JP2009036117A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カットからの復帰時にリッチ化制御を実行する内燃機関において、排気ガス浄化性能の向上と燃料消費量の低減の両方を実現する。
【解決手段】燃料カット復帰時で触媒下流側のＯ₂センサの出力がリーンである場合にリッチ化制御を開始し、このリッチ化制御実行中に触媒内の酸素が消費されたと判定したときにリッチ化制御を終了し、また、酸素の消費途上の判定であっても、触媒下流側のＯ₂センサの出力がリッチ側に変化したときにはリッチ化制御を終了することで、燃料カット復帰時のリッチ化制御を常に適切なタイミングで終了できるようする。このような制御によって、燃費向上を目的とした燃料カットを多く繰り返しても、排気エミッションの悪化を抑制することができる。さらに、経年使用による触媒劣化に関係なく、常に安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、さらに詳しくは、排気通路に設けたＯ₂センサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。

車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）においては、通常、エンジンの排気通路に配置した触媒（例えば三元触媒）によって、排気ガスに含まれる有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等）を浄化するようにしている。この触媒による浄化作用は、混合気が理論空燃比で燃焼されるときに最も効率が高くなる。

排気ガスの浄化に用いられる触媒は、その内部に適量の酸素を吸蔵することができ、排気ガスにＮＯｘが含まれている場合は、酸素を吸蔵することでそのＮＯｘを還元する。また、排気ガスにＨＣ，ＣＯが含まれている場合は酸素を放出することで、それらＨＣ，ＣＯを酸化することができる。従って、エンジンの排気通路に触媒を配置することにより、ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯなどの排出量を十分に小さく抑制することができる。

エンジンの排気通路に配置された触媒が、適正な浄化能力を発揮するためには、触媒内に適量の酸素が吸蔵されており、かつ、触媒の酸素吸能力に余力が残されていることが必要である。このため、エンジンの通常の制御では、排気通路に配置したＯ₂センサによって排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出した酸素濃度から得られる実際の排気空燃比が理論空燃比（ストイキ）を挟んでリーン側とリッチ側に交互に振動するように燃料噴射量の制御が行われる。このような制御を実行することにより、触媒の酸素吸蔵状態が常に適正な状態に保持されるので、良好な浄化能力が継続的に発揮される。

一方、車両に搭載したエンジンでは、燃費向上をはかることを目的として、車両の減速中などにおいて、エンジンへの燃料供給を停止する燃料カット（フューエルカット）が行われている。燃料カットの実行中にはエンジンの排気通路に空気が流通するため、燃料カットがある程度の時間継続して行われると、触媒は、酸素を一杯に吸蔵した状態となる。

触媒内部に酸素が一杯に吸蔵されている状態で、ＮＯｘを含む排気ガスが排出された場合、そのＮＯｘは還元されることなく触媒を吹き抜けてしまう。そこで、従来制御では、そのようなＮＯｘ排出を低減するために、燃料カットの終了直後から、所定期間にわたって混合気の空燃比を強制的にリッチとするリッチ化制御を実行している（例えば、特許文献１参照）。リッチ化制御は、例えば空燃比フィードバック制御補正値ＦＡＦをかさ上げすることにより空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する制御である。

リッチ化制御の実行中は、ＨＣ，ＣＯを含む排気ガスがエンジンの燃焼室から排出される。それらＨＣ，ＣＯを酸化するために酸素が触媒から放出されるので、触媒内の酸素が消費され、触媒は酸素の吸蔵が可能な状態に復帰する。そして、触媒がその状態に復帰した後に、リッチ化制御を終了して通常の燃料噴射量制御（ストイキ制御）を再開すれば、ＨＣ，ＣＯを排出することなく、燃料カットの直後を含めて、継続的に良好な排気エミッション特性を維持することができる。

ここで、燃料カットからの復帰時（以下、燃料カット復帰時ともいう）に、空燃比をリッチ化する技術として下記の特許文献２〜４に記載の技術がある。

特許文献２に記載の技術では、燃料カット復帰時に触媒吸蔵酸素量に応じて空燃比をリッチ化し、排気通路の容積が最も大きいシリンダから燃料供給を再開することで、ＮＯｘの排出量が増大することを抑制している。

特許文献３に記載の技術では、燃料カットから復帰したときに空燃比をリッチ化し、そのリッチ化制御実行中に、排気センサの出力信号がリーンとなった後、燃料カット復帰時から所定時間が経過した時点でストイキに制御することで、燃料カット復帰時の排気エミッションの悪化を抑制している。

特許文献４に記載の技術では、燃料カット復帰時に空燃比をリッチ化する燃料カット後復帰リッチ制御を開始し、排気センサの出力値が閾値以上になったときに、燃料カット後復帰リッチ制御を終了して空燃比をストイキに制御する。さらに、燃料カット後復帰リッチ制御終了後に触媒に流入する還元成分量を推定し、この推定還元成分量に応じて排気センサの出力値に対して設定する閾値を変更し、また、推定還元成分量に応じてリッチからストイキへの変化速度を変更することで、燃料カット後復帰リッチ制御実行による排気エミッションの悪化を抑制している。
特開２００３−１６６４１４号公報 特開２００５−１８０２８２号公報 特開２００５−０３６７９０号公報 特開２００６−２３３９４３号公報

ところで、排気ガス浄化に用いる触媒の酸素吸蔵量は、経年使用による触媒劣化に伴って減少するが、従来制御（上記した特許文献２〜４に記載の技術も含む）では、触媒劣化による酸素吸蔵量（吸蔵性能）の変化については考慮されておらず、このため、例えば燃料カット復帰時のリッチ化制御を常に一定の時間だけ実行するという制御を行った場合、新車時（触媒新品時）で触媒の酸素吸蔵量が多いときには、リッチ化が不足してＮＯｘが排出される可能性があり、逆に、触媒劣化により触媒の酸素吸蔵量が低減したときには、リッチ化が過剰となってＨＣ，ＣＯの悪化や燃料消費量（以下、燃費ともいう）の増加が発生する可能性がある。

また、車両に搭載されるエンジンにおいては、燃費向上のために燃料カットを実行する頻度（条件・時間）が益々増加する傾向にあるが、燃料カット復帰時のリッチ化制御時間が適切に制御されていない状況で燃料カットの頻度が増加すると、排気エミッションの悪化が懸念される。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、燃料カットからの復帰時にリッチ化制御を実行する内燃機関において、排気ガス浄化性能の向上と燃料消費量の低減の両方を実現することが可能な空燃比制御装置を提供することを目的とする。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、燃料カットからの復帰時で触媒下流側のＯ₂センサの出力がリーンを示す値である場合にリッチ化制御を開始し、このリッチ化制御実行中に触媒内の酸素量を推定し、その触媒内の酸素（具体的には、新品触媒の許容酸素吸蔵量に相当する酸素）が消費されたと判定したときにリッチ化制御を終了し、また、酸素の消費途上の判定であっても、触媒下流側のＯ₂センサの出力がリッチ側に変化したときにはリッチ化制御を終了して空燃比をストイキに戻す点にある。このような制御により、常に安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現することができる。

−解決手段−
具体的に、本発明は、排気通路に配設された触媒と、前記触媒の下流側の排気通路に配設されたＯ₂センサと、燃料カット条件が成立したときに前記内燃機関への燃料供給を停止する燃料カットを実行する燃料カット制御手段とを備えた内燃機関に適用される空燃比制御装置を前提としている。

そして、このような内燃機関の空燃比制御装置において、前記燃料カットからの復帰時で前記Ｏ₂センサの出力がリーンを示す値である場合に、空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ化制御を開始するリッチ化制御開始手段と、前記リッチ化制御を開始した後、前記触媒内の酸素が消費されたか否かを判定する判定手段と、前記リッチ化制御を開始した後、前記判定手段が「触媒内の酸素が消費された」と判定したとき、または、前記Ｏ₂センサの出力がリッチ側に変化したときに、前記リッチ化制御を終了するリッチ化制御終了手段とを備えていることを特徴している。

前記判定手段の具体的な構成として、燃料カット復帰時のリッチ化制御実行中に、触媒が新品であるときの許容酸素吸蔵量（酸素吸蔵量の上限）に相当する量の酸素が消費されたか否かを判定するという構成を挙げることができる。

さらに、前記判定手段の具体的な構成として、燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始した時点から内燃機関の吸入空気量を積算し、その積算吸入空気量に基づいて触媒内の酸素量（残存量）を推定して、当該触媒内の酸素が消費されたか否かを判定するという構成を挙げることができる。また、燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始した時点から内燃機関の燃料噴射量を積算し、その積算燃料噴射量に基づいて触媒内の酸素量（残存量）を推定して、当該触媒内の酸素が消費されたか否かを判定するという構成を挙げることができる。

以上の特定事項により、燃料カット復帰時に実施するリッチ化制御を常に適切なタイミングで終了することができる。この点について以下に説明する。

まず、燃料カット復帰時の触媒には酸素が一杯に吸蔵された状態となる。この触媒に吸蔵された酸素は、リッチ化制御により消費されていく。具体的には、エンジンの燃焼室から放出される排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯを酸化するために触媒から酸素が放出され、触媒内の吸蔵酸素が消費される。そして、リッチ化制御が継続されると、触媒内に吸蔵されている全ての酸素が放出されるようになるので、その時点つまり「触媒内の酸素が消費されたこと」を条件にリッチ化制御を終了し、空燃比をストイキに戻すことによって、ＮＯｘの排出を抑制することができ、さらにＨＣ，ＣＯの排出も抑制することができる。

次に、触媒内の酸素が消費されたか否かを判定する判定処理の具体的な例について説明する。

燃料カット復帰時のリッチ化制御では、上述したように排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯによって触媒内の酸素が消費されるので、リッチ化制御実行期間中に、触媒内の酸素（燃料カット復帰時の触媒満杯状態の酸素）の全てを消費できる量のＨＣ，ＣＯを供給できたか否かによって、触媒内の酸素が消費されたか否かを判定することができる。

ここで、リッチ化制御実行時のリッチ化度合がある値に設定（固定）されていると、リッチ化制御実行期間中のＨＣ，ＣＯの量は排気ガスの積算量つまり積算吸入空気量に相関するので、その積算吸入空気量を算出することにより、触媒内の酸素の消費状態（残存量）を推定することができる。そこで、本発明では、燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始した時点から吸入空気量を積算し、その積算吸入空気量が規定値（具体的には、触媒内の酸素の全てを消費できるＨＣ，ＣＯの量を考慮した値）に達したときに、「触媒内の酸素が消費された」と判定する。

ただし、排気ガス浄化用の触媒は、新品時と劣化時とで許容酸素吸蔵量が異なる（新品時＞劣化時）。このため、燃料カット復帰時の実際の吸蔵酸素量は劣化触媒の方が少なくなるが、その触媒劣化による酸素吸蔵量の変化量は把握することができない。そこで、本発明では、新品触媒の許容酸素吸蔵量を、燃料カットからの復帰時において触媒に実際に吸蔵された酸素吸蔵量（満杯状態の酸素吸蔵量）とし、その許容酸素吸蔵量分の酸素の全てが消費されたことを１つの条件として、リッチ化制御を終了している。

なお、上記した吸入空気量と同様に、リッチ化制御実行期間中のＨＣ，ＣＯの量は燃料噴射量に相関するので、リッチ化制御を開始した時点から燃料噴射量を積算し、その積算燃料噴射量に基づいて触媒内の酸素が消費されたか否かを判定するようにしてもよい。

ところで、以上の判定処理つまり触媒内の酸素の消費量を推定してリッチ化制御の終了タイミングを判定する処理では、新品触媒の許容酸素吸蔵量を基準として判定を行っているので、経年使用（触媒劣化）により、現在の許容酸素吸蔵量が少なくなっている場合、上記した判定条件「触媒内の酸素が消費された」が成立する前に、触媒に実際に吸蔵されている酸素の全てが消費されることがある。こうした状況になると、リッチ化制御時間が過剰となり、ＨＣ，ＣＯの悪化や燃料消費量の増加が懸念される。

このような点を考慮して、本発明では、リッチ化制御を開始した後、上記推定による酸素消費量が新品触媒の許容酸素吸蔵量に達していなくても、触媒下流側のＯ₂センサの出力がリッチ側に変化した時点で、リッチ化制御を終了するようにしている。こうすることで経年劣化による触媒の性能（酸素吸蔵量）の変化に関係なく、リッチ化制御を常に適切なタイミングで終了することができる。

以上のように、本発明によれば、燃料カット復帰時のリッチ化制御実行中の触媒内の酸素の消費量（推定量）と、触媒下流側のＯ₂センサの出力に基づいて、リッチ化制御の終了タイミングを判定しているので、燃料カットからの復帰時に、触媒に実際に吸蔵されている酸素の量に応じて、リッチ化制御を常に適正なタイミングで終了することができる。これによって、燃費向上を目的とした燃料カットを多く繰り返しても排気エミッションの悪化を抑制することができる。さらに、経年使用による触媒劣化に関係なく、常に安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現することができる。その結果として、排気ガス浄化性能の向上と燃料消費量の低減の両方を達成することができる。

ここで、触媒下流側のＯ₂センサの出力に基づいて、リッチ化制御の終了タイミングを判定する場合、触媒劣化に応じたタイミングで燃料カット復帰時のリッチ化制御を終了することができるが、触媒が新品である場合、このようなＯ₂センサの出力に基づく判定（リッチ判定）だけでは、燃料カット復帰時のリッチ化制御を適切に終了できない場合がある。この点について説明する。

まず、近年では、排出ガスの低減要求が高くなっており、これを満足するために触媒浄化性能の向上がはかられている。触媒浄化性能が高くなると触媒の酸素吸蔵性能も向上する。このため、触媒が新品である場合、燃料カット復帰時のリッチ化制御によって、触媒内の酸素の消費されても、触媒下流側のＯ₂センサの出力がリッチを示す値にならない場合がある。このことは、本発明者らの実験等によって確認されている。

このように触媒が新品で触媒浄化性能が高い場合、触媒下流側のＯ₂センサの出力に基づく判定のみでは、リッチ化制御が長時間にわたって継続されるか、もしくは、リッチ化制御が終了しない状況となる可能性があるが、本発明では、上記したように、新品触媒の許容酸素吸蔵量に相当する酸素が消費されたか否かの判定を行っているので、触媒下流側のＯ₂センサの出力がリッチ側とならなくても、新品触媒の許容酸素吸蔵量に相当する酸素が消費された時点でリッチ化制御が終了される。従って、触媒が新品であるときにも、燃料カット復帰時のリッチ化制御を適切なタイミングで終了することができる。これによって、新車から経年車まで安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現することができる。

本発明において、燃料カット復帰時のリッチ化制御を終了する際に、当該リッチ化制御実行時の空燃比フィードバック補正値のかさ上げ値を徐々に減衰させて、空燃比をストイキに戻すようにしてもよい。このような構成を採用すれば、リッチ化制御の終了時において内燃機関の運転状態が急減に変化することを防止することができ、ショックを抑制することができる。

本発明によれば、燃料カットからの復帰時にリッチ化制御を行う内燃機関の空燃比制御装置において、リッチ化制御を常に適切なタイミングで終了することができるので、燃費向上を目的とした燃料カットの頻度が増加しても、排気エミッションの悪化を抑制することができる。さらに、経年使用による触媒劣化によって触媒浄化性能が変化しても、これに関係なく、常に安定した燃料カット復帰時のリッチ化を実現することができる。その結果として、排気ガス浄化性能の向上と燃料消費量の低減の両方を達成することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）について説明する。

−エンジン−
図１は本発明を適用するエンジン１の一例を示す概略構成を示す図である。なお、図１にはエンジン１の１気筒の構成のみを示している。

この例のエンジン１は、例えば４気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室１ａを形成するピストン１ｂ及び出力軸であるクランクシャフト１５を備えている。ピストン１ｂはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１ｂの往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換される。

クランクシャフト１５には、外周面に複数の突起（歯）１７ａを有するシグナルロータ１７が取り付けられている。シグナルロータ１７の側方近傍にはクランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）２４が配置されている。クランクポジションセンサ２４は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の突起１７ａに対応するパルス状の信号（出力パルス）を発生する。また、エンジン１のシリンダブロック１ｃには、エンジン１の冷却水の温度を検出する水温センサ２１が配置されている。

エンジン１の燃焼室１ａには点火プラグ３が配置されている。点火プラグ３の点火タイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００によって制御される。

エンジン１の燃焼室１ａには吸気通路１１と排気通路１２とが接続されている。吸気通路１１と燃焼室１ａとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ａとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ａとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより、排気通路１２と燃焼室１ａとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの各回転によって行われる。

吸気通路１１には、エアクリーナ７、吸入空気量を検出する熱線式のエアフロメータ２２、吸気温センサ２３（エアフロメータ２２に内蔵）、及び、エンジン１の吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ５が配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ２５によって検出される。

エンジン１の排気通路１２には三元触媒８が配置されている。三元触媒８の上流側の排気通路１２にフロントＯ₂センサ（メインＯ₂センサ）２７が配置されている。フロントＯ₂センサ２７は、空燃比に対してリニアな特性を示すセンサである。また、三元触媒８の下流側の排気通路１２にはリアＯ₂センサ（サブＯ₂センサ）２８が配置されている。リアＯ₂センサ２８は、排気ガス中の酸素濃度に応じて起電力を発生するものであり、理論空燃比に相当する電圧（比較電圧）よりも出力が高いときはリッチと判定し、逆に比較電圧よりも出力が低いときはリーンと判定する。

そして、吸気通路１１には燃料噴射用のインジェクタ２が配置されている。インジェクタ２には、燃料タンクから燃料ポンプによって所定圧力の燃料が供給され、吸気通路１１に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１ａに導入される。燃焼室１ａに導入された混合気（燃料＋空気）は点火プラグ３にて点火されて燃焼・爆発する。この混合気の燃焼室１ａ内での燃焼・爆発によりピストン１ｂが往復運動してクランクシャフト１５が回転する。以上のエンジン１は運転状態はＥＣＵ１００によって制御される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。

ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５及び出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、水温センサ２１、エアフロメータ２２、吸気温センサ２３、クランクポジションセンサ２４、スロットル開度センサ２５、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ２６、フロントＯ₂センサ２７、及び、リアＯ₂センサ２８などが接続されている。一方、出力インターフェース１０６には、インジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ４、及び、スロットルバルブ５のスロットルモータ６などが接続されている。

以上のインジェクタ２、エアフロメータ２２、フロントＯ₂センサ２７、リアＯ₂センサ２８、及び、ＥＣＵ１００などによって空燃比制御装置が実現されている。、
そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。

例えば、エンジン１の排気通路１２（三元触媒８の上流側）に配置したフロントＯ₂センサ２７の出力に基づいてメインの空燃比フィードバック制御を実行する。また、エンジン１の排気通路１２（三元触媒８の下流側）に配置したリアＯ₂センサ２８の出力に基づいてサブの空燃比フィードバック制御を実行する。

メイン空燃比フィードバック制御では、三元触媒８に流入する排気ガスの空燃比が制御目標空燃比に一致するように、インジェクタ２から吸気通路１１に噴射する燃料噴射量を制御する。また、サブ空燃比フィードバック制御では、三元触媒８の下流に流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、より具体的には、三元触媒８の下流側に配置されたリアＯ₂センサ２８の出力がストイキとなるように、メイン空燃比フィードバック制御の内容を補正する。これらの空燃比フィードバック制御を実行することにより、三元触媒８の下流側における空燃比を理論空燃比の近傍値に精度よく維持することができ、優れたエミッション特性を実現することができる。

また、ＥＣＵ１００は、所定の燃料カット開始条件が成立したときには、インジェクタ２からの燃料噴射を停止する燃料カット（Ｆ／Ｃ）を実行する。この燃料カット開始条件としては、例えば、アクセル開度センサ２６にて検出されるアクセル開度が０％（全閉状態）を示していること、及び、クランクポジションセンサ２４の出力信号から読み込まれるエンジン回転数が燃料カットを実行するための燃料カット基準回転数より高いことなどを挙げることができる。

そして、このような燃料カットが継続されると、基本的には排気通路１２には空気が通過するのみであることから、燃料カットから復帰した直後において、排気通路１２の三元触媒８は酸素を一杯に吸蔵した状態となり、この状態でＮＯｘを含む排気ガスが排出された場合、そのＮＯｘは還元されることなく三元触媒８を吹き抜けてしまう。

これを防止するため、この例では、燃料カットからの復帰時に、混合気の空燃比を強制的にリッチとするリッチ化制御を実行することで、ＮＯｘ排出を低減している。リッチ化制御は、空燃比フィードバック補正値ＦＡＦをかさ上げする制御である（図４及び図５参照）。この燃料カット復帰時のリッチ化制御におけるリッチ空燃比は、例えば、エンジン回転数及びアクセル開度などの運転状態に基づいて算出されるものであり、その算出空燃比と吸入空気量に基づいて燃料噴射量（燃料噴射時間）が演算される。

なお、この例において、燃料カット復帰時のリッチ化制御は、後述する図３のフローチャートのステップＳＴ２０３で開始され、ステップＳＴ２０６で終了される。

さらに、ＥＣＵ１００は、以下に示す「燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始・終了制御」を実行する。

−燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始・終了制御−
まず、上述したように、排気ガスの浄化に用いる三元触媒８の酸素吸蔵量は、経年使用による触媒劣化に伴って減少する。しかし、従来制御では、触媒劣化による酸素吸蔵量（吸蔵性能）の変化については考慮されておらず、このため、例えば燃料カット復帰時のリッチ化制御を常に一定の時間だけ実行するという制御を行った場合、新車時（触媒新品時）で三元触媒８の酸素吸蔵量が多いときには、リッチ化が不足してＮＯｘが排出される可能性があり、逆に、触媒劣化により三元触媒８の酸素吸蔵量が低減したときには、リッチ化が過剰となってＨＣ，ＣＯの悪化や燃料消費量の増加が発生する可能性がある。

また、車両に搭載されるエンジン１においては、燃費向上のために燃料カットを実行する頻度（条件・時間）が益々増加する傾向にあるが、燃料カット復帰時のリッチ化制御時間が適切に制御されていない状況で燃料カットの頻度が増加すると、排気エミッションの悪化が懸念される。

このような点を考慮して、この例では、燃料カット復帰時のリッチ化制御を終了するタイミングを、三元触媒８の酸素吸蔵量（推定量）及びリアＯ₂センサ２８の出力に基づいて制御することで、常に安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現する点に特徴がある。その具体的な制御の例を図３〜図５を参照して説明する。

図３は燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始・停止制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。この図３の制御ルーチンはＥＣＵ１００において所定時間ごとに繰り返して実行される。

ステップＳＴ２０１では、燃料カット復帰時（Ｆ／Ｃ復帰時）であるか否かを判定し、その判定結果が否定判定である場合は、このルーチンを一旦抜ける。ステップＳＴ２０１の判定結果が肯定判定である場合はステップＳＴ２０２に進む。

ステップＳＴ２０２においては、三元触媒８の下流側のリアＯ₂センサ２８の出力がリーンを示す値であるか否かを判定し、その判定結果が否定判定である場合（リッチもしくはストイキである場合）は、このルーチンを一旦抜ける。

ステップＳＴ２０２の判定結果が肯定判定である場合（リアＯ₂センサ出力がリーンである場合）はステップＳＴ２０３に進み、上記した燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始する。さらに、燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始すると同時に、エアフロメータ２２にて検出される吸入空気量の積算を開始して積算吸入空気量ＴＧａを算出する（ステップＳＴ２０４）。なお、積算吸入空気量ＴＧａは、燃料カットが実施されるごとに初期値（０）に戻される。

以上のステップＳＴ２０１〜ＳＴ２０４の処理を図４及び図５のタイミングチャートを参照して説明すると、燃料カット実施中（Ｆ／Ｃ：ＯＮ）に、燃料カット終了条件（例えばアクセルＯＮ、エンジン回転数が燃料カット基準回転数以下など）が成立した時点ｔａ（Ｆ／Ｃ復帰時）で、リッチ化制御（空燃比フィードバック補正値ＦＡＦかさ上げ制御）を開始する。このリッチ化制御の開始と同時に、吸入空気量Ｇａの積算が開始され、その積算吸入空気量ＴＧａが時間の経過とともに上昇していく。

次に、ステップＳＴ２０５において、積算吸入空気量ＴＧａが規定値Ａよりも大きくなったか否かを判定する。ステップＳＴ２０５の判定結果が肯定判定である場合、つまり、［積算吸入空気量ＴＧａ＞Ａ］となった時点ｔｂ（図４参照）で、三元触媒８内の酸素が消費されたと判断してステップＳＴ２０６に進む。ステップＳＴ２０５の判定結果が否定判定である場合は、三元触媒８内に酸素が残存していると判断してステップＳＴ２０７に進む。このステップＳＴ２０５の判定処理について具体的に説明する。

まず、燃料カット復帰時のリッチ化制御では、上述したように、排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯによって三元触媒８内の酸素が消費されるので、リッチ化制御実行期間中に、三元触媒８内の酸素（燃料カット復帰時の触媒満杯状態の酸素）の全てを消費できる量のＨＣ，ＣＯを供給できたか否かによって、三元触媒８内の酸素が消費されたか否かを判定することができる。

ここで、燃料カット復帰時のリッチ化制御のリッチ化度合をある値に設定（固定）すると、リッチ化制御実行期間中のＨＣ，ＣＯの量は排気ガスの積算量つまり積算吸入空気量ＴＧａに相関するので、その積算吸入空気量ＴＧａを算出することにより、三元触媒８内の酸素量（酸素消費状態）を推定することができる。つまり、積算吸入空気量ＴＧａから三元触媒８内の酸素の全てが消費されたか否かを判定（推定）することができる。そこで、この例では、図４に示すように、燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始した時点ｔａから吸入空気量の積算を開始し、その積算吸入空気量ＴＧａが規定値Ａ（具体的には、三元触媒８内の酸素の全てを消費できるＨＣ，ＣＯの量を考慮した値）に達したときに（ＴＧａ＞Ａ）、三元触媒８内の酸素が消費されたと判定する。

以上の酸素消費判定に用いる規定値Ａは、新品時の三元触媒８の許容酸素吸蔵量（酸素吸蔵量の上限）を基準とし、その許容酸素吸蔵量（満杯状態の酸素吸蔵量）分の酸素の全てを消費できるＨＣ，ＣＯの量を予め実験・計算等によって求めておき、そのＨＣ，ＣＯ量とリッチ化制御のリッチ化度合（ＦＡＦかさ上げ値）とに基づいて、三元触媒８に満杯状態で吸蔵された酸素の全てを消費することが可能な積算吸入空気量を算出し、その算出値を基に設定するようにすればよい。

そして、ステップＳＴ２０５の判定結果が肯定判定である場合（ＴＧａ＞Ａ）、つまり三元触媒８内の酸素が消費されたと判定した場合はリッチ化制御を終了するとともに、そのリッチ化制御終了時に、図４に示すような空燃比フィードバック補正値ＦＡＦのかさ上げ値の減衰制御を実行し（ステップＳＴ２０６）、空燃比をストイキに戻して通常の空燃比フィードバック制御（ストイキ制御）を再開する。

なお、リッチ化制御終了時に空燃比フィードバック補正値ＦＡＦのかさ上げ値の減衰制御を実行する理由は、リッチ化制御終了時に空燃比フィードバック補正値ＦＡＦかさ上げ値を通常値（ストイキ制御値）に一気に低下させると、エンジン１の運転状態が急減に変化してショックが発生することがある点を考慮し、そのようなショックを抑制するためである。

一方、ステップＳＴ２０５の判定結果が否定判定である場合（三元触媒８内に酸素が残っていると判定した場合）はステップＳＴ２０７に進む。ステップＳＴ２０７では、三元触媒８の下流側のリアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化したか否かを判定し、その判定結果が否定判定である場合はステップＳＴ２０４に戻って積算吸入空気量ＴＧａの算出を継続する。

ステップＳＴ２０７の判定結果が肯定判定である場合（リアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化した場合）はステップＳＴ２０６に移行して、燃料カット復帰時のリッチ化制御の終了とそのリッチ化制御終了の際の空燃比フィードバック補正値ＦＡＦのかさ上げ値の減衰制御を実行する。

このように、リアＯ₂センサ２８の出力に基づく判定により、燃料カット復帰時のリッチ化制御を終了することにより、三元触媒８が劣化している場合でも、燃料カット復帰時のリッチ化制御を適正なタイミングで終了することができる。この点について説明する。

まず、ステップＳＴ２０５の判定処理つまり三元触媒８内の酸素の消費量を推定してリッチ化制御の終了を判定する処理では、新品の三元触媒８の許容酸素吸蔵量を基準として判定を行っているので、経年使用（触媒劣化）により三元触媒８の許容酸素吸蔵量が変化（減少）している場合には、上記した判定条件［積算吸入空気量ＴＧａ＞Ａ］が成立する前に、三元触媒８内に実際に吸蔵されている酸素の全てが消費されてしまう。こうした状況になると、リッチ化制御時間が過剰となり、ＨＣ，ＣＯの悪化や燃料消費量の増加が懸念される。

このような点を考慮し、この例では、図５に示すように、燃料カット復帰時のリッチ化制御を開始した後、上記した判定条件［積算吸入空気量ＴＧａ＞Ａ］が成立しなくても、リアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化したときにはＮＯｘの排出がなくなるので、その時点ｔｃで燃料カット復帰時のリッチ化制御を終了してストイキに戻している。こうすることで、触媒劣化による三元触媒８の性能（酸素吸蔵量）の変化に関係なく、燃料カット復帰時のリッチ化制御を常に適切なタイミングで終了することができる。

なお、リアＯ₂センサ２８の出力に基づいてリッチ化制御を終了する時点（終了タイミング）ｔｃは、リアＯ₂センサ２８の出力がリーンからリッチ側に変化したときであればよいが、リアＯ₂センサ２８の出力のリーンからリッチ側への変化量ΔＳ（図５）が所定の閾値Ｔｈよりも大きくなった時点とすることが望ましい。その変化量ΔＳに対して設定する閾値Ｔｈは、リアＯ₂センサ２８の出力特性などを考慮して決定すればよい。

以上のように、この例の制御では、燃料カット復帰時のリッチ化制御実行中に三元触媒８内の酸素量を積算吸入空気量に基づいて推定し、「三元触媒８内の酸素が消費された」と判定したときにリッチ化制御を終了し、また、酸素の消費途上の判定であっても、リアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化したときにはリッチ化制御を終了するので、燃料カット復帰時のリッチ化制御を常に適切なタイミングで終了することができる。

具体的に説明すると、図４及び図５に示すように、まず、三元触媒８が新品であるときには、燃料カットからの復帰時に三元触媒８に満杯状態で吸蔵された酸素の全てが、リッチ化制御によって消費されたと推定される時点（積算吸入空気量ＴＧａ＞Ａとなった時点ｔｂ）でリッチ化制御が終了する。次に、三元触媒８が劣化して酸素吸蔵量が減少したときには、積算吸入空気量ＴＧａ＞Ａとなる前に、三元触媒８内の酸素の全てが消費され、三元触媒８の下流側にＨＣ，ＣＯが排出され始めたときに、リアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化し、この時点ｔｃでリッチ化制御が終了する。そして、触媒劣化が進行して三元触媒８の酸素吸蔵量が減少していくと、三元触媒８内の酸素の全てが消費される時間が短くなり、これに伴って燃料カット復帰時ｔａからリアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化する時点ｔｃまでの時間（リッチ化制御時間）が短くなるので、三元触媒８の劣化状態に応じたタイミングでリッチ化制御が終了する。

このように、燃料カットからの復帰時に、三元触媒８に実際に吸蔵されている酸素の量に応じて、リッチ化制御を常に適正なタイミングで終了することができるので、燃費向上を目的とした燃料カットを多く繰り返しても排気エミッションの悪化を抑制することができる。さらに、経年使用による触媒劣化によって触媒浄化性能が変化しても、これに関係なく、常に安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現することができる。その結果として、排気ガス浄化性能の向上と燃料消費量の低減の両方を達成することができる。

ここで、三元触媒８が新品であり触媒浄化性能が高い場合、上述したように、燃料カット復帰時のリッチ化制御によって、三元触媒８内に吸蔵された酸素が消費されても、リアＯ₂センサ２８の出力がリッチ側に変化しないことがある。この場合、リアＯ₂センサ２８の出力に基づく判定だけでは、リッチ化制御が長時間にわたって継続されるか、もしくは、リッチ化制御が終了しない状況となることが懸念されるが、この例では、リッチ化制御実行中に、新品の三元触媒８の許容酸素吸蔵量に相当する酸素が消費されたと判定したときにリッチ化制御を終了しているので、三元触媒８が新品であるときにも、燃料カット復帰時のリッチ化制御を適切なタイミングで終了することができる。これによって、新車から経年車まで安定した燃料カット復帰時のリッチ化（燃料増量）を実現することができる。

−他の実施形態−
以上の例では、燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始と同時に吸入空気量の積算を開始し、その積算吸入空気量に基づいて触媒内の酸素消費量を推定しているが、これに限られることなく、燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始と同時に燃料噴射量の積算を開始し、その積算燃料噴射量に基づいて触媒内の酸素消費量を推定するようにしてもよい。なお、積算燃料噴射量は、例えば、エンジン１の運転状態に応じて算出される燃料噴射量指令値から求めるようにすればよい。

以上の例では、ポート噴射型ガソリンエンジンの空燃比制御に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、筒内直噴型ガソリンエンジンの空燃比制御にも適用可能である。また、直列多気筒ガソリンエンジンのほか、Ｖ型多気筒ガソリンエンジンの空燃比制御にも本発明を適用することができる。

本発明を適用するエンジン（内燃機関）の一例を示す概略構成図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始・終了制御の一例を示すフローチャートである。 燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始・終了制御の一例を示すタイミングチャートである。 燃料カット復帰時のリッチ化制御の開始・終了制御の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ エンジン
８ 三元触媒
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
２ インジェクタ
２２ エアフロメータ
２４ クランクポジションセンサ
２５ スロットル開度センサ
２６ アクセル開度センサ
２７ フロントＯ₂センサ
２８ リアＯ₂センサ
１００ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 排気通路に配設された触媒と、前記触媒下流側の排気通路に配設されたＯ₂センサと、燃料カット条件が成立したときに前記内燃機関への燃料供給を停止する燃料カットを実行する燃料カット制御手段とを備えた内燃機関に適用される空燃比制御装置であって、
   前記燃料カットからの復帰時で前記Ｏ₂センサの出力がリーンを示す値である場合に空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ化制御を開始するリッチ化制御開始手段と、前記リッチ化制御を開始した後、前記触媒内の酸素が消費されたか否かを判定する判定手段と、前記リッチ化制御を開始した後、前記判定手段が「触媒内の酸素が消費された」と判定したとき、または、前記Ｏ₂センサの出力がリッチ側に変化したときに、前記リッチ化制御を終了するリッチ化制御終了手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記判定手段は、前記触媒が新品であるときの許容酸素吸蔵量に相当する量の酸素が消費されたか否かを判定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記判定手段は、前記リッチ化制御を開始した時点から前記内燃機関の吸入空気量を積算し、その積算吸入空気量に基づいて前記触媒内の酸素量を推定して、当該触媒内の酸素が消費されたか否かを判定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
4. 請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記判定手段は、前記リッチ化制御を開始した時点から前記内燃機関の燃料噴射量を積算し、その積算燃料噴射量に基づいて前記触媒内の酸素量を推定して、当該触媒内の酸素が消費されたか否かを判定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記リッチ化制御を終了するにあたって、当該リッチ化制御実行時の空燃比フィードバック補正値のかさ上げ値を徐々に減衰させていくことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

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