JP3572927B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関排気通路の排気浄化触媒上流の側排気通路に配置した空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を制御する空燃比制御装置に関し、詳細には排気中の水素濃度の変化による空燃比センサ出力特性の変化を補償する手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に排気空燃比を検出する空燃比センサを配置し、空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置が知られている。例えば、この種の空燃比制御装置の例としては特開平９−１２６０１２号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、内燃機関の排気通路に設けた排気浄化触媒の上流側と下流側とに、それぞれ排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ２ センサを配置し、これら２つのＯ２ センサ出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比に制御している。
【０００３】
ところで、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ２ センサ等の空燃比センサを使用して機関空燃比を制御する場合には、排気中に水素が存在すると正確な空燃比制御ができなくなる問題がある。
一般に、Ｏ２ センサ等の排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサでは、センサの検出部（電極）に到達する排気中の酸素濃度と外部大気中の酸素濃度との差により生じる起電力等により排気中の酸素濃度を検出し、この排気酸素濃度から排気空燃比を検出している。このため、検出部に到達する排気の酸素濃度と実際の排気酸素濃度との間に差が生じると正確な空燃比検出を行うことができなくなる。例えば、排気中に水素が存在する場合には、水素の影響によりセンサ検出部に到達する排気の酸素濃度が実際の排気酸素濃度から変化してしまうため、空燃比センサ出力に誤差を生じ空燃比を正確に目標値に制御できなくなる場合が生じる。
【０００４】
一般に、水素は機関燃焼室で発生するＨ２ Ｏ、ＣＯ、ＨＣ（未燃炭化水素）等が、
Ｈ２ Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ２ ＋Ｈ２
ＨＣ＋２Ｈ２ Ｏ→ＣＯ２ ＋（５／２） Ｈ２
等の水性ガス還元反応を生じることにより生成される。この反応は、高温時ほど生じやすく、また、排気中のＨＣ、ＣＯ成分が多いほど、すなわち排気空燃比がリッチであるほど発生する水素の量が多くなる。従って、排気がリッチ空燃比かつ高温になるほど排気中の水素濃度が高くなる。
【０００５】
水素は、酸素分子より小さく、空燃比センサ検出部（電極）外側の保護層内での拡散速度が速いため排気中に水素が存在すると空燃比センサ検出部には酸素より早く水素が到達する傾向がある。このため、保護層内側のセンサ検出部では酸素濃度に対する水素濃度の比率が外部排気における比率より高くなる。この結果、検出部（電極）上で水素と酸素が反応すると、検出部における排気中の酸素濃度は外部排気の平衡化した酸素濃度より低くなってしまう。
【０００６】
ここで、「平衡化した酸素濃度」とは排気中の可燃成分（水素等）が排気中の酸素と完全に反応した後の酸素濃度であり、真の排気空燃比に対応する酸素濃度である。上記のように、排気中に水素が存在するとセンサ検出部での酸素濃度は平衡化した排気酸素濃度より低くなるため、空燃比センサは実際の排気空燃比よりリッチな出力を発生することになる。このため、実際の排気空燃比がリッチからリーンに変化した場合も、実際の空燃比がかなりリーンになるまで空燃比センサはリッチ空燃比出力を発生するようになる（すなわち，リッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れるようになる）。従って、このような状態の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を、例えば理論空燃比に制御しようとすると、空燃比が理論空燃比よりリーン側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。
【０００７】
上述の特開平９−１２６０１２号公報の装置では、排気浄化触媒上流側の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を制御し、排気浄化触媒下流側の空燃比センサ出力に基づいて上流側空燃比センサ出力に基づく空燃比制御の特性を決定する制御定数の値を補正するようにしている。そして、下流側空燃比センサ出力が排気中の水素により影響を受けることを防止するために、機関運転状態が水素の発生しやすい状態（高温かつリッチ空燃比運転）であり、かつ下流側空燃比センサが継続的にリッチ空燃比出力を発生したような場合には下流側空燃比センサ出力により決定される上記制御定数の値を補正して、機関空燃比が、よりリッチ空燃比側に移行するようにしている。
【０００８】
上述のように、上記特開平９−１２６０１２号公報の装置では排気中に水素が存在する状態では、水素による下流側空燃比センサ出力特性の変化を補償するように空燃比制御の制御定数を補正している。
一方、特開昭６３−２９０９５６号公報には、排気中の水素により空燃比センサ出力特性が変化することを防止し、水素の有無にかかわらず正確な出力を得ることを目的とした空燃比センサが開示されている。
【０００９】
同公報のセンサは、空燃比センサ検出部（電極）周囲の保護層外側に白金等の触媒層を配置することにより常に平衡化された排気がセンサ検出部に到達するようにした構成とされている。すなわち、保護層外側に白金等の触媒を配置することにより、排気中の水素は触媒上で排気中の酸素と反応して酸化されるため、触媒層を通過した排気は平衡化された状態となり水素が単独では存在しなくなる。このため、センサ検出部（電極）に到達する排気中の酸素濃度は真の排気空燃比に対応した濃度となり、排気中に水素が存在しても空燃比センサは真の空燃比に対応した出力を発生するようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記各公報の装置はそれぞれ以下のような問題がある。
まず、特開平９−１２６０１２号公報の装置は、排気浄化触媒の上流側と下流側との両方に空燃比センサを配置した、いわゆるダブル空燃比センサシステムであるため、同公報の方法を排気浄化触媒の上流側のみに配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて空燃比を制御するシングル空燃比センサシステムに適用することはできない。すなわち、シングル空燃比センサシステムでは機関空燃比は排気浄化上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて直接制御されるため、水素の影響により空燃比センサがリッチ出力を発生すれば機関空燃比は直ちにリーン側に制御されるため（空燃比センサがリーン空燃比出力を発生するまで機関空燃比がリーン空燃比側に誤制御されるため）、実際に排気中に水素が存在しても空燃比センサが継続してリッチ空燃比出力を発生することがない。従って、上記公報の方法ではシングル空燃比センサシステムの排気中に実際に水素が存在するか否かを判定することはできず、制御定数の補正を行うことはできない。
【００１１】
一方、特開昭６３−２９０９５６号公報の空燃比センサでは、空燃比センサ検出部保護層外側に排気ガス平衡化用の触媒を設けたため、空燃比センサの応答遅れが生じる問題が生じる。
白金等の触媒成分は、排気中の酸素濃度が高いときに（すなわち、リーン空燃比の時に）触媒表面に排気中の酸素を酸素イオンの形で吸着する性質がある。このため、排気空燃比がリーンからリッチに変化した場合でも、排気中の水素等の可燃成分はまず触媒表面の酸素イオンと反応し、触媒表面の酸素イオンが反応により消費された後に排気中の酸素と反応するようになる。このため、排気空燃比がリーンからリッチに変化した後も触媒層を通過した排気中の酸素濃度は直ちには低下せず、触媒表面に酸素イオンが存在しなくなるまでの間外部排気の酸素濃度より高い値に保持される。このため、触媒層を通過してセンサ検出部に到達する排気の酸素濃度が真の排気空燃比に対応した値に低下するまでにある程度の時間遅れが生じてしまうことになる。このため、上記特開昭６３−２９０９５６号公報の空燃比センサでは、排気空燃比がリーンからリッチに変化したときのセンサ出力変化の応答性が悪化することになる。このため、空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比を中心としてリッチ側とリーン側とに一定の範囲で周期的に交互に変化させるような空燃比制御装置に上記の触媒付センサを用いると、上記リッチ空燃比の検出遅れのために空燃比が理論空燃比よりリッチ側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。
【００１２】
この問題は、予め上記応答遅れを見込んで空燃比制御の制御定数を設定することである程度解決することができる。しかし実際には、上記応答遅れ時間はセンサ用触媒の劣化とともに変化し、劣化が進むにつれて応答遅れは少なくなる。また、触媒の劣化が更に進みほとんど触媒としての機能を果たさなくなると、非平衡化ガスが直接センサ検出部に到達するようになるため、前述したように検出部では真の排気空燃比に対応した値より酸素濃度が低くなり、逆にリーン空燃比の検出が遅れるようになる。従って、触媒が新しい状態に合致させて上記制御定数を設定したのでは、触媒の劣化程度に応じて空燃比制御の誤差が増大することになる問題が生じてしまう。
【００１３】
上述したように、従来シングル空燃比センサシステムにおいては、排気中の水素の影響による空燃比センサ出力の変化を補償して、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することは、たとえ排気ガス平衡化用触媒をセンサに設けた場合であっても困難であった。しかも、排気浄化触媒下流側では、排気浄化触媒により排気はかなり平衡化されているのに対して、上流側では平衡化の程度が低いため、排気浄化触媒上流側に設置した空燃比センサ出力に基づいて空燃比制御を行うシングル空燃比センサシステムでは排気中の水素濃度の影響ははるかに大きくなる。
【００１４】
また、上述の各問題はＯ２ センサのみならず、例えば片側を排気に接触させ、もう一方の側を大気に接触させた固体電解質に電圧を印可することにより、排気側（低酸素濃度側）から大気側（高酸素濃度側）に酸素イオンを移動させる酸素ポンプを形成し、酸素イオンの移動に伴う電流値の排気酸素濃度による変化に基づいて空燃比に比例する電圧を出力する、いわゆるリニア空燃比センサについても同じ問題が生じる。
【００１５】
本発明は上記問題に鑑み、排気浄化触媒上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を目標空燃比に制御する場合に、排気中の水素の有無にかかわらず常に正確に空燃比を制御することが可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサに到達する排気中の可燃成分を排気中の酸素と反応させて排気を平衡化するセンサ用触媒と、前記空燃比センサ出力の応答遅れに関連する遅れ特性値を検出する特性値検出手段と、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項１の発明では排気を平衡化するセンサ用触媒（以下「センサ触媒」と呼ぶ）を有する空燃比センサが使用される。前述したように、センサ触媒を有する空燃比センサでは排気空燃比のリーンからリッチへの変化に対する検出応答性が低下する。また、この応答性の低下は触媒能力が高いほど大きく、触媒能力の低下につれて短くなる。従って、センサ触媒を有する単一の空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う場合には、センサ触媒の能力が高いほど空燃比が目標空燃比よりリッチ側に制御されやすく能力低下とともに空燃比は徐々にリーン側に制御されるようになる。請求項１の発明では、空燃比センサの上記応答遅れに関連する遅れ特性値を検出し、遅れ特性値に基づいて触媒の能力を判定する。そして、センサ触媒の能力に応じて空燃比制御特性を変更するようにしている。遅れ特性値としては、例えばセンサの検出応答性を直接測定し、この検出応答性（検出遅れ時間）を遅れ特性値として使用しても良い。また、リーンからリッチの変化の検出遅れ時間が大きいほど、空燃比制御周期が大きくなることから、空燃比制御周期（または周波数）を検出して、この周期または周波数を遅れ特性値として使用してもよい。すなわち、本発明の判定手段は、例えば、遅れ時間が大きいほど、または空燃比制御周期が大きいほど（制御周波数が小さいほど）センサ触媒の能力が高いと判定し、補正手段はセンサ触媒の能力が高いほど空燃比がリッチ側に移行するように空燃比制御定数を補正する。これにより、センサ触媒を有する空燃比センサを使用した場合も、使用によるセンサ触媒の能力低下に応じた適切な空燃比が行われるようになる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記空燃比制御手段は、機関に供給する燃料量を補正する空燃比補正係数を前記空燃比センサ出力に基づいてフィードバック制御し、前記特性値検出手段は、前記空燃比制御手段のフィードバック制御周期もしくは前記空燃比補正係数に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項２の発明では、特性値検出手段は遅れ特性値として、空燃比フィードバック制御のフィードバック制御周期（例えば、空燃比の変化周期）または、空燃比補正係数が使用される。
請求項３に記載の発明によれば、前記特性値検出手段は、前記空燃比センサ出力値に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項３の発明では、特性値検出手段は実際の空燃比センサ出力に基づいて遅れ特性値が検出される。この場合、一定の機関運転条件下で機関空燃比が変化したときに、空燃比センサ出力にこの空燃比変化が現れるまでの時間を計測すること等により、空燃比センサ出力から直接センサ出力応答性の変化を遅れ特性値として検出するようにしても良い。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、前記判定手段は、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力とともに、前記空燃比センサの出力特性の変化を判定し、前記補正手段は、前記判定手段の判定した触媒能力と空燃比センサの出力特性の変化とに基づいて前記制御定数を補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２２】
請求項４の発明では、空燃比センサ出力の遅れ特性値に基づいてセンサ触媒の能力を判定する他、空燃比センサの出力特性自体の変化を判定する。空燃比センサは、使用により出力特性が変化する。例えば、センサ触媒が劣化してほとんど触媒としての機能を失ったような状態で、空燃比センサが劣化（例えば検出部電極が劣化）すると、空燃比センサ出力は真の排気空燃比より酸素濃度が低い側（すなわちリッチ側）にシフトする。また、センサ触媒劣化時にセンサ検出部保護層の目詰まりなどが生じると、分子の大きい酸素が検出部に到達しにくくなるため、同様に空燃比センサ出力はリッチ空燃比側にシフトするようになる。このような状態では、空燃比センサ出力のリッチからリーンへの変化に対する応答遅れが生じるため、空燃比はリーン側に誤制御されるようになる。本発明では、センサ触媒の触媒能力と空燃比センサ出力特性の変化（劣化）との両方を空燃比センサ出力の遅れ特性値に基づいて判定し、センサ触媒と空燃比センサとの劣化状態に応じて空燃比制御の補正を行う。例えば、センサ触媒の劣化程度が少なく触媒としての機能を維持している場合には請求項１と同様に触媒能力が低下するにつれて、空燃比のリッチ側への補正を少なくし、センサ触媒が完全に劣化して触媒としての機能を失ったような状態では、空燃比センサのリッチからリーンへの変化に対する応答性が低下するほど空燃比をリッチ側にシフトするように空燃比制御を補正するようにする。これにより、センサ触媒の能力変化だけでなく、空燃比センサ自体の劣化等による出力特性の変化を補償して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することが可能となる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関の平均空燃比を表す平均空燃比特性値を算出するとともに、該平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、前記算出された水素濃度に基づいて前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２４】
すなわち、請求項５の発明では空燃比センサにはセンサ触媒が設けられていない。このため、前述したように排気中の水素濃度が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比への変化に対する応答性が低下し検出遅れが大きくなる。このため、排気中の水素濃度が高くなるにつれて空燃比はリーン側に制御されるようになる。請求項５の発明では、水素濃度算出手段は機関平均空燃比を表す平均空燃比特性値に基づいて現在の排気中の水素濃度を算出する。例えば、排気中の水素濃度が高くなるほど機関空燃比平均値はリーン側に制御されるため、現在の機関空燃比平均値を排気中に水素がない状態における機関空燃比平均値と比較することにより、現在の排気中の水素濃度を算出することができる。補正手段は、算出された水素濃度に基づいて、例えば水素濃度が高いほど機関空燃比をリッチ側に制御するようにして、水素による機関空燃比のリーン側へのシフトを補正する。これにより、単一の空燃比センサ出力に基づく空燃比制御を行う場合でも、センサ触媒を使用することなく排気中の水素による空燃比制御誤差の発生が防止される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の全体構成を示す概略図である。図１において、１は内燃機関本体を示す。本実施形態では内燃機関１は多気筒機関が使用されており、図１はそのうちの１つの気筒についてのみ示しているが、他の気筒についても同一の構成となっている。
【００２６】
図１において、２は機関１の吸気管、１６は吸気管２に配置され運転者のアクセルペダル２１の操作量に応じた開度をとるスロットル弁、２ａは吸気管２に設けられたサージタンク、２ｂは各気筒の吸気ポートとサージタンク２ａとを接続する吸気マニホルド、７は機関１の各気筒の吸気ポートに加圧燃料を噴射する燃料噴射弁を示す。
【００２７】
本実施形態では、スロットル弁１６には、スロットル弁開度に応じた電圧信号を発生するスロットル開度センサ１７が配置されており、また、サージタンク２ａにはサージタンク内の絶対圧力に応じた電圧信号を発生する吸気管圧力センサ３が接続されている。
また、図１において１１は各気筒の排気ポートを共通の集合排気管１４に接続する排気マニホルドを示している。集合排気管１４には、排気の空燃比が理論空燃比近傍のときに排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯＸ の三成分を同時に浄化可能な排気浄化触媒（三元触媒）１５が配置されている。排気マニホルド１１の各気筒からの排気が合流する排気合流部にはＯ２ センサ１３が設けられている。本実施形態では、Ｏ２ センサ１３は排気中の酸素濃度を検出し空燃比に対応した出力電圧を発生するＯ２ センサが使用されている。本実施形態では、Ｏ２ センサ１３は排気平衡化のためのセンサ触媒を有する、触媒付センサとされている。図２はＯ２ センサ１３の概略構造を説明する図である。
【００２８】
Ｏ２ センサ１３は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２ ）等の固体電解質１３０５の両側に２つの白金電極１３０１、１３０３を配置した構成とされ、白金電極１３０３側は多孔質の保護層１３０７、触媒層１３０９を介して機関排気に接触し、白金電極１３０１は大気に接触するように機関排気通路に挿入される。
このように、固体電解質１３０５の両側の白金電極１３０１と１３０３に酸素濃度の異なる気体（大気と排気ガス）を接触させると、電極相互の酸素濃度差により、大気（高酸素濃度）側電極１３０１上では大気中の酸素分子がイオン化し酸化ジルコニウム中を酸素イオンが排気（低酸素濃度）側電極１３０３に向けて移動して電極１３０３上で酸素分子になる。このため、電極１３０１と１３０３との間には酸化ジルコニウム中を流れる酸素イオンの量に応じた起電力が生成される。また、単位時間当たりに流れる酸素イオンの量は大気と排気の酸素濃度差に応じて変化するため、上記起電力を出力電圧として取り出すことにより、排気中の酸素濃度に応じた信号を得ることができる。図３はＯ２ センサ１３の出力特性を示す図である。図３に示すように、Ｏ２ センサ１３出力は理論空燃比近傍で比較的急激に変化する、いわゆるＺ特性を示す。
【００２９】
ところが、排気中に水素が生成されると前述したように保護層１３０９内での拡散速度の差等により、排気側電極１３０３近傍では外部の排気より水素濃度が高くなり、電極上での水素と酸素の反応により排気側電極１３０３上での酸素濃度が保護層１３０７外側の排気より低くなってしまうため、Ｏ２ センサ１３は、保護層１３０７外部の排気の空燃比がかなりリーンにならないとリーン出力を発生しなくなる。すなわち、排気中に水素が存在すると、保護層１３０７外部の排気空燃比に対してＯ２ センサ１３出力は図３に点線で示したように変化するようになる。このため、空燃比のリッチからリーンへの変化の検出に遅れが生じるようになる。
【００３０】
このような、水素の影響を防止するため、本実施形態では、Ｏ２ センサ１３の保護層１３０７外側に触媒担体としてのアルミナ等の多孔質層１３０９を形成し、この担体層に白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒成分を担持させている。保護層１３０７外側に触媒層１３０９を形成したことにより、排気中の水素等の可燃成分は触媒層１３０９上で排気中の酸素と反応し、平衡化された後に保護層１３０７を通って電極１３０３に到達するようになる。このため、排気中に水素が生成された場合でも、水素がそのままの形で電極１３０３に到達することがなくなり、電極１３０３近傍は常に保護層１３０７外部の排気が平衡化された状態で到達するようになる。排気の真の空燃比は排気中の可燃成分と酸素とが完全に反応した状態での排気中の酸素濃度に対応しているため、触媒層１３０９を設けたことにより、Ｏ２ センサ１３は排気中に水素が生成された場合でも真の排気空燃比に対応した出力を発生するようになり、図３に実線で示した本来の出力特性を示すようになる。なお、図２に１３１１で示したのは、機関始動時等の低温時に固体電解質層１３０５中を酸素イオンが移動可能な温度まで早期に昇温させるための電気ヒータである。
【００３１】
図１において、機関本体１のシリンダブロックのウォータジャケット８には、冷却水の温度を検出するための水温センサ９が設けられている。水温センサ９は冷却水の温度に応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。
なお、上述のＯ２ センサ１３、スロットル弁開度センサ１７、吸気管圧力センサ３及び水温センサ９の出力信号は、後述するＥＣＵ１０のマルチプレクサ内蔵Ａ／Ｄ変換器１０１に入力される。
【００３２】
図１に５、６で示すのは、それぞれ機関１のクランク回転角を検出するクランク角センサである。クランク角センサ５は、機関１のカム軸（図示せず）近傍に設けられ、カム軸回転角が、例えばクランク軸回転角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生する。また、クランク角センサ６は、クランク軸近傍に設けられ、クランク軸回転角３０°毎にクランク角検出用パルス信号を発生する。これらクランク角センサ５、６のパルス信号はＥＣＵ１０の入出力インターフェイス１０２に供給され、このうちクランク角センサ６の出力はＣＰＵ１０３の割込み端子に供給される。
【００３３】
ＥＣＵ（電子制御ユニット）１０は、たとえばマイクロコンピュータとして構成され、Ａ／Ｄ変換器１０１、入出力インターフェイス１０２、ＣＰＵ１０３の他に、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、バックアップＲＡＭ１０６、クロック発生回路１０７等が設けられている。
本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ２ センサ１３出力に基づいて機関空燃比が目標空燃比（本実施形態では理論空燃比）になるように機関１の燃料噴射量をフィードバック制御するとともに、燃料噴射弁７を制御し算出された燃料噴射量の量を気筒の吸気ポートに噴射する機関の空燃比制御を行う。また、本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ２ センサのセンサ触媒の能力低下やＯ２ センサ出力特性の変化に応じて空燃比制御特性を補正する制御を行う。すなわち、本実施形態では、ＥＣＵ１０は空燃比制御手段として機能する他、Ｏ２ センサの出力応答遅れを表す遅れ特性値を検出する特性値検出手段、センサ触媒の能力を判定する判定手段、空燃比制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段等の請求項に記載した各手段として機能している。
【００３４】
ＥＣＵ１０の、ダウンカウンタ１０８、フリップフロップ１０９、および駆動回路１１０は燃料噴射弁７を制御するためのものである。すなわち、後述のルーチンにおいて、燃料噴射量（噴射時間）ＴＡＵが演算されると、噴射時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０８にプリセットされると共にフリップフロップ１０９がセットされる。この結果、駆動回路１１０が燃料噴射弁７の付勢を開始する。他方、ダウンカウンタ１０８がクロック信号（図示せず）を計数して最後にその出力端子が“１”レベルとなったときに、フリップフロップ１０９がリセットされて駆動回路１１０は燃料噴射弁７の付勢を停止する。つまり、上述の燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射弁７は付勢され、時間ＴＡＵに応じた量の燃料が機関１の燃焼室に供給されることになる。
【００３５】
機関の回転数（回転速度）データは、クランク角センサ６のパルス間隔に基づいて所定のクランク角毎（例えば３０°毎）の割込により演算され、ＲＡＭ１０５の所定領域に格納される。つまり、ＲＡＭ１０５には常に最新の回転速度データが格納されている。
次に、本実施形態の機関の燃料噴射量算出と、空燃比フィードバック制御とについて説明する。
【００３６】
本実施形態では、ＥＣＵ１０は吸気管圧力センサ３で検出した吸気圧力ＰＭと機関回転数ＮＥとに基づいて、機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要な燃料噴射量（基本燃料噴射量）ＴＡＵＰを算出し、基本燃料噴射量ＴＡＵＰをＯ２ センサ１３出力に基づいて補正することにより最終的な燃料噴射量ＴＡＵを設定している。図４は上記の燃料噴射量演算操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定クランク回転角毎に実行されるルーチンとして行われる。
【００３７】
図４において、操作がスタートするとステップ４０１では、機関１の吸気圧力データＰＭと回転数データＮＥとが読み込まれ、ステップ４０３ではＰＭとＮＥとに基づいて基本燃料噴射量ＴＡＵＰが設定される。前述したように、ＴＡＵＰは、基準状態において機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要とされる燃料噴射量であり、予めＰＭとＮＥとの条件を変えて実験を行うこと等により設定されている。本実施形態では、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４には、各ＰＭとＮＥとの条件下におけるＴＡＵＰの値がＰＭとＮＥとを用いた数値テーブルの形で予め格納されており、ステップ４０３ではこの数値テーブルから基本燃料噴射量ＴＡＵＰが求められる。また、ステップ４０５では、上記ＴＡＵＰを用いて、最終的に燃料噴射量ＴＡＵが、ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ×（ＦＡＦ＋ＫＧ）×β＋γとして設定され、ステップ４０７ではこのＴＡＵに応じた値がダウンカウンタ１０９にセットされて本操作は終了する。これにより、各燃料噴射弁からはＴＡＵに等しい量の燃料が噴射される。
【００３８】
なお、上記ＴＡＵの式のβ、γは機関始動時、冷間時等の燃料噴射量補正用の定数であり、暖機後の定常運転ではβ＝１．０、γ＝０にセットされる。
また、ＦＡＦは後述する空燃比フィードバック制御によりＯ２ センサ１３出力に基づいて設定される空燃比補正係数、ＫＧは空燃比補正係数ＦＡＦの学習補正係数である。ＦＡＦ、ＫＧについては後に説明する。
【００３９】
図５、図６は本実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本操作では、Ｏ２ センサ１３の出力ＶＯを比較電圧ＶＲ （理論空燃比相当出力電圧、図３参照）と比較し、触媒コンバータ上流側での排気空燃比が理論空燃比よりリッチ（ＶＯ＞ＶＲ ）のときには空燃比補正量ＦＡＦを減少させ、リーン（ＶＯ≦ＶＲ ）のときにはＦＡＦを増大させる制御を行う。Ｏ２ センサは排気空燃比が理論空燃比よりリッチ空燃比側のときに、例えば０．９ボルトの電圧信号を出力し、排気空燃比が理論空燃比よりリーン空燃比側のときに例えば０．１ボルト程度の電圧信号を出力する。本実施例では、上記比較電圧ＶＲ は０．４５ボルト程度に設定される。上記のように空燃比補正量ＦＡＦを排気空燃比に応じて増減することにより、吸気管圧力センサ３や燃料噴射弁７等の燃料供給系の機器に多少の誤差が生じている場合でも機関空燃比は正確に理論空燃比近傍に修正される。
【００４０】
以下、図５、図６のフローチャートを簡単に説明する。ステップ５０１はフィードバック制御実行条件が成立しているか否かの判定を示す。フィードバック制御実行条件は、例えば、Ｏ２ センサが活性化していること、機関暖機が完了していること（冷却水温度センサ９で検出した冷却水温度が所定値以上になっていること）、フュエルカットから復帰後所定時間が経過していること、等であり、実行条件が成立している時にのみステップ５０３以下のＦＡＦ算出が行われる。フィードバック制御実行条件が成立していない場合には、ルーチンは図６、ステップ５４９に進み、フラグＸＭＦＢの値を０にセットしてルーチンを終了する。フラグＸＭＦＢはＯ２ センサ１３出力に基づく空燃比制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＭＦＢ＝０は空燃比フィードバック制御が停止されていることを意味する。
【００４１】
ステップ５０３から５２９は空燃比がリッチかリーンかの判定を示す。
ステップ５１７と５２９とに示すフラグＦ１は、機関空燃比がリッチ（Ｆ１＝１）かリーン（Ｆ１＝０）かを表す空燃比フラグであり、Ｆ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）への切換えはＯ２ センサ１３が所定時間（ＴＤＲ）以上継続してリッチ信号（ＶＯ＞ＶＲ ）を出力したときに（ステップ５０５、５１９から５２９）、またＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリーン）への切換えはＯ２ センサ１３が所定時間（−ＴＤＬ）以上継続してリーン信号（ＶＯ≦ＶＲ ）を出力したときに行われる（ステップ５０５から５１７）。ＣＤＬＹは空燃比フラグ切換えタイミングを判定するためのカウンタである。
図６ステップ５３１から５４５では、上記により設定されたフラグＦ１の値に応じてＦＡＦの増減を行う。すなわち、今回ルーチン実行時のＦ１の値と前回ルーチン実行時のＦ１の値を比較して、Ｆ１の値が変化したか、つまり空燃比がリッチからリーン、またはリーンからリッチに反転したかを判断する（ステップ５３１）。そして、現在のＦ１の値がＦ１＝０（リーン）の場合には、先ずＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリーン）に変化（反転）した直後に比較的大きな値ＲＳＲだけＦＡＦをスキップ的に増大させ（ステップ５３３、５３５）、その後はＦ１＝０である間はルーチン実行毎に比較的小さな値ＫＩＲずつ徐々にＦＡＦを増大させる（ステップ５３９、５４１）。同様に、現在のＦ１の値がＦ１＝１（リッチ）の場合には、先ずＦ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）に反転した直後にスキップ的にＲＳＬだけＦＡＦを減少させ（ステップ５３３、５３７）、その後はＦ１＝１である間はルーチン実行毎にＫＩＬずつ徐々にＦＡＦを減少させる（ステップ５３９、５４３）。また、上記により算出したＦＡＦの値を最大値（本実施例ではＦＡＦ＝１．２）と最小値（本実施例ではＦＡＦ＝０．８）で定まる範囲を越えないようにガードした後（ステップ５４５）、フラグＸＭＦＢの値を１にセットして（ステップ５４７）本操作は終了する。
【００４２】
図７は、図５、図６の空燃比フィードバック制御を行った場合の、Ｏ２ センサ１３で検出した空燃比（Ａ／Ｆ）変化（図７（Ａ） ）に対するカウンタＣＤＬＹ（同（Ｂ） ）、フラグＦ１（同（Ｃ） ）、空燃比補正係数ＦＡＦ（同（Ｄ） ）の変化を示している。図７（Ａ） に示すように、Ａ／Ｆがリーンからリッチに変化した場合でも空燃比フラグＦ１（図７（Ｃ） ）の値は直ちに０から１には変化せず、カウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＲに増大するまでの時間（図７（Ｃ） Ｔ１ ）の間は０のまま保持され、Ｔ１ 経過後に０から１に変化する。また、Ａ／Ｆがリッチからリーンに変化した場合もＦ１の値はカウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＬ（ＴＤＬは負の値）に減少するまでの時間（図７（Ｃ） Ｔ２ ）の間は１のまま保持され、Ｔ２ 経過後に１から０に変化する。このため、図７（Ａ） にＮで示したように外乱等により上流側Ｏ２ センサ１３の出力が短い周期で変化したような場合でもフラグＦ１の値は追従して変化しないため、空燃比制御が安定する。
【００４３】
空燃比フィードバック制御の結果、空燃比補正係数ＦＡＦの値は図７（Ｄ） に示すように周期的に増減を繰り返し、機関空燃比はリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変動する。また、図４で説明したように、ＦＡＦの値が増大すると燃料噴射時間ＴＡＵは増大し、ＦＡＦの値が減少すると燃料噴射時間ＴＡＵも減少する。
【００４４】
また、図７（Ｄ） から判るように、リッチスキップ量ＲＳＲが増大し、またはリーンスキップ量ＲＳＬが減少すると、スキップ操作時のＦＡＦのリッチ空燃比側（ＦＡＦ＞１．０側）への振れ幅がリーン空燃比側への振れに較べて大きくなり、全体的に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比はリッチ空燃比側に移行する。また、逆にＲＳＲが減少し、またはＲＳＬが増大すると、ＦＡＦのリーン空燃比側（ＦＡＦ＜１．０側）への振れ幅が大きくなり空燃比が全体的にリーン空燃比側に移行する。従って、ＲＳＲ、ＲＳＬの値を増減することにより、機関空燃比を全体としてリッチ空燃比側またはリーン空燃比側にシフトさせることができる。
【００４５】
また、空燃比制御における他の補正量を変化させることにより機関空燃比を変化させることができる。例えば、リッチ積分定数ＫＩＲの値を増大させ、またはリーン積分係数ＫＩＬの値を減少させると、図５ステップ５４１のＦＡＦの増大速度がステップ５４３の減少速度より大きくなるため、機関空燃比は全体としてリッチ側にとどまっている時間が長くなり、平均空燃比はリッチ側にシフトする。更に、リッチ遅れ時間ＴＤＲの値を増大させ、またはリーン遅れ時間ＴＤＬの値を減少させることによっても全体的に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比はリッチ側にシフトする。或いはＯ２ センサ１３の比較電圧ＶＲ の値が増大すると、同様に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、機関空燃比は全体としてリッチ側にシフトするようになる。
【００４６】
本明細書では、上記のように空燃比フィードバック制御の制御特性を決定するスキップ量ＲＳＲ、ＲＳＬ、積分係数ＫＩＲ、ＫＩＬ、遅れ時間ＴＤＲ、ＴＤＬ、比較電圧ＶＲ 等の補正量を空燃比制御の制御定数と呼んでいる。
次に、図４の燃料噴射量算出操作で最終燃料噴射量設定に使用される学習補正係数ＫＧについて説明する。
【００４７】
前述のように図５、図６の空燃比フィードバック制御を行うことにより、燃料噴射系統機器の特性に多少の変化があったような場合でも、ＦＡＦの値が特性変化に応じて設定されるため機関空燃比は理論空燃比に制御されるようになる。ところが、図６ステップ５４５で説明したように、ＦＡＦの値は最大値と最小値（例えば１．２と０．８）でガードされているため、ＦＡＦの値が１．０から離れた値になるとＦＡＦによる制御範囲が狭まる問題が生じる。例えば、ＦＡＦが機器の特性変化やばらつきのために１．１を中心として周期的に変化するようになると、すなわち理論空燃比相当のＦＡＦの値が１．１にずれてしまうと最大ガード値が存在するためＦＡＦのリッチ空燃比側の制御幅は１．１から１．２までの範囲に制限されてしまうことになり、運転状態の変化等により空燃比が大きくリーン側に振れたような場合には機関空燃比を理論空燃比に制御することができなくなってしまう。また、図５ステップ５０１でフィードバック制御条件が成立していない場合にはＦＡＦの値を１．０に固定したオープンループ制御を行うが、この場合も理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１にずれていた場合にはＦＡＦ＝１．０に設定すると機関空燃比は理論空燃比から離れた値に制御されてしまう。そこで、本実施形態では学習補正係数ＫＧの値を増減することにより、常にＦＡＦの値が１．０近傍になるように制御している。
【００４８】
例えば上記のように理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１になったような場合には学習補正係数ＫＧの値は０．１にセットされる。これにより、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持しつつ図５、図６の制御によりＦＡＦの値が１．０に設定されるようになる。また、オープンループ制御の場合にＦＡＦの値が１．０に固定されても同様に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持されるため、図４の操作で設定される燃料噴射量は機関空燃比を理論空燃比に維持するだけの量となる。
【００４９】
図８は、学習補正係数ＫＧの設定操作を説明するフローチャートである
本操作は、ＥＣＵ１０により図５、図６の操作と同じ時間間隔で実行されるルーチンにより行われる。
図８において操作がスタートすると、ステップ８０１では図５で設定されたフラグＦ１の値が反転したか、すなわち前回操作実行時のＦ１の値から変化したか否かを判断し、反転していない場合にはステップ８２１に進み、現在の空燃比補正係数ＦＡＦの値をＦＡＦｉ−１ として記憶した後本操作を終了する。ステップ８０１でＦ１の値が反転している場合にはステップ８０３で現在のＦ１の値が０（リーン）にセットされているか否かを判定する。Ｆ１反転後にステップ８０３でＦ１＝０であった場合には、図５、図６のルーチンでＲＳＲによるリッチスキップが行われた直後であるため、前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値は、リッチスキップ直前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最小値）である。従ってこの場合にはステップ８０５で前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値をＦＡＦＬとして記憶する。また、Ｆ１反転後にステップ８０３でＦ１≠０であった場合には、ＲＳＬによるリーンスキップが行われた直後であるので、前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値はリーンスキップ直前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最大値）である。このため、この場合はステップ８０７に進み、前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値をＦＡＦＲとして記憶する。そして、ステップ８０９ではＦＡＦの最大値ＦＡＦＲと最小値ＦＡＦＬとの平均値ＦＡＦＡＶが算出される。
【００５０】
また、ステップ８１１から８１７ではこの平均値ＦＡＦＡＶに応じて学習補正係数ＫＧの値が増減補正される。すなわち、ＦＡＦＡＶ≧（１．０＋α）のときにはＫＧの値はΔＫＧだけ増大され。（ステップ８１１、８１３）、ＦＡＦＡＶ≦（１．０−α）のときにはＫＧの値はΔＫＧだけ減少される（ステップ８１５、８１７）。また、（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の場合にはＫＧの値はそのままに保持される。そして、ステップ８１９では増減後のＫＧの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納される。
【００５１】
図８の操作を行うことにより、学習補正係数ＫＧの値は常にＦＡＦの平均値（ＦＡＦＡＶ）の値が（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の範囲内になるように設定される。なお、本実施形態ではαの値は、例えば０．００１から０．０１程度の値に、ΔＫＧの値は０．０００５から０．００１程度の値に設定されている。
【００５２】
ところで、図５、図６のようにＯ２ センサ１３出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う場合Ｏ２ センサ１３のリーン／リッチの空燃比変化の検出応答性が低下すると、例えば前述の制御定数のうちＴＤＲ、ＴＤＬが変化したと同様に空燃比制御がリッチ側またはリーン側にシフトしてしまう。本実施形態では触媒付センサを使用しているため、排気中に水素が生成された場合でも本来リーン空燃比からリッチ空燃比への変化の検出遅れは生じないはずである。しかし、センサ触媒を設けたため逆にリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出遅れが生じる問題がある。
【００５３】
前述したように、この遅れはセンサ１３の触媒層１３０９内のセンサ触媒表面に排気空燃比がリーンのときに酸素イオンが吸着され、排気空燃比がリッチになったときにこの酸素イオンにより排気中の可燃成分が酸化されるために生じる。このようなリーンからリッチへの検出遅れが生じると、図７でリーンスキップＲＳＬの生じるタイミングが遅くなるため、リッチスキップＲＳＲが生じてからリーンスキップＲＳＬが生じるまでの時間が長くなり、リッチ積分係数ＫＩＲのためにＦＡＦは過剰にリッチ側に制御されてしまい、空燃比のフィードバック制御周期（リッチスキップから次のリッチスキップまで、またはリーンスキップから次のリーンスキップまでの時間）は長く、かつ空燃比は全体としてリッチ空燃比側に制御されるようになる。しかも、上記リッチ空燃比の検出遅れ時間はセンサ触媒の触媒としての能力が高いほど大きく、触媒能力の低下とともに短くなるため、触媒能力が低下するほど空燃比フィードバック制御周期は短くなり、リッチ側への空燃比のずれも小さくなる。この場合、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御するためには、センサ触媒の能力に応じて空燃比フィードバック制御の特性を変える必要がある。
【００５４】
そこで、以下に説明する実施形態では、センサ触媒の能力に応じて空燃比のフィードバック制御周期が変化することに注目し、Ｏ２ センサの応答遅れを代表する遅れ特性値としてフィードバック制御周期を使用してセンサ触媒の能力を推定する。すなわち、本実施形態では、後述する方法で空燃比フィードバック制御周期を算出し、空燃比フィードバック制御周期からセンサ触媒能力を推定することにより、このセンサ触媒能力に応じた値に空燃比制御の制御定数を設定するようにしている。これにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御することが可能となっている。
【００５５】
以下、本発明の空燃比制御定数の補正のいくつかの実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
図９は、本実施形態の空燃比フィードバック制御周期検出操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により図５、図６の操作と同一の時間間隔で実行されるルーチンとして行われる。
【００５６】
図９の操作では、図５、図６の操作で設定された空燃比フラグＦ１の１から０への反転の時間間隔を周期カウンタＣＯＸにより計時している。
すなわち、図９ステップ９０１、９０３では空燃比フラグＦ１が反転したか否か（ステップ９０１）、反転した場合にはＦ１＝１からＦ１＝０への反転か否か（ステップ９０３）を判断し、Ｆ１の値が１から０に反転した場合にはステップ９０７でそのときの計時カウンタＣＯＸの値をＴＯＸとして記憶し、ステップ９０９でカウンタＣＯＸの値をクリアする。一方、ステップ９０１、９０３でフラグＦ１が反転していない場合または１から０への反転でない場合には、ステップ９０５に進み計時カウンタＣＯＸの値を１だけ増加させる。すなわち、計時カウンタＣＯＸの値はＦ１の値が１から０に反転する毎に０にセットされ、その後本操作実行毎に１増加される。そして、次にＦ１の値が１から０に反転すると再度ＣＯＸの値を０にクリアする前にそのときのＣＯＸの値がＴＯＸとして記憶される。このため、ＴＯＸの値はＦ１の値が１から０に反転する間隔、つまりリッチスキップが生じる間隔（空燃比フィードバック制御周期）を表す値になる。
【００５７】
上記により今回のフィードバック制御周期ＴＯＸを計時後、ステップ９１１では、フィードバック制御周期のなまし計算（加重平均）が行われ、フィードバック制御周期のなまし値ＴＦＢが、ＴＦＢ＝ＴＦＢ＋（ＴＯＸ−ＴＦＢ）／Ｋとして算出される。ここで、Ｋはなまし係数（重み付係数）であり、１より大きい定数である。ステップ９１１でＴＦＢを算出後、ステップ９１３ではＴＦＢの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納され、本操作は終了する。
【００５８】
図１０は、本実施形態におけるフィードバック制御周期に基づく空燃比制御定数の補正操作を示すフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
本操作では、図９の操作で求めたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づいてリッチスキップ量ＲＳＲの値を補正する場合を示している。図１０の操作では、図９で算出されたフィードバック制御周期ＴＦＢをバックアップＲＡＭ１０６から読み込んで（ステップ１００１）、ＴＦＢの値に応じてＲＳＲの値を設定し（ステップ１００３）、同時にＲＳＬの値を、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして設定する（ステップ１００５）。
【００５９】
図１１は、ステップ１００３で用いられるＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１１に示すように、本実施形態ではフィードバック制御周期ＴＦＢの値が大きいほど（すなわちセンサ触媒の触媒能力が大きいほど）ＲＳＲは小さな値に設定される。前述のように、制御定数ＲＳＲの値が小さく設定されるほど空燃比はリーン側に補正されるようになる。このため、センサ触媒の触媒能力が大きく空燃比のリッチ側へのシフト量が大きいほどＲＳＲの値は小さく設定されるようになり、機関空燃比はリーン側に大きく補正されるようになる。図１１の関係は、センサ触媒やセンサの種類、機関のタイプ等により異なってくる。このため、本実施形態では劣化程度が異なるセンサ触媒を使用して実際の機関で実験を行い、センサ触媒劣化程度とフィードバック制御周期ＴＦＢとの関係、及びセンサ触媒劣化程度と空燃比を目標空燃比に補正するために必要なＲＳＲとの値を求めてある。そして、フィードバック制御周期と必要なＲＳＲの値との関係を表す図１１の関係を予めＲＳＲとＴＦＢとを用いた数値テーブルの形でＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納してある。ステップ１００３では、この数値テーブルを用いて、ＴＦＢの値からＲＳＲの値が決定される。
【００６０】
なお、図１０は制御定数としてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について示したが、前述したように、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間ＴＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧ＶＲ のいずれかをフィードバック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても同様な効果を得ることができる。また、これら制御定数の２つ以上を同時にフィードバック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても良い。これらの場合も、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（センサ触媒の触媒能力が大きいほど）ＫＩＲ、ＴＤＲ、ＶＲ の値は小さくなるように設定し、センサ触媒能力が大きいほど機関空燃比がリーン側に補正されるようにする。
（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、空燃比フィードバック制御周期に基づいてセンサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値を補正することにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御している。ところが、センサ触媒の劣化が大幅に進み、触媒として機能しなくなったような場合には、第１の実施形態の制御を行うと問題が生じる場合がある。
【００６１】
劣化によりセンサ触媒の触媒機能が失われたような場合には、Ｏ２ センサ出力は従来のセンサ触媒を持たないＯ２ センサと同様に、排気中の水素濃度に大きく影響を受けるようになる。この場合、前述したようにＯ２ センサ出力は排気中の水素濃度が高いほどリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れることになる。このため、図５、図６のような空燃比フィードバック制御を行っていると、センサ触媒がある場合とは逆に図７のリッチスパイクＲＳＲが生じるタイミングが遅れてしまい、リーン積分係数ＫＩＬのために空燃比は大きくリーン側に振れるようになる。このため、排気中の水素濃度が高くなるほど空燃比フィードバック制御周期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするようになる。この場合には、水素濃度が高いほど、すなわちフィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリッチ側にシフトさせるように制御定数を補正する必要がある。
【００６２】
ところが、第１の実施形態では、センサ触媒が触媒としての機能を失っていない場合を対象としているため、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほど空燃比をリーン側にシフトするように制御定数が補正されてしまう。従って、第１の実施形態ではセンサ触媒が劣化して機能しなくなったような場合に排気中の水素濃度が高くなってフィードバック制御周期が大きくなると、水素の影響でリーン側にシフトしている空燃比を更にリーン方向にシフトさせてしまうことになり、逆に機関空燃比の制御誤差が大きくなる恐れがある。そこで、本実施形態では、まずセンサ触媒の劣化程度を判定し、センサ触媒が触媒として機能していると判定された場合には第１の実施形態と同じ制御定数の設定を行い、センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失ったと判定される場合には、逆にフィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリーン側にシフトする制御を行う。
【００６３】
次に、本実施形態のセンサ触媒劣化有無の判定方法について説明する。前述したように、センサ触媒付Ｏ２ センサではリーン空燃比からリッチ空燃比への変化の検出に遅れが生じ、この遅れはセンサ触媒の触媒能力が大きいほど大きく、触媒能力が低下するにつれて小さくなる。そこで、本実施形態ではＯ２ センサのリッチ空燃比検出の応答遅れを実際に計測することにより、センサ触媒の劣化程度を判定するようにしている。
【００６４】
図１２は、本実施形態のＯ２ センサの応答遅れ時間の検出原理を説明する図である。図１２において、カーブ（Ａ） は空燃比フィードバック制御中の空燃比補正係数ＦＡＦの変化を、カーブ（Ｂ） はＯ２ センサ出力の変化を示している。前述のように、本実施形態では図５、図６の空燃比制御が実行されているため、フィードバック制御中ＦＡＦは図７カーブ（Ｄ） で説明したように、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）による増減にスキップ量（ＲＳＲ、ＲＳＬ）によるスキップ的な増減とが組み合わされた変化をしている。ここで、図１２カーブ（Ａ） に示すようにＦＡＦにリッチスキップ変化（図１２にＲＳＲで示す）が生じると、機関の燃料噴射量はスキップ的に増大され、排気空燃比は大きくリッチ側に変化する。そして、このリッチ側への排気空燃比変化はある程度の時間遅れΔＴの後、Ｏ２ センサ１３出力の急増（カーブ（Ｂ） 上にΔＶで示した部分）として現れる。この遅れ時間ΔＴは、リッチスキップＲＳＲによりリッチ側に空燃比が急変した排気が機関からＯ２ センサ設置位置まで移動するのに要する時間とＯ２ センサ自体の検出応答遅れ時間との和になる。一方、機関から排出された排気がＯ２ センサ位置まで移動するのに要する時間は運転条件（排気流量）が同一であれば常に一定である。また、Ｏ２ センサ自体の検出応答遅れはセンサ触媒の触媒能力が低下するほど短くなる。このため、ある一定の運転条件（機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭ）で上記遅れ時間ΔＴを計測すれば、ΔＴの値からＯ２ センサ自体の検出応答遅れ時間を推定することが可能となる。本実施形態では、以下に説明する方法で遅れ時間ΔＴを計測し、遅れ時間ΔＴが所定時間以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能しなくなる程度まで劣化したと判定するようにしている。
【００６５】
図１３は、本実施形態の応答遅れ時間ΔＴ計測操作を示すフローチャートである。本操作は、図５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンとして行われる。
図１３において、操作がスタートすると、まずステップ１３００では遅れ時間検出条件が成立しているか否かが判定される。前述のように、遅れ時間ΔＴは、機関が一定の運転条件で運転されている状態で計測する必要がある。このため、ステップ１３００では、図５、図６の空燃比フィードバック制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされていること）機関１の運転状態が予め定めた状態にあること、すなわち機関吸気圧力ＰＭと回転数ＮＥとがそれぞれ予め定めた範囲にある時（例えば機関１のアイドル状態に相当するとき）に検出条件が成立したと判定するようにしている。ステップ１３００で検出条件が成立しなかった場合には、ステップ１３０３に進み、後述する計時カウンタＣＴの値をクリアした後に本操作は直ちに終了する。
【００６６】
ステップ１３００で検出条件が成立した場合には、ステップ１３０１では図５、図６の操作で設定される空燃比フラグＦ１の値が０か否かが判定され、Ｆ１≠０（すなわちＦ１＝１）の場合にはステップ１３０３で計時カウンタＣＴの値をクリアする。また、Ｆ１＝０であった場合にはステップ１３０５でＯ２ センサ１３出力ＶＯを読み込むとともに、前回本操作を実行時からのＯ２ センサ出力増加量ΔＶＯを、ΔＶＯ＝ＶＯ−ＶＯｉ−１ として算出する。ここで、ＶＯｉ−１ は前回本操作実行時のＯ２ センサ出力である。また、ステップ１３０７では上記により算出した増加量ΔＶＯが所定量ΔＶ（図１２）以上であるか否かを判定し、ΔＶＯ＜ΔＶであった場合にはステップ１３０９で計時カウンタＣＴの値を１だけ増大させる。これにより、計時カウンタＣＴの値は、フラグＦ１がの値が１の間は０にセットされ、Ｆ１の値が１から０に変化した時点（すなわちリッチスキップＲＳＲが生じた時点）からΔＶＯ＜ΔＶが成立する限り操作実行毎に１ずつ増大されることになる。
【００６７】
従って、ステップ１３０７でΔＶＯ≧ΔＶが成立すると、その時点における計時カウンタＣＴの値はリッチスキップＲＳＲが生じてからＯ２ センサ１３出力がΔＶ以上急増するまでの時間（すなわち図１２における遅れ時間ΔＴ）を表すことになる。本実施形態では、外乱等によるΔＴのばらつきを考慮して、このΔＴをステップ１３１３でさらになまし処理（加重平均処理）した値をＯ２ センサの応答遅れ時間ＴＤＣとして使用している。なお、ステップ１３１３の算式中のＮはなまし係数（重み付け係数）であり、１より大きな値とされる。
【００６８】
上記により遅れ時間ＴＤＣを算出した後、ステップ１３１３では算出した遅れ時間ＴＤＣをＥＣＵ１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納し、次回の演算のためにステップ１３１５でＶＯｉ−１ の値を更新して本操作は終了する。
図１４は、本実施形態の制御定数補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００６９】
図１４において、操作がスタートすると、ステップ１４０１では図１３の操作により算出された遅れ時間ＴＤＣが読み込まれる。また、ステップ１４０３では、図９の操作で算出されたフィードバック制御周期ＴＦＢが読み込まれる。
そして、ステップ１４０５では、遅れ時間ＴＤＣに基づいてセンサ触媒が触媒として機能しない程度に劣化しているか否かが判定される。本実施形態では、遅れ時間ＴＤＣが予め定めた基準値ＴＤＣ０ 以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能しない程度まで劣化したと判定するようにしている。なお、ＴＤＣ０ の値は、機関が図１３のステップ１３００の検出条件で運転されている状態で、許容限界までセンサ触媒が劣化したＯ２ センサを使用した実験等により決定される。なお、検出条件を機関の各運転領域毎に設定してＴＤＣ０ の値も各運転領域毎に決定しておけば、応答遅れ時間の検出頻度を高めることができる。
【００７０】
ステップ１４０５でセンサ触媒が正常であると判定された場合（ＴＤＣ＞ＴＤＣ０ ）には、ステップ１４０７では図１０ステップ１００３と同様に図９の操作で求められたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づいて、前述の図１１の関係からリッチスキップ量ＲＳＲの値が設定される。また、ステップ１４０５でセンサ触媒が劣化したと判定された場合（ＴＤＣ≦ＴＤＣ０ ）には、ステップ１４０９でセンサ触媒劣化時用のＲＳＲとフィードバック制御周期ＴＦＢとの関係に基づいてＲＳＲの値が設定される。そして、ステップ１４１１ではステップ１４０７またはステップ１４０９で設定されたＲＳＲの値に基づいてＲＳＬの値が設定されるのは図１０の操作と同様である。
【００７１】
図１５は、上記ステップ１４０９で使用されるセンサ触媒劣化時のＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１５に示すように、センサ触媒劣化時にはフィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（すなわち排気中の水素濃度が高いほど）ＲＳＲの値は大きく設定され、図１１の場合とはＲＳＲのＴＦＢに対する増減傾向が逆になっている。
【００７２】
本実施形態によれば、センサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値が補正されるのに加えて、センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失った場合には排気中の水素濃度に応じて制御定数の値が補正されるため、センサ触媒の劣化の有無や排気中の水素濃度にかかわらず正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが可能となっている。
【００７３】
なお、図１４では制御定数としてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明したが、第１の実施形態と同様制御定数としては、スキップ量の代わりに、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）、遅れ時間（ＴＤＲ、ＴＤＬ）、比較電圧（ＶＲ ）を補正するようにしても同様な効果が得られる。この場合、センサ触媒劣化時には、図１５の関係と同様にＫＩＲ、ＴＤＲ、ＶＲ の値はフィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほど大きな値に設定される。また、上記制御定数の２つ以上を同時に補正するようにしても良いのは第１の実施形態の場合と同様である。
（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。上記第２の実施形態では、センサ触媒が劣化した場合について考慮したが、実際のＯ２ センサではセンサ触媒のみならずＯ２ センサ自体が劣化する場合や、保護層（図２、１３０７）の目詰まり等が生じる場合がある。Ｏ２ センサの劣化（センサ電極の劣化）が生じると、Ｏ２ センサのリーン空燃比検出応答性が低下する。また、保護層の目詰まりが生じた場合も、酸素分子が保護層を通過しにくくなるため、同様にＯ２ センサのリーン空燃比検出応答性が低下する。すなわち、Ｏ２ センサ電極の劣化や保護層の目詰まりが生じると空燃比フィードバック制御周期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするようになる。このため、前述の各実施形態のようにフィードバック制御周期に基づいて制御定数の値を補正していると、センサ触媒の能力の低下やセンサ自体の劣化（またはセンサ保護層の目詰まり）、更にセンサ触媒の劣化による触媒機能喪失と排気中の水素濃度の影響等の要素が複雑に組み合わさった場合には正確な空燃比制御ができなくなる恐れがある。しかし、これらの場合にもＯ２ センサ出力のリッチ空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリッチ側に大きくシフトし、Ｏ２ センサ出力のリーン空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリーン側に大きくシフトすることは変わらない。このため、実際にＯ２ センサのリッチ空燃比検出遅れ時間とリーン空燃比検出遅れ時間との両方を検出し、これらの遅れ時間に応じて空燃比制御の制御定数を補正するようにすれば、フィードバック制御周期を用いることなく全ての場合に正確な空燃比制御が可能となる。そこで、本実施形態では、図１３の操作によりＯ２ センサ１３のリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣを算出する他に、図１３と類似の方法でＯ２ センサ１３のリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳを算出し、これら両方の遅れ時間に基づいて制御定数の値を補正するようにしている。
【００７４】
図１６は、本実施形態におけるリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳの算出操作を説明するフローチャートである。本操作は図５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンにより行われる。
図１６の操作では、リーンスキップＲＳＬが生じてから（すなわち空燃比フラグＦ１の値が０から１に変化した時から）（ステップ１６０１）Ｏ２ センサ出力ＶＯがΔＶ以上の急減少を示すまでの時間を計時するカウンタＣＴＳ（ステップ１６０３、１６０９）が使用される点が図１３のフローチャートと相異している他は、図１３のフローチャートと略同一である。また、今回計時した遅れ時間の値をなまし処理した値をリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとして使用する点（ステップ１６１３）も図１３の操作と同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００７５】
図１７は上記遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとを用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
本操作では、図１３で算出されたリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣと、図１６で算出されたリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとをそれぞれバックアップＲＡＭ１０６から読み込み（図１７、ステップ１７０１）、遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとに基づいて、予め設定された関係からリッチスキップ量ＲＳＲを設定し（ステップ１７０３）、設定されたＲＳＲの値からリーンスキップ量ＲＳＬを算出する（ステップ１７０５）。
【００７６】
図１８は、ステップ１７０３でＲＳＲの値の設定に用いるＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳの関係を示す図である。図１８に示すように、ＲＳＲの値はリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣが一定であればリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳが大きくなるほど大きな値（空燃比をリッチ側にシフトさせる方向）とされ、またリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳが一定であればリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣが大きくなるほど小さな値（空燃比をリーン側にシフトさせる方向）に設定される。図１８の関係は、実際のＯ２ センサ１３を用いて、センサ１３の遅れ時間を変えて機関を運転する実験を行い、機関空燃比を理論空燃比に維持するために必要なＲＳＲの値を決定しておくことにより求められる。本実施形態では図１８の関係は、ＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳを用いた数値テーブルとして予めＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納されており、図１７ステップ１７０３では、この数値テーブルからＲＳＲの値が決定される。
【００７７】
本実施形態によれば、センサの劣化程度やＯ２ センサの劣化、保護層の目詰まり等によるセンサ出力特性の変化があった場合でも正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが可能となる。
（４）第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００７８】
図１９は、本実施形態の概略構成を示す図１と同様な図である。図１９において、図１と同じ参照符号は同一の要素を示している。
本実施形態においても、図１と同様にシングルＯ２ センサシステムが用いられているが、図１のＯ２ センサ１３とは異なり、本実施形態のＯ２ センサ１９０にはセンサ触媒が設けられていない点が図１の実施形態と相違する。また、本実施形態では、ＥＣＵ１０は図１と同様に空燃比制御手段として機能する他、排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段及び、算出された水素濃度に基づいて首制御の制御定数を補正する補正手段として機能している。なお、Ｏ２ センサ１９０の構成は、図２において触媒層１３０９が設けられておらず、保護層１３０７が直接排気に接触する構成であること以外は図２の構成と同様である。また、本実施形態においても図４から図６及び図８で説明した空燃比フィードバック制御が行われる。この場合、本実施形態のＯ２ センサ１９０にはセンサ触媒が設けられていないため、排気中に水素が生成されるとリーン空燃比の検出遅れにより機関平均空燃比はリーン側にシフトすることになる。
【００７９】
この場合、仮に機関１を理論空燃比で運転するための燃料量に相当する空燃比補正係数ＦＡＦと学習補正係数ＫＧとの合計（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０であったとすると、水素の影響が生じると（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．０より小さい値に設定されることになり、排気中の水素濃度が高くなるほど（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は小さくなる。このため、本来（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０に較べてどのくらい小さくなっているかを監視していれば排気中の水素濃度の影響を知ることができるはずである。しかし、実際には理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は機関１の燃料噴射系統の要素の特性のばらつき等により１．０から変化するため、必ずしも（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を１．０と比較しても正確な水素濃度の影響を知ることはできない。また、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は空燃比フィードバック制御により周期的に変化しているため、各時点の（ＦＡＦ＋ＫＧ）からは水素濃度の影響を知ることはできない。そこで、本実施形態では、機関運転中に排気中の水素によるＯ２ センサ１９０の出力特性への影響を排除した状態で（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値を算出し、この水素の影響を受けない（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を基準値として使用する。排気中の水素の影響を受けない状態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値は必ず理論空燃比相当値に一致しているため、この値を基準値として用いることにより運転中の空燃比の理論空燃比からのずれを正確に算出することができる。すなわち、本実施形態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値を平均空燃比特性値として使用し、この平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する。
【００８０】
次に、排気中の水素の影響を排除する方法について説明する。
図２で説明したように、Ｏ２ センサにはセンサを加熱して早期に活性化させるための電気ヒータ１３１１が設けられている。通常、このセンサは冷間始動時等に使用され、排気温度が上昇してヒータを用いなくてもセンサ温度を活性化温度（例えば３００℃程度）に維持できる状態になると通電を停止している。本実施形態では、この電気ヒータを用いてセンサ温度を通常より高温（例えば６００℃以上）まで加熱することにより水素の影響を排除している。センサ温度が高温になると、排気中の水素はセンサ保護層外側で酸素と反応するようになり、センサ触媒を用いずに排気を平衡化することができる。このため、センサ温度を高温に維持した状態で図８の学習補正係数ＫＧを算出し、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値を求めておくことにより、水素の影響を排除した状態での理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）基準値を設定することができる。なお、センサを常時高温に維持しておけば排気中の水素の有無にかかわらず正確な空燃比制御が可能となるが、実際にはセンサを長時間高温に維持すると電極や固体電解質の劣化が促進されてしまうため、常時センサを加熱することは好ましくない。そこで、本実施形態では、定期的に（例えば機関始動毎に）短時間ヒータを高温に制御してＯ２ センサ温度を上昇させて（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値を求め、その後は通常のヒータ制御を行うようにしてセンサの劣化が生じることを防止している。
【００８１】
本実施形態では、通常の運転時（センサを加熱していない状態）に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値を算出し、この平均値と上記により求めた基準値の差に基づいて排気中の水素濃度を算出すると共に、水素濃度に応じた値に制御定数を設定するようにしている。
図２０は、本実施形態における（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００８２】
図２０において操作がスタートすると、ステップ２００１では基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされているか否かが判定され、ＸＧ＝１であった場合には更に基準値ＦＡＦＫＧ０ を算出することなく直ちに操作を終了する。ＸＧは機関始動時に０にリセットされるフラグであり、基準値ＦＡＦＫＧ０ の演算が完了した後ステップ２０１７で１にセットされる。このため、基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出は機関始動毎に１回行われるようにされ、頻繁なＯ２ センサ加熱によるセンサ劣化が防止される。
【００８３】
ステップ２００１で基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされていない場合には、機関始動後まだ基準値が算出されていないため、ステップ２００３から２０１７の基準値算出操作が行われる。すなわち、ステップ２００３では基準値算出条件が成立しているか否かが判定され、条件が成立していない場合にはステップ２０１７に進み、ヒータ１３１１の通常制御を行う。すなわち、機関始動後等のセンサ温度が低い場合にはヒータが通電され、センサの活性化温度までセンサが昇温される。ここで、基準値算出条件は、図５、図６のフィードバック制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされていること）、機関が定常運転中であり空燃比補正係数ＦＡＦの値が安定していること、等である。
【００８４】
ステップ２００３で基準値算出条件が成立していた場合には、ステップ２００５で電気ヒータ１３１１の高温制御が行われる。ヒータの高温制御は通常のヒータ制御より大きい電流を電気ヒータ１３１１に供給することにより行われる。そして、ステップ２００７ではセンサが高温（例えば６００℃以上）に到達したか否かが判定される。センサ温度の判定は、実際にセンサ温度を測定することによってもよいが、例えばヒータの高温制御を開始してから予め定めた時間が経過したか否かによりセンサが高温に到達したか否かを判定するようにしても良い。
【００８５】
ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達していた場合には、次にステップ２００９でセンサ高温状態での学習補正係数ＫＧの学習が完了したか否かが判定される。本実施形態では、図５、図６の空燃比フィードバック制御とともに、常に図８の学習制御が実行されており、センサが高温になって排気中の水素の影響がなくなりＦＡＦの値が変化すると図８の学習制御により、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束するまでＫＧの値が調節される。ステップ２００９では、図８で算出したＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束した場合にＫＧの学習が終了したと判定するようにしている。なお、ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達していない場合、及びステップ２００９で学習が完了していない場合には、以下の操作を実行せず、直ちに操作を終了する。
【００８６】
ステップ２００９でＫＧの学習が完了すると、次にステップ２０１１では、図８の操作で算出されたＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶ（図８ステップ８０９）とＫＧ（図８ステップ８１９）とから基準値ＦＡＦＫＧ０ が、ＦＡＦＫＧ０ ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出される。
基準値ＦＡＦＫＧ０ 算出後、ステップ２０１５では基準値ＦＡＦＫＧ０ の値がＥＣＵ１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納され、ステップ２０１７ではヒータ１３１１の高温制御を停止して通常のヒータ制御が再開される。
【００８７】
図２０の操作により、機関始動毎にＯ２ センサ１９０への排気中の水素の影響を排除した状態で基準値ＦＡＦＫＧ０ が算出され、バックアップＲＡＭ１０６に格納されるようになる。
図２１は、図２０により算出した基準値ＦＡＦＫＧ０ を用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００８８】
本操作では、現在のＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶとＫＧとの和ＦＡＦＫＧ＝（ＦＡＦＡＶ＋ＫＧ）と基準値ＦＡＦＫＧ０ との差ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ０ に基づいて、制御定数ＲＳＲの値が設定される。すなわち、ΔＦＡＦＫＧは排気中に水素が存在すると負の値をとり空燃比は理論空燃比よりリーン側に制御される。また、ΔＦＡＦＫＧの値が負の大きな値をとるほど排気中の水素濃度が高く、空燃比のリーン側へのシフトが大きくなっている。そこで、本実施形態では、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値をとるほどＲＳＲを増大させて空燃比をリッチ側に補正するようにしている。
【００８９】
図２１において、ステップ２１０１は制御定数補正の実行条件が成立しているか否かの判定を示す。ステップ２１０１では、現在ＫＧの学習が完了している場合（すなわち、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶが１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束しているか場合）、及び基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出が完了している場合（すなわち基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされている場合）に補正実行条件が成立したと判定され、上記条件のいずれか１つ以上が成立していない場合にはステップ２１０３から２１０９の補正を行わず直ちに操作を終了する。
【００９０】
ステップ２１０１で補正実行条件が成立していた場合には、次にステップ２１０３で、図８の操作で算出された平均値ＦＡＦＡＶと学習補正係数ＫＧとの和ＦＡＦＫＧが、ＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出される。そして、ステップ２１０５では、ＦＡＦＫＧと基準値ＦＡＦＫＧ０ との差ΔＦＡＦＫＧが、ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ０ として算出される。
【００９１】
次に、ステップ２１０７では上記により算出したΔＦＡＦＫＧの値に基づいてリッチスキップ量ＲＳＲが設定され、ステップ２１０９ではリーンスキップ量ＲＳＬの値が、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして算出される。
図２２は、ステップ２１０７でＲＳＲの値の設定に用いられるＲＳＲとΔＦＡＦＫＧ及び排気中の水素濃度との関係を示す図である。図２２に示すように、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほど排気中の水素濃度が増大しており、空燃比はリーン側にシフトしているため、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほどリッチスキップ量ＲＳＲは大きな値になるように設定される。
【００９２】
なお、図２１、図２２ではΔＦＡＦＫＧに基づいてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明したが、スキップ量に代えて、またはスキップ量とともに、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間ＴＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧ＶＲ 等の制御定数をΔＦＡＦＫＧに基づいて図２２と同様に補正するようにしても同様な効果を得ることができる。
【００９３】
以上、本発明をＯ２ センサを使用したシングル空燃比センサシステムに適用した実施形態について説明したが、上述の各実施形態の制御は、酸素濃度に基づいて空燃比を検出する他の空燃比センサ、例えばリニア空燃比センサにも適用できることは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明では、排気中の水素による空燃比センサ出力への影響を排除して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することを可能とする共通の効果を奏する。
すなわち、請求項１から４に記載の発明では、空燃比センサに到達する排気を平衡化するセンサ触媒を設け、水素の空燃比センサ出力への影響を排除するとともに、センサ触媒の能力変化による影響、さらには空燃比センサ自体の出力特性変化の影響（請求項４）をも排除することにより正確な空燃比制御を可能とする効果を奏している。
【００９５】
また、請求項５の発明では、センサ触媒を用いずに通常の空燃比センサを使用しながら、排気中の水素濃度を算出して水素濃度に応じて空燃比制御の制御特性を変化させることにより、排気中の水素の影響を排除して正確な空燃比制御を行うことを可能とする効果を奏している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態に使用する触媒付センサの概略構成を示す図である。
【図３】Ｏ２ センサの一般的出力特性を説明する図である。
【図４】図１の実施形態の燃料噴射量演算操作を説明するフローチャートである。
【図５】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートの一部である。
【図６】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートの一部である。
【図７】図５、図６の空燃比フィードバック制御による空燃比変動を説明するタイミングチャートである。
【図８】図１の実施形態の学習補正係数ＫＧ設定操作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるフィードバック制御周期検出操作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態における空燃比制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１１】図１０の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１２】センサ触媒の能力判定原理を説明するタイミングチャートである。
【図１３】Ｏ２ センサのリッチ空燃比検出遅れ時間検出操作を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１５】図１４の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１６】Ｏ２ センサのリーン空燃比検出遅れ時間検出操作を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の第３の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１８】図１７の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１９】本発明を自動車用内燃機関に適用した、図１とは異なる実施形態の概略構成を示す図である。
【図２０】図１９の実施形態における空燃比補正係数の基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出操作を説明するフローチャートである。
【図２１】本発明の第４の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図２２】図２１の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…吸気管
３…吸気管圧力センサ
５、６…クランク回転角センサ
７…燃料噴射弁
１０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１３…触媒付Ｏ２ センサ
１５…排気浄化触媒
１９０…Ｏ２ センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関排気通路の排気浄化触媒上流の側排気通路に配置した空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を制御する空燃比制御装置に関し、詳細には排気中の水素濃度の変化による空燃比センサ出力特性の変化を補償する手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に排気空燃比を検出する空燃比センサを配置し、空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置が知られている。例えば、この種の空燃比制御装置の例としては特開平９−１２６０１２号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、内燃機関の排気通路に設けた排気浄化触媒の上流側と下流側とに、それぞれ排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ２ センサを配置し、これら２つのＯ２ センサ出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比に制御している。
【０００３】
ところで、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出するＯ２ センサ等の空燃比センサを使用して機関空燃比を制御する場合には、排気中に水素が存在すると正確な空燃比制御ができなくなる問題がある。
一般に、Ｏ２ センサ等の排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサでは、センサの検出部（電極）に到達する排気中の酸素濃度と外部大気中の酸素濃度との差により生じる起電力等により排気中の酸素濃度を検出し、この排気酸素濃度から排気空燃比を検出している。このため、検出部に到達する排気の酸素濃度と実際の排気酸素濃度との間に差が生じると正確な空燃比検出を行うことができなくなる。例えば、排気中に水素が存在する場合には、水素の影響によりセンサ検出部に到達する排気の酸素濃度が実際の排気酸素濃度から変化してしまうため、空燃比センサ出力に誤差を生じ空燃比を正確に目標値に制御できなくなる場合が生じる。
【０００４】
一般に、水素は機関燃焼室で発生するＨ２ Ｏ、ＣＯ、ＨＣ（未燃炭化水素）等が、
Ｈ２ Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ２ ＋Ｈ２
ＨＣ＋２Ｈ２ Ｏ→ＣＯ２ ＋（５／２） Ｈ２
等の水性ガス還元反応を生じることにより生成される。この反応は、高温時ほど生じやすく、また、排気中のＨＣ、ＣＯ成分が多いほど、すなわち排気空燃比がリッチであるほど発生する水素の量が多くなる。従って、排気がリッチ空燃比かつ高温になるほど排気中の水素濃度が高くなる。
【０００５】
水素は、酸素分子より小さく、空燃比センサ検出部（電極）外側の保護層内での拡散速度が速いため排気中に水素が存在すると空燃比センサ検出部には酸素より早く水素が到達する傾向がある。このため、保護層内側のセンサ検出部では酸素濃度に対する水素濃度の比率が外部排気における比率より高くなる。この結果、検出部（電極）上で水素と酸素が反応すると、検出部における排気中の酸素濃度は外部排気の平衡化した酸素濃度より低くなってしまう。
【０００６】
ここで、「平衡化した酸素濃度」とは排気中の可燃成分（水素等）が排気中の酸素と完全に反応した後の酸素濃度であり、真の排気空燃比に対応する酸素濃度である。上記のように、排気中に水素が存在するとセンサ検出部での酸素濃度は平衡化した排気酸素濃度より低くなるため、空燃比センサは実際の排気空燃比よりリッチな出力を発生することになる。このため、実際の排気空燃比がリッチからリーンに変化した場合も、実際の空燃比がかなりリーンになるまで空燃比センサはリッチ空燃比出力を発生するようになる（すなわち，リッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れるようになる）。従って、このような状態の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を、例えば理論空燃比に制御しようとすると、空燃比が理論空燃比よりリーン側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。
【０００７】
上述の特開平９−１２６０１２号公報の装置では、排気浄化触媒上流側の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を制御し、排気浄化触媒下流側の空燃比センサ出力に基づいて上流側空燃比センサ出力に基づく空燃比制御の特性を決定する制御定数の値を補正するようにしている。そして、下流側空燃比センサ出力が排気中の水素により影響を受けることを防止するために、機関運転状態が水素の発生しやすい状態（高温かつリッチ空燃比運転）であり、かつ下流側空燃比センサが継続的にリッチ空燃比出力を発生したような場合には下流側空燃比センサ出力により決定される上記制御定数の値を補正して、機関空燃比が、よりリッチ空燃比側に移行するようにしている。
【０００８】
上述のように、上記特開平９−１２６０１２号公報の装置では排気中に水素が存在する状態では、水素による下流側空燃比センサ出力特性の変化を補償するように空燃比制御の制御定数を補正している。
一方、特開昭６３−２９０９５６号公報には、排気中の水素により空燃比センサ出力特性が変化することを防止し、水素の有無にかかわらず正確な出力を得ることを目的とした空燃比センサが開示されている。
【０００９】
同公報のセンサは、空燃比センサ検出部（電極）周囲の保護層外側に白金等の触媒層を配置することにより常に平衡化された排気がセンサ検出部に到達するようにした構成とされている。すなわち、保護層外側に白金等の触媒を配置することにより、排気中の水素は触媒上で排気中の酸素と反応して酸化されるため、触媒層を通過した排気は平衡化された状態となり水素が単独では存在しなくなる。このため、センサ検出部（電極）に到達する排気中の酸素濃度は真の排気空燃比に対応した濃度となり、排気中に水素が存在しても空燃比センサは真の空燃比に対応した出力を発生するようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記各公報の装置はそれぞれ以下のような問題がある。
まず、特開平９−１２６０１２号公報の装置は、排気浄化触媒の上流側と下流側との両方に空燃比センサを配置した、いわゆるダブル空燃比センサシステムであるため、同公報の方法を排気浄化触媒の上流側のみに配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて空燃比を制御するシングル空燃比センサシステムに適用することはできない。すなわち、シングル空燃比センサシステムでは機関空燃比は排気浄化上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて直接制御されるため、水素の影響により空燃比センサがリッチ出力を発生すれば機関空燃比は直ちにリーン側に制御されるため（空燃比センサがリーン空燃比出力を発生するまで機関空燃比がリーン空燃比側に誤制御されるため）、実際に排気中に水素が存在しても空燃比センサが継続してリッチ空燃比出力を発生することがない。従って、上記公報の方法ではシングル空燃比センサシステムの排気中に実際に水素が存在するか否かを判定することはできず、制御定数の補正を行うことはできない。
【００１１】
一方、特開昭６３−２９０９５６号公報の空燃比センサでは、空燃比センサ検出部保護層外側に排気ガス平衡化用の触媒を設けたため、空燃比センサの応答遅れが生じる問題が生じる。
白金等の触媒成分は、排気中の酸素濃度が高いときに（すなわち、リーン空燃比の時に）触媒表面に排気中の酸素を酸素イオンの形で吸着する性質がある。このため、排気空燃比がリーンからリッチに変化した場合でも、排気中の水素等の可燃成分はまず触媒表面の酸素イオンと反応し、触媒表面の酸素イオンが反応により消費された後に排気中の酸素と反応するようになる。このため、排気空燃比がリーンからリッチに変化した後も触媒層を通過した排気中の酸素濃度は直ちには低下せず、触媒表面に酸素イオンが存在しなくなるまでの間外部排気の酸素濃度より高い値に保持される。このため、触媒層を通過してセンサ検出部に到達する排気の酸素濃度が真の排気空燃比に対応した値に低下するまでにある程度の時間遅れが生じてしまうことになる。このため、上記特開昭６３−２９０９５６号公報の空燃比センサでは、排気空燃比がリーンからリッチに変化したときのセンサ出力変化の応答性が悪化することになる。このため、空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を理論空燃比を中心としてリッチ側とリーン側とに一定の範囲で周期的に交互に変化させるような空燃比制御装置に上記の触媒付センサを用いると、上記リッチ空燃比の検出遅れのために空燃比が理論空燃比よりリッチ側に誤制御されてしまう問題が生じるのである。
【００１２】
この問題は、予め上記応答遅れを見込んで空燃比制御の制御定数を設定することである程度解決することができる。しかし実際には、上記応答遅れ時間はセンサ用触媒の劣化とともに変化し、劣化が進むにつれて応答遅れは少なくなる。また、触媒の劣化が更に進みほとんど触媒としての機能を果たさなくなると、非平衡化ガスが直接センサ検出部に到達するようになるため、前述したように検出部では真の排気空燃比に対応した値より酸素濃度が低くなり、逆にリーン空燃比の検出が遅れるようになる。従って、触媒が新しい状態に合致させて上記制御定数を設定したのでは、触媒の劣化程度に応じて空燃比制御の誤差が増大することになる問題が生じてしまう。
【００１３】
上述したように、従来シングル空燃比センサシステムにおいては、排気中の水素の影響による空燃比センサ出力の変化を補償して、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することは、たとえ排気ガス平衡化用触媒をセンサに設けた場合であっても困難であった。しかも、排気浄化触媒下流側では、排気浄化触媒により排気はかなり平衡化されているのに対して、上流側では平衡化の程度が低いため、排気浄化触媒上流側に設置した空燃比センサ出力に基づいて空燃比制御を行うシングル空燃比センサシステムでは排気中の水素濃度の影響ははるかに大きくなる。
【００１４】
また、上述の各問題はＯ２ センサのみならず、例えば片側を排気に接触させ、もう一方の側を大気に接触させた固体電解質に電圧を印可することにより、排気側（低酸素濃度側）から大気側（高酸素濃度側）に酸素イオンを移動させる酸素ポンプを形成し、酸素イオンの移動に伴う電流値の排気酸素濃度による変化に基づいて空燃比に比例する電圧を出力する、いわゆるリニア空燃比センサについても同じ問題が生じる。
【００１５】
本発明は上記問題に鑑み、排気浄化触媒上流側に配置した単一の空燃比センサ出力に基づいて機関空燃比を目標空燃比に制御する場合に、排気中の水素の有無にかかわらず常に正確に空燃比を制御することが可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサに到達する排気中の可燃成分を排気中の酸素と反応させて排気を平衡化するセンサ用触媒と、前記空燃比センサ出力の応答遅れに関連する遅れ特性値を検出する特性値検出手段と、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項１の発明では排気を平衡化するセンサ用触媒（以下「センサ触媒」と呼ぶ）を有する空燃比センサが使用される。前述したように、センサ触媒を有する空燃比センサでは排気空燃比のリーンからリッチへの変化に対する検出応答性が低下する。また、この応答性の低下は触媒能力が高いほど大きく、触媒能力の低下につれて短くなる。従って、センサ触媒を有する単一の空燃比センサの出力に基づいて空燃比制御を行う場合には、センサ触媒の能力が高いほど空燃比が目標空燃比よりリッチ側に制御されやすく能力低下とともに空燃比は徐々にリーン側に制御されるようになる。請求項１の発明では、空燃比センサの上記応答遅れに関連する遅れ特性値を検出し、遅れ特性値に基づいて触媒の能力を判定する。そして、センサ触媒の能力に応じて空燃比制御特性を変更するようにしている。遅れ特性値としては、例えばセンサの検出応答性を直接測定し、この検出応答性（検出遅れ時間）を遅れ特性値として使用しても良い。また、リーンからリッチの変化の検出遅れ時間が大きいほど、空燃比制御周期が大きくなることから、空燃比制御周期（または周波数）を検出して、この周期または周波数を遅れ特性値として使用してもよい。すなわち、本発明の判定手段は、例えば、遅れ時間が大きいほど、または空燃比制御周期が大きいほど（制御周波数が小さいほど）センサ触媒の能力が高いと判定し、補正手段はセンサ触媒の能力が高いほど空燃比がリッチ側に移行するように空燃比制御定数を補正する。これにより、センサ触媒を有する空燃比センサを使用した場合も、使用によるセンサ触媒の能力低下に応じた適切な空燃比が行われるようになる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記空燃比制御手段は、機関に供給する燃料量を補正する空燃比補正係数を前記空燃比センサ出力に基づいてフィードバック制御し、前記特性値検出手段は、前記空燃比制御手段のフィードバック制御周期もしくは前記空燃比補正係数に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項２の発明では、特性値検出手段は遅れ特性値として、空燃比フィードバック制御のフィードバック制御周期（例えば、空燃比の変化周期）または、空燃比補正係数が使用される。
請求項３に記載の発明によれば、前記特性値検出手段は、前記空燃比センサ出力値に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項３の発明では、特性値検出手段は実際の空燃比センサ出力に基づいて遅れ特性値が検出される。この場合、一定の機関運転条件下で機関空燃比が変化したときに、空燃比センサ出力にこの空燃比変化が現れるまでの時間を計測すること等により、空燃比センサ出力から直接センサ出力応答性の変化を遅れ特性値として検出するようにしても良い。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、前記判定手段は、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力とともに、前記空燃比センサの出力特性の変化を判定し、前記補正手段は、前記判定手段の判定した触媒能力と空燃比センサの出力特性の変化とに基づいて前記制御定数を補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２２】
請求項４の発明では、空燃比センサ出力の遅れ特性値に基づいてセンサ触媒の能力を判定する他、空燃比センサの出力特性自体の変化を判定する。空燃比センサは、使用により出力特性が変化する。例えば、センサ触媒が劣化してほとんど触媒としての機能を失ったような状態で、空燃比センサが劣化（例えば検出部電極が劣化）すると、空燃比センサ出力は真の排気空燃比より酸素濃度が低い側（すなわちリッチ側）にシフトする。また、センサ触媒劣化時にセンサ検出部保護層の目詰まりなどが生じると、分子の大きい酸素が検出部に到達しにくくなるため、同様に空燃比センサ出力はリッチ空燃比側にシフトするようになる。このような状態では、空燃比センサ出力のリッチからリーンへの変化に対する応答遅れが生じるため、空燃比はリーン側に誤制御されるようになる。本発明では、センサ触媒の触媒能力と空燃比センサ出力特性の変化（劣化）との両方を空燃比センサ出力の遅れ特性値に基づいて判定し、センサ触媒と空燃比センサとの劣化状態に応じて空燃比制御の補正を行う。例えば、センサ触媒の劣化程度が少なく触媒としての機能を維持している場合には請求項１と同様に触媒能力が低下するにつれて、空燃比のリッチ側への補正を少なくし、センサ触媒が完全に劣化して触媒としての機能を失ったような状態では、空燃比センサのリッチからリーンへの変化に対する応答性が低下するほど空燃比をリッチ側にシフトするように空燃比制御を補正するようにする。これにより、センサ触媒の能力変化だけでなく、空燃比センサ自体の劣化等による出力特性の変化を補償して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することが可能となる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、前記空燃比センサ出力に基づいて、機関の平均空燃比を表す平均空燃比特性値を算出するとともに、該平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、前記算出された水素濃度に基づいて前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置が提供される。
【００２４】
すなわち、請求項５の発明では空燃比センサにはセンサ触媒が設けられていない。このため、前述したように排気中の水素濃度が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比への変化に対する応答性が低下し検出遅れが大きくなる。このため、排気中の水素濃度が高くなるにつれて空燃比はリーン側に制御されるようになる。請求項５の発明では、水素濃度算出手段は機関平均空燃比を表す平均空燃比特性値に基づいて現在の排気中の水素濃度を算出する。例えば、排気中の水素濃度が高くなるほど機関空燃比平均値はリーン側に制御されるため、現在の機関空燃比平均値を排気中に水素がない状態における機関空燃比平均値と比較することにより、現在の排気中の水素濃度を算出することができる。補正手段は、算出された水素濃度に基づいて、例えば水素濃度が高いほど機関空燃比をリッチ側に制御するようにして、水素による機関空燃比のリーン側へのシフトを補正する。これにより、単一の空燃比センサ出力に基づく空燃比制御を行う場合でも、センサ触媒を使用することなく排気中の水素による空燃比制御誤差の発生が防止される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の全体構成を示す概略図である。図１において、１は内燃機関本体を示す。本実施形態では内燃機関１は多気筒機関が使用されており、図１はそのうちの１つの気筒についてのみ示しているが、他の気筒についても同一の構成となっている。
【００２６】
図１において、２は機関１の吸気管、１６は吸気管２に配置され運転者のアクセルペダル２１の操作量に応じた開度をとるスロットル弁、２ａは吸気管２に設けられたサージタンク、２ｂは各気筒の吸気ポートとサージタンク２ａとを接続する吸気マニホルド、７は機関１の各気筒の吸気ポートに加圧燃料を噴射する燃料噴射弁を示す。
【００２７】
本実施形態では、スロットル弁１６には、スロットル弁開度に応じた電圧信号を発生するスロットル開度センサ１７が配置されており、また、サージタンク２ａにはサージタンク内の絶対圧力に応じた電圧信号を発生する吸気管圧力センサ３が接続されている。
また、図１において１１は各気筒の排気ポートを共通の集合排気管１４に接続する排気マニホルドを示している。集合排気管１４には、排気の空燃比が理論空燃比近傍のときに排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯＸ の三成分を同時に浄化可能な排気浄化触媒（三元触媒）１５が配置されている。排気マニホルド１１の各気筒からの排気が合流する排気合流部にはＯ２ センサ１３が設けられている。本実施形態では、Ｏ２ センサ１３は排気中の酸素濃度を検出し空燃比に対応した出力電圧を発生するＯ２ センサが使用されている。本実施形態では、Ｏ２ センサ１３は排気平衡化のためのセンサ触媒を有する、触媒付センサとされている。図２はＯ２ センサ１３の概略構造を説明する図である。
【００２８】
Ｏ２ センサ１３は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２ ）等の固体電解質１３０５の両側に２つの白金電極１３０１、１３０３を配置した構成とされ、白金電極１３０３側は多孔質の保護層１３０７、触媒層１３０９を介して機関排気に接触し、白金電極１３０１は大気に接触するように機関排気通路に挿入される。
このように、固体電解質１３０５の両側の白金電極１３０１と１３０３に酸素濃度の異なる気体（大気と排気ガス）を接触させると、電極相互の酸素濃度差により、大気（高酸素濃度）側電極１３０１上では大気中の酸素分子がイオン化し酸化ジルコニウム中を酸素イオンが排気（低酸素濃度）側電極１３０３に向けて移動して電極１３０３上で酸素分子になる。このため、電極１３０１と１３０３との間には酸化ジルコニウム中を流れる酸素イオンの量に応じた起電力が生成される。また、単位時間当たりに流れる酸素イオンの量は大気と排気の酸素濃度差に応じて変化するため、上記起電力を出力電圧として取り出すことにより、排気中の酸素濃度に応じた信号を得ることができる。図３はＯ２ センサ１３の出力特性を示す図である。図３に示すように、Ｏ２ センサ１３出力は理論空燃比近傍で比較的急激に変化する、いわゆるＺ特性を示す。
【００２９】
ところが、排気中に水素が生成されると前述したように保護層１３０９内での拡散速度の差等により、排気側電極１３０３近傍では外部の排気より水素濃度が高くなり、電極上での水素と酸素の反応により排気側電極１３０３上での酸素濃度が保護層１３０７外側の排気より低くなってしまうため、Ｏ２ センサ１３は、保護層１３０７外部の排気の空燃比がかなりリーンにならないとリーン出力を発生しなくなる。すなわち、排気中に水素が存在すると、保護層１３０７外部の排気空燃比に対してＯ２ センサ１３出力は図３に点線で示したように変化するようになる。このため、空燃比のリッチからリーンへの変化の検出に遅れが生じるようになる。
【００３０】
このような、水素の影響を防止するため、本実施形態では、Ｏ２ センサ１３の保護層１３０７外側に触媒担体としてのアルミナ等の多孔質層１３０９を形成し、この担体層に白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒成分を担持させている。保護層１３０７外側に触媒層１３０９を形成したことにより、排気中の水素等の可燃成分は触媒層１３０９上で排気中の酸素と反応し、平衡化された後に保護層１３０７を通って電極１３０３に到達するようになる。このため、排気中に水素が生成された場合でも、水素がそのままの形で電極１３０３に到達することがなくなり、電極１３０３近傍は常に保護層１３０７外部の排気が平衡化された状態で到達するようになる。排気の真の空燃比は排気中の可燃成分と酸素とが完全に反応した状態での排気中の酸素濃度に対応しているため、触媒層１３０９を設けたことにより、Ｏ２ センサ１３は排気中に水素が生成された場合でも真の排気空燃比に対応した出力を発生するようになり、図３に実線で示した本来の出力特性を示すようになる。なお、図２に１３１１で示したのは、機関始動時等の低温時に固体電解質層１３０５中を酸素イオンが移動可能な温度まで早期に昇温させるための電気ヒータである。
【００３１】
図１において、機関本体１のシリンダブロックのウォータジャケット８には、冷却水の温度を検出するための水温センサ９が設けられている。水温センサ９は冷却水の温度に応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。
なお、上述のＯ２ センサ１３、スロットル弁開度センサ１７、吸気管圧力センサ３及び水温センサ９の出力信号は、後述するＥＣＵ１０のマルチプレクサ内蔵Ａ／Ｄ変換器１０１に入力される。
【００３２】
図１に５、６で示すのは、それぞれ機関１のクランク回転角を検出するクランク角センサである。クランク角センサ５は、機関１のカム軸（図示せず）近傍に設けられ、カム軸回転角が、例えばクランク軸回転角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生する。また、クランク角センサ６は、クランク軸近傍に設けられ、クランク軸回転角３０°毎にクランク角検出用パルス信号を発生する。これらクランク角センサ５、６のパルス信号はＥＣＵ１０の入出力インターフェイス１０２に供給され、このうちクランク角センサ６の出力はＣＰＵ１０３の割込み端子に供給される。
【００３３】
ＥＣＵ（電子制御ユニット）１０は、たとえばマイクロコンピュータとして構成され、Ａ／Ｄ変換器１０１、入出力インターフェイス１０２、ＣＰＵ１０３の他に、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、バックアップＲＡＭ１０６、クロック発生回路１０７等が設けられている。
本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ２ センサ１３出力に基づいて機関空燃比が目標空燃比（本実施形態では理論空燃比）になるように機関１の燃料噴射量をフィードバック制御するとともに、燃料噴射弁７を制御し算出された燃料噴射量の量を気筒の吸気ポートに噴射する機関の空燃比制御を行う。また、本実施形態では、ＥＣＵ１０は、Ｏ２ センサのセンサ触媒の能力低下やＯ２ センサ出力特性の変化に応じて空燃比制御特性を補正する制御を行う。すなわち、本実施形態では、ＥＣＵ１０は空燃比制御手段として機能する他、Ｏ２ センサの出力応答遅れを表す遅れ特性値を検出する特性値検出手段、センサ触媒の能力を判定する判定手段、空燃比制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段等の請求項に記載した各手段として機能している。
【００３４】
ＥＣＵ１０の、ダウンカウンタ１０８、フリップフロップ１０９、および駆動回路１１０は燃料噴射弁７を制御するためのものである。すなわち、後述のルーチンにおいて、燃料噴射量（噴射時間）ＴＡＵが演算されると、噴射時間ＴＡＵがダウンカウンタ１０８にプリセットされると共にフリップフロップ１０９がセットされる。この結果、駆動回路１１０が燃料噴射弁７の付勢を開始する。他方、ダウンカウンタ１０８がクロック信号（図示せず）を計数して最後にその出力端子が“１”レベルとなったときに、フリップフロップ１０９がリセットされて駆動回路１１０は燃料噴射弁７の付勢を停止する。つまり、上述の燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射弁７は付勢され、時間ＴＡＵに応じた量の燃料が機関１の燃焼室に供給されることになる。
【００３５】
機関の回転数（回転速度）データは、クランク角センサ６のパルス間隔に基づいて所定のクランク角毎（例えば３０°毎）の割込により演算され、ＲＡＭ１０５の所定領域に格納される。つまり、ＲＡＭ１０５には常に最新の回転速度データが格納されている。
次に、本実施形態の機関の燃料噴射量算出と、空燃比フィードバック制御とについて説明する。
【００３６】
本実施形態では、ＥＣＵ１０は吸気管圧力センサ３で検出した吸気圧力ＰＭと機関回転数ＮＥとに基づいて、機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要な燃料噴射量（基本燃料噴射量）ＴＡＵＰを算出し、基本燃料噴射量ＴＡＵＰをＯ２ センサ１３出力に基づいて補正することにより最終的な燃料噴射量ＴＡＵを設定している。図４は上記の燃料噴射量演算操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定クランク回転角毎に実行されるルーチンとして行われる。
【００３７】
図４において、操作がスタートするとステップ４０１では、機関１の吸気圧力データＰＭと回転数データＮＥとが読み込まれ、ステップ４０３ではＰＭとＮＥとに基づいて基本燃料噴射量ＴＡＵＰが設定される。前述したように、ＴＡＵＰは、基準状態において機関１の空燃比を理論空燃比に維持するのに必要とされる燃料噴射量であり、予めＰＭとＮＥとの条件を変えて実験を行うこと等により設定されている。本実施形態では、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４には、各ＰＭとＮＥとの条件下におけるＴＡＵＰの値がＰＭとＮＥとを用いた数値テーブルの形で予め格納されており、ステップ４０３ではこの数値テーブルから基本燃料噴射量ＴＡＵＰが求められる。また、ステップ４０５では、上記ＴＡＵＰを用いて、最終的に燃料噴射量ＴＡＵが、ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ×（ＦＡＦ＋ＫＧ）×β＋γとして設定され、ステップ４０７ではこのＴＡＵに応じた値がダウンカウンタ１０９にセットされて本操作は終了する。これにより、各燃料噴射弁からはＴＡＵに等しい量の燃料が噴射される。
【００３８】
なお、上記ＴＡＵの式のβ、γは機関始動時、冷間時等の燃料噴射量補正用の定数であり、暖機後の定常運転ではβ＝１．０、γ＝０にセットされる。
また、ＦＡＦは後述する空燃比フィードバック制御によりＯ２ センサ１３出力に基づいて設定される空燃比補正係数、ＫＧは空燃比補正係数ＦＡＦの学習補正係数である。ＦＡＦ、ＫＧについては後に説明する。
【００３９】
図５、図６は本実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本操作では、Ｏ２ センサ１３の出力ＶＯを比較電圧ＶＲ （理論空燃比相当出力電圧、図３参照）と比較し、触媒コンバータ上流側での排気空燃比が理論空燃比よりリッチ（ＶＯ＞ＶＲ ）のときには空燃比補正量ＦＡＦを減少させ、リーン（ＶＯ≦ＶＲ ）のときにはＦＡＦを増大させる制御を行う。Ｏ２ センサは排気空燃比が理論空燃比よりリッチ空燃比側のときに、例えば０．９ボルトの電圧信号を出力し、排気空燃比が理論空燃比よりリーン空燃比側のときに例えば０．１ボルト程度の電圧信号を出力する。本実施例では、上記比較電圧ＶＲ は０．４５ボルト程度に設定される。上記のように空燃比補正量ＦＡＦを排気空燃比に応じて増減することにより、吸気管圧力センサ３や燃料噴射弁７等の燃料供給系の機器に多少の誤差が生じている場合でも機関空燃比は正確に理論空燃比近傍に修正される。
【００４０】
以下、図５、図６のフローチャートを簡単に説明する。ステップ５０１はフィードバック制御実行条件が成立しているか否かの判定を示す。フィードバック制御実行条件は、例えば、Ｏ２ センサが活性化していること、機関暖機が完了していること（冷却水温度センサ９で検出した冷却水温度が所定値以上になっていること）、フュエルカットから復帰後所定時間が経過していること、等であり、実行条件が成立している時にのみステップ５０３以下のＦＡＦ算出が行われる。フィードバック制御実行条件が成立していない場合には、ルーチンは図６、ステップ５４９に進み、フラグＸＭＦＢの値を０にセットしてルーチンを終了する。フラグＸＭＦＢはＯ２ センサ１３出力に基づく空燃比制御を実行中か否かを示すフラグであり、ＸＭＦＢ＝０は空燃比フィードバック制御が停止されていることを意味する。
【００４１】
ステップ５０３から５２９は空燃比がリッチかリーンかの判定を示す。
ステップ５１７と５２９とに示すフラグＦ１は、機関空燃比がリッチ（Ｆ１＝１）かリーン（Ｆ１＝０）かを表す空燃比フラグであり、Ｆ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）への切換えはＯ２ センサ１３が所定時間（ＴＤＲ）以上継続してリッチ信号（ＶＯ＞ＶＲ ）を出力したときに（ステップ５０５、５１９から５２９）、またＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリーン）への切換えはＯ２ センサ１３が所定時間（−ＴＤＬ）以上継続してリーン信号（ＶＯ≦ＶＲ ）を出力したときに行われる（ステップ５０５から５１７）。ＣＤＬＹは空燃比フラグ切換えタイミングを判定するためのカウンタである。
図６ステップ５３１から５４５では、上記により設定されたフラグＦ１の値に応じてＦＡＦの増減を行う。すなわち、今回ルーチン実行時のＦ１の値と前回ルーチン実行時のＦ１の値を比較して、Ｆ１の値が変化したか、つまり空燃比がリッチからリーン、またはリーンからリッチに反転したかを判断する（ステップ５３１）。そして、現在のＦ１の値がＦ１＝０（リーン）の場合には、先ずＦ１＝１からＦ１＝０（リッチからリーン）に変化（反転）した直後に比較的大きな値ＲＳＲだけＦＡＦをスキップ的に増大させ（ステップ５３３、５３５）、その後はＦ１＝０である間はルーチン実行毎に比較的小さな値ＫＩＲずつ徐々にＦＡＦを増大させる（ステップ５３９、５４１）。同様に、現在のＦ１の値がＦ１＝１（リッチ）の場合には、先ずＦ１＝０からＦ１＝１（リーンからリッチ）に反転した直後にスキップ的にＲＳＬだけＦＡＦを減少させ（ステップ５３３、５３７）、その後はＦ１＝１である間はルーチン実行毎にＫＩＬずつ徐々にＦＡＦを減少させる（ステップ５３９、５４３）。また、上記により算出したＦＡＦの値を最大値（本実施例ではＦＡＦ＝１．２）と最小値（本実施例ではＦＡＦ＝０．８）で定まる範囲を越えないようにガードした後（ステップ５４５）、フラグＸＭＦＢの値を１にセットして（ステップ５４７）本操作は終了する。
【００４２】
図７は、図５、図６の空燃比フィードバック制御を行った場合の、Ｏ２ センサ１３で検出した空燃比（Ａ／Ｆ）変化（図７（Ａ） ）に対するカウンタＣＤＬＹ（同（Ｂ） ）、フラグＦ１（同（Ｃ） ）、空燃比補正係数ＦＡＦ（同（Ｄ） ）の変化を示している。図７（Ａ） に示すように、Ａ／Ｆがリーンからリッチに変化した場合でも空燃比フラグＦ１（図７（Ｃ） ）の値は直ちに０から１には変化せず、カウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＲに増大するまでの時間（図７（Ｃ） Ｔ１ ）の間は０のまま保持され、Ｔ１ 経過後に０から１に変化する。また、Ａ／Ｆがリッチからリーンに変化した場合もＦ１の値はカウンタＣＤＬＹの値が０からＴＤＬ（ＴＤＬは負の値）に減少するまでの時間（図７（Ｃ） Ｔ２ ）の間は１のまま保持され、Ｔ２ 経過後に１から０に変化する。このため、図７（Ａ） にＮで示したように外乱等により上流側Ｏ２ センサ１３の出力が短い周期で変化したような場合でもフラグＦ１の値は追従して変化しないため、空燃比制御が安定する。
【００４３】
空燃比フィードバック制御の結果、空燃比補正係数ＦＡＦの値は図７（Ｄ） に示すように周期的に増減を繰り返し、機関空燃比はリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変動する。また、図４で説明したように、ＦＡＦの値が増大すると燃料噴射時間ＴＡＵは増大し、ＦＡＦの値が減少すると燃料噴射時間ＴＡＵも減少する。
【００４４】
また、図７（Ｄ） から判るように、リッチスキップ量ＲＳＲが増大し、またはリーンスキップ量ＲＳＬが減少すると、スキップ操作時のＦＡＦのリッチ空燃比側（ＦＡＦ＞１．０側）への振れ幅がリーン空燃比側への振れに較べて大きくなり、全体的に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比はリッチ空燃比側に移行する。また、逆にＲＳＲが減少し、またはＲＳＬが増大すると、ＦＡＦのリーン空燃比側（ＦＡＦ＜１．０側）への振れ幅が大きくなり空燃比が全体的にリーン空燃比側に移行する。従って、ＲＳＲ、ＲＳＬの値を増減することにより、機関空燃比を全体としてリッチ空燃比側またはリーン空燃比側にシフトさせることができる。
【００４５】
また、空燃比制御における他の補正量を変化させることにより機関空燃比を変化させることができる。例えば、リッチ積分定数ＫＩＲの値を増大させ、またはリーン積分係数ＫＩＬの値を減少させると、図５ステップ５４１のＦＡＦの増大速度がステップ５４３の減少速度より大きくなるため、機関空燃比は全体としてリッチ側にとどまっている時間が長くなり、平均空燃比はリッチ側にシフトする。更に、リッチ遅れ時間ＴＤＲの値を増大させ、またはリーン遅れ時間ＴＤＬの値を減少させることによっても全体的に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、平均空燃比はリッチ側にシフトする。或いはＯ２ センサ１３の比較電圧ＶＲ の値が増大すると、同様に機関空燃比がリッチ空燃比側にとどまっている時間が長くなるため、機関空燃比は全体としてリッチ側にシフトするようになる。
【００４６】
本明細書では、上記のように空燃比フィードバック制御の制御特性を決定するスキップ量ＲＳＲ、ＲＳＬ、積分係数ＫＩＲ、ＫＩＬ、遅れ時間ＴＤＲ、ＴＤＬ、比較電圧ＶＲ 等の補正量を空燃比制御の制御定数と呼んでいる。
次に、図４の燃料噴射量算出操作で最終燃料噴射量設定に使用される学習補正係数ＫＧについて説明する。
【００４７】
前述のように図５、図６の空燃比フィードバック制御を行うことにより、燃料噴射系統機器の特性に多少の変化があったような場合でも、ＦＡＦの値が特性変化に応じて設定されるため機関空燃比は理論空燃比に制御されるようになる。ところが、図６ステップ５４５で説明したように、ＦＡＦの値は最大値と最小値（例えば１．２と０．８）でガードされているため、ＦＡＦの値が１．０から離れた値になるとＦＡＦによる制御範囲が狭まる問題が生じる。例えば、ＦＡＦが機器の特性変化やばらつきのために１．１を中心として周期的に変化するようになると、すなわち理論空燃比相当のＦＡＦの値が１．１にずれてしまうと最大ガード値が存在するためＦＡＦのリッチ空燃比側の制御幅は１．１から１．２までの範囲に制限されてしまうことになり、運転状態の変化等により空燃比が大きくリーン側に振れたような場合には機関空燃比を理論空燃比に制御することができなくなってしまう。また、図５ステップ５０１でフィードバック制御条件が成立していない場合にはＦＡＦの値を１．０に固定したオープンループ制御を行うが、この場合も理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１にずれていた場合にはＦＡＦ＝１．０に設定すると機関空燃比は理論空燃比から離れた値に制御されてしまう。そこで、本実施形態では学習補正係数ＫＧの値を増減することにより、常にＦＡＦの値が１．０近傍になるように制御している。
【００４８】
例えば上記のように理論空燃比に相当するＦＡＦの値が１．１になったような場合には学習補正係数ＫＧの値は０．１にセットされる。これにより、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持しつつ図５、図６の制御によりＦＡＦの値が１．０に設定されるようになる。また、オープンループ制御の場合にＦＡＦの値が１．０に固定されても同様に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．１に維持されるため、図４の操作で設定される燃料噴射量は機関空燃比を理論空燃比に維持するだけの量となる。
【００４９】
図８は、学習補正係数ＫＧの設定操作を説明するフローチャートである
本操作は、ＥＣＵ１０により図５、図６の操作と同じ時間間隔で実行されるルーチンにより行われる。
図８において操作がスタートすると、ステップ８０１では図５で設定されたフラグＦ１の値が反転したか、すなわち前回操作実行時のＦ１の値から変化したか否かを判断し、反転していない場合にはステップ８２１に進み、現在の空燃比補正係数ＦＡＦの値をＦＡＦｉ−１ として記憶した後本操作を終了する。ステップ８０１でＦ１の値が反転している場合にはステップ８０３で現在のＦ１の値が０（リーン）にセットされているか否かを判定する。Ｆ１反転後にステップ８０３でＦ１＝０であった場合には、図５、図６のルーチンでＲＳＲによるリッチスキップが行われた直後であるため、前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値は、リッチスキップ直前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最小値）である。従ってこの場合にはステップ８０５で前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値をＦＡＦＬとして記憶する。また、Ｆ１反転後にステップ８０３でＦ１≠０であった場合には、ＲＳＬによるリーンスキップが行われた直後であるので、前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値はリーンスキップ直前のＦＡＦの値（ＦＡＦの最大値）である。このため、この場合はステップ８０７に進み、前回ＦＡＦｉ−１ として記憶した値をＦＡＦＲとして記憶する。そして、ステップ８０９ではＦＡＦの最大値ＦＡＦＲと最小値ＦＡＦＬとの平均値ＦＡＦＡＶが算出される。
【００５０】
また、ステップ８１１から８１７ではこの平均値ＦＡＦＡＶに応じて学習補正係数ＫＧの値が増減補正される。すなわち、ＦＡＦＡＶ≧（１．０＋α）のときにはＫＧの値はΔＫＧだけ増大され。（ステップ８１１、８１３）、ＦＡＦＡＶ≦（１．０−α）のときにはＫＧの値はΔＫＧだけ減少される（ステップ８１５、８１７）。また、（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の場合にはＫＧの値はそのままに保持される。そして、ステップ８１９では増減後のＫＧの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納される。
【００５１】
図８の操作を行うことにより、学習補正係数ＫＧの値は常にＦＡＦの平均値（ＦＡＦＡＶ）の値が（１．０−α）＜ＦＡＦＡＶ＜（１．０＋α）の範囲内になるように設定される。なお、本実施形態ではαの値は、例えば０．００１から０．０１程度の値に、ΔＫＧの値は０．０００５から０．００１程度の値に設定されている。
【００５２】
ところで、図５、図６のようにＯ２ センサ１３出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う場合Ｏ２ センサ１３のリーン／リッチの空燃比変化の検出応答性が低下すると、例えば前述の制御定数のうちＴＤＲ、ＴＤＬが変化したと同様に空燃比制御がリッチ側またはリーン側にシフトしてしまう。本実施形態では触媒付センサを使用しているため、排気中に水素が生成された場合でも本来リーン空燃比からリッチ空燃比への変化の検出遅れは生じないはずである。しかし、センサ触媒を設けたため逆にリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出遅れが生じる問題がある。
【００５３】
前述したように、この遅れはセンサ１３の触媒層１３０９内のセンサ触媒表面に排気空燃比がリーンのときに酸素イオンが吸着され、排気空燃比がリッチになったときにこの酸素イオンにより排気中の可燃成分が酸化されるために生じる。このようなリーンからリッチへの検出遅れが生じると、図７でリーンスキップＲＳＬの生じるタイミングが遅くなるため、リッチスキップＲＳＲが生じてからリーンスキップＲＳＬが生じるまでの時間が長くなり、リッチ積分係数ＫＩＲのためにＦＡＦは過剰にリッチ側に制御されてしまい、空燃比のフィードバック制御周期（リッチスキップから次のリッチスキップまで、またはリーンスキップから次のリーンスキップまでの時間）は長く、かつ空燃比は全体としてリッチ空燃比側に制御されるようになる。しかも、上記リッチ空燃比の検出遅れ時間はセンサ触媒の触媒としての能力が高いほど大きく、触媒能力の低下とともに短くなるため、触媒能力が低下するほど空燃比フィードバック制御周期は短くなり、リッチ側への空燃比のずれも小さくなる。この場合、機関空燃比を正確に目標空燃比に制御するためには、センサ触媒の能力に応じて空燃比フィードバック制御の特性を変える必要がある。
【００５４】
そこで、以下に説明する実施形態では、センサ触媒の能力に応じて空燃比のフィードバック制御周期が変化することに注目し、Ｏ２ センサの応答遅れを代表する遅れ特性値としてフィードバック制御周期を使用してセンサ触媒の能力を推定する。すなわち、本実施形態では、後述する方法で空燃比フィードバック制御周期を算出し、空燃比フィードバック制御周期からセンサ触媒能力を推定することにより、このセンサ触媒能力に応じた値に空燃比制御の制御定数を設定するようにしている。これにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御することが可能となっている。
【００５５】
以下、本発明の空燃比制御定数の補正のいくつかの実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
図９は、本実施形態の空燃比フィードバック制御周期検出操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により図５、図６の操作と同一の時間間隔で実行されるルーチンとして行われる。
【００５６】
図９の操作では、図５、図６の操作で設定された空燃比フラグＦ１の１から０への反転の時間間隔を周期カウンタＣＯＸにより計時している。
すなわち、図９ステップ９０１、９０３では空燃比フラグＦ１が反転したか否か（ステップ９０１）、反転した場合にはＦ１＝１からＦ１＝０への反転か否か（ステップ９０３）を判断し、Ｆ１の値が１から０に反転した場合にはステップ９０７でそのときの計時カウンタＣＯＸの値をＴＯＸとして記憶し、ステップ９０９でカウンタＣＯＸの値をクリアする。一方、ステップ９０１、９０３でフラグＦ１が反転していない場合または１から０への反転でない場合には、ステップ９０５に進み計時カウンタＣＯＸの値を１だけ増加させる。すなわち、計時カウンタＣＯＸの値はＦ１の値が１から０に反転する毎に０にセットされ、その後本操作実行毎に１増加される。そして、次にＦ１の値が１から０に反転すると再度ＣＯＸの値を０にクリアする前にそのときのＣＯＸの値がＴＯＸとして記憶される。このため、ＴＯＸの値はＦ１の値が１から０に反転する間隔、つまりリッチスキップが生じる間隔（空燃比フィードバック制御周期）を表す値になる。
【００５７】
上記により今回のフィードバック制御周期ＴＯＸを計時後、ステップ９１１では、フィードバック制御周期のなまし計算（加重平均）が行われ、フィードバック制御周期のなまし値ＴＦＢが、ＴＦＢ＝ＴＦＢ＋（ＴＯＸ−ＴＦＢ）／Ｋとして算出される。ここで、Ｋはなまし係数（重み付係数）であり、１より大きい定数である。ステップ９１１でＴＦＢを算出後、ステップ９１３ではＴＦＢの値がバックアップＲＡＭ１０６に格納され、本操作は終了する。
【００５８】
図１０は、本実施形態におけるフィードバック制御周期に基づく空燃比制御定数の補正操作を示すフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
本操作では、図９の操作で求めたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づいてリッチスキップ量ＲＳＲの値を補正する場合を示している。図１０の操作では、図９で算出されたフィードバック制御周期ＴＦＢをバックアップＲＡＭ１０６から読み込んで（ステップ１００１）、ＴＦＢの値に応じてＲＳＲの値を設定し（ステップ１００３）、同時にＲＳＬの値を、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして設定する（ステップ１００５）。
【００５９】
図１１は、ステップ１００３で用いられるＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１１に示すように、本実施形態ではフィードバック制御周期ＴＦＢの値が大きいほど（すなわちセンサ触媒の触媒能力が大きいほど）ＲＳＲは小さな値に設定される。前述のように、制御定数ＲＳＲの値が小さく設定されるほど空燃比はリーン側に補正されるようになる。このため、センサ触媒の触媒能力が大きく空燃比のリッチ側へのシフト量が大きいほどＲＳＲの値は小さく設定されるようになり、機関空燃比はリーン側に大きく補正されるようになる。図１１の関係は、センサ触媒やセンサの種類、機関のタイプ等により異なってくる。このため、本実施形態では劣化程度が異なるセンサ触媒を使用して実際の機関で実験を行い、センサ触媒劣化程度とフィードバック制御周期ＴＦＢとの関係、及びセンサ触媒劣化程度と空燃比を目標空燃比に補正するために必要なＲＳＲとの値を求めてある。そして、フィードバック制御周期と必要なＲＳＲの値との関係を表す図１１の関係を予めＲＳＲとＴＦＢとを用いた数値テーブルの形でＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納してある。ステップ１００３では、この数値テーブルを用いて、ＴＦＢの値からＲＳＲの値が決定される。
【００６０】
なお、図１０は制御定数としてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について示したが、前述したように、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間ＴＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧ＶＲ のいずれかをフィードバック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても同様な効果を得ることができる。また、これら制御定数の２つ以上を同時にフィードバック制御周期ＴＦＢの値に応じて補正するようにしても良い。これらの場合も、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（センサ触媒の触媒能力が大きいほど）ＫＩＲ、ＴＤＲ、ＶＲ の値は小さくなるように設定し、センサ触媒能力が大きいほど機関空燃比がリーン側に補正されるようにする。
（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、空燃比フィードバック制御周期に基づいてセンサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値を補正することにより、センサ触媒の触媒能力の変化にかかわらず正確に空燃比を理論空燃比に制御している。ところが、センサ触媒の劣化が大幅に進み、触媒として機能しなくなったような場合には、第１の実施形態の制御を行うと問題が生じる場合がある。
【００６１】
劣化によりセンサ触媒の触媒機能が失われたような場合には、Ｏ２ センサ出力は従来のセンサ触媒を持たないＯ２ センサと同様に、排気中の水素濃度に大きく影響を受けるようになる。この場合、前述したようにＯ２ センサ出力は排気中の水素濃度が高いほどリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出が遅れることになる。このため、図５、図６のような空燃比フィードバック制御を行っていると、センサ触媒がある場合とは逆に図７のリッチスパイクＲＳＲが生じるタイミングが遅れてしまい、リーン積分係数ＫＩＬのために空燃比は大きくリーン側に振れるようになる。このため、排気中の水素濃度が高くなるほど空燃比フィードバック制御周期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするようになる。この場合には、水素濃度が高いほど、すなわちフィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリッチ側にシフトさせるように制御定数を補正する必要がある。
【００６２】
ところが、第１の実施形態では、センサ触媒が触媒としての機能を失っていない場合を対象としているため、フィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほど空燃比をリーン側にシフトするように制御定数が補正されてしまう。従って、第１の実施形態ではセンサ触媒が劣化して機能しなくなったような場合に排気中の水素濃度が高くなってフィードバック制御周期が大きくなると、水素の影響でリーン側にシフトしている空燃比を更にリーン方向にシフトさせてしまうことになり、逆に機関空燃比の制御誤差が大きくなる恐れがある。そこで、本実施形態では、まずセンサ触媒の劣化程度を判定し、センサ触媒が触媒として機能していると判定された場合には第１の実施形態と同じ制御定数の設定を行い、センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失ったと判定される場合には、逆にフィードバック制御周期が大きくなるほど空燃比をリーン側にシフトする制御を行う。
【００６３】
次に、本実施形態のセンサ触媒劣化有無の判定方法について説明する。前述したように、センサ触媒付Ｏ２ センサではリーン空燃比からリッチ空燃比への変化の検出に遅れが生じ、この遅れはセンサ触媒の触媒能力が大きいほど大きく、触媒能力が低下するにつれて小さくなる。そこで、本実施形態ではＯ２ センサのリッチ空燃比検出の応答遅れを実際に計測することにより、センサ触媒の劣化程度を判定するようにしている。
【００６４】
図１２は、本実施形態のＯ２ センサの応答遅れ時間の検出原理を説明する図である。図１２において、カーブ（Ａ） は空燃比フィードバック制御中の空燃比補正係数ＦＡＦの変化を、カーブ（Ｂ） はＯ２ センサ出力の変化を示している。前述のように、本実施形態では図５、図６の空燃比制御が実行されているため、フィードバック制御中ＦＡＦは図７カーブ（Ｄ） で説明したように、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）による増減にスキップ量（ＲＳＲ、ＲＳＬ）によるスキップ的な増減とが組み合わされた変化をしている。ここで、図１２カーブ（Ａ） に示すようにＦＡＦにリッチスキップ変化（図１２にＲＳＲで示す）が生じると、機関の燃料噴射量はスキップ的に増大され、排気空燃比は大きくリッチ側に変化する。そして、このリッチ側への排気空燃比変化はある程度の時間遅れΔＴの後、Ｏ２ センサ１３出力の急増（カーブ（Ｂ） 上にΔＶで示した部分）として現れる。この遅れ時間ΔＴは、リッチスキップＲＳＲによりリッチ側に空燃比が急変した排気が機関からＯ２ センサ設置位置まで移動するのに要する時間とＯ２ センサ自体の検出応答遅れ時間との和になる。一方、機関から排出された排気がＯ２ センサ位置まで移動するのに要する時間は運転条件（排気流量）が同一であれば常に一定である。また、Ｏ２ センサ自体の検出応答遅れはセンサ触媒の触媒能力が低下するほど短くなる。このため、ある一定の運転条件（機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭ）で上記遅れ時間ΔＴを計測すれば、ΔＴの値からＯ２ センサ自体の検出応答遅れ時間を推定することが可能となる。本実施形態では、以下に説明する方法で遅れ時間ΔＴを計測し、遅れ時間ΔＴが所定時間以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能しなくなる程度まで劣化したと判定するようにしている。
【００６５】
図１３は、本実施形態の応答遅れ時間ΔＴ計測操作を示すフローチャートである。本操作は、図５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンとして行われる。
図１３において、操作がスタートすると、まずステップ１３００では遅れ時間検出条件が成立しているか否かが判定される。前述のように、遅れ時間ΔＴは、機関が一定の運転条件で運転されている状態で計測する必要がある。このため、ステップ１３００では、図５、図６の空燃比フィードバック制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされていること）機関１の運転状態が予め定めた状態にあること、すなわち機関吸気圧力ＰＭと回転数ＮＥとがそれぞれ予め定めた範囲にある時（例えば機関１のアイドル状態に相当するとき）に検出条件が成立したと判定するようにしている。ステップ１３００で検出条件が成立しなかった場合には、ステップ１３０３に進み、後述する計時カウンタＣＴの値をクリアした後に本操作は直ちに終了する。
【００６６】
ステップ１３００で検出条件が成立した場合には、ステップ１３０１では図５、図６の操作で設定される空燃比フラグＦ１の値が０か否かが判定され、Ｆ１≠０（すなわちＦ１＝１）の場合にはステップ１３０３で計時カウンタＣＴの値をクリアする。また、Ｆ１＝０であった場合にはステップ１３０５でＯ２ センサ１３出力ＶＯを読み込むとともに、前回本操作を実行時からのＯ２ センサ出力増加量ΔＶＯを、ΔＶＯ＝ＶＯ−ＶＯｉ−１ として算出する。ここで、ＶＯｉ−１ は前回本操作実行時のＯ２ センサ出力である。また、ステップ１３０７では上記により算出した増加量ΔＶＯが所定量ΔＶ（図１２）以上であるか否かを判定し、ΔＶＯ＜ΔＶであった場合にはステップ１３０９で計時カウンタＣＴの値を１だけ増大させる。これにより、計時カウンタＣＴの値は、フラグＦ１がの値が１の間は０にセットされ、Ｆ１の値が１から０に変化した時点（すなわちリッチスキップＲＳＲが生じた時点）からΔＶＯ＜ΔＶが成立する限り操作実行毎に１ずつ増大されることになる。
【００６７】
従って、ステップ１３０７でΔＶＯ≧ΔＶが成立すると、その時点における計時カウンタＣＴの値はリッチスキップＲＳＲが生じてからＯ２ センサ１３出力がΔＶ以上急増するまでの時間（すなわち図１２における遅れ時間ΔＴ）を表すことになる。本実施形態では、外乱等によるΔＴのばらつきを考慮して、このΔＴをステップ１３１３でさらになまし処理（加重平均処理）した値をＯ２ センサの応答遅れ時間ＴＤＣとして使用している。なお、ステップ１３１３の算式中のＮはなまし係数（重み付け係数）であり、１より大きな値とされる。
【００６８】
上記により遅れ時間ＴＤＣを算出した後、ステップ１３１３では算出した遅れ時間ＴＤＣをＥＣＵ１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納し、次回の演算のためにステップ１３１５でＶＯｉ−１ の値を更新して本操作は終了する。
図１４は、本実施形態の制御定数補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００６９】
図１４において、操作がスタートすると、ステップ１４０１では図１３の操作により算出された遅れ時間ＴＤＣが読み込まれる。また、ステップ１４０３では、図９の操作で算出されたフィードバック制御周期ＴＦＢが読み込まれる。
そして、ステップ１４０５では、遅れ時間ＴＤＣに基づいてセンサ触媒が触媒として機能しない程度に劣化しているか否かが判定される。本実施形態では、遅れ時間ＴＤＣが予め定めた基準値ＴＤＣ０ 以下になったときにセンサ触媒が触媒として機能しない程度まで劣化したと判定するようにしている。なお、ＴＤＣ０ の値は、機関が図１３のステップ１３００の検出条件で運転されている状態で、許容限界までセンサ触媒が劣化したＯ２ センサを使用した実験等により決定される。なお、検出条件を機関の各運転領域毎に設定してＴＤＣ０ の値も各運転領域毎に決定しておけば、応答遅れ時間の検出頻度を高めることができる。
【００７０】
ステップ１４０５でセンサ触媒が正常であると判定された場合（ＴＤＣ＞ＴＤＣ０ ）には、ステップ１４０７では図１０ステップ１００３と同様に図９の操作で求められたフィードバック制御周期ＴＦＢに基づいて、前述の図１１の関係からリッチスキップ量ＲＳＲの値が設定される。また、ステップ１４０５でセンサ触媒が劣化したと判定された場合（ＴＤＣ≦ＴＤＣ０ ）には、ステップ１４０９でセンサ触媒劣化時用のＲＳＲとフィードバック制御周期ＴＦＢとの関係に基づいてＲＳＲの値が設定される。そして、ステップ１４１１ではステップ１４０７またはステップ１４０９で設定されたＲＳＲの値に基づいてＲＳＬの値が設定されるのは図１０の操作と同様である。
【００７１】
図１５は、上記ステップ１４０９で使用されるセンサ触媒劣化時のＲＳＲとＴＦＢとの関係を示す図である。図１５に示すように、センサ触媒劣化時にはフィードバック制御周期ＴＦＢが大きいほど（すなわち排気中の水素濃度が高いほど）ＲＳＲの値は大きく設定され、図１１の場合とはＲＳＲのＴＦＢに対する増減傾向が逆になっている。
【００７２】
本実施形態によれば、センサ触媒の触媒能力に応じて制御定数の値が補正されるのに加えて、センサ触媒が劣化して触媒としての機能を失った場合には排気中の水素濃度に応じて制御定数の値が補正されるため、センサ触媒の劣化の有無や排気中の水素濃度にかかわらず正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが可能となっている。
【００７３】
なお、図１４では制御定数としてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明したが、第１の実施形態と同様制御定数としては、スキップ量の代わりに、積分係数（ＫＩＲ、ＫＩＬ）、遅れ時間（ＴＤＲ、ＴＤＬ）、比較電圧（ＶＲ ）を補正するようにしても同様な効果が得られる。この場合、センサ触媒劣化時には、図１５の関係と同様にＫＩＲ、ＴＤＲ、ＶＲ の値はフィードバック制御周期ＴＦＢが大きくなるほど大きな値に設定される。また、上記制御定数の２つ以上を同時に補正するようにしても良いのは第１の実施形態の場合と同様である。
（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。上記第２の実施形態では、センサ触媒が劣化した場合について考慮したが、実際のＯ２ センサではセンサ触媒のみならずＯ２ センサ自体が劣化する場合や、保護層（図２、１３０７）の目詰まり等が生じる場合がある。Ｏ２ センサの劣化（センサ電極の劣化）が生じると、Ｏ２ センサのリーン空燃比検出応答性が低下する。また、保護層の目詰まりが生じた場合も、酸素分子が保護層を通過しにくくなるため、同様にＯ２ センサのリーン空燃比検出応答性が低下する。すなわち、Ｏ２ センサ電極の劣化や保護層の目詰まりが生じると空燃比フィードバック制御周期は大きくなり、かつ空燃比はリーン側にシフトするようになる。このため、前述の各実施形態のようにフィードバック制御周期に基づいて制御定数の値を補正していると、センサ触媒の能力の低下やセンサ自体の劣化（またはセンサ保護層の目詰まり）、更にセンサ触媒の劣化による触媒機能喪失と排気中の水素濃度の影響等の要素が複雑に組み合わさった場合には正確な空燃比制御ができなくなる恐れがある。しかし、これらの場合にもＯ２ センサ出力のリッチ空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリッチ側に大きくシフトし、Ｏ２ センサ出力のリーン空燃比検出遅れが大きくなるほど空燃比がリーン側に大きくシフトすることは変わらない。このため、実際にＯ２ センサのリッチ空燃比検出遅れ時間とリーン空燃比検出遅れ時間との両方を検出し、これらの遅れ時間に応じて空燃比制御の制御定数を補正するようにすれば、フィードバック制御周期を用いることなく全ての場合に正確な空燃比制御が可能となる。そこで、本実施形態では、図１３の操作によりＯ２ センサ１３のリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣを算出する他に、図１３と類似の方法でＯ２ センサ１３のリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳを算出し、これら両方の遅れ時間に基づいて制御定数の値を補正するようにしている。
【００７４】
図１６は、本実施形態におけるリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳの算出操作を説明するフローチャートである。本操作は図５、図６の操作と同一の時間間隔でＥＣＵ１０により実行されるルーチンにより行われる。
図１６の操作では、リーンスキップＲＳＬが生じてから（すなわち空燃比フラグＦ１の値が０から１に変化した時から）（ステップ１６０１）Ｏ２ センサ出力ＶＯがΔＶ以上の急減少を示すまでの時間を計時するカウンタＣＴＳ（ステップ１６０３、１６０９）が使用される点が図１３のフローチャートと相異している他は、図１３のフローチャートと略同一である。また、今回計時した遅れ時間の値をなまし処理した値をリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとして使用する点（ステップ１６１３）も図１３の操作と同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００７５】
図１７は上記遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとを用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
本操作では、図１３で算出されたリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣと、図１６で算出されたリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳとをそれぞれバックアップＲＡＭ１０６から読み込み（図１７、ステップ１７０１）、遅れ時間ＴＤＣとＴＤＳとに基づいて、予め設定された関係からリッチスキップ量ＲＳＲを設定し（ステップ１７０３）、設定されたＲＳＲの値からリーンスキップ量ＲＳＬを算出する（ステップ１７０５）。
【００７６】
図１８は、ステップ１７０３でＲＳＲの値の設定に用いるＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳの関係を示す図である。図１８に示すように、ＲＳＲの値はリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣが一定であればリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳが大きくなるほど大きな値（空燃比をリッチ側にシフトさせる方向）とされ、またリーン空燃比検出遅れ時間ＴＤＳが一定であればリッチ空燃比検出遅れ時間ＴＤＣが大きくなるほど小さな値（空燃比をリーン側にシフトさせる方向）に設定される。図１８の関係は、実際のＯ２ センサ１３を用いて、センサ１３の遅れ時間を変えて機関を運転する実験を行い、機関空燃比を理論空燃比に維持するために必要なＲＳＲの値を決定しておくことにより求められる。本実施形態では図１８の関係は、ＲＳＲ、ＴＤＣ、ＴＤＳを用いた数値テーブルとして予めＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４に格納されており、図１７ステップ１７０３では、この数値テーブルからＲＳＲの値が決定される。
【００７７】
本実施形態によれば、センサの劣化程度やＯ２ センサの劣化、保護層の目詰まり等によるセンサ出力特性の変化があった場合でも正確に機関空燃比を理論空燃比に制御することが可能となる。
（４）第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００７８】
図１９は、本実施形態の概略構成を示す図１と同様な図である。図１９において、図１と同じ参照符号は同一の要素を示している。
本実施形態においても、図１と同様にシングルＯ２ センサシステムが用いられているが、図１のＯ２ センサ１３とは異なり、本実施形態のＯ２ センサ１９０にはセンサ触媒が設けられていない点が図１の実施形態と相違する。また、本実施形態では、ＥＣＵ１０は図１と同様に空燃比制御手段として機能する他、排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段及び、算出された水素濃度に基づいて首制御の制御定数を補正する補正手段として機能している。なお、Ｏ２ センサ１９０の構成は、図２において触媒層１３０９が設けられておらず、保護層１３０７が直接排気に接触する構成であること以外は図２の構成と同様である。また、本実施形態においても図４から図６及び図８で説明した空燃比フィードバック制御が行われる。この場合、本実施形態のＯ２ センサ１９０にはセンサ触媒が設けられていないため、排気中に水素が生成されるとリーン空燃比の検出遅れにより機関平均空燃比はリーン側にシフトすることになる。
【００７９】
この場合、仮に機関１を理論空燃比で運転するための燃料量に相当する空燃比補正係数ＦＡＦと学習補正係数ＫＧとの合計（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０であったとすると、水素の影響が生じると（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は１．０より小さい値に設定されることになり、排気中の水素濃度が高くなるほど（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は小さくなる。このため、本来（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値が１．０に較べてどのくらい小さくなっているかを監視していれば排気中の水素濃度の影響を知ることができるはずである。しかし、実際には理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は機関１の燃料噴射系統の要素の特性のばらつき等により１．０から変化するため、必ずしも（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を１．０と比較しても正確な水素濃度の影響を知ることはできない。また、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値は空燃比フィードバック制御により周期的に変化しているため、各時点の（ＦＡＦ＋ＫＧ）からは水素濃度の影響を知ることはできない。そこで、本実施形態では、機関運転中に排気中の水素によるＯ２ センサ１９０の出力特性への影響を排除した状態で（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値を算出し、この水素の影響を受けない（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値を基準値として使用する。排気中の水素の影響を受けない状態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値は必ず理論空燃比相当値に一致しているため、この値を基準値として用いることにより運転中の空燃比の理論空燃比からのずれを正確に算出することができる。すなわち、本実施形態では、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値を平均空燃比特性値として使用し、この平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する。
【００８０】
次に、排気中の水素の影響を排除する方法について説明する。
図２で説明したように、Ｏ２ センサにはセンサを加熱して早期に活性化させるための電気ヒータ１３１１が設けられている。通常、このセンサは冷間始動時等に使用され、排気温度が上昇してヒータを用いなくてもセンサ温度を活性化温度（例えば３００℃程度）に維持できる状態になると通電を停止している。本実施形態では、この電気ヒータを用いてセンサ温度を通常より高温（例えば６００℃以上）まで加熱することにより水素の影響を排除している。センサ温度が高温になると、排気中の水素はセンサ保護層外側で酸素と反応するようになり、センサ触媒を用いずに排気を平衡化することができる。このため、センサ温度を高温に維持した状態で図８の学習補正係数ＫＧを算出し、（ＦＡＦ＋ＫＧ）の平均値を求めておくことにより、水素の影響を排除した状態での理論空燃比に相当する（ＦＡＦ＋ＫＧ）基準値を設定することができる。なお、センサを常時高温に維持しておけば排気中の水素の有無にかかわらず正確な空燃比制御が可能となるが、実際にはセンサを長時間高温に維持すると電極や固体電解質の劣化が促進されてしまうため、常時センサを加熱することは好ましくない。そこで、本実施形態では、定期的に（例えば機関始動毎に）短時間ヒータを高温に制御してＯ２ センサ温度を上昇させて（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値を求め、その後は通常のヒータ制御を行うようにしてセンサの劣化が生じることを防止している。
【００８１】
本実施形態では、通常の運転時（センサを加熱していない状態）に（ＦＡＦ＋ＫＧ）の値の平均値を算出し、この平均値と上記により求めた基準値の差に基づいて排気中の水素濃度を算出すると共に、水素濃度に応じた値に制御定数を設定するようにしている。
図２０は、本実施形態における（ＦＡＦ＋ＫＧ）の基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００８２】
図２０において操作がスタートすると、ステップ２００１では基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされているか否かが判定され、ＸＧ＝１であった場合には更に基準値ＦＡＦＫＧ０ を算出することなく直ちに操作を終了する。ＸＧは機関始動時に０にリセットされるフラグであり、基準値ＦＡＦＫＧ０ の演算が完了した後ステップ２０１７で１にセットされる。このため、基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出は機関始動毎に１回行われるようにされ、頻繁なＯ２ センサ加熱によるセンサ劣化が防止される。
【００８３】
ステップ２００１で基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされていない場合には、機関始動後まだ基準値が算出されていないため、ステップ２００３から２０１７の基準値算出操作が行われる。すなわち、ステップ２００３では基準値算出条件が成立しているか否かが判定され、条件が成立していない場合にはステップ２０１７に進み、ヒータ１３１１の通常制御を行う。すなわち、機関始動後等のセンサ温度が低い場合にはヒータが通電され、センサの活性化温度までセンサが昇温される。ここで、基準値算出条件は、図５、図６のフィードバック制御が実行中であること（図６ステップ５４７でフラグＸＭＦＢの値が１にセットされていること）、機関が定常運転中であり空燃比補正係数ＦＡＦの値が安定していること、等である。
【００８４】
ステップ２００３で基準値算出条件が成立していた場合には、ステップ２００５で電気ヒータ１３１１の高温制御が行われる。ヒータの高温制御は通常のヒータ制御より大きい電流を電気ヒータ１３１１に供給することにより行われる。そして、ステップ２００７ではセンサが高温（例えば６００℃以上）に到達したか否かが判定される。センサ温度の判定は、実際にセンサ温度を測定することによってもよいが、例えばヒータの高温制御を開始してから予め定めた時間が経過したか否かによりセンサが高温に到達したか否かを判定するようにしても良い。
【００８５】
ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達していた場合には、次にステップ２００９でセンサ高温状態での学習補正係数ＫＧの学習が完了したか否かが判定される。本実施形態では、図５、図６の空燃比フィードバック制御とともに、常に図８の学習制御が実行されており、センサが高温になって排気中の水素の影響がなくなりＦＡＦの値が変化すると図８の学習制御により、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束するまでＫＧの値が調節される。ステップ２００９では、図８で算出したＦＡＦＡＶの値が、１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束した場合にＫＧの学習が終了したと判定するようにしている。なお、ステップ２００７でセンサ温度が高温に到達していない場合、及びステップ２００９で学習が完了していない場合には、以下の操作を実行せず、直ちに操作を終了する。
【００８６】
ステップ２００９でＫＧの学習が完了すると、次にステップ２０１１では、図８の操作で算出されたＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶ（図８ステップ８０９）とＫＧ（図８ステップ８１９）とから基準値ＦＡＦＫＧ０ が、ＦＡＦＫＧ０ ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出される。
基準値ＦＡＦＫＧ０ 算出後、ステップ２０１５では基準値ＦＡＦＫＧ０ の値がＥＣＵ１０のバックアップＲＡＭ１０６に格納され、ステップ２０１７ではヒータ１３１１の高温制御を停止して通常のヒータ制御が再開される。
【００８７】
図２０の操作により、機関始動毎にＯ２ センサ１９０への排気中の水素の影響を排除した状態で基準値ＦＡＦＫＧ０ が算出され、バックアップＲＡＭ１０６に格納されるようになる。
図２１は、図２０により算出した基準値ＦＡＦＫＧ０ を用いた空燃比制御定数の補正操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ１０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
【００８８】
本操作では、現在のＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶとＫＧとの和ＦＡＦＫＧ＝（ＦＡＦＡＶ＋ＫＧ）と基準値ＦＡＦＫＧ０ との差ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ０ に基づいて、制御定数ＲＳＲの値が設定される。すなわち、ΔＦＡＦＫＧは排気中に水素が存在すると負の値をとり空燃比は理論空燃比よりリーン側に制御される。また、ΔＦＡＦＫＧの値が負の大きな値をとるほど排気中の水素濃度が高く、空燃比のリーン側へのシフトが大きくなっている。そこで、本実施形態では、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値をとるほどＲＳＲを増大させて空燃比をリッチ側に補正するようにしている。
【００８９】
図２１において、ステップ２１０１は制御定数補正の実行条件が成立しているか否かの判定を示す。ステップ２１０１では、現在ＫＧの学習が完了している場合（すなわち、ＦＡＦの平均値ＦＡＦＡＶが１−α＜ＦＡＦＡＶ＜１＋αの範囲に収束しているか場合）、及び基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出が完了している場合（すなわち基準値算出完了フラグＸＧの値が１にセットされている場合）に補正実行条件が成立したと判定され、上記条件のいずれか１つ以上が成立していない場合にはステップ２１０３から２１０９の補正を行わず直ちに操作を終了する。
【００９０】
ステップ２１０１で補正実行条件が成立していた場合には、次にステップ２１０３で、図８の操作で算出された平均値ＦＡＦＡＶと学習補正係数ＫＧとの和ＦＡＦＫＧが、ＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＡＶ＋ＫＧとして算出される。そして、ステップ２１０５では、ＦＡＦＫＧと基準値ＦＡＦＫＧ０ との差ΔＦＡＦＫＧが、ΔＦＡＦＫＧ＝ＦＡＦＫＧ−ＦＡＦＫＧ０ として算出される。
【００９１】
次に、ステップ２１０７では上記により算出したΔＦＡＦＫＧの値に基づいてリッチスキップ量ＲＳＲが設定され、ステップ２１０９ではリーンスキップ量ＲＳＬの値が、ＲＳＬ＝０．１−ＲＳＲとして算出される。
図２２は、ステップ２１０７でＲＳＲの値の設定に用いられるＲＳＲとΔＦＡＦＫＧ及び排気中の水素濃度との関係を示す図である。図２２に示すように、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほど排気中の水素濃度が増大しており、空燃比はリーン側にシフトしているため、ΔＦＡＦＫＧが負の大きな値になるほどリッチスキップ量ＲＳＲは大きな値になるように設定される。
【００９２】
なお、図２１、図２２ではΔＦＡＦＫＧに基づいてスキップ量ＲＳＲ（ＲＳＬ）を補正する場合について説明したが、スキップ量に代えて、またはスキップ量とともに、積分係数ＫＩＲ（ＫＩＬ）、遅れ時間ＴＤＲ（ＴＤＬ）、比較電圧ＶＲ 等の制御定数をΔＦＡＦＫＧに基づいて図２２と同様に補正するようにしても同様な効果を得ることができる。
【００９３】
以上、本発明をＯ２ センサを使用したシングル空燃比センサシステムに適用した実施形態について説明したが、上述の各実施形態の制御は、酸素濃度に基づいて空燃比を検出する他の空燃比センサ、例えばリニア空燃比センサにも適用できることは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明では、排気中の水素による空燃比センサ出力への影響を排除して、常に機関空燃比を正確に目標空燃比に制御することを可能とする共通の効果を奏する。
すなわち、請求項１から４に記載の発明では、空燃比センサに到達する排気を平衡化するセンサ触媒を設け、水素の空燃比センサ出力への影響を排除するとともに、センサ触媒の能力変化による影響、さらには空燃比センサ自体の出力特性変化の影響（請求項４）をも排除することにより正確な空燃比制御を可能とする効果を奏している。
【００９５】
また、請求項５の発明では、センサ触媒を用いずに通常の空燃比センサを使用しながら、排気中の水素濃度を算出して水素濃度に応じて空燃比制御の制御特性を変化させることにより、排気中の水素の影響を排除して正確な空燃比制御を行うことを可能とする効果を奏している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態に使用する触媒付センサの概略構成を示す図である。
【図３】Ｏ２ センサの一般的出力特性を説明する図である。
【図４】図１の実施形態の燃料噴射量演算操作を説明するフローチャートである。
【図５】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートの一部である。
【図６】図１の実施形態の空燃比フィードバック制御操作を説明するフローチャートの一部である。
【図７】図５、図６の空燃比フィードバック制御による空燃比変動を説明するタイミングチャートである。
【図８】図１の実施形態の学習補正係数ＫＧ設定操作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるフィードバック制御周期検出操作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態における空燃比制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１１】図１０の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１２】センサ触媒の能力判定原理を説明するタイミングチャートである。
【図１３】Ｏ２ センサのリッチ空燃比検出遅れ時間検出操作を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１５】図１４の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１６】Ｏ２ センサのリーン空燃比検出遅れ時間検出操作を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の第３の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図１８】図１７の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【図１９】本発明を自動車用内燃機関に適用した、図１とは異なる実施形態の概略構成を示す図である。
【図２０】図１９の実施形態における空燃比補正係数の基準値ＦＡＦＫＧ０ の算出操作を説明するフローチャートである。
【図２１】本発明の第４の実施形態における制御定数補正操作を説明するフローチャートである。
【図２２】図２１の操作の制御定数の補正に使用する関係を説明するチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…吸気管
３…吸気管圧力センサ
５、６…クランク回転角センサ
７…燃料噴射弁
１０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１３…触媒付Ｏ２ センサ
１５…排気浄化触媒
１９０…Ｏ２ センサ
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比センサに到達する排気中の可燃成分を排気中の酸素と反応させて排気を平衡化するセンサ用触媒と、
前記空燃比センサ出力の応答遅れに関連する遅れ特性値を検出する特性値検出手段と、
前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力を判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に基づいて、前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、
を備えた内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記空燃比制御手段は、機関に供給する燃料量を補正する空燃比補正係数を前記空燃比センサ出力に基づいてフィードバック制御し、前記特性値検出手段は、前記空燃比制御手段のフィードバック制御周期もしくは前記空燃比補正係数に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記特性値検出手段は、前記空燃比センサ出力値に基づいて前記遅れ特性値を検出する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記判定手段は、前記特性値に基づいて前記センサ用触媒の触媒能力とともに、前記空燃比センサの出力特性の変化を判定し、前記補正手段は、前記判定手段の判定した触媒能力と空燃比センサの出力特性の変化とに基づいて前記制御定数を補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒上流側の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサ出力に基づいて、機関空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比センサ出力に基づいて、機関の平均空燃比を表す平均空燃比特性値を算出するとともに、該平均空燃比特性値に基づいて排気中の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、
前記算出された水素濃度に基づいて前記空燃比制御手段の制御特性を決定する制御定数の値を補正する補正手段と、
を備えた内燃機関の空燃比制御装置。
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