(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気通路に設けられた触媒と、
前記触媒に流入する排気の空燃比または酸素濃度特性を検出する第１の排気特性検出手段と、
前記第１の触媒から流出する排気の空燃比または酸素濃度特性を検出する第２の排気特性検出手段と、
前記検出された排気特性を用いて、前記触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、
前記触媒の非酸素成分のストレージ量を演算する非酸素成分ストレージ量演算手段と、
前記演算された酸素ストレージ量と非酸素成分ストレージ量とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段と、
を備えたエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記非酸素成分ストレージ量演算手段は、非酸素成分のストレージ量を、非酸素成分の触媒への吸収率と空燃比と吸気量の積を時間積分して求める請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記非酸素成分ストレージ量演算手段は、少なくともＨＣのストレージ量を演算する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記空燃比制御手段は、酸素ストレージ量の制御時に、非酸素成分のストレージ量を酸素ストレージ量と等価換算して酸素ストレージ量を補正する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記空燃比制御手段は、酸素ストレージ量の制御時に、非酸素成分ストレージ量が増大するほど目標空燃比をリーン方向に補正する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記空燃比制御手段は、酸素ストレージ量の制御時に、非酸素成分ストレージ量が増大するほど第１の排気特性検出手段により検出した空燃比をリッチ方向に補正する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記空燃比制御手段は、酸素ストレージ量を最小量に初期化した状態からの空燃比制御時に非酸素成分ストレージ量に応じた酸素ストレージ量の補正を行う請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
前記非酸素成分の吸収率は、触媒温度に応じて設定する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項９】
前記酸素ストレージ量演算手段は、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１０】
排気通路に触媒を備えたエンジンの空燃比制御方法において、
前記触媒に流入する排気の空燃比または酸素濃度特性、触媒から流出する排気の空燃比または酸素濃度特性を用いて、前記触媒の酸素ストレージ量と前記触媒の非酸素成分のストレージ量を演算し、
前記演算された酸素ストレージ量と非酸素成分ストレージ量とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標量となるように前記エンジンの空燃比を制御する、
ことを特徴とするエンジンの空燃比制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
三元触媒に吸収されている酸素量（以下、「酸素ストレージ量」）をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術が知られている（特開平９−２２８８７３号）。
【０００３】
三元触媒のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要があるが、触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで、触媒に流入する排気がリーン側にずれているときは排気中の酸素が触媒に吸収され、リッチ側にずれているときは触媒に吸収されている酸素が放出されるので、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【０００４】
しかしながら、触媒には酸素以外にもＨＣ，ＣＯなどの非酸素成分が吸着し、その影響で実際の酸素ストレージ量に誤差を生じる。従来はこのような誤差要因を考慮していなかったため、触媒雰囲気の空燃比制御精度が低下して排気エミッションを悪化させるおそれがあった。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決し、非酸素成分の影響を排除して正確に酸素ストレージ量を制御し得るようにしたエンジンの排気浄化装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、エンジン排気通路に設けられた触媒と、前記触媒に流入する排気の空燃比または酸素濃度特性を検出する第１の排気特性検出手段と、前記第１の触媒から流出する排気の空燃比または酸素濃度特性を検出する第２の排気特性検出手段と、前記検出された排気特性を用いて、前記触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、前記触媒の非酸素成分のストレージ量を演算する非酸素成分ストレージ量演算手段と、前記演算された酸素ストレージ量と非酸素成分ストレージ量とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える。
第２の発明は、前記非酸素成分ストレージ量演算手段を、非酸素成分のストレージ量を、非酸素成分の触媒への吸収率と空燃比と吸気量の積を時間積分して求めるように構成した。
【０００７】
第３の発明は、前記非酸素成分ストレージ量演算手段を、少なくともＨＣのストレージ量を演算するように構成した。
【０００８】
第４の発明は、前記空燃比制御手段を、酸素ストレージ量の制御時に、非酸素成分のストレージ量を酸素ストレージ量と等価換算して酸素ストレージ量を補正するように構成した。
【０００９】
第５の発明は、前記空燃比制御手段を、酸素ストレージ量の制御時に、非酸素成分ストレージ量が増大するほど目標空燃比をリーン方向に補正するように構成した。
【００１０】
第６の発明は、前記空燃比制御手段を、酸素ストレージ量の制御時に、非酸素成分ストレージ量が増大するほど第１の排気特性検出手段により検出した空燃比をリッチ方向に補正するように構成した。
【００１１】
第７の発明は、前記空燃比制御手段を、酸素ストレージ量を最小量に初期化した状態からの空燃比制御時に非酸素成分ストレージ量に応じた酸素ストレージ量の補正を行うように構成した。
【００１２】
第８の発明は、前記非酸素成分の吸収率を、触媒温度に応じて設定するように構成した。
【００１３】
第９の発明は、前記酸素ストレージ量演算手段を、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算するように構成した。
【００１４】
第１０の発明は、排気通路に触媒を備えたエンジンの空燃比制御方法において、前記触媒に流入する排気の空燃比または酸素濃度特性、触媒から流出する排気の空燃比または酸素濃度特性を用いて、前記触媒の酸素ストレージ量と前記触媒の非酸素成分のストレージ量を演算し、前記演算された酸素ストレージ量と非酸素成分ストレージ量とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標量となるように前記エンジンの空燃比を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
【作用・効果】
上記各発明によれば、触媒へのＨＣ等の非酸素成分のストレージ量を酸素ストレージ量に対する誤差分として、例えば非酸素成分のストレージ量を酸素ストレージ量と等価換算して加減算処理を行う。または、非酸素成分のストレージ量が増大するほど目標空燃比をリーン方向に補正し、またはエンジンからの排気空燃比検出結果をリッチ方向に補正する。これにより、実際の酸素ストレージ量をその目標量へとより正確に制御することができる。
【００１６】
非酸素成分のストレージ量は、例えば非酸素成分の触媒への吸収率と空燃比と吸気量の積を時間積分して求める。このとき、非酸素成分の触媒への吸収率が触媒温度によって変化する場合には、触媒温度に応じて設定した吸収率を用いて演算することが精度の高い制御結果を得るうえで望ましい。さらに、非酸素成分ストレージ量を考慮した空燃比の補正を、酸素ストレージ量を最小に初期化（リセット）した状態から開始することが望ましい。
【００１７】
一方、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算するように構成することにより、触媒の特性に応じた実際の酸素ストレージ量をより正確に演算でき、したがって実酸素ストレージ量をより精度よく制御することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用される排気浄化装置の概略構成を示し、エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた触媒３と、フロントＡ／Ｆセンサ４と、リアＯ２センサ（またはＡ／Ｆセンサ）５と、コントローラ６とを備える。前記フロントＡ／Ｆセンサ４とリアＯ２センサ５がそれぞれ本発明の排気特性検出手段に相当する。
【００１９】
エンジン１の吸気管７には、運転者のアクセル操作と独立して制御可能な電子制御式スロットル弁８と、スロットル弁８によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ９とが設けられている。また、エンジン１にはエンジン回転速度を検出するクランク角センサ１２が設けられている。
【００２０】
触媒３は三元触媒機能を有する触媒であり、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。触媒３は触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（以下、「酸素ストレージ機能」）を有している。前記触媒３は、その容量が排気管２が接続するエンジン気筒の総容積の１．１倍以上に設定されている。リアＯ２センサ５の上流側に複数の触媒を設けた構成の場合には、各触媒容量の総和が前記条件を満たすように決定される。これは、既述したように本発明の空燃比制御によるＮＯｘの処理能力を十分に発揮させるためである。
【００２１】
触媒３の酸素ストレージ量は、触媒３の貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分ＨＯ２と、触媒３の酸素ストレージ材に吸収／放出される低速成分ＬＯ２とに分けることができる。低速成分ＬＯ２は高速成分ＨＯ２に比べて多くの酸素を吸収／放出することができるが、その吸収／放出率は高速成分ＨＯ２に比べて遅いという特性を有している。
【００２２】
さらに、これら高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２は、
−  酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２に優先して酸素が吸収され、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分ＬＯ２に酸素が吸収され始める。
【００２３】
−  酸素放出時は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が所定値未満の場合、すなわち高速成分が比較的多い場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出され、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が所定値以上の場合は高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２の両方から酸素が放出される。
という特性を有している。
【００２４】
図２はこのような触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。縦軸は高速成分ＨＯ２（貴金属に吸収される酸素量）、横軸は低速成分ＬＯ２（酸素ストレージ材に吸収される酸素量）を示している。
【００２５】
通常運転状態では、低速成分ＬＯ２は略ゼロであり、高速成分ＨＯ２のみが図中矢印Ａ１で示すように触媒に流入する排気の空燃比に応じて変化する。高速成分ＨＯ２は、例えば、その最大容量の半分となるように制御される。
【００２６】
しかしながら、エンジンの燃料カットが行われたときや、暖機状態からのエンジン再始動（ホットリスタート）であるときは、高速成分ＨＯ２がその最大容量に達し、図中矢印Ａ２で示すように低速成分ＬＯ２にも酸素の吸収が行われ、酸素ストレージ量は状態Ｘ１から状態Ｘ２まで変化する。
【００２７】
この状態Ｘ２から酸素が放出されるときは、高速成分ＨＯ２から優先して酸素の放出が行われ、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が所定値に達すると（状態Ｘ３）、以後、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が変化しないように高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２の両方から酸素の放出が行われる。すなわち、酸素ストレージ量が図中の線Ｌ上を変化するように酸素の放出が行われる。なお、この線Ｌ上では、高速成分１に対して低速成分が５から１５、好ましくは高速成分１に対して低速成分が略１０となっている。
【００２８】
図１に戻り、触媒３の上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３に流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３の下流に設けられたリアＯ２センサ５は触媒３下流の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。ここでは、触媒３の下流に安価な酸素センサを設けたが、リニアに空燃比を検出できるＡ／Ｆセンサを設けるようにしてもよい。
【００２９】
また、エンジン１には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１０が取り付けられており、検出された冷却水温はエンジン１の運転状態を判断するのに用いられる他、触媒３の触媒温度を推定するのにも用いられる。
【００３０】
コントローラ６はマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等で構成され、エアフローメータ９、フロントＡ／Ｆセンサ４及び冷却水温センサ１０の出力に基づき、触媒３の酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）を演算する。
【００３１】
そして、コントローラ６は、演算した酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が所定量（例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分）よりも多いときはエンジン１の空燃比をリッチ側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を減少させ、逆に、所定量よりも少ないときは空燃比をリーン側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を増大させ、高速成分ＨＯ２が一定に保たれるようにする。
【００３２】
さらに、演算誤差により演算される酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれが生じるが、コントローラ６は触媒３下流の酸素濃度に基づき所定のタイミングで酸素ストレージ量のリセットを行い、実際の酸素ストレージ量とのずれを修正する。
【００３３】
具体的には、リアＯ２センサ５がリーン判定した場合は、少なくとも高速成分ＨＯ２は最大となっていると判断し、高速成分ＨＯ２を最大容量にリセットする。また、リアＯ２センサ５がリッチ判定した場合は、高速成分ＨＯ２のみならず低速成分ＬＯ２からの酸素放出も行われなくなっていることから、高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２を最小容量にリセットする。
【００３４】
以下、コントローラ６が行う制御について詳しく説明する。
【００３５】
ここではまず、酸素ストレージ量の演算について説明し、その後で、酸素ストレージ量のリセット、酸素ストレージ量に基づくエンジン１の空燃比制御について説明する。
【００３６】
図３は触媒３の酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示し、コントローラ６において所定時間毎に実行される。
【００３７】
これによると、まず、エンジン１の各種運転状態パラメータとして、代表的に冷却水温センサ１０、クランク角センサ１２、エアフローメータ９の出力が読み込まれ、触媒３の温度ＴＣＡＴがそれに基づき推定される（ステップＳ１、Ｓ２）。そして、推定された触媒温度ＴＣＡＴと触媒活性温度ＴＡＣＴｏ（例えば３００℃）とを比較することによって触媒３が活性化したか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００３８】
その結果、触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達していると判断された場合は触媒３の酸素ストレージ量の演算を行うべくステップＳ４以降に進む。触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達しないと判断された場合は、触媒３は酸素の吸収／放出作用を行わないとして処理を終了する。
【００３９】
ステップＳ４ではオーバフロー分Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチン（図４）が実行されて触媒３に流入する排気中のオーバフロー分Ｏ２ＩＮが演算され、ステップＳ５では酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチン（図５）が実行され、高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００４０】
さらに、ステップＳ６では酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチン（図６）が実行され、オーバフロー分Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２及び高速成分ＨＯ２で吸収されずに低速成分ＬＯ２に溢れるオーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが演算される。
【００４１】
ステップＳ７では、ステップＳ６で演算されたオーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき触媒３に流入する排気中のオーバフロー分Ｏ２ＩＮが全て高速成分ＨＯ２で吸収されたか否かを判断する。そして、オーバフロー分Ｏ２ＩＮが高速成分で完全に吸収された場合（ＯＶＥＲＦＬＯＷ＝０）は処理を終了するが、そうでない場合はステップＳ８へ進んで低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチン（図７）が実行され、高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。
【００４２】
なお、ここでは触媒温度ＴＣＡＴをエンジン１の冷却水温、エンジン負荷、回転速度から推定しているが、図１に示すように触媒３に温度センサ１１を取付け、触媒３の温度を直接測定するようにしてもよい。
【００４３】
また、ステップＳ３で触媒温度ＴＣＡＴが活性温度ＴＡＣＴｏよりも低いときは酸素ストレージ量を演算しないようにしているが、ステップＳ３を無くして、触媒温度ＴＣＡＴの影響を高速成分の酸素放出率Ａや後述する低速成分の酸素吸収放出率Ｂに反映するようにしても良い。
【００４４】
次に、ステップＳ４から６及びステップＳ８で実行されるサブルーチンについて説明する。
【００４５】
図４は、触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３に流入する排気のオーバフロー分Ｏ２ＩＮが演算される。
【００４６】
これによると、まず、フロントＡ／Ｆセンサ出力とエアフローメータ出力が読み込まれる（ステップＳ１１）。
【００４７】
ステップＳ１２では読み込まれたフロントＡ／Ｆセンサ出力を所定の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、触媒３に流入する排気の過不足酸素濃度を演算する。ここで過不足酸素濃度とは理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度で、排気が理論空燃比でゼロ、リッチで負、リーンで正の値をとる。
【００４８】
ステップＳ１３ではエアフローメータ出力を所定の変換テーブルを用いて吸入空気量に変換し、ステップＳ１４ではステップＳ１３で演算した吸入空気量にステップＳ１２で演算した過不足酸素濃度を乗じて触媒３に流入する排気の過不足酸素量Ｏ２ＩＮを演算する。
【００４９】
過不足酸素濃度が上記特性を有することから、過不足酸素量Ｏ２ＩＮは、触媒３に流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【００５０】
また、図５は、酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２の酸素放出率が低速成分ＬＯ２の影響を受けることから、低速成分ＬＯ２に応じて高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００５１】
これによると、まず、ステップＳ２１で低速成分の高速成分に対する比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ（例えばＡＲ＝１０）より小さいか否かが判断される。
【００５２】
判断の結果、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲより小さいと判断された場合、すなわち、高速成分ＨＯ２が低速成分ＬＯ２に対して比較的多い場合はステップＳ２２へ進み、高速成分ＨＯ２から酸素が優先して放出されるとして高速成分の酸素放出率Ａに１．０がセットされる。
【００５３】
これに対し、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ以上と判断された場合は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２から酸素が放出されるので、ステップＳ２３へ進んで高速成分の酸素放出率Ａとして比ＬＯ２／ＨＯ２が変化しないような値が演算される。
【００５４】
また、図６は、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２の演算が行われる。
【００５５】
これによると、まず、ステップＳ３１では酸素過不足量Ｏ２ＩＮの値に基づき高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあるか、あるいは酸素を放出する状態にあるかが判断される。
【００５６】
その結果、触媒３に流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロより大きく、高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあると判断された場合はステップＳ３２に進み、次式（１）、
ＨＯ２  ＝  ＨＯ２ｚ  ＋  Ｏ２ＩＮ        ・・・  （１）
ＨＯ２ｚ：高速成分ＨＯ２の前回値
により高速成分ＨＯ２が演算される。
【００５７】
一方、オーバフロー分Ｏ２ＩＮがゼロ以下の値で、高速成分が酸素を放出する状態にあると判断された場合はステップＳ３３に進み、次式（２）、
ＨＯ２  ＝  ＨＯ２ｚ  ＋  Ｏ２ＩＮ  ×  Ａ    ・・・  （２）
Ａ：高速成分ＨＯ２の酸素放出率
により高速成分ＨＯ２が演算される。
【００５８】
このようにして高速成分ＨＯ２が演算されたら、ステップＳ３４、Ｓ３５でその値が高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００５９】
そして、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上になっている場合はステップＳ３６に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバフロー分（過剰量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（３）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ  ＝  ＨＯ２  −  ＨＯ２ＭＡＸ        ・・・  （３）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに制限される。
【００６０】
また、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下になっている場合はステップＳ３７に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバフロー分（不足量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（４）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ  ＝  ＨＯ２  −  ＨＯ２ＭＩＮ        ・・・  （４）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮに制限される。
【００６１】
また、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸと最小容量ＨＯ２ＭＩＮの間にあるときは、触媒３に流入した排気のオーバフロー分Ｏ２ＩＮは全て高速成分ＨＯ２に吸収されるので、オーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷにはゼロが設定される。
【００６２】
なお、ここで高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下となって高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷは低速成分ＬＯ２で吸収される。
【００６３】
また、図７は酸素ストレージ量の低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。
【００６４】
これによると、ステップＳ４１では低速成分ＬＯ２が次式（５）、
ＬＯ２  ＝  ＬＯ２ｚ  ＋  ＯＶＥＲＦＬＯＷ  ×  Ｂ    ・・・  （５）
ＬＯ２ｚ：低速成分ＬＯ２の前回値
Ｂ：低速成分の酸素吸収放出率
により演算される。ここで低速成分の酸素吸収放出率Ｂは１以下の正の値に設定されるが、実際には吸収と放出とで異なる特性を有し、また実際の吸収放出率は触媒温度ＴＣＡＴ、低速成分ＬＯ２等の影響を受けるので、吸収率と放出率をそれぞれ分離して可変に設定するようにしても良い。その場合、オーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素吸収率Ｂは、例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が少ないほど大きな値に設定される。また、オーバフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Ｂは、例えば触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が多いほど大きな値に設定される。
【００６５】
ステップＳ４２、Ｓ４３では、高速成分ＨＯ２の演算時と同様に、演算された低速成分ＬＯ２がその最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＬＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００６６】
その結果、最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えている場合はステップＳ４４に進み、低速成分ＬＯ２から溢れるオーバフロー分Ｏ２ＯＵＴが次式（６）、
Ｏ２ＯＵＴ  ＝  ＬＯ２  −  ＬＯ２ＭＡＸ        ・・・  （６）
により演算されて低速成分ＬＯ２が最大容量ＬＯ２ＭＡＸに制限される。オーバフロー分Ｏ２ＯＵＴはそのまま触媒３の下流に流出する。
【００６７】
一方、最小容量以下になっている場合はステップＳ４５へ進み、低速成分ＬＯ２が最小容量ＬＯ２ＭＩＮに制限される。
【００６８】
次に、コントローラ６が行う酸素ストレージ量のリセットについて説明する。酸素ストレージ量のリセットを実行することにより、それまでに蓄積された演算誤差が解消され、酸素ストレージ量の演算精度を高めることが可能となる。
【００６９】
図８はリセット条件の判断ルーチンの内容を示す。このルーチンは、触媒３下流の酸素濃度から酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグＦｒｉｃｈ及びフラグＦｌｅａｎのセットを行うものである。
【００７０】
これによると、まず、触媒３下流の酸素濃度を検出するリアＯ２センサ５の出力が読み込まれる（ステップＳ５１）。そして、リアＯ２センサ出力とリーン判定しきい値、リッチ判定しきい値との比較が行われる（ステップＳ５２、Ｓ５３）
比較の結果、リアＯ２センサ出力がリーン判定しきい値を下回っていた場合はステップＳ５４に進んでフラグＦｌｅａｎに酸素ストレージ量のリーンリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。また、リアＯ２センサ出力がリッチ判定しきい値を上回っていた場合はステップＳ５５に進んでフラグＦｒｉｃｈに酸素ストレージ量のリッチリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。
【００７１】
リアＯ２センサ出力がリーン判定しきい値とリッチ判定しきい値の間にあるときはステップＳ５６に進んで、フラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈにリーンリセット条件、リッチリセット条件が不成立であることを示す「０」が設定される。
【００７２】
図９は酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示す。
【００７３】
これによると、ステップＳ６１、Ｓ６２でフラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈの値の変化に基づきリーンリセット条件あるいはリッチリセット条件が成立したか否かが判断される。
【００７４】
そして、フラグＦｌｅａｎが「０」から「１」に変化し、リーンリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６３に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。このとき、低速成分ＬＯ２のリセットは行われない。一方、フラグＦｒｉｃｈが「０」から「１」に変化し、リッチリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６４に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２がそれぞれ最小容量ＨＯ２ＭＩＮ，ＬＯ２ＭＩＮにリセットされる。
【００７５】
このような条件でリセットを行うのは、低速成分ＬＯ２の酸素吸収速度が遅いため、高速成分ＨＯ２が最大容量に達すると低速成分ＬＯ２が最大容量に達していなくても酸素が触媒下流に溢れることから、触媒下流がリーンになった時点では少なくとも高速成分ＨＯ２は最大容量になっていると考えられるからである。
【００７６】
また、触媒下流がリッチになる時点では、緩やかに酸素を放出する低速成分ＬＯ２からも酸素が放出されていないといえ、高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２共に酸素を殆ど保持しておらず最小容量になっていると考えられるからである。
【００７７】
さらに、コントローラ６が行う空燃比制御（酸素ストレージ量一定制御）について説明する。
【００７８】
図１０は酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示す。
【００７９】
これによると、まず、現在の酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が読み込まれ（ステップＳ７１）、現在の高速成分ＨＯ２と高速成分の目標値ＴＧＨＯ２の偏差ＤＨＯ２（＝触媒３ａが必要としている酸素過不足量）が演算される（ステップＳ７２）。高速成分の目標値ＴＧＨＯ２は、例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの２分の１に設定される。
【００８０】
そしてステップＳ７３では、演算された偏差ＤＨＯ２が空燃比相当の値に換算され、エンジン１の目標空燃比が設定される。
【００８１】
したがって、このルーチンによると、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする量に満たない場合はエンジン１の目標空燃比がリーン側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の増大が図られる。これに対し、高速成分ＨＯ２が目標とする量を超えている場合はエンジン１の目標空燃比がリッチ側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の減少が図られることになる。
【００８２】
次に、上記制御を行うことによる全体的な作用について説明する。
【００８３】
上記構成を有する排気浄化装置にあっては、エンジン１が始動されると触媒３ａの酸素ストレージ量の演算が開始され、触媒３ａの転換効率を最大に保つべく、触媒３ａの酸素ストレージ量が一定となるようにエンジン１の空燃比制御が行われる。
【００８４】
コントローラ６は触媒３ａに流入する排気の空燃比、エンジン１の吸入空気量に基づき触媒３ａの酸素ストレージ量を推定演算するが、このとき酸素ストレージ量の演算を高速成分ＨＯ２と低速成分ＬＯ２とで分けて行う。
【００８５】
具体的には、コントローラ６は、酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２が優先して吸収し、高速成分ＨＯ２が吸収しきれない状態となったら低速成分ＬＯ２が吸収し始めるとして演算を行い、また、酸素放出時は、低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が一定割合ＡＲ以下の場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出されるとし、比ＬＯ２／ＨＯ２が一定割合になったらその比ＬＯ２／ＨＯ２を保つように低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の両方から酸素が放出されるとして酸素ストレージ量の演算を行う。
【００８６】
そして、演算された酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標値よりも多いときは、コントローラ６はエンジン１の空燃比をリッチ側に制御して高速成分ＨＯ２を減少させ、目標値よりも少ないときは空燃比をリーン側に制御して高速成分ＨＯ２を増大させる。
【００８７】
この結果、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする値に保たれるので、触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分ＨＯ２から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒３の転換効率が最大に保たれる。
【００８８】
さらに、演算誤差が累積すると演算される酸素ストレージ量が実際の酸素ストレージ量とずれてくるが、触媒３下流がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセットが行われ、演算値と実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される。
【００８９】
図１１は上記酸素ストレージ量一定制御を行ったときの高速成分ＨＯ２の変化の様子を示したものである。この場合、時刻ｔ２、ｔ３では、リアＯ２センサ５ａの出力がリッチ判定しきい値以上となってリッチリセット条件が成立するので、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最小容量（＝０）にリセットされる。このとき低速成分ＬＯ２も最小容量にリセットされる（図示せず）。
【００９０】
また、時刻ｔ１では、リアＯ２センサ５ａの出力がリーン判定しきい値以下となりリーンリセット条件が成立するので、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。ただし、このとき低速成分ＬＯ２は最大になっているとは限らないので低速成分ＬＯ２のリセットは行われない。
【００９１】
このように、触媒３ａの下流の排気がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量のリセットが行われ、実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される結果、触媒の酸素ストレージ量の演算精度がさらに向上し、酸素ストレージ量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められて触媒の転換効率を高く維持することができる。
【００９２】
以上は本発明が前提とする空燃比制御の一例を示したもので、本発明ではさらに触媒の非酸素成分のストレージ量を求めて実際の酸素ストレージ量をより正確に得られるようにする。以下、この点につき図１２以下の図面を用いて説明する。図１２〜図１４はそれぞれ非酸素成分としてＨＣのストレージ量を求め、その結果から酸素ストレージ量が適量となるように空燃比等を制御する処理ルーチンの実施形態を示している。これらの処理ルーチンは、図１０に示した空燃比制御の処理ルーチンと同期して周期的に実行される。
【００９３】
図１２は上記処理ルーチンの第１の実施形態であり、これは算出したＨＣストレージ量に基づいて酸素ストレージ量の推定値を直接補正する機能を有している。すなわち、この処理ルーチンではまず触媒３の温度を検出する（ステップＳ８１）。これは上述したように触媒温度センサ１１からの信号により直接検出するか、またはエンジン冷却水温等を用いて推定する。次いで、検出した触媒温度に基づいて、ＨＣの吸収率を演算する（ステップＳ８２）。ＨＣ吸収率（または吸収量）は、一般に図１５に示したように触媒活性温度域では温度が上昇するほど減少する特性を有している。ここでは、例えばこのような特性に対応して触媒温度毎に吸収率を与えるように予め設定されたテーブルを検索することでＨＣ吸収率を求める。
【００９４】
次に、上記ＨＣ吸収率を用いて触媒３へのＨＣストレージ量ＨＣＳを演算する（ステップＳ８３）。このときの演算手法は任意であるが、例えばエアフロメータ９を介して検出した吸気量とフロントＡ／Ｆセンサ４を介して検出した空燃比と前記ＨＣ吸収率との積を時間積分することにより求められる。この処理ルーチンでは、このようにして求めたＨＣストレージ量ＨＣＳは酸素ストレージ量と等価、すなわちＨＣストレージ分だけ酸素ストレージ量が減少するものとみなし、そのときの酸素ストレージ量（この場合高速成分）からＨＣストレージ量ＨＣＳを減算したものを新たな酸素ストレージ量ＨＯ２として設定する（ステップＳ８４）。
【００９５】
このようにしてＨＣストレージ分だけ酸素ストレージ量ＨＯ２が減量補正される結果、図１０以前の処理にて演算される酸素ストレージ量が実際値に近い量に修正され、この結果として酸素ストレージ量を目標量に制御するための空燃比制御の実効性が向上し、排気エミッション性能が確実に改善される。
【００９６】
図１３と図１４はそれぞれ上記処理ルーチンの第２、第３の実施形態であり、それぞれ算出したＨＣストレージ量に基づいて目標Ａ／ＦまたはフロントＡ／Ｆセンサ出力を補正する機能を有している。なお図１３のステップＳ９１〜Ｓ９３または図１４のステップＳ１０１〜Ｓ１０３は図１２のステップＳ８１〜Ｓ８３と同一であるので、以下ではそれぞれ異なる部分のみ説明する。
【００９７】
図１３では、図１２と同様の演算処理により算出したＨＣストレージ量ＨＣＳを空燃比に換算して目標Ａ／Ｆを補正する（ステップＳ９４、Ｓ９５）。すなわち、通常の酸素ストレージ量演算処理では、ＨＣが吸収される分だけ触媒３の酸素ストレージ量が減少するにもかかわらず前記ＨＣ吸収分も酸素ストレージ量として演算されてしまうため、演算による酸素ストレージ量は実際よりも早期に目標量（ＴＧＨＯ２）に達してしまう。この場合、触媒に供給される空燃比は酸素ストレージ量が目標量よりも少ない状態でリッチ傾向に転じることになり、触媒３の転換効率が悪化するおそれを生じる。そこでこの処理では、ＨＣストレージ量に応じて目標Ａ／Ｆをリーン側に補正し、これにより相対的な酸素ストレージ量の減少を補償するのである。
【００９８】
図１４では、図１２と同様の演算処理により算出したＨＣストレージ量ＨＣＳを空燃比に換算してフロントＡ／Ｆセンサ４の出力を補正する（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）。この目的は図１３の処理と同様であり、図１３の処理が目標Ａ／Ｆを補正して触媒３の雰囲気空燃比を修正しているのに対して、この処理では見かけ上の空燃比検出結果を補正することで結果的に触媒３内の空燃比が最適化されるようにしている。すなわち、上述したようにＨＣ吸収分だけ実酸素ストレージ量が減少するところから、フロントＡ／Ｆセンサ４の出力をＨＣストレージ量ＨＣＳに応じてリッチ側に補正し、これにより実際の触媒３内の空燃比がリーン傾向となるようにして酸素ストレージ量の不足を補う。
【００９９】
図１６は上記ＨＣストレージ量に応じたフロントＡ／Ｆセンサ出力の補正を行った場合と行わなかった場合の酸素ストレージ量の変化の様子を示している。これは前記センサ出力がリッチに反転したときのリセット処理（図８、図９参照）の開始時点から補正を開始した場合の様子を示しており、図示したようにセンサ出力が見かけ上リッチ方向に補正されるため、ＨＣ吸収による減少分を補填しうるだけの必要量の酸素ストレージ量が確保される。
【０１００】
なお、上記各実施形態はそれぞれＨＣのストレージ量を演算する場合を前提としているが、触媒に吸収される非酸素成分としては他にもＣＯなどがあり、これを考慮してさらに酸素ストレージ量を補正する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。
【図３】触媒の酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図４】触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図５】高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図６】酸素ストレージ量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図７】酸素ストレージ量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図８】リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図９】酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１０】酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１１】酸素ストレージ量一定制御を行ったときの様子を示したタイムチャートである。
【図１２】ＨＣストレージ量に応じた補正処理ルーチンの第１の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１３】ＨＣストレージ量に応じた補正処理ルーチンの第２の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１４】ＨＣストレージ量に応じた補正処理ルーチンの第３の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１５】触媒温度とＨＣ吸収率との関係を表す特性図である。
【図１６】上記第３の実施形態による制御を行ったときの酸素ストレージ量の制御の様子を示したタイムチャートである。
【符号の説明】
１    エンジン
２    排気管
３ａ  第１の触媒
３ｂ  第２の触媒
３ｃ  第３の触媒
４    フロントＡ／Ｆセンサ（第１の排気特性検出手段）
５ａ  第１のリアＯ２センサ（第２の排気特性検出手段）
５ｂ  第２のリアＯ２センサ（第３の排気特性検出手段）
６    コントローラ
７    吸気管
８    スロットル弁
９    エアフローメータ
１０    冷却水温センサ
１１    温度センサ
１２    クランク角センサ
【図１】
0003572453.tif 000002
【図２】
0003572453.tif 000003
【図３】
0003572453.tif 000004
【図４】
0003572453.tif 000005
【図５】
0003572453.tif 000006
【図６】
0003572453.tif 000007
【図７】
0003572453.tif 000008
【図８】
0003572453.tif 000009
【図９】
0003572453.tif 000010
【図１０】
0003572453.tif 000011
【図１１】
0003572453.tif 000012
【図１２】
0003572453.tif 000013
【図１３】
0003572453.tif 000014
【図１４】
0003572453.tif 000015
【図１５】
0003572453.tif 000016
【図１６】
0003572453.tif 000017