ雰囲気の空燃比の変化に対して理論空燃比付近において出力電圧が急激に変化し２値的な特性を有するλ型を用いる。理論空燃比付近の空燃比検出分解能が非常に高いため制御精度が向上する。
【００３１】
次にステップ702に進み、時定数に相当するフィルタ係数Ｋfの読み込みを行なう。フィルタ係数Ｋfは、後述するフィルタ定数変更手段0105で設定される。次にステップ703に進み、次式のような離散化した一次遅れフィルタ演算により、フィルタ後の下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２fltを求める。
Ｖ２flt（今回）← Ｖ２flt（前回）×Ｋf＋Ｖ２（今回）×（１−Ｋf）
時定数Ｔと、フィルタ係数Ｋfとの関係は、離散化変換により次式のようになる。
Ｋf ＝ ｅｘｐ．（−ΔＴ／Ｔ）
ここで、ΔＴは、フローチャート処理間隔ΔＴ（ここでは、５０ms）である。
以上の処理により、第２空燃比センサ15の出力Ｖ２のフィルタ処理演算を終了する。
【００３２】
図８は、上述したフィルタ定数変更手段0105の動作を表すフローチャートで、この演算は、所定時間毎、例えば５０ms毎に実行される。ステップ801では、フィルタ定数の切り替え条件が成立しているか判定される。切り替え条件が成立するときは、触媒の雰囲気を理論空燃比付近に制御する目的でなく実施するリッチ化又はリーン化空燃比制御が実施されているときである。リーン化制御には、燃料カット制御、燃費向上のためのリーン化制御、始動時のリーン化制御等があり、理論空燃比よりリーン側に空燃比制御する場合である。リッチ化制御には、高負荷時のリッチ化制御、低水温時のリッチ化制御等があり、理論空燃比よりリッチに空燃比制御する場合である。ここでいう、リーン化制御、リッチ化制御には、ダブルＯ２制御における下流側Ｏ２センサ出力により、上流側空燃比を理論空燃比を中心にリッチ、リーン方向に操作することは含まれない。ダブルＯ２制御の場合は、触媒の浄化状態を理論空燃比付近に保つことを目的にしているためである。
【００３３】
上記ステップ801において、リーン化制御又はリッチ化制御中であればステップ802に進み、フィルタ定数であるフィルタ係数Ｋfをより小さい値（より小さい時定数）、例えば０（時定数は０）に設定する。つまり、フィルタ処理の抑制を小さくしてフィルタ効果をより小さくする。又は、切り替え条件（の成立）を、リーン化もしくはリッチ化空燃比制御中、並びにリーン化もしくはリッチ化空燃比制御後の所定期間としてもよい。リーン化又はリッチ化制御後もしばらくの期間は、制御対象の遅れにより過渡的な状態となり、触媒の浄化状態は目標に十分復帰していない。このため、リーン化又はリッチ化制御後もしばらくの期間はフィルタ定数（フィルタ係数Ｋf）を小さく設定し、触媒の浄化状態を遅れなく検出することにより、復帰速度をより速めることができる。また、所定期間を下流側Ｏ２センサ出力が、目標値ＶＲ２付近の所定電圧に到達するまでとしても良い。これは、下流側Ｏ２センサ出力が、目標値付近に到達したとき、触媒の状態が過渡運転の影響からほぼ復帰しているためである。また、所定期間を下流側Ｏ２センサ出力が、目標値ＶＲ２付近の所定電圧に到達してから所定期間経過後としても良い。これは、触媒の状態が過渡運転の影響から復帰する際に、下流側Ｏ２センサ出力が目標値ＶＲ２をオーバーシュートしてから収束する場合があるためである。また、所定期間をリーン化又はリッチ化制御後の積算空気量が所定値に到達するまでの期間としても良い。これは、触媒の状態が過渡運転の影響から復帰する速度は、触媒のＯ２ストレージ作用により吸入空気量に比例するためである。また、排気ガスが触媒上流又は下流から、下流側Ｏ２センサに移動するまでには、遅れがあり、リーン化制御又はリッチ化制御の影響がすこし遅れて下流側Ｏ２センサで検出されるため、その遅れ時間を考慮して、所定期間を設定してもよい。
【００３４】
また、切り替え条件を、第１空燃比フィードバック制御手段0103又は第２空燃比フィードバック制御手段0102の停止中としても良い。第１又は第２空燃比フィードバック制御手段が停止していると、触媒の浄化状態を理論空燃比に精度良く維持できないため、リーン状態もしくはリッチ状態となるためである。また、リーン化制御又はリッチ化空燃比制御後の所定期間と同様の理由により、第１又は第２空燃比フィードバック制御手段の開始後所定期間（つまり第１又は第２空燃比フィードバック制御手段が停止されていた期間が解除された後の所定期間）も切り替え条件（の成立）としても良く。さらに、開始後所定期間を、下流側Ｏ２センサ出力が、目標値ＶＲ２付近の所定電圧に到達するまで、又は下流側Ｏ２センサ出力が、目標値ＶＲ２付近の所定電圧に到達してから所定期間経過後としても良い。また、開始後所定期間を開始後の積算空気量が所定値に到達するまでの期間としても良い。
【００３５】
上記ステップ801において、フィルタゲイン切り替え条件が成立しなければ、ステップ803に進み、フィルタ定数の１つであるフィルタ係数Ｋfに、図９に示すような、運転条件（ここでは、エンジン回転数と負荷）によりゾーン分けされた区間毎に予め値が設定されているマップテーブルＫＦＭＡＰ（通常のフィルタ定数設定マップ）から、現在の運転条件に相当するゾーンの値を読み込み、フィルタ係数Ｋfとして設定する。
【００３６】
フィルタ定数の１つであるフィルタ時定数は、触媒が劣化し、第１空燃比フィードバック制御による空燃比変動が触媒下流に伝わった場合に、第２空燃比センサの出力変動を吸収することができるような値に設定される。従って、第１空燃比フィードバック制御のフィードバック周期に基づき設定されるが、運転条件によりフィードバック周期が変化するため、机上で図１０に示すように運転条件により通常のフィルタ時定数[sec]を設計し、図９に示すようなフィルタ定数（フィルタ係数）に変換しマイクロコンピュータのＲＯＭ104に記憶させる。以上の処理により、フィルタ時定数の変更処理演算を終了する。
【００３７】
次に、下流側Ｏ２センサ15による第２空燃比フィードバック制御手段0102について説明する。特許文献１に開示されていように、これは、第２空燃比フィードバック制御手段0102を用いて、第１空燃比フィードバック制御手段0103の制御定数としてのスキップ量RSR,RSL、積分定数KIR,KIL、遅延時間TDR,TDL、又は上流側Ｏ２センサ13の出力Ｖ１の比較電圧ＶＲ１を、下流側Ｏ２センサ15の出力に応じて可変にするシステムである。
【００３８】
例えば、リッチスキップ量RSRを大きくすると、平均空燃比をリッチ側に移行でき、また、リーンスキップ量RSLを小さくしても平均空燃比をリッチ側に移行でき、他方、リーンスキップ量RSLを大きくすると、平均空燃比をリーン側に移行でき、また、リッチスキップ量RSRを小さくしてもリーン側に移行できる。従って、下流側Ｏ２センサ15の出力に応じてリッチスキップ量RSRおよびリーンスキップ量RSLを補正することにより平均空燃比が制御できる。
【００３９】
また、リッチ積分定数KIRを大きくすると、平均空燃比をリッチ側に移行でき、また、リーン積分定数KILを小さくしても平均空燃比をリッチ側に移行でき、他方、リーン積分定数KILを大きくすると、平均空燃比をリーン側に移行でき、また、リッチ積分定数KIRを小さくしても平均空燃比をリーン側に移行できる。従って、下流側Ｏ２センサ15の出力に応じてリッチ積分定数KIRおよびリーン積分定数KILを補正することにより空燃比が制御できる。
【００４０】
リッチ遅延時間TDR＞リーン遅延時間（−TDL）と設定すれば、平均空燃比はリッチ側に移行でき、逆に、リーン遅延時間（−TDL）＞リッチ遅延時間（TDR）と設定すれば、平均空燃比はリーン側に移行できる。つまり、下流側Ｏ２センサ15の出力に応じて遅延時間TDR,TDLを補正することにより空燃比が制御できる。さらにまた、比較電圧ＶＲ１を大きくすると平均空燃比をリッチ側に移行でき、また、比較電圧ＶＲ１を小さくすると平均空燃比をリーン側に移行できる。従って、下流側Ｏ２センサ15の出力に応じて比較電圧ＶＲ１を補正することにより空燃比が制御できる。このように、下流側Ｏ２センサの出力に応じて上述した制御定数（第１の制御定数と呼ぶ）を補正することにより上流側の平均空燃比を制御できる。また、第１の制御定数としての遅延時間，スキップ量，積分ゲイン，及び比較電圧のうちの２つ以上を同時に操作することにより平均空燃比の制御性を向上させることができる。
【００４１】
また、発明者らが提案しているように、第１の制御定数を２つ以上操作することによる、不具合を解消するため、また自由度を積極的に利用するために、第１の制御定数の操作を、平均空燃比で管理する方法がある。すなわち、下流側Ｏ２センサ15の出力による第２空燃比フィードバック制御により目標平均空燃比を演算し、目標平均空燃比から第１の制御定数の操作量を演算する変換器を第２空燃比フィードバック制御内に設ける方法である。２つ以上の第１の制御定数を操作すると、非線形な相互作用により、平均空燃比のリッチ／リーンの操作方向は管理できるが、操作量の管理が困難となり、第２空燃比フィードバック制御の挙動が不安定になる不具合があったが、目標平均空燃比の管理指標に応じて第１の制御定数を設定することにより解消できる。
【００４２】
また、第１の制御定数それぞれに、平均空燃比を制御する上で、利点、不利点があるが（例えば、平均空燃比の制御精度、操作幅、もしくは制御周期、空燃比振幅等）、目標平均空燃比の動作点に応じて、第１の制御定数をそれぞれきめ細かく設定することで、それぞれの利点を生かすことができる。この実施の形態では、下流側Ｏ２センサの出力に応じて目標平均空燃比を演算し、目標平均空燃比から第１の制御定数を演算する変換器を設けたダブルＯ２センサシステムについて説明する。
【００４３】
図１１は、第２空燃比フィードバック制御手段0102において、下流側Ｏ２センサ15の出力に基づいて触媒上流側の目標平均空燃比を演算する上流側目標平均空燃比の演算ルーチンであって、所定時間例えば５ms毎に実行される。まず、ステップ1101にて、下流側Ｏ２センサ15の出力情報を読み込む。ここでは、フィルタ処理後の下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２fltとなる。ステップ1102にて下流側Ｏ２センサ15による閉ループ条件の成立か否かを判別する。
【００４４】
例えば、理論空燃比制御以外の空燃比制御条件（例えば、機関始動中、低水温時のリッチ化制御中、高負荷パワー増量のリッチ化制御中、燃費向上のためのリーン化制御中、始動後のリーン化制御中、燃料カット中）、下流側Ｏ２センサ１５の不活性状態時、下流側Ｏ２センサ15が故障している時等はいずれも閉ループ条件が不成立であり、その他の場合は閉ループ条件が成立している。なお、Ｏ２センサ活性／不活性状態の判別は始動後所定時間経過したかどうか、あるいはＯ２センサの出力レベルが所定電圧を一度横切ったか否かを判別することによって行われる。
【００４５】
閉ループ条件が不成立であれば、ステップ1115にて、目標平均空燃比AFAVEobjを初期値AFAVE0+積分値AFIとし、第２空燃比フードバック演算処理を終了する。例えば、AFAVE0=１４．５３である。積分値AFIは、閉ループ制御終了直前値でありバックアップＲＡＭに保持されている。初期値AFVAVE0、積分値AFIは、運転条件毎、例えば回転数、負荷、水温で区分けされた運転ゾーン毎に保持されており、それぞれ設定値、バックアップＲＡＭ値である。
【００４６】
閉ループ条件が成立していると、ステップ1103にて、下流側Ｏ２センサ15の出力Ｖ２の目標値となる第２の目標値ＶＲ２を設定する。目標値ＶＲ２は、理論空燃比付近の触媒の浄化ウインドウに対応した下流側Ｏ２センサの所定出力値、例えば０．４５Ｖ付近に設定される。この目標値ＶＲ２は、触媒のＮＯx浄化率が高くなるような高めの電圧、例えば０．７５Ｖ付近、もしくはＣＯ，ＨＣの浄化率が高くなるような低めの電圧、例えば０．２Ｖ付近としてもよく、また運転条件等により電圧を変更してもよい。運転条件により目標値ＶＲ２を変更する場合は、変更時のステップ的な変化による空燃比変動を緩和するため、目標値ＶＲ２になまし処理、例えば一次遅れフィルタ処理を加えても良い。
【００４７】
ステップ1104にて、第２の目標値ＶＲ２とフィルタ後の下流側Ｏ２センサ15の出力Ｖ２fltの偏差ΔＶ２が演算される。
ΔＶ２＝ＶＲ２ −Ｖ２flt
ステップ1105からステップ1111は、偏差ΔＶ２に応じて比例演算（以下、Ｐと称す）、積分演算（以下、Ｉと称す）を行うＰＩ制御の処理であり、該偏差を無くすような出力を設定する。例えば、下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２が第２の目標値ＶＲ２より小さい（リーン側）時、上流側の目標平均空燃比AFAVEobjはリッチ側に設定され第２の目標値に復帰させるように作用する。
【００４８】
触媒上流側の目標平均空燃比、AFAVEobjは、一般的なＰＩ制御器により演算される。
AFAVEobj＝ AFAVE0 ＋ Σ{Ki2(ΔＶ２)} ＋ Kp2(ΔＶ２)
ここで、Ki2は積分ゲイン、Kp2は比例ゲインである。AFAVE0は前述した初期値であり、運転条件毎に設定された理論空燃比に相当する値とし、例えば１４．５３に設定されている。積分演算は、偏差を積分していき出力を生成するため比較的ゆっくり動作し、また上流側Ｏ２センサの特性変動に起因する下流側のＯ２センサ出力の定常的な偏差を解消する効果がある。
【００４９】
また、積分ゲインKi2を大きくすればするほど、操作量Σ｛Ki2(ΔＶ２)｝の絶対値は大きくなり制御効果は大きくなるが、あまり大きくすると位相遅れが大きくなり制御系が不安定になりハンチングを生じるため、適切なゲイン設定が必要となる。また、比例演算は、偏差に比例して出力を生成するため早い応答性を示し、偏差を早急に復帰させる効果があり、比例ゲインKp2を大きくすればするほど操作量Kp2×ΔＶ２の絶対値は大きくなり復帰速度が早くなるが、あまり大きくすると制御系が不安定になりハンチングを生じるため、適切なゲイン設定が必要となる。
【００５０】
さて、ステップ1105にて、積分値の更新条件が成立しているか否かを判定する。更新条件が成立するときは、過渡運転中もしくは過渡運転後所定期間ではない時である。過渡運転時は、上流側空燃比が大きく乱れ、下流側空燃比も乱れる、このような状態で積分演算を実施すると、間違った値を積分してしまう。積分演算は比較的ゆっくり動作するため、過渡運転後もしばらくは間違った値となり、制御性能が悪化してしまう。このため、過渡運転時は、積分演算の更新を一時的に停止し、積分値を保持することにより、このような誤った積分演算を防止できる。
【００５１】
さらに、過渡運転後も制御対象の遅れによりしばらくは影響が残るため、過渡運転後所定期間も更新を禁止する。特に、触媒の遅れが大きいため、過渡運転後の所定期間を、過渡運転後の積算空気量が所定値に到達するまでの期間としても良い。これは、触媒の状態が過渡運転の影響から復帰する速度は、触媒のＯ２ストレージ作用により吸入空気量に比例するためである。
【００５２】
過渡運転としては、急な加速減速、燃料カット、リッチ化制御、リーン化制御、第２空燃比フィードバック制御手段の停止、第１空燃比フィードバック制御手段の停止、故障診断のための空燃比の強制変動、故障診断のためのアクチュエータの強制駆動、蒸散ガス導入の急変、等がある。急な加速減速は、スロットル開度の単位時間あたりの変化量が所定以上、もしくは吸入空気量の単位時間あたりの変化量が所定以上等で判定できる。また、蒸散ガス導入の急変は、蒸散ガスを導入するバルブ開度の単位時間あたりの変化量が所定以上等で判定できる。また、上記の更新条件に加えて、制御ルーチンの所定実行回数毎に更新条件を成立させるようにしてもよい、設定実行回数により積分演算の速度が調整でき、積分ゲインを調整するのと同様な効果をもつ。
【００５３】
ステップ1105で積分値更新条件が成立していると、ステップ1106に進み、積分値を更新する。
AFI＝ AFI ＋ Ki2(ΔＶ２)
AFIは積分演算値であり、運転条件毎にバックアップＲＡＭで保持されている。Ki2(ΔＶ２)は更新量であり、所定ゲインを用い単純にKi2(ΔＶ)=Ki2×ΔＶ２としても良いし、図１２に示すような１次元マップを用いΔＶ２に応じて更新量を設定するいわゆる可変ゲインの設定としてもよい。また、積分演算値により補償される上流側Ｏ２センサ特性の変動は、排気温度、排気圧力等の運転条件により変化するため、積分演算値AFIとして運転条件毎に設定されたバックアップＲＡＭを持たせておき、運転条件が変化する毎に更新するバックアップＲＡＭ、つまり積分値AFIを切り替える。また、積分演算値AFIをバックアップＲＡＭに持たせることにより、機関の停止、再始動毎に積分演算値がリセットされ制御性能が低下することを防げる。
【００５４】
また、運転条件に応じて積分ゲインKi2の設定を変更してもよい。これにより、運転条件により変化する制御対象の応答遅れの変化に応じた設定、もしくは運転条件毎の味付け（ドライバビリティ等）を考慮した設定もできる。特に、吸入空気量に比例して、排ガスの移送遅れ、および触媒のＯ２ストレージ作用による上流側空燃比から下流側空燃比までの応答遅れが変化するため、積分ゲインの絶対値を吸入空気量に比例して設定すると良い。図１３の実線は高吸入空気量、点線は中吸入空気量、一点鎖線は低吸入空気量の設定である。また、積分ゲインの絶対値を増減する代わりに、更新周期を増減することでも、同じ効果を実施できる。更新周期の増減は、積分値更新を制御ルーチンの所定実行回数毎に行なうようにし、所定実行回数を増減することで実施できる。一方、積分値更新条件が不成立の場合は、ステップ1107に進み、積分値を更新しない。
AFI＝ AFI
【００５５】
ステップ1108に進み、積分値AFIの上下限制限処理を行なう。
AFImin＜ AFI ＜ AFImax
上流側Ｏ２センサの特性変動幅は予め把握できるため、変動幅を補償できるような適当な制限値に設定する。このように処理することにより、過大な空燃比操作をすることが防止でき、ドライバビリティの悪化等を防ぐことができる。また、運転条件毎に上下限制限値を設定してもよく、運転条件により変化する上流側Ｏ２センサの特性変動幅、もしくは運転条件により変化するドライバビリティ上の制約値に対応できる。
【００５６】
ステップ1109にて、比例演算処理を実施する。
AFP＝ Kp2(ΔＶ２)
AFPは比例演算値である。Ki2(ΔＶ２)は、所定ゲインを用い単純にKp2(ΔＶ)=Kp2×ΔＶ２としても良いし、図１２に示すような１次元マップを用いΔＶ２に応じて設定する可変ゲインの設定としてもよい。
【００５７】
また、積分ゲインのように運転条件に応じて比例ゲインKp2の設定を変更してもよい。これにより、運転条件により変化する制御対象の応答遅れの変化に応じた設定、又は運転条件毎の味付け（ドライバビリティ等）を考慮した設定もできる。例えば、図１３の実線は高吸入空気量、点線は中吸入空気量、一点鎖線は低吸入空気量の比例ゲインKp2設定である。
【００５８】
また、前述した積分値更新を行なわない過渡運転条件となった場合において、過渡運転後の所定期間は、比例ゲインKp2の絶対値を大きく設定し、外乱で悪化した触媒の浄化状態の復帰速度を速める。所定期間後は、比例ゲインKp2の絶対値を小さく設定し、目標空燃比の操作量が過大になりドライバビリティが悪化するのを防止する。過渡運転後の所定時間は、積分演算の場合と同様に、過渡運転後の積算空気量が所定値に到達するまでの期間としても良い。これは、触媒の状態が過渡運転の影響から復帰する速度は、触媒のＯ２ストレージ作用により吸入空気量に比例するためである。過渡運転後の所定期間は比例ゲインKp2の絶対値を大きくすることにより、過渡運転による触媒の浄化状態悪化を早く復帰することができ、また通常運転時のドライバビリティの悪化を防止できる。
【００５９】
ステップ1110に進み、比例値AFPの上下限制限処理を行なう。
AFPmin＜ AFP ＜ AFPmax
このように処理することにより、過大な空燃比操作をすることが防止でき、ドライバビリティの悪化等を防ぐことができる。また、運転条件毎に上下限制限値を設定してもよく、運転条件により変化するドライバビリティ上の制約値に対応できる。
【００６０】
次に、ステップ1111に進み、ＰＩ演算値を合計し、目標平均空燃比を演算する。
AFAVEobj＝ AFAVE0 ＋ AFP ＋ AFI
AFAVE0は上述された運転条件毎に設定された初期値であり、例えば１４．５３である。AFIはステップ1105から1108で演算された積分演算値であり、AFPはステップ1109,1110で演算された比例演算値である。
【００６１】
ステップ1112に進み、目標平均空燃比AFAVEobjの上下限制限処理を行なう。
AFAVEobjmin＜ AFAVEobj ＜ AFAVEobjmax
このように処理することにより、過大な空燃比操作をすることが防止でき、ドライバビリティの悪化等を防ぐことができる。また、運転条件毎に上下限制限値を設定してもよく、運転条件により変化するドライバビリティ上の制限値に対応できる。
【００６２】
次に、ステップ1113に進み、目標平均空燃比AFAVEobjを強制的に変動させる条件が成立しているか否か判定する。強制変動条件には、故障診断時、又は触媒の浄化特性の改善時等がある。故障診断には、触媒、又は下流側Ｏ２センサの診断があり、目標平均空燃比AFAVEobjに強制変動を加えたときの下流側Ｏ２センサ出力の波形をモニタすることにより診断できる。触媒の浄化特性の改善は、触媒上流の空燃比変動の振幅、周期を変調することで実施できる。エンジン回転数，負荷，水温，加速減速，タイマー等の所定運転条件の判定により、強制変動条件となる。
【００６３】
強制変動条件が成立している場合は、ステップ1114に進み、目標平均空燃比AFAVEobjに対して強制変動ΔA/Fを加える。
AFAVEobj＝ AFAVEobj ＋ ΔA/F
ここで、ΔA/Fは変動振幅であり、所定絶対値の正の値、もしくは負の値に設定されており、所定周期で正の値、負の値が切り替えられる。例えば、所定の周期で、ΔA/F= ＋０．２５、もしくは−０．２５に切り替えられる。
【００６４】
図１４の実線のようにステップ的に切り替えても良いし、点線もしくは一点鎖線のようにある所定の振幅、周期をもつ任意の波形としても良い。変動振幅、周期は運転条件毎に設定されており、運転条件により変化する要求条件、例えば制御対象の応答遅れ、ドライバビリティ上の制限により、触媒の浄化特性を満たすことができる。特に、触媒の故障診断時は、触媒のＯ２ストレージ作用による応答遅れが重要になり、応答遅れは吸入空気量に反比例するため、変動振幅、もしくは変動周期を吸入空気量に反比例するように設定すると良い。なお、強制変動条件が成立していないときは、この演算ルーチンは、そこで終了する。
【００６５】
図１５は、第２空燃比フィードバック制御手段0102において、上流側の目標平均空燃比に応じて第１空燃比フィードバック制御手段0103における第１の制御定数であるスキップ量RSR,RSL、積分定数KIR,KIL、遅延時間TDR,TDL、比較電圧ＶＲ１を設定する変換器の演算ルーチンであって、所定時間例えば５ms毎に実行される。
【００６６】
ステップ1501にて、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて、スキップ量RSRが演算される。一次元マップにより演算し、設定値はあらかじめ後述する机上計算又は実験に基づき設定されており、入力に応じて対応した設定値、マップ検索結果が出力される。１次元マップは、運転条件毎に設けられており、運転条件の変化に応じて１次元マップを切り替えてマップ検索を行なう。運転条件には、第１空燃比フィードバック制御手段の構成の応答性、特性等に関係する条件、例えば、回転数，負荷，アイドル，水温，排気温度，上流側Ｏ２センサの温度，ＥＧＲ開度等がある。例えば、運転条件を所定の回転数，負荷，水温で区分けされた運転ゾーンとすることができる。また、必ずしも１次元マップでなくて良く、入力と出力の関係を表す手段、例えば、近似式でもよいし、より多くの入力に対応した高次元のマップ又は高次関数でもよい。
【００６７】
ステップ1502にて、ステップ1501と同様の方法で、目標平均空燃比AFAVEobjに応じてスキップ量RSLが演算される。また、ステップ1503にて、ステップ1501と同様の方法で、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて積分定数KIRが演算される。ステップ1504にて、ステップ1501と同様の方法で、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて積分定数KILが演算される。ステップ1505にて、ステップ1501と同様の方法で、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて遅延時間TDRが演算される。ステップ1506にて、ステップ1501と同様の方法で、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて遅延時間TDLが演算される。ステップ1507にて、ステップ1501と同様の方法で、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて比較電圧ＶＲ１が演算され、制御ルーチンは終了する。
【００６８】
このように、目標平均空燃比AFAVEobjに応じて、第１の制御定数であるスキップ量RSR,RSL、積分定数KIR,KIL、遅延時間TDR,TDL、比較電圧ＶＲ１がそれぞれ演算される。それぞれの設定値は、実際の触媒上流の平均空燃比が、入力である目標平均空燃比AFAVEobjとなるように、あらかじめ、机上計算もしくは実験値に基づき設定されている。また、運転条件により第１の制御定数の設定値を変化させることにより、運転条件に関わらず目標平均空燃比と実際の平均空燃比とを一致するように設定できる。
【００６９】
次に、図１６から図１９で、従来の空燃比制御と比較しながらこの実施の形態１の空燃比制御の挙動を説明する。図１６と図１７は、劣化前の触媒を使用した場合で、図１８と図１９は、劣化後の触媒を使用した場合である。
【００７０】
図１６は従来の空燃比制御で劣化前の触媒を使用した場合を示すタイミング図である。時刻t21からt22の間では、燃料カット制御となり、空燃比は著しくリーンに制御される。このため、触媒に酸素が蓄積されていき、その酸素ストレージ能力の上限に達し、触媒の雰囲気を理論空燃比付近に保つことができなくなる。したがって下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２は、目標値ＶＲ２から大きくリーン側に逸脱する。
【００７１】
下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２は、フィルタ処理されているため、フィルタ処理後の下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２fltは、一点鎖線で示すようにＶ２の急激な変化に対して大きく遅れる。このフィルタ処理後の下流側Ｏ２出力Ｖ２fltに応じて、第２空燃比フィードバック制御により上流側の目標平均空燃比AFobjが演算されるため、燃料カット後すぐに上流側の平均空燃比はリッチ方向に移行しない。このため、燃料カットによりリーンになり浄化能力の低下した触媒状態から理論空燃比付近の浄化能力の高い状態に復帰する時期が遅くなってしまう（t24）。
【００７２】
一方、図１７は実施の形態１の空燃比制御で劣化前の触媒を使用した場合を示すタイミング図である。燃料カット制御になると、フィルタ係数Ｋfを小さく（時定数を小さく）するため、燃料カットによりリーン化した触媒状態を、下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２のフィルタ処理後の出力Ｖ２fltで、燃料カット後(t22)に遅れなく検出することができる。下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２は、フィルタ処理されるが、フィルタ処理後の下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２fltは、一点鎖線で示すようにＶ２の急激な変化に対して遅れことなく追従する。このフィルタ処理後の下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２fltに応じて、第２空燃比フィードバック制御により上流側の目標平均空燃比AFobjが演算されるため、燃料カット後、遅れなく上流側の平均空燃比をリッチ方向に制御することができる。従って、触媒状態のリーンから理論空燃比へ復帰する時期は、従来例の場合の時刻t24に比べ、早期化した時刻t23となる。
【００７３】
図１８は従来の空燃比制御で劣化後の触媒を使用した場合を示すタイミング図である。触媒の酸素ストレージ能力がほぼ０まで劣化している場合であり、上流側の空燃比はなまされることなく、下流側に伝わるため、上流側Ｏ２センサ出力Ｖ１から下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２はほぼ同じ出力となる。下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２は、一点鎖線で示すようにフィルタ処理されているため、フィルタ処理後の値により演算される上流側の目標平均空燃比AFobjの大きな変動は抑制され（つまり変動は減少され）、制御系が不安定になることが防止されている。時刻t31から時刻t32の燃料カット制御の終了後は、下流側Ｏ２センサ出力はリーン状態から遅れなく復帰するため、劣化前の触媒のような復帰の遅れはない。
【００７４】
一方、図１９は実施の形態１の空燃比制御で劣化後の触媒を使用した場合を示すタイミング図である。時刻t31から時刻t32の燃料カット制御になると、フィルタ係数Ｋfを小さく（時定数を小さく）する。燃料カット後、フィルタ後の下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２fltはリーンの値となる。このため、燃料カット後は上流側の平均空燃比をリッチ方向に制御するが、下流側Ｏ２センサ出力はリーン状態から遅れなく復帰するため、少しの期間オーバーリッチになる。しかし、すぐに復帰するため触媒浄化状態の悪化は大きくない。また、触媒は劣化しており、触媒の浄化状態は常に悪いため問題にならないレベルである。
【００７５】
このように、下流側Ｏ２センサ出力へのフィルタ処理の定数を、リッチ化又はリーン化制御時に小さくすることにより、低下した触媒の浄化状態を遅れなく検出することができ、リッチ化又はリーン化制御の終了後、迅速に浄化状態を回復することができる。また、従来と同様に、触媒劣化時の下流側Ｏ２センサ出力変動の影響を抑制することができ、ダブルＯ２制御システムの安定性を維持できる。
【００７６】
実施の形態２．
下流側Ｏ２センサは、上流の触媒の浄化状態を検出できるセンサであればよく、リニア空燃比センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、ＣＯセンサ等でも、触媒の浄化状態を制御できるため、同様の効果を奏する。上流側Ｏ２センサは、空燃比変化に対してリニアな出力特性を有するリニア型Ｏ２センサでもよく、λ型Ｏ２センサと同様に、上流側の空燃比を制御できるため、同様の効果を奏する。第２空燃比フィードバック制御手段は、比例演算と積分演算から構成されるとしたが、微分演算を追加した構成としても、フィードバック制御は実施できるため同様の効果を奏する。
【００７７】
第２空燃比フィードバック制御手段は、第２の目標値ＶＲ２と下流側Ｏ２センサ出力情報から比例演算と積分演算を用い、目標空燃比を演算する構成としたが、その他のフィードバック制御、例えば現代制御理論の状態フィードバック制御、スライディングモード制御、オブザーバー、適応制御、Ｈ∞制御等により、第２の目標値ＶＲ２と下流側Ｏ２センサ出力Ｖ２から目標空燃比を演算しても、触媒の浄化状態を制御できるため、同様の効果を奏する。
【００７８】
下流側Ｏ２センサ出力へのフィルタ処理を一次遅れ処理としたが、フィルタ効果を有するその他の処理、例えばバンドパスフィルタ、ローパスフィルタのような高次のフィルタ処理としても良く、そのフィルタ効果を増減する定数を変更することにより、同様の効果を奏する。さらには、遅れ、なまし処理であれば良く、例えばムダ時間処理としムダ時間を増減する、又は移動平均処理とし平均処理のサンプル数を増減することによっても同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の実施の形態１による内燃機関の空燃比制御装置の基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】空燃比センサ（Ｏ２センサ）の出力特性である。
【図３】この発明の実施の形態１による内燃機関の空燃比制御装置を示す構成図である。
【図４】第１空燃比フィードバック制御の動作を説明するフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートによる動作を補足説明するタイミング図である。
【図６】運転条件によって変化する目標空燃比を説明する特性図である。
【図７】フィルタ処理手段の動作を説明するフローチャートである。
【図８】フィルタ定数変更手段の動作を説明するフローチャートである。
【図９】通常時に運転条件により変化するフィルタ定数であるフィルタ係数を説明する特性図である。
【００８０】
【図１０】通常時に運転条件により変化するフィルタ定数であるフィルタ時定数を説明する特性図である。
【図１１】第２空燃比フィードバック制御手段における上流側平均目標空燃比の演算を説明するフローチャートである。
【図１２】図１１を補足説明する特性図である。
【図１３】図１１を補足説明する特性図である。
【図１４】図１１を補足説明する特性図である。
【図１５】第２空燃比フィードバック制御手段における変換器の演算を説明するフローチャートである。
【図１６】従来の空燃比制御で劣化前の触媒を使用した場合のタイミング図である。
【図１７】実施の形態１の空燃比制御で劣化前の触媒を使用した場合のタイミング図である。
【図１８】従来の空燃比制御で劣化後の触媒を使用した場合のタイミング図である。
【図１９】実施の形態１の空燃比制御で劣化後の触媒を使用した場合のタイミング図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  内燃機関本体                        ２  吸気通路
３  エアフローメータ                    ４  ディストリビュータ
５  クランク角センサ                    ６  クランク角センサ
７  燃料噴射弁                          ８  ウォータジャケット
９  水温センサ                          10  制御回路
11  排気マニホールド                    12  触媒コンバータ
13  上流側Ｏ２センサ                     14  排気管
15  下流側Ｏ２センサ
101  Ａ／Ｄ変換器                        102  入出力インターフェイス
103  ＣＰＵ                              104  ＲＯＭ
105  ＲＡＭ                              106  バックアップＲＡＭ
107  クロック発生回路                    108,109,110  駆動装置
0101  フィルタ処理手段                    0102  第２空燃比フィードバック制御手段
0103  第１空燃比フィードバック制御手段    0105  フィルタ定数変更手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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