以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
<内燃機関全体の説明>
図1は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1において、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。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。
図1に示したようにシリンダヘッド4の内壁面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、本実施形態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、排気通路を形成する。
電子制御ユニット(ECU)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、上流側排気浄化触媒20から流出して下流側排気浄化触媒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。これら空燃比センサ40、41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。
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。なお、ECU31は、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。
<排気浄化触媒の説明>
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒20、24は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒20、24は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt))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。排気浄化触媒20、24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。
排気浄化触媒20、24の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒20、24は、排気浄化触媒20、24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、排気浄化触媒20、24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、排気浄化触媒20、24に吸蔵されている酸素を放出する。
排気浄化触媒20、24は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてNOx及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、排気浄化触媒20、24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、図2(A)に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒20、24により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のNOxが還元浄化される。一方、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量(上限吸蔵量)Cmax近傍の或る吸蔵量(図中のCuplim)を境に排気浄化触媒20、24から流出する排気ガス中の酸素及びNOxの濃度が急激に上昇する。
一方、排気浄化触媒20、24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、図2(B)に示したように、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒20、24に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。一方、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ(下限吸蔵量)近傍の或る吸蔵量(図中のClowlim)を境に排気浄化触媒20、24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。
<空燃比センサの出力特性>
次に、図3及び図4を参照して、本実施形態における空燃比センサ40、41の出力特性について説明する。図3は、本実施形態における空燃比センサ40、41の電圧−電流(V−I)特性を示す図であり、図4は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ40、41周りを流通する排気ガスの空燃比(以下、「排気空燃比」という)と出力電流Iとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ40、41として同一構成の空燃比センサが用いられる。
図3からわかるように、本実施形態の空燃比センサ40、41では、出力電流Iは、排気空燃比が高くなるほど(リーンになるほど)、大きくなる。また、各排気空燃比におけるV−I線には、V軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図3では、排気空燃比が18であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれW18、I18で示している。したがって、空燃比センサ40、41は限界電流式の空燃比センサであるということができる。
図4は、印加電圧を0.45V程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Iとの関係を示す図である。図4からわかるように、空燃比センサ40、41では、排気空燃比が高くなるほど(すなわち、リーンになるほど)、空燃比センサ40、41からの出力電流Iが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに(比例するように)変化する。加えて、空燃比センサ40、41は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Iが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
なお、上記例では、空燃比センサ40、41として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ40、41として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ40、41は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
<基本的な空燃比制御の概要>
次に、本発明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。本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
一方、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比等に基づいて目標空燃比を設定する目標空燃比の設定制御が行われる。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比(例えば、14.55)以下となったときに、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空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比はリーン設定空燃比に設定される。ここで、リーン設定空燃比は、理論空燃比(制御中心となる空燃比)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。
その後、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりもリーンな空燃比(リッチ判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比)になると、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ほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リーン設定空燃比に設定される。ここで、弱リーン設定空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さい(理論空燃比からの差が小さい)リーン空燃比であり、例えば、14.62〜15.7、好ましくは14.63〜15.2、より好ましくは14.65〜14.9程度とされる。
一方、下流側空燃比センサ41の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比(例えば、14.65)以上になったときに、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ーン空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比はリッチ設定空燃比に設定される。ここで、リッチ設定空燃比は、理論空燃比(制御中心となる空燃比)よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、10〜14.55、好ましくは12〜14.52、より好ましくは13〜14.5程度とされる。
その後、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比よりもリッチな空燃比(リーン判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比)になると、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ほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リッチ設定空燃比に設定される。ここで、弱リッチ設定空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さい(理論空燃比からの差が小さい)リッチ空燃比であり、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。
この結果、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になると、まず、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりも大きくなると目標空燃比が弱リーン設定空燃比に設定される。一方、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になると、まず、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比よりも小さくなると目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定される。その後、同様な制御が繰り返される。
なお、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比は、理論空燃比の1%以内、好ましくは0.5%以内、より好ましくは0.35%以内の空燃比とされる。したがって、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の理論空燃比からの差は、理論空燃比が14.6の場合には、0.15以下、好ましくは0.073以下、より好ましくは0.051以下とされる。また、目標空燃比(例えば、弱リッチ設定空燃比やリーン設定空燃比)の理論空燃比からの差は、上述した差よりも大きくなるように設定される。
<タイムチャートを用いた制御の説明>
図5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5は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、空燃比補正量AFC、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量ΣOED、及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
なお、空燃比補正量AFCは、上流側排気浄化触媒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制御中心となる空燃比(以下、「制御中心空燃比」という)に等しい空燃比(本実施形態では、基本的に理論空燃比)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制御中心空燃比よりもリーンな空燃比(本実施形態では、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制御中心空燃比よりもリッチな空燃比(本実施形態では、リッチ空燃比)となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量AFCを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量AFCに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。
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AFCsrich(弱リッチ設定空燃比に相当)に設定されている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ40の出力空燃比がリッチ空燃比となっている。上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒20で浄化され、これに伴って上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒20における浄化により上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnはほぼ理論空燃比となる。
上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが徐々に減少すると、酸素吸蔵量OSAは時刻t1においてゼロに近づき(例えば、図2のClowlim)、これに伴って、上流側排気浄化触媒20に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒20で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻t1以降、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが徐々に低下する。その結果、図示した例では、時刻t2において、酸素吸蔵量OSAがほぼゼロになると共に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichに到達する。
本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、酸素吸蔵量OSAを増大させるべく、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFClean(リーン設定空燃比に相当)に切り替えられる。したがって、目標空燃比は、リッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比からリッチ空燃比に変化してすぐではなく、リッチ判定空燃比AFrich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、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが十分であっても、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から極僅かにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒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。なお、上述したリーン判定空燃比についても同じことがいえる。
時刻t2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupがリーン空燃比となる(実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている)。時刻t2において上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは増大していく。
このように、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが増大していくと、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図5に示した例では、時刻t3において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが或る程度多くなっていることを意味する。
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きな値に変化したときには、空燃比補正量AFCが弱リーン設定補正量AFCslean(弱リーン設定空燃比に相当)に切り替えられる。したがって、時刻t3では目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。以下では、時刻t3をリーン度合い変更時期と称する。
リーン度合い変更時期である時刻t3において、空燃比補正量AFCを弱リーン設定補正量AFCsleanに切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスのリーン度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは小さくなると共に、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの増加速度が低下する。
時刻t3以降においては、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、その増加速度が遅いながらも、徐々に増加していく。上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが徐々に増加すると、酸素吸蔵量OSAはやがて最大吸蔵可能酸素量Cmaxに近づく(例えば、図2のCuplim)。時刻t4において酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに近づくと、上流側排気浄化触媒20に流入した酸素の一部は上流側排気浄化触媒20で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻t5において、酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達すると共に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanに到達する。
本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、酸素吸蔵量OSAを減少させるべく、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。したがって、目標空燃比は、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。
時刻t5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupがリッチ空燃比となる(実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている)。時刻t5において上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは減少していく。
このように、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが減少していくと、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図5に示した例では、時刻t6において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが或る程度少なくなっていることを意味する。
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さな値に変化したときには、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量から弱リッチ設定補正量AFCsrich(弱リッチ設定空燃比に相当)に切り替えられる。
時刻t6において、空燃比補正量AFCを弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは増大すると共に、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの減少速度が低下する。
時刻t6以降においては、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、その減少速度が遅いながらも、徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが徐々に減少すると、酸素吸蔵量OSAはやがて時刻t7において、時刻t1と同様に、ゼロに近づき、図2のCdwnlimまで減少する。その後、時刻t8において、時刻t2と同様に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichに到達する。その後は、時刻t1〜t6の操作と同様な操作が繰り返される。
<基本的な制御における利点>
上述した基本的な空燃比制御によれば、時刻t2において目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変更された直後、及び時刻t5において目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更された直後には、理論空燃比からの差が大きなものとされる(すなわち、リッチ度合い又はリーン度合いが大きいものとされる)。このため、時刻t2において上流側排気浄化触媒20から流出していた未燃ガス及び時刻t5において上流側排気浄化触媒20から流出していたNOxを迅速に減少させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及びNOxの流出を抑制することができる。
また、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻t2において目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガスの流出が止まり且つ上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがある程度回復してから、時刻t3において目標空燃比が弱リーン設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比のリッチ度合い(理論空燃比からの差)を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒20からNOxが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻t5において上流側排気浄化触媒20からNOxが流出することになるが、このときの流出量を少なく抑えることができる。
加えて、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻t5において目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒20からのNOx(酸素)の流出が止まり且つ上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがある程度減少してから、時刻t6において目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比のリッチ度合い(理論空燃比からの差)を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻t2、t8において、上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが流出することになるが、このときにもその流出量を少なく抑えることができる。
さらに、本実施形態では、下流側において排気ガスの空燃比を検出するセンサとして、空燃比センサ41を用いている。この空燃比センサ41は、酸素センサと異なり、ヒステリシスを有さない。このため、空燃比センサ41によれば実際の排気空燃比に対して応答性が高く、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及び酸素(及びNOx)の流出を迅速に検出することができる。したがって、このことによっても、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及びNOx(及び酸素)の流出を抑制することができる。
また、酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒では、その酸素吸蔵量をほぼ一定に維持すると、その酸素吸蔵能力の低下を招く。したがって、酸素吸蔵能力を可能な限り維持するためには、排気浄化触媒の使用時にその酸素吸蔵量を上下に変化させることが必要になる。本実施形態に係る空燃比制御によれば、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、ゼロ近傍と最大吸蔵可能酸素量近傍との間で上下に繰り返し変化する。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAをできるだけ高く維持することができる。
なお、上記実施形態では、時刻t3において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きな値になったときに、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFleanから弱リーン設定補正量AFCsleanに切り替えられる。また、上記実施形態では、時刻t6において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さな値になったときに、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichから弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替えられる。しかしながら、これら空燃比補正量AFCを切り替えるタイミングは、必ずしも下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnに基づいて設定されなくてもよく、他のパラメータに基づいて決定されてもよい。
例えば、これら空燃比補正量AFCを切り替えるタイミングは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAに基づいて決定されてもよい。例えば、図5に示したように、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から上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが予め定められた量αに達したときに、空燃比補正量AFCが弱リーン設定補正量AFCsleanに切り替えられる。また、時刻t5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが予め定められた量αだけ減少したときに、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量に切り替えられる。
この場合、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの積算酸素過不足量に基づいて推定される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素又は不足する酸素(過剰な未燃ガス等の量)を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒20に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値(以下、「積算酸素過不足量」という)は、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAを表しているといえる。図5に示したように、本実施形態では、積算酸素過不足量ΣOEDは、目標空燃比が理論空燃比を越えて変化した時にゼロにリセットされる。
なお、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、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又は燃料噴射弁11からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量OEDは、例えば、下記式(1)により算出される。
OED=0.23・Qi/(AFup−14.6) …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比をそれぞれ表している。
或いは、空燃比補正量AFCを弱リーン設定補正量AFCsleanに切り替える時期(リーン度合い変更時期)は、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから(時刻t2)の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。同様に、空燃比補正量AFCを弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替える時期(リッチ度合い変更時期)は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから(時刻t5)の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。
このように、リッチ度合い変更時期やリーン度合い変更時期は、様々なパラメータに基づいて決定される。いずれにせよ、リーン度合い変更時期は、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定された後であって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比以上になる前の時期とされる。同様に、リッチ度合い変更時期は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後であって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比以下になる前の時期とされる。
また、上記実施形態では、時刻t2〜t3において、空燃比補正量AFCはリーン設定空燃比AFCleanに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、空燃比補正量AFCは必ずしも一定に維持されなくてもよく、徐々に低下する(理論空燃比に近づく)ように変化してもよい。同様に、上記実施形態では、時刻t3〜t5において、空燃比補正量AFCは弱リーン設定空燃比AFCleanに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、空燃比補正量AFCは必ずしも一定に維持されていなくてもよく、例えば、徐々に低下する(理論空燃比に近づく)ように変化してもよい。また、時刻t5〜t6、時刻t6〜t8についても、同じ事がいえる。
<上流側空燃比センサにおけるずれ>
ところで、機関本体1が複数の気筒を有する場合、各気筒から排出される排気ガスの空燃比には気筒間でずれが生じる場合がある。一方、上流側空燃比センサ40は排気マニホルド19の集合部に配置されるが、その配置位置に応じて各気筒から排出された排気ガスが上流側空燃比センサ40に曝される程度が気筒間で異なる。この結果、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は、或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比の影響を強く受けることになる。このため、この或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比が全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比とは異なる空燃比となっている場合、平均空燃比と上流側空燃比センサ40の出力空燃比との間にはずれが生じる。すなわち、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は実際の排気ガスの平均空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
また、未燃ガスのうち水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、排気ガス中の水素濃度が高いと、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりも低い側(すなわち、リッチ側)にずれてしまう。このように上流側空燃比センサ40の出力空燃比にずれが生じていると、上述したような制御を適切に行うことができなくなる。以下では、図6を参照して斯かる現象について説明する。
図6は、図5と同様な、上流側排気浄化触媒20の空燃比補正量AFC等のタイムチャートである。図6は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比がリッチ側にずれている場合を示している。図中、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにおける実線は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比を示している。一方、破線は、上流側空燃比センサ40周りを流通する排気ガスの実際の空燃比を示している。
図6に示した例においても、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AFCsrichとされており、よって目標空燃比が弱リッチ設定空燃比とされている。これに伴い、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは弱リッチ設定空燃比と等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比は弱リッチ設定空燃比よりもリーン側の空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは、実際の空燃比(図中の破線)よりも低い(リッチ側)ものとなっている。
また、図6に示した例では、時刻t1において、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanに切り替えられと、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupはリーン設定空燃比に等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは、実際の空燃比(図中の破線)よりも低い(リッチ側)ものとなっている。
このように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比がリッチ側にずれが生じていると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比は常に目標空燃比よりもリーンな空燃比になる。このため、例えば、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれが図6に示した例よりも大きいような場合には、時刻t4〜t5において、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比が理論空燃比又はリーン空燃比になる。
時刻t4〜t5において、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比が理論空燃比になると、その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下やリーン判定空燃比以上になることがなくなり、また、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAも一定のまま維持される。また、時刻t4〜t5において、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比がリーン空燃比になると、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが増大してしまう。この結果、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAを最大吸蔵可能酸素量Cmaxとゼロとの間で変化させることができなくなり、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵能力の低下を招く。
以上より、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを検出することが必要になると共に、検出されたずれに基づいて出力空燃比等の補正を行うことが必要である。
<通常学習制御>
そこで、本発明の実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中(すなわち、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき)に学習制御が行われる。このうち、まず、通常学習制御について説明する。
ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまで期間を酸素増大期間(第1期間)とする。同様に、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの期間を酸素減少期間(第2期間)とする。本実施形態の通常学習制御では、酸素増大期間における積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値としてリーン酸素量積算値(第1酸素量積算値)を算出する。加えて、酸素減少期間における積算酸素過不足量の絶対値としてリッチ酸素量積算値(第2酸素量積算値)を算出する。そして、これらリーン酸素量積算値とリッチ酸素量積算値との差が小さくなるように制御中心空燃比AFRが補正される。図7にこの様子を示す。
図7は、制御中心空燃比AFR、空燃比補正量AFC、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、積算酸素過不足量ΣOED、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwn及び学習値sfbgのタイムチャートである。図7は、図6と同様に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが低い側(リッチ側)にずれている場合を示している。なお、学習値sfbgは、上流側空燃比センサ40の出力空燃比(出力電流)のずれに応じて変化する値であり、本実施形態では制御中心空燃比AFRを補正するのに用いられる。また、図中、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにおける実線は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比を、破線は、上流側空燃比センサ40周りを流通する排気ガスの実際の空燃比をそれぞれ示している。加えて、一点鎖線は、目標空燃比、すなわち空燃比補正量AFCに相当する空燃比を示している。
図示した例では、図5及び図6と同様に、時刻t1以前の状態では、制御中心空燃比が理論空燃比とされ、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCsrichとされている。このとき、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは実線で示したように弱リッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにはずれが生じているため、排気ガスの実際の空燃比は弱リッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている(図7の破線)。ただし、図7に示した例では、図7の破線から分かるように、時刻t1以前の実際の排気ガスの空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。したがって、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量は徐々に減少していく。
時刻t1において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichに到達する。これにより、上述したように、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。時刻t1以降は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比はリーン設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれにより、排気ガスの実際の空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリーン度合いの大きい空燃比となる(図7の破線を参照)。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは急速に増大する。また、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きくなる時刻t2において、空燃比補正量AFCが弱リーン設定補正量AFCsleanに切り替えられる。このときも、排気ガスの実際の空燃比は、弱リーン設定空燃比よりもリーンな空燃比となる。
その後、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが多くなって時刻t3において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれにより、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリッチ度合いの小さい空燃比となる(図7の破線を参照)。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの減少速度は遅い。また、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりもよりも小さくなる時刻t4において、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替えられる。このときも、排気ガスの実際の空燃比は弱リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリッチ度合いの小さい空燃比となる。
ところで、本実施形態では、上述したように、時刻t1から時刻t3までにおいて、積算酸素過不足量ΣOEDが算出される。ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えた時(時刻t1)から下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になった時(時刻t3)までの期間を酸素増大期間Tincと称すると、本実施形態では酸素増大期間Tincに積算酸素過不足量ΣOEDが算出される。図7では、時刻t1〜時刻t3の酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値をR1で示している。
この酸素増大期間Tincの積算酸素過不足量ΣOED(R1)は、時刻t3における酸素吸蔵量OSAに相当する。しかしながら、上述したように、酸素過不足量の推定には上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが用いられ、この出力空燃比AFupにはずれが生じている。このため、図7に示した例では、時刻t1〜時刻t3の酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量ΣOEDは、時刻t3における実際の酸素吸蔵量OSAに相当する値よりも少ないものとなっている。
また、本実施形態では、時刻t3から時刻t5までにおいても、積算酸素過不足量ΣOEDが算出される。ここで、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時(時刻t3)から下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になった時(時刻t3)までの期間を酸素減少期間Tdecと称すると、本実施形態では酸素減少期間Tdecに積算酸素過不足量ΣOEDが算出される。図7では、時刻t3〜時刻t5の酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値をF1で示している。
この酸素減少期間Tdecの積算酸素過不足量ΣOED(F1)は、時刻t3から時刻t5までに上流側排気浄化触媒20から放出された総酸素量に相当する。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにはずれが生じている。このため、図7に示した例では、時刻t3〜時刻t5の酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDは、時刻t3から時刻t5までに上流側排気浄化触媒20から実際に放出された総酸素量に相当する値よりも多いものとなっている。
ここで、酸素増大期間Tincでは上流側排気浄化触媒20に酸素が吸蔵されると共に、酸素減少期間Tdecでは吸蔵されていた酸素が全て放出される。したがって、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量の絶対値R1と、酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量の絶対値F1とは基本的に同一の値になるはずある。ところが、上述したように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにずれが生じている場合、このずれに応じてこれら積算値の値も変化する。上述したように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が低い側(リッチ側)にずれている場合、絶対値R1に対して絶対値F1の方が多くなる。逆に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が高い側(リーン側)にずれている場合、絶対値R1に対して絶対値F1の方が少なくなる。加えて、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量の絶対値R1と酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量の絶対値F1の差ΔΣOED(=R1−F1。以下、「過不足量誤差」という)は上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれの程度を表している。これら絶対値R1、F1の差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれが大きいといえる。
そこで、本実施形態では、過不足量誤差ΔΣOEDに基づいて、制御中心空燃比AFRを補正するようにしている。特に、本実施形態では、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量の絶対値R1と酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量の絶対値F1の差ΔΣOEDが小さくなるように制御中心空燃比AFRを補正するようにしている。
具体的には、本実施形態では、下記式(2)により学習値sfbgを算出すると共に、下記式(3)により制御中心空燃比AFRが補正される。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k1・ΔΣOED …(2)
AFR=AFRbase+sfbg(n) …(3)
なお、上記式(2)において、nは計算回数又は時間を表している。したがって、sfbg(n)は今回の計算又は現在の学習値である。加えて、上記式(2)におけるk1は、過不足量誤差ΔΣOEDを制御中心空燃比AFRに反映させる程度を表すゲインである。ゲインk1の値が大きいほど制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。さらに、上記式(3)において、基本制御中心空燃比AFRbaseは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。
図7の時刻t3においては、上述したように、絶対値R1、F1に基づいて学習値sfbgが算出される。特に、図7に示した例では、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量の絶対値R1よりも酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量の絶対値F1の方が大きいことから、時刻t3において学習値sfbgは減少せしめられる。
ここで、制御中心空燃比AFRは、上記式(3)を用いて学習値sfbgに基づいて補正される。図7に示した例では、学習値sfbgは負の値となっているため、制御中心空燃比AFRは、基本制御中心空燃比AFRbaseよりも小さな値、すなわちリッチ側の値となっている。これにより、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に補正されることになる。
この結果、時刻t5以降、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻t5以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻t5以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻t5以前における差よりも小さくなっている(時刻t5以前においては、目標空燃比は下流側空燃比センサ41の出力空燃比に一致しているため実線と重なっている)。
また、時刻t5以降も、時刻t1〜時刻t3における操作と同様な操作が行われる。したがって、時刻t7において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。その後、時刻t9において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、再度、目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられる。
時刻t5〜時刻t7は、上述したように酸素増大期間Tincに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値は図7のR2で表せる。また、時刻t7〜時刻t9は、上述したように酸素減少期間Tdecに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値は図7のF2で表せる。そして、これら絶対値R2、F2の差ΔΣOED(=R2−F2)に基づいて、上記式(2)を用いて学習値sfbgが更新される。本実施形態では、時刻t9以降も同様な制御が繰り返され、これにより学習値sfbgの更新が繰り返される。
通常学習制御によりこのように学習値sfbgの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは徐々に目標空燃比から離れていくが、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比は徐々に目標空燃比に近づいていく。これにより、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償することができる。
なお、上述したように、学習値sfbgの更新は、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量ΣOEDと、この酸素増大期間Tincの直後に続く酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDとに基づいて行われるのが好ましい。これは、上述したように、酸素増大期間Tincに上流側排気浄化触媒20に吸蔵される総酸素量とこの直後に続く酸素減少期間Tdecに上流側排気浄化触媒20から放出される総酸素量が等しくなるためである。
加えて、上記実施形態では、1回の酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量ΣOEDと、1回の酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDとに基づいて学習値sfbgの更新が行われている。しかしながら、複数回の酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量ΣOEDの合計値又は平均値と、複数回の酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDの合計値又は平均値とに基づいて学習値sfbgの更新を行ってもよい。
また、上記実施形態では、学習値sfbgに基づいて、空燃比補正量AFC(すなわち、目標空燃比)を補正することとしている。しかしながら、学習値sfbgに基づいて補正するのは、フィードバック制御に関する他のパラメータであってもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃焼室5内への燃料供給量や、上流側空燃比センサ40の出力空燃比、空燃比補正量等が挙げられる。
なお、上記実施形態では、基本的な空燃比制御において、リッチ設定空燃比、弱リッチ設定空燃比、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比は一定とされる。しかしながら、上述したように、これらは必ずしも一定に維持されている必要はない。
<上流側空燃比センサにおける大きなずれ>
ところで、図6に示した例では、上流側排気浄化触媒20の出力空燃比にずれが生じているが、その程度はそれほど大きくない場合を示している。したがって、図6の破線からもわかるように、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されている場合において、実際の排気ガスの空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。
これに対して、上流側排気浄化触媒20に生じているずれが大きくなると、上述したように、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定されていても、実際の排気ガスの空燃比が理論空燃比になってしまう場合がある。この様子を、図8に示す。
図8に示した例では、時刻t2において上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupがリーン判定空燃比AFlean以上になると、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。その後、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupがリッチ判定空燃比AFleanよりも小さくなると、時刻t3において空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCsrichに設定される。これに伴い、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは弱リッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比となっている(図中の破線)。
この結果、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは変化せずに一定の値に維持される。このため、空燃比補正量AFCを弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替えてから長時間が経過しても、上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが排出されることはない。したがって、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnはほぼ理論空燃比のまま維持される。上述したように、空燃比補正量AFCのリッチ設定補正量AFCrichからリーン設定補正量AFCleanへの切替は、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichに到達した時に行われる。しかしながら、図8に示した例では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比のまま維持されることから、空燃比補正量AFCは長時間に亘って弱リッチ設定補正量AFCsrichに維持されることになる。ここで、上述した通常学習制御は、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に切り替えられることを前提としている。したがって、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が大きくずれている場合には、上述した通常学習制御を行うことはできない。
図9は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が極めて大きくリッチ側にずれている場合を示す図8と同様な図である。図9に示した例では、図8に示した例と同様に、時刻t2において、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに設定される。これに伴い、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupはリッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれにより、実際の排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている(図中の破線)。
この結果、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに設定されているにもかかわらず、上流側排気浄化触媒20にはリーン空燃比の排気ガスが流入する。このとき、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達していることから、上流側排気浄化触媒20に流入したリーン空燃比の排気ガスはそのまま流出せしめられる。このため、時刻t4以降は下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比以上に維持される。したがって、空燃比補正量AFCも弱リッチ設定補正量AFCsrichやリーン設定補正量AFCleanに切り替えられることなく、そのまま維持される。この結果、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が極めて大きくずれている場合にも、空燃比補正量AFCの切替が行われず、よって上述した通常制御を行うことはできない。加えて、この場合には、上流側排気浄化触媒20からNOxを含んだ排気ガスが流出し続けることになる。
<張付き学習制御>
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれが大きな場合であってもそのずれを補償すべく、上述した通常学習制御に加えて、理論空燃比張付き学習制御、リーン張付き学習制御及びリッチ張付き学習制御が行われる。
<理論空燃比張付き学習>
まず、理論空燃比張付き学習制御について説明する。理論空燃比張付き学習制御は、図8に示した例のように、下流側空燃比センサ41によって検出される空燃比が理論空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。
ここで、リッチ判定空燃比AFrichとリーン判定空燃比AFleanとの間の領域を中間領域Mと称する。この中間領域Mは、リッチ判定空燃比とリーン判定空燃比との間の空燃比領域である理論空燃比近傍領域に相当する。理論空燃比張付き学習制御では、空燃比補正量AFCをリッチ設定補正量AFCrichに切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリッチ空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められた理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域M内に維持されているか否かを判断する。或いは、空燃比補正量AFCをリーン設定補正量AFCleanに切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリーン空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められた理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域M内に維持されているか否かを判断する。そして、理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域M内に維持されている場合には、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が変化するように学習値sfbgが変更せしめられる。このとき、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されていた場合には上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側へ変化するように学習値sfbgが減少せしめられる。一方、目標空燃比がリーン空燃比に設定されていた場合には上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン側へ変化するように学習値sfbgが増大せしめられる。図10にこの様子を示す。
図10は、空燃比補正量AFC等のタイムチャートを示す図7と同様な図である。図10は、図8と同様に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが低い側(リッチ側)に大きくずれている場合を示している。
図示した例では、図8と同様に、時刻t3において、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCsrichに設定される。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、図8に示した例と同様に、排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比となっている。このため、時刻t3以降、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは一定の値に維持される。この結果、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnは長期間に亘って理論空燃比近傍に維持され、よって中間領域M内に維持される。
そこで、本実施形態では、目標空燃比がリッチ空燃比とされているときに、予め定められた理論空燃比維持判定時間Tsto以上に亘って下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが中間領域M内に維持されている場合には、制御中心空燃比AFRを補正するようにしている。特に、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように学習値sfbgが更新される。
具体的には、本実施形態では、下記式(4)により学習値sfbgを算出すると共に、上記式(3)により制御中心空燃比AFRが補正される。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k2・AFC …(4)
なお、上記式(4)において、k2は、制御中心空燃比AFRを補正する程度を表すゲインである(0<k2≦1)。ゲインk2の値が大きいほど、制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。また、式(4)におけるAFCには、現在の空燃比補正量AFCが代入され、図10の時刻t4の場合には、弱リッチ設定補正量AFCsrichとされる。
ここで、上述したように、目標空燃比がリッチ空燃比とされているときに、長期間に亘って下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが中間領域M内に維持されている場合には、排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比近傍の値となっている。このため、上流側空燃比センサ40におけるずれは、制御中心空燃比(理論空燃比)と目標空燃比(この場合は、リッチ設定空燃比)との差と同程度になっている。本実施形態では、上記式(4)に示したように制御中心空燃比と目標空燃比との差に相当する空燃比補正量AFCに基づいて学習値sfbgを更新しており、これにより、より適切に上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償することができる。
図10に示した例では、時刻t4において、空燃比補正量AFCは弱リッチ設定補正量AFCsrichとされている。このため、式(4)を用いると、時刻t4において学習値sfbgは減少せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻t4以降、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻t4以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻t4以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻t4以前における差よりも小さくなっている。
図10に示した例では、ゲインk2を比較的小さい値にした例を示している。このため、時刻t4において学習値sfbgの更新が行われてもなお、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが残っている。このため、排気ガスの実際の空燃比は、弱リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリッチ度合いの小さい空燃比となる(図10の破線参照)。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの減少速度は遅い。
この結果、時刻t4から理論空燃比維持判定時間Tstoが経過した時刻t5まで、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比近傍に維持され、よって中間領域M内に維持される。このため、図10に示した例では、時刻t5においても、式(4)を用いて、学習値sfbgの更新が行われる。
図10に示した例では、その後、時刻t6において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下となる。このように、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になった後には、上述したように目標空燃比がリーン空燃比とリッチ空燃比とに交互に設定される。これに伴って、上述した通常学習制御が行われるようになる。
理論空燃比張付き学習制御によりこのように学習値sfbgの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupのずれが大きい場合であっても、学習値の更新を行うことができる。これにより、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償することができる。
<理論空燃比張付き学習の変形例>
なお、上記実施形態では、理論空燃比維持判定時間Tstoは予め定められた時間とされている。この場合、理論空燃比維持判定時間は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値が新品時の上流側排気浄化触媒20の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間以上とされる。具体的には、その2倍〜4倍程度の時間とするのが好ましい。
或いは、理論空燃比維持判定時間Tstoは、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが中間領域M内に維持されている間の積算酸素過不足量ΣOED等、他のパラメータに応じて変化させてもよい。具体的には、例えば、積算酸素過不足量ΣOEDが多くなるほど、理論空燃比維持判定時間Tstoが短くされる。これにより、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが中間領域M内に維持されている間の積算酸素過不足量ΣOEDが所定の量になったときに上述したような学習値sfbgの更新を行うようにすることもできる。また、この場合、積算酸素過不足量ΣOEDにおける上記所定の量を新品時の上流側排気浄化触媒20の最大吸蔵可能酸素量以上とすることが必要である。具体的には、最大吸蔵可能酸素量の2倍〜4倍程度の量とするのが好ましい。
また、上記理論空燃比張付き学習制御では、下流側空燃比センサ41によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間Tsto以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合に学習値の更新を行っている。しかしながら、時間以外のパラメータに基づいて理論空燃比張付き学習を行うようにしてもよい。
例えば、下流側空燃比センサ41によって検出される空燃比が理論空燃比に張り付いてしまっている場合には、目標空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で切り替えてからの積算酸素過不足量が多くなる。そこで、目標空燃比を切り替えてからの積算酸素過不足量の絶対値、または下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが中間領域M内に維持されている間の積算酸素過不足量の絶対値が予め定められた所定値以上大きくなった場合に、上述したような学習値の更新を行ってもよい。
さらに、図10に示した例では、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比維持判定時間Tsto以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合を示している。しかしながら、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比維持判定時間Tsto以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合についても同様な制御が可能である。
したがって、これらをまとめて表現すると、本実施形態では、学習手段は、目標空燃比が理論空燃比よりも一方側にずれた空燃比(すなわち、リッチ空燃比又はリーン空燃比)に設定されているときに、理論空燃比維持判定時間Tsto以上に亘って又は積算酸素過不足量が予め定められた所定値以上になるまでの期間にわたって、下流側空燃比センサ41によって検出された空燃比が理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合、フィードバック制御において上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が前記一方側に変化するようにフィードバック制御に関するパラメータを補正する理論空燃比張付き学習を行うといえる。
<リッチ・リーン張付き学習>
次に、リーン張付き学習制御について説明する。リーン張付き学習制御は、図9に示した例のように、目標空燃比をリッチ空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ41によって検出される空燃比がリーン空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リーン張付き学習制御では、空燃比補正量AFCをリッチ設定補正量AFCrichに切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリッチ空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められたリーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されているかを判断する。そして、リーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されている場合には、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように学習値sfbgが減少せしめられる。図11にこの様子を示す。
図11は、空燃比補正量AFC等のタイムチャートを示す図9と同様な図である。図11は、図9と同様に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが低い側(リッチ側)に極めて大きくずれている場合を示している。
図示した例では、時刻t0において、空燃比補正量AFCが弱リーン設定補正量AFCleanからリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は極めて大きくリッチ側にずれているため、図9に示した例と同様に、排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比となっている。このため、時刻t0以降、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnはリーン空燃比に維持される。
そこで、本実施形態では、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに設定された後に、予め定められたリーン空燃比維持判定時間Tlean以上に亘って下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン空燃比に維持されている場合には、制御中心空燃比AFRを補正するようにしている。特に、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように学習値sfbgが補正される。
具体的には、本実施形態では、下記式(5)により学習値sfbgを算出すると共に、上記式(3)により学習値sfbgに基づいて制御中心空燃比AFRが補正される。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k3・(AFCrich−(AFdwn−14.6)) …(5)
なお、上記式(5)において、k3は、制御中心空燃比AFRを補正する程度を表すゲインである(0<k3≦1)。ゲインk3の値が大きいほど、制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。
ここで、図11に示した例では、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに設定されているときに、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン空燃比に維持されている。この場合、上流側空燃比センサ40におけるずれは、目標空燃比と下流側空燃比センサ41の出力空燃比との差に相当する。これを分解すると、上流側空燃比センサ40におけるずれは、目標空燃比と理論空燃比との差(リッチ設定補正量AFCrichに相当)と、理論空燃比と下流側空燃比センサ41の出力空燃比との差とを加算した量と同程度となっているといえる。そこで、本実施形態では、上記式(5)に示したように、リッチ設定補正量AFCrichに下流側空燃比センサ41の出力空燃比と理論空燃比との差を加算した値に基づいて学習値sfbgを更新している。特に、上述した理論空燃比張付き学習では、リッチ設定補正量AFCrich相当分だけ学習値を補正しているのに対して、リーン張付き学習ではこれに加えて下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwn相当分だけ学習値を補正している。また、ゲインk3はゲインk2と同程度とされる。このため、リーン張付き学習における補正量は、理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい。
図11に示した例では、式(5)を用いると、時刻t1において、学習値sfbgは減少せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻t1以降、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻t1以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻t1以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻t1以前における差よりも小さくなっている。
図11に示した例では、時刻t1において学習値sfbgの更新が行われると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比がリッチ空燃比となる。この結果、時刻t2において上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となり、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さくなる。このため、時刻t2において空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichから弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替えられる。
しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は未だに大きくリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比となっている。この結果、図示した例では、時刻t2以降において、リーン空燃比維持判定時間Tleanに亘って下流側空燃比の出力空燃比AFdwnがリーン空燃比に維持される。このため、図示した例では、リーン空燃比維持判定時間Tleanが経過した時刻t3においても、リーン張付き学習により、上記式(5)と同様な下記式(6)を用いて学習値sfbgの補正が行われる。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k3・(AFCsrich−(AFdwn−14.6)) …(6)
時刻t3において学習値sfbgの補正が行われると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが小さくなる。これにより、図示した例では、時刻t3以降には、排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比となる。これに伴って、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnはリーン空燃比からほぼ理論空燃比に変化する。特に、図11に示した例では、時刻t4から時刻t5まで理論空燃比維持判定時間Tstoに亘って下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがほぼ理論空燃比、すなわち中間領域M内に維持される。このため、時刻t5において、理論空燃比張付き学習により、上記式(4)を用いて学習値sfbgの補正が行われる。
リーン張付き学習制御によってこのように学習値sfbgの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupのずれが極めて大きい場合であっても、学習値の更新を行うことができる。これにより、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを小さくすることができる。
なお、上記実施形態では、リーン空燃比維持判定時間Tleanは予め定められた時間とされている。この場合、リーン空燃比維持判定時間Tleanは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからそれに応じて下流側空燃比センサ41の出力空燃比が変化するまでに通常かかる下流側空燃比センサの応答遅れ時間以上とされる。具体的には、その2倍〜4倍程度の時間とするのが好ましい。また、リーン空燃比維持判定時間Tleanは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値が未使用時の上流側排気浄化触媒20の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間よりも短い。したがって、リーン空燃比維持判定時間Tleanは、上述した理論空燃比維持判定時間Tstoよりも短いものとされる。
或いは、リーン空燃比維持判定時間Tleanは、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比以上である間に積算された排気ガス流量等、他のパラメータに応じて変化させてもよい。具体的には、例えば、積算排気ガス流量ΣGeが多くなるほど、リーン空燃比維持判定時間Tleanが短くされる。これにより、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算排気ガス流量が所定の量になったときに、上述したような学習値sfbgの更新を行うようにすることもできる。また、この場合、所定の量は、目標空燃比を切り替えてからそれに応じて下流側空燃比センサ41の出力空燃比が変化するまでに必要な排気ガスの総流量以上とすることが必要である。具体的には、斯かる総流量の2倍〜4倍程度の量とすることが好ましい。
次に、リッチ張付き学習制御について説明する。リッチ張付き学習制御は、リーン張付き学習制御と同様な制御であり、目標空燃比をリーン空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ41によって検出される空燃比がリッチ空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リッチ張付き学習制御では、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められたリッチ空燃比維持判定時間(リーン空燃比維持判定時間と同様)以上に亘ってリッチ空燃比に維持されているかを判断する。そして、リッチ空燃比維持判定時間以上に亘ってリッチ空燃比に維持されている場合には、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン側に変化するように学習値sfbgが増大せしめられる。すなわち、リッチ張付き学習制御では、上述したリーン張付き学習制御とはリッチ及びリーンが逆にした制御が行われる。
<学習促進制御>
ところで、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに大きなずれが生じている場合には、このずれを迅速に解消するために、学習制御による学習値sfbgの更新を促進することが必要になる。
そこで、本実施形態では、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があるときには、促進する必要がないときに比べて、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いが増大せしめられる。加えて、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があるときには、促進する必要がないときに比べて、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリッチ度合いが増大せしめられる。以下では、このような制御を学習促進制御と称する。
特に、本実施形態では、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値(リーン酸素量積算値)R1と酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値(リッチ酸素量積算値)F1の差ΔΣOEDが予め定められた促進判定基準値以上であった場合に、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があると判断される。加えて、本実施形態では、空燃比補正量AFCをリッチ設定補正量AFCrichに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められた理論空燃比促進判定時間(理論空燃比維持判定時間以下であることが好ましい)以上に亘って中間領域M内に維持されている場合に、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があると判断される。さらに、本実施形態では、空燃比補正量AFCをリッチ設定補正量AFCrichに切り替えてから、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められたリーン空燃比促進判定時間(リーン空燃比維持判定時間以下であることが好ましい)以上に亘ってリーン空燃比に維持されている場合にも、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があると判断される。同様に、空燃比補正量AFCをリーン設定補正量AFCleanに切り替えてから、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められたリッチ空燃比促進判定時間(リッチ空燃比維持判定時間以下であることが好ましい)以上に亘ってリッチ空燃比に維持されている場合にも、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があると判断される。なお、リーン空燃比促進判定時間及びリッチ空燃比促進判定時間は、理論空燃比促進判定時間よりも短い時間とされる。
図12は、制御中心空燃比AFR等の図7等と同様なタイムチャートである。図12は、図7等と同様に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが低い側(リッチ側)にずれている場合を示している。
図示した例では、時刻t1以前の状態では、制御中心空燃比が理論空燃比とされ、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCsrich1(図7に示した例の弱リッチ設定補正量AFCrichと同程度の値)とされている。このとき、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは弱リッチ設定空燃比に相当する空燃比となっている。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれにより、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている(図12の破線)。
図12に示した例では、時刻t1〜時刻t5では、図7に示した例と同様な制御が行われている。したがって、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になった時刻t1において、空燃比補正量AFCはリーン設定補正量AFCleanに切り替えられる。その後、時刻t2において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きくなった時刻t2において、空燃比補正量AFCが弱リーン設定空燃比AFCsleanに切り替えられる。加えて、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になった時刻t3において、空燃比補正量AFCはリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さくなった時刻t4において、空燃比補正量AFCは弱リッチ設定補正量AFCsrichに切り替えられる。
ここで、時刻t4において、酸素増大期間Tinc(時刻t1〜時刻t3)における積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値がR1として算出される。同様に、酸素減少期間Tdec(時刻t3〜時刻t5)における積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値がF1として算出される。そして、図12に示した例では、酸素増大期間Tincにおける積算酸素過不足量の絶対値R1と酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量の絶対値F1との差(過不足量誤差)ΔΣOEDが予め定められた促進判定基準値以上となっている。このため、図12に示した例では、時刻t5において、学習制御による学習値sfbgの更新を促進する必要があるときであると判断される。
そこで、本実施形態では、時刻t5において、学習促進制御が開始される。具体的には、時刻t5において、リッチ設定補正量AFCrichがAFCrich1からAFCrich2へと増大せしめられ、弱リッチ設定補正量AFCsrichがAFCsrich1からAFCsrich2へと増大せしめられる。よって、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いが増大せしめられる。加えて、時刻t5において、リーン設定補正量AFCrichがAFClean1からAFClean2へと増大せしめられ、弱リーン設定補正量AFCsleanがAFCslean1からAFCslean2へと増大せしめられる。よってリーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いが増大せしめられる。
また、本実施形態では、図7に示した例と同様に、時刻t5において上記式(2)により学習値sfbgの更新が行われ、上記式(3)により制御中心空燃比AFRが補正される。この結果、時刻t5において学習値sfbgが減少せしめられると共に、制御中心空燃比AFRがリッチ側に補正される。
時刻t5において、空燃比補正量AFCが増大されたリーン設定補正量AFClean2に切り替えられると、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが増大していく。このときの酸素吸蔵量OSAの増大速度は、基本的に時刻t1〜t2における増大速度に比べて速い。また、時刻t6において、空燃比補正量AFCが増大された弱リーン設定補正量AFCslean2に切り替えられた後において、酸素吸蔵量OSAの増大速度は基本的に時刻t2〜t3における増大速度に比べて速い。このため、時刻t5において空燃比補正量AFCをリーン設定補正量AFCleanに切り替えてから時刻t7において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上となるまでの時間が、時刻t5以前に比べて短くなる。
その後、時刻t7において、空燃比補正量AFCが増大されたリッチ設定補正量AFCrich2に切り替えられると、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが減少していく。このときの酸素吸蔵量OSAの減少速度は、基本的に時刻t3〜t4における減少速度に比べて速い。また、時刻t8において、空燃比補正量AFCが増大された弱リッチ設定補正量AFCsrich2に切り替えられた後において、酸素吸蔵量OSAの減少速度は基本的に時刻t4〜t5における減少速度に比べて速い。このため、時刻t7において空燃比補正量AFCをリッチ設定補正量AFCrichに切り替えてから時刻t9において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下となるまでの時間が、時刻t5以前に比べて短くなる。
時刻t9では、図7に示した例と同様に、学習値sfbgの更新が行われる。すなわち、時刻t5〜時刻t7は酸素増大期間Tincに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値は図12のR2で表せる。また、時刻t7〜時刻t9は酸素減少期間Tdecに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値は図12のF2で表せる。そして、これら絶対値R2、F2の差ΔΣOED(=R2−F2)に基づいて、上記式(2)を用いて学習値sfbgが更新される。本実施形態では、時刻t9以降も同様な制御が繰り返され、これにより学習値sfbgの更新が繰り返される。
その後、学習促進制御は、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下に達して、その後再びリッチ判定空燃比AFrich以下に達するまでのサイクル(例えば、図12の時刻t5〜t9)を予め定められた所定回数繰り返してから終了せしめられる。或いは、学習促進制御は、学習促進制御の開始から予め定められた所定時間が経過してから終了せしめられてもよい。学習促進制御が終了せしめられると、リッチ設定補正量AFCrichがAFCrich2からAFCrich1へと減少せしめられ、弱リッチ設定補正量AFCsrichがAFCsrich2からAFCsrich1へと減少せしめられる。よって、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いが減少せしめられる。加えて、リーン設定補正量AFCleanがAFClean2からAFClean1へと減少せしめられ、弱リッチ設定補正量AFCsleanがAFCsrich2からAFCsrich1へと減少せしめられる。よって、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いが減少せしめられる。
ここで、上述したように、時刻t5以降において目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間の目標空燃比の平均値(以下、「平均目標空燃比」ともいう)におけるリッチ度合いを増大させることにより時刻t5〜t7までの時間が短くなる。加えて、時刻t5以降において目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間の平均目標空燃比のリーン度合いを増大させることにより時刻t7〜t9までの時間が短くなる。したがって、これらを合わせて考えると、時刻t5から時刻t9までの1サイクルにかかる時間が短くなる(図12の時間Tc2が時間Tc1よりも短くなる)。一方で、上述したように、学習値sfbgの更新には、酸素増大期間Tincと酸素減少期間Tdecを含むサイクルが必要となる。したがって、本実施形態では、学習値sfbgの更新に必要な1サイクル(例えば、時刻t5〜時刻t9)の時間を短くすることができ、学習値の更新を促進させることができる。
また、学習値の更新を促進させる方法としては、上記式(2)、(4)、(5)におけるゲインk1、k2、k3を大きくすることが考えられる。しかしながら、これらゲインk1、k2、k3は、通常、学習値sfbgが最適な値に迅速に収束するような値に設定されている。したがって、これらゲインk1、k2、k3を大きくすると、学習値sfbgの最終的な収束が遅れてしまう。これに対して、切替基準値OEDref及びリッチ設定補正量AFCrichの変更では、これらゲインk1、k2、k3を変更していないため、学習値sfbgの最終的な収束に遅れが生じるのが抑制される。
<学習促進制御の変形例>
なお、上記実施形態では、学習促進制御実行中には、学習促進制御を実行していないときに比べて、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合い、及びリーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いの全てを増大させている。しかしながら、学習促進制御においては、必ずしもこれらリッチ度合い及びリーン度合いの全てを増大させなくてもよく、これらのうちの一部のみを増大させるようにしてもよい。
例えば、図13に示したように、学習促進制御実行中には、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン設定空燃比のリーン度合いのみを増大させて、弱リッチ設定空燃比のリッチ度合い及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いは増大させずにそのまま維持するようにしてもよい。このように弱リッチ設定空燃比のリッチ度合い及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いを低いまま維持することにより、時刻t5や時刻t7において上流側排気浄化触媒20から未燃ガスやNOxが流出したとしても、その流出量を少なく抑えることができる。
また、例えば、学習促進制御実行中には、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いのみを増大させて、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いは増大させずにそのまま維持するようにしてもよい。この場合、リーン度合いが増大されないことにより、上流側排気浄化触媒20からNOxが流出するのを抑制することができる。
同様に、例えば、学習促進制御実行中には、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いのみを増大させて、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いは増大させずにそのまま維持するようにしてもよい。この場合、リッチ度合いが増大されないことにより、上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが流出するのを抑制することができる。
また、上記実施形態では、学習促進制御において、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合い並びにリーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いを増大させる量又はその割合は一定とされる。しかしながら、これらリッチ度合い及びリーン度合いを増大させる量又はその割合は各パラメータ毎に異なるものであってもよい。
加えて、学習促進制御において、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合い並びにリーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比のリーン度合いを増大させる量又はその割合は、時間の経過に伴って小さくされてもよい。すなわち、学習促進制御において目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間の平均目標空燃比のリーン度合いを増大させる場合にリーン度合いを増大させる程度を、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた時からの経過時間が長くなるほど小さくするようにしてもよい。同様に、学習促進制御において目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間の平均目標空燃比のリッチ度合いを増大させる場合にリッチ度合いを増大させる程度を、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えた時からの経過時間が長くなるほど小さくなるようにしてもよい。
加えて、学習促進制御においては、目標空燃比をリッチ設定空燃比から弱リッチ設定空燃比に切り替えるリッチ度合い変更時期を遅らせるようにしもよい。すなわち、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられてからリッチ度合い変更時期までの期間を長くするようにしてもよい。ここで、上述した実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比よりも小さくなった時にリッチ度合いの切替を行っている。これに対して、例えば、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnよりも小さくなった時から予め定められた所定時間が経過した時にリッチ度合いの切替を行ってもよい。或いは、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnよりも小さくなった時からの吸入空気量積算値又は積算酸素過不足量が予め定められた所定値以上になった時にリッチ度合いの切替を行ってもよい。また、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リーン設定空燃比に切り替えるリーン度合い変更時期も同様に遅らせることができる。すなわち、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられてからリーン度合い変更時期までの期間を長くすることもできる。
以上をまとめると、本実施形態では、学習制御によるパラメータの補正を促進する必要があるときに成立する学習促進条件が成立したときには、学習促進条件が成立していないときに比べて、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間の平均目標空燃比のリーン度合い及び目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間の平均目標空燃比のリッチ度合いのうち少なくともいずれか一方を増大させるようにしているといえる。
また、上記実施形態では、学習促進制御が行われるときにも、上記式(2)、(4)、(5)におけるゲインk1、k2、k3を変更しないようにしている。しかしながら、学習促進制御が行われるときには、学習促進制御を行われないときと比較して、ゲインk1、k2、k3を増大させるようにしてもよい。この場合であっても、本実施形態では、学習促進制御が行われるときに切替基準値及びリッチ設定補正量を変更しているため、ゲインk1、k2、k3のみを増大させる場合に比べて、ゲインk1、k2、k3を増大させる程度が低く抑えられる。したがって、学習値sfbgの最終的な収束に遅れが生じるのが抑制される。
<具体的な制御の説明>
次に、図14〜図19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。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図14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14を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックA1〜A9における操作は、基本的にECU31において実行される。
<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、吸入空気流量Gaと、機関回転数NEと、ECU31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。吸入空気流量Gaはエアフロメータ39によって計測され、機関回転数NEはクランク角センサ44の出力に基づいて算出される。
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、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)。目標空燃比AFTは、後述する目標空燃比設定手段A7によって算出される。
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DFiを加えることで燃料噴射量Qiを算出する(Qi=Qbase+DFi)。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、空燃比補正量算出手段A4、学習値算出手段A5、制御中心空燃比算出手段A6及び目標空燃比設定手段A7が用いられる。
空燃比補正量算出手段A4は、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量AFCを算出する。具体的には、図15に示したフローチャートに基づいて空燃比補正量AFCが算出される。
学習値算出手段A5は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwn、吸入空気流量Ga(排気ガス流量Geを算出)等に基づいて、学習値sfbgを算出する。具体的には、図16〜図18に示したフローチャートに基づいて学習値sfbgが算出される。
制御中心空燃比算出手段A6は、基本制御中心空燃比AFRbase及び学習値算出手段A5において算出された学習値に基づいて上述した式(3)により制御中心空燃比AFRを算出する。
目標空燃比設定手段A7は、制御中心空燃比AFRに、空燃比補正量算出手段A4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。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偏差算出手段A8に入力される。
<F/B補正量の算出>
次に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup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、空燃比偏差算出手段A8、F/B補正量算出手段A9が用いられる。
空燃比偏差算出手段A8は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupから目標空燃比設定手段A7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偏差DAFを算出する(DAF=AFup−AFT)。この空燃比偏差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、空燃比偏差算出手段A8によって算出された空燃比偏差DAFを、比例・積分・微分処理(PID処理)することで、下記式(7)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 …(7)
なお、上記式(7)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、空燃比偏差DAFの時間微分値であり、今回更新された空燃比偏差DAFと前回更新されていた空燃比偏差DAFとの偏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、空燃比偏差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偏差DAFを加算することで算出される(SDAF=DDAF+DAF)。
<空燃比補正量算出制御のフローチャート>
図15は、空燃比補正量の算出制御における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15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AFCの算出条件が成立している場合とは、通常制御中であること、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において空燃比補正量AFC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、リーン設定フラグFlがOFF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Flは、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているとき、すなわち空燃比補正量AFCが0以上に設定されているときには、ONとされ、それ以外のときにはOFFとされるフラグである。ステップS12においてリーン設定フラグFlがOFFに設定されていると判定された場合には、ステップS13へと進む。ステップS13では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下であるか否かが判定される。
ステップS13において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きいと判定された場合には、ステップS14へと進む。ステップS14では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さいか否かが判定される。出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上であると判定された場合には、ステップS15へと進む。ステップS15では、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比に近づき、リーン判定空燃比AFleanよりも小さくなると、次の制御ルーチンでは、ステップS14からステップS16へと進む。ステップS16では、空燃比補正量AFCが弱リッチ設定補正量AFCsrichに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがほぼゼロになって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップS13からステップS17へと進む。ステップS17では、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanに設定される。次いで、ステップS18では、リーン設定フラグFlがONにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
リーン設定フラグFlがONにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップS12からステップS19へと進む。ステップS19では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上であるか否かが判定される。
ステップS19において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さいと判定された場合には、ステップS20へと進む。ステップS20では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きいか否かが判定される。出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下であると判定された場合には、ステップS21へと進む。ステップS21では、空燃比補正量AFCが引き続きリーン設定補正量AFCleanに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比に近づき、リッチ判定空燃比AFrichよりも大きくなると、次の制御ルーチンでは、ステップS20からステップS22へと進む。ステップS22では、空燃比補正量AFCが弱リーン設空燃比AFCsleanに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがほぼ最大吸蔵可能酸素量になって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップS19からステップS23へと進む。ステップS23では、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichに設定される。次いで、ステップS24では、リーン設定フラグFlがOFFにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
<通常学習制御のフローチャート>
図16は、通常学習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16に示したように、まず、ステップS31において、学習値sfbgの更新条件が成立しているか否かが判定される。更新条件が成立している場合とは、例えば、通常制御中であること等が挙げられる。ステップS31において、学習値sfbgの更新条件が成立していると判定された場合には、ステップS32へと進む。ステップS32では、リーンフラグFlが0に設定されているか否かが判定される。ステップS32において、リーンフラグFlが0に設定されていると判定された場合には、ステップS33へと進む。
ステップS33では、空燃比補正量AFCが0よりも大きいか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップS33において、空燃比補正量AFCが0よりも大きいと判定された場合には、ステップS34へと進む。ステップS34では、積算酸素過不足量ΣOEDに現在の酸素過不足量OEDが加算される。
その後、目標空燃比がリッチ空燃比へと切り替えられると、次の制御ルーチンではステップS33において空燃比補正量AFCが0以下であると判定され、ステップS35へと進む。ステップS35では、リーンフラグFlが1にセットされ、次いで、ステップS36ではRnが現在の積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値とされる。次いで、ステップS37では、積算酸素過不足量ΣOEDが0にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、リーンフラグFlが1にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップS32からステップS38へと進む。ステップS38では、空燃比補正量AFCが0よりも小さいか否か、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であるか否かが判定される。ステップS38において、空燃比補正量AFCが0よりも小さいと判定された場合にはステップS39へと進む。ステップS39では、積算酸素過不足量ΣOEDに現在の酸素過不足量OEDが加算される。
その後、目標空燃比がリーン空燃比へと切り替えられると、次の制御ルーチンではステップS38において空燃比補正量AFCが0以上であると判定され、ステップS40へと進む。ステップS40では、リーンフラグFlが0にセットされ、次いで、ステップS41では、Fnが現在の積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値とされる。次いで、ステップS42では、積算酸素過不足量ΣOEDが0にリセットされる。次いで、ステップS43では、ステップS36で算出されたRnとステップS41で算出されたFnに基づいて学習値sfbgが更新され、制御ルーチンが終了せしめられる。
<張付き学習制御のフローチャート>
図17及び図18は、張付き学習制御(理論空燃比張付き制御、リッチ張付き制御及びリーン張付き制御)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17及び図18に示したように、まず、ステップS51において、リーンフラグFlが0に設定されているか否かが判定される。ステップS51において、リーンフラグFlが0に設定されていると判定された場合には、ステップS52へと進む。ステップS52では、空燃比補正量AFCが0よりも大きいか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップS52において、空燃比補正量AFCが0以下であると判定された場合には、ステップS53へと進む。
ステップS53では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも大きいか否かが判定され、ステップS54では、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichとリーン判定空燃比AFleanとの間の値であるか否かが判定される。ステップS53、S54において、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも小さいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリッチ空燃比である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、ステップS53、S54において、出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも大きいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリーン空燃比であると判定された場合には、ステップS55へと進む。
ステップS55では、積算排気ガス流量ΣGeに現在の排気ガス流量Geを加算したものが新たな積算排気ガス流量ΣGeとされる。なお、排気ガス流量Geは、例えば、エアフロメータ39の出力等に基づいて算出される。次いで、ステップS56では、ステップS55で算出された積算排気ガス流量ΣGeが予め定められた所定量ΣGesw以上であるか否かが判定される。ステップS56において、ΣGeがΣGeswよりも小さ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、積算排気ガス流量ΣGeが増大して、ステップS56において、ΣGeがΣGesw以上であると判定された場合には、ステップS57へと進む。ステップS57では、上述した式(5)を用いて学習値sfbgの補正が行われる。
一方、ステップS53、S54において、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichとリーン判定空燃比AFleanとの間の値であると判定された場合には、ステップS58へと進む。ステップS58では、積算酸素過不足量ΣOEDに現在の酸素過不足量OEDを加算したものが新たな積算酸素過不足量ΣOEDとされる。次いで、ステップS59では、ステップS58で算出された積算酸素過不足量ΣOEDが予め定められた所定量OEDsw以上であるか否かが判定される。ステップS59において、ΣOEDがOEDswよりも小さ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、積算酸素過不足量ΣOEDが増大して、ステップS59において、ΣOEDがOEDsw以上であると判定された場合には、ステップS60へと進む。ステップS60では、上述した式(4)を用いて学習値sfbgの補正が行われる。
その後、目標空燃比が切り替えられて、ステップS52において、空燃比補正量AFCが0よりも大きいと判定された場合には、ステップS61へと進む。ステップS61では、積算排気ガス流量ΣGe及び積算酸素過不足量ΣOEDが0にリセットされる。次いで、ステップS62では、リーンフラグFlが1にセットされる。
リーンフラグFlが1にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップS51からステップS63へと進む。ステップS63では、空燃比補正量AFCが0よりも小さいか否か、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であるか否かが判定される。ステップS63において、空燃比補正量AFCが0以上であると判定された場合には、ステップS64へと進む。
ステップS64では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも小さいか否かが判定され、ステップS65では、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichとリーン判定空燃比AFleanとの間の値であるか否かが判定される。ステップS64、65において、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFleanよりも大きい判定された場合、すなわち出力空燃比がリーン空燃比である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、ステップS64、S65において、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも小さいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリッチ空燃比であると判定された場合には、ステップS66へと進む。
ステップS66では、積算排気ガス流量ΣGeに現在の排気ガス流量Geを加算したものが新たな積算排気ガス流量ΣGeとされる。次いで、ステップS67では、ステップS66で算出された積算排気ガス流量ΣGeが予め定められた所定量ΣGesw以上であるか否かが判定される。ステップS67において、ΣGeがΣGeswよりも小さ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、積算排気ガス流量ΣGeが増大して、ステップS67において、ΣGeがΣGesw以上であると判定された場合には、ステップS68へと進む。ステップS68では、上述した式(5)を用いて学習値sfbgの補正が行われる。
一方、ステップS64、S65において、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichとリーン判定空燃比AFleanとの間の値であると判定された場合には、ステップS69へと進む。ステップS69〜S71では、ステップS58〜S60と同様な制御が行われる。
その後、目標空燃比が切り替えられて、ステップS63において、空燃比補正量AFCが0よりも小さいと判定された場合には、ステップS72へと進む。ステップS72では、積算排気ガス流量ΣGe及び積算酸素過不足量ΣOEDが0にリセットされる。次いで、ステップS73では、リーンフラグFlが0にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
<学習促進制御のフローチャート>
図19は、学習促進制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図19に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19に示したように、まず、ステップS81において、学習促進フラグFaが1にセットされているか否かが判定される。学習促進フラグFaは、学習促進制御を行う場合に1にセットされ、それ以外の場合に0にセットされるフラグである。ステップS81において、学習促進フラグFaが0にセットされていると判定された場合には、ステップS82へと進む。
ステップS82では、学習促進条件が成立しているか否かが判定される。学習促進条件は、学習制御による学習値の更新を促進する必要があるときに成立する。具体的には、上述した過不足量誤差ΔΣOEDが促進判定基準値以上であるとき、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比促進判定時間以上に亘って中間領域M内に維持されているとき、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン空燃比促進判定時間又はリッチ空燃比促進判定時間以上に亘ってリーン空燃比又はリッチ空燃比に維持されているとき等に、学習促進条件が成立する。或いは、学習促進条件は、上記式(2)、(4)、(5)においてsfbg(n−1)に加算される学習値更新量の値が予め定められた基準値以上である場合に学習促進条件が成立するとしてもよい。
ステップS82において、学習促進条件が成立していないと判定された場合には、ステップS83へと進む。ステップS83では、リッチ設定補正量AFCrich及び弱リッチ設定補正量AFCrichがそれぞれAFCrich1及びAFCsrich1に設定される。次いで、ステップS84では、リーン設定補正量AFClean及び弱リーン設定補正量AFCleanがそれぞれAFClean1及びAFCslean1に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、ステップS82において、学習促進条件が成立していると判定された場合には、ステップS85へと進む。ステップS85では、学習促進フラグFaが1にセットされる。次いで、ステップS86では、反転カウンタCTがN以上であるか否かが判定される。反転カウンタCTは、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で反転される毎に1が加算されるカウンタである。
ステップS86において、反転カウンタCTがN未満であると判定されたとき、すなわち目標空燃比の反転回数がN回未満であると判定されたときには、ステップS87へと進む。ステップS87では、リッチ設定補正量AFCrichがAFCrich1よりも絶対値の大きいAFCrich2に設定され、弱リッチ設定補正量AFCsrichがAFCsrich1よりも絶対値の大きいAFCsrich2に設定される。次いで、ステップS88では、リーン設定補正量AFCleanがAFClean1よりも絶対値の大きいAFClean2に設定され、弱リーン設定補正量AFCsleanがAFCslean1よりも絶対値の大きいAFCslean2に設定される。その後、制御ルーチンが終了せしめられる。
目標空燃比の反転が複数回行われると、次の制御ルーチンでは、ステップS86において、反転カウンタCTがN以上であると判定され、ステップS89へと進む。ステップS89では、リッチ設定補正量AFCrich及び弱リッチ設定補正量AFCrichがそれぞれAFCrich1及びAFCsrich1に設定される。次いで、ステップS90では、リーン設定補正量AFClean及び弱リーン設定補正量AFCleanがそれぞれAFClean1及びAFCslean1に設定される。次いで、ステップS91において学習促進フラグFaが0にリセットされると共に、ステップS92において反転カウンタCTが0にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
なお、上記実施形態では、基本的な空燃比制御として、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときにその途中でリッチ度合いを低下させ、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときにその途中でリーン度合いを低下させる制御を行っている。しかしながら、基本的な空燃比制御として、必ずしも斯かる空燃比制御を採用する必要はなく、目標空燃比をリッチ空燃比に設定するときには目標空燃比を或る一定のリッチ空燃比に維持し、目標空燃比をリーン空燃比に設定するときには目標空燃比を或る一定のリーン空燃比に維持するような制御を行ってもよい。