(57)【要約】【課題】触媒酸素の吸蔵量を検出する際に発生する排気エミッションを抑制する。【解決手段】排気ガス浄化システムは、排気浄化触媒と、排気浄化触媒の下流に設けられた空燃比センサと、アクティブ制御を実施するように構築された空燃比アクティブ制御手段と、空燃比センサに与えるセンサ印加電圧を可変に設定可能に構築され、アクティブ制御時に第一電圧と第二電圧との間でセンサ印加電圧を交互に切り替えるように構築された電圧制御手段と、空燃比アクティブ制御手段に応じて検出された空燃比センサのリッチ出力値が予め定めたリッチ側閾値をリッチ側に超過している場合には第一電圧を高電圧側に補正し、空燃比アクティブ制御手段に応じて検出された空燃比センサのリーン出力値が予め定めたリーン側閾値をリーン側に超過している場合には第二電圧を低電圧側に補正するように構築された電圧制御手段と、を備える。【選択図】図１２
2020139492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能力を持つ排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の下流に設けられた空燃比センサと、
前記排気浄化触媒に流れ込む排気ガスの空燃比を予め定めた所定リーン空燃比と予め定めた所定リッチ空燃比とで交互に切り替えるアクティブ制御を実施するように構築された空燃比アクティブ制御手段と、
前記空燃比センサに与えるセンサ印加電圧を可変に設定可能に構築され、前記所定リーン空燃比への切り替えに応じて設定される第一電圧と前記所定リッチ空燃比への切り替えに応じて設定され前記第一電圧より低い第二電圧との間で前記センサ印加電圧を交互に切り替えるように構築された電圧制御手段と、
前記空燃比アクティブ制御手段により前記所定リーン空燃比から前記所定リッチ空燃比への空燃比制御を実施したことに応じて検出された前記空燃比センサのリッチ出力値が予め定めたリッチ側閾値をリッチ側に超過している場合には前記第一電圧を高電圧側に補正し、前記空燃比アクティブ制御手段により前記所定リッチ空燃比から前記所定リーン空燃比への空燃比制御を実施したことに応じて検出された前記空燃比センサのリーン出力値が予め定めたリーン側閾値をリーン側に超過している場合には前記第二電圧を低電圧側に補正するように構築された電圧制御手段と、
を備える排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス浄化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許第５９４９９５７号公報に記載されているように、三元触媒の酸素吸蔵量を検出する技術が知られている。酸素吸蔵量の検出にはいわゆるアクティブ制御が実施される。アクティブ制御とは、空燃比をリッチとリーンとで交互に切り替えることにより三元触媒からの吸蔵酸素放出もしくは三元触媒への酸素吸蔵を行う制御である。
【０００３】
空燃比の切替および酸素の放出と吸蔵の動作は、三元触媒の下流に設けられた空燃比センサによって検出される。空燃比センサには、出力電流がゼロとなるような特定の印加電圧がある。上記特許公報には、空燃比センサへの印加電圧としてリーン空燃比となる電圧とリッチ空燃比となる電圧を交互に印加するように構築された装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５９４９９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術において、触媒の状態および空燃比センサのバラツキを考慮に入れると、酸素吸蔵量を検出する制御の実行中に排気エミッションを抑制する観点から未だ改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒酸素の吸蔵量を検出する際に発生する排気エミッションを抑制することができる排気ガス浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる排気ガス浄化システムは、
内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能力を持つ排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の下流に設けられた空燃比センサと、
前記排気浄化触媒に流れ込む排気ガスの空燃比を予め定めた所定リーン空燃比と予め定めた所定リッチ空燃比とで交互に切り替えるアクティブ制御を実施するように構築された空燃比アクティブ制御手段と、
前記空燃比センサに与えるセンサ印加電圧を可変に設定可能に構築され、前記所定リーン空燃比への切り替えに応じて設定される第一電圧と前記所定リッチ空燃比への切り替えに応じて設定され前記第一電圧より低い第二電圧との間で前記センサ印加電圧を交互に切り替えるように構築された電圧制御手段と、
前記空燃比アクティブ制御手段により前記所定リーン空燃比から前記所定リッチ空燃比への空燃比制御を実施したことに応じて検出された前記空燃比センサのリッチ出力値が予め定めたリッチ側閾値をリッチ側に超過している場合には前記第一電圧を高電圧側に補正し、前記空燃比アクティブ制御手段により前記所定リッチ空燃比から前記所定リーン空燃比への空燃比制御を実施したことに応じて検出された前記空燃比センサのリーン出力値が予め定めたリーン側閾値をリーン側に超過している場合には前記第二電圧を低電圧側に補正するように構築された電圧制御手段と、
を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、前回の印加電圧に応じた空燃比センサ出力値に基づいて、空燃比センサの検知感度を高めるように空燃比センサへの印加電圧を更新することができる。これにより、高感度でリーン空燃比とリッチ空燃比とを検出できるので、排気エミッションを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態にかかる排気ガス浄化システムおよびこれに使用される空燃比センサの構成を示す図である。
【図２】Ｃｍａｘ法の算出原理を説明するための図である。
【図３】三元触媒の浄化特性を示す図である。
【図４】エンジン排出ガスを浄化するときのＯＳＣの効果を説明するための図である。
【図５】三種類の空燃比状態に応じた空燃比センサ内のガスの移動を説明するための図である。
【図６】下流側空燃比センサの印加電圧と電流ゼロでの排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図７】空燃比センサの印加電圧に対する実空燃比と空燃比センサ出力電流との相関を示すグラフである。
【図８】触媒のストイキからのずれを早期検出するための技術アプローチおよびその効果を説明するための図であり、触媒下流がストイキからリッチに切り替わる状態を想定した図である。
【図９】比較例にかかる触媒アクティブＯＢＤの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】実施の形態にかかる排気ガス浄化システムの第一特徴制御に基づく動作を説明するための図である。
【図１１】実施の形態にかかる排気ガス浄化システムの第二特徴制御に基づく動作を説明するための図である。
【図１２】実施の形態にかかる排気ガス浄化システムの第三特徴制御に基づく動作を説明するための図である。
【図１３】実施の形態にかかる排気ガス浄化システムで実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図１４】実施の形態にかかる排気ガス浄化システムで実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態の概要を説明する。エンジンの排気ガスを浄化する三元触媒の劣化を判定する手法として、いわゆるＣｍａｘ法が用いられている。Ｃｍａｘ法とは、排気浄化触媒の上流および下流に排気センサを設けて、エンジンへの供給空燃比を変化させて排気浄化触媒の酸素吸蔵量（ＯＳＡ）を算出する方法である。
【００１１】
この触媒劣化判定手法では、劣化判定の実施時に触媒下流の排気ガスセンサがリッチからリーンへ変化する挙動あるいはリーンからリッチへ変化する挙動を検知して排気浄化触媒に流入するガスの空燃比を切り替える。このような動作はエミッション特性を低下させる問題がある。Ｃｍａｘ法におけるエミッション特性の低下という問題を解決するために、以下に説明する実施の形態が提供される。
【００１２】
実施の形態にかかる内燃機関システムのシステム構成および空燃比センサの構成は、例えば特開２０１４−１４５３０８号公報に記載されているものと同様であってもよい。特開２０１４−１４５３０８号公報には、三元触媒の上下流にそれぞれ空燃比センサを設けた内燃機関システムおよび１セル限界電流式の空燃比センサが記載されている。
【００１３】
なお、内燃機関システムの構成は、例えば国際公開第２０１４／１１８８９２号に記載されたのと同様の、三元触媒の上下流にそれぞれ空燃比センサを設けた排気システムであってもよい。
【００１４】
＜内燃機関システム構成＞
実施の形態にかかる内燃機関は複数の気筒を有する火花点火式内燃機関である。使用される燃料は一例として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。内燃機関の各気筒の排気ポートは排気マニホルドに連結される。排気マニホルドは、各排気ポートに連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。
【００１５】
排気マニホルドの集合部は上流側排気浄化触媒を内蔵した上流側ケーシングに連結される。上流側ケーシングは、排気管を介して下流側排気浄化触媒を内蔵した下流側ケーシングに連結される。排気ポート、排気マニホルド、上流側ケーシング、排気管及び下流側ケーシングは、排気通路を形成する。
【００１６】
内燃機関の排気マニホルドの集合部には「上流側空燃比センサ」が配置される。上流側空燃比センサは、排気マニホルド内を流れる排気ガスの空燃比を検出する。排気マニホルド内を流れる排気ガスとは、すなわち、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスである。
【００１７】
排気管内には、「下流側空燃比センサ」が配置される。下流側空燃比センサは、排気管内を流れる排気ガスの空燃比を検出する。排気管内を流れる排気ガスとは、すなわち、上流側排気浄化触媒から流出して下流側排気浄化触媒に流入する排気ガスである。
【００１８】
上流側空燃比センサの出力と下流側空燃比センサの出力は、それぞれに対応するＡＤ変換器を介して、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１の入力ポートに入力される。
【００１９】
＜空燃比センサおよびその周辺回路の構成＞
図１は、実施の形態にかかる排気ガス浄化システムおよびこれに使用される下流側空燃比センサ４１の構成を示す図である。図１を参照して、本実施形態が適用される下流側空燃比センサ４１（以下、単に「空燃比センサ４１」とも称する）の構成について説明する。なお、上流側空燃比センサも空燃比センサ４１と同様の構造とされてもよい。
【００２０】
図１は、空燃比センサ４１の概略的な断面図である。図１から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００２１】
図１に示したように、空燃比センサ４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極（第一電極）５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極（第二電極）５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００２２】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。
【００２３】
また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。
【００２４】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。本実施形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。
【００２５】
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサ４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００２６】
固体電解質層５１は、ＺｒＯ２（ジルコニア）、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２、Ｂｉ２Ｏ３等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
【００２７】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０により印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、電圧印加装置６０によって印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流（出力電流）を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４１の出力電流である。
【００２８】
以上説明したように、電圧印加装置６０によって印加電圧Ｖｒを空燃比センサ４１の電極間に印加し、電流検出装置６１で電流を検出する定電圧印加電流検出回路が構築される。なお、定電圧印加電流検出回路の回路構成は、アナログ回路あるいはマイコン制御などにより電圧印加装置６０が出力する印加電圧Ｖｒを可変に設定できるように構築されている。ＥＣＵ３１によって印加電圧Ｖｒを所望の電圧に制御することができる。
【００２９】
図２は、Ｃｍａｘ法の算出原理を説明するための図である。一例として、特開平５−１０６４９３号公報に記載されたＣｍａｘ法を紹介する。
【００３０】
Ｃｍａｘ法は、触媒のＯ２ストレージ能力の特性を考慮して正確な触媒の劣化判定を行うものである。空燃比制御手段が空燃比をリーン側に変化させた時点から、下流側Ｏ２センサ（すなわち酸素センサ）の出力がリッチからリーンに反転するまでの第一時間を第一時間計測手段で計測する。
【００３１】
これとともに、空燃比をリッチ側に変化させた時点から、下流側Ｏ２センサの出力がリーンからリッチに反転するまでの第二時間を第二時間計測手段で計測する。触媒劣化判別手段は、第一時間と第二時間の平均値が所定時間よりも短くなったかどうかに基づいて触媒の劣化判定を行う。
【００３２】
Ｃｍａｘ算出方法である空燃比アクティブ制御の内容を説明する。サブＯ２センサ出力の反転＝触媒のＯＳＣ限界越えと判断し、サブＯ２出力反転タイミングで目標空燃比を切り替える。酸素素吸蔵量と酸素放出量を両方求め、その平均値をその条件でのＯＳＣ最大値と考えてＯＳＣｍａｘすなわち「Ｃｍａｘ」と称している。
【００３３】
ＯＳＡとは、酸素吸蔵量（O2 Storage Amount）である。ＯＳＡは、０から最大までの触媒への流入流出酸素量を積算したものであり、下記の式（１）で算出できる。
ＯＳＡ＝０．２３×ΔＡ／Ｆ×燃料噴射量    ・・・（１）
【００３４】
式（１）において、０．２３は酸素質量割合である。ΔＡ／Ｆは、空燃比センサ出力値からストイキ空燃比を差し引いた値である。Ｃｍａｘは図２に示すｏｓａｆａｌｌとｏｓａｒｉｚｅとの平均値である。
【００３５】
エンジンの排気ガスを浄化する三元触媒の劣化を判定する手法として、触媒の上流および下流に排気センサを設け、エンジンヘの供給空燃比を変化させて触媒の酸素吸蔵量（ＯＳＡ）を算出する所謂Ｃｍａｘが用いられているが、以下の課題がある。
【００３６】
課題は、触媒アクティブＯＢＤ実施時の触媒出ガスエミッション特性が低下することである。この課題が発生するケースとして触媒下流に酸素（Ｏ２）センサを用いた場合が挙げられる。酸素（Ｏ２）センサは、空燃比（Ａ／Ｆ）センサのようにストイキ点を示さない。このため、触媒下流に酸素（Ｏ２）センサを用いた場合には、完全にリッチあるいはリーンになった状態を検出して触媒入りガスの空燃比を切替える必要がある。その結果、エミッション特性の低下が問題となる。なお、「触媒入りガス」とは、排気浄化触媒に流れ込むガスのことである。
【００３７】
二つの空燃比センサを用いるシステムのように触媒下流に空燃比センサを用いた場合は、ストイキ点の検出が応答性良くできる。このため、極カストイキ点に近いところで触媒入りガスの切替えを実施できる。しかしながら、空燃比センサの場合でも、結局ストイキ点からリッチやリーンになった状態を検知してから触媒入りガスを切替えるので、エミッション特性低下が問題となる。さらにＡ／Ｆセンサの応答性バラツキ等により更なるエミッション特性低下が問題となる。
【００３８】
図３は、三元触媒の浄化特性を示す図である。三元触媒の浄化特性と酸素吸蔵能について説明する。三元触媒（ＴＷＣ：Three way catalyst）は、一般的に酸素吸蔵能（以下ＯＳＣ：Ｏｘｙｇｅｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ）を付与されており、触媒入ガスのＡ／Ｆ変動を吸収し触媒浄化能を向上させている。図４の例では、空燃比が１４．６近傍に理論空燃比が存在し、浄化率（Conversion）が１００％付近を示している。
【００３９】
図４は、エンジン排出ガスを浄化するときのＯＳＣの効果を説明するための図である。ＯＳＣの効果を図４に示す。触媒上流（Upstream）に流れ込む触媒入ガスＡ／Ｆがリッチとなった場合は吸蔵されていた酸素の放出（Oxygen discharged）が行われる。逆にリーンとなった場合は酸素の吸蔵（Oxygen occluded）が行われる。これにより触媒内を理論空燃比に保つことができる。ただし、例えば触媒内の酸素が飽和した場合には、図３に示した通りのＮＯｘ浄化特性が示されるので、ＮＯｘ低減には触媒内の酸素飽和の抑制が重要になる。
【００４０】
図５は、三種類の空燃比状態に応じた空燃比センサ内のガスの移動を説明するための図である。図５および下記の説明は、非特許文献（上野、笹山: T.IEE Japan,Vol.114-C, No 7/8, '94）に記載されている空燃比センサの基本的な駆動回路の動作原理に基づくものである。排気側電極が多孔質ガス拡散律速膜で被覆されるとともに、濃淡電池の排気電極周辺の酸素が白金の触媒能でイオン化されて大気側にポンピングされる。
【００４１】
空燃比とガスの移動との関係をまとめると、まず図５のリーン域（Lean range）では、残留酸素が膜内を拡散し、これが濃淡電池内をイオンとして大気側へ流れる。図５の理論空燃比点（Stoichiometric point）では、排気中に未燃成分も残留酸素も存在しない。このため、膜内の拡散も濃淡電池内の酸素イオンの移動も発生しない。図５のリッチ域（Rich range）では、未燃成分が膜内を拡散し、これを酸化するため酸素がイオンとして大気側から流れる。
【００４２】
図６は、下流側空燃比センサ４１（「リアＡ／Ｆセンサ４１」とも称す）の印加電圧と電流ゼロでの排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。図３で説明した原理により、空燃比センサに印加電圧Ｖｒを印加した際にセンサ出力電流がゼロとなる排気電極側の酸素分圧（濃度）は、図６のような相関を持つ。
【００４３】
図７は、空燃比センサの印加電圧に対する実空燃比と空燃比センサ出力電流との相関を示すグラフである。図６の相関から、０．４５Ｖを基準として印加電圧を高くした場合（例えば０．６Ｖ）および印加電圧を低くした場合（例えば０．２Ｖ）の空燃比センサの出力電流は、ベース特性（例えば０．４５Ｖ印加）に対して図７のような特性を持つ。
【００４４】
図７の傾向があるので、空燃比センサへの印加電圧Ｖｒを切替えることで、特に三元触媒下流で空燃比センサが検知するストイキ近傍の低酸素濃度ガスに対し、空燃比センサの感度調整が可能になる。
【００４５】
すなわち、０．４５Ｖを印加した一般的な空燃比センサ特性は、センサ電流ゼロでストイキ（空燃比＝１４．６）を示す。これに対し、例えば０．６Ｖを印加した空燃比センサは、センサ電流ゼロ時に、０，４５Ｖを印加した一般的な空燃比センサと比べて微小リッチを示す。逆に例えば０．２Ｖを印加した空燃比センサは、センサ電流ゼロ時に、０．４５Ｖを印加した一般的な空燃比センサと比べて、微小リーン状態を示す。
【００４６】
実施の形態では、上記のような印加電圧Ｖｒに応じた特性を利用して、排気浄化システムにおける新規な触媒アクティブＯＢＤ手法が提供される。
【００４７】
図８は、触媒のストイキからのずれを早期検出するための技術アプローチおよびその効果を説明するための図であり、触媒下流がストイキからリッチに切り替わる状態を想定した図である。触媒アクティブＯＢＤ実行時、触媒入りガス制御目標がリッチであるとき（触媒内酸素脱離状態）には、下流側空燃比センサ４１の印加電圧Ｖｒが低電圧値とされる。触媒入りガスの制御目標がリーンであるとき（触媒内酸素吸蔵状態）には、下流側空燃比センサ４１の印加電圧Ｖｒが高電圧値とされる。
【００４８】
これにより、ストイキからリッチ、リーンに切替わった状態を高応答に検出することで、第一効果として触媒アクティブＯＢＤ実行時のエミッション低下が極限まで抑えられる。さらに第二効果として空燃比センサ応答遅れによるＯＳＡへのバラツキ影響の低減を図りＯＢＤ検出精度も向上する。なお、触媒アクティブＯＢＤの概要が、下記の図９、図１０にも例示されている。
【００４９】
図８には、上記第一効果及び第二効果が得られる理由が示されている。センサの印加電圧Ｖｒを操作することの効果を説明する。ストイキからのずれを瞬時に検出しようとしてもセンサ公差分やセンサ応答遅れ分（Ｔｓ）が残る。Ｔｓは、ガス到達時間とセンサ反応時間との合計である。
【００５０】
一方、印加電圧Ｖｒを操作することにより、下流側空燃比センサ４１のガス感度をコントロールできる。これによりストイキからのずれの応答遅れ分を実質的にゼロとできるほどに改善できる。図８のセンサ出力マイナス（リッチ）は、ストイキからのずれ判定点に対応している。ずれ判定点は、一般的にセンサ構造および回路公差などから決定される。
【００５１】
ここで、第一補足説明として、上記制御において、ゼロ電流を検出して制御する理由を下記に述べる。第一理由は、センサ電流のゼロ点は電流が流れないので回路等の誤差が小さいからである。
【００５２】
第二理由は、エンジン始動時等での空燃比センサが冷えた状態において空燃比センサに流れる電流がゼロの状態とされ、この状態で回路誤差の学習制御を実施する技術が提案されており、このような技術と組み合わせることで電流ゼロでの誤差は極めて小さくできるからである。
【００５３】
第三理由は、ストイキを挟んだ微リッチ、微リーン状態を制御可能だからである。空燃比センサにおけるゼロ以外のセンサ電流（つまり所定のＡ／Ｆ）を目標とすると印加電圧で制御可能なストイキ付近の極小な酸素濃度変化ではなく、誤差を含めて大きく酸素濃度が変化するため、触媒下流が完全にリッチ破綻あるいはリーン破綻した状態を検出することとなり触媒下流の排ガスの排出は抑制できない。
【００５４】
さらに、第二補足説明として、下流側空燃比センサ４１の出力の制御目標について説明する。上記に記載したように下流側空燃比センサ４１のゼロ電流をターゲットに制御することが最も良いと考えるが、実際には、空燃比センサや周辺回路の性能に微小な誤差が存在するため、それらの誤差を加味して、下流側空燃比センサ４１の出力をアクティブに切替えるときの出力電流をプラス電流あるいは、マイナス電流としても良い。
【００５５】
図９は、比較例にかかる触媒アクティブＯＢＤの動作を説明するためのタイミングチャートである。比較例ではストイキ点判定のための印加電圧Ｖｒは例えば０．４５Ｖなどに一定とされる。ＯＳＡはゼロと最大との間の触媒への流入酸素量および流出酸素量を積算することで求められる。
【００５６】
比較例ではリッチリーン切替え判定時にストイキからずれた状態を検出してから切替えるが、これにより図９の符号Ｑ１、Ｑ２に示すように下流側空燃比センサ４１が大きくリッチ、リーンを示す。その結果、エミッション特性が大きく低下するおそれがある。
【００５７】
＜実施の形態の装置の動作＞
上記図９の比較例では排気エミッション特性が低下してしまう。空燃比センサのストイキ出力値（例えばゼロ電流）は、触媒アクティブＯＢＤ実行時における、触媒下流の空燃比センサの触媒ＯＳＡ（酸素吸蔵量）を算出する基準点である。
【００５８】
そこで本実施の形態では、触媒下流の空燃比センサへの印加電圧Ｖｒを操作することで、このストイキ出力値（例えばゼロ電流）におけるガス感度を操作することとしている。これにより、触媒入りガスの空燃比がストイキからリッチあるいはリーンに変化する状態を迅速に検出し、触媒アクティブＯＢＤを実行した時のエミッションを効果的に低減することができる排気ガス浄化システムが提供される。
【００５９】
（第一特徴制御）
図１０は、実施の形態にかかる排気ガス浄化システムの第一特徴制御に基づく動作を説明するための図である。実施の形態の第一特徴制御によれば、触媒入りガスがリーンとなる時は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｒを、高電圧に切り替える（図１０の例えば符号Ｑ５参照）。この高電圧は、予め定められた値であり、一例として０．６Ｖなどでもよい。
【００６０】
さらに、実施の形態の第一特徴制御によれば、触媒入りガスがリッチとなる時は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｒを、低電圧に切り替える（図１０の例えば符号Ｑ６参照）。この高電圧は、予め定められた値であり、一例として０．２Ｖなどでもよい。このように、実施の形態の第一特徴制御によれば、印加電圧Ｖｒが予め定めた高電圧と予め定めた低電圧との間を交互に切り替わるように、ＥＣＵ３１が電圧印加装置６０を制御する。
【００６１】
この電圧制御による空燃比センサのガス感度制御によって、リッチとリーンとの切替え判定時に、ストイキからずれた状態を逸早く検出して制御内容を切替えることができる。これにより図１０の符号Ｑ３、Ｑ４に示すようにストイキからのリッチずれ量およびリーンずれ量を大幅に抑制することができる。従って、エミッション低下を抑制することができる。
【００６２】
（第二特徴制御）
図１１は、実施の形態にかかる排気ガス浄化システムの第二特徴制御に基づく動作を説明するための図である。上記の第一特徴制御により触媒アクティブＯＢＤを実行した際に、印加電圧Ｖｒを切替えた瞬間に空燃比センサ出力の変動が生じる場合がある。なお、空燃比センサの出力が変動する要因を説明すると、空燃比センサ等の電気回路にはＲ成分（抵抗成分）とＣ成分（容量成分）とが含まれている。この抵抗成分および容量成分に起因して、印加電圧Ｖｒが切替えられた時に、空燃比センサ出力電流の変化に伴うセンサ出力変動が発生する。
【００６３】
そこで、実施の形態にかかる第二特徴制御では、印加電圧Ｖｒを切替えてから所定時間（例えば５００ｍｓ）が経過するまでは、下流側空燃比センサ４１の出力を切替え前の値に保持（つまり出力更新を禁止）する（図１１の符号Ｑ７）。これとともに、一旦印加電圧Ｖｒを切り替えた後は所定時間が経過するまでは印加電圧Ｖｒの再度の切替えを禁止する（図１１の符号Ｑ８）。
【００６４】
印加電圧が切り替わってから所定時間経過した後に、下流側空燃比センサ４１の出力変動が収束する。実施の形態の第二特徴制御は、その収束後に下流側空燃比センサ４１の出力の読み込みを開始し、印加電圧の切替え制御を許可する。
【００６５】
（第三特徴制御）
図１２は、実施の形態にかかる排気ガス浄化システムの第三特徴制御に基づく動作を説明するための図である。触媒状態および空燃比センサ特性バラツキなどの要因で、エミッション特性の低下を招く余地がある。
【００６６】
そこで、触媒アクティブＯＢＤ実行時に、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて触媒入りガス制御空燃比を切り替えた後に、下流側空燃比センサ４１の出力が公差を含むストイキ出力値範囲から逸脱したか否かを検出する。ストイキ出力値範囲は、図１２の符号Ｑ１１に示されたストイキ判定域であり、空燃比センサのストイキ出力公差で決まる範囲である。
【００６７】
ストイキ判定域Ｑ１１からの逸脱が検出されたときには、次回の触媒アクティブ実行時に、ストイキ出力値から外れた側のエミッションを低減するように、印加電圧Ｖｒを補正する。印加電圧Ｖｒの補正は、さらにすばやくストイキずれ検出可能判定可能な側へと印加電圧Ｖｒの電圧値を増加又は減少させることである。
【００６８】
具体的には、第三特徴制御は、まず、図１２の符号Ｑ９および符号Ｑ１２に示された制御動作を実現することができる。触媒入りガスをリーンからリッチに切り替えた際に、図１２の符号Ｑ９のようにストイキ判定域Ｑ１１を超過するほどにリッチなガスの排出があったものとする。この場合には、そのエミッション排出を抑制するために、次の触媒入りガスリーン制御のときに、印加電圧Ｖｒの高電圧の値が、さらに高い電圧値に増加補正される。これにより、図１２の符号Ｑ１２に示すように、補正後の印加電圧Ｖｒが、前回の印加電圧Ｖｒよりも高い値に設定される。
【００６９】
さらに、第三特徴制御は、図１２の符号Ｑ１０および符号Ｑ１３に示された制御動作も実現することができる。触媒入りガスをリッチからリーンに切り替えた際に、図１２の符号Ｑ１０に示すようにストイキ判定域Ｑ１１を超過するほどにリーンなガスの排出があったとする。この場合には、そのエミッション排出を抑制するために、印加電圧Ｖｒの低電圧の値が、さらに低い電圧値に低減補正される。これにより、図１２の符号Ｑ１３に示すように、補正後の印加電圧Ｖｒが前回の印加電圧Ｖｒよりも低い値に設定される。
【００７０】
第三特徴制御によれば、上記のように高電圧値と低電圧値とをそれぞれ補正しつつ、触媒アクティブＯＢＤを実行することができる。図１２には、第三特徴制御を実行したときの触媒アクティブＯＢＤの様子が図示されている。
【００７１】
なお、変更した印加電圧Ｖｒの値は、所定運転領域毎等での学習値としてＥＣＵ３１に記憶されてもよい。これにより、次回の触媒アクティブＯＢＤ実行時の開始時に、学習値を反映させることで直ちにエミッション悪化を抑制することもできる。
【００７２】
＜実施の形態の具体的制御＞
図１３および図１４は、実施の形態にかかる排気ガス浄化システムで実行される制御ルーチンのフローチャートである。図１３および図１４のルーチンは、触媒アクティブＯＢＤを実行するためにＥＣＵ３１によって実行される。
【００７３】
図１３のルーチンでは、まず、エンジン始動後であり且つセンサが故障していないかが判定される（ステップＳ１００）。エンジン始動後であるか、またはセンサの故障が発見されている場合には、ステップＳ１００の判定結果は否定（ＮＯ）となり、今回のルーチンが終了する。
【００７４】
ステップＳ１００の判定結果が肯定（ＹＥＳ）であった場合には、次に、下流側空燃比センサ４１の制御が実施される（ステップＳ１０１）。すなわち、ヒータ制御などが実施されて空燃比センサ４１が駆動され、通常のＡ／Ｆ制御用の値（例えば０．４５Ｖなど）の印加電圧Ｖｒが空燃比センサ４１に印加される。
【００７５】
次に、触媒アクティブＯＢＤの実行条件が成立したか否かが判定される（ステップＳ１０２）。この実行条件には、具体例として、エンジンおよび排気浄化触媒の暖気後であるか否かという第一条件と、触媒温度が所定温度範囲内であるか否かという第二条件と、空燃比フィードバック制御中であるか否かという第三条件と、フィーエルカット中ではないか否かという第四条件と、空燃比センサ４１が活性状態にあるか否かという第五条件とが含まれる。
【００７６】
例えば上記の第一〜第五条件のすべてが成立している場合に、ステップＳ１０２の判定結果が肯定（ＹＥＳ）とされてもよい。上記の複数の条件のうち少なくとも一つが不成立である場合には、ステップＳ１０２の判定結果は否定（ＮＯ）とされ、今回のルーチンが終了する。
【００７７】
ステップＳ１０２の判定結果が肯定（ＹＥＳ）であった場合には、次に、印加電圧学習値の読み込みが実行される（ステップＳ１０３）。このステップでは、下流側空燃比センサ４１の印加電圧学習値であるリーン学習値ＶＲＡＦＳＬＥＡＮＧとリッチ学習値ＶＲＡＦＳＲＩＣＨＧとがそれぞれ読み込まれる。印加電圧学習値は、運転条件ごとに区別して読み込まれる。
【００７８】
ここで、リーン側の印加電圧Ｖｒを、印加電圧ＶＲＡＦＳＬＥＡＮとも称する。リッチ側の印加電圧Ｖｒを、印加電圧ＶＲＡＦＳＲＩＣＨとも称する。つまり、印加電圧Ｖｒは、リーン側パラメータとリッチ側パラメータとを持つ複数パラメータ保有値である。
【００７９】
リーン学習値ＶＲＡＦＳＬＥＡＮＧに基づいて、印加電圧ＶＲＡＦＳＬＥＡＮが設定される。リーン側印加電圧ＶＲＡＦＳＬＥＡＮは、触媒入りガスＡ／Ｆがリーンであるとき、つまり酸素吸蔵量を計測するときに下流側空燃比センサ４１に印加される電圧である。
【００８０】
リッチ学習値ＶＲＡＦＳＲＩＣＨＧに基づいて、印加電圧ＶＲＡＦＳＲＩＣＨが設定される。印加電圧ＶＲＡＦＳＲＩＣＨは、触媒入りガスＡ／Ｆがリッチであるとき、つまり酸素放出（脱離）量を計測するときに下流側空燃比センサ４１に印加される電圧である。
【００８１】
次に、触媒入りガスの制御Ａ／Ｆをリーンに切り替える処理が実行される（ステップＳ１０４）。このステップでは、触媒入りガスの制御Ａ／Ｆが触媒アクティブ実行時の所定リーンＡ／Ｆに切り替えられる。この所定リーンＡ／Ｆは例えば１５．１であってもよい。
【００８２】
次に、印加電圧Ｖｒの切り替えが実施される（ステップＳ１０５）。このステップでは、印加電圧切り替えが行われる直前の下流側空燃比センサ４１の出力値ＡＦＳＯが取得される。学習値ＶＲＡＦＳＬＥＡＮＧに基づいて、印加電圧ＶＲＡＦＳＬＥＡＮが例えば０．６Ｖに設定される。
【００８３】
次に、印加電圧Ｖｒの切り替えが行われてから、所定時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１０６）。所定時間は、予め定められた値であり、例えば５００ｍｓであってもよい。
【００８４】
ステップＳ１０６において所定時間が経過していないと判定された場合には、処理はステップＳ１０８に移行する。ステップＳ１０８では、下流側空燃比センサ４１の出力値が固定されるとともに、印加電圧Ｖｒの切り替えが禁止される。例えば出力固定フラグと電圧切替禁止フラグとが準備され、ステップＳ１０８ではこれらのフラグがオンに立ち上がるような処理が構築されてもよい。これにより前述した第二特徴制御が実現される。所定時間が経過するまではステップＳ１０６とステップＳ１０８とで処理がループする。
【００８５】
ステップＳ１０６で所定時間が経過したと判定された場合には、次に、下流側空燃比センサ４１の出力更新が許可されるとともに、印加電圧Ｖｒの切り替えも許可される（ステップＳ１０７）。例えば上述した出力固定フラグと電圧切替禁止フラグとがオフとされ、出力固定と電圧切替禁止が解除される。
【００８６】
次に、下流側空燃比センサ４１の出力の最小値を随時更新する処理が実行される（ステップＳ１０９）。このステップでは、下流側空燃比センサ４１の印加電圧Ｖｒの切替が行われた後、出力更新が許可された時点から次に印加電圧Ｖｒを切り替えるまでの下流側空燃比センサ４１の出力の最小値ＡＦＳＯＭＮが取得され、随時更新されていく。
【００８７】
次に、下流側空燃比センサ４１の出力値がリーン出力を示したか否かが判定される（ステップＳ１１０）。このステップでは、空燃比が、公差を含めたストイキ出力値範囲であるストイキ判定域Ｑ１１（図１２参照）からリーン側に外れたか否かが判定される。ステップＳ１１０の条件が不成立であるときには処理はステップＳ１１１に進む。ステップＳ１１０の条件が不成立であるかぎり、ステップＳ１１１におけるＯＳＡの積算が継続される。
【００８８】
ステップＳ１１０の判定結果が肯定（ＹＥＳ）となった場合には、ＯＳＡの積算が終了となり、積算値がＯＳＡＲＩＳＥとしてＥＣＵ３１の記憶領域に格納される（ステップＳ１１２）。
【００８９】
次に、ステップＳ１０９で随時更新により取得された下流側空燃比センサ４１の出力の最小値ＡＦＳＯＭＮが、リッチ出力を示したか否かが判定される（ステップＳ１１３）。具体的には、最小値ＡＦＳＯＭＮが、ストイキ判定域Ｑ１１のリッチ側境界値をリッチ側に超過しているか否かが判定される。
【００９０】
ステップＳ１１３の条件が不成立であれば、処理は図１４のステップＳ１１５へと進む。
【００９１】
ステップＳ１１３の条件が成立している場合には、現在の印加電圧Ｖｒに対して補正が施され、これが学習値として格納される（ステップＳ１１４）。すなわち、現在の印加電圧ＶＲＡＦＳＲＩＣＨを、下記の式（２）に従って低電圧側に補正したうえで補正後の学習値ＶＲＡＦＳＲＩＣＨＧとして格納する処理が実行される。式（２）の所定値ＶＲＲ０は、予め定めた値であり、例えば０．０２Ｖであってもよい。その後、処理は図１４のステップＳ１１５へと進む。
ＶＲＡＦＳＲＩＣＨＧ  ←  ＶＲＡＦＳＲＩＣＨ  −  ＶＲＲ０    ・・・（２）
【００９２】
図１４のステップＳ１１５では、触媒入りガスの制御Ａ／Ｆの切り替えが実施される。このステップでは、触媒入りガスの制御Ａ／Ｆが触媒アクティブ実行時の所定リッチＡ／Ｆに切り替えられる。この所定リッチＡ／Ｆは例えば１４．１であってもよい。
【００９３】
次に、下流側空燃比センサ４１の出力の取得、および印加電圧Ｖｒの切り替えが実施される（ステップＳ１１６）。このステップでは、印加電圧の切り替えが行われる直前の下流側空燃比センサ４１の出力値ＡＦＳＯが取得される。学習値ＶＲＡＦＳＲＩＣＨＧに基づいて印加電圧Ｖｒが切り替えられ、印加電圧ＶＲＡＦＳＲＩＣＨの初期値は例えば０．２Ｖであってもよい。
【００９４】
次に、印加電圧Ｖｒの切り替えが行われてから、所定時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１１７）。所定時間は、予め定められた値であり、例えば５００ｍｓであってもよい。
【００９５】
ステップＳ１１７において所定時間が経過していないと判定された場合には、処理はステップＳ１１８に移行する。ステップＳ１１８では、下流側空燃比センサ４１の出力値がステップＳ１１６で取得した値ＡＦＳＯのままで固定（マスク）され、その更新が禁止される。
【００９６】
更新禁止とともに、印加電圧Ｖｒの切り替えが禁止される。例えば出力固定フラグと電圧切替禁止フラグとが準備され、ステップＳ１１８ではこれらのフラグがオンに立ち上がる。これにより前述した第二特徴制御が実現される。所定時間が経過するまではステップＳ１１７とステップＳ１１８とで処理がループする。
【００９７】
ステップＳ１１７で所定時間が経過したと判定された場合には、次に、下流側空燃比センサ４１の出力更新が許可されるとともに、印加電圧Ｖｒの切り替えも許可される（ステップＳ１１９）。例えばステップＳ１１８で例示した出力固定フラグと電圧切替禁止フラグとがオフとされ、出力固定と電圧切替禁止が解除される。
【００９８】
次に、下流側空燃比センサ４１の出力の最大値を随時更新する処理が実行される（ステップＳ１２０）。このステップでは、下流側空燃比センサ４１の印加電圧Ｖｒの切替が行われた後、出力更新が許可された時点から次に印加電圧Ｖｒを切り替えるまでの下流側空燃比センサ４１の出力の最大値ＡＦＳＯＭＸが取得され、随時更新されていく。
【００９９】
次に、下流側空燃比センサ４１の出力値がリッチ出力を示したか否かが判定される（ステップＳ１２１）。このステップでは、下流側空燃比センサ４１で検出された空燃比が、公差を含めたストイキ出力値範囲であるストイキ判定域Ｑ１１（図１２参照）からリッチ側に外れたか否かが判定される。ステップＳ１２１の条件が不成立であるときには、処理はステップＳ１２２に進む。ステップＳ１２１の条件が不成立であるかぎり、ステップＳ１２２におけるＯＳＡの積算が継続される。
【０１００】
ステップＳ１２１の判定結果が肯定（ＹＥＳ）となった場合には、ＯＳＡの積算が終了となり、積算値がＯＳＡＦＡＬＬとしてＥＣＵ３１の記憶領域に格納される（ステップＳ１２３）。
【０１０１】
次に、ステップＳ１２０で随時更新により取得された下流側空燃比センサ４１の出力の最大値ＡＦＳＯＭＸが、リーン出力を示したか否かが判定される（ステップＳ１２４）。具体的には、最大値ＡＦＳＯＭＸが、ストイキ判定域Ｑ１１のリーン側境界値をリーン側に超過しているか否かが判定される。
【０１０２】
ステップＳ１２４の条件が不成立であれば、処理はステップＳ１２６へと進む。
【０１０３】
ステップＳ１２４で最大値ＡＦＳＯＭＸがストイキ判定域Ｑ１１からリーン側に外れている場合には、ステップＳ１２４の条件が成立しているので、現在の印加電圧Ｖｒに対して補正が施され、これが学習値として格納される（ステップＳ１２５）。
【０１０４】
すなわち、現在の印加電圧ＶＲＡＦＳＬＥＡＮを、下記の式（３）に従って高電圧側に補正したうえで補正後の学習値ＶＲＡＦＳＬＥＡＮＧとして格納する処理が実行される。式（３）の所定値ＶＲＬ０は、予め定めた値であり、例えば０．０２Ｖであってもよい。その後、処理はステップＳ１２６へと進む。
ＶＲＡＦＳＬＥＡＮＧ  ←  ＶＲＡＦＳＬＥＡＮ  ＋  ＶＲＬ０    ・・・（３）
【０１０５】
ステップＳ１２６では、ＯＳＡＲＩＳＥとＯＳＡＦＡＬＬが所定回数だけ算出されたか否かが判定される。所定回数は予め定めた値であり、例えば３回ずつＯＳＡＲＩＳＥとＯＳＡＦＡＬＬとが算出されたことを条件としても良い。
【０１０６】
ステップＳ１２６の判定結果が否定（ＮＯ）であれば、処理は図１３のステップＳ１０３へとジャンプする。ステップＳ１２６の判定結果が肯定（ＹＥＳ）であれば、処理はステップＳ１２７に進む。
【０１０７】
ステップＳ１２７では、印加電圧の切替が行われ、フィードバック制御が開始される。すなわち、下流側空燃比センサ４１の印加電圧Ｖｒが、通常のＡ／Ｆ制御用の印加電圧（例えば０．４５Ｖ）に切り替えられる。次に、所定時間だけセンサ出力がマスクされるとともに、サブＦ／Ｂ制御が停止される。所定時間の経過後にフィードバック制御が開始される。
【０１０８】
次に、Ｃｍａｘ値の算出が行われる（ステップＳ１２８）。具体的には、１回目の値を除いた残り２回のアクティブ制御で算出されたＯＳＡＲＩＳＥとＯＳＡＦＡＬＬとの平均値から、Ｃｍａｘ値が算出される。
【０１０９】
次に、Ｃｍａｘ値から触媒の故障判断が実施される（ステップＳ１２９）。その後、今回のルーチンが終了する。
【符号の説明】
【０１１０】
３１  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１  空燃比センサ（下流側空燃比センサ）
５１  固体電解質層
５２  排気側電極
５３  大気側電極
５４  拡散律速層
５５  保護層
５６  ヒータ部
５７  被測ガス室
５８  基準ガス室
５９  ヒータ
６０  電圧印加装置
６１  電流検出装置
Ｑ１１  ストイキ判定域
Ｖｒ  印加電圧
ＶＲＡＦＳＬＥＡＮ  印加電圧（リーン）
ＶＲＡＦＳＲＩＣＨ  印加電圧（リッチ）
ＶＲＡＦＳＬＥＡＮＧ  リーン学習値
ＶＲＡＦＳＲＩＣＨＧ  リッチ学習値
【図１】
2020139492.tif 000003
【図２】
2020139492.tif 000004
【図３】
2020139492.tif 000005
【図４】
2020139492.tif 000006
【図５】
2020139492.tif 000007
【図６】
2020139492.tif 000008
【図７】
2020139492.tif 000009
【図８】
2020139492.tif 000010
【図９】
2020139492.tif 000011
【図１０】
2020139492.tif 000012
【図１１】
2020139492.tif 000013
【図１２】
2020139492.tif 000014
【図１３】
2020139492.tif 000015
【図１４】
2020139492.tif 000016