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JP4679335B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置および制御方法に係り、特に、触媒の酸素貯蔵量に基づいて空燃比制御、触媒劣化判定を行う手段を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関する。
内燃機関（エンジン）の空燃比制御装置として、エンジンの排気通路に設置された触媒の上流側の排気成分を検出する空燃比センサ（Ｏ２センサあるいはリニア空燃比センサ）の出力と、エンジンの燃焼室に吸入される空気量を測定する空気流量センサの出力から、触媒内の酸素貯蔵量を演算し、触媒の酸素貯蔵量に基づいて空燃比制御を行うものがある（例えば、特許文献１）。
また、触媒劣化度検出装置とし、触媒の下流側に取り付けられた空燃比センサの出力に基づいて触媒に貯蔵される酸素の絶対量を推定し、この推定値に基づいて触媒の劣化を検出するものがある（例えば、特許文献２）。更に、触媒上流側の空燃比センサの劣化に対してロバスト性を向上する空燃比センサ劣化診断装置も提案されている（例えば、特許文献３）。
特開２００２−８１３３９号公報 特開平５−１３３２６４号公報 特開平８−２２００５１号公報
上述の如き従来のものは、上流側空燃比センサのばらつきや劣化に対しては考慮されているが、触媒の中心空燃比のばらつき、変動については、十分考慮されていない。
つまり、図２０に示されているように、同じ空燃比センサを用いても、ＨＣ、ＣＯ、Ｎｏｘの三元成分を、触媒で最もよく浄化できる空燃比が、新品触媒と耐久触媒では異なっており、このことに関して従来のものは、十分な考慮をなされていない。
また、図２１（ａ）に示されているように、空燃比をリッチ・リーンに制御した際の酸素貯蔵能力で触媒の劣化を判定する場合、図２１（ｂ）に示されているように、三元触媒の酸素貯蔵量の増減の基準である中心空燃比のずれが酸素貯蔵量の推定精度に影響するが、このことに関しても従来のものは十分な考察を与えていない。
本発明は前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、中心空燃比をオンラインで検出する中心空燃比補正手段をもつ内燃機関の制御装置を提供し、酸素貯蔵量の推定精度を向上させることで触媒浄化性能の向上および触媒診断の精度を高めることである。
前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の制御装置は、触媒の上流側に設置した排気成分を検出するフロント空燃比センサにより検出される実空燃比と、前記触媒のストイキ空燃比である中心空燃比と、前記触媒に流入する空気流量の推定手段あるいは検出手段から得られる空気量とを用いて前記触媒の酸素貯蔵量を演算する酸素貯蔵量演算手段を備えた内燃機関の制御装置であって、前記触媒の下流側に設置したリア空燃比センサの出力と、前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量とに基づいて前記中心空燃比を補正する中心空燃比補正手段を備える。
本構成において、中心空燃比補正手段を備えることによって触媒の劣化やセンサのばらつきに対する酸素貯蔵量推定のロバスト性が向上し、補正された中心空燃比により空燃比を制御することで排気制御の性能や触媒診断の精度が向上する。
より具体的には、中心空燃比補正手段は、前記リア空燃比センサの出力に基づいて触媒内部の空燃比を推定する第１の触媒内空燃比推定部と、前記酸素貯蔵量演算手段によって演算される酸素貯蔵量に基づいて触媒内部の空燃比を推定する第２の触媒内空燃比推定部と、前記第１の触媒内空燃比推定手段による推定空燃比と第２の触媒内空燃比推定部による推定空燃比の出力に基づいて中心空燃比を補正する中心空燃比補正部とを備える。
前記中心空燃比補正手段は、前記第１の触媒内空燃比推定部による推定空燃比がリッチでかつ前記第２の触媒内空燃比推定部による推定空燃比がリッチでないときには、中心空燃比をリーンに補正し、前記第１の触媒内空燃比推定部による推定空燃比がリーンでかつ前記第２の触媒内空燃比推定部による推定空燃比がリーンでないときには、中心空燃比をリッチに補正、あるいは、前記第１の触媒内空燃比推定手段による推定空燃比がストイキでかつ前記第２の触媒内空燃比推定手段による推定空燃比がリーンのときには中心空燃比をリーンに補正し、前記第１の触媒内空燃比推定部による推定空燃比がストイキでかつ記第２の触媒内空燃比推定手段による推定空燃比がリッチのときには中心空燃比をリッチに補正する。
このように、酸素貯蔵量に基づく推定空燃比とリア空燃比センサの出力にもとづく推定空燃比との間の不整合を検知することにより、中心空燃比を正確に補正できる。
また本発明では、中心空燃比を補正して酸素貯蔵量の推定において中心空燃比を補正しながら触媒劣化判定や燃料量補正（空燃比制御）を実施する。本構成においては、酸素貯蔵量推定の精度向上により触媒劣化判定の精度や排気浄化性能が向上する。
また、前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の制御装置は、触媒の上流に設置したフロント空燃比センサにより検出される空燃比が目標空燃比になるように空燃比を制御する空燃比制御手段を備えた内燃機関の制御装置であって、前記触媒に流入する空気量と実空燃比と中心空燃比に基づいて触媒の酸素貯蔵量を演算する酸素貯蔵量演算手段と、触媒下流のリアＯ２センサの出力に基づいてリッチ・リーンを判定するリッチ・リーン判定手段と、前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量と前記リアＯ２センサの出力に基づいて前記中心空燃比を推定する中心空燃比補正手段と、前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量に基づいて前記目標空燃比を補正する第１の目標空燃比補正手段と、前記リッチ・リーン判定手段によってリッチ・リーン判定された時に前記目標空燃比を補正する第２の目標空燃比補正手段とを備える。
そして、前記リッチ・リーン判定手段によってリッチ・リーン判定された時には、前記中心空燃比補正手段による中心空燃比補正か、前記第２の目標空燃比補正手段によるリアＯ２出力をストイキにするための目標空燃比補正の少なくとも一方を行い、前記リッチ・リーン判定手段によってリッチあるいはリーン判定されている時以外は、前記第１の目標空燃比補正手段により触媒の酸素貯蔵量が所定範囲に収まるように目標空燃比を補正する。
本構成において、排気悪化時には目標空燃比補正手段あるいは中心空燃比補正手段による排気悪化を最小限に留める空燃比制御を実施しつつ目標空燃比補正手段による排気悪化を未然に防止する制御を実施することで、高い浄化性能を実現できる。
また、前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の制御装置は、運転状態等に基づいて触媒診断の実行許可を判定する診断許可判定手段と、前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量と前記リアＯ２センサの出力に基づき診断処理を制御する診断ステージ制御手段と、前記診断ステージ制御手段の出力に基づいて目標空燃比を切り替える目標空燃比切り替え手段と、前記空燃比切り替えを実行中に触媒内の酸素貯蔵能力を演算する酸素貯蔵能力演算手段と、前記酸素貯蔵能力に基づいて前記触媒の劣化を判定する。
前記診断ステージ制御手段は、前記リア空燃比センサの出力もしくは前記酸素貯蔵量のいずれか一方に基づいて診断ステージを制御する。
本構成において、中心空燃比を推定することで精度よく算出される酸素貯蔵量に基づいて診断ステージを制御することで、排気悪化を最小限に抑えつつ触媒を診断できる。
また、前記目的を達成するために、本発明による内燃機関の制御方法は、触媒の上流側に設置した排気成分を検出するフロント空燃比センサにより検出される実空燃比と、前記触媒のストイキ空燃比である中心空燃比と、前記触媒に流入する空気流量の推定手段あるいは検出手段から得られる空気量とを用いて前記触媒の酸素貯蔵量を演算する酸素貯蔵量演算手段を備えた内燃機関の制御方法であって、前記中心空燃比を、前記触媒の下流側に設置したリア空燃比センサの出力と、前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量とに基づいて補正する。
本発明によれば、触媒の中心空燃比を精度よく、しかも早く推定（補正）できる。また、触媒の酸素貯蔵量をより正確に求めることができるため、触媒の浄化効率を常に高く保つ排気制御が実現できる。また、酸素貯蔵量を適切に制御できるため、診断時の排気悪化を防止できる。
以下、本発明の内燃機関の制御装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明による内燃機関の制御装置を適用される筒内噴射式内燃機関（エンジン）の制御システムの全体構成を示している。
エンジン１０７は、シリンダブロック１０７ｂとピストン１０７ａによって複数個の燃焼室１０７ｃを画定している。
エンジン１０７の燃焼室１０７ｃに導入される吸入空気は、エアクリーナ１０２の入口部１０２ａから取り入れられ、内燃機関の運転状態計測手段の一つである空気流量計（エアフローセンサ）１０３を通り、吸気流量を制御する電制スロットル弁１０５ａが収容されたスロットルボディ１０５を通ってコレクタ１０６に入る。電制スロットル弁１０５ａは電動モータ１２４によって駆動され、開度設定される。
エアフローセンサ１０３は、吸気流量を表す信号を内燃機関制御装置であるコントロールユニット１１５に出力する。スロットルボディ１０５には、内燃機関の運転状態計測手段の一つとして、電制スロットル弁１０５ａの開度を検出するスロットルセンサ１０４が取り付けられている。スロットルセンサ１０４は、電制スロットル弁１０５ａの開度を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。
コレクタ１０６に吸入された空気は、シリンダブロック１０７ｂに接続された吸気管１０１によって各燃焼室１０７ｃに分配供給される。
ガソリン等の燃料は、燃料タンク１０８から燃料ポンプ１０９により一次加圧されて燃料圧力レギュレータ１１０により一定の圧力に調圧され、高圧燃料ポンプ１１１によって高い圧力に二次加圧されてコモンレール１２５へ圧送される。高圧燃料は、各燃焼室１０７ｃ毎に設けられているインジェクタ１１２によって燃焼室１０７ｃ内に直接噴射される。
コモンレール１２５には高圧燃料の圧力を検出する燃料圧力センサ１２１が取り付けられている。燃料圧力センサ１２１は高圧燃料の圧力を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。
シリンダブロック１０７ｂには各燃焼室１０７ｃ毎に点火プラグ１１４が取り付けられている。燃焼室１０７ｃに噴射された燃料は、点火コイル１１３によって高電圧化された点火信号により点火プラグ１１４によって着火される。
排気弁１０７ｄのカムシャフト１００にはカム角センサ１１６が取り付けられている。カム角センサ１１６は、カムシャフト１００の位相を検出するための信号をコントロールユニット１１５に出力する。ここで、カム角センサ１１６は、吸気弁１０７ｅ側のカムシャフト１２２に取り付けられてもよい。
また、エンジン１０７のクランクシャフト１０７ｆの回転と位相を検出するために、クランク角センサ１１７がクランクシャフト１０７ｆに設けられている。クランク角センサ１１７は、クランクシャフト１０７ｆの回転と位相を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。
排気管１１９には触媒１２０が設けられている。触媒１２０の上流側にはリニア空燃比センサ（フロント空燃比センサ）１１８が設けられている。リニア空燃比センサ１１８は、排気ガス中の酸素を定量的に検出し、その検出信号をコントロールユニット１１５に出力する。触媒１２０の下流側には、排気ガス中の酸素の有無を検出するリアＯ２センサ（リア空燃比センサ）１２６が取り付けられている。リアＯ２センサ１２６は排気ガス中の酸素の有無を表す信号をコントロールユニット１１５に出力する。
なお、ここでは、筒内噴射式内燃機関について説明したが、本発明は、これに限らず、インジェクタ１１２を吸気ポートに取り付けたポート噴射内燃機関についても適用できる。
図２は、本発明による内燃機関の制御装置（エンジン制御装置）の一つの実施形態の概要を示している。
このエンジン制御装置は、マイクロコンピュータによる電子制御式のコントロールユニット１１５によって具現化されるものであり、酸素貯蔵量演算手段２０６と、中心空燃比補正手段２０７と、空燃比制御手段２０８とを有する。
酸素貯蔵量演算手段２０６は、エンジン１０７の吸入空気量を計測するエアフローセンサ１０３と、触媒１２０の上流側に設置されたリニア空燃比センサ１１８の出力（実空燃比）に基づき、吸入空気量×（実空燃比−中心空燃比）なる演算を、所定周期毎、例えば、制御周期毎に行い、演算結果を積算することにより、触媒１２０に貯蔵される酸素貯蔵量（ＶＯＳ）を算出する。
なお、吸入空気量は触媒１２０に流入する空気流量に等しいから、ここでは、触媒１２０に流入する空気流量をエアフローセンサ１０３から得られる吸気空気量を用いて酸素貯蔵量の演算を行っている。この酸素貯蔵量の演算は、触媒１２０に流入する空気流量を推定手段によって推定した空気量を用いて行うこともできる。
本発明の特徴は、上述の酸素貯蔵量演算に用いられる中心空燃比を、酸素貯蔵量と触媒１２０の下流に設置されたリアＯ２センサ１２６の出力を用いて補正する中心空燃比補正手段２０７を設けたことである。
このようにすることで、触媒１２０の劣化によって中心空燃比が変わっても、あるいはセンサのばらつきや劣化により触媒１２０の上流側のリニア空燃比センサ１１８にオフセットが生じても、中心空燃比を正確に推定できる。
空燃比制御手段２０８は、中心空燃比補正手段２０７によって補正される中心空燃比に基づいて空燃比を制御するものであり、リニア空燃比センサ１１８により検出される空燃比が中心空燃比になるように、燃焼室１０７ｃに供給される混合気の空燃比を制御、つまり、インジェクタ１１２による燃料噴射量を制御する。
本発明は、触媒１２０の下流側のリアＯ２センサ１２６を基準とし、これらに基づいて中心空燃比を補正するものであるが、従来のものと異なって酸素貯蔵量を用いているために過渡運転であっても中心空燃比を補正できる。これにより、中心空燃比を、従来よりも、早く、正確に補正できる。
このように、中心空燃比が、早く、正確に補正されることにより、中心空燃比を用いる空燃比制御手段２０８の空燃比制御が、正確に、的確に行われ、触媒浄化性能が向上する。
図３は、中心空燃比補正手段２０７の詳細を示している。
中心空燃比補正手段２０７は、第１の触媒内空燃比推定部２０７Ａと、第２の触媒内空燃比推定部２０７Ｂと、中心空燃比補正部２０７Ｃとを有する。
第１の触媒内空燃比推定部２０７Ａは、リアＯ２センサ１２６が出力する電圧値ＶＯ２より推定空燃比Ａを推定するものであり、図４（ａ）に示されているように、リアＯ２センサ１２６の電圧値ＶＯ２が所定範囲（ＬＶＯ２からＲＶＯ２まで）であれば、推定空燃比Ａをストイキ、電圧値ＶＯ２がリーン判定電圧ＬＶＯ２よりも小さければ、推定空燃比Ａをリーン、電圧値ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＶＯ２よりも大きければ、推定空燃比Ａをリッチとする。
なお、リーン判定電圧ＬＶＯ２、リッチ判定電圧ＲＶＯ２は、定常運転で触媒浄化効率が所定値以上であるときのリアＯ２センサ出力値で決めれればよく、条件にもよるが、大体、ＬＶＯ２＝０．６Ｖ、ＲＶＯ２＝０．８Ｖぐらいになる。
第２の触媒内空燃比推定部２０７Ｂは、酸素貯蔵量演算手段２０６より入力する酸素貯蔵量ＶＯＳを用いて推定空燃比Ｂを推定するものであり、図４（ｂ）に示されているように、酸素貯蔵量演算手段２０６より入力する酸素貯蔵量ＶＯＳが下限酸素貯蔵量判定レベル（下限ＯＳ量）ＬＶＯＳから上限酸素貯蔵量判定レベルＨＶＯＳの間であれば、推定空燃比Ｂをストイキ、酸素貯蔵量ＶＯＳが下限酸素貯蔵量判定レベルＬＶＯＳよりも小さければ、推定空燃比Ｂをリーン、酸素貯蔵量ＶＯＳが上限酸素貯蔵量判定レベルＨＶＯＳよりも大きければ、推定空燃比Ｂをリーンとする。
下限酸素貯蔵量判定レベルＬＶＯ２、上限酸素貯蔵量判定レベルＨＶＯＳは、制御設計値であり、例えば、酸素貯蔵量ＶＯＳを所定範囲に抑える時の上限や下限をしきい値として用いてもよい。また、酸素貯蔵量ＶＯＳの基準値０は、リアＯ２センサ出力が基準値（例えば、０．７Ｖ）を横切った時の値、あるいは触媒診断で算出される酸素貯蔵能力の半分の値を使えばよい。
なお、ここでは、推定空燃比Ａ、Ｂを、リッチ、ストイキ、リーンの３つに分けているが、さらに多く分けてもよい。
中心空燃比補正部２０７Ｃが行う中心空燃比補正の一つの実施形態を、図５に示されているフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ４０１では、中心空燃比の補正条件が成立しているか否かを判定する。中心空燃比の補正条件が成立していれば、ステップＳ４０２以降を実行し、中心空燃比の補正条件が成立していなければ、処理を終了する。
中心空燃比の補正条件としては、例えば、触媒上下流の空燃比センサが故障していないとか、第１の触媒内空燃比推定部２０７Ａによる推定空燃比Ａがストイキを示している継続時間が所定時間（３０秒）より長いことなどが挙げられる。
つぎに、ステップＳ４０２では、推定空燃比Ａがリッチになったときの推定空燃比Ｂがリッチであるか否かの判別を行う。
推定空燃比Ａがリッチになったときの推定空燃比Ｂがリッチでない場合には、ステップＳ４０３に進み、中心空燃比を補正する。
ステップＳ４０３では、中心空燃比がリッチ側にずれていることを補正するために、中心空燃比をリーン補正する。
これに対し、ステップＳ４０２の判別で、推定空燃比Ａがリッチになったときの推定空燃比Ｂがリッチである場合には、ステップＳ４０４へ進み、推定空燃比Ａがリーンになったときの推定空燃比Ｂがリーンであるか否かの判別を行う。
推定空燃比Ａがリーンになったときの推定空燃比Ｂがリーンでない場合には、ステップＳ４０５に進み、中心空燃比を補正する。
ステップＳ４０５では、中心空燃比がリーン側にずれているのを補正するために、中心空燃比をリッチ補正する。
なお、ステップＳ４０３、Ｓ４０５における中心空燃比の補正量は、常に同じ所定値にしてもよいし、下限酸素貯蔵量判定レベルＬＶＯＳと酸素貯蔵量ＶＯＳの差に比例した量にしてもよい。また、Ｎｏｘの悪化防止感度を上げるためには、リーン補正量＜リッチ補正量とし、逆に、ＨＣ、ＣＯの悪化防止感度を上げるためには、リーン補正量＞リッチ補正量としてもよい。
図６（ａ）〜（ｃ）は、図５に示した中心空燃比推定処理を実行した際のタイムチャートの一例である。
このタイムチャートでは、時点ａにおいて、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＶＯ２を超えたときに、酸素貯蔵量ＶＯＳが下限酸素貯蔵量判定レベルＬＶＯＳより大きいため、中心空燃比をリッチ補正している。リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＲＶＯ２よりも小さくなる時点ｂまでの間は、酸素貯蔵量ＶＯＳを０にリセットすることで、酸素貯蔵量の誤差を小さくしている。
図７（ａ）〜（ｃ）は、図５に示した中心空燃比推定処理を実行した際のタイムチャートの他の例である。
このタイムチャートでは、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＶＯ２を短い時間間隔ｔで横切っており、Ｎ＝１、２、３と推定空燃比Ａがリッチであるのに対して、酸素貯蔵量ＶＯＳによる推定空燃比は常にストイキである。そこで、Ｎ＝３のときに酸素貯蔵量ＶＯＳを０にリセットし、かつ中心空燃比のリーン補正を行っている。
中心空燃比補正部２０７Ｃが行う中心空燃比補正処理の他の実施形態を、図８に示されているフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ１５０１では、中心空燃比の補正条件が成立しているか否かを判定する。中心空燃比の補正条件が成立していれば、ステップＳ１５０２以降を実行し、中心空燃比の補正条件が成立していなければ処理を終了する。
中心空燃比の補正条件としては、前述の実施形態と同様に、例えば、触媒上下流の空燃比センサが故障していないとか、第１の触媒内空燃比推定部２０７Ａによる推定空燃比Ａがストイキを示している継続時間が所定時間（３０秒）より長いことなどが挙げられる。
つぎに、ステップＳ１５０２では、推定空燃比Ａがストイキであるときの推定空燃比Ｂがリーンであるか否かの判別を行う。
推定空燃比Ａがストイキであるときに、推定空燃比Ｂがリーンとなった場合には、ステップＳ１５０３に進み、中心空燃比を補正する。
ステップＳ１５０３では、中心空燃比がリッチ側にずれているのを補正するために、中心空燃比をリーン補正する。
これに対し、ステップＳ１５０２の判別で、推定空燃比Ａがストイキであるときに、推定空燃比Ｂがリーンでない場合には、ステップＳ１５０４へ進み、推定空燃比Ａがストイキであるときの推定空燃比Ｂがリッチであるか否かの判別を行う。
推定空燃比Ａがストイキであるときに、推定空燃比Ｂがリッチとなった場合には、ステップＳ１５０５に進み、中心空燃比を補正する。
ステップＳ１５０５では、中心空燃比がリーン側にずれているのを補正するために中心空燃比をリッチ補正する。
なお、ステップＳ１５０３、Ｓ１５０５における中心空燃比の補正量は、常に同じ所定値にしてもよいし、下限酸素貯蔵量判定レベルＬＶＯＳと酸素貯蔵量ＶＯＳの差に比例した量にしてもよい。また、Ｎｏｘの悪化防止感度を上げるためには、リーン補正量＜リッチ補正量とし、逆にＨＣ、ＣＯの悪化防止感度を上げるためには、リーン補正量＞リッチ、補正量としてもよい。
図９（ａ）〜（ｃ）は、図８に示した中心空燃比推定処理を実行した際のタイムチャートの一例である。
このタイムチャートでは、推定空燃比Ａがストイキである（リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＶＯ２とリーン判定電圧ＬＶＯ２の間にある）のに対し、推定空燃比Ｂがリーンとなる（酸素貯蔵量がＨＶＯＳよりも大きい）ため、中心空燃比をリーン補正している。
図１０は、本発明による内燃機関の制御装置の他の実施形態の概要を示している。
この実施形態では、エンジン制御装置は、酸素貯蔵量演算手段２０６と、中心空燃比補正手段２０７と、空燃比制御手段２０８に加えて、触媒劣化判定手段７０８を有する。
触媒劣化判定手段７０８は、酸素貯蔵量演算手段２０６によって演算された酸素貯蔵量に基づいて触媒の劣化を判定する。触媒劣化判定手段７０８が触媒劣化を判定した場合には、警告灯７０９が点灯する。
本実施形態では、酸素貯蔵量演算に用いられる中心空燃比が中心空燃比補正手段２０７によって補正され、酸素貯蔵量演算手段２０６は、補正された中心空燃比を用いて酸素貯蔵量を演算するから、酸素貯蔵量の演算が正確に行われる。
触媒劣化判定手段７０８は、酸素貯蔵量演算手段２０６によって正確に演算された酸素貯蔵量に基づいて触媒の劣化判定を行うことから、触媒劣化判定に関して正確な診断結果を得ることができる。
図１１は、本発明による内燃機関の制御装置（エンジン制御装置）の他の実施形態の概要を示している。
この実施形態では、エンジン制御装置は、酸素貯蔵量演算手段２０６と、中心空燃比補正手段２０７に加えて、燃料量補正手段８０８を有する。
燃料量補正手段８０８は、酸素貯蔵量演算手段２０６によって演算される酸素貯蔵量に基づき空燃比を制御する。
酸素貯蔵量演算手段２０６によって演算される酸素貯蔵量は、中心空燃比補正手段２０７によって補正された中心空燃比を用いて演算されたものであるから、正確性に優れている。この正確性に優れた酸素貯蔵量に基づいて燃料量補正手段８０８が燃料量補正を行うから、触媒１２０内の酸素貯蔵量を正確に制御でき、より高性能な排気制御が実現できるようになる。
図１２は、本発明による内燃機関の制御装置の別の実施形態を示している。なお、図１２において、図１、図２に対応する部分は、図１、図２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施形態は、酸素貯蔵量演算手段９０１と、中心空燃比補正手段９０２と、第１の空燃比補正手段９０３と、第２の空燃比補正手段９０４と、リセット判定手段９０５と、リッチ・リーン判定手段９０６と、空燃比制御手段９０７とを有する。
空燃比制御手段９０７は、リニア空燃比センサ１１８により検出される空燃比が目標空燃比になるように、インジェクタ１１２による燃料噴射量を制御する。
酸素貯蔵量演算手段９０１は、中心空燃比補正手段９０２から得られる中心空燃比と、エアフローセンサ（吸入空気量センサ）１０３から得られる吸入空気量と、触媒前のリニア空燃比センサ１１８から得られる実空燃比に基づいて酸素貯蔵量（ＶＯＳ量）を演算する。
ただし、酸素貯蔵量演算手段９０１は、リアＯ２センサ１２６の出力ＶＯ２が目標電圧（例えば、０．７Ｖ）に到達した際に、リセット判定を行うリセット判定手段９０５によって、零にリセットされる。
リッチ・リーン判定手段９０６は、リアＯ２センサ１２６の出力ＶＯ２に基づいて触媒１２０の雰囲気を判定し、リッチあるいはリーン判定時にリッチ・リーンフラグを“１”にする。
リッチ・リーンフラグが“１”のときには、中心空燃比補正手段９０２および第２の目標空燃比補正手段９０４が起動（動作）する。リッチ・リーンフラグが“０”のときには、第１の目標空燃比補正手段９０３が起動（動作）する。
図１３は、中心空燃比補正手段９０２および第２の目標空燃比補正手段９０４が動作しているときのタイムチャートの一例である。
このタイムチャートでは、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＶＯ２を超えた区間Ｔｒで、中心空燃比をリーンに補正し、さらに第２の目標空燃比補正手段９０４により、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がリッチ判定電圧ＲＶＯ２を下回るまで、目標空燃比をリーン空燃比に設定し、空燃比（実空燃比）をリーンに制御する。
図１４は、第１の目標空燃比補正手段９０３が動作しているときのタイムチャートの一例である。
このタイムチャートでは、酸素貯蔵量ＶＯＳが上限ＯＳ量ＨＶＯＳを超えている区間Ｔｌにおいて、目標空燃比をリッチ空燃比に設定して空燃比（実空燃比）をリッチに制御し、酸素貯蔵量ＶＯＳを減らすことで、触媒１２０の酸素貯蔵量ＶＯＳを所定範囲内（上限ＯＳ量から下限ＯＳ量の範囲）に保つことができる。
触媒１２０内の酸素貯蔵量ＶＯＳを精度よく推定し、かつ酸素貯蔵量ＶＯＳを所定範囲に保つことで、どのような運転状態であっても触媒１２０の浄化性能を高度に保つことができる。
図１５は、本発明による内燃機関の制御装置（エンジン制御装置）の別の実施形態を示している。なお、図１５において、図１２に対応する部分は、図１２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施形態では、エンジン制御装置は、酸素貯蔵量演算手段９０１と、中心空燃比補正手段９０２と、空燃比制御手段９０７と、診断許可判定手段１７０１と、診断ステージ制御１７０２と、酸素貯蔵能力演算手段１７０３と、触媒劣化判定手段１７０４と、目標空燃比切り替え手段１７０５とを有する。
診断許可判定手段１７０１は、運転状態等に基づいて触媒診断の許可を与える。
診断ステージ制御１７０２は、触媒診断許可手段１７０１により診断が許可された際に、酸素貯蔵量演算手段９０１により算出される酸素貯蔵量（ＶＯＳ）と、リアＯ２センサ１２６の出力（ＶＲＯ２）に基づいて診断ステージ（後述）を制御する。
目標空燃比切り替え手段１７０５は、診断ステージに基づいて空燃比制御手段９０７によって実空燃比を制御する目標となる目標空燃比をリッチもしくはリーンに切り替える。
また、この空燃比を切り替えている間に、つまり、実空燃比が中心空燃比からずれている間に、酸素貯蔵能力演算手段１７０３において触媒１２０内の酸素貯蔵能力を演算し、触媒劣化判定手段１７０４では、酸素貯蔵能力の低下から触媒１２０が劣化したと判定される場合には、ユーザ注意を促すために警告灯１７０６を点灯する。
図１５に示されている実施形態のエンジン制御装置の処理フローを、図１６に示されているフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１８０１では、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２を測定し、ステップＳ１８０２では、中心空燃比からの実空燃比の偏差と空気流量を用いて酸素貯蔵量ＶＯＳを演算する。
まず、ステップ１８０３では、診断許可条件が成立しているか否かを判別する。診断許可条件が成立している場合には、ステップＳ１８０４以降を実施する。
診断許可条件としては、例えば、運転状態が所定状態にあること、酸素貯蔵量ＶＯＳを演算できる状態であること（空気流量が酸素貯蔵量ＶＯＳを演算できる範囲にあること、酸素貯蔵量演算で用いる各センサが異常と診断されていないこと等）、触媒１２０が十分活性化している状態であること等が挙げられる。
ステップＳ１８０４では、診断ステージ制御を行う。具体的には、各ステージの遷移をここで制御する。
ここでは、ステージ１を触媒１２０の初期化、ステージ２を触媒１２０の能力測定、ステージ３を触媒１２０の状態判定とし、それぞれのステージの遷移条件が成立したか否かを酸素貯蔵量ＶＯＳ、もしくはリアＯ２センサ１２６の出力ＶＯ２によって判断し、ステージを制御する。
ステップＳ１８０５では、ステージ１であるかどうか否かを判定し、ステージ１であるならば、ステップＳ１８０６に進み、触媒１２０の初期化処理を行う。
ステップＳ１８０７では、ステージ２であるかどうか否かを判定し、ステージ２であるならば、ステップＳ１８０８に進み、触媒１２０の能力測定を行う。
ステップＳ１８０９では、ステージ３であるかどうか否かを判定し、ステージ３であるならば、ステップ１８１０に進み、触媒１２０の状態判定を行う。
図１７は、図１６のフローチャートに示されている処理フローを実施した際のタイムチャートの一例である。
診断ステージ制御により出力される診断ステージ信号に基づいて目標空燃比は制御される。
ステージ１では、触媒１２０の初期化のために、目標空燃比をリッチとし、実空燃比を、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がステージ１終了判定電圧ＳＴ１ＶＯ２になるまで、リッチに制御している。
つぎに、ステージ２では、目標空燃比をリーンとし、実空燃比が中心空燃比よりもリーンになってから、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がステージ２終了判定電圧ＳＴ２ＶＯ２になるまで、酸素貯蔵能力ＶＯＳＦを演算する。
つぎに、ステージ３では、目標空燃比を通常の排気制御の値に戻すとともに、酸素貯蔵能力ＶＯＳＦに基づいて触媒１２０の異常を判定する。
図１８は、酸素貯蔵能力ＶＯＳＦと排気浄化性能の関係を示している。触媒１２０の劣化により酸素貯蔵能力ＶＯＳＦが低下し、排気浄化性能が低下するため、例えば、規制などによって予め定めておいたＭＩＬ（警告灯）点灯クライテリアよりも測定した酸素貯蔵能力ＶＯＳＦが小さくなった時には触媒異常と判定する。
図１９は、図１６のフローチャートに示されている処理フローを実施した際のタイムチャートの別例である。
リアＯ２センサ電圧ＶＯ２がステージ１終了判定電圧ＳＴ１ＶＯ２、ステージ２終了判定電圧ＳＴ２ＶＯ２に触れるまで、実空燃比をリッチあるいはリーンに切り替えると（図１７の実施形態）、新品触媒では時間がかかり、排気悪化の虞れもある。
そこで、ここでは、酸素貯蔵量ＶＯＳに基づいてステージを制御することで、正確な酸素貯蔵能力は推定しないが、異常だけは判定できる例を示す。
ステージ１では、触媒１２０の初期化のために、目標空燃比をリッチとし、実空燃比を、酸素貯蔵量ＶＯＳがステージ１終了ＯＳ量ＳＴ１ＶＯＳになるまで、リッチに制御している。
つぎに、ステージ２では、目標空燃比をリーンとし、実空燃比が中心空燃比よりもリーンになってから、酸素貯蔵量ＶＯＳがステージ２終了ＯＳ量ＳＴ２ＶＯＳになるまで、酸素貯蔵能力ＶＯＳＦを演算する。
つぎに、ステージ３では、目標空燃比を通常の排気制御の値に戻すとともに、酸素貯蔵能力ＶＯＳＦに基づいて触媒１２０の異常を判定する。
ここで、ステージ１終了ＯＳ量ＳＴ１ＶＯＳおよびステージ２終了ＯＳ量ＳＴ２ＶＯＳは、前述のＭＩＬ点灯クライテリアよりも大きくとればよく、リアＯ２センサ電圧ＶＯ２を振る必要がないので、排気悪化の虞れがない。なお、酸素貯蔵量ＶＯＳを予め所定値に制御している場合には、ステージ１を省略することもできる。
上述したように、中心空燃比を補正して触媒貯蔵量の演算精度を向上することで、常に精度よく触媒診断を行うことができる。
本発明による内燃機関の制御装置を適用される筒内噴射式内燃機関（エンジン）の制御システムの全体構成を示す構成図。 本発明による内燃機関の制御装置（エンジン制御装置）の一つの実施形態の概要を示すブロック図。 本実施形態における中心空燃比補正手段の詳細を示すブロック図。 （ａ）は第１の触媒内空燃比推定手段による空燃比推定特性を示すグラフ、（ｂ）は第２の触媒内空燃比推定手段による空燃比推定特性を示すグラフ。 本実施形態の中心空燃比補正部が行う中心空燃比補正の一つの実施形態を示すフローチャート。 図５に示されている中心空燃比推定処理を実行した際のタイムチャートの一例で、（ａ）はリアＯ２センサ電圧を、（ｂ）は酸素貯蔵量を、（ｃ）は中心空燃比と実空燃比を示している。 、図５に示されている中心空燃比推定処理を実行した際のタイムチャートの別例で、（ａ）はリアＯ２センサ電圧を、（ｂ）は酸素貯蔵量を、（ｃ）は中心空燃比と実空燃比を示している。 中心空燃比補正部が行う中心空燃比補正処理の他の実施形態を示すフローチャート。 図８に示されている中心空燃比推定処理を実行した際のタイムチャートの一例で、（ａ）はリアＯ２センサ電圧を、（ｂ）は酸素貯蔵量を、（ｃ）は中心空燃比と実空燃比を示している。 本発明による内燃機関の制御装置の他の実施形態の概要を示すブロック図。 本発明による内燃機関の制御装置の他の実施形態の概要を示すブロック図。 本発明による内燃機関の制御装置の別の実施形態を示すブロック図。 別の実施形態における中心空燃比補正手段および第２の目標空燃比補正手段が動作しているときのタイムチャートの一例で、（ａ）は中心空燃比と目標空燃比と実空燃比を、（ｂ）は酸素貯蔵量を、（ｃ）はリアＯ２センサ電圧を示している。 別の実施形態における第１の目標空燃比補正手段が動作しているときのタイムチャートの一例で、（ａ）は中心空燃比と目標空燃比と実空燃比を、（ｂ）は酸素貯蔵量を、（ｃ）はリアＯ２センサ電圧を示している。 本発明による内燃機関の制御装置（エンジン制御装置）の別の実施形態を示すブロック図。 図１５に示されている実施形態のエンジン制御装置の処理フローを示すフローチャート。 図１６のフローチャートに示されている処理フローを実施した際のタイムチャートの一例で、（ａ）で診断ステージを、（ｂ）は中心空燃比と目標空燃比と実空燃比を、（ｃ）は酸素貯蔵量を、（ｄ）はリアＯ２センサ電圧を、（ｅ）酸素貯蔵能力を示している。 酸素貯蔵能力と排気浄化性能の関係を示すグラフ。 図１６のフローチャートに示されている処理フローを実施した際のタイムチャートの別例で、（ａ）で診断ステージを、（ｂ）は中心空燃比と目標空燃比と実空燃比を、（ｃ）は酸素貯蔵量を、（ｄ）はリアＯ２センサ電圧を、（ｅ）酸素貯蔵能力を示している。 触媒の中心空燃比の特徴を示すグラフ。 （ａ、（ｂ）は従来の酸素貯蔵量に基づく触媒診断の課題を説明する図。
符号の説明
１０１ 吸気管
１０３ エアフローセンサ
１０４ スロットルセンサ
１０７ 筒内噴射内燃機関
１０９ 燃料ポンプ
１１１ 高圧燃料ポンプ
１１２ インジェクタ
１１３ 点火コイル
１１４ 点火プラグ
１１５ コントロールユニット
１１６ カム角センサ
１１７ クランク角センサ
１１８ リニア空燃比センサ
１１９ 排気管
１２０ 触媒
１２６ リアＯ２センサ
２０６ 酸素貯蔵量演算手段
２０７ 中心空燃比補正手段
２０７Ａ 第１の触媒内空燃比推定部
２０７Ｂ 第２の触媒内空燃比推定部
２０７Ｃ 中心空燃比補正部
２０８ 空燃比制御手段
７０８ 触媒劣化判定手段
７０９ 警告灯
８０８ 燃料補正手段
９０１ 酸素貯蔵量演算手段
９０２ 中心空燃比補正手段
９０３ 第１の目標空燃比補正手段
９０４ 第２の目標空燃比補正手段
９０５ リセット判定手段
９０６ リッチ・リーン判定手段
９０７ 空燃比制御手段
１７０１ 診断許可判定手段
１７０２ 診断ステージ制御手段
１７０３ 酸素貯蔵能如句演算手段
１７０４ 触媒劣化判定手段
１７０５ 目標空燃比切り替え手段

Claims (5)

  1. 三元触媒に流入する空気量と、前記三元触媒の上流に設置したフロント空燃比センサにより検出される実空燃比と、前記三元触媒の酸素貯蔵量の増減の基準である中心空燃比と、に基づいて前記三元触媒の酸素貯蔵量を演算する酸素貯蔵量演算手段を備えた内燃機関の制御装置であって、
    運転状態に基づいて触媒診断の実行の許可を判定する診断許可判定手段と、
    該診断許可判定手段により前記触媒診断の実行が許可された際に、前記酸素貯蔵量演算手段の出力と前記リア空燃比センサの出力に基づき診断処理を制御する診断ステージ制御手段と、
    前記診断ステージ制御手段の出力に基づいて目標空燃比を切り替える目標空燃比切り替え手段と、
    前記空燃比切り替え手段により実空燃比が中心空燃比からずれている間に前記三元触媒内の酸素貯蔵能力を演算する酸素貯蔵能力演算手段と、
    前記酸素貯蔵能力に基づいて前記三元触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段と、
    を備えたこと特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記診断ステージ制御手段は、前記リア空燃比センサの出力もしくは前記酸素貯蔵量のいずれか一方に基づいて診断ステージを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記実空燃比が目標空燃比になるように空燃比を制御する空燃比制御手段と、
    前記三元触媒の下流のリア空燃比センサの出力に基づいてリッチあるいはリーン判定するリッチ・リーン判定手段と、
    前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量と前記リア空燃比センサの出力に基づいて前記中心空燃比を補正する中心空燃比補正手段と、
    前記酸素貯蔵量演算手段により演算される酸素貯蔵量に基づいて前記目標空燃比を補正する第１の目標空燃比補正手段と、
    前記リッチ・リーン判定手段によってリッチあるいはリーン判定された時に前記目標空燃比を補正する第２の目標空燃比補正手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記リッチ・リーン判定手段によってリッチあるいはリーン判定された時には、前記中心空燃比補正手段による中心空燃比補正、または、前記第２の目標空燃比補正手段による前記リア空燃比センサの出力をストイキにするための目標空燃比補正の少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記リッチ・リーン判定手段によってリッチあるいはリーン判定された時以外は、前記第１の目標空燃比補正手段により前記三元触媒の酸素貯蔵量が所定範囲に収まるように目標空燃比を補正することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
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