JP6156278B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサや酸素センサを設け、これら空燃比センサや酸素センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御する内燃機関の制御装置が広く知られている。特に、斯かる制御装置としては、機関排気通路に設けられた排気浄化触媒の排気流れ方向上流側及び下流側にそれぞれ空燃比センサを設けたものが提案されている(例えば、特許文献1)。
特に、特許文献1に記載の制御装置では、機関本体よりも下流側であって排気浄化触媒よりも上流側において排気通路内に燃料を供給する燃料供給装置が設けられる。そして、排気浄化触媒を加熱すべきときには、上流側空燃比センサによって検出された空燃比(以下、「出力空燃比」ともいう)の出力に基づいて排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように燃料供給装置からの燃料供給量が算出される。加えて、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比となっていないときには、その出力空燃比が理論空燃比となるように燃料供給装置からの燃料供給量を補正するようにしている。
ところで、本願の発明者らによれば、上述した特許文献1に記載された制御装置とは異なる制御を行う制御装置が提案されている。この制御装置では、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比(理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比)以下になったときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比(以下、「リーン空燃比」という)に設定される。一方、下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比(理論空燃比よりも僅かにリーンな空燃比)以上になったときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比(以下、「リッチ空燃比」という)に設定される。すなわち、この制御装置では、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられる。
このような制御を行っている場合、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロと最大吸蔵可能酸素量との間の適切な量になっていれば、排気浄化触媒から酸素、NOxや未燃ガス(HCやCO)が流出することは少ない。しかしながら、例えば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量が多いときや排気浄化触媒の未燃ガス等の浄化能力が低下したときには排気浄化触媒の酸素吸蔵量が適切な量になっているにもかかわらず酸素、NOxや未燃ガスが流出してしまう場合がある。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気浄化触媒からNOxや未燃ガスが流出するのを抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、第1の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒を流通する排気ガスの流速を検出又は推定する流速検出装置とを具備する内燃機関の制御装置において、当該制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように該排気ガスの空燃比をフィードバック制御し、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定し、且つ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定し、前記流速検出装置によって検出又は推定された前記排気浄化触媒を流通する排気ガスの流速が速くなるような変化が発生した時には、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリーン度合いを低下させること、及び前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリッチ度合いを低下させることのうち少なくとも何れか一方を行う、内燃機関の制御装置が提供される。
上記課題を解決するために、第2の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の浄化能力を示す浄化能力パラメータの値を検出又は推定する浄化能力検出装置とを具備する内燃機関の制御装置において、当該制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように該排気ガスの空燃比をフィードバック制御し、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定し、且つ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定し、前記浄化能力検出装置によって検出又は推定された浄化能力パラメータの値に浄化能力の低下を示す変化が発生した場合には、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリーン度合いを低下させること、及び前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリッチ度合いを低下させることのうち少なくとも何れか一方を行う、内燃機関の制御装置が提供される。
第3の発明では、第2の発明において、前記浄化能力パラメータは、前記排気浄化触媒の温度又は該排気浄化触媒の劣化度合いである。
第4の発明では、第1〜第3のいずれか一つの発明において、当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になる前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定し、前記変化が発生した場合には、前記リーン設定空燃比のリーン度合いを低下させる。
第5の発明では、第4の発明において、前記変化が発生した場合には、前記リーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでの間の空燃比のリーン度合いを低下させる。
第6の発明では、第1〜第3のいずれか一つの発明において、当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になる前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定し、前記変化が発生した場合には、前記リーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでの間の空燃比のリーン度合いを低下させる。
第7の発明では、第4〜第6のいずれか一つの発明において、前記リーン度合いを低下させたときであっても、前記目標空燃比はリーン判定空燃比以上とされる。
第8の発明では、第1〜第7のいずれか一つの発明において、当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定し、前記変化が発生した場合には、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いを低下させる。
第9の発明では、第8の発明において、前記変化が発生した場合時には、前記リッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの間の空燃比のリッチ度合いを低下させる。
第10の発明では、第1〜第7のいずれか一つの発明において、当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定し、前記変化が発生した場合には、前記リッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの間の空燃比のリッチ度合いを低下させる。
第11の発明では、第8〜第10のいずれか一つの発明において、前記リッチ度合いを低下させたときであっても、前記目標空燃比はリッチ判定空燃比以下とされる。
本発明によれば、排気浄化触媒からNOxや未燃ガスが流出するのを抑制することができる内燃機関の制御装置が提供される。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
<内燃機関全体の説明>
図1は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1において、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉する。
図1は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1において、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉する。
図1に示したようにシリンダヘッド4の内壁面の中央部には点火プラグ10が配置され、シリンダヘッド4の内壁面周辺部には燃料噴射弁11が配置される。点火プラグ10は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁11は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室5内に噴射する。なお、燃料噴射弁11は、吸気ポート7内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が14.6であるガソリンが用いられる。しかしながら、本実施形態の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
各気筒の吸気ポート7はそれぞれ対応する吸気枝管13を介してサージタンク14に連結され、サージタンク14は吸気管15を介してエアクリーナ16に連結される。吸気ポート7、吸気枝管13、サージタンク14、吸気管15は吸気通路を形成する。また、吸気管15内にはスロットル弁駆動アクチュエータ17によって駆動されるスロットル弁18が配置される。スロットル弁18は、スロットル弁駆動アクチュエータ17によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
一方、各気筒の排気ポート9は排気マニホルド19に連結される。排気マニホルド19は、各排気ポート9に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド19の集合部は上流側排気浄化触媒20を内蔵した上流側ケーシング21に連結される。上流側ケーシング21は、排気管22を介して下流側排気浄化触媒24を内蔵した下流側ケーシング23に連結される。排気ポート9、排気マニホルド19、上流側ケーシング21、排気管22及び下流側ケーシング23は、排気通路を形成する。
電子制御ユニット(ECU)31はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36および出力ポート37を具備する。吸気管15には、吸気管15内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ39が配置され、このエアフロメータ39の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。また、排気マニホルド19の集合部には排気マニホルド19内を流れる排気ガス(すなわち、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス)の空燃比を検出する上流側空燃比センサ40が配置される。加えて、排気管22内には排気管22内を流れる排気ガス(すなわち、上流側排気浄化触媒20から流出して下流側排気浄化触媒24に流入する排気ガス)の空燃比を検出する下流側空燃比センサ41が配置される。これら空燃比センサ40、41の出力も対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。さらに、上流側排気浄化触媒20には、上流側排気浄化触媒20の温度を検出する上流側温度センサ46が配置され、下流側排気浄化触媒24には、下流側排気浄化触媒24の温度を検出する下流側温度センサ47が配置される。これら温度センサ46、47の出力も対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
また、アクセルペダル42にはアクセルペダル42の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ43が接続され、負荷センサ43の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。クランク角センサ44は例えばクランクシャフトが15度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート36に入力される。CPU35ではこのクランク角センサ44の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート37は対応する駆動回路45を介して点火プラグ10、燃料噴射弁11及びスロットル弁駆動アクチュエータ17に接続される。なお、ECU31は、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。
<排気浄化触媒の説明>
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒20、24は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒20、24は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt))及び酸素吸蔵能力を有する物質(例えば、セリア(CeO2))を担持させたものである。排気浄化触媒20、24は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス(HCやCO等)と窒素酸化物(NOx)とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒20、24は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒20、24は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt))及び酸素吸蔵能力を有する物質(例えば、セリア(CeO2))を担持させたものである。排気浄化触媒20、24は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス(HCやCO等)と窒素酸化物(NOx)とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
排気浄化触媒20、24の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒20、24は、排気浄化触媒20、24に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン(リーン空燃比)であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒20、24は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ(リッチ空燃比)であるときには、排気浄化触媒20、24に吸蔵されている酸素を放出する。
排気浄化触媒20、24は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてNOx及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、排気浄化触媒20、24に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、図2(A)に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒20、24により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のNOxが還元浄化される。一方、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量(上限吸蔵量)Cmax近傍の或る吸蔵量(図中のCuplim)を境に排気浄化触媒20、24から流出する排気ガス中の酸素及びNOxの濃度が急激に上昇する。
一方、排気浄化触媒20、24に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、図2(B)に示したように、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒20、24に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。一方、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ(下限吸蔵量)近傍の或る吸蔵量(図中のClowlim)を境に排気浄化触媒20、24から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒20、24によれば、排気浄化触媒20、24に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のNOx及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒20、24は如何なる触媒であってもよい。
<空燃比センサの出力特性>
次に、図3及び図4を参照して、本実施形態における空燃比センサ40、41の出力特性について説明する。図3は、本実施形態における空燃比センサ40、41の電圧−電流(V−I)特性を示す図であり、図4は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ40、41周りを流通する排気ガスの空燃比(以下、「排気空燃比」という)と出力電流Iとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ40、41として同一構成の空燃比センサが用いられる。
次に、図3及び図4を参照して、本実施形態における空燃比センサ40、41の出力特性について説明する。図3は、本実施形態における空燃比センサ40、41の電圧−電流(V−I)特性を示す図であり、図4は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ40、41周りを流通する排気ガスの空燃比(以下、「排気空燃比」という)と出力電流Iとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ40、41として同一構成の空燃比センサが用いられる。
図3からわかるように、本実施形態の空燃比センサ40、41では、出力電流Iは、排気空燃比が高くなるほど(リーンになるほど)、大きくなる。また、各排気空燃比におけるV−I線には、V軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図3では、排気空燃比が18であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれW18、I18で示している。したがって、空燃比センサ40、41は限界電流式の空燃比センサであるということができる。
図4は、印加電圧を0.45V程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Iとの関係を示す図である。図4からわかるように、空燃比センサ40、41では、排気空燃比が高くなるほど(すなわち、リーンになるほど)、空燃比センサ40、41からの出力電流Iが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに(比例するように)変化する。加えて、空燃比センサ40、41は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Iが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
なお、上記例では、空燃比センサ40、41として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ40、41として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ40、41は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
<基本的な空燃比制御の概要>
次に、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
次に、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
また、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比等に基づいて目標空燃比を設定する目標空燃比の設定制御が行われる。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比(例えば、14.55)以下となったときに、下流側空燃比センサ41によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比はリーン設定空燃比に設定される。ここで、リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、14.65〜20、好ましくは14.65〜18、より好ましくは14.65〜16程度とされる。
その後、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりもリーンな空燃比(リッチ判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比)になると、下流側空燃比センサ41によって検出された排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リーン設定空燃比に設定される。ここで、弱リーン設定空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さい(理論空燃比からの差が小さい)リーン空燃比であり、例えば、14.62〜15.7、好ましくは14.63〜15.2、より好ましくは14.65〜14.9程度とされる。
一方、下流側空燃比センサ41の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比(例えば、14.65)以上になったときに、下流側空燃比センサ41によって検出された排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比はリッチ設定空燃比に設定される。ここで、リッチ設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、10〜14.55、好ましくは12〜14.52、より好ましくは13〜14.5程度とされる。
その後、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比よりもリッチな空燃比(リーン判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比)になると、下流側空燃比センサ41によって検出された排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リッチ設定空燃比に設定される。ここで、弱リッチ設定空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さい(理論空燃比からの差が小さい)リッチ空燃比であり、例えば、13.5〜14.58、好ましくは14〜14.57、より好ましくは14.3〜14.55程度とされる。
この結果、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になると、まず、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりも大きくなると目標空燃比が弱リーン設定空燃比に設定される。一方、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になると、まず、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比がリーン判定空燃比よりも小さくなると目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定される。その後、同様な制御が繰り返される。
なお、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比は、理論空燃比の1%以内、好ましくは0.5%以内、より好ましくは0.35%以内の空燃比とされる。したがって、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の理論空燃比からの差は、理論空燃比が14.6の場合には、0.15以下、好ましくは0.073以下、より好ましくは0.051以下とされる。また、目標空燃比(例えば、弱リッチ設定空燃比やリーン設定空燃比)の理論空燃比からの差は、上述した差よりも大きくなるように設定される。
<タイムチャートを用いた制御の説明>
図5を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図5は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、目標空燃比AFT、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量ΣOED、及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
図5を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図5は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、目標空燃比AFT、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量ΣOED、及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
図示した例では、時刻t1以前の状態では、目標空燃比AFTが弱リッチ設定空燃比AFTsrに設定されている。これに伴って上流側空燃比センサ40の出力空燃比がリッチ空燃比となっている。上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒20で浄化され、これに伴って上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒20における浄化により上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnはほぼ理論空燃比となる。
上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが徐々に減少すると、酸素吸蔵量OSAは時刻t1においてゼロに近づく(例えば、図2のClowlim)。これに伴って、上流側排気浄化触媒20に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒20で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻t1以降、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが徐々に低下する。その結果、図示した例では、時刻t2において、酸素吸蔵量OSAがほぼゼロになると共に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichに到達する。
本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、酸素吸蔵量OSAを増大させるべく、目標空燃比AFTがリーン設定空燃比AFTlに切り替えられる。したがって、目標空燃比は、リッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比からリッチ空燃比に変化してすぐではなく、リッチ判定空燃比AFrichに到達してから、目標空燃比AFTの切替を行っている。これは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが十分であっても、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から僅かにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量が十分であるときには、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。なお、上述したリーン判定空燃比についても同じことがいえる。
時刻t2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupがリーン空燃比となる(実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている)。時刻t2において上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは増大していく。
このように、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが増大していくと、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図5に示した例では、時刻t3において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが或る程度多くなっていることを意味する。
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きな値に変化したときには、目標空燃比AFTが弱リーン設定空燃比AFTslに切り替えられる。したがって、時刻t3では目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。以下では、時刻t3をリーン度合い変更時期と称する。
リーン度合い変更時期である時刻t3において、目標空燃比AFTを弱リーン設定空燃比AFTslに切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスのリーン度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは小さくなると共に、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの増加速度が低下する。
時刻t3以降においては、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、その増加速度が遅いながらも、徐々に増加していく。上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが徐々に増加すると、酸素吸蔵量OSAはやがて最大吸蔵可能酸素量Cmaxに近づく(例えば、図2のCuplim)。時刻t4において酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに近づくと、上流側排気浄化触媒20に流入した酸素の一部は上流側排気浄化触媒20で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻t5において、酸素吸蔵量OSAが最大吸蔵可能酸素量Cmaxに到達すると共に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanに到達する。
本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、酸素吸蔵量OSAを減少させるべく、目標空燃比AFTがリッチ設定空燃比AFTrに切り替えられる。したがって、目標空燃比は、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。
時刻t5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupがリッチ空燃比となる(実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている)。時刻t5において上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは減少していく。
このように、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが減少していくと、上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図5に示した例では、時刻t6において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが或る程度少なくなっていることを意味する。
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さな値に変化したときには、目標空燃比AFTがリッチ設定空燃比から弱リッチ設定空燃比AFTsrに切り替えられる。
時刻t6において、目標空燃比AFTを弱リッチ設定空燃比AFTsrに切り替えると、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupは増大すると共に、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAの減少速度が低下する。
時刻t6以降においては、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、その減少速度が遅いながらも、徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが徐々に減少すると、酸素吸蔵量OSAはやがて時刻t7において、時刻t1と同様に、ゼロに近づき、図2のCdwnlimまで減少する。その後、時刻t8において、時刻t2と同様に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichに到達する。その後は、時刻t1〜t6の操作と同様な操作が繰り返される。
<基本的な制御における利点等>
上述した基本的な空燃比制御によれば、時刻t2において目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変更された直後、及び時刻t5において目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更された直後には、目標空燃比の理論空燃比からの差が大きなものとされる(すなわち、リッチ度合い又はリーン度合いが大きいものとされる)。このため、時刻t2において上流側排気浄化触媒20から流出していた未燃ガス及び時刻t5において上流側排気浄化触媒20から流出していたNOxを迅速に減少させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及びNOxの流出を抑制することができる。
上述した基本的な空燃比制御によれば、時刻t2において目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変更された直後、及び時刻t5において目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更された直後には、目標空燃比の理論空燃比からの差が大きなものとされる(すなわち、リッチ度合い又はリーン度合いが大きいものとされる)。このため、時刻t2において上流側排気浄化触媒20から流出していた未燃ガス及び時刻t5において上流側排気浄化触媒20から流出していたNOxを迅速に減少させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及びNOxの流出を抑制することができる。
また、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻t2において目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガスの流出が止まり、その酸素吸蔵量OSAがある程度回復してから、時刻t3において目標空燃比が弱リーン設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比のリッチ度合い(理論空燃比からの差)を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒20からNOxが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻t5において上流側排気浄化触媒20からNOxが流出することになるが、このときの流出量を少なく抑えることができる。
加えて、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻t5において目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒20からのNOx(酸素)の流出が止まり、その酸素吸蔵量OSAがある程度減少してから、時刻t6において目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比のリッチ度合い(理論空燃比からの差)を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻t2、t8において、上流側排気浄化触媒20から未燃ガスが流出することになるが、このときにもその流出量を少なく抑えることができる。
さらに、本実施形態では、下流側にて排気ガスの空燃比を検出するセンサとして、空燃比センサ41を用いている。この空燃比センサ41は、酸素センサと異なり、ヒステリシスを有さない。このため、空燃比センサ41によれば実際の排気空燃比に対して応答性が高く、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及び酸素(及びNOx)の流出を迅速に検出することができる。したがって、このことによっても、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒20からの未燃ガス及びNOx(及び酸素)の流出を抑制することができる。
また、酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒では、その酸素吸蔵量をほぼ一定に維持すると、その酸素吸蔵能力の低下を招く。したがって、酸素吸蔵能力を可能な限り維持するためには、排気浄化触媒の使用時にその酸素吸蔵量を上下に変化させることが必要になる。本実施形態に係る空燃比制御によれば、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、ゼロ近傍と最大吸蔵可能酸素量近傍との間で上下に繰り返し変化する。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAをできるだけ高く維持することができる。
なお、上記実施形態では、時刻t3において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きな値になったときに、目標空燃比AFTがリーン設定空燃比AFTlから弱リーン設定空燃比AFTslに切り替えられる。また、上記実施形態では、時刻t6において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さな値になったときに、目標空燃比AFTがリッチ設定空燃比AFTrから弱リッチ設定空燃比AFTsrに切り替えられる。しかしながら、これら目標空燃比AFTを切り替えるタイミングは、必ずしも下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnに基づいて設定されなくてもよく、他のパラメータに基づいて決定されてもよい。
例えば、これら目標空燃比AFTを切り替えるタイミングは、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAに基づいて決定されてもよい。例えば、図5に示したように、時刻t2において目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが予め定められた量αに達したときに、目標空燃比AFTが弱リーン設定空燃比AFTslに切り替えられる。また、時刻t5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAが予め定められた量αだけ減少したときに、目標空燃比AFTが弱リッチ設定空燃比AFTsrに切り替えられる。
この場合、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの積算酸素過不足量に基づいて推定される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素又は不足する酸素(過剰な未燃ガス等の量)を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒20に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値(以下、「積算酸素過不足量」という)は、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAを表しているといえる。図5に示したように、本実施形態では、積算酸素過不足量ΣOEDは、目標空燃比が理論空燃比を越えて変化した時にゼロにリセットされる。
なお、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、及びエアフロメータ39等に基づいて算出される燃焼室5内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁11からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量OEDは、例えば、下記式(1)により算出される。
OED=0.23・Qi/(AFup−14.6) …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比をそれぞれ表している。
OED=0.23・Qi/(AFup−14.6) …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比をそれぞれ表している。
或いは、目標空燃比AFTを弱リーン設定空燃比AFTslに切り替える時期(リーン度合い変更時期)は、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから(時刻t2)の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。同様に、目標空燃比AFTを弱リッチ設定空燃比AFTsrに切り替える時期(リッチ度合い変更時期)は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから(時刻t5)の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。
このように、リッチ度合い変更時期やリーン度合い変更時期は、様々なパラメータに基づいて決定される。いずれにせよ、リーン度合い変更時期は、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定された後であって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比以上になる前の時期とされる。同様に、リッチ度合い変更時期は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後であって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比以下になる前の時期とされる。
また、上記実施形態では、時刻t2〜t3において、目標空燃比AFTはリーン設定空燃比AFTlに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、目標空燃比AFTは必ずしも一定に維持されなくてもよく、徐々に低下(理論空燃比に近づく)するように変化してもよい。同様に、上記実施形態では、時刻t3〜t5において、目標空燃比AFTは弱リーン設定空燃比AFTslに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、目標空燃比AFTは必ずしも一定に維持されていなくてもよく、例えば、徐々に低下(理論空燃比に近づく)するように変化してもよい。また、時刻t5〜t6、時刻t6〜t8についても、同じ事がいえる。
<吸入空気量と浄化可能量との関係>
ところで、燃焼室5内への吸入空気量に応じて、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が変化する。そして、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が増大すると、これに伴って上流側排気浄化触媒20を通過する際の排気ガスの流速が速くなる。このように、排気ガスの流速が速くなると、排気ガスが上流側排気浄化触媒20において担持されている貴金属と接触しうる時間が短くなってしまう。このため、排気ガスの流速が速くなるほど、単位体積の排気ガスが上流側排気浄化触媒20を流通する間にその排気ガスから浄化可能なNOx量や未燃ガス量(これらをまとめて「浄化可能量」という)が減少する。
ところで、燃焼室5内への吸入空気量に応じて、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が変化する。そして、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が増大すると、これに伴って上流側排気浄化触媒20を通過する際の排気ガスの流速が速くなる。このように、排気ガスの流速が速くなると、排気ガスが上流側排気浄化触媒20において担持されている貴金属と接触しうる時間が短くなってしまう。このため、排気ガスの流速が速くなるほど、単位体積の排気ガスが上流側排気浄化触媒20を流通する間にその排気ガスから浄化可能なNOx量や未燃ガス量(これらをまとめて「浄化可能量」という)が減少する。
この様子を、図6に示す。図6は、燃焼室5への吸入空気量と上流側排気浄化触媒20における浄化可能量との関係を示す図である。図6からわかるように、燃焼室5への吸入空気量が多くなるほど、すなわち上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流速が速くなるほど、上流側排気浄化触媒20におけるNOxや未燃ガスの浄化可能量が減少することがわかる。
この結果、例えば、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が多く且つその空燃比がリッチ度合いの大きいリッチである場合には、上流側排気浄化触媒20から浄化されていない未燃ガスを含んだ排気ガスが流出してしまうことになる。同様に、例えば上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が多く且つその空燃比がリーン度合いの大きいリーンである場合には、上流側排気浄化触媒20から浄化されていないNOxを含んだ排気ガスが流出してしまうことになる。したがって、排気ガス中に含まれているNOxや未燃ガスの浄化という観点からは、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量が多くなるほどその排気ガスの空燃比のリッチ度合い又はリーン度合いを小さくすることが必要である。
<本実施形態における目標空燃比の制御>
そこで、本実施形態では、燃焼室5への吸入空気量に応じて、すなわち上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量に応じて、リッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合い及びリーン設定空燃比AFTlのリーン度合いを変更するようにしている。具体的には、図7(A)に示したように、リッチ設定空燃比AFTrは、吸入空気量が増大するにつれて大きくなるように、すなわちリッチ度合いが小さくなるように変更される。ただし、リッチ設定空燃比AFTrは、吸入空気量にかかわらず常にリッチ判定空燃比AFrichよりも小さい値とされる。また、図7(A)に示した例では、吸入空気量が或る一定量以上少ない領域ではリッチ設定空燃比AFTrは一定の値とされる。同様に、吸入空気量が或る一定量以上多い領域ではリッチ設定空燃比AFTrは一定の値とされる。
そこで、本実施形態では、燃焼室5への吸入空気量に応じて、すなわち上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流量に応じて、リッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合い及びリーン設定空燃比AFTlのリーン度合いを変更するようにしている。具体的には、図7(A)に示したように、リッチ設定空燃比AFTrは、吸入空気量が増大するにつれて大きくなるように、すなわちリッチ度合いが小さくなるように変更される。ただし、リッチ設定空燃比AFTrは、吸入空気量にかかわらず常にリッチ判定空燃比AFrichよりも小さい値とされる。また、図7(A)に示した例では、吸入空気量が或る一定量以上少ない領域ではリッチ設定空燃比AFTrは一定の値とされる。同様に、吸入空気量が或る一定量以上多い領域ではリッチ設定空燃比AFTrは一定の値とされる。
また、本実施形態では、図7(B)に示したように、リーン設定空燃比AFTlは、吸入空気量が増大するにつれて小さくなるように、すなわちリーン度合いが小さくなるように変更される。ただし、リーン設定空燃比AFTlは、吸入空気量にかかわらず常にリーン判定空燃比AFleanよりも大きい値とされる。また、図7(B)に示した例では、吸入空気量が或る一定量以上少ない領域ではリーン設定空燃比AFTlは一定の値とされる。同様に、吸入空気量が或る一定量以上少ない領域ではリーン設定空燃比AFTlは一定の値とされる。
図8は、本実施形態に係るリッチ設定空燃比AFTr及びリーン設定空燃比AFTlの変更を行った際の、目標空燃比AFT等のタイムチャートである。図8に示した例においても、基本的に、図5と同様な空燃比制御が行われている。
図8に示した例では、時刻t5以前には、吸入空気量Gaが比較的少ない量でほぼ一定に維持されている。このときのリーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrは、それぞれ第一リーン設定空燃比AFTl1及び第一リッチ設定空燃比AFTr1に設定される。ここで、第一リーン設定空燃比AFTl1の理論空燃比からの差は、第一リーン度合いΔAFTl1となっている。また、第一リッチ設定空燃比AFTr1の理論空燃比からの差は、第一リッチ度合いΔAFTr1となっている。
したがって、時刻t1において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、目標空燃比AFTが第一リーン設定空燃比AFTl1に切り替えられる。また、時刻t3において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、目標空燃比AFTが第一リッチ設定空燃比AFTr1に切り替えられる。時刻t5までは斯かるサイクルが繰り返される。
図8に示した例では、時刻t5以後、吸入空気量Gaが徐々に増大せしめられる。これに伴って、図7(A)及び図7(B)に示したようなマップに基づいて、リーン設定空燃比AFTlが徐々に減少せしめられ(リーン度合いが小さくされ)、リッチ設定空燃比AFTrが徐々に増大せしめられる(リッチ度合いが小さくされる)。したがって、時刻t6において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、目標空燃比AFTは第一リーン設定空燃比AFTl1よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定される。加えて、時刻t10において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、目標空燃比は第一リーン設定空燃比AFTl1よりも更にリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定される。
同様に、時刻t8において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、目標空燃比AFTは第一リッチ設定空燃比AFTr1よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。加えて、時刻t12において下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比以上になると、目標空燃比AFTは第一リッチ設定空燃比AFTr1よりも更にリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。
図8に示した例では、時刻t14まで吸入空気量Gaが増大し続け、時刻t14以降は吸入空気量Gaが比較的多い量でほぼ一定に維持される。このときのリーン設定空燃比AFTlは、第一リーン設定空燃比AFTl1よりも小さい第二リーン設定空燃比AFTl2に設定される。ここで、第二リーン設定空燃比AFTl2の理論空燃比からの差は、第一リーン度合いΔAFTl1よりも小さい第二リーン度合いΔAFTl2となっている。一方、このときのリッチ設定空燃比AFTrは、第一リッチ設定空燃比AFTr1よりも大きい第二リッチ設定空燃比AFTr2に設定される。ここで、第二リッチ設定空燃比AFTr2の理論空燃比からの差は、第一リッチ度合いΔAFTr1よりも小さい第二リッチ度合いΔAFTr2となっている。
また、本実施形態では、吸入空気量が変化しても、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrのいずれも変化せしめられない。したがって、図8に示した例では、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrはいずれも第一弱リーン設定空燃比AFTsl1及び第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1に維持される。加えて、本実施形態では、リーン設定空燃比AFTlは吸入空気量が多いときであっても弱リーン設定空燃比AFTsl以上とされる。また、リッチ設定空燃比AFTrは吸入空気量が多いときであっても弱リッチ設定空燃比AFTsr以下とされる。
ここで、リーン設定空燃比AFTlは弱リーン設定空燃比AFTslよりもリーン度合いが大きいため、吸入空気量が増大したときに排気ガス中のNOxが上流側排気浄化触媒20にて浄化されずに流出しやすい。また、リッチ設定空燃比AFTrは弱リッチ設定空燃比AFTsrよりもリッチ度合いが大きいため、吸入空気量が増大したときに排気ガス中の未燃ガスが上流側排気浄化触媒20で浄化されずに流出しやすい。本実施形態によれば、燃焼室5への吸入空気量が多くなるほど、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合い及びリッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いが低下せしめられる。このため、上流側排気浄化触媒20からのNOxや未燃ガスの流出を効果的に抑制することができる。
なお、上記実施形態では、吸入空気量に応じてリーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrの両方が変更されている。しかしながら、吸入空気量に応じて、リーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrのいずれか一方のみを変更し、他方を一定のまま維持するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流速を表すパラメータとして燃料室5への吸入空気量を用い、吸入空気量に基づいてリーン設定空燃比AFTl等を変更している。しかしながら、上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流速は、他のパラメータに基づいて算出してもよい。したがって、例えば、機関負荷及び機関回転数に基づいて排気ガスの流速を算出してもよく、この場合には機関負荷及び機関回転数に基づいてリーン設定空燃比AFTl等が変更せしめられる。
<フローチャート>
図9は、目標空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図9は、目標空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図9に示したように、まず、ステップS11において目標空燃比AFTの算出条件が成立しているか否かが判定される。目標空燃比AFTの算出条件が成立している場合とは、通常制御中であること、例えば燃料カット制御中ではないこと等が挙げられる。ステップS11において目標空燃比AFTの算出条件が成立していると判定された場合には、ステップS12へと進む。
ステップS12では、リーン設定フラグFlがOFFに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグFlは、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときにはONとされ、それ以外のときにはOFFとされるフラグである。ステップS12においてリーン設定フラグFlがOFFに設定されていると判定された場合には、ステップS13へと進む。ステップS13では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下であるか否かが判定される。
ステップS13において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きいと判定された場合には、ステップS14へと進む。ステップS14では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さいか否かが判定される。出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上であると判定された場合には、ステップS15へと進む。ステップS15では、目標空燃比AFTがリッチ設定空燃比AFTrに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比に近づき、リーン判定空燃比AFleanよりも小さくなると、次の制御ルーチンでは、ステップS14からステップS16へと進む。ステップS16では、目標空燃比AFTが弱リッチ設定空燃比AFTsrに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがほぼゼロになって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップS13からステップS17へと進む。ステップS17では、目標空燃比AFTがリーン設定空燃比AFTlに設定される。次いで、ステップS18では、リーン設定フラグFlがONにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
リーン設定フラグFlがONにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップS12からステップS19へと進む。ステップS19では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上であるか否かが判定される。
ステップS19において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFleanよりも小さいと判定された場合には、ステップS20へと進む。ステップS20では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichよりも大きいか否かが判定される。出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下であると判定された場合には、ステップS21へと進む。ステップS21では、目標空燃比AFTが引き続きリーン設定空燃比AFTlに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが理論空燃比に近づき、リッチ判定空燃比AFrichよりも大きくなると、次の制御ルーチンでは、ステップS20からステップS22へと進む。ステップS22では、目標空燃比AFTが弱リーン設定空燃比AFTslに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAがほぼ最大吸蔵可能酸素量になって下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップS19からステップS23へと進む。ステップS23では、目標空燃比AFTがリッチ設定空燃比AFTrに設定される。次いで、ステップS24では、リーン設定フラグFlがOFFにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
図10は、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の変更制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
まず、ステップS31において、エアフロメータ39によって燃焼室5への吸入空気量Gaが算出される。次いで、ステップS32では、ステップS31において検出された吸入空気量Gaに基づいて、図7(A)に示したマップを用いてリッチ設定空燃比AFTrが算出される。算出されたリッチ設定空燃比AFTrは、図9のステップS15、S23において用いられる。次いで、ステップS33では、ステップS31において検出された吸入空気量Gaに基づいて、図7(B)に示したマップを用いてリーン設定空燃比AFTlが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。算出されたリーン設定空燃比AFTlは、図9のステップS17、S21において用いられる。
<第一実施形態の変形例>
次に、図11及び図12を参照して、第一実施形態の変形例に係る制御装置について説明する。第一実施形態に係る制御装置では、吸入空気量に応じて、リーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrのみを変更していた。これに対して、第一実施形態の変形例に係る制御装置では、吸入空気量に応じて、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrを変更するようにしている。
次に、図11及び図12を参照して、第一実施形態の変形例に係る制御装置について説明する。第一実施形態に係る制御装置では、吸入空気量に応じて、リーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrのみを変更していた。これに対して、第一実施形態の変形例に係る制御装置では、吸入空気量に応じて、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrを変更するようにしている。
具体的には、図7(C)に示したように、弱リッチ設定空燃比AFTsrは、吸入空気量が増大するにつれて大きくなるように、すなわちリッチ度合いが小さくなるように変更される。ただし、弱リッチ設定空燃比AFTsrは、吸入空気量にかかわらず常にリッチ判定空燃比AFrichよりも小さい値とされる。また、図7(A)に示したリッチ設定空燃比と比較してわかるように、吸入空気量が同一であれば、弱リッチ設定空燃比AFTsrは、リッチ設定空燃比AFTrよりも大きな値(リッチ度合いが小さい値)とされる。
同様に、本変形では、図7(D)に示したように、弱リーン設定空燃比AFTslは、吸入空気量が増大するにつれて小さくなるように、すなわちリーン度合いが小さくなるように変更される。ただし、弱リーン設定空燃比AFTslは、吸入空気量にかかわらず、常にリーン判定空燃比AFleanよりも大きい値とされる。また、図7(B)に示したリーン設定空燃比と比較してわかるように、吸入空気量が同一であれば、弱リーン設定空燃比AFTslは、リーン設定空燃比AFTlよりも小さな値(リーン度合いが小さい値)とされる。
図11は、本変形例に係るリッチ設定空燃比AFTr等の変更を行った際の、目標空燃比AFT等の図8と同様なタイムチャートである。図11に示した例でも、時刻t5以前には、吸入空気量Gaが比較的少ない量でほぼ一定に維持されている。このときの弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrは、それぞれ第一弱リーン設定空燃比AFTsl1及び第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1に設定される。ここで、第一弱リーン設定空燃比AFTsl1の理論空燃比からの差は、第一リーン度合いΔAFTsl1となっている。また、第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1の理論空燃比からの差は、第一リッチ度合いΔAFTsr1となっている。
したがって、時刻t2において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下からリッチ判定空燃比AFrichよりも大きい空燃比に変化すると、目標空燃比AFTが第一弱リーン設定空燃比AFTsl1に切り替えられる。また、時刻t4において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比AFlean以上からリーン判定空燃比AFleanよりも小さい空燃比に変化すると、目標空燃比AFTが第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1に切り替えられる。その後、時刻t7までは、斯かるサイクルが繰り返される。
図11に示した例では、時刻t5以降、吸入空気量Gaが徐々に増大せしめられる。これに伴って、図8に示した例と同様に、リーン設定空燃比AFTlが減少せしめられ、リッチ設定空燃比AFTrが増大せしめられる。加えて、図11に示した例では、吸入空気量Gaの増大に伴って、図7(C)及び図7(D)に示したようなマップに基づいて、弱リーン設定空燃比AFTslが徐々に減少せしめられ(リーン度合いが小さくされ)、弱リッチ設定空燃比AFTsrが徐々に増大せしめられる(リッチ度合いが小さくされる)。したがって、時刻t7では、目標空燃比AFTは第一弱リーン設定空燃比AFTsl1よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定され、時刻t11では目標空燃比AFTは第一弱リーン設定空燃比AFTsl1よりも更にリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定される。同様に、時刻t9では、目標空燃比AFTは第一リッチ設定空燃比AFTr1よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。加えて、時刻t13では、目標空燃比AFTは第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1よりも更にリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。
図11に示した例では、図8に示した例と同様に、時刻t14以降は吸入空気量Gaが比較的多い量でほぼ一定に維持される。このときの弱リーン設定空燃比AFTslは、第一弱リーン設定空燃比AFTsl1よりも小さい第二弱リーン設定空燃比AFTsl2に設定される。ここで、第二弱リーン設定空燃比AFTsl2の理論空燃比からの差は、第一リーン度合いΔAFTsl1よりも小さい第二リーン度合いΔAFTsl2となっている。一方、このときの弱リッチ設定空燃比AFTsrは、第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1よりも大きい第二弱リッチ設定空燃比AFTsr2に設定される。ここで、第二弱リッチ設定空燃比AFTsr2の理論空燃比からの差は、第一リッチ度合いΔAFTsr1よりも小さい第二リッチ度合いΔAFTsr2となっている。
ここで、弱リーン設定空燃比AFTslはリーン設定空燃比AFTlよりもリーン度合いが小さく、また、弱リッチ設定空燃比AFTsrもリッチ設定空燃比AFTrよりもリッチ度合いが小さい。しかしながら、このようにリーン度合いやリッチ度合いが小さい場合であっても、吸入空気量が増大したときには、NOxや未燃ガスが流出する可能性がある。
また、図5を参照すると、時刻t1〜t3辺りにおいては、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ空燃比となっており、上流側排気浄化触媒20から未燃ガスを含む排気ガスが流出していることがわかる。このとき流出する未燃ガスは、吸入空気量が多いほど且つ弱リッチ設定空燃比AFTsrのリッチ度合いが大きいほど多くなる。また、図5の時刻t4〜t6辺りにおいては、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン空燃比となり、上流側排気浄化触媒20から酸素及びNOxを含む排気ガスが流出していることがわかる。このとき流出するNOxは、吸入空気量が多いほど且つ弱リーン設定空燃比AFTslのリーン度合いが大きいほど多くなる。
これに対して、本変形例の制御装置では、燃焼室5への吸入空気量が多くなるほど、弱リーン設定空燃比AFTslのリーン度合い及び弱リッチ設定空燃比AFTsrのリッチ度合いが低下せしめられる。このため、目標空燃比AFTが弱リーン設定空燃比AFTslや弱リッチ設定空燃比AFTsrに設定されているときの、上流側排気浄化触媒20からのNOxや未燃ガスの流出を効果的に抑制することができる。加えて、図5の時刻t1〜t3辺りにおける未燃ガスの流出や時刻t4〜t6辺りにおけるNOxの流出を抑制することができる。
なお、上記実施形態及びその変形例では、吸入空気量が増大したときに、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合い及びリッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いを小さくしている。しかしながら、図12に示したように、吸入空気量が増大したときでも、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合い及びリッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いをそのまま維持してもよい。この場合、吸入空気量が増大したときには、弱リーン設定空燃比AFTslのリーン度合い及び弱リッチ設定空燃比AFTsrのリッチ度合いを小さくしている。
また、図8、図11及び図12に示した例では、時刻t1〜t2、t6〜t7、t10〜t11等の各期間中、目標空燃比AFTは一定のリーン設定空燃比AFTlに維持される。しかしながら、各期間においてリーン設定空燃比AFTlは一定でなくてもよい。この場合、時刻t6〜t7におけるリーン設定空燃比AFTlの平均値は、時刻t1〜t2におけるリーン設定空燃比AFTlの平均値よりもリーン度合いが小さくなる。加えて、時刻t10〜t11におけるリーン設定空燃比AFTlの平均値は、時刻t1〜t2におけるリーン設定空燃比AFTlの平均値よりもより更にリーン度合いが小さくなる。同様なことは、リッチ設定空燃比AFTr、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrにもいえる。
また、上記実施形態及びその変形例では、目標空燃比AFTをリッチ空燃比に設定している間にそのリッチ度合いが低減せしめられる(例えば、図5の時刻t6)。しかしながら、目標空燃比AFTをリッチ空燃比に設定している間、そのリッチ度合いが一定に維持されていてもよい(例えば、リッチ設定空燃比にて一定に維持)。同様に、上記実施形態及びその変形例では、目標空燃比AFTをリーン空燃比に設定している間にそのリーン度合いが低減せしめられる(例えば、図5の時刻t3)。しかしながら、目標空燃比AFTをリーン空燃比に設定している間、そのリーン度合いが一定に維持されていてもよい(例えば、リーン設定空燃比にて一定に維持)。この場合には、吸入空気量が増大すると、リッチ設定空燃比のリッチ度合いやリーン設定空燃比のリーン度合いが小さくされることになる。
以上をまとめて表現すると、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になったときに目標空燃比がリーン空燃比に設定される。加えて、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。そして、流速検出装置(例えば、エアフロメータ39)によって検出又は推定された上流側排気浄化触媒20を流通する排気ガスの流速が速くなるような変化が発生した場合には、目標空燃比AFTがリーン空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリーン度合いが低下せしめられること、及び目標空燃比AFTがリッチ空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリッチ度合いが低下せしめられることのうち少なくとも何れか一方が行われる。
<第二実施形態>
次に、図13及び図14を参照して、本発明の第二実施形態に係る制御装置について説明する。第二実施形態に係る制御装置の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、第一実施形態では、吸入空気量に基づいてリッチ設定空燃比等を変更しているのに対して、第二実施形態では排気浄化触媒の温度等に基づいてリッチ設定空燃比等を変更している。
次に、図13及び図14を参照して、本発明の第二実施形態に係る制御装置について説明する。第二実施形態に係る制御装置の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、第一実施形態では、吸入空気量に基づいてリッチ設定空燃比等を変更しているのに対して、第二実施形態では排気浄化触媒の温度等に基づいてリッチ設定空燃比等を変更している。
ところで、上流側排気浄化触媒20の温度に応じてその浄化能力が変化する。すなわち、上流側排気浄化触媒20の温度が高くなるほど、上流側排気浄化触媒20において担持されている貴金属の活性が高くなる。この結果、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス中のNOxや未燃ガスを浄化し易くなる。逆に考えると、上流側排気浄化触媒20の温度が低くなるほど、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガス中のNOxや未燃ガスの浄化率が低下する。
この結果、例えば、上流側排気浄化触媒20の温度が低く且つ上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ度合いの大きいリッチである場合には、上流側排気浄化触媒20から浄化されていない未燃ガスを含んだ排気ガスが流出してしまう。同様に、例えば、上流側排気浄化触媒20の温度が低く且つ上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリーン度合いの大きいリーンである場合には、上流側排気浄化触媒20から浄化されていないNOxを含んだ排気ガスが流出してしまうことになる。したがって、排気ガス中に含まれているNOxや未燃ガスの浄化という観点からは、上流側排気浄化触媒20の温度が低くなるほど排気ガスの空燃比のリッチ度合い又はリーン度合いを小さくすることが必要である。
そこで、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20の温度に応じて、リッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合い及びリーン設定空燃比AFTlのリーン度合いを変更するようにしている。具体的には、図13(A)に示したように、リッチ設定空燃比AFTrは、上流側排気浄化触媒20の温度が高くなるにつれて小さくなるように、すなわちリッチ度合いが大きくなるように変更される。同様に、本実施形態では、図13(B)に示したように、リーン設定空燃比AFTlは、上流側排気浄化触媒20の温度が高くなるにつれて大きくなるように、すなわちリーン度合いが大きくなるように変更される。
図14は、本実施形態に係るリッチ設定空燃比AFTr及びリーン設定空燃比AFTlの変更を行った際の、目標空燃比AFT等の図8と同様なタイムチャートである。
図14に示した例では、時刻t5以降、上流側排気浄化触媒20の温度Tcが徐々に低下せしめられる。これに伴って、図12(A)及び図12(B)に示したようなマップに基づいて、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合いが徐々に小さくされ、リッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いが徐々に小さくされる。
図14に示した例では、上流側排気浄化触媒20の温度が時刻t14まで低下し続け、時刻t14以降は比較的低い温度でほぼ一定に維持されている。このときのリーン設定空燃比AFTlは、第一リーン設定空燃比AFTl1よりも小さい第二リーン設定空燃比AFTl2に設定される。一方、このときのリッチ設定空燃比AFTrは、第一リッチ設定空燃比AFTr1よりも大きい第二リッチ設定空燃比AFTr2に設定される。
また、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20の温度が変化しても、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrのいずれも変化せしめられない。したがって、図14に示した例では、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrはいずれも第一弱リーン設定空燃比AFTsl1及び第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1に維持される。
このように、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20の温度が低くなると、すなわち上流側排気浄化触媒20の浄化能力が低下すると、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合い及びリッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いが低下せしめられる。このため、上流側排気浄化触媒20の浄化能力の低下に伴って、上流側排気浄化触媒20からのNOxや未燃ガスが流出するのを効果的に抑制することができる。
なお、上記実施形態では、上流側排気浄化触媒20の温度に応じてリーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrの両方が変更されている。しかしながら、上流側排気浄化触媒20の温度に応じて、リーン設定空燃比AFTl及びリッチ設定空燃比AFTrのいずれか一方のみを変更し、他方を一定のまま維持するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、上流側排気浄化触媒20の温度に応じて、すなわち上流側排気浄化触媒20のNOxや未燃ガスの浄化能力に応じて、リーン設定空燃比AFTl等を変更している。しかしながら、上流側排気浄化触媒20の浄化能力を示す浄化能力パラメータであれば、上流側排気浄化触媒20の温度以外のパラメータに応じてリーン設定空燃比AFTl等を変更してもよい。
このような浄化能力パラメータとしては、例えば、上流側排気浄化触媒20の劣化度合いが挙げられる。上流側排気浄化触媒20の劣化度合いが高いと、上流側排気浄化触媒20において担持されている貴金属の表面積が減少し、上流側排気浄化触媒20の浄化能力が低下する。したがって、上流側排気浄化触媒20の劣化度合いが高くなると、上流側排気浄化20の温度が低下したときと同様にリーン設定空燃比AFTl等が変更せしめられる。
ここで、上流側排気浄化触媒20の劣化度合いは、様々な方法で検出することができる。例えば、上流側排気浄化触媒20の劣化度合いが高くなると、上流側排気浄化触媒20の最大吸蔵可能酸素量Cmaxが低下する。そこで、図5に示したような制御を行っている場合に、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比に達してからリーン判定空燃比に達するまでの間に上流側排気浄化触媒に流入した積算酸素量(最大吸蔵可能酸素量に相当)に基づいて劣化度合いを推定することができる。この場合、積算酸素量が少ないほど上流側排気浄化触媒20の劣化度合いが高いと判定されることになる。
<第二実施形態の変形例>
次に、図15〜図17を参照して、第二実施形態の変形例に係る制御装置について説明する。第二実施形態の変形例に係る制御装置では、上流側排気浄化触媒20の温度に応じて、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrを変更するようにしている。
次に、図15〜図17を参照して、第二実施形態の変形例に係る制御装置について説明する。第二実施形態の変形例に係る制御装置では、上流側排気浄化触媒20の温度に応じて、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrを変更するようにしている。
具体的には、図13(C)に示したように、弱リッチ設定空燃比AFTsrは、上流側排気浄化触媒20の温度が高くなるにつれて小さくなるように、すなわちリッチ度合いが大きくなるように変更される。また、図13(A)に示したリッチ設定空燃比と比較してわかるように、上流側排気浄化触媒20の温度が同一であれば、弱リッチ設定空燃比AFTsrは、リッチ設定空燃比AFTrよりも大きな値(リッチ度合いが小さい値)とされる。
同様に、本変形例では、図13(D)に示したように、弱リーン設定空燃比AFTslは、上流側排気浄化触媒20の温度が高くなるにつれて大きくなるように、すなわちリーン度合いが大きくなるように変更される。また、図13(B)に示したリーン設定空燃比と比較してわかるように、上流側排気浄化触媒20の温度が同一であれば、弱リーン設定空燃比AFTslは、リーン設定空燃比AFTlよりも小さな値(リーン度合いが小さい値)とされる。
図15は、本変形例に係るリッチ設定空燃比AFTr等の変更を行った際の、目標空燃比AFT等の図14と同様なタイムチャートである。図15に示した例では、時刻t5以降、上流側排気浄化触媒20の温度が徐々に低下せしめられる。これに伴って、図14に示した例と同様に、リーン設定空燃比AFTlが減少せしめられ、リッチ設定空燃比AFTrが増大せしめられる。
加えて、図15に示した例では、吸入空気量Gaの増大に伴って、図13(C)及び図13(D)に示したようなマップに基づいて、弱リーン設定空燃比AFTslが徐々に減少せしめられ(リーン度合いが小さくされ)、弱リッチ設定空燃比AFTsrが徐々に増大せしめられる(リッチ度合いが小さくされる)。したがって、時刻t7では、目標空燃比AFTは第一弱リーン設定空燃比AFTsl1よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定され、時刻t11では目標空燃比AFTは第一弱リーン設定空燃比AFTsl1よりも更にリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定される。同様に、時刻t9では、目標空燃比AFTは第一リッチ設定空燃比AFTr1よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。加えて、時刻t11では、目標空燃比AFTは第一弱リッチ設定空燃比AFTsr1よりも更にリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。
ここで、弱リーン設定空燃比AFTslや弱リッチ設定空燃比AFTsrのようにリーン度合いやリッチ度合いが小さい場合であっても、上流側排気浄化触媒20の温度が低いときには、NOxや未燃ガスが流出する可能性がある。これに対して、本変形例の制御装置では、上流側排気浄化触媒20の温度が低くなるほど、弱リーン設定空燃比AFTslのリーン度合い及び弱リッチ設定空燃比AFTsrのリッチ度合いが低下せしめられる。このため、目標空燃比AFTが弱リーン設定空燃比AFTslや弱リッチ設定空燃比AFTsrに設定されているときの、上流側排気浄化触媒20からのNOxや未燃ガスの流出を効果的に抑制することができる。加えて、図5の時刻t1〜t3辺りにおける未燃ガスの流出量や時刻t4〜t6辺りにおけるNOxの流出量を抑制することができる。
図16は、本変形例におけるリッチ設定空燃比等の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
まず、ステップS41において、上流側排気浄化触媒20の温度センサ46によって上流側排気浄化触媒20の温度Tcが検出される。次いで、ステップS42では、ステップS41において検出された温度Tcに基づいて、図13(A)に示したマップを用いてリッチ設定空燃比AFTrが算出される。算出されたリッチ設定空燃比AFTrは、図9のステップS15、S23において用いられる。次いで、ステップS43では、ステップS41において検出された温度Tcに基づいて、図13(B)に示したマップを用いてリーン設定空燃比AFTlが算出される。算出されたリーン設定空燃比AFTlは、図9のステップS17、S21において用いられる。
次いで、ステップS44では、ステップS41において検出された温度Tcに基づいて、図13(C)に示したマップを用いて弱リッチ設定空燃比AFTsrが算出される。算出された弱リッチ設定空燃比AFTsrは、図9のステップS16において用いられる。次いで、ステップS45では、ステップS41において検出された温度Tcに基づいて、図13(D)に示したマップを用いて弱リーン設定空燃比AFTslが算出される。算出された弱リーン設定空燃比AFTslは、図9のステップS22において用いられる。
なお、上記実施形態及びその変形例では、上流側排気浄化触媒20の温度が低下したときに、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合い及びリッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いを小さくしている。しかしながら、図17に示したように、上流側排気浄化触媒20の温度が低下したときでも、リーン設定空燃比AFTlのリーン度合い及びリッチ設定空燃比AFTrのリッチ度合いをそのまま維持してもよい。この場合、上流側排気浄化触媒20の温度が低下したときには、弱リーン設定空燃比AFTslのリーン度合い及び弱リッチ設定空燃比AFTsrのリッチ度合いを小さくしている。
また、図14、図15及び図17に示した例では、時刻t1〜t2、t6〜t7、t10〜t11等の各期間中、目標空燃比AFTは一定のリーン設定空燃比AFTlに維持される。しかしながら、各期間においてリーン設定空燃比AFTlは一定でなくてもよい。同様なことは、リッチ設定空燃比AFTr、弱リーン設定空燃比AFTsl及び弱リッチ設定空燃比AFTsrにもいえる。
以上をまとめて表現すると、本実施形態では、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrich以下になったときに目標空燃比がリーン空燃比に設定される。加えて、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。そして、浄化能力検出装置(例えば、上流側排気浄化触媒20の温度センサ)によって検出又は推定された浄化能力パラメータの値に浄化能力の低下を示す変化が発生した場合には、目標空燃比AFTがリーン空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリーン度合いを低下させること、及び目標空燃比AFTがリッチ空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリッチ度合いを低下させることのうち少なくとも何れか一方が行われる。
1 機関本体
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
19 排気マニホルド
20 上流側排気浄化触媒
24 下流側排気浄化触媒
31 ECU
40 上流側空燃比センサ
41 下流側空燃比センサ
46 温度センサ
47 温度センサ
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
19 排気マニホルド
20 上流側排気浄化触媒
24 下流側排気浄化触媒
31 ECU
40 上流側空燃比センサ
41 下流側空燃比センサ
46 温度センサ
47 温度センサ
Claims (11)
- 内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒を流通する排気ガスの流速を検出又は推定する流速検出装置とを具備する内燃機関の制御装置において、
当該制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように該排気ガスの空燃比をフィードバック制御し、
前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定し、且つ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定し、
前記流速検出装置によって検出又は推定された前記排気浄化触媒を流通する排気ガスの流速が速くなるような変化が発生した場合には、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリーン度合いを低下させること、及び前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリッチ度合いを低下させることのうち少なくとも何れか一方を行う、内燃機関の制御装置。 - 内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の浄化能力を示す浄化能力パラメータの値を検出又は推定する浄化能力検出装置とを具備する内燃機関の制御装置において、
当該制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように該排気ガスの空燃比をフィードバック制御し、
前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定し、且つ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定し、
前記浄化能力検出装置によって検出又は推定された浄化能力パラメータの値に浄化能力の低下を示す変化が発生した場合には、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリーン度合いを低下させること、及び前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている期間中のうち少なくとも一部の期間においてそれまでよりもリッチ度合いを低下させることのうち少なくとも何れか一方を行う、内燃機関の制御装置。 - 前記浄化能力パラメータは、前記排気浄化触媒の温度又は該排気浄化触媒の劣化度合いである、請求項2に記載の内燃機関の制御装置。
- 当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、
前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になる前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定し、
前記変化が発生した場合には、前記リーン設定空燃比のリーン度合いを低下させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記変化が発生した場合には、前記リーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでの間の空燃比のリーン度合いを低下させる、請求項4に記載の内燃機関の制御装置。
- 当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定し、
前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になる前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定し、
前記変化が発生した場合には、前記リーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでの間の空燃比のリーン度合いを低下させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記リーン度合いを低下させたときであっても、前記目標空燃比はリーン判定空燃比以上とされる、請求項4〜6のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。
- 当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、
前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定し、
前記変化が発生した場合には、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いを低下させる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記変化が発生した場合には、前記リッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの間の空燃比のリッチ度合いを低下させる、請求項8に記載の内燃機関の制御装置。
- 当該制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定し、
前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定し、
前記変化が発生した場合には、前記リッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの間の空燃比のリッチ度合いを低下させる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記リッチ度合いを低下させたときであっても、前記目標空燃比はリッチ判定空燃比以下とされる、請求項8〜10のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。
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