JP5295177B2

JP5295177B2 - エンジンの制御装置

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Publication number: JP5295177B2
Application number: JP2010128476A
Authority: JP
Inventors: 和也齋藤; 誠二浅野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: JP2011252472A

Description

本発明は、エンジンの空燃比等を制御する制御装置に係り、特に、触媒上流側空燃比センサに加え、触媒下流側Ｏ_２センサ（酸素濃度センサ）を用いて、実空燃比を目標空燃比に収束させるべくフィードバック（帰還）制御を行うエンジンの制御装置に関する。

従来における空燃比制御は、加減速時等の過渡時の空燃比制御性を考慮し、排気通路における触媒の上流側に空燃比センサを配備して目標空燃比への収束性の早いメインのフィードバック制御を行い、触媒の下流側にＯ_２センサを配備してサブのフィードバック制御を行う構成となっていた。触媒上流側空燃比センサ出力を用いたメインのフィードバック制御は、触媒に流入する排気ガスの空燃比（触媒前空燃比と称す）が目標空燃比よりリーンになった場合は、燃料噴射量を増量し、触媒前空燃比が目標空燃比よりリッチになった場合は、燃料噴射量を減量するようにされる。触媒下流側Ｏ_２センサ出力を用いたサブのフィードバック制御は、触媒から流出する排気ガスの空燃比（触媒後空燃比と称す）が理論空燃比（ストイキ）よりリーンになった場合、燃料噴射量を増量し、触媒後空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりリッチとなった場合、燃料噴射量を減量するようにされる（特許文献１等を参照）。

特開２００５−４８７１１号公報

近年、排ガス規制が益々厳しくなる一方で、自動車のコスト低減を図るため、触媒として、従来型の通常の触媒に比して、その中に含まれる貴金属量を減らした低貴金属触媒を採用するケースが増加傾向にある。

ところが、触媒、特に低貴金属触媒が劣化した場合には、運転領域によっては還元能力が大幅に低下し、従来の空燃比制御（燃料噴射量についてのＰＩＤフィードバック制御）では、運転領域によっては排気エミッション特性が著しく悪化することがある。言い換えれば、触媒が劣化すると、運転領域間で排気エミッション特性がばらついてしまう。

これは、触媒の低貴金属化、並びに、劣化によるＯ_２ストレージ能力の低下に加え、排気温度が高い運転領域（高空気量領域）ではＯ_２ストレージ量が一層低下するため、と推測される。なお、ここでいう触媒の劣化とは、自己診断機能で「故障」とは判定されない程度の、劣化度合が中度の劣化である。

これを図４、図５を用いて説明する。図４は、通常の触媒が使用されている場合、図５は、低貴金属触媒が使用されている場合の、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）空燃比補正値、（Ｃ）触媒下流側Ｏ_２センサ出力（電圧）の変化の一例を示すタイムチャートである。

通常の触媒が使用されている場合（図４）では、運転領域が低空気量から高空気量の領域に変化しても（高排気温となっても）、所要のＯ_２ストレージ能力が維持され、下流側Ｏ_２センサ出力の変動も小さく、ほぼストイキ領域に制御できている。

それに対し、低貴金属触媒が使用されている場合（図５）では、運転領域が低空気量から高空気量の領域に変化して、高排気温になると、通常の触媒に比べＯ_２ストレージ能力が大きく低下し、通常の空燃比制御ではリーン側の感度が高くなって、下流側Ｏ_２センサ出力が大きく変動し、触媒後空燃比をストイキ近傍には保持できなくなって（破線Ｅで囲まれた部分に注目）、排気エミッション特性が悪化する。

このように、低貴金属触媒は従来型の通常の触媒に比べ、劣化時の排気エミッション特性の悪化が懸念され、特に排気温度が高い高空気量領域でその傾向が強い。従来の空燃比制御では、運転領域毎に、目標空燃比や制御ゲインが設定されるが、触媒劣化度合に応じてそれを変える手段はなく、特定の運転領域において排気エミッション特性が著しく悪化してしまうおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低貴金属触媒が使用されかつ該触媒が多少劣化しても、高空気量、高排気温領域を含む全ての運転領域において、排気エミッション特性を悪化させないようにできるエンジンの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係るエンジンの制御装置は、基本的には、排気通路に排気浄化用触媒が設けられ、該触媒より上流側に、触媒前空燃比を検出するための線形の出力特性を持つ上流側空燃比センサが配備されるとともに、前記触媒より下流側に、触媒後空燃比がストイキよりリッチ側かリーン側かを識別するためのスイッチング信号を出力する下流側Ｏ_２センサが配備され、前記触媒前空燃比についての目標空燃比を設定する手段と、前記上流側空燃比センサ及び下流側Ｏ_２センサの出力に基づいて、前記触媒前空燃比を前記目標空燃比に収束させるべく、燃料噴射量についてのフィードバック制御を行なう空燃比制御手段と、前記下流側Ｏ_２センサの出力とストイキ領域内もしくはその近傍に設定される劣化度合検出用閾値とを用いて前記触媒の劣化度合を検出するとともに、該検出された劣化度合を運転領域毎に学習値として記憶・更新する劣化度合学習手段と、該学習手段に記憶されている学習値を前記空燃比制御手段が行なう前記フィードバック制御に反映させる学習値反映手段と、を備えていることを特徴としている。

本発明に係るエンジンの制御装置では、触媒の劣化度合に応じて目標空燃比や制御ゲインを運転領域毎に補正するようにされるので、触媒後空燃比がストイキ領域からリーン側あるいはリッチ側へ大きく外れることが抑制されて、ストイキ近傍で維持されることになり、低貴金属触媒が使用されかつ該触媒が多少劣化しても、高空気量、高排気温領域を含む全ての運転領域において、排気エミッション特性がさほど悪化しないようにできる。

また、触媒劣化度合は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて区分された運転領域毎に、学習値として記憶・更新されるので、次回の運転時には、運転領域毎に記憶・更新された学習値を用いた目標空燃比や制御ゲインの補正が行なわれるので、触媒後空燃比のストイキ領域への収束が早くなり、その結果、排気エミッション特性の悪化をより一層抑えることができる。

本発明に係る制御装置の一実施形態を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図。図１に示されるＥＣＵ及びその周りの構成を示す概略図。ＥＣＵが実行する各種制御の概要を示す機能ブロック図。通常の触媒が使用されている場合の、下流側Ｏ_２センサ出力等の変化の一例を示すタイムチャート。低貴金属触媒が使用されている場合の、下流側Ｏ_２センサ出力等の変化の一例を示すタイムチャート。図１に示されるエンジン制御装置による空燃比制御の一例の説明に供されるブロック図。図６に示される空燃比制御の一例における劣化度合カウントタのカウント値と目標空燃比補正値との関係を示す図。図６に示される空燃比制御の一例における劣化度合検出用閾値の設定例を示す図。図６に示される空燃比制御の一例における劣化度合検出用閾値の設定例を示す図。図６に示される空燃比制御の一例における下流側Ｏ_２センサの出力と触媒劣化度合検出用閾値を用いて触媒の劣化度合を検出する手法の説明に供される図。図６に示される空燃比制御の一例における下流側Ｏ_２センサの出力と触媒劣化度合検出用閾値を用いて触媒の劣化度合を検出する手法の説明に供される図。図６に示される空燃比制御の一例において、比率εが第１設定比率以下のときの、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）触媒劣化度合カウンタ（カウント値）、（Ｃ）目標空燃比、（Ｄ）下流側Ｏ_２センサ出力の変化を示すタイムチャート。図６に示される空燃比制御の一例において、比率εが第２設定比率以上のときの、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）触媒劣化度合カウンタ（カウント値）、（Ｃ）目標空燃比、（Ｄ）下流側Ｏ_２センサ出力の変化を示すタイムチャート。図１に示されるエンジン制御装置による空燃比制御の他の例の説明に供されるブロック図。図１４のブロック６２０（制御ゲイン計算）において触媒の劣化度合に応じて制御ゲインを計算する場合の、Ｐ分計算手段の詳細構成例を示すブロック図。図１４のブロック６２０（制御ゲイン計算）において触媒の劣化度合に応じて制御ゲインを計算する場合の、Ｄ分計算手段の詳細構成例を示すブロック図。図１４のブロック６２０（制御ゲイン計算）において触媒の劣化度合に応じて制御ゲインを計算する場合の、Ｉ分計算手段の詳細構成例を示すブロック図。図１４に示される空燃比制御の他の例において、比率εが第１設定比率以下のときの、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）触媒劣化度合カウンタ（カウント値）、（Ｃ）Ｐ分、（Ｄ）下流側Ｏ_２センサ出力の変化の一例を示すタイムチャート。図１４に示される空燃比制御の他の例において、比率εが第２設定比率以上のときの、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）触媒劣化度合カウンタ（カウント値）、（Ｃ）Ｐ分、（Ｄ）下流側Ｏ_２センサ出力の変化の一例を示すタイムチャート。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るエンジンの制御装置の一実施例を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図である。

図１において、本実施例のエンジンの制御装置１が適用されたエンジン１０は、例えば４つの気筒＃１、＃２、＃３、＃４（図には＃１気筒を代表して示す）を有する火花点火式の多気筒エンジンであって、シリンダヘッド１１ａ及びシリンダブロック１１ｂからなるシリンダ１１と、このシリンダ１１の各気筒＃１、＃２、＃３、＃４内に摺動自在に嵌挿されたピストン１５と、を有し、ピストン１５はコンロッドを介してクランク軸１３に連結されている。ピストン１５上方には、所定形状の燃焼室（天井ないしルーフ部）を持つ燃焼作動室１７が画成され、各気筒＃１、＃２、＃３、＃４の燃焼作動室１７には、点火コイル３４から高電圧化された点火信号が供給される点火プラグ３５が臨設されている。

燃料の燃焼に供せられる空気は、エアークリーナ（図示省略）から、スロットル弁２５が配在された管状通路部分（スロットルボディ２６等）、コレクタ２７、吸気マニホールド（多岐管）２８、吸気ポート２９等からなる吸気通路２０を通り、その下流端（吸気ポート２９端部）に配在された吸気バルブ２１を介して各気筒＃１、＃２、＃３、＃４の燃焼作動室１７に吸入される。そして、吸気通路２０の下流部分（吸気マニホールド２８）には、各気筒（＃１、＃２、＃３、＃４）毎に、吸気ポート２９に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３０が臨設され、また、コレクタ２７には吸気管内圧（吸気通路２０におけるスロットル弁２５より下流側の内圧）を検出する吸気圧センサ５９が配在されている。

また、本例のエンジン１０には、アイドル運転時にエンジン回転数を目標アイドル回転数に収束させるべく、スロットル弁２５をバイパスするＩＳＣ（アイドルスピードコントロール）通路４６が設けられるとともに、該通路４６の実効通路断面積を調整するためのＩＳＣバルブ４５が配備されている。

燃焼作動室１７に吸入された空気と燃料噴射弁３０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ３５による火花点火により燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排気ガス）は、燃焼作動室１７から排気バルブ２２を介して排気ポート、排気マニホールド、排気管等からなる排気通路４０を通って外部（大気中）に排出される。排気通路４０には、排気浄化用触媒（三元触媒）５０が配備され、該触媒５０より上流側には、触媒前空燃比に対して線形の出力特性を持つリニヤ空燃比センサ５１（以下、上流側空燃比センサ５１と称す）が配在され、触媒５０より下流側には、触媒後空燃比がストイキ（理論空燃比）よりリッチ側かリーン側かを識別するためのスイッチング信号を出力するＯ_２センサ５２（以下、下流側Ｏ_２センサ５２と称す）が配在されている。なお、前記触媒５０としては、従来型の通常の触媒に比してその中に含まれる貴金属量を減らした低貴金属触媒が用いられている。

また、各気筒（＃１、＃２、＃３、＃４）毎に配備された燃料噴射弁３０には、燃料タンク７１内の燃料（ガソリン等）が燃料ポンプ７２や燃圧レギュレータ７３等を備えた燃料供給機構７０により所定燃圧に調圧されて供給され、燃料噴射弁３０は、後述するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００から供給される、そのときの運転状態に応じたデューティ（＝パルス幅＝開弁時間に相当する）を持つ駆動パルス信号により開弁駆動され、その開弁時間に応じた量の燃料を吸気ポート２９に向けて噴射するようになっている。

一方、前記エンジン１０の種々の制御、つまり、前記燃料噴射弁３０による燃料噴射制御（空燃比制御）、前記点火プラグ３５による点火時期制御、ＩＳＣ制御等を行なうべく、マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００が備えられている。

ＥＣＵ１００は、基本的には、図２に示される如くに、そのハードウェア自体はよく知られているもので、ＭＰＵ１５１、ＥＰ‐ＲＯＭ１５２、ＲＡＭ１５３、Ａ／Ｄ＆Ｄ／Ａ変換器や駆動回路等を含むＩ／Ｏドライバ１５５等で構成される。なお、ＲＡＭ１５３（揮発性メモリ）には、イグニッションキースイッチ４９がＯＦＦで、ＥＣＵ１００に電源が供給されない場合でも、メモリ内容を保存することを目的としたバックアップ電源が接続されることもある。また、本例では、ＭＰＵ１５１、ＥＰ‐ＲＯＭ１５２、ＲＡＭ１５３、Ｉ／Ｏドライバ１５５が別個に設けられているが、近年ではそれらが一つに纏められているものもあり、それを使用しても良いことはいうまでもない。

コントロールユニット１００においては、後述する如くの各種のセンサ類からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を生成し、アクチュエータである燃料噴射弁３０、点火コイル３４、ＩＳＣバルブ４５、故障警報機器４８等に所定の制御信号を所定のタイミングで供給して燃料噴射制御（空燃比制御）、点火時期制御、ＩＳＣ制御等を実行する。

ＥＣＵ１００には、入力信号として、スロットル開度センサ５４により検出されるスロットル弁２５の開度に応じた信号、クランク軸１３に添設されたクランク角センサ（回転数センサ）５５から得られるクランク軸１３（に設けられた歯付きディスク）の回転・位相（クランク角）をあらわす信号（クランク角センサ５５からは、例えば、回転角１度毎にパルス信号が出力される）、吸気カム軸２３に添設されたカム角センサ５６から得られるカム軸２３（に設けられた歯付きディスク）の回転・位相をあらわす信号（このカム角センサ５６からは、例えば１８０℃Ａ毎にパルス信号が出力され、このパルス信号と前記クランク角センサ５５からのパルス信号とに基づいて気筒判定等が行われる）、排気通路４０における三元触媒５０より上流側に配在された上流側空燃比センサ５１からの排気空燃比に応じた信号、シリンダブロック１２に配設された水温センサ５８により検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、吸気通路２０に配設された吸気圧センサ５９により検出される吸気管内圧に応じた信号、エンジン１０の運転、停止のメインスイッチであるイグニッションキースイッチ４９からの信号等が供給される。さらに、変速機のシフトポジションや車速等の情報は、車両（統合）コントロールユニットからユニット間通信によりもたらされる。

ＥＣＵ１００は、前記各種の入力信号に基づいてエンジン１０の運転状態を認識し、この運転状態に基づいて、燃料噴射制御（空燃比制御）、点火時期制御、アイドル回転数制御等のエンジン１０の主要な操作量を演算する。

上記のような制御を行なうＥＣＵ１００は、図３に機能ブロックで示されているように、エンジン回転数計算手段１０１、基本噴射量計算手段１０２、基本噴射量補正係数計算手段１０３、基本点火時期計算手段１０４、Ｆ／Ｂ制御係数計算手段１０５、触媒劣化度合検出手段１０６、触媒後空燃比検出手段１０７、目標空燃比補正値計算手段１０８、加減速判定手段１０９、基本噴射量補正手段１１０、基本点火時期補正手段１１１、ＩＳＣ制御手段１１２を備える。

エンジン回転数計算手段１０１は、クランク角センサ５５からのパルス信号の単位時間当たりの変化（例えばパルスの立ち上がりもしくは立ち下がり）の回数（到来数）をカウントして所定の演算処理を行うことにより単位時間あたりのエンジン回転数を計算する。

基本噴射量計算手段１０２は、エンジン回転数計算手段１０１で計算されたエンジン回転数及び吸気圧センサ５９により検出される吸気管内圧をエンジン負荷として、エンジン運転状態（運転領域）に応じた基本噴射量を計算する。なお、エンジン負荷としては、吸気管内圧に代えてエアフローセンサにより検出される吸入空気量等を用いてもよい。

基本噴射量補正係数計算手段１０３は、基本噴射量計算手段１０２で計算された基本噴射量に対する各運転領域における補正係数をマップ検索等で設定する。

基本点火時期計算手段１０４は、前述のエンジン回転数及び吸気管内圧（エンジン負荷）に基づいてエンジンの各運転領域における最適な点火時期をマップ検索等で設定する。

Ｆ／Ｂ制御係数計算手段１０５は、エンジン回転数、吸気管内圧（エンジン負荷）、上流側空燃比センサ５１の出力等に基づき、目標空燃比、目標空燃比と実空燃比との差分、ＰＩＤフィードバック制御の制御ゲイン（Ｆ／Ｂ制御係数）等を計算する。なお、前記目標空燃比は、前述のエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて、エンジンの各運転領域における最適な目標空燃比をマップ検索等で読み出すことにより設定される。

触媒劣化度合検出手段１０６は、上流側空燃比センサ５１及び下流側Ｏ_２センサ５２の出力に基づいて触媒５０の劣化度合を検出する。

触媒後空燃比検出手段１０７は、下流側Ｏ_２センサ５２の出力に基づいて触媒５０を通過した排気ガスの空燃比（触媒後空燃比）を検出する。

目標空燃比補正値計算手段１０８は、前記触媒劣化度合と触媒後空燃比に基づき、Ｆ／Ｂ制御係数計算手段１０５で設定される目標空燃比を補正するための補正値を計算する。

加減速判定手段１０９は、スロットル開度センサ５４からの信号に基づき、単位時間当たりのスロットル開度の変化量（変化率）等を求め、該変化量等に基づいてエンジンが加速状態にあるか、減速状態にあるかを判定する。この判定結果は、点火時期補正手段１１１において加減速時の点火時期補正量の計算に供される。

基本噴射量補正手段１１０は、前述の基本噴射量に基本噴射量補正係数による補正、エンジン冷却水温による補正、及びＦ／Ｂ制御係数等による補正等を施す。

基本点火時期補正手段１１１は、前述の基本点火時期計算手段１０４で設定された点火時期にエンジンの冷却水温等による補正や加減速時補正等を施す。

ＩＳＣ制御手段１１２は、アイドル運転時におけるエンジン回転数を目標アイドル回転数に収束させて維持すべく、ＩＳＣ通路４６を流れる吸気量が目標流量となるようにＩＳＣバルブ４５に駆動制御信号を供給する。該駆動制御信号は、基本点火時期補正手段１１１にも供給されてアイドル運転時の点火時期の補正にも使用される。

次に、本実施例における空燃比制御の一例について図６のブロック図を参照しながら説明する。

図６において、ブロック６０１では、上流側空燃比センサ５１の出力（電圧）を空燃比に変換する。ブロック６０２では、エンジン回転数と吸気管内圧（もしくは吸入空気量等のエンジン負荷）とからマップ検索等により目標となる触媒前空燃比の三元点（目標空燃比）を求める。ブロック６０３では、下流側Ｏ_２センサ５２の出力から触媒後空燃比を検出し、触媒後空燃比がストイキ領域（ウインド）に収まるように加減算器６０９で前記目標空燃比の微調整を行う（燃料噴射量についてのＰＩＤフィードバック制御を行なう）。

ブロック６０４〜６０８が本発明の特徴部分を示すところで、ブロック６０４では、下流側Ｏ_２センサ５２の出力に基づき、触媒後空燃比が第３の閾値である触媒劣化度合検出用閾値（後述）によってリーンと判定される時間ＴＲＬに対するリッチと判定される時間ＴＲＲの比率ε（＝ＴＲＬ／ＴＲＲ）を算出する。ブロック６０５では、前記比率εに基づいて劣化度合カウンタをカウントアップ（Ｃｏｕｎｔ＝ｎ＋１）する（詳細は図１０、図１１を用いて後述する）。

また、前記劣化度合カウンタのカウント値は、ブロック６０６において前記時間比率εに応じて（リーン側の感度が高くなっている場合とリッチ側の感度が高くなっている場合とで別々に）、第１格納部Ｍ１及び第２格納部Ｍ２に、それぞれエンジン回転数と吸気管内圧とで区分された運転領域毎に、学習値として格納（記憶）されるとともに、エンジンが運転されて該当運転領域に入る度に、該運転領域に記憶されている学習値が更新される。

ブロック６０７では前記劣化度合カウンタのカウント値に応じて前記目標空燃比の補正値を演算し、加減算器６０８で前記目標空燃比を更に補正する。加減算器６１０では触媒前空燃比が前記加減算器６０８で演算された目標空燃比に収束するように上流側空燃比センサ５１の出力に基づき燃料噴射量についてのＰＩＤフィードバック制御係数（制御ゲイン）を求める。なお、ブロック６１１は、ブロック６０７で演算される触媒５０の劣化度合に応じた補正値が過大とならないようにするための補正リミッタである。

図６のブロック６０７で求められる目標空燃比の補正値は、図７に示される如くに、テーブル検索により、劣化度合カウンタのカウント値が大きくなるに従い段階的に大きい値に設定される。

一方、下流側Ｏ_２センサ５２の出力に対しては、図８、図９に示される如くに、第１の閾値Ｓ１、第２の閾値Ｓ２、第３の閾値Ｓ３が設定される。第１の閾値Ｓ１は、触媒後空燃比がストイキ領域よりリッチであると判断するための閾値であり、第２の閾値Ｓ２は、触媒後空燃比がストイキ領域よりリーンであると判断するための閾値である（第１の閾値と第２の閾値との間の領域がストイキ領域）。また、第３の閾値Ｓ３は、図６のブロック６０４で使用される触媒劣化度合検出用閾値であり、本例では、図８に示される如くに、第１の閾値Ｓ１の近傍（Ｓ１より若干リーン側）の閾値Ｓ３Ａ（リーン側の感度が高くなっている場合に使用）と、図９に示される如くに、第２の閾値Ｓ２の近傍（Ｓ２より若干リッチ側）の閾値Ｓ３Ｂ（リッチ側の感度が高くなっている場合に使用）の二種類用意されている。

次に、下流側Ｏ_２センサ５２の出力と前記第３の閾値Ｓ３（触媒劣化度合検出用閾値）を用いて、触媒５０の劣化度合を検出する手法を、図１０、図１１を参照しながら説明する。

図１０に示される如くに、リーン側の感度が高くなっている場合は、第３の閾値Ｓ３として第１の閾値Ｓ１の近傍の閾値Ｓ３Ａが用いられる。この場合、下流側Ｏ_２センサ５２の出力が閾値Ｓ３Ａをリーン側からリッチ側に横切ってから再び閾値Ｓ３Ａをリーン側からリッチ側に横切るまでを１サイクルとして、各サイクルにおいて、下流側Ｏ_２センサ５２の出力が閾値Ｓ３Ａ以上となるリッチ側時間ＴＲＲと下流側Ｏ_２センサ５２の出力が閾値Ｓ３Ａ以下となるリーン側時間ＴＲＬとを計測し、比率ε＝ＴＲＬｎ／ＴＲＲｎ（ｎはサイクル番号）を算出する。そして、比率εが第１設定比率（例えば、１／３）以下であるとき、触媒劣化度合カウンタのカウント値を１だけアップさせる。

図１１に示される如くに、リッチ側の感度が高くなっている場合は、第３の閾値Ｓ３として第２の閾値Ｓ２の近傍の閾値Ｓ３Ｂが用いられる。この場合、下流側Ｏ_２センサ５２の出力が閾値Ｓ３Ｂをリッチ側からリーン側に横切ってから再び閾値Ｓ３Ｂをリッチ側からリーン側に横切るまでを１サイクルとして、各サイクルにおいて、下流側Ｏ_２センサ５２の出力が閾値Ｓ３Ｂ以上となるリッチ側時間ＴＲＲと下流側Ｏ_２センサ５２の出力が閾値Ｓ３Ｂ以下となるリーン側時間ＴＲＬとを測定し、比率ε＝ＴＲＬｎ／ＴＲＲｎ（ｎはサイクル番号）を算出する。そして、比率εが第２設定比率（例えば、３／１）以上であるとき、触媒劣化度合カウンタのカウント値を１だけアップさせる。

図１２は、比率εが第１設定比率以下のとき（図１０）、図１３は、比率εが第２設定比率以上のとき（図１１）の、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）触媒劣化度合カウンタ（カウント値）、（Ｃ）目標空燃比（実線が本実施例の制御、破線が従来の制御）、（Ｄ）下流側Ｏ_２センサ出力（電圧）の変化を示すタイムチャートである。

図１２を代表して、本実施例の空燃比制御における目標空燃比の補正について説明する。なお、図１３は図１２の逆の補正となるため、説明は割愛する。

エンジン運転領域が低空気量から高空気量の領域（高排気温領域）移行し始めると、下流側Ｏ_２センサ５２の出力が第３の閾値Ｓ３を横切るようになり、前記比率ε（＝ＴＲＬ／ＴＲＲ）が第１設定比率以下となり、触媒劣化度合カウンタがカウントアップされていく。この際、目標空燃比は、触媒劣化度合カウンタ（カウント値）に応じて設定される補正値に従い、段階的にリーン側に下げられる。これにより、触媒後空燃比がストイキ領域に収められる。

なお、目標空燃比の補正値は、図７に示される如くのテーブルで持つのではなく、図１２（Ｂ）のＡ点、Ｂ点のように、予め設定されたカウント値に達したときに所定値分補正するようにしてもよい。

このように、目標空燃比を触媒５０の劣化度合に応じて運転領域毎に補正することにより、触媒後空燃比がストイキ領域からリーン側あるいはリッチ側へ大きく外れることが抑制されて、ストイキ近傍で維持されるので、低貴金属触媒が使用されかつ該触媒が多少劣化しても、高空気量、高排気温領域を含む全ての運転領域において、排気エミッション特性がさほど悪化しないようにできる。

また、劣化度合カウンタのカウント値は、前述したようにエンジン回転数と吸気管内圧（エンジン負荷）とに応じて区分された運転領域毎に、学習値として記憶・更新されるので、次回の運転時には、運転領域毎に記憶・更新された学習値を用いた目標空燃比の補正が行なわれる。このように触媒劣化度合を運転領域毎に学習することにより、触媒後空燃比のストイキ領域への収束が早くなり、その結果、排気エミッション特性の悪化をより一層抑えることができる。

前述した図６に示される空燃比制御例を示すブロック図では、触媒５０の劣化度合に応じて目標空燃比を補正するようにしているが、目標空燃比に代えてＰＩＤフィードバック制御の制御ゲイン（Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分）を補正するようにしてもよい。

以下、触媒５０の劣化度合に応じて制御ゲイン（Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分）を補正する場合について説明する。

図１４は、図６に対応する空燃比制御ブロック図であり、図６に示される各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

ここでは、ブロック６０６で記憶更新された劣化度合カウンタのカウント値（学習値）は、ブロック６２０での制御ゲイン（Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分）の計算（補正）に供される。

図１５は、図１４のブロック６２０において、触媒劣化度合カウンタのカウント値に応じて、言い換えれば触媒５０の劣化度合に応じて制御ゲインを計算する場合の、Ｐ分計算手段の詳細構成例を示すブロック図である。

ブロック１５０１では、上流側空燃比センサ５１の出力から求められる触媒前空燃比とブロック６０２、６０３及び加減算器６０９で求められた目標空燃比との差分に応じてテーブル検索によりベースＰ分を設定する。このベースＰ分のテーブルは、触媒５０の劣化度合に応じて複数種（ここでは、例えば３種）用意されており、この３種のベースＰ分のテーブル（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）を、触媒の劣化度合に応じて切り換えて使用するようにされている。すなわち、ペースＰ分が触媒５０の劣化度合に応じて変更（補正）される。なお、本例では、ベースＰ分は、目標空燃比との差分に対して補間値無の値を検索するようにしている。

ブロック１５０２では、エンジン回転数と吸気管内圧によりＰ分ゲインＫＰをマップ検索する。乗算器１５０３では前記Ｐ分ゲインＫＰに前記ベースＰ分を乗じてＰ分を出力する。

図１６は、図１４のブロック６２０において、触媒５０の劣化度合に応じて制御ゲインを計算する場合の、Ｄ分計算手段の詳細構成例を示すブロック図である。

ここでは、遅延器１６０１と加算器１６０２により、上流側空燃比センサ５１の出力から求められる触媒前空燃比と目標空燃比の差分の単位時間当たりの変化量（差分変化率）を計算する。ブロック１６０３では、前記差分変化率に応じてテーブル検索によりベースＤ分を補間無で設定する。このベースＤ分のテーブルは、触媒５０の劣化度合に応じて複数種（ここでは、例えば３種）用意されており、この３種のベースＤ分のテーブル（Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３）を、触媒の劣化度合に応じて切り換えて使用するようにされている。すなわち、ペースＤ分が触媒５０の劣化度合に応じて変更（補正）される。ブロック１６０４では、エンジン回転数と吸気管内圧によりＤ分ゲインＫＤをマップ検索する。乗算器１６０５では、前記Ｄ分ゲインＫＤに前記ベースＤ分を乗じてＤ分を出力する。

図１７は、図１４のブロック６２０において、触媒５０の劣化度合に応じて制御ゲインを計算する場合の、Ｉ分計算手段の詳細構成例を示すブロック図である。

ブロック１７０１では、上流側空燃比センサ５１の出力から求められる触媒前空燃比とブロック６０２、６０３及び加減算器６０９で求められた目標空燃比との差分に応じてテーブル検索によりベースＩ分を補間無で設定する。このベースＩ分のテーブルは、触媒５０の劣化度合に応じて複数種（ここでは、例えば３種）用意されており、この３種のベースＩ分のテーブル（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）を、触媒の劣化度合に応じて切り換えて使用するようにされている。すなわち、ペースＩ分が触媒５０の劣化度合に応じて変更（補正）される。遅延器１７０２と加算器１７０３で前記ベースＩ分を積算する。ブロック１７０４では、エンジン回転数と吸気管内圧によりＩ分ゲインＫＩをマップ検索する。乗算器１７０５では、前記Ｉ分ゲインＫＩに前記ベースＩ分を乗じてＩ分を出力する。

図１８は、比率εが第１設定比率以下のとき（図１０）、図１９は、比率εが第２設定比率以上のとき（図１１）の、（Ａ）吸入空気量、（Ｂ）触媒劣化度合カウンタ（カウント値）、（Ｃ）Ｐ分（実線が本実施例の制御、破線が従来の制御）、（Ｄ）下流側Ｏ_２センサ出力（電圧）の変化を示すタイムチャートである。

図１８を代表して、本例の空燃比制御における制御ゲイン（Ｐ分）の補正について説明する。なお、図１９は図１８の逆の補正となるため、説明は割愛する。

エンジン運転領域が低空気量から高空気量の領域（高排気温領域）移行し始めると、下流側Ｏ_２センサ５２の出力が第３の閾値Ｓ３（触媒劣化度合検出用閾値）を横切るようになり、前記比率ε（＝ＴＲＬ／ＴＲＲ）が第１設定比率以下となり、触媒劣化度合カウンタがカウントアップされていく。この際、Ｐ分（ベースＰ分）は、触媒の劣化度合に応じて前記テーブルＸ１、Ｘ２、Ｘ３のうちから選択される。ここでは、例えば、リッチ側ゲインは現状と同じで、リーン側ゲインのみを通常より小さめに設定し、劣化度合カウンタのカウント値が更にＵＰした場合はリーン側ゲインのみを更に小さめに設定する。

このように、制御ゲインを触媒５０の劣化度合に応じて運転領域毎に補正することにより、触媒後空燃比がストイキ領域からリーン側あるいはリッチ側へ大きく外れることが抑制されて、ストイキ近傍で維持されるので、低貴金属触媒が使用されかつ該触媒が多少劣化しても、高空気量、高排気温領域を含む全ての運転領域において、排気エミッション特性がさほど悪化しないようにできる。

１エンジン制御装置
１０エンジン
２０吸気通路
２５スロットル弁
３０燃料噴射弁
３４点火コイル
３５点火プラグ
４０排気通路
５０三元触媒
５１上流側空燃比センサ
５２下流側Ｏ_２センサ
５５クランク角センサ
５９吸気圧センサ
１００ＥＣＵ
１０１エンジン回転数計算手段
１０２基本噴射量計算手段
１０３基本噴射量補正係数算出手段
１０５Ｆ／Ｂ制御係数計算手段
１０６触媒劣化度合検出手段
１０８目標空燃比補正値計算手段
１１０基本噴射量補正手段

Claims

排気通路に排気浄化用触媒が設けられ、該触媒より上流側に、触媒前空燃比を検出するための線形の出力特性を持つ上流側空燃比センサが配備されるとともに、前記触媒より下流側に、触媒後空燃比がストイキよりリッチ側かリーン側かを識別するためのスイッチング信号を出力する下流側Ｏ_２センサが配備されたエンジンの制御装置であって、
前記触媒前空燃比についての目標空燃比を設定する手段と、前記上流側空燃比センサ及び下流側Ｏ_２センサの出力に基づいて、前記触媒前空燃比を前記目標空燃比に収束させるべく、燃料噴射量についてのフィードバック制御を行なう空燃比制御手段と、前記下流側Ｏ_２センサの出力とストイキ領域内もしくはその近傍に設定される劣化度合検出用閾値とを用いて前記触媒の劣化度合を検出するとともに、該検出された劣化度合を運転領域毎に学習値として記憶・更新する劣化度合学習手段と、該学習手段に記憶されている学習値を前記空燃比制御手段が行なう前記フィードバック制御に反映させる学習値反映手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
前記劣化度合学習手段は、前記下流側Ｏ_２センサの出力が前記劣化度合検出用閾値をリーン側からリッチ側に横切ってから再び前記劣化度合検出用閾値をリーン側からリッチ側に横切るまでを１サイクルとして、各サイクルにおいて、前記下流側Ｏ_２センサの出力が前記劣化度合検出用閾値以上であるリッチ側時間と前記劣化度合検出用閾値以下であるリーン側時間とを計測するとともに、リーン側時間に対するリッチ側時間の比率を求め、該比率が第１設定比率以下であるとき、触媒劣化度合カウント値をカウントアップするとともに、該カウント値を運転領域毎に前記触媒劣化度合の学習値として第１格納部に記憶・更新することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記劣化度合学習手段は、前記下流側Ｏ_２センサの出力が前記劣化度合検出用閾値をリッチ側からリーン側に横切ってから再び前記劣化度合検出用閾値をリッチ側からリーン側に横切るまでを１サイクルとして、各サイクルにおいて、前記下流側Ｏ_２センサの出力が前記劣化度合検出用閾値以上であるリッチ側時間と前記劣化度合検出用閾値以下であるリーン側時間とを計測するとともに、リーン側時間に対するリッチ側時間の比率を求め、該比率が第２設定比率以上であるとき、触媒劣化度合カウント値をカウントアップするとともに、該カウント値を運転領域毎に前記触媒劣化度合の学習値として第２格納部に記憶・更新することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
前記劣化度合検出用閾値は、触媒後空燃比がストイキ領域よりリッチ側であるか及びリーン側であるかを判断するための閾値とは異なるレベルに設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
前記学習値反映手段は、前記学習値を用いて前記目標空燃比を補正するようにされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
前記学習値反映手段は、前記学習値を用いて前記空燃比制御手段が行なう前記フィードバック制御の制御ゲインを補正するようにされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
前記運転領域は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて区分されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。