(57)【要約】【課題】  触媒暖機制御の実行の際にも正確に目標空燃比へのフィードバック制御を行なうことのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供する。【解決手段】  排気浄化触媒２８を備えると共に、排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を空燃比センサ３４により検出して目標空燃比にフィードバック制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、排気浄化触媒２８の活性化のための触媒暖機制御の実行の際には、その触媒暖機制御量に応じて空燃比センサ３４の出力値または目標空燃比値を補正する補正手段を備える。【選択図】  図２
2006077739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気浄化触媒を備えると共に、排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を空燃比センサにより検出して目標空燃比にフィードバック制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、
前記排気浄化触媒の活性化のための触媒暖機制御の実行の際には、後燃え量に影響する触媒暖機制御量に応じて前記空燃比センサの出力値または目標空燃比値を補正する補正手段を備え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】
前記触媒暖機制御量は、点火時期の遅角量であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記触媒暖機制御量は、ターボ過給機における過給圧制御装置の制御量であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記過給圧制御装置の作動と前記空燃比センサの出力値とに基づき、前記過給圧制御装置の故障を診断する手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の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、内燃機関の空燃比制御装置、特に、排気浄化触媒を備えると共に、排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を空燃比センサにより検出して目標空燃比にフィードバック制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、触媒等の排気浄化装置を備えた内燃機関においては、その始動直後の冷機時における触媒等の浄化性能が完全でないことから未燃ＨＣ等が処理されず、エミッションが悪化するおそれがあることが知られている。従って、かかるエミッションの悪化を軽減するには、いかに触媒を早期に活性化させるか、または、いかに触媒の活性化前の未燃ＨＣ等の量を低減させるかが重要である。また、ターボチャージャ等の過給機を備えた内燃機関では、過給機における熱損失が大であり、排気浄化装置を早期に活性化させるのは困難である。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１には、ターボ過給機をバイパスする排気バイパス通路に排気バイパス弁を設け、触媒の未暖機(非活性)時には該排気バイパス弁を開けることにより、排気の全量を直接触媒に供給することで、かかる排気浄化装置の早期暖機を図ることが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、触媒未暖機時にエンジンからのＨＣおよびＮＯｘ等の排出量を低減すると共に排気温度を上昇させて触媒の暖機を促進することのできる燃焼状態を得るために、点火時期を遅角制御すると共にリーン空燃比を目標としつつＯ２センサの出力に基づくフィードバック制御を行なうことが記載されている。
【０００５】
なお、特許文献３には、過給機付エンジンの排気中の酸素濃度を検出し燃料噴射量および／またはＥＧＲ量を補正制御する電子制御装置において、排気管に背圧および排気中の酸素濃度を検出する圧力ポート付酸素濃度センサを設けると共に、該センサにより検出された酸素濃度値を、検出された背圧に応じて補正する補正手段を備える過給機付エンジンの電子制御装置が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１０７７２２号公報
【特許文献２】特開２０００−４５８４３号公報
【特許文献３】特公平６−３１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、機関の冷間始動後等における触媒の未暖機時において未燃ＨＣの量をいかにして低減するかは未だに大きな問題である。このような未燃ＨＣの量を低減するためには、触媒暖機制御中において、上述のように点火時期を遅角制御したり目標空燃比をリーン化することにより機関の排出燃焼ガスの温度を上げ、且つ、排気通路内における排気ガスの滞留期間を長くして未燃ＨＣを酸化（後燃え）させてしまうことが好ましい。
【０００８】
しかしながら、触媒暖機制御中にこのような後燃えを促進させるような制御を行なうと、その制御の程度によって消費される酸素量が変化する結果として、空燃比センサの出力値に変動が生ずることが実験結果により明らかにされている。例えば、燃焼室内の混合気の空燃比はリーンであり余剰の酸素を含んで排出された場合であっても、通常よりも促進された後燃えによって排気ガス中の酸素が大量に消費されてしまうと、空燃比センサは混合気の空燃比がリッチ状態にあったと出力してしまう。換言すると、燃焼室内の混合気が等燃料量、等空気量で形成されている場合であっても、後燃えの程度すなわち後燃え量が異なると、空燃比センサの出力値が異なるのである。従って、かかる空燃比センサの実際と異なる誤差を含む出力値に基づいて目標空燃比へのフィードバック制御を行なっても、正確に目標空燃比への制御ができないという問題がある。
【０００９】
この正確な目標空燃比へのフィードバック制御を行なうという観点から、特許文献３には、検出された背圧に応じて圧力ポート付酸素濃度センサにより検出された酸素濃度値を補正することが開示されているが、これはセンサの感度に影響する背圧のみに着目して補正するものであり、上述のような触媒暖機制御の実行の際の後燃えによる酸素の消費量に起因する出力誤差に対応するには十分でない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題を解消し、触媒暖機制御の実行の際にも正確に目標空燃比へのフィードバック制御を行なうことの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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の一形態になる内燃機関の空燃比制御装置は、排気浄化触媒を備えると共に、排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を空燃比センサにより検出して目標空燃比にフィードバック制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、前記排気浄化触媒の活性化のための触媒暖機制御の実行の際には、後燃え量に影響する触媒暖機制御量に応じて前記空燃比センサの出力値または目標空燃比値を補正する補正手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記触媒暖機制御量は、点火時期の遅角量であってもよい。
【００１３】
また、前記触媒暖機制御量は、ターボ過給機における過給圧制御装置の制御量であってもよい。
【００１４】
なお、前記過給圧制御装置の作動と前記空燃比センサの出力値とに基づき、前記過給圧制御装置の故障を診断する手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一形態によれば、排気浄化触媒を備えると共に、排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を空燃比センサにより検出して目標空燃比にフィードバック制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、前記排気浄化触媒の活性化のための触媒暖機制御の実行の際には、後燃え量に影響する触媒暖機制御量に応じて補正手段によって前記空燃比センサの出力値または目標空燃比値が補正される。従って、その補正された空燃比センサの出力値に基づいて、または補正された目標空燃比値に向けてフィードバック制御が行なわれるので、正確に真の目標空燃比へのフィードバック制御を行なうことができる。
【００１６】
ここで、前記触媒暖機制御量が、点火時期の遅角量である形態によれば、遅角量に対応して後燃えが促進され、空燃比センサの出力値の誤差も大きくなるので、補正の効果が大きい。
【００１７】
また、前記触媒暖機制御量が、ターボ過給機における過給圧制御装置の制御量である形態によれば、過給圧制御装置の制御による排気ガスの滞留により後燃えが促進され、空燃比センサの出力値の誤差も大きくなるので、補正の効果が大きい。
【００１８】
さらに、前記過給圧制御装置の作動と前記空燃比センサの出力値とに基づき、前記過給圧制御装置の故障を診断する手段を備える形態によれば、特別なセンサを設けることなく故障を診断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明が適用される過給機としてターボチャージャを備えた内燃機関の空燃比制御装置の概要を示すシステム図であり、１０はエンジン本体である。
【００２０】
エンジン１０の吸気系として、吸気ポートに吸気マニホルドが連通され、この吸気マニホルドに各気筒の吸気通路が集合するサージタンク１２を介してスロットル弁が介装されたスロットルチャンバ１４が連通されている。スロットル弁は不図示のスロットルモータによって駆動される。そして、このスロットルチャンバ１４の下流には吸入空気量を検出するための吸入空気量検出センサ１６が設けられ、スロットルチャンバ１４の上流の吸気通路にターボチャージャ２０のコンプレッサ２０Ｃが設けられている。そして、各気筒の吸気ポートの直上流には、燃料噴射弁２２が配設され、また、シリンダヘッドの気筒毎に点火プラグ２４が配設されている。
【００２１】
一方、エンジン１０の排気系としては、排気ポートに連通する排気マニホルドにより排気が合流され、排気マニホルドに排気通路２６が接続されている。そして、排気通路２６にターボチャージャ２０のタービン２０Ｔが介装され、その下流に、三元触媒２８が配設されている。ターボチャージャ２０は、タービン２０Ｔに導入する排気のエネルギーによりコンプレッサ２０Ｃが回転駆動され、空気を吸入、加圧して過給するものであり、本実施の形態では、過給圧制御装置としてタービン２０Ｔの入口側と出口側とを連通するバイパス通路にウエストゲート弁２０ＷＧを有している。このウエストゲート弁２０ＷＧは、例えば直流モータ等の電動アクチュエータからなるウエストゲート弁作動用アクチュエータ３０により駆動されて、その「全閉」、「全開」およびそれらの間の中間位置をとることができる。
【００２２】
また、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ（不図示）や負荷（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ（不図示）が設けられている。さらに、エンジン１０の冷却水温を検出する水温センサ３２や過給圧を制御するのに用いられる圧力センサ（不図示）および排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を検出する空燃比センサ３４が設けられ、上述のセンサと共に、これらの各種センサの出力がマイクロコンピュータ等で構成される制御用コンピュータ４０に送られるようになっている。なお、空燃比センサ３４の取付け位置は、ターボチャージャ２０の下流であってもよい。
【００２３】
制御用コンピュータ４０は、各センサから送られてきた出力値に応じて、燃料噴射量、点火時期、過給圧等を制御する。なお、燃料噴射量、点火時期、過給圧等の制御のために使用される制御値は、例えば縦軸にエンジンの負荷をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１０の運転状態を表すマップに、エンジン１０の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値として設定されており、これらのマップは制御用コンピュータ４０のテーブルに保存されている。
【００２４】
ここで、上述の構成になる本発明のターボチャージャ付エンジン１０の空燃比制御装置の制御の一部として実行される触媒暖機制御における制御形態の一例を、図２以下のフローチャート並びにグラフ等を用いて説明する。まず、制御がスタートすると、ステップＳ２１において、冷間始動のアイドル運転か否かが判断される。具体的には、水温センサ３２の検出によりエンジン冷却水の温度およびエンジン回転数が所定値以下の場合に、冷間始動のアイドル運転と判断する。そして、ステップＳ２１において、冷間始動のアイドル運転と判断されたとき、すなわち「Ｙｅｓ」のときはステップＳ２２に進み、点火時期を触媒暖機制御のための遅角量に設定する。この点火遅角量は、図３のグラフに示すように、エンジン水温（°Ｃ）が低ければ低い程、遅角量（クランク角度°ＣＡで示されている）が大きくなるように設定される。そして、この点火遅角量は本発明にいう触媒暖機制御量の一つに相当する。
【００２５】
さらに、ステップＳ２３に進み、触媒暖機制御のための滞留時間制御を行なう。具体的には、ウエストゲート弁２０ＷＧの開度を上述のエンジン冷却水の温度に対応させて設定し、後燃えが促進されるような滞留時間となるように設定する。この滞留時間と後燃えとの関係は、縦軸にＨＣ量、横軸に滞留時間を取った図４のグラフに示すように、ウエストゲート弁２０ＷＧが閉じられて滞留時間が長くなる程ＨＣが減少する、すなわち、後燃えが促進される関係にある。なお、過給圧制御装置としてのこのウエストゲート弁２０ＷＧの開度による滞留時間の制御量が本発明にいう触媒暖機制御量の他の一つに相当する。
【００２６】
次に、ステップＳ２４に進み、目標空燃比の補正が行なわれる。この詳細については後述する。そして、次のステップＳ２５において触媒暖機が完了したか否かが判断される。この判断は、吸入空気量検出センサ１６により検出される吸入空気量の積算値が所定値を越えたか否かにより判断される。より詳しく説明すると、エンジン１０の始動からの時間の経過につれてエンジン水温が上昇するのに伴い、点火遅角量は図３のグラフに示すように徐々に小さくなるように制御されるが、この徐々に変化する所定の点火遅角量における吸入空気量をそれぞれ累積することにより、三元触媒２８に与えられた熱量を推定し、これにより触媒暖機の完了の有無を判断するのである。なお、この判断のための積算吸入空気量は、予め実験により求めて、マップ値として制御用コンピュータ４０のテーブルに保存されている。触媒暖機が完了しない限りは、上述の触媒暖機制御が継続される。
【００２７】
一方、ステップＳ２１において、冷間始動のアイドル運転でないと判断されたとき、すなわち「Ｎｏ」のとき、およびステップＳ２５で触媒暖機が完了したと判断されたとき、すなわち「Ｙｅｓ」のときは、ステップＳ２６に進み、点火時期遅角制御を解除すると共に、ウエストゲート弁２０ＷＧを「全閉」にして触媒暖機制御を停止してルーチンを終了する。
【００２８】
ここで、上述の本実施の形態による目標空燃比（以下、Ａ／Ｆと称すこともある）の補正制御につき、図５のフローチャート並びに関連するグラフを用いて説明する。この目標Ａ／Ｆの補正制御では、ステップＳ５１において前述のステップＳ２３で設定された滞留時間に応じた目標Ａ／Ｆ補正量Ｘが図６（Ａ）に示すマップから求められる。さらに、ステップＳ５２においては、前述のステップＳ２２で設定された遅角量に応じた目標Ａ／Ｆ補正量Ｙが図６（Ｂ）に示すマップから求められる。これらの目標Ａ／Ｆ補正量ＸおよびＹはそれぞれ後燃えが促進される程度に応じて大きくなるように設定され、以下に説明する空燃比のフィードバック制御では重畳して使用される。
【００２９】
そこで、本実施の形態による空燃比センサ３４の出力に基づく空燃比のフィードバック制御では、運転状態に対応して設定された目標Ａ／Ｆを達成する燃料噴射量に対して、空燃比センサ３４の出力に対応したフィードバック補正係数が乗じられて最終燃料噴射量が得られるようにされている。例えば、空燃比センサの出力が目標Ａ／Ｆよりリッチのときは燃料噴射量が減少され、空燃比センサの出力が目標Ａ／Ｆよりリーンのときは燃料噴射量が増加されるようにフィードバック補正係数が変えられる。
【００３０】
ところで、図７（Ａ）に示すように、後燃えが少ない運転状態では、燃焼室内の混合気の実Ａ／Ｆと空燃比センサ３４の出力値とはほぼ一致するので、通常のフィードバック制御が行なわれ得る。
【００３１】
しかしながら、上述のような触媒暖機制御中の後燃えを促進させるような制御を行なった場合には、排気通路２６で消費される酸素量が変化する結果として、図７（Ｂ）に示すように、燃焼室内の混合気の実Ａ／Ｆと空燃比センサ３４の出力値が異なりリッチ状態にあったと出力してしまい、このまま目標Ａ／Ｆに収束させるようにフィードバック制御が行なわれると、燃料噴射量が減少されて燃焼室内の混合気の実Ａ／Ｆが図７（Ｃ）に示すように目標よりリーンとなり、トルクダウンや失火を招くおそれがある。そこで、本実施の形態では、目標Ａ／Ｆに対し上述の目標Ａ／Ｆ補正量Ｘおよび／または目標Ａ／Ｆ補正量Ｙを加えることにより、目標Ａ／Ｆをリッチ側に補正することによって、図７（Ｄ）に示すように、燃焼室内の混合気の実Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに収束して制御されるようにしている。
【００３２】
なお、上述の目標Ａ／Ｆを補正制御するのに代えて、空燃比センサ３４の出力値そのものを、上述の誤差分を相殺するように補正するようにしてもよい。
【００３３】
次に、過給圧制御装置であるウエストゲート弁２０ＷＧの作動と空燃比センサ３４の出力値とに基づき、過給圧制御装置の故障を診断する制御ルーチンについて、図８のフローチャートを参照して説明する。なお、この制御ルーチンはエンジン１０の例えば始動毎または所定時間毎に実行される。
【００３４】
そこで、故障診断制御がスタートされると、ステップＳ８０１においてウエストゲート弁２０ＷＧの作動状態が判定される。そして、ウエストゲート弁２０ＷＧが「開」のときはステップＳ８０２へ、ウエストゲート弁２０ＷＧが「閉」のときはステップＳ８０３へ、それぞれ、進む。そこで、ステップＳ８０２では、このウエストゲート弁２０ＷＧが「開」のときの、空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値、燃料噴射量および吸入空気量が記憶され、また、ステップＳ８０３では、同様に、このウエストゲート弁２０ＷＧが「閉」のときの、空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値、燃料噴射量および吸入空気量が記憶される。
【００３５】
次に、ステップＳ８０４に進み、上述のウエストゲート弁２０ＷＧの作動状態が反転される。より詳しくは、ステップＳ８０１における判定でウエストゲート弁２０ＷＧが「開」であったときは「閉」とし、ウエストゲート弁２０ＷＧが「閉」であったときは「開」とされるのである。そして、ステップＳ８０５において、ウエストゲート弁２０ＷＧの反転前の状態における燃料噴射量および吸入空気量に設定される。より詳しくは、例えば、ウエストゲート弁２０ＷＧの作動状態が「開」（ステップＳ８０２）であったときは「閉」（ステップＳ８０４）とされ、「開」状態のときと等しい燃料噴射量および吸入空気量に設定（ステップＳ８０５）されるのである。
【００３６】
そして、ステップＳ８０６に進み、空燃比のフィードバック制御が一時解除される。さらに、ステップＳ８０７において、ウエストゲート弁２０ＷＧが反転された状態における空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値が記憶される。そして、ステップＳ８０８において、上述のステップにおいて求められたウエストゲート弁２０ＷＧの「開」時および「閉」時における空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値に一定の差があるか否かが判定される。この判定の結果、一定の差があるときはステップＳ８０９において、ウエストゲート弁２０ＷＧ、延いては過給圧制御装置が正常に作動したとして、正常判定がなされ、一方、一定の差がないときはステップＳ８１０において、ウエストゲート弁２０ＷＧ、延いては過給圧制御装置が正常に作動しなかった、すなわち、故障判定が行なわれる。
【００３７】
ここで、上述の空燃比のフィードバック制御を一時解除する意義について、ウエストゲート弁２０ＷＧの初期状態が「開」のときを例にして説明する。空燃比のフィードバック制御中において、ウエストゲート弁２０ＷＧの初期状態が「開」のときは、その状態における、空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値、燃料噴射量および吸入空気量が記憶され、そして、ウエストゲート弁２０ＷＧが「閉」に反転制御されること上述の通りである。
【００３８】
そして、この反転制御によりウエストゲート弁２０ＷＧが「閉」にされた状態で、反転前の「開」状態のときと等しい燃料噴射量および吸入空気量に設定される。このとき、空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値は後燃えの影響によりリッチ状態を呈すること上述の通りである。従って、一時解除することなくこのまま空燃比のフィードバック制御が行なわれると、反転前の「開」状態のときの目標Ａ／Ｆに収束されてしまい、ウエストゲート弁２０ＷＧが「開」のときと、「閉」のときとで空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値に差が生じなくなってしまう。ところが、空燃比のフィードバック制御を一時解除すると、過給圧制御装置が正常に作動した場合には、ウエストゲート弁２０ＷＧが「開」のときと、「閉」のときとで後燃えの影響により空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値に明らかに差が生じるので、その故障診断が可能となる。
【００３９】
一方、過給圧制御装置が故障している場合には、上述の反転制御にも拘わらず、ウエストゲート弁２０ＷＧは「開」のまま維持され、そして、反転前の「開」状態のときと等しい燃料噴射量および吸入空気量に設定される。従って、この場合は、上述の空燃比のフィードバック制御の一時解除の有無に拘わらず、ウエストゲート弁２０ＷＧが「開」のときと、「閉」への反転制御のときとで空燃比センサ３４のＡ／Ｆ出力値に差が生じないので、その故障診断が可能となるのである。
【００４０】
なお、上述の実施形態においては、過給圧制御装置としてウエストゲート弁２０ＷＧを例にとって説明したが、可変ノズルＶＮを用いたターボチャージャにおいても本発明が適用できることは云うまでも無く、この場合には、上記説明における過給圧制御装置の制御量として、可変ノズルＶＮの開度と読み替えればよい。但し、可変ノズルＶＮの場合は、「全閉」とは、可変ノズルを形成する可動ベーンにより、ノズルが最小流路面積に絞られた状態、可変ノズルＶＮの「全開」とは、同じく、ノズルが最大流路面積に開けられた状態を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明が適用されるターボチャージャを備えた内燃機関の空燃比制御装置の概要を示すシステム図である。
【図２】本発明の空燃比制御装置による制御形態の一例を示すフローチャートである。
【図３】エンジン水温と遅角量との関係を示すグラフである。
【図４】滞留時間と未燃ＨＣの排出量との関係の実験結果を示すグラフである。
【図５】本発明の空燃比制御装置による目標Ａ／Ｆ補正制御の一例を示すフローチャートである。
【図６】（Ａ）は、滞留時間に応じた目標Ａ／Ｆ補正量Ｘの一例を示すマップ、（Ｂ）は、遅角量に応じた目標Ａ／Ｆ補正量Ｙの一例を示すマップである。
【図７】本発明の空燃比制御装置において、燃焼室内の混合気の実Ａ／Ｆと空燃比センサの出力値との関係を示すタイムチャートであり、（Ａ）は、後燃えが少ない運転状態、（Ｂ）ないし（Ｄ）は後燃えが多い運転状態を表している。
【図８】本発明の空燃比制御装置において、過給圧制御装置の故障診断制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１０    エンジン
２０    ターボチャージャ
２０ＷＧ    ウエストゲート弁
２４    点火栓
２８    三元触媒
３２    水温センサ
３４    空燃比センサ
４０    制御用コンピュータ
【図１】
2006077739.tif 000003
【図２】
2006077739.tif 000004
【図３】
2006077739.tif 000005
【図４】
2006077739.tif 000006
【図５】
2006077739.tif 000007
【図６】
2006077739.tif 000008
【図７】
2006077739.tif 000009
【図８】
2006077739.tif 000010