(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気空燃比を検出する空燃比センサを備えた内燃機関の空燃比フィードバック制御装置であって、
シリンダ内に形成される混合気の空燃比を推定し、
該推定したシリンダ内空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算するよう構成する一方、
前記推定したシリンダ内空燃比に基づき前記空燃比センサで検出される排気空燃比を推定し、
該推定した排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比に基づいて、前記シリンダ内空燃比の推定値を補正するよう構成される共に、
前記シリンダ内空燃比の推定において、前記空燃比補正値及び目標空燃比に基づき初期空燃比を演算し、体積効率，大気圧，吸気圧，圧縮比に基づいて新気割合を演算し、前記初期空燃比と新気割合とに基づいてシリンダ内空燃比を演算することを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項２】
排気空燃比を検出する空燃比センサを備えた内燃機関の空燃比フィードバック制御装置であって、
シリンダ内に形成される混合気の空燃比を推定し、該推定したシリンダ内空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算するよう構成する一方、
排気の輸送遅れ時間を、シリンダから前記空燃比センサまでの排気配管体積及び排気ガスの体積流量に基づき演算し、前記シリンダ内空燃比の推定値と前記排気の輸送遅れ時間に基づき、前記空燃比センサで検出される排気空燃比を推定し、該推定した排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比に基づいて、前記シリンダ内空燃比の推定値を補正するよう構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項３】
前記空燃比補正値及び目標空燃比に基づき初期空燃比を演算し、該初期空燃比と新気割合とに基づいてシリンダ内空燃比を演算することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項４】
前記新気割合を、体積効率，大気圧，吸気圧，圧縮比に基づいて演算することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項５】
前記シリンダ内空燃比の推定値を、前記空燃比センサの動特性に基づき補正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フィードバック制御装置。
【請求項６】
前記シリンダ内空燃比の推定値と排気の輸送遅れ時間に基づき、前記空燃比センサで検出される排気空燃比を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項７】
前記排気の輸送遅れ時間を、シリンダから前記空燃比センサまでの排気配管体積及び排気ガスの体積流量に基づき演算することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項８】
前記推定した排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比との偏差を、所定の伝達関数に入力し、該伝達関数の出力で前記シリンダ内空燃比の推定値を補正することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項９】
排気空燃比を検出する空燃比センサと、
燃料噴射量を補正するための空燃比補正値と目標空燃比に基づいて初期空燃比を演算する初期空燃比演算手段と、
新気割合を運転条件に応じて演算する新気割合演算手段と、
前記初期空燃比と新気割合に基づいてシリンダ内空燃比を演算するシリンダ内空燃比演算手段と、
前記シリンダ内空燃比に前記空燃比センサの動特性に応じた補正を施して最終的な推定空燃比を演算する推定空燃比演算手段と、
前記空燃比センサまでの排気輸送遅れ時間を演算する輸送遅れ時間演算手段と、
前記推定空燃比と前記排気輸送遅れ時間に基づいて前記空燃比センサで検出される排気空燃比を演算する排気空燃比演算手段と、
該排気空燃比演算手段で演算された排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比に基づいて外乱補正値を演算する外乱補正値演算手段と、
前記目標空燃比，推定空燃比及び外乱補正値に基づいて前記空燃比補正値を演算する空燃比補正値演算手段と、
前記空燃比補正値に基づいて燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【請求項１０】
排気空燃比を検出する空燃比センサを備えた内燃機関の空燃比フィードバック制御装置であって、
シリンダ内に形成される混合気の空燃比を推定し、該推定したシリンダ内空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算するよう構成する一方、
前記推定したシリンダ内空燃比に前記空燃比センサの動特性に応じた補正を施すと共に、前記空燃比センサまでの排気輸送遅れ時間を演算し、前記動特性に応じた補正が施されたシリンダ内空燃比の推定値の前記排気輸送遅れ時間だけ前のデータと、前記空燃比センサで検出された排気空燃比とに基づいて、前記シリンダ内空燃比の推定値を補正するよう構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック補正する内燃機関の空燃比フィードバック制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、目標空燃比の混合気による燃焼を行わせるべく、空燃比センサで検出される排気空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、燃料噴射弁による燃料噴射量をフィードバック補正する構成の空燃比フィードバック制御装置が知られている（特開平６−１０８９０１号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空燃比センサで検出した排気空燃比に基づいて燃料噴射量を補正した結果が、空燃比センサで検出されるまでには、燃焼排気の輸送遅れによるむだ時間がある。
【０００４】
そのため、過剰なゲインでフィードバック制御を行うと、大きなオーバーシュートを発生させることになり、オーバーシュートを抑止しつつ収束応答性を確保できるゲインの設定が必要になる。
【０００５】
そこで、従来では、前記むだ時間に相関する機関の吸入空気量及び回転速度毎に予め最適なゲインを求め、これをマップに記憶させ、そのときの吸入空気量と回転速度に対応するゲインを前記マップから検索してフィードバック制御を行わせるようにしていた。
【０００６】
従って、従来では、ゲインの適合工数が必要であると共に、運転条件毎のゲインを記憶するマップのために多くの記憶容量が必要であり、更に、大きなオーバーシュートを回避するために高い応答性で空燃比（Ａ／Ｆ）をフィードバック制御することできないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料噴射量の補正結果が検出されるまでのむだ時間をなくして、運転条件毎のむだ時間に応じたゲインの設定が不要で、かつ、高い応答で空燃比を補正できる内燃機関の空燃比フィードバック制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明では、シリンダ内に形成される混合気の空燃比を推定し、該推定したシリンダ内空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算するよう構成する一方、前記推定したシリンダ内空燃比に基づき前記空燃比センサで検出される排気空燃比を推定し、該推定した排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比に基づいて、前記シリンダ内空燃比の推定値を補正するよう構成される共に、前記シリンダ内空燃比の推定において、前記空燃比補正値及び目標空燃比に基づき初期空燃比を演算し、体積効率，大気圧，吸気圧，圧縮比に基づいて新気割合を演算し、前記初期空燃比と新気割合とに基づいてシリンダ内空燃比を演算するよう構成した。
【０００９】
かかる構成によると、シリンダ内空燃比を推定し、該推定気結果を目標空燃比に一致させるように燃料噴射量をフィードバック制御する一方、推定したシリンダ内空燃比が遅れて空燃比センサで検出されることに基づき、空燃比センサによって検出される排気空燃比を推定し、該推定値と実際に空燃比センサで検出された排気空燃比とから、シリンダ内空燃比の推定誤差を修正する。ここで、空燃比補正値（空燃比フィードバック補正係数）と目標空燃比に基づき、燃料噴射量の演算上における空燃比である初期空燃比を求め、更に、シリンダ内の残留ガスで変化する新気割合で初期空燃比を修正して、シリンダ内に新気と噴射燃料とで形成される混合気の空燃比を推定するものとし、更に、シリンダ内の残留ガスで変化する新気の割合を、体積効率，大気圧，吸気圧，圧縮比に基づき推定する。
請求項２記載の発明では、シリンダ内に形成される混合気の空燃比を推定し、該推定したシリンダ内空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算するよう構成する一方、排気の輸送遅れ時間を、シリンダから前記空燃比センサまでの排気配管体積及び排気ガスの体積流量に基づき演算し、前記シリンダ内空燃比の推定値と前記排気の輸送遅れ時間に基づき、前記空燃比センサで検出される排気空燃比を推定し、該推定した排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比に基づいて、前記シリンダ内空燃比の推定値を補正するよう構成した。
かかる構成によると、シリンダで燃焼した燃焼ガスが、排気配管の途中に設けられる空燃比センサに到達するまでには時間を要するので、シリンダ内空燃比の推定値と前記到達に要する時間（輸送遅れ時間）に基づき、シリンダ内空燃比の推定値が前記輸送遅れ時間が経過した後で空燃比センサで検出されるものとして、空燃比センサによる検出値を推定し、該推定値と実際に空燃比センサで検出された排気空燃比とから、シリンダ内空燃比の推定誤差を修正する。ここで、シリンダから空燃比センサまでの排気配管体積を、排気で満たすのに要する時間として、排気の輸送遅れ時間を求める。
【００１０】
請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、空燃比補正値及び目標空燃比に基づき初期空燃比を演算し、該初期空燃比と新気割合とに基づいてシリンダ内空燃比を演算する構成とした。
【００１１】
かかる構成によると、空燃比補正値（空燃比フィードバック補正係数）と目標空燃比に基づき、燃料噴射量の演算上における空燃比である初期空燃比を求め、更に、シリンダ内の残留ガスで変化する新気割合で初期空燃比を修正して、シリンダ内に新気と噴射燃料とで形成される混合気の空燃比を推定する。
【００１２】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において、新気割合を、体積効率，大気圧，吸気圧，圧縮比に基づいて演算する構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、シリンダ内の残留ガスで変化する新気の割合を、体積効率，大気圧，吸気圧，圧縮比に基づき推定する。
【００１４】
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１つに記載の発明において、シリンダ内空燃比の推定値を、空燃比センサの動特性に基づき補正する構成とした。
【００１５】
かかる構成によると、実際の排気空燃比の変化に対して検出値の変化が遅れる空燃比センサの動特性に基づき、シリンダ内空燃比を補正することで、シリンダ内空燃比を空燃比センサで検出させたと仮定した場合の検出結果を推定させ、このシリンダ内空燃比の空燃比センサによる検出推定値に基づき、フィードバック制御を行わせる。即ち、見掛け上、シリンダ内の空燃比を直接空燃比センサで検出させて空燃比フィードバックを行わせる構成とする。
【００１６】
請求項６記載の発明では、請求項１記載の発明において、シリンダ内空燃比の推定値と排気の輸送遅れ時間に基づき、空燃比センサで検出される排気空燃比を推定する構成とした。
【００１７】
かかる構成によると、シリンダで燃焼した燃焼ガスが、排気配管の途中に設けられる空燃比センサに到達するまでには時間を要するので、シリンダ内空燃比と前記到達に要する時間（輸送遅れ時間）に基づき、シリンダ内空燃比の推定値が前記輸送遅れ時間が経過した後で空燃比センサで検出されるものとして、空燃比センサによる検出値を推定する。
【００１８】
請求項７記載の発明では、請求項６記載の発明において、排気の輸送遅れ時間を、シリンダから空燃比センサまでの排気配管体積及び排気ガスの体積流量に基づき演算する構成とした。
【００１９】
かかる構成によると、シリンダから空燃比センサまでの排気配管体積を、排気で満たすのに要する時間として、排気の輸送遅れ時間が求められる。
【００２０】
請求項８記載の発明では、請求項１〜７のいずれか１つに記載の発明において、前記推定した排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比との偏差を、所定の伝達関数に入力し、該伝達関数の出力で前記シリンダ内空燃比を補正する構成とした。
【００２１】
かかる構成によると、シリンダ内空燃比に基づき空燃比センサ部での空燃比を推定したときの推定誤差が、空燃比センサで実際に検出された排気空燃比との比較で求められ、該誤差からシリンダ内空燃比の推定値を補正するために、空燃比センサ部で推定誤差を伝達関数に入力してシリンダ内空燃比の推定誤差を修正するための補正値に変換する。
【００２２】
一方、請求項９記載の発明は、排気空燃比を検出する空燃比センサと、燃料噴射量を補正するための空燃比補正値とそのときの目標空燃比に基づいて初期空燃比を演算する手段と、新気割合を運転条件に応じて演算する手段と、前記初期空燃比と新気割合に基づいてシリンダ内空燃比を演算する手段と、前記シリンダ内空燃比に空燃比センサの動特性に応じた補正を施して最終的な推定空燃比を演算する手段と、空燃比センサまでの排気輸送遅れ時間を演算する手段と、前記推定空燃比と前記排気輸送遅れ時間に基づいて空燃比センサで検出される排気空燃比を演算する手段と、該手段で演算された排気空燃比と前記空燃比センサで検出された排気空燃比に基づいて外乱補正値を演算する手段と、前記目標空燃比，推定空燃比及び外乱補正値に基づいて空燃比補正値を演算する手段と、前記空燃比補正値に基づいて燃料噴射量を補正する手段と、を含んで構成される。
【００２３】
かかる構成によると、まず、空燃比補正値と目標空燃比とから噴射量の演算上における空燃比を初期空燃比として求め、該初期空燃比と新気割合とからシリンダ内に形成される混合気の空燃比を求める。更に、該シリンダ内の混合気の空燃比を空燃比センサで検出させた場合を想定して、シリンダ内の空燃比変化に対して遅れる空燃比センサの検出結果を推定し、これを最終的なシリンダ内空燃比の推定値とする。
【００２４】
ここで、実際には、空燃比センサはシリンダ部ではなく排気配管の途中に設けられ、排気の輸送遅れ時間だけシリンダ内空燃比を遅れて検出するので、シリンダ内空燃比が排気の輸送遅れ時間だけ遅れて空燃比センサで検出されるものとして、空燃比センサで検出されるはずの空燃比を推定する。そして、空燃比センサで検出されるものとして推定した空燃比と、実際に空燃比センサで検出された空燃比とから、空燃比の推定誤差に対応する外乱補正値を設定し、該外乱補正値，目標空燃比，シリンダ内空燃比から燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算する。
請求項１０記載の発明は、シリンダ内に形成される混合気の空燃比を推定し、該推定したシリンダ内空燃比に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比補正値を演算するよう構成する一方、前記推定したシリンダ内空燃比に前記空燃比センサの動特性に応じた補正を施すと共に、前記空燃比センサまでの排気輸送遅れ時間を演算し、前記動特性に応じた補正が施されたシリンダ内空燃比の推定値の前記排気輸送遅れ時間だけ前のデータと、前記空燃比センサで検出された排気空燃比とに基づいて、前記シリンダ内空燃比の推定値を補正する構成とした。
かかる構成によると、実際の排気空燃比の変化に対して検出値の変化が遅れる空燃比センサの動特性に基づき、シリンダ内空燃比を補正することで、シリンダ内空燃比を空燃比センサで検出させたと仮定した場合の検出結果を推定させる。そして、推定値の排気輸送遅れ時間だけ前のデータが、空燃比センサで検出されるはずの空燃比とし、この空燃比と実際に空燃比センサで検出された空燃比とから、シリンダ内空燃比の推定値を補正する。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、シリンダ内の空燃比を推定して空燃比フィードバック制御を行うので、むだ時間のないフィードバック制御を行わせることができ、むだ時間の変化に対応するためのゲインの適合・記憶が不要になると共に、高い応答で補正を行わせることができる一方、機関の運転条件及び環境条件によって変化する新気割合を精度良く推定し、該新気割合と燃料噴射制御上の空燃比とからシリンダ内に形成される混合気の空燃比を精度良く推定でき、更に、シリンダ内の空燃比の推定誤差を空燃比センサを用いて修正して、高い精度で空燃比を制御できるという効果がある。
請求項２記載の発明によると、推定したシリンダ空燃比が排気の輸送遅れ時間が経過してから空燃比センサで検出されることに対応して、空燃比センサで検出されることになる空燃比を推定でき、更に、排気の輸送遅れ時間をそのときの排気体積流量に基づいて精度良く推定できるという効果がある。
【００２６】
請求項３記載の発明によると、燃料噴射制御上の空燃比と、新気割合とからシリンダ内に形成される混合気の空燃比を精度良く推定できるという効果がある。
【００２７】
請求項４記載の発明によると、機関の運転条件及び環境条件によって変化する新気割合を精度良く推定できるという効果がある。
【００２８】
請求項５記載の発明によると、シリンダ内の空燃比を空燃比センサで直接検出させた場合に相当する空燃比の推定結果が得られ、空燃比センサによる検出結果に基づいて空燃比をフィードバック制御する構成に対して、排気の輸送遅れ時間によるむだ時間を無くした制御システムを構築できるという効果がある。
【００２９】
請求項６記載の発明によると、推定したシリンダ空燃比が排気の輸送遅れ時間が経過してから空燃比センサで検出されることに対応して、空燃比センサで検出されることになる空燃比を推定できるという効果がある。
【００３０】
請求項７記載の発明によると、排気の輸送遅れ時間をそのときの排気体積流量に基づいて精度良く推定できるという効果がある。
【００３１】
請求項８記載の発明によると、空燃比センサ部における空燃比の推定誤差からシリンダ内空燃比の推定誤差を精度良く補正することができるという効果がある。
【００３２】
請求項９記載の発明によると、シリンダ内の空燃比を空燃比センサで直接検出させた場合の検出結果を推定して、空燃比をフィードバック制御するので、排気の輸送遅れ時間を見掛け上無くして制御を行わせることができ、むだ時間の変化に対応するためのゲインの適合・記憶が不要になると共に、高い応答で補正を行わせることができる一方、前記シリンダ内空燃比の推定値の誤差を実際に空燃比センサで検出された結果から精度良く修正でき、目標空燃比に高い精度でフィードバック制御することができるという効果がある。
請求項１０記載の発明によると、空燃比センサの動特性と排気輸送遅れ時間とに対応して、空燃比センサで検出されることになる空燃比を推定して、シリンダ内の空燃比の推定誤差を高精度に修正できるという効果がある。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００３４】
図１は実施の形態における内燃機関のシステム構成図である。
この図１において、車両に搭載される内燃機関１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２，吸気通路３，モータで開閉駆動される電子制御式スロットル弁４を介して空気が吸入される。
【００３５】
各気筒の燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁５が設けられており、該燃料噴射弁５から噴射される燃料と前記吸入される空気とによって燃焼室内に混合気が形成される。
【００３６】
燃料噴射弁５は、コントロールユニット２０から出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓６回りに集中的に層状の混合気を形成する。燃焼室内に形成される混合気は、点火栓６により着火燃焼する。
【００３７】
但し、内燃機関1を上記の直接噴射式ガソリン機関に限定するものではなく、吸気ポートに燃料を噴射する構成の機関であっても良い。
【００３８】
機関１からの排気は排気通路７より排出され、該排気通路７には排気浄化用の触媒８が介装されている。
【００３９】
また、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料を燃焼処理する蒸発燃料処理装置が設けられている。
【００４０】
キャニスタ１０は、密閉容器内に活性炭などの吸着剤１１を充填したもので、燃料タンク９から延設される蒸発燃料導入管１２が接続されている。従って、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料は、前記蒸発燃料導入管１２を通って、キャニスタ１０に導かれ吸着捕集される。
【００４１】
また、キャニスタ１０には、新気導入口１３が形成されると共に、パージ配管１４が導出され、前記パージ配管１４には、コントロールユニット２０からの制御信号によって開閉が制御されるパージ制御弁１５が介装される。
【００４２】
上記構成において、パージ制御弁１５が開制御されると、機関１の吸入負圧がキャニスタ１０に作用する結果、新気導入口１３から導入される空気によってキャニスタ１０の吸着剤１１に吸着されていた蒸発燃料がパージされ、パージエアがパージ配管１４を通って吸気通路３のスロットル弁４下流に吸入され、その後、機関１の燃焼室内で燃焼処理される。
【００４３】
コントロールユニット２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイコンを備え、各種センサからの入力信号を受け、これらに基づいて演算処理して、燃料噴射弁５，点火栓６及びパージ制御弁１５などの作動を制御する。
【００４４】
前記各種センサとして、機関１のクランク角を検出するクランク角センサ２１、カム軸から気筒判別信号を取り出すカムセンサ２２が設けられており、前記クランク角センサ２１からの信号に基づき機関の回転速度Ｎｅが算出される。
【００４５】
この他、吸気通路３のスロットル弁４上流側で吸入空気流量Ｑ（質量流量）を検出するエアフローメータ２３、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ２５、機関１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ２６、排気中の酸素濃度に応じて燃焼混合気の空燃比をリニアに検出する広域型の空燃比センサ２７、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２８などが設けられている。
【００４６】
ここで、前記広域型の空燃比センサ２７の構造を、図２に基づいて説明する。ジルコニア（ＺｒＯ2）等の固体電解質部材からなる基板３１上に、酸素濃度測定用の＋電極３２が設けられている。また、前記基板３１内には、大気が導入される中空部３３が開設され、この中空部３３の天井部には、−電極３４が基板３１を挟んで＋電極３２に対向するように取り付けられており、前記基板３１と＋電極３２と−電極３４とにより酸素濃度検出部３５が形成される。
【００４７】
また、ジルコニア等からなる固体電解質部材３６の両面に一対の白金からなるポンプ電極３７，３８を設けて形成される酸素ポンプ部３９を有している。
【００４８】
そして、該酸素ポンプ部３９を、例えばアルミナで枠状に形成したスペーサ４０を介して酸素濃度検出部３５の上方に積層して、酸素濃度検出部３５と酸素ポンプ部３９との間に中空室４１が設けられ、かつ、この中空室４１に機関の排気を導入するための導入孔４２が酸素ポンプ部３９の固体電解質部材３６に形成されている。
【００４９】
尚、前記スペーサ４０の外周にはガラス製の接着剤４３が充填され、中空室４１の密閉性を確保すると共に、基板３１及びスペーサ４０と固体電解質３６とを接着固定するようにしてある。ここで、スペーサ４０と基板３１とは同時焼成して結合されるため、中空室４１の密閉性はスペーサ４０と固体電解質部材３６とを接着することによって確保されるものである。また、酸素濃度検出部３９には、加熱用のヒーター４４が内蔵されている。
【００５０】
そして、導入孔４２を介して中空室４１に導入された排気の酸素濃度を前記＋電極３２の電圧から検出する。具体的には、中空部３３内の大気中の酸素と中空室４１内の排気中の酸素との濃度差に応じて基板３１内を酸素イオンが流れ、これに伴って、＋電極３２に排気中の酸素濃度に対応する起電力が発生する。
【００５１】
そして、この検出結果に応じて中空室４１内の雰囲気を一定（例えば理論空燃比) に保つように酸素ポンプ部３９に流す電流値を制御し、その時の電流値から排気中の酸素濃度（排気空燃比）を検出する。
【００５２】
具体的には、前記＋電極３２の電圧を、制御回路４５によって増幅処理した後、電圧検出抵抗４６を介して電極３７，３８間に印加し、中空室４１内の酸素濃度を一定に保つようにする。
【００５３】
例えば、排気中の酸素濃度の高いリーン領域での空燃比を検出する場合には、外側のポンプ電極３７を陽極、中空室４１側のポンプ電極３８を陰極にして電圧を印加する。すると、電流に比例した酸素（酸素イオンＯ2- )が中空室４１から外側に汲み出される。そして、印加電圧が所定値以上になると、流れる電流は限界値に達し、この限界電流値を前記制御回路４５で測定することにより排気中の酸素濃度、換言すれば、排気空燃比を検出できる。
【００５４】
逆に、ポンプ電極３７を陰極、ポンプ電極３８を陽極にして中空室４１内に酸素を汲み入れるようにすれば、排気中の酸素濃度の低い空燃比リッチ領域での空燃比検出が行える。
【００５５】
上記限界電流は、前記電圧検出抵抗４６の端子間電圧を検出する差動増幅器４７の出力電圧から検出される。
【００５６】
前記コントロールユニット２０は、所定の空燃比フィードバック制御条件が成立するときに、燃焼混合気の空燃比を目標空燃比に一致させるべく、本発明に係る空燃比フィードバック制御を行なう。
【００５７】
図３のブロック図は、前記空燃比フィードバック制御を示すものであり、スライディングモードコントローラ５１（空燃比補正値演算手段）には、後述するようにして演算される推定空燃比と目標空燃比との偏差（エラー）が入力され、該偏差に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ（空燃比補正値）を出力する。
【００５８】
前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、燃料噴射量演算部５２（噴射量補正手段）に入力され、ここで、基本燃料噴射量を前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡで補正して最終的な燃料噴射量Ｔｉが算出され、該燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パルス信号が、機関１の燃料噴射弁５に出力される。
【００５９】
図４は前記スライディングモードコントローラ５１の詳細を示すブロック図であり、前記偏差（エラー）に基づいて線形項Ｕ１を演算する線形項演算部５１１と、前記偏差（エラー）に基づいて非線形項Ｕ２を演算する非線形項演算部５１２とからなり、線形項Ｕ１＋非線形項Ｕ２＝ＡＬＰＨＡとして、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを出力する。
【００６０】
前記線形項演算部５１１は、エラー×ゲイン、∫（エラー）×ゲイン、目標空燃比×ゲインをそれぞれ演算し、これらの演算結果を総和して線形項Ｕ１を算出するものであり、詳細には、エラーをx1、αi,ａi,ｂ(i:1,2,3)を係数とすると、
Ｕ１＝1/ｂ((a0−α3−α1(a1−α1))x1−α3(a1−α1)∫（x1）＋a0r)
として、線形項Ｕ１を算出する。
【００６１】
一方、非線形項演算部５１２は、切換関数をσ、チャタリング防止係数をδ、係数をＫとしたときに、
σ＝α１・x1＋ｄ（x1）/ｄｔ＋α３∫（x1）
Ｕ２＝Ｋ・σ／（｜σ｜＋δ）
として、非線形項Ｕ２を算出する。
【００６２】
尚、本実施形態では、スライディングモードによって偏差（エラー）から空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを算出させる構成としたが、比例積分動作（ＰＩ）或いは比例積分微分動作（ＰＩＤ）によって、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを算出する構成としても良い。
【００６３】
例えば、比例積分微分動作（ＰＩＤ）によって空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを算出する場合には、比例ゲインをＫｐ，積分ゲインをＫｉ、微分ゲインをＫｄとしたときに、
ＡＬＰＨＡ＝Ｋｐ・x1＋Ｋｉ・∫（x1）＋Ｋｄ・ｄ（x1）/ｄｔ
として空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡが算出される。
【００６４】
また、図４に示す構成とは異なる構成のスライディングモードで空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを算出させる構成としても良く、推定空燃比を目標空燃比に近づけるように空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを算出する構成であれば、公知の如何なる構成も適用可能である。
【００６５】
一方、前記空燃比偏差（エラー）の演算に用いられる推定空燃比を算出するための構成として、空燃比推定部５３、むだ時間後空燃比推定部５４、外乱補償器５５が設けられている。
【００６６】
図５は、前記空燃比推定部５３の詳細を示すものであり、初期空燃比演算部５３１（初期空燃比演算手段）には、前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ及び目標当量比ＴＦＢＹＡが入力され、初期空燃比を、
初期空燃比＝係数／（ＡＬＰＨＡ×ＴＦＢＹＡ）
として算出する。
【００６７】
燃料噴射量は、理論空燃比相当の噴射量×ＴＦＢＹＡ×ＡＬＰＨＡとして算出されることになるから、ＡＬＰＨＡ×ＴＦＢＹＡは燃料噴射量の演算上における当量比となり、この当量比の逆数に係数を乗算して空燃比に変換している。
【００６８】
前記初期空燃比はシリンダ内空燃比演算部５３２（シリンダ内空燃比演算手段）に入力され、該シリンダ内空燃比演算部５３２では、そのときの新気割合ηと前記初期空燃比とからシリンダ内空燃比を下式に従って算出する。
【００６９】
シリンダ内空燃比＝η×初期空燃比＋（１−η）×シリンダ内空燃比（old）前記新気割合ηは新気割合演算部５３３（新気割合演算手段）で算出される。
【００７０】
前記新気割合演算部５３３には、機関回転速度Ｎｅ，エアフローメータ２３で検出された吸入空気流量，大気圧，吸気圧が入力され、下式に従って新気割合ηを算出する。
【００７１】
η＝ηｖ×（大気圧／吸気圧）×（（ε−１）／ε）
ここで、ηｖは体積効率であり、機関回転速度Ｎｅ，吸入空気流量に基づき設定される。また、εは圧縮比である。
【００７２】
尚、大気圧，吸気圧は、それぞれを検出するセンサを設ける構成としても良いし、また、運転条件から推定させることも可能である。
【００７３】
前記シリンダ内空燃比演算部５３２で算出されたシリンダ内空燃比は、１次遅れ補正部５３４に入力される。
【００７４】
前記１次遅れ補正部５３４は、前記シリンダ内空燃比を空燃比センサ２７で検出させた場合、換言すれば、シリンダ内に空燃比センサ２７を設置したと仮定した場合の空燃比センサ２７による検出空燃比を推定するものである。
【００７５】
空燃比センサ２７は、酸素濃度（空燃比）の変化に対して１次遅れをもって応答する動特性を有するので、前記１次遅れ補正部５３４（推定空燃比演算手段）は、前記シリンダ内空燃比に１次遅れ補正を施して、これをシリンダ内空燃比を空燃比センサ２７で検出させた場合の検出結果として推定する。
【００７６】
具体的には、空燃比センサ２７による検出空燃比の推定値を推定空燃比とすると、
0003869634.tif 000002
として推定空燃比を算出する。
【００７７】
前記１次遅れ補正部５３４で算出される推定空燃比は、排気輸送遅れ（むだ時間）がない条件での空燃比を推定することになり、該推定空燃比に基づいて空燃比フィードバック制御（スライディングモードコントローラ５１における補正係数ＡＬＰＨＡの演算）を行わせる構成とすれば、むだ時間の変化に対応するためのゲインの適合・記憶が不要になると共に、高い応答で補正を行わせることができる。
【００７８】
但し、前記推定空燃比は、外乱の影響で実際の空燃比からずれることになるため、前記空燃比センサ２７を用いて前記推定空燃比を修正するようにしてあり、具体的には、むだ時間後空燃比推定部５４，外乱補償器５５によって前記修正が行われる。
【００７９】
前記むだ時間後空燃比推定部５４は、図６に示すように、排気輸送遅れ時間算出部５４１と、排気輸送遅れ後空燃比算出部５４２とから構成される。
【００８０】
排気輸送遅れ時間算出部５４１（輸送遅れ時間演算手段）は、排気輸送遅れ時間を、シリンダから空燃比センサ２７までの排気配管容積と、排気ガス体積流量とから、
排気輸送遅れ時間＝排気配管容積／排気ガス体積流量
として算出する。
【００８１】
ここで、前記排気配管容積は固定値であるので予め記憶させておく。また、排気ガス体積流量は、エアフローメータ２３で検出される吸入空気の質量流量を排気の質量流量と見做し、該排気ガス質量流量と排気温度とから体積流量を算出させる。
【００８２】
排気輸送遅れ後空燃比算出部５４２（排気空燃比演算手段）は、過去所定時間内に前記１次遅れ補正部５３４で算出された推定空燃比を時系列に記憶し、この時系列に記憶される複数の推定空燃比のデータの中から、前記排気輸送遅れ時間だけ前のデータを検索して、排気輸送遅れ後空燃比（排気空燃比）として出力する。
【００８３】
即ち、前記１次遅れ補正部５３４で算出された推定空燃比はシリンダ内空燃比であり、該空燃比の排気は、前記排気輸送遅れ時間が経過してから空燃比センサ２７に到達することになり、現時点で空燃比センサ２７で検出されることになる排気空燃比は、前記排気輸送遅れ時間だけ前のシリンダ内空燃比ということになる。
【００８４】
前記排気輸送遅れ後空燃比は空燃比センサ２７による検出空燃比と共に外乱補償器５５（外乱補正値演算手段）に入力され、該外乱補償器５５では、前記空燃比センサ２７による検出空燃比と前記排気輸送遅れ後空燃比（推定排気空燃比）との偏差を、予め設定された伝達関数に入力して、その出力を推定空燃比の補正値（外乱補正値）として出力する。
【００８５】
前記空燃比センサ２７による検出空燃比と前記排気輸送遅れ後空燃比との偏差は、前記排気輸送遅れ後空燃比の誤差を示すが、シリンダ内空燃比である推定空燃比を補正する必要があるため、前記偏差からシリンダ内空燃比である推定空燃比が適正に補正されるように伝達関数を予めシステム同定させてある。
【００８６】
前記外乱補償器５５の出力は、前記１次遅れ補正部５３４から出力される推定空燃比に加算され、該加算によって修正された推定空燃比と、目標空燃比との偏差に基づいて空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを演算させる。従って、外乱によって推定空燃比に大きな誤差が生じることを防止でき、高い精度で目標空燃比にフィードバック制御できる。
【００８７】
尚、本実施形態では、外乱補償器５５の出力で推定空燃比を補正してから、目標空燃比に対する偏差を求めさせる構成としたが、例えば、目標空燃比を外乱補償器５５の出力で補正し、該補正後の目標空燃比と推定空燃比との偏差を演算させるようにしても、実質的な違いはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における内燃機関のシステム構成図。
【図２】実施の形態における空燃比センサ及びその周辺回路を示す図。
【図３】実施の形態における空燃比フィードバック制御の構成を示すブロック図。
【図４】実施の形態におけるスライディングモードコントローラを示すブロック図。
【図５】実施の形態における空燃比推定部を示すブロック図。
【図６】実施の形態におけるむだ時間後空燃比推定部を示すブロック図。
【符号の説明】
１…内燃機関
３…吸気通路
４…スロットル弁
５…燃料噴射弁
２０…コントロールユニット
２７…空燃比センサ
５１…スライディングモードコントローラ
５２…燃料噴射量演算部
５３…空燃比推定部
５４…むだ時間後空燃比推定部
５５…外乱補償器
【図１】
0003869634.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003869634.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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