(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、
前記触媒の上流側の排気通路に配設された排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、
排気ガスの流量を検出する排気ガス流量検出手段と、
前記酸素センサより検出した触媒上流の所定時間当たりの過不足酸素量と、前記検出された排気ガス流量と、から排気ガス中の酸素量を演算する排気ガス中酸素量演算手段と、
前記触媒に保持されている酸素保持量を演算する触媒酸素保持量演算手段と、
前記演算された排気ガス中の酸素量と、前記演算された触媒の酸素保持量と、前記触媒の最大酸素保持量から設定される目標酸素保持量と、から前記排気ガス中の目標酸素量を演算する目標酸素量演算手段と、
前記演算された排気ガス中の目標酸素量と、前記検出された排気ガス流量とに基づき、目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、
前記演算された目標空燃比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、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
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、
前記触媒の上流側の排気通路に配設された排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサより検出した触媒上流の所定時間当たりの過不足酸素量とから排気ガス中の酸素量を演算する排気ガス中酸素量演算手段と、
前記触媒に保持されている酸素保持量を触媒の酸素吸着脱離モデルを用いて演算する触媒酸素保持量演算手段と、
前記演算された排気ガス中の酸素量と、前記演算された触媒の酸素保持量と、前記触媒の最大酸素保持量から設定される目標酸素保持量と、から前記排気ガス中の目標酸素量を演算する目標酸素量演算手段と、
前記演算された排気ガス中の目標酸素量とに基づき、目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、
前記演算された目標空燃比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、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記酸素吸着脱離モデルは、少なくとも前記演算した排気ガス中の酸素量と、前記排気ガス中酸素量演算手段で前回演算された触媒の酸素保持量とからなる分圧を基に構築されることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
排気ガスの流量を検出する排気ガス流量検出手段を有し、
前記排気ガス中酸素保持量演算手段は、少なくとも前記検出された排気ガス流量を基に演算されることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記排気ガス中の目標酸素量は、前記触媒の劣化に伴う最大酸素保持量の変動分に応じて演算されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つ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】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気浄化装置の従来技術として、特開平１０−１８４４２４号に記載の技術がある。これは、三元触媒の上流と下流にそれぞれ空燃比センサを設置し、上流側の空燃比センサにより検出された空燃比、吸入空気量および三元触媒における酸素の脱離速度と吸着速度の速度比から貯蔵酸素脱離量を算出し、この速度比を計算上の貯蔵酸素脱離量が実際の貯蔵酸素脱離量と一致するように修正するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−１８４４２４号に記載の技術においては、三元触媒が貯蔵する酸素量である触媒酸素保持量を目標値に保持するために上流側の空燃比センサを用いて排気中の酸素量を制御し、その制御量は触媒酸素保持量とその目標値との差分に基づき制御されるため、図４に示すように三元触媒が劣化した状態（細線で示す）に収束速度を設定すると三元触媒が新品時の触媒酸素保持量の調整量が相対的に小さくなり、新品時の収束速度が遅くなる（破線で示す）と言う問題がある。
【０００４】
また、上流側の空燃比センサを用いて排気中の酸素量を制御する方法として、触媒酸素保持量から目標空燃比を設定し、これに基づいて単位時間当たりの酸素量を制御するようにしていたため、排気中の単位時間当たりの酸素量を変動させる排気ガス流量は考慮されていない。つまり、空燃比を仮に一定とすると、吸入空気（排気）量の増加とともに酸素量は増加する傾向を有しており、反対に吸入空気量が減少すると酸素量もまた減少するものである。このような、排気ガス流量によって変化する酸素量に対応していないという問題がある。
【０００５】
さらに、触媒酸素保持量の演算において、触媒の劣化状態にかかわらず酸素の放出と吸着とを一定割合で行われるとして演算しているが、実際には、触媒はある程度まで酸素を保持した後の酸素の吸着、放出の速度が低下する。したがって、従来技術の演算方法では精度が悪いと言う問題がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決する内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、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、前記触媒の上流側の排気通路に配設された排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、排気ガスの流量を検出する排気ガス流量検出手段と、前記酸素センサより検出した触媒上流の所定時間当たりの過不足酸素量と、前記検出された排気ガス流量と、から排気ガス中の酸素量を演算する排気ガス中酸素量演算手段と、前記触媒に保持されている酸素保持量を演算する触媒酸素保持量演算手段と、前記演算された排気ガス中の酸素量と、前記演算された触媒の酸素保持量と、前記触媒の最大酸素保持量から設定される目標酸素保持量と、から前記排気ガス中の目標酸素量を演算する目標酸素量演算手段と、前記演算された排気ガス中の目標酸素量と、前記検出された排気ガス流量とに基づき、目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、前記演算された目標空燃比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。
【０００８】
第２の発明は、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、前記触媒の上流側の排気通路に配設された排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサより検出した触媒上流の所定時間当たりの過不足酸素量とから排気ガス中の酸素量を演算する排気ガス中酸素量演算手段と、前記触媒に保持されている酸素保持量を触媒の酸素吸着脱離モデルを用いて演算する触媒酸素保持量演算手段と、前記演算された排気ガス中の酸素量と、前記演算された触媒の酸素保持量と、前記触媒の最大酸素保持量から設定される目標酸素保持量と、から前記排気ガス中の目標酸素量を演算する目標酸素量演算手段と、前記演算された排気ガス中の目標酸素量とに基づき、目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、前記演算された目標空燃比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。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記酸素吸着脱離モデルは、少なくとも前記演算した排気ガス中の酸素量と、前記排気ガス中酸素量演算手段で前回演算された触媒の酸素保持量とからなる分圧を基に構築される。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、排気ガスの流量を検出する排気ガス流量検出手段を有し、前記排気ガス中酸素保持量演算手段は、少なくとも前記検出された排気ガス流量を基に演算される。
【００１１】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記排気ガス中の目標酸素量は、前記触媒の劣化に伴う最大酸素保持量の変動分に応じて演算される。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明では、触媒に供給されるべき酸素量を目標値として設定したことにより、排気ガス流量が変動し、排気ガス中の酸素量が変化した場合でも、触媒に供給される酸素量を維持することができる。
【００１３】
第２と３の発明では、触媒の酸素保持量と排気ガス中の酸素量との分圧式を基にした酸素吸着脱離モデルを用いて演算するので、高精度の触媒酸素保持量の演算が可能となる。
【００１４】
第４の発明では、繰り返し演算される触媒の酸素保持量の各演算毎に排気ガス流量に基づいた排気ガス中の酸素量が使われることにより、さらに精度よく触媒酸素保持量の演算が可能となる。
【００１５】
第５の発明では、前記排気ガス中の目標酸素量は、前記触媒の劣化に伴う最大酸素保持量の変動分に応じて演算されるので、触媒の劣化状態に応じた目標酸素保持量への収束速度を最適に設定することができる。
【００１６】
【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（センサ本体は図示しない）からの回転数信号、流量計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を決定し、これに各種の補正を行って燃料噴射量を演算し、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。流量計６の代わりに触媒１０の上流側の排気通路９に排気ガスの流量を検出する流量計を設けてもよい。
【００１７】
排気通路９には触媒１０が設置される。触媒１０は、白金やロジウムといった触媒金属のほかに酸化セリウム、バリウム、卑金属といった酸素吸収補助剤から構成される。この触媒１０上流の広域空燃比センサ（酸素センサ）３が設置され、広域空燃比センサ３からの空燃比信号がコントローラ２に入力される。
【００１８】
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、排気ガス中の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。コントローラ２は触媒が保持する酸素量を演算し、この酸素保持量となるように排気ガス中の酸素量等を制御する。
【００１９】
次に、コントローラ２が行う触媒酸素保持量と触媒１０に供給される排気ガス中の目標酸素量と前記目標酸素量に応じた目標空燃比の演算について説明する。
【００２０】
本発明においては、触媒酸素保持量の演算を行うにあたり、物理吸着現象を表すフロイントリッヒの式に基づき、触媒の吸着脱離モデルを構築し、触媒酸素保持量を演算する。
【００２１】
フロイントリッヒの式を下式に示す。
【００２２】
吸着量＝ａ×分圧1/n
ここで、ａ、ｎは定数であり、分圧は以下のように定義する。
▲１▼触媒１０が酸素を吸収する場合
分圧＝酸素量（＝排気ガス中に含まれる酸素量）÷触媒酸素保持量
▲２▼触媒１０が酸素を放出する場合
分圧＝−酸素量÷（最大酸素保持量−触媒酸素保持量）
したがって、フロイントリッヒの式を用いて触媒酸素保持量ＨＯＳＣを算出する演算を、以下のように定義する。
▲１▼触媒１０が酸素を吸収する場合
触媒１０が酸素を吸収する場合の触媒酸素保持量は下式で表される。
【００２３】
【数１】
0003912054.tif 000002
【００２４】
ここで、ＨＯＳＣn：今回演算して求めた触媒酸素保持量
ＨＯＳＣn-1：前回演算して求めた触媒酸素保持量
ＦＯ2ｇ：酸素量
ａ、ｎ：定数
なお、酸素量ＦＯ２ｇは次式で算出される。
【００２５】
【数２】
0003912054.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｑ：排気ガス流量（流量計６が検出する流入空気量で代用可能）
ＦＯ２：過不足酸素濃度＝（実空燃比−ストイキ空燃比）／ストイキ空燃比
なお、ストイキ空燃比は１４．７とする（理論空燃比を単に「ストイキ」という）。
【００２７】
ｔ：演算サイクル時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）
ここで、数２式の「過不足酸素濃度」は、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。
▲２▼酸素を放出する場合
触媒１０が酸素を放出する場合の触媒酸素保持量は下式で表される。
【００２８】
【数３】
0003912054.tif 000004
【００２９】
ここで、ＨＯＳＣy：最大触媒酸素保持量
ｂ、ｍ：定数
なお、数式１および数式３にて、ただし書きで示した条件は、酸素量が演算された場合には吸着（或いは放出）する酸素量が触媒１１中に流入（或いは流出）する酸素量（｜ＦＯ２ｇ｜）に制限されることを表す。
【００３０】
数式１および数式３を用いて演算した触媒酸素保持量の結果を図２と図３に示す。ここで対比のために用いた従来例の結果は、本出願人が出願した特願２０００−２６２７３号に記載の技術で触媒酸素保持量を演算した結果である。この従来技術は触媒酸素保持量を速い成分と遅い成分とに分けて、さらに酸素の放出と吸着を一定割合として演算するものである。
【００３１】
本発明での触媒酸素保持量の演算方法によれば、酸素を吸収する場合には、最大触媒酸素保持量に触媒酸素保持量は収束し、一方、酸素を放出する場合には、触媒酸素保持量が０（ゼロ）に収束する。したがって、従来技術（特願２０００−２６２８４号）のように速い成分と遅い成分とに分けて演算することなく触媒酸素保持量を演算でき、しかも物理現象に基づく精度の高い演算を行える。
【００３２】
次に、排気ガス中の目標酸素量の算出方法について説明する。
【００３３】
目標酸素量は、数式４によって表される。
【００３４】
【数４】
0003912054.tif 000005
【００３５】
ここで、ＨＯＳＣＳn：ＨＯＳＣn−目標ＨＯＳＣ
ＨＯＳＣＳn-1：ＨＯＳＣn-1−目標ＨＯＳＣ
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（例えば、１０ｍｓｅｃ）
Ｇｐ、Ｇｉ、Ｇｄ：定数
なお、上式中、ｆ（ＨＯＳＣy）は触媒１０の劣化状態を示すものであり、例えば、図  に示す、以下のような設定とする。
【００３６】
【数５】
0003912054.tif 000006
【００３７】
ここで、ｅ、ｆ：定数
さらに、目標空燃比は、目標酸素量から以下のように算出できる。
【００３８】
目標空燃比＝ストイキ空燃比×目標酸素量÷Ｑ＋ストイキ空燃比
ここで、Ｑ：排気ガス流量（吸入空気量で代用可能）
ストイキ空燃比：１４．７とする
このように、触媒酸素保持量を制御する方法として、酸素量を用いたので、従来技術のような空燃比を用いた場合に比べて、排気ガスの酸素量が排気ガス流量によって変動することを排除でき、精度よく触媒酸素保持量を制御することができる。
【００３９】
また目標酸素量の演算において、触媒１０の劣化状態を考慮したことにより、触媒の劣化状態に応じて、目標酸素保持量への収束速度を制御することができる。したがって、外乱等による酸素量の変動に対して触媒酸素保持量がＦｕｌｌ状態またはＥｍｐｔｙ状態になる危険性が減少する。この状態を示したのが図４であり、劣化時の収束速度を細線で示し、新品の触媒に劣化時の収束速度を適合した場合の収束速度を破線で示し、本発明で劣化状態に応じて酸素量を制御した場合の新品触媒の収束速度を太線で示している。
【００４０】
さらに、触媒酸素保持量を物理吸着現象を表すフロイントリッヒの式より酸素吸着脱離モデルを構築し、このモデルを用いて算出することにより、触媒の酸素保持量の演算をより高精度に行うことができる。
【００４１】
これまで、説明してきた内容をフローチャートで示したものが図５である。
【００４２】
まずステップＳ１で触媒から酸素が吸着するか放出するかを判断する。
【００４３】
吸着する場合にはステップＳ２に進み、酸素が吸着する場合の触媒酸素保持量の演算を行う。放出する場合には、ステップＳ３に進み、酸素が放出する場合の触媒酸素保持量を演算する。
【００４４】
触媒酸素保持量の演算を終えたらステップＳ４に進み、目標酸素量の演算を行う。さらにステップＳ５で目標酸素量から目標空燃比を算出して制御を終える。
【００４５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したエンジンの一構成図である。
【図２】同じく本発明の演算結果を示す図である。
【図３】同じく本発明の他の演算結果を示す図である。
【図４】同じく本発明の他の演算結果を示す図である。
【図５】同じくコントローラが実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２  コントローラ
３  広域空燃比センサ
６  流量計
９  排気ガス通路
１０  触媒
【図１】
0003912054.tif 000007
【図２】
0003912054.tif 000008
【図３】
0003912054.tif 000009
【図４】
0003912054.tif 000010
【図５】
0003912054.tif 000011