JP3603797B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三元触媒に吸収されている酸素量（以下、「酸素ストレージ量」）をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術が知られている（特開平９−２２８８７３号）。
【０００３】
三元触媒のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要があるが、触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで、触媒に流入する排気がリーン側にずれても排気中の酸素が触媒に吸収され、逆に、触媒に流入する排気がリッチ側にずれても触媒に吸収されている酸素が放出され、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【０００４】
したがって、このような制御を行う排気浄化装置においては、触媒の転換効率を高く保つために酸素ストレージ量の正確な演算が要求される。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の演算方法では始動時既にストレージされている酸素量が考慮されておらず、触媒の酸素ストレージ量を正確に演算することが難しいという問題があった。
【０００６】
また、実際の酸素ストレージ特性が、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれているにも係らず、従来はこの点を考慮せず、酸素ストレージ量を１つのパラメータで表現していたため、酸素ストレージ量の演算値が実際の酸素ストレージ特性に合わないという問題があった。
【０００７】
そこで、本出願人は、酸素ストレージ量を実際の特性に合わせて高速成分と低速成分で分けて演算し、酸素ストレージ量の演算精度を向上させる技術を提案している（特願２０００−３４０４６号）。また、触媒雰囲気の修正が主として酸素の吸収放出速度の速い高速成分によって行われることから、高速成分が一定となるようにエンジンの空燃比を制御することで触媒の転換効率を高く保つ技術も併せて提案している。
【０００８】
本発明は、上記排気浄化技術において、酸素ストレージ量の演算精度をさらに高めること、特にエンジン始動直後における演算精度を高め、始動直後であっても触媒の転換効率が高く維持されるようにすることを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、エンジンの排気浄化装置において、排気管に設けられた触媒と、エンジン始動時における触媒の温度を検出あるいは推定する始動時触媒温度演算手段と、始動時触媒温度に基づき触媒の酸素ストレージ量の初期値を推定する手段と、触媒に流入する排気の特性を検出する手段と、検出された排気特性と酸素ストレージ量の初期値に基づき触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、演算された酸素ストレージ量に基づき触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、エンジン始動時におけるエンジンの冷却液温を検出する手段をさらに備え、始動時触媒温度演算手段が、検出された始動時の冷却液温に基づき始動時触媒温度を推定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、第３の発明は、第１の発明において、エンジン停止時におけるエンジンの冷却液温及び触媒温度を記憶する手段と、エンジン始動時にけるエンジンの冷却液温を検出する手段とをさらに備え、触媒温度演算手段が、始動時の冷却液温と、記憶されている前回エンジン停止時におけるエンジンの冷却液温及び触媒温度に基づき始動時触媒温度を推定することを特徴とするものである。
【００１２】
また、第４の発明は、第１の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算することを特徴とするものである。
【００１３】
また、第５の発明は、第４の発明において、酸素ストレージ量の初期値推定手段が、始動時触媒温度に基づき高速成分の初期値を推定することを特徴とするものである。
【００１４】
また、第６の発明は、第４の発明において、酸素ストレージ量の初期値推定手段が、始動時触媒温度に基づき高速成分の初期値を推定し、且つ低速成分をその最大容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１５】
また、第７の発明は、第４または第５の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で高速成分及び低速成分をそれらの最小容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１６】
また、第８の発明は、第４から第６の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒から流出する排気特性がリーン化した時点で高速成分をその最大容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１７】
また、第９の発明は、エンジンの排気管に設けられ、流入する排気の特性に応じて酸素の吸収／放出を行う触媒の酸素ストレージ量演算方法において、前記エンジンの始動時における前記触媒の温度に基づき前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を推定し、前記触媒に流入する排気の特性と前記酸素ストレージ量の初期値とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量を演算することを特徴とするものである。
また、第１０の発明は、第１から第８の発明において、前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を演算する手段が、始動時触媒温度が高いほど前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を大きく推定することを特徴とするものである。
また、第１１の発明は、第９の発明において、エンジン始動時における触媒温度が高いほど前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を大きく推定することを特徴とするものである。
【００１８】
【作用及び効果】
したがって、この発明に係る排気浄化装置では、触媒に流入する排気の特性（例えば、排気空燃比）に基づき触媒の酸素ストレージ量が演算され、触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比制御が行われるが、触媒ストレージ量の演算は、始動時の触媒温度に基づき推定された初期値を用いて行われる。
【００１９】
酸素ストレージ量の初期値は始動時の触媒温度によってほぼ決まり、触媒温度によって異なるため、これを触媒温度と無関係に、例えば固定値として以後の酸素ストレージ演算を行うと、始動直後に演算される酸素ストレージ量が実際の値とずれてしまうが、本発明によると、酸素ストレージ量に初期値が触媒温度に基づき予め推定され、これを用いて酸素ストレージ量の演算が行われるので、エンジン始動直後における酸素ストレージ量の演算精度が向上し、始動直後であっても触媒の転換効率が高く維持されるようになる。また、その後の酸素ストレージ量がこれを受けて演算されるので、その後の酸素ストレージ量の演算精度も結果として高められることになる（第１、第９の発明）。
【００２０】
さらに、第２、第３の発明のように、触媒温度を直接検出せずにエンジンの冷却液温（冷却水温あるいは油温）等から推定するようにすれば、触媒温度を検出するための温度センサが不要になり、コストを低減できるという利点がある。
【００２１】
ここで酸素のストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第４の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量を正確に演算することができる。
【００２２】
また、第５の発明によれば、始動時触媒温度に基づいて高速成分の初期値を推定するので、エンジン始動後、速やかに高速成分の酸素ストレージ量の演算精度が向上し、始動後であっても触媒の転換効率が高く維持されるようになる。
【００２３】
さらに、エンジン停止後は排気管の出口から大気が拡散し、低速成分にはその最大容量まで酸素がストレージされると考えられるが、第６の発明によれば、始動時触媒温度に基づいて高速成分の初期値を推定すると共に、このとき低速成分をその最大容量にリセットするので、エンジン始動直後から、触媒の酸素ストレージ量を実際の特性に合わせて精度よく演算することが可能となる。
【００２４】
さらに、第７、第８の発明によれば、触媒下流がリッチあるいはリーンになった時点で高速成分あるいは低速成分のリセットが行われ、それまでに蓄積された演算誤差を解消できるので、酸素ストレージ量の演算精度を一層高めることができる。特に、第６の発明では、エンジン停止後すぐの再始動で排気管出口からの大気の拡散が進行していなくても、低速成分をその最大容量にリセットしてしまうが、第７、第８の発明によれば、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で低速成分はそれらの最小容量にリセットされるので、酸素ストレージ量を正確に演算することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明が適用される排気浄化装置の概略構成を示し、火花点火式エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた触媒３と、フロントＡ／Ｆセンサ４と、リアＯ２センサ５と、コントローラ６とを備える。
【００２７】
エンジン１の吸気管７には、運転者のアクセル操作と独立して制御可能な電子制御式スロットル弁８と、スロットル弁８によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ９とが設けられている。また、エンジン１にはエンジン回転数を検出するクランク角センサ１２が設けられている。なお、スロットル弁としてはアクセル操作に直接連動して開閉するものであっても良い。
【００２８】
触媒３はいわゆる三元触媒であり、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。触媒３は触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（以下、「酸素ストレージ機能」）を有している。
【００２９】
ここで触媒３の酸素ストレージ量は、触媒３の貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分ＨＯ２と、触媒３の酸素ストレージ材に吸収／放出される低速成分ＬＯ２とに分けることができる。低速成分ＬＯ２は高速成分ＨＯ２に比べて多くの酸素を吸収／放出することができるが、その吸収／放出速度は高速成分ＨＯ２に比べて遅いという特性を有している。
【００３０】
さらに、これら高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２は、
− 酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２に優先して酸素が吸収され、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分ＬＯ２に酸素が吸収され始める。
【００３１】
− 酸素放出時は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が所定値未満の場合、すなわち高速成分が比較的多い場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出され、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が所定値以上の場合は高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２の両方から酸素が放出される。
という特性を有している。
【００３２】
図２はこのような触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。縦軸は高速成分ＨＯ２（貴金属に吸収される酸素量）、横軸は低速成分ＬＯ２（酸素ストレージ材に吸収される酸素量）を示している。
【００３３】
通常運転状態では、低速成分ＬＯ２は略ゼロであり、高速成分ＨＯ２のみが図中矢印Ａ１で示すように触媒に流入する排気の空燃比に応じて変化する。高速成分ＨＯ２は、例えば、その最大容量の半分となるように制御される。
【００３４】
しかしながら、エンジンの燃料カットが行われたときや、暖機状態からのエンジン再始動（ホットリスタート）であるときは、高速成分ＨＯ２がその最大容量に達し、図中矢印Ａ２で示すように低速成分ＬＯ２にも酸素の吸収が行われ、酸素ストレージ量は状態Ｘ１から状態Ｘ２まで変化する。
【００３５】
この状態Ｘ２から酸素が放出されるときは、高速成分ＨＯ２から優先して酸素の放出が行われ、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が所定値に達すると（状態Ｘ３）、以後、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が変化しないように高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２の両方から酸素の放出が行われる。すなわち、酸素ストレージ量が図中の線Ｌ上を変化するように酸素の放出が行われる。なお、この線Ｌ上では、高速成分１に対して低速成分が５から１５、好ましくは高速成分１に対して低速成分が略１０となっている。
【００３６】
図１に戻り、触媒３の上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３に流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３の下流に設けられたリアＯ２センサ５は触媒３下流の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。なお、ここでは触媒３の下流に安価なＯ２センサを設けたが、リニアに空燃比を検出できるＡ／Ｆセンサを設けても良い。また、触媒３にはその内部温度を検出する触媒温度センサ１１が取り付けられている。
【００３７】
一方、エンジン１には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１０が取り付けられており、検出された冷却水温はエンジン１の運転状態を判断するのに用いられる。
【００３８】
コントローラ６はマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等で構成され、エアフローメータ９、フロントＡ／Ｆセンサ４、冷却水温センサ１０及び触媒温度センサ１１の出力に基づき、触媒３の酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）を演算する。このとき、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき予め推定しておいた酸素ストレージ量の初期値ＨＯ２ＩＮＴを用いて酸素ストレージ量の演算が行われる。
【００３９】
そして、コントローラ６は、演算した酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が所定量（例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分）よりも多いときはエンジン１の空燃比をリッチ側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を減少させ、逆に、所定量よりも少ないときは空燃比をリーン側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を増大させ、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が一定に保たれるようにする。
【００４０】
さらに、演算誤差により演算される酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれが生じるが、コントローラ６は触媒３下流の酸素濃度に基づき所定のタイミングで酸素ストレージ量のリセットを行い、実際の酸素ストレージ量とのずれを修正する。
【００４１】
具体的には、リアＯ２センサ５がリーン判定した場合は、少なくとも高速成分ＨＯ２は最大となっていると判断し、高速成分ＨＯ２を最大容量にリセットする。一方、リアＯ２センサ５がリッチ判定した場合は、高速成分ＨＯ２のみならず低速成分ＬＯ２からの酸素放出も行われなくなっていることから、低速成分ＨＯ２及び高速成分ＬＯ２を最小容量にリセットする。
【００４２】
以下、コントローラ６が行う制御について詳しく説明する。
【００４３】
ここではまず、酸素ストレージ量の演算について説明し、その後で、酸素ストレージ量のリセット、酸素ストレージ量に基づくエンジン１の空燃比制御について説明する。
【００４４】
エンジン１が始動されると、まず、始動直後の酸素ストレージ量の演算精度を高めるべく図３に示すルーチンにより酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定される。そして、初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定されたら、以後、その初期値ＨＯ２ＩＮＴを用いて図５に示すルーチンにより酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２が演算される。
【００４５】
図３に示すルーチンでは、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは、触媒温度センサ１１により検出された始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき図４に示すテーブルを参照して推定される（ステップＳ１、Ｓ２）。
【００４６】
このとき、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが低いと触媒３が酸素を吸収できないことから高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴはゼロと推定されるが、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが所定温度ＴＣＡＴ１（２００℃から２５０℃の値、例えば２００℃）以上では温度が高いほど触媒３に吸収される酸素量も多くなることから推定される高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴも多くなる。ただし、高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸを超えることは無いので、所定温度ＴＣＡＴ２（例えば３００℃）以上では高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは最大容量ＨＯ２ＭＡＸになっていると推定される。なお、図４に示したテーブルは一例であり、これよりも特性を詳細に記述したテーブルや、逆に簡略化したテーブルを用いてもよい。
【００４７】
このようにして酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定されたら、今度は図５に示すルーチンが所定時間毎に実行され、高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２の演算が行われる。
【００４８】
これによると、まず、触媒温度センサ１１の出力に基づき触媒３の温度ＴＣＡＴが検出され（ステップＳ３）、検出された触媒温度ＴＣＡＴと触媒活性温度ＴＡＣＴｏ（例えば３００℃）とを比較することによって触媒３が活性化したか否かが判断される（ステップ４）。
【００４９】
その結果、触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達していると判断された場合は触媒３の酸素ストレージ量の演算を行うべくステップＳ５以降に進む。触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達しないと判断された場合は、触媒３は酸素の吸収／放出作用を行わないとして処理を終了する。
【００５０】
ステップＳ５では酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチン（図６）が実行されて触媒３に流入する排気中の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが演算され、ステップＳ６では酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチン（図７）が実行され、高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００５１】
さらに、ステップＳ７では酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチン（図８）が実行され、酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２及び高速成分ＨＯ２で吸収されずに低速成分ＬＯ２に溢れるオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが演算される。このとき高速成分ＨＯ２の初期値として図３に示したルーチンで演算された初期値ＨＯ２ＩＮＴが用いられる。
【００５２】
ステップＳ８では、ステップＳ７で演算されたオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき触媒３に流入する排気中の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが全て高速成分ＨＯ２で吸収されたか否かが判断される。そして、酸素過不足量Ｏ２ＩＮが高速成分で完全に吸収された場合（ＯＶＥＲＦＬＯＷ＝０）は処理を終了するが、そうでない場合はステップＳ９へ進んで低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチン（図９）が実行され、高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。低速成分の初期値ＬＯ２ＩＮＴとしては最大容量ＬＯ２ＭＡＸが与えられる。
【００５３】
なお、ここではステップＳ４で触媒温度ＴＣＡＴが活性温度ＴＡＣＴｏよりも低いときは酸素ストレージ量を演算しないようにしているが、ステップＳ４を無くして、触媒温度ＴＣＡＴの影響を高速成分の酸素放出率Ａや後述する低速成分の酸素吸収放出率Ｂに反映するようにしても良い。
【００５４】
次に、ステップＳ５から７及びステップＳ９で実行されるサブルーチンについて説明する。
【００５５】
図６は、触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが演算される。
【００５６】
これによると、まず、フロントＡ／Ｆセンサ出力とエアフローメータ出力が読み込まれる（ステップＳ１１）。
【００５７】
ステップＳ１２では読み込まれたフロントＡ／Ｆセンサ出力を所定の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、触媒３に流入する排気の過不足酸素濃度を演算する。ここで過不足酸素濃度とは理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度で、排気が理論空燃比でゼロ、リッチで負、リーンで正の値をとる。
【００５８】
ステップＳ１３ではエアフローメータ出力を所定の変換テーブルを用いて吸入空気量に変換し、ステップＳ１４ではステップＳ１３で演算した吸入空気量にステップＳ１２で演算した過不足酸素濃度を乗じて触媒３に流入する排気の過不足酸素量Ｏ２ＩＮを演算する。
【００５９】
過不足酸素濃度が上記特性を有することから、過不足酸素量Ｏ２ＩＮは、触媒３に流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【００６０】
また、図７は、酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２の酸素放出速度が低速成分ＬＯ２の影響を受けることから、低速成分ＬＯ２に応じて高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００６１】
これによると、まず、ステップＳ２１で低速成分の高速成分に対する比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ（例えばＡＲ＝１０）より小さいか否かが判断される。
【００６２】
判断の結果、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲより小さいと判断された場合、すなわち、高速成分ＨＯ２が低速成分ＬＯ２に対して比較的多い場合はステップＳ２２へ進み、高速成分ＨＯ２から酸素が優先して放出されるとして高速成分の酸素放出率Ａに１．０がセットされる。
【００６３】
これに対し、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ以上と判断された場合は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２から酸素が放出されるので、ステップＳ２３へ進んで高速成分の酸素放出率Ａとして比ＬＯ２／ＨＯ２が変化しないような値が演算される。
【００６４】
また、図８は、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは、触媒３に流入する排気の酸素酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２の演算が行われる。
【００６５】
これによると、まず、ステップＳ３１では酸素過不足量Ｏ２ＩＮの値に基づき高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあるか、あるいは酸素を放出する状態にあるかが判断される。
【００６６】
その結果、触媒３に流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロより大きい場合、高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあると判断してステップＳ３２に進み、次式（１）、
ＨＯ２ ＝ ＨＯ２ｚ ＋ Ｏ２ＩＮ ・・・・・（１）
ＨＯ２ｚ：高速成分ＨＯ２の前回値
により高速成分ＨＯ２が演算される。このルーチンの初回実行時の前回値ＨＯ２ｚには図３に示したルーチンにより推定された初期値ＨＯ２ＩＮＴが用いられる。
【００６７】
一方、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロ以下の値で、高速成分が酸素を放出する状態にあると判断された場合はステップＳ３３に進み、次式（２）、
ＨＯ２ ＝ ＨＯ２ｚ ＋ Ｏ２ＩＮ × Ａ ・・・・・（２）
Ａ：高速成分ＨＯ２の酸素放出率
により高速成分ＨＯ２が演算される。
【００６８】
このようにして高速成分ＨＯ２が演算されたら、ステップＳ３４、Ｓ３５でその値が高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００６９】
そして、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上になっている場合はステップＳ３６に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバーフロー分（過剰量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（３）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ ＝ ＨＯ２ − ＨＯ２ＭＡＸ ・・・・・（３）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに制限される。
【００７０】
また、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下になっている場合はステップＳ３７に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバーフロー分（不足量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（４）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ ＝ ＨＯ２ − ＨＯ２ＭＩＮ ・・・・・（４）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮに制限される。なお、ここでは最小容量ＨＯ２ＭＩＮとしてゼロを与えているから高速成分ＨＯ２を全て放出した状態で不足する酸素量が負のオーバーフロー分として算出されることになる。
【００７１】
また、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸと最小容量ＨＯ２ＭＩＮの間にあるときは、触媒３に流入した排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮは全て高速成分ＨＯ２に吸収されるので、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷにはゼロが設定される。
【００７２】
ここで、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下となって高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷは低速成分ＬＯ２で吸収あるいは放出される。
【００７３】
また、図９は酸素ストレージ量の低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。
【００７４】
これによると、ステップＳ４１では低速成分ＬＯ２が次式（５）、
ＬＯ２ ＝ ＬＯ２ｚ ＋ ＯＶＥＲＦＬＯＷ × Ｂ ・・・・・（５）
ＬＯ２ｚ：低速成分ＬＯ２の前回値
Ｂ：低速成分の酸素吸収放出率
により演算される。ここで低速成分の酸素吸収放出率Ｂは１以下の正の値に設定されるが、実際には吸収と放出で異なる特性を有し、また、実際の吸収放出率は触媒温度ＴＣＡＴ、低速成分ＬＯ２等の影響を受けるので、吸収率と放出率をそれぞれ分離して可変に設定するようにしても良い。その場合、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素吸収率Ｂは、例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が小さいほど大きな値に設定される。また、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Ｂは例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が大きいほど大きな値に設定される。
【００７５】
ステップＳ４２、Ｓ４３では、高速成分ＨＯ２の演算時と同様に、演算された低速成分ＬＯ２がその最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＬＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００７６】
その結果、最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えている場合はステップＳ４４に進み、低速成分ＬＯ２から溢れる酸素過不足量Ｏ２ＯＵＴが次式（６）、
Ｏ２ＯＵＴ ＝ ＬＯ２ − ＬＯ２ＭＡＸ ・・・・・（６）
により演算されて低速成分ＬＯ２が最大容量ＬＯ２ＭＡＸに制限される。酸素過不足量Ｏ２ＯＵＴはそのまま触媒３の下流に流出する。
【００７７】
一方、最小容量以下になっている場合はステップＳ４５へ進み、低速成分ＬＯ２が最小容量ＬＯ２ＭＩＮに制限される。
【００７８】
次に、コントローラ６が行う酸素ストレージ量のリセットについて説明する。酸素ストレージ量のリセットを実行することにより、それまでに蓄積された演算誤差が解消され、酸素ストレージ量の演算精度を高めることが可能となる。
【００７９】
図１０はリセット条件の判断ルーチンの内容を示す。このルーチンは、触媒３下流の酸素濃度から酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグＦｒｉｃｈ及びフラグＦｌｅａｎのセットを行うものである。
【００８０】
これによると、まず、触媒３下流の酸素濃度を検出するリアＯ２センサ５の出力が読み込まれる（ステップＳ５１）。そして、リアＯ２センサ出力とリーン判定しきい値、リッチ判定しきい値との比較が行われる（ステップＳ５２、Ｓ５３）
比較の結果、リアＯ２センサ出力がリーン判定しきい値を下回っていた場合はステップＳ５４に進んでフラグＦｌｅａｎに酸素ストレージ量のリーンリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。また、リアＯ２センサ出力がリッチ判定しきい値を上回っていた場合はステップＳ５５に進んでフラグＦｒｉｃｈに酸素ストレージ量のリッチリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。
【００８１】
リアＯ２センサ出力がリーン判定しきい値とリッチ判定しきい値の間にあるときはステップＳ５６に進んで、フラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈにリーンリセット条件、リッチリセット条件が不成立であることを示す「０」が設定される。
【００８２】
図１１は酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示す。
【００８３】
これによると、ステップＳ６１、Ｓ６２でフラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈの値の変化に基づきリーンリセット条件あるいはリッチリセット条件が成立したか否かが判断される。
【００８４】
そして、フラグＦｌｅａｎが「０」から「１」に変化し、リーンリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６３に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。このとき、低速成分ＬＯ２のリセットは行わない。一方、フラグＦｒｉｃｈが「０」から「１」に変化し、リッチリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６４に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２がそれぞれ最小容量ＨＯ２ＭＩＮ、ＬＯ２ＭＩＮにリセットされる。
【００８５】
このような条件でリセットを行うのは、低速成分ＬＯ２の酸素吸収速度が遅いため、高速成分ＨＯ２が最大容量に達すると低速成分ＬＯ２が最大容量に達していなくても酸素が触媒下流に溢れることから、触媒下流がリーンになった時点では少なくとも高速成分ＨＯ２は最大容量になっていると考えられるからである。
【００８６】
また、触媒下流がリッチになる時点では、緩やかに酸素を放出する低速成分ＬＯ２からも酸素が放出されていないといえ、高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２共に酸素を殆ど保持しておらず最小容量になっていると考えられるからである。
【００８７】
さらに、コントローラ６が行う空燃比制御（酸素ストレージ量一定制御）について説明する。
【００８８】
図１２は酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示す。
【００８９】
これによると、まず、現在の酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が読み込まれ（ステップＳ７１）、現在の高速成分ＨＯ２と高速成分の目標値ＴＧＨＯ２の偏差ＤＨＯ２（＝触媒３が必要としている酸素過不足量）が演算される（ステップＳ７２）。高速成分の目標値ＴＧＨＯ２は、例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分に設定される。
【００９０】
そしてステップＳ７３では、演算された偏差ＤＨＯ２が空燃比相当の値に換算され、エンジン１の目標空燃比が設定される。
【００９１】
したがって、このルーチンによると、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする量に満たない場合はエンジン１の目標空燃比がリーン側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の増大が図られる。これに対し、高速成分ＨＯ２が目標とする量を超えている場合はエンジン１の目標空燃比がリッチ側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の減少が図られることになる。
【００９２】
次に、上記制御を行うことによる全体的な作用について説明する。
【００９３】
本発明に係る排気浄化装置にあっては、エンジン１が始動されると触媒３の酸素ストレージ量の演算が開始され、触媒３の転換効率を最大に保つべく、触媒３の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジン１の空燃比制御が行われる。
【００９４】
コントローラ６は触媒３に流入する排気の空燃比、エンジン１の吸入空気量に基づき触媒３の酸素ストレージ量を推定演算するが、酸素ストレージ量の演算は実際の特性に合わせて高速成分ＨＯ２と低速成分ＬＯ２とに分けて行われる。
【００９５】
具体的には、まず、触媒温度センサ１１で検出されたエンジン始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき所定のテーブル（図４）を参照して酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定される。
【００９６】
始動時の酸素ストレージ量、特に高速成分ＨＯ２については始動時の触媒温度によってほぼ決まることから、このように予め始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき酸素ストレージ量の初期値を推定しておくことで始動直後の酸素ストレージ量の演算精度が向上し、始動直後においても触媒３の転換効率を高く保つことができる。
【００９７】
さらに、エンジン停止後は排気管の出口から大気が拡散するため、低速成分にはその最大容量まで酸素がストレージされると考えられる。このため、低速成分には初期値としてその最大容量ＬＯ２ＭＡＸが与えられ、低速成分についても演算精度が高められる。この結果、高速成分、低速成分何れについても始動直後から実際の特性に合った演算が行われることになり、触媒３の転換効率をより一層高く保つことができる。
【００９８】
ここで、エンジン停止後、直ぐに再始動した場合、排気管の出口からの大気の拡散が進行せず、それにも拘らず低速成分をその最大容量ＬＯ２ＭＡＸにリセットしてしまうことが発生するが、この場合、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で酸素ストレージ量のリセット（図１１）が行われ、つまり、低速成分がそれらの最小容量にリセットされるので、これをもって低速成分の演算誤差を解消できる。
【００９９】
以後この推定された高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴ及び低速成分の初期値ＬＯ２ＩＮＴ（＝ＬＯ２ＭＡＸ）を用いて演算が行われる。高速成分の放出率の演算（図７）については、初回ＬＯ２ＭＡＸ／ＨＯ２ＩＮＴとして比（ＬＯ２／ＨＯ２）が演算され、高速成分の演算（図８）については、初回ＨＯ２ｚ＝ＨＯ２ＩＮＴとして高速成分が更新される。このようにして、酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２が優先して吸収し、高速成分ＨＯ２が吸収しきれない状態となったら低速成分ＬＯ２が吸収し始めるとして演算が行われる。また、酸素放出時は、低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が一定割合ＡＲ以下の場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出されるとし、比ＬＯ２／ＨＯ２が一定割合になったらその比ＬＯ２／ＨＯ２を保つように低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の両方から酸素が放出されるとして演算が行われる。
【０１００】
そして、演算された酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標値よりも多いときは、コントローラ６はエンジン１の空燃比をリッチ側に制御して高速成分ＨＯ２を減少させ、目標値よりも少ないときは空燃比をリーン側に制御して高速成分ＨＯ２を増大させる。これによって酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする値に保たれるので、触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分ＨＯ２から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒３の転換効率が最大に保たれる。
【０１０１】
さらに、演算誤差が累積すると演算される酸素ストレージ量が実際の酸素ストレージ量とずれてくるが、触媒３下流がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセットが行われ、演算値と実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される。
【０１０２】
図１３は上記酸素ストレージ量一定制御を行ったときの高速成分ＨＯ２の変化の様子を示したものである。この場合、時刻ｔ１では、リアＯ２センサ５の出力がリーン判定しきい値より小さくなりリーンリセット条件が成立するので、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。ただし、このとき低速成分ＬＯ２は最大になっているとは限らないので低速成分ＬＯ２のリセットは行われない。
【０１０３】
時刻ｔ２、ｔ３では、リアＯ２センサ５の出力がリッチ判定しきい値より大きくなりリッチリセット条件が成立するので、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最小容量（＝０）にリセットされる。このとき低速成分ＬＯ２も最小容量にリセットされる（図示せず）。
【０１０４】
このように、触媒３の下流の排気がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量のリセットが行われ、実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される結果、触媒の酸素ストレージ量の演算精度がさらに向上し、酸素ストレージ量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められて触媒の転換効率を高く維持することができる。
【０１０５】
続いて、第２の実施形態について説明する。
【０１０６】
この実施形態は酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴの推定方法が先の実施形態と異なり、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは図１４に示すルーチンによって推定される。
【０１０７】
これによると、まず、冷却水温センサ１０の出力に基づき始動時のエンジン冷却水温ＴＷＮＩＮＴが検出される（ステップＳ８１）。そして、この検出された始動時冷却水温ＴＷＮＩＮＴに基づき、図１５に示すテーブルを参照して始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが推定される（ステップＳ８２）。始動時の冷却水温が高いほど前回エンジン停止時からの時間が短く、触媒も冷えていないと考えられるため、推定される触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴも高くなる。
【０１０８】
そして、この推定された触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき図４に示したテーブルを参照して高速成分の初期値ＴＣＡＴＩＮＴが推定される（ステップＳ８３）。
【０１０９】
したがって、この実施形態によると、エンジン始動直後の酸素ストレージ量の演算精度が向上する効果のほか、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴを推定するために触媒温度センサ１１で触媒温度を直接検出する必要が無くなり、触媒温度センサ１１が不要になるという利点がある。
【０１１０】
ただし、触媒温度センサ１１をなくす場合、図５のステップＳ３において触媒温度を推定する必要があり、その場合、触媒温度は、例えば、冷却水温、エンジン負荷及びエンジン回転数から推定する。なお、ここでは始動時のエンジンの冷却水温に基づき始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴを推定するようにしたが、始動時のエンジン油温に基づき推定するようにしても良い。
【０１１１】
さらに、第３の実施形態について説明する。
【０１１２】
この実施形態も酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴの推定方法が異なり、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは図１６に示すルーチンによって推定される。
【０１１３】
これによると、まず、冷却水温センサ１０の出力に基づき始動時の冷却水温ＴＷＮＩＮＴが検出され（ステップＳ９１）、前回エンジン停止時の冷却水温ＴＷＮｓ及び触媒温度ＴＣＡＴｓが読み込まれる（ステップＳ９２）。前回エンジン停止時の冷却水温ＴＷＮｓ及び触媒温度ＴＣＡＴｓは前回エンジン停止時にコントローラ６内のメモリに記録される。
【０１１４】
そしてこれらの値を用いて、例えば、次式（７）、
ＴＣＡＴＩＮＴ ＝ ＴＣＡＴｓ − ｋ × （ ＴＷＮｓ − ＴＷＮＩＮＴ ） ・・・・・（７）
ｋ：所定の係数
により始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが推定演算される（ステップＳ９３、図１７）。
【０１１５】
例えば、前回エンジン停止時の触媒温度ＴＣＡＴｓ、冷却水温ＴＷＮｓが各々４５０℃、７０℃で、前回エンジン停止時からエンジン１が再始動されるまでの時間が短く現在の冷却水温も７０℃の場合（ホットリスタート時）は、式（７）により、
ＴＣＡＴＩＮＴ ＝ ４５０ − ｋ × （ ７０ − ７０ ） ＝ ４５０℃
と推定される。
【０１１６】
また、前回エンジン停止時の触媒温度ＴＣＡＴｓ、冷却水温ＴＷＮｓが各々４５０℃、７０℃で、前回エンジン停止時からエンジン１が再始動されるまでの時間が長く（例えば一晩放置した場合等）、エンジン１の冷却水温が外気温（例えば２５℃）に等しくなっている場合は、式（７）により、
ＴＣＡＴＩＮＴ ＝ ４５０ − ｋ × （ ７０ − ２５ ） ≒ ２５℃
と推定される。但し、上記演算ではｋ＝９．４５としている。
【０１１７】
このようにして始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが推定されたら、図４に示したテーブルを参照して高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定される（ステップＳ９４）。
【０１１８】
したがって、この実施形態によっても、始動直後の酸素ストレージ量の演算精度が高められ、また、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴを推定することから触媒温度センサ１１が不要になる。ただし、この場合も第２の実施形態と同様に図５のステップＳ３において触媒温度を推定する必要がある。
【０１１９】
なお、ここでも始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴの推定にエンジンの冷却水温を用いているが、エンジン油温を用いて推定するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。
【図３】触媒の酸素ストレージ量の高速成分の初期値を推定するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図４】触媒温度から酸素ストレージ量の高速成分の初期値を推定するのに用いられるテーブルである。
【図５】酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図６】触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図７】高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図８】酸素ストレージ量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図９】酸素ストレージ量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１０】リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１１】酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１２】酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１３】酸素ストレージ量一定制御を行ったときの様子を示したタイムチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図１５】始動時冷却水温から触媒温度を推定するのに用いられるテーブルである。
【図１６】本発明の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図１７】始動時触媒温度の推定演算を説明するための図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気管
３ 三元触媒
４ フロントＡ／Ｆセンサ
５ リアＯ２センサ
７ 吸気管
８ スロットル弁
９ エアフローメータ
１０ 冷却水温センサ
１１ 触媒温度センサ
【産業上の利用分野】
本発明は、触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三元触媒に吸収されている酸素量（以下、「酸素ストレージ量」）をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術が知られている（特開平９−２２８８７３号）。
【０００３】
三元触媒のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要があるが、触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで、触媒に流入する排気がリーン側にずれても排気中の酸素が触媒に吸収され、逆に、触媒に流入する排気がリッチ側にずれても触媒に吸収されている酸素が放出され、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【０００４】
したがって、このような制御を行う排気浄化装置においては、触媒の転換効率を高く保つために酸素ストレージ量の正確な演算が要求される。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の演算方法では始動時既にストレージされている酸素量が考慮されておらず、触媒の酸素ストレージ量を正確に演算することが難しいという問題があった。
【０００６】
また、実際の酸素ストレージ特性が、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれているにも係らず、従来はこの点を考慮せず、酸素ストレージ量を１つのパラメータで表現していたため、酸素ストレージ量の演算値が実際の酸素ストレージ特性に合わないという問題があった。
【０００７】
そこで、本出願人は、酸素ストレージ量を実際の特性に合わせて高速成分と低速成分で分けて演算し、酸素ストレージ量の演算精度を向上させる技術を提案している（特願２０００−３４０４６号）。また、触媒雰囲気の修正が主として酸素の吸収放出速度の速い高速成分によって行われることから、高速成分が一定となるようにエンジンの空燃比を制御することで触媒の転換効率を高く保つ技術も併せて提案している。
【０００８】
本発明は、上記排気浄化技術において、酸素ストレージ量の演算精度をさらに高めること、特にエンジン始動直後における演算精度を高め、始動直後であっても触媒の転換効率が高く維持されるようにすることを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、エンジンの排気浄化装置において、排気管に設けられた触媒と、エンジン始動時における触媒の温度を検出あるいは推定する始動時触媒温度演算手段と、始動時触媒温度に基づき触媒の酸素ストレージ量の初期値を推定する手段と、触媒に流入する排気の特性を検出する手段と、検出された排気特性と酸素ストレージ量の初期値に基づき触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、演算された酸素ストレージ量に基づき触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、エンジン始動時におけるエンジンの冷却液温を検出する手段をさらに備え、始動時触媒温度演算手段が、検出された始動時の冷却液温に基づき始動時触媒温度を推定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、第３の発明は、第１の発明において、エンジン停止時におけるエンジンの冷却液温及び触媒温度を記憶する手段と、エンジン始動時にけるエンジンの冷却液温を検出する手段とをさらに備え、触媒温度演算手段が、始動時の冷却液温と、記憶されている前回エンジン停止時におけるエンジンの冷却液温及び触媒温度に基づき始動時触媒温度を推定することを特徴とするものである。
【００１２】
また、第４の発明は、第１の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算することを特徴とするものである。
【００１３】
また、第５の発明は、第４の発明において、酸素ストレージ量の初期値推定手段が、始動時触媒温度に基づき高速成分の初期値を推定することを特徴とするものである。
【００１４】
また、第６の発明は、第４の発明において、酸素ストレージ量の初期値推定手段が、始動時触媒温度に基づき高速成分の初期値を推定し、且つ低速成分をその最大容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１５】
また、第７の発明は、第４または第５の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で高速成分及び低速成分をそれらの最小容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１６】
また、第８の発明は、第４から第６の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒から流出する排気特性がリーン化した時点で高速成分をその最大容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１７】
また、第９の発明は、エンジンの排気管に設けられ、流入する排気の特性に応じて酸素の吸収／放出を行う触媒の酸素ストレージ量演算方法において、前記エンジンの始動時における前記触媒の温度に基づき前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を推定し、前記触媒に流入する排気の特性と前記酸素ストレージ量の初期値とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量を演算することを特徴とするものである。
また、第１０の発明は、第１から第８の発明において、前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を演算する手段が、始動時触媒温度が高いほど前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を大きく推定することを特徴とするものである。
また、第１１の発明は、第９の発明において、エンジン始動時における触媒温度が高いほど前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を大きく推定することを特徴とするものである。
【００１８】
【作用及び効果】
したがって、この発明に係る排気浄化装置では、触媒に流入する排気の特性（例えば、排気空燃比）に基づき触媒の酸素ストレージ量が演算され、触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比制御が行われるが、触媒ストレージ量の演算は、始動時の触媒温度に基づき推定された初期値を用いて行われる。
【００１９】
酸素ストレージ量の初期値は始動時の触媒温度によってほぼ決まり、触媒温度によって異なるため、これを触媒温度と無関係に、例えば固定値として以後の酸素ストレージ演算を行うと、始動直後に演算される酸素ストレージ量が実際の値とずれてしまうが、本発明によると、酸素ストレージ量に初期値が触媒温度に基づき予め推定され、これを用いて酸素ストレージ量の演算が行われるので、エンジン始動直後における酸素ストレージ量の演算精度が向上し、始動直後であっても触媒の転換効率が高く維持されるようになる。また、その後の酸素ストレージ量がこれを受けて演算されるので、その後の酸素ストレージ量の演算精度も結果として高められることになる（第１、第９の発明）。
【００２０】
さらに、第２、第３の発明のように、触媒温度を直接検出せずにエンジンの冷却液温（冷却水温あるいは油温）等から推定するようにすれば、触媒温度を検出するための温度センサが不要になり、コストを低減できるという利点がある。
【００２１】
ここで酸素のストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第４の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量を正確に演算することができる。
【００２２】
また、第５の発明によれば、始動時触媒温度に基づいて高速成分の初期値を推定するので、エンジン始動後、速やかに高速成分の酸素ストレージ量の演算精度が向上し、始動後であっても触媒の転換効率が高く維持されるようになる。
【００２３】
さらに、エンジン停止後は排気管の出口から大気が拡散し、低速成分にはその最大容量まで酸素がストレージされると考えられるが、第６の発明によれば、始動時触媒温度に基づいて高速成分の初期値を推定すると共に、このとき低速成分をその最大容量にリセットするので、エンジン始動直後から、触媒の酸素ストレージ量を実際の特性に合わせて精度よく演算することが可能となる。
【００２４】
さらに、第７、第８の発明によれば、触媒下流がリッチあるいはリーンになった時点で高速成分あるいは低速成分のリセットが行われ、それまでに蓄積された演算誤差を解消できるので、酸素ストレージ量の演算精度を一層高めることができる。特に、第６の発明では、エンジン停止後すぐの再始動で排気管出口からの大気の拡散が進行していなくても、低速成分をその最大容量にリセットしてしまうが、第７、第８の発明によれば、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で低速成分はそれらの最小容量にリセットされるので、酸素ストレージ量を正確に演算することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明が適用される排気浄化装置の概略構成を示し、火花点火式エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた触媒３と、フロントＡ／Ｆセンサ４と、リアＯ２センサ５と、コントローラ６とを備える。
【００２７】
エンジン１の吸気管７には、運転者のアクセル操作と独立して制御可能な電子制御式スロットル弁８と、スロットル弁８によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ９とが設けられている。また、エンジン１にはエンジン回転数を検出するクランク角センサ１２が設けられている。なお、スロットル弁としてはアクセル操作に直接連動して開閉するものであっても良い。
【００２８】
触媒３はいわゆる三元触媒であり、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。触媒３は触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（以下、「酸素ストレージ機能」）を有している。
【００２９】
ここで触媒３の酸素ストレージ量は、触媒３の貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分ＨＯ２と、触媒３の酸素ストレージ材に吸収／放出される低速成分ＬＯ２とに分けることができる。低速成分ＬＯ２は高速成分ＨＯ２に比べて多くの酸素を吸収／放出することができるが、その吸収／放出速度は高速成分ＨＯ２に比べて遅いという特性を有している。
【００３０】
さらに、これら高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２は、
− 酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２に優先して酸素が吸収され、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分ＬＯ２に酸素が吸収され始める。
【００３１】
− 酸素放出時は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が所定値未満の場合、すなわち高速成分が比較的多い場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出され、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が所定値以上の場合は高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２の両方から酸素が放出される。
という特性を有している。
【００３２】
図２はこのような触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。縦軸は高速成分ＨＯ２（貴金属に吸収される酸素量）、横軸は低速成分ＬＯ２（酸素ストレージ材に吸収される酸素量）を示している。
【００３３】
通常運転状態では、低速成分ＬＯ２は略ゼロであり、高速成分ＨＯ２のみが図中矢印Ａ１で示すように触媒に流入する排気の空燃比に応じて変化する。高速成分ＨＯ２は、例えば、その最大容量の半分となるように制御される。
【００３４】
しかしながら、エンジンの燃料カットが行われたときや、暖機状態からのエンジン再始動（ホットリスタート）であるときは、高速成分ＨＯ２がその最大容量に達し、図中矢印Ａ２で示すように低速成分ＬＯ２にも酸素の吸収が行われ、酸素ストレージ量は状態Ｘ１から状態Ｘ２まで変化する。
【００３５】
この状態Ｘ２から酸素が放出されるときは、高速成分ＨＯ２から優先して酸素の放出が行われ、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が所定値に達すると（状態Ｘ３）、以後、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が変化しないように高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２の両方から酸素の放出が行われる。すなわち、酸素ストレージ量が図中の線Ｌ上を変化するように酸素の放出が行われる。なお、この線Ｌ上では、高速成分１に対して低速成分が５から１５、好ましくは高速成分１に対して低速成分が略１０となっている。
【００３６】
図１に戻り、触媒３の上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３に流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３の下流に設けられたリアＯ２センサ５は触媒３下流の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。なお、ここでは触媒３の下流に安価なＯ２センサを設けたが、リニアに空燃比を検出できるＡ／Ｆセンサを設けても良い。また、触媒３にはその内部温度を検出する触媒温度センサ１１が取り付けられている。
【００３７】
一方、エンジン１には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１０が取り付けられており、検出された冷却水温はエンジン１の運転状態を判断するのに用いられる。
【００３８】
コントローラ６はマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等で構成され、エアフローメータ９、フロントＡ／Ｆセンサ４、冷却水温センサ１０及び触媒温度センサ１１の出力に基づき、触媒３の酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）を演算する。このとき、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき予め推定しておいた酸素ストレージ量の初期値ＨＯ２ＩＮＴを用いて酸素ストレージ量の演算が行われる。
【００３９】
そして、コントローラ６は、演算した酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が所定量（例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分）よりも多いときはエンジン１の空燃比をリッチ側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を減少させ、逆に、所定量よりも少ないときは空燃比をリーン側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を増大させ、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が一定に保たれるようにする。
【００４０】
さらに、演算誤差により演算される酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれが生じるが、コントローラ６は触媒３下流の酸素濃度に基づき所定のタイミングで酸素ストレージ量のリセットを行い、実際の酸素ストレージ量とのずれを修正する。
【００４１】
具体的には、リアＯ２センサ５がリーン判定した場合は、少なくとも高速成分ＨＯ２は最大となっていると判断し、高速成分ＨＯ２を最大容量にリセットする。一方、リアＯ２センサ５がリッチ判定した場合は、高速成分ＨＯ２のみならず低速成分ＬＯ２からの酸素放出も行われなくなっていることから、低速成分ＨＯ２及び高速成分ＬＯ２を最小容量にリセットする。
【００４２】
以下、コントローラ６が行う制御について詳しく説明する。
【００４３】
ここではまず、酸素ストレージ量の演算について説明し、その後で、酸素ストレージ量のリセット、酸素ストレージ量に基づくエンジン１の空燃比制御について説明する。
【００４４】
エンジン１が始動されると、まず、始動直後の酸素ストレージ量の演算精度を高めるべく図３に示すルーチンにより酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定される。そして、初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定されたら、以後、その初期値ＨＯ２ＩＮＴを用いて図５に示すルーチンにより酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２が演算される。
【００４５】
図３に示すルーチンでは、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは、触媒温度センサ１１により検出された始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき図４に示すテーブルを参照して推定される（ステップＳ１、Ｓ２）。
【００４６】
このとき、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが低いと触媒３が酸素を吸収できないことから高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴはゼロと推定されるが、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが所定温度ＴＣＡＴ１（２００℃から２５０℃の値、例えば２００℃）以上では温度が高いほど触媒３に吸収される酸素量も多くなることから推定される高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴも多くなる。ただし、高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸを超えることは無いので、所定温度ＴＣＡＴ２（例えば３００℃）以上では高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは最大容量ＨＯ２ＭＡＸになっていると推定される。なお、図４に示したテーブルは一例であり、これよりも特性を詳細に記述したテーブルや、逆に簡略化したテーブルを用いてもよい。
【００４７】
このようにして酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定されたら、今度は図５に示すルーチンが所定時間毎に実行され、高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２の演算が行われる。
【００４８】
これによると、まず、触媒温度センサ１１の出力に基づき触媒３の温度ＴＣＡＴが検出され（ステップＳ３）、検出された触媒温度ＴＣＡＴと触媒活性温度ＴＡＣＴｏ（例えば３００℃）とを比較することによって触媒３が活性化したか否かが判断される（ステップ４）。
【００４９】
その結果、触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達していると判断された場合は触媒３の酸素ストレージ量の演算を行うべくステップＳ５以降に進む。触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達しないと判断された場合は、触媒３は酸素の吸収／放出作用を行わないとして処理を終了する。
【００５０】
ステップＳ５では酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチン（図６）が実行されて触媒３に流入する排気中の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが演算され、ステップＳ６では酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチン（図７）が実行され、高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００５１】
さらに、ステップＳ７では酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチン（図８）が実行され、酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２及び高速成分ＨＯ２で吸収されずに低速成分ＬＯ２に溢れるオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが演算される。このとき高速成分ＨＯ２の初期値として図３に示したルーチンで演算された初期値ＨＯ２ＩＮＴが用いられる。
【００５２】
ステップＳ８では、ステップＳ７で演算されたオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき触媒３に流入する排気中の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが全て高速成分ＨＯ２で吸収されたか否かが判断される。そして、酸素過不足量Ｏ２ＩＮが高速成分で完全に吸収された場合（ＯＶＥＲＦＬＯＷ＝０）は処理を終了するが、そうでない場合はステップＳ９へ進んで低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチン（図９）が実行され、高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。低速成分の初期値ＬＯ２ＩＮＴとしては最大容量ＬＯ２ＭＡＸが与えられる。
【００５３】
なお、ここではステップＳ４で触媒温度ＴＣＡＴが活性温度ＴＡＣＴｏよりも低いときは酸素ストレージ量を演算しないようにしているが、ステップＳ４を無くして、触媒温度ＴＣＡＴの影響を高速成分の酸素放出率Ａや後述する低速成分の酸素吸収放出率Ｂに反映するようにしても良い。
【００５４】
次に、ステップＳ５から７及びステップＳ９で実行されるサブルーチンについて説明する。
【００５５】
図６は、触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが演算される。
【００５６】
これによると、まず、フロントＡ／Ｆセンサ出力とエアフローメータ出力が読み込まれる（ステップＳ１１）。
【００５７】
ステップＳ１２では読み込まれたフロントＡ／Ｆセンサ出力を所定の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、触媒３に流入する排気の過不足酸素濃度を演算する。ここで過不足酸素濃度とは理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度で、排気が理論空燃比でゼロ、リッチで負、リーンで正の値をとる。
【００５８】
ステップＳ１３ではエアフローメータ出力を所定の変換テーブルを用いて吸入空気量に変換し、ステップＳ１４ではステップＳ１３で演算した吸入空気量にステップＳ１２で演算した過不足酸素濃度を乗じて触媒３に流入する排気の過不足酸素量Ｏ２ＩＮを演算する。
【００５９】
過不足酸素濃度が上記特性を有することから、過不足酸素量Ｏ２ＩＮは、触媒３に流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【００６０】
また、図７は、酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２の酸素放出速度が低速成分ＬＯ２の影響を受けることから、低速成分ＬＯ２に応じて高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００６１】
これによると、まず、ステップＳ２１で低速成分の高速成分に対する比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ（例えばＡＲ＝１０）より小さいか否かが判断される。
【００６２】
判断の結果、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲより小さいと判断された場合、すなわち、高速成分ＨＯ２が低速成分ＬＯ２に対して比較的多い場合はステップＳ２２へ進み、高速成分ＨＯ２から酸素が優先して放出されるとして高速成分の酸素放出率Ａに１．０がセットされる。
【００６３】
これに対し、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ以上と判断された場合は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２から酸素が放出されるので、ステップＳ２３へ進んで高速成分の酸素放出率Ａとして比ＬＯ２／ＨＯ２が変化しないような値が演算される。
【００６４】
また、図８は、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは、触媒３に流入する排気の酸素酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２の演算が行われる。
【００６５】
これによると、まず、ステップＳ３１では酸素過不足量Ｏ２ＩＮの値に基づき高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあるか、あるいは酸素を放出する状態にあるかが判断される。
【００６６】
その結果、触媒３に流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロより大きい場合、高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあると判断してステップＳ３２に進み、次式（１）、
ＨＯ２ ＝ ＨＯ２ｚ ＋ Ｏ２ＩＮ ・・・・・（１）
ＨＯ２ｚ：高速成分ＨＯ２の前回値
により高速成分ＨＯ２が演算される。このルーチンの初回実行時の前回値ＨＯ２ｚには図３に示したルーチンにより推定された初期値ＨＯ２ＩＮＴが用いられる。
【００６７】
一方、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロ以下の値で、高速成分が酸素を放出する状態にあると判断された場合はステップＳ３３に進み、次式（２）、
ＨＯ２ ＝ ＨＯ２ｚ ＋ Ｏ２ＩＮ × Ａ ・・・・・（２）
Ａ：高速成分ＨＯ２の酸素放出率
により高速成分ＨＯ２が演算される。
【００６８】
このようにして高速成分ＨＯ２が演算されたら、ステップＳ３４、Ｓ３５でその値が高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００６９】
そして、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上になっている場合はステップＳ３６に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバーフロー分（過剰量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（３）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ ＝ ＨＯ２ − ＨＯ２ＭＡＸ ・・・・・（３）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに制限される。
【００７０】
また、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下になっている場合はステップＳ３７に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバーフロー分（不足量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（４）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ ＝ ＨＯ２ − ＨＯ２ＭＩＮ ・・・・・（４）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮに制限される。なお、ここでは最小容量ＨＯ２ＭＩＮとしてゼロを与えているから高速成分ＨＯ２を全て放出した状態で不足する酸素量が負のオーバーフロー分として算出されることになる。
【００７１】
また、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸと最小容量ＨＯ２ＭＩＮの間にあるときは、触媒３に流入した排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮは全て高速成分ＨＯ２に吸収されるので、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷにはゼロが設定される。
【００７２】
ここで、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下となって高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷは低速成分ＬＯ２で吸収あるいは放出される。
【００７３】
また、図９は酸素ストレージ量の低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。
【００７４】
これによると、ステップＳ４１では低速成分ＬＯ２が次式（５）、
ＬＯ２ ＝ ＬＯ２ｚ ＋ ＯＶＥＲＦＬＯＷ × Ｂ ・・・・・（５）
ＬＯ２ｚ：低速成分ＬＯ２の前回値
Ｂ：低速成分の酸素吸収放出率
により演算される。ここで低速成分の酸素吸収放出率Ｂは１以下の正の値に設定されるが、実際には吸収と放出で異なる特性を有し、また、実際の吸収放出率は触媒温度ＴＣＡＴ、低速成分ＬＯ２等の影響を受けるので、吸収率と放出率をそれぞれ分離して可変に設定するようにしても良い。その場合、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素吸収率Ｂは、例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が小さいほど大きな値に設定される。また、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Ｂは例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が大きいほど大きな値に設定される。
【００７５】
ステップＳ４２、Ｓ４３では、高速成分ＨＯ２の演算時と同様に、演算された低速成分ＬＯ２がその最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＬＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００７６】
その結果、最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えている場合はステップＳ４４に進み、低速成分ＬＯ２から溢れる酸素過不足量Ｏ２ＯＵＴが次式（６）、
Ｏ２ＯＵＴ ＝ ＬＯ２ − ＬＯ２ＭＡＸ ・・・・・（６）
により演算されて低速成分ＬＯ２が最大容量ＬＯ２ＭＡＸに制限される。酸素過不足量Ｏ２ＯＵＴはそのまま触媒３の下流に流出する。
【００７７】
一方、最小容量以下になっている場合はステップＳ４５へ進み、低速成分ＬＯ２が最小容量ＬＯ２ＭＩＮに制限される。
【００７８】
次に、コントローラ６が行う酸素ストレージ量のリセットについて説明する。酸素ストレージ量のリセットを実行することにより、それまでに蓄積された演算誤差が解消され、酸素ストレージ量の演算精度を高めることが可能となる。
【００７９】
図１０はリセット条件の判断ルーチンの内容を示す。このルーチンは、触媒３下流の酸素濃度から酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグＦｒｉｃｈ及びフラグＦｌｅａｎのセットを行うものである。
【００８０】
これによると、まず、触媒３下流の酸素濃度を検出するリアＯ２センサ５の出力が読み込まれる（ステップＳ５１）。そして、リアＯ２センサ出力とリーン判定しきい値、リッチ判定しきい値との比較が行われる（ステップＳ５２、Ｓ５３）
比較の結果、リアＯ２センサ出力がリーン判定しきい値を下回っていた場合はステップＳ５４に進んでフラグＦｌｅａｎに酸素ストレージ量のリーンリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。また、リアＯ２センサ出力がリッチ判定しきい値を上回っていた場合はステップＳ５５に進んでフラグＦｒｉｃｈに酸素ストレージ量のリッチリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。
【００８１】
リアＯ２センサ出力がリーン判定しきい値とリッチ判定しきい値の間にあるときはステップＳ５６に進んで、フラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈにリーンリセット条件、リッチリセット条件が不成立であることを示す「０」が設定される。
【００８２】
図１１は酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示す。
【００８３】
これによると、ステップＳ６１、Ｓ６２でフラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈの値の変化に基づきリーンリセット条件あるいはリッチリセット条件が成立したか否かが判断される。
【００８４】
そして、フラグＦｌｅａｎが「０」から「１」に変化し、リーンリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６３に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。このとき、低速成分ＬＯ２のリセットは行わない。一方、フラグＦｒｉｃｈが「０」から「１」に変化し、リッチリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６４に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２がそれぞれ最小容量ＨＯ２ＭＩＮ、ＬＯ２ＭＩＮにリセットされる。
【００８５】
このような条件でリセットを行うのは、低速成分ＬＯ２の酸素吸収速度が遅いため、高速成分ＨＯ２が最大容量に達すると低速成分ＬＯ２が最大容量に達していなくても酸素が触媒下流に溢れることから、触媒下流がリーンになった時点では少なくとも高速成分ＨＯ２は最大容量になっていると考えられるからである。
【００８６】
また、触媒下流がリッチになる時点では、緩やかに酸素を放出する低速成分ＬＯ２からも酸素が放出されていないといえ、高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２共に酸素を殆ど保持しておらず最小容量になっていると考えられるからである。
【００８７】
さらに、コントローラ６が行う空燃比制御（酸素ストレージ量一定制御）について説明する。
【００８８】
図１２は酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示す。
【００８９】
これによると、まず、現在の酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が読み込まれ（ステップＳ７１）、現在の高速成分ＨＯ２と高速成分の目標値ＴＧＨＯ２の偏差ＤＨＯ２（＝触媒３が必要としている酸素過不足量）が演算される（ステップＳ７２）。高速成分の目標値ＴＧＨＯ２は、例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分に設定される。
【００９０】
そしてステップＳ７３では、演算された偏差ＤＨＯ２が空燃比相当の値に換算され、エンジン１の目標空燃比が設定される。
【００９１】
したがって、このルーチンによると、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする量に満たない場合はエンジン１の目標空燃比がリーン側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の増大が図られる。これに対し、高速成分ＨＯ２が目標とする量を超えている場合はエンジン１の目標空燃比がリッチ側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の減少が図られることになる。
【００９２】
次に、上記制御を行うことによる全体的な作用について説明する。
【００９３】
本発明に係る排気浄化装置にあっては、エンジン１が始動されると触媒３の酸素ストレージ量の演算が開始され、触媒３の転換効率を最大に保つべく、触媒３の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジン１の空燃比制御が行われる。
【００９４】
コントローラ６は触媒３に流入する排気の空燃比、エンジン１の吸入空気量に基づき触媒３の酸素ストレージ量を推定演算するが、酸素ストレージ量の演算は実際の特性に合わせて高速成分ＨＯ２と低速成分ＬＯ２とに分けて行われる。
【００９５】
具体的には、まず、触媒温度センサ１１で検出されたエンジン始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき所定のテーブル（図４）を参照して酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定される。
【００９６】
始動時の酸素ストレージ量、特に高速成分ＨＯ２については始動時の触媒温度によってほぼ決まることから、このように予め始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき酸素ストレージ量の初期値を推定しておくことで始動直後の酸素ストレージ量の演算精度が向上し、始動直後においても触媒３の転換効率を高く保つことができる。
【００９７】
さらに、エンジン停止後は排気管の出口から大気が拡散するため、低速成分にはその最大容量まで酸素がストレージされると考えられる。このため、低速成分には初期値としてその最大容量ＬＯ２ＭＡＸが与えられ、低速成分についても演算精度が高められる。この結果、高速成分、低速成分何れについても始動直後から実際の特性に合った演算が行われることになり、触媒３の転換効率をより一層高く保つことができる。
【００９８】
ここで、エンジン停止後、直ぐに再始動した場合、排気管の出口からの大気の拡散が進行せず、それにも拘らず低速成分をその最大容量ＬＯ２ＭＡＸにリセットしてしまうことが発生するが、この場合、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で酸素ストレージ量のリセット（図１１）が行われ、つまり、低速成分がそれらの最小容量にリセットされるので、これをもって低速成分の演算誤差を解消できる。
【００９９】
以後この推定された高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴ及び低速成分の初期値ＬＯ２ＩＮＴ（＝ＬＯ２ＭＡＸ）を用いて演算が行われる。高速成分の放出率の演算（図７）については、初回ＬＯ２ＭＡＸ／ＨＯ２ＩＮＴとして比（ＬＯ２／ＨＯ２）が演算され、高速成分の演算（図８）については、初回ＨＯ２ｚ＝ＨＯ２ＩＮＴとして高速成分が更新される。このようにして、酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２が優先して吸収し、高速成分ＨＯ２が吸収しきれない状態となったら低速成分ＬＯ２が吸収し始めるとして演算が行われる。また、酸素放出時は、低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が一定割合ＡＲ以下の場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出されるとし、比ＬＯ２／ＨＯ２が一定割合になったらその比ＬＯ２／ＨＯ２を保つように低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の両方から酸素が放出されるとして演算が行われる。
【０１００】
そして、演算された酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標値よりも多いときは、コントローラ６はエンジン１の空燃比をリッチ側に制御して高速成分ＨＯ２を減少させ、目標値よりも少ないときは空燃比をリーン側に制御して高速成分ＨＯ２を増大させる。これによって酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする値に保たれるので、触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分ＨＯ２から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒３の転換効率が最大に保たれる。
【０１０１】
さらに、演算誤差が累積すると演算される酸素ストレージ量が実際の酸素ストレージ量とずれてくるが、触媒３下流がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセットが行われ、演算値と実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される。
【０１０２】
図１３は上記酸素ストレージ量一定制御を行ったときの高速成分ＨＯ２の変化の様子を示したものである。この場合、時刻ｔ１では、リアＯ２センサ５の出力がリーン判定しきい値より小さくなりリーンリセット条件が成立するので、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。ただし、このとき低速成分ＬＯ２は最大になっているとは限らないので低速成分ＬＯ２のリセットは行われない。
【０１０３】
時刻ｔ２、ｔ３では、リアＯ２センサ５の出力がリッチ判定しきい値より大きくなりリッチリセット条件が成立するので、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最小容量（＝０）にリセットされる。このとき低速成分ＬＯ２も最小容量にリセットされる（図示せず）。
【０１０４】
このように、触媒３の下流の排気がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量のリセットが行われ、実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される結果、触媒の酸素ストレージ量の演算精度がさらに向上し、酸素ストレージ量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められて触媒の転換効率を高く維持することができる。
【０１０５】
続いて、第２の実施形態について説明する。
【０１０６】
この実施形態は酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴの推定方法が先の実施形態と異なり、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは図１４に示すルーチンによって推定される。
【０１０７】
これによると、まず、冷却水温センサ１０の出力に基づき始動時のエンジン冷却水温ＴＷＮＩＮＴが検出される（ステップＳ８１）。そして、この検出された始動時冷却水温ＴＷＮＩＮＴに基づき、図１５に示すテーブルを参照して始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが推定される（ステップＳ８２）。始動時の冷却水温が高いほど前回エンジン停止時からの時間が短く、触媒も冷えていないと考えられるため、推定される触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴも高くなる。
【０１０８】
そして、この推定された触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴに基づき図４に示したテーブルを参照して高速成分の初期値ＴＣＡＴＩＮＴが推定される（ステップＳ８３）。
【０１０９】
したがって、この実施形態によると、エンジン始動直後の酸素ストレージ量の演算精度が向上する効果のほか、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴを推定するために触媒温度センサ１１で触媒温度を直接検出する必要が無くなり、触媒温度センサ１１が不要になるという利点がある。
【０１１０】
ただし、触媒温度センサ１１をなくす場合、図５のステップＳ３において触媒温度を推定する必要があり、その場合、触媒温度は、例えば、冷却水温、エンジン負荷及びエンジン回転数から推定する。なお、ここでは始動時のエンジンの冷却水温に基づき始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴを推定するようにしたが、始動時のエンジン油温に基づき推定するようにしても良い。
【０１１１】
さらに、第３の実施形態について説明する。
【０１１２】
この実施形態も酸素ストレージ量の高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴの推定方法が異なり、高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴは図１６に示すルーチンによって推定される。
【０１１３】
これによると、まず、冷却水温センサ１０の出力に基づき始動時の冷却水温ＴＷＮＩＮＴが検出され（ステップＳ９１）、前回エンジン停止時の冷却水温ＴＷＮｓ及び触媒温度ＴＣＡＴｓが読み込まれる（ステップＳ９２）。前回エンジン停止時の冷却水温ＴＷＮｓ及び触媒温度ＴＣＡＴｓは前回エンジン停止時にコントローラ６内のメモリに記録される。
【０１１４】
そしてこれらの値を用いて、例えば、次式（７）、
ＴＣＡＴＩＮＴ ＝ ＴＣＡＴｓ − ｋ × （ ＴＷＮｓ − ＴＷＮＩＮＴ ） ・・・・・（７）
ｋ：所定の係数
により始動時の触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが推定演算される（ステップＳ９３、図１７）。
【０１１５】
例えば、前回エンジン停止時の触媒温度ＴＣＡＴｓ、冷却水温ＴＷＮｓが各々４５０℃、７０℃で、前回エンジン停止時からエンジン１が再始動されるまでの時間が短く現在の冷却水温も７０℃の場合（ホットリスタート時）は、式（７）により、
ＴＣＡＴＩＮＴ ＝ ４５０ − ｋ × （ ７０ − ７０ ） ＝ ４５０℃
と推定される。
【０１１６】
また、前回エンジン停止時の触媒温度ＴＣＡＴｓ、冷却水温ＴＷＮｓが各々４５０℃、７０℃で、前回エンジン停止時からエンジン１が再始動されるまでの時間が長く（例えば一晩放置した場合等）、エンジン１の冷却水温が外気温（例えば２５℃）に等しくなっている場合は、式（７）により、
ＴＣＡＴＩＮＴ ＝ ４５０ − ｋ × （ ７０ − ２５ ） ≒ ２５℃
と推定される。但し、上記演算ではｋ＝９．４５としている。
【０１１７】
このようにして始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴが推定されたら、図４に示したテーブルを参照して高速成分の初期値ＨＯ２ＩＮＴが推定される（ステップＳ９４）。
【０１１８】
したがって、この実施形態によっても、始動直後の酸素ストレージ量の演算精度が高められ、また、始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴを推定することから触媒温度センサ１１が不要になる。ただし、この場合も第２の実施形態と同様に図５のステップＳ３において触媒温度を推定する必要がある。
【０１１９】
なお、ここでも始動時触媒温度ＴＣＡＴＩＮＴの推定にエンジンの冷却水温を用いているが、エンジン油温を用いて推定するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。
【図３】触媒の酸素ストレージ量の高速成分の初期値を推定するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図４】触媒温度から酸素ストレージ量の高速成分の初期値を推定するのに用いられるテーブルである。
【図５】酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図６】触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図７】高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図８】酸素ストレージ量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図９】酸素ストレージ量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１０】リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１１】酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１２】酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１３】酸素ストレージ量一定制御を行ったときの様子を示したタイムチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図１５】始動時冷却水温から触媒温度を推定するのに用いられるテーブルである。
【図１６】本発明の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図１７】始動時触媒温度の推定演算を説明するための図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気管
３ 三元触媒
４ フロントＡ／Ｆセンサ
５ リアＯ２センサ
７ 吸気管
８ スロットル弁
９ エアフローメータ
１０ 冷却水温センサ
１１ 触媒温度センサ
Claims (11)
- 排気管に設けられた触媒と、
エンジン始動時における前記触媒の温度を検出あるいは推定する始動時触媒温度演算手段と、
前記始動時触媒温度に基づき前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を推定する手段と、
前記触媒に流入する排気の特性を検出する手段と、
前記検出された排気特性と前記酸素ストレージ量の初期値に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、
演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標値となるように前記エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - エンジン始動時におけるエンジンの冷却液温を検出する手段をさらに備え、
前記始動時触媒温度演算手段は、検出された始動時の冷却液温に基づき始動時触媒温度を推定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。 - エンジン停止時におけるエンジンの冷却液温及び触媒温度を記憶する手段と、
エンジン始動時にけるエンジンの冷却液温を検出する手段と、
をさらに備え、
前記触媒温度演算手段は、始動時の冷却液温と、記憶されている前回エンジン停止時におけるエンジンの冷却液温及び触媒温度に基づき始動時触媒温度を推定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。 - 前記酸素ストレージ量演算手段は、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記酸素ストレージ量の初期値推定手段は、始動時触媒温度に基づき高速成分の初期値を推定することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記酸素ストレージ量の初期値推定手段は、始動時触媒温度に基づき高速成分の初期値を推定し、且つ低速成分をその最大容量にリセットすることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記酸素ストレージ量演算手段は、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で高速成分及び低速成分をそれらの最小容量にリセットすることを特徴とする請求項４または５に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記酸素ストレージ量演算手段は、触媒から流出する排気特性がリーン化した時点で高速成分をその最大容量にリセットすることを特徴とする請求項４から６のいずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジンの排気管に設けられ、流入する排気の特性に応じて酸素の吸収／放出を行う触媒の酸素ストレージ量演算方法において、
前記エンジンの始動時における前記触媒の温度に基づき前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を推定し、
前記触媒に流入する排気の特性と前記酸素ストレージ量の初期値とに基づき、前記触媒の酸素ストレージ量を演算することを特徴とする酸素ストレージ量演算方法。 - 前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を演算する手段は、始動時触媒温度が高いほど前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を大きく推定することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジン始動時における触媒温度が高いほど前記触媒の酸素ストレージ量の初期値を大きく推定することを特徴とする請求項９に記載の酸素ストレージ量演算方法。
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