WO2010058461A1

WO2010058461A1 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: WO2010058461A1
Application number: PCT/JP2008/071041
Authority: WO
Inventors: 宮下　茂樹
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-27
Also published as: EP2348213A4; JP4952847B2; US9027539B2; EP2348213B1; US20110126812A1; JPWO2010058461A1; EP2348213A1; CN102132025A; CN102132025B

Abstract

　本発明は、ウェイストゲート弁を有するターボチャージャを備えた内燃機関において、空燃比の変化を排気ガスセンサによって検出する制御を高精度に行うことを目的とする。　本発明の内燃機関の制御装置は、ターボチャージャと、タービンをバイパスして排気ガスを通すウェイストゲートと、ウェイストゲートを開閉するウェイストゲート弁と、タービンおよびウェイストゲート弁より下流側の排気通路に設置された排気ガスセンサと、タービンおよびウェイストゲート弁より上流側における空燃比を変化させ、排気ガスセンサによって空燃比の変化を検出する空燃比変化検出制御を実行する空燃比変化検出制御手段と、を備える。空燃比変化検出制御手段は、ウェイストゲート弁の開度が所定値未満になっている状態のときに空燃比変化検出制御を実行する。

Description

内燃機関の制御装置

　本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

　日本特開２００６－２７４９６３号公報には、エンジンの冷間始動時に、三元触媒を早期に暖機するために、排気空燃比を理論空燃比に対してリッチ側とリーン側とに交互に振るパータベーション制御を行う装置において、排気ガスボリュームの変動に対応してパータベーション制御の空燃比の振れ幅を変更する発明が開示されている。

日本特開２００６－２７４９６３号公報日本特開２００６－９６７４号公報

　触媒を暖機する場合の他にも、空燃比を変化させる制御が行われる場合がある。例えば、触媒の酸素吸蔵容量を測定する場合には、空燃比を理論空燃比に対してリッチ側とリーン側とに交互に変化させる制御が行われる。この場合には、触媒の下流側に設けられた触媒後センサの出力に基づいて、エンジンの制御目標空燃比が切り替えられる。すなわち、触媒後センサの出力がリーンからリッチに変化した時点で制御目標空燃比がリーン空燃比に変更され、触媒後センサの出力がリッチからリーンに変化した時点で制御目標空燃比がリッチ空燃比に変更される。

　触媒後センサの出力がリッチからリーンに変化した時点では、触媒に酸素が一杯に吸蔵されている。この状態で、制御目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更されると、触媒に流入する排気ガスの空燃比もリーンからリッチに変化する。触媒に流入する排気ガスの空燃比は、触媒の上流側に設けられた触媒前センサによって検出される。触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに変化したことが触媒前センサによって検出された時点から、触媒後センサの出力がリーンからリッチに変化する時点までの間に触媒に流入した余剰燃料の量に基づいて、酸素吸蔵容量を算出することができる。

　上記のような方法によって触媒の酸素吸蔵容量を正確に測定するためには、触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンとリッチとの間で変化するタイミングを、触媒前センサによって精度良く検出することが重要である。

　しかしながら、本発明者の知見によれば、ウェイストゲート弁を有するターボチャージャを備えたエンジンにおいては、上記のような方法によって触媒の酸素吸蔵容量を測定する場合に、正確な測定値を得ることが困難であるという問題がある。その理由は、次のようなものである。

　エンジンから排出された排気ガスのうち、ターボチャージャのタービンに流入した排気ガスは、タービンを通過することに時間がかかるため、触媒前センサに到達するまでの時間が長くなる。一方、ウェイストゲートを通過した排気ガスは、タービンを通過しないため、触媒前センサに早く到達する。従って、例えば、エンジンの空燃比をリーンからリッチに切り替えたとした場合に、ウェイストゲートを通過して触媒前センサに到達する排気ガスの空燃比がリッチに変化した時点では、タービンを通過して触媒前センサに到達する排気ガスの空燃比は未だリーンのままである。このように、エンジンの空燃比を急変させたとしても、触媒前センサの位置では、空燃比の異なる二つの排気ガスが混ざったガスが流れる期間が生ずる。このため、触媒前センサで検出される空燃比の変化は緩慢になる。その結果、触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに変化するタイミングを精度良く検出することが困難となり、酸素吸蔵容量等を測定する場合に正確な測定値が得ることが困難となる。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ウェイストゲート弁を有するターボチャージャを備えた内燃機関において、空燃比の変化を排気ガスセンサによって検出する制御を高精度に行う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、
　内燃機関の排気エネルギにより作動するタービンと、吸気ガスを圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャと、
　前記タービンをバイパスして排気ガスを通すウェイストゲートと、
　前記ウェイストゲートを開閉するウェイストゲート弁と、
　前記タービンおよび前記ウェイストゲート弁より下流側の排気通路に設置された排気ガスセンサと、
　前記タービンおよび前記ウェイストゲート弁より上流側における空燃比を変化させ、前記排気ガスセンサによって空燃比の変化を検出する空燃比変化検出制御を実行する空燃比変化検出制御手段と、
　を備え、
　前記空燃比変化検出制御手段は、前記ウェイストゲート弁の開度が所定値未満になっている状態のときに前記空燃比変化検出制御を実行することを特徴とする。

　また、第２の発明は、第１の発明において、
　前記空燃比変化検出制御手段は、前記ウェイストゲート弁の開度が全閉になっている状態のときに前記空燃比変化検出制御を実行することを特徴とする。

　また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記空燃比変化検出制御手段は、前記空燃比変化検出制御を実行する前に前記ウェイストゲート弁の開度が前記所定値未満になるように前記ウェイストゲート弁を制御する手段を含むことを特徴とする。

　また、第４の発明は、第１または第２の発明において、
　前記ウェイストゲート弁の開閉状態を判定する開閉状態判定手段と、
　前記ウェイストゲート弁の開度が前記所定値以上であると前記開閉状態判定手段により判定された場合には、前記空燃比変化検出制御の実行を禁止する禁止手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
　前記空燃比変化検出制御は、前記排気ガスセンサまたは排気浄化触媒を診断するための制御であることを特徴とする。

　また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
　前記内燃機関は、複数の気筒を有し、
　前記空燃比変化検出制御手段は、各気筒の空燃比を変化させる際、前記タービンの上流側の排気通路の容積が最も大きい気筒の空燃比を最初に変化させることを特徴とする。

　第１の発明によれば、タービンおよびウェイストゲート弁より上流側における空燃比を変化させ、排気ガスセンサによって空燃比の変化を検出する空燃比変化検出制御を、ウェイストゲート弁の開度が所定値未満になっている状態のときに実行することができる。これにより、タービン通過ガスが排気ガスセンサに到達するまでの時間と、ウェイストゲート通過ガスが排気ガスセンサに到達するまでの時間との違いに起因する悪影響が空燃比変化検出制御に及ぶことを確実に抑制することができる。このため、空燃比変化検出制御を高精度に実行することができる。

　第２の発明によれば、ウェイストゲート弁の開度が全閉になっている状態のときに空燃比変化検出制御を実行することができる。これにより、ウェイストゲート通過ガスの量をゼロにした状態で空燃比変化検出制御を実行することができる。このため、タービン通過ガスが排気ガスセンサに到達するまでの時間と、ウェイストゲート通過ガスが排気ガスセンサに到達するまでの時間との違いに起因する悪影響が空燃比変化検出制御に及ぶことをより確実に抑制することができる。

　第３の発明によれば、空燃比変化検出制御を実行する前にウェイストゲート弁の開度が所定値未満になるようにウェイストゲート弁を制御することができる。これにより、ウェイストゲート弁の開閉がＥＣＵにより能動的に制御されるシステムにおいて、上記効果を達成することができる。

　第４の発明によれば、ウェイストゲート弁の開度が所定値以上であると判定された場合には、空燃比変化検出制御の実行を禁止することができる。これにより、ウェイストゲート弁の開閉が内燃機関の運転条件に応じて受動的に制御されるシステムにおいて、上記効果を達成することができる。

　第５の発明によれば、排気ガスセンサまたは排気浄化触媒を診断するための制御を、より高い精度で実行することができる。

　第６の発明によれば、空燃比変化検出制御において各気筒の空燃比を変化させる際、タービンの上流側の排気通路の容積が最も大きい気筒の空燃比を最初に変化させることができる。これにより、排気ガスセンサの位置における空燃比変化期間を短くすることができ、空燃比が変化するタイミングをより高い精度で検出することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサおよび触媒後センサの出力を示す図である。アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサおよび触媒後センサの出力を示す図である。内燃機関の目標空燃比が切り替えられた後の触媒前センサの出力の変化を模式的に示す図である。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。ウェイストゲート弁の動作領域および非動作領域を示すマップである。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。内燃機関の空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合の排気ガスの挙動を模式的に示した図である。内燃機関の空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合の排気ガスの挙動を模式的に示した図である。

符号の説明

１０　内燃機関
１２　吸気弁
１４　排気弁
１６　燃料インジェクタ
１８　吸気マニホールド
２０　吸気通路
２２　スロットル弁
２４　ターボチャージャ
２４１　タービン
２４２　コンプレッサ
２６　第１排気マニホールド
２８　第２排気マニホールド
３０　排気通路
３２　触媒
３４，３６　ウェイストゲート
３８　ウェイストゲート弁
４０　触媒前センサ
４２　触媒後センサ
４４　エンジン回転数センサ
４６　エアフローメータ
４８　アクセルポジションセンサ
５０　ＥＣＵ

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、動力源として車両に搭載された内燃機関１０を備えている。本実施形態の内燃機関１０は、＃１～＃４の４つの気筒を有する直列４気筒型のものである。爆発順序は、＃１→＃３→＃４→＃２である。なお、本発明では、気筒数および気筒配置は、これに限定されるものではない。

　内燃機関１０の各気筒には、吸気弁１２と、排気弁１４と、燃料インジェクタ１６とが設けられている。燃料インジェクタ１６は、各気筒の吸気ポート内に燃料を噴射するように設けられている。なお、本発明では、このような構成に限らず、各気筒の筒内に直接に燃料を噴射するように燃料インジェクタが設けられていてもよい。

　内燃機関１０には、吸気マニホールド１８を介して、吸気通路２０が接続されている。吸気通路２０の途中には、吸入空気量を調整するためのスロットル弁２２が設置されている。

　本実施形態の内燃機関１０には、ターボチャージャ２４が備えられている。ターボチャージャ２４は、内燃機関１０の排気ガスのエネルギによって作動するタービン２４１と、このタービン２４１によって駆動されるコンプレッサ２４２とを有している。図示を省略するが、コンプレッサ２４２には、吸気通路２０が接続されている。コンプレッサ２４２により、吸入空気を圧縮することができる。

　本実施形態のターボチャージャ２４は、タービン２４１の入口が二つに分かれているツインエントリ型（ツインスクロール型）のものである。タービン２４１の一方の入口には、第１排気マニホールド２６が接続されており、他方の入口には、第２排気マニホールド２８が接続されている。第１排気マニホールド２６は、＃１気筒および＃４気筒に接続されている。＃１気筒から排出される排気ガスと、＃４気筒から排出される排気ガスとは、第１排気マニホールド２６において合流し、タービン２４１の一方の入口に流入する。第２排気マニホールド２８は、＃２気筒および＃３気筒に接続されている。＃２気筒から排出される排気ガスと、＃３気筒から排出される排気ガスとは、第２排気マニホールド２８において合流し、タービン２４１の他方の入口に流入する。このようなツインエントリ型のターボチャージャ２４によれば、気筒間の排気脈動干渉を抑制することができ、優れた過給特性が得られる。

　タービン２４１の出口には、排気通路３０が接続されている。排気通路３０の途中には、排気ガスを浄化する触媒３２が設置されている。触媒３２は、Ｏ₂ストレージ機能（酸素吸蔵機能）を有する三元触媒である。

　ターボチャージャ２４の近傍には、第１排気マニホールド２６内の排気ガスの一部を、タービン２４１を通さずに、タービン２４１の下流側の排気通路３０に流すことが可能なウェイストゲート３４と、第２排気マニホールド２８内の排気ガスの一部を、タービン２４１を通さずに、タービン２４１の下流側の排気通路３０に流すことの可能なウェイストゲート３６と、両ウェイストゲート３４，３６を開閉するウェイストゲート弁３８とが設けられている。

　本実施形態のウェイストゲート弁３８は、両ウェイストゲート３４，３６の出口を封止する閉位置とそれらの出口を開放する開位置とに回動可能な弁体と、この弁体を変位させるためのアクチュエータ（図示せず）とを備えている。ウェイストゲート弁３８の開度は、後述するＥＣＵ５０により制御される。

　本実施形態のシステムでは、高負荷運転時にウェイストゲート弁３８を開き、一部の排気ガスをタービン２４１を通さずに排気通路３０に流す。これにより、排気圧力（背圧）や過給圧が過大になることを確実に防止することができる。

　タービン２４１およびウェイストゲート弁３８より下流側であって、触媒３２の上流側には、触媒３２に流入する排気ガスの空燃比（以下、「触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ」とも言う）を検出する触媒前センサ４０が設置されている。本実施形態の触媒前センサ４０は、いわゆる広域空燃比センサであり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した信号を出力する。

　触媒３２の下流側には、触媒３２から流出する排気ガスの空燃比（以下、「触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒ」とも言う）を検出する触媒後センサ４２が設置されている。本実施形態の触媒後センサ４２は、いわゆるＯ₂センサであり、理論空燃比を境に出力が急変する特性を持つ。

　本実施形態のシステムは、更に、内燃機関１０の回転数を検出するエンジン回転数センサ４４と、内燃機関１０の吸入空気量を検出するエアフローメータ４６と、車両の運転席のアクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ４８と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等（何れも図示せず）を含むものである。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサの検出値等に基づいて、スロットル弁２２の開度や、燃料インジェクタ１６からの燃料噴射量、ウェイストゲート弁３８の開度等を制御する。

　触媒３２は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／ＦｓのときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そこで、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の通常運転時には、触媒３２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比Ａ／Ｆｓになるように、空燃比を制御する。具体的には、ＥＣＵ５０は、理論空燃比Ａ／Ｆｓに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ４０により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、燃料インジェクタ１６から噴射される燃料噴射量を制御する。これにより、触媒３２に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒３２において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

　触媒３２は、主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属（活性点）と、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分とを含んでいる。触媒３２の雰囲気ガスが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリッチであると、酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出される。これにより、ＨＣおよびＣＯといった未燃成分を、放出された酸素によって酸化し、浄化することができる。逆に、触媒３２の雰囲気ガスが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリーンであると、酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収する。これにより、ＮＯｘを還元浄化することができる。

　このような酸素吸放出作用により、触媒３２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比Ａ／Ｆｓに対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。

　内燃機関１０が経年使用されるにつれて、触媒３２の酸素吸蔵能力は低下していく。触媒３２の酸素吸蔵能力の低下度と、触媒３２の劣化度とは相関関係にある。そこで、本実施形態では、触媒３２の酸素吸蔵能力を測定することにより、触媒３２の劣化度を診断することとしている。ここで、触媒３２の酸素吸蔵能力は、現状の触媒３２が吸蔵し得る最大の酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）の大きさによって表される。

　以下、本実施形態において、触媒３２の劣化検出（酸素吸蔵容量の測定）を行う際に実行される制御について説明する。本実施形態では、触媒３２の劣化検出の際に、アクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御とは、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃに対しリッチ側とリーン側とに交互に強制的に変化させる制御である。なお、リッチ側に変化されたときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に変化されたときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。

　触媒３２の劣化検出は、通常、内燃機関１０の１トリップ当たりに少なくとも１回実行される。そして、複数トリップ連続して、触媒３２の劣化が検出されたときに、触媒３２が異常であるとの最終的な診断がなされ、チェックランプ等の警告装置が作動させられる。なお１トリップとは内燃機関１０の始動から停止までの期間をいう。

　図２（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサ４０および触媒後センサ４２の出力が実線で示されている。また、図２（Ａ）には、ＥＣＵ５０により設定される目標空燃比Ａ／Ｆｔが破線で示されている。

　図２（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ）と、そこからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比Ａ／Ｆｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。この目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えに追従するようにして、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対し、時間遅れを伴って切り替わる。この時間遅れは、内燃機関１０の作動ガスが吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を経て排出されるまでの時間である行程遅れや、内燃機関１０から排出された排気ガスが触媒前センサ４０に到達するまでの時間である輸送遅れなどで構成される。

　図示の例では、リッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。すなわち、例えば理論空燃比Ａ／Ｆｓ＝１４．６である場合には、リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５、とされる。

　目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられるタイミングは、触媒後センサ４２の出力がリッチからリーンに、またはリーンからリッチに切り替わるタイミングである。前述したように、触媒後センサ４２の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。すなわち、触媒後センサ４２の出力電圧は、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓより小さいリッチ側の空燃比であるときにはリッチ判定値ＶＲ以上となり、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓより大きいリーン側の空燃比であるときにはリーン判定値ＶＬ以下となる。

　図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ４２の出力電圧がリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ４２の出力電圧がリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

　このような空燃比変化を行うアクティブ空燃比制御を実行しつつ、触媒３２の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒３２の劣化が判定される。以下、アクティブ空燃比制御について、更に説明する。

　図２において、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌとされ、触媒３２にはリーンガスが流入している。このとき触媒３２では酸素を吸収し続けているが、一杯に酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒３２を通り抜けて触媒３２の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側に変化し、触媒後センサ４２の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。このように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、触媒後センサ４２の出力をトリガにして反転される。

　その後、触媒３２にはリッチガスが流入することとなる。このとき、触媒３２では、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。この間、触媒３２の下流側には、ほぼ理論空燃比Ａ／Ｆｓの排気ガスが流出する。よって、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒはリッチにならないため、触媒後センサ４２の出力は反転しない。触媒３２から酸素が放出され続けると、やがては、触媒３２に吸蔵されていた酸素が放出され尽くす。この時点でそれ以上酸素が放出されなくなるので、リッチガスが触媒３２を通り抜けて触媒３２の下流側に流れ出す。こうなると、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリッチ側に変化し、触媒後センサ４２の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

　このようなアクティブ空燃比制御においては、酸素吸蔵容量ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸収あるいは放出し続けることのできる時間が長くなる。すなわち、触媒３２が劣化していない場合には、目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期（例えばｔ１からｔ２までの時間）が長くなる。一方、触媒３２の劣化が進むにつれて、目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期は短くなる。

　図３は、図２と同様の図である。以下、図３を参照して、酸素吸蔵容量ＯＳＣの具体的な算出方法について説明する。酸素吸蔵容量ＯＳＣは、酸素を一杯に吸蔵した状態の触媒３２にリッチな空燃比の排気ガスが流入し始めた時点ｔ１１から、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリッチ側に変化する時点ｔ２までの間に放出された酸素量に等しいと言える。従って、下記（１）式により算出される微小時間毎の酸素放出量ｄＣを、時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積分することにより、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を算出することができる。

　ｄＣ＝ΔＡ／Ｆ×Ｑ×Ｋ＝｜Ａ／Ｆｆｒ－Ａ／Ｆｓ｜×Ｑ×Ｋ　　・・・（１）
　ここで、Ｑは燃料噴射量であり、Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。

　本発明では、１回の計算で算出された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を用いて触媒３２の劣化判定を行ってもよいが、精度を向上させるために、リーン側でも同様に酸素吸蔵容量ＯＳＣ２を算出し、更には、必要に応じてリッチ側とリーン側とで複数回算出を繰り返してもよい。この場合には、それらの平均値を所定の劣化判定値と比較することにより、最終的な劣化判定が行われる。

　図３に示すように、リーン側で算出する場合の酸素吸蔵容量ＯＳＣ２は、酸素を放出し尽くした状態の触媒３２にリーンな空燃比の排気ガスが流入し始めた時点ｔ２１から、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側に変化する時点ｔ３までの間に吸収された酸素量に等しいと言える。従って、上記（１）式により算出される微小時間毎の酸素吸収量ｄＣを、時刻ｔ２１から時刻ｔ３まで積分することにより、酸素吸蔵容量ＯＳＣ２を算出することができる。

　上述した方法によって酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する場合には、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンからリッチに変化するタイミング（時刻ｔ１１）やリッチからリーンに変化するタイミング（時刻ｔ２１）を精度良く検出することが重要である。それらのタイミングの検出が正確でないと、上記ｄＣが積分される時間に誤差が出るので、正確な酸素吸蔵容量ＯＳＣを算出できないからである。

　しかしながら、一般に、ウェイストゲート弁付きのターボチャージャを備えたエンジンにおいては、ウェイストゲート弁が開いていると、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが変化するタイミングを精度良く検出することが困難となる。その理由について、図４を参照して説明する。

　図４は、ウェイストゲート弁３８が閉じている場合と開いている場合との双方の場合について、内燃機関１０の目標空燃比が切り替えられた後の触媒前センサ４０の出力の変化を模式的に示す図である。以下の説明では、内燃機関１０の目標空燃比がリッチからリーンに切り替えられた場合を例に説明するが、リーンからリッチに切り替えられた場合も同様である。

　なお、実際の空燃比Ａ／Ｆの変化は連続的であるが、図４においては、図を模式化して理解を容易にするため、空燃比Ａ／Ｆが段階的に変化するように描いている。

　図４の上段のグラフは、ウェイストゲート弁３８が閉じている状態で目標空燃比をリッチからリーンに変化させた場合の触媒前センサ４０の出力の変化を示している。触媒前センサ４０の応答速度には、限界がある。従って、このグラフに示すように、触媒前センサ４０に接触する排気ガスの空燃比がリッチからリーンに変化した場合であっても、触媒前センサ４０の出力がリッチからリーンに変化するまでには、ある程度の時間がかかる。以下の説明では、触媒前センサ４０の出力がリッチからリーンへ（あるいはリーンからリッチへ）変化するのに要する時間を「センサ出力変化期間」と称する。なお、図４では、図２および図３と比べて、時間軸（横軸）を引き伸ばして描いているため、触媒前センサ４０の出力の変化の傾きが緩やかに描かれている。

　一方、図４の下段のグラフにおける太い実線は、ウェイストゲート弁３８が開いている状態で目標空燃比をリッチからリーンに変化させた触媒前センサ４０の出力の変化を示している。このグラフに示すように、ウェイストゲート弁３８が開いている場合には、閉じている場合と比べ、センサ出力変化期間が長くなる。この原因は、次の通りである。

　ウェイストゲート弁３８が開いている場合には、内燃機関１０の各気筒から排出された排気ガスは、タービン２４１を通過して触媒前センサ４０に到達するものと、ウェイストゲート弁３８（ウェイストゲート３４または３６）を通過して触媒前センサ４０に到達するものとに分かれる。図４の下段のグラフにおける破線は、前者の排気ガス、つまりタービン２４１を通過した排気ガス（以下「タービン通過ガス」と称する）のみが触媒前センサ４０に接触したと仮定した場合の触媒前センサ４０の出力の変化を示している。この場合の触媒前センサ４０の出力の変化は、ウェイストゲート弁３８が閉じている場合（図４の上段のグラフ）と同様である。

　これに対し、図４の下段のグラフにおける細い実線は、ウェイストゲート弁３８を通過した排気ガス（以下「ウェイストゲート通過ガス」と称する）のみが触媒前センサ４０に接触したと仮定した場合の触媒前センサ４０の出力の変化を示している。タービン通過ガスは、タービン２４１の通過に時間がかかるため、ウェイストゲート通過ガスと比べて、触媒前センサ４０に到達するのが遅くなる。逆に言えば、ウェイストゲート通過ガスは、タービン通過ガスよりも早く、触媒前センサ４０に到達する。このため、図４のグラフにおいて、細い実線の波は、破線の波よりも前にずれることになる。

　ウェイストゲート弁３８が開いている場合には、実際は、タービン通過ガスとウェイストゲート通過ガスとが混ざったガスが触媒前センサ４０に接触する。このため、触媒前センサ４０の実際の出力は、図４の下段のグラフにおける太い実線で示すように、タービン通過ガスによる出力（破線）と、ウェイストゲート通過ガスによる出力（細い実線）との中間になる。この結果、ウェイストゲート弁３８が閉じている場合と比べて、センサ出力変化期間が延長することとなる。なお、図４に示す例は、タービン通過ガスとウェイストゲート通過ガスとの割合が５０：５０であり、両者が均一に混合して触媒前センサ４０に接触した場合の例である。

　上述したように、ウェイストゲート弁３８が開いている場合には、ウェイストゲート弁３８が閉じている場合と比べて、センサ出力変化期間が長くなり、単位時間当たりの触媒前センサ４０の出力変化量が小さくなる。すなわち、触媒前センサ４０の応答性が、見かけ上、低下する。このため、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する場合に、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンからリッチに変化するタイミングや、リッチからリーンに変化するタイミングを精度良く検出することが困難となる。

　更に、図４に示す例では、タービン通過ガスとウェイストゲート通過ガスとの割合が５０：５０であり、両者が均一に混合して触媒前センサ４０に接触すると仮定したが、実際には、タービン通過ガスとウェイストゲート通過ガスとの割合は様々に変化する上、触媒前センサ４０に到達するまでにタービン通過ガスとウェイストゲート通過ガスとが均一に混合する訳ではない。このため、ウェイストゲート弁３８が開いている場合の触媒前センサ４０の出力の波形は、その時々に応じて、不規則に変化する。その結果、ウェイストゲート弁３８が開いている場合には、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンからリッチに変化するタイミングや、リッチからリーンに変化するタイミングを精度良く検出することが更に困難となる。

　このようなことから、ウェイストゲート弁３８が開いている場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する際に、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの変化タイミングを触媒前センサ４０で精度良く検出することが困難となり、酸素吸蔵容量ＯＳＣを正確に測定することができない。

　一方、ウェイストゲート弁３８が閉じている場合には、上記のような問題が生じないので、酸素吸蔵容量ＯＳＣを正確に測定することが可能である。そこで、本実施形態では、酸素吸蔵容量ＯＳＣの測定（触媒３２の劣化検出）を行う必要がある場合には、ウェイストゲート弁３８を閉じる指令を出した上で、これを行うこととした。

［実施の形態１における具体的処理］
　図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンによれば、まず、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御が要求されているか否かが判定される（ステップ１００）。触媒３２の劣化検出は、通常、内燃機関１０の１トリップ当たりに１回実行される。このステップ１００では、今回のトリップで触媒３２の劣化検出がまだ終了しておらず、且つ、内燃機関１０の暖機が完了している等の所定の条件が成立している場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御が要求されているものと判定される。一方、そうでない場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御が要求されていないと判定される。

　上記ステップ１００で、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御が要求されていると判定された場合には、ウェイストゲート弁３８のアクチュエータに対し、ウェイストゲート弁３８を閉じるとの指令が出される（ステップ１０２）。この指令により、ウェイストゲート弁３８が閉じられた後、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する制御が実行される（ステップ１０４）。すなわち、ステップ１０４では、図２および図３を参照して説明したアクティブ空燃比制御が実行され、酸素吸蔵容量ＯＳＣが測定される。

　上述した実施の形態１によれば、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する必要のある場合には、必ず、ウェイストゲート弁３８を閉じた状態で酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定することができる。このため、酸素吸蔵容量ＯＳＣを正確に測定することができる。よって、触媒３２の劣化を高精度に判定することができる。

　なお、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する際には、ウェイストゲート弁３８を全閉とすることが最も望ましいが、本発明では、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの変化タイミングを精度良く検出する上で問題ない程度に小さい開度であれば、ウェイストゲート弁３８が開いていても良い。すなわち、本発明では、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの変化タイミングを精度良く検出する上で問題が生じないようなウェイストゲート弁開度の閾値を設定しておき、上記ステップ１０２において、ウェイストゲート弁開度がその所定の閾値未満となるように制御してもよい。この場合であっても、上記と同様の効果が得られる。

　また、本実施形態では、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御に本発明を適用した場合を例に説明したが、本発明は、これ以外にも、タービン２４１およびウェイストゲート弁３８の上流側における空燃比Ａ／Ｆをステップ状に変化（急変）させ、触媒前センサ４０（あるいは触媒後センサ４２）で空燃比Ａ／Ｆの変化を検出することを目的として行われる各種の制御（空燃比変化検出制御）に適用することができる。

　酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御以外の空燃比変化検出制御としては、例えば、触媒前センサ４０の劣化による応答性の低下を診断するための制御が挙げられる。触媒前センサ４０は、劣化するにつれて、応答性（出力レベルや応答速度等）が次第に低下する。そこで、タービン２４１およびウェイストゲート弁３８の上流側における空燃比（例えば、内燃機関１０の燃焼空燃比）をステップ状に変化（急変）させ、その空燃比の変化を触媒前センサ４０によって検出し、そのときの出力レベルや応答速度が所定の基準値を満足するか否かにより、触媒前センサ４０の劣化を判定することができる。この際に、タービン２４１およびウェイストゲート弁３８の上流側における空燃比に付与する変化は、必ずしも、理論空燃比よりリッチな空燃比と理論空燃比よりリーンな空燃比との間での変化でなくてもよい。すなわち、理論空燃比よりリッチな範囲内（または理論空燃比よりリーンな範囲内）において空燃比をステップ状に変化させるようにしてもよい。

　上述した各変形例の内容は、後述する実施の形態に対しても同様に適用可能である。

　上述した実施の形態１においては、触媒前センサ４０が前記第１の発明における「排気ガスセンサ」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２および１０４の処理を実行することにより前記第１乃至第３の発明における「空燃比変化検出制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
　次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

　前述した実施の形態１では、ＥＣＵ５０がウェイストゲート弁３８の開閉を能動的に制御するシステムの場合について説明した。これに対し、本実施形態では、内燃機関１０の運転条件に応じて、受動的にウェイストゲート弁３８が開閉されるシステムであるものとする。このような本実施形態のウェイストゲート弁３８は、例えば、過給圧がダイヤフラムに及ぼす力と、スプリングの力とのバランスによって開閉されるように構成されている。すなわち、過給圧が規定値より小さい場合には、ウェイストゲート弁３８は、スプリングの力によって閉じられている。一方、過給圧が上記規定値以上になると、ダイヤフラムが及ぼす力がスプリングの力に打ち勝ち、ウェイストゲート弁３８が開く。

　本実施形態のハードウェア構成は、上記の点以外は前述した実施の形態１と同様であるので、図示は省略する。

　ターボチャージャ２４による過給圧は、内燃機関１０の負荷およびエンジン回転数に応じて変化する。従って、ウェイストゲート弁３８が閉じているか開いているかは、内燃機関１０の負荷およびエンジン回転数から判断することができる。図６は、ウェイストゲート弁３８の動作領域および非動作領域を示すマップである。内燃機関１０の負荷およびエンジン回転数が、図６に示す動作領域内にある場合には、過給圧が上記規定値以上となり、ウェイストゲート弁３８が開いていると判断できる。これに対し、内燃機関１０の負荷およびエンジン回転数が、図６に示す非動作領域内にある場合には、過給圧は上記規定値より低く、ウェイストゲート弁３８が閉じていると判断できる。そこで、本実施形態では、内燃機関１０の負荷およびエンジン回転数が上記非動作領域内にある場合に限って、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する制御の実行を許可することとした。

［実施の形態２における具体的処理］
　図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図７において、図５に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

　図７に示すルーチンによれば、まず、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するための制御が要求されているか否かが判定される（ステップ１００）。その制御が要求されていると判定された場合には、次に、内燃機関１０の現在の運転条件がウェイストゲート弁非動作領域内であるか否かが判定される（ステップ１０６）。この判定は、内燃機関１０の負荷およびエンジン回転数と、図６に示すマップとに基づいてなされる。

　上記ステップ１０６で、運転条件がウェイストゲート弁非動作領域内にない、つまりウェイストゲート弁動作領域内にある、と判定された場合には、ウェイストゲート弁３８は、現在、開いていると判定できる。この場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣの正確な測定ができないと判断できる。そこで、この場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣの測定を実行することなく、本ルーチンが終了される。

　一方、上記ステップ１０６で、運転条件がウェイストゲート弁非動作領域内にあると判定された場合には、ウェイストゲート弁３８は、現在、閉じていると判定できる。この場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣの正確な測定が可能である。そこで、この場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定する制御が実行される（ステップ１０４）。すなわち、前述したアクティブ空燃比制御が実行され、酸素吸蔵容量ＯＳＣが測定される。

　上述した実施の形態２によれば、ウェイストゲート弁３８が開いていると判定できる運転条件の場合には、酸素吸蔵容量ＯＳＣの測定を禁止し、ウェイストゲート弁３８が閉じていると判定できる運転条件の場合にのみ、酸素吸蔵容量ＯＳＣの測定を許可することができる。このため、酸素吸蔵容量ＯＳＣの測定は、必ず、ウェイストゲート弁３８が閉じている状態のときに実行される。よって、酸素吸蔵容量ＯＳＣを正確に測定することができ、触媒３２の劣化を高精度に判定することができる。

　上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、図７に示すルーチンの処理を実行することにより前記第４の発明における「開閉状態判定手段」および「禁止手段」が実現されている。

実施の形態３．
　次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態のハードウェア構成は、前述した実施の形態１と同様であり、図１に示す通りである。すなわち、本実施形態の内燃機関１０は、＃１～＃４の４つの気筒を有する直列４気筒型のものであり、爆発順序は＃１→＃３→＃４→＃２、爆発間隔は１８０°ＣＡ（クランク角度）である。

　本実施形態の内燃機関１０の排気マニホールドは、前述したように、第１排気マニホールド２６と、第２排気マニホールド２８とに分割されている。第１排気マニホールド２６は＃１気筒および＃４気筒の排気ガスを合流させ、第２排気マニホールド２８は＃２気筒および＃３気筒の排気ガスを合流させる。

　図１に示すように、第１排気マニホールド２６の管路長は、第２排気マニホールド２８の管路長よりも長い。よって、第１排気マニホールド２６の容積は、第２排気マニホールド２８の容積より大きい。このため、＃１気筒および＃４気筒から排出された排気ガスが第１排気マニホールド２６を通過してタービン２４１に流入するまでに要する時間は、＃２気筒および＃３気筒から排出された排気ガスが第２排気マニホールド２８を通過してタービン２４１に流入するまでに要する時間よりも長くなる。従って、＃１気筒および＃４気筒から排出された排気ガスが触媒前センサ４０に到達するまでに要する時間は、＃２気筒および＃３気筒から排出された排気ガスが触媒前センサ４０に到達するまでに要する時間より長くなる。本実施形態では、この時間差が３６０°ＣＡであるものとする。

　以下の説明では、気筒毎の、タービン２４１の上流側の排気通路の容積を「タービン上流側容積」と称する。

　図８および図９は、それぞれ、内燃機関１０の空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合の排気ガスの挙動を模式的に示した図である。図中で、白い升目は、リーン空燃比の排気ガスを表しており、ハッチングのかかった升目は、リッチ空燃比の排気ガスを表している。また、両図において、左側の図は、燃焼室における排気ガスの挙動を表しており、右側の図は、触媒前センサ４０の位置での排気ガスの挙動を表している。触媒前センサ４０の位置では、実際には、各気筒からの排気ガスが混合した状態、すなわち、図中で縦方向に並ぶ升目で示される排気ガスが混合した状態になる。

　前述したように、＃１気筒および＃４気筒から排出された排気ガスが触媒前センサ４０に到達するまでに要する時間は、＃２気筒および＃３気筒から排出された排気ガスが触媒前センサ４０に到達するまでに要する時間よりも、３６０°ＣＡだけ遅くなる。従って、触媒前センサ４０の位置での排気ガスの挙動は、燃焼室での挙動と比べて、＃１気筒および＃４気筒の排気ガスが、＃２気筒および＃３気筒の排気ガスに対して図中で升目２個分だけ遅れた状態となる。

　図８は、＃１気筒の空燃比を最初に切り替えた場合、すなわち、燃料噴射量の変更を＃１気筒の燃料インジェクタ１６で最初に行った場合を示している。この場合には、各気筒の燃焼室での排気ガスは、図８の左側の図に示すように、＃１気筒で最初にリーンからリッチに切り替わり、次いで＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒の順で１８０°ＣＡ間隔でリーンからリッチに切り替わっていく。この場合、触媒前センサ４０の位置での排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わるまでの期間（以下「Ａ／Ｆ変化期間」と称する）は、図８の右側の図に示すように、５４０°ＣＡとなる。

　これに対し、図９は、＃３気筒の空燃比を最初に切り替えた場合、すなわち、燃料噴射量の変更を＃３気筒の燃料インジェクタ１６で最初に行った場合を示している。この場合には、各気筒の燃焼室での排気ガスは、図９の左側の図に示すように、＃３気筒で最初にリーンからリッチに切り替わり、次いで＃４気筒、＃２気筒、＃１気筒の順で１８０°ＣＡ間隔でリーンからリッチに切り替わっていく。この場合、触媒前センサ４０の位置でのＡ／Ｆ変化期間は、図９の右側の図に示すように、９００°ＣＡとなる。

　このように、内燃機関１０の空燃比を切り替える際に、タービン上流側容積が大きい＃１気筒（または＃４気筒）で最初に空燃比を切り替えた場合には、タービン上流側容積が小さい＃３気筒（または＃２気筒）で最初に空燃比を切り替えた場合と比べて、触媒前センサ４０の位置でのＡ／Ｆ変化期間を短くすることができる。触媒前センサ４０の位置でのＡ／Ｆ変化期間を短くできれば、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンからリッチに変化するタイミングや、リッチからリーンに変化するタイミングを触媒前センサ４０によって検出するときの精度を向上することができる。

　そこで、本実施形態では、酸素吸蔵容量ＯＳＣを測定するためのアクティブ空燃比制御において内燃機関１０の空燃比をリッチとリーンとに交互に切り替える際に、＃１気筒（または＃４気筒）で最初に空燃比を切り替えることとする。これにより、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリーンからリッチに変化するタイミングや、リッチからリーンに変化するタイミングをより高い精度で検出することができるので、酸素吸蔵容量ＯＳＣを更に正確に測定することができる。

　なお、本実施形態の内燃機関１０では、＃１気筒および＃４気筒のタービン上流側容積が等しく、＃２気筒および＃３気筒のタービン上流側容積が等しいが、タービン上流側容積が気筒毎に異なる内燃機関の場合には、タービン上流側容積が最も大きい気筒の空燃比を最初に切り替えるようにすればよい。

　本実施形態は、上記の点以外は前述した実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。

Claims

　内燃機関の排気エネルギにより作動するタービンと、吸気ガスを圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャと、
　前記タービンをバイパスして排気ガスを通すウェイストゲートと、
　前記ウェイストゲートを開閉するウェイストゲート弁と、
　前記タービンおよび前記ウェイストゲート弁より下流側の排気通路に設置された排気ガスセンサと、
　前記タービンおよび前記ウェイストゲート弁より上流側における空燃比を変化させ、前記排気ガスセンサによって空燃比の変化を検出する空燃比変化検出制御を実行する空燃比変化検出制御手段と、
　を備え、
　前記空燃比変化検出制御手段は、前記ウェイストゲート弁の開度が所定値未満になっている状態のときに前記空燃比変化検出制御を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
　前記空燃比変化検出制御手段は、前記ウェイストゲート弁の開度が全閉になっている状態のときに前記空燃比変化検出制御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。
　前記空燃比変化検出制御手段は、前記空燃比変化検出制御を実行する前に前記ウェイストゲート弁の開度が前記所定値未満になるように前記ウェイストゲート弁を制御する手段を含む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。
　前記ウェイストゲート弁の開閉状態を判定する開閉状態判定手段と、
　前記ウェイストゲート弁の開度が前記所定値以上であると前記開閉状態判定手段により判定された場合には、前記空燃比変化検出制御の実行を禁止する禁止手段と、
　を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。
　前記空燃比変化検出制御は、前記排気ガスセンサまたは排気浄化触媒を診断するための制御であ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。
　前記内燃機関は、複数の気筒を有し、
　前記空燃比変化検出制御手段は、各気筒の空燃比を変化させる際、前記タービンの上流側の排気通路の容積が最も大きい気筒の空燃比を最初に変化させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。