(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023139446
(43)【公開日】2023-10-04
(54)【発明の名称】エンジンの空燃比制御装置
(51)【国際特許分類】
F02D 41/14 20060101AFI20230927BHJP
F02D 41/32 20060101ALI20230927BHJP
F02D 45/00 20060101ALI20230927BHJP
【ＦＩ】
F02D41/14
F02D41/32
F02D45/00 366
F02D45/00 360A
F02D45/00 368F
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022044984
(22)【出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000002082
【氏名又は名称】スズキ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001380
【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】津田 豊史
【テーマコード（参考）】
3G301
3G384
【Ｆターム（参考）】
3G301JA03
3G301JA11
3G301JA37
3G301LB02
3G301MA01
3G301MA11
3G301NA08
3G301ND07
3G301NE13
3G301NE14
3G301NE15
3G301PA01Z
3G301PD04Z
3G301PE03Z
3G301PE08Z
3G301PF03Z
3G384BA04
3G384BA09
3G384DA10
3G384DA56
3G384EA01
3G384EB05
3G384EB06
3G384EB07
3G384EB08
3G384ED07
3G384FA01Z
3G384FA06Z
3G384FA28Z
3G384FA37Z
3G384FA58Z
(57)【要約】
【課題】空燃比振動制御の不要な実施を回避して、排気の浄化率と運転性との両立を図る。
【解決手段】エンジンの空燃比制御装置は、排気の空燃比に応じた信号を出力可能に構成された排気センサと、排気センサにより出力された信号を取得可能に構成されたコントローラと、を備える。コントローラは、排気センサにより出力された信号をもとに、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をストイキ相当値に制御する空燃比フィードバック制御と、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、ストイキ相当値に対してリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比振動制御と、を切り替えて実行可能である。エンジンの運転状態が触媒温度と排気流量とに応じて定まる第１領域にある場合は、空燃比振動制御を実行する一方、第１領域以外の第２領域にある場合は、空燃比フィードバック制御を実行する。
【選択図】 図２
【解決手段】エンジンの空燃比制御装置は、排気の空燃比に応じた信号を出力可能に構成された排気センサと、排気センサにより出力された信号を取得可能に構成されたコントローラと、を備える。コントローラは、排気センサにより出力された信号をもとに、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をストイキ相当値に制御する空燃比フィードバック制御と、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、ストイキ相当値に対してリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比振動制御と、を切り替えて実行可能である。エンジンの運転状態が触媒温度と排気流量とに応じて定まる第１領域にある場合は、空燃比振動制御を実行する一方、第１領域以外の第２領域にある場合は、空燃比フィードバック制御を実行する。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気通路に排気浄化触媒を備えるエンジンの空燃比制御装置であって、
前記排気通路に設置され、前記排気通路を流れる排気の空燃比に応じた信号を出力可能に構成された排気センサと、
前記排気センサにより出力された信号を取得可能に構成されたコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記排気センサにより出力された信号をもとに、前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をストイキ相当値に制御する空燃比フィードバック制御を実行する空燃比フィードバック制御手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、前記ストイキ相当値に対してリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比振動制御を実行する空燃比振動制御手段と、
エンジンの運転状態が、前記排気浄化触媒の触媒温度と排気流量とに応じて定まる所定の第１領域にあるか、前記第１領域以外の第２領域にあるかを判定する運転領域判定手段と、
前記エンジンの運転状態が前記第１領域にある場合は、前記空燃比振動制御手段により前記空燃比振動制御を実行する一方、前記エンジンの運転状態が前記第２領域にある場合は、前記空燃比フィードバック制御手段により前記空燃比フィードバック制御を実行する空燃比制御選択実行手段と、を有する、エンジンの空燃比制御装置。
前記排気通路に設置され、前記排気通路を流れる排気の空燃比に応じた信号を出力可能に構成された排気センサと、
前記排気センサにより出力された信号を取得可能に構成されたコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記排気センサにより出力された信号をもとに、前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をストイキ相当値に制御する空燃比フィードバック制御を実行する空燃比フィードバック制御手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、前記ストイキ相当値に対してリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比振動制御を実行する空燃比振動制御手段と、
エンジンの運転状態が、前記排気浄化触媒の触媒温度と排気流量とに応じて定まる所定の第１領域にあるか、前記第１領域以外の第２領域にあるかを判定する運転領域判定手段と、
前記エンジンの運転状態が前記第１領域にある場合は、前記空燃比振動制御手段により前記空燃比振動制御を実行する一方、前記エンジンの運転状態が前記第２領域にある場合は、前記空燃比フィードバック制御手段により前記空燃比フィードバック制御を実行する空燃比制御選択実行手段と、を有する、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項2】
前記排気浄化触媒の入口ガス温度またはこれに相関する状態変数を検出可能に構成された第１状態センサと、
排気流量またはこれに相関する状態変数を検出可能に構成された第２状態センサと、をさらに備え、
前記運転領域判定手段は、前記排気浄化触媒の入口ガス温度が所定の温度以上でありかつ排気流量が所定の流量以下である場合に、前記エンジンの運転状態が前記第２領域にあると判定し、それ以外の場合は、前記第１領域にあると判定する、請求項１に記載のエンジンの空燃比制御装置。
排気流量またはこれに相関する状態変数を検出可能に構成された第２状態センサと、をさらに備え、
前記運転領域判定手段は、前記排気浄化触媒の入口ガス温度が所定の温度以上でありかつ排気流量が所定の流量以下である場合に、前記エンジンの運転状態が前記第２領域にあると判定し、それ以外の場合は、前記第１領域にあると判定する、請求項１に記載のエンジンの空燃比制御装置。
【請求項3】
前記排気センサは、前記排気通路において、前記排気浄化触媒よりも下流側に設置された第１排気センサを含み、
前記コントローラは、前記第１排気センサにより検出された空燃比をもとに、前記空燃比振動制御における前記排気の空燃比の最大値および最小値を検出する特定空燃比検出手段をさらに備え、
前記運転領域判定手段は、前記特定空燃比検出手段により検出された空燃比の最小値が所定の第１判定値以下でありかつ検出された空燃比の最大値が所定の第２判定値以下である場合に、前記エンジンの運転状態が前記第２領域にあると判定する、請求項１に記載のエンジンの空燃比制御装置。
前記コントローラは、前記第１排気センサにより検出された空燃比をもとに、前記空燃比振動制御における前記排気の空燃比の最大値および最小値を検出する特定空燃比検出手段をさらに備え、
前記運転領域判定手段は、前記特定空燃比検出手段により検出された空燃比の最小値が所定の第１判定値以下でありかつ検出された空燃比の最大値が所定の第２判定値以下である場合に、前記エンジンの運転状態が前記第２領域にあると判定する、請求項１に記載のエンジンの空燃比制御装置。
【請求項4】
前記第１判定値は、０．９６±０．０１の範囲内の値であり、
前記第２判定値は、１．００±０．０１の範囲内の値である、請求項３に記載のエンジンの空燃比制御装置。
前記第２判定値は、１．００±０．０１の範囲内の値である、請求項３に記載のエンジンの空燃比制御装置。
【請求項5】
前記排気センサは、前記排気通路において、前記排気浄化触媒よりも下流側に設置された第１排気センサを含み、
前記コントローラは、前記第１排気センサにより検出された空燃比をもとに、前記空燃比振動制御における前記排気の空燃比の最小値または前記排気の空燃比の最大値と最小値との差分が空燃比振動の周波数の対数に対してなす変化の傾きが、所定の値に達するときの前記周波数を、制御周波数として特定する制御周波数特定手段をさらに有し、
前記空燃比振動制御手段は、前記制御周波数特定手段による前記制御周波数の特定後、前記排気の空燃比を前記制御周波数で振動させる、請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジンの空燃比制御装置。
前記コントローラは、前記第１排気センサにより検出された空燃比をもとに、前記空燃比振動制御における前記排気の空燃比の最小値または前記排気の空燃比の最大値と最小値との差分が空燃比振動の周波数の対数に対してなす変化の傾きが、所定の値に達するときの前記周波数を、制御周波数として特定する制御周波数特定手段をさらに有し、
前記空燃比振動制御手段は、前記制御周波数特定手段による前記制御周波数の特定後、前記排気の空燃比を前記制御周波数で振動させる、請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジンの空燃比制御装置。
【請求項6】
前記制御周波数特定手段は、前記傾きの絶対値が０．０１５から０．０２５までの範囲で予め設定された値に達するときの前記周波数を、前記制御周波数として特定する、請求項５に記載のエンジンの空燃比制御装置。
【請求項7】
前記排気センサは、前記排気通路において、前記排気浄化触媒よりも上流側に設置された第２排気センサを含み、
前記空燃比フィードバック制御手段は、前記第２排気センサにより出力された信号をもとに、前記空燃比フィードバック制御を実行する、請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジンの空燃比制御装置。
前記空燃比フィードバック制御手段は、前記第２排気センサにより出力された信号をもとに、前記空燃比フィードバック制御を実行する、請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジンの空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
排気通路に排気浄化触媒を備えるエンジンにおいて、混合気の空燃比を理論空燃比に対してリッチ側とリーン側とに所定の周波数で強制的に振動させることで、触媒による排気の浄化率が向上することが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特公昭５６－０１７５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、排気浄化触媒により実際に得られる浄化率によらず、上記所定の周波数での空燃比振動をエンジンの運転領域全体に亘って常に実施することとした場合は、浄化率の観点からはその必要性が低い場合にあっても空燃比振動が継続されることとなる。よって、空燃比振動のための調整をエンジンに対する燃料供給量の増減により行う場合は、空燃比振動の継続により、エンジントルクの変動や振動騒音の増加等、運転性および乗り心地に与える弊害が寧ろ顕著となる。
【0005】
そこで、本発明は、排気浄化触媒の浄化率の向上を図りながら、空燃比振動制御の不要な実施を回避して、エンジントルクの変動や振動騒音の増加等、空燃比振動制御が運転性および乗り心地に与え得る弊害を抑制することのできるエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記の課題を解決するため、本発明に係るエンジンの空燃比制御装置は、排気通路に排気浄化触媒を備えるエンジンの空燃比制御装置であって、排気通路に設置され、排気通路を流れる排気の空燃比に応じた信号を出力可能に構成された排気センサと、排気センサにより出力された信号を取得可能に構成されたコントローラと、を備える。コントローラは、排気センサにより出力された信号をもとに、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をストイキ相当値に制御する空燃比フィードバック制御を実行する空燃比フィードバック制御手段と、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、ストイキ相当値に対してリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比振動制御を実行する空燃比振動制御手段と、エンジンの運転状態が、排気浄化触媒の触媒温度と排気流量とに応じて定まる所定の第１領域にあるか、第１領域以外の第２領域にあるかを判定する運転領域判定手段と、エンジンの運転状態が第１領域にある場合は、空燃比振動制御手段により空燃比振動制御を実行する一方、エンジンの運転状態が第２領域にある場合は、空燃比フィードバック制御手段により空燃比フィードバック制御を実行する空燃比制御選択実行手段と、を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、排気浄化触媒の浄化率の向上を図りながら、空燃比振動制御の不要な実施を回避して、エンジントルクの変動や振動騒音の増加等、空燃比振動制御が運転性および乗り心地に与え得る弊害を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態に係るエンジンの全体的な構成を示す概略図である。
【図2】同上実施形態に係る空燃比制御の全体的な流れを示すフローチャートである。
【図3】同上実施形態に係る空燃比制御における空燃比フィードバック制御と空燃比振動制御との実施領域を示す運転領域マップである。
【図4】同上実施形態に係る空燃比振動制御の基本的な流れを示すフローチャートである。
【図5】同上実施形態に係る空燃比フィードバック制御の基本的な流れを示すフローチャートである。
【図6】空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、触媒高活性・排気低流量時について示す実験データのグラフである。
【図7】空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、触媒高活性・排気高流量時について示す実験データのグラフである。
【図8】空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、触媒低活性・排気低流量時について示す実験データのグラフである。
【図9】空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、触媒低活性・排気高流量時について示す実験データのグラフである。
【図10】空燃比振動制御における上流側排気センサおよび下流側排気センサの出力波形を、高周波数領域について示すグラフである。
【図11】空燃比振動制御における上流側排気センサおよび下流側排気センサの出力波形を、低周波数領域について示すグラフである。
【図12】排気浄化触媒の入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎ（触媒入口ガス温度）と全炭化水素（ＴＨＣ）の浄化率ηｔｈｃとの関係を、空燃比振動の複数の周波数について示すグラフである。
【図13】排気浄化触媒の入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎ（触媒入口ガス温度）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率ηｎｏｘとの関係を、空燃比振動の複数の周波数について示すグラフである。
【図14】排気浄化触媒の入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎ（触媒入口ガス温度）と下流側排気センサの最小出力値（下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎ）との関係を、空燃比振動の複数の周波数について示すグラフである。
【図15】排気浄化触媒の入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎ（触媒入口ガス温度）と下流側排気センサの最大出力値（下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘ）との関係を、空燃比振動の複数の周波数について示すグラフである。
【図16】下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと全炭化水素の浄化率との関係を、空燃比フィードバック制御および空燃比振動制御のそれぞれについて示す分布図であり、空燃比フィードバック制御の実施領域を併せて示す。
【図17】下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと窒素酸化物の浄化率との関係を、空燃比フィードバック制御および空燃比振動制御のそれぞれについて示す分布図であり、空燃比フィードバック制御の実施領域を併せて示す。
【図18】下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと全炭化水素および窒素酸化物の平均浄化率との関係を、空燃比フィードバック制御および空燃比振動制御のそれぞれについて示す分布図であり、空燃比フィードバック制御の実施領域を併せて示す。
【図19】下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと全炭化水素の浄化率との関係を、排気流量が異なる場合を重ね合わせて示す分布図である。
【図20】下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと窒素酸化物の浄化率との関係を、排気流量が異なる場合を重ね合わせて示す分布図である。
【図21】下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと全炭化水素および窒素酸化物の平均浄化率との関係を、排気流量が異なる場合を重ね合わせて示す分布図である。
【図22】本発明の他の実施形態に係る空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、異なる触媒温度（ａ）Ｔｃａｔ１、（ｂ）Ｔｃａｔ２（＞Ｔｃａｔ１）について示す実験データのグラフである。
【図23】同上実施形態に係る空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、異なる触媒温度（ａ）Ｔｃａｔ３（＞Ｔｃａｔ２）、（ｂ）Ｔｃａｔ４（＞Ｔｃａｔ３）について示す実験データのグラフである。
【図24】同上実施形態に係る空燃比フィードバック制御および空燃比振動制御のそれぞれについて、下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと全炭化水素および窒素酸化物の平均浄化率との関係を示す分布図であり、空燃比フィードバック制御の実施領域を併せて示す。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0010】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃エンジン（以下単に「エンジン」という）Ｅの全体的な構成を示す概略図である。
【0011】
以下の説明において、「上流」および「下流」との用語は、エンジンＥから排出される通常の排気の流れの方向との関係で用いられる。例えば、排気浄化装置の上流側とは、排気の流れの方向に排気浄化装置の上流側をいい、排気浄化触媒の下流側とは、排気の流れの方向に排気浄化触媒の下流側をいう。
【0012】
本実施形態において、エンジンＥは、車両に搭載され、その駆動源を構成する。エンジンＥの適用対象となる車両として、シリーズハイブリッド式のハイブリッド車両を例示することができる。これに限らず、エンジンＥは、定置式の発電装置において、発電機を駆動する動力源として適用することも可能である。
【0013】
エンジンＥは、燃焼室を有するエンジン本体１に加え、吸気システム２および排気システム３を備える。本実施形態において、エンジンＥは、直列式の４気筒エンジンであるが、エンジンＥの形式、つまり、エンジンＥにおける気筒の数および配列は、これに限定されるものではない。単気筒、２気筒、６気筒、Ｖ型および水平対向型等、各種のエンジンを対象とすることが可能である。
【0014】
エンジン本体１は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびクランクケースを備え、シリンダブロックにはピストンが挿入され、ピストンの冠面とシリンダヘッドの内面との間に形成された空間が燃焼室となる。
【0015】
吸気システム２は、吸気管２１および吸気マニホールド２２を備えるとともに、吸気管２１の導入部に取り付けられたエアクリーナ２３を備える。エアクリーナ２３を介して塵埃等の異物が除去された空気が、吸気管２１に導入される。吸気管２１は、吸気マニホールド２２の集合部に接続され、吸気マニホールド２２は、集合部から分岐して、シリンダヘッドの側面部に接続されている。吸気管２１から吸気マニホールド２２に流入した空気は、吸気マニホールド２２の分岐部を介してそれぞれの気筒に分配される。
【0016】
本実施形態では、ポート噴射式の燃料供給システムを採用する。エンジンＥは、シリンダヘッドに埋設された複数の燃料インジェクタ４１を備え、これら複数の燃料インジェクタ４１のそれぞれから、対応する気筒に向けて燃料が噴射供給される。燃料の供給方式は、これに限定されるものではなく、ポート噴射式以外の供給方式として、例えば、直噴式を採用することが可能である。
【0017】
本実施形態において、燃料インジェクタ４１により噴射された燃料は、吸気マニホールド２２の分岐部を通過した空気と混合し、対応する気筒に導入される。各気筒の筒内では、燃料と空気との混合が進み、混合気が形成される。そして、この混合気に点火プラグ５１により点火を実行することで、混合気が燃焼する。
【0018】
排気システム３は、排気マニホールド３１および排気管３２を備えるとともに、触媒コンバータ３３を備える。燃焼後、筒内に残る排気は、排気マニホールド３１の分岐部に排出される。排気は、排気マニホールド３１において分岐部から集合部に集められ、排気管３２に導入される。排気管３２には触媒コンバータ３３が設置され、排気管３２を流れる排気は、触媒コンバータ３３に導入され、触媒コンバータ３３に収められた排気浄化触媒３３１により、全炭化水素（ＴＨＣ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気有害成分が浄化された後、大気へ放出される。本実施形態において、触媒コンバータ３３は、排気浄化触媒３３１として三元触媒を備える。
【0019】
以上に加え、エンジンＥは、エンジンコントローラ１０１および各種のセンサ２０１～２０７を備える。
【0020】
エンジンコントローラ１０１は、電子制御ユニットとして、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶装置、入出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータとして構成される。
【0021】
エンジンＥは、アクセルセンサ２０１およびエンジン回転速度センサ２０２を備えるとともに、エアフローメータ２０３、冷却水温度センサ２０４、触媒温度センサ２０５、上流側空燃比センサ２０６および下流側空燃比センサ２０７を備える。これらのセンサ２０１～２０７から出力される検出信号は、エンジンコントローラ１０１に入力される。
【0022】
アクセルセンサ２０１は、アクセル開度ＡＰＯとして、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出する。アクセル開度ＡＰＯは、エンジンＥに求められる目標負荷の指標である。
【0023】
エンジン回転速度センサ２０２は、エンジンＥの回転速度Ｎｅを検出する。エンジン回転速度センサ２０２として、クランク角センサを採用可能であり、クランク角センサにより検出される単位クランク角または基準クランク角当たりの経過時間を回転速度Ｎｅに換算する。
【0024】
エアフローメータ２０３は、吸入空気量Ｑａとして、エンジンＥに導入される空気の流量を検出する。本実施形態において、吸入空気量Ｑａは、燃焼室から排出される排気の流量の指標として参照する。エアフローメータ２０３は、本実施形態に係る「第２状態センサ」を構成する。
【0025】
冷却水温度センサ２０４は、エンジン本体１のシリンダブロックに形成されている冷却水通路を流れる冷却水の温度Ｔｗを検出する。
【0026】
触媒温度センサ２０５は、触媒コンバータ３３に備わる排気浄化触媒３３１の温度（以下「触媒温度」という）Ｔｃａｔを検出する。本実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔとして、触媒コンバータ３３の入口部における排気の温度（以下「触媒入口ガス温度」という）Ｔｃａｔ＿ｉｎを検出する。触媒温度センサ２０５は、本実施形態に係る「第１状態センサ」を構成する。
【0027】
上流側空燃比センサ２０６は、触媒コンバータ３３よりも上流側の排気管３２を流れる排気、つまり、触媒コンバータ３３に流入する前の排気の空燃比λｆを検出する。上流側空燃比センサ２０６は、本実施形態に係る「第２排気センサ」を構成する。
【0028】
下流側空燃比センサ２０７は、触媒コンバータ３３よりも下流側の排気管３２を流れる排気、つまり、触媒コンバータ３３を通過した後の排気の空燃比λｒを検出する。下流側排気センサ２０７は、本実施形態に係る「第１排気センサ」を構成する。
【0029】
エンジンコントローラ１０１は、先に述べた各種のセンサ２０１～２０７から出力された検出信号をもとに、燃焼に用いられる混合気の空燃比を制御しながら、エンジンＥの運転状態を制御する。エンジンコントローラ１０１は、本実施形態に係る「コントローラ」を構成する。
【0030】
エンジンコントローラ１０１は、空燃比の制御において、空燃比フィードバック制御と空燃比振動制御とを切り替えて実行する。空燃比フィードバック制御は、空燃比センサ、本実施形態では、上流側空燃比センサ２０６からの信号をもとに、混合気の空燃比を理論空燃比に調整する制御であり、空燃比振動制御は、触媒コンバータ３３に流入する排気の空燃比をストイキ相当値に対してリッチ側とリーン側とに強制的に振動させる制御である。空燃比フィードバック制御の結果、触媒コンバータ３３に流入する排気の空燃比がストイキ相当値に近付けられる。空燃比振動制御は、エンジンＥに対する燃料供給量、具体的には、燃料インジェクタ５１の燃料噴射量を強制的に増減させることによる。
【0031】
空燃比フィードバック制御と空燃比振動制御との切り替えは、エンジンＥの運転状態が属する運転領域による。本実施形態では、エンジンＥの運転領域が、触媒温度Ｔｃａｔと排気流量Ｑｅｘｈとに応じて定まる複数の領域Ａ、Ｂに区画され（図３）、触媒温度Ｔｃａｔが所定の温度Ｔｃａｔ１よりも低いかまたは排気流量Ｑｅｘｈが所定の流量Ｑｅｘｈ１を超える第１領域Ａにあるか、第１領域Ａ以外、つまり、触媒温度Ｔｃａｔが所定の温度Ｔｃａｔ１以上でありかつ排気流量Ｑｅｘｈが所定の流量Ｑｅｘｈ１以下である第２領域Ｂにあるかを判定する。そして、エンジンＥの運転状態が第１領域Ａにある場合は、空燃比振動制御を実行し、第２領域Ｂにある場合は、空燃比フィードバック制御を実行する。
【0032】
ここで、触媒温度Ｔｃａｔは、排気浄化触媒３３１の活性状態の指標であり、触媒温度Ｔｃａｔが所定の温度Ｔｃａｔ１以上であることは、排気浄化触媒３３１の活性化が進み、排気浄化触媒３３１が高活性状態にあることを示す。他方で、排気流量Ｑｅｘｈは、排気浄化触媒３３１による浄化が必要な排気有害物質の量の指標であり、排気流量Ｑｅｘｈが所定の流量Ｑｅｘｈ１以下であることは、浄化すべき排気有害物質が比較的少量であり、活性化が進んだ排気浄化触媒３３１による処理が容易な条件にあることを示す。つまり、運転領域Ｂで空燃比フィードバック制御を実行することは、換言すれば、排気浄化触媒３３１の活性化が進み、排気浄化触媒３３１による排気有害成分の処理が容易と判断される場合に、空燃比フィードバック制御を実行することである。
【0033】
図３は、空燃比フィードバック制御と空燃比振動制御との実施領域を示す運転領域マップである。図３に示すように、触媒温度Ｔｃａｔが所定の温度Ｔｃａｔ１以上であり、排気流量Ｑｅｘｈが所定の流量Ｑｅｘｈ１以下である場合に、エンジンＥの運転状態が第２領域Ｂに属し、排気浄化触媒３３１の活性化が進み、排気浄化触媒３３１による処理が容易な条件にあるとして、空燃比フィードバック制御を選択し、実行する。それ以外の場合は、第１領域Ａにあるとして、空燃比振動制御を選択し、実行する。本実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔとして触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎを採用するとともに、排気流量Ｑｅｘｈとして吸入空気量Ｑａを採用する。吸入空気量Ｑａは、排気流量Ｑｅｘｈに対する高い相関性を有する状態変数の一例である。
【0034】
図２は、本実施形態に係る空燃比制御の全体的な流れを示すフローチャートである。
【0035】
本実施形態において、図２に示すルーチンによる空燃比制御は、エンジンコントローラ１０１により、エンジンＥの始動後、所定の時間毎に実行される。空燃比制御の開始に当たり、エンジンコントローラ１０１は、空燃比振動制御を選択する。
【0036】
Ｓ１０１では、エンジンＥの運転状態の指標として、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、上流側空燃比λｆおよび下流側空燃比λｒ等を読み込む。
【0037】
Ｓ１０２では、吸入空気量Ｑａが所定の流量Ｑａ１を超えているか否かを判定する。所定の流量Ｑａ１を超えている場合は、Ｓ１０５へ進み、所定の流量Ｑａ１以下である場合は、Ｓ１０３へ進む。先に述べたように、吸入空気量Ｑａは、排気流量Ｑｅｘｈに代わる状態変数の一例であり、吸入空気量Ｑａが所定の流量Ｑａ１を超えている場合は、排気浄化触媒３３１による浄化が必要な排気有害物質が多量に存在し、排気浄化触媒３３１による処理が容易とはいえない条件にあるとして、Ｓ１０３およびＳ１０４の処理を経ずにＳ１０５の処理を実行する。
【0038】
Ｓ１０３では、下流側空燃比λｒをもとに、所定の時間内における下流側空燃比λｒの最大値（以下「下流側最大空燃比」という）λｒ＿ｍａｘおよび最小値（以下「下流側最小空燃比」という）λｒ＿ｍｉｎを取得する。ここで、所定の時間は、空燃比振動の一周期分の時間であってもよいし、これよりも長い時間であってもよい。本実施形態では、次の領域判定を安定して行うため、この所定の時間を、空燃比振動の一周期分よりも長い時間とする。Ｓ１０２の処理は、エンジンコントローラ１０１が本実施形態に係る「特定空燃比検出手段」として実行する処理に相当する。
【0039】
Ｓ１０４では、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘおよび下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが夫々所定の判定値ＳＬ１１、ＳＬ１２以下であるか否かを判定する。下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘが判定値ＳＬ１１以下でありかつ下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが判定値ＳＬ１２以下である場合は、エンジンＥの運転状態が図３に示す第２領域Ｂにあるとして、Ｓ１０６へ進む。それ以外の場合は、エンジンＥの運転状態が第１領域Ａにあるとして、Ｓ１０５へ進む。Ｓ１０４の処理については、図１２から図２１を参照してより詳細に説明する。Ｓ１０２からＳ１０４の処理は、エンジンコントローラ１０１が本実施形態に係る「運転領域判定手段」として実行する処理に相当する。
【0040】
Ｓ１０５では、空燃比振動制御を実行する。空燃比振動制御は、図４に示すフローチャートに従う。図４のフローチャートに示す処理は、エンジンコントローラ１０１が本実施形態に係る「空燃比振動制御手段」として実行する処理に相当する。
【0041】
Ｓ１０６では、空燃比フィードバック制御を実行する。空燃比フィードバック制御は、図５に示すフローチャートに従う。図５のフローチャートに示す処理は、エンジンコントローラ１０１が本実施形態に係る「空燃比フィードバック制御手段」として実行する処理に相当する。
【0042】
さらに、Ｓ１０５およびＳ１０６の処理は、エンジンコントローラ１０１が本実施形態に係る「空燃比制御選択実行手段」として実行する処理に相当する。
【0043】
図４は、本実施形態に係る空燃比振動制御の基本的な流れを示すフローチャートである。
【0044】
Ｓ２０１では、制御周波数Ｆｃｎの設定が既に終了しているか否かを判定する。制御周波数Ｆｃｎは、空燃比振動制御を実行するに当たり排気浄化触媒３３１により最も高い浄化率（以下「極大浄化率」という）ηが得られる最適周波数であり、本実施形態では、制御周波数Ｆｃｎを、エンジンＥの回転速度および負荷に応じて定まるエンジンＥの運転領域毎に設定する。制御周波数Ｆｃｎの設定が既に終了している場合は、Ｓ２０２へ進み、未だ終了していない場合は、Ｓ２０３へ進む。
【0045】
Ｓ２０２では、制御周波数Ｆｃｎを読み込む。本実施形態では、エンジンＥの回転速度および負荷に対応させて制御周波数Ｆｃｎを割付可能に設定された運転領域マップが設けられ、既に設定が終了している運転領域から、該当する制御周波数Ｆｃｎを読み込む。制御周波数Ｆｃｎの読込後、Ｓ２１０へ進む。
【0046】
Ｓ２０３では、フラグＦＲＧの値が０であるか否かを判定する。フラグＦＲＧの値が０である場合は、Ｓ２０４へ進み、０でない場合は、Ｓ２０６へ進む。
【0047】
Ｓ２０４では、空燃比振動の周波数Ｆｒｑに基準周波数Ｆ０を設定する。基準周波数Ｆ０は、制御周波数Ｆｃｎの特定を開始するに当たり仮に設定される値であり、運転領域マップにおいて、周波数Ｆｒｑの初期値として運転領域毎に予め設定される。これに限らず、簡易的には、エンジンＥの運転領域全体に対して一律に１［Ｈｚ］に設定することも可能である。
【0048】
Ｓ２０５では、フラグＦＲＧの値を１に設定する。
【0049】
Ｓ２０６では、空燃比振動の周波数Ｆｒｑを所定の周波数ΔＦだけ減少させる。具体的には、周波数Ｆｒｑを、現在の周波数Ｆｒｑから所定の周波数ΔＦだけ減少させた周波数に更新し（Ｆｒｑ＝Ｆｒｑ－ΔＦ）、更新後の新たな周波数Ｆｒｑにより、空燃比振動制御を実行する。
【0050】
Ｓ２０７では、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎをもとに、周波数ＦｒｑをΔＦだけ減少させる間の下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化量（以下「空燃比変化量」という）Δλｒ＿ｍｉｎを算出する。
【0051】
Ｓ２０８では、空燃比変化量Δλｒ＿ｍｉｎをΔＦで除することにより、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの周波数Ｆｒｑに対する変化の傾きｇｌｍｂａを算出する。本実施形態において、傾きｇｌｍｂａは、周波数Ｆｒｑを基準周波数Ｆ０から所定の周波数ΔＦずつ減少させた場合に得られる下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化の傾きである。そして、傾きの絶対値（＝｜ｇｌｍｂａ｜）が所定の値ｇ０１以上であるか否かを判定する。所定の値ｇ０１以上である場合、換言すれば、周波数Ｆｒｑを減少させた場合の下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化の傾きが増大して、所定の値ｇ０１に達した場合は、Ｓ２０９へ進み、所定の値ｇ０１未満である場合は、Ｓ２０９の処理を迂回して、Ｓ２１０へ進む。Ｓ２０６からＳ２０８の処理については、図６から図１１を参照してより詳細に説明する。
【0052】
Ｓ２０９では、制御周波数Ｆｃｎを設定する。本実施形態では、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化の傾きが所定の値ＳＬ２１に達したときの周波数Ｆｒｑを、制御周波数Ｆｃｎに設定する。
【0053】
Ｓ２０７からＳ２０９の処理は、エンジンコントローラ１０１が本実施形態に係る「制御周波数特定手段」として実行する処理に相当する。
【0054】
Ｓ２１０では、燃料噴射量Ｑｆを算出する。空燃比振動制御では、吸入空気量Ｑａに対して当量となる燃料の基本噴射量Ｑｆｂを算出するとともに、基本噴射量Ｑｆｂに空燃比振動のための補正係数αを乗算し、さらに、冷却水温度Ｔｗ等に応じた各種の増量補正量Ｈを加算することで、燃料噴射量Ｑｆを算出する。ここで、補正係数αは、１よりも大きな値と１よりも小さな値とに、制御周波数Ｆｃｎの半周期に相当する時間（＝１／（２Ｆｃｎ））毎に切り替わるように設定され、補正係数αの乗算により、混合気の空燃比が、例えば、空気過剰率換算で０．９５と１．０５との間で変動または振動する。
【0055】
Ｓ２１１では、燃料噴射量Ｑｆにより燃料インジェクタ４１を駆動する。
【0056】
図５は、本実施形態に係る空燃比フィードバック制御の基本的な流れを示すフローチャートである。
【0057】
Ｓ３０１では、基本噴射量Ｑｆｂを算出する。基本噴射量Ｑｆｂは、吸入空気量Ｑａに対して当量となる燃料量に相当する噴射量である
【0058】
Ｓ３０２では、空燃比フィードバック補正量Ｈｑｆを算出する。本実施形態において、空燃比フィードバック補正量Ｈｑｆは、上流側空燃比センサ２０６により検出される上流側空燃比λｆと、ストイキ相当値λｓｔ（つまり、１）との差分の関数として算出する。空燃比フィードバック補正量Ｈｑｆは、上流側空燃比λｆとストイキ相当値λｓｔとの差分が０よりも大きく、排気が空気過剰な状態にある場合は、燃料を増量させる増量補正量として、差分が０よりも小さく、排気が燃料過剰な状態にある場合は、燃料を減量させる減量補正量として算出される。
【0059】
Ｓ３０３では、燃料噴射量Ｑｆを設定する。空燃比フィードバック制御では、基本噴射量Ｑｆｂに空燃比フィードバック補正量Ｈｑｆを加算するとともに、冷却水温度Ｔｗ等に応じた各種の増量補正量Ｈを加算することにより算出する。
【0060】
Ｓ３０４では、燃料噴射量Ｑｆにより燃料インジェクタ４１を駆動する。
【0061】
【0062】
図６から図９は、空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑに対する排気浄化触媒３３１の浄化率ηおよび下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化を、触媒温度Ｔｃａｔおよび排気流量Ｑｅｘｈを変えて、複数の条件のもとで測定した実験データのグラフである。図６は、触媒高活性かつ排気低流量時のデータであり、図７は、触媒高活性かつ排気高流量時のデータであり、図８は、触媒低活性かつ排気低流量時のデータであり、図９は、触媒低活性かつ排気高流量時のデータである。
【0063】
図６から図９のそれぞれにおいて、横軸は、周波数Ｆｒｑの対数を示し、縦軸は、浄化率ηおよび下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎを示す。ｌｏｇ（Ｆｒｑ）＝０は、１［Ｈｚ］に相当する。空白抜きの四角は、全炭化水素ＴＨＣの浄化率ηｔｈｃを示し、白抜きの丸は、窒素酸化物ＮＯｘの浄化率ηｎｏｘを示す。三角は、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎを示す。
【0064】
ここで、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎのうち、浄化率ηが極大となる周波数よりも低周波側の領域で測定されたものを白抜きの三角により、高周波側の領域で測定されたものを黒塗りの三角により、夫々示す。太い点線は、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの近似直線である。
【0065】
図６から図９のそれぞれにおいて、浄化率ηが極大となる周波数の近傍で、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが不連続に変化するとともに、周波数Ｆｒｑに対する下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化の傾きが変化する事象を確認することができる。横軸の周波数Ｆｒｑを対数ｌｏｇ（Ｆｒｑ）とすることで、この事象をより顕著に確認することが可能である。本実施形態では、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎおよびその傾きが不連続な変化を示す周波数Ｆｒｑに着目して、これを「最適周波数」と呼び、制御周波数Ｆｃｎに設定する。周波数Ｆｒｑの対数をとる場合に、所定の値ｇ０１を０．０１５から０．０２５までの範囲の値とするのが好ましく、これにより、適切な制御周波数Ｆｃｎを設定することが可能である。
【0066】
図１０および図１１は、空燃比振動制御における上流側空燃比センサ２０６および下流側空燃比センサ２０７の出力波形を示すグラフであり、図１０は、これらの出力波形を高周波数領域について示し、図１１は、低周波数領域について示す。図１０でいう「高周波数領域」とは、図６から図９でいう「浄化率ηが極大となる周波数よりも高周波側の領域」の一部であり、図１１でいう「低周波数領域」とは、同じく「浄化率ηが極大となる周波数よりも低周波側の領域」の一部である。図１０および図１１において、細い実線は、上流側空燃比λｆを示し、太い実線は、下流側空燃比λｒを示す。点線は、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎを示す。
【0067】
図１０を参照すると、高周波数領域では、上流側空燃比λｆに対し、下流側空燃比λｒの振動が大きく減衰していることが分かる。これに対し、図１１を参照すると、低周波数領域では、下流側空燃比λｒに減衰の事象を確認することはできず、寧ろ振動が増幅していることが分かる。これは、排気浄化触媒３３１の酸素貯蔵能力（ＯＳＣ）に起因するものであると推察される。つまり、高周波数領域では、酸素貯蔵能力により空燃比振動に伴う燃料および空気の不均衡が補われ、触媒３３１通過後の排気の空燃比（下流側空燃比λｒ）がストイキ相当値の近傍に維持されるのに対し、低周波数領域では、酸素貯蔵能力では燃料および空気の不均衡を補い切れず、混合気における空燃比の変動がそのまま下流側空燃比λｒの変化に現れるためである。これにより、酸素貯蔵能力が有効に作用する領域と酸素貯蔵能力が破綻する領域との境界で、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが不連続に変化するとともに、周波数Ｆｒｑに対する変化の傾きに、閾値との比較により判定可能な程度の変化が生じる。
【0068】
以上の知見を踏まえ、最適周波数の抽出、つまり、制御周波数Ｆｃｎの特定の手順について、以下に説明する。
【0069】
空燃比振動制御を開始し、空燃比振動の周波数Ｆｒｑを基準周波数Ｆ０から所定の周波数ΔＦ毎に減少させていく。下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎを検出し、周波数ΔＦを減少させる前後で検出された下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化の傾きを、空燃比変化量Δλｒ＿ｍｉｎとして算出する。そして、空燃比変化量Δλｒ＿ｍｉｎの絶対値（＝｜Δλｒ＿ｍｉｎ｜）と判定用の閾値ＳＬ２１とを比較し、空燃比変化量Δλｒ＿ｍｉｎの絶対値が閾値ＳＬ２１未満の状態から閾値ＳＬ２１以上の状態に転じたときの周波数Ｆｒｑを特定し、これを制御周波数Ｆｃｎに設定する。
【0070】
先に述べたように、空燃比変化量Δλｒ＿ｍｉｎ（つまり、傾き）と閾値ＳＬ２１との対比による特定に代えて、周波数ΔＦを減少させる前後で下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎに所定の閾値ＳＬ２２を超える大きな変化（つまり、差分）が生じたときの周波数Ｆｒｑを最適周波数として特定し、制御周波数Ｆｃｎに設定することとしてもよい。
【0071】
基準周波数Ｆ０は、空燃比振動を行うに当たり最初に設定される値であり、エンジンＥの運転領域の全体に対して一律に設定してもよいし、運転領域毎に異なる値に設定してもよい。一律に設定する場合の基準周波数Ｆ０として、簡易的には、１［Ｈｚ］（つまり、ｌｏｇＦ０＝０）を採用することができる。さらに、制御周波数Ｆｃｎを運転領域毎に記憶可能に運転領域マップを設定し、特定された制御周波数Ｆｃｎを、運転領域毎に記憶または更新するようにしてもよい。
【0072】
【0073】
図１２から図１５は、空燃比振動の周波数Ｆｒｑを異なる複数の周波数の間で切り替えて実施した場合に得られた実験データのグラフであり、排気浄化触媒３３１の触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎに対する浄化率η、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎおよび下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘの変化を示す。図１２は、全炭化水素の浄化率ηｔｈｃの変化を、図１３は、窒素酸化物の浄化率ηｎｏｘの変化を示す。図１４は、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化を、図１５は、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘの変化を示す。
【0074】
図１２から図１５のそれぞれにおいて、白抜きの三角を二点鎖線で繋いだものは、周波数Ｆｒｑが０．０５［Ｈｚ］の場合を示し、白抜きの四角を長い点線で繋いだものは、周波数Ｆｒｑが０．１［Ｈｚ］の場合を示す。さらに、白抜きの円を一点鎖線で繋いだものは、周波数Ｆｒｑが０．２［Ｈｚ］の場合を示し、白抜きの三角を短い点線で繋いだものは、周波数Ｆｒｑが０．５［Ｈｚ］の場合を示す。黒塗りの円を太い実線で繋いだものは、周波数Ｆｒｑが１［Ｈｚ］の場合であるが、１［Ｈｚ］の周波数は、空燃比フィードバック制御による場合に得られる周波数に相当する。
【0075】
図１２および図１３を参照すると、全体的な傾向として、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎの上昇、つまり、排気浄化触媒３３１の活性化が進むとともに、全炭化水素および窒素酸化物の浄化率ηｔｈｃ、ηｎｏｘが上昇していることが分かる。さらに、０．５［Ｈｚ］以下の周波数で空燃比振動制御を実施した場合に、空燃比フィードバック制御を実施した場合に相当する１［Ｈｚ］の周波数で振動を付与した場合と比較して、特に低温側の領域で高い浄化率ηｔｈｃ、ηｎｏｘが得られ、０．５［Ｈｚ］と０．２［Ｈｚ］とでは、温度領域の全体に亘って１［Ｈｚ］の場合よりも高い浄化率ηｔｈｃ、ηｎｏｘが得られることが分かる。
【0076】
図１４を参照すると、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎの上昇とともに、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが低下していくことが分かる。これは、排気浄化触媒３３１の浄化率ηの上昇、つまり、触媒３３１の活性化の進行度合いと対応するものであり、空燃比がリッチ側に振れた際に排気浄化触媒３３１が水素を生成し、下流側空燃比センサ２０７がこの水素に反応するためである。このように、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎと下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎとには相関性があり、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎから、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎ、つまり、排気浄化触媒３３１の活性状態を間接的に把握することが可能である。本実施形態では、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎを、空燃比制御における領域判定に使用する（図２のＳ１０４）。
【0077】
ここで、周波数が０．０５［Ｈｚ］の場合は、他の周波数の場合と同様に、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎの上昇とともに、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが低下していくものの（図１４）、他の周波数の場合と比較して、窒素酸化物の浄化率ηｎｏｘが特に低い。これは、０．０５［Ｈｚ］という周波数が排気浄化触媒３３１の酸素貯蔵能力に対して低すぎるためであり、空燃比振動による空燃比の変動を酸素貯蔵能力によっては最早吸収することができず、触媒３３１の反応場における空燃比が定常リッチと定常リーンとを繰り返すのに近い状態となるためである。
【0078】
このように、単に下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが低下したことのみをもっては酸素貯蔵能力が破綻した場合を判別することまではできず、実際には充分な浄化率ηが得られないにも拘らず、排気浄化触媒３３１の活性化が進んだものとして、誤った判定を下す事態になりかねない。
【0079】
このような事態は、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘを参照することにより回避可能である。図１５に示すように、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘは、周波数が０．０５［Ｈｚ］の場合に、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎが上昇した状況にあっても比較的高い値、例えば、１よりも高い値を維持する。本実施形態では、領域判定において、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎに併せて下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘを参照する（図２のＳ１０４）。
【0080】
図１６から図１８は、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎおよび下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘに対して排気浄化触媒３３１の浄化率ηを割り付けた分布図である。空燃比フィードバック制御による場合の浄化率ηを×印のプロットにより、空燃比振動制御による場合の浄化率ηを○印のプロットにより、夫々示す。×印および○印のプロットのそれぞれについて、濃度の高いものほど、浄化率ηが高いことを示す。図１６は、全炭化水素の浄化率ηｔｈｃを示し、図１７は、窒素酸化物の浄化率ηｎｏｘを示し、図１８は、全炭化水素と窒素酸化物との平均の浄化率ηａｖｅを示す。
【0081】
図１６から図１８を参照すると、図の左下ほど、つまり、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが低くかつ下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘも低いほど、浄化率ηが高い傾向にあることが分かる。このような傾向により、図１６から図１８において、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが閾値ＳＬ１１以下であり、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘが閾値ＳＬ１２以下である太い点線の枠内では、空燃比フィードバック制御および空燃比振動制御のいずれによっても高い浄化率ηが得られ、例えば、閾値ＳＬ１１を０．９６５とし、閾値ＳＬ１２を１．０００とした場合に、全炭化水素、窒素酸化物およびそれらの平均のそれぞれについて、枠内の領域で８０％以上の浄化率ηが得られることが確認されている。つまり、図２のＳ１０４において、判定値ＳＬ１１を、例えば、０．９６５とし、判定値ＳＬ１２を、例えば、１．０００とすることにより、空燃比フィードバック制御による高い浄化率ηを確保することが可能である。判定値ＳＬ１１、ＳＬ１２は、夫々０．９６０±０．０１、１．０００±０．０１の範囲内で、適宜に設定することができる。
【0082】
このように、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが閾値ＳＬ１１以下であり、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘが閾値ＳＬ１２以下である領域では、空燃比振動制御に限らず、空燃比フィードバック制御によっても高い浄化率ηが得られることから、エンジントルクの変動や振動騒音の増大を伴う空燃比振動制御をあえて選択することはせず、空燃比フィードバック制御を選択し、実行することとする（図２のＳ１０４およびＳ１０６）。
【0083】
図１９から図２１は、図１６から図１８に示す浄化率ηに対し、異なる排気流量Ｑｅｘｈのもとで得られる浄化率ηを重ねて示す分布図である。例えば、図１６から図１８に示す浄化率ηを取得した際のＳＶ値が２６ｋであり、図１９から図２１は、ＳＶ値が２６ｋの場合に得られる浄化率ηに加え、ＳＶ値が４９ｋおよび９８ｋの場合に得られる浄化率ηを重ねて示す。空燃比フィードバック制御による場合の浄化率ηを×印のプロットにより、空燃比振動制御による場合の浄化率ηを○印のプロットにより示すことは、図１６等と同様であり、×印および○印のプロットのそれぞれについて、濃度の高いものほど、浄化率ηが高いことを示すこともまた、同様である。図１９は、全炭化水素の浄化率ηｔｈｃを示し、図２０は、窒素酸化物の浄化率ηｎｏｘを示し、図２１は、全炭化水素と窒素酸化物との平均の浄化率ηａｖｅを示す。
【0084】
図１９から図２１を参照すると、異なる排気流量のもとであっても図の左下ほど、つまり、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが低くかつ下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘが低いほど、浄化率ηが高い傾向にあることが分かる。さらに、高い浄化率ηが得られる領域を図１６から図１８に示すＳＶ値が２６ｋの場合に採用したのと同じ閾値ＳＬ１１、ＳＬ１２により規定することが可能であり、下流側最大空燃比λｒ＿ｍｉｎが閾値ＳＬ１１（例えば、０．９６５）以下でありかつ下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘが閾値ＳＬ１２（例えば、１．０００）以下である領域では、空燃比フィードバック制御および空燃比振動制御のいずれによっても高い浄化率ηが得られることが確認されている。
【0085】
このように、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎおよび下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘとそれぞれの閾値ＳＬ１１、ＳＬ１２との対比により、排気流量Ｑｅｘｈによらず、高い浄化率ηが得られる領域を判定可能であることから、排気流量Ｑｅｘｈ自体、本実施形態では、吸入空気量Ｑａによる判定（図２のＳ１０３）は、省略してもよい。ただし、吸入空気量Ｑａは、本実施形態に限らず、エンジン制御のために一般的に取得される状態変数であり、取得に際して部品の追加を伴うこともない一方、吸入空気量Ｑａを用いた簡単な手法により空燃比振動制御によるべき場合を判定することが可能である。よって、吸入空気量Ｑａによる判定は、制御の安定性を確保するうえで有効である。
【0086】
本実施形態に係るエンジンＥの空燃比制御装置は、以上の構成を有する。本実施形態により得られる効果について、以下に説明する。
【0087】
第１に、空燃比振動制御により、排気浄化触媒３３１の浄化率ηの向上を図りながら、エンジンＥの運転状態が第２領域Ｂにあり、空燃比振動制御によらずとも排気浄化触媒３１による所要の浄化性能が期待できる場合は、空燃比フィードバック制御に切り替え、例えば、燃料インジェクタ４１の制御等により燃焼室に形成される混合気の空燃比を理論空燃比に制御することで、エンジントルクの変動や振動騒音の増加等、空燃比振動制御が運転性および乗り心地に与え得る弊害を抑制することが可能である。
【0088】
第２に、触媒温度センサ２０５と排気流量センサ（本実施形態では、エアフローメータ２０３）とを設置し、エンジンＥの運転状態を直接的に検出して、運転状態に関する領域判定を実行する構成としたことで、空燃比フィードバック制御と空燃比振動制御との切り替えをより適切に行い、排気浄化装置３３１の浄化率ηの向上とエンジントルクの変動等の抑制との、より好ましい状態での両立を図ることが可能となる。
【0089】
他方で、エンジンＥの運転状態が第２領域Ｂにあるか否かの判定（領域判定）を、下流側空燃比センサ２０７により空燃比振動制御の実行中に検出される空燃比λｒをもとに、推定的に行う構成としたことで、空燃比フィードバック制御と空燃比振動制御との切り替え、具体的には、空燃比振動制御から空燃比フィードバック制御への切り替えを適切に行うとともに、部品点数の増加を抑制するなど、より簡易な構成での実現を図ることが可能となる。
【0090】
第３に、空燃比振動制御を行う際の空燃比振動の周波数（制御周波数Ｆｃｎ）として、より適切な周波数を特定し、より適切な制御周波数Ｆｃｎのもとで、空燃比振動制御を実行することが可能となり、排気浄化触媒３３１の浄化率ηの更なる向上を図ることができる。
【0091】
第４に、上流側空燃比センサ２０６の出力、つまり、排気浄化触媒３３１への流入前における排気の空燃比λｆをもとに、より高い応答性をもって空燃比フィードバック制御を実行することが可能となる。
【0092】
以上の説明では、最適周波数の抽出ないし制御周波数Ｆｃｎの特定において、周波数Ｆｒｑに対する下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの変化の傾きまたは周波数ΔＦの減少前後における下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎの差分に着目することとした。制御周波数Ｆｃｎの特定は、これに限定されるものではなく、下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘと下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎとの差（以下「空燃比レンジ」という）の、周波数Ｆｒｑに対する変化の傾きに着目して行うことも可能である。
【0093】
具体的には、図４のＳ２０７の処理に代えて、空燃比レンジ（＝λｒ＿ｍａｘ－λｒ＿ｍｉｎ）の、周波数Ｆｒｑまたはその対数ｌｏｇ（Ｆｒｑ）に対する変化の傾きｇｌｍｂｂを算出し、さらに、Ｓ２０８の処理に代えて、この傾きの絶対値（＝｜ｇｌｍｂｂ｜）が所定の値ｇ０２に達したときの周波数を最適周波数とし、制御周波数Ｆｃｎに設定するのである。周波数Ｆｒｑの対数をとる場合に、所定の値ｇ０２を０．０１５から０．０２５までの範囲の値とするのが好ましく、これにより、適切な制御周波数Ｆｃｎを設定することが可能である。
【0094】
図２２および図２３は、本実施形態に係る空燃比振動制御における空燃比振動の周波数Ｆｒｑと排気浄化触媒３３１の浄化率η、下流側空燃比の最小値λｒ＿ｍｉｎとの関係を、異なる触媒温度Ｔｃａｔについて示す実験データのグラフである。図２２（ａ）は、比較的低い触媒温度Ｔｃａｔ１の場合を示し、図２２（ｂ）は、Ｔｃａｔ１よりも高い触媒温度Ｔｃａｔ２の場合を示し、図２３（ａ）は、Ｔｃａｔ２よりも高い触媒温度Ｔｃａｔ３の場合を示し、図２３（ｂ）は、Ｔｃａｔ３よりも高い触媒温度Ｔｃａｔ４の場合を示す。
【0095】
図２２および図２３のそれぞれにおいて、白抜きの四角は、全炭化水素の浄化率ηｔｈｃを示し、白抜きの三角は、窒素酸化物の浄化率ηｎｏｘを示す。黒丸は、空燃比レンジ（＝λｒ＿ｍａｘ－λｒ＿ｍｉｎ）を示し、太い直線は、浄化率ηが極大となる周波数よりも高周波側の領域で測定された空燃比レンジの近似曲線であり、太い点線は、低周波側の領域で測定された空燃比レンジの近似曲線である。
【0096】
図２２および図２３に示すように、触媒温度Ｔｃａｔの上昇とともに浄化率ηが全炭化水素と窒素酸化物とのいずれについても増大し、さらに、より高い周波数Ｆｒｑに至るまで高い浄化率ηが維持される傾向にあることが分かる。ここで、周波数Ｆｒｑを所定の周波数ΔＦずつ減少させた場合に、浄化率ηが極大となる周波数の近傍で、空燃比レンジ（＝λｒ＿ｍａｘ－λｒ＿ｍｉｎ）の近似曲線が直線から点線に移行し、その周波数Ｆｒｑに対する変化の傾きｇｌｍｂｂが減少する事象、換言すれば、傾きの絶対値（＝｜ｇｌｍｂｂ｜）が増大する事象を確認することができる。
【0097】
本実施形態では、この事象が生じる周波数を所定の値ｇ０２との対比により特異点として抽出し、制御周波数Ｆｃｎに設定する。
【0098】
空燃比レンジ（＝λｒ＿ｍａｘ－λｒ＿ｍｉｎ）による制御周波数Ｆｃｎの設定は、図１に示すように、複数の気筒のそれぞれを互いに並列に接続した配列のエンジンに限らず、複数の気筒を複数の気筒群に分け、異なる気筒群同士を並列に接続した配列のエンジンに適用することが可能である。例えば、４つの気筒を２つの気筒群に分け、異なる気筒群同士を並列に接続するとともに、気筒群を構成するそれぞれの気筒同士を並列に接続したエンジンである。
【0099】
空燃比レンジによる制御周波数Ｆｃｎの設定は、このようなエンジンにおいて、異なる気筒群の間で空燃比振動の位相を互いに逆に設定した場合に（以下「逆位相設定」という）、好適に適用可能である。
【0100】
図２４は、図２１に対応するものであり、本実施形態に係る空燃比フィードバック制御および逆位相設定による空燃比振動制御のそれぞれについて、下流側排気センサの最小出力値λｒ＿ｍｉｎ、最大出力値λｒ＿ｍａｘと全炭化水素および窒素酸化物の平均浄化率との関係を示す分布図である。
【0101】
先の実施形態と同様に、排気浄化触媒３３１の浄化率ηは、空燃比フィードバック制御および逆位相設定による空燃比振動制御のいずれによる場合であっても図の左下ほど、つまり、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎが低くかつ下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘが低いほど、増大する傾向にある。空燃比振動制御に限らず、空燃比フィードバック制御によっても高い浄化率ηが得られる領域にあるか否かは、下流側最小空燃比λｒ＿ｍｉｎに関する閾値ＳＬ２１および下流側最大空燃比λｒ＿ｍａｘに関する閾値ＳＬ２２により判定することが可能であり、採用可能な閾値ＳＬ２１、ＳＬ２２は、例えば、０．９７０、０．９７０である。
【0102】
さらに、以上の説明では、排気浄化触媒３３１の触媒温度Ｔｃａｔとして、触媒入口ガス温度Ｔｃａｔ＿ｉｎを採用したが、触媒温度Ｔｃａｔは、これに限らず、排気浄化触媒３３１のベッド部に熱電対等の温度センサを設置することにより、直接的に取得することも可能である。この場合は、例えば、温度センサにより取得される触媒温度が所定の温度以上であり、吸入空気量Ｑａが所定の流量以下である場合に、空燃比フィードバック制御を選択し、実行すればよい。
【符号の説明】
【0103】
Ｅ…エンジン、１…エンジン本体、２…吸気システム、２１…吸気管、２２…吸気マニホールド、２３…エアクリーナ、３…排気システム、３１…排気マニホールド、３２…排気管、３３…触媒コンバータ、３３１…排気浄化触媒、４１…燃料インジェクタ、５１…点火プラグ、１０１…エンジンコントローラ、２０１…アクセルセンサ、２０２…エンジン回転速度センサ、２０３…エアフローメータ、２０４…冷却水温度センサ、２０５…触媒温度センサ、２０６…上流側空燃比センサ、２０７…下流側空燃比センサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】