JP2009203910A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする制御を行う内燃機関の空燃比制御装置において、吸入空気量が極めて小さく且つ排気浄化触媒の下流側に配設されたＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際に急加速運転が行われても、排気中のＮＯｘの十分な還元浄化を可能にすること。
【解決手段】本内燃機関の空燃比制御装置は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にするように、排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比を少なくともＰＩ制御する目標空燃比フィードバック制御を実行する内燃機関の空燃比制御装置において、吸入空気量が所定量よりも小さく且つ排気浄化触媒の下流側に配設されたＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合、排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に排気浄化触媒を有する内燃機関の空燃比制御装置において、特に、空燃比センサの出力値を用いて燃料供給量を制御し、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を所望の空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。

従来より、自動車用内燃機関においては、排気ガス浄化対策として、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）の酸化と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯｘ（窒素酸化物）の還元とを同時に促進する三元触媒が利用されている。このような三元触媒による酸化・還元能力を高めるためには、内燃機関の燃焼状態を示す空燃比を理論空燃比近傍に制御する必要がある。そのため、内燃機関における燃料噴射制御においては、排気中の残留酸素濃度に基づき排気空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するＯ₂センサ（酸素濃度センサ）を設け、そのセンサ出力に基づいて燃料供給量を補正する空燃比フィードバック制御が行われている。

かかる空燃比フィードバック制御では、酸素濃度を検出するＯ₂センサをできるだけ燃焼室に近い箇所であって三元触媒より上流側に設けているが、そのＯ₂センサの出力特性のばらつきを補償するために、三元触媒より下流側に第２のＯ₂センサを更に設けたダブルＯ₂センサシステムも実現されている。すなわち、三元触媒下流側では、排気ガスは十分に撹拌されており、その酸素濃度も三元触媒の作用によりほぼ平衡状態にあることにより、下流側Ｏ₂センサの出力は、上流側Ｏ₂センサの出力よりも緩やかに変化し、混合気全体のリッチ／リーン傾向を示す。ダブルＯ₂センサシステムは、触媒上流側Ｏ₂センサによるメイン空燃比フィードバック制御に加え、触媒下流側Ｏ₂センサによるサブ空燃比フィードバック制御を実施するものであり、例えば、メイン空燃比フィードバック制御による関与する定数を、下流側Ｏ₂センサの出力に基づいて修正することにより、上流側Ｏ₂センサの出力特性のばらつきを吸収し、空燃比制御精度の向上を図っている。

また、近年においては、酸素ストレージ能を有する三元触媒を使用し、該三元触媒が常に一定の安定した浄化性能を発揮しうるように、該三元触媒に流入する排気の空燃比を制御する内燃機関も開発されている。三元触媒の酸素ストレージ能は、排気空燃比がリーン状態にあるときには過剰分の酸素を吸蔵し、排気空燃比がリッチ状態にあるときには不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化するものであるが、このような能力は有限なものである。従って、酸素ストレージ能力を効果的に利用するためには、排気空燃比が次にリッチ状態またはリーン状態のいずれとなってもよいように、三元触媒中に貯蔵されている酸素量を所定量、例えば、最大酸素貯蔵量の半分に維持することが肝要であり、そのように維持されていれば、常に一定の酸素吸蔵・放出作用が可能となり、結果として三元触媒による一定の酸化・還元能力が常に得られる。

三元触媒の浄化性能を維持すべく酸素貯蔵量を一定に制御する内燃機関において、例えば、三元触媒の上流側と下流側との両方に空燃比センサが配置され、上流側に、空燃比をリニアに検出可能なリニア空燃比センサが配置され、下流側に、排気空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかに応じて異なる出力電圧を出力するＯ₂センサが配置される空燃比制御装置が知られている。該空燃比制御装置においては、三元触媒の上流側に配置されたリニア空燃比センサにおいて三元触媒に流入する排気空燃比を検出し、三元触媒の下流側に配置されたＯ₂センサにおいて三元触媒雰囲気の空燃比状態を検出し、三元触媒の酸素吸蔵量を一定に制御すべく、Ｏ₂センサの検出情報に基づいて三元触媒に流入する排気の目標空燃比が制御され、三元触媒に流入する排気の空燃比を該目標空燃比に制御すべく、リニア空燃比センサの出力情報を基づいて燃料噴射量がフィードバック制御される。

特開平１１−８２１１４号公報 特開２００７−１０７５１２号公報

上記のように、三元触媒の酸素吸蔵量を一定に制御すべく、Ｏ₂センサの検出情報に基づいて三元触媒に流入する排気の目標空燃比がフィードバック制御され、三元触媒に流入する排気の空燃比を該目標空燃比に制御すべく、リニア空燃比センサの出力情報を基づいて燃料噴射量がフィードバック制御される空燃比制御装置においては、加速運転状態などの吸入空気量が大きい状態（以下、高Ｇａ状態とも称す）では、三元触媒の酸素吸蔵量に対する大きな補正量がかかり、三元触媒雰囲気が、三元触媒がＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分の全てを８０％以上除去する理論空燃比近傍の空燃比幅（以下、浄化ウィンドウと称する）から大きく外れてしまい易いという課題がある。

三元触媒の酸素吸蔵量を一定に制御すべく、Ｏ₂センサの検出情報に基づいて三元触媒に流入する排気の目標空燃比がフィードバック制御され、三元触媒に流入する排気の空燃比を該目標空燃比に制御すべく、リニア空燃比センサの出力情報を基づいて燃料噴射量がフィードバック制御される空燃比制御装置においては、三元触媒に流入する排気の目標空燃比が同一の目標空燃比値とされた場合でも、吸入空気量が異なれば、三元触媒に吸蔵あるいは放出される酸素の度合いは異なる。例えば、三元触媒に流入する排気の目標空燃比が理論空燃比よりリーン側に制御された場合においては、吸入空気量が大きいほど、単位時間あたりに三元触媒に吸蔵される酸素量は大きくなり、三元触媒が貯蔵することが可能な酸素量すなわち最大酸素貯蔵量に、より早く達してしまうことになる。従って、三元触媒に流入する排気の目標空燃比が同一の目標空燃比値とされた場合であっても、吸入空気量が大きいほど、三元触媒に対する単位時間当たりの酸素吸蔵量が大きく、すなわち、三元触媒の酸素吸蔵量に対する大きな補正量がかかり、三元触媒雰囲気が浄化ウィンドウから大きく外れてしまい易いという現象が生じうる。

このような課題を解決する手段として、吸入空気量が変化しても、酸素ストレージ能を有する三元触媒等の排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間あたりの補正量を一定にすることにより、すなわち、排気浄化触媒への単位時間当たりの酸素吸蔵量あるいは排気浄化触媒からの単位時間当たりの酸素放出量を一定にすることにより、該排気浄化触媒雰囲気が浄化ウィンドウから大きく外れることを防止し、エミッションの向上を図ることが考えられる。

例えば、排気浄化触媒の下流側に配設されたＯ₂センサからの検出情報と吸入空気量とに基づいて排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比に対するフィードバック制御を行う場合において、該フィードバック制御をＰＩ制御により行い、該ＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項に、吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される第一の補正係数を乗算し、積分（Ｉ）補正項に、吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される第二の補正係数を乗算することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする制御を行うことが考えられる。

しかしながら、このような制御が、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際においても実行される場合には、排気浄化触媒で十分にＮＯｘを還元浄化することができない場合がある。上記のような制御においては、吸入空気量が極めて小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際には、ＰＩ制御の比例補正項に乗算される第一の補正係数は吸入空気量が大きい場合と比較して大きく設定され且つ排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比をリーンにするように制御されるが、この際に吸入空気量が急激に増大するような例えば急加速運転が行われると、排気浄化触媒雰囲気の空燃比が一気にリーン化してしまい、そのために、排気中のＮＯｘを排気浄化触媒により十分に還元浄化することができない場合がある。

本願発明は上記課題に鑑み、排気浄化触媒の下流側に配設されたＯ₂センサからの検出情報と吸入空気量とに基づいて排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比に対するフィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置であって、該フィードバック制御を少なくともＰＩ制御により行い、該ＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項に、吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される第一の補正係数を乗算し、積分（Ｉ）補正項に、吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される第二の補正係数を乗算することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする制御を行う内燃機関の空燃比制御装置において、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際において、吸入空気量が急激に増大するような例えば急加速運転が行われても、排気浄化触媒による排気中のＮＯｘの十分な還元浄化が可能な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。

請求項１の発明によれば、内燃機関の排気通路に配設され、流入する排気中の酸素濃度が過剰であるときには排気中の酸素を吸蔵し且つ排気中の酸素濃度が不足しているときには吸蔵している酸素を放出する酸素ストレージ能を有する排気浄化触媒と、前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記排気浄化触媒の上流側に配設され、排気の空燃比にほぼ比例する出力特性を有するリニア空燃比センサと、前記排気浄化触媒の下流側に配設され、排気の空燃比がリッチかリーンかを検出するＯ₂センサと、前記吸入空気量検出手段と前記Ｏ₂センサとからの検出情報に基づいて前記排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比をフィードバック制御する目標空燃比制御手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を前記目標空燃比に制御すべく、前記リニア空燃比センサの出力情報に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する燃料噴射量制御手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置であって、前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が変化しても前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にするように、前記目標空燃比を少なくともＰＩ制御する第一の目標空燃比フィードバック制御を実行し、該第一の目標空燃比フィードバック制御のＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の第一の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の第二の補正係数が乗算される、内燃機関の空燃比制御装置において、前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合、前記排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように前記目標空燃を制御する、ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、吸入空気量が所定量よりも小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合には目標空燃比制御手段により排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように目標空燃を制御することにより、すなわち、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチであるような機関運転状態においては、通常の機関運転状態において実行される第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比を制御することにより、例えば急加速運転などによる急激な吸入空気量の増加があった場合においても、排気浄化触媒雰囲気の空燃比が一気にリーン化してしまうことを防止することができ、排気浄化触媒による排気中のＮＯｘの十分な還元浄化が可能となる。

請求項２の発明によれば、前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合、前記第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して前記目標空燃比を少なくともＰＩ制御する第二の目標空燃比フィードバック制御を実行し、該第二の目標空燃比フィードバック制御のＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算されるとともに前記吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくする所定の第三の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の前記第二の補正係数が乗算される、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が提供される。

請求項３の発明によれば、前記内燃機関の空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の最大酸素量吸蔵量を検出する酸素ストレージ能検出手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を検出する酸素吸蔵量検出手段とを具備し、前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合において前記第一の目標空燃比フィード制御を中止して前記第二の目標空燃比フィードバック制御を実行する時期を、前記最大酸素吸蔵量に対する前記酸素吸蔵量の割合に基づいて決定する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

請求項４の発明によれば、前記目標空燃比制御手段は、前記Ｏ₂センサの出力の偏差を積分することにより算出される積分値を学習する積分値学習手段を有し、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合であって前記積分値学習手段による学習が完了している場合、前記目標空燃比制御手段は、前記第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して前記目標空燃比を理論空燃比に設定するストイキ制御を実行する、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が提供される。

請求項５の発明によれば、前記内燃機関の空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の最大酸素量吸蔵量を検出する酸素ストレージ能検出手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を検出する酸素吸蔵量検出手段とを具備し、前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合において前記第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して前記ストイキ制御を実行する時期を、前記最大酸素吸蔵量に対する前記酸素吸蔵量の割合に基づいて決定する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

請求項６の発明によれば、前記第一の目標空燃比フィードバック制御は、前記目標空燃比をＰＩＤ制御する目標空燃比フィードバック制御を実行し、該ＰＩＤ制御における比例（Ｐ）補正項および微分（Ｄ）補正項には、前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には、前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の前記第二の補正係数が乗算される、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

請求項７の発明によれば、前記第二の目標空燃比フィードバック制御は、前記目標空燃比をＰＩＤ制御する目標空燃比フィードバック制御を実行し、該ＰＩＤ制御における比例（Ｐ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算されるとともに前記吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくする所定の前記第三の補正係数が乗算され、微分（Ｄ）補正項には、前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の前記第二の補正係数が乗算される、ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

請求項８の発明によれば、前記内燃機関の空燃比制御装置は、更に、前記内燃機関の各気筒内に充填された新気の量を表す負荷率を検出する負荷率検出手段を有し、前記第一の目標空燃比フィードバック制御及び前記第二の目標空燃比フィードバック制御における積分（Ｉ）補正項には、前記第二の補正係数の代わりに前記負荷率が大きくなるほど大きく設定される所定の第四の補正係数が乗算される、請求項２、請求項３及び請求項７のいずれか一つの請求項に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
内燃機関の各機筒内に充填された新気の量を表す負荷率（ＫＬ）とは、内燃機関の負荷を表す一つのパラメータであり、例えば次式により定義される。
ＫＬ（％）＝Ｍｃａｉｒ／（（ＤＳＰ／ＮＣＹＬ）×ρａｓｔｄ）×１００
ここで、Ｍｃａｉｒは吸気弁が開弁し次いで閉弁したときに各気筒の筒内に充填されている新気の量である筒内充填新気量（ｇ）を、ＤＳＰは機関の排気量（リットル）を、ＮＣＹＬは気筒数を、ρａｓｔｄは標準状態（１気圧、２５℃）における空気密度（約１．２ｇ／リットル）をそれぞれ示している。

各請求項の記載によれば、排気浄化触媒の下流側に配設されたＯ₂センサからの検出情報と吸入空気量とに基づいて排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比に対するフィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置であって、該フィードバック制御を少なくともＰＩ制御により行い、該ＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項に、吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される第一の補正係数を乗算し、積分（Ｉ）補正項に、吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される第二の補正係数を乗算することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする制御を行う内燃機関の空燃比制御装置において、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際において、吸入空気量が急激に増大するような例えば急加速運転が行われても、排気浄化触媒雰囲気の空燃比が一気にリーン化してしまうことを防止することができ、排気浄化触媒による排気中のＮＯｘの十分な還元浄化が可能となる共通の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態について説明する。図１は、本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、１は内燃機関本体、２は排気管、３は三元触媒、４はリニア空燃比センサ、５は酸素センサ（以下、Ｏ₂センサと称す）、６は吸気管、７はスロットル弁、８はエアフローメータ、９は目標空燃比制御手段、１０は吸入空気量検出手段、１１は負荷率検出手段、１２は酸素ストレージ能検出手段、１３は酸素吸蔵量検出手段、１４は燃料噴射量制御手段、をそれぞれ示す。

内燃機関本体１の排気管２には三元触媒３が配置され、その上流側には上流側空燃比センサとしてリニア空燃比センサ４が配置され、また、その下流側には下流側空燃比センサとしてＯ₂センサ５がそれぞれ配置される。

三元触媒３は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する役割を果すものである。また、三元触媒３は、酸素ストレージ能を促進する助触媒として触媒担体に例えばセリアなどが添加されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素を吸蔵したり、放出したりする酸素ストレージ能を有している。尚、本実施形態においては、内燃機関本体の排気通路に配置される排気浄化触媒を三元触媒としたが、酸素ストレージ能を有する他の排気浄化触媒が三元触媒の代わりに使用されてもよい。

三元触媒３の上流側に配置されたリニア空燃比センサ４は、排気の空燃比にほぼ比例する出力特性を有するセンサであり、三元触媒３の下流側に配置されたＯ₂センサ５は、排気の空燃比が理論空燃比に対してリッチ側にあるか、あるいは、リーン側にあるかを検出する特性を有するセンサである。

内燃機関本体１の吸気管６には、スロットル弁７と、該スロットル弁７により調整された吸入空気量を測定するエアフローメータ８が配置されている。エアフローメータ８は、吸入空気量を直接計測する役割を果すものであって、ポテンシオメータなどを内蔵して吸入空気量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生するものである。

吸入空気量検出手段１０は内燃機関への吸入空気量を検出する役割を果すものであり、負荷率検出手段１１は内燃機関の負荷率を検出する役割を果すものである。具体的な一実施形態においては、吸入空気量検出手段１０および負荷率検出手段１１は、エアフローメータ８を有して構成され、エアフローメータ８からの出力情報に基づいて吸入空気量および負荷率が算出される。

ここで負荷率（ＫＬ）とは、内燃機関の各機筒内に充填された新気の量を表すものであり、機関回転数を考慮した内燃機関の負荷を表す一つのパラメータであり、例えば次式により定義される。
ＫＬ（％）＝Ｍｃａｉｒ／（（ＤＳＰ／ＮＣＹＬ）×ρａｓｔｄ）×１００・・式１
式１の中で、Ｍｃａｉｒは吸気弁が開弁し次いで閉弁したときに各気筒の筒内に充填されている新気の量である筒内充填新気量（ｇ）を、ＤＳＰは機関の排気量（リットル）を、ＮＣＹＬは気筒数を、ρａｓｔｄは標準状態（１気圧、２５℃）における空気密度（約１．２ｇ／リットル）をそれぞれ示している。このような負荷率を使用する場合には、負荷率検出手段１１には、機関回転数を検出する機関回転数検出手段が含まれて構成されることになる。

酸素ストレージ能検出手段１２は、三元触媒３が吸蔵可能な最大酸素量すなわち最大酸素吸蔵量を検出する役割を果すものである。具体的な一実施形態においては、酸素ストレージ能検出手段１２は、リニア空燃比センサ４、Ｏ₂センサ５、エアフローメータ８を有して構成される。この場合、リニア空燃比センサ４、Ｏ₂センサ５およびエアフローメータ８の検出情報に基づいて、三元触媒３の吸蔵可能な最大酸素量が演算される。例えば、三元触媒上流の排気空燃比から換算して排気中の酸素の過剰または不足する割合である酸素過剰率を算出し、該酸素過剰率とそのときの吸入空気量とから三元触媒３に吸蔵される酸素量または放出される酸素量とがわかり、これを積算していくことで三元触媒３の吸蔵可能な最大酸素量が演算される。また、酸素吸蔵量検出手段１３は、吸入空気量や排気の空燃比などに基づいて三元触媒３に吸蔵されている酸素量を検出する役割を果すものである。

目標空燃比制御手段９は、三元触媒３の酸素吸蔵量を一定に維持するのに適当な、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比をフィードバック制御する役割を果すものである。目標空燃比制御手段９は、ＰＩＤ制御における比例（Ｐ）補正項、積分（Ｉ）補正項および微分（Ｄ）補正項のそれぞれフィードバック補正量を算出するＰＩＤ制御部を備え、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比を演算する目標空燃比演算部を有して構成される。該目標空燃比演算部は、Ｏ₂センサ５、吸入空気量検出手段１０、負荷率検出手段１１、酸素ストレージ能検出手段１２、酸素吸蔵量検出手段１３のそれぞれの各検出情報を取り込むことが可能なように構成される。

また、目標空燃比演算部は、ＰＩＤ制御を実行するにあたって、吸入空気量に依存して比例補正項および微分補正項に乗算する第一の補正係数を算出するための第一のマップと、負荷率に依存して積分補正項に乗算する第二の補正係数を算出するための第二のマップとを有する。具体的には、比例補正項および微分補正項に乗算する第一の補正係数は、吸入空気量が大きくなるほど小さく設定され、積分補正項に乗算される第二の補正係数は、負荷率に比例して設定される。また、目標空燃比演算部は、さらに、吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくする第三の補正係数を算出するための第三のマップを有する。尚、第三の補正係数は、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際において使用されるものである。また、上記各マップは、例えばメモリーなどに記憶されて格納される。

燃料噴射量制御手段１４は、三元触媒３に流入する排気の空燃比を、目標空燃比制御手段９により制御された目標空燃比にすべく、リニア空燃比センサ４の情報に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する役割を果すものであり、リニア空燃比センサ４の出力情報および目標空燃比制御手段９に制御された目標空燃比情報を取り込むことが可能なように構成される。

上述した各構成要素を有する図１に示す実施形態の内燃機関の空燃比制御装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本空燃比制御装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の補正量を算出するＰＩＤ制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。

図２に示す制御ルーチンでは、まず、Ｏ₂センサ５の出力情報に基づいて目標空燃比演算部にて、Ｏ₂センサ出力偏差、該出力偏差を積算することにより算出される積分値およびＯ₂センサ出力変化量が算出される。次に、吸入空気量が変化しても、三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間あたりの補正量を一定する、すなわち、単位時間あたりに三元触媒３に吸蔵されるあるいは三元触媒３から放出される酸素量を一定に最適制御にするように、内燃機関の吸入空気量および負荷率に基づいて、ＰＩＤ制御における比例補正項、微分補正項および積分補正項に乗算する第一及び第二の補正係数を、目標空燃比演算部に格納されたそれぞれの補正係数を算出するためのマップにより算出する。

そして、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであるか否かが判定され、このような状態にないと判定されると、第一の目標空燃比フィードバック制御、すなわち、上記各算出値、および、ＰＩＤ制御において予めマップ等により設定される所定の比例ゲイン（以下、Ｐゲインと称す）、積分ゲイン（以下、Ｉゲインと称す）および微分ゲイン（以下、Ｄゲインと称す）に基づいて、比例（Ｐ）補正量、積分（Ｉ）補正量および微分（Ｄ）補正量が算出され、これらの各補正量に基づいて、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御がなされる。

その一方で、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであると判定されると、ＰＩＤ制御における比例補正項に更に乗算する第三の補正係数を目標空燃比演算部に格納された第三の補正係数を算出するためのマップにより算出し、該第三の補正係数を比例補正項に乗算し修正することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくし、排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制する第二の目標空燃比フィードバック制御が実行される。以下に各ステップの詳細について説明する。

まず、ステップ１０１からステップ１０３において、Ｏ₂センサ出力偏差、該出力偏差の積分値およびＯ２センサ出力変化量が算出される。ステップ１０１において、目標空燃比制御手段９の目標空燃比演算部にてＯ₂センサ５の出力値に基づいて、Ｏ₂センサ出力の偏差が算出される。具体的には、三元触媒雰囲気が所望の空燃比状態、例えば理論空燃比状態であることを示すＯ₂センサ５に対して予め設定された目標電圧から実際のＯ₂センサ出力値を減算することにより算出される。ステップ１０２においては、目標空燃比制御手段９の目標空燃比演算部にて、ステップ１０１にて算出されたＯ₂センサ出力の偏差の積算値すなわち積分値が算出される。具体的には、ステップ１０１にて算出されたＯ₂センサ出力の偏差を積算することにより算出される。ステップ１０３においては、目標空燃比制御手段９の目標空燃比演算部にて、Ｏ₂センサ５の出力値に基づいて、Ｏ₂センサ出力の変化量が算出される。具体的には、Ｏ₂センサ５の出力値（ｉ）から前回のＯ₂センサ５の出力値（ｉ−１）を減算することにより算出される。

次に、ステップ１０４からステップ１０５にて、内燃機関の吸入空気量および負荷率に基づいて、ＰＩＤ制御における比例補正項、微分補正項および積分補正項に乗算する補正係数が、目標空燃比演算部に格納されたそれぞれの補正係数を算出するためのマップにより算出される。図３は、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御において、吸入空気量に依存して設定され比例補正項および微分補正項に乗算される第一の補正係数（Ｋｓｆｂ１）を算出するための第一のマップの一実施形態を示す図である。図４は、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御において、負荷率に依存して設定され積分補正項に乗算される第二の補正係数（Ｋｓｆｂ２）を算出するための第二のマップの一実施形態を示す図である。

ステップ１０４においては、吸入空気量検出手段１０の検出情報に基づいて、目標空燃比演算部に格納された第一のマップ（図３）から、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御において比例補正項および微分補正項に乗算する第一の補正係数（Ｋｓｆｂ１）を算出する。図３に示されている如く、該ＰＩＤ制御における比例補正項および微分補正項に乗算される第一の補正係数は、吸入空気量（Ｇａ）が大きくなるほど小さく設定される。

三元触媒３の酸素吸蔵量を一定に制御すべく、Ｏ₂センサ５の検出情報に基づいて三元触媒３に流入する排気の目標空燃比がフィードバック制御され、三元触媒３に流入する排気の空燃比を該目標空燃比に制御すべく、リニア空燃比センサ４の出力情報を基づいて燃料噴射量がフィードバック制御される空燃比制御装置においては、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比が同一の目標空燃比値とされた場合でも、吸入空気量が異なれば、三元触媒３に吸蔵あるいは放出されるＯ₂の度合いは異なる。例えば、三元触媒に３流入する排気の目標空燃比が理論空燃比よりリーン側に制御された場合においては、吸入空気量が大きいほど、単位時間あたりに三元触媒３に吸蔵される酸素量は大きくなり、三元触媒３が貯蔵することが可能な酸素量すなわち最大酸素貯蔵量に、より早く達してしまうことになる。従って、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比が同一の目標空燃比値とされた場合であっても、吸入空気量が大きいほど、三元触媒３に対する単位時間当たりの酸素吸蔵量が大きく、すなわち、三元触媒３の酸素吸蔵量に対する大きな補正量がかかり、三元触媒雰囲気が浄化ウィンドウから大きく外れてしまい易いという現象が生じうる。

本空燃比制御装置おいては、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御において、吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される第一の補正係数を、ＰＩＤ制御における比例補正項および微分補正項に乗算することにより、吸入空気量が変化しても、三元触媒３に対する単位時間当たりの酸素の吸蔵量あるいは放出量を一定にすることができ、すなわち、三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間あたりの補正量が一定することができ、三元触媒雰囲気が浄化ウィンドウから大きく外れることを防止することができ、エミッションを向上することが可能となる。

ステップ１０５においては、負荷率検出手段１１の検出情報に基づいて、目標空燃比演算部に格納された第二のマップ（図４）から、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御において積分補正項に乗算する第二の補正係数（Ｋｓｆｂ２）を算出する。図４に示されている如く、該ＰＩＤ制御における積分補正項に乗算される第二の補正係数は、負荷率が大きくなるほど大きくなるように、負荷率に比例して設定される。該ＰＩＤ制御における積分補正項は、目標空燃比制御手段９により算出された目標空燃比に対する、三元触媒３に流入する排気の空燃比のずれを補正する役割を果すものであるため、内燃機関の負荷率に比例して補正を与えることで、該目標空燃比を精度よく一定に保つことを可能とする。

ステップ１０６においては、ステップ１０１及びステップ１０４において算出された各算出値、および、ＰＩＤ制御における所定のＰゲインに基づいて、比例（Ｐ）補正量が算出される。具体的には、ステップ１０１にて算出されたＯ₂センサ出力偏差とステップ１０４にて算出された第一の補正係数（Ｋｓｆｂ１）とＰゲインとを乗算することにより、比例補正量が算出される。

ステップ１０７においては、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであるか否かが判定される。そして、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチでないと判定されるとステップ１１０に進む第一の目標空燃比フィードバック制御が実行される。

ステップ１１０及びステップ１１１においては、ステップ１０２からステップ１０５において算出された各算出値、および、ＰＩＤ制御における所定のＩゲインおよびＤゲインに基づいて、積分（Ｉ）補正量および微分（Ｄ）補正量が算出される。具体的には、ステップ１１０においては、ステップ１０２にて算出されたＯ₂センサ出力偏差の積分値とステップ１０５にて算出された第二の補正係数（Ｋｓｆｂ２）とＩゲインとを乗算することにより、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御における積分補正量が算出される。ステップ１１１においては、ステップ１０３にて算出されたＯ₂センサ出力変化量とステップ１０４にて算出された第一の補正係数（Ｋｓｆｂ１）とＤゲインとを乗算することにより、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御における微分補正量が算出される。

続くステップ１１２においては、ステップ１０６、１１０及び１１１にて算出された、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御における比例補正量、積分補正量および微分補正量のそれぞれを加算することによりフィードバック補正量が算出され、一連の制御ルーチンを終了する。

その一方で、ステップ１０７において、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであると判定されると、ステップ１０８及び１０９に進む第二の目標空燃比フィードバック制御が実行される。

ステップ１０８においては、吸入空気量に基づいて、目標空燃比演算部に格納された第三のマップ（図５）から、ＰＩＤ制御における比例補正項に更に乗算する第三の補正係数（Ｋｓｆｂ３）を算出する。そして、ステップ１０９にて、第三の補正係数（Ｋｓｆｂ３）をステップ１０６にて算出された比例（Ｐ）補正量に乗算し比例（Ｐ）修正補正量が算出される。そして、ステップ１１０及びステップ１１１にて積分（Ｉ）補正量および微分（Ｄ）補正量が算出され、ステップ１１２にて、ステップ１０９、１１０及び１１１にて算出された、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御における比例修正補正量、積分補正量および微分補正量のそれぞれを加算することによりフィードバック補正量が算出され、一連の制御ルーチンを終了する。図５は、目標空燃比制御手段９によるＰＩＤ制御において、吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくするように比例補正項に乗算される第三の補正係数（Ｋｓｆｂ３）を算出するための第三のマップの一実施形態を示す図である。図５に示されている如く、該ＰＩＤ制御における比例補正項に乗算される第三の補正係数は概ね、吸入空気量が小さいほど小さく設定される。このような第三の補正係数により修正された比例補正量を使用する第二の目標空燃比フィードバック制御によれば、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さく且つＯ₂センサにより検出された空燃比がリッチである際において、吸入空気量が急激に増大するような例えば急加速運転が行われても、三元触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制することができ、三元触媒３による排気中のＮＯｘの十分な還元浄化が可能となる。

図２に示した一連の制御ルーチンが終了後、燃料噴射量制御手段１４により、三元触媒３に流入する排気の空燃比を、ステップ１１２にて算出されたフィードバック補正量に基づいてフィードバック制御された目標空燃比にすべく、リニア空燃比センサ４により検出された三元触媒３に流入する排気の現状の空燃比情報に基づいて燃料噴射量がフィードバック制御される。

尚、図２を参照して、本空燃比制御装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の補正量を算出するＰＩＤ制御の制御ルーチンの実施形態を示しめてきたが、吸入空気量が変化しても酸素ストレージ能を有する三元触媒３のような排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にするという目的は、Ｄ制御のないＰＩ制御においても達成することが可能であり、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の補正量は、ＰＩ制御によって算出された補正量が適用されてもよい。その場合には、図２に参照された制御ルーチンから微分（Ｄ）補正項に関するステップが不要となる。

また、図２に示された、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の補正量を算出するＰＩＤ制御の制御ルーチンの実施形態においては、吸気弁が開弁し次いで閉弁したときに各気筒の筒内に充填されている新気の量は吸入空気量とともに機関回転数や気筒数等にも依存して変化することを考慮して、より精度良い目標空燃比のフィードバック制御を可能にするように、積分補正項に、吸気弁が開弁し次いで閉弁したときに各気筒の筒内に充填されている新気の量を表す負荷率が大きくなるほど大きく設定される補正係数が乗算される。しかしながら、吸入空気量が変化しても酸素ストレージ能を有する三元触媒３のような排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にするという目的は、積分補正項に、負荷率に依存する補正係数を乗算する代わりに、吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される補正係数を乗算することでも達成することが可能であり、積分補正項に対する補正係数として、吸入空気量に依存する補正係数が適用されてもよい。その場合には、図２に示された制御ルーチンにおいて、負荷率が大きくなるほど大きく設定される補正係数の代わりに、吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される補正係数が積分（Ｉ）補正項に乗算されることになり、負荷率検出手段１１が不要となる。

ところで、図２に示された実施形態の制御においては、ステップ１０７にて吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであると判定された時点ですぐに、比例（Ｐ）補正量が修正され、三元触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制する第二の目標空燃比フィードバック制御が開始されるが、該第二の目標空燃比フィードバック制御を実行する開示時期は、三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量の割合に基づいて決定されてもよい。吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである状態にあり三元触媒３に流入されている排気の目標空燃比がリーンとされている状態が継続されている機関運転中において、三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合が約５割程度に達し、三元触媒３が酸素を吸蔵することができる割合がある程度少なくなり、急加速運転が実行されることによる排気中のＮＯｘの還元浄化に十分に対応できないと判断された時点に、第二の目標空燃比フィードバック制御が開始されるように制御されてもよい。

また、第二の目標空燃比フィードバック制御の終了時期についても三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量の割合に基づいて決定されてもよい。第二の目標空燃比フィードバック制御の実行中において、例えば三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合が約８割程度に達した時点に第二の目標空燃比フィードバック制御が終了され、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比をリッチにするような制御が実行されるようにされてもよい。

尚、排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量は、排気浄化触媒の劣化状態に依存して変化し、すなわち、排気浄化触媒の劣化度合いが大きいほど最大酸素吸蔵量は小さくなる。従って、第二の目標空燃比フィードバック制御の開始時期あるいは終了時期を判断するために設定される三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合の設定値は、三元触媒３の劣化度合いに依存する最大酸素吸蔵量の大きさも考慮して決定される。

図６は、三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合に基づいて、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のリッチあるいはリーンへの切り替え時期を制御する制御ルーチンの一実施形態を示す図である。

図６に示す実施形態の制御においては、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比がリーンに制御されているリーン補正中において、まずステップ２０１にて三元触媒３の酸素吸蔵量（ＯＳＡ）が算出される。そして続くステップ２０２において、吸入空気量（Ｇａ）が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さいか否かが判定され、該所定量よりも吸入空気量が小さいと判定されると、続くステップ２０３からステップ２０５に進む。ステップ２０３からステップ２０５においては、リーン補正からリッチ補正への切替える際の閾値（ＲＯＳＣ）となる三元触媒３の最大酸素吸蔵量（ＯＳＣ）に対する酸素吸蔵量（ＯＳＡ）の割合を予め用意されたマップなどにより算出し、最大酸素吸蔵量（ＯＳＣ）に対する酸素吸蔵量（ＯＳＡ）の割合が該閾値（ＲＯＳＣ）よりも大きくなったか否かが判定され、該閾値よりも大きくなったと判定されると、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比をリッチに制御するリッチ補正に切替えられる。

そして続くステップ２０６において、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さいか否かが判定され、該所定量よりも吸入空気量が小さいと判定されると、続くステップ２０７からステップ２０９に進む。ステップ２０７からステップ２０９においては、リッチ補正からリーン補正への切替える際の閾値（ＬＯＳＣ）となる最大酸素吸蔵量（ＯＳＣ）に対する酸素吸蔵量（ＯＳＡ）の割合を予め用意されたマップなどにより算出し、最大酸素吸蔵量（ＯＳＣ）に対する酸素吸蔵量（ＯＳＡ）の割合が該閾値（ＬＯＳＣ）により小さくなったか否かが判定され、該閾値よりも小さくなったと判定されると、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比をリーンに制御するリーン補正に切替えられる。そして、ステップ２０１からステップ２０９の制御ルーチンは、吸入空気量が上記所定量よりも大きくなるまで繰り返し実行され、該所定量以上になると本制御ルーチンは終了される。

本実施形態においては、リーン補正からリッチ補正への切替える際の閾値（ＲＯＳＣ）となる最大酸素吸蔵量（ＯＳＣ）に対する酸素吸蔵量（ＯＳＡ）の割合は約８割程度に設定され、また、リッチ補正からリーン補正への切替える際の閾値（ＬＯＳＣ）となる最大酸素吸蔵量（ＯＳＣ）に対する酸素吸蔵量（ＯＳＡ）の割合は、約２割程度に設定される。このような図６に示された制御によれば、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量である場合においても、排気中のＮＯｘを十分に還元浄化することができるとともに、排気中のＨＣやＣＯも十分に酸化浄化することが可能となる。

図７は、本発明の内燃機関の空燃比制御装置のもう一つの実施形態に示す概略構成図である。図８は、本空燃比制御装置が適用された図７に示す内燃機関で実行される、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。

図７に示された目標空燃比制御手段５０の目標空燃比演算部は、図１に示された内燃機関の空燃比制御装置と異なり、Ｄ制御部を有さないＰＩ制御部で構成される。また、図７に示された目標空燃比制御手段５０の目標空燃比演算部は、Ｏ₂センサ出力の偏差を積算することにより算出される積分値を学習制御する積分値学習手段を有し、目標空燃比制御手段５０によるＰＩ制御における積分補正項に対して学習制御を行うことにより、フィードバック制御の演算負荷を低減し、制御精度の向上を図っている。その他の構成要素については、図１に示された空燃比制御装置と同様であり、同一または対応する部分は同一の参照符号が付されている。尚、図７に示される目標空燃比制御手段５０の目標空燃比演算部はＤ制御部を有さないＰＩ制御部で構成されるが、図２に示す実施形態と同様にＰＩＤ制御部で構成されてもよい。

ところで、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである場合において、三元触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制する手段として、目標空燃比制御手段５０による目標空燃比フィードバック制御を中止して、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比を理論空燃比に設定するように制御することが考えられる。このような制御によれば、Ｏ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである場合においても、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比はリーンに制御されることなく常に理論空燃比に制御されるため、三元触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制することができ、排気中のＮＯｘを十分の還元浄化することが可能となる。

しかしながら、目標空燃比フィードバック制御において学習制御を行っている場合においては、学習が未完了の状態で目標空燃比制御手段５０による目標空燃比フィードバック制御を中止してしまうと、適切でない学習値を読み込み三元触媒３のストイキ点がズレたままとなり、再開された際の目標空燃比フィードバック制御の演算負荷や精度に支障をきたす場合がある。

このことに基づいて、図８に示す制御ルーチンにおいては、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである場合であって積分値学習手段による学習が完了している場合に、目標空燃比制御手段５０は、図２に示された制御ルーチンにおいて目標空燃比制御手段により実行されるような三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする第一の目標空燃比のフィードバック制御を中止し、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比を理論空燃比に設定するストイキ制御を実行する。そして、燃料噴射手段１４が、三元触媒３に流入する排気の空燃比を理論空燃比に制御すべく、リニア空燃比センサ４の出力情報に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する。尚、吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである場合であって積分値学習手段による学習が完了している場合以外は、図２に示された制御ルーチンにおいて目標空燃比制御手段により実行されるような三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする第一の目標空燃比フィードバック制御が実行されるものとする。

図８に示す制御ルーチンでは、まず、ステップ３０１にて積分値学習手段による学習が完了しているか否かが判定され、ステップ３０２にて吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さいか否かが判定され、続くステップ３０３にてＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであるか否かが判定される。そして、吸入空気量が所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである場合であって積分値学習手段による学習が完了していると判定されると、続くステップ３０４にて目標空燃比制御手段５０による第一の目標空燃比のフィードバック制御が中止され、三元触媒３に流入する排気の空燃比を理論空燃比に制御するストイキ制御が実行される。そして、燃料噴射手段１４が、三元触媒３に流入する排気の空燃比を理論空燃比に制御すべく、リニア空燃比センサ４の出力情報に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する。ステップ３０１からステップ３０３を通して吸入空気量が所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであり積分値学習手段による学習が完了していると判定されなかった場合には、ステップ３０５に進み、図２に示された制御ルーチンにおいて目標空燃比制御手段により実行されるような三元触媒３の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にする第一の目標空燃比フィードバック制御が実行される。

ところで、図８に示された制御ルーチンにおいては、ステップ３０１からステップ３０３にて、積分値学習手段による学習が完了しており吸入空気量が例えばアイドリング運転状態のように極めて小さい量として設定された所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチであると判定された時点ですぐに、第一の目標空燃比フィードバック制御が中止されてストイキ制御が開始されるが、該ストイキ制御の開始時期は、三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量の割合に基づいて決定されてもよい。積分値学習手段による学習が完了しており吸入空気量が所定量よりも小さく且つＯ₂センサ５により検出された空燃比がリッチである状態にあり三元触媒３に流入されている排気の目標空燃比がリーンとされている状態が継続されている機関運転中において、三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合が約５割程度に達し、三元触媒３が酸素を吸蔵することができる割合がある程度少なくなり、急加速運転が実行されることによる排気中のＮＯｘの還元浄化に十分に対応できないと判断された時点に、第一の目標空燃比フィードバック制御が中止され、三元触媒３に流入する排気の空燃比を理論空燃比に制御するストイキ制御が開始されるように制御されてもよい。

また、ストイキ制御の終了時期についても三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量の割合に基づいて決定されてもよい。ストイキ制御中において、例えば三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合が約８割に達した時点に、ストイキ制御が終了され、三元触媒３に流入する排気の目標空燃比をリッチにするような制御が実行されるようにされてもよい。

尚、排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量は、排気浄化触媒の劣化状態に依存して変化し、すなわち、排気浄化触媒の劣化度合いが大きいほど最大酸素吸蔵量は小さくなる。従って、ストイキ制御の開始時期あるいは終了時期を判断するために設定される三元触媒３の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合の設定値は、三元触媒３の劣化度合いに依存する最大酸素吸蔵量の大きさも考慮して決定される。

本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本空燃比制御装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、三元触媒に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の補正量を算出するＰＩＤ制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。 目標空燃比制御手段によるＰＩＤ制御において、吸入空気量に依存して設定され比例補正項および微分補正項に乗算される第一の補正係数（Ｋｓｆｂ１）を算出するための第一のマップの一実施形態を示す図である。 目標空燃比制御手段によるＰＩＤ制御において、負荷率に依存して設定され積分補正項に乗算される第二の補正係数（Ｋｓｆｂ２）を算出するための第二のマップの一実施形態を示す図である。 目標空燃比制御手段によるＰＩＤ制御において、吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって三元触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくするように比例補正項に乗算される第三の補正係数（Ｋｓｆｂ３）を算出するための第三のマップの一実施形態を示す図である。 三元触媒の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量を割合に基づいて、三元触媒に流入する排気の目標空燃比のリッチあるいはリーンへの切り替え時期を制御する制御ルーチンの一実施形態を示す図である。 本発明の内燃機関の空燃比制御装置のもう一つの実施形態に示す概略構成図である。 本空燃比制御装置が適用された図７に示す内燃機関で実行される、三元触媒に流入する排気の目標空燃比のフィードバック制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ 内燃機関本体
２ 排気管
３ 三元触媒
４ リニア空燃比センサ
５ Ｏ₂センサ
９ 目標空燃比制御手段
１０ 吸入空気量検出手段
１１ 負荷率検出手段
１２ 酸素ストレージ能検出手段
１３ 酸素吸蔵量検出手段
１４ 燃料噴射量制御手段
５０ 目標空燃比制御手段

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配設され、流入する排気中の酸素濃度が過剰であるときには排気中の酸素を吸蔵し且つ排気中の酸素濃度が不足しているときには吸蔵している酸素を放出する酸素ストレージ能を有する排気浄化触媒と、
   前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記排気浄化触媒の上流側に配設され、排気の空燃比にほぼ比例する出力特性を有するリニア空燃比センサと、
   前記排気浄化触媒の下流側に配設され、排気の空燃比がリッチかリーンかを検出するＯ₂センサと、
   前記吸入空気量検出手段と前記Ｏ₂センサとからの検出情報に基づいて前記排気浄化触媒に流入する排気の目標空燃比をフィードバック制御する目標空燃比制御手段と、
   前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を前記目標空燃比に制御すべく、前記リニア空燃比センサの出力情報に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する燃料噴射量制御手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が変化しても前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を一定にするように、前記目標空燃比を少なくともＰＩ制御する第一の目標空燃比フィードバック制御を実行し、該第一の目標空燃比フィードバック制御のＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の第一の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の第二の補正係数が乗算される、内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合、前記排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように前記目標空燃を制御する、
   ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合、前記第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して前記目標空燃比を少なくともＰＩ制御する第二の目標空燃比フィードバック制御を実行し、該第二の目標空燃比フィードバック制御のＰＩ制御における比例（Ｐ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算されるとともに前記吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくする所定の第三の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の前記第二の補正係数が乗算される、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。
3. 前記内燃機関の空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の最大酸素量吸蔵量を検出する酸素ストレージ能検出手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を検出する酸素吸蔵量検出手段とを具備し、
   前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合において前記第一の目標空燃比フィード制御を中止して前記第二の目標空燃比フィードバック制御を実行する時期を、前記最大酸素吸蔵量に対する前記酸素吸蔵量の割合に基づいて決定する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記目標空燃比制御手段は、前記Ｏ₂センサの出力の偏差を積分することにより算出される積分値を学習する積分値学習手段を有し、
   前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合であって前記積分値学習手段による学習が完了している場合、
   前記目標空燃比制御手段は、前記第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して前記目標空燃比を理論空燃比に設定するストイキ制御を実行する、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。
5. 前記内燃機関の空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の最大酸素量吸蔵量を検出する酸素ストレージ能検出手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を検出する酸素吸蔵量検出手段とを具備し、
   前記目標空燃比制御手段は、前記吸入空気量が所定量よりも小さく且つ前記Ｏ₂センサにより検出された空燃比がリッチである場合において前記第一の目標空燃比フィードバック制御を中止して前記ストイキ制御を実行する時期を、前記最大酸素吸蔵量に対する前記酸素吸蔵量の割合に基づいて決定する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 前記第一の目標空燃比フィードバック制御は、前記目標空燃比をＰＩＤ制御する目標空燃比フィードバック制御を実行し、
   該ＰＩＤ制御における比例（Ｐ）補正項および微分（Ｄ）補正項には、前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には、前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の前記第二の補正係数が乗算される、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
7. 前記第二の目標空燃比フィードバック制御は、前記目標空燃比をＰＩＤ制御する目標空燃比フィードバック制御を実行し、
   該ＰＩＤ制御における比例（Ｐ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算されるとともに前記吸入空気量に基づいて算出される第三の補正係数であって前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量に対する単位時間当たりの補正量を小さくする所定の前記第三の補正係数が乗算され、微分（Ｄ）補正項には、前記吸入空気量が大きくなるほど小さく設定される所定の前記第一の補正係数が乗算され、積分（Ｉ）補正項には前記吸入空気量が大きくなるほど大きく設定される所定の前記第二の補正係数が乗算される、ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
8. 前記内燃機関の空燃比制御装置は、更に、前記内燃機関の各気筒内に充填された新気の量を表す負荷率を検出する負荷率検出手段を有し、
   前記第一の目標空燃比フィードバック制御及び前記第二の目標空燃比フィードバック制御における積分（Ｉ）補正項には、前記第二の補正係数の代わりに前記負荷率が大きくなるほど大きく設定される所定の第四の補正係数が乗算される、請求項２、請求項３及び請求項７のいずれか一つの請求項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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