JP5679839B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を高める目的で実施される空燃比の制御に関する。

一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xを酸化／還元して無害化する三元触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。

そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれ空燃比センサを配し、空燃比センサの出力を目標値に制御するフィードバック制御を行うことが通例となっている（例えば、下記特許文献１ないし４を参照）。従来からある空燃比制御方法では、触媒下流の空燃比センサの出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて補正量を算定する。この補正量は、触媒上流の空燃比センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御における制御中心をリーン側あるいはリッチ側に変位させ、触媒内でのガスの空燃比をウィンドウ内に維持する役割を果たす。

近時では、強化された排気ガス規制に対応して、触媒の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）が大きくなる傾向にある。酸素吸蔵能が大きいと、触媒の上流で空燃比が変動したとしても、触媒下流の空燃比センサの出力信号にはすぐには変化が現れない。それ故、触媒下流の空燃比センサの出力がリーンからリッチへの遷移を示したときには、既に触媒内の酸素が不足してしまっており、ＨＣ及びＣＯの排出量が増加することがあり得た。逆に、触媒下流の空燃比センサの出力がリッチからリーンへの遷移を示したときには、既に触媒内が酸素過多であり、今度はＮＯ_xの排出量の増加を招いていた。

そこで、本発明の発明者は、触媒内に吸蔵した酸素量と当該触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデルを構築し、モデル数式に則り、触媒から放出された酸素の量を推算して、その酸素放出量を目標値にフィードバック制御する空燃比制御装置を考案した（下記特許文献５、６を参照）。この空燃比制御装置によれば、触媒下流の空燃比センサの出力信号の変動が触媒内の空燃比の変動に対して遅延するという従前の問題を、有効に回避することができる。

上掲の空燃比制御装置は優れて有用なものである。しかし、触媒の酸素吸蔵能は経年劣化により減少してゆく。そして、フィードバック制御の目標値を一定とした場合、触媒の酸素吸蔵能の減少に伴って目標値が触媒内に酸素を全く吸蔵していない状態にだんだん近づいてゆくことになるので、ガスの空燃比が過リッチとなる外乱を生じたときに触媒内の酸素が不足し、ＨＣ及びＣＯを排出してしまうおそれがあった。

特許第２７９０８９６号公報 特許第２９１２４７８号公報 特開２００７−１８７１１９号公報 特開２００８−２４８８６２号公報 特願２００９−２０５２０４号明細書 特願２０１０−０３９５６９号明細書

本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を恒常的に高く保ち、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの排出量の一層の低減を図ることを所期の目的とする。

本発明では、排気通路に排気ガス浄化用の触媒を直列に少なくとも二個装着した内燃機関における空燃比を制御するものであって、前記触媒のうちの上流側触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、前記上流側触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、少なくとも前記第二の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部と、少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量を推算して、その放出量を前記学習部で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部とを具備する空燃比制御装置を構成した。

また、前記学習部が、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を、エンジン回転数並びに気筒に充填される吸入空気量若しくは要求負荷によって規定される運転領域毎に学習し、前記空燃比制御部が、フィードバック制御において、その時の運転領域に対応した酸素吸蔵能に基づく目標値を用いるものとすることも好ましい。前記モデル数式は、例えば、下式（数１）の形で表される。

前記学習部は、前記第二の空燃比センサの出力電圧が基準値から所定以上大きくなった、または所定以下小さくなったことを条件として前記上流側触媒の酸素吸蔵能の学習を実行することが好ましい。

本発明によれば、触媒による排気ガス浄化能率を恒常的に高く保つことができ、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの排出量の一層の低減を図り得る。

本発明の実施の形態の空燃比制御装置の構成要素を説明する図。 同空燃比制御装置のハードウェア資源構成を示す図。 フロント空燃比信号出力とリア空燃比信号出力との関係を示す図。 酸素吸蔵時間と酸素放出時間との関係を示す図。 流入空気量と反応速度比との関係を示す図。 流入空気量と反応速度比との関係を示す図。 燃料カット終了後の酸素放出量の制御の態様を示す図。 燃料カット開始からの経過時間Ｔ_A、Ｔ_D、Ｔ_C及びＴ_Dの例を示す図。 触媒の酸素吸蔵能の推算のためのアクティブ制御の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本空燃比制御装置１は、内燃機関２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xを無害化する触媒３１における空燃比を制御するものであって、図１に示すように、触媒３１の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ１１と、触媒３１の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ１２と、両センサ１１、１２の出力信号を参照して空燃比制御を実施する空燃比制御部１３と、この空燃比制御部１３が参照する学習値（後述する）の学習を行う学習部１４とを具備する。

図２に、ハードウェア構成の概要を示す。内燃機関２は、例えば自動車用の多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関２で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド４１、排気管４２及び触媒３１、３２を通じて大気中に排出される。本実施形態では、排気通路に複数の触媒３１、３２を直列に接続する、いわゆるタンデム触媒を採用している。基本的には、より上流側にある触媒３１が主となって排気ガス中の有害物質を浄化する。より下流側にある触媒３２は、上流側触媒３１にて浄化されずに漏出した残余の有害物質を浄化する。

空燃比センサ１１、１２は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。上流側触媒３１の上流に設ける第一の空燃比センサ１１は、排気ガスの空燃比に比例した信号を出力するリニアＡ／Ｆセンサとすることが好ましい。上流側触媒３１の下流、下流側触媒３２の上流に設ける第二の空燃比センサ１２は、リニアＡ／Ｆセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよい。

第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２は、吸気管内圧力（吸気負圧または過給圧）センサ、エンジン回転数センサ、車速センサ、冷却水温センサ、カムポジションセンサ、アクセルペダルの踏込量センサ（または、スロットル開度を示すポジションセンサ）等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置（ＥＣＵ）５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ｉ／Ｏインタフェース５４等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース５４は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、Ａ／Ｄ変換回路及び／またはＤ／Ａ変換回路を含む。プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。しかして、電子制御装置５は、プログラムに従い、空燃比制御部１３及び学習部１４としての機能を発揮する。

空燃比制御部１３たる電子制御装置５は、第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２やその他のセンサから出力される信号を、Ｉ／Ｏインタフェース５４を介して受信する。そして、要求される燃料噴射量を算出し、この要求燃料噴射量に対応した制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁２１に入力、内燃機関２の燃料噴射を制御する。要求燃料噴射量は、吸気管内負圧及びエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた環境補正、並びに下記フィードバック制御による補正を加えて、最終的に決定する。

本実施形態では、空燃比の制御にあたり、第二の空燃比センサ１２の出力信号を制御量（制御出力）とはしない。本実施形態では、上流側触媒３１内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態を基準とし、その状態から酸素を放出した量をモデル数式によって推算する。そして、推算した酸素放出量を制御量として、これを所要の目標値（後述する）に到達させるフィードバック制御を実施する。

まず、上流側触媒３１に吸蔵した酸素量は、上流側触媒３１に流入する酸素の流量の時間積分に、反応速度係数を乗じたものと考えることができる。反応速度係数は、上流側触媒３１が酸素を吸蔵する速度を示す。反応速度係数と酸素吸蔵能との比（反応速度係数／酸素吸蔵能）をモデルパラメータθ₁とおけば、酸素濃度Ｏのモデル数式を下式（数２）の如く規定することができる。

上式（数２）の酸素割合Ｏの値は、０≦Ｏ≦１の範囲をとる。αは空気中に含まれる酸素の割合であり、Ｇ_aは上流側触媒３１に流入する空気の流量である。αの値は、例えば０．２１とする。αは、モデルパラメータθ₁に組み入れてしまっても構わない。その場合、θ₁＝α×（反応速度係数／酸素吸蔵能）となる。流入空気量Ｇ_aは、第一の空燃比センサ１１を介して検出した流入ガスの空燃比に、電子制御装置５にて算出した要求燃料噴射量を乗じて算定する。このようにすれば、Ｇ_aを計測するために高価なエアフローセンサを使用せずに済む上、Ｇ_aの値の精度も向上する。尤も、吸気管内負圧及びエンジン回転数からＧ_aを推測することを妨げるものではない。

λは、排気ガスの空燃比の目標空燃比からの乖離を示す空気過剰率である。空気過剰率λは、原理的には、第一の空燃比センサ１１を介して検出したガスの空燃比と、最終的に実現するべき目標空燃比との比（上流側実測空燃比／目標空燃比）である。目標空燃比は、通常は理論空燃比、ガソリンエンジンにあっては約１４．７であるが、リーンバーン運転している最中等、理論空燃比よりも増減することがあり得る。

上流側触媒３１の酸素吸蔵能、酸素吸蔵速度、酸素放出速度は、おしなべて上流側触媒３１の経時劣化の影響を受ける。であるから、モデルパラメータθ₁もまた、上流側触媒３１の経時劣化の影響を受ける。だが、酸素放出速度に対する酸素吸蔵速度の比である反応速度比は、上流側触媒３１の経時劣化によらず一定であると見なすことが可能である。

以降、反応速度比に関して補記する。図３は、上流側触媒３１に流入するガスの空燃比を意図的に上下させる実験を行い、第一の空燃比センサ１１の出力信号及び第二の空燃比センサ１２の出力信号を観測したものである。第一の空燃比センサ１１の出力は、上流側触媒３１に流入するガスの空燃比をそのまま表示していると言える。一方で、第二の空燃比センサ１２の出力は、第一の空燃比センサ１１の出力、ひいては上流側触媒３１に流入するガスの空燃比の変動に対して遅れている。

上流側触媒３１に流入するガスの空燃比がリーンな期間では、上流側触媒３１に酸素が吸蔵される。上流側触媒３１に流入するガスの空燃比がリッチな期間では、上流側触媒３１に吸蔵されていた酸素が放出される。図３中、空燃比リッチだった流入ガスが空燃比リーンとなった後、再び空燃比リッチとなるまでの期間Ｔ₁が、上流側触媒３１に酸素が吸蔵される期間である。そして、空燃比リーンだった流入ガスが空燃比リッチとなった後、第二の空燃比センサ１２の出力信号がリーンからリッチへと反転するまでの期間Ｔ₂が、上流側触媒３１から酸素が放出される期間である。第二の空燃比センサ１２の出力がリーンからリッチへと反転したことは、上流側触媒３１からの酸素の放出が衰えたことを暗示している。

図４は、流入空気量Ｇ_aを一定として上記実験を行い、酸素吸蔵期間Ｔ₁と酸素放出期間Ｔ₂とをそれぞれ計測してプロットしたものである。図４では、上流側触媒３１に流入するガスの空燃比のリーン時の値とリッチ時の値との組合せを、三通りに変えて実験した結果を示している。流入ガスの空燃比の値によらず、酸素吸蔵期間Ｔ₁と酸素放出期間Ｔ₂との間には一定の比例関係が存在している。ここではその比例係数、即ち図４中に引いた直線の傾きを、反応速度比ということとする。反応速度比は、酸素放出速度に対する酸素吸蔵速度の比（Ｔ₁／Ｔ₂）を示す。

図５は、流入空気量Ｇ_aを変えて上記実験を行い、反応速度比を計測したものである。並びに、図６は、同様の実験を、新しい上流側触媒３１と古い劣化した上流側触媒３１とを用いてそれぞれ行った結果である。図６から明らかなように、反応速度比は上流側触媒３１の経時劣化によらず一定であると見なすことができる。

内燃機関２の気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットを実行すると、上流側触媒３１に燃料成分を含まない空気が流入し、上流側触媒３１内に酸素が充満する。よって、燃料カットを終了して燃料供給を再開する直前の時点ｔ₁では、上流側触媒３１内に酸素吸蔵能一杯まで酸素を吸蔵している。酸素吸蔵能は上流側触媒３１の経時劣化とともに低下するため、時点ｔ₁において上流側触媒３１に吸蔵している酸素の絶対量は不明である。だが、図７に示すように、燃料供給再開後に上流側触媒３１から放出した酸素の量Ｏを考えれば、燃料供給再開時点ｔ₁における酸素放出量Ｏを常に０とすることができる。

モデル数式（数２）を援用し、モデルパラメータθ₁を酸素吸蔵速度または酸素放出速度を示すモデルパラメータθ₂に置き換えると、酸素放出量Ｏのモデル数式として下式（数３）を得られる。

酸素放出量Ｏは、上流側触媒３１内に酸素が充満した状態を基準（Ｏ＝０）とし、燃料カットを実行する都度その値が０にリセットされる。燃料カット条件は、既存の自動車用内燃機関２に準ずる。例えば、減速時燃料カットでは、エンジン回転数が一定以上あり、かつアイドルスイッチがＯＮになった（または、アクセルペダルの踏込量が閾値以下となった）ことを条件とする。燃料カットは、エンジン回転数が所定の復帰回転数以下まで下がったり、アイドルスイッチがＯＦＦになったりすると終了、即ち燃料供給を再開する。

モデルパラメータθ₂は、上流側触媒３１が酸素を放出する（λ≦１となる）期間と、上流側触媒３１が酸素を吸蔵する（λ＞１となる）期間とで相異する。しかしながら、反応速度比ｋは、上流側触媒３１の経時劣化によらず一定であることが分かっている。図５に示している反応速度比ｋ（Ｇ_a）を用いれば、モデルパラメータθ₂を下式（数４）のように設定することができる。

上式（数４）のモデルパラメータθ₂は、マップデータとしてＲＡＭ５２またはＲＯＭ５３に記憶保持させておけばよい。

電子制御装置５は、酸素放出量Ｏに目標値を設定し、モデル数式に則って推算した酸素放出量Ｏをその目標値に収束させるフィードバック制御を実施する。即ち、推算した現在の酸素放出量Ｏとその目標値との偏差に基づいて燃料噴射量のフィードバック補正量を算出し、要求燃料噴射量に加味する。これにより、空燃比の振動を抑圧してウィンドウ内に維持する。

因みに、上流側触媒３１からの酸素放出量Ｏの推算精度を向上させるべく、酸素放出量Ｏの推算式（数３）及び（数４）に、推算誤差を補正、縮小するためのパラメータβを導入してもよい。

学習パラメータβを導入した酸素放出量Ｏの推算式は、下式（数５）となる。

Ａ／Ｆは第一の空燃比センサ１１を介して検出したガスの空燃比、Ａ／Ｆ_targは目標空燃比である。このように、学習パラメータβは、空気過剰率λの分母に加味する。

学習部１４たる電子制御装置５は、燃料カットが発生したとき等に学習パラメータβを算定、その学習を実行する。電子制御装置５は、パラメータβの学習に際し、燃料カット開始から第二の空燃比センサ１２の出力がリーンになったことを示す所定値（第二の空燃比センサ１２がＯ₂センサである場合、例えば出力電圧＝０．５Ｖ）に到達するまでの経過時間と、燃料カット開始からモデル数式（数５）に則って推算される放出量Ｏが０となるまでの経過時間とを計数し、両者の時間差に応じて、当該時間差を減少させる方向にパラメータβを増減させる。後者の経過時間を計数するにあたり、モデル数式（数５）に適用する空気過剰率λとして、下記の式（数６）、式（数７）及び式（数８）の三つをそれぞれ用いる。

β₀は定数、ここでは０とする。ｅもまた定数であるが、第一の空燃比センサ１１の計測する空燃比の公差に相当する値とする。第一の空燃比センサ１１の公差が±０．０５であるならば、その公差の絶対値をとってｅ＝０．０５とする。

図９に、パラメータβの学習処理の手順を示す。電子制御装置５は、内燃機関２における燃料カットが発生し、第二の空燃比センサ１２の出力が非リーンを示しており（例えば、出力電圧＞０．５Ｖ）、なおかつ、式（数６）、式（数７）、式（数８）に示す各空気過剰率λを適用して演算した酸素放出量Ｏ（数５）が何れも、前回の燃料カット終了から今回の燃料カット開始までの期間に一度も０になっていないことを条件として、パラメータβの学習を実施する。

パラメータβの学習では、燃料カットの開始から、式（数６）の空気過剰率λを適用した酸素放出量Ｏ（数５）が０になるまでの時間Ｔ_A、式（数７）の空気過剰率λを適用した酸素放出量Ｏが０になるまでの時間Ｔ_B、並びに、式（数８）の空気過剰率λを適用した酸素放出量Ｏが０になるまでの時間Ｔ_Cをそれぞれ算出する。さらに、燃料カットの開始から、第二の空燃比センサ１２の出力がリーンに切り替わる（例えば、出力電圧≦０．５Ｖ）までの時間Ｔ_Dを計測する。図８に、燃料カット開始時点ｔ₂から計数される経過時間Ｔ_A、Ｔ_B、Ｔ_C及びＴ_Dの例を示す。

そして、経過時間Ｔ_Dと経過時間Ｔ_Aとの時間差を減少させるように、学習パラメータβを決定する。本実施形態では、Ｔ_DとＴ_Aとの時間差を基に、補間法（内挿法）にて新たなパラメータβを算定する。即ち、Ｔ_D＞Ｔ_Aであるならばβを下式（数９）とし、Ｔ_D＜Ｔ_Aであるならばβを下式（数１０）とする。

決定した学習パラメータβは、ＲＡＭ５２またはＲＯＭ５３に記憶保持する。このβは、今回の燃料カットの終了後の空燃比制御において、次回の燃料カットが発生するまでの間、空燃比制御部１３で反復演算する酸素放出量Ｏの推算式（数５）に適用される。

また、学習部１４たる電子制御装置５は、上流側触媒３１の酸素吸蔵能を推算してこれを学習する。上流側触媒３１の酸素吸蔵能の学習値は、空燃比制御部１３によるフィードバック制御の目標値の決定に用いられる。

触媒３１の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関２の気筒に空燃比リーンの混合気を供給して触媒３１の酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒３１に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。

第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リッチを示してから、第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間に経過した時間をＴ_Rとおき、このＴ_Rの間に供給した燃料の総重量をＧ_F、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／Ｆ_Rとおくと、Ｔ_Rの間に触媒３１中で不足した酸素量は、
（α・ΔＡ／Ｆ_R・Ｇ_F）
となる。αは、空気中に占める酸素の重量割合（≒０．２３）である。

上式は、Ｔ_Rの時点までに触媒３１が放出した酸素の量を表している。供給した燃料の総重量Ｇ_Fは、電子制御装置５において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリッチな（１４．６よりも小さい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数（エンジン回転数に比例）を乗じれば、単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間Ｔ_Rを乗じれば、供給した燃料の総重量Ｇ_Fとなる。要するに、第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リッチを示した時点での経過時間Ｔ_Rに基づいて、触媒３１の最大酸素放出能力を算出することが可能である。この最大酸素放出能力は、最大酸素吸蔵能力と同義である。

厳密には、Ｔ_Rの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量（または、一回の噴射量）は増減し得る。故に、Ｔ_Rの期間中の供給燃料の総重量Ｇ_Fは、単位時間当たりの供給量ｇ_F（ｔ）をＴ_Rで時間積分して求めることが好ましい。また、本実施形態では、触媒３１の上流にリニアＡ／Ｆセンサ１１を配しており、触媒３１に流入するガスの空燃比を実時間で計測することが可能である。よって、ΔＡ／Ｆ_R（ｔ）を理論空燃比とＡ／Ｆセンサ１１を介して計測した実測空燃比との差分として、触媒３１の最大酸素吸蔵能力を、Ｔ_Rの期間の時間積分として求めることができる。即ち；
α∫｛ΔＡ／Ｆ_R（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔ
あるいは、内燃機関２の気筒に空燃比リッチの混合気を供給して触媒３１に酸素を全く吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ１１の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ１２の出力信号は、第一の空燃比センサ１１の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒３１に吸着するためである。

第一の空燃比センサ１１の出力信号が空燃比リーンを示してから、第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間に経過した時間をＴ_Lとおき、このＴ_Lの間に供給した燃料の総重量をＧ_F、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／Ｆ_Lとおくと、Ｔ_Lの間に触媒３１中で過剰となった酸素量は、
（α・ΔＡ／Ｆ_L・Ｇ_F）
となる。

上式は、Ｔ_Lの時点で触媒３１が吸蔵している酸素の量を表している。供給した燃料の総重量Ｇ_Fはやはり、電子制御装置５において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリーンな（１４．６よりも大きい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数を乗じれば単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間Ｔ_Lを乗じれば、供給した燃料の総重量Ｇ_Fとなる。要するに、第二の空燃比センサ１２の出力信号が空燃比リーンを示した時点での経過時間Ｔ_Lに基づいて、触媒３１の最大酸素吸蔵能力を算出することが可能である。

厳密には、Ｔ_Lの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量（または、一回の噴射量）は増減し得る。故に、Ｔ_Lの期間中の供給燃料の総重量Ｇ_Fは、単位時間当たりの供給量ｇ_F（ｔ）をＴ_Lで時間積分して求めることが好ましい。ΔＡ／Ｆ_L（ｔ）を理論空燃比とＡ／Ｆセンサ１１を介して計測した実測空燃比との差分とすれば、触媒３１の最大酸素吸蔵能力を、Ｔ_Lの期間の時間積分として求めることができる。即ち；
α∫｛ΔＡ／Ｆ_L（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔ
電子制御装置５は、所定の条件を満たしたときに、空燃比のフィードバック制御を一時停止し、混合気の空燃比を意図的に振動させる「アクティブ制御」に移行して上流側触媒３１の酸素吸蔵能の推定を実施する。

図９に示しているように、アクティブ制御では、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達した、即ち第二空燃比センサ１２の出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリーン側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ１１の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒３１に流入するガスの空燃比を強制的にリーン化する。そして、第一の空燃比センサ１１の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が所定のリーン判定値に到達するまでの期間Ｔ_L、即ち第二の空燃比センサ１２の出力が再度リーンへと切り替わるまでの経過期間Ｔ_Lにおける最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／Ｆ_L（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔを積算する。Ｔ_Lは、酸素を吸蔵していない触媒３１が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間である。リッチ判定値とリーン判定値とは、相異なる値であってもよく、同一の値であってもよい。

並びに、第二の空燃比センサ１２の出力がリッチからリーンへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリッチ側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ１１の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒３１に流入するガスの空燃比を強制的にリッチ化する。そして、第一の空燃比センサ１１の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達するまでの期間Ｔ_R、即ち第二の空燃比センサ１２の出力が再度リッチへと切り替わるまでの経過期間Ｔ_Rにおける最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／Ｆ_R（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔを積算する。Ｔ_Rは、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒３１がその酸素の全てを放出するのに要した時間である。

しかして、最大酸素吸蔵能力α∫｛ΔＡ／Ｆ_R（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔ、α∫｛ΔＡ／Ｆ_L（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔをそれぞれ一回以上算出し、それらの平均値を求めて、触媒３１の酸素吸蔵能の学習値とする。

但し、アクティブ制御は燃料の浪費を招く。よって、上流側触媒３１の酸素吸蔵能の学習は必要最小限かつ適時に限って行うことが望ましい。そこで、学習部１４たる電子制御装置５は、上流側触媒３１内に酸素が充満したか、あるいは上流側触媒３１内の酸素が欠乏したことを示す所定の条件が成立したときに、アクティブ制御を開始する。

本実施形態において、所定の条件とは、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が基準値（例えば、０．７Ｖ）から所定以上（例えば、０．２Ｖ以上）大きくなること、または第二の空燃比センサ１２の出力電圧が基準値から所定以下（例えば、０．２Ｖ以下）小さくなることをいう。上流側触媒３１が吸蔵していた酸素が空とならず、上流側触媒３１が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵しない限り、上流側触媒３１を通過したガスの空燃比は理論空燃比近傍に調整され、第二の空燃比センサ１２の出力電圧は理論空燃比に対応した基準値を中心とする所定範囲内（０．５Ｖ〜０．９Ｖの範囲内）に収まるはずである。

第二の空燃比センサ１２の出力電圧が当該範囲を超えたならば、上流側触媒３１が吸蔵していた酸素が空、または上流側触媒３１が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していることが示唆されるので、その瞬間からアクティブ制御及び触媒３１の酸素吸蔵能の計測を始める。これにより、無駄な燃料消費を抑制することができる。

具体的には、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が空燃比リッチを表す０．９Ｖ以上となったとき、即ち上流側触媒３１内の吸蔵酸素が０になったときに、混合気を意図的に空燃比リーンに操作して最大酸素吸蔵能力（Ｔ_Lの期間の時間積分）α∫｛ΔＡ／Ｆ_L（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔの計測を開始する。あるいは、第二の空燃比センサ１２の出力電圧が空燃比リーンを表す０．５Ｖ以下となったとき、即ち上流側触媒３１内の吸蔵酸素が満杯になったときに、混合気を意図的に空燃比リッチに操作して最大酸素吸蔵能力（Ｔ_Rの期間の時間積分）α∫｛ΔＡ／Ｆ_R（ｔ）・ｇ_F（ｔ）｝ｄｔの計測を開始するのである。

推算した上流側触媒３１の酸素吸蔵能は、ＲＡＭ５２またはＲＯＭ５３に記憶保持する。この酸素吸蔵能は、今回のアクティブ制御の終了後の空燃比制御において、次回のアクティブ制御機会が発生するまでの間、空燃比制御部１３で反復演算する酸素放出量Ｏ（数３または数５）を追従させる目標値に適用される。制御部１３たる電子制御装置５は、学習した上流側触媒３１の酸素吸蔵能に所定の比率（例えば、０．５）を乗じてフィードバック制御の目標値とする。要するに、触媒３１内に酸素を充満させた状態と触媒３１内の酸素が空になった状態との中間の状態に目標値を設定する。

なお、上述した酸素吸蔵能は、エンジン回転数及び気筒に充填される吸入空気量（または、要求負荷）によって規定される運転領域毎に学習することが好ましい。何故ならば、触媒３１の酸素吸蔵能力は触媒３１の温度による影響を受けるからである。触媒３１の温度は、熱電対等の触媒温度センサを触媒３１に付設して直接計測してもよいのであるが、この種の温度センサは比較的高コストである。故に、本実施形態では、温度センサを採用する替わりに、アクティブ制御の実行の際の運転領域［エンジン回転数，吸気量］と関連づけて上流側触媒３１の酸素吸蔵能の学習値（または、学習値に所定の比率を乗じて得られる目標値）を記憶するとともに、フィードバック制御において、その時々の運転領域［エンジン回転数，吸気量］に対応した学習値に基づく目標値を用いた制御を実施する。

本実施形態によれば、内燃機関２の排気通路に装着された排気ガス浄化用の上流側触媒３１の上流に設けられる第一の空燃比センサ１１と、前記上流側触媒３１の下流に設けられる第二の空燃比センサ１２と、少なくとも前記第二の空燃比センサ１２の出力を参照し、前記上流側触媒３１の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部１４と、少なくとも前記第一の空燃比センサの出力１１を参照し、前記上流側触媒３１内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒３１の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒３１内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量Ｏを推算して、その放出量Ｏを前記学習部１４で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部１３とを具備する空燃比制御装置１を構成したため、フィードバック制御の目標値を固定化せず、触媒３１の経年劣化に応じて適切に設定することが可能となる。従って、長期に亘って排気ガス浄化能率を高く保つことができ、有害物質ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの排出量の一層の低減を図り得る上、触媒３１、３２に使用する貴金属量の削減にも資する。

下流側触媒３２は、アクティブ制御の際等に上流側触媒３１の下流に漏出する有害物質ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xを浄化する。

酸素放出量Ｏは、上流側触媒３１内に酸素が充満した状態を基準（Ｏ＝０）とする値であり、燃料カットを実行する都度０にリセットされ、推算誤差もリセットされることから、高精度のフィードバック制御が実現される。

さらに、前記学習部１４が、前記第二の空燃比センサ１２の出力電圧が基準値から所定以上大きくなった、または所定以下小さくなったことを条件として前記上流側触媒３１の酸素吸蔵能の学習を実行することから、アクティブ制御に起因する無駄な燃料消費を抑制できる。

本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、学習パラメータβの算定式は、式（数９）及び式（数１０）には限定されない。例えば、Ｔ_D＞Ｔ_Aならばβを所定量γ（例えば、γ＝０．００１）だけ増加させ、Ｔ_D＜Ｔ_Aならばβを所定量γだけ減少させる、というように、Ｔ_DとＴ_Aとの大小関係に応じてβを増減させるようにしても構わない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。

１…空燃比制御装置
１１…第一の空燃比センサ
１２…第二の空燃比センサ
１３、５…空燃比制御部（電子制御装置）
１４、５…学習部（電子制御装置）
２…内燃機関
３１…上流側触媒
３２…下流側触媒

Claims (2)

1. 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を直列に少なくとも二個装着した内燃機関における空燃比を制御するものであって、
   前記触媒のうちの上流側触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、
   前記上流側触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、
   少なくとも前記第二の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部と、
   少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量を推算して、その放出量を前記学習部で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部と
   を具備し、
   前記学習部が、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を、エンジン回転数並びに気筒に充填される吸入空気量若しくは要求負荷によって規定される運転領域毎に学習し、
   前記空燃比制御部が、フィードバック制御において、その時の運転領域に対応した酸素吸蔵能に基づく目標値を用いる空燃比制御装置。
2. 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を直列に少なくとも二個装着した内燃機関における空燃比を制御するものであって、
   前記触媒のうちの上流側触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、
   前記上流側触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、
   少なくとも前記第二の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部と、
   少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量を推算して、その放出量を前記学習部で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部と
   を具備し、前記モデル数式が、式（数１１）の形で表される空燃比制御装置。
   

   

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