(57)【要約】      （修正有）【課題】触媒によるＮＯxの浄化能率を高く保ち、ＮＯxの排出量の一層の削減を図る。【解決手段】排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照して空燃比をフィードバック制御するものにおいて、空燃比センサの出力信号の所定時間あたりの（空燃比リーン側に向かう）変化量が所定量以上変化した場合に、当該空燃比センサの出力と比較するべき目標値をより空燃比リッチ側に修正する。これにより、触媒に流入するガスの空燃比が過剰にリーンであり続けることを回避し、触媒に酸素吸蔵能力の限界まで酸素が吸蔵されることを防止し、触媒によるＮＯxの還元能率を高く保つことが可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照し、触媒に流入するガスの空燃比をフィードバック制御するものであって、
前記空燃比センサの出力信号が、空燃比リーン側に向かって所定時間あたり所定量以上変化したことを検出した場合に、当該空燃比センサの出力と比較するべき目標値をより空燃比リッチ側に修正する空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における燃料噴射量を制御する空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを酸化／還元して無害化する三元触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの全てを効率よく浄化するには、排気ガスの空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれフロントＯ2センサ、リアＯ2センサを配し、それらＯ2センサの出力信号を用いるフィードバックループを構築して、空燃比をフィードバック制御する（例えば、下記特許文献を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３８７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料噴射量を補正してガスの空燃比を変化させてから、リアＯ2センサの出力信号に変化が現れるまでの間には、タイムラグが存在する。
【０００５】
リアＯ2センサの出力が空燃比リッチを示していることに基づいて燃料噴射量を削減したとき、リアＯ2センサの出力が空燃比リーンに切り替わるまで、触媒には酸素過多のガスが流入し続ける。さすれば、触媒の酸素吸蔵能力の限界付近まで触媒に酸素が吸蔵されてしまい、リアＯ2センサの出力が空燃比リーンを示した直後にＮＯxが排出されることがあった。また、そのような状況下では、リアＯ2センサの出力信号が激しく振動し、制御のハンチングを惹起する懸念もあった。
【０００６】
本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであって、触媒によるＮＯxの浄化能率を高く保ち、ＮＯxの排出量の一層の削減を図ることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の下流に設けられた空燃比センサの出力を参照し、触媒に流入するガスの空燃比をフィードバック制御するものであって、前記空燃比センサの出力信号が、空燃比リーン側に向かって所定時間あたり所定量以上変化したことを検出した場合に、当該空燃比センサの出力と比較するべき目標値をより空燃比リッチ側に修正する空燃比制御装置を構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、触媒によるＮＯxの浄化能率を高く保ち、ＮＯxの排出量の一層の削減を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図２】フロントＯ2センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。
【図３】制御中心補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示するグラフ。
【図４】リアＯ2センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。
【図５】空燃比フィードバック制御の目標値の修正の模様を示すタイミング図。
【図６】リアＯ2センサの出力の振動の前触れを検出する手法を示すタイミング図。
【図７】目標値の修正を伴わない、従来の空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１１】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１２】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１３】
さらに、排気通路４における触媒４１の上流及び／または下流に、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置してある。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ2センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。本実施形態では、触媒４１の上流側及び下流側の各空燃比センサ４３、４４について、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力するＯ2センサを想定している。Ｏ2センサ４３、４４の出力特性は、ウィンドウの範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。
【００１４】
本実施形態の空燃比制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００１５】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。
【００１６】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。
【００１７】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータ及びユーザの操作に対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。
【００１８】
以降、空燃比のフィードバック制御に関して詳記する。本実施形態のＥＣＵ０は、フィードバックコントローラとして機能し、気筒１に充填される混合気の空燃比を制御する。具体的には、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数等から吸気量を算出して基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１の上流側の空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋやインジェクタ３６の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶとなる。そして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。
【００１９】
触媒４１の上流側の空燃比信号ｆを参照したフィードバック制御は、例えば、内燃機関の冷却水温が所定温度以上であり、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関の始動から所定時間が経過し、触媒４１の上流側の空燃比センサ４３が活性中、吸気圧が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。このことは、アイドル運転中においても同様である。
【００２０】
図２に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流側のガスの空燃比を検出するセンサであるフロントＯ2センサ４３の出力電圧ｆを、目標となる電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標値よりも高ければリッチ、その目標値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｆがリーンからリッチに切り替わったときには、リッチ判定遅延時間ＴＤＲの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＭだけ減少させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間あたりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。補正係数ＦＡＦの減少に伴い、燃料噴射量が絞られて、混合気の空燃比がリーンへと向かう。
【００２１】
あるいは、センサ出力ｆがリッチからリーンに切り替わったときには、リーン判定遅延時間ＴＤＬの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＰだけ増加させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間あたりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる。補正係数ＦＡＦの増加に伴い、燃料噴射量が上積みされて、混合気の空燃比がリッチへと向かう。
【００２２】
遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬは、制御中心補正量ＦＡＣＦに応じて増減する。図３に、補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示する。補正量ＦＡＣＦが大きくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ（実線で表す）は延長され、リーン判定遅延時間ＴＤＬ（破線で表す）は短縮される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が遅れ、減少から増加に転じる時期が早まる。結果、燃料噴射量が平均的に増すこととなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリッチ側に変位する。
【００２３】
他方、補正量ＦＡＣＦが小さくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは短縮され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が早まり、減少から増加に転じる時期が遅れる。結果、燃料噴射量が平均的に減ることとなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリーン側に変位する。
【００２４】
ＥＣＵ０は、空燃比のフィードバック制御中、上記の制御中心補正量ＦＡＣＦをも算出する。原則として、ＦＡＣＦは、触媒４１の下流側の空燃比に応じて定まる。触媒４１の下流側の空燃比信号ｇを参照したフィードバック制御は、例えば、冷却水温が所定温度以上であり、空燃比フィードバック制御の開始から所定時間が経過し、フロントＯ2センサ４３が活性してから所定時間が経過し、過渡期の燃料補正量が所定値を下回り、アイドル状態で車速が０若しくは０に近い所定値以下であるかまたは非アイドル状態で所定の運転領域にある、等の諸条件が全て成立している場合に行う。
【００２５】
図４に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の下流側のガスの空燃比を検出するセンサであるリアＯ2センサ４４の出力電圧ｇを、目標となる電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標値よりも高ければリッチ、その目標値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｇがリッチである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間あたりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる。既に述べたように、補正量ＦＡＣＦの減少に伴い、空燃比制御中心はリーンへと向かう。
【００２６】
逆に、センサ出力ｇがリーンである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間あたりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。補正量ＦＡＣＦの増加に伴い、空燃比制御中心はリッチへと向かう。
【００２７】
リアＯ2センサ４４の出力ｇが空燃比リッチを示していることに基づいてＥＣＵ０が燃料噴射量を削減、即ち制御中心補正量ＦＡＣＦを減少させ始めてから、リアＯ2センサ４４の出力ｇが空燃比リーンを示すようになるまでの間には、タイムラグが存在する。このタイムラグは、触媒４１の酸素吸蔵能力（触媒４１の上流側におけるガスの空燃比の変動が触媒４１内で吸収され、触媒４１の下流側に直接伝達されない）、及びフィードバック制御ループ自体の応答遅れに起因している。
【００２８】
上記のタイムラグ中、触媒４１には酸素過多のガスが流入し続ける。それにより、触媒４１には、その酸素吸蔵能力の限界付近まで酸素が吸蔵されてしまう。触媒４１内に既に酸素が充ち満ちている状態では、理論空燃比から乖離したガスの空燃比の変動を触媒４１においてうまく吸収することができない。
【００２９】
故に、図７に例示するように、リアＯ2センサ４４の出力ｇが目標値よりも高いリッチから目標値よりも低いリーンへと切り替わった時点ｔ0の直後の時期に、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇ及びこれに依拠した補正量ＦＡＣＦが激しく振動する。そして、同時期に、触媒４１内で還元されなかったＮＯxが触媒４１から排出される。
【００３０】
そこで、本実施形態では、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇが振動する前に、燃料噴射量を減量傾向から増量傾向へと切り換えることができるよう、リアＯ2センサ４４の出力ｇと比較するべき目標値をオンラインで修正することとしている。
【００３１】
図７に示しているように、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇが振動する直前には、出力信号ｇ及び補正量ＦＡＣＦに、空燃比リーン側に向かって明らかに低落するような変化が現れる。この変化はいわば、出力信号ｇの振動の前兆、換言すればＮＯxが排出される前兆である。
【００３２】
本実施形態のＥＣＵ０は、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇの所定時間ΔＴあたりの低下量（空燃比リーンに向かう変化量）ΔＧを反復的に演算し、当該低下量ΔＧが所定量以上となったときに、出力信号ｇの振動の前兆が現れたと判断する。そして、そのような前兆を検出した場合、図５に示するように、空燃比フィードバック制御においてリアＯ2センサ４４の出力ｇと比較するべき目標値を、所定量ΔＲだけ空燃比リッチ側に修正する（上昇させる）。
【００３３】
以後の空燃比フィードバック制御では、修正した目標値を用いる。また、目標値には、出力信号ｇ及び補正量ＦＡＣＦの振動の前兆が検出されなくなるまで、即ちリアＯ2センサ４４の出力信号ｇの所定時間ΔＴあたりの低下量ΔＧが所定量を超えることがなくなるまで、修正が加えられる。
【００３４】
結果、図５に例示するように、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇ及び補正量ＦＡＣＦの振動の発生が抑制されるとともに、ＮＯxの排出量が低減する。
【００３５】
図５及び図６に示すように、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇの所定時間ΔＴあたりの低下量ΔＧが所定量以上であるか否かの判定は、連続した複数の時点ｔ1、ｔ2で行うことが好ましい。その際には、各時点ｔ1、ｔ2の何れにおいても変化量ΔＧが所定量以上であった場合に、はじめて目標値を修正する。これは、出力信号ｇに混入した偶発的なノイズを出力信号ｇの振動の前兆と誤認するおそれを避ける意図である。
【００３６】
本実施形態では、内燃機関の排気通路４に装着される排気ガス浄化用の触媒４１の下流に設けられた空燃比センサ４４の出力ｇを参照し、触媒４１に流入するガスの空燃比をフィードバック制御するものであって、前記空燃比センサ４４の出力信号ｇが、空燃比リーン側に向かって所定時間ΔＴあたり所定量以上変化したことを検出した場合に、当該空燃比センサ４４の出力ｇと比較するべき目標値をより空燃比リッチ側に修正する空燃比制御装置０を構成した。
【００３７】
本実施形態によれば、触媒４１に流入するガスの空燃比が過剰にリーンであり続けることを回避できる。そして、触媒４１に酸素吸蔵能力の限界まで酸素が吸蔵されることを防止して、触媒４１によるＮＯxの還元能率を高く保つことが可能となり、ＮＯxの排出量の一層の削減を図り得る。
【００３８】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。図５及び図７に示しているように、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇが変動するときには、これに対応して補正量ＦＡＣＦも変動する。従って、補正量ＦＡＣＦの所定時間ΔＴあたりの低下量（空燃比リーンに向かう変化量）を反復的に演算し、当該低下量が所定量以上となったことを以て、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇが空燃比リーン側に向かって所定時間ΔＴあたり所定量以上変化した（つまり、出力信号ｇ及び補正量ＦＡＣＦの振動の前兆が現れた）と判断するようにしてもよい。
【００３９】
上記実施形態では、リアＯ2センサ４４の出力ｇと比較するべき目標値を修正するにあたり、目標値に修正量ΔＲを瞬時に加増していた、即ち目標値をｔ2時点でステップ的に変化させていたが、ｔ2時点以後に目標値を修正量ΔＲ分だけ徐々に増加させてゆくようにしてもよい。目標値をｔ2時点で（目標値＋ΔＲ）にステップ的に変化させる場合、その増分ΔＲが大きいと、空燃比のリッチ側への補正量が一時的に過剰となり、触媒４１による排気浄化性能が一時的に低下するおそれがあるが、目標値をｔ2時点以後（目標値＋ΔＲ）まで徐々に増加させるようにすれば、過剰補正を抑制して触媒４１による排気浄化性能の低下を防止することができる。
【００４０】
リアＯ2センサ４４の出力ｇと比較するべき目標値に度々修正が加えられるということは、リアＯ2センサ４４の出力信号ｇ及び補正量ＦＡＣＦが振動しやすいことを意味する。ひいては、触媒４１が経年劣化してその酸素吸蔵能力が減退したことを示唆している。従って、度重なる修正を経て目標値が所定閾値を超えた場合には、制御装置たるＥＣＵ０において触媒４１が劣化しているとの診断を下し、その旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）をＥＣＵ０のメモリに記憶保持したり、その旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様にて出力（チェックランプを点灯させる、ディスプレイに表示する、音声出力する等）したりすることが考えられる。
【００４１】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
０…空燃比制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…触媒
４４…触媒の下流の空燃比センサ（Ｏ2センサ）
ｇ…触媒の下流の空燃比センサの出力信号
【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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