JP5884701B2

JP5884701B2 - 内燃機関の排出ガス浄化装置

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Publication number: JP5884701B2
Application number: JP2012220689A
Authority: JP
Inventors: 孝亮中野; 真吾中田; 幹泰松岡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-10-02
Also published as: DE102013201455A1; US20130192210A1; US8899014B2; CN103244294A; KR101442391B1; CN103244294B; JP2013177882A; KR20130089205A

Description

本発明は、内燃機関の排出ガス浄化用の触媒と、この触媒の下流側に設置された排出ガスセンサとを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置に関する発明である。

内燃機関の排出ガス浄化システムでは、排出ガス浄化用の触媒の排出ガス浄化率を高めることを目的として、排出ガス浄化用の触媒の上流側と下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ（空燃比センサ又は酸素センサ）を設置し、上流側の排出ガスセンサの出力に基づいて触媒の上流側の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック補正する“メインフィードバック制御”を行うと共に、下流側の排出ガスセンサの出力に基づいて、メインフィードバック制御の目標空燃比を補正したり、或は、メインフィードバック制御のフィードバック補正量又は燃料噴射量を修正する“サブフィードバック制御”を行うようにしたものがある。

ところで、酸素センサ等の排出ガスセンサは、排出ガスの空燃比がリッチ／リーンで変化する際に、実際の空燃比の変化に対してセンサ出力の変化に遅れが生じるのが実状であり、検出応答性の点で改善の余地が残されている。

そこで、例えば、特許文献１（特公平８−２０４１４号公報）に記載されているように、酸素センサ等のガスセンサの内部に、少なくとも１つの補助電気化学電池を組み込み、この補助電気化学電池をガスセンサの一方の電極に接続して、補助電気化学電池に印加電流を与えてイオンポンピングを行うことで、印加電流に応じてガスセンサの出力特性を変化させて検出応答性を高めることができるようにしたものがある。

また、特許文献２（特開２０００−５４８２６号公報）に記載されているように、内燃機関の燃料噴射を停止する燃料カットの終了後（つまり燃料噴射の再開後）は、排出ガス浄化用の触媒（例えば三元触媒）のＯ₂ストレージ量（酸素吸着量）が増加したリーン状態となってＮＯ_X浄化率が低下する可能性があるため、燃料カットの終了後に混合気の空燃比をリッチ側に制御するリッチ方向制御を実行して、触媒に流入する排出ガスの空燃比をリッチにすることで、触媒のリーン状態を抑制する（Ｏ₂ストレージ量を減少させる）ようにしたものがある。

特公平８−２０４１４号公報特開２０００−５４８２６号公報

上記特許文献１では、ガスセンサの出力特性を変化させる技術が開示されているが、この技術では、ガスセンサの内部に補助電気化学電池を組み込む必要があるため、補助電気化学電池を備えていない一般的なガスセンサに対してセンサ構造を大きく変更する必要があり、実用化にあたっては、ガスセンサの設計変更が強いられたり、ガスセンサの製造コストが高くなる等の不都合が生じる。

また、本出願人は、触媒のＮＯ_X浄化率の低下を早期に検出するために、触媒の下流側の排出ガスセンサのリーン応答性（リーンガスに対する検出応答性）を高めるように出力特性を変化させるシステムを研究している。しかし、上記特許文献２の技術のように燃料カットの終了後にリッチ方向制御を実行して触媒のリーン状態を抑制するシステムにおいて、リッチ方向制御の開始後に触媒の下流側の排出ガスセンサの出力が所定のリッチ判定閾値を越えたときに、触媒のリーン状態の抑制完了と判断して、リッチ方向制御を終了するようにした場合には、リッチ方向制御の実行中も排出ガスセンサのリーン応答性を高める制御を継続するようにすると、排出ガスセンサのリッチ応答性（リッチガスに対する検出応答性）が低いため、リッチ方向制御の開始後に排出ガスセンサの出力がリッチ判定閾値を越えるタイミング（つまり触媒のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなって、リッチ方向制御を終了するタイミングが遅くなってしまい、リッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量が増加して排気エミッションが悪化する可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、排出ガスセンサの大幅な設計変更やコストアップを招くことなく排出ガスセンサの出力特性を変更可能にすると共に、燃料カット終了後のリッチ方向制御による排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関の排出ガス浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関（１１）の排出ガス浄化用の触媒（１８）と、この触媒（１８）の下流側に設置され、一対のセンサ電極（３３，３４）間に固体電解質体（３２）が設けられたセンサ素子（３１）により排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ（２１）とを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置において、センサ電極（３３，３４）間に定電流を流して排出ガスセンサ（２１）の出力特性を変更する定電流供給手段（２７）と、内燃機関（１１）の燃料噴射を停止する燃料カットの終了後に混合気の空燃比を通常の運転条件に応じて設定される目標空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ方向制御を実行するリッチ方向制御手段（２５）と、リッチ方向制御の実行中に排出ガスセンサ（２１）のリッチガスに対する検出応答性をそれまでよりも高めるように定電流供給手段（２７）を制御するリッチ応答性向上制御を実行するセンサ出力特性制御手段（２５）とを備えた構成としたものである。

この構成では、定電流供給手段によりセンサ電極間に定電流を流すことで排出ガスセンサの出力特性を変更することができる。この場合、排出ガスセンサの内部に補助電気化学電池等を組み込む必要がないため、排出ガスセンサの大幅な設計変更やコストアップを招くことなく排出ガスセンサの出力特性を変化させることができる。

また、リッチ方向制御の実行中に排出ガスセンサのリッチ応答性（リッチガスに対する検出応答性）をそれまでよりも高めるように定電流供給手段を制御するリッチ応答性向上制御を実行することで、リッチ方向制御の開始後に排出ガスセンサの出力がリッチ判定閾値を越えるタイミング（つまり触媒のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなることを防止して、リッチ方向制御を終了するタイミングを早くすることができる。これにより、燃料カット終了後のリッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量を減少させて排気エミッションの悪化を抑制することができる。

この場合、請求項２のように、リッチ応答性向上制御の開始前に排出ガスセンサ（２１）のリーン応答性（リーンガスに対する検出応答性）を高める方向に定電流を流すように定電流供給手段（２７）が制御されている場合には、リッチ応答性向上制御の際に、定電流の通電を停止するように定電流供給手段（２７）を制御する又は排出ガスセンサ（２１）のリッチ応答性（リッチガスに対する検出応答性）を高める方向に定電流を流すように定電流供給手段（２７）を制御するようにしても良い。つまり、リッチ応答性向上制御の開始前に排出ガスセンサのリーン応答性を高める方向に定電流を流している場合には、リッチ応答性向上制御の際に、定電流の通電を停止する（定電流を０にする）か又は排出ガスセンサのリッチ応答性を高める方向に定電流を流すようにすれば、それまでよりも排出ガスセンサのリッチ応答性を高めることができる。

リッチ応答性向上制御を開始するタイミングとしては、例えば、請求項３のように、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立した時点でリッチ応答性向上制御を開始するようにしても良い。このようにすれば、リッチ方向制御が開始される前からリッチ応答性向上制御を開始しておくことができる。

或は、請求項４のように、リッチ方向制御の開始後の初期にリッチ応答性向上制御を開始するようにしても良い。このようにすれば、実際にリッチ方向制御が開始されたことを確認してからリッチ応答性向上制御を開始することができる。

図１は本発明の実施例１におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。図２はセンサ素子の断面構成を示す断面図である。図３は排出ガスの空燃比（空気過剰率λ）とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図である。図４はセンサ素子周辺のガス成分の状態を示す概略図である。図５はセンサ出力の挙動を説明するタイムチャートである。図６はセンサ素子周辺のガス成分の状態を示す概略図である。図７はリーン応答性／リッチ応答性を高める場合における酸素センサの出力特性図である。図８は実施例１のエミッション悪化抑制制御の実行例を説明するタイムチャートである。図９は実施例１のエミッション悪化抑制制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。図１０は実施例２のエミッション悪化抑制制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。図１１は実施例３のエミッション悪化抑制制御の実行例を説明するタイムチャートである。図１２は上流側触媒のＯ₂ストレージ量の推定方法の一例を説明する図である。図１３は実施例３のエミッション悪化抑制制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図９に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。

内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１３と、このスロットルバルブ１３の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１４とが設けられている。また、エンジン１１の各気筒毎に、それぞれ筒内噴射又は吸気ポート噴射を行う燃料噴射弁１５が取り付けられ、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ１６が取り付けられている。各点火プラグ１６の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管１７には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯ_X等を浄化する三元触媒等の上流側触媒１８と下流側触媒１９が設けられている。更に、上流側触媒１８の上流側には、排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ２０（リニアＡ／Ｆセンサ）が上流側ガスセンサとして設けられ、上流側触媒１８の下流側（上流側触媒１８と下流側触媒１９との間）には、排出ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ）に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサ２１（Ｏ₂センサ）が下流側ガスセンサとして設けられている。

また、本システムには、エンジン１１のクランク軸（図示せず）が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２２や、エンジン１１の吸入空気量を検出する空気量センサ２３や、エンジン１１の冷却水温を検出する冷却水温センサ２４等の各種のセンサが設けられている。クランク角センサ２２の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）２５に入力される。このＥＣＵ２５は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

その際、ＥＣＵ２５は、所定の空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立したときに、空燃比センサ２０（上流側ガスセンサ）の出力に基づいて上流側触媒１８の上流側の排出ガスの空燃比が目標空燃比になるように空燃比（燃料噴射量）をＦ／Ｂ補正するメインＦ／Ｂ制御を行うと共に、酸素センサ２１（下流側ガスセンサ）の出力に基づいて上流側触媒１８の下流側の排出ガスの空燃比が制御目標値（例えば理論空燃比）になるように、上流側触媒１８の上流側の目標空燃比を補正したり、或は、メインＦ／Ｂ制御のＦ／Ｂ補正量又は燃料噴射量を修正するサブＦ／Ｂ制御を行う。ここで、「Ｆ／Ｂ」は「フィードバック」を意味する（以下、同様）。

次に、図２に基づいて酸素センサ２１の構成を説明する。
酸素センサ２１は、コップ型構造のセンサ素子３１を有しており、実際には当該センサ素子３１は素子全体が図示しないハウジングや素子カバー内に収容される構成となっており、エンジン１１の排気管１７内に配設されている。

センサ素子３１において、固体電解質層３２（固体電解質体）は、断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極層３３が設けられ、内表面には大気側電極層３４が設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極層３３，３４は共に白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。これらの電極層３３，３４が一対の対向電極（センサ電極）となっている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は大気室３５となっており、その大気室３５内にはヒータ３６が収容されている。このヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するのに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子３１全体が加熱される。酸素センサ２１の活性温度は、例えば３５０〜４００℃程度である。尚、大気室３５は、大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。

センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極層３３側）が排気雰囲気、固体電解質層３２の内側（電極層３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極層３３，３４間で起電力が発生する。つまり、センサ素子３１では、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。これにより、酸素センサ２１は、排出ガスの酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。

図３に示すように、センサ素子３１は、空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に対してリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、燃料リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、燃料リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。

図２に示すように、センサ素子３１の排気側電極層３３は接地され、大気側電極層３４にはマイコン２６が接続されている。排出ガスの空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子３１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号がマイコン２６に対して出力される。マイコン２６は、例えばＥＣＵ２５内に設けられており、センサ検出信号に基づいて空燃比を算出する。尚、マイコン２６は、上述した各種センサの検出結果に基づいてエンジン回転速度や吸入空気量を算出するようにしても良い。

ところで、エンジン１１の運転時には、排出ガスの実空燃比が逐次変化し、例えばリッチとリーンとで繰り返し変化することがある。こうした実空燃比の変化に際し、酸素センサ２１の検出応答性が低いと、それに起因してエンジン性能に影響が及ぶことが懸念される。例えば、エンジン１１の高負荷運転時において排出ガス中のＮＯ_X量が意図よりも増えてしまう等が生じる。

実空燃比がリッチとリーンとで変化する際の酸素センサ２１の検出応答性について説明する。エンジン１１から排出される排出ガスにおいて実空燃比（上流側触媒１８の下流側の実空燃比）がリッチ／リーンで変化する際には排出ガスの成分組成が変わる。このとき、その変化の直前における排出ガス成分の残留により、変化後の空燃比に対する酸素センサ２１の出力変化（すなわちセンサ出力の応答性）が遅くなる。具体的には、リッチからリーンへの変化時には、図４（ａ）に示すように、リーン変化直後にリッチ成分であるＨＣ等が排気側電極層３３付近に残留し、このリッチ成分により、センサ電極でのリーン成分（ＮＯ_X等）の反応が妨げられる。その結果、酸素センサ２１としてリーン出力の応答性が低下する。また、リーンからリッチへの変化時には、図４（ｂ）に示すように、リッチ変化直後にリーン成分であるＮＯ_X等が排気側電極層３３付近に残留し、このリーン成分により、センサ電極でのリッチ成分（ＨＣ等）の反応が妨げられる。その結果、酸素センサ２１としてリッチ出力の応答性が低下する。

酸素センサ２１の出力変化を図５のタイムチャートで説明する。図５において、実空燃比がリッチ及びリーンで変化すると、その実空燃比の変化に応じてセンサ出力（酸素センサ２１の出力）がリッチガス検出値（０．９Ｖ）とリーンガス検出値（０Ｖ）とで変化する。但し、この場合、実空燃比の変化に対してセンサ出力は遅れを伴い変化する。図５では、リッチ→リーンの変化時には、実空燃比の変化に対してセンサ出力がＴＤ１の遅れで変化し、リーン→リッチの変化時には、実空燃比の変化に対してセンサ出力がＴＤ２の遅れで変化するようになっている。

そこで、本実施例１では、図２に示すように、大気側電極層３４に定電流供給手段としての定電流回路２７を接続し、その定電流回路２７による定電流Ｉｃｓの供給をマイコン２６により制御して、一対のセンサ電極間（排気側電極層３３と大気側電極層３４との間）に所定方向で電流を流すことで、酸素センサ２１の出力特性を変更して検出応答性を変化させるようにしている。この場合、マイコン２６は、一対のセンサ電極間に流れる定電流Ｉｃｓの向きと量とを設定し、その設定した定電流Ｉｃｓが流れるように定電流回路２７を制御する。

詳しくは、定電流回路２７は、大気側電極層３４に対して、正逆両方向いずれかの向きで定電流Ｉｃｓを供給するものであり、更にその定電流量を可変に調整できるものである。つまり、マイコン２６は、ＰＷＭ制御により定電流Ｉｃｓを可変に制御する。この場合、定電流回路２７では、マイコン２６から出力されるデューティ信号に応じて定電流Ｉｃｓが調整され、その電流量調整された定電流Ｉｃｓがセンサ電極間（排気側電極層３３と大気側電極層３４との間）に流れることとなる。

尚、本実施例では、排気側電極層３３→大気側電極層３４の向きに流れる定電流Ｉｃｓを負の定電流（−Ｉｃｓ）、大気側電極層３４→排気側電極層３３の向きに流れる定電流Ｉｃｓを正の定電流（＋Ｉｃｓ）としている。

例えば、リッチからリーンへの変化時の検出応答性（リーン感度）を高める場合には、図６（ａ）に示すように、固体電解質層３２内を通じて大気側電極層３４から排気側電極層３３に酸素が供給されるように定電流Ｉｃｓ（負の定電流Ｉｃｓ）が流される。この場合、大気側から排気側に酸素が供給されることにより、排気側電極層３３の周囲に存在（残留）しているリッチ成分（ＨＣ）について酸化反応が促進され、それに伴いリッチ成分をいち早く除去できる。これにより、排気側電極層３３においてリーン成分（ＮＯ_X）が反応しやすくなり、結果として酸素センサ２１のリーン出力の応答性が向上する。

また、リーンからリッチへの変化時の検出応答性（リッチ感度）を高める場合には、図６（ｂ）に示すように、固体電解質層３２内を通じて排気側電極層３３から大気側電極層３４に酸素が供給されるように定電流Ｉｃｓ（正の定電流Ｉｃｓ）が流される。この場合、排気側から大気側に酸素が供給されることにより、排気側電極層３３の周囲に存在（残留）しているリーン成分（ＮＯ_X）について還元反応が促進され、それに伴いリーン成分をいち早く除去できる。これにより、排気側電極層３３においてリッチ成分（ＨＣ）が反応しやすくなり、結果として酸素センサ２１のリッチ出力の応答性が向上する。

図７は、リーン変化時の検出応答性（リーン感度）を高める場合、及びリッチ変化時の検出応答性（リッチ感度）を高める場合における酸素センサ２１の出力特性（起電力特性）を示す図である。

リーン変化時の検出応答性（リーン感度）を高める場合において、上記のとおり固体電解質層３２内を通じて大気側電極層３４から排気側電極層３３に酸素が供給されるように負の定電流Ｉｃｓが流されると（図６（ａ）参照）、図７の（ａ）に示すように、出力特性線がリッチ側にシフトする（より詳細には、リッチ側かつ起電力減少側にシフトする）。この場合、実際の空燃比がストイキ近傍のリッチ域にあってもセンサ出力がリーン出力となる。これは、酸素センサ２１の出力特性として、リーン変化時の検出応答性（リーン感度）が高められていることを意味する。

また、リッチ変化時の検出応答性（リッチ感度）を高める場合において、上記のとおり固体電解質層３２内を通じて排気側電極層３３から大気側電極層３４に酸素が供給されるように正の定電流Ｉｃｓが流されると（図６（ｂ）参照）、図７の（ｂ）に示すように、出力特性線がリーン側にシフトする（より詳細には、リーン側かつ起電力増加側にシフトする）。この場合、実際の空燃比がストイキ近傍のリーン域にあってもセンサ出力がリッチ出力となる。これは、酸素センサ２１の出力特性として、リッチ変化時の検出応答性（リッチ感度）が高められていることを意味する。

本実施例１では、上流側触媒１８のＮＯ_X浄化率の低下を早期に検出するために、通常時には、上流側触媒１８の下流側の酸素センサ２１のリーン感度を高めてリーン応答性（リーンガスに対する検出応答性）を高める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御する。この場合、大気側電極層３４から排気側電極層３３に酸素が供給される向きで定電流Ｉｃｓ（負の定電流Ｉｃｓ）が流れるように定電流回路２７を制御する。

また、本実施例１では、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）により後述する図９のエミッション悪化抑制制御ルーチンを実行することで、エンジン１１の燃料噴射を停止する燃料カットの終了後に混合気の空燃比を通常の運転条件に応じて設定される目標空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ方向制御（ＮＯ_X悪化抑制制御）を実行し、このリッチ方向制御の開始後に酸素センサ２１の出力が所定のリッチ判定閾値を越えたときにリッチ方向制御を終了すると共に、このリッチ方向制御の実行中に酸素センサ２１のリッチガスに対する検出応答性をそれまでよりも高めるように定電流回路２７を制御するリッチ応答性向上制御を実行する。

具体的には、図８のタイムチャートに示すように、エンジン運転中に所定の燃料カット実行条件が成立して燃料カットフラグがオンされた時点ｔ1 で、エンジン１１の燃料噴射を停止する燃料カットを実行し、その後、燃料カット実行条件が不成立となって燃料カットフラグがオフされた時点ｔ3 で、燃料カットを終了して燃料噴射を再開する。

この燃料カットの終了後（つまり燃料噴射の再開後）は、上流側触媒１８のＯ₂ストレージ量（酸素吸着量）が増加したリーン状態となってＮＯ_X浄化率が低下する可能性があるため、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立しているか否かを判定し、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立してリッチ方向制御実行条件成立フラグがオンされた場合には、燃料カットの終了後（つまり燃料噴射の再開後）に、混合気の空燃比を通常の運転条件に応じて設定される目標空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ方向制御を実行して、上流側触媒１８に流入する排出ガスの空燃比をリッチにすることで、上流側触媒１８のリーン状態を抑制する（Ｏ₂ストレージ量を減少させる）。

このリッチ方向制御の開始後に、酸素センサ２１の出力が所定のリッチ判定閾値（例えばストイキ又はそれよりも少しリッチ側に相当する値）を越えた時点ｔ4 で、上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断して、リッチ方向制御を終了する。

ところで、図８に破線で示す比較例のように、リッチ方向制御の実行中も酸素センサ２１のリーン応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流す制御を継続する場合には、酸素センサ２１のリッチ応答性（リッチガスに対する検出応答性）が低いため、リッチ方向制御の開始後に酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えるタイミング（つまり上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなって、リッチ方向制御を終了するタイミングが遅くなってしまい、リッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量が増加して排気エミッションが悪化する可能性がある。

そこで、本実施例１では、図８に実線で示すように、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立してリッチ方向制御実行条件成立フラグがオンされた時点ｔ2 で、酸素センサ２１のリッチ応答性をそれまでよりも高めるように定電流回路２７を制御するリッチ応答性向上制御を実行する。具体的には、定電流Ｉｃｓの通電を停止する（定電流Ｉｃｓを０にする）ように定電流回路２７を制御する。或は、酸素センサ２１のリッチ感度を高めてリッチ応答性（リッチガスに対する検出応答性）を高める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御するようにしても良い。つまり、リッチ応答性向上制御の開始前に酸素センサ２１のリーン応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流している場合には、リッチ応答性向上制御の際に、定電流Ｉｃｓの通電を停止する（定電流Ｉｃｓを０にする）か又は酸素センサ２１のリッチ応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流すようにすれば、それまでよりも酸素センサ２１のリッチ応答性を高めることができる。

これにより、リッチ方向制御の開始後に酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えるタイミング（つまり上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなることを防止して、リッチ方向制御を終了するタイミングを早くすることができ、その結果、燃料カット終了後のリッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量を減少させて排気エミッションの悪化を抑制することができる。

以下、本実施例１でＥＣＵ２５（又はマイコン２６）が実行する図９のエミッション悪化抑制制御ルーチンの処理内容を説明する。

図９に示すエミッション悪化抑制制御ルーチンは、ＥＣＵ２５の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうリッチ方向制御手段及びセンサ出力特性制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、燃料カットの実行中であるか否かを判定し、燃料カットの実行中ではないと判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、燃料カットの実行中と判定された場合には、ステップ１０２に進み、リッチ方向制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。ここで、リッチ方向制御の実行条件は、例えば、次の(1) 〜(3) の条件を全て満たすことである。

(1) 上流側触媒１８の暖機が完了していること
(2) 上流側触媒１８のＯ₂ストレージ量（検出値又は推定値）が所定値以上であること又は燃料カットの実行時間が所定時間以上であること
(3) エンジン停止要求が発生していないこと

これらの(1) 〜(3) の条件を全て満たせば、リッチ方向制御の実行条件が成立するが、上記(1) 〜(3) の条件のうちのいずれか一つでも満たさない条件があれば、リッチ方向制御の実行条件が不成立となる。

このステップ１０２で、リッチ方向制御の実行条件が不成立であると判定された場合には、ステップ１０３以降の処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０２で、リッチ方向制御の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０３に進み、酸素センサ２１のリッチ応答性をそれまでよりも高めるように定電流回路２７を制御するリッチ応答性向上制御を実行する。具体的には、定電流Ｉｃｓの通電を停止する（定電流Ｉｃｓを０にする）ように定電流回路２７を制御する。或は、酸素センサ２１のリッチ応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御するようにしても良い。この場合、排気側電極層３３から大気側電極層３４に酸素が供給される向きで定電流Ｉｃｓ（正の定電流Ｉｃｓ）が流れるように定電流回路２７を制御する。

この後、ステップ１０４に進み、燃料カットが終了したか否かを判定し、燃料カットが終了していないと判定されれば、上記ステップ１０２に戻る。その後、上記ステップ１０４で、燃料カットが終了した（つまり燃料噴射が再開された）と判定された時点で、ステップ１０５に進み、混合気の空燃比を通常の運転条件に応じて設定される目標空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ方向制御を実行する。これにより、上流側触媒１８に流入する排出ガスの空燃比をリッチにすることで、上流側触媒１８のリーン状態を抑制する（Ｏ₂ストレージ量を減少させる）。

この後、ステップ１０６に進み、酸素センサ２１の出力が所定のリッチ判定閾値（例えばストイキ又はそれよりも少しリッチ側に相当する値）を越えたか否かを判定し、酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値以下であると判定されれば、上記ステップ１０５に戻る。その後、上記ステップ１０６で、酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えたと判定された時点で、ステップ１０７に進み、リッチ方向制御を終了すると共に、リッチ応答性向上制御を終了する（酸素センサ２１のリーン応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流す制御に戻す）。

以上説明した本実施例１では、酸素センサ２１の外部に設けた定電流回路２７によりセンサ電極間に定電流を流すことで、酸素センサ２１の出力特性を変更してリーン応答性やリッチ応答性を高めることができる。しかも、酸素センサ２１の内部に補助電気化学電池等を組み込む必要がないため、大幅な設計変更やコストアップを招くことなく酸素センサ２１の出力特性を変化させることができる。

また、燃料カットの終了後にリッチ方向制御を酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えるまで実行するシステムにおいて、リッチ方向制御の実行中に酸素センサ２１のリッチ応答性をそれまでよりも高めるように定電流回路２７を制御するリッチ応答性向上制御を実行するようにしたので、リッチ方向制御の開始後に酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えるタイミング（つまり上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなることを防止して、リッチ方向制御を終了するタイミングを早くすることができる。これにより、燃料カット終了後のリッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量を減少させて排気エミッションの悪化を抑制することができる。

更に、本実施例１では、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立した時点でリッチ応答性向上制御を開始するようにしたので、リッチ方向制御が開始される前からリッチ応答性向上制御を開始しておくことができる。

次に、図１０を用いて本発明の実施例２を説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。

前記実施例１では、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立した時点でリッチ応答性向上制御を開始するようにしたが、本実施例２では、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）により後述する図１０のエミッション悪化抑制制御ルーチンを実行することで、リッチ方向制御の開始後の初期にリッチ応答性向上制御を開始するようにしている。

図１０に示すエミッション悪化抑制制御ルーチンでは、まず、ステップ２０１で、燃料カットの実行中であるか否かを判定し、燃料カットの実行中と判定された場合には、ステップ２０２に進み、燃料カットが終了したか否かを判定し、燃料カットが終了した（つまり燃料噴射が再開された）と判定された時点で、ステップ２０３に進み、リッチ方向制御の実行条件（図９のルーチンのステップ１０２で説明した実行条件と同じ条件）が成立しているか否かを判定する。

このステップ２０３で、リッチ方向制御の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ２０４に進み、リッチ方向制御を実行して、上流側触媒１８に流入する排出ガスの空燃比をリッチにすることで、上流側触媒１８のリーン状態を抑制する（Ｏ₂ストレージ量を減少させる）。

この後、ステップ２０５に進み、リッチ方向制御を所定時間以上実施したか否かを判定し、まだリッチ方向制御を所定時間以上実施していないと判定されれば、上記ステップ２０３に戻る。その後、上記ステップ２０５で、リッチ方向制御を所定時間以上実施したと判定された時点で、ステップ２０６に進み、リッチ応答性向上制御を実行する。具体的には、定電流Ｉｃｓの通電を停止するように定電流回路２７を制御する。或は、酸素センサ２１のリッチ応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御するようにしても良い。

この後、ステップ２０７に進み、酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えたか否かを判定し、酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値以下であると判定されれば、上記ステップ２０６に戻る。その後、上記ステップ２０７で、酸素センサ２１の出力がリッチ判定閾値を越えたと判定された時点で、ステップ２０８に進み、リッチ方向制御を終了すると共に、リッチ応答性向上制御を終了する。

以上説明した本実施例２では、リッチ方向制御の開始後の初期（リッチ方向制御を所定時間以上実施した時点）にリッチ応答性向上制御を開始するようにしたので、実際にリッチ方向制御が開始されたことを確認してからリッチ応答性向上制御を開始することができる。

次に、図１１乃至図１３を用いて本発明の実施例３を説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。

前記実施例１では、リッチ方向制御の開始後に酸素センサ２１の出力が所定のリッチ判定閾値を越えたときに、リッチ方向制御を終了するようにしたが、本実施例３では、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）により後述する図１３のエミッション悪化抑制制御ルーチンを実行することで、リッチ方向制御の開始後に上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量（Ｏ₂ストレージ量の推定値）が所定の判定閾値まで低下したときに、リッチ方向制御を終了するようにしている。

具体的には、図１１のタイムチャートに示すように、エンジン運転中に所定の燃料カット実行条件が成立して燃料カットフラグがオンされた時点ｔ1 で、燃料カットを実行し、その後、燃料カット実行条件が不成立となって燃料カットフラグがオフされた時点ｔ3 で、燃料カットを終了して燃料噴射を再開する。

この燃料カットの終了後は、上流側触媒１８のＯ₂ストレージ量が増加したリーン状態となってＮＯ_X浄化率が低下する可能性があるため、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立してリッチ方向制御実行条件成立フラグがオンされた場合には、燃料カットの終了後に、リッチ方向制御を実行して、上流側触媒１８のリーン状態を抑制する（Ｏ₂ストレージ量を減少させる）。

このリッチ方向制御の開始後に、上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が所定の判定閾値（例えば目標Ｏ₂ストレージ量）まで低下した時点ｔ4 で、上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断して、リッチ方向制御を終了する。

ここで、図１２を用いて、上流側触媒１８のＯ₂ストレージ量の推定方法（推定Ｏ₂ストレージ量の算出方法）の一例を説明する。エンジン運転中に、空燃比センサ２０（上流側ガスセンサ）の出力、酸素センサ２１（下流側ガスセンサ）の出力、エンジン運転条件（例えば、エンジン回転速度、エンジン負荷、冷却水温等）、排出ガス温度、上流側触媒１８の温度等に基づいてマップ又は数式等により上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量を算出する。この推定Ｏ₂ストレージ量の算出に用いるマップ又は数式等は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）のＲＯＭ等に記憶されている。

その後、燃料カットの終了後にリッチ方向制御が実行された場合には、このリッチ方向制御の開始後に、酸素センサ２１の出力が所定のリッチ判定閾値を越えた時点ｔa で、上流側触媒１８の実際のＯ₂ストレージ量が目標Ｏ₂ストレージ量（例えば最大Ｏ₂ストレージ量の３０〜４０％に相当する値）まで低下したと判断して、その時点ｔa の推定Ｏ₂ストレージ量が目標Ｏ₂ストレージ量となるように推定Ｏ₂ストレージ量を学習補正する。具体的には、推定Ｏ₂ストレージ量と目標Ｏ₂ストレージ量との偏差を推定Ｏ₂ストレージ量の補正量（誤差）として学習し、その学習補正量（学習した補正量）を用いて推定Ｏ₂ストレージ量を補正する。

また、学習補正量は、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）のバックアップＲＡＭ等の不揮発性メモリに記憶し、その後、推定Ｏ₂ストレージ量を算出する際には、学習補正量を用いて推定Ｏ₂ストレージ量を算出する。この場合、例えば、マップ又は数式等を用いて算出した推定Ｏ₂ストレージ量を学習補正量で補正する。或は、マップ又は数式等を学習補正量で補正し、補正後のマップ又は数式等を用いて推定Ｏ₂ストレージ量を算出する。

図１１に破線で示す比較例のように、リッチ方向制御の実行中も酸素センサ２１のリーン応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流す制御を継続する場合には、酸素センサ２１のリッチ応答性が低いため、その影響を受けて、リッチ方向制御の開始後に上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が判定閾値まで低下するタイミング（つまり上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなって、リッチ方向制御を終了するタイミングが遅くなってしまい、リッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量が増加して排気エミッションが悪化する可能性がある。

これに対して、本実施例３では、図１１に実線で示すように、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立してリッチ方向制御実行条件成立フラグがオンされた時点ｔ2 で、リッチ応答性向上制御を実行するため、リッチ方向制御の開始後に上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が判定閾値まで低下するタイミング（つまり上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなることを防止して、リッチ方向制御を終了するタイミングを早くすることができ、その結果、燃料カット終了後のリッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量を減少させて排気エミッションの悪化を抑制することができる。

本実施例３で実行する図１３のルーチンは、前記実施例１で説明した図９のルーチンのステップ１０６の処理を、ステップ１０６ａの処理に変更したものであり、それ以外の各ステップの処理は図９と同じである。

図１３に示すエミッション悪化抑制制御ルーチンでは、燃料カットの実行中に、リッチ方向制御の実行条件が成立しているか否かを判定し、リッチ方向制御の実行条件が成立していると判定された場合には、リッチ応答性向上制御を実行する（ステップ１０１〜１０３）。この後、燃料カットが終了したか否かを判定し、燃料カットが終了した（つまり燃料噴射が再開された）と判定された時点で、リッチ方向制御を実行する（ステップ１０４，１０５）。

この後、ステップ１０６ａに進み、上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が所定の判定閾値（例えば目標Ｏ₂ストレージ量）以下になったか否かを判定し、上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が判定閾値よりも大きいと判定されれば、上記ステップ１０５に戻る。その後、上記ステップ１０６ａで、上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が判定閾値以下になったと判定された時点で、ステップ１０７に進み、リッチ方向制御を終了すると共に、リッチ応答性向上制御を終了する。

以上説明した本実施例３では、燃料カットの終了後にリッチ方向制御を上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が判定閾値に低下するまで実行するシステムにおいて、リッチ方向制御の実行中にリッチ応答性向上制御を実行するようにしたので、リッチ方向制御の開始後に上流側触媒１８の推定Ｏ₂ストレージ量が判定閾値まで低下するタイミング（つまり上流側触媒１８のリーン状態の抑制完了と判断するタイミング）が遅くなることを防止して、リッチ方向制御を終了するタイミングを早くすることができる。これにより、燃料カット終了後のリッチ方向制御によるＣＯやＨＣ（リッチ成分）の排出量を減少させて排気エミッションの悪化を抑制することができる。

尚、上記実施例３では、燃料カットの実行中にリッチ方向制御の実行条件が成立した時点でリッチ応答性向上制御を開始するようにしたが、リッチ方向制御の開始後の初期にリッチ応答性向上制御を開始するようにしても良い。

また、上記各実施例１〜３では、リッチ応答性向上制御の開始前に酸素センサ２１のリーン応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流している場合について説明したが、リッチ応答性向上制御の開始前に定電流Ｉｃｓの通電を停止している（定電流を０にしている）場合には、リッチ応答性向上制御の際に、酸素センサ２１のリッチ応答性を高める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御するようにすると良い。

また、上記各実施例１，２では、リッチ方向制御の実行中にリッチ応答性向上制御を実行するようにしたが、リッチ応答性向上制御を実行せずに酸素センサ２１の出力のリッチ判定閾値をストイキよりもリーン側に設定するようにしても良い。

また、上記各実施例１〜３では、酸素センサ２１（センサ素子３１）の大気側電極層３４に定電流回路２７を接続する構成としたが、これに限定されず、例えば、酸素センサ２１（センサ素子３１）の排気側電極層３３に定電流回路２７を接続する構成としたり、或は、排気側電極層３３と大気側電極層３４の両方に定電流回路２７を接続する構成としても良い。

また、上記各実施例１〜３では、コップ型構造のセンサ素子３１を有する酸素センサ２１を用いたシステムに本発明を適用したが、これに限定されず、例えば、積層構造型のセンサ素子を有する酸素センサを用いたシステムに本発明を適用しても良い。

また、上記各実施例１〜３では、上流側触媒の下流側に酸素センサを設置したシステムに本発明を適用したが、本発明は、上流側触媒や酸素センサに限定されず、排出ガス浄化用の触媒の下流側に排出ガスセンサ（酸素センサや空燃比センサ）を設置したシステムに適用することができる。

１１…エンジン（内燃機関）、１７…排気管、１８…上流側触媒、２１…酸素センサ（排出ガスセンサ）、２５…ＥＣＵ（リッチ方向制御手段，センサ出力特性制御手段）、２６…マイコン、２７…定電流回路（定電流供給手段）、３１…センサ素子、３２…固体電解質層（固体電解質体）、３３…排気側電極層（センサ電極）、３４…大気側電極層（センサ電極）

Claims

内燃機関（１１）の排出ガス浄化用の触媒（１８）と、前記触媒（１８）の下流側に設置され、一対のセンサ電極（３３，３４）間に固体電解質体（３２）が設けられたセンサ素子（３１）により排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ（２１）とを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置において、
前記センサ電極（３３，３４）間に定電流を流して前記排出ガスセンサ（２１）の出力特性を変更する定電流供給手段（２７）と、
前記内燃機関（１１）の燃料噴射を停止する燃料カットの終了後に混合気の空燃比を通常の運転条件に応じて設定される目標空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ方向制御を実行するリッチ方向制御手段（２５）と、
前記リッチ方向制御の実行中に前記排出ガスセンサ（２１）のリッチガスに対する検出応答性をそれまでよりも高めるように前記定電流供給手段（２７）を制御するリッチ応答性向上制御を実行するセンサ出力特性制御手段（２５）と
を備えていることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化装置。
前記センサ出力特性制御手段（２５）は、前記リッチ応答性向上制御の開始前に前記排出ガスセンサ（２１）のリーンガスに対する検出応答性を高める方向に前記定電流を流すように前記定電流供給手段（２７）が制御されている場合には、前記リッチ応答性向上制御の際に、前記定電流の通電を停止するように前記定電流供給手段（２７）を制御する又は前記排出ガスセンサ（２１）のリッチガスに対する検出応答性を高める方向に前記定電流を流すように前記定電流供給手段（２７）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排出ガス浄化装置。
前記センサ出力特性制御手段（２５）は、前記燃料カットの実行中に前記リッチ方向制御の実行条件が成立した時点で前記リッチ応答性向上制御を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
前記センサ出力特性制御手段（２５）は、前記リッチ方向制御の開始後の初期に前記リッチ応答性向上制御を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。