WO2012098674A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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sensor
output
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fuel ratio
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敬規 佐々木
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トヨタ自動車株式会社
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    • F02D41/2474—Characteristics of sensors

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine, and more particularly, to a control device for an internal combustion engine having an exhaust gas sensor in which an exhaust gas side electrode of a sensor element is covered with a catalyst layer.
  • an air-fuel ratio control apparatus including an O 2 sensor in which an exhaust gas side electrode of a sensor element is covered with a catalyst layer has been proposed.
  • an exhaust gas side electrode is formed on the surface of the sensor element of the O 2 sensor, and this exhaust gas side electrode is covered with a catalyst layer that removes hydrogen by a catalytic reaction.
  • O 2 and H 2 react with each other in the catalyst layer and reach the exhaust gas side electrode as an equilibrium gas, thereby suppressing the situation where the sensor output shifts to the lean side. can do.
  • a limit current type exhaust gas sensor provided with a catalyst layer has very high detection accuracy and high robustness during engine control, so that precise air-fuel ratio control can be performed.
  • a phenomenon may occur in which the sensor output stagnate in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio. .
  • the OSC material such as ceria contained in the catalyst layer absorbs oxygen in a lean atmosphere and releases it in a rich atmosphere, or the noble metal contained in the catalyst layer is oxidized in a lean atmosphere and reduced in a rich atmosphere. This is due to the phenomenon. Therefore, if air-fuel ratio control is executed based on such sensor output, there is a risk of adverse effects on emissions and OBD.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can effectively correct an output deviation in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio in an exhaust gas sensor in which an exhaust gas side electrode of a sensor element is covered with a catalyst layer.
  • An object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine.
  • a first invention is a control device for an internal combustion engine, A sensor element made of a solid electrolyte, which is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and has an atmosphere side electrode formed on one side surface and an exhaust gas side electrode formed on the other side surface, and covers the exhaust gas side electrode
  • An exhaust gas sensor having a catalyst layer; Based on the sensor output of the exhaust gas sensor, oxygen storage capacity acquisition means for acquiring oxygen storage capacity representing the capacity of oxygen storage or release by the catalyst layer; Correction means for performing a correction operation for correcting the sensor output when the oxygen storage capacity is higher than a predetermined value and the sensor output is in a predetermined range near the theoretical air-fuel ratio; It is characterized by having.
  • the oxygen storage capacity acquisition means acquires, as the oxygen storage capacity, a value obtained by integrating a product of a deviation amount of the sensor output with respect to a theoretical air-fuel ratio and a stay time thereof.
  • Sensor output change speed acquisition means for acquiring the sensor output change speed is further provided,
  • the correction means performs the correction operation when the oxygen storage capacity is higher than a predetermined value, the sensor output is in a predetermined range near the theoretical air-fuel ratio, and the sensor output change rate is lower than a predetermined value. It is characterized by executing.
  • a fourth invention is any one of the first to third inventions,
  • the apparatus further includes setting means for setting a correction period by the correction operation according to the oxygen storage capacity.
  • a heater for heating the sensor element to a predetermined activation temperature When performing the correction operation, heating control means for controlling the heater so that the sensor element has a temperature higher than the predetermined activation temperature; Is further provided.
  • a sixth invention is any one of the first to fifth inventions, Setting means for setting a correction period by the correction operation according to the oxygen storage capacity; An output stagnation period acquisition means for acquiring an output stagnation period from when the correction operation is started until the sensor output follows the actual air-fuel ratio change; A deterioration determining means for determining deterioration of the catalyst layer in the exhaust gas sensor when the correction period is longer than the output stagnation period; Is further provided.
  • the sensor output is corrected when the oxygen storage capacity of the catalyst layer calculated based on the sensor output is higher than a predetermined value and the sensor output is within a predetermined range near the stoichiometric range. For this reason, according to the present invention, it is possible to effectively specify the time when the sensor output starts to stagnate and execute the correction operation, so it is possible to effectively suppress the situation where the sensor output in which the output deviation occurs is used. can do.
  • the oxygen storage capacity is calculated as the sum of the product of the deviation amount of the sensor output with respect to the theoretical air-fuel ratio and the staying time. Therefore, according to the present invention, a value that effectively reflects the ability to store or release oxygen by the catalyst layer can be calculated as the oxygen storage capacity.
  • the change in the sensor output is further increased.
  • the sensor output is corrected. For this reason, according to the present invention, the time when the sensor output starts to stagnate can be specified with higher accuracy.
  • the correction period by the correction operation is set according to the oxygen storage capacity of the catalyst layer.
  • the greater the oxygen storage capacity the longer the stagnation period of the sensor output. Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively determine the end time of the sensor output correction operation based on the oxygen storage capacity.
  • the exhaust gas sensor element when correcting the sensor output of the exhaust gas sensor, the exhaust gas sensor element is heated to a temperature higher than a predetermined activation temperature. For this reason, according to the present invention, the sensor activity can be improved when the sensor output of the exhaust gas sensor is corrected, so that the output stagnation can be recovered early.
  • the actual oxygen storage capacity of the catalyst layer is calculated. Means lower than the value given. Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively determine the deterioration of the exhaust gas sensor based on the relationship between the correction period by the correction operation and the output stagnation period.
  • Embodiment 1 of this invention It is a figure for demonstrating the hardware constitutions of Embodiment 1 of this invention. It is a figure for demonstrating the structure of the air fuel ratio sensor used in Embodiment 1 of this invention. It is the figure which compared the sensor output of the air fuel ratio sensor provided with a catalyst layer, and the air fuel ratio sensor which is not provided with a catalyst layer. It is a figure for demonstrating the correction method of a sensor output. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. It is a figure which shows the relationship of the oxygen storage capacity with respect to the integrated value of (DELTA) A / Fx residence time. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 2 of this invention. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a hardware configuration according to the first embodiment of the present invention.
  • the system of this embodiment includes an internal combustion engine 10.
  • An intake passage 12 and an exhaust passage 14 communicate with the internal combustion engine 10.
  • An air flow meter 16 that detects an intake air amount Ga is disposed in the intake passage 12.
  • Each cylinder of the internal combustion engine 10 is provided with an injector 18 for injecting fuel into the intake port.
  • An exhaust purification catalyst (hereinafter also simply referred to as “catalyst”) 20 is disposed in the exhaust passage 14 of the internal combustion engine 10.
  • the catalyst 20 is a three-way catalyst, CO is harmful components in the exhaust gas, HC (hydrocarbon), and NO X, in which simultaneously removed at around the stoichiometric air-fuel ratio.
  • an air-fuel ratio sensor (A / F sensor) 22 with a catalyst is disposed upstream of the catalyst 20.
  • the air-fuel ratio sensor 22 is a sensor that linearly detects the oxygen concentration in the exhaust gas, and is based on the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the catalyst 20. Is detected. Details of the configuration of the air-fuel ratio sensor 22 will be described later.
  • the apparatus includes an ECU (Electronic Control Unit) 30.
  • ECU Electronic Control Unit
  • Various sensors such as the air-fuel ratio sensor 22 described above and the injector 18 are connected to the ECU 30.
  • the ECU 30 controls the operating state of the internal combustion engine 10 based on those sensor outputs.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the air-fuel ratio sensor 22 used in Embodiment 1 of the present invention.
  • the air-fuel ratio sensor 22 shown in FIG. 2 is disposed in the exhaust passage 14 of the internal combustion engine 10 as described above, and is used to detect the air-fuel ratio of the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine 10 on the upstream side of the catalyst 20. Sensor.
  • the air-fuel ratio sensor 22 includes a cover 32, and is assembled to the exhaust passage 14 so that the cover 32 is exposed to the exhaust gas.
  • the cover 32 is provided with a hole (not shown) for introducing exhaust gas therein.
  • a sensor element 34 is disposed inside the cover 32.
  • the sensor element 34 has a tubular structure with one end (the lower end in FIG. 2) closed.
  • the outer surface of the tubular structure is covered with a diffusion resistance layer 36.
  • the diffusion resistance layer 36 is a heat-resistant porous material such as alumina and has a function of regulating the diffusion rate of exhaust gas in the vicinity of the surface of the sensor element 34.
  • the outer surface of the diffusion resistance layer 36 is covered with a catalyst layer 38.
  • the catalyst layer 38 is formed by supporting a catalyst metal such as platinum rhodium on a base material such as alumina. Further, the catalyst layer 38 is covered with a protective layer 40 for protecting the catalyst layer 38.
  • the protective layer 40 is made of a heat-resistant porous material such as alumina.
  • An exhaust gas side electrode 42, a solid electrolyte layer 44, and an atmosphere side electrode 46 are provided inside the diffusion resistance layer 36.
  • the exhaust gas side electrode 42 and the atmosphere side electrode 46 are electrodes made of a noble metal with high catalytic action such as Pt, and are electrically connected to a control circuit described later.
  • the solid electrolyte layer 44 is a sintered body containing ZrO 2 or the like, and has a characteristic of conducting oxygen ions.
  • An atmosphere chamber 48 that is open to the atmosphere is formed inside the sensor element 34.
  • a heater 50 for heating the sensor element 34 is disposed in the atmospheric chamber 48.
  • the sensor element 34 exhibits stable output characteristics at an activation temperature of about 400 ° C.
  • the heater 50 is electrically connected to the control circuit, and can heat and maintain the sensor element 34 at an appropriate temperature.
  • air-fuel ratio feedback control is performed. More specifically, based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 22, main feedback control is performed to control the fuel injection amount injected from the injector 18 so that the actual air-fuel ratio matches the target air-fuel ratio. If the main feedback control is normally performed, the actual air-fuel ratio can always be controlled in the vicinity of the target air-fuel ratio, and emission deterioration can be effectively suppressed.
  • oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) diffuse in the diffusion resistance layer and cause an oxidation reaction at the exhaust gas side electrode.
  • hydrogen having a gas diffusion rate faster than oxygen diffuses more than oxygen.
  • the exhaust gas component is stoichiometric, it becomes hydrogen-rich near the exhaust gas side electrode.
  • the output of the air-fuel ratio sensor shifts to the rich output side, and as a result, the air-fuel ratio shifts to the rich side.
  • FIG. 3 is a diagram comparing sensor outputs of an air-fuel ratio sensor having a catalyst layer and an air-fuel ratio sensor not having a catalyst layer. As shown in this figure, in an air-fuel ratio sensor having a catalyst layer, when the sensor output shifts from lean to rich across the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric), the sensor output temporarily stagnates near the stoichiometric air-fuel ratio. Yes.
  • the OSC material such as ceria contained in the catalyst layer 38 occludes oxygen in a lean atmosphere and releases it in a rich atmosphere, and the noble metal oxidized in the lean atmosphere is reduced in a rich atmosphere. If air-fuel ratio control is executed based on the sensor output, there is a risk of adverse effects on emissions and OBD.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a sensor output correction method.
  • the case where the sensor output shifts from lean to rich across the stoichiometry will be described as an example.
  • the sensor output moves from rich to lean across the stoichiometry. May execute control in which rich and lean are interchanged in the following description.
  • the stagnation of the sensor output near the stoichiometry occurs when the catalyst layer 38 stores oxygen, in other words, when the noble metal of the catalyst layer 38 is oxidized.
  • the degree of oxidation of the noble metal affects the degree of leanness and the residence time of the atmosphere to which the catalyst layer 38 is exposed. Therefore, in the system of the present embodiment, the sensor output deviation amount ⁇ A / F from the stoichiometric air-fuel ratio and the staying time thereof are used as the amount representing the oxygen storage degree of the catalyst layer 38 (the oxygen release degree in the case of a rich atmosphere).
  • a value obtained by integrating the multiplication values with the above is defined as the oxygen storage capacity, and the oxygen storage capacity is used as an index as to whether or not the sensor output is stagnant.
  • the time when the sensor output changes from lean to near the stoichiometric state when the oxygen storage capacity of the catalyst layer 38 is equal to or greater than a predetermined value can be specified as the time when the sensor output starts to stagnate.
  • the stagnation start time of the sensor output in addition to the determination by the oxygen storage capacity, it may be further determined whether or not the output change rate of the sensor output Otn is smaller than a predetermined value.
  • the stagnation start time of the sensor output can be specified with higher accuracy.
  • the sensor output Otn is corrected.
  • the actual air-fuel ratio change can be identified based on the sensor output until the stagnation start timing of the sensor output, and this can be used as the identification output Ptn.
  • the stagnation of the sensor output ends. Can be determined. Therefore, when such a sensor output is detected during the execution of the correction operation, it is preferable to end the correction operation and switch from the identification output Ptn to the sensor output Otn. Thereby, it is possible to effectively avoid the unnecessary correction being continued.
  • the system of the first embodiment it is possible to effectively correct the stagnation of the sensor output near the stoichiometric range.
  • FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the ECU 30 in the first embodiment.
  • the sensor output Otn air-fuel ratio
  • the oxygen storage capacity of the catalyst layer 38 is calculated (step 102). Specifically, during the lean or rich air-fuel ratio period, the product of the deviation amount ⁇ A / F of the sensor output Otn from the stoichiometric air-fuel ratio and its stay time is integrated, and this integrated value is stored in the oxygen storage. Is calculated as a performance.
  • the oxygen storage capacity is a predetermined value or more (step 104).
  • a predetermined value a preset value is used as a value indicating that oxygen is occluded in the catalyst layer 38 to such an extent that the sensor output stagnates near the stoichiometric range.
  • the output Otn is used for air-fuel ratio control (step 106).
  • step 110 it is determined whether or not the change rate of the output change amount ⁇ Otn ( ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1) is smaller than a predetermined value K (step 110).
  • the change rate of the output change amount ⁇ Otn is small, it indicates that the change of the sensor output Otn has become slow.
  • the magnitude relation between ( ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1) and the predetermined value K is compared here.
  • the process proceeds to step 106, and the sensor output Otn continues. Used for air-fuel ratio control.
  • step 110 when it is recognized that ( ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1) ⁇ K is established, it is determined that the change in the sensor output is slow, and the process proceeds to the next step, where the sensor output It is determined whether Otn is an air-fuel ratio in the vicinity of stoichiometry (step 112). As a result, when the establishment of 14.5 ⁇ Otn ⁇ 14.7 is not recognized, it is determined that the sensor output is not in the air-fuel ratio region where the stagnation of the sensor output occurs, the process proceeds to step 106, and the sensor output Otn continues. Is used for air-fuel ratio control.
  • step 112 if the establishment of 14.5 ⁇ Otn ⁇ 14.7 is recognized in step 112, it is determined that a stagnation of the sensor output in the vicinity of the stoichiometry occurs, the process proceeds to the next step, and the sensor output Otn Is corrected to the identification output Ptn (step 114). Specifically, the actual air-fuel ratio change in the vicinity of the stoichiometry is identified from the sensor output until immediately before the output correction is executed, and the output corresponding to this is calculated as the identified output Ptn.
  • step 116 it is determined whether or not the sensor output has changed from a change to the rich side to a change to the lean side.
  • ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1 ⁇ 0 it means that the sensor output has started to change toward lean, and therefore it is determined that the correction of the sensor output should be terminated.
  • the process proceeds to step 106, and the sensor output Otn is used again for air-fuel ratio control instead of the identification output Ptn.
  • Step 118 it is determined whether or not the output change amount ⁇ Otn is larger than a predetermined value K2 (Ste 118).
  • the predetermined value K2 is a value set in advance as a value indicating that the stagnation of the sensor output has been resolved.
  • step 120 if the establishment of ⁇ Otn> K2 is not recognized in step 118, it is determined that the sensor output is still stagnant, the process proceeds to the next step, and the identification output Ptn is corrected as the air-fuel ratio. Used for air-fuel ratio control (step 120).
  • the sensor output Otn stagnates in the vicinity of the stoichiometry, the sensor output can be effectively corrected using the identification output Ptn.
  • the oxygen storage capacity is not less than a predetermined value
  • the sensor output is in the vicinity of stoichiometry
  • the change rate ( ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1) of the output change amount ⁇ Otn is greater than the predetermined value K.
  • the output change speed may be used as an index indicating that the change in the sensor output Otn has become slow.
  • the ECU 30 executes the process of step 102, so that the “oxygen storage capacity acquisition means” in the first invention executes the process of step 114.
  • the “correction means” in the first invention is realized respectively.
  • the ECU 30 executes the process of step 108, so that the “sensor output change speed acquisition means” in the third aspect of the invention executes the process of step 114.
  • the “correction means” in the third aspect of the invention is realized.
  • FIG. 7 a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6 and FIG.
  • the system of the present embodiment can be realized by causing the ECU 30 to execute a routine shown in FIG. 7 to be described later using the hardware configuration shown in FIG.
  • the second embodiment is characterized in that the correction period for executing the correction of the sensor output is set according to the oxygen storage capacity. That is, as described above in Embodiment 1, the oxygen storage capacity varies depending on the exhaust atmosphere (air-fuel ratio) and the residence time.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship of oxygen storage capacity with respect to the integrated value of ⁇ A / F ⁇ stay time. As shown in this figure, until the catalyst layer 38 is saturated with oxygen, the oxygen storage capacity increases substantially in proportion to the integrated value of ⁇ A / F ⁇ stay time.
  • the stagnation of the sensor output in the vicinity of the stoichiometry is an output characteristic caused by oxygen stored in the catalyst layer 38 reacting with the exhaust gas in a lean atmosphere. For this reason, as shown in FIG. 6, the output stagnation time of the sensor output is approximately proportional to the integrated value of ⁇ A / F ⁇ stay time until the catalyst layer 38 is saturated with oxygen, as is the oxygen storage capacity of the catalyst layer 38. Has increased.
  • the tendency shown in FIG. 6 is used to correct the longer period as the integrated value of ⁇ A / F ⁇ stay time is larger, in other words, as the oxygen storage capacity is higher. A period will be set. As a result, the end time of the correction can be set appropriately, so that a situation where unnecessary correction is continued can be effectively avoided.
  • FIG. 7 is a flowchart of a routine executed by the ECU 30 in the second embodiment.
  • steps 200 to 214 in the routine shown in FIG. 7 the same processing as in steps 100 to 114 is executed. If the sensor output is corrected to the identification output Ptn in step 214, it is next determined whether or not the sensor output Otn follows the identification output Ptn (step 216). Specifically, it is determined whether or not the value obtained by subtracting the sensor output Otn from the identification output Ptn is smaller than 0 (zero).
  • step 206 the sensor output Otn is used as the true air-fuel ratio. Is done.
  • step 216 if the establishment of Ptn ⁇ Otn ⁇ 0 is not recognized in step 216, it is determined that the sensor output Otn has not yet followed the identification output Ptn, the process proceeds to the next step, and the sensor output is It is determined whether or not the change to the lean side has changed to the change to the lean side (step 218).
  • step 2128 the same processing as in step 116 is executed.
  • ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1 ⁇ 0 this means that the sensor output has started to change toward lean in the vicinity of the stoichiometric condition, and therefore correction of the sensor output should be terminated.
  • the process proceeds to step 206, and the sensor output Otn is used as the true air-fuel ratio instead of the identification output Ptn.
  • step 218 the process proceeds to the next step, and it is determined whether the correction period exceeds the output stagnation time T (step 220).
  • the output stagnation time T is set based on the oxygen storage capacity calculated in step 202. More specifically, according to the relationship shown in FIG. 6, the higher the oxygen storage capacity, the larger the output stagnation time T is set.
  • step 206 the sensor output Otn is true instead of the identification output Ptn. Used as the air-fuel ratio.
  • the process proceeds to the next step, and the identification output Ptn is determined. Is used as the corrected air-fuel ratio (step 222).
  • the output stagnation time T is set based on the oxygen storage capacity, the sensor output stagnation time is accurately grasped and the sensor output correction end time is determined. Judgment can be made appropriately.
  • the output stagnation time T is set based on the oxygen storage capacity.
  • the actual output stagnation time is such that the air-fuel ratio during the sensor output stagnation is from the stoichiometry.
  • the target temperature of the sensor element 34 during the period in which the correction operation is performed may be raised above the normal target temperature. That is, as described above, the stagnation of the sensor output in the vicinity of the stoichiometry is an output characteristic that is generated when oxygen stored in the catalyst layer 38 reacts with the exhaust gas in a lean atmosphere. For this reason, if the target temperature of the sensor element 34 is raised during the stagnation period of the sensor output to improve the sensor activity, the oxygen storage capacity (reduction capacity) in the catalyst layer 38 can be effectively increased. It is possible to quickly recover from the stagnation of the sensor output. When executing the control, it is preferable to set the output stagnation time T in consideration of the shortening of the output stagnation time caused by raising the target temperature of the sensor element 34.
  • the ECU 30 executes the process of step 202, so that the “oxygen storage capacity acquisition means” in the first invention executes the process of step 214.
  • the “correction means” in the first invention is realized respectively.
  • the ECU 30 executes the process of step 208, so that the “sensor output change speed acquisition means” in the third aspect of the invention executes the process of step 214.
  • the “correction means” in the third aspect of the invention is realized.
  • the “setting means” according to the fourth aspect of the present invention is realized by the ECU 30 executing the process of step 220 described above.
  • the “heating control means” according to the fourth aspect of the present invention is realized by the ECU 30 executing the process of step 214.
  • Embodiment 3 FIG. [Features of Embodiment 3]
  • a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the system of the present embodiment can be realized by causing the ECU 30 to execute a routine shown in FIG. 8 described later using the hardware configuration shown in FIG.
  • the stagnation of the sensor output in the vicinity of the stoichiometry is an output characteristic caused by the oxygen stored in the catalyst layer 38 reacting with the exhaust gas in a lean atmosphere. For this reason, when there is a difference between the output stagnation period T set based on the calculated oxygen storage capacity and the actual output stagnation period, there is a high possibility that the deterioration of the catalyst layer 38 is progressing. .
  • the presence or absence of deterioration of the catalyst layer 38 is determined by comparing the calculated output stagnation time T with the actual output stagnation time.
  • a specific process for determining whether or not the catalyst layer 38 of the air-fuel ratio sensor 22 has deteriorated will be described with reference to a flowchart.
  • FIG. 8 is a flowchart of a routine executed by the ECU 30 in the third embodiment.
  • the sensor output Otn (air-fuel ratio) of the air-fuel ratio sensor 22 is acquired (step 300).
  • the oxygen storage capacity of the catalyst layer 38 is calculated (step 302).
  • the same processing as in steps 100 to 104 is executed.
  • the same processing as in step 108 is executed.
  • step 310 if ( ⁇ Otn / ⁇ Otn ⁇ 1) ⁇ K is recognized in step 310, it is determined that the change in the sensor output is slow, the process proceeds to the next step, and the sensor output It is determined whether Otn is an air-fuel ratio in the vicinity of stoichiometry (step 312).
  • Otn is an air-fuel ratio in the vicinity of stoichiometry (step 312).
  • the same processing as in step 108 is executed.
  • the process proceeds to step 306 and the catalyst layer 38 The deterioration determination is terminated.
  • step 312 determines whether or not the sensor output Otn follows the identification output Ptn (step 316).
  • the same processing as in step 216 is executed.
  • the process proceeds to the next step, and the output stagnation time is accumulated (step 318). Specifically, after the accumulated output stagnation time is stored as an actually measured value of the output stagnation time, the process proceeds to step 314 again.
  • step 320 the deterioration determination of the catalyst layer 38 is executed (step 320).
  • the output stagnation time T is calculated based on the oxygen storage capacity calculated in step 302. More specifically, according to the relationship shown in FIG. 6, the output stagnation time T is calculated as a larger value as the oxygen storage capacity is higher. Then, it is determined whether or not the output stagnation period T is larger than the actually measured value of the output stagnation time stored in step 318.
  • step 322 when the output stagnation time T exceeds the actually measured value, it is determined that the actual oxygen storage capacity is lower than the oxygen storage capacity calculated from the air-fuel ratio and the staying time, and the next step is performed. Then, the MIL is turned on to notify that the catalyst layer 38 is deteriorated (step 322). On the other hand, if the output stagnation time T does not exceed the actual measurement value in step 320, it is determined that the catalyst layer 38 has not deteriorated, the process proceeds to step 306, and the deterioration determination of the catalyst layer 38 is completed. Is done.
  • the ECU 30 executes the process of step 318, so that the “output stagnation time acquisition means” in the sixth aspect of the invention executes the process of step 320.
  • the “setting means” and the “deterioration determination means” in the sixth invention are realized.

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Abstract

　センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆した排気ガスセンサを有する内燃機関の制御装置に関し、ストイキ近傍のセンサ出力ズレを有効に補正する。　排気ガス側電極４２を被覆する触媒層３８を有する空燃比センサ２２を備える内燃機関の制御装置において、空燃比センサ２２のセンサ出力に基づいて、触媒層３８の酸素吸蔵能を取得する（ステップ１０２）。酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つセンサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲である場合に、センサ出力を補正する（ステップ１１４）。好ましくは、酸素吸蔵能は、理論空燃比に対するセンサ出力のズレ量ΔＡ／Ｆとその滞在時間との乗算値を積算することにより算出する。また、酸素吸蔵能に基づいて、補正動作による補正期間を設定する。

Description

内燃機関の制御装置
　この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆した排気ガスセンサを有する内燃機関の制御装置に関する。
　従来、例えば、日本特開平１１－２４７６８７号公報に開示されるように、センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆したＯ２センサを備える空燃比制御装置が提案されている。この空燃比制御装置では、Ｏ２センサのセンサ素子の表面に排気ガス側電極が形成されるとともに、この排気ガス側電極が、水素を触媒反応により除去する触媒層により被覆されている。
　触媒層がないＯ２センサでは、酸素（Ｏ２）および水素（Ｈ２）が排気ガス側電極において酸化反応を生じる。この時、Ｏ２よりガス拡散速度の速いＨ２は、Ｏ２よりも多く拡散する。このため、排気ガス成分はストイキであっても、電極近傍ではＨ２リッチとなってしまう。かかる場合においては、Ｏ２センサの出力は、排気ガスの成分がストイキよりもリーンにならないと急変しないため、空気浄化率とセンサ出力との関係がリーン側にシフトしてしまう。
　この点、上述した触媒層を備えるＯ２センサでは、触媒層でＯ２とＨ２とが反応して平衡ガスとして排気ガス側電極に到達するため、センサ出力がリーン側にシフトする事態を抑制することができる。
日本特開平１１－２４７６８７号公報 日本特開２００９－１８０６６９号公報
　ところで、触媒層を設けた限界電流式の排気ガスセンサは、検出精度が非常に高く、また、エンジン制御時のロバスト性が高いため、精密な空燃比制御を行うことができる。しかしながら、その一方で、センサ出力が理論空燃比（ストイキ）を跨いでリーンからリッチへ或いはリッチからリーンへ移行する場合に、センサ出力が理論空燃比近傍で停滞してしまう現象が起きる場合がある。これは、触媒層に含まれるセリア等のＯＳＣ材がリーン雰囲気下で酸素を吸蔵しリッチ雰囲気下で放出する現象や、触媒層に含まれる貴金属がリーン雰囲気下で酸化しリッチ雰囲気下で還元される現象に起因するものである。したがって、このようなセンサ出力に基づいて空燃比制御を実行することとすると、エミッションやＯＢＤへの悪影響を及ぼすおそれがある。
　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、センサ素子の排気ガス側電極を触媒層で被覆した排気ガスセンサにおける理論空燃比近傍の出力ズレを有効に補正することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
　第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
　内燃機関の排気通路に配置され、一方の側面に大気側電極が形成されるとともに、他方の側面に排気ガス側電極が形成された固体電解質よりなるセンサ素子と、前記排気ガス側電極を被覆する触媒層と、を有する排気ガスセンサと、
　前記排気ガスセンサのセンサ出力に基づいて、前記触媒層による酸素の吸蔵または放出の能力を表す酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
　前記酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つ前記センサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲である場合に、前記センサ出力を補正する補正動作を実行する補正手段と、
　を備えることを特徴としている。
　第２の発明は、第１の発明において、
　前記酸素吸蔵能取得手段は、理論空燃比に対する前記センサ出力のズレ量とその滞在時間との乗算値を積算した値を、前記酸素吸蔵能として取得することを特徴としている。
　第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記センサ出力の変化速度を取得するセンサ出力変化速度取得手段を更に備え、
　前記補正手段は、前記酸素吸蔵能が所定値よりも高く、前記センサ出力が理論空燃比近傍の所定範囲であり、且つ、前記センサ出力変化速度が所定値よりも小さい場合に、前記補正動作を実行することを特徴としている。
　第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
　前記酸素吸蔵能に応じて、前記補正動作による補正期間を設定する設定手段を更に備えることを特徴としている。
　第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
　前記センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータと、
　前記補正動作を実行する場合には、前記センサ素子が前記所定の活性温度よりも高い温度となるように、前記ヒータを制御する加熱制御手段と、
　を更に備えることを特徴としている。
　第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
　前記酸素吸蔵能に応じて、前記補正動作による補正期間を設定する設定手段と、
　前記補正動作を開始してから前記センサ出力が実空燃比変化に追従するまでの出力停滞期間を取得する出力停滞期間取得手段と、
　前記補正期間が前記出力停滞期間よりも長い場合に、前記排気ガスセンサにおける前記触媒層の劣化を判定する劣化判定手段と、
　を更に備えることを特徴としている。
　第１の発明によれば、センサ出力に基づいて算出された触媒層の酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つセンサ出力がストイキ近傍の所定範囲である場合に、センサ出力が補正される。このため、本発明によれば、センサ出力が停滞し始める時期を有効に特定して補正動作を実行することができるので、出力ズレが発生しているセンサ出力が使用される事態を有効に抑止することができる。
　第２の発明によれば、酸素吸蔵能は、理論空燃比に対するセンサ出力のズレ量とその滞在時間との乗算値の総和として算出される。このため、本発明によれば、触媒層による酸素の吸蔵または放出の能力が有効に反映された値を酸素吸蔵能として算出することができる。
　第３の発明によれば、センサ出力に基づいて算出された触媒層の酸素吸蔵能が所定値よりも高く、且つセンサ出力がストイキ近傍の所定範囲である場合に加えて、更にセンサ出力の変化速度が所定値よりも小さくなった場合にセンサ出力が補正される。このため、本発明によれば、センサ出力が停滞し始める時期を更に高精度に特定することができる。
　第４の発明によれば、触媒層の酸素吸蔵能に応じて、補正動作による補正期間が設定される。酸素吸蔵能が大きいほどセンサ出力の停滞期間が長くなる傾向にある。このため、本発明によれば、酸素吸蔵能に基づいて、センサ出力の補正動作の終了時期を有効に判断することができる。
　第５の発明によれば、排気ガスセンサのセンサ出力の補正を実行する場合に、該排気ガスセンサ素子が所定の活性温度よりも高い温度に加熱される。このため、本発明によれば、排気ガスセンサのセンサ出力補正時にセンサ活性を向上させることができるので、出力停滞を早期に回復させることができる。
　第６の発明によれば、触媒層の酸素吸蔵能から設定された補正動作による補正期間が、センサ出力がストイキ近傍で停滞した実際の期間よりも長い場合には、実際の酸素吸蔵能が算出された値よりも低いことを意味している。このため、本発明によれば、補正動作による補正期間と出力停滞期間との関係に基づいて、該排気ガスセンサの劣化を有効に判定することができる。
本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサの構成を説明するための図である。 触媒層を備える空燃比センサと触媒層を備えていない空燃比センサとのセンサ出力を比較した図である。 センサ出力の補正方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 ΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に対する酸素吸蔵能の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
　以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
　図１は、本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、吸入空気量Ｇａを検出するエアフロメータ１６が配置されている。また、内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射するためのインジェクタ１８が配置されている。
　内燃機関１０の排気通路１４には、排気浄化触媒（以下、単に「触媒」とも称する）２０が配置されている。触媒２０は三元触媒であって、排気ガス中の有害成分であるＣＯ、ＨＣ（炭化水素）、およびＮＯＸを、理論空燃比近傍で同時に除去するものである。
　排気通路１４には、触媒２０の上流に、触媒付きの空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）２２が配置されている。空燃比センサ２２は、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出するセンサであって、触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度に基づいて内燃機関１０で燃焼に付された混合気の空燃比を検出するものである。空燃比センサ２２の構成については、詳細を後述する。
　本実施の形態の装置は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した空燃比センサ２２等の各種センサ、およびインジェクタ１８などが接続されている。ＥＣＵ３０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。
［空燃比センサの構成］
　図２は、本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサ２２の構成を説明するための図である。図２に示す空燃比センサ２２は、上述したとおり、内燃機関１０の排気通路１４に配置され、内燃機関１０から排気される排気ガスの空燃比を、触媒２０の上流側において検出するために用いられるセンサである。空燃比センサ２２は、カバー３２を備えており、このカバー３２が排気ガスに晒されるように排気通路１４に組み付けられる。
　カバー３２には、その内部に排気ガスを導くための孔（図示せず）が設けられている。カバー３２の内部には、センサ素子３４が配置されている。センサ素子３４は、一端（図２における下端）が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層３６で覆われている。拡散抵抗層３６は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質であり、センサ素子３４の表面付近における排気ガスの拡散速度を律する働きを有している。
　拡散抵抗層３６の外側表面は、触媒層３８で覆われている。触媒層３８は、アルミナ等の基材に白金ロジウム等の触媒金属を担持したものである。更に、触媒層３８は、該触媒層３８を保護するための保護層４０で覆われている。保護層４０は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質で構成されている。
　拡散抵抗層３６の内側には排気ガス側電極４２、固体電解質層４４および大気側電極４６が設けられている。排気ガス側電極４２および大気側電極４６は、Ｐｔのように触媒作用の高い貴金属で構成された電極であり、それぞれ後述する制御回路と電気的に接続されている。固体電解質層４４は、ＺｒＯ２などを含む焼結体であり、酸素イオンを伝導させる特性を有している。
　センサ素子３４の内側には、大気に開放された大気室４８が形成されている。大気室４８には、センサ素子３４を加熱するためのヒータ５０が配置されている。センサ素子３４は、４００℃程度の活性温度において安定した出力特性を示す。ヒータ５０は、制御回路と電気的に接続されており、センサ素子３４を適当な温度に加熱維持することができる。
［実施の形態１の動作］
　本実施の形態１の内燃機関１０では、空燃比のフィードバック制御が行われる。より具体的には、空燃比センサ２２の出力信号に基づいて、実際の空燃比が目標空燃比に一致するようにインジェクタ１８から噴射される燃料噴射量を制御するメインフィードバック制御が行われる。メインフィードバック制御が正常に行われていれば、実空燃比を常に目標空燃比近傍に制御することができ、エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。
　ここで、触媒層がない空燃比センサでは、酸素（Ｏ２）および水素（Ｈ２）が拡散抵抗層内を拡散して、排気ガス側電極において酸化反応を生じる。この時、酸素よりガス拡散速度の速い水素は、酸素よりも多く拡散する。このため、排気ガス成分はストイキであっても、該排気ガス側電極近傍では水素リッチとなってしまう。かかる場合においては、空燃比センサの出力がリッチ出力側にずれてしまうため、結果的に空燃比がリッチ側へずれてしまう。
　この点、上述した触媒層３８を備える空燃比センサ２２では、触媒層３８で酸素と水素とが反応して平衡ガスとして排気ガス側電極４２に到達する。このため、センサ出力が誤ってリッチ出力側にずれる事態を効果的に抑制することができる。
　しかしながら、触媒層３８を備える空燃比センサ２２では、理論空燃比（ストイキ）近傍のセンサ出力において潜在的な課題を有している。図３は、触媒層を備える空燃比センサと触媒層を備えていない空燃比センサとのセンサ出力を比較した図である。この図に示すとおり、触媒層を備える空燃比センサでは、センサ出力が理論空燃比（ストイキ）を跨いでリーンからリッチへ移行する場合に、センサ出力が理論空燃比近傍で一時的に停滞している。これは、触媒層３８に含まれるセリア等のＯＳＣ材がリーン雰囲気下で酸素を吸蔵しリッチ雰囲気下で放出することや、リーン雰囲気下で酸化した貴金属がリッチ雰囲気下で還元されるためであり、このセンサ出力に基づいて空燃比制御を実行することとすると、エミッションやＯＢＤへの悪影響を及ぼすおそれがある。
　そこで、本実施の形態のシステムでは、ストイキ近傍においてセンサ出力が停滞する場合に当該センサ出力を補正することとする。図４は、センサ出力の補正方法を説明するための図である。尚、以下の説明では、図４に示すように、センサ出力がリーンからリッチへストイキを跨いで移行する場合を例に説明するが、センサ出力がリッチからリーンへストイキを跨いで移行する場合には、以下の説明におけるリッチとリーンを入れ替えた制御を実行すればよい。
　ストイキ近傍におけるセンサ出力の停滞を補正するためには、先ず、センサ出力が停滞し始める時期を特定する必要がある。上述したとおり、ストイキ近傍のセンサ出力の停滞は、触媒層３８が酸素を吸蔵している場合、換言すると触媒層３８の貴金属が酸化している場合に発生する。この貴金属の酸化度合は触媒層３８が晒された雰囲気のリーン度合およびその滞在時間が影響する。そこで、本実施の形態のシステムでは、触媒層３８の酸素吸蔵度合（リッチ雰囲気の場合には酸素放出度合）を表す量として、理論空燃比からのセンサ出力のズレ量ΔＡ／Ｆとその滞在時間との乗算値を積算した値を酸素吸蔵能として規定し、当該酸素吸蔵能をセンサ出力の停滞が発生するか否かの指標として使用することとする。具体的には、例えば、触媒層３８の酸素吸蔵能が所定値以上の状態でセンサ出力がリーンからストイキ近傍へ変化したときを、センサ出力が停滞し始める時期として特定することができる。
　また、センサ出力の停滞開始時期を特定する際には、上記酸素吸蔵能による判定に加えて、センサ出力Ｏｔｎの出力変化速度が所定値よりも小さくなったか否かを更に判定することとしてもよい。また、上記判定において、出力変化速度の相関値であるセンサ出力Ｏｔｎの所定期間の出力変化量ΔＯｔｎ（＝Ｏｔｎ－Ｏｔｎ－１）や出力変化量ΔＯｔｎの変化割合（＝ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）を判定に用いることとしてもよい。これにより、センサ出力の停滞開始時期を更に精度よく特定することができる。
　センサ出力の停滞開始時期を特定した後は、センサ出力Ｏｔｎの補正が実行される。この補正方法としては、例えば、センサ出力の停滞開始時期までのセンサ出力に基づいて、実空燃比変化を同定し、これを同定出力Ｐｔｎとして使用することができる。
　上記補正動作の実行中において、センサ出力が反転した場合（すなわち、リッチ方向へ変化し始めた場合）や、出力変化量ΔＯｔｎが所定値よりも大きくなった場合には、センサ出力の停滞が終了したと判断することができる。そこで、補正動作の実行中にこのようなセンサ出力を検出した場合には補正動作を終了し、同定出力Ｐｔｎからセンサ出力Ｏｔｎへ切り替えることが好ましい。これにより、不要な補正が継続されることを有効に回避することができる。このように、本実施の形態１のシステムによれば、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞を有効に補正することができる。
［実施の形態１における具体的処理］
　次に、図５を参照して、本実施の形態１の具体的処理について説明する。図５は、本実施の形態１において、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、空燃比センサ２２のセンサ出力Ｏｔｎ（空燃比）が取得される（ステップ１００）。次に、触媒層３８の酸素吸蔵能が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、リーン或いはリッチ空燃比の期間中において、センサ出力Ｏｔｎの理論空燃比からのズレ量ΔＡ／Ｆとその滞在時間との乗算値が積算され、この積算値が酸素吸蔵能として算出される。
　次に、酸素吸蔵能が所定値以上か否かが判定される（ステップ１０４）。所定値は、ストイキ近傍においてセンサ出力の停滞が起きる程度に触媒層３８に酸素が吸蔵されたことを示す値として、予め設定された値が使用される。その結果、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められない場合には、仮にセンサ出力がストイキ近傍となったとしてもセンサ出力の停滞は発生しないと判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される（ステップ１０６）。
　一方、上記ステップ１０４において、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められた場合には、センサ出力の停滞が発生する程度に触媒層３８に酸素が吸蔵されていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力の所定期間の出力変化量ΔＯｔｎ（＝Ｏｔｎ－Ｏｔｎ－１）が算出される（ステップ１０８）。
　次に、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合を示す（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）が所定値Ｋよりも小さいか否かが判定される（ステップ１１０）。出力変化量ΔＯｔｎの変化割合が小さい場合には、センサ出力Ｏｔｎの変化が緩慢になったことを示している。ここでは、具体的には、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）と所定値Ｋとの大小関係が比較される。その結果、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）＜Ｋの成立が認められない場合には、センサ出力の変化が未だ緩慢になっていないと判断されて、上記ステップ１０６に移行し、引き続きセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。
　一方、上記ステップ１１０において、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）＜Ｋの成立が認められた場合には、センサ出力の変化が緩慢になっていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎがストイキ近傍の空燃比か否かが判定される（ステップ１１２）。その結果、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められない場合には、センサ出力の停滞が発生する空燃比領域ではないと判断されて、上記ステップ１０６に移行し、引き続きセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。
　一方、上記ステップ１１２において、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められた場合には、ストイキ近傍におけるセンサ出力の停滞が発生すると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに補正される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、当該出力補正を実行する直前までのセンサ出力からストイキ近傍での実空燃比変化を同定し、これに対応する出力が同定出力Ｐｔｎとして算出される。
　次に、センサ出力がリッチ側への変化からリーン側への変化へ転じたか否かが判定される（ステップ１１６）。ここでは、具体的には、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１＜０の成立が判定される。その結果、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１＜０の成立が認められた場合には、センサ出力がリーンに向かって変化し始めたことを意味しているので、センサ出力の補正を終了すべきと判断される。この場合、上記ステップ１０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えて再びセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。
　一方、上記ステップ１１６において、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１＜０の成立が認められない場合には、次のステップに移行し、出力変化量ΔＯｔｎが所定値Ｋ２よりも大きいか否かが判定される（ステップ１１８）。所定値Ｋ２は、センサ出力の停滞が解消されたことを示す値として、予め設定された値が使用される。その結果、ΔＯｔｎ＞Ｋ２の成立が認められた場合には、センサ出力の変化が開始されたと判断されて、上記ステップ１０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えて再びセンサ出力Ｏｔｎが空燃比制御に使用される。一方、上記ステップ１１８において、ΔＯｔｎ＞Ｋ２の成立が認められない場合には、未だセンサ出力が停滞していると判断されて、次のステップに移行し、同定出力Ｐｔｎが補正された空燃比として空燃比制御に使用される（ステップ１２０）。
　以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、センサ出力Ｏｔｎがストイキ近傍で停滞した場合に、同定出力Ｐｔｎを用いてセンサ出力を有効に補正することができる。
　ところで、上述した実施の形態１においては、酸素吸蔵能が所定値以上であり、センサ出力がストイキ近傍であり、且つ、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）が所定値Ｋよりも小さい場合に、センサ出力を補正することとしているが、酸素吸蔵能の条件があるのであれば、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合の条件はなくてもよい。また、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）に替えて、出力変化速度をセンサ出力Ｏｔｎの変化が緩慢になったことを示す指標として用いることとしてもよい。
　尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素吸蔵能取得手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。
　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第３の発明における「センサ出力変化速度取得手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
　次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ３０に後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
　本実施の形態２では、センサ出力の補正を実行する補正期間を酸素吸蔵能に応じて設定する点に特徴がある。すなわち、実施の形態１において上述したとおり、酸素吸蔵能は、排気雰囲気（空燃比）とその滞在時間によって変化する。図６は、ΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に対する酸素吸蔵能の関係を示す図である。この図に示すとおり、触媒層３８が酸素で飽和するまでは、酸素吸蔵能がΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に略比例して増加している。ここで、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞は、リーン雰囲気下で触媒層３８に吸蔵された酸素が排気ガスと反応することにより生じる出力特性である。このため、図６に示すとおり、センサ出力の出力停滞時間は、触媒層３８の酸素吸蔵能と同様に、触媒層３８が酸素で飽和するまではΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値に略比例して増加している。
　そこで、本実施の形態２のシステムでは、この図６に示す傾向を利用して、ΔＡ／Ｆ×滞在時間の積算値が大きいほど、換言すると酸素吸蔵能が高いほど長期間となるように補正期間を設定することとする。これにより、補正の終了時期を適切に設定することができるので、不要な補正が継続される事態を有効に回避することができる。
［実施の形態２における具体的処理］
　次に、図７を参照して、本実施の形態２の具体的処理について説明する。図７は、本実施の形態２において、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンにおけるステップ２００～２１４では、上記ステップ１００～１１４と同様の処理が実行される。ステップ２１４においてセンサ出力が同定出力Ｐｔｎに補正されると、次に、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従したか否かが判定される（ステップ２１６）。ここでは、具体的には、同定出力Ｐｔｎからセンサ出力Ｏｔｎを差し引いた値が０（ゼロ）より小さいか否かが判定される。その結果、Ｐｔｎ－Ｏｔｎ＜０の成立が認められた場合には、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従したと判断されて、上記ステップ２０６に移行し、センサ出力Ｏｔｎが真の空燃比として使用される。
　一方、上記ステップ２１６において、Ｐｔｎ－Ｏｔｎ＜０の成立が認められない場合には、未だセンサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従していないと判断されて、次のステップに移行し、センサ出力がリッチ側への変化からリーン側への変化へ転じたか否かが判定される（ステップ２１８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１１６と同様の処理が実行される。その結果、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１＜０の成立が認められた場合には、ストイキ近傍でセンサ出力がリーンに向かって変化し始めたことを意味しているので、センサ出力の補正を終了すべきと判断されて、上記ステップ２０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えてセンサ出力Ｏｔｎが真の空燃比として使用される。
　一方、上記ステップ２１８において、ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１＜０の成立が認められない場合には、次のステップに移行し、補正期間が出力停滞時間Ｔを超えたか否かが判定される（ステップ２２０）。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ２０２において算出された酸素吸蔵能に基づいて、出力停滞時間Ｔが設定される。より具体的には、図６に示す関係に従い、酸素吸蔵能が高いほど出力停滞時間Ｔが大きな値に設定される。次いで、上記ステップ２１４におけるセンサ出力の補正動作が開始されてからの補正期間が出力停滞時間Ｔを越えたか否かが判定される。その結果、補正期間＞出力停滞時間Ｔの成立が認められた場合には、センサ出力の停滞が終了したと判断されて、上記ステップ２０６に移行し、同定出力Ｐｔｎに替えてセンサ出力Ｏｔｎが真の空燃比として使用される。一方、上記ステップ２２０において、補正期間＞出力停滞時間Ｔの成立が認められない場合には、未だセンサ出力がストイキ近傍において停滞していると判断されて、次のステップに移行し、同定出力Ｐｔｎが補正された空燃比として使用される（ステップ２２２）。
　以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、酸素吸蔵能に基づいて出力停滞時間Ｔが設定されるので、センサ出力の停滞時間を精度よく把握してセンサ出力の補正終了時期を適切に判断することができる。
　ところで、上述した実施の形態２においては、酸素吸蔵能に基づいて出力停滞時間Ｔを設定することとしているが、実際の出力停滞時間は、センサ出力が停滞している間の空燃比がストイキからズレているほど短期間となる。そこで、例えば、出力が停滞している間の空燃比のストイキからのズレ量を、出力停滞時間Ｔを設定する際のパラメータとして加えることにより、出力停滞時間を更に精度よく設定することができる。
　また、上述した実施の形態２においては、排気ガスの空燃比がリーンからストイキを跨いでリッチへ変化する場合を例に説明したが、これとは反対に空燃比がリッチからストイキを跨いでリーンへ変化する場合には、上記説明におけるリーンとリッチとを置き換えることで、同様に実行することができる。
　また、上述した実施の形態２においては、補正動作を実行する期間中のセンサ素子３４の目標温度を、通常の目標温度よりも嵩上げすることとしてもよい。すなわち、上述したとおり、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞は、リーン雰囲気下で触媒層３８に吸蔵された酸素が排気ガスと反応することにより生じる出力特性である。このため、係るセンサ出力の停滞期間にセンサ素子３４の目標温度を嵩上げしてセンサ活性を向上させることとすれば、触媒層３８における酸素吸蔵能（還元能）を有効に高めることができるので、センサ出力の停滞から早期に回復させることが可能となる。尚、当該制御を実行する場合には、センサ素子３４の目標温度を嵩上げすることによる出力停滞時間の短縮分を考慮して、出力停滞時間Ｔを設定することが好ましい。
　尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素吸蔵能取得手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。
　また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより前記第３の発明における「センサ出力変化速度取得手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。
　また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２２０の処理を実行することにより前記第４の発明における「設定手段」が実現されている。
　また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第４の発明における「加熱制御手段」が実現されている。
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
　次に、図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ３０に後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
　上述したとおり、ストイキ近傍でのセンサ出力の停滞は、リーン雰囲気下で触媒層３８に吸蔵された酸素が排気ガスと反応することにより生じる出力特性である。このため、算出された酸素吸蔵能に基づいて設定された出力停滞期間Ｔと実際の出力停滞期間とに差が生じている場合には、触媒層３８の劣化が進行している可能性が高い。
　そこで、本実施の形態３では、算出された出力停滞時間Ｔと実際の出力停滞時間とを比較することにより、触媒層３８の劣化有無を判定することとする。以下、フローチャートに沿って、空燃比センサ２２の触媒層３８の劣化有無を判定する具体的処理について説明する。
［実施の形態３における具体的処理］
　図８は、本実施の形態３において、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、空燃比センサ２２のセンサ出力Ｏｔｎ（空燃比）が取得される（ステップ３００）。次に、触媒層３８の酸素吸蔵能が算出される（ステップ３０２）。次に、酸素吸蔵能が所定値以上か否かが判定される（ステップ３０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００～１０４と同様の処理が実行される。その結果、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められない場合には、仮にセンサ出力がストイキ近傍となったとしてもセンサ出力の停滞は発生しないと判断されて、次のステップに移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される（ステップ３０６）。
　一方、上記ステップ３０４において、酸素吸蔵能≧所定値の成立が認められた場合には、センサ出力の停滞が発生する程度に触媒層３８に酸素が吸蔵されていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力の所定期間の出力変化量ΔＯｔｎ（＝Ｏｔｎ－Ｏｔｎ－１）が算出される（ステップ３０８）。次に、出力変化量ΔＯｔｎの変化割合を示す（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）が所定値Ｋよりも小さいか否かが判定される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８と同様の処理が実行される。その結果、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）＜Ｋの成立が認められない場合には、センサ出力の変化が未だ緩慢になっていないと判断されて、上記ステップ３０６に移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される。
　一方、上記ステップ３１０において、（ΔＯｔｎ／ΔＯｔｎ－１）＜Ｋの成立が認められた場合には、センサ出力の変化が緩慢になっていると判断されて、次のステップに移行し、センサ出力Ｏｔｎがストイキ近傍の空燃比か否かが判定される（ステップ３１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８と同様の処理が実行される。その結果、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められない場合には、センサ出力の停滞が発生する空燃比領域ではないと判断されて、上記ステップ３０６に移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される。
　一方、上記ステップ３１２において、１４．５＜Ｏｔｎ＜１４．７の成立が認められた場合には、ストイキ近傍におけるセンサ出力の停滞が発生すると判断されて、次のステップに移行し、出力停滞の開始が判定される（ステップ３１４）。次に、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従したか否かが判定される（ステップ３１６）。ここでは、具体的には、上記ステップ２１６と同様の処理が実行される。その結果、Ｐｔｎ－Ｏｔｎ＜０の成立が認められない場合には、未だセンサ出力の停滞が継続していると判断されて、次のステップに移行し、出力停滞時間が積算される（ステップ３１８）。ここでは、具体的には、積算された後の出力停滞時間が、出力停滞時間の実測値として格納された後、再度上記ステップ３１４へ移行する。
　一方、上記ステップ３１６において、Ｐｔｎ－Ｏｔｎ＜０の成立が認められた場合には、センサ出力Ｏｔｎが同定出力Ｐｔｎに追従した、すなわちセンサ出力の停滞が終了したと判断されて、次のステップに移行し、触媒層３８の劣化判定が実行される（ステップ３２０）。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ３０２において算出された酸素吸蔵能に基づいて、出力停滞時間Ｔが算出される。より具体的には、図６に示す関係に従い、酸素吸蔵能が高いほど出力停滞時間Ｔが大きな値として算出される。そして、係る出力停滞期間Ｔが、上記ステップ３１８において格納された出力停滞時間の実測値よりも大きいか否かが判定される。その結果、出力停滞時間Ｔが実測値を超えている場合には、実際の酸素吸蔵能が空燃比とその滞在時間とから算出される酸素吸蔵能よりも低いと判断されて、次のステップに移行し、ＭＩＬが点灯されて触媒層３８が劣化している旨が告知される（ステップ３２２）。一方、上記ステップ３２０において、出力停滞時間Ｔが実測値を超えていない場合には、触媒層３８が劣化していないと判断されて、上記ステップ３０６に移行し、触媒層３８の劣化判定が終了される。
　以上説明したとおり、本実施の形態３のシステムによれば、特定の条件下で発生するセンサ出力の特性を利用して、空燃比センサ２２の触媒層３８の劣化を有効に判定することができる。
　ところで、上述した実施の形態３においては、排気ガスの空燃比がリーンからストイキを跨いでリッチへ変化する場合を例に説明したが、これとは反対に空燃比がリッチからストイキを跨いでリーンへ変化する場合には、上記説明におけるリーンとリッチとを置き換えることで、同様に実行することができる。
　尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ３１８の処理を実行することにより前記第６の発明における「出力停滞時間取得手段」が、上記ステップ３２０の処理を実行することにより前記第６の発明における「設定手段」および「劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。
１０　内燃機関
１２　吸気通路
１４　排気通路
１６　エアフロメータ
１８　インジェクタ
２０　排気浄化触媒
２２　空燃比センサ
３０　ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
３２　カバー
３４　センサ素子
３６　拡散抵抗層
３８　触媒層
４０　保護層
４２　排気ガス側電極
４４　固体電解質層
４６　大気側電極
４８　大気室
５０　ヒータ

Claims (6)

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