WO2012049751A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

　本発明は、アルコール含有燃料を使用する内燃機関においても、空燃比を正確に制御し、排気浄化率を向上することを目的とする。　本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、排気浄化触媒の上流側に設置され、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、排気ガスに含まれる成分によってもたらされる空燃比センサの出力のずれを補正するセンサ出力補正手段とを備え、センサ出力補正手段は、排気ガスに含まれるアルデヒドの量および／または割合に応じて空燃比センサ出力のリーンずれ分を用いて空燃比センサの出力のずれを補正するように構成されていることを特徴とする。

Description

内燃機関の排気浄化装置

　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

　内燃機関の排気浄化触媒（三元触媒）において高い浄化率を得るためには、排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍（浄化ウィンドウ）にあることが必要である。そこで、排気浄化触媒の上流側に設置した空燃比センサで排気ガスの空燃比を検出し、その空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御が行われる。

　また、排気浄化触媒の下流側に、酸素センサ等で構成されるサブ排気ガスセンサを更に設け、このサブ排気ガスセンサの出力に基づいて、上記空燃比フィードバック制御（メインフィードバック制御）を補完するためのサブフィードバック制御を行う技術も広く用いられている。サブフィードバック制御を行うことにより、空燃比センサの出力のずれの影響を補正することができるので、内燃機関の空燃比をより高精度に理論空燃比に制御することができる。

　しかしながら、機関始動時は、空燃比センサやサブ排気ガスセンサが活性化していないので、それらが暖機されて活性化するまで、空燃比フィードバック制御やサブフィードバック制御を行うことができない。サブ排気ガスセンサは、空燃比センサより下流側にあるので、暖機に時間がかかり、活性化するのが空燃比センサより後になる。このため、空燃比センサが活性化した後、サブ排気ガスセンサが活性化するまでの期間は、空燃比センサの出力のみによって空燃比フィードバック制御が行われる。

　日本特開２００９－１１４９９２号公報には、空燃比センサの暖機開始後の早期に発生する出力のずれ（コールドシュート）の特性が燃料性状（アルコール濃度など）に応じて異なることを利用して、燃料性状を判定する技術が開示されている。コールドシュートは、機関が停止しているときに排気通路内に残存した未燃ガス中の有機物がセンサ素子に付着し、機関始動時にその有機物が反応することによって生ずると考えられる。空燃比センサの暖機が済むと、コールドシュートは解消する。

日本特開２００９－１１４９９２号公報 日本特開平５－１５７４号公報

　空燃比センサの暖機（活性化）が済み、空燃比フィードバック制御が開始された後も、排気ガスに含まれる成分が原因となって、空燃比センサの出力にずれが生ずることがある。このような出力ずれの影響は、サブフィードバック制御によって補正することが可能である。しかしながら、サブ排気ガスセンサが活性化するまでの期間は、サブフィードバック制御を行うことができない。このため、この期間において空燃比センサの出力にずれが生ずると、内燃機関の空燃比が排気浄化触媒の浄化ウィンドウ（理論空燃比の近傍）から外れてしまい、浄化率の低下を招く。

　本発明者らの知見によれば、アルコール含有燃料を使用する内燃機関では、空燃比フィードバック制御の開始後、サブフィードバック制御が開始されるまでの期間、排気浄化触媒での浄化率が低くなり易い傾向がある。この現象は、アルコール含有燃料を使用した場合に排気ガス中に生成する特有の成分に起因して、空燃比センサの出力にずれが生じる結果、内燃機関の空燃比が排気浄化触媒の浄化ウィンドウから外れてしまうためであると考えられる。

　本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、アルコール含有燃料を使用する内燃機関においても、空燃比を正確に制御し、排気浄化率を向上することのできる内燃機関の排気浄化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、内燃機関の排気浄化装置であって、
　内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、
　前記排気浄化触媒の上流側に設置され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
　前記空燃比センサの出力に基づいて、前記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
　排気ガスに含まれる成分によってもたらされる前記空燃比センサの出力のずれを補正するセンサ出力補正手段と、
　を備え、
　前記センサ出力補正手段は、排気ガスに含まれるアルデヒドの量および／または割合に応じて前記空燃比センサの出力のリーンずれ分を用いて前記空燃比センサの出力のずれを補正するように構成されてい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、
　前記センサ出力補正手段は、前記内燃機関から排出される排気ガス中の、アルデヒド濃度、またはアルデヒド濃度と水素濃度との比率、を推定する推定手段を含み、該推定手段の推定結果に基づいて、前記空燃比センサの出力のずれを補正することを特徴とする。

　また、第３の発明は、第２の発明において、
　燃料のアルコール濃度を検出または推定するアルコール濃度取得手段と、
　前記内燃機関の代表温度を検出する機関温度検出手段と、
　を備え、
　前記推定手段は、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度と、前記機関温度検出手段により検出された代表温度とを少なくとも参照することによって前記推定を行うことを特徴とする。

　また、第４の発明は、第１の発明において、
　前記内燃機関から排出される排気ガスに含まれる成分のうちの少なくともアルデヒド濃度が変化するように、前記内燃機関の燃焼状態を変化させることのできる燃焼状態可変手段と、
　前記内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度と水素濃度との比率が目標比率に近くなるように前記燃焼状態可変手段を制御する排気ガス成分比率制御を、機関始動後の所定のタイミングから開始する排気ガス成分比率制御手段と、
　前記空燃比センサの出力のずれを補正するための出力ずれ補正値を記憶した記憶手段と、
　を備え、
　前記センサ出力補正手段は、前記記憶手段に記憶された出力ずれ補正値を用いて、前記空燃比センサの出力のずれを補正することを特徴とする。

　また、第５の発明は、第４の発明において、
　前記所定のタイミングは、前記フィードバック制御が開始するタイミングまたは前記排気浄化触媒が活性化するタイミングと関連していることを特徴とする。

　また、第６の発明は、第４または第５の発明において、
　前記記憶手段は、燃料のアルコール濃度と前記出力ずれ補正値との関係を記憶しており、
　燃料のアルコール濃度を検出または推定するアルコール濃度取得手段と、
　前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度と、前記関係とに基づいて、前記出力ずれ補正値を算出する出力ずれ補正値算出手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第７の発明は、第４乃至第６の発明の何れかにおいて、
　前記出力ずれ補正値は、排気ガス中にアルデヒドおよび水素が前記目標比率で含まれる場合に生ずる前記空燃比センサの出力のずれを補正するように決定された値であることを特徴とする。

　また、第８の発明は、第４乃至第７の発明の何れかにおいて、
　前記内燃機関の吸気弁および排気弁の一方または両方の開弁特性を可変とする可変動弁装置を備え、
　前記燃焼状態可変手段は、前記可変動弁装置により前記吸気弁および前記排気弁の一方または両方の開弁特性を変化させることによって燃焼状態を変化させることを特徴とする。

　また、第９の発明は、第４乃至第８の発明の何れかにおいて、
　前記排気浄化触媒の下流側に設置されたサブ排気ガスセンサと、
　前記サブ排気ガスセンサの出力に基づいて、前記フィードバック制御を補完するためのサブフィードバック制御を行うサブフィードバック制御手段と、
　を備え、
　前記排気ガス成分比率制御手段は、前記サブフィードバック制御の開始に伴って、前記排気ガス成分比率制御を終了することを特徴とする。

　また、第１０の発明は、第４乃至第９の発明の何れかにおいて、
　前記排気ガス成分比率制御手段は、前記排気ガス成分比率制御開始後に前記内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度が、前記排気ガス成分比率制御開始前に前記内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度より低くなるように、前記燃焼状態可変手段を制御することを特徴とする。

　また、第１１の発明は、第４乃至第１０の発明の何れかにおいて、
　前記排気ガス成分比率制御手段は、前記排気ガス成分比率制御開始後に前記内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度が、前記排気ガス成分比率制御開始前に前記内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度より高くなるように、前記燃焼状態可変手段を制御することを特徴とする。

　また、第１２の発明は、第１乃至第１１の発明の何れかにおいて、
　前記センサ出力補正手段は、排気ガスに含まれる未燃アルコールが前記空燃比センサの出力をリーン側にずらすことを見込んで前記空燃比センサの出力のずれを補正するように構成されていることを特徴とする。

　第１の発明によれば、排気ガスに含まれるアルデヒドの量および／または割合に応じて空燃比センサ出力のリーンずれ分を用いて空燃比センサ出力のずれを補正することができる。アルコール含有燃料が使用された場合、内燃機関から排出される排気ガス中には、アルコール燃焼反応過程の中間体であるアルデヒドが含まれるが、このアルデヒドは空燃比センサの出力をリーン側にずらす作用がある。第１の発明によれば、そのアルデヒドに起因する空燃比センサの出力のずれを適切に補正することができるので、空燃比を正確にフィードバック制御することができる。このため、排気浄化触媒の浄化率を向上することができる。

　第２の発明によれば、アルデヒドに起因する空燃比センサの出力のずれを簡単な構成で適切に補正することができる。

　第３の発明によれば、内燃機関から排出される排気ガス中の、アルデヒド濃度、またはアルデヒド濃度と水素濃度との比率を、簡単な方法で正確に推定することができる。

　第４の発明によれば、排気ガス成分比率制御を行うことにより、内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度と水素濃度との比率が目標比率に近くなるように制御することができる。アルデヒドは空燃比センサ出力をリーン側にずらす作用があり、水素は空燃比センサ出力をリッチ側にずらす作用があり、それらのバランス（比率）によって空燃比センサ出力のずれが決定される。機関始動後の所定のタイミングにおいて内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度と水素濃度との比率は、通常、始動時の機関温度に依存して異なる。これに対し、第４の発明によれば、排気ガス成分比率制御を行うことにより、始動時の機関温度にかかわらず、アルデヒド濃度と水素濃度との比率を所定の目標比率の近くに制御することができる。このため、始動時の機関温度にかかわらず、同じ出力ずれ補正値を用いて、空燃比センサ出力のずれを適正に補正することができる。このため、制御が簡単となり、制御精度も向上することができる。

　第５の発明によれば、空燃比のフィードバック制御が開始するタイミングまたは排気浄化触媒が活性化するタイミングに関連して、排気ガス成分比率制御を行うことができる。このため、排気ガス成分比率制御を適切なタイミングで実行することができる。

　第６の発明によれば、燃料のアルコール濃度に応じて適切な出力ずれ補正値を設定することができる。このため、様々なアルコール濃度の燃料が用いられる場合であっても、空燃比センサ出力のずれをより正確に補正することができる。

　第７の発明によれば、排気ガス中にアルデヒドおよび水素が目標比率で含まれる場合に生ずる空燃比センサの出力のずれを補正するように決定された出力ずれ補正値が用いられる。排気ガス成分比率制御を行うことにより、アルデヒド濃度と水素濃度との比率は、その目標比率の近くに制御されている。このため、上記のような出力ずれ補正値を用いることにより、空燃比センサ出力のずれを適正に補正することができる。

　第８の発明によれば、可変動弁装置を燃焼状態可変手段として用いることにより、排気ガス成分比率制御を簡単且つ高精度に行うことができる。

　第９の発明によれば、サブフィードバック制御の開始に伴って排気ガス成分比率制御を終了するので、排気ガス成分比率制御の終了タイミングを適切に制御することができる。

　第１０の発明によれば、排気ガス成分比率制御開始後に内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度が、排気ガス成分比率制御開始前に内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度より低くなるように制御される。これにより、排気ガス成分比率制御開始後のアルデヒド濃度を低くすることができるので、アルデヒドに起因する空燃比センサ出力のずれを低減することができる。このため、空燃比センサ出力のずれをより正確に補正することができる。

　第１１の発明によれば、排気ガス成分比率制御開始後に内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度が、排気ガス成分比率制御開始前に内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度より高くなるように制御される。排気ガス成分比率制御開始後は、未燃アルコールを排気浄化触媒で良好に浄化できるので、内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度が高くても問題は無い。これに対し、排気ガス成分比率制御開始前は、未燃アルコールを排気浄化触媒で良好に浄化できないので、内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度がなるべく低いことが望ましい。第１１の発明によれば、排気ガス成分比率制御開始前、内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度を低くすることができるので、排気ガス成分比率制御開始前におけるエミッションを抑制することができる。

　第１２の発明によれば、排気ガスに含まれる未燃アルコールが空燃比センサの出力をリーン側にずらすことを見込んで空燃比センサの出力のずれを補正することができる。このため、排気ガスに未燃アルコールが多く含まれる場合であっても、その未燃アルコールに起因する空燃比センサの出力のずれを適切に補正することができるので、空燃比を正確にフィードバック制御することができる。このため、排気浄化触媒の浄化率を向上することができる。

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。 エンジン出ガス低減制御実行中の吸気弁および排気弁の開弁期間の一例を示す図である。 初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度と、機関始動時の水温との関係を示す図である。 排気ガス成分比率制御実行中の吸気弁および排気弁の開弁期間の一例を示す図である。 初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度と、機関始動時の水温との関係を示す図である。 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。 エンジン出ガス低減制御における吸気弁開き時期（ＩＶＯ）および吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ）と、燃料のアルコール濃度との関係を示すマップである。 図６に示すルーチンの制御が実行された場合の、エンジン出ガス中の未燃アルコール濃度およびアルデヒド濃度、並びに吸気弁１２の作用角の経時変化を示すグラフである。

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、内燃機関１０を備えている。本実施形態の内燃機関１０は、ガソリンを燃料として運転可能であるとともに、エタノール、メタノールなどのアルコールと、ガソリンとを混合した燃料（以下、「アルコール含有燃料」とも呼ぶ）によって運転可能になっている。この場合、アルコール含有燃料としては、アルコール成分の濃度（アルコール成分の割合）が低濃度（例えば数％程度）のものから高濃度（例えば８０％以上）のものまで、使用可能である。

　内燃機関１０の各気筒には、ピストン１１と、吸気弁１２と、排気弁１４と、点火プラグ１６と、気筒内に連通する吸気ポート１８および排気ポート２０と、吸気ポート１８内に燃料を噴射する燃料インジェクタ２２とが設けられている。ただし、本発明では、筒内に燃料を直接に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し、吸気ポートと筒内との両方の燃料インジェクタが設けられていてもよい。

　各気筒の吸気ポート１８は、吸気通路３０に接続されている。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられている。空気は、エアクリーナ３２を通って、吸気通路３０内に取り込まれる。エアクリーナ３２の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３３が配置されている。吸気通路３０が各気筒の気筒の吸気ポート１８に分岐する分岐部には、サージタンク３４が設けられている。サージタンク３４の上流側には、スロットルバルブ３６が配置されている。スロットルバルブ３６には、その開度を検出するためのスロットルポジションセンサ３７が付設されている。

　各気筒の排気ポート２０は、排気通路４０に接続されている。排気通路４０には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒４２が設けられている。排気浄化触媒４２は、三元触媒としての機能を有している。排気浄化触媒４２は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の浄化ウィンドウに入っている場合に、有害成分を最も効率良く浄化することができる。

　排気浄化触媒４２の上流側には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（メイン排気ガスセンサ）４４が設置されている。空燃比センサ４４が検出する空燃比は、排気浄化触媒４２に流入する前の排気ガスの空燃比である。すなわち、空燃比センサ４４が検出する空燃比は、内燃機関１０から排出されたままの排気ガス（以下、「エンジン出ガス」と称する）の空燃比である。空燃比センサ４４としては、例えば、排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな出力を発する広域空燃比センサを好ましく用いることができる。

　排気浄化触媒４２の下流側には、サブ排気ガスセンサ４６が設置されている。サブ排気ガスセンサ４６が検出する空燃比は、排気浄化触媒４２を通過した後の排気ガスの空燃比である。サブ排気ガスセンサ４６としては、例えば、排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかに応じて急変する出力を発する酸素センサを好ましく用いることができる。なお、本発明では、排気浄化触媒４２の下流側に更に別の排気浄化触媒が設置されていてもよい。

　内燃機関１０のクランク軸４５の近傍には、クランク軸４５の回転位置（クランク角度）を検出するクランク角センサ４７が設置されている。また、内燃機関１０には、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ４８が設置されている。

　内燃機関１０には、吸気弁１２の開弁特性（開き時期、閉じ時期、作用角、リフト量など）を変化させることのできる吸気可変動弁装置５２が備えられている。また、内燃機関１０には、排気弁１４の開弁特性（開き時期、閉じ時期、作用角、リフト量など）を変化させることのできる排気可変動弁装置５４が更に備えられていてもよい。吸気可変動弁装置５２、あるいは排気可変動弁装置５４としては、公知の各種の機構を用いることができるので、具体的な機構の説明は省略する。

　前述したように、本実施形態の内燃機関１０は、アルコール含有燃料によって運転可能である。本実施形態のシステムは、燃料のアルコール濃度を検出可能な燃料性状センサ６０を備えている。燃料性状センサ６０としては、例えば、燃料の誘電率、屈折率などを測定することによってアルコール濃度を検出するものを用いることができる。燃料性状センサ６０は、例えば、燃料タンク（図示せず）や、燃料タンクから燃料インジェクタ２２までの燃料供給経路の途中に設置することができる。また、本発明では、燃料のアルコール濃度を検出する方法は、燃料性状センサ６０を用いる方法に限定されるものではなく、例えば、空燃比フィードバック制御における学習値から燃料のアルコール濃度を検出（推定）するようにしてもよい。ガソリンとアルコールとでは理論空燃比の値が異なるので、アルコール含有燃料の理論空燃比の値は、そのアルコール濃度に応じて異なる。このため、後述する空燃比フィードバック制御やサブフィードバック制御によって学習可能な、燃料の理論空燃比の値に基づいて、燃料のアルコール濃度を検出（推定）することができる。

　本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。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、各センサの出力に基づいて各アクチュエータの作動を制御することにより、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

［エンジン出ガス低減制御］
　機関始動時には、排気浄化触媒４２や空燃比センサ４４、サブ排気ガスセンサ４６が低温であり、活性化していない。このため、排気浄化触媒４２で有害成分を浄化することができない。したがって、機関始動直後の期間においては、エミッション低減のためには、エンジン出ガス中の有害成分の量を減らすことが重要となる。そこで、本実施形態では、機関始動後は、エンジン出ガス中の有害成分の量を減らすためのエンジン出ガス低減制御を実行する。

　本実施形態におけるエンジン出ガス低減制御は、特に未燃アルコールの排出を抑制するための制御である。アルコール含有燃料を使用している場合には、エンジン出ガス中に未燃アルコールが含まれている。未燃アルコールは、燃料中のアルコールの気化不良に起因して生ずる成分である。すなわち、エンジン出ガス中の未燃アルコールは、燃焼に寄与しなかったアルコールがそのまま燃焼室から排出されたものである。ガソリンは、多成分からなり、低沸点成分を含むため、低温時においても、気化特性に優れる。これに対し、アルコールは、単一成分であるために沸点が決まっており、且つその沸点が高い（エタノールの場合には約７８℃）。このため、機関始動時のように内燃機関１０の温度が低いときには、燃料中のアルコールが気化しにくくなり、エンジン出ガス中の未燃アルコール濃度が高くなり易いので、これを低減する必要性が大きい。

　本実施形態では、エンジン出ガス低減制御として、吸気可変動弁装置５２により、吸気弁開き時期を遅らせる制御と、吸気弁閉じ時期を早くする制御とを行う。図２は、エンジン出ガス低減制御実行中の吸気弁１２および排気弁１４の開弁期間の一例を示す図である。図２に示すように、エンジン出ガス低減制御においては、吸気弁開き時期を遅らせ、上死点よりも後で吸気弁１２が開くようにする。吸気弁１２が閉じたままで上死点を過ぎると筒内が負圧となるので、その後に吸気弁１２が開いたとき、吸気ポート１８の空気が筒内に勢い良く吸い込まれる。すなわち、筒内への吸気流速が増大する。この吸気流速の増大により、筒内が攪拌され、燃料噴霧の微粒化が促進される。その結果、アルコールの気化が促進され、アルコールが燃焼する割合が高まるので、エンジン出ガス中の未燃アルコールを低減することができる。また、エンジン出ガス低減制御においては、吸気弁閉じ時期を早くすることにより、吸気弁１２を下死点の近くで閉じるようにする。吸気弁閉じ時期を下死点に近づけるほど、実質的な圧縮比が高くなるので、筒内温度が高くなる。このため、アルコールの気化が促進され、アルコールが燃焼する割合が高まるので、エンジン出ガス中の未燃アルコールを低減することができる。

［空燃比フィードバック制御］
　本実施形態のシステムでは、空燃比センサ４４の出力に基づいて燃料噴射量を補正することにより空燃比を制御するフィードバック制御（以下、「メインフィードバック制御」と称する）を行うことができる。更に、本実施形態のシステムでは、サブ排気ガスセンサ４６の出力に基づいて、メインフィードバック制御を補完するサブフィードバック制御を行うこともできる。

　メインフィードバック制御およびサブフィードバック制御が行われる場合、次のような処理が実行される。まず、ＥＣＵ５０は、空燃比センサ４４の出力（以下、「空燃比センサ出力」とも呼ぶ）と、サブ排気ガスセンサ４６の出力とに基づいて、次式で表される補正後空燃比センサ出力を算出する。
　　補正後空燃比センサ出力＝空燃比センサ出力＋サブフィードバック補正値

　そして、ＥＣＵ５０は、上記補正後空燃比センサ出力が、目標空燃比相当の値となるように、燃料インジェクタ２２の燃料噴射量を制御する処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ５０は、補正後空燃比センサ出力を空燃比に換算する処理、その結果得られた空燃比と目標空燃比との偏差ΔＡ／Ｆを算出する処理、および、その偏差ΔＡ／Ｆを所定のゲインで燃料噴射量の補正に反映させる処理を実行する。

　空燃比センサ４４が理想的な特性を示す場合、空燃比センサ出力と、エンジン出ガスの空燃比とは、一義的な関係を示す。この場合には、空燃比センサ出力が理論空燃比相当の値となるようにメインフィードバック制御を実行すれば、排気浄化触媒４２に流れ込む排気ガスは、理論空燃比近傍の空燃比（浄化ウィンドウに入る空燃比）を有するものとなり、排気浄化触媒４２の下流には、浄化された排気ガスだけが流出することとなる。

　しかしながら、現実には、空燃比センサ４４および信号伝送系の個体差や経年変化、或いは内燃機関１０の運転状態の変化等が原因となって、空燃比センサ４４は必ずしも常に理想的な出力特性を発揮するものではない。

　一方、サブ排気ガスセンサ４６は、理論空燃比を高い精度で検出することが可能である。このため、サブ排気ガスセンサ４６によれば、排気浄化触媒４２の下流の排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチであるかリーンであるかを正確に検出することが可能である。

　排気浄化触媒４２の下流の空燃比がリッチであることがサブ排気ガスセンサ４６により検出された場合は、エンジン出ガスの空燃比が全体としてリッチ側にシフトしていると判断できる。この場合は、燃料噴射量が現状よりも少なく算出されるように空燃比センサ出力を補正すれば、エンジン出ガスの空燃比を理論空燃比に近づけることが可能である。逆に、排気浄化触媒４２の下流の空燃比がリーンであることがサブ排気ガスセンサ４６により検出された場合は、エンジン出ガスの空燃比が全体としてリーン側にシフトしていると判断できる。この場合は、燃料噴射量が現状よりも多く算出されるように空燃比センサ出力を補正すれば、エンジン出ガスの空燃比を理論空燃比に近づけることが可能である。上記サブフィードバック補正値は、上述したような機能を実現するための補正値である。上述したようにして、サブフィードバック制御は、メインフィードバック制御を補完する機能を果たす。

　サブフィードバック補正値は、例えば次のようにして算出される。ＥＣＵ５０は、サブ排気ガスセンサ４６の出力と、基準出力（理論空燃比相当の出力）との偏差に、所定の演算を施すことにより、サブフィードバック補正値を算出する。ＰＩＤ制御によりサブフィードバック補正値を算出する場合には、上記偏差に基づく比例項、積分項、および微分項の和としてサブフィードバック補正値が算出される。

　機関始動後、排気浄化触媒４２が活性化した場合には、以上説明したような空燃比フィードバック制御を行い、エンジン出ガス空燃比が理論空燃比近傍の浄化ウィンドウに収まるように制御することにより、高い排気浄化率を得ることができる。ただし、空燃比センサ４４やサブ排気ガスセンサ４６が機能するには、それらのセンサ素子が触媒の活性温度以上に加熱されていることが必要である。機関始動直後は、空燃比センサ４４やサブ排気ガスセンサ４６は低温であるので、活性化までには、ある程度の時間がかかる。また、サブ排気ガスセンサ４６は、空燃比センサ４４と比べて、排気通路４０の下流側にあるので、排気ガスから受ける熱量が少ない。このため、サブ排気ガスセンサ４６が活性化するタイミングは、空燃比センサ４４よりも後になる。以上のようなことから、本実施形態では、機関始動後、空燃比センサ４４と排気浄化触媒４２とが共に活性化した後に、メインフィードバック制御を開始することとした。その後、サブ排気ガスセンサ４６が活性化するのを待って、サブフィードバック制御を開始する。すなわち、メインフィードバック制御の開始後、サブ排気ガスセンサ４６が活性化するまでの間は、サブフィードバック制御を伴わずにメインフィードバック制御が実行される。

　排気浄化触媒４２の浄化能力を最大限に発揮させるためには、エンジン出ガスの空燃比をなるべく正確に制御し、理論空燃比近傍の浄化ウィンドウ内に収めることが重要である。そのためには、正確な空燃比のフィードバックが必要であるので、排気ガスの空燃比をなるべく正確に検出することが重要となる。

　前述したように、サブ排気ガスセンサ４６は、理論空燃比を高い精度で検出することが可能である。このため、サブフィードバック制御の開始後においては、空燃比センサ４４の出力に多少のずれがあっても、その影響はサブ排気ガスセンサ４６を用いたサブフィードバック制御によって補正することができる。このため、エンジン出ガス空燃比を精度良く制御し、理論空燃比近傍の触媒ウィンドウに保つことが可能である。

　これに対し、メインフィードバック制御の開始後、サブフィードバック制御が開始するまでの期間（以下、「初期フィードバック期間」と称する）においては、サブフィードバック制御による補正が行われない。このため、初期フィードバック期間においてエンジン出ガスの空燃比をなるべく正確に理論空燃比に制御するためには、空燃比センサ４４の出力のみから、エンジン出ガスの空燃比をなるべく正確に検出することが必要となる。

　しかしながら、空燃比センサ４４の出力には、排気ガス中の特定の成分に起因するずれ（適正な出力あるいは理想的な出力からの逸脱）が生ずる場合がある。例えば、排気ガス（エンジン出ガス）中には、燃料の燃焼反応の過程で生成される中間体（すなわち不完全燃焼成分）として、水素が生成する。排気ガス中の水素は、空燃比センサ出力をリッチ側にずらす作用がある。すなわち、空燃比センサ出力は、排気ガス中の水素の影響により、実際の空燃比よりもリッチ側にずれる場合がある。

　一方、排気ガス中の未燃アルコールは、空燃比センサ出力をリーン側にずらす作用がある。また、アルコール含有燃料を使用している場合、エンジン出ガス中には、アルデヒド（アルデヒド類）が更に含まれている。アルデヒドは、一般式Ｒ－ＣＨＯで表される物質であり、例えばアセトアルデヒド、ホルムアルデヒド等である。エンジン出ガス中に含まれるアルデヒドは、アルコールの燃焼反応の過程で生成される中間体（すなわち不完全燃焼成分）である。排気ガス中のアルデヒドは、空燃比センサ出力をリーン側にずらす作用がある。したがって、アルコール含有燃料を使用している場合には、空燃比センサ出力をリッチ側にずらす成分（水素）と、空燃比センサ出力をリーン側にずらす成分（アルデヒド、未燃アルコール）との影響が重畳して作用する。排気ガスに含まれるアルデヒドによる空燃比センサ出力のリーンずれ分は、排気ガスに含まれるアルデヒドの量や割合と相関する。本発明によれば、排気ガスに含まれるアルデヒドの量および／または割合に応じて空燃比センサ出力のリーンずれ分を用いて空燃比センサ出力のずれを補正することにより、排気ガスに含まれるアルデヒドに起因する空燃比センサ出力のずれの影響を適切に補正することができる。

　従来、アルコール含有燃料が使用される場合、初期フィードバック期間の排気浄化率が低くなり易い傾向がある。本発明者らの知見によれば、この原因は、アルコール含有燃料を使用した場合に排気ガス中に生成する特有の成分であるアルデヒドや未燃アルコールに起因して、空燃比センサ出力にずれが生じる結果、エンジン出ガスの空燃比が排気浄化触媒４２の浄化ウィンドウから外れてしまうためであると考えられる。

　したがって、本実施形態のシステムにおいて、初期フィードバック期間における排気浄化率を向上するためには、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス空燃比を、なるべく正確に制御し、浄化ウィンドウ内に保つことが重要となる。そのためには、空燃比センサ４４の出力のみから、エンジン出ガスの空燃比をなるべく正確に検出することが必要となる。空燃比センサ出力を用いてエンジン出ガスの空燃比をなるべく正確に検出するためには、上述したような水素、アルデヒド、および未燃アルコールが原因となってもたらされる空燃比センサ出力のずれを正確に補正することが重要となる。

　エンジン出ガス中に生成する水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度は、燃料の燃焼状態によって変化する。そして、燃焼状態は、燃料の気化の状態によって異なる。また、燃料の気化の状態は、内燃機関１０の温度（シリンダブロックやシリンダヘッドなどの温度）の影響を受ける。したがって、エンジン出ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度は、そのときの内燃機関１０の温度に応じて変化する。すなわち、初期フィードバック期間においてエンジン出ガス中に生成する水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度は、初期フィードバック期間における内燃機関１０の温度に応じて、異なった値を示す。

　ここで、エンジン冷却水温は、内燃機関１０のシリンダブロックやシリンダヘッドの温度にほぼ等しいとみなせる。このため、本実施形態では、エンジン冷却水温（以下、単に「水温」と言う）を内燃機関１０の代表温度として用いる。

　初期フィードバック期間の水温は、機関始動時の水温に依存する。すなわち、機関始動時の水温が低かった場合には、メインフィードバック制御が開始されるときの水温も低いので、初期フィードバック期間の水温は低くなる。これに対し、機関始動時の水温が高かった場合には、メインフィードバック制御が開始されるときの水温も高いので、初期フィードバック期間の水温は高くなる。

　図３は、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度と、機関始動時の水温との関係を示す図である。以下、図３を参照して、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中のアルデヒドおよび未燃アルコールの濃度と、機関始動時の水温（以下、「始動時水温」と称する）との関係について説明する。

（始動時水温が低温の場合）
　始動時水温が低かった場合には、初期フィードバック期間において、未燃アルコール濃度は高くなり、アルデヒド濃度は低くなる。この理由は、次のようなものである。始動時水温が低い場合には、初期フィードバック期間における水温も低くなるので、アルコールが気化しにくく、燃焼に寄与しないアルコールの割合が高まる。このため、未燃アルコール濃度が高くなる。一方、燃焼に寄与しないアルコールの割合が高まると、アルコールの燃焼反応過程の中間体であるアルデヒドの発生量は少なくなる。その結果、アルデヒド濃度は低くなるのである。

（始動時水温が中温の場合）
　始動時水温が高くなるにつれて、初期フィードバック期間における水温も高くなるので、アルコールも気化し易くなっていく。このため、気化するアルコールの割合が高まり、燃焼に寄与するアルコールの割合も高まる。このため、始動時水温が中温の場合には、低温の場合と比べて、未燃アルコール濃度は低くなる。また、燃焼に寄与するアルコールが多くなることに伴い、中間体であるアルデヒドの生成量も多くなる。このため、始動時水温が中温の場合には、低温の場合と比べて、アルデヒド濃度は高くなる。

（始動時水温が高温の場合）
　始動時水温が高温の場合には、中温の場合と比べて、アルコールの気化が更に促進されるので、未燃アルコール濃度は更に低くなる。一方、アルデヒド濃度は、次のようになる。始動時水温が高温の場合には、中温の場合と比べて、燃焼に寄与するアルコールの割合は更に高まる。しかしながら、水温が高くなると、燃焼が安定化し、完全燃焼に近づくため、燃焼反応過程の中間体（不完全燃焼成分）であるアルデヒドの生成量は少なくなる。その結果、始動時水温が高温の場合のアルデヒド濃度は、中温の場合よりも低くなる。

　一方、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の水素濃度については、始動時水温が高くなるにつれて、低くなる傾向がある。この理由は、水温が高くなるほど、燃焼が安定化し、完全燃焼に近づくため、燃焼反応過程の中間体（不完全燃焼成分）である水素の生成量が少なくなるためである。ただし、始動時水温の変化に対する水素濃度の変化は、未燃アルコールやアルデヒド濃度の変化と比べると、小さい傾向がある。

　また、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の成分の濃度は、燃料のアルコール濃度によっても異なる。図２は、所定のアルコール濃度の燃料を用いた場合のものである。燃料のアルコール濃度が高いほど、未燃アルコール濃度やアルデヒド濃度は高くなる傾向がある。これに対し、燃料のアルコール濃度が変化しても、水素濃度はあまり変わらない傾向がある。

　以上説明した事項に鑑みれば、アルコール含有燃料を使用している場合であっても、次のような手法（制御）により、初期フィードバック期間において空燃比センサ４４によってエンジン出ガスの空燃比を正確に検出することが可能となる。

　（１）水素に起因する空燃比センサ出力のリッチずれを補正するための補正値（以下、「水素補正値」と称する）は、水素濃度の関数となる。アルデヒドに起因する空燃比センサ出力のリーンずれを補正するための補正値（以下、「アルデヒド補正値」と称する）は、アルデヒド濃度の関数となる。未燃アルコールに起因する空燃比センサ出力のリーンずれを補正するための補正値（以下、「未燃アルコール補正値」と称する）は、未燃アルコール濃度の関数となる。予め実験を行うことにより、これらの補正値と濃度との関係を求め、マップとしてＥＣＵ５０に予め記憶しておく。
　（２）前述したように、図２に示すような排気ガス成分の比率は、燃料のアルコール濃度に応じて異なる。そこで、アルコール濃度の異なる複数の燃料を用いて予め実験を行い、図２に示すような排気ガス成分の比率と燃料のアルコール濃度との関係を調べ、それらの関係をマップ（以下、「排気ガス成分マップ」と称する）としてＥＣＵ５０に予め記憶しておく。
　（３）機関始動時、水温および燃料のアルコール濃度を検出し、それらの検出値と上記排気ガス成分マップとに基づいて、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の水素濃度、アルデヒド濃度、および未燃アルコール濃度を算出する。
　（４）上記算出された水素濃度、アルデヒド濃度、および未燃アルコール濃度に基づいて、水素補正値、アルデヒド補正値、および未燃アルコール補正値を算出する。
　（５）初期フィードバック期間において、上記算出された水素補正値、アルデヒド補正値、および未燃アルコール補正値を用いて空燃比センサ出力を補正した上で、メインフィードバック制御を実行する。

　前述したように、空燃比センサ４４の出力には、空燃比センサ出力をリッチ側にずらす成分としての水素の影響によるずれと、空燃比センサ出力をリーン側にずらす成分としてのアルデヒドおよび未燃アルコールの影響によるずれとが重畳している。本発明では、上記（１）～（５）のような制御を行うことにより、初期フィードバック期間において、水素、アルデヒド、および未燃アルコールの各濃度あるいは比率を正確に推定して、これらの成分に起因する空燃比センサ出力のずれを正確に補正することができる。その結果、空燃比センサ４４によってエンジン出ガスの空燃比を正確に検出することが可能となる。このため、初期フィードバック期間において、エンジン出ガスの空燃比を正確にフィードバック制御して、理論空燃比近傍の浄化ウィンドウ内に保つことができる。よって、排気浄化率が向上し、エミッションを低減することができる。

　本発明では、上記（１）～（５）のような制御を行うようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ５０が、上記（３）の処理を実行することにより前記第２および第３の発明における「推定手段」が実現され、上記（４）および（５）の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比フィードバック制御手段」および「センサ出力補正手段」が実現される。

　ただし、上記（１）～（５）の制御では、排気ガス成分マップのほか、水素補正値、アルデヒド補正値、および未燃アルコール補正値の各々のマップを予め用意し、ＥＣＵ５０に記憶しておく必要がある。また、始動時水温に応じて、空燃比センサ出力を補正するために必要な補正値が変化する。このため、空燃比センサ出力を補正するための制御が複雑になる。そこで、本実施形態では、より簡単な制御とするため、次のような排気ガス成分比率制御を行うこととした。

［排気ガス成分比率制御］
　本実施形態のように、空燃比センサ出力をリッチ側にずらす成分（水素）の影響と、空燃比センサ出力をリーン側にずらす成分（アルデヒドおよび未燃アルコール）の影響とが空燃比センサ４４の出力に重畳している場合には、両方の影響が相殺する。例えば、水素濃度が高い場合であっても、アルデヒド濃度や未燃アルコール濃度も高い場合には、空燃比センサ出力のずれが小さい場合もある。このため、空燃比センサ出力がリッチ側とリーン側との何れの側にどれだけずれるかは、排気ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールのバランス（比率）によって決定される。逆に、水素、アルデヒド、および未燃アルコールの濃度が異なっていても、それらの比率が等しい場合（各成分の濃度が等倍になっている場合）には、空燃比センサ出力に生ずるずれは同じになる。

　したがって、排気ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールの比率が等しくなるように制御することができれば、空燃比センサ出力を補正するための補正値は同じでよいので、空燃比センサ出力の補正が簡単になる。そこで、本実施形態では、初期フィードバック期間におけるエンジン出ガス中の水素、アルデヒド、および未燃アルコールの比率（以下、「排気ガス成分比率」と略称する）が、始動時水温にかかわらず一定の値となるようにする排気ガス成分比率制御を行うこととした。

　図４は、排気ガス成分比率制御実行中の吸気弁１２および排気弁１４の開弁期間の一例を示す図である。なお、前述した図３のグラフは、排気ガス成分比率制御を実行しておらず、エンジン出ガス低減制御が継続されている場合の排気ガス成分比率を表したものである。図５は、図３と同様の図である。以下、図４および図５を参照して、排気ガス成分比率制御について説明する。

　本実施形態では、排気ガス成分比率制御として、吸気可変動弁装置５２により、吸気弁開き時期を早くする制御と、吸気弁閉じ時期を遅くする制御とを行う。図４に示すように、排気ガス成分比率制御においては、吸気弁開き時期を早めて、上死点に近づける。これにより、吸気弁１２が開くときの筒内の負圧化が抑制されるので、筒内への吸気流速が低下する。その結果、燃料噴霧の微粒化が抑制され、アルコールが気化しにくくなるので、燃焼に寄与しないアルコールの割合が増加し、未燃アルコールの排出量が増大する。また、排気ガス成分比率制御においては、吸気弁閉じ時期を遅くし、下死点から離れた位置で吸気弁１２が閉じるようにする。吸気弁閉じ時期が下死点から離れるほど、実質的な圧縮比が低くなるので、筒内温度が低くなる。このため、アルコールの気化が抑制され、アルコールが気化しにくくなるので、燃焼に寄与しないアルコールの割合が増加し、未燃アルコールの排出量が増大する。

　要するに、排気ガス成分比率制御では、アルコールの気化を抑制し、燃焼に寄与しないアルコールの割合を増加させる。これにより、エンジン出ガス中の未燃アルコール濃度が上昇する。また、燃焼に寄与しないアルコールの割合が増加すると、燃焼反応の中間体であるアルデヒドの生成量は少なくなる。このため、エンジン出ガス中のアルデヒド濃度が低下する。

　本実施形態の排気ガス成分比率制御では、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率が、始動時水温にかかわらず、始動時水温が低温域の所定温度Ｔ_Ｌであった場合の排気ガス成分比率に近くなるように制御する。図５に示すように、始動時水温がＴ_Ｌであった場合、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率は、水素：アルデヒド：未燃アルコール＝Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌとなる。水素、アルデヒド、および未燃アルコールに起因する空燃比センサ出力のずれを補正するための補正値（以下、「出力ずれ補正値」と称する）は、それらの比率、すなわち排気ガス成分比率に基づいて一義的に決定される。本実施形態では、予め、始動時水温Ｔ_Ｌの場合の排気ガス成分比率Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌに基づいて出力ずれ補正値を算出し、ＥＣＵ５０に記憶しておく。この場合、燃料のアルコール濃度が異なれば、始動時水温Ｔ_Ｌに対応する排気ガス成分比率Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌも異なる。したがって、出力ずれ補正値も燃料のアルコール濃度に応じて異なる。そこで、燃料のアルコール濃度と出力ずれ補正値との関係をマップとして予めＥＣＵ５０に記憶しておく。

　図５から分かるとおり、始動時水温がＴ_Ｌよりも高い場合には、始動時水温がＴ_Ｌの場合と比べて、水素濃度が低くなるのに対し、アルデヒド濃度は高くなる。すなわち、アルデヒド濃度は水素濃度と反対の傾向を示す。また、始動時水温がＴ_Ｌよりも高い場合の未燃アルコール濃度は、始動時水温がＴ_Ｌの場合より低くなる点では水素濃度と同じであるが、その変化の割合が水素濃度よりも大きい。したがって、排気ガス成分比率制御を行わなかったとすると、始動時水温がＴ_Ｌよりも高かった場合の排気ガス成分比率は、始動時水温Ｔ_Ｌの場合の排気ガス成分比率と比べ、アルデヒドの比率が過大となり、未燃アルコールの比率が過小となる。これに対し、上述した排気ガス成分比率制御を行えば、未燃アルコール濃度を上昇させ、アルデヒド濃度を低下させることができる。このため、過大であるアルデヒドの比率と、過小である未燃アルコールの比率とを共に補正することができ、始動時水温がＴ_Ｌの場合の排気ガス成分比率に近くなるようにすることができる。

　例えば、図５に示すように、始動時水温が中温域の所定温度Ｔ_Ｍであった場合には、排気ガス成分比率制御を実行しなかったとすると、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率は、水素：アルデヒド：未燃アルコール＝Ｃ_１Ｍ：Ｃ_２Ｍ：Ｃ_３Ｍとなる。この場合、排気ガス成分比率制御は、未燃アルコール濃度をＣ_３Ｍ’に増加させ、アルデヒド濃度をＣ_２Ｍ’に低下させるように、実行される。ここで、Ｃ_２Ｍ’およびＣ_３Ｍ’は、Ｃ_１Ｍ：Ｃ_２Ｍ’：Ｃ_３Ｍ’＝Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌを満足する値である。このようにして排気ガス成分比率制御を行うことにより、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率は、水素：アルデヒド：未燃アルコール＝Ｃ_１Ｍ：Ｃ_２Ｍ’：Ｃ_３Ｍ’＝Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌとなる。したがって、ＥＣＵ５０に記憶された、始動時水温Ｔ_Ｌに対応する出力ずれ補正値を用いて、空燃比センサ出力を適正に補正することができる。

　以上のように、本実施形態の排気ガス成分比率制御では、始動時水温Ｔ_Ｌの場合の比率Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌを目標比率として、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率を制御する。すなわち、始動時水温にかかわらず、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率が、始動時水温Ｔ_Ｌの場合の比率Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌに近くなるように制御する。

　排気ガス成分比率制御においては、吸気弁開き時期の進角量や吸気弁閉じ時期の遅角量が大きいほど、未燃アルコール濃度の増加量およびアルデヒド濃度の低下量が大きくなる。吸気弁開き時期の進角量や吸気弁閉じ時期の遅角量を制御することにより、未燃アルコール濃度の増加量およびアルデヒド濃度の低下量を制御することができる。よって、吸気弁開き時期の進角量や吸気弁閉じ時期の遅角量を制御することにより、始動時水温がＴ_Ｍ以外の場合であっても、排気ガス成分比率が目標比率（水素：アルデヒド：未燃アルコール＝Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌ）に近くなるように制御することができる。

　なお、本実施形態の排気ガス成分比率制御では、未燃アルコール濃度およびアルデヒド濃度を変化させるようにし、水素濃度は変化させないこととしているが、本発明では、必要に応じて水素濃度も変化させるようにしてもよい。水素は、燃焼反応の中間体であるので、燃焼が不完全であるほど多く排出され、完全燃焼に近いほど排出量が少なくなる。混合気の均質性が低いほど燃焼は不完全となり、混合気の均質性が高いほど完全燃焼に近づく。混合気の均質性は、例えば、筒内に生成する渦流（タンブル、スワール等）の強さを調節する渦流制御弁（図示せず）によって制御することができる。よって、そのような渦流制御弁によって混合気の均質性を調節することにより、水素濃度を制御することが可能である。

　図６は、上記の機能を実現するために内燃機関１０の始動時にＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、内燃機関１０の始動要求があるか否かが判断される（ステップ１００）。始動要求があると判断された場合には、燃料性状センサ６０によって検出される燃料のアルコール濃度Ｃａと、水温センサ４８によって検出される始動時水温Ｔｗ＿０とがそれぞれ取得される（ステップ１０２，１０３）。

　続いて、メインフィードバック制御の開始条件およびサブフィードバック制御の開始条件を決定する処理が以下のようにして行われる（ステップ１０４）。始動後の空燃比センサ４４やサブ排気ガスセンサ４６の温度は、それらが排気ガスからどれだけの熱を受けたかによって推定することができるので、始動時からの積算排気ガス量と相関がある。始動時からの積算排気ガス量は、エアフローメータ３３で検出される吸入空気量を始動時から積算した積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍと相関がある。このため、空燃比センサ４４やサブ排気ガスセンサ４６の活性化は、積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍに基づいて判定することができる。ステップ１０４では、空燃比センサ４４の活性化を積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍに基づいて判定するための判定値βと、サブ排気ガスセンサ４６の活性化を積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍに基づいて判定するための判定値ε（＞β）とが算出される。始動時水温Ｔｗ＿０が低い場合ほど、空燃比センサ４４やサブ排気ガスセンサ４６の活性化は遅くなる。このため、判定値βおよびεは、始動時水温Ｔｗ＿０が低い場合ほど大きくなるように算出される。また、空燃比センサ４４やサブ排気ガスセンサ４６の活性化をより正確に判定するためには、始動後の水温も加味して判定を行うべきである。そこで、ステップ１０４では、空燃比センサ４４の活性化を始動後水温に基づいて判定するための判定値αと、サブ排気ガスセンサ４６の活性化を始動後水温に基づいて判定するための判定値δ（＞α）とが更に算出される。これらの判定値αおよびδも、始動時水温Ｔｗ＿０が低い場合ほど大きくなるように算出される。

　上記ステップ１０４の処理に続いて、内燃機関１０のクランク軸４５が電気モータ（図示せず）によりクランキングされ、内燃機関１０が始動される（ステップ１０５）。始動後、吸気可変動弁装置５２が制御され、エンジン出ガス低減制御が実行される（ステップ１０６）。このエンジン出ガス低減制御では、前述したように、吸気弁開き時期（ＩＶＯ）が上死点より遅い時期へ遅角されるとともに、吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ）は下死点に近づくように進角される（ステップ１０７）。図７は、エンジン出ガス低減制御における吸気弁開き時期（ＩＶＯ）および吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ）と、燃料のアルコール濃度との関係を示すマップである。上記ステップ１０７では、図７に示すマップに基づいて、吸気弁開き時期（ＩＶＯ）および吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ）が制御される。すなわち、上記ステップ１０２で取得された燃料のアルコール濃度Ｃａが高い場合ほど、吸気弁開き時期（ＩＶＯ）は遅く、吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ）は早くなるように制御される。

　続いて、水温センサ４８によって検出される現在の水温が始動後水温Ｔｗ＿１として取得され（ステップ１０８）、この始動後水温Ｔｗ＿１が判定値αを超えたかどうかが判断される（ステップ１０９）。始動後水温Ｔｗ＿１が判定値αを超えた場合には、次に、現在の積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍが取得され（ステップ１１０）、この積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍが判定値βを超えたかどうかが判断される（ステップ１１１）。始動後水温Ｔｗ＿１が判定値αを超え、且つ積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍが判定値βを超えた場合には、空燃比センサ４４が活性化したと判断できるので、メインフィードバック開始条件（空燃比センサ４４の活性化）が成立したと判定される（ステップ１１２）。

　続いて、排気浄化触媒４２の触媒床温推定値Ｔｃａｔが取得される（ステップ１１３）。始動後の排気浄化触媒４２の触媒床温は、始動時から排気浄化触媒４２に流入した排気ガスの総エネルギー量と相関があり、積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍや積算燃料噴射量などに基づく公知の演算をＥＣＵ５０で行うことにより推定することができる。触媒床温推定値Ｔｃａｔは、そのようにしてＥＣＵ５０により算出される値である。上記ステップ１１３で取得された触媒床温推定値Ｔｃａｔは、所定の判定値γと比較される（ステップ１１４）。判定値γは、触媒の活性温度に相当する値である。上記ステップ１１４で、触媒床温推定値Ｔｃａｔが判定値γを超えた場合には、排気浄化触媒４２の暖機が完了した（活性化した）と判定される（ステップ１１５）。

　上記ステップ１１５で排気浄化触媒４２の暖機が完了した（活性化した）と判定された場合には、吸気可変動弁装置５２が制御され、前述した排気ガス成分比率制御が実行される（ステップ１１６）。この排気ガス成分比率制御では、前述したように、吸気弁開き時期は上死点へ近づくように進角されるとともに、吸気弁閉じ時期は下死点から離れるように遅角される（ステップ１１７）。排気ガス成分比率制御は、前述したように、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率を、目標比率（始動時水温Ｔ_Ｌの場合の比率Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌ）に近づけるように実行される。ＥＣＵ５０には、燃料のアルコール濃度と始動時水温とに基づいて、排気ガス成分比率制御における吸気弁開き時期および吸気弁閉じ時期を算出するためのマップが予め記憶されている。このマップは、初期フィードバック期間における排気ガス成分比率が上記目標比率に一致するような吸気弁１２のバルブタイミングを予め実験的に調べることによって作成されたものである。上記ステップ１１７では、このマップと、上記ステップ１０２で取得されたアルコール濃度Ｃａと、上記ステップ１０３で取得された始動時水温Ｔｗ＿０とに基づいて、吸気弁開き時期および吸気弁閉じ時期が算出される。そして、その算出された吸気弁開き時期および吸気弁閉じ時期が実現されるように、吸気可変動弁装置５２が制御される。

　上記ステップ１１７の処理に続いて、メインフィードバック制御が開始される（ステップ１１８）。前述したように、ＥＣＵ５０には、燃料のアルコール濃度と出力ずれ補正値との関係を定めた出力ずれ補正値マップとして予め記憶されている。上記ステップ１１８のメインフィードバック制御においては、まず、この出力ずれ補正値マップと、上記ステップ１０２で取得されたアルコール濃度Ｃａとに基づいて、出力ずれ補正値が算出される。そして、その算出された出力ずれ補正値によって空燃比センサ出力が補正される。ＥＣＵ５０は、その補正後の空燃比センサ出力が目標空燃比相当の値となるように、燃料インジェクタ２２の燃料噴射量を制御する処理を実行する。

　上記出力ずれ補正値マップにより算出される出力ずれ補正値は、始動時水温がＴ_Ｌの場合の排気ガス成分比率（Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌ）において、水素が空燃比センサ出力をリッチ側にずらすこと、アルデヒドが空燃比センサ出力をリーン側にずらすこと、および、未燃アルコールが空燃比センサ出力をリーン側にずらすことをそれぞれ見込んで、それらのずれを補正するように定められた値である。排気ガス成分比率制御（ステップ１１６，１１７）を実行したことにより、始動時水温Ｔｗ＿０にかかわらず、排気ガス成分比率は、目標比率Ｃ_１Ｌ：Ｃ_２Ｌ：Ｃ_３Ｌに近い比率に制御されている。したがって、上記ステップ１１８のメインフィードバック制御においては、上記のような出力ずれ補正値によって空燃比センサ出力のずれを適正に補正することができる。このため、エンジン出ガスの空燃比を正確にフィードバック制御して、理論空燃比近傍の浄化ウィンドウ内に保つことができる。よって、排気浄化触媒４２での排気浄化率が向上し、エミッションを低減することができる。また、本実施形態では、始動時水温Ｔｗ＿０にかかわらず、同じ出力ずれ補正値を用いて空燃比センサ出力を補正すればよいので、制御を簡単にすることができ、制御精度も向上する。

　上記ステップ１１８の処理に続いて、水温センサ４８によって検出される現在の水温である始動後水温Ｔｗ＿１と、現在の積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍとがそれぞれ取得される（ステップ１１９）。そして、始動後水温Ｔｗ＿１が判定値δを超えたかどうか、および、積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍが判定値εを超えたかどうかが判断される（ステップ１２０）。始動後水温Ｔｗ＿１が判定値δを超え、且つ積算空気量Ｇａ＿ｓｕｍが判定値εを超えた場合には、サブ排気ガスセンサ４６が活性化したと判断できるので、サブフィードバック開始条件が成立したと判定される（ステップ１２１）。

　上記ステップ１２１でサブフィードバック条件が成立したと判定された場合には、サブフィードバック制御が開始される。サブフィードバック制御が開始された場合には、排気ガス成分比率制御が終了され（ステップ１２２）、また、上記出力ずれ補正値による空燃比センサ出力に対する補正も終了される。排気ガス成分比率制御の終了後、吸気可変動弁装置５２は、通常運転時のバルブタイミングを定めたマップに従って制御される。

　図８は、図６に示すルーチンの制御が実行された場合の、エンジン出ガス中の未燃アルコール濃度およびアルデヒド濃度、並びに吸気弁１２の作用角の経時変化を示すグラフである。図２および図４から分かるとおり、エンジン出ガス低減制御における吸気弁１２の作用角は小さく、排気ガス成分比率制御における吸気弁１２の作用角は大きい。このため、図８に示すように、エンジン出ガス低減制御から排気ガス成分比率制御へ切り替わる際、吸気弁１２の作用角が拡大する。吸気弁１２のバルブタイミングを変更してから、空燃比センサ４４の位置での排気ガス成分比率が変化するまでには、多少の遅れが生ずる。この遅れを見込んで、メインフィードバック制御が開始されるタイミングよりやや早いタイミングで、排気ガス成分比率制御を開始することが望ましい。

　図８に示すように、排気ガス成分比率制御後のエンジン出ガス中のアルデヒド濃度は、排気ガス成分比率制御前のエンジン出ガス中のアルデヒド濃度より低くなる。一方、排気ガス成分比率制御後のエンジン出ガス中の未燃アルコール濃度は、排気ガス成分比率制御前のエンジン出ガス中の未燃アルコール濃度より高くなる。メインフィードバック制御の開始後、アルデヒドおよび未燃アルコールを含め、エンジン出ガス中の有害成分は、排気浄化触媒４２において良好に浄化される。このため、排気ガス成分比率制御によってエンジン出ガス中の未燃アルコール濃度が増加しても、エミッション上、問題は無い。

　本実施形態における排気ガス成分比率制御では、吸気弁１２の開弁特性を変化させることによって内燃機関１０の燃焼状態を変化させ、もって排気ガス成分比率を制御している。これに対し、本発明において、排気ガス成分比率制御を行うために燃焼状態を変化させる方法は、吸気弁１２の開弁特性を変化させる方法に限定されるものではなく、例えば以下のような方法を採用あるいは併用することもできる。

（排気弁１４の開弁特性を変化させる方法）
　排気弁１４の閉じ時期を早くし、上死点および吸気弁開き時期より前で排気弁１４を閉じるようにすると、排気弁１４が閉じた後、筒内に残留した排気ガスが圧縮される。吸気弁１２が開くと、この圧縮された排気ガスが吸気ポート１８へ勢い良く吹き返す。これにより、燃料の微粒化や蒸発が促進される。このため、エンジン出ガス低減制御において、上記の制御を行うことにより、アルコールの気化を促進することができる。そして、排気ガス成分比率制御においては、排気弁１４の閉じ時期を元に戻して上死点および吸気弁開き時期より後にすることにより、アルコールの気化を抑制して、未燃アルコール濃度を増加させ、アルデヒド濃度を低下させることができる。

（渦流制御弁を用いる方法）
　筒内に生成する渦流（タンブル、スワール等）の強さを調節する渦流制御弁が備えられている場合には、エンジン出ガス低減制御において、渦流を強くすることにより、燃料の微粒化が促進されるので、アルコールの気化を促進することができる。そして、排気ガス成分比率制御においては、渦流を弱くすることにより、アルコールの気化を抑制して、未燃アルコール濃度を増加させ、アルデヒド濃度を低下させることができる。

（燃料噴射圧力を変化させる方法）
　燃料インジェクタ２２の燃料噴射圧力を可変とする機構が備えられている場合には、エンジン出ガス低減制御において、燃料噴射圧力を高くすることにより、燃料の微粒化が促進されるので、アルコールの気化を促進することができる。そして、排気ガス成分比率制御においては、燃料噴射圧力を低くすることにより、アルコールの気化を抑制して、未燃アルコール濃度を増加させ、アルデヒド濃度を低下させることができる。

（燃料加熱量を変化させる方法）
　燃料インジェクタ２２や吸気ポート１８などに、燃料を加熱するためのヒータが備えられている場合には、エンジン出ガス低減制御において、ヒータによる燃料加熱量を多くすることにより、アルコールの気化を促進することができる。そして、排気ガス成分比率制御においては、ヒータによる燃料加熱量を低下させることにより、アルコールの気化を抑制して、未燃アルコール濃度を増加させ、アルデヒド濃度を低下させることができる。

　なお、初期フィードバック期間においてアルコールの気化が特に良好となる条件では、エンジン出ガス中の未燃アルコール濃度が極めて低くなり、未燃アルコールが空燃比センサ出力をリーン側にずらす影響を無視しても問題ない場合があり得る。このような場合、本発明では、未燃アルコールが空燃比センサ出力をリーン側にずらすことを見込まずに空燃比センサ出力のずれを補正してもよい。また、排気ガス成分比率制御において、未燃アルコール濃度を変化させなくてもよい。すなわち、本発明では、エンジン出ガス中のアルデヒドが空燃比センサ出力をリーン側にずらすことを少なくとも見込んで空燃比センサ出力のずれを補正すればよい。また、本発明では、排気ガス成分比率制御において、エンジン出ガス中の少なくともアルデヒド濃度を変化させることにより、アルデヒド濃度と水素濃度とが目標比率となるように制御すればよい。

　また、上述した実施の形態１においては、吸気可変動弁装置５２が前記第４の発明における「燃焼状態可変手段」に、ＥＣＵ５０が前記第４の発明における「記憶手段」に、燃料性状センサ６０が前記第５の発明における「アルコール濃度取得手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比フィードバック制御手段」および「センサ出力補正手段」並びに前記第６の発明における「出力ずれ補正値算出手段」が、上記ステップ１１６，１１７の処理を実行することにより前記第４の発明における「排気ガス成分比率制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０　内燃機関
１２　吸気弁
１４　排気弁
１６　点火プラグ
２２　燃料インジェクタ
３０　吸気通路
３３　エアフローメータ
３６　スロットルバルブ
４０　排気通路
４２　排気浄化触媒
４４　空燃比センサ
４６　サブ排気ガスセンサ
４８　水温センサ
５０　ＥＣＵ
５２　吸気可変動弁装置
５４　排気可変動弁装置

Claims (12)

1. 　内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、
   　前記排気浄化触媒の上流側に設置され、前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   　前記空燃比センサの出力に基づいて、前記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
   　排気ガスに含まれる成分によってもたらされる前記空燃比センサの出力のずれを補正するセンサ出力補正手段と、
   　を備え、
   　前記センサ出力補正手段は、排気ガスに含まれるアルデヒドの量および／または割合に応じて前記空燃比センサの出力のリーンずれ分を用いて前記空燃比センサの出力のずれを補正するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 　前記センサ出力補正手段は、前記内燃機関から排出される排気ガス中の、アルデヒド濃度、または排気ガス中のアルデヒド濃度と水素濃度との比率、を推定する推定手段を含み、該推定手段の推定結果に基づいて、前記空燃比センサの出力のずれを補正することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 　燃料のアルコール濃度を検出または推定するアルコール濃度取得手段と、
   　前記内燃機関の代表温度を検出する機関温度検出手段と、
   　を備え、
   　前記推定手段は、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度と、前記機関温度検出手段により検出された代表温度とを少なくとも参照することによって前記推定を行うことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 　前記内燃機関から排出される排気ガスに含まれる成分のうちの少なくともアルデヒド濃度が変化するように、前記内燃機関の燃焼状態を変化させることのできる燃焼状態可変手段と、
   　前記内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度と水素濃度との比率が目標比率に近くなるように前記燃焼状態可変手段を制御する排気ガス成分比率制御を、機関始動後の所定のタイミングから開始する排気ガス成分比率制御手段と、
   　前記空燃比センサの出力のずれを補正するための出力ずれ補正値を記憶した記憶手段と、
   　を備え、
   　前記センサ出力補正手段は、前記記憶手段に記憶された出力ずれ補正値を用いて、前記空燃比センサの出力のずれを補正することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 　前記所定のタイミングは、前記フィードバック制御が開始するタイミングまたは前記排気浄化触媒が活性化するタイミングと関連していることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 　前記記憶手段は、燃料のアルコール濃度と前記出力ずれ補正値との関係を記憶しており、
   　燃料のアルコール濃度を検出または推定するアルコール濃度取得手段と、
   　前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度と、前記関係とに基づいて、前記出力ずれ補正値を算出する出力ずれ補正値算出手段と、
   　を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 　前記出力ずれ補正値は、排気ガス中にアルデヒドおよび水素が前記目標比率で含まれる場合に生ずる前記空燃比センサの出力のずれを補正するように決定された値であることを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 　前記内燃機関の吸気弁および排気弁の一方または両方の開弁特性を可変とする可変動弁装置を備え、
   　前記燃焼状態可変手段は、前記可変動弁装置により前記吸気弁および前記排気弁の一方または両方の開弁特性を変化させることによって燃焼状態を変化させることを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 　前記排気浄化触媒の下流側に設置されたサブ排気ガスセンサと、
   　前記サブ排気ガスセンサの出力に基づいて、前記フィードバック制御を補完するためのサブフィードバック制御を行うサブフィードバック制御手段と、
   　を備え、
   　前記排気ガス成分比率制御手段は、前記サブフィードバック制御の開始に伴って、前記排気ガス成分比率制御を終了することを特徴とする請求項４乃至８の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 　前記排気ガス成分比率制御手段は、前記排気ガス成分比率制御開始後に前記内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度が、前記排気ガス成分比率制御開始前に前記内燃機関から排出される排気ガス中のアルデヒド濃度より低くなるように、前記燃焼状態可変手段を制御することを特徴とする請求項４乃至９の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 　前記排気ガス成分比率制御手段は、前記排気ガス成分比率制御開始後に前記内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度が、前記排気ガス成分比率制御開始前に前記内燃機関から排出される排気ガス中の未燃アルコール濃度より高くなるように、前記燃焼状態可変手段を制御することを特徴とする請求項４乃至１０の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 　前記センサ出力補正手段は、排気ガスに含まれる未燃アルコールが前記空燃比センサの出力をリーン側にずらすことを見込んで前記空燃比センサの出力のずれを補正するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

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