(57)【要約】【課題】排気空燃比を強制変調する際、低コストの排気センサを用いて排気空燃比の制御精度の向上を図り、排気浄化性能の向上を図った内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】酸素センサの出力に基づき、強制変調中における排気の平均空燃比を検出する平均空燃比検出手段（Ｓ２０）と、平均空燃比検出手段により検出される平均空燃比を目標空燃比に調整する空燃比調整手段（Ｓ２２）と、強制変調中に酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域を超えないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するリッチリーン時間制限手段（Ｓ１２）とを備える。【選択図】      図４
2004285896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、
前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を目標空燃比を挟みリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させる空燃比強制変調手段と、
前記排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度を検出し出力する酸素センサと、前記酸素センサの出力に基づき、前記強制変調中における排気の平均空燃比を検出する平均空燃比検出手段と、
前記平均空燃比検出手段により検出される平均空燃比を前記目標空燃比に調整する空燃比調整手段と、
前記強制変調中に前記酸素センサの出力により検出される空燃比が前記酸素センサの空燃比検出領域の上限値及び下限値に達しないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するリッチリーン時間制限手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記リッチリーン時間制限手段は、前記強制変調の所定の振幅が大きいほど、前記酸素センサの応答遅れが小さいほど、排気輸送遅れが小さいほど或いは前記酸素センサの活性状態が良好であるほどリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記平均空燃比検出手段は、前記酸素センサの出力を空燃比に変換した後に該空燃比を平均化或いは平滑化するようにして排気の平均空燃比を検出することを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気空燃比を強制変調させることにより触媒コンバータの浄化性能を向上させる技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
白金（Ｐｔ）等の貴金属を利用した排気浄化用の三元触媒コンバータは、少なからず酸素（Ｏ２）ストレージ機能を有しており、排気空燃比がリーン空燃比（酸化雰囲気）であるときにＯ２を吸蔵してＮＯｘの発生を抑え、一方排気空燃比がリッチ空燃比（還元雰囲気）であるときには、上記吸蔵したＯ２を放出してＨＣ、ＣＯの酸化促進を図り、排気浄化性能を向上させることが可能である。
【０００３】
このようなことから、近年では、例えば内燃機関の燃焼室内の空燃比を所定空燃比（例えば、理論空燃比）を挟み一定期間毎に所定の振幅でリーン空燃比とリッチ空燃比とに切り換えることで排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比とに強制的に変調、即ち強制変調させ、三元触媒コンバータの排気浄化性能向上を図った自動車が開発され、実用化されている（特許文献１等参照）。
【０００４】
また、強制変調を実施する際、特に強制変調の振幅が大きいほど排気浄化性能が向上することも知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−８９３１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、強制変調を行う場合、排気空燃比を排気センサにより監視して排気空燃比の平均空燃比が常に目標空燃比となるよう空燃比制御を行うのがよく、これにより排気空燃比の制御精度が向上し、排気浄化性能の向上が図られる。
そして、排気空燃比を検出する排気センサとしては、全領域空燃比センサ（例えば、リニア空燃比センサ：ＬＡＦＳ）や酸素センサ（例えば、Ｏ２センサ）が知られている。
【０００７】
しかしながら、全領域空燃比センサは検出可能な空燃比領域が広い一方、コストが非常に高いという欠点があり、実用的ではない。
これに対し、酸素センサは低コストであるため、一般に多用するには非常に有利である一方、空燃比に対して非線形の特性を示すために検出可能な空燃比検出領域が狭く、排気浄化性能の向上を図るべく強制変調の振幅を大きくすると、排気空燃比が酸素センサの空燃比検出領域を超えてしまい、当該酸素センサの出力からでは排気空燃比を正確に検出できないという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気空燃比を強制変調する際、低コストの排気センサを用いて排気空燃比の制御精度の向上を図り、排気浄化性能の向上を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を目標空燃比を挟みリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させる空燃比強制変調手段と、前記排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度を検出し出力する酸素センサと、前記酸素センサの出力に基づき、前記強制変調中における排気の平均空燃比を検出する平均空燃比検出手段と、前記平均空燃比検出手段により検出される平均空燃比を前記目標空燃比に調整する空燃比調整手段と、前記強制変調中に前記酸素センサの出力により検出される空燃比が前記酸素センサの空燃比検出領域の上限値及び下限値に達しないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するリッチリーン時間制限手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
即ち、空燃比強制変調手段によって排気空燃比をリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させることにより触媒コンバータの酸素ストレージ機能を利用して排気浄化性能の向上が図られるが、この際、リッチリーン時間制限手段によって酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域を超えないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限する。
【００１１】
つまり、酸素センサの出力は排気空燃比が空燃比検出領域を超えると頭打ちとなり空燃比を正確に検出できなくなるのであるが、通常、酸素センサには応答遅れがあり、強制変調を行っても酸素センサの出力は応答遅れ期間で実際値より小さな値を示す傾向にあるため、この応答遅れを利用し、リッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限することで全体として変調周期を縮めるようにして酸素センサの出力を小さく抑え、酸素センサの出力により検出される空燃比が該酸素センサの空燃比検出領域内に納まるようにする。
【００１２】
これにより、酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、平均空燃比検出手段により酸素センサの出力から求まる平均空燃比が常に実際値に即した正確な値とされ、当該平均空燃比が空燃比調整手段により常に良好に目標空燃比に調整されることになり、低コストの排気センサを用いながらも強制変調時における排気空燃比の制御精度が向上し、触媒コンバータの排気浄化性能の向上が図られる。
【００１３】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、前記リッチリーン時間制限手段は、前記強制変調の所定の振幅が大きいほど、前記酸素センサの応答遅れが小さいほど、排気輸送遅れが小さいほど或いは前記酸素センサの活性状態が良好であるほどリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限することを特徴としている。
【００１４】
即ち、酸素センサの出力は応答遅れによって実際値より小さな値を示す傾向にあるとはいえ、強制変調の所定の振幅が大きいほど排気空燃比が空燃比検出領域を超えて酸素センサの出力が頭打ちになり易く、また、酸素センサの応答遅れや排気輸送遅れが小さく或いは酸素センサの活性状態が良好であって酸素センサの応答性がよいほど応答遅れ期間が短くなり酸素センサの出力が実際値に即して変化し排気空燃比が空燃比検出領域を超え易いため、これらいずれかの場合には、リッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限する。
【００１５】
これにより、酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域内に納まるようになり、低コストの酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、平均空燃比検出手段により酸素センサの出力から求まる平均空燃比が常に実際値に即した正確な値とされる。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、前記平均空燃比検出手段は、前記酸素センサの出力を空燃比に変換した後に該空燃比を平均化或いは平滑化するようにして排気の平均空燃比を検出することを特徴としている。
【００１６】
即ち、図２に示すように、酸素センサの出力は、空燃比検出領域内においても空燃比に対し非線形で変化する特性を有するため、当該酸素センサの出力を平均化或いは平滑化した後に同図から平均空燃比を読み出そうとしても正確な平均空燃比を求めることはできないのであるが、同図に基づき酸素センサの出力を空燃比に変換した後に当該空燃比を平均化或いは平滑化して平均空燃比を求めることにより、平均空燃比が容易にして正確に求められ、低コストの排気センサを用いながら平均空燃比を良好に検出可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、当該排気浄化装置の構成を説明する。
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、吸気管噴射型（Ｍｕｌｔｉ    Ｐｏｉｎｔ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ：ＭＰＩ）ガソリンエンジンが採用される。
【００１８】
エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４が取り付けられており、点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。
シリンダヘッド２には、各気筒毎に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１０には、電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。
【００１９】
吸気マニホールド１０の燃料噴射弁６よりも上流側には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けられており、併せてスロットル弁１４の弁開度θｔｈを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられている。さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００２０】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
なお、当該ＭＰＩエンジンは公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
【００２１】
排気マニホールド１２の他端には排気管２０が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。セリウム（Ｃｅ）、ジルコニア（Ｚｒ）等の酸素吸蔵材を含む場合の他、当該酸素吸蔵材を含まない場合においても、活性貴金属は、酸素吸蔵機能（Ｏ２ストレージ機能）を有しており、故に、三元触媒３０は、排気空燃比（排気Ａ／Ｆ）がリーン空燃比（リーンＡ／Ｆ）である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ２）を吸着すると、排気Ａ／Ｆがリッチ空燃比（リッチＡ／Ｆ）となり還元雰囲気となるまでそのＯ２をストレージＯ２として保持し、当該ストレージＯ２により、還元雰囲気状態においてもＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のことＮＯｘの発生をもある程度抑え、還元雰囲気中においてＮＯｘの浄化のみならず吸蔵されたＯ２によりＨＣ、ＣＯをもある程度浄化可能である。
【００２２】
また、排気管２０の三元触媒コンバータ３０よりも上流側には、排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサ（酸素センサ）２２が配設されている。Ｏ２センサ２２は、空燃比に対して図２に示すような特性を有し、安価な排気センサとして公知である。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
【００２３】
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、Ｏ２センサ２２の他、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。なお、クランク角センサ４２からのクランク角情報に基づいてエンジン回転速度Ｎｅが検出される。
【００２４】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力される。詳しくは、各種センサ類からの検出情報に基づき空燃比が適正な目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に設定され、当該目標Ａ／Ｆに応じた量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁６から噴射され、またスロットル弁１４が適正な開度に調整され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００２５】
より詳しくは、当該排気浄化装置では、三元触媒３０が上記Ｏ２ストレージ機能を有していることから、三元触媒３０の能力を十分発揮するために、通常運転時には、ＥＣＵ４０によって空燃比を目標Ａ／Ｆを境に所定のリッチＡ／Ｆと所定のリーンＡ／Ｆとの間で強制的に交互に振る強制変調制御を行うようにしている。つまり、燃焼室内の空燃比（燃焼Ａ／Ｆ）を一定期間に亘りリーンＡ／Ｆとした後一定期間リッチＡ／Ｆとするように変調制御し、排気Ａ／Ｆを所定のリーンＡ／Ｆと所定のリッチＡ／Ｆ間で所定の振幅で周期的に変調させるようにしている（空燃比強制変調手段）。なお、変調波形は方形波に限られるものではなく、三角波、正弦波、波状波等でもよい。
【００２６】
これにより、排気Ａ／ＦがリーンＡ／Ｆである酸化雰囲気中ではＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ２ストレージ機能によりＯ２が吸蔵されてＮＯｘの発生がある程度抑えられ、排気Ａ／ＦがリッチＡ／Ｆである還元雰囲気中ではＮＯｘが良好に浄化されるとともに吸蔵されたストレージＯ２によってＨＣ、ＣＯがある程度継続的に浄化され続け、三元触媒３０の排気浄化性能の向上が図られる。
【００２７】
ところで、エンジン１でこのような空燃比の強制変調を行う場合、三元触媒３０の排気浄化性能を向上させるためには、排気Ａ／ＦをＯ２センサ２２により監視して排気Ａ／Ｆの平均空燃比（平均Ａ／Ｆ）が常に目標Ａ／Ｆとなるよう空燃比制御を行うのがよい。しかしながら、上述したように、Ｏ２センサ２２は、空燃比に対して非線形の特性を示すために検出可能な空燃比検出領域が狭く、排気浄化性能の向上を図るべく強制変調の振幅を大きくすると、図３に示すように、実際の空燃比（破線で示す）が定常時の空燃比検出領域を超えてしまい、空燃比検出領域を超えた領域ではＯ２センサ２２の出力が頭打ちとなって排気Ａ／Ｆを正確に検出できず（実線で示す）、実際の平均Ａ／Ｆ（破線で示す）とＯ２センサ２２の出力により検出される平均Ａ／Ｆ（実線で示す）との間にずれが生じることになる。
【００２８】
本発明に係る排気浄化装置では、このような問題を解決するように図っており、以下、上記のように構成された本発明に係る排気浄化装置の空燃比強制変調手法について説明する。
先ず、第１実施例について説明する。
図４を参照すると、本発明の第１実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
【００２９】
ステップＳ１０では、現在強制変調中であるか否かを判別する。具体的には、三元触媒３０が所定の活性状態に達し、上記強制変調制御の開始条件が成立して強制変調制御が開始されているか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で強制変調を実施していないと判定された場合には、何もせずに当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で強制変調中であると判定された場合には、ステップＳ１２に進む。
【００３０】
ステップＳ１２では、強制変調においてリーン空燃比側となっている時間、即ちリーン時間とリッチ空燃比側となっている時間、即ちリッチ時間とをそれぞれリーン側振幅、リッチ側振幅に応じて設定する（リッチリーン時間制限手段）。一般に、Ｏ２センサ２２には応答遅れがあり、強制変調を行ってもＯ２センサ２２の出力は急激に変化する酸素濃度に追従しきれず、実際値よりも小さな値を示す傾向にある。そして、この傾向は、強制変調の変調周期が小さく反転速度が速いほど、即ちリーン時間とリッチ時間とが短くなるほど顕著である。
【００３１】
そこで、ここでは、この応答遅れの性質を利用し、排気浄化性能の向上を図るべく強制変調の振幅を大きくしたとしてもＯ２センサ２２の出力が頭打ちとならないよう、強制変調の振幅（リーン側振幅、リッチ側振幅）の大きさに応じてリッチ時間とリーン時間とを適正に制限してＯ２センサ２２の出力を小さく抑え、強制変調の振幅の大きさに拘わらずＯ２センサ２２の出力により検出される排気Ａ／Ｆが空燃比検出領域の上限値（上限境界値）及び下限値（下限境界値）に達しないようにして空燃比検出領域内に納まるようにする。なお、リーン側振幅とリッチ側振幅とは、理論空燃比（ストイキオ）を基準としてもよいし、Ｏ２センサ２２の出力の中央値を基準としてもよい。また、空燃比検出領域としてはＯ２センサ２２の定常時における空燃比検出領域が用いられ、当該空燃比検出領域は、例えば、リーン空燃比からリッチ空燃比への切換後５００ｍｓ後にＯ２センサ２２の出力から求めたリッチ側空燃比とリッチ空燃比からリーン空燃比への切換後５００ｍｓ後にＯ２センサ２２の出力から求めたリーン側空燃比との間までの安定領域とされる。
【００３２】
実際には、リーン側振幅とリーン時間及びリッチ側振幅とリッチ時間との関係が実験等により予め設定され、図５に示すようにマップとしてＥＣＵ４０内に記憶されており、リーン時間及びリッチ時間は、リーン側振幅及びリッチ側振幅の大きさに応じて当該マップから読み出される。具体的には、リーン側振幅及びリッチ側振幅が大きいほどリーン時間とリッチ時間とをそれぞれ短く制限する。
【００３３】
また、Ｏ２センサ２２の出力は、基本的に、Ｏ２センサ２２の応答遅れ（排気流量、エンジン回転速度Ｎｅ、触媒温度、排気温度、体積効率、正味平均有効圧、吸気管圧力、排気圧力等）、排気輸送遅れ（Ｏ２センサ上流排気系容積、排気流量、エンジン回転速度Ｎｅ、体積効率等）が大きいほど、或いは、Ｏ２センサの活性状態（冷却水温度、吸気温度、潤滑油温度、始動後経過時間、Ｏ２センサヒータ通電時間、走行距離等）が悪いほど強制変調により急変する酸素濃度に追従し難いため、リーン時間とリッチ時間とをこれらＯ２センサ２２の応答遅れ、排気輸送遅れ、Ｏ２センサの活性状態の各状況の少なくともいずれか一つに応じて設定するのがよい。具体的には、Ｏ２センサ２２の応答遅れ、排気輸送遅れが小さいほど、或いはＯ２センサの活性状態が良好であるほどリーン時間とリッチ時間とをそれぞれ短く制限する。
【００３４】
また、簡便な手法として、リーン時間とリッチ時間とを触媒システムに応じて予め設定した最適な時間値（例えば、５０ｍｓと５０ｍｓ）に固定するようにしてもよい。
また、ここではリーン時間とリッチ時間のように時間で規定しているが、サイクルで規定してもよい。
【００３５】
このようにしてリーン時間及びリッチ時間が制限されると、図６に示すように、強制変調による実際の排気Ａ／Ｆの振幅（破線で示す）はそのままでありながら、Ｏ２センサ２２の出力により検出される排気Ａ／Ｆは振幅（実線で示す）が小さく抑えられて空燃比検出領域内に良好に納まることになる。
ステップＳ１４では、Ｏ２センサ２２の出力を空燃比に変換する。具体的には、上述した図２の特性がＥＣＵ４０内に変換マップとして記憶されており、当該変換マップに基づきＯ２センサ２２の出力を空燃比に変換する。つまり、Ｏ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆを検出する。
【００３６】
なお、当該実施形態ではＯ２センサ２２の出力を空燃比に変換するようにしているが、空燃比に相当する空燃比相関値（例えば、燃空比、当量比、燃料噴射量、燃料噴射期間等）に変換するようにしてもよい。
ステップＳ２０では、ステップＳ１４で検出されたＯ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆの所定期間での平均Ａ／Ｆを算出する（平均空燃比検出手段）。ここに、所定期間は例えば変調周期であるが、これに限られるものではなく、触媒システムに最適なものであれば変調周期より長い期間であってもよい。
【００３７】
また、平均Ａ／Ｆの平均手法としては、所定期間における空燃比の値を算術平均して平均化するものであってもよいし、所定期間の吸入空気総量を所定期間の供給燃料総量で除して平均化するものであってもよく、或いは、加重平均（フィルタリング処理）により平滑化するようなものであってもよい。
なお、ステップＳ１４でＯ２センサ２２の出力を空燃比相関値（例えば、燃空比、当量比、燃料噴射量、燃料噴射期間等）に変換した場合には、平均Ａ／Ｆに代えて平均Ａ／Ｆ相関値を算出することになる。
【００３８】
ところで、ここでは、Ｏ２センサ２２の出力を平均化或いは平滑化した後に変換して平均Ａ／Ｆを求めるのではなく、Ｏ２センサ２２の出力を空燃比に変換した後に平均化或いは平滑化して平均Ａ／Ｆを求めるようにしている。これは、図２から明らかなように、Ｏ２センサ２２の出力は、空燃比検出領域内においても空燃比に対し非線形で変化する特性を有し、当該Ｏ２センサ２２の出力を平均化或いは平滑化した後に同図から平均Ａ／Ｆを読み出そうとしても非線形領域では正確な平均Ａ／Ｆを求めることはできない一方、同図に基づきＯ２センサ２２の出力を空燃比に変換した後であれば当該空燃比を平均化或いは平滑化して容易にして正確に平均Ａ／Ｆを求めることができるためである。これにより、平均Ａ／Ｆを良好に検出可能である。
【００３９】
このように求められたＯ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆは、上記ステップＳ１２において、リーン時間及びリッチ時間がそれぞれリーン側振幅とリッチ側振幅とに応じて設定され、Ｏ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆが空燃比検出領域内に納まるようにされているので、図６に示すように、実際の平均Ａ／Ｆに良好に一致する。
【００４０】
つまり、Ｏ２センサ２２の応答遅れの性質を利用することにより、空燃比に対し非線形で変化する特性を有し且つリニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）よりも安価なＯ２センサ２２を排気センサとして用いるようにしても、Ｏ２センサ２２の出力に基づいて的確に排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆを検出することができる。
ステップＳ２２では、このようにして検出された排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆが上記目標Ａ／Ｆとなるように空燃比を調整する（空燃比調整手段）。即ち、排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるようにフィードバック制御を行う。フィードバック制御はＰＩＤ制御、現代制御理論に基づく制御のいずれであってもよい。
【００４１】
なお、ここでは、平均Ａ／Ｆを算出する所定期間を例えば変調周期としたが、所定期間をリーン期間とリッチ期間とし、ステップＳ２０においてリーン期間のリーン側平均Ａ／Ｆとリッチ期間のリッチ側平均Ａ／Ｆとをそれぞれ求め、ステップＳ２２においてリーン側平均Ａ／Ｆとリッチ側平均Ａ／Ｆとがそれぞれリーン側目標空燃比とリッチ側目標空燃比となるように空燃比を調整するようにしてもよい。
【００４２】
これにより、排気Ａ／Ｆの制御精度が向上して排気Ａ／Ｆの強制変調が常に適正な状態に維持され、三元触媒３０の排気浄化性能の向上が図られる。
次に、第２実施例について説明する。
第２実施例では、排気浄化装置は、上記第１実施例におけるＯ２センサ２２にセンサ素子の温度を検出するセンサ素子温度検出手段が付加されており、センサ素子温度検出手段により検出され出力されたＯ２センサ２２のセンサ素子の温度情報は、ＥＣＵ４０の入力側に入力するように構成されている。
【００４３】
図７を参照すると、本発明の第２実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、第２実施例では、上記第１実施例の図４のフローチャートに対しステップＳ１３が追加されるとともにステップＳ１４がステップＳ１４’に変更されている点が異なるのみであり、ここでは第１実施例と異なる部分を中心に説明する。
【００４４】
ステップＳ１０を経てステップＳ１２においてリーン時間及びリッチ時間をそれぞれリーン側振幅とリッチ側振幅とに応じて設定したら、ステップＳ１３において、センサ素子温度検出手段によりＯ２センサ２２のセンサ素子の温度を検出する。
実際には、センサ素子温度を直接検出することは困難であるため、ここでは、センサ素子温度をエンジン１の運転状態に基づくセンサ素子温度相関値（エンジン回転速度Ｎｅ、体積効率、吸気管負圧、吸入空気量、排気温度、冷却水温度、外気温度のうち１以上）として求めるようにする。
【００４５】
そして、ステップＳ１４’において、Ｏ２センサ２２の出力を空燃比に変換する。
ところで、空燃比が同じでも温度によって酸素濃度が異なるため、Ｏ２センサ２２の出力と空燃比との関係は、Ｏ２センサ２２のセンサ素子の温度によって変化する。
【００４６】
従って、ここでは、上記センサ素子温度相関値に応じた複数の変換マップを図２に準じて予め設定しＥＣＵ４０に記憶しておき、センサ素子温度相関値に応じてこれら変換マップを切り換え、当該センサ素子温度相関値に応じた変換マップに基づいてＯ２センサ２２の出力を空燃比に変換する。つまり、Ｏ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆをセンサ素子温度を考慮して検出する。具体的には、Ｏ２センサ２２の出力が同一であっても、排気Ａ／Ｆがリッチ側では、センサ素子温度が高温であるほど排気Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りの値に変換し、低温であるほど排気Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りの値に変換し、排気Ａ／Ｆがリーン側では、その逆に変換する。
【００４７】
なお、ここでは、センサ素子温度相関値に応じた複数の変換マップをセンサ素子温度に応じて切り換えるようにしたが、センサ素子温度相関値に応じた変換係数を予め設定してマップ化しておき、基準となる排気Ａ／Ｆに当該センサ素子温度相関値に応じた変換係数を乗算するようにしてもよい。
さらに、ここでは、センサ素子温度相関値に応じた複数の変換マップを有し、或いはセンサ素子温度相関値に応じた変換係数をマップとして有するようにしたが、センサ素子温度相関値から一旦センサ素子温度を推定し、当該センサ素子温度の推定値に応じた複数の変換マップを有し、或いは当該推定値に応じた変換係数をマップとして有するようにしてもよい。
【００４８】
また、熱容量による応答遅れが発生するような場合には、変換して求めた排気Ａ／Ｆ或いは変換係数にフィルタリング処理等を施して補完するのが好ましい。これにより、エンジン１の運転状態に応じて排気温度等により時々刻々とセンサ素子の温度が変化しても、排気Ａ／Ｆの検出精度が向上し、常に適正な排気Ａ／Ｆが検出される。
【００４９】
従って、ステップＳ２０においてステップＳ１４’で検出されたＯ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆを算出し、次のステップＳ２２において当該平均Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるようフィードバック制御を実施するが、当該フィードバック制御が適正なものとなる。
これにより、排気Ａ／Ｆの制御精度が向上して排気Ａ／Ｆの強制変調が常に適正な状態に維持され、三元触媒３０の排気浄化性能のさらなる向上が図られる。
【００５０】
次に、第３実施例について説明する。
第３実施例では、排気浄化装置は、上記第２実施例の場合と同様にＯ２センサ２２にセンサ素子の温度を検出するセンサ素子温度検出手段が付加され、さらに、センサ素子部を加熱量を調節しながら加熱する素子加熱手段を備えて構成されている。素子加熱手段としては、ここではスイッチのオン・オフにより切換作動する電気式ヒータが用いられる。
【００５１】
図８を参照すると、本発明の第３実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、第３実施例では、上記第１実施例の図４のフローチャートに対しステップＳ１５乃至ステップＳ１９が追加されている点が異なり、ここでも第１実施例と異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
ステップＳ１０を経てステップＳ１２においてリーン時間及びリッチ時間をそれぞれリーン側振幅とリッチ側振幅とに応じて設定し、ステップＳ１４においてＯ２センサ２２の出力を所定温度のもとで上記図２の特性を有する変換マップに基づき空燃比に変換したら、ステップＳ１５において、センサ素子温度検出手段によりＯ２センサ２２のセンサ素子の温度を検出する。
【００５３】
上記第２実施例の場合と同様、実際には、センサ素子温度を直接検出することは困難であるため、ここでは、センサ素子温度をエンジン１の運転状態に基づくセンサ素子温度相関値（エンジン回転速度Ｎｅ、体積効率、吸気管負圧、吸入空気量、排気温度、冷却水温度、外気温度のうち１以上）として求めるようにする。
【００５４】
ステップＳ１６では、素子加熱手段としてのヒータのデューティ（オン・オフ時間率）を設定する。具体的には、センサ素子部の温度が上記所定温度となることを目標にセンサ素子温度相関値とヒータのデューティとの関係を予めデューティマップとしてＥＣＵ４０に記憶しておき、当該デューティマップからセンサ素子温度相関値に応じてデューティの初期値を読み出す。なお、このステップＳ１６は、上記ステップＳ１０の判別が偽（Ｎｏ）から真（Ｙｅｓ）に切り換わった直後の初回にのみ実行される。
【００５５】
ステップＳ１７では、センサ素子温度が上記所定温度より大であるか否か、即ちセンサ素子温度相関値が所定温度相関値より大であるか否かを判別する。つまり、上記図２の変換マップに対応した温度条件に達しているか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でセンサ素子温度相関値が所定温度相関値より大と判定された場合には、ステップＳ１８に進み、ヒータのデューティを減少させる。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）でセンサ素子温度相関値が所定温度相関値以下と判定された場合には、ステップＳ１９に進み、ヒータのデューティを増大させる。
【００５６】
これにより、センサ素子部の加熱量が良好に調節され、センサ素子温度が上記所定温度近傍に良好に収束することになる。
なお、ここでは、センサ素子温度相関値に応じたデューティマップに基づきヒータのデューティの初期値を設定するようにし、センサ素子温度相関値が所定温度相関値より大であるか否かを判別するようにしたが、センサ素子温度相関値から一旦センサ素子温度を推定し、当該センサ素子温度の推定値に応じたデューティマップに基づきヒータのデューティの初期値を設定するようにし、当該推定値が所定温度より大であるか否かを判別するようにしてもよい。
【００５７】
また、熱容量による応答遅れが発生するような場合には、求められたデューティにフィルタリング処理等を施して補完するのが好ましい。
これにより、エンジン１の運転状態に応じて排気温度等により時々刻々とセンサ素子の温度が変化しても、センサ素子温度が上記図２の変換マップに対応した温度条件に良好に維持され、排気Ａ／Ｆの検出精度が向上し、常に適正な排気Ａ／Ｆが検出される。
【００５８】
従って、上記第２実施例の場合と同様、ステップＳ２０においてステップＳ１４で検出されたＯ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆを算出し、ステップＳ２２において当該平均Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるようフィードバック制御を実施するが、当該フィードバック制御が適正なものとなる。
これにより、排気Ａ／Ｆの制御精度が向上して排気Ａ／Ｆの強制変調が常に適正な状態に維持され、三元触媒３０の排気浄化性能のさらなる向上が図られる。
【００５９】
以上第１乃至第３実施例に基づき説明したように、本発明に係る排気浄化装置では、強制変調制御において、強制変調のリーン時間とリッチ時間とを、Ｏ２センサ２２の出力により検出される排気Ａ／ＦがＯ２センサ２２の空燃比検出領域内に納まるように設定している。
従って、空燃比に対し非線形で変化する特性を有し且つリニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）よりも安価なＯ２センサ２２を排気センサとして採用するようにしても、Ｏ２センサ２２の応答遅れの性質を利用することで、Ｏ２センサ２２の出力に基づく排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆを実際の平均Ａ／Ｆに良好に一致或いは相関させるようにでき、故にＯ２センサ２２の出力に基づいて的確に排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆを検出して目標Ａ／Ｆにフィードバック制御することができ、排気Ａ／Ｆの強制変調を常に適正な状態に維持して三元触媒３０の排気浄化性能を向上させることができる。
【００６０】
なお、上記実施形態では、Ｏ２センサ２２を三元触媒３０の上流側に設置した場合を例に説明したが、Ｏ２ストレージ機能の弱い三元触媒３０にあってはＯ２センサを三元触媒３０の下流側に設置するようにしてもよい。この場合、触媒雰囲気を直接検出できることになり、また、ＯＢＤ（Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ  Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）に対応して触媒下流にＯ２センサを要する触媒システムにおいては、触媒上流のＯ２センサが不要となりコスト削減が図られる。
【００６１】
また、触媒コンバータは、三元触媒に限られず、少なくともＯ２ストレージ機能を有していれば如何なるものであってもよい。
また、上記実施形態では、エンジン１としてＭＰＩエンジンを採用した例を示したが、これに限られず、エンジン１は強制変調制御が可能であれば如何なるエンジンであってもよく、筒内噴射型エンジンであってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、空燃比強制変調手段によって排気空燃比をリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させる際、酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域の上限値及び下限値に達しないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するようにしたので、酸素センサの応答遅れを利用して酸素センサの出力により検出される空燃比を酸素センサの空燃比検出領域内に納めるようにできる。これにより、酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、酸素センサの出力から求まる平均空燃比を常に実際値に即した正確な値として良好に目標空燃比に調整できることになり、低コストの排気センサを用いながらも強制変調時における排気空燃比の制御精度を向上させ、触媒コンバータの排気浄化性能の向上を図ることができる。
【００６３】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制変調の所定の振幅が大きいほど酸素センサの出力も大きく排気空燃比が空燃比検出領域を超え易く、また、酸素センサの応答遅れや排気輸送遅れが小さく或いは酸素センサの活性状態が良好であって酸素センサの応答性がよいほど応答遅れ期間が短くなり酸素センサの出力が実際値に即して変化し排気空燃比が空燃比検出領域を超え易いのであるが、これらいずれかの場合には、リッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限するようにしたので、酸素センサの出力により検出される空燃比を酸素センサの空燃比検出領域内に納めるようにできる。これにより、低コストの酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、酸素センサの出力から求まる平均空燃比を常に実際値に即した正確な値にできる。
【００６４】
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸素センサの出力を空燃比に変換した後に該空燃比を平均化或いは平滑化するようにして排気の平均空燃比を検出するようにしているので、酸素センサの出力が空燃比に対し非線形の特性を有し、当該酸素センサの出力を平均化或いは平滑化した後においては平均空燃比を正確に求められないのであるが、酸素センサの出力を空燃比に変換した後に当該空燃比を平均化或いは平滑化して平均空燃比を求めることにより、平均空燃比を容易にして正確に求めるようにでき、低コストの排気センサを用いながら平均空燃比を良好に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比に対するＯ２センサの出力特性を示す図である。
【図３】強制変調により実際の空燃比（破線）が定常時の空燃比検出領域を超え、空燃比検出領域を超えた領域でＯ２センサの出力が頭打ちとなった場合の排気Ａ／Ｆ（実線）を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】リーン側振幅とリーン時間及びリッチ側振幅とリッチ時間との関係を示すマップである。
【図６】強制変調制限制御によりリーン時間及びリッチ時間を制限した場合の排気Ａ／Ｆ（実線）を示す図であって、本発明の作用効果を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  エンジン本体
６  燃料噴射弁
２２  Ｏ２センサ（酸素センサ）
３０  三元触媒（触媒コンバータ）
４０  ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【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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