(57)【要約】【課題】排ガスの一時的悪化を抑制しＮＯｘ及びＨＣの排出をさらに低減する。【解決手段】触媒３の下流に設けられたリアＯ２センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤが略平坦になったと判断したときに、触媒３の上流に設けられたフロントＯ２センサ１１の出力ＯＸＡＤを平均した量ＯＸＡＤＡＶを所定の目標値ＯＸＡＤＡＶ＊に収束させるように制御する。これにより、ＯＸ２ＡＤとＯＸ２ＡＤ＊との偏差が観測される以前に触媒３上流の空燃比の変動に応じた補正を加えることができ、ひいては排ガスの一時的悪化を阻止できる。  【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に装着された触媒における空燃比を制御するものであって、
触媒の下流に設けられたリアＯ２センサの出力が略平坦になったと判断したときに、触媒の上流に設けられたフロントＯ２センサの出力を平均した量を所定の目標値に収束させるように制御することを特徴とする空燃比制御方法。
【請求項２】
フロントＯ２センサの出力の変動の一周期に亘ってその出力を積分し、これを一周期の時間長さで割ることにより周期毎のフロントＯ２センサの出力の平均量を得、この平均量を所定の目標値に収束させる請求項１記載の空燃比制御方法。
【請求項３】
フロントＯ２センサの出力が所定値となった時点から一旦リッチ側に変動し、その後所定値に戻りさらにリーン側に変動して最終的に所定値に至る一周期と、
この一周期と半ば重複し、フロントＯ２センサの出力が所定値となった時点から一旦リーン側に変動し、その後所定値に戻りさらにリッチ側に変動して最終的に所定値に至る一周期と
の各々についてフロントＯ２センサの出力の平均量を得、それら平均量の相加平均を所定の目標値に収束させる請求項１記載の空燃比制御方法。
【請求項４】
フロントＯ２センサの出力が所定値となった時点からの出力の積分を、同時点からの経過時間で割ることによりリアルタイムの平均量を得、この平均量を所定の目標値に収束させる請求項１記載の空燃比制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒による排ガス浄化効率を維持する目的で実施する空燃比の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車等の排気管には、エンジンから排出される排ガス中のＨＣ、ＮＯｘを酸化／還元して無害化する触媒が装着されている。触媒による排ガス浄化効率を保つには、触媒下流での空燃比を理論空燃比近傍の一定範囲（ウィンドウと称する）に収束させる必要がある。そのために、触媒の上流側、下流側にそれぞれＯ２センサを配し、フロント、リア両センサの出力信号を用いる二重のフィードバックループを構成して空燃比を制御することが行われる（例えば、下記特許文献を参照）。
【特許文献１】特開２００６−３２９００５号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従前の制御手法では、リアＯ２センサの出力とその目標値との偏差に応じて補正量を決定し、燃料噴射量を操作する。しかしながら、リアＯ２センサ出力の偏差は触媒上流の空燃比が変動して触媒のＯＳＣ（酸素ストレージ能）が変化した後に遅れて観測されることから、リアＯ２センサ出力のフィードバックのみによって排ガスの一時的な悪化を完全に阻止するのは困難といえる。
【０００４】
以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、排ガスの一時的悪化を抑制しＮＯｘ及びＨＣの排出をさらに低減することを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するべく、エンジンの排気管に装着された触媒における空燃比を制御するにあたり、触媒の下流に設けられたリアＯ２センサの出力が略平坦になったと判断したときに、触媒の上流に設けられたフロントＯ２センサの出力を平均した量を所定の目標値に収束させるように制御することとした。
【０００６】
Ｏ２センサは、排ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力し、空燃比に対して非線形な出力特性を有する。Ｏ２センサの出力は、ウィンドウの範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。リアＯ２センサ出力について詳細に調べると、図４に示すように、リーン領域からウィンドウ領域に遷移する際には低位飽和値よりもやや高い出力値で変化率の小さい棚状の値域（下棚と称する）を通過し、リッチ領域からウィンドウ領域に遷移する際には高位飽和値よりもやや低い出力値で変化率の小さい棚状の値域（上棚と称する）を通過することが分かる。
【０００７】
触媒による排ガス浄化効率が高く保たれているとき、リアＯ２センサの出力値は上記の下棚または上棚の値域内に存在しており、故にリアＯ２センサの出力信号（の時系列）は概略平坦化する。このことを利用して本発明では、リアＯ２センサ出力が略平坦になったと判断したときに、リアＯ２センサ出力とその目標値との偏差によらずフロントＯ２センサ出力の平均量を所定の目標値に収束させる制御を実行開始する。ここでの目標値は、平坦化しているリアＯ２センサの出力が増加傾向または減少傾向となってウィンドウから逸脱しない適当な値とする。
【０００８】
本発明の方法を採用すれば、リアＯ２センサ出力の偏差が観測される以前に、触媒上流の空燃比の変動に応じた補正を加えることができる。従って、排ガスの一時的悪化を抑制でき、ＮＯｘ及びＨＣの排出をさらに低減することが可能となる。また、上記の上棚、下棚の具体的な出力値、換言すればリアＯ２センサ出力の好適な目標値は必ずしも一定でなく、触媒温度やリアＯ２センサ温度、さらには触媒の経年劣化等に応じて多少増減するのであるが、本発明の方法はこのような条件変化にも適切に対応することができる。
【０００９】
フロントＯ２センサの出力の平均量は例えば、フロントＯ２センサの出力の変動の一周期に亘ってその出力を積分し、これを一周期の時間長さで割ることにより算出する。
【００１０】
フロントＯ２センサの出力が所定値となった時点から一旦リッチ側に変動し、その後所定値に戻りさらにリーン側に変動して最終的に所定値に至る一周期と、この一周期と半ば重複し、フロントＯ２センサの出力が所定値となった時点から一旦リーン側に変動し、その後所定値に戻りさらにリッチ側に変動して最終的に所定値に至る一周期との各々についてフロントＯ２センサの出力の平均量を得、それら平均量の相加平均をとるようにすれば、事実上半周期毎に平均量を算出することとなり、制御の速応性や精度が上がる。
【００１１】
フロントＯ２センサの出力が所定値となった時点からの出力の積分を、同時点からの経過時間で割ることによりリアルタイムの平均量を得るようにすれば、、平均量が連続的となり、制御の速応性や精度がさらに向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、排ガスの一時的悪化を抑制しＮＯｘ及びＨＣの排出をさらに低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の空燃比制御装置１は、エンジン２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＮＯｘ、ＨＣを無害化する触媒３における空燃比を制御するものであって、図１に示すように、触媒３の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力するフロントＯ２センサ１１と、触媒３の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力するリアＯ２センサ１２と、両センサ１１、１２の出力信号を検出する検出部１３と、両センサ１１、１２の出力信号をその目標値に制御する制御部１４とを具備する。
【００１４】
ハードウェア構成の概要を、図２に示す。エンジン２は、例えば自動車用の多気筒の燃料噴射式エンジンである。エンジン２で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド４１、排気管４２及び触媒３を通じて大気中に放出される。フロントＯ２センサ１１及びリアＯ２センサ１２は、排ガスに接触して反応することにより、排ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。
【００１５】
フロントＯ２センサ１１、リアＯ２センサ１２は、吸気圧センサ、回転数センサ、車速センサ、水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ｉ／Ｏインタフェース５４等を包有する。Ｉ／Ｏインタフェース５４は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、Ａ／Ｄ変換回路及び／またはＤ／Ａ変換回路を含む。プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。しかして、電子制御装置５は、プログラムに従い、図１に示す検出部１３及び制御部１４としての機能を発揮する。
【００１６】
検出部１３は、フロントＯ２センサ１１、リアＯ２センサ１２やその他のセンサから出力される信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して検出する。
【００１７】
そして、制御部１４は、目標空燃比を実現するように燃料噴射量を算出し、その燃料噴射量に対応する制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁に入力、エンジン２の燃料噴射を制御する。燃料噴射量は、吸気管圧力やエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量にエンジン温度（冷却水温）や要求量、並びに排ガスの空燃比等に応じた補正を加えて最終的に決定する。
【００１８】
通常時は、図３に示すように、触媒３の前後に設けたＯ2センサ１１、１２の出力信号を参照する二重のフィードバックループを構築し、触媒３の上流側の空燃比をフロントコントローラ１４１にて、下流側の空燃比をリアコントローラ１４２にて、それぞれ制御する。図３中、ＴＴＡＵＳは基本噴射量を表す。Ｆｒｏｎｔ  Ａ／Ｆ、Ｒｅａｒ  Ａ／Ｆはそれぞれ、触媒３の上流側、下流側における排ガスの空燃比である。フロントＯ２センサ１１は電圧ＯＸＡＤを出力し、リアＯ２センサ１２は電圧ＯＸ２ＡＤを出力する。フロントコントローラ１４１の出力ＦＡＦは燃料噴射補正量、即ち基本噴射量を何％補正するかを表す。リアコントローラ１４２の出力ＦＡＣＦは、フロントコントローラ１４１における制御誤差を補正する。ＯＸＡＤ*はＯＸＡＤの目標値、ＯＸ２ＡＤ*はＯＸ２ＡＤの目標値である。リアコントローラ１４２は、ＯＸ２ＡＤ＊を目標としてセンサ出力ＯＸ２ＡＤを制御するべく、ＯＸＡＤ＊に加算する補正量ＦＡＣＦを出力する。フロントコントローラ１４１は、（ＯＸＡＤ＊＋ＦＡＣＦ）を目標としてセンサ出力ＯＸＡＤを制御する。
【００１９】
ＯＸＡＤ＊、ＯＸ２ＡＤ＊はともに、ウィンドウ内の空燃比に相当する値に設定する。特に、リアコントローラ１４２の目標値ＯＸ２ＡＤ＊は、下棚または上棚の出力値に設定することがある。図４に示しているように、下棚の出力値は低位飽和値（約０Ｖ）よりもやや高く理論空燃比に対応する値（約０．６Ｖ）よりも低い値（約０．１〜０．２Ｖ）、上棚の出力値は高位飽和値（約１Ｖ）よりもやや低く理論空燃比に対応する値よりも高い値（約０．７〜０．８Ｖ）である。一方、フロントコントローラ１４１の目標値ＯＸＡＤ＊は、理論空燃比に対応する値よりもやや低い値（約０．４５〜０．５Ｖ）に設定することが通例である。
【００２０】
その上で、リアＯ２センサ１２の出力信号ＯＸ２ＡＤが概ね平坦となった暁には、リアコントローラ１４２によるリアフィードバックを停止してフロントコントローラ１４１のみによる制御に移行するものとしている。このときの制御部１４は、図５に示すように、フロントＯ2センサ１１の出力信号（を平均化した量ＯＸＡＤＡＶ）を参照するフィードバックループを構築し、触媒３の上流側の空燃比を制御する。この制御において、フロントコントローラ１４１は、ＯＸ２ＡＤ、ＯＸ２ＡＤと目標値ＯＸ２ＡＤ＊との偏差、並びに補正量ＦＡＣＦを無視する。触媒３の下流側の空燃比は、フィードフォワード的に制御されることになる。
【００２１】
ＯＸ２ＡＤが略平坦化しているか否かを制御部１４にて判断する処理の手順を、図６に示す。制御部１４は、リアＯ２センサ１２の出力信号ＯＸ２ＡＤをデシメーションして値ＯＸ２ＡＤＬＰＦを得（ステップＳ１）、元の出力信号値ＯＸ２ＡＤとデシメーション値ＯＸ２ＡＤＬＰＦとの差を演算する（ステップＳ２）。デシメーションとは、元の信号をローパスフィルタに通した後、より長いサンプリング周期で再サンプリングする処理である。そして、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）が所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３）。図７に示しているように、ＯＸ２ＡＤの単位時間あたりの変化率と、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）との間には明らかな相関が見て取れる。即ち、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）はＯＸ２ＡＤの変化率を示しており、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）が十分に小さければＯＸ２ＡＤの変化率も十分に小さいということができる。であるから、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）が所定の閾値以下であるならば、既にＯＸ２ＡＤが下棚または上棚の値域に収束し出力信号が平坦になっていると判断して、図５に示す制御系に則った制御を実行する（ステップＳ４）。翻って、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）が所定の閾値を上回っているならば、ＯＸ２ＡＤが下棚または上棚の値域に収束しておらず出力信号が平坦になっていないと判断として、図３に示す制御系に則った制御を実行する（ステップＳ５）。
【００２２】
ＯＸ２ＡＤが略平坦になったと判断される状況下（ステップＳ４）にあって、フロントコントローラ１４１は、フロントＯ2センサ１１の出力信号ＯＸＡＤの時間平均ＯＸＡＤＡＶを、その目標値ＯＸＡＤＡＶ＊に制御する。平均量ＯＸＡＤＡＶを制御量とする理由は、フロントＯ2センサ１１の出力ＯＸＡＤが、リアＯ2センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤと比べても激しく振動的であるからである。平均化フィルタ１４３は、フロントＯ２センサ１１の出力信号ＯＸＡＤを基に、平均量ＯＸＡＤＡＶを演算する。ＯＸＡＤＡＶを算出する具体的な方法は、幾つか考えられる。例えば、フロントＯ２センサ１１の出力の変動の一周期に亘ってその出力ＯＸＡＤを積分し、積分値∫ＯＸＡＤｄｔを一周期の時間長さｔｉｍｅで割って周期毎の平均量ＯＸＡＤＡＶを得る。一周期とは、ＯＸＡＤが所定値となった時点から一旦リッチ側に変動し、その後所定値に戻りさらにリーン側に変動して最終的に所定値に至る一周期、または、ＯＸＡＤが所定値となった時点から一旦リーン側に変動し、その後所定値に戻りさらにリッチ側に変動して最終的に所定値に至る一周期をいう。
【００２３】
応用として、図８に示すように、所定値となったＯＸＡＤがリッチ側に変動した後所定値を経てリーン側に変動し最終的に所定値に至る一周期について平均量∫ＯＸＡＤ１ｄｔ／ｔｉｍｅ１を求めるとともに、所定値となったＯＸＡＤがリーン側に変動した後所定値を経てリッチ側に変動し最終的に所定値に至る一周期について平均量∫ＯＸＡＤ２ｄｔ／ｔｉｍｅ２を求めて、これらの相加平均（∫ＯＸＡＤ１ｄｔ／ｔｉｍｅ１＋∫ＯＸＡＤ２ｄｔ／ｔｉｍｅ２）／２を平均量ＯＸＡＤＡＶとすることもできる。この場合、事実上ＯＸＡＤの変動の半周期毎に平均量ＯＸＡＤＡＶを算出し更新することになる。
【００２４】
あるいは、ＯＸＡＤが所定値となった時点からの出力の積分∫ＯＸＡＤｄｔを同時点からの経過時間ｔｉｍｅで割ることで平均量ＯＸＡＤＡＶをリアルタイムに算出するようにしてもよい。図９に示す例では、ＯＸＡＤが所定値となった時点からリッチ側に変動を始める一周期についてその時点からの出力の積分∫ＯＸＡＤ１ｄｔ、その時点からの経過時間ｔｉｍｅ１及び平均量∫ＯＸＡＤ１ｄｔ／ｔｉｍｅ１をリアルタイムに求めるとともに、ＯＸＡＤが所定値となった時点からリーン側に変動を始める一周期についてその時点からの出力の積分∫ＯＸＡＤ２ｄｔ、その時点からの経過時間ｔｉｍｅ２及び平均量∫ＯＸＡＤ２ｄｔ／ｔｉｍｅ２をリアルタイムに求めて、両平均量の相加平均（∫ＯＸＡＤ１ｄｔ／ｔｉｍｅ１＋∫ＯＸＡＤ２ｄｔ／ｔｉｍｅ２）／２を平均量ＯＸＡＤＡＶとしている。
【００２５】
平均量ＯＸＡＤＡＶの目標値ＯＸＡＤＡＶ＊は、ＯＸＡＤ＊と同様の値、理論空燃比に対応する値よりもやや低い値（約０．４５〜０．５Ｖ）に設定する。
【００２６】
本実施形態によれば、エンジン２の排気管４１、４２に装着された触媒３における空燃比を制御するにあたり、触媒３の下流に設けられたリアＯ２センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤが略平坦になったと判断したときに、触媒３の上流に設けられたフロントＯ２センサ１１の出力ＯＸＡＤを平均した量ＯＸＡＤＡＶを所定の目標値ＯＸＡＤＡＶ＊に収束させるように制御することとしたため、ＯＸ２ＡＤがウィンドウ内に収束した後、再びＯＸ２ＡＤとＯＸ２ＡＤ＊との偏差が観測される以前に、触媒３上流の空燃比の変動に応じた補正を加えることができる。従って、排ガスの一時的悪化を抑制でき、ＮＯｘ及びＨＣの排出をさらに低減することが可能となる。また、触媒３の温度やリアＯ２センサ１２の温度、さらには触媒３の経年劣化といった条件変化にも適切に対応することができる。
【００２７】
平均量ＯＸＡＤＡＶは、フロントＯ２センサ１１の出力ＯＸＡＤの変動の一周期に亘ってその出力を積分し、これを一周期の時間長さで割ることにより算出することが簡便である。
【００２８】
出力ＯＸＡＤが所定値となった時点から一旦リッチ側に変動し、その後所定値に戻りさらにリーン側に変動して最終的に所定値に至る一周期と、この一周期と半ば重複し、出力ＯＸＡＤが所定値となった時点から一旦リーン側に変動し、その後所定値に戻りさらにリッチ側に変動して最終的に所定値に至る一周期との各々について平均量∫ＯＸＡＤ１ｄｔ／ｔｉｍｅ１、∫ＯＸＡＤ２ｄｔ／ｔｉｍｅ２を得、それらの相加平均をとるようにすれば、事実上半周期毎に平均量ＯＸＡＤＡＶを算出することとなり、制御の速応性や精度が上がる。
【００２９】
出力ＯＸＡＤが所定値となった時点からの出力の積分∫ＯＸＡＤｄｔを、同時点からの経過時間ｔｉｍｅで割ることによりリアルタイムの平均量∫ＯＸＡＤｄｔ／ｔｉｍｅを得るようにすれば、平均量ＯＸＡＤＡＶが連続的となり、制御の速応性や精度がさらに向上する。
【００３０】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、平均量ＯＸＡＤの目標値ＯＸＡＤＡＶ＊は常に一定であるとは限られない。例えば、図５に示しているフロントフィードバック制御の実行の最中に、ＯＸ２ＡＤの変化率を（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）を演算する等して知得し、その変化率（または、（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ））が所定の閾値を上回った場合、目標値ＯＸＡＤＡＶ＊が不適当なためにＯＸ２ＡＤがリッチ側またはリーン側に逸脱しようとしていると考えられる。このような場合には、目標値ＯＸＡＤＡＶ＊を調整、即ちリーン側またはリッチ側に変位させることが好ましい。目標値調整の結果、ＯＸ２ＡＤの変化率が閾値以下となったならば、そのときのＯＸＡＤＡＶ＊を学習して以後の制御に利用することが可能である。
【００３１】
その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態の空燃比制御装置の構成要素を説明する図。
【図２】同実施形態の空燃比制御装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】通常時の制御系のブロック線図。
【図４】リアＯ２センサの出力特性を例示するグラフ。
【図５】リアＯ２センサの出力が収束した後の制御系のブロック線図。
【図６】制御部がプログラムに従い実行する判断処理の手順を示すフローチャート。
【図７】ＯＸ２ＡＤと（ＯＸ２ＡＤ−ＯＸ２ＡＤＬＰＦ）との関係を例示するグラフ。
【図８】ＯＸＡＤＡＶの算出例を示すグラフ。
【図９】ＯＸＡＤＡＶの算出例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１…空燃比制御装置
１１…フロントＯ２センサ
１２…リアＯ２センサ
１４…制御部
１４１…フロントコントローラ
１４３…平均化フィルタ
３…触媒
４１、４２…排気管
【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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