JP2004300981A - Device for judging catalyst degradation - Google Patents

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Naoto Kato
直人 加藤
Toshinari Nagai
俊成 永井
Yasuhiro Oi
康広 大井
Koji Ide
宏二 井手
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To judge whether a three-way catalyst is degraded or not without impairing drivability. <P>SOLUTION: In the device for judging catalyst degradation, the rate CgoutO2(N) of effluent oxygen from a 1st catalyst is estimated on the basis of a catalyst model constructed on the assumption that the 1st catalyst is a fresh one. An air-fuel ratio feedback control is conducted on the basis of an air-fuel-ratio-sensor output Voxs on a downstream side. In the above control, in points in time (times t1-t4, t10-t60) where the output Voxs takes a 1st state (the output is in a state passing while a rich-side specific value Vrich being increased, or while a lean-side specified value Vlean being decreased), if the probability where the rate CgoutO2(N) takes a 2nd state (a state where the value is smaller than a negative threshold Crefmns, or the value is greater than a positive threshold Crefpls) is smaller than a specified value, the catalyst is determined to be degraded. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に配設された三元触媒が劣化したか否かを判定する触媒劣化判定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒(本明細書においては、単に「触媒」とも云うこともある。)が、同機関の排気通路に配設されている。この三元触媒は、酸素を貯蔵するOストレージ機能(酸素吸蔵機能)を有していて、流入するガスの空燃比がリッチである場合には貯蔵している酸素によりHC,CO等の未燃成分を酸化するとともに、流入するガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物(NOx)を還元して同NOxから奪った酸素を内部に貯蔵(吸蔵)する。これにより、三元触媒は、触媒に流入するガスの空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、未燃成分や窒素酸化物を浄化することができる。従って、三元触媒が貯蔵し得る酸素量(以下、「酸素吸蔵量」と称呼する。)の最大値(以下、「最大酸素吸蔵量」と称呼する。)が大きいほど、三元触媒の浄化能力は高い。
【0003】
ところで、触媒は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化する。その結果、触媒の酸素吸蔵機能は次第に低下する。即ち、触媒の劣化が進行するほど、同触媒の最大酸素吸蔵量は低下する。このことから、触媒の最大酸素吸蔵量が推定できれば、同推定した最大酸素吸蔵量に基づいて触媒が劣化したか否かを判定することができる。
【0004】
特許文献1に開示された触媒劣化判定装置は、このような知見に基づいたものであって、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比からリーン空燃比(又は、その逆)に強制的に変化させ、その際における触媒下流に配置した空燃比センサ(以下、「下流側空燃比センサ」と称呼する。)の出力に基づいて同触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、同推定した最大酸素吸蔵量に基づいて同触媒が劣化したか否かを判定するように構成されている。
【0005】
より具体的に述べると、上記開示された装置は、触媒上流の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御して酸素吸蔵量を「0」にしておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以上となって触媒下流の空燃比センサの出力がリーンへと変化するまでの時間と同触媒に単位時間当りに流入した酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。或いは、触媒上流の空燃比を所定のリーンな空燃比に制御して酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量としておき、その後、同触媒の空燃比を所定のリッチな空燃比に制御し、触媒の酸素吸蔵量が「0」となって触媒下流の空燃比センサの出力がリッチへと変化するまでの時間と同触媒内で単位時間当りに放出(消費)された酸素量とを乗じることで、同最大酸素吸蔵量を推定する。
【0006】
このように、上記開示された装置によれば、最大酸素吸蔵量を推定するために触媒に流入する酸素量、或いは触媒で消費される酸素量を計測する必要がある。この酸素量は機関の吸入空気量に基づいて計測される。従って、最大酸素吸蔵量を精度良く求めるためには、機関の吸入空気量が精度良く計測されなければならない。このため、上記触媒劣化度の判定は、吸入空気量が精度良く計測可能な運転状態で、即ち、機関が定常運転されているときに行われる必要がある。
【0007】
【特許文献1】
特開平5−133264号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関の定常状態が長時間継続する保証はないので、最大酸素吸蔵量の測定を短期間に終了させる必要があり、このため、前述した所定のリッチ空燃比と所定のリーン空燃比の差は比較的大きく設定されなければならない。この結果、かかる大きな空燃比変化に伴って機関の出力が変動し、ドライバビリティが悪化するという問題がある。また、機関の出力が安定している定常運転にあるときに空燃比の強制的変化が開始されるため、機関の出力変動が運転者に感知され易く、ドライバビリティの悪化が感知され易いという問題がある。
【0009】
従って、本発明の目的は、ドライバビリティを犠牲にすることなく、触媒が劣化しているか否かを精度良く判定し得る触媒劣化判定装置を提供することにある。
【0010】
【本発明の概要】
本発明の特徴は、内燃機関の排気通路に配設された触媒と、前記触媒よりも下流の前記排気通路に配設された空燃比センサと、を備えた内燃機関の排気浄化装置に適用され、前記触媒が劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化していない正常触媒であるか、劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化した劣化触媒であるかを判定する触媒劣化判定手段を備えた触媒劣化判定装置が、前記触媒が前記正常触媒であると想定した場合における同触媒内の反応を考慮して構築された触媒モデルに基づいて同触媒から流出するガス中の特定成分の量に関する値を推定する特定成分量推定手段を備え、前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比センサの出力値と前記推定された特定成分の量に関する値との関係が同空燃比センサの出力値と前記特定成分の量に関する値の実際値との間で得られるべき所定の相関関係から逸脱する程度が所定の程度以下であるとき前記触媒が前記正常触媒であると判定するとともに、同関係が同所定の相関関係から逸脱する程度が同所定の程度を超えるとき同触媒が前記劣化触媒であると判定するように構成されたことにある。
【0011】
ここにおいて、触媒から流出するガス中の特定成分の量に関する値は、例えば、特定成分の絶対量、又は特定成分の濃度等である。また、前記特定成分とは、例えば、一酸化炭素CO、炭化水素HC、窒素酸化物NOx等の触媒で浄化すべき成分や、酸素O(の過不足量)等のことを云う。
【0012】
この場合、前記本発明の特徴に係る触媒劣化判定装置は、前記空燃比センサの出力値又は前記推定された特定成分の量に関する値の何れかが所定の目標値となるように同何れかの値に基づいて前記触媒に流入するガスの空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段を備え、前記触媒劣化判定手段は、前記フィードバック制御中において前記触媒が前記正常触媒であるか前記劣化触媒であるかを判定するように構成されることが好適である。ここにおいて、前記触媒に流入するガスの空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段は、例えば、機関に供給される混合気の空燃比を制御させる手段であってもよく、或いは、同機関に供給される混合気の空燃比の制御を行うとともに、同触媒の上流の排気通路に備えられたノズル等から空気や燃料を供給することで同触媒に流入するガスの空燃比を制御する手段であってもよい。なお、機関に供給される混合気の空燃比を制御すれば、触媒に流入するガスの空燃比を制御することができる。
【0013】
触媒から流出するガスの空燃比は、同ガス中の酸化剤(例えば、窒素酸化物NOx、酸素O)の量が多くなっているとき(このとき同ガス中の還元剤(例えば、一酸化炭素CO、炭化水素HC)の量は微量となっている。)リーン空燃比となり、同ガス中の還元剤の量が多くなっているとき(このとき同ガス中の酸化剤の量は微量となっている。)リッチ空燃比となる。従って、前記ガス中の酸化剤の量及び還元剤の量(従って、前記特定成分の量(に関する値))は同ガスの空燃比に応じて変化する。よって、触媒下流の排気通路に配設された空燃比センサの出力値と同触媒から流出するガス中の特定成分の量に関する値(例えば、酸素の過不足量)の実際値とは所定の相関関係にあると云うことができる。
【0014】
ところで、発明者は、後に詳述するように、触媒内の反応(酸素吸蔵機能に基づく酸素吸蔵・放出反応)を考慮して構築された触媒モデルに基づいて同触媒から流出するガス中の特定成分の量(に関する値)を推定する手法を開発した。この触媒モデルに基づいて推定された特定成分の量に関する値と同触媒モデルが対象とする実際の触媒の下流の排気通路に配設された空燃比センサの出力値との関係が前記所定の相関関係にあるとき同触媒モデルは同実際の触媒内の反応を忠実に表していることを意味している。一方、前記推定された特定成分の量に関する値と前記空燃比センサの出力値との関係が前記所定の相関関係から逸脱しているとき触媒モデルは実際の触媒内の反応を忠実に表していないことを意味していると云える。
【0015】
また、前述のごとく、触媒の劣化が進行すると同触媒内の反応に影響を与える最大酸素吸蔵量が低下し、更には同触媒内の反応速度が変化する。従って、触媒内の反応の程度は同触媒の劣化の進行に応じて変化する。
【0016】
以上のことから、触媒モデルが対象とする実際の触媒が劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化していない正常触媒(例えば、新品の触媒)である(例えば、最大酸素吸蔵量が常に新品時点における値である)と想定した場合における同実際の触媒内の反応を考慮して同触媒モデルが構築されている場合を考える。そうすると、実際の触媒が前記正常触媒であるとき、触媒モデルは同実際の触媒内の反応を忠実に表し得るから同触媒モデルにより推定された特定成分の量に関する値と前記空燃比センサの出力値との関係は前記所定の相関関係から逸脱しない。一方、前記実際の触媒の劣化が前記正常触媒の劣化の程度から進行するにつれて、触媒モデルが表す反応の程度が実際の触媒内の反応の程度と異なるようになって同触媒モデルが同実際の触媒内の反応を忠実に表し得なくなるから前記推定された特定成分の量に関する値と前記空燃比センサの出力値との関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度が次第に大きくなる。
【0017】
従って、前記推定された特定成分の量に関する値と前記空燃比センサの出力値との関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度が或る所定の程度を超えるか否かに応じて前記実際の触媒が劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化した劣化触媒であるか否かを判定することができる。上記本発明の特徴に係る触媒劣化判定装置は、かかる現象を利用して触媒が正常触媒であるか劣化触媒であるかを判定するものである。
【0018】
これによれば、触媒の劣化判定を行うために機関が定常運転されているときに空燃比を強制的に変更する必要がなく、例えば、実質的な空燃比変化幅が小さい前述した空燃比フィードバック制御中に触媒の劣化判定が実行され得る。この結果、ドライバビリティを犠牲とすることなく触媒が正常触媒であるか劣化触媒であるかを判定することができる。
【0019】
上記何れかの触媒劣化判定装置においては、前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比センサの出力値又は前記推定された特定成分の量に関する値の一方の値が前記触媒からリッチ空燃比又はリーン空燃比のガスが流出していることを表す第1の状態となる毎に他方の値が同触媒から同一のリッチ空燃比又はリーン空燃比のガスが流出していることを表す第2の状態になっているか否かを判定し、前記一方の値が前記第1の状態となる頻度に対する、同一方の値が同第1の状態となる時点において前記他方の値が前記第2の状態になっている頻度の割合が所定値以上であるとき、前記空燃比センサの出力値と前記推定された特定成分の量に関する値との関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度が前記所定の程度以下であると判定するとともに、同頻度の割合が同所定値未満であるとき、同関係が同所定の相関関係から逸脱する程度が同所定の程度を超えたと判定するように構成されることが好適である。
【0020】
この場合、前記一方の値が第1の状態となる頻度に対する前記他方の値が第2の状態になっている頻度の割合が所定値以上であるとき触媒が正常触媒であると判定されるとともに、同頻度の割合が同所定値未満であるとき同触媒が劣化触媒であると判定されることになる。これによれば、空燃比センサの出力値又は前記推定された特定成分の量に関する値の一方の値が第1の状態となる頻度と他方の値が第2の状態になっている頻度とをカウントするという簡易な構成で触媒の劣化判定を行うことができる。
【0021】
また、上記何れかの触媒劣化判定装置においては、前記特定成分量推定手段は、前記触媒から流出するガス中の酸素の過不足量に関する値を前記ガス中の特定成分の量に関する値として推定するように構成されることが好適である。触媒から流出するガス中の酸素が過剰となっていることは、同ガス中の酸化剤の量が多くなっている(このとき同ガス中の還元剤の量は微量となっている。)ことを意味し、同ガス中の酸素が不足していることは、同ガス中の還元剤の量が多くなっている(このとき同ガス中の酸化剤の量は微量となっている。)ことを意味している。換言すれば、触媒から流出するガスの状態を同ガス中の酸素の過不足量に関する値という一つの値のみに基づいて表すことができる。従って、上記のように構成すれば、酸素の過不足量に関する値以外の値を触媒から流出するガス中の特定成分の量に関する値として計算する必要がなく、触媒の劣化判定に必要な計算を簡易なものとすることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による触媒劣化判定装置を含む空燃比制御装置(排気浄化装置)の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、そのような触媒劣化判定装置を火花点火式多気筒(4気筒)内燃機関10に適用したシステムの概略構成を示している。
【0023】
この内燃機関10は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部20と、シリンダブロック部20の上に固定されるシリンダヘッド部30と、シリンダブロック部20にガソリン混合気を供給するための吸気系統40と、シリンダブロック部20からの排気ガスを外部に放出するための排気系統50とを含んでいる。
【0024】
シリンダブロック部20は、シリンダ21、ピストン22、コンロッド23、及びクランク軸24を含んでいる。ピストン22はシリンダ21内を往復動し、ピストン22の往復動がコンロッド23を介してクランク軸24に伝達され、これにより同クランク軸24が回転するようになっている。シリンダ21とピストン22のヘッドは、シリンダヘッド部30とともに燃焼室25を形成している。
【0025】
シリンダヘッド部30は、燃焼室25に連通した吸気ポート31、吸気ポート31を開閉する吸気弁32、吸気弁32を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置33、可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、燃焼室25に連通した排気ポート34、排気ポート34を開閉する排気弁35、排気弁35を駆動するエキゾーストカムシャフト36、点火プラグ37、点火プラグ37に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ38、及び燃料を吸気ポート31内に噴射するインジェクタ(燃料噴射手段)39を備えている。
【0026】
吸気系統40は、吸気ポート31に連通し同吸気ポート31とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管41、吸気管41の端部に設けられたエアフィルタ42、吸気管41内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁43、スロットル弁駆動手段を構成するDCモータからなるスロットル弁アクチュエータ43a、スワールコントロールバルブ(以下、「SCV」と称呼する。)44、及びDCモータからなるSCVアクチュエータ44aを備えている。
【0027】
排気系統50は、排気ポート34に連通したエキゾーストマニホールド51、エキゾーストマニホールド51に接続されたエキゾーストパイプ(排気管)52、エキゾーストパイプ52に配設(介装)された第1触媒(スタート・キャタリティック・コンバータとも云う。)53、及び第1触媒53の下流のエキゾーストパイプ52に配設(介装)された第2触媒(車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・キャタリティック・コンバータとも云う。)54を備えている。排気ポート34、エキゾーストマニホールド51、及びエキゾーストパイプ52は、排気通路を構成している。なお、本触媒劣化判定装置は、第1触媒53が劣化したか否かを判定するものである。
【0028】
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ61、スロットルポジションセンサ62、カムポジションセンサ63、クランクポジションセンサ64、水温センサ65、第1触媒53の上流の排気通路に配設された空燃比センサ66(以下、「上流側空燃比センサ66」と称呼する。)、第1触媒53の下流であって第2触媒54の上流の排気通路に配設された空燃比センサ67(以下、「下流側空燃比センサ67」と称呼する。)、及びアクセル開度センサ68を備えている。
【0029】
熱線式エアフローメータ61は、吸気管41内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ61の出力Vgと、計測された吸入空気流量Gaとの関係は、図2に示したとおりである。スロットルポジションセンサ62は、スロットル弁43の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ63は、インテークカムシャフトが90°回転する毎に(即ち、クランク軸24が180°回転する毎に)一つのパルスを有する信号(G2信号)を発生するようになっている。クランクポジションセンサ64は、クランク軸24が10°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸24が360°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度NEを表す。水温センサ65は、内燃機関10の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【0030】
上流側空燃比センサ66は、図3に示したように、空燃比A/Fに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfsを出力するようになっている。図3から明らかなように、上流側空燃比センサ66によれば、広範囲にわたる空燃比A/Fを精度良く検出することができる。下流側空燃比センサ67は、図4に示したように、理論空燃比において急変する電圧Voxsを出力するようになっている。より具体的に述べると、下流側空燃比センサ67は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略0.1(V)、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略0.9(V)、及び空燃比が理論空燃比のときは略0.5(V)の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ68は、運転者によって操作されるアクセルペダル81の操作量を検出し、同アクセルペダル81の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【0031】
電気制御装置70は、互いにバスで接続されたCPU71、CPU71が実行するルーチン(プログラム)、テーブル(ルックアップテーブル、マップ)、定数等を予め記憶したROM72、CPU71が必要に応じてデータを一時的に格納するRAM73、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップRAM74、及びADコンバータを含むインターフェース75等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース75は、前記センサ61〜68と接続され、CPU71にセンサ61〜68からの信号を供給するとともに、同CPU71の指示に応じて可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、イグナイタ38、インジェクタ39、スロットル弁アクチュエータ43a、及びSCVアクチュエータ44aに駆動信号を送出するようになっている。また、インターフェース75は、CPU71の指示に応じてユーザーに第1触媒53の劣化を知らしめるための警報ランプ82に同警報ランプ82を点灯・消灯させるための指示信号を送出するようになっている。
【0032】
(空燃比フィードバック制御の概要)
三元触媒である第1触媒53(第2触媒54も同様である。)は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分(HC,CO)を酸化し、同時に窒素酸化物(NOx)を還元する機能を有する。更に、第1触媒53は、酸素を貯蔵する機能(酸素貯蔵機能、Oストレージ機能)を有し、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、HC,CO、及びNOxを浄化することができる。即ち、機関に供給される混合気の空燃比がリーンとなって第1触媒53に流入するガスにNOxが多量に含まれると、第1触媒53はNOxから酸素分子を奪ってNOxを還元し、これによりNOxを浄化する。また、機関に供給される混合気の空燃比がリッチになって第1触媒53に流入するガスにHC,COが多量に含まれると、第1触媒53はこれらに酸素分子を与えて酸化し、これによりHC,COを浄化する。
【0033】
従って、第1触媒53が連続的に流入する多量のHC,COを効率的に浄化するためには、同第1触媒53が酸素を多量に貯蔵していなければならず、逆に連続的に流入する多量のNOxを効率的に浄化するためには、同第1触媒53が酸素を十分に貯蔵し得なければならないことになる。以上のことから明らかなように、第1触媒53の浄化能力は、同第1触媒53が貯蔵し得る最大の酸素量(最大酸素吸蔵量)に依存する。
【0034】
一方、第1触媒53は燃料中に含まれる鉛や硫黄等による被毒、或いは触媒に加わる熱により劣化するから、次第に最大酸素吸蔵量が低下してくる。このように最大酸素吸蔵量が低下した場合であっても、エミッションの排出量が少ない状態を維持するには、第1触媒53から排出されるガスの空燃比が理論空燃比に極めて近い状態となるように制御する必要がある。
【0035】
そこで、本実施形態の空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが理論空燃比に略相当する目標値(つまり、第1触媒53の浄化効率が良好となるための目標値)Voxsref(=0.5(V))となるように、目標値Voxsrefから下流側空燃比センサ67の出力Voxsを減じて得られる偏差DVoxsを比例・積分処理したサブフィードバック制御量vafsfbに基づいて機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する(本実施形態では、上流側空燃比センサ出力vabyfsにも応じて空燃比をフィードバック制御する。)。
【0036】
即ち、下流側空燃比センサ67の出力が理論空燃比よりリーンの空燃比を表す値となると(実際には、サブフィードバック制御量vafsfbが正の値になると)機関に供給される混合気の空燃比をリッチ側に制御し、下流側空燃比センサ67の出力が理論空燃比よりリッチの空燃比を表す値となると(実際には、サブフィードバック制御量vafsfbが負の値になると)機関に供給される混合気の空燃比をリーン側に制御する。以上のようにして、機関に供給される混合気の空燃比が下流側空燃比センサ出力Voxs(従って、サブフィードバック制御量vafsfb)に基づいてフィードバック制御される。このようにして、機関に供給される空燃比(従って、第1触媒53に流入するガスの空燃比)を制御する手段が空燃比制御手段に相当する。
【0037】
(触媒劣化判定の原理)
上述した空燃比フィードバック制御中において、第1触媒53から流出するガス中の酸素が不足して同ガス中の未燃CO,HCの量が多くなると(このとき同ガス中の窒素酸化物NOxの量は微量となっている。)下流側空燃比センサ67の出力Voxsは増加しながらリッチを示す値に近づく。一方、第1触媒53から流出するガス中の酸素が過剰となって同ガス中の窒素酸化物NOxの量が多くなると(このとき同ガス中の未燃CO,HCの量は微量となっている。)下流側空燃比センサ67の出力Voxsは減少しながらリーンを示す値に近づく。
【0038】
換言すれば、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが理論空燃比に相当する上記目標値Voxsrefよりも大きいリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過するときには少なくとも第1触媒53から流出しているガス中の酸素の不足量は或る閾値を越える量となっている。一方、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが目標値Voxsrefよりも小さいリーン側所定値Vleanを減少しながら通過するときには少なくとも第1触媒53から流出しているガス中の酸素の過剰量は或る閾値を越える量となっている。下流側空燃比センサ67の出力Voxsと第1触媒53から流出するガス中の特定成分(酸素の過不足量、窒素酸化物NOx,未燃CO,HC等)の量(実際の量)とは少なくともこのような所定の相関関係にある。
【0039】
一方、第1触媒53から流出するガス中の特定成分の量(本例では、酸素の過不足量(流出酸素量)CgoutO2(N))は、後に詳述するように、第1触媒53内の反応(酸素吸蔵機能に基づく酸素吸蔵・放出反応)を考慮して構築された触媒モデルに基づいて推定することができる。ここで、流出酸素量CgoutO2(N)は、その値が正の値であるとき酸素が過剰であって第1触媒53からNOxが流出している状態であることを意味し、その値が負の値であるとき酸素が不足して第1触媒53から未燃CO,HCが流出している状態であることを意味している。
【0040】
この触媒モデルに基づいて推定された流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力Voxsとの関係が前述の所定の相関関係にあるとき同触媒モデルは第1触媒53内の反応を忠実に表していることを意味している。一方、前記推定された流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力Voxsとの関係が前記所定の相関関係から逸脱しているとき触媒モデルは第1触媒53内の反応を忠実に表していないことを意味していると云える。
【0041】
また、先に説明したように、一般に、触媒の劣化が進行すると同触媒内の反応に影響を与える最大酸素吸蔵量が低下し、更には同触媒内の反応速度が変化する。従って、触媒内の反応の程度は同触媒の劣化の進行に応じて変化する。
【0042】
以上のことから、第1触媒53が新品の触媒である(例えば、最大酸素吸蔵量が常に新品の時点における値である)と想定した場合における同第1触媒53内の反応を考慮して触媒モデルが構築されている場合を考える。そうすると、第1触媒53が新品の触媒であるとき、触媒モデルは第1触媒53内の反応を忠実に表し得るから同触媒モデルにより推定された流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの関係は前記所定の相関関係から逸脱しない。一方、第1触媒53の劣化が(新品の時点から)進行するにつれて、触媒モデルが表す反応の程度が第1触媒53内の反応の程度と異なるようになって同触媒モデルが同第1触媒53内の反応を忠実に表し得なくなるから流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度が次第に大きくなる。
【0043】
以下、この点について、図5を参照しながらより具体的に説明する。(A)は、第1触媒53が新品の触媒であるときの下流側空燃比センサ67の出力Voxs、及び後述する触媒モデルが算出する前記流出酸素量CgoutO2(N)の変化の一例を示したタイムチャートである。前述のごとく、触媒モデルは第1触媒53が新品の触媒であると想定して構築されているから新品の触媒である第1触媒53内の反応を忠実に表している。従って、(A)に示した触媒モデルが算出する流出酸素量CgoutO2(N)の変化は第1触媒53から流出するガス中の酸素の過不足量(の実際量)の変化と一致している。
【0044】
即ち、時刻t1以前において、機関に供給される混合気の空燃比がリッチ側に制御されている(即ち、上述したサブフィードバック制御量vafsfbが正の値になっている)ことで第1触媒53内の酸素吸蔵量が「0」に近づくと、第1触媒53は流入するガス中の多量の未燃CO,HCを完全に酸化できなくなって第1触媒53から未燃CO,HCが流出し始める(従って、第1触媒53から流出するガス中の酸素が不足し始める。)。これに応じて流出酸素量CgoutO2(N)は略「0」から減少を開始するとともに下流側空燃比センサ67の出力Voxsは増加を開始し、時刻t1になると、出力Voxsはリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過する。また、負の値である流出酸素量CgoutO2(N)は、時刻t1において負の閾値Crefmnsよりも小さい値となっているとともにその後も減少を続ける。
【0045】
時刻t1の直後の時刻t1’になると、サブフィードバック制御量vafsfbが正の値から負の値に変化することで機関に供給される混合気の空燃比がリーン側に制御されるようになる。これに伴い、時刻t1’以降、流出酸素量CgoutO2(N)は、第1触媒53から未燃CO,HCが流出しなくなることから再び略「0」を維持するようになる。ここで、サブフィードバック制御量vafsfbが正の値から負の値に変化する時点(時刻t1’)が、出力Voxsが目標値Voxsrefを増加しながら通過する時点(時刻t1の直前)よりも遅い時点となっているのは、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるための前記比例・積分処理における積分項の値が前記時刻t1の直前の時点において大きい正の値となっていることに基づく。
【0046】
時刻t1(t1’)以降、機関に供給される混合気の空燃比がリーン側に制御されている(即ち、サブフィードバック制御量vafsfbが負の値になっている)ことで第1触媒53内の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近づくと、第1触媒53は流入するガス中の多量の窒素酸化物NOxを完全に還元できなくなって第1触媒53から窒素酸化物NOxが流出し始める(従って、第1触媒53から流出するガス中の酸素が過剰になり始める。)。これに応じて流出酸素量CgoutO2(N)は略「0」から増加を開始するとともに下流側空燃比センサ67の出力Voxsは減少を開始し、時刻t2になると、出力Voxsはリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する。また、正の値である流出酸素量CgoutO2(N)は、時刻t2において正の閾値Crefplsよりも大きい値となっているとともにその後も増加を続ける。
【0047】
時刻t2の直後の時刻t2’になると、上述したサブフィードバック制御量vafsfbが負の値から正の値に再び変化することで機関に供給される混合気の空燃比がリッチ側に制御されるようになる。これに伴い、時刻t2’以降、流出酸素量CgoutO2(N)は、第1触媒53から窒素酸化物NOxが流出しなくなることから再び略「0」を維持するようになる。ここで、サブフィードバック制御量vafsfbが負の値から正の値に変化する時点(時刻t2’)が、出力Voxsが目標値Voxsrefを減少しながら通過する時点(時刻t2の直前)よりも遅い時点となっているのは、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるための前記積分項の値が前記時刻t2の直前の時点において大きい負の値となっていることに基づく。
【0048】
時刻t2(t2’)以降も同様に、時刻t3になると、出力Voxsはリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過するとともに、前述の時刻t1と同様、流出酸素量CgoutO2(N)は負の閾値Crefmnsよりも小さい値となっている。また、時刻t4になると、出力Voxsはリーン側所定値Vleanを減少しながら通過するとともに、前述の時刻t2と同様、流出酸素量CgoutO2(N)は正の閾値Crefplsよりも大きい値となっている。
【0049】
このように、第1触媒53が新品の触媒である場合、出力Voxsがリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過する毎に((A)においては時刻t1,t3)触媒モデルが算出する流出酸素量CgoutO2(N)は必ず負の閾値Crefmnsよりも小さい値となっているとともに、出力Voxsがリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する毎に((A)においては時刻t2,t4)流出酸素量CgoutO2(N)は必ず正の閾値Crefplsよりも大きい値となっている。換言すれば、流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの関係は前記所定の相関関係から逸脱しない。
【0050】
一方、図5(B)は、第1触媒53が劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化した劣化触媒であるときの下流側空燃比センサ67の出力Voxs、及び流出酸素量CgoutO2(N)の変化の一例を示したタイムチャートである。前述のごとく、触媒モデルは第1触媒53が新品の触媒であると想定して構築されているから、この場合、劣化触媒である第1触媒53内の反応を忠実に表し得ない。
【0051】
より具体的に述べると、この場合、第1触媒53は前記劣化触媒であるから、第1触媒53内の最大酸素吸蔵量は相当程度に低下している。従って、第1触媒53内の実際の酸素吸蔵量は短時間で「0」又は最大酸素吸蔵量に近づくようになり、これに伴って、機関に供給される混合気の空燃比がリッチ側からリーン側へと、或いは、リーン側からリッチ側へと頻繁に変化するようになる。一方、触媒モデルにおいては、第1触媒53の最大酸素吸蔵量として新品の時点における大きな値が常に想定されているから、第1触媒53内の酸素吸蔵量(推定値、計算値)は前記空燃比の頻繁な変化に応じて頻繁に増減するものの、「0」又は最大酸素吸蔵量には到達しにくい。換言すれば、第1触媒53内の実際の酸素吸蔵量が「0」又は最大酸素吸蔵量に近づく時点と触媒モデルにおいて計算されている第1触媒53内の酸素吸蔵量(推定値)が「0」又は最大酸素吸蔵量に近づく時点とは異なる。従って、触媒モデルが計算する流出酸素量CgoutO2(N)の変化は第1触媒53から流出するガス中の酸素の過不足量(の実際量)の変化と一致しない。
【0052】
これにより、(B)においては、出力Voxsがリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過する毎に(時刻t10,t30,t50)第1触媒53から流出するガス中の酸素の過不足量(実際量)が必ず負の閾値Crefmnsよりも小さい値となる一方で、触媒モデルが計算する流出酸素量CgoutO2(N)は時刻t50においてのみ負の閾値Crefmnsよりも小さい値となっている。また、出力Voxsがリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する毎に(時刻t20,t40,t60)第1触媒53から流出するガス中の酸素の過不足量(実際量)が必ず正の閾値Crefplsよりも大きい値となる一方で、前記流出酸素量CgoutO2(N)は時刻t20においてのみ正の閾値Crefplsよりも大きい値となっている。
【0053】
換言すれば、第1触媒53が前記劣化触媒になると、流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度が相当に大きくなる。また、流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度は、第1触媒53の最大酸素吸蔵量が触媒モデルにおいて想定されている新品の時点での大きい値から低下するにつれて、即ち、第1触媒53の劣化が(新品の時点から)進行するにつれて次第に大きくなる。
【0054】
この流出酸素量CgoutO2(N)と下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度は、出力Voxs(一方の値)がリッチ側所定値Vrichを増加しながら、又はリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する時点(即ち、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが第1の状態となる時点)において流出酸素量CgoutO2(N)(他方の値)が負の閾値Crefmnsよりも小さい値、又は正の閾値Crefplsよりも大きい値になっている(即ち、流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっている)確率により表すことができ、同確率が低下するにつれて次第に大きくなる。例えば、図5(A)に示す一例では前記確率は100パーセント(4回/4回)であるのに対し、図5(B)に示す一例では同確率は約33パーセント(2回/6回)と低下していて上記所定の相関関係から逸脱する程度は大きいと云うことができる。
【0055】
以上のことから、本触媒劣化判定装置は、第1触媒53を対象とする触媒モデルを同第1触媒53が新品の触媒であると想定して構築する。また、本触媒劣化判定装置は、上述した空燃比フィードバック制御中において、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態となる毎に触媒モデルが計算している流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっているか否かを判定するとともに、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態となる頻度(回数)SMLが十分なサンプリングが行われたことを示す基準値SML0に達する毎(一サンプリング期間が経過する毎)に、この一サンプリング期間中にて下流側空燃比センサ67の出力Voxsが同第1の状態となった時点において流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっている頻度(回数)FREを求める。
【0056】
そして、本触媒劣化判定装置は、前記頻度FREが劣化判定基準値FREref以上(従って、頻度SML0に対する頻度FREの割合が所定値以上)であれば、第1触媒53は劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化していない正常触媒であると判定する一方、頻度FREが劣化判定基準値FRE未満(従って、頻度SML0に対する頻度FREの割合が所定値未満)であれば、第1触媒53は劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化した劣化触媒であると判定する。このようにして第1触媒53の劣化判定を行う手段が触媒劣化判定手段に相当する。
【0057】
(触媒モデル)
次に、第1触媒53から流出するガス中の特定成分の量(本例では、酸素の過不足量(流出酸素量)CgoutO2(N))を求めるための触媒モデルについて説明する。一般に、触媒にリーンな空燃比のガスが流入したときには、同触媒の上流側においてより多くの酸素が吸蔵され、同触媒にリッチな空燃比のガスが流入したときには、同触媒の上流側から吸蔵されている酸素が消費されていく。従って、触媒内に吸蔵されている酸素は同触媒の排ガスの流れ方向において均一に分布しているわけではない。よって、触媒内の酸素吸蔵量を正確に求めるためには、かかる吸蔵酸素の分布を考慮した計算を行う必要がある。
【0058】
また、触媒の酸素吸蔵量は同触媒内において発生する酸素吸蔵・放出反応の程度に応じて変化する。この酸素吸蔵・放出反応の程度は、触媒に流入する排ガスに含まれる上記酸素吸蔵・放出反応に関係する特定成分の量に依存する。従って、触媒の酸素吸蔵量を正確に求めるためには、前記特定成分の量を考慮に入れた計算を行う必要がある。そして、触媒の酸素吸蔵量を正確に求めることができれば、同触媒から流出するガス中の特定成分の量をも正確に計算することができる。そこで、本装置は以下に説明する触媒モデルを第1触媒53に適用することにより、同第1触媒53内の酸素吸蔵量OSAall、及び第1触媒53から流出する特定成分の量(この例では、流出酸素量CgoutO2(N))を算出する。
【0059】
この触媒モデルにおいては、図6に模式的に示したように、軸線に直交する断面形状が一定である柱状の触媒を同軸線に直交する面によりN個の(複数の)領域(「ブロック」とも称呼する。)に分割する。即ち、触媒モデルが対象とする触媒は排ガスの流れ方向に沿ってN個のブロックに分割されている。分割された各ブロックの軸線方向の長さはLである。なお、説明の便宜上、各ブロックには、排ガスの流れ方向に沿って上流側から順に図6に示すように番号が付されている。また、任意のi番目のブロックに関連する変数・記号等には、それらの末尾に(i)が付されている。
【0060】
この触媒モデルにおいては、図7に示したように、分割されたブロックのうちのi番目のブロック(i)(特定領域)に注目し、同ブロック(i)における酸素吸蔵・放出反応に関係する特定成分のCPU71の演算周期あたりの収支を考える。このとき、触媒での酸化・還元反応である三元反応は瞬時かつ完全に終了するものと仮定し、その結果としての酸素の過不足に基く酸素の吸蔵・放出反応のみに着目するものとする。この仮定(触媒モデル)は、現実的でありかつ計算精度のよいものである。なお、図7に示した排ガス相は排ガスが通過する空間であり、コート層は触媒機能を発生せしめる白金(Pt)等の貴金属からなる活性成分及び酸素吸蔵機能を発生せしめるセリア(CeO)等の成分が担持された層である。
【0061】
特定成分は、例えば、酸素(分子)O、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCから選択された成分であってもよいが、この触媒モデルでは、上記三元反応が瞬時かつ完全に終了するものと仮定した状態における排ガスに含まれる酸素(酸素分子及び窒素酸化物の酸素。本明細書では、酸素分子及び窒素酸化物の酸素を総称して「酸素」と称呼する。)(の過不足)を特定成分として選択している。この酸素の量である酸素量CgO2は、同酸素が過剰であるとき(即ち、排ガス中にO及びNOxが存在する場合)に正の値となり、同酸素が不足しているとき(即ち、排ガス中に未燃HC,COが存在する場合)に負の値となるように計算される。
【0062】
また、注目するブロック(i)において、CPU71の演算周期あたり同ブロック(i)の排ガス相に流入する酸素量CgO2を流入酸素量CginO2(i)、同演算周期あたり同ブロック(i)の排ガス相から流出する酸素量CgO2を流出酸素量CgoutO2(i)と称呼し、同演算周期あたり同ブロック(i)のコート層に吸蔵され又は同コート層から放出される酸素量CgO2を酸素吸蔵量変化量δOSA(i)と称呼する。この酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は、酸素がコート層に吸蔵されるときに正の値となり、酸素がコート層から放出されるときに負の値となるように計算される。また、現時点におけるブロック(i)のコート層における酸素吸蔵量を酸素吸蔵量OSA(i)と称呼し、現時点におけるブロック(i)のコート層における最大酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量Cmax(i)と称呼する。
【0063】
いま、図7に示すブロック(i)における酸素量CgO2の上記演算周期あたりの収支を考えると、同ブロック(i)の排ガス相に流入した流入酸素量CginO2(i)のうち酸素吸蔵量変化量δOSA(i)だけがコート層に吸蔵され、同流入酸素量CginO2(i)のうちコート層に吸蔵されなかった残りの酸素量CgO2が流出酸素量CgoutO2(i)となるから、流入酸素量CginO2(i),流出酸素量CgoutO2(i)及び酸素吸蔵量変化量δOSA(i)の間には下記数1に示した関係が成立する。この下記数1に示した関係が本触媒モデルの基本式である。
【0064】
【数1】
CgoutO2(i)=CginO2(i)−δOSA(i)
【0065】
次に、酸素吸蔵量変化量δOSA(i)について考える。流入酸素量CginO2(i)が正の値のときはブロック(i)の排ガス相に流入する排ガス中の酸素が過剰であることを意味し、同排ガス中の酸素の一部はブロック(i)のコート層に吸蔵されるから酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は正の値となる。このときの酸素吸蔵反応の量、即ち酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は、流入酸素量CginO2(i)の値に比例するとともにブロック(i)の現時点での最大酸素吸蔵量Cmax(i)と現時点での酸素吸蔵量OSA(i)との差の値に比例すると考えられる。従って、流入酸素量CginO2(i)が正の値のとき、酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は下記数2,及び下記数3に基づいて算出することができる。
【0066】
【数2】
δOSA(i)=H(i)・CginO2(i)
【0067】
【数3】
H(i)=h・((Cmax(i)−OSA(i))/Cmax(i)) (0 ≦ H(i) < 1)
【0068】
上記数2及び上記数3において、H(i)はブロック(i)における流入酸素量CginO2(i)に対する吸蔵される酸素量(δOSA(i))の割合を示す反応率である。hは第1触媒53が新品の触媒であると想定した場合の反応速度定数であり、本モデルでは正の一定値としているが触媒の温度に応じて変化する正の値(例えば、触媒の温度の増加に応じて単調増加する正の値)としてもよい。また、上記数3における現時点での最大酸素吸蔵量Cmax(i)と現時点での酸素吸蔵量OSA(i)との差の値(Cmax(i)−OSA(i))は、ブロック(i)における現時点での酸素吸蔵余裕量を示している。このように、本触媒モデルでは、少なくとも触媒内の酸素吸蔵量に基づいて同触媒が内部に流入する排ガスから吸蔵する酸素量を算出する。
【0069】
一方、流入酸素量CginO2(i)が負の値のときはブロック(i)の排ガス相に流入する排ガスの酸素が不足していることを意味し、同排ガスにはブロック(i)のコート層から放出された酸素が与えられるから酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は負の値となる。このときの酸素放出反応の量、即ち酸素吸蔵量変化量δOSA(i)(の絶対値)は、流入酸素量CginO2(i)の値に比例するとともにブロック(i)の現時点での酸素吸蔵量OSA(i)の値に比例すると考えられる。従って、流入酸素量CginO2(i)が負の値のとき、酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は上記数2と同一の関係を示す下記数4,及び下記数5に基づいて算出することができる。
【0070】
【数4】
δOSA(i)=H(i)・CginO2(i)
【0071】
【数5】
H(i)=h・(OSA(i)/Cmax(i)) (0 ≦ H(i) < 1)
【0072】
上記数4及び上記数5において、H(i)はブロック(i)における流入酸素量CginO2(i)(負の値)に対する放出される酸素量(δOSA(i),負の値)の割合を示す反応率である。hは第1触媒53が新品の触媒であると想定した場合の反応速度定数であり上記数3にて使用されているものと同様である。また、上記数5における現時点での酸素吸蔵量OSA(i)の値は、ブロック(i)における現時点での酸素放出余裕量を示している。このように、本触媒モデルでは、少なくとも触媒内の酸素吸蔵量に基づいて同触媒が内部に吸蔵している酸素から放出する酸素量を算出する。
【0073】
なお、上記数3及び上記数5にて使用するブロック(i)における最大酸素吸蔵量Cmax(i)については後述する。また、上記数3及び上記数5にて使用するブロック(i)における現時点での酸素吸蔵量OSA(i)は、初期値が付与された時点から現時点までの酸素吸蔵量変化量δOSA(i)の積算値であるから下記数6に基づいて算出することができる。
【0074】
【数6】
OSA(i)=ΣδOSA(i) (0 ≦ OSA(i) ≦ Cmax(i))
【0075】
次に、各ブロック間での境界条件について考えると、図6に示したように、互いに隣接する2つのブロックのうちの上流側のブロックの排ガス相の流出面と下流側のブロックの排ガス相の流入面は互いに連続しているから、図7に示したように、ブロック(i)に流入する流入酸素量CginO2(i)は、ブロック(i)に隣接する上流側のブロック(i−1)から流出する流出酸素量CgoutO2(i−1)と等しく、また、ブロック(i)から流出する流出酸素量CgoutO2(i)は、ブロック(i)に隣接する下流側のブロック(i+1)に流入する流入酸素量CginO2(i+1)と等しい。従って、下記数7に示した関係が成立する。換言すると、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)が求まればブロック(i)に隣接する下流側のブロック(i+1)の流入酸素量CginO2(i+1)が求まる。
【0076】
【数7】
CginO2(i+1)=CgoutO2(i)
【0077】
以上のことから、最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)が境界条件として付与されれば、上記数2又は上記数4によりブロック(1)における酸素吸蔵量変化量δOSA(1)が求まり、その結果、上記数6によりブロック(1)における酸素吸蔵量OSA(1)を更新できるとともに上記数1によりブロック(1)における流出酸素量CgoutO2(1)が求まる。ブロック(1)における流出酸素量CgoutO2(1)が求まれば、上記数7によりブロック(2)における流入酸素量CginO2(2)が求まり、その結果、上記数2又は上記数4によりブロック(2)における酸素吸蔵量変化量δOSA(2)が求まる。これにより、上記数6によりブロック(2)における酸素吸蔵量OSA(2)を更新できるとともに、上記数1によりブロック(2)における流出酸素量CgoutO2(2)が求まる。
【0078】
CPU71は、このような処理を所定の演算周期毎に繰り返し実行する。従って、CPU71の演算周期が経過する毎に最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)が境界条件として付与されれば、上記数1〜上記数7より、最上流のブロック(1)から、順次、各ブロック(i) (i=1,2,・・・,N) における酸素吸蔵量OSA(i),流入酸素量CginO2(i),及び流出酸素量CgoutO2(i)を全て算出することができる。これにより、触媒内部の酸素吸蔵量の分布が精度よく計算される。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSA(i) (i=1,2,・・・,N) を触媒全体について積算すれば、同触媒全体の酸素吸蔵量OSAallについても精度よく計算することができる。更には、各ブロックから流出する流出酸素量CgoutO2(i) (i=1,2,・・・,N)を計算することができ、これにより、ブロック(N)(従って、第1触媒53)から流出する流出酸素量CgoutO2(N)を計算することができる。このようにして、第1触媒53が新品の触媒であると想定して構築された触媒モデルに基づいて同第1触媒53から流出するガス中の酸素の過不足量(流出酸素量)CgoutO2(N)を推定する手段が特定成分量推定手段に相当する。
【0079】
なお、以下に、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)を求めるための一般式を求めておく。先ず、上記数1における「i」を「1」に書き換えると下記数8が導かれる。
【0080】
【数8】
CgoutO2(1)=CginO2(1)−δOSA(1)
【0081】
また、上記数1における「i」を「2」に書き換えて、これに上記数7及び上記数8の関係を適用すると、下記数9が導かれる。
【0082】
【数9】

Figure 2004300981
【0083】
さらに、上記数1における「i」を「3」に書き換え、これに上記数7及び上記数9の関係を適用すると、下記数10が導かれる。
【0084】
【数10】
Figure 2004300981
【0085】
このような手続きを繰り返すことにより、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)を求めるための一般式である下記数11が導かれる。
【0086】
【数11】
CgoutO2(i)=CginO2(1)−δOSA(1)−δOSA(2)− ・・・ −δOSA(i−1)−δOSA(i)
(i=1,2,・・・,N)
【0087】
また、上記数1及び上記数2(又は上記数4)より下記数12が導かれるから、下記数12に上記数7の関係を適用し、その関係を一般的に記述すると、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)を求めるための他の一般式である下記数13も容易に導くことができる。
【0088】
【数12】
CgoutO2(i)=CginO2(i)・(1−H(i))
【0089】
【数13】
Figure 2004300981
【0090】
次に、上記数3及び数5において反応率H(i)を求める際に必要となるブロック(i)における最大酸素吸蔵量Cmax(i)について説明する。この触媒モデルは第1触媒53が新品の触媒であると想定して構築されているから、各ブロック(i)の最大酸素吸蔵量Cmax(i) (i=1,・・・,N)の総和は、第1触媒53が新品の触媒であるときの同第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmaxallの値(一定値)となるように設定されている。また、各ブロック(i)の最大酸素吸蔵量Cmax(i) (i=1,・・・,N)は、例えば、前記最大酸素吸蔵量Cmaxallの値をブロックの個数Nで除した値にそれぞれ設定されている。このように設定された各ブロック(i)の最大酸素吸蔵量Cmax(i) (i=1,・・・,N)は、第1触媒53の劣化の進行に拘わらず変化しない。
【0091】
(触媒モデルの適用)
次に、以上説明した触媒モデルを、図8に示したように、第1触媒53に適用し、各種値を求める例について説明する。
【0092】
以下、第1触媒53のi番目のブロックであるブロック(i)における流入酸素量を流入酸素量CginO2(i),流出酸素量を流出酸素量CgoutO2(i),酸素吸蔵量をOSA(i),最大酸素吸蔵量をCmax(i)とそれぞれ称呼する。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSA(i) (i=1,2,・・・,N) を積算することにより得られる第1触媒53全体の酸素吸蔵量を酸素吸蔵量OSAallと称呼し、各ブロックの最大酸素吸蔵量Cmax(i) (i=1,2,・・・,N) を積算した値である第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量Cmaxallと称呼する。
【0093】
この触媒モデルにおいては、図8に示したように、第1触媒53の各ブロックにおける酸素吸蔵量OSA(i) (i=1,2,・・・,N)の初期値を初期条件として付与するとともに、CPU71の演算周期が経過する毎に、第1触媒53の最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)を境界条件として付与すれば、第1触媒53の各ブロック(i) (i=1,2,・・・,N) における酸素吸蔵量OSA(i),流入酸素量CginO2(i),及び流出酸素量CgoutO2(i)を全て算出することができる。これにより、第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSAallも取得・算出することができる。
【0094】
そこで、先ず、第1触媒53の各ブロックにおける酸素吸蔵量の初期値を付与する手法について説明すると、本装置は、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが0.7(V)より大きい値を示したとき、即ち、第1触媒53の下流側の空燃比が明白なリッチ空燃比となったときは、同第1触媒53内に酸素が全く存在せず未燃HC,COが浄化されない状態となったことを意味するから、第1触媒53の各ブロックにおける酸素吸蔵量OSA(i) (i=1,2,・・・,N) 及び第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSAallを全て「0」に設定する。このようにして、第1触媒53の各ブロックにおける酸素吸蔵量の初期値「0」が初期条件として付与される。
【0095】
次に、第1触媒53の最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)を付与する手法について説明すると、本装置は、下記数14に基づいてCPU71の演算周期毎の流入酸素量CginO2(1)を算出する。
【0096】
【数14】
CginO2(1)=0.23・mfr・(abyfsave − stoich)
【0097】
上記数14において、値「0.23」は大気中に含まれる酸素の重量割合である。mfrは一演算周期Δt内における燃料噴射量Fiの合計量であり、stoichは理論空燃比(例えば、14.7)である。また、abyfsaveは一演算周期Δt内において上流側空燃比センサ66により検出された空燃比A/Fの平均値である。
【0098】
この数14に示したように、一演算周期Δt内における噴射量の合計量mfrに、検出された空燃比A/Fの平均値の理論空燃比からの偏移(abyfsave − stoich)を乗じることでこの一演算周期Δt内における空気の過剰量が求められ、この一演算周期Δt内における空気の過剰量に酸素の重量割合を乗じることで一演算周期Δtにおける酸素の過剰量、即ち現時点での流入酸素量CginO2(1)が求められる。
【0099】
このようにして算出される流入酸素量CginO2(1)は、上記数14から明らかなように、酸素が過剰であるとき(即ち、空燃比がリーンであってabyfsave>stoichのとき)に正の値となり、酸素が不足しているとき(即ち、空燃比がリッチであってabyfsave<stoichのとき)に負の値となるように計算される。このようにして、CPU71の演算周期毎に第1触媒53の最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)が境界条件として付与される。
【0100】
(実際の作動)
次に、上記のように構成された空燃比制御装置の実際の作動について、電気制御装置70のCPU71が実行するルーチンをフローチャートにより示した図9〜図16を参照しながら説明する。
【0101】
CPU71は、図9に示した最終燃料噴射量Fiの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各気筒のクランク角が各吸気上死点前の所定クランク角度(例えば、BTDC90°CA)となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、CPU71はステップ900から処理を開始してステップ905に進み、エアフローメータ61により計測された吸入空気流量Gaと、エンジン回転速度NEとに基づいて、機関の空燃比を理論空燃比とするための基本燃料噴射量Fbaseをマップfから求める。
【0102】
次いで、CPU71はステップ910に進み、基本燃料噴射量Fbaseに係数Kを乗じた値に後述する空燃比フィードバック補正量DFiを加えた値を最終燃料噴射量Fiに設定する。この係数Kの値は、通常は「1.00」であり、後述するように被毒回復処理が実行されるとき、「1.00」以外の所定値に設定される。
【0103】
次いで、CPU71はステップ915に進んで、前記設定された最終燃料噴射量Fiの燃料を噴射するための指示を吸気行程直前にある気筒のインジェクタ39に対して行う。その後、CPU71はステップ920に進み、その時点の燃料噴射量合計量mfrに最終燃料噴射量Fiを加えた値を新たな燃料噴射量合計量mfrに設定する。この燃料噴射量合計量mfrは、後述する流入酸素量CginO2(1)を算出する際に用いられる。その後、CPU71はステップ995に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正された最終燃料噴射量Fiの燃料が吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
【0104】
次に、上記空燃比フィードバック補正量DFiの算出について説明すると、CPU71は図10に示したルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1000から処理を開始し、ステップ1005に進んで空燃比フィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。空燃比フィードバック制御条件は、例えば、機関の冷却水温THWが第1所定温度以上であり、機関の一回転当りの吸入空気量(負荷、筒内吸入空気量Mc)が所定値以下であり、上流側空燃比センサ66が正常(活性状態であることを含む。)であり、且つ、後述する被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」のときに成立する。なお、被毒回復処理実行中フラグPWMは、その値が「1」のとき後述する被毒回復処理を実行していることを示し、その値が「0」のとき同被毒回復処理を実行していないことを示す。
【0105】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、CPU71はステップ1005にて「Yes」と判定してステップ1010に進み、現時点の上流側空燃比センサ66の出力vabyfsと後述するサブフィードバック制御量vafsfbとの和(vabyfs+vafsfb)を図3に示したマップに基づいて変換することにより、現時点における第1触媒53の上流側制御用空燃比abyfsを求める。
【0106】
次に、CPU71はステップ1015に進み、現時点からNストローク(N回の吸気行程)前に吸気行程を迎えた気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Mc(k−N)を前記求めた上流側制御用空燃比abyfsで除することにより、現時点からNストローク前の筒内燃料供給量Fc(k−N)を求める。値Nは、内燃機関の排気量、燃焼室25から上流側空燃比センサ66までの距離等により異なる値である。
【0107】
このように、現時点からNストローク前の筒内燃料供給量Fc(k−N)を求めるために、現時点からNストローク前の筒内吸入空気量Mc(k−N)を上流側制御用空燃比abyfsで除するのは、燃焼室25内で燃焼された混合気が上流側空燃比センサ66に到達するまでには、Nストロークに相当する時間を要しているからである。なお、筒内吸入空気量Mcは、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ61により計測された吸入空気流量Gaと、エンジン回転速度NEとに基づいて求められ(例えば、エアフローメータ61により計測された吸入空気流量Gaに一次遅れ処理を施した値をエンジン回転速度NEで除することにより求められ)、各吸気行程に対応してRAM73内に記憶されている。
【0108】
次いで、CPU71はステップ1020に進み、現時点からNストローク前の筒内吸入空気量Mc(k−N)を現時点からNストローク前の時点における目標空燃比abyfr(k−N)(この例では、理論空燃比)で除することにより、現時点からNストローク前の目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)を求める。そして、CPU71はステップ1025に進んで目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)から筒内燃料供給量Fc(k−N)を減じた値を筒内燃料供給量偏差DFcとして設定する。つまり、筒内燃料供給量偏差DFcは、Nストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。次に、CPU71はステップ1030に進み、下記数15に基づいてフィードバック補正量DFiを求める。
【0109】
【数15】
DFi=(Gp・DFc+Gi・SDFc)・KFB
【0110】
上記数15において、Gpは予め設定された比例ゲイン、Giは予め設定された積分ゲインである。なお、数15の係数KFBはエンジン回転速度NE、及び筒内吸入空気量Mcにより可変とすることが好適であるが、ここでは「1」としている。また、値SDFcは筒内燃料供給量偏差DFcの積分値であり、次のステップ1035にて更新される。即ち、CPU71は、ステップ1035にてその時点における筒内燃料供給量偏差DFcの積分値SDFcに上記ステップ1025にて求めた筒内燃料供給量偏差DFcを加えて、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値SDFcを求め、ステップ1095にて本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正量DFiが求められ、このフィードバック補正量DFiが前述した図9のステップ910,915により燃料噴射量に反映されるので、Nストローク前の燃料供給量の過不足が補償され、機関に供給される混合気の空燃比の平均値が目標空燃比abyfrと略一致せしめられるようにフィードバック制御される。
【0111】
一方、ステップ1005の判定時において、空燃比フィードバック制御条件が不成立であると、CPU71は同ステップ1005にて「No」と判定してステップ1040に進み、空燃比フィードバック補正量DFiの値を「0」に設定し、ステップ1095に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、空燃比フィードバック制御条件が不成立であるときは、空燃比フィードバック補正量DFiを「0」として空燃比(基本燃料噴射量Fbase)の補正を行わない。
【0112】
次に、下流側空燃比センサ67の出力に基づく先に説明した空燃比フィードバック制御について説明する。なお、かかる制御はサブフィードバック制御とも呼ばれる。このサブフィードバック制御により、サブフィードバック制御量vafsfbが算出される。
【0113】
CPU71は、サブフィードバック制御量vafsfbを求めるために、図11に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1100から処理を開始し、ステップ1105に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。サブフィードバック制御条件は、例えば、前述したステップ1005での空燃比フィードバック制御条件に加え、機関の冷却水温THWが前記第1所定温度よりも高い第2所定温度以上であり、下流側空燃比センサ67が正常(活性状態であることを含む。)のときに成立する。
【0114】
いま、サブフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、CPU71はステップ1105にて「Yes」と判定してステップ1110に進み、前記目標値Voxsrefから現時点の下流側空燃比センサ67の出力Voxsを減じることにより、出力偏差量DVoxsを求める。次に、CPU71はステップ1115に進み、下記数16に基づいてサブフィードバック制御量vafsfbを求める。
【0115】
【数16】
vafsfb=Kp・DVoxs+Ki・SDVoxs
【0116】
上記数16において、Kpは予め設定された比例ゲイン、Kiは予め設定された積分ゲインである。また、SDVoxsは、出力偏差量DVoxsの積分値であって、次のステップ1120にて更新される値である。即ち、CPU71は、ステップ1120に進むと、その時点における出力偏差量の積分値SDVoxsに上記ステップ1110にて求めた出力偏差量DVoxsを加えて、新たな出力偏差量の積分値SDVoxsを求め、その後、ステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0117】
このようにして、サブフィードバック制御量vafsfbが求められ、この値は前述した図10のステップ1010にて上流側空燃比センサ66の実際の出力vabyfsに加えられ、その和(vabyfs + vafsfb)が図3に示したマップに基づいて前記上流側制御用空燃比abyfsに変換される。換言すると、下流側空燃比センサ67の出力Voxsに基づいて求められる(修正される)上流側制御用空燃比abyfsは、上流側空燃比センサ66が実際に検出している空燃比に対して、サブフィードバック制御量vafsfbに相当する分だけ異なる空燃比として求められる。この結果、前述した図10のステップ1015にて計算される筒内燃料供給量Fc(k−N)が下流側空燃比センサ67の出力Voxsに応じて変化し、ステップ1025,1030にてフィードバック補正量DFiが同下流側空燃比センサ67の出力Voxsに応じて変更せしめられる。これにより、第1触媒53の下流側の空燃比が目標値Voxsrefに一致するように、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入するガスの空燃比)が制御せしめられる。
【0118】
例えば、機関に供給される混合気の平均的な空燃比がリーンであるために下流側空燃比センサ67の出力Voxsが理論空燃比よりもリーンである空燃比に対応した値を示すと、ステップ1110にて求められる出力偏差量DVoxsが正の値となるので、ステップ1115にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは正の値となる(図5(A)においては、例えば、時刻t2’〜t3’)。従って、ステップ1010にて求められるabyfsは上流側空燃比センサ66が実際に検出している空燃比よりもリーンな値(より大きな値)として求められる。このため、ステップ1015にて求められる筒内燃料供給量Fc(k−N)は小さい値となり、ステップ1025にて求められる筒内燃料供給量偏差DFcは大きい正の値として求められるので、ステップ1030にて求められる空燃比フィードバック補正量DFiが大きい正の値となる。これにより、図9のステップ910にて求められる最終燃料噴射量Fiは、基本燃料噴射量Fbaseよりも大きくなって、機関に供給される混合気の空燃比がリッチとなるように制御される。
【0119】
反対に、機関に供給される混合気の平均的な空燃比がリッチであるために下流側空燃比センサ67の出力Voxsが理論空燃比よりもリッチ空燃比に対応した値を示すと、ステップ1110にて求められる出力偏差量DVoxsが負の値となるので、ステップ1115にて求められるサブフィードバック制御量vafsfbは負の値となる(図5(A)においては、例えば、時刻t1’〜t2’,時刻t3’〜t4’)。従って、ステップ1010にて求められるabyfsは上流側空燃比センサ66が実際に検出している空燃比よりもリッチな値(より小さな値)として求められる。このため、ステップ1015にて求められる筒内燃料供給量Fc(k−N)は大きい値となり、筒内燃料供給量偏差DFcは負の値として求められるので、フィードバック補正量DFiが負の値となる。これにより、図9のステップ910にて求められる最終燃料噴射量Fiは、基本燃料噴射量Fbaseよりも小さくなって、機関に供給される混合気の空燃比がリーンとなるように制御される。
【0120】
一方、サブフィードバック制御条件が不成立であるとき、CPU71はステップ1105にて「No」と判定してステップ1125に進み、サブフィードバック制御量vafsfbの値を「0」に設定する。これにより、下流側空燃比センサ67の出力Voxsに基づくサブフィードバック制御が停止される。
【0121】
次に、第1触媒53の各ブロック毎の流出酸素量,酸素吸蔵量等の算出における作動について説明する。CPU71は図12及び図13のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【0122】
従って、所定のタイミングになると、CPU71は、第1触媒53の各ブロック毎の流出酸素量,酸素吸蔵量等を算出するための図12に示したルーチンのステップ1200から処理を開始し、ステップ1205に進んで、先に説明した上流側空燃比センサ66により検出された空燃比A/Fの平均値abyfsaveと、図9のステップ920にて逐次更新されている燃料噴射量合計量mfrの最新値と、上記数14に基づくステップ1205内に記載した式とに基づいて、先に説明したように境界条件である第1触媒53のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)を算出する。
【0123】
次いで、CPU71はステップ1210に進んでカウンタ値nの値、及び第1触媒53の酸素吸蔵量OSAallの値をそれぞれ「0」に設定した後、ステップ1215に進んで第1触媒53の各ブロック毎の流出酸素量,酸素吸蔵量等を算出する処理を開始する。まず、CPU71はステップ1215においてカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「1」に設定する。カウンタ値nは第1触媒53のブロックの番号を示している。この時点ではカウンタ値nの値は「1」であり、続くステップ1220からステップ1275までの今回の処理においてカウンタ値nの値は「1」に維持されるので、今回の同ステップ1220〜ステップ1275までの処理においては最上流のブロック(1)における計算が実行される。
【0124】
まず、CPU71はステップ1220に進んで、流入酸素量CginO2(1)の値が「0」以上であるか否かを判定し、流入酸素量CginO2(1)の値が「0」以上であれば同ステップ1220において「Yes」と判定するとともにステップ1225に進んで、先に説明したように予め所定の一定値に設定されているブロック(1)の最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値と、後述するステップ1260にて前回本ルーチンが実行されたときに計算(更新)されたブロック(1)の酸素吸蔵量OSA(1)の値と、上記数3(の右辺)に基づくステップ1225内に記載した式とに基づいてブロック(1)における反応率Hを算出する。
【0125】
また、ステップ1220における判定において、流入酸素量CginO2(1)の値が「0」以上でなければCPU71は同ステップ1220において「No」と判定するとともにステップ1230に進んで、上記最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値と、上記酸素吸蔵量OSA(1)の値と、上記数5(の右辺)に基づくステップ1230内に記載した式とに基づいてブロック(1)における反応率Hを算出する。
【0126】
次いで、CPU71はステップ1235に進み、ステップ1225又はステップ1230にて算出した反応率Hの値と、ステップ1205にて算出したブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)の値と、上記数2(の右辺)又は上記数4(の右辺)に基づくステップ1235内に記載した式とに基づいてブロック(1)における酸素吸蔵量変化量δOSA(1)を算出する。
【0127】
次に、CPU71はステップ1240に進んで、後述するステップ1260にて前回本ルーチンが実行されたときに計算されたブロック(1)の酸素吸蔵量OSA(1)の値とステップ1235にて今回算出したブロック(1)の酸素吸蔵量変化量δOSA(1)の値とを積算した値がブロック(1)における最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値以下であるか否かを判定する。
【0128】
ここで、前記積算した値が最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値以下であればCPU71はステップ1240にて「Yes」と判定してステップ1245に進んで同積算した値が「0」以上であるか否かを判定するとともに、同積算した値が「0」以上であれば同ステップ1245にて「Yes」と判定してステップ1260に進んで、同積算した値を新たな酸素吸蔵量OSA(1)として設定する。このように、前記積算した値が「0」以上最大酸素吸蔵量Cmax(1)以下であればステップ1235にて算出された酸素吸蔵量変化量δOSA(1)の値がそのままブロック(1)における酸素吸蔵量変化量として使用される。
【0129】
一方、ステップ1240の判定において、前記積算した値が最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値を超えていればCPU71は同ステップ1240にて「No」と判定してステップ1250に進み、最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値から前回算出した酸素吸蔵量OSA(1)の値を減算した値を酸素吸蔵量変化量δOSA(1)に格納した後、ステップ1260に進む。このように、前記積算した値がブロック(1)における最大酸素吸蔵量Cmax(1)を超えていれば今回ステップ1260にて算出されるブロック(1)における酸素吸蔵量OSA(1)の値が最大酸素吸蔵量Cmax(1)を超えてしまうことを意味するので、今回ステップ1260にて算出される酸素吸蔵量OSA(1)の値が最大酸素吸蔵量Cmax(1)の値と等しくなるように酸素吸蔵量変化量δOSA(1)が調整される。
【0130】
同様に、ステップ1245の判定において、前記積算した値が「0」未満(負の値)となっていればCPU71は同ステップ1245にて「No」と判定してステップ1255に進み、前回算出した酸素吸蔵量OSA(1)の値に対して符号を反転させた値を酸素吸蔵量変化量δOSA(1)に格納した後、ステップ1260に進む。このように、前記積算した値が「0」未満であれば今回ステップ1260にて算出されるブロック(1)における酸素吸蔵量OSA(1)の値が「0」未満(負の値)になってしまうことを意味するので、今回ステップ1260にて算出される酸素吸蔵量OSA(1)の値が「0」になるように酸素吸蔵量変化量δOSA(1)が調整される。
【0131】
ステップ1260にてブロック(1)における今回の酸素吸蔵量OSA(1)を算出した後、CPU71はステップ1265に進んでステップ1205にて算出したブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)の値と、上記調整後のブロック(1)における酸素吸蔵量変化量δOSA(1)の値と、上記数1(の右辺)に基づくステップ1265内に記載した式とに基づいてブロック(1)における流出酸素量CgoutO2(1)を算出する。
【0132】
次いで、CPU71はステップ1270に進んで、(現時点ではステップ1210の実行により「0」となっている)現時点における第1触媒53の酸素吸蔵量OSAallの値にステップ1260にて算出されたブロック(1)における今回の酸素吸蔵量OSA(1)の値を加えた値を新たな酸素吸蔵量OSAallとして格納した後、ステップ1275に進んで、ステップ1265にて算出されたブロック(1)における流出酸素量CgoutO2(1)の値と、上記数7に基づいてブロック(1)に隣接する下流側のブロック(2)における流入酸素量CginO2(2)を算出する。
【0133】
そして、CPU71はステップ1280に進んでカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数Nと等しいか否かを判定する。現時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、CPU71はステップ1280にて「No」と判定し、再びステッ1215に戻ってカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「2」に設定した後、続くステップ1220〜ステップ1275までの処理を実行することで次のブロックであるブロック(2)における計算を実行する。このとき、ステップ1265における流入酸素量CginO2(2)の値としては前回ステップ1275にて算出した流入酸素量CginO2(2)の値が使用される。
【0134】
このようにして、ステップ1220〜ステップ1275までの処理は、カウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数Nと等しくなるまで繰り返し実行される。これにより、第1触媒53の最上流のブロック(1)から最下流のブロック(N)までの各ブロック(n)の流入酸素量CginO2(n)、流出酸素量CgoutO2(n)、酸素吸蔵量変化量δOSA(n)、及び酸素吸蔵量OSA(n)の値が順次算出されていく。また、ステップ1270の処理が繰り返し実行されることにより、第1触媒53の酸素吸蔵量OSAallも算出される。このようにして、カウンタ値nの値がブロック数Nであるときにステップ1265にて算出される値が第1触媒53から流出するガス中の酸素の過不足量(流出酸素量)CgoutO2(N)となる。
【0135】
ステップ1215の処理が繰り返されることによりカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数Nと等しくなると、CPU71はステップ1280にて「Yes」と判定し、続くステップ1285にて燃料噴射量合計量mfrの値を「0」に設定した後、ステップ1295に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0136】
また、CPU71は、所定のタイミングになると、第1触媒53の各ブロック毎の酸素吸蔵量の値、並びに第1触媒53の酸素吸蔵量の値を初期化(クリア)するための図13にフローチャートにより示したルーチンのステップ1300から処理を開始し、ステップ1305に進んで、下流側空燃比センサ67の出力Voxsの値が0.7(V)より大きいか否かをモニタする。このとき、下流側空燃比センサ67の出力Voxsの値が0.7(V)より大きければ、即ち、第1触媒53の下流空燃比がリッチ空燃比であれば、同第1触媒53内全体に吸蔵されている酸素量が「0」であることを意味するので、CPU71はステップ1310に進んで第1触媒53の各ブロック毎の酸素吸蔵量の値及び第1触媒53の酸素吸蔵量の値を総て「0」に設定する処理を開始する。一方、ステップ1305の判定において、下流側空燃比センサ67の出力Voxsの値が0.7(V)以下であれば、CPU71はステップ1305からステップ1395に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0137】
いま、ステップ1305の判定において下流側空燃比センサ67の出力Voxsの値が0.7(V)より大きくなっているとすると、CPU71はステップ1310に進み、カウンタ値nの値を「0」に設定した後、ステップ1315に進んでカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「1」に設定する。次いで、CPU71はステップ1320に進んで、第1触媒53のブロック(n)における酸素吸蔵量OSA(n)の値を「0」に設定する。この時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、最上流のブロック(1)における酸素吸蔵量OSA(1)の値が「0」に設定される。
【0138】
そして、CPU71はステップ1325に進んでカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数Nと等しいか否かを判定する。現時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、CPU71はステップ1325にて「No」と判定し、再びステップ1315に戻ってカウンタ値nの値を「1」だけ増大した後ステップ1320及びステップ1325の処理を実行する。即ち、ステップ1320及びステップ1325の処理は、カウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数Nと等しくなるまで繰り返し実行される。これにより、第1触媒53の最上流のブロック(1)から最下流のブロック(N)までの各ブロック(n)における酸素吸蔵量OSA(n)の値が総て「0」にクリアされる。
【0139】
前述のステップ1315の処理が繰り返されることによりカウンタ値nの値が触媒53のブロック数Nと等しくなると、CPU71はステップ1325にて「Yes」と判定してステップ1330に進み、第1触媒53の酸素吸蔵量OSAallの値を「0」に設定した後、ステップ1395に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0140】
次に、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態となる頻度SMLが前記基準値SML0に達する毎(一サンプリング期間が経過する毎)にこの一サンプリング期間中にて下流側空燃比センサ67の出力Voxsが同第1の状態となった時点において流出酸素量CgoutO2(N)が前記第2の状態になっている頻度FREを求める際の作動について説明する。CPU71は図14のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【0141】
従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1400から処理を開始し、ステップ1405に進んで、前述の図11のステップ1105におけるものと同様のサブフィードバック制御条件が成立していて、且つ、被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」になっているか否かを判定し、ステップ1405にて「No」と判定するときはステップ1450に直ちに進んで、現時点での下流側空燃比センサ出力Voxsの値を前回の下流側空燃比センサ出力Voxspとして設定した後、本ルーチンを一旦終了する。これは、下流側空燃比センサ67が正常であって、且つ後述する被毒回復処理が実行されていない場合における前記頻度FREを算出するためである。
【0142】
いま、サブフィードバック制御条件が成立し、被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」になっていて、且つ、下流側空燃比センサ67の出力Voxsがリッチ側所定値Vrichを増加しながら、或いはリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する前記第1の状態となっていないものとして説明を続けると、CPU71はステップ1405にて「Yes」と判定してステップ1410に進み、今回の(現時点での)下流側空燃比センサ出力Voxsの値がリッチ側所定値Vrichよりも大きく、且つ、前回本ルーチン実行時にステップ1450にて更新されている前回の下流側空燃比センサ出力Voxspの値が同リッチ側所定値Vrich以下であるか否か(従って、下流側空燃比センサ出力Voxsがリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過しているか否か)を判定する。
【0143】
現時点では、上記の仮定に従い、CPU71はステップ1410にて「No」と判定してステップ1415に進み、今回の下流側空燃比センサ出力Voxsの値がリーン側所定値Vleanよりも小さく、且つ、前回の下流側空燃比センサ出力Voxspの値が同リーン側所定値Vlean以上であるか否か(従って、下流側空燃比センサ出力Voxsがリーン側所定値Vleanを減少しながら通過しているか否か)を判定する。
【0144】
現時点では、上記の仮定に従い、CPU71はステップ1415でも「No」と判定してステップ1450に直ちに進む。以降、CPU71は、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態とならない限りにおいてステップ1400〜1415,1450の処理を繰り返し実行する。
【0145】
次に、この状態から、下流側空燃比センサ出力Voxsがリッチ側所定値Vrichを増加しながら通過した場合(図5(A)においては時刻t1,t3)について説明すると、この場合、CPU71はステップ1410に進んだとき「Yes」と判定してステップ1420に進み、現時点での頻度SMLの値を「1」だけ増大した値を新たな頻度SMLとして設定する。
【0146】
次いで、CPU71はステップ1425に進んで、前述した図12のステップ1265にて算出されている流出酸素量CgoutO2(N)の最新値が負の閾値Crefmnsよりも小さい値になっているか(即ち、流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっているか)否かを判定し、「Yes」と判定するときにはステップ1430にて現時点での頻度FREの値を「1」だけ増大した値を新たな頻度FREとして設定した後にステップ1450に進む。一方、ステップ1425の判定にて「No」と判定するときにはCPU71は頻度FREの値を現時点での値に維持したままステップ1450に直ちに進む。以降、CPU71は、再び、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態とならない限りにおいてステップ1400〜1415,1450の処理を繰り返し実行するようになる。
【0147】
次に、この状態から、下流側空燃比センサ出力Voxsがリーン側所定値Vleanを減少しながら通過した場合(図5(A)においては時刻t2,t4)について説明すると、この場合、CPU71はステップ1415に進んだとき「Yes」と判定してステップ1435に進み、現時点での頻度SMLの値を「1」だけ増大した値を新たな頻度SMLとして設定する。
【0148】
次いで、CPU71はステップ1440に進んで、前述した図12のステップ1265にて算出されている流出酸素量CgoutO2(N)の最新値が正の閾値Crefplsよりも大きい値になっているか(即ち、流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっているか)否かを判定し、「Yes」と判定するときにはステップ1445にて現時点での頻度FREの値を「1」だけ増大した値を新たな頻度FREとして設定した後にステップ1450に進む。一方、ステップ1440の判定にて「No」と判定するときにはCPU71は頻度FREの値を現時点での値に維持したままステップ1450に直ちに進む。以降、CPU71は、再び、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態とならない限りにおいてステップ1400〜1415、1450の処理を繰り返し実行するようになる。
【0149】
このように、本ルーチンが繰り返し実行されることにより、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが前記第1の状態となる毎に頻度SMLの値が「1」だけ増大されるとともに、下流側空燃比センサ67の出力Voxsが同第1の状態となった時点において流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっている毎に頻度FREの値が「1」だけ増大されていく。
【0150】
また、CPU71は、図15にフローチャートにより示した第1触媒53の劣化判定を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1500から処理を開始し、ステップ1505に進んで、頻度SMLの値が前記基準値SML0以上となったか否かを判定する。このとき、頻度SMLの値が基準値SML0よりも小さければ、CPU71は触媒の劣化判定を行うことなくステップ1595に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0151】
一方、頻度SMLが基準値SML0に達していると(即ち、前記一サンプリング期間が経過すると)、CPU71はステップ1505にて「Yes」と判定してステップ1510に進み、頻度FREの値が劣化判定基準値FREref以上であるか否かを判定する。
【0152】
いま、第1触媒53の劣化の程度が少ないものとして説明を続けると、この場合、頻度FREの値が劣化判定基準値FREref以上となっている。従って、CPU71はステップ1510にて「Yes」と判定してステップ1515に進んで、劣化判定フラグXRの値を「0」に設定し、続くステップ1520にてカウンタCNTの値を「0」に設定する。ここで、劣化判定フラグXRは、その値が「1」であるとき第1触媒53が前記劣化触媒であることを示し、その値が「0」であるとき第1触媒53が前記正常触媒であることを示す。また、カウンタCNTの値は、前記一サンプリング期間の経過毎に連続して劣化判定フラグXRが「1」となる(従って、連続して第1触媒53が劣化触媒であると判定される)回数を示す値である。
【0153】
そして、CPU71はステップ1525に進み、警報ランプ82に同警報ランプ82を消灯させるための指示信号を送出するとともに、続くステップ1530にて頻度SMLの値、及び頻度FREの値を共に「0」に設定した後、ステップ1595に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、図14のルーチンが繰り返し実行されることで、再度、頻度SMLの値が基準値SML0に達するまで(即ち、次の一サンプリング期間が経過するまで)頻度FREの値が「0」から更新されていき、次の一サンプリング期間が経過するとその時点における更新された頻度FREの値に基づいて再び第1触媒53の劣化判定が実行される。そして、かかる頻度FREの値が劣化判定基準値FREref以上となっている限りにおいて、第1触媒53は正常触媒であると判定され続ける。
【0154】
次に、この状態から、第1触媒53の劣化が進行して頻度FREの値が劣化判定基準値FRErefより小さくなった場合について説明すると、この場合、CPU71はステップ1510にて「No」と判定してステップ1535に進むようになり、同ステップ1535にて劣化判定フラグXRの値を「1」に設定し、続くステップ1540にて被毒回復処理実行中フラグPWMの値を「1」に設定するとともに、続くステップ1545にて現時点でのカウンタCNTの値(現時点では「0」である。)を「1」だけ増大した値(=1)を新たなカウンタCNTとして設定する。
【0155】
次いで、CPU71はステップ1550に進み、カウンタCNTの値が「1」以下であるか、即ち、連続して第1触媒53が劣化触媒であると判定された回数が1回以下であるか否かを判定する。現時点では、カウンタCNTの値は「1」であるから、CPU71はステップ1550にて「Yes」と判定してステップ1530に直ちに進んで頻度SMLの値、及び頻度FREの値を共に「0」に設定した後、ステップ1595に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0156】
これにより、被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「1」となって前述の空燃比フィードバック制御条件が成立しなくなるから、CPU71は図10のステップ1005にて「No」と判定してステップ1040に進むようになり、空燃比フィードバック補正量DFiの値が「0」に設定されて前述の空燃比フィードバック制御が中断されるようになる。また、CPU71は図14のステップ1405にて「No」と判定してステップ1450に直ちに進むようになり、頻度FREの算出も中断されるようになる。従って、頻度SMLの値が「0」に維持されるから、CPU71が図15のステップ1505にて「No」と判定し続けることで、第1触媒53の劣化判定が実行されなくなる。これにより、カウンタCNTの値は「1」に維持される。
【0157】
また、CPU71は、図16にフローチャートにより示した被毒回復処理を実行するためのルーチンを実行するようになっている。一般に、第1触媒53のような三元触媒の劣化には、大別すると、熱による劣化と被毒による劣化が存在する。ここで、三元触媒が熱により劣化した場合、その劣化状態を解消することは困難である。一方、三元触媒が被毒により劣化した場合、所定の被毒回復処理を実行することでその劣化状態を解消できる可能性があることが知られている。以下、かかる被毒による劣化、及び、被毒回復処理について簡単に説明する。
【0158】
触媒は、排気ガス中の還元剤(例えば、HC,CO等の未燃成分)が所定量だけ連続的に流入すると、同還元剤が同触媒内の貴金属やセリア(CeO)(以下、「貴金属等」と称呼する。)の表面に付着して貴金属等の表面積が小さくなることにより被毒(所謂、一次被毒)し、かかる被毒により劣化する(例えば、触媒の最大酸素吸蔵量が低下する)ことが知られている。また、一方では、還元剤による触媒の一次被毒状態は、同触媒に所定量の酸素(従って、リーン空燃比のガス)を供給することにより解消することも知られている。
【0159】
他方、触媒は、排気ガス中の硫黄成分が所定量だけ連続的に流入すると、同硫黄成分が同触媒内の貴金属等の表面に付着して貴金属等の表面積が小さくなることにより被毒(所謂、一次被毒)し、かかる被毒によっても劣化することが知られている。また、一方では、硫黄成分による触媒の一次被毒状態は、同触媒に所定量の還元剤(例えば、HC,CO等の未燃成分。従って、リッチ空燃比のガス)を供給することにより解消することも知られている。
【0160】
以上のことから、本触媒劣化判定装置は、第1触媒53が劣化触媒であると判定される毎に(即ち、図15のステップ1540が実行されて被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」から「1」に変更される毎に)、前述の空燃比フィードバック制御を中止して機関に供給される混合気の空燃比を、所定の期間の経過毎に所定のリッチ空燃比、所定のリーン空燃比、同所定のリッチ空燃比、同所定のリーン空燃比の順に強制的に制御する被毒回復処理を実行する。
【0161】
このような被毒回復処理を実行するため、CPU71は、図16のルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1600から処理を開始し、ステップ1605に進んで、被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「1」であるか否かを判定し、「No」と判定する場合、被毒回復処理を実行することなくステップ1695に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0162】
いま、前述の図15のステップ1540が実行された直後であるものとして説明を続けると、CPU71はステップ1605にて「Yes」と判定してステップ1610に進み、被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」から「1」に変更されたか否かを判定する。現時点は、図15のステップ1540が実行された直後であって被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」から「1」に変更された直後であるから、CPU71はステップ1610にて「Yes」と判定してステップ1615に進み、カウンタ値Tを「0」に設定するとともに、続くステップ1620にて図9のステップ910にて使用される係数Kの値を「1.02」に設定する。ここで、カウンタ値Tは被毒回復処理が開始された時点からの経過時間を表す値である。
【0163】
次いで、CPU71はステップ1625に進み、カウンタ値を「1」だけ増大し、続くステップ1630にてカウンタ値Tが「4・T1」よりも小さいか否かを判定する。ここで、T1は前記所定の期間に相当する値である。従って、このステップ1630では、被毒回復処理が開始された後に前記所定の期間が4回繰り返されていないか否か、即ち、被毒回復処理を終了すべき時期が到来していないか否かが判定される。
【0164】
現時点は被毒回復処理が開始された直後であるから、CPU71はステップ1630にて「Yes」と判定してステップ1635に進み、カウンタ値Tが値「T1」又は値「3・T1」の何れかになっているか否かを判定する。現時点は被毒回復処理が開始された直後であるから、CPU71はステップ1630にて「No」と判定してステップ1640に進み、カウンタ値Tが値「2・T1」になっているか否かを判定する。現時点は被毒回復処理が開始された直後であるから、CPU71はステップ1640でも「No」と判定してステップ1695に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0165】
以降、ステップ1625が繰り返し実行されてカウンタ値Tが値T1になるまで(従って、被毒回復処理開始後に前記所定の期間が経過するまで)CPU71は、ステップ1600〜1610,1625〜1640,1695の処理を繰り返し実行する。従って、被毒回復処理開始後に前記所定の期間が経過するまでの間、図9のステップ910の実行により、基本燃料噴射量Fbaseが1.02倍された値が最終燃料噴射量Fiとして算出され(空燃比フィードバック補正量DFiの値は「0」に設定されている。)、この最終燃料噴射量Fiの燃料が噴射されるので、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入するガスの空燃比)は理論空燃比よりもリッチな前記所定のリッチ空燃比に制御され続ける。これにより、硫黄成分による第1触媒53の一次被毒状態が解消される可能性がある。
【0166】
次に、この状態から、カウンタ値Tが値T1になった場合について説明する。この場合、CPU71はステップ1635に進んだとき「Yes」と判定してステップ1645に進んで係数Kの値を「1.02」から「0.98」に変更した後、ステップ1695に進んで本ルーチンを一旦終了する。以降、ステップ1625が繰り返し実行されてカウンタ値Tが値T2になるまで(従って、1回目の所定の期間の経過後、2回目の所定の期間が経過するまで)CPU71は、ステップ1600〜1610,1625〜1640,1695の処理を再び繰り返し実行するようになる。従って、1回目の所定の期間の経過後、2回目の所定の期間が経過するまでの間、基本燃料噴射量Fbaseが0.98倍された値が最終燃料噴射量Fiとして算出されるから、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入するガスの空燃比)は理論空燃比よりもリーンな前記所定のリーン空燃比に制御され続ける。これにより、還元剤による第1触媒53の一次被毒状態が解消される可能性がある。
【0167】
同様に、カウンタ値Tが値T1から増大していき値T2になると、CPU71はステップ1640に進んだとき「Yes」と判定してステップ1650に進み、係数Kの値を「0.98」から再び「1.02」に変更する。これにより、2回目の所定の期間の経過後、3回目の所定の期間が経過するまでの間、再び、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入するガスの空燃比)は理論空燃比よりも前記所定のリッチ空燃比に制御され続ける。また、同様に、カウンタ値Tが値T2から増大していき値T3になると、CPU71はステップ1635に進んだとき「Yes」と判定してステップ1645に進み、係数Kの値を「1.02」から再度「0.98」に変更する。これにより、3回目の所定の期間の経過後、4回目の所定の期間が経過するまでの間、再び、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入するガスの空燃比)は理論空燃比よりも前記所定のリーン空燃比に制御され続ける。
【0168】
そして、カウンタ値Tが値T3から増大していき値T4になると、CPU71はステップ1630に進んだとき「No」と判定してステップ1655に進み、係数Kの値を「1.00」に再設定するとともに、続くステップ1660にて被毒回復処理実行中フラグPWMの値を「1」から「0」に変更した後、ステップ1695に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0169】
以降、被毒回復処理実行中フラグPWMの値が「0」になっているから、図15のステップ1540にて被毒回復処理実行中フラグPWMの値が再び「1」に設定されるまでの間、CPU71はステップ1605からステップ1695に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了するようになる。また、空燃比フィードバック制御条件、及びサブフィードバック制御条件が成立していれば、CPU71は図10のステップ1005及び図11のステップ1105にて「Yes」と判定するようになるから、空燃比フィードバック制御が再開されるともに、図14のステップ1405にて「Yes」と判定するようになるから、頻度FREの算出が再開される。
【0170】
従って、被毒回復処理が終了した時点以降、再び、頻度SMLが基準値SML0に達すると(即ち、一サンプリング期間が経過すると)、CPU71は図15のステップ1505にて「Yes」と判定してステップ1510以降に進み、第1触媒53の劣化判定を行う。そして、被毒回復処理により第1触媒53の劣化状態が解消している場合、CPU71はステップ1510にて「Yes」と判定し、ステップ1520にてカウンタCNTの値を現時点での値「1」から「0」にクリアする。
【0171】
一方、被毒回復処理によっても第1触媒53の劣化状態が解消していない場合、CPU71はステップ1510にて再び「No」と判定し、ステップ1545にてカウンタCNTの値を現時点での値「1」から「1」だけ増大して「2」に設定する。従って、CPU71は続くステップ1550にて「No」と判定するようになり、ステップ1555に進んで警報ランプ82に同警報ランプ82を点灯させるための指示信号を送出する。これにより、警報ランプ82が点灯する。
【0172】
即ち、警報ランプ82は、一旦、第1触媒53が劣化触媒であると判定された後に被毒回復処理が1回実行されてもなお、第1触媒53の劣化状態が解消しなかった場合に点灯されることになる。また、この場合、ステップ1540の処理によりその後に被毒回復処理が再び実行されることになる。そして、仮に、被毒回復処理が繰り返し実行されることでその後において第1触媒53の劣化状態が解消されるようなことがあった場合、CPU71がステップ1510にて「Yes」と判定することで、ステップ1520にてカウンタCNTの値が「0」にクリアされるとともに、ステップ1525にて現時点まで点灯し続けていた警報ランプ82が消灯される。一方、第1触媒53の劣化状態が引き続き解消されない場合は、ステップ1525の処理が実行されないことから警報ランプ82は継続して点灯し続ける。
【0173】
以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、第1触媒53が新品の触媒であると想定して構築された同第1触媒53を対象とする触媒モデルに基づき、第1触媒53から流出するガス中の特定成分の量(流出酸素量CgoutO2(N))を推定(算出)する。そして、本発明の実施形態は、第1触媒53下流の下流側空燃比センサ67の出力Voxsに基づく空燃比フィードバック制御中において、下流側空燃比センサ出力Voxsが第1の状態(リッチ側所定値Vrichを増加しながら、又はリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する状態)となる毎に触媒モデルが推定している流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態(負の閾値Crefmnsよりも小さい値、又は正の閾値Crefplsよりも大きい値になっている状態)になっているか否かを判定するとともに、下流側空燃比センサ出力Voxsが第1の状態となる頻度SMLが所定の基準値SML0に達する毎(一サンプリング期間が経過する毎)に、この一サンプリング期間中にて下流側空燃比センサ出力Voxsが第1の状態となった時点において流出酸素量CgoutO2(N)が第2の状態になっている頻度FREを求め、この頻度FREが劣化判定基準値FREref以上か否か(従って、頻度SML0に対する頻度FREの割合が所定値以上か否か)に基づいて第1触媒53が正常触媒であるか劣化触媒であるかを判定する。
【0174】
このような触媒劣化判定方法は、通常の空燃比フィードバック(サブフィードバック)における空燃比変動を伴うのみであって、従来技術のように機関が定常状態にあるときに空燃比を強制的に変化させないので、触媒劣化判定をドライバビリティの悪化を招くことなく行うことができた。また、通常の空燃比フィードバック制御(サブフィードバック制御)中に触媒劣化判定がなされるので、触媒劣化判定の機会を多く確保でき、この結果、第1触媒53が正常触媒であるか劣化触媒であるかを遅滞なく判定することができた。
【0175】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、下流側空燃比センサ出力Voxsが第1の状態となる頻度SMLが基準値SML0に達する毎に頻度FREと劣化判定基準値FRErefとの比較結果に基づいて触媒の劣化判定を実行しているが、所定の(一定の)サンプリング時間の経過毎に同サンプリング時間内における頻度SMLに対する頻度FREの割合と所定値との比較結果に基づいて触媒の劣化判定を実行するように構成してもよい。
【0176】
また、上記実施形態においては、下流側空燃比センサ出力Voxsが第1の状態(リッチ側所定値Vrichを増加しながら、又はリーン側所定値Vleanを減少しながら通過する状態)となる頻度SML(SML0)に対する、同下流側空燃比センサ出力Voxsが第1の状態となる時点において第1触媒53から流出する特定成分の量(流出酸素量CgoutO2(N))が第2の状態(負の閾値Crefmnsよりも小さい値、又は正の閾値Crefplsよりも大きい値になっている状態)になっている頻度FREの割合に応じて第1触媒53の劣化判定が実行されているが、前記第2の状態を、「減少している、又は増加している状態」としてもよい。また、第1触媒53から流出する特定成分の量(流出酸素量CgoutO2(N))が第1の状態(負の閾値Crefmnsを減少しながら、又は正の閾値Crefplsを増加しながら通過する状態)となる頻度SML(SML0)に対する、同特定成分の量が第1の状態となる時点において下流側空燃比センサ出力Voxsが第2の状態(リッチ側所定値Vrichよりも大きい値、又はリーン側所定値Vleanよりも小さい値になっている状態)になっている頻度FREの割合に応じて第1触媒53の劣化判定が実行されるように構成されてもよい。この場合、前記第2の状態を、「増加している、又は減少している状態」としてもよい。また、上述のリッチ側所定値Vrich、及びリーン側所定値Vleanは共に、目標値Voxsrefと等しい値に設定してもよい。
【0177】
また、上記実施形態においては、空燃比フィードバック制御(サブフィードバック制御)は下流側空燃比センサ67の出力Voxsに基づいて実行されているが、触媒モデルにより推定されている流出酸素量CgoutO2(N)に基づいて実行されるように構成してもよい。この場合、図11のステップ1110を「DVoxs ← CgoutO2(N) − CgoutO2ref」に書き換えればよい。ここで、CgoutO2refは流出酸素量CgoutO2(N)の目標値であって、例えば「0」である。
【0178】
また、サブフィードバック制御は、上記PI制御でなく、PID制御であってもよい。更に、下流側空燃比センサ67は、上流側空燃比センサ66と同様な空燃比センサであってもよい。また、下流側空燃比センサ67の出力Voxsのみに基づいて機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による触媒劣化判定装置を適用した内燃機関の概略図である。
【図2】図1に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気流量との関係を示したマップである。
【図3】図1に示した上流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図4】図1に示した下流側空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図5】(A)は第1触媒が新品の触媒である場合の空燃比フィードバック制御(サブフィードバック制御)における下流側空燃比センサの出力、及び本発明の触媒劣化判定装置が採用する触媒モデルにより推定される第1触媒から流出する流出酸素量の変化を示したタイムチャートであり、(B)は第1触媒が劣化触媒である場合の空燃比フィードバック制御における同下流側空燃比センサの出力、及び同流出酸素量の変化を示したタイムチャートである。
【図6】本発明の触媒劣化判定装置が採用する触媒モデルを模式的に示した図である。
【図7】本発明の触媒劣化判定装置が採用する触媒モデルの特定領域に注目したときの同特定領域における酸素吸蔵・放出反応に関係する特定成分の収支を示した図である。
【図8】本発明の触媒劣化判定装置が採用する触媒モデルを第1触媒に適用した場合の模式図である。
【図9】図1に示したCPUが実行する燃料噴射量計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図10】図1に示したCPUが実行する空燃比フィードバック補正量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図11】図1に示したCPUが実行するサブフィードバック制御量の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図12】図1に示したCPUが実行する第1触媒の各ブロック毎の流出酸素量、酸素吸蔵量等の計算のためのルーチンを示したフローチャートである。
【図13】図1に示したCPUが実行する第1触媒の各ブロック毎の酸素吸蔵量をクリアするためのルーチンを示したフローチャートである。
【図14】図1に示したCPUが実行する触媒劣化判定に使用する頻度FREを求めるためのルーチンを示したフローチャートである。
【図15】図1に示したCPUが実行する第1触媒が正常触媒であるか劣化触媒であるかを判定するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図16】図1に示したCPUが実行する第1触媒の被毒回復処理を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【符号の説明】
10…内燃機関、25…燃焼室、39…インジェクタ、52…エキゾーストパイプ(排気管)、53…第1触媒、66…上流側空燃比センサ、67…下流側空燃比センサ、70…電気制御装置、71…CPU[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a catalyst deterioration determination device that determines whether a three-way catalyst disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine has deteriorated.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a three-way catalyst for purifying exhaust gas of an internal combustion engine (also referred to simply as a “catalyst” in the present specification) is disposed in an exhaust passage of the engine. This three-way catalyst is an oxygen storage O 2 When it has a storage function (oxygen storage function) and the air-fuel ratio of the inflowing gas is rich, unburned components such as HC and CO are oxidized by the stored oxygen, When the fuel ratio is lean, nitrogen oxides (NOx) are reduced and the oxygen taken from the NOx is stored (occluded) inside. This allows the three-way catalyst to purify unburned components and nitrogen oxides even when the air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst deviates from the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, the larger the maximum value of the amount of oxygen (hereinafter, referred to as “oxygen storage amount”) that the three-way catalyst can store (hereinafter, referred to as “maximum oxygen storage amount”), the more the three-way catalyst is purified. Ability is high.
[0003]
Incidentally, the catalyst is deteriorated by poisoning by lead, sulfur, or the like contained in the fuel, or by heat applied to the catalyst. As a result, the oxygen storage function of the catalyst gradually decreases. That is, as the deterioration of the catalyst progresses, the maximum oxygen storage amount of the catalyst decreases. From this, if the maximum oxygen storage amount of the catalyst can be estimated, it can be determined whether or not the catalyst has deteriorated based on the estimated maximum oxygen storage amount.
[0004]
The catalyst deterioration determination device disclosed in Patent Document 1 is based on such knowledge, and forcibly changes the air-fuel ratio of the engine from a predetermined rich air-fuel ratio to a lean air-fuel ratio (or vice versa). At that time, the maximum oxygen storage amount of the catalyst is estimated based on the output of an air-fuel ratio sensor (hereinafter, referred to as “downstream air-fuel ratio sensor”) disposed downstream of the catalyst, and the estimated maximum oxygen storage amount is determined. It is configured to determine whether or not the catalyst has deteriorated based on the amount.
[0005]
More specifically, the disclosed device controls the air-fuel ratio upstream of the catalyst to a predetermined rich air-fuel ratio to set the oxygen storage amount to “0”, and then sets the air-fuel ratio of the catalyst to a predetermined value. The air-fuel ratio was controlled to a lean air-fuel ratio, and the unit flowed into the same catalyst per unit time as the time until the oxygen storage amount of the catalyst exceeded the maximum oxygen storage amount and the output of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst changed to lean. The maximum oxygen storage amount is estimated by multiplying by the oxygen amount. Alternatively, the air-fuel ratio upstream of the catalyst is controlled to a predetermined lean air-fuel ratio, and the oxygen storage amount is set to the maximum oxygen storage amount. Thereafter, the air-fuel ratio of the catalyst is controlled to a predetermined rich air-fuel ratio, and the oxygen By multiplying the time until the occlusion amount becomes “0” and the output of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst changes to rich, and the amount of oxygen released (consumed) per unit time in the same catalyst, the same is obtained. Estimate the maximum oxygen storage capacity.
[0006]
As described above, according to the apparatus disclosed above, it is necessary to measure the amount of oxygen flowing into the catalyst or the amount of oxygen consumed by the catalyst in order to estimate the maximum oxygen storage amount. This oxygen amount is measured based on the intake air amount of the engine. Therefore, in order to accurately determine the maximum oxygen storage amount, the intake air amount of the engine must be measured with high accuracy. For this reason, the determination of the degree of catalyst deterioration needs to be performed in an operating state in which the intake air amount can be accurately measured, that is, when the engine is operating in a steady state.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-5-133264
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since there is no guarantee that the steady state of the engine will continue for a long time, it is necessary to terminate the measurement of the maximum oxygen storage amount in a short period of time. Therefore, the difference between the predetermined rich air-fuel ratio and the predetermined lean air-fuel ratio described above is required. Must be set relatively large. As a result, there is a problem that the output of the engine fluctuates with such a large change in the air-fuel ratio and drivability deteriorates. In addition, since the forced change of the air-fuel ratio is started when the engine is in a steady operation in which the output of the engine is stable, the problem that the output fluctuation of the engine is easily perceived by the driver and deterioration of the drivability is easily detected. There is.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a catalyst deterioration determination device capable of accurately determining whether or not a catalyst has deteriorated without sacrificing drivability.
[0010]
[Overview of the present invention]
The feature of the present invention is applied to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine including a catalyst disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine, and an air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the catalyst. A catalyst deterioration determining means for determining whether the catalyst is a normal catalyst that has not deteriorated to a degree that should be determined to be a deteriorated catalyst or a deteriorated catalyst that has deteriorated to a degree that should be determined to be a deteriorated catalyst. The catalyst degradation determination device provided with, based on the catalyst model constructed in consideration of the reaction in the catalyst when the catalyst is assumed to be the normal catalyst, the specific component of the gas flowing out of the catalyst based on the catalyst model Specific catalyst amount estimating means for estimating a value related to the amount, wherein the catalyst deterioration determining means determines that the relationship between the output value of the air-fuel ratio sensor and the estimated value related to the amount of the specific component is the output value of the air-fuel ratio sensor And the features When the degree of departure from the predetermined correlation to be obtained between the actual value of the component amount and the actual value is equal to or less than a predetermined degree, the catalyst is determined to be the normal catalyst, and the relation is determined to be the same as the predetermined catalyst. When the degree of deviation from the correlation exceeds the predetermined degree, the catalyst is determined to be the deteriorated catalyst.
[0011]
Here, the value relating to the amount of the specific component in the gas flowing out of the catalyst is, for example, the absolute amount of the specific component, the concentration of the specific component, or the like. The specific component is, for example, a component to be purified by a catalyst such as carbon monoxide CO, hydrocarbon HC, nitrogen oxide NOx, or oxygen O 2. 2 (Amount of excess or deficiency).
[0012]
In this case, the catalyst deterioration determination device according to the feature of the present invention may be configured such that any one of the output value of the air-fuel ratio sensor or the value related to the estimated amount of the specific component becomes a predetermined target value. Air-fuel ratio control means for feedback-controlling the air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst based on the value, wherein the catalyst deterioration determination means determines whether the catalyst is the normal catalyst or the deteriorated catalyst during the feedback control. It is preferable to be configured to determine Here, the air-fuel ratio control unit that performs feedback control of the air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst may be, for example, a unit that controls the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine. Means for controlling the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to be supplied and controlling the air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst by supplying air or fuel from a nozzle or the like provided in the exhaust passage upstream of the catalyst. You may. If the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is controlled, the air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst can be controlled.
[0013]
The air-fuel ratio of the gas flowing out of the catalyst depends on the oxidizing agent (for example, nitrogen oxide NOx, oxygen O 2 ) Is large (at this time, the amount of the reducing agent (for example, carbon monoxide CO, hydrocarbon HC) in the gas is very small). When the amount of the oxidizing agent is large (at this time, the amount of the oxidizing agent in the gas is very small), the air-fuel ratio becomes rich. Therefore, the amount of the oxidizing agent and the amount of the reducing agent in the gas (therefore, the amount (the value relating to) of the specific component) changes according to the air-fuel ratio of the gas. Therefore, a predetermined correlation is established between the output value of the air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the catalyst and the actual value of a value related to the amount of the specific component in the gas flowing out of the catalyst (for example, the excess or deficiency of oxygen). They can be said to be in a relationship.
[0014]
By the way, as will be described in detail later, the inventor has identified a gas contained in a gas flowing out of the catalyst based on a catalyst model constructed in consideration of a reaction in the catalyst (oxygen storage / release reaction based on an oxygen storage function). A method for estimating (the value of) the amount of components was developed. The relationship between the value relating to the amount of the specific component estimated based on the catalyst model and the output value of the air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the actual catalyst targeted by the catalyst model is the predetermined correlation. When in relationship, it means that the catalyst model faithfully represents the actual reaction in the catalyst. On the other hand, when the relationship between the value related to the estimated amount of the specific component and the output value of the air-fuel ratio sensor deviates from the predetermined correlation, the catalyst model does not faithfully represent the actual reaction in the catalyst. It means that.
[0015]
Further, as described above, as the deterioration of the catalyst progresses, the maximum oxygen storage amount that affects the reaction in the catalyst decreases, and the reaction rate in the catalyst changes. Therefore, the degree of the reaction in the catalyst changes as the deterioration of the catalyst progresses.
[0016]
From the above, it is a normal catalyst (for example, a new catalyst) that has not deteriorated to the extent that the actual catalyst targeted by the catalyst model should be determined to be a deteriorated catalyst (for example, the maximum oxygen storage amount is always constant). It is assumed that the catalyst model is constructed in consideration of the actual reaction in the catalyst when it is assumed that the catalyst model is new. Then, when the actual catalyst is the normal catalyst, the catalyst model can faithfully represent the reaction in the actual catalyst. Therefore, the value related to the amount of the specific component estimated by the catalyst model and the output value of the air-fuel ratio sensor Does not deviate from the predetermined correlation. On the other hand, as the actual deterioration of the catalyst progresses from the degree of deterioration of the normal catalyst, the degree of reaction represented by the catalyst model becomes different from the degree of reaction in the actual catalyst, and the same catalyst model Since the reaction in the catalyst cannot be faithfully represented, the degree of the relationship between the estimated value of the specific component and the output value of the air-fuel ratio sensor deviating from the predetermined correlation gradually increases.
[0017]
Therefore, depending on whether the degree of the relationship between the value related to the estimated amount of the specific component and the output value of the air-fuel ratio sensor deviates from the predetermined correlation exceeds a predetermined degree, the actual It can be determined whether or not the catalyst is a deteriorated catalyst that has been deteriorated to the extent that it should be determined that the catalyst is a deteriorated catalyst. The catalyst deterioration determination device according to the above-described feature of the present invention determines whether the catalyst is a normal catalyst or a deteriorated catalyst by using such a phenomenon.
[0018]
According to this, it is not necessary to forcibly change the air-fuel ratio when the engine is operating in a steady state in order to determine the deterioration of the catalyst. During the control, a catalyst deterioration determination may be performed. As a result, it is possible to determine whether the catalyst is a normal catalyst or a deteriorated catalyst without sacrificing drivability.
[0019]
In any one of the above catalyst deterioration determining devices, the catalyst deterioration determining means may determine whether one of the output value of the air-fuel ratio sensor or the estimated value of the specific component is a rich air-fuel ratio or a lean air-fuel ratio from the catalyst. Each time the state becomes the first state indicating that the gas of the fuel ratio flows out, the other value changes to the second state indicating that the gas of the same rich air-fuel ratio or lean air-fuel ratio flows out from the same catalyst. It is determined whether or not the other value is in the second state when the same value is in the first state with respect to the frequency of the one value being in the first state. When the ratio of the frequency of occurrence is equal to or greater than a predetermined value, the degree of the relationship between the output value of the air-fuel ratio sensor and the value related to the estimated amount of the specific component deviating from the predetermined correlation is equal to or less than the predetermined degree. Is determined to be When the ratio of the frequency is less than the predetermined value, it is preferable that the degree to which the relationship deviates from the predetermined correlation is configured to determine that exceeds the same extent predetermined.
[0020]
In this case, when the ratio of the frequency at which the one value is in the first state to the frequency at which the other value is in the second state is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the catalyst is a normal catalyst. When the ratio of the same frequency is less than the predetermined value, the catalyst is determined to be a deteriorated catalyst. According to this, the frequency at which one value of the output value of the air-fuel ratio sensor or the value related to the estimated amount of the specific component is in the first state and the frequency at which the other value is in the second state are It is possible to determine the deterioration of the catalyst with a simple configuration of counting.
[0021]
In any one of the above catalyst deterioration determination devices, the specific component amount estimating means estimates a value relating to the excess or deficiency of oxygen in the gas flowing out of the catalyst as a value relating to the amount of the specific component in the gas. It is preferable to be configured as follows. Excessive oxygen in the gas flowing out of the catalyst means that the amount of the oxidizing agent in the gas is large (at this time, the amount of the reducing agent in the gas is small). In other words, the lack of oxygen in the gas means that the amount of the reducing agent in the gas is large (at this time, the amount of the oxidizing agent in the gas is small). Means In other words, the state of the gas flowing out of the catalyst can be represented based on only one value, which is a value relating to the excess or deficiency of oxygen in the gas. Therefore, if configured as described above, it is not necessary to calculate a value other than the value relating to the excess or deficiency of oxygen as a value relating to the amount of the specific component in the gas flowing out of the catalyst, and the calculation necessary for determining the deterioration of the catalyst is not required. It can be simple.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an air-fuel ratio control device (exhaust gas purification device) including a catalyst deterioration determination device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a system in which such a catalyst deterioration determination device is applied to a spark ignition type multi-cylinder (four cylinder) internal combustion engine 10.
[0023]
The internal combustion engine 10 includes a cylinder block 20 including a cylinder block, a cylinder block lower case, and an oil pan, a cylinder head 30 fixed on the cylinder block 20, and a gasoline mixture in the cylinder block 20. And an exhaust system 50 for discharging exhaust gas from the cylinder block 20 to the outside.
[0024]
The cylinder block section 20 includes a cylinder 21, a piston 22, a connecting rod 23, and a crankshaft 24. The piston 22 reciprocates in the cylinder 21, and the reciprocating motion of the piston 22 is transmitted to the crankshaft 24 via the connecting rod 23, whereby the crankshaft 24 rotates. The heads of the cylinder 21 and the piston 22 together with the cylinder head 30 form a combustion chamber 25.
[0025]
The cylinder head section 30 includes an intake port 31 communicating with the combustion chamber 25, an intake valve 32 for opening and closing the intake port 31, and an intake camshaft for driving the intake valve 32, and continuously changes the phase angle of the intake camshaft. Variable intake timing device 33, an actuator 33a of the variable intake timing device 33, an exhaust port 34 communicating with the combustion chamber 25, an exhaust valve 35 for opening and closing the exhaust port 34, an exhaust camshaft 36 for driving the exhaust valve 35, and a spark plug 37 And an igniter 38 including an ignition coil for generating a high voltage applied to the ignition plug 37, and an injector (fuel injection means) 39 for injecting fuel into the intake port 31.
[0026]
The intake system 40 includes an intake pipe 41 including an intake manifold communicating with the intake port 31 and forming an intake passage together with the intake port 31, an air filter 42 provided at an end of the intake pipe 41, and an intake pipe 41. A throttle valve 43 for varying the opening cross-sectional area of the intake passage, a throttle valve actuator 43a comprising a DC motor constituting a throttle valve driving means, a swirl control valve (hereinafter referred to as "SCV") 44, and a DC motor. SCV actuator 44a.
[0027]
The exhaust system 50 includes an exhaust manifold 51 communicating with the exhaust port 34, an exhaust pipe (exhaust pipe) 52 connected to the exhaust manifold 51, and a first catalyst (start catalyst) disposed (interposed) in the exhaust pipe 52. Converter) 53 and a second catalyst (disposed below the floor of the vehicle, which is disposed (interposed) in the exhaust pipe 52 downstream of the first catalyst 53, so that an underfloor catalytic Converter 54). The exhaust port 34, the exhaust manifold 51, and the exhaust pipe 52 constitute an exhaust passage. Note that the present catalyst deterioration determination apparatus determines whether the first catalyst 53 has deteriorated.
[0028]
On the other hand, this system includes a hot-wire type air flow meter 61, a throttle position sensor 62, a cam position sensor 63, a crank position sensor 64, a water temperature sensor 65, and an air-fuel ratio sensor 66 (disposed in an exhaust passage upstream of the first catalyst 53). Hereinafter, referred to as an “upstream air-fuel ratio sensor 66”), an air-fuel ratio sensor 67 (hereinafter “downstream air-fuel ratio sensor”) disposed in the exhaust passage downstream of the first catalyst 53 and upstream of the second catalyst 54. A fuel ratio sensor 67 ”) and an accelerator opening sensor 68.
[0029]
The hot wire air flow meter 61 outputs a voltage Vg according to the mass flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 41. The relationship between the output Vg of the air flow meter 61 and the measured intake air flow rate Ga is as shown in FIG. The throttle position sensor 62 detects the opening of the throttle valve 43 and outputs a signal indicating the throttle valve opening TA. The cam position sensor 63 generates a signal (G2 signal) having one pulse each time the intake camshaft rotates 90 ° (that is, each time the crankshaft 24 rotates 180 °). The crank position sensor 64 outputs a signal having a narrow pulse each time the crankshaft 24 rotates 10 ° and a wide pulse each time the crankshaft 24 rotates 360 °. This signal indicates the engine speed NE. The water temperature sensor 65 detects the temperature of the cooling water of the internal combustion engine 10 and outputs a signal indicating the cooling water temperature THW.
[0030]
As shown in FIG. 3, the upstream side air-fuel ratio sensor 66 outputs a current corresponding to the air-fuel ratio A / F, and outputs a voltage vabyfs corresponding to the current. 3, the upstream air-fuel ratio sensor 66 can accurately detect the air-fuel ratio A / F over a wide range. As shown in FIG. 4, the downstream air-fuel ratio sensor 67 outputs a voltage Voxs that changes abruptly at the stoichiometric air-fuel ratio. More specifically, the downstream air-fuel ratio sensor 67 outputs approximately 0.1 (V) when the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio and approximately 0.1 V when the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio. When the air-fuel ratio is 9 (V) and the stoichiometric air-fuel ratio, a voltage of approximately 0.5 (V) is output. The accelerator opening sensor 68 detects the operation amount of the accelerator pedal 81 operated by the driver, and outputs a signal indicating the operation amount Accp of the accelerator pedal 81.
[0031]
The electric control device 70 includes a CPU 71 connected to the bus 71, a routine (program) to be executed by the CPU 71, a table (lookup table, map), a ROM 72 in which constants and the like are stored in advance, and the CPU 71 temporarily stores data as needed. The microcomputer includes a RAM 73 for storing data in a power supply, a backup RAM 74 for storing data while the power is on and the stored data while the power is off, an interface 75 including an AD converter, and the like. The interface 75 is connected to the sensors 61 to 68, supplies signals from the sensors 61 to 68 to the CPU 71, and controls the actuator 33a of the variable intake timing device 33, the igniter 38, the injector 39, A drive signal is transmitted to the valve actuator 43a and the SCV actuator 44a. Further, the interface 75 sends an instruction signal for turning on / off the alarm lamp 82 to an alarm lamp 82 for notifying the user of the deterioration of the first catalyst 53 in accordance with an instruction from the CPU 71. .
[0032]
(Overview of air-fuel ratio feedback control)
The first catalyst 53 (the same applies to the second catalyst 54), which is a three-way catalyst, oxidizes unburned components (HC, CO) when the air-fuel ratio is substantially at the stoichiometric air-fuel ratio, and simultaneously oxidizes nitrogen oxides (NOx). ) Is reduced. Further, the first catalyst 53 has a function of storing oxygen (oxygen storage function, O 2 Storage function), and this oxygen storage function can purify HC, CO, and NOx even if the air-fuel ratio deviates from the stoichiometric air-fuel ratio to some extent. That is, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine becomes lean and the gas flowing into the first catalyst 53 contains a large amount of NOx, the first catalyst 53 deprives NOx of oxygen molecules and reduces NOx. This purifies NOx. When the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine becomes rich and the gas flowing into the first catalyst 53 contains a large amount of HC and CO, the first catalyst 53 gives them oxygen molecules to oxidize them. This purifies HC and CO.
[0033]
Therefore, in order for the first catalyst 53 to efficiently purify a large amount of HC and CO that flow continuously, the first catalyst 53 must store a large amount of oxygen, and conversely, continuously store a large amount of oxygen. In order to efficiently purify a large amount of inflowing NOx, the first catalyst 53 must be able to sufficiently store oxygen. As is clear from the above, the purification ability of the first catalyst 53 depends on the maximum oxygen amount (maximum oxygen storage amount) that the first catalyst 53 can store.
[0034]
On the other hand, the first catalyst 53 is deteriorated by poisoning by lead or sulfur contained in the fuel or by heat applied to the catalyst, so that the maximum oxygen storage amount gradually decreases. Even in the case where the maximum oxygen storage amount is reduced as described above, in order to maintain a state in which the emission amount is small, the air-fuel ratio of the gas discharged from the first catalyst 53 must be very close to the stoichiometric air-fuel ratio. It is necessary to control so that
[0035]
Thus, in the air-fuel ratio control device of the present embodiment, the target value at which the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 substantially corresponds to the stoichiometric air-fuel ratio (that is, the target value for improving the purification efficiency of the first catalyst 53). The engine is based on the sub-feedback control amount vafsfb obtained by subtracting the output DVoxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 from the target value Voxsref so as to be Voxsref (= 0.5 (V)) and performing a proportional / integral process on the deviation DVoxs. (In this embodiment, the air-fuel ratio is feedback-controlled in accordance with the upstream air-fuel ratio sensor output vabyfs.)
[0036]
That is, when the output of the downstream air-fuel ratio sensor 67 becomes a value representing an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (actually, when the sub-feedback control amount vafsfb becomes a positive value), the air-fuel mixture supplied to the engine becomes empty. The fuel ratio is controlled to the rich side, and when the output of the downstream air-fuel ratio sensor 67 becomes a value representing an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio (actually, when the sub-feedback control amount vafsfb becomes a negative value), the fuel is supplied to the engine. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture is controlled to the lean side. As described above, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is feedback-controlled based on the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs (accordingly, the sub-feedback control amount vafsfb). The means for controlling the air-fuel ratio supplied to the engine (therefore, the air-fuel ratio of the gas flowing into the first catalyst 53) corresponds to the air-fuel ratio control means.
[0037]
(Principle of catalyst deterioration judgment)
During the above-described air-fuel ratio feedback control, if the amount of unburned CO and HC in the gas flowing out of the first catalyst 53 becomes insufficient due to the lack of oxygen in the gas (at this time, the amount of nitrogen oxide NOx The amount is very small.) The output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 approaches a value indicating rich while increasing. On the other hand, when the oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 becomes excessive and the amount of nitrogen oxide NOx in the gas increases, the amount of unburned CO and HC in the gas becomes very small. The output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 approaches a value indicating lean while decreasing.
[0038]
In other words, when the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 passes while increasing the rich predetermined value Vrich larger than the target value Voxsref corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio, at least the gas flowing out of the first catalyst 53 The amount of oxygen shortage exceeds a certain threshold. On the other hand, when the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 passes while decreasing the lean-side predetermined value Vlean that is smaller than the target value Voxsref, at least the excess amount of oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 is a certain amount. The amount exceeds the threshold. The output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 and the amount (actual amount) of specific components (excess or deficiency of oxygen, nitrogen oxides NOx, unburned CO, HC, etc.) in the gas flowing out of the first catalyst 53 are as follows. There is at least such a predetermined correlation.
[0039]
On the other hand, the amount of the specific component in the gas flowing out of the first catalyst 53 (in this example, the excess or deficiency of oxygen (outflow oxygen amount) CgoutO2 (N)) is, as described later in detail, the inside of the first catalyst 53. Can be estimated based on a catalyst model constructed in consideration of the reaction (oxygen storage / release reaction based on the oxygen storage function). Here, when the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is a positive value, it means that oxygen is excessive and NOx is flowing out of the first catalyst 53, and the value is negative. Means that oxygen is insufficient and unburned CO and HC are flowing out of the first catalyst 53.
[0040]
When the relationship between the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) estimated based on this catalyst model and the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is in the above-described predetermined correlation, the catalyst model uses the reaction in the first catalyst 53. Means faithfully. On the other hand, when the relationship between the estimated outflow oxygen amount CgoutO2 (N) and the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 deviates from the predetermined correlation, the catalyst model faithfully performs the reaction in the first catalyst 53. It does not mean that it is not expressed.
[0041]
Further, as described above, generally, as the deterioration of the catalyst progresses, the maximum oxygen storage amount that affects the reaction in the catalyst decreases, and the reaction rate in the catalyst changes. Therefore, the degree of the reaction in the catalyst changes as the deterioration of the catalyst progresses.
[0042]
From the above, the catalyst in the first catalyst 53 is considered in consideration of the reaction in the first catalyst 53 when it is assumed that the first catalyst 53 is a new catalyst (for example, the maximum oxygen storage amount is always the value at the time of the new catalyst). Consider the case where a model has been built. Then, when the first catalyst 53 is a new catalyst, the catalyst model can faithfully represent the reaction in the first catalyst 53. Therefore, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) estimated by the catalyst model and the downstream air-fuel ratio sensor The relationship with the output value Voxs of 67 does not deviate from the predetermined correlation. On the other hand, as the deterioration of the first catalyst 53 progresses (from the time of new product), the degree of the reaction represented by the catalyst model becomes different from the degree of the reaction in the first catalyst 53, and the catalyst model becomes the first catalyst. Since the reaction in 53 cannot be faithfully represented, the degree of the relationship between the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) and the output value Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 deviating from the predetermined correlation gradually increases.
[0043]
Hereinafter, this point will be described more specifically with reference to FIG. (A) shows an example of a change in the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 when the first catalyst 53 is a new catalyst, and a change in the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated by a catalyst model described later. It is a time chart. As described above, since the catalyst model is constructed on the assumption that the first catalyst 53 is a new catalyst, the catalyst model faithfully represents the reaction in the first catalyst 53 which is a new catalyst. Therefore, the change in the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated by the catalyst model shown in (A) coincides with the change in the actual amount of oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53. .
[0044]
That is, before the time t1, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is controlled to the rich side (that is, the above-described sub-feedback control amount vafsfb is a positive value), so that the first catalyst 53 When the oxygen storage amount in the chamber approaches “0”, the first catalyst 53 cannot completely oxidize a large amount of unburned CO and HC in the inflowing gas, and unburned CO and HC flow out of the first catalyst 53. (The oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 starts to run short). In response, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) starts decreasing from substantially “0” and the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 starts increasing. At time t1, the output Voxs becomes the rich predetermined value Vrich. Pass while increasing. Further, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N), which is a negative value, is smaller than the negative threshold value Crefmns at time t1 and continues to decrease thereafter.
[0045]
At time t1 ′ immediately after time t1, the sub-feedback control amount vafsfb changes from a positive value to a negative value, whereby the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is controlled to the lean side. Accordingly, after time t1 ′, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is maintained at approximately “0” again because unburned CO and HC do not flow out of the first catalyst 53. Here, the time when the sub-feedback control amount vafsfb changes from a positive value to a negative value (time t1 ′) is later than the time when the output Voxs passes while increasing the target value Voxsref (immediately before time t1). Is based on the fact that the value of the integral term in the proportional / integral processing for obtaining the sub-feedback control amount vafsfb is a large positive value immediately before the time t1.
[0046]
After the time t1 (t1 ′), the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is controlled to the lean side (that is, the sub-feedback control amount vafsfb becomes a negative value), so that the first catalyst 53 When the oxygen storage amount of the gas approaches the maximum oxygen storage amount, the first catalyst 53 cannot completely reduce a large amount of nitrogen oxide NOx in the inflowing gas, and the nitrogen oxide NOx starts flowing out of the first catalyst 53 ( Therefore, the oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 starts to become excessive.) In response, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) starts to increase from substantially “0” and the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 starts to decrease. At time t2, the output Voxs becomes the lean predetermined value Vlean. Pass while decreasing. Further, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N), which is a positive value, is larger than the positive threshold value Crefpls at time t2, and continues to increase thereafter.
[0047]
At time t2 'immediately after time t2, the sub-feedback control amount vafsfb changes from a negative value to a positive value again so that the air-fuel ratio of the mixture supplied to the engine is controlled to the rich side. become. Accordingly, after time t2 ', the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is maintained at substantially "0" again because the nitrogen oxide NOx does not flow out of the first catalyst 53. Here, the time when the sub-feedback control amount vafsfb changes from a negative value to a positive value (time t2 ′) is later than the time when the output Voxs passes while decreasing the target value Voxsref (immediately before time t2). Is based on the fact that the value of the integral term for obtaining the sub-feedback control amount vafsfb is a large negative value immediately before the time t2.
[0048]
Similarly, after time t2 (t2 ′), at time t3, the output Voxs passes while increasing the rich-side predetermined value Vrich, and the outflowing oxygen amount CgoutO2 (N) becomes the negative threshold value as in the case of the time t1 described above. The value is smaller than Crefmns. Also, at time t4, the output Voxs passes while decreasing the lean-side predetermined value Vlean, and the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) has a value larger than the positive threshold value Crefpls, as at time t2. .
[0049]
As described above, when the first catalyst 53 is a new catalyst, each time the output Voxs passes while increasing the rich-side predetermined value Vrich (at (A), times t1 and t3), the outflow oxygen calculated by the catalyst model is calculated. The amount CgoutO2 (N) is always smaller than the negative threshold value Crefmns, and every time the output Voxs passes while decreasing the lean-side predetermined value Vlean (at (A), times t2 and t4). The quantity CgoutO2 (N) is always a value larger than the positive threshold value Crefpls. In other words, the relationship between the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) and the output value Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 does not deviate from the predetermined correlation.
[0050]
On the other hand, FIG. 5B shows the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 and the outflow oxygen amount CgoutO2 (N 4 is a time chart showing an example of a change in the example. As described above, the catalyst model is constructed on the assumption that the first catalyst 53 is a new catalyst. In this case, the reaction in the first catalyst 53 that is the deteriorated catalyst cannot be faithfully represented.
[0051]
More specifically, in this case, since the first catalyst 53 is the deteriorated catalyst, the maximum oxygen storage amount in the first catalyst 53 is considerably reduced. Therefore, the actual oxygen storage amount in the first catalyst 53 comes to approach “0” or the maximum oxygen storage amount in a short time, and accordingly, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine changes from the rich side. It frequently changes to the lean side or from the lean side to the rich side. On the other hand, in the catalyst model, a large value at the time of a new product is always assumed as the maximum oxygen storage amount of the first catalyst 53, so the oxygen storage amount (estimated value, calculated value) in the first catalyst 53 is the empty amount. Although it frequently increases and decreases in response to frequent changes in the fuel ratio, it hardly reaches “0” or the maximum oxygen storage amount. In other words, when the actual oxygen storage amount in the first catalyst 53 approaches “0” or the maximum oxygen storage amount and the oxygen storage amount (estimated value) in the first catalyst 53 calculated in the catalyst model is “ It is different from the point of time approaching "0" or the maximum oxygen storage amount. Therefore, the change in the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated by the catalyst model does not coincide with the change in (the actual amount of) oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53.
[0052]
Accordingly, in (B), each time the output Voxs passes while increasing the rich-side predetermined value Vrich (time t10, t30, t50), the excess or deficiency of oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 (actually, Is always smaller than the negative threshold Crefmns, while the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated by the catalyst model is smaller than the negative threshold Crefmns only at time t50. Every time the output Voxs passes while decreasing the lean-side predetermined value Vlean (time t20, t40, t60), the excess or deficiency (actual amount) of oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 is always a positive threshold. On the other hand, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) has a value larger than the positive threshold value Crefpls only at time t20, while the value is larger than Crefpls.
[0053]
In other words, when the first catalyst 53 becomes the deteriorated catalyst, the extent of the relationship between the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) and the output value Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 deviating from the predetermined correlation is considerably large. Become. The extent to which the relationship between the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) and the output value Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 deviates from the predetermined correlation is assumed by the maximum oxygen storage amount of the first catalyst 53 in the catalyst model. As the value of the first catalyst 53 decreases from a large value at the time of the new product, that is, as the deterioration of the first catalyst 53 progresses (from the time of the new product), it gradually increases.
[0054]
To the extent that the relationship between the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) and the output value Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 deviates from the predetermined correlation, the output Voxs (one value) increases the rich-side predetermined value Vrich. At the time when the output Voxs of the downstream-side air-fuel ratio sensor 67 is in the first state (i.e., when the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is in the first state), or when the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is in the first state, It can be represented by the probability that the value is smaller than the negative threshold value Crefmns or larger than the positive threshold value Crefpls (that is, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is in the second state). As the probability decreases, it grows larger. For example, in the example shown in FIG. 5A, the probability is 100% (4 times / 4 times), whereas in the example shown in FIG. 5B, the probability is about 33% (2 times / 6 times). ) And deviates from the above-mentioned predetermined correlation.
[0055]
From the above, the present catalyst deterioration determination apparatus constructs a catalyst model for the first catalyst 53 on the assumption that the first catalyst 53 is a new catalyst. In addition, during the above-described air-fuel ratio feedback control, the present catalyst deterioration determination device performs the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated by the catalyst model every time the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 becomes the first state. ) Is in the second state, and the output (Voxs) of the downstream air-fuel ratio sensor 67 indicates that the frequency (number of times) SML in which the output state becomes the first state has been sufficiently sampled. Each time the output value Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 reaches the first state during this one sampling period every time the reference value SML0 is reached (each time one sampling period elapses), the outflowing oxygen amount CgoutO2 (N ) Is in the second state.
[0056]
If the frequency FRE is equal to or more than the deterioration determination reference value FREF (therefore, the ratio of the frequency FRE to the frequency SML0 is equal to or more than a predetermined value), the present catalyst deterioration determination apparatus determines that the first catalyst 53 is a deteriorated catalyst. While it is determined that the normal catalyst has not deteriorated to the extent that it should be deteriorated, if the frequency FRE is less than the deterioration determination reference value FRE (therefore, the ratio of the frequency FRE to the frequency SML0 is less than a predetermined value), the first catalyst 53 It is determined that the catalyst has deteriorated to the extent that it should be determined that the catalyst has deteriorated. The means for determining the deterioration of the first catalyst 53 in this way corresponds to the catalyst deterioration determining means.
[0057]
(Catalyst model)
Next, a description will be given of a catalyst model for determining the amount of a specific component in the gas flowing out of the first catalyst 53 (in this example, the excess / deficiency amount of oxygen (outflow oxygen amount) CgoutO2 (N)). Generally, when a lean air-fuel ratio gas flows into the catalyst, more oxygen is stored upstream of the catalyst, and when a rich air-fuel ratio gas flows into the catalyst, the oxygen is stored from the upstream side of the catalyst. Oxygen is being consumed. Therefore, the oxygen stored in the catalyst is not uniformly distributed in the flow direction of the exhaust gas of the catalyst. Therefore, in order to accurately determine the oxygen storage amount in the catalyst, it is necessary to perform a calculation in consideration of the distribution of the stored oxygen.
[0058]
Further, the oxygen storage amount of the catalyst changes according to the degree of the oxygen storage / release reaction generated in the catalyst. The degree of the oxygen storage / release reaction depends on the amount of the specific component related to the oxygen storage / release reaction contained in the exhaust gas flowing into the catalyst. Therefore, in order to accurately determine the oxygen storage amount of the catalyst, it is necessary to perform a calculation in consideration of the amount of the specific component. If the oxygen storage amount of the catalyst can be accurately obtained, the amount of the specific component in the gas flowing out of the catalyst can be accurately calculated. Therefore, the present apparatus applies the catalyst model described below to the first catalyst 53 to thereby determine the oxygen storage amount OSAall in the first catalyst 53 and the amount of the specific component flowing out of the first catalyst 53 (in this example, , Outflow oxygen amount CgoutO2 (N)) is calculated.
[0059]
In this catalyst model, as schematically shown in FIG. 6, a columnar catalyst having a constant cross-sectional shape perpendicular to the axis is divided into N (plural) regions ("blocks") by a surface perpendicular to the coaxial line. ). That is, the catalyst targeted by the catalyst model is divided into N blocks along the flow direction of the exhaust gas. The length in the axial direction of each divided block is L. For convenience of explanation, each block is numbered sequentially from the upstream side along the flow direction of the exhaust gas as shown in FIG. In addition, variables, symbols, and the like related to an arbitrary i-th block have (i) at the end thereof.
[0060]
In this catalyst model, as shown in FIG. 7, the i-th block (i) (specific region) among the divided blocks is focused on and related to the oxygen storage / release reaction in the block (i). Consider the balance of the specific component per calculation cycle of the CPU 71. At this time, it is assumed that the three-way reaction, which is an oxidation / reduction reaction using a catalyst, is completed instantaneously and completely, and attention is paid only to the resulting oxygen storage / release reaction based on the excess / deficiency of oxygen. . This assumption (catalyst model) is realistic and has high calculation accuracy. The exhaust gas phase shown in FIG. 7 is a space through which the exhaust gas passes, and the coat layer is an active component made of a noble metal such as platinum (Pt) that generates a catalytic function and ceria (CeO) that generates an oxygen storage function. 2 ) Is a layer in which components such as
[0061]
The specific component is, for example, oxygen (molecule) O 2 May be a component selected from nitrogen oxides NOx, carbon monoxide CO, and hydrocarbon HC. However, in this catalyst model, the exhaust gas in a state where the three-way reaction is assumed to end instantaneously and completely is described. Oxygen (oxygen of oxygen molecules and nitrogen oxides. In this specification, oxygen of oxygen molecules and nitrogen oxides are collectively referred to as “oxygen”) (excess or insufficient) is selected as a specific component. I have. The oxygen amount CgO2, which is the amount of oxygen, is determined when the oxygen is excessive (that is, Og in the exhaust gas). 2 And when NOx is present), and becomes a negative value when the oxygen is insufficient (ie, when unburned HC and CO are present in the exhaust gas).
[0062]
In the block (i) of interest, the amount of oxygen CgO2 flowing into the exhaust gas phase of the block (i) per calculation cycle of the CPU 71 is calculated as the amount of oxygen CginO2 (i) flowing into the exhaust gas phase of the block (i) per calculation cycle. The amount of oxygen CgO2 flowing out of the block is referred to as the outflowing oxygen amount CgoutO2 (i), and the amount of oxygen CgO2 absorbed or released from the coat layer of the same block (i) per the same operation cycle is the amount of change in the oxygen storage amount. It is referred to as δOSA (i). The oxygen storage amount change amount δOSA (i) is calculated to have a positive value when oxygen is occluded in the coat layer and a negative value when oxygen is released from the coat layer. Further, the oxygen storage amount in the coat layer of the block (i) at the present time is referred to as oxygen storage amount OSA (i), and the maximum oxygen storage amount in the coat layer of the block (i) at the present time is the maximum oxygen storage amount Cmax (i). Called.
[0063]
Now, considering the balance of the oxygen amount CgO2 in the block (i) shown in FIG. 7 per the above calculation cycle, the oxygen storage amount change amount of the inflowing oxygen amount CginO2 (i) flowing into the exhaust gas phase of the block (i) is considered. Only δOSA (i) is occluded in the coat layer, and the remaining oxygen amount CgO2 not occluded in the coat layer of the inflow oxygen amount CginO2 (i) becomes the outflow oxygen amount CgoutO2 (i). (1) The relationship shown in the following equation 1 is established between the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) and the oxygen storage amount change amount δOSA (i). The relationship shown in Equation 1 below is the basic equation of the present catalyst model.
[0064]
(Equation 1)
CgoutO2 (i) = CginO2 (i) -δOSA (i)
[0065]
Next, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) will be considered. When the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a positive value, it means that the oxygen in the exhaust gas flowing into the exhaust gas phase of the block (i) is excessive, and a part of the oxygen in the exhaust gas is in the block (i). Therefore, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) becomes a positive value because it is occluded by the coat layer. The amount of the oxygen storage reaction at this time, that is, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) is proportional to the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (i), and the current maximum oxygen storage amount Cmax (i) of the block (i). And the oxygen storage amount OSA (i) at this time. Therefore, when the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a positive value, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) can be calculated based on the following Expressions 2 and 3.
[0066]
(Equation 2)
δOSA (i) = H (i) · CginO2 (i)
[0067]
[Equation 3]
H (i) = h · ((Cmax (i) −OSA (i)) / Cmax (i)) (0 ≦ H (i) <1)
[0068]
In the above equations 2 and 3, H (i) is a reaction rate indicating the ratio of the amount of stored oxygen (δOSA (i)) to the inflowing oxygen amount CginO2 (i) in the block (i). h is a reaction rate constant when it is assumed that the first catalyst 53 is a new catalyst, and is a constant positive value in this model, but a positive value that changes according to the temperature of the catalyst (for example, the temperature of the catalyst). (A positive value that monotonically increases in accordance with the increase). Further, the value (Cmax (i) -OSA (i)) of the difference between the current maximum oxygen storage amount Cmax (i) and the current oxygen storage amount OSA (i) in the above equation (3) is represented by the block (i). Indicates the oxygen storage allowance at this time. As described above, in the present catalyst model, the amount of oxygen stored from the exhaust gas flowing into the inside of the catalyst is calculated based on at least the amount of oxygen stored in the catalyst.
[0069]
On the other hand, when the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a negative value, it means that the exhaust gas flowing into the exhaust gas phase of the block (i) is short of oxygen, and the exhaust gas in the exhaust gas phase of the block (i) has a coating layer of the block (i). , The amount of change in the oxygen storage amount δOSA (i) becomes a negative value. The amount of oxygen release reaction at this time, that is, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) (absolute value) is proportional to the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (i) and the oxygen storage amount at the present time in the block (i). It is considered to be proportional to the value of OSA (i). Therefore, when the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a negative value, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) can be calculated based on the following Expressions 4 and 5 showing the same relationship as Expression 2 above. it can.
[0070]
(Equation 4)
δOSA (i) = H (i) · CginO2 (i)
[0071]
(Equation 5)
H (i) = h · (OSA (i) / Cmax (i)) (0 ≦ H (i) <1)
[0072]
In the above Expressions 4 and 5, H (i) represents the ratio of the released oxygen amount (δOSA (i), negative value) to the inflowing oxygen amount CginO2 (i) (negative value) in the block (i). It is a reaction rate shown. h is a reaction rate constant assuming that the first catalyst 53 is a new catalyst, and is the same as that used in the above equation (3). Further, the value of the oxygen storage amount OSA (i) at the present time in the above equation (5) indicates the oxygen release allowance at the present time in the block (i). As described above, in the present catalyst model, the amount of oxygen released from the oxygen stored inside the catalyst is calculated based on at least the amount of oxygen stored in the catalyst.
[0073]
The maximum oxygen storage amount Cmax (i) in the block (i) used in Equations 3 and 5 will be described later. Further, the oxygen storage amount OSA (i) at the present time in the block (i) used in Expressions 3 and 5 is the oxygen storage amount change amount δOSA (i) from the time when the initial value is given to the present time. Can be calculated based on the following equation (6).
[0074]
(Equation 6)
OSA (i) = ΣδOSA (i) (0 ≦ OSA (i) ≦ Cmax (i))
[0075]
Next, considering the boundary conditions between the blocks, as shown in FIG. 6, the outflow surface of the exhaust gas phase of the upstream block and the exhaust gas phase of the downstream block of the two blocks adjacent to each other, as shown in FIG. Since the inflow surfaces are continuous with each other, as shown in FIG. 7, the inflowing oxygen amount CginO2 (i) flowing into the block (i) is equal to the upstream block (i-1) adjacent to the block (i). The amount of oxygen CgoutO2 (i) flowing out of the block (i) is equal to the amount of oxygen CgoutO2 (i-1) flowing out of the block (i), and flows into the downstream block (i + 1) adjacent to the block (i). It is equal to the inflowing oxygen amount CginO2 (i + 1). Therefore, the relationship shown in the following equation 7 is established. In other words, if the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) of an arbitrary i-th block (i) is obtained, the inflow oxygen amount CginO2 (i + 1) of the downstream block (i + 1) adjacent to the block (i) is obtained.
[0076]
(Equation 7)
CginO2 (i + 1) = CgoutO2 (i)
[0077]
From the above, if the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) is given as a boundary condition, the oxygen storage amount change amount δOSA (1) in the block (1) is calculated by the above equation (2) or (4). ) Is obtained. As a result, the oxygen storage amount OSA (1) in the block (1) can be updated by the above equation (6), and the outflow oxygen amount CgoutO2 (1) in the block (1) can be obtained by the above equation (1). If the outflow oxygen amount CgoutO2 (1) in the block (1) is obtained, the inflow oxygen amount CginO2 (2) in the block (2) is obtained from the above equation (7). As a result, the block (2) is obtained from the above equation (2) or (4). ) Is obtained. Thereby, the oxygen storage amount OSA (2) in the block (2) can be updated by the above equation (6), and the outflow oxygen amount CgoutO2 (2) in the block (2) can be obtained by the above equation (1).
[0078]
The CPU 71 repeatedly executes such processing at every predetermined calculation cycle. Therefore, if the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) is given as a boundary condition every time the calculation cycle of the CPU 71 elapses, the most upstream block (1) is obtained from the above equations 1 to 7. ), The oxygen storage amount OSA (i), the inflowing oxygen amount CginO2 (i), and the outflowing oxygen amount CgoutO2 (i) in each block (i) (i = 1, 2,..., N) are sequentially obtained. Can be calculated. Thereby, the distribution of the oxygen storage amount inside the catalyst is accurately calculated. In addition, if the oxygen storage amount OSA (i) (i = 1, 2,..., N) of each block is integrated for the entire catalyst, the oxygen storage amount OSAall of the entire catalyst can be accurately calculated. . Further, the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) (i = 1, 2,..., N) flowing out from each block can be calculated, whereby the block (N) (therefore, the first catalyst 53) can be calculated. Outflow oxygen amount CgoutO2 (N) flowing out of the fuel cell can be calculated. In this way, based on the catalyst model constructed on the assumption that the first catalyst 53 is a new catalyst, the amount of oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 (outflow oxygen amount) CgoutO2 ( The means for estimating N) corresponds to the specific component amount estimating means.
[0079]
In the following, a general formula for calculating the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) of an arbitrary i-th block (i) is obtained. First, when “i” in the above equation 1 is rewritten to “1”, the following equation 8 is derived.
[0080]
(Equation 8)
CgoutO2 (1) = CginO2 (1) -δOSA (1)
[0081]
Also, when “i” in the above equation 1 is rewritten to “2” and the relationship of the above equations 7 and 8 is applied to this, the following equation 9 is derived.
[0082]
(Equation 9)
Figure 2004300981
[0083]
Further, when “i” in the above equation 1 is rewritten to “3”, and the relationship of the above equations 7 and 9 is applied thereto, the following equation 10 is derived.
[0084]
(Equation 10)
Figure 2004300981
[0085]
By repeating such a procedure, the following equation 11, which is a general formula for obtaining the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) of an arbitrary i-th block (i), is derived.
[0086]
[Equation 11]
CgoutO2 (i) = CginO2 (1) −δOSA (1) −δOSA (2) −... −δOSA (i−1) −δOSA (i)
(I = 1, 2,..., N)
[0087]
In addition, since the following equation 12 is derived from the above equations 1 and 2 (or the above equation 4), the relationship of the above equation 7 is applied to the following equation 12, and the relationship is generally described. Equation 13 below, which is another general formula for obtaining the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) of the block (i), can be easily derived.
[0088]
(Equation 12)
CgoutO2 (i) = CginO2 (i) · (1-H (i))
[0089]
(Equation 13)
Figure 2004300981
[0090]
Next, the maximum oxygen storage amount Cmax (i) in the block (i) necessary for obtaining the reaction rate H (i) in Equations 3 and 5 will be described. Since this catalyst model is constructed on the assumption that the first catalyst 53 is a new catalyst, the maximum oxygen storage amount Cmax (i) (i = 1,..., N) of each block (i) is obtained. The sum is set to be the value (constant value) of the maximum oxygen storage amount Cmaxall of the first catalyst 53 as a whole when the first catalyst 53 is a new catalyst. The maximum oxygen storage amount Cmax (i) (i = 1,..., N) of each block (i) is, for example, a value obtained by dividing the value of the maximum oxygen storage amount Cmaxall by the number N of blocks. Is set. The maximum oxygen storage amount Cmax (i) (i = 1,..., N) of each block (i) set as described above does not change regardless of the progress of the deterioration of the first catalyst 53.
[0091]
(Application of catalyst model)
Next, an example in which the above-described catalyst model is applied to the first catalyst 53 as shown in FIG. 8 to obtain various values will be described.
[0092]
Hereinafter, in the block (i) that is the i-th block of the first catalyst 53, the inflow oxygen amount is the inflow oxygen amount CginO2 (i), the outflow oxygen amount is the outflow oxygen amount CgoutO2 (i), and the oxygen storage amount is OSA (i). , The maximum oxygen storage amount is referred to as Cmax (i). Further, the oxygen storage amount of the entire first catalyst 53 obtained by integrating the oxygen storage amounts OSA (i) (i = 1, 2,..., N) of each block is referred to as an oxygen storage amount OSAall, The maximum oxygen storage amount of the entire first catalyst 53, which is a value obtained by integrating the maximum oxygen storage amount Cmax (i) (i = 1, 2,..., N) of each block, is referred to as a maximum oxygen storage amount Cmaxall.
[0093]
In this catalyst model, as shown in FIG. 8, an initial value of the oxygen storage amount OSA (i) (i = 1, 2,..., N) in each block of the first catalyst 53 is given as an initial condition. In addition, every time the calculation cycle of the CPU 71 elapses, if the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) of the first catalyst 53 is given as a boundary condition, each block (i The oxygen storage amount OSA (i), the inflowing oxygen amount CginO2 (i), and the outflowing oxygen amount CgoutO2 (i) at (i = 1, 2,..., N) can all be calculated. Thus, the oxygen storage amount OSAall of the entire first catalyst 53 can also be obtained and calculated.
[0094]
Therefore, first, a method of giving an initial value of the oxygen storage amount in each block of the first catalyst 53 will be described. The present apparatus determines that the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is larger than 0.7 (V). In other words, when the air-fuel ratio on the downstream side of the first catalyst 53 becomes a clear rich air-fuel ratio, no oxygen exists in the first catalyst 53 and unburned HC and CO are not purified. Therefore, the oxygen storage amount OSA (i) (i = 1, 2,..., N) in each block of the first catalyst 53 and the oxygen storage amount OSAall of the entire first catalyst 53 are all calculated. Set to “0”. Thus, the initial value “0” of the oxygen storage amount in each block of the first catalyst 53 is given as the initial condition.
[0095]
Next, a method of giving the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) of the first catalyst 53 will be described. The present apparatus uses the following formula 14 to calculate the inflowing oxygen amount for each calculation cycle of the CPU 71. Calculate CginO2 (1).
[0096]
[Equation 14]
CginO2 (1) = 0.23 · mfr · (abyfsave-stoich)
[0097]
In the above Expression 14, the value “0.23” is the weight ratio of oxygen contained in the atmosphere. mfr is the total amount of the fuel injection amount Fi within one calculation cycle Δt, and stoich is the stoichiometric air-fuel ratio (for example, 14.7). Abyfsave is an average value of the air-fuel ratio A / F detected by the upstream air-fuel ratio sensor 66 within one calculation cycle Δt.
[0098]
As shown in Equation 14, the total amount mfr of the injection amount in one calculation cycle Δt is multiplied by a deviation (abysfave-stoich) of the detected average value of the air-fuel ratio A / F from the stoichiometric air-fuel ratio. The excess amount of air in this one operation cycle Δt is obtained, and the excess amount of air in this one operation cycle Δt is multiplied by the weight ratio of oxygen, so that the excess amount of oxygen in one operation cycle Δt, The inflowing oxygen amount CginO2 (1) is obtained.
[0099]
The inflowing oxygen amount CginO2 (1) calculated as described above is positive when the oxygen is excessive (that is, when the air-fuel ratio is lean and abyfsave> stoich), as is apparent from the above equation (14). It is calculated to be a negative value when oxygen is insufficient (that is, when the air-fuel ratio is rich and abyfsave <stoich). In this way, the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) of the first catalyst 53 is given as a boundary condition for each calculation cycle of the CPU 71.
[0100]
(Actual operation)
Next, the actual operation of the air-fuel ratio control device configured as described above will be described with reference to FIGS. 9 to 16 which show a flowchart of a routine executed by the CPU 71 of the electric control device 70.
[0101]
The CPU 71 calculates the final fuel injection amount Fi shown in FIG. 9 and performs a routine for instructing fuel injection based on a predetermined crank angle (for example, BTDC 90 ° CA) before the intake top dead center of each cylinder. Each time, it is repeatedly executed. Therefore, when the crank angle of an arbitrary cylinder reaches the predetermined crank angle, the CPU 71 starts processing from step 900 and proceeds to step 905, where the CPU 71 determines the intake air flow rate Ga measured by the air flow meter 61 and the engine rotation speed NE. Based on the map f, a basic fuel injection amount Fbase for setting the air-fuel ratio of the engine to the stoichiometric air-fuel ratio is determined based on the map.
[0102]
Next, the CPU 71 proceeds to step 910, and sets a value obtained by adding an air-fuel ratio feedback correction amount DFi described later to a value obtained by multiplying the basic fuel injection amount Fbase by the coefficient K as the final fuel injection amount Fi. The value of the coefficient K is normally “1.00”, and is set to a predetermined value other than “1.00” when the poisoning recovery process is executed as described later.
[0103]
Next, the CPU 71 proceeds to step 915, and issues an instruction to inject fuel of the set final fuel injection amount Fi to the injector 39 of the cylinder immediately before the intake stroke. Thereafter, the CPU 71 proceeds to step 920, and sets a value obtained by adding the final fuel injection amount Fi to the total fuel injection amount mfr at that time as a new total fuel injection amount mfr. This total fuel injection amount mfr is used when calculating an inflow oxygen amount CginO2 (1) described later. Thereafter, the CPU 71 proceeds to step 995, and once ends this routine. As described above, the fuel of the final fuel injection amount Fi subjected to the feedback correction is injected into the cylinders that are in the intake stroke.
[0104]
Next, the calculation of the air-fuel ratio feedback correction amount DFi will be described. The CPU 71 repeatedly executes the routine shown in FIG. 10 every predetermined time. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1000 and proceeds to step 1005 to determine whether the air-fuel ratio feedback control condition is satisfied. The air-fuel ratio feedback control condition is, for example, that the cooling water temperature THW of the engine is equal to or higher than a first predetermined temperature, the intake air amount per one revolution of the engine (load, cylinder intake air amount Mc) is equal to or lower than a predetermined value, and The condition is satisfied when the side air-fuel ratio sensor 66 is normal (including an active state) and the value of a poisoning recovery process execution flag PWM described later is “0”. When the poisoning recovery processing in progress flag PWM is “1”, it indicates that the poisoning recovery processing to be described later is being executed, and when the value is “0”, the poisoning recovery processing is being executed. Indicates that they have not.
[0105]
Now, assuming that the air-fuel ratio feedback control condition is satisfied, the CPU 71 determines “Yes” in step 1005, and proceeds to step 1010, where the output vabyfs of the current upstream air-fuel ratio sensor 66 and a later-described value are described. By converting the sum (vabyfs + vafsfb) with the sub-feedback control amount vafsfb based on the map shown in FIG. 3, the air-fuel ratio abyfs for control on the upstream side of the first catalyst 53 at the present time is obtained.
[0106]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1015 and calculates the in-cylinder intake air amount Mc (k−N), which is the intake air amount of the cylinder that has reached the intake stroke N strokes (N intake strokes) before the current time. By dividing by the upstream control air-fuel ratio abyfs, the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) N strokes before the current time is obtained. The value N varies depending on the displacement of the internal combustion engine, the distance from the combustion chamber 25 to the upstream air-fuel ratio sensor 66, and the like.
[0107]
As described above, in order to obtain the in-cylinder fuel supply amount Fc (k-N) N strokes before the current time, the in-cylinder intake air amount Mc (k-N) N strokes before the current time is determined by the air-fuel ratio for upstream control. The reason why the air-fuel ratio is divided by abyfs is that a time corresponding to N strokes is required until the air-fuel mixture burned in the combustion chamber 25 reaches the upstream air-fuel ratio sensor 66. The in-cylinder intake air amount Mc is obtained for each intake stroke of each cylinder based on the intake air flow rate Ga measured by the air flow meter 61 at that time and the engine speed NE (for example, the air flow meter 61). Is obtained by dividing the value obtained by performing the first-order lag process on the intake air flow rate Ga measured by the engine rotation speed NE), and is stored in the RAM 73 corresponding to each intake stroke.
[0108]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1020 to increase the in-cylinder intake air amount Mc (k−N) N strokes before the current time by the target air-fuel ratio abyfr (k−N) at the time N strokes before the current time (in this example, theoretically By dividing by the air-fuel ratio, the target in-cylinder fuel supply amount Fcr (k−N) N strokes before the current time is obtained. Then, the CPU 71 proceeds to step 1025 and sets a value obtained by subtracting the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) from the target in-cylinder fuel supply amount Fcr (k−N) as the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc. That is, the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc is an amount representing the excess or deficiency of the fuel supplied into the cylinder at the time before the N stroke. Next, the CPU 71 proceeds to step 1030 to obtain the feedback correction amount DFi based on the following equation (15).
[0109]
(Equation 15)
DFi = (Gp · DFc + Gi · SDFc) · KFB
[0110]
In the above Expression 15, Gp is a preset proportional gain, and Gi is a preset integral gain. It is preferable that the coefficient KFB in Equation 15 be variable depending on the engine rotation speed NE and the in-cylinder intake air amount Mc, but is set to “1” here. The value SDFc is an integral value of the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc, and is updated in the next step 1035. That is, in step 1035, the CPU 71 adds the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc obtained in step 1025 to the integral value SDFc of the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc at that time, and obtains a new in-cylinder fuel supply amount deviation. Is obtained, and this routine is ended once in step 1095. As described above, the feedback correction amount DFi is obtained, and the feedback correction amount DFi is reflected on the fuel injection amount in steps 910 and 915 in FIG. 9 described above. Feedback control is performed so that the average value of the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine substantially matches the target air-fuel ratio abyfr.
[0111]
On the other hand, if the air-fuel ratio feedback control condition is not satisfied at the time of the determination at step 1005, the CPU 71 determines “No” at step 1005, and proceeds to step 1040 to change the value of the air-fuel ratio feedback correction amount DFi to “0”. ”, The routine proceeds to step 1095, and this routine is temporarily ended. As described above, when the air-fuel ratio feedback control condition is not satisfied, the air-fuel ratio feedback correction amount DFi is set to “0” and the air-fuel ratio (basic fuel injection amount Fbase) is not corrected.
[0112]
Next, the above-described air-fuel ratio feedback control based on the output of the downstream air-fuel ratio sensor 67 will be described. This control is also called sub feedback control. By this sub-feedback control, the sub-feedback control amount vafsfb is calculated.
[0113]
The CPU 71 executes the routine shown in FIG. 11 every time a predetermined time elapses in order to obtain the sub feedback control amount vafsfb. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1100 and proceeds to step 1105 to determine whether the sub feedback control condition is satisfied. The sub-feedback control condition is, for example, in addition to the air-fuel ratio feedback control condition in step 1005 described above, the engine coolant temperature THW is equal to or higher than a second predetermined temperature higher than the first predetermined temperature, and the downstream air-fuel ratio sensor 67 Is normal (including an active state).
[0114]
Now, assuming that the sub-feedback control condition is satisfied, the CPU 71 determines “Yes” in step 1105 and proceeds to step 1110, where the CPU 71 determines the current value of the downstream air-fuel ratio sensor 67 from the target value Voxsref. The output deviation amount DVoxs is obtained by subtracting the output Voxs. Next, the CPU 71 proceeds to step 1115 to obtain the sub feedback control amount vafsfb based on the following equation (16).
[0115]
(Equation 16)
vafsfb = Kp · DVoxs + Ki · SDVoxs
[0116]
In Equation 16, Kp is a preset proportional gain, and Ki is a preset integral gain. SDVoxs is an integrated value of the output deviation DVoxs, and is a value updated in the next step 1120. That is, when the CPU 71 proceeds to step 1120, the CPU 71 adds the output deviation DVoxs obtained in step 1110 to the integrated value SDVoxs of the output deviation at that time to obtain a new integrated value SDVoxs of the output deviation. Then, the routine proceeds to step 1195, and this routine is temporarily ended.
[0117]
In this way, the sub-feedback control amount vafsfb is obtained, and this value is added to the actual output vabyfs of the upstream air-fuel ratio sensor 66 in step 1010 of FIG. 10 described above, and the sum (vabyfs + vafsfb) is calculated. 3 is converted into the upstream control air-fuel ratio abyfs based on the map shown in FIG. In other words, the upstream control air-fuel ratio abyfs obtained (corrected) based on the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is calculated based on the air-fuel ratio actually detected by the upstream air-fuel ratio sensor 66. The air-fuel ratio is obtained as a different air-fuel ratio by an amount corresponding to the sub-feedback control amount vafsfb. As a result, the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) calculated in step 1015 in FIG. 10 changes according to the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67, and feedback correction is performed in steps 1025 and 1030. The amount DFi is changed according to the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67. Accordingly, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine (therefore, the air-fuel ratio of the gas flowing into the first catalyst 53) is controlled such that the air-fuel ratio downstream of the first catalyst 53 matches the target value Voxsref. I'm sullen.
[0118]
For example, if the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 indicates a value corresponding to the air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio because the average air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is lean, Since the output deviation amount DVoxs obtained in 1110 has a positive value, the sub-feedback control amount vafsfb obtained in step 1115 has a positive value (in FIG. 5A, for example, from time t2 ′ to t3). '). Therefore, abyfs obtained in step 1010 is obtained as a value leaner (larger value) than the air-fuel ratio actually detected by the upstream air-fuel ratio sensor 66. Therefore, the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) obtained in step 1015 becomes a small value, and the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc obtained in step 1025 is obtained as a large positive value. Is a large positive value. As a result, the final fuel injection amount Fi obtained in step 910 in FIG. 9 is controlled to be larger than the basic fuel injection amount Fbase, so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine becomes rich.
[0119]
Conversely, if the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 indicates a value corresponding to the rich air-fuel ratio from the stoichiometric air-fuel ratio because the average air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is rich, step 1110 Since the output deviation amount DVoxs obtained in step (1) takes a negative value, the sub-feedback control amount vafsfb obtained in step 1115 takes a negative value (in FIG. 5A, for example, times t1 'to t2'). , Times t3 'to t4'). Therefore, abyfs obtained in step 1010 is obtained as a value (smaller value) richer than the air-fuel ratio actually detected by the upstream air-fuel ratio sensor 66. Therefore, the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) obtained in step 1015 becomes a large value, and the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc is obtained as a negative value. Become. As a result, the final fuel injection amount Fi obtained in step 910 in FIG. 9 is controlled to be smaller than the basic fuel injection amount Fbase so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine becomes lean.
[0120]
On the other hand, when the sub-feedback control condition is not satisfied, the CPU 71 determines “No” in step 1105, proceeds to step 1125, and sets the value of the sub-feedback control amount vafsfb to “0”. Thus, the sub-feedback control based on the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is stopped.
[0121]
Next, the operation of the first catalyst 53 in calculating the outflow oxygen amount, oxygen storage amount, and the like for each block will be described. The CPU 71 executes each routine shown by the flowcharts of FIGS. 12 and 13 every time a predetermined time elapses.
[0122]
Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts processing from step 1200 of the routine shown in FIG. 12 for calculating the outflow oxygen amount, the oxygen storage amount, and the like for each block of the first catalyst 53, and proceeds to step 1205. The average value abyfsave of the air-fuel ratio A / F detected by the upstream air-fuel ratio sensor 66 described above and the latest value of the total fuel injection amount mfr sequentially updated in step 920 in FIG. As described above, the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the block (1) of the first catalyst 53, which is the boundary condition, is calculated based on the equation described in step 1205 based on the above equation (14).
[0123]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1210 to set the value of the counter value n and the value of the oxygen storage amount OSAall of the first catalyst 53 to “0”, respectively, and then proceeds to step 1215 for each block of the first catalyst 53. The processing for calculating the outflow oxygen amount, the oxygen storage amount, and the like of the engine is started. First, in step 1215, the CPU 71 increases the value of the counter value n by “1” and sets it to “1”. The counter value n indicates the block number of the first catalyst 53. At this point, the value of the counter value n is “1”, and the value of the counter value n is maintained at “1” in the current process from step 1220 to step 1275. In the processing up to, the calculation in the most upstream block (1) is executed.
[0124]
First, the CPU 71 proceeds to step 1220 to determine whether or not the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (1) is equal to or greater than “0”. In step 1220, “Yes” is determined, and the process proceeds to step 1225. As described above, the value of the maximum oxygen storage amount Cmax (1) of the block (1) set to a predetermined constant value as described above, In step 1225 based on the value of the oxygen storage amount OSA (1) of the block (1) calculated (updated) when the present routine was executed last time in step 1260 described later and the right side of the above equation (3). The reaction rate H in the block (1) is calculated based on the equation described above.
[0125]
If it is determined in step 1220 that the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (1) is not equal to or greater than “0”, the CPU 71 determines “No” in step 1220 and proceeds to step 1230, where the maximum oxygen storage amount Cmax is determined. The reaction rate H in the block (1) is calculated based on the value of (1), the value of the oxygen storage amount OSA (1), and the expression described in step 1230 based on (the right side of) the above equation (5). .
[0126]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1235, where the value of the reaction rate H calculated in step 1225 or step 1230, the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in block (1) calculated in step 1205, and Then, the oxygen storage amount change amount δOSA (1) in the block (1) is calculated based on (the right side of) or the equation described in step 1235 based on (4).
[0127]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1240, in which the value of the oxygen storage amount OSA (1) of the block (1) calculated when the routine was last executed in step 1260 described later and the current calculation in step 1235. It is determined whether or not the value obtained by integrating the value of the oxygen storage amount change amount δOSA (1) of the block (1) is equal to or less than the value of the maximum oxygen storage amount Cmax (1) in the block (1).
[0128]
Here, if the integrated value is equal to or less than the value of the maximum oxygen storage amount Cmax (1), the CPU 71 determines “Yes” in step 1240 and proceeds to step 1245 to determine whether the integrated value is “0” or more. In addition, it is determined whether or not there is a value. If the integrated value is equal to or greater than "0", "Yes" is determined in step 1245, and the process proceeds to step 1260, where the integrated value is stored as a new oxygen storage amount OSA. Set as (1). As described above, if the integrated value is equal to or more than “0” and equal to or less than the maximum oxygen storage amount Cmax (1), the value of the oxygen storage amount change amount δOSA (1) calculated in step 1235 is directly used in the block (1). It is used as the oxygen storage amount change amount.
[0129]
On the other hand, if it is determined in step 1240 that the integrated value exceeds the value of the maximum oxygen storage amount Cmax (1), the CPU 71 determines “No” in step 1240 and proceeds to step 1250, where After the value obtained by subtracting the value of the previously stored oxygen storage amount OSA (1) from the value of the amount Cmax (1) is stored in the oxygen storage amount change amount δOSA (1), the process proceeds to step 1260. As described above, if the integrated value exceeds the maximum oxygen storage amount Cmax (1) in the block (1), the value of the oxygen storage amount OSA (1) in the block (1) calculated in step 1260 is calculated. This means that the value exceeds the maximum oxygen storage amount Cmax (1), so that the value of the oxygen storage amount OSA (1) calculated in step 1260 this time becomes equal to the value of the maximum oxygen storage amount Cmax (1). The oxygen storage amount change amount δOSA (1) is adjusted.
[0130]
Similarly, in the determination of step 1245, if the integrated value is less than “0” (negative value), the CPU 71 determines “No” in step 1245, proceeds to step 1255, and calculates the value calculated last time. After a value obtained by inverting the sign of the value of the oxygen storage amount OSA (1) is stored in the oxygen storage amount change amount δOSA (1), the process proceeds to step 1260. As described above, if the integrated value is less than “0”, the value of the oxygen storage amount OSA (1) in block (1) calculated in step 1260 this time becomes less than “0” (negative value). Therefore, the oxygen storage amount change amount δOSA (1) is adjusted so that the value of the oxygen storage amount OSA (1) calculated in step 1260 this time becomes “0”.
[0131]
After calculating the current oxygen storage amount OSA (1) in block (1) in step 1260, the CPU 71 proceeds to step 1265 and calculates the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in block (1) calculated in step 1205. And the value of the oxygen storage amount change amount δOSA (1) in the block (1) after the above adjustment and the outflow in the block (1) based on the equation described in step 1265 based on the above equation (1). The oxygen amount CgoutO2 (1) is calculated.
[0132]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1270, where the value of the oxygen storage amount OSAall of the first catalyst 53 at this time (which is “0” by execution of step 1210) is calculated at the block (1 ), The value obtained by adding the value of the current oxygen storage amount OSA (1) is stored as a new oxygen storage amount OSAall, and the routine proceeds to step 1275, where the outflowing oxygen amount in the block (1) calculated in step 1265 Based on the value of CgoutO2 (1) and Equation 7, the inflowing oxygen amount CginO2 (2) in the downstream block (2) adjacent to the block (1) is calculated.
[0133]
Then, the CPU 71 proceeds to step 1280 to determine whether or not the value of the counter value n is equal to the number N of blocks of the first catalyst 53. Since the value of the counter value n is “1” at this time, the CPU 71 determines “No” in step 1280, returns to step 1215 again, and increases the value of the counter value n by “1” to “2”. Then, by executing the processing of the following steps 1220 to 1275, the calculation in the next block (2) is executed. At this time, the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (2) calculated in the previous step 1275 is used as the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (2) in step 1265.
[0134]
In this manner, the processing from step 1220 to step 1275 is repeatedly executed until the value of the counter value n becomes equal to the number N of blocks of the first catalyst 53. Thereby, the inflow oxygen amount CginO2 (n), the outflow oxygen amount CgoutO2 (n), the oxygen storage amount of each block (n) from the most upstream block (1) to the most downstream block (N) of the first catalyst 53. The values of the change amount δOSA (n) and the oxygen storage amount OSA (n) are sequentially calculated. Further, by repeatedly executing the process of step 1270, the oxygen storage amount OSAall of the first catalyst 53 is also calculated. In this way, when the value of the counter value n is the number of blocks N, the value calculated in step 1265 is an excess / deficiency amount (outflow oxygen amount) of oxygen in the gas flowing out of the first catalyst 53 CgoutO2 (N ).
[0135]
When the value of the counter value n becomes equal to the number N of blocks of the first catalyst 53 by repeating the processing of step 1215, the CPU 71 determines “Yes” in step 1280, and in the subsequent step 1285, the total fuel injection amount After setting the value of mfr to "0", the routine proceeds to step 1295, where the present routine is temporarily terminated.
[0136]
At a predetermined timing, the CPU 71 initializes (clears) the value of the oxygen storage amount of each block of the first catalyst 53 and the value of the oxygen storage amount of the first catalyst 53, as shown in the flowchart of FIG. The process starts from step 1300 of the routine indicated by, and proceeds to step 1305 to monitor whether or not the value of the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is larger than 0.7 (V). At this time, if the value of the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is larger than 0.7 (V), that is, if the downstream air-fuel ratio of the first catalyst 53 is a rich air-fuel ratio, the entire first catalyst 53 Means that the amount of oxygen stored in the first catalyst 53 is “0”, so the CPU 71 proceeds to step 1310 and determines the value of the amount of oxygen stored in each block of the first catalyst 53 and the value of the amount of oxygen stored in the first catalyst 53. The process of setting all the values to “0” starts. On the other hand, if it is determined in step 1305 that the value of the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is 0.7 (V) or less, the CPU 71 proceeds directly from step 1305 to step 1395 and ends this routine once.
[0137]
Now, assuming that the value of the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 is larger than 0.7 (V) in the determination of step 1305, the CPU 71 proceeds to step 1310 and sets the value of the counter value n to “0”. After the setting, the process proceeds to step 1315, where the value of the counter value n is increased by “1” and set to “1”. Next, the CPU 71 proceeds to step 1320 to set the value of the oxygen storage amount OSA (n) in the block (n) of the first catalyst 53 to “0”. At this point, the value of the counter value n is “1”, so that the value of the oxygen storage amount OSA (1) in the most upstream block (1) is set to “0”.
[0138]
Then, the CPU 71 proceeds to step 1325 to determine whether or not the value of the counter value n is equal to the number N of blocks of the first catalyst 53. Since the value of the counter value n is “1” at this time, the CPU 71 determines “No” in step 1325, returns to step 1315 again, increases the value of the counter value n by “1”, and returns to step 1320 The processing of step 1325 is executed. That is, the processing of steps 1320 and 1325 is repeatedly executed until the value of the counter value n becomes equal to the number N of blocks of the first catalyst 53. Thereby, the value of the oxygen storage amount OSA (n) in each block (n) from the most upstream block (1) to the most downstream block (N) of the first catalyst 53 is all cleared to “0”. .
[0139]
When the value of the counter value n becomes equal to the number N of blocks of the catalyst 53 by repeating the processing of the above-described step 1315, the CPU 71 determines “Yes” in step 1325, proceeds to step 1330, and proceeds to step 1330. After setting the value of the oxygen storage amount OSAall to “0”, the routine proceeds to step 1395, and this routine is temporarily ended.
[0140]
Next, each time the frequency SML at which the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 enters the first state reaches the reference value SML0 (every one sampling period elapses), the downstream air-fuel ratio is reduced during this one sampling period. The operation for obtaining the frequency FRE at which the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is in the second state when the output Voxs of the fuel ratio sensor 67 is in the first state will be described. The CPU 71 executes each routine shown by the flowchart of FIG. 14 every time a predetermined time elapses.
[0141]
Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1400 and proceeds to step 1405, where the same sub-feedback control condition as that in step 1105 in FIG. It is determined whether or not the value of the recovery process execution flag PWM is “0”. If “No” is determined in step 1405, the process immediately proceeds to step 1450, and the output of the downstream air-fuel ratio sensor at the present time is determined. After setting the value of Voxs as the previous downstream air-fuel ratio sensor output Voxsp, the present routine is ended once. This is to calculate the frequency FRE when the downstream air-fuel ratio sensor 67 is normal and the poisoning recovery process described below has not been executed.
[0142]
Now, the sub-feedback control condition is satisfied, the value of the poisoning recovery process execution flag PWM is “0”, and the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 increases the rich-side predetermined value Vrich. Alternatively, if the description is continued assuming that the first state of passing while decreasing the lean-side predetermined value Vlean is not reached, the CPU 71 determines “Yes” in step 1405 and proceeds to step 1410, The value of the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs (at this time) is larger than the rich predetermined value Vrich, and the value of the previous downstream air-fuel ratio sensor output Voxsp updated in step 1450 at the last execution of this routine is Whether or not the value is equal to or lower than the rich-side predetermined value Vrich (accordingly, the downstream-side air-fuel ratio sensor output Voxs becomes the rich-side predetermined value Vr It determines an increase whether passed with) the ch.
[0143]
At this time, according to the above assumption, the CPU 71 determines “No” in step 1410 and proceeds to step 1415, in which the current value of the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs is smaller than the lean side predetermined value Vlean and Of the downstream air-fuel ratio sensor output Voxsp is equal to or more than the lean predetermined value Vlean (accordingly, whether the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs passes while decreasing the lean predetermined value Vlean). Is determined.
[0144]
At this time, according to the above assumption, the CPU 71 also determines “No” in step 1415 and proceeds to step 1450 immediately. Thereafter, the CPU 71 repeatedly executes the processing of steps 1400 to 1415 and 1450 as long as the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 does not enter the first state.
[0145]
Next, the case where the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs passes while increasing the rich-side predetermined value Vrich from this state (time t1 and t3 in FIG. 5A) will be described. When the process proceeds to 1410, it is determined as “Yes” and the process proceeds to step 1420, and a value obtained by increasing the value of the current frequency SML by “1” is set as a new frequency SML.
[0146]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1425, and determines whether the latest value of the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated in step 1265 of FIG. 12 is smaller than the negative threshold value Crefmns (that is, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N)). It is determined whether or not the oxygen amount CgoutO2 (N) is in the second state), and when it is determined to be “Yes”, a value obtained by increasing the value of the current frequency FRE by “1” in step 1430 is newly set. After setting the frequency FRE, the process proceeds to step 1450. On the other hand, if the determination in step 1425 is “No”, the CPU 71 immediately proceeds to step 1450 while maintaining the value of the frequency FRE at the current value. Thereafter, the CPU 71 repeatedly executes the processing of steps 1400 to 1415 and 1450 as long as the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 does not become the first state.
[0147]
Next, a case where the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs passes while decreasing the lean-side predetermined value Vlean from this state (time t2 and t4 in FIG. 5A) will be described. When proceeding to 1415, it is determined as “Yes” and the process proceeds to step 1435, and a value obtained by increasing the value of the current frequency SML by “1” is set as a new frequency SML.
[0148]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1440, and determines whether the latest value of the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) calculated in step 1265 in FIG. 12 is greater than the positive threshold value Crefpls (that is, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N)). It is determined whether or not the oxygen amount CgoutO2 (N) is in the second state), and when it is determined to be “Yes”, a value obtained by increasing the value of the current frequency FRE by “1” in step 1445 is newly set. After setting the frequency FRE, the process proceeds to step 1450. On the other hand, if the determination in step 1440 is “No”, the CPU 71 immediately proceeds to step 1450 while maintaining the value of the frequency FRE at the current value. Thereafter, the CPU 71 repeatedly executes the processing of steps 1400 to 1415 and 1450 as long as the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 does not become the first state.
[0149]
In this way, by repeatedly executing this routine, the value of the frequency SML is increased by “1” each time the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67 enters the first state, and the downstream air-fuel ratio is increased. When the output Voxs of the fuel ratio sensor 67 becomes the first state, the value of the frequency FRE is increased by "1" every time the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is in the second state.
[0150]
Further, the CPU 71 executes a routine for determining the deterioration of the first catalyst 53 shown by the flowchart in FIG. 15 every time a predetermined time elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1500 and proceeds to step 1505 to determine whether or not the value of the frequency SML is equal to or more than the reference value SML0. At this time, if the value of the frequency SML is smaller than the reference value SML0, the CPU 71 immediately proceeds to step 1595 without performing the catalyst deterioration determination, and ends this routine once.
[0151]
On the other hand, when the frequency SML has reached the reference value SML0 (that is, when the one sampling period has elapsed), the CPU 71 determines “Yes” in step 1505 and proceeds to step 1510, where the value of the frequency FRE is determined to be deteriorated. It is determined whether or not the value is equal to or more than the reference value FREF.
[0152]
Now, the description will be continued assuming that the degree of deterioration of the first catalyst 53 is small. In this case, the value of the frequency FRE is equal to or larger than the deterioration determination reference value FREF. Accordingly, the CPU 71 determines “Yes” in step 1510, proceeds to step 1515, sets the value of the deterioration determination flag XR to “0”, and sets the value of the counter CNT to “0” in the following step 1520. I do. Here, when the deterioration determination flag XR is “1”, it indicates that the first catalyst 53 is the deteriorated catalyst, and when the value is “0”, the first catalyst 53 is the normal catalyst. Indicates that there is. Further, the value of the counter CNT is the number of times that the deterioration determination flag XR continuously becomes “1” every time the one sampling period elapses (therefore, the first catalyst 53 is continuously determined to be the deteriorated catalyst). Is a value that indicates
[0153]
Then, the CPU 71 proceeds to step 1525, sends an instruction signal for turning off the alarm lamp 82 to the alarm lamp 82, and sets the value of the frequency SML and the value of the frequency FRE to “0” in the following step 1530. After the setting, the process proceeds to step 1595, and this routine is temporarily ended. As a result, by repeatedly executing the routine of FIG. 14, the value of the frequency FRE is changed from “0” until the value of the frequency SML reaches the reference value SML0 again (that is, until the next one sampling period elapses). It is updated, and when the next one sampling period has elapsed, the deterioration determination of the first catalyst 53 is executed again based on the updated value of the frequency FRE at that time. Then, as long as the value of the frequency FRE is equal to or greater than the deterioration determination reference value FREF, it is determined that the first catalyst 53 is a normal catalyst.
[0154]
Next, a description will be given of a case where the deterioration of the first catalyst 53 progresses from this state and the value of the frequency FRE becomes smaller than the deterioration determination reference value FREF. In this case, the CPU 71 determines “No” in step 1510. In step 1535, the value of the deterioration determination flag XR is set to “1”, and in the next step 1540, the value of the poisoning recovery processing execution flag PWM is set to “1”. At the same time, in the following step 1545, a value (= 1) obtained by increasing the value of the counter CNT at the present time (currently “0”) by “1” is set as a new counter CNT.
[0155]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1550, and determines whether or not the value of the counter CNT is equal to or less than “1”, that is, whether or not the number of times that the first catalyst 53 is continuously determined to be the deteriorated catalyst is equal to or less than one. Is determined. At this time, since the value of the counter CNT is “1”, the CPU 71 determines “Yes” in step 1550 and immediately proceeds to step 1530 to set both the value of the frequency SML and the value of the frequency FRE to “0”. After the setting, the process proceeds to step 1595, and this routine is temporarily ended.
[0156]
As a result, the value of the poisoning recovery processing in-execution flag PWM becomes “1” and the above-described air-fuel ratio feedback control condition is not satisfied, so the CPU 71 determines “No” in step 1005 of FIG. The process proceeds to 1040, the value of the air-fuel ratio feedback correction amount DFi is set to “0”, and the above-described air-fuel ratio feedback control is interrupted. Further, the CPU 71 determines “No” in step 1405 in FIG. 14 and immediately proceeds to step 1450, and the calculation of the frequency FRE is also interrupted. Therefore, since the value of the frequency SML is maintained at “0”, if the CPU 71 continues to determine “No” in step 1505 of FIG. 15, the deterioration determination of the first catalyst 53 is not executed. As a result, the value of the counter CNT is maintained at “1”.
[0157]
Further, the CPU 71 executes a routine for executing the poisoning recovery process shown by the flowchart in FIG. Generally, deterioration of a three-way catalyst such as the first catalyst 53 is roughly classified into deterioration due to heat and deterioration due to poisoning. Here, when the three-way catalyst is deteriorated by heat, it is difficult to eliminate the deteriorated state. On the other hand, when the three-way catalyst is deteriorated due to poisoning, it is known that the deterioration state can be eliminated by executing a predetermined poisoning recovery process. Hereinafter, the deterioration due to poisoning and the poisoning recovery processing will be briefly described.
[0158]
When a predetermined amount of the reducing agent (for example, unburned components such as HC and CO) in the exhaust gas continuously flows into the catalyst, the reducing agent is noble metal or ceria (CeO) in the catalyst. 2 ) (Hereinafter referred to as “noble metal”), which is poisoned (so-called primary poisoning) by reducing the surface area of the noble metal and the like, and deteriorated by the poisoning (for example, the catalyst). It is known that the maximum oxygen storage amount decreases). On the other hand, it is also known that the primary poisoning state of the catalyst by the reducing agent is eliminated by supplying a predetermined amount of oxygen (accordingly, a gas having a lean air-fuel ratio) to the catalyst.
[0159]
On the other hand, when the sulfur component in the exhaust gas continuously flows by a predetermined amount, the catalyst adheres to the surface of the noble metal or the like in the catalyst, and the surface area of the noble metal or the like becomes small. , Primary poisoning), and is also known to deteriorate by such poisoning. On the other hand, the primary poisoning state of the catalyst due to the sulfur component is eliminated by supplying the catalyst with a predetermined amount of a reducing agent (for example, unburned components such as HC and CO. Therefore, a gas having a rich air-fuel ratio). It is also known to do.
[0160]
From the above, the present catalyst deterioration determination apparatus sets the value of the poisoning recovery process execution flag PWM every time the first catalyst 53 is determined to be a deteriorated catalyst (that is, when step 1540 in FIG. 15 is executed). Each time the air-fuel ratio feedback control is stopped and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is changed to a predetermined rich air-fuel ratio every time a predetermined period elapses. A poisoning recovery process is performed in which a predetermined lean air-fuel ratio, a predetermined rich air-fuel ratio, and a predetermined lean air-fuel ratio are forcibly controlled in this order.
[0161]
In order to execute such poisoning recovery processing, the CPU 71 repeatedly executes the routine of FIG. 16 every time a predetermined time elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1600 and proceeds to step 1605 to determine whether or not the value of the poisoning recovery process execution flag PWM is “1” and “No”. When the determination is made, the process immediately proceeds to step 1695 without executing the poisoning recovery process, and the present routine is temporarily ended.
[0162]
Now, assuming that it is immediately after the execution of step 1540 in FIG. 15 described above, the CPU 71 determines “Yes” in step 1605, proceeds to step 1610, and sets the flag of the poisoning recovery processing execution flag PWM. It is determined whether the value has been changed from “0” to “1”. At this time, immediately after the execution of step 1540 in FIG. 15 and immediately after the value of the poisoning recovery processing execution flag PWM is changed from “0” to “1”, the CPU 71 determines “ The result of the determination is "Yes" and the operation proceeds to step 1615, where the counter value T is set to "0", and the value of the coefficient K used in step 910 of FIG. I do. Here, the counter value T is a value representing the elapsed time from the time when the poisoning recovery processing is started.
[0163]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1625 to increase the counter value by “1”, and determines in a subsequent step 1630 whether or not the counter value T is smaller than “4 · T1”. Here, T1 is a value corresponding to the predetermined period. Therefore, in this step 1630, it is determined whether or not the predetermined period has been repeated four times after the poisoning recovery processing has been started, that is, whether or not the time to end the poisoning recovery processing has come. Is determined.
[0164]
Since the current time is immediately after the poisoning recovery processing has started, the CPU 71 determines “Yes” in step 1630 and proceeds to step 1635, and determines whether the counter value T is the value “T1” or the value “3 · T1”. Is determined. At this time, since the poisoning recovery process has just started, the CPU 71 determines “No” in step 1630 and proceeds to step 1640 to determine whether or not the counter value T has reached the value “2 · T1”. judge. At this time, it is immediately after the poisoning recovery process is started, so that the CPU 71 also determines “No” in step 1640 and immediately proceeds to step 1695 to end this routine once.
[0165]
Thereafter, until step 1625 is repeatedly executed and the counter value T becomes the value T1 (therefore, until the predetermined period elapses after the start of the poisoning recovery process), the CPU 71 proceeds to steps 1600 to 1610, 1625 to 1640, and 1695. Repeat the process. Accordingly, a value obtained by multiplying the basic fuel injection amount Fbase by 1.02 by the execution of step 910 in FIG. 9 is calculated as the final fuel injection amount Fi until the predetermined period elapses after the start of the poisoning recovery process. (The value of the air-fuel ratio feedback correction amount DFi is set to “0”.) Since the fuel of the final fuel injection amount Fi is injected, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine (accordingly, the first The air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst 53) is continuously controlled to the predetermined rich air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio. Thereby, the primary poisoning state of the first catalyst 53 by the sulfur component may be eliminated.
[0166]
Next, a case where the counter value T becomes the value T1 from this state will be described. In this case, the CPU 71 determines “Yes” when proceeding to step 1635, proceeds to step 1645 to change the value of the coefficient K from “1.02” to “0.98”, and then proceeds to step 1695 to execute The routine ends once. Thereafter, the CPU 71 repeats Step 1625 until the counter value T reaches the value T2 (therefore, until the second predetermined period elapses after the first predetermined period elapses), the CPU 71 proceeds to Steps 1600 to 1610. The processing of 1625 to 1640 and 1695 is repeatedly executed again. Therefore, a value obtained by multiplying the basic fuel injection amount Fbase by 0.98 is calculated as the final fuel injection amount Fi after the first predetermined period elapses and before the second predetermined period elapses. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine (therefore, the air-fuel ratio of the gas flowing into the first catalyst 53) is continuously controlled to the predetermined lean air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Thereby, the primary poisoning state of the first catalyst 53 by the reducing agent may be eliminated.
[0167]
Similarly, when the counter value T increases from the value T1 to reach the value T2, the CPU 71 determines “Yes” when proceeding to step 1640, proceeds to step 1650, and increases the value of the coefficient K from “0.98”. It is changed to "1.02" again. Thus, after the elapse of the second predetermined period, until the elapse of the third predetermined period, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine (therefore, the ratio of the gas flowing into the first catalyst 53) is reduced. The air-fuel ratio is continuously controlled to the predetermined rich air-fuel ratio above the stoichiometric air-fuel ratio. Similarly, when the counter value T increases from the value T2 to reach the value T3, the CPU 71 determines “Yes” when proceeding to step 1635, proceeds to step 1645, and changes the value of the coefficient K to “1.02”. "To" 0.98 "again. Thus, after the third predetermined period elapses, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine (therefore, the ratio of the gas flowing into the first catalyst 53) continues until the fourth predetermined period elapses. The air-fuel ratio is continuously controlled to the predetermined lean air-fuel ratio above the stoichiometric air-fuel ratio.
[0168]
Then, when the counter value T increases from the value T3 to the value T4, the CPU 71 determines “No” when proceeding to step 1630, proceeds to step 1655, and resets the value of the coefficient K to “1.00”. In addition to the setting, the value of the poisoning recovery process execution flag PWM is changed from “1” to “0” in the subsequent step 1660, and then the routine proceeds to step 1695 to end this routine once.
[0169]
Thereafter, the value of the poisoning recovery processing in-execution flag PWM is “0”, so that the value of the poisoning recovery processing in-execution flag PWM in step 1540 in FIG. 15 is set to “1” again. During this time, the CPU 71 immediately proceeds from step 1605 to step 1695 to end this routine once. If the air-fuel ratio feedback control condition and the sub-feedback control condition are satisfied, the CPU 71 determines “Yes” in step 1005 of FIG. 10 and step 1105 of FIG. Is restarted and the determination of “Yes” is made in step 1405 of FIG. 14, so that the calculation of the frequency FRE is restarted.
[0170]
Therefore, after the end of the poisoning recovery process, if the frequency SML again reaches the reference value SML0 (that is, if one sampling period has elapsed), the CPU 71 determines “Yes” in step 1505 of FIG. Proceeding to step 1510 and thereafter, the deterioration of the first catalyst 53 is determined. Then, when the deterioration state of the first catalyst 53 has been resolved by the poisoning recovery process, the CPU 71 determines “Yes” in step 1510, and sets the value of the counter CNT to the current value “1” in step 1520. From "0" to "0".
[0171]
On the other hand, if the deterioration state of the first catalyst 53 has not been resolved by the poisoning recovery process, the CPU 71 again determines “No” in step 1510, and in step 1545 sets the value of the counter CNT to the current value “ "1" is increased by "1" and set to "2". Accordingly, the CPU 71 determines “No” in the subsequent step 1550, and proceeds to step 1555 to send an instruction signal to the alarm lamp 82 to turn on the alarm lamp 82. Thereby, the warning lamp 82 is turned on.
[0172]
That is, the alarm lamp 82 is provided when the poisoning recovery process is performed once after the first catalyst 53 is determined to be the deteriorated catalyst, but the deteriorated state of the first catalyst 53 is not solved. It will be lit. Further, in this case, the poisoning recovery process is executed again by the process of step 1540. If the poisoning recovery process is repeatedly executed and the degradation state of the first catalyst 53 may be subsequently resolved, the CPU 71 determines “Yes” in step 1510. In step 1520, the value of the counter CNT is cleared to "0", and in step 1525, the alarm lamp 82 that has been lit up to the present time is turned off. On the other hand, when the deterioration state of the first catalyst 53 is not continued, the alarm lamp 82 is continuously lit because the processing of step 1525 is not executed.
[0173]
As described above, according to the embodiment of the present invention, based on the catalyst model for the first catalyst 53 constructed on the assumption that the first catalyst 53 is a new catalyst, the first catalyst 53 is used. The amount (outflow oxygen amount CgoutO2 (N)) of the specific component in the gas flowing out of the engine 53 is estimated (calculated). In the embodiment of the present invention, during the air-fuel ratio feedback control based on the output Voxs of the downstream-side air-fuel ratio sensor 67 downstream of the first catalyst 53, the downstream-side air-fuel ratio sensor output Voxs is in the first state (the rich-side predetermined value). Each time Vrich is increased or the lean-side predetermined value Vlean is reduced, the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) estimated by the catalyst model becomes higher than the second state (negative threshold Crefmns). And a frequency SML at which the downstream-side air-fuel ratio sensor output Voxs becomes the first state is determined by a predetermined reference value. Each time SML0 is reached (each time one sampling period elapses), the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs is changed during this one sampling period. The frequency FRE at which the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) is in the second state at the time when the state becomes 1 is obtained. It is determined whether the first catalyst 53 is a normal catalyst or a deteriorated catalyst based on whether the ratio of the first catalyst 53 is equal to or more than a predetermined value.
[0174]
Such a method for determining catalyst deterioration only involves air-fuel ratio fluctuations in normal air-fuel ratio feedback (sub-feedback), and does not forcibly change the air-fuel ratio when the engine is in a steady state as in the prior art. Therefore, the catalyst deterioration determination can be performed without deteriorating drivability. Further, since the catalyst deterioration determination is performed during the normal air-fuel ratio feedback control (sub-feedback control), many opportunities for the catalyst deterioration determination can be secured. As a result, the first catalyst 53 is a normal catalyst or a deteriorated catalyst. Could be determined without delay.
[0175]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, each time the frequency SML at which the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs becomes the first state reaches the reference value SML0, the catalyst deterioration is determined based on the comparison result between the frequency FRE and the deterioration determination reference value FREFref. Although the determination is performed, the deterioration determination of the catalyst is performed every time a predetermined (constant) sampling time elapses, based on the comparison result between the ratio of the frequency FRE to the frequency SML and the predetermined value within the same sampling time. May be configured.
[0176]
Further, in the above-described embodiment, the frequency SML (the state in which the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs passes through the first state (the state in which the rich-side predetermined value Vrich is increased or the lean-side predetermined value Vlean is decreased while passing therethrough)). SML0), the amount of the specific component flowing out of the first catalyst 53 (outflow oxygen amount CgoutO2 (N)) at the time when the downstream air-fuel ratio sensor output Voxs is in the first state is equal to the second state (negative threshold value). Deterioration determination of the first catalyst 53 is performed in accordance with the ratio of the frequency FRE that is smaller than Crefmns or greater than the positive threshold value Crefpls). The state may be a “decreasing or increasing state”. In addition, the amount of the specific component flowing out of the first catalyst 53 (outflow oxygen amount CgoutO2 (N)) is in the first state (a state in which the negative threshold value Crefmns is reduced or the positive threshold value Crefpls is increased). At the time when the amount of the specific component becomes the first state with respect to the frequency SML (SML0), the downstream-side air-fuel ratio sensor output Voxs becomes the second state (a value larger than the rich-side predetermined value Vrich, or the lean-side predetermined value). The deterioration of the first catalyst 53 may be determined in accordance with the ratio of the frequency FRE at which the value is smaller than the value Vlean). In this case, the second state may be "an increasing or decreasing state". Further, both the above-described rich-side predetermined value Vrich and lean-side predetermined value Vlean may be set to values equal to the target value Voxsref.
[0177]
Further, in the above embodiment, the air-fuel ratio feedback control (sub-feedback control) is executed based on the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67, but the outflow oxygen amount CgoutO2 (N) estimated by the catalyst model. It may be configured to be executed based on. In this case, step 1110 in FIG. 11 may be rewritten as “DVoxs ← CgoutO2 (N) −CgoutO2ref”. Here, CgoutO2ref is a target value of the outflow oxygen amount CgoutO2 (N), and is, for example, “0”.
[0178]
Further, the sub-feedback control may be PID control instead of the PI control. Further, the downstream air-fuel ratio sensor 67 may be the same air-fuel ratio sensor as the upstream air-fuel ratio sensor 66. Further, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine may be feedback-controlled based only on the output Voxs of the downstream air-fuel ratio sensor 67.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine to which a catalyst deterioration determination device according to the present invention is applied.
FIG. 2 is a map showing a relationship between an output voltage of the air flow meter shown in FIG. 1 and a measured intake air flow rate.
FIG. 3 is a map showing a relationship between an output voltage of an upstream air-fuel ratio sensor shown in FIG. 1 and an air-fuel ratio.
FIG. 4 is a map showing a relationship between an output voltage of a downstream air-fuel ratio sensor shown in FIG. 1 and an air-fuel ratio.
FIG. 5A shows the output of a downstream air-fuel ratio sensor in air-fuel ratio feedback control (sub-feedback control) when the first catalyst is a new catalyst, and a catalyst model employed by the catalyst deterioration determination device of the present invention. 5B is a time chart showing a change in the amount of oxygen flowing out of the first catalyst estimated by the following equation. FIG. 7B is an output of the downstream-side air-fuel ratio sensor in the air-fuel ratio feedback control when the first catalyst is a deteriorated catalyst. 5 is a time chart showing changes in the outflow oxygen amount.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a catalyst model used by the catalyst deterioration determination device of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a balance of a specific component related to an oxygen storage / release reaction in a specific region of the catalyst model used in the catalyst deterioration determination device of the present invention when focusing on the specific region.
FIG. 8 is a schematic diagram when a catalyst model adopted by the catalyst deterioration determination device of the present invention is applied to a first catalyst.
FIG. 9 is a flowchart showing a routine for calculating a fuel injection amount executed by a CPU shown in FIG. 1;
FIG. 10 is a flowchart showing a routine for calculating an air-fuel ratio feedback correction amount executed by the CPU shown in FIG. 1;
11 is a flowchart illustrating a routine for calculating a sub-feedback control amount executed by a CPU illustrated in FIG. 1;
12 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 for calculating an outflow oxygen amount, an oxygen storage amount, and the like for each block of the first catalyst.
13 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 for clearing the oxygen storage amount of each block of the first catalyst.
FIG. 14 is a flowchart showing a routine for obtaining a frequency FRE used for catalyst deterioration determination executed by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 15 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 to determine whether the first catalyst is a normal catalyst or a deteriorated catalyst.
FIG. 16 is a flowchart showing a routine for performing a first catalyst poisoning recovery process executed by the CPU shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Internal combustion engine, 25 ... Combustion chamber, 39 ... Injector, 52 ... Exhaust pipe (exhaust pipe), 53 ... 1st catalyst, 66 ... Upstream air-fuel ratio sensor, 67 ... Downstream air-fuel ratio sensor, 70 ... Electric control device , 71 ... CPU

Claims (4)

内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
前記触媒よりも下流の前記排気通路に配設された空燃比センサと、
を備えた内燃機関の排気浄化装置に適用され、
前記触媒が劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化していない正常触媒であるか、劣化した触媒であると判定すべき程度まで劣化した劣化触媒であるか、を判定する触媒劣化判定手段を備えた触媒劣化判定装置であって、
前記触媒が前記正常触媒であると想定した場合における同触媒内の反応を考慮して構築された触媒モデルに基づいて同触媒から流出するガス中の特定成分の量に関する値を推定する特定成分量推定手段を備え、
前記触媒劣化判定手段は、前記空燃比センサの出力値と前記推定された特定成分の量に関する値との関係が同空燃比センサの出力値と前記特定成分の量に関する値の実際値との間で得られるべき所定の相関関係から逸脱する程度が所定の程度以下であるとき前記触媒が前記正常触媒であると判定するとともに、同関係が同所定の相関関係から逸脱する程度が同所定の程度を超えるとき同触媒が前記劣化触媒であると判定するように構成された触媒劣化判定装置。
A catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the catalyst,
Applied to exhaust gas purification devices for internal combustion engines with
Catalyst deterioration determining means for determining whether the catalyst is a normal catalyst that has not deteriorated to the extent that it should be determined to be a deteriorated catalyst or a deteriorated catalyst that has deteriorated to the extent that it should be determined that the catalyst has deteriorated; A catalyst deterioration determination device comprising:
A specific component amount for estimating a value relating to an amount of a specific component in a gas flowing out from the catalyst based on a catalyst model constructed in consideration of a reaction in the catalyst when the catalyst is assumed to be the normal catalyst. Equipped with estimating means,
The catalyst deterioration determining means may determine that a relationship between an output value of the air-fuel ratio sensor and a value related to the estimated specific component amount is between an output value of the air-fuel ratio sensor and an actual value of a value related to the specific component amount. When the degree of departure from the predetermined correlation to be obtained is less than or equal to a predetermined degree, the catalyst is determined to be the normal catalyst, and the degree of departure from the predetermined correlation is the same as the predetermined degree. A catalyst deterioration determination device configured to determine that the catalyst is the deteriorated catalyst when the value exceeds the above.
請求項1に記載の触媒劣化判定装置であって、
前記空燃比センサの出力値又は前記推定された特定成分の量に関する値の何れかが所定の目標値となるように同何れかの値に基づいて前記触媒に流入するガスの空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段を備え、
前記触媒劣化判定手段は、前記フィードバック制御中において前記触媒が前記正常触媒であるか前記劣化触媒であるかを判定するように構成された触媒劣化判定装置。
The catalyst deterioration determination device according to claim 1,
Feedback control of the air-fuel ratio of the gas flowing into the catalyst based on the output value of the air-fuel ratio sensor or the value related to the estimated amount of the specific component based on the value of the specific component so that the value becomes a predetermined target value. Air-fuel ratio control means,
The catalyst deterioration determining device is configured to determine whether the catalyst is the normal catalyst or the deteriorated catalyst during the feedback control.
請求項1又は請求項2に記載の触媒劣化判定装置において、
前記触媒劣化判定手段は、
前記空燃比センサの出力値又は前記推定された特定成分の量に関する値の一方の値が前記触媒からリッチ空燃比又はリーン空燃比のガスが流出していることを表す第1の状態となる毎に他方の値が同触媒から同一のリッチ空燃比又はリーン空燃比のガスが流出していることを表す第2の状態になっているか否かを判定し、
前記一方の値が前記第1の状態となる頻度に対する、同一方の値が同第1の状態となる時点において前記他方の値が前記第2の状態になっている頻度の割合が所定値以上であるとき、前記空燃比センサの出力値と前記推定された特定成分の量に関する値との関係が前記所定の相関関係から逸脱する程度が前記所定の程度以下であると判定するとともに、同頻度の割合が同所定値未満であるとき、同関係が同所定の相関関係から逸脱する程度が同所定の程度を超えたと判定するように構成された触媒劣化判定装置。
The catalyst deterioration determination device according to claim 1 or 2,
The catalyst deterioration determination means,
Each time one of the output value of the air-fuel ratio sensor or the value related to the estimated amount of the specific component is in the first state indicating that a gas having a rich air-fuel ratio or a lean air-fuel ratio is flowing out of the catalyst. It is determined whether or not the other value is in the second state indicating that the same rich air-fuel ratio or lean air-fuel ratio gas is flowing out of the same catalyst,
A ratio of the frequency at which the one value is in the first state to the frequency at which the other value is in the second state at the time when the same value is in the first state is equal to or more than a predetermined value. When the relationship between the output value of the air-fuel ratio sensor and the value related to the estimated amount of the specific component deviates from the predetermined correlation is determined to be less than or equal to the predetermined degree, Is smaller than the predetermined value, it is determined that the degree of the relationship deviating from the predetermined correlation exceeds the predetermined level.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の触媒劣化判定装置において、
前記特定成分量推定手段は、前記触媒から流出するガス中の酸素の過不足量に関する値を前記ガス中の特定成分の量に関する値として推定するように構成された触媒劣化判定装置。
In the catalyst deterioration determination device according to any one of claims 1 to 3,
The catalyst deterioration determination device, wherein the specific component amount estimating means is configured to estimate a value relating to the excess or deficiency of oxygen in the gas flowing out of the catalyst as a value relating to the amount of the specific component in the gas.
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