JP2014134125A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の低温始動時において、空燃比のフィードバック制御を早期に実行できる空燃比制御装置を提供する。
【解決手段】空燃比制御装置１０は、低温始動状態であると判定されると（Ｓ１２０で肯定判定）、まず、下流側ガスセンサ１５の下流側ヒータ１６の駆動のもと、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７の温度を下流側目標温度に制御し（Ｓ１７０）、下流側ガスセンサ１５の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御する（Ｓ１９０）。一方、低温始動状態でないと判定されると（Ｓ１２０で否定判定）、上流側ガスセンサ２２の上流側ヒータ２５の駆動のもと、上流側ガスセンサ２２の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御する（Ｓ２７０）。この空燃比制御装置１０によれば、内燃機関１が低温始動状態の場合であっても、排気系温度が水分蒸発温度に達するのを待たずして空燃比のフィードバック制御を早期に実行することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御を行う空燃比制御装置に関する。

従来、内燃機関の空燃比制御を行うために、排気経路に設けられたガスセンサのセンサ出力を用いてフィードバック制御を行う空燃比制御装置が知られている。
この空燃比制御装置は、ガスセンサにより排気ガス中の特定ガス（酸素など）の濃度を検出し、その検出結果を用いて空燃比のフィードバック制御を行う。

他方、低温始動直後の内燃機関では、排気経路に凝縮水が存在する始動状態（以下、低温始動状態ともいう）になることがある。このような低温始動状態の内燃機関においてヒータ付きのガスセンサを使用する場合、ヒータにより加熱された高温のセンサ素子に凝縮水が付着すると、熱衝撃によりセンサ素子が破損するおそれがある。

そこで、内燃機関が低温始動状態である場合には、まず触媒の下流側に設けられるガスセンサのセンサ出力を用いてフィードバック制御を行い、その後、排気経路に凝縮水が存在しない通常運転状態になると、触媒の上流側に設けられるガスセンサのセンサ出力を用いたフィードバック制御に切り替える構成の空燃比制御装置が提案されている（特許文献１）。

なお、低温始動状態においては、排気管内に滞留した凝縮水がなくなるまでの時間よりも、機関（排気ポート）から凝縮水が排出されなくなるまでの時間の方が長い。また、機関から排出された凝縮水は触媒を通過する際に分散（拡散）等されるため、下流側ガスセンサは上流側ガスセンサに比べて機関から排出される凝縮水によって被水する可能性が低い。

つまり、触媒下流側のガスセンサは、触媒上流側のガスセンサに比べて、早期にヒータ起動することが可能となる。
したがって、上記従来の空燃比制御装置のように、触媒下流側のガスセンサのセンサ出力を用いてフィードバック制御を行うことで、触媒上流側のガスセンサのセンサ出力のみを用いてフィードバック制御を行う場合に比べて、内燃機関の始動からフィードバック制御の開始時期までの所要時間を短縮できる。

特開２００９−０７９５４６号公報

しかし、上記従来の空燃比制御装置では、触媒下流側のガスセンサであっても、内燃機関の始動後、排気系温度が水分蒸発温度に達するまでは、被水のおそれがあるためヒータを起動できず、触媒下流側のガスセンサを用いた空燃比のフィードバック制御を実行できないという問題がある。

つまり、排気系温度が水分蒸発温度に到達するまでの待ち時間においては、空燃比のフィードバック制御ではなく、センサ出力を使用しないオープン制御により空燃比を制御する必要があり、実際の排気ガスの変化状態に応じた適切な空燃比制御が不可能となる。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、内燃機関の低温始動時において、空燃比のフィードバック制御を早期に実行できる空燃比制御装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気経路に設けられた触媒と、排気経路のうち触媒の上流側に設けられ、検知素子および素子加熱用ヒータを有する上流側ガスセンサと、排気経路のうち触媒の下流側に設けられ、検知素子および素子加熱用ヒータを有する下流側ガスセンサと、上流側ガスセンサの素子加熱用ヒータおよび下流側ガスセンサの素子加熱用ヒータの発熱状態を制御するヒータ制御手段と、上流側ガスセンサおよび下流側ガスセンサの少なくとも一方の出力に基づいて排気空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備える空燃比制御装置であって、内燃機関の始動状態に関して、低温始動状態であるか否かを判断する始動状態判定手段、を備え、ヒータ制御手段は、始動状態判定手段にて低温始動状態であると判定されると、下流側ガスセンサの素子加熱用ヒータを用いて、下流側ガスセンサの検知素子の温度を予め定められた下流側目標温度に制御し、始動状態判定手段にて低温始動状態ではないと判定されると、上流側ガスセンサの素子加熱用ヒータを用いて、上流側ガスセンサの検知素子の温度を予め定められた上流側目標温度に制御し、空燃比制御手段は、始動状態判定手段にて低温始動状態であると判定されるとともに下流側ガスセンサの検知素子が活性化した場合には、下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御し、始動状態判定手段にて低温始動状態ではないと判定されるとともに上流側ガスセンサの検知素子が活性化した場合には、上流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御し、下流側目標温度は、上流側目標温度よりも低温であって、下流側ガスセンサの検知素子が活性化状態となる温度であり、かつ被水により下流側ガスセンサの検知素子が破損しない温度であること、を特徴とする空燃比制御装置である。

つまり、この空燃比制御装置は、低温始動状態であると判定されると、まず、下流側ガスセンサの素子加熱用ヒータを用いて、下流側ガスセンサの検知素子の温度を下流側目標温度に制御し、下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御する。

ここで、内燃機関が低温始動状態である場合、排気経路のうち触媒の上流側領域には凝縮水が存在するとしても、その凝縮水は触媒を通過する際に分散（拡散）等される。そのため、始動状態判定手段にて低温始動状態であると判定された場合には、ヒータ制御手段が下流側ガスセンサの素子加熱用ヒータを駆動していても、下流側ガスセンサの検知素子が上記凝縮水の被水により破損する可能性は低い。

このとき、ヒータ制御手段が下流側ガスセンサの検知素子の温度を下流側目標温度に近づけるようにヒータ制御しており、下流側目標温度は被水により下流側ガスセンサの検知素子が破損しない温度であることから、万が一、下流側ガスセンサの検知素子に凝縮水が付着しても、検知素子が被水により破損することはない。

そして、ヒータ制御手段が下流側ガスセンサの検知素子の温度を下流側目標温度に制御することで、下流側ガスセンサが活性化されるため、空燃比制御手段が下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御することが可能となる。なお、低温始動時には触媒が活性しておらず、酸素の吸蔵放出がなされないため、下流側ガスセンサの出力に基づく空燃比のフィードバック制御を実行することが可能である。

つまり、本発明の空燃比制御装置は、内燃機関が低温始動状態である場合には、排気系温度が水分蒸発温度に達するまでの待機時間を経ることなく、下流側ガスセンサの素子加熱用ヒータを駆動して、下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御することが可能となる。

また、内燃機関が低温始動状態ではない場合、排気経路のうち触媒の上流側領域には凝縮水は存在しないと判断されるため、排気系温度が水分蒸発温度に達するまでの待機時間を経ることなく、上流側ガスセンサの素子加熱用ヒータを駆動して、上流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御することが可能となる。

つまり、本発明の空燃比制御装置は、内燃機関が低温始動状態の場合には、下流側ガスセンサを用いて空燃比のフィードバック制御を早期に実行し、また、内燃機関が低温始動状態ではない場合には、上流側ガスセンサを用いて空燃比のフィードバック制御を早期に実行する。

したがって、本発明の空燃比制御装置によれば、内燃機関が低温始動状態の場合であっても、排気系温度が水分蒸発温度に達するのを待たずして空燃比のフィードバック制御を早期に実行することができる。

次に、上述の空燃比制御装置においては、空燃比制御手段により下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比が制御されている場合において、下流側ガスセンサの出力の変化周期が予め定められた触媒劣化条件に該当するか否かを判定し、前記変化周期が触媒劣化条件に該当する場合には触媒が劣化状態であると判定し、前記変化周期が触媒劣化条件に該当しない場合には触媒が非劣化状態であると判定する触媒劣化判定手段、を備えてもよい。

まず、触媒は、時間経過に伴い劣化が進行すると酸素の吸着性能が変化する。つまり、劣化時と非劣化時とでは、触媒における酸素の吸着速度に違いが生じる。
そして、下流側ガスセンサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御する場合、フィードバック制御により排気ガス中の酸素濃度が変化するまでの応答時間は、触媒の劣化度合いの影響を受けて変化する。

このため、下流側ガスセンサの出力の変化周期が予め定められた触媒劣化条件に該当するか否かを判定することで、触媒が劣化状態であるか否かを判定できる。
そして、本発明は、下流側ガスセンサの出力の変化周期が触媒劣化条件に該当するか否かを判定する触媒劣化判定手段を備えることから、触媒が劣化状態であるか非劣化状態であるかを判定することができる。具体的には、触媒劣化判定手段は、出力の変化周期が触媒劣化条件に該当する場合には触媒が劣化状態であると判定し、また、出力の変化周期が触媒劣化条件に該当しない場合には触媒が非劣化状態であると判定する。

よって、本発明によれば、内燃機関が低温始動状態の場合であっても、空燃比のフィードバック制御を早期に実行できるとともに、触媒の劣化状態を判定できるため、触媒の劣化状態を考慮しつつ空燃比を適切に制御することが可能となる。

次に、上述の空燃比制御装置においては、上流側ガスセンサの検知素子は、排気ガスの酸素濃度に応じてリニアな出力を発生する板型の酸素検知素子であり、下流側ガスセンサの検知素子は、理論空燃比近傍で出力が急変する有底筒型の酸素検知素子である、という構成を採ることができる。

まず、有底筒型の酸素検知素子は、板型の酸素検知素子に比べて、被水による破損に強い構造である。このため、下流側ガスセンサの検知素子を有底筒型の酸素検知素子で構成することで、低温始動状態であっても、下流側ガスセンサの検知素子における被水による破損が一層生じがたくなり、下流側ガスセンサの出力に基づいた空燃比のフィードバック制御を適切に継続することが可能となる。

また、排気ガスの酸素濃度に応じてリニアな出力を発生する板型の酸素検知素子は、有底筒型の酸素検知素子と比べて被水による破損に強くはないものの、酸素濃度に対してリニアな出力を発生するために精密な空燃比のフィードバック制御を行うことが可能となる。このため、上流側ガスセンサの検知素子を上記の板型の酸素検知素子で構成することで、低温始動状態ではない場合に、排気ガス中の酸素濃度をより精度よく検知することができ、上流側ガスセンサの出力に基づいた空燃比のフィードバック制御を実行することで、当該フィードバック制御の制御精度を向上できる。

空燃比制御装置を備える内燃機関の概略構成図である。 下流側ガスセンサの全体構成を表した断面図である。 上流側ガスセンサの全体構成を表した断面図である。 上流側検知素子の概略構造を表す斜視図である。 空燃比制御処理の処理内容を表したフローチャートである。 触媒劣化判定処理の処理内容を表したフローチャートである。 劣化状態の触媒における下流側ガスセンサのセンサ出力波形、および正常状態（非劣化状態）の触媒における下流側ガスセンサのセンサ出力波形である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、本発明を適用した内燃機関の空燃比制御装置を例に挙げて説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
本実施形態の内燃機関１の全体構成について、図１に基づいて説明する。図１は、空燃比制御装置１０を備える内燃機関１の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態の内燃機関１は、エンジン本体部１１の吸気管６２のうち最上流部に設けられて異物の吸入を避けるためのエアクリーナ６３と、このエアクリーナ６３の下流側に設けられて吸入空気量を検出するエアフローメータ６４と、を備える。

また、内燃機関１は、エアフローメータ６４の下流側に設けられてモータ６５によって開度調節されるスロットルバルブ６６と、このスロットルバルブ６６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６７と、を備える。

さらに、内燃機関１は、スロットルバルブ６６の下流側に設けられるサージタンク６８と、このサージタンク６８の下流側に設けられてエンジン本体部１１に空気を導入する吸気マニホールド７０と、を備える。

吸気マニホールド７０の吸気ポート近傍には、燃料を噴射する燃料噴射弁７１が取り付けられている。また、エンジン本体部１１のエンジンヘッドには、点火プラグ７２が取り付けられ、各点火プラグ７２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

また、内燃機関１は、冷却水系統（図示省略）に備えられて冷却水の温度を検知する水温センサ７７と、エンジン回転数を検知する回転数センサ７８と、を備える。
エンジン本体部１１の排気ポート６９に接続された排気管７３には、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒７４が設けられている。

排気管７３のうち触媒７４よりも下流側には、排出ガス中の酸素濃度を検出する下流側ガスセンサ１５が設けられ、排気管７３のうち触媒７４よりも上流側には、排出ガス中の酸素濃度を検出する上流側ガスセンサ２２が設けられる。下流側ガスセンサ１５および上流側ガスセンサ２２は、空燃比センサや酸素センサ等として内燃機関１に備えられている。

図２に、下流側ガスセンサ１５の全体構成を表した断面図を示す。
下流側ガスセンサ１５は、ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた有底筒状に形成された下流側検知素子１７と、下流側検知素子１７の有底孔に配置された軸状のセラミックヒータ１６（以下、下流側ヒータ１６ともいう）と、下流側ガスセンサ１５の内部構造物を収容すると共に下流側ガスセンサ１５を排気管等の取付部に固定するケーシング１８と、を主に備えて構成されている。

ケーシング１８の下端側（図における下方）外周には、下流側検知素子１７の突出部分（検出部１９）を覆うと共に、排気ガスを導入するための複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ２０，２１が溶接によって取り付けられている。

この下流側ガスセンサ１５は、下流側検知素子１７の検出部１９の外側が排気ガスに晒される一方、下流側検知素子１７の検出部１９の内側が基準となる酸素濃度を有する基準ガス（大気）に晒される。これにより、下流側ガスセンサ１５では、排気ガスの酸素濃度に応じた起電力が生じ、この起電力は理論空燃比近傍で急変するため、下流側ガスセンサ１５は、結果として理論空燃比近傍で出力が急変する酸素センサとして機能する。

図３に、上流側ガスセンサ２２の全体構成を表した断面図を示す。
上流側ガスセンサ２２は、排気管に固定するためのネジ部１０３が外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、軸線方向（図中上下方向）に延びる板状形状をなす上流側検知素子２３と、を主に備えている。

主体金具１０２の先端側（図における下方）外周には、上流側検知素子２３の突出部分（検出部２６）を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）の二重の外部プロテクタ２７および内部プロテクタ２８が、溶接等によって取り付けられている。

ここで、上流側検知素子２３の概略構造を表す斜視図を、図４に示す。なお、図４では、軸線方向における中間部分を省略して上流側検知素子２３を表している。
上流側検知素子２３は、軸線方向（図４における左右方向）に延びる板状形状に形成された素子部２４と、同じく軸線方向に延びる板状形状に形成されたヒータ部２５（以下、上流側ヒータ２５ともいう）とが積層されて、長方形状の軸断面を有する板状形状に形成されている。また、上流側検知素子２３は、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中左側）に保護層（図示省略）に覆われた検出部２６が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面３８および第２板面３９に電極端子部３０，３１，３２，３４，３６が形成されている。なお、酸素濃度を検知するためのガスセンサ素子として用いられる上流側検知素子２３は、酸素ポンプセル及び酸素濃度検出セルを中空の測定室を有する絶縁層を介して積層した素子部２４に対して、絶縁層間に発熱抵抗体を挟持したヒータ部２５を積層した公知の構成を有するものであるため、その内部構造等の詳細な説明は省略する。なお、酸素ポンプセル及び酸素濃度検出セルは、ジルコニアを主成分とする固体電解質層の表裏面に一対の電極が設けられて構成されている。

そして、この上流側検知素子２３は、制御部１２（ＥＣＵ１２）に設けられる制御回路部によって、酸素濃度検出セルの出力が一定の値となるように酸素ポンプセルに流すポンプ電流が制御されることで、測定室内に導入される排気ガス中の酸素を汲み入れたり、汲み出したりするように機能する。そして、上流側検知素子２３の酸素ポンプセルに流れるポンプ電流の大きさは、排気ガス中の酸素濃度に応じてリニアに変化するため、上流側ガスセンサ２２は、排気ガス中の酸素濃度に応じてリニアに出力が変化する酸素センサとして機能する。

図１に戻り、内燃機関１は、各部の状態を示す信号に基づいて内燃機関の運転状態を制御する制御部１２（ＥＣＵ１２）を備える。制御部１２は、いわゆるマイクロコンピュータで構成されており、詳細は図示しないが、公知の構成を有し、演算を行うマイクロプロセッサ、プログラムやデータを一時記憶するＲＡＭ、プログラムやデータを保持するＲＯＭ、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路などを含んで構成されている。さらに、制御部１２は、上流側ガスセンサ２２の上流側検知素子２３を駆動制御するための制御回路部を含んで構成されるものでもある。

また、内燃機関１は、触媒が劣化状態であることを通知するための触媒劣化通知ランプ７６を備える。
［１−２．空燃比制御装置］
次に、内燃機関１の排気管７３に設けられたガスセンサ（下流側ガスセンサ１５および上流側ガスセンサ２２）のセンサ出力を用いて空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御装置１０について説明する。

空燃比制御装置１０は、主に、制御部１２（ＥＣＵ１２）、触媒７４、下流側ガスセンサ１５、上流側ガスセンサ２２を備えて構成される。
制御部１２は、各部の状態を示す信号に基づいて内燃機関の運転状態を制御するための制御処理として、空燃比制御処理や触媒劣化判定処理などの各種処理を実行する。

ここで、制御部１２で実行される空燃比制御処理について説明する。図５は、空燃比制御処理の処理内容を表したフローチャートである。
なお、空燃比制御処理は、内燃機関１（詳細には、空燃比制御装置１０）が起動されるとともに処理が開始され、内燃機関１（空燃比制御装置１０）が停止するまで処理が継続される。

空燃比制御処理が起動されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す。以下同様。）では、ＲＡＭ動作の初期化などを含む初期設定処理を行う。
なお、Ｓ１１０での初期設定処理では、空燃比制御処理の中で用いる各種パラメータの値や各種フラグの状態を初期値に設定する処理を行う。

次のＳ１２０では、内燃機関の始動状態が低温始動状態であるか否かを判断しており、肯定判定するとＳ１３０に移行し、否定判定するとＳ２００に移行する。
具体的には、Ｓ１２０では、内燃機関の冷却水温度Ｔｃが予め定められた基準温度Ｔ１よりも低いか否かを判定しており、冷却水温度Ｔｃが基準温度Ｔ１よりも低い場合に「低温運転状態である」と判定（肯定判定）し、冷却水温度Ｔｃが基準温度Ｔ１以上である場合に「低温運転状態ではない」と判定（否定判定）する。なお、冷却水温度Ｔｃは、冷却水の温度を検知するために備えられた水温センサ７７からのセンサ出力に基づいて検出する。

Ｓ１２０で肯定判定されてＳ１３０に移行すると、Ｓ１３０では、下流側ヒータ通電フラグＦｄｈがＯＮ状態（Ｆｄｈ＝１）であるか否かを判断しており、肯定判定するとＳ１６０に移行し、否定判定するとＳ１４０に移行する。

ここで、下流側ヒータ通電フラグＦｄｈは、下流側ガスセンサ１５に備えられる下流側ヒータ１６の通電状態を示すフラグであり、ヒータ通電されている場合にはＯＮ状態（Ｆｄｈ＝１）に設定され、ヒータ通電されていない場合にはＯＦＦ状態（Ｆｄｈ＝０）に設定される。なお、下流側ヒータ通電フラグＦｄｈは、Ｓ１１０の初期設定処理では、初期状態としてＯＦＦ状態（Ｆｄｈ＝０）に設定される。

Ｓ１３０で否定判定されてＳ１４０に移行すると、Ｓ１４０では、下流側ガスセンサ１５に備えられる下流側ヒータ１６への通電を開始する。これにより、下流側ヒータ１６は、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７に対する加熱を開始する。

次のＳ１５０では、下流側ヒータ通電フラグＦｄｈをＯＮ状態（Ｆｄｈ＝１）に設定変更する処理を行う。
Ｓ１３０で肯定判定されるかＳ１５０の処理が終了すると、Ｓ１６０に移行し、Ｓ１６０では、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７が活性化したか否かを判断し、肯定判定するとＳ１７０に移行し、否定判定すると再びＳ１２０に移行する。

具体的には、Ｓ１６０では、下流側検知素子１７の素子インピーダンス（以下、下流側素子インピーダンスＲｄともいう）が予め定められた下流側判定基準値Ｒｔｄよりも低いか否かを判定しており、下流側素子インピーダンスＲｄが下流側判定基準値Ｒｔｄよりも低い場合に肯定判定し、下流側素子インピーダンスＲｄが下流側判定基準値Ｒｔｄ以上である場合には否定判定する。

なお、本実施形態の下流側検知素子１７は、自身の素子温度が３５０［℃］以上になることで酸素検知が可能な活性化状態となる。そして、下流側検知素子１７は、自身の素子温度の上昇に伴い素子インピーダンスが低下する特性があるため、下流側素子インピーダンスＲｄに基づいて素子温度を判定できるとともに素子の活性化状態を判定できる。

そして、本実施形態では、温度が３５０［℃］であるときの下流側検知素子１７の下流側素子インピーダンスＲｄに相当する値が、下流側判定基準値Ｒｔｄとして設定されている。

下流側検知素子１７が活性化していない場合には、Ｓ１６０で否定判定されて、Ｓ１２０，Ｓ１３０，Ｓ１６０の各ステップを繰り返し実行することで、下流側検知素子１７が活性化状態となるまで（Ｓ１６０で肯定判定されるまで）待機する。

Ｓ１６０で肯定判定されてＳ１７０に移行すると、Ｓ１７０では、下流側検知素子１７の素子温度が予め定められた下流側目標温度Ｔｄｔに近づくように、下流側ヒータ１６の通電制御を行う。

Ｓ１７０では、下流側検知素子１７の下流側素子インピーダンスＲｄに基づいて素子温度を判定し、その素子温度と下流側目標温度Ｔｄｔとの差分値に基づいて下流側検知素子１７に与えるべき熱量を判定し、その判定結果に基づいて下流側ヒータ１６への通電制御を行う。

なお、下流側目標温度Ｔｄｔは、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７が活性化状態となる温度であり、かつ被水により下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７が破損しない温度である。本実施形態では、この下流側目標温度Ｔｄｔは４００［℃］に設定されている。

次のＳ１８０では、下流側センサフィードバックフラグＦｄｆ（以下、下流側センサＦＢフラグＦｄｆともいう）をＯＮ状態（Ｆｄｆ＝１）に設定変更する。
ここで、下流側センサＦＢフラグＦｄｆは、下流側ガスセンサ１５の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中であるか否かを示すフラグであり、フィードバック制御実行中の場合にはＯＮ状態（Ｆｄｆ＝１）に設定され、フィードバック制御実行中ではない場合にはＯＦＦ状態（Ｆｄｆ＝０）に設定される。なお、下流側センサＦＢフラグＦｄｆは、Ｓ１１０の初期設定処理では、初期状態としてＯＦＦ状態（Ｆｄｆ＝０）に設定される。

続くＳ１９０では、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う。
具体的には、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づき排気ガス中の酸素濃度を判定し、その酸素濃度と制御基準値（理論空燃比での酸素濃度に相当する値）とを比較し、その比較結果に基づいてフィードバック係数を演算し、そのフィードバック係数に応じた燃料噴射量を演算する。つまり、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づいて燃料噴射量を制御することで、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づいた空燃比のフィードバック制御を行う。

Ｓ１９０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
Ｓ１２０で否定判定されてＳ２００に移行すると、Ｓ２００では、上流側ヒータ通電フラグＦｕｈがＯＮ状態（Ｆｕｈ＝１）であるか否かを判断しており、肯定判定するとＳ２３０に移行し、否定判定するとＳ２１０に移行する。

ここで、上流側ヒータ通電フラグＦｕｈは、上流側ガスセンサ２２に備えられる上流側ヒータ２５の通電状態を示すフラグであり、ヒータ通電されている場合にはＯＮ状態（Ｆｕｈ＝１）に設定され、ヒータ通電されていない場合にはＯＦＦ状態（Ｆｕｈ＝０）に設定される。なお、上流側ヒータ通電フラグＦｕｈは、Ｓ１１０の初期設定処理では、初期状態としてＯＦＦ状態（Ｆｕｈ＝０）に設定される。

Ｓ２００で否定判定されてＳ２１０に移行すると、Ｓ２１０では、上流側ガスセンサ２２に備えられる上流側ヒータ２５への通電を開始する。これにより、上流側ヒータ２５は、上流側ガスセンサ２２の上流側検知素子２３における素子部２４に対する加熱を開始する。つまり、素子部２４が活性化する温度となるように上流側ヒータ２５の通電が開始される。

次のＳ２２０では、上流側ヒータ通電フラグＦｕｈをＯＮ状態（Ｆｕｈ＝１）に設定変更する処理を行う。
Ｓ２１０で肯定判定されるかＳ２２０の処理が終了すると、Ｓ２３０に移行し、Ｓ２３０では、上流側ガスセンサ２２に備えられる上流側検知素子２３が活性化したか否かを判断し、肯定判定するとＳ２５０に移行し、否定判定するとＳ２４０に移行する。

具体的には、Ｓ２３０では、上流側検知素子２３（詳細には、上流側検知素子２３を構成する酸素濃度検出セル）の素子インピーダンス（以下、上流側素子インピーダンスＲｕともいう）が予め定められた上流側判定基準値Ｒｔｕよりも低いか否かを判定しており、上流側素子インピーダンスＲｕが上流側判定基準値Ｒｔｕよりも低い場合には肯定判定し、上流側素子インピーダンスＲｕが上流側判定基準値Ｒｔｕ以上である場合には否定判定する。

なお、本実施形態の上流側検知素子２３は、自身の素子温度が７００［℃］以上になることで安定した酸素検知が可能な活性化状態となる。そして、上流側検知素子２３は、自身の温度上昇に伴い素子インピーダンスが低下する特性があるため、上流側素子インピーダンスＲｕに基づいて素子温度を判定できるとともに素子の活性化状態を判定できる。

そして、本実施形態では、温度が７００［℃］であるときの上流側検知素子２３の上流側素子インピーダンスＲｕに相当する値が、上流側判定基準値Ｒｔｕとして設定されている。

そして、上流側検知素子２３が活性化していない場合には、Ｓ２３０で否定判定されてＳ２４０に移行し、Ｓ２４０では、下流側センサＦＢフラグＦｄｆがＯＮ状態（Ｆｄｆ＝１）であるか否かを判断しており、肯定判定するとＳ１９０に移行し、否定判定するとＳ２５０に移行する。

換言すれば、Ｓ２４０では、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御中であるか否かを判定しており、フィードバック制御中の場合には肯定判定してＳ１９０に移行し、フィードバック制御中ではない場合には否定判定してＳ２５０に移行する。

Ｓ２４０で肯定判定された場合には、Ｓ１９０に移行して、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御が継続される。
Ｓ２３０で肯定判定された場合、またはＳ２４０で否定判定された場合には、Ｓ２５０に移行し、Ｓ２５０では、下流側センサＦＢフラグＦｄｆをＯＦＦ状態（Ｆｄｆ＝０）に設定変更する。

次のＳ２６０では、上流側検知素子２３の素子温度が予め定められた上流側目標温度Ｔｕｔに近づくように、上流側ヒータ２５の通電制御を行う。
Ｓ２６０では、上流側検知素子２３の上流側素子インピーダンスＲｕに基づいて素子温度を判定し、その素子温度と上流側目標温度Ｔｕｔとの差分値に基づいて上流側検知素子２３に与えるべき熱量を判定し、その判定結果に基づいて上流側ヒータ２５への通電制御を行う。なお、本実施形態では、この上流側目標温度Ｔｕｔが７５０［℃］に設定されている。

続くＳ２７０では、上流側ガスセンサ２２のセンサ出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う。
具体的には、上流側ガスセンサ２２のセンサ出力に基づき排気ガス中の酸素濃度を判定し、その酸素濃度と制御基準値（理論空燃比での酸素濃度に相当する値）とを比較し、その比較結果に基づいてフィードバック係数を演算し、そのフィードバック係数に応じた燃料噴射量を演算する。つまり、上流側ガスセンサ２２のセンサ出力に基づいて燃料噴射量を制御することで、上流側ガスセンサ２２のセンサ出力に基づいた空燃比のフィードバック制御を行う。

Ｓ２７０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
以上説明したように、空燃比制御処理が実行されることで、内燃機関が低温始動状態であるとともに下流側ガスセンサ１５（下流側検知素子１７）が活性化した場合には（Ｓ１２０で肯定判定、かつＳ１６０で肯定判定）、まず、下流側ガスセンサ１５の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（Ｓ１９０）。

その後、低温始動状態ではなくなるとともに上流側ガスセンサ２２（上流側検知素子２３）が活性化した段階で（Ｓ１２０で否定判定、かつＳ２３０で肯定判定）、上流側ガスセンサ２２のセンサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御（Ｓ２７０）への切り替えを行う。

次に、空燃比制御装置１０の制御部１２で実行される制御処理のうち、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力を用いて触媒の劣化状態を判定する触媒劣化判定処理について説明する。

図６は、触媒劣化判定処理の処理内容を表したフローチャートである。
なお、触媒劣化判定処理は、内燃機関１（詳細には、空燃比制御装置１０）が起動されるとともに処理が開始され、内燃機関１（空燃比制御装置１０）が停止するまで一定周期で繰り返し実行される。

触媒劣化判定処理が起動されると、まず、Ｓ３００（Ｓはステップを表す）では、下流側センサＦＢフラグＦｄｆがＯＮ状態（Ｆｄｆ＝１）であるか否かを判断しており、肯定判定するとＳ３１０に移行し、否定判定すると本処理（触媒劣化判定処理）を終了する。

換言すれば、Ｓ３００では、下流側ガスセンサ１５の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中であるか否かを判定しており、フィードバック制御実行中の場合には肯定判定してＳ３１０に移行し、フィードバック制御実行中ではない場合には否定判定して本処理（触媒劣化判定処理）を終了する。

Ｓ３００で肯定判定された場合には、Ｓ３１０に移行し、Ｓ３１０では、Ｓ３００での肯定判定時点を起点として予め定められた診断待ち時間が経過したか否かを判断しており、肯定判定するとＳ３２０に移行し、否定判定すると本処理（触媒劣化判定処理）を終了する。

換言すれば、Ｓ３１０では、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御が一定期間以上にわたり実行されたか否かを判定している。
Ｓ３１０で肯定判定された場合には、Ｓ３２０に移行し、Ｓ３２０では、下流側ガスセンサ１５で検出される酸素濃度の変化状態が適正であるか否かを判断しており、肯定判定するとＳ３３０に移行し、否定判定するとＳ３４０に移行する。

具体的には、Ｓ３２０では、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力波形（出力）の変化周期を検出し、その変化周期と予め定められた判定基準周期Ｃｊとを比較し、変化周期が判定基準周期Ｃｊよりも大きい場合には肯定判定してＳ３３０に移行し、変化周期が判定基準周期Ｃｊ以下である場合には否定判定してＳ３４０に移行する。

Ｓ３２０で肯定判定されてＳ３３０に移行すると、Ｓ３３０では、触媒７４が正常状態（非劣化状態）であると判定し、触媒劣化通知ランプ７６を消灯状態に設定する。
Ｓ３２０で否定判定されてＳ３４０に移行すると、Ｓ３４０では、触媒７４が劣化状態であると判定し、触媒劣化通知ランプ７６を点灯状態に設定する。

Ｓ３３０またはＳ３４０での処理が完了すると、触媒劣化判定処理が終了する。
つまり、触媒劣化判定処理では、下流側ガスセンサ１５の出力に基づく空燃比のフィードバック制御が一定期間以上行われるまでは、Ｓ３００またはＳ３１０の処理を繰り返し実行することで待機する。その後、下流側ガスセンサ１５の出力に基づく空燃比のフィードバック制御が一定期間以上行われると、触媒劣化判定処理では、下流側ガスセンサ１５の出力の変化周期を用いてのＳ３２０での判定結果に基づいて、触媒７４の劣化状態を判定する。

［１−３．触媒の劣化状態判定］
ここで、低温始動状態の内燃機関において、触媒の劣化状態の違いに応じて酸素濃度の変化状態がどのように変化するかを測定した測定結果について説明する。

具体的には、低温始動状態の内燃機関において下流側ガスセンサのセンサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御の実行中に、未使用（換言すれば、正常状態または非劣化状態）の触媒と、一定期間使用した（換言すれば、劣化状態）の触媒とをそれぞれ用いて、触媒下流での排気ガス中の酸素濃度の変化状態を測定した測定結果について説明する。

図７に、劣化状態の触媒における酸素濃度の変化状態（図中の上側）と、正常状態（非劣化状態）の触媒における酸素濃度の変化状態（図中の下側）と、を示す。なお、詳細には、図７の上側の波形は、劣化状態の触媒における下流側ガスセンサ１５のセンサ出力波形であり、図７の下側の波形は、正常状態（非劣化状態）の触媒における下流側ガスセンサ１５のセンサ出力波形である。

図７によれば、劣化状態の触媒における下流側ガスセンサ１５のセンサ出力波形の変化周期（以下、劣化時周期Ｃａ）と、正常状態（非劣化状態）の触媒における下流側ガスセンサ１５のセンサ出力波形の変化周期（以下、正常時周期Ｃｎ）とを比較すると、劣化時周期Ｃａは正常時周期Ｃｎよりも短いこと（Ｃａ＜Ｃｎ）が判る。つまり、触媒が正常状態（非劣化状態）のときは触媒活性時の酸素の吸着能力が高くなるので、正常時周期Ｃｎは長くなり、触媒が劣化状態のときは触媒活性時の酸素の吸着能力が低くなるので、劣化時周期Ｃａは短くなる。

このことから、下流側ガスセンサ１５の出力に基づいて空燃比をフィードバック制御する場合、フィードバック制御により排気ガス中の酸素濃度が変化するまでの応答時間は、触媒７４の劣化度合いの影響を受けて変化することが判る。

よって、触媒劣化判定処理のＳ３２０での処理のように、検出した酸素濃度の変化周期と判定基準周期Ｃｊとを比較することで、触媒７４が劣化状態であるか否かを判定することができる。

［１−４．効果］
以上説明したように、本実施形態の空燃比制御装置１０は、低温始動状態であると判定されると（Ｓ１２０で肯定判定）、まず、下流側ガスセンサ１５の下流側ヒータ１６を用いて、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７の温度を下流側目標温度に制御し（Ｓ１７０）、下流側ガスセンサ１５の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御する（Ｓ１９０）。

ここで、内燃機関１が低温始動状態である場合、排気管７３のうち触媒７４の上流側領域には凝縮水が存在するとしても、その凝縮水の触媒７４を通過する際に分散（拡散）等される。そのため、Ｓ１２０で肯定判定されて低温始動状態であると判定された場合には、下流側ガスセンサ１５の下流側ヒータ１６を駆動していても、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７が上記凝縮水の被水により破損する可能性は低い。

このとき、Ｓ１７０では、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７の温度を下流側目標温度Ｔｄｔ（４００［℃］）に近づけるようにヒータを通電制御している。そして、下流側目標温度Ｔｄｔ（４００［℃］）は被水により下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７が破損しない温度である。このため、万が一、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７に凝縮水が付着しても、下流側検知素子１７が被水により破損することはない。

そして、Ｓ１７０で、下流側ガスセンサ１５の下流側検知素子１７の温度を下流側目標温度Ｔｄｔ（４００［℃］）に制御することで、下流側ガスセンサ１５が活性化されるため、Ｓ１９０にて、下流側ガスセンサ１５の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御することが可能となる。

つまり、空燃比制御装置１０は、内燃機関１が低温始動状態である場合には、排気系温度が水分蒸発温度に達するまでの待機時間を経ることなく、下流側ガスセンサ１５の下流側ヒータ１６を駆動して、下流側ガスセンサ１５の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御することが可能となる。

また、内燃機関１が低温始動状態ではない場合、上流側ガスセンサ２２の上流側ヒータ２５を駆動して、上流側ガスセンサ２２の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御することが可能となる。

つまり、空燃比制御装置１０は、内燃機関１が低温始動状態の場合には、下流側ガスセンサ１５を用いて空燃比のフィードバック制御を早期に実行し、また、内燃機関１が低温始動状態ではない場合には、上流側ガスセンサ２２を用いて空燃比のフィードバック制御を早期に実行する。

したがって、本実施形態の空燃比制御装置１０によれば、内燃機関１が低温始動状態の場合であっても、排気系温度が水分蒸発温度に達するのを待たずして空燃比のフィードバック制御を早期に実行することができる。

また、本実施形態の空燃比制御装置１０は、触媒劣化判定処理のＳ３２０において、下流側ガスセンサ１５のセンサ出力波形（出力）の変化周期を検出し、その変化周期と判定基準周期Ｃｊとを比較している。そして、変化周期が判定基準周期Ｃｊよりも大きい場合には、触媒７４が正常状態であると判定し、触媒劣化通知ランプ７６を消灯状態に設定する。また、変化周期が判定基準周期Ｃｊ以下である場合には、触媒７４が劣化状態であると判定し、触媒劣化通知ランプ７６を点灯状態に設定する。

つまり、空燃比制御装置１０は、触媒７４が劣化状態になると触媒劣化通知ランプ７６を点灯することで、使用者に対して触媒７４の交換の必要性を通知する。この触媒劣化通知ランプ７６による通知に従い、適切な時期に触媒７４を交換することで、劣化状態の触媒の影響を抑制しつつ、空燃比のフィードバック制御を適切に実行することができる。

よって、本実施形態の空燃比制御装置１０によれば、内燃機関１が低温始動状態の場合であっても、空燃比のフィードバック制御を早期に実行できるとともに、触媒７４の劣化状態を判定できるため、触媒７４の劣化状態を考慮しつつ空燃比を適切に制御することが可能となる。

［１−５．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
排気管７３が排気経路の一例に相当し、上流側ヒータ２５が上流側ガスセンサの素子加熱用ヒータの一例に相当し、素子部２４が上流側ガスセンサの検知素子の一例に相当し、下流側ヒータ１６が下流側ガスセンサの素子加熱用ヒータの一例に相当し、下流側検知素子１７が下流側ガスセンサの検知素子の一例に相当する。

Ｓ１４０，Ｓ１７０，Ｓ２１０，Ｓ２６０を実行する制御部１２がヒータ制御手段の一例に相当し、Ｓ１９０，Ｓ２７０を実行する制御部１２が空燃比制御手段の一例に相当し、Ｓ１２０を実行する制御部１２が始動状態判定手段の一例に相当し、Ｓ３２０，Ｓ３３０，Ｓ３４０を実行する制御部１２が触媒劣化判定手段の一例に相当する。

［２．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態は、下流側ガスセンサとして、有底筒状に形成された下流側検知素子１７を備える下流側ガスセンサ１５を備える構成であるが、板状形状に形成された検知素子を備えるガスセンサを備える構成としても良い。

また、空燃比制御処理および触媒劣化判定処理で用いる各種パラメータの判定閾値（温度条件、時間条件など）は、上記数値に限定されることはなく、適切な判定処理が可能な範囲において用途に応じた任意の値を採ることができる。

また、始動状態判定手段として、上記実施形態では、図５の空燃比制御処理のＳ１２０にて水温センサ７７の出力に基づいて内燃機関の始動状態が低温始動状態であるか否かを判断するようにしたが、低温始動状態であるか否かの判断はこの手法に限定されることはない。例えば、排気ガスの温度を検出する排気温センサや外気の温度を検出する外気温センサ等を用いて内燃機関の始動状態が低温始動状態であるか否かを判断するようにしても良い。つまり、本発明の始動状態判定手段は、内燃機関の始動状態に関して、排気経路のうち触媒の上流側領域に凝縮水が存在すると推定される低温始動状態であるか否かを判断する構成を有するものであれば良い。

さらに、上記実施形態では、低温始動状態でないと判定されると（Ｓ１２０で否定判定）、上流側ガスセンサ２２の上流側ヒータ２５の通電を開始するようにしたが、上流側ヒータ２５の通電手法は上記手法に限られるものではない。例えば、低温始動状態であると判定されたときに（Ｓ１２０で肯定判定）、上流側検知素子２３が活性化せず、且つ、被水により当該上流側検知素子２３が破損しない温度で上流側ヒータ２５を予備通電し、低温始動状態でないと判定されたときに（Ｓ１２０で否定判定）、上流側検知素子２３（素子部２４）が活性化する温度となるように上流側ヒータ２５を本通電するようにしても良い。また、低温始動状態でないと判定された場合にも下流側ガスセンサ１５の下流側ヒータ１６の通電を維持しつつ下流側ガスセンサ１５からの出力を用いて、上流側ガスセンサ２２の出力補正等の各種処理を実行しても良い。

１…内燃機関、１０…空燃比制御装置、１２…制御部、１５…下流側ガスセンサ、１６…セラミックヒータ（下流側ヒータ）、１７…下流側検知素子、２２…上流側ガスセンサ、２３…上流側検知素子、２４…素子部、２５…ヒータ部（上流側ヒータ）、７４…触媒、７６…触媒劣化通知ランプ。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気経路に設けられた触媒と、
   前記排気経路のうち前記触媒の上流側に設けられ、検知素子および素子加熱用ヒータを有する上流側ガスセンサと、
   前記排気経路のうち前記触媒の下流側に設けられ、検知素子および素子加熱用ヒータを有する下流側ガスセンサと、
   前記上流側ガスセンサの前記素子加熱用ヒータおよび前記下流側ガスセンサの前記素子加熱用ヒータの発熱状態を制御するヒータ制御手段と、
   前記上流側ガスセンサおよび前記下流側ガスセンサの少なくとも一方の出力に基づいて排気空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   を備える空燃比制御装置であって、
   前記内燃機関の始動状態に関して、低温始動状態であるか否かを判断する始動状態判定手段、を備え、
   前記ヒータ制御手段は、前記始動状態判定手段にて低温始動状態であると判定されると、前記下流側ガスセンサの前記素子加熱用ヒータを用いて、前記下流側ガスセンサの前記検知素子の温度を予め定められた下流側目標温度に制御し、前記始動状態判定手段にて低温始動状態ではないと判定されると、前記上流側ガスセンサの前記素子加熱用ヒータを用いて、前記上流側ガスセンサの前記検知素子の温度を予め定められた上流側目標温度に制御し、
   前記空燃比制御手段は、前記始動状態判定手段にて低温始動状態であると判定されるとともに前記下流側ガスセンサの検知素子が活性化した場合には、前記下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御し、前記始動状態判定手段にて低温始動状態ではないと判定されるとともに前記上流側ガスセンサの検知素子が活性化した場合には、前記上流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御し、
   前記下流側目標温度は、前記上流側目標温度よりも低温であって、前記下流側ガスセンサの前記検知素子が活性化状態となる温度であり、かつ被水により前記下流側ガスセンサの前記検知素子が破損しない温度であること、
   を特徴とする空燃比制御装置。
2. 前記空燃比制御手段により前記下流側ガスセンサの出力に基づいて排気空燃比が制御されている場合において、前記下流側ガスセンサの出力の変化周期が予め定められた触媒劣化条件に該当するか否かを判定し、前記変化周期が触媒劣化条件に該当する場合には前記触媒が劣化状態であると判定し、前記変化周期が触媒劣化条件に該当しない場合には前記触媒が非劣化状態であると判定する触媒劣化判定手段、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記上流側ガスセンサの検知素子は、排気ガスの酸素濃度に応じてリニアな出力を発生する板型の酸素検知素子であり、
   前記下流側ガスセンサの検知素子は、理論空燃比近傍で出力が急変する有底筒型の酸素検知素子であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の空燃比制御装置。