WO2014181512A1 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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WO2014181512A1
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air
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output
control
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雅徳 黒澤
小栗　隆雅
小池　聡
幹泰 松岡
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株式会社デンソー
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Definitions

  • the present disclosure relates to an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine that performs air-fuel ratio feedback control based on an output of an upstream sensor that detects rich / lean exhaust gas upstream of a catalyst for exhaust gas purification of the internal combustion engine. is there.
  • an exhaust gas purification catalyst is installed in the exhaust pipe, and an exhaust gas sensor for detecting the air-fuel ratio or rich / lean of the exhaust gas is installed upstream or downstream of the catalyst. Then, the exhaust gas purification rate of the catalyst is increased by F / B (feedback) control of the air-fuel ratio based on the output of the exhaust gas sensor.
  • the exhaust gas sensor corresponds to an air-fuel ratio sensor or an oxygen sensor.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3876642
  • a PID for air-fuel ratio F / B control based on the output of an oxygen sensor upstream of the catalyst is used.
  • the reduction in the control amplitude of the air-fuel ratio F / B control and the increase in the control frequency are compatible, and the exhaust gas purification rate of the catalyst is improved.
  • the target air-fuel ratio of the catalyst outflow gas corresponding to the exhaust gas on the downstream side of the catalyst is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio by improving the catalyst performance (oxygen storage capacity, etc.) accompanying the demand for further improvement of the exhaust gas purification rate Sometimes set.
  • the air / fuel ratio F / B control based on the output of the upstream oxygen sensor the air / fuel ratio of the catalyst inflow gas corresponding to the exhaust gas upstream of the catalyst is the air / fuel ratio in which the rich / lean output of the oxygen sensor is reversed. Control is performed around the fuel ratio (for example, near the theoretical air-fuel ratio).
  • the control amplitude of the air-fuel ratio F / B control is lowered, the control change width of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas is reduced, and the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas is narrowed. If the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas is narrowed, the control range of the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas is also narrowed, and it becomes difficult to control the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas to the target air-fuel ratio.
  • the present disclosure provides an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine that can expand the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas while reducing the control amplitude of the air-fuel ratio feedback control based on the output of the upstream sensor. With the goal.
  • the internal combustion engine includes a catalyst that purifies exhaust gas of the internal combustion engine, an upstream sensor that detects rich / lean air-fuel ratio of exhaust gas upstream of the catalyst, and downstream of the catalyst.
  • a downstream air-fuel ratio acquisition unit that detects or estimates the air-fuel ratio of the exhaust gas on the side, and performs air-fuel ratio feedback control based on the output of the upstream sensor.
  • An air-fuel ratio control device applied to an internal combustion engine includes an output characteristic changing unit that changes an output characteristic of an upstream sensor, and an output characteristic that changes the output characteristic of an upstream sensor in accordance with the output of a downstream air-fuel ratio acquisition unit.
  • An output characteristic change control unit for controlling the change unit.
  • the control amplitude of the air-fuel ratio F / B (feedback) control based on the output of the upstream sensor is lowered, the control change width of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas corresponding to the exhaust gas upstream of the catalyst is reduced.
  • the output characteristic of the upstream sensor is changed in accordance with the output of the downstream air-fuel ratio acquisition unit, so that the control center of the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream sensor (the upstream sensor It is possible to expand the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas by changing the air-fuel ratio at which the output rich / lean is reversed.
  • control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas can be expanded while reducing the control amplitude of the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream sensor. Furthermore, the control range of the air / fuel ratio of the catalyst outflow gas corresponding to the exhaust gas on the downstream side of the catalyst can be expanded, and the air / fuel ratio of the catalyst outflow gas can be controlled to the target air / fuel ratio.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an engine control system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the sensor element.
  • FIG. 3 is a diagram showing output characteristics of the oxygen sensor
  • FIG. 4 is a time chart showing output characteristic change control according to the downstream oxygen sensor output
  • FIG. 5 is a time chart showing output characteristic change control according to the external EGR amount.
  • FIG. 6 is a time chart showing the output characteristic change control according to the valve timing control amount.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an output characteristic change control main routine.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an output characteristic change control subroutine.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a catalyst warm-up control routine.
  • An air cleaner 13 is provided at the most upstream portion of the intake pipe 12 of the engine 11 that is an internal combustion engine, and an air flow meter 14 for detecting the intake air amount is provided downstream of the air cleaner 13.
  • a throttle valve 16 whose opening is adjusted by a motor 15 and a throttle opening sensor 17 for detecting the opening (throttle opening) of the throttle valve 16 are provided on the downstream side of the air flow meter 14.
  • a surge tank 18 is provided on the downstream side of the throttle valve 16, and an intake pipe pressure sensor 19 for detecting the intake pipe pressure is provided in the surge tank 18.
  • the surge tank 18 is provided with an intake manifold 20 for introducing air into each cylinder of the engine 11, and a fuel injection valve 21 for injecting fuel into the intake port at or near the intake port connected to the intake manifold 20. Is attached.
  • An ignition plug 22 is attached to the cylinder head of the engine 11 for each cylinder, and the air-fuel mixture in each cylinder is ignited by spark discharge of the ignition plug 22 of each cylinder.
  • the exhaust pipe 23 of the engine 11 is provided with a catalyst 24 such as a three-way catalyst that purifies CO, HC, NO x and the like in the exhaust gas.
  • An upstream oxygen sensor 25 for detecting the rich / lean air-fuel ratio of the catalyst inflow gas corresponding to the exhaust gas upstream of the catalyst 24 is provided upstream of the catalyst 24.
  • the upstream oxygen sensor 25 corresponds to an upstream sensor.
  • a downstream oxygen sensor 26 that detects or estimates the rich / lean air-fuel ratio of the catalyst outflow gas corresponding to the exhaust gas downstream of the catalyst 24 is provided on the downstream side of the catalyst 24.
  • the downstream oxygen sensor 26 corresponds to a downstream air-fuel ratio acquisition unit.
  • the engine 11 is provided with an intake side variable valve timing device 29 that changes the valve timing (opening / closing timing) of the intake valve 27 and an exhaust side variable valve timing device 30 that changes the valve timing of the exhaust valve 28. Yes.
  • the engine 11 is equipped with an EGR device 31 that recirculates a part of the exhaust gas as EGR gas to the intake side.
  • This EGR device 31 has an EGR pipe 32 connected between the upstream side of the catalyst 24 in the exhaust pipe 23 and the downstream side of the throttle valve 16 in the intake pipe 12 or the surge tank 18.
  • An EGR valve 33 for adjusting the EGR gas flow rate corresponding to the external EGR amount is provided.
  • a cooling water temperature sensor 34 for detecting the cooling water temperature and a knock sensor 35 for detecting knocking are attached to the cylinder block of the engine 11.
  • a crank angle sensor 37 that outputs a pulse signal every time the crankshaft 36 rotates by a predetermined crank angle is attached to the outer peripheral side of the crankshaft 36. Based on the output signal of the crank angle sensor 37, the crank angle and engine The rotation speed is detected.
  • the outputs of these various sensors are input to an electronic control unit (ECU) 38.
  • the ECU 38 is composed mainly of a microcomputer 47, and executes various engine control programs stored in a built-in storage medium such as a ROM, so that the fuel injection amount, the ignition, Time, throttle opening (intake air amount), etc. are controlled.
  • the ECU 38 determines the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas based on the output (USO) of the upstream oxygen sensor 25 when the predetermined air-fuel ratio F / B (feedback) control execution condition is satisfied.
  • the air-fuel ratio F / B control is performed to correct the fuel injection amount by F / B by PID control or the like so as to control near (for example, the theoretical air-fuel ratio).
  • the air-fuel ratio is controlled so that the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas is controlled in the vicinity of the downstream target air-fuel ratio based on the output (DSO) of the downstream oxygen sensor 26.
  • the sub F / B control for correcting the F / B control is executed. In this sub F / B control, for example, the control center (upstream target air-fuel ratio) of the air-fuel ratio F / B control or the F / B correction amount is corrected.
  • the configuration of the downstream oxygen sensor 26 is substantially the same as the configuration of the upstream oxygen sensor 25.
  • the upstream oxygen sensor 25 has a cup-shaped sensor element 41.
  • the sensor element 41 is configured to be housed in a housing or an element cover (not shown), and the engine 11 Is disposed in the exhaust pipe 23.
  • a solid electrolyte layer 42 corresponding to a solid electrolyte body is formed in a U-shaped cross section, an exhaust side electrode layer 43 is provided on the outer surface thereof, and an atmosphere side electrode layer 44 is provided on the inner surface.
  • the solid electrolyte layer 42 is an oxygen ion conductive oxide-fired oxide in which CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 or the like is dissolved in ZrO 2 , HfO 2 , ThO 2 , Bi 2 O 3 or the like as a stabilizer. Consists of union.
  • both the exhaust side electrode layer 43 and the atmosphere side electrode layer 44 are made of a noble metal having high catalytic activity such as platinum, and the surface is subjected to porous chemical plating or the like.
  • the exhaust side electrode layer 43 and the atmosphere side electrode layer 44 form a pair of opposing sensor electrodes.
  • An internal space surrounded by the solid electrolyte layer 42 is an atmospheric chamber 45, and a heater 46 is accommodated in the atmospheric chamber 45.
  • the heater 46 has a heat generation capacity sufficient to activate the sensor element 41, and the entire sensor element 41 is heated by the heat generation energy.
  • the activation temperature of the sensor element 41 is, for example, about 350 to 400 ° C.
  • the atmosphere chamber 45 is maintained at a predetermined oxygen concentration by introducing the atmosphere, and the atmosphere-side electrode layer 44 is exposed to the atmosphere in the atmosphere chamber 45.
  • the outer side of the solid electrolyte layer 42 near the electrode layer 43 is an exhaust atmosphere
  • the inner side of the solid electrolyte layer 42 near the electrode layer 44 is an air atmosphere.
  • the electromotive force is generated between the electrode layers 43 and 44 according to the difference between the electrode layers 43 and 44. That is, the sensor element 41 generates different electromotive forces depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean. Thereby, the sensor element 41 outputs an electromotive force signal corresponding to the oxygen concentration (that is, the air-fuel ratio) of the exhaust gas.
  • the exhaust-side electrode layer 43 of the sensor element 41 is grounded, and a microcomputer 47 is connected to the atmosphere-side electrode layer 44.
  • a sensor detection signal corresponding to the electromotive force is output to the microcomputer 47.
  • the microcomputer 47 is provided in the ECU 38, for example, and calculates the air-fuel ratio based on the sensor detection signal.
  • a constant current circuit 48 is connected to the atmosphere-side electrode layer 44 of the upstream oxygen sensor 25.
  • the constant current circuit 48 corresponds to an output characteristic changing unit.
  • the ECU 38 microcomputer 47 controls the supply of the constant current Ics by the constant current circuit 48 and causes a constant current to flow between the pair of sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25, whereby the upstream oxygen sensor 25. Change the output characteristics (USOP) of.
  • the constant current Ics flowing from the atmosphere side electrode layer 44 to the exhaust side electrode layer 43 is a positive constant current
  • the constant current Ics flowing from the exhaust side electrode layer 43 to the atmosphere side electrode layer 44 is a negative constant current.
  • the downstream target air-fuel ratio corresponding to the target air-fuel ratio of the catalyst outflow gas is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio by improving the catalyst performance (oxygen storage capacity, etc.) accompanying the demand for further improvement of the exhaust gas purification rate.
  • the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream oxygen sensor 25 the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas is changed to the air-fuel ratio (for example, near the theoretical air-fuel ratio) where the rich / lean output of the upstream oxygen sensor 25 is reversed.
  • the ECU 38 executes the output characteristic change control routines of FIGS. 7 and 8 to change the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in accordance with the output of the downstream oxygen sensor 26.
  • the constant current circuit 48 is controlled as described above. Accordingly, the control center of the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream oxygen sensor 25 is changed according to the output of the downstream oxygen sensor 26, and the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas is expanded. . In this case, the control center corresponds to the air-fuel ratio at which the rich / lean output of the upstream oxygen sensor 25 is reversed.
  • the upstream oxygen sensor A positive constant current is passed between the 25 sensor electrodes 43 and 44 to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction (the inflection point at which the rich / lean output of the upstream oxygen sensor 25 is reversed).
  • the constant current circuit 48 is controlled to shift in the lean direction.
  • the hydrogen concentration in the exhaust gas changes according to the amount of external EGR corresponding to the flow rate of the EGR gas, and the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 are shifted accordingly.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so as to change the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 according to the external EGR amount.
  • the ECU 38 modifies the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 by changing the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in response to the deviation generated in the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25.
  • the ECU 38 causes a positive constant current to flow between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25, thereby
  • the constant current circuit 48 is controlled to shift the output characteristic of the oxygen sensor 25 in the lean direction.
  • the valve overlap amount depends on the valve timing advance amount of the intake valve 27 and the valve timing delay amount of the exhaust valve 28.
  • the amount of internal EGR corresponding to the amount of combustion gas remaining in the cylinder changes.
  • the hydrogen concentration in the exhaust gas changes according to the amount of internal EGR, and the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 are shifted accordingly.
  • the sum of the valve timing advance amount of the intake valve 27 and the valve timing retard amount of the exhaust valve 28 is used as a valve timing control amount, and the ECU 38 determines upstream oxygen oxygen in accordance with this valve timing control amount.
  • the constant current circuit 48 is controlled so as to change the output characteristics of the sensor 25.
  • the hydrogen concentration in the exhaust gas changes according to the internal EGR amount that changes according to the valve timing control amount, and the ECU 38 responds to the deviation in the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 accordingly.
  • the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is modified by changing the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25.
  • the ECU 38 when the valve timing control amount is larger than a predetermined value, the ECU 38 sends a positive constant current between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to The constant current circuit 48 is controlled to shift the output characteristic of the side oxygen sensor 25 in the lean direction. This corrects the shift in the rich direction of the output of the upstream oxygen sensor 25 due to an increase in the internal EGR amount (an increase in the hydrogen concentration in the exhaust gas).
  • valve timing advance amount of the intake valve 27 is set as a valve timing control amount. Further, in the case of a system including only the exhaust side variable valve timing device 30, the valve timing advance amount of the exhaust valve 28 is set as a valve timing control amount.
  • the ECU 38 executes the catalyst warm-up control routine of FIG. 9 to execute catalyst warm-up control that promotes warm-up of the catalyst 24 when a catalyst warm-up request is generated.
  • the ECU 38 performs lean combustion control that controls the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine 11 to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and also performs ignition timing retard control that retards the ignition timing. Increase the temperature of the exhaust gas.
  • the ECU 38 causes a positive constant current to flow between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction.
  • the constant current circuit 48 is controlled.
  • the air-fuel ratio control region based on the output of the upstream oxygen sensor 25 is shifted in the lean direction, so that the lean combustion control can be performed with high accuracy.
  • the output characteristic change control main routine shown in FIG. 7 is repeatedly executed at a predetermined period during the power-on period of the ECU 38 (while the ignition switch is on), and serves as an output characteristic change control unit.
  • the process proceeds to 102.
  • the ECU 38 determines whether or not the sub F / B control is started. If the ECU 38 determines that the sub F / B control has not yet been started, the routine is terminated as it is.
  • step 103 the ECU 38 changes the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 according to the output of the downstream oxygen sensor 26, the external EGR amount, and the valve timing control amount by executing the output characteristic change control subroutine of FIG. To do.
  • the output characteristic change control subroutine shown in FIG. 8 is a subroutine executed in the output characteristic change control main routine 103 shown in FIG.
  • the ECU 38 determines whether or not the output of the downstream oxygen sensor 26 is richer than a target voltage (for example, 0.7V). That is, at 201, the ECU 38 determines whether the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas is richer than the downstream target air-fuel ratio.
  • a target voltage for example, 0.7V
  • the process proceeds to 202.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so that a positive constant current flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction.
  • the positive constant current flowing between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 may be set (fixed) to a predetermined value, or the output of the downstream oxygen sensor 26 or the sub F / B correction amount. You may make it change according to.
  • step 203 the ECU 38 determines whether the output of the downstream oxygen sensor 26 is leaner than the target voltage. That is, the ECU 38 determines whether the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas is leaner than the downstream target air-fuel ratio.
  • the process proceeds to 204.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so that a negative constant current flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 in the rich direction.
  • the negative constant current flowing between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 may be set (fixed) to a predetermined value, or the output of the downstream oxygen sensor 26 or the sub F / B correction amount. You may make it change according to.
  • the ECU 38 determines “No” in both 201 and 203 (that is, if the output of the downstream oxygen sensor 26 matches the target voltage), the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 are set to the current state.
  • the constant current circuit 48 is controlled so as to be maintained at the above.
  • the constant current circuit 48 may be controlled so that the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is returned to the normal state in which the output characteristic is not changed (the constant current is set to 0).
  • the ECU 38 proceeds to 205 and determines whether or not the external EGR amount is larger than a predetermined value, for example, based on whether or not the opening degree of the EGR valve 33 is larger than the predetermined opening degree.
  • the routine proceeds to 206.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so that a positive constant current flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction.
  • the positive constant current flowing between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 may be set (fixed) to a predetermined value or according to the external EGR amount (for example, the opening degree of the EGR valve 33). May be changed.
  • the process proceeds to 207.
  • the ECU 38 determines whether or not the external EGR amount is smaller than a predetermined value, for example, based on whether or not the opening degree of the EGR valve 33 is smaller than the predetermined opening degree.
  • the process proceeds to 208.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so that a negative constant current flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the rich direction.
  • the negative constant current that flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 may be set (fixed) to a predetermined value or according to the external EGR amount (for example, the opening degree of the EGR valve 33). May be changed.
  • the ECU 38 determines that both of “No” are 205 and 207 (that is, when the external EGR amount matches a predetermined value)
  • the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is maintained in the current state.
  • the constant current circuit 48 is controlled.
  • the constant current circuit 48 may be controlled so that the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is returned to the normal state in which the output characteristic is not changed (the constant current is set to 0).
  • the ECU 38 proceeds to 209 and determines whether or not the valve timing control amount is larger than a predetermined value.
  • the valve timing control amount corresponds to the sum of the valve timing advance amount of the intake valve 27 and the valve timing retard amount of the exhaust valve 28.
  • the process proceeds to 210.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so that a positive constant current flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction.
  • the positive constant current that flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 may be set (fixed) to a predetermined value, or may be changed according to the valve timing control amount. .
  • the process proceeds to 211.
  • the ECU 38 determines whether or not the valve timing control amount is smaller than a predetermined value.
  • the routine proceeds to 212.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so that a negative constant current flows between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to shift the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 in the rich direction.
  • the negative constant current flowing between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 may be set (fixed) to a predetermined value, or may be changed according to the valve timing control amount. .
  • the ECU 38 determines “No” for both 209 and 211 (that is, when the valve timing control amount matches a predetermined value), the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is maintained in the current state.
  • the constant current circuit 48 is controlled as described above. Alternatively, the constant current circuit 48 may be controlled so that the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is returned to the normal state in which the output characteristic is not changed (the constant current is set to 0).
  • the catalyst warm-up control routine shown in FIG. 9 is repeatedly executed at a predetermined cycle during the power-on period of the ECU 38 (while the ignition switch is on), and serves as a catalyst warm-up control unit.
  • the ECU 38 determines whether air-fuel ratio F / B control has been started. If the ECU 38 has not yet started the air-fuel ratio F / B control, this routine is terminated as it is.
  • the routine proceeds to 302.
  • the ECU 38 determines whether or not a catalyst warm-up request has occurred, for example, based on whether or not the temperature (detected value or estimated value) of the catalyst 24 is lower than the activation temperature. If the ECU 38 determines that the catalyst warm-up request has not occurred, the routine is terminated as it is.
  • the process proceeds to 303.
  • the ECU 38 executes catalyst warm-up control for promoting warm-up of the catalyst 24.
  • the lean combustion control for controlling the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine 11 by the ECU 38 to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio is performed, and the ignition timing retarding control for retarding the ignition timing is performed. Increase the temperature of the exhaust gas.
  • the ECU 38 proceeds to 304, and during execution of the catalyst warm-up control, a positive constant current is passed between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 to change the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction.
  • the constant current circuit 48 is controlled to shift to.
  • the positive constant current flowing between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 is set (fixed) to a predetermined value.
  • the ECU 38 proceeds to 305 to determine whether or not the warming-up of the catalyst 24 is completed, for example, whether or not the temperature (detected value or estimated value) of the catalyst 24 has risen above the activation temperature, or The determination is made based on whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the warm-up control.
  • step 305 the process proceeds to step 306.
  • the ECU 38 determines whether or not the engine rotation fluctuation is greater than or equal to a predetermined value.
  • the engine rotation fluctuation corresponds to the difference between the current value and the previous value of the engine speed.
  • the process proceeds to 307.
  • the ECU 38 determines whether the temperature (detected value or estimated value) of the exhaust gas is equal to or higher than a predetermined value.
  • the ECU 38 determines “Yes” in any of 305 to 307, it determines that the catalyst warm-up control end condition is satisfied, and proceeds to 308. In 308, after the ECU 38 finishes the catalyst warm-up control (lean combustion control and ignition timing retard control), the process proceeds to 309. In 309, the constant current circuit 48 is controlled so that the ECU 38 returns to the normal state in which the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is not changed (the constant current is set to 0).
  • the processing of the catalyst warm-up control routine 304 and 309 in FIG. 9 also serves as an output characteristic change control unit.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so as to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction when the output of the downstream oxygen sensor 26 is richer than the target voltage.
  • the control center of the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream oxygen sensor 25 can be changed to the lean direction, and the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas can be expanded in the lean direction.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so as to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the rich direction when the output of the downstream oxygen sensor 26 is leaner than the target voltage.
  • the control center of the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream oxygen sensor 25 can be changed in the rich direction, and the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas can be expanded in the rich direction.
  • the control center of the air-fuel ratio F / B control based on the output of the upstream oxygen sensor 25 is changed.
  • the control range of the air-fuel ratio of the catalyst inflow gas can be expanded.
  • the control range of the air / fuel ratio of the catalyst outflow gas can be expanded, and the air / fuel ratio of the catalyst outflow gas can be controlled to the target air / fuel ratio.
  • the constant current circuit 48 for changing the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 by supplying a constant current between the sensor electrodes 43 and 44 of the upstream oxygen sensor 25 is provided.
  • the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 can be changed by a simple method of passing a constant current between the sensor electrodes 43 and 44.
  • the output characteristics of the upstream oxygen sensor 25 can be changed without causing a significant design change or cost increase of the upstream oxygen sensor 25.
  • the ECU 38 controls the constant current circuit 48 so as to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction when the external EGR amount is larger than a predetermined value.
  • a shift in the rich direction of the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 due to an increase in the amount (increase in hydrogen concentration in the exhaust gas) can be corrected.
  • the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is shifted in the lean direction when the valve timing control amount is larger than a predetermined value. Since the constant current circuit 48 is controlled so as to cause the deviation, the shift in the rich direction of the output of the upstream oxygen sensor 25 due to the increase in the internal EGR amount (increase in the hydrogen concentration in the exhaust gas) can be corrected.
  • the constant current circuit 48 is controlled so as to shift the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 in the lean direction during the execution of the catalyst warm-up control for performing the lean combustion control.
  • the air-fuel ratio control region based on the output of the upstream oxygen sensor 25 can be shifted in the lean direction, and the lean combustion control can be performed with high accuracy.
  • the constant current circuit 48 is connected to the atmosphere-side electrode layer 44 of the upstream oxygen sensor 25 (sensor element 41).
  • the present invention is not limited to this.
  • the constant current circuit 48 may be connected to the exhaust side electrode layer 43 of 41).
  • the constant current circuit 48 may be connected to both the exhaust side electrode layer 43 and the atmosphere side electrode layer 44.
  • the oxygen sensor 25 having the cup-type structure sensor element 41 is used.
  • the present invention is not limited to this.
  • an oxygen sensor having a laminated structure type sensor element may be used. .
  • the output characteristic of the upstream oxygen sensor 25 is changed.
  • a constant current circuit that allows a constant current to flow between the sensor electrodes of the downstream oxygen sensor 26 is further provided. It is good also as a structure which changes an output characteristic.
  • an air-fuel ratio sensor (a sensor that outputs a linear air-fuel ratio signal corresponding to the air-fuel ratio) for detecting the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas may be provided.
  • the downstream oxygen sensor 26 may be omitted, and the air-fuel ratio of the catalyst outflow gas may be estimated using a model that simulates the performance of the catalyst 24, for example.
  • the present disclosure is not limited to the intake port injection type engine as shown in FIG. 1, and is a dual injection type engine having a dual injection engine and a fuel injection valve for intake port injection and a fuel injection valve for in-cylinder injection. It can also be applied to an injection engine.

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Abstract

　上流側酸素センサ（２５）のセンサ電極間に定電流を流して上流側酸素センサ（２５）の出力特性を変更する定電流回路を設ける。下流側酸素センサ（２６）の出力が目標電圧よりもリッチ側のときには、上流側酸素センサ（２５）の出力特性をリーン方向にシフトさせる。これにより、上流側酸素センサ（２５）の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心をリーン方向に変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域をリーン方向に拡大する。下流側酸素センサ（２６）の出力が目標電圧よりもリーン側のときには、上流側酸素センサ（２５）の出力特性をリッチ方向にシフトさせる。これにより、空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心をリッチ方向に変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域をリッチ方向に拡大する。

Description

内燃機関の空燃比制御装置 関連出願の相互参照
　本開示は、２０１３年５月９日に出願された日本出願番号２０１３－９９０９０号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、内燃機関の排出ガス浄化用の触媒の上流側の排出ガスのリッチ／リーンを検出する上流側センサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
　従来、内燃機関を搭載した車両では、排気管に排出ガス浄化用の触媒を設置すると共に、この触媒の上流側や下流側に排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサを設置し、排出ガスセンサの出力に基づいて空燃比をＦ／Ｂ（フィードバック）制御して触媒の排出ガス浄化率を高める。この場合、排出ガスセンサが空燃比センサ又は酸素センサに相当する。
　このような空燃比制御システムにおいては、例えば、特許文献１（特許第３８７６６４２号公報）に記載されているように、触媒の上流側の酸素センサの出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御のＰＩＤ制御量を逐次算出することで、空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御振幅の低振幅化と制御周波数の高周波数化を両立して、触媒の排出ガス浄化率を向上させる。
　排出ガス浄化率の更なる向上の要求に伴う触媒性能（酸素吸蔵能力等）の向上により、触媒の下流側の排出ガスに相当する触媒流出ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定することもある。しかし、上流側の酸素センサの出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御では、触媒の上流側の排出ガスに相当する触媒流入ガスの空燃比を、酸素センサの出力のリッチ／リーンが反転する空燃比（例えば理論空燃比付近）を中心に制御する。よって、空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御振幅を低振幅化すると、触媒流入ガスの空燃比の制御変化幅が小さくなって、触媒流入ガスの空燃比の制御領域が狭くなる。触媒流入ガスの空燃比の制御領域が狭くなると、触媒流出ガスの空燃比の制御領域も狭くなり、触媒流出ガスの空燃比を目標空燃比に制御することが困難になる。
特許第３８７６６４２号公報
　本開示は、上流側センサの出力に基づいた空燃比フィードバック制御の制御振幅を低振幅化しながら触媒流入ガスの空燃比の制御領域を拡大することができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
　本開示の第一の態様において、内燃機関は、内燃機関の排出ガスを浄化する触媒と、この触媒の上流側の排出ガスの空燃比のリッチ／リーンを検出する上流側センサと、触媒の下流側の排出ガスの空燃比を検出又は推定する下流側空燃比取得部とを備え、上流側センサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う。内燃機関に適用する空燃比制御装置は、上流側センサの出力特性を変更する出力特性変更部と、下流側空燃比取得部の出力に応じて上流側センサの出力特性を変更するように出力特性変更部を制御する出力特性変更制御部とを備える。
　上流側センサの出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御の制御振幅を低振幅化すると、触媒の上流側の排出ガスに相当する触媒流入ガスの空燃比の制御変化幅が小さくなるが、本開示は、下流側空燃比取得部の出力に応じて上流側センサの出力特性を変更することで、上流側センサの出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心（上流側センサの出力のリッチ／リーンが反転する空燃比）を変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域を拡大することができる。これにより、上流側センサの出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御振幅を低振幅化しながら触媒流入ガスの空燃比の制御領域を拡大することができる。さらに、触媒の下流側の排出ガスに相当する触媒流出ガスの空燃比の制御領域も拡大することができ、触媒流出ガスの空燃比を目標空燃比に制御することが可能となる。
　以下、本開示の実施例について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施例相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
図１は本開示の一実施例におけるエンジン制御システムの構成を示す概略図であり、 図２はセンサ素子の構成を示す断面図であり、 図３は酸素センサの出力特性を示す図であり、 図４は下流側酸素センサ出力に応じた出力特性変更制御を示すタイムチャートであり、 図５は外部ＥＧＲ量に応じた出力特性変更制御を示すタイムチャートであり、 図６はバルブタイミング制御量に応じた出力特性変更制御を示すタイムチャートであり、 図７は出力特性変更制御メインルーチンを示すフローチャートであり、 図８は出力特性変更制御サブルーチンを示すフローチャートであり、 図９は触媒暖機制御ルーチンを示すフローチャートである。
　以下、本開示を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
　まず、図１に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
　内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
　更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、吸気マニホールド２０に接続された吸気ポート又はその近傍に、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。
　エンジン１１の排気管２３には、排出ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯX等を浄化する三元触媒等の触媒２４が設けられている。この触媒２４の上流側には、触媒２４の上流側の排出ガスに相当する触媒流入ガスの空燃比のリッチ／リーンを検出する上流側酸素センサ２５が設けられる。上流側酸素センサ２５は上流側センサに相当する。触媒２４の下流側には、触媒２４の下流側の排出ガスに相当する触媒流出ガスの空燃比のリッチ／リーンを検出または推定する下流側酸素センサ２６が設けられている。下流側酸素センサ２６は下流側空燃比取得部に相当する。
　また、エンジン１１には、吸気バルブ２７のバルブタイミング（開閉タイミング）を変化させる吸気側可変バルブタイミング装置２９と、排気バルブ２８のバルブタイミングを変化させる排気側可変バルブタイミング装置３０とが設けられている。
　更に、エンジン１１には、排出ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側へ還流させるＥＧＲ装置３１が搭載されている。このＥＧＲ装置３１は、排気管２３のうちの触媒２４の上流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側又はサージタンク１８との間にＥＧＲ配管３２が接続され、このＥＧＲ配管３２に外部ＥＧＲ量に相当するＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲ弁３３が設けられている。
　また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３４や、ノッキングを検出するノックセンサ３５が取り付けられている。また、クランク軸３６の外周側には、クランク軸３６が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ３７が取り付けられ、このクランク角センサ３７の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
　これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３８に入力される。このＥＣＵ３８は、マイクロコンピュータ４７を主体として構成され、内蔵されたＲＯＭなどの記憶媒体に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。
　その際、ＥＣＵ３８は、所定の空燃比Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御実行条件が成立したときに、上流側酸素センサ２５の出力（ＵＳＯ）に基づいて触媒流入ガスの空燃比を上流側目標空燃比（例えば理論空燃比）付近に制御するようにＰＩＤ制御等により燃料噴射量をＦ／Ｂ補正する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。更に、所定のサブＦ／Ｂ制御実行条件が成立したときに、下流側酸素センサ２６の出力（ＤＳＯ）に基づいて触媒流出ガスの空燃比を下流側目標空燃比付近に制御するように空燃比Ｆ／Ｂ制御を修正するサブＦ／Ｂ制御を実行する。このサブＦ／Ｂ制御では、例えば、空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心（上流側目標空燃比）又はＦ／Ｂ補正量等を修正する。
　次に、図２に基づいて上流側酸素センサ２５の構成を説明する。尚、下流側酸素センサ２６の構成は上流側酸素センサ２５の構成と実質的に同一である。
　上流側酸素センサ２５は、コップ型構造のセンサ素子４１を有しており、実際には当該センサ素子４１は素子全体が図示しないハウジングや素子カバー内に収容される構成となっており、エンジン１１の排気管２３内に配設されている。
　センサ素子４１において、固体電解質体に相当する固体電解質層４２は、断面Ｕ字状に形成されており、その外表面には排気側電極層４３が設けられ、内表面には大気側電極層４４が設けられている。固体電解質層４２は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、排気側電極層４３と大気側電極層４４は共に白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。これらの排気側電極層４３と大気側電極層４４が一対の対向するセンサ電極となっている。固体電解質層４２にて囲まれる内部空間は大気室４５となっており、その大気室４５内にはヒータ４６が収容されている。このヒータ４６は、センサ素子４１を活性化するのに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子４１全体が加熱される。センサ素子４１の活性温度は、例えば３５０～４００℃程度である。尚、大気室４５は、大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持され、大気側電極層４４が大気室４５内の大気に晒されている。
　センサ素子４１では、固体電解質層４２の電極層４３に近い外側が排気雰囲気、固体電解質層４２の電極層４４に近い内側が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極層４３，４４間で起電力が発生する。つまり、センサ素子４１では、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。これにより、センサ素子４１は、排出ガスの酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。
　センサ素子４１は、空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に対してリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、図３の実線のように理論空燃比付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、空燃比がリッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、空燃比がリーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。
　図２に示すように、センサ素子４１の排気側電極層４３は接地され、大気側電極層４４にはマイコン４７が接続されている。排出ガスの空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子４１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号がマイコン４７に対して出力される。マイコン４７は、例えばＥＣＵ３８内に設けられており、センサ検出信号に基づいて空燃比を算出する。
　また、本実施例では、上流側酸素センサ２５の大気側電極層４４に定電流回路４８が接続される。定電流回路４８は出力特性変更部に相当する。ＥＣＵ３８（マイコン４７）が、この定電流回路４８による定電流Ｉｃｓの供給を制御して、上流側酸素センサ２５の一対のセンサ電極４３，４４間に定電流を流すことで、上流側酸素センサ２５の出力特性（ＵＳＯＰ）を変更する。
　本実施例では、大気側電極層４４から排気側電極層４３へ流れる定電流Ｉｃｓを正の定電流とし、排気側電極層４３から大気側電極層４４へ流れる定電流Ｉｃｓを負の定電流としている。図３に示すように、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流すと、上流側酸素センサ２５の出力特性がリーン方向にシフトする。言い換えると、上流側酸素センサ２５の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点がリーン方向にシフトする。上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に負の定電流を流すと、上流側酸素センサ２５の出力特性がリッチ方向にシフトする。言い換えると、上流側酸素センサ２５の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点がリッチ方向にシフトする。
　排出ガス浄化率の更なる向上の要求に伴う触媒性能（酸素吸蔵能力等）の向上により、触媒流出ガスの目標空燃比に相当する下流側目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定することもある。しかし、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御では、触媒流入ガスの空燃比を、上流側酸素センサ２５の出力のリッチ／リーンが反転する空燃比（例えば理論空燃比付近）を中心に制御する。よって、空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御振幅を低振幅化すると、触媒流入ガスの空燃比の制御変化幅が小さくなって、触媒流入ガスの空燃比の制御領域が狭くなる。触媒流入ガスの空燃比の制御領域が狭くなると、触媒流出ガスの空燃比の制御領域も狭くなり、触媒流出ガスの空燃比を下流側目標空燃比に制御することが困難になる。
　そこで、本実施例では、ＥＣＵ３８が図７及び図８の出力特性変更制御用の各ルーチンを実行することで、下流側酸素センサ２６の出力に応じて上流側酸素センサ２５の出力特性を変更するように定電流回路４８を制御する。これにより、下流側酸素センサ２６の出力に応じて、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心を変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域を拡大する。この場合、制御中心は上流側酸素センサ２５の出力のリッチ／リーンが反転する空燃比に相当する。
　具体的には、図４に示すように、下流側酸素センサ２６の出力が下流側目標空燃比に相当する目標電圧（ＯＶ、例えば０．７Ｖ）よりもリッチ側のときに、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせる（上流側酸素センサ２５の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点をリーン方向にシフトさせる）ように定電流回路４８を制御する。これにより、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心をリーン方向に変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域をリーン方向に拡大する。
　下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリーン側のときに、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に負の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリッチ方向にシフトさせる（上流側酸素センサ２５の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点をリッチ方向にシフトさせる）ように定電流回路４８を制御する。これにより、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心をリッチ方向に変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域をリッチ方向に拡大する。
　ところで、ＥＧＲ装置３１を備えたシステムでは、ＥＧＲガスの流量に相当する外部ＥＧＲ量に応じて排出ガス中の水素濃度が変化し、それに応じて上流側酸素センサ２５の出力特性にずれが生じる。
　そこで、本実施例では、ＥＣＵ３８が外部ＥＧＲ量に応じて上流側酸素センサ２５の出力特性を変更するように定電流回路４８を制御する。ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５の出力特性に生じたずれに対応して上流側酸素センサ２５の出力特性を変更して上流側酸素センサ２５の出力特性を修正する。
　具体的には、図５に示すように、ＥＣＵ３８が、外部ＥＧＲ量が所定値よりも多いときに、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。これにより、外部ＥＧＲ量の増加（排出ガス中の水素濃度の増加）による上流側酸素センサ２５の出力特性のリッチ方向のずれを修正する。
　また、吸気側可変バルブタイミング装置２９や排気側可変バルブタイミング装置３０を備えたシステムでは、吸気バルブ２７のバルブタイミング進角量や排気バルブ２８のバルブタイミング遅角量に応じてバルブオーバーラップ量が変化して、筒内に残留する燃焼ガス量に相当する内部ＥＧＲ量が変化する。更に、内部ＥＧＲ量に応じて排出ガス中の水素濃度が変化し、それに応じて上流側酸素センサ２５の出力特性にずれが生じる。
　そこで、本実施例では、吸気バルブ２７のバルブタイミング進角量と排気バルブ２８のバルブタイミング遅角量との和をバルブタイミング制御量とし、ＥＣＵ３８が、このバルブタイミング制御量に応じて上流側酸素センサ２５の出力特性を変更するように定電流回路４８を制御する。これにより、バルブタイミング制御量に応じて変化する内部ＥＧＲ量に応じて排出ガス中の水素濃度が変化し、ＥＣＵ３８が、それに応じて上流側酸素センサ２５の出力特性にずれが生じるのに対応して上流側酸素センサ２５の出力特性を変更して上流側酸素センサ２５の出力特性を修正する。
　具体的には、図６に示すように、ＥＣＵ３８が、バルブタイミング制御量が所定値よりも大きいときに、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。これにより、内部ＥＧＲ量の増加（排出ガス中の水素濃度の増加）による上流側酸素センサ２５の出力のリッチ方向のずれを修正する。
　尚、吸気側可変バルブタイミング装置２９のみを備えたシステムの場合には、吸気バルブ２７のバルブタイミング進角量をバルブタイミング制御量とする。また、排気側可変バルブタイミング装置３０のみを備えたシステムの場合には、排気バルブ２８のバルブタイミング進角量をバルブタイミング制御量とする。
　また、本実施例では、ＥＣＵ３８が、図９の触媒暖機制御ルーチンを実行することで、触媒暖機要求が発生したときに、触媒２４の暖機を促進する触媒暖機制御を実行する。この触媒暖機制御では、ＥＣＵ３８が、エンジン１１に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御するリーン燃焼制御を行うと共に、点火時期を遅角する点火時期遅角制御を行って、排出ガスの温度を上昇させる。更に、ＥＣＵ３８が、触媒暖機制御の実行中に、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。これにより、リーン燃焼制御を行う触媒暖機制御の実行中に、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比の制御領域をリーン方向にシフトさせて、リーン燃焼制御を精度良く行うことができるようにする。
　以下、ＥＣＵ３８が実行する図７乃至図９の各ルーチンの処理内容を説明する。
　図７に示す出力特性変更制御メインルーチンは、ＥＣＵ３８の電源オン期間中（イグニッションスイッチのオン期間中）に所定周期で繰り返し実行され、出力特性変更制御部としての役割を果たす。まず、１０１で、空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始されたか否かを判定し、空燃比Ｆ／Ｂ制御がまだ開始されていなければ、そのまま本ルーチンを終了する。
　その後、１０１で、ＥＣＵ３８が、空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始されたと判定した場合には、１０２に進む。１０２で、ＥＣＵ３８が、サブＦ／Ｂ制御が開始されたか否かを判定する。ＥＣＵ３８が、サブＦ／Ｂ制御がまだ開始されていないと判定した場合には、そのまま本ルーチンを終了する。
　１０２で、ＥＣＵ３８がサブＦ／Ｂ制御が開始されたと判定した場合には、１０３に進む。１０３で、ＥＣＵ３８が、図８の出力特性変更制御サブルーチンを実行することで、下流側酸素センサ２６の出力、外部ＥＧＲ量、バルブタイミング制御量に応じて、上流側酸素センサ２５の出力特性を変更する。
　図８に示す出力特性変更制御サブルーチンは、前記図７の出力特性変更制御メインルーチンの１０３で実行されるサブルーチンである。まず、２０１で、ＥＣＵ３８が下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧（例えば０．７Ｖ）よりもリッチ側であるか否かを判定する。つまり、２０１で、ＥＣＵ３８が触媒流出ガスの空燃比が下流側目標空燃比よりもリッチであるか否かを判定する。
　この２０１で、ＥＣＵ３８が下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリッチ側であると判定した場合には、２０２に進む。２０２で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す正の定電流は、所定値に設定（固定）しても良いし、下流側酸素センサ２６の出力又はサブＦ／Ｂ補正量に応じて変化させるようにしても良い。
　２０１で、ＥＣＵ３８が下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリッチ側ではないと判定した場合には、２０３に進む。２０３で、ＥＣＵ３８が下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリーン側であるか否かを判定する。つまり、ＥＣＵ３８が触媒流出ガスの空燃比が下流側目標空燃比よりもリーンであるか否かを判定する。
　この２０３で、ＥＣＵ３８が下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリーン側であると判定した場合には、２０４に進む。２０４で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に負の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリッチ方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す負の定電流は、所定値に設定（固定）しても良いし、下流側酸素センサ２６の出力又はサブＦ／Ｂ補正量に応じて変化させるようにしても良い。
　尚、ＥＣＵ３８が２０１と２０３で両方とも「Ｎｏ」と判定した場合（つまり、下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧と一致する場合）には、上流側酸素センサ２５の出力特性を現在の状態に維持するように定電流回路４８を制御する。或は、上流側酸素センサ２５の出力特性を変更していない通常状態に戻すように定電流回路４８を制御する（定電流を０にする）ようにしても良い。
　この後、ＥＣＵ３８が２０５に進み、外部ＥＧＲ量が所定値よりも多いか否かを、例えば、ＥＧＲ弁３３の開度が所定開度よりも大きいか否かによって判定する。
　この２０５で、ＥＣＵ３８が外部ＥＧＲ量が所定値よりも多いと判定した場合には、２０６に進む。２０６で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す正の定電流は、所定値に設定（固定）しても良いし、外部ＥＧＲ量（例えばＥＧＲ弁３３の開度）に応じて変化させるようにしても良い。
　２０５で、ＥＣＵ３８が外部ＥＧＲ量が所定値よりも多くはないと判定した場合には、２０７に進む。２０７で、ＥＣＵ３８が外部ＥＧＲ量が所定値よりも少ないか否かを、例えば、ＥＧＲ弁３３の開度が所定開度よりも小さいか否かによって判定する。
　この２０７で、ＥＣＵ３８が外部ＥＧＲ量が所定値よりも少ないと判定した場合には、２０８に進む。２０８で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に負の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリッチ方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す負の定電流は、所定値に設定（固定）しても良いし、外部ＥＧＲ量（例えばＥＧＲ弁３３の開度）に応じて変化させるようにしても良い。
　尚、ＥＣＵ３８が２０５と２０７で両方とも「Ｎｏ」と判定した場合（つまり、外部ＥＧＲ量が所定値と一致する場合）には、上流側酸素センサ２５の出力特性を現在の状態に維持するように定電流回路４８を制御する。或は、上流側酸素センサ２５の出力特性を変更していない通常状態に戻すように定電流回路４８を制御する（定電流を０にする）ようにしても良い。
　この後、ＥＣＵ３８が２０９に進み、バルブタイミング制御量が所定値よりも大きいか否かを判定する。例えば、バルブタイミング制御量は吸気バルブ２７のバルブタイミング進角量と排気バルブ２８のバルブタイミング遅角量との和に相当する。
　この２０９で、ＥＣＵ３８がバルブタイミング制御量が所定値よりも大きいと判定した場合には、２１０に進む。２１０で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す正の定電流は、所定値に設定（固定）しても良いし、バルブタイミング制御量に応じて変化させるようにしても良い。
　２０９で、ＥＣＵ３８がバルブタイミング制御量が所定値よりも大きくはないと判定した場合には、２１１に進む。２１１で、ＥＣＵ３８がバルブタイミング制御量が所定値よりも小さいか否かを判定する。
　この２１１で、ＥＣＵ３８がバルブタイミング制御量が所定値よりも小さいと判定した場合には、２１２に進む。２１２で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に負の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリッチ方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す負の定電流は、所定値に設定（固定）しても良いし、バルブタイミング制御量に応じて変化させるようにしても良い。
　尚、ＥＣＵ３８が２０９と２１１で両方とも「Ｎｏ」と判定した場合（つまり、バルブタイミング制御量が所定値と一致する場合）には、上流側酸素センサ２５の出力特性を現在の状態に維持するように定電流回路４８を制御する。或は、上流側酸素センサ２５の出力特性を変更していない通常状態に戻すように定電流回路４８を制御する（定電流を０にする）ようにしても良い。
　図９に示す触媒暖機制御ルーチンは、ＥＣＵ３８の電源オン期間中（イグニッションスイッチのオン期間中）に所定周期で繰り返し実行され、触媒暖機制御部としての役割を果たす。まず、３０１で、ＥＣＵ３８が空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始されたか否かを判定する。ＥＣＵ３８が空燃比Ｆ／Ｂ制御がまだ開始されていなければ、そのまま本ルーチンを終了する。
　その後、３０１で、ＥＣＵ３８が空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始されたと判定した場合には、３０２に進む。３０２で、ＥＣＵ３８が触媒暖機要求が発生しているか否かを、例えば、触媒２４の温度（検出値又は推定値）が活性温度よりも低いか否か等によって判定する。ＥＣＵ３８が触媒暖機要求が発生していないと判定した場合には、そのまま本ルーチンを終了する。
　３０２で、ＥＣＵ３８が触媒暖機要求が発生していると判定した場合には、３０３に進む。３０３で、ＥＣＵ３８が触媒２４の暖機を促進する触媒暖機制御を実行する。この触媒暖機制御では、ＥＣＵ３８がエンジン１１に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御するリーン燃焼制御を行うと共に、点火時期を遅角する点火時期遅角制御を行って、排出ガスの温度を上昇させる。
　この後、ＥＣＵ３８が３０４に進み、触媒暖機制御の実行中に、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に正の定電流を流して、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。この場合、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に流す正の定電流は、所定値に設定（固定）する。
　この後、ＥＣＵ３８が３０５に進み、触媒２４の暖機が完了したか否かを、例えば、触媒２４の温度（検出値又は推定値）が活性温度以上に上昇したか否か、或は、触媒暖機制御を開始してから所定時間以上が経過したか否か等によって判定する。
　この３０５で、ＥＣＵ３８が触媒２４の暖機がまだ完了していないと判定した場合には、３０６に進む。３０６で、ＥＣＵ３８がエンジン回転変動が所定値以上であるか否かを判定する。例えば、エンジン回転変動はエンジン回転速度の今回値と前回値との差に相当する。
　この３０６で、ＥＣＵ３８がエンジン回転変動が所定値よりも小さいと判定した場合には、３０７に進む。３０７で、ＥＣＵ３８が排出ガスの温度（検出値又は推定値）が所定値以上であるか否かを判定する。
　この３０７で、排出ガスの温度が所定値よりも低いと判定した場合には、そのまま本ルーチンを終了する。
　ＥＣＵ３８が３０５～３０７のいずれかで「Ｙｅｓ」と判定した場合には、触媒暖機制御の終了条件が成立したと判断して、３０８に進む。３０８で、ＥＣＵ３８が触媒暖機制御（リーン燃焼制御及び点火時期遅角制御）を終了した後、３０９に進む。３０９で、ＥＣＵ３８が上流側酸素センサ２５の出力特性を変更していない通常状態に戻すように定電流回路４８を制御する（定電流を０にする）。
　この図９の触媒暖機制御ルーチンの３０４及び３０９の処理も出力特性変更制御部としての役割を果たす。
　本実施例では、ＥＣＵ３８が、下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリッチ側のときに、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。これにより、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心をリーン方向に変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域をリーン方向に拡大することができる。ＥＣＵ３８が、下流側酸素センサ２６の出力が目標電圧よりもリーン側のときに、上流側酸素センサ２５の出力特性をリッチ方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御する。これにより、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心をリッチ方向に変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域をリッチ方向に拡大することができる。
　このように、下流側酸素センサ２６の出力に応じて上流側酸素センサ２５の出力特性を変更することで、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比Ｆ／Ｂ制御の制御中心を変更して、触媒流入ガスの空燃比の制御領域を拡大することができる。その結果、触媒流出ガスの空燃比の制御領域も拡大することができ、触媒流出ガスの空燃比を目標空燃比に制御することが可能となる。
　本実施例では、上流側酸素センサ２５のセンサ電極４３，４４間に定電流を流して上流側酸素センサ２５の出力特性を変更する定電流回路４８を設けるようにしたので、定電流回路４８によりセンサ電極４３，４４間に定電流を流すという簡単な方法で上流側酸素センサ２５の出力特性を変更することができる。しかも、上流側酸素センサ２５の大幅な設計変更やコストアップを招くことなく、上流側酸素センサ２５の出力特性を変更することができる。
　本実施例では、ＥＣＵ３８が、外部ＥＧＲ量が所定値よりも多いときに、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御するようにしたので、外部ＥＧＲ量の増加（排出ガス中の水素濃度の増加）による上流側酸素センサ２５の出力特性のリッチ方向のずれを修正することができる。
　本実施例では、バルブタイミング制御量に応じて内部ＥＧＲ量が変化することを考慮して、バルブタイミング制御量が所定値よりも大きいときに、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御するようにしたので、内部ＥＧＲ量の増加（排出ガス中の水素濃度の増加）による上流側酸素センサ２５の出力のリッチ方向のずれを修正することができる。
　本実施例では、リーン燃焼制御を行う触媒暖機制御の実行中に、上流側酸素センサ２５の出力特性をリーン方向にシフトさせるように定電流回路４８を制御するようにしたので、リーン燃焼制御を行う触媒暖機制御の実行中に、上流側酸素センサ２５の出力に基づいた空燃比の制御領域をリーン方向にシフトさせることができ、リーン燃焼制御を精度良く行うことができる。
　本実施例では、上流側酸素センサ２５（センサ素子４１）の大気側電極層４４に定電流回路４８を接続する構成としたが、これに限定されず、例えば、上流側酸素センサ２５（センサ素子４１）の排気側電極層４３に定電流回路４８を接続する構成としても良い。或は、排気側電極層４３と大気側電極層４４の両方に定電流回路４８を接続する構成としても良い。
　本実施例では、コップ型構造のセンサ素子４１を有する酸素センサ２５を用いた構成としたが、これに限定されず、例えば、積層構造型のセンサ素子を有する酸素センサを用いた構成としても良い。
　本実施例では、上流側酸素センサ２５の出力特性を変更するようにしたが、更に、下流側酸素センサ２６のセンサ電極間に定電流を流す定電流回路を設けて、下流側酸素センサ２６の出力特性を変更する構成としても良い。
　また、下流側酸素センサ２６に代えて、触媒流出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力するセンサ）を設けた構成としても良い。或は、下流側酸素センサ２６を省略して、例えば、触媒２４の性能を模擬したモデルを用いて触媒流出ガスの空燃比を推定する構成としても良い。
　本開示は、図１に示すような吸気ポート噴射式エンジンに限定されず、筒内噴射式エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (10)

  1. 　内燃機関（１１）の排出ガスを浄化する触媒（２４）と、該触媒（２４）の上流側の排出ガスの空燃比のリッチ／リーンを検出する上流側センサ（２５）と、前記触媒（２４）の下流側の排出ガスの空燃比を検出又は推定する下流側空燃比取得部（２６）とを備え、前記上流側センサ（２５）の出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置において、
    　前記上流側センサ（２５）の出力特性を変更する出力特性変更部（４８）と、
    　前記下流側空燃比取得部（２６）の出力に応じて前記上流側センサ（２５）の出力特性を変更するように前記出力特性変更部（４８）を制御する出力特性変更制御部（３８、１０１、１０２、１０３、３０４、３０９）と
    　を備えている内燃機関の空燃比制御装置。
  2. 　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記下流側空燃比取得部（２６）の出力が目標値よりもリッチ側のときに前記上流側センサ（２５）の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点をリーン方向にシフトさせるように前記出力特性変更部（４８）を制御し、前記下流側空燃比取得部（２６）の出力が前記目標値よりもリーン側のときに前記変曲点をリッチ方向にシフトさせるように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  3. 　前記上流側センサ（２５）は、一対のセンサ電極（４３，４４）間に固体電解質体（４２）が配置されたセンサ素子（４１）を有し、
    　前記出力特性変更部（４８）は、前記センサ電極（４３，４４）間に定電流を流して前記上流側センサ（２５）の出力特性を変更する請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  4. 　前記下流側空燃比取得部（２６）は、前記触媒（２４）の下流側の排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出するセンサである請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  5. 　前記内燃機関（１１）の排出ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側へ還流させるＥＧＲ装置（３１）を備え、
    　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記ＥＧＲガスの流量に応じて前記上流側センサ（２５）の出力特性を変更するように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  6. 　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記ＥＧＲガスの流量が所定値よりも多いときに前記上流側センサ（２５）の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点をリーン方向にシフトさせるように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  7. 　前記内燃機関（１１）の吸気バルブ（２７）と排気バルブ（２８）のうちの少なくとも一方のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング装置（２９，３０）を備え、
    　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記バルブタイミングの制御量に応じて前記上流側センサ（２５）の出力特性を変更するように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項１乃至６のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  8. 　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記バルブタイミングの制御量が所定値よりも大きいときに前記上流側センサ（２５）の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点をリーン方向にシフトさせるように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項７に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  9. 　前記内燃機関（１１）に供給する混合気の空燃比をリーンに制御するリーン燃焼制御を行って前記触媒（２４）の暖機を促進する触媒暖機制御を実行する触媒暖機制御部（３８、３０１～３０９）を備え、
    　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記触媒暖機制御の実行中に前記上流側センサ（２５）の出力のリッチ／リーンが反転する変曲点をリーン方向にシフトさせるように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  10. 　前記出力特性変更制御部（３８）は、前記触媒（２４）の暖機が完了したとき又は前記内燃機関（１１）の回転変動が所定値以上になったとき又は前記排出ガスの温度が所定値以上になったときに前記上流側センサ（２５）の出力特性を変更していない通常状態に戻すように前記出力特性変更部（４８）を制御する請求項９に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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