(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設された酸素保持能力を有する触媒と、
この触媒下流の排気空燃比がストイキからリーンに変化するときの前記触媒の酸素保持量を最大有効酸素保持量として記憶する手段と、
前記触媒下流の排気空燃比がストイキの近傍であるとき、この触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸素量を積算した値を触媒酸素保持量として演算する手段と、
燃料カット時かつ前記触媒下流の排気空燃比がリーンであるとき、前記触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸素量に前記触媒の酸素吸収反応速度を乗じて得られる所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を積算して前記最大有効酸素保持量を超える触媒酸素保持量を演算する手段と、
空燃比制御条件の成立時に、そのときの前記触媒酸素保持量が前記最大有効酸素保持量以内となるようにエンジンの空燃比を制御する手段と
を有することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
燃料カット時かつ前記触媒下流の排気空燃比がリーンである状態から前記空燃比制御条件の成立時への移行時に、少なくとも前記触媒酸素保持量が前記最大有効酸素保持量以内となるまでの間、前記空燃比制御手段による空燃比のリッチ化度合いを通常時のリッチ化の度合いよりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記触媒下流の排気空燃比を検出する手段を有し、この手段により検出される前記触媒下流の排気空燃比がストイキからリーンに変化したときの前記触媒酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量を更新することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記触媒下流の排気空燃比を検出する手段を有し、この手段により検出される前記触媒下流の排気空燃比がリッチであるとき前記触媒酸素保持量をゼロにリセットすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒上流の排気空燃比を検出可能な広域空燃比センサを有し、このセンサにより検出される前記触媒上流の排気空燃比と排気流量とに基づいて所定時間当たりの前記過不足酸素量を演算することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記触媒上流の排気空燃比が前記センサの検出可能範囲を超えるリーンであるとき、予め定められた酸素濃度と排気流量とに基づいて所定時間当たりの前記過不足酸素量を演算することを特徴とする請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記酸素吸収反応速度を演算する手段を有し、この手段により演算される反応速度と触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸素量とに基づいて所定時間当たりの前記遅反応酸素吸収量を演算することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
前記触媒上流の空燃比と前記触媒下流の空燃比とがストイキよりリーン側で略同一となるときの前記触媒の酸素保持量を全酸素保持量として記憶する手段を有し、前記反応速度を、この全酸素保持量、前記触媒に流入する排気の過剰酸素濃度および現在の前記触媒酸素保持量に基づいて演算することを特徴とする請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項９】
前記触媒下流の空燃比を検出する手段を有し、この手段により検出される前記触媒下流の空燃比がストイキからリーンに変化したときの前記触媒酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量を更新するとともに、この更新された最大有効酸素保持量に基づいて前記全酸素保持量を推定し、この推定された全酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている全酸素保持量を更新することを特徴とする請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気中の有害成分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを三元触媒（以下単に「触媒」という）により同時に浄化するには触媒の雰囲気を理論空燃比（以下単に「ストイキ」という）にしなければならないので、触媒の雰囲気がストイキの酸素濃度状態となるように、不足する酸素を吸収したり過剰な酸素を脱離する、いわゆる酸素ストレージ能力を触媒に持たせている。この結果、たとえば酸素を保持（吸収）していない状態の触媒に対して、ストイキよりリーン（以下単に「リーン」という）の排気を与えると、過剰分の酸素が瞬時に触媒内に吸収されるため、触媒の酸素保持量が飽和するまでは触媒雰囲気がストイキに保たれる。この逆に、酸素を保持した状態の触媒に対して、ストイキよりリッチ（以下単に「リッチ」という）の排気を与えると、触媒内の酸素が瞬時に脱離されて、雰囲気中に不足していた酸素が補われる。そのため、触媒に保持されていた酸素が全て脱離するまでは触媒雰囲気がストイキに保たれる。
【０００３】
このように触媒が酸素ストレージ能力を持っているため、一時的な空燃比のずれから生じる酸素の過不足を触媒が補って触媒雰囲気をストイキに保つことができるのである。換言すると、触媒の酸素保持量が飽和量に達したり、触媒が酸素を保持していない状態となったりしてしまうと、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化できなくなり、排気エミッションが悪化する。
【０００４】
そこで、酸素ストレージ能力を十分に利用して排気エミッションの悪化を防止するため、所定時間当たりに触媒へ流入する過不足酸素量を計算し、この所定時間当たりの値を積算することで触媒酸素保持量を求め、この触媒酸素保持量が、酸素保持量の目標値と一致するようにフィードバック制御を行うようにしたものが提案されている（特開平５−１９５８４２号公報、同７−２５９６０２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来装置では、触媒下流の空燃比センサがリーンを示したタイミングでの触媒酸素保持量を最大酸素保持量としている。
【０００６】
しかしながら、本発明者の行った実験結果によれば、触媒下流の空燃比がリーンとなった後も、触媒に酸素が吸収されることを初めて見いだした。
【０００７】
この知見を説明すると、排気の空燃比を１３程度のリッチから１６程度のリーンへと切換えたときの触媒前後の空燃比を測定した結果（実験結果）を図２に示す。同図において、Ａ区間では触媒の酸素を吸収する速度が速く、触媒上流の空燃比（図では「Ｆ−Ａ／Ｆ」で示す）がリーンであっても、触媒に流入する過剰酸素がすべて触媒に吸収されるため、触媒下流の空燃比（図では「Ｒ−Ｆ／Ａ」で示す）はリーンを示していない（ストイキを示す）。これに対してＢ区間に移ると、流入する過剰酸素のすべては触媒に吸収されないので、触媒下流の空燃比がリーンになっている。つまり、触媒下流の空燃比がリーンになっているＢ区間においても、吸収の速度が遅いものの、酸素（もしくはＮＯなどの酸化物）が触媒に吸収されている。したがって、図２において、触媒下流の空燃比がストイキからリーンに変化するときの酸素保持量を最大有効酸素保持量（速い速度で吸収できる酸素の飽和量）とし、その後に吸収される酸素吸収量を遅反応酸素吸収量とすれば、燃料カット時やリーンクランプ時（以下燃料カット時で代表させる）に触媒に吸収される酸素保持量は、最大有効酸素保持量に遅反応酸素吸収量が加わったものになる。
【０００８】
しかしながら、従来装置によれば、Ｂ区間での遅反応酸素吸収量を無視しているため、燃料カットが解除され、触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御に戻ったときにエラーが生じる。従来装置では燃料カットにより触媒下流の空燃比がリーンになったとき、最大有効酸素保持量を演算するだけで、遅反応酸素吸収量を計算しないため、この遅反応酸素吸収量の分のエラーが生じてしまうのである。
【０００９】
そこで本発明は、燃料カット時のように触媒下流の空燃比がリーンを示す期間において、触媒に吸収される遅反応酸素吸収量をも含めて触媒酸素保持量を演算することにより、燃料カット後に触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御に戻ったときにエラーが生じるのを防止することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図８に示すように、エンジンの排気通路に配設された酸素保持能力を有する触媒２１と、この触媒２１下流の排気空燃比がストイキからリーンに変化するときの前記触媒２１の酸素保持量を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙとして記憶する手段２２と、前記触媒２１下流の排気空燃比がストイキの近傍であるとき、この触媒２１に流入する所定時間当たりの過不足酸素量を積算した値を触媒酸素保持量ＯＳＣｎとして演算する手段２３と、燃料カット時かつ前記触媒２１下流の排気空燃比がリーンであるとき、前記触媒２１に流入する所定時間当たりの過不足酸素量に前記触媒の酸素吸収反応速度を乗じて得られ所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を積算して前記最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを超える触媒酸素保持量ＯＳＣｎを演算する手段２４と、空燃比制御条件の成立時に、そのときの前記触媒酸素保持量ＯＳＣｎが前記最大有効酸素保持量ＯＳＣｙ以内となるようにエンジンの空燃比を制御する手段２５とを有する。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明において燃料カット時かつ前記触媒２１下流の排気空燃比がリーンである状態から前記空燃比制御条件の成立時への移行時に、少なくとも前記触媒酸素保持量が前記最大有効酸素保持量以内となるまでの間、前記空燃比制御手段による空燃比のリッチ化度合いを通常時のリッチ化の度合いよりも大きくする。
【００１２】
第３の発明では、第１の発明において前記触媒２１下流の排気空燃比を検出する手段を有し、この手段により検出される前記触媒２１下流の排気空燃比がストイキからリーンに変化したときの前記触媒酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを更新する。
【００１３】
第４の発明では、第１の発明において前記触媒２１下流の排気空燃比を検出する手段を有し、この手段により検出される前記触媒２１下流の排気空燃比がリッチであるとき前記触媒酸素保持量をゼロにリセットする。
【００１４】
第５の発明では、第１の発明において前記触媒２１上流の排気空燃比を検出可能な広域空燃比センサを有し、このセンサにより検出される前記触媒２１上流の排気空燃比と排気流量とに基づいて所定時間当たりの前記過不足酸素量を演算する。
【００１５】
第６の発明では、第５の発明において前記触媒２１上流の排気空燃比が前記センサの検出可能範囲を超えるリーンであるとき、予め定められた酸素濃度（たとえば大気の酸素濃度）と排気流量とに基づいて所定時間当たりの前記過不足酸素量を演算する。
【００１６】
第７の発明では、第１の発明において前記酸素吸収反応速度を演算する手段を有し、この手段により演算される反応速度と触媒２１に流入する所定時間当たりの過不足酸素量とに基づいて所定時間当たりの前記遅反応酸素吸収量を演算する。
【００１７】
第８の発明では、第７の発明において前記触媒２１上流の空燃比と前記触媒２１下流の空燃比とがストイキよりリーン側で略同一となるときの前記触媒２１の酸素保持量を全酸素保持量ＯＳＣｚとして記憶する手段を有し、前記反応速度を、この全酸素保持量、前記触媒２１に流入する排気の過剰酸素濃度および現在の前記触媒酸素保持量に基づいて演算する。
【００１８】
第９の発明では、第８の発明において前記触媒２１下流の空燃比を検出する手段を有し、この手段により検出される前記触媒２１下流の空燃比がストイキからリーンに変化したときの前記触媒酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを更新するとともに、この更新された最大有効酸素保持量ＯＳＣｙに基づいて前記全酸素保持量ＯＳＣｚを推定し、この推定された全酸素保持量ＯＳＣｚで前記記憶手段に記憶されている全酸素保持量を更新する。
【００１９】
【発明の効果】
燃料カット時かつ触媒下流の排気空燃比がリーンであるとき、触媒にゆっくりと吸収される遅反応酸素吸収量を演算しないのでは、この遅反応酸素吸収量の分のエラーが触媒酸素保持量に生じてしまうのであるが、第１の発明によれば、触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸素量に前記触媒の酸素吸収反応速度を乗じて得られる所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を積算して最大有効酸素保持量を超える触媒酸素保持量を演算するようにしたので、燃料カット後に触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御に戻ったときにエラーが生じるのを防止できる。
【００２０】
第２の発明によれば、燃料カットにより触媒に遅反応酸素が吸収された場合において、再び触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御に戻すときに、触媒酸素保持量を素早く最大有効酸素保持量以内へと収めることができる。
【００２１】
触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御中に触媒下流の空燃比がリーンになる原因は、触媒の劣化による最大有効酸素保持量（空燃比制御範囲の上限である）の低下に伴って、触媒酸素保持量が空燃比制御範囲の上限を外れる制御エラーである。第３の発明によれば、こうした触媒の劣化に伴う制御エラーに対処できる。
【００２２】
触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御中に触媒下流の空燃比がリッチになる原因は触媒酸素保持量の演算に伴うエラーである。第４の発明によれば、こうした触媒酸素保持量の演算エラーに対処できる。
【００２３】
触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸素量は、所定時間当たりにエンジンが吸入した空気量とその間に供給された燃料量とから計算によって推定することも可能であるが、推定値には様々な外乱による誤差が含まれる可能性がある。第５の発明によれば、実際に触媒に流入する排気の空燃比を検出して過不足酸素量を算出するので、正確な触媒酸素保持量を演算することができる。
【００２４】
ただし、広域空燃比センサは、ふつう、検出可能な空燃比の範囲が決まっており、この範囲を越えて空燃比がリーンあるいはリッチになった場合に、正確な空燃比の検出を行うことができない。しかしながら、通常運転での検出に要求される空燃比の範囲をカバーするようにセンサの検出可能範囲を設定するのが一般的で、この範囲を超える空燃比となるのは、燃料カット時等の特別な運転状態に限られる。したがって、第６の発明のように、広域空燃比センサが、検出可能範囲外の空燃比を示したり、検出可能範囲外の空燃比となることが予め予想される運転状態となったりしたときに、過不足酸素濃度を所定値（たとえば、燃料カット時であれば大気相当の値）とすることで、要求空燃比をカバーするだけの広域空燃比センサであっても、燃料カット時の過不足酸素濃度を求めることができる。また、燃料カット時の空燃比をも検出可能とするセンサを設けたのではセンサが高価になり、コストの上昇を招くことになるが、第６の発明の広域空燃比センサによれば、要求空燃比だけをカバーすれば足りるので、こうしたコストの上昇を招くこともない。
【００２５】
第７、第８の発明によれば、所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を演算する際に、触媒下流の空燃比を知る必要がないので、触媒下流のセンサをＯ２センサにすることが可能となり、コスト的に有利になる。
【００２６】
触媒の劣化に関係なく、最大有効酸素保持量と全酸素保持量の間には一定の関係があることを実験により見い出しており、第９の発明によれば、この関係を用いることで、触媒の劣化に対応した全酸素保持量の推定が可能となった。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１において、１はエンジン本体で、その吸気通路８には吸気絞り弁５の下流に位置して燃料噴射弁７が設けられ、コントロールユニット２からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように、吸気中に燃料を噴射供給する。コントロールユニット２にはクランク角センサ４からの回転数信号、エアフローメータ６からの吸入空気量信号、水温センサ１１からの冷却水温信号等が入力し、これらに基づいて運転状態を判断しながら、基本空燃比の得られる燃料噴射量Ｔｐを決定し、これに各種の補正を行って燃料噴射量Ｔｉを演算し、これを噴射信号に変換することで、燃料噴射量制御を行う。
【００２８】
排気通路９には触媒１０が設置される。この触媒１０は、ストイキの運転時に最大の転換効率をもって、排気中のＮＯｘの還元とＨＣ、ＣＯの酸化を行う。その際、触媒１０では、一時的な空燃比のずれから生じる酸素の過不足を酸素ストレージ能力（酸素保持能力）により補うことで、触媒雰囲気をストイキに保つ。
【００２９】
触媒１０の酸素保持量は
【００３０】
【数１】
酸素保持量＝Σ｛排気量×（触媒上流の過不足酸素濃度−触媒下流の過不足酸素濃度）｝
の式から求めることができる。
【００３１】
ここで、数１式の「過不足酸素濃度」は、後述する図４で示すように、ストイキでの値を基準のゼロとして、そのときの空燃比を酸素濃度に換算した値である。たとえば、空燃比がリーンのときは、ストイキの酸素濃度よりも過剰となるので、過不足酸素濃度はプラスの値となり、また空燃比がリッチのときはストイキの酸素濃度よりも不足するので、マイナスの値となるわけである。
【００３２】
ところで、一般的なエンジンでは触媒上流の空燃比センサ出力に基づき排気の平均空燃比がストイキと一致するように空燃比フィードバック制御（以下「ラムダコントロール」という）が行われるため、触媒下流の空燃比はほとんどストイキ（一定）であり、このとき触媒下流の過不足酸素濃度はほぼゼロになる。
【００３３】
そこで、触媒下流の空燃比がストイキにあるあいだは、上記の数１式において触媒下流の過不足酸素濃度をゼロとした
【００３４】
【数２】
酸素保持量＝Σ（排気量×触媒上流の過不足酸素濃度）
の式により酸素保持量を計算する。
【００３５】
また、触媒下流の空燃比がリーンのときは、遅反応酸素吸収を考慮するために触媒下流の過不足酸素濃度を測定して数１式の計算を行う必要があるので、触媒下流に広域空燃比センサが必要になる。
【００３６】
しかしながら、広域空燃比センサは、ストイキだけを検出可能ないわゆるＯ２センサより高価であるため、本実施形態では遅反応酸素吸収量を推定して酸素保持量の計算を行う。
【００３７】
コントロールユニット２で行われるこれらの制御を、図３のフローチャートにしたがって説明する。
【００３８】
なお、触媒上流の広域空燃比センサ３からの空燃比信号に基づき、コントロールユニット２では、ラムダコントロール条件（所定の空燃比制御条件）のときラムダコントロールを行う。
【００３９】
ここで、ラムダコントロールは、詳細には触媒１０上流の排気空燃比の平均値がストイキとなるように、空燃比フィードバック補正係数αを算出し、この補正係数αで基本噴射量Ｔｐを補正する制御のことである。
【００４０】
ただし、触媒上流のセンサ３は、広域空燃比センサであることから、
比例分＝比例ゲイン×ΔＡ／Ｆ
積分分＝積分ゲイン×ΣΔＡ／Ｆ／Ｔ２
ただし、ΔＡ／Ｆ：空燃比偏差（＝実空燃比−ストイキ）
Ｔ２：積分区間（空燃比偏差の正負が反転してからの経過時間）
の式により比例分と積分分とを求め、これらの和をα（＝比例分＋積分分）とする一般の比例積分制御を行う。
【００４１】
図３の処理は、ラムダコントロールに関係なく一定時間毎（たとえば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００４２】
まずＳ１では冷却水温等の条件により触媒１０が活性化しているかどうかをみる。触媒１０が活性化していなれば、触媒１０の酸素ストレージ能力が働かないので、そのまま今回の処理を終了する。
【００４３】
触媒１０が活性化していれば、Ｓ２に進み、触媒上流の広域空燃比センサ（図では「Ｆ−Ａ／Ｆセンサ」で略記）の出力から、排気中の過不足酸素濃度ＦＯ２を図５のテーブルを検索することにより求めて、これを読み込む。
【００４４】
ここで、排気中の過不足酸素濃度ＦＯ２とは、図４に示すように、ストイキでの値を基準のゼロとしてそのときの空燃比を酸素濃度に換算した値である。したがって、たとえば空燃比がリーンのときは、ストイキの酸素濃度よりも過剰となるので、ＦＯ２はプラスの値となり、また空燃比がリッチのときはストイキの酸素濃度よりも不足するので、マイナスの値となる。
【００４５】
ところで、図４に示したように、広域空燃比センサ（図では「Ａ／Ｆセンサ」で略記）には測定可能範囲がある。したがって、燃料カット時には測定範囲外のリーンになってしまうため、燃料カット時の空燃比（したがって燃料カット時の過不足酸素濃度）を求めることができない。しかしながら、混合気を燃焼させるときの要求空燃比（以下単に要求空燃比という）は決まっており、要求空燃比をカバーするだけの広域空燃比センサを用いれば、測定範囲外のリーンは必ず燃料カットの場合であるので、要求空燃比をカバーするだけの広域空燃比センサが測定範囲外のリーンを示したとき、そのときの過不足酸素濃度ＦＯ２を、図示のように大気に対する値（すなわち２０．９％）とする。図４に示した関係をテーブルにしたのが図５である。
【００４６】
このようにして、要求空燃比をカバーするだけの広域空燃比センサであっても、燃料カット時の過不足酸素濃度ＦＯ２を求めることができることになった。
【００４７】
図３に戻り、Ｓ３では触媒下流のＯ２センサ（図では「Ｒ−Ｏ２センサ」で略記）の出力と所定値を比較する。Ｏ２センサ出力が所定値以上（リッチ）であると判定した場合には、触媒酸素保持量がなくなり、触媒１０が触媒下流の空燃比をストイキに保てなくなったと判断し、Ｓ４に進んで触媒酸素保持量ＯＳＣｎをゼロにリセットする。ここで、ＯＳＣに添えた「ｎ」は今回値を表す。これに対して、前回値には「ｎ−１」を付すことになる。
【００４８】
一方、Ｏ２センサ出力が所定値以上でないときは、Ｓ５に進んで今度はＯ２センサ出力が所定値以下（リーン）であるかどうかをみる。リーンでない（つまり触媒下流の空燃比はストイキ）ときは、触媒上流の空燃比変動を触媒１０が吸収していると判断し、Ｓ６に進む。
【００４９】
ここで、Ｓ６に進んでくる場合には、▲１▼ラムダコントロールを行っているときと、▲２▼ラムダコントロールを行っていないときの２つの場合があるが、いずれも触媒下流の空燃比がストイキになっているときである。
【００５０】
Ｓ６では、
【００５１】
【数３】
ＯＳＣｎ＝ＯＳＣｎ−１＋ａ×ＦＯ２×Ｑ×ｔ
ただし、ＯＳＣｎ：今回の計算値
ＯＳＣｎ−１：前回の計算値
ａ：定数（単位換算のための値）
ＦＯ２：過不足酸素濃度
Ｑ：排気流量（吸入空気流量で代用する）
ｔ：演算サイクル時間（１０ｍｓｅｃ）
の式により触媒酸素保持量ＯＳＣｎを演算する。
【００５２】
ここで、数３式の右辺第２項が演算サイクル時間当たり（所定時間当たり）の過不足酸素量であり、これを前回値ＯＳＣｎ−１に加算することによって、触媒下流の空燃比がストイキにある期間の有効酸素保持量が求まるのである。
【００５３】
Ｓ５で触媒下流の空燃比がリーンとなったときは、Ｓ７に進み、ラムダコントロール（図では「λコン」で略記）をしているかどうかをみる。ラムダコントロール条件は従来と同じで、触媒上流の広域空燃比センサ３が活性化していること等が成立したとき、ラムダコントロールが開始される。また、燃料カット時やエンジン高負荷時にはラムダコントロールがクランプ（停止）される。
【００５４】
ここで、ラムダコントロールおよび後述する触媒酸素保持量のフィードバック制御を行っているにも拘わらず触媒下流の空燃比がリーンを示したとき、触媒１０が劣化して最大有効酸素保持量が減少したと考えられるので、Ｓ５、Ｓ７よりＳ８に進み、前回値ＯＳＣｎ−１を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙに移す。なお、劣化の影響が小さいことが予めわかっている場合は、最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを固定値としてもよい。このような場合も含め、最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの初期値としては触媒１０と同じ仕様の触媒による実験値を予め記憶させておくことができる。
【００５５】
次にＳ９では、後述する遅反応酸素吸収量の計算の際に必要となる全酸素保持量を算出する。全酸素保持量は、遅反応による酸素吸収も飽和してしまうときの酸素保持量であり、触媒１０が保持可能な最大酸素保持量である。換言すると、触媒１０に酸素過剰な排気を与え続けたときに触媒上流の酸素濃度と触媒下流の酸素濃度とが同一となる（触媒が過剰酸素の吸収を全く行わない）ときの酸素保持量が全酸素保持量である。この全酸素保持量と最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの比が触媒の劣化に応じてどうなるかを実験してみたところ、触媒１０が劣化しても両者の比が変わらない（つまり触媒１０の劣化によりＯＳＣｙが小さくなれば、全酸素保持量もそれに比例して小さくなる）ことを確認した。したがって、
【００５６】
【数４】
ＯＳＣｚ＝ｂ×ＯＳＣｙ
ただし、ｂ：定数（１より大きな値）
の式で全酸素保持量ＯＳＣｚを算出することができる。
【００５７】
ここで、数４式の定数ｂは触媒１０の種類で決まる値である。また、最大有効酸素保持量ＯＳＣｙと全酸素保持量ＯＳＣｚとはエンジン停止後もその値が消失しないようにバックアップする。つまり、ＯＳＣｙおよびＯＳＣｚは学習値として構成する。
【００５８】
これに対し、Ｓ７においてラムダコントロールをしていないときとは、燃料カットの場合である。この場合には、触媒が反応の遅い酸素吸収を行っていると判断し、Ｓ１０で酸素吸収の反応速度を考慮して触媒酸素保持量ＯＳＣｎを更新する。
【００５９】
ここで、酸素吸収の反応を
Ｒ＋Ｏ２→ＲＯ２
Ｒ：酸素を吸収する物質（たとえばセリウムＣｅ）
のように簡略化すると、反応速度ｋは
ｋ＝［Ｒ］×［Ｏ２］／［ＲＯ２］
ただし、［Ｒ］：Ｒの濃度
［Ｏ２］：酸素濃度
［ＲＯ２］：ＲＯ２の濃度
の式により表すことができる。したがって、酸素吸収の反応は過剰酸素濃度（［Ｏ２］）に比例し、酸素を吸収する物質の量（［Ｒ］）すなわち全酸素保持量ＯＳＣｚと触媒酸素保持量との差に比例し、現在の触媒酸素保持量（［ＲＯ２］）に反比例する。そのため、反応速度ｋは
【００６０】
【数５】
ｋ＝ｄ×ＦＯ２×（ＯＳＣｚ−ＯＳＣｎ−１）／ＯＳＣｎ−１
ただし、ｄ：反応速度係数
の式で表すことができ、この反応速度ｋ（ｋ≦１）を用いて、
【００６１】
【数６】
ＯＳＣｎ＝ＯＳＣｎ−１＋ｃ×ｋ×ＦＯ２×Ｑ×ｔ
ただし、ＯＳＣｎ：今回の計算値
ＯＳＣｎ−１：前回の計算値
ｃ：定数
Ｑ：排気流量（吸入空気流量で代用する）
ｔ：演算サイクル時間（１０ｍｓｅｃ）
の式により、触媒酸素保持量ＯＳＣｎを演算する。
【００６２】
ここで、数６式の右辺第２項が演算サイクル時間当たりの遅反応酸素吸収量である。この演算サイクル当たりの遅反応酸素吸収量をも触媒酸素保持量として足し込むことで、触媒下流の空燃比がリーンを示す期間も最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを超える触媒酸素保持量を演算するのである。
【００６３】
Ｓ１１ではラムダコントロールをしているかどうかを再びみる。ラムダコントロールをしていれば、Ｓ１２以降のＰＩＤ制御に進み、ラムダコントロールをしていないときは、Ｓ１２以降を飛ばす。つまり、触媒酸素保持量ＯＳＣｎの演算は、触媒の活性後であれば常時行い、演算した触媒酸素保持量ＯＳＣｎを目標値と一致させるフィードバック制御（触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御）は、ラムダコントロールを行っている場合に限っている。
【００６４】
Ｓ１２では、触媒酸素保持量ＯＳＣｎと触媒酸素保持量の目標値（最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの１／２）との差（偏差）ＯＳＣｓｎを
【００６５】
【数７】
ＯＳＣｓｎ＝ＯＳＣｎ−ＯＳＣｙ／２
の式により計算したあと、Ｓ１３、１４、１５において
【００６６】
【数８】
Ｈｐ＝比例ゲイン×ＯＳＣｓｎ
Ｈｉ＝積分ゲイン×ΣＯＳＣｓｎ／Ｔ
Ｈｄ＝微分ゲイン×（ＯＳＣｎ−ＯＳＣｎ−１）／ｔ
ただし、Ｔ：積分区間（触媒酸素保持量の偏差の正負が反転してからの経過時間）
ｔ：演算サイクル時間（１０ｍｓｅｃ）
の式よりフィードバック量の比例分Ｈｐ、積分分Ｈｉおよび微分分Ｈｄをそれぞれ演算し、これらを合わせた値をＳ１６において燃料補正量Ｈ（フィードバック量）として今回の図３の処理を終了する。
【００６７】
このようにして得られる燃料補正量Ｈを用い、図示しないフローにおいて、たとえば、
【００６８】
【数９】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α×Ｈ×２＋Ｔｓ
ただし、Ｔｐ：基本噴射パルス幅
ＴＦＢＹＡ：目標当量比
α：空燃比フィードバック補正係数
Ｔｓ：無効パルス幅
の式によりシーケンシャル噴射時の燃料噴射パルス幅ＴＩが計算される。そして、気筒毎にエンジン２回転に１回、所定の噴射タイミングでＴｉの時間、燃料噴射弁７が開かれ、燃料が吸気管内に噴射供給される。
【００６９】
ここで、数９式右辺のＴｐ、ＴＦＢＹＡ、α、Ｔｓは従来と同じである。たとえば、燃料カット時にα＝１．０に、ラムダコントロール時にＴＦＢＹＡ＝１．０になる。Ｔｓはバッテリ電圧に応じた噴射パルス幅の補正分である。
【００７０】
次に、本実施形態の作用を図６、図７に示すモデル図を用いて説明する。
【００７１】
まず図６は触媒が劣化した場合にどうなるかを示したものである。
【００７２】
さて、触媒上流の空燃比がストイキを中心として周期的に変動するラムダコントロール時に、触媒酸素保持量ＯＳＣｎが目標値（＝ＯＳＣｙ／２）と一致するようにフィードバック制御を行ったとき、上限値を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙ、下限値を０とするフィードバック制御範囲内で触媒酸素保持量ＯＳＣｎが図示のように目標値を中心にして変動する。
【００７３】
つまり、触媒酸素保持量のフィードバック制御中であれば、触媒酸素保持量ＯＳＣｎが上限の最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを超えることはないのであるが、触媒１０が劣化してくると、酸素ストレージ能力の低下により最大有効酸素保持量ＯＳＣｙが低下してくるため、触媒酸素保持量ＯＳＣｎが最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを超える（つまり触媒下流の空燃比がリーンになる）事態が生じる。これは、目標値を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの１／２に設定していることから、触媒劣化に伴う最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの低下により、目標値より上側のフィードバック制御範囲が実質的に狭くなるためである。
【００７４】
この触媒下流の空燃比がリーンを示した演算タイミングｔ１を今回の演算タイミングとすると、このとき本実施形態によれば、前回の演算タイミングでの触媒酸素保持量（これは今回の演算タイミングでの触媒酸素保持量より小さい）がＯＳＣｙとして新たに学習されるので、ＯＳＣｙは図示のようにｔ１のタイミングで学習前の値より小さくなる。この小さくなる側へのＯＳＣｙの更新により、触媒酸素保持量の目標値も小さくなる（破線参照）。つまり、触媒の劣化により触媒下流の空燃比がリーンを示すことになるタイミング毎に最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの設定のし直しを行うことで、劣化状態での触媒の最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの真ん中に常に目標値があるようにしているわけで、これによって、触媒が劣化したときの対応を可能としている。
【００７５】
また、図示しないが、触媒酸素保持量のフィードバック制御中に、触媒酸素保持量ＯＳＣｎがマイナスとなる（つまり触媒下流の空燃比がリッチになる）事態が考えられる。このときは、触媒酸素保持量ＯＳＣｎがゼロにリセットされ、演算のやり直しが行われる。
【００７６】
まとめると、図３において、触媒酸素保持量のフィードバック制御中に
〈１〉Ｓ３よりＳ４に進む場合、
〈２〉Ｓ７よりＳ８に進む場合
は、触媒酸素保持量ＯＳＣｎがフィードバック制御範囲を外れる場合である。このうち、〈１〉は演算に誤りがあった場合であるのに対して、〈２〉は演算の誤りがあった場合ではなく触媒の劣化に伴うものである。
【００７７】
次に、図７に示すモデル図は、触媒酸素保持量のフィードバック制御の途中で燃料カットが行われたときにどうなるかを示したものである。
【００７８】
同図において、ｔ２からｔ３の間で燃料カットが行われたとすると、ｔ２のタイミングからｔ４までの期間は、ラムダコントロールが行われていないけれども触媒下流の空燃比がストイキに保たれる期間であり、この期間でも図３でいえば、Ｓ５よりＳ６に進むことから、触媒酸素保持量ＯＳＣｎが増加してゆく。
【００７９】
そして、触媒酸素保持量ＯＳＣｎがｔ４のタイミングで最大有効酸素保持量ＯＳＣｙとなった後は、図３でいえばＳ７よりＳ１０に進むため、全酸素保持量ＯＳＣｚに向かってさらに上昇する。ｔ４からｔ３までの期間では、触媒に吸収される遅反応酸素吸収量を加えていっているわけである。
【００８０】
したがって、ｔ４のタイミングから再び触媒酸素保持量のフィードバック制御に復帰させるにしても、触媒酸素保持量にエラーが生じることはない。
【００８１】
これに対して、触媒下流の空燃比がリーンと判定している期間、触媒に吸収される遅反応酸素保持量を演算しない従来装置では、この遅反応酸素保持量の分のエラーが触媒酸素保持量に生じてしまう。
【００８２】
なお、燃料カットが行われて触媒が最大有効酸素保持量を超える酸素を保持している状態から再び触媒酸素保持量のフィードバック制御に復帰させるときには、触媒の酸素保持量を速やかに最大有効酸素保持量以内に戻すことが望ましい。すなわち、触媒酸素保持量のフィードバック制御が再開されれば通常の制御によっても触媒酸素保持量が最大有効酸素保持量以下の目標値に近づくよう空燃比がリッチ化されるのであるが、リッチ化の程度が小さい場合は、外乱等で一時的に空燃比がリーンになることもあり、触媒酸素保持量が最大有効酸素保持量以下に戻されるまでの間に酸素過剰な排気が触媒に流入すると、この間の触媒は触媒雰囲気をストイキに保つことができず、排気エミッションが悪化する。
【００８３】
そこで、燃料カット直後の演算タイミングに限っては、通常時のフィードバックゲインに代えて、空燃比を大きくリッチ化する特別なゲインを用いることが考えられる。これによって、燃料カット後に、再び触媒酸素保持量のフィードバック制御に復帰させるときにおいても、通常時のゲインを用いる場合（図７のＢ参照）に比べ、触媒酸素保持量を素早くフィードバック制御範囲内に戻すことができることになる（図７のＡ参照）。
【００８４】
このように、本実施形態では、ラムダコントロールを行いつつ、触媒酸素保持量を目標値と一致させるフィードバック制御を行う場合に、触媒下流の空燃比がリーンを示すまでは、従来装置と同様に触媒上流の空燃比に基づいて触媒酸素保持量を演算し、かつ触媒下流の空燃比がリーンを示した後は、従来装置と相違して、酸素吸収の反応速度を考慮して所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を演算し、この遅反応酸素吸収量を触媒酸素保持量に加えることにより、燃料カット時の触媒酸素保持量を正確に演算することを可能として触媒酸素保持量演算のエラーを減らし、その分排気エミッションを改善することが可能となった。
【００８５】
また、ラムダコントロールを行いつつ、触媒酸素保持量を目標値と一致させるフィードバック制御を行うとき、触媒下流の空燃比がストイキに保たれるはずであるが、触媒下流の空燃比がリッチになったり、リーンになることがある。このうちリッチになる原因は触媒酸素保持量の演算に伴うエラーである。このとき、本実施形態では触媒酸素保持量をゼロにリセットするので、こうした触媒酸素保持量の演算エラーに対処できる。
【００８６】
一方、リーンになる原因は、触媒の劣化による最大有効酸素保持量（フィードバック制御範囲の上限）の低下で、目標値から上のフィードバック制御範囲が実質的に狭くなり、触媒酸素保持量がフィードバック制御範囲の上限を外れる制御エラーである。本実施形態ではこのときの触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙとして学習するので、こうした触媒の劣化に伴う制御エラーにも対処できる。
【００８７】
また、触媒に酸素がゆっくり吸収されるときの反応速度と排気流量とに基づいて所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を演算するので、所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を演算する際に、触媒下流の空燃比を知る必要がなく、これによって触媒下流のセンサをＯ２センサにすることが可能となり、コスト的に有利になる。  また、触媒の劣化に関係なく、最大有効酸素保持量と全酸素保持量の間には一定の関係があることを実験により見い出しており、この関係を用いることで、触媒の劣化に対応した全酸素保持量の推定が可能となっている。
【００８８】
さて、触媒１０の性質として、触媒雰囲気の空燃比は、所定の振幅で振れた方が転換効率がよいことが知られている。ところが、触媒酸素保持量を目標値と一致させるフィードバック制御を行ったとき、触媒雰囲気の空燃比がストイキ（一定値）に保たれるので、却って転換効率を低下させることになる。
【００８９】
しかしながら、実際には定常でもエアフローメータ出力にバラツキがあることや制御系の遅れを避けることができないため、触媒雰囲気の空燃比は所定の振幅で振れるのであり、したがって実用上、問題はない。また、制御で触媒雰囲気の空燃比を振らすことはもちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の制御システム図。
【図２】排気の空燃比をリッチからリーンへと切換えたときの触媒前後の空燃比の測定結果を示す波形図。
【図３】触媒保持酸素量の演算と触媒保持酸素量のフィードバック制御を説明するためのフローチャート。
【図４】広域空燃比センサ出力と過不足酸素濃度の関係を示す特性図。
【図５】過不足酸素濃度のテーブルを示す図。
【図６】触媒酸素保持量のフィードバック制御中に触媒に劣化を生じたときのモデル図。
【図７】触媒酸素保持量のフィードバック制御の途中で燃料カットが行われたときのモデル図。
【図８】第１の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
２  コントロールユニット
３  広域空燃比センサ
１０  触媒
１３  Ｏ２センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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