JP4363242B2

JP4363242B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP4363242B2
Application number: JP2004120073A
Authority: JP
Inventors: 孝彦藤原; 邦彦中田; 宏樹一瀬; 篤識平田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005299588A

Description

本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、触媒下流の排気空燃比に基づいて目標空燃比をリーンとリッチとの間で交互に切り替える空燃比制御装置に関する。

内燃機関の排気通路には、排気浄化触媒（三元触媒）が配置されている。排気浄化触媒の有する浄化能力は周囲雰囲気が理論空燃比近傍にあるときに発揮され、排気ガス中の有害成分であるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣが同時に浄化される。また、排気浄化触媒は酸素吸蔵放出機能を有しており、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンとリッチとの間で変動する場合には、自身が吸蔵している酸素を気相に放出したり、気相中の酸素を取り込んで吸蔵したりすることで、周囲雰囲気の空燃比の変動を抑制している。

排気浄化触媒の浄化能力は、酸素の吸蔵／放出の繰り返しにより触媒貴金属を活性化させることで高く維持することができる。排気浄化触媒への酸素の吸蔵／放出を繰り返し行う手段としては、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された従来技術は、排気浄化触媒の下流に配置される酸素センサの出力信号の変化に応じて目標空燃比をリーンとリッチとの間で交互に矩形状に切り替えるものである。このような目標空燃比の切り替えによれば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンとリッチとの間で交互に反転させることができ、それにより排気浄化触媒に酸素を効率良く吸蔵／放出させることができる。
特開２００１−２２１０８６号公報特開平１０−２４６１３９号公報特開平６−２１２９５５号公報特開平５−１４１２８７号公報

ところで、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチのとき、排気浄化触媒からは吸蔵されている酸素が放出されるが、この酸素の放出現象は最初に排気ガスが通過する排気浄化触媒の入口側から順に始まっていく。同様に、流入する排気ガスの空燃比がリーンに反転したときには、排気浄化触媒にはその入口側から酸素が吸蔵されていく。このように、酸素の吸蔵／放出は排気浄化触媒の入口側から始まるため、排気浄化触媒の出口側では入口側に比較して周囲雰囲気の空燃比変化が小さくなる。

排気浄化触媒の有する浄化能力を最大限に発揮させるためには、排気浄化触媒の入口から出口までの全域で酸素の吸蔵／放出を効果的に行わせる必要があり、そのためには入口側に比較して周囲雰囲気の空燃比変化が小さい出口側でも空燃比を大きく変化させてやる必要がある。そのための手段としては、例えば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化幅、すなわちストイキに対するリーン化及びリッチ化の幅を大きくすることが有効と考えられる。

しかし、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化幅を増大させる場合、次のような課題がある。排気浄化触媒では、周囲雰囲気の空燃比のストイキからのずれに応じて酸素の吸蔵／放出が行われるが、その際、酸素の吸蔵／放出反応に伴う反応熱が発生する。この反応熱は周囲雰囲気の空燃比の変化幅が大きいほど大きくなるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化幅を増大させると、排気浄化触媒の触媒温度、特に、周囲雰囲気の空燃比の変化幅の大きい入口部の温度が耐熱温度を上回ってしまい、排気浄化触媒の劣化を招いてしまう可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気浄化触媒の浄化能力を高く維持できるようにしつつ、反応熱による触媒入口部の劣化を抑制できるようにした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。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関に供給される混合気の空燃比を目標空燃比になるよう制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記内燃機関の排気通路において排気浄化触媒の下流に配置された排気ガスセンサと、
前記排気ガスセンサの出力信号が所定のリッチ判定値よりもリッチ側に変化した場合には、前記目標空燃比をストイキよりリーン側に設定されたリッチ時初期目標空燃比に切り替えた後、前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時初期目標空燃比よりもさらにリーン側に設定されたリッチ時最終目標空燃比に変化させ、前記排気ガスセンサの出力信号が所定のリーン判定値よりもリーン側に変化した場合には、前記目標空燃比をストイキよりリッチ側に設定されたリーン時初期目標空燃比に切り替えた後、前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時初期目標空燃比よりもさらにリッチ側に設定されたリーン時最終目標空燃比に変化させる目標空燃比切替手段と、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、前記排気浄化触媒に流入する排気ガス量を推定する排気ガス量推定手段を備え、
前記目標空燃比切替手段は、前記目標空燃比を前記リッチ時初期目標空燃比へ切り替えた後の前記排気ガス量に基づいて前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時最終目標空燃比へ前記目標空燃比を変化させ、また、前記目標空燃比を前記リーン時初期目標空燃比へ切り替えた後の前記排気ガス量に基づいて前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時最終目標空燃比へ前記目標空燃比を変化させることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記目標空燃比切替手段は、前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時最終目標空燃比へ、また、前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時最終目標空燃比へ前記目標空燃比を徐々に変化させることを特徴としている。

第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記目標空燃比切替手段は、前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時最終目標空燃比へ、また、前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時最終目標空燃比へ前記目標空燃比をステップ状に変化させることを特徴としている。

第１乃至第４の発明によれば、目標空燃比がリッチ側からリーン側へ或いはリーン側からリッチ側に切り替えられる際には、一旦、ストイキとの空燃比差の小さい初期目標空燃比に切り替えられてから、よりリーン側或いはリッチ側に設定された最終目標空燃比に切り替えられるので、目標空燃比のリーン／リッチの切り替えにともなう排気浄化触媒、特にその入口部における周囲雰囲気の急激な空燃比変化を抑えることができ、空燃比変化に伴う過大な反応熱によって排気浄化触媒が劣化するのを防止することができる。

特に、第２の発明によれば、一定量の排気ガスが排気浄化触媒を通過した後に最終目標空燃比に切り替えることができるので、排気浄化触媒の入口部における周囲雰囲気の急激な空燃比変化を確実に抑えることができる。

実施の形態１.
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は本発明の実施の形態１にかかる空燃比制御装置が組み込まれた内燃燃機システムの全体構成を説明するための図である。図に示すように、内燃機関２には排気通路４が接続されている。排気通路４には排気ガス中の有害成分（ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ）を浄化するための排気浄化触媒（三元触媒）６が配置されている。排気通路４における排気浄化触媒６の上流にはＡ／Ｆセンサ８が取り付けれ、排気浄化触媒６の下流には酸素センサ１０が取り付けられている。Ａ／Ｆセンサ８は排気ガスの空燃比に応じた信号を出力する排気ガスセンサであり、酸素センサ１０は排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する排気ガスセンサである。

内燃機関システムには、システム全体の運転を総合制御する制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０が設けられている。前述のＡ／Ｆセンサ８と酸素センサ１０はＥＣＵ２０に接続され、検出情報に応じた出力信号をＥＣＵ２０に供給している。ＥＣＵ２０は、Ａ／Ｆセンサ８及び酸素センサ１０からの出力信号に基づいて、内燃機関２の空燃比をフィードバック制御している。

ＥＣＵ２０が実行しうる空燃比フィードバック制御には、次の２つの方法がある。第１のフィードバック制御方法は、触媒上流のＡ／Ｆセンサ８からの出力信号に基づき、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比になるよう燃料噴射量を調整する方法である。第２のフィードバック制御方法は、触媒下流の酸素センサ１０からの出力信号に基づき、排気浄化触媒６による浄化後の排気ガスの空燃比が目標空燃比になるよう燃料噴射量を調整する方法である。本実施形態では、後者の第２のフィードバック制御方法に特徴がある。以下、本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される空燃比フィードバック制御の内容について説明する。

図２は、本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される空燃比フィードバック制御の概要を説明するためのタイムチャートである。図２のタイムチャートにおける上段は目標空燃比であり、下段は酸素センサ１０の出力信号である。図に示すように、ＥＣＵ２０は理論空燃比（ストイキ）を中心にして目標空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に変化させるようになっている。目標空燃比の切り替えタイミングは酸素センサ１０の出力信号に基づいて判定され、図に示すように、酸素センサ１０の出力信号が所定のリッチ判定出力Ｖrよりもリッチ側に変化したとき、目標空燃比はリッチ側からリーン側に切り替えられる。また、酸素センサ１０の出力信号が所定のリーン判定出力Ｖlよりもリーン側に変化したとき、目標空燃比はリーン側からリッチ側に切り替えられる。

本実施形態においては、酸素センサ１０の出力信号がリッチ判定出力Ｖrよりもリッチ側に変化したとき、目標空燃比は、先ず、リッチ時初期目標空燃比Ａ01に切り替えられる。このリッチ時初期目標空燃比Ａ01は、最終的な目標空燃比であるリッチ時最終目標空燃比Ａ1よりもストイキ側に設定されている。リッチ時初期目標空燃比Ａ01への切り替え後、目標空燃比はリッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1へ徐々に変化させられる。下記の式（１）は、この徐変期間における目標空燃比の設定値を算出するための算出式である。
目標空燃比＝Ａ1−ｋ1×（gaＡ−Δga）／gaＡ×（Ａ1−14.6）・・・（１）
上記の式（１）において、ｋ1は０から１の間の値をとる所定の係数、Δgaは目標空燃比のリーン／リッチの切り替え後に排気浄化触媒６に流入した積算排気ガス量、gaＡは積算排気ガス量の判定値である。排気ガス量は吸気通路に設けたエアフローメータ（図示略）で測定される吸入空気量から推定することができる。

上記の式（１）によれば、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＡに達したとき、目標空燃比はリッチ時最終目標空燃比Ａ1になる。積算排気ガス量Δgaが判定値gaＡを超えた以降は、酸素センサ１０の出力信号がリーン判定出力Ｖlよりもリーン側に変化するまで、下記の式（２）に示すように、目標空燃比はリッチ時最終目標空燃比Ａ1に維持される。
目標空燃比＝Ａ1 ・・・（２）

なお、目標空燃比がリッチ時初期目標空燃比Ａ01へ切り替えられた直後は積算排気ガス量Δgaはゼロであるので、上記の式（１）によればリッチ時初期目標空燃比Ａ01は下記の式（３）によって表すことができる。
リッチ時初期目標空燃比Ａ01 ＝Ａ1−ｋ1×（Ａ1−14.6）・・・（３）

一方、酸素センサ１０の出力信号がリーン判定出力Ｖlよりもリーン側に変化したとき、目標空燃比は、先ず、リーン時初期目標空燃比Ａ02に切り替えられる。このリーン時初期目標空燃比Ａ02は、最終的な目標空燃比であるリーン時最終目標空燃比Ａ2よりもストイキ側に設定されている。リーン時初期目標空燃比Ａ02への切り替え後、目標空燃比はリーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2へ徐々に変化させられる。下記の式（４）は、この徐変期間における目標空燃比の設定値を算出するための算出式である。
目標空燃比＝Ａ2＋ｋ2×（gaＢ−Δga）／gaＢ×（14.6−Ａ2）・・・（４）
上記の式（４）において、ｋ2は０から１の間の値をとる所定の係数、Δgaは目標空燃比のリーン／リッチの切り替え後に排気浄化触媒６に流入した積算排気ガス量、gaＢは積算排気ガス量の判定値である。なお、判定値gaＢは判定値gaＡと同値でもよく、異なる値であってもよい。

上記の式（４）によれば、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＢに達したとき、目標空燃比はリッチ時最終目標空燃比Ａ2になる。積算排気ガス量Δgaが判定値gaＢを超えた以降は、酸素センサ１０の出力信号がリッチ判定出力Ｖrよりもリッチ側に変化するまで、下記の式（５）に示すように、目標空燃比はリーン時最終目標空燃比Ａ2に維持される。
目標空燃比＝Ａ２・・・（５）

なお、目標空燃比がリーン時初期目標空燃比Ａ02へ切り替えられた直後は積算排気ガス量Δgaはゼロであるので、上記の式（４）によればリーン時初期目標空燃比Ａ02は下記の式（６）によって表すことができる。
リーン時初期目標空燃比Ａ02 ＝Ａ2＋ｋ2×（14.6−Ａ2）・・・（６）

以上説明した目標空燃比の算出処理は、図３のフローチャートに示す空燃比制御ルーチンの中で行われる。図３に示すルーチンでは、先ず、空燃フィードバック制御の開始条件が成立したか否か判定される（ステップ１００）。開始条件とは、例えば、酸素センサ１０が活性温度になっていること、排気浄化触媒６が活性温度になっていること等である。

ステップ１００の判定条件の成立後、空燃フィードバック制御が開始される。空燃フィードバック制御の開始時には、目標空燃比は所定の初期値Ａ0に設定される（ステップ１０２）。初期値Ａ0はストイキよりもややリッチに設定されている。目標空燃比がリッチに設定されることで、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比もストイキよりリッチになり、排気浄化触媒６では吸蔵していた酸素の放出が行われる。やがて排気浄化触媒６の吸蔵酸素量は枯渇状態に近づき、酸素センサ１０の出力信号はリッチ出力を示すようになる。

ステップ１０４では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrより大きいか否か判定される。判定の結果、酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrを超えたときには、目標空燃比はリーン側に切り替えられ、積算排気ガス量Δgaに応じて上記の式（１）或いは式（２）に従ってその値を設定される（ステップ１０６）。目標空燃比がストイキよりもリーン側に切り替えられることで、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比もリーン側に反転することになる。ただし、切り替え直後の目標空燃比であるリッチ時初期目標空燃比Ａ01は、最終的な目標空燃比であるリッチ時最終目標空燃比Ａ1よりもストイキ側に設定されているので、目標空燃比のリッチからリーンへの切り替えに伴う排気ガスの空燃比の急激な変化は抑制される。さらに、リッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1へは、判定値gaＡに応じた一定量の排気ガスの通過に合わせて徐々に切り替えられていくので、リッチ時最終目標空燃比Ａ1への切り替えに伴う空燃比の急激な変化は抑制される。なお、ステップ１０４の判定で出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖl以下の場合には、後述するステップ１１０に進む。

次のステップ１０８では、空燃フィードバック制御の継続条件が成立しているか否か判定される。空燃フィードバック制御は、例えば燃料カットが実施された場合等、所定の運転条件下において一時的に中断される場合がある。このような場合、ステップ１０８の判定条件は不成立になり、空燃フィードバック制御は中止される。空燃フィードバック制御が継続される場合にはステップ１１０の判定が行われる。

ステップ１１０では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖlより小さいか否か判定される。ステップ１１０の判定条件が成立するまで、ステップ１０６乃至ステップ１１０の処理が繰り返される。その間、目標空燃比は、リッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1まで徐々にリーン化され、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＡを超えた以降はリッチ時最終目標空燃比Ａ1に維持される。

目標空燃比がリッチ時最終目標空燃比Ａ1に維持されることにより、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はストイキよりもリーンに保持され、排気浄化触媒６では酸素の吸蔵が行われる。やがて排気浄化触媒６の吸蔵酸素量は飽和状態に近づき、酸素センサ１０の出力信号はリーン出力を示すようになる。ステップ１１０の判定の結果、酸素センサ１０の出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖlを下回ったときには、目標空燃比はリッチ側に切り替えられ、積算排気ガス量Δgaに応じて上記の式（４）或いは式（５）に従って設定される（ステップ１１２）。

目標空燃比がストイキよりもリッチ側に切り替えられることで、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比もリッチ側に反転することになる。ただし、切り替え直後の目標空燃比であるリーン時初期目標空燃比Ａ02は、最終的な目標空燃比であるリーン時最終目標空燃比Ａ2よりもストイキ側に設定されているので、目標空燃比のリーンからリッチへの切り替えに伴う排気ガスの空燃比の急激な変化は抑制される。さらに、リーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2へは、判定値gaＢに応じた一定量の排気ガスの通過に合わせて徐々に切り替えられていくので、目標空燃比のリーン時最終目標空燃比Ａ2への切り替えに伴う空燃比の急激な変化は抑制される。

次のステップ１１４では、ステップ１０８と同様、空燃フィードバック制御の継続条件が成立しているか否か判定される。空燃フィードバック制御が継続される場合にはステップ１１６の判定が行われる。

ステップ１１６では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrより大きいか否か判定される。ステップ１１６の判定条件が成立するまで、ステップ１１２乃至ステップ１１６の処理が繰り返される。その間、目標空燃比は、リーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2まで徐々にリッチ化され、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＢを超えた以降はリーン時最終目標空燃比Ａ2に維持される。

目標空燃比がリーン時最終目標空燃比Ａ2に維持されることにより、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はストイキよりもリッチに保持され、排気浄化触媒６では酸素の放出が行われる。やがて排気浄化触媒６の吸蔵酸素量は枯渇状態に近づき、酸素センサ１０の出力信号はリッチ出力を示すようになる。ステップ１１６の判定の結果、酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrを超えたときには、ステップ１０６に進み、目標空燃比はリーン側に切り替えられる。ステップ１０６の処理により排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はリーン側に反転することになる。

以降、ステップ１０８或いはステップ１１４において空燃フィードバック制御の継続条件が不成立になるまで、ステップ１０６乃至ステップ１１６の処理が繰り返し実行される。

以上説明した空燃比制御装置ルーチンが実行されることにより、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比を急激に変化させることなく、目標空燃比を最終目標空燃比Ａ1，Ａ2までリーン化或いはリッチ化させることができる。これにより、急激な空燃比変化に伴う過大な反応熱によって排気浄化触媒６の入口部が劣化するのを有効に防止しながら、排気浄化触媒６に酸素の吸蔵／放出を効果的に行わせて排気浄化触媒６の浄化能力を高く維持することが可能になる。

実施の形態２.
以下、図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

本実施形態にかかる空燃比制御装置は、実施の形態１において、ＥＣＵ２０に、図２のタイムチャート及び図３のフローチャートで示す空燃比制御に代えて図４のタイムチャート及び図５のフローチャートで示す空燃比制御を実行させることにより実現することができる。

図４は、本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される空燃比フィードバック制御の概要を説明するためのタイムチャートである。図４のタイムチャートにおける上段は目標空燃比であり、下段は酸素センサ１０の出力信号である。実施の形態１と同様、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の出力信号がリッチ判定出力Ｖrよりもリッチ側に変化したときは目標空燃比をリッチ側からリーン側に切り替え、酸素センサ１０の出力信号がリーン判定出力Ｖlよりもリーン側に変化したときは目標空燃比をリーン側からリッチ側に切り替える。

本実施形態においては、酸素センサ１０の出力信号がリッチ判定出力Ｖrよりもリッチ側に変化したとき、目標空燃比は、先ず、リッチ時初期目標空燃比Ａ01に切り替えられ、その後、リッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1へステップ状に切り替えられる。リッチ時初期目標空燃比Ａ01は、実施の形態と同様、上記の式（３）によって表される。リッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1への目標空燃比の切り替えは、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＡに達したときに行われる。積算排気ガス量Δgaと判定値gaＡの定義は実施の形態１と同様である。

一方、酸素センサ１０の出力信号がリーン判定出力Ｖlよりもリーン側に変化したとき、目標空燃比は、先ず、リーン時初期目標空燃比Ａ02に切り替えられ、その後、リーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2へステップ状に切り替えられる。リーン時初期目標空燃比Ａ02は、実施の形態と同様、上記の式（６）によって表される。リーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2への目標空燃比の切り替えは、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＢに達したときに行われる。判定値gaＢの定義は実施の形態１と同様である。

以上説明した目標空燃比の算出処理は、図５のフローチャートに示す空燃比制御ルーチンの中で行われる。図５に示すルーチンでは、先ず、空燃フィードバック制御の開始条件が成立したか否か判定される（ステップ２００）。開始条件の内容については実施の形態１で説明したとおりである。

ステップ２００の判定条件の成立後、空燃フィードバック制御が開始される。空燃フィードバック制御の開始時には、目標空燃比は所定の初期値Ａ0に設定される（ステップ２０２）。初期値Ａ0はストイキよりもややリッチに設定されている。目標空燃比がリッチに設定されることで、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比もストイキよりリッチになり、排気浄化触媒６では吸蔵していた酸素の放出が行われる。やがて排気浄化触媒６の吸蔵酸素量は枯渇状態に近づき、酸素センサ１０の出力信号はリッチ出力を示すようになる。

ステップ２０４では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrより大きいか否か判定される。判定の結果、酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrを超えたときには、目標空燃比はリッチ時初期目標空燃比Ａ01に切り替えられる（ステップ２０６）。リッチ時初期目標空燃比Ａ01はストイキよりもリーン側に設定されているので、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はリーン側に反転することになる。ただし、リッチ時初期目標空燃比Ａ01は、最終的な目標空燃比であるリッチ時最終目標空燃比Ａ1よりもストイキ側に設定されているので、目標空燃比のリッチからリーンへの切り替えに伴う排気ガスの空燃比の急激な変化は抑制される。なお、ステップ２０４の判定で出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖr以下の場合には、後述するステップ２１８に進む。

次のステップ２０８では、空燃フィードバック制御の継続条件が成立しているか否か判定される。継続条件の内容については実施の形態１で説明したとおりである。空燃フィードバック制御が継続される場合にはステップ２１０の判定が行われる。

ステップ２１０では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖlより大きいか否か判定される。出力信号Ｖが未だリーン判定出力Ｖlより大きい場合には、目標空燃比のリッチ時初期目標空燃比Ａ01への切り替え後の積算排気ガス量Δgaが算出され、積算排気ガス量Δgaと判定値gaＡとが比較される（ステップ２１２）。比較の結果、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＡを超えるまで、ステップ２０６乃至ステップ２１２の処理が繰り返される。その間、目標空燃比はリッチ時初期目標空燃比Ａ01に維持される。なお、ステップ２１０の判定で出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖl以下になった場合には、後述するステップ２１８に進む。

ステップ２１２の判定において、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＡを超えたときには、目標空燃比はリッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1に切り替えられる（ステップ２１４）。リッチ時最終目標空燃比Ａ1はリッチ時初期目標空燃比Ａ01よりもさらにリーン側に設定されているので、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比もさらにリーン化することになるが、この切り替えは判定値gaＡに応じた一定量の排気ガスの通過後に行われるので、目標空燃比のリッチ時最終目標空燃比Ａ1への切り替えに伴う空燃比の急激な変化は抑制される。

次のステップ２１６では、ステップ２０８と同様、空燃フィードバック制御の継続条件が成立しているか否か判定される。空燃フィードバック制御が継続される場合にはステップ２１８の判定が行われる。

ステップ２１８では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖlより小さいか否か判定される。ステップ２１８の判定条件が成立するまで、ステップ２１４乃至ステップ２１８の処理が繰り返される。その間、目標空燃比はリッチ時最終目標空燃比Ａ1に維持される。

目標空燃比がリッチ時最終目標空燃比Ａ1に維持されることにより、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はストイキよりもリーンに保持され、排気浄化触媒６では酸素の吸蔵が行われる。やがて排気浄化触媒６の吸蔵酸素量は飽和状態に近づき、酸素センサ１０の出力信号はリーン出力を示すようになる。ステップ２１８の判定の結果、酸素センサ１０の出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖlを下回ったときには、目標空燃比はリーン時初期目標空燃比Ａ02に切り替えられる（ステップ２２０）。

リーン時初期目標空燃比Ａ02はストイキよりもリッチ側に設定されているので、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はリッチ側に反転することになる。ただし、リーン時初期目標空燃比Ａ02は、最終的な目標空燃比であるリーン時最終目標空燃比Ａ2よりもストイキ側に設定されているので、目標空燃比のリーンからリッチへの切り替えに伴う排気ガスの空燃比の急激な変化は抑制される。

次のステップ２２２では、ステップ２０８と同様、空燃フィードバック制御の継続条件が成立しているか否か判定される。空燃フィードバック制御が継続される場合にはステップ２２４の判定が行われる。

ステップ２２４では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrより小さいか否か判定される。出力信号Ｖが未だリッチ判定出力Ｖrよ小さい場合には、目標空燃比のリーン時初期目標空燃比Ａ02への切り替え後の積算排気ガス量Δgaが算出され、積算排気ガス量Δgaと判定値gaＢとが比較される（ステップ２２６）。比較の結果、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＢを超えるまで、ステップ２２０乃至ステップ２２６の処理が繰り返される。その間、目標空燃比はリーン時初期目標空燃比Ａ02に維持される。なお、ステップ２２４の判定で出力信号Ｖがリーン判定出力Ｖr以上になった場合には、後述するステップ２３２に進む。

ステップ２２６の判定において、積算排気ガス量Δgaが判定値gaＢを超えたときには、目標空燃比はリーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2に切り替えられる（ステップ２２８）。リーン時最終目標空燃比Ａ2はリーン時初期目標空燃比Ａ02よりもさらにリッチ側に設定されているので、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比もさらにリッチ化することになるが、この切り替えは判定値gaＢに応じた一定量の排気ガスの通過後に行われるので、目標空燃比のリーン時最終目標空燃比Ａ2への切り替えに伴う空燃比の急激な変化は抑制される。

次のステップ２３０では、ステップ２０８と同様、空燃フィードバック制御の継続条件が成立しているか否か判定される。空燃フィードバック制御が継続される場合にはステップ２３２の判定が行われる。

ステップ２３２では酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrより大きいか否か判定される。ステップ２３２の判定条件が成立するまで、ステップ２２８乃至ステップ２３２の処理が繰り返される。その間、目標空燃比はリーン時最終目標空燃比Ａ2に維持される。

目標空燃比がリーン時最終目標空燃比Ａ2に維持されることにより、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はストイキよりもリッチに保持され、排気浄化触媒６では酸素の放出が行われる。やがて排気浄化触媒６の吸蔵酸素量は枯渇状態に近づき、酸素センサ１０の出力信号はリッチ出力を示すようになる。ステップ２３２の判定の結果、酸素センサ１０の出力信号Ｖがリッチ判定出力Ｖrを超えたときには、ステップ２０６に進み、目標空燃比はリッチ時初期目標空燃比Ａ01に切り替えられる。ステップ２０６の処理により排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比はリーン側に反転することになる。

以降、ステップ２０８，２１６，２２２，或いは２３０において空燃フィードバック制御の継続条件が不成立になるまで、ステップ２０６乃至ステップ２３２の処理が繰り返し実行される。

以上説明した空燃比制御装置ルーチンが実行されることにより、実施の形態１と同様、排気浄化触媒６に流入する排気ガスの空燃比を急激に変化させることなく、目標空燃比を最終目標空燃比Ａ1，Ａ2までリーン化或いはリッチ化させることができる。これにより、急激な空燃比変化に伴う過大な反応熱によって排気浄化触媒６の入口部が劣化するのを有効に防止しながら、排気浄化触媒６に酸素の吸蔵／放出を効果的に行わせて排気浄化触媒６の浄化能力を高く維持することが可能になる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上記実施形態では排気浄化触媒６の下流側に配置する排気ガスセンサとして酸素センサを用いているが、Ａ／Ｆセンサを用いてもよい。

また、リッチ時初期目標空燃比Ａ01からリッチ時最終目標空燃比Ａ1へ、或いは、リーン時初期目標空燃比Ａ02からリーン時最終目標空燃比Ａ2へ目標空燃比を少しずつ段階的に変化させるようにしてもよい。

本発明の実施の形態１としての空燃比制御装置が適用された内燃機関システムの構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行される空燃比フィードバック制御の概要を説明するためのタイムチャートである。本発明の実施の形態１において実行される空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態２において実行される空燃比フィードバック制御の概要を説明するためのタイムチャートである。本発明の実施の形態２において実行される空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

２内燃機関
４排気通路
６排気浄化触媒
８Ａ／Ｆセンサ
１０酸素センサ
２０ＥＣＵ

Claims

内燃機関に供給される混合気の空燃比を目標空燃比になるよう制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記内燃機関の排気通路において排気浄化触媒の下流に配置された排気ガスセンサと、
前記排気ガスセンサの出力信号が所定のリッチ判定値よりもリッチ側に変化した場合には、前記目標空燃比をストイキよりリーン側に設定されたリッチ時初期目標空燃比に切り替えた後、前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時初期目標空燃比よりもさらにリーン側に設定されたリッチ時最終目標空燃比に変化させ、前記排気ガスセンサの出力信号が所定のリーン判定値よりもリーン側に変化した場合には、前記目標空燃比をストイキよりリッチ側に設定されたリーン時初期目標空燃比に切り替えた後、前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時初期目標空燃比よりもさらにリッチ側に設定されたリーン時最終目標空燃比に変化させる目標空燃比切替手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記排気浄化触媒に流入する排気ガス量を推定する排気ガス量推定手段を備え、
前記目標空燃比切替手段は、前記目標空燃比を前記リッチ時初期目標空燃比へ切り替えた後の前記排気ガス量に基づいて前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時最終目標空燃比へ前記目標空燃比を変化させ、また、前記目標空燃比を前記リーン時初期目標空燃比へ切り替えた後の前記排気ガス量に基づいて前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時最終目標空燃比へ前記目標空燃比を変化させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記目標空燃比切替手段は、前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時最終目標空燃比へ、また、前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時最終目標空燃比へ前記目標空燃比を徐々に変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記目標空燃比切替手段は、前記リッチ時初期目標空燃比から前記リッチ時最終目標空燃比へ、また、前記リーン時初期目標空燃比から前記リーン時最終目標空燃比へ前記目標空燃比をステップ状に変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の空燃比制御装置。