JP4816341B2

JP4816341B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4816341B2
Application number: JP2006237434A
Authority: JP
Inventors: 浩一森; 尊雄井上; 先基李
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: JP2008057481A

Description

本発明は、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に流路切換弁により排気を案内するようにした内燃機関に関し、特に、その流路切換弁切換時の空燃比フィードバック制御に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けると共に、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる
特開２００５−３５１０８８号公報

上記のような構成において、内燃機関の空燃比を理論空燃比にフィードバック制御（空燃比フィードバック制御）する場合、切換弁を閉弁状態から開弁状態に切り換えると、バイパス流路に流れ込んでいた排気が、メイン流路の上流側部分を流れるようになり、排気がバイパス触媒コンバータを迂回してメイン触媒コンバータに流れ込むことになるため、切換弁の切り換えに合わせて、空燃比フィードバック制御に用いる空燃比の排気系内における検出位置を変更しないと、正確な空燃比を検出することができず、ひいては排気性能及び運転性能の悪化を招く虞がある。

そこで、本発明の内燃機関は、内燃機関の気筒に接続されて気筒から排出された排気を流すメイン通路と、上記メイン通路に介装されたメイン触媒コンバータと、上記メイン通路の上流側部分と並列に設けられ、該メイン通路よりも通路断面積の小さなバイパス通路と、上記バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に設けられて該メイン通路を閉塞する流路切換弁と、上記バイパス通路もしくは上記メイン通路の上記バイパス触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第１空燃比検出手段と、上記メイン通路のうち、分岐したバイパス通路が合流する部分よりも下流側で、かつ上記メイン触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第２空燃比検出手段と、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比制御実施手段と、上記メイン通路の上記メイン触媒コンバータよりも下流側となる位置に配置された第３空燃比検出手段を、備え、上記空燃比制御実施手段は、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値及び第３空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御することを特徴としている。

本発明によれば、空燃比フィードバック制御中に、上記流路切換弁が閉弁状態から開弁状態に切り換えられる際にも、空燃比を安定して検出することができ、排気性能及び運転性能の悪化を確実に防止することができる。

以下、この発明を直列４気筒の内燃機関１に適用した一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この内燃機関１の配管レイアウトならびに制御システムを模式的に示した説明図であり、始めにこの図１に基づいて、内燃機関１の構成を説明する。

内燃機関１のシリンダヘッド１ａには、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。この流路切換弁５は、適宜なアクチュエータ５ａによって開閉駆動される。

一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側で、かつ流路切換弁５よりも下流側の合流点９において該メイン通路３に接続されている。

そして、バイパス通路７もしくはメイン通路３のバイパス触媒コンバータ８よりも上流側となる位置、すなわちバイパス触媒コンバータ８の入口部８ａに隣接する位置に、第１空燃比検出手段としての第１空燃比センサ１０が配置されている。また、メイン通路３のうち、分岐したバイパス通路７が合流する部分よりも下流側で、かつメイン触媒コンバータ４よりも上流側となる位置、すなわちメイン触媒コンバータ４の入口部４ａに隣接する位置に、第２空燃比検出手段としての第２空燃比センサ１１が配置されている。さらに、メイン通路３のメイン触媒コンバータ４よりも下流側となる位置、すなわちメイン触媒コンバータ４の出口部４ｂに隣接する位置に、第３空燃比検出手段としての第３空燃比センサ１２が配置されている。

第２空燃比センサ１１及び第３空燃比センサ１２は、メイン触媒コンバータ４の活性後に公知の空燃比フィードバック制御を行うためのものであり、基本的に、メイン触媒コンバータ４上流側の第２空燃比センサ１１によって機関空燃比（燃料噴射量）が制御され、その制御特性のばらつきの補正などのためにメイン触媒コンバータ４下流側の第３空燃比センサ１２の出力信号が補助的に利用される。つまり、この場合には、第３空燃比センサ１１の出力信号は必ずしも必須のものではない。

同様に、第１空燃比センサ１０は、第２空燃比センサ１１と伴に、バイパス触媒コンバータ８を用いる際に公知のフィードバック制御を行うためのものであり、基本的に、バイパス触媒コンバータ８上流側の第１空燃比センサ１０によって機関空燃比（燃料噴射量）が制御され、その制御特性のばらつきの補正などのためにバイパス触媒コンバータ８下流側の第２空燃比センサ１１の出力信号が補助的に利用される。つまり、この場合には、第２空燃比センサ１１の出力信号は必ずしも必須のものではない。

ここで、公知の空燃比フィードバック制御とは、内燃機関の空燃比を理論空燃比にフィードバック制御するものであり、より具体的には、内燃機関の空燃比をリッチまたはリーンから理論空燃比を挟んで反対側のリッチまたはリーンへとステップ的に変化させるものである。そして、触媒コンバータ下流側のセンサ出力信号に基づき、空燃比フィードバック制御に補正を加える場合、触媒コンバータ上流側のセンサ出力信号の元となるセンサが切換えられたなら、これに合わせて触媒コンバータ下流側のセンサ出力信号の元となるセンサも切換える。尚、このような公知の空燃比フィードバック制御の停止条件は、始動時、低水温時、エンジン高負荷時、減速時、空燃比センサ異常時などである。

これらの空燃比センサ１０〜１２としては、排気空燃比に応じた略リニアな出力特性を有するいわゆる広域型空燃比センサ、あるいはリッチ、リーンの２値的な出力特性を有するいわゆる酸素センサのいずれであってもよいが、上述した空燃比制御の際の制御上の観点から、第１空燃比センサ１０及び第２空燃比センサ１１は広域型空燃比センサであることが望ましく、また第３空燃比センサ１２は部品コスト等の点から酸素センサを用いることが可能である。

また、内燃機関１は、点火プラグ２１を備え、その吸気通路２２には、燃料噴射弁２３が配置されている。さらに、吸気通路２２の上流側に、モータ等のアクチュエータによって開閉駆動されるいわゆる電子制御型スロットル弁２４が配置されていると共に、吸入空気量を検出するエアフロメータ２５がエアクリーナ２６下流に設けられている。

内燃機関１の種々の制御パラメータ、例えば、燃料噴射弁２３による燃料噴射量、点火プラグ２１による点火時期、スロットル弁２４の開度、流路切換弁５の開閉状態、などは、エンジンコントロールユニット２７によって制御される。このエンジンコントロールユニット２７には、上述したセンサ類のほか、冷却水温センサ２８、運転者により操作されるアクセルペダルの開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２９、などの種々のセンサ類の検出信号が入力されている。

このような構成においては、基本的に、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、アクチュエータ５ａを介して流路切換弁５が閉じられ（流路切換弁５は閉位置）、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、トリガー条件の一つとして、メイン触媒コンバータ４の触媒が活性したとみなし、流路切換弁５が開放される（流路切換弁５は開位置）。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。これによって、排気の流れを切り換えるメイン通路閉塞手段は、複雑な切換バルブを必要とせず、メイン通路３を閉じたり開いたりするだけの流路切換弁５で構成することができる。また、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制することができる。

上記のような構成において、公知の空燃比フィードバック制御を実施している際に、流路切換弁５が閉位置（閉弁状態）から開位置（開弁状態）に切り換わると、バイパス通路７に流れ込んでいた排気が、メイン通路３の上流側部分を流れるようになり、排気がバイパス触媒コンバータ８を迂回してメイン触媒コンバータ４に流れ込むことになるため、流路切換弁５の切り換えに合わせて、空燃比フィードバック制御に用いる空燃比の排気系内における検出位置を変更しないと、正確な空燃比を検出することができず、ひいては排気性能及び運転性能の悪化を招く虞がある。特に、本発明の排気通路構成では、メイン通路３を閉じたり開いたりする流路切換弁５を設けるだけで複雑な切換バルブを必要とせずに、排気流の大部分をメイン通路３側に流すようにしてバイパス通路７側には殆ど排気が流れないようにしたが、しかしながら僅かとはいえバイパス触媒コンバータ８を流れた排気流の組成は変化しており、第１空燃比センサ１０で検出された空燃比は（仮に第１空燃比センサ１０が分岐点６の上流側のメイン通路３に設けられていたとしても）、メイン触媒コンバータ４に流入する排気流の空燃比とは厳密には一致しない。

そこで、流路切換弁５の切り換えに合わせて、空燃比フィードバック制御に用いる空燃比の排気系内の検出位置を変更する。換言すれば、流路切換弁５の切り換えに合わせて、機関空燃比（内燃機関１の空燃比）を制御するために用いる空燃比センサを切り換える。

図２は、本発明の第１実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。

ステップ（以下単にＳと表記する）１では、第１空燃比センサ１０の検出値であるＡＦＳＡＦ１と、第２空燃比センサ１１の検出値であるＡＦＳＡＦ２を読み込む。

Ｓ２では、流路切換弁５が閉位置（全閉状態）であるか否かを判定し、閉位置であればＳ３へ進み、そうでなければＳ４へ進む。尚、流路切換弁５は、内燃機関１が所定の状態に達したとき（例えば、メイン触媒コンバータ４の暖機が完了したとき）、閉位置（全閉状態）から開位置（全開状態）に切り換えられる。

Ｓ３ではＡＦＳＡＦをＡＦＳＡＦ１とし、Ｓ４ではＡＦＳＡＦをＡＦＳＡＦ２とする。ここで、ＡＦＳＡＦは上述した公知の空燃比フィードバック制御に用いられる空燃比センサであり、この空燃比フィーバック制御によりＡＦＳＡＦとして選択された空燃比センサの検出値に基づいて機関空燃比が制御される。

そして、Ｓ５では、ＡＦＳＡＦとして選択された空燃比センサ（第１空燃比センサ１０もしくは第２空燃比センサ１１）の検出値に基づいて上述した公知の空燃比フィードバック制御を実施する。

つまり、空燃比フィードバック制御が実施されている状態で流路切換弁５が閉位置から開位置に切り換えられる際には、第１空燃比センサ１０の検出値に基づく空燃比フィードバック制御から第２空燃比センサ１１の検出値に基づく空燃比フィードバック制御に直ちに切り換えられる。換言すれば、流路切換弁５によりメイン通路３が閉じられた状態で空燃比フィードバック制御が実施される場合には、第１空燃比センサ１０の検出値に基づいて機関空燃比を制御する空燃比フィードバック制御が行われ、流路切換弁５によりメイン通路３が開かれた状態で空燃比フィードバック制御が実施される場合には、第２空燃比センサの検出値に基づいて機関空燃比を制御する空燃比フィードバック制御が行われる。

このような第１実施形態においては、空燃比フィードバック制御中に、流路切換弁５が閉弁状態から開弁状態に切り換えられても、それに応じて空燃比フィードバック制御に用いられる空燃比を検出する空燃比センサが第１空燃比センサ１０から第２空燃比センサ１１に切り換えられるため、流路切換弁５の切り換え時にも空燃比を安定して検出することができ、排気性能及び運転性能の悪化を確実に防止することができる。

尚、このような空燃比フィードバック制御や流路切換弁の切り換え制御は、エンジンコントロールユニット２７内で処理されるものであり、空燃比制御実施手段は、実質的にはエンジンコントロールユニット２７に包含されるものである。

以下の本発明の他の実施形態について順次説明していくが、これら各実施形態は、上述した第１実施形態と同様に、上述した図１の内燃機関１を前提構成とするものである。

図３は、本発明に係る内燃機関１の第２実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。この第２実施形態は、上述した第１実施形態において、流路切換弁５が閉位置から開位置に切り換えられた際に、流路切換弁５の切り換えられてから所定時間経過後に、空燃比フィードバック制御に用いる空燃比の排気系内の検出位置を変更するものである。

Ｓ１１では、スタータスイッチがＯＮされたか否かを判定し、スタータスイッチがＯＮされた場合にはＳ１２へ進み、そうでない場合にはＳ１３へ進む。つまり、エンジン始動時には、Ｓ１２へ進み、ＦＡＦＳ＝１、ＣＯＵＮＴ＝０、ＦＤＥＬＡＹ＝０とする。ここで、ＦＡＦＳ及びＦＤＥＬＡＹは制御フラグであり、ＣＯＵＮＴはディレイカウント値である。

Ｓ１３では、第１空燃比センサ１０の検出値であるＡＦＳＡＦ１と、第２空燃比センサ１１の検出値であるＡＦＳＡＦ２を読み込み、Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４では、流路切換弁５が閉位置（全閉状態）であるか否かを判定し、閉位置であればＳ１５へ進み、そうでなければＳ１６へ進む。尚、流路切換弁５は、内燃機関１が所定の状態に達したとき（例えば、メイン触媒コンバータ４の暖機が完了したとき）、閉位置（全閉状態）から開位置（全開状態）に切り換えられる。

Ｓ１５では、ＦＡＦＳ＝２、ＦＤＥＬＡＹ＝１としてＳ１６へ進む。

Ｓ１６では、ＦＤＥＬＡＹが「１」であるか否かを判定し、「１」であればＳ１７へ進み、「１」でなければＳ１８へ進む。

Ｓ１７では、ＣＯＵＮＴを＋１カウントアップし、Ｓ１８へ進む。

Ｓ１８では、ＦＡＦＳが「２」であるか否かを判定し、「２」であればＳ１９へ進み、そうでなければＳ２２へ進む。

Ｓ１９では、所定のディレイ時間が経過したか否かが判定され、ＣＯＵＮＴ＞ＣＮＴＬＭＴであれば所定のディレイ時間が経過したものとしてＳ２０へ進みＡＦＳＡＦ＝ＡＦＳＡＦ２としてＳ２１へ進み、そうでなければＳ２２へ進む。
ここでＣＮＴＬＭＴは、上述した所定のディレイ時間に相当するディレイカウント値（ＣＯＵＮＴ）の閾値である。

Ｓ２１では、ＦＤＥＬＡＹ＝０としてＳ２３へ進む。

Ｓ２２では、ＦＳＡＦ＝ＡＦＳＡＦ１としてＳ２３へ進む。

そして、Ｓ２３では、ＡＦＳＡＦとして選択された空燃比センサ（第１空燃比センサ１０もしくは第２空燃比センサ１１）の検出値に基づいて上述した公知の空燃比フィードバック制御を実施する。

このような第２実施形態においては、流路切換弁５を閉位置から開位置に切り換えた直後に、メイン通路３内に滞留していたリーンな排気により第２空燃比センサ１１の検出値に誤差が生じることを防止することができ、排気性能及び運転性能の悪化を確実に防止することができる。

図４は、本発明に係る内燃機関１の第３実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。この第３実施形態は、上述した第１実施形態において、流路切換弁５が閉位置から開位置に切り換えられた際に、流路切換弁５の切り換えられてから、排気ガスの流速に応じた所定時間経過後に、空燃比フィードバック制御に用いる空燃比の排気系内の検出位置を変更するものである。

Ｓ３１では、スタータスイッチがＯＮされたか否かを判定し、スタータスイッチがＯＮされた場合にはＳ３２へ進み、そうでない場合にはＳ３３へ進む。つまり、エンジン始動時には、Ｓ３２へ進み、ＦＡＦＳ＝１、ＣＯＵＮＴ＝０、ＦＤＥＬＡＹ＝０とする。ここで、ＦＡＦＳ及びＦＤＥＬＡＹは制御フラグであり、ＣＯＵＮＴはディレイカウント値である。

Ｓ３３では、第１空燃比センサ１０の検出値であるＡＦＳＡＦ１と、第２空燃比センサ１１の検出値であるＡＦＳＡＦ２を読み込み、Ｓ３４へ進む。

Ｓ３４では、流路切換弁５が閉位置（全閉状態）であるか否かを判定し、閉位置であればＳ３５へ進み、そうでなければＳ３６へ進む。尚、流路切換弁５は、内燃機関１が所定の状態に達したとき（例えば、メイン触媒コンバータ４の暖機が完了したとき）、閉位置（全閉状態）から開位置（全開状態）に切り換えられる。

Ｓ３５では、ＦＡＦＳ＝２、ＦＤＥＬＡＹ＝１としてＳ３６へ進む。

Ｓ３６では、ＦＤＥＬＡＹが「１」であるか否かを判定し、「１」であればＳ３７へ進み、「１」でなければＳ３９へ進む。

Ｓ３７では、吸入空気量Ｑａを用いて、ディレイカウントＱａ感度（ＣＯＵＮＴＱＡ）をＣＯＵＮＴＱＡ算出マップから算出し、Ｓ３８へ進む。このＣＯＵＮＴＱＡ算出マップは、予めエンジンコントロールユニット２７内に記憶させておくものである。また、このＣＯＵＮＴＱＡは、排気ガスの流速に対して感度を持っており、吸入空気量Ｑａが多いほど排気ガスの流速が速くなるので、吸入空気量Ｑａに比例してＣＯＵＮＴＱＡも大きくなるようＣＯＵＮＴＱＡ算出マップは設定されている。

Ｓ３８では、ＣＯＵＮＴをＳ３７で算出されたＣＯＵＮＴＱＡだけカウントアップし、Ｓ３９へ進む。

Ｓ３９では、ＦＡＦＳが「２」であるか否かを判定し、「２」であればＳ４０へ進み、そうでなければＳ４３へ進む。

Ｓ４０では、所定のディレイ時間が経過したか否かが判定され、ＣＯＵＮＴ＞ＣＮＴＬＭＴであれば所定のディレイ時間が経過したものとしてＳ４１へ進みＡＦＳＡＦ＝ＡＦＳＡＦ２としてＳ４２へ進み、そうでなければＳ４３へ進む。
ここでＣＮＴＬＭＴは、上述した所定のディレイ時間に相当するディレイカウント値（ＣＯＵＮＴ）の閾値である。

Ｓ４２では、ＦＤＥＬＡＹ＝０としてＳ４４へ進む。

Ｓ４３では、ＦＳＡＦ＝ＡＦＳＡＦ１としてＳ４４へ進む。

そして、Ｓ４４では、ＡＦＳＡＦとして選択された空燃比センサ（第１空燃比センサ１０もしくは第２空燃比センサ１１）の検出値に基づいて上述した公知の空燃比フィードバック制御を実施する。

このような第３実施形態においても、メイン通路３内に滞留していたリーンな排気により第２空燃比センサ１１の検出値に誤差が生じることを防止することができ、排気性能及び運転性能の悪化を確実に防止することができる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。この第４実施形態は、上述した第１実施形態と同様に、流路切換弁５の切り換えに合わせて、空燃比フィードバック制御に用いる空燃比の排気系内の検出位置を変更するものであるが、この第４実施形態における空燃比フィードバック制御は、触媒の酸素貯蔵量が所定の目標酸素貯蔵量となるように、内燃機関１の空燃比をフィードバック制御するものである。ここで、説明の便宜上、上述した公知の空燃比フィードバック制御を第１空燃比フィードバック制御とし、この第４実施形態における空燃比フィードバック制御を第２空燃比フィードバック制御と呼んで区別することとする。

第２空燃比フィードバック制御について詳述すると、流路切換弁５が閉位置では、第１空燃比センサ１０の検出値を用いてバイパス触媒コンバータ８の酸素貯蔵量Ｏｓｂを算出し、この酸素貯蔵量Ｏｓｂと予め設定されたバイパス触媒コンバータ８の目標酸素貯蔵量ＯＳＣｂとの偏差ΔＯｓｂを算出する。そして、この偏差ΔＯｓｂに基づいてバイパス触媒コンバータ８上流側の目標空燃比を算出し、第１空燃比センサ１０で検出される実空燃比が上記の目標空燃比となるように燃料噴射量を制御する。尚、このときバイパス触媒コンバータ８の酸素貯蔵量Ｏｓｂが目標酸素貯蔵量ＯＳＣｂよりも多いと上記の目標空燃比はリッチとなり、酸素貯蔵量Ｏｓｂが目標酸素貯蔵量ＯＳＣｂよりも少ないと上記の目標空燃比はリーンとなる。そして、算出された酸素貯蔵量Ｏｓｂは、演算精度を高く維持するために、第２空燃比センサ１１の検出値が所定のリーン判定値またはリッチ判定値となったときに、酸素貯蔵量Ｏｓｂをそれぞれ最大値Ｏｓｂｍａｘまたは最小値Ｏｓｂｍｉｎに初期化する。具体的には、第２空燃比センサ１１の検出値が上記リーン判定値を下回り、リッチ〜リーン反転時間が予め設定された所定時間を上回っている場合には、酸素貯蔵量Ｏｓｂが最大値Ｏｓｂｍａｘに初期化され、第２空燃比センサ１１の検出値が上記リッチ判定値を上回り、リッチ〜リーン反転時間が予め設定された所定時間を上回っている場合には、酸素貯蔵量Ｏｓｂが最小値Ｏｓｂｍｉｎに初期化される。

一方、流路切換弁５が開位置では、第２空燃比センサ１１の検出値を用いてメイン触媒コンバータ４の酸素貯蔵量Ｏｓｍを算出し、この酸素貯蔵量Ｏｓｍと予め設定されたメイン触媒コンバータ４の目標酸素貯蔵量ＯＳＣｍとの偏差ΔＯｓｍを算出する。そして、この偏差ΔＯｓｍに基づいてバイパス触媒コンバータ８上流側の目標空燃比を算出し、第２空燃比センサ１１で検出される実空燃比が上記の目標空燃比となるように燃料噴射量を制御する。尚、このときメイン触媒コンバータ４の酸素貯蔵量Ｏｓｍが目標酸素貯蔵量ＯＳＣｍよりも多いと上記の目標空燃比はリッチとなり、酸素貯蔵量Ｏｓｍが目標酸素貯蔵量ＯＳＣｍよりも少ないと上記の目標空燃比はリーンとなる。そして、算出された酸素貯蔵量Ｏｓｍは、演算精度を高く維持するために、第３空燃比センサ１２の検出値が所定のリーン判定値またはリッチ判定値となったときに、酸素貯蔵量Ｏｓｍをそれぞれ最大値Ｏｓｍｍａｘまたは最小値Ｏｓｍｍｉｎに初期化する。具体的には、第３空燃比センサ１２の検出値が上記リーン判定値を下回り、リッチ〜リーン反転時間が予め設定された所定時間を上回っている場合には、酸素貯蔵量Ｏｓｍが最大値Ｏｓｍｍａｘに初期化され、第３空燃比センサ２１の検出値が上記リッチ判定値を上回り、リッチ〜リーン反転時間が予め設定された所定時間を上回っている場合には、酸素貯蔵量Ｏｓｍが最小値Ｏｓｍｍｉｎに初期化される。

図５は、この第４実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ５１では、第１空燃比センサ１０の検出値であるＡＦＳＡＦ１と、第２空燃比センサ１１の検出値であるＡＦＳＡＦ２と、第３空燃比センサ１２の検出値であるＶＲＯ２を読み込む。

Ｓ５２では、流路切換弁５が閉位置（全閉状態）であるか否かを判定し、閉位置であればＳ５３へ進み、そうでなければＳ５４へ進む。尚、流路切換弁５は、内燃機関１が所定の状態に達したとき（例えば、メイン触媒コンバータ４の暖機が完了したとき）、閉位置（全閉状態）から開位置（全開状態）に切り換えられる。

Ｓ５３ではＡＦＳＡＦをＡＦＳＡＦ１としＳ５５へ進み、Ｓ５４ではＡＦＳＡＦをＡＦＳＡＦ２、ＲＯ２をＶＲＯ２としてＳ５６へ進む。ここで、この第４実施形態におけるＡＦＳＡＦは、上述した第２空燃比フィードバック制御に用いられる空燃比センサであり、この第２空燃比フィーバック制御によりＡＦＳＡＦとして選択された空燃比センサの検出値に基づいて上述したように燃料噴射量が制御される。また、ＲＯ２は、対象となる触媒の下流側に位置する空燃比センサであり、ＲＯ２として選択された空燃比センサの検出値に基づいて対象となる触媒の酸素貯蔵量を初期化判定が行われる。

Ｓ５５では、排気空燃比に応じた略リニアな出力特性を有する第２空燃比センサ１１の検出値を、リッチ、リーンの２値的な出力特性に変換して値をＲＯ２としてＳ５６へ進む。

そして、Ｓ５６では、ＡＦＳＡＦとして選択された空燃比センサ（第１空燃比センサ１０もしくは第２空燃比センサ１１）とＲＯ２として選択された空燃比センサ（第２空燃比センサもしくは第３空燃比センサ）の検出値に基づいて上述した第２空燃比フィードバック制御を実施する。

また、上述した第１空燃比センサ１０あるいは第２空燃比センサ１１のどちらか一方が故障した場合には、適宜流路切換弁５を開閉制御することで、空燃比センサ故障時の排気性能の悪化を回避することができる。図６を用いて詳述すると、Ｓ６１では、流路切換弁５が閉位置（全閉状態）であるか否かを判定し、閉位置であればＳ６２へ進み、そうでなければＳ６３へ進む。尚、流路切換弁５は、内燃機関１が所定の状態に達したとき（例えば、メイン触媒コンバータ４の暖機が完了したとき）、閉位置（全閉状態）から開位置（全開状態）に切り換えられる。

Ｓ６２では、第１空燃比センサ１０が故障しているか否かを判定し、第１空燃比センサ１０が故障している場合にはＳ６４へ進み、第１空燃比センサ１０が故障していない場合には終了する。そして、Ｓ６４にて、流路切換弁５を開位置とし、第２空燃比センサ１１による上述した第１空燃比フィードバック制御、あるいは第２空燃比センサ１１と第３空燃比センサ１２による上述した第２空燃比フィードバック制御、とすることで第１空燃比センサ１０の故障による排気性能の悪化を防止することができる。

一方、Ｓ６３では、第２空燃比センサ１１が故障しているか否かを判定し、第２空燃比センサ１１が故障している場合にはＳ６５へ進み、第２空燃比センサ１１が故障していない場合には終了する。そして、Ｓ６５にて、流路切換弁５を閉位置とし、第１空燃比センサ１０による上述した第１空燃比フィードバック制御、あるいは第１空燃比センサ１０と第２空燃比センサ１１による上述した第２空燃比フィードバック制御、とすることで第２空燃比センサ１０の故障による排気性能の悪化を防止することができる。

また、上述した各実施形態においては、図７に示すように、流路切換弁５を閉位置から開位置に切り換える際に、流路切換弁５を所定の小さい弁開度に一定時間（時刻ｔ１〜ｔ３の間）保持して、第１空燃比センサ１０及び第２空燃比センサ１１の双方の検出値を比較した後に、流路切換弁５を開位置として空燃比制御に用いる空燃比センサの切り換えを時刻ｔ３で実施することで、第１空燃比センサ１０と第２空燃比センサ１１との間のズレを較正することが可能である。

詳述すると、第１空燃比センサ１０は、流路切換弁５の弁開度が上記所定の小さい弁開度から全開となるように切り換えられる時刻ｔ３まで排気空燃比を正確に検出可能であり、第２空燃比センサ１１は、流路切換弁５の弁開度が全閉から上記所定の小さい弁開度に切り換えられてから所定時間経過した時刻ｔ２以降に排気空燃比を正確に検出可能である。つまり、流路切換弁５を少し開いた状態で一定時間保持すると、バイパス通路７への排気ガスの流入が完全には止まらないので、第１空燃比センサ１０及び第２空燃比センサ１１の双方が気筒から排出された排気ガスに晒された状態となり、図７中の区間Ｔｃ（時刻ｔ２〜ｔ３の間）では第１空燃比センサ１０及び第２空燃比センサ１１の双方で排気空燃比を正確に検出可能となる。

ここで、第２空燃比センサ１１を通過する排気ガスは、バイパス触媒コンバータ８を通過した排気ガスとバイパス触媒コンバータ８を通過しなかった排気ガスとが混合されたものであるため、第１空燃比センサ１０部分を通過する排気ガスの空燃比と第２空燃比センサ１１部分を通過する排気ガスの空燃比とは、その平均値及び互いの反転時間の周期の位相は同一であるが、互いの値は異なる値となる。そこで、第１空燃比センサ１０におけるリッチ、リーンの中間位置（例えば、リッチ側の極大値とリーン側の極大値との平均レベル）であるｎ１（図７参照）と、第２空燃比センサ１１におけるリッチ、リーンの中間位置（例えば、リッチ側の極大値とリーン側の極大値との平均レベル）であるｎ２（図７参照）と、を比較し、ｎ１とｎ２との間にズレがある場合には、ｎ２がｎ１と一致するように第２空燃比センサ１１を第１空燃比センサ１０に合わせて較正する。つまり、ｎ１とｎ２との間にズレがある場合には、第１空燃比センサ１０を基準に第２空燃比センサ１１を較正する。これは、第１空燃比センサ１０は、バイパス通路７がメイン通路３から分岐する部分からバイパス触媒コンバータ８までの間のバイパス通路７途上に設けられたものであって、メイン触媒コンバータ４が活性化するまでの間のみ全排気ガスに晒されるだけで劣化が少ないからである。

このように、適宜、第１空燃比センサ１０の検出値と第２空燃比センサ１１の検出値とを比較し、上述のように両者にズレがある場合には第１空燃比センサ１０を基準として第２空燃比センサ１１を較正することで、第２空燃比センサ１１の検出値を所期の精度に維持することができると共に、第２空燃比センサ１１の故障判定を行うことも可能となる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１）内燃機関は、内燃機関の気筒に接続されて気筒から排出された排気を流すメイン通路と、上記メイン通路に介装されたメイン触媒コンバータと、上記メイン通路の上流側部分と並列に設けられ、該メイン通路よりも通路断面積の小さなバイパス通路と、上記バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に設けられて該メイン通路を閉塞する流路切換弁と、上記バイパス通路もしくは上記メイン通路の上記バイパス触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第１空燃比検出手段と、上記メイン通路のうち、分岐したバイパス通路が合流する部分よりも下流側で、かつ上記メイン触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第２空燃比検出手段と、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比制御実施手段と、を有する。上記流路切換弁が閉弁状態から開弁状態に切り換えられると、上記バイパス通路側の排気ガス流量減少により上記第１空燃比検出手段による筒内から排出された排気（触媒通過前の排気）の空燃比の検出が困難となるが、相対的に上記メイン通路側の排気ガス流量増加することになり、上記第２空燃比検出手段による筒内から排出された排気（触媒通過前の排気）の空燃比の検出が可能となる。これによって、空燃比フィードバック制御中に、上記流路切換弁が閉弁状態から開弁状態に切り換えられる際にも、空燃比を安定して検出することができ、排気性能及び運転性能の悪化を確実に防止することができる。

（２）上記（１）に記載の内燃機関は、具体的には、上記メイン通路の上記メイン触媒コンバータよりも下流側となる位置に配置された第３空燃比検出手段を、備え、上記空燃比制御実施手段は、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値及び第３空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する。

（３）上記（１）に記載の内燃機関は、具体的には、上記メイン通路の上記メイン触媒コンバータよりも下流側となる位置に配置された第３空燃比検出手段を、備え、上記空燃比制御実施手段は、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段及び上記第２空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比を上記バイパス触媒コンバータに蓄積された酸素蓄積量が予め設定された所定酸素蓄積量となるようにフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値及び上記第３空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比を上記メイン触媒コンバータに蓄積された酸素蓄積量が予め設定された所定酸素蓄積量となるようにフィードバック制御する。

（４）上記（１）に記載の内燃機関は、上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換わってから所定のディレイ時間経過後に、上記第１空燃比検出手段の検出値に基づく空燃比フィードバック制御から上記第２空燃比検出手段の検出値に基づく空燃比フィードバック制御に切り換えられる。これによって、上記流路切換弁を閉弁状態から開弁状態に切り換えた直後に、メイン通路内に滞留していたリーンな排気により、上記第２空燃比検出手段の検出値に誤差が生じることを防止することができる。

（５）上記（２）または（３）に記載の内燃機関は、上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換わってから所定のディレイ時間経過後に、上記第１空燃比検出手段及び上記第２空燃比検出手段の検出値に基づく空燃比フィードバック制御から上記第２空燃比検出手段及び上記第３空燃比検出手段の検出値に基づく空燃比フィードバック制御に切り換えられる。これによって、上記流路切換弁を閉弁状態から開弁状態に切り換えた直後に、メイン通路内に滞留していたリーンな排気により、上記第２空燃比検出手段の検出値に誤差が生じることを防止することができる。

（６）上記（４）または（５）に記載の内燃機関おいて、上記ディレイ時間は、具体的には、排気ガスの流速に応じて決定されている。

（７）上記（１）〜（６）のいずれかに記載の内燃機関は、上記流路切換弁を閉位置から開位置に切り換える際に、上記流路切換弁を所定の小さい弁開度に一定時間保持し、そのときの上記第１空燃比検出手段及び上記第２空燃比検出手段の双方の検出値を比較して両者のズレを較正する検出空燃比較正手段を有する。

（８）上記（７）に記載の内燃機関において、上記第１空燃比検出手段は、上記バイパス通路が上記メイン通路から分岐する部分から上記バイパス触媒コンバータまでの間のバイパス通路途上に設けられたものであって、上記検出空燃比較正手段は、上記第１空燃比検出手段を基準として上記第２空燃比検出手段を較正する。

（９）上記（１）〜（８）のいずれかに記載の内燃機関において、上記第２空燃比検出手段が故障した場合には、上記流路切換弁が閉位置に固定され、上記第１空燃比検出手段を用いて上記内燃機関の空燃比が理論空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。これによって、上記第１空燃比検出手段の故障時の排気性能の悪化を防止することができる。

本発明に係る内燃機関の吸排気系の構成並びに制御システムの一例を示す構成説明図。本発明に係る内燃機関の第１実施形態における制御の流れを示すフローチャート。本発明に係る内燃機関の第２実施形態における制御の流れを示すフローチャート。本発明に係る内燃機関の第３実施形態における制御の流れを示すフローチャート。本発明に係る内燃機関の第４実施形態における制御の流れを示すフローチャート。第１空燃比センサと第２空燃比センサのうちの一方が故障した場合の制御方法を示すフローチャート。第１空燃比センサと第２空燃比センサのズレ量を検知する際の流路切換弁の開度及び空燃比センサの検出値の変化を示すタイミングチャート。

符号の説明

３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１０…第１空燃比センサ
１１…第２空燃比センサ
１２…第３空燃比センサ

Claims

内燃機関の気筒に接続されて気筒から排出された排気を流すメイン通路と、
上記メイン通路に介装されたメイン触媒コンバータと、
上記メイン通路の上流側部分と並列に設けられ、該メイン通路よりも通路断面積の小さなバイパス通路と、
上記バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、
上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に設けられて該メイン通路を閉塞する流路切換弁と、
上記バイパス通路もしくは上記メイン通路の上記バイパス触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第１空燃比検出手段と、
上記メイン通路のうち、分岐したバイパス通路が合流する部分よりも下流側で、かつ上記メイン触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第２空燃比検出手段と、
上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比制御実施手段と、
上記メイン通路の上記メイン触媒コンバータよりも下流側となる位置に配置された第３空燃比検出手段を、備え、
上記空燃比制御実施手段は、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値及び第３空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御することを特徴とする内燃機関。
内燃機関の気筒に接続されて気筒から排出された排気を流すメイン通路と、
上記メイン通路に介装されたメイン触媒コンバータと、
上記メイン通路の上流側部分と並列に設けられ、該メイン通路よりも通路断面積の小さなバイパス通路と、
上記バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、
上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に設けられて該メイン通路を閉塞する流路切換弁と、
上記バイパス通路もしくは上記メイン通路の上記バイパス触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第１空燃比検出手段と、
上記メイン通路のうち、分岐したバイパス通路が合流する部分よりも下流側で、かつ上記メイン触媒コンバータよりも上流側となる位置の排気空燃比を検出する第２空燃比検出手段と、
上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比制御実施手段と、
上記メイン通路の上記メイン触媒コンバータよりも下流側となる位置に配置された第３空燃比検出手段を、備え、
上記空燃比制御実施手段は、上記流路切換弁が閉位置では上記第１空燃比検出手段及び上記第２空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比を上記バイパス触媒コンバータに蓄積された酸素蓄積量が予め設定された所定酸素蓄積量となるようにフィードバック制御し、その後上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換えられると、上記第１空燃比検出手段の検出値及び上記第２空燃比検出手段の検出値から切り換えられた上記第２空燃比検出手段の検出値及び上記第３空燃比検出手段の検出値に基づいて上記内燃機関の空燃比を上記メイン触媒コンバータに蓄積された酸素蓄積量が予め設定された所定酸素蓄積量となるようにフィードバック制御することを特徴とする内燃機関。
上記流路切換弁が閉位置から開位置に切り換わってから所定のディレイ時間経過後に、上記第１空燃比検出手段及び上記第２空燃比検出手段の検出値に基づく空燃比フィードバック制御から上記第２空燃比検出手段及び上記第３空燃比検出手段の検出値に基づく空燃比フィードバック制御に切り換えられることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
上記ディレイ時間は、排気ガスの流速に応じて決定されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
上記流路切換弁を閉位置から開位置に切り換える際に、上記流路切換弁を所定の小さい弁開度に一定時間保持し、そのときの上記第１空燃比検出手段及び上記第２空燃比検出手段の双方の検出値を比較して両者のズレを較正する検出空燃比較正手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
上記第１空燃比検出手段は、上記バイパス通路が上記メイン通路から分岐する部分から上記バイパス触媒コンバータまでの間のバイパス通路途上に設けられたものであって、
上記検出空燃比較正手段は、上記第１空燃比検出手段を基準として上記第２空燃比検出手段を較正することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
上記第２空燃比検出手段が故障した場合には、上記流路切換弁が閉位置に固定され、上記第１空燃比検出手段を用いて上記内燃機関の空燃比が理論空燃比となるようにフィードバック制御が行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関。