JP3890775B2 - 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、多気筒内燃機関の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なるように多気筒内燃機関の空燃比状態を制御する空燃比制御装置があり、このような空燃比制御装置としては特開平8-61052号公報に記載のものなどが知られている。特開平8-61052号公報に記載の空燃比制御装置は、ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なるように制御することによって排気通路上の排気浄化触媒を昇温させることなどを目的としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多気筒内燃機関の空燃比状態は、通常、全気筒が同一の空燃比となるように制御されており、ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なるような制御への切替時に気筒群毎の出力トルクに差が生じ、切替時における内燃機関全体での出力トルクが不安定になってしまう傾向がある。上述した特開平8-61052号公報に記載の制御装置なども、この点に関しては十分な配慮がなされていないものであり、更なる改善が望まれていた。
【０００４】
また、例えば燃料噴射弁や空燃比センサ、燃焼室のデポジット付着量により気筒群毎に機関個体差や経時変化が発生する。この影響を考慮しないで気筒群毎に空燃比を相違させると、各気筒群の空燃比が目標の空燃比からずれて、結果的に排気エミッションが悪化する場合があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、出力トルクを安定な状態に維持しすると共に、排気エミッションの悪化も抑止しつつ、空燃比状態を、ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なる空燃比相違状態に円滑に切り替えることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、オープンループ制御により全気筒が同じ空燃比で運転される空燃比同一状態と、気筒群毎の空燃比が異なる状態で運転される空燃比相違状態とを切り替える空燃比状態切替手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の温度を上昇させるか否かを判断する触媒昇温判定手段と、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた空燃比センサとをさらに備え、空燃比同一状態で内燃機関が運転している際、触媒昇温判定手段により排気浄化触媒の昇温が必要であると判断したときに、空燃比状態切替手段が、空燃比を空燃比同一状態から空燃比相違状態に切り替える切替を行い、切替を行うにあたり、空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態を経由させた後に空燃比相違状態に切り替えることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、空燃比状態が、空燃比制御切替手段によって、オープンループ制御を行っている空燃比同一状態から空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる。このフィードバック制御する状態は、排気ガス中の有害物質の浄化率を高く維持しつつ、十分な出力トルクを高く維持するために、空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態であるため、オープンループ制御を行っている空燃比同一状態から空燃比相違状態への切替時に出力トルクを大きく変動させることなく、かつ、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化しつつ、円滑に空燃比状態を切り替えることができる。そして、触媒昇温判定手段によって、排気浄化触媒の温度を昇温させる必要があると判定したときに、空燃比相違状態に切り替えることによって、排気浄化触媒を昇温させることができる。排気浄化触媒を昇温させれば、排気浄化触媒をより早期に活性状態とさせることができたり、排気浄化触媒に吸蔵された有害物質を浄化させたりすることなどができる。
また、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行うので、内燃機関の空燃比を高精度に制御でき、空燃比制御状態をより高次元に安定させることができる。この結果、空燃比状態が、このフィードバック制御を行う状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる際に、より円滑に切替が行われるようにできる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、目標空燃比が理論空燃比であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、上記フィードバック制御時の目標空燃比を理論空燃比とするので、排気ガス中の有害物質を最も効率良く浄化しつつ、十分な出力トルクを安定して出力することができる。この結果、空燃比状態が上記フィードバック制御を行う状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる際に、その切替を円滑に行うことができ、このときの排気ガス中の有害物質の浄化と十分な出力トルクの安定出力とをバランス良く実現することができる。
【００１２】
また、上記フィードバック制御を行う状態における機関空燃比を理論空燃比とするので、空燃比相違状態での各気筒群の空燃比がどのようなものでも、その切替前後の空燃比のギャップを平均的な大きさとすることができ、空燃比状態を空燃比相違状態に安定的かつ円滑に切り替えることができる。即ち、ある気筒群の空燃比状態を、理論空燃比よりリーンな状態に切り替える場合であっても、理論空燃比よりリッチな状態へと切り替える場合であっても、その切替前後の空燃比のギャップは、リーンな状態からリッチな状態に一気に切り替えるような場合のように大きくなることはない。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御によって得られる空燃比フィードバック補正値から空燃比制御値を学習する空燃比学習手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、空燃比学習手段によって、上記フィードバック制御を行う状態で空燃比制御値を学習することができる。空燃比制御値は、内燃機関の個体差や経時変化を反映させるためのものである。この空燃比制御値を上記フィードバック制御中に学習し、これを空燃比制御に反映させることによって、より高精度の空燃比制御を行うことができる。この結果、上記フィードバック制御を行う状態を経由させて空燃比相違状態に切り替える際に、より円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、排気通路が、各気筒群毎に設けられた上流排気通路と上流排気通路の下流側で合流された合流排気通路とからなり、空燃比センサが、上流排気通路上に配置されており、空燃比学習手段が、各上流排気通路毎に得られた空燃比フィードバック補正値から各気筒群毎に空燃比制御値を学習することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、各気筒群毎に空燃比センサを配置して、各気筒群毎に空燃比フィードバック補正値を用い、かつ、学習した空燃比制御値を反映させて、フィードバック制御を行う。各気筒群毎にフィードバック制御を行うため、空燃比制御の精度をより一層高精度にすることができ、空燃比状態が上記フィードバック制御を行う状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる際に、さらにきめ細かく制御を行って、より一層円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、空燃比制御値を空燃比相違状態でのフィードバック制御に反映させる学習値反映手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、空燃比制御値を、学習値反映手段によって、空燃比相違状態でのフィードバック制御に反映させるので、空燃比相違状態でのフィードバック制御を高精度に行うことができる。空燃比相違状態では気筒群毎に異なる空燃比で運転されるため、空燃比の学習を行えなかったり、精度良く行えない場合もあり、上記フィードバック制御を行う状態で学習した最新の空燃比制御値を反映させることによって、空燃比相違状態でのフィードバック制御を高精度に行うことができる。この結果、空燃比相違状態への切替時のみならず、空燃比相違状態に切り替えられた後のトルク変動抑止や排気ガス浄化も好適に行うことができる。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、空燃比状態切替手段が、空燃比状態を空燃比相違状態から空燃比同一状態に切り替える際に、内燃機関全体の空燃比制御状態が全気筒の機関空燃比を理論空燃比とするように運転される全気筒理論空燃比状態を経由させた後に空燃比同一状態に切り替えることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、空燃比状態が、空燃比制御切替手段によって、空燃比相違状態から全気筒理論空燃比状態を経由して空燃比同一状態に切り替えられる。全気筒理論空燃比状態は、出力トルクと排気ガス中の有害物質除去とを安定した状態に維持できる理論空燃比で全気筒が運転されるため、空燃比相違状態から空燃比同一状態への切替時に出力トルクを大きく変動させることなく、かつ、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化しつつ、円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた空燃比センサと、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御によって得られる空燃比フィードバック補正値から空燃比制御値を学習する空燃比学習手段とを備え、全気筒理論空燃比状態において、空燃比状態切替手段によって、予め学習された空燃比制御値に基づくオープンループ制御を行った後に、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行う
【００２２】
請求項７に記載の発明によれば、空燃比相違状態から全気筒理論空燃比状態に移行した直後に、予め学習した空燃比制御値を用いてオープンループ制御することによって、より早期に機関空燃比を理論空燃比にすることができる。また、全気筒理論空燃比状態において、上述したオープンループ制御を行った後は、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御に移行することによって、より早期に理論空燃比にした機関空燃比を、より高精度に理論空燃比に維持することができる。この結果、空燃比状態を空燃比相違状態から全気筒理論空燃比状態への切替を円滑に行うことができると共に、空燃比相違状態以後のトルク変動抑止や排気ガス浄化も好適に行うことができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、請求項１記載の発明において、触媒昇温判定手段は、排気浄化触媒の温度が触媒活性化温度よりも低いときに、排気浄化触媒の昇温が必要であると判断することを特徴とする。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、排気浄化触媒の温度が触媒活性化温度より低い温度であり、排気浄化触媒が排気ガス中の有害物質を充分に浄化できないような状態である時ときに、触媒昇温判定手段が、排気浄化触媒を昇温させる必要があると判定する。この結果、排気浄化触媒は、空燃比相違状態によって早期に昇温されるので、より早期に排気ガス中の有害物質を充分に浄化できる状態になる。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気浄化触媒がNOx吸蔵還元触媒であり、触媒昇温判定手段は、排気浄化触媒のSOx被毒量が所定量以上となったときに、排気浄化触媒の昇温が必要であると判断することを特徴とする。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、排気浄化触媒であるNOx吸蔵還元触媒のSOx被毒量が所定量以上となったときは、NOx吸蔵還元触媒のSOx被毒を解消するために、触媒昇温判定手段が、排気浄化触媒を昇温させる必要があると判定する。この結果、NOx吸蔵還元触媒は、空燃比相違状態によって早期に昇温されるので、SOx被毒を解消することができ、NOx吸蔵能力を低下させることなく、排気ガス中の有害物質を浄化することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の空燃比制御装置の一実施形態を備えた内燃機関の構成を示している。エンジン１は、四気筒エンジンであり、希薄燃焼も可能である。エンジン１の#1気筒と#4気筒とで一つの気筒群を構成し、#2気筒と#3気筒とでもう一つの気筒群を構成している。各気筒からの排気通路は、各気筒群毎にそれぞれ第一上流排気通路２ａ１及び第二上流排気通路２ａ１にまとめられた後、さらにその下流側で合流排気通路２ｂとして一本にまとめられている。
【００３０】
各上流排気通路２ａ１，２ａ２上には、排気浄化触媒である第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２がそれぞれ配設されている。そして、各上流排気通路２ａ１，２ａ２上の各スタートキャタリスト３ａ１，３ａ２の上流側には、排気ガス中の酸素濃度から各気筒群の空燃比を検出する空燃比センサである第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２が配設されている。一方、合流排気通路２ｂ上には、排気浄化触媒であるNOx吸蔵還元触媒３ｂが配設されている。そして、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂの上流側にも空燃比センサである第三酸素センサ４ｂが配設されている。これらの酸素センサ４ａ１，４ａ２，４ｂは、理論空燃比を跨いで空燃比がリッチ側かリーン側かで出力電圧が変化するものであり、理論空燃比を境に、空燃比がリッチであるかリーンであるかをオン-オフ的に検出する。
【００３１】
第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２には、それぞれの触媒温度（即ち排気温度）を検出する第一温度センサ５ａ１及び第二温度センサ５ａ２がそれぞれ取り付けられている。また、NOx吸蔵還元触媒３ｂにも、触媒温度（即ち排気温度）を検出する第三温度センサ５ｂが取り付けられている。さらに、エンジン１の各気筒の燃焼室内には燃料噴射弁６がそれぞれ配設されており、燃料噴射弁６によって各気筒内に直接燃料噴射（筒内噴射）を行うことができる。酸素センサ４ａ１，４ａ２，４ｂ、温度センサ５ａ１，５ａ２，５ｂ及び燃料噴射弁６は、電子制御コントロールユニット（ECU）７に接続されている。酸素センサ４ａ１，４ａ２、４ｂ及び温度センサ５ａ１，５ａ２，５ｂによる検出結果はECU７に送られ、燃料噴射弁６はECU７からの信号に基づいて燃料を噴射する。
【００３２】
ECU７は、CPU,ROM,RAMなどで構成されるマイクロコンピュータであり、イグニッションキーをオフにした後もバッテリにより記憶内容が消去されずに保持されるバックアップRAMも備えている。また、ECU７には、吸入空気量に相当する吸気管圧力を検出する吸気管圧センサ８、エンジン回転数センサ９、アクセル開度センサ１０及びその他のエンジン制御に必要な各種センサが接続されている。ECU７は、エンジン制御全般を司っており、空燃比状態切替手段、空燃比学習手段、学習値反映手段及び触媒温判定手段としても機能する。
【００３３】
上述したエンジン１は、下記の五つの燃焼モードによって運転される。
(1)成層燃焼
(2)弱成層燃焼
(3)均質リーン燃焼
(4)均質ストイキ燃焼
(5)均質リッチ燃焼
上述したモードの内の何れのモードで燃焼を行うかは、各種センサによって検出された機関運転状態（運転者の出力要求値）に基づいて決定される。
【００３４】
(1)の成層燃焼は、気筒内の点火プラグ近傍の空燃比をリッチとすると同時にその周囲に空気層を形成させて筒内全体では超希薄燃焼をさせるものである。(3)の均質リーン燃焼は、機関空燃比を気筒内全域で均質で、かつ、理論空燃比よりもリーンな空燃比にして希薄燃焼をさせるものである。(2)の弱成層燃焼は、成層燃焼と均質リーン燃焼との中間状態で、１サイクル中において吸気行程と圧縮行程で計二回、燃料噴射を行う。(4)の均質ストイキ燃焼は、機関空燃比を気筒内全域で均質で、かつ、理論空燃比にして燃焼をさせるものである。(5)の均質リッチ燃焼は、機関空燃比を気筒内全域で均質で、かつ、理論空燃比よりもリッチな空燃比にして燃焼をさせるものである。
【００３５】
均質ストイキ燃焼時及び均質リッチ燃焼時には、吸気管圧センサ８の出力から得られる吸入空気量とエンジン回転数センサ９により検出されたエンジン回転数から基本燃料噴射量ＱALLが決定される。成層燃焼時、弱成層燃焼時及び均質リーン燃焼時には、アクセル開度センサ１０により検出されたアクセル開度とエンジン回転数センサ９により検出されたエンジン回転数から基本燃料噴射量ＱALLが決定される。
【００３６】
第一スタートキャタリスト３ａ１、第二スタートキャタリスト３ａ２及びNOx吸蔵還元触媒３ｂについて詳述する。
【００３７】
第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２は、表面にアルミナの薄膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラジウムやロジウムなどの貴金属を担持させた三元触媒であり、排気ガス内の炭化水素HC、一酸化炭素CO、窒素酸化物NOxを浄化する。HC,CO,NOxの浄化は、理論空燃比近傍で燃焼されたときに最も効率良く行われる。第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２は、エンジン１本体に近い位置に設置されており、エンジン１の始動後、排気ガスによってより早期に触媒活性化温度に達する。
【００３８】
NOx吸蔵還元触媒３ｂは、基本的には、上述した三元触媒であるが、アルミナコーティング層上に、アルカリ金属（カリウム，ナトリウム，リチウム，セシウムなど）、アルカリ土類金属（バリウム，カルシウムなど）又は希土類元素（ランタン，セシウム，イットリウムなど）などをもさらに担持させ、空燃比がリーンのときにNOxを吸蔵させることができるようにしたものである。
【００３９】
このため、NOx吸蔵還元触媒３ｂは、通常の三元触媒としての機能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼されたときの排気ガス内のHC,CO,NOxを浄化する機能に加えて、排気ガス中に含まれる還元されないNOxを吸蔵することができる。理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼された排気ガス中には還元剤となるHC,COがほとんど含まれないためNOxは還元されにくく、この還元されないNOxがNOx吸蔵還元触媒３ｂに一時的に吸蔵される。
【００４０】
NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されたNOxは、理論空燃比よりもリッチな空燃比（あるいは理論空燃比近傍）で燃焼されたときの排気ガス中のHC,COによって還元されて浄化される（このときHC,COは同時に酸化される）。このために、NOx吸蔵還元触媒３ｂにある程度NOxが吸蔵されたと判断されたときは、理論空燃比よりもリッチな空燃比で短時間エンジン１を運転して吸蔵されたNOxを還元させる、いわゆるリッチスパイク運転を行う。
【００４１】
また、上述したようなNOx吸蔵還元触媒３ｂは、NOxの吸蔵と同様に、排気ガス中に硫黄酸化物SOxが存在するとこのSOxも吸蔵する性質を有している。しかも、SOxはNOxに比べてNOx吸蔵還元触媒３ｂに安定的に吸蔵されてしまうため、NOxよりも還元されにくく、通常のリッチスパイク運転では還元することができずに、NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵され続けてしまうという傾向がある。この結果、NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されるSOx量が増加し、その分NOxを吸蔵できなくなり（以下、この現象をSOx被毒という）、NOxがNOx吸蔵還元触媒３ｂによって浄化されなくなる場合がある。
【００４２】
NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されたSOxを放出させるには、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度をNOx還元時よりも高温（例えば600〜850℃）とし、かつ、周囲雰囲気を還元雰囲気として還元させれば良い。このため、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度を昇温させつつ、理論空燃比よりもややリッチな空燃比で燃焼された後の排気ガスと同等な還元雰囲気中でSOxを還元させて、NOx吸蔵還元触媒３ｂをSOx被毒から回復させる。
【００４３】
NOx吸蔵還元触媒３ｂを昇温するために、#1,#4気筒側気筒群を理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼させると共に#2,#3気筒側気筒群を理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼（あるいはこの逆）させる。このようにすることにより、#1,#4気筒側気筒群からの排気ガス中には酸素が含まれ、#2,#3気筒側気筒群からの排気ガス中にはHC,COが含まれるので、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂにおいてHC,COが酸化され、その酸化反応熱によってNOx吸蔵還元触媒３ｂが昇温される。このとき、酸素をHC,COの酸化反応後に若干のHC,COが排気ガス中に残存して還元雰囲気が形成されれば、SOxを還元させる上で好ましい。
【００４４】
また、上述したSOx被毒からの回復のみならず、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度を早期に触媒活性化温度に昇温させたいような場合など、NOx吸蔵還元触媒３ｂを積極的に昇温させる必要がある場合にも、一部の気筒群を理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼させると共に他の気筒群を理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼させることは有用である。このように、多気筒内燃機関の空燃比状態を、ある気筒群と他の気筒群とが異なる空燃比となるように制御すること、即ち、空燃比状態を空燃比相違状態に切り替えることは種々の利点がある。本発明は、この空燃比相違状態への切替時のトルク変動を抑止すると共に、空燃比相違状態時における排気ガス中の有害物質の排出をも抑止する。
【００４５】
ここで、空燃比のフィードバック制御について簡単に説明する。
【００４６】
機関を運転する際の燃料噴射量TAUは、次のように決定される。
TAU←α・ＱALL・EFTOTAL+β・・・・(I)
ここで、ＱALLは吸気管圧力及びエンジン回転数から決定される基本燃料噴射量であり（上述したように、アクセル開度とエンジン回転数から決定される場合もある）、この基本燃料噴射量ＱALLを機関運転状態に応じて補正することにより、燃料噴射量TAUを決定する。また、EFTOTALは、空燃比反映トータル値である。空燃比反映トータル値EFTOTALは、空燃比を目標空燃比とするために基本燃料噴射量ＱALLを補正する成分であり、この値によって空燃比のフィードバック制御が行われる。α及びβは、始動直後の暖気増量補正値や加速時の加速増量補正値などの他の補正成分である。このEFTOTALは、例えば、空燃比フィードバック補正値FAFと空燃比学習値KGとの和で表される。即ち、この場合、(I)式は次のようになる。
TAU←α・ＱALL・(FAF+KG)+β・・・・(II)
【００４７】
空燃比フィードバック補正値FAFは、酸素センサの出力を基に実際の空燃比を検出して、この空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック補正するためのものである。例えば、空燃比を理論空燃比とする際には、図２(a)及び図２(b)に示されるように、酸素センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチである間は、空燃比フィードバック補正値FAFに対して、燃料噴射量を徐々に減量する値が与えられ、酸素センサによって検出された空燃比がリッチからリーンに変わったときには、応答性向上を考慮して燃料噴射量を増量する値がスキップ的に与えられる。
【００４８】
逆に、酸素センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンである間は、空燃比フィードバック補正値FAFに対して、燃料噴射量を徐々に増量する値が与えられ、酸素センサによって検出された空燃比がリーンからリッチに変わったときには、応答性向上を考慮して燃料噴射量を減量する値がスキップ的に与えられる。このようにして、機関空燃比を常に目標空燃比である理論空燃比に維持すべく、空燃比フィードバック補正値FAFが生成されるのである。
【００４９】
なお、酸素センサの検出遅れを考慮して、空燃比フィードバック補正値FAFに図２(c)に示されるような遅れ時間DT1,DT2を設定する場合もある。また、ECUにおいて酸素センサの出力からリーン-リッチをオン-オフ的に判定した判定信号を生成し、この判定信号に基づいてFAF信号を生成する場合もある。
【００５０】
一方、空燃比学習値KGは、空燃比制御値の一つであり、空燃比フィードバック補正値FAFを平均化した空燃比フィードバック補正平均値FAFAVから生成される。なお、空燃比フィードバック補正平均値FAFAVも空燃比制御値の一つである。空燃比学習値KGは、燃料噴射弁や空燃比センサなどの機関の個体差や経時変化を反映させるための補正値であり、所定の機関負荷領域毎に定められる。空燃比のフィードバック制御が行われずにオープンループ制御されているような場合（例えばFAF=1.0に固定して制御する場合）であっても、機関の個体差や経時変化により生じる空燃比のズレを吸収するために、この空燃比学習値KGを用いて補正する。
【００５１】
空燃比フィードバック補正値FAFを用いて空燃比のフィードバック制御を行っていれば、機関空燃比は、このような空燃比学習値KGを用いなくても酸素センサの出力に基づく空燃比フィードバック補正値FAFによって目標空燃比に補正される。しかし、機関の個体差や経時変化を反映させてより精度の高い制御を行うため、オープンループ制御中のみならずフィードバック制御中も空燃比学習値KGが反映される。なお、この空燃比学習値KGは、ECU内のバックアップRAM内に記憶され、必要時に取り出される。
【００５２】
上述した空燃比フィードバック補正値FAFや空燃比制御値（空燃比フィードバック補正平均値FAFAVや空燃比学習値KGなど）は、ECU７内のROMに格納されたプログラムによって数ミリ秒毎に演算・更新される。また、ECU７において演算された空燃比フィードバック補正値FAFや空燃比制御値に基づいて、燃料噴射量TAUが決定され、燃料噴射弁６を用いて燃料が噴射される。ECU７においては、燃料噴射量TAU以外に、点火時期やバルブタイミング、ＥＧＲ量、スロットル弁開度も演算・決定される。
【００５３】
次に、上述した内燃機関の空燃比状態を、#1,#4気筒側気筒群と#2,#3気筒側気筒群とを異なる空燃比で燃焼させる状態、即ち、空燃比相違状態に切り替える行程について、図３に示す空燃比制御状態の説明図と図４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
【００５４】
エンジン１は、通常、全気筒の空燃比が同一の空燃比となるような空燃比同一状態で運転されている。ここでは、図３に示されるように、空燃比同一状態として全気筒が成層燃焼されている状態から、全気筒が均質ストイキ燃焼される空燃比制御安定状態▲１▼を経由して、#1,#4気筒側気筒群が均質リッチ燃焼され、かつ、#2,#3気筒側気筒群が均質リーン燃焼される空燃比相違状態▲２▼に切り替えられる。その後さらに、空燃比相違状態▲２▼の終了後に、全気筒が均質ストイキ燃焼される全気筒理論空燃比状態▲３▼に切り替えられる。以下に、空燃比同一状態−空燃比制御安定状態▲１▼−空燃比相違状態▲２▼−全気筒理論空燃比状態▲３▼と切り替える行程を順に説明する。
【００５５】
なお、ここに言う空燃比制御安定状態とは、排気ガス中の有害物質の浄化率を高く維持しつつ、十分な出力トルクを維持することのできる状態をいう。空燃比制御安定状態の一例としては、機関空燃比がある所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御される状態がある。このようにフィードバック制御を行えば、空燃比制御上、目標空燃比を基準にして各種外乱によるズレを求めることができ、各種制御値を学習できるので、さらに空燃比の制御状態を安定させることができる。ここでは、上述した目標空燃比が特に理論空燃比とされた場合である。
【００５６】
図３においては、上述した制御過程の種々の状態が時間軸に沿って示されている。図３(a)はエンジン１の各気筒の燃焼状態を示す模式図、図３(b)はエンジン１の各気筒の制御目標となる空燃比を示す模式図、図３(c)は空燃比フィードバック補正値の状態を示す模式図である。なお、図３(b)の縦軸は空燃比の大きさを示す。また、図３(c)では空燃比制御安定状態▲１▼及び全気筒理論空燃比状態▲３▼-2においては気筒群毎の各酸素センサ４ａ１，４ａ２の出力でフィードバック制御しているので、便宜的に各気筒群に対応する空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2を図示している。
【００５７】
図４に示されるように、ECU７は、接続された各種センサの検出結果に基づいて、排気浄化触媒の昇温制御が必要であるかどうかを常時監視している。本実施形態では、例えば、燃料噴射量の噴射積算値が所定値以上になったとき、NOx吸蔵還元触媒３Ｂが所定量のSOxの被毒を受けていると判断する。このSOx被毒を回復するために、NOx吸蔵還元触媒３ｂの昇温制御が必要であると判断される。
【００５８】
ECU７によって、排気浄化触媒の昇温制御が必要と判断される（ステップ１００）と、燃料噴射弁６の噴射モードが切り替えられ、図３に示されるように、エンジン１が理論空燃比運転以外の運転状態、例えば成層燃焼されている状態（空燃比同一状態）であれば、空燃比制御安定状態▲１▼に切り替えられる（ステップ１０１）。なお、昇温制御が必要なときに理論空燃比運転であれば、そのまま空燃比安定状態▲１▼に切り替えられる。
【００５９】
このとき、出力トルク変動などを円滑にするため、短時間の弱成層燃焼及び均質リーン燃焼を経てから、空燃比制御安定状態▲１▼であるストイキ燃焼に切り替えられる。空燃比制御安定状態▲１▼以前の成層燃焼から均質リーン燃焼までは、空燃比のフィードバック制御は行われておらず、アクセル開度（運転者による機関要求負荷）及び機関回転数から定まる燃料噴射量でオープンループ制御されている。
【００６０】
空燃比制御安定状態▲１▼に移行した後、空燃比のフィードバック制御が開始される。このとき、各気筒群毎の第一上流排気通路２ａ１及び第二上流排気通路２ａ２上の第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２の上流側の第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づいて、上述した空燃比反映トータル値が各気筒群毎に形成され、これに基づいて空燃比のフィードバック制御が各気筒群毎に行われる。
【００６１】
以下、説明のために、#1,#4気筒側気筒群の空燃比反映トータル値をEFTOTAL1とし、#2,#3気筒側気筒群の空燃比反映トータル値をEFTOTAL2とする。同様に、#1,#4気筒側気筒群の第一酸素センサ４ａ１に基づく空燃比フィードバック補正値をFAF1とし、この空燃比フィードバック補正値FAF1から得られる空燃比フィードバック補正平均値をFAFAV1、空燃比学習値をKG1とする。同様に、#2,#3気筒側気筒群の第二酸素センサ４ａ２に基づく空燃比フィードバック補正値をFAF2とし、この空燃比フィードバック補正値FAF2から得られる空燃比フィードバック補正平均値をFAFAV2、空燃比学習値をKG2とする。
【００６２】
即ち、空燃比制御安定状態▲１▼では、EFTOTAL1=FAF1+KG1となり、
TAU1←α・ＱALL・EFTOTAL1+β=α・ＱALL・(FAF1+KG1)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAF2+KG2となり、
TAU2←α・ＱALL・EFTOTAL2+β=α・ＱALL・(FAF2+KG2)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００６３】
均質ストイキ燃焼が行われる空燃比制御安定状態▲１▼は、理論空燃比での燃焼であるため、排気浄化触媒（三元触媒）での排気ガス中の有害物質の除去率が高く、かつ十分な出力トルクを維持できる。また、このとき、空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1,FAFAV2や空燃比学習値KG1,KG2などの空燃比制御値も学習され、その時点での機関状態を反映させた精度の高いフィードバック制御を行うことができる。
【００６４】
空燃比制御安定状態▲１▼は、空燃比状態が一旦安定するまで所定時間行われるため、ECU７によって、空燃比制御安定状態▲１▼に移行してからの時間がカウントされており、所定時間が経過したか否かが判定されている（ステップ１０２）。空燃比制御安定状態▲１▼に移行してから所定時間が経過していないと判定されている間は、所定時間が経過するまで空燃比制御安定状態▲１▼が継続される。一方、ステップ１０２において、空燃比制御安定状態▲１▼に移行してから所定時間が経過したと判定された場合は、空燃比フィードバック制御が、第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２に基づく制御から、第三酸素センサ４ｂに基づく制御に切り替えられて（ステップ１０３）、空燃比相違状態▲２▼に移行する。
【００６５】
即ち、空燃比制御安定状態▲１▼で空燃比フィードバック制御が所定時間実行された後、ECU７によって、空燃比相違状態▲２▼となるように、各気筒群毎の空燃比が所定の空燃比変化速度で徐々に切り替えられる。空燃比相違状態▲２▼では、#1,#4気筒側気筒群を均質リッチ燃焼させ、#2,#3気筒側気筒群を均質リーン燃焼させる。そして、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂに流入される合流後の排気ガスが、理論空燃比（あるいは、これよりもややリッチな空燃比）で燃焼されたときの排気ガスと同等となるように、第三酸素センサ４ｂの出力に基づいてフィードバック制御される。
【００６６】
このように空燃比相違状態▲２▼に切り替える条件、即ち排気浄化触媒の温度を昇温させる必要がある条件とは、上述したように、NOx吸蔵還元触媒３ｂのSOx被毒量が所定量以上となったと判定されたときなどが考えられる。機関空燃比を、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させて空燃比相違状態▲２▼に切り替える判定条件については、追ってさらに詳述する。
【００６７】
このとき、第一上流排気通路２ａ１及び第二上流排気通路２ａ２を通過する排気ガスは、その一方が理論空燃比よりもリッチで他方が理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼された後のものであるため、理論空燃比を境にしてリッチであるかリーンであるかをオン-オフ的に検出する第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２によっては、高精度に空燃比のフィードバック制御を行うことが困難な場合もある。このため、空燃比相違状態▲２▼においては、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂの上流側の第三酸素センサ４ｂの出力に基づいて、合流された排気ガスが理論空燃比（あるいは、これよりもややリッチな空燃比）で燃焼されたときの排気ガスと同等となるように空燃比のフィードバック制御を行う。
【００６８】
両気筒群から排出されて合流後にNOx吸蔵還元触媒３ｂに流入される排気ガスを、理論空燃比（あるいはこれよりもややリッチな空燃比）で燃焼された場合の排気ガスと同等となるようにフィードバック制御が行われるので、NOx吸蔵還元触媒３ｂ上でリッチな排気とリーンな排気が酸化反応を起こして、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度が上昇される。その上、NOx吸蔵還元触媒３ｂに流入する排気ガスのトータルの空燃比が理論空燃比（あるいはこれよりもややリッチな空燃比）とされるので、上述したように、NOx吸蔵還元触媒３ｂをSOx被毒から回復させることができる。以下、説明のために、合流排気通路２ｂ上の第三酸素センサ４ｂに基づく空燃比フィードバック補正値をFAF3とする。
【００６９】
ここで、空燃比相違状態▲２▼における空燃比フィードバック補正値FAF3の初期値FAF3(S)として、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1(E),FAFAV2(E)を用いた以下の値を用いる（ステップ１０４）。
FAF3(S)=[FAFAV1(E)+FAFAV2(E)]/2
また、空燃比相違状態▲２▼における空燃比反映トータル値EFTOTAL1,EFTOTAL2の初期値EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)としては、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)と上述したFAFAV1(E),FAFAV2(E)を用いた以下の値を用いる（ステップ１０５）。
【００７０】
FAF3,EFTOTAL1,EFTOTAL2は、空燃比相違状態▲２▼における初期値として上述したFAF3(S),EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)が用いられた後は、第三酸素センサ４ｂの出力に基づいて、以下の式によって演算され、空燃比相違状態▲２▼が継続して行われる（ステップ１０６）。
EFTOTAL1=FAF3+KG1(E)
EFTOTAL2=FAF3+KG2(E)
即ち、空燃比相違状態▲２▼においては、空燃比フィードバック補正値FAF3としては、合流排気通路２ｂ上の第三酸素センサ４ｂの出力に基づくものが両気筒群に対して用いられ、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)（それぞれ固定値）が各気筒群に対してそれぞれ用いられる。
【００７１】
上述したように、空燃比相違状態▲２▼では、EFTOTAL1=FAF3+KG1(E)であるから、
TAU1←α・ＱALL1・EFTOTAL1+β=α・ＱALL1・[FAF3+KG1(E)]+β
で基本燃料噴射量ＱALL1をフィードバック制御によって補正し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAF3+KG2(E)であるから、
TAU2←α・ＱALL2・EFTOTAL2+β=α・ＱALL2・[FAF3+KG2(E)]+β
で基本燃料噴射量ＱALL2をフィードバック制御によって補正し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００７２】
なお、上述したように、#1,#4気筒側気筒群を均質リッチ燃焼させるので、#1,#4気筒側の基本燃料噴射量ＱALL1はリッチ寄りの噴射量とされている。同様に、#2,#3気筒側気筒群を均質リーン燃焼させるので、#2,#3気筒側の基本燃料噴射量ＱALL2はリーン寄りの噴射量とされている。
【００７３】
上述したように、ステップ１０４において算出した初期値FAF3(S)は、各気筒群の空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2をそれぞれ平均化した空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1,FAFAV2の空燃比制御安定状態▲１▼終了時の値FAFAV1(E),FAFAV2(E)を、さらに平均したものである。空燃比相違状態▲２▼における空燃比フィードバック補正値FAF3の初期値としては、平均値を平均したこの初期値FAF3(S)を用いている。
【００７４】
これは、空燃比制御安定状態▲１▼において各気筒群がそれぞれ別個の空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2で独立してフィードバック制御されていたものを、空燃比相違状態▲２▼において単一の空燃比フィードバック補正値FAF3によるフィードバック制御に移行させるのに、両気筒群の空燃比フィードバック補正値のズレを吸収しつつフィードバック制御をバランス良く円滑に移行させるためである。また、フィードバック制御をバランス良く円滑に移行させることができるので、排気ガス中の有害物質の浄化率も高くすることができ、切替時のトルク変動も抑止することができる。
【００７５】
同様に、ステップ１０５において算出した初期値EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)には、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)が反映されている。これは、空燃比相違状態▲２▼においては単一の空燃比フィードバック補正値FAF3によるフィードバック制御に移行する結果、空燃比相違状態▲２▼においては各気筒群毎に空燃比制御値（空燃比学習値KG1,KG2）の正確な学習を行えないため、最も信頼できる最新の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)を反映させて高精度のフィードバック制御を行うためである。
【００７６】
また、ここで、EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)に対して、それぞれ<FAFAV1(E)-[FAFAV1(E)+FAFAV2(E)]/2>,<FAFAV2(E)-[FAFAV1(E)+FAFAV2(E)]/2>の項を加えたのは、空燃比制御安定状態▲１▼において各気筒群がそれぞれ別個の空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2で独立してフィードバック制御されていたものを、空燃比相違状態▲２▼において単一の空燃比フィードバック補正値FAF3によるフィードバック制御に移行させる際に、FAF1,FAF2からFAF3への各気筒群毎のズレを吸収させてフィードバック制御をバランス良く円滑に移行させるためである。
【００７７】
上述したように、空燃比状態が空燃比制御安定状態▲１▼を経由させてから空燃比相違状態▲２▼に切り替えられるため、気筒群毎の出力トルクが異なる空燃比相違状態▲２▼に移行する際に、トルク変動を極力抑止できる。また、このとき、空燃比状態が空燃比制御安定状態▲１▼を経由させてから空燃比相違状態▲２▼に切り替えられるため、排気ガス中の有害物質の浄化率を高く維持でき、有害物質の排出を抑止することもできる。
【００７８】
ところで、従来のように空燃比制御安定状態▲１▼を経由させずに空燃比相違状態▲２▼に切り替えると、成層燃焼からリーン燃焼に切り替えられる気筒群においては、切替前後の空燃比差が小さいので短時間で移行できるが、成層燃焼からリッチ燃焼に切り替えられる気筒群においては、切替前後の空燃比差が大きいので、リーン燃焼に切り替えられる気筒群に比べて時間を要する。この結果、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させずに空燃比相違状態▲２▼に切り替えると、空燃比相違状態▲２▼に完全に移行するまでの過渡期が長くなり、トルク変動が大きくなる。一方、本実施形態においては、空燃比制御安定状態▲１▼を全気筒が理論空燃比となるように制御される状態とし、この空燃比制御安定状態▲１▼を経由させてから空燃比相違状態▲２▼に切り替えるので、過渡期を短くすることができ、トルク変動を抑制することができる。
【００７９】
特に、上述した空燃比制御安定状態▲１▼が、第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づいて、機関空燃比が所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御を行う状態であるため、空燃比を制御する上で、空燃比制御値（空燃比学習値KG1,KG2など）を学習でき、機関状態を反映させた最新のこの空燃比制御値に基づいて、空燃比制御安定状態▲１▼及び空燃比相違状態▲２▼における空燃比のフィードバック制御を行えるため、高精度のフィードバック制御ができる。この結果、トルクの変動を抑止しつつ、円滑に空燃比制御安定状態▲１▼を経由して空燃比相違状態▲２▼に切り替えることができる。また、高精度のフィードバック制御ができるので、排気ガス中の有害物質も効率良く浄化させることができる。
【００８０】
さらに、ここで上述した目標空燃比が理論空燃比であるため、空燃比制御安定状態▲１▼で、トルク変動の変動抑止及び排気ガス中の有害物質の排出抑止を高次元にバランスさせた後に空燃比相違状態▲２▼に切り替えるので、その移行を非常に円滑に行うことができる。また、空燃比制御安定状態▲１▼においては、均質ストイキ燃焼が行われるので、空燃比のフィードバック制御も非常に高精度に行うことができる。
【００８１】
そして、NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されてしまったSOxが還元され、NOx吸蔵還元触媒３ｂがSOx被毒から回復し、NOx吸蔵還元触媒３ｂの昇温が必要なくなったたとECU７によって判定された場合は、空燃比相違状態▲２▼が終了され（ステップ１０７）、全気筒理論空燃比状態▲３▼に切り替えられる。
【００８２】
全気筒理論空燃比状態▲３▼に切り替えられた直後は、均質リッチ燃焼あるいは均質リーン燃焼されていた各気筒群をより早期に均質ストイキ燃焼となるように制御する。ここで、全気筒理論空燃比状態▲３▼への切替直後から第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づく空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2によるフィードバック制御を行うと、切替直後の各気筒毎の空燃比がリッチとリーンとで大きく異なっているので、全気筒を均質ストイキ燃焼に完全に移行するまでに時間がかかる。即ち、空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2によるフィードバック制御は、理論空燃比近傍に制御されている空燃比を維持するには非常に好適な制御方法であるが、理論空燃比よりもリッチあるいはリーンな空燃比で燃焼されていたものを、より早期に理論空燃比による燃焼に移行させるには、必ずしも最適な制御方法ではない。
【００８３】
そこで、全気筒理論空燃比状態▲３▼への切替直後は、空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2を、それぞれ上述した空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1(E),FAFAV2(E)に固定してしまい、空燃比がより早期に理論空燃比近傍となるように所定時間オープンループ制御する［図３(a)における▲３▼-1］（ステップ１０８）。また、このときも、より高精度な制御のため、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)も反映させる。
【００８４】
即ち、全気筒理論空燃比状態▲３▼に移行した直後の▲３▼-1の期間では、EFTOTAL1=FAFAV1(E)+KG1(E)となり、
TAU1←α・ＱALL・EFTOTAL1+β=α・ＱALL・[FAFAV1(E)+KG1(E)]+β
でオープンループ制御し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAFAV2(E)+KG2(E)であるから、
TAU2←α・ＱALL・EFTOTAL2+β=α・ＱALL2・[FAFAV2(E)+KG2(E)]+β
でオープンループ制御し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００８５】
全気筒理論空燃比状態▲３▼に移行して所定時間（▲３▼-1）が経過し、各気筒群の期間空燃比がほぼ理論空燃比近傍となったら、各スタートキャタリスト３ａ１，３ａ２の上流側の第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づく空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2を用いて、各気筒群が理論空燃比で燃焼されるようにフィードバック制御に移行する［図３(a)中▲３▼-2］（ステップ１０９）。また、これ以降は、空燃比制御値も学習し、空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2から得られる空燃比学習値KG1,KG2も反映させる。
【００８６】
即ち、全気筒理論空燃比状態▲３▼に移行して所定時間（▲３▼-1）が経過した後の▲３▼-2の期間では、空燃比制御安定状態▲１▼と同様に、EFTOTAL1=FAF1+KG1となり、
TAU1←α・ＱALL・EFTOTAL1+β=α・ＱALL・(FAF1+KG1)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAF2+KG2となり、
TAU2←α・ＱALL・EFTOTAL2+β=α・ＱALL・(FAF2+KG2)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００８７】
なお、上述したように、空燃比相違状態▲２▼に切り替えると種々の利点があるが、どのようなときに切り替えるか、即ち、切替が必要であると判定される場合としては、排気浄化触媒（NOx吸蔵還元触媒３ｂ）の温度を上昇させる必要がある場合が考えられる。このとき、排気浄化触媒の温度は、第一温度センサ５ａ１、第二温度センサ５ａ２及び第三温度センサ５ｂによって検出され、この検出結果と車輌状態とに基づいて、排気触媒を昇温させる必要があるかどうかがECU７によって判定される。なお、上記実施形態では温度センサを使用したが、温度センサの代わりに、機関負荷、回転数、空燃比、燃焼状態から排気浄化触媒の温度を推定しても良い。
【００８８】
そして、排気浄化触媒（NOx吸蔵還元触媒３ｂ）の温度を上昇させる必要がある場合としては、上述したように、NOx吸蔵還元触媒３ｂに対してリッチスパイク運転を行う場合やNOx吸蔵還元触媒３ｂのSOx被毒量が所定量を超え、SOx被毒から回復させる必要がある場合がある。
【００８９】
NOx吸蔵量やSOx被毒量は、エンジン１の運転状況からECU７によって推定でき、推定されたNOx吸蔵量やSOx被毒量を随時ECU７内で演算記憶し、ECU７内のRAMに保存しておく。演算記憶されたNOx吸蔵量やSOx被毒量が所定量に達したときには、ECU７によって、エンジン１の空燃比状態を空燃比相違状態▲２▼に切り替える、即ち、NOx吸蔵還元触媒３ｂを昇温させる必要があると判定される。このように判定されたときは、ECU７によって、SOx吸蔵還元触媒３ｂを昇温させるべく、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させて空燃比相違状態▲２▼に切り替えられる。
【００９０】
あるいは、排気浄化触媒の温度を上昇させる必要がある場合としては、排気浄化触媒（NOx吸蔵還元触媒３ｂ）の温度が触媒活性化温度以下であり、排気ガス中の有害物質を十分に浄化できない場合がある。このときは、排気浄化触媒の温度を触媒活性化温度以上にすべく、排気浄化触媒を昇温させる。
【００９１】
排気浄化触媒は、その温度がある一定の触媒活性化温度以上とならないと、触媒としての機能を十分に発揮しない。このため、エンジン１が始動直後や長時間のアイドル運転後あるいは長時間の成層燃焼運転後である場合などは、排気浄化触媒が触媒活性化温度以下であり、排気ガス中の有害物質を十分に浄化することができない。このような場合は、ECU７によって、エンジン１の空燃比状態を空燃比相違状態▲２▼に切り替える、即ち、排気浄化触媒を昇温させる必要があると判定される。このように判定されたときは、ECU７によって、排気浄化触媒を触媒活性化温度にまで昇温させるべく、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させて空燃比相違状態▲２▼に切り替えられる。
【００９２】
このように、排気浄化触媒の昇温が必要であると判定されたときに、空燃比相違状態▲２▼に切り替えることによって排気浄化触媒を昇温することができるので、二次空気供給装置や、排気噴射弁などを配設することなく排気浄化触媒の昇温を行える。即ち、エンジン１に複雑な構成を採用することなく、簡易な構成で排気浄化触媒を昇温させることができる。
【００９３】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、上述した実施形態のものに限定されない。例えば、上述した実施形態においては、#1気筒と#4気筒により一つの気筒群を構成し、#2気筒と#3気筒とで他の気筒群を構成したが、ある一気筒により一つの気筒群を構成し、残りの三気筒で他の気筒群を構成するようにしても良い。また、全気筒数は必ずしも四気筒に限られるものではなく、直列六気筒やＶ型八気筒のような多気筒エンジンにも適用可能である。また、全気筒群数も必ずしも二つに限られるものではない。さらに、上述した実施形態においては、空燃比センサとして酸素センサ４ａ１，４ａ２，４ｂを用いたが、空燃比センサとしてリニア空燃比センサなど、空燃比を検出する他の種類の空燃比センサを用いても良いことは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、多気筒内燃機関の空燃比状態を、空燃比状態切替手段によって、空燃比制御安定状態を経由させた後に空燃比相違状態に切り替える。空燃比制御安定状態は、出力トルク及び排気ガス中の有害物質の除去を安定した状態に維持できる状態であるので、本発明の内燃機関の空燃比制御装置によれば、空燃比相違状態への切替時に出力トルクを大きく変動させることなく、かつ、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化しつつ、円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】空燃比センサ（酸素センサ）の出力信号と生成される空燃比フィードバック補正値の信号との関係を示す説明図である。
【図３】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態による空燃比制御の種々の状態を示しており、(a)はエンジンの各気筒の燃焼状態を示す模式図、(b)はエンジンの各気筒の制御目標となる空燃比を示す模式図、(c)は空燃比フィードバック補正値の状態を示す模式図である。
【図４】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態による空燃比制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２ａ１…第一上流排気通路（上流排気通路、排気通路）、２ａ２…第二上流排気通路（上流排気通路、排気通路）２ｂ…合流排気通路（排気通路）、３ａ１…第一スタートキャタリスト（排気浄化触媒）、３ａ２…第二スタートキャタリスト（排気浄化触媒）、３ｂ…NOx吸蔵還元触媒（排気浄化触媒）、４ａ１…第一酸素センサ（空燃比センサ）、４ａ２…第二酸素センサ（空燃比センサ）、４ｂ…第三酸素センサ（空燃比センサ）、６…燃料噴射弁、７…ECU（空燃比切替手段、空燃比学習手段、学習値反映手段、触媒昇温判定手段）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、多気筒内燃機関の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なるように多気筒内燃機関の空燃比状態を制御する空燃比制御装置があり、このような空燃比制御装置としては特開平8-61052号公報に記載のものなどが知られている。特開平8-61052号公報に記載の空燃比制御装置は、ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なるように制御することによって排気通路上の排気浄化触媒を昇温させることなどを目的としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多気筒内燃機関の空燃比状態は、通常、全気筒が同一の空燃比となるように制御されており、ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なるような制御への切替時に気筒群毎の出力トルクに差が生じ、切替時における内燃機関全体での出力トルクが不安定になってしまう傾向がある。上述した特開平8-61052号公報に記載の制御装置なども、この点に関しては十分な配慮がなされていないものであり、更なる改善が望まれていた。
【０００４】
また、例えば燃料噴射弁や空燃比センサ、燃焼室のデポジット付着量により気筒群毎に機関個体差や経時変化が発生する。この影響を考慮しないで気筒群毎に空燃比を相違させると、各気筒群の空燃比が目標の空燃比からずれて、結果的に排気エミッションが悪化する場合があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、出力トルクを安定な状態に維持しすると共に、排気エミッションの悪化も抑止しつつ、空燃比状態を、ある気筒群の空燃比と他の気筒群の空燃比とが異なる空燃比相違状態に円滑に切り替えることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、オープンループ制御により全気筒が同じ空燃比で運転される空燃比同一状態と、気筒群毎の空燃比が異なる状態で運転される空燃比相違状態とを切り替える空燃比状態切替手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の温度を上昇させるか否かを判断する触媒昇温判定手段と、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた空燃比センサとをさらに備え、空燃比同一状態で内燃機関が運転している際、触媒昇温判定手段により排気浄化触媒の昇温が必要であると判断したときに、空燃比状態切替手段が、空燃比を空燃比同一状態から空燃比相違状態に切り替える切替を行い、切替を行うにあたり、空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態を経由させた後に空燃比相違状態に切り替えることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、空燃比状態が、空燃比制御切替手段によって、オープンループ制御を行っている空燃比同一状態から空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる。このフィードバック制御する状態は、排気ガス中の有害物質の浄化率を高く維持しつつ、十分な出力トルクを高く維持するために、空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態であるため、オープンループ制御を行っている空燃比同一状態から空燃比相違状態への切替時に出力トルクを大きく変動させることなく、かつ、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化しつつ、円滑に空燃比状態を切り替えることができる。そして、触媒昇温判定手段によって、排気浄化触媒の温度を昇温させる必要があると判定したときに、空燃比相違状態に切り替えることによって、排気浄化触媒を昇温させることができる。排気浄化触媒を昇温させれば、排気浄化触媒をより早期に活性状態とさせることができたり、排気浄化触媒に吸蔵された有害物質を浄化させたりすることなどができる。
また、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行うので、内燃機関の空燃比を高精度に制御でき、空燃比制御状態をより高次元に安定させることができる。この結果、空燃比状態が、このフィードバック制御を行う状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる際に、より円滑に切替が行われるようにできる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、目標空燃比が理論空燃比であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、上記フィードバック制御時の目標空燃比を理論空燃比とするので、排気ガス中の有害物質を最も効率良く浄化しつつ、十分な出力トルクを安定して出力することができる。この結果、空燃比状態が上記フィードバック制御を行う状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる際に、その切替を円滑に行うことができ、このときの排気ガス中の有害物質の浄化と十分な出力トルクの安定出力とをバランス良く実現することができる。
【００１２】
また、上記フィードバック制御を行う状態における機関空燃比を理論空燃比とするので、空燃比相違状態での各気筒群の空燃比がどのようなものでも、その切替前後の空燃比のギャップを平均的な大きさとすることができ、空燃比状態を空燃比相違状態に安定的かつ円滑に切り替えることができる。即ち、ある気筒群の空燃比状態を、理論空燃比よりリーンな状態に切り替える場合であっても、理論空燃比よりリッチな状態へと切り替える場合であっても、その切替前後の空燃比のギャップは、リーンな状態からリッチな状態に一気に切り替えるような場合のように大きくなることはない。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御によって得られる空燃比フィードバック補正値から空燃比制御値を学習する空燃比学習手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、空燃比学習手段によって、上記フィードバック制御を行う状態で空燃比制御値を学習することができる。空燃比制御値は、内燃機関の個体差や経時変化を反映させるためのものである。この空燃比制御値を上記フィードバック制御中に学習し、これを空燃比制御に反映させることによって、より高精度の空燃比制御を行うことができる。この結果、上記フィードバック制御を行う状態を経由させて空燃比相違状態に切り替える際に、より円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、排気通路が、各気筒群毎に設けられた上流排気通路と上流排気通路の下流側で合流された合流排気通路とからなり、空燃比センサが、上流排気通路上に配置されており、空燃比学習手段が、各上流排気通路毎に得られた空燃比フィードバック補正値から各気筒群毎に空燃比制御値を学習することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、各気筒群毎に空燃比センサを配置して、各気筒群毎に空燃比フィードバック補正値を用い、かつ、学習した空燃比制御値を反映させて、フィードバック制御を行う。各気筒群毎にフィードバック制御を行うため、空燃比制御の精度をより一層高精度にすることができ、空燃比状態が上記フィードバック制御を行う状態を経由して空燃比相違状態に切り替えられる際に、さらにきめ細かく制御を行って、より一層円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、空燃比制御値を空燃比相違状態でのフィードバック制御に反映させる学習値反映手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、空燃比制御値を、学習値反映手段によって、空燃比相違状態でのフィードバック制御に反映させるので、空燃比相違状態でのフィードバック制御を高精度に行うことができる。空燃比相違状態では気筒群毎に異なる空燃比で運転されるため、空燃比の学習を行えなかったり、精度良く行えない場合もあり、上記フィードバック制御を行う状態で学習した最新の空燃比制御値を反映させることによって、空燃比相違状態でのフィードバック制御を高精度に行うことができる。この結果、空燃比相違状態への切替時のみならず、空燃比相違状態に切り替えられた後のトルク変動抑止や排気ガス浄化も好適に行うことができる。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、空燃比状態切替手段が、空燃比状態を空燃比相違状態から空燃比同一状態に切り替える際に、内燃機関全体の空燃比制御状態が全気筒の機関空燃比を理論空燃比とするように運転される全気筒理論空燃比状態を経由させた後に空燃比同一状態に切り替えることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、空燃比状態が、空燃比制御切替手段によって、空燃比相違状態から全気筒理論空燃比状態を経由して空燃比同一状態に切り替えられる。全気筒理論空燃比状態は、出力トルクと排気ガス中の有害物質除去とを安定した状態に維持できる理論空燃比で全気筒が運転されるため、空燃比相違状態から空燃比同一状態への切替時に出力トルクを大きく変動させることなく、かつ、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化しつつ、円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた空燃比センサと、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御によって得られる空燃比フィードバック補正値から空燃比制御値を学習する空燃比学習手段とを備え、全気筒理論空燃比状態において、空燃比状態切替手段によって、予め学習された空燃比制御値に基づくオープンループ制御を行った後に、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行う
【００２２】
請求項７に記載の発明によれば、空燃比相違状態から全気筒理論空燃比状態に移行した直後に、予め学習した空燃比制御値を用いてオープンループ制御することによって、より早期に機関空燃比を理論空燃比にすることができる。また、全気筒理論空燃比状態において、上述したオープンループ制御を行った後は、空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御に移行することによって、より早期に理論空燃比にした機関空燃比を、より高精度に理論空燃比に維持することができる。この結果、空燃比状態を空燃比相違状態から全気筒理論空燃比状態への切替を円滑に行うことができると共に、空燃比相違状態以後のトルク変動抑止や排気ガス浄化も好適に行うことができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、請求項１記載の発明において、触媒昇温判定手段は、排気浄化触媒の温度が触媒活性化温度よりも低いときに、排気浄化触媒の昇温が必要であると判断することを特徴とする。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、排気浄化触媒の温度が触媒活性化温度より低い温度であり、排気浄化触媒が排気ガス中の有害物質を充分に浄化できないような状態である時ときに、触媒昇温判定手段が、排気浄化触媒を昇温させる必要があると判定する。この結果、排気浄化触媒は、空燃比相違状態によって早期に昇温されるので、より早期に排気ガス中の有害物質を充分に浄化できる状態になる。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気浄化触媒がNOx吸蔵還元触媒であり、触媒昇温判定手段は、排気浄化触媒のSOx被毒量が所定量以上となったときに、排気浄化触媒の昇温が必要であると判断することを特徴とする。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、排気浄化触媒であるNOx吸蔵還元触媒のSOx被毒量が所定量以上となったときは、NOx吸蔵還元触媒のSOx被毒を解消するために、触媒昇温判定手段が、排気浄化触媒を昇温させる必要があると判定する。この結果、NOx吸蔵還元触媒は、空燃比相違状態によって早期に昇温されるので、SOx被毒を解消することができ、NOx吸蔵能力を低下させることなく、排気ガス中の有害物質を浄化することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の空燃比制御装置の一実施形態を備えた内燃機関の構成を示している。エンジン１は、四気筒エンジンであり、希薄燃焼も可能である。エンジン１の#1気筒と#4気筒とで一つの気筒群を構成し、#2気筒と#3気筒とでもう一つの気筒群を構成している。各気筒からの排気通路は、各気筒群毎にそれぞれ第一上流排気通路２ａ１及び第二上流排気通路２ａ１にまとめられた後、さらにその下流側で合流排気通路２ｂとして一本にまとめられている。
【００３０】
各上流排気通路２ａ１，２ａ２上には、排気浄化触媒である第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２がそれぞれ配設されている。そして、各上流排気通路２ａ１，２ａ２上の各スタートキャタリスト３ａ１，３ａ２の上流側には、排気ガス中の酸素濃度から各気筒群の空燃比を検出する空燃比センサである第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２が配設されている。一方、合流排気通路２ｂ上には、排気浄化触媒であるNOx吸蔵還元触媒３ｂが配設されている。そして、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂの上流側にも空燃比センサである第三酸素センサ４ｂが配設されている。これらの酸素センサ４ａ１，４ａ２，４ｂは、理論空燃比を跨いで空燃比がリッチ側かリーン側かで出力電圧が変化するものであり、理論空燃比を境に、空燃比がリッチであるかリーンであるかをオン-オフ的に検出する。
【００３１】
第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２には、それぞれの触媒温度（即ち排気温度）を検出する第一温度センサ５ａ１及び第二温度センサ５ａ２がそれぞれ取り付けられている。また、NOx吸蔵還元触媒３ｂにも、触媒温度（即ち排気温度）を検出する第三温度センサ５ｂが取り付けられている。さらに、エンジン１の各気筒の燃焼室内には燃料噴射弁６がそれぞれ配設されており、燃料噴射弁６によって各気筒内に直接燃料噴射（筒内噴射）を行うことができる。酸素センサ４ａ１，４ａ２，４ｂ、温度センサ５ａ１，５ａ２，５ｂ及び燃料噴射弁６は、電子制御コントロールユニット（ECU）７に接続されている。酸素センサ４ａ１，４ａ２、４ｂ及び温度センサ５ａ１，５ａ２，５ｂによる検出結果はECU７に送られ、燃料噴射弁６はECU７からの信号に基づいて燃料を噴射する。
【００３２】
ECU７は、CPU,ROM,RAMなどで構成されるマイクロコンピュータであり、イグニッションキーをオフにした後もバッテリにより記憶内容が消去されずに保持されるバックアップRAMも備えている。また、ECU７には、吸入空気量に相当する吸気管圧力を検出する吸気管圧センサ８、エンジン回転数センサ９、アクセル開度センサ１０及びその他のエンジン制御に必要な各種センサが接続されている。ECU７は、エンジン制御全般を司っており、空燃比状態切替手段、空燃比学習手段、学習値反映手段及び触媒温判定手段としても機能する。
【００３３】
上述したエンジン１は、下記の五つの燃焼モードによって運転される。
(1)成層燃焼
(2)弱成層燃焼
(3)均質リーン燃焼
(4)均質ストイキ燃焼
(5)均質リッチ燃焼
上述したモードの内の何れのモードで燃焼を行うかは、各種センサによって検出された機関運転状態（運転者の出力要求値）に基づいて決定される。
【００３４】
(1)の成層燃焼は、気筒内の点火プラグ近傍の空燃比をリッチとすると同時にその周囲に空気層を形成させて筒内全体では超希薄燃焼をさせるものである。(3)の均質リーン燃焼は、機関空燃比を気筒内全域で均質で、かつ、理論空燃比よりもリーンな空燃比にして希薄燃焼をさせるものである。(2)の弱成層燃焼は、成層燃焼と均質リーン燃焼との中間状態で、１サイクル中において吸気行程と圧縮行程で計二回、燃料噴射を行う。(4)の均質ストイキ燃焼は、機関空燃比を気筒内全域で均質で、かつ、理論空燃比にして燃焼をさせるものである。(5)の均質リッチ燃焼は、機関空燃比を気筒内全域で均質で、かつ、理論空燃比よりもリッチな空燃比にして燃焼をさせるものである。
【００３５】
均質ストイキ燃焼時及び均質リッチ燃焼時には、吸気管圧センサ８の出力から得られる吸入空気量とエンジン回転数センサ９により検出されたエンジン回転数から基本燃料噴射量ＱALLが決定される。成層燃焼時、弱成層燃焼時及び均質リーン燃焼時には、アクセル開度センサ１０により検出されたアクセル開度とエンジン回転数センサ９により検出されたエンジン回転数から基本燃料噴射量ＱALLが決定される。
【００３６】
第一スタートキャタリスト３ａ１、第二スタートキャタリスト３ａ２及びNOx吸蔵還元触媒３ｂについて詳述する。
【００３７】
第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２は、表面にアルミナの薄膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラジウムやロジウムなどの貴金属を担持させた三元触媒であり、排気ガス内の炭化水素HC、一酸化炭素CO、窒素酸化物NOxを浄化する。HC,CO,NOxの浄化は、理論空燃比近傍で燃焼されたときに最も効率良く行われる。第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２は、エンジン１本体に近い位置に設置されており、エンジン１の始動後、排気ガスによってより早期に触媒活性化温度に達する。
【００３８】
NOx吸蔵還元触媒３ｂは、基本的には、上述した三元触媒であるが、アルミナコーティング層上に、アルカリ金属（カリウム，ナトリウム，リチウム，セシウムなど）、アルカリ土類金属（バリウム，カルシウムなど）又は希土類元素（ランタン，セシウム，イットリウムなど）などをもさらに担持させ、空燃比がリーンのときにNOxを吸蔵させることができるようにしたものである。
【００３９】
このため、NOx吸蔵還元触媒３ｂは、通常の三元触媒としての機能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼されたときの排気ガス内のHC,CO,NOxを浄化する機能に加えて、排気ガス中に含まれる還元されないNOxを吸蔵することができる。理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼された排気ガス中には還元剤となるHC,COがほとんど含まれないためNOxは還元されにくく、この還元されないNOxがNOx吸蔵還元触媒３ｂに一時的に吸蔵される。
【００４０】
NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されたNOxは、理論空燃比よりもリッチな空燃比（あるいは理論空燃比近傍）で燃焼されたときの排気ガス中のHC,COによって還元されて浄化される（このときHC,COは同時に酸化される）。このために、NOx吸蔵還元触媒３ｂにある程度NOxが吸蔵されたと判断されたときは、理論空燃比よりもリッチな空燃比で短時間エンジン１を運転して吸蔵されたNOxを還元させる、いわゆるリッチスパイク運転を行う。
【００４１】
また、上述したようなNOx吸蔵還元触媒３ｂは、NOxの吸蔵と同様に、排気ガス中に硫黄酸化物SOxが存在するとこのSOxも吸蔵する性質を有している。しかも、SOxはNOxに比べてNOx吸蔵還元触媒３ｂに安定的に吸蔵されてしまうため、NOxよりも還元されにくく、通常のリッチスパイク運転では還元することができずに、NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵され続けてしまうという傾向がある。この結果、NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されるSOx量が増加し、その分NOxを吸蔵できなくなり（以下、この現象をSOx被毒という）、NOxがNOx吸蔵還元触媒３ｂによって浄化されなくなる場合がある。
【００４２】
NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されたSOxを放出させるには、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度をNOx還元時よりも高温（例えば600〜850℃）とし、かつ、周囲雰囲気を還元雰囲気として還元させれば良い。このため、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度を昇温させつつ、理論空燃比よりもややリッチな空燃比で燃焼された後の排気ガスと同等な還元雰囲気中でSOxを還元させて、NOx吸蔵還元触媒３ｂをSOx被毒から回復させる。
【００４３】
NOx吸蔵還元触媒３ｂを昇温するために、#1,#4気筒側気筒群を理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼させると共に#2,#3気筒側気筒群を理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼（あるいはこの逆）させる。このようにすることにより、#1,#4気筒側気筒群からの排気ガス中には酸素が含まれ、#2,#3気筒側気筒群からの排気ガス中にはHC,COが含まれるので、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂにおいてHC,COが酸化され、その酸化反応熱によってNOx吸蔵還元触媒３ｂが昇温される。このとき、酸素をHC,COの酸化反応後に若干のHC,COが排気ガス中に残存して還元雰囲気が形成されれば、SOxを還元させる上で好ましい。
【００４４】
また、上述したSOx被毒からの回復のみならず、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度を早期に触媒活性化温度に昇温させたいような場合など、NOx吸蔵還元触媒３ｂを積極的に昇温させる必要がある場合にも、一部の気筒群を理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼させると共に他の気筒群を理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼させることは有用である。このように、多気筒内燃機関の空燃比状態を、ある気筒群と他の気筒群とが異なる空燃比となるように制御すること、即ち、空燃比状態を空燃比相違状態に切り替えることは種々の利点がある。本発明は、この空燃比相違状態への切替時のトルク変動を抑止すると共に、空燃比相違状態時における排気ガス中の有害物質の排出をも抑止する。
【００４５】
ここで、空燃比のフィードバック制御について簡単に説明する。
【００４６】
機関を運転する際の燃料噴射量TAUは、次のように決定される。
TAU←α・ＱALL・EFTOTAL+β・・・・(I)
ここで、ＱALLは吸気管圧力及びエンジン回転数から決定される基本燃料噴射量であり（上述したように、アクセル開度とエンジン回転数から決定される場合もある）、この基本燃料噴射量ＱALLを機関運転状態に応じて補正することにより、燃料噴射量TAUを決定する。また、EFTOTALは、空燃比反映トータル値である。空燃比反映トータル値EFTOTALは、空燃比を目標空燃比とするために基本燃料噴射量ＱALLを補正する成分であり、この値によって空燃比のフィードバック制御が行われる。α及びβは、始動直後の暖気増量補正値や加速時の加速増量補正値などの他の補正成分である。このEFTOTALは、例えば、空燃比フィードバック補正値FAFと空燃比学習値KGとの和で表される。即ち、この場合、(I)式は次のようになる。
TAU←α・ＱALL・(FAF+KG)+β・・・・(II)
【００４７】
空燃比フィードバック補正値FAFは、酸素センサの出力を基に実際の空燃比を検出して、この空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック補正するためのものである。例えば、空燃比を理論空燃比とする際には、図２(a)及び図２(b)に示されるように、酸素センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチである間は、空燃比フィードバック補正値FAFに対して、燃料噴射量を徐々に減量する値が与えられ、酸素センサによって検出された空燃比がリッチからリーンに変わったときには、応答性向上を考慮して燃料噴射量を増量する値がスキップ的に与えられる。
【００４８】
逆に、酸素センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンである間は、空燃比フィードバック補正値FAFに対して、燃料噴射量を徐々に増量する値が与えられ、酸素センサによって検出された空燃比がリーンからリッチに変わったときには、応答性向上を考慮して燃料噴射量を減量する値がスキップ的に与えられる。このようにして、機関空燃比を常に目標空燃比である理論空燃比に維持すべく、空燃比フィードバック補正値FAFが生成されるのである。
【００４９】
なお、酸素センサの検出遅れを考慮して、空燃比フィードバック補正値FAFに図２(c)に示されるような遅れ時間DT1,DT2を設定する場合もある。また、ECUにおいて酸素センサの出力からリーン-リッチをオン-オフ的に判定した判定信号を生成し、この判定信号に基づいてFAF信号を生成する場合もある。
【００５０】
一方、空燃比学習値KGは、空燃比制御値の一つであり、空燃比フィードバック補正値FAFを平均化した空燃比フィードバック補正平均値FAFAVから生成される。なお、空燃比フィードバック補正平均値FAFAVも空燃比制御値の一つである。空燃比学習値KGは、燃料噴射弁や空燃比センサなどの機関の個体差や経時変化を反映させるための補正値であり、所定の機関負荷領域毎に定められる。空燃比のフィードバック制御が行われずにオープンループ制御されているような場合（例えばFAF=1.0に固定して制御する場合）であっても、機関の個体差や経時変化により生じる空燃比のズレを吸収するために、この空燃比学習値KGを用いて補正する。
【００５１】
空燃比フィードバック補正値FAFを用いて空燃比のフィードバック制御を行っていれば、機関空燃比は、このような空燃比学習値KGを用いなくても酸素センサの出力に基づく空燃比フィードバック補正値FAFによって目標空燃比に補正される。しかし、機関の個体差や経時変化を反映させてより精度の高い制御を行うため、オープンループ制御中のみならずフィードバック制御中も空燃比学習値KGが反映される。なお、この空燃比学習値KGは、ECU内のバックアップRAM内に記憶され、必要時に取り出される。
【００５２】
上述した空燃比フィードバック補正値FAFや空燃比制御値（空燃比フィードバック補正平均値FAFAVや空燃比学習値KGなど）は、ECU７内のROMに格納されたプログラムによって数ミリ秒毎に演算・更新される。また、ECU７において演算された空燃比フィードバック補正値FAFや空燃比制御値に基づいて、燃料噴射量TAUが決定され、燃料噴射弁６を用いて燃料が噴射される。ECU７においては、燃料噴射量TAU以外に、点火時期やバルブタイミング、ＥＧＲ量、スロットル弁開度も演算・決定される。
【００５３】
次に、上述した内燃機関の空燃比状態を、#1,#4気筒側気筒群と#2,#3気筒側気筒群とを異なる空燃比で燃焼させる状態、即ち、空燃比相違状態に切り替える行程について、図３に示す空燃比制御状態の説明図と図４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
【００５４】
エンジン１は、通常、全気筒の空燃比が同一の空燃比となるような空燃比同一状態で運転されている。ここでは、図３に示されるように、空燃比同一状態として全気筒が成層燃焼されている状態から、全気筒が均質ストイキ燃焼される空燃比制御安定状態▲１▼を経由して、#1,#4気筒側気筒群が均質リッチ燃焼され、かつ、#2,#3気筒側気筒群が均質リーン燃焼される空燃比相違状態▲２▼に切り替えられる。その後さらに、空燃比相違状態▲２▼の終了後に、全気筒が均質ストイキ燃焼される全気筒理論空燃比状態▲３▼に切り替えられる。以下に、空燃比同一状態−空燃比制御安定状態▲１▼−空燃比相違状態▲２▼−全気筒理論空燃比状態▲３▼と切り替える行程を順に説明する。
【００５５】
なお、ここに言う空燃比制御安定状態とは、排気ガス中の有害物質の浄化率を高く維持しつつ、十分な出力トルクを維持することのできる状態をいう。空燃比制御安定状態の一例としては、機関空燃比がある所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御される状態がある。このようにフィードバック制御を行えば、空燃比制御上、目標空燃比を基準にして各種外乱によるズレを求めることができ、各種制御値を学習できるので、さらに空燃比の制御状態を安定させることができる。ここでは、上述した目標空燃比が特に理論空燃比とされた場合である。
【００５６】
図３においては、上述した制御過程の種々の状態が時間軸に沿って示されている。図３(a)はエンジン１の各気筒の燃焼状態を示す模式図、図３(b)はエンジン１の各気筒の制御目標となる空燃比を示す模式図、図３(c)は空燃比フィードバック補正値の状態を示す模式図である。なお、図３(b)の縦軸は空燃比の大きさを示す。また、図３(c)では空燃比制御安定状態▲１▼及び全気筒理論空燃比状態▲３▼-2においては気筒群毎の各酸素センサ４ａ１，４ａ２の出力でフィードバック制御しているので、便宜的に各気筒群に対応する空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2を図示している。
【００５７】
図４に示されるように、ECU７は、接続された各種センサの検出結果に基づいて、排気浄化触媒の昇温制御が必要であるかどうかを常時監視している。本実施形態では、例えば、燃料噴射量の噴射積算値が所定値以上になったとき、NOx吸蔵還元触媒３Ｂが所定量のSOxの被毒を受けていると判断する。このSOx被毒を回復するために、NOx吸蔵還元触媒３ｂの昇温制御が必要であると判断される。
【００５８】
ECU７によって、排気浄化触媒の昇温制御が必要と判断される（ステップ１００）と、燃料噴射弁６の噴射モードが切り替えられ、図３に示されるように、エンジン１が理論空燃比運転以外の運転状態、例えば成層燃焼されている状態（空燃比同一状態）であれば、空燃比制御安定状態▲１▼に切り替えられる（ステップ１０１）。なお、昇温制御が必要なときに理論空燃比運転であれば、そのまま空燃比安定状態▲１▼に切り替えられる。
【００５９】
このとき、出力トルク変動などを円滑にするため、短時間の弱成層燃焼及び均質リーン燃焼を経てから、空燃比制御安定状態▲１▼であるストイキ燃焼に切り替えられる。空燃比制御安定状態▲１▼以前の成層燃焼から均質リーン燃焼までは、空燃比のフィードバック制御は行われておらず、アクセル開度（運転者による機関要求負荷）及び機関回転数から定まる燃料噴射量でオープンループ制御されている。
【００６０】
空燃比制御安定状態▲１▼に移行した後、空燃比のフィードバック制御が開始される。このとき、各気筒群毎の第一上流排気通路２ａ１及び第二上流排気通路２ａ２上の第一スタートキャタリスト３ａ１及び第二スタートキャタリスト３ａ２の上流側の第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づいて、上述した空燃比反映トータル値が各気筒群毎に形成され、これに基づいて空燃比のフィードバック制御が各気筒群毎に行われる。
【００６１】
以下、説明のために、#1,#4気筒側気筒群の空燃比反映トータル値をEFTOTAL1とし、#2,#3気筒側気筒群の空燃比反映トータル値をEFTOTAL2とする。同様に、#1,#4気筒側気筒群の第一酸素センサ４ａ１に基づく空燃比フィードバック補正値をFAF1とし、この空燃比フィードバック補正値FAF1から得られる空燃比フィードバック補正平均値をFAFAV1、空燃比学習値をKG1とする。同様に、#2,#3気筒側気筒群の第二酸素センサ４ａ２に基づく空燃比フィードバック補正値をFAF2とし、この空燃比フィードバック補正値FAF2から得られる空燃比フィードバック補正平均値をFAFAV2、空燃比学習値をKG2とする。
【００６２】
即ち、空燃比制御安定状態▲１▼では、EFTOTAL1=FAF1+KG1となり、
TAU1←α・ＱALL・EFTOTAL1+β=α・ＱALL・(FAF1+KG1)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAF2+KG2となり、
TAU2←α・ＱALL・EFTOTAL2+β=α・ＱALL・(FAF2+KG2)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００６３】
均質ストイキ燃焼が行われる空燃比制御安定状態▲１▼は、理論空燃比での燃焼であるため、排気浄化触媒（三元触媒）での排気ガス中の有害物質の除去率が高く、かつ十分な出力トルクを維持できる。また、このとき、空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1,FAFAV2や空燃比学習値KG1,KG2などの空燃比制御値も学習され、その時点での機関状態を反映させた精度の高いフィードバック制御を行うことができる。
【００６４】
空燃比制御安定状態▲１▼は、空燃比状態が一旦安定するまで所定時間行われるため、ECU７によって、空燃比制御安定状態▲１▼に移行してからの時間がカウントされており、所定時間が経過したか否かが判定されている（ステップ１０２）。空燃比制御安定状態▲１▼に移行してから所定時間が経過していないと判定されている間は、所定時間が経過するまで空燃比制御安定状態▲１▼が継続される。一方、ステップ１０２において、空燃比制御安定状態▲１▼に移行してから所定時間が経過したと判定された場合は、空燃比フィードバック制御が、第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２に基づく制御から、第三酸素センサ４ｂに基づく制御に切り替えられて（ステップ１０３）、空燃比相違状態▲２▼に移行する。
【００６５】
即ち、空燃比制御安定状態▲１▼で空燃比フィードバック制御が所定時間実行された後、ECU７によって、空燃比相違状態▲２▼となるように、各気筒群毎の空燃比が所定の空燃比変化速度で徐々に切り替えられる。空燃比相違状態▲２▼では、#1,#4気筒側気筒群を均質リッチ燃焼させ、#2,#3気筒側気筒群を均質リーン燃焼させる。そして、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂに流入される合流後の排気ガスが、理論空燃比（あるいは、これよりもややリッチな空燃比）で燃焼されたときの排気ガスと同等となるように、第三酸素センサ４ｂの出力に基づいてフィードバック制御される。
【００６６】
このように空燃比相違状態▲２▼に切り替える条件、即ち排気浄化触媒の温度を昇温させる必要がある条件とは、上述したように、NOx吸蔵還元触媒３ｂのSOx被毒量が所定量以上となったと判定されたときなどが考えられる。機関空燃比を、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させて空燃比相違状態▲２▼に切り替える判定条件については、追ってさらに詳述する。
【００６７】
このとき、第一上流排気通路２ａ１及び第二上流排気通路２ａ２を通過する排気ガスは、その一方が理論空燃比よりもリッチで他方が理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼された後のものであるため、理論空燃比を境にしてリッチであるかリーンであるかをオン-オフ的に検出する第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２によっては、高精度に空燃比のフィードバック制御を行うことが困難な場合もある。このため、空燃比相違状態▲２▼においては、合流排気通路２ｂ上のNOx吸蔵還元触媒３ｂの上流側の第三酸素センサ４ｂの出力に基づいて、合流された排気ガスが理論空燃比（あるいは、これよりもややリッチな空燃比）で燃焼されたときの排気ガスと同等となるように空燃比のフィードバック制御を行う。
【００６８】
両気筒群から排出されて合流後にNOx吸蔵還元触媒３ｂに流入される排気ガスを、理論空燃比（あるいはこれよりもややリッチな空燃比）で燃焼された場合の排気ガスと同等となるようにフィードバック制御が行われるので、NOx吸蔵還元触媒３ｂ上でリッチな排気とリーンな排気が酸化反応を起こして、NOx吸蔵還元触媒３ｂの温度が上昇される。その上、NOx吸蔵還元触媒３ｂに流入する排気ガスのトータルの空燃比が理論空燃比（あるいはこれよりもややリッチな空燃比）とされるので、上述したように、NOx吸蔵還元触媒３ｂをSOx被毒から回復させることができる。以下、説明のために、合流排気通路２ｂ上の第三酸素センサ４ｂに基づく空燃比フィードバック補正値をFAF3とする。
【００６９】
ここで、空燃比相違状態▲２▼における空燃比フィードバック補正値FAF3の初期値FAF3(S)として、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1(E),FAFAV2(E)を用いた以下の値を用いる（ステップ１０４）。
FAF3(S)=[FAFAV1(E)+FAFAV2(E)]/2
また、空燃比相違状態▲２▼における空燃比反映トータル値EFTOTAL1,EFTOTAL2の初期値EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)としては、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)と上述したFAFAV1(E),FAFAV2(E)を用いた以下の値を用いる（ステップ１０５）。
FAF3,EFTOTAL1,EFTOTAL2は、空燃比相違状態▲２▼における初期値として上述したFAF3(S),EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)が用いられた後は、第三酸素センサ４ｂの出力に基づいて、以下の式によって演算され、空燃比相違状態▲２▼が継続して行われる（ステップ１０６）。
EFTOTAL1=FAF3+KG1(E)
EFTOTAL2=FAF3+KG2(E)
即ち、空燃比相違状態▲２▼においては、空燃比フィードバック補正値FAF3としては、合流排気通路２ｂ上の第三酸素センサ４ｂの出力に基づくものが両気筒群に対して用いられ、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)（それぞれ固定値）が各気筒群に対してそれぞれ用いられる。
【００７１】
上述したように、空燃比相違状態▲２▼では、EFTOTAL1=FAF3+KG1(E)であるから、
TAU1←α・ＱALL1・EFTOTAL1+β=α・ＱALL1・[FAF3+KG1(E)]+β
で基本燃料噴射量ＱALL1をフィードバック制御によって補正し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAF3+KG2(E)であるから、
TAU2←α・ＱALL2・EFTOTAL2+β=α・ＱALL2・[FAF3+KG2(E)]+β
で基本燃料噴射量ＱALL2をフィードバック制御によって補正し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００７２】
なお、上述したように、#1,#4気筒側気筒群を均質リッチ燃焼させるので、#1,#4気筒側の基本燃料噴射量ＱALL1はリッチ寄りの噴射量とされている。同様に、#2,#3気筒側気筒群を均質リーン燃焼させるので、#2,#3気筒側の基本燃料噴射量ＱALL2はリーン寄りの噴射量とされている。
【００７３】
上述したように、ステップ１０４において算出した初期値FAF3(S)は、各気筒群の空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2をそれぞれ平均化した空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1,FAFAV2の空燃比制御安定状態▲１▼終了時の値FAFAV1(E),FAFAV2(E)を、さらに平均したものである。空燃比相違状態▲２▼における空燃比フィードバック補正値FAF3の初期値としては、平均値を平均したこの初期値FAF3(S)を用いている。
【００７４】
これは、空燃比制御安定状態▲１▼において各気筒群がそれぞれ別個の空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2で独立してフィードバック制御されていたものを、空燃比相違状態▲２▼において単一の空燃比フィードバック補正値FAF3によるフィードバック制御に移行させるのに、両気筒群の空燃比フィードバック補正値のズレを吸収しつつフィードバック制御をバランス良く円滑に移行させるためである。また、フィードバック制御をバランス良く円滑に移行させることができるので、排気ガス中の有害物質の浄化率も高くすることができ、切替時のトルク変動も抑止することができる。
【００７５】
同様に、ステップ１０５において算出した初期値EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)には、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)が反映されている。これは、空燃比相違状態▲２▼においては単一の空燃比フィードバック補正値FAF3によるフィードバック制御に移行する結果、空燃比相違状態▲２▼においては各気筒群毎に空燃比制御値（空燃比学習値KG1,KG2）の正確な学習を行えないため、最も信頼できる最新の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)を反映させて高精度のフィードバック制御を行うためである。
【００７６】
また、ここで、EFTOTAL1(S),EFTOTAL2(S)に対して、それぞれ<FAFAV1(E)-[FAFAV1(E)+FAFAV2(E)]/2>,<FAFAV2(E)-[FAFAV1(E)+FAFAV2(E)]/2>の項を加えたのは、空燃比制御安定状態▲１▼において各気筒群がそれぞれ別個の空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2で独立してフィードバック制御されていたものを、空燃比相違状態▲２▼において単一の空燃比フィードバック補正値FAF3によるフィードバック制御に移行させる際に、FAF1,FAF2からFAF3への各気筒群毎のズレを吸収させてフィードバック制御をバランス良く円滑に移行させるためである。
【００７７】
上述したように、空燃比状態が空燃比制御安定状態▲１▼を経由させてから空燃比相違状態▲２▼に切り替えられるため、気筒群毎の出力トルクが異なる空燃比相違状態▲２▼に移行する際に、トルク変動を極力抑止できる。また、このとき、空燃比状態が空燃比制御安定状態▲１▼を経由させてから空燃比相違状態▲２▼に切り替えられるため、排気ガス中の有害物質の浄化率を高く維持でき、有害物質の排出を抑止することもできる。
【００７８】
ところで、従来のように空燃比制御安定状態▲１▼を経由させずに空燃比相違状態▲２▼に切り替えると、成層燃焼からリーン燃焼に切り替えられる気筒群においては、切替前後の空燃比差が小さいので短時間で移行できるが、成層燃焼からリッチ燃焼に切り替えられる気筒群においては、切替前後の空燃比差が大きいので、リーン燃焼に切り替えられる気筒群に比べて時間を要する。この結果、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させずに空燃比相違状態▲２▼に切り替えると、空燃比相違状態▲２▼に完全に移行するまでの過渡期が長くなり、トルク変動が大きくなる。一方、本実施形態においては、空燃比制御安定状態▲１▼を全気筒が理論空燃比となるように制御される状態とし、この空燃比制御安定状態▲１▼を経由させてから空燃比相違状態▲２▼に切り替えるので、過渡期を短くすることができ、トルク変動を抑制することができる。
【００７９】
特に、上述した空燃比制御安定状態▲１▼が、第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づいて、機関空燃比が所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御を行う状態であるため、空燃比を制御する上で、空燃比制御値（空燃比学習値KG1,KG2など）を学習でき、機関状態を反映させた最新のこの空燃比制御値に基づいて、空燃比制御安定状態▲１▼及び空燃比相違状態▲２▼における空燃比のフィードバック制御を行えるため、高精度のフィードバック制御ができる。この結果、トルクの変動を抑止しつつ、円滑に空燃比制御安定状態▲１▼を経由して空燃比相違状態▲２▼に切り替えることができる。また、高精度のフィードバック制御ができるので、排気ガス中の有害物質も効率良く浄化させることができる。
【００８０】
さらに、ここで上述した目標空燃比が理論空燃比であるため、空燃比制御安定状態▲１▼で、トルク変動の変動抑止及び排気ガス中の有害物質の排出抑止を高次元にバランスさせた後に空燃比相違状態▲２▼に切り替えるので、その移行を非常に円滑に行うことができる。また、空燃比制御安定状態▲１▼においては、均質ストイキ燃焼が行われるので、空燃比のフィードバック制御も非常に高精度に行うことができる。
【００８１】
そして、NOx吸蔵還元触媒３ｂに吸蔵されてしまったSOxが還元され、NOx吸蔵還元触媒３ｂがSOx被毒から回復し、NOx吸蔵還元触媒３ｂの昇温が必要なくなったたとECU７によって判定された場合は、空燃比相違状態▲２▼が終了され（ステップ１０７）、全気筒理論空燃比状態▲３▼に切り替えられる。
【００８２】
全気筒理論空燃比状態▲３▼に切り替えられた直後は、均質リッチ燃焼あるいは均質リーン燃焼されていた各気筒群をより早期に均質ストイキ燃焼となるように制御する。ここで、全気筒理論空燃比状態▲３▼への切替直後から第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づく空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2によるフィードバック制御を行うと、切替直後の各気筒毎の空燃比がリッチとリーンとで大きく異なっているので、全気筒を均質ストイキ燃焼に完全に移行するまでに時間がかかる。即ち、空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2によるフィードバック制御は、理論空燃比近傍に制御されている空燃比を維持するには非常に好適な制御方法であるが、理論空燃比よりもリッチあるいはリーンな空燃比で燃焼されていたものを、より早期に理論空燃比による燃焼に移行させるには、必ずしも最適な制御方法ではない。
【００８３】
そこで、全気筒理論空燃比状態▲３▼への切替直後は、空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2を、それぞれ上述した空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比フィードバック補正平均値FAFAV1(E),FAFAV2(E)に固定してしまい、空燃比がより早期に理論空燃比近傍となるように所定時間オープンループ制御する［図３(a)における▲３▼-1］（ステップ１０８）。また、このときも、より高精度な制御のため、空燃比制御安定状態▲１▼終了時の空燃比学習値KG1(E),KG2(E)も反映させる。
【００８４】
即ち、全気筒理論空燃比状態▲３▼に移行した直後の▲３▼-1の期間では、EFTOTAL1=FAFAV1(E)+KG1(E)となり、
TAU1←α・ＱALL・EFTOTAL1+β=α・ＱALL・[FAFAV1(E)+KG1(E)]+β
でオープンループ制御し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAFAV2(E)+KG2(E)であるから、
TAU2←α・ＱALL・EFTOTAL2+β=α・ＱALL2・[FAFAV2(E)+KG2(E)]+β
でオープンループ制御し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００８５】
全気筒理論空燃比状態▲３▼に移行して所定時間（▲３▼-1）が経過し、各気筒群の期間空燃比がほぼ理論空燃比近傍となったら、各スタートキャタリスト３ａ１，３ａ２の上流側の第一酸素センサ４ａ１及び第二酸素センサ４ａ２の出力に基づく空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2を用いて、各気筒群が理論空燃比で燃焼されるようにフィードバック制御に移行する［図３(a)中▲３▼-2］（ステップ１０９）。また、これ以降は、空燃比制御値も学習し、空燃比フィードバック補正値FAF1,FAF2から得られる空燃比学習値KG1,KG2も反映させる。
【００８６】
即ち、全気筒理論空燃比状態▲３▼に移行して所定時間（▲３▼-1）が経過した後の▲３▼-2の期間では、空燃比制御安定状態▲１▼と同様に、EFTOTAL1=FAF1+KG1となり、
TAU1←α・ＱALL・EFTOTAL1+β=α・ＱALL・(FAF1+KG1)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#1,#4気筒側気筒群の燃料噴射量TAU1を決定する。同様に、EFTOTAL2=FAF2+KG2となり、
TAU2←α・ＱALL・EFTOTAL2+β=α・ＱALL・(FAF2+KG2)+β
で基本燃料噴射量ＱALLをフィードバック制御によって補正し、#2,#3気筒側気筒群の燃料噴射量TAU2を決定する。
【００８７】
なお、上述したように、空燃比相違状態▲２▼に切り替えると種々の利点があるが、どのようなときに切り替えるか、即ち、切替が必要であると判定される場合としては、排気浄化触媒（NOx吸蔵還元触媒３ｂ）の温度を上昇させる必要がある場合が考えられる。このとき、排気浄化触媒の温度は、第一温度センサ５ａ１、第二温度センサ５ａ２及び第三温度センサ５ｂによって検出され、この検出結果と車輌状態とに基づいて、排気触媒を昇温させる必要があるかどうかがECU７によって判定される。なお、上記実施形態では温度センサを使用したが、温度センサの代わりに、機関負荷、回転数、空燃比、燃焼状態から排気浄化触媒の温度を推定しても良い。
【００８８】
そして、排気浄化触媒（NOx吸蔵還元触媒３ｂ）の温度を上昇させる必要がある場合としては、上述したように、NOx吸蔵還元触媒３ｂに対してリッチスパイク運転を行う場合やNOx吸蔵還元触媒３ｂのSOx被毒量が所定量を超え、SOx被毒から回復させる必要がある場合がある。
【００８９】
NOx吸蔵量やSOx被毒量は、エンジン１の運転状況からECU７によって推定でき、推定されたNOx吸蔵量やSOx被毒量を随時ECU７内で演算記憶し、ECU７内のRAMに保存しておく。演算記憶されたNOx吸蔵量やSOx被毒量が所定量に達したときには、ECU７によって、エンジン１の空燃比状態を空燃比相違状態▲２▼に切り替える、即ち、NOx吸蔵還元触媒３ｂを昇温させる必要があると判定される。このように判定されたときは、ECU７によって、SOx吸蔵還元触媒３ｂを昇温させるべく、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させて空燃比相違状態▲２▼に切り替えられる。
【００９０】
あるいは、排気浄化触媒の温度を上昇させる必要がある場合としては、排気浄化触媒（NOx吸蔵還元触媒３ｂ）の温度が触媒活性化温度以下であり、排気ガス中の有害物質を十分に浄化できない場合がある。このときは、排気浄化触媒の温度を触媒活性化温度以上にすべく、排気浄化触媒を昇温させる。
【００９１】
排気浄化触媒は、その温度がある一定の触媒活性化温度以上とならないと、触媒としての機能を十分に発揮しない。このため、エンジン１が始動直後や長時間のアイドル運転後あるいは長時間の成層燃焼運転後である場合などは、排気浄化触媒が触媒活性化温度以下であり、排気ガス中の有害物質を十分に浄化することができない。このような場合は、ECU７によって、エンジン１の空燃比状態を空燃比相違状態▲２▼に切り替える、即ち、排気浄化触媒を昇温させる必要があると判定される。このように判定されたときは、ECU７によって、排気浄化触媒を触媒活性化温度にまで昇温させるべく、空燃比制御安定状態▲１▼を経由させて空燃比相違状態▲２▼に切り替えられる。
【００９２】
このように、排気浄化触媒の昇温が必要であると判定されたときに、空燃比相違状態▲２▼に切り替えることによって排気浄化触媒を昇温することができるので、二次空気供給装置や、排気噴射弁などを配設することなく排気浄化触媒の昇温を行える。即ち、エンジン１に複雑な構成を採用することなく、簡易な構成で排気浄化触媒を昇温させることができる。
【００９３】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、上述した実施形態のものに限定されない。例えば、上述した実施形態においては、#1気筒と#4気筒により一つの気筒群を構成し、#2気筒と#3気筒とで他の気筒群を構成したが、ある一気筒により一つの気筒群を構成し、残りの三気筒で他の気筒群を構成するようにしても良い。また、全気筒数は必ずしも四気筒に限られるものではなく、直列六気筒やＶ型八気筒のような多気筒エンジンにも適用可能である。また、全気筒群数も必ずしも二つに限られるものではない。さらに、上述した実施形態においては、空燃比センサとして酸素センサ４ａ１，４ａ２，４ｂを用いたが、空燃比センサとしてリニア空燃比センサなど、空燃比を検出する他の種類の空燃比センサを用いても良いことは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、多気筒内燃機関の空燃比状態を、空燃比状態切替手段によって、空燃比制御安定状態を経由させた後に空燃比相違状態に切り替える。空燃比制御安定状態は、出力トルク及び排気ガス中の有害物質の除去を安定した状態に維持できる状態であるので、本発明の内燃機関の空燃比制御装置によれば、空燃比相違状態への切替時に出力トルクを大きく変動させることなく、かつ、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化しつつ、円滑に空燃比状態を切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】空燃比センサ（酸素センサ）の出力信号と生成される空燃比フィードバック補正値の信号との関係を示す説明図である。
【図３】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態による空燃比制御の種々の状態を示しており、(a)はエンジンの各気筒の燃焼状態を示す模式図、(b)はエンジンの各気筒の制御目標となる空燃比を示す模式図、(c)は空燃比フィードバック補正値の状態を示す模式図である。
【図４】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形態による空燃比制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２ａ１…第一上流排気通路（上流排気通路、排気通路）、２ａ２…第二上流排気通路（上流排気通路、排気通路）２ｂ…合流排気通路（排気通路）、３ａ１…第一スタートキャタリスト（排気浄化触媒）、３ａ２…第二スタートキャタリスト（排気浄化触媒）、３ｂ…NOx吸蔵還元触媒（排気浄化触媒）、４ａ１…第一酸素センサ（空燃比センサ）、４ａ２…第二酸素センサ（空燃比センサ）、４ｂ…第三酸素センサ（空燃比センサ）、６…燃料噴射弁、７…ECU（空燃比切替手段、空燃比学習手段、学習値反映手段、触媒昇温判定手段）。
Claims (9)
- オープンループ制御により全気筒が同じ空燃比で運転される空燃比同一状態と、気筒群毎の空燃比が異なる状態で運転される空燃比相違状態とを切り替える空燃比状態切替手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の温度を上昇させるか否かを判断する触媒昇温判定手段と、多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた空燃比センサとをさらに備え、
前記空燃比同一状態で内燃機関が運転している際、前記触媒昇温判定手段により前記排気浄化触媒の昇温が必要であると判断したときに、前記空燃比状態切替手段が、空燃比を前記空燃比同一状態から前記空燃比相違状態に切り替える切替を行い、前記切替を行うにあたり、前記空燃比センサの出力に基づいて機関空燃比を所定の目標空燃比となるようにフィードバック制御する状態を経由させた後に前記空燃比相違状態に切り替えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記目標空燃比が理論空燃比である、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記空燃比センサの出力に基づく前記フィードバック制御によって得られる空燃比フィードバック補正値から空燃比制御値を学習する空燃比学習手段を備えた、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記排気通路が、前記各気筒群毎に設けられた上流排気通路と前記上流排気通路の下流側で合流された合流排気通路とからなり、前記空燃比センサが、前記上流排気通路上に配置されており、前記空燃比学習手段が、前記各上流排気通路毎に得られた空燃比フィードバック補正値から前記各気筒群毎に前記空燃比制御値を学習する、請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記空燃比制御値を前記空燃比相違状態でのフィードバック制御に反映させる学習値反映手段を備える、請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記空燃比状態切替手段が、空燃比状態を前記空燃比相違状態から前記空燃比同一状態に切り替える際に、内燃機関全体の空燃比制御状態が全気筒の機関空燃比を理論空燃比とするように運転される全気筒理論空燃比状態を経由させた後に前記空燃比同一状態に切り替える、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 多気筒内燃機関の排気通路上に設けられた空燃比センサと、前記空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御によって得られる空燃比フィードバック補正値から空燃比制御値を学習する空燃比学習手段とを備え、前記全気筒理論空燃比状態において、前記空燃比状態切替手段によって、予め学習された前記空燃比制御値に基づくオープンループ制御を行った後に、前記空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を行う、請求項６に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記触媒昇温判定手段は、前記排気浄化触媒の温度が触媒活性化温度よりも低いときに、前記排気浄化触媒の昇温が必要であると判断する、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記排気浄化触媒がNOx吸蔵還元触媒であり、前記触媒昇温判定手段は、前記排気浄化触媒のSOx被毒量が所定量以上となったときに、前記排気浄化触媒の昇温が必要であると判断する、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29072398A JP3890775B2 (ja) | 1998-10-13 | 1998-10-13 | 内燃機関の空燃比制御装置 |
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