(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の酸素吸蔵量を前記内燃機関の吸入空気量および排気空燃比に基づいて推定する酸素吸蔵量推定手段と、
前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量に基づいて、空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記酸素吸蔵量推定手段は、前記排気浄化触媒を排気ガスの流れ方向に複数に分割した各領域を想定し、各領域における流入酸素量、酸素吸脱反応速度、ガス拡散速度から特定領域の酸素吸脱量を求め、求めた酸素吸脱量を積算して特定領域の酸素吸蔵量を推定すると共に、前記特定領域の位置を前記内燃機関の運転状態に応じ、吸入空気量が多いほど、より上流側に変更し、
前記空燃比制御手段は、推定された特定領域の酸素吸蔵量に基づいて、空燃比を制御す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】
前記排気浄化触媒への入ガスの排気空燃比の理論空燃比からの乖離が大きいほど、前記特定領域の位置をより上流側に変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒の劣化度が大きいほど、前記特定領域の位置をより上流側に変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の運転状態に応じて、各領域の単位長さを変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
吸入空気量が多いほど、前記単位長さをより短くすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記排気浄化触媒への入ガスの排気空燃比の理論空燃比からの乖離が大きいほど、前記単位長さをより短くすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
前記排気浄化触媒の劣化度が大きいほど、前記単位長さをより短くすることを特徴とする請求項４に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関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関では、排気ガスを浄化するために排気通路上に排気浄化触媒（三元触媒）を配置し、排気通路に設けた空燃比センサにより空燃比を検出して、混合気が理論空燃比となるようにフィードバック制御を行うことにより、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCを同時に低減するようにしている。内燃機関から排出される排気ガスの浄化率をさらに向上させるには、上述したフィードバック制御を精度良く行うことが有効である。また、排気浄化触媒の酸素吸蔵作用に着目して、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCの浄化率をより一層向上させることも有効である。
【０００３】
この酸素吸蔵作用を効果的に利用するための制御が従来から検討されている。このような酸素吸蔵作用に着目した制御装置としては、特開平5-195842号公報に記載のものなどがある。特開平5-195842号公報に記載の制御装置は、排気浄化触媒全体に吸蔵される酸素量（酸素吸蔵量）を推定し、この酸素吸蔵量をある目標値となるように空燃比を制御するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公報に記載の制御装置においては、排気浄化触媒全体を均一なものとして把握して酸素吸蔵量を推定し、これに基づく空燃比制御を行うものである。しかし、実際には、排気浄化触媒の内部における酸素吸蔵状態は一様ではない。このため、排気浄化触媒全体を一つとして把握した場合に推定精度が一時的に悪化し、的確な空燃比制御を行えなくなる可能性があった。そのため、過剰な余裕分を見込んでおかなければならず、酸素吸蔵能力を有効に使い切れていないという面もあった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を効果的に利用して排気ガスの浄化効率を向上させるべく空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の酸素吸蔵量を内燃機関の吸入空気量および排気空燃比に基づいて推定する酸素吸蔵量推定手段と、酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量に基づいて、空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた内燃機関の空燃比制御装置であって、酸素吸蔵量推定手段は、排気浄化触媒を排気ガスの流れ方向に複数に分割した各領域を想定し、各領域における流入酸素量、酸素吸脱反応速度、ガス拡散速度から特定領域の酸素吸脱量を求め、求めた酸素吸脱量を積算して特定領域の酸素吸蔵量を推定すると共に、前記特定領域の位置を前記内燃機関の運転状態に応じ、吸入空気量が多いほど、より上流側に変更し、空燃比制御手段は、推定された特定領域の酸素吸蔵量に基づいて、空燃比を制御することを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気浄化触媒への入ガスの排気空燃比の理論空燃比からの乖離が大きいほど、特定領域の位置をより上流側に変更することを特徴としている。請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気浄化触媒の劣化度が大きいほど、特定領域の位置をより上流側に変更することを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、内燃機関の運転状態に応じて、各領域の単位長さを変更することを特徴としている。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、吸入空気量が多いほど、単位長さをより短くすることを特徴としている。請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、排気浄化触媒への入ガスの排気空燃比の理論空燃比からの乖離が大きいほど、単位長さをより短くすることを特徴としている。請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、排気浄化触媒の劣化度が大きいほど、単位長さをより短くすることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施形態の説明の前に、排気浄化触媒の酸素吸蔵作用について簡単に説明する。
【００１４】
以下に説明する実施形態においては、図１に示されるように、排気通路７上に排気浄化触媒１９を有している。なお、排気浄化触媒は、排気通路上に複数設けられる場合がある。直列的に複数設けられる場合や、分岐部分に並列的に複数設けられる場合などである。例えば、四気筒のエンジンに対して、そのうちの二気筒の排気管が一つにまとめられた箇所に排気浄化触媒が一つ設置され、残りの二気筒の排気管が一つにまとめられた箇所にもう一つの排気浄化触媒が設置される場合がある。本実施形態においては、各シリンダ３毎の排気管が一つにまとめられらた箇所よりも下流側に一つの排気浄化触媒１９が配設されている。
【００１５】
以下の実施形態における排気浄化触媒１９としては、酸素吸蔵作用を有する三元触媒が用いられている。この三元触媒は、セリア(CeO2)等の成分を有し、排気ガス中の酸素を吸蔵・放出する性質を有している。
【００１６】
この三元触媒の酸素吸蔵放出機能は、混合気の空燃比がリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、空燃比がリッチになると吸着保持した酸素を放出するものである。混合気がリーンになったときには過剰な酸素が三元触媒に吸着保持されるために窒素酸化物NOxが還元され、混合気がリッチになったときには三元触媒に吸着保持された酸素が放出されるために一酸化炭素COや炭化水素HCが酸化され、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCを浄化することができる。
【００１７】
このとき、上述したように、三元触媒がその酸素吸蔵能力の限界まで酸素を吸蔵していれば、入ガスの排気空燃比がリーンとなったときに酸素を吸蔵することができなくなり、排気ガス中の窒素酸化物NOxを充分に浄化できなくなる。一方、三元触媒が酸素を放出しきって酸素を全く吸蔵していなければ、入ガスの排気空燃比がリッチとなったときに酸素を放出することができないので、排気ガス中の一酸化炭素COや炭化水素HCを充分に浄化できなくなる。このため、入ガスの排気空燃比がリーンとなってもリッチとなっても対応できるように酸素吸蔵量を制御する。
【００１８】
三元触媒の酸素吸蔵・放出は、上述したように排気空燃比に応じて行われるので、空燃比を制御することによって、酸素吸蔵量を制御し得る。通常の空燃比制御では、吸入空気量などから基本燃料噴射量を算出し、この基本燃料噴射量に対して各種補正係数をかける（あるいは加える）ことによって、最終的な燃料噴射量が決定される。ここでは、酸素吸蔵量を制御するために、酸素吸蔵量に基づく補正係数が一つ決定され、これによって、酸素吸蔵量に基づく空燃比制御が行われる。
【００１９】
酸素吸蔵量に基づく空燃比制御を行わない場合であっても、空燃比制御自体は行われ得る。酸素吸蔵量に基づく空燃比制御が行われない場合には、上述した酸素吸蔵量に基づく補正係数が算出されなかったり、酸素吸蔵量に基づく補正係数が算出されても実際の空燃比制御には反映されなかったりする。
【００２０】
以下に、本発明の内燃機関の空燃比制御装置の実施形態について説明する。図１に本実施形態の制御装置を有する内燃機関の構成図を示す。
【００２１】
本実施形態の制御装置は、内燃機関であるエンジン１を制御するものである。エンジン１は、図１に示されるように、点火プラグ２によって各シリンダ３内の混合気に対して点火を行うことによって駆動力を発生する。エンジン１の燃焼に際して、外部から吸入した空気は吸気通路４を通り、インジェクタ５から噴射された燃料と混合され、混合気としてシリンダ３内に吸気される。シリンダ３の内部と吸気通路４との間は、吸気バルブ６によって開閉される。シリンダ３の内部で燃焼された混合気は、排気ガスとして排気通路７に排気される。シリンダ３の内部と排気通路７との間は、排気バルブ８によって開閉される。
【００２２】
吸気通路４上には、シリンダ３内に吸入される吸入空気量を調節するスロットルバルブ９が配設されている。このスロットルバルブ９には、その開度を検出するスロットルポジションセンサ１０が接続されている。また、吸気通路４上には、アイドル時（スロットルバルブ９の全閉時）にバイパス通路１１を介してシリンダ３に供給される吸入空気量を調節するエアバイパスバルブ１２も配されている。さらに、吸気通路４上には、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１３も取り付けられている。
【００２３】
エンジン１のクランクシャフト近傍には、クランクシャフトの位置を検出するクランクポジションセンサ１４が取り付けられている。クランクポジションセンサ１４の出力からは、シリンダ３内のピストン１５の位置や、エンジン回転数NEを求めることもできる。また、エンジン１には、エンジン１のノッキングを検出するノックセンサ１６や冷却水温度を検出する水温センサ１７も取り付けられている。
【００２４】
これらの点火プラグ２、インジェクタ５、スロットルポジションセンサ１０、エアバイパスバルブ１２、エアフロメータ１３、クランクポジションセンサ１４、ノックセンサ１６、水温センサ１７やその他のセンサ類は、エンジン１を総合的に制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１８と接続されており、ＥＣＵ１８からの信号に基づいて制御され、あるいは、検出結果をＥＣＵ１８に対して送出している。排気通路７上に配設された排気浄化触媒１９の温度を測定する触媒温度センサ２１、チャコールキャニスタ２３によって捕集された燃料タンク内での蒸発燃料を吸気通路４上にパージさせるパージコントロールバルブ２４もＥＣＵ１８に接続されている。
【００２５】
また、ＥＣＵ１８には、排気浄化触媒１９の上流側に取り付けられた上流側空燃比センサ２５及び排気浄化触媒１９の下流側に取り付けられた下流側空燃比センサ２６も接続されている。上流側空燃比センサ２５は、その取付位置における排気ガス中の酸素濃度から排気空燃比をリニアに検出するリニア空燃比センサである。下流側空燃比センサ２６は、その取付位置における排気ガス中の酸素濃度から排気空燃比をオン−オフ的に検出する酸素センサである。なお、これらの空燃比センサ２５，２６は、所定の温度（活性化温度）以上とならなければ正確な検出を行えないため、早期に活性化温度に昇温されるように、ＥＣＵ１８を介して供給される電力によって昇温される。
【００２６】
ＥＣＵ１８は、内部に演算を行うＣＰＵや演算結果などの各種情報量を記憶するＲＡＭ、バッテリによってその記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭ、各制御プログラムを格納したＲＯＭ等を有している。ＥＣＵ１８は、空燃比に基づいてエンジン１を制御したり、排気浄化触媒１９に吸蔵されている酸素吸蔵量を演算する。また、ＥＣＵ１８は、インジェクタ５によって噴射する燃料噴射量を演算したり、酸素吸蔵量の履歴から排気浄化触媒１９の劣化判定も行う。即ち、ＥＣＵ１８は、検出した排気空燃比や算出した酸素吸蔵量などに基づいてエンジン１を制御する。
【００２７】
次に、上述した空燃比制御装置によって、酸素吸脱量の履歴を用いて排気浄化触媒１９の酸素吸蔵量を推定し、この推定された酸素吸蔵量に基づく空燃比フィードバック制御を行うことについて説明する。特に、本発明は、排気浄化触媒１９を排気ガスの流れ方向に複数の領域に分割し、各領域の上下流側の排気ガスの挙動から特定領域について（全ての領域についてでも良い）酸素吸蔵量を推定する。このように、排気浄化触媒１９を複数領域として把握することによって、排気浄化触媒の酸素吸蔵量O2SUMをより正確に把握することができ、その結果、好適な空燃比制御によって排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００２８】
まず、図２に示されるように、排気浄化触媒１９がn個の領域に分割され、そのうちの特定のi番目の領域（以下、特定領域iとも言う）の酸素吸蔵量O2SUMiを算出する手法について説明する。なお、図２は、排気浄化触媒１９内部に配設された触媒コンバータを模式的に示したものである。
【００２９】
本実施形態では、排気浄化触媒１９に流入する排気ガスの排気空燃比Abyf、吸入空気量Ga、排気浄化触媒１９の温度（触媒床温）Tempから、特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiを推定する。なお、ここでは、排気空燃比Abyfは上流側空燃比センサ２５によって検出されるが、空気及び燃料の挙動モデルから推定してもよい。また、吸入空気量Gaはエアフロメータ１３によって検出される。さらに、ここでは、触媒床温Tempは、吸入空気量Ga、車速、排気浄化触媒での反応熱から推定している。触媒床温Temp（特定領域iについては触媒床温Tempi）は、排気浄化触媒１９の各領域毎に直接温度センサを取り付けても良いし、排気浄化触媒１９に取り付けられた一つの触媒温度センサ２１の出力から各領域の温度を求めても良い。
【００３０】
特定領域iに流入する排気ガス中に含まれる酸素量をO2in(i)とし、特定領域から下流側に流出する酸素量をO2out(i)とする。また、この特定領域iに吸蔵される酸素吸蔵量O2SUMiの変化量（以下、酸素吸脱量とも言う）O2ADiは、O2in(i)、触媒表面でのガス拡散速度、酸素吸脱反応速度、偏差などの関数として求められる。なお、偏差は、特定領域iの最大吸蔵可能酸素量OSCi、その時点での特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMi等の関数として求められる。また、拡散温度は、上述した触媒床温Tempiの関数として求められる。
【００３１】
このようにして求められた特定領域iについての酸素吸脱量O2ADiについては、
O2out(i)=O2in(i)-O2ADi
という式が成立する。また、この酸素吸脱量O2ADiを積算することによって、この特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiを推定することができる。さらに、この特定領域iから流出する排気ガスの酸素量O2out(i)は、特定領域iの下流側に位置する次の領域に流入する排気ガスの酸素量O2in(i+1)となる。
O2out(i)=O2in(i+1)
【００３２】
なお、最も上流側の領域(i=1)に流入する酸素量は、排気浄化触媒１９に流入する排気ガスの排気空燃比Abyfから算出できるので、各領域から流出する酸素量を順次算出することによって、各領域の下流側の領域に流入する酸素量が算出されることになる。。
【００３３】
このようにして特定領域iについての酸素吸蔵量O2SUMiが推定される。酸素吸蔵量は、上述したように全ての領域について推定されても良く、特定領域iについてのみ推定しても良い。また、全ての領域についての酸素吸蔵量や酸素吸脱量を合算すれば、排気浄化触媒１９全体の酸素吸蔵量O2SUMや酸素吸脱量O2ADを求めることもできる。なお、酸素吸脱量O2ADが正の値の時は酸素が排気浄化触媒１９に吸蔵され、即ち、酸素吸蔵量O2SUMは増加され、酸素吸脱量O2ADが負の値の時は酸素が放出され、即ち、酸素吸蔵量O2SUMは減少されるものとしている。
【００３４】
酸素吸蔵量O2SUM(各領域毎の酸素吸蔵量O2SUMiも同様)は、ゼロと最大吸蔵可能酸素量OSC(OSCi)との間の値をとることになる。酸素吸蔵量O2SUMがゼロということは、排気浄化触媒１９が酸素を吸蔵していないということであり、酸素吸蔵量O2SUMが最大吸蔵可能酸素量OSCであるということは、排気浄化触媒１９がその能力の限界まで酸素を吸蔵しきっているということである。最大吸蔵可能酸素量OSCは、一定ではなく、排気浄化触媒１９の状態（温度や劣化度合いなど）により変動し得る。最大吸蔵可能酸素量OSCの更新は、下流側空燃比センサ２６の検出結果に基づいて行われる。
【００３５】
なお、ここでは、酸素吸蔵量O2SUM(O2SUMi)は、ある時点（例えばイグニションオン時）を基準として算出しており、基準時の酸素吸蔵量O2SUMをゼロとし、これに対して上側、下側で変動する。このような場合は、その時点での排気浄化触媒１９の状態に応じて酸素吸蔵量O2SUMが取りうる上限値及び下限値をそれぞれ設定でき、この上下限値の差が上述した最大吸蔵可能酸素量OSCに相当するものとなる。
【００３６】
本実施形態では、上流側空燃比センサ２５やＥＣＵ１８などが、酸素吸脱量O2AD(O2ADi)の履歴から酸素吸蔵量O2SUM(O2SUMi)を推定する酸素吸蔵量推定手段として機能している。また、ＥＣＵ１８や、エアフロメータ１３、インジェクタ５などが空燃比制御手段として機能している。
【００３７】
本実施形態における制御のフローチャートを図３に示す。上述したように求められた特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiに基づいて空燃比を制御する。まず、推定された酸素吸蔵量O2SUMiがその目標値よりも大きいか否かを判定する（ステップ１００）。
【００３８】
ここで、酸素吸蔵量O2SUMiがその目標値よりも大きい場合は、排気浄化触媒１９の特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiを減らすべく、空燃比をリッチにする（ステップ１１０）。空燃比がリッチにされることによって、特定領域iに流入する排気ガスの排気空燃比もリッチになり、特定領域iに吸蔵された酸素が放出されてリッチな排気ガスの浄化が促進される。
【００３９】
一方、酸素吸蔵量O2SUMiがその目標値以下である場合は、排気浄化触媒１９の特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiを増やすべく、空燃比をリーンにする（ステップ１２０）。空燃比がリーンにされることによって、特定領域iに流入する排気ガスの排気空燃比もリーンになり、排気ガス中の過剰な酸素が特定領域iに吸蔵される。
【００４０】
次に、複数に分割された領域のうち、どの領域に基づいて空燃比制御を行うかを選択する制御について説明する。空燃比制御の基本となる特定領域iを固定的に設定する場合は、既に説明した制御を行えばよいが、エンジン１の運転状態に応じて、空燃比制御の基本となる特定領域iを変更するような場合は、以下のような制御を行う。このように、エンジン１の運転状態に応じて特定領域iを変更することによって、より的確な空燃比制御を行うことができる。なお、ここでは、排気浄化触媒１９の分割数（即ち、各領域の単位長さＬ）は一定であるものとして説明する。
【００４１】
ここでは、吸入空気量Ga、触媒床温Temp、排気空燃比Abyf及び排気浄化触媒１９の劣化度に応じて、酸素吸蔵量O2SUMiに基づく空燃比制御の基礎となる特定領域iの位置を決定する。まず、図２に示されるように、排気浄化触媒１９における排気ガスの流れ方向に対して平行にＸ軸を設定しておく。そして、このＸ軸の原点（特定領域iを決定する際の基準位置）も予め決定され、排気ガスの流れの下流側から上流側方向にＸ軸の正方向が規定されている。例えば、この基準位置は、排気浄化触媒１９の上述した流れ方向の中央に設定される。特定領域iを決定する際のフローチャートを図４に示す。
【００４２】
まず、エアフロメータ１３によって検出される吸入空気量Gaに基づいて、吸気量補正量αが決定される（ステップ２００）。吸気量補正量αの決定に際しては、図５(a)に示されるようなマップが用いられる。図５(a)に示されるように、吸気量補正量αは、吸入空気量Gaが小さいときは負の値をとり、大きいときは正の値をとり、吸入空気量Gaが増加するにつれて大きくなる値である。
【００４３】
次いで、触媒床温Temp（排気浄化触媒１９全体の触媒床温、あるいは、所定領域についての触媒床温）に基づいて、温度補正量βが決定される（ステップ２１０）。温度補正量βの決定に際しては、図５(b)に示されるようなマップが用いられる。図５(b)に示されるように、温度補正量βは、触媒床温Tempが高いときは負の値をとり、低いときは正の値をとり、触媒床温Tempが増加するにつれて小さくなる値である。
【００４４】
次いで、上流側空燃比センサ２５によって検出される排気空燃比Abyfに基づいて、空燃比補正量γが決定される（ステップ２２０）。空燃比補正量γの決定に際しては、図５(c)に示されるようなマップが用いられる。図５(c)に示されるように、空燃比補正量γは、検出された排気空燃比Abyfと理論空燃比との偏差の絶対値（乖離度）|ΔAbyf|が小さいときは負の値をとり、大きいときは正の値をとり、乖離度|ΔAbyf|が増加するにつれて大きくなる値である。
【００４５】
さらに、排気浄化触媒１９の劣化度（上述したように、排気浄化触媒１９の劣化度は、上流側空燃比センサ２５の出力や酸素吸蔵量O2SUM(O2SUMi)、酸素吸脱量O2AD(O2ADi)に加えて、下流側空燃比センサ２６の出力などから決定される）に基づいて、劣化度補正量δが決定される（ステップ２３０）。劣化度補正量δの決定に際しては、図５(d)に示されるようなマップが用いられる。図５(d)に示されるように、劣化度補正量δは、排気浄化触媒１９の劣化度が小さいときは負の値をとり、大きいときは正の値をとり、劣化度が増加するにつれて大きくなる値である。
【００４６】
このようにして得られた補正量α〜δから、Ｘ座標を以下の式から計算する（ステップ２４０）。
Ｘ=α+β+γ+δ
この計算されたＸによって、空燃比制御に用いられる酸素吸蔵量O2SUMiを算出するための特定領域iが決定される。例えば、求められたＸ座標が-0.5以上0.5未満である場合はＸ座標が0の位置にある領域を特定領域iとして選択し、求められたＸ座標が0.5以上1.5未満である場合はＸ座標が1の位置にある領域（Ｘ座標が0の位置にある領域の一つ上流側にある領域）を特定領域iとして選択するなどとする。
【００４７】
なお、上述した各補正量α〜δは、それぞれ、その値が大きくなるほど特定領域iの位置を上流側に設定し、その値が小さくなるほど特定領域iの位置を下流側に設定するものである。これは、いわゆる「吹き抜け現象」が発生しやすい場合には、空燃比制御に用いられる酸素吸蔵量O2SUMiを算出するための特定領域iを上流側に設定し、「吹き抜け現象」が発生しにくい場合には、特定領域iを下流側に設定するためである。「吹き抜け現象」とは、排気浄化触媒１９において、酸素を吸着する余裕があるにもかかわらず、酸素が下流側に流出したり、酸素を放出してHCやCOを酸化する余裕があるにもかかわらず、これらの成分が充分に酸化されないで下流側に流出する現象である。
【００４８】
この吹き抜け現象が発生しやすい状況であれば、排気浄化触媒１９の上流側部分に基づいて空燃比を制御した方が、即ち、特定領域iを上流寄りに設定した方が早期にフィードバックが可能となり、吹き抜け現象を抑止できる。これとは逆に、吹き抜け現象が発生しにくい状況であれば、排気浄化触媒１９の下流側部分に基づいて空燃比を制御した方が、即ち、特定領域iを下流寄りに設定した方が制御性の点で優れている。
【００４９】
吸入空気量Gaが大きければ、大量の排気ガスが排気浄化触媒１９に一度に流入することになるため、吹き抜け現象が発生しやすい。触媒床温Tempが低ければ、排気浄化触媒１９での反応が充分に行われにくくなるため、吹き抜け現象が発生しやすい。排気浄化触媒１９に流入する排気ガスの理論空燃比からの乖離度|ΔAbyf|が大きいほど、より多くの酸化反応や還元反応が起こり得るが、これが充分に完了する前に下流側に流出しやすいので、吹き抜け現象が発生しやすい。排気浄化触媒１９の劣化度が大きい、即ち、劣化が進んでいるほど、酸化反応や還元反応が充分に完了できなくなるので、吹き抜け現象が発生しやすい。
【００５０】
上述した例では、排気浄化触媒１９の複数の領域の単位長さＬ（図２参照）は固定されていた。しかし、この単位長さＬをエンジン１の運転状況に応じて変更しても良い。このように単位長さＬをエンジン１の運転状態によって変更すれば、排気浄化触媒１９の酸素吸蔵状態をより正確に把握でき、酸素吸蔵量O2SUMiに基づく、より精度の高い空燃比制御を行うことができる。なお、この場合、まず単位長さＬが以下に説明する制御によって決定された後、上述した制御によって特定領域iの位置が決定され、この特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiに基づく空燃比制御が行われる。
【００５１】
ここでも、上述した特定領域iの位置を決定する制御と同様に、吸入空気量Ga、触媒床温Temp、排気空燃比Abyf及び排気浄化触媒１９の劣化度に応じて、排気浄化触媒１９の各領域の単位長さＬの長さを決定する。単位長さＬを決定する際のフローチャートを図６に示す。
【００５２】
まず、エアフロメータ１３によって検出される吸入空気量Gaに基づいて、吸気量補正量α’が決定される（ステップ３００）。吸気量補正量α’の決定に際しては、図７(a)に示されるようなマップが用いられる。図７(a)に示されるように、吸気量補正量α’は、吸入空気量Gaが小さいときは１よりも大きい値をとり、大きいときは１よりも小さい正の値をとり、吸入空気量Gaが増加するにつれて小さくなる値である。
【００５３】
次いで、触媒床温Temp（排気浄化触媒１９全体の触媒床温、あるいは、所定領域についての触媒床温）に基づいて、温度補正量β’が決定される（ステップ３１０）。温度補正量β’の決定に際しては、図７(b)に示されるようなマップが用いられる。図７(b)に示されるように、温度補正量β’は、触媒床温Tempが高いときは１より大きい値をとり、低いときは１より小さい正の値をとり、触媒床温Tempが増加するにつれて大きくなる値である。
【００５４】
次いで、上流側空燃比センサ２５によって検出される排気空燃比Abyfに基づいて、空燃比補正量γ’が決定される（ステップ３２０）。空燃比補正量γ’の決定に際しては、図７(c)に示されるようなマップが用いられる。図７(c)に示されるように、空燃比補正量γ’は、検出された排気空燃比Abyfと理論空燃比との偏差の絶対値（乖離度）|ΔAbyf|が小さいときは１より大きい値をとり、大きいときは１より小さい正の値をとり、乖離度|ΔAbyf|が増加するにつれて小さくなる値である。
【００５５】
さらに、排気浄化触媒１９の劣化度（上述したように、排気浄化触媒１９の劣化度は、上流側空燃比センサ２５の出力や酸素吸蔵量O2SUM(O2SUMi)、酸素吸脱量O2AD(O2ADi)に加えて、下流側空燃比センサ２６の出力などから決定される）に基づいて、劣化度補正量δ’が決定される（ステップ３３０）。劣化度補正量δ’の決定に際しては、図７(d)に示されるようなマップが用いられる。図７(d)に示されるように、劣化度補正量δ’は、排気浄化触媒１９の劣化度が小さいときは１より大きい値をとり、大きいときは１より小さい正の値をとり、劣化度が増加するにつれて小さくなる値である。
【００５６】
このようにして得られた補正量α’〜δ’から、単位長さＬを以下の式から計算する（ステップ３４０）。
Ｌ=ＬＢ×α’×β’×γ’×δ’
なお、ＬＢは基準長であり、補正量α’〜δ’の値が全て１であれば、単位長さＬはＬＢと等しくなる。
【００５７】
なお、上述した補正量α’〜δ’は、空燃比制御の制御性や制御精度を向上させるように設定される。特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が大きすぎるとハンチングが発生する可能性があるので、単位長さＬを短くする方向に変化させて、特定領域i一つあたりの酸素吸蔵量O2SUMiの変化を小さくすることにより特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が大きくなり過ぎないようにする。一方、特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が小さすぎると空燃比制御の応答性悪化が懸念されるので、単位長さＬを長くする方向に変化させて特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が小さくなり過ぎないようにする。
【００５８】
吸入空気量Gaが大きければ特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が大きくなりやすく、小さければ変化が小さくなりやすい傾向となる。触媒床温Tempが低ければ、排気浄化触媒１９での反応が充分に行われにくくなるため、特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が大きくなりやすくなる。排気浄化触媒１９に流入する排気ガスの理論空燃比からの乖離度|ΔAbyf|が大きいほど、より多くの酸化反応や還元反応が起こり得るので、特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化が大きくなりやすい。排気浄化触媒１９の劣化度が大きい、即ち、劣化が進んでいるほど、特定領域iの酸素吸蔵量O2SUMiの変化は大きくなりやすくなる。
【００５９】
上述した例は、特定領域が一つだけの場合であった。しかし、酸素吸蔵量に基づく空燃比制御の基礎となる特定領域は複数であっても良い。このように特定領域を複数とすれば、排気浄化触媒１９の酸素吸蔵状態をより正確に把握でき、酸素吸蔵量に基づく、より精度の高い空燃比制御を行うことができる。さらに、特定領域を複数とすることで、排気浄化触媒１９の内部の酸素吸蔵状態の分布をより最適化することができ、排気浄化性能をより一層向上させ得る空燃比制御を行うことができるようにもなる。
【００６０】
以下には、図８に示されるように、特定領域を三つとした場合を例に説明する。なお、特定領域の単位長さの決定や特定領域の位置の決定（選択）などは、上述した特定領域が一つの場合の制御に準じるため、ここでは詳しく説明しない。本制御の一例のフローチャートを、図９に示す。本制御は、図１０の模式図に示されるように、三つの特定領域の酸素吸蔵量を下流側から上流側の方向に、順次目標値に収束させるものである。
【００６１】
具体的一例を挙げると、図８に示される三つの特定領域（上流寄りの部分、中央近傍部分、下流寄りの部分）の各酸素吸蔵量が、図１０(a)に示されるような状態である場合には、この状態から空燃比を僅かにリーン側に制御することによって、まず下流側の特定領域の酸素吸蔵量が目標値となるようにする〔図１０(b)〕。このようにすると、酸素吸蔵反応は上流側で顕著に起きやすいので、上流側の方が酸素吸蔵量が多くなっているので、今度は空燃比を僅かにリッチ側に制御する。この結果、酸素放出反応もやはり上流側の方が顕著に起こるため、上流側の酸素吸蔵量が減少する。これにより、中央部近傍の特定領域を目標値となるようにする〔図１０(c)〕。今度は、上流側の酸素吸蔵量が少なくなるので、今度は空燃比を僅かにリーン側に制御することによって上流側の特定領域を目標値となるようにする〔図１０(d)〕。
【００６２】
このようにすることによって、排気浄化触媒の三つの特定領域の全てを目標値とすることができる。さらに、ここでは、三つの特定領域を上流寄りの部分、中央近傍部分、下流寄りの部分として設定したため、三つの特定領域が等しく目標値となっているということは、排気浄化触媒１９の内部における酸素吸蔵量分布がほぼ均等であるという理想的な状態とすることができる。
【００６３】
ここでは、図１１に示されるように、吸入空気量Gaの大きさによって、排気浄化触媒１９内部での排気ガス分布が変わることなどを利用する。図１１(a)に示されるように、吸入空気量Gaが少ないと排気浄化触媒１９に流入する排気ガスの流速が遅いため、酸素の吸脱反応は排気浄化触媒１９の上流側で重点的に行われる。一方、図１１(b)に示されるように、吸入空気量Gaが多いと排気浄化触媒１９に流入する排気ガスの流速が速くなるので、酸素の吸脱反応は排気浄化触媒１９の下流側においても行われるようになる。
【００６４】
図９のフローチャートについて説明する。以下、説明の便宜上、上流側の特定領域を１番目の領域、中央部近傍の特定領域を２番目の領域、下流側の特定領域を３番目の領域として説明する。ここでは下流側の３番目の領域から目標値に収束させるため、まず、３番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップ４００）。３番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きい場合は、３番目の領域の酸素吸蔵量がまだ目標値に収束していないと判断して、この偏差が所定値以下となるように空燃比制御を行う（ステップ４１０）。
【００６５】
一方、３番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値以下である場合は、３番目の領域の酸素吸蔵量が目標値に収束していると判断して、２番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップ４２０）。２番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きい場合は、２番目の領域の酸素吸蔵量がまだ目標値に収束していないと判断して、この偏差が所定値以下となるように空燃比制御を行う（ステップ４３０）。
【００６６】
同様にして、２番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値以下である場合は、２番目の領域の酸素吸蔵量が目標値に収束していると判断して、１番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップ４４０）。１番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きい場合は、１番目の領域の酸素吸蔵量がまだ目標値に収束していないと判断して、この偏差が所定値以下となるように空燃比制御を行う（ステップ４５０）。
【００６７】
１番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値以下である場合は、１番目から３番目までの全ての領域について酸素吸蔵量が目標値に収束していると判断でき、この場合は図９のフローチャートに示される制御が終了する。図９のフローチャートの制御が繰り返し実行されるうちに、最終的には１番目から３番目までの全ての領域について酸素吸蔵量が目標値に収束し、ステップ４４０が否定されるようになる。
【００６８】
上述した図９のフローチャートの制御は、下流側の特定領域から目標値に収束させるものであった。次に説明するのは、上流側の特定領域から目標値に収束させるものである。本制御のフローチャートを図１２に示し、図１０相当図を図１３に示す。
【００６９】
具体的一例を挙げると、図８に示される三つの特定領域（上流寄りの部分、中央近傍部分、下流寄りの部分）の各酸素吸蔵量が、図１３(a)に示されるような状態である場合には、この状態から空燃比をリーン側に制御することによって、まず上流側の特定領域の酸素吸蔵量が目標値となるようにする〔図１３(b)〕。このようにすると、酸素吸蔵反応は上流側で顕著に起きやすいので、上流側の方が酸素吸蔵量が多くなっているので、今度は吸入空気量Gaが大きい状態で空燃比を僅かにリーン側に制御する。この結果、吸入空気量Gaが大きいので、酸素吸蔵反応は下流側でも発生し下流側の酸素吸蔵量が増える。このとき、上流側に関しては吸蔵せずに下流側に流出する吹き抜けに類似する現象が生じ、酸素吸蔵量はほとんど変化しない。
【００７０】
このようにすることによって、排気浄化触媒の三つの特定領域の全てを目標値とすることができる〔図１３(c)及び図１３(d)〕。さらに、ここでは、三つの特定領域を上流寄りの部分、中央近傍部分、下流寄りの部分として設定したため、三つの特定領域が等しく目標値となっているということは、排気浄化触媒１９の内部における酸素吸蔵量分布がほぼ均等であるという理想的な状態とすることができる。
【００７１】
図１２のフローチャートについて説明する。以下、説明の便宜上、上流側の特定領域を１番目の領域、中央部近傍の特定領域を２番目の領域、下流側の特定領域を３番目の領域として説明する。ここでは上流側の１番目の領域から目標値に収束させるため、まず、１番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップ５００）。１番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きい場合は、１番目の領域の酸素吸蔵量がまだ目標値に収束していないと判断して、この偏差が所定値以下となるように空燃比制御を行う（ステップ５１０）。
【００７２】
一方、１番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値以下である場合は、１番目の領域の酸素吸蔵量が目標値に収束していると判断して、２番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップ５２０）。２番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きい場合は、２番目の領域の酸素吸蔵量がまだ目標値に収束していないと判断して、この偏差が所定値以下となるように空燃比制御を行う（ステップ５３０）。
【００７３】
同様にして、２番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値以下である場合は、２番目の領域の酸素吸蔵量が目標値に収束していると判断して、３番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップ５４０）。３番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値より大きい場合は、３番目の領域の酸素吸蔵量がまだ目標値に収束していないと判断して、この偏差が所定値以下となるように空燃比制御を行う（ステップ５５０）。
【００７４】
３番目の領域の酸素吸蔵量と目標値との偏差が所定値以下である場合は、１番目から３番目までの全ての領域について酸素吸蔵量が目標値に収束していると判断でき、この場合は図１２のフローチャートに示される制御が終了する。図１２のフローチャートの制御が繰り返し実行されるうちに、最終的には１番目から３番目までの全ての領域について酸素吸蔵量が目標値に収束し、ステップ５４０が否定されるようになる。
【００７５】
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、酸素吸蔵量O2SUM(O2SUMi)の目標値は、固定的に設定されても良いし、変動し得るものとして設定されても良い。また、酸素吸蔵量O2SUM(O2SUMi)の目標値は、一つの値として設定されても良いし、目標範囲として設定されても良い。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、排気浄化触媒を複数の領域に分割して把握し、そのうちの特定の領域について酸素吸蔵量を推定し、この特定領域の酸素吸蔵量に基づいて空燃比制御を行うので、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を効果的に利用しつつ、排気浄化触媒の状況をより正確に空燃比制御に反映させることができ、排気ガスの浄化効率を向上させることができる。なお、ここで、酸素吸蔵量に基づく空燃比制御の基礎となる特定領域の単位長さや位置を内燃機関の運転状態に応じて変更するようにすれば、より正確に排気浄化触媒の状況を空燃比制御に反映させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置の一実施形態を有する内燃機関を示す断面図である。
【図２】本発明の制御装置の一実施形態における排気浄化触媒を模式的に示した斜視図である。
【図３】本発明の制御装置の一実施形態における空燃比制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の制御装置の一実施形態における特定領域位置決定制御を示すフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートによって示される制御時に使用されるマップである。
【図６】本発明の制御装置の一実施形態における特定領域単位長さ決定制御を示すフローチャートである。
【図７】図６のフローチャートによって示される制御時に使用されるマップである。
【図８】本発明の制御装置の他の実施形態における排気浄化触媒を模式的に示した斜視図である。
【図９】本発明の制御装置の他の実施形態における空燃比制御を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の制御装置の他の実施形態における空燃比制御による排気浄化触媒の各特定領域の酸素吸蔵量の変化を示すグラフである。
【図１１】排気浄化触媒の内部における、吸入空気量と一酸化炭素・酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の制御装置の別の実施形態における空燃比制御を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の制御装置の別の実施形態における空燃比制御による排気浄化触媒の各特定領域の酸素吸蔵量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、４…吸気通路、５…インジェクタ（空燃比制御手段）、７…排気通路、１３…エアフロメータ（空燃比制御手段）、１８…ＥＣＵ（酸素吸蔵量推定手段・空燃比制御手段）、１９…排気浄化触媒、２５…上流側空燃比センサ（酸素吸蔵量推定手段）、２６…下流側空燃比センサ。
【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】
0004088412.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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