JP4325264B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排気浄化触媒の排気上流側と排気下流側とにそれぞれ空燃比センサを設けた空燃比制御装置が知られている。この空燃比制御装置では、基本的に上流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」と称す）が、機関運転状態等に基づいて算出される目標空燃比となるように燃料噴射量等を制御している。さらに、下流側空燃比センサによって検出される排気空燃比が理論空燃比となっていない場合、すなわち、排気空燃比を目標空燃比にするのに上記燃料噴射量が適切ではない場合、上記燃料噴射量を補正することによって、機関本体から排出された排気ガスを良好に浄化することができるようにしている。
【０００３】
ところで、これら空燃比センサは所定温度以上となることで活性状態となり、排気空燃比を適切に検出することができる。一般に、下流側空燃比センサは機関本体から離れて配置されるので、機関始動時等には下流側空燃比センサはなかなか昇温せず、よって活性状態に達するのに時間がかかる。さらに、下流側空燃比センサには水分が付着する可能性が高く、よって下流側空燃比センサに迅速に活性状態に達するものを用いると、下流側空燃比センサが破損してしまうことがあるので、下流側空燃比センサには比較的活性状態に達するのに時間がかかるものものが用いられる。
【０００４】
空燃比センサは活性状態に達していないときには、常に、排気空燃比がリーンであることを示すリーン信号を発信する。したがって下流側空燃比センサが活性状態に達していないときには下流側空燃比センサからの出力は信頼できないため、下流側空燃比センサが活性状態に達してから上述したような燃料噴射量の制御を行うようにしている。通常、下流側空燃比センサが活性状態に達しているか否かの判定は、下流側空燃比センサがリッチ信号を発信したか否かに基づいて行われる。ところが、下流側空燃比センサが非活性状態にある機関始動時等においては、排気浄化触媒に保持された酸素の量（以下、「酸素保持量」と称す）が増加し、内燃機関から排出される排気空燃比が一時的にリッチになったとしても排気浄化触媒に保持されている酸素とＨＣやＣＯとが反応して下流側空燃比センサに到達する排気空燃比はリーンまたはほぼ理論空燃比のままとなってしまい、下流側空燃比センサが活性状態にあるとの判定が遅れてしまう。
【０００５】
そこで、従来の空燃比制御装置（例えば特許文献１参照）では、下流側空燃比センサが活性状態に達していないと判定されている場合には、活性状態に達していると判定されている場合に比べて常に燃料噴射量を多くすることで排気空燃比をリッチにするようにしている。こうすることで、排気浄化触媒の酸素保持量が低減されて下流側空燃比センサが活性状態に達するとすぐにリッチ信号が発信されるようになると共に、排気ガス中に含まれるＮＯxを低減することができるようになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−１３６５３２号公報
【特許文献２】
特開平１−１６３４４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１に記載された空燃比制御装置のように、下流側空燃比センサが非活性状態にあると判定されている場合に、常に燃料噴射量を増量して排気空燃比をリッチにしていると、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の有害成分が排気浄化触媒で浄化されなくなってしまい、大気中にこれら有害成分が放出されてしまう。一方、一時的に燃料の噴射を停止する燃料カット制御等を実行した時には排気浄化触媒の酸素保持量は極端に増加するため、このような制御を行うと、下流側空燃比センサの活性状態の判定が遅れてしまう。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、大気中への有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等）の放出を抑制しつつ、下流側空燃比検出手段が活性状態に達したことを早期に検出することができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路上に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側において機関排気通路に配置され且つ機関排気通路を通る排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、上記排気浄化触媒の下流側において機関排気通路に配置され且つ機関排気通路を通る排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、該下流側空燃比検出手段が活性状態にあるか否かを判定する活性判定手段とを具備し、機関運転状態に基づいて目標空燃比を設定すると共に、上記上流側空燃比検出手段および上記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比に基づいて上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が上記目標空燃比となるように燃料噴射量を調整する内燃機関の空燃比制御装置において、上記排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに具備し、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態にあると上記活性判定手段によって判定された場合には、目標空燃比をリッチとすると共に触媒温度検出手段によって検出された排気浄化触媒の温度が低いときには目標空燃比のリッチ度合いを低く設定し、該排気浄化触媒の温度が高いときには目標空燃比のリッチ度合いを高く設定し、上記上流側空燃比検出手段によって検出された空燃比に基づいて上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が上記目標空燃比となるように燃料噴射量を調整する。
一般に、排気浄化触媒による排気ガス中のＨＣおよびＣＯ等の浄化能力は、排気浄化触媒の温度に依存し、排気浄化触媒の温度が高い場合には、ＨＣおよびＣＯ等の浄化能力が高くなるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスのリッチ度合が比較的高くても排気ガスは浄化されるが、排気浄化触媒の温度が低い場合にはＨＣおよびＣＯ等の浄化能力が低くなるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスのリッチ度合が比較的高いと排気ガスは浄化されない。ここで、第１の発明によれば、目標空燃比が排気浄化触媒の温度に応じて設定されるため、より詳細には、排気浄化触媒の温度が低いときには目標空燃比のリッチ度合は比較的低く設定され、一方、排気浄化触媒の温度が高くなるとそれに応じて目標空燃比のリッチ度合も高く設定されるため、ＨＣおよびＣＯ等の浄化能力を維持することができる。
また、この場合、目標空燃比を、ＨＣおよびＣＯ等の浄化能力を維持できる空燃比のうちの最もリッチ側に設定すれば、排気浄化触媒の酸素保持量は低減せしめられ、よって下流側空燃比検出手段の活性を早期に判定することができる。
なお、触媒温度検出手段は、排気浄化触媒またはその近傍に設けられた温度センサによって排気浄化触媒の温度を検出してもよいし、このような温度センサを設けずに、排気浄化触媒の温度に影響を及ぼすパラメータ（例えば、吸入空気量、機関始動時の冷却水温、機関停止から機関始動までの経過時間、外気温度、燃料噴射量等）に基づいて排気浄化触媒の温度を推定してもよい。また、第１の発明における「機関運転状態」とは、例えば、機関負荷や機関回転数等、排気浄化触媒の温度を除いた目標空燃比の設定に関するパラメータを意味する。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態にあると上記活性判定手段によって判定された場合には、機関始動直後から所定期間に亘って上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整するのを禁止し、その後、上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整するようにした。
一般に、機関始動直後には、内燃機関における燃焼状態が安定せず、よって排気空燃比も安定しない。このため、上流側空燃比検出手段によって検出される排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を設定（以下、「噴射量設定処理」と称す）すると、燃料噴射量が大きく振れてしまい、ますます内燃機関における燃焼状態および排気空燃比が安定しにくくなってしまう。第２の発明によれば、機関始動直後から所定期間に亘って上記噴射量設定処理が禁止されるため、この期間中に燃焼状態および排気空燃比が安定し、燃焼状態および排気空燃比が安定してから燃料噴射量設定処理が開始される。
なお、噴射量設定処理の禁止期間中には、燃料噴射量は、例えば、予め定められた一定の燃料噴射量とされてもよいし、機関始動時の燃料噴射量に関与するパラメータ（例えば、冷却水温、油温、機関負荷等）に基づくマップ等から求められる燃料噴射量とされてもよい。
【００１１】
第３の発明では、第１または第２の発明において、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態から活性状態に変わったことが上記活性判定手段によって検出された直後には、単位時間当たりの燃料噴射量の変化が所定量以下になるように、目標空燃比を少なくとも排気浄化触媒に基づいて設定された空燃比から機関運転状態に基づいて設定された空燃比に変更するようにした。
第１または第２の発明における空燃比制御装置では下流側空燃比検出手段の活性前と活性後とで目標空燃比の設定方法が異なるため、活性判定手段による下流側空燃比検出手段の活性判定の切り替わりに応じて目標空燃比が大きく変わってしまう場合がある。このように大きく変わった目標空燃比に合わせて燃料噴射量を設定してしまうと、内燃機関が急加速または急減速してしまい、ユーザに不快感を与えてしまう。これに対して、第３の発明によれば、活性判定手段による下流側空燃比検出手段の活性判定が切り替わって目標空燃比が大きく変わることが防止されるため、内燃機関の急加速や急減速によりユーザに不快感を与えてしまうことが防止される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１に概略的に示した機関本体１は筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を別の火花点火式内燃機関やディーゼル型圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。
【００１８】
図１に示したように、本発明の第一の実施形態では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００１９】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は上流側排気管２０を介して三元触媒２１を内蔵したケーシング２２に連結される。さらに、ケーシング２２には下流側排気管２３が連結される。排気マニホルド１９とサージタンク１４とは再循環排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称す）導管２４を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２４内にはＥＧＲガス制御弁２５が配置される。なお、吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、および吸気ダクト１５は、燃焼室５に吸入される空気が通る機関吸気通路を形成し、一方、排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側排気管２０、ケーシング２２、および下流側排気管２３は、燃焼室５から排出された排気ガスが通る機関排気通路を形成する。
【００２０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。上流側排気管２０および下流側排気管２３にはそれぞれ空燃比を検出するための空燃比センサ（空燃比検出手段）２６、２７が取付けられ、これら空燃比センサ２６、２７の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また三元触媒２１には三元触媒２１の温度を検出するための温度センサ２８が取付けられ、この温度センサ２８の出力信号も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２１】
またアクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７およびＥＧＲガス制御弁２５に接続される。
【００２２】
本発明の空燃比制御装置では、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときには、機関運転状態に基づいてその機関運転状態に最適な機関空燃比を目標空燃比として算出し、機関空燃比が目標空燃比となるように二つの空燃比センサ２６、２７からの出力信号に基づいて燃料噴射弁１１から噴射する燃料を算出する。以下、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにおける本発明の空燃比制御装置による燃料噴射量算出方法について説明する。なお、以下の説明において機関空燃比とは燃焼室５に供給された燃料の量に対する同様に燃焼室５に供給された空気の量の比を意味し、排気空燃比とは排気ガスの空燃比を意味し、排気ガスの空燃比とは燃焼室５に吸入された空気（機関排気通路に空気を供給することができるようにしたシステムでは機関排気通路に供給された空気を含む。）の量に対する燃焼室５に供給された燃料（機関排気通路に燃料を供給することができるようにしたシステムでは機関排気通路に供給された燃料を含む。）の比を意味する。
【００２３】
上流側空燃比センサ２６において排気空燃比が目標空燃比よりもリーンであることが検出されたときには、機関空燃比が目標空燃比よりもリーンであるので、燃料噴射量を徐々に増大し、機関空燃比が目標空燃比に近づくようにする。一方、上流側空燃比センサ２６において排気空燃比が目標空燃比よりもリッチであることが検出されたときには、機関空燃比が目標空燃比よりもリッチであるので、燃料噴射量を徐々に減少し、機関空燃比が目標空燃比に近づくようにする。
【００２４】
さらに、機関空燃比を全体として目標空燃比に維持するためには、機関空燃比が目標空燃比からずれたことが検出されたときに、そのずれている機関空燃比をできるだけ迅速に目標空燃比に近づけることが好ましい。そこで本実施形態では、上流側空燃比センサ２６において機関空燃比が目標空燃比よりもリーンからリッチに変わったことが検出されたときには燃料噴射量をスキップ的に比較的大きく減少させ、機関空燃比が目標空燃比よりもリッチからリーンに変わったことが検出されたときには燃料噴射量をスキップ的に比較的大きく増大させる。
【００２５】
さらに迅速に機関空燃比を目標空燃比に近づけるためには、上述したように機関空燃比が目標空燃比よりもリッチとリーンとの間で切り換わったときにスキップ的に減少させる量、或いはスキップ的に増大させる量を、機関空燃比が目標空燃比よりもリッチとリーンとの間で切り換わったときにおける目標空燃比からの機関空燃比のずれが大きいほど大きくすべきである。そこで本実施形態ではスキップ的に減少させる量およびスキップ的に増大させる量を下流側空燃比センサ２７の出力値に基づいて以下のようにして補正する。
【００２６】
すなわち、下流側空燃比センサ２７において理論空燃比よりもリーンが出力されている期間（以下、「リーン出力期間」と称す）が長いほど上流側空燃比センサ２６において機関空燃比が目標空燃比よりもリッチからリーンに変わったことが検出されたときにスキップ的に増大させる燃料噴射量を大きくする。なぜならば、リーン出力期間が長いほど機関空燃比は目標空燃比から大きくリーン側にずれているからである。すなわち、三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比は三元触媒２１の酸素吸放出能力（以下に詳述する）により理論的には理論空燃比となるはずである。それでもなおリーン出力期間が長く出力される場合とは、三元触媒２１が吸収することができないほどの酸素が三元触媒２１に供給されている場合、すなわち機関空燃比が目標空燃比よりもリーン側に大きくずれている場合である。
【００２７】
一方、下流側空燃比センサ２７において理論空燃比よりもリッチが出力されている期間（以下、「リッチ出力期間」と称す）が長いほど上流側空燃比センサ２６において機関空燃比が目標空燃比よりもリーンからリッチに変わったことが検出されたときにスキップ的に減少させる燃料噴射量を大きくする。なぜならば、リッチ出力期間が長いほど機関空燃比は目標空燃比から大きくリッチ側にずれているからである。すなわち、三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比は三元触媒２１の酸素吸放出能力により理論的には理論空燃比となるはずである。それでもなおリッチ出力期間が長く出力される場合とは、三元触媒２１に吸収されている酸素が全て放出されるほど三元触媒２１に供給される酸素が少ない場合、すなわち機関空燃比が目標空燃比よりもリッチ側に大きくずれている場合である。
【００２８】
本発明では、このように機関空燃比を制御することによって機関空燃比を全体として目標空燃比に維持するようにしている。
【００２９】
次に、上述した本発明の燃料噴射量算出方法を用いた燃料噴射制御の一例を図２〜図４を参照して説明する。図２は、目標燃料噴射量を噴射するために必要な燃料噴射弁の開弁時間ＴＡＵを算出するための開弁時間算出処理のフローチャートである。図２では、初めにステップ１００において単位機関回転数当たりの吸入空気量Ｇａ／Ｎが算出され、次いでステップ１０１において基本燃料噴射時間ＴＡＵＰが式ＴＡＵＰ＝α・Ｇａ／Ｎに従って算出される。ここで基本燃料噴射時間ＴＡＵＰは燃焼室５内に供給される燃料と空気との混合気を目標空燃比とするのに必要な燃料噴射時間であり、αは定数である。
【００３０】
次いで、ステップ１０２において、実際の燃料噴射時間ＴＡＵが式ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ・ＦＡＦ・β・γに従って算出される。ここで、ＦＡＦは後述するフローチャートに従って算出される空燃比補正係数であり、β、γはそれぞれ機関運転状態に応じて決まる定数である。次いで、ステップ１０３において燃料噴射時間ＴＡＵがセットされ、この燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射弁１１が開弁せしめられ、燃料噴射時間ＴＡＵに応じた量の燃料が燃料噴射弁１１から噴射される。
【００３１】
図３には、図２において使用される空燃比補正係数ＦＡＦを算出するための補正係数算出処理のフローチャートを示した。図３を参照すると、初めにステップ１２０において上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比ＡＦが、目標空燃比ＡＦta以上であるか否か（すなわち、目標空燃比ＡＦtaよりもリーンであるか否か）が判別される。ステップ１２０においてＡＦ≧ＡＦtaであると判別されたときには、ステップ１２１に進んで、三元触媒２１に流入する排気空燃比（以下、「流入排気空燃比」と称す）が目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンに反転したところか否かが判別される。ステップ１２１において流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンに反転したところであると判別されたときには、ステップ１２２に進んで空燃比補正係数ＦＡＦをスキップ増大量ＲＳＲだけ比較的大きくスキップ的に増大する。一方、ステップ１２２において、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンに反転したところではない、すなわち流入排気空燃比ＡＦが既にリーンであったと判別されたときには、ステップ１２４に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを定数ＫＩＲだけ比較的小さく増大する。これによれば、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンとなった直後にスキップ的に流入排気空燃比ＡＦのリーン度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが増大せしめられ、その後は流入排気空燃比のリーン度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが増大せしめられる。
【００３２】
ステップ１２０においてＡＦ＜ＡＦtaであると判別されたときには、ステップ１２５に進んで、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチに反転したところか否かが判別される。ステップ１２５において流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチに反転したところであると判別されたときにはステップ１２６に進んで空燃比補正係数ＦＡＦをスキップ減少量ＲＳＬだけ比較的大きくスキップ的に減少する。一方、ステップ１２５において流入排気空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチに反転したところではない、すなわち流入排気空燃比ＡＦが既にリッチであったと判別されたときには、ステップ１２７に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを定数ＫＩＬだけ比較的小さく減少する。これによれば、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチとなった直後にスキップ的に流入排気空燃比のリッチ度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが減少せしめられ、その後は流入排気空燃比のリッチ度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが減少せしめられる。
【００３３】
なお、ステップ１２３では空燃比補正係数ＦＡＦがその許容最小値と許容最大値との間となるように空燃比補正係数ＦＡＦをガード処理する。
【００３４】
図４には図３のフローチャートにて使用されるスキップ増大量ＲＳＲとスキップ減少量ＲＳＬとを算出するための増大量・減少量算出処理のフローチャートを示した。図４を参照すると初めにステップ１４０において下流側空燃比センサ２７によって検出された流入排気空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦth以上であるか否かが判別される。すなわち三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比（以下、流出排気空燃比）が理論空燃比よりもリーンであるか否かが判別される。ステップ１４０においてＡＦ≧ＡＦthである（すなわち、流出排気空燃比がリーンである）と判別されたときには、ステップ１４１に進んでスキップ増大量ＲＳＲが所定量ΔＲＳだけ増大せしめられる。一方、ステップ１４１においてＡＦ＜ＡＦthである（すなわち、流出排気空燃比がリッチである）と判別されたときには、ステップ１４４に進んでスキップ増大量ＲＳＲが所定量ΔＲＳだけ減少せしめられる。
【００３５】
ステップ１４２ではスキップ増大量ＲＳＲがその許容最小値と許容最大値との間になるようにスキップ増大量ＲＳＲがガードせしめられ、ステップ１４３に進んで０．１からスキップ増大量ＲＳＲを引いてスキップ減少量ＲＳＬが算出される。
【００３６】
ところで、機関始動時等において下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあると、流出排気空燃比がリッチであっても流出排気空燃比がリーンであるとの信号を出し続ける。この場合、下流側空燃比センサ２７からの信号は信頼できないため、上述した燃料噴射量算出方法とは別の方法で燃料噴射量を算出する。
【００３７】
上流側空燃比センサ２６は機関始動後等においても早期に活性するため、本発明の第一実施形態の空燃比制御装置では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、基本的に上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比に基づいて燃料噴射量の算出を行う。すなわち、上流側空燃比センサ２６によって検出される排気空燃比が目標空燃比となるように、より詳細には、上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比が目標空燃比よりもリッチであるときには燃料噴射量を減少させ、上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比が目標空燃比よりもリーンであるときには燃料噴射量を増加させるように燃料噴射量が算出される。
【００３８】
この場合、燃料噴射弁１１の開弁時間（燃料噴射量に対応）の算出は図２に示したフローチャートに基づいて行われ、このフローチャートにおいて用いられる空燃比補正係数ＦＡＦの算出は図３に示したフローチャートと同様に行われる。ここで、図３に示したフローチャートにおいて用いられるスキップ増大量ＲＳＲおよびスキップ減少量ＲＳＬは、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、予め定められた一定値であるか、あるいは、下流側空燃比センサ２７が非活性状態となる前に図４に示したフローチャートによって算出された値（機関始動時の場合には機関始動前の機関停止時における値）である。
【００３９】
一方、下流側空燃比センサ２７が不活性状態にあるときには、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときとは異なる目標空燃比の算出が行われる。すなわち、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときには、目標空燃比の算出は、機関運転状態（例えば、機関負荷、機関回転数等）に基づいて行われるが、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、目標空燃比の算出は三元触媒２１の温度（以下、「触媒温度」と称す）に基づいて行われ、具体的には、図５に示したように触媒温度が低い場合には目標空燃比が理論空燃比近傍とされ、触媒温度が高くなると目標空燃比のリッチ度合が高められる。
【００４０】
ところで、一般に、下流側空燃比センサ２７が非活性状態となっている場合、すなわち機関始動時等の場合、三元触媒２１の酸素保持量が飽和状態にある。このため、機関始動後には三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比はなかなか理論空燃比よりもリッチにならず、理論空燃比よりもリーンの状態が続く。一方、下流側空燃比センサ２７の活性は、下流側空燃比センサ２７からリッチ信号が発信することによって判定される。したがって、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあることを検知するためには、三元触媒２１下流の排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにしなければならない。ただし、このときの排気空燃比のリッチ度合を大きくすると、下流側空燃比センサ２７の活性後直ぐに活性状態であることを判定することができるようにはなるが、三元触媒２１から排出される排気ガス中にＨＣやＣＯが多く残ったままになってしまう。
【００４１】
これに対して、本発明の第一実施形態の空燃比制御装置では、触媒温度に応じて目標空燃比が変更される。一般に、三元触媒２１の排気ガスの浄化能力（酸化能力）は、触媒温度によって異なり、触媒温度が高くなるほど排気ガス浄化能力も高くなる。すなわち、触媒温度が高くなると、排気ガス中のＨＣやＣＯ等と三元触媒２１中の酸素との反応が促進されるので、多くのＨＣやＣＯ等が三元触媒２１に流入してもこれら成分を浄化することができる。本実施形態の空燃比制御装置では、このことを利用して、図５に示したように触媒温度が高くなると目標空燃比を高く設定し、逆に触媒温度が低くなると目標空燃比を低く設定している。こうすることにより、三元触媒２１から排気下流にＨＣやＣＯ等の有害成分が多量に放出されることがほとんどなくなると共に、三元触媒２１の酸素保持量が多いままになって下流側空燃比センサ２７が活性状態となったことの判定が遅れてしまうことが防止される。さらに、排気ガス中のＨＣやＣＯが三元触媒２１に保持されている酸素と反応して発熱するので、三元触媒２１および下流側空燃比センサ２７を早期に昇温することができる。
【００４２】
なお、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるとき、触媒温度のみに基づいて目標空燃比を算出するのではなく、触媒温度と内燃機関の状態を表すパラメータ（例えば機関負荷、機関回転数等）とに基づいて目標空燃比を算出するようにしてもよい。
【００４３】
また、第一実施形態の空燃比制御装置では、機関始動後一定期間に亘って、上述した触媒温度に基づく目標空燃比の算出をせずに、目標空燃比が予め定められた所定空燃比に維持される。したがって、上述した触媒温度に基づく目標空燃比の算出は機関始動から一定期間（以下、「遅延時間」と称す）だけ遅延して実行される。この遅延時間は、機関始動時における機関冷却水の水温（以下、「始動時水温」と称す）に基づいて算出され、例えば図６に示したように始動時水温が高いと遅延時間が短くされ、逆に始動時水温が低いと遅延時間が長くされる。
【００４４】
一般に、機関始動直後には機関運転状態が不安定となり、したがって内燃機関から排出される排気空燃比も乱れる。このように乱れている排気空燃比に基づいて目標空燃比を設定すると、機関運転状態の安定化を妨げてしまい、機関運転状態が安定するまでに時間がかかってしまう。また、機関始動後に内燃機関が安定するまでにかかる時間は、内燃機関の温度（特に燃焼室５周りの温度）に依存しており、内燃機関の温度が高いと安定するまでの時間は短く、一方、内燃機関の温度が低いと長くなる。
【００４５】
これに対して、第一実施形態の空燃比装置によれば、機関始動後、遅延時間が経過するまで目標空燃比は予め定められた所定空燃比とされるため、機関運転状態が早期に安定するようになる。また、内燃機関の温度を推定することができる水温に基づいて遅延時間を設定することにより、機関始動後に内燃機関が安定するのにかかる時間に遅延時間を最適に合わせることができるようになる。このため、内燃機関が安定した後直ぐに、上述した触媒温度に基づいて算出された目標空燃比となるように機関空燃比の制御が行われる。
【００４６】
さらに、第一実施形態の空燃比装置では、機関始動後等に下流側空燃比センサ２７からリッチ信号が送信された場合には、上述した触媒温度に基づいて算出された目標空燃比から、両空燃比センサ２６、２７を用いて機関運転状態に基づいて算出された目標空燃比へと徐々に移行するようにしている。こうすることにより、両目標空燃比間の差が大きかった場合に、突然大きく目標空燃比が変わって機関運転状態が突然大きく変わってしまうのが防止される。
【００４７】
なお、遅延時間の算出は、始動時水温でなく、機関始動時における触媒温度や油温等、他のパラメータに基づいて行われてもよい。また、遅延時間中における目標空燃比は上記所定空燃比でなく、始動時水温、油温、触媒温度等に基づいて算出された空燃比であってもよい。
【００４８】
次に、図７および図８を参照して、上述した第一実施形態の燃料噴射量算出方法を用いた燃料噴射制御の一例を説明する。なお、ここでは燃料噴射弁１１の開弁時間算出処理および補正係数算出処理は図２および図３に示したフローチャートと同様に行われるので説明は省略する。なお、図３におけるステップ増大量ＲＳＲおよびステップ減少量ＲＳＬは、図４に示したフローチャートによって求められるのではなく、予め定められた値とされるか、あるいは下流側空燃比センサ２７が非活性状態になる前に図４に示したフローチャートによって算出された値とされる。
【００４９】
図７は、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるか否かを判定するため活性判定処理のフローチャートである。図７では、ステップ２００において、機関始動直後であるか否かが判別される。ここで機関始動直後とは、内燃機関が始動されたことを意味し、例えば、内燃機関を始動するためにキーが回されたことを意味する。ステップ２００において、機関始動直後であると判別された場合にはステップ２０１へと進み、活性判定フラグＸＡが零とされ、活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。なお、活性判定フラグＸＡは、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにＸＡ＝１とされ、非活性状態にあるときにＸＡ＝０とされるフラグである。
【００５０】
一方、ステップ２００において、機関始動直後でないと判別された場合にはステップ２０２へと進む。ステップ２０２では、活性判定フラグＸＡが零であるか否かが判別され、活性判定フラグＸＡが１である場合には、活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２０２において、活性判定フラグが零であると判別された場合には、ステップ２０３へと進む。ステップ２０３では、下流側空燃比センサ２７によって検出された排気空燃比ＡＦ２が理論空燃比ＡＦthよりも小さいか（すなわちリッチであるか）否かが判別され、排気空燃比ＡＦ２が理論空燃比ＡＦth以上であると判別された場合には活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２０３において、排気空燃比ＡＦ２が理論空燃比ＡＦthよりも小さいと判別された場合には、ステップ２０４へと進む。ステップ２０４では、活性判定フラグＸＡが１とされ活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。
【００５１】
図８には、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときの目標空燃比算出処理のフローチャートを示した。図８を参照すると、始めにステップ２２０において、機関始動直後であるか否かが判別され、機関始動直後でないと判別された場合にはステップ２２３へと進む。一方、ステップ２２０において、機関始動直後であると判別された場合にはステップ２２１へと進む。ステップ２２１では機関始動時における冷却水温（始動時水温）Ｔwasが検出され、次いでステップ２２２では始動時水温Ｔwasおよび図６に示したマップに基づいて遅延時間ｔdeが算出され、ステップ２２３へと進む。
【００５２】
ステップ２２３では、始動後カウンタＣＯＵＮＴが遅延時間tde以上であるか否かが判別される。ここで、始動後カウンタＣＯＵＮＴとは、機関始動時からの経過時間を示すカウンタである。ステップ２２３において、始動後カウンタＣＯＵＮＴが遅延時間ｔdeよりも短いと判別された場合にはステップ２２４へと進む。ステップ２２４では、目標空燃比ＡＦtaが予め定められた所定空燃比とされ、目標空燃比算出処理のルーチンが終了せしめられる。
【００５３】
ステップ２２３において、始動後カウンタＣＯＵＮＴが遅延時間ｔde以上であると判別された場合には、ステップ２２５へと進む。ステップ２２５では、活性判定フラグが零であるか否かが判別され、零であると判別された場合にはステップ２２６へと進む。ステップ２２６では、温度センサ２８から触媒温度Ｔcaが検出される。次いで、ステップ２２７では、ステップ２２６において検出された触媒温度Ｔcaおよび図５に示したマップから目標空燃比ＡＦtaが算出され、目標空燃比処理のルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２２５において活性判定フラグが１であると判別された場合には、ステップ２２８へと進む。ステップ２２８では、機関負荷、機関回転数等の機関運転状態に関するパラメータが検出され、次いでステップ２２９においてステップ２２８で検出されたパラメータに基づいて目標空燃比ＡＦtaが算出され、ルーチンが終了せしめられる。
【００５４】
次に、上記第一実施形態の空燃比制御装置の変更例について説明する。第一実施形態の変更例では、目標空燃比を、触媒温度ではなく、吸入空気量を機関始動直後から積算したもの（以下、「積算吸入空気量」と称す）と、始動時水温と、前回内燃機関を停止してから今回内燃機関を始動するまでの時間（以下、「機関停止時間」と称す）とに基づいて算出している。
【００５５】
まず、積算吸入空気量から暫定目標空燃比を算出する。基本的に、積算吸入空気量と触媒温度（すなわち三元触媒２１による排気ガスの浄化能力）とはほぼ比例関係にあるため、図９に示したように、積算吸入空気量が少ないときには暫定目標空燃比は理論空燃比近傍とされ、積算吸入空気量が多くなると暫定目標空燃比のリッチ度合が高められる。
【００５６】
このようにして算出された暫定目標空燃比に、始動時水温と機関停止時間とに基づいて算出された水温補正係数と停止補正係数とを乗算することによって、目標空燃比を算出する。始動時水温は、その温度が高いほど機関始動時における触媒温度が高く、その温度が低いほど機関始動時における触媒温度が低いことから、図１０に示したように、始動時水温が低いときには水温補正係数をほぼ１とし、一方、始動時温度が高いときには水温補正係数を小さくしている。これにより、始動時温度が高いときには目標空燃比はリッチ側にシフトされる。また、機関停止時間は、その時間が短いほど機関始動時における触媒温度が高いと共に三元触媒２１の酸素保持量が少なく、一方、その時間が長いほど機関始動時における触媒温度が低いと共に三元触媒２１の酸素保持量が多い。このため、図１１に示したように、機関停止時間が短いときには停止補正係数を１よりも小さい値とし、機関停止時間が長いときには停止補正係数を１に近づけるようにしている。これにより機関停止時間が短いときには目標空燃比はリッチ側にシフトされる。
【００５７】
なお、積算吸入空気量と始動時水温と機関停止時間との全てに基づいて算出しなくてもよく、これらパラメータのうち少なくとも一つのパラメータに基づいて算出すればよい。
【００５８】
図１２を参照して、第一実施形態の空燃比制御装置の変更例における目標空燃比算出処理について説明する。なお、図１２のステップ２４０〜２４２、２４４〜２４６、２５１、２５２はそれぞれ図８のステップ２２０〜２２２、２２３〜２２５、２２８、２２９と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
ステップ２４３では、機関停止時間ｔｏｆｆが算出される。また、ステップ２４７では、エアフロメータ１６によって検出された吸入空気量を積分することにより積算吸入空気量ＴＧａが算出される。次いで、ステップ２４８では、ステップ２４１およびステップ２４３において求められた始動時水温Ｔwasおよび機関停止時間ｔoffと、図１０および図１１のマップとに基づいて、それぞれ水温補正係数ｋtwasおよび停止補正係数ｋtoffが求められる。次いで、ステップ２４９では、ステップ２４７において算出された積算吸入空気量ＴＧａと図９に示したマップとに基づいて、暫定目標空燃比ＡＦta'が算出される。ステップ２５０では、ステップ２４８およびステップ２４９で算出した水温補正係数ｋtwasと停止補正係数ｋtoffと暫定目標空燃比ＡＦta'とを乗算することで、目標空燃比ＡＦtaが算出され、目標空燃比算出処理のルーチンが終了せしめられる。
【００６０】
次に、本発明の第二実施形態の空燃比制御装置について説明する。多くの内燃機関では、内燃機関の機関負荷が非常に小さく（例えば、内燃機関を搭載した車両の減速時）且つ機関回転数が高い場合には、燃料噴射弁からの燃料噴射を一時的にカットする燃料カット制御（以下、「Ｆ／Ｃ制御」と称す）が行われる。このＦ／Ｃ制御を行うと、三元触媒２１に流入する排気空燃比は極端なリーンとなり、三元触媒２１の酸素保持量は三元触媒２１が保持可能な最大の酸素量（以下、「最大酸素保持量」と称す）近傍まで増大してしまう。
【００６１】
そこで、第二実施形態の空燃比制御装置では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある場合には、Ｆ／Ｃ制御を実行する条件をきびしくして、Ｆ／Ｃ制御の実行期間を短くする。より詳細には、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御を実行する回転数の下限値を、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御を実行する回転数の下限値よりも高い回転数とする。こうすることにより、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときに三元触媒２１の酸素保持量を常に低減することができるので、下流側空燃比センサ２７の活性判定を早期に行うことができるようになる。
【００６２】
図１３には、燃料カット制御を実行するためのＦ／Ｃ制御実行処理のフローチャートを示した。図１３を参照すると、始めにステップ２６０において、Ｆ／Ｃ制御実行条件が成立しているか否かが判別される。ここで、Ｆ／Ｃ制御実行条件が成立している場合とは、機関回転数を除いたＦ／Ｃ制御の実行に関するパラメータが所定値に達していることを意味し、例えば、機関負荷が所定値以上であることを意味する。ステップ２６０においてＦ／Ｃ制御実行条件が成立していないと判別された場合には、ステップ２６１へと進む。ステップ２６１では、Ｆ／Ｃ制御が禁止されて、ルーチンが終了せしめられる。
【００６３】
一方、ステップ２６０にいて、Ｆ／Ｃ制御実行条件が成立していると判別された場合には、ステップ２６２へと進む。ステップ２６２では、活性判定フラグＸＡが零であるか（すなわち下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるか）否かが判別され、零である（すなわち下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある）と判別された場合にはステップ２６３へと進む。ステップ２６３では機関回転数ＮＥが第二所定回転数ＮＥ2よりも低いか否かが判別され、第二所定回転数ＮＥ2よりも低いと判別された場合にはステップ２６４へと進む。ステップ２６４では、Ｆ／Ｃ制御が禁止され、ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２６３において、機関回転数ＮＥが第二所定回転数ＮＥ2以上であると判別された場合にはステップ２６５へと進む。ステップ２６５では、Ｆ／Ｃ制御が実行され、ルーチンが終了せしめられる。
【００６４】
一方、ステップ２６２において、活性判定フラグＸＡが１である（すなわち下流側空燃比センサ２７が活性状態にある）と判別された場合には、ステップ２６６へと進む。ステップ２６６では、機関回転数ＮＥが第一所定回転数ＮＥ1よりも低いか否かが判別される。第一所定回転数ＮＥ1は第二所定回転数ＮＥ2よりも低い回転数である。ステップ２６６において、第一所定回転数ＮＥ1よりも低いと判別された場合にはステップ２６７へと進む。ステップ２６７では、Ｆ／Ｃ制御が禁止され、ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２６６において、機関回転数ＮＥが第一所定回転数ＮＥ1以上であると判別された場合にはステップ２６８へと進む。ステップ２６８では、Ｆ／Ｃ制御が実行され、ルーチンが終了せしめられる。このように、Ｆ／Ｃ制御実行処理では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御が実行される第一所定回転数ＮＥ1よりも高い第二所定回転数ＮＥ2以上でないとＦ／Ｃ制御が実行されず、Ｆ／Ｃ制御を実行する条件がきびしくなっている。
【００６５】
なお、上記第二実施形態においては、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときと非活性状態にあるときとで、Ｆ／Ｃ制御を実行する条件を変更するようにしているが、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときにはＦ／Ｃ制御を行わないようにしてもよい。また、上記第二実施形態では、Ｆ／Ｃ制御を実行していない状態からＦ／Ｃ制御を開始する場合の機関回転数の判定値と、Ｆ／Ｃ制御を実行している状態からＦ／Ｃ制御を終了する場合の機関回転数の判定値とを同じ回転数としているが、Ｆ／Ｃ制御を開始する場合の機関回転数の判定値をＦ／Ｃ制御を終了する場合の機関回転数の判定値よりも高い回転数としてもよい。さらに、第二実施形態の空燃比制御装置は第一実施形態の空燃比制御装置と組み合わせてもよい。
【００６６】
次に、第二実施形態の空燃比制御装置の変更例について説明する。本変更例は内燃機関を搭載した車両がハーフロックアップ機構を備えた自動変速装置を搭載している場合に適用される。ここで、ハーフロックアップ機構について簡単に説明する。多くの自動変速装置では、トルクコンバータを介さずに内燃機関の駆動軸を変速装置の駆動軸に直結することができる機構であるロックアップ機構を備えているが、ハーフロックアップ機構ではこれに加えて、内燃機関の駆動軸と変速装置の駆動軸とを直結せずに滑らせた状態（マニュアル変速装置における半クラッチ状態）で連結させることができる。この場合、変速装置の駆動軸にはトルクコンバータとハーフロックアップ機構との二つを介して内燃機関から動力が伝達される。
【００６７】
ロックアップ機構を備えた自動変速装置では、Ｆ／Ｃ制御がロックアップ状態で行われるため、Ｆ／Ｃ制御中の機関回転数の低下は早く、またＦ／Ｃ制御は比較的高い機関回転数で中止される。したがって、Ｆ／Ｃ制御の実行時間は比較的短い。一方、ハーフロックアップ機構を備えた自動変速装置では、Ｆ／Ｃ制御がハーフロックアップ状態で行われるため、Ｆ／Ｃ制御中の機関回転数の低下はロックアップ状態に比べて遅く、またＦ／Ｃ制御はロックアップ状態の場合よりも低い機関回転数まで行われる。したがって、ハーフロックアップ状態でのＦ／Ｃ制御の実行時間は、上記ロックアップ状態でのＦ／Ｃ制御の実行時間よりも長い。
【００６８】
そこで、第二実施形態の変更例では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、自動変速装置をハーフロックアップ状態にするのを禁止して、ロックアップ状態にするようにしている。こうすることで、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御の実行時間を短くすることができるようになる。
【００６９】
図１４に、ハーフロックアップ機構を制御するためのフローチャートを示した。図１４を参照すると、始めにステップ２８０において、ハーフロックアップ実行条件が成立しているか否かが判別される。ここで、ハーフロックアップ実行条件が成立するときとは、例えば、内燃機関を搭載した車両が減速しているとき等を意味する。ステップ２８０において、ハーフロックアップ実行条件が成立していないと判別された場合にはルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２８０において、ハーフロックアップ実行条件が成立していると判別された場合には、ステップ２８１へと進む。ステップ２８１では、図７に示したフローチャートによって算出されている活性判定フラグＸＡが零であるか否かが判別され、零である（下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある）と判別された場合にはステップ２８２へと進む。ステップ２８２ではハーフロックアップを行うことが禁止され、ロックアップ状態にされるかまたはトルクコンバータのみを介して動力が伝達される。一方、ステップ２８１において活性判定フラグＸＡが１である（下流側空燃比センサ２７が活性状態にある）と判別された場合には、ステップ２８３へと進む。ステップ２８３では、ハーフロックアップを行うことが許可され、ルーチンが終了せしめられる。
【００７０】
次に、本発明の第三実施形態の空燃比制御装置について説明する。多くの内燃機関では、機関負荷が急激に高くなったとき、または燃料カット制御を終了したときに、通常の燃料噴射量に追加燃料噴射量が加えられる。機関負荷が急激に高くなるときとは、例えば、内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダル４０を踏んだとき、自動変速装置においてニュートラルシフトからドライブシフトに変更したとき、マニュアル変速装置でクラッチが切断された状態から連結された状態に変わったとき等を意味する。
【００７１】
本発明の第三実施形態では、このように通常の燃料噴射量に加えられる追加燃料噴射量を、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときと非活性状態にあるときとで変更するようにしている。より詳細には、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある場合の追加燃料噴射量は、下流側空燃比センサ２７が活性状態にある場合の追加燃料噴射量よりも多い。こうすることにより、追加燃料噴射量が加えられたときの内燃機関から排出される排気空燃比は理論空燃比よりもリッチとなり、三元触媒２１の酸素保持量が少なくなる。こうして、下流側空燃比センサ２７の活性判定が早期に行われるようになる。なお、下流側空燃比センサ２７が活性状態にある場合および非活性状態にある場合の追加燃料噴射量は予め定められていてもよいし、例えば内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダル４０を踏んだときの踏込み量等のパラメータに応じて変えてもよい。
【００７２】
図１５に、通常の燃料噴射量を噴射するのに必要な開弁時間ＴＡＵに追加燃料噴射量を噴射するのに必要な開弁時間ΔＴＡＵを加える燃料追加処理のフローチャートを示した。なお、図１５においては、内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダルを踏んだときの燃料追加処理について説明するが、上述したような他の燃料追加処理も同様に行われる。
【００７３】
図１５では、初めにステップ３００において、ユーザによってスロットルペダルが踏まれていない状態から踏まれた状態に変化したか否かを判別している。スロットルペダル４０が踏まれた状態に変化していないと判別された場合には、ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ３００において、スロットルペダル４０が踏まれた状態に変化したと判別された場合には、ステップ３０１へと進む。ステップ３０１では、図７に示したフローチャートで設定された活性判定フラグＸＡが零であるか否かが判別され、活性判定フラグＸＡが零であると判別された場合にはステップ３０２へと進む。ステップ３０２では、追加開弁時間ΔＴＡＵaが求められる。この追加開弁時間ΔＴＡＵaは予め定められた時間でもよいし、ユーザによるスロットルペダル４０の踏込み量に応じて変化するようにしてもよい。
【００７４】
次いでステップ３０３では、図２で算出された開弁時間ＴＡＵにステップ３０２において算出された追加燃料噴射量ΔＴＡＵaが加算され、よって全体の開弁時間がＴＡＵ＋ΔＴＡＵaとなる。一方、ステップ３０１において、活性判定フラグＸＡが１であると判別された場合にはステップ３０４へと進む。ステップ３０４では、追加開弁時間ΔＴＡＵbが求められる。追加開弁時間ΔＴＡＵbは、上記追加開弁時間ΔＴＡＵaよりも短い時間であり、追加開弁時間ΔＴＡＵaと同様に予め定められた時間でもよいし、またはユーザによるスロットルペダル４０の踏込み量に応じて変化するようにしてもよい。次いで、ステップ３０５では、上記開弁時間ＴＡＵにステップ３０４において算出された追加開弁時間ΔＴＡＵbが加算され、ルーチンが終了せしめられる。
【００７５】
次に、上記第三実施形態の空燃比制御装置の変更例について説明する。本変更例では、第三実施形態の追加燃料噴射量を三元触媒２１に保持されている酸素量に応じて変えるようにしている。すなわち、三元触媒２１の酸素保持量が多いときには追加燃料噴射量を増大させ、三元触媒の酸素保持量が少ないときには追加燃料噴射量を減少させている。
【００７６】
ここで、三元触媒２１が保持可能な酸素量は触媒温度が高いほど多くなる。また、三元触媒２１の酸素保持量は、流入する排気ガスのリーン度合が高いほど且つ理論空燃比よりもリーンである排気ガスが三元触媒２１に長く流入するほど多くなる。逆に言うと、三元触媒２１の酸素保持量はこれらパラメータから推定することができる。そこで、第三実施形態の変更例では、触媒温度に応じて追加燃料噴射量を変えるようにしている。より詳細には、図１６に示したように、触媒温度が高い場合には追加燃料噴射量に対応する追加開弁時間を長くし、逆に触媒温度が低い場合には追加燃料噴射量に対応する追加開弁時間を短くしている。
【００７７】
さらに、第三実施形態の変更例では、流入する排気ガスのリーン度合が高くなるＦ／Ｃ制御の単位時間当たりの実行時間または実行回数に応じて、追加燃料噴射量を変えるようにしている。図１７にこの様子を示す。なお、図１７の横軸はＦ／Ｃ制御の実行時間を示しており、縦軸は図１６に示したマップによって算出された追加開弁時間（以下、「暫定開弁時間」と称す）に乗算するＦ／Ｃ補正係数を示しており、暫定開弁時間にＦ／Ｃ補正係数を乗算した開弁時間に対応する噴射量（すなわち追加燃料噴射量）が通常の燃料噴射量に加算される。図１７から分かるように、単位時間当たりにＦ／Ｃ制御が行われた時間が長い場合にはＦ／Ｃ補正係数を大きく（すなわち追加燃料噴射量を多く）し、単位時間当たりにＦ／Ｃ制御が行われた時間が短い場合にはＦ／Ｃ補正係数を小さく（すなわち追加燃料噴射量を少なく）している。このように追加燃料噴射量を求めることにより、三元触媒２１の酸素保持量を効果的に少ない量に維持することができるようになる。
【００７８】
なお、上記第三実施形態の変更例では、Ｆ／Ｃ制御の実行時間に基づく追加燃料噴射量の調整と、触媒温度に基づく追加燃料噴射量の調整との両方を行っているが、片方のみを行うようにしてもよい。また、上記変更例では、触媒温度に基づいて追加燃料噴射量を調整しているが、触媒温度の代わりに、第一実施形態の変更例において説明したような積算吸入空気量、始動時水温、機関停止時間およびこれらパラメータを組み合わせたものを用いてもよい。
【００７９】
図１８には、第三実施形態の変更例に基づいて通常の燃料噴射量を噴射するための開弁時間に追加燃料噴射量を噴射するための追加開弁時間を加える燃料追加処理のフローチャートを示した。なお、図１８においては、図１５と同様に内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダルを踏んだときの燃料追加処理について説明するが、上述したような他の燃料追加処理も同様に行われる。なお、図１８において、ステップ３２０、３２１、３２８、３２９はそれぞれ図１５のステップ３００、３０１、３０４、３０５と同様であるので説明を省略する。
【００８０】
ステップ３２２では、触媒温度Ｔcaと図１６のマップとに基づいて暫定追加開弁時間ΔＴＡＵa'を算出している。次いで、ステップ３２３において、過去の所定時間以内にＦ／Ｃ制御を実行したか否か、すなわちＦ／Ｃ制御の履歴が有るか否かについて判別され、Ｆ／Ｃ制御履歴があると判別された場合にはステップ３２４へと進む。ステップ３２４では、過去の所定時間におけるＦ／Ｃ制御の実行時間と図１７に示したマップとに基づいてＦ／Ｃ補正係数ｋfcが算出される。次いで、ステップ３２５において、暫定追加開弁時間ΔＴＡＵa'にＦ／Ｃ補正係数ｋfcを加算したものが追加開弁時間ΔＴＡＵaとされ（ΔＴＡＵa←ΔＴＡＵa'・ｋfc）、ステップ３２６へと進む。一方、ステップ３２３において、Ｆ／Ｃ制御履歴が無いと判別された場合にはステップ３２７へと進む。ステップ３２７では、暫定追加開弁時間ΔＴＡＵa'が追加開弁時間ΔＴＡＵaとされ（ΔＴＡＵa←ΔＴＡＵa'）、ステップ３２６へと進む。
【００８１】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ２７から排気空燃比が理論空燃比よりもリッチである信号が発信されたときに下流側空燃比センサ２７が活性状態にあると判定するようにしているが、この判定基準に、機関始動後に所定時間が経過したこと、触媒温度が所定温度以上となったこと、積算吸入空気量が所定量以上となったこと等の別の判定基準を組み合わせてもよい。
【００８２】
最後に、三元触媒２１について簡単に説明する。三元触媒２１は、その温度が所定の温度（いわゆる活性温度）以上であって、且つ、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の領域内にあると、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯX）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を同時に高い浄化率にて浄化する。一方、三元触媒２１は、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸収し、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには吸収した酸素を放出する酸素吸放出能力を有する。この酸素吸放出能力が正常に機能する限り流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであってもリッチであっても三元触媒２１内の雰囲気の空燃比がほぼ理論空燃比近傍に維持され、したがって、排気ガス中のＮＯX、ＣＯ、ＨＣが同時に高い浄化率で浄化される。
【００８３】
なお、上記実施形態においては、排気ガスを浄化する排気浄化触媒として三元触媒２１を用いているが、排気浄化触媒は、三元触媒でなくてもよく、例えば、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには流入する排気ガス中のＮＯxを保持すると共に、流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはそれよりもリッチであるときには保持しているＮＯxを離脱・還元させるＮＯx吸放出能力を有するＮＯx触媒や、このようなＮＯx吸放出能力に加えて流入する排気ガス中のパティキュレートを連続的に酸化・除去することができるパティキュレートフィルタ等、酸素吸放出能力があれば如何なる排気浄化触媒であってもよい。
【００８４】
【発明の効果】
第１〜第３の発明によれば、下流側空燃比検出手段が非活性状態にあるときに排気浄化触媒の浄化能力に応じて目標空燃比のリッチ度合が設定されるので、大気中への有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等）の放出を抑制しつつ、下流側空燃比検出手段が活性状態に達したことを早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空燃比制御装置を備えた内燃機関全体を示す図である。
【図２】燃料噴射弁の開弁時間を算出するためのフローチャートである。
【図３】空燃比補正係数を算出するためのフローチャートである。
【図４】スキップ増大量およびステップ減少量を算出するためのフローチャートである。
【図５】触媒温度と目標空燃比との関係を示す図である。
【図６】始動時水温と遅延時間との関係を示す図である。
【図７】下流側空燃比センサが活性状態にあるか否かを判定するためのフローチャートである。
【図８】下流側空燃比センサが非活性状態にあるときにおける目標空燃比を算出するためのフローチャートである。
【図９】積算吸入空気量と暫定目標空燃比との関係を示す図である。
【図１０】始動時水温と水温補正係数との関係を示す図である。
【図１１】機関停止時間と停止補正係数との関係を示す図である。
【図１２】第一実施形態の変更例における目標空燃比を算出するためのフローチャートである。
【図１３】燃料カット制御を実行するためのフローチャートである。
【図１４】ハーフロックアップ機構を制御するためのフローチャートである。
【図１５】通常の燃料噴射量に追加燃料噴射量を加える燃料追加処理のフローチャートである。
【図１６】触媒温度と追加開弁時間との関係を示す図である。
【図１７】Ｆ／Ｃ制御の実行時間とＦ／Ｃ補正係数との関係を示す図である。
【図１８】第三実施形態の変更例における燃料追加処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
１１…燃料噴射弁
１６…エアフロメータ
２１…三元触媒（排気浄化触媒）
２６…上流側空燃比センサ
２７…下流側空燃比センサ
２８…温度センサ
４０…アクセルペダル
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排気浄化触媒の排気上流側と排気下流側とにそれぞれ空燃比センサを設けた空燃比制御装置が知られている。この空燃比制御装置では、基本的に上流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」と称す）が、機関運転状態等に基づいて算出される目標空燃比となるように燃料噴射量等を制御している。さらに、下流側空燃比センサによって検出される排気空燃比が理論空燃比となっていない場合、すなわち、排気空燃比を目標空燃比にするのに上記燃料噴射量が適切ではない場合、上記燃料噴射量を補正することによって、機関本体から排出された排気ガスを良好に浄化することができるようにしている。
【０００３】
ところで、これら空燃比センサは所定温度以上となることで活性状態となり、排気空燃比を適切に検出することができる。一般に、下流側空燃比センサは機関本体から離れて配置されるので、機関始動時等には下流側空燃比センサはなかなか昇温せず、よって活性状態に達するのに時間がかかる。さらに、下流側空燃比センサには水分が付着する可能性が高く、よって下流側空燃比センサに迅速に活性状態に達するものを用いると、下流側空燃比センサが破損してしまうことがあるので、下流側空燃比センサには比較的活性状態に達するのに時間がかかるものものが用いられる。
【０００４】
空燃比センサは活性状態に達していないときには、常に、排気空燃比がリーンであることを示すリーン信号を発信する。したがって下流側空燃比センサが活性状態に達していないときには下流側空燃比センサからの出力は信頼できないため、下流側空燃比センサが活性状態に達してから上述したような燃料噴射量の制御を行うようにしている。通常、下流側空燃比センサが活性状態に達しているか否かの判定は、下流側空燃比センサがリッチ信号を発信したか否かに基づいて行われる。ところが、下流側空燃比センサが非活性状態にある機関始動時等においては、排気浄化触媒に保持された酸素の量（以下、「酸素保持量」と称す）が増加し、内燃機関から排出される排気空燃比が一時的にリッチになったとしても排気浄化触媒に保持されている酸素とＨＣやＣＯとが反応して下流側空燃比センサに到達する排気空燃比はリーンまたはほぼ理論空燃比のままとなってしまい、下流側空燃比センサが活性状態にあるとの判定が遅れてしまう。
【０００５】
そこで、従来の空燃比制御装置（例えば特許文献１参照）では、下流側空燃比センサが活性状態に達していないと判定されている場合には、活性状態に達していると判定されている場合に比べて常に燃料噴射量を多くすることで排気空燃比をリッチにするようにしている。こうすることで、排気浄化触媒の酸素保持量が低減されて下流側空燃比センサが活性状態に達するとすぐにリッチ信号が発信されるようになると共に、排気ガス中に含まれるＮＯxを低減することができるようになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−１３６５３２号公報
【特許文献２】
特開平１−１６３４４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１に記載された空燃比制御装置のように、下流側空燃比センサが非活性状態にあると判定されている場合に、常に燃料噴射量を増量して排気空燃比をリッチにしていると、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の有害成分が排気浄化触媒で浄化されなくなってしまい、大気中にこれら有害成分が放出されてしまう。一方、一時的に燃料の噴射を停止する燃料カット制御等を実行した時には排気浄化触媒の酸素保持量は極端に増加するため、このような制御を行うと、下流側空燃比センサの活性状態の判定が遅れてしまう。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、大気中への有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等）の放出を抑制しつつ、下流側空燃比検出手段が活性状態に達したことを早期に検出することができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路上に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側において機関排気通路に配置され且つ機関排気通路を通る排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、上記排気浄化触媒の下流側において機関排気通路に配置され且つ機関排気通路を通る排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、該下流側空燃比検出手段が活性状態にあるか否かを判定する活性判定手段とを具備し、機関運転状態に基づいて目標空燃比を設定すると共に、上記上流側空燃比検出手段および上記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比に基づいて上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が上記目標空燃比となるように燃料噴射量を調整する内燃機関の空燃比制御装置において、上記排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに具備し、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態にあると上記活性判定手段によって判定された場合には、目標空燃比をリッチとすると共に触媒温度検出手段によって検出された排気浄化触媒の温度が低いときには目標空燃比のリッチ度合いを低く設定し、該排気浄化触媒の温度が高いときには目標空燃比のリッチ度合いを高く設定し、上記上流側空燃比検出手段によって検出された空燃比に基づいて上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が上記目標空燃比となるように燃料噴射量を調整する。
一般に、排気浄化触媒による排気ガス中のＨＣおよびＣＯ等の浄化能力は、排気浄化触媒の温度に依存し、排気浄化触媒の温度が高い場合には、ＨＣおよびＣＯ等の浄化能力が高くなるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスのリッチ度合が比較的高くても排気ガスは浄化されるが、排気浄化触媒の温度が低い場合にはＨＣおよびＣＯ等の浄化能力が低くなるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスのリッチ度合が比較的高いと排気ガスは浄化されない。ここで、第１の発明によれば、目標空燃比が排気浄化触媒の温度に応じて設定されるため、より詳細には、排気浄化触媒の温度が低いときには目標空燃比のリッチ度合は比較的低く設定され、一方、排気浄化触媒の温度が高くなるとそれに応じて目標空燃比のリッチ度合も高く設定されるため、ＨＣおよびＣＯ等の浄化能力を維持することができる。
また、この場合、目標空燃比を、ＨＣおよびＣＯ等の浄化能力を維持できる空燃比のうちの最もリッチ側に設定すれば、排気浄化触媒の酸素保持量は低減せしめられ、よって下流側空燃比検出手段の活性を早期に判定することができる。
なお、触媒温度検出手段は、排気浄化触媒またはその近傍に設けられた温度センサによって排気浄化触媒の温度を検出してもよいし、このような温度センサを設けずに、排気浄化触媒の温度に影響を及ぼすパラメータ（例えば、吸入空気量、機関始動時の冷却水温、機関停止から機関始動までの経過時間、外気温度、燃料噴射量等）に基づいて排気浄化触媒の温度を推定してもよい。また、第１の発明における「機関運転状態」とは、例えば、機関負荷や機関回転数等、排気浄化触媒の温度を除いた目標空燃比の設定に関するパラメータを意味する。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態にあると上記活性判定手段によって判定された場合には、機関始動直後から所定期間に亘って上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整するのを禁止し、その後、上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整するようにした。
一般に、機関始動直後には、内燃機関における燃焼状態が安定せず、よって排気空燃比も安定しない。このため、上流側空燃比検出手段によって検出される排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を設定（以下、「噴射量設定処理」と称す）すると、燃料噴射量が大きく振れてしまい、ますます内燃機関における燃焼状態および排気空燃比が安定しにくくなってしまう。第２の発明によれば、機関始動直後から所定期間に亘って上記噴射量設定処理が禁止されるため、この期間中に燃焼状態および排気空燃比が安定し、燃焼状態および排気空燃比が安定してから燃料噴射量設定処理が開始される。
なお、噴射量設定処理の禁止期間中には、燃料噴射量は、例えば、予め定められた一定の燃料噴射量とされてもよいし、機関始動時の燃料噴射量に関与するパラメータ（例えば、冷却水温、油温、機関負荷等）に基づくマップ等から求められる燃料噴射量とされてもよい。
【００１１】
第３の発明では、第１または第２の発明において、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態から活性状態に変わったことが上記活性判定手段によって検出された直後には、単位時間当たりの燃料噴射量の変化が所定量以下になるように、目標空燃比を少なくとも排気浄化触媒に基づいて設定された空燃比から機関運転状態に基づいて設定された空燃比に変更するようにした。
第１または第２の発明における空燃比制御装置では下流側空燃比検出手段の活性前と活性後とで目標空燃比の設定方法が異なるため、活性判定手段による下流側空燃比検出手段の活性判定の切り替わりに応じて目標空燃比が大きく変わってしまう場合がある。このように大きく変わった目標空燃比に合わせて燃料噴射量を設定してしまうと、内燃機関が急加速または急減速してしまい、ユーザに不快感を与えてしまう。これに対して、第３の発明によれば、活性判定手段による下流側空燃比検出手段の活性判定が切り替わって目標空燃比が大きく変わることが防止されるため、内燃機関の急加速や急減速によりユーザに不快感を与えてしまうことが防止される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１に概略的に示した機関本体１は筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を別の火花点火式内燃機関やディーゼル型圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。
【００１８】
図１に示したように、本発明の第一の実施形態では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００１９】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は上流側排気管２０を介して三元触媒２１を内蔵したケーシング２２に連結される。さらに、ケーシング２２には下流側排気管２３が連結される。排気マニホルド１９とサージタンク１４とは再循環排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称す）導管２４を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２４内にはＥＧＲガス制御弁２５が配置される。なお、吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、および吸気ダクト１５は、燃焼室５に吸入される空気が通る機関吸気通路を形成し、一方、排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側排気管２０、ケーシング２２、および下流側排気管２３は、燃焼室５から排出された排気ガスが通る機関排気通路を形成する。
【００２０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。上流側排気管２０および下流側排気管２３にはそれぞれ空燃比を検出するための空燃比センサ（空燃比検出手段）２６、２７が取付けられ、これら空燃比センサ２６、２７の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また三元触媒２１には三元触媒２１の温度を検出するための温度センサ２８が取付けられ、この温度センサ２８の出力信号も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２１】
またアクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７およびＥＧＲガス制御弁２５に接続される。
【００２２】
本発明の空燃比制御装置では、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときには、機関運転状態に基づいてその機関運転状態に最適な機関空燃比を目標空燃比として算出し、機関空燃比が目標空燃比となるように二つの空燃比センサ２６、２７からの出力信号に基づいて燃料噴射弁１１から噴射する燃料を算出する。以下、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにおける本発明の空燃比制御装置による燃料噴射量算出方法について説明する。なお、以下の説明において機関空燃比とは燃焼室５に供給された燃料の量に対する同様に燃焼室５に供給された空気の量の比を意味し、排気空燃比とは排気ガスの空燃比を意味し、排気ガスの空燃比とは燃焼室５に吸入された空気（機関排気通路に空気を供給することができるようにしたシステムでは機関排気通路に供給された空気を含む。）の量に対する燃焼室５に供給された燃料（機関排気通路に燃料を供給することができるようにしたシステムでは機関排気通路に供給された燃料を含む。）の比を意味する。
【００２３】
上流側空燃比センサ２６において排気空燃比が目標空燃比よりもリーンであることが検出されたときには、機関空燃比が目標空燃比よりもリーンであるので、燃料噴射量を徐々に増大し、機関空燃比が目標空燃比に近づくようにする。一方、上流側空燃比センサ２６において排気空燃比が目標空燃比よりもリッチであることが検出されたときには、機関空燃比が目標空燃比よりもリッチであるので、燃料噴射量を徐々に減少し、機関空燃比が目標空燃比に近づくようにする。
【００２４】
さらに、機関空燃比を全体として目標空燃比に維持するためには、機関空燃比が目標空燃比からずれたことが検出されたときに、そのずれている機関空燃比をできるだけ迅速に目標空燃比に近づけることが好ましい。そこで本実施形態では、上流側空燃比センサ２６において機関空燃比が目標空燃比よりもリーンからリッチに変わったことが検出されたときには燃料噴射量をスキップ的に比較的大きく減少させ、機関空燃比が目標空燃比よりもリッチからリーンに変わったことが検出されたときには燃料噴射量をスキップ的に比較的大きく増大させる。
【００２５】
さらに迅速に機関空燃比を目標空燃比に近づけるためには、上述したように機関空燃比が目標空燃比よりもリッチとリーンとの間で切り換わったときにスキップ的に減少させる量、或いはスキップ的に増大させる量を、機関空燃比が目標空燃比よりもリッチとリーンとの間で切り換わったときにおける目標空燃比からの機関空燃比のずれが大きいほど大きくすべきである。そこで本実施形態ではスキップ的に減少させる量およびスキップ的に増大させる量を下流側空燃比センサ２７の出力値に基づいて以下のようにして補正する。
【００２６】
すなわち、下流側空燃比センサ２７において理論空燃比よりもリーンが出力されている期間（以下、「リーン出力期間」と称す）が長いほど上流側空燃比センサ２６において機関空燃比が目標空燃比よりもリッチからリーンに変わったことが検出されたときにスキップ的に増大させる燃料噴射量を大きくする。なぜならば、リーン出力期間が長いほど機関空燃比は目標空燃比から大きくリーン側にずれているからである。すなわち、三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比は三元触媒２１の酸素吸放出能力（以下に詳述する）により理論的には理論空燃比となるはずである。それでもなおリーン出力期間が長く出力される場合とは、三元触媒２１が吸収することができないほどの酸素が三元触媒２１に供給されている場合、すなわち機関空燃比が目標空燃比よりもリーン側に大きくずれている場合である。
【００２７】
一方、下流側空燃比センサ２７において理論空燃比よりもリッチが出力されている期間（以下、「リッチ出力期間」と称す）が長いほど上流側空燃比センサ２６において機関空燃比が目標空燃比よりもリーンからリッチに変わったことが検出されたときにスキップ的に減少させる燃料噴射量を大きくする。なぜならば、リッチ出力期間が長いほど機関空燃比は目標空燃比から大きくリッチ側にずれているからである。すなわち、三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比は三元触媒２１の酸素吸放出能力により理論的には理論空燃比となるはずである。それでもなおリッチ出力期間が長く出力される場合とは、三元触媒２１に吸収されている酸素が全て放出されるほど三元触媒２１に供給される酸素が少ない場合、すなわち機関空燃比が目標空燃比よりもリッチ側に大きくずれている場合である。
【００２８】
本発明では、このように機関空燃比を制御することによって機関空燃比を全体として目標空燃比に維持するようにしている。
【００２９】
次に、上述した本発明の燃料噴射量算出方法を用いた燃料噴射制御の一例を図２〜図４を参照して説明する。図２は、目標燃料噴射量を噴射するために必要な燃料噴射弁の開弁時間ＴＡＵを算出するための開弁時間算出処理のフローチャートである。図２では、初めにステップ１００において単位機関回転数当たりの吸入空気量Ｇａ／Ｎが算出され、次いでステップ１０１において基本燃料噴射時間ＴＡＵＰが式ＴＡＵＰ＝α・Ｇａ／Ｎに従って算出される。ここで基本燃料噴射時間ＴＡＵＰは燃焼室５内に供給される燃料と空気との混合気を目標空燃比とするのに必要な燃料噴射時間であり、αは定数である。
【００３０】
次いで、ステップ１０２において、実際の燃料噴射時間ＴＡＵが式ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ・ＦＡＦ・β・γに従って算出される。ここで、ＦＡＦは後述するフローチャートに従って算出される空燃比補正係数であり、β、γはそれぞれ機関運転状態に応じて決まる定数である。次いで、ステップ１０３において燃料噴射時間ＴＡＵがセットされ、この燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射弁１１が開弁せしめられ、燃料噴射時間ＴＡＵに応じた量の燃料が燃料噴射弁１１から噴射される。
【００３１】
図３には、図２において使用される空燃比補正係数ＦＡＦを算出するための補正係数算出処理のフローチャートを示した。図３を参照すると、初めにステップ１２０において上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比ＡＦが、目標空燃比ＡＦta以上であるか否か（すなわち、目標空燃比ＡＦtaよりもリーンであるか否か）が判別される。ステップ１２０においてＡＦ≧ＡＦtaであると判別されたときには、ステップ１２１に進んで、三元触媒２１に流入する排気空燃比（以下、「流入排気空燃比」と称す）が目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンに反転したところか否かが判別される。ステップ１２１において流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンに反転したところであると判別されたときには、ステップ１２２に進んで空燃比補正係数ＦＡＦをスキップ増大量ＲＳＲだけ比較的大きくスキップ的に増大する。一方、ステップ１２２において、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンに反転したところではない、すなわち流入排気空燃比ＡＦが既にリーンであったと判別されたときには、ステップ１２４に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを定数ＫＩＲだけ比較的小さく増大する。これによれば、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリッチからリーンとなった直後にスキップ的に流入排気空燃比ＡＦのリーン度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが増大せしめられ、その後は流入排気空燃比のリーン度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが増大せしめられる。
【００３２】
ステップ１２０においてＡＦ＜ＡＦtaであると判別されたときには、ステップ１２５に進んで、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチに反転したところか否かが判別される。ステップ１２５において流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチに反転したところであると判別されたときにはステップ１２６に進んで空燃比補正係数ＦＡＦをスキップ減少量ＲＳＬだけ比較的大きくスキップ的に減少する。一方、ステップ１２５において流入排気空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチに反転したところではない、すなわち流入排気空燃比ＡＦが既にリッチであったと判別されたときには、ステップ１２７に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを定数ＫＩＬだけ比較的小さく減少する。これによれば、流入排気空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦtaよりもリーンからリッチとなった直後にスキップ的に流入排気空燃比のリッチ度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが減少せしめられ、その後は流入排気空燃比のリッチ度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが減少せしめられる。
【００３３】
なお、ステップ１２３では空燃比補正係数ＦＡＦがその許容最小値と許容最大値との間となるように空燃比補正係数ＦＡＦをガード処理する。
【００３４】
図４には図３のフローチャートにて使用されるスキップ増大量ＲＳＲとスキップ減少量ＲＳＬとを算出するための増大量・減少量算出処理のフローチャートを示した。図４を参照すると初めにステップ１４０において下流側空燃比センサ２７によって検出された流入排気空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦth以上であるか否かが判別される。すなわち三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比（以下、流出排気空燃比）が理論空燃比よりもリーンであるか否かが判別される。ステップ１４０においてＡＦ≧ＡＦthである（すなわち、流出排気空燃比がリーンである）と判別されたときには、ステップ１４１に進んでスキップ増大量ＲＳＲが所定量ΔＲＳだけ増大せしめられる。一方、ステップ１４１においてＡＦ＜ＡＦthである（すなわち、流出排気空燃比がリッチである）と判別されたときには、ステップ１４４に進んでスキップ増大量ＲＳＲが所定量ΔＲＳだけ減少せしめられる。
【００３５】
ステップ１４２ではスキップ増大量ＲＳＲがその許容最小値と許容最大値との間になるようにスキップ増大量ＲＳＲがガードせしめられ、ステップ１４３に進んで０．１からスキップ増大量ＲＳＲを引いてスキップ減少量ＲＳＬが算出される。
【００３６】
ところで、機関始動時等において下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあると、流出排気空燃比がリッチであっても流出排気空燃比がリーンであるとの信号を出し続ける。この場合、下流側空燃比センサ２７からの信号は信頼できないため、上述した燃料噴射量算出方法とは別の方法で燃料噴射量を算出する。
【００３７】
上流側空燃比センサ２６は機関始動後等においても早期に活性するため、本発明の第一実施形態の空燃比制御装置では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、基本的に上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比に基づいて燃料噴射量の算出を行う。すなわち、上流側空燃比センサ２６によって検出される排気空燃比が目標空燃比となるように、より詳細には、上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比が目標空燃比よりもリッチであるときには燃料噴射量を減少させ、上流側空燃比センサ２６によって検出された排気空燃比が目標空燃比よりもリーンであるときには燃料噴射量を増加させるように燃料噴射量が算出される。
【００３８】
この場合、燃料噴射弁１１の開弁時間（燃料噴射量に対応）の算出は図２に示したフローチャートに基づいて行われ、このフローチャートにおいて用いられる空燃比補正係数ＦＡＦの算出は図３に示したフローチャートと同様に行われる。ここで、図３に示したフローチャートにおいて用いられるスキップ増大量ＲＳＲおよびスキップ減少量ＲＳＬは、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、予め定められた一定値であるか、あるいは、下流側空燃比センサ２７が非活性状態となる前に図４に示したフローチャートによって算出された値（機関始動時の場合には機関始動前の機関停止時における値）である。
【００３９】
一方、下流側空燃比センサ２７が不活性状態にあるときには、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときとは異なる目標空燃比の算出が行われる。すなわち、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときには、目標空燃比の算出は、機関運転状態（例えば、機関負荷、機関回転数等）に基づいて行われるが、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、目標空燃比の算出は三元触媒２１の温度（以下、「触媒温度」と称す）に基づいて行われ、具体的には、図５に示したように触媒温度が低い場合には目標空燃比が理論空燃比近傍とされ、触媒温度が高くなると目標空燃比のリッチ度合が高められる。
【００４０】
ところで、一般に、下流側空燃比センサ２７が非活性状態となっている場合、すなわち機関始動時等の場合、三元触媒２１の酸素保持量が飽和状態にある。このため、機関始動後には三元触媒２１から流出する排気ガスの空燃比はなかなか理論空燃比よりもリッチにならず、理論空燃比よりもリーンの状態が続く。一方、下流側空燃比センサ２７の活性は、下流側空燃比センサ２７からリッチ信号が発信することによって判定される。したがって、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあることを検知するためには、三元触媒２１下流の排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにしなければならない。ただし、このときの排気空燃比のリッチ度合を大きくすると、下流側空燃比センサ２７の活性後直ぐに活性状態であることを判定することができるようにはなるが、三元触媒２１から排出される排気ガス中にＨＣやＣＯが多く残ったままになってしまう。
【００４１】
これに対して、本発明の第一実施形態の空燃比制御装置では、触媒温度に応じて目標空燃比が変更される。一般に、三元触媒２１の排気ガスの浄化能力（酸化能力）は、触媒温度によって異なり、触媒温度が高くなるほど排気ガス浄化能力も高くなる。すなわち、触媒温度が高くなると、排気ガス中のＨＣやＣＯ等と三元触媒２１中の酸素との反応が促進されるので、多くのＨＣやＣＯ等が三元触媒２１に流入してもこれら成分を浄化することができる。本実施形態の空燃比制御装置では、このことを利用して、図５に示したように触媒温度が高くなると目標空燃比を高く設定し、逆に触媒温度が低くなると目標空燃比を低く設定している。こうすることにより、三元触媒２１から排気下流にＨＣやＣＯ等の有害成分が多量に放出されることがほとんどなくなると共に、三元触媒２１の酸素保持量が多いままになって下流側空燃比センサ２７が活性状態となったことの判定が遅れてしまうことが防止される。さらに、排気ガス中のＨＣやＣＯが三元触媒２１に保持されている酸素と反応して発熱するので、三元触媒２１および下流側空燃比センサ２７を早期に昇温することができる。
【００４２】
なお、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるとき、触媒温度のみに基づいて目標空燃比を算出するのではなく、触媒温度と内燃機関の状態を表すパラメータ（例えば機関負荷、機関回転数等）とに基づいて目標空燃比を算出するようにしてもよい。
【００４３】
また、第一実施形態の空燃比制御装置では、機関始動後一定期間に亘って、上述した触媒温度に基づく目標空燃比の算出をせずに、目標空燃比が予め定められた所定空燃比に維持される。したがって、上述した触媒温度に基づく目標空燃比の算出は機関始動から一定期間（以下、「遅延時間」と称す）だけ遅延して実行される。この遅延時間は、機関始動時における機関冷却水の水温（以下、「始動時水温」と称す）に基づいて算出され、例えば図６に示したように始動時水温が高いと遅延時間が短くされ、逆に始動時水温が低いと遅延時間が長くされる。
【００４４】
一般に、機関始動直後には機関運転状態が不安定となり、したがって内燃機関から排出される排気空燃比も乱れる。このように乱れている排気空燃比に基づいて目標空燃比を設定すると、機関運転状態の安定化を妨げてしまい、機関運転状態が安定するまでに時間がかかってしまう。また、機関始動後に内燃機関が安定するまでにかかる時間は、内燃機関の温度（特に燃焼室５周りの温度）に依存しており、内燃機関の温度が高いと安定するまでの時間は短く、一方、内燃機関の温度が低いと長くなる。
【００４５】
これに対して、第一実施形態の空燃比装置によれば、機関始動後、遅延時間が経過するまで目標空燃比は予め定められた所定空燃比とされるため、機関運転状態が早期に安定するようになる。また、内燃機関の温度を推定することができる水温に基づいて遅延時間を設定することにより、機関始動後に内燃機関が安定するのにかかる時間に遅延時間を最適に合わせることができるようになる。このため、内燃機関が安定した後直ぐに、上述した触媒温度に基づいて算出された目標空燃比となるように機関空燃比の制御が行われる。
【００４６】
さらに、第一実施形態の空燃比装置では、機関始動後等に下流側空燃比センサ２７からリッチ信号が送信された場合には、上述した触媒温度に基づいて算出された目標空燃比から、両空燃比センサ２６、２７を用いて機関運転状態に基づいて算出された目標空燃比へと徐々に移行するようにしている。こうすることにより、両目標空燃比間の差が大きかった場合に、突然大きく目標空燃比が変わって機関運転状態が突然大きく変わってしまうのが防止される。
【００４７】
なお、遅延時間の算出は、始動時水温でなく、機関始動時における触媒温度や油温等、他のパラメータに基づいて行われてもよい。また、遅延時間中における目標空燃比は上記所定空燃比でなく、始動時水温、油温、触媒温度等に基づいて算出された空燃比であってもよい。
【００４８】
次に、図７および図８を参照して、上述した第一実施形態の燃料噴射量算出方法を用いた燃料噴射制御の一例を説明する。なお、ここでは燃料噴射弁１１の開弁時間算出処理および補正係数算出処理は図２および図３に示したフローチャートと同様に行われるので説明は省略する。なお、図３におけるステップ増大量ＲＳＲおよびステップ減少量ＲＳＬは、図４に示したフローチャートによって求められるのではなく、予め定められた値とされるか、あるいは下流側空燃比センサ２７が非活性状態になる前に図４に示したフローチャートによって算出された値とされる。
【００４９】
図７は、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるか否かを判定するため活性判定処理のフローチャートである。図７では、ステップ２００において、機関始動直後であるか否かが判別される。ここで機関始動直後とは、内燃機関が始動されたことを意味し、例えば、内燃機関を始動するためにキーが回されたことを意味する。ステップ２００において、機関始動直後であると判別された場合にはステップ２０１へと進み、活性判定フラグＸＡが零とされ、活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。なお、活性判定フラグＸＡは、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにＸＡ＝１とされ、非活性状態にあるときにＸＡ＝０とされるフラグである。
【００５０】
一方、ステップ２００において、機関始動直後でないと判別された場合にはステップ２０２へと進む。ステップ２０２では、活性判定フラグＸＡが零であるか否かが判別され、活性判定フラグＸＡが１である場合には、活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２０２において、活性判定フラグが零であると判別された場合には、ステップ２０３へと進む。ステップ２０３では、下流側空燃比センサ２７によって検出された排気空燃比ＡＦ２が理論空燃比ＡＦthよりも小さいか（すなわちリッチであるか）否かが判別され、排気空燃比ＡＦ２が理論空燃比ＡＦth以上であると判別された場合には活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２０３において、排気空燃比ＡＦ２が理論空燃比ＡＦthよりも小さいと判別された場合には、ステップ２０４へと進む。ステップ２０４では、活性判定フラグＸＡが１とされ活性判定処理のルーチンが終了せしめられる。
【００５１】
図８には、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときの目標空燃比算出処理のフローチャートを示した。図８を参照すると、始めにステップ２２０において、機関始動直後であるか否かが判別され、機関始動直後でないと判別された場合にはステップ２２３へと進む。一方、ステップ２２０において、機関始動直後であると判別された場合にはステップ２２１へと進む。ステップ２２１では機関始動時における冷却水温（始動時水温）Ｔwasが検出され、次いでステップ２２２では始動時水温Ｔwasおよび図６に示したマップに基づいて遅延時間ｔdeが算出され、ステップ２２３へと進む。
【００５２】
ステップ２２３では、始動後カウンタＣＯＵＮＴが遅延時間tde以上であるか否かが判別される。ここで、始動後カウンタＣＯＵＮＴとは、機関始動時からの経過時間を示すカウンタである。ステップ２２３において、始動後カウンタＣＯＵＮＴが遅延時間ｔdeよりも短いと判別された場合にはステップ２２４へと進む。ステップ２２４では、目標空燃比ＡＦtaが予め定められた所定空燃比とされ、目標空燃比算出処理のルーチンが終了せしめられる。
【００５３】
ステップ２２３において、始動後カウンタＣＯＵＮＴが遅延時間ｔde以上であると判別された場合には、ステップ２２５へと進む。ステップ２２５では、活性判定フラグが零であるか否かが判別され、零であると判別された場合にはステップ２２６へと進む。ステップ２２６では、温度センサ２８から触媒温度Ｔcaが検出される。次いで、ステップ２２７では、ステップ２２６において検出された触媒温度Ｔcaおよび図５に示したマップから目標空燃比ＡＦtaが算出され、目標空燃比処理のルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２２５において活性判定フラグが１であると判別された場合には、ステップ２２８へと進む。ステップ２２８では、機関負荷、機関回転数等の機関運転状態に関するパラメータが検出され、次いでステップ２２９においてステップ２２８で検出されたパラメータに基づいて目標空燃比ＡＦtaが算出され、ルーチンが終了せしめられる。
【００５４】
次に、上記第一実施形態の空燃比制御装置の変更例について説明する。第一実施形態の変更例では、目標空燃比を、触媒温度ではなく、吸入空気量を機関始動直後から積算したもの（以下、「積算吸入空気量」と称す）と、始動時水温と、前回内燃機関を停止してから今回内燃機関を始動するまでの時間（以下、「機関停止時間」と称す）とに基づいて算出している。
【００５５】
まず、積算吸入空気量から暫定目標空燃比を算出する。基本的に、積算吸入空気量と触媒温度（すなわち三元触媒２１による排気ガスの浄化能力）とはほぼ比例関係にあるため、図９に示したように、積算吸入空気量が少ないときには暫定目標空燃比は理論空燃比近傍とされ、積算吸入空気量が多くなると暫定目標空燃比のリッチ度合が高められる。
【００５６】
このようにして算出された暫定目標空燃比に、始動時水温と機関停止時間とに基づいて算出された水温補正係数と停止補正係数とを乗算することによって、目標空燃比を算出する。始動時水温は、その温度が高いほど機関始動時における触媒温度が高く、その温度が低いほど機関始動時における触媒温度が低いことから、図１０に示したように、始動時水温が低いときには水温補正係数をほぼ１とし、一方、始動時温度が高いときには水温補正係数を小さくしている。これにより、始動時温度が高いときには目標空燃比はリッチ側にシフトされる。また、機関停止時間は、その時間が短いほど機関始動時における触媒温度が高いと共に三元触媒２１の酸素保持量が少なく、一方、その時間が長いほど機関始動時における触媒温度が低いと共に三元触媒２１の酸素保持量が多い。このため、図１１に示したように、機関停止時間が短いときには停止補正係数を１よりも小さい値とし、機関停止時間が長いときには停止補正係数を１に近づけるようにしている。これにより機関停止時間が短いときには目標空燃比はリッチ側にシフトされる。
【００５７】
なお、積算吸入空気量と始動時水温と機関停止時間との全てに基づいて算出しなくてもよく、これらパラメータのうち少なくとも一つのパラメータに基づいて算出すればよい。
【００５８】
図１２を参照して、第一実施形態の空燃比制御装置の変更例における目標空燃比算出処理について説明する。なお、図１２のステップ２４０〜２４２、２４４〜２４６、２５１、２５２はそれぞれ図８のステップ２２０〜２２２、２２３〜２２５、２２８、２２９と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
ステップ２４３では、機関停止時間ｔｏｆｆが算出される。また、ステップ２４７では、エアフロメータ１６によって検出された吸入空気量を積分することにより積算吸入空気量ＴＧａが算出される。次いで、ステップ２４８では、ステップ２４１およびステップ２４３において求められた始動時水温Ｔwasおよび機関停止時間ｔoffと、図１０および図１１のマップとに基づいて、それぞれ水温補正係数ｋtwasおよび停止補正係数ｋtoffが求められる。次いで、ステップ２４９では、ステップ２４７において算出された積算吸入空気量ＴＧａと図９に示したマップとに基づいて、暫定目標空燃比ＡＦta'が算出される。ステップ２５０では、ステップ２４８およびステップ２４９で算出した水温補正係数ｋtwasと停止補正係数ｋtoffと暫定目標空燃比ＡＦta'とを乗算することで、目標空燃比ＡＦtaが算出され、目標空燃比算出処理のルーチンが終了せしめられる。
【００６０】
次に、本発明の第二実施形態の空燃比制御装置について説明する。多くの内燃機関では、内燃機関の機関負荷が非常に小さく（例えば、内燃機関を搭載した車両の減速時）且つ機関回転数が高い場合には、燃料噴射弁からの燃料噴射を一時的にカットする燃料カット制御（以下、「Ｆ／Ｃ制御」と称す）が行われる。このＦ／Ｃ制御を行うと、三元触媒２１に流入する排気空燃比は極端なリーンとなり、三元触媒２１の酸素保持量は三元触媒２１が保持可能な最大の酸素量（以下、「最大酸素保持量」と称す）近傍まで増大してしまう。
【００６１】
そこで、第二実施形態の空燃比制御装置では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある場合には、Ｆ／Ｃ制御を実行する条件をきびしくして、Ｆ／Ｃ制御の実行期間を短くする。より詳細には、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御を実行する回転数の下限値を、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御を実行する回転数の下限値よりも高い回転数とする。こうすることにより、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときに三元触媒２１の酸素保持量を常に低減することができるので、下流側空燃比センサ２７の活性判定を早期に行うことができるようになる。
【００６２】
図１３には、燃料カット制御を実行するためのＦ／Ｃ制御実行処理のフローチャートを示した。図１３を参照すると、始めにステップ２６０において、Ｆ／Ｃ制御実行条件が成立しているか否かが判別される。ここで、Ｆ／Ｃ制御実行条件が成立している場合とは、機関回転数を除いたＦ／Ｃ制御の実行に関するパラメータが所定値に達していることを意味し、例えば、機関負荷が所定値以上であることを意味する。ステップ２６０においてＦ／Ｃ制御実行条件が成立していないと判別された場合には、ステップ２６１へと進む。ステップ２６１では、Ｆ／Ｃ制御が禁止されて、ルーチンが終了せしめられる。
【００６３】
一方、ステップ２６０にいて、Ｆ／Ｃ制御実行条件が成立していると判別された場合には、ステップ２６２へと進む。ステップ２６２では、活性判定フラグＸＡが零であるか（すなわち下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるか）否かが判別され、零である（すなわち下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある）と判別された場合にはステップ２６３へと進む。ステップ２６３では機関回転数ＮＥが第二所定回転数ＮＥ2よりも低いか否かが判別され、第二所定回転数ＮＥ2よりも低いと判別された場合にはステップ２６４へと進む。ステップ２６４では、Ｆ／Ｃ制御が禁止され、ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２６３において、機関回転数ＮＥが第二所定回転数ＮＥ2以上であると判別された場合にはステップ２６５へと進む。ステップ２６５では、Ｆ／Ｃ制御が実行され、ルーチンが終了せしめられる。
【００６４】
一方、ステップ２６２において、活性判定フラグＸＡが１である（すなわち下流側空燃比センサ２７が活性状態にある）と判別された場合には、ステップ２６６へと進む。ステップ２６６では、機関回転数ＮＥが第一所定回転数ＮＥ1よりも低いか否かが判別される。第一所定回転数ＮＥ1は第二所定回転数ＮＥ2よりも低い回転数である。ステップ２６６において、第一所定回転数ＮＥ1よりも低いと判別された場合にはステップ２６７へと進む。ステップ２６７では、Ｆ／Ｃ制御が禁止され、ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２６６において、機関回転数ＮＥが第一所定回転数ＮＥ1以上であると判別された場合にはステップ２６８へと進む。ステップ２６８では、Ｆ／Ｃ制御が実行され、ルーチンが終了せしめられる。このように、Ｆ／Ｃ制御実行処理では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御が実行される第一所定回転数ＮＥ1よりも高い第二所定回転数ＮＥ2以上でないとＦ／Ｃ制御が実行されず、Ｆ／Ｃ制御を実行する条件がきびしくなっている。
【００６５】
なお、上記第二実施形態においては、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときと非活性状態にあるときとで、Ｆ／Ｃ制御を実行する条件を変更するようにしているが、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときにはＦ／Ｃ制御を行わないようにしてもよい。また、上記第二実施形態では、Ｆ／Ｃ制御を実行していない状態からＦ／Ｃ制御を開始する場合の機関回転数の判定値と、Ｆ／Ｃ制御を実行している状態からＦ／Ｃ制御を終了する場合の機関回転数の判定値とを同じ回転数としているが、Ｆ／Ｃ制御を開始する場合の機関回転数の判定値をＦ／Ｃ制御を終了する場合の機関回転数の判定値よりも高い回転数としてもよい。さらに、第二実施形態の空燃比制御装置は第一実施形態の空燃比制御装置と組み合わせてもよい。
【００６６】
次に、第二実施形態の空燃比制御装置の変更例について説明する。本変更例は内燃機関を搭載した車両がハーフロックアップ機構を備えた自動変速装置を搭載している場合に適用される。ここで、ハーフロックアップ機構について簡単に説明する。多くの自動変速装置では、トルクコンバータを介さずに内燃機関の駆動軸を変速装置の駆動軸に直結することができる機構であるロックアップ機構を備えているが、ハーフロックアップ機構ではこれに加えて、内燃機関の駆動軸と変速装置の駆動軸とを直結せずに滑らせた状態（マニュアル変速装置における半クラッチ状態）で連結させることができる。この場合、変速装置の駆動軸にはトルクコンバータとハーフロックアップ機構との二つを介して内燃機関から動力が伝達される。
【００６７】
ロックアップ機構を備えた自動変速装置では、Ｆ／Ｃ制御がロックアップ状態で行われるため、Ｆ／Ｃ制御中の機関回転数の低下は早く、またＦ／Ｃ制御は比較的高い機関回転数で中止される。したがって、Ｆ／Ｃ制御の実行時間は比較的短い。一方、ハーフロックアップ機構を備えた自動変速装置では、Ｆ／Ｃ制御がハーフロックアップ状態で行われるため、Ｆ／Ｃ制御中の機関回転数の低下はロックアップ状態に比べて遅く、またＦ／Ｃ制御はロックアップ状態の場合よりも低い機関回転数まで行われる。したがって、ハーフロックアップ状態でのＦ／Ｃ制御の実行時間は、上記ロックアップ状態でのＦ／Ｃ制御の実行時間よりも長い。
【００６８】
そこで、第二実施形態の変更例では、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときには、自動変速装置をハーフロックアップ状態にするのを禁止して、ロックアップ状態にするようにしている。こうすることで、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にあるときにＦ／Ｃ制御の実行時間を短くすることができるようになる。
【００６９】
図１４に、ハーフロックアップ機構を制御するためのフローチャートを示した。図１４を参照すると、始めにステップ２８０において、ハーフロックアップ実行条件が成立しているか否かが判別される。ここで、ハーフロックアップ実行条件が成立するときとは、例えば、内燃機関を搭載した車両が減速しているとき等を意味する。ステップ２８０において、ハーフロックアップ実行条件が成立していないと判別された場合にはルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２８０において、ハーフロックアップ実行条件が成立していると判別された場合には、ステップ２８１へと進む。ステップ２８１では、図７に示したフローチャートによって算出されている活性判定フラグＸＡが零であるか否かが判別され、零である（下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある）と判別された場合にはステップ２８２へと進む。ステップ２８２ではハーフロックアップを行うことが禁止され、ロックアップ状態にされるかまたはトルクコンバータのみを介して動力が伝達される。一方、ステップ２８１において活性判定フラグＸＡが１である（下流側空燃比センサ２７が活性状態にある）と判別された場合には、ステップ２８３へと進む。ステップ２８３では、ハーフロックアップを行うことが許可され、ルーチンが終了せしめられる。
【００７０】
次に、本発明の第三実施形態の空燃比制御装置について説明する。多くの内燃機関では、機関負荷が急激に高くなったとき、または燃料カット制御を終了したときに、通常の燃料噴射量に追加燃料噴射量が加えられる。機関負荷が急激に高くなるときとは、例えば、内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダル４０を踏んだとき、自動変速装置においてニュートラルシフトからドライブシフトに変更したとき、マニュアル変速装置でクラッチが切断された状態から連結された状態に変わったとき等を意味する。
【００７１】
本発明の第三実施形態では、このように通常の燃料噴射量に加えられる追加燃料噴射量を、下流側空燃比センサ２７が活性状態にあるときと非活性状態にあるときとで変更するようにしている。より詳細には、下流側空燃比センサ２７が非活性状態にある場合の追加燃料噴射量は、下流側空燃比センサ２７が活性状態にある場合の追加燃料噴射量よりも多い。こうすることにより、追加燃料噴射量が加えられたときの内燃機関から排出される排気空燃比は理論空燃比よりもリッチとなり、三元触媒２１の酸素保持量が少なくなる。こうして、下流側空燃比センサ２７の活性判定が早期に行われるようになる。なお、下流側空燃比センサ２７が活性状態にある場合および非活性状態にある場合の追加燃料噴射量は予め定められていてもよいし、例えば内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダル４０を踏んだときの踏込み量等のパラメータに応じて変えてもよい。
【００７２】
図１５に、通常の燃料噴射量を噴射するのに必要な開弁時間ＴＡＵに追加燃料噴射量を噴射するのに必要な開弁時間ΔＴＡＵを加える燃料追加処理のフローチャートを示した。なお、図１５においては、内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダルを踏んだときの燃料追加処理について説明するが、上述したような他の燃料追加処理も同様に行われる。
【００７３】
図１５では、初めにステップ３００において、ユーザによってスロットルペダルが踏まれていない状態から踏まれた状態に変化したか否かを判別している。スロットルペダル４０が踏まれた状態に変化していないと判別された場合には、ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ３００において、スロットルペダル４０が踏まれた状態に変化したと判別された場合には、ステップ３０１へと進む。ステップ３０１では、図７に示したフローチャートで設定された活性判定フラグＸＡが零であるか否かが判別され、活性判定フラグＸＡが零であると判別された場合にはステップ３０２へと進む。ステップ３０２では、追加開弁時間ΔＴＡＵaが求められる。この追加開弁時間ΔＴＡＵaは予め定められた時間でもよいし、ユーザによるスロットルペダル４０の踏込み量に応じて変化するようにしてもよい。
【００７４】
次いでステップ３０３では、図２で算出された開弁時間ＴＡＵにステップ３０２において算出された追加燃料噴射量ΔＴＡＵaが加算され、よって全体の開弁時間がＴＡＵ＋ΔＴＡＵaとなる。一方、ステップ３０１において、活性判定フラグＸＡが１であると判別された場合にはステップ３０４へと進む。ステップ３０４では、追加開弁時間ΔＴＡＵbが求められる。追加開弁時間ΔＴＡＵbは、上記追加開弁時間ΔＴＡＵaよりも短い時間であり、追加開弁時間ΔＴＡＵaと同様に予め定められた時間でもよいし、またはユーザによるスロットルペダル４０の踏込み量に応じて変化するようにしてもよい。次いで、ステップ３０５では、上記開弁時間ＴＡＵにステップ３０４において算出された追加開弁時間ΔＴＡＵbが加算され、ルーチンが終了せしめられる。
【００７５】
次に、上記第三実施形態の空燃比制御装置の変更例について説明する。本変更例では、第三実施形態の追加燃料噴射量を三元触媒２１に保持されている酸素量に応じて変えるようにしている。すなわち、三元触媒２１の酸素保持量が多いときには追加燃料噴射量を増大させ、三元触媒の酸素保持量が少ないときには追加燃料噴射量を減少させている。
【００７６】
ここで、三元触媒２１が保持可能な酸素量は触媒温度が高いほど多くなる。また、三元触媒２１の酸素保持量は、流入する排気ガスのリーン度合が高いほど且つ理論空燃比よりもリーンである排気ガスが三元触媒２１に長く流入するほど多くなる。逆に言うと、三元触媒２１の酸素保持量はこれらパラメータから推定することができる。そこで、第三実施形態の変更例では、触媒温度に応じて追加燃料噴射量を変えるようにしている。より詳細には、図１６に示したように、触媒温度が高い場合には追加燃料噴射量に対応する追加開弁時間を長くし、逆に触媒温度が低い場合には追加燃料噴射量に対応する追加開弁時間を短くしている。
【００７７】
さらに、第三実施形態の変更例では、流入する排気ガスのリーン度合が高くなるＦ／Ｃ制御の単位時間当たりの実行時間または実行回数に応じて、追加燃料噴射量を変えるようにしている。図１７にこの様子を示す。なお、図１７の横軸はＦ／Ｃ制御の実行時間を示しており、縦軸は図１６に示したマップによって算出された追加開弁時間（以下、「暫定開弁時間」と称す）に乗算するＦ／Ｃ補正係数を示しており、暫定開弁時間にＦ／Ｃ補正係数を乗算した開弁時間に対応する噴射量（すなわち追加燃料噴射量）が通常の燃料噴射量に加算される。図１７から分かるように、単位時間当たりにＦ／Ｃ制御が行われた時間が長い場合にはＦ／Ｃ補正係数を大きく（すなわち追加燃料噴射量を多く）し、単位時間当たりにＦ／Ｃ制御が行われた時間が短い場合にはＦ／Ｃ補正係数を小さく（すなわち追加燃料噴射量を少なく）している。このように追加燃料噴射量を求めることにより、三元触媒２１の酸素保持量を効果的に少ない量に維持することができるようになる。
【００７８】
なお、上記第三実施形態の変更例では、Ｆ／Ｃ制御の実行時間に基づく追加燃料噴射量の調整と、触媒温度に基づく追加燃料噴射量の調整との両方を行っているが、片方のみを行うようにしてもよい。また、上記変更例では、触媒温度に基づいて追加燃料噴射量を調整しているが、触媒温度の代わりに、第一実施形態の変更例において説明したような積算吸入空気量、始動時水温、機関停止時間およびこれらパラメータを組み合わせたものを用いてもよい。
【００７９】
図１８には、第三実施形態の変更例に基づいて通常の燃料噴射量を噴射するための開弁時間に追加燃料噴射量を噴射するための追加開弁時間を加える燃料追加処理のフローチャートを示した。なお、図１８においては、図１５と同様に内燃機関がアイドリング状態にあるときにユーザがアクセルペダルを踏んだときの燃料追加処理について説明するが、上述したような他の燃料追加処理も同様に行われる。なお、図１８において、ステップ３２０、３２１、３２８、３２９はそれぞれ図１５のステップ３００、３０１、３０４、３０５と同様であるので説明を省略する。
【００８０】
ステップ３２２では、触媒温度Ｔcaと図１６のマップとに基づいて暫定追加開弁時間ΔＴＡＵa'を算出している。次いで、ステップ３２３において、過去の所定時間以内にＦ／Ｃ制御を実行したか否か、すなわちＦ／Ｃ制御の履歴が有るか否かについて判別され、Ｆ／Ｃ制御履歴があると判別された場合にはステップ３２４へと進む。ステップ３２４では、過去の所定時間におけるＦ／Ｃ制御の実行時間と図１７に示したマップとに基づいてＦ／Ｃ補正係数ｋfcが算出される。次いで、ステップ３２５において、暫定追加開弁時間ΔＴＡＵa'にＦ／Ｃ補正係数ｋfcを加算したものが追加開弁時間ΔＴＡＵaとされ（ΔＴＡＵa←ΔＴＡＵa'・ｋfc）、ステップ３２６へと進む。一方、ステップ３２３において、Ｆ／Ｃ制御履歴が無いと判別された場合にはステップ３２７へと進む。ステップ３２７では、暫定追加開弁時間ΔＴＡＵa'が追加開弁時間ΔＴＡＵaとされ（ΔＴＡＵa←ΔＴＡＵa'）、ステップ３２６へと進む。
【００８１】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ２７から排気空燃比が理論空燃比よりもリッチである信号が発信されたときに下流側空燃比センサ２７が活性状態にあると判定するようにしているが、この判定基準に、機関始動後に所定時間が経過したこと、触媒温度が所定温度以上となったこと、積算吸入空気量が所定量以上となったこと等の別の判定基準を組み合わせてもよい。
【００８２】
最後に、三元触媒２１について簡単に説明する。三元触媒２１は、その温度が所定の温度（いわゆる活性温度）以上であって、且つ、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の領域内にあると、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯX）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を同時に高い浄化率にて浄化する。一方、三元触媒２１は、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸収し、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには吸収した酸素を放出する酸素吸放出能力を有する。この酸素吸放出能力が正常に機能する限り流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであってもリッチであっても三元触媒２１内の雰囲気の空燃比がほぼ理論空燃比近傍に維持され、したがって、排気ガス中のＮＯX、ＣＯ、ＨＣが同時に高い浄化率で浄化される。
【００８３】
なお、上記実施形態においては、排気ガスを浄化する排気浄化触媒として三元触媒２１を用いているが、排気浄化触媒は、三元触媒でなくてもよく、例えば、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには流入する排気ガス中のＮＯxを保持すると共に、流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはそれよりもリッチであるときには保持しているＮＯxを離脱・還元させるＮＯx吸放出能力を有するＮＯx触媒や、このようなＮＯx吸放出能力に加えて流入する排気ガス中のパティキュレートを連続的に酸化・除去することができるパティキュレートフィルタ等、酸素吸放出能力があれば如何なる排気浄化触媒であってもよい。
【００８４】
【発明の効果】
第１〜第３の発明によれば、下流側空燃比検出手段が非活性状態にあるときに排気浄化触媒の浄化能力に応じて目標空燃比のリッチ度合が設定されるので、大気中への有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等）の放出を抑制しつつ、下流側空燃比検出手段が活性状態に達したことを早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空燃比制御装置を備えた内燃機関全体を示す図である。
【図２】燃料噴射弁の開弁時間を算出するためのフローチャートである。
【図３】空燃比補正係数を算出するためのフローチャートである。
【図４】スキップ増大量およびステップ減少量を算出するためのフローチャートである。
【図５】触媒温度と目標空燃比との関係を示す図である。
【図６】始動時水温と遅延時間との関係を示す図である。
【図７】下流側空燃比センサが活性状態にあるか否かを判定するためのフローチャートである。
【図８】下流側空燃比センサが非活性状態にあるときにおける目標空燃比を算出するためのフローチャートである。
【図９】積算吸入空気量と暫定目標空燃比との関係を示す図である。
【図１０】始動時水温と水温補正係数との関係を示す図である。
【図１１】機関停止時間と停止補正係数との関係を示す図である。
【図１２】第一実施形態の変更例における目標空燃比を算出するためのフローチャートである。
【図１３】燃料カット制御を実行するためのフローチャートである。
【図１４】ハーフロックアップ機構を制御するためのフローチャートである。
【図１５】通常の燃料噴射量に追加燃料噴射量を加える燃料追加処理のフローチャートである。
【図１６】触媒温度と追加開弁時間との関係を示す図である。
【図１７】Ｆ／Ｃ制御の実行時間とＦ／Ｃ補正係数との関係を示す図である。
【図１８】第三実施形態の変更例における燃料追加処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
１１…燃料噴射弁
１６…エアフロメータ
２１…三元触媒（排気浄化触媒）
２６…上流側空燃比センサ
２７…下流側空燃比センサ
２８…温度センサ
４０…アクセルペダル
Claims (3)
- 機関排気通路上に配置された排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側において機関排気通路に配置され且つ機関排気通路を通る排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、上記排気浄化触媒の下流側において機関排気通路に配置され且つ機関排気通路を通る排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、該下流側空燃比検出手段が活性状態にあるか否かを判定する活性判定手段とを具備し、機関運転状態に基づいて目標空燃比を設定すると共に、上記上流側空燃比検出手段および上記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比に基づいて上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が上記目標空燃比となるように燃料噴射量を調整する内燃機関の空燃比制御装置において、
上記排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに具備し、上記下流側空燃比検出手段が非活性状態にあると上記活性判定手段によって判定された場合には、目標空燃比をリッチとすると共に触媒温度検出手段によって検出された排気浄化触媒の温度が低いときには目標空燃比のリッチ度合いを低く設定し、排気浄化触媒の温度が高いときには目標空燃比のリッチ度合いを高く設定し、上記上流側空燃比検出手段によって検出された空燃比に基づいて上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が上記目標空燃比となるように燃料噴射量を調整する内燃機関の空燃比制御装置。 - 上記下流側空燃比検出手段が非活性状態にあると上記活性判定手段によって判定された場合には、機関始動直後から所定期間に亘って上記上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整するのを禁止し、その後、上流側空燃比検出手段によって検出される空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整するようにした請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 上記下流側空燃比検出手段が非活性状態から活性状態に変わったことが上記活性判定手段によって検出された直後には、単位時間当たりの燃料噴射量の変化が所定量以下になるように、目標空燃比を少なくとも排気浄化触媒に基づいて設定された空燃比から機関運転状態に基づいて設定された空燃比に変更するようにした請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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