JP3753936B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気系に酸素蓄積能力及び／または窒素酸化物蓄積能力が付加された触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系に、一般的に使用されている三元触媒には、酸素蓄積能力が付加されており、機関のフュエルカット運転を行うと、そのフュエルカット運転から燃料を供給する通常の運転状態へ移行した直後において、還元能力が著しく低下する。そのため、フュエルカット終了直後において空燃比をリッチ化することにより、三元触媒に蓄積された酸素を短時間で除去する処理が従来より行われている。
【０００３】
また空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を頻繁に行う機関に、リーン運転中に排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を捕捉するＮＯｘ捕捉能力が付加されたＮＯｘ触媒を配置した排気浄化装置が知られている。この装置では、リーン運転中にＮＯｘがＮＯｘ触媒に捕捉されるので、間欠的に空燃比のリッチ化が行われ、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘが還元される。
【０００４】
上述した空燃比のリッチ化（以下、三元触媒に蓄積された酸素を除去するためのリッチ化も含めて「還元リッチ化」という）は、リッチ化実行時間が短すぎると、酸素またはＮＯｘの除去が不完全となる一方、リッチ化実行時間が長すぎると、ＨＣ及びＣＯの排出量が増加を招く。したがって、リッチ化実行時間（リッチ化終了時期）をどのように決定するかが問題となる。
【０００５】
従来は、予め設定した時間だけ還元リッチ化を実行する方法が知られているが、これでは、機関運転状態に依存して変化する最適なリッチ化実行時間に設定することは困難である。そこで、触媒の下流側に酸素濃度センサを配置し、酸素濃度センサの出力がリッチ空燃比を示す値に変化した時点で、還元リッチ化を終了する手法が提案されている（特許第２６９２３８０号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リッチ化を終了すべく目標空燃比を変更した時点から、その目標空燃比が反映された排気が触媒に到達するまでには遅れ時間ＴＤがあるため、上記特許公報に示された手法には、以下のように問題があった。すなわち、触媒下流側の酸素濃度センサの出力がリッチ空燃比を示す値に変化した時点で、触媒に蓄積された酸素またはＮＯｘの除去は完了しているにも拘わらず、その変化時点から遅れ時間ＴＤの間は、リッチ空燃比に対応したガスが排出されるため、ＨＣ及びＣＯの排出量が増加する。
【０００７】
本発明は、この点に着目してなされたものであり、触媒に蓄積された酸素またはＮＯｘを除去するための還元リッチ化の実行時間をより適切に制御し、良好な排気特性を維持することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、酸素蓄積能力及び窒素酸化物蓄積能力の少なくとも一方を有する排気浄化手段と、該排気浄化手段の下流側に設けられた酸素濃度センサと備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気浄化手段に蓄積した酸素または窒素酸化物を還元させるために前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ化する空燃比制御手段と、ファジー推論に基づく予測器を用いて前記酸素濃度センサ出力の予測値を算出する予測手段と、該予測値に応じて前記空燃比リッチ化の終了時期を判定する判定手段とを備え、前記予測手段は、前記酸素濃度センサ出力の今回値と、１サンプル周期前の値との関係を示す位相平面上の直線を表す一次式に基づいて定義された切替関数値を前記予測器の入力として用いて、前記予測値を算出することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、ファジー推論に基づく予測器を用いて酸素濃度センサ出力の予測値が算出され、該予測値に応じて、排気浄化手段に蓄積した酸素または窒素酸化物を還元するための空燃比リッチ化の終了時期が判定されるので、比較的単純な経験則に基づいて酸素濃度センサ出力の精度の高い予測値を得、空燃比リッチ化を終了すべき時期を実際より若干早く判定することができる。この判定結果を利用することにより、還元リッチ化の実行時間を従来より適切に制御することが可能となる。その結果リッチ化実行時間が長すぎてＨＣ、ＣＯの排出量が増加することを防止することができる。さらに酸素濃度センサ出力の今回値と、１サンプル周期前の値との関係を示す位相平面上の直線を表す一次式に基づいて定義された切替関数値を予測器の入力として用いて、酸素濃度センサ出力の予測値が算出される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比制御手段は、前記リッチ化終了後の目標空燃比が理論空燃比以外の場合であっても前記リッチ化終了後所定時間に亘って前記空燃比を理論空燃比近傍へ制御することを特徴とする。
この構成によれば、リッチ化終了後の目標空燃比が理論空燃比以外の場合であってもリッチ化終了後所定時間に亘って空燃比が理論空燃比近傍へ制御されるので、リッチ化終了時点で排気浄化手段に残っている少量の酸素またはＮＯｘを十分に除去することができる。すなわち、排気浄化手段の構造により、リッチ化が終了しても蓄積された酸素またはＮＯｘの一部が除去しきれない場合があるが、リッチ化終了後所定時間に亘って空燃比を理論空燃比近傍に維持することにより、酸素またはＮＯｘの除去をより完全なものとすることできる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記予測手段は、前記酸素濃度センサ出力値と、該酸素濃度センサ出力値及び該酸素濃度センサ出力値の変化量を示す成分を含むパラメータ（σＰＲＥ）とを、前記予測器の入力として前記予測値の算出を行うことを特徴とする。
この構成によれば、酸素濃度センサ出力値と、該酸素濃度センサ出力値及びその変化量を示す成分とを含むパラメータとが、ファイジー推論に基づく予測器の入力とされるので、酸素濃度センサ出力値がほぼ一定の値の滞留する状態や大きく変化する状態を正確に予測し、精度の高い予測値を得ることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記予測手段は、最小最大重心法を用いており、ファジー推論の後件部では棒状関数を用いて前記予測値の算出を行うことを特徴とする。
この構成によれば、前記予測値の算出に最小最大重心法が用いられ、ファジー推論の後件部では棒状関数を用いて予測値の算出が行われるので、演算処理を簡略化し、より早い制御周期で制御を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を含む、内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨＡ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１６】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１７】
一方、スロットル弁３の直ぐ下流には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８が設けられており、この絶対圧センサ８により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ＥＣＵ５に供給される。また、その下流には吸気温（ＴＡ)センサ９が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１８】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
エンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１１及び気筒判別（ＣＹＬ）センサ１２が取り付けられている。エンジン回転数センサ１１は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）より所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０゜毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力し、気筒判別センサ１２は、特定の気筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１９】
排気管１３には排気浄化手段としての、三元触媒１４と、ＮＯｘ浄化装置１５とが上流側からこの順序で設けられている。
三元触媒１４は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
【００２０】
ＮＯｘ浄化装置１５は、ＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ浄化装置１５は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定された場合の排気リーン状態においては、ＮＯｘを捕捉し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定された場合の排気リッチ状態においては、捕捉されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【００２１】
ＮＯｘ捕捉剤のＮＯｘ蓄積能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ蓄積量まで、ＮＯｘを捕捉すると、それ以上ＮＯｘを捕捉できなくなるので、適時ＮＯｘを還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。なお、本実施形態では、フュエルカット運転直後において三元触媒１４に蓄積される酸素を除くために行う空燃比のリッチ化も「還元リッチ化」という。
【００２２】
三元触媒１４の上流位置には、比例型空燃比センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
ＮＯｘ浄化装置１５の下流位置には、それぞれ二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８が装着されており、この酸素濃度センサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。このＯ２センサ１８は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。
【００２３】
エンジン１は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタイミングとの２段階に切換可能なバルブタイミング切換機構３０を有する。このバルブタイミングの切換は、弁リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選択時は２つに吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した燃焼を確保するようにしている。
【００２４】
バルブタイミング切換機構３０は、バルブタイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがＥＣＵ５に接続されている。油圧センサの検出信号はＥＣＵ５に供給され、ＥＣＵ５は電磁弁を制御してエンジン１の運転状態に応じたバルブタイミングの切換制御を行う。
【００２５】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶するメモリ、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
【００２６】
ＥＣＵ５のＣＰＵは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）に基づき、ＴＤＣ信号パルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＬＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２…（１）
【００２７】
ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴＩマップを検索して決定される。ＴＩマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。すなわち、基本燃料量ＴＩＭは、エンジンの単位時間当たりの吸入空気量（質量流量）にほぼ比例する値を有する。
【００２８】
ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、エンジン回転数ＮＥ、スロットル弁開度ＴＨＡ、エンジン水温ＴＷ等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。
【００２９】
ＫＬＡＦは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１７の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ制御により算出される空燃比補正係数である。
Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
【００３０】
ＣＰＵは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路５ｄを介して燃料噴射弁６に供給する。
本実施形態では、エンジン１への燃料供給を遮断するフュエルカット運転の終了直後（燃料供給再開直後）においては、三元触媒に蓄積された酸素を除去するために、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定する還元リッチ化を実行する。また、リーン運転を所定時間継続した時点では、ＮＯｘ浄化装置１５に蓄積されたＮＯｘを還元するための還元リッチ化を実行する。その際、還元リッチ化の実行時間（終了時期）を、Ｏ２センサ１８の出力ＶＯ２の予測値に基づいて決定する。この予測値は、以下に説明するファジー推論に基づく予測器により算出される。
【００３１】
Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２は、通常０．１Ｖから１Ｖ程度であるが、本実施形態における予測器では、下記式（２）で定義される偏差電圧ＶＯ２ＴＭを入力パラメータとして用いる。
ＶＯ２ＴＭ＝ＶＯ２−ＶＣＮＴ （２）
ここでＶＣＮＴは、例えば０．６Ｖ程度に設定される所定値である。
【００３２】
図２は、偏差電圧ＶＯ２ＴＭの今回値ＶＯ２ＴＭ（ｋ）と、１サンプル周期前の値（以下「前回値」という）ＶＯ２ＴＭ（ｋ−１）との関係を示すスライディングモード制御等に用いられる位相平面の図である。
偏差電圧ＶＯ２ＴＭが、低レベル（−０．６Ｖ程度）に停滞しているときは、今回値ＶＯ２ＴＭ（ｋ）と前回値ＶＯ２ＴＭ（ｋ−１）とに対応するサンプル点は、領域Ｐ１近傍に位置する一方、高レベル（０．４Ｖ程度）に停滞しているときは、今回値ＶＯ２ＴＭ（ｋ）と前回値ＶＯ２ＴＭ（ｋ−１）とに対応するサンプル点は、領域Ｐ２近傍に位置する。そして、偏差電圧ＶＯ２ＴＭが低レベルから高レベルへ変化するときは、領域Ｐ１から矢線（矢印を付した線）ＡＲ１で示すような軌跡を描いて、領域Ｐ２へ移動し、逆に高レベルから低レベルへ変化するときは、領域Ｐ２から矢線ＡＲ２で示すような軌跡を描いて、領域Ｐ１へ移動する。図２に示す位相平面でのサンプル点の挙動は、エンジンの運転状態、あるいは三元触媒１４またはＮＯｘ浄化装置１５の状態（酸素またはＮＯｘの蓄積量、劣化度合など）によらずおおむね一定であることが、経験的に確認されている。
【００３３】
そこで偏差電圧ＶＯ２ＴＭと、下記式（３）で定義される切替関数値σＰＲＥ（ｋ）とを、ファジー推論に基づく予測器の入力パラメータとした。

式（３）においてσＰＲＥ（ｋ）＝０とした式は、図２の原点を通る直線を示す式である。図２の領域Ｐ１とＰ２とが、原点を通る直線の両側に位置するように直線Ｌ１を引き、直線Ｌ１の傾きから係数ＰＲＥＳが決定される（図２に示す直線は、ＰＲＥＳ＝−０．８程度である）。
【００３４】
式（３）により定義される切替関数値σＰＲＥ（ｋ）は、偏差電圧ＶＯ２ＴＭの定常的な成分と、変化量を示す成分（微分成分）とを含むので、偏差電圧ＶＯ２ＴＭが、低レベルに停留しているときと、高レベルに滞留しているときとで、異なる値となり、また偏差電圧ＶＯ２ＴＭが変化しているときは、その単位時間当たりの変化量に応じた値を示す。
【００３５】
このように予測器の入力パラメータを決定し、これらの入力パラメータの状態と、予測される近い将来の偏差電圧、すなわち予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆの大まかな傾向を９つのルールにまとめると図３に示すようになる。この図において、「Ｎ」は負の値をとることを示し、「Ｚ０」はゼロ近傍の値をとることを示し、「Ｐ」は正の値をとることを示す。また「ｉ」は、以下に説明する９つのルールに便宜的に付けた番号である。
【００３６】
図３に示した９つのルールは、以下のようになる。
ルール１（ｉ＝１） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）及び切替関数値σＰＲＥ（ｋ）がともに、負の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、負の値である可能性が高い。
【００３７】
ルール２（ｉ＝２） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）が負の値で、切替関数値σＰＲＥ（ｋ）がゼロ近傍の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、ゼロ近傍の値である可能性が高い。
ルール３（ｉ＝３） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）が負の値で、切替関数値σＰＲＥ（ｋ）が正の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、正の値である可能性が高い。
【００３８】
ルール４（ｉ＝４） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）がゼロ近傍の値で、切替関数値σＰＲＥ（ｋ）が負の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、負の値である可能性が高い。
ルール５（ｉ＝５） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）及び切替関数値σＰＲＥ（ｋ）がともに、ゼロ近傍の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、ゼロ近傍の値である可能性が高い。
【００３９】
ルール６（ｉ＝６） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）がゼロ近傍の値で、切替関数値σＰＲＥ（ｋ）が正の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、正の値である可能性が高い。
ルール７（ｉ＝７） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）が正の値で、切替関数値σＰＲＥ（ｋ）が負の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、負の値である可能性が高い。
【００４０】
ルール８（ｉ＝８） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）が正の値で、切替関数値σＰＲＥ（ｋ）がゼロ近傍の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、ゼロ近傍の値である可能性が高い。
ルール９（ｉ＝９） 偏差電圧ＶＯ２ＴＭ（ｋ）及び切替関数値σＰＲＥ（ｋ）がともに、正の値であるときは、近い将来の予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、正の値である可能性が高い。
【００４１】
次に切替関数値σＰＲＥ（ｋ）及び偏差電圧ＶＯ２ＴＭに対応する前件部のメンバシップ関数は、それぞれ図４（ａ）及び（ｂ）に示すように設定されている。すなわち、同図（ａ）のメンバシップ関数Ｎは、切替関数値σＰＲＥが負の値をとるときの関数に対応し、メンバシップ関数Ｚ０は、切替関数値σＰＲＥがゼロ近傍の値をとるときの関数に対応し、メンバシップ関数Ｐは、切替関数値σＰＲＥが正の値をとるときの関数に対応する。また、同図（ｂ）のメンバシップ関数Ｎは、偏差電圧ＶＯ２ＴＭが負の値をとるときの関数に対応し、メンバシップ関数Ｚ０は、偏差電圧ＶＯ２ＴＭがゼロ近傍の値をとるときの関数に対応し、メンバシップ関数Ｐは、偏差電圧ＶＯ２ＴＭが正の値をとるときの関数に対応する。
【００４２】
さらに後件部は、同図（ｃ）に示すように、予測器の出力に相当する予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆを横軸とした棒状の３つのメンバシップ関数（シングルトンの棒状関数）が設定されている。
ここで、上記ルールｉ（ｉ＝１〜９）の適合度をＷＰＲＥ（ｉ）、後件部の棒状関数の高さをＷＷＰＲＥ（ｉ）、位置をＷＰＰＲＥ（ｉ）とすると、予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、以下のように算出される。
【００４３】
各ルールｉにおいて、切替関数値σＰＲＥ（ｉ）に対応する前件部の適合度をＷＰＲＥσ（ｉ）とし、偏差電圧ＶＯ２ＴＭに対応する前件部の適合度をＷＰＲＥＶ（ｉ）とすると、ルールｉの適合度ＷＰＲＥ（ｉ）は下記式（４）により算出される。
ＷＰＲＥ（ｉ）＝ｍｉｎ（ＷＰＲＥσ（ｉ），ＷＰＲＥＶ（ｉ）） （４）
ここで、ｍｉｎ（ＷＰＲＥσ（ｉ），ＷＰＲＥＶ（ｉ））は、適合度ＷＰＲＥσ（ｉ）及びＷＰＲＥＶ（ｉ）のうち、小さい方を選択する演算（最小選択演算）である。
【００４４】
図５に示すように、σＰＲＥ（ｋ）＝σＰＲＥ１，かつＶＯ２ＴＭ（ｋ）＝ＶＯ２ＴＭ１である場合（ケース１）、及びσＰＲＥ（ｋ）＝σＰＲＥ２，かつＶＯ２ＴＭ（ｋ）＝ＶＯ２ＴＭ２である場合（ケース２）を例にとって、演算方法を具体的に説明する。なお、図５においては、ＷＰＲＥσＮ２＜ＷＰＲＥＶＮ２＜ＷＰＲＥＶＺ２＜ＷＰＲＥσＺ２なる関係が成立している。
【００４５】
これらのケース１，２において各ルールｉについて、９通りの適合度ＷＰＲＥσ及びＷＰＲＥＶを求めると、図６に示すようになる。そして各ルールｉにおいて、ハッチングを付して示す適合度の小さい方が選択される。すなわちケース１においては、ＷＰＲＥ（１）＝１であり、ｉ＝２〜９に対するＷＰＲＥ（ｉ）は「０」である。またケース２においては、ＷＰＲＥ（１）＝ＷＰＲＥσＮ２，ＷＰＲＥ（２）＝ＷＰＲＥＶＮ２，ＷＰＲＥ（４）＝ＷＰＲＥσＮ２，ＷＰＲＥ（６）＝ＷＰＲＥＶＺ２であり、ｉ＝３，６〜９に対するＷＰＲＥ（ｉ）は「０」である。
【００４６】
次に各ルールｉにおける後件部の重みの最大値を選択して積算する。すなわち、下記式（５）により適合度ＷＰＲＥ（ｉ）に後件部の棒状関数の高さＷＷＰＲＥ（ｉ）及び位置ＷＰＰＲＥ（ｉ）（図５（ｃ）参照）を乗算して積算し、重み積算値ＷＰＲＥＴＯＴＡＬを算出する。なお、高さＷＷＰＲＥ（ｉ）は、例えばすべてのｉに対して「１．０」とし、位置ＷＰＰＲＥ（ｉ）は、ｉ＝１，４，７に対しては、図５（ｃ）に示すＷＰＰＲＥＮとし、ｉ＝３，６，９については同図に示すＷＰＰＲＥＰとし、ｉ＝２，５，８については「０」とする。
【数１】

【００４７】
そして、重心位置を算出する下記式（６）に重み積算値ＷＰＲＥＴＯＴＡＬを適用して、予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆを算出する。
【数２】

このようにしてファジー推論に基づく予測器により、偏差電圧ＶＯ２ＴＭの近い将来（数サンプル周期後の）の予測値としての予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆを得ることができる。
【００４８】
図７は、Ｏ２センサ出力ＶＯ２と、予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆに所定電圧ＶＣＮＴを加算することにより得られる予測センサ出力ＰＲＥＶＯ２とを対比して示すタイムチャートである。本実施形態のファジー推論に基づく予測器によれば、図７に示すように、時間ＴＰＲＥだけ早く立ち上がる予測センサ出力ＰＲＥＶＯ２を得ることができる。したがって、この予測センサ出力ＰＲＥＶＯ２または予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆに基づいて、還元リッチ化終了時期を決定することにより、還元リッチ化終了時期が遅れてＨＣ及びＣＯの排出量が増加する事態を回避し、良好な排気特性を維持することが可能となる。
【００４９】
以下図８〜１１を参照して、ＥＣＵ５による具体的な制御処理を説明する。
図８は、前記式（１）に適用される目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出する処理のフローチャートであり、この処理は、所定時間（例えば３０〜１２０ｍｓｅｃ程度）毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、エンジン１が始動中であるかまたは始動後所定期間ＴＡＳＴ内であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、目標空燃比係数ＫＣＭＤを始動時用所定値ＫＣＭＤＳＴ（例えば１．０）に設定し（ステップＳ１２）、ステップＳ２３に進む。
【００５０】
エンジン１の始動完了から所定期間ＴＡＳＴ経過後であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、ＫＣＭＤマップを検索し、エンジン運転状態に応じた目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出する（ステップＳ１３）。リーン運転を実行する運転状態では、目標空燃比係数ＫＣＭＤは「１．０」より小さい値に設定される。
【００５１】
ステップＳ１４では、図９に示すＰＲＥＶＯ２Ｆ算出処理を実行し、前述したファジー推論に基づく予測器により予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆを算出する。次いで目標空燃比係数ＫＣＭＤが所定値ＫＣＭＤＳＬ（≒１．０）より小さいか否かを判別する（ステップＳ１５）。ＫＣＭＤ＜ＫＣＭＤＳＬであってリーン運転中であるときは、直ちにステップＳ２３に進み、ＫＣＭＤ≧ＫＣＭＤＳＬであるときは、ステップＳ１６に進む。なお、フュエルカット運転中は、目標空燃比係数ＫＣＭＤは「１．０」に設定されるので、フュエルカット運転中及びフュエルカット運転終了直後は、ステップＳ１５からステップＳ１６に進む。
【００５２】
ステップＳ１６では、フュエルカット後フラグＦＡＦＣまたはリッチ化開始後フラグＦＡＳＡＦが「１」であるか否かを判別する。フュエルカット後フラグＦＡＦＣは、フュエルカット終了時点から所定期間ＸＴＭＡＦＣ（例えば１５秒）内であるとき、またはフュエルカット実行中であるとき「１」に設定され、リッチ化開始後フラグＦＡＳＡＦは、目標空燃比係数ＫＣＭＤを１．０より小さい値から１．０以上の値へ変更した時点、すなわちリーン運転からストイキリッチ運転へ移行した時点から所定期間ＸＴＭＡＳＡＦ（例えば１０秒）内であるとき、またはリーン運転中であるとき「１」に設定される。
【００５３】
ステップＳ１６の答が否定（ＮＯ）、すなわちＦＡＦＣ＝ＦＡＳＡＦ＝０であるときは、直ちにステップＳ２３に進み、ＦＡＦＣ＝１またはＦＡＳＡＦ＝１であるときは、ステップＳ１７に進む。リーン運転中は、ステップＳ１５からステップＳ２３に進むので、ステップＳ１６からステップＳ１７に進むのは、フュエルカット終了時点から所定期間ＸＴＭＡＦＣ内のとき、またはリーン運転からストイキリッチ運転へ移行した時点から所定期間ＸＴＭＡＳＡＦ内のときである。
【００５４】
ステップＳ１７では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じてＫＲＥＤＵＣマップを検索し、リッチ化係数値ＫＲＥＤＵＣ（≧１．０）を算出する。ＫＲＥＤＵＣマップは、エンジン回転数ＮＥが低くなるほど、また吸気管内絶対圧ＰＢＡが低くなるほど、リッチ化係数値ＫＲＥＤＵＣが大きくなるように設定されている。
【００５５】
続くステップＳ１８では、ステップＳ１４で算出した予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆが所定閾値ＸＲＤＣＥＮＤ（例えば０Ｖ）を越えたか否かを判別する。リッチ化開始当初は、ＰＲＥＶＯ２Ｆ＜ＸＲＤＣＥＮＤであるので、ステップＳ１９に進み、ステップＳ１３で算出した目標空燃比係数ＫＣＭＤをステップＳ１７で算出したリッチ化係数値ＫＲＥＤＵＣに変更する。次いでステップＳ２１で参照されるダウンカウントタイマｔｍＳＴＨＯＬＤを所定ホールド時間ＸＴＭＳＴＨＯＬＤにセットしてスタートさせ（ステップＳ２０）、ステップＳ２３に進む。
【００５６】
目標空燃比係数ＫＣＭＤをリッチ化係数値ＫＲＥＤＵＣに設定すると、フュエルカット終了直後においては、三元触媒１４に蓄積された酸素が除去され、またリーン運転からストイキリッチ運転へ移行した直後においては、ＮＯｘ浄化装置１５に蓄積されたＮＯｘが除去される。そして、酸素またはＮＯｘの除去が完了するとＯ２センサ１８がリーン空燃比を示す値からリッチ空燃比を示す値に変化する。前述したように予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆは、センサ出力ＶＯ２より若干早く上昇し、所定閾値ＸＲＤＣＥＮＤを越えると、ステップＳ１８からステップＳ２１に進み、ステップＳ２０でスタートしたタイマｔｍＳＴＨＯＬＤの値が「０」であるか否かを判別する。最初は、ｔｍＳＴＨＯＬＤ＞０であるので、目標空燃比係数ＫＣＭＤを理論空燃比相当の所定値ＫＳＴＨＯＬＤ（例えば１．０）に設定し（ステップＳ２２）、ステップＳ２３に進む。その後、所定ホールド時間ＸＴＭＳＴＨＯＬＤが経過すると、ステップＳ２１から直ちにステップＳ２３に進む。
【００５７】
ステップＳ２０，Ｓ２１及びＳ２２により、還元リッチ化終了時点から所定ホール時間ＸＴＭＳＴＨＯＬＤの間は、目標空燃比係数ＫＣＭＤが理論空燃比相当の値に保持される。所定ホールド時間ＸＴＭＳＴＨＯＬＤ経過後は、ステップＳ１３で算出される目標空燃比係数ＫＣＭＤがそのまま使用される通常の制御に戻る。
【００５８】
ステップＳ２３では、図１０に示すフュエルカット後判断処理を実行し、フュエルカット後フラグＦＡＦＣの設定を行う。続くステップＳ２４では、図１１に示すリッチ化開始後判断処理を実行し、リッチ化開始後フラグＦＡＳＡＦの設定を行い、本処理を終了する。
【００５９】
図８の処理によれば、ファジー推論に基づいて算出された予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆによって、三元触媒１４に蓄積された酸素の除去完了またはＮＯｘ浄化装置１５に蓄積されたＮＯｘの除去完了が判定されるので、Ｏ２センサ出力ＶＯ２そのものに応じて判定する場合に比べて、酸素またはＮＯｘの除去完了時期を早く検知することができる。その結果、還元リッチ化継続時間が長くなり過ぎてＨＣ及びＣＯの排出量が増加することを防止し、良好な排気特性を維持することができる。
【００６０】
また還元リッチ化終了後所定ホールド時間ＸＴＭＳＴＨＯＬＤに亘って目標空燃比係数ＫＣＭＤが理論空燃比相当の値ＫＳＴＨＯＬＤに保持されるので、還元リッチ化終了時点で三元触媒１４またはＮＯｘ浄化装置１５に残っている少量の酸素またはＮＯｘを十分に除去することができる。すなわち、三元触媒あるいはＮＯｘ浄化装置の構造により、還元リッチ化が終了しても蓄積された酸素またはＮＯｘの一部が除去しきれない場合があるが、還元リッチ化終了後所定ホールド時間ＸＴＭＳＴＨＯＬＤに亘って空燃比を理論空燃比近傍に維持することにより、三元触媒１４の作用により排気特性を良好に保ちながら、酸素またはＮＯｘの除去をより完全なものとすることができる。
【００６１】
図９は、図８のステップＳ１４で実行されるＰＲＥＶＯ２Ｆ算出処理のフローチャートである。
ステップＳ３１では、前記式（３）により切替関数値σＰＲＥ（ｋ）を算出し、次いで前記式（４）により、各ルールｉ（ｉ＝１〜９）について前件部の適合度ＷＰＲＥ（ｉ）を算出する（ステップＳ３２）。
ステップＳ３３では、前記式（６）により重心演算を行い、予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆを算出する。
【００６２】
図１０は、図８のステップＳ２３で実行されるフュエルカット後判断処理のフローチャートである。
ステップＳ４１では、フュエルカットの実行を「１」で示すフュエルカットフラグＦＦＣが「１」であるか否かを判別し、ＦＦＣ＝１であるときは、ダウンカウントタイマｔｍＡＦＣを所定時間ＸＴＭＡＦＣにセットしてスタートさせ（ステップＳ４２）、フュエルカット後フラグＦＡＦＣを「１」に設定する（ステップＳ４５）。
【００６３】
またフュエルカット運転が終了し、フュエルカットフラグＦＦＣが「１」から「０」に変化すると、ステップＳ４１からステップＳ４３に進み、タイマｔｍＡＦＣの値が「０」であるか否かを判別する。そして、ｔｍＡＦＣ＞０である間は、ステップＳ４５に進み、タイマｔｍＡＦＣの値が「０」となると、フュエルカット後フラグＦＡＦＣを「０」に戻す（ステップＳ４４）。
【００６４】
図１１は、図８のステップＳ２４で実行されるリッチ化開始後判断処理のフローチャートである。
ステップＳ５１では、目標空燃比係数ＫＣＭＤが所定値ＫＣＭＤＳＬより小さいか否かを判別し、ＫＣＭＤ＜ＫＣＭＤＳＬである（リーン運転中である）ときは、ダウンカウントタイマｔｍＡＳＡＦを所定時間ＸＴＭＡＳＡＦにセットしてスタートさせ（ステップＳ５２）、リッチ化開始後フラグＦＡＳＡＦを「１」に設定する（ステップＳ５５）。
【００６５】
また還元リッチ化が開始され、目標空燃比係数ＫＣＭＤが所定値ＫＣＭＤＳＬ以上の値に設定されると、ステップＳ５１からステップＳ５３に進み、タイマｔｍＡＳＡＦの値が「０」であるか否かを判別する。そして、ｔｍＡＳＡＦ＞０である間は、ステップＳ５５に進み、タイマｔｍＡＳＡＦの値が「０」となると、リッチ化開始後フラグＦＡＳＡＦを「０」に戻す（ステップＳ５４）。
【００６６】
本実施形態では、三元触媒１４及びＮＯｘ浄化装置１５が排気浄化手段を構成し、ＥＣＵ５が空燃比制御手段、予測手段及び判定手段を構成する。より具体的には、図８のステップＳ１５〜Ｓ２４が空燃比制御手段に相当し、図８のステップＳ１４、すなわち図９の処理が予測手段に相当し、図８のステップＳ１８が判定手段に相当する。
【００６７】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図８のステップＳ１３またはＳ１７においては、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤまたはリッチ化係数値ＫＲＥＤＵＣを算出するようにしたが、吸気管内絶対圧ＰＢＡに代えて、当該車両のアクセルペダルの踏み込み量に応じたエンジンの要求出力と、エンジン回転数ＮＥとに応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤまたはリッチ化係数値ＫＲＥＤＵＣを算出するようにしてもよい。
【００６８】
また上述した実施形態では、偏差電圧ＶＯ２ＴＭ及びこの偏差電圧ＶＯ２ＴＭを用いて算出される切替関数値σＰＲＥを予測器の入力パラメータとして、予測偏差電圧ＰＲＥＶＯ２Ｆを算出するようにしたが、Ｏ２センサ出力ＶＯ２及びこの出力電圧ＶＯ２を用いて算出される切替関数値σＰＲＥａを予測器の入力パラメータとし、予測Ｏ２センサ出力ＰＲＥＶＯ２を算出するようにしてもよい。
【００６９】
また図８のステップＳ２２の所定値ＫＳＴＨＯＬＤは、理論空燃比に相当する「１．０」とすることが望ましいが、「１．０」よりわずかに小さい値またはわずかに大きい値、すなわち理論空燃比近傍に空燃比に対応する値に設定してもよい。
【００７０】
また上述した実施形態では、排気管に酸素蓄積能力を有する三元触媒と、ＮＯｘ蓄積能力を有するＮＯｘ浄化装置とが設けられたエンジンに、本発明を適用した場合を示したが、本発明は、三元触媒またはＮＯｘ浄化装置の何れか一方のみが設けられたエンジンに適用してもよい。
また上述した実施形態では、Ｏ２センサ１８として、いわゆる二値型の酸素濃度センサを用いたが、ＬＡＦセンサ１７と同様のリニア型の酸素濃度センサを用いてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、ファジー推論に基づく予測器を用いて酸素濃度センサ出力の予測値が算出され、該予測値に応じて、排気浄化手段に蓄積した酸素または窒素酸化物を還元するための空燃比リッチ化の終了時期が判定されるので、比較的単純な経験則に基づいて酸素濃度センサ出力の精度の高い予測値を得、空燃比リッチ化を終了すべき時期を実際より若干早く判定することができる。この判定結果を利用することにより、還元リッチ化の実行時間を従来より適切に制御することが可能となる。その結果リッチ化実行時間が長すぎてＨＣ、ＣＯの排出量が増加することを防止することができる。さらに酸素濃度センサ出力の今回値と、１サンプル周期前の値との関係を示す位相平面上の直線を表す一次式に基づいて定義された切替関数値を予測器の入力として用いて、酸素濃度センサ出力の予測値が算出される。
【００７３】
請求項２に記載の発明によれば、リッチ化終了後の目標空燃比が理論空燃比以外の場合であってもリッチ化終了後所定時間に亘って空燃比が理論空燃比近傍へ制御されるので、リッチ化終了時点で排気浄化手段に残っている少量の酸素またはＮＯｘを十分に除去することができる。すなわち、排気浄化手段の構造により、リッチ化が終了しても蓄積された酸素またはＮＯｘの一部が除去しきれない場合があるが、リッチ化終了後所定時間に亘って空燃比を理論空燃比近傍に維持することにより、酸素またはＮＯｘの除去をより完全なものとすることできる。
【００７５】
請求項３に記載の発明によれば、酸素濃度センサ出力値と、該酸素濃度センサ出力値及びその変化量を示す成分とを含むパラメータとが、ファイジー推論に基づく予測器の入力とされるので、酸素濃度センサ出力値がほぼ一定の値の滞留する状態や大きく変化する状態を正確に予測し、精度の高い予測値を得ることができる。
【００７６】
請求項４に記載の発明によれば、前記予測値の算出に最小最大重心法が用いられ、ファジー推論の後件部では棒状関数を用いて予測値の算出が行われるので、演算処理を簡略化し、より早い制御周期で制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】酸素濃度センサ出力の変化の傾向を説明するための図である。
【図３】ファイジー推論に用いるルールを示す図である。
【図４】ファジー推論に用いるメンバシップ関数を示す図である。
【図５】メンバシップ関数を用いた適合度の算出方法を説明するための図である。
【図６】適合度の算出例を説明するための図である。
【図７】酸素濃度センサ出力と、予測したセンサ出力とを示すタイムチャートである。
【図８】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）を算出する処理のフローチャートである。
【図９】予測偏差電圧（ＰＲＥＶＯ２Ｆ）を算出する処理のフローチャートである。
【図１０】フュエルカット後フラグ（ＦＡＦＣ）の設定を行う処理のフローチャートである。
【図１１】リッチ化開始後フラグ（ＦＡＳＡＦ）の設定を行う処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 内燃機関
５ 電子コントロールユニット（空燃比制御手段、予測手段、判定手段）
６ 燃料噴射弁
１３ 排気管
１４ 三元触媒（排気浄化手段）
１５ ＮＯｘ浄化装置（排気浄化手段）
１８ 酸素濃度センサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、酸素蓄積能力及び窒素酸化物蓄積能力の少なくとも一方を有する排気浄化手段と、該排気浄化手段の下流側に設けられた酸素濃度センサと備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気浄化手段に蓄積した酸素または窒素酸化物を還元させるために前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ化する空燃比制御手段と、
   ファジー推論に基づく予測器を用いて前記酸素濃度センサ出力の予測値を算出する予測手段と、
   該予測値に応じて前記空燃比リッチ化の終了時期を判定する判定手段とを備え、前記予測手段は、前記酸素濃度センサ出力の今回値と、１サンプル周期前の値との関係を示す位相平面上の直線を表す一次式に基づいて定義された切替関数値を前記予測器の入力として用いて、前記予測値を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記空燃比制御手段は、前記リッチ化終了後の目標空燃比が理論空燃比以外の場合であっても前記リッチ化終了後所定時間に亘って前記空燃比を理論空燃比近傍へ制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記予測手段は、前記酸素濃度センサ出力値と、該酸素濃度センサ出力値及び該酸素濃度センサ出力値の変化量を示す成分を含むパラメータとを、前記予測器の入力として前記予測値の算出を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記予測手段は、最小最大重心法を用いており、ファジー推論の後件部では棒状関数を用いて前記予測値の算出を行うことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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