(57)【要約】【課題】本発明は排気通路に三元触媒装置を備える内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に関し、内燃機関のトルク変動を十分に抑制しつつ、触媒の活性を高めることを目的とする。【解決手段】内燃機関の排気通路に、排気ガスを浄化して排出するための三元触媒装置を配置する。三元触媒装置の活性を高める処理を行うに当たり、先ず、三元触媒装置が酸素を十分に吸蔵するまで、その上流における排気空燃比を浅いリーンに設定する。三元触媒装置が酸素を十分に吸蔵したら、その内部の吸蔵酸素が十分に放出されるまで三元触媒装置の上流における排気空燃比を深いリッチに設定する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置され、内燃機関から排出される排気ガスを浄化して排出する三元触媒装置と、
前記三元触媒装置が酸素を十分に吸蔵した第１酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、理論空燃比より第１設定値だけ大きなリーン空燃比に維持するリーン空燃比維持手段と、
前記三元触媒装置が、前記第１酸素吸蔵状態となった後、酸素を十分に放出した第２酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、前記第１設定値より大きな第２設定値だけ理論空燃比より小さいリッチ空燃比に維持するリッチ空燃比維持手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記三元触媒装置に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段と、
前記酸素吸蔵量が判定量以上となった場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記三元触媒装置の内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定することのできる触媒内酸素過不足量推定手段と、
特定位置における前記酸素過不足量が判定値以上となった場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記三元触媒装置の最上流位置以降の所定位置を流れる排気ガスの酸素過不足状態を実測する酸素過不足状態実測センサと、
前記所定位置における前記酸素過不足量の推定値と、実測された前記酸素過不足状態とが対応しない場合に、前者が後者に一致するように、前記触媒内酸素過不足量推定手段による推定手法を補正する推定手法補正手段と、
前記推定手法の補正頻度が判定頻度以上である場合、或いは、前記推定手法の補正幅が判定幅以上である場合に、前記特定位置を上流側に移行させる特定位置移行手段と、
を備えることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記三元触媒装置の下流において排気ガスの酸素過不足状態を実測する酸素過不足状態実測センサと、
前記酸素過不足状態が、非酸素過多状態から酸素過多状態に変化した場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記三元触媒装置は、直列に並んだ複数の触媒ユニットを含んでいることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
内燃機関の状態が安定しているか否かを判別する安定状態判別手段と、
内燃機関の状態が安定しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記三元触媒装置の内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定することのできる触媒内酸素過不足量推定手段と、
排気ガス中の酸素過不足量が判定値以下となる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三触媒装置内の上流側に位置するように空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記収束点が基準位置より上流側に位置しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、特に、排気通路に三元触媒装置を備える内燃機関の空燃比を制御する装置として好適な空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２００２−１１５５９０号公報に開示されるように、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を強制的にリッチおよびリーンに振動させることにより、排気通路に配置された三元触媒装置（以下、単に「触媒」と称す）の活性を高める空燃比制御装置が知られている。以下、上記の如く強制的に空燃比を振動させる制御を「パータベーション制御」と称す。
【０００３】
触媒は、排気空燃比がリーンである場合は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することでその浄化（還元）を図り、一方、排気空燃比がリッチである場合は、吸蔵酸素を放出して未燃成分を酸化することにより排気ガスの浄化を図る。上記のパータベーション制御では、触媒中の吸蔵酸素が全て放出される状態と、触媒が能力一杯に酸素を吸蔵する状態とが繰り返されるように空燃比が繰り返しリッチ或いはリーンとされる。このような状態が繰り返されると、触媒の活性が高められ、その酸素吸蔵能力が増すことが知られている。触媒は、大きな酸素吸蔵能力を有するほど優れた浄化能力を発揮する。このため、上記従来の装置によれば、パータベーション制御を実行することにより、内燃機関のエミッション特性を改善し、或いは維持することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１５５９０号公報
【特許文献２】
特開平７−２５９６０２号公報
【特許文献３】
特開２００２−１９５０８０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したパータベーション制御は、空燃比をリッチ側にもリーン側にも大きく振動させることとしている。空燃比の変動は、内燃機関のトルク変動の原因となる。つまり、内燃機関の出力トルクは、筒内で燃焼する燃料と空気（酸素）の量で決定される。内燃機関において、筒内に流入する空気量は厳密に制御することができる。筒内に流入する空気が厳密に制御されていれば、燃料が多量に供給されても、燃料の燃焼量にはさほど大きな変化は生じない。このため、内燃機関の出力トルクは、パータベーション制御の過程で空燃比がリッチ化される時点で大きく変化することはない。
【０００６】
これに対して、空燃比がリーン化される場合は、筒内に流入する燃料の量が予定量より増えれば、燃料の燃焼量が予定量より多量となる。そして、筒内に流入する燃料の量は、吸気ポートや吸気弁に付着しているポートウェット量の変化などに伴って比較的容易に増減する。このため、上述したパータベーション制御は、特に空燃比がリーン側に設定される場合において、内燃機関の出力トルクを変動させ易いという特性を有している。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関のトルク変動を十分に抑制しつつ、排気通路に配置された触媒の活性を高めることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
排気通路に配置され、内燃機関から排出される排気ガスを浄化して排出する三元触媒装置と、
前記三元触媒装置が酸素を十分に吸蔵した第１酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、理論空燃比より第１設定値だけ大きなリーン空燃比に維持するリーン空燃比維持手段と、
前記三元触媒装置が、前記第１酸素吸蔵状態となった後、酸素を十分に放出した第２酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、前記第１設定値より大きな第２設定値だけ理論空燃比より小さいリッチ空燃比に維持するリッチ空燃比維持手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記三元触媒装置に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段と、
前記酸素吸蔵量が判定量以上となった場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、
前記三元触媒装置の内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定することのできる触媒内酸素過不足量推定手段と、
特定位置における前記酸素過不足量が判定値以上となった場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記三元触媒装置の最上流位置以降の所定位置を流れる排気ガスの酸素過不足状態を実測する酸素過不足状態実測センサと、
前記所定位置における前記酸素過不足量の推定値と、実測された前記酸素過不足状態とが対応しない場合に、前者が後者に一致するように、前記触媒内酸素過不足量推定手段による推定手法を補正する推定手法補正手段と、
前記推定手法の補正頻度が判定頻度以上である場合、或いは、前記推定手法の補正幅が判定幅以上である場合に、前記特定位置を上流側に移行させる特定位置移行手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１の発明において、
前記三元触媒装置の下流において排気ガスの酸素過不足状態を実測する酸素過不足状態実測センサと、
前記酸素過不足状態が、非酸素過多状態から酸素過多状態に変化した場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、前記三元触媒装置は、直列に並んだ複数の触媒ユニットを含んでいることを特徴とする。
【００１４】
また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
内燃機関の状態が安定しているか否かを判別する安定状態判別手段と、
内燃機関の状態が安定しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
前記三元触媒装置の内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定することのできる触媒内酸素過不足量推定手段と、
排気ガス中の酸素過不足量が判定値以下となる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三触媒装置内の上流側に位置するように空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記収束点が基準位置より上流側に位置しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１７】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。
吸気通路１２には、その内部を流れる空気量、すなわち、内燃機関１０に流入する吸入空気量Ｇａを検知するエアフロメータ１６が配置されている。エアフロメータ１６の下流には、スロットルバルブ１８が配置されている。スロットルバルブ１８は、アクセル開度などに基づいてスロットルモータ２０により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ１８の近傍には、スロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサ２２、およびアクセル開度を検出するためのアクセルポジションセンサ２４が配置されている。
【００１８】
内燃機関１０は、複数の気筒を有する多気筒式の機関であり、図１は、そのうちの一気筒の断面を示している。内燃機関１０が備える個々の気筒には、吸気通路１２に通じる吸気ポート、および排気通路１４に通じる排気ポートが設けられている。個々の吸気ポートには、その内部に燃料を噴射するための燃料噴射弁２５が配置されている。また、個々の吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、吸気通路１２或いは排気通路１４と内燃機関１０の燃焼室とを導通または遮断するための吸気弁２６および排気弁２８が設けられている。
【００１９】
内燃機関１０は、クランクシャフトの近傍にクランク角センサ２９を備えている。クランク角センサ２９によれば、クランクシャフトの回転位置や、クランクシャフトの回転速度、つまり、内燃機関１０の回転数ＮＥ等を検知することができる。
【００２０】
内燃機関１０の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒３０が配置されている。触媒３０は、酸素を含むリーンな排気ガスが供給された場合にはその内部に酸素を吸蔵し、また、酸素不足のリッチな排気ガスが供給された場合にはその内部に吸蔵している酸素を放出することで排気ガスを浄化する三元触媒でである。触媒３０の上流および下流には、それぞれの位置で排気空燃比Ａ／Ｆがリッチであるかリーンであるかを検出するための上流空燃比センサ３２、および下流空燃比センサ３４が配置されている。また、触媒３０には、その内部の温度Ｔｅｍｐを検出するための触媒温度センサ３６が配置されている。
【００２１】
図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の運転状態を制御するユニットである。上述した各種アクチュエータやセンサ等は、ＥＣＵ４０により駆動され、また、ＥＣＵ４０に対して出力信号等を供給している。
【００２２】
［空燃比フィードバック制御の基本動作の説明］
本実施形態のシステムにおいて、内燃機関１０に対する燃料噴射量は、サイクル毎に燃料噴射弁２５が開弁状態とされる時間、つまり、燃料噴射時間ＴＡＵにより決定される。ＥＣＵ４０は、触媒３０に流入する排気ガスの空燃比、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆが、理論空燃比の近傍でリッチな値とリーンな値を繰り返すようにその燃料噴射時間ＴＡＵを制御する。
【００２３】
より具体的には、ＥＣＵ４０は、先ず、吸入空気量Ｇａに基づいて、理論空燃比を実現するための基本の燃料噴射時間ＴＡＵ０を算出する。そして、ＥＣＵ４０は、そのＴＡＵ０にフィードバック補正係数ＦＡＦを掛け合わせることにより最終的な燃料噴射時間ＴＡＵを決定する。フィードバック補正係数ＦＡＦは、上流空燃比センサ３２により検出される排気空燃比Ａ／Ｆがリッチである間は減少方向に更新される。その結果、燃料噴射時間ＴＡＵが縮小され、排気空燃比Ａ／Ｆはリーン方向に補正される。また、フィードバック補正係数ＦＡＦは、排気空燃比Ａ／Ｆがリーンである間は増加方向に更新される。その結果、燃料噴射時間ＴＡＵが伸張され、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ方向に補正される。このような制御が繰り返し行われることにより、触媒３０の上流における排気空燃比Ａ／Ｆは、理論空燃比を挟んで、その近傍において振動するように変化する。
【００２４】
触媒３０上流における排気空燃比Ａ／Ｆが上記の如く理論空燃比の近傍で振動を繰り返す場合、触媒３０には、リッチな排気ガスとリーンな排気ガスとが、つまり、酸素不足の排気ガスと酸素過多な排気ガスとが交互に適当な期間だけ供給されることになる。触媒３０に流入する排気ガスの空燃比がこのような変化を示すと、触媒３０の内部では、酸素の放出と吸蔵とが適当に繰り返されることとなり、その結果、触媒３０の排気ガス浄化能力が安定して維持されることとなる。以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、上流空燃比センサ３２の出力に基づく空燃比フィードバック制御を行うことで、触媒３０に、継続的に所望の排気ガス浄化能力を発揮させることができる。
【００２５】
しかしながら、上述した空燃比フィードバック制御によって触媒３０の浄化能力を維持することができるのは、あくまで、触媒３０の内部において酸素吸蔵能力に余力が存在する場合に限られる。つまり、触媒３０の上流において排気空燃比Ａ／Ｆを振動させ続けたとしても、様々な要因により、触媒３０の内部状態は、吸蔵容量一杯に酸素が吸蔵された状態や、全ての吸蔵酸素が放出された状態が形成されることがある。前者の場合に、リーンな排気ガスが触媒３０に流入すると、また、後者の場合にリッチな排気ガスが触媒３０に流入すると、未浄化の排気ガスが触媒３０の下流に吹き抜ける。
【００２６】
内燃機関１０のエミッション特性を常時良好に維持するためには、そのような未浄化成分の吹き抜けは回避することが望ましい。更に、排気空燃比Ａ／Ｆの荒れに対する触媒３０の余力を確保しておく意味では、触媒３０の全域に適量な酸素が吸蔵されている状態、より具体的には、触媒３０の全域が、吸蔵可能な最大酸素量のほぼ半分を吸蔵しているような状態が維持されることが望ましい。
【００２７】
そこで、本実施形態のシステムでは、触媒３０の内部状態を排気ガスの流れ方向の位置毎に推定し、つまり、個々の位置における酸素吸蔵状態や、個々の位置を流れる排気ガス中の酸素過不足量（空燃比）を推定し、その推定結果に基づいて、上述した望ましい状態が形成されるように、空燃比制御の手法に補正を施すこととしている。以下、このような機能を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する具体的な処理の内容について説明する。
【００２８】
［触媒モデルの説明］
図２は、本実施形態において用いられる触媒モデルを説明するための概念図である。本実施形態において、ＥＣＵ４０は、以下に説明する触媒モデルを用いて触媒３０の内部状態を推定する。以下、図２を参照して、その触媒モデルの内容と、そのモデルを用いた状態推定の方法とを具体的に説明する。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態において用いられる触媒モデルは、触媒３０を、仮想的に、排気ガスの流れ方向に並ぶ複数のブロックに分割して取り扱うことを前提としている。ここでは、便宜上それらのブロックを、上流側から下流側に向う順で、Ａブロック、Ｂブロック、・・・Ｈブロック、Ｉブロック、Ｊブロックとし、それぞれのブロックはΔｘの幅を有しているものとする。
【００３０】
図２に示すＣｇｉｎは、触媒３０に流入する排気ガス中の特定成分の量、つまり、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガス中の特定成分の量を意味している。また、図２に示すＣｇｏｕｔは、触媒３０から流出する排気ガス中の特定成分の量を意味している。図２に示す触媒モデルの概念図において、触媒３０に流入する特定成分の量Ｃｇｉｎは、そのままＡブロックに流入する特定成分の量Ｃｇｉｎ（Ａ）となる。また、Ａブロックから排出される排気ガス中の特定成分の量Ｃｇｏｕｔ（Ａ）は、そのままＢブロックに流入する特定成分の量Ｃｇｉｎ（Ｂ）となる。そして、隣接するブロックの間ではこの関係が順次成立し、最下流のブロックＪから流出する特定成分の量Ｃｇｏｕｔ（Ｊ）は、そのまま触媒３０から流出する特定成分の量Ｃｇｏｕｔとなる。尚、本明細書において、Ｃｇｉｎ（Ｎ）およびＣｇｏｕｔ（Ｎ）は、それぞれ第Ｎブロックに流入する特定成分の量、および第Ｎブロックから流出する特定成分の量を示しているものとする。
【００３１】
上記の関係は、排気ガス中に含まれる種々の成分、例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、Ｏ２などのそれぞれについて成立する。以下、触媒モデルの説明を進めるにあたり、説明の簡単化のため、その特定成分は酸素であるものとする。そして、Ｃｇｉｎ、Ｃｇｏｕｔ、Ｃｇｉｎ（Ｎ）およびＣｇｏｕｔ（Ｎ）は、排気ガス中に含まれる酸素量を正の値で示し、排気ガス中の酸素不足量を負の値で示す変数とする。このような前提の下、以下の説明においては、ＣｇｉｎおよびＣｇｉｎ（Ｎ）を「流入酸素過不足量」と称し、また、ＣｇｏｕｔおよびＣｇｏｕｔ（Ｎ）を「流出酸素過不足量」と称することとする。
【００３２】
本実施形態において、ＥＣＵ４０には、個々のブロックの流入酸素過不足量Ｃｇｉｎ（Ｎ）に基づいて、そのブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を演算するためのモデルが記憶されている（詳細は後に説明する）。このモデルによれば、ＣｇｉｎすなわちＣｇｉｎ（Ａ）に基づいてＣｇｏｕｔ（Ａ）を求めることができ、また、Ｃｇｏｕｔ（Ａ）すなわちＣｇｉｎ（Ｂ）に基づいてＣｇｏｕｔ（Ｂ）を求めることができる。そして、同様の計算を繰り返すことにより、個々のブロックにおける流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を順次求めることができ、その計算をＪブロックまで行うことで、触媒３０の下流における流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔを求めることができる。
【００３３】
図１に示すシステムによれば、上流空燃比センサ３２により検出される排気空燃比Ａ／Ｆ、およびエアフロメータ１６により検出される吸入空気量Ｇａ（或いは、そのＧａに基づいて算出される燃料噴射量）に基づいて、内燃機関１０から流出する排気ガス中の酸素過不足量、つまり、触媒３０に流入する排気ガス中の酸素過不足量Ｃｇｉｎを求めることができる。従って、ＥＣＵ４０は、上述した触媒モデルを用いた繰り返し計算を行うことにより、ＡブロックからＪブロックまでの全てにつき流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を求めることができ、また、触媒３０の下流における流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔを求めることができる。
【００３４】
次に、ＥＣＵ４０が、第Ｎ段のブロックにおける流入酸素過不足量Ｃｇｉｎ（Ｎ）に基づき、そのブロックにおける流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を求める具体的手法について説明する。
次式（１）は、ＥＣＵ４０が、時刻ｔ＋Δｔにおける第Ｎ段のブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ）を推定するために用いる演算式である。
2004285948.tif 000003
但し、δＣｇは、δＣｇ（Ｇａ，Ｔｅｍｐ，φｏｓｔ（ｔ，Ｎ））と表されるべき関数、つまり、吸入空気量Ｇａ、触媒温度Ｔｅｍｐ、および時刻ｔにおける第Ｎ段のブロックの酸素吸蔵率φｏｓｔ（ｔ，  Ｎ）の関数である。ＥＣＵ４０は、Ｇａ、Ｔｅｍｐ、およびφｏｓｔと、δＣｇとの関係を定めたマップ或いは演算式を記憶しており、そのマップ或いは演算式を用いてδＣｇを算出する。
【００３５】
δＣｇは、物理的には、触媒３０が、単位時間および単位長あたりに吸蔵或いは放出する酸素の量を意味している。δＣｇの符号は、第Ｎ段のブロックが酸素を吸蔵する場合には正に設定され、一方、酸素を放出する場合には負に設定される。具体的には、第Ｎ段のブロックに流れ込む排気ガスがリーンであり、そのブロックが酸素を吸蔵する状況下ではδＣｇの符号は正とされ（δＣｇ＞０）、反対に、第Ｎ段のブロックに流れ込む排気ガスがリッチであり、そのブロックが酸素を放出する状況下ではδＣｇの符号は負とされる（δＣｇ＜０）。
【００３６】
つまり、上記（１）式中、右辺第２項「δＣｇ×Δｔ×Δｘ」は、第Ｎ段のブロック（幅Δｘ）において、Δｔの時間の間に吸蔵または放出される酸素量に相当している。ここで、上記（１）式中、右辺第１項に含まれる第Ｎ−１ブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ−１）は、そこを流れる排気ガスがリーンである場合、時刻ｔ＋Δｔに第Ｎ−１段のブロックから流出してくる排気ガス中の酸素過多量を意味する。従って、上記（１）式によれば、この場合は、第Ｎ−１段のブロックから流出してくる排気ガス中の酸素過多量から第Ｎ段のブロックで吸蔵される酸素量δＣｇを減じた値が、第Ｎ段における流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ）として、つまり、第Ｎ段のブロックから流出する排気ガス中の酸素過多量として算出される。
【００３７】
時刻ｔ＋Δｔにおいて第Ｎ−１段のブロックから流出してくる排気ガスがリッチである場合は、上記（１）式の右辺第１項Ｃｇｏｕｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ−１）は、第Ｎ−１段のブロックから流出する排気ガス中の酸素不足量を意味する。従って、上記（１）式によれば、この場合は、第Ｎ−１段のブロックから流出してくる排気ガス中の酸素不足量に第Ｎ段のブロックから放出される酸素量δＣｇを加えた値が第Ｎ段のブロックにおける流出酸素不足量Ｃｇｏｕｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ）として、つまり、第Ｎ段のブロックから流出する排気ガス中の酸素不足量として算出される。
【００３８】
δＣｇを決定する３つの因子のうち、吸入空気量Ｇａと触媒温度Ｔｅｍｐは、それぞれエアフロメータ１６および触媒温度センサ３６により検知することができる。残る１つの因子、すなわち、酸素吸蔵率φｏｓｔ（ｔ，Ｎ）は、次式（２）に示す通り、時刻ｔにおける第Ｎ段のブロックの酸素吸蔵量ｏｓｔ（ｔ，Ｎ）と、第Ｎ段のブロックの酸素吸蔵容量ＯＳＣ（Ｎ）との比である。
φｏｓｔ（ｔ，Ｎ）＝ｏｓｔ（ｔ，Ｎ）／ＯＳＣ（Ｎ）                  ・・・（２）
【００３９】
酸素吸蔵容量ＯＳＣ（Ｎ）は、触媒３０の酸素吸蔵量ＯＳＣを求めるための公知の手法と同様の手法により求めることができる。例えば、その値ＯＳＣ（Ｎ）は、以下のような手法で求めることができる。すなわち、先ず、第Ｎ段のブロックに吸蔵されている全ての酸素が放出されるまで、そのブロックに流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持する。全ての酸素が放出されたと判断できたら（第Ｎ段のブロックの下流にリッチな排気ガスが流出してきたら）、次にそのブロックに流入する排気ガスの空燃比をリーンに変化させる。以後、第Ｎ段のブロックに容量一杯の酸素が吸蔵されるまで（第Ｎ段のブロックの下流にリーンな排気ガスが流出してくるまで）、そのブロックに流入する排気ガス中の酸素量を積算する。この手法によれば、酸素量の積算値の最終的な値を、第Ｎ段のブロックにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ（Ｎ）として扱うことができる。尚、ＯＳＣ（Ｎ）を求める手法はこれに限定されるものではなく、より単純には、触媒３０のＯＳＣを、ブロック数（本実施形態では１０）で割った値をＯＳＣ（Ｎ）としてもよい。
【００４０】
上記（２）式に含まれるｏｓｔ  （ｔ，Ｎ）は、次式（３）に示す関係式により求めることができる。但し、ここでは、説明の便宜上、時刻ｔ＋Δｔにおける第Ｎ段のブロックの酸素吸蔵量ｏｓｔ（ｔ＋Δｔ，Ｎ）を求める形式で式（３）を表している。また、次式（３）中、右辺第２項に含まれるＫは適合係数である。
ｏｓｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ）＝ｏｓｔ（ｔ，  Ｎ）＋Ｋ×δＣｇ×Δｔ×Δｘ        ・・・（３）
【００４１】
上記（３）式によれば、第Ｎ段のブロックに流入する排気ガスがリーンである場合は（従って、δＣｇは正）、時刻ｔにおける酸素吸蔵量ｏｓｔ（ｔ，  Ｎ）に、時間Δｔの間に新たに吸蔵された酸素量（厳密には適合係数Ｋで補正された値）を加えた値が時刻ｔ＋Δｔにおける酸素吸蔵量ｏｓｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ）として算出される。また、第Ｎ段のブロックに流入する排気ガスがリッチである場合は（従って、δＣｇは負）、時刻ｔにおける酸素吸蔵量ｏｓｔ（ｔ，  Ｎ）から、時間Δｔの間に放出された酸素量（厳密には適合係数Ｋで補正された値）を減じた値が時刻ｔ＋Δｔにおける酸素吸蔵量ｏｓｔ（ｔ＋Δｔ，  Ｎ）として算出される。
【００４２】
以上説明した通り、ＥＣＵ４０は、上述した触媒モデルを用いることにより、第Ｎ段のブロックにおける流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）、酸素吸蔵率φｏｓｔ（Ｎ）、および酸素吸蔵量ｏｓｔ（Ｎ）等を求めることができる。そして、ＥＣＵ４０は、個々のブロックに対して上記の処理を繰り返し適用することにより、ＡブロックからＪブロックまで、全てのブロックにつき、それらの値を算出することができる。
【００４３】
［本実施形態における空燃比制御の説明］
以上の処理によれば、本実施形態のシステムでは、流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）の収束点がどこにあるのか、また、その収束点の上流側にどのような酸素過不足量分布が存在しているのかを検知することができる。そして、これらの情報が取得できれば、その収束点が、未浄化成分の吹き抜けを生じさせる程度にまで下流側に移行しているかを判断することができ、更に、その収束点を上流側に移行させるために触媒上流の空燃比Ａ／Ｆをどのように制御すればよいかを決めることができる。
【００４４】
そこで、本実施形態では、収束点が所定の目標位置を超えて下流側に移行してきた場合に、その収束点が上流側に移行するように空燃比制御の手法を補正することで、未浄化成分の吹き抜けを防止することとしている。このため、本実施形態のシステムによれば、原則的には、触媒３０の上流側の領域で流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を収束させることができ、触媒３０の下流に未浄化の成分が吹き抜けるのを有効に防止することができる。
【００４５】
［本実施形態における触媒活性化制御の説明］
本実施形態のシステムにおいて、触媒３０の浄化能力は、その酸素吸蔵容量ＯＳＣが多量であるほど優れたものとなる。そして、触媒３０は、酸素を一杯に吸蔵した状態と吸蔵酸素を全て放出した状態とが繰り返されることにより活性化され、大きな酸素吸蔵容量ＯＳＣを取り戻すことができる。従って、経時的な変化に影響されることなく内燃機関１０のエミッション特性を良好に維持するためには、触媒３０が酸素を一杯に吸蔵した状態と、触媒３０が酸素を全て放出した状態とが繰り返されるように、触媒上流における排気空燃比、つまり、内燃機関１０に供給される混合気の空燃比を繰り返しリーンとリッチの間で振動させることが有効である。
【００４６】
ところが、混合気の空燃比がリッチとリーンの間で振動する状況下では、内燃機関の出力トルクに変動が生ずることがある。特に、従来技術の欄において説明した通り、その空燃比がリーンとされる状況下では、内燃機関１０の出力トルクが過剰な値になり易い。そこで、本実施形態では、内燃機関１０の出力トルクを大きく変化させることなく触媒３０の活性を高めることができるように、混合気の空燃比を、リーン側には浅く（小さく）、一方、リッチ側には深く（大きく）振動させることとした。この場合、空燃比がリーンとされている間に生じ得る出力トルクの変動量を小さく抑制することができ、その結果、内燃機関１０の出力トルクに生ずる変動量を十分に抑制することが可能である。
【００４７】
図３は、上記の機能を実現するためにＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。
図３に示すルーチンでは、先ず、触媒３０の活性化制御の実行条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１００）。
既述した通り、本実施形態では、空燃比を強制的にリッチとリーンに振ることにより触媒３０の活性向上が図られる。このような制御が過渡運転時に実行されると、予期しない外乱の影響により、酸素吸蔵量が容量一杯になった後更に空燃比がリーンに維持されたり、或いは酸素吸蔵量がゼロになった後更に空燃比がリッチに維持されたりすることにより、触媒３０の下流に未浄化の成分が吹き抜け易い状態となる。同様に、触媒３０が不安定な状況下、或いは触媒３０が劣化している状況下で空燃比の強制振動が行われた場合にも、触媒３０の下流に未浄化の成分が吹き抜け易い状況が生ずる。このため、触媒３０の活性化制御は、内燃機関１０が安定した運転状態を維持しており、かつ、触媒３０が安定した浄化能力を発揮している場合にのみ実行することが望ましい。
【００４８】
上記ステップ１００では、上記の要求を満たすべく、内燃機関１０が定常運転中であるか否か、および上述した流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）の収束点が所定の基準ブロックより上流側において生じているか否かが判断される。前者の条件が成立する場合は、内燃機関１０の状態が安定していると判断できる。また、後者の条件が成立する場合は、触媒３０が、安定した浄化能力を適正に発揮していると判断できる。図３に示すルーチンでは、それらの条件の何れかが成立しないと判別された場合は、活性化制御の実行条件が成立していないと判断され、以後、通常の空燃比フィードバック制御が継続される（ステップ１０２）。
【００４９】
一方、ステップ１００において、上述した２つの条件が何れも成立していると判別された場合は、活性化制御の実行条件が成立していると判断される。この場合、次に、混合気の目標空燃比が、理論空燃比より第１設定値だけ大きなリーン空燃比Ａ／Ｆｌｅａｎに設定される（ステップ１０４）。
リーン空燃比Ａ／Ｆｌｅａｎは、種々の変動要素の影響で筒内に供給される燃料の量が予定の噴射量に比して増量したとしても、車両のドライバビリティを著しく悪化させるような出力トルク変動を生じさせることのない値として実験的に定められた値である。このため、本ステップ１０４において目標空燃比がリーン空燃比Ａ／Ｆｌｅａｎに設定されると、その後、ドライバビリティに影響するようなトルク変動を伴うことなしに触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔを増加させることができる。
【００５０】
図３に示すルーチンでは、次に、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔが算出される（ステップ１０６）。
既述した通り、ＥＣＵ４０は、上記（３）式を用いることにより、触媒３０内の個々のブロックにおける酸素吸蔵量ｏｓｔ（Ｎ）を算出することができる。本ステップ１０６では、そのようにして算出される酸素吸蔵量ｏｓｔ（Ｎ）を全てのブロックにつき積算することにより、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔが算出される。
【００５１】
次に、上記ステップ１０６において算出された酸素吸蔵量ｏｓｔが判定量αを超えているか否かが判別される（ステップ１０８）。
判定量αは、触媒３０の酸素吸蔵容量ＯＳＣを基準に求められた値である。具体的には、例えば、酸素吸蔵量ＯＳＣの８０％に相当する量が判定量αとして設定される。この場合、本ステップ１０８の条件は、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔが酸素吸蔵容量ＯＳＣの８０％を超えるまでは成立しないものとして判別され、一方、ｏｓｔがＯＳＣの８０％を超えるとその成立が判別される。
【００５２】
図３に示すルーチンでは、上記ステップ１０８においてｏｓｔ＞αが成立しないと判別される間は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、ｏｓｔ＞αが成立すると判別されると、その後リッチスパイク制御が実行された後、今回の処理サイクルが終了される（ステップ１１０）。
リッチスパイク制御は、目標空燃比を、所定の短期間だけ、理論空燃比より第２設定値だけ小さなリッチ空燃比Ａ／Ｆｒｉｃｈに維持する制御である。第２設定値は、第１設定値に比して十分に大きな値である。また、目標空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒｉｃｈに維持すべき所定の短期間は、混合気の空燃比がリッチ空燃比Ａ／Ｆｒｉｃｈに制御されることを前提として、触媒３０に吸蔵されている全ての酸素、つまり、α相当値の酸素を放出させるために必要な期間である。このため、上記のリッチスパイク制御によれば、短期間だけ目標空燃比を大きくリッチに偏らせることにより、触媒３０に吸蔵されている殆ど全ての酸素を放出させることができる。
【００５３】
図４は、上述した図３に示すルーチンが繰り返されることにより実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は目標空燃比の波形を示し、また、図４（Ｂ）は触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔの波形を示す。
【００５４】
活性化制御の実行条件が成立している状況下で上記図３に示すルーチンが繰り返されると、図４（Ａ）に示すように、目標空燃比は、比較的長期にわたって浅いリーンに維持された後、短期間だけ深いリッチに維持される。その結果、図４（Ｂ）に示すように、触媒３０内の酸素吸蔵量ｏｓｔは、目標空燃比がリーンに維持されている間にほぼ酸素吸蔵容量ＯＳＣ一杯にまで増加し、その後、目標空燃比がリッチに維持される期間中にほぼゼロにまで減少する。
【００５５】
図５は、混合気の空燃比と内燃機関１０の出力トルクＴとの関係を示した図である。図５に示すように、出力トルクＴは、空燃比がリッチ側にずれる場合にはさほど大きく変化しないものの、空燃比がリーン側にずれる場合には大きな変化を示すことがある。上記図３に示すルーチンによれば、リッチ空燃比Ａ／Ｆｒｉｃｈは深いリッチであるが、リーン空燃比Ａ／Ｆｌｅａｎは浅いリーンとされている。このため、図３に示すルーチンによれば、触媒３０の活性化制御の実行に伴って内燃機関１０の出力トルクが大きく変化することはない。更に、このルーチンによれば、触媒３０がほぼ酸素吸蔵容量ＯＳＣ一杯に酸素を吸蔵した状態と、ほぼ全ての酸素を放出した状態とを繰り返し実現することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、排気エミッションを悪化させることなく、かつ、内燃機関１０の出力トルクを大きく変動させることなく、触媒３０の活性を高めることができる。
【００５６】
ところで、上述した実施の形態１においては、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔが判定量αを超えたか否かに基づいて目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミングを判定しているが、その判定の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、本実施形態のシステムでは、酸素吸蔵率φｏｓｔを算出することができるため（上記（２）式参照）、上記の判定は、そのφｏｓｔに基づいて行うこととしてもよい。
【００５７】
また、上述した実施の形態１においては、触媒３０に吸蔵されている全ての酸素、つまり、α相当値の酸素を放出させるために必要な期間だけリッチスパイク制御を継続することとしている。換言すると、実施の形態１では、触媒３０に吸蔵されている酸素の全量を放出するに足る時間が経過したか否かに基づいて、目標空燃比を深いリッチに設定すべき期間の終了タイミングが判定されている。しかしながら、その終了タイミングの判定手法はこれに限定されるものではない。例えば、リッチスパイク制御の実行中にも触媒３０内の酸素吸蔵量ｏｓｔ或いは酸素吸蔵率φｏｓｔを算出し、それらｏｓｔ、φｏｓｔがほぼゼロにまで低下したか否かに基づいてリッチスパイク制御の終了タイミングを判定することとしてもよい。
【００５８】
また、上述した実施の形態１、或いは上記の変形例では、触媒３０が酸素を一杯に吸蔵しているか否か、および触媒３０がほぼ全量の酸素を放出しているか否かを、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔ、或いは酸素吸蔵率φｏｓｔを基礎として判断することとしているが、本実施形態のシステムがその判断に用いうる手法は、これに限定されるものではない。
【００５９】
すなわち、実施の形態１のシステムは、既述した通り、触媒３０内の個々のブロックにつき、流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔを算出することができる。第Ｎ段のブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）は、目標空燃比がリーンである状況下では、第Ｎ段以前の全領域が能力一杯に酸素を吸蔵するまではゼロ近傍値を維持し、その領域に能力一杯の酸素が吸蔵された後に酸素過多を意味する値に変化する。このため、触媒３０内の特定ブロックＸのＣｇｏｕｔ（Ｘ）が酸素過多を意味する値に変化したか否かを監視すれば、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔが判定量に達したか否かを判断することが可能である。
【００６０】
同様に、目標空燃比がリッチである場合について検討すると、その状況下では、第Ｎ段ブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）は、それ以前の全領域が吸蔵酸素の全てを放出するまではゼロ近傍値を維持し、その領域内のほぼ全ての酸素が放出されることにより酸素不足を意味する値に変化する。このため、触媒３０内の特定ブロックＸのＣｇｏｕｔ（Ｘ）が酸素不足を意味する値に変化したか否かを監視すれば、触媒３０の酸素吸蔵量ｏｓｔがほぼゼロにまで低下したか否かを判断することが可能である。
【００６１】
このため、実施の形態１のシステムにおいて、触媒３０が能力一杯に酸素を吸蔵したか否か、および触媒３０がほぼ全ての酸素を放出したか否かは、特定ブロックＸの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｘ）に基づいて判断することとしてもよい。つまり、触媒３０の活性化制御において、目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミング、およびリッチスパイク制御を終了するタイミングは、特定ブロックＸの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｘ）に基づいて判断することとしても良い。
【００６２】
また、実施の形態１のシステムは、既述した通り、触媒３０の下流に下流空燃比センサ３４を備えている。このシステムにおいて、目標空燃比がリーン空燃比Ａ／Ｆｌｅａｎに維持されると、触媒３０が容量一杯に酸素を吸蔵した時点で、下流空燃比センサ３４の出力は理論空燃比の近傍値からリーンを表す値に変化する。同様に、リッチスパイク制御の実行中は、触媒３０内の全ての酸素が放出された時点で、下流空燃比センサ３４の出力は理論空燃比の近傍値からリッチを表す値に変化する。このため、実施の形態１のシステムにおいて、目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミング、およびリッチスパイク制御を終了するタイミングは、下流空燃比センサ３４の出力に基づいて判断することとしても良い。
尚、このような手法で目標空燃比を切り換えるにあたっては、触媒３０の下流に配置すべきセンサは、排気ガスの空燃比に応じた出力を発する空燃比センサに限定されるものではなく、そのセンサは、排気ガスがリッチであるかリーンであるかに応じた出力を発生する酸素濃度センサであってもよい。
【００６３】
また、上述した実施の形態１においては、内燃機関１０の排気通路１４に触媒３０が一つだけ配置される構成が用いられているが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、排気通路１４には、直列に並んだ複数の触媒を配置することとしてもよい。この場合、複数の触媒の全てを実施の形態１における触媒３０とみなして既述の処理を行うことにより、エミッションを悪化させることなく全ての触媒の活性を高めることができる。また、直列に並んだ複数の触媒のそれぞれを触媒３０とみなして個々の触媒につき別個に活性化制御を行うことによっても、排気エミッションを悪化させることなく全ての触媒の活性を高めることができる。
【００６４】
尚、上述した実施の形態１においては、触媒３０が前記第１の発明における「三元触媒装置」に相当していると共に、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０４〜１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「リーン空燃比維持手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「リッチ空燃比維持手段」が、それぞれ実現されている。
【００６５】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「酸素吸蔵量推定手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「リッチ化タイミング判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００６６】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、個々のブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を推定することにより前記第３の発明における「触媒内酸素過不足量推定手段」が実現されていると共に、ＥＣＵ４０に、特定ブロックＸにおけるＣｇｏｕｔ（Ｎ）に基づいてリッチスパイク制御の開始タイミングを判定させることにより前記第３の発明における「リッチ化タイミング判定手段」を実現することができる。
【００６７】
また、上述した実施の形態１においては、下流空燃比センサ３４が前記第５の発明における「酸素過不足状態実測センサ」に相当していると共に、ＥＣＵ４０に、下流空燃比センサ３４の出力に基づいてリッチスパイク制御の開始タイミングを判定させることにより前記第５の発明における「リッチ化タイミング判定手段」を実現することができる。
【００６８】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０に、内燃機関１０が定常運転中であるか否かを判断させることにより前記第７の発明における「安定状態判別手段」を実現することができると共に、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第７の発明における「空燃比制御許可手段」が実現されている。
【００６９】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０に、個々のブロックのＣｇｏｕｔを算出させることにより前記第８の発明における「触媒内酸素過不足量推定手段」を、Ｃｇｏｕｔの収束点を検知させることにより前記第８の発明における「収束点検知手段」を、その収束点が上流側に位置するように空燃比制御を実行させることにより前記第８の発明における「空燃比制御手段」を、それぞれ実現することができると共に、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第８の発明における「空燃比制御許可手段」が実現されている。
【００７０】
実施の形態２．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の装置は、実施の形態１の装置において、ＥＣＵ４０に、上記図３に示すルーチンに代えて、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００７１】
本実施形態のシステムは、触媒３０の下流に下流空燃比センサ３４を有している。従って、ＥＣＵ４０は、触媒３０の下流に流出してくる排気ガスの空燃比を実測することができる。一方、ＥＣＵ４０は、上述した触媒モデルを用いた処理を行うことにより、触媒３０の下流に流出する排気ガス中の酸素過不足量Ｃｇｏｕｔを推定することができる。排気ガス中の酸素過不足量Ｃｇｏｕｔは、その排気ガスの空燃比と相関を有する値であるため、酸素過不足量Ｃｇｏｕｔは空燃比に変換することができ、反対に、空燃比は酸素過不足量Ｃｇｏｕｔに変換することができる。このため、本実施形態のシステムは、触媒下流の空燃比の実測値と、触媒下流における酸素過不足量の推定値とが互いに対応しているか否かを判断することができる。
【００７２】
上記の実測値と推定値とが対応している場合は、触媒モデルが、現実の現象を精度良く表していると判断することができる。一方、両者が対応していない場合は、触媒モデルが現実の現象を正しく表していないと判断することができる。そして、後者の場合には、空燃比制御の精度を高めるために、触媒モデルに含まれる適合値（上記（１）式におけるδＣｇ、および上記（３）式における適合係数Ｋ）に適当な修正を施すことが望ましい。
【００７３】
本実施形態において、ＥＣＵ４０は、上記の要求を満たすべく、触媒下流における空燃比の実測値と、その位置における酸素過不足量Ｃｇｏｕｔの推定値とが対応していない場合は、両者が対応するように、適当な修正幅だけ、δＣｇおよびＫに修正を施すこととした。このため、本実施形態のシステムによれば、経時変化等に影響されることなく、触媒モデルを、常に現実の現象に適合したモデルに維持しておくことができる。
【００７４】
以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、触媒モデルが常に現実の現象を表すように、適宜そのモデルに対して修正が施される。ところで、触媒モデルに修正を施す必要が生ずるのは、触媒３０の特性が劣化等により変化した場合である。そして、その修正が頻繁に行われる場合、或いは、その修正に大幅な補正が必要な場合は、触媒３０の状態が不安定であり、流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔの推定精度が疑わしい場合である。
【００７５】
本実施形態のシステムは、実施の形態１の場合と同様に、目標空燃比を強制的にリーンおよびリッチに振動させる手法で触媒３０の活性化制御を実行する。そして、ここでは、特定ブロックＸの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔに基づいて目標空燃比の反転タイミングが判定される（実施の形態１の変形例参照）。このような判定手法が用いられる場合は、特定ブロックＸが下流側に位置するほど、触媒３０内の広い領域の活性向上が可能となる一方、触媒下流への未浄化成分の吹き抜けが生じ易い状態となる。
【００７６】
触媒３０の状態が安定しており、Ｃｇｏｕｔの推定精度が高い場合は、特定ブロックＸを十分に下流側に設定しても触媒下流への未浄化成分の吹き抜けを防ぎつつ活性化制御を行うことができる。従って、この場合は、特定ブロックＸを十分に下流側に設定して、触媒内の広い領域を対象としてその活性の向上を図ることが望ましい。一方、触媒３０の状態が不安定であり、Ｃｇｏｕｔの推定精度が低い場合は、触媒３０の下流に未浄化成分が吹き抜けることがないように、特定ブロックＸを上流側に移行したうえで活性化制御を実行することが望ましい。そこで、本実施形態のシステムは、触媒モデルの修正頻繁や補正幅により触媒３０の安定性、つまり、流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔの推定精度を判断し、その判断に従って特定ブロックＸの位置を適宜設定することとした。
【００７７】
図６は、上記の機能を実現すべく本実施形態においてＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。
図６に示すルーチンでは、先ず、空燃比フィードバック制御が実行されているか否かが、具体的な処理としては、そのための実行条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１２０）。
【００７８】
空燃比フィードバック制御の実行条件が成立していないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、その条件が成立していると判別された場合は、次に、触媒モデルを用いた上記の処理により、触媒３０内の全てのブロックにつき、流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）が算出される（ステップ１２２）。
【００７９】
流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）が算出されると、次に、その算出値が実質的にゼロとなる収束ブロックの番号♯が計算される（ステップ１２４）。
触媒３０内の個々のブロックには、上流側から下流側に向かって一つずつ番号が大きくなるように、１から順に番号が付されている。本ステップ１２４では、収束点と判断されたブロックの番号が収束ブロック番号♯として記憶される。
【００８０】
次に、前回の処理サイクル時から今回の処理サイクル時にかけて、収束ブロックが触媒３０の中から消滅しており、かつ、下流空燃比センサ３４の出力変化がないという状況が生じているか否かが判別される（ステップ１２６）。
この条件は、触媒モデルを用いた推定によれば触媒３０の下流に酸素過不足のある排気ガスが流出し始めたと判断できるにも関わらず、下流空燃比センサ３４によればそのような状況が検出されていない場合にのみ成立する。つまり、本ステップ１２６において判別される条件は、推定による酸素過不足量Ｃｇｏｕｔと、実測による空燃比との対応がとれていない場合に限って成立する条件の一つである。
【００８１】
ステップ１２６において上記条件が不成立であると判別された場合は、次に、今回の処理サイクル時において触媒３０の内部に収束点が検知されているにも関わらず、前回の処理サイクル時から今回の処理サイクル時にかけて、下流空燃比センサ３４の出力に顕著な変化が生じているという状況が生じているか否かが判別される（ステップ１２８）。
この条件は、推定による酸素過不足量Ｃｇｏｕｔと、実測による空燃比との対応がとれていない場合に限って成立するもう一つの条件である。
【００８２】
上記ステップ１２６の条件、および上記ステップ１２８の条件の何れもが成立しない場合は、触媒モデルと現実の状態との間に修正すべきずれは認められないと判断することができる。この場合、以後、速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、それらの条件の何れかが成立する場合は、触媒モデルに修正すべきずれが生じていると判断することができる。図６に示すルーチンでは、この場合、先ず、触媒モデルに対して適当な補正が施されると共に、補正回数の積算処理、つまり、前回の処理サイクル時までに行われていた補正回数に１を加える処理が行われる（ステップ１３０）。
【００８３】
次に、「補正回数の積算値」が所定の判定値βを超えたか否か、および触媒モデルに施された「補正量」が所定の判定値γを超えたか否かが判別される（ステップ１３２）。
【００８４】
上記ステップ１３２において、「補正回数の積算値」としては、触媒３０が新品の状態で使用され始めた後に行われた全ての補正回数の積算値、或いは現時点から遡って過去一定期間の間に行われた補正回数の積算値を用いることができる。前者の積算値は触媒モデルが過去にどれだけ補正されたかを表している。触媒モデルの補正は、触媒３０の劣化が進むのに追従して行われるため、その値は、触媒３０にどの程度の劣化が生じているかに対応している。従って、前者の積算値によれば、適当な判定値βとの比較を行うことで、触媒３０の定常的な不安定度を判断することができる。また、後者の積算値は、触媒モデルの補正がどの程度の頻度で行われているかを表している。触媒モデルの補正は、触媒３０の劣化が進むほど頻繁に行われ易くなる。従って、後者の積算値も触媒３０の劣化状態を表しており、その値によれば、適当な判定値βとの比較を行うことにより、触媒３０の現時点での不安定度を判断することができる。
【００８５】
同様に、上記ステップ１３２において、「補正量」としては、触媒３０が新品の状態で使用され始めた後に行われた全ての補正に伴う補正量（つまり個々の補正量の積算値）、或いは今回の処理サイクルにおいて行われた補正に伴う補正量を用いることができる。前者の補正量は触媒モデルが過去にどれだけ補正されたかを表しているため、その値によれば、適当な判定値γとの比較を行うことで、触媒３０の定常的な不安定度を判断することができる。また、後者の補正量は、触媒モデルにどの程度急激な変化が要求されたかを表しており、その値によれば、適当な判定値γとの比較を行うことにより、触媒３０の現時点での不安定度を判断することができる。
【００８６】
このように、上記ステップ１３２の処理によれば、補正回数が判定値βを超えているか否かに基づいて、また、補正量が判定値γを超えているか否かに基づいて、触媒３０の状態が安定しているのか、或いは不安定であるのかを判定することができる。図６に示すルーチンでは、それら２つの条件が何れも成立しない場合は、触媒３０の状態が安定しており、Ｃｇｏｕｔの推定精度が高いと判断され、以後、何ら処理が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。一方、それらの条件の少なくとも一方が成立する場合には、Ｃｇｏｕｔの推定精度が低いと判断され、特定ブロックＸが上流側に移行される（ステップ１３４）。
【００８７】
以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔの推定精度が高いと判断できる場合は特定ブロックＸを触媒３０内の十分に下流側の位置に設定し、また、触媒３０の状態が不安定でありＣｇｏｕｔの推定精度が低いと判断できる場合は、特定ブロックＸを触媒３０内の上流側の位置に移行することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、触媒３０の状態が安定している場合には、未浄化成分の吹き抜けを防止しつつ、広い領域において触媒３０の活性向上を図ることができ、また、触媒３０の状態が不安定な場合には、未浄化成分の吹き抜けを防止し得る限度内で、触媒３０の活性向上を図ることができる。
【００８８】
ところで、上述した実施の形態３の装置は、内燃機関１０の排気通路１４に触媒３０が一つだけ配置される構造を有しているが、本発明の適用が可能な構造は、このような構造に限定されるものではない。すなわち、本発明は、図７（Ａ）または図７（Ｂ）に示すように、排気通路１４に、直列に配置された２つの触媒５０，５２を備える構造に対しても適用することが可能である。
【００８９】
図７（Ａ）は、上流触媒５０の前後に上流空燃比センサ５４および下流空燃比センサ５６を備える構造を示す。この構造によれば、上流空燃比センサ５４を実施の形態２における上流空燃比センサ３２として用いることにより、直列に並んだ２つの触媒５０，５２の双方を対象として、個々のブロックの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を推定することができる。そして、特定ブロックＸを下流触媒５２中に設定することにより、２つの触媒５０，５２の双方を対象として活性化制御を行うことができる。
【００９０】
図７（Ａ）に示す構成によれば、また、下流空燃比センサ５６を実施の形態２における下流空燃比センサ３４として用いることにより、上流触媒５０についての触媒モデルが現実の状態に対応しているか否かを判断することができる。更に、それらが対応していない場合には、両者が対応するように上流触媒５０の触媒モデルを修正すると共に、その修正の程度から類推して下流触媒５２についての触媒モデルを修正することができる。そして、要求される修正頻度や補正幅に基づいてＣｇｏｕｔの推定精度を判断し、その判断に従って、特定ブロックＸを適当に上流側、或いは下流側の適正位置に設定することができる。
【００９１】
図７（Ｂ）は、上流触媒５０の上流に上流空燃比センサ５４を備えると共に、下流触媒５２の下流に下流空燃比センサ５６を備える構造を示す。この構造によれば、図７（Ａ）に示す構造の場合と同様に、上流空燃比センサ５４を用いることにより触媒５０，５２内部の流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）を推定すると共に、特定ブロックＸを下流触媒５２中に設定することにより、２つの触媒５０，５２の双方を対象とした活性化制御を行うことができる。
【００９２】
図７（Ｂ）に示す構成によれば、また、下流空燃比センサ５６を実施の形態２における下流空燃比センサ３４として用いることにより、２つの触媒５０，５２の双方につき、触媒モデルが現実の状態に対応しているか否かを判断することができる。更に、それらが対応していない場合には、両者が対応するようにそれらの触媒モデルを修正することができる。そして、要求される修正頻度や補正幅に基づいてＣｇｏｕｔの推定精度を判断し、その判断に従って、特定ブロックＸを適当に上流側、或いは下流側の適正位置に設定することができる。
【００９３】
ところで、上述した実施の形態２においては、特定ブロックＸの流出酸素過不足量Ｃｇｏｕｔ（Ｘ）に基づいて目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミング、およびリッチスパイク制御を終了するタイミングを判断することとし、触媒３０の不安定度（Ｃｇｏｕｔの推定精度）に基づいて特定ブロックＸの位置を適宜設定することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上記の切り換えタイミングは、触媒３０の酸素吸蔵容量ｏｓｔ或いは酸素吸蔵率φｏｓｔに基づいて判断することができ、その場合、ｏｓｔやφｏｓｔと比較すべき判定値（図３におけるα参照）を触媒３０の不安定度に基づいて適宜増減することによれば、実施の形態２の場合と同様の効果を得ることができる。
【００９４】
尚、上述した実施の形態２においては、下流空燃比センサ３４が前記第４の発明における「酸素過不足状態実測センサ」が実現されていると共に、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第８の発明における「推定手法補正手段」が、上記ステップ１３２および１３４の処理を実行することにより前記第８の発明における「特定位置移行手段」が、それぞれ実現されている。
【００９５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、空燃比を浅いリーンにすることで触媒に酸素を吸蔵させ、空燃比を深いリッチにすることで触媒から酸素を放出させることができる。空燃比をリーン化する際に、そのリーン化の程度が浅いものであれば大きなトルク変動は生じない。このため、本発明によれば、内燃機関のトルク変動を十分に抑制しつつ触媒の活性を高めることができる。
【００９６】
第２の発明によれば、触媒の酸素吸蔵量を推定しつつ、その酸素吸蔵量が判定量に達した時点で空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えることができる。
【００９７】
第３の発明によれば、触媒内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定しつつ、特定位置における酸素過不足量が判定値以上となった場合に、つまり、特定位置の下流に判定値以上の酸素を含む排気ガスが流出し始めた場合に、特定位置以前の領域に十分な酸素が吸蔵されたものとして、空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えることができる。
【００９８】
第４の発明によれば、所定位置における酸素過不足量の推定値と、実測された酸素過不足状態とが対応しない場合に、両者が対応するように酸素過不足量の推定手法が補正される。更に、その補正が頻繁に、或いは大きな補正幅を伴って行われる場合は、触媒の状態が不安定であるものとして、空燃比の強制的な振動を禁止することができる。
【００９９】
第５の発明によれば、触媒の下流に配置した酸素過不足状態実測センサにより触媒下流へのリーンな排気ガスの吹き抜けが検知された時点で、空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えることができる。
【０１００】
第６の発明によれば、直列の並んだ複数の触媒ユニットを対象として、エミッション特性を損なうことなく、それらの活性を高めることができる。
【０１０１】
第７の発明によれば、空燃比を強制的にリッチおよびリーンに振動させる制御を内燃機関の安定時にのみ許可することができるため、未浄化成分の吹き抜けを有効に防止することができる。
【０１０２】
第８の発明によれば、空燃比を強制的にリッチおよびリーンに振動させる制御を、収束点が基準位置より上流にある場合にのみ許可することができるため、未浄化成分の吹き抜けを有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１において用いられる触媒モデルの概念を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】混合気の空燃比と内燃機関の出力トルクとの関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２の制御手法を適用することができる他の構成の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  内燃機関
１２  吸気通路
１４  排気通路
３０  触媒
４０  ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）
Ｃｇｉｎ  触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量
Ｃｇｏｕｔ  触媒から流出する排気ガス中の酸素過不足量
Ｃｇｏｕｔ（Ｎ）  第Ｎ段のブロックから流出する排気ガス中の酸素過不足量
Ｃｇｉｎ（Ｎ）    第Ｎ段のブロックに流入する排気ガス中の酸素過不足量
ｏｓｔ（Ｎ）  第Ｎ段のブロックの酸素吸蔵量
ＯＳＣ（Ｎ）  第Ｎ段のブロックの酸素吸蔵容量
Ｃｇｏｕｔ（Ｘ）  特定ブロックＸから流出する排気ガス中の酸素過不足量
【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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