(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
前記触媒の上流の前記排気通路に配設されて前記排気通路内の排ガスの空燃比に応じた値を出力する空燃比センサと、
を備えた内燃機関に適用され、
前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比の目標値である目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標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、
前記目標空燃比設定手段は、
前記空燃比センサの出力がリッチ空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリッチ応答速度、及び、前記空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリーン応答速度を取得する応答速度取得手段を備え、
前記リッチ応答速度と前記リーン応答速度との相違の程度に基づいて前記目標空燃比を設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置において、
前記目標空燃比設定手段は、
前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が大きい場合、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定するとともに、前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が小さい場合、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項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、
前記目標空燃比設定手段は、
前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が大きい場合、前記リーン応答速度に対して前記リッチ応答速度が大きい程度が大きいほど前記目標空燃比をよりリッチな空燃比に設定するとともに、前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が小さい場合、前記リーン応答速度に対して前記リッチ応答速度が小さい程度が大きいほど前記目標空燃比をよりリーンな空燃比に設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
前記触媒の上流の前記排気通路に配設されて前記排気通路内の排ガスの空燃比に応じた値を出力する空燃比センサと、
を備えた内燃機関に適用され、
前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比の目標値である目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標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、
前記目標空燃比設定手段は、
前記空燃比センサの出力がリッチ空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリッチ応答速度、及び、前記空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリーン応答速度を取得する応答速度取得手段を備え、
前記リッチ応答速度と前記リーン応答速度との相違の程度に基づいて前記目標空燃比を設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置において、
前記フィードバック制御手段は、
吸気行程にて前記燃焼室に吸入された空気の量を理論空燃比で除した値である基本燃料噴射量を取得する基本燃料噴射量取得手段と、
前記目標空燃比と前記空燃比センサの出力とに基づいて前記基本燃料噴射量を補正するためのフィードバック補正量を取得するフィードバック補正量取得手段と、
前記基本燃料噴射量を前記フィードバック補正量に基づいて補正することで指令燃料噴射量を算出する指令燃料噴射量算出手段と、
を備え、
前記指令燃料噴射量の燃料の噴射指示を燃料噴射を行う燃料噴射手段に対して行うことで前記燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標空燃比に一致するようにフィードバック制御するよう構成されていて、
前記フィードバック補正量取得手段は、
前記空燃比センサの出力の変化に対する前記フィードバック補正量の変化の程度を調整する調整値を使用して前記フィードバック補正量を取得するとともに、前記調整値を前記空燃比センサの出力に対応する空燃比である検出空燃比が前記目標空燃比よりもリッチである場合と前記検出空燃比が前記目標空燃比よりもリーンである場合とで異なる値に設定するように構成されていて、
前記目標空燃比設定手段は、
前記検出空燃比が前記目標空燃比よりもリーンである場合における前記指令燃料噴射量を増量させる方向への前記フィードバック補正量の変化速度である増量変化速度よりも前記検出空燃比が前記目標空燃比よりもリッチである場合における前記指令燃料噴射量を減量させる方向への前記フィードバック補正量の変化速度である減量変化速度が大きい場合、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定するとともに、前記増量変化速度よりも前記減量変化速度が小さい場合、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記目標空燃比設定手段は、
前記増量変化速度よりも前記減量変化速度が大きい場合、前記増量変化速度に対して前記減量変化速度が大きい程度が大きいほど前記目標空燃比をよりリッチな空燃比に設定するとともに、前記増量変化速度よりも前記減量変化速度が小さい場合、前記増量変化速度に対して前記減量変化速度が小さい程度が大きいほど前記目標空燃比をよりリーンな空燃比に設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
前記触媒の上流の前記排気通路に配設されて前記排気通路内の排ガスの空燃比に応じた値を出力する空燃比センサと、
を備えた内燃機関に適用され、
前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比の目標値である目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標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、
前記目標空燃比設定手段は、
失火の発生頻度を表す値を取得する失火頻度取得手段と、
前記空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリーン応答速度を取得する応答速度取得手段と、
を備え、
前記失火の発生頻度を表す値と前記リーン応答速度とに基づいて前記目標空燃比を設定するように構成された内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記フィードバック制御手段は、
吸気行程にて前記燃焼室に吸入された空気の量を理論空燃比で除した値である基本燃料噴射量を取得する基本燃料噴射量取得手段と、
前記目標空燃比と前記空燃比センサの出力とに基づいて前記基本燃料噴射量を補正するためのフィードバック補正量を取得するフィードバック補正量取得手段と、
前記基本燃料噴射量を前記フィードバック補正量に基づいて補正することで指令燃料噴射量を算出する指令燃料噴射量算出手段と、
を備え、
前記指令燃料噴射量の燃料の噴射指示を燃料噴射を行う燃料噴射手段に対して行うことで前記燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標空燃比に一致するようにフィードバック制御するよう構成された内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記目標空燃比設定手段は、
前記失火の発生頻度が大きいほど、前記リーン応答速度が大きいほど、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比であってよりリーンな空燃比に設定するように構成された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】
本発明は、排気通路に配設された触媒（特に、三元触媒）の上流の排気通路に配設された空燃比センサを備えた内燃機関に適用され、空燃比センサの出力値に基づいて内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。以下、燃焼室内の混合気の空燃比を単に「空燃比」と称呼し、内燃機関を単に「機関」と称呼することもある。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の空燃比制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この空燃比制御装置では、排気通路に配設された三元触媒の上流に配設された上流側空燃比センサの出力に基づいて（より正確には、触媒の下流に配設された下流側空燃比センサの出力にも基づいて）、以下のように空燃比制御が実行される。
【特許文献１】特開平７−１９７８３７号公報
【０００３】
空燃比の目標値である目標空燃比が特別な場合を除いて理論空燃比に設定される。機関の運転状態（エアフローメータの出力値、運転速度等）に基づいて、吸気行程にて燃焼室に吸入された空気の量（筒内吸入空気量）を理論空燃比で除した値（基本燃料噴射量）がテーブル検索により決定される。上流側空燃比センサの出力に対応する空燃比（検出空燃比）（より正確には、上流側空燃比センサの出力を下流側空燃比センサの出力に基づいて補正した値に対応する空燃比）と、目標空燃比（＝理論空燃比）との偏差が算出される。この偏差に対して比例・積分処理（ＰＩ処理）等を施してフィードバック補正量が算出される。基本燃料噴射量にフィードバック補正量を加えることで（即ち、基本燃料噴射量をフィードバック補正量で補正することで）指令燃料噴射量が算出される。そして、指令燃料噴射量の燃料の噴射指示がインジェクタに対して行われることで、空燃比が目標空燃比（＝理論空燃比）と一致するようにフィードバック制御される。
【０００４】
ところで、上流側空燃比センサの使用状態によっては、上流側空燃比センサの出力がリッチ空燃比方向へ変化する場合における上流側空燃比センサの出力の応答速度（リッチ応答速度）と、上流側空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化する場合における上流側空燃比センサの出力の応答速度（リーン応答速度）とが異なる場合が発生し得る（詳細は後述する）。ここで、本明細書では、「応答速度」は、実際の排ガスの空燃比の変化に対する上流側空燃比センサ出力の変化の遅れの程度を表し、「応答速度」が大きいとは、実際の排ガスの空燃比の変化に対する上流側空燃比センサ出力の変化の遅れの程度が小さいことを意味する。
【０００５】
以下、上流側空燃比センサの出力がリッチ空燃比方向へ変化していくことに起因してフィードバック補正量が指令燃料噴射量を減量させる方向（減量方向）に変化していく際におけるフィードバック補正量の変化速度を「減量変化速度」と称呼し、上流側空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化していくことに起因してフィードバック補正量が指令燃料噴射量を増量させる方向（増量方向）に変化していく際におけるフィードバック補正量の変化速度を「増量変化速度」と称呼する。本明細書では、「変化速度」とは、フィードバック補正量の時間に対する変化勾配を意味する。以下、目標空燃比が理論空燃比に設定されているものとして説明を続ける。
【０００６】
上述のように、リッチ応答速度とリーン応答速度とが異なる場合において、リッチ応答速度がリーン応答速度よりも大きい場合、減量変化速度が増量変化速度よりも大きくなる。これにより、フィードバック補正量の時間に対する平均値（平均フィードバック補正量）が基本燃料噴射量を補正しない値（上記文献に記載の装置では「０」、以下、「中心値」と称呼する。）に対して減量方向に偏移する傾向が発生し易い（詳細は後述する）。この結果、排ガスの空燃比の時間に対する平均値（平均排気空燃比）が理論空燃比に対してリーン方向に偏移する傾向が発生し易い。逆に、リッチ応答速度がリーン応答速度よりも小さい場合、減量変化速度が増量変化速度よりも小さくなることに起因して、平均フィードバック補正量が中心値に対して増量方向に偏移する傾向が発生し、この結果、平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向に偏移する傾向が発生し易い。
【０００７】
他方、点火装置の異常（例えば、点火プラグのくすぶり等）等に起因して失火が発生する毎に、検出空燃比が排ガスの実際の空燃比（実排気空燃比）に対してリーン方向に偏移する傾向が発生し得る（詳細は後述する）。この傾向により、フィードバック補正量が増量方向に偏移し得る。即ち、失火が繰り返し発生すると、平均フィードバック補正量が中心値に対して増量方向に偏移する傾向が発生し得る。この結果、平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向に偏移する傾向が発生し得る。
【０００８】
以上のように、目標空燃比が理論空燃比に設定されている場合において、リッチ・リーン応答速度に相違がある場合、並びに、失火が発生する場合、平均フィードバック補正量が中心値から増量方向又は減量方向に偏移することで平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向又はリーン方向に偏移する傾向が発生し得る。以下、このような平均排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ方向又はリーン方向への偏移を、単に「平均排気空燃比の偏移」とも称呼する。
【０００９】
平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向（リーン方向）に偏移することは、触媒内の雰囲気が平均的にリッチ雰囲気（リーン雰囲気）となって未燃成分ＨＣ，ＣＯ（窒素酸化物ＮＯｘ）についての触媒の浄化性能が低下することを意味する。従って、「平均排気空燃比の偏移」の傾向が発生している場合、係る「平均排気空燃比の偏移」を迅速に補償して平均排気空燃比を理論空燃比に近づけることが好ましい。
【００１０】
ここで、上記文献に記載の装置のように、上記偏差の積分処理が施されてフィードバック補正量が算出されていく場合、係る積分処理によっても上記「平均排気空燃比の偏移」を補償することができる。しかしながら、この場合、上記「平均排気空燃比の偏移」を補償するために上記偏差を多数回に亘って繰り返し積算していく必要があり、この結果、「平均排気空燃比の偏移」を迅速に補償し得ないという問題がある。
【発明の開示】
【００１１】
以上より、本発明の目的は、リッチ・リーン応答速度の相違、並びに失火の発生に起因して平均フィードバック補正量が中心値から偏移することにより発生し得る「平均排気空燃比の偏移」を迅速に補償し、平均排気空燃比を理論空燃比に迅速に近づけ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。
【００１２】
本発明に係る第１の空燃比制御装置は、内燃機関の排気通路に配設された触媒（特に、三元触媒）と、前記触媒の上流の前記排気通路に配設されて前記排気通路内の排ガスの空燃比に応じた値を出力する空燃比センサ（即ち、上記上流側空燃比センサ）とを備えた内燃機関に適用される。
【００１３】
この第１の空燃比制御装置は、前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比の目標値である目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、前記空燃比センサの出力に基づいて前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標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制御手段とを備えている。
【００１４】
ここで、前記フィードバック制御手段は、吸気行程にて前記燃焼室に吸入された空気の量を理論空燃比で除した値である基本燃料噴射量を取得する基本燃料噴射量取得手段と、前記目標空燃比と前記空燃比センサの出力とに基づいて前記基本燃料噴射量を補正するためのフィードバック補正量を取得するフィードバック補正量取得手段と、前記基本燃料噴射量を前記フィードバック補正量に基づいて補正することで指令燃料噴射量を算出する指令燃料噴射量算出手段とを備え、前記指令燃料噴射量の燃料の噴射指示を燃料噴射を行う燃料噴射手段に対して行うことで前記燃焼室内の混合気の空燃比を前記目標空燃比に一致するようにフィードバック制御するよう構成されることが好適である。
【００１５】
この第１の空燃比制御装置の特徴は、前記目標空燃比設定手段が、前記空燃比センサの出力がリッチ空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリッチ応答速度、及び、前記空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリーン応答速度を取得する応答速度取得手段を備え、前記リッチ応答速度と前記リーン応答速度との相違の程度に基づいて前記目標空燃比を設定するように構成されたことにある。
【００１６】
具体的には、例えば、前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が大きい場合、前記目標空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定され、前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が小さい場合、前記目標空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。
【００１７】
上記構成によれば、リッチ応答速度がリーン応答速度よりも大きい場合（小さい場合）、即ち、「目標空燃比が理論空燃比に設定される場合において平均排気空燃比が理論空燃比に対してリーン方向（リッチ方向）に偏移する傾向が発生し易い場合」、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな（リーンな）空燃比に設定される。
【００１８】
従って、目標空燃比が理論空燃比に設定される場合に比して、目標空燃比の理論空燃比に対する偏移分だけ平均排気空燃比がリッチ方向（リーン方向）に直ちに偏移し得る。即ち、目標空燃比を理論空燃比から敢えて偏移させることにより、上記「平均排気空燃比の偏移」を迅速に補償し、平均排気空燃比を理論空燃比に迅速に近づけることができる。この結果、未燃成分ＨＣ，ＣＯ及び窒素酸化物ＮＯｘについての触媒の浄化性能を安定させることができる。
【００１９】
この場合、前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が大きい場合、前記リーン応答速度に対して前記リッチ応答速度が大きい程度が大きいほど前記目標空燃比がよりリッチな空燃比に設定され、前記リーン応答速度よりも前記リッチ応答速度が小さい場合、前記リーン応答速度に対して前記リッチ応答速度が小さい程度が大きいほど前記目標空燃比がよりリーンな空燃比に設定されることが好適である。
【００２０】
平均フィードバック補正量が中心値から偏移する程度は、減量変化速度と増量変化速度との相違の程度（従って、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度）に依存し、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度が大きいほど、平均フィードバック補正量が中心値から偏移する程度が大きくなる。従って、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度が大きいほど「平均排気空燃比の偏移」の程度も大きくなる。これに伴い、目標空燃比を理論空燃比から偏移させる程度も大きくする必要がある。上記構成は、係る知見に基づく。これによれば、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度に依存することなく安定して平均排気空燃比を理論空燃比に近づけることができる。
【００２１】
通常、フィードバック補正量は、空燃比センサの出力の変化に対するフィードバック補正量の変化の程度を調整する調整値（例えば、ゲイン）を使用して取得される。ここまでの説明は、この調整値が、検出空燃比が目標空燃比よりもリッチである場合とリーンである場合とで同じ値に設定されることが前提とされていた。この場合、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度は、減量変化速度と増量変化速度との相違の程度と一致し得る。
【００２２】
一方、この調整値が、検出空燃比が目標空燃比よりもリッチである場合とリーンである場合とで異なる値に設定される場合がある（詳細は後述する）。このことは、減量変化速度と増量変化速度との相違の程度が、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度のみならず調整値の設定の仕方にも依存することを意味する。より具体的には、例えば、減量変化速度と増量変化速度との相違の程度は、（リッチ応答速度×「検出空燃比が目標空燃比よりもリッチである場合のゲイン」）と（リーン応答速度×「検出空燃比が目標空燃比よりもリーンである場合のゲイン」）との相違の程度で表すことができる。
【００２３】
即ち、この場合、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度は、減量変化速度と増量変化速度との相違の程度とは一致せず、平均フィードバック補正量が中心値から偏移する程度は、リッチ応答速度とリーン応答速度との相違の程度よりも減量変化速度と増量変化速度との相違の程度により一層強く依存する。
【００２４】
従って、この場合、「リーン応答速度」を「増量変化速度」に、「リッチ応答速度」を「減量変化速度」にそれぞれ置き換えて、増量変化速度よりも減量変化速度が大きい場合、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定するとともに、増量変化速度よりも減量変化速度が小さい場合、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定するように構成されることが好ましい。
【００２５】
加えて、増量変化速度よりも減量変化速度が大きい場合、増量変化速度に対して減量変化速度が大きい程度が大きいほど目標空燃比をよりリッチな空燃比に設定するとともに、増量変化速度よりも減量変化速度が小さい場合、増量変化速度に対して減量変化速度が小さい程度が大きいほど目標空燃比をよりリーンな空燃比に設定するように構成されることが好ましい。
【００２６】
また、本発明に係る第２の空燃比制御装置は、上記第１の空燃比制御装置と同様、前記触媒（特に、三元触媒）と、前記触媒上流に配設された前記空燃比センサとを備えた内燃機関に適用され、前記目標空燃比設定手段と、前記フィードバック制御手段とを備えている。
【００２７】
この第２の空燃比制御装置の特徴は、前記目標空燃比設定手段が、（点火装置の異常等に起因する）失火の発生頻度を表す値を取得する失火頻度取得手段と、前記空燃比センサの出力がリーン空燃比方向へ変化する場合における前記空燃比センサの出力の応答速度であるリーン応答速度を取得する応答速度取得手段とを備え、前記失火の発生頻度を表す値と前記リーン応答速度とに基づいて前記目標空燃比を設定するように構成されたことにある。
【００２８】
具体的には、例えば、前記失火の発生頻度が大きいほど、前記リーン応答速度が大きいほど、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比であってよりリーンな空燃比に設定されることが好適である。
【００２９】
上記構成によれば、失火が繰り返し発生する場合、即ち、「目標空燃比が理論空燃比に設定される場合において平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向に偏移する傾向が発生し得る場合」、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。
【００３０】
従って、目標空燃比が理論空燃比に設定される場合に比して、目標空燃比の理論空燃比に対する偏移分だけ平均排気空燃比がリーン方向に直ちに偏移し得る。即ち、上記第１の空燃比制御装置と同様、目標空燃比を理論空燃比から敢えて偏移させることにより、上記「平均排気空燃比の偏移」を迅速に補償し、平均排気空燃比を理論空燃比に迅速に近づけることができる。この結果、未燃成分ＨＣ，ＣＯ及び窒素酸化物ＮＯｘについての触媒の浄化性能を安定させることができる。
【００３１】
加えて、失火が発生する毎に検出空燃比が実排気空燃比に対してリーン方向に偏移する傾向が発生すること、並びに、検出空燃比がリーン方向に偏移する際においてリーン応答速度が大きいほど検出空燃比がリーン方向に偏移する程度がより大きくなること、を考慮すると、失火の発生頻度が大きいほど、且つ、リーン応答速度が大きいほど、失火に起因して平均フィードバック補正量が中心値に対して増量方向に偏移する程度が大きくなる。従って、失火の発生頻度が大きいほど、且つ、リーン応答速度が大きいほど、平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向へ偏移する程度も大きくなる。これに伴い、目標空燃比を理論空燃比からリーン方向へ偏移させる程度も大きくする必要がある。上記構成は、係る知見に基づく。これによれば、失火の発生頻度、及びリーン応答速度に依存することなく安定して平均排気空燃比を理論空燃比に近づけることができる。
【００３２】
なお、上記第１の空燃比制御装置において、前記目標空燃比設定手段は、前記リッチ応答速度と前記リーン応答速度との相違の程度に基づいて基準空燃比（例えば、理論空燃比）を補正することで前記目標空燃比を設定してもよい。同様に、上記第２の空燃比制御装置において、前記目標空燃比設定手段は、前記失火の発生頻度を表す値と前記リーン応答速度とに基づいて基準空燃比（例えば、理論空燃比）を補正することで前記目標空燃比を設定してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による空燃比制御装置を火花点火式多気筒（４気筒）内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００３５】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。
【００３６】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともにインテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）３９を備えている。
【００３７】
吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、及びＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａを備えている。
【００３８】
排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１（実際には、各排気ポート３４に連通した各々のエキゾーストマニホールド５１が集合した集合部）に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設（介装）された上流側の三元触媒５３（上流側触媒コンバータ、以下、「第１触媒５３」と称呼する。）、及びこの第１触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設（介装）された下流側の三元触媒５４（以下、「第２触媒５４」と称呼する。）を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。
【００３９】
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、第１触媒５３の上流の排気通路（本例では、上記各々のエキゾーストマニホールド５１が集合した集合部）に配設された空燃比センサ６６（以下、「上流側空燃比センサ６６」と称呼する。）、第１触媒５３の下流であって第２触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７（以下、「下流側空燃比センサ６７」と称呼する。）、及びアクセル開度センサ６８を備えている。
【００４０】
熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、質量流量Gaを表す信号を出力するようになっている。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に（即ち、クランク軸２４が１８０°回転する毎に）一つのパルスを有する信号を発生するようになっている。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともにクランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、運転速度NEを表す。水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【００４１】
上流側空燃比センサ６６は、限界電流式の酸素濃度センサであり、図２に示したように、空燃比Ａ／Ｆに応じて出力される電流に応じた電圧である出力値Vabyfsを出力するようになっている。特に、空燃比が理論空燃比であるときには出力値Vabyfsは上流側目標値Vstoichになる。図２から明らかなように、上流側空燃比センサ６６によれば、広範囲にわたる空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出することができる。
【００４２】
下流側空燃比センサ６７は、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサであり、図３に示したように、理論空燃比近傍において急変する電圧である出力値Voxsを出力するようになっている。より具体的に述べると、下流側空燃比センサ６７は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略０．１（Ｖ）、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略０．９（Ｖ）、及び空燃比が理論空燃比のときは０．５（Ｖ）の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ６８は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００４３】
電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びにＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６８と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６８からの信号を供給するとともに、ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、インジェクタ３９、及びスロットル弁アクチュエータ４３ａに駆動信号を送出するようになっている。
【００４４】
（空燃比制御の概要）
次に、上記のように構成された空燃比制御装置（以下、「本装置」と云う。）が行う空燃比制御の概要について説明する。
【００４５】
本装置は、下流側空燃比センサ６７の出力値が理論空燃比に対応する下流側目標値Voxsref（本例では、０．５（Ｖ）、図３を参照）となるように（即ち、第１触媒５３下流の平均排気空燃比が理論空燃比となるように）、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfs（即ち、第１触媒５３上流の空燃比）、及び下流側空燃比センサ６７の出力値Voxs（即ち、第１触媒５３下流の空燃比）に応じて空燃比を制御する。
【００４６】
より具体的に述べると、本装置は、機能ブロック図である図４に示したように、Ａ１〜Ａ１２の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図４を参照しながら各機能ブロックについて説明していく。なお、以下、「フィードバック」を「ＦＢ」と称呼することもある。
【００４７】
<指令燃料噴射量の算出>
筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、エアフローメータ６１が計測している吸入空気流量Gaと、クランクポジションセンサ６４の出力に基づいて得られる運転速度NEと、ＲＯＭ７２が記憶しているテーブルMapMcとに基づき、吸気行程を迎える気筒の今回の吸入空気量である筒内吸入空気量Mc(k)を求める。ここで、添え字の（k）は、今回の吸気行程に対する値であることを示している（以下、他の物理量についても同様。）。筒内吸入空気量Mcは、各気筒の吸気行程に対応されながらＲＡＭ７３に記憶されていく。
【００４８】
基本燃料噴射量決定手段Ａ２は、上記筒内吸入空気量Mc(k)を基準空燃比abyfr0（本例では、理論空燃比stoichと等しい）で除することにより基本燃料噴射量Fbaseを求める。この基本燃料噴射量決定手段Ａ２は、前記「基本燃料噴射量取得手段」に相当する。
【００４９】
指令燃料噴射量算出手段Ａ３は、上記基本燃料噴射量Fbaseに、後述するメインＦＢ補正量DFB（前記「フィードバック補正量」に相当）と、を加えることで、下記(1)式に基づいて指令燃料噴射量Fiを求める。この指令燃料噴射量算出手段Ａ３は、前記「指令燃料噴射量算出手段」に相当する。
【００５０】
Fi＝Fbase＋DFB  ・・・(1)
【００５１】
このようにして、本装置は、基本燃料噴射量FbaseをメインＦＢ補正量DFBに基づいて補正することにより得られる指令燃料噴射量Fiの燃料の噴射指示を今回の吸気行程を迎える気筒についてのインジェクタ３９に対して行う。このように燃料の噴射指示を行う手段が前記「フィードバック制御手段」に相当する。
【００５２】
<サブＦＢ補正量の取得>
下流側目標値設定手段Ａ４は、下流側目標値Voxsrefを決定する。本例では、下流側目標値Voxsrefは、理論空燃比に対応する値（０．５（Ｖ））で一定に設定される。
【００５３】
出力偏差量算出手段Ａ５は、下記(2)式に基づいて、現時点（具体的には、今回のFiの噴射指示開始時点）での下流側目標値Voxsrefから現時点での下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsを減じることにより、出力偏差量DVoxsを求める。
【００５４】
DVoxs＝Voxsref−Voxs  ・・・(2)
【００５５】
ＰＩＤコントローラＡ６は、出力偏差量DVoxsを比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記(3)式に基づいてサブＦＢ補正量Vafsfbを求める。下記(3)式において、Kpは予め設定された比例ゲイン（一定値）、Kiは予め設定された積分ゲイン（一定値）、Kdは予め設定された微分ゲイン（一定値）である。
【００５６】
Vafsfb＝Kp・DVoxs＋Ki・SDVoxs＋Kd・DDVoxs  ・・・(3)
【００５７】
また、上記(3)式において、SDVoxsは出力偏差量DVoxsの時間積分値（積算値）であり、DDVoxsは出力偏差量DVoxsの時間微分値である。ここで、ＰＩＤコントローラＡ６は積分項Ki・SDVoxsを含んでいるから、定常状態では出力偏差量DVoxsがゼロになることが保証される。換言すれば、下流側目標値Voxsrefと下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsとの定常偏差がゼロになる。
【００５８】
このようにして、本装置は、下流側目標値Voxsrefと下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsとの定常偏差がゼロになるように出力値Voxsに基づいて、サブＦＢ補正量Vafsfbを求める。このサブＦＢ補正量Vafsfbは、後述するように制御用空燃比abyfsの取得に用いられる。
【００５９】
<メインＦＢ補正量の取得>
制御用空燃比相当出力値算出手段Ａ７は、現時点での上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsに、サブＦＢ補正量Vafsfbを加えることで、制御用空燃比相当出力値(Vabyfs+Vafsfb)を求める。
【００６０】
テーブル変換手段Ａ８は、上記制御用空燃比相当出力値(Vabyfs+Vafsfb)と、先に説明した図２にグラフにて示した上流側空燃比センサの出力値Vabyfsと空燃比Ａ／Ｆとの関係を規定したテーブルMapabyfsとに基づいて、現時点での（今回の）制御用空燃比abyfs(k)を求める。これにより、制御用空燃比abyfs(k)は、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsに対応する空燃比（検出空燃比）に対してサブＦＢ補正量Vafsfbに相当する分だけ異なる空燃比となる。制御用空燃比abyfs(k)は、各気筒の吸気行程に対応されながらＲＡＭ７３に記憶されていく。
【００６１】
目標空燃比設定手段Ａ９は、空燃比の目標値である現時点での（今回の）目標空燃比abyfr(k)を設定する。この目標空燃比abyfr(k)の設定については、後にフローチャートを参照しながら詳述する。この目標空燃比abyfr(k)は原則的には理論空燃比stoichに設定される。目標空燃比abyfr(k)は、各気筒の吸気行程に対応されながらＲＡＭ７３に記憶されていく。この目標空燃比設定手段Ａ９は、前記「目標空燃比設定手段」に相当する。
【００６２】
目標空燃比遅延手段Ａ１０は、目標空燃比設定手段Ａ９により吸気行程毎に求められＲＡＭ７３に記憶されている目標空燃比abyfrのうち、現時点からＮストローク前の目標空燃比abyfr(k-N)をＲＡＭ７３から読み出す。ここで、ストローク数Ｎは、「行程遅れに係る時間」と「輸送遅れに係る時間」と「応答遅れに係る時間」の和（以下、「無駄時間Ｌ」と称呼する。）に相当するストローク数である。
【００６３】
「行程遅れに係る時間」は、燃料の噴射指示から、この噴射指示により噴射された燃料の燃焼に基づく排ガスが排気弁３５を介して燃焼室２５から排気通路へ排出されるまでの時間である。「輸送遅れに係る時間」は、排ガスが排気弁３５を介して排気通路へ排出されてから上流側空燃比センサ６６（の検出部）に到達するまでの時間である。「応答遅れに係る時間」は、上流側空燃比センサ６６（の検出部）に到達した排ガスの空燃比が上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsとして現れるまでの時間である。
【００６４】
空燃比偏差算出手段Ａ１１は、下記(4)式に基づいて、今回の制御用空燃比abyfs(k)から、現時点からＮストローク前の目標空燃比abyfr(k-N)を減じることにより、空燃比偏差DAFを求める。ここで、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsが現時点から上記無駄時間Ｌだけ前の噴射指示により噴射された燃料の燃焼に基づく排ガスの空燃比を表すことを考慮すると、この空燃比偏差DAFは、現時点からＮストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。
【００６５】
DAF＝abyfs(k)−abyfr(k-N)  ・・・(4)
【００６６】
ＰＩコントローラＡ１２は、上記空燃比偏差DAFを比例・積分処理（ＰＩ処理）することで、下記(5)式に基づいて、現時点からＮストローク前の燃料供給量の過不足を補償するためのメインＦＢ補正量DFBを求める。
【００６７】
DFB＝(Gp・DAF+Gi・SDAF)  ・・・(5)
【００６８】
上記(5)式において、Gpは比例ゲイン（一定値）、Giは積分ゲイン（一定値）である。SDAFは空燃比偏差DAFの時間積分値（積算値）である。ここで、比例ゲインGp（及び積分ゲインGi）は、前記「調整値」に相当する。このＰＩコントローラＡ１２は、前記「フィードバック補正量取得手段」に相当する。このように算出されるメインＦＢ補正量DFBが、上述した指令燃料噴射量算出手段Ａ３における指令燃料噴射量Fiの算出（上記(1)式を参照）に使用される。
【００６９】
以上のように、本装置では、現時点からＮストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を補償するために、現時点での制御用空燃比abyfs(k)が現時点からＮストローク前の目標空燃比abyfr(k-N)と一致するように空燃比がフィードバック制御される。
【００７０】
加えて、制御用空燃比abyfsは、上述したように、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsに対応する検出空燃比をサブＦＢ補正量Vafsfbに相当する分だけ補正した空燃比である。従って、制御用空燃比abyfsは出力偏差量DVoxsにも応じて変化する。この結果、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが下流側目標値Voxsrefに一致するようにも空燃比がフィードバック制御される。このことは、第１触媒５３下流の平均排気空燃比（従って、第１触媒５３上流の平均排気空燃比）が理論空燃比となるように制御されることを意味する。
【００７１】
更には、ＰＩコントローラＡ１２は積分項Gi・SDAFを含んでいるので、定常状態では空燃比偏差DAFがゼロになることが保証される。換言すれば、目標空燃比abyfr(k-N)と制御用空燃比abyfs(k)との定常偏差がゼロになる。このことは、定常状態において、制御用空燃比abyfsが目標空燃比abyfrに一致すること、従って、第１触媒５３の上下流の空燃比が目標空燃比abyfrに一致することが保証されることを意味する。以上が、本装置が行う空燃比制御の概要である。
【００７２】
（目標空燃比の設定）
次に、目標空燃比abyfr(k)を設定する際における本装置の実際の作動についてフローチャートを参照しながら説明する。ＣＰＵ７１は、図５にフローチャートにより示した目標空燃比の設定を行うルーチンを、所定のタイミング毎（例えば、燃料が噴射される気筒について燃料噴射開始時期が到来する毎）に、繰り返し実行するようになっている。
【００７３】
従って、燃料噴射気筒について燃料噴射開始時期が到来すると、ＣＰＵ７１はステップ５００から処理を開始し、ステップ５０５に進んで、現時点で得られているリッチ応答速度Vrich、及びリーン応答速度Vleanを取得する。
【００７４】
リッチ応答速度Vrich（リーン応答速度Vlean）は、第１触媒５３上流の実排気空燃比がリッチ方向（リーン方向）に変化することに伴って上流側空燃比センサ６６の出力Vabyfsがリッチ空燃比方向（リーン空燃比方向）（図２において減少方向（増加方向））へ変化する場合における、実排気空燃比の変化に対する上流側空燃比センサ出力Vabyfsの応答遅れの程度を表す。リッチ応答速度Vrich（リーン応答速度Vlean）が大きいとは、実排気空燃比の変化に対する上流側空燃比センサ出力Vabyfsの応答遅れの程度が小さいことを意味する。
【００７５】
リッチ応答速度Vrich（リーン応答速度Vlean）は、例えば、空燃比が理論空燃比よりもリーン（リッチ）の所定のリーン空燃比（所定のリッチ空燃比）に維持されていて、且つ、上流側空燃比センサ出力Vabyfsが所定のリーン空燃比（所定のリッチ空燃比）に対応する値に維持されている状態において、空燃比を所定のリッチ空燃比（所定のリーン空燃比）にステップに切り替えた場合における上流側空燃比センサ出力Vabyfsの応答を監視することで取得され得る。
【００７６】
具体的には、例えば、空燃比の切り替え時点から、上流側空燃比センサ出力Vabyfsが所定のリッチ空燃比（所定のリーン空燃比）に対応する値に近い基準値に達するまでに要する時間（時定数）が検出される。リッチ応答速度Vrich（リーン応答速度Vlean）は、この時間に反比例する値を出力する所定の関数に基づいて決定され得る。なお、触媒が吸蔵し得る酸素の最大量（最大酸素吸蔵量）を取得するために空燃比を理論空燃比から所定量だけリーン方向に偏移したリーン空燃比と理論空燃比から同じ量だけリッチ方向に偏移したリッチ空燃比とに交互に切り替える制御（アクティブ空燃比制御）が広く知られている。リッチ応答速度Vrich（リーン応答速度Vlean）は、このアクティブ空燃比制御の実行により触媒（第１触媒５３等）の最大酸素吸蔵量が取得される毎に、併せて取得・更新されることが好適である。
【００７７】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ５１０に進み、速度比率RatioV（＝Vrich/Vlean）と、図６にグラフにより示したテーブルとに基づいて速度比率補正値αを決定する。これにより、速度比率RatioVが「１」より大きい場合（即ち、リーン応答速度Vleanよりもリッチ応答速度Vrichが大きい場合）、速度比率補正値αは、リーン応答速度Vleanに対してリッチ応答速度Vrichが大きい程度が大きいほど、負の値であってより小さい値に設定される。一方、速度比率RatioVが「１」より小さい場合（即ち、リーン応答速度Vleanよりもリッチ応答速度Vrichが小さい場合）、速度比率補正値αは、リーン応答速度Vleanに対してリッチ応答速度Vrichが小さい程度が大きいほど、正の値であってより大きい値に設定される。
【００７８】
そして、ＣＰＵ７１はステップ５１５に進んで、目標空燃比abyfr(k)を下記(6)式に従って決定し、本ルーチンを一旦終了する。上述のごとく、abyfr0は基準空燃比abyfr0（本例では、理論空燃比stoichと等しい）である。
【００７９】
abyfr(k)＝abyfr0・(1＋α)  …(6)
【００８０】
これにより、リーン応答速度Vleanよりもリッチ応答速度Vrichが大きい場合、リーン応答速度Vleanに対してリッチ応答速度Vrichが大きい程度が大きいほど、目標空燃比abyfr(k)が、理論空燃比stoichよりもリッチな空燃比であって且つよりリッチな空燃比に設定される。一方、リーン応答速度Vleanよりもリッチ応答速度Vrichが小さい場合、リーン応答速度Vleanに対してリッチ応答速度Vrichが小さい程度が大きいほど、目標空燃比abyfr(k)が、理論空燃比stoichよりもリーンな空燃比であって且つよりリーンな空燃比に設定される。
【００８１】
以下、目標空燃比abyfr(k)をこのように設定する理由について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichに設定されていて且つリッチ応答速度Vrich＝リーン応答速度Vleanの場合において、上述したアクティブ制御が行われている場合における、第１触媒５３上流の実排気空燃比、検出空燃比、及びメインＦＢ補正量DFBの変化の一例を示している。なお、図７において、検出空燃比の位相が実排気空燃比の位相よりも遅れているのは、上述した無駄時間Ｌに対応するものである。
【００８２】
図７に示すように、この場合、リッチ応答速度Vrich＝リーン応答速度Vleanであるから、（対応するタイミング同士での）検出空燃比のリッチ方向への変化速度とリーン方向の変化速度とは等しくなる。加えて、上述のように、本例では、メインＦＢ補正量DFBの算出（上記(5)式を参照）に使用される比例ゲインGp（及び積分ゲインGi）は一定である。従って、（対応するタイミング同士での）メインＦＢ補正量DFBの減少速度（即ち、上記減量変化速度）と増加速度（即ち、上記増量変化速度）も等しくなる。
【００８３】
従って、メインＦＢ補正量DFBの時間に対する平均値（以下、「平均DFB」と称呼する。）がメインＦＢ補正量DFBの中心値「０」（基本燃料噴射量Fbaseが補正されない場合に対応する値）と一致する（図７を参照）。このことは、第１触媒５３上流（従って、第１触媒５３下流）の実排気空燃比の時間に対する平均値（平均排気空燃比）が理論空燃比に一致することを意味する。
【００８４】
一方、図８は、リッチ応答速度Vrich＞リーン応答速度Vleanの場合における図７に対応する図である。リッチ応答速度Vrich＞リーン応答速度Vleanの場合は、例えば、上流側空燃比センサ６６の検出部内のジルコニアからなる拡散層に目詰まり等が発生して排ガスが拡散層内で拡散し難くなった場合に発生し得る。即ち、分子量が大きい酸素分子Ｏ２の拡散速度が特に遅くなり、上流側空燃比センサ出力Vabyfs（従って、検出空燃比）がリーン空燃比方向（図８において、上方向）へ変化する場合における応答性がリッチ空燃比方向（図８において、下方向）へ変化する場合に比して相対的に低くなる。
【００８５】
図８に示すように、この場合、（対応するタイミング同士での）検出空燃比のリーン方向への変化速度がリッチ方向への変化速度に比して相対的に小さくなる（図８における黒矢印を参照）。従って、上述のように比例ゲインGp（及び積分ゲインGi）が一定であることを考慮すると、（対応するタイミング同士での）メインＦＢ補正量DFBの増量変化速度が減量変化速度に比して相対的に小さくなる（図８における黒矢印を参照）。
【００８６】
この結果、図８に示すように、平均DFBが中心値「０」に対して減量方向に偏移する。このことは、第１触媒５３上流（従って、第１触媒５３下流）の平均排気空燃比が理論空燃比に対してリーン方向に偏移することを意味する。なお、このことは、サブＦＢ補正量Vafsfb（上記(3)式を参照）における積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、本来収束すべき値（即ち、例えば、上流側空燃比センサ６６の検出誤差等を補償するための値）に対して増量方向へ偏移することにも繋がる。
【００８７】
この場合、第１触媒５３内の雰囲気が平均的にリーン雰囲気となって窒素酸化物ＮＯｘについての第１触媒５３の浄化性能が低下する。従って、係る「平均排気空燃比のリーン方向への偏移」を迅速に補償して平均排気空燃比を理論空燃比に近づける必要がある。
【００８８】
このため、この第１実施形態では、リッチ応答速度Vrich＞リーン応答速度Vleanの場合（即ち、速度比率RatioV＞１の場合）、速度比率補正値αを負の値に設定することで（図６を参照）、目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichよりもリッチな空燃比に設定（理論空燃比から補正）される（図５のステップ５１５を参照）。
【００８９】
これにより、目標空燃比abyfrの理論空燃比stoichに対する偏移分だけ実排気空燃比（従って、平均排気空燃比）がリッチ方向に直ちに偏移する。この結果、平均排気空燃比が理論空燃比stoichに迅速に近づく。このことは、サブＦＢ補正量Vafsfbにおける積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、上記本来収束すべき値に収束し得ることにも繋がる。
【００９０】
更には、平均DFBの中心値「０」からの減量方向への偏移量は、メインＦＢ補正量DFBにおける減量変化速度が増量変化速度に対して大きい程度に依存する。上述のように比例ゲインGp（及び積分ゲインGi）が一定であることを考慮すると、メインＦＢ補正量DFBの減量変化速度が増量変化速度に対して大きい程度は、速度比率RatioV（＞１）により正確に表すことができる。即ち、平均DFBの中心値「０」からの減量方向への偏移量は速度比率RatioV（＞１）に依存し、速度比率RatioV（＞１）が大きいほど平均ＤＦＢの中心値「０」からの減量方向への偏移量が大きくなる。従って、速度比率RatioV（＞１）が大きいほど平均排気空燃比のリーン方向への偏移量も大きくなる。これに伴い、目標空燃比abyfrを理論空燃比stoichからリッチ方向へ偏移させる量も大きくする必要がある。
【００９１】
係る知見に基づき、この第１実施形態では、リッチ応答速度Vrich＞リーン応答速度Vleanの場合（即ち、速度比率RatioV＞１の場合）、速度比率RatioV（＞１）が大きいほど、速度比率補正値αをより小さい負の値に設定することで（図６を参照）、目標空燃比abyfrがよりリッチな空燃比に設定される（図５のステップ５１５を参照）。これにより、リッチ応答速度Vrich＞リーン応答速度Vleanの場合において、速度比率RatioV（＞１）に依存することなく安定して平均排気空燃比を理論空燃比stoichに近づけることができる。
【００９２】
以上は、リッチ応答速度Vrich＞リーン応答速度Vleanの場合（即ち、速度比率RatioV＞１の場合）について説明したが、リッチ応答速度Vrich＜リーン応答速度Vleanの場合（即ち、速度比率RatioV＜１の場合）についても同様に考えることができる。
【００９３】
即ち、この場合、逆に、平均DFBが中心値「０」に対して増量方向に偏移し、速度比率RatioV（＜１）が小さいほど、その偏移量は大きくなる。従って、速度比率RatioV（＜１）が小さいほど、第１触媒５３上流（従って、第１触媒５３下流）の平均排気空燃比が理論空燃比に対してよりリッチ方向に偏移する。なお、このことは、サブＦＢ補正量Vafsfbにおける積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、上記本来収束すべき値に対して減量方向へ偏移することにも繋がる。
【００９４】
この場合、第１触媒５３内の雰囲気が平均的にリッチ雰囲気となって未燃成分ＨＣ，ＣＯについての第１触媒５３の浄化性能が低下する。従って、係る「平均排気空燃比のリッチ方向への偏移」を迅速に補償して平均排気空燃比を理論空燃比に近づける必要がある。
【００９５】
このため、この第１実施形態では、リッチ応答速度Vrich＜リーン応答速度Vleanの場合（即ち、速度比率RatioV＜１の場合）、速度比率RatioV（＜１）が小さいほど、速度比率補正値αをより大きい正の値に設定することで（図６を参照）、目標空燃比abyfrがよりリーンな空燃比に設定される（図５のステップ５１５を参照）。これにより、リッチ応答速度Vrich＜リーン応答速度Vleanの場合において、速度比率RatioV（＜１）に依存することなく安定して平均排気空燃比を理論空燃比stoichに近づけることができる。このことは、サブＦＢ補正量Vafsfbにおける積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、上記本来収束すべき値に安定して収束し得ることにも繋がる。
【００９６】
なお、リッチ応答速度Vrich＜リーン応答速度Vleanの場合は、例えば、長時間に亘って実排気空燃比が理論空燃比stoichよりもリーンな状態が継続したことに起因して上流側空燃比センサ６６の検出部の電極の表面上に酸素分子Ｏ２の吸着が発生した場合に発生し得る。即ち、排ガス中の未燃成分ＨＣ，ＣＯが電極の表面上に吸着している酸素分子Ｏ２と反応してしまうことで、上流側空燃比センサ出力Vabyfs（従って、検出空燃比）がリッチ空燃比方向へ変化する場合における応答性がリーン空燃比方向へ変化する場合に比して相対的に低くなる。
【００９７】
以上、説明したように、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の第１実施形態によれば、上流側空燃比センサ６６のリッチ応答速度Vrichとリーン応答速度Vleanとが検出され、速度比率RatioV（＝Vrich/Vlean）に基づいて、速度比率RatioV＞１の場合（即ち、Vrich＞Vleanの場合）に目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichよりもリッチな空燃比に設定され、速度比率RatioV＜１の場合（即ち、Vrich＜Vleanの場合）に目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichよりもリーンな空燃比に設定される（図６に示したテーブル、及び図５のステップ５１５を参照）。
【００９８】
これにより、リッチ応答速度Vrichとリーン応答速度Vleanとの相違に起因して平均DFBが中心値「０」から偏移することにより発生し得る「平均排気空燃比の偏移」を迅速に補償し、平均排気空燃比を理論空燃比に迅速に近づけることができる。この結果、未燃成分ＨＣ，ＣＯ及び窒素酸化物ＮＯｘについての第１触媒５３の浄化性能を安定させることができる。
【００９９】
本発明は上記第１実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第１実施形態においては、メインＦＢ補正量DFBの算出（上記(5)式を参照）に使用される比例ゲインGp（及び積分ゲインGi）は一定である。この場合、上述のように、速度比率RatioVは、メインＦＢ補正量DFBにおける減量変化速度と増量変化速度との相違の程度（従って、平均DFBの中心値「０」からの偏移量）を精度良く表し得る。このことに基づいて、上記第１実施形態では、速度比率RatioVに基づいて目標空燃比abyfrが設定（補正）されている（図６に示したテーブル、及び図５のステップ５１５を参照）。
【０１００】
他方、例えば、未燃成分ＨＣ，ＣＯよりも窒素酸化物ＮＯｘについてより高い浄化性能が要求される場合がある。このためには、第１触媒５３内の平均的な雰囲気を弱リッチ雰囲気に調整する必要がある。このためには、例えば、上記比例ゲインGpについて、検出空燃比が目標空燃比abyfrよりもリーンである場合（即ち、DFBが増量方向に計算される場合）における比例ゲインGp（Gplean）を、検出空燃比が目標空燃比abyfrよりもリッチである場合（即ち、DFBが減量方向に計算される場合）における比例ゲインGp（Gprich）に比して相対的に大きい値に設定すればよい。
【０１０１】
このように、比例ゲインGprich，Gpleanが異なる値に設定される場合、上記速度比率RatioV（＝Vrich/Vlean）よりも速度比率RatioV1（＝(Vrich・Gprich)/(Vlean・Gplean)）の方が、メインＦＢ補正量DFBにおける減量変化速度と増量変化速度との相違の程度（従って、平均DFBの中心値「０」からの偏移量）をより一層精度良く表す値となる。
【０１０２】
以上より、比例ゲインGprich，Gpleanが異なる値に設定される場合、図６に示したテーブルに代えて図９に示したテーブルを使用して、速度比率RatioVに代えて速度比率RatioV1に基づいて目標空燃比abyfrを設定することが好ましい。
【０１０３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置について説明する。第２実施形態では、失火率及び上記リーン応答速度Vleanに基づいて目標空燃比abyfrを設定する点においてのみ、速度比率RatioV（＝Vrich/Vlean）に基づいて目標空燃比abyfrを設定する上記第１実施形態と異なる。失火率は、前記「失火の発生頻度を表す値」に相当する。以下、係る相違点について、図５に示したルーチンに対応する図１０にフローチャートにより示したルーチンを参照しながら説明する。
【０１０４】
第２実施形態のＣＰＵ７１は、燃料噴射気筒について燃料噴射開始時期が到来すると、ステップ１０００から処理を開始し、ステップ１００５に進んで、現時点で得られている失火率、及びリーン応答速度Vleanを取得する。このリーン応答速度Vleanは、上記第１実施形態で説明したものと同じである。
【０１０５】
失火率とは、本例では、燃料噴射が所定回数だけ行われた期間内において失火が発生した回数の、前記所定回数に対する割合である。失火の発生は周知の手法の一つに従って検出できるから、失火率は、燃料噴射が前記所定回数だけ行われる毎に取得・更新することができる。なお、この第２実施形態では、エアフローメータ６１及びインジェクタ３９が正常（即ち、筒内吸入空気量Mc、及び燃料噴射量Fiが正常）であって、点火装置（点火プラグ３７、イグナイタ３８）の異常（例えば、点火プラグ３７のくすぶり等）に起因して発生する失火を想定している。
【０１０６】
次いで、ＣＰＵ７１はステップ１０１０に進み、失火率と、リーン応答速度Vleanと、図１１にグラフにより示したテーブルとに基づいて失火補正値βを決定する。これにより、失火率が大きいほど、リーン応答速度Vleanが大きいほど、失火補正値βは、正の値であってより大きい値に設定される。
【０１０７】
そして、ＣＰＵ７１はステップ１０１５に進んで、目標空燃比abyfr(k)を下記(7)式に従って決定し、本ルーチンを一旦終了する。上述のごとく、abyfr0は基準空燃比abyfr0（本例では、理論空燃比stoichと等しい）である。
【０１０８】
abyfr(k)＝abyfr0・(1＋β)  …(7)
【０１０９】
これにより、失火率が大きいほど、リーン応答速度Vleanが大きいほど、目標空燃比abyfr(k)が、理論空燃比stoichよりもリーンな空燃比であって且つよりリーンな空燃比に設定される。
【０１１０】
以下、目標空燃比abyfr(k)をこのように設定する理由について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２は、目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichに設定されていて、且つ、点火装置の異常に起因する失火が繰り返し発生している場合における、検出空燃比、第１触媒５３上流の実排気空燃比、及びメインＦＢ補正量DFBの変化の一例を示している。
【０１１１】
図１２に示すように、失火が発生する毎に、検出空燃比がリーン方向に偏移する傾向が発生する。なお、検出空燃比がリーン方向に偏移するタイミングが失火発生のタイミングよりも遅れているのは、上述した無駄時間Ｌに対応するものである。係る失火による検出空燃比のリーン方向への偏移は、以下の理由に基づく。
【０１１２】
即ち、点火装置の異常により失火が発生しても、エアフローメータ６１及びインジェクタ３９は正常であるから、未燃の排ガスの空燃比は理論空燃比stoich（或いは、理論空燃比近傍）に維持されている。従って、未燃の排ガス中には、多量のＨＣ、及び多量の酸素Ｏ２が含まれている。
【０１１３】
上流側空燃比センサ６６（限界電流式の酸素濃度センサ）では、酸素Ｏ２の反応速度がＨＣの反応速度よりも大きい。従って、失火が発生すると、ＨＣよりも多くの多量の酸素Ｏ２が上流側空燃比センサ６６と反応することで、上流側空燃比センサ６６の出力（従って、検出空燃比）は、実排気空燃比に対してリーン方向に偏移する。なお、係る多量のＨＣ及び多量の酸素Ｏ２の殆どは第１触媒５３内で互いに反応するから、下流側空燃比センサ６７には上流側空燃比センサ６６のように多量の酸素Ｏ２が到達し得ない。従って、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが失火によりリーン方向に偏移する傾向は非常に小さい。
【０１１４】
このように、検出空燃比が、失火が発生する毎にリーン方向に偏移する傾向が発生すると、図１２に示すように、メインＦＢ補正量DFBも、失火が発生する毎に増量方向に偏移する。即ち、失火が繰り返し発生すると、平均DFBが中心値「０」に対して増量方向に偏移する。この結果、第１触媒５３上流（従って、第１触媒５３下流）の平均排気空燃比が理論空燃比に対してリッチ方向に偏移する。なお、このことは、サブＦＢ補正量Vafsfbにおける積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、上記本来収束すべき値に対して減量方向へ偏移することにも繋がる。
【０１１５】
この場合、上記第１実施形態における「リッチ応答速度Vrich＜リーン応答速度Vleanの場合（即ち、速度比率RatioV＜１の場合）」と同様、未燃成分ＨＣ，ＣＯについての第１触媒５３の浄化性能が低下するから、係る「平均排気空燃比のリッチ方向への偏移」を迅速に補償して平均排気空燃比を理論空燃比に近づける必要がある。
【０１１６】
このため、この第２実施形態では、失火補正値βを正の値に設定することで（図１１を参照）、目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichよりもリーンな空燃比（図１３では、AFlean）に設定（理論空燃比から補正）される（図１０のステップ１０１５を参照）。
【０１１７】
これにより、図１３に示すように、目標空燃比abyfrの理論空燃比stoichに対する偏移分だけ実排気空燃比（従って、平均排気空燃比）がリーン方向に直ちに偏移する。この結果、平均排気空燃比が理論空燃比stoichに迅速に近づく。このことは、サブＦＢ補正量Vafsfbにおける積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、上記本来収束すべき値に収束し得ることにも繋がる。
【０１１８】
更には、失火が発生する毎に検出空燃比が実排気空燃比に対してリーン方向に偏移する傾向が発生することを考慮すると、失火に起因する平均DFBの中心値「０」からの増量方向への偏移量は、失火率が大きいほど大きくなる。また、検出空燃比がリーン方向に偏移する際においてリーン応答速度Vleanが大きいほど検出空燃比がリーン方向に偏移する程度がより大きくなることを考慮すると、失火に起因する平均DFBの中心値「０」からの増量方向への偏移量は、リーン応答速度Vleanが大きいほど大きくなる。従って、失火率が大きいほど、且つ、リーン応答速度Vleanが大きいほど、平均排気空燃比のリッチ方向への偏移量も大きくなる。これに伴い、目標空燃比abyfrを理論空燃比stoichからリーン方向へ偏移させる程度も大きくする必要がある。
【０１１９】
係る知見に基づき、この第２実施形態では、失火率が大きいほど、且つ、リーン応答速度Vleanが大きいほど、失火補正値βをより大きい正の値に設定することで（図１１を参照）、目標空燃比abyfrがよりリーンな空燃比に設定される（図１０のステップ１０１５を参照）。これにより、失火率、及びリーン応答速度Vleanに依存することなく安定して平均排気空燃比を理論空燃比stoichに近づけることができる。なお、このことは、サブＦＢ補正量Vafsfbにおける積分項「Ki・SDVoxs」（或いは、時間積分値SDVoxs）が、上記本来収束すべき値に安定して収束し得ることにも繋がる。
【０１２０】
以上、説明したように、本発明による内燃機関の空燃比制御装置の第２実施形態によれば、失火率、及び上流側空燃比センサ６６のリーン応答速度Vleanが検出され、失火率、及びリーン応答速度Vleanに基づいて、目標空燃比abyfrが理論空燃比stoichよりもリーンな空燃比に設定される（図１１に示したテーブル、及び図１０のステップ１０１５を参照）。
【０１２１】
これにより、点火装置の異常により発生する失火に起因して平均DFBが中心値「０」からリッチ方向に偏移することにより発生し得る「平均排気空燃比のリッチ方向への偏移」を迅速に補償し、平均排気空燃比を理論空燃比に迅速に近づけることができる。この結果、未燃成分ＨＣ，ＣＯについての第１触媒５３の浄化性能を安定させることができる。
【０１２２】
本発明は上記第１、第２実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第１、第２実施形態においては、メインＦＢ補正量DFBの算出においてサブＦＢ補正量Vafsfbが考慮されているが、メインＦＢ補正量DFBの算出においてサブＦＢ補正量Vafsfbが考慮されなくてもよい。即ち、下流側空燃比センサ６７を省略してもよい。
【０１２３】
また、上記第１、第２実施形態においては、メインＦＢ補正量DFB、及びサブＦＢ補正量Vafsfbに積分項（「Gi・SDAF」、及び「Ki・SDVoxs」）が含まれているが、これらの何れか一方又は両方がなくてもよい。
【０１２４】
また、上記第１、第２実施形態においては、速度比率補正値α、及び失火補正値βを「０」を基準として正負を採りえる値に決定し、（１＋α）、（１＋β）をそれぞれ基準空燃比abyfr0（＝stoich）に乗じることで目標空燃比abyfrを設定（補正）しているが、速度比率補正値α、及び失火補正値βを「１」を基準とする正の値に決定し、α，βをそれぞれ基準空燃比abyfr0（＝stoich）に直接乗じることで目標空燃比abyfrを設定（補正）してもよい。
【０１２５】
また、上記第１、第２実施形態においては、インジェクタ３９、エアフローメータ６１、及びインジェクタ３９に燃料を供給する図示しない燃料ポンプ等に異常（例えば、断線等）が発生したと判定された場合、目標空燃比abyfrを理論空燃比stoichで一定に設定するように（即ち、目標空燃比abyfrの理論空燃比からの補正を行わないように）構成してもよい。
【０１２６】
加えて、上記第１実施形態における速度比率補正値α、及び上記第２実施形態における失火補正値βを共に使用して、即ち、速度比率RatioV、及び失火率を共に考慮して、下記(8)式に従って目標空燃比abyfrを設定してもよい。また、上述のように、速度比率補正値α、及び失火補正値βを「１」を基準とする正の値に決定し、下記(9)式に従って目標空燃比abyfrを設定してもよい。
【０１２７】
abyfr(k)＝abyfr0・(1＋α)・(1＋β)  …(8)
abyfr(k)＝abyfr0・α・β  …(9)
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空燃比制御装置を適用した内燃機関の概略図である。
【図２】図１に示した上流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したグラフである。
【図３】図１に示した下流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したグラフである。
【図４】図１に示した空燃比制御装置が空燃比制御を実行する際の機能ブロック図である。
【図５】図１に示したＣＰＵが実行する、目標空燃比の設定を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【図６】図１に示したＣＰＵが参照する、速度比率と速度比率補正値との関係を規定するテーブルを表すグラフである。
【図７】目標空燃比が理論空燃比に設定されていて且つリッチ応答速度＝リーン応答速度の場合における、触媒上流の実排気空燃比、検出空燃比、及びメインＦＢ補正量の変化の一例を示した図である。
【図８】リッチ応答速度＞リーン応答速度の場合における図７に対応する図である。
【図９】本発明の第１実施形態の変形例に係る空燃比制御装置のＣＰＵが参照する、速度比率と速度比率補正値との関係を規定するテーブルを表すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置のＣＰＵが実行する、目標空燃比の設定を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置のＣＰＵが参照する、失火率及びリーン応答速度と、失火補正値との関係を規定するテーブルを表すグラフである。
【図１２】目標空燃比が理論空燃比に設定されていて、且つ、点火装置の異常に起因する失火が繰り返し発生している場合における、検出空燃比、触媒上流の実排気空燃比、及びメインＦＢ補正量の変化の一例を示した図である。
【図１３】目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定された場合における図１２に対応する図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３７…点火プラグ、３９…インジェクタ、５３…三元触媒（第１触媒）、６１…エアフローメータ、６６…上流側空燃比センサ、６７…下流側空燃比センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ
【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】
0004888397.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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