(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の減速、停止までに触媒排気臭発生防止のため、必要酸素を排気浄化触媒へ吸蔵させる空燃比制御装置の提供。【解決手段】排気通路４に第一排気浄化触媒１０と、その下流に第二排気浄化触媒１２と、第一排気浄化触媒上流の排気空燃比取得用第一空燃比取得手段８と、第二排気浄化触媒へ流入する排気の空燃比取得用第二空燃比取得手段１１と、第一空燃比取得手段と第二空燃比取得手段の取得空燃比により空燃比制御する空燃比制御手段１３と、を備え、空燃比制御手段は、燃料増量運転終了後に第二排気浄化触媒がリーン状態となるまで空燃比制御するリーン制御手段１３と、燃料増量運転と前記リーン制御手段による空燃比制御との間にて第一排気浄化触媒がリーン状態となり、かつ第二排気浄化触媒がリーン状態となるには不十分な範囲で空燃比をリーン側に変化させる制御を少なくとも一回実行する中間リーン制御手段１３と、を空燃比制御手段に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置される第一の排気浄化触媒と、前記第一の排気浄化触媒の下流に配置される第二の排気浄化触媒と、前記第一の排気浄化触媒の上流に配置されて排気の空燃比を取得する第一の空燃比取得手段と、前記第二の排気浄化触媒へ流入する排気の空燃比を取得する第二の空燃比取得手段と、前記第一の空燃比取得手段が取得した空燃比と前記第二の空燃比取得手段が取得した空燃比とに応じて前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え
前記空燃比制御手段は、前記内燃機関の燃料増量運転の終了後に前記第二の排気浄化触媒がリーン状態となるまで前記内燃機関の空燃比を制御するリーン制御手段と、前記燃料増量運転と前記リーン制御手段による空燃比制御との間にて前記第一の排気浄化触媒がリーン状態となり、かつ前記第二の排気浄化触媒がリーン状態となるには不十分な範囲で前記内燃機関の空燃比をリーン側に変化させる制御を少なくとも一回実行する中間リーン制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記空燃比制御手段は、前記内燃機関のアイドル運転時に前記リーン制御手段による空燃比制御を実行す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】
前記空燃比制御手段は、前記内燃機関が部分負荷域で略定常運転している場合に前記中間リーン制御手段による空燃比制御を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記中間リーン制御手段は、前記リーン制御手段よりも前記内燃機関の空燃比を小さくリーン側に変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記空燃比制御手段は、前記第一の排気浄化触媒の温度又は前記第二の排気浄化触媒の温度が触媒の劣化を促進させる所定温度よりも高温であると判断した場合に、前記リーン制御手段及び前記中間リーン制御手段による空燃比制御を実行しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記空燃比制御手段が、前記リーン制御手段による空燃比制御後、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とがリッチ状態になるには不十分な範囲で前記内燃機関の空燃比をリッチ側に変化させる制御を実行するリッチ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関の空燃比に関するフィードバック学習を制御する学習制御手段と、前記第二の空燃比取得手段の取得した空燃比に基づいて前記内燃機関の空燃比が目標空燃比になるように前記内燃機関に供給される燃料量をフィードバック補正する補正手段と、を備え、
前記空燃比制御手段は、前記リーン制御手段と前記中間リーン制御手段とによる空燃比制御時に前記学習制御手段と前記補正手段との動作を禁止させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記内燃機関の空燃比がリーンで且つ前記第二の空燃比取得手段が取得した空燃比がリーンであると判断した場合と前記内燃機関の空燃比がリッチで且つ前記第二の空燃比取得手段が取得した空燃比がリッチであると判断した場合とに前記内燃機関の空燃比に基づいて算出された排気中の酸素過不足量を積算することで前記第二の排気浄化触媒に吸蔵されている酸素量を取得する酸素量取得手段を備え、
前記空燃比制御手段は、前記酸素量取得手段が取得した酸素量に基づいて前記第二の排気浄化触媒がリーン状態であるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項９】
前記酸素量取得手段は、前記第二の排気浄化触媒の劣化状態及び前記第二の排気浄化触媒の温度に応じて前記第二の排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を変更することを特徴とする請求項８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、排気通路に排気浄化触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料増量時で且つ触媒コンバータの下流側に設けられた酸素濃度センサの出力がリッチを示した場合に所定の時間空燃比をリーン側に制御し、その後理論空燃比への制御に復帰させる内燃機関の空燃比制御装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。
【特許文献１】特開昭６３−１１７１３９号公報
【特許文献２】特開平６−３０７２７１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１３４８３５号公報
【特許文献４】特開昭５９−１７３５３３号公報
【特許文献５】特開２００３−１４８２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
排気ガス規制の強化に対応するため、車両などに搭載する排気浄化システムの触媒容量が大型化している。そのため、従来の空燃比制御では、内燃機関の燃料増量運転後、車両の減速、停止までに排気浄化触媒へ吸蔵される酸素量が少なく、触媒排気臭（具体的には硫化水素（Ｈ２Ｓ））の発生が抑制できない可能性がある。内燃機関の減速、停止までに触媒へ触媒排気臭の発生が抑制可能な酸素を吸蔵させるためには、例えば燃料をカットして空燃比をリーン側に大きく変化させる又は内燃機関をリーンな空燃比で長時間運転する等の方法があるが、空燃比をリーン側に大きく変化させた場合は内燃機関の失火が、長時間の空燃比リーン運転ではＮＯｘ発生量の増加による排気エミッションの悪化が問題になる。また、触媒の劣化は、高温で酸素が過剰に存在する雰囲気において促進される。
【０００４】
そこで、本発明は、内燃機関の運転状態や排気エミッションを悪化させることなく、内燃機関の減速、停止までに触媒排気臭の発生を防止するのに必要な酸素を確実に排気浄化触媒へ吸蔵させることができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、排気通路に配置される第一の排気浄化触媒と、前記第一の排気浄化触媒の下流に配置される第二の排気浄化触媒と、前記第一の排気浄化触媒の上流に配置されて排気の空燃比を取得する第一の空燃比取得手段と、前記第二の排気浄化触媒へ流入する排気の空燃比を取得する第二の空燃比取得手段と、前記第一の空燃比取得手段が取得した空燃比と前記第二の空燃比取得手段が取得した空燃比とに応じて前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、前記空燃比制御手段は、前記内燃機関の燃料増量運転の終了後に前記第二の排気浄化触媒がリーン状態となるまで前記内燃機関の空燃比を制御するリーン制御手段と、前記燃料増量運転と前記リーン制御手段による空燃比制御との間にて前記第一の排気浄化触媒がリーン状態となり、かつ前記第二の排気浄化触媒がリーン状態となるには不十分な範囲で前記内燃機関の空燃比をリーン側に変化させる制御を少なくとも一回実行する中間リーン制御手段と、を備えたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００６】
本発明の空燃比制御装置によれば、内燃機関の燃料増量運転後、中間リーン制御手段の空燃比制御により第一の排気浄化触媒をリーン状態（触媒に酸素が十分に吸蔵されて触媒雰囲気がリーンになる状態。）にさせるので、リーン制御手段による空燃比制御ではほぼ第二の排気浄化触媒のみをリーン状態にすればよい。そのため、リーン制御手段の空燃比制御によって確実に第一及び第二の排気浄化触媒をリーン状態にさせることができる。また、中間リーン制御手段による空燃比制御では第一の排気浄化触媒がリーン状態となり、かつ第二の排気浄化触媒がリーン状態となるには不十分な範囲で空燃比をリーン側に変化させるので、内燃機関の運転状態や排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０００７】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比制御手段は、前記内燃機関のアイドル運転時に前記リーン制御手段による空燃比制御を実行してもよい（請求項２）。アイドル運転時は吸気量が減少するので、内燃機関から排出される排気の量も減少する。そのため、この時期に空燃比をリーンに制御することで、排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０００８】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比制御手段は、前記内燃機関が部分負荷域で略定常運転している場合に前記中間リーン制御手段による空燃比制御を実行してもよい（請求項３）。内燃機関の全負荷運転時や非定常運転時に内燃機関の空燃比をリーンに制御すると、内燃機関の運転状態を不安定にし、ドライバビリティを悪化させる。そこで、内燃機関が部分負荷域で略定常運転されている場合に空燃比制御することで、内燃機関の運転状態の悪化を抑制することができる。
【０００９】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置において、前記中間リーン制御手段は、前記リーン制御手段よりも前記内燃機関の空燃比を小さくリーン側に変化させてもよい（請求項４）。このように空燃比を変化させることで、中間リーン制御手段によって、第一の排気浄化触媒がリーン状態となり、かつ第二の排気浄化触媒がリーン状態となるには不十分な範囲に空燃比を変化させることができる。
【００１０】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比制御手段は、前記第一の排気浄化触媒の温度又は前記第二の排気浄化触媒の温度が触媒の劣化を促進させる所定温度よりも高温であると判断した場合に、前記リーン制御手段及び前記中間リーン制御手段による空燃比制御を実行しなくてもよい（請求項５）。排気浄化触媒は、高温で酸素が過剰な状態ほど劣化が促進される。そこで、第一の排気浄化触媒又は第二の排気浄化触媒の温度が触媒の劣化を促進させる所定温度（例えば８００℃）よりも高温の場合は、前記リーン制御手段及び前記中間リーン制御手段による空燃比制御を実行しないことにより触媒の劣化を抑制することができる。
【００１１】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、前記空燃比制御手段が、前記リーン制御手段による空燃比制御後、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とがリッチ状態になるには不十分な範囲で前記内燃機関の空燃比をリッチ側に変化させる制御を実行するリッチ制御手段を備えていてもよい（請求項６）。排気浄化触媒は、排気中に含まれるＮＯｘ等の酸化成分を還元し、その結果生じた酸素を吸蔵することによってＮＯｘ等の酸化成分を浄化している。そのため、第一及び第二の排気浄化触媒が両方ともリーン状態である場合、酸素が吸蔵されないのでＮＯｘ等の酸化成分を浄化することができない。そこで、リッチ手段により、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とがリッチ状態（触媒に吸蔵されている酸素がなくなり触媒雰囲気がリッチになる状態。）になるには不十分な範囲で前記内燃機関の空燃比をリッチ側に変化させることで、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素を一部放出させる。このように、排気浄化触媒を酸素が吸蔵できる状態にすることで、排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００１２】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、前記内燃機関の空燃比に関するフィードバック学習を制御する学習制御手段と、前記第二の空燃比取得手段の取得した空燃比に基づいて前記内燃機関の空燃比が目標空燃比になるように前記内燃機関に供給される燃料量をフィードバック補正する補正手段と、を備え、前記空燃比制御手段は、前記リーン制御手段と前記中間リーン制御手段とによる空燃比制御時に前記学習制御手段と前記補正手段との動作を禁止させてもよい（請求項７）。内燃機関の空燃比に関するフィードバック学習としては、例えば目標としている空燃比と検出した排気の空燃比とのずれに基づいて内燃機関に供給している燃料量を修正する学習等がある。空燃比制御時にこのような学習をさせると、誤った修正を学習してしまう。そこで学習制御手段の動作を禁止することで誤った学習を防止することができる。また、補正手段は第二の空燃比取得手段が取得した空燃比によって内燃機関の空燃比を補正しているので、取得した空燃比によって例えば空燃比制御によって空燃比をリーン側に制御している場合に空燃比をリッチ側にさせるような補正をするおそれがある。そこで、リーン制御手段及び中間リーン制御手段による空燃比制御時には、補正手段の動作を禁止することで、空燃比制御手段により空燃比を適正に制御することができる。
【００１３】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、前記内燃機関の空燃比がリーンで且つ前記第二の空燃比取得手段が取得した空燃比がリーンであると判断した場合と前記内燃機関の空燃比がリッチで且つ前記第二の空燃比取得手段が取得した空燃比がリッチであると判断した場合とに前記内燃機関の空燃比に基づいて算出された排気中の酸素過不足量を積算することで前記第二の排気浄化触媒に吸蔵されている酸素量を取得する酸素量取得手段を備え、前記空燃比制御手段は、前記酸素量取得手段が取得した酸素量に基づいて前記第二の排気浄化触媒がリーン状態であるか否かを判断してもよい（請求項８）。内燃機関の空燃比がリーンで且つ第二の空燃比取得手段の取得した空燃比がリーンの場合、第一の排気浄化触媒はリーン状態になっていると考えられる。そのため、内燃機関から排出されたリーンな空燃比の排気がそのまま第二の排気浄化触媒へ流入する。この場合、第二の排気浄化触媒は、第二の排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量まで、このリーンな空燃比の排気に含まれている酸素を吸蔵する。一方、内燃機関の空燃比がリッチで且つ第二の空燃比取得手段が取得した空燃比がリッチの場合、第一の排気浄化触媒には殆ど酸素が吸蔵されていないと考えられる。そのため、内燃機関から排出されたリッチな空燃比の排気がそのまま第二の排気浄化触媒へ流入する。この場合、第二の排気浄化触媒は、吸蔵している酸素が殆ど無くなるまで、吸蔵している酸素を放出して排気の空燃比をストイキにさせる。従って、このように内燃機関の空燃比の状態と第二の空燃比取得手段の取得した空燃比の状態とが一致した時に内燃機関の空燃比に基づいて算出する排気中の酸素の過不足量を積算していくことで、第二の排気浄化触媒に吸蔵されている酸素量を取得することができる。この取得した第二の排気浄化触媒の酸素吸蔵量を利用することで、より精度よくリーン状態の判断を行わせることができる。
【００１４】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素量取得手段は、前記第二の排気浄化触媒の劣化状態及び前記第二の排気浄化触媒の温度に応じて前記第二の排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量を変更してもよい（請求項９）。排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量は、触媒の温度が高いほど多くなる。また、最大酸素吸蔵量は触媒が劣化するほど少なくなる。従って、触媒の劣化状態及び温度に応じて最大酸素吸蔵量を変更することで、より精度のよい酸素吸蔵量を取得することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、内燃機関の減速や停止までに確実に十分な酸素を排気浄化触媒へ吸蔵させることできるので、確実に触媒排気臭の発生を防止することができる。また、第一の排気浄化触媒と第二の排気浄化触媒とをそれぞれリーン状態にしていくので、内燃機関の運転状態や排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に本発明の空燃比制御装置が適用される内燃機関の一実施形態を示す。内燃機関１は、複数（図１では４つ）の気筒２を有している。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続されている。吸気通路３には、吸気濾過用のエアフィルタ５と、吸気量に対応した信号を出力するエアフローセンサ６と、吸気量調整用のスロットルバルブ７とが設けられている。排気通路４には、内燃機関１から排出された排気の空燃比に対応した信号を出力する第一の空燃比取得手段としての空燃比センサ８と、排気の温度に対応した信号を出力する排気温センサ９と、第一の排気浄化触媒としてのスタート触媒１０と、排気中の酸素濃度に対応した信号を出力する第二の空燃比取得手段としての酸素濃度センサ１１と、第二の排気浄化触媒としての三元触媒１２とが設けられている。スタート触媒１０は、内燃機関1の冷間始動時に三元触媒１２が活性化するまでの有害物質の排出量を低減させることを目的として設けられたものである。スタート触媒１０としては、例えば三元触媒等が使用される。これらの触媒１０、１２は、酸素を吸蔵することができる。排気中に一酸化炭素（ＣＯ）炭化水素（ＨＣ）がある場合は、吸蔵している酸素を用いてＣＯやＨＣを酸化して浄化する。一方、排気中にＮＯｘなどの酸化成分が含まれている場合はこの酸化成分を還元することで浄化する。なお、この還元時に発生した酸素は、触媒１０、１２へ吸蔵される。
【００１７】
内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３により制御される。ＥＣＵ１３は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ１３は、例えば空燃比センサ８や酸素濃度センサ１１等の出力を参照して各気筒２に設けられた燃料噴射弁１４の動作を制御し、排気の空燃比が目標空燃比になるように各気筒２に適正な燃料量を供給する。このように燃料噴射弁１４の動作を制御することで、ＥＣＵ１３は空燃比制御手段として機能する。また、酸素濃度センサ１１の出力を参照して内燃機関１の空燃比が目標空燃比なるように燃料量をフィードバック補正しているのでＥＣＵ１３は補正手段としても機能している。その他ＥＣＵ１３には、スロットルバルブ７がアイドリング位置にあるときにオンの信号を出力するアイドルスイッチ（アイドルＳＷ）１５や、排気温センサ９等が接続されている。
【００１８】
ＥＣＵ１３は、この他に空燃比センサ８や酸素濃度センサ１１の出力を参照して、燃料噴射弁１４の動作の制御に利用するパラメータ（例えば開弁時間）を変更するフィードバック学習を行っている。なお、このフィードバック学習の具体的な手順については周知の学習制御と同様でよく、ここでは詳細を省略する。このようにフィードバック学習することで、ＥＣＵ１３は学習制御手段として機能する。
【００１９】
ＥＣＵ１３は、内燃機関１が減速、停止するまでにスタート触媒１０及び三元触媒１２に十分酸素を吸蔵させてリーン状態にさせる。図２は、ＥＣＵ１３がスタート触媒１０及び三元触媒１２に酸素を吸蔵させるために実行する空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。図２の制御ルーチンは、内燃機関１の燃料増量運転後に所定の周期で繰り返し実行される。なお、この制御ルーチンの実行中、ＥＣＵ１３は空燃比センサ８や酸素濃度センサ１１の出力によるフィードバック学習を禁止する。また、酸素濃度センサ１１の出力を参照して燃料噴射量を補正するフィードバック補正も禁止する。
【００２０】
図２の空燃比制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１３はまずステップＳ１１で三元触媒１２に吸蔵されている酸素量（ｏｓａ）が、三元触媒１２の最大酸素吸蔵量（Ｃｍａｘ）未満であるか否かを判断する。なお、三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）は、後述する図５及び図６の制御ルーチンを実行することによって取得することができる。Ｃｍａｘ未満であると判断した場合はステップＳ１２へ進み、ＥＣＵ１３はスタート触媒１０又は三元触媒１２の温度が、触媒の劣化を促進させる所定温度（例えば８００℃）よりも高温であるか否かを判断する。スタート触媒１０及び三元触媒１２の温度は、例えば排気温センサ９の出力を参照することで推定することができる。スタート触媒１０又は三元触媒１２の温度が高温ではないと判断した場合、ステップＳ１３へ進み、ＥＣＵ１３はアイドルＳＷ１５がオフであるか否かを判断する。アイドルＳＷ１５がオフではないと判断した場合はステップＳ１４へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１５．５を設定する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００２１】
一方、アイドルＳＷ１５がオフであると判断した場合はステップＳ１５へ進み、ＥＣＵ１３は三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）が、リーン制御を実行してもよいと判定する所定の判定吸蔵量（α）以下であるか否かを判断する。所定の判定吸蔵量（α）としては、例えば内燃機関１のアイドル運転時におけるリーン制御で三元触媒１２をリーン状態にさせることができる酸素吸蔵量が適用される。判定吸蔵量以下であると判断した場合はステップＳ１６へ進み、ＥＣＵ１３は内燃機関１が加速中であるか否かを判断する。加速中であるか否かは、例えばスロットルバルブ７の開度を参照して推定することができる。内燃機関１が加速中ではないと判断した場合はステップＳ１７へ進み、ＥＣＵ１３は酸素濃度センサ１１の出力が、排気中の酸素濃度が不足していることを示すリッチ側であるか否かを判断する。リッチ側であると判断した場合はステップＳ１８へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１５．０を設定する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００２２】
なお、ステップＳ１１で三元触媒１２の酸素吸蔵量がＣｍａｘ未満ではないと判断した場合、ステップＳ１２で触媒温度が高温であると判断した場合、ステップＳ１５で判定吸蔵量以下ではないと判断した場合、ステップＳ１６で加速中であると判断した場合、及びステップＳ１７でリッチではないと判断した場合は、ステップＳ１９へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１４．６を設定する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００２３】
図３に、図２の制御ルーチンを実行して内燃機関１の空燃比をリーンに制御した場合の三元触媒１２の酸素吸蔵量及び酸素濃度センサ１１の出力の時間変化の一例を示す。なお、図３において内燃機関１は車両に搭載されており、内燃機関１の運転状態は車速で示している。また、図３において触媒１０、１２の温度は触媒の劣化を促進させる所定の温度以下であるとする（図２のステップＳ１２は否定判定される。）。
【００２４】
図３の時間ｔ１において、車両の運転状態が停止から加速へ変更されることによって内燃機関１へ供給される燃料が増量される（図３のＡ）。この燃料増量運転によって内燃機関１の排気の空燃比がリッチになり、まずスタート触媒１０に吸蔵されている酸素が放出される。そのため、酸素濃度センサ１１の出力は、燃料増量運転が開始されてからスタート触媒１０に吸蔵されている酸素が無くなるまでリーン側を示す。酸素濃度センサ１１の出力がリーンからリッチ側に変化（図３の時間ｔ２）を示した場合、言い換えればスタート触媒１０の吸蔵酸素量が殆ど無くなった場合、三元触媒１２へ空燃比のリッチな排気が流入するので、三元触媒１２に吸蔵されていた酸素が放出される。これにより、三元触媒１２の吸蔵酸素量はゼロになる。
【００２５】
燃料増量運転後、内燃機関１が部分負荷域で略定常運転になる（図３の時間ｔ３）と、図２のステップＳ１８によって空燃比が１５．０に設定されてリーン制御（パーシャルリーン制御）が開始される（図３のＢ）。このパーシャルリーン制御により、スタート触媒１０へ酸素を吸蔵させることができる。パーシャルリーン制御は、酸素濃度センサ１１がリッチ側を出力していないと判断（ステップＳ１７が否定判断）される（図３の時間ｔ４）まで実行される。酸素濃度センサ１１がリーン側を出力した場合、内燃機関１から排出された空燃比がリーンな排気がそのままスタート触媒１０を通過しているので、スタート触媒１０にはスタート触媒１０の最大酸素吸蔵量（ＳＣｍａｘ）まで酸素が吸蔵されている。なお、パーシャルリーン制御は、酸素濃度センサ１１がリーン側を出力した時点で終了するので、三元触媒１２にはまだ酸素が吸蔵されていない。このようにスタート触媒１０には酸素を最大酸素吸蔵量（ＳＣｍａｘ）まで吸蔵させてリーン状態にし、三元触媒１２には酸素を吸蔵させないように空燃比をリーン制御することで、ＥＣＵ１３は中間リーン制御手段として機能する。
【００２６】
図３の時間ｔ５においてスロットルバルブ７がアイドリング位置になってアイドルＳＷ１５の出力がオンになると、図２のステップＳ１３が否定判定されて目標空燃比に１５．５が設定され、リーン制御（アイドルリーン制御）が開始される（図３のＣ）。この時点においてスタート触媒１０にはほぼ最大酸素吸蔵量（ＳＣｍａｘ）まで酸素が吸蔵されているので、内燃機関１から排出されたリーンな排気がそのまま三元触媒１２へ流入する。そのため、アイドルリーン制御では三元触媒１２に酸素が吸蔵される（図３の時間ｔ６〜ｔ７）。アイドルリーン制御は、三元触媒１２が三元触媒１２の最大酸素吸蔵量（Ｃｍａｘ）まで酸素を吸蔵してリーン状態になる（図２のステップＳ１１が否定判定される）まで実行される。このように三元触媒１２がリーン状態になるまでリーン制御することにより、ＥＣＵ１３はリーン制御手段として機能する。
【００２７】
以上に説明したように、図２の制御ルーチンを実行することにより、内燃機関１が停止するまでに、内燃機関１の目標空燃比をリーンに設定してスタート触媒１０及び三元触媒１２へそれぞれの触媒の最大酸素吸蔵量まで確実に酸素を吸蔵させることができる。
【００２８】
次に、図２のステップＳ１１で使用する三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）の取得方法について説明する。まず図４を使用して、酸素濃度センサ１１の出力によって三元触媒１２の状態を判断する考え方を説明する。
【００２９】
図４における初期状態として、スタート触媒１０及び三元触媒１２には酸素が吸蔵されていないとする。この状態で内燃機関１へ供給する燃料をカット（Ｆ／Ｃ）する（図４の時間ｔ１１）と排気の空燃比がリーンになるので、スタート触媒１０はこのリーンな排気に含まれている酸素を吸蔵する。スタート触媒１０にスタート触媒１０の最大酸素吸蔵量（ＳＣｍａｘ）まで酸素が吸蔵されると、リーンな排気がスタート触媒１０の下流へ流れる。そのため、酸素濃度センサ１１がリーンを示し、三元触媒１２が酸素の吸蔵を開始する（図４の時間ｔ１２）。
【００３０】
次に内燃機関１の空燃比がリッチになるリッチ制御が実行（図４の時間ｔ１３）されて排気の空燃比がリッチになると、スタート触媒１０は、このリッチな排気がストイキ状態になるように酸素を放出する。スタート触媒１０に吸蔵されていた酸素がなくなると、排気がリッチなままスタート触媒１０の下流へ流れるので、酸素濃度センサ１１がリッチを示し、三元触媒１２が酸素の放出を開始する（図４の時間ｔ１４）。
【００３１】
その後、内燃機関１の空燃比がリーンになるリーン制御が実行（図４の時間ｔ１５）されて排気の空燃比がリーンになると、スタート触媒１０は、このリーンな排気に含まれている酸素を吸蔵する。スタート触媒１０が最大酸素吸蔵量（ＳＣｍａｘ）まで酸素を吸蔵するとリーンな排気がスタート触媒１０の下流へ流れるので、酸素濃度センサ１１がリーンを示し、三元触媒１２が酸素の吸蔵を開始する（図４の時間ｔ１６）。
【００３２】
以上に説明したように、内燃機関１の空燃比がリーンで且つ酸素濃度センサ１１の出力がリーンの場合、三元触媒１２に酸素が吸蔵される。一方、内燃機関１の空燃比がリッチで且つ酸素濃度センサ１１の出力がリッチの場合、三元触媒１２から酸素が放出される。
【００３３】
このように、内燃機関１の空燃比と酸素濃度センサ１１の出力によって三元触媒１２の状態を把握することができる。そこで、図５及び図６に示した酸素吸蔵量算出ルーチンをＥＣＵ１３が実行することによって、三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）を推定することができる。図５及び図６は、内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。図５及び図６の酸素吸蔵量算出ルーチンを実行することによりＥＣＵ１３は、酸素量取得手段として機能する。
【００３４】
図５の酸素吸蔵量算出ルーチンにおいて、ＥＣＵ１３はまずステップＳ２１で三元触媒１２に吸入される吸入酸素量（ｄｏｓａ）にゼロを代入して値を初期化する。次にＥＣＵ１３はステップＳ２２で、内燃機関１がＦ／Ｃ中であるか否かを判断する。内燃機関１がＦ／Ｃ中であると判断した場合はステップＳ２３へ進み、ＥＣＵ１３は酸素濃度センサ１１がリーン側を示しているか否かを判断する。リーン側を示していないと判断した場合はステップＳ２４へ進み、ＥＣＵ１３は吸入酸素量（ｄｏｓａ）へ内燃機関１の吸入空気量（Ｇａ）に係数τを掛け、更に−１を掛けた値を代入する。係数τは、例えば内燃機関１のストイキ運転時に酸素濃度センサ１１がリッチ又はリーンを示した場合に三元触媒１２へ流入する酸素量を算出するための係数で微小な値が設定される。
【００３５】
一方、リーン側を示していると判断した場合はステップＳ２５へ進み、ＥＣＵ１３は吸入酸素量（ｄｏｓａ）へ、吸入空気量（Ｇａ）に２３％を掛けた値を代入する。なお、２３％は空気中における酸素の重量比である。次のステップＳ２６においてＥＣＵ１３は、三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）へ、前回図５の算出ルーチンを実行したときに算出した三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ（ｉ−１））に今回算出した吸入酸素量（ｄｏｓａ）を加えた値を代入する。なお、ステップＳ２４の処理終了後もステップＳ２６へ進む。続くステップＳ２７においてＥＣＵ１３は、三元触媒１２の最大酸素吸蔵量（Ｃｍａｘ）を算出する。Ｃｍａｘは、触媒１２の劣化状態及び触媒１２の温度によって変化する。例えば触媒１２が劣化することによるＣｍａｘが低下する。また、温度が高いほどＣｍａｘが増加する。そこで、図７（ａ）のマップを参照して求めたＣｍａｘに、図７（ｂ）のマップを参照して求めた補正係数を掛け合わせて算出する。なお、触媒１２の温度は、排気温センサ９の出力を参照することにより推定できる。
【００３６】
図７（ａ）は、スタート触媒１０の最大酸素吸蔵量（ＳＣｍａｘ）と三元触媒１２の最大酸素吸蔵量（Ｃｍａｘ）との関係の一例を示したものである。三元触媒１２とスタート触媒１０とはほぼ同様に劣化していくと考えられるので、スタート触媒１０の劣化状態を参照することにより三元触媒１２の劣化状態を推定することができる。図７（ａ）から明らかなようにＳＣｍａｘとＣｍａｘとの間には比例関係があるので、スタート触媒１０の劣化によるＳＣｍａｘの変化から、Ｃｍａｘを推定することができる。なお、スタート触媒１０の劣化によって変化したＳＣｍａｘは、空燃比センサ８及び酸素濃度センサ１１を参照して例えば以下に示した方法により取得することができる。
【００３７】
図４の説明で記述したように内燃機関１がリッチ制御中で且つ酸素濃度センサ１１の出力がリッチになった場合、スタート触媒１０の酸素吸蔵量がゼロであると判断できる。一方、内燃機関１がリーン制御中又はＦ／Ｃ中で且つ酸素濃度センサ１１の出力がリーンになった場合は、スタート触媒１０にＳＣｍａｘまで酸素が吸蔵されたと判断できる。そこで、内燃機関１が部分負荷域で略定常に運転されている場合に、内燃機関１にリッチ制御を行い、スタート触媒１０から酸素を放出させて酸素吸蔵量をゼロにする。次に、内燃機関１にリーン制御を行い、スタート触媒１０にＳＣｍａｘまで酸素を吸蔵させる。スタート触媒１０の酸素吸蔵量がゼロ又はＳＣｍａｘになったか否かは上述したように酸素濃度センサ１１の出力で判定できる。ＳＣｍａｘは、この内燃機関１にリーン制御を行ってから酸素濃度センサ１１の出力がリーンになるまでの間に内燃機関１へ吸入された空気量と、リーン制御中に空燃比センサ８が検出した空燃比とストイキの空燃比との差と、を掛け合わせ、この掛け合わせた値を積算していくことにより取得することができる。
【００３８】
図５の制御ルーチンの説明に戻る。ステップＳ２７においてＣｍａｘが算出された後はステップＳ２８へ進み、ＥＣＵ１３は三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）が０以上で且つＣｍａｘ以下の範囲にあるか否かの上下限処理を行う。この処理により、酸素吸蔵量の異常値の算出を防止する。その後、今回のルーチンを終了する。
【００３９】
ステップＳ２２でＦ／Ｃ中ではないと判断した場合、ステップＳ２９へ進みＥＣＵ１３は内燃機関１がリーン制御中であるか否かを判断する。リーン制御中であると判断した場合はステップＳ３０へ進み、ＥＣＵ１３は酸素濃度センサ１１がリーン側の出力をしているか否かを判断する。酸素濃度センサ１１の出力がリーン側ではないと判断した場合は、ステップＳ２４へ進み、以降ステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を実行し、その後今回のルーチンを終了する。一方、酸素濃度センサ１１の出力がリーン側であると判断した場合はステップＳ３１へ進み、ＥＣＵ１３は吸入酸素量（ｄｏｓａ）へ、Ｇａ×２３％×（ＡＦ−１４．６）／ＡＦの式で算出される値を代入する。なお、１４．６はストイキの空燃比を、ＡＦは空燃比センサ８が検出した空燃比をそれぞれ示す。次にステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を実行し、その後今回のルーチンを終了する。
【００４０】
ステップＳ２９で内燃機関１がリーン制御中ではないと判断した場合は図６のステップＳ３２へ進み、ＥＣＵ１３は内燃機関１が燃料増量運転中であるか否かを判断する。燃料増量運転中であると判断した場合はステップＳ３３へ進み、ＥＣＵ１３は酸素濃度センサ１１がリッチ側の出力をしているか否かを判断する。酸素濃度センサ１１の出力がリッチ側であると判断した場合はステップＳ３４へ進み、ＥＣＵ１３は吸入酸素量（ｄｏｓａ）へ、Ｇａ×２３％×（ＡＦ−１４．６）／ＡＦの式で算出される値を代入する。なお、この場合、内燃機関１が燃料増量運転中であるためＡＦは、リッチ側の値即ち１４．６よりも小さい値になる。そのため、ステップＳ３４で算出されるｄｏｓａは負の値となり、この負の値が酸素吸蔵量（ｏｓａ）に加算されることにより、触媒１２からの酸素の放出が表現される。次に図５のステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を実行し、その後今回のルーチンを終了する。一方、酸素濃度センサ１１の出力がリッチ側ではないと判断した場合はステップＳ３６へ進み、ＥＣＵ１３は吸入酸素量（ｄｏｓａ）へ、Ｇａ×τを代入する。次に図５のステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を実行し、その後今回のルーチンを終了する。
【００４１】
ステップＳ３２で内燃機関１が燃料増量運転中ではないと判断した場合はステップＳ３５へ進み、ＥＣＵ１３は酸素濃度センサ１１の出力がリーン側であるか否かを判断する。酸素濃度センサ１１の出力がリーン側であると判断した場合はステップＳ３６へ進み、以降図５のステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を実行した後、今回のルーチンを終了する。一方、出力がリーン側ではないと判断した場合は図５のステップＳ２４へ進み、以降図５のステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を実行した後、今回のルーチンを終了する。
【００４２】
このように、図５及び図６の制御ルーチンを実行することにより、排気中の酸素過不足量を積算して三元触媒１２の酸素吸蔵量（ｏｓａ）を算出することができる。なお、ステップＳ２３で否定判断した場合及びステップＳ３０で否定判断した場合には、ステップＳ２４をスキップしてステップＳ２６へ処理を進めてもよい。また、ステップＳ３２で否定判断した場合もステップＳ３５をスキップしてステップＳ２６へ処理を進めてもよい。このように処理をスキップすることで、算出ルーチンを簡略化することができる。
【００４３】
図８に、本発明の空燃比制御装置が実行する空燃比制御ルーチンの他の例を示す。図８の制御ルーチンでは、三元触媒１２に最大酸素吸蔵量まで酸素が吸蔵された後、内燃機関１の空燃比をリッチにするリッチ制御を行うことが図２の制御ルーチンと異なる。図８の制御ルーチンは、内燃機関１の燃料増量運転後に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図８において図２と同一の処理には同一の参照符合を付し、説明を省略する。また、図８の制御ルーチンの実行中も、フィードバック学習と酸素濃度センサ１１によるフィードバック補正とを禁止する。
【００４４】
図８の空燃比制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１３はまずステップＳ１１でｏｓａがＣｍａｘ未満であるか否かを判断する。Ｃｍａｘ未満であると判断した場合はステップＳ１２へ進み、触媒１０、１２の温度が高温であるか否かを判断する。触媒１０、１２の温度が高温ではないと判断した場合はステップＳ１３へ進み、ＥＣＵ１３はアイドルＳＷ１５がオフであるか否かを判断する。アイドルＳＷ１５がオフであると判断した場合は、ステップＳ１５〜Ｓ１７の判断処理を行い、ステップＳ１５で肯定判断、ステップＳ１６で否定判断、ステップＳ１７で肯定判断がされた場合、ＥＣＵ１３はステップＳ１８で目標空燃比に１５．０を設定し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ１３でアイドルＳＷ１５がオフではないと判断した場合はステップＳ１４へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１５．５を設定する。次のステップＳ８１においてＥＣＵ１３は、リッチ制御の実行を要求することを示すリッチ制御要求フラグをオンの状態にする。続くステップＳ８２においてＥＣＵ１３は、内燃機関１の吸入空気量（Ｇａ）を積算する積算Ｇａカウンタ（Ｇａｓｕｍ）にゼロを代入して、Ｇａｓｕｍを初期化する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。なお、Ｇａｓｕｍには、空燃比制御ルーチン及び酸素吸蔵量算出ルーチンとは異なる算出ルーチンによってＧａが積算されている。
【００４６】
ステップＳ１２で触媒が高温であると判断した場合、又はステップＳ１５で否定判断、ステップＳ１６で肯定判断、ステップＳ１７で否定判断がされた場合はステップＳ１９へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１４．６を設定する。次のステップＳ８３においてＥＣＵ１３はリッチ制御要求フラグをオフにする。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００４７】
ステップＳ１１で三元触媒１２の酸素吸蔵量がＣｍａｘ未満ではない、すなわち触媒１２にＣｍａｘまで酸素が吸蔵されたと判断した場合はステップＳ８４へ進み、ＥＣＵ１３はリッチ制御要求フラグがオンであるか否かを判断する。リッチ制御要求フラグがオンではないと判断した場合は、ステップＳ１９及びＳ８３の処理を行った後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、ステップＳ８４でリッチ制御要求フラグがオンであると判断した場合はステップＳ８５へ進み、ＥＣＵ１３はＧａｓｕｍがリッチ制御の終了を判定する所定の積算Ｇａ量であるβ以下であるか否かを判断する。なお、βには、リッチ制御の実行によってスタート触媒１０の酸素吸蔵量がＳＣｍａｘの半分程度になるまでの積算Ｇａ量が設定される。Ｇａｓｕｍがβ以下では無い、すなわちスタート触媒１０の酸素吸蔵量がＳＣｍａｘの半分以上であると判断した場合はステップＳ８６へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１３．５を設定する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、Ｇａｓｕｍがβ以下であると判断した場合はステップＳ１９へ進み、ＥＣＵ１３は目標空燃比に１４．６を設定し、次のステップＳ８３でリッチ制御要求フラグをオフにした後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００４８】
このように、三元触媒１２へＣｍａｘまで酸素を吸蔵させた後、リッチ制御を行うことでスタート触媒１０の酸素吸蔵量を減少させることができる。従って、次の内燃機関１の加速時に排出されるＮＯｘなどの酸化成分を還元させることができる。図８の制御ルーチンにおいてステップＳ８５、Ｓ８６の処理を実行することにより、ＥＣＵ１３はリッチ制御手段として機能する。
【００４９】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、スタート触媒上流の空燃比センサの代わりに酸素濃度センサを設けてもよい。また、スタート触媒下流の酸素濃度センサの代わりに空燃比センサを設けてもよい。
【００５０】
内燃機関１の吸気通路に燃料タンクから発生した蒸発燃料を供給するパージするパージ装置が接続されている場合は、空燃比制御の実行中このパージ装置の動作を禁止して空気通路に蒸発燃料が供給されないようにしてもよい。このようにパージ装置の動作を禁止することで、空燃比制御の外乱を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の空燃比制御装置が適用される内燃機関の一実施形態を示す図。
【図２】図１のＥＣＵが実行する空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】図２の制御ルーチンが実行された場合の三元触媒の酸素吸蔵量と酸素濃度センサの出力との時間変化の一例を示す図。
【図４】内燃機関の空燃比が変更された場合におけるスタート触媒及び三元触媒の酸素吸蔵量の時間変化の一例を示す図。
【図５】図１のＥＣＵが三元触媒の酸素吸蔵量を算出するために実行する算出ルーチンを示すフローチャート。
【図６】図６に続くフローチャート。
【図７】図５の算出ルーチンで使用するマップを示す図。
【図８】図１のＥＣＵが実行する他の空燃比制御ルーチンの例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５２】
１  内燃機関
４  排気通路
８  空燃比センサ（第一の空燃比取得手段）
１０  スタート触媒（第一の排気浄化触媒）
１１  酸素濃度センサ（第二の空燃比取得手段）
１２  三元触媒（第二の排気浄化触媒）
１３  エンジンコントロールユニット（空燃比制御手段、リーン制御手段、中間リーン制御手段、リッチ制御手段、学習制御手段、補正手段、酸素量取得手段）
【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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