JP7159614B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素吸蔵機能付きの三元触媒装置が排気通路に設置されたエンジンの燃焼室で燃焼する混合気の空燃比を制御する空燃比制御装置に関する。

炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して排気を浄化する三元触媒装置では、燃焼時に余剰した酸素が排気に含まれている場合にはＮＯｘの還元を効率良く行えず、ＮＯｘの排出を十分に抑えられなくなる。これに対して、三元触媒装置として、余剰酸素を含んだ排気が流入したときには酸素を吸蔵し、未燃燃料成分を含んだ排気が流入したときには吸蔵した酸素を放出する酸素吸蔵機能を備えたものがある。こうした酸素吸蔵機能付きの三元触媒装置では、理論空燃比よりもリーンな空燃比（リーン燃焼）が行われ、余剰酸素を含んだ排気が流入するときにも、その余剰酸素を吸蔵してＮＯｘの還元効率の低下を避けることができる。

ただし、吸蔵可能な酸素の量には限界があるため、リーン空燃比での燃焼が長く続いた場合には、三元触媒装置が余剰酸素を吸蔵できない状態となることがある。また、一時に大量の余剰酸素が流入したときには、余剰酸素のすべてを吸蔵できないことがある。こうした場合、酸素吸蔵機能付の三元触媒装置でも、ＮＯｘの還元効率の低下を招いてしまう。

これに対して特許文献１には、排気通路における三元触媒装置よりも下流側の部分に設置された空燃比センサ（以下、触媒下流空燃比センサ）の出力値から三元触媒装置の酸素吸蔵状況を判定し、その判定結果に応じて空燃比を変更する空燃比制御装置が記載されている。リーン空燃比で燃焼が行われているときにも、三元触媒装置での余剰酸素の吸蔵が十分に行われていれば、触媒下流空燃比センサの出力値は理論空燃比に対応する値を示す。これに対して、三元触媒装置での酸素吸蔵が不十分となり、三元触媒装置の下流側に余剰酸素を含んだ排気が流出すると、触媒下流空燃比センサの出力値はリーン空燃比に対応する値となる。そのため、理論空燃比に対応した値からリーン空燃比に対応した値への触媒下流空燃比センサの出力値の変化により、三元触媒装置からの余剰酸素の流出の有無の判定（リーン判定）を行うことができる。

なお、文献１では、触媒下流空燃比センサとして濃淡電池型の酸素濃度センサを採用している。濃淡電池型の酸素濃度センサの出力は、理論空燃比を境として出力値が急変するＺ特性の出力となっている。こうした濃淡電池型の酸素濃度センサは、排気流量が急変する過渡時には、同センサのリーン感度（リーン空燃比に対応する値へと変化する際の出力値の応答性）が低下する特性を有している。そのため、上記文献１では、上記リーン判定において、理論空燃比に対応した値（ストイキ値）からリーン空燃比に対応した値に変化したと判定する出力値の閾値を、時間当たりの吸入空気量の変化量が大きいときには、同変化量が小さいときよりもストイキ値に近い値とすることで、過渡時のリーン判定の精度低下を抑えている。

特開２０１２－１７７３１６号公報

リーン空燃比での燃焼中、上記リーン判定に応じて空燃比をリッチ側に変更するように空燃比制御を行えば、三元触媒装置の酸素吸蔵不足によるＮＯｘ排出量の増加を抑えることができる。ただし、リーン判定は、三元触媒装置からの余剰酸素の流出が生じてしまった後にしか行えないため、一時的に三元触媒装置からのＮＯｘ排出量が増加することがある。こうしたリーン判定時の一時的なＮＯｘ排出量の増加は、排気流量が少ない場合には限られたものになるが、排気流量が多い場合には一時的であってもその間のＮＯｘ排出量が許容し難い量となることがある。

上記課題を解決する空燃比制御装置は、排気通路に設置された酸素吸蔵機能付きの三元触媒装置と、前記排気通路における前記三元触媒装置よりも上流側の部分に設置された触媒上流空燃比センサと、前記排気通路における前記三元触媒装置よりも下流側の部分に設置された触媒下流空燃比センサと、を備えるエンジンの燃焼室で燃焼する混合気の空燃比を制御する空燃比制御装置であって、理論空燃比よりもリーンな空燃比を目標空燃比に設定して前記触媒上流空燃比センサによる空燃比検出値と前記目標空燃比との偏差がゼロに近づくように空燃比制御を行っているときに、理論空燃比よりもリーンな空燃比が値として設定されたリーン判定値よりも前記触媒下流空燃比センサの空燃比検出値がリーンな値となった場合、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に切り替え、且つエンジンの吸入空気量が多いときには、同吸入空気量が少ないときよりも理論空燃比に近い値となるようにリーン判定値の値を吸入空気量に応じて変更する。

理論空燃比よりもリーンな空燃比を目標空燃比に設定して空燃比制御を行っているときは、余剰酸素を含んだ排気が三元触媒装置に流入する。このときの三元触媒装置が余剰酸素を十分に吸蔵できない状態となると、ＮＯｘを還元浄化できなくなる。一方、排気通路における三元触媒装置よりも下流側の部分に設置された触媒下流空燃比センサの空燃比検出値は、三元触媒装置が余剰酸素を十分に吸蔵している間は理論空燃比近傍の空燃比を示す値となり、余剰酸素を十分に吸蔵できない状態となると理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値となる。よって、理論空燃比よりもリーンな空燃比をリーン判定値の値として設定する。そして、触媒下流空燃比センサの空燃比検出値がリーン判定値よりもリッチな値から同リーン判定値よりもリーンな値となることをもって、三元触媒装置からの余剰酸素の流出の開始を判定することができる。そして、その判定に応じて理論空燃比よりもリッチな空燃比に目標空燃比を切り替えれば、三元触媒装置からのＮＯｘの排出を抑えられる。

ただし、こうした場合にも、三元触媒装置からの余剰酸素の流出の開始から同三元触媒装置への余剰酸素の流入が止まるまでにはある程度の時間が掛かる。そのため、一時的にはＮＯｘの排出を抑えられない状態となる。吸入空気量が少ない場合には、燃焼により生成されるＮＯｘの量も少ないため、このときのＮＯｘの排出は限られた量となる。しかしながら、吸入空気量が多い場合には、一時的であってもその間のＮＯｘ排出量が許容可能な量を超える虞がある。

これに対して上記空燃比制御装置では、エンジンの吸入空気量が多いときには、同吸入空気量が少ないときよりも理論空燃比に近い値となるように、リーン判定値の値を吸入空気量に応じて変更している。そのため、吸入空気量が多いときには三元触媒装置からの余剰酸素の流出開始後のより早い時期に目標空燃比の切り替えが行われるようになり、三元触媒装置のＮＯｘ排出が生じる期間が短くなる。したがって、上記空燃比制御装置によれば、三元触媒装置からのＮＯｘの排出を抑制できる。

空燃比制御装置の一実施形態が適用されるエンジンの模式図。 同空燃比制御装置が実行する目標空燃比切替ルーチンのフローチャート。 リッチ判定値及びリーン判定値と吸入空気量との関係を示すグラフ。 同空燃比制御装置が実行する高空気量判定ルーチンのフローチャート。 同空燃比制御装置による定常運転時の目標空燃比切替制御の実施態様の一例を示すタイムチャート。 本実施形態の空燃比アクティブ制御におけるリーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲへの切替時の制御態様を示すタイムチャート。 同空燃比制御装置による過渡運転時の目標空燃比切替制御の実施態様の一例を示すタイムチャート。 同空燃比制御装置が実行するＯＳＣ学習値更新ルーチンのフローチャート。 同空燃比制御装置が実行する空燃比サブ学習値更新ルーチンのフローチャート。

以下、空燃比制御装置の一実施形態を、図１～図９を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の空燃比制御装置が適用されるエンジン１０には、燃焼室１１と、燃焼室１１に流入する空気（吸気）の通路である吸気通路１２と、燃焼室１１から排出された排気の通路である排気通路１３と、が設けられている。吸気通路１２には、吸入空気量ＧＡを検出するエアフローメータ１４と、吸入空気量ＧＡを調整するためのバルブであるスロットルバルブ１５と、が設けられている。また、吸気通路１２におけるスロットルバルブ１５よりも下流側の部分には、吸気中に燃料を噴射する燃料噴射弁１６が設けられている。そして、燃焼室１１には、吸気通路１２を通じて流入した吸気と燃料噴射弁１６が噴射した燃料との混合気を点火する点火プラグ１７が設けられている。

一方、排気通路１３には、前段側、及び後段側の２つの三元触媒装置１８、１９が設けられている。これら三元触媒装置１８、１９には、排気中のＨＣ及びＣＯの酸化と同時にＮＯｘを還元する三元触媒に加え、酸素吸蔵剤がそれぞれ担持されており、酸素吸蔵能力が付与されている。このエンジン１０では、前段側の三元触媒装置１８が主たる排気浄化装置となっている。そして、排気通路１３における前段側の三元触媒装置１８よりも下流側の部分に設置された後段側の三元触媒装置１９は、前段側の三元触媒装置１８が浄化しきれなかった分を浄化する副次的な排気浄化装置となっている。そのため、後段側の三元触媒装置１９には、前段側の三元触媒装置１８よりも排気浄化能力及び酸素吸蔵能力が低い小型の三元触媒装置が採用されている。

また、排気通路１３における前段側の三元触媒装置１８よりも上流側の部分には、同三元触媒装置１８に流入する排気の空燃比を検出する触媒上流空燃比センサ２０が設けられている。さらに、排気通路１３における前段側の三元触媒装置１８よりも下流側、且つ後段側の三元触媒装置１９よりも上流側の部分には、前段側の三元触媒装置１８から流出する排気の空燃比を検出する触媒下流空燃比センサ２１が設けられている。触媒上流空燃比センサ２０及び触媒下流空燃比センサ２１は、排気の成分に基づき空燃比の検出を行っている。触媒上流空燃比センサ２０及び触媒下流空燃比センサ２１は、空燃比に応じて出力値が連続的に変化する出力特性を有している。触媒上流空燃比センサ２０が検出する空燃比は、燃焼室１１で燃焼された混合気の空燃比に直接対応している。これに対して、触媒下流空燃比センサ２１の空燃比の検出値は、前段側の三元触媒装置１９で改質された排気の成分に基づいているため、燃焼室１１で燃焼された混合気の空燃比に直接対応しない値となる。

こうしたエンジン１０は、空燃比制御装置としての電子制御ユニット２２により制御されている。電子制御ユニット２２には、上述のエアフローメータ１４、触媒上流空燃比センサ２０、及び触媒下流空燃比センサ２１の検出結果が入力されている。そして、電子制御ユニット２２は、それらの検出結果に基づき、燃料噴射弁１６の燃料噴射量を制御することで、空燃比制御を行っている。空燃比制御は、基本的には、次の態様で行われる。すなわち、電子制御ユニット２２は、エンジン１０の運転状況に応じて空燃比の目標値である目標空燃比を設定する。続いて、エアフローメータ１４による吸入空気量ＧＡの検出結果等に基づき、燃焼室１１に流入する空気の質量（筒内空気流量）を演算するとともに、その筒内空気量を目標空燃比の値で除算した商をベース噴射量として演算する。さらに、電子制御ユニット２２は、触媒上流空燃比センサ２０による空燃比の検出値と目標空燃比との偏差に基づき、その偏差が０に近づくようにベース噴射量をフィードバック補正した値を最終噴射量として演算し、その最終噴射量分の燃料を噴射すべく燃料噴射弁１６を制御する。

ところで、三元触媒装置１８、１９での排気浄化を効率良く行うには、燃料が完全燃焼し、且つ酸素が余剰しない理論空燃比λＳＴで燃焼室１１内での混合気の燃焼を行う必要がある。すなわち、排気浄化のためには、目標空燃比の値として理論空燃比λＳＴを設定して空燃比制御を行うことが望ましい。ただし、そうした場合にも、吸入空気量ＧＡ等のエンジン１０の運転状況が変化する過渡時には、空燃比が乱れて一時的に理論空燃比λＳＴからずれることがある。また、出力が求められるエンジン１０の高空気量運転時等には、理論空燃比λＳＴからずれた空燃比での燃焼が求められることがある。

これに対して、上述のように三元触媒装置１８、１９には、酸素吸蔵剤が担持されている。酸素吸蔵剤は、余剰酸素を含んだ排気が周囲に存在するときには、周囲の酸素を取り込んで吸蔵し、酸素を吸蔵した状態の酸素吸蔵剤は、未燃燃料成分を含んだ排気が周囲に存在するときには、吸蔵中の酸素を周囲に放出する。そのため、理論空燃比λＳＴよりもリーンな空燃比（リーン空燃比）で燃焼が行われているときには、三元触媒装置１８、１９は、排気中の余剰酸素を吸蔵する。また、理論空燃比λＳＴよりもリッチな空燃比（リッチ空燃比）で燃焼が行われているときには、三元触媒装置１８、１９は酸素を放出して、排気中の未燃燃料成分を酸化する。このように、酸素吸蔵機能付きの三元触媒装置１８、１９は、流入した排気の成分を、効率良く排気浄化を行えるように改質する。そのため理論空燃比λＳＴから多少ずれた空燃比で燃焼が行われていても、排気浄化を効率良く行うことができる。

なお、三元触媒装置１８、１９が吸蔵可能な酸素の量には上限があり、その上限まで酸素を吸蔵した状態にあるときに余剰酸素を含んだ排気が流入した場合には、ＮＯｘの還元浄化を効率的に行うことができなくなる。また、三元触媒装置１８、１９に全く酸素が吸蔵されていない状態にあるときに未燃燃料成分を含んだ排気が流入した場合には、ＣＯ、ＨＣの酸化浄化を効率的行うことができなくなる。そのため、少なくとも主たる排気浄化装置である三元触媒装置１８については、吸蔵可能な酸素量の上限値である最大吸蔵量に対して、更なる吸蔵の余地を残した程度な量の酸素を吸蔵した状態を保持するように空燃比制御を行う必要がある。ただし、三元触媒装置１８の最大吸蔵量には個体差がある。また、三元触媒装置１８の最大吸蔵量は、経時劣化により減少することがある。そのため、電子制御ユニット２２は、三元触媒装置１８の現状の最大吸蔵量を学習するための触媒ＯＳＣ学習制御を行っている。

また、上述した基本的な態様の空燃比制御（以下、メインフィードバック制御と記載する）だけでは、触媒上流空燃比センサ２０の検出誤差や燃料噴射弁１６の噴射特性の個体差などに起因して、目標空燃比に対する空燃比の定常偏差が生じることがある。そこで、電子制御ユニット２２は、そうした定常偏差を補償するため、触媒下流空燃比センサ２１の検出結果に基づく空燃比サブ学習制御を行っている。

電子制御ユニット２２は、触媒ＯＳＣ学習制御、及び空燃比サブ学習制御の実施に際して、リーン空燃比での燃焼とリッチ空燃比での燃焼とを交互に繰り返す空燃比アクティブ制御を実行する。空燃比アクティブ制御は、目標空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比とに交互に切り替えることで行われる。

図２に、空燃比アクティブ制御での目標空燃比の切り替えのために電子制御ユニット２２が実施する目標空燃比切替ルーチンのフローチャートを示す。電子制御ユニット２２は、空燃比アクティブ制御の実行中、既定の制御周期毎に本ルーチンの処理を繰り返し実行する。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、触媒下流空燃比センサ２１の空燃比検出値（以下、触媒下流空燃比λ２と記載する）が、既定のリッチ判定値以下であるか否かが判定される。図３に示すように、リッチ判定値ＤＲには、理論空燃比λＳＴよりもリッチな空燃比が設定されており、その値は吸入空気量ＧＡに拘らず一定とされている。触媒下流空燃比λ２がリッチ判定値ＤＲ以下の値となるのは、前段側の三元触媒装置１８から未燃燃料成分を含んだ排気が流出しているときとなる。ここで、触媒下流空燃比λ２がリッチ判定値ＤＲ以下の場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）、すなわち触媒下流空燃比λ２が理論空燃比λＳＴよりもリッチな空燃比に相当する値となっている場合には、ステップＳ１１０において、目標空燃比の値として既定のリーン目標空燃比λＬを設定した上で、今回の本ルーチンの処理を終了する。リーン目標空燃比λＬには、理論空燃比λＳＴよりもリーンな空燃比が値として設定されている。

一方、触媒下流空燃比がリッチ判定値よりも大きい場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、ステップＳ１２０に処理が進められ、そのステップＳ１２０において、高空気量フラグがセットされた状態であり、且つエンジン１０が過渡の運転状態にあるか否かが判定される。そして、同ステップＳ１２０において肯定判定された場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１３０に、否定判定された場合（ＮＯ）にはステップＳ１４０に、それぞれ処理が進められる。なお、高空気量フラグは、エンジン１０が高空気量運転されているか否かを示すフラグであり、その状態の切り替えは後述する高空気量判定ルーチンにおいて行われる。また、ここでは、単位時間当たりの吸入空気量ＧＡの変化量が既定値よりも大きい場合を過渡の運転状態である場合としている。

エンジン１０が高空気量、且つ過渡の運転状態となっていて、ステップＳ１３０に処理が進められると、そのステップＳ１３０において、目標空燃比の値として既定のリッチ目標空燃比λＲを設定した上で、今回の本ルーチンの処理を終了する。リッチ目標空燃比λＲには、理論空燃比λＳＴよりもリッチな空燃比が値として設定されている。

一方、ステップＳ１４０に処理が進められると、そのステップＳ１４０において、吸入空気量ＧＡに基づきリーン判定値ＤＬの値が設定される。図３に示すように、リーン判定値ＤＬは、理論空燃比λＳＴよりもリーン側の範囲において吸入空気量ＧＡに応じて変化する値となっている。具体的には、吸入空気量ＧＡが既定の高空気量判定値α以下の場合のリーン判定値ＤＬは、既定の基準リーン判定値ＤＬ０となっている。基準リーン判定値ＤＬ０の値は、理論空燃比λＳＴから同基準リーン判定値ＤＬ０を引いた差ΔＬが、上述のリッチ判定値ＤＲから理論空燃比λＳＴを引いた差ΔＲと等しくなる値となっている。また、吸入空気量ＧＡが高空気量判定値αを超える場合のリーン判定値ＤＬは、吸入空気量ＧＡを高空気量判定値αから増加していったときに上記差ΔＬが次第に減少するように、吸入空気量ＧＡに応じて変化する値となっている。このように、本実施形態では、エンジン１０の吸入空気量ＧＡが多いときには、同吸入空気量ＧＡが少ないときよりも理論空燃比λＳＴに近い値となるようにリーン判定値ＤＬの値を吸入空気量ＧＡに応じて変更するようにしている。

続いて、ステップＳ１５０において、触媒下流空燃比λ２がリーン判定値ＤＬ以上であるか否かが判定される。上記のようにリーン判定値ＤＬには常に、理論空燃比λＳＴよりもリーンな空燃比が値として設定される。よって、触媒下流空燃比λ２がリーン判定値ＤＬ以上の値となるのは、前段側の三元触媒装置１８から余剰酸素を含んだ排気が流出しているときとなる。ここで、触媒下流空燃比λ２がリーン判定値ＤＬ以上の場合（Ｓ１５０：ＹＥＳ）には上述のステップＳ１３０に処理が進められ、そのステップＳ１３０において、上述のリッチ目標空燃比λＲが目標空燃比の値として設定された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

これに対して、触媒下流空燃比λ２がリーン判定値ＤＬ未満の値である場合（Ｓ１５０：ＮＯ）には、ステップＳ１６０において、前回の本ルーチンの実行時に設定された値（前回値）がそのまま目標空燃比の値として設定された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。なお、このときの触媒下流空燃比λ２は、リッチ判定値ＤＲを超え、且つリーン判定値ＤＬ未満の値、すなわち理論空燃比λＳＴ近傍の値となっている。

なお、空燃比アクティブ制御の開始時には、リーン目標空燃比λＬ、リッチ目標空燃比λＲのうちのいずれかが目標空燃比の値として設定される。ここでは、空燃比アクティブ制御開始時には、リーン目標空燃比λＬを目標空燃比の値として設定するものとして説明する。

図４に、上述した高空気量判定ルーチンのフローチャートを示す。電子制御ユニット２２は、本ルーチンの処理を既定の制御周期毎に繰り返し実行する。
本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ２００において、高空気量フラグがクリアされているか否かが判定される。高空気量フラグがクリアされている場合（ＹＥＳ）にはステップＳ２１０に処理が進められ、そうでない場合（ＮＯ）、すなわち高空気量フラグがセットされている場合にはステップＳ２３０に処理が進められる。

高空気量フラグがクリアされていてステップＳ２１０に処理が進められると、そのステップＳ２１０において、吸入空気量ＧＡが上述の高空気量判定値α以上であるか否かが判定される。そして、吸入空気量ＧＡが高空気量判定値α以上の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ２２０において、高空気量フラグをセットした上で今回の本ルーチンの処理が終了される。これに対して、吸入空気量ＧＡが高空気量判定値α未満の場合（ＮＯ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。このときの高空気量フラグはクリアされた状態に保持される。

高空気量フラグがセットされていてステップＳ２３０に処理が進められ、そのステップＳ２３０において、吸入空気量ＧＡが、上記高空気量判定値αから定数Ａを引いた差（α－Ａ）以下の値であるか否かが判定される。同ステップＳ２３０で肯定判定された場合（ＹＥＳ）にはステップＳ２４０において高空気量フラグがクリアされた後、今回の本ルーチンの処理が終了される。これに対してステップＳ２３０で否定判定された場合（ＮＯ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。このときの高空気量フラグはセットされた状態に保持される。

図５に、エンジン１０の低負荷、中負荷域におけるアクティブ制御の実施態様を示す。
時刻ｔ１に空燃比アクティブ制御が開始されると、目標空燃比がリーン目標空燃比λＬに設定され、リーン空燃比での燃焼（以下、リーン燃焼と記載する）が開始される。リーン燃焼が行われると、余剰酸素を含んだ排気が、燃焼室１１から排出されて前段側の三元触媒装置１８に流入するようになる。このときの前段側の三元触媒装置１８に酸素吸蔵の余地が残されていれば、同三元触媒装置１８は流入した排気中の余剰酸素を吸蔵するため、触媒下流空燃比λ２は理論空燃比λＳＴ近傍の値となる。

リーン燃焼が継続されると、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量は次第に増加する。酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸに近づくと、三元触媒装置１８に流入した余剰酸素のうちの一部が吸蔵されずに同三元触媒装置１８から排出されるようになる。ただし、酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸに達するまでは、三元触媒装置１８からの余剰酸素の排出量はあまり多くないため、触媒下流空燃比λ２は理論空燃比の近傍の値に留まっている。

その後の時刻ｔ２に酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸに達すると、燃焼室１１から排出された余剰酸素が三元触媒装置１８で吸蔵されずにそのまま同三元触媒装置１８の下流側に排出されるため、触媒下流空燃比λ２が理論空燃比近傍の値からリーン側に大きく変化する。その結果、その後の時刻ｔ３に、触媒下流空燃比λ２がリーン判定値ＤＬ以上の値となると、リーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲへと目標空燃比が変更されて、リッチ空燃比での燃焼（以下、リッチ燃焼と記載する）が開始される。

リッチ燃焼が行われると、未燃燃料成分を含んだ排気が燃焼室１１から排出されて前段側の三元触媒装置１８に流入するようになる。時刻ｔ３におけるリッチ燃焼の開始時の三元触媒装置１８には最大吸蔵量ＭＡＸまで酸素が吸蔵されている。このときの三元触媒装置１８は、吸蔵した酸素を放出して未燃燃料成分を酸化するため、触媒下流空燃比λ２は理論空燃比λＳＴの近傍の値となる。

リッチ燃焼が継続されると、酸素の放出により三元触媒装置１８の酸素吸蔵量は次第に減少する。そして、その後の時刻ｔ４に酸素吸蔵量がゼロまで減少すると、三元触媒装置１８は酸素を放出できなくなり、同三元触媒装置１８の下流側に未燃燃料成分を含んだ排気が排出されるようになる。これにより、その後の時刻ｔ５に触媒下流空燃比λ２がリッチ判定値ＤＲ以下の値となると、リッチ目標空燃比λＲからリーン目標空燃比λＬへと目標空燃比が変更されて、リーン燃焼が再び開始される。

以上のように空燃比アクティブ制御が開始されると、まずリーン燃焼により、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量を最大吸蔵量ＭＡＸとする。そしてその後は、最大吸蔵量ＭＡＸからゼロへの酸素吸蔵量の減少と、ゼロから最大吸蔵量ＭＡＸへの酸素吸蔵量の増加と、が繰り返されるように、リッチ燃焼とリーン燃焼とが交互に行われる。

図６に、本実施形態におけるリーン燃焼からリッチ燃焼への切り替え前後の空燃比アクティブ制御の実施態様を示す。なお、同図には、エンジン１０の高空気量運転時における目標空燃比、触媒下流空燃比λ２、及び前段側の三元触媒装置１８からのＮＯｘ排出量の推移がそれぞれ実線により示されている。また、同図には、エンジン１０の中低空気量運転時における目標空燃比、触媒下流空燃比λ２、及び前段側の三元触媒装置１８からのＮＯｘ排出量の推移がそれぞれ二点鎖線により示されている。

リーン燃焼中の三元触媒装置１８は、酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸに達するまでは、流入する排気中の余剰酸素を吸蔵するため、触媒下流空燃比λ２は理論空燃比λＳＴ近傍に保たれる。同図では、リーン燃焼中の時刻ｔ１０に、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸに達している。そのため、時刻ｔ１０からは三元触媒装置１８からの余剰酸素の流出が始まり、触媒下流空燃比λ２が、時刻ｔ１０以前よりも急にリーン側に変化するようになる。

エンジン１０の中低空気量運転時には、基準リーン判定値ＤＬ０がリーン判定値ＤＬの値として設定される。そのため、このときには、触媒下流空燃比λ２が基準リーン判定値ＤＬ０に達した時刻ｔ１２に、リーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲへと目標空燃比が切り替えられてリッチ燃焼が開始される。

なお、酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸに達して三元触媒装置１８のＮＯｘの浄化効率が低下した状態でリーン燃焼が続けられると、同三元触媒装置１８からＮＯｘが排出される。燃焼室１１でのリッチ燃焼が開始されても、そのリッチ燃焼で生じた排気が三元触媒装置１８に届くまでにはある程度の時間が掛かる。そのため、三元触媒装置１８のＮＯｘの排出が止まるのは、リッチ燃焼の開始よりも遅い時期となる。このように、リーン燃焼からリッチ燃焼への切り替えに際しては、一時的に三元触媒装置１８からＮＯｘが排出される状態となる。

中低空気量運転時には、燃焼室１１での燃焼により生成されるＮＯｘの量があまり多くないため、リーン燃焼からリッチ燃焼への切り替えに際しての三元触媒装置１８のＮＯｘ排出量が、後段側の三元触媒装置１９の浄化能力を超えるほど増大する状況とはなりにくい。これに対して、高空気量運転時には、燃焼によるＮＯｘの生成量が多く、リーン燃焼からリッチ燃焼への切り替えに際しての三元触媒装置１８のＮＯｘ排出量も多くなる。同図には、高空気量運転時に、中低空量運転時と同じ時刻ｔ１２にリーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲに目標空燃比を切り替えた場合の三元触媒装置１８のＮＯｘ排出量の推移が破線で示されている。こうした場合には、後段側の三元触媒装置１９の浄化能力を超える多量のＮＯｘが三元触媒装置１８から排出されてしまい、後段側の三元触媒装置１９で浄化し切れずに外気に放出されるＮＯｘの量が許容可能な量を超える虞がある。

その点、本実施形態では、高空気量運転時には、基準リーン判定値ＤＬ０よりも理論空燃比λＳＴに近い空燃比をリーン判定値ＤＬの値として設定している。そのため、高空気量運転時には、中低空気量運転時よりも早い時刻ｔ１１に、リーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲへと目標空燃比が切り替えられる。これにより、三元触媒装置１８のＮＯｘの排出期間が短縮して、排出するＮＯｘの総量が抑えられるため、外気へのＮＯｘの放出を抑制できる。なお、同図には、こうした高空気量運転時のリーン判定値ＤＬの値が「ＤＬＨ」と記載されている。

一方、吸入空気量ＧＡやエンジン回転数が大きく変化するエンジン１０の過渡運転時には、燃焼室１１で燃焼する混合気の空燃比に乱れが生じやすくなる。こうした状態でリーン燃焼を行うと、一時的にリーン目標空燃比λＬよりもリーンな空燃比で燃焼が行われてしまうことがある。高空気量運転時に、こうしたオーバーリーン燃焼が行われると、一時に大量の余剰酸素が三元触媒装置１８に流入する。こうした場合の三元触媒装置１８は、流入した余剰酸素の全てを吸蔵できず、流入時よりは少ないとはいえ、多量の余剰酸素を排出する。さらに後段側の三元触媒装置１９においても、前段側の三元触媒装置１８が排出した余剰酸素を吸蔵し切れない状態となると、三元触媒装置１８、１９のＮＯｘの浄化効率が双方同時に低下して、許容可能な量を超える多量のＮＯｘが外気に放出される虞がある。

図７に、本実施形態の空燃比制御装置におけるエンジン１０が高空気量、且つ過渡の運転状態にあるときの空燃比アクティブ制御の実施態様を示す。上述のように、空燃比アクティブ制御でのリーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲへの目標空燃比の切り替えは、エンジン１０が過渡の運転状態にない場合や、過渡の運転状態にあっても吸入空気量ＧＡが高空気量判定値α未満の場合には、リッチ燃焼中に触媒下流空燃比λ２がリーン判定値ＤＬ以上の値となったときに行われる。

これに対して、エンジン１０が高空気量、且つ過渡の運転状態にあるときには、同図に示すようにリーン目標空燃比λＬからリッチ目標空燃比λＲへの目標空燃比の切り替えは、リッチ燃焼中に触媒下流空燃比λ２がリッチ判定値ＤＲを超える値となったとき（図中の時刻ｔ２１、ｔ２３）に行われる。すなわち、高空気量、且つ過渡の運転状態にあるときには、触媒下流空燃比λ２がリッチ判定値ＤＲ近傍の値に留まるように目標空燃比の切り替えが行われる。そのため、オーバーリーン燃焼が行われても、吸蔵能力を超える多大な余剰酸素が三元触媒装置１８に一時に流入する状況にはなり難くなる。なお、エンジン１０が高空気量、且つ過渡の運転状態にあるときにも、リッチ目標空燃比λＲからリーン目標空燃比λＬへの目標空燃比の切り替えは、触媒下流空燃比λ２がリッチ判定値ＤＲ以下の値となったとき（図中の時刻ｔ２０、ｔ２２、ｔ２４）に行われる。

続いて、触媒ＯＳＣ学習制御の詳細を説明する。触媒ＯＳＣ学習制御は、前段側の三元触媒装置１８の酸素吸蔵量の最大値である最大吸蔵量ＭＡＸを下記の態様で求めて、その値を学習値として記憶するために行われる。

電子制御ユニット２２は、空燃比アクティブ制御でのリッチ燃焼の実行中に、理論空燃比λＳＴから触媒上流空燃比センサ２０の空燃比検出値（以下、触媒上流空燃比λ１と記載する）を引いた差を求めるとともに、その差に排気流量を乗算した積をリッチ投入量の値として演算している。リッチ投入量は前段側の三元触媒装置１８の未燃燃料成分の流入量に対応した値となる。リッチ燃焼中の触媒下流空燃比λ２が理論空燃比λＳＴ近傍の値となっていれば、流入した未燃燃料成分の殆どを酸化可能な量の酸素が三元触媒装置１８から放出されていることになる。よって、このときのリッチ投入量は、三元触媒装置１８の単位時間当たりの酸素放出量に対応した値となる。

一方、空燃比アクティブ制御でのリッチ燃焼は、前段側の三元触媒装置１８の酸素吸蔵量がゼロの状態のときに開始され、同酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸとなったときに終了される。よって、空燃比アクティブ制御の開始後の２回目以降のリッチ燃焼の開始から同リッチ燃焼の終了までの期間におけるリッチ投入量の積算値（以下、総リッチ投入量ＲＴと記載する）は、同期間に三元触媒装置１８が放出した酸素の総量に、すなわち同三元触媒装置１８の最大吸蔵量に対応した値となる。

また、電子制御ユニット２２は、空燃比アクティブ制御でのリーン燃焼の実行中に、触媒上流空燃比λ１から理論空燃比λＳＴを引いた差を求めるとともに、その差に排気流量を乗算した積をリーン投入量の値として求めている。リーン投入量は前段側の三元触媒装置１８に流入する余剰酸素の流量に対応した値となる。リーン燃焼中の触媒下流空燃比λ２が理論空燃比λＳＴ近傍の値となっていれば、流入した余剰酸素の殆どを三元触媒装置１８が吸蔵していることになる。よって、このときのリーン投入量は、三元触媒装置１８の単位時間当たりの酸素吸蔵量に対応した値となる。

一方、空燃比アクティブ制御の開始後の２回目以降のリーン燃焼は、前段側の三元触媒装置１８の酸素吸蔵量が最大吸蔵量ＭＡＸとなっているときに開始され、同酸素吸蔵量がゼロとなったときに終了される。よって、空燃比アクティブ制御の開始後の２回目以降のリーン燃焼の開始から終了までの期間におけるリーン投入量の積算値（以下、総リーン投入量ＬＴと記載する）は、同期間に三元触媒装置１８が吸蔵した酸素の総量に、すなわち上述の総リッチ投入量と同様に、同三元触媒装置１８の最大吸蔵量に対応した値となる。

このように、空燃比アクティブ制御でのリッチ燃焼の実行期間における総リッチ投入量ＲＴ、リーン燃焼の実行期間における総リーン投入量ＬＴからは、三元触媒装置１８の最大吸蔵量を求めることができる。触媒ＯＳＣ学習制御では、総リッチ投入量及び総リーン投入量に基づき、三元触媒装置１８の最大吸蔵量の学習値であるＯＳＣ学習値の学習を行っている。

図８に、こうした触媒ＯＳＣ学習制御におけるＯＳＣ学習値の更新に係る処理であるＯＳＣ学習値更新ルーチンのフローチャートを示す。電子制御ユニット２２は、空燃比アクティブ制御の開始後の２回目以降のリーン燃焼が終了する毎にＯＳＣ学習値更新ルーチンの処理を実行する。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ３００において、高空気量フラグがセットされているか否かが判定される。ここで、高空気量フラグがセットされていなければ（ＮＯ）、ステップＳ３１０に処理が進められる。そして、ステップＳ３１０において、直近のリッチ燃焼の実行期間における総リッチ投入量ＲＴと、直近のリーン燃焼の実行期間における総リーン投入量ＬＴと、の２つの値の平均値（＝（ＲＴ＋ＬＴ）／２）となるように、ＯＳＣ学習値の値が更新された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。なお、直近のリーン燃焼とは、本ルーチンの開始の直前まで行われていたリーン燃焼を、直近のリッチ燃焼とは、そのリーン燃焼の開始の直前まで行われていたリッチ燃焼を、それぞれ表している。

一方、高空気量フラグがセットされている場合には（Ｓ３００：ＹＥＳ）、ステップＳ３２０に処理が進められる。ステップＳ３２０に処理が進められると、そのステップＳ３２０において、基準リーン判定値ＤＬ０から現在のリーン判定値ＤＬの値を引いた差（＝ＤＬ０－ＤＬ）である乖離量ΔＤＬが既定の判定値βを超えているか否かが判定される。ここで、乖離量ΔＤＬが判定値β以下の場合（ＮＯ）にはステップＳ３３０に処理が進められる。これに対して、乖離量ΔＤＬが判定値βを超える場合（ＹＥＳ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。

ステップＳ３３０に処理が進められると、そのステップＳ３３０において、エンジン１０が過渡の運転状態にあるか否かが判定される。このときのエンジン１０が過渡の運転状態であれば（ＹＥＳ）、そのまま今回の本ルーチンの処理が終了され、そうでなければ（ＮＯ）、ステップＳ３４０に処理が進められ、
ステップＳ３４０に処理が進められると、乖離量ΔＤＬに基づき補正係数Ｋの値が設定される。補正係数Ｋの値は、乖離量ΔＤＬの値が０から次第に増大していったときに、乖離量ΔＤＬが０のときの値である１から次第に大きくなるように設定される。そして、続くステップＳ３５０において、直近のリッチ燃焼の実行期間における総リッチ投入量ＲＴと、直近のリーン燃焼の実行期間における総リーン投入量ＬＴに補正係数Ｋを乗算した積と、の２つの値の平均値（＝（ＲＴ＋ＬＴ×Ｋ）／２）となるようにＯＳＣ学習値の値が更新された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

上述のように総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴはそれぞれ、前段側の三元触媒装置１８の最大吸蔵量に相当する値となる。そこで、ＯＳＣ学習値更新ルーチンでは、高空気量フラグがクリアされている場合（Ｓ３００：ＮＯ）、総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴの平均値となるようにＯＳＣ学習値の値を更新している。

一方、本実施形態では、空燃比アクティブ制御において、吸入空気量ＧＡが高空気量判定値αを超える場合には、基準リーン判定値ＤＬ０よりも理論空燃比λＳＴに近い空燃比をリーン判定値ＤＬの値として設定している。また、吸入空気量ＧＡが高空気量判定値αを超えているときには、高空気量フラグがセットされている。基準リーン判定値ＤＬ０よりも理論空燃比λＳＴに近い空燃比がリーン判定値ＤＬの値として設定されているときには、基準リーン判定値ＤＬ０がリーン判定値ＤＬの値として設定されているときよりも早い時期にリーン燃焼が終了する。そのため、基準リーン判定値ＤＬ０がリーン判定値ＤＬの値として設定されているときの総リーン投入量ＬＴの値は、三元触媒装置１８の最大吸蔵量ＭＡＸに相当する値よりも小さい値となる。そして、三元触媒装置１８の最大吸蔵量ＭＡＸに相当する値に対する総リーン投入量ＬＴの値のずれ量は、基準リーン判定値ＤＬ０に対する現状のリーン判定値ＤＬの差である乖離量ΔＤＬが大きいほど大きくなる。

これに対して本実施形態では、高空気量フラグがセットされた状態でＯＳＣ学習値の更新を行う場合には、総リッチ投入量ＲＴと、総リーン投入量ＬＴに補正係数Ｋを乗算した積と、の平均値となるように、同ＯＳＣ学習値の値を更新している。また、補正係数Ｋの値を、乖離量ΔＤＬが０のときには１となり、乖離量ΔＤＬが０から大きくなるに従って１から大きくなっていく値となるように設定している。すなわち、乖離量ΔＤＬの値から想定されるずれ量分の補正を総リーン投入量ＬＴに施した値を用いて、更新するＯＳＣ学習値の値を演算するようにしている。そのため、吸入空気量ＧＡに応じたリーン判定値ＤＬの変更により生じる上記総リーン投入量ＬＴの値のずれ分を補償した適切な値をＯＳＣ学習値の値として学習することが可能となる。

なお、上記のような乖離量ΔＤＬに応じた補正を行っても、乖離量ΔＤＬがある程度よりも大きいときには、補正過程で生じる誤差が大きくなるため、総リーン投入量ＬＴから最大吸蔵量ＭＡＸを正確に求められなくなる。また、エンジン１０が過渡の運転状態にある場合には、空燃比の乱れが生じやすく、総リッチ投入量ＲＴや総リーン投入量ＬＴが示す最大吸蔵量ＭＡＸは不正確な値となりやすい。そのため、本実施形態では、乖離量ΔＤＬが判定値βを超える場合やエンジン１０が過渡の運転状態にあるときには、今回の本ルーチンの処理では、ＯＳＣ学習値の値を更新しないようにしている。

続いて、空燃比サブ学習制御の詳細を説明する。上述のように、触媒上流空燃比センサ２０の検出誤差や燃料噴射弁１６の噴射特性の個体差などに起因して、メインフィードバック制御において目標空燃比に対する空燃比の定常偏差が生じることがある。一方、上述のように、空燃比アクティブ制御中の総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴはいずれも三元触媒装置１８の最大吸蔵量ＭＡＸに対応した値となる。そのため、総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴは等しい値となる筈である。しかしながら、メインフィードバック制御において空燃比の定常偏差が生じていると、総リッチ投入量ＲＴと総リーン投入量ＬＴとの間に差が生じる。空燃比サブ学習制御では、総リッチ投入量ＲＴと総リーン投入量ＬＴとの差に基づき、メインフィードバック制御での空燃比の定常偏差分の補償に用いる空燃比サブ学習値の学習を行っている。なお、メインフィードバック制御での空燃比の定常偏差分の補償は、空燃比サブ学習値に応じて目標空燃比を補正することで行われている。

図９に、こうした空燃比サブ学習制御での空燃比サブ学習値の更新量を演算するための処理であるサブ学習値更新ルーチンのフローチャートを示す。電子制御ユニット２２は、空燃比アクティブ制御の開始後の２回目以降のリーン燃焼が終了する毎に本ルーチンの処理を実行する。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ４００において、高空気量フラグがセットされているか否かが判定される。ここで、高空気量フラグがセットされていなければ（ＮＯ）、ステップＳ４１０に処理が進められる。そして、ステップＳ４１０において、直近のリッチ燃焼の実行期間における総リッチ投入量ＲＴから直近のリーン燃焼の実行期間における総リーン投入量ＬＴを引いた差に、既定の更新係数γを乗算した積（＝（ＲＴ－ＬＴ）×γ）が、空燃比サブ学習値の更新量の値として設定される。

一方、高空気量フラグがセットされている場合には（Ｓ４００：ＹＥＳ）、ステップＳ４２０に処理が進められる。ステップＳ４２０に処理が進められると、そのステップＳ４２０において、乖離量ΔＤＬが判定値βを超えているか否かが判定される。そして、乖離量ΔＤＬが判定値β以下の場合（ＮＯ）にはステップＳ４３０に、乖離量ΔＤＬが判定値βを超える場合（ＹＥＳ）にはステップＳ４６０に、それぞれ処理が進められる。

ステップＳ４３０に処理が進められると、そのステップＳ４３０において、エンジン１０が過渡の運転状態にあるか否かが判定される。そして、過渡の運転状態にない場合（ＮＯ）にはステップＳ４４０に、過渡の運転状態にある場合（ＹＥＳ）にはステップＳ４６０に、それぞれ処理が進められる。

ステップＳ４４０に処理が進められると、上述のＯＳＣ学習値更新ルーチンにおけるステップＳ３４０と同様に、乖離量ΔＤＬに基づく補正係数Ｋの設定が行われる。そして、続くステップＳ４５０において、補正係数Ｋにより補正した総リーン投入量ＬＴを用いて空燃比サブ学習値の更新量の値の設定が行われる。具体的には、ステップＳ４５０では、直近のリッチ燃焼の実行期間における総リッチ投入量ＲＴから直近のリーン燃焼の実行期間における総リーン投入量ＬＴに補正係数Ｋを乗算した積を引いた差に上記更新係数γを乗算した積（＝（ＲＴ－ＬＴ×Ｋ）×γ）が更新量の値として設定される。これに対して、ステップＳ４６０に処理が進められた場合には、そのステップＳ４６０において、空燃比サブ学習値の更新量の値としてゼロが設定される。

上記ステップＳ４１０、ステップＳ４４０、又はステップＳ４６０において、更新量の値の設定が行われると、ステップＳ４７０に処理が進められる。そして、そのステップＳ４７０において、更新量に応じた空燃比サブ学習値の更新処理が行われる。具体的には、同更新処理では、演算した更新量を更新前の値から引いた差が更新後の値となるように、空燃比サブ学習値の値が更新される。そしてその後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

以上のサブ学習値更新ルーチンでは、総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴの差に基づき、空燃比サブ学習値の更新量を決めるようにしている。一方、上述のように基準リーン判定値ＤＬ０よりも理論空燃比λＳＴに近い空燃比がリーン判定値ＤＬの値として設定されている場合には、最大吸蔵量ＭＡＸに対応した値からの総リーン投入量ＬＴのずれが生じてしまう。そのため、このときの総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴの差も、メインフィードバック制御での空燃比の定常偏差を正確に表す値とならなくなる。

そこで本実施形態では、基準リーン判定値ＤＬ０よりも理論空燃比λＳＴに近い空燃比がリーン判定値ＤＬの値として設定されているときには、乖離量ΔＤＬに応じて補正した総リーン投入量ＬＴの値を用いて空燃比サブ学習値の更新量を求めている。そのため、リーン判定値の値に拘らず、空燃比の定常偏差に応じた適切な値を更新量として設定することが、ひいては空燃比サブ学習値として適切な値を学習することが可能となる。

また、乖離量ΔＤＬがある程度よりも大きい場合やエンジン１０が過渡の運転状態にあって空燃比が乱れやすい状況にある場合には、総リッチ投入量ＲＴ及び総リーン投入量ＬＴからメインフィードバック制御の空燃比の定常偏差を正確に求められなくなる。そのため、本実施形態では、乖離量ΔＤＬが判定値βを超える場合やエンジン１０が過渡の運転状態にある場合には、これらの場合には、更新量をゼロとして、空燃比サブ学習値の更新を行わないようにしている。

１０…エンジン、１１…燃焼室、１２…吸気通路、１３…排気通路、１４…エアフローメータ、１５…スロットルバルブ、１６…燃料噴射弁、１７…点火プラグ、１８…（前段側の）三元触媒装置、１９…（後段側の）三元触媒装置、２０…触媒上流空燃比センサ、２１…触媒下流空燃比センサ、２２…電子制御ユニット（空燃比制御装置）。

Claims (1)

1. 排気通路に設置された酸素吸蔵機能付きの三元触媒装置と、前記排気通路における前記三元触媒装置よりも上流側の部分に設置された触媒上流空燃比センサと、前記排気通路における前記三元触媒装置よりも下流側の部分に設置された触媒下流空燃比センサと、を備えるエンジンの燃焼室で燃焼する混合気の空燃比を制御する空燃比制御装置であって、
   理論空燃比よりもリーンな空燃比を目標空燃比に設定して前記触媒上流空燃比センサによる空燃比検出値と前記目標空燃比との偏差がゼロに近づくように空燃比制御を行っているときに、理論空燃比よりもリーンな空燃比が値として設定されたリーン判定値よりも前記触媒下流空燃比センサの空燃比検出値がリーンな値となった場合、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に切り替え、
   且つ、前記エンジンの吸入空気量が多いときには、同吸入空気量が少ないときよりも理論空燃比に近い値となるように前記リーン判定値の値を前記吸入空気量に応じて変更する
   空燃比制御装置。

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