JP3993962B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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】
【従来の技術と解決すべき課題】
三元触媒に吸収されている酸素量（以下、「酸素ストレージ量」）をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術が知られている（特開平9-228873号）。
【０００３】
三元触媒のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転換効率を最大に維持するためには理論空燃比での燃焼による排気を供給する必要があるが、触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで、触媒に流入する排気がリーン側にずれているときは排気中の酸素が触媒に吸収され、リッチ側にずれているときは触媒に吸収されている酸素が放出されるので、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【０００４】
ところで、このような触媒の酸素ストレージ機能を有効利用するためには触媒の最大酸素ストレージ量に対して実際の酸素ストレージ量を常に適量に制御する必要がある。しかしながら、酸素ストレージ量は触媒の劣化にしたがい減少するので、触媒の初期の最大酸素トレージ量を基準として目標量への制御を行い続けると、使用時間の経過にしたがって制御のオーバーシュートが発生し、排気浄化性能が損なわれるおそれを生じる。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決し、触媒の劣化状態に応じて最大酸素ストレージ量を更新することにより触媒の転換効率を高く保てるようにしたエンジンの排気浄化装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、エンジン排気管に設けられ、排気中の酸素を高速成分と低速成分とに分けてストレージする触媒と、前記触媒に流入する排気の特性を検出する第１の排気特性検出手段と、前記触媒から流出する排気の特性を検出する第２の排気特性検出手段と、前記第１の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒がストレージ可能な最大酸素ストレージ量をそれぞれ演算する酸素ストレージ量演算手段と、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が前記最大酸素ストレージ量に応じて定めた目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、前記酸素ストレージ量演算手段は、前記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と共に、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間の前記触媒に流入した酸素量を演算し、これに基づいて最大酸素ストレージ量を演算するように構成した。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、触媒の下流側に第２の触媒を備えると共に第２の触媒から流出する排気の特性を検出する第３の排気特性検出手段を設け、リーン空燃比での運転後は前記第３の排気特性検出手段により検出した排気特性を用いて、空燃比を制御するように構成した。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記リーン空燃比での運転状態として、減速時等のフューエルカット制御が行われている運転状態を検出するものとした。
【００１０】
第４の発明は、第２の発明において、前記リーン空燃比での運転を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて判定するように構成した。
【００１２】
第５の発明は、第２の発明において、第３の排気特性検出手段からの出力に基づき、前記第２の触媒からの排気特性が基準値よりもリーン側となったときに、該排気特性が基準値よりもリッチ側に変化するまで空燃比をリッチに制御するように構成した。
【００１３】
第６の発明は、エンジンの排気管に設けられ、排気中の酸素を高速成分と低速成分とに分けてストレージする触媒と、前記触媒に流入する排気の特性を検出する第１の排気特性検出手段と、前記触媒から流出する排気の特性を検出する第２の排気特性検出手段と、前記第１の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて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、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒がストレージ可能な最大酸素ストレージ量を演算する最大酸素ストレージ量演算手段と、前記最大酸素ストレージ量に応じて触媒の酸素ストレージ量の目標量を演算する目標量演算手段と、前記触媒の酸素ストレージ量に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量が前記目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、前記酸素ストレージ量演算手段は、前記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し、前記最大酸素ストレージ量演算手段は、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間に、前記触媒に流入した酸素量に基づいて最大酸素ストレージ量を演算するように構成した。
【００１７】
第７の発明は、第６の発明の前記酸素ストレージ量演算手段を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性がリッチ化した時点で、高速成分および低速成分をそれらの最小容量にリセットする用に構成した。
【００１８】
第８の発明は、第６または第７の発明の前記酸素ストレージ量演算手段を、前記第２の排気特性検出手段からの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ように構成した。
【００１９】
【作用・効果】
触媒の酸素ストレージ機能を有効利用するためには、例えば空燃比の制御特性が理論空燃比を中心としてリーン側とリッチ側とに均しく偏りを生じうるものとすれば、目標酸素ストレージ量は触媒の最大酸素ストレージ量の２分の１に設定して制御することが適当である。しかしながら、目標量を固定しておくと触媒の劣化による最大酸素ストレージ量の減少に伴い、実酸素ストレージ量は過剰側にずれてゆき、この結果として触媒内がリーン傾向となってＮＯｘの排出量が増大するおそれを生じる。
【００２０】
これに対して本発明によれば、触媒の最大酸素ストレージ量を演算し、その結果に基づいて酸素ストレージ量の目標量を設定するようにしたので、触媒の劣化により最大酸素ストレージ量が減少したとしても、常にこれに対応して適正な目標酸素ストレージ量を設定することができ、すなわち排気浄化性能を触媒の劣化状態にかかわらず最大限に発揮させることができる。
【００２１】
最大酸素ストレージ量は、触媒からの排気空燃比が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間の触媒に流入した酸素量基づいて算出することができる。
【００２２】
一方、触媒の劣化やより厳しい排気処理性能の要求に対応するために上記触媒の下流に第２の触媒を設けた場合、通常は第１の触媒について排気特性に応じた空燃比制御による触媒の酸素ストレージ量を制御することにより第２の触媒についてもその酸素ストレージ量を適量に維持させることが可能である。しかしながら、理論空燃比よりも大きいリーン空燃比もしくは減速時のフューエルカット制御等により燃料供給が遮断された状態での運転が継続すると、排気管には多量の酸素が供給されることから各触媒の酸素ストレージ量は速やかに最大量に達する。その状態から第１の触媒については空燃比制御により速やかに目標酸素ストレージ量へと復帰させることができるものの、第２の触媒はリーン状態のままとなってしまう。特に、劣化した触媒では最大酸素ストレージ量が減少していることから触媒内がリーン状態となりやすく、ＮＯｘ浄化性能が低下する。
【００２３】
これに対して第３の発明では、第２の触媒の出口側に第３の排気特性検出手段を設け、リーン運転後にはこの第３の排気特性検出手段により検出した排気特性を用いてその上流側にある各触媒の酸素ストレージ量が所要量となるように空燃比制御するので、各触媒の酸素ストレージ量を適正範囲内に維持して良好な排気浄化性能を維持させることができる。このときの空燃比制御としては、例えば第７の発明として示したように、第２の触媒からの排気特性が基準値よりもリーンとなったことを検出したときに、これが基準値よりもリッチ側に変化するまで空燃比をリッチに制御するようにする。
【００２４】
リーン空燃比での運転状態としては第４の発明に示されるように減速時等のフューエルカット制御状態が典型的であり、この開始と終了はエンジンコントローラの信号から検出できるので、このフューエルカットの終了に伴いリーン空燃比後の上記制御を開始させることができる。なおフューエルカット制御は減速時に限られず、例えば高負荷または高速運転が継続されたときにエンジン保護のために全部または一部気筒に対して実行されることがあり、このようなときにも当然に触媒に流入する排気は酸素過多のリーン状態となる。触媒の酸素ストレージ量過多をもたらすリーン運転状態は、第５の発明として示したように、第３の排気特性検出手段の検出結果から直接に検出するようにしてもよい。
【００２５】
また、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ように構成することにより、触媒の特性に応じた実際の酸素ストレージ量をより正確に演算でき、したがって実酸素ストレージ量をより精度よく制御することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用される排気浄化装置の概略構成を示し、火花点火式エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた３つの触媒３ａ〜３ｃと、第１の触媒３ａの入口側に位置するフロントＡ／Ｆセンサ４と、同じく出口側に位置する第１のリアＯ2センサ５ａと、第２の触媒３ｂの出口側に位置する第２のリアＯ2センサ５ｂと、コントローラ６とを備える。前記触媒３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ本発明の第１の触媒、第２の触媒、第３の触媒に相当する。また、フロントＡ／Ｆセンサ４、第１のリアＯ２センサ５ａ、第２のリアＯ２センサ５ｂがそれぞれ本発明の第１の排気特性検出手段、第２の排気特性検出手段、第３の排気特性検出手段に相当する。
【００２８】
エンジン１の吸気管７には、運転者のアクセル操作と独立して制御可能な電子制御式スロットル弁８と、スロットル弁８によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ９とが設けられている。また、エンジン１にはその回転速度を検出するクランク角センサ１２が設けられている。なお、スロットル弁８は、アクセル操作に直接連動して開閉するものであってもよい。
【００２９】
各触媒３ａ〜３ｃは三元触媒機能を有し、流入する排気が理論空燃比での燃焼排気であるときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。それぞれ触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されており、流入する排気の酸素濃度に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（以下、「酸素ストレージ機能」）を有している。第１の触媒３ａとしては単機能の三元触媒を、第２または第３の触媒３ｂ、３ｃとしては三元触媒機能付きのＨＣトラップ触媒をそれぞれ用いるなど、特性が互いに異なる触媒を組み合わせて適用することもできる。
【００３０】
ここで触媒３ａ〜３ｃの酸素ストレージ量は、それぞれの貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分HO2と、酸素ストレージ材に吸収／放出される低速成分LO2とに分けることができる。低速成分LO2は高速成分HO2に比べて多くの酸素を吸収／放出することができるが、その吸収／放出速度は高速成分HO2に比べて遅いという特性を有している。
【００３１】
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。
【００３２】
− 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。
【００３３】
触媒３ａの上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３ａに流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３ａ、３ｂの下流に設けられたリアＯ2センサ５ａ，５ｂはそれぞれの出口から排出されてくる排気中の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。リアＯ2センサ５ａ，５ｂとしてフロントＡ／Ｆセンサ４と同様に空燃比をリニアに検出できるものを適用してもよい。
【００３４】
また、エンジン１には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１０が取り付けられており、検出された冷却水温はエンジン１の運転状態を判断するのに用いられる他、触媒３ａの触媒温度を推定するのにも用いられる。
【００３５】
コントローラ６はマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等で構成され、エアフローメータ９、フロントＡ／Ｆセンサ４及び冷却水温センサ１０の出力に基づき、触媒３ａの酸素ストレージ量（高速成分HO2及び低速成分LO2）を演算する。
【００３６】
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。
【００３７】
さらに、演算誤差により演算される酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれが生じるが、コントローラ６は触媒３ａ下流の酸素濃度に基づき所定のタイミングで酸素ストレージ量のリセットを行い、実際の酸素ストレージ量とのずれを修正する。
【００３８】
具体的には、第１のリアＯ2センサ５ａがリーン判定した場合は、少なくとも高速成分HO2は最大となっていると判断し、高速成分HO2を最大容量にリセットする。また、第１のリアＯ2センサ５ａがリッチ判定した場合は、高速成分HO2のみならず低速成分LO2からの酸素放出も行われなくなっていることから、低速成分HO2及び高速成分LO2を最小容量にリセットする。
【００３９】
次に、コントローラ６が第１の触媒３ａの酸素ストレージ量を一定量に保つために行う基本的な空燃比制御について図２〜図１０を参照しながら詳述する。ここではまず、酸素ストレージ量の演算について説明し、その後で、酸素ストレージ量のリセット、酸素ストレージ量に基づくエンジン１の空燃比制御について説明する。
【００４０】
図２は触媒３ａの酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示し、コントローラ６において所定時間毎に実行される。
【００４１】
これによると、まずエンジンの各種運転条件パラメータとして、代表的に冷却水温センサ１０、クランク角センサ１２、エアフローメータ９の出力が読み込まれ、触媒３ａの温度TCATがそれらに基づき推定される（ステップＳ１、Ｓ２）。そして、推定された触媒温度TCATと触媒活性温度TACToとを比較することによって触媒３ａが活性化したか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００４２】
その結果、触媒活性温度TACToに達していると判断された場合は触媒３ａの酸素ストレージ量の演算を行うべくステップＳ４以降に進む。触媒活性温度TACToに達しないと判断された場合は、触媒３ａは酸素の吸収／放出作用を行わないとして処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ４では酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチン（図３）が実行されて触媒３ａに流入する排気中の酸素過不足量O2INが演算され、ステップＳ５では酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Aを演算するためのサブルーチン（図４）が実行され、高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【００４４】
さらに、ステップＳ６では酸素ストレージ量の高速成分HO2を演算するためのサブルーチン（図５）が実行され、酸素過不足量O2INと高速成分の酸素放出率Aに基づき高速成分HO2及び高速成分HO2で吸収されずに低速成分LO2に溢れるオーバフロー分OVERFLOWが演算される。
【００４５】
ステップＳ７では、ステップＳ６で演算されたオーバフロー分OVERFLOWに基づき触媒３ａに流入する排気中の酸素過不足量O2INが全て高速成分HO2で吸収されたか否かを判断する。そして、酸素過不足量O2INが高速成分で完全に吸収された場合（OVERFLOW＝0）は処理を終了するが、そうでない場合はステップＳ８へ進んで低速成分LO2を演算するためのサブルーチン（図６）が実行され、高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー分OVERFLOWに基づき低速成分LO2が演算される。
【００４６】
なお、ここでは触媒温度TCATをエンジン１の冷却水温、エンジン負荷、エンジン回転速度等から推定するようにしているが、図１に示すように触媒３ａに温度センサ１１を取り付け、触媒３ａの温度を直接測定するようにしてもよい。
【００４７】
また、ステップＳ３で触媒温度TCATが活性温度TACToよりも低いときは酸素ストレージ量を演算しないようにしているが、ステップＳ３を無くして、触媒温度TCATの影響を高速成分の酸素放出率Aや後述する低速成分の酸素吸収放出率Bに反映するようにしても良い。
【００４８】
次に、ステップＳ４から６及びステップＳ８で実行されるサブルーチンについて説明する。
【００４９】
図３は、触媒３ａに流入する排気の酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３ａ上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３ａに流入する排気の酸素過不足量O2INが演算される。
【００５０】
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）。
【００５１】
ステップＳ１２では読み込まれたフロントＡ／Ｆセンサ出力を所定の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、触媒３ａに流入する排気の過不足酸素濃度を演算する。ここで過不足酸素濃度とは理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度で、排気が理論空燃比でゼロ、リッチで負、リーンで正の値をとる。
【００５２】
ステップＳ１３ではエアフローメータ出力を所定の変換テーブルを用いて吸入空気量に変換し、ステップＳ１４ではステップＳ１３で演算した吸入空気量にステップＳ１２で演算した過不足酸素濃度を乗じて触媒３ａに流入する排気の過不足酸素量O2INを演算する。
【００５３】
過不足酸素濃度が上記特性を有することから、過不足酸素量O2INは、触媒３ａに流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【００５４】
また、図４は、酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Aを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分HO2からの酸素放出速度が低速成分LO2の影響を受けることから、低速成分LO2に応じて高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【００５５】
これによると、まず、ステップＳ２１で低速成分の高速成分に対する比LO2/HO2が所定値ARより大きいか否かが判断される。
【００５６】
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。
【００５７】
これに対し、比LO2/HO2が所定値ARよりも大きい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。
【００５８】
また、図５は、酸素ストレージ量の高速成分HO2を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３ａに流入する排気の酸素酸素過不足量O2INと高速成分の酸素放出率Aに基づき高速成分HO2の演算が行われる。
【００５９】
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。
【００６０】
その結果、触媒３ａに流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量O2INがゼロより大きい場合、高速成分HO2が酸素を吸収する状態にあると判断して、ステップＳ３２に進み、次式（１）、
HO2 ＝ HO2z ＋ O2IN … （１）
HO2z：高速成分HO2の前回値
により高速成分HO2が演算される。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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０を与えているから、高速成分HO2をすべて放出した状態で不足する酸素量が負のオーバフロー分として算出されることになる。
【００６５】
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、オーバフロー分OVERFLOWにはゼロが設定される。
【００６６】
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フロー分OVERFLOWは、低速成分LO2で吸収あるいは放出される。
【００６７】
また、図６は酸素ストレージ量の低速成分LO2を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー分OVERFLOWに基づき低速成分LO2が演算される。
【００６８】
これによると、ステップＳ４１では低速成分LO2が次式（５）、
LO2 ＝ LO2z ＋ OVERFLOW × B … （５）
LO2z：低速成分LO2の前回値
B：低速成分の酸素吸収放出率
により演算される。ここで低速成分の酸素吸収放出率Bは１以下の正の値に設定されるが、実際には吸収と放出とで異なる特性を有し、また実際の吸収放出率は触媒温度TCAT、低速成分LO2等の影響を受けるので、吸収率と放出率とをそれぞれ分離して設定するようにしても良い。その場合、オーバフロー分OVERFLOWが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素吸収Bは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が小さいほど大きな値に設定される。また、オーバフロー分OVERFLOWが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Ｂは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が大きいほど大きな設定される。
【００６９】
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。
【００７０】
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３ａの下流に流出する。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図７はリセット条件の判断ルーチンの内容を示す。このルーチンは、触媒３ａ下流の酸素濃度から酸素ストレージ量（高速成分HO2及び低速成分LO2）のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグFrich及びフラグFleanのセットを行うものである。
【００７４】
これによると、まず、触媒３ａ下流の酸素濃度を検出するリアＯ2センサ５ａの出力が読み込まれる（ステップＳ５１）。そして、リアＯ2センサ出力とリーン判定しきい値、リッチ判定しきい値との比較が行われる（ステップＳ５２、Ｓ５３）。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
なお、上記リアＯ2センサ出力としてはその加重平均値を用いるようにしてもよい。また、ここでは第１のリアＯ2センサ５ａの出力を用いているが、後述するリーン条件後には第２のリアＯ2センサ５ｂの出力に基づいてリセット条件を判定する場合もある。
【００７８】
図８は酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示す。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
図９は酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示す。
【００８５】
これによると、まず、現在の酸素ストレージ量の高速成分HO2が読み込まれ（ステップＳ７１）、現在の高速成分HO2と高速成分の目標値TGHO2の偏差DHO2（＝触媒３ａが必要としている酸素過不足量）が演算される（ステップＳ７２）。高速成分の目標値TGHO2は、例えば高速成分の最大容量HO2MAXの２分の１に設定される。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
本発明に係る排気浄化装置にあっては、エンジン１が始動されると触媒３ａの酸素ストレージ量の演算が開始され、触媒３ａの転換効率を最大に保つべく、触媒３ａの酸素ストレージ量が一定となるようにエンジン１の空燃比制御が行われる。
【００９０】
コントローラ６は触媒３ａに流入する排気の空燃比、エンジン１の吸入空気量に基づき触媒３ａの酸素ストレージ量を推定演算するが、このとき酸素ストレージ量の演算を高速成分HO2と低速成分LO2とで分けて行う。
【００９１】
具体的には、コントローラ６は、酸素吸収時は、高速成分HO2が優先して吸収し、高速成分HO2が吸収しきれない状態となったら低速成分LO2が吸収し始めるとして演算を行い、また、酸素放出時は、低速成分LO2と高速成分HO2の比（LO2/HO2）が一定割合AR以下の場合は高速成分HO2から優先して酸素が放出されるとし、比LO2/HO2が一定割合になったらその比LO2/HO2を保つように低速成分LO2と高速成分HO2の両方から酸素が放出されるとして酸素ストレージ量の演算を行う。
【００９２】
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。
【００９３】
この結果、酸素ストレージ量の高速成分HO2が目標とする値に保たれるので、触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分HO2から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒３の転換効率が最大に保たれる。
【００９４】
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。
【００９５】
図１０は上記酸素ストレージ量一定制御を行ったときの高速成分HO2の変化の様子を示したものである。この場合、時刻ｔ2、ｔ3では、リアＯ2センサ５ａの出力がリッチ判定しきい値以上となってリッチリセット条件が成立するので、酸素ストレージ量の高速成分HO2が最小容量（＝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）。
【００９６】
また、時刻ｔ1では、リアＯ2センサ５ａの出力がリーン判定しきい値以下となりリーンリセット条件が成立するので、高速成分HO2が最大容量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。
【００９７】
このように、触媒３ａの下流の排気がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量のリセットが行われ、実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される結果、触媒の酸素ストレージ量の演算精度がさらに向上し、酸素ストレージ量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められて触媒の転換効率を高く維持することができる。
【００９８】
以上は本発明が前提とする空燃比制御の一例を示したもので、本発明ではさらに触媒３ａないし３ｂの最大酸素ストレージ量HO2MAX，2HO2MAXを学習補正して各触媒の酸素ストレージ量を触媒劣化状態に応じて最適に制御する。以下、この点につき図１１以下の図面を用いて説明する。
【００９９】
図１１と図１３は第１、第２の触媒３ａ，３ｂの酸素ストレージ量を制御する実施形態の制御内容を示すフローチャート、図１２はこの制御による空燃比変化等の様子を示すタイムチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、図７のリセット条件判断ルーチンで用いるリアＯ2センサ出力の選択と、図９の空燃比制御ルーチンで用いる目標酸素ストレージ量（TGHO２）の設定とを行う機能を持っている。
【０１００】
この処理では、まず減速時等におけるフューエルカット制御が行われたか否かを判定する（ステップＳ８１）。フューエルカット制御の有無は上述したように燃料制御系の信号を監視するか、またはフューエルカット条件を独立して検出することで判定する。減速時フューエルカット制御についての制御条件を一例として挙げると、開始条件としては車速、エンジン回転速度が基準値以上であり、かつアクセルペダルが解放されており、かつ変速機がニュートラルでないことであり、これにより開始されたフューエルカットはエンジン回転速度が下限基準値以下となったこと、またはアクセルペダルが踏み込まれたこと等により終了してリカバリーが行われる。よって、このような条件を監視していることで、減速時フューエルカットおよびリカバリーを判定できる。
【０１０１】
このステップではフューエルカット後のリカバリーが開始されたか否かを判定し、リカバリー開始検出時点でフラグFFCRを１にセットする（ステップＳ８１，Ｓ８４）。フラグFFCRはリカバリー後の過渡的なリッチ空燃比制御が実行されていることを示しており、この制御が終了するときに０にリセットされる（ステップＳ８７）。フラグFFCRが０のときは、リセット判定（図７）に用いるリアＯ2センサ出力として第１のリアＯ2センサ５ａの出力を採用すると共に、目標酸素ストレージ量TGHO2として第１の触媒３ａの最大酸素ストレージ量HO2MAXの２分の１を設定する（ステップＳ８２，８３）。これにより、上述した空燃比制御により第１の触媒３ａの酸素ストレージ量がその最大量の２分の１程度に維持され、安定した排気浄化性能を発揮する。この間、下流側の触媒３ｂ、３ｃは、上流からの排気の空燃比が理論空燃比付近に安定していることからその酸素ストレージ量が大きな過不足を生じるようなことはない。なお、前記最大酸素ストレージ量HO2MAXは、後述する学習処理により触媒の劣化状態に応じて更新される。
【０１０２】
これに対して、上記リカバリー後の空燃比制御中（FFCR=1）には、まず演算した酸素ストレージ量が目標量であるか否かを判定し、目標量に復帰している場合にはフラグFFCRを０にリセットして通常の処理に戻る（ステップＳ８５，Ｓ８７）。ここで酸素ストレージ量が目標量となっていない場合には、リセット判定に用いるリアＯ2センサ出力として第２のリアＯ2センサ５ｂの出力を採用すると共に、第１の触媒３ａと第２の触媒３ｂのそれぞれの最大酸素ストレージ量HO2MAXと２HO2MAXの和の２分の１を目標酸素ストレージ量TGHO2として設定する（ステップＳ８６）。これにより各触媒３ａ，３ｂの酸素ストレージ量がそれぞれの約２分の１となるように空燃比制御が行われることになるので、フューエルカットによるリーン雰囲気中で酸素ストレージ量過大となっていた各触媒３ａ，３ｂは酸素ストレージ量が適正量に速やかに復帰して所期の排気浄化性能を回復する。
【０１０３】
次に、触媒劣化に対応して目標酸素ストレージ量を適切に設定するために、上記最大酸素ストレージ量HO2MAX、2HO2MAXを更新する処理につき、図１３に示したフローチャートを用いて説明する。この処理では、第１の触媒３ａからの排気酸素濃度を第１のリアＯ2センサ５ａの出力OSVから検出し、この出力OSVが予め定めたリーン判定値THLとリッチ判定値THRとの間で変化するとき（図１４参照）の触媒３ａへの酸素流入量を積算することで最大酸素ストレージ量を算出している。
【０１０４】
詳細には、まずリアＯ2センサ出力OSVを検出し、これがリッチ判定値THRをリーン方向に横切ったか否か、またはリーン判定値THLをリッチ方向に横切ったか否かをそれぞれフラグFr-l、Fl-rを参照して判断する（ステップＳ９０１、Ｓ９０２）。前記フラグFr-l、Fl-rはそれぞれ初期状態では０に設定されており、リアＯ2センサ出力OSVがリッチ判定値THRをリーン方向に横切ったとき（図１４の（ａ）参照）にはFr-l=１に、リーン判定値THLをリッチ方向に横切ったとき（図１４の（ｂ）参照）にはFl-r=１に、それぞれ設定されると共に、最大酸素ストレージ量の学習値HO2LRNが初期化される（ステップＳ９０３、Ｓ９０４、Ｓ９０５、Ｓ９０６）。各フラグFr-l、Fl-rが共に０の状態でかつリアＯ2センサ出力OSVが各判定値THR、THLを横切るような変化をしていないときには、それまで記憶していた最大酸素ストレージ量HO2MAXを維持する（ステップＳ９０７）。なお、前記リッチ判定値THRとリーン判定値THLとの間の空燃比変化は、図１１に示したリーン運転後の空燃比制御により発生する空燃比変化を利用するか、またはこれを最大酸素ストレージ量の演算のために意図的に発生させるようにしても良い。
【０１０５】
上記ステップＳ９０２でのフラグ判定により、フラグFr-lまたはFl-rが１であった場合には、次に触媒３ａへの流入酸素量を積算する処理（ステップＳ９０８）に入る。ここでは、まずリアＯ2センサ出力OSVがリッチ判定値THRをリーン方向に横切った場合（Fr-l=1）は、次に該出力OSVがリーン判定値THLを横切るまでの間の単位時間（例えば制御ループ１周期）あたりの酸素流入量ΔHO2を学習値HO2LRNに積算し、これを新たな最大酸素ストレージ量HO2MAXとして設定する。またはリアＯ2センサ出力OSVがリーン判定値THLをリッチ方向に横切った場合（Fl-r=1）は、次に該出力がリッチ判定値THRを横切るまでの間の単位時間あたりの酸素流入量ΔHO2を学習値HO2LRNに積算し、これを新たな最大酸素ストレージ量HO2MAXとして設定する（ステップＳ９０８、Ｓ９１０）。前記触媒３ａへの流入酸素量は、例えばフロントＡ／Ｆセンサ４により検出した酸素濃度とエアフロメータ９により検出した吸入空気量の積により求めることができる。
【０１０６】
上記最大酸素ストレージ量HO2MAXの積算終了後は、この学習結果により更新した最大酸素ストレージ量HO2MAXに基づき、第２の触媒３ｂの最大酸素ストレージ量2HO2MAXを推定すると共に、各フラグFr-l、Fl-rを０にリセットして今回の学習処理を終了する（ステップＳ９１１、Ｓ９１２）。前記第２の触媒３ｂの最大酸素ストレージ量2HO2MAXは、例えば図１５に示したように、第１の触媒３ａの最大酸素ストレージ量HO2MAXをパラメータとして付与されるように予め用意された特性ないしテーブルに基づいて設定する。なお図１５に示した特性は、各触媒３ａ，３ｂが同時に使用開始されたものとすれば、それぞれの劣化状態が大幅に異なることはないので、第２の触媒３ｂの最大酸素ストレージ量は、第１の触媒の最大酸素ストレージ量と同程度の割合で減少するものとみなせることに基づいている。
【０１０７】
一方、運転状態の急変等により、もしリアＯ2センサ出力OSVがリッチ判定値THRをリーン方向に横切ったのち、リーン判定値THLに達することなくリッチ判定値THRまで戻ってしまった場合、または該出力OSVがリーン判定値THLをリッチ方向に横切ったのち、リッチ判定値THRに達することなくリーン判定値THLまで戻ってしまった場合には、最大酸素ストレージ量を適切に算出することができないので、それまでの学習値HO2LRNの積算結果にかかわらず、フラグFr-l、Fl-rを０にリセットして今回の処理を終了する（ステップＳ９０９−Ｓ９１２）。
【０１０８】
上述のようにして、触媒劣化状態に応じて実際の最大酸素ストレージ量HO2MAXまたは2HO2MAXを更新してゆくことにより、これを基準として触媒の酸素ストレージ量を最適制御することができ、すなわち触媒劣化に伴う酸素ストレージ量のオーバーシュートを回避してエンジンの排気エミッション性能を常に良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】触媒の酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図３】触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図４】高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図５】酸素ストレージ量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図６】酸素ストレージ量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図７】リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図８】酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図９】酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１０】酸素ストレージ量一定制御を行ったときの様子を示したタイムチャートである。
【図１１】リーン運転後の空燃比制御に関する処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１２】上記空燃比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１３】最大酸素ストレージ量を演算する処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１４】最大酸素ストレージ量を算出するときの空燃比条件を示した説明図である。
【図１５】劣化状態に応じて第１の触媒の最大酸素ストレージ量から第２の触媒の酸素ストレージ量を付与する特性の説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気管
３ａ 第１の触媒
３ｂ 第２の触媒
３ｃ 第３の触媒
４ フロントＡ／Ｆセンサ（第１の排気特性検出手段）
５ａ 第１のリアＯ2センサ（第２の排気特性検出手段）
５ｂ 第２のリアＯ2センサ（第３の排気特性検出手段）
６ コントローラ
７ 吸気管
８ スロットル弁
９ エアフローメータ
１０ 冷却水温センサ
１１ 温度センサ
１２ クランク角センサ
【発明の属する技術分野】
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】
【従来の技術と解決すべき課題】
三元触媒に吸収されている酸素量（以下、「酸素ストレージ量」）をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術が知られている（特開平9-228873号）。
【０００３】
三元触媒のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転換効率を最大に維持するためには理論空燃比での燃焼による排気を供給する必要があるが、触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで、触媒に流入する排気がリーン側にずれているときは排気中の酸素が触媒に吸収され、リッチ側にずれているときは触媒に吸収されている酸素が放出されるので、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【０００４】
ところで、このような触媒の酸素ストレージ機能を有効利用するためには触媒の最大酸素ストレージ量に対して実際の酸素ストレージ量を常に適量に制御する必要がある。しかしながら、酸素ストレージ量は触媒の劣化にしたがい減少するので、触媒の初期の最大酸素トレージ量を基準として目標量への制御を行い続けると、使用時間の経過にしたがって制御のオーバーシュートが発生し、排気浄化性能が損なわれるおそれを生じる。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決し、触媒の劣化状態に応じて最大酸素ストレージ量を更新することにより触媒の転換効率を高く保てるようにしたエンジンの排気浄化装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、エンジン排気管に設けられ、排気中の酸素を高速成分と低速成分とに分けてストレージする触媒と、前記触媒に流入する排気の特性を検出する第１の排気特性検出手段と、前記触媒から流出する排気の特性を検出する第２の排気特性検出手段と、前記第１の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒がストレージ可能な最大酸素ストレージ量をそれぞれ演算する酸素ストレージ量演算手段と、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が前記最大酸素ストレージ量に応じて定めた目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、前記酸素ストレージ量演算手段は、前記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と共に、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間の前記触媒に流入した酸素量を演算し、これに基づいて最大酸素ストレージ量を演算するように構成した。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、触媒の下流側に第２の触媒を備えると共に第２の触媒から流出する排気の特性を検出する第３の排気特性検出手段を設け、リーン空燃比での運転後は前記第３の排気特性検出手段により検出した排気特性を用いて、空燃比を制御するように構成した。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記リーン空燃比での運転状態として、減速時等のフューエルカット制御が行われている運転状態を検出するものとした。
【００１０】
第４の発明は、第２の発明において、前記リーン空燃比での運転を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて判定するように構成した。
【００１２】
第５の発明は、第２の発明において、第３の排気特性検出手段からの出力に基づき、前記第２の触媒からの排気特性が基準値よりもリーン側となったときに、該排気特性が基準値よりもリッチ側に変化するまで空燃比をリッチに制御するように構成した。
【００１３】
第６の発明は、エンジンの排気管に設けられ、排気中の酸素を高速成分と低速成分とに分けてストレージする触媒と、前記触媒に流入する排気の特性を検出する第１の排気特性検出手段と、前記触媒から流出する排気の特性を検出する第２の排気特性検出手段と、前記第１の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて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、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒がストレージ可能な最大酸素ストレージ量を演算する最大酸素ストレージ量演算手段と、前記最大酸素ストレージ量に応じて触媒の酸素ストレージ量の目標量を演算する目標量演算手段と、前記触媒の酸素ストレージ量に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量が前記目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、前記酸素ストレージ量演算手段は、前記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し、前記最大酸素ストレージ量演算手段は、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間に、前記触媒に流入した酸素量に基づいて最大酸素ストレージ量を演算するように構成した。
【００１７】
第７の発明は、第６の発明の前記酸素ストレージ量演算手段を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性がリッチ化した時点で、高速成分および低速成分をそれらの最小容量にリセットする用に構成した。
【００１８】
第８の発明は、第６または第７の発明の前記酸素ストレージ量演算手段を、前記第２の排気特性検出手段からの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ように構成した。
【００１９】
【作用・効果】
触媒の酸素ストレージ機能を有効利用するためには、例えば空燃比の制御特性が理論空燃比を中心としてリーン側とリッチ側とに均しく偏りを生じうるものとすれば、目標酸素ストレージ量は触媒の最大酸素ストレージ量の２分の１に設定して制御することが適当である。しかしながら、目標量を固定しておくと触媒の劣化による最大酸素ストレージ量の減少に伴い、実酸素ストレージ量は過剰側にずれてゆき、この結果として触媒内がリーン傾向となってＮＯｘの排出量が増大するおそれを生じる。
【００２０】
これに対して本発明によれば、触媒の最大酸素ストレージ量を演算し、その結果に基づいて酸素ストレージ量の目標量を設定するようにしたので、触媒の劣化により最大酸素ストレージ量が減少したとしても、常にこれに対応して適正な目標酸素ストレージ量を設定することができ、すなわち排気浄化性能を触媒の劣化状態にかかわらず最大限に発揮させることができる。
【００２１】
最大酸素ストレージ量は、触媒からの排気空燃比が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間の触媒に流入した酸素量基づいて算出することができる。
【００２２】
一方、触媒の劣化やより厳しい排気処理性能の要求に対応するために上記触媒の下流に第２の触媒を設けた場合、通常は第１の触媒について排気特性に応じた空燃比制御による触媒の酸素ストレージ量を制御することにより第２の触媒についてもその酸素ストレージ量を適量に維持させることが可能である。しかしながら、理論空燃比よりも大きいリーン空燃比もしくは減速時のフューエルカット制御等により燃料供給が遮断された状態での運転が継続すると、排気管には多量の酸素が供給されることから各触媒の酸素ストレージ量は速やかに最大量に達する。その状態から第１の触媒については空燃比制御により速やかに目標酸素ストレージ量へと復帰させることができるものの、第２の触媒はリーン状態のままとなってしまう。特に、劣化した触媒では最大酸素ストレージ量が減少していることから触媒内がリーン状態となりやすく、ＮＯｘ浄化性能が低下する。
【００２３】
これに対して第３の発明では、第２の触媒の出口側に第３の排気特性検出手段を設け、リーン運転後にはこの第３の排気特性検出手段により検出した排気特性を用いてその上流側にある各触媒の酸素ストレージ量が所要量となるように空燃比制御するので、各触媒の酸素ストレージ量を適正範囲内に維持して良好な排気浄化性能を維持させることができる。このときの空燃比制御としては、例えば第７の発明として示したように、第２の触媒からの排気特性が基準値よりもリーンとなったことを検出したときに、これが基準値よりもリッチ側に変化するまで空燃比をリッチに制御するようにする。
【００２４】
リーン空燃比での運転状態としては第４の発明に示されるように減速時等のフューエルカット制御状態が典型的であり、この開始と終了はエンジンコントローラの信号から検出できるので、このフューエルカットの終了に伴いリーン空燃比後の上記制御を開始させることができる。なおフューエルカット制御は減速時に限られず、例えば高負荷または高速運転が継続されたときにエンジン保護のために全部または一部気筒に対して実行されることがあり、このようなときにも当然に触媒に流入する排気は酸素過多のリーン状態となる。触媒の酸素ストレージ量過多をもたらすリーン運転状態は、第５の発明として示したように、第３の排気特性検出手段の検出結果から直接に検出するようにしてもよい。
【００２５】
また、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ように構成することにより、触媒の特性に応じた実際の酸素ストレージ量をより正確に演算でき、したがって実酸素ストレージ量をより精度よく制御することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用される排気浄化装置の概略構成を示し、火花点火式エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた３つの触媒３ａ〜３ｃと、第１の触媒３ａの入口側に位置するフロントＡ／Ｆセンサ４と、同じく出口側に位置する第１のリアＯ2センサ５ａと、第２の触媒３ｂの出口側に位置する第２のリアＯ2センサ５ｂと、コントローラ６とを備える。前記触媒３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ本発明の第１の触媒、第２の触媒、第３の触媒に相当する。また、フロントＡ／Ｆセンサ４、第１のリアＯ２センサ５ａ、第２のリアＯ２センサ５ｂがそれぞれ本発明の第１の排気特性検出手段、第２の排気特性検出手段、第３の排気特性検出手段に相当する。
【００２８】
エンジン１の吸気管７には、運転者のアクセル操作と独立して制御可能な電子制御式スロットル弁８と、スロットル弁８によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ９とが設けられている。また、エンジン１にはその回転速度を検出するクランク角センサ１２が設けられている。なお、スロットル弁８は、アクセル操作に直接連動して開閉するものであってもよい。
【００２９】
各触媒３ａ〜３ｃは三元触媒機能を有し、流入する排気が理論空燃比での燃焼排気であるときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。それぞれ触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されており、流入する排気の酸素濃度に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（以下、「酸素ストレージ機能」）を有している。第１の触媒３ａとしては単機能の三元触媒を、第２または第３の触媒３ｂ、３ｃとしては三元触媒機能付きのＨＣトラップ触媒をそれぞれ用いるなど、特性が互いに異なる触媒を組み合わせて適用することもできる。
【００３０】
ここで触媒３ａ〜３ｃの酸素ストレージ量は、それぞれの貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分HO2と、酸素ストレージ材に吸収／放出される低速成分LO2とに分けることができる。低速成分LO2は高速成分HO2に比べて多くの酸素を吸収／放出することができるが、その吸収／放出速度は高速成分HO2に比べて遅いという特性を有している。
【００３１】
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。
【００３２】
− 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。
【００３３】
触媒３ａの上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３ａに流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３ａ、３ｂの下流に設けられたリアＯ2センサ５ａ，５ｂはそれぞれの出口から排出されてくる排気中の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。リアＯ2センサ５ａ，５ｂとしてフロントＡ／Ｆセンサ４と同様に空燃比をリニアに検出できるものを適用してもよい。
【００３４】
また、エンジン１には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１０が取り付けられており、検出された冷却水温はエンジン１の運転状態を判断するのに用いられる他、触媒３ａの触媒温度を推定するのにも用いられる。
【００３５】
コントローラ６はマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等で構成され、エアフローメータ９、フロントＡ／Ｆセンサ４及び冷却水温センサ１０の出力に基づき、触媒３ａの酸素ストレージ量（高速成分HO2及び低速成分LO2）を演算する。
【００３６】
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。
【００３７】
さらに、演算誤差により演算される酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれが生じるが、コントローラ６は触媒３ａ下流の酸素濃度に基づき所定のタイミングで酸素ストレージ量のリセットを行い、実際の酸素ストレージ量とのずれを修正する。
【００３８】
具体的には、第１のリアＯ2センサ５ａがリーン判定した場合は、少なくとも高速成分HO2は最大となっていると判断し、高速成分HO2を最大容量にリセットする。また、第１のリアＯ2センサ５ａがリッチ判定した場合は、高速成分HO2のみならず低速成分LO2からの酸素放出も行われなくなっていることから、低速成分HO2及び高速成分LO2を最小容量にリセットする。
【００３９】
次に、コントローラ６が第１の触媒３ａの酸素ストレージ量を一定量に保つために行う基本的な空燃比制御について図２〜図１０を参照しながら詳述する。ここではまず、酸素ストレージ量の演算について説明し、その後で、酸素ストレージ量のリセット、酸素ストレージ量に基づくエンジン１の空燃比制御について説明する。
【００４０】
図２は触媒３ａの酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示し、コントローラ６において所定時間毎に実行される。
【００４１】
これによると、まずエンジンの各種運転条件パラメータとして、代表的に冷却水温センサ１０、クランク角センサ１２、エアフローメータ９の出力が読み込まれ、触媒３ａの温度TCATがそれらに基づき推定される（ステップＳ１、Ｓ２）。そして、推定された触媒温度TCATと触媒活性温度TACToとを比較することによって触媒３ａが活性化したか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００４２】
その結果、触媒活性温度TACToに達していると判断された場合は触媒３ａの酸素ストレージ量の演算を行うべくステップＳ４以降に進む。触媒活性温度TACToに達しないと判断された場合は、触媒３ａは酸素の吸収／放出作用を行わないとして処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ４では酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチン（図３）が実行されて触媒３ａに流入する排気中の酸素過不足量O2INが演算され、ステップＳ５では酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Aを演算するためのサブルーチン（図４）が実行され、高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【００４４】
さらに、ステップＳ６では酸素ストレージ量の高速成分HO2を演算するためのサブルーチン（図５）が実行され、酸素過不足量O2INと高速成分の酸素放出率Aに基づき高速成分HO2及び高速成分HO2で吸収されずに低速成分LO2に溢れるオーバフロー分OVERFLOWが演算される。
【００４５】
ステップＳ７では、ステップＳ６で演算されたオーバフロー分OVERFLOWに基づき触媒３ａに流入する排気中の酸素過不足量O2INが全て高速成分HO2で吸収されたか否かを判断する。そして、酸素過不足量O2INが高速成分で完全に吸収された場合（OVERFLOW＝0）は処理を終了するが、そうでない場合はステップＳ８へ進んで低速成分LO2を演算するためのサブルーチン（図６）が実行され、高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー分OVERFLOWに基づき低速成分LO2が演算される。
【００４６】
なお、ここでは触媒温度TCATをエンジン１の冷却水温、エンジン負荷、エンジン回転速度等から推定するようにしているが、図１に示すように触媒３ａに温度センサ１１を取り付け、触媒３ａの温度を直接測定するようにしてもよい。
【００４７】
また、ステップＳ３で触媒温度TCATが活性温度TACToよりも低いときは酸素ストレージ量を演算しないようにしているが、ステップＳ３を無くして、触媒温度TCATの影響を高速成分の酸素放出率Aや後述する低速成分の酸素吸収放出率Bに反映するようにしても良い。
【００４８】
次に、ステップＳ４から６及びステップＳ８で実行されるサブルーチンについて説明する。
【００４９】
図３は、触媒３ａに流入する排気の酸素過不足量O2INを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３ａ上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３ａに流入する排気の酸素過不足量O2INが演算される。
【００５０】
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）。
【００５１】
ステップＳ１２では読み込まれたフロントＡ／Ｆセンサ出力を所定の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、触媒３ａに流入する排気の過不足酸素濃度を演算する。ここで過不足酸素濃度とは理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度で、排気が理論空燃比でゼロ、リッチで負、リーンで正の値をとる。
【００５２】
ステップＳ１３ではエアフローメータ出力を所定の変換テーブルを用いて吸入空気量に変換し、ステップＳ１４ではステップＳ１３で演算した吸入空気量にステップＳ１２で演算した過不足酸素濃度を乗じて触媒３ａに流入する排気の過不足酸素量O2INを演算する。
【００５３】
過不足酸素濃度が上記特性を有することから、過不足酸素量O2INは、触媒３ａに流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【００５４】
また、図４は、酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Aを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分HO2からの酸素放出速度が低速成分LO2の影響を受けることから、低速成分LO2に応じて高速成分の酸素放出率Aが演算される。
【００５５】
これによると、まず、ステップＳ２１で低速成分の高速成分に対する比LO2/HO2が所定値ARより大きいか否かが判断される。
【００５６】
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。
【００５７】
これに対し、比LO2/HO2が所定値ARよりも大きい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。
【００５８】
また、図５は、酸素ストレージ量の高速成分HO2を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３ａに流入する排気の酸素酸素過不足量O2INと高速成分の酸素放出率Aに基づき高速成分HO2の演算が行われる。
【００５９】
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。
【００６０】
その結果、触媒３ａに流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量O2INがゼロより大きい場合、高速成分HO2が酸素を吸収する状態にあると判断して、ステップＳ３２に進み、次式（１）、
HO2 ＝ HO2z ＋ O2IN … （１）
HO2z：高速成分HO2の前回値
により高速成分HO2が演算される。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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０を与えているから、高速成分HO2をすべて放出した状態で不足する酸素量が負のオーバフロー分として算出されることになる。
【００６５】
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、オーバフロー分OVERFLOWにはゼロが設定される。
【００６６】
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フロー分OVERFLOWは、低速成分LO2で吸収あるいは放出される。
【００６７】
また、図６は酸素ストレージ量の低速成分LO2を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分HO2から溢れ出たオーバフロー分OVERFLOWに基づき低速成分LO2が演算される。
【００６８】
これによると、ステップＳ４１では低速成分LO2が次式（５）、
LO2 ＝ LO2z ＋ OVERFLOW × B … （５）
LO2z：低速成分LO2の前回値
B：低速成分の酸素吸収放出率
により演算される。ここで低速成分の酸素吸収放出率Bは１以下の正の値に設定されるが、実際には吸収と放出とで異なる特性を有し、また実際の吸収放出率は触媒温度TCAT、低速成分LO2等の影響を受けるので、吸収率と放出率とをそれぞれ分離して設定するようにしても良い。その場合、オーバフロー分OVERFLOWが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素吸収Bは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が小さいほど大きな値に設定される。また、オーバフロー分OVERFLOWが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Ｂは、例えば触媒温度TCATが高いほど、また低速成分LO2が大きいほど大きな設定される。
【００６９】
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。
【００７０】
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３ａの下流に流出する。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図７はリセット条件の判断ルーチンの内容を示す。このルーチンは、触媒３ａ下流の酸素濃度から酸素ストレージ量（高速成分HO2及び低速成分LO2）のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグFrich及びフラグFleanのセットを行うものである。
【００７４】
これによると、まず、触媒３ａ下流の酸素濃度を検出するリアＯ2センサ５ａの出力が読み込まれる（ステップＳ５１）。そして、リアＯ2センサ出力とリーン判定しきい値、リッチ判定しきい値との比較が行われる（ステップＳ５２、Ｓ５３）。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
なお、上記リアＯ2センサ出力としてはその加重平均値を用いるようにしてもよい。また、ここでは第１のリアＯ2センサ５ａの出力を用いているが、後述するリーン条件後には第２のリアＯ2センサ５ｂの出力に基づいてリセット条件を判定する場合もある。
【００７８】
図８は酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示す。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
図９は酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示す。
【００８５】
これによると、まず、現在の酸素ストレージ量の高速成分HO2が読み込まれ（ステップＳ７１）、現在の高速成分HO2と高速成分の目標値TGHO2の偏差DHO2（＝触媒３ａが必要としている酸素過不足量）が演算される（ステップＳ７２）。高速成分の目標値TGHO2は、例えば高速成分の最大容量HO2MAXの２分の１に設定される。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
本発明に係る排気浄化装置にあっては、エンジン１が始動されると触媒３ａの酸素ストレージ量の演算が開始され、触媒３ａの転換効率を最大に保つべく、触媒３ａの酸素ストレージ量が一定となるようにエンジン１の空燃比制御が行われる。
【００９０】
コントローラ６は触媒３ａに流入する排気の空燃比、エンジン１の吸入空気量に基づき触媒３ａの酸素ストレージ量を推定演算するが、このとき酸素ストレージ量の演算を高速成分HO2と低速成分LO2とで分けて行う。
【００９１】
具体的には、コントローラ６は、酸素吸収時は、高速成分HO2が優先して吸収し、高速成分HO2が吸収しきれない状態となったら低速成分LO2が吸収し始めるとして演算を行い、また、酸素放出時は、低速成分LO2と高速成分HO2の比（LO2/HO2）が一定割合AR以下の場合は高速成分HO2から優先して酸素が放出されるとし、比LO2/HO2が一定割合になったらその比LO2/HO2を保つように低速成分LO2と高速成分HO2の両方から酸素が放出されるとして酸素ストレージ量の演算を行う。
【００９２】
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。
【００９３】
この結果、酸素ストレージ量の高速成分HO2が目標とする値に保たれるので、触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分HO2から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒３の転換効率が最大に保たれる。
【００９４】
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。
【００９５】
図１０は上記酸素ストレージ量一定制御を行ったときの高速成分HO2の変化の様子を示したものである。この場合、時刻ｔ2、ｔ3では、リアＯ2センサ５ａの出力がリッチ判定しきい値以上となってリッチリセット条件が成立するので、酸素ストレージ量の高速成分HO2が最小容量（＝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）。
【００９６】
また、時刻ｔ1では、リアＯ2センサ５ａの出力がリーン判定しきい値以下となりリーンリセット条件が成立するので、高速成分HO2が最大容量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。
【００９７】
このように、触媒３ａの下流の排気がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量のリセットが行われ、実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される結果、触媒の酸素ストレージ量の演算精度がさらに向上し、酸素ストレージ量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められて触媒の転換効率を高く維持することができる。
【００９８】
以上は本発明が前提とする空燃比制御の一例を示したもので、本発明ではさらに触媒３ａないし３ｂの最大酸素ストレージ量HO2MAX，2HO2MAXを学習補正して各触媒の酸素ストレージ量を触媒劣化状態に応じて最適に制御する。以下、この点につき図１１以下の図面を用いて説明する。
【００９９】
図１１と図１３は第１、第２の触媒３ａ，３ｂの酸素ストレージ量を制御する実施形態の制御内容を示すフローチャート、図１２はこの制御による空燃比変化等の様子を示すタイムチャートである。この処理は上述した空燃比制御と同期して周期的に実行されるもので、図７のリセット条件判断ルーチンで用いるリアＯ2センサ出力の選択と、図９の空燃比制御ルーチンで用いる目標酸素ストレージ量（TGHO２）の設定とを行う機能を持っている。
【０１００】
この処理では、まず減速時等におけるフューエルカット制御が行われたか否かを判定する（ステップＳ８１）。フューエルカット制御の有無は上述したように燃料制御系の信号を監視するか、またはフューエルカット条件を独立して検出することで判定する。減速時フューエルカット制御についての制御条件を一例として挙げると、開始条件としては車速、エンジン回転速度が基準値以上であり、かつアクセルペダルが解放されており、かつ変速機がニュートラルでないことであり、これにより開始されたフューエルカットはエンジン回転速度が下限基準値以下となったこと、またはアクセルペダルが踏み込まれたこと等により終了してリカバリーが行われる。よって、このような条件を監視していることで、減速時フューエルカットおよびリカバリーを判定できる。
【０１０１】
このステップではフューエルカット後のリカバリーが開始されたか否かを判定し、リカバリー開始検出時点でフラグFFCRを１にセットする（ステップＳ８１，Ｓ８４）。フラグFFCRはリカバリー後の過渡的なリッチ空燃比制御が実行されていることを示しており、この制御が終了するときに０にリセットされる（ステップＳ８７）。フラグFFCRが０のときは、リセット判定（図７）に用いるリアＯ2センサ出力として第１のリアＯ2センサ５ａの出力を採用すると共に、目標酸素ストレージ量TGHO2として第１の触媒３ａの最大酸素ストレージ量HO2MAXの２分の１を設定する（ステップＳ８２，８３）。これにより、上述した空燃比制御により第１の触媒３ａの酸素ストレージ量がその最大量の２分の１程度に維持され、安定した排気浄化性能を発揮する。この間、下流側の触媒３ｂ、３ｃは、上流からの排気の空燃比が理論空燃比付近に安定していることからその酸素ストレージ量が大きな過不足を生じるようなことはない。なお、前記最大酸素ストレージ量HO2MAXは、後述する学習処理により触媒の劣化状態に応じて更新される。
【０１０２】
これに対して、上記リカバリー後の空燃比制御中（FFCR=1）には、まず演算した酸素ストレージ量が目標量であるか否かを判定し、目標量に復帰している場合にはフラグFFCRを０にリセットして通常の処理に戻る（ステップＳ８５，Ｓ８７）。ここで酸素ストレージ量が目標量となっていない場合には、リセット判定に用いるリアＯ2センサ出力として第２のリアＯ2センサ５ｂの出力を採用すると共に、第１の触媒３ａと第２の触媒３ｂのそれぞれの最大酸素ストレージ量HO2MAXと２HO2MAXの和の２分の１を目標酸素ストレージ量TGHO2として設定する（ステップＳ８６）。これにより各触媒３ａ，３ｂの酸素ストレージ量がそれぞれの約２分の１となるように空燃比制御が行われることになるので、フューエルカットによるリーン雰囲気中で酸素ストレージ量過大となっていた各触媒３ａ，３ｂは酸素ストレージ量が適正量に速やかに復帰して所期の排気浄化性能を回復する。
【０１０３】
次に、触媒劣化に対応して目標酸素ストレージ量を適切に設定するために、上記最大酸素ストレージ量HO2MAX、2HO2MAXを更新する処理につき、図１３に示したフローチャートを用いて説明する。この処理では、第１の触媒３ａからの排気酸素濃度を第１のリアＯ2センサ５ａの出力OSVから検出し、この出力OSVが予め定めたリーン判定値THLとリッチ判定値THRとの間で変化するとき（図１４参照）の触媒３ａへの酸素流入量を積算することで最大酸素ストレージ量を算出している。
【０１０４】
詳細には、まずリアＯ2センサ出力OSVを検出し、これがリッチ判定値THRをリーン方向に横切ったか否か、またはリーン判定値THLをリッチ方向に横切ったか否かをそれぞれフラグFr-l、Fl-rを参照して判断する（ステップＳ９０１、Ｓ９０２）。前記フラグFr-l、Fl-rはそれぞれ初期状態では０に設定されており、リアＯ2センサ出力OSVがリッチ判定値THRをリーン方向に横切ったとき（図１４の（ａ）参照）にはFr-l=１に、リーン判定値THLをリッチ方向に横切ったとき（図１４の（ｂ）参照）にはFl-r=１に、それぞれ設定されると共に、最大酸素ストレージ量の学習値HO2LRNが初期化される（ステップＳ９０３、Ｓ９０４、Ｓ９０５、Ｓ９０６）。各フラグFr-l、Fl-rが共に０の状態でかつリアＯ2センサ出力OSVが各判定値THR、THLを横切るような変化をしていないときには、それまで記憶していた最大酸素ストレージ量HO2MAXを維持する（ステップＳ９０７）。なお、前記リッチ判定値THRとリーン判定値THLとの間の空燃比変化は、図１１に示したリーン運転後の空燃比制御により発生する空燃比変化を利用するか、またはこれを最大酸素ストレージ量の演算のために意図的に発生させるようにしても良い。
【０１０５】
上記ステップＳ９０２でのフラグ判定により、フラグFr-lまたはFl-rが１であった場合には、次に触媒３ａへの流入酸素量を積算する処理（ステップＳ９０８）に入る。ここでは、まずリアＯ2センサ出力OSVがリッチ判定値THRをリーン方向に横切った場合（Fr-l=1）は、次に該出力OSVがリーン判定値THLを横切るまでの間の単位時間（例えば制御ループ１周期）あたりの酸素流入量ΔHO2を学習値HO2LRNに積算し、これを新たな最大酸素ストレージ量HO2MAXとして設定する。またはリアＯ2センサ出力OSVがリーン判定値THLをリッチ方向に横切った場合（Fl-r=1）は、次に該出力がリッチ判定値THRを横切るまでの間の単位時間あたりの酸素流入量ΔHO2を学習値HO2LRNに積算し、これを新たな最大酸素ストレージ量HO2MAXとして設定する（ステップＳ９０８、Ｓ９１０）。前記触媒３ａへの流入酸素量は、例えばフロントＡ／Ｆセンサ４により検出した酸素濃度とエアフロメータ９により検出した吸入空気量の積により求めることができる。
【０１０６】
上記最大酸素ストレージ量HO2MAXの積算終了後は、この学習結果により更新した最大酸素ストレージ量HO2MAXに基づき、第２の触媒３ｂの最大酸素ストレージ量2HO2MAXを推定すると共に、各フラグFr-l、Fl-rを０にリセットして今回の学習処理を終了する（ステップＳ９１１、Ｓ９１２）。前記第２の触媒３ｂの最大酸素ストレージ量2HO2MAXは、例えば図１５に示したように、第１の触媒３ａの最大酸素ストレージ量HO2MAXをパラメータとして付与されるように予め用意された特性ないしテーブルに基づいて設定する。なお図１５に示した特性は、各触媒３ａ，３ｂが同時に使用開始されたものとすれば、それぞれの劣化状態が大幅に異なることはないので、第２の触媒３ｂの最大酸素ストレージ量は、第１の触媒の最大酸素ストレージ量と同程度の割合で減少するものとみなせることに基づいている。
【０１０７】
一方、運転状態の急変等により、もしリアＯ2センサ出力OSVがリッチ判定値THRをリーン方向に横切ったのち、リーン判定値THLに達することなくリッチ判定値THRまで戻ってしまった場合、または該出力OSVがリーン判定値THLをリッチ方向に横切ったのち、リッチ判定値THRに達することなくリーン判定値THLまで戻ってしまった場合には、最大酸素ストレージ量を適切に算出することができないので、それまでの学習値HO2LRNの積算結果にかかわらず、フラグFr-l、Fl-rを０にリセットして今回の処理を終了する（ステップＳ９０９−Ｓ９１２）。
【０１０８】
上述のようにして、触媒劣化状態に応じて実際の最大酸素ストレージ量HO2MAXまたは2HO2MAXを更新してゆくことにより、これを基準として触媒の酸素ストレージ量を最適制御することができ、すなわち触媒劣化に伴う酸素ストレージ量のオーバーシュートを回避してエンジンの排気エミッション性能を常に良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】触媒の酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図３】触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図４】高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図５】酸素ストレージ量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図６】酸素ストレージ量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図７】リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図８】酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図９】酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１０】酸素ストレージ量一定制御を行ったときの様子を示したタイムチャートである。
【図１１】リーン運転後の空燃比制御に関する処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１２】上記空燃比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１３】最大酸素ストレージ量を演算する処理ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１４】最大酸素ストレージ量を算出するときの空燃比条件を示した説明図である。
【図１５】劣化状態に応じて第１の触媒の最大酸素ストレージ量から第２の触媒の酸素ストレージ量を付与する特性の説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気管
３ａ 第１の触媒
３ｂ 第２の触媒
３ｃ 第３の触媒
４ フロントＡ／Ｆセンサ（第１の排気特性検出手段）
５ａ 第１のリアＯ2センサ（第２の排気特性検出手段）
５ｂ 第２のリアＯ2センサ（第３の排気特性検出手段）
６ コントローラ
７ 吸気管
８ スロットル弁
９ エアフローメータ
１０ 冷却水温センサ
１１ 温度センサ
１２ クランク角センサ
Claims (8)
- エンジン排気管に設けられ、排気中の酸素を高速成分と低速成分とに分けてストレージする触媒と、
前記触媒に流入する排気の特性を検出する第１の排気特性検出手段と、
前記触媒から流出する排気の特性を検出する第２の排気特性検出手段と、
前記第１の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒がストレージ可能な最大酸素ストレージ量をそれぞれ演算する酸素ストレージ量演算手段と、
前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が前記最大酸素ストレージ量に応じて定めた目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記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と共に、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間の前記触媒に流入した酸素量を演算し、これに基づいて最大酸素ストレージ量を演算するように構成したことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 前記触媒の下流側に第２の触媒を備えると共に第２の触媒から流出する排気の特性を検出する第３の排気特性検出手段を設け、リーン空燃比での運転後は前記第３の排気特性検出手段により検出した排気特性を用いて、空燃比を制御するようにした請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記リーン空燃比での運転状態として、減速時等のフューエルカット制御が行われている運転状態を検出する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記リーン空燃比での運転を、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて判定する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記第３の排気特性検出手段からの出力に基づき、前記第２の触媒からの排気特性が基準値よりもリーン側となったときに、該排気特性が基準値よりもリッチ側に変化するまで空燃比をリッチに制御する請求項２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、排気中の酸素を高速成分と低速成分とに分けてストレージする触媒と、
前記触媒に流入する排気の特性を検出する第１の排気特性検出手段と、
前記触媒から流出する排気の特性を検出する第２の排気特性検出手段と、
前記第１の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて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、
前記第２の排気特性検出手段からの排気特性に基づいて前記触媒がストレージ可能な最大酸素ストレージ量を演算する最大酸素ストレージ量演算手段と、
前記最大酸素ストレージ量に応じて触媒の酸素ストレージ量の目標量を演算する目標量演算手段と、
前記触媒の酸素ストレージ量に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量が前記目標量となるようにエンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記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し、
前記最大酸素ストレージ量演算手段は、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性が予め定めたリーン判定値とリッチ判定値との間を変化する間に、前記触媒に流入した酸素量に基づいて最大酸素ストレージ量を演算する
ように構成したことを特徴とする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、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性がリッチ化した時点で、前記高速成分および前記低速成分をそれらの最小容量にリセットする請求項６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、前記第２の排気特性検出手段からの排気特性がリーン化した時点で、前記高速成分をその最大容量にリセットする請求項６または請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
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