JPH11247687A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シングル空燃比センサシステムにおいて排気
中の水素の影響を排除して正確な空燃比制御を行う。 【解決手段】 機関１の排気通路１４の排気浄化触媒１
５上流側に配置したＯ₂センサ１３出力に基づいて機関
空燃比をフィードバック制御するＥＣＵ１０を設ける。
Ｏ₂ センサにはセンサに到達する排気を平衡化するため
の触媒が設けられる。ＥＣＵは空燃比フィードバック制
御周期に基づいてセンサ触媒の能力を判定するととも
に、センサ触媒能力に応じて空燃比フィードバック制御
の制御特性を補正する。これにより、センサ触媒を設け
て排気中の水素の影響を排除した場合に問題となるセン
サ触媒の能力変化に伴う空燃比制御のずれが解消され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関排気通路
の排気浄化触媒上流の側排気通路に配置した空燃比セン
サ出力に基づいて機関空燃比を制御する空燃比制御装置
に関し、詳細には排気中の水素濃度の変化による空燃比
センサ出力特性の変化を補償する手段を備えた内燃機関
の空燃比制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気通路に排気空燃比を検出
する空燃比センサを配置し、空燃比センサ出力に基づい
て機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置が
知られている。例えば、この種の空燃比制御装置の例と
しては特開平９−１２６０１２号公報に記載されたもの
がある。同公報の装置は、内燃機関の排気通路に設けた
排気浄化触媒の上流側と下流側とに、それぞれ排気中の
酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ₂ センサを
配置し、これら２つのＯ₂ センサ出力に基づいて機関空
燃比を理論空燃比に制御している。

【０００３】ところで、排気中の酸素濃度に基づいて排
気空燃比を検出するＯ₂ センサ等の空燃比センサを使用
して機関空燃比を制御する場合には、排気中に水素が存
在すると正確な空燃比制御ができなくなる問題がある。
一般に、Ｏ₂ センサ等の排気中の酸素濃度に基づいて排
気空燃比を検出する空燃比センサでは、センサの検出部
（電極）に到達する排気中の酸素濃度と外部大気中の酸
素濃度との差により生じる起電力等により排気中の酸素
濃度を検出し、この排気酸素濃度から排気空燃比を検出
している。このため、検出部に到達する排気の酸素濃度
と実際の排気酸素濃度との間に差が生じると正確な空燃
比検出を行うことができなくなる。例えば、排気中に水
素が存在する場合には、水素の影響によりセンサ検出部
に到達する排気の酸素濃度が実際の排気酸素濃度から変
化してしまうため、空燃比センサ出力に誤差を生じ空燃
比を正確に目標値に制御できなくなる場合が生じる。

【０００４】一般に、水素は機関燃焼室で発生するＨ₂
Ｏ、ＣＯ、ＨＣ（未燃炭化水素）等が、 Ｈ₂ Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ＨＣ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋(5/2) Ｈ₂ 等の水性ガス還元反応を生じることにより生成される。
この反応は、高温時ほど生じやすく、また、排気中のＨ
Ｃ、ＣＯ成分が多いほど、すなわち排気空燃比がリッチ
であるほど発生する水素の量が多くなる。従って、排気
がリッチ空燃比かつ高温になるほど排気中の水素濃度が
高くなる。

【０００５】水素は、酸素分子より小さく、空燃比セン
サ検出部（電極）外側の保護層内での拡散速度が速いた
め排気中に水素が存在すると空燃比センサ検出部には酸
素より早く水素が到達する傾向がある。このため、保護
層内側のセンサ検出部では酸素濃度に対する水素濃度の
比率が外部排気における比率より高くなる。この結果、
検出部（電極）上で水素と酸素が反応すると、検出部に
おける排気中の酸素濃度は外部排気の平衡化した酸素濃
度より低くなってしまう。

【０００６】ここで、「平衡化した酸素濃度」とは排気
中の可燃成分（水素等）が排気中の酸素と完全に反応し
た後の酸素濃度であり、真の排気空燃比に対応する酸素
濃度である。上記のように、排気中に水素が存在すると
センサ検出部での酸素濃度は平衡化した排気酸素濃度よ
り低くなるため、空燃比センサは実際の排気空燃比より
リッチな出力を発生することになる。このため、実際の
排気空燃比がリッチからリーンに変化した場合も、実際
の空燃比がかなりリーンになるまで空燃比センサはリッ
チ空燃比出力を発生するようになる（すなわち，リッチ
空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れるように
なる）。従って、このような状態の空燃比センサ出力に
基づいて機関空燃比を、例えば理論空燃比に制御しよう
とすると、空燃比が理論空燃比よりリーン側に誤制御さ
れてしまう問題が生じるのである。

【０００７】上述の特開平９−１２６０１２号公報の装
置では、排気浄化触媒上流側の空燃比センサ出力に基づ
いて機関空燃比を制御し、排気浄化触媒下流側の空燃比
センサ出力に基づいて上流側空燃比センサ出力に基づく
空燃比制御の特性を決定する制御定数の値を補正するよ
うにしている。そして、下流側空燃比センサ出力が排気
中の水素により影響を受けることを防止するために、機
関運転状態が水素の発生しやすい状態（高温かつリッチ
空燃比運転）であり、かつ下流側空燃比センサが継続的
にリッチ空燃比出力を発生したような場合には下流側空
燃比センサ出力により決定される上記制御定数の値を補
正して、機関空燃比が、よりリッチ空燃比側に移行する
ようにしている。

【０００８】上述のように、上記特開平９−１２６０１
２号公報の装置では排気中に水素が存在する状態では、
水素による下流側空燃比センサ出力特性の変化を補償す
るように空燃比制御の制御定数を補正している。一方、
特開昭６３−２９０９５６号公報には、排気中の水素に
より空燃比センサ出力特性が変化することを防止し、水
素の有無にかかわらず正確な出力を得ることを目的とし
た空燃比センサが開示されている。

【０００９】同公報のセンサは、空燃比センサ検出部
（電極）周囲の保護層外側に白金等の触媒層を配置する
ことにより常に平衡化された排気がセンサ検出部に到達
するようにした構成とされている。すなわち、保護層外
側に白金等の触媒を配置することにより、排気中の水素
は触媒上で排気中の酸素と反応して酸化されるため、触
媒層を通過した排気は平衡化された状態となり水素が単
独では存在しなくなる。このため、センサ検出部（電
極）に到達する排気中の酸素濃度は真の排気空燃比に対
応した濃度となり、排気中に水素が存在しても空燃比セ
ンサは真の空燃比に対応した出力を発生するようにな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記各公報
の装置はそれぞれ以下のような問題がある。まず、特開
平９−１２６０１２号公報の装置は、排気浄化触媒の上
流側と下流側との両方に空燃比センサを配置した、いわ
ゆるダブル空燃比センサシステムであるため、同公報の
方法を排気浄化触媒の上流側のみに配置した単一の空燃
比センサ出力に基づいて空燃比を制御するシングル空燃
比センサシステムに適用することはできない。すなわ
ち、シングル空燃比センサシステムでは機関空燃比は排
気浄化上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づ
いて直接制御されるため、水素の影響により空燃比セン
サがリッチ出力を発生すれば機関空燃比は直ちにリーン
側に制御されるため（空燃比センサがリーン空燃比出力
を発生するまで機関空燃比がリーン空燃比側に誤制御さ
れるため）、実際に排気中に水素が存在しても空燃比セ
ンサが継続してリッチ空燃比出力を発生することがな
い。従って、上記公報の方法ではシングル空燃比センサ
システムの排気中に実際に水素が存在するか否かを判定
することはできず、制御定数の補正を行うことはできな
い。

【００１１】一方、特開昭６３−２９０９５６号公報の
空燃比センサでは、空燃比センサ検出部保護層外側に排
気ガス平衡化用の触媒を設けたため、空燃比センサの応
答遅れが生じる問題が生じる。白金等の触媒成分は、排
気中の酸素濃度が高いときに（すなわち、リーン空燃比
の時に）触媒表面に排気中の酸素を酸素イオンの形で吸
着する性質がある。このため、排気空燃比がリーンから
リッチに変化した場合でも、排気中の水素等の可燃成分
はまず触媒表面の酸素イオンと反応し、触媒表面の酸素
イオンが反応により消費された後に排気中の酸素と反応
するようになる。このため、排気空燃比がリーンからリ
ッチに変化した後も触媒層を通過した排気中の酸素濃度
は直ちには低下せず、触媒表面に酸素イオンが存在しな
くなるまでの間外部排気の酸素濃度より高い値に保持さ
れる。このため、触媒層を通過してセンサ検出部に到達
する排気の酸素濃度が真の排気空燃比に対応した値に低
下するまでにある程度の時間遅れが生じてしまうことに
なる。このため、上記特開昭６３−２９０９５６号公報
の空燃比センサでは、排気空燃比がリーンからリッチに
変化したときのセンサ出力変化の応答性が悪化すること
になる。このため、空燃比センサ出力に基づいて機関空
燃比を理論空燃比を中心としてリッチ側とリーン側とに
一定の範囲で周期的に交互に変化させるような空燃比制
御装置に上記の触媒付センサを用いると、上記リッチ空
燃比の検出遅れのために空燃比が理論空燃比よりリッチ
側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。

【００１２】この問題は、予め上記応答遅れを見込んで
空燃比制御の制御定数を設定することである程度解決す
ることができる。しかし実際には、上記応答遅れ時間は
センサ用触媒の劣化とともに変化し、劣化が進むにつれ
て応答遅れは少なくなる。また、触媒の劣化が更に進み
ほとんど触媒としての機能を果たさなくなると、非平衡
化ガスが直接センサ検出部に到達するようになるため、
前述したように検出部では真の排気空燃比に対応した値
より酸素濃度が低くなり、逆にリーン空燃比の検出が遅
れるようになる。従って、触媒が新しい状態に合致させ
て上記制御定数を設定したのでは、触媒の劣化程度に応
じて空燃比制御の誤差が増大することになる問題が生じ
てしまう。

【００１３】上述したように、従来シングル空燃比セン
サシステムにおいては、排気中の水素の影響による空燃
比センサ出力の変化を補償して、機関空燃比を正確に目
標空燃比に制御することは、たとえ排気ガス平衡化用触
媒をセンサに設けた場合であっても困難であった。しか
も、排気浄化触媒下流側では、排気浄化触媒により排気
はかなり平衡化されているのに対して、上流側では平衡
化の程度が低いため、排気浄化触媒上流側に設置した空
燃比センサ出力に基づいて空燃比制御を行うシングル空
燃比センサシステムでは排気中の水素濃度の影響ははる
かに大きくなる。

【００１４】また、上述の各問題はＯ₂ センサのみなら
ず、例えば片側を排気に接触させ、もう一方の側を大気
に接触させた固体電解質に電圧を印可することにより、
排気側（低酸素濃度側）から大気側（高酸素濃度側）に
酸素イオンを移動させる酸素ポンプを形成し、酸素イオ
ンの移動に伴う電流値の排気酸素濃度による変化に基づ
いて空燃比に比例する電圧を出力する、いわゆるリニア
空燃比センサについても同じ問題が生じる。

【００１５】本発明は上記問題に鑑み、排気浄化触媒上
流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて機関
空燃比を目標空燃比に制御する場合に、排気中の水素の
有無にかかわらず常に正確に空燃比を制御することが可
能な内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的と
している。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒
と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排
気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃
比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空
燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空
燃比センサに到達する排気中の可燃成分を排気中の酸素
と反応させて排気を平衡化するセンサ用触媒と、前記空
燃比センサ出力の応答遅れに関連する遅れ特性値を検出
する特性値検出手段と、前記特性値に基づいて前記セン
サ用触媒の触媒能力を判定する判定手段と、前記判定手
段の判定結果に基づいて、前記空燃比制御手段の制御特
性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備
えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

【００１７】すなわち、請求項１の発明では排気を平衡
化するセンサ用触媒（以下「センサ触媒」と呼ぶ）を有
する空燃比センサが使用される。前述したように、セン
サ触媒を有する空燃比センサでは排気空燃比のリーンか
らリッチへの変化に対する検出応答性が低下する。ま
た、この応答性の低下は触媒能力が高いほど大きく、触
媒能力の低下につれて短くなる。従って、センサ触媒を
有する単一の空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御
を行う場合には、センサ触媒の能力が高いほど空燃比が
目標空燃比よりリッチ側に制御されやすく能力低下とと
もに空燃比は徐々にリーン側に制御されるようになる。
請求項１の発明では、空燃比センサの上記応答遅れに関
連する遅れ特性値を検出し、遅れ特性値に基づいて触媒
の能力を判定する。そして、センサ触媒の能力に応じて
空燃比制御特性を変更するようにしている。遅れ特性値
としては、例えばセンサの検出応答性を直接測定し、こ
の検出応答性（検出遅れ時間）を遅れ特性値として使用
しても良い。また、リーンからリッチの変化の検出遅れ
時間が大きいほど、空燃比制御周期が大きくなることか
ら、空燃比制御周期（または周波数）を検出して、この
周期または周波数を遅れ特性値として使用してもよい。
すなわち、本発明の判定手段は、例えば、遅れ時間が大
きいほど、または空燃比制御周期が大きいほど（制御周
波数が小さいほど）センサ触媒の能力が高いと判定し、
補正手段はセンサ触媒の能力が高いほど空燃比がリッチ
側に移行するように空燃比制御定数を補正する。これに
より、センサ触媒を有する空燃比センサを使用した場合
も、使用によるセンサ触媒の能力低下に応じた適切な空
燃比が行われるようになる。

【００１８】請求項２に記載の発明によれば、前記空燃
比制御手段は、機関に供給する燃料量を補正する空燃比
補正係数を前記空燃比センサ出力に基づいてフィードバ
ック制御し、前記特性値検出手段は、前記空燃比制御手
段のフィードバック制御周期もしくは前記空燃比補正係
数に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載
の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

【００１９】すなわち、請求項２の発明では、特性値検
出手段は遅れ特性値として、空燃比フィードバック制御
のフィードバック制御周期（例えば、空燃比の変化周
期）または、空燃比補正係数が使用される。請求項３に
記載の発明によれば、前記特性値検出手段は、前記空燃
比センサ出力値に基づいて前記遅れ特性値を検出する請
求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供され
る。

【００２０】すなわち、請求項３の発明では、特性値検
出手段は実際の空燃比センサ出力に基づいて遅れ特性値
が検出される。この場合、一定の機関運転条件下で機関
空燃比が変化したときに、空燃比センサ出力にこの空燃
比変化が現れるまでの時間を計測すること等により、空
燃比センサ出力から直接センサ出力応答性の変化を遅れ
特性値として検出するようにしても良い。

【００２１】請求項４に記載の発明によれば、前記判定
手段は、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒
能力とともに、前記空燃比センサの出力特性の変化を判
定し、前記補正手段は、前記判定手段の判定した触媒能
力と空燃比センサの出力特性の変化とに基づいて前記制
御定数を補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制
御装置が提供される。

【００２２】請求項４の発明では、空燃比センサ出力の
遅れ特性値に基づいてセンサ触媒の能力を判定する他、
空燃比センサの出力特性自体の変化を判定する。空燃比
センサは、使用により出力特性が変化する。例えば、セ
ンサ触媒が劣化してほとんど触媒としての機能を失った
ような状態で、空燃比センサが劣化（例えば検出部電極
が劣化）すると、空燃比センサ出力は真の排気空燃比よ
り酸素濃度が低い側（すなわちリッチ側）にシフトす
る。また、センサ触媒劣化時にセンサ検出部保護層の目
詰まりなどが生じると、分子の大きい酸素が検出部に到
達しにくくなるため、同様に空燃比センサ出力はリッチ
空燃比側にシフトするようになる。このような状態で
は、空燃比センサ出力のリッチからリーンへの変化に対
する応答遅れが生じるため、空燃比はリーン側に誤制御
されるようになる。本発明では、センサ触媒の触媒能力
と空燃比センサ出力特性の変化（劣化）との両方を空燃
比センサ出力の遅れ特性値に基づいて判定し、センサ触
媒と空燃比センサとの劣化状態に応じて空燃比制御の補
正を行う。例えば、センサ触媒の劣化程度が少なく触媒
としての機能を維持している場合には請求項１と同様に
触媒能力が低下するにつれて、空燃比のリッチ側への補
正を少なくし、センサ触媒が完全に劣化して触媒として
の機能を失ったような状態では、空燃比センサのリッチ
からリーンへの変化に対する応答性が低下するほど空燃
比をリッチ側にシフトするように空燃比制御を補正する
ようにする。これにより、センサ触媒の能力変化だけで
なく、空燃比センサ自体の劣化等による出力特性の変化
を補償して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御
することが可能となる。

【００２３】請求項５に記載の発明によれば、内燃機関
の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化
触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に
基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記
空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比
に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサ出力に
基づいて、機関の平均空燃比を表す平均空燃比特性値を
算出するとともに、該平均空燃比特性値に基づいて排気
中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、前記算出
された水素濃度に基づいて前記空燃比制御手段の制御特
性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備
えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

【００２４】すなわち、請求項５の発明では空燃比セン
サにはセンサ触媒が設けられていない。このため、前述
したように排気中の水素濃度が増大するにつれてリッチ
空燃比からリーン空燃比への変化に対する応答性が低下
し検出遅れが大きくなる。このため、排気中の水素濃度
が高くなるにつれて空燃比はリーン側に制御されるよう
になる。請求項５の発明では、水素濃度算出手段は機関
平均空燃比を表す平均空燃比特性値に基づいて現在の排
気中の水素濃度を算出する。例えば、排気中の水素濃度
が高くなるほど機関空燃比平均値はリーン側に制御され
るため、現在の機関空燃比平均値を排気中に水素がない
状態における機関空燃比平均値と比較することにより、
現在の排気中の水素濃度を算出することができる。補正
手段は、算出された水素濃度に基づいて、例えば水素濃
度が高いほど機関空燃比をリッチ側に制御するようにし
て、水素による機関空燃比のリーン側へのシフトを補正
する。これにより、単一の空燃比センサ出力に基づく空
燃比制御を行う場合でも、センサ触媒を使用することな
く排気中の水素による空燃比制御誤差の発生が防止され
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は本発明を自動車用内
燃機関に適用した場合の全体構成を示す概略図である。
図１において、１は内燃機関本体を示す。本実施形態で
は内燃機関１は多気筒機関が使用されており、図１はそ
のうちの１つの気筒についてのみ示しているが、他の気
筒についても同一の構成となっている。

【００２６】図１において、２は機関１の吸気管、１６
は吸気管２に配置され運転者のアクセルペダル２１の操
作量に応じた開度をとるスロットル弁、２ａは吸気管２
に設けられたサージタンク、２ｂは各気筒の吸気ポート
とサージタンク２ａとを接続する吸気マニホルド、７は
機関１の各気筒の吸気ポートに加圧燃料を噴射する燃料
噴射弁を示す。

【００２７】本実施形態では、スロットル弁１６には、
スロットル弁開度に応じた電圧信号を発生するスロット
ル開度センサ１７が配置されており、また、サージタン
ク２ａにはサージタンク内の絶対圧力に応じた電圧信号
を発生する吸気管圧力センサ３が接続されている。ま
た、図１において１１は各気筒の排気ポートを共通の集
合排気管１４に接続する排気マニホルドを示している。
集合排気管１４には、排気の空燃比が理論空燃比近傍の
ときに排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_X の三成分を同時に浄
化可能な排気浄化触媒（三元触媒）１５が配置されてい
る。排気マニホルド１１の各気筒からの排気が合流する
排気合流部にはＯ₂ センサ１３が設けられている。本実
施形態では、Ｏ₂ センサ１３は排気中の酸素濃度を検出
し空燃比に対応した出力電圧を発生するＯ₂ センサが使
用されている。本実施形態では、Ｏ₂ センサ１３は排気
平衡化のためのセンサ触媒を有する、触媒付センサとさ
れている。図２はＯ₂ センサ１３の概略構造を説明する
図である。

【００２８】Ｏ₂ センサ１３は、例えば酸化ジルコニウ
ム（ＺｒＯ₂ ）等の固体電解質１３０５の両側に２つの
白金電極１３０１、１３０３を配置した構成とされ、白
金電極１３０３側は多孔質の保護層１３０７、触媒層１
３０９を介して機関排気に接触し、白金電極１３０１は
大気に接触するように機関排気通路に挿入される。この
ように、固体電解質１３０５の両側の白金電極１３０１
と１３０３に酸素濃度の異なる気体（大気と排気ガス）
を接触させると、電極相互の酸素濃度差により、大気
（高酸素濃度）側電極１３０１上では大気中の酸素分子
がイオン化し酸化ジルコニウム中を酸素イオンが排気
（低酸素濃度）側電極１３０３に向けて移動して電極１
３０３上で酸素分子になる。このため、電極１３０１と
１３０３との間には酸化ジルコニウム中を流れる酸素イ
オンの量に応じた起電力が生成される。また、単位時間
当たりに流れる酸素イオンの量は大気と排気の酸素濃度
差に応じて変化するため、上記起電力を出力電圧として
取り出すことにより、排気中の酸素濃度に応じた信号を
得ることができる。図３はＯ₂ センサ１３の出力特性を
示す図である。図３に示すように、Ｏ₂ センサ１３出力
は理論空燃比近傍で比較的急激に変化する、いわゆるＺ
特性を示す。

【００２９】ところが、排気中に水素が生成されると前
述したように保護層１３０９内での拡散速度の差等によ
り、排気側電極１３０３近傍では外部の排気より水素濃
度が高くなり、電極上での水素と酸素の反応により排気
側電極１３０３上での酸素濃度が保護層１３０７外側の
排気より低くなってしまうため、Ｏ₂ センサ１３は、保
護層１３０７外部の排気の空燃比がかなりリーンになら
ないとリーン出力を発生しなくなる。すなわち、排気中
に水素が存在すると、保護層１３０７外部の排気空燃比
に対してＯ₂ センサ１３出力は図３に点線で示したよう
に変化するようになる。このため、空燃比のリッチから
リーンへの変化の検出に遅れが生じるようになる。

【００３０】このような、水素の影響を防止するため、
本実施形態では、Ｏ₂ センサ１３の保護層１３０７外側
に触媒担体としてのアルミナ等の多孔質層１３０９を形
成し、この担体層に白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等
の触媒成分を担持させている。保護層１３０７外側に触
媒層１３０９を形成したことにより、排気中の水素等の
可燃成分は触媒層１３０９上で排気中の酸素と反応し、
平衡化された後に保護層１３０７を通って電極１３０３
に到達するようになる。このため、排気中に水素が生成
された場合でも、水素がそのままの形で電極１３０３に
到達することがなくなり、電極１３０３近傍は常に保護
層１３０７外部の排気が平衡化された状態で到達するよ
うになる。排気の真の空燃比は排気中の可燃成分と酸素
とが完全に反応した状態での排気中の酸素濃度に対応し
ているため、触媒層１３０９を設けたことにより、Ｏ₂
センサ１３は排気中に水素が生成された場合でも真の排
気空燃比に対応した出力を発生するようになり、図３に
実線で示した本来の出力特性を示すようになる。なお、
図２に１３１１で示したのは、機関始動時等の低温時に
固体電解質層１３０５中を酸素イオンが移動可能な温度
まで早期に昇温させるための電気ヒータである。

【００３１】図１において、機関本体１のシリンダブロ
ックのウォータジャケット８には、冷却水の温度を検出
するための水温センサ９が設けられている。水温センサ
９は冷却水の温度に応じたアナログ電圧の電気信号を発
生する。なお、上述のＯ₂ センサ１３、スロットル弁開
度センサ１７、吸気管圧力センサ３及び水温センサ９の
出力信号は、後述するＥＣＵ１０のマルチプレクサ内蔵
Ａ／Ｄ変換器１０１に入力される。

【００３２】図１に５、６で示すのは、それぞれ機関１
のクランク回転角を検出するクランク角センサである。
クランク角センサ５は、機関１のカム軸（図示せず）近
傍に設けられ、カム軸回転角が、例えばクランク軸回転
角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パルス信号を
発生する。また、クランク角センサ６は、クランク軸近
傍に設けられ、クランク軸回転角３０°毎にクランク角
検出用パルス信号を発生する。これらクランク角センサ
５、６のパルス信号はＥＣＵ１０の入出力インターフェ
イス１０２に供給され、このうちクランク角センサ６の
出力はＣＰＵ１０３の割込み端子に供給される。

【００３３】ＥＣＵ（電子制御ユニット）１０は、たと
えばマイクロコンピュータとして構成され、Ａ／Ｄ変換
器１０１、入出力インターフェイス１０２、ＣＰＵ１０
３の他に、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、バックアップ
ＲＡＭ１０６、クロック発生回路１０７等が設けられて
いる。本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ₂ センサ１３
出力に基づいて機関空燃比が目標空燃比（本実施形態で
は理論空燃比）になるように機関１の燃料噴射量をフィ
ードバック制御するとともに、燃料噴射弁７を制御し算
出された燃料噴射量の量を気筒の吸気ポートに噴射する
機関の空燃比制御を行う。また、本実施形態では、ＥＣ
Ｕ１０は、Ｏ₂ センサのセンサ触媒の能力低下やＯ₂ セ
ンサ出力特性の変化に応じて空燃比制御特性を補正する
制御を行う。すなわち、本実施形態では、ＥＣＵ１０は
空燃比制御手段として機能する他、Ｏ₂ センサの出力応
答遅れを表す遅れ特性値を検出する特性値検出手段、セ
ンサ触媒の能力を判定する判定手段、空燃比制御特性を
決定する制御定数の値を補正する補正手段等の請求項に
記載した各手段として機能している。

【００３４】ＥＣＵ１０の、ダウンカウンタ１０８、フ
リップフロップ１０９、および駆動回路１１０は燃料噴
射弁７を制御するためのものである。すなわち、後述の
ルーチンにおいて、燃料噴射量（噴射時間）ＴＡＵが演
算されると、噴射時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０８に
プリセットされると共にフリップフロップ１０９がセッ
トされる。この結果、駆動回路１１０が燃料噴射弁７の
付勢を開始する。他方、ダウンカウンタ１０８がクロッ
ク信号（図示せず）を計数して最後にその出力端子が
“１”レベルとなったときに、フリップフロップ１０９
がリセットされて駆動回路１１０は燃料噴射弁７の付勢
を停止する。つまり、上述の燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃
料噴射弁７は付勢され、時間ＴＡＵに応じた量の燃料が
機関１の燃焼室に供給されることになる。

【００３５】機関の回転数（回転速度）データは、クラ
ンク角センサ６のパルス間隔に基づいて所定のクランク
角毎（例えば３０°毎）の割込により演算され、ＲＡＭ
１０５の所定領域に格納される。つまり、ＲＡＭ１０５
には常に最新の回転速度データが格納されている。次
に、本実施形態の機関の燃料噴射量算出と、空燃比フィ
ードバック制御とについて説明する。

【００３６】本実施形態では、ＥＣＵ１０は吸気管圧力
センサ３で検出した吸気圧力ＰＭと機関回転数ＮＥとに
基づいて、機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに
必要な燃料噴射量（基本燃料噴射量）ＴＡＵＰを算出
し、基本燃料噴射量ＴＡＵＰをＯ₂ センサ１３出力に基
づいて補正することにより最終的な燃料噴射量ＴＡＵを
設定している。図４は上記の燃料噴射量演算操作を説明
するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により
一定クランク回転角毎に実行されるルーチンとして行わ
れる。

【００３７】図４において、操作がスタートするとステ
ップ４０１では、機関１の吸気圧力データＰＭと回転数
データＮＥとが読み込まれ、ステップ４０３ではＰＭと
ＮＥとに基づいて基本燃料噴射量ＴＡＵＰが設定され
る。前述したように、ＴＡＵＰは、基準状態において機
関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要とされる
燃料噴射量であり、予めＰＭとＮＥとの条件を変えて実
験を行うこと等により設定されている。本実施形態で
は、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４には、各ＰＭとＮＥとの
条件下におけるＴＡＵＰの値がＰＭとＮＥとを用いた数
値テーブルの形で予め格納されており、ステップ４０３
ではこの数値テーブルから基本燃料噴射量ＴＡＵＰが求
められる。また、ステップ４０５では、上記ＴＡＵＰを
用いて、最終的に燃料噴射量ＴＡＵが、ＴＡＵ＝ＴＡＵ
Ｐ×（ＦＡＦ＋ＫＧ）×β＋γとして設定され、ステッ
プ４０７ではこのＴＡＵに応じた値がダウンカウンタ１
０９にセットされて本操作は終了する。これにより、各
燃料噴射弁からはＴＡＵに等しい量の燃料が噴射され
る。

【００３８】なお、上記ＴＡＵの式のβ、γは機関始動
時、冷間時等の燃料噴射量補正用の定数であり、暖機後
の定常運転ではβ＝１．０、γ＝０にセットされる。ま
た、ＦＡＦは後述する空燃比フィードバック制御により
Ｏ₂ センサ１３出力に基づいて設定される空燃比補正係
数、ＫＧは空燃比補正係数ＦＡＦの学習補正係数であ
る。ＦＡＦ、ＫＧについては後に説明する。

【００３９】図５、図６は本実施形態の空燃比フィード
バック制御操作を説明するフローチャートである。本操
作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチン
として行われる。本操作では、Ｏ₂ センサ１３の出力Ｖ
Ｏを比較電圧Ｖ_R （理論空燃比相当出力電圧、図３参
照）と比較し、触媒コンバータ上流側での排気空燃比が
理論空燃比よりリッチ（ＶＯ＞Ｖ_R ）のときには空燃比
補正量ＦＡＦを減少させ、リーン（ＶＯ≦Ｖ_R ）のとき
にはＦＡＦを増大させる制御を行う。Ｏ₂ センサは排気
空燃比が理論空燃比よりリッチ空燃比側のときに、例え
ば０．９ボルトの電圧信号を出力し、排気空燃比が理論
空燃比よりリーン空燃比側のときに例えば０．１ボルト
程度の電圧信号を出力する。本実施例では、上記比較電
圧Ｖ_R は０．４５ボルト程度に設定される。上記のよう
に空燃比補正量ＦＡＦを排気空燃比に応じて増減するこ
とにより、吸気管圧力センサ３や燃料噴射弁７等の燃料
供給系の機器に多少の誤差が生じている場合でも機関空
燃比は正確に理論空燃比近傍に修正される。

【００４０】以下、図５、図６のフローチャートを簡単
に説明する。ステップ５０１はフィードバック制御実行
条件が成立しているか否かの判定を示す。フィードバッ
ク制御実行条件は、例えば、Ｏ₂ センサが活性化してい
ること、機関暖機が完了していること（冷却水温度セン
サ９で検出した冷却水温度が所定値以上になっているこ
と）、フュエルカットから復帰後所定時間が経過してい
ること、等であり、実行条件が成立している時にのみス
テップ５０３以下のＦＡＦ算出が行われる。フィードバ
ック制御実行条件が成立していない場合には、ルーチン
は図６、ステップ５４９に進み、フラグＸＭＦＢの値を
０にセットしてルーチンを終了する。フラグＸＭＦＢは
Ｏ₂ センサ１３出力に基づく空燃比制御を実行中か否か
を示すフラグであり、ＸＭＦＢ＝０は空燃比フィードバ
ック制御が停止されていることを意味する。

【００４１】ステップ５０３から５２９は空燃比がリッ
チかリーンかの判定を示す。ステップ５１７と５２９と
に示すフラグＦ１は、機関空燃比がリッチ（Ｆ１＝１）
かリーン（Ｆ１＝０）かを表す空燃比フラグであり、Ｆ
１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）への切換えは
Ｏ₂ センサ１３が所定時間（ＴＤＲ）以上継続してリッ
チ信号（ＶＯ＞Ｖ_R ）を出力したときに（ステップ５０
５、５１９から５２９）、またＦ１＝１からＦ１＝０
（リッチからリーン）への切換えはＯ₂センサ１３が所
定時間（−ＴＤＬ）以上継続してリーン信号（ＶＯ≦Ｖ
_R ）を出力したときに行われる（ステップ５０５から５
１７）。ＣＤＬＹは空燃比フラグ切換えタイミングを判
定するためのカウンタである。図６ステップ５３１から
５４５では、上記により設定されたフラグＦ１の値に応
じてＦＡＦの増減を行う。すなわち、今回ルーチン実行
時のＦ１の値と前回ルーチン実行時のＦ１の値を比較し
て、Ｆ１の値が変化したか、つまり空燃比がリッチから
リーン、またはリーンからリッチに反転したかを判断す
る（ステップ５３１）。そして、現在のＦ１の値がＦ１
＝０（リーン）の場合には、先ずＦ１＝１からＦ１＝０
（リッチからリーン）に変化（反転）した直後に比較的
大きな値ＲＳＲだけＦＡＦをスキップ的に増大させ（ス
テップ５３３、５３５）、その後はＦ１＝０である間は
ルーチン実行毎に比較的小さな値ＫＩＲずつ徐々にＦＡ
Ｆを増大させる（ステップ５３９、５４１）。同様に、
現在のＦ１の値がＦ１＝１（リッチ）の場合には、先ず
Ｆ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）に反転した
直後にスキップ的にＲＳＬだけＦＡＦを減少させ（ステ
ップ５３３、５３７）、その後はＦ１＝１である間はル
ーチン実行毎にＫＩＬずつ徐々にＦＡＦを減少させる
（ステップ５３９、５４３）。また、上記により算出し
たＦＡＦの値を最大値（本実施例ではＦＡＦ＝１．２）
と最小値（本実施例ではＦＡＦ＝０．８）で定まる範囲
を越えないようにガードした後（ステップ５４５）、フ
ラグＸＭＦＢの値を１にセットして（ステップ５４７）
本操作は終了する。

【００４２】図７は、図５、図６の空燃比フィードバッ
ク制御を行った場合の、Ｏ₂ センサ１３で検出した空燃
比（Ａ／Ｆ）変化（図７(A) ）に対するカウンタＣＤＬ
Ｙ（同(B) ）、フラグＦ１（同(C) ）、空燃比補正係数
ＦＡＦ（同(D) ）の変化を示している。図７(A) に示す
ように、Ａ／Ｆがリーンからリッチに変化した場合でも
空燃比フラグＦ１（図７(C) ）の値は直ちに０から１に
は変化せず、カウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＲに増
大するまでの時間（図７(C) Ｔ₁ ）の間は０のまま保持
され、Ｔ₁ 経過後に０から１に変化する。また、Ａ／Ｆ
がリッチからリーンに変化した場合もＦ１の値はカウン
タＣＤＬＹの値が０からＴＤＬ（ＴＤＬは負の値）に減
少するまでの時間（図７(C) Ｔ₂ ）の間は１のまま保持
され、Ｔ ₂ 経過後に１から０に変化する。このため、図
７(A) にＮで示したように外乱等により上流側Ｏ₂ セン
サ１３の出力が短い周期で変化したような場合でもフラ
グＦ１の値は追従して変化しないため、空燃比制御が安
定する。

【００４３】空燃比フィードバック制御の結果、空燃比
補正係数ＦＡＦの値は図７(D) に示すように周期的に増
減を繰り返し、機関空燃比はリッチ空燃比とリーン空燃
比とに交互に変動する。また、図４で説明したように、
ＦＡＦの値が増大すると燃料噴射時間ＴＡＵは増大し、
ＦＡＦの値が減少すると燃料噴射時間ＴＡＵも減少す
る。

【００４４】また、図７(D) から判るように、リッチス
キップ量ＲＳＲが増大し、またはリーンスキップ量ＲＳ
Ｌが減少すると、スキップ操作時のＦＡＦのリッチ空燃
比側（ＦＡＦ＞１．０側）への振れ幅がリーン空燃比側
への振れに較べて大きくなり、全体的に機関空燃比がリ
ッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平
均空燃比はリッチ空燃比側に移行する。また、逆にＲＳ
Ｒが減少し、またはＲＳＬが増大すると、ＦＡＦのリー
ン空燃比側（ＦＡＦ＜１．０側）への振れ幅が大きくな
り空燃比が全体的にリーン空燃比側に移行する。従っ
て、ＲＳＲ、ＲＳＬの値を増減することにより、機関空
燃比を全体としてリッチ空燃比側またはリーン空燃比側
にシフトさせることができる。

【００４５】また、空燃比制御における他の補正量を変
化させることにより機関空燃比を変化させることができ
る。例えば、リッチ積分定数ＫＩＲの値を増大させ、ま
たはリーン積分係数ＫＩＬの値を減少させると、図５ス
テップ５４１のＦＡＦの増大速度がステップ５４３の減
少速度より大きくなるため、機関空燃比は全体としてリ
ッチ側にとどまっている時間が長くなり、平均空燃比は
リッチ側にシフトする。更に、リッチ遅れ時間ＴＤＲの
値を増大させ、またはリーン遅れ時間ＴＤＬの値を減少
させることによっても全体的に機関空燃比がリッチ空燃
比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比
はリッチ側にシフトする。或いはＯ₂ センサ１３の比較
電圧Ｖ_R の値が増大すると、同様に機関空燃比がリッチ
空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、機関空
燃比は全体としてリッチ側にシフトするようになる。

【００４６】本明細書では、上記のように空燃比フィー
ドバック制御の制御特性を決定するスキップ量ＲＳＲ、
ＲＳＬ、積分係数ＫＩＲ、ＫＩＬ、遅れ時間ＴＤＲ、Ｔ
ＤＬ、比較電圧Ｖ_R 等の補正量を空燃比制御の制御定数
と呼んでいる。次に、図４の燃料噴射量算出操作で最終
燃料噴射量設定に使用される学習補正係数ＫＧについて
説明する。

【００４７】前述のように図５、図６の空燃比フィード
バック制御を行うことにより、燃料噴射系統機器の特性
に多少の変化があったような場合でも、ＦＡＦの値が特
性変化に応じて設定されるため機関空燃比は理論空燃比
に制御されるようになる。ところが、図６ステップ５４
５で説明したように、ＦＡＦの値は最大値と最小値（例
えば１．２と０．８）でガードされているため、ＦＡＦ
の値が１．０から離れた値になるとＦＡＦによる制御範
囲が狭まる問題が生じる。例えば、ＦＡＦが機器の特性
変化やばらつきのために１．１を中心として周期的に変
化するようになると、すなわち理論空燃比相当のＦＡＦ
の値が１．１にずれてしまうと最大ガード値が存在する
ためＦＡＦのリッチ空燃比側の制御幅は１．１から１．
２までの範囲に制限されてしまうことになり、運転状態
の変化等により空燃比が大きくリーン側に振れたような
場合には機関空燃比を理論空燃比に制御することができ
なくなってしまう。また、図５ステップ５０１でフィー
ドバック制御条件が成立していない場合にはＦＡＦの値
を１．０に固定したオープンループ制御を行うが、この
場合も理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１にずれ
ていた場合にはＦＡＦ＝１．０に設定すると機関空燃比
は理論空燃比から離れた値に制御されてしまう。そこ
で、本実施形態では学習補正係数ＫＧの値を増減するこ
とにより、常にＦＡＦの値が１．０近傍になるように制
御している。

【００４８】例えば上記のように理論空燃比に相当する
ＦＡＦの値が１．１になったような場合には学習補正係
数ＫＧの値は０．１にセットされる。これにより、（Ｆ
ＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持しつつ図５、図６の制
御によりＦＡＦの値が１．０に設定されるようになる。
また、オープンループ制御の場合にＦＡＦの値が１．０
に固定されても同様に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に
維持されるため、図４の操作で設定される燃料噴射量は
機関空燃比を理論空燃比に維持するだけの量となる。

【００４９】図８は、学習補正係数ＫＧの設定操作を説
明するフローチャートである本操作は、ＥＣＵ１０によ
り図５、図６の操作と同じ時間間隔で実行されるルーチ
ンにより行われる。図８において操作がスタートする
と、ステップ８０１では図５で設定されたフラグＦ１の
値が反転したか、すなわち前回操作実行時のＦ１の値か
ら変化したか否かを判断し、反転していない場合にはス
テップ８２１に進み、現在の空燃比補正係数ＦＡＦの値
をＦＡＦ_i-1 として記憶した後本操作を終了する。ステ
ップ８０１でＦ１の値が反転している場合にはステップ
８０３で現在のＦ１の値が０（リーン）にセットされて
いるか否かを判定する。Ｆ１反転後にステップ８０３で
Ｆ１＝０であった場合には、図５、図６のルーチンでＲ
ＳＲによるリッチスキップが行われた直後であるため、
前回ＦＡＦ_i-1 として記憶した値は、リッチスキップ直
前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最小値）である。従ってこの
場合にはステップ８０５で前回ＦＡＦ_i-1 として記憶し
た値をＦＡＦＬとして記憶する。また、Ｆ１反転後にス
テップ８０３でＦ１≠０であった場合には、ＲＳＬによ
るリーンスキップが行われた直後であるので、前回ＦＡ
Ｆ_i-1 として記憶した値はリーンスキップ直前のＦＡＦ
の値（ＦＡＦの最大値）である。このため、この場合は
ステップ８０７に進み、前回ＦＡＦ_i-1 として記憶した
値をＦＡＦＲとして記憶する。そして、ステップ８０９
ではＦＡＦの最大値ＦＡＦＲと最小値ＦＡＦＬとの平均
値ＦＡＦＡＶが算出される。

【００５０】また、ステップ８１１から８１７ではこの
平均値ＦＡＦＡＶに応じて学習補正係数ＫＧの値が増減
補正される。すなわち、ＦＡＦＡＶ≧（１．０＋α）の
ときにはＫＧの値はΔＫＧだけ増大され。（ステップ８
１１、８１３）、ＦＡＦＡＶ≦（１．０−α）のときに
はＫＧの値はΔＫＧだけ減少される（ステップ８１５、
８１７）。また、（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．
０＋α）の場合にはＫＧの値はそのままに保持される。
そして、ステップ８１９では増減後のＫＧの値がバック
アップＲＡＭ１０６に格納される。

【００５１】図８の操作を行うことにより、学習補正係
数ＫＧの値は常にＦＡＦの平均値（ＦＡＦＡＶ）の値が
（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の範囲内
になるように設定される。なお、本実施形態ではαの値
は、例えば０．００１から０．０１程度の値に、ΔＫＧ
の値は０．０００５から０．００１程度の値に設定され
ている。

【００５２】ところで、図５、図６のようにＯ₂ センサ
１３出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う場合
Ｏ₂ センサ１３のリーン／リッチの空燃比変化の検出応
答性が低下すると、例えば前述の制御定数のうちＴＤ
Ｒ、ＴＤＬが変化したと同様に空燃比制御がリッチ側ま
たはリーン側にシフトしてしまう。本実施形態では触媒
付センサを使用しているため、排気中に水素が生成され
た場合でも本来リーン空燃比からリッチ空燃比への変化
の検出遅れは生じないはずである。しかし、センサ触媒
を設けたため逆にリッチ空燃比からリーン空燃比への変
化の検出遅れが生じる問題がある。

【００５３】前述したように、この遅れはセンサ１３の
触媒層１３０９内のセンサ触媒表面に排気空燃比がリー
ンのときに酸素イオンが吸着され、排気空燃比がリッチ
になったときにこの酸素イオンにより排気中の可燃成分
が酸化されるために生じる。このようなリーンからリッ
チへの検出遅れが生じると、図７でリーンスキップＲＳ
Ｌの生じるタイミングが遅くなるため、リッチスキップ
ＲＳＲが生じてからリーンスキップＲＳＬが生じるまで
の時間が長くなり、リッチ積分係数ＫＩＲのためにＦＡ
Ｆは過剰にリッチ側に制御されてしまい、空燃比のフィ
ードバック制御周期（リッチスキップから次のリッチス
キップまで、またはリーンスキップから次のリーンスキ
ップまでの時間）は長く、かつ空燃比は全体としてリッ
チ空燃比側に制御されるようになる。しかも、上記リッ
チ空燃比の検出遅れ時間はセンサ触媒の触媒としての能
力が高いほど大きく、触媒能力の低下とともに短くなる
ため、触媒能力が低下するほど空燃比フィードバック制
御周期は短くなり、リッチ側への空燃比のずれも小さく
なる。この場合、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御
するためには、センサ触媒の能力に応じて空燃比フィー
ドバック制御の特性を変える必要がある。

【００５４】そこで、以下に説明する実施形態では、セ
ンサ触媒の能力に応じて空燃比のフィードバック制御周
期が変化することに注目し、Ｏ₂ センサの応答遅れを代
表する遅れ特性値としてフィードバック制御周期を使用
してセンサ触媒の能力を推定する。すなわち、本実施形
態では、後述する方法で空燃比フィードバック制御周期
を算出し、空燃比フィードバック制御周期からセンサ触
媒能力を推定することにより、このセンサ触媒能力に応
じた値に空燃比制御の制御定数を設定するようにしてい
る。これにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわ
らず正確に空燃比を理論空燃比に制御することが可能と
なっている。

【００５５】以下、本発明の空燃比制御定数の補正のい
くつかの実施形態について説明する。 （１）第１の実施形態 図９は、本実施形態の空燃比フィードバック制御周期検
出操作を説明するフローチャートである。本操作は、Ｅ
ＣＵ１０により図５、図６の操作と同一の時間間隔で実
行されるルーチンとして行われる。

【００５６】図９の操作では、図５、図６の操作で設定
された空燃比フラグＦ１の１から０への反転の時間間隔
を周期カウンタＣＯＸにより計時している。すなわち、
図９ステップ９０１、９０３では空燃比フラグＦ１が反
転したか否か（ステップ９０１）、反転した場合にはＦ
１＝１からＦ１＝０への反転か否か（ステップ９０３）
を判断し、Ｆ１の値が１から０に反転した場合にはステ
ップ９０７でそのときの計時カウンタＣＯＸの値をＴＯ
Ｘとして記憶し、ステップ９０９でカウンタＣＯＸの値
をクリアする。一方、ステップ９０１、９０３でフラグ
Ｆ１が反転していない場合または１から０への反転でな
い場合には、ステップ９０５に進み計時カウンタＣＯＸ
の値を１だけ増加させる。すなわち、計時カウンタＣＯ
Ｘの値はＦ１の値が１から０に反転する毎に０にセット
され、その後本操作実行毎に１増加される。そして、次
にＦ１の値が１から０に反転すると再度ＣＯＸの値を０
にクリアする前にそのときのＣＯＸの値がＴＯＸとして
記憶される。このため、ＴＯＸの値はＦ１の値が１から
０に反転する間隔、つまりリッチスキップが生じる間隔
（空燃比フィードバック制御周期）を表す値になる。

【００５７】上記により今回のフィードバック制御周期
ＴＯＸを計時後、ステップ９１１では、フィードバック
制御周期のなまし計算（加重平均）が行われ、フィード
バック制御周期のなまし値ＴＦＢが、ＴＦＢ＝ＴＦＢ＋
（ＴＯＸ−ＴＦＢ）／Ｋとして算出される。ここで、Ｋ
はなまし係数（重み付係数）であり、１より大きい定数
である。ステップ９１１でＴＦＢを算出後、ステップ９
１３ではＴＦＢの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納
され、本操作は終了する。

【００５８】図１０は、本実施形態におけるフィードバ
ック制御周期に基づく空燃比制御定数の補正操作を示す
フローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一
定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。本操作
では、図９の操作で求めたフィードバック制御周期ＴＦ
Ｂに基づいてリッチスキップ量ＲＳＲの値を補正する場
合を示している。図１０の操作では、図９で算出された
フィードバック制御周期ＴＦＢをバックアップＲＡＭ１
０６から読み込んで（ステップ１００１）、ＴＦＢの値
に応じてＲＳＲの値を設定し（ステップ１００３）、同
時にＲＳＬの値を、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして設定
する（ステップ１００５）。

【００５９】図１１は、ステップ１００３で用いられる
ＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１１に示す
ように、本実施形態ではフィードバック制御周期ＴＦＢ
の値が大きいほど（すなわちセンサ触媒の触媒能力が大
きいほど）ＲＳＲは小さな値に設定される。前述のよう
に、制御定数ＲＳＲの値が小さく設定されるほど空燃比
はリーン側に補正されるようになる。このため、センサ
触媒の触媒能力が大きく空燃比のリッチ側へのシフト量
が大きいほどＲＳＲの値は小さく設定されるようにな
り、機関空燃比はリーン側に大きく補正されるようにな
る。図１１の関係は、センサ触媒やセンサの種類、機関
のタイプ等により異なってくる。このため、本実施形態
では劣化程度が異なるセンサ触媒を使用して実際の機関
で実験を行い、センサ触媒劣化程度とフィードバック制
御周期ＴＦＢとの関係、及びセンサ触媒劣化程度と空燃
比を目標空燃比に補正するために必要なＲＳＲとの値を
求めてある。そして、フィードバック制御周期と必要な
ＲＳＲの値との関係を表す図１１の関係を予めＲＳＲと
ＴＦＢとを用いた数値テーブルの形でＥＣＵ１０のＲＯ
Ｍ１０４に格納してある。ステップ１００３では、この
数値テーブルを用いて、ＴＦＢの値からＲＳＲの値が決
定される。

【００６０】なお、図１０は制御定数としてスキップ量
ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について示したが、前
述したように、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間Ｔ
ＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧Ｖ_R のいずれかをフィードバ
ック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても
同様な効果を得ることができる。また、これら制御定数
の２つ以上を同時にフィードバック制御周期ＴＦＢの値
に応じて補正するようにしても良い。これらの場合も、
フィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（センサ触
媒の触媒能力が大きいほど）ＫＩＲ、ＴＤＲ、Ｖ_R の値
は小さくなるように設定し、センサ触媒能力が大きいほ
ど機関空燃比がリーン側に補正されるようにする。 （２）第２の実施形態 次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記
第１の実施形態では、空燃比フィードバック制御周期に
基づいてセンサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値を
補正することにより、センサ触媒の触媒能力の変化にか
かわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御している。と
ころが、センサ触媒の劣化が大幅に進み、触媒として機
能しなくなったような場合には、第１の実施形態の制御
を行うと問題が生じる場合がある。

【００６１】劣化によりセンサ触媒の触媒機能が失われ
たような場合には、Ｏ₂ センサ出力は従来のセンサ触媒
を持たないＯ₂ センサと同様に、排気中の水素濃度に大
きく影響を受けるようになる。この場合、前述したよう
にＯ₂ センサ出力は排気中の水素濃度が高いほどリッチ
空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れることに
なる。このため、図５、図６のような空燃比フィードバ
ック制御を行っていると、センサ触媒がある場合とは逆
に図７のリッチスパイクＲＳＲが生じるタイミングが遅
れてしまい、リーン積分係数ＫＩＬのために空燃比は大
きくリーン側に振れるようになる。このため、排気中の
水素濃度が高くなるほど空燃比フィードバック制御周期
は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするよう
になる。この場合には、水素濃度が高いほど、すなわち
フィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリッ
チ側にシフトさせるように制御定数を補正する必要があ
る。

【００６２】ところが、第１の実施形態では、センサ触
媒が触媒としての機能を失っていない場合を対象として
いるため、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなる
ほど空燃比をリーン側にシフトするように制御定数が補
正されてしまう。従って、第１の実施形態ではセンサ触
媒が劣化して機能しなくなったような場合に排気中の水
素濃度が高くなってフィードバック制御周期が大きくな
ると、水素の影響でリーン側にシフトしている空燃比を
更にリーン方向にシフトさせてしまうことになり、逆に
機関空燃比の制御誤差が大きくなる恐れがある。そこ
で、本実施形態では、まずセンサ触媒の劣化程度を判定
し、センサ触媒が触媒として機能していると判定された
場合には第１の実施形態と同じ制御定数の設定を行い、
センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失ったと判定
される場合には、逆にフィードバック制御周期が大きく
なるほど空燃比をリーン側にシフトする制御を行う。

【００６３】次に、本実施形態のセンサ触媒劣化有無の
判定方法について説明する。前述したように、センサ触
媒付Ｏ₂ センサではリーン空燃比からリッチ空燃比への
変化の検出に遅れが生じ、この遅れはセンサ触媒の触媒
能力が大きいほど大きく、触媒能力が低下するにつれて
小さくなる。そこで、本実施形態ではＯ₂ センサのリッ
チ空燃比検出の応答遅れを実際に計測することにより、
センサ触媒の劣化程度を判定するようにしている。

【００６４】図１２は、本実施形態のＯ₂ センサの応答
遅れ時間の検出原理を説明する図である。図１２におい
て、カーブ(A) は空燃比フィードバック制御中の空燃比
補正係数ＦＡＦの変化を、カーブ(B) はＯ₂ センサ出力
の変化を示している。前述のように、本実施形態では図
５、図６の空燃比制御が実行されているため、フィード
バック制御中ＦＡＦは図７カーブ(D) で説明したよう
に、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）による増減にスキップ
量（ＲＳＲ、ＲＳＬ）によるスキップ的な増減とが組み
合わされた変化をしている。ここで、図１２カーブ(A)
に示すようにＦＡＦにリッチスキップ変化（図１２にＲ
ＳＲで示す）が生じると、機関の燃料噴射量はスキップ
的に増大され、排気空燃比は大きくリッチ側に変化す
る。そして、このリッチ側への排気空燃比変化はある程
度の時間遅れΔＴの後、Ｏ₂ センサ１３出力の急増（カ
ーブ(B) 上にΔＶで示した部分）として現れる。この遅
れ時間ΔＴは、リッチスキップＲＳＲによりリッチ側に
空燃比が急変した排気が機関からＯ₂ センサ設置位置ま
で移動するのに要する時間とＯ₂ センサ自体の検出応答
遅れ時間との和になる。一方、機関から排出された排気
がＯ₂ センサ位置まで移動するのに要する時間は運転条
件（排気流量）が同一であれば常に一定である。また、
Ｏ₂ センサ自体の検出応答遅れはセンサ触媒の触媒能力
が低下するほど短くなる。このため、ある一定の運転条
件（機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭ）で上記遅れ時間Δ
Ｔを計測すれば、ΔＴの値からＯ₂ センサ自体の検出応
答遅れ時間を推定することが可能となる。本実施形態で
は、以下に説明する方法で遅れ時間ΔＴを計測し、遅れ
時間ΔＴが所定時間以下になったときにセンサ触媒が触
媒として機能しなくなる程度まで劣化したと判定するよ
うにしている。

【００６５】図１３は、本実施形態の応答遅れ時間ΔＴ
計測操作を示すフローチャートである。本操作は、図
５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実
行されるルーチンとして行われる。図１３において、操
作がスタートすると、まずステップ１３００では遅れ時
間検出条件が成立しているか否かが判定される。前述の
ように、遅れ時間ΔＴは、機関が一定の運転条件で運転
されている状態で計測する必要がある。このため、ステ
ップ１３００では、図５、図６の空燃比フィードバック
制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグ
ＸＭＦＢの値が１にセットされていること）機関１の運
転状態が予め定めた状態にあること、すなわち機関吸気
圧力ＰＭと回転数ＮＥとがそれぞれ予め定めた範囲にあ
る時（例えば機関１のアイドル状態に相当するとき）に
検出条件が成立したと判定するようにしている。ステッ
プ１３００で検出条件が成立しなかった場合には、ステ
ップ１３０３に進み、後述する計時カウンタＣＴの値を
クリアした後に本操作は直ちに終了する。

【００６６】ステップ１３００で検出条件が成立した場
合には、ステップ１３０１では図５、図６の操作で設定
される空燃比フラグＦ１の値が０か否かが判定され、Ｆ
１≠０（すなわちＦ１＝１）の場合にはステップ１３０
３で計時カウンタＣＴの値をクリアする。また、Ｆ１＝
０であった場合にはステップ１３０５でＯ₂ センサ１３
出力ＶＯを読み込むとともに、前回本操作を実行時から
のＯ₂ センサ出力増加量ΔＶＯを、ΔＶＯ＝ＶＯ−ＶＯ
_i-1 として算出する。ここで、ＶＯ_i-1 は前回本操作実
行時のＯ₂ センサ出力である。また、ステップ１３０７
では上記により算出した増加量ΔＶＯが所定量ΔＶ（図
１２）以上であるか否かを判定し、ΔＶＯ＜ΔＶであっ
た場合にはステップ１３０９で計時カウンタＣＴの値を
１だけ増大させる。これにより、計時カウンタＣＴの値
は、フラグＦ１がの値が１の間は０にセットされ、Ｆ１
の値が１から０に変化した時点（すなわちリッチスキッ
プＲＳＲが生じた時点）からΔＶＯ＜ΔＶが成立する限
り操作実行毎に１ずつ増大されることになる。

【００６７】従って、ステップ１３０７でΔＶＯ≧ΔＶ
が成立すると、その時点における計時カウンタＣＴの値
はリッチスキップＲＳＲが生じてからＯ₂ センサ１３出
力がΔＶ以上急増するまでの時間（すなわち図１２にお
ける遅れ時間ΔＴ）を表すことになる。本実施形態で
は、外乱等によるΔＴのばらつきを考慮して、このΔＴ
をステップ１３１３でさらになまし処理（加重平均処
理）した値をＯ₂ センサの応答遅れ時間ＴＤＣとして使
用している。なお、ステップ１３１３の算式中のＮはな
まし係数（重み付け係数）であり、１より大きな値とさ
れる。

【００６８】上記により遅れ時間ＴＤＣを算出した後、
ステップ１３１３では算出した遅れ時間ＴＤＣをＥＣＵ
１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納し、次回の演算
のためにステップ１３１５でＶＯ_i-1 の値を更新して本
操作は終了する。図１４は、本実施形態の制御定数補正
操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣ
Ｕ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行
われる。

【００６９】図１４において、操作がスタートすると、
ステップ１４０１では図１３の操作により算出された遅
れ時間ＴＤＣが読み込まれる。また、ステップ１４０３
では、図９の操作で算出されたフィードバック制御周期
ＴＦＢが読み込まれる。そして、ステップ１４０５で
は、遅れ時間ＴＤＣに基づいてセンサ触媒が触媒として
機能しない程度に劣化しているか否かが判定される。本
実施形態では、遅れ時間ＴＤＣが予め定めた基準値ＴＤ
Ｃ₀ 以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能し
ない程度まで劣化したと判定するようにしている。な
お、ＴＤＣ₀の値は、機関が図１３のステップ１３００
の検出条件で運転されている状態で、許容限界までセン
サ触媒が劣化したＯ₂ センサを使用した実験等により決
定される。なお、検出条件を機関の各運転領域毎に設定
してＴＤＣ₀ の値も各運転領域毎に決定しておけば、応
答遅れ時間の検出頻度を高めることができる。

【００７０】ステップ１４０５でセンサ触媒が正常であ
ると判定された場合（ＴＤＣ＞ＴＤＣ₀ ）には、ステッ
プ１４０７では図１０ステップ１００３と同様に図９の
操作で求められたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づ
いて、前述の図１１の関係からリッチスキップ量ＲＳＲ
の値が設定される。また、ステップ１４０５でセンサ触
媒が劣化したと判定された場合（ＴＤＣ≦ＴＤＣ₀ ）に
は、ステップ１４０９でセンサ触媒劣化時用のＲＳＲと
フィードバック制御周期ＴＦＢとの関係に基づいてＲＳ
Ｒの値が設定される。そして、ステップ１４１１ではス
テップ１４０７またはステップ１４０９で設定されたＲ
ＳＲの値に基づいてＲＳＬの値が設定されるのは図１０
の操作と同様である。

【００７１】図１５は、上記ステップ１４０９で使用さ
れるセンサ触媒劣化時のＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す
図である。図１５に示すように、センサ触媒劣化時には
フィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（すなわち
排気中の水素濃度が高いほど）ＲＳＲの値は大きく設定
され、図１１の場合とはＲＳＲのＴＦＢに対する増減傾
向が逆になっている。

【００７２】本実施形態によれば、センサ触媒の触媒能
力に応じて制御定数の値が補正されるのに加えて、セン
サ触媒が劣化して触媒としての機能を失った場合には排
気中の水素濃度に応じて制御定数の値が補正されるた
め、センサ触媒の劣化の有無や排気中の水素濃度にかか
わらず正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが
可能となっている。

【００７３】なお、図１４では制御定数としてスキップ
量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明した
が、第１の実施形態と同様制御定数としては、スキップ
量の代わりに、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）、遅れ時間
（ＴＤＲ、ＴＤＬ）、比較電圧（Ｖ_R ）を補正するよう
にしても同様な効果が得られる。この場合、センサ触媒
劣化時には、図１５の関係と同様にＫＩＲ、ＴＤＲ、Ｖ
_R の値はフィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほ
ど大きな値に設定される。また、上記制御定数の２つ以
上を同時に補正するようにしても良いのは第１の実施形
態の場合と同様である。 （３）第３の実施形態 次に、本発明の第３の実施形態について説明する。上記
第２の実施形態では、センサ触媒が劣化した場合につい
て考慮したが、実際のＯ₂ センサではセンサ触媒のみな
らずＯ₂ センサ自体が劣化する場合や、保護層（図２、
１３０７）の目詰まり等が生じる場合がある。Ｏ₂ セン
サの劣化（センサ電極の劣化）が生じると、Ｏ₂ センサ
のリーン空燃比検出応答性が低下する。また、保護層の
目詰まりが生じた場合も、酸素分子が保護層を通過しに
くくなるため、同様にＯ₂ センサのリーン空燃比検出応
答性が低下する。すなわち、Ｏ₂ センサ電極の劣化や保
護層の目詰まりが生じると空燃比フィードバック制御周
期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするよ
うになる。このため、前述の各実施形態のようにフィー
ドバック制御周期に基づいて制御定数の値を補正してい
ると、センサ触媒の能力の低下やセンサ自体の劣化（ま
たはセンサ保護層の目詰まり）、更にセンサ触媒の劣化
による触媒機能喪失と排気中の水素濃度の影響等の要素
が複雑に組み合わさった場合には正確な空燃比制御がで
きなくなる恐れがある。しかし、これらの場合にもＯ₂
センサ出力のリッチ空燃比検出遅れが大きくなるほど空
燃比がリッチ側に大きくシフトし、Ｏ₂ センサ出力のリ
ーン空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリーン側
に大きくシフトすることは変わらない。このため、実際
にＯ₂ センサのリッチ空燃比検出遅れ時間とリーン空燃
比検出遅れ時間との両方を検出し、これらの遅れ時間に
応じて空燃比制御の制御定数を補正するようにすれば、
フィードバック制御周期を用いることなく全ての場合に
正確な空燃比制御が可能となる。そこで、本実施形態で
は、図１３の操作によりＯ₂ センサ１３のリッチ空燃比
検出遅れ時間ＴＤＣを算出する他に、図１３と類似の方
法でＯ₂ センサ１３のリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳ
を算出し、これら両方の遅れ時間に基づいて制御定数の
値を補正するようにしている。

【００７４】図１６は、本実施形態におけるリーン空燃
比検出遅れ時間ＴＤＳの算出操作を説明するフローチャ
ートである。本操作は図５、図６の操作と同一の時間間
隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンにより行われ
る。図１６の操作では、リーンスキップＲＳＬが生じて
から（すなわち空燃比フラグＦ１の値が０から１に変化
した時から）（ステップ１６０１）Ｏ₂ センサ出力ＶＯ
がΔＶ以上の急減少を示すまでの時間を計時するカウン
タＣＴＳ（ステップ１６０３、１６０９）が使用される
点が図１３のフローチャートと相異している他は、図１
３のフローチャートと略同一である。また、今回計時し
た遅れ時間の値をなまし処理した値をリーン空燃比検出
遅れ時間ＴＤＳとして使用する点（ステップ１６１３）
も図１３の操作と同一であるので、ここでは詳細な説明
は省略する。

【００７５】図１７は上記遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとを
用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャ
ートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に
実行されるルーチンにより行われる。本操作では、図１
３で算出されたリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣと、図
１６で算出されたリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとを
それぞれバックアップＲＡＭ１０６から読み込み（図１
７、ステップ１７０１）、遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとに
基づいて、予め設定された関係からリッチスキップ量Ｒ
ＳＲを設定し（ステップ１７０３）、設定されたＲＳＲ
の値からリーンスキップ量ＲＳＬを算出する（ステップ
１７０５）。

【００７６】図１８は、ステップ１７０３でＲＳＲの値
の設定に用いるＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳの関係を示す図
である。図１８に示すように、ＲＳＲの値はリッチ空燃
比検出遅れ時間ＴＤＣが一定であればリーン空燃比検出
遅れ時間ＴＤＳが大きくなるほど大きな値（空燃比をリ
ッチ側にシフトさせる方向）とされ、またリーン空燃比
検出遅れ時間ＴＤＳが一定であればリッチ空燃比検出遅
れ時間ＴＤＣが大きくなるほど小さな値（空燃比をリー
ン側にシフトさせる方向）に設定される。図１８の関係
は、実際のＯ₂ センサ１３を用いて、センサ１３の遅れ
時間を変えて機関を運転する実験を行い、機関空燃比を
理論空燃比に維持するために必要なＲＳＲの値を決定し
ておくことにより求められる。本実施形態では図１８の
関係は、ＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳを用いた数値テーブル
として予めＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納されてお
り、図１７ステップ１７０３では、この数値テーブルか
らＲＳＲの値が決定される。

【００７７】本実施形態によれば、センサの劣化程度や
Ｏ₂ センサの劣化、保護層の目詰まり等によるセンサ出
力特性の変化があった場合でも正確に機関空燃比を理論
空燃比に制御することが可能となる。 （４）第４の実施形態 次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

【００７８】図１９は、本実施形態の概略構成を示す図
１と同様な図である。図１９において、図１と同じ参照
符号は同一の要素を示している。本実施形態において
も、図１と同様にシングルＯ₂ センサシステムが用いら
れているが、図１のＯ₂ センサ１３とは異なり、本実施
形態のＯ₂ センサ１９０にはセンサ触媒が設けられてい
ない点が図１の実施形態と相違する。また、本実施形態
では、ＥＣＵ１０は図１と同様に空燃比制御手段として
機能する他、排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出
手段及び、算出された水素濃度に基づいて首制御の制御
定数を補正する補正手段として機能している。なお、Ｏ
₂ センサ１９０の構成は、図２において触媒層１３０９
が設けられておらず、保護層１３０７が直接排気に接触
する構成であること以外は図２の構成と同様である。ま
た、本実施形態においても図４から図６及び図８で説明
した空燃比フィードバック制御が行われる。この場合、
本実施形態のＯ₂ センサ１９０にはセンサ触媒が設けら
れていないため、排気中に水素が生成されるとリーン空
燃比の検出遅れにより機関平均空燃比はリーン側にシフ
トすることになる。

【００７９】この場合、仮に機関１を理論空燃比で運転
するための燃料量に相当する空燃比補正係数ＦＡＦと学
習補正係数ＫＧとの合計（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０
であったとすると、水素の影響が生じると（ＦＡＦ＋Ｋ
Ｇ）の値は１．０より小さい値に設定されることにな
り、排気中の水素濃度が高くなるほど（ＦＡＦ＋ＫＧ）
の値は小さくなる。このため、本来（ＦＡＦ＋ＫＧ）の
値が１．０に較べてどのくらい小さくなっているかを監
視していれば排気中の水素濃度の影響を知ることができ
るはずである。しかし、実際には理論空燃比に相当する
（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は機関１の燃料噴射系統の要素の
特性のばらつき等により１．０から変化するため、必ず
しも（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を１．０と比較しても正確な
水素濃度の影響を知ることはできない。また、（ＦＡＦ
＋ＫＧ）の値は空燃比フィードバック制御により周期的
に変化しているため、各時点の（ＦＡＦ＋ＫＧ）からは
水素濃度の影響を知ることはできない。そこで、本実施
形態では、機関運転中に排気中の水素によるＯ₂ センサ
１９０の出力特性への影響を排除した状態で（ＦＡＦ＋
ＫＧ）の値の平均値を算出し、この水素の影響を受けな
い（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を基準値として使用する。排気
中の水素の影響を受けない状態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）
の平均値は必ず理論空燃比相当値に一致しているため、
この値を基準値として用いることにより運転中の空燃比
の理論空燃比からのずれを正確に算出することができ
る。すなわち、本実施形態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平
均値を平均空燃比特性値として使用し、この平均空燃比
特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する。

【００８０】次に、排気中の水素の影響を排除する方法
について説明する。図２で説明したように、Ｏ₂ センサ
にはセンサを加熱して早期に活性化させるための電気ヒ
ータ１３１１が設けられている。通常、このセンサは冷
間始動時等に使用され、排気温度が上昇してヒータを用
いなくてもセンサ温度を活性化温度（例えば３００℃程
度）に維持できる状態になると通電を停止している。本
実施形態では、この電気ヒータを用いてセンサ温度を通
常より高温（例えば６００℃以上）まで加熱することに
より水素の影響を排除している。センサ温度が高温にな
ると、排気中の水素はセンサ保護層外側で酸素と反応す
るようになり、センサ触媒を用いずに排気を平衡化する
ことができる。このため、センサ温度を高温に維持した
状態で図８の学習補正係数ＫＧを算出し、（ＦＡＦ＋Ｋ
Ｇ）の平均値を求めておくことにより、水素の影響を排
除した状態での理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）
基準値を設定することができる。なお、センサを常時高
温に維持しておけば排気中の水素の有無にかかわらず正
確な空燃比制御が可能となるが、実際にはセンサを長時
間高温に維持すると電極や固体電解質の劣化が促進され
てしまうため、常時センサを加熱することは好ましくな
い。そこで、本実施形態では、定期的に（例えば機関始
動毎に）短時間ヒータを高温に制御してＯ₂ センサ温度
を上昇させて（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値を求め、その後
は通常のヒータ制御を行うようにしてセンサの劣化が生
じることを防止している。

【００８１】本実施形態では、通常の運転時（センサを
加熱していない状態）に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値
を算出し、この平均値と上記により求めた基準値の差に
基づいて排気中の水素濃度を算出すると共に、水素濃度
に応じた値に制御定数を設定するようにしている。図２
０は、本実施形態における（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値Ｆ
ＡＦＫＧ₀ の算出操作を説明するフローチャートであ
る。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行される
ルーチンにより行われる。

【００８２】図２０において操作がスタートすると、ス
テップ２００１では基準値算出完了フラグＸＧの値が１
にセットされているか否かが判定され、ＸＧ＝１であっ
た場合には更に基準値ＦＡＦＫＧ₀ を算出することなく
直ちに操作を終了する。ＸＧは機関始動時に０にリセッ
トされるフラグであり、基準値ＦＡＦＫＧ₀ の演算が完
了した後ステップ２０１７で１にセットされる。このた
め、基準値ＦＡＦＫＧ ₀ の算出は機関始動毎に１回行わ
れるようにされ、頻繁なＯ₂ センサ加熱によるセンサ劣
化が防止される。

【００８３】ステップ２００１で基準値算出完了フラグ
ＸＧの値が１にセットされていない場合には、機関始動
後まだ基準値が算出されていないため、ステップ２００
３から２０１７の基準値算出操作が行われる。すなわ
ち、ステップ２００３では基準値算出条件が成立してい
るか否かが判定され、条件が成立していない場合にはス
テップ２０１７に進み、ヒータ１３１１の通常制御を行
う。すなわち、機関始動後等のセンサ温度が低い場合に
はヒータが通電され、センサの活性化温度までセンサが
昇温される。ここで、基準値算出条件は、図５、図６の
フィードバック制御が実行中であること（図６ステップ
５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされているこ
と）、機関が定常運転中であり空燃比補正係数ＦＡＦの
値が安定していること、等である。

【００８４】ステップ２００３で基準値算出条件が成立
していた場合には、ステップ２００５で電気ヒータ１３
１１の高温制御が行われる。ヒータの高温制御は通常の
ヒータ制御より大きい電流を電気ヒータ１３１１に供給
することにより行われる。そして、ステップ２００７で
はセンサが高温（例えば６００℃以上）に到達したか否
かが判定される。センサ温度の判定は、実際にセンサ温
度を測定することによってもよいが、例えばヒータの高
温制御を開始してから予め定めた時間が経過したか否か
によりセンサが高温に到達したか否かを判定するように
しても良い。

【００８５】ステップ２００７でセンサ温度が高温に到
達していた場合には、次にステップ２００９でセンサ高
温状態での学習補正係数ＫＧの学習が完了したか否かが
判定される。本実施形態では、図５、図６の空燃比フィ
ードバック制御とともに、常に図８の学習制御が実行さ
れており、センサが高温になって排気中の水素の影響が
なくなりＦＡＦの値が変化すると図８の学習制御によ
り、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦ
ＡＶ＜１＋αの範囲に収束するまでＫＧの値が調節され
る。ステップ２００９では、図８で算出したＦＡＦＡＶ
の値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束した
場合にＫＧの学習が終了したと判定するようにしてい
る。なお、ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達
していない場合、及びステップ２００９で学習が完了し
ていない場合には、以下の操作を実行せず、直ちに操作
を終了する。

【００８６】ステップ２００９でＫＧの学習が完了する
と、次にステップ２０１１では、図８の操作で算出され
たＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶ（図８ステップ８０９）と
ＫＧ（図８ステップ８１９）とから基準値ＦＡＦＫＧ₀
が、ＦＡＦＫＧ₀ ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出され
る。基準値ＦＡＦＫＧ₀ 算出後、ステップ２０１５では
基準値ＦＡＦＫＧ₀ の値がＥＣＵ１０のバックアップＲ
ＡＭ１０６に格納され、ステップ２０１７ではヒータ１
３１１の高温制御を停止して通常のヒータ制御が再開さ
れる。

【００８７】図２０の操作により、機関始動毎にＯ₂ セ
ンサ１９０への排気中の水素の影響を排除した状態で基
準値ＦＡＦＫＧ₀ が算出され、バックアップＲＡＭ１０
６に格納されるようになる。図２１は、図２０により算
出した基準値ＦＡＦＫＧ₀ を用いた空燃比制御定数の補
正操作を説明するフローチャートである。本操作は、Ｅ
ＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより
行われる。

【００８８】本操作では、現在のＦＡＦの平均値ＦＡＦ
ＡＶとＫＧとの和ＦＡＦＫＧ＝（ＦＡＦＡＶ＋ＫＧ）と
基準値ＦＡＦＫＧ₀ との差ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−
ＦＡＦＫＧ₀ に基づいて、制御定数ＲＳＲの値が設定さ
れる。すなわち、ΔＦＡＦＫＧは排気中に水素が存在す
ると負の値をとり空燃比は理論空燃比よりリーン側に制
御される。また、ΔＦＡＦＫＧの値が負の大きな値をと
るほど排気中の水素濃度が高く、空燃比のリーン側への
シフトが大きくなっている。そこで、本実施形態では、
ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値をとるほどＲＳＲを増大さ
せて空燃比をリッチ側に補正するようにしている。

【００８９】図２１において、ステップ２１０１は制御
定数補正の実行条件が成立しているか否かの判定を示
す。ステップ２１０１では、現在ＫＧの学習が完了して
いる場合（すなわち、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶが１−
α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束しているか場
合）、及び基準値ＦＡＦＫＧ₀ の算出が完了している場
合（すなわち基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセッ
トされている場合）に補正実行条件が成立したと判定さ
れ、上記条件のいずれか１つ以上が成立していない場合
にはステップ２１０３から２１０９の補正を行わず直ち
に操作を終了する。

【００９０】ステップ２１０１で補正実行条件が成立し
ていた場合には、次にステップ２１０３で、図８の操作
で算出された平均値ＦＡＦＡＶと学習補正係数ＫＧとの
和ＦＡＦＫＧが、ＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして
算出される。そして、ステップ２１０５では、ＦＡＦＫ
Ｇと基準値ＦＡＦＫＧ₀ との差ΔＦＡＦＫＧが、ΔＦＡ
ＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ₀ として算出される。

【００９１】次に、ステップ２１０７では上記により算
出したΔＦＡＦＫＧの値に基づいてリッチスキップ量Ｒ
ＳＲが設定され、ステップ２１０９ではリーンスキップ
量ＲＳＬの値が、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして算出さ
れる。図２２は、ステップ２１０７でＲＳＲの値の設定
に用いられるＲＳＲとΔＦＡＦＫＧ及び排気中の水素濃
度との関係を示す図である。図２２に示すように、ΔＦ
ＡＦＫＧが負の大きな値になるほど排気中の水素濃度が
増大しており、空燃比はリーン側にシフトしているた
め、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほどリッチスキ
ップ量ＲＳＲは大きな値になるように設定される。

【００９２】なお、図２１、図２２ではΔＦＡＦＫＧに
基づいてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合に
ついて説明したが、スキップ量に代えて、またはスキッ
プ量とともに、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間Ｔ
ＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧Ｖ _R 等の制御定数をΔＦＡＦ
ＫＧに基づいて図２２と同様に補正するようにしても同
様な効果を得ることができる。

【００９３】以上、本発明をＯ₂ センサを使用したシン
グル空燃比センサシステムに適用した実施形態について
説明したが、上述の各実施形態の制御は、酸素濃度に基
づいて空燃比を検出する他の空燃比センサ、例えばリニ
ア空燃比センサにも適用できることは言うまでもない。

【００９４】

【発明の効果】各請求項に記載の発明では、排気中の水
素による空燃比センサ出力への影響を排除して、常に機
関空燃比を正確に目標空燃比に制御することを可能とす
る共通の効果を奏する。すなわち、請求項１から４に記
載の発明では、空燃比センサに到達する排気を平衡化す
るセンサ触媒を設け、水素の空燃比センサ出力への影響
を排除するとともに、センサ触媒の能力変化による影
響、さらには空燃比センサ自体の出力特性変化の影響
（請求項４）をも排除することにより正確な空燃比制御
を可能とする効果を奏している。

【００９５】また、請求項５の発明では、センサ触媒を
用いずに通常の空燃比センサを使用しながら、排気中の
水素濃度を算出して水素濃度に応じて空燃比制御の制御
特性を変化させることにより、排気中の水素の影響を排
除して正確な空燃比制御を行うことを可能とする効果を
奏している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した一実施形
態の概略構成を示す図である。

【図２】図１の実施形態に使用する触媒付センサの概略
構成を示す図である。

【図３】Ｏ₂ センサの一般的出力特性を説明する図であ
る。

【図４】図１の実施形態の燃料噴射量演算操作を説明す
るフローチャートである。

【図５】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操
作を説明するフローチャートの一部である。

【図６】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操
作を説明するフローチャートの一部である。

【図７】図５、図６の空燃比フィードバック制御による
空燃比変動を説明するタイミングチャートである。

【図８】図１の実施形態の学習補正係数ＫＧ設定操作を
説明するフローチャートである。

【図９】本発明の第１の実施形態におけるフィードバッ
ク制御周期検出操作を説明するフローチャートである。

【図１０】本発明の第１の実施形態における空燃比制御
定数補正操作を説明するフローチャートである。

【図１１】図１０の操作の制御定数の補正に使用する関
係を説明するチャートである。

【図１２】センサ触媒の能力判定原理を説明するタイミ
ングチャートである。

【図１３】Ｏ₂ センサのリッチ空燃比検出遅れ時間検出
操作を説明するフローチャートである。

【図１４】本発明の第２の実施形態における制御定数補
正操作を説明するフローチャートである。

【図１５】図１４の操作の制御定数の補正に使用する関
係を説明するチャートである。

【図１６】Ｏ₂ センサのリーン空燃比検出遅れ時間検出
操作を説明するフローチャートである。

【図１７】本発明の第３の実施形態における制御定数補
正操作を説明するフローチャートである。

【図１８】図１７の操作の制御定数の補正に使用する関
係を説明するチャートである。

【図１９】本発明を自動車用内燃機関に適用した、図１
とは異なる実施形態の概略構成を示す図である。

【図２０】図１９の実施形態における空燃比補正係数の
基準値ＦＡＦＫＧ₀ の算出操作を説明するフローチャー
トである。

【図２１】本発明の第４の実施形態における制御定数補
正操作を説明するフローチャートである。

【図２２】図２１の操作の制御定数の補正に使用する関
係を説明するチャートである。

【符号の説明】

１…内燃機関 ２…吸気管 ３…吸気管圧力センサ ５、６…クランク回転角センサ ７…燃料噴射弁 １０…ＥＣＵ（電子制御ユニット） １３…触媒付Ｏ₂ センサ １５…排気浄化触媒 １９０…Ｏ₂ センサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に配置された排気浄
   化触媒と、 前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中
   の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比セ
   ンサと、 前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空
   燃比に制御する空燃比制御手段と、 前記空燃比センサに到達する排気中の可燃成分を排気中
   の酸素と反応させて排気を平衡化するセンサ用触媒と、 前記空燃比センサ出力の応答遅れに関連する遅れ特性値
   を検出する特性値検出手段と、 前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力を判
   定する判定手段と、 前記判定手段の判定結果に基づいて、前記空燃比制御手
   段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手
   段と、 を備えた内燃機関の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】 前記空燃比制御手段は、機関に供給する
   燃料量を補正する空燃比補正係数を前記空燃比センサ出
   力に基づいてフィードバック制御し、前記特性値検出手
   段は、前記空燃比制御手段のフィードバック制御周期も
   しくは前記空燃比補正係数に基づいて前記遅れ特性値を
   検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】 前記特性値検出手段は、前記空燃比セン
   サ出力値に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１
   に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 【請求項４】 前記判定手段は、前記特性値に基づいて
   前記センサ用触媒の触媒能力とともに、前記空燃比セン
   サの出力特性の変化を判定し、前記補正手段は、前記判
   定手段の判定した触媒能力と空燃比センサの出力特性の
   変化とに基づいて前記制御定数を補正する請求項１に記
   載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 【請求項５】 内燃機関の排気通路に配置された排気浄
   化触媒と、 前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中
   の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比セ
   ンサと、 前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空
   燃比に制御する空燃比制御手段と、 前記空燃比センサ出力に基づいて、機関の平均空燃比を
   表す平均空燃比特性値を算出するとともに、該平均空燃
   比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する水素濃
   度算出手段と、 前記算出された水素濃度に基づいて前記空燃比制御手段
   の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段
   と、 を備えた内燃機関の空燃比制御装置。