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、本発明の実施形態における内燃機関を概略的に示す図である。図1を参照すると、内燃機関100は、機関本体1と、シリンダブロック2と、シリンダブロック2内で往復動するピストン3と、シリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド4と、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5と、吸気弁6と、吸気ポート7と、排気弁8と、排気ポート9とを備える。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。
吸気ポート7には、吸気ポート7内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁11が配置される。また、シリンダヘッド4の内壁面周辺部には、筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁12が配置される。ポート燃料噴射弁11には、燃料ポンプ25によって燃料タンク26から第1燃料配管27を介して燃料が供給される。また、燃料ポンプ25によって圧送された燃料の一部が、高圧ポンプ28によって加圧され、第2燃料配管29を介して筒内燃料噴射弁12に供給される。このため、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力は、ポート燃料噴射弁11に供給される燃料の圧力よりも高くなる。ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12は、それぞれ、噴射信号に応じて所定量の燃料を噴射する。この結果、燃焼室5には、ポート燃料噴射弁11から噴射される燃料と、筒内燃料噴射弁12から噴射される燃料とが供給される。
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。なお、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、内燃機関100では、他の燃料が用いられてもよい。
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及び吸気管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、すなわち上流側排気浄化触媒20の排気流れ方向上流側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、すなわち上流側排気浄化触媒20の排気流れ方向下流側には排気管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、第2燃料配管29には、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力を検出する燃圧センサ46が配置される。燃圧センサ46は第2燃料配管29において高圧ポンプ28と筒内燃料噴射弁12との間に配置される。燃圧センサ46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、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、ポート燃料噴射弁11、筒内燃料噴射弁12、燃料ポンプ25、高圧ポンプ28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100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100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、上述した内燃機関100と異なるものであってもよい。
<排気浄化触媒の説明>
排気通路に配置された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。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量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。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量(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排気浄化触媒20、24の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」ともいう)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。
<通常空燃比制御>
次に、本実施形態の内燃機関100における通常空燃比制御の概要を説明する。内燃機関100は、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス(以下、単に「流入排気ガス」という)の空燃比が目標空燃比になるように、ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12から燃焼室5に供給される燃料供給量を制御する空燃比制御部を備える。具体的には、空燃比制御部は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室5に供給される燃料供給量をフィードバック制御する。なお、本実施形態では、ECU31が空燃比制御部として機能する。また、「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。
また、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ41の出力空燃比等に基づいて、流入排気ガスの目標空燃比を設定する。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。また、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。また、リーン設定空燃比は、制御中心となる空燃比(本実施形態では、理論空燃比)にリーン補正量を加算した空燃比として表すこともできる。また、本実施形態では、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であるリッチ判定空燃比(例えば、14.55)以下になったときに、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。換言すると、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よりも大きいときには、下流側空燃比センサ41の出力空燃比はほぼ理論空燃比であると判断される。
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、流入排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、流入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の量又は不足する酸素の量を意味する。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流入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の酸素吸蔵量の推定値を表しているといえる。
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×(AFup−AFR)×Qi …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料供給量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比、AFRは制御中心となる空燃比(本実施形態では、理論空燃比(14.6))をそれぞれ表している。
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値(予め定められた切替基準吸蔵量Crefに相当)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、その後、その空燃比に維持される。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、12〜14.58、好ましくは13〜14.57、より好ましくは14〜14.55程度とされる。また、リッチ設定空燃比は、制御中心となる空燃比(本実施形態では、理論空燃比)からリッチ補正量を減算した空燃比として表すこともできる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差(リッチ度合い)は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差(リーン度合い)以下とされる。
その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再び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、空燃比制御部は、流入排気ガスの目標空燃比をリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に設定する通常空燃比制御を実行する。
<タイムチャートを用いた通常空燃比制御の説明>
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、通常空燃比制御を行う際の、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、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及び上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガス(以下、単に「流出排気ガス」と称する。)中のNOx濃度のタイムチャートである。
図5に示された積算酸素過不足量ΣOEDは、上記式(1)によって算出される酸素過不足量OEDの積算値を示す。積算酸素過不足量ΣOEDは、目標空燃比がリッチ設定空燃比TAFrichとリーン設定空燃比TAFleanとの間で切り替えられるときにリセットされてゼロにされる。
なお、空燃比補正量AFCは、流入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がゼロ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、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がリッチ設定補正量AFCrich(リッチ設定空燃比に相当)とされている。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る。流入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。したがって、積算酸素過不足量ΣOEDも徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒20における浄化により流出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。流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒20からのNOx排出量はほぼゼロとなる。
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、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、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。また、このとき、積算酸素過不足量ΣOEDはゼロにリセットされる。
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の酸素吸蔵量が十分であっても、流出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。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流出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ると、流入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流入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において流入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は増大する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣOEDも徐々に増大していく。
これにより、流出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の出力空燃比AFdwnも理論空燃比に収束する。このとき、流入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、流入排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒20に吸蔵され、NOxは還元浄化される。このため、上流側排気浄化触媒20からのNOxの排出はほぼゼロとなる。
その後、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが増大すると、時刻t3において、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが切替基準吸蔵量Crefに到達する。このため、積算酸素過不足量ΣOEDが、切替基準吸蔵量Crefに相当する切替基準値OEDrefに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDref以上になると、上流側排気浄化触媒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、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣOEDがゼロにリセットされる。
ここで、図5に示した例では、時刻t3において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量OSAが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量OSAが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関100を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、流入排気ガスの空燃比が意図せずに瞬間的に目標空燃比から大きくずれる場合がある。
これに対して、切替基準吸蔵量Crefは上流側排気浄化触媒20が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Cmaxよりも十分に低く設定される。このため、上述したような遅れが生じたり、実際の流入排気ガスの空燃比が意図せずに目標空燃比から瞬間的に大きくずれたりしたときであっても、酸素吸蔵量OSAは最大吸蔵可能酸素量Cmaxには到達しない。逆に言うと、切替基準吸蔵量Crefは、上述したような遅れや意図しない空燃比のずれが生じても、酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Crefは、上流側排気浄化触媒20が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量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。
時刻t3において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、流入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。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流入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)。流入排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは徐々に減少していき、時刻t4において、時刻t1と同様に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが低下し始める。このときも、流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒20からのNOxの排出はほぼゼロとなる。
次いで、時刻t5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。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値AFCleanに切り替えられる。その後、上述した時刻t1〜t5のサイクルが繰り返される。
また、本実施形態では、上述した時刻t1〜t5のサイクルが繰り返される間、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが目標空燃比となるように燃焼室5に供給される燃料供給量がフィードバック制御される。例えば、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが目標空燃比よりも低い(リッチである)場合、燃焼室5に供給される燃料供給量が少なくされる。一方、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが目標空燃比に相当する値よりも高い(リーンである)場合、燃焼室5に供給される燃料供給量が多くされる。
以上の説明から分かるように、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒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、基本的には上流側排気浄化触媒20からのNOx排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量ΣOEDを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣOEDの算出誤差によりNOxが排出されてしまうことが抑制される。
また、一般に、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。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図5に示したように、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA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。
また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣOEDは、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup等に基づいて算出されている。しかしながら、酸素吸蔵量OSA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、積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDref以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比から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や積算吸入空気量等、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、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素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リッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。
また、上述した通常空燃比制御は、上流側空燃比センサ40を用いることなく、下流側空燃比センサ41の出力のみに基づいて行われてもよい。この場合、空燃比制御部は、上流側空燃比センサ40の出力に基づいて燃焼室5に供給される燃料供給量をフィードバック制御する代わりに、燃焼室5に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、燃焼室5に供給される燃料供給量を制御する。具体的には、吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量が燃焼室5に供給される。吸入空気量は、例えば、エアフロメータ39によって検出された空気流量と、クランク角センサ44によって検出された機関回転数とに基づいて算出される。
なお、上流側空燃比センサ40が用いられない場合、目標空燃比の設定に用いられる酸素過不足量OEDは、下記式(2)により算出される。
OED=0.23×(TAF−AFR)×Qi …(2)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料供給量、TAFは目標空燃比、AFRは制御中心となる空燃比(本実施形態では、理論空燃比(14.6))をそれぞれ表している。
<上流側空燃比センサにおけるずれ>
ところで、空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化し、そのゲイン特性が変化することがある。例えば、上流側空燃比センサ40のゲイン特性が変化すると、上流側空燃比センサ40の出力空燃比と排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じる場合がある。この場合、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は排気ガスの実際の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行っていても、上流側排気浄化触媒20からNOx及び酸素が流出したり、未燃ガスの流出頻度が高くなったりしてしまう場合がある。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の酸素吸蔵量OSA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における実線は実際の出力空燃比を示している。一方、破線は、流入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がリッチ設定補正量AFCrichとされており、よって目標空燃比が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。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの減少速度は遅いものとなる。
また、図6に示した例では、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に到達する。このため、上述したように、時刻t2において、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
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。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの増加速度は速いものとなる。
加えて、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれが大きいと、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの増加速度は極端に速くなる。したがって、この場合、図6に示したように、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDrefに到達する前に、実際の酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達することになる。この結果、上流側排気浄化触媒20からNOx及び酸素が流出することになる。
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、通常空燃比制御が実行されているとき)に通常学習制御が行われる。
ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDref以上になるまでの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ΣODE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。
なお、リーン酸素量積算値は、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒20に吸蔵される酸素吸蔵量の推定値に相当する。一方、リッチ酸素量積算値は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒20から放出される酸素放出量の推定値に相当する。
以下、図7を参照して通常学習制御について説明する。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によって検出された出力に相当する空燃比を、破線は、流入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がリッチ設定補正量AFCrich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、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の出力空燃比にはずれが生じているため、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。
一方、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup(より正確には、出力空燃比AFupと制御中心空燃比AFRとの差)に基づいて算出される。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。したがって、算出された酸素過不足量は、実際の酸素過不足量よりも少ない(すなわち、酸素量が少ない)値となる。その結果、算出された積算酸素過不足量ΣOEDは、実際の値よりも少なくなる。
時刻t2では、積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDrefに到達する。このため、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、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このとき、実際の酸素吸蔵量OSAは図7に示したように切替基準吸蔵量Crefよりも多くなっている。
時刻t2以降は、時刻t1以前の状態と同様に、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichとされ、よって目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このときも、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。この結果、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの減少速度は遅くなる。加えて、上述したように、時刻t2において、上流側排気浄化触媒20の実際の酸素吸蔵量OSAは切替基準吸蔵量Crefよりも多くなっている。このため、上流側排気浄化触媒20の実際の酸素吸蔵量OSAがゼロに到達するまでには時間がかかる。
時刻t3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。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へと切り替えられる。
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)から積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDrefに到達する時(時刻t2)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における積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値R1が算出される。
この酸素増大期間Tincの積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値R1は、時刻t2における酸素吸蔵量OSAの推定値に相当する。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t2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R1は、時刻t2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、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時(時刻t2)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に到達する時(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における積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値F1が算出される。
この酸素減少期間Tdecの積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値F1は、時刻t2から時刻t3までに上流側排気浄化触媒20から放出された酸素放出量の推定値に相当する。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t2〜時刻t3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F1は、時刻t2から時刻t3までに上流側排気浄化触媒20から実際に放出された酸素放出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ΣOED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ΣOEDの絶対値F1とは基本的に同一の値になるのが理想的である。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ΣOED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ΣOEDの絶対値F1との差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、過不足量誤差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(3)により学習値sfbgを算出すると共に、下記式(4)により制御中心空燃比AFRが補正される。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k1×ΔΣOED …(3)
AFR=AFRbase+sfbg(n) …(4)
なお、上記式(3)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(3)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(4)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ΣOED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ΣOED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(4)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、流入排気ガスの実際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t3以降、流入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t3以前と比べて小さなものとなる。したがって、図7に示されるように、時刻t3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t3以前における差よりも小さくなっている。
また、時刻t3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t4において積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDrefに到達すると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。その後、時刻t5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に到達すると、再度、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
時刻t3〜時刻t4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t4〜時刻t5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(3)を用いて学習値sfbgが更新される。本実施形態では、時刻t5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。
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、流入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。
また、上記実施形態では、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達する前に、目標空燃比の切替を行っている。このため、酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量に到達してから、すなわち、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以上になってから目標空燃比を切り替える場合に比べて、学習値の更新頻度を増大させることができる。また、積算酸素過不足量ΣOEDは、その算出期間が長くなるほど誤差が生じやすい。本実施形態によれば、酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達する前に目標空燃比の切替が行われることから、その算出期間を短くすることができる。このため、積算酸素過不足量ΣOEDの算出における誤差を小さくすることができる。
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、制御中心空燃比AFR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、空燃比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。
<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、上流側空燃比センサ40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、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれが大きくなると、目標空燃比が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は、上流側空燃比センサ40の出力値に大きなずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。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によって検出された出力に相当する空燃比を示している。また、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにおける破線は、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、すなわち流入排気ガスの実際の空燃比を示している。
図8では、時刻t1以前において、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFClean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はリーン設定空燃比となる。ただし、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、流入排気ガスの実際の空燃比(図中の破線)はリーン設定空燃比よりもリーンな空燃比となっている。
その後、時刻t1において上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDrefに到達すると、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。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、流入排気ガスの実際の空燃比(図中の破線)は理論空燃比となっている。
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をリッチ設定補正量AFCrich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く、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は長時間に亘ってリッチ設定補正量AFCrichに維持されることになる。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、空燃比補正量AFCの切替が行われない。
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t1において、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。すなわち、時刻t1において目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。しかしながら、上流側空燃比センサ40の出力空燃比のずれにより、実際の流入排気ガスの空燃比(図中の破線)がリーン空燃比になっている。
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。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは徐々に増大していき、ついには時刻t2において最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達する。このように、酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達すると、上流側排気浄化触媒20はもはやこれ以上排気ガス中の酸素を吸蔵することができない。このため、流入排気ガス中に含まれていた酸素及びNOxが上流側排気浄化触媒20からそのまま流出し、結果的に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが上昇する。しかしながら、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。このため、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の切替が行われない。
<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理論空燃比近傍空燃比領域に相当する。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、流入排気ガスの実際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10を参照して、上述したような制御について具体的に説明する。図10は、理論空燃比張付き学習を行う際の制御中心空燃比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。なお、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によって検出された出力に相当する空燃比を示している。また、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにおける破線は、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、すなわち流入排気ガスの実際の空燃比を示している。加えて、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupにおける一点鎖線は、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8と同様に、時刻t1以前において、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanとされている。その後、時刻t1において、積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDrefに到達し、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、流入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t1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、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、流入排気ガスの実際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(5)により学習値sfbgを算出すると共に、上記式(4)により制御中心空燃比AFRが補正される。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k2・AFCrich …(5)
なお、上記式(5)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。
ここで、上述したように、空燃比補正量AFCの切替後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(5)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t1から理論空燃比維持判定時間Tstoが経過した時刻t2まで、空燃比補正量AFCはリッチ設定補正量AFCrichとされる。このため、式(5)を用いると、時刻t2において学習値sfbgは減少せしめられる。この結果、流入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t2以降、流入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t2以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻t2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t2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t2において学習値sfbgの更新が行われてもなお、流入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、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t2から理論空燃比維持判定時間Tstoが経過した時刻t3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t3においても、式(5)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t4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、上述したように空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanとリッチ設定補正量AFCrich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。
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、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、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が所定の量(例えば、図10のOEDsw)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。
なお、上記理論空燃比張付き学習制御では、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、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてからの吸入空気量や後述する積算排気ガス流量等、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。
<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の出力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、流入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に設定されてから、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(6)により学習値sfbgを算出すると共に、上記式(4)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)) …(6)
なお、上記式(6)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)に、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(6)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(6)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、流入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、流入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では、ゲインk3を比較的小さい値にした例を示している。このため、時刻t1において学習値sfbgの更新が行われてもなお、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれが残っている。特に、図示した例では、時刻t1以降も、排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比のままとなっている。この結果、時刻t1からリーン空燃比維持判定時間Tlean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る。このため、図示した例では、時刻t2においても、リーン張付き学習により、上記式(6)を用いて学習値sfbgの補正が行われる。
時刻t2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t2以降には、排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比よりも僅かにリッチとなり、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t2から時刻t3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t3において、理論空燃比張付き学習により、上記式(5)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、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから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(例えば、図11のΣGesw)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の出力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、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、すなわち目標空燃比をリーン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、流入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。
なお、本実施形態では、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ている。これらをまとめると、下流側空燃比センサ41の出力に基づいて学習値を更新すると共に、学習値に応じて流入排気ガスの空燃比を変化させるように空燃比に関するパラメータを制御する学習制御と称することができる。
<噴射比制御>
次に、本実施形態の内燃機関100における噴射比制御について説明する。上述したように、内燃機関100はポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12を備える。このため、内燃機関100では、ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12から噴射される燃料の噴射比率を制御する必要がある。
そこで、内燃機関100は、燃料の噴射比率を制御する噴射比制御部を備える。噴射比制御部は、ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12から燃焼室5に供給される燃料供給量に対する筒内燃料噴射弁12から噴射される燃料噴射量の比率である筒内噴射比を制御する。この結果、ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12から燃焼室5に供給される燃料供給量に対するポート燃料噴射弁11から噴射される燃料噴射量の比率であるポート噴射比も噴射比制御部によって制御されることになる。なお、本実施形態では、ECU31が噴射比制御部として機能する。
噴射比制御部は、内燃機関100の運転状態に応じて、筒内噴射比及びポート噴射比を制御する。例えば、噴射比制御部は内燃機関100の機関負荷及び機関回転数に基づいて筒内噴射比及びポート噴射比を制御する。この場合、噴射比制御部は、図12に示したようなマップを用いて筒内噴射比及びポート噴射比を制御する。
図12に示したマップは、ポート噴射領域PAと、筒内噴射領域CAと、両噴射領域BAとを有する。ポート噴射領域PAでは、筒内噴射領域CA及び両噴射領域BAに比べて機関回転数及び機関負荷が全体的に低い。一方、筒内噴射領域CAでは、ポート噴射領域PA及び両噴射領域BAに比べて機関回転数及び機関負荷が全体的に高い。また、両噴射領域BAはポート噴射領域PAと筒内噴射領域CAとの間の領域である。
ポート噴射領域PAでは、ピストン3の移動速度が比較的遅いため、筒内において空気と燃料とが混合しにくい。このため、空気と燃料とを吸気ポート7内で予め混合すべく、ポート燃料噴射弁11から燃料を供給することが好ましい。そこで、噴射比制御部は、内燃機関100の運転状態がポート噴射領域PAにあるとき、筒内噴射比をゼロにし且つポート噴射比を1にする。したがって、ポート噴射領域PAでは、ポート燃料噴射弁11のみによって燃焼室5に燃料が供給される。
一方、筒内噴射領域CAでは、筒内の温度が高温になりやすい。このため、筒内燃料噴射弁12から噴射される燃料の気化潜熱によって筒内を冷却すべく、筒内燃料噴射弁12から燃料を供給することが好ましい。そこで、噴射比制御部は、内燃機関100の運転状態が筒内噴射領域CAにあるとき、筒内噴射比を1にし且つポート噴射比をゼロにする。したがって、筒内噴射領域CAでは、筒内燃料噴射弁12のみによって燃焼室5に燃料が供給される。
また、両噴射領域BAはポート噴射領域PA及び筒内噴射領域CAの両方の特性を有する。このため、ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12の両方から燃料を噴射することが好ましい。そこで、噴射比制御部は、内燃機関100の運転状態が両噴射領域BAにあるとき、筒内噴射比及びポート噴射比をそれぞれゼロと1との間の所定値に設定する。したがって、両噴射領域BAでは、ポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12の両方の燃料噴射弁によって燃焼室5に燃料が供給される。なお、筒内噴射比及びポート噴射比は、例えば、筒内燃料噴射弁12及びポート燃料噴射弁11の開弁時間(噴射時間)を変化させることによって制御される。また、図12に示したマップは一つの例であり、噴射比制御部は、このマップとは異なるマップを用いて筒内噴射比及びポート噴射比を制御してもよい。
<噴射比制御の問題点>
上述したように、内燃機関100の運転状態がポート噴射領域PAにある状態では、燃焼室5への燃料の供給がポート燃料噴射弁11からのみ行われる。この状態が長く続くと、筒内燃料噴射弁12に接続された第2燃料配管29に燃料が滞留し。滞留した燃料に機関本体1等から熱が加えられる。このため、筒内燃料噴射弁12又は第2燃料配管29にリリーフ弁のような圧力開放手段が設けられていない場合には、第2燃料配管29内の燃料が膨張し、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力が上昇する。
ところで、筒内燃料噴射弁12には、制御可能な最小噴射時間が定められている。筒内燃料噴射弁12から最小噴射時間だけ噴射される最小燃料噴射量は、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力に比例して多くなる。このため、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力が高くなると、筒内燃料噴射弁12から噴射される燃料噴射量が目標噴射量よりも多くなる場合がある。したがって、この状態で筒内燃料噴射弁12から燃料が噴射されると、燃焼室5に供給する燃料量を制御できないおそれがある。
<燃料圧力低減制御>
そこで、本実施形態では、噴射比制御部は、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力を低減すべく、燃料圧力低減制御を実行する。具体的には、噴射比制御部は、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であり且つ内燃機関100がアイドル状態にあるときに、筒内噴射比をゼロからゼロよりも高い値に増大させる。
筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力は、例えば、第2燃料配管29に配置された燃圧センサ46によって検出される。目標燃料圧力は、内燃機関100の運転状態に応じて設定され、例えば内燃機関100の機関負荷率に基づいて設定される。また、第一基準値は、例えば、筒内燃料噴射弁12から燃料を噴射することによって排気エミッションが悪化する値の下限値とされる。第一基準値は、実験又は計算によって予め定められる。なお、アイドル状態とは、アクセル開度がゼロであり、燃焼室5における混合気の燃焼によって機関回転数が所定の低回転数(例えば400〜800rpm)に維持されている状態を意味する。
また、噴射比制御部は、内燃機関100の運転状態がアイドル状態でなくなったとき又は筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第二基準値未満となったときに燃料圧力低減制御を終了させる。第二基準値は第一基準値よりも小さい予め定められた値である。このことによって、燃料圧力低減制御が連続して実行されることが抑制される。
燃料圧力低減制御によって、第2燃料配管29内に滞留していた燃料が筒内燃料噴射弁12から排出されるため、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力を低減することができる。しかしながら、燃料圧力低減制御では、筒内燃料噴射弁12から燃料を噴射する必要があるため、燃料圧力低減制御中に燃焼室5に供給される燃料量が目標供給量よりも多くなり、排気エミッションが悪化する。また、燃料圧力低減制御の実行によって燃焼室5に供給される燃料量が急に多くなると、混合気の燃焼によって得られるトルクが変動する。これに対して、本実施形態では、内燃機関100がアイドル状態にあるときに燃料圧力低減制御が実行されるため、内燃機関100が搭載された車両等の挙動にトルク変動が与える影響が少ない。また、本実施形態では、以下に説明する空燃比制御によって、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化を抑制する。
<本実施形態における空燃比制御>
本実施形態では、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化を抑制すべく、燃料圧力低減制御が終了したときに強リーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御が終了したときに目標空燃比を強リーン設定空燃比に一時的に設定する。強リーン設定空燃比は、通常空燃比制御におけるリーン設定空燃比よりもリーンな予め定められた空燃比である。強リーン制御によって、燃料圧力低減制御によって減少し又はゼロになった上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を迅速に増加させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが流出することによる排気エミッションの悪化を抑制することができる。
また、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御の開始が予測されるとき、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を予め増加させるべく、事前リーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御の開始が予測されるとき、目標空燃比をリーン設定空燃比よりもリーンな空燃比に設定する。このときの目標空燃比は強リーン設定空燃比と同じ値であっても異なる値であってもよい。また、空燃比制御部は、事前リーン制御において、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が準備吸蔵量に達したと推定された場合には、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を準備吸蔵量に維持すべく、目標空燃比を理論空燃比に設定する。準備吸蔵量は、通常空燃比制御における切替基準吸蔵量Crefよりも多く且つ最大吸蔵可能酸素量Cmaxよりも少ない予め定められた量である。事前リーン制御によって、燃料圧力低減制御を開始するときの上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を増加させることができるため、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。
なお、燃料圧力低減制御の開始が予測されるときとは、例えば、燃料圧力低減制御の複数の開始条件のうち一部(例えば一つ)の開始条件だけが成立していないときである。上述したように、燃料圧力低減制御の開始条件は、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であることと、内燃機関100がアイドル状態にあることとを含む。この場合、例えば、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であり且つ内燃機関100がアイドル状態にないときに、燃料圧力低減制御の開始が予測される。
また、燃料圧力低減制御の開始条件は、さらに、内燃機関100の水温が所定値以上であること、内燃機関100を搭載した車両の速度が所定値以上であること、筒内燃料噴射弁12の最小燃料噴射量と目標燃料噴射量との差が所定値以内であること、内燃機関100がアイドル状態となってからの経過時間が所定時間以内であること等を含んでいてもよい。この場合、例えば、内燃機関100がアイドル状態にあること及び内燃機関100がアイドル状態となってからの経過時間が所定時間以内であること以外の実行条件が成立しているときに、燃料圧力低減制御の開始が予測される。
また、燃料圧力低減制御中には、上流側空燃比センサ40の出力等に異常がない場合であっても、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに下流側空燃比センサ41の出力空燃比が所定時間以上リッチ空燃比に維持される場合がある。このときに、上述したリッチ張付き学習制御が実行されると、学習値が誤った値に更新される。このため、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御が実行されている間、上述したリッチ張付き学習制御を停止する。
また、事前リーン制御、燃料圧力低減制御及び強リーン制御が実行されているときには、流入排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に切り替える通常空燃比制御が実行されない。このため、空燃比制御部は、事前リーン制御、燃料圧力低減制御及び強リーン制御が実行されている間、上述した通常学習制御を停止する。
<タイムチャートを用いた制御の説明>
以下、図13のタイムチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図13は、燃料圧力低減制御を実行する際の、機関負荷率、アイドル状態、筒内噴射比、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力(燃料圧力)、筒内燃料噴射弁12の燃料噴射量(筒内噴射量)、空燃比補正量AFC、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。燃料圧力のグラフでは、機関負荷率等に基づいて算出される目標燃料圧力が破線で示される。また、筒内噴射量のグラフでは、燃料圧力等に基づいて算出される筒内燃料噴射弁12の最小噴射量が破線で示され、機関負荷率等に基づいて算出される筒内燃料噴射弁12の目標噴射量が一点鎖線で示される。
図示した例では、時刻t1以前の状態では、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichとされている。すなわち、目標空燃比がリッチ設定空燃比とされている。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に到達し、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrichからリーン設定補正量AFCleanに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。
図示した例では、時刻t2において、機関負荷率が30%以下となり、筒内噴射比がゼロにされる。すなわち、燃焼室5に燃料を供給する燃料供給源がポート燃料噴射弁11及び筒内燃料噴射弁12からポート燃料噴射弁11のみに切り替えられる。この結果、時刻t2の後、第2燃料配管29内の燃料の熱膨張によって燃料圧力が徐々に増大する。
時刻t2において、積算酸素過不足量ΣOEDが、切替基準値OEDrefに到達し、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanからリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
時刻t3において、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に再び切り替えられる。その後、時刻t4において、燃料圧力から目標圧力を減算した値が第一基準値P1以上となる。このとき、内燃機関100はアイドル状態にない。この状態において、内燃機関100がアイドル状態になると燃料圧力低減制御が開始されるため、時刻t4において、燃料圧力低減制御の開始が予測される。この結果、事前リーン制御が実行され、空燃比補正量AFCがリーン設定補正量AFCleanから強リーン設定補正量AFCsleanに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比から強リーン設定空燃比に切り替えられる。また、酸素吸蔵量OSAの目標吸蔵量が準備吸蔵量Cpreにされる。
時刻t5において、積算酸素過不足量ΣOEDが、準備吸蔵量Cpreに相当する準備値OEDpreに到達する。この結果、酸素吸蔵量OSAを準備吸蔵量Cpreに維持すべく、空燃比補正量AFCが強リーン設定補正量AFCsleanからゼロに切り替えられる。すなわち、目標空燃比が強リーン設定空燃比から理論空燃比に切り替えられる。
時刻t6において、内燃機関100がアイドル状態となる。このとき、燃料圧力から目標圧力を減算した値は第一基準値P1以上である。このため、燃料圧力低減制御の開始条件が成立し、燃料圧力低減制御が開始される。燃料圧力低減制御では、筒内噴射比がゼロから1に切り替えられる。また、空燃比補正量AFCが強リーン設定補正量AFCsleanに設定される。しかしながら、筒内燃料噴射弁12からの最小燃料噴射量が目標噴射量よりも多いため、燃料圧力低減制御中の流入排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比よりもリッチとなる。この結果、時刻t6の後、酸素吸蔵量OSAが徐々に減少し、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比から徐々に低下する。なお、積算酸素過不足量ΣOEDは燃料圧力低減制御の開始時にリセットされてゼロにされ、燃料圧力低減制御が実行されている間、積算酸素過不足量ΣOEDの算出は停止される。
時刻t7において、燃料圧力から目標圧力を減算した値が第二基準値P2未満となる。このため、燃料圧力低減制御の終了条件が成立し、燃料圧力低減制御が終了する。時刻t7の後、筒内噴射比は内燃機関100の運転状態に応じた値に設定される。図示した例では、筒内噴射比が1からゼロに切り替えられる。
時刻t7において、目標空燃比は強リーン設定空燃比に設定されたままであり、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化を抑制すべく、強リーン制御が開始される。時刻t7の後、強リーン制御によって、燃料圧力低減制御によってゼロになった酸素吸蔵量OSAが迅速に増加する。
時刻t8において、積算酸素過不足量ΣOEDが、切替基準値OEDrefに到達し、空燃比補正量AFCが強リーン設定補正量AFCsleanからリッチ設定補正量AFCrichに切り替えられる。すなわち、目標空燃比が強リーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。時刻t8の後、目標空燃比がリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に設定される通常空燃比制御が再び実行される。
なお、燃料圧力低減制御において設定される筒内噴射比の値は、ゼロよりも高い値であれば、1以外の値であってもよい。また、燃料圧力低減制御の開始が予測されたときに目標空燃比がリッチ設定空燃比である場合には、事前リーン制御によって目標空燃比がリッチ設定空燃比から強リーン設定空燃比に切り替えられる。
<噴射比制御の制御ルーチン>
以下、図14のフローチャートを参照して、本実施形態における噴射比制御について説明する。図14は、本実施形態における噴射比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、噴射比制御部(ECU31)によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、筒内噴射比及びポート噴射比が設定される。
最初に、ステップS101において、燃料圧力低減制御の開始条件が成立しているか否かが判定される。燃料圧力低減制御の開始条件は、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であることと、内燃機関100がアイドル状態にあることとを含む。筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力は例えば燃圧センサ46によって検出される。目標燃料圧力は、内燃機関100の運転状態に応じて設定され、例えば内燃機関100の機関負荷率に基づいて設定される。
ステップS101において燃料圧力低減制御の開始条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップS102に進む。ステップS102では、燃料圧力低減制御が実行される。具体的には、筒内噴射比がゼロからゼロよりも高い値に増大せしめられる。例えば、筒内噴射比がゼロから1に増大せしめられる。
次いで、ステップS103において、制御開始フラグFcsが1に設定される。なお、制御開始フラグFcsは、内燃機関100を搭載した車両のイグニッションキーがオフにされたときにゼロに設定される。ステップS103の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS101において燃料圧力低減制御の開始条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS104に進む。ステップS104では、制御開始フラグFcsが1であるか否かが判定される。制御開始フラグFcsが1であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS105に進む。
ステップS105では、燃料圧力低減制御の終了条件が成立しているか否かが判定される。例えば、内燃機関100がアイドル状態でなくなったとき又は内燃機関100がアイドル状態となってからの経過時間が所定時間以上となったときに、燃料圧力低減制御の終了条件が成立したと判定される。また、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第二基準値未満となったときにも、燃料圧力低減制御の終了条件が成立したと判定される。第二基準値は第一基準値よりも小さい予め定められた値である。
ステップS105において燃料圧力低減制御の終了条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、ステップS102において実行された燃料圧力低減制御が続行される。一方、ステップS105において燃料圧力低減制御の終了条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップS106に進む。ステップS106では、燃料圧力低減制御が終了せしめられ、通常噴射比制御が実行される。通常噴射比制御では、内燃機関100の運転状態に応じて筒内噴射比及びポート噴射比が制御される。通常噴射比制御では、例えば、図12に示したようなマップを用いて筒内噴射比及びポート噴射比が制御される。ステップS106の後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップS104において制御開始フラグFcsがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS106に進む。例えば、内燃機関100の始動後に燃料圧力低減制御が実行されていない場合には、制御開始フラグFcsはゼロに設定されている。ステップS106では通常噴射比制御が実行され、ステップS106の後、本制御ルーチンは終了する。
<空燃比制御の制御ルーチン>
以下、図15のフローチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御について説明する。図15は、本実施形態における空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、空燃比制御部(ECU31)によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、流入排気ガスの目標空燃比が設定される。
最初に、ステップS201において、燃料圧力低減制御が実行中であるか否かが判定される。燃料圧力低減制御が実行中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS202に進む。ステップS202では、積算酸素過不足量ΣOEDがリセットされてゼロにされる。次いで、ステップS203では、目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanに設定される。強リーン設定空燃比TAFsleanはリーン設定空燃比TAFleanよりもリーンな空燃比である。ステップS203の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS201において燃料圧力低減制御が実行中でないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS204に進む。ステップS204では、燃料圧力低減制御の実行が予測されるか否かが判定される。例えば、燃料圧力低減制御の複数の開始条件のうち一つの開始条件だけが成立していないときには、燃料圧力低減制御の実行が予測される。例えば、筒内燃料噴射弁12に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であり且つ内燃機関100がアイドル状態にないときには、燃料圧力低減制御の開始が予測される。
ステップS204において燃料圧力低減制御の実行が予測された場合、本制御ルーチンはステップS205に進む。ステップS205では、目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanであるか否かが判定される。目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanでないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS206に進む。ステップS206では、事前リーン制御によって、目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanに設定される。ステップS206の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS205において目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS207に進む。ステップS207では、積算酸素過不足量ΣOEDが準備値OEDpre以上であるか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣOEDは酸素過不足量OEDの積算値であり、酸素過不足量OEDは上記式(1)又は(2)によって算出される。準備値OEDpreは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの準備吸蔵量OSApreに相当する値であり、通常噴射比制御において用いられる切替基準値OEDrefよりも大きな値である。
ステップS207において積算酸素過不足量ΣOEDが準備値OEDpre未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS206に進む。この場合、事前リーン制御が続行され、ステップS206において目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanに維持される。ステップS206の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS207において積算酸素過不足量ΣOEDが準備値OEDpre以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS208に進む。ステップS208では、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAを準備吸蔵量OSApreに維持すべく、目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanから理論空燃比TAFstoicに切り替えられる。ステップS208の後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップS204において燃料圧力低減制御の実行が予測されなかった場合、本制御ルーチンはステップS209に進む。ステップS209では、制御開始フラグFcsが1であるか否かが判定される。制御開始フラグFcsが1であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS210に進む。
ステップS210では、積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDref以上であるか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDref未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS203に進む。ステップS203において、燃料圧力低減制御後に強リーン制御を実行すべく、目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanに維持される。ステップS203の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS210において積算酸素過不足量ΣOEDが切替基準値OEDref以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS211に進む。ステップS211では、制御開始フラグFcsがゼロに設定される。次いで、ステップS212では、強リーン制御が終了せしめられ、通常空燃比制御が実行される。具体的には、目標空燃比TAFが強リーン設定空燃比TAFsleanからリッチ設定空燃比TAFrichに切り替えられる。その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比等に基づいて、目標空燃比TAFがリッチ設定空燃比TAFrichとリーン設定空燃比TAFleanとに交互に設定される。ステップS212の後、本制御ルーチンは終了する。
<学習制御の制御ルーチン>
以下、図16のフローチャートを参照して、本実施形態における学習制御について説明する。図16は、本実施形態における学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、空燃比制御部(ECU31)によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、上述した学習制御(通常学習制御、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)の実行の可否が制御される。
最初に、ステップS301において、燃料圧力低減制御が実行中であるか否かが判定される。燃料圧力低減制御が実行中でないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS302に進む。ステップS302では、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実行される。
次いで、ステップS303では、事前リーン制御又は強リーン制御が実行中であるか否かが判定される。事前リーン制御又は強リーン制御が実行中でないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS304に進む。ステップS304では、通常学習制御が実行される。ステップS304の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS303において事前リーン制御又は強リーン制御が実行中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS305に進む。ステップS305では、通常学習制御が停止せしめられる。ステップS305の後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップS301において燃料圧力低減制御が実行中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS306に進む。ステップS306では、通常学習制御及びリッチ張付き学習制御が停止せしめられる。ステップS306の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップS302において、全ての学習制御(通常学習制御、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)が停止せしめられてもよい。
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。