JP2014122570A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の下流に設けた酸素センサのオーバーシュート及びアンダーシュートの繰り返しを抑制できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関ＥＧの排気通路１２５に設けられた排気浄化触媒１２７と、上流排気ガスセンサ１２６と、下流排気ガスセンサ１２８と、前記下流排気ガスセンサにより検出される排気ガス成分に基づき、前記排気ガスの特定成分を目標値に収束させるように内燃機関の目標空燃比を制御する制御手段１１と、を備える内燃機関の制御装置において、前記制御手段は、前記下流排気ガスセンサにより検出される検出値Ｘと予め設定された目標値Ａ〜Ｂとの偏差に基づき、前記排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を、期間が定められた間欠的なリッチ空燃比またはリーン空燃比に設定するとともに、当該リッチ空燃比またはリーン空燃比に設定した期間の前後の前記排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を理論空燃比に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の排気系において、三元触媒の上流側に空燃比センサを設けるとともに下流側に酸素センサを設け、空燃比センサの出力値に基づいて燃料噴射の空燃比をフィードバック制御するとともに、酸素センサの出力値がストイキになるように当該酸素センサの出力値に応じて上記フィードバック制御の目標空燃比を補正する内燃機関の制御装置が知られている（特許文献１）。

特開平２−６７４４３号公報

しかしながら、排気浄化触媒は酸素成分を蓄積する機能を有するので、たとえば目標空燃比になるようにＰＩ制御によるフィードバック制御を行うと、酸素センサの出力値がオーバーシュート及びアンダーシュートを繰り返し、その結果、排気浄化性能が低下するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、排気浄化触媒の下流に設けた酸素センサのオーバーシュート及びアンダーシュートの繰り返しを抑制できる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明は、下流排気ガスセンサにより検出される検出値と予め設定された目標値との偏差に基づいて、排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を定期間の間欠的なリッチ／リーン空燃比に設定するとともに、それ以外の期間については理論空燃比に設定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、排気浄化触媒の下流に設けられた下流排気ガスセンサの出力を所定値に収束させるにあたり、定期間の間欠的なリッチ／リーン空燃比を用いて収束させるので、下流排気ガスセンサの出力をフィードバック制御して所定値に収束させる場合のようなオーバーシュートやアンダーシュートの繰り返しを抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関を示すブロック図である。 図１のコントロールユニットの空燃比制御を示すタイミングチャートである。 図２Ａの比較例に係る空燃比制御を示すタイミングチャートである。 図１のコントロールユニットの空燃比制御の一例を示すフローチャート（その１）である。 図１のコントロールユニットの空燃比制御の一例を示すフローチャート（その２）である。 図１のコントロールユニットの空燃比制御の一例を示すフローチャート（その３）である。 図１のコントロールユニットの空燃比制御の一例を示すフローチャート（その４）である。 図１のコントロールユニットで実行される間欠的リッチ空燃比又はリーン空燃比の値の設定（目標Ａ／Ｆ）に関する制御マップである。 図１のコントロールユニットで実行される間欠的リッチ空燃比又はリーン空燃比の設定（スパイク時間）に関する制御マップである。 図１のコントロールユニットで実行される間欠的リッチ空燃比又はリーン空燃比の設定（インターバル時間）に関する制御マップである。

図１は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関ＥＧを示すブロック図であり、一つの気筒についての構成を模式的に示す図である。実際の内燃機関ＥＧには、シリンダブロック及びシリンダヘッドを含む内燃機関の本体に一又は複数の気筒が設けられ、一つの気筒には一又は複数の吸気通路１１１と一又は複数の排気通路１２５が設けられる。

本例の内燃機関ＥＧの吸気通路１１１には、エアーフィルタ１１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１１４およびコレクタ１１５が設けられている。スロットルバルブ１１４には、当該スロットルバルブ１１４の開度を調整するＤＣモータ等のアクチュエータ１１６が設けられている。このスロットルバルブアクチュエータ１１６は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、コントロールユニット１１からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１１４の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ１１４の開度を検出するスロットルセンサ１１７が設けられて、その検出信号をコントロールユニット１１へ出力する。

また、コレクタ１１５から各気筒（図１では省略する）に分岐した吸気通路１１１ａに臨ませて、燃料噴射バルブ１１８が設けられている。燃料噴射バルブ１１８は、コントロールユニット１１において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図外の燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を吸気通路（以下、燃料噴射ポートともいう）１１１ａ内に噴射する。なお、燃料噴射バルブ１１８を燃焼室１２３に臨ませて、燃料を直接燃焼室１２３内へ噴射する直噴型の内燃機関であってもよい。

一つの気筒において、シリンダ１１９と、当該シリンダ内を往復移動するピストン１２０の冠面と、吸気バルブ１２１及び排気バルブ１２２が設けられたシリンダヘッド１３４とで囲まれる空間が燃焼室１２３を構成する。点火プラグ１２４は、各気筒の燃焼室１２３に臨んで装着され、コントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。

一方、排気通路１２５には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出することにより排気中の酸素濃度と密接な関係にある吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２６が設けられ、その検出信号はコントロールユニット１１へ出力される。この空燃比センサ１２６は、リッチ・リーン出力する酸素センサであってもよいし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい。

空燃比センサ１２６として周知の限界電流式酸素センサを用いることができ、この電界電流式酸素センサは、濃淡電池式酸素センサの検出部に拡散律速層と呼ばれるセラミック層を備えることにより排気中の酸素濃度に応じた出力電流が得られるセンサである。すなわち、排気中の酸素濃度と密接な関係にある空燃比が理論空燃比である場合には、その出力電流は「０」になり、空燃比がリッチになるにつれて出力電流は負の方向に大きくなり、空燃比がリーンになるにつれて出力電流は正の方向に大きくなる。このため、この空燃比センサ１２６の出力に基づき、排気浄化触媒１２７の上流側の空燃比についてそのリーン度合いやリッチ度合いを検出することができる。

また、排気通路１２５には、排気を浄化するための排気浄化触媒１２７が設けられている。この排気浄化触媒１２７としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍での燃焼が行われる状態において、排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒を用いることができる。また、この排気浄化触媒１２７は、通過する排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンの時には排気中の酸素を吸蔵し、同空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには吸蔵した酸素を放出する、いわゆる酸素ストレージ機能を備える。

排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の下流側には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出し、リッチ・リーン出力する酸素センサ１２８が設けられ、その検出信号はコントロールユニット１１へ出力される。酸素センサ１２８として、周知の濃淡電池式の酸素センサを用いることができ、この濃淡電池式酸素センサの出力特性は、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには１Ｖ程度の出力が得られ、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには０Ｖ程度の出力が得られ、理論空燃比近傍でその出力電圧が大きく変化するように構成されている。このため、この酸素センサ１２８の出力に基づき、触媒浄化触媒１２７の下流側の空燃比がリーンとなっているかリッチとなっているかを検出することができる。

酸素センサ１２８は、排気浄化触媒１２７での排気浄化作用の状態を監視するために排気浄化触媒１２７の下流側の排気通路１２６に臨んで設けられている。そして、空燃比センサ１２６の出力がリッチを示している場合に酸素センサ１２８の出力がリーンとなっている場合には、排気浄化触媒１２７から酸素が放出され、排気浄化触媒１２７での酸化作用が促進されていることを把握することができる。また、空燃比センサ１２６の出力がリーンを示している場合に酸素センサ１２８の出力がリッチとなっている場合には、排気浄化触媒１２７に酸素が吸蔵され、排気浄化触媒１２７での還元作用が促進されていることを把握することができる。

なお、図１において１２９はマフラである。また、酸素センサ１２８とマフラ１２９との間に、ＨＣトラップ機能を有する排気浄化触媒を設けてもよい。

内燃機関ＥＧのクランク軸１３０にはクランク角センサ１３１が設けられ、コントロールユニット１１は、クランク角センサ１３１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、機関回転速度Ｎｅを検出することができる。

内燃機関ＥＧのウォータジャケット１３２には、水温センサ１３３が当該ウォータジャケットに臨んで設けられ、ウォータジャケット１３２内の冷却水温度Ｔｗを検出し、これをコントロールユニット１１へ出力する。

さて、上述した排気浄化触媒１２７は、燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比の近傍の狭い範囲でのみ、排気中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを酸化還元反応により効率的に浄化する。こうした排気浄化触媒１２７を有効に機能させるには、混合気の空燃比を理論空燃比の近傍の狭い範囲の中心に合わせこむ、厳密な空燃比制御が必要とされる。

この空燃比の制御は、コントロールユニット１１により実行される。コントロールユニット１１には、エアフローメータ１１３、空燃比センサ１２６、酸素センサ１２８、アクセルペダルの踏み込み量を検出する図示しないアクセルセンサ、クランク角センサ１３１を始めとする各種センサ類の検出信号が入力される。そして、それらセンサ類の検出信号より把握される内燃機関ＥＧや車両の運転状況に応じて、スロットルバルブ１１４や燃料噴射バルブ１１８等を駆動制御し、空燃比の制御を実行する。以下、コントロールユニット１１による空燃比制御の概要を説明する。

まずコントロールユニット１１は、アクセルペダルの踏み込み量や内燃機関の回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ１１４の開度を調整する。その一方、エアフローメータ１１３により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それにより燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室１２３で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることができる。

これに加えて、コントロールユニット１１は、排気浄化触媒１２７の上流側の空燃比センサ１２６の検出結果と、下流側の酸素センサ１２８の検出結果とに基づいて、燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量を補正することにより、要求される空燃比制御の精度が確保されることになる。

ところで、排気浄化触媒１２７の上流側及び下流側に設けた空燃比センサ１２６と酸素センサ１２８とによって空燃比を目標空燃比に精度良く合わせ込むにあたり、上述した従来の内燃機関の制御装置では、排気浄化触媒１２７上流側の空燃比センサ１２６の検出結果により、排気浄化触媒１２７の上流側の空燃比についてその実測値を把握し、この実測値と目標空燃比（すなわち理論空燃比）との乖離度合に基づいて算出される空燃比フィードバック補正量に基づいて、燃料噴射バルブ１１８の燃料噴射量をフィードバック補正する。また、排気浄化触媒１２７の下流側の酸素センサ１２８の検出結果より、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵状態、あるいは酸素放出状態を推定し、この推定に基づいて空燃比フィードバック補正量に対する修正を行う。この修正処理では、酸素センサ１２８の出力に基づいて算出されるサブフィードバック補正量が増減補正され、同サブフィードバック補正量によって空燃比フィードバック補正量が修正される。

しかしながら、排気浄化触媒１２７は酸素吸蔵・放出機能を有するため、上述したフィードバック制御を行うと、図２Ｂに示すように排気浄化触媒１２７の下流側の酸素センサ１２８の出力がオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し、この酸素センサ１２８の出力に基づいてサブフィードバック補正量が算出され、結果的に空燃比フィードバック補正量が修正されるので、同図に示すように目標空燃比が理論空燃比に収束せず、周期的かつ比較的長い時間リーンの空燃比になる。その結果、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量が周期的に増加してその間のＮＯｘ排出量が多くなるという問題がある。

これに対して、本例のコントロールユニット１１は、酸素センサ１２８により検出される検出値と予め設定された目標値との偏差に基づき、排気浄化触媒１２７の上流側の目標空燃比を、期間が定められた間欠的なリッチ空燃比またはリーン空燃比に設定するとともに、当該リッチ空燃比またはリーン空燃比に設定した期間の前後の排気浄化触媒１２７の上流側の目標空燃比を、理論空燃比に設定する。

以下、この制御について図２Ａ，図３Ａ〜図３Ｄ，図４〜図６を参照しながら説明する。まず、本例の空燃比制御の概要を図２Ａのタイミングチャートで説明すると、排気浄化触媒１２７の下流側の酸素センサ１２８の出力（検出値）と、予め定められた目標値との偏差を演算し、当該偏差が所定値より大きいか否かを判断する。この目標値は、図２Ａの「酸素センサ出力」のグラフに示すように、リッチ側の上限値Ａとリーン側の下限値Ｂとの間の範囲（酸素センサ１２８の不感帯となる）であり、この範囲と酸素センサ１２８の出力値との偏差を演算する。すなわち、酸素センサ１２８の出力値ＸがＢ≦Ｘ≦Ａの場合は偏差＝０とし、Ａ＜Ｘの場合は偏差＝Ｘ−Ａ，Ｘ＜Ｂの場合は偏差＝Ｘ−Ｂとなる。そして、偏差がプラスの値である場合はリッチ側の偏差であり、マイナスの値である場合はリーン側の偏差となる。

なお、酸素センサ１２８の出力と、予め定められた目標値との偏差は、上述したように演算する以外にも、上限値Ａと下限値Ｂの平均値（Ａ＋Ｂ）／２に対する検出値Ｘの差、すなわち偏差＝Ｘ−（Ａ＋Ｂ）／２とし、この偏差の絶対値が（Ａ−Ｂ）／２を超えるか否かを判断してもよい。

図２Ａに示すように、横軸の時間ｔ０〜ｔ１の酸素センサ１２８の出力値ＸはＢ≦Ｘ≦Ａであるから、同図の「目標空燃比」をストイキ（理論空燃比）に設定するが、時間ｔ１において酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａを超えたことを検出すると、コントロールユニット１１は、目標空燃比を間欠的なリーン空燃比に設定し、燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量を当該リーン空燃比に応じた値に設定する。

時間ｔ１〜ｔ２のリーン空燃比の設定において、間欠的な設定時間Ａ１（＝ｔ２−ｔ１）と、リーン度合いＡ２は、ｉ）酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値Ａ〜Ｂを超えた直後であるか否か、ii）酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の絶対値、iii）酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の変化量（傾き）などに応じて設定する。

たとえば、時間ｔ１では、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値Ａ〜Ｂを超えた直後であるため、時間ｔ３の場合に比べて、リーン度合いＡ２を大きくする（空燃比の値を大きくする）又は間欠的設定時間Ａ１を長く設定する。または、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の絶対値が大きいほど、リーン度合いＡ２を大きくする（空燃比の値を大きくする）又は間欠的設定時間Ａ１を長く設定する。または、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の変化量（傾き）が大きいほど、リーン度合いＡ２を大きくする（空燃比の値を大きくする）又は間欠的設定時間Ａ１を長く設定する。

こうした間欠的な設定時間Ａ１及びリーン度合いＡ２の設定値と酸素センサ１２８の出力値Ｘとの関係は予め制御マップにて定義し、コントロールユニット１１に記憶しておく。図４に、リーン度合い及びリッチ度合いに関する制御マップの一例を示す。同図に示す例では、リッチ空燃比に設定する場合は、リッチ度合いが大きい空燃比Ｋと、これよりリッチ度合いが小さい空燃比Ｊが定義され、同様にリーン空燃比に設定する場合は、リーン度合いが大きい空燃比Ｉと、これよりリーン度合いが小さい空燃比Ｈが定義されている。

また図５に、酸素センサ１２８の出力値Ｘ及び目標値Ａ〜Ｂとの偏差の変化量（傾き）と間欠的設定時間（同図ではスパイク時間ともいう）に関する制御マップの一例を示す。この制御マップでは、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の変化量（傾き）が大きいほど、リーン度合いＡ２を大きくする（空燃比の値を大きくする）又は間欠的設定時間Ａ１を長く設定する。また、図２Ａに示す時間ｔ３〜ｔ４のように、前回の間欠的リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定では酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値に入らない場合に再度間欠的リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定を行う場合の設定時間を一定値にする。

時間ｔ１〜ｔ２において間欠的なリーン空燃比の設定を終えた後は、再び目標空燃比をストイキに設定するが、ストイキに戻してから所定のインターバル時間Ａ３の間は、リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定を禁止し、ストイキを維持する。所定のインターバル時間Ａ３とは、リーン空燃比（又はリッチ空燃比）の設定による燃焼の排気ガスが排気通路１２５を流下して酸素センサ１２８に至るまでの時間をいい、排気ガスの流量、内燃機関の回転速度又は内燃機関の負荷に応じて決定される。

すなわち、排気ガスの流量、内燃機関の回転速度又は内燃機関の負荷が大きいほどリーン空燃比又はリッチ空燃比の設定による燃焼の排気ガスが短時間で酸素センサ１２８の出力値Ｘに反映されるので、インターバル時間Ａ３を短く設定する。また、酸素センサ１２８の検出感度が鋭敏なほどインターバル時間Ａ３を短く設定してもよい。こうした排気ガスの流量、内燃機関の回転速度、内燃機関の負荷又は酸素センサ１２８の検出感度とインターバル時間Ａ３との関係は予め制御マップに定義し、コントロールユニット１１に記憶しておく。図６に、排気ガスの流量、内燃機関の回転速度又は内燃機関の負荷とインターバル時間Ａ３に関する制御マップの一例を示す。

時間ｔ１〜ｔ２にてリーン空燃比の設定を行うと、インターバル時間Ａ３の間に酸素センサ１２８の出力値Ｘがストイキ側に変化するが、インターバル時間Ａ３を過ぎても酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差が所定値より大きい場合、換言すれば酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａよりもリッチ側である場合は、時間ｔ３〜ｔ４にて再度間欠的なリーン空燃比の設定を行う。上述したとおり、時間ｔ３においては、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値Ａ〜Ｂを超えた直後ではないため、時間ｔ１の場合に比べて、リーン度合いを小さくする（空燃比の値を小さくする）又は間欠的設定時間ｔ４−ｔ３を短く設定する。時間ｔ４にてリーン空燃比の設定を終了したら、再び目標空燃比をストイキに設定する。この時間ｔ３〜ｔ４のリーン空燃比の設定により酸素センサ１２８の出力値Ｘは目標値Ａ〜Ｂに入ることになる。

なお、時間ｔ３〜ｔ４において間欠的なリーン空燃比の設定を終えた後は、再び目標空燃比をストイキに設定するが、ストイキに戻してから所定のインターバル時間Ａ３の間は、リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定を禁止し、ストイキを維持する。

時間ｔ５において、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の下限値Ｂを下回ったことを検出すると、コントロールユニット１１は、目標空燃比を間欠的なリッチ空燃比に設定し、燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量を当該リッチ空燃比に応じた値に設定する。この時間ｔ５〜ｔ６のリッチ空燃比の設定においても、間欠的な設定時間Ａ４（＝ｔ６−ｔ５）と、リーン度合いＡ５は、ｉ）酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値Ａ〜Ｂを下回った直後であるか否か、ii）酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の絶対値、iii）酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の変化量（傾き）などに応じて設定する。

たとえば、時間ｔ５では、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値Ａ〜Ｂを下回った直後であるため、その後に目標値Ａ〜Ｂを下回った場合に比べて、リッチ度合いＡ５を大きくする（空燃比の値を小さくする）又は間欠的設定時間Ａ４を長く設定する。または、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の絶対値が大きいほど、リッチ度合いＡ５を大きくする（空燃比の値を小さくする）又は間欠的設定時間Ａ４を長く設定する。または、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の変化量（傾き）が大きいほど、リッチ度合いＡ５を大きくする（空燃比の値を小さくする）又は間欠的設定時間Ａ４を長く設定する。こうした間欠的な設定時間Ａ４及びリッチ度合いＡ５の設定値と酸素センサ１２８の出力値Ｘとの関係は予め制御マップにて定義し、コントロールユニット１１に記憶しておく。

時間ｔ５〜ｔ６において間欠的なリッチ空燃比の設定を終えた後は、再び目標空燃比をストイキに設定するが、ストイキに戻してから所定のインターバル時間Ａ３の間は、リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定を禁止し、ストイキを維持する。

以上のとおり、本例のコントロールユニット１１は、酸素センサ１２８による検出値Ｘと予め設定された目標値Ａ〜Ｂとの偏差に基づき、排気浄化触媒１２７の上流側の目標空燃比を、期間が定められた間欠的なリッチ空燃比またはリーン空燃比に設定するとともに、当該リッチ空燃比またはリーン空燃比に設定した期間ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ５〜ｔ６の前後ｔ０〜ｔ１，ｔ４〜ｔ５，ｔ６〜の排気浄化触媒１２７の上流側の目標空燃比を、理論空燃比に設定するので、図２Ｂに示す従来の酸素センサ１２８によるフィードバック制御に比べて、酸素センサ１２８の出力値Ｘのオーバーシュートやアンダーシュートが抑制され、これにより目標空燃比のオーバーシュートやアンダーシュートが抑制できる。

その結果、図２Ａの「ＨＣ濃度」及び「ＮＯｘ濃度」のグラフに示されるように、リーン空燃比の設定ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４を行った直後は、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量が瞬間的に増加してＮＯｘ濃度が若干上昇するが、その前後の目標空燃比はストイキに設定されているのでＮＯｘ排出量を抑制することができる。また、リッチ空燃比の設定ｔ５〜ｔ６を行った直後は、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量が瞬間的に減少してＨＣ濃度が若干上昇するが、その前後の目標空燃比はストイキに設定されているのでＨＣ排出量を抑制することができる。

また本例のコントロールユニット１１は、酸素センサ１２８の出力値Ｘが所定範囲の目標値Ａ〜Ｂの場合には、間欠的なリーン空燃比又はリッチ空燃比の設定を禁止し目標空燃比をストイキに設定するので、無理に排気浄化触媒１２７の上流側の目標空燃比を変動させることによる排気浄化性能の低下を抑制することができる。

また本例のコントロールユニット１１は、インターバル時間Ａ３の間はストイキを維持し、間欠的リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定を禁止するので、設定した間欠的リーン空燃比又はリッチ空燃比による燃焼ガスの反映を待って次の動作を行うことができ、これによってもオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制することができる。

また本例のコントロールユニット１１は、排気ガスの流量、内燃機関の回転速度又は内燃機関の負荷が大きいほど、インターバル時間Ａ３を短く設定するので、設定した間欠的リーン空燃比又はリッチ空燃比による燃焼ガスの反映の待ち時間が必要かつ十分な時間となり、オーバーシュート及びアンダーシュートを効率的に抑制することができる。

また本例のコントロールユニット１１は、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値Ａ〜Ｂである所定範囲を超えた直後に間欠的なリッチ空燃比又は間欠的なリーン空燃比の設定を行う場合に、それ以降の間欠的なリッチ空燃比又はリーン空燃比の設定に比べて、少なくとも間欠的な空燃比の設定時間を長い値に設定するか又はリッチ空燃比を小さい値に設定するか若しくはリーン空燃比を大きい値に設定するので、短時間で酸素センサ１２８の出力値Ｘを目標値Ａ〜Ｂに戻すことができる。

また本例のコントロールユニット１１は、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値Ａ〜Ｂとの偏差の時間的変化量が大きいほど、間欠的な空燃比の設定時間を長い値に設定するか又はリッチ空燃比を小さい値に設定するか若しくはリーン空燃比を大きい値に設定するので、短時間で酸素センサ１２８の出力値Ｘを目標値Ａ〜Ｂに戻すことができる。

次に、図３Ａ〜図３Ｄを参照してコントロールユニット１１の具体的制御手順の一例について説明する。まず図３ＡのステップＳ１にて、リーン空燃比又はリッチ空燃比の設定による間欠的燃料噴射（以下、スパイクともいう）を実行中か否かを判断する。図２Ａに示す時間軸と合わせるため、最初にスパイク中でない（ステップＳ１にてＮｏ→３Ｂへ）場合を説明する。

図３ＢのステップＳ１４では、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａを超えているか否かを判断し、超えている場合はステップＳ１５へ進み、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の下限値Ｂを下回っていたか否かを判断する。そして、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていた場合はステップＳ１６へ進み、リーン空燃比Ｉを目標空燃比に設定し、ステップＳ１７にて当該リーン空燃比Ｉによるスパイクを実行する。ステップＳ１８では、ステップＳ１７で設定したリーン空燃比Ｉによるスパイク時間を、直前の一定時間の酸素センサ１２８の出力変化量の関数から決定し、変化量が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ１９にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていた場合は、図３Ｃに示すように間欠的なリッチ空燃比によるスパイクを実行するので、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量は減少気味にある。このため、相対的に大きいリーン空燃比Ｉによってスパイクすることで排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量を調整する。

ステップＳ１５に戻り、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていなかった場合はステップＳ２０へ進み、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）未満であるか否かを判断し、タイマカウントアップ値がＣ未満である場合は、ステップＳ２１へ進み、ステップＳ１４にて酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていてもリーン空燃比に設定することなく、目標空燃比をストイキに設定する。そして、ステップＳ２２にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ２０にて、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）以上である場合はステップＳ２３へ進み、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていたか否かを判断する。そして、出力値Ｘが上限値Ａを超えていた場合はステップＳ２４へ進み、超えていなかった場合はステップＳ２８へ進む。

前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていた場合は、ステップＳ２４にて、目標空燃比を相対的に小さいリーン空燃比Ｈに設定し、ステップＳ２５にて当該リーン空燃比Ｈによるスパイクを実行する。ステップＳ２６では、ステップＳ２５で設定したリーン空燃比Ｈによるスパイク時間を、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値との偏差関数から決定し、偏差が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ２７にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

一方、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていなかった場合は、ステップＳ２８にて、目標空燃比を相対的に大きいリーン空燃比Ｉに設定し、ステップＳ２９にて当該リーン空燃比Ｉによるスパイクを実行する。ステップＳ３０では、ステップＳ２９で設定したリーン空燃比Ｉによるスパイク時間を、酸素センサ１２８の出力変化量の関数から決定し、出力変化量が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ３１にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ２３にて、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていたか否かを判断するのは、前回スパイク時に酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていた場合には、それによってリーン空燃比によるスパイクを実行しているので、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量が増加気味となっていると推察され、このため、相対的に小さいリーン空燃比Ｈによってスパイクすることで排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量を調整するためである。

図３ＢのステップＳ１４⇒Ｓ１５⇒Ｓ１６⇒Ｓ１７⇒Ｓ１８⇒Ｓ１９が、図２Ａの時間ｔ１〜ｔ２に相当し、図３ＢのステップＳ１４⇒Ｓ１５⇒Ｓ２０⇒Ｓ２３⇒Ｓ２４⇒Ｓ２５⇒Ｓ２６⇒Ｓ２６が、図２Ａの時間ｔ３〜ｔ４に相当し、図３ＢのステップＳ１４⇒Ｓ１５⇒Ｓ２０⇒Ｓ２１⇒Ｓ２２が、図２Ａの時間ｔ２〜ｔ３に相当する。

ステップＳ１４に戻り、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａを超えていない場合は、図３ＣのステップＳ３２へ進み、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の下限値Ｂを下回っているか否かを判断する。酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っている場合はステップＳ３３へ進み、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａを超えていたか否かを判断する。そして、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていた場合はステップＳ３４へ進み、リッチ空燃比Ｋを目標空燃比に設定し、ステップＳ３５にて当該リッチ空燃比Ｋによるスパイクを実行する。ステップＳ３６では、ステップＳ３５で設定したリッチ空燃比Ｋによるスパイク時間を、直前の一定時間の酸素センサ１２８の出力変化量の関数から決定し、変化量が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ３７にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていた場合は、図３Ｂに示すように間欠的なリーン空燃比によるスパイクを実行するので、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量は増加気味にある。このため、相対的に大きいリッチ空燃比Ｋによってスパイクすることで排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量を調整する。

ステップＳ３３に戻り、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが上限値Ａを超えていなかった場合はステップＳ３８へ進み、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）未満であるか否かを判断し、タイマカウントアップ値がＣ未満である場合は、ステップＳ３９へ進み、ステップＳ３２にて酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていてもリッチ空燃比に設定することなく、目標空燃比をストイキに設定する。そして、ステップＳ４０にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ３８にて、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）以上である場合はステップＳ４１へ進み、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていたか否かを判断する。そして、出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていた場合はステップＳ４２へ進み、下回っていなかった場合はステップＳ４６へ進む。

前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていた場合は、ステップＳ４２にて、目標空燃比を相対的にリッチ度合いが小さいリッチ空燃比Ｊに設定し、ステップＳ４３にて当該リッチ空燃比Ｊによるスパイクを実行する。ステップＳ４４では、ステップＳ４２で設定したリッチ空燃比Ｊによるスパイク時間を、酸素センサ１２８の出力値Ｘと目標値との偏差関数から決定し、偏差が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ４５にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

一方、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていなかった場合は、ステップＳ４６にて、目標空燃比を相対的にリッチ度合いが大きいリッチ空燃比Ｋに設定し、ステップＳ４７にて当該リッチ空燃比Ｋによるスパイクを実行する。ステップＳ４８では、ステップＳ４６で設定したリッチ空燃比Ｋによるスパイク時間を、酸素センサ１２８の出力変化量の関数から決定し、出力変化量が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ４９にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ４１にて、前回スパイク時の酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていたか否かを判断するのは、前回スパイク時に酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていた場合には、それによってリッチ空燃比によるスパイクを実行しているので、排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量が減少気味になっていると推察され、このため、相対的にリッチ度合いが小さいリッチ空燃比Ｊによってスパイクすることで排気浄化触媒１２７の酸素吸蔵量を調整するためである。

なお、ステップＳ３２にて、酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂ以上である場合は、ステップＳ５０へ進み、目標空燃比をストイキに設定したのち、ステップＳ５１にてインターバル時間Ａ３のインターバルタイマをＣに設定する。図３ＣのステップＳ３２⇒Ｓ３３⇒Ｓ３４⇒Ｓ３５⇒Ｓ３６⇒Ｓ３７が、図２Ａの時間ｔ５〜ｔ６に相当し、図３ＣのステップＳ３２⇒Ｓ３３⇒Ｓ３８⇒Ｓ３９⇒Ｓ４０が、図２Ａの時間ｔ６〜に相当する。

図３ＡのステップＳ１へ戻り、ステップＳ１にてスパイク中であると判断された場合にはステップＳ２へ進み、現在の目標空燃比がリーン空燃比Ｉ又はＨのいずれかであるか否かを判断する。目標空燃比がリーン空燃比Ｉ又はＨである場合はステップＳ３へ進み、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の下限値Ｂを下回っているか否かを判断する。

ステップＳ２にて目標空燃比がリーン空燃比Ｉ又はＨに設定されているにも拘らず、スパイク中に酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回った場合には、ステップＳ４にて目標空燃比を、リッチ度合いが相対的に大きいリッチ空燃比Ｋに設定し、ステップＳ５にて当該リッチ空燃比Ｋによるスパイクを実行する。ステップＳ６では、ステップＳ４で設定したリッチ空燃比Ｉによるスパイク時間を、酸素センサ１２８の出力変化量の関数から決定し、出力変化量が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ７にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

一方、ステップＳ３にて、酸素センサ１２８の出力値Ｘが下限値Ｂを下回っていない場合はステップ８へ進み、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）未満であるか否かを判断し、タイマカウントアップ値がＣ未満である場合は、ステップＳ９へ進み、目標空燃比をリーン空燃比Ｉ又はＨを維持する。そして、ステップＳ１０にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ８にて、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）以上である場合はステップＳ１１へ進み、目標空燃比をストイキに設定する。そして、ステップＳ１２にて、インターバル時間Ｃを、排気ガス流量、内燃機関の回転数又は内燃機関の負荷の関数として決定し、最後にステップＳ１３にてインターバル時間をクリヤする。

ステップＳ２へ戻り、目標空燃比がリーン空燃比Ｉ又はＨではない場合には、図３ＤのステップＳ５２へ進む。そして、ステップＳ１のスパイク中において、ステップＳ５２では酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａを超えているか否かを判断し、超えている場合はステップＳ５３へ進み、目標空燃比をリーン空燃比Ｉに設定し、ステップＳ５４にて当該リーン空燃比Ｉによるスパイクを実行する。ステップＳ５５では、ステップＳ５３で設定したリーン空燃比Ｉによるスパイク時間を、直前の一定時間の酸素センサ１２８の出力変化量の関数から決定し、変化量が大きいほどスパイク時間を長くする。最後にステップＳ５６にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ５２にて、酸素センサ１２８の出力値Ｘが目標値の上限値Ａを超えていない場合はステップＳ５７へ進み、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）未満であるか否かを判断し、タイマカウントアップ値がＣ未満である場合は、ステップＳ５８へ進み、目標空燃比を前回の値に維持する。そして、ステップＳ５９にてスパイクタイマをクリヤすることによりスパイクを終了する。

ステップＳ５７にて、インターバル時間Ａ３のタイマカウントアップ値がＣ（＝Ａ３）以上である場合はステップＳ６０へ進み、目標空燃比をストイキに設定する。そして、ステップＳ６１にて、インターバル時間Ｃを、排気ガス流量、内燃機関の回転数又は内燃機関の負荷の関数として決定し、最後にステップＳ６２にてインターバル時間をクリヤする。

上記空燃比センサ１２６は本発明に係る上流排気ガスセンサに相当し、上記酸素センサ１２８は本発明に係る下流排気ガスセンサに相当し、上記コントロールユニット１１は本発明に係る制御手段に相当する。

ＥＧ…内燃機関
１１…コントロールユニット
１１１…吸気通路
１１１ａ…燃料噴射ポート
１１２…エアーフィルタ
１１３…エアフローメータ
１１４…スロットルバルブ
１１５…コレクタ
１１６…スロットルバルブアクチュエータ
１１７…スロットルセンサ
１１８…燃料噴射バルブ
１１９…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…吸気バルブ
１２２…排気バルブ
１２３…燃焼室
１２４…点火プラグ
１２５…排気通路
１２６…空燃比センサ
１２７…排気浄化触媒
１２８…酸素センサ
１２９…マフラ
１３０…クランク軸
１３１…クランク角センサ
１３２…ウォータジャケット
１３３…水温センサ
１３４…シリンダヘッド

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の上流側を通過する排気ガスの空燃比を検出する上流排気ガスセンサと、
   前記排気浄化触媒の下流側を通過する排気ガスの成分を検出する下流排気ガスセンサと、
   前記下流排気ガスセンサにより検出される排気ガス成分に基づき、前記排気ガスの特定成分を目標値に収束させるように内燃機関の目標空燃比を制御する制御手段と、を備える内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記下流排気ガスセンサにより検出される検出値と予め設定された目標値との偏差に基づき、前記排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を、期間が定められた間欠的なリッチ空燃比またはリーン空燃比に設定するとともに、当該リッチ空燃比またはリーン空燃比に設定した期間の前後の前記排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を、理論空燃比に設定する内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、
   前記下流排気ガスセンサによる検出値が前記目標値に対してリッチ空燃比側の偏差である場合は、前記排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を間欠的なリーン空燃比に設定し、
   前記下流排気ガスセンサによる検出値が前記目標値に対してリーン空燃比側の偏差である場合は、前記排気浄化触媒の上流側の目標空燃比を間欠的なリッチ空燃比に設定する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、
   前記下流排気ガスセンサによる検出値と前記目標値との偏差が大きいほど、前記リッチ空燃比を小さい値に設定し又は前記リーン空燃比を大きい値に設定する請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記制御手段は、
   前記下流排気ガスセンサによる検出値と前記目標値との偏差が所定範囲内の場合には、前記間欠的なリッチ空燃比又はリーン空燃比の設定を禁止し、理論空燃比に設定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記制御手段は、
   前記間欠的なリッチ空燃比又は前記間欠的なリーン空燃比の設定終了時から、当該設定による排気ガスが前記排気通路を流下して前記下流排気ガスセンサに至るまでのインターバル時間は、次の間欠的なリッチ空燃比又はリーン空燃比の設定を禁止し、理論空燃比に設定する請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御手段は、
   排気ガスの流量、内燃機関の回転速度又は内燃機関の負荷が大きいほど、前記インターバル時間を短く設定する請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記制御手段は、
   前記偏差が所定範囲を超えた直後に前記間欠的なリッチ空燃比又は前記間欠的なリーン空燃比の設定を行う場合に、それ以降の間欠的なリッチ空燃比又はリーン空燃比の設定に比べて、少なくとも間欠的な空燃比の設定時間を長い値に設定するか又はリッチ空燃比を小さい値に設定するか若しくはリーン空燃比を大きい値に設定する請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記制御手段は、
   前記間欠的なリッチ空燃比又は前記間欠的なリーン空燃比の値及び設定時間を設定するにあたり、前記偏差の時間的変化量が大きいほど、間欠的な空燃比の設定時間を長い値に設定するか又はリッチ空燃比を小さい値に設定するか若しくはリーン空燃比を大きい値に設定する請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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