JP2019002388A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浄化触媒を通過する排ガスの空燃比が、浄化触媒の最高浄化点からずれてしまう現象の発生頻度を小さくすることのできる空燃比制御装置、を提供する。【解決手段】空燃比制御装置１０は、排気通路１３のうち、排ガスを浄化する上流側浄化触媒１４よりも上流側における排ガスの空燃比を測定する上流側センサ２００と、下流側における排ガスの空燃比を測定する下流側センサ３００と、上流側センサ２００で測定される空燃比を目標空燃比に一致させる制御を行う制御部１００と、を備える。下流側センサ３００で測定された空燃比と、上流側浄化触媒１４における最高浄化点の空燃比と、の差分を空燃比偏差としたときに、制御部１００は、空燃比偏差が０に近づくよう、空燃比偏差に相当する補正値を目標空燃比に加算又は減算する処理、である補正制御を行う。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に関する。

内燃機関の駆動力によって走行する車両では、空燃比制御装置による空燃比の制御が行われる。空燃比制御装置は、排気通路を通過する排ガスの空燃比（酸素濃度）をセンサによって検知し、検知された空燃比が適切な値となるように、内燃機関への燃料の供給量を調整するものである。

排気通路には酸素の吸蔵能力及び放出能力を有する浄化触媒が備えられ、この浄化触媒により排ガスの浄化が行われる。空燃比を測定するためのセンサは、排気通路のうち浄化触媒よりも上流側となる位置、及び浄化触媒よりも下流側となる位置、のそれぞれに設けられるのが一般的である。

下記特許文献１に記載の制御装置では、上流側の空燃比センサで測定される空燃比が所定の目標空燃比に一致するように、内燃機関への燃料の供給量を調整している。通常は、上記目標空燃比は理論空燃比よりもリッチ側の値として設定されている。下流側の空燃比センサで測定される空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になると、上記目標空燃比が一時的にリーン側の値に変更される。その後、下流側の空燃比センサで測定される空燃比が理論空燃比になると、再び目標空燃比がリッチ側の値に戻される。

このような制御が行われる結果、下流側の空燃比センサで測定される空燃比が、概ね一定の頻度でリッチ側の値となる。このとき、排ガスの空燃比は浄化触媒の最高浄化点からずれてしまっており、当該排ガスには一酸化炭素が含まれた状態となっている。このような排ガスがそのまま車外に排出されることの無いように、下流側の空燃比センサよりも更に下流側となる位置には、排ガスを浄化するための浄化触媒がもう一つ設けられている。

特開２０１５−１７２３５６号公報

上記特許文献１に記載の制御装置により行われる制御では、上流側の空燃比センサで測定される空燃比の目標値が、理論空燃比よりもリッチ側の値と、理論空燃比よりもリーン側の値との間で交互に切り換えられる。このような制御が行われる結果、下流側の空燃比センサで測定される空燃比がリッチ側の値になってしまうタイミング、すなわち、浄化触媒を通過する排ガスの空燃比が最高浄化点からずれてしまうタイミングが、比較的頻繁に訪れることとなる。

本開示は、浄化触媒を通過する排ガスの空燃比が、浄化触媒の最高浄化点からずれてしまう現象の発生頻度を小さくすることのできる空燃比制御装置、を提供することにある。

本開示に係る空燃比制御装置は、内燃機関（１１）の空燃比を制御する空燃比制御装置（１０）であって、内燃機関から排出された排ガスが通る排気通路（１３）のうち、排ガスを浄化する浄化触媒（１４）よりも上流側における排ガスの空燃比を測定する上流側センサ（２００，２００Ａ）と、排気通路のうち、浄化触媒よりも下流側における排ガスの空燃比を測定する下流側センサ（３００，３００Ａ）と、内燃機関への燃料供給量を調整することにより、上流側センサで測定される空燃比を、目標空燃比に一致させる制御を行う制御部（１００）と、を備える。下流側センサで測定された空燃比と、浄化触媒における最高浄化点の空燃比と、の差分を空燃比偏差としたときに、制御部は、空燃比偏差が０に近づくよう、空燃比偏差に相当する補正値を目標空燃比に加算又は減算する処理、である補正制御を行う。

このような補正制御では、目標空燃比に加算又は減算される補正値として、空燃比偏差に相当する値、すなわち空燃比偏差を０に近づけるために最適な値が設定される。このような補正制御を、必要に応じて複数回行えば、空燃比偏差を短時間のうちに０とすることができる。つまり、下流側センサで測定される空燃比を、短時間のうちに浄化触媒の最高浄化点に一致させることができる。

尚、上記における「空燃比偏差に相当する補正値」としては、空燃比偏差をそのまま用いてもよく、空燃比偏差に所定の係数を掛けた値を用いてもよい。

補正制御が行われた直後では、浄化触媒を通過する排ガスの空燃比が、浄化触媒の最高浄化点に概ね一致した状態となっている。このため、浄化触媒の最高浄化点からずれてしまう現象が次に発生するまでの時間が長くなる。その結果、上記の空燃比制御装置では、浄化触媒を通過する排ガスの空燃比が、浄化触媒の最高浄化点からずれてしまう現象の発生頻度を従来よりも小さくすることができる。

本開示によれば、浄化触媒を通過する排ガスの空燃比が、浄化触媒の最高浄化点からずれてしまう現象の発生頻度を小さくすることのできる空燃比制御装置、を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る空燃比制御装置の全体構成を模式的に示す図である。 図２は、図１の空燃比制御装置が備える空燃比センサの内部構成を示す図である。 図３は、空燃比センサで測定される排ガスの空燃比と、空燃比センサから出力される出力電流との関係を示す図である。 図４は、浄化触媒を通過する排ガスの空燃比と、浄化触媒における浄化率との関係を示す図である。 図５は、空燃比制御装置が備える制御部により実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、空燃比制御装置が備える制御部により実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図７は、空燃比センサで測定される空燃比等の変化を示すタイムチャートである。 図８は、第２実施形態に係る空燃比制御装置が備える空燃比センサの内部構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

第１実施形態について説明する。本実施形態に係る空燃比制御装置１０は、車両ＭＶ（全体は不図示）に備えられる装置であって、内燃機関１１の空燃比を制御するための装置として構成されている。空燃比制御装置１０の構成を説明するに先立ち、車両ＭＶの構成について説明する。車両ＭＶは、内燃機関１１と、排気通路１３と、上流側浄化触媒１４と、下流側浄化触媒１５と、車速センサ１６と、を備えている。

内燃機関１１は所謂エンジンであって、空気と共に供給される燃料を内部で燃焼させることにより、車両ＭＶの駆動力を発生させるものである。内燃機関１１への燃料の供給は、燃料噴射弁であるインジェクタ１２から行われる。インジェクタ１２が開状態となっているときには内燃機関１１への燃料の供給が行われ、インジェクタ１２が閉状態となっているときには内燃機関１１への燃料の供給が停止される。インジェクタ１２からの燃料の供給量が変化すると、内燃機関１１における空燃比が変化する。インジェクタ１２の開閉は後述の制御部１００によって制御される。

排気通路１３は、内燃機関１１において生じた排ガスを、車両ＭＶの外側に導いて排出するための配管である。排気通路１３において、排ガスは図１の左側から右側に向かって流れる。

上流側浄化触媒１４及び下流側浄化触媒１５は、排気通路１３を通る排ガスを浄化するための三元触媒である。これらはいずれも、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する白金等の貴金属と、それを支持するアルミナ等のサポート材と、酸素の吸蔵能力及び放出能力を有するセリア等の物質と、をそれぞれ担持させた構成となっている。上流側浄化触媒１４及び下流側浄化触媒１５は、所定の活性温度に達すると、炭化水素や一酸化炭素等の未燃ガスと窒素酸化物とを同時に浄化する。

上流側浄化触媒１４及び下流側浄化触媒１５は、排気通路１３における排ガスの流れに沿って並ぶように配置されている。下流側浄化触媒１５は、排気通路１３のうち、上流側浄化触媒１４よりも下流側となる位置に配置されている。

車速センサ１６は、車両ＭＶの走行速度（つまり車速）を測定するためのセンサである。車速センサ１６で測定された走行速度は、制御部１００に入力される。尚、車両ＭＶには、車速センサ１６の他にも各種のセンサが搭載されており、それぞれのセンサの測定値が制御部１００に入力されているのであるが、図１においてはそれらの図示が省略されている。

引き続き図１を参照しながら、空燃比制御装置１０の構成について説明する。空燃比制御装置１０は、上流側センサ２００と、下流側センサ３００と、制御部１００と、を備えている。

上流側センサ２００は、排気通路１３を通る排ガスの空燃比を測定するためのセンサ（空燃比センサ）である。上流側センサ２００は、排ガスの空燃比（具体的には酸素濃度）に応じて出力電流を変化させるように構成されている。上流側センサ２００は、排気通路１３のうち、上流側浄化触媒１４よりも更に上流側となる位置に設けられている。つまり、上流側センサ２００は、排気通路１３のうち、排ガスを浄化する上流側浄化触媒１４よりも上流側における排ガスの空燃比を測定するためのセンサとして設けられている。上流側センサ２００の具体的な構成については後に説明する。

下流側センサ３００は、上流側センサ２００と同様に、排気通路１３を通る排ガスの空燃比を測定するためのセンサ（空燃比センサ）である。下流側センサ３００の構成は、上流側センサ２００の構成と同じである。下流側センサ３００は、排気通路１３のうち、上流側浄化触媒１４よりも下流側であり、且つ下流側浄化触媒１５よりも上流側となる位置に設けられている。つまり、下流側センサ３００は、排気通路のうち、排ガスを浄化する上流側浄化触媒１４よりも下流側における排ガスの空燃比を測定するためのセンサとして設けられている。

制御部１００は、空燃比制御装置１０の全体の動作を制御する部分である。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムとして構成されている。制御部１００は、インジェクタ１２の開閉を制御することによって内燃機関１１への燃料供給量を調整し、これにより上流側センサ２００で測定される空燃比を目標空燃比に一致させる制御を行う。

例えば、上流側センサ２００で測定される空燃比が目標空燃比よりも小さい（つまり目標空燃比よりもリッチ側である）場合には、制御部１００は、インジェクタ１２が開状態となる時間を短くする。これにより、内燃機関１１への燃料供給量が低減され、上流側センサ２００で測定される空燃比が増加して目標空燃比に近づくこととなる。

上記とは逆に、上流側センサ２００で測定される空燃比が目標空燃比よりも大きい（つまり目標空燃比よりもリーン側である）場合には、制御部１００は、インジェクタ１２が開状態となる時間を長くする。これにより、内燃機関１１への燃料供給量が増加し、上流側センサ２００で測定される空燃比が低下して目標空燃比に近づくこととなる。

目標空燃比としては、所謂理論空燃比若しくはその近傍の値が設定される。目標空燃比は、一定の値であってもよく、定期的に変更される値であってもよい。本実施形態では、後に説明するように、下流側センサ３００で測定された空燃比に基づいて目標空燃比が変更（補正）されることがある。

尚、触媒の活性を維持するために、一定周期の空燃比変動（パータベーション制御）を付与してもよい。ただし、一定周期毎に変動する空燃比を当該周期内においてサンプリングし平均した値は、上記の目標空燃比と同じ値になるものとする。

図２を参照しながら、上流側センサ２００の構成について説明する。尚、下流側センサ３００の構成は、既に述べたように上流側センサ２００の構成の構成と同一である。このため、以下では上流側センサ２００についてのみ説明し、下流側センサ３００については説明を省略する。

上流側センサ２００は、１セル構造であり且つ平板型の空燃比センサとして構成されている。図２では、上流側センサ２００のうち排気通路１３の内部に配置されている部分、の断面が示されている。尚、以下に説明する上流側センサ２００の構成は、特開平７−１２０４２９号公報に記載されているものと同じものである。

上流側センサ２００は、固体電解質２１０と、作用電極２１１と、参照電極２１２と、ヒータ２１８と、を有している。

固体電解質２１０は、シート状に形成された部分安定化ジルコニアである。固体電解質２１０は、所定の活性温度になると酸素イオン電導性を有するようになる。上流側センサ２００は、固体電解質２１０を通過する酸素イオンの量が排ガスの空燃比（酸素濃度）に応じて変化することを利用して、排ガスの空燃比を測定する構成となっている。

作用電極２１１は、固体電解質２１０の一方側（図２では上方側）の表面に形成された層である。作用電極２１１は、白金等からなる多孔性の層となっている。このため、作用電極２１１は、電気伝導性及び通気性の両方を有している。

作用電極２１１の周囲は、ガス透過層２１３によって覆われている。ガス透過層２１３は、多孔性の耐熱セラミックスからなる層であって、固体電解質２１０のうち作用電極２１１が形成されている方の表面の全体を覆っている。ガス透過層２１３のうち、固体電解質２１０とは反対側の表面は、ガス遮蔽層２１４によって覆われている。ガス遮蔽層２１４は、ガス透過層２１３と同様に多孔性の耐熱セラミックスからなる層なのであるが、その気孔率はガス透過層２１３の気孔率よりも小さくなっている。このため、排気通路１３を通る排ガスは、ガス透過層２１３のうち開放された側面（ガス遮蔽層２１４により覆われていない面）からガス透過層２１３の内側に侵入し、作用電極２１１を経て固体電解質２１０に到達する。

参照電極２１２は、固体電解質２１０のうち作用電極２１１側とは反対側（図２では下方側）の表面に形成された層である。参照電極２１２は、作用電極２１１と同様に、白金等からなる多孔性の層となっている。このため、参照電極２１２は、電気伝導性及び通気性の両方を有している。

固体電解質２１０のうち参照電極２１２が形成されている方の表面は、ダクト部２１５により覆われている。ダクト部２１５は、射出成型により形成されたアルミナからなる層である。ダクト部２１５の内側、具体的にはダクト部２１５と参照電極２１２との間には、排気通路１３から遮断された空間である通気路２１６が形成されている。通気路２１６には外気が導入されている。このように、固体電解質２１０は、一方側の面が排気通路１３を通る排ガスに曝されており、他方側の面が外気に曝されている。固体電解質２１０では、それぞれの面における酸素濃度の差に起因して、酸素イオンの移動が生じる。

ヒータ２１８は、通電されることによって発熱し、固体電解質２１０を活性温度に維持するためのものである。本実施形態におけるヒータ２１８は、白金とアルミナとの混合物により形成されている。ヒータ２１８への通電量、すなわちヒータ２１８の発熱量は、制御部１００によって調整される。ヒータ２１８の周囲は、高純度のアルミナからなる絶縁層２１７により覆われている。

上流側センサ２００のその他の構成について説明する。上流側センサ２００のうち以上に説明した部分の外側は、保護層２１９によって覆われている。保護層２１９は、排ガスの凝縮成分によりガス透過層２１３が目詰まりするのを防止するものである。保護層２１９は、高表面積アルミナをディップ法又はプラズマ溶射法等により形成したものである。尚、ガス透過層２１３の目詰まり防止の観点からは、ガス透過層２１３の側面のみを保護層２１９で覆えばよいのであるが、保温性を向上させるために、本実施形態ではそれ以外の部分も保護層２１９により覆われている。

保護層２１９の更に外側は、ステンレスによって形成された不図示のカバーによって覆われている。当該カバーには複数の開口が形成されており、当該開口を通じて排ガスがカバーの内側に流入する。

上流側センサ２００による空燃比の測定が行われる際には、作用電極２１１と参照電極２１２との間に所定の電圧が印加される。このとき、固体電解質２１０では、作用電極２１１側における酸素濃度（つまり排ガスの酸素濃度）と、参照電極２１２側における酸素濃度（つまり大気の酸素濃度）との差に起因して酸素イオンの移動が生じる。その結果、作用電極２１１と参照電極２１２との間には、排ガスの空燃比に概ね比例した電流（出力電流）が流れることとなる。このように、上流側センサ２００及び下流側センサ３００は、いずれも、排ガスの空燃比に比例するように出力電流を変化させるものとして構成されている。制御部１００は、上流側センサ２００等を流れる出力電流の大きさに基づいて、排気通路１３を流れる排ガスの空燃比を取得する。

図３では、排ガスの空燃比（横軸）と、上記出力電流の大きさ（縦軸）との関係が、線Ｌ１乃至Ｌ３によって示されている。線Ｌ１乃至Ｌ３は、それぞれ異なる上流側センサ２００において測定された出力電流の大きさを示す線であって、上流側センサ２００の出力電流が個体差によってばらつくことを示している。

図３に示されるＲ０は理論空燃比である。また、図３に示されるＲ１は理論空燃比よりも僅かにリーン側となる空燃比であり、図３に示されるＲ２は理論空燃比よりも僅かにリッチ側となる空燃比である。

図３の点Ｐは、排ガスの空燃比が理論空燃比（Ｒ０）であり、且つ出力電流が０となる点である。線Ｌ１乃至Ｌ３は、いずれもこの点Ｐを通る線となっている。つまり、上流側センサ２００は、固体バラつきによることなく、排ガスの空燃比が理論空燃比であるときには出力電流が確実に０となる特性を有している。このような上流側センサ２００の特性は、上流側センサ２００が、図２に示されるような１セル構造のセンサとして構成されていることに起因している。仮に、上流側センサ２００が１セル構造ではなく、例えばポンプセルを有する構造である場合には、固体バラつきにより、排ガスの空燃比が理論空燃比であるにも拘らず出力電流が０とならない場合が生じ得る。上流側センサ２００は、１セル構造のセンサとして構成されていることにより、このような出力電流のズレの発生が抑制されている。

尚、排ガスの空燃比が理論空燃比から著しく乖離した場合には、出力電流は排ガスの空燃比に比例しなくなる。一方、排ガスの空燃比が理論空燃比の近傍である場合（図３においてＲ１とＲ２との間である場合）には、出力電流は排ガスの空燃比にほぼ比例する。図３に示されるように、空燃比がＲ１とＲ２との間であるときには、線Ｌ１乃至Ｌ３のそれぞれによる測定値のずれが無視できる程度に小さくなっている。上流側センサ２００や下流側センサ３００によれば、理論空燃比の近傍における排ガスの空燃比を、固体ばらつきによることなく正確に測定することが可能となる。

図４を参照しながら、上流側浄化触媒１４や下流側浄化触媒１５の浄化性能について説明する。尚、上流側浄化触媒１４と下流側浄化触媒１５とは互いに同一のものであるから、以下では上流側浄化触媒１４についてのみ説明する。

線Ｌ１１は、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比（横軸）と、当該排ガスに含まれる窒素酸化物の浄化率（縦軸）との関係を示す線である。線Ｌ１２は、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比（横軸）と、当該排ガスに含まれる一酸化炭素の浄化率（縦軸）との関係を示す線である。線Ｌ１３は、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比（横軸）と、当該排ガスに含まれる炭化水素の浄化率（縦軸）との関係を示す線である。

線Ｌ１１に示されるように、窒素酸化物の浄化率は、排ガスの空燃比がリッチ側であるときに大きくなり、排ガスの空燃比が理論空燃比（Ｒ０）を超えてリーン側になると小さくなる。線Ｌ１２、Ｌ１３に示されるように、一酸化炭素及び炭化水素の浄化率は、排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側であるときに小さなり、リーン側になる程大きくなる。図４に示されるように、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が理論空燃比の近傍であるときには、窒素酸化物、一酸化炭素、及び炭化水素のいずれの浄化率も大きくなっている。

つまり、理論空燃比は、上流側浄化触媒１４や下流側浄化触媒１５による浄化性能が最大限発揮される空燃比、すなわち最高浄化点の空燃比ということができる。上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が最高浄化点となっているときには、下流側センサ３００の出力電流が０となる。

図５を参照しながら、制御部１００によって行われる処理の内容について説明する。既に述べたように、制御部１００は、インジェクタ１２の制御によって内燃機関１１への燃料供給量を調整し、これにより上流側センサ２００で測定される空燃比を目標空燃比に一致させる制御を行っている。制御部１００は、当該制御に必要な処理とは別に、図５に示される一連の処理を所定の周期が経過する毎に繰り返し実行している。

最初のステップＳ０１では、下流側センサ３００の出力電流が０であるか否かが判定される。下流側センサ３００の出力電流が０である場合には、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が最高浄化点となっており、上流側浄化触媒１４における排ガスの浄化が適切に行われているということである。このため、この場合は後述のステップＳ０２の処理を経ることなく、図５に示される一連の処理を終了する。

下流側センサ３００の出力電流が０でない場合には、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が最高浄化点からずれてしまっており、窒素酸化物等が上流側浄化触媒１４の下流側に漏出しているということである。このため、この場合はステップＳ０２に移行して補正制御が行われる。補正制御とは、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が最高浄化点となるように、目標空燃比を補正（変更）する制御である。

図６を参照しながら、補正制御において行われる具体的な処理の流れを説明する。補正制御における最初のステップＳ１１では、内燃機関１１の暖機が完了しているか否かが判定される。内燃機関１１とラジエータ（不図示）との間で循環する冷却水の温度が、所定温度（例えば６５℃）以上まで上昇している場合には、内燃機関１１の暖機が完了していると判定される。暖機が完了していない場合にはステップＳ１１の処理が再度実行される。暖機が完了している場合にはステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、車両ＭＶの走行状態が安定しているか否かが判定される。車速センサ１６で測定された走行速度が概ね一定となっており、走行速度の変動が所定範囲（例えば±５ｋｍ／ｈ）に収まっている場合には、車両ＭＶの走行状態が安定していると判定される。走行状態が安定していない場合にはステップＳ１２の処理が再度実行される。走行状態が安定している場合にはステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３では、下流側センサ３００によって測定された値のサンプリングが開始される。ここでサンプリングされる値は、例えば下流側センサ３００からの出力電流の値であってもよく、出力電流に対応する空燃比の値であってもよい。本実施形態では、下流側センサ３００からの出力電流の値が３２ｍｓｅｃごとにサンプリングされ、制御部１００が備える不図示の記憶装置に記憶される。

ステップＳ１３に続くステップＳ１４では、サンプリングされた値の数（つまりサンプル数）が、所定の目標値以上となったか否かが判定される。本実施形態では、サンプル数の目標値として２００が設定されている。サンプル数が目標値未満である場合には、ステップＳ１４の処理が再度実行される。サンプル数が目標値以上である場合にはステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５ではサンプリングを終了する処理が行われる。

ステップＳ１５に続くステップＳ１６では平均化処理が行われる。平均化処理とは、ステップＳ１３以降にサンプリングされた値の平均値を算出する処理である。

ステップＳ１６に続くステップＳ１７では、目標空燃比に加算又は減算すべき補正値が算出される。当該補正値を算出するにあたっては、先ず、ステップＳ１７で算出された平均値（下流側センサ３００によって測定された値の平均値）から、上流側浄化触媒１４における最高浄化点の空燃比に対応する出力電流の値（つまり０ｍＡ）が差し引かれる。その後、得られた値の絶対値をとり、当該絶対値（電流値）を空燃比に換算することによって行われる。絶対値（電流値）から空燃比への換算は、例えば図３の線Ｌ１等に示される対応関係に基づいて行われる。

ここで、下流側センサ３００で測定された空燃比と、浄化触媒における最高浄化点の空燃比と、の差分を「空燃比偏差」と定義すると、上記のように算出された補正値は、空燃比偏差に相当する値、ということができる。

ステップＳ１８では、ステップＳ１７で算出された補正値が、目標空燃比に対して加算又は減算される。ステップＳ１６で算出された平均値がリーン側（＋側）の値であった場合には、目標空燃比から補正値が減算される。すなわち、目標空燃比がそれまでの値よりもリッチ側の値となるように変更される。一方、ステップＳ１６で算出された平均値がリッチ側（−側）の値であった場合には、目標空燃比に補正値が加算される。すなわち、目標空燃比がそれまでの値よりもリーン側の値となるように変更される。

ステップＳ１８の処理が行われると、図６に示される一連の処理が終了する。以降は、上流側センサ２００で測定される空燃比が補正後の目標空燃比となるように、内燃機関１１への燃料供給量が調整される。

以上のような処理が行われた場合における空燃比の変化等について、図７を参照しながら説明する。図７（Ａ）に示されるのは、上流側センサ２００で測定される空燃比の変化である。図７（Ｂ）に示されるのは、下流側センサ３００で測定される空燃比の変化である。図７（Ｃ）に示されるのは、下流側センサ３００の位置を通過する排ガスに含まれる、一酸化炭素の濃度の変化である。図７（Ｄ）に示されるのは、下流側センサ３００の位置を通過する排ガスに含まれる、窒素酸化物の濃度の変化である。

図７に示される例では、時刻ｔ１において最初の補正制御が行われている。時刻ｔ１よりも前の時点では、目標空燃比が理論空燃比Ｒ０に設定されているため、上流側センサ２００で測定される空燃比も理論空燃比Ｒ０に概ね一致している（図７（Ａ））。ただし、下流側センサ３００で測定される空燃比は、最高浄化点である理論空燃比Ｒ０よりもリッチ側にΔＲ１だけずれてしまっている（図７（Ｂ））。このようなずれは、例えば上流側浄化触媒１４の劣化や、酸素吸蔵量の不足等によって生じる。

時刻ｔ１で行われる補正制御では、上記のΔＲ１が空燃比偏差として算出される。時刻ｔ１以降においては、それまでの目標空燃比をΔＲ１だけリーン側にシフトさせたものが、新たな目標空燃比として設定される。このため、時刻ｔ１以降において上流側センサ２００で測定される空燃比は、理論空燃比Ｒ０にΔＲ１を加算したものとなっている（図７（Ａ））。

補正制御によって目標空燃比に加算又は減算される補正値としては、本実施形態では空燃比偏差がそのまま用いられる。このような補正値は、空燃比偏差を０に近づけるために最適な値ということができる。従って、理論的には、補正制御が行われた時刻ｔ１以降において下流側センサ３００で測定される空燃比は理論空燃比Ｒ０（最高浄化点）となるはずである。

しかしながら、実際には、インジェクタ１２における燃料噴射量の誤差や、空燃比の変化の遅れなどに起因して、時刻ｔ１以降においても空燃比偏差が残ってしまうことが多い。図７の例では、時刻ｔ２以降における空燃比偏差がΔＲ２として示されている。ΔＲ２は、ΔＲ１よりも小さな値である。

このため、時刻ｔ２においては再度の補正制御が実行される。時刻ｔ２以降においては、それまでの目標空燃比（理論空燃比Ｒ０＋ΔＲ１）を、更にΔＲ２だけリーン側にシフトさせたものが、新たな目標空燃比として設定される。

このような補正制御は、下流側センサ３００で測定される空燃比が最高浄化点となるまで、すなわち、図５のステップＳ０１における判定がＹｅｓとなるまで繰り返し実行されることとなる。図７の例では、時刻ｔ３において３回目の補正制御が実行されることで、下流側センサ３００で測定される空燃比が最高浄化点となっている。このため、時刻ｔ３よりも後の時刻ｔ４では補正制御が実行されていない。

補正制御が異常のように繰り返される結果、下流側センサ３００の位置における一酸化炭素の濃度は段階的に低減され、時刻ｔ３以降はほぼ０となっている（図７（Ｃ））。尚、図７の例は下流側センサ３００で測定される空燃比がリッチ側にずれる例なので、下流側センサ３００の位置における窒素酸化物の濃度は当初からほぼ０のままとなっている（図７（Ｄ））。これとは逆に、下流側センサ３００で測定される空燃比がリーン側にずれた場合には、窒素酸化物の濃度が段階的に０に近づいて行くこととなる。

以上に説明したように、本実施形態に係る空燃比制御装置１０の制御部１００は、空燃比偏差が０に近づくよう、空燃比偏差に相当する補正値を目標空燃比に加算又は減算する処理、である補正制御を行うように構成されている。このような補正制御が行われることにより、下流側センサ３００で測定される空燃比を、短時間のうちに最高浄化点に一致させることができる。

また、補正制御が１回又は複数回行われた直後では、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が、上流側浄化触媒１４の最高浄化点に概ね一致した状態となっている。このため、排ガスの空燃比が最高浄化点からずれてしまう現象が次に発生するまでの時間が長くなる。その結果、上流側浄化触媒１４を通過する排ガスの空燃比が、上流側浄化触媒１４の最高浄化点からずれてしまう現象の発生頻度を従来よりも小さくすることが可能となる。

これにより、上流側浄化触媒１４の下流側に漏出する窒素酸化物などの量が低減されるので、下流側浄化触媒１５を従来よりも小型化することが可能となる。

尚、本実施形態では、「空燃比偏差に相当する補正値」として、算出された空燃比偏差の値がそのまま用いられている。このような態様に替えて、算出された空燃比偏差に対して所定の補正係数を掛けたものが補正値として用いられることとしてもよい。換言すれば、下流側センサ３００で測定された値に対して所定の補正係数を掛けたもの、を用いて補正値を算出することとしてもよい。例えば、下流側センサ３００からの出力電流を検知する回路において検知誤差が生じる場合には、上記の補正係数を設定することにより、当該誤差をキャンセルすることができる。

また、上記の検知誤差が問題となるような場合には、車両ＭＶの電源が投入された時点（例えば内燃機関１１の始動直前）において、検知される出力電流の値を０にリセットする処理が行われることとしてもよい。

本実施形態における制御部１００は、下流側センサ３００で複数回測定された値の平均値、を用いて補正値を算出している（図６のステップＳ１６、Ｓ１７）。これにより、下流側センサ３００での測定値においてばらつきが生じた場合でも、空燃比偏差及び補正値として適切な値を算出することができる。尚、下流側センサ３００での測定値でのばらつきが問題とならないような場合には、図６のステップＳ１７では、単一の測定値に基づいて補正値を算出することとしてもよい。すなわち、ステップＳ１４で設定されるサンプル数の目標値を１としてもよい。

本実施形態における制御部１００は、車両ＭＶの走行状態が安定しているとき、具体的には、車両ＭＶの走行速度の変動が所定範囲に収まっているときに、補正制御を行うこととしている（図６のステップＳ１２）。これにより、内燃機関１１における燃焼状態が安定している状況の下で空燃比偏差の算出を正確に行い、より適切な空燃比目標値の補正を行うことができる。尚、車両ＭＶの走行状態が安定しているか否かの判定は、走行速度以外の指標に基づいて行われてもよい。

第２実施形態について、図８を参照しながら説明する。本実施形態に係る空燃比制御装置１０では、上流側センサ２００Ａ及び下流側センサ３００Ａの構成において第１実施形態と異なっており、他の構成や制御の態様については第１実施形態と同じである。また、上流側センサ２００Ａの構成と下流側センサ３００Ａの構成は互いに同じものとなっている。従って、以下では上流側センサ２００Ａの構成にいてのみ説明し、他の構成については説明を省略する。

図８に示されるのは、本実施形態に係る上流側センサ２００Ａの断面図である。上流側センサ２００Ａは、第１実施形態（図２）と同様に１セル構造のセンサとして構成されているのであるが、本実施形態では「平板型」ではなく「コップ型」のセンサとして構成されている。尚、以下に説明する上流側センサ２００Ａの構成は、特開平１０−８２７６０号公報に記載されているものと同じものである。

上流側センサ２００Ａは、固体電解質体２３０と、作用電極２３１と、参照電極２３２と、を有している。

固体電解質体２３０は、概ね円筒形状に形成された部材であって、本実施形態ではＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃材料により形成されている。固体電解質体２３０は、所定の活性温度になると酸素イオン電導性を有するようになる。固体電解質体２３０は、その長手方向における一端（図８では上端）が開放されており、他端が塞がれている。固体電解質体２３０の内側には、排気通路１３から遮断された空間である通気路２３６が形成されている。通気路２３６には外気が導入されている。

作用電極２３１は、固体電解質体２３０の外面に形成された層である。作用電極２３１は、白金等からなる多孔性の層となっている。このため、作用電極２３１は、電気伝導性及び通気性の両方を有している。

固体電解質体２３０のうち閉じられた下端部近傍の部分であるセンサ部２３５では、固体電解質体２３０の表面上に作用電極２３１が直接形成されている。その他の部分においては、固体電解質体２３０の表面と作用電極２３１との間に電気絶縁層２３４が介在している。このような構成においては、固体電解質体２３０のうちセンサ部２３５においてのみ酸素イオンの通過が生じる。

作用電極２３１の外周面は、多孔質の拡散抵抗層２３３によって覆われている。排気通路１３を通る排ガスは、拡散抵抗層２３３、及び、センサ部２３５における作用電極２３１を経て固体電解質体２３０に到達する。

参照電極２３２は、固体電解質体２３０の内面に形成された層である。参照電極２３２は、作用電極２３１と同様に、白金等からなる多孔性の層となっている。このため、参照電極２３２は、電気伝導性及び通気性の両方を有している。

既に述べたように、通気路２３６には外気が導入されている。このため、固体電解質体２３０は、外側の面が排気通路１３を通る排ガスに曝されており、内側の面が外気に曝されている。固体電解質体２３０のセンサ部２３５では、それぞれの面における酸素濃度の差に起因して、酸素イオンの移動が生じる。

固体電解質体２３０のうち開放された上端部の近傍には、端子部２３７、２３８が形成されている。これらはいずれも白金鍍金により形成された層となっている。端子部２３７は、導体であるリード部２３９を介して作用電極２３１に接続されている。端子部２３８は、参照電極２３２に直接接続されている。

上流側センサ２００Ａによる空燃比の測定が行われる際には、端子部２３７と端子部２３８との間、すなわち作用電極２３１と参照電極２３２との間に所定の電圧が印加される。このとき、固体電解質体２３０のセンサ部２３５では、作用電極２３１側における酸素濃度（つまり排ガスの酸素濃度）と、参照電極２３２側における酸素濃度（つまり大気の酸素濃度）との差に起因して酸素イオンの移動が生じる。その結果、端子部２３７と端子部２３８との間には、排ガスの空燃比に概ね比例した電流（出力電流）が流れることとなる。このように、上流側センサ２００Ａ及び下流側センサ３００Ａは、いずれも、排ガスの空燃比に比例するように出力電流を変化させるものとして構成されている。制御部１００は、上流側センサ２００Ａ等を流れる出力電流の大きさに基づいて、排気通路１３を流れる排ガスの空燃比を取得する。

空燃比を測定するためのセンサとして、以上のような構成の上流側センサ２００Ａ及び下流側センサ３００Ａを用いても、第一実施形態で説明したものと同様の効果を奏する尚、上流側センサ２００Ａと下流側センサ３００Ａとは、本実施形態のように互いに同一の構成であってもよいのであるが、互いに異なる構成であってもよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：空燃比制御装置
１１：内燃機関
１３：排気通路
１４：上流側浄化触媒
１００：制御部
２００，２００Ａ：上流側センサ
３００，３００Ａ：下流側センサ

Claims (8)

1. 内燃機関（１１）の空燃比を制御する空燃比制御装置（１０）であって、
   前記内燃機関から排出された排ガスが通る排気通路（１３）のうち、排ガスを浄化する浄化触媒（１４）よりも上流側における排ガスの空燃比を測定する上流側センサ（２００，２００Ａ）と、
   前記排気通路のうち、前記浄化触媒よりも下流側における排ガスの空燃比を測定する下流側センサ（３００，３００Ａ）と、
   前記内燃機関への燃料供給量を調整することにより、前記上流側センサで測定される空燃比を目標空燃比に一致させる制御を行う制御部（１００）と、を備え、
   前記下流側センサで測定された空燃比と、前記浄化触媒における最高浄化点の空燃比と、の差分を空燃比偏差としたときに、
   前記制御部は、
   前記空燃比偏差が０に近づくよう、前記空燃比偏差に相当する補正値を前記目標空燃比に加算又は減算する処理、である補正制御を行う空燃比制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記下流側センサで複数回測定された値の平均値、を用いて前記補正値を算出する、請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記下流側センサで測定された値に対して所定の補正係数を掛けたもの、を用いて前記補正値を算出する、請求項１又は２に記載の空燃比制御装置。
4. 前記上流側センサ及び前記下流側センサは、いずれも、排ガスの空燃比に比例するように出力電流を変化させるものである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空燃比制御装置。
5. 前記最高浄化点の空燃比とは、前記下流側センサから出力される前記出力電流が０となる空燃比である、請求項４に記載の空燃比制御装置。
6. 前記上流側センサ及び前記下流側センサは、いずれも１セル構造のセンサとして構成されている、請求項４又は５に記載の空燃比制御装置。
7. 前記制御部は、
   前記内燃機関を備えた車両（ＭＶ）の走行状態が安定しているときに前記補正制御を行う、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の空燃比制御装置。
8. 前記走行状態が安定しているときとは、前記車両の走行速度の変動が所定範囲に収まっているときのことである、請求項７に記載の空燃比制御装置。

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