JP2003065038A

JP2003065038A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003065038A
Application number: JP2001251501A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kato; 直人加藤; Yutaka Sawada; 裕沢田; Toshinari Nagai; 俊成永井; Takahiro Uchida; 孝宏内田; Akihiro Katayama; 章弘片山; Yasuhiro Kuze; 泰広久世
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を推定する際に
排気浄化率の低下や運動性能の悪化を招くことを抑止し
つつ、酸素吸蔵作用を利用して効果的な排気浄化を行う
ことのできる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排
気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段
１８、排気浄化触媒２０の下流側の排気空燃比を検出す
る下流側空燃比検出手段２５、空燃比を強制的に振動さ
せて推定した酸素吸蔵量と検出された下流側排気空燃比
とに基づいて酸素吸蔵能力を推定する吸蔵能力推定手段
１８、及び、過去に推定された酸素吸蔵能力に基づいて
予測される酸素吸蔵量の挙動と吸蔵量推定手段１８によ
って推定された実際の酸素吸蔵量との間に不整合が生じ
たときに吸蔵能力推定手段１８による酸素吸蔵能力の実
行を許可する吸蔵能力推定許可手段１８を備えたことを
特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気浄化触媒の酸
素吸蔵作用を利用して排気ガスの浄化を行う内燃機関の
排気浄化触媒に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物NO
x、一酸化炭素CO、炭化水素HCなどの物質は、排気通路
上に配設された三元触媒によって浄化されている（ディ
ーゼルエンジンでは、上述した有害物質に加えて粒子状
物質も浄化する四元触媒も用いられる）。このような三
元触媒などの排気浄化触媒が有している酸素吸蔵作用を
利用して、有害物質の浄化率をより一層向上させる空燃
比制御が従来から検討されている。酸素吸蔵作用を利用
して排気浄化を行う場合、排気浄化触媒の状態を正確に
把握することが重要であり、排気浄化触媒の持つ酸素吸
蔵量や酸素吸蔵能力（排気浄化触媒が吸蔵し得る最大の
酸素吸蔵量、最大酸素吸蔵量や酸素吸蔵可能量とも言わ
れる）を検出（推定）している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな排気浄化触媒の酸素吸蔵作用を利用した排気浄化を
より一層効果的に行うべく更なる改良研究を進め、本発
明を創出するに至った。即ち、本発明の目的は、排気浄
化触媒の酸素吸蔵能力を推定する際に排気浄化率の低下
や運動性能の悪化を招くことを抑止しつつ、酸素吸蔵作
用を利用して効果的な排気浄化を行うことのできる内燃
機関の排気浄化装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】第一発明の内燃機関の排
気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配設された排気浄
化触媒の酸素吸蔵作用を利用して排気浄化を行うもの
で、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定す
る吸蔵量推定手段、排気浄化触媒の下流側の排気空燃比
を検出する下流側空燃比検出手段、空燃比を強制的に振
動させたときに吸蔵量推定手段によって推定された酸素
吸蔵量と下流側空燃比検出手段によって検出された排気
空燃比とに基づいて酸素吸蔵能力を推定する吸蔵能力推
定手段、及び、吸蔵能力推定手段によって過去に推定さ
れた酸素吸蔵能力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙
動と吸蔵量推定手段によって推定された実際の酸素吸蔵
量との間に不整合が生じたときに吸蔵能力推定手段によ
る酸素吸蔵能力の実行を許可する吸蔵能力推定許可手段
を備えたことを特徴としている。

【０００５】また、第二発明の内燃機関の排気浄化装置
は、内燃機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の酸
素吸蔵作用を利用して排気浄化を行うもので、排気浄化
触媒に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定
手段、排気浄化触媒の下流側の排気空燃比を検出する下
流側空燃比検出手段、及び、空燃比を強制的に振動させ
たときに吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量
と下流側空燃比検出手段によって検出された排気空燃比
とに基づいて酸素吸蔵能力を推定する吸蔵能力推定手段
を備えており、吸蔵能力推定手段によって過去に推定さ
れた酸素吸蔵能力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙
動と吸蔵量推定手段によって推定された実際の酸素吸蔵
量との間の偏差が所定の許容範囲内であるときには、吸
蔵能力検出手段が、空燃比を強制的に振動させつつ酸素
吸蔵能力を推定する制御を行う必要はないと判断するこ
とを特徴としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の排気浄化装置の実施形態
について、図面を参照しつつ以下に説明する。図１に、
本実施形態の排気浄化装置を有する内燃機関の構成図を
示す。

【０００７】本実施形態の空燃比制御装置は、内燃機関
であるエンジン１の空燃比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。

【０００８】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Ga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Ga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Gaを検出するためのエアフローメーター
１３も取り付けられている。エアフローメーター１３
は、吸入空気の温度を検出する吸気温センサとしても機
能する。

【０００９】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。

【００１０】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、エアフローメーター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。ＥＣＵ１８には、ア
クセル開度を検出するアクセルポジションセンサ１９
や、排気通路７上に配設された排気浄化触媒２０の温度
を測定する触媒温度検出手段としての触媒温度センサ２
１、チャコールキャニスタ２２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２３も接続されている。

【００１１】また、ＥＣＵ１８には、排気浄化触媒２０
の上流側に取り付けられた上流側空燃比センサ２４及
び、排気浄化触媒２０の下流側に取り付けられた下流側
空燃比センサ２５も接続されている。上流側空燃比セン
サ２４は、排気浄化触媒２０の上流側空燃比を検出する
上流側空燃比検出手段として機能し、下流側空燃比セン
サ２５は、排気浄化触媒２０の下流側空燃比を検出する
下流側空燃比検出手段として機能する。本実施形態にお
いては、これらの空燃比センサ２４，２５は、それぞれ
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
比を検出するＯ₂センサ（酸素センサ）である。なお、
これらの空燃比センサ２４，２５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
から供給される電力によって昇温される。

【００１２】さらに、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や
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等を有している。ＥＣＵ１８は、排気浄化触媒
２０に吸蔵されている酸素量を酸素吸蔵量O2SUMとして
推定する吸蔵量推定手段や、この酸素吸蔵量O2SUMの履
歴から酸素吸蔵能力を推定する吸蔵能力推定手段として
機能する。

【００１３】以下に、酸素吸蔵量及び酸素吸蔵能力の推
定について簡単に説明する。

【００１４】まず、酸素吸蔵作用について簡単に説明す
る。排気浄化触媒２０として用いられる三元触媒は、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。酸素吸蔵作用を利用するこ
とによって、入ガスの排気空燃比がリーンの時は、排気
ガス中の酸素を排気浄化触媒２０で吸蔵して還元雰囲気
寄りの状態を形成させて余剰の窒素酸化物NOxの還元
（排気ガス浄化）を促進することができる。一方、入ガ
スの排気空燃比がリッチの時は、吸蔵しておいた酸素を
放出して余剰の一酸化炭素COや炭化水素HCを酸化して排
気ガス浄化を促進させることができる。このように、酸
素を吸蔵・放出する性質を利用して、排気ガスの浄化率
を向上させることができる。

【００１５】このとき、上述したように、排気浄化触媒
２０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、排気浄化触媒２
０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。

【００１６】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
の目標値を酸素吸蔵能力の範囲内に設定し、酸素吸蔵量
がこの目標値となるように制御する。この制御では、排
気浄化触媒２０が吸蔵している酸素吸蔵量を推定すると
共に、この推定された酸素吸蔵量の履歴を用いて酸素吸
蔵能力も推定している。なお、酸素吸蔵能力は排気浄化
触媒２０の状態（温度や劣化状態など）によって変化し
得る。

【００１７】排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定に関
する、各制御量の時間的変化の例を図２に示す。酸素吸
蔵量O2SUMは、上流側空燃比センサ２４によって検出さ
れる排気浄化触媒２０の上流側の排気空燃比AFと理論空
燃比AFstとの差ΔAF=(AF-AFst)から、排気浄化触媒２０
に吸蔵される、あるいは、排気浄化触媒２０から放出さ
れる酸素の吸蔵・放出量O2ADを推定し、これを積算して
いくことによって得られる。ここでは、吸蔵・放出量O2
ADが正の値の時は酸素が排気浄化触媒２０に吸蔵され、
負の値の時は酸素が放出されるものとする。

【００１８】なお、本実施形態においては、酸素吸蔵量
O2SUMは、ある時点（例えばイグニションオン時）を基
準（O2SUM=0）として算出される。即ち、酸素吸蔵量O2S
UMは、排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵される場合は加算
され、放出される場合は減算される。上述したある時点
で排気浄化触媒２０が既に酸素を吸蔵している場合もあ
るので、酸素吸蔵量O2SUMは正の値だけでなく、負の値
も取り得る。あるいは、ある時点での酸素吸蔵量O2SUM
を基準（O2SUM=0）とし、これに従って更新された後に
イグニッションオフ時にＥＣＵ１８内に保存されるよう
にしてもよい。この場合は、イグニッションオン時に保
存されている値を再度読み込んで、その値から再度更新
を開始する。

【００１９】まず、酸素吸蔵量O2SUMの算出について、
図３に示されるフローチャートに基づいて説明する。ま
ず、上流側空燃比センサ２４によって排気浄化触媒２０
への入ガスの排気空燃比AFを検出し、この排気空燃比AF
と理論空燃比AFstとの差ΔAF=(AF-AFst)をＥＣＵ１８に
おいて求める。一方、エアフローメーター１３によって
吸入空気量Gaを検出し、この吸入空気量Gaと空燃比差Δ
AFとから、排気浄化触媒２０に吸蔵・放出される酸素の
吸蔵・放出量O2ADを算出する（ステップ１００）。この
吸蔵・放出量O2ADの算出は、ＥＣＵ１８内のマップから
求めたり、ＥＣＵ１８に記憶させた計算式を用いて算出
するなどすれば良い。

【００２０】ステップ１００の後、下流側排気空燃比の
リーンフラグXleanがオンで、かつ、算出した吸蔵・放
出量O2ADが正の値であるか否かを判定する（ステップ１
１０）。なお、下流側排気空燃比のリーンフラグXlean
及びリッチフラグXrichについては追って詳述するが、
リーンフラグXlean及びリッチフラグXrichは、排気浄化
触媒２０の下流側の排気空燃比がリーンの時はリーンフ
ラグXleanがオンとされ、リッチの時はリッチフラグXri
chがオンとされるものである。

【００２１】ステップ１１０において、下流側排気空燃
比のリーンフラグXleanがオンということは、排気浄化
触媒２０からの出ガスの排気空燃比がリーンで酸素量が
余剰であるということである。また、吸蔵・放出量O2AD
が正の値であるということは、排気浄化触媒２０への入
ガスには、吸蔵し得る酸素が含まれている状態であると
言える。従って、ステップ１１０が肯定される場合は、
排気浄化触媒２０への入ガスには吸蔵し得る酸素が含ま
れているにもかかわらず、排気浄化触媒２０は既に限界
まで酸素を吸蔵しており、それ以上酸素を吸蔵できない
状態である。

【００２２】このため、ステップ１１０が肯定される場
合は、そのままこのルーチンを終了し、排気浄化触媒２
０の酸素吸蔵量O2SUMを更新しない。ステップ１１０が
肯定されているときに酸素吸蔵量O2SUMを更新してしま
うと、実際には吸蔵できない酸素を吸蔵したとしてしま
うので、このように酸素吸蔵量O2SUMの更新を禁止す
る。ステップ１１０が否定される場合は、今度は、下流
側排気空燃比のリッチフラグXrichがオンで、かつ、算
出した吸蔵・放出量O2ADが負の値であるか否かを判定す
る（ステップ１２０）。

【００２３】下流側排気空燃比のリッチフラグXrichが
オンということは、排気浄化触媒２０からの出ガスの排
気空燃比がリッチで酸素量が不足している状態というこ
とである。また、吸蔵・放出量O2ADが負の値であるとい
うことは、排気浄化触媒２０への入ガスの排気空燃比が
リッチであり排気浄化触媒２０が吸蔵している酸素を放
出させて排気ガスを浄化すべき状態であると言える。従
って、ステップ１２０が肯定される場合は、排気浄化触
媒２０への入ガスは排気浄化触媒２０から放出される酸
素によって浄化される状態であるにもかかわらず、排気
浄化触媒２０は既に酸素を放出しきっており、それ以上
酸素を放出することができない状態である。

【００２４】このため、ステップ１２０が肯定される場
合は、それ以上、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量O2SUM
を更新しない。ステップ１２０が肯定されているときに
酸素吸蔵量O2SUMを更新してしまうと、実際には放出で
きない酸素を放出したとしてしまうので、このように酸
素吸蔵量O2SUMの更新を禁止する。ステップ１２０も否
定された場合は、上述したように、入ガス中に吸蔵でき
る酸素があるのに酸素を吸蔵しきっている状態や酸素を
放出すべきであるのに酸素を放出しきっている状態では
ないので、算出された吸蔵・放出量O2ADを用いて酸素吸
蔵量O2SUMを更新する（ステップ１３０）。

【００２５】このように、酸素吸蔵量O2SUMを吸蔵・放
出量O2ADを用いて更新する（ステップ１１０又はステッ
プ１２０が肯定される場合は更新は禁止されるが）こと
によって、排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素量を
常に正確に推定することができる。このようにして生成
された酸素吸蔵量O2SUMの履歴が、図２のタイミングチ
ャートの上段に示されている。逐次更新される酸素吸蔵
量O2SUMは、ＥＣＵ１８内に記憶される。

【００２６】次いで、酸素吸蔵量O2SUMの上限値O2SUMma
x及び下限値O2SUMminの算出について、図４に示すフロ
ーチャートに基づいて説明する。

【００２７】なお、上述したように酸素吸蔵量O2SUMが
ある時点を基準としているため、本実施形態において
は、上限値O2SUMmax及び下限値O2SUMminもこの時点を基
準とする。即ち、酸素吸蔵量O2SUMの基準（O2SUM=0）が
規定される時点では、O2SUMmax=O2SUMmin=0である。

【００２８】まず、図２のタイミングチャート中の下段
に示されるように、下流側空燃比センサ２５の出力電圧
VO2が、予め定められたリーン側閥値Vlean（ここでは、
具体的には0.3V）未満であるか否かを判定する（ステッ
プ２００）。出力電圧VO2がリーン側閥値Vlean未満であ
るということは、排気浄化触媒２０がその酸素吸蔵能力
の限界まで酸素を吸蔵しているので、それ以上吸蔵する
ことができない状態であると考えられる。このため、ス
テップ２００が肯定される場合は、酸素吸蔵量O2SUMが
上限に達しているとして、その時点の酸素吸蔵量O2SUM
を上限値O2SUMmaxとしてＥＣＵ１８内に記憶する。ま
た、排気浄化触媒２０の下流側排気空燃比の状態を示す
フラグについては、リーンフラグXleanをオンにセット
し、リッチフラグXrichをオフにセットする（ステップ
２１０）。

【００２９】ステップ２００が否定される場合は、下流
側空燃比センサ２５の出力電圧VO2が、予め定められた
リッチ側閥値Vrich（ここでは、具体的には0.7V）を超
えているか否かを判定する（ステップ２２０）。出力電
圧VO2がリッチ側閥値Vrichを超えているということは、
排気浄化触媒２０が酸素を吸蔵しておらず、それ以上酸
素を放出できない状態であると考えられる。このため、
ステップ２２０が肯定される場合は、酸素吸蔵量O2SUM
が下限に達しているとして、その時点の酸素吸蔵量O2SU
Mを下限値O2SUMminとしてＥＣＵ１８内に記憶する。ま
た、排気浄化触媒２０の下流側排気空燃比の状態を示す
フラグについては、リーンフラグXleanをオフにセット
し、リッチフラグXrichをオンにセットする（ステップ
２３０）。

【００３０】ステップ２２０が否定される場合は、下流
側空燃比センサ２５の出力電圧VO2が、リーン側閥値Vle
anとリッチ側閥値Vrichとの間にある（Vlean≦VO2≦Vri
ch）ので、排気浄化触媒２０からの出ガスの排気空燃比
はリーンでもリッチでもなく、理論空燃比近傍にあると
みなせる。この場合は、リーンフラグXlean・リッチフ
ラグXrich共オフにする（ステップ２４０）。

【００３１】上述したように、酸素吸蔵量O2SUMの履歴
が逐次更新され、この履歴と下流側空燃比センサ２５の
出力とから上限値O2SUMmax及び下限値O2SUMminが更新さ
れていく。このため、上限値O2SUMmaxと下限値O2SUMmin
との差(O2SUMmax-O2SUMmin)をとれば、排気浄化触媒２
０の吸蔵し得る最大限の酸素量（酸素吸蔵能力）を得る
ことができる。そして、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量
力(O2SUMmax-O2SUMmin)は、排気浄化触媒２０の状態
（温度や劣化状態など）に依存して変動するが、上限値
O2SUMmax及び下限値O2SUMminが常に更新されるので、常
に最適な値に維持される。そして、この上限値O2SUMmax
と下限値O2SUMminとの差(O2SUMmax-O2SUMmin)を算出す
るＥＣＵ１８は、酸素吸蔵能力を推定する吸蔵能力推定
手段としても機能している。

【００３２】なお、ここでは、上述した上限値O2SUMmax
及び下限値O2SUMminから酸素吸蔵量O2SUMの目標値O2SUM
ref=(O2SUMmax+O2SUMmin)/2を設定し、この目標値O2SUM
refから燃料噴射量の補正係数KAFをＥＣＵ８内に保存さ
れたマップに基づいて決定し、空燃比制御に適用する。
具体的には、実際にインジェクタ５によって噴射される
燃料噴射量（あるいは、燃料噴射のためのインジェクタ
５の開弁時間）TAUに対して次式のように補正をするこ
とになる。TAU=TAUP×KAF×α+β

【００３３】ここで、TAUPは、吸入空気量Gaとエンジン
回転数NEとから求められる基本燃料噴射量である。この
基本燃料噴射量TAUPを上述した補正係数KAFやその他の
各種補正係数α，βで補正することによって、最終的な
燃料噴射量TAUが決定される。上述した補正係数α，β
の一例としては、空燃比フィードバック係数FAFがよく
知られている。この燃料噴射量TAUを制御することによ
ってエンジン１の吸入空燃比が制御される。ここでは、
ＥＣＵ１８は吸入空燃比を制御する吸入空燃比制御手段
としても機能している。なお、上述した補正係数KAF以
外の各種補正係数α，βについての詳しい説明は省略す
る。このように補正係数KAFを用いて燃料噴射量を補正
することによって、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量O2SU
Mが目標値O2SUMrefとなるようにフィードバック制御が
行われる。

【００３４】上述した説明は、通常の空燃比制御中に行
われる酸素吸蔵量O2SUM及び酸素吸蔵能力の推定制御に
ついてである。即ち、酸素吸蔵能力の算出に必要な酸素
吸蔵量O2SUMの上限値O2SUMmax及び下限値O2SUMminは成
り行きで検出・更新される。しかし、このように成り行
きで測定すると、上限値O2SUMmax及び下限値O2SUMminの
一方が検出・更新されてから他方が検出・更新されるま
でに時間がかかる場合がある。このような場合は、両者
が検出・更新される間に排気浄化触媒２０の状況（温度
や劣化具合など）が変わり得るので、両者から算出され
る酸素吸蔵能力は正確でないことも懸念される。

【００３５】そこで、本実施形態の排気浄化装置におい
ては、空燃比を強制的にリーン側にして上限値O2SUMmax
を検出し、さらに連続して空燃比をリッチ側にして下限
値O2SUMminを算出することによって酸素吸蔵能力を検出
することも行えるようになっている。即ち、強制的に空
燃比を振動させることによって、より正確に酸素吸蔵能
力を検出・更新するモードを備えている。以下、このモ
ードを強制振動モードと言うこととする。なお、空燃比
の振動は、リーンからリッチにしても、リッチからリー
ンにしても構わない。このように、空燃比を強制的に振
動させる場合には、上述した酸素吸蔵量O2SUMの目標値O
2SUMrefによる制御は一時停止する。

【００３６】なお、本実施形態のように、成り行きによ
る酸素吸蔵能力の検出・更新と空燃比を強制的に振動さ
せることによる酸素吸蔵能力の検出・更新を併用せず
に、空燃比を強制的に振動させることによってのみ酸素
吸蔵能力の検出・更新を行うような制御を行っても良
く、本発明はこのような制御を行う場合にも適用できる
ものである。

【００３７】ただし、このように空燃比を強制的に振動
させることによって酸素吸蔵能力を検出する場合は、排
気浄化に適した空燃比制御ではなくなるので、排気浄化
効率の低下が懸念される。また、内燃機関が搭載された
車両の運動性能に適した空燃比制御でもなくなるので、
運動性能の悪化を招くことも懸念される。このため、必
要でないならば、強制振動モードによる酸素吸蔵能力の
検出はできるだけ控えたい。しかし、より正確な酸素吸
蔵能力は必要である。本実施形態の排気浄化装置はこれ
をバランス良く両立させることのできるものである。

【００３８】本実施形態の排気浄化装置によれば、空燃
比を強制的に振動させて行う酸素吸蔵能力の検出は、必
要であると思われるときにのみ実行が許可される。酸素
吸蔵能力の検出が必要でないと思われるときには、空燃
比を強制的に振動させて行う酸素吸蔵能力の検出は行わ
れない。空燃比を強制的に振動させて行う酸素吸蔵能力
の検出が必要であると思われるときとは、過去に推定さ
れた（それまで使用していた最新の）酸素吸蔵能力に基
づいて予測される酸素吸蔵量の挙動と、実際に推定・更
新されている酸素吸蔵量O2SUMの挙動との間の偏差が所
定の許容範囲外となったときである。逆に言えば、それ
まで使用していた酸素吸蔵能力に基づいて予測される酸
素吸蔵量の挙動と、実際に推定・更新されている酸素吸
蔵量O2SUMの挙動との間の偏差が所定許容範囲内であれ
ば、空燃比を強制的に振動させて行う酸素吸蔵能力の検
出は必要でないと判断できる。

【００３９】本実施形態の排気浄化装置による酸素吸蔵
能力算出制御のフローチャートを図５に示す。図５に示
されるフローチャートは、所定時間ごとに繰り返し実行
されている。

【００４０】まず、強制振動モードを用いた酸素吸蔵能
力の検出要求が既に生成されているか否かを判断する
（ステップ５００）。検出要求の生成は後述するステッ
プ５７０において生成されるので、検出要求については
ステップ５７０の説明時に詳しく説明する。ステップ５
００において検出要求が生成されている場合は、強制振
動モードによって酸素吸蔵能力を検出するための基本条
件が成立しているか否かを判定する（ステップ５１
０）。例えば、エンジン１に対して全開加速が要求され
ているような状況では、空燃比を振動させるようなこと
はできない。ここに言う基本条件とは、このような空燃
比の強制振動を行うのに適しない状況にないことを確認
するための条件である。

【００４１】ステップ５１０が肯定される場合は、空燃
比を強制的に振動させて酸素吸蔵量O2SUMの上限値O2SUM
maxと下限値O2SUMminを更新して酸素吸蔵能力を新たに
算出・更新する（ステップ５２０）。一方、ステップ５
１０が否定される場合は、強制振動モードによる酸素吸
蔵能力の検出に適しない状況であると判断できるので、
この場合はそのまま図５に示されるフローチャートを一
旦終了する。しかし、この場合は、検出要求はそのまま
残るので、強制振動モードによる酸素吸蔵能力の検出に
適しない状況が解消されれば、そのうちステップ５１０
が肯定されるようになる。ステップ５２０において新た
な酸素吸蔵能力の検出された場合は、検出要求がクリア
される（ステップ５３０）。

【００４２】一方、最初のステップ５００が否定される
場合は、上述したように酸素吸蔵量O2SUMが推定される
（ステップ５４０）。そして、この推定された酸素吸蔵
量O2SUMの挙動と、その時点で有効な酸素吸蔵能力に基
づいて予想される酸素吸蔵量の挙動とが整合しているか
を判定する（ステップ５５０）。両者が整合しているか
否かの判断基準は種々設定し得るが、本実施形態では、
両者の偏差が所定範囲内であるか否かで整合しているか
不整合かを判断している。

【００４３】ステップ５５０が肯定される場合は、両者
は整合しており、これまで使用していた酸素吸蔵能力が
依然として正確であると判断できるので、酸素吸蔵能力
を新たに検出する必要はないとして図５のフローチャー
トを抜ける。ステップ５５０が否定される場合は、推定
された酸素吸蔵量O2SUMの挙動と予想された酸素吸蔵量
の挙動とが整合していない、即ち、それまで使用してい
た酸素吸蔵能力が既に実際の排気浄化触媒２０の状況と
一致していないと判断できるので、まず、強制振動モー
ドによって酸素吸蔵能力の検出を許可する（ステップ５
６０）。

【００４４】そして、本実施形態においては、推定され
た酸素吸蔵量O2SUMの挙動と予想された酸素吸蔵量の挙
動とが不整合であるとステップ５５０で判断される場合
は、この両者の偏差が所定の許容範囲外であるので、酸
素吸蔵量の更新が必要であると判断して検出要求が生成
される（ステップ５７０）。ステップ５７０の後、図５
に示されるフローチャートを一旦抜けるが、このフロー
チャートの制御は所定時間毎に繰り返し実行されている
ので次回の実行時にはステップ５００が肯定されること
になる。

【００４５】具体的な事例について、図２を参照しつつ
説明しする。なお、図２のタイミングチャートは強制振
動モードによる酸素吸蔵能力の検出ではなく、成り行き
による酸素吸蔵能力の検出についての説明時に用いたも
のであるが、これを例にして説明する。例えば、図２中
のＡ点においては、実際に推定されている酸素吸蔵量O2
SUMが、それまで使用していた酸素吸蔵能力の上限値
（酸素吸蔵量O2SUMの上限値でもある）に達しても下流
側空燃比センサ２５の出力はリーンを示さない。それま
で使用していた酸素吸蔵能力に基づいて予測される酸素
吸蔵量の挙動によれば、酸素吸蔵量はこのＡ点で上限に
達するはずであり、ズレが生じている。

【００４６】それまで使用していた酸素吸蔵能力に基づ
いて予測される酸素吸蔵量の挙動によれば、Ａ点で下流
側空燃比センサ２５の出力がリーンを示し、Ａ点からは
酸素吸蔵量の更新停止が行われて横ばいとなるはずであ
る。しかし、実際には、少し遅れて下流側空燃比センサ
２５がリーンを示すまでは酸素吸蔵量O2SUMは増加し、
下流側空燃比センサ２５がリーンを示したところで更新
停止される。このときの偏差が、所定の許容範囲内であ
れば整合していると判断され、所定の許容範囲外であれ
ば不整合であると判断される。

【００４７】本実施例の場合、不整合であると判断され
た場合、第一発明によって強制振動モードによる酸素吸
蔵能力の検出が許可される。このとき、第一発明自体の
定義では実行が許可されるだけであり、実際に実行され
るか否かは問わない。しかし、本実施形態では、図５の
フローチャートにおけるステップ５７０にあるように、
第二発明によって強制振動モードによる酸素吸蔵能力の
検出を実行すべく検出要求も生成される。

【００４８】逆に言えば、上述した偏差が所定範囲内で
ある場合は、強制振動モードによる酸素吸蔵能力の推定
（更新）は必要ないと判断され、強制振動モードによる
酸素吸蔵能力の推定（更新）は行われない。もちろん、
その後に上述した偏差が所定範囲外となった場合は、強
制振動モードによる酸素吸蔵能力の推定（更新）が必要
であると判断され、強制振動モードによる酸素吸蔵能力
の推定（更新）が行われる。

【００４９】同様に、図２中のＢ点について説明する。
図２中のＢ点においては、実際に推定されている酸素吸
蔵量O2SUMが、それまで使用していた酸素吸蔵能力の下
限値（酸素吸蔵量O2SUMの下限値でもある）に達する以
前に下流側空燃比センサ２５の出力がリッチを示してい
る。それまで使用していた酸素吸蔵能力に基づいて予測
される酸素吸蔵量の挙動によれば、酸素吸蔵量はこのＢ
点ではまだ下限に達していないはずであり、ズレが生じ
ている。

【００５０】そして、それまで使用していた酸素吸蔵能
力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙動は、Ｂ点の後
もそれまで使用していた酸素吸蔵能力の下限値に達する
までは減少をつづける。しかし、実際には、下流側空燃
比センサ２５がリッチを示して酸素吸蔵量O2SUMの更新
は停止される。（このとき、酸素吸蔵量O2SUMの下限
値、即ち、酸素吸蔵能力の下限値が更新される。ただ
し、このとき酸素吸蔵能力の下限値が更新されるのは、
強制振動モードによる検出によって更新されるのではな
い。）この両者の偏差が、所定の許容範囲内であれば整
合していると判断され、所定の許容範囲外であれば不整
合であると判断される。

【００５１】さらに、同様に、図２中のＣ点について説
明する。図２中のＣ点においては、実際に推定されてい
る酸素吸蔵量O2SUMが、それまで使用していた酸素吸蔵
能力の下限値（酸素吸蔵量O2SUMの下限値でもある）に
達しても下流側空燃比センサ２５の出力はリッチを示さ
ない。それまで使用していた酸素吸蔵能力に基づいて予
測される酸素吸蔵量の挙動によれば、酸素吸蔵量はこの
Ｃ点で下限に達するはずであり、ズレが生じている。

【００５２】そして、それまで使用していた酸素吸蔵能
力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙動によれば、Ｃ
点で下流側空燃比センサ２５の出力がリッチを示して、
Ｃ点からは酸素吸蔵量の更新停止が行われて横ばいとな
るはずである。しかし、実際には、少し遅れて下流側空
燃比センサ２５がリッチを示すまでは酸素吸蔵量O2SUM
は減少し、下流側空燃比センサ２５がリッチを示したと
ころで更新停止される。このときの偏差が、所定の許容
範囲内であれば整合していると判断され、所定の許容範
囲外であれば不整合であると判断される。

【００５３】それまで使用していた酸素吸蔵能力に基づ
いて予測する酸素吸蔵量の挙動を、このように酸素吸蔵
能力の上下限値近傍で予測することによって、下流側空
燃比センサの出力を利用することができる。この結果、
不整合が生じているのか否か、あるいは、上述した偏差
が所定の許容範囲内であるのか否かをより正確に判断す
ることができる。これによって、最終的には排気浄化性
能を向上させることができる。

【００５４】本発明の空燃比制御装置は、上述した実施
形態のものに限定されない。例えば、上述した実施形態
においては、ある時点での酸素吸蔵量O2SUMを基準(O2SU
M=0)に対して酸素吸蔵量O2SUMの履歴を更新した。この
ため、酸素吸蔵量O2SUMは、正の値も負の値も取り得る
ものであった。しかし、排気浄化触媒２０が酸素を放出
しきった状態を検出して、この点を基準(O2SUM=0：下限
値)にしてもよい。この場合は、酸素吸蔵量O2SUMは正の
値のみをとることになり、上限値O2SUMmaxのみが設定さ
れることになる。このように、上限値O2SUMmaxと下限値
O2SUMminとで制御せずに、上限値O2SUMmax側のみ（下限
値は0に固定）で制御することも考え得る。

【００５５】また、上述した実施形態では、予測された
酸素吸蔵量と実際の酸素吸蔵量O2SUMとの間に不整合が
あるか否かを、予測される酸素吸蔵量と実際の酸素吸蔵
量O2SUMとの偏差が許容範囲内であるか否かで判断し
た。しかし、両者にズレが存在していれば直ぐに不整合
であると判断してもよい。このような場合は、まず、ズ
レがある時点で実行が許可される（第一発明）。そし
て、そのズレが許容範囲内であれば、強制振動モードに
よる酸素吸蔵量の推定（更新）は行われず、許容範囲外
であれば、強制振動モードによる酸素吸蔵量の推定（更
新）が行われる（第二発明）。このような制御とするこ
ともできる。

【００５６】また、上述した実施形態においては、上流
側空燃比センサ２４の出力から酸素吸蔵量O2SUMを更新
したが、これに限定されるものではない。例えば、吸入
空気量Gaと燃料噴射量TAUとから排気浄化触媒２０の酸
素吸蔵量O2SUMを更新するなど、他の手法によってもよ
い。

【００５７】

【発明の効果】第一発明の内燃機関の排気浄化装置は、
吸蔵能力推定手段によって過去に推定された酸素吸蔵能
力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙動と吸蔵量推定
手段によって推定された実際の酸素吸蔵量との間に不整
合が生じたときには、吸蔵能力推定許可手段によって吸
蔵能力推定手段による酸素吸蔵能力の実行が許可され
る。予測された酸素吸蔵量と推定された実際の酸素吸蔵
量とが整合しているのであれば酸素吸蔵量の更新は必要
ないと思われる一方、不整合であれば更新が必要である
と思われる。このような更新が必要である場合にのみ更
新が許可されるようにすることによって不要な更新に伴
う空燃比の強制振動を回避し、排気浄化率の低下や運動
性能の悪化を招くことを抑止しつつ、酸素吸蔵作用を利
用した効果的な排気浄化を行うことができる。

【００５８】第二発明の内燃機関の排気浄化装置は、吸
蔵能力推定手段によって過去に推定された酸素吸蔵能力
に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙動と吸蔵量推定手
段によって推定された実際の酸素吸蔵量との間の偏差が
所定の許容範囲内であるときは、吸蔵能力推定手段によ
って空燃比を強制的に振動させながら酸素能力の検出を
行う必要はないと判断する。予測された酸素吸蔵量と推
定された実際の酸素吸蔵量との間の偏差が所定の許容範
囲内であるのであれば酸素吸蔵量の更新は必要ないと思
われる。このような場合は、空燃比を強制的に振動させ
て酸素吸蔵能力を更新する必要はないと判断することに
よって不要な更新に伴う空燃比の強制振動を回避し、排
気浄化率の低下や運動性能の悪化を招くことを抑止しつ
つ、酸素吸蔵作用を利用した効果的な排気浄化を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空燃比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】三元触媒の酸素吸蔵量O2SUMと、その目標値O2S
UMref、及び、下流側空燃比センサ出力の様子を示すタ
イミングチャートである。

【図３】酸素吸蔵量O2SUMの更新制御のフローチャート
である。

【図４】酸素吸蔵能力（酸素吸蔵量O2SUMの上限値O2SUM
max及び下限値O2SUMmin）の更新制御を示すフローチャ
ートである。

【図５】強制振動モードによる酸素吸蔵能力更新制御の
フローチャートである。

【符号の説明】

１…エンジン（内燃機関）、１８…ＥＣＵ（吸蔵量推定
手段、吸蔵能力推定手段、吸蔵能力検出許可手段）、２
０…排気浄化触媒、２５…下流側空燃比センサ（下流側
の空燃比検出手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 41/14 Ｆ０２Ｄ 41/14 ３１０Ｃ 45/00 ３２２Ａ 45/00 ３２２３２２Ｆ３６８Ｇ３６８３７２Ｂ３７２３７２ＣＢ０１Ｄ 53/36 １０３Ｂ１０１Ｂ (72)発明者永井俊成愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者内田孝宏愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者片山章弘愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者久世泰広愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G084 AA03 BA05 BA09 BA13 BA15 BA17 BA24 DA04 DA10 DA27 EA11 EB01 EB04 EB05 EB11 EB16 EC04 FA02 FA07 FA10 FA20 FA25 FA26 FA27 FA28 FA30 FA33 FA38 3G091 AA02 AA17 AA23 AA28 AB03 BA01 BA14 BA15 BA19 BA32 CB01 CB02 CB07 DA01 DA02 DA10 DB06 DB07 DB10 DB13 DC00 DC01 DC02 DC06 EA01 EA05 EA07 EA12 EA15 EA16 EA18 EA30 EA31 EA34 FB10 FB11 FB12 FC04 GA06 GB04W GB10W HA36 HA37 HA39 HA42 HB08 3G301 HA01 HA06 JA03 JA04 JA08 JA25 JA26 JB09 LA03 LB02 MA01 MA11 MA18 NA06 NA07 NA08 NA09 NB11 NB12 ND01 ND21 ND24 ND39 NE01 NE06 NE13 NE14 NE15 PA01B PA01Z PA10B PA10Z PA11B PA11Z PC08B PC08Z PD01B PD01Z PD09B PD09Z PD12B PD12Z PE01B PE01Z PE03B PE03Z PE08B PE08Z PF03B PF03Z 4D048 AA06 AA13 AA18 AB07 DA01 DA02 DA20 EA04

Claims

【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
化触媒の酸素吸蔵作用を利用して排気浄化を行う内燃機
関の排気浄化装置であって、前記排気浄化触媒に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定す
る吸蔵量推定手段、前記排気浄化触媒の下流側の排気空燃比を検出する下流
側空燃比検出手段、空燃比を強制的に振動させたときに前記吸蔵量推定手段
によって推定される酸素吸蔵量と前記下流側空燃比検出
手段によって検出された排気空燃比とに基づいて酸素吸
蔵能力を推定する吸蔵能力推定手段、及び、前記吸蔵能力推定手段によって過去に推定された酸素吸
蔵能力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙動と前記吸
蔵量推定手段によって推定された実際の酸素吸蔵量との
間に不整合が生じたときに前記吸蔵能力推定手段による
酸素吸蔵能力の実行を許可する吸蔵能力推定許可手段を
備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】内燃機関の排気通路に配設された排気浄
化触媒の酸素吸蔵作用を利用して排気浄化を行う内燃機
関の排気浄化装置であって、前記排気浄化触媒に吸蔵されている酸素吸蔵量を推定す
る吸蔵量推定手段、前記排気浄化触媒の下流側の排気空燃比を検出する下流
側空燃比検出手段、及び、空燃比を強制的に振動させたときに前記吸蔵量推定手段
によって推定された酸素吸蔵量と前記下流側空燃比検出
手段によって検出された排気空燃比とに基づいて酸素吸
蔵能力を推定する吸蔵能力推定手段を備えており、前記吸蔵能力推定手段によって過去に推定された酸素吸
蔵能力に基づいて予測される酸素吸蔵量の挙動と前記吸
蔵量推定手段によって推定された実際の酸素吸蔵量との
間の偏差が所定の許容範囲内であるときには、前記吸蔵
能力推定手段が、空燃比を強制的に振動させて酸素吸蔵
能力を推定する必要はないと判断することを特徴とする
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記吸蔵能力推定手段によって過去に推
定された酸素吸蔵能力に基づいて予測される酸素吸蔵量
の挙動が、過去に推定された酸素吸蔵能力の上下限値近
傍において予測される酸素吸蔵量の挙動であることを特
徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装
置。