JP2010084670A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の空燃比のリーン外乱が発生したときや、リーン外乱の発生後にリッチ外乱が発生したときの排気エミッションを低減できるようにする。
【解決手段】排出ガス浄化用の触媒の下流側に設置された下流側センサの出力がリーン判定値よりもリーン側になったときに、燃料噴射量をステップ的に増量補正した後に、その燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させるリッチ入力処理を行って触媒にリッチ成分を供給することで、触媒の酸素吸蔵量を速やかにほぼ０まで減少させて、ＮＯｘ浄化率を速やかに向上させる。更に、リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になったとき又は触媒の酸素吸蔵量が０になったときに、燃料噴射量をステップ的に減量補正した後に、その燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させるリーン入力処理を行って触媒にリーン成分を供給することで、触媒の酸素吸蔵量を速やかに適正値まで増加させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、排出ガス浄化用の触媒の下流側に排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する下流側センサが設置された内燃機関の空燃比制御装置に関する発明である。

近年の自動車の排出ガス浄化システムでは、排出ガス浄化用の触媒の排出ガス浄化率を高めることを目的として、排出ガス浄化用の触媒の上流側と下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出するセンサ（空燃比センサ又は酸素センサ）を設置し、上流側センサの出力に基づいて触媒の上流側の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック補正する“メインフィードバック制御”を行うと共に、下流側センサの出力に基づいてメインフィードバック制御の目標空燃比を補正したり、或は、メインフィードバック制御のフィードバック補正量又は燃料噴射量を修正する“サブフィードバック制御”を行うようにしたものがある。

このようなメインフィードバック制御とサブフィードバック制御を行うシステムにおいては、触媒の下流側の空燃比をスムーズに目標空燃比に収束させるために、特許文献１（特許第２５１８２４７号公報）に記載されているように、下流側センサの検出空燃比と目標空燃比（理論空燃比）との偏差が大きいほど空燃比フィードバック制御定数の更新量を大きくして、上流側センサの出力と空燃比フィードバック制御定数とに応じて空燃比補正量を算出するようにしたものや、特許文献２（特許第３８２６９９６号公報）に記載されているように、下流側センサの検出空燃比と下流側目標空燃比との間に中間目標値を設定して、下流側センサの検出空燃比と中間目標値とに基づいて上流側目標空燃比の補正量を算出するようにしたものがある。

また、燃料カットによって触媒に流入する排出ガスの空燃比がリーンになると、触媒の酸素吸蔵量が過剰状態となるため、ＮＯｘ（リーン成分）の浄化率が低下する。この対策として、特許文献３（特開平８−１９３５３７号公報）や特許文献４（特開２００６−１９４１８号公報）に記載されているように、燃料カット終了後の燃料噴射再開時（燃料カット復帰時）に空燃比を一時的にリッチに制御することで、触媒の酸素吸蔵量を減少させて、ＮＯｘ浄化率を向上させるようにしたものがある。
特許第２５１８２４７号公報 特許第３８２６９９６号公報 特開平８−１９３５３７号公報 特開２００６−１９４１８号公報

ところで、図１３に示すように、触媒に流入する排出ガスの空燃比がリーンになるリーン外乱が発生すると、触媒の酸素吸蔵量が過剰状態となってＮＯｘ（リーン成分）の浄化率が低下することがある。しかし、リーン外乱が発生したときに、上記特許文献１や上記特許文献２の空燃比制御によって触媒の下流側の空燃比をスムーズにリッチ方向へ変化させて目標空燃比に収束させるように制御すると、触媒の酸素吸蔵量を速やかに減少させることができず、ＮＯｘ浄化率が低下した状態が長く続いて、ＮＯｘ排出量が増大する可能性がある。しかも、この場合、触媒の上流部（前部）側から徐々に酸素吸蔵量が減少して、最終的に触媒の下流部（後部）側のみに酸素吸蔵量が残った状態になり、触媒内部の酸素吸蔵量の分布が触媒の下流部側に片寄った分布となるため、その後、触媒に流入する排出ガスの空燃比がリッチになるリッチ外乱が発生したときに、ＨＣやＣＯ等のリッチ成分を効率良く浄化できず、排気エミッションが悪化する可能性がある。

また、上記特許文献３や上記特許文献４の技術のように、燃料カット終了後の燃料噴射再開時に空燃比を一時的にリッチに制御した場合（図１４参照）にも、同じように、触媒の上流部側から徐々に酸素吸蔵量が減少して、最終的に触媒の下流部側のみに酸素吸蔵量が残った状態になり易いため、その後、リッチ外乱が発生したときに、ＨＣやＣＯ等のリッチ成分を効率良く浄化できず、排気エミッションが悪化する可能性がある。

本発明は、これらの事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、リーン外乱が発生したときのＮＯｘ排出量を効率良く低減することができると共に、リーン外乱の発生後にリッチ外乱が発生したときにリッチ成分を効率良く浄化することができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排出ガス浄化用の触媒の下流側に排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する下流側センサが設置された内燃機関の空燃比制御装置において、下流側センサの出力が所定のリーン判定値よりもリーン側になったときに、燃料噴射量を所定のリッチステップ量だけステップ的に増量補正して、その燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させるリッチ入力処理を行って触媒にリッチ成分を供給し、該リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になったとき又は触媒の酸素吸蔵量が０になったときに、燃料噴射量を所定のリーンステップ量だけステップ的に減量補正して、その燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させるリーン入力処理を行って触媒にリーン成分を供給するリッチ／リーン入力制御を実行する空燃比制御手段を備え、リッチ／リーン入力制御のリッチ入力処理によって触媒に供給するリッチ成分の総量を触媒の酸素吸蔵能力と等価又はそれ以上に設定するようにしたものである。

この構成では、触媒に流入する排出ガスの空燃比がリーンになるリーン外乱の発生によって、触媒の酸素吸蔵量が過剰状態となってＮＯｘ（リーン成分）の浄化率が低下して、下流側センサの出力がリーン判定値よりもリーン側になったときに、リッチ入力処理を行って触媒にリッチ成分を供給することで、触媒の酸素吸蔵量を減少させることができる。この際、触媒に供給するリッチ成分の総量を触媒の酸素吸蔵能力（最大酸素吸蔵量）と等価又はそれ以上に設定するため、触媒の酸素吸蔵量を速やかにほぼ０まで減少させて、ＮＯｘ浄化率を速やかに向上させることができる。これにより、リーン外乱が発生したときのＮＯｘ排出量を低減することができる。

更に、リッチ入力処理による燃料補正量が０になったとき又は触媒の酸素吸蔵量が０になったときに、リーン入力処理を行って触媒にリーン成分を供給することで、触媒の酸素吸蔵量を速やかに適正値まで増加させることができる。この際、リッチ入力処理によって触媒全体の酸素吸蔵量を一旦ほぼ０にした状態で、リーン入力処理を行って触媒にリーン成分を供給することができるため、触媒の上流部（前部）側に酸素が吸蔵された状態にすることができる。これにより、リーン外乱の発生後にリッチ外乱が発生したときにＨＣやＣＯ等のリッチ成分を効率良く浄化することができる。

本発明は、フィードフォワード制御（オープンループ制御）によってリッチ／リーン入力制御を実行するようにしても良いが、請求項２のように、触媒の上流側にも排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する上流側センサを設置し、上流側センサの出力に基づいて触媒の上流側の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック補正するメインフィードバック制御と、下流側センサの出力に基づいてメインフィードバック制御又は燃料噴射量を修正するサブフィードバック制御とを行うシステムの場合には、リッチ／リーン入力制御を実現可能なサブフィードバック制御の制御構造及び／又は該サブフィードバック制御の制御パラメータを用いてリッチ／リーン入力制御を実行するようにしても良い。このようにすれば、下流側センサの出力に基づいたサブフィードバック制御によってリッチ／リーン入力制御を精度良く実行することができる。

また、請求項３のように、リッチ／リーン入力制御のリッチ入力処理によって燃料噴射量をリッチステップ量だけステップ的に増量補正する際に該リッチステップ量を触媒の諸元に基づいて設定するようにしても良い。このようにすれば、触媒の諸元（性能、仕様等）に基づいて、触媒でＣＯ等のリッチ成分が吸着反応や脱離反応に関与することなく排出される“すり抜け”が発生しないようにリッチステップ量を設定して、ＣＯ等のリッチ成分の排出を低減することができると共に、触媒で水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ）が発生するようにリッチステップ量を設定して、水性ガスシフト反応で生成されたＨ₂ の強い還元力によってＮＯｘの浄化を促進させることができる。

更に、請求項４のように、リッチ／リーン入力制御のリッチ入力処理によって燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させる際に該増量補正量を触媒の内部状態を示す指標に応じて変化させるようにしても良い。このようにすれば、触媒の内部状態を示す指標（酸素吸蔵量、吸着速度、脱離速度、反応遅れ等）に応じて、ＮＯｘを効率良く浄化するのに必要なリッチ成分の供給量が変化するのに対応して、燃料噴射量の増量補正量を変化させてリッチ成分の供給量を適正値（ＮＯｘを効率良く浄化するのに必要な供給量）に制御しながら減少させることができ、リッチ成分（例えばＣＯ）のすり抜けを発生させずにＮＯｘを効率良く浄化することができる。

また、請求項５のように、リッチ／リーン入力制御のリーン入力処理によって触媒に供給するリーン成分の総量を触媒の酸素吸蔵能力に応じて設定するようにしても良い。このようにすれば、リッチ入力処理後のリーン入力処理によって触媒の酸素吸蔵量を速やかに触媒の酸素吸蔵能力に応じた適正値（例えば最大酸素吸蔵量の３０〜４０％）付近まで増加させることができ、触媒を排出ガス浄化率が高い状態（リッチ成分とリーン成分の両方に対して浄化率が高い状態）に維持することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ（図示せず）によって開度調節されるスロットルバルブ１５と、このスロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。

一方、エンジン１１の排気管２１の途中には、排出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を浄化する三元触媒等の触媒２２が設置されている。この触媒２２の上流側と下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出するセンサ２３，２４が設置されている。本実施例では、上流側センサ２３は、排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）が用いられ、下流側センサ２４は排出ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサが用いられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２５や、クランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２６が取り付けられ、このクランク角センサ２６の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２７に入力される。このＥＣＵ２７は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火プラグ（図示せず）の点火時期を制御する。

その際、ＥＣＵ２７は、空燃比制御手段として機能し、図示しない空燃比フィードバック制御ルーチンを実行することで、上流側センサ２３の出力に基づいて触媒２２上流側の排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比（燃料噴射量）をフィードバック補正するメインフィードバック制御を行うと共に、触媒２２下流側の排出ガスの空燃比を制御目標値（例えば理論空燃比付近）に一致させるように、下流側センサ２４の出力に基づいて燃料噴射量を補正したり、触媒２２上流側の目標空燃比を補正したり、或は、メインフィードバック制御のフィードバック補正量を修正するサブフィードバック制御を行う。

更に、ＥＣＵ２７は、後述する図２のリッチ／リーン入力制御ルーチンを実行することで、リッチ／リーン入力制御を次のようにして行う。

図３に示すように、リッチ／リーン入力制御では、触媒２２に流入する排出ガスの空燃比がリーンになるリーン外乱の発生によって、触媒２２の酸素吸蔵量が過剰状態となってＮＯｘ（リーン成分）の浄化率が低下して、下流側センサ２４の出力が所定のリーン判定値よりもリーン側になった時点ｔ1 で、燃料噴射量を所定のリッチステップ量だけステップ的に増量補正して、その燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させるリッチ入力処理を行って触媒２２にリッチ成分を供給することで、触媒２２の酸素吸蔵量を減少させる。この際、触媒２２に供給するリッチ成分の総量を触媒２２の酸素吸蔵能力（最大酸素吸蔵量）と等価又はそれ以上に設定することで、触媒２２の酸素吸蔵量を速やかにほぼ０まで減少させて、ＮＯｘ浄化率を速やかに向上させる。

この後、リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になった時点ｔ2 （又は触媒２２の酸素吸蔵量が０になった時点）で、燃料噴射量を所定のリーンステップ量だけステップ的に減量補正した後に、その燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させるリーン入力処理を行って触媒２２にリーン成分を供給することで、触媒２２の酸素吸蔵量を速やかに適正値まで増加させる。この際、リッチ入力処理によって触媒２２の酸素吸蔵量を一旦ほぼ０にした状態（図３のＢ参照）で、リーン入力処理を行って触媒２２にリーン成分を供給して、触媒２２の上流部（前部）に酸素が吸蔵された状態（図３のＣ参照）にする。

本実施例では、このようなリッチ／リーン入力制御（リッチ入力処理及びリーン入力処理）を実現するようにサブフィードバック制御の制御パラメータを調整する。例えば、下流側センサ２４の検出空燃比と触媒２２下流側の目標空燃比との間に中間目標値を設定して、下流側センサ２４の検出空燃比と中間目標値とに基づいてサブ補正量を算出し、このサブ補正量を用いて燃料噴射量を補正したり、触媒２２上流側の目標空燃比を補正したり、或は、メインフィードバック制御のフィードバック補正量を修正するサブフィードバック制御を行うシステムの場合には、サブ補正量の算出に用いる制御パラメータ（制御ゲイン）を調整してリッチ／リーン入力制御を実現する。

具体的には、サブ補正量を算出する際に、まず、各補正項Ｋbp，Ｋbi，Ｋp をそれぞれ算出する。
補正項Ｋbpは、下流側センサ２４の出力（検出空燃比）の前回値Ｖ(n-1) と、比例項ＰＸ2 と、中間目標値算出項ＳＦと、目標電圧Ｖtg（目標空燃比）とに基づいてマップ又は数式等により算出する。
Ｋbp＝ｆ｛Ｖ(n-1) ，ＰＸ2 ，ＳＦ，Ｖtg｝

補正項Ｋbiは、下流側センサ２４の出力の前回値Ｖ(n-1) と、積分項ＩＸ2 と、中間目標値算出項ＳＦと、目標電圧Ｖtgとに基づいてマップ又は数式等により算出する。
Ｋbi＝ｆ｛Ｖ(n-1) ，ＩＸ2 ，ＳＦ，Ｖtg｝

補正項Ｋp は、下流側センサ２４の出力の前回値Ｖ(n-1) と、比例項ＰＸ1 と、目標電圧Ｖtgとに基づいてマップ又は数式等により算出する。
Ｋp ＝ｆ｛Ｖ(n-1) ，ＰＸ1 ，Ｖtg｝
この後、各補正項Ｋbp，Ｋbi，Ｋp を用いてサブ補正量を次式により算出する。
サブ補正量＝Ｋbp＋Ｋbi＋Ｋp

このようにして、サブフィードバック制御のサブ補正量を算出する際に用いる比例項ＰＸ1 ，ＰＸ2 と積分項ＩＸ2 と中間目標値算出項ＳＦの４つの制御パラメータ（制御ゲイン）を調整してサブ補正量を変化させてリッチ／リーン入力制御を実現する。

以下、ＥＣＵ２７が実行する図２のリッチ／リーン入力制御ルーチンの処理内容を説明する。図２に示すリッチ／リーン入力制御ルーチンは、サブフィードバック制御の実行中に所定周期で繰り返し実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、下流側センサ２４の出力がリーン判定値よりもリーン側になったか否かを判定し、下流側センサ２４の出力がリーン判定値よりもリーン側になったと判定された時点で、リッチ入力処理を開始する。

リッチ入力処理では、まず、ステップ１０２で、燃料噴射量をリッチステップ量だけステップ的に増量補正する。この際、リッチステップ量（図４参照）を触媒２２の諸元（性能、仕様等）に基づいて次のような方法で設定する。

まず、触媒２２の最大酸素吸蔵量に基づいて、次の(1) 〜(3) の条件を全て満たすような供給ＣＯ量（図５に斜線で示す領域のＣＯ量）を設定する。
(1) 触媒２２で吸着反応や脱離反応に関与することなく排出される“すり抜け”が発生しないＣＯ量
(2) 触媒２２で水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ）が発生するＣＯ量 (3) 触媒２２で単位時間当りに酸素やＮＯｘと反応可能な上限量よりも多いＣＯ量

これらの(1) 〜(3) の条件を全て満たすような供給ＣＯ量を触媒２２の諸元（性能、仕様等）に基づいて設定した後、その供給ＣＯ量に応じたリッチステップ量をマップ（図６参照）又は数式等により算出する。

燃料噴射量をリッチステップ量だけステップ的に増量補正した後、ステップ１０３に進み、燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させる。この際、燃料噴射量の増量補正量を触媒２２の内部状態を示す指標（酸素吸蔵量、吸着速度、脱離速度、反応遅れ等）に応じて次のような方法で変化させる。

まず、触媒２２の酸素吸蔵量θを例えば次のラングミュアの吸着等温式を用いて算出する。
θ＝ｋa ×Ｐ／（ｋd ＋ｋa ×Ｐ）
ここで、ｋa は吸着速度定数、ｋd は脱離速度定数、ＰはＣＯの分圧である。

尚、触媒２２の酸素吸蔵量θは、ラングミュアの吸着等温式以外の吸着等温式（例えば、ヘンリーの吸着等温式、ＢＥＴの吸着等温式、フロインドリッヒの吸着等温式等）又は触媒モデル等を用いて算出するようにしても良い。また、触媒２２の酸素吸蔵量θを求める際に、吸着反応や脱離反応の反応遅れを考慮するようにしても良い。

このようにして求めた触媒２２の酸素吸蔵量に応じた増量補正量をマップ（図７参照）又は数式等により算出することで、図８に示すように、燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させる際に、触媒２２の酸素吸蔵量等に応じて、ＮＯｘを効率良く浄化するのに必要なリッチ成分の供給量が変化するのに対応して、燃料噴射量の増量補正量を変化させてリッチ成分の供給量を適正値（ＮＯｘを効率良く浄化するのに必要な供給量）に制御しながら減少させる。

これらのステップ１０２、１０３の処理により、燃料噴射量をリッチステップ量だけステップ的に増量補正した後に、その燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させるリッチ入力処理を行って触媒２２にリッチ成分を供給することで、触媒２２の酸素吸蔵量を減少させる。この際、触媒２２に供給するリッチ成分の総量を触媒２２の酸素吸蔵能力（最大酸素吸蔵量）と等価又はそれ以上に設定することで、触媒２２の酸素吸蔵量を速やかにほぼ０まで減少させる。

この後、ステップ１０４に進み、リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になったか否か又は下流側センサ２４の出力がリッチ側になった（触媒２２の酸素吸蔵量が０になった）か否かを判定し、リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になったと判定された時点又は下流側センサ２４の出力がリッチ側になった（触媒２２の酸素吸蔵量が０になった）と判定された時点で、リッチ入力処理を終了して、リーン入力処理を開始する。尚、リッチ入力処理によって触媒２２に供給されたリッチ成分の総量が触媒２２の酸素吸蔵能力（最大酸素吸蔵量）と等価又はそれ以上になった時点で、リッチ入力処理を終了して、リーン入力処理を開始するようにしても良い。

リーン入力処理では、まず、ステップ１０５で、燃料噴射量をリーンステップ量だけステップ的に減量補正する。この際、リーンステップ量（図４参照）を次のような方法で設定する。

まず、触媒２２の酸素吸蔵量に応じた供給酸素ピーク量をマップ（図９参照）又は数式等により算出する。ここで、供給酸素ピーク量は、触媒２２で吸着反応や脱離反応に関与することなく排出される“すり抜け”が発生せず、且つ、触媒２２で単位時間当りに反応可能な酸素量の上限値である。更に、触媒２２に担持された貴金属の種類、触媒２２に流入する排出ガスの流速、酸素の反応速度等を考慮して供給酸素ピーク量を求めるようにしても良い。この供給酸素ピーク量に応じたリーンステップ量をマップ（図１０参照）又は数式等により算出する。

燃料噴射量をリーンステップ量だけステップ的に減量補正した後、ステップ１０６に進み、燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させる。この際、燃料噴射量の減量補正量を触媒２２の内部状態を示す指標（酸素吸蔵量、吸着速度、脱離速度、反応遅れ等）に応じて次のような方法で変化させる。

まず、触媒２２の酸素吸蔵量θを、例えばラングミュアの吸着等温式又はこれ以外の吸着等温式又は触媒モデル等を用いて算出する。また、触媒２２の酸素吸蔵量θを求める際に、吸着反応や脱離反応の反応遅れを考慮するようにしても良い。

このようにして求めた触媒２２の酸素吸蔵量に応じた減量補正量をマップ（図１１参照）又は数式等により算出することで、触媒２２の酸素吸蔵量が増加するに従って減量補正量を減少させる。

これらのステップ１０５、１０６の処理により、燃料噴射量をリーンステップ量だけステップ的に減量補正した後に、その燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させるリーン入力処理を行って触媒２２にリーン成分を供給することで触媒２２の酸素吸蔵量を適正値まで増加させる。

この際、触媒２２に供給するリーン成分の総量を触媒２２の酸素吸蔵能力（最大酸素吸蔵量）に応じて設定する。例えば、図１２に示すように、触媒２２の排出ガス浄化率が最大となる酸素吸蔵量は、最大酸素吸蔵量の３０〜４０％であるため、触媒２２に供給するリーン成分の総量を最大酸素吸蔵量の３０〜４０％に設定する。これにより、触媒２２の酸素吸蔵量を速やかに触媒２２の酸素吸蔵能力に応じた適正値（最大酸素吸蔵量の３０〜４０％）付近まで増加させることができる。

この後、ステップ１０７に進み、リーン入力処理により燃料噴射量の減量補正量が０になったか否か又は下流側センサ２４の出力がストイキになったか否かを判定し、リーン入力処理により燃料噴射量の減量補正量が０になったと判定された時点又は下流側センサ２４の出力がストイキになったと判定された時点で、リーン入力処理を終了する。尚、リーン入力処理によって触媒２２に供給されたリーン成分の総量が触媒２２の酸素吸蔵能力に応じた適正値（最大酸素吸蔵量の３０〜４０％）になった時点で、リーン入力処理を終了するようにしても良い。

以上説明した本実施例では、下流側センサ２４の出力がリーン判定値よりもリーン側になったときに、燃料噴射量をリッチステップ量だけステップ的に増量補正した後に、燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させるリッチ入力処理を行って触媒２２にリッチ成分を供給することで、触媒２２の酸素吸蔵量を減少させる。この際、触媒２２に供給するリッチ成分の総量を触媒２２の酸素吸蔵能力（最大酸素吸蔵量）と等価又はそれ以上に設定するようにしたので、触媒２２の酸素吸蔵量を速やかにほぼ０まで減少させて、ＮＯｘ浄化率を速やかに向上させることができる。これにより、リーン外乱が発生したときのＮＯｘ排出量を低減することができる。

更に、リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になったとき又は触媒２２の酸素吸蔵量が０になったときに、燃料噴射量をリーンステップ量だけステップ的に減量補正して、その燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させるリーン入力処理を行って触媒２２にリーン成分を供給することで、触媒２２の酸素吸蔵量を速やかに適正値まで増加させる。この際、リッチ入力処理によって触媒２２全体の酸素吸蔵量を一旦ほぼ０にした状態で、リーン入力処理を行って触媒２２にリーン成分を供給することができるため、触媒２２の上流部（前部）側に酸素が吸蔵された状態にすることができる。これにより、リーン外乱の発生後にリッチ外乱が発生したときにＨＣやＣＯ等のリッチ成分を効率良く浄化することができる。

また、本実施例では、リッチ入力処理によって燃料噴射量をリッチステップ量だけステップ的に増量補正する際に、触媒２２の諸元（性能、仕様等）に基づいて、触媒２２ですり抜けが発生せず、且つ、触媒２２で水性ガスシフト反応が発生する供給ＣＯ量を求め、この供給ＣＯ量に応じたリッチステップ量を設定するようにしたので、ＣＯ等のリッチ成分の排出を低減しながら、水性ガスシフト反応で生成されたＨ₂ の強い還元力によってＮＯｘの浄化を促進させることができる。

更に、本実施例では、リッチ入力処理によって燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させる際に、増量補正量を触媒２２の内部状態を示す指標（酸素吸蔵量、吸着速度、脱離速度、反応遅れ等）に応じて変化させるようにしたので、触媒２２の酸素吸蔵量等に応じて、ＮＯｘを効率良く浄化するのに必要なリッチ成分の供給量が変化するのに対応して、燃料噴射量の増量補正量を変化させてリッチ成分の供給量を適正値（ＮＯｘを効率良く浄化するのに必要な供給量）に制御しながら減少させることができ、リッチ成分（例えばＣＯ）のすり抜けを発生させずにＮＯｘを効率良く浄化することができる。

また、本実施例では、リーン入力処理によって触媒２２に供給するリーン成分の総量を触媒２２の酸素吸蔵能力に応じた適正値（最大酸素吸蔵量の３０〜４０％）に設定するようにしたので、リッチ入力処理後のリーン入力処理によって触媒２２の酸素吸蔵量を速やかに触媒２２の酸素吸蔵能力に応じた適正値付近まで増加させることができ、触媒２２を排出ガス浄化率が高い状態（リッチ成分とリーン成分の両方に対して浄化率が高い状態）に維持することができる。

尚、上記実施例では、サブフィードバック制御の制御パラメータ（制御ゲイン）を調整してリッチ／リーン入力制御（リッチ入力処理及びリーン入力処理）を実現するようにしたが、サブフィードバック制御の目標空燃比（触媒２２下流側の目標空燃比）を調整してリッチ／リーン入力制御を実現するようにしたり、或は、リッチ／リーン入力制御を実現可能なサブフィードバック制御の制御構造を構築するようにしても良い。

また、予めリッチ／リーン入力制御の燃料噴射量の変化パターンを定義しておき、下流側センサ２４の出力が所定のリーン判定値よりもリーン側になったときに、フィードフォワード制御（オープンループ制御）によってリッチ／リーン入力制御を実行するようにしても良い。更に、フィードフォワード制御によるリッチ／リーン入力制御のずれ分をサブフィードバック制御によって補正するようにしても良い。

また、図１のシステム構成例では、上流側センサ２３に空燃比センサを用い、下流側センサ２４に酸素センサを用いたが、下流側センサ２４にも空燃比センサを用いても良く、勿論、上流側センサ２３と下流側センサ２４の両方に酸素センサを用いても良い。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 リッチ／リーン入力制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 リッチ／リーン入力制御の実行例を説明するタイムチャートである。 リッチステップ量及びリーンステップ量を説明する図である。 供給ＣＯ量の設定方法を説明する図である。 リッチステップ量のマップの一例を概念的に示す図である。 増量補正量のマップの一例を概念的に示す図である。 増量補正量の減少方法を説明する図である。 供給酸素ピーク量のマップの一例を概念的に示す図である。 リーンステップ量のマップの一例を概念的に示す図である。 減量補正量のマップの一例を概念的に示す図である。 触媒の排出ガス浄化率が最大となる酸素吸蔵量を説明する図である。 従来のサブフィードバック制御の実行例を説明するタイムチャートである。 従来の燃料カット後の空燃比制御の実行例を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１５…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、２１…排気管、２２…触媒、２３…上流側センサ、２４…下流側センサ、２７…ＥＣＵ（空燃比制御手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排出ガス浄化用の触媒の下流側に排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する下流側センサが設置された内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記下流側センサの出力が所定のリーン判定値よりもリーン側になったときに、燃料噴射量を所定のリッチステップ量だけステップ的に増量補正した後に、その燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させるリッチ入力処理を行って前記触媒にリッチ成分を供給し、該リッチ入力処理による燃料噴射量の増量補正量が０になったとき又は前記触媒の酸素吸蔵量が０になったときに、燃料噴射量を所定のリーンステップ量だけステップ的に減量補正した後に、その燃料噴射量の減量補正量を徐々に減少させるリーン入力処理を行って前記触媒にリーン成分を供給するリッチ／リーン入力制御を実行する空燃比制御手段を備え、 前記空燃比制御手段は、前記リッチ／リーン入力制御のリッチ入力処理によって前記触媒に供給するリッチ成分の総量を前記触媒の酸素吸蔵能力と等価又はそれ以上に設定する手段を有することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記触媒の上流側にも排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する上流側センサが設置され、
   前記空燃比制御手段は、前記上流側センサの出力に基づいて前記触媒の上流側の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック補正するメインフィードバック制御と、前記下流側センサの出力に基づいて前記メインフィードバック制御又は燃料噴射量を修正するサブフィードバック制御とを行う手段と、前記リッチ／リーン入力制御を実現可能な前記サブフィードバック制御の制御構造及び／又は該サブフィードバック制御の制御パラメータを用いて前記リッチ／リーン入力制御を実行する手段とを備えてい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. 前記空燃比制御手段は、前記リッチ／リーン入力制御のリッチ入力処理によって燃料噴射量を前記リッチステップ量だけステップ的に増量補正する際に該リッチステップ量を前記触媒の諸元に基づいて設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記空燃比制御手段は、前記リッチ／リーン入力制御のリッチ入力処理によって燃料噴射量の増量補正量を徐々に減少させる際に該増量補正量を前記触媒の内部状態を示す指標に応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記空燃比制御手段は、前記リッチ／リーン入力制御のリーン入力処理によって前記触媒に供給するリーン成分の総量を前記触媒の酸素吸蔵能力に応じて設定する手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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