(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、
前記第２の触媒から流出する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記第１の触媒に流入する排気の排気特性を用いて、第１の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、
前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、
かつ前記空燃比制御手段は、前記酸素ストレージ量の目標量を、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示したときは減少し、リッチ状態を示したときは増大するように構成したエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、
酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記空燃比制御手段は、前記第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御し、この高速成分の目標量を、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示したときは減少し、リッチ状態を示したときは増大する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１の触媒から流出する排気の排気特性を前記第２の触媒の上流側で検出する排気特性検出手段を備え、
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記第１の触媒に流入する排気の排気特性と前記第１の触媒から流出する排気の排気特性を用いて、第１の触媒の酸素ストレージ量を演算する請求項２または請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記第１の触媒から流出する排気の排気特性がリッチになった時点で高速成分および低速成分をそれらの最小量にリセットする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記第１の触媒から流出する排気の排気特性がリーンになった時点で高速成分をその最大量にリセットする請求項４または請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、
前記第２の触媒から流出する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記第１の触媒に流入する排気の排気特性を用いて、第１の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、
前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、
かつ前記空燃比制御手段は、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量よりも大であるとき、または前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量よりも小であるとき、目標量への収束速度を高くするように構成したエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、
酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算する請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項９】
前記空燃比制御手段は、前記第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御し、第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量よりも大であるとき、または第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量よりも小であるとき、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分の目標量への収束速度を高くする請求項８に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１０】
エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する第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特性を検出する第２の排気特性検出手段と、
前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、
前記第２の触媒から流出する排気の特性を検出する第３の排気特性検出手段と、
前記検出された第１の排気特性を用いて、第１の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、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、
かつ前記空燃比制御手段は、前記第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最大量にリセットし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最小量にリセットするように構成したエンジンの排気浄化装置。
【請求項１１】
前記空燃比制御手段は、前記第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最大量にリセットしかつエンジンの空燃比のリッチ側への制御利得を大きくし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最小量にリセットしかつエンジンの空燃比のリーン側への制御利得を大きくする請求項１０に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１２】
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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、
酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算する請求項１０または請求項１１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１３】
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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算し、
前記空燃比制御手段は、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する請求項１０または請求項１１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１４】
前記空燃比制御手段は、前記第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分をその最大量にリセットし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の高速成分および低速成分をそれぞれ最小量にリセットする請求項１３に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１５】
エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、
前記検出された排気特性を用いて、第１の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、
前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、
かつ前記空燃比制御手段は、前記第１の触媒の目標酸素ストレージ量を、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が大であるほど小さく、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が小であるほど大きく設定するように構成したエンジンの排気浄化装置。
【請求項１６】
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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算し、
前記空燃比制御手段は、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する請求項１５に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１７】
前記空燃比制御手段は、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分の目標量を、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が大であるほど小さく、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が小であるほど大きく設定する請求項１６に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１８】
エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、
前記検出された排気特性を用いて、第１の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、
前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、
かつ前記空燃比制御手段は、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が基準値よりも大であるときは目標空燃比を所定のリッチ空燃比にクランプし、基準値よりも小であるときは目標空燃比を所定のリーン空燃比にクランプするように構成したエンジンの排気浄化装置。
【請求項１９】
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、
酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算する請求項１８に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項２０】
前記最大量は、高速成分の最大酸素ストレージ量であり、高速成分の酸素ストレージ量が最大酸素ストレージ量に到達後に、低速成分が酸素を吸収するものとして演算する、
請求項２、請求項８、請求項１２、請求項１３、請求項１６、請求項１８の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項２１】
前記最小量は、高速成分の酸素ストレージ量と低速成分の酸素ストレージ量との比が所定値になる高速成分の酸素ストレージ量であり、
高速成分の酸素ストレージ量が、前記所定比になる酸素ストレージ量に到達後に、高速成分の酸素ストレージ量と低速成分の酸素ストレージ量とが前記所定比を保ちながら高速成分と低速成分とが酸素を放出するものとして演算する、
請求項２、請求項８、請求項１２、請求項１３、請求項１６、請求項１８の何れか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、三元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】
ところで、より厳しい排気エミッション性能の要求に応えるために上記三元触媒の下流側に第２の三元触媒を配置することが有効である。しかしながら、このような構成とした場合、第２の触媒の酸素ストレージ量に過不足が生じて排気エミッション性能が低下するという問題を生じる。具体的には、第２の触媒の酸素ストレージ量は、これが不足するとＨＣ、ＣＯの排出量が増大し、過剰になるとＮＯｘが増大する傾向となる。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決し、上下流に配置した複数の触媒の転換効率を常に高く保て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、エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、前記第２の触媒から流出する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、前記第１の触媒に流入する排気の排気特性を用いて、第１の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、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、かつ前記空燃比制御手段は、前記酸素ストレージ量の目標量を、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示したときは減少し、リッチ状態を示したときは増大するように構成した。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明の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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算するように構成した。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明の空燃比制御手段を、前記第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御し、この高速成分の目標量を、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示したときは減少し、リッチ状態を示したときは増大するように構成した。
【０００９】
第４の発明は、第２または第３の発明において、第１の触媒から流出する排気の排気特性を前記第２の触媒の上流側で検出する排気特性検出手段を備え、酸素ストレージ量演算手段を、前記第１の触媒に流入する排気の排気特性と前記第１の触媒から流出する排気の排気特性を用いて、第１の触媒の酸素ストレージ量を演算するように構成した。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明の酸素ストレージ量演算手段を、前記第１の触媒から流出する排気の排気特性がリッチになった時点で高速成分および低速成分をそれらの最小量にリセットするように構成した。
【００１１】
請求項６の発明は、第４または第５の発明の酸素ストレージ量演算手段を、前記第１の触媒から流出する排気の排気特性がリーンになった時点で高速成分をその最大量にリセットするように構成した。
【００１２】
第７の発明は、エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、前記第２の触媒から流出する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、前記第１の触媒に流入する排気の排気特性を用いて、第１の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、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、かつ前記空燃比制御手段は、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量よりも大であるとき、または前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量よりも小であるとき、目標量への収束速度を高くするように構成した。
【００１３】
第８の発明は、第７の発明の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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算するように構成した。
【００１４】
第９の発明は、第８の発明の空燃比制御手段を、前記第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御し、第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量よりも大であるとき、または第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量よりも小であるとき、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分の目標量への収束速度を高くするように構成した。
【００１５】
第１０の発明は、エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する第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特性を検出する第２の排気特性検出手段と、前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、前記第２の触媒から流出する排気の特性を検出する第３の排気特性検出手段と、前記検出された第１の排気特性を用いて、第１の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、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、かつ前記空燃比制御手段は、前記第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最大量にリセットし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最小量にリセットするように構成した。
【００１６】
第１１の発明は、第１０の発明の空燃比制御手段を、前記第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最大量にリセットしかつエンジンの空燃比のリッチ側への制御利得を大きくし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最小量にリセットしかつエンジンの空燃比のリーン側への制御利得を大きくするように構成した。
【００１７】
第１２の発明は、第１０または第１１の発明の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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算するように構成した。
【００１８】
第１３の発明は、第１０または第１１の発明の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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算し、空燃比制御手段を、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御するように構成した。
【００１９】
第１４の発明は、第１３の発明の空燃比制御手段を、前記第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分をその最大量にリセットし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の高速成分および低速成分をそれぞれ最小量にリセットするように構成した。
【００２０】
第１５の発明は、エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、前記検出された排気特性を用いて、第１の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、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、かつ前記空燃比制御手段は、前記第１の触媒の目標酸素ストレージ量を、第１の触媒からのオーバフロー分の酸素量が大であるほど小さく、第１の触媒からのオーバフロー分の酸素量が小であるほど大きく設定するように構成した。
【００２１】
第１６の発明は、第１５の発明において、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速度が速い高速成分と吸収速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算し、空燃比制御手段を、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御するように構成した。
【００２２】
第１７の発明は、第１６の発明の空燃比制御手段を、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分の目標量を、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が大であるほど小さく、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が小であるほど大きく設定するように構成した。
【００２３】
第１８の発明は、エンジン排気管に設けられた第１の触媒と、前記第１の触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、前記検出された排気特性を用いて、第１の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、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記第１の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、かつ前記空燃比制御手段は、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が基準値よりも大であるときは目標空燃比を所定のリッチ空燃比にクランプし、基準値よりも小であるときは目標空燃比を所定のリーン空燃比にクランプするように構成した。
【００２４】
第１９の発明は、第１８の発明の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、酸素吸収時は高速成分の酸素ストレージ量が最大量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を吸収すると共に、酸素放出時は高速成分の酸素ストレージ量が最小量に到達するまで高速成分は低速成分に優先して酸素を放出するものとして演算するように構成した。
前記第２、第８、第１２、第１３、第１６、第１８の発明において、前記最大量を、高速成分の最大酸素ストレージ量として、高速成分の酸素ストレージ量が最大酸素ストレージ量に到達後に、低速成分が酸素を吸収するものとして演算することができる。
また、前記第２、第８、第１２、第１３、第１６、第１８の発明において、前記最小量を、高速成分の酸素ストレージ量と低速成分の酸素ストレージ量との比が所定値になる高速成分の酸素ストレージ量として、高速成分の酸素ストレージ量が、前記所定比になる酸素ストレージ量に到達後に、高速成分の酸素ストレージ量と低速成分の酸素ストレージ量とが前記所定比を保ちながら高速成分と低速成分とが酸素を放出するものとして演算することができる。
【００２５】
【作用・効果】
上記各発明において、第１の触媒に流入する排気の特性（例えば、排気空燃比）に基づき第１の触媒の酸素ストレージ量が推定演算される。そして演算された酸素ストレージ量に基づき第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量（例えば最大酸素ストレージ量の２分の１）となるようにエンジンの目標空燃比が演算され、エンジンの空燃比制御が行われる。
【００２６】
これに加えて第１の発明では、第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態であることを検出したときは、前記酸素ストレージ量の目標量を減少する。これにより、空燃比はそれまでよりもリッチ方向に制御されることになるため、第２の触媒のリーン状態が解消される。また、第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態であることを検出したときは、前記酸素ストレージ量の目標量を減少する。これにより、空燃比はそれまでよりもリーン方向に制御されることになるため、第２の触媒のリッチ状態が解消される。このようにして第２の触媒内の雰囲気がリーンまたはリッチに偏るのが防止されることから、その転換効率を高く維持することができる。
【００２７】
ここで、触媒のストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第２の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量をより正確に演算することができる。
【００２８】
また、触媒の転換効率を高く保のに寄与するのは主として吸収／放出速度が速い高速成分と考えられるが、第３の発明によれば、第１の触媒酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御すると共に、高速成分の目標量を第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示したときは減少し、リッチ状態を示したときは増大するようにしたので、第２の触媒も含めて転換効率を高く保つことができる。
【００２９】
さらに、第４の発明によれば、酸素ストレージ量演算手段を、第１の触媒に流入する排気の排気特性に加えて、第１の触媒から流出する排気の排気特性を用いて、第１の触媒の酸素ストレージ量を演算しており、特に第５、第６の発明によると、第１の触媒から流出する排気の排気特性がリッチあるいはリーンになった時点で、高速成分あるいは低速成分のリセットが行われ、それまでに蓄積された演算誤差を解消することができるので、酸素ストレージ量の演算精度を一層高めることができる。
【００３０】
第７の発明では、前記第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量よりも大であるとき、または第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量が目標量よりも小であるとき、目標量への収束速度を高くする。すなわち、第１、第２の各触媒が全体にリーン傾向である場合には目標量へ向かってのリッチ方向への制御が速やかに行われ、触媒雰囲気がリーン方向に偏った状態で転換効率の悪化を抑制できる。また、第１、第２の各触媒が全体にリッチ傾向である場合には目標量へ向かってのリーン方向への制御が速やかに行われ、触媒雰囲気がリッチ方向に偏った状態で転換効率の悪化を抑制できる。なお、目標量への収束を早めるには、例えばＰＩ制御による空燃比制御では比例制御定数または積分制御定数を増大する。あるいは、目標空燃比の制御幅を運転性や燃費の観点から制約している場合には、これをリッチおよびリーン方向に拡大して、１回の処理で補正できる空燃比値を大きくするようにしてもよい。
【００３１】
また、触媒のストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第８の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量をより正確に演算することができる。
【００３２】
さらに、触媒の転換効率を高く保つのに大きく寄与するのは主として吸収／放出速度が速い高速成分と考えられるが、第９の発明によれば、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御すると共に、第２の触媒から流出する排気の排気特性がリーン状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量よりも大であるとき、または第２の触媒から流出する排気の排気特性がリッチ状態を示しかつ第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量よりも小であるとき、第１の触媒の酸素ストレージ量のうちの高速成分の目標量への収束速度を高くするので、第２の触媒も含めて触媒の転換効率を速やかに高い状態に回復させることができる。
【００３３】
第１０の発明では、第２と第３の排気特性検出手段が共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最大量にリセットし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量を最小量にリセットする。このようにすると、酸素ストレージ量の演算結果が実酸素ストレージ量に応じて最大量または最小量に初期化されるため、その後の空燃比制御により速やか、かつ正確に目標量に向かって酸素ストレージ量が制御され、これにより第２の触媒内の雰囲気が長時間にわたりリッチまたはリーン状態となる不都合を解消できる。
【００３４】
また、第１１の発明によれば、酸素ストレージ量が目標量に向かう方向に空燃比制御の制御利得が大きくされるので、第２の触媒内の雰囲気がリーンまたはリッチに偏るのをより確実に防止できる。
【００３５】
さらに、触媒内の酸素ストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第１２の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量をより正確に演算することができ、特に、触媒の転換効率を高く保つのに大きく寄与するのは主として吸収／放出速度が速い高速成分と考えられるが、第１３の発明によれば、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御するので、触媒の転換効率を高く保つことができる。
【００３６】
また、第１４の発明によれば、第２と第３の排気特性検出手段が、共にリーン状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分をその最大量にリセットし、または共にリッチ状態を検出したときには第１の触媒の酸素ストレージ量の高速成分および低速成分をそれぞれ最小量にリセットするので、実際の酸素ストレージ特性にあった酸素ストレージ量の演算結果が得られ、この結果として触媒の転換効率を高く保つことができる。
【００３７】
第１５の発明では、前記空燃比制御手段を、前記第１の触媒の目標酸素ストレージ量を、第１の触媒からのオーバフロー分の酸素量が大であるほど小さく、第１の触媒からのオーバフロー分の酸素量が小であるほど大きく設定するように構成する。オーバフロー分の酸素量とは、第１の触媒の最大酸素ストレージ量に対する過剰量または最小酸素ストレージ量に対する不足量であり、これが大であるときには第２の触媒の酸素ストレージ量が増大傾向となることが予測される。このときは、第１の触媒の目標酸素ストレージ量を小さくしてやるのであり、これにより空燃比はそれまでよりもリッチ方向に制御されることになるため、第２の触媒のリーン雰囲気への偏りを防止できる。また、第１の触媒からのオーバフロー分の酸素量が、不足状態を含めて小であるときには、第２の触媒の酸素ストレージ量が減少傾向となることが予測される。このときは、第１の触媒の目標酸素ストレージ量を大きくしてやるのであり、これにより空燃比はそれまでよりもリーン方向に制御されることになるため、第２の触媒のリッチ雰囲気への偏りを防止できる。このようにして第２の触媒内の雰囲気がリーンまたはリッチに偏るのが防止されることから、その転換効率を高く維持することができる。
【００３８】
ここで、触媒内の酸素ストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第１６の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量をより正確に演算することができる。特に、触媒の転換効率を高く保つのに大きく寄与するのは主として吸収／放出速度が速い高速成分と考えられるが、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分が目標量となるようにエンジンの空燃比を制御するので、触媒の転換効率を高く保つことができる。
【００３９】
また、第１７の発明によれば、第１の触媒の酸素ストレージ量のうち高速成分の目標量を、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が大であるほど小さく、第１の触媒からのオーバーフロー分の酸素量が小であるほど大きく設定するので、高速成分の酸素ストレージ量を速やかに目標量に到達させることができる。
【００４０】
第１８の発明では、第２の触媒の酸素ストレージ量が基準値よりも大であるときは目標空燃比を所定のリッチ空燃比にクランプし、基準値よりも小であるときは目標空燃比を所定のリーン空燃比にクランプする。第２の触媒の酸素ストレージ量は、例えば上述したように第１の触媒からの排気中の酸素量により推定することができる。第２の触媒の酸素ストレージ量がある基準値よりも大であるとき、すなわちリーン傾向であるときに目標空燃比を所定のリッチ空燃比にクランプすること、または第２の触媒の酸素ストレージ量がある基準値よりも小であるとき、すなわちリッチ傾向であるときに目標空燃比を所定のリーン空燃比にクランプすることにより、通常のフィードバック制御を行いながら酸素ストレージ量を制御する場合よりも速やかに酸素ストレージ量を目標量に到達させて、目標量に対する実酸素ストレージ量のずれを最小限に抑えて転換効率を高く維持することができる。
【００４１】
また、触媒内の酸素ストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第１９の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量をより正確に演算することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
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、火花点火式エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた３つの触媒３ａ〜３ｃと、第１の触媒３ａの入口側に位置するフロントＡ／Ｆセンサ４と、同じく出口側に位置する第１のリアＯ2センサ５ａと、第２の触媒３ｂの出口側に位置する第２のリアＯ2センサ５ｂと、コントローラ６とを備える。前記触媒３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ本発明の第１の触媒、第２の触媒、第３の触媒に相当する。また、フロントＡ／Ｆセンサ４、第１のリアＯ２センサ５ａ、第２のリアＯ２センサ５ｂがそれぞれ本発明の第１の排気特性検出手段、第２の排気特性検出手段、第３の排気特性検出手段に相当する。
【００４３】
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にはその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。なお、スロットル弁８はアクセル操作に直接連動して開閉するものであってもよい。
【００４４】
各触媒３ａ〜３ｃは三元触媒機能を有し、流入する排気が理論空燃比での燃焼排気であるときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。それぞれ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、流入する排気の酸素濃度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。第１の触媒３ａとしては単機能の三元触媒を、第２または第３の触媒３ｂ、３ｃとしては三元触媒機能付きのＨＣトラップ触媒をそれぞれ用いるなど、特性が互いに異なる触媒を組み合わせて適用することもできる。
【００４５】
ここで触媒３ａ〜３ｃの酸素ストレージ量は、それぞれの貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分HO2と、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／放出速度は高速成分HO2に比べて遅いという特性を有している。
【００４６】
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。
【００４７】
− 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。
【００４８】
触媒３ａの上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３ａに流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３ａ、３ｂの下流に設けられたリアＯ2センサ５ａ，５ｂはそれぞれの出口から排出されてくる排気中の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。リアＯ2センサ５ａ，５ｂとしてフロントＡ／Ｆセンサ４と同様に空燃比をリニアに検出できるものを適用してもよい。
【００４９】
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３ａの触媒温度を推定するのにも用いられる。
【００５０】
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３ａ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。
【００５１】
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、酸素ストレージ量の高速成分HO2が一定に保たれるようにする。
【００５２】
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３ａ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。
【００５３】
具体的には、第１のリアＯ2センサ５ａ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を最大量にリセットする。また、第１のリアＯ2センサ５ａ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、低速成分HO2及び高速成分LO2を最小量にリセットする。
【００５４】
次に、コントローラ６が第１の触媒３ａの酸素ストレージ量を一定量に保つために行う基本的な空燃比制御について図２〜図１０を参照しながら詳述する。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。
【００５５】
図２は触媒３ａ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。
【００５６】
これによると、まずエンジンの各種運転条件パラメータとして、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３ａの温度TCATがそれら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とを比較することによって触媒３ａが活性化したか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００５７】
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３ａ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３ａ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。
【００５８】
ステップＳ４では酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチン（図３）が実行されて触媒３ａに流入する排気中の酸素過不足量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４）が実行され、高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【００５９】
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５）が実行され、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。
【００６０】
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３ａに流入する排気中の酸素過不足量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、酸素過不足量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６）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。
【００６１】
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、エンジン回転速度等から推定するようにしているが、図１に示すように触媒３ａに温度センサ１１を取り付け、触媒３ａの温度を直接測定するようにしてもよい。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
図３は、触媒３ａ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３ａ上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３ａに流入する排気の酸素過不足量O2INが演算される。
【００６５】
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）。
【００６６】
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３ａ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。
【００６７】
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３ａに流入する排気の過不足酸素量O2INを演算する。
【００６８】
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３ａ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。
【００６９】
また、図４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からの酸素放出速度が低速成分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。
【００７０】
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より大きいか否かが判断される。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
また、図５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３ａに流入する排気の酸素酸素過不足量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。
【００７４】
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。
【００７５】
その結果、触媒３ａ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がゼロより大きい場合、高速成分HO2が酸素を吸収する状態にあると判断して、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。
【００７６】
一方、酸素過不足量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。
【００７７】
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量HO2MAXを超えていないか、あるいは最小量HO2MIN（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００７８】
そして、高速成分HO2が最大量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が最大量HO2MAXに制限される。
【００７９】
また、高速成分HO2が最小量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が最小量HO2MINに制限される。なお、ここでは最小量HO2MINとして０を与えているから、高速成分HO2をすべて放出した状態で不足する酸素量が負のオーバフロー分として算出されることになる。
【００８０】
また、高速成分HO2が最大量HO2MAXと最小量HO2MINの間にあるときは、触媒３に流入した排気の酸素過不足量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。
【００８１】
ここで、高速成分HO2が最大量HO2MAX以上あるいは最小量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で吸収あるいは放出される。
【００８２】
また、図６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。
【００８３】
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、吸収率と放出率とをそれぞれ分離して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Bは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が小さ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が大きいほど大きな設定される。
【００８４】
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がその最大量LO2MAXを超えていないか、あるいは最小量LO2MIN（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００８５】
その結果、最大量LO2MAXを超えている場合はステップＳ４４に進み、低速成分LO2から溢れる酸素過不足量O2OUTが次式（６）、
O2OUT ＝ LO2 − LO2MAX  …  （６）
により演算されて低速成分LO2が最大量LO2MAXに制限される。酸素過不足量O2OUTはそのまま触媒３ａの下流に流出する。
【００８６】
一方、最小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が最小量LO2MINに制限される。
【００８７】
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。
【００８８】
図７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３ａ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。
【００８９】
これによると、まず、触媒３ａ下流の酸素濃度を検出するリアＯ2センサ５ａ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）。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
なお、上記リアＯ2センサ出力としてはその加重平均値を用いるようにしてもよい。
【００９３】
図８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。
【００９４】
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。
【００９５】
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がそれぞれ最小量HO2MIN、LO2MINにリセットされる。
【００９６】
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が最大量に達すると低速成分LO2が最大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は最大量になっていると考えられるからである。
【００９７】
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量になっていると考えられるからである。
【００９８】
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。
【００９９】
図９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。
【０１００】
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量HO2MAXの２分の１に設定される。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
本発明に係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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
図１０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下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が最小量（＝０）にリセットされる。このとき低速成分LO2も最小量にリセットされる（図示せず）。
【０１１１】
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上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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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、本発明ではさらに第２のリアＯ２センサ５ｂによる排気特性の検出結果等を用いて第２の触媒３ｂの酸素ストレージ量をも適量に維持することにより転換効率の改善を図る。以下、この点につき図１１以下の図面を用いて説明する。
【０１１４】
図１１は第２の触媒３ｂの酸素ストレージ量を制御するための第１の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、第２のリアＯ２センサ５ｂの出力（MVAOSV2）に応じて、図９の空燃比制御ルーチンで用いる第１の触媒３ａに対する目標酸素ストレージ量（TGHO2）を設定する機能を有している。
【０１１５】
この処理では、まず第２のリアＯ２センサ５ｂの出力をサンプリングし、運転状態に応じたその加重平均値MVAOSV2を算出し（ステップＳ８１）、次いでこれをリーン判定値THL、リッチ判定値THRと比較する（ステップＳ８２）。これは第２の触媒３ｂから排出された排気の空燃比を判定する処理であり、この排気空燃比がリーン判定値THLよりもリーンであるときには目標酸素ストレージ量TGHO2として初期目標量（例えば、最大酸素ストレージ量HO2MAXの２分の１）よりも所定量だけ少ないTGHO2Lを設定し（ステップＳ８３）、リッチ判定値THRよりもリッチであるときには初期目標量よりも所定量だけ多いTGHO2Rを設定する（ステップＳ８４）。また、排気空燃比がリーン判定値THLとリッチ判定値THRの間にあるときは初期目標量をそのまま適用する（ステップＳ８５）。このような目標量の補正処理により、第２の触媒３ｂ内の雰囲気がリーンまたはリッチに偏るのが防止され、したがってその転換効率を高く維持することができる。
【０１１６】
図１２は第２の触媒３ｂの酸素ストレージ量を制御するための第２の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、第２のリアＯ２センサ５ｂの出力に応じて、図９の空燃比制御ルーチンにおける目標量への収束速度を高める機能を有している。
【０１１７】
この処理において、第２のリアＯ２センサ５ｂの出力の加重平均値MVAOSV2を算出し、これをリーン判定値THL、リッチ判定値THRと比較する点は上記第１の実施形態と同様である（ステップＳ９１、Ｓ９２）。ただし、前記判定結果がリーンであるときにはさらに図５の処理で算出した酸素ストレージ量HO2とその目標量TGHO2とを比較し、HO2＞TGHO2であるときには空燃比制御におけるリッチ方向へのＰ分（比例制御定数）を増加する（ステップＳ９３、Ｓ９４）。これに対して、判定結果がリッチであるときには、さらにHO2とTGHO2との比較結果がHO2＜TGHO2であるときに空燃比制御におけるリーン方向へのＰ分を増加する。前記何れの条件にも該当しない場合にはＰ分として初期設定値を用いる。この処理によれば、第１、第２の触媒３ａ，３ｂが共にリーン傾向である場合には目標量へ向かってのリッチ方向への制御が速やかに行われ、触媒雰囲気がリーン方向に偏った状態で転換効率の悪化を抑制できる。また、共にリッチ傾向である場合には目標量へ向かってのリーン方向への制御が速やかに行われ、触媒雰囲気がリッチ方向に偏った状態で転換効率の悪化を抑制できる。
【０１１８】
図１３は第２の触媒３ｂの酸素ストレージ量を制御するための第３の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、第１、第２のリアＯ２センサ５ａ、５ｂの出力に応じて、図９の空燃比制御ルーチンにおける目標量への収束速度を高めると共に、図８のリセット処理による触媒酸素ストレージ量の初期化を開始させる機能を有している。
【０１１９】
この処理では、まず第１のリアＯ２センサ５ａと第２のリアＯ２センサ５ｂのそれぞれの出力の加重平均値MVAOSV1、MVAOSV2を演算し（ステップＳ１０１、Ｓ１０２）、次いでこれらをリーン判定値THL、リッチ判定値ＴＨＲと比較する（ステップＳ１０３）。前記比較結果として各センサ出力ともにリーンであった場合には空燃比制御のリッチ方向へのＰ分（制御利得）を増加すると共にリーンリセットフラグFleanを１に設定し（ステップＳ１０４、１０５）、比較結果として各センサ出力ともにリッチであった場合には空燃比制御のリーン方向へのＰ分（制御利得）を増加すると共にリッチリセットフラグFrichを１に設定し（ステップＳ１０６、Ｓ１０７）、前記の何れでもなかった場合には空燃比制御のＰ分として初期設定値を用いる（ステップＳ１０８）。この制御によれば、各触媒３ａ、３ｂともにリーン雰囲気のときには酸素ストレージ量の高速成分HO2が最大量HO2MAXにリセットされると共に目標値に向かって速やかに実酸素ストレージ量が制御され、または各触媒３ａ、３ｂともにリッチ雰囲気のときには酸素ストレージ量の高速成分HO2および低速成分LO2がそれぞれ最小量HO2MIN、LO2MINにリセットされると共に目標値に向かって速やかに実酸素ストレージ量が制御される。このため、第２の触媒３ｂ内の雰囲気が長時間にわたりリッチまたはリーン状態となって転換効率が低下するような不都合を防止できる。
【０１２０】
図１４は第２の触媒３ｂの酸素ストレージ量を制御するための第４の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、図示したように第１の触媒３ａからのオーバフロー分（酸素過不足量O2OUT、図６，Ｓ４４参照）を積算し（ステップＳ１１１）、この積算値SUMOFに基づいて空燃比制御で使用する目標酸素ストレージ量TGHO2を補正する（ステップＳ１１２）。
【０１２１】
オーバフロー分O2OUTの積算値SUMOFに対しては、図１５に示したように、該積算値SUMOFが増大するほど減少する係数KTGを設定し、この係数KTGに第１の触媒３ａの最大酸素ストレージ量HO2MAXを乗じることで目標量の補正を行っている。前記係数の特性により、オーバフロー分O2OUTが多いリーン雰囲気であるときほど目標酸素ストレージ量TGHO2が減少し、これにより空燃比はリッチ方向に制御されることになるため、第２の触媒３ｂのリーン傾向を補償できる。また、オーバフロー分O2OUTが少ないリッチ雰囲気であるときほど目標酸素ストレージ量TGHO2が増大し、これにより空燃比はリーン方向に制御されることになるため、第２の触媒３ｂのリッチ傾向を補償できる。このようにして第２の触媒内の雰囲気がリーンまたはリッチに偏るのが防止されることから、その転換効率を高く維持することができる。
【０１２２】
図１６は第２の触媒３ｂの酸素ストレージ量を制御するための第５の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、第１の触媒３ａからのオーバフロー分O2OUTから第２の触媒３ｂのリーン・リッチ状態を推定し、その結果に応じて図９の空燃比制御ルーチンにおける目標空燃比をリッチ側またはリーン側にクランプすることで第２の触媒３ｂのリーンまたはリッチ側への雰囲気条件の偏りを防止する機能を有している。
【０１２３】
この処理では、まず図１４と同様に第１の触媒３ａからのオーバフロー分O2OUTの積算値SUMOFを求め、これを予め定めた判定基準値と比較することで第２触媒３ｂ内がリーン雰囲気かリッチ雰囲気かを判定する（ステップＳ１２１、Ｓ１２２）。前記判定結果としてリーン判定がされたときには空燃比制御の目標Ａ／Ｆを初期値（理論空燃比）から所定量だけリッチ側の値にクランプし（ステップＳ１２３）、リッチ判定がされたときには目標Ａ／Ｆを所定量だけリーン側の値にクランプする（ステップＳ１２４）。リッチ、リーン何れとも判定されないときは目標Ａ／Ｆを初期値とする（ステップＳ１２５）。これにより、通常のフィードバック制御を行いながら酸素ストレージ量を制御する場合よりも速やかに酸素ストレージ量を目標量に到達させて、目標量に対する実酸素ストレージ量のずれを最小限に抑え、触媒に良好な排気浄化性能を発揮させることができる。
【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３】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４】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５】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６】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７】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８】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９】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１０】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１１】酸素ストレージ量制御に関する第１の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１２】酸素ストレージ量制御に関する第２の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１３】酸素ストレージ量制御に関する第３の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１４】酸素ストレージ量制御に関する第４の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１５】酸素ストレージ量制御に関する第５の実施形態の内容を示したフローチャートである。
【図１６】オーバフロー分の積算値と酸素ストレージ量の目標量を補正する係数の関係を示した説明図である。
【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】
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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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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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