JPWO2012035622A1 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明の空燃比制御装置は、判定手段と、逆方向補正導入手段と、を備えている。前記判定手段は、下流側空燃比センサの出力が、理論空燃比に対応する目標値を中心とした所定範囲内にあるか否かを判定する。前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、当該出力によって要求される方向の空燃比補正に対して、当該方向とは逆方向の空燃比補正を一時的に導入する。

Description

本発明は、空燃比制御装置（内燃機関の空燃比を制御する装置）に関する。

この種の装置として、排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御するものが、従来広く知られている（例えば、特開平６−３１７２０４号公報、特開２００３−３１４３３４号公報、特開２００４−１８３５８５号公報、特開２００５−２７３５２４号公報、等参照。）。前記上流側空燃比センサは、気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒（２つ以上設けられている場合は最上流のもの）よりも、排気流動方向における上流側に設けられている。また、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒よりも、前記排気流動方向における下流側に設けられている。

かかる装置における前記下流側空燃比センサとしては、理論空燃比前後でステップ状の応答（Ｚ特性：理論空燃比よりもリッチ側とリーン側との間で出力が急変する態様でステップ的に出力が変化する特性）を示す、いわゆる酸素センサ（Ｏ_２センサとも称される）が広く用いられている。一方、前記上流側空燃比センサとしては、上述の酸素センサや、出力が空燃比に対して比例的に変化する、いわゆるＡ／Ｆセンサ（リニアＯ_２センサとも称される）が、広く用いられている。

かかる装置においては、前記上流側空燃比センサからの出力信号に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が目標空燃比になるように、燃料噴射量がフィードバック制御される（以下、この制御を「メインフィードバック制御」と称する。）。また、このメインフィードバック制御と併せて、前記下流側空燃比センサからの出力信号を燃料噴射量にフィードバックする制御も行われる（以下、この制御を「サブフィードバック制御」と称する。）。

具体的には、メインフィードバック制御においては、前記上流側空燃比センサからの出力に対応する排気の空燃比と目標空燃比との偏差に応じて、フィードバック補正量が算出される。一方、サブフィードバック制御においては、前記下流側空燃比センサからの出力信号に基づいてサブフィードバック量（サブフィードバック補正量）が算出される。そして、このサブフィードバック量をメインフィードバック制御にさらにフィードバックすることで、前記上流側空燃比センサからの出力に対応する排気の空燃比と目標空燃比との偏差が補正される。

ところで、前記排気浄化触媒としては、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）や水素炭化物（ＨＣ）等の未燃成分及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に除去可能な、いわゆる三元触媒が広く用いられている。かかる三元触媒は、酸素吸蔵機能あるいは酸素貯蔵機能と称される機能を有している。この機能は、（１）燃料混合気の空燃比がリーンである場合に、排気中の窒素酸化物から酸素を奪うことで窒素酸化物を還元して、この奪った酸素を内部に吸蔵（貯蔵）するとともに、（２）燃料混合気の空燃比がリッチである場合に、吸蔵されている酸素を排気中の未燃成分の酸化のために放出する、という機能である。

この種の三元触媒の排気浄化能力である上述の酸素吸蔵機能は、酸素の吸蔵と放出との繰り返しによって触媒物質（貴金属）を活性化させることで、高く維持することができる。そこで、この種の装置において、前記三元触媒における酸素の吸蔵と放出との繰り返しを生じさせるために、排気の空燃比すなわち燃料混合気の空燃比を強制振動させる技術（パータベーション制御）が知られている（例えば、特開平８−１８９３９９号公報、特開２００１−１５２９１３号公報、特開２００５−７６４９６号公報、特開２００７−２３９６９８号公報、特開２００７−５６７５５号公報、特開２００９−２１７０号公報、等参照。）。

この種の装置において、前記三元触媒の酸素吸蔵機能を最大限活用することで、効率的な排気浄化が行われる（特開２０００−４９３０号公報参照）。また、前記下流側空燃比センサの出力の急変を可及的に抑制することで、エミッションを抑制することが可能になる。さらに、上述のような空燃比の強制振動制御は、適切な時期に行われないと、かえってエミッションの悪化が生じる懸念がある。これらの点において、従来のこの種の装置には、まだまだ改善の余地があった。

＜構成＞
本発明の空燃比制御装置は、排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御するように構成されている。ここで、前記上流側空燃比センサは、気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも、排気流動方向における上流側に設けられている。また、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒よりも、前記排気流動方向における下流側に設けられている。かかる下流側空燃比センサとしては、理論空燃比前後でステップ状の応答を示す、起電力式（酸素濃淡起電力式あるいは濃淡電池式）の酸素濃度センサが用いられ得る。

本発明の特徴は、前記空燃比制御装置が、
・前記下流側空燃比センサの出力が、理論空燃比に対応する目標値を中心とした（振幅よりも小さい）所定範囲内にあるか否かを判定する、判定手段と、
・前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、当該出力によって要求される方向の補正（以下、「順方向補正」と称する。）とは逆方向の空燃比補正（以下、「逆方向補正」と称する。）を一時的に導入する、逆方向補正導入手段と、
を備えたことにある。

具体的には、例えば、前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力がリッチ側となりリーン方向の前記順方向補正が要求される時に前記逆方向補正としてのリッチスパイクを導入する一方、前記下流側空燃比センサの出力がリーン側となりリッチ方向の前記順方向補正が要求される時に前記逆方向補正としてのリーンスパイクを導入するようになっていてもよい。なお、前記逆方向補正は、１回の前記順方向補正に対して、複数回導入され得る。

前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力が（前記所定範囲内であっても）リーン領域とリッチ領域との間で反転した後所定時間経過前は前記逆方向補正の導入を禁止し、前記所定時間経過後に前記逆方向補正の導入を実行するようになっていてもよい。すなわち、前記逆方向補正導入手段は、或る方向の前記順方向補正が開始されてから前記所定時間経過後であって、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、前記逆方向補正の導入を実行するようになっていてもよい。

また、前記逆方向補正導入手段は、急加速又は急減速時には、前記逆方向補正の導入を制限（具体的には禁止あるいはスパイク量を低減）するようになっていてもよい。

前記空燃比制御装置は、さらに、前記内燃機関の運転状態（具体的には温度や吸入空気流量）に応じて前記所定範囲を変更する範囲変更手段を備えていてもよい。

＜作用・効果＞
上述のような構成を備えた本発明の空燃比制御装置においては、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒から排出された（流出してきた）排気における酸素濃度に対応した出力を生じる。ここで、排気が前記排気浄化触媒に流入すると、酸素の吸蔵・放出反応は排気流動方向における上流端側（前端側あるいは排気流入側）から生じ、反応部位は徐々に下流端側（後端側あるいは排気流出側）に向けて移動する。

そして、前記排気浄化触媒の全体にて（すなわち上流端から下流端まで）酸素の吸蔵又は放出反応が飽和して排気が処理しきれなくなったときに、当該排気浄化触媒における排気の吹き抜けが生じる。このとき、一般的には、前記下流側空燃比センサに達する排気中の酸素濃度が急変し、これにより前記下流側空燃比センサの出力も急変する。

これに対し、本発明の空燃比制御装置においては、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、前記逆方向補正が導入される。これにより、前記順方向補正に伴う前記下流側空燃比センサの出力の変化が緩やかにされるとともに、不用意な排気エミッションの悪化が良好に抑制される。

より詳細に説明すると、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲外（すなわちリッチ側あるいはリーン側の最大値の付近）である場合には、前記排気浄化触媒における酸素の吸蔵又は放出は、ほぼ飽和している。よって、この場合、前記逆方向補正が導入されることなく、前記順方向補正が通常通り行われる。これにより、前記排気浄化触媒の排気流動方向における上流端側にて、前記順方向補正に伴う排気が流入して酸素の吸蔵又は放出が行われることで上述の飽和状態が解消され、その後に前記逆方向補正が行われた際に、当該逆方向補正に伴う排気の浄化処理が可能となる。したがって、前記逆方向補正の導入に伴う排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。

前記逆方向補正が導入されると、前記排気浄化触媒においては、当該逆方向補正に伴う排気が排気流動方向における上流部にて適宜浄化されつつ、中流部及び下流部にて前記順方向補正に伴う酸素の吸蔵又は放出反応が徐々に進行する。これにより、中流部及び下流部における、前記順方向補正に伴う排気の酸素濃度変化が、緩やかにされる。よって、前記順方向補正に伴う前記下流側空燃比センサの出力の変化が、緩やかにされる。さらに、空燃比変化に対する前記下流側空燃比センサの出力変化が（比較的）急峻な前記所定範囲内にて、前記逆方向補正が導入されることで、前記下流側空燃比センサの出力の急激な変化が良好に抑制される。

また、本発明の空燃比制御装置においては、前記排気浄化触媒における酸素吸蔵機能を最大限活用することで、より効率的な排気浄化が行われる。この理由は、以下の通り考えられる。

具体的には、例えば、前記下流側空燃比センサの出力がリッチ側からリーン側に反転すると、リッチ方向の前記順方向補正が要求される。この出力反転時点において、前記排気浄化触媒における酸素吸蔵は、完全に飽和している。

リッチ方向の前記順方向補正が開始されると、前記排気浄化触媒に流入する排気がリッチ化される。これにより、前記排気浄化触媒にて、リッチ空燃比の排気中の未燃成分の酸化に伴って、吸蔵酸素が放出される。かかる酸素放出（すなわち還元）は、当該排気浄化触媒の、排気流動方向における上流端側から生じる。排気流動方向における上流側にて酸素放出が飽和するにつれて、酸素放出部位は、徐々に下流側に移動していく。

ここで、本発明においては、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合、前記下流側空燃比センサの出力に基づくリッチ要求の前記順方向補正とは逆の、リーン方向の前記逆方向補正が、一時的に（例えばリーンスパイクとして）導入される。すると、前記排気浄化触媒の排気流動方向における上流部（上流端部）にて、一時的に導入されたリーン空燃比の排気が浄化されるとともに、酸素が吸蔵される。一方、平均的な排気の空燃比は依然としてリッチであるので、酸素放出部位は、前記排気浄化触媒の排気流動方向における下流側に向けて徐々に移動していく。よって、前記排気浄化触媒においては、排気流動方向における上流部にて前記逆方向補正に伴う排気が適宜処理されつつ、中央部及び下流部における酸素放出能力が万遍なく活用される。

前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内であっても、前記下流側空燃比センサの出力がリーン領域とリッチ領域との間で反転した後前記所定時間経過前は、前記排気浄化触媒における酸素の吸蔵又は放出が、ほぼ飽和している。このため、前記所定時間経過前は前記逆方向補正の導入を禁止して当該所定時間経過後に前記逆方向補正の導入を実行することで、前記逆方向補正の導入に伴う排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。

急加速又は急減速時には、排気の空燃比に対して大きな外乱が生じる。そこで、このとき、前記逆方向補正の導入を制限（禁止あるいはスパイク量を低減）することで、前記逆方向補正の導入に伴う排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。

前記下流側空燃比センサは、前記内燃機関の運転状態に応じて出力特性が変化する。具体的には、前記下流側空燃比センサは、高温になるほど、理論空燃比に対応する基準電圧（前記目標値に対応する）を中心とした出力電圧の振幅が小さくなる。また、前記下流側空燃比センサは、吸入空気流量が大きいほど、上述の振幅が小さくなる。そこで、前記内燃機関の運転状態に応じて前記所定範囲を変更することで、より良好な空燃比制御が行われ得る。

以上の通り、本発明によれば、前記順方向補正に伴う前記下流側空燃比センサの出力の変化が緩やかにされるとともに、不用意な排気エミッションの悪化が良好に抑制される。また、本発明によれば、前記排気浄化触媒における酸素吸蔵機能を最大限活用することで、より効率的な排気浄化が行われる。

図１は、本発明の一実施形態が適用された内燃機関システムの全体構成を示す概略図である。 図２は、図１に示されている上流側空燃比センサの出力と空燃比との関係を示したグラフである。 図３は、図１に示されている下流側空燃比センサの出力と空燃比との関係を示したグラフである。 図４は、本実施形態において実行される制御の内容を示したタイミングチャートである。 図５は、図１に示されているＣＰＵによって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。 図６は、図１に示されているＣＰＵによって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。 図７は、図１に示されているＣＰＵによって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。 図８は、図１に示されているＣＰＵによって実行される処理の他の具体例を示すフローチャートである。 図９は、図１に示されているＣＰＵによって実行される処理のさらに他の具体例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件（記述要件・実施可能要件）を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。

よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態に対して施され得る各種の変更（変形例：modification）は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜システムの構成＞
図１は、本発明の適用対象であるピストン往復動型の火花点火式複数気筒４サイクルエンジン１（以下、単に「エンジン１」と称する。）と、本発明の空燃比制御装置の一実施形態であるエンジン制御装置２と、を含むシステムＳ（車両）の概略構成を示す図である。なお、図１には、エンジン１の特定の気筒における、気筒配列方向と直交する面による断面図が示されている（他の気筒における構成も同様であるものとする。）。

＜＜エンジン＞＞
図１を参照すると、エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、を備えている。シリンダブロック１１の一端部（図中上端部）には、シリンダヘッド１２が接合されている。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とは、図示しないボルト等によって互いに固定されている。また、エンジン１には、吸気通路１３及び排気通路１４が接続されている。

シリンダブロック１１には、略円柱形状の貫通孔であるシリンダ１１１が形成されている。上述の通り、シリンダブロック１１には、複数のシリンダ１１１が、気筒配列方向に沿って一列に配置されている。各シリンダ１１１の内側には、ピストン１１２が、シリンダ１１１の中心軸（以下、「シリンダ中心軸」と称する。）に沿って往復移動可能に収容されている。

シリンダブロック１１内には、クランクシャフト１１３が、気筒配列方向と平行に配置されつつ、回転可能に支持されている。クランクシャフト１１３は、ピストン１１２のシリンダ中心軸に沿った往復移動に基づいて回転駆動されるように、コンロッド１１４を介してピストン１１２と連結されている。

シリンダヘッド１２における、シリンダブロック１１側の端面には、複数の凹部が、各シリンダ１１１に対応する位置に設けられている。すなわち、シリンダヘッド１２がシリンダブロック１１に接合及び固定された状態における、ピストン１１２の頂面よりもシリンダヘッド１２側（図中上側）のシリンダ１１１の内側の空間と、上述の凹部の内側の空間と、によって、燃焼室ＣＣが形成されている。

シリンダヘッド１２には、吸気ポート１２１及び排気ポート１２２が、燃焼室ＣＣに連通するように設けられている。吸気ポート１２１には、インテークマニホールドやサージタンク等を含む吸気通路１３が接続されている。同様に、排気ポート１２２には、エキゾーストマニホールドを含む排気通路１４が接続されている。

また、シリンダヘッド１２には、吸気バルブ１２３と、排気バルブ１２４と、吸気バルブ制御装置１２５と、排気カムシャフト１２６と、点火プラグ１２７と、イグナイタ１２８と、インジェクタ１２９と、が装着されている。

吸気バルブ１２３は、吸気ポート１２１を開閉する（すなわち吸気ポート１２１と燃焼室ＣＣとの連通状態を制御する）ためのバルブである。排気バルブ１２４は、排気ポート１２２を開閉する（すなわち排気ポート１２２と燃焼室ＣＣとの連通状態を制御する）ためのバルブである。

吸気バルブ制御装置１２５は、図示しない吸気カム及び吸気カムシャフトの回転角度（位相角度）を制御するための機構を備えていて、吸気バルブ１２３の開弁期間（開弁クランク角幅）を一定にしつつ開弁時期（吸気バルブ開弁時期）ＶＴを変更し得るように構成されている。かかる吸気バルブ制御装置１２５の具体的な構成については周知なので、本明細書においてはその説明を省略する。排気カムシャフト１２６は、排気バルブ１２４を駆動するように構成されている。

点火プラグ１２７は、その先端部の火花発生電極が、燃焼室ＣＣ内に露出するように設けられている。イグナイタ１２８は、点火プラグ１２７に与える高電圧を発生するためのイグニッションコイルを備えている。インジェクタ１２９は、燃焼室ＣＣ内に供給するための燃料を、吸気ポート１２１内にて噴射するように、構成及び配置されている。

＜＜吸排気通路＞＞
吸気通路１３における、エアフィルタ１３１と吸気ポート１２１との間の位置には、吸気通路１３の開口断面積を可変とするためのスロットルバルブ１３２が装着されている。このスロットルバルブ１３２は、ＤＣモータからなるスロットルバルブアクチュエータ１３３によって回転駆動されるように構成されている。

排気通路１４には、上流側触媒コンバータ１４１及び下流側触媒コンバータ１４２が装着されている。本発明の「排気浄化触媒」に相当する、上流側触媒コンバータ１４１は、燃焼室ＣＣから排気ポート１２２に排出された排気が最初に流入する排気浄化触媒装置であって、下流側触媒コンバータ１４２よりも排気流動方向における上流側に設けられている。上流側触媒コンバータ１４１及び下流側触媒コンバータ１４２は、酸素吸蔵機能を有する三元触媒を内部に備えていて、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）や水素炭化物（ＨＣ）等の未燃成分及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能に構成されている。

＜＜制御装置＞＞
エンジン制御装置２は、本発明の判定手段や逆方向補正導入手段等の各手段を構成する、電子制御ユニット２００（以下、「ＥＣＵ２００」と称する。）を備えている。ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ２０１と、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、バックアップＲＡＭ２０４と、インターフェース２０５と、双方向バス２０６と、を備えている。ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、バックアップＲＡＭ２０４、及びインターフェース２０５は、双方向バス２０６によって互いに接続されている。

ＲＯＭ２０２には、ＣＰＵ２０１が実行するルーチン（プログラム）や、このルーチンの実行時に参照されるテーブル（ルックアップテーブルやマップを含む）、等が、予め格納されている。ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１がルーチンを実行する際に、必要に応じてデータを一時的に格納し得るようになっている。

バックアップＲＡＭ２０４は、電源が投入された状態でＣＰＵ２０１がルーチンを実行する際にデータを格納するとともに、格納したデータを電源遮断後も保持するようになっている。具体的には、バックアップＲＡＭ２０４は、取得（検出又は推定）されたエンジン運転パラメータの一部や、上述のテーブルの補正（学習）結果等を、上書き可能に格納するようになっている。

インターフェース２０５は、後述する各種センサからの検出信号をＣＰＵ２０１に伝達するとともに、吸気バルブ制御装置１２５、イグナイタ１２８、インジェクタ１２９、スロットルバルブアクチュエータ１３３、等の動作部を駆動するためにＣＰＵ２０１から発せられた駆動信号をこれらの動作部に伝達するように、後述する各種センサや上述の動作部と電気的に接続されている。

このように、エンジン制御装置２は、インターフェース２０５を介して後述する各種センサからの検出信号を受け取るとともに、当該検出信号に応じたＣＰＵ２０１の演算結果に基づいて、上述の駆動信号を各動作部に向けて送出するように構成されている。

＜＜各種センサ＞＞
システムＳには、冷却水温センサ２１１、カムポジションセンサ２１３、クランクポジションセンサ２１４、エアフローメータ２１５、上流側空燃比センサ２１６ａ、下流側空燃比センサ２１６ｂ、スロットルポジションセンサ２１７、及びアクセル開度センサ２１８、等が備えられている。

冷却水温センサ２１１は、シリンダブロック１１に装着されている。冷却水温センサ２１１は、シリンダブロック１１内の冷却水温Ｔｗに対応する信号を出力するように構成されている。

カムポジションセンサ２１３は、シリンダヘッド１２に装着されている。このカムポジションセンサ２１３は、吸気バルブ１２３を往復移動させるための上述の不図示の吸気カムシャフト（吸気バルブ制御装置１２５に含まれている）の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号（Ｇ２信号）を出力するように構成されている。

クランクポジションセンサ２１４は、シリンダブロック１１に装着されている。このクランクポジションセンサ２１４は、クランクシャフト１１３の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号を出力するように構成されている。

エアフローメータ２１５は、吸気通路１３に装着されている。このエアフローメータ２１５は、吸気通路１３内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量である吸入空気流量Ｇａに対応する信号を出力するように構成されている。

上流側空燃比センサ２１６ａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂは、排気通路１４に装着されている。上流側空燃比センサ２１６ａは、上流側触媒コンバータ１４１よりも排気流動方向における上流側に配置されている。下流側空燃比センサ２１６ｂは、上流側触媒コンバータ１４１と下流側触媒コンバータ１４２との間の位置に配置されている。上流側空燃比センサ２１６ａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂは、酸素濃度センサであって、通過する排気の酸素濃度（空燃比）に対応する信号をそれぞれ出力するように構成されている。

具体的には、上流側空燃比センサ２１６ａは、限界電流式の酸素濃度センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）であって、図２に示されているように、広範囲にわたる空燃比に対してほぼリニアな出力を生じるようになっている。

一方、下流側空燃比センサ２１６ｂは、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサ（いわゆるＯ_２センサ）であって、図３に示されているように、理論空燃比近傍において急変する出力を生じるようになっている。さらに、この下流側空燃比センサ２１６ｂは、理論空燃比付近において、排気の空燃比がリッチ側からリーン側に向かう場合（図中破線で示されている矢印参照）の方がその逆の場合（図中実線で示されている矢印参照）よりも出力電圧が高くなるような、ヒステリシス応答を生じるようになっている。

スロットルポジションセンサ２１７は、スロットルバルブ１３２に対応する位置に配置されている。このスロットルポジションセンサ２１７は、スロットルバルブ１３２の実際の回転位相（すなわちスロットルバルブ開度ＴＡ）に対応する信号を出力するように構成されている。

アクセル開度センサ２１８は、運転者によるアクセルペダル２２０の操作量（アクセル操作量ＰＡ）に対応する信号を出力するように構成されている。

＜実施形態の構成による動作の概要＞
本実施形態のＥＣＵ２００は、上流側空燃比センサ２１６ａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂの出力に基づいて、エンジン１の空燃比制御、すなわち、インジェクタ１２９における燃料噴射量（噴射時間）の制御を行う。

具体的には、上流側空燃比センサ２１６ａからの出力信号に基づいて、上流側触媒コンバータ１４１に流入する排気の空燃比が目標空燃比（要求空燃比）になるように、燃料噴射量がフィードバック制御される（メインフィードバック制御）。また、このメインフィードバック制御と併せて、下流側空燃比センサ２１６ｂからの出力信号を燃料噴射量にフィードバックする制御も行われる（サブフィードバック制御）。このサブフィードバック制御においては、下流側空燃比センサ２１６ｂからの出力信号に基づいて、上流側触媒コンバータ１４１に流入する排気の空燃比すなわち燃焼室ＣＣに供給される燃料混合気の空燃比（要求空燃比）が決定される。

図４は、本実施形態において実行される制御の内容を示したタイミングチャートである。

図４において、下側の「Ｖoxs」は、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsの経時変化を示し、上側の「要求Ａ／Ｆ」は、かかる出力Ｖoxsに基づいて設定される要求空燃比（「ストイキ」との偏差が上述のサブフィードバック補正量に相当する）を示す。

図４を参照すると、時刻ｔ１より前においては、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーン側である（すなわち理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refよりも低い）。このため、時刻ｔ１より前においては、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsに基づき、要求空燃比がリッチ側に設定されている（リッチ要求）。

リッチ要求の空燃比補正（順方向補正に相当する）の実行中は、リッチ空燃比の排気が、上流側触媒コンバータ１４１に流入する。これにより、上流側触媒コンバータ１４１に備えられた三元触媒（以下、単に「三元触媒」と称する。）においては、リッチ空燃比の排気を浄化（酸化）処理するために、酸素放出が生じている。かかる酸素放出が三元触媒の全体にて飽和すると、リッチ空燃比の排気が上流側触媒コンバータ１４１を吹き抜けることで、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーン側からリッチ側に反転する。

下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーン側からリッチ側に反転した時点ｔ１から、当該出力に基づき、要求空燃比がリーン側に設定される（リーン要求：順方向補正に相当する）。この時刻ｔ１の直後は、三元触媒においては、上述のように、酸素放出がほぼ飽和している。このため、時刻ｔ１にてリーン要求が開始した直後からリッチスパイクが行われると、当該リッチスパイクに伴うリッチ空燃比の排気を浄化（酸化）処理することが困難である可能性がある。

そこで、本実施形態においては、時刻ｔ１から所定時間経過した時点ｔ２までは、リッチスパイクが待機（禁止）される。この時刻ｔ２は、本実施形態においては、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが、理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refを中心としたリッチ側の振幅に相当する値（リッチ側最大値あるいはリッチ側極値）Ｖoxs_Rmaxよりも若干電圧が低下してリッチスパイク開始値Ｖoxs_RSに達した時点である。

時刻ｔ１からｔ２までの間は、リーン要求に伴うリーン空燃比の排気が三元触媒に流入することで、当該三元触媒の排気流動方向における上流端側から、酸素吸蔵が開始される。三元触媒の排気流動方向における上流端部にて酸素吸蔵が飽和すると、酸素吸蔵部位は、次第に下流側に向かって移動する。このようにして、当該三元触媒の上流端側から順に、酸素放出の飽和状態が解消され、後のリッチスパイクに伴うリッチ空燃比の排気の処理が可能になる。

なお、時刻ｔ１からｔ２までの間、リッチスパイクが禁止されることで、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチ側極値Ｖoxs_Rmaxからすみやかに低下してリッチスパイク開始値Ｖoxs_RSに達することができる。

時刻ｔ２以降にリッチスパイクが許可され、リッチスパイクが実行されると、当該リッチスパイクに伴うリッチ空燃比の排気は、三元触媒の排気流動方向における上流端側にて適宜処理される。一方、平均的な排気の空燃比は、依然としてリーンであるため、酸素吸蔵部位は、三元触媒の排気流動方向における中流部から下流端側に向かって移動する。これにより、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsの変化が図４に示されているように緩やかにされつつ、三元触媒における酸素吸蔵能力が万遍なく活用される。このリッチスパイクは、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチ側からリーン側に反転する時点ｔ３以前まで許可される。なお、リッチスパイクは、例えば、１回が０．１〜０．５秒であり、１〜５秒間に１回実行される（後述するリーンスパイクも同様である）。

同様に、三元触媒における酸素吸蔵が飽和して、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが時刻ｔ３にてリッチ側からリーン側に反転すると、リッチ要求が開始する。このとき、リッチ要求が開始した時刻ｔ３から所定時間経過するまでは、リーンスパイクが禁止される。これにより、三元触媒の排気流動方向における上流端部にて、時刻ｔ４以降のリーンスパイクに対応可能な、酸素吸蔵可能部位が生じる。また、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが後述するリーン側極値Ｖoxs_Lmaxからすみやかに上昇してリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSに達することができる。

そして、時刻ｔ３から所定時間経過した時刻ｔ４以降、リーンスパイクが許可される。この時刻ｔ４は、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが、理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refを中心としたリーン側の振幅に相当する値（リーン側最大値あるいはリーン側極値）Ｖoxs_Lmaxよりも若干電圧が上昇してリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSに達した時点である。これにより、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsの変化が図４に示されているように緩やかにされつつ、三元触媒における酸素放出能力が万遍なく活用される。その後、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーン側からリッチ側に反転する時点ｔ５以前まで、リーンスパイクが許可される。

本実施形態においては、リッチスパイクにおける要求空燃比ＡＦ_ＲＳは、リッチ要求における要求空燃比ＡＦ_Ｒよりも、よりリッチ側に設定されている。また、リーンスパイクにおける要求空燃比ＡＦ_ＬＳは、リーン要求における要求空燃比ＡＦ_Ｌよりも、よりリーン側に設定されている。

さらに、本実施形態においては、リッチスパイクが許可される範囲を規定するリッチスパイク開始値Ｖoxs_RSは、下流側空燃比センサ２１６ｂにおける「ヒステリシス領域」を規定するＶoxs_h1（図３参照）と一致するように設定されている。同様に、リーンスパイクが許可される範囲を規定するリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSは、下流側空燃比センサ２１６ｂにおける「ヒステリシス領域」を規定するＶoxs_h2（図３参照）と一致するように設定されている。

ここで、「ヒステリシス領域」は、排気の空燃比がリッチ側からリーン側に向かう場合とその逆の場合とにおける、同一空燃比間の出力電圧の差が大きい領域である（図３における一点鎖線で示されている領域参照）。かかる「ヒステリシス領域」の範囲を規定する出力電圧値Ｖoxs_h1［Ｖ］及びＶoxs_h2［Ｖ］の具体的な値は、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力特性（ヒステリシス曲線の形状）に応じて適宜変化する。

＜動作の具体例＞
図５〜図７は、図１に示されているＣＰＵ２０１によって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。なお、各図のフローチャートにおいて、「ステップ」は「Ｓ」と略記されている。

まず図５を参照すると、ステップ５１０にて、現在フィードバック制御が行われているか否かが判定される。フィードバック制御中でない場合（ステップ５１０＝Ｎｏ）、以降の処理がすべてスキップされる。フィードバック制御中である場合（ステップ５１０＝Ｙｅｓ）、処理がステップ５２０に進行し、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが、理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refよりも高いか否かが判定される。

現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが、理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refよりも高い場合（ステップ５２０＝Ｙｅｓ）、処理が図６のステップ６１０に進行し、リーン要求が開始される。次に、処理がステップ６２０に進行し、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが下降中であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが下降し始めるまでは、処理は続くステップ６３０には進行しない。

下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが下降し始めると（ステップ６２０＝Ｙｅｓ）、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチスパイク開始値Ｖoxs_RSよりも低くなったか否かが判定される（ステップ６３０）。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチスパイク開始値Ｖoxs_RSよりも低くなるまでは（ステップ６３０＝Ｎｏ）、リッチスパイク制御が待機（禁止）される。

下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチスパイク開始値Ｖoxs_RSよりも低くなると（ステップ６３０＝Ｙｅｓ）、処理がステップ６４０に進行し、リッチスパイク制御が開始（許可）される。これにより、図４に示されているように、リッチスパイクが適宜実行される。

続いて、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが、理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refよりも低くなったか否かが判定される（ステップ６５０）。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが目標値Ｖoxs_refよりも低くなるまでは（ステップ６５０＝Ｎｏ）、リッチスパイク制御が許可される。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが目標値Ｖoxs_refよりも低くなると（ステップ６５０＝Ｙｅｓ）、処理がステップ６６０に進行し、リッチスパイク制御が終了する。

図５のステップ５２０における判定が「Ｎｏ」である場合、又は、図６のステップ６６０を経た場合、処理が図７におけるステップ７１０に進行し、リッチ要求が開始される。次に、処理がステップ７２０に進行し、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが上昇中であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが上昇し始めるまでは、処理は続くステップ７３０には進行しない。

下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが上昇し始めると（ステップ７２０＝Ｙｅｓ）、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSよりも高くなったか否かが判定される（ステップ７３０）。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSよりも高くなるまでは（ステップ７３０＝Ｎｏ）、リーンスパイク制御が待機（禁止）される。

下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSよりも高くなると（ステップ７３０＝Ｙｅｓ）、処理がステップ７４０に進行し、リーンスパイク制御が開始（許可）される。これにより、図４に示されているように、リーンスパイクが適宜実行される。

続いて、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが、理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refよりも高くなったか否かが判定される（ステップ７５０）。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが目標値Ｖoxs_refよりも高くなるまでは（ステップ７５０＝Ｎｏ）、リーンスパイク制御が許可される。下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが目標値Ｖoxs_refよりも高くなると（ステップ７５０＝Ｙｅｓ）、処理がステップ７６０に進行し、リーンスパイク制御が終了する。その後、処理が図６におけるステップ６１０に進行し、リーン要求が開始される。

＜実施形態による作用・効果＞
以上詳述した通り、本実施形態においては、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーン側からリッチ側に反転した場合に、この出力に基づいて、要求空燃比が大きくリーン側に設定される。同様に、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチ側からリーン側に反転した場合に、この出力に基づいて、要求空燃比が大きくリッチ側に設定される。これにより、三元触媒における酸素の吸蔵及び放出の速度が増加し、当該触媒における酸素吸蔵能力が高められる。

また、本実施形態においては、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsに基づく要求空燃比の方向とは逆方向のスパイクが、出力反転から所定時間経過後に行われる。

これにより、三元触媒における酸素吸蔵能力が万遍なく活用されつつ、下流側空燃比センサ２１６ｂの過渡的な出力（出力の急変）が抑制される。また、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsが極値（Ｖoxs_LmaxやＶoxs_Rmax）の近傍である時間が可及的に短くなるため、下流側空燃比センサ２１６ｂを可及的に良好な応答性の領域で使用することができる。特に、上述のように、下流側空燃比センサ２１６ｂは、出力がヒステリシス特性を有するために、過度の酸化還元雰囲気に曝されると応答性が悪化してしまう。この点、本実施形態によれば、このような応答性の悪化が可及的に抑制される。

このように、本実施形態の構成は、単なるパータベーション制御を行っていたに止まる従来のこの種の装置に比して、三元触媒の酸素吸蔵機能をよりいっそう活用することができるものであるとともに、エミッション抑制性能も優れている。したがって、本実施形態の構成によれば、フィードバック制御の良好な応答性が確保される。

＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。

以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、（先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。

（Ａ）本発明は、上述の実施形態にて開示された具体的な装置構成に限定されない。例えば、本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、メタノールエンジン、バイオエタノールエンジン、その他任意のタイプの内燃機関に適用可能である。気筒数、気筒配列方式（直列、Ｖ型、水平対向）、燃料供給方式、着火方式も、特に限定はない。

インジェクタ１２９とともに、あるいはこれに代えて、燃焼室ＣＣ内に燃料を直接噴射するための筒内噴射弁が設けられていてもよい（例えば特開２００７−２７８１３７号公報等参照）。かかる構成に対しても、本発明は好適に適用される。

（Ｂ）本発明は、上記の実施形態にて開示された具体的な処理に限定されない。例えば、センサで取得（検出）された運転状態パラメータは、他のセンサで取得（検出）された他の運転状態パラメータを用いたオンボード推定値に代用され得る。

図６のステップ６２０及び６３０の処理に代えて、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリーン側からリッチ側に反転してから所定時間経過したか否かの判定が行われてもよい。図７のステップ７２０及び７３０についても同様に、これらに代えて、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがリッチ側からリーン側に反転してから所定時間経過したか否かの判定が行われてもよい。また、出力反転後の吸入空気流量Ｇａの積算値も、スパイク開始判定に用いられ得る。

急加速又は急減速時には、リッチスパイクやリーンスパイクの導入の制限（禁止又はスパイク量の低減）が行われてもよい。図８は、かかる変形例の動作を示すフローチャートである。図８を参照すると、急加速又は急減速時には（ステップ８１０＝Ｙｅｓ）、ステップ８２０にて、スパイク制御が制限される。これにより、不用意なリッチスパイクやリーンスパイクの導入による排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。

リッチスパイクにおける要求空燃比ＡＦ_ＲＳは、リッチ要求における要求空燃比ＡＦ_Ｒと同一であってもよい。リーンスパイクにおける要求空燃比ＡＦ_ＬＳも、リーン要求における要求空燃比ＡＦ_Ｌと同一であってもよい。すなわち、ＡＦ_Ｒは１３．５〜１４．４、ＡＦ_ＲＳは１２．５〜１４．２、ＡＦ_Ｌは１４．７〜１５、ＡＦ_ＬＳは１５〜１７に、それぞれ設定され得る。また、三元触媒における酸素吸蔵能力（の劣化）に応じて、これらの値は適宜変更され得る。

また、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RSは、下流側空燃比センサ２１６ｂにおける「ヒステリシス領域」を規定するＶoxs_h1（図３参照）と一致していなくてもよい。同様に、リーンスパイク開始値Ｖoxs_LSは、下流側空燃比センサ２１６ｂにおける「ヒステリシス領域」を規定するＶoxs_h2（図３参照）と一致していなくてもよい。

さらに、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSは、運転状態に応じて変更されてもよい。図９は、かかる変形例の動作を示すフローチャートである。

図９を参照すると、吸入空気流量Ｇａ、及び下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsが取得される（ステップ９１０）。具体的には、吸入空気流量Ｇａは、上述の通り、エアフローメータ２１５の出力に基づいて取得される。また、下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsは、熱電対等を用いて直接的に測定され得る。

次に、吸入空気流量Ｇａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsに基づいて、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSが、テーブルを用いて取得される（このテーブルは、実験等によって予め求められ、ＲＯＭ２０２あるいはバックアップＲＡＭ２０４に格納されている。）。これにより、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSは、取得された吸入空気流量Ｇａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsに応じた値となる。

具体的には、吸入空気流量Ｇａが大きいほど、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsの振幅が小さくなるので、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSが理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refに近い値となる。また同様に、下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsが高いほど、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsの振幅が小さくなるので、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSが理論空燃比に対応する目標値Ｖoxs_refに近い値となる。

なお、下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsとして、クランクポジションセンサ２１４の出力に基づいて取得されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２１５の出力に基づいて取得される機関負荷ＫＬ、等を用いてオンボード推定される、排気温度（例えば、特開２００９−６８３９８号公報等参照。）が代用され得る。

また、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSは、吸入空気流量Ｇａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂの温度Ｔoxsのうちのいずれか一方に基づいて取得されてもよい。さらに、リッチスパイク開始値Ｖoxs_RS及びリーンスパイク開始値Ｖoxs_LSは、他の運転状態パラメータ（例えば、吸入空気流量Ｇａ等を用いてオンボード推定される上流側触媒コンバータ１４１の温度である触媒床温、等。）に基づいて取得されてもよい。

（Ｃ）その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の範囲内に含まれることは当然である。
また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。さらに、本明細書にて引用した各公報の内容（明細書及び図面を含む）は、本明細書の一部を構成するものとして援用され得る。

Claims (6)

1. 気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも排気流動方向における上流側の排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び前記排気浄化触媒よりも前記排気流動方向における下流側の前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御する、空燃比制御装置であって、
   前記下流側空燃比センサの出力が、理論空燃比に対応する目標値を中心とした所定範囲内にあるか否かを判定する、判定手段と、
   前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、当該出力によって要求される方向とは逆方向の空燃比補正を一時的に導入する、逆方向補正導入手段と、
   を備えたことを特徴とする、空燃比制御装置。
2. 請求の範囲第１項に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力がリッチ側となりリーン方向の空燃比補正が要求される時にリッチスパイクを導入する一方、前記下流側空燃比センサの出力がリーン側となりリッチ方向の空燃比補正が要求される時にリーンスパイクを導入することを特徴とする、空燃比制御装置。
3. 請求の範囲第１項又は第２項に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力がリーン領域とリッチ領域との間で反転した後所定時間経過前は前記逆方向の空燃比補正の導入を禁止し、前記所定時間経過後に前記逆方向の空燃比補正の導入を実行することを特徴とする、空燃比制御装置。
4. 請求の範囲第１項〜第３項のうちのいずれか１項に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記逆方向補正導入手段は、急加速又は急減速時には、前記逆方向の空燃比補正の導入を制限することを特徴とする、空燃比制御装置。
5. 請求の範囲第１項〜第４項のうちのいずれか１項に記載の、空燃比制御装置において、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記所定範囲を変更する、範囲変更手段をさらに備えたことを特徴とする、空燃比制御装置。
6. 請求の範囲第１項〜第５項のうちのいずれか１項に記載の、空燃比制御装置であって、
   前記下流側空燃比センサは、理論空燃比前後でステップ状の応答を示す、起電力式の酸素濃度センサであることを特徴とする、空燃比制御装置。

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