JP3572927B2

JP3572927B2 - Air-fuel ratio control device for internal combustion engine

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Publication number: JP3572927B2
Application number: JP04960798A
Authority: JP
Inventors: 俊成永井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2018-03-02
Also published as: JPH11247687A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関排気通路の排気浄化触媒上流の側排気通路に配置した空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を制御する空燃比制御装置に関し、詳細には排気中の水素濃度の変化による空燃比センサ出力特性の変化を補償する手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に排気空燃比を検出する空燃比センサを配置し、空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置が知られている。例えば、この種の空燃比制御装置の例としては特開平９−１２６０１２号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、内燃機関の排気通路に設けた排気浄化触媒の上流側と下流側とに、それぞれ排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ_２センサを配置し、これら２つのＯ_２センサ出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比に制御している。
【０００３】
ところで、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ_２センサ等の空燃比センサを使用して機関空燃比を制御する場合には、排気中に水素が存在すると正確な空燃比制御ができなくなる問題がある。
一般に、Ｏ_２センサ等の排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサでは、センサの検出部（電極）に到達する排気中の酸素濃度と外部大気中の酸素濃度との差により生じる起電力等により排気中の酸素濃度を検出し、この排気酸素濃度から排気空燃比を検出している。このため、検出部に到達する排気の酸素濃度と実際の排気酸素濃度との間に差が生じると正確な空燃比検出を行うことができなくなる。例えば、排気中に水素が存在する場合には、水素の影響によりセンサ検出部に到達する排気の酸素濃度が実際の排気酸素濃度から変化してしまうため、空燃比センサ出力に誤差を生じ空燃比を正確に目標値に制御できなくなる場合が生じる。
【０００４】
一般に、水素は機関燃焼室で発生するＨ_２Ｏ、ＣＯ、ＨＣ（未燃炭化水素）等が、
Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
ＨＣ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋（５／２）Ｈ_２
等の水性ガス還元反応を生じることにより生成される。この反応は、高温時ほど生じやすく、また、排気中のＨＣ、ＣＯ成分が多いほど、すなわち排気空燃比がリッチであるほど発生する水素の量が多くなる。従って、排気がリッチ空燃比かつ高温になるほど排気中の水素濃度が高くなる。
【０００５】
水素は、酸素分子より小さく、空燃比センサ検出部（電極）外側の保護層内での拡散速度が速いため排気中に水素が存在すると空燃比センサ検出部には酸素より早く水素が到達する傾向がある。このため、保護層内側のセンサ検出部では酸素濃度に対する水素濃度の比率が外部排気における比率より高くなる。この結果、検出部（電極）上で水素と酸素が反応すると、検出部における排気中の酸素濃度は外部排気の平衡化した酸素濃度より低くなってしまう。
【０００６】
ここで、「平衡化した酸素濃度」とは排気中の可燃成分（水素等）が排気中の酸素と完全に反応した後の酸素濃度であり、真の排気空燃比に対応する酸素濃度である。上記のように、排気中に水素が存在するとセンサ検出部での酸素濃度は平衡化した排気酸素濃度より低くなるため、空燃比センサは実際の排気空燃比よりリッチな出力を発生することになる。このため、実際の排気空燃比がリッチからリーンに変化した場合も、実際の空燃比がかなりリーンになるまで空燃比センサはリッチ空燃比出力を発生するようになる（すなわち，リッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れるようになる）。従って、このような状態の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を、例えば理論空燃比に制御しようとすると、空燃比が理論空燃比よりリーン側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。
【０００７】
上述の特開平９−１２６０１２号公報の装置では、排気浄化触媒上流側の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を制御し、排気浄化触媒下流側の空燃比センサ出力に基づいて上流側空燃比センサ出力に基づく空燃比制御の特性を決定する制御定数の値を補正するようにしている。そして、下流側空燃比センサ出力が排気中の水素により影響を受けることを防止するために、機関運転状態が水素の発生しやすい状態（高温かつリッチ空燃比運転）であり、かつ下流側空燃比センサが継続的にリッチ空燃比出力を発生したような場合には下流側空燃比センサ出力により決定される上記制御定数の値を補正して、機関空燃比が、よりリッチ空燃比側に移行するようにしている。
【０００８】
上述のように、上記特開平９−１２６０１２号公報の装置では排気中に水素が存在する状態では、水素による下流側空燃比センサ出力特性の変化を補償するように空燃比制御の制御定数を補正している。
一方、特開昭６３−２９０９５６号公報には、排気中の水素により空燃比センサ出力特性が変化することを防止し、水素の有無にかかわらず正確な出力を得ることを目的とした空燃比センサが開示されている。
【０００９】
同公報のセンサは、空燃比センサ検出部（電極）周囲の保護層外側に白金等の触媒層を配置することにより常に平衡化された排気がセンサ検出部に到達するようにした構成とされている。すなわち、保護層外側に白金等の触媒を配置することにより、排気中の水素は触媒上で排気中の酸素と反応して酸化されるため、触媒層を通過した排気は平衡化された状態となり水素が単独では存在しなくなる。このため、センサ検出部（電極）に到達する排気中の酸素濃度は真の排気空燃比に対応した濃度となり、排気中に水素が存在しても空燃比センサは真の空燃比に対応した出力を発生するようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記各公報の装置はそれぞれ以下のような問題がある。
まず、特開平９−１２６０１２号公報の装置は、排気浄化触媒の上流側と下流側との両方に空燃比センサを配置した、いわゆるダブル空燃比センサシステムであるため、同公報の方法を排気浄化触媒の上流側のみに配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて空燃比を制御するシングル空燃比センサシステムに適用することはできない。すなわち、シングル空燃比センサシステムでは機関空燃比は排気浄化上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて直接制御されるため、水素の影響により空燃比センサがリッチ出力を発生すれば機関空燃比は直ちにリーン側に制御されるため（空燃比センサがリーン空燃比出力を発生するまで機関空燃比がリーン空燃比側に誤制御されるため）、実際に排気中に水素が存在しても空燃比センサが継続してリッチ空燃比出力を発生することがない。従って、上記公報の方法ではシングル空燃比センサシステムの排気中に実際に水素が存在するか否かを判定することはできず、制御定数の補正を行うことはできない。
【００１１】
一方、特開昭６３−２９０９５６号公報の空燃比センサでは、空燃比センサ検出部保護層外側に排気ガス平衡化用の触媒を設けたため、空燃比センサの応答遅れが生じる問題が生じる。
白金等の触媒成分は、排気中の酸素濃度が高いときに（すなわち、リーン空燃比の時に）触媒表面に排気中の酸素を酸素イオンの形で吸着する性質がある。このため、排気空燃比がリーンからリッチに変化した場合でも、排気中の水素等の可燃成分はまず触媒表面の酸素イオンと反応し、触媒表面の酸素イオンが反応により消費された後に排気中の酸素と反応するようになる。このため、排気空燃比がリーンからリッチに変化した後も触媒層を通過した排気中の酸素濃度は直ちには低下せず、触媒表面に酸素イオンが存在しなくなるまでの間外部排気の酸素濃度より高い値に保持される。このため、触媒層を通過してセンサ検出部に到達する排気の酸素濃度が真の排気空燃比に対応した値に低下するまでにある程度の時間遅れが生じてしまうことになる。このため、上記特開昭６３−２９０９５６号公報の空燃比センサでは、排気空燃比がリーンからリッチに変化したときのセンサ出力変化の応答性が悪化することになる。このため、空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比を中心としてリッチ側とリーン側とに一定の範囲で周期的に交互に変化させるような空燃比制御装置に上記の触媒付センサを用いると、上記リッチ空燃比の検出遅れのために空燃比が理論空燃比よりリッチ側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。
【００１２】
この問題は、予め上記応答遅れを見込んで空燃比制御の制御定数を設定することである程度解決することができる。しかし実際には、上記応答遅れ時間はセンサ用触媒の劣化とともに変化し、劣化が進むにつれて応答遅れは少なくなる。また、触媒の劣化が更に進みほとんど触媒としての機能を果たさなくなると、非平衡化ガスが直接センサ検出部に到達するようになるため、前述したように検出部では真の排気空燃比に対応した値より酸素濃度が低くなり、逆にリーン空燃比の検出が遅れるようになる。従って、触媒が新しい状態に合致させて上記制御定数を設定したのでは、触媒の劣化程度に応じて空燃比制御の誤差が増大することになる問題が生じてしまう。
【００１３】
上述したように、従来シングル空燃比センサシステムにおいては、排気中の水素の影響による空燃比センサ出力の変化を補償して、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することは、たとえ排気ガス平衡化用触媒をセンサに設けた場合であっても困難であった。しかも、排気浄化触媒下流側では、排気浄化触媒により排気はかなり平衡化されているのに対して、上流側では平衡化の程度が低いため、排気浄化触媒上流側に設置した空燃比センサ出力に基づいて空燃比制御を行うシングル空燃比センサシステムでは排気中の水素濃度の影響ははるかに大きくなる。
【００１４】
また、上述の各問題はＯ_２センサのみならず、例えば片側を排気に接触させ、もう一方の側を大気に接触させた固体電解質に電圧を印可することにより、排気側（低酸素濃度側）から大気側（高酸素濃度側）に酸素イオンを移動させる酸素ポンプを形成し、酸素イオンの移動に伴う電流値の排気酸素濃度による変化に基づいて空燃比に比例する電圧を出力する、いわゆるリニア空燃比センサについても同じ問題が生じる。
【００１５】
本発明は上記問題に鑑み、排気浄化触媒上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を目標空燃比に制御する場合に、排気中の水素の有無にかかわらず常に正確に空燃比を制御することが可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサに到達する排気中の可燃成分を排気中の酸素と反応させて排気を平衡化するセンサ用触媒と、前記空燃比センサ出力の応答遅れに関連する遅れ特性値を検出する特性値検出手段と、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項１の発明では排気を平衡化するセンサ用触媒（以下「センサ触媒」と呼ぶ）を有する空燃比センサが使用される。前述したように、センサ触媒を有する空燃比センサでは排気空燃比のリーンからリッチへの変化に対する検出応答性が低下する。また、この応答性の低下は触媒能力が高いほど大きく、触媒能力の低下につれて短くなる。従って、センサ触媒を有する単一の空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う場合には、センサ触媒の能力が高いほど空燃比が目標空燃比よりリッチ側に制御されやすく能力低下とともに空燃比は徐々にリーン側に制御されるようになる。請求項１の発明では、空燃比センサの上記応答遅れに関連する遅れ特性値を検出し、遅れ特性値に基づいて触媒の能力を判定する。そして、センサ触媒の能力に応じて空燃比制御特性を変更するようにしている。遅れ特性値としては、例えばセンサの検出応答性を直接測定し、この検出応答性（検出遅れ時間）を遅れ特性値として使用しても良い。また、リーンからリッチの変化の検出遅れ時間が大きいほど、空燃比制御周期が大きくなることから、空燃比制御周期（または周波数）を検出して、この周期または周波数を遅れ特性値として使用してもよい。すなわち、本発明の判定手段は、例えば、遅れ時間が大きいほど、または空燃比制御周期が大きいほど（制御周波数が小さいほど）センサ触媒の能力が高いと判定し、補正手段はセンサ触媒の能力が高いほど空燃比がリッチ側に移行するように空燃比制御定数を補正する。これにより、センサ触媒を有する空燃比センサを使用した場合も、使用によるセンサ触媒の能力低下に応じた適切な空燃比が行われるようになる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記空燃比制御手段は、機関に供給する燃料量を補正する空燃比補正係数を前記空燃比センサ出力に基づいてフィードバック制御し、前記特性値検出手段は、前記空燃比制御手段のフィードバック制御周期もしくは前記空燃比補正係数に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項２の発明では、特性値検出手段は遅れ特性値として、空燃比フィードバック制御のフィードバック制御周期（例えば、空燃比の変化周期）または、空燃比補正係数が使用される。
請求項３に記載の発明によれば、前記特性値検出手段は、前記空燃比センサ出力値に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項３の発明では、特性値検出手段は実際の空燃比センサ出力に基づいて遅れ特性値が検出される。この場合、一定の機関運転条件下で機関空燃比が変化したときに、空燃比センサ出力にこの空燃比変化が現れるまでの時間を計測すること等により、空燃比センサ出力から直接センサ出力応答性の変化を遅れ特性値として検出するようにしても良い。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、前記判定手段は、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力とともに、前記空燃比センサの出力特性の変化を判定し、前記補正手段は、前記判定手段の判定した触媒能力と空燃比センサの出力特性の変化とに基づいて前記制御定数を補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２２】
請求項４の発明では、空燃比センサ出力の遅れ特性値に基づいてセンサ触媒の能力を判定する他、空燃比センサの出力特性自体の変化を判定する。空燃比センサは、使用により出力特性が変化する。例えば、センサ触媒が劣化してほとんど触媒としての機能を失ったような状態で、空燃比センサが劣化（例えば検出部電極が劣化）すると、空燃比センサ出力は真の排気空燃比より酸素濃度が低い側（すなわちリッチ側）にシフトする。また、センサ触媒劣化時にセンサ検出部保護層の目詰まりなどが生じると、分子の大きい酸素が検出部に到達しにくくなるため、同様に空燃比センサ出力はリッチ空燃比側にシフトするようになる。このような状態では、空燃比センサ出力のリッチからリーンへの変化に対する応答遅れが生じるため、空燃比はリーン側に誤制御されるようになる。本発明では、センサ触媒の触媒能力と空燃比センサ出力特性の変化（劣化）との両方を空燃比センサ出力の遅れ特性値に基づいて判定し、センサ触媒と空燃比センサとの劣化状態に応じて空燃比制御の補正を行う。例えば、センサ触媒の劣化程度が少なく触媒としての機能を維持している場合には請求項１と同様に触媒能力が低下するにつれて、空燃比のリッチ側への補正を少なくし、センサ触媒が完全に劣化して触媒としての機能を失ったような状態では、空燃比センサのリッチからリーンへの変化に対する応答性が低下するほど空燃比をリッチ側にシフトするように空燃比制御を補正するようにする。これにより、センサ触媒の能力変化だけでなく、空燃比センサ自体の劣化等による出力特性の変化を補償して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することが可能となる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関の平均空燃比を表す平均空燃比特性値を算出するとともに、該平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、前記算出された水素濃度に基づいて前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２４】
すなわち、請求項５の発明では空燃比センサにはセンサ触媒が設けられていない。このため、前述したように排気中の水素濃度が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比への変化に対する応答性が低下し検出遅れが大きくなる。このため、排気中の水素濃度が高くなるにつれて空燃比はリーン側に制御されるようになる。請求項５の発明では、水素濃度算出手段は機関平均空燃比を表す平均空燃比特性値に基づいて現在の排気中の水素濃度を算出する。例えば、排気中の水素濃度が高くなるほど機関空燃比平均値はリーン側に制御されるため、現在の機関空燃比平均値を排気中に水素がない状態における機関空燃比平均値と比較することにより、現在の排気中の水素濃度を算出することができる。補正手段は、算出された水素濃度に基づいて、例えば水素濃度が高いほど機関空燃比をリッチ側に制御するようにして、水素による機関空燃比のリーン側へのシフトを補正する。これにより、単一の空燃比センサ出力に基づく空燃比制御を行う場合でも、センサ触媒を使用することなく排気中の水素による空燃比制御誤差の発生が防止される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の全体構成を示す概略図である。図１において、１は内燃機関本体を示す。本実施形態では内燃機関１は多気筒機関が使用されており、図１はそのうちの１つの気筒についてのみ示しているが、他の気筒についても同一の構成となっている。
【００２６】
図１において、２は機関１の吸気管、１６は吸気管２に配置され運転者のアクセルペダル２１の操作量に応じた開度をとるスロットル弁、２ａは吸気管２に設けられたサージタンク、２ｂは各気筒の吸気ポートとサージタンク２ａとを接続する吸気マニホルド、７は機関１の各気筒の吸気ポートに加圧燃料を噴射する燃料噴射弁を示す。
【００２７】
本実施形態では、スロットル弁１６には、スロットル弁開度に応じた電圧信号を発生するスロットル開度センサ１７が配置されており、また、サージタンク２ａにはサージタンク内の絶対圧力に応じた電圧信号を発生する吸気管圧力センサ３が接続されている。
また、図１において１１は各気筒の排気ポートを共通の集合排気管１４に接続する排気マニホルドを示している。集合排気管１４には、排気の空燃比が理論空燃比近傍のときに排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Ｘの三成分を同時に浄化可能な排気浄化触媒（三元触媒）１５が配置されている。排気マニホルド１１の各気筒からの排気が合流する排気合流部にはＯ_２センサ１３が設けられている。本実施形態では、Ｏ_２センサ１３は排気中の酸素濃度を検出し空燃比に対応した出力電圧を発生するＯ_２センサが使用されている。本実施形態では、Ｏ_２センサ１３は排気平衡化のためのセンサ触媒を有する、触媒付センサとされている。図２はＯ_２センサ１３の概略構造を説明する図である。
【００２８】
Ｏ_２センサ１３は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等の固体電解質１３０５の両側に２つの白金電極１３０１、１３０３を配置した構成とされ、白金電極１３０３側は多孔質の保護層１３０７、触媒層１３０９を介して機関排気に接触し、白金電極１３０１は大気に接触するように機関排気通路に挿入される。
このように、固体電解質１３０５の両側の白金電極１３０１と１３０３に酸素濃度の異なる気体（大気と排気ガス）を接触させると、電極相互の酸素濃度差により、大気（高酸素濃度）側電極１３０１上では大気中の酸素分子がイオン化し酸化ジルコニウム中を酸素イオンが排気（低酸素濃度）側電極１３０３に向けて移動して電極１３０３上で酸素分子になる。このため、電極１３０１と１３０３との間には酸化ジルコニウム中を流れる酸素イオンの量に応じた起電力が生成される。また、単位時間当たりに流れる酸素イオンの量は大気と排気の酸素濃度差に応じて変化するため、上記起電力を出力電圧として取り出すことにより、排気中の酸素濃度に応じた信号を得ることができる。図３はＯ_２センサ１３の出力特性を示す図である。図３に示すように、Ｏ_２センサ１３出力は理論空燃比近傍で比較的急激に変化する、いわゆるＺ特性を示す。
【００２９】
ところが、排気中に水素が生成されると前述したように保護層１３０９内での拡散速度の差等により、排気側電極１３０３近傍では外部の排気より水素濃度が高くなり、電極上での水素と酸素の反応により排気側電極１３０３上での酸素濃度が保護層１３０７外側の排気より低くなってしまうため、Ｏ_２センサ１３は、保護層１３０７外部の排気の空燃比がかなりリーンにならないとリーン出力を発生しなくなる。すなわち、排気中に水素が存在すると、保護層１３０７外部の排気空燃比に対してＯ_２センサ１３出力は図３に点線で示したように変化するようになる。このため、空燃比のリッチからリーンへの変化の検出に遅れが生じるようになる。
【００３０】
このような、水素の影響を防止するため、本実施形態では、Ｏ_２センサ１３の保護層１３０７外側に触媒担体としてのアルミナ等の多孔質層１３０９を形成し、この担体層に白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒成分を担持させている。保護層１３０７外側に触媒層１３０９を形成したことにより、排気中の水素等の可燃成分は触媒層１３０９上で排気中の酸素と反応し、平衡化された後に保護層１３０７を通って電極１３０３に到達するようになる。このため、排気中に水素が生成された場合でも、水素がそのままの形で電極１３０３に到達することがなくなり、電極１３０３近傍は常に保護層１３０７外部の排気が平衡化された状態で到達するようになる。排気の真の空燃比は排気中の可燃成分と酸素とが完全に反応した状態での排気中の酸素濃度に対応しているため、触媒層１３０９を設けたことにより、Ｏ_２センサ１３は排気中に水素が生成された場合でも真の排気空燃比に対応した出力を発生するようになり、図３に実線で示した本来の出力特性を示すようになる。なお、図２に１３１１で示したのは、機関始動時等の低温時に固体電解質層１３０５中を酸素イオンが移動可能な温度まで早期に昇温させるための電気ヒータである。
【００３１】
図１において、機関本体１のシリンダブロックのウォータジャケット８には、冷却水の温度を検出するための水温センサ９が設けられている。水温センサ９は冷却水の温度に応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。
なお、上述のＯ_２センサ１３、スロットル弁開度センサ１７、吸気管圧力センサ３及び水温センサ９の出力信号は、後述するＥＣＵ１０のマルチプレクサ内蔵Ａ／Ｄ変換器１０１に入力される。
【００３２】
図１に５、６で示すのは、それぞれ機関１のクランク回転角を検出するクランク角センサである。クランク角センサ５は、機関１のカム軸（図示せず）近傍に設けられ、カム軸回転角が、例えばクランク軸回転角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生する。また、クランク角センサ６は、クランク軸近傍に設けられ、クランク軸回転角３０°毎にクランク角検出用パルス信号を発生する。これらクランク角センサ５、６のパルス信号はＥＣＵ１０の入出力インターフェイス１０２に供給され、このうちクランク角センサ６の出力はＣＰＵ１０３の割込み端子に供給される。
【００３３】
ＥＣＵ（電子制御ユニット）１０は、たとえばマイクロコンピュータとして構成され、Ａ／Ｄ変換器１０１、入出力インターフェイス１０２、ＣＰＵ１０３の他に、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、バックアップＲＡＭ１０６、クロック発生回路１０７等が設けられている。
本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ_２センサ１３出力に基づいて機関空燃比が目標空燃比（本実施形態では理論空燃比）になるように機関１の燃料噴射量をフィードバック制御するとともに、燃料噴射弁７を制御し算出された燃料噴射量の量を気筒の吸気ポートに噴射する機関の空燃比制御を行う。また、本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ_２センサのセンサ触媒の能力低下やＯ_２センサ出力特性の変化に応じて空燃比制御特性を補正する制御を行う。すなわち、本実施形態では、ＥＣＵ１０は空燃比制御手段として機能する他、Ｏ_２センサの出力応答遅れを表す遅れ特性値を検出する特性値検出手段、センサ触媒の能力を判定する判定手段、空燃比制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段等の請求項に記載した各手段として機能している。
【００３４】
ＥＣＵ１０の、ダウンカウンタ１０８、フリップフロップ１０９、および駆動回路１１０は燃料噴射弁７を制御するためのものである。すなわち、後述のルーチンにおいて、燃料噴射量（噴射時間）ＴＡＵが演算されると、噴射時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０８にプリセットされると共にフリップフロップ１０９がセットされる。この結果、駆動回路１１０が燃料噴射弁７の付勢を開始する。他方、ダウンカウンタ１０８がクロック信号（図示せず）を計数して最後にその出力端子が“１”レベルとなったときに、フリップフロップ１０９がリセットされて駆動回路１１０は燃料噴射弁７の付勢を停止する。つまり、上述の燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射弁７は付勢され、時間ＴＡＵに応じた量の燃料が機関１の燃焼室に供給されることになる。
【００３５】
機関の回転数（回転速度）データは、クランク角センサ６のパルス間隔に基づいて所定のクランク角毎（例えば３０°毎）の割込により演算され、ＲＡＭ１０５の所定領域に格納される。つまり、ＲＡＭ１０５には常に最新の回転速度データが格納されている。
次に、本実施形態の機関の燃料噴射量算出と、空燃比フィードバック制御とについて説明する。
【００３６】
本実施形態では、ＥＣＵ１０は吸気管圧力センサ３で検出した吸気圧力ＰＭと機関回転数ＮＥとに基づいて、機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要な燃料噴射量（基本燃料噴射量）ＴＡＵＰを算出し、基本燃料噴射量ＴＡＵＰをＯ_２センサ１３出力に基づいて補正することにより最終的な燃料噴射量ＴＡＵを設定している。図４は上記の燃料噴射量演算操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定クランク回転角毎に実行されるルーチンとして行われる。
【００３７】
図４において、操作がスタートするとステップ４０１では、機関１の吸気圧力データＰＭと回転数データＮＥとが読み込まれ、ステップ４０３ではＰＭとＮＥとに基づいて基本燃料噴射量ＴＡＵＰが設定される。前述したように、ＴＡＵＰは、基準状態において機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要とされる燃料噴射量であり、予めＰＭとＮＥとの条件を変えて実験を行うこと等により設定されている。本実施形態では、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４には、各ＰＭとＮＥとの条件下におけるＴＡＵＰの値がＰＭとＮＥとを用いた数値テーブルの形で予め格納されており、ステップ４０３ではこの数値テーブルから基本燃料噴射量ＴＡＵＰが求められる。また、ステップ４０５では、上記ＴＡＵＰを用いて、最終的に燃料噴射量ＴＡＵが、ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ×（ＦＡＦ＋ＫＧ）×β＋γとして設定され、ステップ４０７ではこのＴＡＵに応じた値がダウンカウンタ１０９にセットされて本操作は終了する。これにより、各燃料噴射弁からはＴＡＵに等しい量の燃料が噴射される。
【００３８】
なお、上記ＴＡＵの式のβ、γは機関始動時、冷間時等の燃料噴射量補正用の定数であり、暖機後の定常運転ではβ＝１．０、γ＝０にセットされる。
また、ＦＡＦは後述する空燃比フィードバック制御によりＯ_２センサ１３出力に基づいて設定される空燃比補正係数、ＫＧは空燃比補正係数ＦＡＦの学習補正係数である。ＦＡＦ、ＫＧについては後に説明する。
【００３９】
図５、図６は本実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本操作では、Ｏ_２センサ１３の出力ＶＯを比較電圧Ｖ_Ｒ（理論空燃比相当出力電圧、図３参照）と比較し、触媒コンバータ上流側での排気空燃比が理論空燃比よりリッチ（ＶＯ＞Ｖ_Ｒ）のときには空燃比補正量ＦＡＦを減少させ、リーン（ＶＯ≦Ｖ_Ｒ）のときにはＦＡＦを増大させる制御を行う。Ｏ_２センサは排気空燃比が理論空燃比よりリッチ空燃比側のときに、例えば０．９ボルトの電圧信号を出力し、排気空燃比が理論空燃比よりリーン空燃比側のときに例えば０．１ボルト程度の電圧信号を出力する。本実施例では、上記比較電圧Ｖ_Ｒは０．４５ボルト程度に設定される。上記のように空燃比補正量ＦＡＦを排気空燃比に応じて増減することにより、吸気管圧力センサ３や燃料噴射弁７等の燃料供給系の機器に多少の誤差が生じている場合でも機関空燃比は正確に理論空燃比近傍に修正される。
【００４０】
以下、図５、図６のフローチャートを簡単に説明する。ステップ５０１はフィードバック制御実行条件が成立しているか否かの判定を示す。フィードバック制御実行条件は、例えば、Ｏ_２センサが活性化していること、機関暖機が完了していること（冷却水温度センサ９で検出した冷却水温度が所定値以上になっていること）、フュエルカットから復帰後所定時間が経過していること、等であり、実行条件が成立している時にのみステップ５０３以下のＦＡＦ算出が行われる。フィードバック制御実行条件が成立していない場合には、ルーチンは図６、ステップ５４９に進み、フラグＸＭＦＢの値を０にセットしてルーチンを終了する。フラグＸＭＦＢはＯ_２センサ１３出力に基づく空燃比制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＭＦＢ＝０は空燃比フィードバック制御が停止されていることを意味する。
【００４１】
ステップ５０３から５２９は空燃比がリッチかリーンかの判定を示す。
ステップ５１７と５２９とに示すフラグＦ１は、機関空燃比がリッチ（Ｆ１＝１）かリーン（Ｆ１＝０）かを表す空燃比フラグであり、Ｆ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）への切換えはＯ_２センサ１３が所定時間（ＴＤＲ）以上継続してリッチ信号（ＶＯ＞Ｖ_Ｒ）を出力したときに（ステップ５０５、５１９から５２９）、またＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリーン）への切換えはＯ_２センサ１３が所定時間（−ＴＤＬ）以上継続してリーン信号（ＶＯ≦Ｖ_Ｒ）を出力したときに行われる（ステップ５０５から５１７）。ＣＤＬＹは空燃比フラグ切換えタイミングを判定するためのカウンタである。
図６ステップ５３１から５４５では、上記により設定されたフラグＦ１の値に応じてＦＡＦの増減を行う。すなわち、今回ルーチン実行時のＦ１の値と前回ルーチン実行時のＦ１の値を比較して、Ｆ１の値が変化したか、つまり空燃比がリッチからリーン、またはリーンからリッチに反転したかを判断する（ステップ５３１）。そして、現在のＦ１の値がＦ１＝０（リーン）の場合には、先ずＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリーン）に変化（反転）した直後に比較的大きな値ＲＳＲだけＦＡＦをスキップ的に増大させ（ステップ５３３、５３５）、その後はＦ１＝０である間はルーチン実行毎に比較的小さな値ＫＩＲずつ徐々にＦＡＦを増大させる（ステップ５３９、５４１）。同様に、現在のＦ１の値がＦ１＝１（リッチ）の場合には、先ずＦ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）に反転した直後にスキップ的にＲＳＬだけＦＡＦを減少させ（ステップ５３３、５３７）、その後はＦ１＝１である間はルーチン実行毎にＫＩＬずつ徐々にＦＡＦを減少させる（ステップ５３９、５４３）。また、上記により算出したＦＡＦの値を最大値（本実施例ではＦＡＦ＝１．２）と最小値（本実施例ではＦＡＦ＝０．８）で定まる範囲を越えないようにガードした後（ステップ５４５）、フラグＸＭＦＢの値を１にセットして（ステップ５４７）本操作は終了する。
【００４２】
図７は、図５、図６の空燃比フィードバック制御を行った場合の、Ｏ_２センサ１３で検出した空燃比（Ａ／Ｆ）変化（図７（Ａ））に対するカウンタＣＤＬＹ（同（Ｂ））、フラグＦ１（同（Ｃ））、空燃比補正係数ＦＡＦ（同（Ｄ））の変化を示している。図７（Ａ）に示すように、Ａ／Ｆがリーンからリッチに変化した場合でも空燃比フラグＦ１（図７（Ｃ））の値は直ちに０から１には変化せず、カウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＲに増大するまでの時間（図７（Ｃ）Ｔ_１）の間は０のまま保持され、Ｔ_１経過後に０から１に変化する。また、Ａ／Ｆがリッチからリーンに変化した場合もＦ１の値はカウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＬ（ＴＤＬは負の値）に減少するまでの時間（図７（Ｃ）Ｔ_２）の間は１のまま保持され、Ｔ_２経過後に１から０に変化する。このため、図７（Ａ）にＮで示したように外乱等により上流側Ｏ_２センサ１３の出力が短い周期で変化したような場合でもフラグＦ１の値は追従して変化しないため、空燃比制御が安定する。
【００４３】
空燃比フィードバック制御の結果、空燃比補正係数ＦＡＦの値は図７（Ｄ）に示すように周期的に増減を繰り返し、機関空燃比はリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変動する。また、図４で説明したように、ＦＡＦの値が増大すると燃料噴射時間ＴＡＵは増大し、ＦＡＦの値が減少すると燃料噴射時間ＴＡＵも減少する。
【００４４】
また、図７（Ｄ）から判るように、リッチスキップ量ＲＳＲが増大し、またはリーンスキップ量ＲＳＬが減少すると、スキップ操作時のＦＡＦのリッチ空燃比側（ＦＡＦ＞１．０側）への振れ幅がリーン空燃比側への振れに較べて大きくなり、全体的に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比はリッチ空燃比側に移行する。また、逆にＲＳＲが減少し、またはＲＳＬが増大すると、ＦＡＦのリーン空燃比側（ＦＡＦ＜１．０側）への振れ幅が大きくなり空燃比が全体的にリーン空燃比側に移行する。従って、ＲＳＲ、ＲＳＬの値を増減することにより、機関空燃比を全体としてリッチ空燃比側またはリーン空燃比側にシフトさせることができる。
【００４５】
また、空燃比制御における他の補正量を変化させることにより機関空燃比を変化させることができる。例えば、リッチ積分定数ＫＩＲの値を増大させ、またはリーン積分係数ＫＩＬの値を減少させると、図５ステップ５４１のＦＡＦの増大速度がステップ５４３の減少速度より大きくなるため、機関空燃比は全体としてリッチ側にとどまっている時間が長くなり、平均空燃比はリッチ側にシフトする。更に、リッチ遅れ時間ＴＤＲの値を増大させ、またはリーン遅れ時間ＴＤＬの値を減少させることによっても全体的に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比はリッチ側にシフトする。或いはＯ_２センサ１３の比較電圧Ｖ_Ｒの値が増大すると、同様に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、機関空燃比は全体としてリッチ側にシフトするようになる。
【００４６】
本明細書では、上記のように空燃比フィードバック制御の制御特性を決定するスキップ量ＲＳＲ、ＲＳＬ、積分係数ＫＩＲ、ＫＩＬ、遅れ時間ＴＤＲ、ＴＤＬ、比較電圧Ｖ_Ｒ等の補正量を空燃比制御の制御定数と呼んでいる。
次に、図４の燃料噴射量算出操作で最終燃料噴射量設定に使用される学習補正係数ＫＧについて説明する。
【００４７】
前述のように図５、図６の空燃比フィードバック制御を行うことにより、燃料噴射系統機器の特性に多少の変化があったような場合でも、ＦＡＦの値が特性変化に応じて設定されるため機関空燃比は理論空燃比に制御されるようになる。ところが、図６ステップ５４５で説明したように、ＦＡＦの値は最大値と最小値（例えば１．２と０．８）でガードされているため、ＦＡＦの値が１．０から離れた値になるとＦＡＦによる制御範囲が狭まる問題が生じる。例えば、ＦＡＦが機器の特性変化やばらつきのために１．１を中心として周期的に変化するようになると、すなわち理論空燃比相当のＦＡＦの値が１．１にずれてしまうと最大ガード値が存在するためＦＡＦのリッチ空燃比側の制御幅は１．１から１．２までの範囲に制限されてしまうことになり、運転状態の変化等により空燃比が大きくリーン側に振れたような場合には機関空燃比を理論空燃比に制御することができなくなってしまう。また、図５ステップ５０１でフィードバック制御条件が成立していない場合にはＦＡＦの値を１．０に固定したオープンループ制御を行うが、この場合も理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１にずれていた場合にはＦＡＦ＝１．０に設定すると機関空燃比は理論空燃比から離れた値に制御されてしまう。そこで、本実施形態では学習補正係数ＫＧの値を増減することにより、常にＦＡＦの値が１．０近傍になるように制御している。
【００４８】
例えば上記のように理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１になったような場合には学習補正係数ＫＧの値は０．１にセットされる。これにより、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持しつつ図５、図６の制御によりＦＡＦの値が１．０に設定されるようになる。また、オープンループ制御の場合にＦＡＦの値が１．０に固定されても同様に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持されるため、図４の操作で設定される燃料噴射量は機関空燃比を理論空燃比に維持するだけの量となる。
【００４９】
図８は、学習補正係数ＫＧの設定操作を説明するフローチャートである
本操作は、ＥＣＵ１０により図５、図６の操作と同じ時間間隔で実行されるルーチンにより行われる。
図８において操作がスタートすると、ステップ８０１では図５で設定されたフラグＦ１の値が反転したか、すなわち前回操作実行時のＦ１の値から変化したか否かを判断し、反転していない場合にはステップ８２１に進み、現在の空燃比補正係数ＦＡＦの値をＦＡＦ_ｉ−１として記憶した後本操作を終了する。ステップ８０１でＦ１の値が反転している場合にはステップ８０３で現在のＦ１の値が０（リーン）にセットされているか否かを判定する。Ｆ１反転後にステップ８０３でＦ１＝０であった場合には、図５、図６のルーチンでＲＳＲによるリッチスキップが行われた直後であるため、前回ＦＡＦ_ｉ−１として記憶した値は、リッチスキップ直前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最小値）である。従ってこの場合にはステップ８０５で前回ＦＡＦ_ｉ−１として記憶した値をＦＡＦＬとして記憶する。また、Ｆ１反転後にステップ８０３でＦ１≠０であった場合には、ＲＳＬによるリーンスキップが行われた直後であるので、前回ＦＡＦ_ｉ−１として記憶した値はリーンスキップ直前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最大値）である。このため、この場合はステップ８０７に進み、前回ＦＡＦ_ｉ−１として記憶した値をＦＡＦＲとして記憶する。そして、ステップ８０９ではＦＡＦの最大値ＦＡＦＲと最小値ＦＡＦＬとの平均値ＦＡＦＡＶが算出される。
【００５０】
また、ステップ８１１から８１７ではこの平均値ＦＡＦＡＶに応じて学習補正係数ＫＧの値が増減補正される。すなわち、ＦＡＦＡＶ≧（１．０＋α）のときにはＫＧの値はΔＫＧだけ増大され。（ステップ８１１、８１３）、ＦＡＦＡＶ≦（１．０−α）のときにはＫＧの値はΔＫＧだけ減少される（ステップ８１５、８１７）。また、（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の場合にはＫＧの値はそのままに保持される。そして、ステップ８１９では増減後のＫＧの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納される。
【００５１】
図８の操作を行うことにより、学習補正係数ＫＧの値は常にＦＡＦの平均値（ＦＡＦＡＶ）の値が（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の範囲内になるように設定される。なお、本実施形態ではαの値は、例えば０．００１から０．０１程度の値に、ΔＫＧの値は０．０００５から０．００１程度の値に設定されている。
【００５２】
ところで、図５、図６のようにＯ_２センサ１３出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う場合Ｏ_２センサ１３のリーン／リッチの空燃比変化の検出応答性が低下すると、例えば前述の制御定数のうちＴＤＲ、ＴＤＬが変化したと同様に空燃比制御がリッチ側またはリーン側にシフトしてしまう。本実施形態では触媒付センサを使用しているため、排気中に水素が生成された場合でも本来リーン空燃比からリッチ空燃比への変化の検出遅れは生じないはずである。しかし、センサ触媒を設けたため逆にリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出遅れが生じる問題がある。
【００５３】
前述したように、この遅れはセンサ１３の触媒層１３０９内のセンサ触媒表面に排気空燃比がリーンのときに酸素イオンが吸着され、排気空燃比がリッチになったときにこの酸素イオンにより排気中の可燃成分が酸化されるために生じる。このようなリーンからリッチへの検出遅れが生じると、図７でリーンスキップＲＳＬの生じるタイミングが遅くなるため、リッチスキップＲＳＲが生じてからリーンスキップＲＳＬが生じるまでの時間が長くなり、リッチ積分係数ＫＩＲのためにＦＡＦは過剰にリッチ側に制御されてしまい、空燃比のフィードバック制御周期（リッチスキップから次のリッチスキップまで、またはリーンスキップから次のリーンスキップまでの時間）は長く、かつ空燃比は全体としてリッチ空燃比側に制御されるようになる。しかも、上記リッチ空燃比の検出遅れ時間はセンサ触媒の触媒としての能力が高いほど大きく、触媒能力の低下とともに短くなるため、触媒能力が低下するほど空燃比フィードバック制御周期は短くなり、リッチ側への空燃比のずれも小さくなる。この場合、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御するためには、センサ触媒の能力に応じて空燃比フィードバック制御の特性を変える必要がある。
【００５４】
そこで、以下に説明する実施形態では、センサ触媒の能力に応じて空燃比のフィードバック制御周期が変化することに注目し、Ｏ_２センサの応答遅れを代表する遅れ特性値としてフィードバック制御周期を使用してセンサ触媒の能力を推定する。すなわち、本実施形態では、後述する方法で空燃比フィードバック制御周期を算出し、空燃比フィードバック制御周期からセンサ触媒能力を推定することにより、このセンサ触媒能力に応じた値に空燃比制御の制御定数を設定するようにしている。これにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御することが可能となっている。
【００５５】
以下、本発明の空燃比制御定数の補正のいくつかの実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
図９は、本実施形態の空燃比フィードバック制御周期検出操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により図５、図６の操作と同一の時間間隔で実行されるルーチンとして行われる。
【００５６】
図９の操作では、図５、図６の操作で設定された空燃比フラグＦ１の１から０への反転の時間間隔を周期カウンタＣＯＸにより計時している。
すなわち、図９ステップ９０１、９０３では空燃比フラグＦ１が反転したか否か（ステップ９０１）、反転した場合にはＦ１＝１からＦ１＝０への反転か否か（ステップ９０３）を判断し、Ｆ１の値が１から０に反転した場合にはステップ９０７でそのときの計時カウンタＣＯＸの値をＴＯＸとして記憶し、ステップ９０９でカウンタＣＯＸの値をクリアする。一方、ステップ９０１、９０３でフラグＦ１が反転していない場合または１から０への反転でない場合には、ステップ９０５に進み計時カウンタＣＯＸの値を１だけ増加させる。すなわち、計時カウンタＣＯＸの値はＦ１の値が１から０に反転する毎に０にセットされ、その後本操作実行毎に１増加される。そして、次にＦ１の値が１から０に反転すると再度ＣＯＸの値を０にクリアする前にそのときのＣＯＸの値がＴＯＸとして記憶される。このため、ＴＯＸの値はＦ１の値が１から０に反転する間隔、つまりリッチスキップが生じる間隔（空燃比フィードバック制御周期）を表す値になる。
【００５７】
上記により今回のフィードバック制御周期ＴＯＸを計時後、ステップ９１１では、フィードバック制御周期のなまし計算（加重平均）が行われ、フィードバック制御周期のなまし値ＴＦＢが、ＴＦＢ＝ＴＦＢ＋（ＴＯＸ−ＴＦＢ）／Ｋとして算出される。ここで、Ｋはなまし係数（重み付係数）であり、１より大きい定数である。ステップ９１１でＴＦＢを算出後、ステップ９１３ではＴＦＢの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納され、本操作は終了する。
【００５８】
図１０は、本実施形態におけるフィードバック制御周期に基づく空燃比制御定数の補正操作を示すフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
本操作では、図９の操作で求めたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づいてリッチスキップ量ＲＳＲの値を補正する場合を示している。図１０の操作では、図９で算出されたフィードバック制御周期ＴＦＢをバックアップＲＡＭ１０６から読み込んで（ステップ１００１）、ＴＦＢの値に応じてＲＳＲの値を設定し（ステップ１００３）、同時にＲＳＬの値を、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして設定する（ステップ１００５）。
【００５９】
図１１は、ステップ１００３で用いられるＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１１に示すように、本実施形態ではフィードバック制御周期ＴＦＢの値が大きいほど（すなわちセンサ触媒の触媒能力が大きいほど）ＲＳＲは小さな値に設定される。前述のように、制御定数ＲＳＲの値が小さく設定されるほど空燃比はリーン側に補正されるようになる。このため、センサ触媒の触媒能力が大きく空燃比のリッチ側へのシフト量が大きいほどＲＳＲの値は小さく設定されるようになり、機関空燃比はリーン側に大きく補正されるようになる。図１１の関係は、センサ触媒やセンサの種類、機関のタイプ等により異なってくる。このため、本実施形態では劣化程度が異なるセンサ触媒を使用して実際の機関で実験を行い、センサ触媒劣化程度とフィードバック制御周期ＴＦＢとの関係、及びセンサ触媒劣化程度と空燃比を目標空燃比に補正するために必要なＲＳＲとの値を求めてある。そして、フィードバック制御周期と必要なＲＳＲの値との関係を表す図１１の関係を予めＲＳＲとＴＦＢとを用いた数値テーブルの形でＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納してある。ステップ１００３では、この数値テーブルを用いて、ＴＦＢの値からＲＳＲの値が決定される。
【００６０】
なお、図１０は制御定数としてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について示したが、前述したように、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間ＴＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧Ｖ_Ｒのいずれかをフィードバック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても同様な効果を得ることができる。また、これら制御定数の２つ以上を同時にフィードバック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても良い。これらの場合も、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（センサ触媒の触媒能力が大きいほど）ＫＩＲ、ＴＤＲ、Ｖ_Ｒの値は小さくなるように設定し、センサ触媒能力が大きいほど機関空燃比がリーン側に補正されるようにする。
（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、空燃比フィードバック制御周期に基づいてセンサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値を補正することにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御している。ところが、センサ触媒の劣化が大幅に進み、触媒として機能しなくなったような場合には、第１の実施形態の制御を行うと問題が生じる場合がある。
【００６１】
劣化によりセンサ触媒の触媒機能が失われたような場合には、Ｏ_２センサ出力は従来のセンサ触媒を持たないＯ_２センサと同様に、排気中の水素濃度に大きく影響を受けるようになる。この場合、前述したようにＯ_２センサ出力は排気中の水素濃度が高いほどリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れることになる。このため、図５、図６のような空燃比フィードバック制御を行っていると、センサ触媒がある場合とは逆に図７のリッチスパイクＲＳＲが生じるタイミングが遅れてしまい、リーン積分係数ＫＩＬのために空燃比は大きくリーン側に振れるようになる。このため、排気中の水素濃度が高くなるほど空燃比フィードバック制御周期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするようになる。この場合には、水素濃度が高いほど、すなわちフィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリッチ側にシフトさせるように制御定数を補正する必要がある。
【００６２】
ところが、第１の実施形態では、センサ触媒が触媒としての機能を失っていない場合を対象としているため、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほど空燃比をリーン側にシフトするように制御定数が補正されてしまう。従って、第１の実施形態ではセンサ触媒が劣化して機能しなくなったような場合に排気中の水素濃度が高くなってフィードバック制御周期が大きくなると、水素の影響でリーン側にシフトしている空燃比を更にリーン方向にシフトさせてしまうことになり、逆に機関空燃比の制御誤差が大きくなる恐れがある。そこで、本実施形態では、まずセンサ触媒の劣化程度を判定し、センサ触媒が触媒として機能していると判定された場合には第１の実施形態と同じ制御定数の設定を行い、センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失ったと判定される場合には、逆にフィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリーン側にシフトする制御を行う。
【００６３】
次に、本実施形態のセンサ触媒劣化有無の判定方法について説明する。前述したように、センサ触媒付Ｏ_２センサではリーン空燃比からリッチ空燃比への変化の検出に遅れが生じ、この遅れはセンサ触媒の触媒能力が大きいほど大きく、触媒能力が低下するにつれて小さくなる。そこで、本実施形態ではＯ_２センサのリッチ空燃比検出の応答遅れを実際に計測することにより、センサ触媒の劣化程度を判定するようにしている。
【００６４】
図１２は、本実施形態のＯ_２センサの応答遅れ時間の検出原理を説明する図である。図１２において、カーブ（Ａ）は空燃比フィードバック制御中の空燃比補正係数ＦＡＦの変化を、カーブ（Ｂ）はＯ_２センサ出力の変化を示している。前述のように、本実施形態では図５、図６の空燃比制御が実行されているため、フィードバック制御中ＦＡＦは図７カーブ（Ｄ）で説明したように、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）による増減にスキップ量（ＲＳＲ、ＲＳＬ）によるスキップ的な増減とが組み合わされた変化をしている。ここで、図１２カーブ（Ａ）に示すようにＦＡＦにリッチスキップ変化（図１２にＲＳＲで示す）が生じると、機関の燃料噴射量はスキップ的に増大され、排気空燃比は大きくリッチ側に変化する。そして、このリッチ側への排気空燃比変化はある程度の時間遅れΔＴの後、Ｏ_２センサ１３出力の急増（カーブ（Ｂ）上にΔＶで示した部分）として現れる。この遅れ時間ΔＴは、リッチスキップＲＳＲによりリッチ側に空燃比が急変した排気が機関からＯ_２センサ設置位置まで移動するのに要する時間とＯ_２センサ自体の検出応答遅れ時間との和になる。一方、機関から排出された排気がＯ_２センサ位置まで移動するのに要する時間は運転条件（排気流量）が同一であれば常に一定である。また、Ｏ_２センサ自体の検出応答遅れはセンサ触媒の触媒能力が低下するほど短くなる。このため、ある一定の運転条件（機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭ）で上記遅れ時間ΔＴを計測すれば、ΔＴの値からＯ_２センサ自体の検出応答遅れ時間を推定することが可能となる。本実施形態では、以下に説明する方法で遅れ時間ΔＴを計測し、遅れ時間ΔＴが所定時間以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能しなくなる程度まで劣化したと判定するようにしている。
【００６５】
図１３は、本実施形態の応答遅れ時間ΔＴ計測操作を示すフローチャートである。本操作は、図５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンとして行われる。
図１３において、操作がスタートすると、まずステップ１３００では遅れ時間検出条件が成立しているか否かが判定される。前述のように、遅れ時間ΔＴは、機関が一定の運転条件で運転されている状態で計測する必要がある。このため、ステップ１３００では、図５、図６の空燃比フィードバック制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされていること）機関１の運転状態が予め定めた状態にあること、すなわち機関吸気圧力ＰＭと回転数ＮＥとがそれぞれ予め定めた範囲にある時（例えば機関１のアイドル状態に相当するとき）に検出条件が成立したと判定するようにしている。ステップ１３００で検出条件が成立しなかった場合には、ステップ１３０３に進み、後述する計時カウンタＣＴの値をクリアした後に本操作は直ちに終了する。
【００６６】
ステップ１３００で検出条件が成立した場合には、ステップ１３０１では図５、図６の操作で設定される空燃比フラグＦ１の値が０か否かが判定され、Ｆ１≠０（すなわちＦ１＝１）の場合にはステップ１３０３で計時カウンタＣＴの値をクリアする。また、Ｆ１＝０であった場合にはステップ１３０５でＯ_２センサ１３出力ＶＯを読み込むとともに、前回本操作を実行時からのＯ_２センサ出力増加量ΔＶＯを、ΔＶＯ＝ＶＯ−ＶＯ_ｉ−１として算出する。ここで、ＶＯ_ｉ−１は前回本操作実行時のＯ_２センサ出力である。また、ステップ１３０７では上記により算出した増加量ΔＶＯが所定量ΔＶ（図１２）以上であるか否かを判定し、ΔＶＯ＜ΔＶであった場合にはステップ１３０９で計時カウンタＣＴの値を１だけ増大させる。これにより、計時カウンタＣＴの値は、フラグＦ１がの値が１の間は０にセットされ、Ｆ１の値が１から０に変化した時点（すなわちリッチスキップＲＳＲが生じた時点）からΔＶＯ＜ΔＶが成立する限り操作実行毎に１ずつ増大されることになる。
【００６７】
従って、ステップ１３０７でΔＶＯ≧ΔＶが成立すると、その時点における計時カウンタＣＴの値はリッチスキップＲＳＲが生じてからＯ_２センサ１３出力がΔＶ以上急増するまでの時間（すなわち図１２における遅れ時間ΔＴ）を表すことになる。本実施形態では、外乱等によるΔＴのばらつきを考慮して、このΔＴをステップ１３１３でさらになまし処理（加重平均処理）した値をＯ_２センサの応答遅れ時間ＴＤＣとして使用している。なお、ステップ１３１３の算式中のＮはなまし係数（重み付け係数）であり、１より大きな値とされる。
【００６８】
上記により遅れ時間ＴＤＣを算出した後、ステップ１３１３では算出した遅れ時間ＴＤＣをＥＣＵ１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納し、次回の演算のためにステップ１３１５でＶＯ_ｉ−１の値を更新して本操作は終了する。
図１４は、本実施形態の制御定数補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００６９】
図１４において、操作がスタートすると、ステップ１４０１では図１３の操作により算出された遅れ時間ＴＤＣが読み込まれる。また、ステップ１４０３では、図９の操作で算出されたフィードバック制御周期ＴＦＢが読み込まれる。
そして、ステップ１４０５では、遅れ時間ＴＤＣに基づいてセンサ触媒が触媒として機能しない程度に劣化しているか否かが判定される。本実施形態では、遅れ時間ＴＤＣが予め定めた基準値ＴＤＣ_０以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能しない程度まで劣化したと判定するようにしている。なお、ＴＤＣ_０の値は、機関が図１３のステップ１３００の検出条件で運転されている状態で、許容限界までセンサ触媒が劣化したＯ_２センサを使用した実験等により決定される。なお、検出条件を機関の各運転領域毎に設定してＴＤＣ_０の値も各運転領域毎に決定しておけば、応答遅れ時間の検出頻度を高めることができる。
【００７０】
ステップ１４０５でセンサ触媒が正常であると判定された場合（ＴＤＣ＞ＴＤＣ_０）には、ステップ１４０７では図１０ステップ１００３と同様に図９の操作で求められたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づいて、前述の図１１の関係からリッチスキップ量ＲＳＲの値が設定される。また、ステップ１４０５でセンサ触媒が劣化したと判定された場合（ＴＤＣ≦ＴＤＣ_０）には、ステップ１４０９でセンサ触媒劣化時用のＲＳＲとフィードバック制御周期ＴＦＢとの関係に基づいてＲＳＲの値が設定される。そして、ステップ１４１１ではステップ１４０７またはステップ１４０９で設定されたＲＳＲの値に基づいてＲＳＬの値が設定されるのは図１０の操作と同様である。
【００７１】
図１５は、上記ステップ１４０９で使用されるセンサ触媒劣化時のＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１５に示すように、センサ触媒劣化時にはフィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（すなわち排気中の水素濃度が高いほど）ＲＳＲの値は大きく設定され、図１１の場合とはＲＳＲのＴＦＢに対する増減傾向が逆になっている。
【００７２】
本実施形態によれば、センサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値が補正されるのに加えて、センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失った場合には排気中の水素濃度に応じて制御定数の値が補正されるため、センサ触媒の劣化の有無や排気中の水素濃度にかかわらず正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが可能となっている。
【００７３】
なお、図１４では制御定数としてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明したが、第１の実施形態と同様制御定数としては、スキップ量の代わりに、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）、遅れ時間（ＴＤＲ、ＴＤＬ）、比較電圧（Ｖ_Ｒ）を補正するようにしても同様な効果が得られる。この場合、センサ触媒劣化時には、図１５の関係と同様にＫＩＲ、ＴＤＲ、Ｖ_Ｒの値はフィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほど大きな値に設定される。また、上記制御定数の２つ以上を同時に補正するようにしても良いのは第１の実施形態の場合と同様である。
（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。上記第２の実施形態では、センサ触媒が劣化した場合について考慮したが、実際のＯ_２センサではセンサ触媒のみならずＯ_２センサ自体が劣化する場合や、保護層（図２、１３０７）の目詰まり等が生じる場合がある。Ｏ_２センサの劣化（センサ電極の劣化）が生じると、Ｏ_２センサのリーン空燃比検出応答性が低下する。また、保護層の目詰まりが生じた場合も、酸素分子が保護層を通過しにくくなるため、同様にＯ_２センサのリーン空燃比検出応答性が低下する。すなわち、Ｏ_２センサ電極の劣化や保護層の目詰まりが生じると空燃比フィードバック制御周期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするようになる。このため、前述の各実施形態のようにフィードバック制御周期に基づいて制御定数の値を補正していると、センサ触媒の能力の低下やセンサ自体の劣化（またはセンサ保護層の目詰まり）、更にセンサ触媒の劣化による触媒機能喪失と排気中の水素濃度の影響等の要素が複雑に組み合わさった場合には正確な空燃比制御ができなくなる恐れがある。しかし、これらの場合にもＯ_２センサ出力のリッチ空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリッチ側に大きくシフトし、Ｏ_２センサ出力のリーン空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリーン側に大きくシフトすることは変わらない。このため、実際にＯ_２センサのリッチ空燃比検出遅れ時間とリーン空燃比検出遅れ時間との両方を検出し、これらの遅れ時間に応じて空燃比制御の制御定数を補正するようにすれば、フィードバック制御周期を用いることなく全ての場合に正確な空燃比制御が可能となる。そこで、本実施形態では、図１３の操作によりＯ_２センサ１３のリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣを算出する他に、図１３と類似の方法でＯ_２センサ１３のリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳを算出し、これら両方の遅れ時間に基づいて制御定数の値を補正するようにしている。
【００７４】
図１６は、本実施形態におけるリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳの算出操作を説明するフローチャートである。本操作は図５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンにより行われる。
図１６の操作では、リーンスキップＲＳＬが生じてから（すなわち空燃比フラグＦ１の値が０から１に変化した時から）（ステップ１６０１）Ｏ_２センサ出力ＶＯがΔＶ以上の急減少を示すまでの時間を計時するカウンタＣＴＳ（ステップ１６０３、１６０９）が使用される点が図１３のフローチャートと相異している他は、図１３のフローチャートと略同一である。また、今回計時した遅れ時間の値をなまし処理した値をリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとして使用する点（ステップ１６１３）も図１３の操作と同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００７５】
図１７は上記遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとを用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
本操作では、図１３で算出されたリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣと、図１６で算出されたリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとをそれぞれバックアップＲＡＭ１０６から読み込み（図１７、ステップ１７０１）、遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとに基づいて、予め設定された関係からリッチスキップ量ＲＳＲを設定し（ステップ１７０３）、設定されたＲＳＲの値からリーンスキップ量ＲＳＬを算出する（ステップ１７０５）。
【００７６】
図１８は、ステップ１７０３でＲＳＲの値の設定に用いるＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳの関係を示す図である。図１８に示すように、ＲＳＲの値はリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣが一定であればリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳが大きくなるほど大きな値（空燃比をリッチ側にシフトさせる方向）とされ、またリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳが一定であればリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣが大きくなるほど小さな値（空燃比をリーン側にシフトさせる方向）に設定される。図１８の関係は、実際のＯ_２センサ１３を用いて、センサ１３の遅れ時間を変えて機関を運転する実験を行い、機関空燃比を理論空燃比に維持するために必要なＲＳＲの値を決定しておくことにより求められる。本実施形態では図１８の関係は、ＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳを用いた数値テーブルとして予めＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納されており、図１７ステップ１７０３では、この数値テーブルからＲＳＲの値が決定される。
【００７７】
本実施形態によれば、センサの劣化程度やＯ_２センサの劣化、保護層の目詰まり等によるセンサ出力特性の変化があった場合でも正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが可能となる。
（４）第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００７８】
図１９は、本実施形態の概略構成を示す図１と同様な図である。図１９において、図１と同じ参照符号は同一の要素を示している。
本実施形態においても、図１と同様にシングルＯ_２センサシステムが用いられているが、図１のＯ_２センサ１３とは異なり、本実施形態のＯ_２センサ１９０にはセンサ触媒が設けられていない点が図１の実施形態と相違する。また、本実施形態では、ＥＣＵ１０は図１と同様に空燃比制御手段として機能する他、排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段及び、算出された水素濃度に基づいて首制御の制御定数を補正する補正手段として機能している。なお、Ｏ_２センサ１９０の構成は、図２において触媒層１３０９が設けられておらず、保護層１３０７が直接排気に接触する構成であること以外は図２の構成と同様である。また、本実施形態においても図４から図６及び図８で説明した空燃比フィードバック制御が行われる。この場合、本実施形態のＯ_２センサ１９０にはセンサ触媒が設けられていないため、排気中に水素が生成されるとリーン空燃比の検出遅れにより機関平均空燃比はリーン側にシフトすることになる。
【００７９】
この場合、仮に機関１を理論空燃比で運転するための燃料量に相当する空燃比補正係数ＦＡＦと学習補正係数ＫＧとの合計（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０であったとすると、水素の影響が生じると（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．０より小さい値に設定されることになり、排気中の水素濃度が高くなるほど（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は小さくなる。このため、本来（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０に較べてどのくらい小さくなっているかを監視していれば排気中の水素濃度の影響を知ることができるはずである。しかし、実際には理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は機関１の燃料噴射系統の要素の特性のばらつき等により１．０から変化するため、必ずしも（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を１．０と比較しても正確な水素濃度の影響を知ることはできない。また、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は空燃比フィードバック制御により周期的に変化しているため、各時点の（ＦＡＦ＋ＫＧ）からは水素濃度の影響を知ることはできない。そこで、本実施形態では、機関運転中に排気中の水素によるＯ_２センサ１９０の出力特性への影響を排除した状態で（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値を算出し、この水素の影響を受けない（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を基準値として使用する。排気中の水素の影響を受けない状態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値は必ず理論空燃比相当値に一致しているため、この値を基準値として用いることにより運転中の空燃比の理論空燃比からのずれを正確に算出することができる。すなわち、本実施形態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値を平均空燃比特性値として使用し、この平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する。
【００８０】
次に、排気中の水素の影響を排除する方法について説明する。
図２で説明したように、Ｏ_２センサにはセンサを加熱して早期に活性化させるための電気ヒータ１３１１が設けられている。通常、このセンサは冷間始動時等に使用され、排気温度が上昇してヒータを用いなくてもセンサ温度を活性化温度（例えば３００℃程度）に維持できる状態になると通電を停止している。本実施形態では、この電気ヒータを用いてセンサ温度を通常より高温（例えば６００℃以上）まで加熱することにより水素の影響を排除している。センサ温度が高温になると、排気中の水素はセンサ保護層外側で酸素と反応するようになり、センサ触媒を用いずに排気を平衡化することができる。このため、センサ温度を高温に維持した状態で図８の学習補正係数ＫＧを算出し、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値を求めておくことにより、水素の影響を排除した状態での理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）基準値を設定することができる。なお、センサを常時高温に維持しておけば排気中の水素の有無にかかわらず正確な空燃比制御が可能となるが、実際にはセンサを長時間高温に維持すると電極や固体電解質の劣化が促進されてしまうため、常時センサを加熱することは好ましくない。そこで、本実施形態では、定期的に（例えば機関始動毎に）短時間ヒータを高温に制御してＯ_２センサ温度を上昇させて（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値を求め、その後は通常のヒータ制御を行うようにしてセンサの劣化が生じることを防止している。
【００８１】
本実施形態では、通常の運転時（センサを加熱していない状態）に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値を算出し、この平均値と上記により求めた基準値の差に基づいて排気中の水素濃度を算出すると共に、水素濃度に応じた値に制御定数を設定するようにしている。
図２０は、本実施形態における（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値ＦＡＦＫＧ_０の算出操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００８２】
図２０において操作がスタートすると、ステップ２００１では基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされているか否かが判定され、ＸＧ＝１であった場合には更に基準値ＦＡＦＫＧ_０を算出することなく直ちに操作を終了する。ＸＧは機関始動時に０にリセットされるフラグであり、基準値ＦＡＦＫＧ_０の演算が完了した後ステップ２０１７で１にセットされる。このため、基準値ＦＡＦＫＧ_０の算出は機関始動毎に１回行われるようにされ、頻繁なＯ_２センサ加熱によるセンサ劣化が防止される。
【００８３】
ステップ２００１で基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされていない場合には、機関始動後まだ基準値が算出されていないため、ステップ２００３から２０１７の基準値算出操作が行われる。すなわち、ステップ２００３では基準値算出条件が成立しているか否かが判定され、条件が成立していない場合にはステップ２０１７に進み、ヒータ１３１１の通常制御を行う。すなわち、機関始動後等のセンサ温度が低い場合にはヒータが通電され、センサの活性化温度までセンサが昇温される。ここで、基準値算出条件は、図５、図６のフィードバック制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされていること）、機関が定常運転中であり空燃比補正係数ＦＡＦの値が安定していること、等である。
【００８４】
ステップ２００３で基準値算出条件が成立していた場合には、ステップ２００５で電気ヒータ１３１１の高温制御が行われる。ヒータの高温制御は通常のヒータ制御より大きい電流を電気ヒータ１３１１に供給することにより行われる。そして、ステップ２００７ではセンサが高温（例えば６００℃以上）に到達したか否かが判定される。センサ温度の判定は、実際にセンサ温度を測定することによってもよいが、例えばヒータの高温制御を開始してから予め定めた時間が経過したか否かによりセンサが高温に到達したか否かを判定するようにしても良い。
【００８５】
ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達していた場合には、次にステップ２００９でセンサ高温状態での学習補正係数ＫＧの学習が完了したか否かが判定される。本実施形態では、図５、図６の空燃比フィードバック制御とともに、常に図８の学習制御が実行されており、センサが高温になって排気中の水素の影響がなくなりＦＡＦの値が変化すると図８の学習制御により、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束するまでＫＧの値が調節される。ステップ２００９では、図８で算出したＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束した場合にＫＧの学習が終了したと判定するようにしている。なお、ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達していない場合、及びステップ２００９で学習が完了していない場合には、以下の操作を実行せず、直ちに操作を終了する。
【００８６】
ステップ２００９でＫＧの学習が完了すると、次にステップ２０１１では、図８の操作で算出されたＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶ（図８ステップ８０９）とＫＧ（図８ステップ８１９）とから基準値ＦＡＦＫＧ_０が、ＦＡＦＫＧ_０＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出される。
基準値ＦＡＦＫＧ_０算出後、ステップ２０１５では基準値ＦＡＦＫＧ_０の値がＥＣＵ１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納され、ステップ２０１７ではヒータ１３１１の高温制御を停止して通常のヒータ制御が再開される。
【００８７】
図２０の操作により、機関始動毎にＯ_２センサ１９０への排気中の水素の影響を排除した状態で基準値ＦＡＦＫＧ_０が算出され、バックアップＲＡＭ１０６に格納されるようになる。
図２１は、図２０により算出した基準値ＦＡＦＫＧ_０を用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００８８】
本操作では、現在のＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶとＫＧとの和ＦＡＦＫＧ＝（ＦＡＦＡＶ＋ＫＧ）と基準値ＦＡＦＫＧ_０との差ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ_０に基づいて、制御定数ＲＳＲの値が設定される。すなわち、ΔＦＡＦＫＧは排気中に水素が存在すると負の値をとり空燃比は理論空燃比よりリーン側に制御される。また、ΔＦＡＦＫＧの値が負の大きな値をとるほど排気中の水素濃度が高く、空燃比のリーン側へのシフトが大きくなっている。そこで、本実施形態では、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値をとるほどＲＳＲを増大させて空燃比をリッチ側に補正するようにしている。
【００８９】
図２１において、ステップ２１０１は制御定数補正の実行条件が成立しているか否かの判定を示す。ステップ２１０１では、現在ＫＧの学習が完了している場合（すなわち、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶが１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束しているか場合）、及び基準値ＦＡＦＫＧ_０の算出が完了している場合（すなわち基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされている場合）に補正実行条件が成立したと判定され、上記条件のいずれか１つ以上が成立していない場合にはステップ２１０３から２１０９の補正を行わず直ちに操作を終了する。
【００９０】
ステップ２１０１で補正実行条件が成立していた場合には、次にステップ２１０３で、図８の操作で算出された平均値ＦＡＦＡＶと学習補正係数ＫＧとの和ＦＡＦＫＧが、ＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出される。そして、ステップ２１０５では、ＦＡＦＫＧと基準値ＦＡＦＫＧ_０との差ΔＦＡＦＫＧが、ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ_０として算出される。
【００９１】
次に、ステップ２１０７では上記により算出したΔＦＡＦＫＧの値に基づいてリッチスキップ量ＲＳＲが設定され、ステップ２１０９ではリーンスキップ量ＲＳＬの値が、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして算出される。
図２２は、ステップ２１０７でＲＳＲの値の設定に用いられるＲＳＲとΔＦＡＦＫＧ及び排気中の水素濃度との関係を示す図である。図２２に示すように、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほど排気中の水素濃度が増大しており、空燃比はリーン側にシフトしているため、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほどリッチスキップ量ＲＳＲは大きな値になるように設定される。
【００９２】
なお、図２１、図２２ではΔＦＡＦＫＧに基づいてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明したが、スキップ量に代えて、またはスキップ量とともに、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間ＴＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧Ｖ_Ｒ等の制御定数をΔＦＡＦＫＧに基づいて図２２と同様に補正するようにしても同様な効果を得ることができる。
【００９３】
以上、本発明をＯ_２センサを使用したシングル空燃比センサシステムに適用した実施形態について説明したが、上述の各実施形態の制御は、酸素濃度に基づいて空燃比を検出する他の空燃比センサ、例えばリニア空燃比センサにも適用できることは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明では、排気中の水素による空燃比センサ出力への影響を排除して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することを可能とする共通の効果を奏する。
すなわち、請求項１から４に記載の発明では、空燃比センサに到達する排気を平衡化するセンサ触媒を設け、水素の空燃比センサ出力への影響を排除するとともに、センサ触媒の能力変化による影響、さらには空燃比センサ自体の出力特性変化の影響（請求項４）をも排除することにより正確な空燃比制御を可能とする効果を奏している。
【００９５】
また、請求項５の発明では、センサ触媒を用いずに通常の空燃比センサを使用しながら、排気中の水素濃度を算出して水素濃度に応じて空燃比制御の制御特性を変化させることにより、排気中の水素の影響を排除して正確な空燃比制御を行うことを可能とする効果を奏している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態に使用する触媒付センサの概略構成を示す図である。
【図３】Ｏ_２センサの一般的出力特性を説明する図である。
【図４】図１の実施形態の燃料噴射量演算操作を説明するフローチャートである。
【図５】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートの一部である。
【図６】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートの一部である。
【図７】図５、図６の空燃比フィードバック制御による空燃比変動を説明するタイミングチャートである。
【図８】図１の実施形態の学習補正係数ＫＧ設定操作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるフィードバック制御周期検出操作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態における空燃比制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１１】図１０の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１２】センサ触媒の能力判定原理を説明するタイミングチャートである。
【図１３】Ｏ_２センサのリッチ空燃比検出遅れ時間検出操作を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１５】図１４の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１６】Ｏ_２センサのリーン空燃比検出遅れ時間検出操作を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の第３の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１８】図１７の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１９】本発明を自動車用内燃機関に適用した、図１とは異なる実施形態の概略構成を示す図である。
【図２０】図１９の実施形態における空燃比補正係数の基準値ＦＡＦＫＧ_０の算出操作を説明するフローチャートである。
【図２１】本発明の第４の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図２２】図２１の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…吸気管
３…吸気管圧力センサ
５、６…クランク回転角センサ
７…燃料噴射弁
１０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１３…触媒付Ｏ_２センサ
１５…排気浄化触媒
１９０…Ｏ_２センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an air-fuel ratio control device that controls an engine air-fuel ratio based on an air-fuel ratio sensor output disposed in an exhaust passage upstream of an exhaust purification catalyst in an exhaust passage of an internal combustion engine. The present invention relates to an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine including means for compensating for a change in output characteristics of an air-fuel ratio sensor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art There is known an air-fuel ratio control device that arranges an air-fuel ratio sensor for detecting an exhaust air-fuel ratio in an exhaust passage of an internal combustion engine and controls the engine air-fuel ratio to a target air-fuel ratio based on the output of the air-fuel ratio sensor. For example, as an example of this type of air-fuel ratio control device, there is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-126012. The device disclosed in this publication detects exhaust air-fuel ratios on the upstream and downstream sides of an exhaust purification catalyst provided in an exhaust passage of an internal combustion engine, respectively, based on the oxygen concentration in the exhaust gas.₂With the sensors in place, these two O₂The engine air-fuel ratio is controlled to the stoichiometric air-fuel ratio based on the sensor output.
[0003]
By the way, O which detects the exhaust air-fuel ratio based on the oxygen concentration in the exhaust₂When the engine air-fuel ratio is controlled using an air-fuel ratio sensor such as a sensor, there is a problem that accurate air-fuel ratio control cannot be performed if hydrogen is present in the exhaust gas.
In general, O₂In an air-fuel ratio sensor such as a sensor that detects the exhaust air-fuel ratio based on the oxygen concentration in the exhaust gas, the air-fuel ratio sensor is caused by the difference between the oxygen concentration in the exhaust gas reaching the sensor (electrode) and the oxygen concentration in the external atmosphere. The oxygen concentration in the exhaust is detected by electric power or the like, and the exhaust air-fuel ratio is detected from the exhaust oxygen concentration. For this reason, if a difference occurs between the oxygen concentration of the exhaust gas reaching the detection unit and the actual oxygen concentration of the exhaust gas, accurate detection of the air-fuel ratio cannot be performed. For example, when hydrogen is present in the exhaust gas, the oxygen concentration of the exhaust gas reaching the sensor detection unit changes from the actual exhaust oxygen concentration due to the influence of the hydrogen. May not be able to be accurately controlled to the target value.
[0004]
Generally, hydrogen is generated from H in the combustion chamber of the engine.₂O, CO, HC (unburned hydrocarbons)
H₂O + CO → CO₂+ H₂
HC + 2H₂O → CO₂+ (5/2) H₂
Etc. are produced by producing a water gas reduction reaction. This reaction is more likely to occur at higher temperatures, and the amount of hydrogen generated increases as the HC and CO components in the exhaust gas increase, that is, as the exhaust air-fuel ratio increases. Therefore, as the exhaust gas has a rich air-fuel ratio and a higher temperature, the hydrogen concentration in the exhaust gas becomes higher.
[0005]
Hydrogen is smaller than oxygen molecules and has a high diffusion rate in the protective layer outside the air-fuel ratio sensor detection unit (electrode). Therefore, when hydrogen is present in the exhaust gas, hydrogen tends to reach the air-fuel ratio sensor detection unit earlier than oxygen. There is. For this reason, the ratio of the hydrogen concentration to the oxygen concentration in the sensor detection portion inside the protective layer becomes higher than the ratio in the external exhaust. As a result, when hydrogen and oxygen react on the detection unit (electrode), the oxygen concentration in the exhaust gas at the detection unit becomes lower than the equilibrated oxygen concentration of the external exhaust gas.
[0006]
Here, the “equilibrated oxygen concentration” is an oxygen concentration after a combustible component (such as hydrogen) in the exhaust gas has completely reacted with oxygen in the exhaust gas, and is an oxygen concentration corresponding to a true exhaust air-fuel ratio. . As described above, when hydrogen is present in the exhaust gas, the oxygen concentration at the sensor detection unit becomes lower than the equilibrated exhaust oxygen concentration, so that the air-fuel ratio sensor generates an output richer than the actual exhaust air-fuel ratio. . Therefore, even when the actual exhaust air-fuel ratio changes from rich to lean, the air-fuel ratio sensor generates a rich air-fuel ratio output until the actual air-fuel ratio becomes considerably lean (that is, from the rich air-fuel ratio to lean). The detection of the change to the air-fuel ratio is delayed). Therefore, if an attempt is made to control the engine air-fuel ratio to, for example, a stoichiometric air-fuel ratio based on the output of the air-fuel ratio sensor in such a state, there arises a problem that the air-fuel ratio is erroneously controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
[0007]
In the device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-126012, the engine air-fuel ratio is controlled based on the air-fuel ratio sensor output upstream of the exhaust purification catalyst, and the upstream air-fuel ratio is controlled based on the air-fuel ratio sensor output downstream of the exhaust purification catalyst. The value of the control constant that determines the characteristics of the air-fuel ratio control based on the sensor output is corrected. In order to prevent the output of the downstream air-fuel ratio sensor from being affected by the hydrogen in the exhaust gas, the engine operation state is a state in which hydrogen is easily generated (high temperature and rich air-fuel ratio operation), and the downstream air-fuel ratio When the sensor continuously generates a rich air-fuel ratio output, the engine air-fuel ratio shifts to a richer air-fuel ratio by correcting the value of the control constant determined by the downstream air-fuel ratio sensor output. Like that.
[0008]
As described above, in the apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H9-126012, when hydrogen is present in the exhaust gas, the control constant of the air-fuel ratio control is corrected so as to compensate for the change in the output characteristic of the downstream air-fuel ratio sensor due to hydrogen. are doing.
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-29095 discloses an air-fuel ratio sensor which aims to prevent an output characteristic of an air-fuel ratio sensor from being changed by hydrogen in exhaust gas and to obtain an accurate output regardless of the presence or absence of hydrogen. Is disclosed.
[0009]
The sensor disclosed in the publication has a configuration in which a catalyst layer made of platinum or the like is arranged outside a protective layer around an air-fuel ratio sensor detection unit (electrode) so that exhaust gas that is always balanced reaches the sensor detection unit. I have. In other words, by disposing a catalyst such as platinum outside the protective layer, the hydrogen in the exhaust reacts with the oxygen in the exhaust on the catalyst and is oxidized, so that the exhaust passing through the catalyst layer is in an equilibrium state. Hydrogen alone disappears. For this reason, the oxygen concentration in the exhaust reaching the sensor detecting section (electrode) becomes a concentration corresponding to the true exhaust air-fuel ratio, and even if hydrogen is present in the exhaust, the air-fuel ratio sensor outputs an output corresponding to the true air-fuel ratio. Will occur.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the devices disclosed in the above publications have the following problems.
First, since the device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H9-126012 is a so-called double air-fuel ratio sensor system in which air-fuel ratio sensors are arranged on both the upstream side and the downstream side of an exhaust purification catalyst, the method disclosed in the publication is used. It cannot be applied to a single air-fuel ratio sensor system that controls the air-fuel ratio based on the output of a single air-fuel ratio sensor arranged only on the upstream side of the catalyst. That is, in a single air-fuel ratio sensor system, the engine air-fuel ratio is directly controlled based on the output of a single air-fuel ratio sensor arranged on the exhaust purification upstream side. Since the air-fuel ratio is immediately controlled to the lean side (because the engine air-fuel ratio is erroneously controlled to the lean air-fuel ratio until the air-fuel ratio sensor generates a lean air-fuel ratio output), hydrogen actually exists in the exhaust gas. Also, the air-fuel ratio sensor does not continuously generate a rich air-fuel ratio output. Therefore, in the method disclosed in the above publication, it cannot be determined whether or not hydrogen actually exists in the exhaust gas of the single air-fuel ratio sensor system, and the control constant cannot be corrected.
[0011]
On the other hand, in the air-fuel ratio sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-290956, there is a problem that the response of the air-fuel ratio sensor is delayed because the exhaust gas equilibration catalyst is provided outside the protection layer of the air-fuel ratio sensor detection section.
A catalyst component such as platinum has a property of adsorbing oxygen in exhaust gas in the form of oxygen ions on the catalyst surface when the oxygen concentration in the exhaust gas is high (that is, at a lean air-fuel ratio). Therefore, even when the exhaust air-fuel ratio changes from lean to rich, combustible components such as hydrogen in the exhaust first react with oxygen ions on the catalyst surface, and after oxygen ions on the catalyst surface are consumed by the reaction, Reacts with oxygen. For this reason, even after the exhaust air-fuel ratio changes from lean to rich, the oxygen concentration in the exhaust gas that has passed through the catalyst layer does not immediately decrease, and the oxygen concentration in the external exhaust gas until the oxygen surface is no longer present. It is kept at a high value. For this reason, a certain time delay occurs before the oxygen concentration of the exhaust gas that reaches the sensor detection unit after passing through the catalyst layer decreases to a value corresponding to the true exhaust air-fuel ratio. For this reason, in the air-fuel ratio sensor disclosed in JP-A-63-290956, the response of the sensor output change when the exhaust air-fuel ratio changes from lean to rich deteriorates. For this reason, the above-mentioned catalyst-equipped sensor is used in an air-fuel ratio control apparatus that periodically and alternately changes the engine air-fuel ratio between a rich side and a lean side around a stoichiometric air-fuel ratio in a certain range based on the output of the air-fuel ratio sensor. If the air-fuel ratio is used, there is a problem that the air-fuel ratio is erroneously controlled to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio due to the detection delay of the rich air-fuel ratio.
[0012]
This problem can be solved to some extent by setting the control constant of the air-fuel ratio control in consideration of the response delay in advance. However, in practice, the response delay time varies with the deterioration of the sensor catalyst, and the response delay decreases as the deterioration proceeds. In addition, when the catalyst further deteriorates and almost no longer functions as a catalyst, the non-equilibrium gas directly reaches the sensor detection unit, so that the detection unit corresponds to the true exhaust air-fuel ratio as described above. The oxygen concentration becomes lower than the value, and conversely, the detection of the lean air-fuel ratio is delayed. Therefore, if the control constant is set in accordance with the new state of the catalyst, a problem arises in that the error of the air-fuel ratio control increases according to the degree of deterioration of the catalyst.
[0013]
As described above, in the conventional single air-fuel ratio sensor system, it is difficult to accurately control the engine air-fuel ratio to the target air-fuel ratio by compensating for a change in the air-fuel ratio sensor output due to the influence of hydrogen in the exhaust gas. Even when the equilibration catalyst was provided in the sensor, it was difficult. Moreover, the exhaust gas is considerably balanced by the exhaust gas purification catalyst on the downstream side of the exhaust gas purification catalyst, whereas the degree of equilibrium is low on the upstream side, so that the output of the air-fuel ratio sensor installed on the upstream side of the exhaust gas purification catalyst is reduced. In a single air-fuel ratio sensor system that performs air-fuel ratio control based on the air-fuel ratio, the influence of the hydrogen concentration in the exhaust gas is much greater.
[0014]
Each of the above problems is₂In addition to the sensor, for example, by applying a voltage to the solid electrolyte in which one side is in contact with the exhaust and the other side is in contact with the atmosphere, from the exhaust side (low oxygen concentration side) to the atmosphere side (high oxygen concentration side) The same problem arises with a so-called linear air-fuel ratio sensor that forms an oxygen pump for moving oxygen ions and outputs a voltage proportional to the air-fuel ratio based on the change in the current value due to the movement of oxygen ions due to the exhaust oxygen concentration. .
[0015]
The present invention has been made in view of the above problems, and when controlling the engine air-fuel ratio to a target air-fuel ratio based on the output of a single air-fuel ratio sensor arranged on the upstream side of the exhaust purification catalyst, it is always accurate regardless of the presence or absence of hydrogen in the exhaust gas. It is an object of the present invention to provide an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine capable of controlling the air-fuel ratio.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, an exhaust purification catalyst disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and an air-fuel ratio of exhaust disposed in an exhaust passage upstream of the exhaust purification catalyst based on an oxygen concentration in the exhaust gas. An air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio sensor, an air-fuel ratio control means for controlling an engine air-fuel ratio to a target air-fuel ratio based on an output of the air-fuel ratio sensor, and a combustible component in the exhaust reaching the air-fuel ratio sensor, the oxygen in the exhaust gas. A catalyst for sensing the exhaust gas by reacting with the sensor, a characteristic value detecting means for detecting a delay characteristic value related to a response delay of the output of the air-fuel ratio sensor, and a catalytic capacity of the sensor catalyst based on the characteristic value. And a correction means for correcting a value of a control constant for determining a control characteristic of the air-fuel ratio control means based on a determination result of the determination means. Provided.
[0017]
That is, in the first aspect of the present invention, an air-fuel ratio sensor having a sensor catalyst for balancing exhaust gas (hereinafter referred to as a "sensor catalyst") is used. As described above, in the air-fuel ratio sensor having the sensor catalyst, the detection responsiveness to the change of the exhaust air-fuel ratio from lean to rich decreases. The decrease in responsiveness is greater as the catalyst capacity is higher, and becomes shorter as the catalyst capacity is reduced. Therefore, when performing air-fuel ratio control based on the output of a single air-fuel ratio sensor having a sensor catalyst, the higher the capacity of the sensor catalyst, the easier the air-fuel ratio is controlled to the rich side than the target air-fuel ratio, and the lower the capacity and the higher the air-fuel ratio. The fuel ratio is gradually controlled to the lean side. According to the first aspect of the invention, a delay characteristic value related to the response delay of the air-fuel ratio sensor is detected, and the ability of the catalyst is determined based on the delay characteristic value. Then, the air-fuel ratio control characteristics are changed according to the capacity of the sensor catalyst. As the delay characteristic value, for example, the detection response of the sensor may be directly measured, and this detection response (detection delay time) may be used as the delay characteristic value. Also, since the air-fuel ratio control cycle increases as the detection delay time of the change from lean to rich increases, the air-fuel ratio control cycle (or frequency) is detected, and this cycle or frequency is used as a delay characteristic value. Is also good. That is, the determining means of the present invention determines that, for example, the longer the delay time or the longer the air-fuel ratio control cycle (the smaller the control frequency), the higher the performance of the sensor catalyst, and the correction means determines that the performance of the sensor catalyst is higher. The air-fuel ratio control constant is corrected so that the air-fuel ratio shifts to the rich side as the air-fuel ratio increases. As a result, even when an air-fuel ratio sensor having a sensor catalyst is used, an appropriate air-fuel ratio according to a decrease in the performance of the sensor catalyst due to use is performed.
[0018]
According to the invention described in claim 2, the air-fuel ratio control means performs feedback control of an air-fuel ratio correction coefficient for correcting an amount of fuel supplied to an engine based on the output of the air-fuel ratio sensor, and the characteristic value detection means 2. An air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the delay characteristic value is detected based on a feedback control cycle of the air-fuel ratio control means or the air-fuel ratio correction coefficient.
[0019]
That is, in the second aspect of the invention, the characteristic value detecting means uses a feedback control cycle of the air-fuel ratio feedback control (for example, a change cycle of the air-fuel ratio) or an air-fuel ratio correction coefficient as the delay characteristic value.
According to the third aspect of the present invention, there is provided the air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to the first aspect, wherein the characteristic value detecting means detects the delay characteristic value based on the air-fuel ratio sensor output value. You.
[0020]
That is, in the invention of claim 3, the characteristic value detecting means detects the delay characteristic value based on the actual air-fuel ratio sensor output. In this case, when the engine air-fuel ratio changes under a certain engine operating condition, the time until the change in the air-fuel ratio appears in the air-fuel ratio sensor output is measured. May be detected as a delay characteristic value.
[0021]
According to the invention as set forth in claim 4, the determination means determines a change in the output characteristic of the air-fuel ratio sensor together with the catalytic ability of the catalyst for the sensor based on the characteristic value, and the correction means 2. The air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the control constant is corrected based on a change in the output characteristic of the air-fuel ratio sensor and the catalyst capacity determined by the determination unit.
[0022]
According to the fourth aspect of the present invention, the capability of the sensor catalyst is determined based on the delay characteristic value of the output of the air-fuel ratio sensor, and the change of the output characteristic itself of the air-fuel ratio sensor is determined. The output characteristics of the air-fuel ratio sensor change with use. For example, if the air-fuel ratio sensor is deteriorated (for example, the detector electrode is deteriorated) in a state where the sensor catalyst has deteriorated and almost lost the function as a catalyst, the output of the air-fuel ratio sensor indicates that the oxygen concentration is lower than the true exhaust air-fuel ratio. It shifts to the lower side (that is, the rich side). Also, if the sensor detection unit protection layer is clogged when the sensor catalyst is deteriorated, oxygen having large molecules becomes difficult to reach the detection unit, and the air-fuel ratio sensor output similarly shifts to the rich air-fuel ratio side. . In such a state, a response delay occurs when the output of the air-fuel ratio sensor changes from rich to lean, so that the air-fuel ratio is erroneously controlled to lean. According to the present invention, both the catalytic performance of the sensor catalyst and the change (deterioration) of the output characteristic of the air-fuel ratio sensor are determined based on the delay characteristic value of the output of the air-fuel ratio sensor, and according to the deterioration state of the sensor catalyst and the air-fuel ratio sensor. To correct the air-fuel ratio control. For example, when the degree of deterioration of the sensor catalyst is small and the function as the catalyst is maintained, the correction of the air-fuel ratio to the rich side is reduced as the catalytic performance decreases, as in the case of claim 1, so that the sensor catalyst is completely In a state where the air-fuel ratio has deteriorated and the function as a catalyst has been lost, the air-fuel ratio control is corrected so that the air-fuel ratio shifts to the rich side as the response to the change from rich to lean of the air-fuel ratio sensor decreases. To This makes it possible to always control the engine air-fuel ratio accurately to the target air-fuel ratio by compensating for not only a change in the performance of the sensor catalyst but also a change in output characteristics due to deterioration of the air-fuel ratio sensor itself.
[0023]
According to the fifth aspect of the present invention, the exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine, and the air-fuel ratio of the exhaust disposed in the exhaust passage upstream of the exhaust purification catalyst, based on the oxygen concentration in the exhaust gas An air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio, an air-fuel ratio control means for controlling an engine air-fuel ratio to a target air-fuel ratio based on the output of the air-fuel ratio sensor, and an average representing an average air-fuel ratio of the engine based on the air-fuel ratio sensor output. A hydrogen concentration calculating unit that calculates an air-fuel ratio characteristic value and calculates a hydrogen concentration in exhaust gas based on the average air-fuel ratio characteristic value, and a control characteristic of the air-fuel ratio control unit based on the calculated hydrogen concentration. An air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine, comprising: a correction unit that corrects a value of a control constant to be determined.
[0024]
That is, in the invention of claim 5, the air-fuel ratio sensor is not provided with a sensor catalyst. Therefore, as described above, as the hydrogen concentration in the exhaust gas increases, the responsiveness to the change from the rich air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio decreases, and the detection delay increases. Therefore, as the hydrogen concentration in the exhaust gas increases, the air-fuel ratio is controlled to lean. In the invention of claim 5, the hydrogen concentration calculating means calculates the current hydrogen concentration in the exhaust gas based on the average air-fuel ratio characteristic value representing the engine average air-fuel ratio. For example, as the hydrogen concentration in the exhaust gas increases, the average value of the engine air-fuel ratio is controlled to the lean side, so by comparing the current average value of the engine air-fuel ratio with the average value of the engine air-fuel ratio when there is no hydrogen in the exhaust gas, , The current hydrogen concentration in the exhaust gas can be calculated. The correcting means corrects the shift of the engine air-fuel ratio to the lean side due to hydrogen by controlling the engine air-fuel ratio to the rich side as the hydrogen concentration increases, for example, based on the calculated hydrogen concentration. As a result, even when performing air-fuel ratio control based on a single air-fuel ratio sensor output, occurrence of an air-fuel ratio control error due to hydrogen in exhaust gas is prevented without using a sensor catalyst.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration when the present invention is applied to an internal combustion engine for a vehicle. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an internal combustion engine main body. In the present embodiment, a multi-cylinder engine is used as the internal combustion engine 1, and FIG. 1 shows only one of the cylinders, but the other cylinders have the same configuration.
[0026]
In FIG. 1, reference numeral 2 denotes an intake pipe of the engine 1, 16 denotes a throttle valve arranged in the intake pipe 2 and having an opening in accordance with a driver's operation amount of an accelerator pedal 21; 2a, a surge tank provided in the intake pipe 2; Reference numeral 2b denotes an intake manifold connecting an intake port of each cylinder to the surge tank 2a, and reference numeral 7 denotes a fuel injection valve for injecting pressurized fuel into the intake port of each cylinder of the engine 1.
[0027]
In this embodiment, the throttle valve 16 is provided with a throttle opening sensor 17 for generating a voltage signal corresponding to the throttle valve opening, and the surge tank 2a is provided with a throttle valve corresponding to the absolute pressure in the surge tank. An intake pipe pressure sensor 3 for generating a voltage signal is connected.
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes an exhaust manifold for connecting the exhaust ports of the cylinders to a common exhaust pipe 14. When the air-fuel ratio of the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio, HC, CO, NO_XAn exhaust purification catalyst (three-way catalyst) 15 capable of simultaneously purifying the three components is disposed. The exhaust manifold where exhaust from each cylinder of the exhaust manifold 11 joins₂A sensor 13 is provided. In the present embodiment, O₂The sensor 13 detects the oxygen concentration in the exhaust gas and generates an output voltage corresponding to the air-fuel ratio.₂Sensors are used. In the present embodiment, O₂The sensor 13 is a catalyst-equipped sensor having a sensor catalyst for exhaust gas equilibration. FIG. 2 shows O₂FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic structure of a sensor 13.
[0028]
O₂The sensor 13 is, for example, zirconium oxide (ZrO₂), Two platinum electrodes 1301, 1303 are arranged on both sides of the solid electrolyte 1305. The platinum electrode 1303 side contacts the engine exhaust through a porous protective layer 1307 and a catalyst layer 1309, and the platinum electrode 1301. Is inserted into the engine exhaust passage so as to come into contact with the atmosphere.
As described above, when gases having different oxygen concentrations (atmosphere and exhaust gas) are brought into contact with the platinum electrodes 1301 and 1303 on both sides of the solid electrolyte 1305, due to the difference in oxygen concentration between the electrodes, the air (high oxygen concentration) side electrode 1301 In this case, oxygen molecules in the atmosphere are ionized, and oxygen ions move in the zirconium oxide toward the exhaust (low oxygen concentration) side electrode 1303 to become oxygen molecules on the electrode 1303. Therefore, an electromotive force is generated between the electrodes 1301 and 1303 in accordance with the amount of oxygen ions flowing in the zirconium oxide. Further, since the amount of oxygen ions flowing per unit time changes according to the oxygen concentration difference between the atmosphere and the exhaust gas, a signal corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas can be obtained by extracting the electromotive force as an output voltage. it can. FIG. 3 shows O₂FIG. 4 is a diagram illustrating output characteristics of a sensor 13. As shown in FIG.₂The output of the sensor 13 exhibits a so-called Z characteristic that changes relatively rapidly near the stoichiometric air-fuel ratio.
[0029]
However, when hydrogen is generated in the exhaust gas, the hydrogen concentration becomes higher in the vicinity of the exhaust-side electrode 1303 than in the external exhaust gas due to the difference in diffusion speed in the protective layer 1309, as described above, and hydrogen on the electrode is reduced. Oxygen concentration on the exhaust side electrode 1303 becomes lower than that on the outside of the protective layer 1307 due to oxygen reaction.₂The sensor 13 does not generate a lean output unless the air-fuel ratio of exhaust gas outside the protective layer 1307 becomes considerably lean. That is, when hydrogen is present in the exhaust gas, O₂The output of the sensor 13 changes as shown by a dotted line in FIG. For this reason, a delay occurs in detecting the change of the air-fuel ratio from rich to lean.
[0030]
In order to prevent such an influence of hydrogen, in the present embodiment, O₂A porous layer 1309 such as alumina as a catalyst carrier is formed outside the protective layer 1307 of the sensor 13, and a catalyst component such as platinum (Pt) and rhodium (Rh) is carried on the carrier layer. By forming the catalyst layer 1309 outside the protective layer 1307, combustible components such as hydrogen in the exhaust gas react with oxygen in the exhaust gas on the catalyst layer 1309, and after being equilibrated, pass through the protective layer 1307 to the electrode 1303. Will arrive. Therefore, even when hydrogen is generated during the exhaust, the hydrogen does not reach the electrode 1303 as it is, and the vicinity of the electrode 1303 always arrives in a state where the exhaust outside the protective layer 1307 is balanced. become. Since the true air-fuel ratio of the exhaust gas corresponds to the oxygen concentration in the exhaust gas when the combustible components in the exhaust gas and the oxygen have completely reacted, the catalyst layer 1309 provided₂Even when hydrogen is generated in the exhaust gas, the sensor 13 generates an output corresponding to the true exhaust air-fuel ratio, and exhibits the original output characteristic shown by the solid line in FIG. Reference numeral 1311 in FIG. 2 denotes an electric heater for quickly raising the temperature of the solid electrolyte layer 1305 to a temperature at which oxygen ions can move at a low temperature such as when the engine is started.
[0031]
In FIG. 1, a water temperature sensor 9 for detecting a temperature of cooling water is provided on a water jacket 8 of a cylinder block of the engine body 1. The water temperature sensor 9 generates an analog voltage electric signal corresponding to the temperature of the cooling water.
Note that the above O₂Output signals from the sensor 13, the throttle valve opening sensor 17, the intake pipe pressure sensor 3, and the water temperature sensor 9 are input to an A / D converter 101 with a built-in multiplexer of the ECU 10 described later.
[0032]
Reference numerals 5 and 6 in FIG. 1 denote crank angle sensors for detecting the crank rotation angle of the engine 1, respectively. The crank angle sensor 5 is provided in the vicinity of a camshaft (not shown) of the engine 1, and generates a reference position detection pulse signal every 720 ° when the camshaft rotation angle is converted into, for example, a crankshaft rotation angle. The crank angle sensor 6 is provided near the crankshaft and generates a crank angle detection pulse signal every 30 ° of the crankshaft rotation angle. The pulse signals of the crank angle sensors 5 and 6 are supplied to an input / output interface 102 of the ECU 10, and the output of the crank angle sensor 6 is supplied to an interrupt terminal of the CPU 103.
[0033]
The ECU (electronic control unit) 10 is configured as, for example, a microcomputer, and includes an A / D converter 101, an input / output interface 102, a CPU 103, a ROM 104, a RAM 105, a backup RAM 106, a clock generation circuit 107, and the like. .
In the present embodiment, the ECU 10₂The fuel injection amount of the engine 1 is feedback-controlled so that the engine air-fuel ratio becomes the target air-fuel ratio (the stoichiometric air-fuel ratio in the present embodiment) based on the output of the sensor 13 and the fuel injection calculated by controlling the fuel injection valve 7. The air-fuel ratio control of the engine that injects the amount into the intake port of the cylinder is performed. Further, in the present embodiment, the ECU 10₂Degradation of sensor catalyst capacity of sensor and O₂Control is performed to correct the air-fuel ratio control characteristic according to the change in the sensor output characteristic. That is, in the present embodiment, the ECU 10 functions as an air-fuel ratio control unit,₂The characteristic value detecting means for detecting a delay characteristic value representing the output response delay of the sensor, the judging means for judging the capability of the sensor catalyst, the correcting means for correcting the value of a control constant for determining the air-fuel ratio control characteristic, etc. Function as each means.
[0034]
The down counter 108, the flip-flop 109, and the drive circuit 110 of the ECU 10 are for controlling the fuel injection valve 7. That is, when the fuel injection amount (injection time) TAU is calculated in a routine described later, the injection time TAU is preset in the down counter 108 and the flip-flop 109 is set. As a result, the drive circuit 110 starts energizing the fuel injection valve 7. On the other hand, when the down counter 108 counts a clock signal (not shown) and its output terminal finally becomes "1" level, the flip-flop 109 is reset and the drive circuit 110 is connected to the fuel injection valve 7. Stop the force. That is, the fuel injection valve 7 is energized for the above-described fuel injection time TAU, and the amount of fuel corresponding to the time TAU is supplied to the combustion chamber of the engine 1.
[0035]
The rotation speed (rotation speed) data of the engine is calculated based on the pulse interval of the crank angle sensor 6 by interruption every predetermined crank angle (for example, every 30 °), and is stored in a predetermined area of the RAM 105. That is, the latest rotational speed data is always stored in the RAM 105.
Next, the calculation of the fuel injection amount of the engine and the air-fuel ratio feedback control of the present embodiment will be described.
[0036]
In this embodiment, based on the intake pressure PM detected by the intake pipe pressure sensor 3 and the engine speed NE, the ECU 10 controls the fuel injection amount (basic fuel amount) required to maintain the air-fuel ratio of the engine 1 at the stoichiometric air-fuel ratio. Injection amount) TAUP is calculated, and the basic fuel injection amount TAUP is set to O.₂The final fuel injection amount TAU is set by correcting based on the sensor 13 output. FIG. 4 is a flowchart illustrating the fuel injection amount calculation operation described above. This operation is performed as a routine that is executed by the ECU 10 at every constant crank rotation angle.
[0037]
In FIG. 4, when the operation starts, in step 401, the intake pressure data PM and the rotation speed data NE of the engine 1 are read, and in step 403, the basic fuel injection amount TAUP is set based on PM and NE. As described above, TAUP is the fuel injection amount required to maintain the air-fuel ratio of the engine 1 at the stoichiometric air-fuel ratio in the reference state. For example, the experiment is performed by changing the conditions of PM and NE in advance. Is set by In this embodiment, the value of TAUP under the conditions of each PM and NE is stored in advance in the ROM 104 of the ECU 10 in the form of a numerical table using PM and NE. The fuel injection amount TAUP is obtained. In step 405, finally, the fuel injection amount TAU is set as TAU = TAUP × (FAF + KG) × β + γ using the above TUP, and in step 407, a value corresponding to the TAU is set in the down counter 109. This operation ends. As a result, an amount of fuel equal to TAU is injected from each fuel injection valve.
[0038]
Note that β and γ in the above TAU equation are constants for correcting the fuel injection amount when the engine is started, when the engine is cold, or the like, and are set to β = 1.0 and γ = 0 in steady operation after warm-up. .
FAF is controlled by an air-fuel ratio feedback control described later.₂The air-fuel ratio correction coefficient KG set based on the output of the sensor 13 is a learning correction coefficient of the air-fuel ratio correction coefficient FAF. FAF and KG will be described later.
[0039]
FIGS. 5 and 6 are flowcharts illustrating the air-fuel ratio feedback control operation of the present embodiment. This operation is performed as a routine executed by the ECU 10 at regular intervals.
In this operation, O₂The output VO of the sensor 13 is compared with the comparison voltage V_R(The stoichiometric air-fuel ratio equivalent output voltage, see FIG. 3), the exhaust air-fuel ratio upstream of the catalytic converter is richer than the stoichiometric air-fuel ratio (VO> V_R), The air-fuel ratio correction amount FAF is reduced, and lean (VO ≦ V_RIn the case of ()), control for increasing the FAF is performed. O₂The sensor outputs a voltage signal of, for example, 0.9 volts when the exhaust air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and outputs a voltage signal of, for example, 0.1 volts when the exhaust air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Output a voltage signal of about In this embodiment, the comparison voltage V_RIs set to about 0.45 volts. By increasing / decreasing the air-fuel ratio correction amount FAF according to the exhaust air-fuel ratio as described above, even if some errors occur in the fuel supply system such as the intake pipe pressure sensor 3 and the fuel injection valve 7, the engine air-fuel ratio can be reduced. The fuel ratio is corrected exactly to near the stoichiometric air-fuel ratio.
[0040]
Hereinafter, the flowcharts of FIGS. 5 and 6 will be briefly described. Step 501 indicates whether or not the feedback control execution condition is satisfied. The feedback control execution condition is, for example, O₂The sensor has been activated, the engine has been warmed up (the cooling water temperature detected by the cooling water temperature sensor 9 has reached or exceeded a predetermined value), and a predetermined time has elapsed after returning from the fuel cut. The FAF calculation in step 503 and subsequent steps is performed only when the execution condition is satisfied. If the feedback control execution condition is not satisfied, the routine proceeds to step 549 in FIG. 6, sets the value of the flag XMFB to 0, and ends the routine. The flag XMFB is O₂A flag indicating whether or not the air-fuel ratio control based on the output of the sensor 13 is being executed. XMFB = 0 means that the air-fuel ratio feedback control has been stopped.
[0041]
Steps 503 to 529 indicate determination of whether the air-fuel ratio is rich or lean.
The flag F1 shown in steps 517 and 529 is an air-fuel ratio flag indicating whether the engine air-fuel ratio is rich (F1 = 1) or lean (F1 = 0), and changes from F1 = 0 to F1 = 1 (lean to rich). Switching of O₂The sensor 13 continues the rich signal (VO> V) for a predetermined time (TDR) or more._R) Is output (steps 505, 519 to 529), and switching from F1 = 1 to F1 = 0 (rich to lean) takes O₂The sensor 13 continues the lean signal (VO ≦ V) for a predetermined time (−TDL) or more._R) Is output (steps 505 to 517). CDLY is a counter for determining the air-fuel ratio flag switching timing.
In steps 531 to 545 in FIG. 6, the FAF is increased or decreased according to the value of the flag F1 set as described above. That is, by comparing the value of F1 at the time of execution of the current routine with the value of F1 at the time of execution of the previous routine, it is determined whether the value of F1 has changed, that is, whether the air-fuel ratio has been inverted from rich to lean or from lean to rich. (Step 531). When the current value of F1 is F1 = 0 (lean), the FAF is skipped by a relatively large value RSR immediately after changing (inverting) from F1 = 1 to F1 = 0 (rich to lean). (Steps 533 and 535), and thereafter, the FAF is gradually increased by a relatively small value KIR every time the routine is executed while F1 = 0 (steps 539 and 541). Similarly, when the current value of F1 is F1 = 1 (rich), the FAF is skipped immediately after the inversion from F1 = 0 to F1 = 1 (lean to rich) by RSL (step 533). 537). Thereafter, as long as F1 = 1, the FAF is gradually reduced by KIL every time the routine is executed (steps 539 and 543). After guarding the value of the FAF calculated as described above so as not to exceed the range defined by the maximum value (FAF = 1.2 in the present embodiment) and the minimum value (FAF = 0.8 in the present embodiment) (step S1). 545), the value of the flag XMFB is set to 1 (step 547), and this operation ends.
[0042]
FIG. 7 shows the case where the air-fuel ratio feedback control of FIGS. 5 and 6 is performed.₂The counter CDLY (same (B)), the flag F1 (same (C)), and the air-fuel ratio correction coefficient FAF (same (D)) for the change in the air-fuel ratio (A / F) detected by the sensor 13 (FIG. 7A). Changes. As shown in FIG. 7A, even when the A / F changes from lean to rich, the value of the air-fuel ratio flag F1 (FIG. 7C) does not immediately change from 0 to 1 and the value of the counter CDLY is changed. Time until T increases from 0 to TDR (FIG. 7 (C) T₁) Is kept at 0 and T₁It changes from 0 to 1 after elapse. Also, when the A / F changes from rich to lean, the value of F1 is the time required for the value of the counter CDLY to decrease from 0 to TDL (TDL is a negative value) (FIG. 7 (C) T₂) Is kept at 1 and T₂It changes from 1 to 0 after elapse. For this reason, as shown by N in FIG.₂Even when the output of the sensor 13 changes in a short cycle, the value of the flag F1 does not change and the air-fuel ratio control is stabilized.
[0043]
As a result of the air-fuel ratio feedback control, the value of the air-fuel ratio correction coefficient FAF periodically increases and decreases as shown in FIG. 7D, and the engine air-fuel ratio alternately changes between a rich air-fuel ratio and a lean air-fuel ratio. As described in FIG. 4, the fuel injection time TAU increases as the value of FAF increases, and the fuel injection time TAU decreases as the value of FAF decreases.
[0044]
Also, as can be seen from FIG. 7D, when the rich skip amount RSR increases or the lean skip amount RSL decreases, the FAF swings to the rich air-fuel ratio side (FAF> 1.0 side) during the skip operation. Since the width becomes larger than the swing to the lean air-fuel ratio side, and the time during which the engine air-fuel ratio stays on the rich air-fuel ratio side as a whole becomes longer, the average air-fuel ratio shifts to the rich air-fuel ratio side. Conversely, when the RSR decreases or the RSL increases, the swing width of the FAF to the lean air-fuel ratio side (FAF <1.0 side) increases, and the air-fuel ratio entirely shifts to the lean air-fuel ratio side. Therefore, by increasing or decreasing the values of RSR and RSL, it is possible to shift the engine air-fuel ratio as a whole to the rich air-fuel ratio side or the lean air-fuel ratio side.
[0045]
Further, the engine air-fuel ratio can be changed by changing another correction amount in the air-fuel ratio control. For example, when the value of the rich integration constant KIR is increased or the value of the lean integration coefficient KIL is decreased, the increasing speed of the FAF in step 541 in FIG. 5 becomes greater than the decreasing speed in step 543 in FIG. The time during which the vehicle stays on the rich side becomes longer, and the average air-fuel ratio shifts to the rich side. Further, by increasing the value of the rich delay time TDR or decreasing the value of the lean delay time TDL, the time during which the engine air-fuel ratio remains on the rich air-fuel ratio side as a whole becomes longer. Shift to rich side. Or O₂Comparison voltage V of sensor 13_RIncreases, the time during which the engine air-fuel ratio remains on the rich air-fuel ratio side also becomes longer, so that the engine air-fuel ratio shifts to the rich side as a whole.
[0046]
In this specification, the skip amounts RSR, RSL, the integral coefficients KIR, KIL, the delay times TDR, TDL, and the comparison voltage V that determine the control characteristics of the air-fuel ratio feedback control as described above are described._RAre referred to as control constants of the air-fuel ratio control.
Next, the learning correction coefficient KG used for setting the final fuel injection amount in the fuel injection amount calculation operation of FIG. 4 will be described.
[0047]
By performing the air-fuel ratio feedback control shown in FIGS. 5 and 6 as described above, the value of FAF is set according to the change in the characteristic even when the characteristic of the fuel injection system device slightly changes. The engine air-fuel ratio is controlled to the stoichiometric air-fuel ratio. However, as described in step 545 of FIG. 6, the FAF value is guarded by the maximum value and the minimum value (for example, 1.2 and 0.8). Then, there arises a problem that the control range by the FAF is narrowed. For example, when the FAF periodically changes around 1.1 due to the characteristic change or variation of the device, that is, when the value of the FAF corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio shifts to 1.1, the maximum guard value is increased. The control range of the FAF on the rich air-fuel ratio side is limited to the range of 1.1 to 1.2 because of the existence of the air-fuel ratio. Therefore, the engine air-fuel ratio cannot be controlled to the stoichiometric air-fuel ratio. When the feedback control condition is not satisfied at step 501 in FIG. 5, open loop control is performed with the FAF value fixed at 1.0. In this case, too, the FAF value corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio is 1. If it is 1, the engine air-fuel ratio will be controlled to a value far from the stoichiometric air-fuel ratio if FAF is set to 1.0. Therefore, in the present embodiment, the value of the learning correction coefficient KG is increased or decreased, so that the value of the FAF is always controlled to be close to 1.0.
[0048]
For example, when the value of the FAF corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio becomes 1.1 as described above, the value of the learning correction coefficient KG is set to 0.1. As a result, the value of FAF is set to 1.0 by the control of FIGS. 5 and 6 while maintaining the value of (FAF + KG) at 1.1. Further, in the case of the open-loop control, even if the value of FAF is fixed at 1.0, the value of (FAF + KG) is similarly maintained at 1.1, so that the fuel injection amount set by the operation of FIG. The amount is sufficient to maintain the air-fuel ratio at the stoichiometric air-fuel ratio.
[0049]
FIG. 8 is a flowchart illustrating a setting operation of the learning correction coefficient KG.
This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at the same time intervals as the operations in FIGS.
When the operation starts in FIG. 8, it is determined in step 801 whether or not the value of the flag F1 set in FIG. 5 has been inverted, that is, whether or not the value of F1 has been changed from the value of F1 in the previous operation execution. Proceeds to step 821, and sets the current value of the air-fuel ratio correction coefficient FAF to FAF._i-1Then, the operation is terminated. If the value of F1 is inverted at step 801, it is determined at step 803 whether the current value of F1 is set to 0 (lean). If F1 = 0 in step 803 after F1 inversion, it means that immediately after rich skip by RSR was performed in the routines of FIGS._i-1Is the value of the FAF immediately before the rich skip (the minimum value of the FAF). Therefore, in this case, the previous FAF_i-1Is stored as FAFL. Also, if F1 ≠ 0 in step 803 after F1 inversion, it means that immediately after the lean skip by RSL was performed,_i-1Is the value of the FAF immediately before the lean skip (the maximum value of the FAF). Therefore, in this case, the process proceeds to step 807, where the previous FAF_i-1Is stored as FAFR. Then, in step 809, an average value FAFAV of the maximum value FAFR and the minimum value FAFL of FAF is calculated.
[0050]
In steps 811 to 817, the value of the learning correction coefficient KG is increased or decreased according to the average value FAFAV. That is, when FAFAV ≧ (1.0 + α), the value of KG is increased by ΔKG. (Steps 811, 813) When FAFAV ≦ (1.0−α), the value of KG is reduced by ΔKG (Steps 815, 817). When (1.0−α) <FAFAV <(1.0 + α), the value of KG is held as it is. Then, in step 819, the value of KG after the increase or decrease is stored in the backup RAM 106.
[0051]
By performing the operation in FIG. 8, the value of the learning correction coefficient KG is set such that the value of the average value of FAF (FAFAV) always falls within the range of (1.0−α) <FAFAV <(1.0 + α). Is done. In this embodiment, the value of α is set to a value of, for example, about 0.001 to 0.01, and the value of ΔKG is set to a value of about 0.0005 to 0.001.
[0052]
By the way, as shown in FIGS.₂When performing air-fuel ratio feedback control based on sensor 13 output O₂When the detection responsiveness of the sensor 13 for the change of the lean / rich air-fuel ratio is reduced, the air-fuel ratio control is shifted to the rich side or the lean side, for example, as in the case where the TDR and TDL of the control constants are changed. In the present embodiment, since a sensor with a catalyst is used, even when hydrogen is generated in the exhaust gas, there should be no delay in detecting the change from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio. However, since the sensor catalyst is provided, there is a problem that a delay in detecting a change from the rich air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio occurs.
[0053]
As described above, this delay is caused when oxygen ions are adsorbed on the sensor catalyst surface in the catalyst layer 1309 of the sensor 13 when the exhaust air-fuel ratio is lean, and when the exhaust air-fuel ratio becomes rich, this oxygen ion causes Is generated because the flammable components of the steel are oxidized. When such a detection delay from lean to rich occurs, the timing at which the lean skip RSL occurs in FIG. 7 is delayed, so that the time from the occurrence of the rich skip RSR to the occurrence of the lean skip RSL increases, and the rich integration coefficient increases. The FAF is excessively controlled on the rich side due to the KIR, and the air-fuel ratio feedback control cycle (the time from the rich skip to the next rich skip or the time from the lean skip to the next lean skip) is long, and the air-fuel ratio Is controlled to the rich air-fuel ratio side as a whole. In addition, the detection delay time of the rich air-fuel ratio becomes longer as the catalytic performance of the sensor catalyst becomes higher, and becomes shorter as the catalytic performance becomes lower. Therefore, as the catalytic performance becomes lower, the air-fuel ratio feedback control cycle becomes shorter, Of the air-fuel ratio also becomes small. In this case, in order to accurately control the engine air-fuel ratio to the target air-fuel ratio, it is necessary to change the characteristics of the air-fuel ratio feedback control according to the capacity of the sensor catalyst.
[0054]
Therefore, in the embodiment described below, attention is paid to the fact that the feedback control cycle of the air-fuel ratio changes according to the capacity of the sensor catalyst.₂The feedback control cycle is used as a delay characteristic value representing the response delay of the sensor to estimate the performance of the sensor catalyst. That is, in the present embodiment, the air-fuel ratio feedback control cycle is calculated by a method described later, and the sensor catalyst capacity is estimated from the air-fuel ratio feedback control cycle. Is set. Thereby, it is possible to accurately control the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio regardless of a change in the catalytic ability of the sensor catalyst.
[0055]
Hereinafter, several embodiments of the correction of the air-fuel ratio control constant of the present invention will be described.
(1) First embodiment
FIG. 9 is a flowchart illustrating the air-fuel ratio feedback control cycle detection operation of the present embodiment. This operation is performed as a routine executed by the ECU 10 at the same time interval as the operations in FIGS.
[0056]
In the operation of FIG. 9, the time interval of the inversion of the air-fuel ratio flag F1 from 1 to 0 set in the operations of FIGS. 5 and 6 is measured by the cycle counter COX.
That is, in steps 901 and 903 in FIG. 9, it is determined whether or not the air-fuel ratio flag F1 has been inverted (step 901). If the air-fuel ratio flag F1 has been inverted, it is determined whether or not F1 has been inverted from F1 = 1 to F1 = 0 (step 903). If the value of F1 is inverted from 1 to 0, the value of the time counter COX at that time is stored as TOX in step 907, and the value of the counter COX is cleared in step 909. On the other hand, if the flag F1 is not inverted or not from 1 to 0 in steps 901 and 903, the process proceeds to step 905, and the value of the time counter COX is increased by one. That is, the value of the clock counter COX is set to 0 each time the value of F1 is inverted from 1 to 0, and thereafter, is increased by 1 each time this operation is executed. Then, when the value of F1 is inverted from 1 to 0, the value of COX at that time is stored as TOX before the value of COX is cleared to 0 again. For this reason, the value of TOX is a value representing an interval at which the value of F1 is inverted from 1 to 0, that is, an interval (air-fuel ratio feedback control cycle) in which rich skip occurs.
[0057]
After the current feedback control cycle TOX is timed as described above, in step 911, a smoothed calculation (weighted average) of the feedback control cycle is performed, and the smoothed value TFB of the feedback control cycle is calculated as TFB = TFB + (TOX-TFB) / It is calculated as K. Here, K is a smoothing coefficient (weighting coefficient) and is a constant larger than 1. After calculating the TFB in step 911, the value of the TFB is stored in the backup RAM 106 in step 913, and the operation ends.
[0058]
FIG. 10 is a flowchart illustrating the operation of correcting the air-fuel ratio control constant based on the feedback control cycle in the present embodiment. This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at regular intervals.
This operation shows a case where the value of the rich skip amount RSR is corrected based on the feedback control cycle TFB obtained by the operation of FIG. In the operation of FIG. 10, the feedback control cycle TFB calculated in FIG. 9 is read from the backup RAM 106 (step 1001), and the value of RSR is set according to the value of TFB (step 1003). RSL = 0.1-RSR is set (step 1005).
[0059]
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between RSR and TFB used in step 1003. As shown in FIG. 11, in the present embodiment, the larger the value of the feedback control cycle TFB (that is, the larger the catalytic ability of the sensor catalyst), the smaller the RSR is set. As described above, the smaller the value of the control constant RSR is set, the more the air-fuel ratio is corrected to the lean side. For this reason, as the catalytic capacity of the sensor catalyst is large and the shift amount of the air-fuel ratio to the rich side is large, the value of RSR is set to be small, and the engine air-fuel ratio is largely corrected to the lean side. The relationship in FIG. 11 differs depending on the type of the sensor catalyst and the sensor, the type of the engine, and the like. For this reason, in this embodiment, an experiment is performed in an actual engine using sensor catalysts having different degrees of deterioration, and the relationship between the degree of sensor catalyst deterioration and the feedback control period TFB, and the degree of sensor catalyst deterioration and the air-fuel ratio are set to the target air-fuel ratio. The value of RSR required to correct the value is calculated. The relationship in FIG. 11 showing the relationship between the feedback control cycle and the required RSR value is stored in advance in the ROM 104 of the ECU 10 in the form of a numerical table using RSR and TFB. In step 1003, the value of RSR is determined from the value of TFB using this numerical value table.
[0060]
Although FIG. 10 shows a case where the skip amount RSR (RSL) is corrected as a control constant, as described above, the integration coefficient KIR (KIL), the delay time TDR (TDL), and the comparison voltage V_RThe same effect can be obtained by correcting any one of these in accordance with the value of the feedback control cycle TFB. Also, two or more of these control constants may be corrected simultaneously according to the value of the feedback control period TFB. Also in these cases, the larger the feedback control cycle TFB (the larger the catalytic ability of the sensor catalyst), the more KIR, TDR, V_RIs set to be small, and the engine air-fuel ratio is corrected to be leaner as the sensor catalyst capacity becomes larger.
(2) Second embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, by correcting the value of the control constant in accordance with the catalytic ability of the sensor catalyst based on the air-fuel ratio feedback control cycle, it is possible to accurately calculate the theoretical air-fuel ratio regardless of the change in the catalytic ability of the sensor catalyst. The air-fuel ratio is controlled. However, when the deterioration of the sensor catalyst has greatly progressed and the sensor catalyst has stopped functioning, a problem may occur when the control of the first embodiment is performed.
[0061]
If the catalyst function of the sensor catalyst is lost due to deterioration,₂The sensor output is O without the conventional sensor catalyst.₂Like a sensor, it is greatly affected by the hydrogen concentration in the exhaust gas. In this case, as described above,₂As for the sensor output, the detection of the change from the rich air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio is delayed as the hydrogen concentration in the exhaust gas is higher. Therefore, when the air-fuel ratio feedback control as shown in FIGS. 5 and 6 is performed, the timing at which the rich spike RSR of FIG. 7 occurs is delayed contrary to the case where the sensor catalyst is present, and the lean integration coefficient KIL Then, the air-fuel ratio greatly swings to the lean side. Therefore, as the hydrogen concentration in the exhaust gas increases, the air-fuel ratio feedback control cycle increases, and the air-fuel ratio shifts to the lean side. In this case, it is necessary to correct the control constant so that the air-fuel ratio shifts to the rich side as the hydrogen concentration increases, that is, as the feedback control cycle increases.
[0062]
However, in the first embodiment, since the sensor catalyst is not losing its function as a catalyst, the control constant is corrected so that the air-fuel ratio shifts to the lean side as the feedback control cycle TFB increases. I will. Therefore, in the first embodiment, when the hydrogen concentration in the exhaust gas increases and the feedback control cycle increases in a case where the sensor catalyst deteriorates and does not function, the air shifted to the lean side due to the influence of hydrogen. The fuel ratio is further shifted in the lean direction, and conversely, the control error of the engine air-fuel ratio may increase. Therefore, in the present embodiment, first, the degree of deterioration of the sensor catalyst is determined, and when it is determined that the sensor catalyst is functioning as a catalyst, the same control constants as those in the first embodiment are set, and the sensor catalyst is used. If it is determined that the catalyst has deteriorated and has lost its function as a catalyst, control is performed to shift the air-fuel ratio to the leaner side as the feedback control cycle increases.
[0063]
Next, a method for determining the presence or absence of deterioration of the sensor catalyst according to the present embodiment will be described. As described above, O with sensor catalyst₂The sensor has a delay in detecting the change from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio, and the delay increases as the catalytic performance of the sensor catalyst increases, and decreases as the catalytic performance decreases. Therefore, in the present embodiment, O₂The degree of deterioration of the sensor catalyst is determined by actually measuring the response delay in detecting the rich air-fuel ratio of the sensor.
[0064]
FIG.₂FIG. 4 is a diagram illustrating a principle of detecting a response delay time of a sensor. In FIG. 12, a curve (A) shows a change in the air-fuel ratio correction coefficient FAF during the air-fuel ratio feedback control, and a curve (B) shows an O-fuel ratio correction coefficient FAF.₂It shows a change in sensor output. As described above, in the present embodiment, the air-fuel ratio control shown in FIGS. 5 and 6 is executed. Therefore, as described with reference to the curve (D) in FIG. 7, the FAF during the feedback control is based on the integration coefficients (KIR, KIL). The change is a combination of the increase and decrease and the skip-like increase and decrease by the skip amount (RSR, RSL). Here, when a rich skip change (indicated by RSR in FIG. 12) occurs in the FAF as shown in FIG. 12 curve (A), the fuel injection amount of the engine is increased in a skip manner, and the exhaust air-fuel ratio is greatly increased to the rich side. Change. Then, the change in the exhaust air-fuel ratio to the rich side occurs after a certain time delay ΔT,₂It appears as a sudden increase in the output of the sensor 13 (the portion indicated by ΔV on the curve (B)). The delay time ΔT is determined when the exhaust gas whose air-fuel ratio has suddenly changed to the rich side due to the rich skip RSR is₂Time required to move to sensor installation position and O₂It is the sum of the detection response delay time of the sensor itself. On the other hand, the exhaust discharged from the engine is O₂The time required to move to the sensor position is always constant if the operating conditions (exhaust flow rate) are the same. Also, O₂The detection response delay of the sensor itself decreases as the catalytic performance of the sensor catalyst decreases. Therefore, if the delay time ΔT is measured under certain operating conditions (engine speed NE, intake pressure PM), the value of ΔT is₂The detection response delay time of the sensor itself can be estimated. In the present embodiment, the delay time ΔT is measured by a method described below, and when the delay time ΔT becomes equal to or less than a predetermined time, it is determined that the sensor catalyst has deteriorated to the extent that it does not function as a catalyst.
[0065]
FIG. 13 is a flowchart illustrating the response delay time ΔT measurement operation of the present embodiment. This operation is performed as a routine executed by the ECU 10 at the same time interval as the operations in FIGS.
In FIG. 13, when the operation starts, first, in step 1300, it is determined whether or not a delay time detection condition is satisfied. As described above, the delay time ΔT needs to be measured in a state where the engine is operating under certain operating conditions. Therefore, in step 1300, the air-fuel ratio feedback control of FIGS. 5 and 6 is being executed (the value of the flag XMFB is set to 1 in step 547 of FIG. 6). Is determined, that is, when the engine intake pressure PM and the rotational speed NE are within predetermined ranges (for example, when the engine 1 is in an idle state), it is determined that the detection condition is satisfied. . If the detection condition is not satisfied in step 1300, the process proceeds to step 1303, and this operation ends immediately after clearing the value of the time counter CT described later.
[0066]
If the detection condition is satisfied in step 1300, it is determined in step 1301 whether or not the value of the air-fuel ratio flag F1 set by the operations in FIGS. 5 and 6 is 0, and F1 ≠ 0 (that is, F1 = 1). In step 1303, the value of the time counter CT is cleared. If F1 = 0, step 1305 sets O₂While reading the sensor 13 output VO, the O₂The amount of increase in sensor output ΔVO is given by ΔVO = VO−VO_i-1Is calculated as Where VO_i-1Is the last time this operation was performed₂This is the sensor output. In step 1307, it is determined whether or not the increase amount ΔVO calculated as described above is equal to or greater than a predetermined amount ΔV (FIG. 12). If ΔVO <ΔV, the value of the time counter CT is incremented by 1 in step 1309. Increase. As a result, the value of the time counter CT is set to 0 while the value of the flag F1 is 1, and ΔVO <ΔV from the time when the value of F1 changes from 1 to 0 (that is, the time when the rich skip RSR occurs). Is increased by 1 each time the operation is performed as long as
[0067]
Therefore, if ΔVO ≧ ΔV is satisfied in step 1307, the value of the time counter CT at that time is changed to O after the occurrence of the rich skip RSR.₂This represents the time until the output of the sensor 13 suddenly increases by ΔV or more (that is, the delay time ΔT in FIG. 12). In the present embodiment, considering the variation of ΔT due to disturbance or the like, the value obtained by further smoothing (weighted average processing) this ΔT in step 1313 is represented by O₂The response delay time TDC of the sensor is used. Note that N in the formula in step 1313 is a smoothing coefficient (weighting coefficient), and is set to a value larger than 1.
[0068]
After calculating the delay time TDC as described above, in step 1313 the calculated delay time TDC is stored in the backup RAM 106 of the ECU 10, and VO is calculated in step 1315 for the next calculation._i-1Is updated, and this operation ends.
FIG. 14 is a flowchart illustrating a control constant correction operation according to the present embodiment. This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at regular intervals.
[0069]
In FIG. 14, when the operation starts, in step 1401, the delay time TDC calculated by the operation in FIG. 13 is read. In step 1403, the feedback control cycle TFB calculated by the operation in FIG. 9 is read.
Then, in step 1405, it is determined based on the delay time TDC whether the sensor catalyst has deteriorated to such an extent that it does not function as a catalyst. In this embodiment, the delay time TDC is set to a predetermined reference value TDC.₀In the following cases, it is determined that the sensor catalyst has deteriorated to such an extent that it does not function as a catalyst. Note that TDC₀The value of O indicates that the sensor catalyst has deteriorated to the allowable limit while the engine is operating under the detection conditions of step 1300 in FIG.₂It is determined by an experiment using a sensor or the like. The detection conditions are set for each operating region of the engine, and TDC₀Is determined for each operation region, the frequency of detecting the response delay time can be increased.
[0070]
When it is determined in step 1405 that the sensor catalyst is normal (TDC> TDC₀In step 1407, the value of the rich skip amount RSR is set in step 1407 based on the feedback control cycle TFB obtained by the operation in FIG. 9 as in step 1003 in FIG. If it is determined in step 1405 that the sensor catalyst has deteriorated (TDC ≦ TDC₀In (1), the value of RSR is set in step 1409 based on the relationship between the RSR for sensor catalyst deterioration and the feedback control cycle TFB. Then, in step 1411, the RSL value is set based on the RSR value set in step 1407 or step 1409, as in the operation in FIG.
[0071]
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between RSR and TFB at the time of deterioration of the sensor catalyst used in step 1409. As shown in FIG. 15, when the sensor catalyst is deteriorated, the value of the RSR is set to be larger as the feedback control cycle TFB is larger (that is, as the hydrogen concentration in the exhaust gas is higher). It is upside down.
[0072]
According to the present embodiment, in addition to correcting the value of the control constant in accordance with the catalytic ability of the sensor catalyst, when the sensor catalyst deteriorates and loses its function as a catalyst, the hydrogen concentration in the exhaust gas is reduced. Since the value of the control constant is corrected accordingly, it is possible to accurately control the engine air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio regardless of whether the sensor catalyst has deteriorated or the hydrogen concentration in the exhaust gas.
[0073]
Although the case where the skip amount RSR (RSL) is corrected as the control constant has been described with reference to FIG. 14, the control constants are the integral coefficients (KIR, KIL) and the delay instead of the skip amount as in the first embodiment. Time (TDR, TDL), comparison voltage (V_RThe same effect can be obtained by correcting (). In this case, when the sensor catalyst is deteriorated, KIR, TDR, V_RIs set to a larger value as the feedback control period TFB increases. Further, as in the first embodiment, two or more of the control constants may be corrected simultaneously.
(3) Third embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the case where the sensor catalyst is deteriorated is considered.₂In the sensor, not only the sensor catalyst but also O₂The sensor itself may be deteriorated, or the protection layer (FIG. 2, 1307) may be clogged. O₂When sensor deterioration (sensor electrode deterioration) occurs, O₂The lean air-fuel ratio detection response of the sensor decreases. Also, when clogging of the protective layer occurs, oxygen molecules hardly pass through the protective layer.₂The lean air-fuel ratio detection response of the sensor decreases. That is, O₂When the deterioration of the sensor electrode or the clogging of the protective layer occurs, the air-fuel ratio feedback control cycle increases, and the air-fuel ratio shifts to the lean side. For this reason, if the value of the control constant is corrected based on the feedback control cycle as in each of the above-described embodiments, the performance of the sensor catalyst decreases, the sensor itself deteriorates (or the sensor protection layer is clogged), and If factors such as the loss of catalytic function due to the deterioration of the sensor catalyst and the effect of the hydrogen concentration in the exhaust gas are combined in a complicated manner, accurate air-fuel ratio control may not be performed. However, in these cases as well,₂As the rich air-fuel ratio detection delay of the sensor output increases, the air-fuel ratio shifts to the rich side greatly, and O₂As the delay in detection of the lean air-fuel ratio of the sensor output increases, the air-fuel ratio remains largely shifted to the lean side. For this reason, O₂If both the rich air-fuel ratio detection delay time and the lean air-fuel ratio detection delay time of the sensor are detected, and the control constant of the air-fuel ratio control is corrected according to these delay times, the feedback control cycle is not used. In all cases, accurate air-fuel ratio control is possible. Therefore, in the present embodiment, O is performed by the operation of FIG.₂In addition to calculating the rich air-fuel ratio detection delay time TDC of the sensor 13, O₂The lean air-fuel ratio detection delay time TDS of the sensor 13 is calculated, and the value of the control constant is corrected based on both of these delay times.
[0074]
FIG. 16 is a flowchart illustrating a calculation operation of the lean air-fuel ratio detection delay time TDS in the present embodiment. This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at the same time interval as the operation in FIGS.
In the operation of FIG. 16, after the lean skip RSL has occurred (that is, since the value of the air-fuel ratio flag F1 has changed from 0 to 1) (step 1601) O₂13 is different from the flowchart of FIG. 13 in that a counter CTS (steps 1603 and 1609) for measuring the time until the sensor output VO shows a sudden decrease of not less than ΔV is used. Identical. Further, the point that the value obtained by smoothing the value of the delay time measured this time is used as the lean air-fuel ratio detection delay time TDS (step 1613) is the same as the operation in FIG. 13, and therefore, detailed description is omitted here. .
[0075]
FIG. 17 is a flowchart for explaining the operation of correcting the air-fuel ratio control constant using the delay times TDC and TDS. This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at regular intervals.
In this operation, the rich air-fuel ratio detection delay time TDC calculated in FIG. 13 and the lean air-fuel ratio detection delay time TDS calculated in FIG. 16 are respectively read from the backup RAM 106 (FIG. 17, step 1701), and the delay time TDC A rich skip amount RSR is set based on a preset relationship based on the RDS and the TDS (step 1703), and a lean skip amount RSL is calculated from the set RSR value (step 1705).
[0076]
FIG. 18 is a diagram showing the relationship between RSR, TDC, and TDS used for setting the value of RSR in step 1703. As shown in FIG. 18, if the rich air-fuel ratio detection delay time TDC is constant, the value of RSR is set to a larger value (direction in which the air-fuel ratio is shifted to the rich side) as the lean air-fuel ratio detection delay time TDS increases. If the lean air-fuel ratio detection delay time TDS is constant, the value is set to a smaller value (a direction in which the air-fuel ratio shifts to the lean side) as the rich air-fuel ratio detection delay time TDC increases. The relationship in FIG.₂An experiment is performed using the sensor 13 to operate the engine while changing the delay time of the sensor 13, and the value of RSR required to maintain the engine air-fuel ratio at the stoichiometric air-fuel ratio is determined. In the present embodiment, the relationship of FIG. 18 is stored in advance in the ROM 104 of the ECU 10 as a numerical table using RSR, TDC, and TDS. In step 1703 in FIG. 17, the value of RSR is determined from this numerical table.
[0077]
According to the present embodiment, the degree of deterioration of the sensor and O₂It is possible to accurately control the engine air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio even when there is a change in sensor output characteristics due to deterioration of the sensor, clogging of the protective layer, or the like.
(4) Fourth embodiment
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0078]
FIG. 19 is a view similar to FIG. 1 showing a schematic configuration of the present embodiment. 19, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same elements.
Also in this embodiment, a single O₂Although a sensor system is used, FIG.₂Unlike the sensor 13, the O of the present embodiment₂The sensor 190 is different from the embodiment of FIG. 1 in that a sensor catalyst is not provided. Further, in the present embodiment, the ECU 10 functions as an air-fuel ratio control unit as in FIG. 1, a hydrogen concentration calculation unit that calculates the hydrogen concentration in the exhaust gas, and a control constant for neck control based on the calculated hydrogen concentration. Function as correction means for correcting Note that O₂The configuration of the sensor 190 is the same as the configuration of FIG. 2 except that the catalyst layer 1309 is not provided in FIG. 2 and the protective layer 1307 is in direct contact with the exhaust gas. Also in the present embodiment, the air-fuel ratio feedback control described with reference to FIGS. 4 to 6 and 8 is performed. In this case, O₂Since the sensor 190 is not provided with a sensor catalyst, if hydrogen is generated in the exhaust gas, the engine average air-fuel ratio shifts to the lean side due to the detection delay of the lean air-fuel ratio.
[0079]
In this case, if the sum (FAF + KG) of the air-fuel ratio correction coefficient FAF and the learning correction coefficient KG corresponding to the fuel amount for operating the engine 1 at the stoichiometric air-fuel ratio is 1.0, the influence of hydrogen Occurs, the value of (FAF + KG) is set to a value smaller than 1.0, and the value of (FAF + KG) decreases as the hydrogen concentration in the exhaust gas increases. Therefore, by monitoring how much the value of (FAF + KG) is smaller than 1.0, the influence of the hydrogen concentration in the exhaust gas can be known. However, in practice, the value of (FAF + KG) corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio changes from 1.0 due to variations in the characteristics of the elements of the fuel injection system of the engine 1 and so the value of (FAF + KG) is not necessarily 1.0. Even when compared, the exact effect of hydrogen concentration cannot be known. Further, since the value of (FAF + KG) is periodically changed by the air-fuel ratio feedback control, the effect of the hydrogen concentration cannot be known from (FAF + KG) at each time. Therefore, in the present embodiment, O 2 due to hydrogen in exhaust gas during engine operation₂The average value of (FAF + KG) is calculated while excluding the influence on the output characteristics of the sensor 190, and the value of (FAF + KG) not affected by hydrogen is used as a reference value. Since the average value of (FAF + KG) always agrees with the stoichiometric air-fuel ratio equivalent value in a state not affected by the hydrogen in the exhaust gas, by using this value as a reference value, the stoichiometric air-fuel ratio of the operating air-fuel ratio can be obtained. Can be accurately calculated. That is, in this embodiment, the average value of (FAF + KG) is used as the average air-fuel ratio characteristic value, and the hydrogen concentration in the exhaust gas is calculated based on the average air-fuel ratio characteristic value.
[0080]
Next, a method for eliminating the influence of hydrogen in the exhaust gas will be described.
As described with reference to FIG.₂The sensor is provided with an electric heater 1311 for heating and activating the sensor early. Usually, this sensor is used at the time of a cold start or the like, and when the exhaust gas temperature rises and the sensor temperature can be maintained at the activation temperature (for example, about 300 ° C.) without using a heater, the power supply is stopped. . In this embodiment, the influence of hydrogen is eliminated by heating the sensor temperature to a higher temperature than normal (for example, 600 ° C. or higher) using this electric heater. When the sensor temperature becomes high, hydrogen in the exhaust gas reacts with oxygen outside the sensor protective layer, and the exhaust gas can be equilibrated without using a sensor catalyst. For this reason, the learning correction coefficient KG in FIG. 8 is calculated while maintaining the sensor temperature at a high temperature, and the average value of (FAF + KG) is obtained, thereby obtaining the stoichiometric air-fuel ratio corresponding to a state in which the influence of hydrogen is eliminated. (FAF + KG) reference value can be set. If the sensor is kept at a high temperature at all times, accurate air-fuel ratio control is possible regardless of the presence or absence of hydrogen in the exhaust gas.However, if the sensor is kept at a high temperature for a long time, the deterioration of the electrodes and the solid electrolyte will occur. It is not preferable to constantly heat the sensor because it is accelerated. Therefore, in this embodiment, the heater is controlled to a high temperature periodically (for example, every time the engine is started) for a short period of time.₂The sensor temperature is raised to obtain a reference value of (FAF + KG), and thereafter, normal heater control is performed to prevent the sensor from deteriorating.
[0081]
In the present embodiment, during normal operation (when the sensor is not heated), the average value of (FAF + KG) is calculated, and hydrogen in the exhaust gas is calculated based on the difference between this average value and the reference value obtained above. The concentration is calculated and the control constant is set to a value corresponding to the hydrogen concentration.
FIG. 20 shows a reference value FAFKG of (FAF + KG) in the present embodiment.₀6 is a flowchart for explaining the calculation operation of. This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at regular intervals.
[0082]
When the operation is started in FIG. 20, it is determined in step 2001 whether or not the value of the reference value calculation completion flag XG is set to 1. If XG = 1, the reference value FAFKG is further set.₀The operation is immediately terminated without calculating. XG is a flag that is reset to 0 when the engine is started, and the reference value FAFKG₀Is completed, the value is set to 1 in step 2017. Therefore, the reference value FAFKG₀Is calculated once every time the engine is started.₂Sensor deterioration due to sensor heating is prevented.
[0083]
If the value of the reference value calculation completion flag XG is not set to 1 in step 2001, the reference value has not yet been calculated after the engine is started, and the reference value calculation operation in steps 2003 to 2017 is performed. That is, in step 2003, it is determined whether or not the reference value calculation condition is satisfied. If the condition is not satisfied, the process proceeds to step 2017, and normal control of the heater 1311 is performed. That is, when the sensor temperature is low, for example, after the engine is started, the heater is energized, and the sensor is heated to the activation temperature of the sensor. Here, the reference value calculation condition is that the feedback control of FIGS. 5 and 6 is being executed (the value of the flag XMFB is set to 1 in step 547 in FIG. 6) and that the engine is in a steady operation. And that the value of the air-fuel ratio correction coefficient FAF is stable.
[0084]
If the reference value calculation condition is satisfied in step 2003, high temperature control of the electric heater 1311 is performed in step 2005. The high temperature control of the heater is performed by supplying a larger current to the electric heater 1311 than the normal heater control. Then, in step 2007, it is determined whether or not the sensor has reached a high temperature (for example, 600 ° C. or higher). The determination of the sensor temperature may be performed by actually measuring the sensor temperature.For example, it is determined whether the sensor has reached a high temperature based on whether a predetermined time has elapsed since the start of the high temperature control of the heater. The determination may be made.
[0085]
If the sensor temperature has reached the high temperature in step 2007, it is next determined in step 2009 whether the learning of the learning correction coefficient KG in the high temperature state of the sensor has been completed. In this embodiment, the learning control shown in FIG. 8 is always executed together with the air-fuel ratio feedback control shown in FIGS. 5 and 6, and when the temperature of the sensor becomes high, the influence of hydrogen in the exhaust gas disappears and the value of FAF changes. By the learning control of No. 8, the value of KG is adjusted until the value of the average FAFAV of FAF converges in the range of 1−α <FAFAV <1 + α. In step 2009, if the value of FAFAV calculated in FIG. 8 converges in the range of 1−α <FAFAV <1 + α, it is determined that the learning of KG has ended. If the sensor temperature has not reached the high temperature in step 2007, and if the learning has not been completed in step 2009, the following operation is not executed and the operation is immediately terminated.
[0086]
When the learning of KG is completed in step 2009, next, in step 2011, the reference value FAFKG is calculated from the average FAFAV (step 809 in FIG. 8) and the KG (step 819 in FIG. 8) of the FAF calculated by the operation in FIG.₀But FAFKG₀= FAFAV + KG.
Reference value FAFKG₀After the calculation, in step 2015, the reference value FAFKG₀Is stored in the backup RAM 106 of the ECU 10, and in step 2017, the high-temperature control of the heater 1311 is stopped and the normal heater control is restarted.
[0087]
By the operation shown in FIG.₂The reference value FAFKG in a state where the influence of hydrogen in the exhaust gas on the sensor 190 is excluded.₀Is calculated and stored in the backup RAM 106.
FIG. 21 shows the reference value FAFKG calculated according to FIG.₀6 is a flowchart for explaining an operation of correcting an air-fuel ratio control constant using the above. This operation is performed by a routine executed by the ECU 10 at regular intervals.
[0088]
In this operation, the sum FAFKG of the current FAF average value FAFAV and KG = (FAFAV + KG) and the reference value FAFKG₀ΔFAFKG = FAFKG−FAFKG₀, The value of the control constant RSR is set. That is, ΔFAFKG takes a negative value when hydrogen is present in the exhaust gas, and the air-fuel ratio is controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Further, as the value of ΔFAFKG takes a large negative value, the hydrogen concentration in the exhaust gas increases, and the shift of the air-fuel ratio to the lean side increases. Therefore, in the present embodiment, as ΔFAFKG takes a large negative value, RSR is increased to correct the air-fuel ratio to the rich side.
[0089]
In FIG. 21, step 2101 shows a determination as to whether or not the execution condition of the control constant correction is satisfied. In step 2101, the learning of KG is completed at present (that is, the average value FAFAV of FAF converges in the range of 1−α <FAFAV <1 + α), and the reference value FAFKG₀Is completed (that is, when the value of the reference value calculation completion flag XG is set to 1), it is determined that the correction execution condition is satisfied, and at least one of the above conditions is satisfied. If not, the operation ends immediately without performing the corrections in steps 2103 to 2109.
[0090]
If the correction execution condition is satisfied in step 2101, then in step 2103, the sum FAFKG of the average value FAFAV calculated by the operation in FIG. 8 and the learning correction coefficient KG is calculated as FAFKG = FAFAV + KG. . Then, in step 2105, FAFKG and the reference value FAFKG₀ΔFAFKG = ΔFAFKG = FAFKG−FAFKG₀Is calculated as
[0091]
Next, at step 2107, the rich skip amount RSR is set based on the value of ΔFAFKG calculated above, and at step 2109, the value of the lean skip amount RSL is calculated as RSL = 0.1−RSR.
FIG. 22 is a diagram showing the relationship between RSR used for setting the value of RSR in step 2107, ΔFAFKG, and the hydrogen concentration in exhaust gas. As shown in FIG. 22, the hydrogen concentration in the exhaust gas increases as ΔFAFKG increases to a larger negative value, and the air-fuel ratio shifts to the lean side. Therefore, the rich skip amount RSR increases as ΔFAFKG increases to a negative value. Is set to be a large value.
[0092]
21 and 22 illustrate the case where the skip amount RSR (RSL) is corrected based on ΔFAFKG. However, instead of or together with the skip amount, the integral coefficient KIR (KIL), the delay time TDR (TDL) ), Comparison voltage V_RThe same effect can be obtained by correcting the control constants such as shown in FIG. 22 based on ΔFAFKG.
[0093]
As described above, the present invention₂Although the embodiment applied to the single air-fuel ratio sensor system using the sensor has been described, the control of each embodiment described above is applied to another air-fuel ratio sensor that detects the air-fuel ratio based on the oxygen concentration, for example, a linear air-fuel ratio sensor. Needless to say, this can also be applied.
[0094]
【The invention's effect】
The invention described in each claim has a common effect of eliminating the influence of the hydrogen in the exhaust gas on the output of the air-fuel ratio sensor and constantly controlling the engine air-fuel ratio accurately to the target air-fuel ratio.
In other words, according to the first to fourth aspects of the present invention, a sensor catalyst for equilibrating exhaust gas reaching the air-fuel ratio sensor is provided to eliminate the influence of hydrogen on the output of the air-fuel ratio sensor and to reduce the influence of a change in the capacity of the sensor catalyst. Furthermore, the effect of enabling accurate air-fuel ratio control is achieved by eliminating the influence of the output characteristic change of the air-fuel ratio sensor itself (claim 4).
[0095]
Further, according to the invention of claim 5, by using a normal air-fuel ratio sensor without using a sensor catalyst, calculating the hydrogen concentration in the exhaust and changing the control characteristic of the air-fuel ratio control according to the hydrogen concentration. This has the effect of enabling accurate air-fuel ratio control by eliminating the influence of hydrogen in the exhaust gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment in which the present invention is applied to an internal combustion engine for a vehicle.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a sensor with a catalyst used in the embodiment of FIG. 1;
FIG. 3₂FIG. 3 is a diagram illustrating general output characteristics of a sensor.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a fuel injection amount calculation operation of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 5 is a part of a flowchart illustrating an air-fuel ratio feedback control operation of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 6 is a part of a flowchart illustrating an air-fuel ratio feedback control operation of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 7 is a timing chart illustrating air-fuel ratio fluctuations caused by the air-fuel ratio feedback control of FIGS. 5 and 6;
FIG. 8 is a flowchart illustrating a learning correction coefficient KG setting operation of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 9 is a flowchart illustrating a feedback control cycle detection operation according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart illustrating an air-fuel ratio control constant correction operation according to the first embodiment of the present invention.
11 is a chart illustrating a relationship used for correcting a control constant of the operation in FIG. 10;
FIG. 12 is a timing chart illustrating the principle of determining the performance of a sensor catalyst.
FIG. 13₂It is a flowchart explaining the rich air-fuel ratio detection delay time detection operation of the sensor.
FIG. 14 is a flowchart illustrating a control constant correction operation according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a chart illustrating a relationship used for correcting a control constant of the operation in FIG. 14;
FIG. 16₂It is a flowchart explaining the lean air-fuel ratio detection delay time detection operation of the sensor.
FIG. 17 is a flowchart illustrating a control constant correction operation according to the third embodiment of the present invention.
18 is a chart illustrating a relationship used for correcting a control constant of the operation in FIG. 17;
19 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment different from FIG. 1 in which the present invention is applied to an internal combustion engine for a vehicle.
20 is a reference value FAFKG of an air-fuel ratio correction coefficient in the embodiment of FIG. 19;₀6 is a flowchart for explaining the calculation operation of.
FIG. 21 is a flowchart illustrating a control constant correction operation according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a chart illustrating a relationship used for correcting a control constant of the operation in FIG. 21;
[Explanation of symbols]
1. Internal combustion engine
2. Intake pipe
3. Intake pipe pressure sensor
5, 6… Crank rotation angle sensor
7. Fuel injection valve
10 ECU (electronic control unit)
13 ... O with catalyst₂Sensor
15. Exhaust gas purification catalyst
190 ... O₂Sensor

Claims

An exhaust purification catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An air-fuel ratio sensor that is disposed in the exhaust passage upstream of the exhaust purification catalyst and detects an air-fuel ratio of the exhaust gas based on an oxygen concentration in the exhaust gas;
Air-fuel ratio control means for controlling the engine air-fuel ratio to a target air-fuel ratio based on the air-fuel ratio sensor output,
A sensor catalyst for equilibrating the exhaust gas by reacting a combustible component in the exhaust gas reaching the air-fuel ratio sensor with oxygen in the exhaust gas,
Characteristic value detecting means for detecting a delay characteristic value related to a response delay of the air-fuel ratio sensor output,
Determining means for determining the catalytic capacity of the sensor catalyst based on the characteristic value;
Correction means for correcting a value of a control constant for determining a control characteristic of the air-fuel ratio control means based on a determination result of the determination means;
An air-fuel ratio control device for an internal combustion engine, comprising:

The air-fuel ratio control unit feedback-controls an air-fuel ratio correction coefficient for correcting an amount of fuel supplied to an engine based on the air-fuel ratio sensor output, and the characteristic value detection unit includes a feedback control cycle of the air-fuel ratio control unit or The air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the delay characteristic value is detected based on the air-fuel ratio correction coefficient.

2. The air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the characteristic value detecting means detects the delay characteristic value based on the output value of the air-fuel ratio sensor.

The determining means determines a change in the output characteristic of the air-fuel ratio sensor together with the catalytic ability of the sensor catalyst based on the characteristic value, and the correcting means determines the catalytic ability and the air-fuel ratio sensor determined by the determining means. 2. The air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the control constant is corrected based on a change in the output characteristic of the internal combustion engine.

An exhaust purification catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An air-fuel ratio sensor that is disposed in the exhaust passage upstream of the exhaust purification catalyst and detects an air-fuel ratio of the exhaust gas based on an oxygen concentration in the exhaust gas;
Air-fuel ratio control means for controlling the engine air-fuel ratio to a target air-fuel ratio based on the air-fuel ratio sensor output,
A hydrogen concentration calculating unit that calculates an average air-fuel ratio characteristic value representing an average air-fuel ratio of the engine based on the output of the air-fuel ratio sensor, and calculates a hydrogen concentration in the exhaust gas based on the average air-fuel ratio characteristic value.
Correction means for correcting a value of a control constant for determining a control characteristic of the air-fuel ratio control means based on the calculated hydrogen concentration;
An air-fuel ratio control device for an internal combustion engine, comprising: