(57)【要約】【課題】空燃比フィードバック制御に関し、触媒の活性状態に応じた適切な空燃比制御を行うことができる空燃比制御装置を提供する。【解決手段】三元触媒４２の上流側の空燃比センサ７６の出力によるメインフィードバック制御と、三元触媒４２の下流側の酸素センサ７７の出力によるサブフィードバック制御とを行う空燃比フィードバック制御に対し、触媒温度が低いほど酸素センサ７７のストイキ要求レベルをリッチ側に変更する。また、スロットルバルブ開度の単位時間当たりにおける増加量が大きいほど上記ストイキ要求レベルをリッチ側に補正する。これにより、三元触媒４２の温度が低く活性が不十分である状況であってもそれに適した空燃比フィードバック制御を実施することが可能になる。【選択図】図１
2010138705.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た触媒の上流側および下流側に排気ガスセンサがそれぞれ設けられ、内燃機関の空燃比が目標空燃比になるように各排気ガスセンサの出力値に基づくフィードバック補正量によって空燃比を制御する空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置において、
上記触媒の温度に応じて上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更し、この変更した排気ガスセンサの空燃比変更要求値に基づいて上記空燃比フィードバック制御を行わせるセンサ要求値変更手段を備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
上記請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
上記空燃比フィードバック制御は、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値に応じて上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値を変更するものであり、
上記センサ要求値変更手段は、上記触媒の温度が低いほど、上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する構成とされてい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】
上記請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
内燃機関の吸入空気量に応じて触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更するマップが、触媒の温度に対応して複数記憶された記憶手段を備えており、
上記センサ要求値変更手段は、上記記憶手段に記憶されている複数のマップのうち触媒の温度に対応した１つのマップを選択することで、上記触媒の温度および上記吸入空気量に応じた触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を取得して、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する構成とされてい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】
上記請求項１、２または３記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
上記センサ要求値変更手段は、内燃機関の吸気系に備えられたスロットルバルブの開度の単位時間当たりにおける変化量に応じて上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を更に変更するよう構成されてい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】
上記請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
上記センサ要求値変更手段は、内燃機関の吸気系に備えられたスロットルバルブの開度の単位時間当たりにおける増加量が大きいほど、上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を更に変更する構成とされてい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】
本発明は、自動車用エンジンに代表される内燃機関の空燃比制御装置に係る。特に、本発明は、触媒の上流側および下流側にそれぞれ排気ガスセンサ（空燃比センサや酸素濃度センサ）を備えた排気系を有する内燃機関における空燃比の適正化を図るための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば下記の特許文献１〜特許文献５に開示されているように、自動車用エンジンの排気系において、触媒（例えば三元触媒）の上流側に空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサと呼ぶ場合もある）を、触媒の下流側に酸素濃度センサ（以下、単に酸素センサと呼ぶ場合もある）をそれぞれ備えた構成が知られている。
【０００３】
このような構成とすることで、上記Ａ／Ｆセンサの出力信号に基づき、触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）になるよう燃料噴射量がフィードバック制御されている（メインフィードバック制御）。
【０００４】
また、このメインフィードバック制御と併せて、上記酸素センサの出力信号に基づきＡ／Ｆセンサの出力目標値を補正する制御を行い、Ａ／Ｆセンサの劣化等による出力信号の誤差分を補正している（サブフィードバック制御）。
【０００５】
このような各フィードバック制御（一般にｃｏｓｍｉｃ制御と呼ばれている）の実行により、吸気の空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）となるようにインジェクタからの燃料噴射量が調整され、排気ガスのエミッションが改善される。
【０００６】
また、上記サブフィードバック制御を行う場合の酸素センサの出力信号である空燃比変更要求値（一般に、ストイキ要求レベルと呼ばれる：空燃比をストイキに対してリッチ側またはリーン側に移行させる要求を示す出力信号の意）は、触媒下流側の酸素濃度だけでなく、エンジンの吸入空気量（エンジン負荷）に応じても変化させるようにしている。具体的には、スロットルバルブ開度が大きくなって吸入空気量が多くなった（エンジン負荷が高くなった）場合には、その吸入空気量の増量分に応じて酸素センサのストイキ要求レベルを変更する。つまり、エンジン負荷に応じたエンジントルクが得られる空燃比となるように酸素センサのストイキ要求レベルを変更して、Ａ／Ｆセンサの出力目標値をリッチ側に補正するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−３３２８９６号公報
【特許文献２】特開平７−３０５６４７号公報
【特許文献３】特開平８−３０３２３４号公報
【特許文献４】特開２０００−９７０８１号公報
【特許文献５】特開平８−１４４８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、従来の酸素センサのストイキ要求レベルは、単にエンジンの吸入空気量（エンジン負荷）に応じて変更するに過ぎないものであった。つまり、触媒が活性状態にあること、即ち、触媒の排気浄化性能（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の浄化性能）が十分に発揮されていることを前提として、吸入空気量に応じたストイキ要求レベルを求めているに過ぎなかった。
【０００８】
このため、仮に触媒が活性状態にない場合または活性が不十分である場合、つまり、排気浄化性能が十分に得られていない状況では、適切な空燃比を得ることができない可能性があった。即ち、触媒の活性が不十分な場合には、触媒が活性状態にある場合に比べて排気浄化性能が劣っている。このため、触媒下流側では、例えばＮＯｘ排出量が増大しやすい傾向となるが、このような状況への対策がこれまでの上記フィードバック制御では不十分であった。
【０００９】
また、上記各特許文献においても、触媒の活性が不十分である場合に適切な空燃比を得ることに関しては考慮されておらず、触媒の活性状態に応じた適切な空燃比フィードバック制御が行えるものとはなっていなかった。例えば、上記特許文献１には触媒温度に応じてフィードバック制御定数を補正することが、上記特許文献２には触媒温度に応じてフィードバック制御定数の更新速度を変更することがそれぞれ開示されているが、何れもストイキ要求レベルの最適化についての技術的思想は備えていない。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空燃比フィードバック制御に関し、触媒の活性状態に応じた適切な空燃比制御を行うことができる空燃比制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、空燃比フィードバック制御を行うに際し、触媒温度をパラメータとして、触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値（ストイキ要求レベル）を変更し、これによって触媒の活性状態に応じたフィードバック制御が行われるようにしている。
【００１２】
−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒の上流側および下流側に排気ガスセンサがそれぞれ設けられ、内燃機関の空燃比が目標空燃比になるように各排気ガスセンサの出力値に基づくフィードバック補正量によって空燃比を制御する空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置を前提とする。この空燃比制御装置に対し、上記触媒の温度に応じて上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更し、この変更した排気ガスセンサの空燃比変更要求値に基づいて上記空燃比フィードバック制御を行わせるセンサ要求値変更手段を備えさせている。
【００１３】
この特定事項により、触媒の上流側および下流側の各排気ガスセンサの出力値に基づいた空燃比フィードバック制御を実施する場合、触媒の温度を検出または推定する。そして、この触媒の温度に応じて触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値（上記ストイキ要求レベルに相当）を変更し、内燃機関の空燃比が目標空燃比になるようなフィードバック補正量によって空燃比を制御する。これにより、触媒の温度が低く触媒の活性が不十分である状況であってもそれに適した空燃比フィードバック制御を実施することが可能になる。例えば、触媒の排気浄化性能が十分に得られていないことが原因でＮＯｘ排出量が多くなるような状況であっても、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値のリッチ化によってＮＯｘ排出量を低減できる空燃比フィードバック制御が実現できる。
【００１４】
上記触媒の温度に応じて触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する空燃比フィードバック制御として具体的には以下の手法が挙げられる。先ず、上記空燃比フィードバック制御は、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値に応じて上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値を変更するものである。そして、上記センサ要求値変更手段が、上記触媒の温度が低いほど、上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する構成としている。
【００１５】
触媒の温度が低く十分に活性化していない場合、触媒下流側へのＮＯｘ排出量が増加してしまう虞がある。このような場合、本解決手段では、上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する。これにより、排気中の酸素量が相対的に減少し、ＮＯｘ排出量を抑制することができる。その結果、触媒が十分に活性化していない状況下であっても排気エミッションの改善が図れる。
【００１６】
上記センサ要求値変更手段により排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する構成としてより具体的には以下のものが挙げられる。先ず、内燃機関の吸入空気量に応じて触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更するマップが、触媒の温度に対応して複数記憶された記憶手段を備えさせる。そして、上記センサ要求値変更手段が、上記記憶手段に記憶されている複数のマップのうち触媒の温度に対応した１つのマップを選択することで、上記触媒の温度および上記吸入空気量に応じた触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を取得して、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する構成としている。
【００１７】
本解決手段は、触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を、触媒の温度および吸入空気量をパラメータとして変更するものである。つまり、これら三者に相関を持たせた三次元の制御構成とし、排気エミッションが改善でき、且つ吸入空気量に応じた内燃機関のトルクが得られるようにしている。また、内燃機関の継続運転等に伴って触媒の温度が変化していく場合、センサ要求値変更手段は、選択するマップを切り換えていきながら触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更していくことになる。
【００１８】
また、上記解決手段に係る排気ガスセンサの空燃比変更要求値の変更（触媒温度に応じた変更）に加えて、更に以下のように空燃比変更要求値を変更することも挙げられる。つまり、上記センサ要求値変更手段を、内燃機関の吸気系に備えられたスロットルバルブの開度の単位時間当たりにおける変化量に応じて上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を更に変更するよう構成したものである。
【００１９】
この場合、具体的には、上記スロットルバルブの開度の単位時間当たりにおける増加量が大きいほど、上記触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更することになる。
【００２０】
例えば運転者のアクセル操作等に伴ってスロットルバルブの開度の単位時間当たりにおける増加量が大きくなった場合、一時的に燃焼室内がリーンとなり、ＮＯｘ排出量が増加しやすい傾向となる。この場合に、本解決手段では、触媒上流側の排気ガスセンサの出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更する。これにより、ＮＯｘ排出量が抑制されることになる。つまり、触媒の温度が低く十分に活性化していない場合であって且つ吸入空気量が多くなるといったＮＯｘ排出量が特に増加しやすい状況下であっても、ＮＯｘ排出量を十分に抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、触媒の上下流にそれぞれ設けられた排気ガスセンサの出力値に基づいて空燃比フィードバック制御を行うに際し、触媒温度をパラメータとして、触媒下流側の排気ガスセンサの空燃比変更要求値を変更し、これによって触媒の活性状態に応じたフィードバック制御が行われるようにしている。このため、触媒の活性が不十分である状況であってもそれに適した空燃比制御を実施することが可能になり、排気エミッションの改善が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る空燃比制御装置を自動車用４気筒ガソリンエンジン（内燃機関）に適用した場合について説明する。
【００２３】
−エンジン−
図１は本実施形態に係るエンジン１、および、その吸排気系の概略構成を示す図である。尚、この図１ではエンジン１の１気筒の構成のみを示している。
【００２４】
本実施形態におけるエンジン１は、例えば４気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室１１を形成するピストン１２および出力軸であるクランクシャフト１３を備えている。上記ピストン１２はコネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１３に連結されており、ピストン１２の往復運動がコネクティングロッド１４によってクランクシャフト１３の回転へと変換されるようになっている。
【００２５】
上記クランクシャフト１３には、外周面に複数の突起（歯）１６を有するシグナルロータ１５が取り付けられている。このシグナルロータ１５の側方近傍にはクランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）７１が配置されている。このクランクポジションセンサ７１は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１３が回転する際にシグナルロータ１５の突起１６に対応するパルス状の信号（出力パルス）を発生する。
【００２６】
エンジン１のシリンダブロック１７には、エンジン水温（冷却水温）を検出する水温センサ７２が配置されている。
【００２７】
エンジン１の燃焼室１１には点火プラグ２が配置されている。この点火プラグ２の点火タイミングはイグナイタ２１によって調整される。このイグナイタ２１はエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）６によって制御される。
【００２８】
エンジン１の燃焼室１１には吸気通路３と排気通路４とが接続されている。吸気通路３と燃焼室１１との間に吸気バルブ３１が設けられており、この吸気バルブ３１を開閉駆動することにより、吸気通路３と燃焼室１１とが連通または遮断される。また、排気通路４と燃焼室１１との間に排気バルブ４１が設けられており、この排気バルブ４１を開閉駆動することにより、排気通路４と燃焼室１１とが連通または遮断される。これら吸気バルブ３１および排気バルブ４１の開閉駆動は、クランクシャフト１３の回転が伝達される吸気カムシャフトおよび排気カムシャフト（共に図示省略）の各回転によって行われる。
【００２９】
上記吸気通路３には、エアクリーナ３２、熱線式のエアフローメータ７３、吸気温センサ７４（エアフローメータ７３に内蔵）、および、エンジン１の吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ３３が配置されている。このスロットルバルブ３３はスロットルモータ３４によって駆動される。スロットルバルブ３３の開度はスロットル開度センサ７５によって検出される。
【００３０】
エンジン１の排気通路４には三元触媒４２が配置されている。この三元触媒４２は、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ2ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有しており、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを浄化することが可能となっている。即ち、エンジン１の空燃比がリーンとなって、三元触媒４２に流入する排気ガス中の酸素およびＮＯｘが増加すると、酸素の一部を三元触媒４２が吸蔵することでＮＯｘの還元・浄化を促進する。一方、エンジン１の空燃比がリッチになって、三元触媒４２に流入する排気ガスにＨＣ，ＣＯが多量に含まれると、三元触媒４２は内部に吸蔵している酸素分子を放出し、これらのＨＣ，ＣＯに酸素分子を与え、酸化・浄化を促進する。
【００３１】
上記三元触媒４２の上流側の排気通路４には空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）７６が配置されている。この空燃比センサ（排気ガスセンサ）７６は、例えば限界電流式の酸素濃度センサが適用されており、広い空燃比領域に亘って空燃比に対応した出力電圧を発生する構成となっている。つまり、図３に示すように、三元触媒４２の上流側の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた電圧信号vabyfsを出力するようになっている。この図３から明らかなように、この空燃比センサ７６によれば、広範囲にわたる空燃比を精度良く検出することができる。
【００３２】
また、三元触媒４２の下流側の排気通路４には酸素センサ（Ｏ2センサ）７７が配置されている。この酸素センサ（排気ガスセンサ）７７は、例えば起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサが適用されており、図４に示すように、理論空燃比において急変する電圧Voxsを出力するようになっている。より具体的に述べると、この酸素センサ７７は、例えば、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）、および空燃比が理論空燃比のときは略０．５（Ｖ）の電圧を出力するようになっている。
【００３３】
これら空燃比センサ７６および酸素センサ７７の発生する信号は、それぞれＡ／Ｄ変換された後に、エンジンＥＣＵ６に入力される。
【００３４】
そして、吸気通路３には燃料噴射用のインジェクタ３５が配置されている。このインジェクタ３５には、燃料タンクから燃料ポンプによって所定圧力の燃料が供給され、吸気通路３に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１１に導入される。燃焼室１１に導入された混合気（燃料＋空気）は、エンジン１の圧縮行程を経た後、点火プラグ２にて点火されて燃焼・爆発する。この混合気の燃焼室１１内での燃焼・爆発によりピストン１２が往復運動してクランクシャフト１３が回転する。
【００３５】
−制御ブロックの説明−
以上のエンジン１の運転状態は上記エンジンＥＣＵ６によって制御される。このエンジンＥＣＵ６は、図２に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）６２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）６３およびバックアップＲＡＭ６４などを備えている。
【００３６】
ＲＯＭ６２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。
【００３７】
ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。
【００３８】
ＲＡＭ６３は、ＣＰＵ６１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。
【００３９】
バックアップＲＡＭ６４は、エンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
【００４０】
これらＲＯＭ６２、ＣＰＵ６１、ＲＡＭ６３およびバックアップＲＡＭ６４は、バス６７を介して互いに接続されるとともに、外部入力回路６５および外部出力回路６６と接続されている。
【００４１】
外部入力回路６５には、上記クランクポジションセンサ７１、水温センサ７２、エアフローメータ７３、吸気温センサ７４、スロットル開度センサ７５、空燃比センサ７６、酸素センサ７７の他に、アクセル開度センサ７８、カム角センサ７９、ノックセンサ７Ａ等が接続されている。一方、外部出力回路６６には、上記スロットルバルブ３３を駆動するスロットルモータ３４、上記インジェクタ３５、イグナイタ２１等が接続されている。
【００４２】
クランクポジションセンサ７１は、上述した如くクランクシャフト１３の近傍に配設されており、クランクシャフト１３の回転角（クランク角ＣＡ）および回転速度（エンジン回転数Ｎｅ）を検出するものである。
【００４３】
上記水温センサ７２は、上記シリンダブロック１７に形成されているウォータジャケット１７ａ内を流れる冷却水の温度を検出し、その冷却水温信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００４４】
エアフローメータ７３は、吸入空気量を検出し、その吸入空気量信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００４５】
吸気温センサ７４は、上記エアフローメータ７３と一体的に設けられ、吸入空気温度を検出して、その吸気温信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００４６】
スロットル開度センサ７５は、上記スロットルバルブ３３の開度を検出し、そのスロットル開度信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００４７】
空燃比センサ７６は、燃焼室１１から排出された排気（三元触媒４２の上流側における排気）の空燃比に対応した出力電圧を発生し、その出力電圧信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００４８】
酸素センサ７７は、三元触媒４２の下流側における排気の酸素濃度に対応した出力電圧を発生し、その出力電圧信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００４９】
アクセル開度センサ７８は、ドライバにより操作されるアクセルペダルの開度（操作量）を検知し、その開度信号をエンジンＥＣＵ６に送信する。
【００５０】
カム角センサ７９は、吸気カムシャフトの近傍に配設されており、例えば第１番気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）に対応してパルス信号を出力することにより気筒判別センサとして使用される。つまり、このカム角センサ７９は、吸気カムシャフトの１回転毎にパルス信号を出力する。このカム角センサによるカム角の検出手法の一例としては、吸気カムシャフトと回転一体のロータの外周面の１箇所に外歯を形成しておき、この外歯と対面して電磁ピックアップで成る上記カム角センサ７９を配置し、吸気カムシャフトの回転に伴って外歯がカム角センサ７９の近傍を通過した際に、このカム角センサ７９が出力パルスを発生するようになっている。このロータはクランクシャフト１３の１／２の回転速度で回転するため、クランクシャフト１３が７２０°回転する毎に出力パルスを発生する。言い換えると、ある特定の気筒が同一行程（例えば第１番気筒が圧縮上死点に達した時点）となる度に出力パルスを発生する構成である。
【００５１】
ノックセンサ７Ａは、シリンダブロック１７に伝わるエンジンの振動を圧電素子式（ピエゾ素子式）または電磁式（マグネット、コイル）などによって検出する振動式センサである。
【００５２】
そして、エンジンＥＣＵ６は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。例えば、エンジン１の排気通路４に配置した空燃比センサ７６および酸素センサ７７の各出力に基づいて排気ガス中の酸素濃度を算出し、その算出した酸素濃度から得られる実際の空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致するように、インジェクタ３５から吸気通路３に噴射する燃料噴射量を制御する「空燃比フィードバック制御」を実行する。
【００５３】
−空燃比フィードバック制御−
次に、上記空燃比フィードバック制御の具体的な動作手順について説明する。
【００５４】
本実施形態の特徴とする制御（三元触媒４２の温度に応じて酸素センサ７７の空燃比変更要求値（ストイキ要求レベル）を変更する制御）について説明する前に、空燃比フィードバック制御の基本動作について説明する。
【００５５】
上記三元触媒４２は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を発揮する。更に、この三元触媒４２は、上述した如く、酸素を吸蔵する機能（酸素吸蔵機能、Ｏ2ストレージ機能）を有し、この酸素吸蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを浄化することができる。即ち、エンジン１の空燃比がリーンとなって三元触媒４２に流入するガスにＮＯｘが多量に含まれると、三元触媒４２はＮＯｘから酸素分子を奪ってこの酸素分子を吸蔵するとともにＮＯｘを還元し、これによりＮＯｘを浄化する。また、エンジン１の空燃比がリッチになって三元触媒４２に流入するガスにＨＣ，ＣＯが多量に含まれると、三元触媒４２は吸蔵している酸素分子をＨＣ，ＣＯに与えて酸化し、これによりＨＣ，ＣＯを浄化する。
【００５６】
従って、三元触媒４２が、連続的に流入する多量のＨＣ，ＣＯを効率的に浄化するためには、この三元触媒４２が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に、連続的に流入する多量のＮＯｘを効率的に浄化するためには、この三元触媒４２が酸素を十分に吸蔵できる状態にあることが必要となる。以上のことから明らかなように、三元触媒４２の浄化能力は、この三元触媒４２が吸蔵し得る最大の酸素量（最大酸素吸蔵量）に依存する。
【００５７】
一方、三元触媒４２は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは三元触媒４２に加わる熱により劣化し、これに伴い最大酸素吸蔵量が次第に低下してくる。このように最大酸素吸蔵量が低下した場合であっても、エミッションを良好に維持するには、三元触媒４２から排出されるガスの空燃比が、理論空燃比に極めて近い状態となるように制御する必要がある。
【００５８】
そこで、エンジン１の排気に関する状態量の一つである酸素センサ７７の出力が理論空燃比に略相当する目標値Voxsrefとなるように、酸素センサ７７の出力Voxs（即ち、三元触媒４２下流の空燃比）に応じてエンジン１の空燃比をフィードバック制御する。
【００５９】
尚、本実施形態では、空燃比センサ７６の出力vabyfsにも応じて空燃比をフィードバック制御し、これをメインフィードバック制御と称呼する。これに対し、酸素センサ７７の出力による空燃比フィードバック制御をサブフィードバック制御と称呼する。
【００６０】
上記メインフィードバック制御では、空燃比センサ７６の出力を基礎として検知される排気空燃比が、目標空燃比（例えば理論空燃比）と一致するように、インジェクタ３５からの燃料噴射量の増減が調整される。より具体的には、検知された排気空燃比が目標空燃比よりリッチであれば、燃料噴射量が減量調整され、逆に、その排気空燃比が目標空燃比よりリーンであれば、燃料噴射量が増量調整される。
【００６１】
このメインフィードバック制御によれば、理想的には、三元触媒４２に流れ込む排気ガスの空燃比を理論空燃比に維持することができる。そして、その状態が厳密に維持されれば、三元触媒４２の吸蔵酸素量がほぼ一定量に保たれるため、その下流に未浄化の成分を含む排気ガスが流出してくるのを完全に阻止することができる。
【００６２】
しかしながら、空燃比センサ７６の出力にはある程度の誤差が含まれている。また、インジェクタ３５の噴射特性にもある程度のバラツキがある。このため、現実的には、メインフィードバック制御を実行するだけで三元触媒４２の上流の排気空燃比を厳密に理論空燃比に制御することは困難である。
【００６３】
以上のような理由により、メインフィードバック制御が実行されていても、三元触媒４２の下流には未浄化の成分を含む排気ガスが流出してくることがある。つまり、メインフィードバック制御が実行されていても、三元触媒４２の上流の排気空燃比は、全体としてリッチ側或いはリーン側に偏ることがあり、その結果、三元触媒４２の下流には、ＨＣやＣＯを含むリッチな排気ガス、或いは、ＮＯｘを含むリーンな排気ガスが流出してくることがある。
【００６４】
このような流出が生ずると、酸素センサ７７は、排気ガスの空燃比に応じてリッチ出力或いはリーン出力を発生する。このため、本実施形態のシステムでは、酸素センサ７７からリッチ出力が発せられた場合には、三元触媒４２の上流の排気空燃比が全体としてリッチ側に偏っていたと判断することができ、また、酸素センサ７７からリーン出力が発せられた場合には、三元触媒４２の上流の排気空燃比が全体としてリーン側に偏っていたと判断することができる。
【００６５】
サブフィードバック制御では、酸素センサ７７の出力が理論空燃比よりリーンの空燃比を表す値となると、この酸素センサ７７の出力Voxsと理論空燃比に略相当する目標値Voxsrefとの偏差を比例・積分処理（ＰＩＤ処理）してサブフィードバック補正量vafsfbを求める。そして、このサブフィードバック補正量vafsfb分だけ空燃比センサ７６の出力vabyfsを補正し、これにより、エンジン１の実際の空燃比が、空燃比センサ７６の検出空燃比よりも見かけ上リーン側であるように設定し、その補正した見かけ上の空燃比が目標空燃比（エンジン１の目標空燃比、ここでは理論空燃比）となるようにフィードバック制御する。
【００６６】
同様に、酸素センサ７７の出力が理論空燃比よりリッチの空燃比を表す値となると、この酸素センサ７７の出力Voxsと理論空燃比に略相当する目標値Voxsrefとの偏差を比例・積分処理（ＰＩＤ処理）してサブフィードバック補正量vafsfbを求める。そして、このサブフィードバック補正量vafsfb分だけ空燃比センサ７６の出力vabyfsを補正し、これにより、エンジン１の実際の空燃比が、空燃比センサ７６の検出空燃比よりも見かけ上リッチ側であるように設定し、その補正した見かけ上の空燃比が目標空燃比（エンジン１の目標空燃比、ここでは理論空燃比）となるようにフィードバック制御する。
【００６７】
以上により、三元触媒４２の下流の空燃比が同部位における目標空燃比（略理論空燃比）と一致せしめられる。
【００６８】
また、このサブフィードバック制御は、経時的な変化に対応するべく、その補正の速度は上記メインフィードバック制御による補正速度よりも低くなっている。また、このサブフィードバック制御の学習動作により得られた学習値（サブフィードバック補正量）は、上記バックアップＲＡＭ６４に記憶され、学習動作が行われる度に更新されていく。
【００６９】
以上のような、メインフィードバック制御による短期的な変化に対応する補正値と、サブフィードバック制御による経時的な変化に対応する学習値と和がフィードバック補正量として求められて燃料噴射量が増量調整または減量調整されることになる。
【００７０】
特に、本実施形態に係るサブフィードバック制御では、サブフィードバック学習動作時における学習ゲインを学習動作の途中で変更するようになっている。具体的には、学習動作の初期期間、学習動作の完了判定期間、学習動作の完了判定後の順で学習ゲインを徐々に小さく設定している。このため、学習値が大きくずれている場合であっても、学習初期期間における大きな学習ゲインによって学習値を大きく補正することができ（学習速度を高めることができ）、その補正後には、学習ゲインを小さく設定することで、学習値が再び大きくずれてしまうといったことを回避できるようにしている。また、上記学習動作の初期期間、つまり学習ゲインを大きく設定する期間は、その他の期間、つまり学習ゲインを小さく設定する期間よりも短く設定している。以上が本実施形態における空燃比フィードバック制御の基本動作である。
【００７１】
−触媒温度に応じた空燃比制御−
（触媒温度に応じたストイキ要求レベルの決定）
次に、本実施形態の特徴である三元触媒４２の温度に応じて酸素センサ７７の空燃比変更要求値（ストイキ要求レベル）を変更する制御について説明する。この制御は、上述したサブフィードバック制御において上記酸素センサ７７のストイキ要求レベル（上記空燃比センサ７６の出力目標値を設定するための値）を三元触媒４２の温度に応じて変更するものである。以下、具体的に説明する。
【００７２】
上記エンジンＥＣＵ６のＲＯＭ６２には、三元触媒４２の温度に応じた複数のストイキ要求レベル取得マップが記憶されている。図５は、この三元触媒４２の温度と、それに対応するストイキ要求レベル取得マップとの関係を示している。この図５では、三元触媒４２の温度に応じて３種類のストイキ要求レベル取得マップが上記ＲＯＭ（記憶手段）６２に記憶されている場合を示している。つまり、図５中の左側のストイキ要求レベル取得マップ（図中のマップＡ）は三元触媒４２の温度が比較的低い場合（例えば３００℃以下の場合：エンジン始動初期時や軽負荷運転状態が継続した場合）、つまり三元触媒４２の活性化が不十分な場合に対応したものである。また、図５中の右側のストイキ要求レベル取得マップ（図中のマップＣ）は三元触媒４２の温度が比較的高い場合（例えば６００℃以上の場合）に対応したものである。更に、図５中の中央のストイキ要求レベル取得マップ（図中のマップＢ）は三元触媒４２の温度が上述した２者の中間の温度域にある場合に対応したものである。このストイキ要求レベル取得マップの個数及びそれぞれが対応する温度域は上述したものには限定されない。
【００７３】
各ストイキ要求レベル取得マップは、何れも吸入空気量（エンジン負荷に相当）とそれに応じたストイキ要求レベルとの関係を規定するものである。つまり、運転者のアクセルペダル踏み込み量の増加に伴うスロットルバルブ開度の増加によるエンジン負荷に応じたエンジントルクが出力される空燃比が得られるように酸素センサ７７のストイキ要求レベルを変更して、空燃比センサ７６の出力目標値を補正するためのマップとなっている。そして、各ストイキ要求レベル取得マップは、同一吸入空気量であってもストイキ要求レベルが互いに異なるように、各吸入空気量に応じたマップ値（ストイキ要求レベル）が与えられている。
【００７４】
上記サブフィードバック制御に際しては、三元触媒４２の温度に応じて３種類のストイキ要求レベル取得マップのうちの１つが選択される。そして、選択されたストイキ要求レベル取得マップに従って、吸入空気量に応じてストイキ要求レベルが読み取られ（取得され）、このストイキ要求レベルが上記酸素センサ７７の出力値（上記空燃比センサ７６の出力目標値を決定するための出力値）として設定されるようになっている（センサ要求値変更手段による空燃比変更要求値（ストイキ要求レベル）の変更動作）。
【００７５】
具体的に、ストイキ要求レベル取得マップは、三元触媒４２の温度が低い場合に選択されるものほど、同一吸入空気量であってもストイキ要求レベルとしてはリッチ側の値が取得されるようになっている。言い換えると、三元触媒４２の温度が低いほど、同一吸入空気量であっても、空燃比センサ７６の出力目標値をリッチ側に移行させるように、酸素センサ７７のストイキ要求レベルを変更するようにしている。例えば、空燃比センサ７６の出力目標値を、ストイキ（空燃比１４．６）に相当する値からリッチ（例えば空燃比１４．４）に相当する値となるように変更する。
【００７６】
つまり、本実施形態では、吸入空気量とストイキ要求レベルとの関係として、三元触媒４２の温度に応じた複数の「触媒温度軸」を持たせ、三元触媒４２の温度に応じて空燃比フィードバック制御に使用するストイキ要求レベル取得マップを切り換えていくことで、吸入空気量とストイキ要求レベルとの関係を変更していく。これにより、三元触媒４２の温度が低いほど、同一吸入空気量であってもストイキ要求レベルをリッチ側の値として決定するようにしている。
【００７７】
尚、これらストイキ要求レベル取得マップは、吸入空気量毎に応じて、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量が十分に少なくなるように、予め実験やシミュレーション等によって設定されたものとなっている。
【００７８】
例えば、空燃比がリーンであって三元触媒４２の温度が低い状態でありＮＯｘが排出しやすい状況である場合には（上記実験やシミュレーション等によってＮＯｘの排出が確認された運転状態では）、触媒低温度に対応したストイキ要求レベル取得マップ（マップＡ）が選択され、空燃比センサ７６の出力目標値をリッチ側に移行させるように酸素センサ７７のストイキ要求レベルがリッチ側の値に設定される。これにより、ＮＯｘの排出量を抑制する。また、空燃比がリッチであって三元触媒４２の温度が高い状態でありＨＣやＣＯが排出しやすい状況である場合には（上記実験やシミュレーション等によってＨＣやＣＯの排出が確認された運転状態では）、触媒高温度に対応したストイキ要求レベル取得マップ（マップＣ）が選択され、空燃比センサ７６の出力目標値をリーン側に移行させるように酸素センサ７７のストイキ要求レベルがリーン側の値に設定される。これにより、ＨＣやＣＯの排出量を抑制する。
【００７９】
（スロットルバルブ開度に応じたストイキ要求レベルの補正）
次に、上述の如く三元触媒４２の温度に応じて決定された酸素センサ７７のストイキ要求レベルのスロットルバルブ開度に応じた補正について説明する。
【００８０】
例えば運転者のアクセル操作に伴ってスロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量が大きくなった場合、一時的に燃焼室１１内がリーンとなり、ＮＯｘ排出量が増加しやすい傾向となる。このため、本実施形態では、このようにＮＯｘ排出量が増加しやすい傾向となれば空燃比センサ７６の出力目標値をリッチ側に移行させるように、上記酸素センサ７７のストイキ要求レベルを補正するようにしている。以下、具体的に説明する。
【００８１】
図６（ａ）はスロットル開度変化量と上記ストイキ要求レベルを補正するための補正係数との関係を示す図である。また、図６（ｂ）は、スロットル開度変化量に応じてストイキ要求レベルが補正される場合の空気量と補正後のストイキ要求レベルとの関係を示す図である。
【００８２】
図６（ａ）に示すように、スロットル開度変化量が所定量を超えた場合には、その変化量が大きくなるほど上記補正係数も大きく得られるようにしている。つまり、上記三元触媒４２の温度に応じて決定されたストイキ要求レベルに対する補正量を大きくするようにしている。この補正後のストイキ要求レベルとしては、上記三元触媒４２の温度に応じて決定されたストイキ要求レベルに対して上記補正係数を乗算するなどの演算によって求められる。また、予め記憶されたマップ（スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量に応じてストイキ要求レベルを補正していくマップ）に従って補正後のストイキ要求レベルを求めるようにしてもよい。
【００８３】
図６（ｂ）の実線は、スロットル開度変化量が所定量を超えていない場合における吸入空気量とストイキ要求レベルとの関係を示している。また、図６（ｂ）の破線は、スロットル開度変化量が所定量を超えている場合であって、ＮＯｘ排出量が多くなる状況での吸入空気量とストイキ要求レベルとの関係を示している。つまり、スロットル開度変化量が所定量を超えたことによるＮＯｘ排出量の増加を、ストイキ要求レベルをリッチ側に補正するストイキ要求レベルをリッチ側に補正することによって抑制している。また、図６（ｂ）の一点鎖線は、スロットル開度変化量が所定量を超えている場合であって、ＨＣやＣＯの排出量が多くなる状況での吸入空気量とストイキ要求レベルとの関係を示している。つまり、スロットル開度変化量が所定量を超えたことによるＨＣやＣＯの排出量の増加を、ストイキ要求レベルをリーン側に補正することによって抑制している。
【００８４】
尚、スロットル開度変化量が所定量を超えたことにより、ＮＯｘの排出量が増加するのか、ＨＣやＣＯの排出量が増加するのかは、予め実験やシミュレーション等によって確認されており、エンジン運転状態やスロットル開度変化量に従って、ＮＯｘの排出量が増加する場合には図６（ｂ）の破線で示すようにストイキ要求レベルをリッチ側に補正し、逆に、ＨＣやＣＯの排出量が増加する場合には図６（ｂ）の一点鎖線で示すようにストイキ要求レベルをリーン側に補正するようにしている。
【００８５】
（空燃比制御）
次に、上述した如く触媒温度やスロットルバルブ開度に応じてストイキ要求レベルを設定することによるサブフィードバック制御の手順について図７のフローチャートに沿って説明する。
【００８６】
先ず、ステップＳＴ１において、三元触媒４２の温度を推定する。これは、現在のエンジン運転状態から推定される。具体的には、エンジン回転数とエンジン負荷（スロットルバルブ開度等）とから三元触媒４２の温度を推定する触媒温度推定マップを上記ＲＯＭ６２に記憶させておき、この触媒温度推定マップに、現在のエンジン回転数およびエンジン負荷を当て嵌めることで三元触媒４２の温度を推定する。また、三元触媒４２の温度推定動作としては、排気ガス温度から推定するようにしてもよい。例えば、三元触媒４２の上下流に排気ガス温度センサをそれぞれ備えさせ、これら排気ガス温度センサで検出された排気ガス温度に基づいて三元触媒４２の温度を推定するものである。また、三元触媒４２の温度を直接的に検出するようにしてもよい。
【００８７】
このようにして三元触媒４２の温度を推定（または検出）した後、ステップＳＴ２に移り、触媒活性状態に基づくストイキ要求レベルを決定する。つまり、三元触媒４２の活性状態はその温度に相関があるので、上記推定された三元触媒４２の温度から触媒活性状態を判定することができ、この触媒活性状態に対応した酸素センサ７７の出力（ストイキ要求レベル）を決定する。具体的には、図５を用いて説明したように、現在の三元触媒４２の温度から、それに対応したストイキ要求レベル取得マップを選択する。そして、この選択されたストイキ要求レベル取得マップに従って、吸入空気量に応じてストイキ要求レベルが読み取られ（取得され）、その値が上記酸素センサ７７のストイキ要求レベルとして決定される。
【００８８】
その後、ステップＳＴ３に移り、運転者のアクセル操作に伴ってスロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量が所定量を超えているか否かを判定する。つまり、図６を用いて説明したように、スロットル開度変化量が所定量を超えており、排気エミッションが悪化する状況であるか否かを判定する。
【００８９】
スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量が所定量を超えており、ステップＳＴ３でＹＥＳ判定された場合にはステップＳＴ４に移る。このステップＳＴ４では、図６（ａ）に従って、スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量に応じて上記ストイキ要求レベルを補正するための補正係数が求められ、図６（ｂ）に示すようにストイキ要求レベルの補正を行う。その後、ステップＳＴ５に移る。
【００９０】
また、スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量が所定量を超えておらず、ステップＳＴ３でＮＯ判定された場合にはステップＳＴ４におけるストイキ要求レベルの補正を行うことなくステップＳＴ５に移る。
【００９１】
ステップＳＴ５では、上述の如く設定されたストイキ要求レベルが酸素センサ７７から出力され、それに従って空燃比センサ７６の出力目標値をリッチ側またはリーン側に移行させるサブフィードバック制御が実行される。つまり、ＮＯｘの排出量が増加する状況では空燃比センサ７６の出力目標値がリッチ側に設定され、ＨＣやＣＯの排出量が増加する状況では空燃比センサ７６の出力目標値がリーン側に設定されることになる。
【００９２】
以上のようにして、本実施形態では、触媒温度やスロットルバルブ開度に応じてストイキ要求レベルを設定してサブフィードバック制御を実行することにより、三元触媒４２の温度が低く活性が不十分である状況であってもそれに適した空燃比フィードバック制御を実施することが可能になる。その結果、排気浄化性能が十分に得られていないことが原因でＮＯｘ排出量が多くなるような状況であっても、三元触媒４２の下流側へのＮＯｘ排出量を低減できる空燃比フィードバック制御が実現でき、排気エミッションの改善を図ることができる。
【００９３】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、本発明を自動車用４気筒ガソリンエンジン１に適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンに対しても適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型やＶ型や水平対向型等の別）についても特に限定されるものではない。
【００９４】
また、上記実施形態では、サブフィードバック学習動作時における学習ゲインを学習動作の途中で変更するようにしたものに対して本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、学習ゲインを変更することなしにサブフィードバック学習動作を行うものに対しても適用可能である。
【００９５】
また、上記実施形態では、三元触媒４２の上流側の排気ガスセンサを空燃比センサ７６とし、三元触媒４２の下流側の排気ガスセンサを酸素センサ７７としていた。本発明はこれに限らず、上流側の排気ガスセンサとして酸素センサを適用したり、下流側の排気ガスセンサとして空燃比センサを適用するようにしてもよい。
【００９６】
更に、上記実施形態では、三元触媒４２の温度に応じて決定したストイキ要求レベルをスロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量に応じて補正するようにしていた。本発明は、これに限らず、スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量に応じた補正を実施することなく、三元触媒４２の温度のみに応じてストイキ要求レベルを決定するようにしてもよい。
【００９７】
加えて、上記実施形態では、スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量に応じてストイキ要求レベルを補正する場合に、吸入空気量が多いほど補正量を多くするようにしていた（図６（ｂ）を参照）。本発明はこれに限らず、吸入空気量に関わりなく、スロットルバルブ３３の開度の単位時間当たりにおける増加量に応じて一律な補正量をもってストイキ要求レベルを補正するようにしてもよい。つまり、図６（ｂ）における直線を平行移動させてストイキ要求レベルを補正するものである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】実施形態に係るエンジンおよびその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】エンジンの制御系を示すブロック図である。
【図３】空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示す図である。
【図４】酸素センサの出力電圧と空燃比との関係を示す図である。
【図５】触媒温度とそれに応じて選択されるストイキ要求レベル取得マップとの関係を示す図である。
【図６】図６（ａ）はスロットル開度変化量とストイキ要求レベルの補正係数との関係を示す図であり、図６（ｂ）は空気量と補正後のストイキ要求レベルとの関係を示す図である。
【図７】実施形態に係るサブフィードバック制御の手順を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００９９】
１        エンジン（内燃機関）
３        吸気通路
３３      スロットルバルブ
４        排気通路
４２      三元触媒
６２      ＲＯＭ（記憶手段）
７６      空燃比センサ（上流側排気ガスセンサ）
７７      酸素センサ（下流側排気ガスセンサ）
【図１】
2010138705.tif 000003
【図２】
2010138705.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010138705.tif 000006
【図５】
2010138705.tif 000007
【図６】
2010138705.tif 000008
【図７】
2010138705.tif 000009