JP2020118084A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサによる空燃比の検出精度の低下を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４０，４１と、空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置６１と、空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置６０と、電圧印加装置を介して空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部８１とを備える。電圧制御部は、空燃比センサに流入する流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに出力電流がゼロになるように定められた基準電圧に印加電圧を設定し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されているときに電流検出装置によって検出された出力電流がゼロになるように基準電圧を補正する。【選択図】図１２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。
従来、内燃機関の排気通路に触媒及び空燃比センサを配置することが知られている。空燃比センサの出力に基づいて混合気の空燃比を制御することによって排気ガスが触媒において効果的に浄化され、ひいては排気エミッションが改善される。
しかしながら、経年劣化、個体バラツキ等によって空燃比センサの出力にずれが生じる場合がある。このため、特許文献１に記載の内燃機関の制御装置では、触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサの出力が補正される。具体的には、燃料カット制御後のリッチ制御によって下流側空燃比センサに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるタイミングで検出された下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差に基づいて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が補正される。
特開２０１６−０３１０４１号公報
上記の下流側空燃比センサでは、初期設定において、下流側空燃比センサ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出力電流がゼロになるように印加電圧が設定されている。出力電流がゼロである場合には、空燃比センサに電流が流れないため、排気ガスの温度又は圧力の変動、回路誤差等による出力電流のバラツキが低減される。
一方、下流側空燃比センサの出力にずれが生じると、下流側空燃比センサに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときの出力電流がゼロ以外の値となる。このため、下流側空燃比センサに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比であったとしても、このときの出力電流のバラツキが大きくなる。
上記の補正方法では、下流側空燃比センサの出力のずれが演算によって補正されるため、下流側空燃比センサの特性が初期設定からずれたままとなる。このため、下流側空燃比センサの出力電流のバラツキによって、空燃比の検出精度が低下するおそれがある。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサによる空燃比の検出精度の低下を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
本開示の要旨は以下のとおりである。
（１）内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置と、前記空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置と、前記電圧印加装置を介して前記空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部とを備え、前記電圧制御部は、前記空燃比センサに流入する流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに前記出力電流がゼロになるように定められた基準電圧に前記印加電圧を設定し、前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されているときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、内燃機関の制御装置。
（２）酸素を吸蔵可能な触媒が前記排気通路に配置され、前記空燃比センサは前記触媒の下流側に配置される、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置。
（３）前記空燃比制御部は、前記燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行し、該燃料カット制御後に、前記触媒の酸素吸蔵量がゼロになるように前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比にするリッチ制御を実行し、前記電圧制御部は、前記リッチ制御が実行され且つ前記出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、上記（２）に記載の内燃機関の制御装置。
（４）前記空燃比制御部は、前記燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行し、該燃料カット制御後に前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、前記電圧制御部は、前記リッチ制御が実行され且つ前記出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、上記（３）に記載の内燃機関の制御装置。
（５）前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量がゼロと最大酸素吸蔵量との間で変化するように前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比とに切り替えるアクティブ制御を実行し、前記電圧制御部は、前記アクティブ制御が実行され且つ前記出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、上記（３）に記載の内燃機関の制御装置。
（６）前記電圧制御部は、前記基準電圧と、該基準電圧とは異なる切替電圧との間で前記印加電圧を切り替え、前記基準電圧を補正する場合、前記出力電流がゼロであるときに前記基準電圧に対応する前記空燃比センサの排気側電極上の酸素濃度と、前記出力電流がゼロであるときに前記切替電圧に対応する前記空燃比センサの排気側電極上の酸素濃度との差が一定となるように前記切替電圧を補正する、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサによる空燃比の検出精度の低下を抑制することができる内燃機関の制御装置が提供される。
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、三元触媒の浄化特性を示す。 図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。 図４は、空燃比センサの動作を概略的に示す図である。 図５は、電気回路の具体例を示す。 図６は、空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。 図７は、図６のＸ−Ｘ領域における電圧−電流特性を示す図である。 図８は、排気ガスの空燃比と出力電流との関係を示すグラフである。 図９は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧と排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。 図１０は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を概略的に示す図である。 図１１は、燃料カット制御後にリッチ制御が実行されるときの空燃比制御の種類及び下流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。 図１２は、本発明の第一実施形態における電圧補正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されているときに検出された出力電流に基づいて基準電圧の補正量を算出するためのマップを示す図である。 図１４は、アクティブ制御が実行されるときの混合気の目標空燃比及び下流側空燃比センサの出力電流のタイムチャートである。 図１５は、本発明の第二実施形態における電圧補正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧と排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。 図１７は、図１６のＹ領域の概略的な拡大図である。 図１８は、本発明の第三実施形態における電圧補正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
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。
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図１３を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。
図１を参照すると、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。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。
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等は、空気を燃焼室５に導く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、下流側触媒２３を内蔵した下流側ケーシング２４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、下流側ケーシング２４等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。
内燃機関の各種制御は、内燃機関に設けられた各種センサの出力等に基づいて電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。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及び出力ポート３７を備える。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、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、すなわち上流側触媒２０の上流側には、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。上流側空燃比センサ４０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、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）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。下流側空燃比センサ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、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。ＣＰＵ３５は負荷センサ４３の出力に基づいて機関負荷を算出する。
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はクランク角センサ４４の出力に基づいて機関回転数を算出する。
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、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、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、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、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。
＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２３は同様な構成を有する。触媒２０、２３は、酸素吸蔵能力を有する触媒であり、例えば三元触媒である。具体的には、触媒２０、２３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））及び酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。
図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０、２３による未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率は、触媒２０、２３に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０、２３は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ガス及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。
また、触媒２０、２３は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０、２３は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２３は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０、２３の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０、２３において未燃ガス及び窒素酸化物が効果的に浄化される。
なお、触媒２０、２３は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒以外の触媒であってもよい。
＜空燃比センサの構成＞
排気通路に配置された上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１は同様な構成を有する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極を含むセンサセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
図３に示したように、空燃比センサ４０、４１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５３と、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４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを備える。
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。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間に被測ガス室５７が形成される。排気通路を流れる排気ガスの一部は拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置される。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。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空燃比センサ４０、４１が構成されてもよい。
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、基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、基準ガスとして大気が基準ガス室５８に導入される。大気側電極５３は基準ガス室５８内に配置される。したがって、大気側電極５３は基準ガス（大気）に曝される。
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、ヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１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、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層５１は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体である。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及び大気側電極５３には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を含む。電圧印加装置６０は、大気側電極５３の電位が排気側電極５２の電位よりも高くなるように空燃比センサ４０、４１に電圧を印加する。したがって、排気側電極５２は負極として機能し、大気側電極５３は正極として機能する。ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して電圧印加装置６０に接続されている。したがって、ＥＣＵ３１は電圧印加装置６０を介して空燃比センサ４０への印加電圧を制御することができる。
また、電流検出装置６１は、排気側電極５２と大気側電極５３との間を流れる電流、すなわち空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出する。電流検出装置６１の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介してＥＣＵ３１の入力ポート３６に入力される。したがって、ＥＣＵ３１は、電流検出装置６１によって検出された空燃比センサ４０、４１の出力電流を取得することができる。
＜空燃比センサの動作＞
次に、図４を参照して、空燃比センサ４０、４１の基本的な動作について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示す図である。空燃比センサ４０、４１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排気通路に配置される。また、空燃比センサ４０、４１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は酸化物イオン伝導性を有する。このため、活性化された固体電解質層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化物イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する。斯かる特性は酸素電池特性と称される。
一方、固体電解質層５１の両側面間に電位差が与えられると、固体電解質層の両側面間に電位差に応じた酸素濃度比が生じるように、酸化物イオンが移動する。斯かる特性は酸素ポンピング特性と称される。
空燃比センサ４０、４１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のときには、排気ガス中の酸素濃度が高いため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はそれほど大きくない。このため、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、センサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比よりも小さくなる。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に対応する酸素濃度比に近付くように、図４（Ａ）に示されたように、排気側電極５２から大気側電極５３に向かって酸化物イオンが移動する。この結果、電圧印加装置６０の正極から電圧印加装置６０の負極へ電流Ｉｒが流れる。このとき、電流検出装置６１によって正の電流が検出される。また、電流Ｉｒの値は、被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比が高いほど大きくなる。
一方、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気側電極５２上の酸素が排気ガス中の未燃ガスと反応して除去される。このため、排気側電極５２における酸素濃度が極めて低くなり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が大きくなる。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の両側面間の酸素濃度比は、センサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比よりも大きくなる。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に対応する酸素濃度比に近付くように、図４（Ｂ）に示されたように、大気側電極５３から排気側電極５２に向かって酸化物イオンが移動する。この結果、電圧印加装置６０の負極から電圧印加装置６０の正極へ電流Ｉｒが流れる。このとき、電流検出装置６１によって負の電流が検出される。また、電流Ｉｒの絶対値は、被測ガス室５７に流入する排気ガス中の未燃ガス濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比が低いほど大きくなる。
また、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比のときには、排気ガス中の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、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に維持される。このため、図４（Ｃ）に示されるように、酸素ポンピング特性による酸化物イオンの移動は起こらず、電流検出装置６１によって検出される電流はゼロになる。
したがって、空燃比センサ４０、４１の出力電流の値は、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比に応じて変動する。このため、ＥＣＵ３１は、電流検出装置６１によって検出された出力電流に基づいて排気ガスの空燃比を推定することができる。なお、排気ガスの空燃比とは、その排気ガスが生成されるまでに供給された燃料の質量に対する空気の質量の比率（空気の質量／燃料の質量）を意味し、排気ガス中の酸素濃度及び還元ガス濃度から推定される。
＜電気回路の具体例＞
図５は、電気回路７０の具体例を示す。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、電極５２、５３間の電位差をＶｓ、電圧印加装置６０によって空燃比センサ４０、４１に印加されるセンサ印加電圧をＶｒと表している。
図５から分かるように、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う。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両電極５２、５３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う。
排気ガスの空燃比が理論空燃比であり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が変化しない場合には、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に対応する酸素濃度比となる。この場合、起電力Ｅ及び電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するため、電流Ｉｒは流れない。
一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が変化する場合には、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に対応する酸素濃度比とは異なる。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。この結果、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の両側面間で酸化物イオンの移動をさせるべく、電極５２、５３間に電位差Ｖｓが付与される。また、酸化物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がセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束する。
また、電流検出装置６１は電流Ｉｒを検出するために電圧Ｅ0を検出する。ここで、Ｅ0は下記式（１）のように表される。
Ｅ0＝Ｖｒ＋Ｖ0＋ＩｒＲ …（１）
ここで、Ｖ0は、Ｅ0が負の値とならないように印加されるオフセット電圧（例えば３Ｖ）であり、Ｒは、図５に示される抵抗の値である。
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は一定であるため、電圧Ｅ0は電流Ｉｒに応じて変化する。したがって、電流検出装置６１は電圧Ｅ0に基づいて電流Ｉｒを算出することができる。
なお、電気回路７０は、空燃比センサ４０、４１に電圧を印加し且つ空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出できれば、図５に示される構成と異なっていてもよい。
＜空燃比センサの出力特性＞
上述した原理の結果、空燃比センサ４０、４１は、図６に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが０以下及び０近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが大きくなる。なお、センサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。
比例領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が少ない。この場合、電圧印加に伴って固体電解質層５１内を移動する酸化物イオンの移動速度が、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される排気ガスの導入速度よりも遅くなる。このため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量がセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流Ｉｒが増加する。なお、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負の値になるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力が生じるためである。
図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが所定値以上になると、出力電流Ｉｒはセンサ印加電圧Ｖｒの値に関わらずほぼ一定の値に維持される。この飽和した電流は限界電流と称され、限界電流が発生する電圧領域は限界電流領域と称される。限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが比例領域よりも高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が比例領域よりも多くなる。この場合、電圧印加に伴って固体電解質層５１内を移動する酸化物イオンの移動速度が、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される排気ガスの導入速度よりも早くなる。このため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量がセンサ印加電圧Ｖｒに応じてほとんど変化しないため、出力電流Ｉｒはセンサ印加電圧Ｖｒの値に関わらずほぼ一定の値に維持される。一方、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じて変化するため、出力電流Ｉｒは排気ガスの空燃比に応じて変化する。
図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが非常に高い領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが大きくなる。センサ印加電圧Ｖｒが非常に高くなると、排気側電極５２において排気ガス中の水が分解される。水の分解によって生じた酸化物イオンは固体電解質層５１内を排気側電極５２から大気側電極５３へ移動する。この結果、水の分解による電流も出力電流Ｉｒとして検出されるため、出力電流Ｉｒが限界電流よりも大きくなる。斯かる電圧領域は水分解領域と称される。
図７は、図６のＸ−Ｘ領域における電圧−電流特性を示す図である。図７から分かるように、限界電流領域においても、排気ガスの空燃比が一定であるときに、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが僅かに大きくなる。このため、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値が排気ガスの空燃比に応じて変化する。
例えば、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖである。排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも低い（リッチである）場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖよりも高い。一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも高い（リーンである）場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖよりも低い。
図８は、排気ガスの空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示すグラフである。図８では、理論空燃比近傍の領域が拡大されている。図８には、センサ印加電圧Ｖｒが、０．３Ｖ、０．４５Ｖ及び０．６Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉｒとの関係が示される。図９は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧Ｖｒと排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。図９では、ｙ軸（排気側電極上の酸素濃度）が対数表示されている。排気ガスの空燃比がリッチであるほど、排気側電極上の酸素濃度は低くなる。図８及び図９から分かるように、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒがゼロとなるときの排気ガスの空燃比は低くなる（リッチになる）。
＜内燃機関の制御装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。図１０は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を概略的に示す図である。内燃機関の制御装置は、下流側空燃比センサ４１、電流検出装置６１、電圧印加装置６０、電圧制御部８１及び空燃比制御部８２を備える。
本実施形態では、ＥＣＵ３１が電圧制御部８１及び空燃比制御部８２を有する。電圧制御部８１及び空燃比制御部８２は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３３に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能ブロック図である。
空燃比制御部８２は、燃焼室５に供給される混合気の空燃比、ひいては上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部８２は、燃料噴射弁１１から燃焼室５に供給される燃料の量を変更することによって混合気の空燃比を制御する。
電圧制御部８１は電圧印加装置６０を介して下流側空燃比センサ４１への印加電圧（以下、単に「印加電圧」という）を制御する。図８に示されるように、印加電圧が変更されると、下流側空燃比センサ４１に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力電流との関係、すなわち上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力電流との関係が変化する。
下流側空燃比センサ４１に電流が流れる場合、排気ガスの温度又は圧力の変動、回路誤差等によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が変化する。一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロである場合には、排気ガスの温度又は圧力の変動、回路誤差等による下流側空燃比センサ４１の出力電流のバラツキが低減される。
本実施形態では、電圧制御部８１は、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように定められた基準電圧に印加電圧を設定する。このことによって、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であることを精度良く検出することができ、ひいては上流側触媒２０から流出する排気ガスの特性の変化を迅速に検出することができる。このため、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比に基づいて混合気の空燃比を制御することによって排気エミッションの悪化を抑制することができる。
しかしながら、経年劣化、個体バラツキ等によって下流側空燃比センサ４１の出力にずれが生じる場合がある。下流側空燃比センサ４１の出力にずれが生じると、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であっても下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロ以外の値になる。この結果、下流側空燃比センサ４１による空燃比の検出精度、特に理論空燃比の検出精度が悪化する。
このため、空燃比の検出精度の悪化による排気エミッションの悪化を抑制するためには、下流側空燃比センサ４１の出力のずれを補正する必要がある。例えば、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流を補正量に設定し、実際に検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流から補正量を減算することが考えられる。
しかしながら、この方法では、下流側空燃比センサ４１の出力のずれが演算によって補正されるため、下流側空燃比センサ４１の特性が初期設定からずれたままとなる。このため、下流側空燃比センサ４１の出力電流のバラツキによって、空燃比の検出精度が低下するおそれがある。
これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力にずれが生じている場合、印加電圧を変更することによって理論空燃比に対応する下流側空燃比センサ４１の出力電流をゼロにする。具体的には、電圧制御部８１は、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されているときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように基準電圧を補正する。このことによって、下流側空燃比センサ４１の特性が初期の理想的な状態となり、下流側空燃比センサ４１の出力電流のバラツキが低減される。この結果、下流側空燃比センサ４１による空燃比の検出精度の低下を抑制することができる。
上述したように基準電圧を補正するためには、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にする必要がある。上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロと最大酸素吸蔵量との間で変化する場合、上流側触媒２０の排気浄化特性によって流入排気ガスの空燃比が少なくとも一時的に理論空燃比となる。このため、空燃比制御部８２は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロと最大酸素吸蔵量との間で変化するように混合気の空燃比を制御する。
また、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるとき、下流側空燃比センサ４１の出力電流の変化量が小さくなる。このため、電圧制御部８１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように基準電圧を補正する。このことによって、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときの出力電流に基づいて、下流側空燃比センサ４１に印加される基準電圧を精度良く補正することができる。
本実施形態では、空燃比制御部８２は、所定の実行条件が成立しているときに、燃焼室５への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行する。空燃比制御部８２は、燃料カット制御において、燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止することで燃焼室５への燃料供給を停止する。所定の実行条件は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに成立する。
燃料カット制御が実行されると、空気又は空気と同様なガスが排気通路に排出されて上流側触媒２０に流入する。この結果、上流側触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する。また、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達すると、下流側触媒２３にも多量の酸素が流入し、下流側触媒２３の酸素吸蔵量も最大酸素吸蔵量に達する。
このため、燃料カット制御が所定時間以上継続されると、上流側触媒２０及び下流側触媒２３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量となる。上流側触媒２０及び下流側触媒２３の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量であるとき、上流側触媒２０及び下流側触媒２３は排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することができない。このため、燃料カット制御後に理論空燃比比よりもリーンな排気ガスが上流側触媒２０及び下流側触媒２３に流入すると、上流側触媒２０及び下流側触媒２３において排気ガス中のＮｏｘが浄化されず、排気エミッションが悪化するおそれがある。
そこで、本実施形態では、空燃比制御部８２は、燃料カット制御後に、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロになるように混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。このことによって、上流側触媒２０及び下流側触媒２３の酸素吸蔵量を減少させることができ、燃料カット制御後に排気エミッションが悪化することを抑制することができる。
空燃比制御部８２は、リッチ制御において、混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、上流側空燃比センサ４０によって検出される空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御する。なお、空燃比制御部８２は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部８２は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が混合気の目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と混合気の目標空燃比とから算出された燃料量を燃焼室５に供給する。
また、空燃比制御部８２は、リッチ制御を開始したときからの吸入空気量の合計が所定量に達したと判定したときに、リッチ制御を終了する。所定量は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量からゼロまで減少するのに必要な量よりも多くされる。なお、空燃比制御部８２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よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときにリッチ制御を終了してもよい。
リッチ制御によって流入排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比から理論空燃比に向かって変化する。上流側触媒２０の酸素吸蔵量が適切な範囲である間、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持され、下流側空燃比センサ４１の出力電流はほぼ一定となる。このため、電圧制御部８１は、リッチ制御が実行され且つ下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように基準電圧を補正する。
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図１１は、燃料カット制御後にリッチ制御が実行されるときの空燃比制御の種類及び下流側空燃比センサ４１の出力電流のタイムチャートである。下流側空燃比センサ４１には、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように定められた基準電圧が印加されている。本実施形態では、図８から分かるように、基準電圧の初期値は０．４５Ｖである。
図１１の例では、時刻ｔ０において燃料カット制御が実行されている。時刻ｔ０では、燃料カット制御によって下流側空燃比センサ４１の出力電流が非常に大きい値になっている。すなわち、流入排気ガスの空燃比のリーン度合が大きくなっている。
図１１の例では、時刻ｔ１において燃料カット制御が終了し、リッチ制御が開始される。この結果、時刻ｔ１の後、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロに向かって減少する。すなわち、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比に向かって変化する。その後、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下となる。この結果、時刻ｔ２〜時刻ｔ３において流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定される。
下流側空燃比センサ４１に基準電圧が印加されているため、下流側空燃比センサ４１の出力電流にずれが生じていない場合には、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されている時間Ｔｓｔに検出される下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｓｔはゼロになる。一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流にずれが生じている場合、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｓｔはゼロ以外の値になる。
図１１の例では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｓｔがゼロよりも大きい。このため、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｓｔがゼロになるように基準電圧が補正される。図８から分かるように、基準電圧を高くすることによって下流側空燃比センサ４１の出力電流を大きくすることができ、基準電圧を低くすることによって下流側空燃比センサ４１の出力電流を小さくすることができる。このため、図１１の例では、基準電圧が低くされる。
＜電圧補正処理＞
以下、図１２のフローチャートを参照して、本実施形態において基準電圧を補正するための制御について詳細に説明する。図１２は、本発明の第一実施形態における電圧補正処理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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンにおいて下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出されるときには、印加電圧が基準電圧に設定され、下流側空燃比センサ４１に基準電圧が印加される。基準電圧の初期値は、予め定められ、０．４５Ｖに設定される。
最初に、ステップＳ１０１において、電圧制御部８１は、基準電圧を補正するための実行条件が成立しているか否かを判定する。実行条件は、例えば、下流側空燃比センサ４１のセンサ素子の温度が活性温度以上であり且つ基準電圧が前回補正されたときから所定時間が経過しているときに成立する。下流側空燃比センサ４１のセンサ素子の温度は例えばセンサ素子のインピーダンスに基づいて算出される。ステップＳ１０１において実行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。一方、ステップＳ１０１において実行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、電圧制御部８１は、燃料カット制御後のリッチ制御が実行されているか否かを判定する。燃料カット制御後のリッチ制御が実行されていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、燃料カット制御後のリッチ制御が実行されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３では、電圧制御部８１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎが基準値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Ｉｄｗｎは電流検出装置６１によって検出される。基準値Ｉｒｅｆは、予め定められ、図１１に示されるように、燃料カット制御中に検出される下流側空燃比センサ４１の出力電流未満の値に設定される。ステップＳ１０３において出力電流Ｉｄｗｎが基準値Ｉｒｅｆよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０３において出力電流Ｉｄｗｎが基準値Ｉｒｅｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４では、電圧制御部８１は、出力電流Ｉｄｗｎの所定時間当たりの変化量ΔＩｄｗｎが所定値Ａ以下であるか否かを判定する。所定値Ａは、予め定められ、例えば、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されるときに検出される変化量ΔＩｄｗｎの最大値に設定される。ステップＳ１０４において変化量ΔＩｄｗｎが所定値Ａよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０４において変化量ΔＩｄｗｎが所定値Ａ以下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。この場合、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定される。
ステップＳ１０５では、電圧制御部８１は下流側空燃比センサ４１の積算出力電流ΣＩｄｗｎを更新する。具体的には、電圧制御部８１は、新たに検出された出力電流Ｉｄｗｎを現在の積算出力電流ΣＩｄｗｎに加算した値を新たな積算出力電流ΣＩｄｗｎに設定する。
次いで、ステップＳ１０６において、電圧制御部８１は検出回数Ｎに１を加算する。検出回数Ｎの初期値はゼロである。
次いで、ステップＳ１０７において、電圧制御部８１は、検出回数Ｎが基準回数Ｎｒｅｆ以上であるか否かを判定する。基準回数Ｎｒｅｆは予め定められる。ステップＳ１０７において検出回数Ｎが基準回数Ｎｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０７において検出回数Ｎが基準回数Ｎｒｅｆ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Ｓ１０８に進む。
ステップＳ１０８では、電圧制御部８１は、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されているときに検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｓｔを算出する。電圧制御部８１は、ステップＳ１０５において加算された複数の出力電流Ｉｄｗｎを平均化することによって出力電流Ｉｓｔを算出する。具体的には、電圧制御部８１は、下流側空燃比センサ４１の積算出力電流ΣＩｄｗｎを基準回数Ｎｒｅｆで除算することによって出力電流Ｉｓｔを算出する。なお、複数の出力電流Ｉｄｗｎから最大値及び最小値を除いた値を用いて出力電流Ｉｓｔが算出されてもよい。
次いで、ステップＳ１０９において、電圧制御部８１は出力電流Ｉｓｔに基づいて基準電圧を補正する。具体的には、電圧制御部８１は出力電流Ｉｓｔがゼロになるように基準電圧を補正する。例えば、電圧制御部８１は、図１３に示されるようなマップを用いて、基準電圧の補正量を算出する。電圧制御部８１は、出力電流Ｉｓｔが正である場合には、負の補正量を基準電圧に加算し、基準電圧を低くする。一方、電圧制御部８１は、出力電流Ｉｓｔが負である場合には、正の補正量を基準電圧に加算し、基準電圧を高くする。図１３から分かるように、補正後の基準電圧は、出力電流Ｉｓｔが大きいほど低くなる。
なお、基準電圧が限界電流領域から外れないように、基準電圧の上限値及び下限値が予め定められる。本実施形態では、上限値が０．８Ｖに設定され、下限値が０．１Ｖに設定される。すなわち、基準電圧は０．４５Ｖ±０．３５Ｖの範囲に設定される。補正によって基準電圧が上限値又は下限値に達する場合には、電圧制御部８１は基準電圧の補正を中止する。この場合、出力電流Ｉｓｔが補正量に設定され、実際に検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流から出力電流Ｉｓｔを減算した値に基づいて流入排気ガスの空燃比が算出されてもよい。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力電流が演算によって補正されてもよい。
基準電圧の補正によって基準電圧の値が更新され、印加電圧が補正後の基準電圧の値に変更される。印加電圧が変更されるタイミングは、例えば、基準電圧が補正されたとき、又は基準電圧の補正後に内燃機関が再始動されたときである。
次いで、ステップＳ１１０において、電圧制御部８１は積算出力電流ΣＩｄｗｎ及び検出回数Ｎをゼロにリセットする。ステップＳ１１０の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ１０５及びステップＳ１０６が省略され、ステップＳ１０８において、電圧制御部８１は、電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎを出力電流Ｉｓｔとして取得してもよい。すなわち、複数の出力電流Ｉｄｗｎの平均値として出力電流Ｉｓｔが算出されなくてもよい。
また、本実施形態では、電圧制御部８１は、一回の補正によって出力電流Ｉｓｔがゼロになるように基準電圧を補正する。しかしながら、電圧制御部８１は、複数回の補正によって出力電流Ｉｓｔがゼロになるように基準電圧を補正してもよい。この場合、例えば、出力電流Ｉｓｔを所定値で除算した値に基づいて基準電圧の補正量が算出され、又は出力電流Ｉｓｔに基づいて算出された基準電圧の補正量を所定値で除算した値が最終的な補正量に設定される。このことによって、出力電流Ｉｓｔに誤差が生じた場合に、基準電圧の補正によって下流側空燃比センサ４１による空燃比の検出精度が悪化することを抑制することができる。
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第二実施形態では、基準電圧を補正するために、第一実施形態とは異なる空燃比制御によって流入排気ガスの空燃比が理論空燃比にされる。具体的には、空燃比制御部８２は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロと最大酸素吸蔵量との間で変化するように混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比とに切り替えるアクティブ制御を実行する。
空燃比制御部８２は、アクティブ制御において、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したときに混合気の目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替え、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに混合気の目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。
リッチ設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される。リーン設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチであり且つリッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比に設定される。このため、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロになる。リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンであり且つリーン設定空燃比よりもリッチな空燃比に設定される。このため、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量になる。
また、空燃比制御部８２は、アクティブ制御において、上流側空燃比センサ４０によって検出される空燃比が混合気の目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御する。なお、空燃比制御部８２は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が混合気の目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部８２は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が混合気の目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と混合気の目標空燃比とから算出された燃料量を燃焼室５に供給する。
目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えることによって流入排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比から理論空燃比に向かって変化する。一方、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えることによって流入排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比から理論空燃比に向かって変化する。上流側触媒２０の酸素吸蔵量が適切な範囲である間、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持され、下流側空燃比センサ４１の出力電流はほぼ一定となる。このため、電圧制御部８１は、アクティブ制御が実行され且つ下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように基準電圧を補正する。
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図１４は、アクティブ制御が実行されるときの混合気の目標空燃比及び下流側空燃比センサ４１の出力電流のタイムチャートである。下流側空燃比センサ４１には基準電圧が印加され、基準電圧の初期値は０．４５Ｖである。
時刻ｔ０では、目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＬに設定されている。リーン設定空燃比ＡＦＬは例えば１５．１に設定される。時刻ｔ０の後、時刻ｔ１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電流Ｉｌｅａｎに達する。リーン判定電流Ｉｌｅａｎは、リーン判定空燃比（例えば１４．６５）に対応する出力電流である。
時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したため、目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＬからリッチ設定空燃比ＡＦＲに切り替えられる。リッチ設定空燃比ＡＦＲは例えば１４．１に設定される。
目標空燃比の切替によって下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロに向かって減少する。すなわち、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比に向かって変化する。その後、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下となる。この結果、時刻ｔ２〜時刻ｔ３において流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定される。
図１４の例では、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＲに設定されているときに流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されている時間Ｔｓｔ１に検出される下流側空燃比センサ４１の出力電流はゼロである。この場合、下流側空燃比センサ４１の出力電流にずれが生じていないため、基準電圧が補正されない。
時刻ｔ３の後、時刻ｔ４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電流Ｉｒｉｃｈに達する。リッチ判定電流Ｉｒｉｃｈは、リッチ判定空燃比（例えば１４．５５）に対応する出力電流である。
時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したため、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＬからリーン設定空燃比ＡＦＬに切り替えられる。
目標空燃比の切替によって下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロに向かって増大する。すなわち、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比に向かって変化する。その後、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下となる。この結果、時刻ｔ５〜時刻ｔ６において流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定される。
図１４の例では、目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＬに設定されているときに流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されている時間Ｔｓｔ２に検出される下流側空燃比センサ４１の出力電流はゼロである。この場合、下流側空燃比センサ４１の出力電流にずれが生じていないため、基準電圧が補正されない。
時刻ｔ６の後、時刻ｔ７において、下流側空燃比センサ４１の出力電流が再びリーン判定電流Ｉｌｅａｎに達し、目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＬからリッチ設定空燃比ＡＦＲに切り替えられる。
＜電圧補正処理＞
図１５は、本発明の第二実施形態における電圧補正処理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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンにおいて下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出されるときには、印加電圧が基準電圧に設定され、下流側空燃比センサ４１に基準電圧が印加される。基準電圧の初期値は、予め定められ、０．４５Ｖに設定される。
最初に、ステップＳ２０１において、図１２のステップＳ１０１と同様に、電圧制御部８１は、基準電圧を補正するための実行条件が成立しているか否かを判定する。ステップＳ１０１において実行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。一方、ステップＳ１０１において実行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Ｓ２０２では、空燃比制御部８２はアクティブ制御を実行する。次いで、ステップＳ２０３において、図１２のステップＳ１０４と同様に、電圧制御部８１は、出力電流Ｉｄｗｎの所定時間当たりの変化量ΔＩｄｗｎが所定値Ａ以下であるか否かを判定する。ステップＳ２０３において変化量ΔＩｄｗｎが所定値Ａよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ２０３において変化量ΔＩｄｗｎが所定値Ａ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０４〜ステップＳ２０９は、図１２のステップＳ１０５〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。なお、本制御ルーチンは図１２の制御ルーチンと同様に変形可能である。
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第三実施形態では、電圧制御部８１は、基準電圧と、基準電圧とは異なる切替電圧との間で印加電圧を切り替える。下流側空燃比センサ４１によって所定の空燃比を精度良く検出するためには、所定の空燃比に対応する下流側空燃比センサ４１の出力電流をゼロに近付けることが望ましい。
図８から分かるように、印加電圧を高くすることによって、ゼロの出力電流に対応する空燃比をリッチ側にずらすことができる。一方、印加電圧を低くすることによって、ゼロの出力電流に対応する空燃比をリーン側にずらずことができる。このため、例えば、電圧制御部８１は、混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である場合には印加電圧を第１切替電圧に設定し、混合気の目標空燃比が理論空燃比である場合には印加電圧を基準電圧に設定し、混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比である場合には印加電圧を第２切替電圧に設定する。第１切替電圧は基準電圧よりも高く、第２切替電圧は基準電圧よりも低い。なお、切替電圧の数は２以外であってもよい。
下流側空燃比センサ４１の出力のずれを補正すべく基準電圧を補正する場合、切替電圧も補正する必要がある。しかしながら、切替電圧を補正するために基準電圧の補正量が切替電圧にも加算される場合、出力電流がゼロであるときに基準電圧に対応する空燃比と、出力電流がゼロであるときに切替電圧に対応する空燃比との対応関係が補正によって変化するおそれがある。
図１６は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧Ｖｒと排気側電極上の酸素濃度（以下、単に「酸素濃度」という）との関係を示すグラフである。図１６は図９と同様の図であるが、図１６ではｙ軸（排気側電極上の酸素濃度）が対数表示されていない。図１７は、図１６のＹ領域の概略的な拡大図である。
図１７には、出力電流がゼロであるときに補正前の基準電圧Ｖｒｅｆに対応する酸素濃度が白い丸で示され、出力電流がゼロであるときに補正後の基準電圧Ｖｒｅｆｃに対応する酸素濃度が黒い丸で示されている。この例では、補正によって基準電圧が低くされる。
また、図１７には、出力電流がゼロであるときに補正前の切替電圧Ｖｓｗに対応する酸素濃度が白い四角で示され、出力電流がゼロであるときに補正後の切替電圧Ｖｓｗｃに対応する酸素濃度が黒い四角で示されている。
電圧制御部８１は、基準電圧を補正する場合、出力電流がゼロであるときに基準電圧に対応する酸素濃度と、出力電流がゼロであるときに切替電圧に対応する酸素濃度との差が一定となるように切替電圧を補正する。このことによって、基準電圧において精度良く検出される空燃比（理論空燃比）と、切替電圧において精度良く検出される空燃比との対応関係が補正によって変化することを抑制することができる。
図１７には、出力電流がゼロであるときに補正前の基準電圧Ｖｒｅｆに対応する酸素濃度と、出力電流がゼロであるときに補正後の基準電圧Ｖｒｅｆｃに対応する酸素濃度との差ＯＤｒｅｆと、出力電流がゼロであるときに補正前の切替電圧Ｖｓｗに対応する酸素濃度と、出力電流がゼロであるときに補正後の切替電圧Ｖｓｗｃに対応する酸素濃度との差ＯＤｓｗとが示されている。上記のように切替電圧を補正することによって、差ＯＤｓｗは差ＯＤｒｅｆと等しくなる。
＜電圧補正処理＞
図１８は、本発明の第三実施形態における電圧補正処理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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンにおいて下流側空燃比センサ４１の出力電流が検出されるときには、印加電圧が基準電圧に設定され、下流側空燃比センサ４１に基準電圧が印加される。基準電圧の初期値は、予め定められ、０．４５Ｖに設定される。
ステップＳ３０１〜ステップＳ３０９は、図１２のステップＳ１０１〜ステップＳ１０９と同様であることから説明を省略する。
本制御ルーチンでは、ステップＳ３０９の後、ステップＳ３１０において、電圧制御部８１は、出力電流がゼロであるときに基準電圧に対応する酸素濃度と、出力電流がゼロであるときに切替電圧に対応する酸素濃度との差が一定となるように切替電圧を補正する。
具体的には、電圧制御部８１は、マップ又は計算式を用いて、出力電流がゼロであるときに補正後の基準電圧に対応する酸素濃度を算出する。次いで、電圧制御部８１は、出力電流がゼロであるときに補正後の基準電圧に対応する酸素濃度に初期濃度差を加算することによって目標酸素濃度を算出する。初期濃度差は、出力電流がゼロであるときに基準電圧の初期値に対応する酸素濃度と、出力電流がゼロであるときに切替電圧の初期値に対応する酸素濃度との差であり、実験、シミュレーション等によって予め定められる。最後に、電圧制御部８１は、マップ又は計算式を用いて、出力電流がゼロであるときに酸素濃度が目標酸素濃度になる印加電圧を補正後の切替電圧として算出する。
次いで、ステップＳ３１１において、電圧制御部８１は積算出力電流ΣＩｄｗｎ及び検出回数Ｎをゼロにリセットする。ステップＳ３１１の後、本制御ルーチンは終了する。なお、本制御ルーチンは図１２の制御ルーチンと同様に変形可能である。
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。
空燃比制御の種類に関わらず、下流側空燃比センサ４１の出力電流が所定範囲内にあり且つ下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときには、上流側触媒２０による排気ガスの浄化によって流入排気ガスの空燃比が理論空燃比になっている可能性が高い。このため、電圧制御部８１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流が所定範囲内にあり且つ下流側空燃比センサ４１の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに電流検出装置６１によって検出された下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように基準電圧を補正してもよい。この場合、基準電圧を補正するために必ずしも空燃比制御部８２によって所定の空燃比制御が実行される必要はない。
また、下流側空燃比センサ４１は下流側触媒２３の下流側に配置されてもよい。また、内燃機関の制御装置は下流側空燃比センサ４１に加えて又は下流側空燃比センサ４１の代わりに上流側空燃比センサ４０を備えていてもよい。すなわち、下流側空燃比センサ４１と同様に、上流側空燃比センサ４０に印加される基準電圧及び切替電圧が補正されてもよい。この場合、例えば、空燃比制御部８２は混合気の目標空燃比を理論空燃比に設定し、電圧制御部８１は、上流側空燃比センサ４０の出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに検出された上流側空燃比センサ４０の出力電流がゼロになるように基準電圧を補正する。
２０ 上流側触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 下流側空燃比センサ
６０ 電圧印加装置
６１ 電流検出装置
８１ 電圧制御部
８２ 空燃比制御部

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
    前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置と、
    前記空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置と、
    前記電圧印加装置を介して前記空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部と
    を備え、
    前記電圧制御部は、前記空燃比センサに流入する流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに前記出力電流がゼロになるように定められた基準電圧に前記印加電圧を設定し、前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定されているときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、内燃機関の制御装置。
  2. 酸素を吸蔵可能な触媒が前記排気通路に配置され、前記空燃比センサは前記触媒の下流側に配置される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記内燃機関の燃焼室に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御部を更に備え、
    前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量がゼロと最大酸素吸蔵量との間で変化するように前記混合気の空燃比を制御し、
    前記電圧制御部は、前記出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記空燃比制御部は、前記燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行し、該燃料カット制御後に、前記触媒の酸素吸蔵量がゼロになるように前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比にするリッチ制御を実行し、
    前記電圧制御部は、前記リッチ制御が実行され且つ前記出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量がゼロと最大酸素吸蔵量との間で変化するように前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比とに切り替えるアクティブ制御を実行し、
    前記電圧制御部は、前記アクティブ制御が実行され且つ前記出力電流の所定時間当たりの変化量が所定値以下であるときに前記電流検出装置によって検出された前記出力電流がゼロになるように前記基準電圧を補正する、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記電圧制御部は、前記基準電圧と、該基準電圧とは異なる切替電圧との間で前記印加電圧を切り替え、前記基準電圧を補正する場合、前記出力電流がゼロであるときに前記基準電圧に対応する前記空燃比センサの排気側電極上の酸素濃度と、前記出力電流がゼロであるときに前記切替電圧に対応する前記空燃比センサの排気側電極上の酸素濃度との差が一定となるように前記切替電圧を補正する、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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