(57)【要約】      （修正有）【課題】ＮＯxの排出を適切に抑制しながら、燃料噴射量を削減して燃費性能のより一層の向上を図る。【解決手段】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上流または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制御装置において、内燃機関の負荷が所定以下であり、かつ触媒に吸蔵されている酸素の量が所定以下である場合に、そうでない場合と比較して空燃比制御の目標をよりリーン側に設定することとした。【選択図】図６
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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上流または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制御装置において、
内燃機関の負荷が所定以下であり、かつ触媒に吸蔵されている酸素の量が所定以下である場合に、そうでない場合と比較して空燃比制御の目標をよりリーン側に設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【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／または下流にＯ2センサを配し、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】
酸素過多である空燃比リーンの雰囲気中では、ＮＯxの還元反応（によるＮ2への変化）が起こりにくくなる。故に、従来、アクセル開度が小さく、要求される負荷（または、エンジントルク）が低い運転領域においても、ガスの空燃比を理論空燃比近傍に保つために必要となる量の燃料を噴射していた。
【０００５】
ところが、発明者等の鋭意検討の結果、燃料噴射量を減らして空燃比をリーン化しても、ＮＯxの排出量が増加しない状況が存在することが判明した。
【０００６】
本発明は、上述の点に初めて着目してなされたものであり、ＮＯxの排出を適切に抑制しながら、燃料噴射量を削減して燃費性能のより一層の向上を図ることを所期の目的とする。
【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上流または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制御装置において、内燃機関の負荷が所定以下であり、かつ触媒に吸蔵されている酸素の量（触媒の最大酸素吸蔵能力に対する吸蔵酸素量の比であることがある）が所定以下である場合に、そうでない場合と比較して空燃比制御の目標をよりリーン側に設定することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＮＯxの排出を適切に抑制しながら、燃料噴射量を削減して燃費性能のより一層の向上を図り得る。
【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】本実施形態の制御装置が実行する触媒の最大酸素吸蔵能力の推定手法を説明するタイミング図。
【図６】本実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。
【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結果発生した排気を各気筒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】
本実施形態の内燃機関の制御装置たる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（Ｎ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（Ｇ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、所定の電圧値と比較して、その値よりも高ければリッチ、その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は延長され、リーン判定遅延時間ＴＤＬ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、換言すれば空燃比フィードバック制御の目標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即ち目標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に近い所定閾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を所定の電圧値と比較して、その値よりも高ければリッチ、その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、空燃比制御の目標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、空燃比制御の目標はリッチへと向かう。
【００２７】
また、ＥＣＵ０は、空燃比フィードバック制御中に、フロントＯ2センサ４３の出力ｆ及びリアＯ2センサ４４の出力ｇを参照して、触媒４１の最大酸素吸蔵能力の推定を行う。具体的には、図５に示すように、上流側空燃比信号ｆの振動の周期αと、下流側空燃比信号ｇの振動の周期βとをそれぞれ計測し、両者の比β／αを演算して、その比β／αの多寡に基づいて触媒４１の最大酸素吸蔵能力を推測する。新品の触媒４１のように、最大酸素吸蔵能力が大きい触媒４１では、周期βが長くなり、比β／αの値が大きくなる。これに対し、長期に亘り使用され劣化した触媒４１のように、最大酸素吸蔵能力の小さい触媒４１では、周期βが短くなり、比β／αの値が小さくなる。
【００２８】
ＥＣＵ０は、運転状況に応じて、インジェクタ１１からの燃料噴射（及び、点火プラグ１２による点火）を一時的に停止する燃料カットを実施する。通常、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あるときに、燃料カット条件が成立したものとする。
【００２９】
燃料噴射を停止した後、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、またはエンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかの燃料カット終了条件が成立した暁には、燃料カットを終了することとし、インジェクタ１１からの燃料噴射（及び、点火プラグ１２による点火）を再開する。
【００３０】
燃料カットからの復帰の際には、低落したエンジン回転数を回復するべく、ある期間燃料噴射量を増量して空燃比をリッチ化し、しかる後、空燃比を本来の目標である理論空燃比近傍の値に収束させる空燃比フィードバック制御を再開する。
【００３１】
燃料カットの開始から終了までの期間は、触媒４１に燃料成分を含まない空気が流入することから、触媒４１に吸蔵された酸素の量が逓増する。吸蔵酸素量の単位時間あたりの増加量（増加の速度）は、そのときのエンジン回転数及びスロットルバルブ３２の開度に応じたものとなる。燃料カット中に触媒４１に吸蔵される酸素量は、
（エンジン回転数／６０）×（気筒数／２）×ボア径×ストローク長×所定の係数×燃料カット時間
の形で簡易に推算することができる。尤も、触媒４１はその最大酸素吸蔵能力までしか酸素を吸蔵することはできない。
【００３２】
燃料カットの終了から空燃比フィードバックの再開までの過渡期間は、触媒４１にリッチ空燃比の空気が流入することから、触媒４１に吸蔵された酸素の量が逓減する。吸蔵酸素量の単位時間あたりの減小量（減小の速度）もまた、そのときのエンジン回転数及びスロットルバルブ３２の開度に応じたものとなる。燃料カット終了後に触媒４１から放出される酸素量は、
∫｛（エンジン回転数／６０）×（気筒数／２）×ボア径×ストローク長×所定の係数×（理論空燃比−実際の空燃比）／理論空燃比｝ｄｔ
となる。なお、上式が負値となる場合、その値は燃料カット終了後に触媒４１に吸蔵される酸素量を示唆する（ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンであるときには、余剰の酸素が触媒４１に吸蔵される）。
【００３３】
過渡期間の長さは、現在触媒４１に吸蔵されている酸素の量に応じて定まる。ＥＣＵ０は、燃料カット終了後の空燃比リッチ制御中に触媒４１から放出される酸素量を、燃料カット中に触媒４１に吸蔵された酸素量から減じ、残りの酸素量が閾値まで低下したときに、空燃比リッチ制御を止めて空燃比フィードバック制御へと移行する。
【００３４】
上記の閾値は、触媒４１の劣化の度合い、即ち推定された最大酸素吸蔵能力の大きさに応じて可変としてもよく、触媒４１の劣化の度合いによらず一定の値としてもよい。閾値は、触媒４１の最大酸素吸蔵能力の四割ないし六割の間の値に設定することが好ましい。あるいは、閾値は、リアＯ2センサ４４が出力する空燃比信号ｇの電圧の平均値が０．５Ｖないし０．６Ｖ程度となるような値に設定することが好ましい。
【００３５】
その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、現在の内燃機関の負荷が所定以下であり、かつ現在触媒４１に吸蔵されている酸素の量が所定以下である場合に、空燃比制御の目標をよりリーン側に設定し、燃料噴射量を削減したリーン運転を実施する。
【００３６】
内燃機関の負荷は、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧を基に推定する。ＥＣＵ０は、エンジン回転数が所定値以下であり、かつサージタンク３３内の吸気圧が所定値以下であることを条件として、現在の内燃機関の負荷が所定以下であると判断する。
【００３７】
触媒４１が吸蔵している酸素量は、燃料カット終了後において、反復的に推算し続ける。その酸素吸蔵量が所定値以下、または、酸素吸蔵量の最大酸素吸蔵能力に対する比が所定値以下であるならば、触媒４１の酸素吸蔵能力に未だ余裕があり、リーン空燃比のガスが触媒４１に流入したとしても余剰の酸素を触媒４１に吸着させてＮＯxの還元反応を促すことが可能である。
【００３８】
特に、燃料カットが終了した時点において、触媒４１の吸蔵酸素量が所定以下であり、内燃機関の負荷も所定以下であるならば、燃料カット終了後の空燃比リッチの過渡期間を設けることなしに、空燃比制御の目標をリーン側に設定する。
【００３９】
空燃比制御の目標を理論空燃比よりもリーン側に偏倚させるためには、補正量ＦＡＣＦを減少させればよい。
【００４０】
図６に、ＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、燃料カット条件が成立したことに対応して（ステップＳ１）燃料カットを開始し（ステップＳ２）、その後燃料カット終了条件が成立したことに対応して（ステップＳ３）燃料カットを終了する。
【００４１】
ＥＣＵ０は、燃料カット期間中に触媒４１に吸蔵された酸素量を、例えば上記の演算式に則って推算する（ステップＳ４）。但し、触媒４１の吸蔵酸素量は、先に推定した最大酸素吸蔵能力を超えない。
【００４２】
燃料カットの終了時点における内燃機関の負荷が所定以下であり（ステップＳ５）、かつ燃料カット中に触媒４１に吸蔵された酸素量（または、その吸蔵酸素量の最大酸素吸蔵能力に対する比）が所定以下である場合には（ステップＳ６）、空燃比をリーンに操作するものとし（ステップＳ７）、燃料噴射量を気筒１に充填される吸気量に見合った量よりも減量する。
【００４３】
さもなくば、燃料カットの終了後に、空燃比をリッチに操作するものとし（ステップＳ８）、燃料噴射量を気筒１に充填される吸気量に見合った量よりも増量する。この空燃比リッチの過渡期間中も、ＥＣＵ０は、触媒４１の吸蔵酸素量を反復的に演算する（ステップＳ９）。ステップＳ９では、エンジン回転数及びサージタンク３３内圧力、並びに空燃比を基に、吸蔵酸素量の単位時間あたりの減小量を推算し、これを直近の吸蔵酸素量から減算する。
【００４４】
そして、触媒４１の吸蔵酸素量が閾値まで低下したならば（ステップＳ１０）、理論空燃比近傍を目標とした空燃比のフィードバック制御を再開する（ステップＳ１１）。
【００４５】
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の上流または下流に設けられた空燃比センサ４３、４４の出力を参照し、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制御装置０において、内燃機関の負荷が所定以下であり、かつ触媒４１に吸蔵されている酸素の量が所定以下である場合に、そうでない場合と比較して空燃比制御の目標をよりリーン側に設定することを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。
【００４６】
本実施形態によれば、燃料噴射量を減らして空燃比をリーン化してもＮＯxの排出量が増加しない状況、即ち内燃機関の負荷が比較的小さく、触媒４１の酸素吸蔵能力にも余裕がある状況において、空燃比リーン運転を実施し、燃費の良化を図ることができる。
【００４７】
触媒４１の酸素吸蔵能力に余裕がない状況では、空燃比をリーン化することでＮＯxの排出量が増大するおそれがあるため、空燃比リーン運転を禁止し、ＮＯxの排出を適切に抑制することができる。
【００４８】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。例えば、内燃機関の吸気通路３にエアフローメータが実装されているならば、そのエアフローメータを介して気筒１に充填される吸気量を計測でき、その実測の吸気量が所定値以下であることを以て、内燃機関の負荷が所定以下であると判断することができる。
【００４９】
あるいは、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧に基づいて推算される吸気量が所定値以下であることを以て、内燃機関の負荷が所定以下であると判断しても構わない。
【００５０】
内燃機関の負荷及び触媒４１が吸蔵している酸素量に多寡に応じて空燃比をリーン化するのは、燃料カットの終了直後の時期に限られないことは言うまでもない。
【００５１】
その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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】
【００５２】
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】
【００５３】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…触媒
４３、４４…空燃比センサ（Ｏ2センサ）
【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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