JP5817581B2 - 内燃機関の排出ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の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を設置し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排出ガスの空燃比が上流側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触媒の下流側の排出ガスの空燃比が下流側目標空燃比となるように、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、メインフィードバック制御とサブフィードバック制御を行うシステムにおいては、触媒の下流側の排出ガスの空燃比をスムーズに下流側目標空燃比に収束させるために、特許文献２（特許第２５１８２４７号公報）に記載されているように、下流側の排出ガスセンサの出力と理論空燃比に相当する所定値との偏差が大きいほど空燃比フィードバック制御定数の更新量を大きくして、上流側の排出ガスセンサの出力と空燃比フィードバック制御定数とに応じて空燃比補正量を演算するようにしたものや、特許文献３（特許第３８２６９９６号公報）に記載されているように、下流側の排出ガスセンサの検出空燃比と下流側目標空燃比との間に中間目標値を設定して、下流側の排出ガスセンサの検出空燃比と中間目標値とに基づいて上流側目標空燃比の補正量を算出するようにしたものがある。

特公平８−２０４１４号公報 特許第２５１８２４７号公報 特許第３８２６９９６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、上記特許文献２，３のように、触媒の下流側の排出ガスセンサの出力に基づいてサブフィードバック制御を行うシステムでは、その特性上、触媒の浄化性能が低下してＮＯｘ浄化率やＨＣ浄化率が低下した状態（ＮＯｘ排出量やＨＣ排出量が増加した状態）を下流側の排出ガスセンサで検出してからでないとサブフィードバック制御による補正が切り換わらないため、触媒の浄化性能を高い状態に維持する（触媒内の空燃比を浄化ウインド内に維持する）ことが困難であり、排気エミッションを十分に低減することができないという問題がある。

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、触媒の浄化性能を高い状態に維持できる期間を長くすることができ、排気エミッションを低減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、内燃機関の排出ガス浄化用の触媒と、この触媒の上流側と下流側でそれぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する上流側排出ガスセンサ及び下流側排出ガスセンサとを備え、上流側排出ガスセンサの出力に基づいて触媒の上流側の排出ガスの空燃比が上流側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、下流側排出ガスセンサの出力に基づいて触媒の下流側の排出ガスの空燃比が下流側目標空燃比となるようにメインフィードバック制御又は燃料噴射量を補正するサブフィードバック制御を行う内燃機関の排出ガス浄化装置において、下流側排出ガスセンサは、一対のセンサ電極間に固体電解質体が設けられたセンサ素子を有し、下流側排出ガスセンサのセンサ電極間に定電流を流して下流側排出ガスセンサの出力特性を変更する定電流供給手段と、下流側排出ガスセンサの出力が下流側目標空燃比に相当する下流側目標値よりもリッチの状態でサブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、下流側排出ガスセンサのリーン検出を早める方向に定電流を流すように定電流供給手段を制御し、下流側排出ガスセンサの出力が下流側目標値よりもリーンの状態でサブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、下流側排出ガスセンサのリッチ検出を早める方向に定電流を流すように定電流供給手段を制御するセンサ出力特性制御手段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下流側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、下流側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、下流側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下流側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、サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、下流側排出ガスセンサのリーン検出を早める方向に定電流を流すことで、サブフィードバック制御によるリーン方向の補正により触媒内の空燃比が浄化ウインドに対してリーンになることを下流側排出ガスセンサで早期に検出することができる。これにより、サブフィードバック制御による補正を早期にリッチ方向に切り換えて、触媒内の空燃比を浄化ウインド内に維持する又は戻すことができ、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。

一方、サブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、下流側排出ガスセンサのリッチ検出を早める方向に定電流を流すことで、サブフィードバック制御によるリッチ方向の補正により触媒内の空燃比が浄化ウインドに対してリッチになることを下流側排出ガスセンサで早期に検出することができる。これにより、サブフィードバック制御による補正を早期にリーン方向に切り換えて、触媒内の空燃比を浄化ウインド内に維持する又は戻すことができ、ＨＣ浄化率の低下を抑制することができる。

このような処理を繰り返すことにより、触媒の浄化性能が低下する前又は低下し始めたときにサブフィードバック制御による補正方向を切り換えることが可能となって、触媒の浄化性能を高い状態に維持できる期間（触媒内の空燃比を浄化ウインド内に維持できる期間）を長くすることができ、排気エミッションを低減することができる。

この場合、請求項２のように、サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、そのときの運転条件における定電流の基本電流値に対して下流側排出ガスセンサのリーン検出を早める方向に定電流を補正し、サブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、基本電流値に対して下流側排出ガスセンサのリッチ検出を早める方向に定電流を補正するようにしても良い。このようにすれば、内燃機関の運転中にそのときの運転条件に応じた基本電流値で定電流を流すシステムの場合でも、その基本電流値を基準にして、下流側排出ガスセンサのリーン検出を早める際の定電流の電流値やリッチ検出を早める際の定電流の電流値を設定することができる。

また、請求項３のように、サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、下流側目標値を基本目標値よりもリーン側に設定し、サブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、下流側目標値を基本目標値よりもリッチ側に設定するようにしても良い。このようにすれば、サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合とリッチ方向の場合との間で下流側目標値にヒステリシス特性を持たせることができるため、センサ電極間に流す定電流の方向が頻繁に切り換わって下流側排出ガスセンサの出力が変動する状態となるハンチングを防止することができる。

更に、請求項４のように、下流側排出ガスセンサの出力と下流側目標値との差に応じて定電流の電流値を設定するようにしても良い。このようにすれば、下流側排出ガスセンサの出力と下流側目標値との差が大きくてサブフィードバック制御の補正量が大きいときには、定電流の電流値を大きくして下流側排出ガスセンサの早期検出性を高める（リーン検出やリッチ検出を早める度合を大きくする）ことで、サブフィードバック制御の補正量が大きくなり過ぎて下流側排出ガスセンサの出力の下流側目標値への収束性が悪化することを防止することができる。逆に下流側排出ガスセンサの出力と下流側目標値との差が小さくてサブフィードバック制御の補正量が小さいときには、定電流の電流値を小さくして下流側排出ガスセンサの早期検出性を低める（リーン検出やリッチ検出を早める度合を小さくする）ことで、下流側排出ガスセンサの出力を下流側目標値に精度良く収束させることができる。

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のセンサ出力特性制御を説明するタイムチャートである。 図９は実施例１のセンサ出力特性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は従来の不具合を説明するタイムチャートである。 図１１は実施例１のセンサ出力特性制御の効果を説明するタイムチャートである。 図１２は実施例２のセンサ出力特性制御を説明するタイムチャートである。 図１３は実施例３のセンサ出力特性制御を説明するタイムチャートである。 図１４は実施例４のセンサ出力特性制御を説明するタイムチャートである。 図１５は実施例４のセンサ出力特性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１１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，ＮＯｘ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）が上流側排出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）が下流側排出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（上流側排出ガスセンサ）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上流側目標空燃比となるように空燃比（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（下流側排出ガスセンサ）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下流側目標空燃比となるように、メインＦ／Ｂ制御の目標空燃比（上流側目標空燃比）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 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｙｂ₂ Ｏ₃ 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ＮＯｘ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（ＮＯｘ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ＮＯｘ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制御等により定電流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（ＮＯｘ）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（ＮＯｘ）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。

また、本実施例では、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）により後述する図９のセンサ出力特性制御ルーチンを実行することで、図８のタイムチャートに示すように、酸素センサ２１の出力が下流側目標空燃比に相当する目標電圧（下流側目標値）よりもリッチの状態でサブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向（サブＦ／Ｂ制御の補正量がリーン補正方向）の場合には、酸素センサ２１のリーン検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御する。この場合、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（負の定電流Ｉｃｓ）を流すように定電流回路２７を制御する。これにより、サブＦ／Ｂ制御によるリーン方向の補正により上流側触媒１８内の空燃比が浄化ウインドに対してリーンになることを酸素センサ２１で早期に検出することができるため、サブＦ／Ｂ制御による補正を早期にリッチ方向に切り換えて、上流側触媒１８内の空燃比を浄化ウインド内に維持する又は戻すことができ、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。

一方、酸素センサ２１の出力が目標電圧よりもリーンの状態でサブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向（サブＦ／Ｂ制御の補正量がリッチ補正方向）の場合には、酸素センサ２１のリッチ検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを流すように定電流回路２７を制御する。この場合、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（正の定電流Ｉｃｓ）を流すように定電流回路２７を制御する。これにより、サブＦ／Ｂ制御によるリッチ方向の補正により上流側触媒１８内の空燃比が浄化ウインドに対してリッチになることを酸素センサ２１で早期に検出することができるため、サブＦ／Ｂ制御による補正を早期にリーン方向に切り換えて、上流側触媒１８内の空燃比を浄化ウインド内に維持する又は戻すことができ、ＨＣ浄化率の低下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のセンサ出力特性制御ルーチンの処理内容を説明する。
図９に示すセンサ出力特性制御ルーチンは、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、所定の電流印加条件が成立しているか否かを、例えば、酸素センサ２１が正常（異常無し）であるか否か、酸素センサ２１が活性状態であるか否か等によって判定し、電流印加条件が不成立である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、電流印加条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０２に進み、サブＦ／Ｂ制御の実行中であるか否かを判定し、サブＦ／Ｂ制御の実行中ではない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、サブＦ／Ｂ制御の実行中であると判定された場合には、ステップ１０３に進み、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の補正であるか否かを判定する。

このステップ１０３で、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の補正であると判定された場合には、ステップ１０４に進み、酸素センサ２１のリッチ検出を早める方向（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。

一方、上記ステップ１０３で、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の補正ではないと判定された場合（つまりサブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の補正であると判定された場合）には、ステップ１０５に進み、酸素センサ２１のリーン検出を早める方向（リーン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。

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の出力特性を変更することができる。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、図１０に示すように、従来のシステム（酸素センサ２１の出力特性を変更する機能を備えていないシステム）では、サブＦ／Ｂ制御によるリーン方向やリッチ方向の補正によって上流側触媒１８内の空燃比が浄化ウインドに対してリーンやリッチになったことを酸素センサ２１で早期に検出することができない。このため、酸素センサ２１に基づいたサブＦ／Ｂ制御による補正の切り換えが遅れて、上流側触媒１８内の空燃比を速やかに浄化ウインド内に戻すことができず、ＮＯｘ浄化率やＨＣ浄化率が低下してＮＯｘ排出量やＨＣ排出量が増加する可能性がある。

これに対して、本実施例１では、図１１に示すように、サブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の場合には、酸素センサ２１のリーン検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを流すようにしたので、サブＦ／Ｂ制御によるリーン方向の補正により上流側触媒１８内の空燃比が浄化ウインドに対してリーンになることを酸素センサ２１で早期に検出することができる。これにより、サブＦ／Ｂ制御による補正を早期にリッチ方向に切り換えて、上流側触媒１８内の空燃比を浄化ウインド内に維持する又は戻すことができ、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制してＮＯｘ排出量を減少させることができる。

一方、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の場合には、酸素センサ２１のリッチ検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを流すようにしたので、サブＦ／Ｂ制御によるリッチ方向の補正により上流側触媒１８内の空燃比が浄化ウインドに対してリッチになることを酸素センサ２１で早期に検出することができる。これにより、サブＦ／Ｂ制御による補正を早期にリーン方向に切り換えて、上流側触媒１８内の空燃比を浄化ウインド内に維持する又は戻すことができ、ＨＣ浄化率の低下を抑制してＨＣ排出量を減少させることができる。

このような処理を繰り返すことにより、上流側触媒１８の浄化性能が低下する前又は低下し始めたときにサブＦ／Ｂ制御による補正方向を切り換えることが可能となって、上流側触媒１８の浄化性能を高い状態に維持できる期間（上流側触媒１８内の空燃比を浄化ウインド内に維持できる期間）を長くすることができ、排気エミッションを低減することができる。

次に、図１２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。

本実施例２では、図１２に示すように、サブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の場合には、酸素センサ２１の出力の目標電圧（下流側目標値）を基本目標電圧（基本目標値）よりもリーン側に設定し、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の場合には、酸素センサ２１の出力の目標電圧を基本目標電圧よりもリッチ側に設定するようにしている。ここで、基本目標電圧は、例えば、理論空燃比に相当する値に設定されている。

これにより、サブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の場合とリッチ方向の場合との間で目標電圧にヒステリシス特性を持たせることができるため、センサ電極間に流す定電流Ｉｃｓの方向が頻繁に切り換わって酸素センサ２１の出力が変動する状態となるハンチングを防止することができる。

次に、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。

本実施例３では、図１３に示すように、酸素センサ２１の出力と目標電圧との差に応じて定電流Ｉｃｓの電流値を設定するようにしている。具体的には、酸素センサ２１の出力と目標電圧との差（絶対値）が大きいほど定電流Ｉｃｓの電流値（絶対値）を大きくするようにしてる。

これにより、酸素センサ２１の出力と目標電圧との差（絶対値）が大きくてサブＦ／Ｂ制御の補正量（絶対値）が大きいときは、定電流Ｉｃｓの電流値（絶対値）を大きくして酸素センサ２１の早期検出性を高める（リーン検出やリッチ検出を早める度合を大きくする）ことで、サブＦ／Ｂ制御の補正量が大きくなり過ぎて酸素センサ２１の出力の目標電圧への収束性が悪化することを防止することができる。逆に酸素センサ２１の出力と目標電圧との差（絶対値）が小さくてサブＦ／Ｂ制御の補正量（絶対値）が小さいときは、定電流Ｉｃｓの電流値（絶対値）を小さくして酸素センサ２１の早期検出性を低める（リーン検出やリッチ検出を早める度合を小さくする）ことで、酸素センサ２１の出力を目標電圧に精度良く収束させることができる。

尚、前記実施例１に前記実施例２の技術と前記実施例３の技術を両方とも組み合わせて実施するようにしても良い。

次に、図１４及び図１５を用いて本発明の実施例４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。

本実施例４では、ＥＣＵ２５（又はマイコン２６）により後述する図１５のセンサ出力特性制御ルーチンを実行することで、図１４のタイムチャートに示すように、エンジン運転中にそのときの運転条件（例えばエンジン回転速度や負荷等）に応じて定電流Ｉｃｓの基本電流値Ｉ0 をマップ等により設定し、酸素センサ２１の出力が目標電圧よりもリッチの状態でサブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の場合には、基本電流値Ｉ0 に対して酸素センサ２１のリーン検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを補正するように定電流回路２７を制御する。一方、酸素センサ２１の出力が目標電圧よりもリーンの状態でサブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の場合には、基本電流値Ｉ0 に対して酸素センサ２１のリッチ検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを補正するように定電流回路２７を制御する。

以下、本実施例４でＥＣＵ２５（又はマイコン２６）が実行する図１５のセンサ出力特性制御ルーチンの処理内容を説明する。
図１５のセンサ出力特性制御ルーチンでは、まず、ステップ２０１で、電流印加条件（図９のルーチンのステップ１０１で説明した電流印加条件と同じ条件）が成立しているか否かを判定し、電流印加条件が成立していると判定された場合には、ステップ２０２に進み、現在のエンジン１１の運転条件（例えばエンジン回転速度や負荷等）に応じて定電流Ｉｃｓの基本電流値Ｉ0 をマップ等により設定（算出）し、この基本電流値Ｉ0 で定電流Ｉｃｓ（＝Ｉ0 ）を流すように定電流回路２７を制御する。

この後、ステップ２０３に進み、サブＦ／Ｂ制御の実行中であるか否かを判定し、サブＦ／Ｂ制御の実行中であると判定された場合には、ステップ２０４に進み、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の補正であるか否かを判定する。

このステップ２０４で、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の補正であると判定された場合には、ステップ２０５に進み、基本電流値Ｉ0 に対して酸素センサ２１のリッチ検出を早める方向（リッチ応答性を高める方向）に所定量ΔＩだけ定電流Ｉｃｓを補正し、補正後の定電流Ｉｃｓ（＝Ｉ0 ＋ΔＩ）を流すように定電流回路２７を制御する。

一方、上記ステップ２０４で、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の補正ではないと判定された場合（つまりサブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の補正であると判定された場合）には、ステップ２０６に進み、基本電流値Ｉ0 に対して酸素センサ２１のリーン検出を早める方向（リーン応答性を高める方向）に所定量ΔＩだけ定電流Ｉｃｓを補正し、補正後の定電流Ｉｃｓ（＝Ｉ0 −ΔＩ）を流すように定電流回路２７を制御する。

以上説明した本実施例４では、サブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の場合には、基本電流値Ｉ0 に対して酸素センサ２１のリーン検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを補正し、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の場合には、基本電流値Ｉ0 に対して酸素センサ２１のリッチ検出を早める方向に定電流Ｉｃｓを補正するようにしたので、エンジン運転中にそのときの運転条件に応じた基本電流値Ｉ0 で定電流Ｉｃｓを流すシステムの場合でも、その基本電流値Ｉ0 を基準にして、酸素センサ２１のリーン検出を早める際の定電流Ｉｃｓの電流値やリッチ検出を早める際の定電流Ｉｃｓの電流値を設定することができ、前記実施例１とほぼ同じ効果を得ることができる。

尚、前記実施例４に前記実施例２の技術を組み合わせて、サブＦ／Ｂ制御による補正がリーン方向の場合には酸素センサ２１の出力の目標電圧を基本目標電圧よりもリーン側に設定し、サブＦ／Ｂ制御による補正がリッチ方向の場合には酸素センサ２１の出力の目標電圧を基本目標電圧よりもリッチ側に設定するようにしても良い。

また、前記実施例４に前記実施例３の技術を組み合わせて、酸素センサ２１の出力と目標電圧との差に応じて定電流Ｉｃｓの電流値を設定する（例えば酸素センサ２１の出力と目標電圧との差に応じて所定量ΔＩを設定する）ようにしても良い。
更に、前記実施例４に前記実施例２の技術と前記実施例３の技術を両方とも組み合わせて実施するようにしても良い。

また、前記各実施例１〜４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、前記各実施例１〜４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、前記各実施例１〜４では、上流側触媒の上流側に空燃比センサを設置すると共に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、これに限定されず、本発明は、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センサ（酸素センサ又は空燃比センサ）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、２０…空燃比センサ（上流側排出ガスセンサ）、２１…酸素センサ（下流側排出ガスセンサ）、２５…ＥＣＵ（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 (4)

1. 内燃機関の排出ガス浄化用の触媒と、前記触媒の上流側と下流側でそれぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する上流側排出ガスセンサ及び下流側排出ガスセンサとを備え、前記上流側排出ガスセンサの出力に基づいて前記触媒の上流側の排出ガスの空燃比が上流側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、前記下流側排出ガスセンサの出力に基づいて前記触媒の下流側の排出ガスの空燃比が下流側目標空燃比となるように前記メインフィードバック制御又は燃料噴射量を補正するサブフィードバック制御を行う内燃機関の排出ガス浄化装置において、
   前記下流側排出ガスセンサは、一対のセンサ電極間に固体電解質体が設けられたセンサ素子を有し、
   前記下流側排出ガスセンサのセンサ電極間に定電流を流して前記下流側排出ガスセンサの出力特性を変更する定電流供給手段と、
   前記下流側排出ガスセンサの出力が前記下流側目標空燃比に相当する下流側目標値よりもリッチの状態で前記サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、前記下流側排出ガスセンサのリーン検出を早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を制御し、前記下流側排出ガスセンサの出力が前記下流側目標値よりもリーンの状態で前記サブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、前記下流側排出ガスセンサのリッチ検出を早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を制御するセンサ出力特性制御手段と
   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。
2. 前記センサ出力特性制御手段は、前記サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、そのときの運転条件における前記定電流の基本電流値に対して前記下流側排出ガスセンサのリーン検出を早める方向に前記定電流を補正し、前記サブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、前記基本電流値に対して前記下流側排出ガスセンサのリッチ検出を早める方向に前記定電流を補正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。
3. 前記センサ出力特性制御手段は、前記サブフィードバック制御による補正がリーン方向の場合には、前記下流側目標値を基本目標値よりもリーン側に設定し、前記サブフィードバック制御による補正がリッチ方向の場合には、前記下流側目標値を前記基本目標値よりもリッチ側に設定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。
4. 前記センサ出力特性制御手段は、前記下流側排出ガスセンサの出力と前記下流側目標値との差に応じて前記定電流の電流値を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。

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