JP4161390B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせる内燃機関の空燃比制御装置であって、リーン燃焼時に発生する排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx ）を浄化するためのＮＯx 吸蔵還元型触媒を有する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における内燃機関の空燃比制御装置では、燃費改善を図るべく理論空燃比よりもリーン側で燃料を燃焼させる、いわゆるリーンバーン制御を実施する技術が多用化されつつある。こうしたリーン燃焼を行わせる場合、内燃機関から排出される排ガスにはＮＯx が多く含まれ、このＮＯx を浄化するためのリーンＮＯx 触媒が必要となる。例えば特許番号第２６００４９２号公報の「内燃機関の排気浄化装置」には、排ガスの空燃比がリーンである時にＮＯx を吸収すると共に、排ガスの酸素濃度が低下された時に、すなわちリッチ化された時に前記吸収したＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤（ＮＯx 吸蔵還元型触媒）が開示されている。
【０００３】
また一方、リーン燃焼時に発生するＮＯx をＮＯx 触媒にて吸収するシステムでは、ＮＯx 触媒でＮＯx が飽和状態になるとＮＯx 浄化能力が限界に達する。そのため、ＮＯx 触媒の浄化能力を回復させてＮＯx の排出を抑制すべく一時的にリッチ燃焼を行わせるようにした技術が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記従来技術では、リーン燃焼からリッチ燃焼に切り換える際において、触媒付近の空燃比が直ぐにはリッチに切り換わらない。そのため、リッチ時間を長めに設定し、排気通路内の雰囲気がリーンからリッチに移行する時間をも見込んだ時間でリッチ燃焼を継続させる必要があった。かかる場合、リッチ燃焼が継続されると、過多に噴射量が増量されてしまい燃費の悪化が懸念される。また、リッチ燃焼時には、リーン燃焼時に比べてエンジン発生トルクが増大する。そのため、リッチ時間が長引くと回転変動が大きくなり、ドライバビリティが悪化するという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、リーン燃焼を実施すると共にＮＯx 触媒の浄化能力を回復させるべく一時的にリッチ燃焼を行わせる空燃比制御装置において、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明における内燃機関の空燃比制御装置ではその前提として、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせる。また、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触媒から放出する。
【０００７】
そして、請求項１に記載の発明ではその特徴として、機関運転状態と前記ＮＯx 触媒による所望のＮＯx 浄化率とに応じてリッチ燃焼のためのリッチ時間を設定するリッチ時間設定手段を備える。
【０００８】
要するに、従来装置では、リーン燃焼途中において一時的にリッチ燃焼を行わせる際、余裕分を見込んでリッチ時間を長めに設定していた。そのため、燃費の悪化やトルク変動を招くおそれがあった。これに対し本発明は、リッチ時間を短縮することで従来装置の不具合を解消することを狙う。すなわち、リッチ時間の短縮化を図る上で、同リッチ時間と機関運転状態とはある一定の関係を持ち、トルク変動のないリッチ燃焼を実施するにはエンジン回転数や吸気圧といった機関運転状態に応じてリッチ時間を設定するとよい。例えば内燃機関の高回転又は高負荷域ではリッチ時間を長くし、低回転又は低負荷域ではリッチ時間を短くする（図４参照）。一方で、リッチ時間とリーンＮＯx 触媒におけるＮＯx 浄化率とは例えば図５に示す関係を有する。
【０００９】
以上の観点から、上記機関運転状態と所望のＮＯx 浄化率とに応じてリッチ時間を設定すれば、機関運転状態が変化しても常に適正なリッチ燃焼を行わせることが可能となる。その結果、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる。
【００１０】
また請求項２に記載の発明では、前記リッチ時間設定手段は、リーンＮＯx 触媒による所望のＮＯx 浄化率が得られる範囲内で、最短のリッチ時間を設定する。例えば図５において、ＮＯx 浄化率の許容レベルを９５％以上とした場合、機関運転状態（エンジン回転数Ｎｅ，吸気圧ＰＭ）に応じて、Ａ１，Ａ２，Ａ３の各点により最適なるリッチ時間が設定できる。この場合、ＮＯx 触媒でのＮＯx の浄化性能が維持できる。
【００１１】
また、請求項３に記載の空燃比制御装置では、
・リーンＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化状態を検出する触媒状態検出手段と、
・リッチ燃焼のためのリッチ時間を所定の時間周期で短縮側に更新するリッチ時間更新手段と、
・前記検出した触媒のＮＯx 浄化状態からその時のリッチ時間が限界値と判断されると、リッチ時間の短縮側への更新を中止する更新中止手段と
を備えることを特徴とする。
【００１２】
かかる場合、リーンＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化状態をモニタしつつリッチ時間が徐々に短縮される。そして、リッチ時間を短縮する過程で限界値に達すると、その時点でリッチ時間の更新が中止される。これにより、ＮＯx 触媒のＮＯx 浄化性能を確保しつつ、リッチ時間を短縮することが可能となる。その結果、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる。
【００１３】
上記請求項３の発明は、次の請求項４又は請求項５の態様で実施できる。
請求項４に記載の発明では、前記触媒状態検出手段は、リーンＮＯx 触媒の下流側に設けられた空燃比センサ又はＮＯx センサと、当該センサの出力値に基づき、前記ＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化の程度を判定する判定手段とからなる。つまり、リーンＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化の程度がセンサ出力に基づき判定され、その判定結果からリッチ時間の短縮（学習）が許容又は禁止される。かかる場合、リッチ時間の学習が適正に実施できる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、前記更新したリッチ時間を内燃機関の運転領域毎に記憶する記憶手段を更に備える。この場合、機関運転状態に応じたリッチ時間をその都度設定することが可能となり、機関運転状態の変化にも対処できるようになる。
【００１５】
さらに、請求項６に記載の空燃比制御装置では、
・リッチ燃焼のためのリッチ時間の制御指令値を設定する制御指令値設定手段と、
・機関運転状態に基づき、前記設定したリッチ時間指令値によるリッチ燃焼時の排ガスがリッチとなってリーンＮＯx 触媒に供給される実際の時間を推定する実リッチ時間推定手段と、
・前記推定した実リッチ時間からリーン燃焼のためのリーン時間を設定するリーン時間設定手段と
を備えることを特徴とする。
【００１６】
つまり、所定のリッチ時間（制御指令値）に基づきリーン燃焼とリッチ燃焼とで切り換えても、機関燃焼室に流入する混合気の空燃比はウエット等の影響によりその変化がなまり、また更に、リーンＮＯx 触媒に到達する際の排ガスの空燃比は、他の気筒の排ガスとの混合や排気管内の輸送遅れが原因でより一層なまる。こうした実状下において、請求項６の構成によれば、リーン時間が過不足無く設定でき、仮に実際のリッチ時間が短めに設定されたとしても、リーン燃焼不足により不用意にＮＯx が排出されることはない。その結果、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる。
【００１７】
但し、請求項６の発明では、リーンＮＯx 触媒に供給される排ガスが確実にリッチに切り換わるよう、請求項７に記載したように、その時々の機関運転状態に応じた下限値でリッチ時間の制御指令値をガードすることが望ましい。
【００１８】
また請求項８に記載の発明では、前記実リッチ時間推定手段は、内燃機関の低負荷運転時ほど、リッチ時間指令値に対する実リッチ時間が短くなると推定する。この場合、排ガス空燃比のリーン⇔リッチ切り換えが遅れる低負荷などの条件下においても、リッチ時間やリーン時間の設定が適正に実施できる。
また上記請求項１又は請求項２の発明は、次の請求項９又は請求項１０の態様で実施できる。
請求項９に記載の発明では、前記リッチ時間設定手段は、エンジン回転数が高いほど又は吸気圧が高いほど、リッチ燃焼のためのリッチ時間を大きな値として設定する。
また請求項１０に記載の発明では、前記リッチ時間設定手段は、スロットル開度が大きいほど又はアクセル開度が大きいほど、リッチ燃焼のためのリッチ時間を大きな値として設定する。
また上記請求項６乃至請求項８に記載の発明は、請求項１１に記載の発明のように、前記制御指令値設定手段は、エンジン回転数が高いほど又は吸気圧が高いほど、リッチ燃焼のためのリッチ時間の制御指令値を大きな値として設定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態について説明する。本実施の形態における空燃比制御システムでは、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、その目標空燃比に基づいてリーン燃焼を行わせる、いわゆるリーンバーン制御を実施する。同システムの主たる構成として、内燃機関の排気通路の途中にはＮＯx 吸蔵還元型触媒（以下、ＮＯx 触媒という）が設けられ、そのＮＯx 触媒の上流側には限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が配設されている。そして、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置（以下、ＥＣＵという）は、前記空燃比センサによる検出結果を取り込み、そのセンサ検出結果に基づいてリーン空燃比でのフィードバック制御を実施する。以下、図面を用いてその詳細な構成を説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図である。図１において、内燃機関は４気筒４サイクルの火花点火式エンジン（以下、単にエンジン１という）として構成されており、エンジン１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２には、アクセルペダル４に連動するスロットル弁５が設けられており、同スロットル弁５の開度はスロットル開度センサ６により検出される。また、吸気管２のサージタンク７には吸気圧センサ８が配設されている。
【００２１】
エンジン１の気筒を構成するシリンダ９内には図の上下方向に往復動するピストン１０が配設されており、同ピストン１０はコンロッド１１を介して図示しないクランク軸に連結されている。ピストン１０の上方にはシリンダ９及びシリンダヘッド１２にて区画された燃焼室１３が形成されており、燃焼室１３は、吸気バルブ１４及び排気バルブ１５を介して前記吸気管２及び排気管３に連通している。
【００２２】
排気管３には、排ガス中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する、限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ１６が設けられている。また、排気管３においてＡ／Ｆセンサ１６の下流側には、ＮＯx 浄化機能を有するＮＯx 触媒１９が配設されている。このＮＯx 触媒１９は、ＮＯx 吸蔵還元型触媒として知られており、リーン空燃比の状態下でＮＯx を吸蔵し、リッチ空燃比の状態下で前記吸蔵したＮＯx をＣＯやＨＣで還元し放出する。
【００２３】
エンジン１の吸気ポート１７には電磁駆動式のインジェクタ１８が設けられており、このインジェクタ１８には図示しない燃料タンクから燃料（ガソリン）が供給される。本実施の形態では、吸気マニホールドの各分岐管毎に１つずつインジェクタ１８を有するマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）システムが構成されている。この場合、吸気管上流から供給される新気とインジェクタ１８による噴射燃料とが吸気ポート１７にて混合され、その混合気が吸気バルブ１４の開弁動作に伴い燃焼室１３内（シリンダ９内）に流入する。
【００２４】
シリンダヘッド１２に配設された点火プラグ２７は、イグナイタ２８からの点火用高電圧により発火する。イグナイタ２８には、点火用高電圧を各気筒の点火プラグ２７に分配するためのディストリビュータ２０が接続され、同ディストリビュータ２０にはクランク軸の回転状態に応じて７２０°ＣＡ毎にパルス信号を出力する基準位置センサ２１と、より細かなクランク角毎（例えば、３０°ＣＡ毎）にパルス信号を出力する回転角センサ２２とが配設されている。
【００２５】
また、シリンダ９（ウォータジャケット）には、冷却水温を検出するための水温センサ２３が配設されている。
ＥＣＵ３０は、周知のマイクロコンピュータシステムを中心に構成され、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、バックアップＲＡＭ３４、Ａ／Ｄ変換器３５、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）３６等を備える。前記スロットル開度センサ６、吸気圧センサ８、Ａ／Ｆセンサ１６及び水温センサ２３の各検出信号は、Ａ／Ｄ変換器３５に入力され、Ａ／Ｄ変換された後にバス３７を介してＣＰＵ３１に取り込まれる。また、前記基準位置センサ２１及び回転角センサ２２のパルス信号は、入出力インターフェース３６及びバス３７を介してＣＰＵ３１に取り込まれる。
【００２６】
ＣＰＵ３１は、前記各センサの検出信号に基づいてスロットル開度ＴＨ、吸気圧ＰＭ、空燃比（Ａ／Ｆ）、冷却水温Ｔｗ、基準クランク位置（Ｇ信号）及びエンジン回転数Ｎｅなどのエンジン運転状態を検知する。また、ＣＰＵ３１は、エンジン運転状態に基づいて燃料噴射量や点火時期等の制御信号を演算し、その制御信号をインジェクタ１８やイグナイタ２８に出力する。
【００２７】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用を説明する。
図２は、ＣＰＵ３１により実行される燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートであり、本ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態では１８０°ＣＡ毎）に実行される。
【００２８】
さて、図２のルーチンがスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ずステップ１０１でエンジン運転状態を表すセンサ検出結果（エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭ、冷却水温Ｔｗ等）を読み込み、続くステップ１０２でＲＯＭ３２内に予め格納されている基本噴射マップを用いてその時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに応じた基本噴射量Ｔｐを算出する。また、ＣＰＵ３１は、ステップ１０３で周知の空燃比Ｆ／Ｂ条件が成立しているか否かを判別する。ここで、空燃比Ｆ／Ｂ条件とは、冷却水温Ｔｗが所定温度以上であること、高回転・高負荷状態でないこと、Ａ／Ｆセンサ１６が活性状態にあることなどを含む。
【００２９】
ステップ１０３が否定判別されれば（Ｆ／Ｂ条件不成立の場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ１０４に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを「１．０」とする。ＦＡＦ＝１．０とすることは、空燃比がオープン制御されることを意味する。また、ステップ１０３が肯定判別されれば（Ｆ／Ｂ条件成立の場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２００に進んで目標空燃比λＴＧの設定処理を実施する。目標空燃比λＴＧの設定処理は後述する図３のルーチンに従い行われる。
【００３０】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０５でその時々の実際の空燃比λ（センサ計測値）と目標空燃比λＴＧとの偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを設定する。本実施の形態では、現代制御理論に基づく空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施することとしており、そのＦ／Ｂ制御に際し、Ａ／Ｆセンサ１６の検出結果を目標空燃比に一致させるための空燃比補正係数ＦＡＦを次の（１），（２）式を用いて算出する。なお、このＦＡＦ値の設定手順については特開平１−１１０８５３号公報に詳細に開示されている。
【００３１】
ＦＡＦ＝Ｋ1 ・λ＋Ｋ2 ・ＦＡＦ1 ＋
・・・＋Ｋn+1 ・ＦＡＦn ＋ＺＩ …（１）
ＺＩ＝ＺＩ1 ＋Ｋａ・（λＴＧ−λ） …（２）
上記（１），（２）式において、λはＡ／Ｆセンサ１６による限界電流の空燃比変換値を、Ｋ1 〜Ｋn+1 はＦ／Ｂ定数を、ＺＩは積分項を、Ｋａは積分定数をそれぞれ表す。また、添字１〜ｎ＋１はサンプリング開始からの制御回数を示す変数である。
【００３２】
ＦＡＦ値の設定後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０６で次の（３）式を用い、基本噴射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬ（水温、エアコン負荷等の各種補正係数）から最終の燃料噴射量ＴＡＵを算出する。
【００３３】
ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ・ＦＡＬＬ …（３）
燃料噴射量ＴＡＵの算出後、ＣＰＵ３１は、そのＴＡＵ値に相当する制御信号をインジェクタ１８に出力して本ルーチンを一旦終了する。
【００３４】
次に、上記ステップ２００の処理に相当するλＴＧ設定ルーチンについて、図３を用いて説明する。なお当該ルーチンでは、リーン燃焼の実施途中において一時的にリッチ燃焼が実施されるよう、目標空燃比λＴＧが適宜設定される。すなわち本実施の形態では、燃料噴射毎に計数される周期カウンタの値を基に、所定の時間比となるようにリーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲとが設定され、それら各時間ＴＬ，ＴＲに応じてリーン燃焼とリッチ燃焼とが交互に実施される。
【００３５】
図３において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ２０１でその時の周期カウンタが「０」であるか否かを判別し、周期カウンタ＝０であることを条件に（ステップ２０１がＹＥＳ）、ステップ２０２でエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づき、リーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲを設定する。ステップ２０１がＮＯであれば（周期カウンタ≠０の場合）、ＣＰＵ３１はステップ２０２の処理を読み飛ばす。
【００３６】
ここで、リーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲは、それぞれリーン空燃比での燃料噴射回数、リッチ空燃比での燃料噴射回数に相当するものであって、基本的にエンジン回転数Ｎｅが高いほど又は吸気圧ＰＭが高いほど、大きな値に設定される。本実施の形態では、図４の関係に基づくマップ検索によりリッチ時間ＴＲが求められる。なおこのとき、前記図４の関係は、ＮＯx 触媒１９による所望のＮＯx 浄化率が得られる範囲内で、最短のリッチ時間となるように設定される。
【００３７】
つまり、リッチ時間に対するＮＯx 浄化率の特性は図５の関係にあり、同図によれば、エンジン運転状態（エンジン回転数Ｎｅ，吸気圧ＰＭ）によってＮＯx 浄化率の特性が変化する。総じてＮｅ，ＰＭが大きいほど、ＮＯx 浄化率の特性は図の右方へ移行し、Ｎｅ，ＰＭが小さいほど、ＮＯx 浄化率の特性は図の左方へ移行する。従って、ＮＯx 浄化率を所定レベル（例えば図５の９５％以上）に保ちつつリッチ時間の短縮化を図るには、Ｎｅ，ＰＭ状態に応じて例えば図５中のＡ１，Ａ２，Ａ３から最適なるリッチ時間が求められる（但し、Ａ１＜Ａ２＜Ａ３）。
【００３８】
これに対し、リーン時間ＴＬは、前記リッチ時間ＴＲと所定の係数αとから、
ＴＬ＝ＴＲ・α
として求められる。係数αは「１００」程度の固定値とすればよいが、エンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭなどのエンジン運転状態に応じて可変に設定することとしてもよい。
【００３９】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０３で周期カウンタを「１」インクリメントする。さらにその後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０４で周期カウンタの値が前記設定したリーン時間ＴＬに相当する値に達したか否かを判別する。周期カウンタ＜ＴＬであってステップ２０４が否定判別された場合、ＣＰＵ３１はステップ２０５に進み、その時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づき、目標空燃比λＴＧをリーン制御値として設定する。λＴＧ値の設定後、ＣＰＵ３１は元の図２のルーチンに戻る。
【００４０】
このとき、λＴＧ値は例えば図６に示す目標空燃比マップを検索して求められ、λＴＧ値として例えばＡ／Ｆ＝２０〜２３に相当する値が設定される（但し、定常運転時でないなどリーン燃焼の実施条件が不成立の場合にはストイキ近傍でλＴＧ値が設定される）。かかる場合、上述のステップ２０５で設定したλＴＧ値が前記図２のステップ１０５でＦＡＦ値の演算に用いられ、このＦＡＦ値により空燃比がリーン制御される。
【００４１】
また、周期カウンタ≧ＴＬであってステップ２０４が肯定判別された場合、ＣＰＵ３１はステップ２０６に進み、目標空燃比λＴＧをリッチ制御値として設定する。このとき、λＴＧ値は、リッチ領域での固定値としてもよいし、エンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭに基づきマップ検索して可変に設定するようにしてもよい。マップ検索を行う場合、エンジン回転数Ｎｅが高いほど又は吸気圧ＰＭが高いほど、そのリッチ度合が強くなるようλＴＧ値が設定される。
【００４２】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０７で周期カウンタの値が前記設定したリーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲとの合計値「ＴＬ＋ＴＲ」に相当する値に達したか否かを判別し、周期カウンタ＜ＴＬ＋ＴＲであってステップ２０７が否定判別されればそのまま元の図２のルーチンに戻る。かかる場合、上述のステップ２０６で設定したλＴＧ値が前記図２のステップ１０５でＦＡＦ値の演算に用いられ、このＦＡＦ値により空燃比がリッチ制御される。
【００４３】
一方、周期カウンタ≧ＴＬ＋ＴＲであってステップ２０７が肯定判別された場合、ＣＰＵ３１は、ステップ２０８で周期カウンタを「０」にクリアしてその後元の図２のルーチンに戻る。周期カウンタのクリアに伴い次回の処理時にはステップ２０１が肯定判別され、リーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲが新たに設定される。そして、そのリーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲに基づき再度、空燃比のリーン制御とリッチ制御とが実施される。
【００４４】
図７は、上記図２及び図３のルーチンによる制御動作を説明するためのタイムチャートである。
図７において、周期カウンタ＝０〜ＴＬの期間では、空燃比がリーン制御される。このとき、排ガス中のＮＯx がＮＯx 触媒１９に吸蔵される。また、周期カウンタ＝ＴＬ〜ＴＬ＋ＴＲの期間では、空燃比がリッチ制御される。このとき、排ガス中の未燃ガス成分（ＨＣ，ＣＯ）により触媒１９の吸蔵ＮＯx が還元されて放出される。こうして、空燃比のリーン制御とリッチ制御とがリーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲとに応じて繰り返し実施される。
【００４５】
なお本実施の形態では、前記図３のステップ２０２（前記図４のマップ）が請求項記載のリッチ時間設定手段に相当する。
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
【００４６】
（ａ）エンジン運転状態とＮＯx 触媒１９によるＮＯx 浄化率とに応じてリッチ燃焼のためのリッチ時間を設定するようにした。要するに、従来装置では余裕分を見込んでリッチ時間を長めに設定していたため、燃費の悪化やトルク変動を招くおそれがあったが、本実施の形態では、前記図４及び図５の関係に従いリッチ時間を設定して当該リッチ時間を短縮することで従来装置の不具合を解消することができる。従って、エンジン運転状態が変化しても常に適正なリッチ燃焼を行わせることが可能となる。その結果、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる。
【００４７】
図８は、１回当たりのリッチ時間とその時々のトルク変動との関係を示す実験データである。同図によれば、リッチ時間が短いほどルク変動が抑制されることが分かる。
【００４８】
（ｂ）ＮＯx 触媒１９による所望のＮＯx 浄化率が得られる範囲内で、最短のリッチ時間を設定するようにした。この場合、最適なるリッチ時間が設定でき、ＮＯx 触媒１９でのＮＯx の浄化性能が維持できる。
【００４９】
次に、本発明における第２，第３の実施の形態を説明する。但し、第２，第３の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態における空燃比制御システムの詳細を図９〜図１１を用いて説明する。
【００５１】
本実施の形態では、リッチ時間の最適なる短縮化を図るべく、ＮＯx 触媒１９によるＮＯx 浄化状態をモニタしながらリッチ時間を逐次学習することを特徴とする。その概要を略述すれば、本実施の形態では、図９に示すように、ＮＯx 触媒１９の下流側に触媒状態検出手段としてのＮＯx センサ４１を設け、同センサ４１の出力をＥＣＵ３０に取り込む。ＥＣＵ３０は、ＮＯx センサ出力をモニタしつつリッチ時間を徐々に短縮側に学習する。そして、リッチ時間を短縮する過程でＮＯx センサ出力（ＮＯx 濃度）が所定値以上となると、その時のリッチ時間が最小限界であるとみなし、当該リッチ時間をＥＣＵ３０内のバックアップＲＡＭ３４に記憶する。
【００５２】
なおＮＯx センサ４１の詳細は、例えば特開平８−２７１４７６号公報や本願出願人による特願平９−１７１０１５号に開示されており、同センサ４１は、安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性の固体電解質基板を用いＮＯx 濃度に対応した電流信号を出力する。
【００５３】
図１０は、リッチ時間学習ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンはＣＰＵ３１により例えば１秒周期で実行される。
さて、図１０のルーチンがスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ずステップ３０１でエンジン運転状態が「ｉ領域（但し、ｉ＝１，２，３・・・ｎ）」にある時の学習完了フラグＦｉが「０」であるか否かを判別する。ここで、１〜ｎのエンジン運転領域はエンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭに応じて設定され、これら運転領域毎に学習完了フラグＦｉが設けられている。なお、Ｆｉ＝０はｉ領域でのリッチ時間の学習が完了していないことを、Ｆｉ＝１はｉ領域でのリッチ時間の学習が完了していることを表すものであって、当該フラグＦｉは、ルーチンの起動当初において「０」に初期化されている。
【００５４】
また、ステップ３０２では、ＣＰＵ３１は、所定のエンジン運転状態が１０秒以上継続されているか否かを判別し、続くステップ３０３では、リーン⇔リッチ切り換えが実行されているか否か、すなわちエンジン１の低温始動時や高負荷運転時などにおいてストイキ運転が実施されていないか否かを判別する。
【００５５】
そして、前記ステップ３０１〜３０３のいずれかがＮＯであれば、ＣＰＵ３１はステップ３０４に進み、同３０１〜３０３が全てＹＥＳであれば、ステップ３０５に進む。ステップ３０４に進むと、ＣＰＵ３１は、リッチ時間学習の時間間隔を計測するためのリッチ時間学習カウンタを「０」にクリアして本ルーチンを一旦終了する。
【００５６】
また、ステップ３０５に進むと、ＣＰＵ３１は、リッチ時間学習カウンタを「１」インクリメントし、続くステップ３０６でその時のリッチ時間学習カウンタの値が所定時間（本実施の形態では６０秒）に相当する値に達したか否かを判別する。リッチ時間学習カウンタ＜６０秒であれば、ＣＰＵ３１はそのまま本ルーチンを終了し、リッチ時間学習カウンタ≧６０秒であれば、次のステップ３０７に進む。因みに、「６０秒」という時間は、１回のリッチ時間学習に要する時間（学習期間）に相当する。
【００５７】
そして、ＣＰＵ３１は、ステップ３０７でＮＯx センサ４１の出力値が所望のＮＯx 浄化率を確保するための所定の判定値（本実施の形態では、ＮＯx 濃度＝２０ｐｐｍに相当する値）以下であるか否かを判別する。このとき、１回の学習期間内でＮＯx センサ出力をなまし演算しておき、該演算したなまし値と所定の判定値（２０ｐｐｍ）とを比較判定するとよい。
【００５８】
ＮＯx センサ出力≦２０ｐｐｍの場合、ＣＰＵ３１は、リッチ時間が今以上に短縮できるとみなし、ステップ３０８でリッチ時間（リッチ噴射回数）を１噴射分だけ短縮する。因みに、リッチ時間の初期値は例えば１０噴射分程度とする。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ３０９でリッチ時間学習カウンタを「０」にクリアして本ルーチンを終了する。こうしてステップ３０７の判別結果がＹＥＳとなる状態下では、リッチ時間が徐々に短縮される。
【００５９】
一方、ＮＯx センサ出力＞２０ｐｐｍの場合、ＣＰＵ３１は、今現在のリッチ時間では所望のＮＯx 浄化率が確保できないとみなし、ステップ３１０でリッチ時間（リッチ噴射回数）を１噴射分だけ長くする。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ３１１でその時のリッチ時間をバックアップＲＡＭ３４に記憶させる。このとき、前記の如く学習したリッチ時間をその時々のエンジン運転状態毎（１〜ｎの領域毎）に記憶する。バックアップＲＡＭ３４に記憶したリッチ時間の学習値は、電源の遮断時にもその情報が記憶保持される。
【００６０】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ３１２でその時の運転領域ｉ（＝１〜ｎ）に対応する学習完了フラグＦｉに「１」をセットすると共に、続くステップ３１３でリッチ時間学習カウンタを「０」にクリアして本ルーチンを終了する。
【００６１】
上述した通りリッチ時間が学習されてその値が更新されると、前記図３のステップ２０２では、その時々の運転領域ｉ（＝１〜ｎ）に応じたリッチ時間がバックアップＲＡＭ３４から読み出される。またこのとき、
リーン時間＝α・リッチ時間
としてリーン時間が演算される。但し、係数αは「１００」程度の固定値としてもよいし、エンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭなどのエンジン運転状態に応じて可変に設定してもよい。
【００６２】
次に、上記図１０による動作を図１１のタイムチャートを用いてより具体的に説明する。
図１１において、時刻ｔ１〜ｔ４で区画された各期間はそれぞれリッチ時間の学習期間（本実施の形態では、６０秒）を示す。このとき、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３では、ＮＯx センサ出力（学習期間内でのなまし値）が所定値（２０ｐｐｍ）を下回っている。そのため、リッチ時間が１噴射分だけ減じられる（前記図１０のステップ３０８）。
【００６３】
これに対し、時刻ｔ４では、ＮＯx センサ出力（時刻ｔ３〜ｔ４でのなまし値）が所定値（２０ｐｐｍ）を越える。そのため、リッチ時間が１噴射分だけ加算され、その時のリッチ時間が学習値としてメモリに記憶される（前記図１０のステップ３１０，３１１）。またこの時刻ｔ４では、学習完了フラグＦｉに「１」がセットされる（図１０のステップ３１２）。
【００６４】
なお本実施の形態では、前記図１０のステップ３０７が請求項記載の触媒状態検出手段（判定手段）に相当し、同ステップ３０８がリッチ時間更新手段に相当する。また、同ステップ３１０が更新中止手段に相当し、同ステップ３１１が記憶手段に相当する。
【００６５】
以上詳述した第２の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（ａ’）ＮＯx 触媒１９によるＮＯx 浄化状態をモニタしつつリッチ時間を徐々に短縮側に更新し、触媒１９のＮＯx 浄化状態からその時のリッチ時間が限界値と判断されると、リッチ時間の短縮側への更新を中止するようにした。これにより、ＮＯx 触媒１９のＮＯx 浄化性能を確保しつつ、リッチ時間を短縮することができる。かかる場合にもやはり、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる。
【００６６】
（ｂ’）ＮＯx 触媒１９の下流側にＮＯx センサ４１を設け、当該センサ出力に基づきＮＯx 触媒１９によるＮＯx 浄化の程度を判定するようにした。従って、リッチ時間の短縮がＮＯx センサ出力（ＮＯx 濃度）に基づき許容又は禁止され、リッチ時間の学習が適正に実施できる。
【００６７】
（ｃ’）リッチ時間の学習値をエンジン１の運転領域毎に記憶するようにした。これにより、エンジン運転状態に応じたリッチ時間をその都度設定することが可能となり、当該運転状態の変化にも適宜対処できるようになる。
【００６８】
（ｄ’）ＮＯx センサ出力を基にリッチ時間が短縮側の限界値に達したと判断されると、リッチ時間を逆側に更新するようにした（１噴射分加算した）。この場合、仮にリッチ時間を短くし過ぎたとしてもリッチ時間の修正が可能となる。また、ＮＯx 触媒１９の劣化などの経時変化により、リッチ時間を長引かせる必要が生じる場合にも常に最適なるリッチ時間が設定できる。
【００６９】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態における空燃比制御システムの詳細を図１２〜図１５を用いて説明する。
【００７０】
第３の実施の形態では、リーン⇔リッチ制御時において、リッチ燃焼させるためのリッチ時間の制御指令値と、その時々のエンジン運転状態とから実際のリッチ時間（実リッチ時間）を推定し、その実リッチ時間を基にリーン時間を設定することを特徴とする。
【００７１】
図１２は、本実施の形態におけるλＴＧ設定ルーチンの一部を示すフローチャートである。但し、当該フローチャートは前記図３のフローチャートの一部（ステップ２０１，２０２）に置き換えて実施されるものであり、図３に準ずる処理についてはその説明を省略する。
【００７２】
図１２のルーチンにおいて、ＣＰＵ３１はその時の周期カウンタが「０」であることを条件に（ステップ４０１がＹＥＳ）、ステップ４０２でその時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づき、リッチ時間（制御指令値）を設定する。ここで、リッチ時間（制御指令値）は、エンジン回転数Ｎｅが高いほど又は吸気圧ＰＭが高いほど、大きな値に設定される（前記図４参照）。但しこのとき、ＮＯx 触媒１９に供給される排ガスが確実にリッチに切り換わるよう、その時々のエンジン運転状態に応じた下限値でリッチ時間がガードされる。これは、リッチ時間を短くし過ぎると、空燃比をリーン→リッチで切り換えても触媒入口での排ガス空燃比がリッチとならず、実質上ＮＯx の還元ができなくなるためである。
【００７３】
また、ＣＰＵ３１は、続くステップ４０３で実リッチ時間を演算する。実リッチ時間は、触媒入口での排ガス空燃比が実際にリッチとなる時間であって、例えば、
実リッチ時間＝β・リッチ時間（制御指令値）
として演算される。ここで、係数βは、図１３に示すように吸気圧ＰＭやスロットル開度などのエンジン負荷に応じて設定される。同図によれば、エンジン負荷が小さいほど排ガスの混合が遅れるとして、係数βに小さい値が設定されるようになっている。
【００７４】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ４０４で前記演算した実リッチ時間を基にリーン時間を設定する。このとき、リーン時間は、
リーン時間＝α１・実リッチ時間
として演算される。但し、係数α１は、例えば図１４に示す関係に基づき求められ、実リッチ時間が長いほど、係数α１に大きい値が設定されるようになっている。
【００７５】
その後、ＣＰＵ３１は、前記図３のステップ２０３〜２０８に従い、既述した空燃比のリーン制御とリッチ制御とを交互に実施する。
図１５は、本実施の形態における作用を補足説明するためのタイムチャートである。
【００７６】
図１５において、所定のリッチ時間（制御指令値）で目標空燃比λＴＧをリーンからリッチに切り換えた場合、エンジン燃焼室に流入する混合気の空燃比（燃焼Ａ／Ｆ）はウエット等の影響によりその変化がなまる。また更に、ＮＯx 触媒１９に到達する際の排ガスの空燃比（排ガスＡ／Ｆ）は、他気筒の排ガスとの混合や排気管内の輸送遅れが原因でより一層なまる。そのため、触媒入口での排ガス空燃比が実際にリッチになる時間（実リッチ時間）は、制御指令値に対して幾分短い時間となる。かかる場合において、空燃比のリッチ制御は、所定のリッチ時間（制御指令値）に基づき実施されると共に、空燃比のリーン制御は実リッチ時間に基づき実施される。
【００７７】
なお本実施の形態では、前記図１２のステップ４０２が請求項記載の制御指令値設定手段に相当し、同ステップ４０３が実リッチ時間推定手段に相当する。また、同ステップ４０４がリーン時間設定手段に相当する。
【００７８】
以上詳述した第３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（ａ”）エンジン運転状態に基づき、リッチ時間（制御指令値）に対する実リッチ時間を推定し、該推定した実リッチ時間からリーン時間を設定するようにした。この場合、リーン時間が過不足無く設定でき、仮に実際のリッチ時間が短めに設定されたとしても、リーン燃焼不足により不用意にＮＯx が排出されることはない。その結果、リッチ燃焼を最適なる時間にて実施し、燃費の改善やトルク変動の抑制を図ることができる。
【００７９】
（ｂ”）エンジン１の低負荷運転時ほど、リッチ時間指令値に対する実リッチ時間が短くなると推定するようにした。この場合、排ガス空燃比のリーン⇔リッチ切り換えが遅れる低負荷などの条件下においても、リッチ時間やリーン時間の設定が適正に実施できる。
【００８０】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記第１の実施の形態では、リッチ時間の設定に際し、機関運転状態を知るためのパラメータとしてエンジン回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとを用いたが、これを変更する。例えばスロットル開度やアクセル開度などを機関運転状態を知るためのパラメータとして用いてもよい。
【００８１】
上記第２の実施の形態では、ＮＯx 触媒１９によるＮＯx 浄化状態を検出するための手段として触媒下流側にＮＯx センサ４１を配設し、当該ＮＯx センサ出力に基づきリッチ時間の学習を行ったが、この構成を変更する。例えば触媒下流側に空燃比センサを配設し、この空燃比センサの出力値に基づきリッチ時間の学習を行うようにする。この場合、空燃比のリーン⇔リッチ切り換え時における触媒前後の応答性（応答時間）から触媒状態を判定し、その判定結果に基づきリッチ時間の学習を許容又は禁止する。因みに、ここで使用する空燃比センサは、酸素濃度に応じたリニアな電流信号を出力する周知のＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）や、理論空燃比を境にしてリーン側かリッチ側かに応じて異なる電圧信号を出力する周知のＯ2 センサなどが適用できる。
【００８２】
また、上記第２の実施の形態では、リッチ時間の学習時において、１回のリッチ時間の更新幅を１噴射分としたが、２噴射分以上を１度に更新するようにしてもよい。この場合、例えばＮＯx センサ出力を基に、限界値までの余裕度を考慮してその更新幅を可変に設定するようにすればなお良い。
【００８３】
さらに、上記第２の実施の形態では、リッチ時間の学習値をその都度バックアップＲＡＭ３４に記憶し、電源の遮断時にもその内部情報を記憶保持するようにしたが、電源投入の度に、リッチ時間を初期値（例えば１０噴射の相当時間）から学習し直すように構成してもよい。
【００８４】
上記第３の実施の形態では、エンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づきリッチ時間（制御指令値）を設定していたが、例えば前記第２の実施の形態で説明したリッチ時間学習値を用いて同時間の制御指令値を設定するように変更してもよい。
【００８５】
上記各実施の形態では、目標空燃比λＴＧをリーン制御値とリッチ制御値とで切り換えることにより、リーン燃焼とリッチ燃焼とを行わせるようにしていたが、これを変更する。例えば空燃比補正係数ＦＡＦをリーン補正側とリッチ補正側とで切り換え、それによりリーン燃焼とリッチ燃焼とを行わせるようにしてもよい。
【００８６】
上記各実施の形態における空燃比制御システムでは、現代制御理論を用い、目標空燃比と実際に検出した空燃比（実空燃比）との偏差に応じて空燃比をフィードバック制御していたが、この構成を変更する。例えばＰＩ制御により空燃比をフィードバック制御したり、空燃比をオープン制御したりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図２】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】λＴＧ設定ルーチンを示すフローチャート。
【図４】エンジン回転数及び吸気圧に応じてリッチ時間を設定するためのマップ。
【図５】リッチ時間とＮＯx 浄化率との関係をエンジン運転状態毎に示すグラフ。
【図６】エンジン回転数及び吸気圧に応じてリーン目標空燃比を設定するためのマップ。
【図７】第１の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図８】リッチ時間とその時のトルク変動との関係を示すグラフ。
【図９】第２の実施の形態において、制御システムの追加部分を示す構成図。
【図１０】第２の実施の形態において、リッチ時間学習ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】第２の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図１２】第３の実施の形態において、λＴＧ設定ルーチンの一部を示すフローチャート。
【図１３】エンジン負荷と係数βとの関係を示すグラフ。
【図１４】実リッチ時間と係数α１との関係を示すグラフ。
【図１５】第３の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、３…排気管、１９…ＮＯx 触媒（ＮＯx 吸蔵還元型触媒）、３０…ＥＣＵ（電子制御装置）、３１…リッチ時間設定手段，リッチ時間更新手段，触媒状態検出手段（判定手段），更新中止手段，記憶手段，制御指令値設定手段，実リッチ時間推定手段，リーン時間設定手段を構成するＣＰＵ、３４…バックアップＲＡＭ、４１…触媒状態検出手段を構成するＮＯx センサ。

Claims (11)

1. 内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触媒から放出するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、
   機関運転状態と前記ＮＯx 触媒による所望のＮＯx 浄化率とに応じてリッチ燃焼のためのリッチ時間を設定するリッチ時間設定手段を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記リッチ時間設定手段は、リーンＮＯx 触媒による所望のＮＯx 浄化率が得られる範囲内で、最短のリッチ時間を設定する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触媒から放出するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記リーンＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化状態を検出する触媒状態検出手段と、
   リッチ燃焼のためのリッチ時間を所定の時間周期で短縮側に更新するリッチ時間更新手段と、
   前記検出した触媒のＮＯx 浄化状態からその時のリッチ時間が限界値と判断されると、リッチ時間の短縮側への更新を中止する更新中止手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記触媒状態検出手段は、
   リーンＮＯx 触媒の下流側に設けられた空燃比センサ又はＮＯx センサと、
   当該センサの出力値に基づき、前記ＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化の程度を判定する判定手段と
   からなる内燃機関の空燃比制御装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記更新したリッチ時間を内燃機関の運転領域毎に記憶する記憶手段を更に備える内燃機関の空燃比制御装置。
6. 内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触媒から放出するようにした内燃機関の空燃比制御装置において、
   リッチ燃焼のためのリッチ時間の制御指令値を設定する制御指令値設定手段と、
   機関運転状態に基づき、前記設定したリッチ時間指令値によるリッチ燃焼時の排ガスがリッチとなってリーンＮＯx 触媒に供給される実際の時間を推定する実リッチ時間推定手段と、
   前記推定した実リッチ時間からリーン燃焼のためのリーン時間を設定するリーン時間設定手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
7. 請求項６に記載の空燃比制御装置において、
   制御指令値設定手段は、その時々の機関運転状態に応じた下限値でリッチ時間の制御指令値をガードする内燃機関の空燃比制御装置。
8. 前記実リッチ時間推定手段は、内燃機関の低負荷運転時ほど、リッチ時間指令値に対する実リッチ時間が短くなると推定する請求項６又は請求項７に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
9. 前記リッチ時間設定手段は、エンジン回転数が高いほど又は吸気圧が高いほど、リッチ燃焼のためのリッチ時間を大きな値として設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
10. 前記リッチ時間設定手段は、スロットル開度が大きいほど又はアクセル開度が大きいほど、リッチ燃焼のためのリッチ時間を大きな値として設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
11. 前記制御指令値設定手段は、エンジン回転数が高いほど又は吸気圧が高いほど、リッチ燃焼のためのリッチ時間の制御指令値を大きな値として設定することを特徴とする請求項６乃至請求項８に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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