(57)【要約】【課題】触媒暖機制御により触媒が活性化したことを速やかに判定することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】エンジン１０の排気通路には、三元触媒２５と、上流側Ａ／Ｆセンサ２６と下流側Ａ／Ｆセンサ２７とが設けられている。ＥＣＵ４０は、触媒２５の暖機を促進させる触媒暖機要求が生じたことに伴い触媒暖機制御を実施している期間に、排気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側のリーン空燃比と、理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比との間で変動させる空燃比制御部と、空燃比制御部により排気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替える切替指令が行われた後の下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値に基づいて、触媒２５の活性化判定を実施する活性化判定部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気に含まれる成分を酸化又は還元する三元触媒（２５）と、前記排気の空燃比に応じたセンサ信号を検出値として出力する空燃比センサ（２６、２７）とを排気通路（１９）に備える内燃機関（１０）に適用され、
前記空燃比センサとして、前記三元触媒の上流側に設けられた上流側センサ（２６）と、前記三元触媒の下流側に設けられた下流側センサ（２７）とを有し、
前記三元触媒の暖機を促進させる触媒暖機要求が生じたことに伴い触媒暖機制御を実施している期間に、前記排気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側のリーン空燃比と、理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比との間で変動させる空燃比制御部と、
前記空燃比制御部により前記排気の空燃比を前記リーン空燃比から前記リッチ空燃比へ切り替える切替指令を行った後の前記下流側センサの出力値に基づいて、前記三元触媒の活性化判定を実施する活性化判定部と、
を備える、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記活性化判定部は、前記切替指令に伴い前記下流側センサの出力値がリッチ側に変化している期間における前記下流側センサの出力値の傾きに基づいて、前記三元触媒の活性化判定を実施する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記活性化判定部は、前記傾きが所定傾きよりも緩やかである場合に前記三元触媒が活性化したと判定する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記活性化判定部は、前記切替指令後の前記下流側センサの出力値と、前記切替指令後の前記上流側センサの出力値とに基づいて、前記三元触媒の活性化判定を実施する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記活性化判定部は、前記切替指令に伴い前記下流側センサの出力値がリッチ側に変化しているリッチ側変化期間における前記下流側センサの出力値の傾きと、前記リッチ側変化期間における前記上流側センサの出力値の傾きとに基づいて、前記三元触媒の活性化判定を実施する、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記排気の空燃比を前記リーン空燃比で制御する場合の前記内燃機関の点火時期を、前記排気の空燃比を前記リッチ空燃比で制御する場合の前記内燃機関の点火時期よりも進角させる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の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、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、排気通路に三元触媒が設けられている内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する三元触媒は、触媒雰囲気が理論空燃比付近で各成分の浄化率が高くなる。ところが、エンジンの冷間始動時等のように触媒温度が活性化温度よりも低い場合には、浄化能力を十分に発揮することができない。そこで従来、エンジンの冷間始動時等には、触媒温度を活性化温度にまで速やかに昇温させるべく触媒暖機が行われている。この触媒暖機の手法としては、例えば、点火時期を遅角させて排気温度を上昇させる方法が知られている。
【０００３】
触媒暖機時間は、燃費や排気エミッションの観点からすると短縮化することが好ましい。その一方で、触媒が活性化する前に触媒暖機を終了させると排気を十分に浄化できず、排気エミッションの低下を招いてしまう。
【０００４】
触媒の活性化を判定する方法について、従来、種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、三元触媒の上流側及び下流側にＯ2センサを配置し、排気空燃比の平均値が理論空燃比よりもリッチとなるように排気空燃比をリーン空燃比側とリッチ空燃比側との間で強制的に変動させ、そのときの触媒下流側のＯ2センサのリーン空燃比側の出力値が所定の空燃比よりもリッチになった場合に触媒が活性化したと判定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１４４６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のものは、三元触媒の酸素吸蔵機能の活性によって触媒の活性化を判定しており、実際に触媒が活性化したタイミングよりも活性化判定が遅れてしまう。この場合、触媒暖機時間が必要以上に長くなり、燃費や排気エミッションを好適化できないおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、触媒暖機制御により触媒が活性化したことを速やかに判定することができる内燃機関の制御装置を提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
【０００９】
本発明は、排気に含まれる成分を酸化又は還元する三元触媒（２５）と、前記排気の空燃比に応じたセンサ信号を検出値として出力する空燃比センサ（２６、２７）とを排気通路（１９）に備える内燃機関（１０）に適用される内燃機関の制御装置に関する。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、前記空燃比センサとして、前記三元触媒の上流側に設けられた上流側センサ（２６）と、前記三元触媒の下流側に設けられた下流側センサ（２７）とを有し、前記三元触媒の暖機を促進させる触媒暖機要求が生じたことに伴い触媒暖機制御を実施している期間に、前記排気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側のリーン空燃比と、理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比との間で変動させる空燃比制御部と、前記空燃比制御部により前記排気の空燃比を前記リーン空燃比から前記リッチ空燃比へ切り替える切替指令を行った後の前記下流側センサの出力値に基づいて、前記三元触媒の活性化判定を実施する活性化判定部と、を備える。
【００１１】
触媒暖機要求に伴い排気の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で変動させた場合、リーン空燃比からリッチ空燃比への切替指令が行われた後の下流側センサの出力値の挙動は、三元触媒が活性化する前と活性化した後では相違する。具体的には、触媒が未活性化の状態では、空燃比の切替指令に伴い下流側センサの出力値が速やかにリッチ側へ変化するのに対し、触媒が活性化すると、空燃比の切替指令に伴い下流側センサの出力値のリッチ側への変化が緩慢になる。この点に着目し、上記構成とすることにより、触媒暖機制御によって触媒が活性化した時点で触媒が活性化したことを速やかに判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】エンジン制御システムの概略構成図。
【図２】Ａ／Ｆ変動制御での排気空燃比の指令値及びセンサ出力値の推移を示すタイムチャート。
【図３】触媒の活性化前後でのセンサ出力値の相違を示す図。
【図４】暖機要求時処理の処理手順を示すフローチャート。
【図５】Ａ／Ｆ変動制御の処理手順を示すフローチャート。
【図６】活性化判定処理の処理手順を示すフローチャート。
【図７】排気エミッション改善効果を示す図。
【図８】第２実施形態の活性化判定処理の処理手順を示すフローチャート。
【図９】他の実施形態の触媒の活性化判定処理を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、車両用の多気筒ガソリンエンジンを制御する制御システムとして具体化している。まず、図１を用いてエンジン制御システムの概略構成を説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
【００１４】
図１に示すエンジン１０において、吸気管１１には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータによって開度調節されるスロットルバルブ１２が設けられている。スロットルバルブ１２の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータに内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。スロットルバルブ１２の上流側にはエアフロメータ（図示略）が設けられており、エアフロメータの検出値によってエンジン１０の吸入空気量が検出される。スロットルバルブ１２の下流側にはサージタンク１３が設けられている。サージタンク１３には、吸気管内圧力を検出するための吸気管内圧力センサ（図示略）が設けられている。サージタンク１３は、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールドを介して各気筒の吸気ポート１４に接続されている。
【００１５】
エンジン１０の吸気ポート１４には吸気バルブ１６が配置され、排気ポート１５には排気バルブ１７が配置されている。吸気バルブ１６の開動作によりサージタンク１３内の空気が燃焼室１８内に導入され、排気バルブ１７の開動作によりエンジン１０の排気が排気管１９に排出される。吸気バルブ１６及び排気バルブ１７の開閉タイミング（バルブタイミング）は、可変バルブタイミング装置２０ａ，２０ｂによりそれぞれ可変制御される。
【００１６】
エンジン１０には、燃焼室１８内に燃料を供給する燃料噴射弁２１が設けられている。本システムでは、燃料噴射弁２１として、各気筒の上部に取り付けられ燃焼室１８内に燃料を直接供給する第１噴射弁２１ａと、各吸気ポート１４に取り付けられ吸気ポート１４を介して各気筒の燃焼室１８内に燃料を供給する第２噴射弁２１ｂと、を備えている。燃料噴射弁２１は、燃料配管を介して燃料タンク（図示略）に接続されている。燃料タンク内の燃料は各気筒の燃料噴射弁２１に供給され、燃料噴射弁２１から燃焼室１８内又は吸気ポート１４に噴射される。なお、燃料噴射弁２１として第１噴射弁２１ａ及び第２噴射弁２１ｂのいずれか一方のみを備えていてもよい。
【００１７】
エンジン１０のシリンダヘッドには点火プラグ２３が取り付けられている。点火プラグ２３には、点火コイル等よりなる点火装置２４を通じて、所望とする点火時期に高電圧が印加される。点火プラグ２３に対する高電圧の印加により、各点火プラグ２３の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１８内における燃料と吸気との混合気が着火されて燃焼に供される。エンジン１０の燃焼制御は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を１燃焼サイクルとして行われる。
【００１８】
排気管１９には、排気を浄化するための排気浄化装置として触媒２５が設けられている。触媒２５は、排気中の成分である一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸化又は還元する三元触媒である。具体的には、排気中のＨＣは、触媒２５によって酸化されて二酸化炭素（ＣＯ2）及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）に変換され、排気中のＣＯはＣＯ2に変換される。また、排気中のＮＯｘは、還元されて窒素（Ｎ2）に変換される。
【００１９】
排気管１９において触媒２５の上流側及び下流側には、排気を検出対象として混合気の空燃比に応じたセンサ信号（空燃比信号）を検出値として出力するＡ／Ｆセンサ２６，２７が配置されている。なお、以下では、触媒２５の上流側に設けられているセンサを上流側Ａ／Ｆセンサ２６、触媒２５の下流側に設けられているセンサを下流側Ａ／Ｆセンサ２７として説明する。Ａ／Ｆセンサ２６，２７は、排気中の酸素濃度に比例した広域の空燃比信号を出力するリニア検出式センサであり、排気の空燃比（以下、「排気空燃比」ともいう。）がリーンであるほど低出力となり、排気空燃比がリッチであるほど高出力となる。本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ２６，２７としては、触媒２５よりも速やかに活性化する（例えば、冷間始動時において数秒で活性化可能な）センサが用いられている。
【００２０】
エンジン１０のシリンダブロックには、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２８や、クランク軸２９が所定クランク角回転するごとにパルス信号を出力するクランク角センサ３１が取り付けられている。クランク角センサ３１のクランク角信号に基づいて、クランク角やエンジン回転速度が検出される。各種センサの出力はＥＣＵ４０に入力される。
【００２１】
ＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータを主体として構成された電子制御ユニットであり、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶されている制御プログラムを用い、各種センサの検出信号に基づいてエンジン１０の各種制御を実施する。具体的には、ＥＣＵ４０は、各種演算を行うＣＰＵ４１、各種情報を記憶するＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、バックアップＲＡＭ４４、各種センサが検出した信号が入力される入力ポート４６、及び、燃料噴射弁２１や点火プラグ２３等の各種アクチュエータへの制御信号が出力される出力ポート４７を備えており、これらが双方向性バス４５を介して相互に送受信可能に構成されている。
【００２２】
エンジン１０の燃焼制御について、ＥＣＵ４０は、エンジン運転状態に応じた要求噴射量を算出し、その要求噴射量に基づいて燃料噴射弁２１の開弁時間を制御するとともに、点火プラグ２３の点火時期を制御する。また、ＥＣＵ４０は、噴射量補正として、Ａ／Ｆセンサ２６，２７の出力に基づく空燃比フィードバック補正を実施する。本実施形態では、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力に基づいて触媒２５の上流側の空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量をフィードバック補正するメインフィードバック制御を実施するとともに、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力に基づいて燃料噴射量を修正するサブフィードバック制御を実施する。
【００２３】
触媒２５は、触媒温度が活性化温度（例えば３５０℃）よりも低いと、酸化還元反応による排気の浄化能力を十分に発揮することができない。そこで、例えばエンジン１０の冷間始動時のように触媒温度が活性化温度よりも低い場合には、触媒２５を早期に活性化温度にまで昇温させるべく触媒暖機制御を実施する。触媒暖機制御として本実施形態では、点火時期を遅角する（具体的には、ＭＢＴから大幅に遅角する）ことによって排気温度を高め、これにより触媒暖機を促進する。そして、触媒２５が活性化すると触媒暖機制御による触媒暖機を終了し、Ａ／Ｆセンサ２６，２７の出力に基づく空燃比フィードバック制御に移行する。
【００２４】
ここで、燃費や排気エミッションの観点からすると、触媒暖機時間は必要最小限とすることが好ましい。その一方で、触媒２５が活性化する前であるにも関わらず触媒暖機を終了させてしまうと、触媒２５において排気を十分に浄化できず、排気エミッションの低下を招いてしまう。そのため、触媒暖機中は、触媒２５が活性化したことをその活性化タイミングで精度良く検出する必要がある。
【００２５】
以下に、本実施形態において実行される触媒２５の活性化判定処理について、図２及び図３を用いて詳しく説明する。図２及び図３では、エンジン１０の冷間始動時において触媒暖機を行っている場合を想定している。本システムでは、触媒暖機中には、排気空燃比をリーン側とリッチ側との間で強制変動させることによりリーン燃焼とリッチ燃焼とを交互に繰り返すＡ／Ｆ変動制御を実施する。そして、Ａ／Ｆ変動制御により排気空燃比を強制変動しているときのＡ／Ｆセンサの出力を利用して触媒２５の活性化判定を行う。
【００２６】
なお、図２中、（ａ）は排気空燃比の指令値Ｄａｆの推移、（ｂ）及び（ｃ）は、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒが指令値Ｄａｆとなるように燃料噴射制御が行われたときの各Ａ／Ｆセンサの出力値の推移をそれぞれ示している。（ｂ）及び（ｃ）のうち、（ｂ）は上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆの推移であり、（ｃ）は下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒの推移である。また、図３中、（ａ）は、触媒２５が活性化する前のＡ／Ｆセンサ２６，２７の出力値Ａｆ，Ａｒを示し、（ｂ）は、触媒２５が活性化した場合のＡ／Ｆセンサ２６，２７の出力値Ａｆ，Ａｒを示している。
【００２７】
エンジン１０の冷間始動時において、触媒暖機の実施期間では、排気空燃比をリーン空燃比ＡＦＬとリッチ空燃比ＡＦＲとの間で強制変動させるＡ／Ｆ変動制御が実施される。リーン空燃比ＡＦＬは、理論空燃比（≒１４．７）よりもリーン側の空燃比であり、リッチ空燃比ＡＦＲは、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比である。本実施形態では、触媒暖機の実施期間中における排気空燃比の平均値が所定空燃比Ａｔｇ（例えば理論空燃比）となるようにリーン空燃比ＡＦＬ及びリッチ空燃比ＡＦＲが設定されている。Ａ／Ｆ変動制御では、排気空燃比の指令値Ｄａｆを時間ｕ１の間リーン空燃比ＡＦＬに設定し、その後、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えて時間ｕ２の間リッチ空燃比ＡＦＲに設定する期間を１周期（例えば１〜２秒）とし、これを繰り返すことにより、排気空燃比を所定の振り幅で周期的かつ強制的に変動させる。
【００２８】
触媒暖機の実施期間に上記のＡ／Ｆ変動制御を実施した場合、図３に示すように、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆの挙動は、触媒が活性化する前後でほぼ同じである。具体的には、指令値Ｄａｆがリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えられると、その切替指令のタイミングｔｒの直後では、指令値Ｄａｆの切り替えに伴いセンサ出力値Ａｆが速やかにリッチ側へと変化する。
【００２９】
これに対し、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒは、触媒２５が活性化する前後で異なる挙動を示す。具体的には、触媒２５の活性化前は、指令値Ｄａｆがリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えられると、その切替指令のタイミングｔｒの後にはセンサ出力値Ａｒが比較的速やかにリッチ側へと変化する（図３（ａ）参照）。この場合、センサ出力値Ａｒが略一定となるまでにさほど時間がかからず、タイミングｔｒから時間Ｔ１でセンサ出力値が略一定となる。
【００３０】
一方、触媒２５が活性化すると、指令値Ｄａｆをリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替える切替指令のタイミングｔｒの後では、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒにおけるリッチ側への変化は、触媒活性化前よりも緩慢となる。より具体的には、指令値Ｄａｆの切り替えに伴いセンサ出力値Ａｒがリッチ側へ変化している期間（図３中のＳの期間）において、触媒２５の活性化後では、センサ出力値Ａｒの傾き（以下、「出力傾きΔＡ」ともいう。）は値Ａ２であり、これは触媒活性化前の傾きＡ１よりも小さい。また、触媒活性化後では、センサ出力値Ａｒが略一定となるまでに、時間Ｔ１よりも長い時間Ｔ２を要する（図３（ｂ）参照）。
【００３１】
下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒの挙動についてより詳細に説明すると、触媒２５が未活性の場合には、リッチ燃焼により排気中に含まれる未燃燃料によって、リーン燃焼中に触媒２５に吸着された酸素が速やかに排気中に放出される。一方、触媒２５が活性化すると、リーン燃焼中に触媒２５に吸着された酸素と、リッチ燃焼により排気中に含まれる未燃燃料との酸化反応が起こる。このため、触媒暖機制御により触媒２５が活性化すると、リーン燃焼からリッチ燃焼への切り替えに伴い触媒雰囲気がリッチ化した状態となる際に、触媒２５が未活性化の場合に比べて遅延が生じる。この遅延が、触媒活性化の前後において、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒがリッチ側へ変化する際のセンサ出力値Ａｒの勾配の違いとして現れる。
【００３２】
こうした着眼点に基づき、本実施形態では、触媒２５の活性化を判定する活性化判定パラメータとして、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えた後の下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力傾きΔＡを用い、出力傾きΔＡと判定値Ｔｘとの比較結果に基づいて触媒２５が活性化したことを判定することとしている。具体的には、出力傾きΔＡが判定値Ｔｘ以上の場合には触媒２５は活性化前であると判定し、出力傾きΔＡが判定値Ｔｘよりも小さくなったタイミングで触媒２５が活性化したと判定し、触媒暖機制御を終了させることとしている。
【００３３】
次に、本実施形態の触媒２５の活性化判定について、図４〜図６のフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
まずは、図４を用いて、触媒暖機要求が有った場合の処理（暖機要求時処理）について説明する。この処理は、ＥＣＵ４０により所定周期毎に実行される。図４において、ステップＳ１０１では、触媒暖機要求が有るか否かを判定する。ここでは、触媒暖機制御による触媒暖機の開始前であれば、冷却水温センサ２８の検出値が所定温度よりも低い場合に触媒暖機要求有りと判定する。また、触媒暖機制御の開始後であれば、図６の活性化判定処理によって触媒未活性と判定されている場合に触媒暖機要求有りと判定する。なお、触媒暖機要求の有無の判定方法はこれに限定されず、例えば触媒温度を検出する温度センサを触媒２５に設け、当該温度センサの検出値に基づいて判定してもよい。
【００３５】
触媒暖機要求有りと判定されると、ステップＳ１０２へ進み、触媒暖機運転を実行する。具体的には、エンジン１０の点火時期を、触媒暖機要求が生じていない場合に設定される点火時期よりも遅角させることにより排気温度を上昇させ、触媒２５の昇温を促進させる。また、続くステップＳ１０３では、Ａ／Ｆ変動制御を実行する。一方、ステップＳ１０１で触媒暖機要求無しと判定された場合には、そのまま本処理を終了する。この場合、図示しない別ルーチンにより、目標空燃比（例えば理論空燃比）と、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の検出値との差分に基づくメインフィードバック制御が実施される。
【００３６】
次に、Ａ／Ｆ変動制御の処理手順について図５のフローチャートを用いて説明する。この処理は、図４の暖機要求時処理によってＡ／Ｆ変動制御の実行が指令されてから触媒暖機要求無しと判定されるまでの期間において、ＥＣＵ４０により繰り返し実行される。なお、図５の１回の処理がＡ／Ｆ変動制御の１周期に相当する。
【００３７】
図５において、ステップＳ２０１では、指令値Ｄａｆにリーン空燃比ＡＦＬを設定する。これにより、図示しない別ルーチンにより、触媒下流側の排気空燃比を指令値Ｄａｆにするための燃料量が燃料噴射弁２１から噴射されるよう噴射量制御が実施される。なお、ここでは、噴射量制御をオープン制御によって行うが、フィードバック制御により下流側Ａ／Ｆセンサ２７の検出値を目標空燃比に一致させるようにしてもよい。また、上流側Ａ／Ｆセンサ２６によって検出される空燃比が指令値Ｄａｆになるように制御してもよい。
【００３８】
ステップＳ２０２では、点火時期の指令値を、暖機時点火時期θｄよりも進角側の第１点火時期に設定する。これに伴い、図示しない別ルーチンにより、第１点火時期で点火プラグ２３に火花放電が発生されるように点火制御が実施される。なお、暖機時点火時期θｄは、触媒暖機運転中にＡ／Ｆ変動制御を行わないとした場合に設定される点火時期であり、例えば圧縮上死点より遅角側のクランク角度に設定される。第１点火時期は、暖機時点火時期θｄよりも進角側であってＭＢＴよりも遅角側に設定される。本実施形態では、触媒暖機中のリーン燃焼時では点火時期を進角させることにより、リーン燃焼中の燃焼変動率を抑えて燃焼を安定化させるようにする。
【００３９】
続くステップＳ２０３では、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲに切り替える切替タイミングか否かを判定する。ここでは、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬに設定してから時間ｕ１が経過したか否かを判定し、肯定判定されるまで指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬに設定したままにする。
【００４０】
ステップＳ２０３で肯定判定されると、ステップＳ２０４へ進み、指令値Ｄａｆをリッチ空燃比ＡＦＲに切り替え、触媒下流側の排気空燃比を指令値Ｄａｆとするために必要な量の燃料を燃料噴射弁２１から噴射させる。また、ステップＳ２０５では、点火時期を、暖機時点火時期θｄよりも遅角側の第２点火時期に設定する。触媒暖機中のリッチ燃焼時には点火時期を遅角させることにより、リッチ燃焼中において触媒２５の活性化を促進させるようにする。指令値Ｄａｆをリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えてから時間ｕ２が経過すると再びステップＳ２０１へ戻り、ステップＳ２０１以降の処理を実行する。
【００４１】
次に、活性化判定処理の処理手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。この処理は、図５のＡ／Ｆ変動制御の実行中にＥＣＵ４０により繰り返し実行される。
【００４２】
図６において、ステップＳ３０１では、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒがリッチ側へ変化するリッチ側変化期間中か否かを判定する。ここでは、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替える切替指令が出力されてから所定時間が経過する前であるか否かを判定し、所定時間の経過前である場合に、リッチ側変化期間であると判定する。なお、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒの微分値に基づいてリッチ側変化期間中か否かを判定してもよい。
【００４３】
リッチ側変化期間中でなければ、ステップＳ３０１で否定判定されてそのまま本ルーチンを終了する。一方、リッチ側変化期間中である場合にはステップＳ３０２へ進み、リッチ側変化期間における下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒを用いて出力傾きΔＡを算出する。出力傾きΔＡは、センサ出力値Ａｒの単位時間あたりの変化量（出力上昇量）であり、ここではセンサ出力値Ａｒの時間微分値（ｄＡｒ／ｄｔ）を算出する。
【００４４】
ステップＳ３０３では、出力傾きΔＡが判定値Ｔｘよりも小さいか否かを判定する。出力傾きΔＡが判定値Ｔｘ以上の場合には、ステップＳ３０４へ進み、触媒２５は活性化していないと判定する。一方、出力傾きΔＡが判定値Ｔｘよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ３０５へ進み、触媒２５が活性化したと判定し、本ルーチンを終了する。触媒２５が活性化したと判定されると、以降では、図４の暖機要求時処理のステップＳ１０１で否定判定され、触媒暖機運転が終了される。
【００４５】
なお、出力傾きΔＡが判定値Ｔｘよりも小さいことが複数回判定されたことを条件に、触媒２５が活性化したと判定するようにしてもよい。
【００４６】
本発明の活性化判定処理を用いた場合の排気エミッション改善効果について図７を用いて説明する。図７には、活性化判定手法（判定Ａ、判定Ｂ）の相違による、触媒下流側へ排出されるＰＮ数の相違を表す試験結果を示している。手法Ａは、図１においてＡ／Ｆセンサ２６，２７を配置する代わりに、触媒２５の上流側及び下流側にＯ2センサを配置し、排気空燃比をリッチ／リーンとの間で強制的に変動させた場合に触媒下流側のＯ2センサの出力値の振幅が所定値よりも小さくなったタイミングで触媒２５が活性化したと判定する方法である（特許文献１参照）。手法Ｂは、本発明の活性化判定処理により触媒２５が活性化したと判定する方法である。なお、手法Ａで用いたＯ2センサは、理論空燃比に対してリッチかリーンかに応じて二値の起電力信号を出力する二値検出式である。
【００４７】
図７の試験では、エンジンの冷間始動時に触媒暖機運転を行い、手法Ａ又は手法Ｂにより触媒２５が活性化したと判定されたタイミングで触媒暖機運転を終了して通常運転に移行した場合の排気微粒子（ＰＭ）の粒子数（ＰＮ数：Particulate Number）を比較している。図７に示すように、手法Ｂを用いて触媒２５の活性化判定を行った場合には、手法Ａを用いた場合に比べて、触媒下流側の排気中のＰＮ数が約３５％減少している。この結果から、手法Ｂは触媒２５の活性化判定精度が高いため、触媒暖機時間を極力短くでき、排気エミッションの改善効果が高いことが分かる。
【００４８】
以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。
【００４９】
排気管１９において触媒２５（三元触媒）の上流側に上流側Ａ／Ｆセンサ２６を配置し、下流側に下流側Ａ／Ｆセンサ２７を配置するとともに、触媒暖機要求が有った場合には、排気空燃比をリーン空燃比ＡＦＬとリッチ空燃比ＡＦＲとの間で強制的に変動させる。そして、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えた後の下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒに基づいて、触媒２５の活性化判定を実施する。触媒暖機要求に伴い排気空燃比をリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えた場合、触媒が活性していない状態では、空燃比の切替指令に伴い下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒが速やかにリッチ側へ変化するのに対し、触媒が活性化すると、空燃比の切替指令に伴い下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒのリッチ側への変化が緩慢になる。この点に着目し、上記構成とすることにより、触媒暖機制御によって触媒が活性化した時点で触媒が活性化したことを速やかに判定することができる。
【００５０】
具体的には、リッチ側変化期間Ｓにおける下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒの傾き（出力傾きΔＡ）を算出し、出力傾きΔＡに基づいて触媒２５の活性化判定を実施する構成とした。この場合、リッチ側変化期間でのセンサ出力値Ａｒの傾きを直接的に検出し、これを活性化判定の判定パラメータとするため、活性化判定の精度をより高めることができる。
【００５１】
排気空燃比をリーン空燃比ＡＦＬで制御する場合の点火時期を、リッチ空燃比ＡＦＲで制御する場合の点火時期よりも進角させるため、リーン燃焼中では燃焼変動率を抑えることができ、よって触媒暖機中の燃焼を安定化させることができる。また、排気空燃比をリッチ空燃比ＡＦＲで制御する場合には、リーン空燃比ＡＦＬで制御する場合の点火時期よりも遅角させるため、触媒２５の活性化をより促進させることができる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態では、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えた後の下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒを用いて触媒２５の活性化判定を実施した。これに対し、本実施形態では、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲへ切り替えた後の下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒと、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆとを用いて触媒２５の活性化判定を実施する。
【００５３】
図８は、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆと下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒとを用いた活性化判定処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、Ａ／Ｆ変動制御が実行されている期間中にＥＣＵ４０により所定周期毎に実行される。なお、図６と同じ処理については、図６のステップ番号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図８において、ステップＳ４０１では、ステップＳ３０１と同様の処理（リッチ側変化期間中か否かを判定する処理）を行う。ステップＳ４０１で肯定判定されると、ステップＳ４０２へ進み、リッチ側変化期間における上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆ及び下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒを用いて、活性化判定パラメータＰｋを算出する。具体的には、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆ及び下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒのそれぞれについて、リッチ側変化期間における出力傾きΔＡを算出し、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力傾きΔＡｆに対する、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力傾きΔＡｒの比を活性化判定パラメータＰｋとする。つまり、活性化判定パラメータＰｋは、以下の式（１）で表される。
Ｐｋ＝ΔＡｒ／ΔＡｆ＝（ｄＡｒ／ｄｔ）／（ｄＡｆ／ｄｔ）      …（１）
【００５５】
ステップＳ４０３では、活性化判定パラメータＰｋが判定値Ｔｙよりも小さいか否かを判定する。活性化判定パラメータＰｋが判定値Ｔｙ以上の場合には、ステップＳ４０４へ進み、触媒２５が活性化していないと判定する。一方、活性化判定パラメータＰｋが判定値Ｔｙよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ４０５へ進み、触媒２５が活性化したと判定し、本ルーチンを終了する。
【００５６】
以上詳述した第２実施形態によれば、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒがリッチ側に変化しているリッチ側変化期間における下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒの出力傾きΔＡｒと、リッチ側変化期間における上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆの出力傾きΔＡｆとを用いて、触媒２５の活性化判定を実施するため、Ａ／Ｆセンサの経年劣化やエアフロメータの異常などの影響を上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆを用いて排除しつつ、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒを用いて触媒２５の活性化判定を行うことができる。これにより、活性化判定の判定精度を更に高めることができる。
【００５７】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【００５８】
・上記実施形態では、出力傾きΔＡと判定値Ｔｘとの比較により触媒２５の活性化判定を実施したが、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えた後に下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒが所定値Ａｋよりもリッチ側になっている時間ΔＴに基づいて、触媒２５が活性化したことを判定してもよい。図９に示すように、触媒２５が活性化する前は、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えた場合に、センサ出力値Ａｒは比較的速やかにリッチ側へ変化するため、時間ΔＴは比較的長い時間Ｔ３となる。これに対し、触媒２５が活性化すると、センサ出力値Ａｒのリッチ側への変化は緩慢になり、時間ΔＴはＴ３よりも短い時間Ｔ４となる。したがって、時間ΔＴと判定値とを比較し、時間ΔＴが判定値よりも短い場合には触媒２５が活性化したと判定することができる。
【００５９】
・時間ΔＴを用いて活性化判定を行う上記構成において、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力値Ａｆが所定値Ａｍよりもリッチ側になっている時間Δｔを更に用い、ΔＴ／Δｔを活性化判定パラメータＰｋとして用いて触媒２５の活性化判定を実施してもよい。
【００６０】
・上記実施形態において、出力傾きΔＡと判定値との比較により触媒２５の活性化判定を実施する構成に代えて、指令値Ｄａｆをリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えてから、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力値Ａｒがリッチ空燃比ＡＦＲになるまでに要する時間Ｔｍに基づいて、触媒２５が活性化したことを判定してもよい。具体的には、時間Ｔｍが判定値Ｔｚよりも短い場合には、触媒２５が未活性状態であると判定し、時間Ｔｍが判定値Ｔｚよりも長い場合に、触媒２５が活性化したと判定する。
【００６１】
・Ａ／Ｆセンサ２６，２７として、触媒２５よりも速やかに活性化する（例えば、冷間始動時において数秒で活性化可能な）センサを用いる場合について説明したが、ヒータ等の発熱体によってＡ／Ｆセンサを触媒２５よりも速やかに活性化可能なセンサを用いてもよい。
【００６２】
・上記第２実施形態では、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力傾きΔＡｆに対する、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力傾きΔＡｒの比を活性化判定パラメータＰｋとしたが、その逆数を活性化判定パラメータＰｋとしてもよい。すなわち、下流側Ａ／Ｆセンサ２７の出力傾きΔＡｒに対する、上流側Ａ／Ｆセンサ２６の出力傾きΔＡｆを活性化判定パラメータＰｋ（＝ΔＡｆ／ΔＡｒ）としてもよい。この場合、活性化判定パラメータＰｋが判定値よりも大きい場合に触媒２５の活性化が完了したものと判定する。
【００６３】
・上記実施形態では、排気空燃比を強制的に変動させるのに合わせて点火時期を遅角又は進角させたが、排気空燃比の強制変動に伴う点火時期の遅角又は進角を実施せず、点火時期を一定にしてもよい。
【００６４】
・触媒暖機制御は、触媒温度を活性化温度にまで上昇できればよく、点火時期の遅角による方法に限らない。例えば、筒内に吸入する空気量を増やすように吸気バルブ１６の開閉タイミングを調整することによって筒内の燃焼温度を上昇させ、燃焼温度の上昇に伴う排気の昇温により触媒温度を活性化温度にまで上昇させてもよい。
【００６５】
・上記の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散して実現したり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素で実現したりしてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０…エンジン（内燃機関）、２１…燃料噴射弁、２５…触媒、２６…上流側Ａ／Ｆセンサ、２７…下流側Ａ／Ｆセンサ、４０…ＥＣＵ（空燃比制御部、活性化判定部、点火時期制御部）。
【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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【図８】
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【図９】
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