JP4312668B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、たとえば車両に搭載される内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、三元触媒の劣化時においても、ＮＯｘの浄化率を高い状態に維持することのできる技術に関するものである。

従来の内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられ排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に浄化する三元触媒（以下、単に「触媒」という）と、触媒の上流側の第１の空燃比を検出する第１の空燃比センサと、触媒の下流側の第２の空燃比を検出する第２の空燃比センサと、空燃比を制御するコントローラとを備え、第１の空燃比および吸入空気量から触媒の酸素ストレージ量を算出し、酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量に一致するように、内燃機関の空燃比を制御している（たとえば、特許文献１参照）。

次に、上記従来装置の動作について説明する。
周知のように、触媒は、理論空燃比の付近において高い浄化性能を発揮するが、理論空燃比から動作点が逸脱すると浄化効率が低下するので、一時的な空燃比のずれに対応するために、触媒には酸素ストレージ能力が設けられている。

上記酸素ストレージ能力によれば、触媒は、理論空燃比よりもリーン側では排気中の酸素を取り込み、酸素ストレージ量が飽和するまでは、触媒雰囲気を理論空燃比に維持することができる。
また、理論空燃比よりもリッチ側では、触媒が保持している酸素が放出され、酸素ストレージ量が消費されるまでは、触媒雰囲気を理論空燃比に維持することができる。

コントローラは、第１の空燃比から換算して求めた酸素過剰率と、その時点での吸入空気量とから、触媒に吸収または放出される酸素量を積算して求め、酸素ストレージ量を目標酸素ストレージ量に制御することにより、触媒雰囲気を理論空燃比に保っている。
また、第１の空燃比センサは、高い排気温度にさらされることから、検出信号の出力変動が発生するので、この変動を補正するために、コントローラは、第２の空燃比センサを用いて理論空燃比との誤差を補正し、触媒下流の空燃比を理論空燃比に保っている。

ここで、触媒の新品時および劣化時における、ＨＣおよびＮＯｘに対する浄化特性について説明する。
たとえば、触媒が新品の場合、ＨＣ浄化率は、第２の空燃比センサの検出空燃比に対して、理論空燃比付近で最大となり、リッチ側またはリーン側に離れるにしたがって低下するものの、低下幅は小さくほぼフラットな特性である。
一方、ＮＯｘ浄化率は、理論空燃比付近で最大となり、リッチ側では緩やかに低下するが、リーン側では急激に低下する特性を有する。

また、触媒の劣化が進行した場合、ＨＣ浄化率は、触媒の新品時よりも低下するものの、理論空燃比付近では高い浄化率を保っている。
一方、ＮＯｘ浄化率は、所定値（理論空燃比よりもリッチ側）の付近を逸脱した空燃比での低下度合いが大きく、理論空燃比付近であっても著しく低下する。

また、触媒の劣化の進行度合いに応じたＮＯｘ浄化特性を考慮すれば、劣化度合いが大きくなるにつれて、上記所定値付近を逸脱した空燃比での浄化率の低下度合いがさらに大きくなり、理論空燃比付近であっても浄化率が大幅に低下していく。

この結果、理論空燃比において、触媒の新品時には、ほぼ最大のＮＯｘ浄化率を維持することができるが、触媒の劣化の進行とともに、ＮＯｘ浄化率が大幅に低下していくことが分かる。

つまり、触媒は、新品時には、理論空燃比付近でＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化率が高くなるように設計されているが、実使用条件下では、種々の要因により触媒の劣化が進行して浄化能力が低下していく。
たとえば、熱劣化要因として高温の排気熱があり、触媒内の白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属の粒子構造が高温によって徐々に変形するので、貴金属の浄化能力が低下する。

また、被毒劣化要因として燃料中に含まれる鉛、硫黄および燐などがあり、これら成分が貴金属に吸着して被毒していくので、貴金属の浄化能力が低下する。
すなわち、従来装置の場合、触媒を理論空燃比に制御しているので、触媒の新品時には浄化率を高く保つことができるが、触媒の劣化が進行した場合には、初期の浄化性能を維持することができなくなる。

特開２００１−２３４７８９号公報

従来の内燃機関の空燃比制御装置では、触媒の下流側の空燃比を理論空燃比に制御しているので、触媒の新品時には、ＨＣおよびＮＯｘのいずれに対しても高い浄化率を維持することができるが、触媒の劣化時には、ＨＣに対しては高い浄化率が維持されるものの、ＮＯｘ浄化率が大幅に低下するという課題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、触媒の劣化時においても、ＮＯｘの浄化率を高く維持することのできる内燃機関の空燃比制御装置を得ることを目的とする。

この発明による内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関の排気系に設けられて排気ガス中の有害物質を除去する触媒と、触媒の上流側における排気ガスの第１の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度センサと、触媒の下流側における排気ガスの第２の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度センサと、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、内燃機関に燃料を供給するインジェクタと、インジェクタから内燃機関への供給燃料を調節するインジェクタ駆動手段と、第１の酸素濃度センサの検出信号に対応した第１の空燃比が第１の目標空燃比と一致するように、インジェクタ駆動手段を制御する第１の空燃比制御手段と、第２の酸素濃度センサの検出信号に対応した第２の空燃比が第２の目標空燃比と一致するように、第１の目標空燃比を設定する第２の空燃比制御手段と、第２の目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、を備え、目標空燃比設定手段は、内燃機関の排気系の空燃比に対する触媒のＮＯｘ浄化率特性に基づく第１の所定値を格納しており、運転状態の変化に関わらず、第２の目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチ側であって且つ触媒の劣化時においてＮＯｘ浄化率が最大となる第１の所定値に設定する内燃機関の空燃比制御装置において、運転状態に応じて第２の目標空燃比を補正する目標空燃比補正手段をさらに備え、目標空燃比補正手段は、理論空燃比よりもリッチ側であって且つ触媒の劣化時においてＮＯｘ浄化率が最大となるように、第２の目標空燃比を補正するものである。

この発明によれば、触媒の劣化時においても、ＮＯｘの浄化率を高い状態に維持することができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る内燃機関の空燃比制御装置を示すブロック構成図である。

図１において、内燃機関を構成するエンジン１の排気管２には、排気ガス中の有害物質を除去するための触媒３が設けられている。
エンジン１の吸気管には、エンジン１に燃料を供給するためのインジェクタ１１が設けられている。

触媒３の上流側には、第１の酸素濃度センサとして、リニア酸素濃度センサ（以下、単に「酸素濃度センサ」という）４が設けられている。
酸素濃度センサ４は、触媒３の上流側における排気ガスの第１の酸素濃度を検出し、第１の空燃比ＡＦ１に対応した検出信号を出力する。

また、触媒３の下流側には、第２の酸素濃度センサ（以下、単に「酸素濃度センサ」という）５が設けられている。
酸素濃度センサ４は、触媒３の下流側における排気ガスの第２の酸素濃度を検出し、第２の空燃比ＡＦ２に対応した検出信号を出力する。

酸素濃度センサ４および酸素濃度センサ５の各検出信号は、コントローラ６に入力されている。
また、エンジン１には、エンジン１の運転状態を検出する各種センサ１２が設けられており、各種センサ１２の検出信号はコントローラ６に入力されている。

コントローラ６は、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースなどにより構成され、第１および第２の空燃比ＡＦ１、ＡＦ２に対応する各検出信号と、各種センサ１２からの検出信号（運転状態）に基づいて、インジェクタ１１に対する駆動制御信号を生成し、エンジン１に供給される燃料の空燃比を制御するようになっている。

コントローラ６は、インジェクタ１１に対する駆動制御信号を生成するインジェクタ駆動手段７と、インジェクタ駆動手段７に対する燃料補正係数Ｋｃを生成する第１の空燃比制御手段８と、第１の空燃比制御手段８に対する第１の目標空燃比ＡＦｏ１を設定する第２の空燃比制御手段９と、第２の空燃比制御手段９に対する第２の目標空燃比ＡＦｏ２を設定する目標空燃比設定手段１０とを備えている。

インジェクタ駆動手段７は、燃料補正係数Ｋｃに応じてインジェクタ１１を駆動し、エンジン１への供給燃料を調節する。
第１の空燃比制御手段８は、酸素濃度センサ４の検出信号に対応した第１の空燃比ＡＦ１が第１の目標空燃比ＡＦｏ１と一致するように、燃料補正係数Ｋｃを生成して、インジェクタ駆動手段７を制御する。

第２の空燃比制御手段９は、酸素濃度センサ５の検出信号に対応した第２の空燃比ＡＦ２が第２の目標空燃比ＡＦｏ２と一致するように、第１の目標空燃比ＡＦｏ１を設定する。

目標空燃比設定手段１０は、エンジン１の排気系の空燃比に対する触媒３のＮＯｘ浄化率特性に基づく第１の所定値を格納しており、第２の目標空燃比ＡＦｏ２を、理論空燃比（＝１４．７）よりもリッチ側であって且つ触媒３の劣化時においてもＮＯｘ浄化率が最大となる第１の所定値に設定するようになっている。

具体的には、目標空燃比設定手段１０は、酸素濃度センサ５の検出信号（出力電圧）と比較される基準電圧値として、触媒３のＮＯｘ浄化率を最大にするような電圧値を、第２の目標空燃比ＡＦｏ２として設定する。

第２の空燃比制御手段９は、減算器９１およびＰＩ制御器９２を備えている。
減算器９１は、第２の空燃比ＡＦ２を示す酸素濃度センサ５の検出信号と、第２の目標空燃比ＡＦｏ２とを比較して、両者の空燃比偏差（＝ＡＦｏ２−ＡＦ２）を算出する。
ＰＩ制御器９２は、減算器９１で算出された第２の空燃比偏差をＰＩ制御して、第１の目標空燃比ＡＦｏ１を算出する。

また、第１の空燃比制御手段８は、減算器８１およびＰＩＤ制御器８２を備えている。
減算器８１は、第１の空燃比ＡＦ１を示す酸素濃度センサ１の検出信号と、第１の目標空燃比ＡＦｏ１とを比較して、両者の空燃比偏差（＝ＡＦｏ１−ＡＦ１）を算出する。
ＰＩＤ制御器８２は、減算器８１で算出された第１の空燃比偏差をＰＩＤ制御して、燃料補正係数Ｋｃを算出する。

図２は触媒３の下流側の酸素濃度センサ５（λ型センサ）の出力電圧［Ｖ］の特性を示す説明図である。
図２において、酸素濃度センサ５の出力電圧は、センサ雰囲気の空燃比の変化に対し、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）の付近において急変するような２値的な特性を有する。
すなわち、酸素濃度センサ５の出力電圧は、空燃比のリッチ側では約０．８Ｖを示し、空燃比のリーン側では約０．１Ｖを示す。

図３は触媒３の上流側の酸素濃度センサ４（リニア型センサ）の出力電圧［Ｖ］の特性を示す説明図である。
図３において、酸素濃度センサ４の出力電圧は、センサ雰囲気の空燃比の変化に対してリニアな特性を有する。
すなわち、酸素濃度センサ４の出力電圧は、理論空燃比において２．５Ｖを示し、空燃比の最小値（リッチ）側では約０．５Ｖを示し、空燃比の最大値（リーン）側では約３．５Ｖを示す。

図４は触媒３によるＨＣおよびＮＯｘに対する浄化率［％］の特性を示す説明図であり、横軸は触媒３の下流側の空燃比を示し、縦軸は下流側の空燃比に対応する触媒３の浄化率を示している。
図４において、実線は触媒３の新品時の特性曲線を示し、破線は触媒３の劣化時の特性曲線を示している。
図４から明らかなように、触媒３の浄化率は、触媒３の劣化時に低下するが、ＮＯｘに対する浄化率は、触媒３の状態にかかわらず、空燃比のリーン側において急減する。

図５は触媒３の劣化度合いに応じたＮＯｘ浄化率特性の変化を示す説明図である。
図５において、実線は触媒３の新品時の特性曲線、一点鎖線は触媒３の劣化度合いが小さい場合の特性曲線、破線は触媒３の劣化度合いが中程度の場合の特性曲線、点線は触媒３の劣化度合いが大きい場合の特性曲線、をそれぞれ示している。
図５から明らかなように、触媒３の浄化率は、触媒３の劣化進行とともに低下する。

図６は触媒３が劣化した場合の車両走行時の車速変化に対するＨＣおよびＮＯｘの排出量を示す説明図であり、劣化触媒を用いて試験パターン走行したときの実排出量の挙動を示している。
図６において、横軸は経過時間ｔであり、縦軸は、車速（車両の走行速度）、ＮＯｘ排出量（積算量）、ＨＣ排出量（積算量）を、それぞれ示している。また、ＮＯｘ排出量およびＨＣ排出量において、破線は従来装置の場合の各排出量を示している。

次に、図２〜図６を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による基本的な空燃比制御動作について説明する。
エンジン１の運転時において、触媒３の下流側の酸素濃度センサ５は、理論空燃比の付近で急変する出力特性（図２参照）の検出信号（第２の空燃比ＡＦ２）をコントローラ６内に入力する。

コントローラ６内において、酸素濃度センサ５からの検出信号（第２の空燃比ＡＦ２）は、第２の空燃比制御手段９の減算器９１の反転入力端子（−）に印加される。
また、コントローラ６内の目標空燃比設定手段１０は、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対応する基準電圧値を生成し、これを減算器９１の非反転入力端子（＋）に印加する。

このとき、目標空燃比設定手段１０からの基準電圧値（第２の目標空燃比ＡＦｏ２）は、酸素濃度センサ５の所定出力電圧値に対応するように設定される。
すなわち、基準電圧値は、理論空燃比（ＮＯｘに対する浄化率がほぼ最大となる）よりもリッチ側の所定空燃比（図４内の点線参照）に対応した出力電圧値（図２参照）に設定される。
なお、基準電圧値は、触媒３の劣化時（図４内の破線参照）においても、第２の目標空燃比ＡＦｏ２として、減算器９１に入力される。

ここで、図４を参照しながら、触媒３が新品の場合の浄化率特性（実線参照）について説明する。
図４において、ＨＣに対する浄化率は、理論空燃比の付近で高くなり、理論空燃比よりもリッチ側またはリーン側に離れるにしたがってゆるやかに低下し、リーン側およびリッチ側での浄化率の低下幅は、大差がなくフラットな特性である。
一方、ＮＯｘに対する浄化率は、理論空燃比の付近で高くなり、リッチ側では緩やかに低下し、リーン側では急激に低下する。

次に、触媒３の劣化が進行した場合の浄化率特性（破線参照）について説明する。
この場合、ＨＣに対する浄化率は、新品時に比べて相対的に低下しているものの、理論空燃比の付近では依然として高い状態を保っている。

一方、ＮＯｘに対する浄化率は、理論空燃比よりもリッチ側の所定の設定値（点線参照）付近以外の空燃比において低下の度合いが大きく、理論空燃比の付近では著しく低下する。
ただし、リッチ側の設定値（点線参照）付近では、触媒の新品時または劣化度合いに関わらず、ほぼ最大のＮＯｘ浄化率が保持される。

また、図５に示すように、ＮＯｘに対する浄化率は、触媒３の劣化度合いが大きくなるにつれ、理論空燃比よりもリッチ側の設定値（点線参照）付近以外の空燃比での浄化率の低下度合いが大きくなり、理論空燃比の付近であっても浄化率が大幅に低下していくことが分かる。

つまり、理論空燃比におけるＮＯｘに対する浄化率は、触媒３の新品時にほぼ最大の状態であるが、触媒３の劣化進行とともに大幅に低下していくことが分かる。
一方、理論空燃比よりリッチ側の設定値（図４、図５内の点線参照）付近においては、触媒３の新品時または劣化度合いに関わらず、ほぼ最大のＮＯｘ浄化率を維持可能なことが分かる。

第２の空燃比制御手段９内において、減算器９１は、第２の目標空燃比ＡＦｏ２と第２の空燃比ＡＦ２との偏差（＝ＡＦｏ２−ＡＦ２）を演算し、これを第２の空燃比偏差としてＰＩ制御器９２に入力する。

ＰＩ制御器９２は、第２の空燃比偏差に応じて比例（Ｐ）演算および積分（Ｉ）演算を実行し、第２の空燃比偏差を相殺するように作用する基準電圧値を設定し、これを第１の目標空燃比ＡＦｏ１として、第１の空燃比制御手段８内の減算器８１の非反転入力端子（＋）に印加する。

第１の空燃比制御手段８において、減算器８１の反転入力端子（−）には、触媒３の上流側の酸素濃度センサ４からの検出信号（第１の空燃比ＡＦ１）が印加されている。
減算器８１は、第１の目標空燃比ＡＦｏ１と第１の空燃比ＡＦ１との偏差（＝ＡＦｏ１−ＡＦ１）を演算し、これを第１の空燃比偏差としてＰＩＤ制御器８２に入力する。

ＰＩＤ制御器８２は、第１の空燃比偏差に応じて、比例（Ｐ）演算、積分（Ｉ）演算および微分（Ｄ）演算を実行し、第１の空燃比偏差を相殺するように作用する燃料補正係数Ｋｃを設定し、これをインジェクタ駆動手段７に入力する。

インジェクタ駆動手段７は、燃料補正係数Ｋｃに応じてエンジン１に供給する目標燃料量を設定し、目標燃料量に対応した駆動制御信号によりインジェクタ１１を駆動する。
これにより、エンジン１に供給される燃料の空燃比は、ＮＯｘに対する触媒３の浄化率が最大となるように制御される。

すなわち、コントローラ６において、第２の目標空燃比ＡＦｏ２と第２の空燃比ＡＦ２との偏差がなくなるように第１の目標空燃比ＡＦｏ１が調整され、第１の目標空燃比ＡＦｏ１と第１の空燃比ＡＦ１との偏差がなくなるように燃料供給量が調節されるので、最終的に、触媒３の下流側の第２の空燃比ＡＦ２は、第２の目標空燃比ＡＦｏ２と一致するように制御される。
このとき、第２の目標空燃比ＡＦｏ２は、理論空燃比よりもリッチ側の所定値（図４、図５内の点線参照）に設定されているので、第２の空燃比ＡＦ２は、リッチ側の設定値に制御される。

次に、図６を参照しながら、触媒３が劣化した場合のＮＯｘ排出量の挙動について説明する。
たとえば前述の従来装置の場合、触媒３の下流側の空燃比が理論空燃比の付近に制御されているので、触媒３の劣化時での理論空燃比の付近のＮＯｘ浄化性能（図４内の破線参照）が大幅に低下し、ＮＯｘ排出量は、図６内の破線で示すように推移する。

一方、この発明の実施の形態１によれば、第２の目標空燃比ＡＦｏ２がリッチ側の所定値に設定されており、リッチ側の設定値（図４、図５内の点線参照）においてはＮＯｘの浄化性能（図４の破線参照）が高い状態に維持されるので、ＮＯｘ排出量（図６内の実線参照）を、従来装置の場合（破線参照）に比べて、約３分の１に大幅に低減させることができる。

次に、図６を参照しながら、ＨＣ排出量の挙動について説明する。
図４に示すように、ＨＣ浄化性能は、理論空燃比の付近で高い状態を維持するので、空燃比を理論空燃比の付近に制御する従来装置において、ＨＣ排出量は、図６内の破線で示すように推移する。

一方、この発明の実施の形態１によるＨＣの浄化性能は、触媒３の下流側の空燃比をリッチ側の設定値（図４、図５内の点線参照）に制御することから、図６の実線で示すように、従来装置の場合（破線参照）と比べて若干低下する。
ただし、図４に示すように、ＨＣに対する浄化率特性の変化は小さいので、図６のように、ＨＣ排出量の悪化は極少に抑制されている。

このように、触媒３の上流側および下流側に設けられた酸素濃度センサ４、５と、エンジン１に燃料を供給して空燃比を調節するインジェクタ１１およびインジェクタ駆動手段７と、酸素濃度センサ４からの第１の空燃比ＡＦ１が第１の目標空燃比ＡＦｏ１と一致するように空燃比を制御する第１の空燃比制御手段８と、酸素濃度センサ５からの第２の空燃比ＡＦ２が第２の目標空燃比ＡＦｏ２と一致するように空燃比を制御する第２の空燃比制御手段９と、第２の目標空燃比ＡＦｏ２を設定する目標空燃比設定手段１０とを備え、第２（触媒３の下流側）の目標空燃比ＡＦｏ２を理論空燃比よりもリッチ側の所定値（触媒３のＮＯｘ浄化率が触媒３の劣化時にほぼ最大となる空燃比）に設定することにより、触媒３の劣化時におけるＨＣ排出量の悪化を極少に抑制しつつ、ＮＯｘ排出量を大幅に低減させることができる。

図１では、目標空燃比設定手段１０から生成される第２の目標空燃比ＡＦｏ２をそのまま第２の空燃比制御手段９に入力したが、図７に示すように、酸素濃度センサ５の検出信号（第２の空燃比ＡＦ２）の温度特性を補償した値を、補正後の目標空燃比ＡＦｏ２’として第２の空燃比制御手段９に入力してもよい。

図７はこの発明に関連した参考例１に係る内燃機関の空燃比制御装置を示すブロック構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。

図７において、各種センサ１２は、触媒３の下流側の酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５を検出する温度センサを含み、温度センサにより検出される素子温度Ｔ５は、他の運転状態情報とともにコントローラ６Ａに入力されている。

コントローラ６Ａは、補正後の目標空燃比ＡＦｏ２’を生成するための目標値補正手段として、酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５に応じて第２の目標空燃比ＡＦｏ２の補正値Ｃｏを設定する補正値設定手段１０１と、補正値Ｃｏを用いて第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正する演算器１０２とを備えている。

各種センサ１２からの素子温度Ｔ５は、コントローラ６Ａ内の補正値設定手段１０１に入力される。
補正値設定手段１０１は、酸素濃度センサ５の温度特性（出力電圧と素子温度Ｔ５とを対応付けた特性）に基づく第２の所定値をあらかじめ格納しており、第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正するための補正値Ｃｏを、酸素濃度センサ５の検出信号（出力電圧）の温度変化を相殺する第２の所定値に設定して生成する。

演算器１０２は、目標空燃比設定手段１０からの第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対して、補正値Ｃｏを加算、減算または乗算し、酸素濃度センサ５の温度特性を補償した補正後の目標空燃比ＡＦｏ２’を第２の空燃比制御手段９に入力する。

この結果、目標空燃比設定手段１０からの第２の目標空燃比ＡＦｏ２は、目標値補正手段１０１、１０２において、酸素濃度センサ５の出力電圧の温度特性を反映した補正後の目標空燃比ＡＦｏ２’に変換されることになる。

図８はλ型（理論空燃比で出力電圧が急反転する特性）の酸素濃度センサ５の空燃比に対する出力電圧の温度特性を示す説明図であり、各素子温度Ｔ５（４００℃〜８００℃）に対応した特性曲線をそれぞれ示している。
図８において、横軸は触媒３の下流側の空燃比、縦軸は酸素濃度センサ５の出力電圧である。

図９は図８の出力電圧特性を素子温度Ｔ５に関して整理した説明図であり、図９において、横軸は酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５［℃］、縦軸はリッチ側の所定空燃比（最大のＮＯｘ浄化率に対応）における酸素濃度センサ５の出力電圧［Ｖ］を示している。
図９から明らかなように、酸素濃度センサ５の出力電圧は、素子温度Ｔ５の上昇にともなって低下する。

図１０は図９の温度特性に基づいて設定される補正値Ｃｏを示す説明図であり、横軸は素子温度Ｔ５、縦軸は補正値Ｃｏを示している。

図１０において、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対する補正値Ｃｏは、素子温度Ｔ５に応じた乗算補正値として設定され、素子温度Ｔ５の上昇（酸素濃度センサ５の出力電圧の減少）に応じて減少設定される。

次に、図８〜図１０を参照しながら、図７に示した参考例１による空燃比制御動作について説明する。
図８に示すように、素子温度Ｔ５に対する酸素濃度センサ５の出力電圧特性は、理論空燃比の付近ではほぼ同一特性を示すが、理論空燃比から逸脱した領域では、素子温度Ｔ５の上昇にともなって低下方向に変化する。

したがって、仮に、第２の目標空燃比ＡＦｏ２を理論空燃比の付近に設定すれば、素子温度Ｔ５が変化しても同一のセンサ出力特性が得られるので、触媒３の下流側の空燃比を目標値に制御することは容易である。
しかしながら、この発明においては、第２の目標空燃比ＡＦｏ２をリッチ側の所定値に設定していることから、同一空燃比であっても素子温度Ｔ５の変化によって酸素濃度センサ５の出力特性が変化するので（図８参照）、そのままでは、触媒３の下流側の空燃比を正確に一定値に制御することができない。

そこで、参考例１においては、コントローラ６Ａ内の目標値補正手段１０１、１０２により、以下のように温度補償処理が施される。
すなわち、補正値設定手段１０１は、素子温度Ｔ５に対する酸素濃度センサ５の出力電圧の特性（図９参照）に鑑み、素子温度Ｔ５に応じた補正値Ｃｏ（図１０参照）を求め、演算器１０２は、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対して補正値Ｃｏを乗算して、温度特性を相殺した補正後の目標空燃比ＡＦｏ２’を算出し、これを第２の空燃比制御手段９に入力する。

なお、ここでは、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対して、「１．０」を中心値とする補正値Ｃｏを乗算して、補正後の目標空燃比ＡＦｏ２を求めたが、補正値を加減算してもよく、素子温度Ｔ５に応じたテーブルデータから補正後の目標空燃比ＡＦｏ２を直接求めてもよい。

また、触媒３の下流側の酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５を取得するために、酸素濃度センサ５に（または、酸素濃度センサ５の周辺に）温度センサを設け、実際の温度計測値を素子温度Ｔ５として直接用い、素子温度Ｔ５に応じた補正値Ｃｏを設定したが、補正値設定手段１０１において、吸入空気量と素子温度Ｔ５［℃］との関係を用いて補正値Ｃｏを設定してもよい。

図１１は吸入空気量と素子温度Ｔ５との関係を示す説明図であり、あらかじめ実験的に求められた吸入空気量［ｇ／ｓｅｃ］と素子温度Ｔ５［℃］との相関性を示している。
以下、コントローラ６Ａ内の補正値設定手段１０１において、各種センサ１２から得られる吸入空気量を用いて素子温度Ｔ５を算出する場合の一例について説明する。

各種センサ１２は、通常、エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローセンサを有しており、コントローラ６Ａには、吸入空気量を示す情報が入力されている。
ここで、エンジン１の空燃比が所定値に制御されることから、吸入空気量と燃料噴射量とは、互いに比例関係にある。

また、排気ガス温度は、燃料噴射量の増大に比例して増大するので、素子温度Ｔ５は、燃料噴射量（吸入空気量）に比例して上昇する。
したがって、図１１のように、素子温度Ｔ５は、吸入空気量に対して比例関係を示すことになる。

この場合、コントローラ６Ａは、図１１の特性を用いて、吸入空気量に応じた素子温度Ｔ５を推定演算する。
以下、前述と同様に、図１０の特性を用いて、素子温度Ｔ５に応じた補正値Ｃｏを演算し、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対して補正演算を行う。

このように、参考例１によれば、λ型の酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５が変化しても、精度良く触媒３の下流側の空燃比を制御することができるので、排気ガスの浄化率を高く維持することができる。

上記参考例１では、酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５に応じて第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正したが、エンジン１の運転状態に応じて第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正することが望ましい。

以下、運転状態に応じて第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正するように構成したこの発明の実施の形態１について説明する。
この場合、コントローラ６Ａの構成は、図７に示したものと同様であり、コントローラ６Ａ内の補正値設定手段１０１（図７参照）は、各種センサ１２から得られるエンジン１の運転状態（回転数、充填効率など）に応じて、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対する補正値Ｃｏを設定する。

図７において、補正値設定手段１０１および演算器１０２からなる目標空燃比補正手段は、たとえば、運転状態に応じて第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正するようになっている。
前述の参考例１との相違点は、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対する補正値Ｃｏの設定方法のみである。

図１２は劣化後の触媒３のＮＯｘ浄化率特性を示す説明図であり、異なる運転条件、すなわち、低回転数且つ低充填効率の低負荷運転状態（実線参照）、中回転数且つ中充填効率の中負荷運転状態（破線参照）、高回転数且つ高充填効率の高負荷運転状態（点線参照）の各特性曲線を示している。

図１２から明らかなように、ＮＯｘ浄化率が最大となる空燃比の値は、運転状態によって変化するので、第２の目標空燃比ＡＦｏ２を運転状態に応じて補正することにより、触媒３のＮＯｘ浄化率が常に最大となるように、触媒３の下流側の空燃比を制御することができる。

図１３はこの発明の実施の形態１により設定される補正値Ｃｏを示す説明図である。
図１３において、横軸は回転数［ｒｐｍ］、縦軸は充填効率［％］であり、補正値Ｃｏは、運転状態に応じた区切り毎のマップデータにより設定される。
図１３に示すように、補正値Ｃｏは、回転数または充填効率の上昇によって高負荷運転状態になるにつれて、ＮＯｘ浄化率の特性（図１２参照）に合わせて、「１．００」よりも大きい値に設定される。

次に、図７とともに、図１２および図１３を参照しながら、この発明の実施の形態１による補正値Ｃｏの設定動作について説明する。
周知のように、触媒３の浄化性能を左右する代表的な影響因子としては、排気ガス流量、排気ガス成分濃度および温度があげられる。

また、触媒３の貴金属担持量は、排気ガス流量の最大値、排気ガス成分の最大濃度、および、最大の触媒温度においても、浄化性能を維持できる値に定められている。
したがって、排気ガス流量が最大値よりも小さい場合には、触媒３の反応量が排気ガス最大流量時よりも低下し、これに応じて触媒３の反応熱も低下するので、触媒３の浄化性能に差異が生じることになる。

また、排気ガス成分が高濃度の場合の反応量と低濃度の場合の反応量とが互いに異なるので、排気ガス成分の濃度は触媒３の温度に影響を与えるとともに、触媒３の温度は触媒３の反応に影響を与える。
この結果、エンジン１の運転状態が変化すると、触媒３の浄化性能に対する影響因子が変化するので、触媒３の浄化率が変化する。

そこで、エンジン１の運転状態を示すパラメータとして、エンジン回転数と、エンジン１の負荷に対応する充填効率とを用い、各運転条件での劣化後の触媒３のＮＯｘ浄化率特性（図１２参照）の変化を相殺するように、第２の目標空燃比ＡＦｏ２を補正する。

コントローラ６Ａ内の補正値設定手段１０１は、エンジン１の回転数および充填効率を示す情報を各種センサ１２から取り込み、ＮＯｘ浄化率のほぼ最大値に対応した空燃比となるように、回転数および充填効率の情報に応じて、各区切り毎に補正値Ｃｏ（図１３参照）を読み出して設定する。

以下、演算器１０２は、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対して、補正値Ｃｏを用いた補正演算（この場合、補正値Ｃｏの乗算）を実行する。
これにより、補正後の目標空燃比ＡＦｏ２’は、エンジン１の運転条件に応じて補正され、運転状態が変化した場合においても、排気ガスのＮＯｘ浄化率を高い状態に維持することができる。

なお、図１３の補正例は、単なる一例に過ぎず、他の異なる運転条件に応じて任意の補正演算を実行することができ、同様の作用効果を奏し得ることは言うまでもない。

上記実施の形態１では、第２の目標空燃比ＡＦｏ２の具体的な設定値について言及しなかったが、酸素濃度センサ５の出力電圧の最高頻度に対応した０．７５Ｖ付近の電圧値に設定してもよい。

以下、素子温度Ｔ５の発生頻度に基づいて、第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対応した基準電圧値を０．７５Ｖ付近に設定した参考例２について説明する。
この場合、コントローラ６の構成は、図１に示したものと同様であり、コントローラ６内の目標空燃比設定手段１０から生成される第２の目標空燃比ＡＦｏ２の電圧値が具体化されたことのみが前述と異なる。

すなわち、目標空燃比設定手段１０は、理論空燃比よりもリッチ側に相当する第２の目標空燃比ＡＦｏ２に対応した基準電圧値（λ型の酸素濃度センサ５の出力電圧に対応）として、触媒の劣化時におけるＮＯｘ浄化率が６００℃において最大となるように、０．７５Ｖ付近の電圧値を出力する。

次に、図１４および図１５の説明図を参照しながら、参考例２による第２の目標空燃比ＡＦｏ２の設定動作について説明する。
図１４は車両走行時におけるλ型の酸素濃度センサ５の素子温度Ｔ５［℃］の頻度分布を示す説明図であり、試験パターンを走行したときの各素子温度Ｔ５（２００℃〜９００℃）の頻度分布を示している。

図１４において、頻度分布が高くなる素子温度Ｔ５は、６００℃付近となっている。
また、図１４の頻度分布の作成時に用いた試験パターンは、市場での代表的な走行パターンを模擬しており、実使用においてもほぼ同様の結果となることが分かっている。

図１５はλ型の酸素濃度センサ５の出力電圧特性を示す説明図であり、素子温度Ｔ５が６００℃（車両走行時の最高頻度となる温度）の条件下における特性曲線を示している。
図１５から明らかなように、高いＮＯｘ浄化率に対応した目標空燃比ＡＦｏ２（リッチ側の設定値）において、λ型の酸素濃度センサ５の出力電圧は、約０．７５Ｖを示している。

したがって、第２の目標空燃比ＡＦｏ２の設定値として０．７５Ｖ付近の値を用いることにより、エンジン１の運転時に最も発生頻度の高い素子温度Ｔ５（＝６００℃）で触媒３のＮＯｘ浄化率が最高となるように空燃比を制御することができ、特別な補正手段を用いなくても、空燃比の制御性能を十分に向上させることができる。
なお、０．７５Ｖ付近の基準電圧値に対して、目標値補正手段１０１、１０２（図７参照）を用いてもよい。

また、上記実施の形態１では、触媒３の上流側の酸素濃度センサ４として、空燃比変化に対してリニアな出力特性（図３参照）を示すリニア型センサを用い、触媒３の下流側の酸素濃度センサ５として、空燃比変化に対して２値的な出力特性（図２参照）を示すλ型センサを用いたが、酸素濃度センサ４、５として、リニア型センサまたはλ型センサのいずれを用いてもよく、いずれの場合も前述と同様の作用効果を奏する。

また、第１の空燃比制御手段８において、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）および微分（Ｄ）演算を行うＰＩＤ制御器８２を用い、第２の空燃比制御手段９において、比例（Ｐ）および積分（Ｉ）演算を行うＰＩ制御器９２を用いたが、比例、積分または微分演算を、単独に用いても、任意の組み合わせで用いてもよく、いずれの場合も同様の作用効果を奏することは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の空燃比制御装置を示すブロック構成図である。 触媒の下流側の酸素濃度センサ（λ型センサ）の出力電圧特性を示す説明図である。 触媒の上流側の酸素濃度センサ（リニア型センサ）の出力電圧特性を示す説明図である。 触媒によるＨＣおよびＮＯｘに対する浄化率特性を示す説明図である。 触媒の劣化度合いに応じたＮＯｘ浄化率特性の変化を示す説明図である。 触媒劣化時の車両走行時の車速変化に対するＨＣおよびＮＯｘの排出量を示す説明図である。 この発明に関連した参考例１に係る内燃機関の空燃比制御装置を示すブロック構成図である。 λ型の酸素濃度センサの空燃比に対する出力電圧の温度特性を示す説明図である。 図８の出力電圧特性を素子温度に関して整理して示す説明図である。 図９の温度特性に基づいて設定される補正値を示す説明図である。 吸入空気量と素子温度との関係を示す説明図である。 異なる運転状態における劣化後の触媒のＮＯｘ浄化率特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１により運転状態に応じて設定される補正値を示す説明図である。 車両走行時におけるλ型の酸素濃度センサの素子温度の頻度分布を示す説明図である。 ６００℃の素子温度におけるλ型の酸素濃度センサの出力電圧特性を示す説明図である。

符号の説明

１ エンジン、２ 排気管、３ 触媒、４ 第１の酸素濃度センサ、５ 第２の酸素濃度センサ、６、６Ａ コントローラ、７ インジェクタ駆動手段、８ 第１の空燃比制御手段、９ 第２の空燃比制御手段、１０ 目標空燃比設定手段、１１ インジェクタ、１２ 各種センサ、１０１ 補正値設定手段、１０２ 演算器、ＡＦ１ 第１の空燃比、ＡＦ２ 第２の空燃比、ＡＦｏ１ 第１の目標空燃比、ＡＦｏ２ 第２の目標空燃比、ＡＦｏ２’ 補正後の目標空燃比、Ｃｏ 補正値、Ｔ５ 素子温度。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気系に設けられて排気ガス中の有害物質を除去する触媒と、
   前記触媒の上流側における前記排気ガスの第１の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度センサと、
   前記触媒の下流側における前記排気ガスの第２の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度センサと、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記内燃機関に燃料を供給するインジェクタと、
   前記インジェクタから前記内燃機関への供給燃料を調節するインジェクタ駆動手段と、
   前記第１の酸素濃度センサの検出信号に対応した第１の空燃比が第１の目標空燃比と一致するように、前記インジェクタ駆動手段を制御する第１の空燃比制御手段と、
   前記第２の酸素濃度センサの検出信号に対応した第２の空燃比が第２の目標空燃比と一致するように、前記第１の目標空燃比を設定する第２の空燃比制御手段と、
   前記第２の目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、を備え、
   前記目標空燃比設定手段は、
   前記内燃機関の排気系の空燃比に対する前記触媒のＮＯｘ浄化率特性に基づく第１の所定値を格納しており、
   前記運転状態の変化に関わらず、前記第２の目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチ側であって且つ前記触媒の劣化時においてＮＯｘ浄化率が最大となる前記第１の所定値に設定する内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記運転状態に応じて前記第２の目標空燃比を補正する目標空燃比補正手段をさらに備え、
   前記目標空燃比補正手段は、理論空燃比よりもリッチ側であって且つ前記触媒の劣化時においてＮＯｘ浄化率が最大となるように、前記第２の目標空燃比を補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

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