(実施の形態1)
図1から図12を参照して、実施の形態1における内燃機関の制御装置について説明する。本実施の形態における内燃機関は、回転力を出力する機関本体と、燃焼室から流出する排気を浄化する排気処理装置とを備える。
<内燃機関全体の説明>
図1は、本実施の形態における内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は、機関本体1を備え、機関本体1は、シリンダブロック2と、シリンダブロック2に固定されたシリンダヘッド4とを含む。シリンダブロック2には穴部が形成され、この穴部の内部を往復移動するピストン3が配置されている。燃焼室5は、シリンダブロック2の穴部、ピストン3、およびシリンダヘッド4に囲まれる空間により構成されている。シリンダヘッド4には、吸気ポート7および排気ポート9が形成されている。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉するように形成されている。
シリンダヘッド4の内壁面において、燃焼室5の中央部には点火プラグ10が配置され、シリンダヘッド4の内壁面の周辺部には燃料噴射弁11が配置される。点火プラグ10は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁11は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室5内に噴射する。なお、燃料噴射弁11は、吸気ポート7内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施の形態では、燃料として理論空燃比が14.6であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
各気筒の吸気ポート7はそれぞれ対応する吸気枝管13を介してサージタンク14に連結され、サージタンク14は吸気管15を介してエアクリーナ16に連結される。吸気ポート7、吸気枝管13、サージタンク14、吸気管15は機関吸気通路を形成する。また、吸気管15内にはスロットル弁駆動アクチュエータ17によって駆動されるスロットル弁18が配置される。スロットル弁18は、スロットル弁駆動アクチュエータ17によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
一方、各気筒の排気ポート9は排気マニホルド19に連結される。排気マニホルド19は、各排気ポート9に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド19の集合部は上流側の排気浄化触媒20を内蔵した上流側ケーシング21に連結される。上流側ケーシング21は、排気管22を介して下流側の排気浄化触媒24を内蔵した下流側ケーシング23に連結される。排気ポート9、排気マニホルド19、上流側ケーシング21、排気管22及び下流側ケーシング23は、機関排気通路を形成する。
本実施の形態の内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット(ECU)31を含む。本実施の形態における電子制御ユニット31はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36および出力ポート37を具備する。
吸気管15には、吸気管15内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ39が配置され、このエアフロメータ39の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
また、排気マニホルド19の集合部には排気マニホルド19内を流れる排気ガス(すなわち、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガス)の空燃比を検出する上流側空燃比センサ40が配置される。加えて、排気管22内には排気管22内を流れる排気ガス(すなわち、上流側の排気浄化触媒20から流出して下流側の排気浄化触媒24に流入する排気ガス)の空燃比を検出する下流側空燃比センサ41が配置される。これらの空燃比センサの出力も対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。なお、これらの空燃比センサの構成については後述する。
また、アクセルペダル42にはアクセルペダル42の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ43が接続され、負荷センサ43の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。クランク角センサ44は例えばクランクシャフトが15度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート36に入力される。CPU35ではこのクランク角センサ44の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート37は対応する駆動回路45を介して点火プラグ10、燃料噴射弁11及びスロットル弁駆動アクチュエータ17に接続される。
<排気浄化触媒の説明>
本実施の形態の内燃機関の排気処理装置は、複数の排気浄化触媒を備える。本実施の形態の排気処理装置は、上流側の排気浄化触媒20と、排気浄化触媒20よりも下流に配置されている下流側の排気浄化触媒24とを含む。上流側の排気浄化触媒20及び下流側の排気浄化触媒24は、同様の構成を有する。以下では、上流側の排気浄化触媒20についてのみ説明するが、下流側の排気浄化触媒24も同様な構成及び作用を有する。
上流側の排気浄化触媒20は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、上流側の排気浄化触媒20は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、およびロジウム(Rh))及び酸素吸蔵能力を有する物質(例えば、セリア(CeO2))を担持させたものである。上流側の排気浄化触媒20は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス(HCやCO等)と窒素酸化物(NOx)とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵能力によれば、上流側の排気浄化触媒20は、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン(リーン空燃比)であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、上流側の排気浄化触媒20は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ(リッチ空燃比)であるときには、上流側の排気浄化触媒20に吸蔵されている酸素を放出する。なお、「排気ガスの空燃比」は、その排気ガスが生成されるまでに供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味するものであり、通常はその排気ガスが生成されるにあたって燃焼室5内に供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味する。本明細書では、排気ガスの空燃比を「排気空燃比」という場合もある。次に、本実施の形態における排気浄化触媒の酸素吸蔵量と浄化能力との関係について説明する。
図2に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のNOx及び未燃ガス(HC、CO等)の濃度との関係を示す。図2(A)は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの、酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のNOx濃度との関係を示す。一方、図2(B)は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの、酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度との関係を示す。
図2(A)からわかるように、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少ないときには、最大酸素吸蔵量まで余裕がある。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比(すなわち、この排気ガスがNOx及び酸素を含む)であっても、排気ガス中の酸素は排気浄化触媒に吸蔵され、これに伴ってNOxも還元浄化される。この結果、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんどNOxは含まれない。
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多くなると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、排気浄化触媒において排気ガス中の酸素を吸蔵しにくくなり、これに伴って排気ガス中のNOxも還元浄化されにくくなる。このため、図2(A)から分かるように、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Cmax近傍の上限吸蔵量Cuplimを超えて増大すると排気浄化触媒から流出する排気ガス中のNOx濃度が急激に上昇する。
一方、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多いときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比(すなわち、この排気ガスがHCやCO等の未燃ガスを含む)であると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素が放出される。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。この結果、図2(B)から分かるように、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんど未燃ガスは含まれない。
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなり、0の近傍になると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、排気浄化触媒から放出される酸素が少なくなり、これに伴って排気ガス中の未燃ガスも酸化浄化されにくくなる。このため、図2(B)からわかるように、酸素吸蔵量が或る下限吸蔵量Clowlimを超えて減少すると排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
以上のように、本実施の形態において用いられる排気浄化触媒20,24によれば、排気浄化触媒20,24に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のNOx及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒20,24は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
<空燃比センサの構成>
次に、図3を参照して、本実施の形態における上流側空燃比センサ40および下流側空燃比センサ41の構造について説明する。図3は、空燃比センサの概略的な断面図である。本実施の形態における空燃比センサは、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが1つである1セル型の空燃比センサである。空燃比センサとしては、この形態に限られず、排気ガスの空燃比に応じて出力が連続的に変化する他の形態のセンサを採用しても構わない。たとえば、2セル型の空燃比センサを採用しても構わない。
本実施の形態における空燃比センサは、固体電解質層51と、固体電解質層51の一方の側面上に配置された排気側電極(第一電極)52と、固体電解質層51の他方の側面上に配置された大気側電極(第二電極)53と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層54と、拡散律速層54を保護する保護層55と、空燃比センサの加熱を行うヒータ部56とを具備する。
固体電解質層51の一方の側面上には拡散律速層54が設けられ、拡散律速層54の固体電解質層51側の側面とは反対側の側面上には保護層55が設けられる。本実施の形態では、固体電解質層51と拡散律速層54との間には被測ガス室57が形成される。この被測ガス室57には拡散律速層54を介して空燃比センサによる検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極52は被測ガス室57内に配置され、したがって、排気側電極52は拡散律速層54を介して排気ガスに曝されることになる。なお、被測ガス室57は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極52の表面上に拡散律速層54が直接接触するように構成されてもよい。
固体電解質層51の他方の側面上にはヒータ部56が設けられる。固体電解質層51とヒータ部56との間には基準ガス室58が形成され、この基準ガス室58内には基準ガスが導入される。本実施の形態では、基準ガス室58は大気に開放されており、よって基準ガス室58内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極53は、基準ガス室58内に配置され、したがって、大気側電極53は、基準ガス(基準雰囲気)に曝される。本実施の形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極53は大気に曝されることになる。
ヒータ部56には複数のヒータ59が設けられており、これらヒータ59によって空燃比センサの温度、特に固体電解質層51の温度を制御することができる。ヒータ部56は、固体電解質層51を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
固体電解質層51は、ZrO2(ジルコニア)、HfO2、ThO2、Bi2O3等にCaO、MgO、Y2O3、Yb2O3等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層54は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極52及び大気側電極53は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
また、排気側電極52と大気側電極53との間には、電子制御ユニット31に搭載された電圧印加装置60によりセンサ印加電圧Vrが印加される。加えて、電子制御ユニット31には、電圧印加装置60によってセンサ印加電圧Vrを印加したときに固体電解質層51を介して排気側電極52と大気側電極53との間に流れる電流を検出する電流検出装置61が設けられる。この電流検出装置61によって検出される電流が空燃比センサの出力電流である。
<空燃比センサの動作>
次に、図4を参照して、このように構成された空燃比センサの動作の基本的な概念について説明する。図4は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。使用時において、空燃比センサは、保護層55及び拡散律速層54の外周面が排気ガスに曝されるように配置される。また、空燃比センサの基準ガス室58には大気が導入される。
上述したように、固体電解質層51は、酸素イオン伝導性酸化物の焼結体で形成される。したがって、高温により活性化した状態で固体電解質層51の両側面間に酸素濃度の差が生じると、濃度の高い側面側から濃度の低い側面側へと酸素イオンを移動させようとする起電力Eが発生する性質(酸素電池特性)を有している。
逆に、固体電解質層51は、両側面間に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側面間で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性(酸素ポンプ特性)を有する。具体的には、両側面間に電位差が与えられた場合には、正極性を与えられた側面における酸素濃度が、負極性を与えられた側面における酸素濃度に対して、電位差に応じた比率で高くなるように、酸素イオンの移動が引き起こされる。また、図3及び図4に示したように、空燃比センサでは、大気側電極53が正極性、排気側電極52が負極性となるように、排気側電極52と大気側電極53との間に一定のセンサ印加電圧Vrが印加されている。なお、本実施の形態では、空燃比センサにおけるセンサ印加電圧Vrは同一の電圧となっている。
空燃比センサの周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、固体電解質層51の両側面間での酸素濃度の比はそれほど大きくない。このため、センサ印加電圧Vrを適切な値に設定すれば、固体電解質層51の両側面間ではセンサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が小さくなる。このため、固体電解質層51の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比に向けて大きくなるように、図4(A)に示した如く、排気側電極52から大気側電極53に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、センサ印加電圧Vrを印加する電圧印加装置60の正極から、大気側電極53、固体電解質層51、及び排気側電極52を介して電圧印加装置60の負極へと電流が流れる。
このとき流れる電流(出力電流)Irの大きさは、センサ印加電圧Vrを適切な値に設定すれば、排気中から拡散律速層54を通って被測ガス室57へと拡散によって流入する酸素量に比例する。したがって、この電流Irの大きさを電流検出装置61によって検出することにより、酸素濃度を知ることができ、ひいてはリーン領域における空燃比を知ることができる。
一方、空燃比センサの周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気中から拡散律速層54を通って未燃ガスが被測ガス室57内に流入するため、排気側電極52上に酸素が存在しても、未燃ガスと反応して除去される。このため、被測ガス室57内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、固体電解質層51の両側面間での酸素濃度の比は大きなものとなる。このため、センサ印加電圧Vrを適切な値に設定すれば、固体電解質層51の両側面間ではセンサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が大きくなる。このため、固体電解質層51の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比に向けて小さくなるように、図4(B)に示した如く、大気側電極53から排気側電極52に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、大気側電極53から、センサ印加電圧Vrを印加する電圧印加装置60を通って排気側電極52へと電流が流れる。
このとき流れる電流は出力電流Irとなる。出力電流の大きさは、センサ印加電圧Vrを適切な値に設定すれば、固体電解質層51中を大気側電極53から排気側電極52へと移動せしめられる酸素イオンの流量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散律速層54を通って被測ガス室57へと拡散によって流入する未燃ガスと排気側電極52上で反応(燃焼)する。よって、酸素イオンの移動流量は被測ガス室57内に流入した排気ガス中の未燃ガスの濃度に対応する。したがって、この電流Irの大きさを電流検出装置61によって検出することで、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいてはリッチ領域における空燃比を知ることができる。
また、空燃比センサの周りにおける排気空燃比が理論空燃比のときには、被測ガス室57へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、排気側電極52の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、被測ガス室57内の酸素及び未燃ガスの濃度に変動は生じない。この結果、固体電解質層51の両側面間の酸素濃度比は、変動せずに、センサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、図4(C)に示したように、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、その結果、回路を流れる電流は生じない。
このように構成された空燃比センサは、図5に示した出力特性を有する。すなわち、空燃比センサでは、排気空燃比が大きくなるほど(すなわち、リーンになるほど)、空燃比センサの出力電流Irが大きくなる。加えて、空燃比センサは、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Irが零になるように構成される。
<電圧印加装置及び電流検出装置の回路>
図6に、電圧印加装置60及び電流検出装置61を構成する具体的な回路の一例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をE、固体電解質層51の内部抵抗をRi、排気側電極52と大気側電極53との間の電位差をVsと表している。
図6からわかるように、電圧印加装置60は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Eがセンサ印加電圧Vrに一致するように、負帰還制御を行っている。換言すると、電圧印加装置60は、固体電解質層51の両側面間の酸素濃度比の変化によって排気側電極52と大気側電極53との間の電位差Vsが変化した際にも、この電位差Vsがセンサ印加電圧Vrとなるように負帰還制御を行っている。
したがって、排気空燃比が理論空燃比となっていて、固体電解質層51の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、固体電解質層51の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比となっている。この場合、起電力Eはセンサ印加電圧Vrに一致し、排気側電極52と大気側電極53との間の電位差Vsもセンサ印加電圧Vrとなっており、その結果、電流Irは流れない。
一方、排気空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比となっていて、固体電解質層51の両側面間に酸素濃度比の変化が生じる場合には、固体電解質層51の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Vrに対応した酸素濃度比とはなっていない。この場合、起電力Eはセンサ印加電圧Vrとは異なる値となる。このため、負帰還制御により、起電力Eがセンサ印加電圧Vrと一致するように固体電解質層51の両側面間で酸素イオンの移動をさせるべく、排気側電極52と大気側電極53との間に電位差Vsが付与される。そして、このときの酸素イオンの移動に伴って電流Irが流れる。この結果、起電力Eはセンサ印加電圧Vrに収束し、起電力Eがセンサ印加電圧Vrに収束すると、やがて、電位差Vsもセンサ印加電圧Vrに収束することになる。
したがって、電圧印加装置60は、実質的に、排気側電極52と大気側電極53との間にセンサ印加電圧Vrを印加しているということができる。なお、電圧印加装置60の電気回路は必ずしも図6に示したようなものである必要はなく、排気側電極52と大気側電極53との間にセンサ印加電圧Vrを実質的に印加することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
また、電流検出装置61は、実際に電流を検出するのではなく、電圧E0を検出してこの電圧E0から電流を算出している。ここで、E0は、下記式(1)のように表せる。
E0=Vr+V0+IrR …(1)
ここで、V0はオフセット電圧(E0が負値とならないように印加しておく電圧であり例えば3V)、Rは図6に示した抵抗の値である。
式(1)において、センサ印加電圧Vr、オフセット電圧V0及び抵抗値Rは一定であるから、電圧E0は電流Irに応じて変化する。このため、電圧E0を検出すれば、その電圧E0から電流Irを算出することが可能である。
したがって、電流検出装置61は、実質的に、排気側電極52と大気側電極53との間に流れる電流Irを検出しているということができる。なお、電流検出装置61の電気回路は必ずしも図6に示したようなものである必要はなく、排気側電極52と大気側電極53との間を流れる電流Irを検出することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
<通常運転制御の概要>
次に、本実施の形態の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。始めに、内燃機関において目標空燃比にガス空燃比を一致させるように燃料噴射量を決定する通常運転制御について説明する。内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整する流入空燃比制御手段を備える。本実施の形態の流入空燃比制御手段は、燃焼室に供給する燃料の量を調整することにより、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整する。流入空燃比制御手段としては、この形態に限られず、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整可能な任意の装置を採用することができる。たとえば、流入空燃比制御手段は、排気ガスを機関吸気通路に還流させるEGR(Exhaust Gas Recirculation)装置を備えており、還流ガスの量を調整するように形成されていても構わない。
本実施の形態の内燃機関は、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupに基づいて上流側空燃比センサ40の出力電流(すなわち、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比)Irupが目標空燃比に相当する値となるようにフィードバック制御が行われる。
目標空燃比は、下流側空燃比センサ41の出力電流に基づいて設定される。具体的には、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Iref以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。ここで、リッチ判定基準値Irefは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比(例えば、14.55)に相当する値を採用することができる。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、14.65〜20、好ましくは14.65〜18、より好ましくは14.65〜16程度とされる。
本実施の形態の内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段を備える。目標空燃比がリーン設定空燃比の場合に、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが推定される。また、本実施の形態では目標空燃比がリッチ設定空燃比の場合にも上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが推定される。酸素吸蔵量OSAscの推定は、上流側空燃比センサ40の出力電流Irup、及びエアフロメータ39等に基づいて算出される燃焼室5内への吸入空気量の推定値および燃料噴射弁11からの燃料噴射量等に基づいて行われる。そして、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される制御を実施している期間中に、酸素吸蔵量OSAscの推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Cref以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。本実施の形態においては、弱リッチ設定空燃比が採用されている。弱リッチ設定空燃比は、理論空燃比よりも僅かにリッチであり、例えば、13.5〜14.58、好ましくは14〜14.57、より好ましくは14.3〜14.55程度とされる。その後、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが再びリッチ判定基準値Iref以下となったときに再び目標空燃比がリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。
このように本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比と弱リッチ設定空燃比とに交互に設定される。特に、本実施の形態では、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、弱リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差よりも大きい。したがって、本実施の形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間の弱リッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。
なお、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差とほぼ同じであっても構わない。すなわち、リッチ設定空燃比の深さとリーン設定空燃比の深さとがほぼ等しくなっていても構わない。このような場合には、リーン設定空燃比の期間と、リッチ設定空燃比の期間とがほぼ同じ長さになる。
<タイムチャートを用いた制御の説明>
図7を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図7は、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御を行った場合における、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAsc、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwn、空燃比補正量AFC、上流側空燃比センサ40の出力電流Irup、及び上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガス中のNOx濃度のタイムチャートである。
なお、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupは、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに零になり、当該排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに負の値となり、当該排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに正の値となる。また、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比又はリーン空燃比であるときには、理論空燃比からの差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupの絶対値が大きくなる。下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnも、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比に応じて、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupと同様に変化する。また、空燃比補正量AFCは、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの目標空燃比に関する補正量である。空燃比補正量AFCが0のときには目標空燃比は理論空燃比とされ、空燃比補正量AFCが正の値であるときには目標空燃比はリーン空燃比となり、空燃比補正量AFCが負の値であるときには目標空燃比はリッチ空燃比となる。
図示した例では、時刻t1以前の状態では、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCrichとされている。弱リッチ設定補正量AFCrichは、弱リッチ設定空燃比に相当する値であり、0よりも小さな値である。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ40の出力電流Irupが負の値となる。上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscは徐々に減少していく。しかしながら、排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側の排気浄化触媒20で浄化されるため、下流側空燃比センサの出力電流Irdwnはほぼ0(理論空燃比に相当)となる。このとき、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量は抑制される。
上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが徐々に減少すると、酸素吸蔵量OSAscは時刻t1において下限吸蔵量(図2のClowlim参照)を超えて減少する。酸素吸蔵量OSAscが下限吸蔵量よりも減少すると、上流側の排気浄化触媒20に流入した未燃ガスの一部は上流側の排気浄化触媒20で浄化されずに流出する。このため、時刻t1以降、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが減少するのに伴って、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが徐々に低下する。このときも、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量は抑制される。
その後、時刻t2において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Irefに到達する。本実施の形態では、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefになると、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscの減少を抑制すべく、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanに切り替えられる。リーン設定補正量AFCleanは、リーン設定空燃比に相当する値であり、0よりも大きな値である。したがって、目標空燃比はリーン空燃比とされる。
なお、本実施の形態では、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefに到達してから、すなわち上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に到達してから、空燃比補正量AFCの切替を行っている。これは、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が十分であっても、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から極わずかにずれてしまう場合があるためである。すなわち、仮に出力電流Irdwnが零(理論空燃比に相当)から僅かにずれた場合にも酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少していると判断してしまうと、実際には十分な酸素吸蔵量があっても酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断される可能性がある。そこで、本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に到達して始めて酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断することとしている。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が十分であるときには上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。
時刻t2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えても、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はすぐにはリーン空燃比にならず、或る程度の遅れが生じる。その結果、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比は時刻t3においてリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。なお、時刻t2〜t3においては、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となっているため、この排気ガス中には未燃ガスが含まれることになる。しかしながら、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量は抑制される。
時刻t3において上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscは増大する。また、これに伴って、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnも0に収束する。このとき、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側の排気浄化触媒20に吸蔵され、NOxは還元浄化される。このため、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量は抑制される。
その後、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが増大すると、時刻t4において酸素吸蔵量OSAscは判定基準吸蔵量Crefに到達する。判定基準吸蔵量Crefは、最大酸素吸蔵量Cmax以下に設定されている。本実施の形態では、酸素吸蔵量OSAscが判定基準吸蔵量Crefになると、上流側の排気浄化触媒20への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCrich(0よりも小さな値)に切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。
ただし、上述したように、目標空燃比を切り替えてから上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまでには遅れが生じる。このため、時刻t4にて切替を行っても、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比は或る程度時間が経過した時刻t5においてリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。時刻t4〜t5においては、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比であるため、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscは増大していく。
しかしながら、判定基準吸蔵量Crefは最大酸素吸蔵量Cmaxや上限吸蔵量(図2のCuplim参照)よりも十分に低く設定されているため、時刻t5においても酸素吸蔵量OSAscは最大酸素吸蔵量Cmaxや上限吸蔵量には到達しない。逆に言うと、判定基準吸蔵量Crefは、目標空燃比を切り替えてから上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまで遅延が生じても、酸素吸蔵量OSAscが最大酸素吸蔵量Cmaxや上限吸蔵量に到達しないように十分少ない量とされる。例えば、判定基準吸蔵量Crefは、最大酸素吸蔵量Cmaxの3/4以下、好ましくは1/2以下、より好ましくは1/5以下とされる。したがって、時刻t4〜t5においても、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量は抑制される。
時刻t5以降においては、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCrichとされている。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ40の出力電流Irupが負の値となる。上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscは徐々に減少していき、時刻t6において、時刻t1と同様に、酸素吸蔵量OSAscが下限吸蔵量を超えて減少する。このときも、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量は抑制される。
次いで、時刻t7において、時刻t2と同様に、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Irefに到達する。これにより、空燃比補正量AFCがリーン設定空燃比に相当するリーン設定補正量AFCleanに切り替えられる。その後、上述した時刻t1〜t6のサイクルが繰り返される。
なお、このような空燃比補正量AFCの制御は、電子制御ユニット31によって行われる。したがって、電子制御ユニット31は、下流側空燃比センサ41によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが判定基準吸蔵量Crefとなるまで、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的にリーン設定空燃比にする酸素吸蔵量増加手段と、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが判定基準吸蔵量Cref以上となったときに、酸素吸蔵量OSAscが最大酸素吸蔵量Cmaxに達することなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的に弱リッチ設定空燃比にする酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。
以上の説明から分かるように上記実施形態によれば、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量を常に抑制することができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量を少ないものとすることができる。
また、一般に、上流側空燃比センサ40の出力電流Irup及び吸入空気量の推定値等に基づいて酸素吸蔵量OSAscを推定した場合には誤差が生じる可能性がある。本実施の形態においても、時刻t3〜t4に亘って酸素吸蔵量OSAscを推定しているため、酸素吸蔵量OSAscの推定値には多少の誤差が含まれる。しかしながら、このような誤差が含まれていたとしても、判定基準吸蔵量Crefを最大酸素吸蔵量Cmaxや上限吸蔵量よりも十分に低く設定しておけば、実際の酸素吸蔵量OSAscが最大酸素吸蔵量Cmaxや上限吸蔵量にまで到達することはほとんどない。したがって、斯かる観点からも上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量を抑制することができる。
また、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。これに対して、本実施の形態によれば、酸素吸蔵量OSAscは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。
なお、上記実施形態では、時刻t2〜t4において、空燃比補正量AFCはリーン設定補正量AFCleanに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量AFCは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。同様に、時刻t4〜t7において、空燃比補正量AFCは弱リッチ設定補正量AFCrichに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量AFCは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。
ただし、この場合であっても、時刻t2〜t4における空燃比補正量AFCは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻t4〜t7における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定することができる。
また、上記実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力電流Irup及び燃焼室5内への吸入空気量の推定値等に基づいて、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが推定されている。しかしながら、酸素吸蔵量OSAscはこれらパラメータに加えて他のパラメータに基づいて算出されてもよいし、これらパラメータとは異なるパラメータに基づいて推定されてもよい。また、上記実施形態では、酸素吸蔵量OSAscの推定値が判定基準吸蔵量Cref以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えられる。しかしながら、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比を弱リッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へ切り替えてからの機関運転時間等、他のパラメータを基準としてもよい。ただし、この場合であっても、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが最大酸素吸蔵量よりも少ないと推定される間に、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。
<下流側触媒も用いた制御の説明>
また、本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒20に加えて下流側の排気浄化触媒24も設けられている。下流側の排気浄化触媒24の酸素吸蔵量OSAufcは或る程度の期間毎に行われる燃料カット(F/C)制御によって最大酸素吸蔵量Cmax近傍の値とされる。このため、たとえ上流側の排気浄化触媒20から未燃ガスを含んだ排気ガスが流出したとしても、これら未燃ガスは下流側の排気浄化触媒24において酸化浄化される。
ここで、燃料カット制御とは、内燃機関を搭載する車両の減速時等において、クランクシャフトやピストン3が運動している状態であっても、燃料噴射弁11から燃料の噴射を停止する制御である。この制御を行うと、排気浄化触媒20および排気浄化触媒24には多量の空気が流入することになる。
以下、図8を参照して、下流側の排気浄化触媒24における酸素吸蔵量OSAufcの推移について説明する。図8は、図7と同様な図であり、図7のNOx濃度の推移に換えて、下流側の排気浄化触媒24の酸素吸蔵量OSAufc及び下流側の排気浄化触媒24から流出する排気ガス中の未燃ガス(HCやCO等)の濃度の推移を示している。また、図8に示した例では、図7に示した例と同一の制御を行っている。
図8に示した例では、時刻t1以前に燃料カット制御が行われている。このため、時刻t1以前において、下流側の排気浄化触媒24の酸素吸蔵量OSAufcは最大酸素吸蔵量Cmax近傍の値となっている。また、時刻t1以前においては、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比に保たれる。このため、下流側の排気浄化触媒24の酸素吸蔵量OSAufcは一定に維持される。
その後、時刻t1〜t4において、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっている。このため、下流側の排気浄化触媒24には、未燃ガスを含む排気ガスが流入する。
上述したように、下流側の排気浄化触媒24には多量の酸素が吸蔵されているため、下流側の排気浄化触媒24に流入する排気ガス中に未燃ガスが含まれていると、吸蔵されている酸素により未燃ガスが酸化浄化される。また、これに伴って、下流側の排気浄化触媒24の酸素吸蔵量OSAufcは減少する。ただし、時刻t1〜t4において上流側の排気浄化触媒20から流出する未燃ガスはそれほど多くないため、この間の酸素吸蔵量OSAufcの減少量はわずかである。このため、時刻t1〜t4において上流側の排気浄化触媒20から流出する未燃ガスは全て下流側の排気浄化触媒24において還元浄化される。
時刻t6以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻t1〜t4における場合と同様に、上流側の排気浄化触媒20から未燃ガスが流出する。このようにして流出した未燃ガスは基本的に下流側の排気浄化触媒24に吸蔵されている酸素により還元浄化される。したがって、下流側の排気浄化触媒24からは未燃ガスが流出することはほとんどない。上述したように、上流側の排気浄化触媒20からのNOx排出量が少ないものとされることを考えると、本実施の形態によれば、下流側の排気浄化触媒24からの未燃ガス及びNOxの排出量は常に少ないものとされる。
<具体的な制御の説明>
次に、図9及び図10を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施の形態における制御装置は、機能ブロック図である図9に示したように、A1〜A9の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図9を参照しながら各機能ブロックについて説明する。
<燃料噴射量の算出>
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段A1、基本燃料噴射量算出手段A2、及び燃料噴射量算出手段A3が用いられる。
筒内吸入空気量算出手段A1は、エアフロメータ39によって計測される吸入空気流量Gaと、クランク角センサ44の出力に基づいて算出される機関回転数NEと、電子制御ユニット31のROM34に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Mcを算出する。
基本燃料噴射量算出手段A2は、筒内吸入空気量算出手段A1によって算出された筒内吸入空気量Mcを、後述する目標空燃比設定手段A6によって算出された目標空燃比AFTで除算することにより、基本燃料噴射量Qbaseを算出する(Qbase=Mc/AFT)。
燃料噴射量算出手段A3は、基本燃料噴射量算出手段A2によって算出された基本燃料噴射量Qbaseに、後述するF/B補正量DQiを加えることで燃料噴射量Qiを算出する(Qi=Qbase+DQi)。このようにして算出された燃料噴射量Qiの燃料が燃料噴射弁11から噴射されるように、燃料噴射弁11に対して噴射指示が行われる。
<目標空燃比の算出>
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、酸素吸蔵量取得手段として機能する酸素吸蔵量算出手段A4、目標空燃比補正量算出手段A5、及び目標空燃比設定手段A6が用いられる。
酸素吸蔵量算出手段A4は、燃料噴射量算出手段A3によって算出された燃料噴射量Qi及び上流側空燃比センサ40の出力電流Irupに基づいて上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量の推定値OSAestを算出する。例えば、酸素吸蔵量算出手段A4は、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupに対応する空燃比と理論空燃比との差分に燃料噴射量Qiを乗算すると共に、求めた値を積算することによって酸素吸蔵量の推定値OSAestを算出する。なお、酸素吸蔵量算出手段A4による上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量の推定は、常時行われていなくてもよい。例えば、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ実際に切り替えられたとき(図7における時刻t3)から、酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Crefに到達する(図7における時刻t4)までの間のみ酸素吸蔵量を推定してもよい。
目標空燃比補正量算出手段A5では、酸素吸蔵量算出手段A4によって算出された酸素吸蔵量の推定値OSAestと、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnとに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量AFCが算出される。具体的には、空燃比補正量AFCは、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Iref(リッチ判定空燃比に相当する値)以下となったときに、リーン設定補正量AFCleanとされる。その後、空燃比補正量AFCは、酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Crefに到達するまで、リーン設定補正量AFCleanに維持される。酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Crefに到達すると、空燃比補正量AFCは弱リッチ設定補正量AFCrichとされる。その後、空燃比補正量AFCは、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Iref(リッチ判定空燃比に相当する値)となるまで、弱リッチ設定補正量AFCrichに維持される。
目標空燃比設定手段A6は、基準となる空燃比、本実施の形態では理論空燃比AFRに、目標空燃比補正量算出手段A5で算出された空燃比補正量AFCを加算することで、目標空燃比AFTを算出する。したがって、目標空燃比AFTは、弱リッチ設定空燃比(空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCrichの場合)か、又はリーン設定空燃比(空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanの場合)のいずれかとされる。このようにして算出された目標空燃比AFTは、基本燃料噴射量算出手段A2及び後述する空燃比差算出手段A8に入力される。
図10は、空燃比補正量AFCの算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図10に示したように、まず、ステップS11において空燃比補正量AFCの算出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比補正量の算出条件が成立している場合とは、例えば燃料カット制御中ではないこと等が挙げられる。ステップS11において目標空燃比の算出条件が成立していると判定された場合には、ステップS12へと進む。ステップS12では、上流側空燃比センサ40の出力電流Irup、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwn、燃料噴射量Qiが取得せしめられる。次いでステップS13では、ステップS12で取得された上流側空燃比センサ40の出力電流Irup及び燃料噴射量Qiに基づいて酸素吸蔵量の推定値OSAestが算出される。
次いでステップS14において、リーン設定フラグFrが0に設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグFrは、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanに設定されると1とされ、それ以外の場合には0とされる。ステップS14においてリーン設定フラグFrが0に設定されている場合には、ステップS15へと進む。ステップS15では、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Iref以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefよりも大きいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAscが減少して、上流側の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が低下すると、ステップS15にて下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Iref以下であると判定される。この場合には、ステップS16へと進み、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanとされる。次いで、ステップS17では、リーン設定フラグFrが1に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
次の制御ルーチンにおいては、ステップS14において、リーン設定フラグFrが0に設定されていないと判定されて、ステップS18へと進む。ステップS18では、ステップS13で算出された酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Crefよりも少ないか否かが判定される。酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Crefよりも少ないと判定された場合にはステップS19へと進み、空燃比補正量AFCが引き続きリーン設定補正量AFCleanとされる。一方、上流側の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップS18において酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Cref以上であると判定されてステップS20へと進む。ステップS20では、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCrichとされ、次いで、ステップS21では、リーン設定フラグFrが0にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
<F/B補正量の算出>
再び図9に戻って、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupに基づいたF/B補正量の算出について説明する。F/B補正量の算出に当たっては、数値変換手段A7、空燃比差算出手段A8、F/B補正量算出手段A9が用いられる。
数値変換手段A7は、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupと、上流側空燃比センサ40の出力電流Irupと空燃比との関係を規定したマップ又は計算式(例えば、図5に示したようなマップ)とに基づいて、出力電流Irupに相当する上流側排気空燃比AFupを算出する。したがって、上流側排気空燃比AFupは、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比に相当する。
空燃比差算出手段A8は、数値変換手段A7によって求められた上流側排気空燃比AFupから目標空燃比設定手段A6によって算出された目標空燃比AFTを減算することによって空燃比差DAFを算出する(DAF=AFup−AFT)。この空燃比差DAFは、目標空燃比AFTに対する燃料供給量の過不足を表す値である。
F/B補正量算出手段A9は、空燃比差算出手段A8によって算出された空燃比差DAFを、比例・積分・微分処理(PID処理)することで、下記式(2)に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのF/B補正量DFiを算出する。このようにして算出されたF/B補正量DFiは、燃料噴射量算出手段A3に入力される。
DFi=Kp・DAF+Ki・SDAF+Kd・DDAF …(2)
なお、上記式(2)において、Kpは予め設定された比例ゲイン(比例定数)、Kiは予め設定された積分ゲイン(積分定数)、Kdは予め設定された微分ゲイン(微分定数)である。また、DDAFは、空燃比差DAFの時間微分値であり、今回更新された空燃比差DAFと前回更新されていた空燃比差DAFとの差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、SDAFは、空燃比差DAFの時間積分値であり、この時間積分値DDAFは前回更新された時間積分値DDAFに今回更新された空燃比差DAFを加算することで算出される(SDAF=DDAF+DAF)。
なお、上記実施形態では、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を上流側空燃比センサ40によって検出している。しかしながら、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比の検出精度は必ずしも高い必要はないことから、例えば、燃料噴射弁11からの燃料噴射量及びエアフロメータ39の出力に基づいてこの排気ガスの空燃比を推定するようにしてもよい。
このように、通常運転制御においては、上流側の排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比の状態とリーン空燃比の状態とを繰り返し、更に酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍に到達することを回避する制御を行うことにより、NOxの流出を抑制することができる。本実施の形態では、通常運転制御において、上流側の排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする制御をリッチ制御と称し、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比にする制御をリーン制御と称する。すなわち、通常運転制御では、リッチ制御とリーン制御とを繰り返して行う。
<判定基準減少制御およびリーン空燃比減少制御の説明>
ところで、通常運転制御を行っている期間中に、排気浄化触媒に経年劣化が生じたり、排気ガスに含まれる炭化水素の付着や硫黄成分による被毒が生じたりすることにより、酸素吸蔵能力が低下する場合がある。酸素吸蔵能力が低下すると、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になる場合がある。たとえば、リーン空燃比の排気ガスが排気浄化触媒に流入した時に酸素を十分に吸蔵できずに排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になる場合がある。その結果、NOxを十分に浄化できない虞がある。そこで、本実施の形態の内燃機関の制御装置では、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことを検出した場合には、排気浄化触媒の判定基準吸蔵量を減少させる判定基準減少制御を実施する。すなわち、判定基準減少制御では、リーン制御により排気浄化触媒に供給する酸素量(酸素吸蔵量)を低減する。更に、望ましくは、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比の範囲内でリッチ側に変更するリーン空燃比減少制御を実施する。本実施の形態のリーン空燃比減少制御ではリーン設定補正量を減少させる。
本実施の形態では、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことを判別するための判定値としてリーン判定空燃比が予め定められている。排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合には、排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別することができる。リーン判定空燃比は、リッチ判定空燃比と同様に、運転期間中における理論空燃比からの微小変動分を考慮して、理論空燃比から僅かにリーンの値を採用することができる。このようなリーン判定空燃比は、たとえば14.65を採用することができる。本実施の形態においては、リーン判定空燃比に対応する下流側空燃比センサ41の出力電流のリーン判定基準値Irefxが予め設定されている。
図11に、本実施の形態における判定基準減少制御およびリーン空燃比減少制御のタイムチャートを示す。図11には、電子制御ユニット31により推定される排気浄化触媒20の酸素吸蔵量の推定値および酸素放出量の推定値のグラフが示されている。酸素放出量は負の値にて示されており、絶対値が大きくなるほど酸素放出量が多いことを示している。また、酸素吸蔵量は、リーン空燃比からリッチ空燃比に切替えられる時に零にされている。更に、酸素放出量は、それぞれが排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切替えられる時に零にされている。また、判定基準吸蔵量Cref1に対応する1回のリッチ制御で放出される酸素放出量D1が示されている。同様に、判定基準吸蔵量Cref2,Cref3に対応する1回のリッチ制御で放出される酸素放出量D2,D3が示されている。
判定基準減少制御を実施する前の初期の判定基準吸蔵量Cref1は、予め設定されている。また、リーン空燃比減少制御を実施する前の初期のリーン設定補正量AFClean1が予め設定されている。時刻t3までは、判定基準吸蔵量Cref1およびリーン設定補正量AFClean1が一定に維持される前述の通常運転制御を行っている。すなわち、時刻t2において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefに到達している。時刻t2において、空燃比補正量が弱リッチ設定補正量AFCrichからリーン設定補正量AFClean1に切り替えられている。時刻t3において排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比になる。時刻t3以降には排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が増加し、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnは、零に向かって上昇する。
この時に排気浄化触媒20の劣化等に起因して、排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Cref1未満であるにも関わらず、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている。下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが零よりも大きくなっている。時刻t51において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefxに到達している。下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnは更に上昇している。このように、通常運転制御のリーン制御の実施期間中に、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx以上に上昇している。
時刻t52において、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Cref1に到達し、リーン制御からリッチ制御に切り替えられている。空燃比補正量は、リーン設定補正量AFClean1から弱リッチ設定補正量AFCrichに切り替えられている。時刻t53において、上流側空燃比センサ40の出力がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替わっている。時刻t53以降には下流側空燃比センサ41の出力電流が零まで減少する。
本実施の形態においては、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合には、判定基準減少制御を実施する。図11に示す判定基準減少制御では、リーン制御からリッチ制御に切り替わった後の時刻t54において、判定基準吸蔵量Cref1から減少量DCLを減算した判定基準吸蔵量Cref2に変更している。本実施の形態においては、判定基準吸蔵量の減少量DCLは予め設定されている。
排気浄化触媒20が劣化等した場合には、排気浄化触媒20に吸蔵可能な最大酸素吸蔵量Cmaxが低下している。このために、判定基準吸蔵量を減少させることにより、リーン制御からリッチ制御に切り替える時の排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を少なくすることができる。すなわち、排気浄化触媒20に供給する酸素量を、排気浄化触媒20の劣化等により低下した最大酸素吸蔵量Cmaxよりも少ない量にすることができる。排気浄化触媒20に酸素が吸蔵されずに排気浄化触媒20の内部がリーン雰囲気になることを抑制することができる。この結果、排気浄化触媒20からNOxが流出することを抑制できる。
更に、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合には、リーン空燃比減少制御を実施する。図11に示すリーン空燃比減少制御では、リーン制御からリッチ制御に切り替わった後の時刻t54において、リーン設定補正量AFClean1から減少量DALを減算したリーン設定補正量AFClean2に変更している。本実施の形態においては、リーン設定補正量の減少量DALが予め設定されている。
排気浄化触媒20が劣化等した場合には、単位時間あたりに排気浄化触媒20に吸蔵される酸素量が減少する。すなわち、酸素の吸蔵速度が低下する。リーン設定空燃比をリッチ側に変更することにより、単位時間に流入する酸素量を低減することができて、排気浄化触媒20の内部がリーン雰囲気になることを抑制することができる。この結果、排気浄化触媒20からNOxが流出することを抑制できる。
時刻t55において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefまで低下している。時刻t55において空燃比補正量が切り替えられるが、この時に、弱リッチ設定補正量AFCrichからリーン設定補正量AFClean2に切り替えられている。時刻t56以降に排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比は、リーン設定補正量AFClean2に対応するリーン空燃比になる。
また、時刻t55から実施するリーン制御においては判定基準吸蔵量Cref2が採用されている。時刻t57において、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Cref2に到達し、リーン制御からリッチ制御に切り替えられている。時刻t58において、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比になる。
時刻t55から時刻t57までに実施するリーン制御では、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx未満に維持されている。このように、通常運転制御において、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になることを抑制することができる。ここで、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満に維持されている場合には、判定基準吸蔵量およびリーン設定空燃比を変更せずに維持しながらリーン制御およびリッチ制御を繰り返すことができる。
ところが、リーン制御の実施期間中の排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比の判定において、燃焼時の空燃比の変動等に起因して誤った判定を行う場合がある。または、炭化水素または硫黄の吸着等により一時的に最大酸素吸蔵量が減少している場合には、最大酸素吸蔵量が回復する場合がある。または、判定基準減少制御においては、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気にならないように、判定基準吸蔵量を十分に減少させることが好ましい。しかしながら、判定基準吸蔵量の減少量が大きすぎる場合がある。この場合には、判定基準吸蔵量が最も好ましい値よりも小さくなっている場合がある。同様に、リーン空燃比減少制御においても、リーン設定空燃比の減少量が大きすぎる場合がある。
そこで、本実施の形態の制御装置は、1回のリーン制御の実施期間中に排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満に維持されている場合には、判定基準吸蔵量を増加させる判定基準増加制御と、リーン設定空燃比を増加させるリーン空燃比増加制御を実施する。時刻t55から時刻t57までのリーン制御においては、下流側空燃比センサの出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx未満に維持されている。このために、制御装置は、リーン制御からリッチ制御に切り替わった後の時刻t59において、判定基準吸蔵量Cref2に増加量DCSを加算した判定基準吸蔵量Cref3に変更している。このような判定基準吸蔵量の1回の増加量DCSは予め設定しておくことができる。また、時刻t59において、リーン設定補正量AFClean2に増加量DASを加算したリーン設定補正量AFClean3に変更している。このようなリーン設定補正量の1回の増加量DASは予め設定しておくことができる。
判定基準増加制御を実施することにより、判定基準減少制御を実施して判定基準吸蔵量が最適値よりも小さくなりすぎた場合に最適値に近づけることができる。また、リーン空燃比増加制御を実施することにより、リーン空燃比減少制御を実施してリーン設定空燃比が最適値よりも小さくなりすぎた場合に最適値に近づけることができる。
図11に示す制御例では、時刻t60において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefまで低下している。時刻t60において空燃比補正量が切り替えられるが、この時に、弱リッチ設定補正量AFCrichからリーン設定補正量AFClean3に切り替えられている。時刻t61において排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン設定補正量AFClean3に対応するリーン空燃比になる。
また、時刻t60から実施するリーン制御においては判定基準吸蔵量Cref3が採用されている。時刻t62において、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Cref3に到達し、リーン制御からリッチ制御に切り替えられている。時刻t63において、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になる。
時刻t60から時刻t62までに実施するリーン制御では、再び下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx未満に維持されている。このために、判定基準増加制御により、時刻t64において判定基準吸蔵量Cref3から判定基準吸蔵量Cref4に増加している。また、リーン空燃比増加制御により、リーン設定補正量AFClean3からリーン設定補正量AFClean4に増加している。時刻t65以降では同様の制御を繰り返している。
ところで、判定基準吸蔵量の増加量DCSは、減少量DCLよりも小さく設定することが好ましい。すなわち、判定基準増加制御における1回の増加量は、判定基準減少制御における1回の減少量よりも小さく設定することが好ましい。判定基準吸蔵量Crefを大きく減少させることにより、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になることをより効果的に抑制することができる。また、判定基準吸蔵量の増加量DCSを減少量DCLよりも小さくすることにより、少しずつ判定基準吸蔵量を増加させることができる。判定基準吸蔵量が大きく増加して、排気浄化触媒20の内部がリーン雰囲気になってしまうことを抑制することができる。
また、リーン設定補正量の増加量DASは、減少量DALよりも小さく設定することが好ましい。リーン空燃比増加制御における1回の増加量は、リーン空燃比減少制御における1回の減少量よりも小さくすることが好ましい。リーン設定補正量AFCleanを大きく減少させることにより、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になることをより効果的に抑制することができる。また、リーン設定空燃比の増加量DASを減少量DALよりも小さくすることにより、少しずつリーン設定空燃比を増加させることができる。リーン設定空燃比が大きく増加して、酸素を吸蔵しきれずに排気浄化触媒20の内部がリーン雰囲気になってしまうことを抑制することができる。
このように、本実施の形態の通常運転制御においては、判定基準増加制御および判定基準減少制御を実施することにより、排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量の変化に応じて判定基準吸蔵量を設定することができる。また、リーン空燃比減少制御およびリーン空燃比増加制御を実施することにより、排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量の変化に応じてリーン設定空燃比を設定することができる。
図12に、本実施の形態の通常運転制御において、判定基準吸蔵量およびリーン設定補正量を設定する制御のフローチャートを示す。図12に示す制御は、1回のリーン制御の終了時以降に実施することができる。たとえば、1回のリーン制御に引き続くリッチ制御の実施期間中に実施することができる。
ステップS71においては、前回のリーン制御の実施期間中において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnの最大値を読み込む。ステップS72においては、現在のリーン設定補正量AFCleanを読み込む。更に、ステップS73においては、現在の判定基準吸蔵量Crefを読み込む。
ステップS74においては、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnの最大値がリーン判定基準値Irefx以上か否かを判別する。ステップS74において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx以上の場合には、ステップS55に移行する。この場合には、前回のリーン制御において、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別することができる。
ステップS55においては、判定基準吸蔵量Crefを減少させる制御を行う。本実施の形態においては、現在の判定基準吸蔵量Crefから予め設定された減少量DCLを減算する。
ここで、判定基準吸蔵量Crefを減少する制御を繰り返すと、判定基準吸蔵量が零以下になる虞がある。たとえば、判定基準吸蔵量が負の値になる虞がある。ところが、酸素吸蔵量が零未満になることは生じ得ない。または、判定基準吸蔵量が予め定められた判定値まで減少すると、制御装置は、使用者に排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量の低下を通知する制御を行う場合がある。たとえば、制御装置は、警告灯を点灯する制御を行うことができる。警告灯を点灯した場合には、使用者に対して排気浄化触媒の交換等が要求されるために、判定基準吸蔵量を更に減少させて管理を行う意義は小さくなる。
このために、本実施の形態においては、判定基準吸蔵量の下限のガード値として、吸蔵量下限ガード値が予め設定されている。吸蔵量下限ガード値は、判定基準吸蔵量が吸蔵量下限ガード値未満にならないように設定する値である。または、判定基準吸蔵量を設定する必要がある範囲の最小値が吸蔵量下限ガード値である。
ステップS56においては、ステップS55において算出した判定基準吸蔵量Crefが予め設定された吸蔵量下限ガード値未満であるか否かを判別する。ステップS56において、算出された判定基準吸蔵量Crefが、吸蔵量下限ガード値未満である場合には、ステップS57に移行する。ステップS57においては、判定基準吸蔵量Crefとして、吸蔵量下限ガード値を採用する。ステップS56において、算出された判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量下限ガード値以上の場合には、ステップS55にて算出された判定基準吸蔵量Crefを採用する。
次に、リーン設定補正量AFCleanを減少させる制御を実施する。ステップS75においては、現在のリーン設定補正量AFCleanから予め設定された減少量DALを減算している。
ここで、リーン空燃比減少制御を繰り返すと、リーン設定補正量が零以下になる虞がある。または、リーン設定補正量が予め定められた判定値まで減少すると、制御装置は、使用者に最大酸素吸蔵量の低下を通知する制御を行う場合がある。この場合には、使用者に対して排気浄化触媒の交換等が要求されるために、リーン設定補正量を更に減少させて管理を行う意義は小さくなる。
このために、本実施の形態においては、判定基準を減少させる制御の場合と同様に、リーン設定補正量の下限のガード値を設けている。本実施の形態では、補正量下限ガード値を予め設定している。補正量下限ガード値は、リーン設定補正量が補正量下限ガード値未満にならないように設定する値である。
ステップS76においては、ステップS75において算出したリーン設定補正量AFCleanが補正量下限ガード値未満であるか否かを判別する。ステップS76において、リーン設定補正量AFCleanが補正量下限ガード値未満である場合には、ステップS77に移行する。ステップS77においては、リーン設定補正量AFCleanとして補正量下限ガード値を採用する。ステップS76において、リーン設定補正量AFCleanが補正量下限ガード値以上の場合には、ステップS75にて設定されたリーン設定補正量AFCleanを採用する。
一方で、ステップS74において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnの最大値がリーン判定基準値Irefx未満の場合には、ステップS59に移行する。この場合には、前回のリーン制御において、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比にならなかったと判別することができる。
ステップS59においては、判定基準吸蔵量Crefを増加させる制御を実施する。現在の判定基準吸蔵量Crefに予め定められた増加量DCSを加算する。
ここで、判定基準増加制御を繰り返して、判定基準吸蔵量が増加して最大酸素吸蔵量Cmaxに近づくと、排気浄化触媒20からNOxが流出する虞がある。このために、本実施の形態においては、判定基準吸蔵量Crefの上限のガード値として吸蔵量上限ガード値を設定している。判定基準吸蔵量Crefは、吸蔵量上限ガード値を超えないように制御される。吸蔵量上限ガード値としては、たとえば、製造時に設定された初期の判定基準吸蔵量を採用することができる。
ステップS60においては、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量上限ガード値よりも大きいか否かを判別する。ステップS60において、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量上限ガード値よりも大きい場合には、ステップS61に移行する。
ステップS61では、判定基準吸蔵量Crefとして吸蔵量上限ガード値を設定する。ステップS60において、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量上限ガード値以下である場合には、判定基準吸蔵量CrefとしてステップS59にて設定された値が採用される。
次に、リーン設定補正量AFCleanを増加させる制御を実施する。ステップS78においては、現在のリーン設定補正量AFCleanから予め設定された増加量DASを加算する。
ここで、リーン空燃比増加制御を繰り返してリーン設定補正量が大きくなると排気浄化触媒20からNOxが流出する虞がある。このために、本実施の形態においては、リーン設定補正量AFCleanの上限のガード値として、補正量上限ガード値が設定されている。リーン設定補正量AFCleanは、補正量上限ガード値を超えないように制御される。補正量上限ガード値としては、たとえば、製造時に設定された初期のリーン設定補正量を採用することができる。
ステップS79において、リーン設定補正量AFCleanが補正量上限ガード値よりも大きいか否かを判別する。ステップS79において、リーン設定補正量AFCleanが補正量上限ガード値よりも大きい場合には、ステップS80に移行する。
ステップS80においては、リーン設定補正量AFCleanとして補正量上限ガード値が設定される。ステップS79において、リーン設定補正量AFCleanが補正量上限ガード値以下である場合には、リーン設定補正量AFCleanとしてステップS78にて設定された値が採用される。
このように設定された判定基準吸蔵量およびリーン設定補正量を用いて図10に示すリーン制御およびリッチ制御を繰り返す制御を実施することができる。
本実施の形態の判定基準減少制御においては、今回のリーン制御において排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合には、次回のリーン制御における判定基準吸蔵量を減少させているが、この形態に限られず、今回のリーン制御において、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合に、次回以降の任意のリーン制御における判定基準吸蔵量を今回のリーン制御における判定基準吸蔵量よりも減少させることができる。また、リーン空燃比減少制御については、今回のリーン制御において排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合には、次回以降の任意の回のリーン制御におけるリーン設定空燃比を今回のリーン制御におけるリーン設定空燃比よりもリッチ側に(小さく)変更することができる。
判定基準増加制御については、今回のリーン制御において排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満である場合に、次回以降の任意のリーン制御における判定基準吸蔵量を今回のリーン制御における判定基準吸蔵量よりも増加することができる。また、リーン空燃比増加制御については、今回のリーン制御において排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満である場合には、次回以降の任意のリーン制御のリーン設定空燃比を今回のリーン制御のリーン設定空燃比よりもリーン側に(大きく)変更することができる。
本実施の形態においては、判定基準吸蔵量に関する吸蔵量上限ガード値および吸蔵量下限ガード値を設定したが、この形態に限られず、吸蔵量上限ガード値および吸蔵量下限ガード値は設定しなくても構わない。また、本実施の形態においては、リーン設定補正量に関する補正量上限ガード値および補正量下限ガード値を設定したが、この形態に限られず、補正量上限ガード値および補正量下限ガード値は設定しなくても構わない。
本実施の形態のリーン制御においては、連続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンにしているが、この形態に限られず、断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンにしても構わない。また、同様に、リッチ制御においても、連続的または断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチにすることができる。
(実施の形態2)
図13から図17を参照して、実施の形態2における内燃機関の制御装置について説明する。
<リーン検出時の制御の説明>
実施の形態1において説明したように内燃機関の運転を継続すると排気浄化触媒に経年劣化が生じたり、排気ガスに含まれる炭化水素の付着や硫黄成分による被毒が生じたりすることにより、酸素吸蔵能力が低下する場合がある。排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下すると、NOxの浄化能力が恒常的に低下する。一方で、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が十分であっても、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が所望の空燃比よりも一時的に高くなる場合がある。たとえば、要求負荷の変化に伴って加速または減速する場合には、燃焼室における燃焼時の空燃比を変化させる場合がある。燃焼時の空燃比の変動時には、燃焼時の空燃比の乱れにより所望の空燃比よりもリーンになる場合がある。
または、燃料タンクの蒸気に含まれる燃料をチャコールキャニスタ等に吸着させておいて、所定の期間ごとに吸着した燃料を燃焼室に供給するエバポパージの制御を行う場合がある。エバポパージの制御では、燃料噴射弁から噴射する燃料の量を調整する。この調整時に燃焼室に供給する燃料の量が所望の量よりも少なくなり、燃焼時の空燃比が所望の空燃比よりもリーンになる場合がある。燃焼時の空燃比が所望の空燃比よりもリーンになると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比も所望の空燃比よりもリーンになる。この結果、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になり、NOxを十分に浄化できなくなる虞がある。
ここで、排気浄化触媒20の内部がリーン雰囲気になると、排気浄化触媒20からの流出する排気ガスの空燃比もリーン空燃比になる。そこで、本実施の形態の内燃機関の制御装置においては、通常運転制御の実施期間中に排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことを検出すると共に、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ空燃比にする制御を行う。本実施の形態においては、この制御をリーン検出時の制御と称し、リーン検出時の制御では排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を補助リッチ設定空燃比に制御する。
排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められたリーン判定空燃比以上になった場合に排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別することができる。このようなリーン判定空燃比は、実施の形態1における判定基準減少制御のためのリーン判定空燃比と同様の判定値を採用することができる。本実施の形態においては、リーン判定空燃比に対応する下流側空燃比センサ41の出力電流のリーン判定基準値Irefxが予め設定されている。なお、判定基準減少制御のための排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判定する判定値と、リーン検出時の制御のための排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判定する判定値とが互いに異なっていても構わない。
図13に、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった場合のリーン検出時の制御のタイムチャートを示す。時刻t3までは、実施の形態1と同様の通常運転制御を行っている。すなわち、時刻t2において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefに到達している。時刻t2において、空燃比補正量が弱リッチ設定補正量AFCrichからリーン設定補正量AFCleanに切り替えられている。時刻t3において排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン設定補正量AFCleanに対応するリーン空燃比になる。すなわち、上流側空燃比センサ40の出力電流が正の値になる。時刻t3以降には、排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が増加し、下流側空燃比センサ41の出力電流は、零に向かって上昇する。
この時に、燃焼時の空燃比の乱れ等に起因して、排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Cref未満であるにも関わらず、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている。すなわち、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが零よりも大きくなっている。時刻t11において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefxに到達している。通常運転制御のリーン制御の期間中に、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx以上に上昇している。
本実施の形態の制御装置は、時刻t11において、下流側空燃比センサ41の出力電流がリーン判定基準値Irefxに到達したことを検出し、リーン検出時の制御を実施する。排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が補助リッチ設定空燃比になるように空燃比補正量を変更する。本実施の形態においては、空燃比補正量をリーン設定補正量AFCleanから補助リッチ設定補正量AFCrichxに切り替える。
本実施の形態においては、リーン空燃比が検出された時の補助リッチ設定補正量AFCrichxは、弱リッチ設定補正量AFCrichよりも絶対値が大きくなるように設定されている。すなわち、リーン検出時の制御における排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比は、通常運転制御のリッチ制御よりも低くなるように設定している。本実施の形態においては、補助リッチ設定補正量AFCrichxは予め定められている。
時刻t11においては、空燃比補正量が切り替えられることにより、時刻t12において、上流側空燃比センサ40の出力がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替わっている。時刻t12以降には下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが減少する。このように排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする制御を行うことによって、下流側空燃比センサ41の出力電流を、速やかに零に戻すことができる。つまり、排気浄化触媒20の内部および排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比を理論空燃比にすることができる。
本実施の形態においては、下流側空燃比センサ41の出力電流が零に戻るまで、リーン検出時の制御を継続している。制御装置は、時刻t13において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが零になったことを検出し、リーン検出時の制御を終了し、通常運転制御に移行している。時刻t13において、空燃比補正量を通常運転制御のリッチ制御の空燃比に対応する弱リッチ設定補正量AFCrichに戻している。時刻t14において、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が弱リッチ空燃比に戻っている。
時刻t12から時刻t14までは通常運転制御のリッチ制御よりも排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に深いために、通常運転制御のリッチ制御よりも速く酸素吸蔵量が減少する。すなわち、通常運転制御のリッチ制御よりも速く酸素放出量が増加する(負の値が速く小さくなる)。時刻t14以降では、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が弱リッチ空燃比になるために、緩やかに酸素放出量が増加する。
時刻t14以降は、前述の通常運転制御を実施している。時刻t7において、下流側空燃比センサ41の出力電流がリッチ判定基準値Irefに到達し、リッチ制御からリーン制御に切り替えられている。時刻t8において、上流側空燃比センサ40の出力電流が、弱リッチ空燃比の状態からリーン空燃比の状態になる。時刻t9において、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Crefに到達してリーン制御からリッチ制御に切り替えられている。
図13の酸素吸蔵量および酸素放出量のグラフには、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になってリーン検出時の制御を実施した場合が実線で、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比にならなかった場合が一点鎖線で示されている。
リーン検出時の制御を行った場合には、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Cref未満の状態で、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられている。通常運転制御のリーン制御において吸蔵される酸素量よりも少ない状態でリーン空燃比からリッチ空燃比に切替えられる。また、リーン検出時の制御においては、通常運転制御のリッチ制御よりも排気ガスの空燃比がリッチな排気ガスが流入する。これらの理由から、時刻t13から再開する通常運転制御のリッチ制御の継続時間は、通常運転制御のリッチ制御の継続時間よりも短くなっている。
この様に、通常運転制御のリーン制御の期間中に、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が、リーン判定空燃比以上になった場合には、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を予め定められた補助リッチ設定空燃比にする制御を行っている。この制御により、排気浄化触媒20の内部のリーン雰囲気を速やかに解消し、排気浄化触媒20からのNOxの流出を抑制することができる。
また、上記の例においては、リーン制御の期間中に、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えている。このように、リーン検出時の制御では、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量に到達していなくてもリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えることが好ましい。
また、リーン検出時の制御は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を通常運転制御のリッチ制御よりもリッチにすることができる。すなわち、リーン検出時の制御の補助リッチ設定空燃比は、通常運転制御のリッチ制御のリッチ設定空燃比よりもリッチにすることができる。特に、本実施の形態のようにリッチ制御における排気ガスの空燃比を弱リッチ空燃比にする場合には、リーン検出時の制御の排気ガスの空燃比をリッチ制御よりも深いリッチ空燃比にすることにより、短時間で排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を理論空燃比に戻すことができる。なお、リーン検出時の制御の補助リッチ設定空燃比を、通常運転制御のリッチ制御のリッチ設定空燃比と同一にしても構わない。
更には、リーン検出時の制御の期間中に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が減少し、理論空燃比に到達した場合には、リーン検出時の空燃比を終了して通常運転制御のリッチ制御に移行することができる。このように、リーン検出時の制御では、一時的に空燃比補正量を深いリッチの値にすることができる。
図14に、通常運転制御に加えてリーン検出時の制御を実施するときの運転制御のフローチャートを示す。前述の図10に示す通常運転制御にリーン検出時の制御が付加されている。ステップS11からステップS13までの工程は、実施の形態1における通常運転制御と同様である。また、ステップS14からステップS21までの工程も、実施の形態1における通常運転制御と同様である(図10参照)。
ステップS13において、排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を推定した後に、ステップS22に移行する。ステップS22においては、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満か否かを判別する。すなわち、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx未満であるか否かを判別する。出力電流Irdwnが、リーン判定基準値Irefx以上の場合には、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっていると判別することができる。この場合には、ステップS31に移行する。
ステップS31においては、空燃比補正量AFCを補助リッチ設定補正量AFCrichxに設定する。すなわち、目標空燃比を、リーン空燃比を検出したときの補助リッチ設定空燃比に設定する。
ステップS32においては、リーン検出フラグFxを1に設定する。リーン検出フラグFxは、リーン検出時の制御の実施を示すフラグである。リーン検出時の制御を開始している場合には、リーン検出フラグFxは1に設定され、リーン検出時の制御が終了した場合にはリーン検出フラグFxは0に設定される。
次に、ステップS22において、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満である場合には、ステップS23に移行する。下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx未満である場合には、ステップS23に移行する。ステップS23においては、リーン検出フラグFxが零であるか否かが判別される。ステップS23において、リーン検出フラグFxが1である場合、すなわち、リーン検出時の制御を実施している場合には、ステップS33に移行する。
ステップS33においては、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比であるか否かが判別される。すなわち、リーン検出時の制御において排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比まで戻っているか否かを判別する。ステップS33において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが0よりも大きい場合には、ステップS34に移行する。この場合には、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比はリーン空燃比である。このために、ステップS34においては、空燃比補正量AFCを、補助リッチ設定補正量AFCrichxに維持してリーン検出時の制御を継続する。
ステップS33において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが0以下である場合には、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比まで戻っていると判別することができる。この場合には、リーン検出時の制御を終了し、通常運転制御に移行する。本実施の形態においては、通常運転制御のリッチ制御に移行する。ステップS35において、リーン検出フラグFxを0に設定する。
ステップS36において、空燃比補正量を通常運転制御のリッチ制御の補正量に戻す。すなわち、空燃比補正量AFCを弱リッチ設定補正量AFCrichに設定する。さらに、本実施の形態ではリッチ制御から再開するために、ステップS37において、リーン設定フラグFrを0に設定する。このように、リーン検出時の制御を終了することができる。
ステップS23において、リーン検出フラグFxが零である場合には、リーン検出時の制御を実施していない状態であり、ステップS14に移行する。ステップS14以降においては、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比や酸素吸蔵量に基づいて、リッチ制御またはリーン制御を選択して空燃比補正量を設定することができる(図10参照)。
本実施の形態の上述の制御例は、通常運転制御のリーン制御の期間中に、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっているが、この形態に限られず、通常運転制御のリッチ制御の期間中に、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった場合にも、同様の制御を行うことができる。例えば、通常運転制御のリッチ制御の期間中に、燃焼時の空燃比の変動に伴って、下流側空燃比センサ41の出力電流がリーン判定基準値Irefx以上になる場合がある。このような場合には、空燃比補正量を弱リッチ設定補正量から補助リッチ設定補正量に切り替える制御を行うことができる。すなわち、リッチ制御からリーン検出時の制御に移行した場合には、空燃比補正量の絶対値をリッチ側にさらに大きくする制御を行うことができる。この場合にも、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるまで、リーン検出時の制御を継続することができる。
本実施の形態のリーン検出時の制御では、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるまで、排気ガスの空燃比を所定のリッチ空燃比にする制御を実施しているが、この形態に限られず、例えば、予め定められた排気ガスの空燃比および予め定められた継続時間によって、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を補助リッチ設定空燃比にする制御を行っても構わない。
また、本実施の形態の制御例では通常運転制御のリッチ制御において、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が弱リッチ空燃比になるように制御を行っているが、通常運転制御のリッチ制御の排気ガスの空燃比をよりリッチ側の空燃比にしても構わない。例えば、通常運転制御のリッチ制御の排気ガスの空燃比がリッチ側に深く、通常運転制御のリッチ制御の排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比とリーン検出時の制御の排気ガスの補助リッチ設定空燃比とがほぼ同一になっても構わない。または、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった場合に、リーン検出時の制御として通常運転制御のリーン制御からリッチ制御に切り替える制御を行っても構わない。
<判定基準減少制御の説明>
次に、本実施の形態における判定基準減少制御および判定基準増加制御について説明する。本実施の形態における判定基準減少制御および判定基準増加制御では、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったリーン制御の回数に基づいて判定基準吸蔵量を変更する。
図15に、本実施の形態の通常運転制御のタイムチャートを示す。本実施の形態の通常運転制御においては、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であることが検出された場合には、リーン検出時の制御を実施する。図15に示す制御例では、リーン空燃比を検出したときに、一時的に深いリッチ空燃比を設定する制御を行わずに、リッチ制御のリッチ設定空燃比に切り替える。すなわち、リーン検出時の制御は、空燃比補正量をリーン設定補正量AFCleanから弱リッチ設定補正量AFCrichに切り替える。
本実施の形態の通常運転制御において、制御装置は、リーン制御の実施回数である頻度Ntを検出する。また、制御装置は、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった回数であるリーン検出回数Nxを検出する。本実施の形態では、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnが、リーン判定基準値Irefx以上になった回数を検出する。そして、制御装置は、頻度Ntが頻度判定値CNtに到達する前に、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達した場合に判定基準吸蔵量Crefを減少させる判定基準減少制御を実施する。すなわち、リーン制御の実施回数のうち所定の割合以上で排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる回数が検出された場合には、判定基準吸蔵量Crefを減少させる制御を行う。このように、本実施の形態における判定基準減少制御は、リーン検出回数Nxに基づいて実施する。
図15を参照して、時刻t21では判定基準吸蔵量Cref1にて通常運転制御を行っている。時刻t21において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefに到達して、リッチ制御からリーン制御に切替えられている。時刻t22において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefxに到達し、リーン検出時の制御を行っている。ここでは、通常運転制御のリーン制御から通常運転制御のリッチ制御に切替えられている。空燃比補正量は、リーン設定補正量AFCleanから弱リッチ設定補正量AFCrichに変更されている。
次に、時刻t23において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリッチ判定基準値Irefに到達して、リッチ制御からリーン制御に切り替えられている。このときのリーン制御では、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比は、リーン空燃比にならずに、ほぼ理論空燃比以下に維持されている。時刻t24において、酸素吸蔵量の推定値が判定基準吸蔵量Cref1に到達して、リーン制御からリッチ制御に切り替えられている。リーン検出時の制御を実施せずに1回のリーン制御を終了している。
複数回のリーン制御には、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる場合と、理論空燃比以下に維持される場合とが混在する。制御装置は、1回のリーン制御を行うと頻度Ntを1ずつ増加する。また、制御装置は、1回のリーン制御の期間中にリーン空燃比が検出されるとリーン検出回数Nxを1ずつ増加する。図15に示す制御例では、時刻t21から開始するリーン制御により、頻度Ntが0から1になる。また、リーン検出回数Nxが0から1になる。時刻t23から開始するリーン制御により、頻度Ntが1から2になる。一方で、リーン検出回数Nxは1のままで維持される。
本実施の形態における通常運転制御では、頻度Ntおよびリーン検出回数Nxを検出しながらリッチ制御とリーン制御を繰り返している。時刻t25、時刻t26および時刻t27から開始するリーン制御では、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている。それぞれのリーン制御において、頻度Ntとリーン検出回数Nxとが増加している。
本実施の形態においては、リーン制御を行う頻度Ntに関する頻度判定値CNtが予め定められている。さらに、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別されるリーン検出回数Nxに関するリーン検出回数判定値CNxが予め定められている。
時刻t27から開始するリーン制御では、時刻t28において下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefxに到達し、リーン検出時の制御が行われている。リーン検出回数Nxは、1が加算されて、リーン検出回数判定値CNxに到達している。これに対して、頻度Ntは、頻度判定値CNt未満である。
制御装置は、頻度Ntが頻度判定値CNtに到達する前に、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達したことを検出する。そして、制御装置は、時刻t29において判定基準吸蔵量Crefを減少させる制御を行っている。本実施の形態においては、1回の減少量DCLが予め設定されている。判定基準吸蔵量Cref1から判定基準吸蔵量Cref2に変更されている。
判定基準吸蔵量Crefが減少することにより、1回のリーン制御において排気浄化触媒20に吸蔵される酸素量が減少する。なお、本実施の形態では、リーン設定補正量AFCleanを一定にしている。このために、通常運転制御においてリーン空燃比が検出されなかった場合の1回のリーン制御の継続時間は短くなる。また、弱リッチ設定補正量AFCrichは一定であるために、1回のリッチ制御の継続時間も短くなる。
判定基準吸蔵量Crefが小さくなることにより、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になるリーン制御の回数が減少する。すなわち、排気浄化触媒20の内部がリーン雰囲気になることを抑制し、排気浄化触媒20からのNOxの流出を抑制することができる。図15に示す例においては、時刻t29以降において、時刻t31から時刻t35のそれぞれの時刻からリーン制御を開始しているが、いずれのリーン制御においても排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比は、ほぼ理論空燃比以下に維持されている。
このように、本実施の形態の通常運転制御においては、複数回のリーン制御を行ったときに、予め定められた割合以上でリーン空燃比が検出された場合には判定基準吸蔵量を減少させる制御を実施している。換言すると、判定基準減少制御では、リーン制御の実施回数に対する排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた判定値よりも大きくなった場合に判定基準吸蔵量を減少している。
頻度Ntが頻度判定値CNtに到達した場合、またはリーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達した場合には、頻度Ntおよびリーン検出回数Nxを零にする制御を行うことができる。すなわち、頻度Ntおよびリーン検出回数Nxをリセットする制御を行うことができる。
ここで、複数回のリーン制御を行ったときに、リーン空燃比が検出された割合が予め定められた割合の判定値未満の場合には、判定基準吸蔵量を維持する制御を行うことができる。たとえば、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達する前に頻度Ntが頻度判定値CNtに到達した場合には、判定基準吸蔵量Crefを変更せずに維持する制御を行うことができる。
ところが、判定基準減少制御を実施した場合に、炭化水素の吸着等により一時的に最大酸素吸蔵量が減少している時には、最大酸素吸蔵量が回復する場合がある。または、判定基準吸蔵量の減少量が大きすぎる場合がある。これらの場合には、判定基準吸蔵量が最も好ましい値よりも小さくなっている場合がある。
そこで、本実施の形態の制御装置は、複数回のリーン制御においてリーン検出回数の割合が小さい場合には、判定基準吸蔵量を増加させる判定基準増加制御を実施する。図15を参照して、時刻t31以降のリーン制御においては、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になることが検出されていない。頻度Ntは増加する一方で、リーン検出回数Nxは零のままである。時刻t35から開始されるリーン制御においても排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比はリーン判定空燃比未満であり、時刻t36においてリーン制御を終了している。リーン制御の頻度Ntが増加して、頻度判定値CNtに到達している。この時に、リーン検出回数Nxは、リーン検出回数判定値CNx未満である。頻度Ntは、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達する前に頻度判定値CNtに到達している。
このために、時刻t29以降の通常運転制御では、複数回のリーン制御においてリーン検出回数の割合が小さいと判別することができる。制御装置は、時刻t37において、判定基準吸蔵量Crefを増加する制御を実施している。本実施の形態では、増加量DCSを加算することにより判定基準吸蔵量Crefを増加している。判定基準吸蔵量Cref2から判定基準吸蔵量Cref3に変更している。
時刻t37以降の通常運転制御では、新たに設定された判定基準吸蔵量Cref3にてリーン制御を実施している。時刻t41および時刻t42においてリーン制御が開始されている。
本実施の形態においては、判定基準減少制御を実施するためのリーン検出回数の割合および判定基準増加制御を実施するためのリーン検出回数の割合を同一にしているが、この形態に限られず、判定基準減少制御を実施するためのリーン検出回数の割合を、判定基準増加制御を実施するためのリーン検出回数の割合よりも大きく設定しても構わない。この場合に、リーン検出回数の割合が、判定基準増加制御を実施するためのリーン検出回数の割合より大きく、判定基準減少制御を実施するためのリーン検出回数の割合より小さい場合には、判定基準吸蔵量を変更せずに維持する制御を行うことができる。
このように、本実施の形態の通常運転制御においても、判定基準減少制御および判定基準増加制御を実施することにより、排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量の変化に応じて判定基準吸蔵量を設定することができる。
図16に、本実施の形態における通常運転制御のフローチャートを示す。ステップS11からステップS14は、図10に示す実施の形態1における基本的な通常運転制御と同様である。
ステップS14において、リーン設定フラグFrが0でない場合には、ステップS41に移行する。すなわち、空燃比補正量がリーン設定補正量に設定され、リーン制御を実施している場合には、ステップS41に移行する。ステップS41においては、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefxに到達しているか否かが判別される。すなわち、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められたリーン判定空燃比未満であるか否かが判別される。
ステップS41において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx以上の場合には、ステップS42に移行する。この場合には、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比は、リーン空燃比であると判別することができる。ステップS42においては、リーン検出回数Nxに1を加える制御を行う。
次に、ステップS20においては、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCrichに変更される。すなわち、リーン制御からリッチ制御に切り替えられる。ステップS21においては、リーン設定フラグFrを1から0に変更する。次に、ステップS43においては、頻度Ntに1が加算される。
一方で、ステップS41において、下流側空燃比センサ41の出力電流Irdwnがリーン判定基準値Irefx未満である場合には、ステップS18に移行する。ステップS18においては、酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Crefに到達しているか否かを判別する。ステップS18において、酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Cref未満である場合には、ステップS19に移行する。ステップS19において、空燃比補正量AFCにリーン設定補正量AFCleanが設定されてリーン制御が継続される。
ステップS18において、酸素吸蔵量の推定値OSAestが判定基準吸蔵量Cref以上の場合には、ステップS20に移行する。この場合には、排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比に到達することなく、判定基準吸蔵量まで酸素が吸蔵されている。この場合にも、ステップS20およびステップS21において、リーン制御からリッチ制御に切り替えられる。そして、ステップS43において、頻度Ntに1が加算される。ステップS14において、リーン設定フラグFrが0である場合は、図10に示す実施の形態1における基本的な通常運転制御と同様である。
このように、本実施の形態の通常運転制御では、リーン制御の実施回数である頻度Ntおよび排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった回数であるリーン検出回数Nxが検出される。
図17に、本実施の形態の通常運転制御において、判定基準吸蔵量を設定する制御のフローチャートを示す。図17に示す制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに実施することができる。または、1回のリーン制御が終了するごとに実施することができる。
ステップS51においては、現在のリーン検出回数Nxを読み込む。ステップS52においては、現在の頻度Ntを読み込む。ステップS53においては、現在の判定基準吸蔵量Crefを読み込む。
ステップS54においては、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNx以上であるか否かを判別する。すなわち、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達しているか否かを判別する。リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNx以上の場合には、ステップS55に移行する。ステップS55においては、判定基準吸蔵量Crefを減少させる制御を行う。本実施の形態においては、予め設定された減少量DCLにて判定基準吸蔵量を減少させている。
ステップS56においては、ステップS55において算出した判定基準吸蔵量Crefが予め設定された吸蔵量下限ガード値未満であるか否かを判別する。本実施の形態においても吸蔵量下限ガード値を設定している。ステップS56において、判定基準吸蔵量Crefが、吸蔵量下限ガード値未満である場合には、ステップS57に移行する。ステップS57においては、判定基準吸蔵量Crefとして、吸蔵量下限ガード値を採用する。ステップS56において、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量下限ガード値以上の場合には、ステップS55にて設定された判定基準吸蔵量Crefを採用する。
次に、ステップS62に移行する。ステップS62においては、リーン検出回数Nxを零にする。また、ステップS63においては、頻度Ntを零にする。このように、判定基準吸蔵量を減少する判定基準減少制御を実施することができる。
一方で、ステップS54において、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNx未満である場合には、ステップS58に移行する。ステップS58においては、頻度Ntが頻度判定値CNt以上であるか否かを判別する。すなわち、頻度Ntが頻度判定値CNtに到達しているか否かを判別する。ステップS58において、頻度Ntが頻度判定値CNt未満である場合には、この制御を終了する。
ステップS58において、頻度Ntが頻度判定値CNt以上である場合には、ステップS59に移行する。この場合には、リーン検出回数Nxがリーン検出回数判定値CNxに到達する前に、頻度Ntが頻度判定値CNtに到達している。次のステップS59においては、判定基準吸蔵量Crefを増加させる制御を行う。ここでは、予め定められた増加量DCSを加算する制御を行う。
次に、ステップS60においては、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量上限ガード値よりも大きいか否かを判別する。本実施の形態においても、判定基準吸蔵量Crefの吸蔵量上限ガード値が設定されている。ステップS60において、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量上限ガード値よりも大きい場合には、ステップS61に移行する。
ステップS61においては、判定基準吸蔵量Crefとして吸蔵量上限ガード値を設定する。ステップS60において、判定基準吸蔵量Crefが吸蔵量上限ガード値以下である場合には、ステップS62に移行する。この場合には、判定基準吸蔵量CrefとしてステップS59にて設定された値が採用される。
次に、ステップS62に移行する。ステップS62においては、リーン検出回数Nxを零にする。また、ステップS63においては、頻度Ntを零にする。このように、判定基準吸蔵量を増加する判定基準増加制御を実施することができる。
内燃機関は、燃焼時の空燃比の乱れ等により、酸素吸蔵量に余裕があるにも関わらず、一時的に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる場合がある。この場合に判定基準吸蔵量を減少させると、最大酸素吸蔵量が十分に大きいにも関わらず、判定基準吸蔵量が小さく設定される。本実施の形態においては、複数回のリーン制御のうち予め定められた割合以上でリーン空燃比が検出された場合に、判定基準吸蔵量を減少させる制御を行っている。この制御を行うことにより、最大酸素吸蔵量が減少したことを確実に判別することができる。また、判定基準吸蔵量が低すぎる値に設定されることを抑制できる。
なお、判定基準減少制御としては、上記の形態に限られず、リーン制御の頻度を検出せずに、リーン検出回数が予め定められた回数に到達した場合に判定基準吸蔵量を減少させる制御を行っても構わない。判定基準増加制御についても、上記の形態に限られず、予め定められた期間の間に判定基準減少制御を行わない場合には、判定基準吸蔵量を増加させる制御を行っても構わない。
本実施の形態の運転制御においては、リーン設定空燃比を一定に維持しているが、この形態に限られず、実施の形態1に示したように、リーン設定空燃比を変化させるリーン空燃比減少制御およびリーン空燃比増加制御を実施しても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。また、実施の形態1と実施の形態2とは適宜組み合わせることができる。
上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。更に、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。