JP2000120475A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

エンジンの排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料カット後に触媒酸素保持量を最大有効酸
素保持量以内へと収める空燃比制御に戻ったときにエラ
ーが生じるのを防止する。 【解決手段】 排気通路に配設された触媒２１は酸素保
持能力を有する。この触媒下流の排気空燃比がストイキ
からリーンに変化するときの触媒の酸素保持量を最大有
効酸素保持量として記憶手段２２が記憶し、触媒下流の
排気空燃比がストイキの近傍であるとき、触媒に流入す
る所定時間当たりの過不足酸素量を積算した値を触媒酸
素保持量として演算手段２３が演算する。所定の空燃比
制御条件の不成立時かつ前記排気空燃比がリーンである
とき、触媒にゆっくり吸収される所定時間当たりの遅反
応酸素吸収量を積算して最大有効酸素保持量を超える触
媒酸素保持量を演算手段２４が演算する。空燃比制御条
件の成立時に、そのときの触媒酸素保持量が最大有効酸
素保持量以内となるように空燃比を制御手段２５が制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はエンジンの排気浄
化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】排気中の有害成分であるＨＣ、ＣＯ、Ｎ
Ｏｘを三元触媒（以下単に「触媒」という）により同時
に浄化するには触媒の雰囲気を理論空燃比（以下単に
「ストイキ」という）にしなければならないので、触媒
の雰囲気がストイキの酸素濃度状態となるように、不足
する酸素を吸収したり過剰な酸素を脱離する、いわゆる
酸素ストレージ能力を触媒に持たせている。この結果、
たとえば酸素を保持（吸収）していない状態の触媒に対
して、ストイキよりリーン（以下単に「リーン」とい
う）の排気を与えると、過剰分の酸素が瞬時に触媒内に
吸収されるため、触媒の酸素保持量が飽和するまでは触
媒雰囲気がストイキに保たれる。この逆に、酸素を保持
した状態の触媒に対して、ストイキよりリッチ（以下単
に「リッチ」という）の排気を与えると、触媒内の酸素
が瞬時に脱離されて、雰囲気中に不足していた酸素が補
われる。そのため、触媒に保持されていた酸素が全て脱
離するまでは触媒雰囲気がストイキに保たれる。
【０００３】このように触媒が酸素ストレージ能力を持
っているため、一時的な空燃比のずれから生じる酸素の
過不足を触媒が補って触媒雰囲気をストイキに保つこと
ができるのである。換言すると、触媒の酸素保持量が飽
和量に達したり、触媒が酸素を保持していない状態とな
ったりしてしまうと、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化できな
くなり、排気エミッションが悪化する。
【０００４】そこで、酸素ストレージ能力を十分に利用
して排気エミッションの悪化を防止するため、所定時間
当たりに触媒へ流入する過不足酸素量を計算し、この所
定時間当たりの値を積算することで触媒酸素保持量を求
め、この触媒酸素保持量が、酸素保持量の目標値と一致
するようにフィードバック制御を行うようにしたものが
提案されている（特開平５−１９５８４２号公報、同７
−２５９６０２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来装置で
は、触媒下流の空燃比センサがリーンを示したタイミン
グでの触媒酸素保持量を最大酸素保持量としている。
【０００６】しかしながら、本発明者の行った実験結果
によれば、触媒下流の空燃比がリーンとなった後も、触
媒に酸素が吸収されることを初めて見いだした。
【０００７】この知見を説明すると、排気の空燃比を１
３程度のリッチから１６程度のリーンへと切換えたとき
の触媒前後の空燃比を測定した結果（実験結果）を図２
に示す。同図において、Ａ区間では触媒の酸素を吸収す
る速度が速く、触媒上流の空燃比（図では「Ｆ−Ａ／
Ｆ」で示す）がリーンであっても、触媒に流入する過剰
酸素がすべて触媒に吸収されるため、触媒下流の空燃比
（図では「Ｒ−Ｆ／Ａ」で示す）はリーンを示していな
い（ストイキを示す）。これに対してＢ区間に移ると、
流入する過剰酸素のすべては触媒に吸収されないので、
触媒下流の空燃比がリーンになっている。つまり、触媒
下流の空燃比がリーンになっているＢ区間においても、
吸収の速度が遅いものの、酸素（もしくはＮＯなどの酸
化物）が触媒に吸収されている。したがって、図２にお
いて、触媒下流の空燃比がストイキからリーンに変化す
るときの酸素保持量を最大有効酸素保持量（速い速度で
吸収できる酸素の飽和量）とし、その後に吸収される酸
素吸収量を遅反応酸素吸収量とすれば、燃料カット時や
リーンクランプ時（以下燃料カット時で代表させる）に
触媒に吸収される酸素保持量は、最大有効酸素保持量に
遅反応酸素吸収量が加わったものになる。
【０００８】しかしながら、従来装置によれば、Ｂ区間
での遅反応酸素吸収量を無視しているため、燃料カット
が解除され、触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内
へと収める空燃比制御に戻ったときにエラーが生じる。
従来装置では燃料カットにより触媒下流の空燃比がリー
ンになったとき、最大有効酸素保持量を演算するだけ
で、遅反応酸素吸収量を計算しないため、この遅反応酸
素吸収量の分のエラーが生じてしまうのである。
【０００９】そこで本発明は、燃料カット時のように触
媒下流の空燃比がリーンを示す期間において、触媒に吸
収される遅反応酸素吸収量をも含めて触媒酸素保持量を
演算することにより、燃料カット後に触媒酸素保持量を
最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御に戻った
ときにエラーが生じるのを防止することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、図８に示
すように、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２１と、この触媒２１下流の排気空燃比
がストイキからリーンに変化するときの前記触媒２１の
酸素保持量を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙとして記憶す
る手段２２と、前記触媒２１下流の排気空燃比がストイ
キの近傍であるとき、この触媒２１に流入する所定時間
当たりの過不足酸素量を積算した値を触媒酸素保持量Ｏ
ＳＣnとして演算する手段２３と、所定の空燃比制御条
件の不成立時かつ前記触媒２１下流の排気空燃比がリー
ンであるとき、前記触媒２１にゆっくり吸収される所定
時間当たりの遅反応酸素吸収量を積算して前記最大有効
酸素保持量ＯＳＣｙを超える触媒酸素保持量ＯＳＣnを
演算する手段２４と、前記空燃比制御条件の成立時に、
そのときの前記触媒酸素保持量ＯＳＣnが前記最大有効
酸素保持量ＯＳＣｙ以内となるようにエンジンの空燃比
を制御する手段２５とを有する。
【００１１】第２の発明では、第１の発明において前記
空燃比制御条件の不成立時かつ前記触媒２１下流の排気
空燃比がリーンである状態から前記空燃比制御条件の成
立時への移行時に、少なくとも前記触媒酸素保持量が前
記最大有効酸素保持量以内となるまでの間、前記空燃比
制御手段による空燃比のリッチ化度合いを通常時のリッ
チ化の度合いよりも大きくする。
【００１２】第３の発明では、第１の発明において前記
触媒２１下流の排気空燃比を検出する手段を有し、この
手段により検出される前記触媒２１下流の排気空燃比が
ストイキからリーンに変化したときの前記触媒酸素保持
量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量
ＯＳＣｙを更新する。
【００１３】第４の発明では、第１の発明において前記
触媒２１下流の排気空燃比を検出する手段を有し、この
手段により検出される前記触媒２１下流の排気空燃比が
リッチであるとき前記触媒酸素保持量をゼロにリセット
する。
【００１４】第５の発明では、第１の発明において前記
触媒２１上流の排気空燃比を検出可能な広域空燃比セン
サを有し、このセンサにより検出される前記触媒２１上
流の排気空燃比と排気流量とに基づいて所定時間当たり
の前記過不足酸素量を演算する。
【００１５】第６の発明では、第５の発明において前記
触媒２１上流の排気空燃比が前記センサの検出可能範囲
を超えるリーンであるとき、予め定められた酸素濃度
（たとえば大気の酸素濃度）と排気流量とに基づいて所
定時間当たりの前記過不足酸素量を演算する。
【００１６】第７の発明では、第１の発明において触媒
に酸素がゆっくり吸収されるときの反応速度を演算する
手段を有し、この手段により演算される反応速度と触媒
２１に流入する過不足酸素量とに基づいて所定時間当た
りの前記遅反応酸素吸収量を演算する。
【００１７】第８の発明では、第７の発明において前記
触媒２１上流の空燃比と前記触媒２１下流の空燃比とが
ストイキよりリーン側で略同一となるときの前記触媒２
１の酸素保持量を全酸素保持量ＯＳＣｚとして記憶する
手段を有し、前記反応速度を、この全酸素保持量、前記
触媒２１に流入する排気の過剰酸素濃度および現在の前
記触媒酸素保持量に基づいて演算する。
【００１８】第９の発明では、第８の発明において前記
触媒２１下流の空燃比を検出する手段を有し、この手段
により検出される前記触媒２１下流の空燃比がストイキ
からリーンに変化したときの前記触媒酸素保持量で前記
記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量ＯＳＣｙ
を更新するとともに、この更新された最大有効酸素保持
量ＯＳＣｙに基づいて前記全酸素保持量ＯＳＣｚを推定
し、この推定された全酸素保持量ＯＳＣｚで前記記憶手
段に記憶されている全酸素保持量を更新する。
【００１９】
【発明の効果】燃料カット時のように空燃比制御条件の
不成立時かつ触媒下流の排気空燃比がリーンであると
き、触媒にゆっくりと吸収される遅反応酸素吸収量を演
算しないのでは、この遅反応酸素吸収量の分のエラーが
触媒酸素保持量に生じてしまうのであるが、第１の発明
によれば、触媒にゆっくり吸収される所定時間当たりの
遅反応酸素吸収量を積算して最大有効酸素保持量を超え
る触媒酸素保持量を演算するようにしたので、燃料カッ
ト後に触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収
める空燃比制御に戻ったときにエラーが生じるのを防止
できる。
【００２０】第２の発明によれば、燃料カットにより触
媒に遅反応酸素が吸収された場合において、再び触媒酸
素保持量を最大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制
御に戻すときに、触媒酸素保持量を素早く最大有効酸素
保持量以内へと収めることができる。
【００２１】触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内
へと収める空燃比制御中に触媒下流の空燃比がリーンに
なる原因は、触媒の劣化による最大有効酸素保持量（空
燃比制御範囲の上限である）の低下に伴って、触媒酸素
保持量が空燃比制御範囲の上限を外れる制御エラーであ
る。第３の発明によれば、こうした触媒の劣化に伴う制
御エラーに対処できる。
【００２２】触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量以内
へと収める空燃比制御中に触媒下流の空燃比がリッチに
なる原因は触媒酸素保持量の演算に伴うエラーである。
第４の発明によれば、こうした触媒酸素保持量の演算エ
ラーに対処できる。
【００２３】触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸
素量は、所定時間当たりにエンジンが吸入した空気量と
その間に供給された燃料量とから計算によって推定する
ことも可能であるが、推定値には様々な外乱による誤差
が含まれる可能性がある。第５の発明によれば、実際に
触媒に流入する排気の空燃比を検出して過不足酸素量を
算出するので、正確な触媒酸素保持量を演算することが
できる。
【００２４】ただし、広域空燃比センサは、ふつう、検
出可能な空燃比の範囲が決まっており、この範囲を越え
て空燃比がリーンあるいはリッチになった場合に、正確
な空燃比の検出を行うことができない。しかしながら、
通常運転での検出に要求される空燃比の範囲をカバーす
るようにセンサの検出可能範囲を設定するのが一般的
で、この範囲を超える空燃比となるのは、燃料カット時
等の特別な運転状態に限られる。したがって、第６の発
明のように、広域空燃比センサが、検出可能範囲外の空
燃比を示したり、検出可能範囲外の空燃比となることが
予め予想される運転状態となったりしたときに、過不足
酸素濃度を所定値（たとえば、燃料カット時であれば大
気相当の値）とすることで、要求空燃比をカバーするだ
けの広域空燃比センサであっても、燃料カット時の過不
足酸素濃度を求めることができる。また、燃料カット時
の空燃比をも検出可能とするセンサを設けたのではセン
サが高価になり、コストの上昇を招くことになるが、第
６の発明の広域空燃比センサによれば、要求空燃比だけ
をカバーすれば足りるので、こうしたコストの上昇を招
くこともない。
【００２５】第７、第８の発明によれば、所定時間当た
りの遅反応酸素吸収量を演算する際に、触媒下流の空燃
比を知る必要がないので、触媒下流のセンサをＯ2セン
サにすることが可能となり、コスト的に有利になる。
【００２６】触媒の劣化に関係なく、最大有効酸素保持
量と全酸素保持量の間には一定の関係があることを実験
により見い出しており、第９の発明によれば、この関係
を用いることで、触媒の劣化に対応した全酸素保持量の
推定が可能となった。
【００２７】
【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からの回転数信号、エ
アフローメータ６からの吸入空気量信号、水温センサ１
１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Ｔｐを決定し、これに各種の補正を行って燃料噴射量
Ｔｉ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。
【００２８】排気通路９には触媒１０が設置される。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。
【００２９】触媒１０の酸素保持量は
【００３０】
【数１】酸素保持量＝Σ｛排気量×(触媒上流の過不足
酸素濃度−触媒下流の過不足酸素濃度)｝ の式から求めることができる。
【００３１】ここで、数１式の「過不足酸素濃度」は、
後述する図４で示すように、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。
【００３２】ところで、一般的なエンジンでは触媒上流
の空燃比センサ出力に基づき排気の平均空燃比がストイ
キと一致するように空燃比フィードバック制御（以下
「ラムダコントロール」という）が行われるため、触媒
下流の空燃比はほとんどストイキ（一定）であり、この
とき触媒下流の過不足酸素濃度はほぼゼロになる。
【００３３】そこで、触媒下流の空燃比がストイキにあ
るあいだは、上記の数１式において触媒下流の過不足酸
素濃度をゼロとした
【００３４】
【数２】 酸素保持量＝Σ（排気量×触媒上流の過不足酸素濃度） の式により酸素保持量を計算する。
【００３５】また、触媒下流の空燃比がリーンのとき
は、遅反応酸素吸収を考慮するために触媒下流の過不足
酸素濃度を測定して数１式の計算を行う必要があるの
で、触媒下流に広域空燃比センサが必要になる。
【００３６】しかしながら、広域空燃比センサは、スト
イキだけを検出可能ないわゆるＯ2センサより高価であ
るため、本実施形態では遅反応酸素吸収量を推定して酸
素保持量の計算を行う。
【００３７】コントロールユニット２で行われるこれら
の制御を、図３のフローチャートにしたがって説明す
る。
【００３８】なお、触媒上流の広域空燃比センサ３から
の空燃比信号に基づき、コントロールユニット２では、
ラムダコントロール条件（所定の空燃比制御条件）のと
きラムダコントロールを行う。
【００３９】ここで、ラムダコントロールは、詳細には
触媒１０上流の排気空燃比の平均値がストイキとなるよ
うに、空燃比フィードバック補正係数αを算出し、この
補正係数αで基本噴射量Ｔｐを補正する制御のことであ
る。
【００４０】ただし、触媒上流のセンサ３は、広域空燃
比センサであることから、 比例分＝比例ゲイン×ΔＡ／Ｆ 積分分＝積分ゲイン×ΣΔＡ／Ｆ／Ｔ２ ただし、ΔＡ／Ｆ：空燃比偏差（＝実空燃比−ストイ
キ） Ｔ２：積分区間（空燃比偏差の正負が反転してからの経
過時間） の式により比例分と積分分とを求め、これらの和をα
（＝比例分＋積分分）とする一般の比例積分制御を行
う。
【００４１】図３の処理は、ラムダコントロールに関係
なく一定時間毎（たとえば１０msec毎）に実行する。
【００４２】まずＳ１では冷却水温等の条件により触媒
１０が活性化しているかどうかをみる。触媒１０が活性
化していなれば、触媒１０の酸素ストレージ能力が働か
ないので、そのまま今回の処理を終了する。
【００４３】触媒１０が活性化していれば、Ｓ２に進
み、触媒上流の広域空燃比センサ（図では「Ｆ−Ａ／Ｆ
センサ」で略記）の出力から、排気中の過不足酸素濃度
ＦＯ２を図５のテーブルを検索することにより求めて、
これを読み込む。
【００４４】ここで、排気中の過不足酸素濃度ＦＯ２と
は、図４に示すように、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。
したがって、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、ＦＯ２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。
【００４５】ところで、図４に示したように、広域空燃
比センサ（図では「Ａ／Ｆセンサ」で略記）には測定可
能範囲がある。したがって、燃料カット時には測定範囲
外のリーンになってしまうため、燃料カット時の空燃比
（したがって燃料カット時の過不足酸素濃度）を求める
ことができない。しかしながら、混合気を燃焼させると
きの要求空燃比（以下単に要求空燃比という）は決まっ
ており、要求空燃比をカバーするだけの広域空燃比セン
サを用いれば、測定範囲外のリーンは必ず燃料カットの
場合であるので、要求空燃比をカバーするだけの広域空
燃比センサが測定範囲外のリーンを示したとき、そのと
きの過不足酸素濃度ＦＯ２を、図示のように大気に対す
る値（すなわち２０．９％）とする。図４に示した関係
をテーブルにしたのが図５である。
【００４６】このようにして、要求空燃比をカバーする
だけの広域空燃比センサであっても、燃料カット時の過
不足酸素濃度ＦＯ２を求めることができることになっ
た。
【００４７】図３に戻り、Ｓ３では触媒下流のＯ2セン
サ（図では「Ｒ−Ｏ２センサ」で略記）の出力と所定値
を比較する。Ｏ2センサ出力が所定値以上（リッチ）で
あると判定した場合には、触媒酸素保持量がなくなり、
触媒１０が触媒下流の空燃比をストイキに保てなくなっ
たと判断し、Ｓ４に進んで触媒酸素保持量ＯＳＣnをゼ
ロにリセットする。ここで、ＯＳＣに添えた「ｎ」は今
回値を表す。これに対して、前回値には「ｎ−１」を付
すことになる。
【００４８】一方、Ｏ2センサ出力が所定値以上でない
ときは、Ｓ５に進んで今度はＯ2センサ出力が所定値以
下（リーン）であるかどうかをみる。リーンでない（つ
まり触媒下流の空燃比はストイキ）ときは、触媒上流の
空燃比変動を触媒１０が吸収していると判断し、Ｓ６に
進む。
【００４９】ここで、Ｓ６に進んでくる場合には、ラ
ムダコントロールを行っているときと、ラムダコント
ロールを行っていないときの２つの場合があるが、いず
れも触媒下流の空燃比がストイキになっているときであ
る。
【００５０】Ｓ６では、
【００５１】
【数３】ＯＳＣn＝ＯＳＣn-1＋ａ×ＦＯ２×Ｑ×ｔ ただし、ＯＳＣn：今回の計算値 ＯＳＣn-1：前回の計算値 ａ：定数（単位換算のための値） ＦＯ２：過不足酸素濃度 Ｑ：排気流量（吸入空気流量で代用する） ｔ：演算サイクル時間（１０ｍｓｅｃ） の式により触媒酸素保持量ＯＳＣnを演算する。
【００５２】ここで、数３式の右辺第２項が演算サイク
ル時間当たり（所定時間当たり）の過不足酸素量であ
り、これを前回値ＯＳＣn-1に加算することによって、
触媒下流の空燃比がストイキにある期間の有効酸素保持
量が求まるのである。
【００５３】Ｓ５で触媒下流の空燃比がリーンとなった
ときは、Ｓ７に進み、ラムダコントロール（図では「λ
コン」で略記）をしているかどうかをみる。ラムダコン
トロール条件は従来と同じで、触媒上流の広域空燃比セ
ンサ３が活性化していること等が成立したとき、ラムダ
コントロールが開始される。また、燃料カット時やエン
ジン高負荷時にはラムダコントロールがクランプ（停
止）される。
【００５４】ここで、ラムダコントロールおよび後述す
る触媒酸素保持量のフィードバック制御を行っているに
も拘わらず触媒下流の空燃比がリーンを示したとき、触
媒１０が劣化して最大有効酸素保持量が減少したと考え
られるので、Ｓ５、Ｓ７よりＳ８に進み、前回値ＯＳＣ
n-1を最大有効酸素保持量ＯＳＣｙに移す。なお、劣化
の影響が小さいことが予めわかっている場合は、最大有
効酸素保持量ＯＳＣｙを固定値としてもよい。このよう
な場合も含め、最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの初期値と
しては触媒１０と同じ仕様の触媒による実験値を予め記
憶させておくことができる。
【００５５】次にＳ９では、後述する遅反応酸素吸収量
の計算の際に必要となる全酸素保持量を算出する。全酸
素保持量は、遅反応による酸素吸収も飽和してしまうと
きの酸素保持量であり、触媒１０が保持可能な最大酸素
保持量である。換言すると、触媒１０に酸素過剰な排気
を与え続けたときに触媒上流の酸素濃度と触媒下流の酸
素濃度とが同一となる（触媒が過剰酸素の吸収を全く行
わない）ときの酸素保持量が全酸素保持量である。この
全酸素保持量と最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの比が触媒
の劣化に応じてどうなるかを実験してみたところ、触媒
１０が劣化しても両者の比が変わらない（つまり触媒１
０の劣化によりＯＳＣｙが小さくなれば、全酸素保持量
もそれに比例して小さくなる）ことを確認した。したが
って、
【００５６】
【数４】ＯＳＣｚ＝ｂ×ＯＳＣｙ ただし、ｂ：定数（１より大きな値） の式で全酸素保持量ＯＳＣｚを算出することができる。
【００５７】ここで、数４式の定数ｂは触媒１０の種類
で決まる値である。また、最大有効酸素保持量ＯＳＣｙ
と全酸素保持量ＯＳＣｚとはエンジン停止後もその値が
消失しないようにバックアップする。つまり、ＯＳＣｙ
およびＯＳＣｚは学習値として構成する。
【００５８】これに対し、Ｓ７においてラムダコントロ
ールをしていないときとは、燃料カットの場合である。
この場合には、触媒が反応の遅い酸素吸収を行っている
と判断し、Ｓ１０で酸素吸収の反応速度を考慮して触媒
酸素保持量ＯＳＣnを更新する。
【００５９】ここで、酸素吸収の反応を Ｒ＋Ｏ2→ＲＯ2 Ｒ：酸素を吸収する物質（たとえばセリウムＣｅ） のように簡略化すると、反応速度ｋは ｋ＝［Ｒ］×［Ｏ2］／［ＲＯ2］ ただし、［Ｒ］：Ｒの濃度 ［Ｏ2］：酸素濃度 ［ＲＯ2］：ＲＯ2の濃度 の式により表すことができる。したがって、酸素吸収の
反応は過剰酸素濃度（［Ｏ2］）に比例し、酸素を吸収
する物質の量（［Ｒ］）すなわち全酸素保持量ＯＳＣｚ
と触媒酸素保持量との差に比例し、現在の触媒酸素保持
量（［ＲＯ2］）に反比例する。そのため、反応速度ｋ
は
【００６０】
【数５】 ｋ＝ｄ×ＦＯ２×（ＯＳＣｚ−ＯＳＣn-1）／ＯＳＣn-1 ただし、ｄ：反応速度係数 の式で表すことができ、この反応速度ｋ（ｋ≦１）を用
いて、
【００６１】
【数６】ＯＳＣn＝ＯＳＣn-1＋ｃ×ｋ×ＦＯ２×Ｑ×ｔ ただし、ＯＳＣn：今回の計算値 ＯＳＣn-1：前回の計算値 ｃ：定数 Ｑ：排気流量（吸入空気流量で代用する） ｔ：演算サイクル時間（１０ｍｓｅｃ） の式により、触媒酸素保持量ＯＳＣnを演算する。
【００６２】ここで、数６式の右辺第２項が演算サイク
ル時間当たりの遅反応酸素吸収量である。この演算サイ
クル当たりの遅反応酸素吸収量をも触媒酸素保持量とし
て足し込むことで、触媒下流の空燃比がリーンを示す期
間も最大有効酸素保持量ＯＳＣｙを超える触媒酸素保持
量を演算するのである。
【００６３】Ｓ１１ではラムダコントロールをしている
かどうかを再びみる。ラムダコントロールをしていれ
ば、Ｓ１２以降のＰＩＤ制御に進み、ラムダコントロー
ルをしていないときは、Ｓ１２以降を飛ばす。つまり、
触媒酸素保持量ＯＳＣnの演算は、触媒の活性後であれ
ば常時行い、演算した触媒酸素保持量ＯＳＣnを目標値
と一致させるフィードバック制御（触媒酸素保持量を最
大有効酸素保持量以内へと収める空燃比制御）は、ラム
ダコントロールを行っている場合に限っている。
【００６４】Ｓ１２では、触媒酸素保持量ＯＳＣnと触
媒酸素保持量の目標値（最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの
１／２）との差（偏差）ＯＳＣｓｎを
【００６５】
【数７】ＯＳＣｓｎ＝ＯＳＣn−ＯＳＣｙ／２ の式により計算したあと、Ｓ１３、１４、１５において
【００６６】
【数８】Ｈｐ＝比例ゲイン×ＯＳＣｓｎ Ｈｉ＝積分ゲイン×ΣＯＳＣｓｎ／Ｔ Ｈｄ＝微分ゲイン×（ＯＳＣn−ＯＳＣn-1）／ｔ ただし、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（１０ｍｓｅｃ） の式よりフィードバック量の比例分Ｈｐ、積分分Ｈｉお
よび微分分Ｈｄをそれぞれ演算し、これらを合わせた値
をＳ１６において燃料補正量Ｈ（フィードバック量）と
して今回の図３の処理を終了する。
【００６７】このようにして得られる燃料補正量Ｈを用
い、図示しないフローにおいて、たとえば、
【００６８】
【数９】Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α×Ｈ×２＋Ｔｓ ただし、Ｔｐ：基本噴射パルス幅 ＴＦＢＹＡ：目標当量比 α：空燃比フィードバック補正係数 Ｔｓ：無効パルス幅 の式によりシーケンシャル噴射時の燃料噴射パルス幅Ｔ
Ｉが計算される。そして、気筒毎にエンジン２回転に１
回、所定の噴射タイミングでＴｉの時間、燃料噴射弁７
が開かれ、燃料が吸気管内に噴射供給される。
【００６９】ここで、数９式右辺のＴｐ、ＴＦＢＹＡ、
α、Ｔｓは従来と同じである。たとえば、燃料カット時
にα＝１．０に、ラムダコントロール時にＴＦＢＹＡ＝
１．０になる。Ｔｓはバッテリ電圧に応じた噴射パルス
幅の補正分である。
【００７０】次に、本実施形態の作用を図６、図７に示
すモデル図を用いて説明する。
【００７１】まず図６は触媒が劣化した場合にどうなる
かを示したものである。
【００７２】さて、触媒上流の空燃比がストイキを中心
として周期的に変動するラムダコントロール時に、触媒
酸素保持量ＯＳＣnが目標値（＝ＯＳＣｙ／２）と一致
するようにフィードバック制御を行ったとき、上限値を
最大有効酸素保持量ＯＳＣｙ、下限値を０とするフィー
ドバック制御範囲内で触媒酸素保持量ＯＳＣnが図示の
ように目標値を中心にして変動する。
【００７３】つまり、触媒酸素保持量のフィードバック
制御中であれば、触媒酸素保持量ＯＳＣnが上限の最大
有効酸素保持量ＯＳＣｙを超えることはないのである
が、触媒１０が劣化してくると、酸素ストレージ能力の
低下により最大有効酸素保持量ＯＳＣｙが低下してくる
ため、触媒酸素保持量ＯＳＣnが最大有効酸素保持量Ｏ
ＳＣｙを超える（つまり触媒下流の空燃比がリーンにな
る）事態が生じる。これは、目標値を最大有効酸素保持
量ＯＳＣｙの１／２に設定していることから、触媒劣化
に伴う最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの低下により、目標
値より上側のフィードバック制御範囲が実質的に狭くな
るためである。
【００７４】この触媒下流の空燃比がリーンを示した演
算タイミングｔ１を今回の演算タイミングとすると、こ
のとき本実施形態によれば、前回の演算タイミングでの
触媒酸素保持量（これは今回の演算タイミングでの触媒
酸素保持量より小さい）がＯＳＣｙとして新たに学習さ
れるので、ＯＳＣｙは図示のようにｔ１のタイミングで
学習前の値より小さくなる。この小さくなる側へのＯＳ
Ｃｙの更新により、触媒酸素保持量の目標値も小さくな
る（破線参照）。つまり、触媒の劣化により触媒下流の
空燃比がリーンを示すことになるタイミング毎に最大有
効酸素保持量ＯＳＣｙの設定のし直しを行うことで、劣
化状態での触媒の最大有効酸素保持量ＯＳＣｙの真ん中
に常に目標値があるようにしているわけで、これによっ
て、触媒が劣化したときの対応を可能としている。
【００７５】また、図示しないが、触媒酸素保持量のフ
ィードバック制御中に、触媒酸素保持量ＯＳＣnがマイ
ナスとなる（つまり触媒下流の空燃比がリッチになる）
事態が考えられる。このときは、触媒酸素保持量ＯＳＣ
nがゼロにリセットされ、演算のやり直しが行われる。
【００７６】まとめると、図３において、触媒酸素保持
量のフィードバック制御中に〈１〉Ｓ３よりＳ４に進む
場合、〈２〉Ｓ７よりＳ８に進む場合は、触媒酸素保持
量ＯＳＣnがフィードバック制御範囲を外れる場合であ
る。このうち、〈１〉は演算に誤りがあった場合である
のに対して、〈２〉は演算の誤りがあった場合ではなく
触媒の劣化に伴うものである。
【００７７】次に、図７に示すモデル図は、触媒酸素保
持量のフィードバック制御の途中で燃料カットが行われ
たときにどうなるかを示したものである。
【００７８】同図において、ｔ２からｔ３の間で燃料カ
ットが行われたとすると、ｔ２のタイミングからｔ４ま
での期間は、ラムダコントロールが行われていないけれ
ども触媒下流の空燃比がストイキに保たれる期間であ
り、この期間でも図３でいえば、Ｓ５よりＳ６に進むこ
とから、触媒酸素保持量ＯＳＣnが増加してゆく。
【００７９】そして、触媒酸素保持量ＯＳＣnがｔ４の
タイミングで最大有効酸素保持量ＯＳＣｙとなった後
は、図３でいえばＳ７よりＳ１０に進むため、全酸素保
持量ＯＳＣｚに向かってさらに上昇する。ｔ４からｔ３
までの期間では、触媒に吸収される遅反応酸素吸収量を
加えていっているわけである。
【００８０】したがって、ｔ４のタイミングから再び触
媒酸素保持量のフィードバック制御に復帰させるにして
も、触媒酸素保持量にエラーが生じることはない。
【００８１】これに対して、触媒下流の空燃比がリーン
と判定している期間、触媒に吸収される遅反応酸素保持
量を演算しない従来装置では、この遅反応酸素保持量の
分のエラーが触媒酸素保持量に生じてしまう。
【００８２】なお、燃料カットが行われて触媒が最大有
効酸素保持量を超える酸素を保持している状態から再び
触媒酸素保持量のフィードバック制御に復帰させるとき
には、触媒の酸素保持量を速やかに最大有効酸素保持量
以内に戻すことが望ましい。すなわち、触媒酸素保持量
のフィードバック制御が再開されれば通常の制御によっ
ても触媒酸素保持量が最大有効酸素保持量以下の目標値
に近づくよう空燃比がリッチ化されるのであるが、リッ
チ化の程度が小さい場合は、外乱等で一時的に空燃比が
リーンになることもあり、触媒酸素保持量が最大有効酸
素保持量以下に戻されるまでの間に酸素過剰な排気が触
媒に流入すると、この間の触媒は触媒雰囲気をストイキ
に保つことができず、排気エミッションが悪化する。
【００８３】そこで、燃料カット直後の演算タイミング
に限っては、通常時のフィードバックゲインに代えて、
空燃比を大きくリッチ化する特別なゲインを用いること
が考えられる。これによって、燃料カット後に、再び触
媒酸素保持量のフィードバック制御に復帰させるときに
おいても、通常時のゲインを用いる場合（図７のＢ参
照）に比べ、触媒酸素保持量を素早くフィードバック制
御範囲内に戻すことができることになる（図７のＡ参
照）。
【００８４】このように、本実施形態では、ラムダコン
トロールを行いつつ、触媒酸素保持量を目標値と一致さ
せるフィードバック制御を行う場合に、触媒下流の空燃
比がリーンを示すまでは、従来装置と同様に触媒上流の
空燃比に基づいて触媒酸素保持量を演算し、かつ触媒下
流の空燃比がリーンを示した後は、従来装置と相違し
て、酸素吸収の反応速度を考慮して所定時間当たりの遅
反応酸素吸収量を演算し、この遅反応酸素吸収量を触媒
酸素保持量に加えることにより、燃料カット時の触媒酸
素保持量を正確に演算することを可能として触媒酸素保
持量演算のエラーを減らし、その分排気エミッションを
改善することが可能となった。
【００８５】また、ラムダコントロールを行いつつ、触
媒酸素保持量を目標値と一致させるフィードバック制御
を行うとき、触媒下流の空燃比がストイキに保たれるは
ずであるが、触媒下流の空燃比がリッチになったり、リ
ーンになることがある。このうちリッチになる原因は触
媒酸素保持量の演算に伴うエラーである。このとき、本
実施形態では触媒酸素保持量をゼロにリセットするの
で、こうした触媒酸素保持量の演算エラーに対処でき
る。
【００８６】一方、リーンになる原因は、触媒の劣化に
よる最大有効酸素保持量（フィードバック制御範囲の上
限）の低下で、目標値から上のフィードバック制御範囲
が実質的に狭くなり、触媒酸素保持量がフィードバック
制御範囲の上限を外れる制御エラーである。本実施形態
ではこのときの触媒酸素保持量を最大有効酸素保持量Ｏ
ＳＣｙとして学習するので、こうした触媒の劣化に伴う
制御エラーにも対処できる。
【００８７】また、触媒に酸素がゆっくり吸収されると
きの反応速度と排気流量とに基づいて所定時間当たりの
遅反応酸素吸収量を演算するので、所定時間当たりの遅
反応酸素吸収量を演算する際に、触媒下流の空燃比を知
る必要がなく、これによって触媒下流のセンサをＯ2セ
ンサにすることが可能となり、コスト的に有利になる。
また、触媒の劣化に関係なく、最大有効酸素保持量と
全酸素保持量の間には一定の関係があることを実験によ
り見い出しており、この関係を用いることで、触媒の劣
化に対応した全酸素保持量の推定が可能となっている。
【００８８】さて、触媒１０の性質として、触媒雰囲気
の空燃比は、所定の振幅で振れた方が転換効率がよいこ
とが知られている。ところが、触媒酸素保持量を目標値
と一致させるフィードバック制御を行ったとき、触媒雰
囲気の空燃比がストイキ（一定値）に保たれるので、却
って転換効率を低下させることになる。
【００８９】しかしながら、実際には定常でもエアフロ
ーメータ出力にバラツキがあることや制御系の遅れを避
けることができないため、触媒雰囲気の空燃比は所定の
振幅で振れるのであり、したがって実用上、問題はな
い。また、制御で触媒雰囲気の空燃比を振らすことはも
ちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の制御システム図。
【図２】排気の空燃比をリッチからリーンへと切換えた
ときの触媒前後の空燃比の測定結果を示す波形図。
【図３】触媒保持酸素量の演算と触媒保持酸素量のフィ
ードバック制御を説明するためのフローチャート。
【図４】広域空燃比センサ出力と過不足酸素濃度の関係
を示す特性図。
【図５】過不足酸素濃度のテーブルを示す図。
【図６】触媒酸素保持量のフィードバック制御中に触媒
に劣化を生じたときのモデル図。
【図７】触媒酸素保持量のフィードバック制御の途中で
燃料カットが行われたときのモデル図。
【図８】第１の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
２ コントロールユニット ３ 広域空燃比センサ １０ 触媒 １３ Ｏ2センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 兼利 和彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 岡田 圭司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G084 BA09 BA13 BA24 DA12 EB06 EB11 EB13 EC04 FA07 FA20 FA30 FA33 FA38 3G091 AA17 AB03 BA00 CB02 DC01 EA01 EA05 EA16 EA34 FA05 FB12 HA36 HA37

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 この触媒下流の排気空燃比がストイキからリーンに変化
    するときの前記触媒の酸素保持量を最大有効酸素保持量
    として記憶する手段と、 前記触媒下流の排気空燃比がストイキの近傍であると
    き、この触媒に流入する所定時間当たりの過不足酸素量
    を積算した値を触媒酸素保持量として演算する手段と、 所定の空燃比制御条件の不成立時かつ前記触媒下流の排
    気空燃比がリーンであるとき、前記触媒にゆっくり吸収
    される所定時間当たりの遅反応酸素吸収量を積算して前
    記最大有効酸素保持量を超える触媒酸素保持量を演算す
    る手段と、 前記空燃比制御条件の成立時に、そのときの前記触媒酸
    素保持量が前記最大有効酸素保持量以内となるようにエ
    ンジンの空燃比を制御する手段とを有することを特徴と
    するエンジンの排気浄化装置。
  2. 【請求項２】前記空燃比制御条件の不成立時かつ前記触
    媒下流の排気空燃比がリーンである状態から前記空燃比
    制御条件の成立時への移行時に、少なくとも前記触媒酸
    素保持量が前記最大有効酸素保持量以内となるまでの
    間、前記空燃比制御手段による空燃比のリッチ化度合い
    を通常時のリッチ化の度合いよりも大きくすることを特
    徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  3. 【請求項３】前記触媒下流の排気空燃比を検出する手段
    を有し、この手段により検出される前記触媒下流の排気
    空燃比がストイキからリーンに変化したときの前記触媒
    酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸
    素保持量を更新することを特徴とする請求項１に記載の
    エンジンの排気浄化装置。
  4. 【請求項４】前記触媒下流の排気空燃比を検出する手段
    を有し、この手段により検出される前記触媒下流の排気
    空燃比がリッチであるとき前記触媒酸素保持量をゼロに
    リセットすることを特徴とする請求項１に記載のエンジ
    ンの排気浄化装置。
  5. 【請求項５】前記触媒上流の排気空燃比を検出可能な広
    域空燃比センサを有し、このセンサにより検出される前
    記触媒上流の排気空燃比と排気流量とに基づいて所定時
    間当たりの前記過不足酸素量を演算することを特徴とす
    る請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 【請求項６】前記触媒上流の排気空燃比が前記センサの
    検出可能範囲を超えるリーンであるとき、予め定められ
    た酸素濃度と排気流量とに基づいて所定時間当たりの前
    記過不足酸素量を演算することを特徴とする請求項５に
    記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 【請求項７】触媒に酸素がゆっくり吸収されるときの反
    応速度を演算する手段を有し、この手段により演算され
    る反応速度と触媒に流入する過不足酸素量とに基づいて
    所定時間当たりの前記遅反応酸素吸収量を演算すること
    を特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装
    置。
  8. 【請求項８】前記触媒上流の空燃比と前記触媒下流の空
    燃比とがストイキよりリーン側で略同一となるときの前
    記触媒の酸素保持量を全酸素保持量として記憶する手段
    を有し、前記反応速度を、この全酸素保持量、前記触媒
    に流入する排気の過剰酸素濃度および現在の前記触媒酸
    素保持量に基づいて演算することを特徴とする請求項７
    に記載のエンジンの排気浄化装置。
  9. 【請求項９】前記触媒下流の空燃比を検出する手段を有
    し、この手段により検出される前記触媒下流の空燃比が
    ストイキからリーンに変化したときの前記触媒酸素保持
    量で前記記憶手段に記憶されている最大有効酸素保持量
    を更新するとともに、この更新された最大有効酸素保持
    量に基づいて前記全酸素保持量を推定し、この推定され
    た全酸素保持量で前記記憶手段に記憶されている全酸素
    保持量を更新することを特徴とする請求項７に記載のエ
    ンジンの排気浄化装置。
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