(57)【要約】【課題】エンジン始動直後の空燃比リーン化制御により酸素過剰状態となった触媒を早期に適正浄化ウィンドウ内に戻し、排気ガス浄化性能を向上する。【解決手段】エンジン始動直後の空燃比リーン化制御が終了したとき、目標空燃比リッチ化補正制御を開始し、目標空燃比リッチ化補正量により直ちに目標空燃比を弱リッチ側にシフトし、フロント空燃比センサの出力に基づく燃料フィードバック制御を開始する。そして、リヤ空燃比センサの出力から触媒内がリッチ状態になったと判定すると、目標空燃比リッチ化補正制御を終了して目標空燃比を元の要求値に戻す。これにより、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御により酸素過剰状態となった触媒を早期に適正浄化ウィンドウ内に戻すことができ、排気ガス浄化性能を向上することができる。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系に介装した触媒の上流側と下流側とに、それぞれ空燃比センサを配設したエンジンの空燃比制御装置であって、
エンジン始動直後の空燃比リーン化制御が終了したとき、上記触媒を適正浄化ウィンドウ内に戻すためのリッチ化補正量を設定する手段と、
上記リッチ化補正量により目標空燃比をリッチ側に補正し、補正した目標空燃比に収束するよう、上記触媒の上流側に配設した空燃比センサの出力に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する手段とを備えたことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項２】
上記触媒の下流側に配設した空燃比センサの出力が判定閾値以上のリッチ状態になったとき、上記リッチ化補正量による目標空燃比の補正を終了することを特徴とする請求項１記載のエンジンの空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御の終了後、触媒を早期に適正浄化ウィンドウ内に戻すエンジンの空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンの空燃比制御システムにおいては、触媒上流側に設けた空燃比センサからの出力によって空燃比をフィードバック制御するシステムに対し、例えば、特開平１１−１４８４０３号公報に開示されているように、触媒の上流側と下流側とにそれぞれ空燃比センサを設けるシステムがある。
【０００３】
このシステムでは、触媒上流側の空燃比センサの出力に基づいて目標空燃比に収束するよう燃料噴射量をフィードバック制御するメインフィードバック制御と、触媒下流側の空燃比センサの出力に基づいて触媒を適正浄化ウィンドウ（触媒で排気ガスを有効に浄化可能な適正空燃比の範囲）内に制御するサブフィードバック制御とを行うことで、排気ガス浄化性能を向上することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１４８４０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、自動車の排気規制の強化に伴い、エンジン始動時の排気ガスエミッション低減の要求が高まり、エンジン完爆後には、完爆までに増量された燃料噴射量を減らしてリッチ空燃比からリーン空燃比に切換える技術が採用される傾向にある。このため、エンジン始動直後のリーン空燃比での運転により、触媒層内部が徐々に酸素過剰状態となり、触媒が活性化してリーン空燃比の制御が終了しても、触媒内が適正浄化ウィンドウに戻るまでに時間を要し、排気ガスの浄化能力が低下する。
【０００６】
この場合、触媒内を適正浄化ウィンドウ内に収めるためには、触媒下流側の空燃比によるサブフィードバック制御を使用する必要があるが、従来では、図５に示すように、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御が終了しても、触媒下流側の空燃比センサが活性化するまでは、触媒を適正浄化ウィンドウに戻すためのサブフィードバック制御を行うことができない。従って、この間、排気ガスエミッションが悪化するという矛盾が生じる。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御により酸素過剰状態となった触媒を早期に適正浄化ウィンドウ内に戻し、排気ガス浄化性能を向上することのできるエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、排気系に介装した触媒の上流側と下流側とに、それぞれ空燃比センサを配設したエンジンの空燃比制御装置であって、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御が終了したとき、上記触媒を適正浄化ウィンドウ内に戻すためのリッチ化補正量を設定する手段と、上記リッチ化補正量により目標空燃比をリッチ側に補正し、補正した目標空燃比に収束するよう、上記触媒の上流側に配設した空燃比センサの出力に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
その際、リッチ化補正量による目標空燃比の補正は、触媒の下流側に配設した空燃比センサの出力が判定閾値以上のリッチ状態になったとき、終了することが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施の一形態に係わり、図１はエンジン制御系の概略構成図、図２は目標空燃比リッチ化補正量設定ルーチンのフローチャート、図３はリッチ判定閾値の説明図、図４は目標空燃比の制御状態を示すタイムチャートである。
【００１１】
図１において、符号１はエンジンであり、このエンジン１の吸気通路２にスロットル弁３が介装され、このスロットル弁３に、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ４が連設されている。スロットル弁３の下流側には、吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタ５、スロットル弁３下流側の吸気管圧力を検出する圧力センサ６が介装され、スロットル弁３の上流側には、吸入空気量を計測する吸入空気量センサ７が介装されている。尚、吸入空気量センサ７を備えない場合には、圧力センサ６によって計測した吸気管圧力とエンジン回転数とから吸入空気量を算出する。
【００１２】
また、エンジン１の排気通路８には、排気ガスを浄化する触媒９が介装され、この触媒９の上下流に、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配設されている。本形態においては、触媒９は三元触媒であり、触媒９の上流側に配設される空燃比センサ１０（以下、フロント空燃比センサ１０と称する）は、理論空燃比を含むリッチからリーンにかけての空燃比を連続的に検出可能な広域空燃比センサ、触媒９の下流側に配設される空燃比センサ１１（以下、リヤ空燃比センサ１１と称する）は、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出するＯ２センサである。
【００１３】
一方、符号２０は、マイクロコンピュータ等からなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、前述の各センサ４，６，７，１０，１１からの信号が入力されると共に、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ１２からの信号が入力される。ＥＣＵ２０では、これらの信号に基づいてインジェクタ５の燃料噴射量や図示しない点火プラグに対する点火時期を演算し、燃料噴射制御や点火時期制御等のエンジン制御を行う。
【００１４】
このＥＣＵ２０によるエンジン制御においては、エンジン始動直後に空燃比をリーン化するリーン化制御を作動させ、エンジン完爆までのリッチ空燃比で増量された燃料噴射量を減量することで、エンジン始動直後の排気ガスエミッションを低減するようにしている。このため、エンジン始動直後のリーン制御が終了した後、触媒９内がリーン雰囲気による酸素過剰状態から適正浄化ウィンドウ内に戻るまでに時間を要し、その間、排気エミッションが悪化し、特にＮＯｘの排出量が増加する虞がある。
【００１５】
従って、ＥＣＵ２０では、エンジン始動直後のリーン制御が終了したとき、目標空燃比を若干リッチ側に補正する目標空燃比リッチ化補正制御を実行することで触媒９内が早期に適正浄化ウィンドウ内に入るよう制御し、触媒９の排気浄化率を早期に向上させる。
【００１６】
具体的には、エンジン始動直後、図２に示す目標空燃比リッチ化補正量設定ルーチンにより目標空燃比を弱リッチ化するためのリッチ化補正量を設定し、このリッチ化補正量で目標空燃比を弱リッチに補正する。そして、実空燃比が補正後の目標空燃比である弱リッチの状態となるよう、フロント空燃比センサ１０の出力に基づいてインジェクタ５からの燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００１７】
次に、目標空燃比リッチ化補正制御について、図２に示す目標空燃比リッチ化補正量設定ルーチンのフローチャートに基づいて説明する。
【００１８】
この目標空燃比リッチ化補正量設定ルーチンにおいては、基本的に以下に述べる第１〜第３の条件を満足する場合に目標空燃比リッチ化補正量λＤを設定し、それ以外の場合には、実質的に補正無しに該当する値とする。
【００１９】
詳細には、先ず、ステップＳ１で、エンジン水温ＴＷが設定温度ＴＳＥＴ以上の条件（第１の条件）を満足するか否かを調べる。この水温条件は、両空燃比センサ１０，１１が早期に活性化する温度以上で目標空燃比リッチ化補正制御を作動させるための条件であり、例えば、エンジン水温ＴＷが設定温度ＴＳＥＴ＝５°Ｃ以上の条件である。
【００２０】
すなわち、低水温時には、両空燃比センサ１０，１１は、センサ保護の観点から内蔵ヒータによる急激な加熱ができないため、活性化が遅れること、更には、低水温時のエンジン始動では安定化のために空燃比のリッチ化が必要であること等から、目標空燃比リッチ化補正制御による効果が得にくい。従って、両空燃比センサ１０，１１の早期活性化が可能な状態で目標空燃比リッチ化補正制御を実行するため、水温条件を設ける。
【００２１】
そして、水温条件が成立しないエンジン冷態時には、ステップＳ１からステップＳ４へジャンプして、目標空燃比リッチ化補正量λＤを補正無しに該当する値（例えば、λＤ＝０）に設定してルーチンを終了する。水温条件が成立する場合には、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで、エンジン始動後、リヤ空燃比センサ１１の出力ＶＲが一度もリッチ判定閾値ＡＦＲ以上の値になっていないリッチ判定経験無しの条件（第２の条件）を満足するか否かを判断する。
【００２２】
このリッチ判定経験無しの条件は、目標空燃比リッチ化補正制御が触媒の浄化率回復を目的としていることから、触媒内の空燃比状態がリーンでなくなったとき、目標空燃比リッチ化補正制御を終了するための条件である。触媒９内の空燃比状態がリーンでなくなったか否かを判定するためのリッチ判定閾値ＡＦＲは、制御切換の応答性等を考慮し、図３に示すように、リヤ空燃比センサ１１の出力が反転するストイキオよりも若干リーン側の値を用い、空燃比をリッチ化することによる排気ガスエミッションへの影響を抑える。
【００２３】
その結果、リヤ空燃比センサ１１の出力ＶＲがリッチ判定閾値ＡＦＲ以上の値となってリッチ判定がなされた履歴がある場合には、前述のステップＳ４で目標空燃比リッチ化補正量λＤを補正無しに該当する値（例えば、λＤ＝０）に設定してルーチンを終了する。
【００２４】
また、リヤ空燃比センサ１１の出力ＶＲが一度もリッチ判定閾値ＡＦＲ以上になっていない場合には、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、別のリーン化補正制御が作動していない条件（第３の条件）を満足するか否かを判断する。この条件は、目標空燃比をリーン化する他の制御、すなわちエンジン始動直後の空燃比リーン化制御が作動中の状態では、目標空燃比をリッチ化する本制御を作動させないための条件である。
【００２５】
そして、ステップＳ３での条件を満足しない場合には、前述のステップＳ４で目標空燃比リッチ化補正量λＤを補正無しに該当する値（例えば、λＤ＝０）に設定してルーチンを終了し、一方、ステップＳ３での条件を満足する場合には、ステップＳ３からステップＳ５へ進んで目標空燃比リッチ化補正量λＤを設定し、ルーチンを終了する。この目標空燃比リッチ化補正量λＤは、負荷に依存したテーブルを参照して設定する。すなわち、触媒及び排気ガスの状態と相関が高いパラメータ、例えば吸入空気量に対応して予め最適な目標空燃比リッチ化補正量を求めてテーブルを作成しておき、このテーブルを参照して目標空燃比リッチ化補正量λＤを設定する。
【００２６】
以上の処理を図４のタイムチャートを用いて説明すると、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御が終了したとき、目標空燃比リッチ化補正制御が開始され、以下の（１）式に示すように、目標空燃比リッチ化補正量λＤにより直ちに目標空燃比λを弱リッチ側にシフトすることで、酸素過剰状態にある触媒９内を早期に適正浄化ウィンドウに戻すよう制御する。
λ＝λ−λＤ  …（１）
【００２７】
目標空燃比リッチ化補正制御は、弱リッチ側にシフトされた目標空燃比λに収束するよう、フロント空燃比センサ１０の出力に基づいて燃料噴射量を補正する周知の燃料フィードバック制御である。この燃料フィードバック制御においては、例えば、以下の（２）式に示すように、先ず、吸入空気量Ｑａ及びエンジン回転数Ｎｅに基づく１行程当たりの筒内空気量（Ｑａ／Ｎｅ）と目標空燃比λとから要求燃料噴射量Ｇｆを算出する。
Ｇｆ＝（Ｑａ／Ｎｅ）／λ  …（２）
【００２８】
次に、以下の（３）式に示すように、要求燃料噴射量Ｇｆを、フロント空燃比センサ１０の出力に基づく実空燃比と目標空燃比λとの偏差に基づくフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡにより補正して燃料噴射量Ｇｉを算出する。但し、（３）式におけるＣＯＥＦは、他の運転状態パラメータによって定まる各種補正項である。そして、この燃料噴射量Ｇｉをインジェクタ５から噴射し、実空燃比が目標空燃比に収束するようフィードバック制御する。
Ｇｉ＝Ｇｆ×ＬＡＭＢＤＡ＋ＣＯＥＦ  …（３）
【００２９】
以上の目標空燃比リッチ化制御（フロント空燃比センサ１０の出力に基づく燃料フィードバック制御）により、触媒９内がリッチ方向にシフトし、リヤ空燃比センサ１１の出力から触媒９内がリッチ状態になったと判定すると、目標空燃比リッチ化補正制御を終了して目標空燃比λを元の要求値に戻し、フロント空燃比センサ１０の出力に基づく通常のフィードバック制御（メインフィードバック制御；本形態においては、λ＝１のストイキオへの制御）を開始する。メインフィードバック制御を開始した後は、リヤ空燃比センサ１１の出力に基づいて触媒９内の状態をモニタし、触媒９内の空燃比状態が適正浄化ウィンドウ内に入るよう目標空燃比を補正するサブフィードバック制御を開始する。
【００３０】
このように、本実施の形態においては、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御によって酸素過剰状態となった触媒９に対し、強制的に空燃比を弱リッチ化することで、触媒９を早期に適正浄化ウィンドウに戻すことができ、触媒の浄化率を早期に向上することができる。しかも、触媒９上流側のフロント空燃比センサ１０の出力に基づくクローズ制御により実空燃比を制御して弱リッチ化するので、各部品や条件のバラツキに対するロバスト性が向上し、安定した効果が得られる。
【００３１】
また、このエンジン始動直後の空燃比のリッチ化制御を、触媒９の下流側に配設したリヤ空燃比センサ１１により触媒９がリーンでなくなったときを判定して終了するよようにしているため、必要以上に空燃比がリッチ化されることなく、ＣＯやＨＣの増加を抑制することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、エンジン始動直後の空燃比リーン化制御により酸素過剰状態となった触媒を早期に適正浄化ウィンドウ内に戻し、排気ガス浄化性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジン制御系の概略構成図
【図２】目標空燃比リッチ化補正量設定ルーチンのフローチャート
【図３】リッチ判定閾値の説明図
【図４】空燃比の制御状態を示すタイムチャート
【図５】従来例に係わり、空燃比の制御状態を示すタイムチャート
【符号の説明】
１      エンジン
５      排気通路
９      触媒
１０    フロント空燃比センサ
１１    リヤ空燃比センサ
２０    電子制御ユニット
ＡＦＲ  リッチ判定閾値
λ      目標空燃比
λＤ    目標空燃比リッチ化補正量
【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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