JP2005113712A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒コンバータにおける排気浄化性能の最適化を図った内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 触媒コンバータに流入する排気の空燃比をリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに周期的に強制変調させる空燃比強制変調手段と、該空燃比強制変調手段により変調させる排気の空燃比の目標値を設定する目標空燃比設定手段とを備え、該目標空燃比設定手段は、空燃比が所定リーン空燃比に到達後直ちに或いは該所定リーン空燃比以上となって所定短期間経過後直ちに、リーン空燃比相当の振幅ｄ以上の振幅ｄ’となるように該目標値をリッチ空燃比側に変更する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、内燃機関の空燃比を制御することにより触媒コンバータの排気浄化性能を向上させる技術に関する。

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（供給）してＨＣ、ＣＯの酸化促進を図り、これによりＮＯxの還元反応とＨＣ、ＣＯの酸化反応とを広い空燃比範囲で実現して排気浄化性能を向上させることが可能である。

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、ストイキオ）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（パータベーション）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。
特開平１０−１３１７９０号公報（図１２、１６参照）

ところで、強制変調による三元触媒コンバータの排気浄化性能向上の効果は、単に三元触媒コンバータに流入する排気の空燃比、即ち排気空燃比をストイキオを挟んでリッチ空燃比及びリーン空燃比に変調させるだけで最適化されるものではない。
例えば、排気空燃比のばらつきにより排気空燃比が全体としてリッチ空燃比側にシフト（リッチシフト）した場合でもリッチ変調時にＯ₂を供給可能とするためには、ある程度以上の振幅をもって空燃比変調させる必要がある。

また一方で、過剰なＯ₂供給は、Ｏ₂吸蔵量のオーバフローを招き、リーン変調時における還元反応可能な領域を減少させることになるため、単に振幅を増大させただけではＯ₂供給量も増大してＯ₂を吸蔵させる領域が直ぐに不足し、ＮＯx浄化性能が悪化してしまう。
また、リーン度合いが大きくＯ₂濃度が高いほどＯ₂の触媒内への拡散速度が大きいことから、同一振幅にして変調空燃比の幾何学的面積を同一にしても、同一のＯ₂供給とはならず、空燃比変調の変調波形（幾何学的パターン）によって排気浄化性能が異なる結果となる。

さらに、排気空燃比のばらつきにより排気空燃比が全体としてリーン空燃比側にシフト（リーンシフト）した場合、空燃比変調の変調波形によってはリーン空燃比期間が長くなり、リーン空燃比側からリッチ空燃比側への切り換えが遅れてＯ₂の吸蔵が暫時継続されることになるため、やはりＯ₂吸蔵量のオーバフローを招き、ＮＯx浄化性能が悪化してしまう結果となる。

そして、これらの問題は、排気空燃比がリッチ空燃比（還元雰囲気）であるときにＣＯ或いはＨ₂を吸蔵し、一方排気空燃比がリーン空燃比（酸化雰囲気）であるときに上記吸蔵したＣＯ或いはＨ₂を放出（供給）するＣＯストレージ機能を有した三元触媒コンバータにおいても同様に起こり得る。
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、触媒コンバータにおける排気浄化性能の最適化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。

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リーン空燃比側とリッチ空燃比側とに周期的に強制変調させる空燃比強制変調手段と、該空燃比強制変調手段により変調させる前記排気の空燃比の目標値を設定する目標空燃比設定手段とを備え、前記目標空燃比設定手段は、空燃比が所定リーン空燃比に到達後直ちに或いは該所定リーン空燃比以上となって所定短期間経過後直ちに、リッチ側片振幅がリーン側片振幅以上となるように該目標値を変更することを特徴としている。

即ち、リーン空燃比側への変調時において、空燃比が所定リーン空燃比に到達した後或いは該所定リーン空燃比以上となって所定短期間経過した後には、目標値は直ちにリッチ側片振幅がリーン側片振幅以上となるようにリッチ空燃比側に変更されることになるため、変調波形（幾何学的パターン）が、例えば、リッチ空燃比側から徐々にリーン空燃比側に移行した後、急激にリッチ空燃比側に変化するような三角波形状となる。

請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、前記触媒コンバータに流入する排気の実空燃比を検出する実空燃比検出手段をさらに備え、前記目標空燃比設定手段は、前記空燃比強制変調手段による強制変調の変調周期間において前記実空燃比検出手段により検出される排気の実空燃比の平均値または該平均値の相関値がリーン空燃比であるときにはリッチ化度合いを大きくして前記リッチ空燃比側への変更を行い、該平均値または該平均値の相関値がリッチ空燃比であるときにはリッチ化度合いを小さくして前記リッチ空燃比側への変更を行うことを特徴としている。

即ち、リーン空燃比側への変調時において、通常は空燃比が所定リーン空燃比に到達した後或いは該所定リーン空燃比以上となって所定短期間経過した後には、目標値は直ちに片振幅が所定リーン空燃比相当の片振幅以上となるようにリッチ空燃比側に変更されることになるが、この際、実空燃比の平均値または該平均値の相関値がリーン空燃比であるときにはリッチ化度合い（例えば、リッチ側片振幅）を大きくしてリッチ空燃比側への変更を行い、実空燃比の平均値または該平均値の相関値がリッチ空燃比であるときにはリッチ化度合い（例えば、リッチ側片振幅）を小さくしてリッチ空燃比側への変更を行うようにする。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えば、空燃比強制変調の変調波形（幾何学的パターン）を、リッチ空燃比側から徐々にリーン空燃比側に移行した後、急激にリッチ空燃比側に変化するような三角波形状とすることができる。
従って、空燃比が所定リーン空燃比に到達した直後或いは該所定リーン空燃比以上となって所定短期間経過した直後、例えば触媒コンバータにおけるＯ₂の拡散速度が最大となった直後に即座に目標空燃比をリッチ空燃比側に切り換えるようにするので、排気空燃比のばらつきにより排気空燃比が全体的にリーンシフトしたとしても、リーン空燃比側からリッチ空燃比側への切り換え遅れによるリーン空燃比期間の延長を防止し、排気空燃比を即座にして確実にリッチ空燃比に切り換えるようにでき、触媒コンバータにおけるＯ₂吸蔵量のオーバフローを良好に防止することができる。

また、空燃比の目標値をリーン側片振幅以上のリッチ側片振幅をもってリーン空燃比側からリッチ空燃比側に変更するので、リーンシフトした場合でも排気空燃比の実平均空燃比を目標平均空燃比或いはその近傍値に安定させておくことができる。
これにより、触媒コンバータにおける排気浄化性能の最適化を図ることができる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、空燃比強制変調による実空燃比の平均値または該平均値の相関値がリーン空燃比であるときにはリッチ化度合いを大きくして目標空燃比のリッチ空燃比側への変更を行い、実空燃比の平均値または該平均値の相関値がリッチ空燃比であるときにはリッチ化度合いを小さくして目標空燃比のリッチ空燃比側への変更を行うようにするので、排気空燃比のばらつきにより排気空燃比が全体的にリーンシフト或いはリッチシフトした場合であっても、適宜良好に目標空燃比に対する実空燃比の適正化を図るようにでき、触媒コンバータにおけるＯ₂吸蔵量のオーバフローとＯ₂吸蔵量の不足とを確実に防止でき、触媒コンバータにおける排気浄化性能のさらなる最適化を図ることができる。

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。

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。

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。

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。
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）を吸蔵すると、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の放出（供給）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。

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ことで排気Ａ／Ｆを検出するリニアＡ／Ｆセンサ（実空燃比検出手段、以下、ＬＡＦＳと略す）２２が配設されている。
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。

ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、ＬＡＦＳ２２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。
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。

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によって空燃比を基準Ａ／Ｆ（例えば、ストイキオ）を境に所定リッチＡ／Ｆと所定リーン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を所定リーンＡ／Ｆと所定リッチＡ／Ｆ間で所定の振幅、所定の周期をもって変調させるようにしている（空燃比強制変調手段）。

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。

ところで、ここでは、変調波形が所定の三角波形状となるように排気Ａ／Ｆを制御しており、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２を参照すると、本発明の第１実施例に係る空燃比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。

ステップＳ１０では、目標Ａ／Ｆを基準Ａ／Ｆ（例えば、ストイキオ）に設定する。
次に、ステップＳ１２では、現在空燃比強制変調モード中であって上記強制変調制御を実施しているか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、例えば三元触媒３０が不活性状態にあるような場合等であって、空燃比強制変調モード中ではないと判定された場合には、目標Ａ／Ｆは基準Ａ／Ｆに維持される。

一方、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、空燃比強制変調モード中であると判定された場合には、ステップＳ１４に進み、強制変調制御を開始する。
ステップＳ１４では、次式(1)から現在の目標Ａ／Ｆ(n)を求める。
目標A/F(n)＝目標A/F(n-1)＋ゲイン …(1)
ここに、目標Ａ／Ｆ(n-1)は前回算出した目標Ａ／Ｆを示し、ゲインは例えば固定値でもよいし、後述するように変数としてもよい。

即ち、目標Ａ／Ｆ(n)は前回値である目標Ａ／Ｆ(n-1)にゲインを加算することで求められる。なお、目標Ａ／Ｆ(n)の初期値はゲインに拘わらず上述したように基準Ａ／Ｆ（例えば、ストイキオ）である。
ステップＳ１６では、ステップＳ１４で求めた目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆ（リーン側片振幅）以上｛目標Ａ／Ｆ(n)≧所定リーンＡ／Ｆ（＝基準Ａ／Ｆ＋リーン側片振幅）｝であるか否かを判別する。ここに、所定リーンＡ／Ｆ（＝基準Ａ／Ｆ＋リーン側片振幅）は、基準Ａ／Ｆに対するリーンＡ／Ｆ側の振幅ｄ、例えばＯ₂の拡散速度が最大となる振幅に対応する空燃比を示している。判別結果が偽（Ｎｏ）で目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆ（＝基準Ａ／Ｆ＋リーン側片振幅）に達していないと判定された場合には、上記ステップＳ１４に戻り、目標Ａ／Ｆ(n)を繰り返し求める。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達したと判定された場合には、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、種々の要因による目標Ａ／Ｆに対する排気Ａ／Ｆのばらつきを燃料誤差量｛（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）に相当する燃料量｝として求め、当該ばらつき分だけ実Ａ／Ｆを修正するための燃料補正量を更新（加算或いは減算）する。
次に、ステップＳ２０では、目標Ａ／Ｆ(n)を次式(2)から求める。
目標A/F(n)＝所定リッチA/F（＝基準A/F−リッチ側片振幅）
＋（目標平均A/F−実平均A/F） …(2)
ここに、所定リッチＡ／Ｆ（＝基準Ａ／Ｆ−リッチ側片振幅）は、基準Ａ／Ｆに対するリッチＡ／Ｆ側の振幅ｄ’を示している。詳しくは、ここではリッチ側片振幅ｄ’と上記リーン側片振幅ｄは例えば同値（ｄ＝ｄ’）であり、所定リッチＡ／Ｆは所定リーンＡ／Ｆに対し基準Ａ／Ｆを挟んで対称の値をなす。

また、目標平均Ａ／Ｆは、ここでは、例えば基準Ａ／Ｆ（例えば、ストイキオ）であり、実平均Ａ／Ｆは、現時点以前の一変調周期間におけるＬＡＦＳ２２からの実空燃比情報の平均値である。なお、実平均Ａ／Ｆに代えて当該実平均Ａ／Ｆの相関値を用いるようにしてもよい。例えば、実平均Ｆ／Ａ、実平均当量比、実平均空気過剰率、実平均燃料量、さらにＯ₂センサを用いている場合には、Ｏ₂センサがリーンＡ／Ｆを示す期間（リーン出力期間）、Ｏ₂センサがリッチＡ／Ｆを示す期間（リッチ出力期間）、リーン出力期間／変調周期、リッチ出力期間／変調周期及びこれらの相関値である。以下同じである。

即ち、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆ以上になると、目標Ａ／Ｆ(n)をリーンＡ／Ｆ側からリッチＡ／Ｆ側に大きく一気に切り換えるように制御し、この際、目標平均Ａ／Ｆと実平均Ａ／Ｆとの差を求め、所定リッチＡ／Ｆに当該差を反映するようにしてリッチＡ／Ｆ側における目標Ａ／Ｆ(n)を求める。
ところで、目標平均Ａ／Ｆに対し実平均Ａ／Ｆがリッチシフト或いはリーンシフトする場合、上記ステップＳ１８で求めたように、シフトした分だけ修正するようにすれば、以降、目標Ａ／Ｆに対して実Ａ／Ｆが適正なものとなる。しかしながら、このようにしてもリッチシフト或いはリーンシフトしていたときの目標Ａ／Ｆと実Ａ／Ｆとの差分は相殺されることがなく、実平均Ａ／Ｆは直ぐには目標平均Ａ／Ｆとはならない。故に、実平均Ａ／Ｆがリッチシフトしていた場合には余剰のＨＣ、ＣＯが十分に浄化されず、実平均Ａ／Ｆがリーンシフトしていた場合には余剰のＯ₂によるＮＯxが十分に浄化されないという問題が生じる。

そこで、ステップＳ２０では、目標Ａ／Ｆと実Ａ／Ｆとの差分を相殺するため、当該差分を目標Ａ／Ｆ(n)に反映させている。
次のステップＳ２２では、リッチＡ／Ｆへの切り換え後、所定変調周期後に目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆとなるようにゲインを調整する。具体的には、例えば次式(3)から求める。

ゲイン＝｛リーン側片振幅＋リッチ側片振幅−（目標平均A/F−実平均A/F）｝
／所定変調周期×（ステップＳ１４の算出周期） …(3)
これにより、リッチシフト或いはリーンシフトしていたときの目標Ａ／Ｆと実Ａ／Ｆとの差分に対する補償は、一変調周期のみとなり、リッチシフト或いはリーンシフトしていたときの一変調周期と併せて二変調周期間の実平均Ａ／Ｆを所望の値とすることができ、以降の不要な補償を回避することができる。また、リッチシフト或いはリーンシフトした場合であっても変調周期を一定に保持することが可能となり、変調周期を維持した方が触媒性能の低下を抑制することができるシステムにおいては有効である。なお、変調周期を変更した方が触媒性能の低下が小さい場合において当該変調周期を一定に維持しないようにすることを妨げるものではない。

そして、ステップＳ２４において目標燃料量｛目標Ａ／Ｆ(n)に相当する燃料量｝を求め、上記ステップＳ１８で求めた燃料補正量と併せて供給する燃料量を決定する。
このように、リッチＡ／Ｆ側における目標Ａ／Ｆ(n)を求めたら、ステップＳ１２を経てステップＳ１４に進み、ステップＳ２０で求めた目標Ａ／Ｆ(n)を上記式(1)における目標Ａ／Ｆ(n)の初期値とする。

そして、上記同様、ステップＳ１６で目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達したと判定されるまでステップＳ１４において式(1)から目標Ａ／Ｆ(n)を繰り返し求めるようにする。
図３を参照すると、実平均Ａ／Ｆが例えばリーンシフトした場合の当該強制変調制御の制御結果である排気Ａ／Ｆ、即ち実Ａ／Ｆの時間変化が示されているが、同図に示すように、目標平均Ａ／Ｆに対し実平均Ａ／Ｆがリーンシフトしている場合（一点鎖線）には、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達すると、リッチ側片振幅ｄ’に目標平均Ａ／Ｆと実平均Ａ／Ｆとの差分δが反映（加算）されてリッチ空燃比側での目標Ａ／Ｆ(n)が算出されるとともに燃料誤差が加味され、排気Ａ／Ｆは一気にリッチＡ／Ｆ側に変化させられる。そして、以降、排気Ａ／Ｆは、ゲイン調整により目標Ａ／Ｆ(n)に対応した適正な値（破線）に近づきながらリッチＡ／Ｆ側からリーンＡ／Ｆ側に徐々に変化させられる。

また、図４を参照すると、実平均Ａ／Ｆが例えばリッチシフトした場合の当該強制変調制御の制御結果である排気Ａ／Ｆ、即ち実Ａ／Ｆの時間変化が示されているが、同図に示すように、目標平均Ａ／Ｆに対し実平均Ａ／Ｆがリッチシフトしている場合（一点鎖線）には、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達すると、リッチ側片振幅ｄ’に目標平均Ａ／Ｆと実平均Ａ／Ｆとの差分δが反映（減算）されてリッチ空燃比側での目標Ａ／Ｆ(n)が算出されるとともに燃料誤差が加味され、やはり排気Ａ／Ｆは一気にリッチＡ／Ｆ側に変化させられる。そして、上記同様、排気Ａ／Ｆは、ゲイン調整により目標Ａ／Ｆ(n)に対応した適正な値（破線）に近づきながらリッチＡ／Ｆ側からリーンＡ／Ｆ側に徐々に変化させられる。

上記制御ルーチンが繰り返し実行されると、図５に示すように、排気Ａ／Ｆは、目標Ａ／Ｆ(n)に対し適正な状態となり、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達すると、リーン側片振幅ｄとリッチ側片振幅ｄ’の和が振幅（全振幅）となるリッチ空燃比側での目標Ａ／Ｆ(n)が算出され、やはり排気Ａ／Ｆは一気にリッチＡ／Ｆ側に変化させられる。そして、以降、排気Ａ／Ｆは、目標Ａ／Ｆ(n)に対応した適正な値を維持しながらリッチＡ／Ｆ側からリーンＡ／Ｆ側に徐々に変化させられる。

次に、第２実施例について説明する。
図６を参照すると、本発明の第２実施例に係る空燃比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２フローチャートに対してステップＳ１８の燃料誤差量を目標Ａ／Ｆ(n)に包含した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。

ステップＳ１４を経てステップＳ１６’では、ステップＳ１４で求めた目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」以上｛目標Ａ／Ｆ(n)≧所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）｝であるか否かを判別する。ここに、「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」は、第１実施例に対して、目標Ａ／Ｆに対する排気Ａ／Ｆのばらつき（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）を考慮して、目標Ａ／Ｆを取り扱うようにしたものである。判別結果が偽（Ｎｏ）で目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」に達していないと判定された場合には、上記ステップＳ１４に戻り、目標Ａ／Ｆ(n)を繰り返し求める。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」に達したと判定された場合には、ステップＳ２０’に進む。

ステップＳ２０’では、目標Ａ／Ｆ(n)を次式(2')から求める。
目標A/F(n)＝所定リッチA/F（＝基準A/F−リッチ側片振幅）
＋（目標平均A/F−実平均A/F）＋（目標平均A/F−実平均A/F） …(2')
ここに、「所定リッチＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」は、第１実施例に対して、目標Ａ／Ｆに対する排気Ａ／Ｆのばらつき（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）を考慮して、目標Ａ／Ｆを取り扱うようにしたものである。

即ち、目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」以上になると、目標Ａ／Ｆ(n)をリーンＡ／Ｆ側からリッチＡ／Ｆ側に大きく一気に切り換えるように制御し、この際、目標平均Ａ／Ｆと実平均Ａ／Ｆとの差を求め、所定リッチＡ／Ｆに当該差を反映するとともに、排気Ａ／Ｆのばらつき（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）を加味してリッチＡ／Ｆ側における目標Ａ／Ｆ(n)を求める。

次のステップＳ２２では、リッチＡ／Ｆへの切り換え後、所定変調周期後に目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」となるようにゲインを調整する。具体的には、上記同様に例えば次式(3)から求める。
ゲイン＝｛リーン側片振幅＋リッチ側片振幅−（目標平均A/F−実平均A/F）｝
／所定変調周期×（ステップＳ１４の算出周期） …(3)
そして、ステップＳ２４’において目標燃料量｛目標Ａ／Ｆ(n)に相当する燃料量｝を求め、供給する燃料量を決定する。

このように、リッチＡ／Ｆ側における目標Ａ／Ｆ(n)を求めたら、ステップＳ１２を経てステップＳ１４に進み、ステップＳ２０’で求めた目標Ａ／Ｆ(n)を上記式(1)における目標Ａ／Ｆ(n)の初期値とする。
そして、上記同様、ステップＳ１６’で目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋（目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ）」に達したと判定されるまでステップＳ１４において式(1)から目標Ａ／Ｆ(n)を繰り返し求めるようにする。

図３を参照すると、実平均Ａ／Ｆが例えばリーンシフトした場合の当該強制変調制御の制御結果である排気Ａ／Ｆ、即ち実Ａ／Ｆの時間変化が示されているが、同図に示すように、目標平均Ａ／Ｆに対し実平均Ａ／Ｆがリーンシフトしている場合（一点鎖線）には、目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋｛目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ（＝前回の燃料誤差）｝」に達すると、リッチ側片振幅ｄ’に目標平均Ａ／Ｆと実平均Ａ／Ｆとの差分δが反映（加算）されてリッチ空燃比側での目標Ａ／Ｆ(n)が算出されるとともに今回の燃料誤差が加味され、排気Ａ／Ｆは一気にリッチＡ／Ｆ側に変化させられる。そして、以降、排気Ａ／Ｆは、ゲイン調整により目標Ａ／Ｆ(n)に対応した適正な値（破線）に近づきながらリッチＡ／Ｆ側からリーンＡ／Ｆ側に徐々に変化させられる。

また、図４を参照すると、実平均Ａ／Ｆが例えばリッチシフトした場合の当該強制変調制御の制御結果である排気Ａ／Ｆ、即ち実Ａ／Ｆの時間変化が示されているが、同図に示すように、目標平均Ａ／Ｆに対し実平均Ａ／Ｆがリッチシフトしている場合（一点鎖線）には、目標Ａ／Ｆ(n)が「所定リーンＡ／Ｆ＋｛目標平均Ａ／Ｆ−実平均Ａ／Ｆ（＝前回の燃料誤差）｝」に達すると、リッチ側片振幅ｄ’に目標平均Ａ／Ｆと実平均Ａ／Ｆとの差分δが反映（減算）されてリッチ空燃比側での目標Ａ／Ｆ(n)が算出されるとともに今回の燃料誤差が加味され、やはり排気Ａ／Ｆは一気にリッチＡ／Ｆ側に変化させられる。そして、上記同様、排気Ａ／Ｆは、ゲイン調整により目標Ａ／Ｆ(n)に対応した適正な値（破線）に近づきながらリッチＡ／Ｆ側からリーンＡ／Ｆ側に徐々に変化させられる。

上記制御ルーチンが繰り返し実行されると、図５に示すように、排気Ａ／Ｆは、目標Ａ／Ｆ(n)に対し適正な状態となり、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達すると、リーン側片振幅ｄとリッチ側片振幅ｄ’の和が振幅（全振幅）となるリッチ空燃比側での目標Ａ／Ｆ(n)が算出され、やはり排気Ａ／Ｆは一気にリッチＡ／Ｆ側に変化させられる。そして、以降、排気Ａ／Ｆは、目標Ａ／Ｆ(n)に対応した適正な値を維持しながらリッチＡ／Ｆ側からリーンＡ／Ｆ側に徐々に変化させられる。

以上、第１及び第２実施例に基づき説明したように、上記制御ルーチンを実行することで、強制変調が、リッチＡ／Ｆ側から徐々にリーンＡ／Ｆ側に移行した後に急激にリッチＡ／Ｆ側に変化するような三角波形状の変調波形（幾何学的パターン）を呈しながら且つ目標Ａ／Ｆ(n)に対して実Ａ／Ｆを適正なものとしながら良好に継続実施される。
このように、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆとなり、例えば三元触媒３０におけるＯ₂の拡散速度が最大となった直後に制御Ａ／Ｆ(n)を大きく一気にリーンＡ／Ｆ側からリッチＡ／Ｆ側に切り換えることにより、排気Ａ／Ｆのばらつきによって実平均Ａ／Ｆがリーンシフトしたとしても、リーンＡ／Ｆ側からリッチＡ／Ｆ側への切り換え遅れによるリーンＡ／Ｆ期間の延長を良好に防止し、排気Ａ／Ｆを確実にリッチＡ／Ｆに切り換えるようにでき、三元触媒３０におけるＯ₂吸蔵量のオーバフローを良好に防止することができる。これにより、三元触媒３０の排気浄化性能の最適化を図ることができる。

また、上記制御ルーチンを実行することにより、リーンＡ／Ｆ側からリッチＡ／Ｆ側への切換時において、排気Ａ／Ｆは、図３乃至図５に示す如く、結局はリッチＡ／Ｆ側の振幅ｘ’、振幅ｙ’、振幅ｄ’がそれぞれリーンＡ／Ｆ側での所定リーンＡ／Ｆに相当する振幅ｘ、振幅ｙ、振幅ｄと同等或いはそれ以上（ｘ’≧ｘ、ｙ’≧ｙ、ｄ’≧ｄ）となるように制御されることになる。

さらに、この際、リーンシフトしている場合のリッチＡ／Ｆ側の振幅ｘ’が振幅ｄ’よりも大きく、リッチシフトしている場合のリッチＡ／Ｆ側の振幅ｙ’が振幅ｄ’よりも小さくなるように制御される。即ち、リーンシフトしている場合にはリッチ度合いが大きくなるように、リッチシフトしている場合にはリッチ度合いが小さくなるようにしてリーン空燃比側からリッチＡ／Ｆ側への変更が行われる。

従って、排気Ａ／Ｆの実平均Ａ／Ｆを目標平均Ａ／Ｆ或いはその近傍値に安定させておきながら、適宜良好に目標Ａ／Ｆに対する実Ａ／Ｆの適正化を図り、三元触媒３０におけるＯ₂吸蔵量のオーバフローとＯ₂吸蔵量の不足とを確実に防止できる。また、これにより、リッチシフト或いはリーンシフトしていたときの目標Ａ／Ｆと実Ａ／Ｆとの差分を良好に相殺し、実平均Ａ／Ｆを速やかに目標平均Ａ／Ｆにでき、実平均Ａ／Ｆがリッチシフトしていた場合の余剰のＨＣ、ＣＯや実平均Ａ／Ｆがリーンシフトしていた場合の余剰のＯ₂によるＮＯxを十分に浄化することができる。これにより、三元触媒３０の排気浄化性能のさらなる最適化を図ることができる。

なお、リッチＡ／Ｆ側の振幅ｘ’、振幅ｙ’、振幅ｄ’がそれぞれリーンＡ／Ｆ側の振幅ｘ、振幅ｙ、振幅ｄよりも大きくなるように制御することにより、実平均Ａ／Ｆをストイキオよりも若干リッチＡ／Ｆ寄りに維持してエンジン１の出力を確保することも可能である。
以上で、本発明に係る排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、目標Ａ／Ｆ(n)が所定リーンＡ／Ｆに達した直後にリーンＡ／Ｆ側からリッチＡ／Ｆ側への切り換えを行うようにしているが、所定リーンＡ／Ｆとなって所定短期間経過後に直ちにリッチＡ／Ｆ側へ切り換えるような構成にしてもよく、また、実Ａ／Ｆが所定リーンＡ／Ｆとなった直後或いは所定リーンＡ／Ｆとなって所定短期間経過後に直ちにリッチＡ／Ｆ側へ切り換えるような構成にしてもよく、また、供給Ａ／Ｆが所定リーンＡ／Ｆとなった直後或いは所定リーンＡ／Ｆとなって所定短期間経過後に直ちにリッチＡ／Ｆ側へ切り換えるような構成にしてもよく、さらに、前記Ａ／Ｆが所定リーンＡ／Ｆとなった直後或いは所定リーンＡ／Ｆとなって所定短期間経過後に相当する所定期間経過後直ちにリッチＡ／Ｆ側へ切り換えるような構成にしてもよい。この点は、第１実施例に限らず第２実施例の場合も同様の趣旨である。

また、上記実施形態では、三元触媒３０がＯ₂ストレージ機能を有する場合の最適化手法について説明したが、リッチＡ／Ｆ（還元雰囲気）下でＣＯやＨ₂を吸蔵する一方、リーンＡ／Ｆ（酸化雰囲気）下で当該吸蔵したＣＯ、Ｈ₂を放出（供給）するＣＯストレージ機能を有する三元触媒３０に本願発明を適用することも可能である。また、変調波形は、リーンＡ／Ｆ側から徐々にリッチＡ／Ｆ側に移行した後に急激にリーンＡ／Ｆ側に変化するような逆向きの三角波形状となるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、触媒コンバータとして三元触媒３０を用いるようにしたが、触媒コンバータは少なくともＯ₂ストレージ機能或いはＣＯストレージ機能を有していれば如何なるタイプの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。

また、上記第１及び第２実施例では、目標平均Ａ／Ｆ及び実平均Ａ／Ｆを一変調周期間の平均値として求めるようにしているが、これに限るものではなく、例えば、二以上の変調周期間の平均値として求めるようにしてもよく、また、リッチ変調・リーン変調毎にリッチ／リーン変調期間の平均値として求めるようにしてもよい。
また、上記第１及び第２実施例で使用しているＡ／Ｆの代わりにＡ／Ｆ相関値を用いるようにしてもよい。例えば、Ｆ／Ａ、当量比、空気過剰率、燃料量、さらにＯ₂センサを用いている場合には、Ｏ₂センサがリーンＡ／Ｆを示す期間（リーン出力期間）、Ｏ₂センサがリッチＡ／Ｆを示す期間（リッチ出力期間）、リーン出力期間／変調周期、リッチ出力期間／変調周期及びこれらの相関値を用いるようにしてもよい。

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。 本発明の第１実施例に係る空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 実平均Ａ／Ｆが例えばリーンシフトした場合の強制変調制御の時間変化を示す図である。 実平均Ａ／Ｆが例えばリッチシフトした場合の強制変調制御の時間変化を示す図である。 排気Ａ／Ｆが制御Ａ／Ｆ(n)、即ち目標Ａ／Ｆ(n)に対し適正な状態の強制変調制御の時間変化を示す図である。 本発明の第２実施例に係る空燃比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 リニア空燃比センサ（実空燃比検出手段）
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）

Claims (2)

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リーン空燃比側とリッチ空燃比側とに周期的に強制変調させる空燃比強制変調手段と、
   該空燃比強制変調手段により変調させる前記排気の空燃比の目標値を設定する目標空燃比設定手段とを備え、
   前記目標空燃比設定手段は、空燃比が所定リーン空燃比に到達後直ちに或いは該所定リーン空燃比以上となって所定短期間経過後直ちに、リッチ側片振幅がリーン側片振幅以上となるように該目標値を変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記触媒コンバータに流入する排気の実空燃比を検出する実空燃比検出手段をさらに備え、
   前記目標空燃比設定手段は、前記空燃比強制変調手段による強制変調の変調周期間において前記実空燃比検出手段により検出される排気の実空燃比の平均値または該平均値の相関値がリーン空燃比であるときにはリッチ化度合いを大きくして前記リッチ空燃比側への変更を行い、該平均値または該平均値の相関値がリッチ空燃比であるときにはリッチ化度合いを小さくして前記リッチ空燃比側への変更を行うことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。

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