JP5609992B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆した排気ガスセンサを有する内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば、日本特開平１１−２４７６８７号公報に開示されるように、センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆したＯ_２センサを備える空燃比制御装置が提案されている。この空燃比制御装置では、Ｏ_２センサのセンサ素子の表面に排気ガス側電極が形成されるとともに、この排気ガス側電極が、水素を触媒反応により除去する触媒層により被覆されている。

触媒層がないＯ_２センサでは、酸素（Ｏ_２）および水素（Ｈ_２）が排気ガス側電極において酸化反応を生じる。この時、Ｏ_２よりガス拡散速度の速いＨ_２は、Ｏ_２よりも多く拡散する。このため、排気ガス成分はストイキであっても、電極近傍ではＨ_２リッチとなってしまう。かかる場合においては、Ｏ_２センサの出力は、排気ガスの成分がストイキよりもリーンにならないと急変しないため、空気浄化率とセンサ出力との関係がリーン側にシフトしてしまう。

この点、上述した触媒層を備えるＯ_２センサでは、触媒層でＯ_２とＨ_２とが反応して平衡ガスとして排気ガス側電極に到達するため、センサ出力がリーン側にシフトする事態を抑制することができる。

日本特開平１１−２４７６８７号公報 日本特開２００９−１８０６６９号公報

ところで、触媒層を設けた限界電流式の排気ガスセンサは、検出精度が非常に高く、また、エンジン制御時のロバスト性が高いため、精密な空燃比制御を行うことができる。しかしながら、その一方で、センサ出力が理論空燃比（ストイキ）を跨いでリーンからリッチへ或いはリッチからリーンへ移行する場合に、センサ出力が理論空燃比近傍で停滞してしまう現象が起きる場合がある。これは、触媒層に含まれるセリア等のＯＳＣ材がリーン雰囲気下で酸素を吸蔵しリッチ雰囲気下で放出する現象や、触媒層に含まれる貴金属がリーン雰囲気下で酸化しリッチ雰囲気下で還元される現象に起因するものである。したがって、このようなセンサ出力に基づいて空燃比制御を実行することとすると、エミッションやＯＢＤへの悪影響を及ぼすおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆した排気ガスセンサにおける理論空燃比近傍の出力ズレを有効に補正することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、一方の側面に大気側電極が形成されるとともに、他方の側面に排気ガス側電極が形成された固体電解質よりなるセンサ素子と、前記排気ガス側電極を被覆する触媒層と、を有する排気ガスセンサと、
前記排気ガスセンサのセンサ出力に基づいて、前記触媒層による酸素の吸蔵または放出の能力を表す酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
前記酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つ前記センサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲である場合に、前記センサ出力を補正する補正動作を実行する補正手段と、
を備え、
前記酸素吸蔵能取得手段は、理論空燃比に対する前記センサ出力のズレ量とその滞在時間との乗算値を積算した値を、前記酸素吸蔵能として取得することを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記センサ出力の変化速度を取得するセンサ出力変化速度取得手段を更に備え、
前記補正手段は、前記酸素吸蔵能が所定値よりも高く、前記センサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲であり、且つ、前記センサ出力変化速度が所定値よりも小さい場合に、前記補正動作を実行することを特徴としている。

第３の発明は、第１または２の発明において、
前記酸素吸蔵能に応じて、前記補正動作による補正期間を設定する設定手段を更に備えることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータと、
前記補正動作を実行する場合には、前記センサ素子が前記所定の活性温度よりも高い温度となるように、前記ヒータを制御する加熱制御手段と、
を更に備えることを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記酸素吸蔵能に応じて、前記補正動作による補正期間を設定する設定手段と、
前記補正動作を開始してから前記センサ出力が実空燃比変化に追従するまでの出力停滞期間を取得する出力停滞期間取得手段と、
前記補正期間が前記出力停滞期間よりも長い場合に、前記排気ガスセンサにおける前記触媒層の劣化を判定する劣化判定手段と、
を更に備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、センサ出力に基づいて算出された触媒層の酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つセンサ出力がストイキ近傍の所定範囲である場合に、センサ出力が補正される。このため、本発明によれば、センサ出力が停滞し始める時期を有効に特定して補正動作を実行することができるので、出力ズレが発生しているセンサ出力が使用される事態を有効に抑止することができる。

また、第１の発明によれば、酸素吸蔵能は、理論空燃比に対するセンサ出力のズレ量とその滞在時間との乗算値の総和として算出される。このため、本発明によれば、触媒層による酸素の吸蔵または放出の能力が有効に反映された値を酸素吸蔵能として算出することができる。

第２の発明によれば、センサ出力に基づいて算出された触媒層の酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つセンサ出力がストイキ近傍の所定範囲である場合に加えて、更にセンサ出力の変化速度が所定値よりも小さくなった場合にセンサ出力が補正される。このため、本発明によれば、センサ出力が停滞し始める時期を更に高精度に特定することができる。

第３の発明によれば、触媒層の酸素吸蔵能に応じて、補正動作による補正期間が設定される。酸素吸蔵能が大きいほどセンサ出力の停滞期間が長くなる傾向にある。このため、本発明によれば、酸素吸蔵能に基づいて、センサ出力の補正動作の終了時期を有効に判断することができる。

第４の発明によれば、排気ガスセンサのセンサ出力の補正を実行する場合に、該排気ガスセンサ素子が所定の活性温度よりも高い温度に加熱される。このため、本発明によれば、排気ガスセンサのセンサ出力補正時にセンサ活性を向上させることができるので、出力停滞を早期に回復させることができる。

第５の発明によれば、触媒層の酸素吸蔵能から設定された補正動作による補正期間が、センサ出力がストイキ近傍で停滞した実際の期間よりも長い場合には、実際の酸素吸蔵能が算出された値よりも低いことを意味している。このため、本発明によれば、補正動作による補正期間と出力停滞期間との関係に基づいて、該排気ガスセンサの劣化を有効に判定することができる。

本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサの構成を説明するための図である。 触媒層を備える空燃比センサと触媒層を備えていない空燃比センサとのセンサ出力を比較した図である。 センサ出力の補正方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 ΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に対する酸素吸蔵能の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、吸入空気量Ｇａを検出するエアフロメータ１６が配置されている。また、内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射するためのインジェクタ１８が配置されている。

内燃機関１０の排気通路１４には、排気浄化触媒（以下、単に「触媒」とも称する）２０が配置されている。触媒２０は三元触媒であって、排気ガス中の有害成分であるＣＯ、ＨＣ（炭化水素）、およびＮＯ_Ｘを、理論空燃比近傍で同時に除去するものである。

排気通路１４には、触媒２０の上流に、触媒付きの空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）２２が配置されている。空燃比センサ２２は、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出するセンサであって、触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度に基づいて内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比を検出するものである。空燃比センサ２２の構成については、詳細を後述する。

本実施の形態の装置は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した空燃比センサ２２等の各種センサ、およびインジェクタ１８などが接続されている。ＥＣＵ３０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［空燃比センサの構成］
図２は、本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサ２２の構成を説明するための図である。図２に示す空燃比センサ２２は、上述したとおり、内燃機関１０の排気通路１４に配置され、内燃機関１０から排気される排気ガスの空燃比を、触媒２０の上流側において検出するために用いられるセンサである。空燃比センサ２２は、カバー３２を備えており、このカバー３２が排気ガスに晒されるように排気通路１４に組み付けられる。

カバー３２には、その内部に排気ガスを導くための孔（図示せず）が設けられている。カバー３２の内部には、センサ素子３４が配置されている。センサ素子３４は、一端（図２における下端）が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層３６で覆われている。拡散抵抗層３６は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質であり、センサ素子３４の表面付近における排気ガスの拡散速度を律する働きを有している。

拡散抵抗層３６の外側表面は、触媒層３８で覆われている。触媒層３８は、アルミナ等の基材に白金ロジウム等の触媒金属を担持したものである。更に、触媒層３８は、該触媒層３８を保護するための保護層４０で覆われている。保護層４０は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質で構成されている。

拡散抵抗層３６の内側には排気ガス側電極４２、固体電解質層４４および大気側電極４６が設けられている。排気ガス側電極４２および大気側電極４６は、Ｐｔのように触媒作用の高い貴金属で構成された電極であり、それぞれ後述する制御回路と電気的に接続されている。固体電解質層４４は、ＺｒＯ_２などを含む焼結体であり、酸素イオンを伝導させる特性を有している。

センサ素子３４の内側には、大気に開放された大気室４８が形成されている。大気室４８には、センサ素子３４を加熱するためのヒータ５０が配置されている。センサ素子３４は、４００℃程度の活性温度において安定した出力特性を示す。ヒータ５０は、制御回路と電気的に接続されており、センサ素子３４を適当な温度に加熱維持することができる。

［実施の形態１の動作］
本実施の形態１の内燃機関１０では、空燃比のフィードバック制御が行われる。より具体的には、空燃比センサ２２の出力信号に基づいて、実際の空燃比が目標空燃比に一致するようにインジェクタ１８から噴射される燃料噴射量を制御するメインフィードバック制御が行われる。メインフィードバック制御が正常に行われていれば、実空燃比を常に目標空燃比近傍に制御することができ、エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。

ここで、触媒層がない空燃比センサでは、酸素（Ｏ_２）および水素（Ｈ_２）が拡散抵抗層内を拡散して、排気ガス側電極において酸化反応を生じる。この時、酸素よりガス拡散速度の速い水素は、酸素よりも多く拡散する。このため、排気ガス成分はストイキであっても、該排気ガス側電極近傍では水素リッチとなってしまう。かかる場合においては、空燃比センサの出力がリッチ出力側にずれてしまうため、結果的に空燃比がリッチ側へずれてしまう。

この点、上述した触媒層３８を備える空燃比センサ２２では、触媒層３８で酸素と水素とが反応して平衡ガスとして排気ガス側電極４２に到達する。このため、センサ出力が誤ってリッチ出力側にずれる事態を効果的に抑制することができる。

しかしながら、触媒層３８を備える空燃比センサ２２では、理論空燃比（ストイキ）近傍のセンサ出力において潜在的な課題を有している。図３は、触媒層を備える空燃比センサと触媒層を備えていない空燃比センサとのセンサ出力を比較した図である。この図に示すとおり、触媒層を備える空燃比センサでは、センサ出力が理論空燃比（ストイキ）を跨いでリーンからリッチへ移行する場合に、センサ出力が理論空燃比近傍で一時的に停滞している。これは、触媒層３８に含まれるセリア等のＯＳＣ材がリーン雰囲気下で酸素を吸蔵しリッチ雰囲気下で放出することや、リーン雰囲気下で酸化した貴金属がリッチ雰囲気下で還元されるためであり、このセンサ出力に基づいて空燃比制御を実行することとすると、エミッションやＯＢＤへの悪影響を及ぼすおそれがある。

そこで、本実施の形態のシステムでは、ストイキ近傍においてセンサ出力が停滞する場合に当該センサ出力を補正することとする。図４は、センサ出力の補正方法を説明するための図である。尚、以下の説明では、図４に示すように、センサ出力がリーンからリッチへストイキを跨いで移行する場合を例に説明するが、センサ出力がリッチからリーンへストイキを跨いで移行する場合には、以下の説明におけるリッチとリーンを入れ替えた制御を実行すればよい。

ストイキ近傍におけるセンサ出力の停滞を補正するためには、先ず、センサ出力が停滞し始める時期を特定する必要がある。上述したとおり、ストイキ近傍のセンサ出力の停滞は、触媒層３８が酸素を吸蔵している場合、換言すると触媒層３８の貴金属が酸化している場合に発生する。この貴金属の酸化度合は触媒層３８が晒された雰囲気のリーン度合およびその滞在時間が影響する。そこで、本実施の形態のシステムでは、触媒層３８の酸素吸蔵度合（リッチ雰囲気の場合には酸素放出度合）を表す量として、理論空燃比からのセンサ出力のズレ量ΔＡ／Ｆとその滞在時間との乗算値を積算した値を酸素吸蔵能として規定し、当該酸素吸蔵能をセンサ出力の停滞が発生するか否かの指標として使用することとする。具体的には、例えば、触媒層３８の酸素吸蔵能が所定値以上の状態でセンサ出力がリーンからストイキ近傍へ変化したときを、センサ出力が停滞し始める時期として特定することができる。

また、センサ出力の停滞開始時期を特定する際には、上記酸素吸蔵能による判定に加えて、センサ出力Ｏｔｎの出力変化速度が所定値よりも小さくなったか否かを更に判定することとしてもよい。また、上記判定において、出力変化速度の相関値であるセンサ出力Ｏｔｎの所定期間の出力変化量ΔＯｔ_ｎ（＝Ｏｔｎ−Ｏｔｎ−１）や出力変化量ΔＯｔｎの変化割合（＝ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）を判定に用いることとしてもよい。これにより、センサ出力の停滞開始時期を更に精度よく特定することができる。

センサ出力の停滞開始時期を特定した後は、センサ出力Ｏｔｎの補正が実行される。この補正方法としては、例えば、センサ出力の停滞開始時期までのセンサ出力に基づいて、実空燃比変化を同定し、これを同定出力Ｐｔｎとして使用することができる。

上記補正動作の実行中において、センサ出力が反転した場合（すなわち、リッチ方向へ変化し始めた場合）や、出力変化量ΔＯｔｎが所定値よりも大きくなった場合には、センサ出力の停滞が終了したと判断することができる。そこで、補正動作の実行中にこのようなセンサ出力を検出した場合には補正動作を終了し、同定出力Ｐｔｎからセンサ出力Ｏｔｎへ切り替えることが好ましい。これにより、不要な補正が継続されることを有効に回避することができる。このように、本実施の形態１のシステムによれば、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞を有効に補正することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図５を参照して、本実施の形態１の具体的処理について説明する。図５は、本実施の形態１において、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、空燃比センサ２２のセンサ出力Ｏｔｎ（空燃比）が取得される（ステップ１００）。次に、触媒層３８の酸素吸蔵能が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、リーン或いはリッチ空燃比の期間中において、センサ出力Ｏｔｎの理論空燃比からのズレ量ΔＡ／Ｆとその滞在時間との乗算値が積算され、この積算値が酸素吸蔵能として算出される。

次に、酸素吸蔵能が所定値以上か否かが判定される（ステップ１０４）。所定値は、ストイキ近傍においてセンサ出力の停滞が起きる程度に触媒層３８に酸素が吸蔵されたことを示す値として、予め設定された値が使用される。その結果、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められない場合には、仮にセンサ出力がストイキ近傍となったとしてもセンサ出力の停滞は発生しないと判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０４において、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められた場合には、センサ出力の停滞が発生する程度に触媒層３８に酸素が吸蔵されていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力の所定期間の出力変化量ΔＯｔｎ（＝Ｏｔｎ−Ｏｔｎ−１）が算出される（ステップ１０８）。

次に、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合を示す（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）が所定値Ｋよりも小さいか否かが判定される（ステップ１１０）。出力変化量ΔＯｔｎの変化割合が小さい場合には、センサ出力Ｏｔｎの変化が緩慢になったことを示している。ここでは、具体的には、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）と所定値Ｋとの大小関係が比較される。その結果、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）＜Ｋの成立が認められない場合には、センサ出力の変化が未だ緩慢になっていないと判断されて、上記ステップ１０６に移行し、引き続きセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。

一方、上記ステップ１１０において、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）＜Ｋの成立が認められた場合には、センサ出力の変化が緩慢になっていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎがストイキ近傍の空燃比か否かが判定される（ステップ１１２）。その結果、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められない場合には、センサ出力の停滞が発生する空燃比領域ではないと判断されて、上記ステップ１０６に移行し、引き続きセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。

一方、上記ステップ１１２において、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められた場合には、ストイキ近傍におけるセンサ出力の停滞が発生すると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに補正される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、当該出力補正を実行する直前までのセンサ出力からストイキ近傍での実空燃比変化を同定し、これに対応する出力が同定出力Ｐｔｎとして算出される。

次に、センサ出力がリッチ側への変化からリーン側への変化へ転じたか否かが判定される（ステップ１１６）。ここでは、具体的には、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１＜０の成立が判定される。その結果、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１＜０の成立が認められた場合には、センサ出力がリーンに向かって変化し始めたことを意味しているので、センサ出力の補正を終了すべきと判断される。この場合、上記ステップ１０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えて再びセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。

一方、上記ステップ１１６において、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１＜０の成立が認められない場合には、次のステップに移行し、出力変化量ΔＯｔｎが所定値Ｋ２よりも大きいか否かが判定される（ステップ１１８）。所定値Ｋ２は、センサ出力の停滞が解消されたことを示す値として、予め設定された値が使用される。その結果、ΔＯｔｎ＞Ｋ２の成立が認められた場合には、センサ出力の変化が開始されたと判断されて、上記ステップ１０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えて再びセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。一方、上記ステップ１１８において、ΔＯｔｎ＞Ｋ２の成立が認められない場合には、未だセンサ出力が停滞していると判断されて、次のステップに移行し、同定出力Ｐｔｎが補正された空燃比として空燃比制御に使用される（ステップ１２０）。

以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、センサ出力Ｏｔｎがストイキ近傍で停滞した場合に、同定出力Ｐｔｎを用いてセンサ出力を有効に補正することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、酸素吸蔵能が所定値以上であり、センサ出力がストイキ近傍であり、且つ、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）が所定値Ｋよりも小さい場合に、センサ出力を補正することとしているが、酸素吸蔵能の条件があるのであれば、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合の条件はなくてもよい。また、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）に替えて、出力変化速度をセンサ出力Ｏｔｎの変化が緩慢になったことを示す指標として用いることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素吸蔵能取得手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「センサ出力変化速度取得手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第２の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ３０に後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施の形態２では、センサ出力の補正を実行する補正期間を酸素吸蔵能に応じて設定する点に特徴がある。すなわち、実施の形態１において上述したとおり、酸素吸蔵能は、排気雰囲気（空燃比）とその滞在時間によって変化する。図６は、ΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に対する酸素吸蔵能の関係を示す図である。この図に示すとおり、触媒層３８が酸素で飽和するまでは、酸素吸蔵能がΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に略比例して増加している。ここで、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞は、リーン雰囲気下で触媒層３８に吸蔵された酸素が排気ガスと反応することにより生じる出力特性である。このため、図６に示すとおり、センサ出力の出力停滞時間は、触媒層３８の酸素吸蔵能と同様に、触媒層３８が酸素で飽和するまではΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に略比例して増加している。

そこで、本実施の形態２のシステムでは、この図６に示す傾向を利用して、ΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値が大きいほど、換言すると酸素吸蔵能が高いほど長期間となるように補正期間を設定することとする。これにより、補正の終了時期を適切に設定することができるので、不要な補正が継続される事態を有効に回避することができる。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図７を参照して、本実施の形態２の具体的処理について説明する。図７は、本実施の形態２において、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンにおけるステップ２００〜２１４では、上記ステップ１００〜１１４と同様の処理が実行される。ステップ２１４においてセンサ出力が同定出力Ｐｔｎに補正されると、次に、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従したか否かが判定される（ステップ２１６）。ここでは、具体的には、同定出力Ｐｔｎからセンサ出力Ｏｔｎを差し引いた値が０（ゼロ）より小さいか否かが判定される。その結果、Ｐｔｎ−Ｏｔｎ＜０の成立が認められた場合には、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従したと判断されて、上記ステップ２０６に移行し、センサ出力Ｏｔｎが真の空燃比として使用される。

一方、上記ステップ２１６において、Ｐｔｎ−Ｏｔｎ＜０の成立が認められない場合には、未だセンサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従していないと判断されて、次のステップに移行し、センサ出力がリッチ側への変化からリーン側への変化へ転じたか否かが判定される（ステップ２１８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１１６と同様の処理が実行される。その結果、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１＜０の成立が認められた場合には、ストイキ近傍でセンサ出力がリーンに向かって変化し始めたことを意味しているので、センサ出力の補正を終了すべきと判断されて、上記ステップ２０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えてセンサ出力Ｏｔｎが真の空燃比として使用される。

一方、上記ステップ２１８において、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１＜０の成立が認められない場合には、次のステップに移行し、補正期間が出力停滞時間Ｔを超えたか否かが判定される（ステップ２２０）。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ２０２において算出された酸素吸蔵能に基づいて、出力停滞時間Ｔが設定される。より具体的には、図６に示す関係に従い、酸素吸蔵能が高いほど出力停滞時間Ｔが大きな値に設定される。次いで、上記ステップ２１４におけるセンサ出力の補正動作が開始されてからの補正期間が出力停滞時間Ｔを越えたか否かが判定される。その結果、補正期間＞出力停滞時間Ｔの成立が認められた場合には、センサ出力の停滞が終了したと判断されて、上記ステップ２０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えてセンサ出力Ｏｔｎが真の空燃比として使用される。一方、上記ステップ２２０において、補正期間＞出力停滞時間Ｔの成立が認められない場合には、未だセンサ出力がストイキ近傍において停滞していると判断されて、次のステップに移行し、同定出力Ｐｔｎが補正された空燃比として使用される（ステップ２２２）。

以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、酸素吸蔵能に基づいて出力停滞時間Ｔが設定されるので、センサ出力の停滞時間を精度よく把握してセンサ出力の補正終了時期を適切に判断することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、酸素吸蔵能に基づいて出力停滞時間Ｔを設定することとしているが、実際の出力停滞時間は、センサ出力が停滞している間の空燃比がストイキからズレているほど短期間となる。そこで、例えば、出力が停滞している間の空燃比のストイキからのズレ量を、出力停滞時間Ｔを設定する際のパラメータとして加えることにより、出力停滞時間を更に精度よく設定することができる。

また、上述した実施の形態２においては、排気ガスの空燃比がリーンからストイキを跨いでリッチへ変化する場合を例に説明したが、これとは反対に空燃比がリッチからストイキを跨いでリーンへ変化する場合には、上記説明におけるリーンとリッチとを置き換えることで、同様に実行することができる。

また、上述した実施の形態２においては、補正動作を実行する期間中のセンサ素子３４の目標温度を、通常の目標温度よりも嵩上げすることとしてもよい。すなわち、上述したとおり、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞は、リーン雰囲気下で触媒層３８に吸蔵された酸素が排気ガスと反応することにより生じる出力特性である。このため、係るセンサ出力の停滞期間にセンサ素子３４の目標温度を嵩上げしてセンサ活性を向上させることとすれば、触媒層３８における酸素吸蔵能（還元能）を有効に高めることができるので、センサ出力の停滞から早期に回復させることが可能となる。尚、当該制御を実行する場合には、センサ素子３４の目標温度を嵩上げすることによる出力停滞時間の短縮分を考慮して、出力停滞時間Ｔを設定することが好ましい。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素吸蔵能取得手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「センサ出力変化速度取得手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第２の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２２０の処理を実行することにより前記第３の発明における「設定手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第４の発明における「加熱制御手段」が実現されている。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ３０に後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述したとおり、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞は、リーン雰囲気下で触媒層３８に吸蔵された酸素が排気ガスと反応することにより生じる出力特性である。このため、算出された酸素吸蔵能に基づいて設定された出力停滞期間Ｔと実際の出力停滞期間とに差が生じている場合には、触媒層３８の劣化が進行している可能性が高い。

そこで、本実施の形態３では、算出された出力停滞時間Ｔと実際の出力停滞時間とを比較することにより、触媒層３８の劣化有無を判定することとする。以下、フローチャートに沿って、空燃比センサ２２の触媒層３８の劣化有無を判定する具体的処理について説明する。

［実施の形態３における具体的処理］
図８は、本実施の形態３において、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、空燃比センサ２２のセンサ出力Ｏｔｎ（空燃比）が取得される（ステップ３００）。次に、触媒層３８の酸素吸蔵能が算出される（ステップ３０２）。次に、酸素吸蔵能が所定値以上か否かが判定される（ステップ３０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００〜１０４と同様の処理が実行される。その結果、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められない場合には、仮にセンサ出力がストイキ近傍となったとしてもセンサ出力の停滞は発生しないと判断されて、次のステップに移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される（ステップ３０６）。

一方、上記ステップ３０４において、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められた場合には、センサ出力の停滞が発生する程度に触媒層３８に酸素が吸蔵されていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力の所定期間の出力変化量ΔＯｔｎ（＝Ｏｔｎ−Ｏｔｎ−１）が算出される（ステップ３０８）。次に、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合を示す（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）が所定値Ｋよりも小さいか否かが判定される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８と同様の処理が実行される。その結果、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）＜Ｋの成立が認められない場合には、センサ出力の変化が未だ緩慢になっていないと判断されて、上記ステップ３０６に移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される。

一方、上記ステップ３１０において、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ−１）＜Ｋの成立が認められた場合には、センサ出力の変化が緩慢になっていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎがストイキ近傍の空燃比か否かが判定される（ステップ３１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８と同様の処理が実行される。その結果、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められない場合には、センサ出力の停滞が発生する空燃比領域ではないと判断されて、上記ステップ３０６に移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される。

一方、上記ステップ３１２において、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められた場合には、ストイキ近傍におけるセンサ出力の停滞が発生すると判断されて、次のステップに移行し、出力停滞の開始が判定される（ステップ３１４）。次に、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従したか否かが判定される（ステップ３１６）。ここでは、具体的には、上記ステップ２１６と同様の処理が実行される。その結果、Ｐｔｎ−Ｏｔｎ＜０の成立が認められない場合には、未だセンサ出力の停滞が継続していると判断されて、次のステップに移行し、出力停滞時間が積算される（ステップ３１８）。ここでは、具体的には、積算された後の出力停滞時間が、出力停滞時間の実測値として格納された後、再度上記ステップ３１４へ移行する。

一方、上記ステップ３１６において、Ｐｔｎ−Ｏｔｎ＜０の成立が認められた場合には、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従した、すなわちセンサ出力の停滞が終了したと判断されて、次のステップに移行し、触媒層３８の劣化判定が実行される（ステップ３２０）。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ３０２において算出された酸素吸蔵能に基づいて、出力停滞時間Ｔが算出される。より具体的には、図６に示す関係に従い、酸素吸蔵能が高いほど出力停滞時間Ｔが大きな値として算出される。そして、係る出力停滞期間Ｔが、上記ステップ３１８において格納された出力停滞時間の実測値よりも大きいか否かが判定される。その結果、出力停滞時間Ｔが実測値を超えている場合には、実際の酸素吸蔵能が空燃比とその滞在時間とから算出される酸素吸蔵能よりも低いと判断されて、次のステップに移行し、ＭＩＬが点灯されて触媒層３８が劣化している旨が告知される（ステップ３２２）。一方、上記ステップ３２０において、出力停滞時間Ｔが実測値を超えていない場合には、触媒層３８が劣化していないと判断されて、上記ステップ３０６に移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される。

以上説明したとおり、本実施の形態３のシステムによれば、特定の条件下で発生するセンサ出力の特性を利用して、空燃比センサ２２の触媒層３８の劣化を有効に判定することができる。

ところで、上述した実施の形態３においては、排気ガスの空燃比がリーンからストイキを跨いでリッチへ変化する場合を例に説明したが、これとは反対に空燃比がリッチからストイキを跨いでリーンへ変化する場合には、上記説明におけるリーンとリッチとを置き換えることで、同様に実行することができる。

尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ３１８の処理を実行することにより前記第５の発明における「出力停滞時間取得手段」が、上記ステップ３２０の処理を実行することにより前記第５の発明における「設定手段」および「劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ エアフロメータ
１８ インジェクタ
２０ 排気浄化触媒
２２ 空燃比センサ
３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
３２ カバー
３４ センサ素子
３６ 拡散抵抗層
３８ 触媒層
４０ 保護層
４２ 排気ガス側電極
４４ 固体電解質層
４６ 大気側電極
４８ 大気室
５０ ヒータ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、一方の側面に大気側電極が形成されるとともに、他方の側面に排気ガス側電極が形成された固体電解質よりなるセンサ素子と、前記排気ガス側電極を被覆する触媒層と、を有する排気ガスセンサと、
   前記排気ガスセンサのセンサ出力に基づいて、前記触媒層による酸素の吸蔵または放出の能力を表す酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
   前記酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つ前記センサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲である場合に、前記センサ出力を補正する補正動作を実行する補正手段と、
   を備え、
   前記酸素吸蔵能取得手段は、理論空燃比に対する前記センサ出力のズレ量とその滞在時間との乗算値を積算した値を、前記酸素吸蔵能として取得することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記センサ出力の変化速度を取得するセンサ出力変化速度取得手段を更に備え、
   前記補正手段は、前記酸素吸蔵能が所定値よりも高く、前記センサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲であり、且つ、前記センサ出力変化速度が所定値よりも小さい場合に、前記補正動作を実行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記酸素吸蔵能に応じて、前記補正動作による補正期間を設定する設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータと、
   前記補正動作を実行する場合には、前記センサ素子が前記所定の活性温度よりも高い温度となるように、前記ヒータを制御する加熱制御手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記酸素吸蔵能に応じて、前記補正動作による補正期間を設定する設定手段と、
   前記補正動作を開始してから前記センサ出力が実空燃比変化に追従するまでの出力停滞期間を取得する出力停滞期間取得手段と、
   前記補正期間が前記出力停滞期間よりも長い場合に、前記排気ガスセンサにおける前記触媒層の劣化を判定する劣化判定手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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