JP2006274963A - エンジンの空燃比制御方法及びエンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比のパータベーション操作中に排気のガスボリュームの変動があっても、三元触媒の排気浄化効率の低下を防止し得る空燃比制御方法を提供する。
【解決手段】排気通路（２）に設けた三元触媒（３）を備え、冷間始動時に排気の空燃比を所定の振れ幅で周期的に振らせるパータベーション操作を行うようにしたエンジンの空燃比制御方法において、三元触媒（３）に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応して前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する手順を含む。
【選択図】図１

Description

この発明はエンジンの空燃比制御方法及びエンジンの空燃比制御装置に関する。

エンジン冷間始動後において排気通路に設けた三元触媒の早期活性化を図るため、始動後所定時間ＴＡＳＴＬＥＡＮを経過するまであるいは触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＣＡＴＰＵＲＴより高くなるまでを始動後状態として、この始動後状態においてエンジン回転速度ＮＥと吸気管内絶対圧ＰＢＡとが所定範囲にあればパータベーションゾーンにあると判定し、所定の振幅及び周波数で目標空燃比を変動させるパータベーション操作を行わせるものがある（特許文献１参照）。
特開平８−１３５４９２号公報

ところで、上記特許文献１の技術のように、空燃比のパータベーション操作を実行するに際して、三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームの変動による触媒ウィンドウへの変化を考慮しないのでは、空燃比のパータベーション操作の実行中に、例えばアクセルペダルを踏み込んで加速を行い、これにより三元触媒に流れ込むガスボリュームが増加した場合に三元触媒による排気浄化性能が低下してしまう。

これについて図２（Ｂ）を参照して説明すると、図２（Ｂ）は横軸に理論空燃比を中心とする空燃比を、縦軸に三元触媒によるＣＯ、ＮＯｘの各転化率を採っている。いま仮に破線で示す水平な位置に三元触媒によるＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値があるとすると、排気のガスボリュームが小さい場合（例えばアイドル時）を対象として、三元触媒によるＣＯ、ＮＯｘの各転化率が転化率要求値を下回らないように空燃比パータベーション操作を行わせるには、図示の触媒ウィンドウ幅Ａと一致するようにパータベーション操作における空燃比の振れ幅を設定してやればよい。ところが、この状態からアクセルペダルを踏み込んで加速を行うと、排気のガスボリュームが大きくなり、これにより、三元触媒によるＣＯ、ＮＯｘの各転化率の特性が、一点鎖線の特性へと移行する。つまり、ＣＯ、ＮＯｘの各転化率の特性が、排気のガスボリュームが小さい場合より全体的に下方へと移行とする。このように、排気のガスボリュームが大きくなった場合にもガスボリュームが小さかった場合と同じ転化率要求値を下回らないようにするためには触媒ウィンドウ幅はＡより小さなＢでなければらない。

こうしたガスボリュームの増大による触媒ウィンドウ幅の減少を考慮することなく、空燃比パータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが小さい場合の触媒ウィンドウ幅Ａに合わせて一律に設定しているのでは、排気のガスボリュームが大きくなった場合に、パータベーション操作における空燃比の振れ幅がそのときの触媒ウィンドウ幅Ｂをはみ出して大きくなり、これにより転化率要求値よりも低い転化率しか得られなくなり、排気浄化性能が低下してしまうのである。

そこで、排気のガスボリュームが大きくなった場合にはパータベーション操作における空燃比の振れ幅が、狭くなったＢの触媒ウィンドウ幅と一致するように空燃比パータベーション操作を行わせることが考えられるのであるが、空燃比のパータベーション操作における空燃比の振れ幅が、狭い触媒ウィンドウ幅Ｂに精度良く収まるように空燃比パータベーション操作を行わせることはなかなか難しい。

一方、排気のガスボリュームの変動による触媒ウィンドウ幅の変化を考慮することなく、空燃比パータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが大きい場合の触媒ウィンドウ幅Ｂに一律に設定しているのでは、排気のガスボリュームが小さくなった場合に、パータベーション操作における空燃比の振れ幅がそのときの触媒ウィンドウ幅Ａより狭くなる。このことは、もっと広い触媒ウィンドウ幅ＡでＣＯ、ＮＯｘを浄化できるのにしないことを意味するので、この場合にも排気浄化性能が低下してしまう。

そこで本発明では、空燃比のパータベーション操作中に排気のガスボリュームの変動があっても、三元触媒の排気浄化効率の低下を防止し得る空燃比制御方法やその空燃比制御方法の発明の実施に直接使用する空燃比制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路に設けた三元触媒を備え、冷間始動時に排気の空燃比を所定の振れ幅で周期的に振らせるパータベーション操作を行うようにしたエンジンの空燃比制御方法において、前記三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応して前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する手順を含んでいる。

また、本発明は、排気通路に設けた三元触媒と、冷間始動時に排気の空燃比を所定の振れ幅で周期的に振らせるパータベーション操作を行う空燃比パータベーション操作手段とを備えるエンジンの空燃比制御装置において、前記三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応して前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更するように構成する。

同じＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅は、排気のガスボリュームにより相違し、図２（Ｂ）に示されるように、ガスボリュームが小さい場合にＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅が、例えばＡとなるのに対して、ガスボリュームが大きい場合にＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅はＡよりＢへと変化する。このように、ガスボリュームの変動によりＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅が変化するのに、パータベーション操作における空燃比の振れ幅を一律に設定しているのでは、例えばパータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが小さい場合の触媒ウィンドウ幅Ａに適合しているとき、ガスボリュームが大きくなる側へと変動した場合に三元触媒による排気浄化性能が低下し、この逆にパータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが大きい場合の触媒ウィンドウ幅Ｂに適合しているとき、ガスボリュームが小さくなる側へと変動した場合に三元触媒による排気浄化性能が低下するのであるが、本発明によれば、三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応してパータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する（例えば排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大する）手順を含ませたので、または本発明によれば三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応してパータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する（例えば排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大する）ので、そのときの排気のガスボリュームに対応した触媒ウィンドウ幅に常にパータベーション操作における空燃比の振れ幅を合わせることができ、これにより、空燃比のパータベーション操作中に排気のガスボリュームが小さい側から大きい側へとあるいはその逆へと変動した場合においても、三元触媒による排気浄化性能を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の空燃比制御方法の実施に直接使用するエンジンの空燃比制御装置の概略構成を示している。

図１において、１はエンジン本体で、その吸気通路７には吸気絞り弁８の下流に位置して燃料噴射弁（図示しない）が設けられ、エンジンコントローラ６からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように、吸気中に燃料を噴射供給する。

エンジンコントローラ６にはクランクシャフトポジションセンサ２１からの信号、カムシャフトポジションセンサ２２からの信号、エアフローメータ９からの吸入空気量の信号、水温センサ１０からのエンジン冷却水温の信号等が入力され、これらに基づいて基本噴射パルス幅ＴＰを算出し、このパルス幅ＴＰに応じた燃料噴射量を燃料噴射弁を介してエンジンに供給する。

エンジンの冷間始動時には三元触媒３の早期暖機を行うため排気の空燃比を理論空燃比に対してリッチ側とリーン側に所定の振れ幅で交互に振るパータベーション（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）操作を行う。このパータベーション操作によりリッチ燃焼とリーン燃焼を繰り返し、リッチ燃焼により一酸化炭素ＣＯを、リーン燃焼により酸素Ｏ₂を多く生じさせ、両者の酸化反応により発生する熱で排気の温度を上昇させ、この昇温した排気を三元触媒３に導いて三元触媒３の活性化を促進する。

ここで、空燃比のパータベーション操作を実行する方法としては、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰを用いる。これは、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰを算出する際に用いる比例分ＰＲ、ＰＬや積分分ＩＲ、ＩＬがフロントＯ₂センサ出力に基づく空燃比フィードバック制御における空燃比の振れ幅を定める値であり、この同じ比例分ＰＲ、ＰＬや積分分ＩＲ、ＩＬを用いて、空燃比のパータベーション操作における空燃比の振れ幅を定めることができるためである。空燃比のパータベーション操作を実行する方法には様々なタイプのものが公知であり（例えば特開平９−２２０１０号公報参照）、本実施形態における空燃比のパータベーション操作を実行する方法に限定されるものでない。

さて、三元触媒３が活性状態となった後には、この活性状態となっている三元触媒３による転化率を高めるため空燃比のパータベーション操作を続けて行うのであるが、三元触媒３が活性状態となった後の空燃比のパータベーション操作中に、アクセルペダルを踏み込んで加速を行うなど排気のガスボリューム（エンジン負荷相当量）が大きくなると、三元触媒３による排気浄化効率が低下することが知られている。これを図２（Ｂ）を参照して説明すると、図２（Ｂ）は横軸に理論空燃比を中心とする空燃比を、縦軸に三元触媒によるＣＯ、ＮＯｘの各転化率を採っている。いま仮に破線で示す水平な位置に三元触媒によるＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値があるとすると、排気のガスボリュームが小さい場合にＣＯ、ＮＯｘの各転化率が転化率要求値を下回らないように空燃比パータベーション操作を行わせるには、図示の触媒ウィンドウ幅Ａと一致するようにパータベーション操作における空燃比の振れ幅を設定してやればよい。ところが、この状態からアクセルペダルを踏み込んでの加速を行う等して排気のガスボリュームが大きくなったときには、ＣＯ、ＮＯｘの各転化率の特性が、排気のガスボリュームが小さい場合より全体的に下方に移行することから、排気のガスボリュームが大きくなった後にも排気のガスボリュームが小さかった場合と同じ転化率要求値を下回らないようにするための触媒ウィンドウ幅はＡより小さなＢでなければならない。このため、空燃比パータベーション操作におけるこうしたガスボリュームの変動による触媒ウィンドウ幅の変化を考慮することなく、空燃比パータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが小さい場合の触媒ウィンドウ幅Ａに設定しているままでは、排気のガスボリュームが大きくなった後に、パータベーション操作における空燃比の振れ幅がそのときの触媒ウィンドウ幅Ｂをはみ出してしまい、転化率要求値よりも低い転化率しか得られなくなり、三元触媒３による排気浄化性能が低下する。

そこで、排気のガスボリュームが大きくなった場合には、パータベーション操作における空燃比の振れ幅が、狭くなったＢの触媒ウィンドウ幅と一致するように空燃比パータベーション操作を行わせることが考えられるのであるが、パータベーション操作における空燃比の振れ幅が、狭い触媒ウィンドウ幅Ｂに精度良く収まるように空燃比パータベーション操作を行わせることはなかなか難しい。

そこで本発明では、リアＯ₂センサ５が活性状態となるまでの間において、排気のガスボリュームが大きくなった場合には排気のガスボリュームが小さい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大し（パータベーションを大きくし）、これにより触媒ウィンドウ幅を排気のガスボリュームが小さかった場合より広げることで、三元触媒３による排気浄化効率の低下を防止する。

これを図２（Ａ）を参照して説明すると、図２（Ａ）は横軸に理論空燃比を中心とする空燃比を、縦軸に三元触媒３によるＣＯ、ＮＯｘの各転化率を採っており、同じ排気のボリュームにおいてパータベーション操作における空燃比の振れ幅が小さい場合（図では「パータベーションが小さい場合」と記載している）と、パータベーション操作における空燃比の振れ幅を大きくした場合（図では「パータベーションを大きくした場合」と記載している）との違いを示している。パータベーション操作における空燃比の振れ幅が小さい場合には、図２（Ａ）破線で示したように理論空燃比付近のＣＯ、ＮＯｘの各転化率のピークは高く、理論空燃比より大きくなる側に外れるにつれて急激にＮＯｘの転化率が低下してゼロとなり、また理論空燃比より小さくなる側に外れるにつれて急激にＣＯの転化率が低下してゼロとなっている。

これに対して、同じ排気のボリュームでありながら、パータベーション操作における空燃比の振れ幅を大きくした場合には、図２（Ａ）実線で示したように理論空燃比付近のＣＯ、ＮＯｘの各転化率のピークは若干低下するものの、理論空燃比より大きくなる側（図で右側）に外れた領域においてＮＯｘの転化率がゆっくりとしか低下してゆかず、また理論空燃比より小さくなる側（図で左側）に外れた領域においてＣＯの転化率がゆっくりとしか低下してゆかないので、全体としてはパータベーションが小さい場合より却ってＣＯ、ＮＯｘの各転化率が良くなっている。

そこで、図２（Ｂ）で示したように、三元触媒３に流れ込む排気のガスボリュームの増大によって触媒ウィンドウ幅ＡよりＢへと狭くなった場合に、図２（Ｂ）の特性を利用してパータベーション操作における空燃比の振れ幅を大きくする。例えば、図２（Ａ）においてパータベーション操作における空燃比の振れ幅が小さい場合にガスボリュームが大きくなったときの触媒ウィンドウ幅がＣであったとして、このときパータベーション操作における空燃比の振れ幅を、触媒ウィンドウ幅Ｄと一致するまで拡大してやることにより、理論空燃比付近の転化率のピーク高さは下がるものの、理論空燃比を外れた領域でのＣＯ、ＮＯｘの各転化率が上昇し、全体として排気浄化効率が向上するのである。

エンジンコントローラ６で実行されるこの空燃比フィードバック制御方法の内容を、以下のフローチャートにしたがって説明する。

図３は触媒ウィンドウ幅変更許可フラグを設定するためのもので、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。

ステップ１では水温センサ１０により検出される冷却水温ＴＷＮ、エンジン回転速度ＮＥ、基本噴射パルス幅ＴＰ（エンジン負荷相当量）、リアＯ₂センサ出力ＲＯ２を読み込む。ここで、エンジン回転速度ＮＥは、後述するようにクランクシャフトポジションセンサ２１からの信号とカムシャフトポジションセンサ２２からの信号とから算出される。基本噴射パルス幅ＴＰは後述する図６のステップ４２におけると同様にバックグランドジョブにより算出されている。

ステップ２では、冷却水温ＴＷＮと所定値ＴＷＮＣＯＬＤを比較する。冷却水温ＴＷＮが所定値ＴＷＮＣＯＬＤ以下であるときにはエンジンの冷間始動時であると判断し、ステップ３に進む。

ステップ３では、リアＯ₂センサ出力ＲＯ２をみる。リアＯ₂センサ５（下流側センサ）が未活性状態であるときにはステップ４に進む。ここで、リアＯ₂センサ５が未活性状態であるか否かを判定する方法は公知であり、例えばリアＯ₂センサ出力ＲＯ２と所定の判定値との比較によりリアＯ₂センサ５が未活性状態であるのかそれとも活性状態にあるのかを判定する。

ステップ４、５は三元触媒３に流入する排気のガスボリュームが大きい所定の運転領域にあるか否かをみる部分である。ここで、所定の運転領域とは、アイドル状態を除いた運転領域である。従って、例えばアクセルペダルを少し踏んでいる低負荷状態やアクセルペダルを踏み込んでの加速時あるいはアイドル時の回転速度を超える回転速度域が該当する。具体的にはステップ４でエンジン回転速度ＮＥと所定値ＮＥＡＣＣを、ステップ５で基本噴射パルス幅ＴＰ（エンジン負荷相当量）と所定値ＴＰＡＣＣをそれぞれ比較する。ここで、所定値ＮＥＡＣＣとしてはアイドル時の回転速度を少し超える値を設定する。また、所定値ＴＰＡＣＣとしては、無負荷状態より少し大きい負荷状態の値を設定する。エンジン回転速度ＮＥが所定値ＮＥＡＣＣ以上でありかつ基本噴射パルス幅ＴＰが所定値ＴＰＡＣＣ以上であるときには、排気のガスボリュームが大きい所定の運転領域にあると判断し、ステップ６に進んで触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＴＰＴ（始動時にゼロに初期設定）＝１として図３のフローを終了する。

ここで、ステップ４またはステップ５のいずれかの条件がＹｅｓとなったときに、触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＴＰＴ＝１としてもかまわない。

一方、ステップ４、５でエンジン回転速度ＮＥが所定値ＮＥＡＣＣ未満であるときや基本噴射パルス幅ＴＰが所定値ＴＰＡＣＣ未満であるときにはアイドル時のように排気のガスボリュームが小さい運転領域にあると判断しステップ７に進んで触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＴＰＴ＝０として図３のフローを終了する。

このようにして設定される触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＴＰＴにより、ＦＣＴＰＴ＝０であるとき、つまりリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが小さい場合には触媒ウィンドウ幅の変更が許可されないが、ＦＣＴＰＴ＝１つまりリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが大きくなったときには、触媒ウィンドウ幅の変更が許可される。

このようにして設定した触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＴＰＴの値はエンジンコントローラ６内のメモリに記憶しておく。

また、ステップ２、３で冷却水温ＴＷＮが所定値ＴＷＮＣＯＬＤを超えているときやリアＯ₂センサ５が活性状態となっているときにはそのまま図３のフローを終了する。

ここで、リアＯ₂センサ５は三元触媒３の下流側に設けられているので、三元触媒３が活性化した後に少し遅れてリアＯ₂センサ５が活性状態となる。本実施形態では三元触媒３が活性状態となった後もリアＯ₂センサ５が未活性状態であればパータベーション操作を継続して実行する。これは、リアＯ₂センサ５が活性状態となった後にはフロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御に移行するのであるが、三元触媒３が活性状態となったタイミングでパータベーション操作をやめてしまうと、三元触媒３が活性状態となったタイミングよりリアＯ₂センサ５が活性状態となるまでの期間で三元触媒３による排気浄化効率が低下するので、これを避けるためである。

図４は空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰの算出に用いる比例分ＰＲ、ＰＬ、積分分ＩＲ、ＩＬを設定するためのもので、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。

図４において、ステップ１１では触媒温度センサ１１により検出される触媒温度ＴＣＡＴに基づいて三元触媒３が活性状態にあるか否かをみる。例えば、三元触媒３の活性状態を判断する基準として三元触媒の転換効率が５０％になる温度「Ｔ５０」があるので、触媒温度ＴＣＡＴがこの温度Ｔ５０未満であれば、三元触媒３が未活性状態にあると判断し、ステップ１２、１３に進んで比例分基本値ＰＲ０、ＰＬ０にそれぞれ比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ０を加算した値を比例分ＰＲ、ＰＬとして設定するとともに、積分分基本値ＩＲ０、ＩＬ０にそれぞれ積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ０を加算した値を積分分ＩＲ、ＩＬとして設定して図４のフローを終了する。

三元触媒３が未活性状態にあるときの制御は従来と同じである。つまり、ステップ１２、１３で設定している比例分ＰＲ、ＰＬと積分分ＩＲ、ＩＬとを用いた空燃比のパータベーション操作の実行により三元触媒３の早期活性化が促進されるように、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ０と積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ０とを正の一定値で適合する。ここで、比例分基本値ＰＲ０、ＰＬ０と積分分基本値ＩＲ０、ＩＬ０とは、フロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御に用いられる比例分と積分分（いずれも正の一定値）である。

ステップ１１で触媒温度ＴＣＡＴが温度Ｔ５０以上になると三元触媒３は活性状態にあると判断し、ステップ１４に進んでリアＯ₂センサ５が活性状態にあるか否かをみる。リアＯ₂センサ５が未活性状態にあるときにはステップ１５に進んで図３により設定されている触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＡＴＴＰをみる。ステップ１５で触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＡＴＴＰ＝０である場合（つまり触媒３が活性状態かつリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが小さい場合）にはステップ１８、１９に進み、比例分基本値ＰＲ０、ＰＬ０にそれぞれ比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ１を加算した値を比例分ＰＲ、ＰＬとして設定するとともに、積分分基本値ＩＲ０、ＩＬ０にそれぞれ積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ１を加算した値を積分分ＩＲ、ＩＬとして設定して図４のフローを終了する。

ここで、ステップ１８、１９で設定している比例分ＰＲ、ＰＬと積分分ＩＲ、ＩＬとを用いた空燃比のパータベーション操作を行ったとき、触媒ウィンドウ幅は図２（Ｂ）に示したＡになる。つまり、触媒３が活性状態かつリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが小さい場合に触媒ウィンドウ幅が図２（Ｂ）に示したＡとなるように、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ１と積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ１とを正の一定値で適合する。

これに対して、触媒ウィンドウ幅変更許可フラグＦＣＡＴＴＰ＝１である場合（つまり触媒３が活性状態かつリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが大きい場合）にはステップ１６、１７に進み、比例分基本値ＰＲ０、ＰＬ０にそれぞれ比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ２を加算した値を比例分ＰＲ、ＰＬとして設定するとともに、積分分基本値ＩＲ０、ＩＬ０にそれぞれ積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ２を加算した値を積分分ＩＲ、ＩＬとして設定して図４のフローを終了する。

ここで、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ２として、ステップ１８で設定している比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ１よりも大きい値を、かつ積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ２として、ステップ１９で設定している積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ１よりも大きい値をそれぞれ設定する。

空燃比のパータベーション操作において、比例分ＰＲ、ＰＬや積分分ＩＲ、ＩＬは空燃比の振れ幅を定める値であり、空燃比の振れ幅を変えると触媒ウィンドウ幅が変更されるので、三元触媒３が活性状態かつリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが大きい場合の比例分、積分分の各補正量（ＰＡＬＰＰＴ２、ＩＡＬＰＰＴ２）を、触媒３が活性状態かつリアＯ₂センサ５が未活性状態において排気のガスボリュームが小さい場合の比例分、積分分の各補正量（ＰＡＬＰＰＴ１、ＩＡＬＰＰＴ１）より大きくすることにより空燃比の振れ幅を大きくする（パータベーションを大きくする）。

前述したように、図２（Ａ）においてパータベーション操作における空燃比の振れ幅が小さい場合にガスボリュームが大きくなったときの触媒ウィンドウ幅がＣであったとして、このときパータベーション操作における空燃比の振れ幅を、触媒ウィンドウ幅Ｄと一致するまで拡大するように、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ２と積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ２とを正の一定値で適合することにより、理論空燃比付近の転化率のピーク高さは下がるものの、理論空燃比を外れた領域でのＣＯ、ＮＯｘの各転化率が上昇し、全体として排気浄化効率が向上する。実際に比例分、積分分の各補正量（ＰＡＬＰＰＴ２、ＩＡＬＰＰＴ２）をどのくらいの値にするのかは実験により適合する。

なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示したＣＯ、ＮＯｘの各転化率の特性は、主に三元触媒３の触媒容量に依存するので、２つの比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ１、ＰＡＬＰＰＴ２、２つの積分分補正量ＩＡＬＰＰＴ１、ＩＡＬＰＰＴ２は、三元触媒３の触媒容量に応じて設定しなければならない。

本実施形態では、パータベーション操作における空燃比の振れ幅を、比例分ＰＲ、ＰＬと積分分ＩＲ、ＩＬの両方を大きくすることにより拡大しているが、比例分ＰＲ、ＰＬと積分分ＩＲ、ＩＬのいずれか一方のみを大きくすることによりパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大するようにしてもかまわない。

一方、ステップ１４でリアＯ₂センサ５が活性状態になっている場合にはフロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御に移行させるため、ステップ２０〜２２に進む。

リアＯ₂センサ５が活性状態になっている場合に行うこのフロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御としては、特開平９−２２２０１０号公報に記載されている公知の技術を流用する。

この公知の技術を簡単に説明すると、ステップ２０、２１では図７、図８に示したようにして比例分ＰＲ、ＰＬをそれぞれ演算する。ここで、図７のフローはフロントＯ₂センサ４（上流側センサ）からのフロントＯ₂センサ出力がリッチ側へと反転するタイミング毎に、また、図８のフローはフロントＯ₂センサ出力がリーン側へと反転するタイミング毎に実行する。

まず図７（図４のステップ２０のサブルーチン）においてステップ５１では比例分基本値ＰＲ０を読み込む。

ステップ５２ではリアＯ₂センサ出力ＲＯ２を読み込み、これをステップ５３においてスライスレベルＳＬＲと比較する。ＲＯ２＞ＳＬＲのときには三元触媒３下流側の排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあると判断してステップ５４に進み、次の式により比例分の修正値（始動時のゼロに初期設定）ＰＨＯＳを所定値ＤＰＨＯＳ（正の一定値）の分だけ減量する。

ＰＨＯＳ←ＰＨＯＳ−ＤＰＨＯＳ…（１）
ステップ５６では比例分基本値ＰＲ０からこの比例分修正値ＰＨＯＳを差し引いた値を比例分ＰＲとおくことにより、空燃比をリーン側へと戻す。

一方、ＲＯ２≦ＳＬＲのときには三元触媒３下流側の排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側にあると判断してステップ５５に進み、次の式により比例分修正値ＰＨＯＳを所定値ＤＰＨＯＳの分だけ増量したあとステップ５６の操作を実行することで空燃比をリッチ側へと戻す。

ＰＨＯＳ←ＰＨＯＳ＋ＤＰＨＯＳ…（２）
このようにして、比例分ＰＲをリアＯ₂センサ出力ＲＯ２に基づいて修正する。

同様にしてもう一つの比例分ＰＬについても、図８（図４のステップ２１のサブルーチン）に示したようにして比例分ＰＬをリアＯ₂センサ出力ＲＯ２に基づいて修正する（ステップ６１〜６６）。

図４に戻りステップ２２では、積分分基本値ＩＲ０、ＩＬ０をそのまま積分分ＩＲ、ＩＬとして設定して図４のフローを終了する。

このようにして図４において設定した２つの比例分ＰＲ、ＰＬと２つの積分分ＩＲ、ＩＬとはエンジンコントローラ６内のメモリに記憶しておく。

図５は空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰを算出するためのもので、Ｒｅｆ信号の入力毎に実行する。Ｒｅｆ信号は、クランクシャフトポジションセンサ２１からの信号とカムシャフトポジションセンサ２２からの信号とから算出されるクランク角の基準位置（例えば１１０°ＢＴＤＣ）の信号である。

ステップ３１では空燃比フィードバック制御条件を満たしているかどうかをみる。例えば、フロントＯ₂センサ４が未活性状態にあれば空燃比フィードバック制御条件を満たさないので、ステップ３２に進んで空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰを１．０に固定（クランプ）する。

フロントＯ₂センサ４が活性状態にあればステップ３１よりステップ３３に進んでフロントＯ₂センサ出力ＦＯ２を読み込み、これをステップ３４においてスライスレベルＳＬＦと比較する。ＦＯ２＞ＳＬＦのときは三元触媒３上流側の排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあると判断してステップ３５に進み、前回は三元触媒３上流側の排気の空燃比がリッチ側であったかどうかをみる。この結果、前回リーン側で今回リッチ側のときにはステップ３７に進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰから図４で設定している比例分ＰＲだけ減量した値を改めて空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰとして更新する。

ステップ３４、３５で前回、今回ともリッチ側であるときにはステップ３８に進んで空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰから図４で設定している積分分ＩＲだけ減量した値を改めて空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰとして更新する。

一方、ステップ３４でＦＯ２≦ＳＬＦのときにはステップ３６に進み、前回は三元触媒３上流側の排気の空燃比がリッチ側であったかどうかをみる。前回リッチ側で今回リーン側のときは、ステップ３９に進んで空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰを図４で設定している比例分ＰＬだけ増量した値を改めて空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰとして更新する。

ステップ３４、３６で前回、今回ともリーン側であるときにはステップ４０に進んで空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰを図４で設定している積分分ＩＬだけ増量した値を改めて空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰとして更新する。

このようにして図５において算出した空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰはエンジンコントローラ６内のメモリに記憶しておく。

空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰは１．０を中心にして周期的に振れ、この周期的な振れによってリアＯ₂センサ５が活性状態となる前にはパータベーション操作が実行され、これに対してリアＯ₂センサ５が活性状態となった後にはフロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御が実行される。２つのＯ₂センサ出力に基づく空燃比フィードバック制御は、フロントＯ₂センサ４（上流側センサ）が高温の排気に晒されるのに対して、リアＯ₂センサ５にはそうしたことがないためそのぶん空燃比の検出精度が良く、そこでリアＯ₂センサ出力を用いて空燃比の制御精度を高めようとするものである。フロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行する方法には様々なタイプのものが公知であり、本実施形態におけるフロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力とに基づく空燃比フィードバック制御を実行する方法に限定されるものでない。

図６は、各気筒の燃料噴射弁に与える燃料噴射パルス幅Ｔｉを算出するためのもので、Ｒｅｆ信号の入力毎に実行する。

ステップ４１では、エアフローメータ９により検出される吸入空気量Ｑａと、エンジン回転速度ＮＥとを読み込む。エンジン回転速度ＮＥは、クランクシャフトポジションセンサ２１からの信号とカムシャフトポジションセンサ２２からの信号とから算出される。

ステップ４２ではこれらＱａとＮＥから次式によりほぼ理論空燃比の混合気が得られる基本噴射パルス幅ＴＰを演算する。

ＴＰ＝（Ｑａ／ＮＥ）×Ｋ…（３）
ただし、Ｋ：定数、
ステップ４３では基本噴射パルス幅ＴＰを図５により算出している空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰにより補正した式、つまり次式によりシーケンシャル噴射方式（エンジン２回転ごとに１回、各気筒とも吸気弁の開く直前当たりを噴射タイミングとする方式）での燃料噴射パルス幅Ｔｉを算出し、これをステップ４４において出力レジスタに転送する。

Ｔｉ＝Ｔｐ×ＡＬＰ×２＋Ｔｓ…（４）
ただし、Ｔｓ：バッテリー電圧に応じた無効パルス幅、
ここで、本実施形態の作用を説明する。

ＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅は、三元触媒３に流入する排気のガスボリュームにより相違し、図２（Ｂ）に示されるように、ガスボリュームが小さい場合にＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅がＡとなるのに対して、ガスボリュームが大きい場合にＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅はＡよりＢへと変化する。このように、ガスボリュームの変動によりＣＯ、ＮＯｘの転化率要求値を得るための触媒ウィンドウ幅が変化するのに、パータベーション操作における空燃比の振れ幅を一律に設定しているのでは、例えばパータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが小さい場合の触媒ウィンドウ幅Ａに適合しているとき、ガスボリュームが大きくなる側へと変動した場合に三元触媒３による排気浄化性能が低下し、この逆にパータベーション操作における空燃比の振れ幅をガスボリュームが大きい場合の触媒ウィンドウ幅Ｂに適合しているとき、ガスボリュームが小さくなる側へと変動した場合に三元触媒３による排気浄化性能が低下するのであるが、本実施形態（請求項１、２に記載の発明）によれば、三元触媒３に流れ込む排気のガスボリュームが変動する場合に、このガスボリュームの増大（変動）に対応してパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大（変更）する手順を含んでいるので（図４のステップ１５〜１９参照）、そのときの排気のガスボリュームに対応した触媒ウィンドウ幅に常にパータベーション操作における空燃比の振れ幅を合わせることができ、これにより、空燃比のパータベーション操作中に排気のガスボリュームが小さい側から大きい側へと変動したり、その後に再び大きい側より小さい側へと変動した場合においても、三元触媒３による排気浄化性能を確保することができる。

三元触媒３が活性状態になるタイミングよりも、リアＯ₂センサ５が活性状態になるタイミングが遅れることがあり、この場合に、三元触媒３が活性状態になったタイミングで空燃比のパータベーション操作をやめるとすれば、三元触媒３が活性状態になったタイミングよりリアＯ₂センサ５が活性状態になるタイミングまでの期間は、空燃比のパータベーション操作も、フロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御も共に行われないことになり、この期間において三元触媒３による排気浄化性能を高めることができないのであるが、本実施形態（請求項３に記載の発明）では排気のガスボリュームが増大する場合にパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大する手順が、このリアＯ₂センサ５が活性状態となるまでである（図３のステップ３、図４のステップ１４参照）。つまり、本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、リアＯ₂センサ５が活性状態となるまで空燃比のパータベーション操作を続けて実行するので（図４のステップ１４〜１９参照）、このとき活性状態にある三元触媒３が効率的に働いてＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる。

図９は第２実施形態で、第１実施形態の図４と置き換わるものである。図４と同一部分には同一のステップ番号をつけている。

三元触媒３が活性状態にありかつリアＯ₂センサ５が未活性状態の場合において、第１実施形態では比例分補正量、積分分補正量を２値的に切換える（排気のガスボリュームが小さい側から大きい場合へと変化したときには比例分補正量はＰＡＬＰＰＴ１よりＰＡＬＰＰＴ２へと、また積分分補正量はＩＡＬＰＰＴ１よりＩＡＬＰＰＴ２へと切換わる）ものであったのに対して、第２実施形態は比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ、積分分補正量ＩＡＬＰＰＴを連続値で算出するようにしたものである。

第１実施形態と相違する部分を主に説明すると、図９において三元触媒３が活性状態かつリアＯ₂センサ５が未活性状態のときにステップ１１、１４よりステップ７１、７２に進み、基本噴射パルス幅ＴＰ（エンジン負荷相当量）から図１０、図１１を内容とするテーブルを検索することにより比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ、積分分補正量ＩＡＬＰＰＴをそれぞれ算出し、ステップ７３、７４で比例分基本値ＰＲ０、ＰＬ０にこの比例分補正量ＰＡＬＰＰＴを加算した値を比例分ＰＲ、ＰＬとして、また積分分基本値ＩＲ０、ＩＬ０にこの積分分補正量ＩＡＬＰＰＴを加算した値を積分分ＩＲ、ＩＰＬとして算出する。

ここで、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ、積分分補正量ＩＡＬＰＰＴは、図１０、図１１に示したように基本噴射パルス幅ＴＰがアイドル時の基本噴射パルス幅ＴＰ０のときに最小のゼロとなり、基本噴射パルス幅ＴＰがこのイドル時基本噴射パルス幅ＴＰ０を外れて大きくなるほど大きくなる値である。

第２実施形態では、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ、積分分補正量ＩＡＬＰＰＴを基本噴射パルス幅ＴＰのみをパラメータとして求めているが、これに限られるものでなく、エンジン回転速度ＮＥをもパラメータとして、比例分補正量マップ、積分分補正量マップを予め作成しておき、基本噴射パルス幅ＴＰとエンジン回転速度ＮＥとから当該２つのマップを検索することにより、比例分補正量ＰＡＬＰＰＴ、積分分補正量ＩＡＬＰＰＴを求めさせるように構成することもできる。

第２実施形態でも、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

実施形態では、リアＯ₂センサが活性状態となったあとにフロントＯ₂センサ出力及びリアＯ₂センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御を行う場合で説明したが、リアＯ₂センサが活性状態となったあとに三元触媒３の酸素ストレージ量を所定値に保つ制御を行う手順を有する空燃比制御方法に適用することができる。ただし、三元触媒３の酸素ストレージ量を所定値に保つ制御を行う手順を有する空燃比制御方法では、三元触媒３の上流側に設けられるセンサは、Ｏ₂センサではなくいわゆる広域空燃比センサでなければならない。

実施形態では排気通路に１つの三元触媒を有する場合で説明したが、排気通路の上流側より直列に２つの三元触媒を有する場合にも本発明を適用できる。ただし、この場合には上流側の三元触媒に対して本発明を適用する。

実施形態では、排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大する手順を含む場合で説明したが、排気のガスボリュームが減少した場合に排気のガスボリュームが大きい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を縮小する手順を含むようにすることもできる。

実施形態では、空燃比制御方法を説明したが、この空燃比制御方法の実施に直接使用するエンジンの空燃比制御装置としては、排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大するか、または排気のガスボリュームが減少した場合に排気のガスボリュームが大きい場合よりもパータベーション操作における空燃比の振れ幅を縮小する空燃比振れ幅変更手段を備える空燃比制御装置が考えられる（請求項４に記載の発明）。

この空燃比制御装置では、排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりも空燃比の振れ幅を拡大する（請求項５に記載の発明）。排気のガスボリュームが増大した場合に空燃比の振れ幅を拡大するのは、このリアＯ₂センサが活性状態となるまでである（請求項６に記載の発明）。

請求項１のガスボリュームの変動に対応してパータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する手順は、図４のステップ１５〜１９により果たされている。

本発明の空燃比制御方法の実施に直接適用するエンジンの空燃比制御装置の概略構成図。 同じガスボリュームである場合において空燃比のパータベーションの大きさの違いによる触媒ウィンドウ幅の変化を表す特性図。 排気のガスボリュームの違いによる触媒ウィンドウ幅の変化を表す特性図。 触媒ウィンドウ幅変更許可フラグの設定を説明するためのフローチャート。 比例分と積分分の算出を説明するためのフローチャート。 空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。 燃料噴射パルス幅の算出を説明するためのフローチャート。 リアＯ₂センサが活性状態となった後の比例分の演算を説明するためのフローチャート。 リアＯ₂センサが活性状態となった後の比例分の演算を説明するためのフローチャート。 第２実施形態の比例分と積分分の算出を説明するためのフローチャート。 比例分補正量の特性図。 積分分補正量の特性図。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 三元触媒
４ フロントＯ₂センサ（上流側センサ）
５ リアＯ₂センサ（下流側センサ）

Claims (6)

1. 排気通路に設けた三元触媒を備え、
   冷間始動時に排気の空燃比を所定の振れ幅で周期的に振らせるパータベーション操作を行うようにしたエンジンの空燃比制御方法において、
   前記三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応して前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する手順を含むことを特徴とするエンジンの空燃比制御方法。
2. 前記排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりも前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大する手順を含むことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの空燃比制御方法。
3. 前記三元触媒の下流側で排気中の酸素濃度に応じた出力をする下流側センサを備え、
   排気のガスボリュームが増大した場合に前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大する手順は、この下流側センサが活性状態となるまでであることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの空燃比制御方法。
4. 排気通路に設けた三元触媒と、
   冷間始動時に排気の空燃比を所定の振れ幅で周期的に振らせるパータベーション操作を行う空燃比パータベーション操作手段と
   を備えるエンジンの空燃比制御装置において、
   前記三元触媒に流れ込む排気のガスボリュームが変動した場合に、このガスボリュームの変動に対応して前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を変更する空燃比振れ幅変更手段
   を備えることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
5. 前記排気のガスボリュームが増大した場合に排気のガスボリュームが小さい場合よりも前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの空燃比制御装置。
6. 前記三元触媒の下流側で排気中の酸素濃度に応じた出力をする下流側センサを備え、
   前記排気のガスボリュームが増大した場合に前記パータベーション操作における空燃比の振れ幅を拡大するのは、この下流側センサが活性状態となるまでであることを特徴とする請求項５に記載のエンジンの空燃比制御装置。

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