(57)【要約】【課題】内燃機関の空燃比変化を迅速に検出する。【解決手段】Ｏ2センサ３０は、エンジン１０の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力を発生するものである。ＥＣＵ４０は、このＯ2センサ１０の起電力値を用いて空燃比検出を実施する。その一態様として具体的には、ＥＣＵ４０は、起電力値の微分値を出力微分値として算出し、その算出した出力微分値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する。したがって、起電力値に基づいて空燃比検出を実施する場合に比べ、空燃比変化を迅速に検出することができる。【選択図】図１
2009281306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力を発生する酸素センサに適用され、該酸素センサの起電力値を用いて空燃比検出を実施する内燃機関の空燃比検出装置において、
前記起電力値の微分値を出力微分値として算出する算出手段と、
前記算出手段により算出した出力微分値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する空燃比検出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項２】
前記空燃比検出手段は、
前記出力微分値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する第１検出手段と、
前記起電力値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する第２検出手段と、
前記第１検出手段による空燃比検出と前記第２検出手段による空燃比検出とを前記内燃機関の運転状態に基づいて切り替えて空燃比検出を行わせる切替手段と、
を備え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検出装置。
【請求項３】
前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるよう空燃比フィードバック制御を実施する空燃比制御システムに適用され、
前記切替手段は、空燃比が前記目標値を含む所定範囲に収束していない場合に前記第１検出手段による空燃比検出を実施し、前記所定範囲に収束している場合に前記第２検出手段による空燃比検出を実施することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項４】
前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるよう空燃比フィードバック制御を実施する空燃比制御システムに適用され、
前記切替手段は、前記空燃比フィードバック制御の実行開始後の所定時間において前記第１検出手段による空燃比検出を実施し、前記所定時間経過後において前記第２検出手段による空燃比検出を実施することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項５】
前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるための空燃比フィードバック補正量を、空燃比が前記目標値に向かう方向に所定の積分量ずつ増加又は減少させるとともに、空燃比が前記目標値に達したことが検出される場合に前記空燃比フィードバック補正量をそれまでとは反対方向に所定のスキップ量だけ増加又は減少させる空燃比制御を実施する空燃比制御システムに適用され、
前記第１検出手段により空燃比検出を実施する場合に、前記第２検出手段により空燃比検出を実施する場合に比べて前記積分量を大きくしかつ前記スキップ量を小さくすることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項６】
前記出力微分値に基づいて空燃比のリッチ検出又はリーン検出を行う場合の検出しきい値を、前記内燃機関の運転状態に基づいて設定するしきい値設定手段を備え、
前記空燃比検出手段は、前記しきい値設定手段により設定した検出しきい値と、前記算出手段により算出した出力微分値との比較結果に基づいて空燃比判定を実施することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項７】
前記検出しきい値は、前記起電力値が増加する場合に用いる正側しきい値と、前記起電力値が減少する場合に用いる負側しきい値とからなり、
前記しきい値設定手段は、前記内燃機関の回転速度が高いほど前記正側しきい値及び前記負側しきい値をゼロに近付けることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項８】
前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるための空燃比フィードバック補正量を、空燃比が前記目標値に向かう方向に所定の積分量ずつ増加又は減少させるとともに、空燃比が前記目標値に達したことが検出される場合に前記空燃比フィードバック補正量をそれまでとは反対方向に所定のスキップ量だけ増加又は減少させる空燃比制御を実施する空燃比制御システムに適用され、
前記検出しきい値がゼロに近いほど前記積分量を大きくしかつ前記スキップ量を小さくすることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の空燃比検出装置に関し、詳しくは、酸素センサの起電力値を用いて空燃比検出を実施する内燃機関の空燃比検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気エミッションの向上を図るために、内燃機関の排気管に酸素センサを配設し、その酸素センサの起電力値に基づいて排気ガスの空燃比をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する空燃比制御システムが知られている。空燃比Ｆ／Ｂ制御として具体的には、例えば酸素センサの起電力値を判定値と比較することで排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチかリーンかを判定する。そして、リーンとリッチとの反転時には、まずスキップ制御により空燃比フィードバック補正係数を大きく変化させ、その後、次の反転までの期間で、積分動作により空燃比フィードバック補正係数を段階的に変化させる。
【特許文献１】特開２００１−３７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、酸素センサにおいては、排気ガス雰囲気が変化してから起電力値が判定値に至るまでの応答が遅れることが考えられる。そのため、特許文献１のように酸素センサの起電力値に基づいて空燃比判定を実施する構成では、酸素センサの応答遅れのために空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）に収束するのが遅延してしまうおそれがある。かかる場合、空燃比が目標空燃比からずれてしまい、排気エミッションが悪化することが懸念される。特に、実空燃比と目標空燃比との偏差が大きい場合や、空燃比が不安定な状況下（例えば、空燃比フィードバック制御への移行時や、車両過渡運転時、燃料カットからの復帰時など）においては、排気エミッション悪化を抑制するために、空燃比を目標空燃比に速やかに収束させる必要性が高いものと考えられる。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の空燃比変化を迅速に検出することができる内燃機関の空燃比検出装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【０００６】
請求項１に記載の発明は、内燃機関の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力を発生する酸素センサに適用され、該酸素センサの起電力値を用いて空燃比検出を実施する内燃機関の空燃比検出装置において、前記起電力値の微分値を出力微分値として算出する算出手段と、前記算出手段により算出した出力微分値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する空燃比検出手段とを備える。
【０００７】
この発明によれば、酸素センサの出力微分値に基づいて空燃比のリッチ／リーンを判定するため、空燃比のリッチ／リーンの反転を、センサ出力が上昇方向又は降下方向に転じた時点で検出することができる。つまり、従来のように、酸素センサの起電力値と判定値との比較結果に基づいて空燃比検出を行う構成では、実際の空燃比が変化した場合に、センサ起電力値が変化して所定の判定値に達するまでに時間がかかるため、空燃比判定がなされるまでに応答遅れが発生するところ、本発明では出力微分値により空燃比判定を行うため、空燃比変化を迅速に検出することができる。ここで、出力微分値は、例えば酸素センサの起電力値における単位時間あたりの変化量により算出するとよい。
【０００８】
出力微分値に基づく空燃比検出によれば、空燃比変化を迅速に検出できるのに対し、センサ起電力値に基づく空燃比検出によれば、空燃比変化によるリッチ／リーンの反転を確実に検出できるものと考えられる。そして、空燃比検出の迅速さと確実さとのいずれが要求されるかは、内燃機関の運転状態に応じて異なるものと考えられる。その点に鑑み、請求項２に記載の発明は、前記空燃比検出手段が、前記出力微分値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する第１検出手段と、前記起電力値に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出する第２検出手段と、前記第１検出手段による空燃比検出と前記第２検出手段による空燃比検出とを前記内燃機関の運転状態に基づいて切り替えて空燃比検出を行わせる切替手段とを備える。この構成によれば、空燃比検出を出力微分値に基づいて行うか又は起電力値に基づいて行うかを、内燃機関の運転状態に応じて切り替えるため、空燃比検出の迅速さと確実さとのいずれを優先させるかを、内燃機関の運転状態に応じて適宜設定することができる。ここで、内燃機関の運転状態としては、例えば内燃機関の回転速度やスロットル開度、空燃比、所定の空燃比制御を開始してからの経過時間などとするのが望ましい。
【０００９】
空燃比が目標値を含む所定範囲（例えばストイキ近傍の領域）に収束していない場合には、空燃比変化によるリッチ／リーンの反転を迅速に検出することが要求されるのに対し、空燃比が目標値を含む所定範囲に収束している場合には、その反転を確実に検出することが要求されるものと考えられる。その点に鑑み、請求項３に記載の発明は、前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるよう空燃比フィードバック制御を実施する空燃比制御システムに適用され、前記切替手段は、空燃比が前記目標値を含む所定範囲に収束していない場合に前記第１検出手段による空燃比検出を実施し、前記所定範囲に収束している場合に前記第２検出手段による空燃比検出を実施する。この構成によれば、空燃比が目標値から大きく外れている場合には、出力微分値を用いて空燃比検出を行うため、空燃比を目標値に速やかに収束できるとともに、空燃比が目標値へ収束した後は、起電力値を用いて空燃比検出を行うため、空燃比変化を確実に検出することができる。
【００１０】
特に、内燃機関の排気通路に排気浄化用触媒としての三元触媒を備える構成では、空燃比が目標値としての理論空燃比に収束している場合にセンサ起電力値に基づく空燃比判定を実施することで、理論空燃比への収束後にリッチとリーンとの繰り返しが確実に行われるとともに、その繰り返し周期としてある程度の長さが確保されるため、三元触媒の触媒性能（酸素ストレージ機能）を十分に発揮させることができ、排気エミッション向上の点で好適である。
【００１１】
ここで、空燃比が目標値を含む所定範囲に収束していない場合としては、例えば内燃機関の過渡運転時や空燃比フィードバック制御の開始当初（例えば、内燃機関の始動期間経過に伴う空燃比フィードバック制御への移行時や燃料カットからの復帰時）などがある。また、空燃比がその所定範囲に収束していないことを検出するには、例えば検出空燃比に基づいて直接実施してもよいし、あるいは内燃機関の回転速度変化量やスロットル開度変化量などの内燃機関の運転状態を示すパラメータに基づいて検出するか、又は空燃比フィードバック制御を開始してからの経過時間に基づいて間接的に実施してもよい。
【００１２】
空燃比フィードバック制御の開始当初では、空燃比が例えば空燃比制御の適正値から外れていることが考えられる。かかる場合、空燃比をその適正値に速やかに戻すためには、空燃比変化をいち早く検出することが望ましい。その点に鑑み、請求項４に記載の発明は、前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるよう空燃比フィードバック制御を実施する空燃比制御システムに適用され、前記切替手段は、前記空燃比フィードバック制御の実行開始後の所定時間において前記第１検出手段による空燃比検出を実施し、前記所定時間経過後において前記第２検出手段による空燃比検出を実施する。この構成によれば、空燃比フィードバック制御の開始当初では酸素センサの出力微分値を用いて空燃比検出を行うため、検出空燃比と目標値とのずれを迅速に解消して空燃比を適正な値にすることができる。
【００１３】
酸素センサにおいて、空燃比変化に対する追従性が良好になると、空燃比フィードバック補正量の積分量をより大きくするとともにスキップ量をより小さくすることが可能になる。そこで、請求項５に記載の発明は、前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるための空燃比フィードバック補正量を、空燃比が前記目標値に向かう方向に所定の積分量ずつ増加又は減少させるとともに、空燃比が前記目標値に達したことが検出される場合に前記空燃比フィードバック補正量をそれまでとは反対方向に所定のスキップ量だけ増加又は減少させる空燃比制御を実施する空燃比制御システムに適用される。また、前記第１検出手段により空燃比検出を実施する場合に、前記第２検出手段により空燃比検出を実施する場合に比べて前記積分量を大きくしかつ前記スキップ量を小さくする。この構成によれば、酸素センサの出力微分値を用いて空燃比検出を行う場合に、空燃比フィードバック補正量を空燃比変化に合わせて適正な値に設定することができる。特に、空燃比が目標値に収束していないときに出力微分値を用いて空燃比検出を行う場合、スキップ量を小さい値に制限していることから、燃料噴射量の急激な変化を回避することができ、ひいては空燃比が目標値よりもリッチ側又はリーン側へ大きくオーバーシュートしてしまうのを回避することができ好適である。
【００１４】
空燃比のリッチ／リーンを検出するための検出しきい値を設け、酸素センサの出力微分値とその検出しきい値との比較結果に基づいて空燃比を判定する構成では、検出しきい値の大小に応じて判定の迅速さと判定の確実さとが異なると考えられる。また、判定の迅速さと確実さとのいずれが要求されるかは、内燃機関の運転状態に応じて異なると考えられる。その点に鑑み、請求項６に記載の発明は、前記出力微分値に基づいて空燃比のリッチ検出又はリーン検出を行う場合の検出しきい値を、前記内燃機関の運転状態に基づいて設定する。また、前記空燃比検出手段は、前記しきい値設定手段により設定した検出しきい値と、前記算出手段により算出した出力微分値との比較結果に基づいて空燃比判定を実施する。こうすれば、内燃機関の運転状態に応じて検出しきい値が設定されるため、空燃比判定の迅速さとその判定結果の確実さとのいずれを優先させるかを、内燃機関の運転状態に応じて適宜設定することができる。
【００１５】
内燃機関の回転速度が高いほど燃料噴射を行う頻度が高くなるため、空燃比変化をいち早く検出するのが望ましい。その点に鑑み、請求項７に記載の発明は、前記検出しきい値を、前記起電力値が増加する場合に用いる正側しきい値と、前記起電力値が減少する場合に用いる負側しきい値とし、前記内燃機関の回転速度が高いほど前記正側しきい値及び前記負側しきい値をゼロに近付ける。この構成によれば、内燃機関の回転速度が高いほど空燃比判定の迅速性が良好になるため、燃料噴射の頻度が高い場合であっても、空燃比変化を迅速に検出することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記空燃比検出手段により検出した空燃比を目標値に一致させるための空燃比フィードバック補正量を、空燃比が前記目標値に向かう方向に所定の積分量ずつ増加又は減少させるとともに、空燃比が前記目標値に達したことが検出される場合に前記空燃比フィードバック補正量をそれまでとは反対方向に所定のスキップ量だけ増加又は減少させる空燃比制御を実施する空燃比制御システムに適用される。また、前記検出しきい値がゼロに近いほど前記積分量を大きくしかつ前記スキップ量を小さくする。上述したように、酸素センサにおける空燃比変化に対する追従性が良好になると、空燃比フィードバック補正量の積分量をより大きくするとともにスキップ量をより小さくすることが可能になる。したがって、請求項８の構成によれば、検出しきい値がゼロに近いほど、空燃比フィードバック補正量を空燃比変化に合わせて適正な値に設定することができる。特に、空燃比が目標値に収束していないときに出力微分値を用いて空燃比検出を行う場合、スキップ量を小さい値に制限していることから、燃料噴射量の急激な変化を回避することができ、ひいては空燃比が目標値よりもリッチ側又はリーン側へ大きくオーバーシュートしてしまうのを回避することができ好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、自動二輪車用の単気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしている。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。このエンジン制御システムの全体概略構成図を図１に示す。
【００１８】
図１において、エンジン１０には、吸気管１１（吸気通路）の最上流部にエアクリーナ１２が設けられている。エアクリーナ１２の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１３に内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。また、スロットルバルブ１４の下流側には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１５が設けられるとともに、その下流側において、吸気ポート近傍には、燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１６が取り付けられている。
【００１９】
エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ１７及び排気バルブ１８が設けられている。そして、吸気バルブ１７の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室１９内に導入され、排気バルブ１８の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２１（排気通路）に排出される。
【００２０】
エンジン１０のシリンダヘッドには点火プラグ２２が取り付けられている。点火プラグ２２には、点火コイル等よりなる点火装置２３を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２２の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１９内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。
【００２１】
また、排気管２１には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒２４が設けられている。三元触媒２４の上流側には、排ガスを検出対象として混合気の空燃比（酸素濃度）を検出するためのＯ2センサ３０が設けられている。
【００２２】
Ｏ2センサ３０は、コップ型構造のセンサ素子を有している。図２に、センサ素子３１の断面図を示す。実際には、当該センサ素子３１は、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。
【００２３】
センサ素子３１において、固体電解質層３２は断面コップ状に形成されており、その外表面には排ガス側電極層３３が設けられ、内表面には大気側電極層３４が設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、ＢｉＯ2等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極層３３，３４はともに白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキが施されている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は大気室３５となっており、その大気室３５にはヒータ３６が収容されている。ヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するのに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子全体が加熱される。
【００２４】
上記センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極層３３側）が排ガス雰囲気、同内側（電極層３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極層３３，３４間で起電力が発生する。図３は、排ガスの空燃比とセンサ素子３１の起電力との関係を示す起電力特性図である。図３に示すように、センサ素子３１は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、理論空燃比（ストイキ）付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、燃料リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、燃料リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。
【００２５】
図１の説明に戻り、その他本システムには、エンジンの所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角度センサ２５や、エンジン側の冷却水温度を検出する冷却水温センサ２６等が設けられている。
【００２６】
ＥＣＵ４０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）４１を主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。具体的には、ＥＣＵ４０のマイコン４１は、前述した各種センサから各種検出信号等を入力し、これらの各種検出信号等に基づいて燃料噴射量や点火時期等を演算して燃料噴射弁１６や点火装置２３の駆動を制御する。
【００２７】
また、ＥＣＵ４０には、Ｏ2センサ３０の起電力を検出するセンサ制御回路４２が設けられている。燃料噴射量の制御として、ＥＣＵ４０のマイコン４１は、センサ制御回路４２で検出した起電力値を用いることにより、実空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致するよう空燃比制御を実施する。空燃比制御としてマイコン４１は、基本的には、空燃比をストイキ近傍の領域（ストイキ近傍領域）でフィードバック制御するストイキ燃焼制御を実施する。なお、エンジン始動時やアイドル運転時、燃料カット時、冷却水温が低いときなどの所定条件下では、フィードバック制御を中止し、例えばエンジン始動時やアイドル運転時であれば、空燃比がストイキよりもリッチ側になるようオープン制御を実施する。このセンサ制御回路４２では、空燃比制御の他に、センサ素子を活性状態に保持するべくＯ2センサ３０のヒータ通電の制御等を行う。
【００２８】
センサ制御回路４２では、Ｏ2センサ３０の起電力値が理論空燃比付近で急変する特性（図３参照）を利用して、基本的には、検出した起電力値と、起電力変動の中間付近に予め設定した基準電圧値Ｖｔｈ（例えば、理論空燃比値の０．４５Ｖ）とを比較することで燃料リッチ／リーンを判定し、その結果を２値の判定信号としてマイコン４１に出力する。起電力値に基づく空燃比判定（空燃比通常判定処理）について具体的には、Ｏ2センサ３０の出力値である起電力値Ｖｏ2を入力し、その起電力値Ｖｏ2と基準電圧値Ｖｔｈとを比較する。そして、起電力値Ｖｏ2が基準電圧値Ｖｔｈより大きければリーンと判定し、基準電圧値Ｖｔｈ以下であればリッチと判定する。なお、リッチ／リーンの判定に際し、起電力値Ｖｏ2が基準電圧値Ｖｔｈを超えるか又は基準電圧値Ｖｔｈ以下の状態が所定時間継続された場合にリッチ／リーンを切り替えてもよい。
【００２９】
また、マイコン４１では、リッチ／リーンの判定結果に基づいて空燃比フィードバック補正を実施する。空燃比フィードバック補正について、図４のタイムチャートを用いて説明する。なお、図４のうち（ａ）はセンサ起電力値Ｖｏ2の推移を示し、（ｂ）は空燃比判定の結果を示し、（ｃ）は空燃比フィードバック補正係数の推移を示す。
【００３０】
図４において、空燃比がリーン判定からリッチ判定に反転した場合に、空燃比フィードバック補正係数をスキップ量Ｋｓだけ小さくするスキップ制御を行った後、リッチ判定が継続される間、空燃比フィードバック補正係数を積分量Ｋｉずつ段階的に減少させる積分制御を行う。これにより、燃料噴射量の減量補正がなされ、その結果、空燃比がリーン側に移行することとなる。また、空燃比がリッチ判定からリーン判定に反転した場合には、空燃比フィードバック補正係数をスキップ量Ｋｓだけ大きくするスキップ制御を行った後、リーン判定が継続される間、空燃比フィードバック補正係数を積分量Ｋｉずつ段階的に増加させる積分制御を行う。これにより、燃料噴射量の増量補正がなされ、その結果、空燃比がリッチ側に移行することとなる。なお、スキップ量Ｋｓ及び積分量Ｋｉは、ＥＣＵ４０によりエンジン運転状態に応じて都度算出される。
【００３１】
ところで、Ｏ2センサ３０の起電力値により空燃比検出を実施する場合、排ガス雰囲気のリッチ／リーンが実際に反転したとしても、酸素分圧に対応する起電力がＯ2センサ３０で発生するまでに時間がかかるため、ガス雰囲気が変化してから起電力値が基準電圧値Ｖｔｈに至るまでに応答遅れが生じ、その結果、リッチ／リーンが確定されるまでに時間遅れが生じることが考えられる。特に、実空燃比が目標空燃比（ストイキ）から大きく外れている場合や、空燃比が不安定な場合には、空燃比を目標空燃比に速やかに収束させる必要性が高いのにもかかわらず、空燃比における理論空燃比からのずれが継続され、その結果、排気エミッションの悪化を招くおそれがある。
【００３２】
この点につき、本願発明者は、空燃比のリッチ／リーンの変化をＯ2センサ３０により検出するのにあたり、Ｏ2センサ３０の起電力値における一定時間あたりの変化量（出力微分値）に着目した。つまり、出力微分値によれば、起電力値に基づく場合に比べ、空燃比のリッチ／リーンの反転をいち早く検出できることを見出した。また、出力微分値による空燃比判定の結果を用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御を行うことにより、空燃比をより迅速に目標空燃比に収束できることを見出した。
【００３３】
その一方で、空燃比がストイキ近傍にある場合では、空燃比変化を検出するのにあたり、迅速さよりも確実さが要求される。つまり、三元触媒２４には、リーン雰囲気で酸素吸蔵してＮＯｘを浄化し、その後リッチ雰囲気になることで吸蔵酸素を放出してＨＣ、ＣＯの浄化を促進させる機能（Ｏ2ストレージ機能）があり、空燃比のリッチ／リーンが繰り返される状況下で触媒性能を発揮する特性がある。このとき、その触媒性能を十分に発揮させるには、リッチ判定及びリーン判定を確実に行うとともに、その繰り返しの周期としてある程度の長さが確保されていることが望ましい。
【００３４】
そこで、本実施形態では、空燃比制御においてオープン制御からＦ／Ｂ制御への移行時やエンジン１０の過渡運転時のように、空燃比がストイキ近傍領域から外れる場合に出力微分値に基づいて空燃比判定を実施し、その後、空燃比のストイキ近傍領域に収束したのに伴い、センサ起電力値に基づく空燃比判定に移行する。
【００３５】
以下ではまず、Ｏ2センサ３０の出力微分値に基づく空燃比判定（空燃比早期判定処理）について説明する。図５は、空燃比早期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、ＥＣＵ４０のマイコン４１により所定周期毎に実行される。図５において、まずステップＳ１１では、Ｏ2センサ３０の出力値のノイズ除去処理としてなまし処理を行う。なまし処理として、例えばセンサ検出信号に重畳するノイズを除去するためにローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理を実施してもよいし、あるいは移動平均処理を実施してもよい。
【００３６】
続くステップＳ１２では、出力微分値Ｖｏ2＊を算出する。本実施形態では、なまし値の前回値を記憶しておき、なまし値の今回値から前回値を差し引くことにより出力微分値Ｖｏ2＊を算出する。続いて、ステップＳ１３で、前回の検出空燃比がリッチ判定かリーン判定かを判断する。前回の検出空燃比がリッチ判定の場合にはステップＳ１４へ進み、出力微分値Ｖｏ2＊がリーン判定値Ｖｌｅ以下か否かを判定する。このリーン判定値Ｖｌｅは、起電力値Ｖｏ2が減少する場合の空燃比検出に用いる検出しきい値であり、ゼロ近傍の負の値として設定してある。そして、出力微分値Ｖｏ2＊がリーン判定値Ｖｌｅより大きい場合には、ステップＳ１５へ移行し、検出空燃比の判定結果としてリッチ判定を維持する。これに対し、出力微分値Ｖｏ2＊がリーン判定値Ｖｌｅ以下であれば、ステップＳ１６へ進み、検出空燃比をリッチ判定からリーン判定に切り替える。
【００３７】
また、前回の検出空燃比がリーン判定の場合、ステップＳ１３で否定判定がなされ、ステップＳ１７へ進み、出力微分値Ｖｏ2＊がリッチ判定値Ｖｒｉ以上か否かを判定する。なお、リッチ判定値Ｖｒｉについては、起電力値Ｖｏ2が増加する場合の空燃比検出に用いる検出しきい値であり、ゼロ近傍の正の値として設定してある。そして、出力微分値Ｖｏ2＊がリッチ判定値Ｖｒｉ未満であれば、ステップＳ１８へ進み、検出空燃比の判定結果としてリーン判定を維持する。これに対し、出力微分値Ｖｏ2＊がリッチ判定値Ｖｒｉ以上であれば、ステップＳ１９へ進み、検出空燃比をリーン判定からリッチ判定に切り替える。
【００３８】
次に、センサ起電力値Ｖｏ2による空燃比判定の結果と、出力微分値Ｖｏ2＊による空燃比判定の結果との相違を、図６を用いて説明する。図６において、（ａ）は排気ガスの空燃比の推移を示し、（ｂ）は起電力値Ｖｏ2による空燃比の判定結果の推移を示し、（ｃ）は出力微分値Ｖｏ2＊による空燃比の判定結果の推移を示す。
【００３９】
図６において、排気ガスの空燃比がリーン雰囲気からリッチ雰囲気に切り替わった場合について考える。このとき、起電力値Ｖｏ2に基づいて空燃比判定を実施する場合、図６（ｂ）に示すように、起電力値Ｖｏ2が電圧判定値Ｖｔｈに達した時刻ｔ３で、リーン判定からリッチ判定に切り替わる。つまり、排気ガス雰囲気が変化してからＥＣＵ４０により空燃比変化が判定されるまでに時刻ｔ１から時刻ｔ３の応答遅れが発生することになる。なお、センサ起電力値Ｖｏ2が電圧判定値Ｖｔｈに達した後、所定時間ＴＡが維持されたことを条件として空燃比判定の結果を切り替える構成では、時刻ｔ３から所定時間ＴＡが経過した時刻ｔ４でリーン判定からリッチ判定に切り替わり、時刻ｔ１から時刻ｔ４の応答遅れが発生する。
【００４０】
これに対し、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実施する場合、図６（ｃ）に示すように、排気ガス雰囲気がリーンからリッチに変化してセンサ起電力値Ｖｏ2が次第に上昇すると、出力微分値Ｖｏ2＊がゼロから正の値に変わる。そして、出力微分値Ｖｏ2＊がリッチ判定値Ｖｒｉに達した時刻ｔ２で、リーン判定からリッチ判定に切り替わる。つまり、空燃比早期判定処理によれば、起電力値Ｖｏ2の変化率により空燃比変化を検出するため、センサ起電力値Ｖｏ2が電圧判定値Ｖｔｈに達する時刻ｔ３よりも早いタイミングの時刻ｔ２で、空燃比がリーンからリッチへ切り替わったことが検出される。したがって、排気ガス雰囲気が変化してからＥＣＵ４０により空燃比変化が判定されるまでに、時刻ｔ１から時刻ｔ２の応答遅れしか発生せず、空燃比の判定遅れが抑制される。
【００４１】
更に、空燃比早期判定処理の空燃比判定の結果を用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する場合について、図７のタイムチャートを用いて詳述する。ここで、図７のうち（ａ）は起電力値Ｖｏ2の推移を示し、（ｂ）は出力微分値Ｖｏ2＊の推移を示し、（ｃ）は空燃比判定の結果の推移を示し、（ｄ）は空燃比Ｆ／Ｂ補正係数の推移を示す。なお、図７（ｃ）中の一点鎖線は、起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比判定の結果を示す（図４（ｂ）参照）。
【００４２】
上述したように、空燃比早期判定処理では、空燃比通常判定処理に比べて空燃比の判定遅れが小さい（図６参照）。そのため、空燃比早期判定処理では、図７（ｄ）に示すように、空燃比通常判定処理でのスキップ量Ｋｓ及び積分量Ｋｉと比較して、スキップ量Ｋｓを小さくするとともに、積分量Ｋｉを大きくしている。
【００４３】
次に、空燃比Ｆ／Ｂ制御の実行開始又は実行中に空燃比判定を行うのにあたり、起電力値Ｖｏ2に基づく場合と出力微分値Ｖｏ2＊に基づく場合との実施時期について説明する。上述したように、本実施形態では、空燃比がストイキ近傍領域から外れている場合や不安定な場合に、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実施し、空燃比がストイキ近傍領域に収束している場合に、起電力値Ｖｏ2に基づいて空燃比判定を実施する。そして、その空燃比判定の結果を用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。
【００４４】
図８は、本実施形態における空燃比制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ４０のマイコン４１により所定時間毎に実行される。まず、図８のステップＳ２１で、空燃比Ｆ／Ｂ制御の実行条件（空燃比Ｆ／Ｂ条件）が成立しているか否かを判定する。空燃比Ｆ／Ｂ条件には、例えば冷却水温センサ２６により検出した冷却水温度が所定温度以上であること、高回転・高負荷状態でないこと、Ｏ2センサ３０が活性状態にあることなどが含まれる。
【００４５】
そして、空燃比Ｆ／Ｂ条件が成立している場合には、ステップＳ２２へ進み、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実行するための条件（早期判定実施条件）が成立しているか否かを判定するために、以下の実施条件判定処理を実行する。
【００４６】
図９は、実施条件判定処理の処理手順を示すフローチャートである。図９において、まずステップＳ３１で、空燃比Ｆ／Ｂ制御開始から所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間の経過前であれば、ステップＳ３２へ進み、早期判定実施条件が成立しているものと判断する。空燃比Ｆ／Ｂ制御の開始直前に、例えばリッチ側での空燃比オープン制御が実施されていた場合、実空燃比がストイキよりもリッチ側にあるため、空燃比をリッチ側からストイキ近傍領域へ速やかに収束させる必要性が高い。そのため、空燃比Ｆ／Ｂ制御の開始当初では、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比検出を実施する。
【００４７】
一方、空燃比Ｆ／Ｂ開始から所定時間が経過した後であれば、ステップＳ３３へ進み、現在のエンジン運転状態が定常状態か過渡状態かを判定する。エンジン運転状態について本実施形態では、エンジン回転速度の増減変化量が所定値以下であること、及びスロットル開度の増減変化量が所定開度以下であること、の両条件を満たす場合に定常運転状態と判断し、上記条件のいずれかを満たさない場合に過渡運転状態と判断する。なお、エンジン運転状態については、演算により定常運転状態か過渡運転状態かを判定する代わりに、例えばエンジン回転速度変化量とスロットル開度変化量とをパラメータとしたマップを用いて判断してもよい。
【００４８】
そして、エンジン運転状態が定常状態の場合には、ステップＳ３４へ進み、早期判定実施条件を不成立とする。つまり、エンジン１０が定常運転状態であれば、空燃比はストイキ近傍領域に収束しているものと考えられるため、センサ起電力値Ｖｏ2に基づいて空燃比判定を実施する。一方、過渡運転状態の場合には、ステップＳ３２へ進み、早期判定実施条件が成立しているものとする。つまり、エンジン１０が過渡運転状態の場合には、吸入空気量の急激な変化等に起因して空燃比が不安定になり、空燃比のストイキ近傍領域から外れること考えられることから、ストイキ近傍領域に収束させるために、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実施する。
【００４９】
図８の説明に戻り、ステップＳ２３では、早期判定実施条件が成立しているか否かを判定し、早期判定実施条件が成立していない場合には、ステップＳ２４へ進み、空燃比通常判定処理により空燃比判定を実施する。一方、早期判定実施条件が成立している場合には、ステップＳ２５へ進み、空燃比早期判定処理（図５参照）により空燃比判定を実施する。空燃比判定の実施後、ステップＳ２６へ移行し、その判定結果を用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。
【００５０】
図１０に、本システムにおける空燃比制御の推移を示すタイムチャートを示す。図１０に示すように、空燃比早期判定処理は、リッチ側で空燃比制御している最中にストイキ燃焼制御に切り替わる場合（図中Ａの場合）や、車両加速時又は減速時において空燃比が不安定な場合（図中Ｂの場合）に実施される。そして、エンジン１０が過渡運転状態から定常運転状態に移行すると、空燃比をストイキ近傍領域で収束させることが可能となり、空燃比通常判定処理に切り替わる。
【００５１】
以上詳述した実施形態によれば以下の優れた効果が得られる。
【００５２】
Ｏ2センサ３０の出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実施する構成としたため、空燃比のリッチ／リーンの反転を、センサ出力が上昇方向又は降下方向に転じた時点で検出することができる。したがって、Ｏ2センサ３０の起電力値Ｖｏ2に基づいて空燃比判定を実施する場合に比べ、空燃比変化を迅速に検出することができる。
【００５３】
出力微分値Ｖｏ2＊に基づく空燃比判定と、起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比判定とをエンジン運転状態に応じて切り替える構成としたため、空燃比検出の迅速さと確実さとのいずれを優先させるかを、エンジン運転状態に応じて適宜設定することができる。
【００５４】
エンジン１０の過渡運転時又は空燃比Ｆ／Ｂ開始から所定時間内では、出力微分値Ｖｏ2＊に基づく空燃比判定を実施し、エンジン１０の定常運転時及び空燃比Ｆ／Ｂ開始から所定時間が経過した後では、起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比判定を実施する構成としたため、エンジン１０の運転状態に適した実施態様で空燃比検出を行うことができる。つまり、エンジン１０の過渡運転時や空燃比Ｆ／Ｂ開始当初では、空燃比がストイキ近傍領域から外れて不安定であることが考えられるところ、本実施形態では、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を行い、その判定結果を用いて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施するため、空燃比の乱れをいち早く解消することができる。一方、空燃比がストイキ近傍領域に収束している場合には、起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比検出を実施するため、空燃比変化を確実に検出することができる。また、空燃比がストイキ近傍領域に収束している場合にセンサ起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比判定を実施することで、リッチとリーンとの繰り返しが確実に行われるとともに、その繰り返し周期がある程度の長さで保持されるため、三元触媒２４の触媒性能（酸素ストレージ機能）を十分に発揮させることができる。
【００５５】
空燃比フィードバック補正係数において、出力微分値Ｖｏ2＊に基づく空燃比判定を実施する場合では、起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比判定を実施する場合に比べ、スキップ量Ｋｓを大きくしかつ積分量Ｋｉを小さくする構成としたため、空燃比をストイキ近傍領域に収束させる際に燃料噴射量の急激な変化を回避することができ、ひいては空燃比がストイキ近傍領域よりもリッチ側又はリーン側へ大きくオーバーシュートしてしまうのを回避することができる。
【００５６】
リッチ判定値Ｖｒｉ及びリーン判定値Ｖｌｅと出力微分値Ｖｏ2＊との比較結果に基づいて空燃比判定を実施するため、誤判定を抑制することができる。
【００５７】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、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、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実施する場合、空燃比検出に用いる検出しきい値としてのリッチ判定値Ｖｒｉ及びリーン判定値Ｖｌｅを固定値としたが、例えばエンジン運転状態に応じてリーン判定値Ｖｒｉ及びリーン判定値Ｖｌｅを可変にしてもよい。この構成によれば、出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比変化を検出する際に、その検出の迅速性と確実性とのいずれを更に優先させるかを、エンジン運転状態等に応じて適宜設定することができる。ここで、エンジン運転状態としては、エンジン回転速度やスロットル開度、空燃比Ｆ／Ｂ制御開始からの経過時間とするのが望ましい。例えばエンジン回転速度に応じて判定値Ｖｒｉ，Ｖｌｅを可変にする場合、エンジン回転速度が高いほど判定値Ｖｒｉ，Ｖｌｅをゼロに近付けるのが望ましい。こうすることで、エンジン回転速度が高いほど空燃比判定の迅速性が良好になるため、燃料噴射の頻度が高い場合であっても、空燃比変化を迅速に検出することができる。なお、リッチ判定値Ｖｒｉが上記正側しきい値に相当し、リーン判定値Ｖｌｅが上記負側しきい値に相当する。
【００５９】
・上記実施形態において、判定値Ｖｒｉ，Ｖｌｅを可変にする構成とした場合、空燃比フィードバック補正係数につき、リッチ判定値Ｖｒｉ及びリーン判定値Ｖｌｅがゼロに近いほどスキップ量Ｋｓを大きくしかつ積分量Ｋｉを小さくするとよい。こうすれば、判定値Ｖｒｉ，Ｖｌｅが比較的ゼロに近い場合に、空燃比フィードバック補正係数を空燃比変化に合わせて適正な値に設定することができる。特に、スキップ量Ｋｓが比較的小さい値に制限されるため、燃料噴射量の急激な変化を回避することができ、ひいては空燃比が目標値よりもリッチ側又はリーン側へ大きくオーバーシュートしてしまうのを回避することができる。
【００６０】
・上記実施形態では、出力微分値Ｖｏ2＊に基づく空燃比判定と、起電力値Ｖｏ2に基づく空燃比判定とをエンジン運転状態に応じて切り替える構成としたが、その切り替えを行わず、常に出力微分値Ｖｏ2＊に基づいて空燃比判定を実施する構成としてもよい。このとき、上記と同様にして判定値Ｖｒｉ，Ｖｌｅをエンジン運転状態に応じて可変にするとよい。こうすれば、エンジン運転状態に応じて判定値Ｖｒｉ，Ｖｌｅが設定されるため、空燃比判定の迅速さとその判定結果の確実さとのいずれを優先させるかを、エンジン運転状態に応じて適宜設定することができる。
【００６１】
・上記実施形態では、早期判定実施条件を、空燃比Ｆ／Ｂ制御開始から所定時間内であること、エンジン１０が過渡運転状態であること、としたが、その代わりに又はそれに加えて、検出空燃比がストイキ近傍領域から外れていることとしてもよい。こうすれば、空燃比をストイキ近傍領域に収束させるべき状況を直接検出でき、空燃比早期判定処理の実施期間を設定する上で好適である。具体的には、例えばＯ2センサ３０の起電力値に基づいて行う。Ｏ2センサ３０においては、空燃比がストイキ近傍領域にある場合にはリッチ信号とリーン信号とを一定周期で繰り返すのに対し、ストイキ近傍領域から外れると、リッチ信号又はリーン信号を継続して出力する。そこで、Ｏ2センサ３０の起電力値Ｖｏ2が所定時間変化しない場合に、空燃比がストイキ近傍領域から外れているものと判断する。
【００６２】
あるいは、早期判定実施条件に、燃料カットからの復帰時であることを含めてもよい。燃料カットからの復帰時には、空燃比がストイキ近傍領域から大きく外れているため、空燃比をストイキ近傍領域にいち早く収束させる必要性が高いからである。燃料カットからの復帰時であることは、例えば燃料カット停止からの経過時間に基づいて判断してもよい。また、上記実施形態において、早期判定実施条件を、空燃比Ｆ／Ｂ制御開始から所定時間内であること、及びエンジン運転状態が過渡状態であることのいずれかとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】エンジン制御システムの全体概略構成図。
【図２】Ｏ2センサにおけるセンサ素子の断面図。
【図３】排ガスの空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。
【図４】空燃比フィードバック補正を説明するタイムチャート。
【図５】空燃比早期判定処理の処理手順を示すフローチャート。
【図６】起電力値による空燃比判定と出力微分値による空燃比判定との相違を説明するタイムチャート。
【図７】空燃比早期判定処理における空燃比フィードバック補正を説明するタイムチャート。
【図８】空燃比制御の処理手順を示すフローチャート。
【図９】実施条件判定処理の処理手順を示すフローチャート。
【図１０】空燃比制御の推移を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００６４】
１０…エンジン、１６…燃料噴射弁、２４…三元触媒、３０…Ｏ2センサ、４０…ＥＣＵ、４１…マイコン、４２…センサ制御回路。
【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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【図１０】
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