JP4069367B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4069367B2 JP4069367B2 JP2002263211A JP2002263211A JP4069367B2 JP 4069367 B2 JP4069367 B2 JP 4069367B2 JP 2002263211 A JP2002263211 A JP 2002263211A JP 2002263211 A JP2002263211 A JP 2002263211A JP 4069367 B2 JP4069367 B2 JP 4069367B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst
- exhaust gas
- air
- fuel ratio
- block
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
- F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
- F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
- F02D41/0295—Control according to the amount of oxygen that is stored on the exhaust gas treating apparatus
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に触媒を配設した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
三元触媒は、同触媒に流入する内燃機関の排ガスの空燃比が略理論空燃比のとき、同排ガス中の未燃成分(HC,CO)を酸化し、同時に窒素酸化物(NOx)を還元する機能(これを「触媒機能」又は「酸化還元機能」と云う。)を有している。一方、最近では、内燃機関の排ガスをより一層浄化するため、同機関の排気通路にスタート・コンバータと云われる三元触媒(以下、「第1触媒」と称呼する。)を配設するともに、第1触媒よりも下流の同排気通路にアンダ・フロア・コンバータと云われる三元触媒(以下、「第2触媒」と称呼する。)を配設した排気浄化装置が採用されている。この場合、第1触媒は第2触媒に比べて機関の排気ポートに近い位置に配設され、温度の高い排ガスが流入するから、始動から短期間内に暖機されて良好な排気浄化機能を発揮する。一方、第2触媒は、第1触媒よりも暖機に要する時間が長いが、一旦暖機した後においては第1触媒と協働して優れた排気浄化機能を発揮する。
【0003】
また、三元触媒は、酸素を吸蔵(貯蔵)するO2ストレージ機能(以下、この機能を「酸素吸蔵機能」と称呼し、三元触媒内に貯蔵される酸素量を「酸素吸蔵量」と称呼する。)を有していて、流入する排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、流入する排ガスの空燃比がリーンである場合には排ガス中の酸素及び窒素酸化物(NOx)を還元することで得られる酸素を内部に貯蔵する。これにより、三元触媒は、機関の空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移した場合でも、未燃HC,COやNOxを効果的に浄化することができる。
【0004】
ところで、内燃機関の運転状態は時々刻々変化するから、排ガスの空燃比はリッチとなったり、リーンとなったりする。一方、三元触媒の酸素吸蔵量は、「0」から同触媒が吸蔵し得る酸素吸蔵量の最大量(以下、「最大酸素吸蔵量」と称呼する。)の間で変化する。従って、仮に、三元触媒内の酸素吸蔵量が「0」であるときに同触媒に空燃比がリッチな排ガスが流入すると、同触媒は吸蔵している酸素を用いた未燃CO,HCの酸化を行うことができない。反対に、三元触媒内の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量であるときに同触媒に空燃比がリーンな排ガスが流入すると、同触媒はNOxから酸素を奪う余裕がないから、同NOxを効果的に還元することができない。以上のことから、三元触媒内の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量の半分程度に維持されていることが好ましい。
【0005】
特許文献1は、上述した観点に基づき、前記第1触媒及び前記第2触媒を備えるとともに、両触媒の酸素吸蔵量を考慮した制御を行うことで排ガス浄化性能を一層向上しようとする排気浄化装置を開示している。より具体的に述べると、この排気浄化装置は、第1触媒の酸素吸蔵量を同第1触媒に流入する排ガスの空燃比に基づいて推定し、推定した同第1触媒の酸素吸蔵量が目標量となるように機関の空燃比を制御する。同時に、この排気浄化装置は、第2触媒から流出する排気特性がリーン状態であることを同第2触媒の下流に設けられたO2センサ(排ガス特性検出センサ)が検出したとき前記酸素吸蔵量の目標量を減少し、第2触媒から流出する排気特性がリッチ状態であることを同第2触媒の下流に設けられたO2センサが検出したとき同酸素吸蔵量の目標量を増大するようになっている。そして、特許文献1には、かかる構成によって第2触媒内の雰囲気がリーンまたはリッチに偏ることが防止されるから、その転換効率を高く維持することができると記載されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−234787号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の排気浄化装置は、第2触媒下流に設けられたO2センサの出力に基づいて第1触媒の酸素吸蔵量の目標量を変更している。即ち、上記排気浄化装置においては、第2触媒の酸素吸蔵量が実質的に最大酸素吸蔵量となって酸素を多量に含む排ガスが同第2触媒から流出し始め、或いは、同第2触媒の酸素吸蔵量が実質的に「0」になって未燃成分を多量に含む排ガスが同第2触媒から流出し始め、それらの時点から所定の時間後に同流出した排ガスがO2センサに到達し、その後、同O2センサが同到達した排ガスに応じた出力を所定の応答遅れ時間後に発生した時点で前記目標量が変更される。このため、第2触媒は、その酸素吸蔵量が実質的に最大酸素吸蔵量又は「0」になっている状態、即ち、同第2触媒が酸素吸蔵機能による排気浄化を良好に行うことができない状態に比較的長い時間置かれることになり、この結果、運転状態によっては有害成分を多量に排出してしまう可能性がある。
【0008】
【発明の概要】
従って、本発明の目的の一つは、第1触媒と第2触媒との間の排気通路に配設された第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力に基づいて第2触媒の内部状態を迅速に推定し、推定された第2触媒の内部状態に基づいて第2触媒に流入する排ガスの空燃比を制御することで、第2触媒の状態を排気浄化の観点から見てより好適な状態に維持し得る排気浄化装置を提供することにある。
【0009】
かかる目的を達成するための本発明による内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配設された第1触媒と、前記第1触媒よりも下流の前記排気通路に配設されるとともに同配設部位における同排気通路内の排ガスの特性を検出する第1触媒下流排ガス特性検出センサと、前記第1触媒下流排ガス特性検出センサよりも下流の前記排気通路に配設された第2触媒とを備えている。そして、この排気浄化装置は、前記第2触媒の内部における排ガス浄化に関連する物理量を少なくとも前記第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力を用いた演算により推定する排ガス浄化関連物理量推定手段と、前記推定された排ガス浄化に関連する物理量が所定の値となるように前記第2触媒に流入する排ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備える。この排ガス浄化関連物理量推定手段は、例えば、第2触媒を排ガスの流れ方向に沿って仮想的に分割した複数のブロックのうちの任意の一つのブロックである特定領域へ同排ガス中の特定成分が流入する量と、同特定成分が同特定領域の排ガス相からコート層へと拡散する量と同特定成分が同特定領域から下流側の特定領域へと流出する量との和と、が釣り合っていること、並びに、同特定領域において同特定成分が同排ガス相から同コート層へと拡散する量と同特定成分が同コート層で消費される量とが釣り合っていること、に基いて構築された触媒モデルに、少なくとも前記第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力から取得される値を適用した演算により、前記第2触媒の内部における排ガス浄化に関連する物理量を推定する。
【0010】
この場合、前記排ガス浄化関連物理量推定手段が推定する「前記第2触媒の内部における排ガス浄化に関連する物理量」は、同第2触媒内を通過する排ガス中の特定成分の量に関する値(例えば、特定成分の濃度、又は特定成分の絶対量等)、又は、同第2触媒の酸素吸蔵量に関する値(例えば、第2触媒全体の酸素吸蔵量、又は同第2触媒の上流側部分の酸素吸蔵量等)である。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O2等のことを云う。
【0011】
また、前記推定された排ガス浄化に関連する物理量が所定の値となるように前記第2触媒に流入する排ガスの空燃比を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する手段であってもよく、或いは、同機関に吸入される混合気の空燃比の制御を行うとともに、第2触媒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第2触媒に流入する排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、第1触媒に流入する排ガスの空燃比を制御することができ、その結果、第2触媒に流入する排ガスの空燃比を制御することもできる。
【0012】
これによれば、第2触媒の内部における排ガス浄化に関連する物理量が、少なくとも前記第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力を用いた演算により推定され、この推定された排ガス浄化に関連する物理量が所定の値となるように前記第2触媒に流入する排ガスの空燃比が制御される。従って、本排気浄化装置は、第2触媒下流に設けられたO2センサの出力変化よりも早い時点で同第2触媒の排ガス浄化に関する状態についての情報を取得できるので、同第2触媒に流入する排ガスの空燃比を適切に制御することができる。この結果、本排気浄化装置は、第2触媒を排気浄化の観点から見てより好適な状態(例えば、第2触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の半分程度である状態、或いは、第2触媒の排ガスの流出口位置又は同流出口よりも上流位置において排ガスの特定成分が「0」となっている状態等)に維持し得るので、有害成分の排出量を一層低減することができる。
【0013】
この場合、前記排ガス浄化関連物理量推定手段は、前記第2触媒を前記排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに仮想的に分割したときの最下流に位置するブロックよりも上流に位置する中間ブロックから流出する同排ガス中の特定成分の量に関する値を前記排ガス浄化に関連する物理量として推定するように構成されることが好適である。
【0014】
これによれば、例えば、前記所定の値を「0」又は「0」近傍の値(範囲)としておくことにより、排ガス中の特定成分を第2触媒の中間ブロックまでで略「0」とすることができる。従って、空燃比フィードバック制御の不可避的な制御遅れにより前記中間ブロックから前記特定成分が流出した場合でも、その流出量は微量であるから、同中間ブロックより下流側に位置するブロックによりこれを浄化することができるので、第2触媒から流出する特定成分の排出量をより低減し得る。換言すると、前記中間ブロックよりも下流側のブロックを予備的な触媒として機能させることが可能となる。
【0015】
また、前記排ガス浄化関連物理量推定手段は、前記第2触媒を前記排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに仮想的に分割したときの最下流に位置するブロックよりも上流に位置する単数又は複数のブロックからなる同第2触媒の部分の酸素吸蔵量を前記排ガス浄化に関連する物理量として推定するように構成されることが好適である。この場合、前記単数又は複数のブロックとは、第2触媒の最上流に位置するブロックから、最下流に位置するブロックよりも上流に位置する中間ブロックまでの総べてのブロックにより構成される同第2触媒の(上流側)部分、同中間ブロック及び同中間ブロックよりも上流のブロックの一部から構成される同第2触媒の部分、又は、同中間ブロック自身で構成される同第2触媒の部分であってもよい。
【0016】
これによれば、前記第2触媒の最下流に位置するブロックよりも上流に位置する単数又は複数のブロックからなる同第2触媒の部分の酸素吸蔵量を所定の量とすることができる。従って、例えば、前記第2触媒の部分を第2触媒の最上流に位置するブロックから、最下流に位置するブロックよりも上流に位置する中間ブロックまでの総べて(又は大部分)のブロックにより構成される同第2触媒の上流側部分として設定し、前記所定の量を、第2触媒の最大酸素吸蔵量CmaxUFの半分の量(CmaxUF/2)を同第2触媒の全体の容量Vallと中間ブロックまでの容量Vpartで比例配分した量(CmaxUF・Vpart)/(2・Vall)としておけば、同第2触媒は酸素吸蔵機能による浄化作用を有している状態に維持され得るので、空燃比が理論空燃比から相当に乖離した排ガスが流入した場合であっても、同排ガスを浄化することができる。また、空燃比フィードバック制御遅れにより、中間ブロックまでで排ガスを浄化できない場合(つまり、中間ブロックまでの酸素吸蔵量が「0」又は最大酸素吸蔵量に到達した場合)であっても、少なくとも同中間ブロックよりも下流に位置するブロックを排ガス浄化のための予備的な触媒として使用できるので、有害排気成分の排出量を低減できる可能性が高くなる。
【0017】
また、このような排気浄化装置にあっては、前記排ガス浄化関連物理量推定手段が、前記第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力が現時点から所定時間だけ同現時点の出力を継続すると仮定して前記排ガス浄化に関連する物理量を推定するように構成されることが好適である。
【0018】
これによれば、現時点より時間的に先の(将来の)第2触媒の状態を予測し、その予測された状態が好ましくなければ、現時点から同第2触媒に流入する空燃比を変更できるので、空燃比のフィードバック制御遅れに関わらず、同第2触媒の状態を良好な状態に維持することが可能となる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明による触媒劣化判定方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る排気浄化装置(空燃比制御装置)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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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、及び、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を備えている。
【0023】
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)された上流側の第1触媒(上流側三元触媒、又はスタート・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(下流側三元触媒、又は、車両のフロア下方に配設されるため、アンダ・フロア・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。
【0024】
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66(このセンサは、「第1触媒53よりも下流の前記排気通路に配設されるとともに同配設部位における同排気通路内の排ガスの特性に応じた値である空燃比を出力する第1触媒下流排ガス特性検出センサ」であり、以下、「第1触媒下流空燃比センサ66」と称呼する。)、第2触媒54の下流の排気通路に配設された空燃比センサ67(以下、「第2触媒下流空燃比センサ67」と称呼する。)、及びアクセル開度センサ68を備えている。
【0025】
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AFM(=Ga)に応じた電圧を出力するようになっている。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。
【0026】
第1触媒下流空燃比センサ66は、図2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2から明らかなように、第1触媒下流空燃比センサ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。第2触媒下流空燃比センサ67は、図3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、第2触媒下流空燃比センサ67は、第2触媒54から流出する排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略0.1(V)、同排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略0.9(V)、及び同排ガスの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。
【0027】
更に、このシステムは電気制御装置70を備えている。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)、及び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、並びに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、及びスロットル弁アクチュエータ43aに駆動信号を送出するようになっている。
【0028】
(第1実施形態の空燃比制御)
次に、上記排気浄化装置の空燃比制御について説明する。図4は、かかる空燃比制御におけるタイムチャートであり、(A)は機関10に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒上流の排ガスの空燃比)を示し、(B)は後述する触媒モデルにより算出される第2触媒54のi番目のブロック(i番目の特定領域、以下、「ブロックi」とも称呼する。)から流出する酸素濃度CgoutUF,O2<i>を示している。
【0029】
ここで第2触媒54のブロックiから流出する酸素濃度CgoutUFO2<i>について簡単に説明する。後述する触媒モデルにおいては、図5に示したように、円筒形の触媒を同円筒形の軸線に直交する平面にて同触媒の上流から等間隔で仮想的に分割して複数の概念上のブロックを形成する。そして、触媒モデルは、各ブロック毎に所定の計算を行い、同各ブロックから流出する特定成分(例えば、酸素、一酸化炭素、炭化水素等、窒素酸化物等)の濃度Cgoutを求める。各ブロックは、触媒の最上流(排ガスが流入する側)から順に、1番目のブロック、2番目のブロック、…n番目のブロックと定められている。
【0030】
また、本実施形態の触媒モデルは、第1触媒53をr個(rは2以上の整数)、第2触媒54をm個(mは2以上の整数)のブロックにそれぞれ分割して各種演算を行う。本明細書においては、特定成分をXとするとともに、着目しているブロックをk番目のブロック(ブロックk)とすると、第1触媒53のブロックkから流出する排ガス中の特定成分X(Xは、酸素の場合O2、一酸化炭素の場合CO、炭化水素の場合HC、窒素酸化物の場合NO)の濃度はCgoutSC,X<k>、第2触媒54のk番目のブロックから流出する排ガス中の特定成分Xの濃度はCgoutUF,X<k>と表記する。
【0031】
以上から明らかなように、上記酸素濃度CgoutUF,O2<i>は、第2触媒54のブロックiから流出する排ガス中の酸素濃度を表す。また、値「i」は「1」より大きく「m」より小さい整数に定められている(1<i<m)。従って、上記酸素濃度CgoutUF,O2<i>は、「第2触媒54を同第2触媒54に流入した排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに仮想的分割したときの最下流に位置するブロック(ブロックm)よりも上流に位置する中間ブロック(ブロックi)から流出する同排ガス中の特定成分(酸素)の量に関する値(酸素濃度)」ということになる。また、酸素濃度CgoutUF,O2<i>が正の値であるときは酸素が過剰であってブロックiからNOxが流出している状態であることを意味し、負の値であるときは酸素が不足して同ブロックiから未燃CO,HCが流出している状態であることを意味する。
【0032】
再び、図4を参照すると、本排気浄化装置は、触媒モデルにより上記酸素濃度CgoutUF,O2<i>を求め、同酸素濃度CgoutUF,O2<i>を「0」付近に維持するように機関10に供給される混合気の空燃比を制御する。より具体的に述べると、本排気浄化装置は、Cgout,O2<i>が負の閾値Crefmnsより小さくなったとき、第2触媒54のブロックiから未燃成分が多く流出し始めたことを意味するので、機関10に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりも所定値α1だけリーンに設定する(時刻t1,t3を参照。)。これに対し、CgoutUF,O2<i>が正の閾値Crefplsより大きくなったとき、第2触媒54のブロックiから酸素(従って、NOx)が多く流出し始めたことを意味するので、機関10に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりも所定値α2だけリッチに設定する(時刻t2を参照。)。なお、所定値α1と所定値α2とは異なる値でもよく、等しい値であってもよい。以下、α1とα2は互いに等しく、値αであるとして説明する。
【0033】
(触媒モデル)
次に、本排気浄化装置が採用する触媒モデル(推定モデル)について説明する。なお、触媒モデルを構築するにあたり、第1触媒53と第2触媒54とは、同様な構成及び機能を備えているので、以下、第2触媒54を例にとって説明する。
【0034】
第2触媒54は、図6に外観を示したように、断面が楕円形(断面積がdA一定)の柱状のモノリス触媒コンバータと称呼される三元触媒であり、軸に直交する平面で同第2触媒54を切断した拡大断面図である図7に示したように、セラミックの一種であるコージェライトからなる担体54aにより、その内部が軸方向に延在する軸線方向空間に細分されている。各軸線方向空間は、軸線に垂直な平面で切断すると略正方形状を有していて、セルとも称呼される。担体54aは、アルミナのコート層54bによりコーティングされていて、同コート層54bは白金(Pt)等の貴金属からなる活性成分(触媒成分)及びセリア(CeO2)等の成分を担持している。
【0035】
かかる第2触媒54は、白金等の貴金属を担持しているから、同第2触媒54に流入する排ガスの空燃比が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)を還元する触媒機能を有する。また、第2触媒54は、上記セリア等の成分を担持することにより、同第2触媒54に流入する排ガス中の酸素分子を吸蔵(貯蔵,吸着)及び放出する上述の酸素吸蔵機能を有していて、この酸素吸蔵機能により、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。
【0036】
従って、第2触媒54がが酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵していると(換言すれば、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達していると)、同第2触媒54に流入する排ガスの排気空燃比がリーンとなったときに酸素を吸蔵することができないので、排ガス中のNOxを充分に浄化できなくなる。一方、第2触媒54が酸素を放出しきっていて酸素を全く吸蔵していなければ(換言すれば、酸素吸蔵量が「0」になっていると)、同第2触媒54に流入する排ガスの排気空燃比がリッチとなったときに酸素を放出することができないので、排ガス中のHCやCOを充分に浄化できなくなる。
【0037】
このため、第2触媒54を有効に機能させるためには、同第2触媒54の酸素吸蔵量OSAUFを時間遅れなく推定するとともに、同酸素吸蔵量OSAUFを所定の値に維持するように同第2触媒54に流入する排ガスの空燃比を制御しておくことが望ましい。
【0038】
また、第2触媒54に流入する排ガスの空燃比を変更することにより、同第2触媒の酸素吸蔵量を制御するフィードバック制御には制御遅れが不可避である。このため、第2触媒54の全体の酸素吸蔵量を所定の値に制御しようとしても、同第2触媒54の酸素吸蔵量が「0」又は最大酸素吸蔵量に到達する恐れがある。これに対し、第2触媒54の最上流位置から任意の位置まで(最上流のブロック1から中間ブロックiまでのブロックからなる触媒)の酸素吸蔵量の合計量を推定し、同推定値が所定の値となるように空燃比制御を行えば、第2触媒54全体の酸素吸蔵量が「0」または最大酸素吸蔵量に到達することが回避し易くなり、エミッションを確実に低減できる。換言すると、中間ブロックより下流側のブロックを排ガス浄化のための予備的な触媒(バッファ)として用いることができる。
【0039】
また、第2触媒54から流出する排ガス(又は第2触媒54の一部又は全部により浄化された排ガス)に含まれる特定の排ガス成分の濃度を時間遅れなく推定できれば、同排ガス成分に着目した空燃比制御を行うことで、同排ガス成分の排出を高精度に抑制することができる。更に、第2触媒54の最下流位置よりも上流位置のブロック(中間ブロック)から流出する特定の排ガス成分の濃度を推定し、同推定した濃度を所定の値(例えば、「0」又は「0」近傍の所定の範囲)に維持するように空燃比を制御すれば、同空燃比の制御に不可避的な制御遅れが存在していても、同特定成分を確実に低減できる。換言すると、この場合においても、中間ブロックより下流側のブロックを予備的な触媒(バッファ)として用いることができる。
【0040】
以上の要求から、本空燃比制御装置は、触媒モデルを使用することにより、特定排ガス成分の濃度(排出量)及び酸素吸蔵量を推定する。これらの推定値は、触媒の全部又は特定の領域から下流に向けて流出する排ガスの状態を示す少なくとも一つの代表値と称呼することもでき、「触媒の内部における排ガス浄化に関連する物理量」と称呼することもできる。
。
【0041】
以下、触媒モデルの具体的構成・内容について説明する。この触媒モデルは、第1触媒53及び第2触媒54の何れにも適用されるものであるが、以下、説明の便宜上、第2触媒54に対する触媒モデルについて説明する。
【0042】
先ず、触媒モデルにおいては、前述したように、第2触媒54を排ガスの入口(流入側、最上流側)Frから出口(流出側、最下流側)Rrに向う軸線に直交する面により複数の領域であるブロックに分割する(図5を参照)。即ち、第2触媒54を排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに仮想的に分割する。分割された各ブロックの軸線方向の長さはL(微小の長さでありdxとも書く。)である。なお、第2触媒54の軸方向に直交する平面で切断した断面の面積をdAとする。
【0043】
次に、任意のブロック(以下、「特定領域」と称呼する。)に注目し、同特定領域を通過する特定の化学種(特定成分)の物質の収支を考える。化学種は、排ガス中に含まれる成分であり、例えば、酸素O2、一酸化炭素CO、炭化水素HC、及び窒素酸化物NOxである。なお、化学種は、触媒に流入する排ガスの空燃比がリッチのときに同排ガス中に含まれる成分を総合したもの(リッチ成分)、或いは、触媒に流入する排ガスの空燃比がリーンのときに同排ガス中に含まれる成分を総合したもの(リーン成分)とすることもできる。触媒モデルにおいては、下記表1のように、種々の値が定義される。
【0044】
【表1】
【0045】
いま、時刻t〜t+Δtの所与の期間における特定領域での化学種の収支を考えると、図8に示したように、特定領域の排ガス相(単に、「ガス相」とも称呼する。)における化学種の変化量ΔMは、下記の(1)式に示したとおり、同特定領域に流入した同化学種の量Minから、同特定領域から流出した同化学種の量Moutと同特定領域のコート層に奪われた同化学種の量Mcoatとを減算した量と等しい。このように、触媒モデルは各特定領域における特定成分の物質収支に基づいて構築される。
【0046】
【数1】
【0047】
以下、(1)式の各項について個別に検討する。先ず、(1)式の左辺にある化学種の変化量ΔMは、下記(2)式により求めることができる。(2)式は、上記所与の期間における化学種の濃度変化量(化学種の濃度Cgの時間変化量を所与の期間に渡り積分した量)に微小体積σ・dA・dxを乗じた値を着目しているブロック(特定領域)の全体に渡って軸方向に積分したものである。
【0048】
【数2】
【0049】
(1)式の右辺第1項のMinは、単位時間あたりに特定領域に流入する排ガスの体積に相当する値である「特定領域に流入する排ガスの流速vginと同特定領域の断面積dAの積vgin・dA(実際には、断面積dAで開口率σの触媒内に流速vginの排ガスが流れ込むので、触媒内部での排ガスの流速はvgin/σとなり、この実際の流速vgin/σと触媒の実質的な断面積σ・dAの積)」に同流入する排ガス中の化学種の濃度Cginを乗じた値Cgin・vgin・dAを所与の期間に渡り積分した値である。また、(1)式の右辺第2項のMoutは、特定領域から流出する排ガスの流速vgoutと同特定領域の断面積dAの積vgout・dA(実際には、排ガスの流速vgout/σと実質的な断面積σ・dAの積)に同流出する排ガス中の前記化学種の濃度Cgoutを乗じた値Cgout・vgout・dAを所与の期間に渡り積分した値である。即ち、上記(1)式の右辺第1項及び第2項は下記(3)式のように記述することができる。
【0050】
【数3】
【0051】
ところで、特定領域に流入する排ガスの流速vginと同特定領域から流出する排ガスの流速vgoutとの間に大きな差異はないので、vg=vgin=vgoutとおくと、(3)式は、下記(4)式のように変形される。
【0052】
【数4】
【0053】
次に、(1)式の右辺第3項のコート層に伝達される(移動する)化学種の量Mcoatについて検討する。幾何学的表面積Sgeoは触媒の単位体積あたりの化学種の反応に寄与する表面積であるから、特定領域において化学種の反応に寄与する表面積はSgeo・dA・dxであり、同特定領域の単位長あたりに同反応に寄与する面積はSgeo・dAとなる。また、コート層に伝達される化学種の量は、フィックの法則から、排ガス相の化学種の濃度Cgとコート層の化学種の濃度Cwとの差に比例すると考えることができる。これらから、下記の(5)式が得られる。なお、hDは比例定数であるが、上記の表1に示したように、物質伝達率と称呼される値である。
【0054】
【数5】
【0055】
従って、上記(1),(2),(4)式、及び(5)式から、以下の(6)式が得られる。
【0056】
【数6】
【0057】
この(6)式に準定常(quasi state)近似を適用すると、(6)式の左辺は「0」(∂Cg/∂t=0)であると考えることができるから(即ち、濃度Cgは瞬間的に定常値に至ると考えられるから)、下記の(7)式が得られる。
【0058】
【数7】
【0059】
ここで、見かけの拡散速度(実質的な拡散速度)RDを(8)式のようにおけば、(7)式は(9)式に書き直される。
【0060】
【数8】
【0061】
【数9】
【0062】
次に、特定領域のコート層における化学種の収支(特定成分の物質収支)を上記と同様に考えると、下記(10)式に示したように、コート層内における化学種の時間的変化量(単位時間あたりの変化量)ΔMcは、単位時間あたりに排ガス相からコート層へ伝達される同化学種の量Mdから、同単位時間あたりにコート層にて反応により消費される同化学種の量Mrを減じた量である。
【0063】
【数10】
【0064】
(10)式の左辺(コート層内における化学種の時間的変化量)ΔMcは、下記(11)式に示したように、化学種の濃度変化(∂Cw/∂t)に体積((1−σ)・dA・dx)を乗じることにより求められ、右辺第1項(単位時間あたりに排ガス相からコート層へ伝達される化学種の量Md)は(5)式で説明した理由と同じ理由により、即ち、フィックの法則から考えると、下記(12)式のように記述することができる。
【0065】
【数11】
【0066】
【数12】
【0067】
また、(10)式の右辺第2項(単位時間あたりにコート層にて反応により消費される化学種の量Mr)は、コート層での化学種の消費速度Rを用いた下記(13)式により求められる。
【0068】
【数13】
【0069】
従って、(10)〜(13)式から、下記の(14)式が得られる。
【0070】
【数14】
【0071】
この(14)式に準定常(quasi state)近似を適用すると(∂Cw/∂t=0)、下記の(15)式が得られる。
【0072】
【数15】
【0073】
ここで、(15)式に(8)式を適用すれば、下記の(16)式が得られる。
【0074】
【数16】
【0075】
以上を要約すると、(9)式及び(16)式が触媒モデルの基本式である。(9)式は、ある化学種の「特定領域への流入量」と「排ガス相からコート層への拡散量+特定領域からの流出量」とが釣り合っていることを示し、(16)式は、同化学種の「排ガス相からコート層への拡散量」と「コート層での消費量」とが釣り合っていることを示している。
【0076】
次に、かかる触媒モデルを使用して特定領域から流出する特定の化学種iの濃度Cgoutを実際に算出するための方法について説明する。先ず、(9)式を離散化すると、下記(17)式が得られる。なお、以下においては上記dxをLとして表す。
【0077】
【数17】
【0078】
ここで、図9に概念的に示したように、特定領域Iから流出する化学種の濃度Cgoutは同特定領域Iの化学種の濃度Cg(I)の影響を強く受けると考えられるので、下記の(18)式のように置くことができる。かかる考え方は「風上法」と称呼される。換言すると、風上法とは、「特定領域Iに隣接する上流側の領域(I−1)における濃度Cg(I-1)の化学種が、特定領域Iに流入する。」という考え方であり、下記(19)式のように記述することもできる。
【0079】
【数18】
【0080】
【数19】
【0081】
ところで、反応速度論に基けば、ある化学種の消費速度Rは、その化学種のコート層の平均濃度Cwの関数fcw(例えば、Cwのn乗に比例する関数)となるので、この関数fcwを最も簡便となるようにCwに比例すると設定すれば、消費速度Rは(20)式にて示したように置くことができる。なお、以下において、(20)式中のR*を便宜上「消費速度定数」と称呼する。
【0082】
【数20】
【0083】
この(20)式を上記(16)式(R=RD・(Cg-Cw)…(16))に適用すると下記(21)式が得られ、同(21)式を変形することにより下記(22)式が得られる。
【0084】
【数21】
【0085】
【数22】
【0086】
また、上述した風上法によれば、Cg=Cgoutであるから、(22)式は下記(23)式に書き換えられる。
【0087】
【数23】
【0088】
そして、Cg=Cgoutなる関係を上記(17)式に適用してCgを消去するとともに、同(17)式と上記(23)式とからCwを消去すると、下記(24)式が得られる。
【0089】
【数24】
【0090】
そこで、値SPを下記(25)式のようにおけば、(24)式は(26)式のように書き直すことができる。値SPは、見かけの拡散速度RDと消費速度定数R*のうちの小さい方の値に強い影響を受ける値であるから、Cgoutの変化が物質の伝達(RD)又は化学的反応(R*)の何れにより律速されているかを示す値となっており、従って、「反応律速因子」と呼ぶこともできる。
【0091】
【数25】
【0092】
【数26】
【0093】
以上のことから、消費速度定数R*と見かけの拡散速度RDとを決定できれば、特定領域に流入する化学種濃度Cginを与えることにより、(25)式と(26)式とに基づいて同特定領域から流出する化学種の濃度Cgoutを求めることができる。また、これにより、次の特定領域に流入する化学種濃度Cginが定まるので、同次の特定領域の化学種の濃度Cgoutを算出することが可能となる。以上が、化学種の濃度Cgoutを算出する触媒モデルの基本的考え方である。
【0094】
次に、上記消費速度定数R*と見かけの拡散速度RDを決定するとともに、特定領域から流出する化学種濃度Cgoutを求める際のより具体的な方法の一例について説明する。この例(触媒モデル)では、触媒での酸化・還元反応である三元反応は瞬時に且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・放出反応に着目することとする。なお、この仮定(触媒モデル)は、現実的であり且つ精度の良いものである。
【0095】
この場合、着目する化学種iは、例えば、酸素O2や窒素酸化物の一つである一酸化窒素NOのように酸素を生成する(酸素をもたらす)化学種(ストレージ・エージェント)、及び、一酸化炭素COや炭化水素HCのように酸素を消費する化学種(リダクション・エージェント)から選ばれた化学種である。
【0096】
また、以下において、ストレージ・エージェントの化学種i(この場合、化学種iはO2又はNO)のCgoutをCgout,stor,i、同化学種iのCwをCw,stor,i、同化学種iのCginをCgin,stor,i、同化学種iの見かけの拡散速度RDをRD,i、同化学種iの消費速度をRstor,i、同化学種iの消費速度定数をR*stor,i、及び同化学種iの反応律速因子SPstor,iと表す。
【0097】
同様に、リダクション・エージェントの化学種i(この場合、化学種iはCO又はHC等)のCgoutをCgout,reduc,i、同化学種iのCwをCw,reduc,i、同化学種iのCginをCgin,reduc,i、同化学種iの見かけの拡散速度RDをRD,i、同化学種iの消費速度をRreduc,i、同化学種iの消費速度定数をR*reduc,i、及び同化学種iの反応律速因子SPreduc,iと表す。このように各値を表すと、上記(20),(23),(25),(26)式から以下の(27)〜(34)式が得られる。
【0098】
【数27】
【0099】
【数28】
【0100】
【数29】
【0101】
【数30】
【0102】
【数31】
【0103】
【数32】
【0104】
【数33】
【0105】
【数34】
【0106】
これらの式に基づいて、Cgout,sotr,i(具体的には、特定領域から流出する酸素の濃度Cgout,O2、特定領域から流出する一酸化窒素の濃度Cgout,NO)及びCgout,reduc,i(具体的には、特定領域から流出する一酸化炭素の濃度Cgout,CO、特定領域から流出する炭化水素の濃度Cgout,HC)を求めるため、先ず、消費速度定数R*stor,i及び消費速度定数R*reduc,iを求める。
【0107】
ところで、反応速度論によれば、特定領域のコート層で酸素が吸蔵される速度(酸素の吸蔵速度)である酸素の消費速度Rstor,iは、同コート層のストレージ・エージェント(O2、NOx等)の濃度Cw,stor,i(例えば、Cw,O2、Cw,NO)の関数f1(Cw,stor,i)の値に比例するとともに、特定領域のコート層の最大酸素吸蔵密度と実際の酸素吸蔵密度との差(Ostmax-Ost)の関数f2(Ostmax-Ost)の値とに比例すると考えられる。この最大酸素吸蔵密度と酸素吸蔵密度との差(Ostmax-Ost)は、着目している特定領域における酸素吸蔵余裕量を表す。
【0108】
そこで、簡単のために関数f1(x)=f2(x)=xとすると、下記の(35)式が得られる。下記(35)式のkstor,iは酸素吸蔵速度係数(吸蔵側反応速度係数,ストレージ・エージェントの消費速度係数)であって、よく知られたアレニウスの式で表される温度に依存して変化する係数であり、別途検出又は推定される触媒温度Tempと所定の関数(酸素吸蔵速度係数kstor,iと触媒温度Tempとの間の関係を規定したマップでも良い。)とに基づいて求めることができる。なお、酸素吸蔵速度係数kstor,iは、触媒劣化程度に応じても変化するので、同触媒劣化程度に応じて求めてもよい。
【0109】
【数35】
【0110】
従って、(27)式と(35)式とから、消費速度定数R*stor,iは下記(36)式により求めることができる。
【0111】
【数36】
【0112】
また、酸素の吸蔵(吸着)と放出のみに着目しているこの触媒モデルにおいては、還元剤であるリダクション・エージェントはコート層に吸蔵されている酸素の放出のみに使用されるから、同リダクション・エージェントの消費速度Rredcu,iはコート層に吸蔵されている酸素が放出される速度(酸素の放出速度)Rrel,iと等しい。
【0113】
そこで、酸素の放出速度Rrel,iについて検討すると、同放出速度Rrel,iは、酸素の吸蔵速度Rstor,iと同様に反応速度論に基き、同コート層において酸素を消費する化学種(例えば、CO,HC)の濃度Cw,reduc,i(例えば、Cw,CO、Cw,HC)の関数g1(Cw,reduc,i)の値に比例するとともに、酸素吸蔵密度Ostの関数g2(Ost)の値とに比例すると考えられる。
【0114】
そこで、簡単のために関数g1(x)=g2(x)=xとすると、下記の(37)式が得られる。下記(37)式のkrel,iは酸素放出速度係数(吸脱側反応速度係数)であって、酸素吸蔵速度係数kstor,iと同様にアレニウスの式で表される温度に依存して変化する係数であり、別途検出又は推定される触媒温度Tempに基づいて所定の関数(酸素放出速度係数krel,iと触媒温度Tempとの間の関係を規定したマップでも良い。)に基づいて求めることができる。なお、酸素放出速度係数krel,iは、触媒劣化程度に応じても変化するので、同触媒劣化程度に応じて求めてもよい。
【0115】
【数37】
【0116】
この結果、上述したようにリダクション・エージェントの消費速度Rredcu,iはコート層の酸素の放出速度Rrel,iと等しいから、消費速度定数R*reduc,iは(31)式と(37)式とを比較することにより得られる下記(38)式に基づいて求めることができる。
【0117】
【数38】
【0118】
以上のことから、酸素吸蔵密度Ostが求められれば(酸素吸蔵密度Ostの求め方については、後述する。)、(36)式から消費速度定数R*stor,i(例えば、R*O2)を求めることができる。一方、見かけの拡散速度RD,i(例えば、RD,O2)は(8)式のようにSgeo・hD,iであるから、温度と流量の関数(触媒の温度と同触媒を通過する排ガスの流量の関数)として実験的に求めておくことができる。この結果、(29)式からSPstor,i(例えば、SPstor,O2)が決定されるので、境界条件としてCgin,stor,i(例えば、Cgin,O2)が与えられるとき、(30)式からCgout,stor,i(例えば、Cout,O2)が求められる。そして、新たなCw,stor,i(例えば、Cw,O2)が(28)式により求められる。
【0119】
同様に、酸素吸蔵密度Ostが求められれば、(38)式から消費速度定数R*reduc,i(例えば、R*reduc,CO)を求めることができる。一方、見かけの拡散速度RD,i(例えば、RD,CO)は(8)式のようにSgeo・hD,iであるから、温度と流量の関数(触媒の温度と同触媒を通過する排ガスの流量の関数)として実験的に求めておくことができる。この結果、(33)式からSPreduc,i(例えば、SPreduc,CO)が決定されるので、境界条件としてCgin,reduc,i(例えば、Cgin,CO)が与えられるとき、(34)式からCgout,reduc,i(例えば、Cgout,CO)が求められる。そして、新たなCw,reudc,i(例えば、Cw,CO)が(32)式により求められる。
【0120】
次に、Cgout,stor,i、Cgout,reduc,iを求めるために必要となる酸素吸蔵密度Ostの求め方について説明する。
【0121】
先ず、コート層での化学種としての酸素の収支について着目すると、同収支はコート層での酸素の吸蔵分と酸素の放出分の差であるから、下記(39)式により記述される。(39)式でdA・Lは特定領域の体積dVである。
【0122】
【数39】
【0123】
この(39)式を変形すると、下記(40)式が得られる。
【0124】
【数40】
【0125】
この(40)式を、(35)式と(37)式とを用いながら離散化すると、下記の(41)式が得られる。
【0126】
【数41】
【0127】
この(41)式を変形すると、下記(42)式〜(44)式が得られ、これらから酸素吸蔵密度Ostを求めること(更新して行くこと)ができる。
【0128】
【数42】
【0129】
【数43】
【0130】
【数44】
【0131】
このように、式(42)〜(44)式から酸素吸蔵密度Ostが求められるので、上述したようにCgout,stor,i、Cgout,reduc,iを求めることができる。また、酸素吸蔵密度Ostが求められるから、下記(45)式に基づいて特定領域の酸素吸蔵量OSAを求めることができる。
【数45】
【0132】
従って、触媒に流入する化学種濃度Cgin,iが境界条件として与えられたとき、触媒上流のブロック(特定領域)から、順次、(45)式を用いて各ブロックの酸素吸蔵量OSAを求めることができ、これにより、触媒内部の酸素吸蔵量の分布が精度良く推定される。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSA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についても精度良く推定することができる。以上が、本排気浄化装置が使用する触媒モデルであり、同排気浄化装置は係る触媒モデルにより推定される第2触媒54のブロックiから流出する酸素の濃度CgoutUF,O2<i>を用いて空燃比制御を行う。
【0133】
(実際の作動)
次に、上記排気浄化装置の実際の作動について、CPU71が実行するルーチンを示したフローチャートを参照しながら説明する。なお、本排気浄化装置の触媒モデルは、酸素をストレージエージェントとして考慮し、一酸化炭素及び炭化水素をリダクションエージェントとして考慮している。これに対し、更に、窒素酸化物をストレージエージェントとして考慮してもよいし、一酸化炭素のみでリダクションエージェントを代表させてもよい。
【0134】
CPU71は、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、図10に示したルーチンを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1000から処理を開始してステップ1005に進み、エアフローメータ61により計測された吸入空気量AFMと、エンジン回転速度NEとに基いて、機関に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするための基本燃料噴射量Fbaseをマップから求める。
【0135】
次いで、CPU71はステップ1010に進み、基本燃料噴射量Fbase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として設定するとともに、続くステップ1015にて同最終燃料噴射量Fiの燃料を噴射するための指示をインジェクタ39に対して行い、ステップ1095に進んで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。
【0136】
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11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1100から処理を開始し、ステップ1105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)が所定値以下であり、第1触媒下流空燃比センサ66が正常であるときに成立する。
【0137】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立し、且つ、後述する第2触媒54のブロックiから流出する酸素濃度CgoutUF,O2<i>が正の閾値Crefplsより小さい状態から大きい状態へと変化したとして説明を続ける。この場合、CPU71はステップ1105にて「Yes」と判定してステップ1110に進み、CgoutUF,O2<i>が正の閾値Crefplsより大きいか否かを判定する。前述の仮定に従えば、CgoutUF,O2<i>は正の閾値Crefplsより大きいので、CPU71はステップ1110にて「Yes」と判定してステップ1115に進み、同ステップ1115にて本ルーチンを前回実行したときの(前回の)CgoutUF,O2<i>が閾値Crefplsより小さいか否かを判定する。前述の仮定に従えば、前回のCgoutUF,O2<i>は正の閾値Crefplsより小さいので、CPU71はステップ1115にて「Yes」と判定してステップ1120に進み、同ステップ1120にて空燃比フィードバック補正量DFiに正の値βを設定し、ステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0138】
このように、本排気浄化装置は、酸素濃度CgoutUF,O2<i>が正の閾値Crefplsより小さい状態から大きい状態へと変化したとき、空燃比フィードバック補正量DFiを正の値βとし、これにより、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入する空燃比)を理論空燃比よりもリッチ(理論空燃比−α=理論空燃比−α2)とする。この結果、第2触媒54にもリッチな空燃比の排ガスが流入するようになり、図4の時刻t2〜t3に示したように、酸素濃度CgoutUF,O2<i>が略「0」に維持されるようになる。
【0139】
なお、今回及び前回の酸素濃度CgoutUF,O2<i>が正の閾値Crefplsより大きいとき、CPU71はステップ1110にて「Yes」、ステップ1115にて「No」と判定し、そのままステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、空燃比フィードバック補正量DFiは正の値βに維持され、機関に供給される混合気の空燃比も理論空燃比よりリッチな空燃比(理論空燃比−α)に維持される。
【0140】
一方、空燃比フィードバック制御条件が成立し、且つ、第2触媒54のブロックiから流出する酸素濃度CgoutUF,O2<i>が負の閾値Crefmnsより大きい状態から小さい状態へと変化したとして説明を続ける。この場合、CPU71はステップ1105にて「Yes」、ステップ1110にて「No」と判定してステップ1125に進み、CgoutUF,O2<i>が負の閾値Crefmnsより小さいか否かを判定する。前述の仮定に従えば、CgoutUF,O2<i>は負の閾値Crefmnsより小さいので、CPU71はステップ1125にて「Yes」と判定してステップ1130に進み、同ステップ1130にて本ルーチンを前回実行したときの(前回の)CgoutUF,O2<i>が閾値Crefmnsより大きいか否かを判定する。前述の仮定に従えば、前回のCgoutUF,O2<i>は閾値Crefmnsより大きいので、CPU71はステップ1130にて「Yes」と判定してステップ1135に進み、同ステップ1135にて空燃比フィードバック補正量DFiに正の値βの符号をマイナスにした値(−β)を設定し、ステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0141】
このように、本排気浄化装置は、酸素濃度CgoutUF,O2<i>が負の閾値Crefmnsより大きい状態から小さい状態へと変化したとき、空燃比フィードバック補正量DFiを負の値−βとし、これにより、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入する空燃比)を理論空燃比よりもリーン(理論空燃比+α=理論空燃比+α1)とする。この結果、第2触媒54にもリーンな空燃比の排ガスが流入するようになり、図4の時刻t1〜t2及び時刻t3〜t4に示したように、酸素濃度CgoutUF,O2<i>が略「0」に維持されるようになる。
【0142】
なお、今回及び前回の酸素濃度CgoutUF,O2<i>が負の閾値Crefmnsより小さいとき、CPU71はステップ1110にて「No」、ステップ1125にて「Yes」、ステップ1130にて「No」と判定し、そのままステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、空燃比フィードバック補正量DFiは負の値−βに維持され、機関に供給される混合気の空燃比も理論空燃比よりリーンな空燃比(理論空燃比+α)に維持される。
【0143】
また、空燃比フィードバック制御条件が成立してなければ、CPU71はステップ1105にて「No」と判定してステップ1140に進み、同ステップ1140にて空燃比フィードバック補正量DFiに「0」を設定し、次いでステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。以上のように、空燃比フィードバック補正量DFiは、酸素濃度CgoutUF,O2<i>が正の閾値Crefplsと負の閾値Crefmnsとの間の所定値になるように決定される。
【0144】
次に、上記空燃比フィードバック補正量DFiの決定に使用する第2触媒54のCgoutUF,O2<i>を求めるとともに、第1触媒53から流出する酸素の濃度であるCgoutSC,O2<r>を求め、同酸素濃度CgoutSC,O2<r>と第1触媒下流空燃比センサ66の出力との比較結果に基づいて同第1触媒53及び同第2触媒54に対する各触媒モデルの修正を行うための実際の作動について説明する。
【0145】
CPU71は図12にフローチャートにより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1200から処理を開始し、ステップ1205に進んで第1触媒53用の酸素吸蔵速度係数kstorSC<j>,O2(k)、係数krelSC,CO(k)<j>、及び係数krelSC,HC(k)<j>を、第1触媒53の温度TempSCと同第1触媒53の劣化程度を表す劣化指標値REKKASCと図17に示したようなマップ(ルックアップテーブル)とから決定する。なお、例えば、kstorSC,O2(k)<j>のように、SCが付与されている値は第1触媒用の値であることを意味し、<j>が付与されている値はブロックj(j番目のブロック)に対する値であることを意味する(以下、同じ。)。
【0146】
上記触媒温度TempSC及び後述する第2触媒54の触媒温度TempUFは、機関10の運転状態(例えば、吸入空気量Gaとエンジン回転速度NE)に応じて推定される。上記第1触媒53の劣化指標値REKKASC及び第2触媒触媒54の劣化指標値REKKAUFは、第1触媒53の最大酸素吸蔵量CmaxSC及び第2触媒54の最大酸素吸蔵量CmaxUFに応じてそれぞれ求められる。例えば、劣化指標値REKKASCは最大酸素吸蔵量CmaxSCが減少するほと増大する値として、劣化指標値REKKAUFは最大酸素吸蔵量CmaxUFが減少するほと増大する値として求められる。
【0147】
また、最大酸素吸蔵量CmaxSC,CmaxUFは、次のようにして求められる。即ち、機関10が所定の定常運転状態にある場合に、第1触媒下流空燃比センサ66及び第2触媒下流空燃比センサ67が理論空燃比よりリーンな空燃比を検出しているとき、第1触媒53に流入する排ガスの空燃比(機関に供給される混合気の空燃比)を所定のリッチ空燃比に維持し、これにより第1触媒53及び第2触媒54のそれぞれに貯蔵されている酸素を総べて消費する。この結果、先ず、第1触媒下流空燃比センサ66が理論空燃比よりリーンな空燃比に対応する値から理論空燃比よりリッチな空燃比に対応する値を出力し、次いで、第2触媒下流空燃比センサ67が理論空燃比よりリーンな空燃比に対応する値から理論空燃比よりリッチな空燃比に対応する値を出力する。この時点を時点T10とする。
【0148】
次に、時点T10から第1触媒53に流入する排ガスの空燃比を所定のリーン空燃比に設定する。これにより、第1触媒53に酸素が吸蔵され始め、やがて最大酸素吸蔵量CmaxSCに到達する。このとき、第1触媒下流空燃比センサ66は理論空燃比よりリッチな空燃比に対応する値から理論空燃比よりリーンな空燃比に対応する値を出力する。この時点を時点T20とする。
【0149】
CPU71は、上記時点T10〜時点T20において、第1触媒53に流入する排ガス中に含まれる酸素の量を下記(46)式、及び(47)式に基づいて求める。(46)式における排ガスの空燃比AFは、エアフローメータ61が計測する単位時間あたりの吸入空気質量Gaを最終燃料噴射量Fiとエンジン回転速度NEとに基づいて求められる単位時間あたりの供給燃料質量Gfで除することにより求められる。下記(47)式により求められる積算値O2storageが最大酸素吸蔵量CmaxSCである。
【0150】
【数46】
【0151】
【数47】
【0152】
次に、時点T20以降も第1触媒53に流入する排ガスの空燃比を前記所定のリーン空燃比に維持する。これにより第1触媒53からリーン空燃比の排ガスが流出するので、同時点T20から第2触媒54に酸素が吸蔵され始め、所定時間が経過すると第2触媒54の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量CmaxUFに達する。この結果、第2触媒下流空燃比センサ67が理論空燃比よりリッチな空燃比に対応する値から理論空燃比よりリーンな空燃比に対応する値を出力する。この時点を時点T30とする。
【0153】
CPU71は、上記時点T20〜時点T30において、第1触媒53に流入する排ガス中に含まれる酸素の量を上記(46)式、及び(47)式に基づいて求める。なお、この場合、上記(47)式の積分区間はT20〜時点T30である。この(47)式により求められる積算値O2storageが最大酸素吸蔵量CmaxUFである。
【0154】
再び、図12を参照すると、CPU71は、ステップ1210に進んで第1触媒53の各特定成分のCgoutSCを算出するサブルーチンを実行する。このサブルーチンは図13〜図15のフローチャートにより示されていて、CPU71はこれらのルーチンを実行することで第1触媒53から流出する酸素濃度CgoutSC,O2<r>、一酸化炭素濃度CgoutSC,CO<r>、及び炭化水素濃度CgoutSC,HC<r>を算出する。なお、前述したように、触媒モデルは、第1触媒53をr個のブロックに分けて各特定成分を求めるようになっている。
【0155】
ここで、ステップ1210における具体的処理内容を説明すると、CPU71は同ステップ1210に進んだとき図13のステップ1300から処理を開始し、ステップ1305に進んで変数jの値を「0」に設定する。この変数jは、以下において何番目のブロックについての演算を行うのかを決定する変数である。次いで、CPU71は、ステップ1310にて変数jの値を「1」だけ増大するとともに、ステップ1315にて変数jの値がr+1と等しくなったか否か、即ち、総べてのブロックについて各特定成分の算出が終了したか否かを判定する。
【0156】
現段階での変数jの値は「1」であるから、CPU71はステップ1315にて「No」と判定してステップ1320に進み、前回の本ルーチンの演算時において後述するステップ1355にて算出されたj番目のブロック(ブロックj)のコート層の酸素濃度CwSC,O2(k+1)<j>を今回のコート層の酸素濃度CwSC,O2(k)<j>に設定し、続くステップ1325にて前回の本ルーチンの演算時において後述する図16のステップ1615にて算出された酸素吸蔵密度OstSC(k+1)<j>を今回の酸素吸蔵密度Ostの値OstSC(k)<j>に設定する。なお、今回の演算が機関10の始動後初めてである場合、上記各値には適当な初期値が与えられる。
【0157】
次いで、CPU71は、ステップ1330にて同ステップ1330内に記載した式(上記(36)式を参照。)に従って酸素の消費速度定数R*storSC,O2(k)<j>を求める。ステップ1330にて用いる最大酸素吸蔵密度OstSCmax<j>は、一定値としてもよいが、前記触媒劣化指標値REKKASC(又は、最大酸素吸蔵量CmaxSC)に応じて決定されることが望ましい(以下、同じ。)。その後、CPU71はステップ1335にて見かけの拡散速度RDSC,O2(k)<j>を触媒温度TempSCとマップMapRDSCO2とから決定する。
【0158】
続いて、CPU71はステップ1340にて酸素の反応律速因子SPstorSC,O2<j>を同ステップ1340内に記載した式(上記(29)式を参照。)により求め、ステップ1345にてブロックjよりも前の(即ち、上流の)ブロックj−1から流出する酸素濃度CgoutSC,O2(k)<j-1>をブロックjに流入する酸素濃度CginSC,O2(k)<j>として取り込む。
【0159】
この段階でjの値は「1」であるから、ブロックjは第1触媒53の最も上流のブロックであって、それより前の(上流の)ブロックj−1は存在しない。従って、ステップ1345における前のブロックのCgoutSC,O2(k)<j-1>は、同第1触媒53に流入する排ガスの酸素濃度CginSC,O2である。この第1触媒53に流入する排ガスの酸素濃度CginSC,O2(=Cgin,O2)は、同第1触媒53に流入する排ガスの空燃比と同排ガスの流量とに基く関数fO2により求められる。下記の(48)式の右辺は、この関数fO2の具体例である。(48)式で用いられる排ガスの空燃比AFは、エアフローメータ61が計測する単位時間あたりの吸入空気質量Gaを最終燃料噴射量Fiとエンジン回転速度NEとに基づいて求められる単位時間あたりの供給燃料質量Gfで除することにより求められる。
【0160】
【数48】
【0161】
上記(48)式の導出過程を簡単に述べると、第1触媒53に流入する排ガスの空燃比AFはGa/Gfであり、Gfに対して理論空燃比を得るために必要な空気質量をGastoichとすると、理論空燃比AFstoichはGastoich/Gfとなる。一方、供給燃料質量がGfであるときに空燃比がAFとなったとき、理論空燃比AFstoichを得るために必要な空気質量に対する過剰な空気質量はGa−Gastoichであるから、酸素の質量をMassO2とおくと、下記(49)式が得られ、この(49)式から上記(48)式が得られる。
【0162】
【数49】
【0163】
次に、CPU71はステップ1350に進み、同ステップ1350に記述した式(上記(30)式を参照。)に従ってCgoutSC,O2(k+1)<j>を求める。vgの値はエアフローメータ13が検出した吸入空気流量AFM(=Ga)とする。このように、ステップ1350では、対象としているブロックjから流出する酸素濃度CgoutSC,O2を新たに算出する。次いで、CPU71はステップ1355に進み、同ステップ1355に記述した式(上記(28)式を参照。)に従ってCwSC,O2(k+1)<j>を求める。即ち、CPU71は、ステップ1355にて対象としているブロックjのコート層の酸素濃度CwSC,O2を新たに算出し、ステップ1360を経由して図14に示したステップ1400に進む。このように、図13により示したルーチンは、第1触媒53のブロックj(特定領域j)における排ガス相の酸素濃度推定手段、及びコート層の酸素濃度推定手段を構成している。
【0164】
次に、CPU71はステップ1400からステップ1405に進んで、前回の本ルーチンの演算時において後述するステップ1435にて算出されたコート層の一酸化炭素CwSC,CO(k+1)<j>を今回のコート層の一酸化炭素濃度CwSC,CO<j>(k)に設定する。なお、今回の演算が機関10の始動後初めてである場合、上記CwSC,CO<j>(k)には適当な初期値が与えられる。
【0165】
次に、CPU71は、ステップ1410にて同ステップ1410内に記載した式(上記(38)式を参照。)に従って消費速度定数R*reducSC,CO(k)<j>を求め、その後、ステップ1415にて見かけの拡散速度RDSC,CO(k)<j>を触媒温度TempSCとマップMapRDSCCOとから決定する。
【0166】
続いて、CPU71はステップ1420にて一酸化炭素の反応律速因子SPreducSC,CO<j>を同ステップ1420内に記載した式(上記(33)式を参照。)により求め、ステップ1425にて、ブロックjよりも前の(即ち、上流の)ブロックj−1から流出する一酸化炭素濃度CgoutSC,CO(k)<j-1>を、ブロックjに流入する一酸化炭素濃度CginSC,CO(k)<j>として取り込む。
【0167】
この段階でjの値は「1」であるから、対象としているブロックjは第1触媒53の最も上流のブロックであって、それより上流のブロックj−1は存在しない。従って、ステップ1425における前のブロックのCgoutSC,CO(k)<j-1>は、同第1触媒53に流入する排ガスの一酸化炭素濃度CginSC,COである。この場合、第1触媒53に流入する排ガスの空燃比A/F(「Ga/Gf」として計算により求められる。)と一酸化炭素濃度CginSC,COとの関係は図18のグラフに示したようであるから、この関係を予め実験により求めてマップとして記憶しておき、計算により求められる実際の排ガスの空燃比A/Fと同マップとから一酸化炭素濃度CginSC,COを求める。
【0168】
次に、CPU71はステップ1430に進み、同ステップ1430に記述した式(上記(34)式を参照。)に従ってCgoutSC,CO(k+1)<j>を求める。即ち、ブロックjから流出する一酸化炭素濃度CgoutSC,COを新たに算出する。次いで、CPU71はステップ1435に進み、同ステップ1435に記述した式(上記(32)式を参照。)に従ってCwSC,CO(k+1)<j>を求める。即ち、CPU71は、ステップ1435にて対象としているブロックjのコート層の一酸化炭素濃度CwSC,COを新たに算出し、ステップ1495を経由して図15に示したステップ1500に進む。このように、図14により示したルーチンは、第1触媒53のブロックjにおける排ガス相の一酸化炭素濃度推定手段、及びコート層の一酸化炭素濃度推定手段を構成している。
【0169】
図15に示したルーチンは、炭化水素HCについての演算を行うルーチンであり、一酸化炭素COについての演算を行うための先に説明した図14のルーチンと同様なルーチンである。
【0170】
簡単に説明すると、CPU71はステップ1500からステップ1505に進んで、前回の本ルーチンの演算時において後述するステップ1535にて算出されたコート層の一酸化炭素CwSC,HC(k+1)<j>を今回のコート層の一酸化炭素濃度Cw,HCの値であるCwSC,HC(k)<j>に設定する。なお、今回の演算が機関10の始動後初めてである場合、上記各値には適当な初期値が与えられる。
【0171】
次に、CPU71は、ステップ1510にて同ステップ1510内に記載した式(上記(38)式を参照。)に従って消費速度定数R*reducSC,HC(k)<j>を求め、その後、ステップ1515にて見かけの拡散速度RDSC,HC(k)<j>を触媒温度TempSCとマップMapRDSCHCとから決定する。
【0172】
続いて、CPU71はステップ1520にて炭化水素の反応律速因子SPreducSC,HC<j>を同ステップ1520内に記載した式(上記(33)式を参照。)により求め、ステップ1525にて、ブロックjよりも前の(即ち、上流の)ブロックj−1から流出する炭化水素濃度CgoutSC,HC(k)<j-1>をブロックjに流入する炭化水素濃度Cgin,HC(k)<j>として取り込む。
【0173】
この段階でjの値は「1」であるから、ブロックjは第1触媒53の最も上流のブロックであって、それより上流のブロックj−1は存在しない。従って、ステップ1525におけるCgout,HC(k)<j-1>は、同第1触媒53に流入する排ガスの炭化水素濃度Cgin,HCである。この場合、第1触媒53に流入する排ガスの空燃比A/F(「Ga/Gf」として計算により求められる。)と炭化水素濃度Cgin,HCとの関係は図19のグラフに示したようであるから、この関係を予め実験により求めてマップとして記憶しておき、計算により求められる実際の排ガスの空燃比A/Fと同マップとから炭化水素濃度Cgin,HCを求める。
【0174】
次に、CPU71はステップ1530に進み、同ステップ1530に記述した式(上記(34)式を参照。)に従ってCgoutSC,HC(k+1)<j>を求める。即ち、ブロックjから流出する炭化水素濃度CgoutSC,HCを新たに算出する。次いで、CPU71はステップ1535に進み、同ステップ1535に記述した式(上記(32)式を参照。)に従ってCwSC,HC(k+1)<j>を求める。即ち、CPU71は、ステップ1535にてブロックjのコート層の炭化水素濃度Cw,HCを新たに算出し、ステップ1595を経由して図16に示したステップ1600に進む。このように、図15により示したルーチンは、ブロックj(特定領域j)における排ガス相の炭化水素濃度推定手段、及びコート層の炭化水素濃度推定手段を構成している。
【0175】
次に、CPU71は、ステップ1600からステップ1605に進み、上記(43)式に基く同ステップ1605内に記述した式により係数P<j>を求めるとともに、続くステップ1610にて上記(44)式に基く同ステップ1610に記述した式により係数Q<j>を求める。次いで、CPU71はステップ1615にて上記(42)式に基く同ステップ1615に記述した式により酸素吸蔵密度OstSC(k+1)<j>を求め、次のステップ1620にて上記(45)式に基づく同ステップ1620に記述した式によりこのブロックjの酸素吸蔵量OstSC(k+1)<j>・dA・Lをブロック1〜ブロックj−1までの酸素吸蔵量OSASC(j-1)に加えることにより、ブロック1〜ブロックjまでの酸素吸蔵量OSASC(j)を求め、ステップ1695を経由して図13のステップ1310に戻る。なお、酸素吸蔵量OSASC(0)の値は「0」に設定してある。このように、図16に示したルーチンは、第1触媒53のブロックjの酸素吸蔵密度算出手段、及びブロック1〜ブロックjまでの酸素吸蔵量算出手段を構成している。
【0176】
ステップ1310に戻ったCPU71は、変数jの値を「1」だけ増大するから、上述と同様にして次に下流にあるブロックの各種値が順次演算されて行く。そして、ブロックrまでの各種値が演算されると、変数jの値はステップ1310にてr+1と等しくされるので、CPU71はステップ1315にて「Yes」と判定し、ステップ1395を経由して図12のステップ1215へと進む。
【0177】
CPU71は、ステップ1215にて第1触媒下流空燃比センサ66の出力vabyfsと図2に示したマップMapAFとから第1触媒53下流の排気通路を流れる排ガスの実際の空燃比(検出空燃比)AFSCdwn,actを求め、続くステップ1220にて先に触媒モデルにより求めた第1触媒53から流出する酸素濃度CgoutSC,O2<r>と下記(50)式とに基づいて、第1触媒53下流の排気通路を流れる排ガスの推定空燃比AFSCdwn,estを求める。この(50)式は、上述した(46)式から導かれる。
【0178】
【数50】
【0179】
次いで、CPU71はステップ1225に進み、上記検出空燃比AFSCdwn,actと上記推定空燃比AFSCdwn,estの差の絶対値が閾値AFthより小さいか否かを判定する。つまり、第1触媒53についての触媒モデル誤差が小さいか否かを判定する。そして、触媒モデル誤差が大きいとき、CPU71はステップ1225にて「No」と判定してステップ1230に進み、同ステップ1230にて第1触媒53に対する触媒モデルを修正するために酸素吸蔵速度係数kstorSC,O2(k)<j>、係数krelSC,CO(k)<j>、及び係数krelSC,HC(k)<j>を、例えば、所定量だけ変化(増大又は減少)することで修正し、その後、ステップ1210に戻って第1触媒53の各特定成分のCgoutSCを再び算出する。
【0180】
このような処理が繰り返し行われると、第1触媒53の触媒モデル誤差が小さくなるので、上記検出空燃比AFSCdwn,actと上記推定空燃比AFSCdwn,estの差の絶対値が閾値AFthより小さくなる。この結果、CPU71は、ステップ1225にて「Yes」と判定してステップ1235に進み、同ステップ1235にてブロック毎に求められた係数kstorSC,O2(k)<j>の平均値をkstorSC,O2ave、krelSC,CO(k)<j>の平均値をkrelSC,COave、及び係数krelSC,HC(k)<j>の平均値をkrelSC,HCaveとして求める。、
【0181】
次に、CPUはステップ1240に進み、同ステップ1240にて第2触媒54の触媒モデルの修正係数を同第2触媒54のブロック毎に求める。なお、上述したように、触媒モデルは第2触媒54をm個のブロックに分けて各特定成分を求めるようになっている。ステップ1240での処理について具体的に述べると、CPU71はブロックj毎に定められている所定の変換マップMapkstorO2<j>と上記平均値kstorSC,O2aveとから第2触媒54のブロックjのための修正係数coef,kstorUF,O2<j>を求め、同様に、ブロックj毎に定められている所定の変換マップMapkrelCO<j>と上記平均値krelSC,COaveとからブロックjのための修正係数coef,kstorUF,CO<j>を求め、ブロックj毎に定められている所定の変換マップMapkrelHC<j>と上記平均値krelSC,HCaveとから第2触媒54のブロックjのための修正係数coef,krelUF,HC<j>を求める。
【0182】
次いで、CPU71はステップ1245に進み、第2触媒54用の酸素吸蔵速度係数基本値kstorUForg,O2(k)<j>、基本係数krelUForg,CO(k)<j>、及び基本係数krelUForg,HC(k)<j>を、第2触媒54の温度TempUFと同触媒54の劣化程度を表す劣化指標値REKKAUFと図17に示したマップと同様なマップとから決定する。なお、例えば、kstorUForg,O2(k)<j>のようにUFが付与されている値は、第2触媒用の値であることを意味する(以下、同じ。)。
【0183】
次に、CPU71はステップ1250に進み、第2触媒54用の各ブロックjについての酸素吸蔵速度係数kstorUF,O2(k)<j>を上記酸素吸蔵速度係数基本値kstorUForg,O2(k)<j>に上記修正係数coef,kstorUF,O2<j>を乗じることにより求め、同様に、係数krelUF,CO(k)<j>を基本係数krelUForg,CO(k)<j>に上記修正係数coef,krelUF,CO<j>を乗じることにより求めるとともに、係数krelUF,HC(k)<j>を上記基本係数係数krelUForg,HC(k)<j>に上記修正係数coef,krelUF,HC<j>を乗じることにより求める。
【0184】
そして、CPU71はステップ1255に進んで第2触媒54の各特定成分のCgoutUFを算出するサブルーチンを実行する。このサブルーチンは図13〜図16のフローチャートに示されたルーチンとそれぞれ同様の図20〜図23のフローチャートにより示されていて、CPU71はこれらのルーチンを実行することで第2触媒54の各ブロックjから流出する酸素濃度CgoutUF,O2<j>、一酸化炭素濃度CgoutUF,CO<j>、及び炭化水素濃度CgoutUF,HC<j>を算出する。
【0185】
以下、簡単に説明すると、CPU71はステップ2000に続くステップ2005にて変数jの値を「0」に設定し、ステップ2010にて変数jの値を「1」だけ増大するとともに、ステップ2015にて変数jの値がm+1と等しくなったか否か、即ち、総べてのブロックについて各特定成分の算出が終了したか否かを判定する。
【0186】
現段階での変数jの値は「1」であるから、CPU71はステップ2015にて「No」と判定してステップ2020に進み、前回の本ルーチンの演算時において算出されたブロックjのコート層の酸素濃度CwUF,O2(k+1)<j>を今回のコート層の酸素濃度CwUF,O2(k)<j>に設定し、続くステップ2025にて前回の本ルーチンの演算時において算出された酸素吸蔵密度OstUF(k+1)<j>を今回の酸素吸蔵密度Ostの値OstUF(k)<j>に設定する。なお、今回の演算が機関10の始動後初めてである場合、上記各値には適当な初期値が与えられる。
【0187】
次いで、CPU71は、ステップ2030にて酸素の消費速度定数R*storUF,O2(k)<j>を求め、続くステップ2035にて見かけの拡散速度RDUF,O2(k)<j>を触媒温度TempUFとマップMapRDUFO2とから決定する。続いて、CPU71はステップ2040にて酸素の反応律速因子SPstorUF,O2<j>を求め、ステップ2045にてブロックjよりも上流のブロックj−1から流出する酸素濃度CgoutUF,O2(k)<j-1>をブロックjに流入する酸素濃度CginUF,O2(k)<j>として取り込む。
【0188】
この段階でjの値は「1」であるから、ブロックjは第2触媒54の最も上流のブロックであって、それより上流のブロックj−1は存在しない。従って、ステップ2045における前のブロックのCgoutUF,O2(k)<j-1>は、同第2触媒54に流入する排ガスの酸素濃度CginUF,O2である。この第2触媒54に流入する排ガスの酸素濃度CginUF,O2は上記(48)式に基づいて求められる。このとき、CPU71は、(48)式で使用される排ガスの空燃比AFを、第1触媒下流空燃比センサ66の出力vabyfsと図2に示したマップとから取得する。即ち、この場合、第2触媒54に流入する排ガスの酸素濃度CginUF,O2(=CginUF,O2(k)<1>)が第1触媒下流空燃比センサ66の出力(検出空燃比)に基づいて決定・取得される。
【0189】
次に、CPU71はステップ2050に進んでブロックjから流出する酸素濃度CgoutUF,O2(k+1)<j>を求め、続くステップ2055にてブロックjのコート層の酸素濃度CwUF,O2(k+1)<j>を求める。そして、CPU71はステップ2060を経由して図21に示したステップ2100に進む。このように、図20により示したルーチンは、第2触媒54のブロックj(特定領域j)における排ガス相の酸素濃度推定手段、及びコート層の酸素濃度推定手段を構成している。
【0190】
次に、CPU71はステップ2105に進んで、前回の本ルーチンの演算時において算出されたコート層の一酸化炭素CwUF,CO(k+1)<j>を今回のコート層の一酸化炭素濃度CwUF,CO<j>(k)に設定する。なお、今回の演算が機関10の始動後初めてである場合、上記CwUF,CO<j>(k)には適当な初期値が与えられる。
【0191】
次に、CPU71は、ステップ2110〜ステップ2120にて、消費速度定数R*reducUF,CO(k)<j>を求め、見かけの拡散速度RDUF,CO(k)<j>を触媒温度TempUFとマップMapRDUFCOとから決定し、一酸化炭素の反応律速因子SPreducUF,CO<j>を求める。そして、ステップ2125にて、ブロックjよりも前の(即ち、上流の)ブロックj−1から流出する一酸化炭素濃度CgoutUF,CO(k)<j-1>を、ブロックjに流入する一酸化炭素濃度CginUF,CO(k)<j>として取り込む。
【0192】
この段階でjの値は「1」であるから、対象としているブロックjは第2触媒54の最も上流のブロックであって、それより上流のブロックj−1は存在しない。従って、ステップ2125における前のブロックのCgoutUF,CO(k)<j-1>は、同第2触媒54に流入する排ガスの一酸化炭素濃度CginUF,COである。この場合、第2触媒54に流入する排ガスの空燃比A/Fと一酸化炭素濃度CginUF,COとの関係は図18のグラフに示したようであるから、この関係を予め実験により求めてマップとして記憶しておき、第1触媒下流空燃比センサ66の出力vabyfsと図2に示したマップとから求められる実際の排ガスの空燃比A/F(検出空燃比)と同記憶したマップとから一酸化炭素濃度CginUF,CO(=CginUF,CO(k)<1>)を求める。
【0193】
次に、CPU71はステップ2130に進みブロックjから流出する一酸化炭素濃度CgoutUF,CO(k+1)<j>を求め、ステップ2135にてブロックjのコート層の一酸化炭素濃度CwUF,CO(k+1)<j>を求め、その後、ステップ2195を経由して図22に示したステップ2200に進む。このように、図21により示したルーチンは、第2触媒54のブロックjにおける排ガス相の一酸化炭素濃度推定手段、及びコート層の一酸化炭素濃度推定手段を構成している。
【0194】
図22に示したルーチンは、炭化水素HCについての演算を行うルーチンであり、一酸化炭素COについての演算を行うための先に説明した図21のルーチンと同様なルーチンである。
【0195】
簡単に説明すると、CPU71はステップ2200からステップ2205に進んで、前回の本ルーチンの演算時において算出されたコート層の一酸化炭素CwUF,HC(k+1)<j>を今回のコート層の一酸化炭素濃度CwUF,HC(k)<j>に設定する。なお、今回の演算が機関10の始動後初めてである場合、上記各値には適当な初期値が与えられる。
【0196】
次に、CPU71は、ステップ2210にて消費速度定数R*reducUF,HC(k)<j>を求め、その後、ステップ2215にて見かけの拡散速度RDUF,HC(k)<j>を触媒温度TempUFとマップMapRDUFHCとから決定し、続くステップ2220にて炭化水素の反応律速因子SPreducUF,HC<j>を求める。そして、ステップ2225にて、ブロックjよりも前の(即ち、上流の)ブロックj−1から流出する炭化水素濃度CgoutUF,HC(k)<j-1>をブロックjに流入する炭化水素濃度Cgin,HC(k)<j>として取り込む。
【0197】
この段階でjの値は「1」であるから、ブロックjは第2触媒54の最も上流のブロックであって、それより上流のブロックj−1は存在しない。従って、ステップ2225におけるCgoutUF,HC(k)<j-1>は、同第2触媒54に流入する排ガスの炭化水素濃度CginUF,HCである。この場合、第2触媒54に流入する排ガスの空燃比A/Fと炭化水素濃度Cgin,HCとの関係は図19のグラフに示したようであるから、この関係を予め実験により求めてマップとして記憶しておき、第1触媒下流空燃比センサ66の出力vabyfsと図2に示したマップとから求められる実際の排ガスの空燃比A/F(検出空燃比)と同記憶したマップとから炭化水素濃度CginUF,HC(=CginUF,HC(k)<1>)を求める。
【0198】
次に、CPU71はステップ2230に進みブロックjから流出する一酸化炭素濃度CgoutUF,HC(k+1)<j>を求め、ステップ2235にてブロックjのコート層の一酸化炭素濃度CwUF,HC(k+1)<j>を求め、ステップ2295を経由して図23に示したステップ2300に進む。このように、図22により示したルーチンは、第2触媒54のブロックj(特定領域j)における排ガス相の炭化水素濃度推定手段、及びコート層の炭化水素濃度推定手段を構成している。
【0199】
次に、CPU71は、ステップ2300からステップ2305に進んで係数P<j>を求めるとともに、続くステップ2310にて係数Q<j>を求める。次いで、CPU71はステップ2315にて上記(42)式に基く同ステップ2315に記述した式により酸素吸蔵密度OstUF(k+1)<j>を求め、次のステップ2320にて上記(45)式に基づいて求められるブロックjの酸素吸蔵量(=OstUF(k+1)<j>・dA・L)をブロック1〜ブロックj−1までの酸素吸蔵量OSAUF(j-1)に加えることによりブロック1〜ブロックjまでの酸素吸蔵量OSAUF<j>を求め、ステップ2395を経由して図13のステップ2010に戻る。なお、酸素吸蔵量OSAUF(0)の値は「0」に設定してある。このように、図23に示したルーチンは、第2触媒54のブロックjの酸素吸蔵密度算出手段、及びブロック1〜ブロックjまでの酸素吸蔵量算出手段を構成している。なお、酸素吸蔵量OSAUF<j>は総べてRAM73内に格納されて行く。従って、ブロック1〜ブロックiまでの酸素吸蔵量OSAUF<i>もRAM内に格納される。
【0200】
ステップ2010に戻ったCPU71は、変数jの値を「1」だけ増大するから、上述と同様にして次に下流にあるブロックの各種値が順次演算されて行く。従って、変数jの値が値iとなったとき、上記空燃比フィードバック補正量を決定する際に使用される酸素濃度CgoutUF,O2<i>(=CgoutUF,O2(k+1)<i>)が求められる。そして、ブロックmまでの各種値が演算されると、変数jの値はステップ2010にてm+1と等しくされるので、CPU71はステップ2015にて「Yes」と判定し、ステップ2095を経由して図12のステップ1295へと進む。
【0201】
このように、CPU71は触媒モデルを使用し、第2触媒54の排ガス浄化に関する状態である「第2触媒54のブロックiから流出する特定成分の量に関する値である酸素の濃度CgoutUF,O2<i>」を第1触媒下流空燃比センサ66の出力を用いた演算により推定・取得し、同酸素の濃度CgoutUF,O2<i>が所定の値(「0」より小さいCrefmnsと「0」より大きいCrefplsの間の値)となるように機関に供給される混合気の空燃比(従って、第2触媒54に流入する排ガスの空燃比)を制御する。
【0202】
従って、本排気浄化装置は、第2触媒54の下流に設けられるO2センサの出力変化よりも早い時点で同第2触媒54の排ガス浄化に関する状態(この場合、CgougUF,O2<i>)を取得することができ、この取得した状態に基づいて機関10に供給される混合気の空燃比を制御することにより同第2触媒54に流入する排ガスの空燃比を適切に制御することができる。この結果、本排気浄化装置は、有害成分の排出量を一層低減することができる。
【0203】
また、本排気浄化装置は、中間ブロック(ブロックi)から流出する特定成分の量に関する値を空燃比制御に用い、同特定成分を第2触媒54の中間ブロックまでで略「0」とする制御を行うので、空燃比の制御誤差や空燃比のフィードバック制御の不可避的な遅れのため、同中間ブロックより同特定成分が流出したとしても、同中間ブロックよりも下流のブロックによりこれを浄化することができる。換言すると、少なくとも第2触媒54の中間ブロックよりも下流側に位置するブロックを排ガス浄化のための予備的な触媒(バッファ的な触媒)として備えておくことができるので、有害排気成分の排出量をより低減し得る。
【0204】
更に、本実施形態においては、第2触媒54の上流に配設され同第2触媒54に流入する排ガスの空燃比を直接検出できる第1触媒下流空燃比センサ66の出力を演算に用いることにより同第2触媒54の特定成分の量に関する値CgoutUF,X(CgoutUF,O2<i>)を求めている。従って、例えば、第1触媒53の上流に備えた空燃比センサの出力に基づいて第2触媒54の特定成分の量に関する値CgoutUF,Xを求める場合に比較して、より精度良く同第2触媒54の特定成分の量に関する値CgoutUF,Xを求めることができる。
【0205】
<第1実施形態の変形例>
第1実施形態の変形例に係る排気浄化装置は、第2触媒54の最下流のブロックm(第2触媒54の流出口)から流出する濃度CgoutUF,O2<m>を上記閾値Crefmnsと上記閾値Crefplsの間の値)となるように、機関10に供給される混合気の空燃比を制御するものである。具体的に述べると、係る変形例のCPU71は、図11のステップ1110,1115,1125,1130における酸素濃度CgoutUF,O2<i>を酸素濃度CgoutUF,O2<m>に置換したルーチンを実行する。
【0206】
このように、第1実施形態の変形例は、最下流のブロック(第2触媒54の流出口)から流出する濃度CgoutUF,O2<m>を空燃比のフィードバック制御に用いているが、第1実施形態の排気浄化装置と同様、第1触媒下流空燃比センサ66の出力を演算に用いることにより同第2触媒54の特定成分の量に関する値CgoutUF,O2,<m>を求めているので、第2触媒54の下流の空燃比センサ出力に基づく空燃比フィードバック制御よりも迅速な制御が可能であり、且つ、第1触媒53の上流に備えた空燃比センサの出力に基づいて第2触媒54の特定成分の量に関する値CgoutUF,O2,<m>を求める場合に比較して、より精度良く同第2触媒54の特定成分の量に関する値CgoutUF,O2<m>を求めることができる。
【0207】
<第2実施形態>
次に、本発明による排気浄化装置の第2実施形態について説明すると、この排気浄化装置は、第2触媒54のブロックiから流出する酸素の濃度CgoutUF,O2<i>に代えて同第2触媒54のブロック1〜ブロックiまでの酸素吸蔵量OSAUF<i>(即ち、第2触媒54を排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに分割したときの最上流に位置するブロックから、最下流に位置するブロックよりも上流に位置する中間ブロックまでのブロックにより構成される部分の酸素吸蔵量)が所定の値(この場合、OSAreflow〜OSArefhighの値)となるように、機関10に供給される混合気の空燃比を制御する点においてのみ、上記第1実施形態の排気浄化装置と異なっている。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
【0208】
(第2実施形態の空燃比制御)
先ず、第2実施形態に係る排気浄化装置の空燃比制御について説明する。図24は、かかる空燃比制御におけるタイムチャートであり、(A)は機関10に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒上流の排ガスの空燃比)を示し、(B)は上述した触媒モデルにより算出される第2触媒54の1番目のブロックからi番目のブロック(ブロック1〜ブロックi)までの部分において貯蔵された酸素吸蔵量OSAUF<i>を示している。
【0209】
本排気浄化装置は、触媒モデルにより上記酸素吸蔵量OSAUF<i>を求め、同酸素吸蔵量OSAUF<i>が第2触媒54の最大酸素吸蔵量CmaxUFの略半分程度の量となるように機関10に供給される混合気の空燃比を制御する。より具体的に述べると、本排気浄化装置は、酸素吸蔵量OSAUF<i>がロー側閾値OSAreflowより小さくなったとき、第2触媒54の酸素吸蔵量が過小になる恐れがあると考えられるので、機関10に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりも所定値α1だけリーンに設定する(時刻t11,t13を参照。)。
【0210】
これに対し、酸素吸蔵量OSAUF<i>がハイ側閾値OSArefhighより大きくなったとき、第2触媒54の酸素吸蔵量が過大になる恐れがあると考えられるので、機関10に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりも所定値α2だけリッチに設定する(時刻t12を参照。)。なお、所定値α1と所定値α2とは異なる値でもよく、等しい値であってもよい。以下、α1とα2は互いに等しく、値αであるとして説明する。
【0211】
また、前記ロー側閾値OSAreflowとハイ側閾値OSArefhighは、第2触媒の最大酸素吸蔵量CmaxUFの半分の量(CmaxUF/2)を同第2触媒の全体の容量Vallと中間ブロックまでの容量(ブロック1〜ブロックiまでの容量)Vpartで比例配分した量Cmid=(CmaxUF・Vpart)/(2・Vall)を挟むように設定してある。即ち、OSAreflow<Cmid<OSArefhighである。
【0212】
(実際の作動)
次に、上記排気浄化装置の実際の作動について、CPU71が実行するルーチンを示したフローチャートを参照しながら説明する。本排気浄化装置のCPU71は、図11に代わる図25にフローチャートにより示したルーチンを実行する点を除き、第1実施形態に係る排気浄化装置のCPU71と同一のルーチンを実行する。従って、以下、図25に示したルーチンに基づく作動を中心として説明する。なお、図25において図11と同一のステップには同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【0213】
CPU71は、図25に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行する。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ2500から処理を開始し、ステップ1105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。
【0214】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているとして説明を続けると、第2触媒54のブロックiまでの酸素吸蔵量OSAUF<i>がハイ側閾値OSArefhighより小さい状態から大きい状態へと変化したとき、CPU71は、酸素吸蔵量OSAUF<i>がハイ側閾値OSArefhighより大きいか否かを判定するステップ2510にて「Yes」と判定するとともに、本ルーチンを前回実行したときの(前回の)酸素吸蔵量OSAUF<i>がハイ側閾値OSArefhighより小さいか否かを判定するステップ2515にて「Yes」と判定してステップ1120に進み、同ステップ1120にて空燃比フィードバック補正量DFiに正の値βを設定し、その後、ステップ2595に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、機関に供給される混合気の空燃比(従って、第1触媒53に流入する空燃比)が理論空燃比よりもリッチ(理論空燃比−α=理論空燃比−α2)となるので、第2触媒54にもリッチな空燃比の排ガスが流入するようになり、図24の時刻t12〜t13に示したように、酸素吸蔵量OSAUF<i>が減少する。
【0215】
これに対し、今回及び前回の酸素吸蔵量OSAUF<i>がハイ側閾値OSArefhighより大きいとき、CPU71はステップ2510にて「Yes」、ステップ2515にて「No」と判定し、そのままステップ2595に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、空燃比フィードバック補正量DFiは正の値βに維持され、機関に供給される混合気の空燃比も理論空燃比よりリッチな空燃比(理論空燃比−α)に維持される。
【0216】
一方、空燃比フィードバック制御条件が成立している場合に第2触媒54のブロックiまでの酸素吸蔵量OSAUF<i>がロー側閾値OSAreflowより大きい状態から小さい状態へと変化すると、CPU71は、酸素吸蔵量OSAUF<i>がロー側閾値OSAreflowより小さいか否かを判定するステップ2525にて「Yes」と判定するとともに、前回の酸素吸蔵量OSAUF<i>がロー側閾値OSAreflowより大きいか否かを判定するステップ2530にて「Yes」と判定してステップ1135に進み、同ステップ1135にて空燃比フィードバック補正量DFiに負の値−βを設定し、その後、ステップ2595に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、機関に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン(理論空燃比+α=理論空燃比+α1)となるので、第2触媒54にもリーンな空燃比の排ガスが流入するようになり、図4の時刻t11〜t12に示したように、酸素吸蔵量OSAUF<i>が増大する。
【0217】
なお、今回及び前回の酸素濃度CgoutUF,O2<i>がロー側閾値OSAreflowよりも小さいとき、CPU71はステップ2510にて「No」、ステップ2525にて「Yes」、ステップ2530にて「No」と判定し、そのままステップ2595に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、空燃比フィードバック補正量DFiは負の値−βに維持され、機関に供給される混合気の空燃比も理論空燃比よりリーンな空燃比(理論空燃比+α)に維持される。
【0218】
また、空燃比フィードバック制御条件が成立していなければ、CPU71はステップ1105にて「No」と判定してステップ1140に進み、同ステップ1140にて空燃比フィードバック補正量DFiに「0」を設定し、次いでステップ2595に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0219】
このように、第2実施形態に係る排気浄化装置は、第2触媒54の排ガス浄化に関する状態を示す物理量である「第2触媒54のブロック1〜ブロックiからなる同第2触媒54の部分(上流部)の酸素吸蔵量OSAUF<i>」を第1触媒下流空燃比センサ66の出力を用いた演算により推定・取得し、同酸素吸蔵量OSAUF<i>が所定の値(ロー側閾値OSAreflowとハイ側閾値OSArefhighの間の値)となるように機関に供給される混合気の空燃比を制御することで、同第2触媒54に流入する排ガスの空燃比を制御する。
【0220】
従って、本排気浄化装置は、第2触媒54の下流に設けられるO2センサの出力変化よりも早い時点で同第2触媒54の排ガス浄化に関する状態を取得することができ、この取得した状態に基づいて機関10に供給される混合気の空燃比を制御するので、フィードバック制御の制御遅れに関わらず、同第2触媒54の状態を良好な状態に維持できる。この結果、本排気浄化装置は、有害成分の排出量を一層低減することができる。
【0221】
また、本排気浄化装置は、第2触媒54の最上流のブロック(ブロック1)から、最下流に位置するブロック(ブロックm)よりも上流に位置する中間ブロック(ブロックi)までの同第2触媒の部分(上流部分)の酸素吸蔵量OSAUF<i>が、第2触媒の最大酸素吸蔵量CmaxUFの半分の量(CmaxUF/2)を同第2触媒の全体の容量Vallと中間ブロックまでの容量Vpartで比例配分した量Cmid=(CmaxUF・Vpart)/(2・Vall)を挟む範囲(OSAreflow〜OSArefhigh)となるように制御されるので、同第2触媒54は酸素吸蔵機能による浄化作用を有している状態に維持される可能性が高い。
【0222】
また、空燃比フィードバック制御遅れにより、中間ブロックまでで排ガスを浄化できない場合(つまり、中間ブロックまでの酸素吸蔵量が「0」又は最大酸素吸蔵量に到達した場合)であっても、少なくとも同中間ブロックよりも下流に位置するブロック(ブロックi+1〜ブロックm)を排ガス浄化のための予備的な触媒として使用できるので、有害排気成分の排出量を低減できる可能性が高くなる。
【0223】
更に、本実施形態においても、第2触媒54の上流に配設され同第2触媒54に流入する排ガスの空燃比を直接検出できる第1触媒下流空燃比センサ66の出力を演算に用いることにより同第2触媒54の酸素吸蔵量OSAUF<i>を求めている。従って、例えば、第1触媒53の上流に備えた空燃比センサの出力に基づいて酸素吸蔵量OSAUF<i>を求める場合に比較して、より精度良く酸素吸蔵量OSAUF<i>を求めることができる。
【0224】
<第2実施形態の変形例>
第2実施形態の変形例は、中間ブロックiまでの酸素吸蔵量OSAUF<i>に代わり、第2触媒54の全体の酸素吸蔵量OSAUF<m>が所定の値(OSAreflow〜OSArefhigh)となるように、機関10に供給する混合気の空燃比を制御するものである。具体的に述べると、係る変形例のCPU71は、図25のステップ2510,2515,2525,2530における酸素吸蔵量OSAUF<i>を酸素吸蔵量OSAUF<m>に置換したルーチンを実行する。
【0225】
このように、第2実施形態の変形例は、第2触媒54の全体の酸素吸蔵量OSAUF<m>を空燃比のフィードバック制御に用いているが、第2実施形態の排気浄化装置と同様、第1触媒下流空燃比センサ66の出力を演算に用いることにより同酸素吸蔵量OSAUF<m>を求めているので、第2触媒54の下流の空燃比センサ出力に基づく空燃比フィードバック制御よりも迅速な制御が可能であり、且つ、第1触媒53の上流に備えた空燃比センサの出力に基づいて酸素吸蔵量OSAUF<m>を求める場合に比較して、より精度良く同酸素吸蔵量OSAUF<m>を求めることができる。
【0226】
<第3実施形態>
次に、本発明による排気浄化装置の第3実施形態について説明すると、この排気浄化装置は、第1触媒下流空燃比センサ66の出力が現時点から所定時間だけ同現時点の出力を継続すると仮定して同所定時間後のブロックiから流出する酸素濃度CgoutUF,O2<i>を予測・推定し、その推定値が所定の値(この場合、Crefmns〜Crefplsの値)となるように、機関10に供給される混合気の空燃比を制御する点においてのみ、上記第1実施形態の排気浄化装置と異なっている。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
【0227】
上記相違点は、第3実施形態に係る排気浄化装置のCPU71が、図26にフローチャートにより示したルーチンを第1実施形態に係る排気浄化装置のCPU71が実行するルーチンに加えて所定時間の経過毎に実行することにより生じる。
【0228】
具体的に説明すると、CPU71は所定のタイミングにてステップ2600から処理を開始し、ステップ2605に進んで変数nの値を「0」に設定するとともに、ステップ2610にて同変数nの値を「1」だけ増大し、続くステップ2615にて同変数nの値が「1」より大きい所定値nmaxより小さいか否かを判定する。この場合、nの値は「1」であるからCPU71はステップ2615にて「Yes」と判定してステップ2620に進み、CgoutUF,X(k)<0>(CgoutUF,O2(k)<0>,CgoutUF,CO(k)<0>,CgoutUF,HC(k)<0>)を現時点の第1触媒下流空燃比センサ66の出力により決定し、同決定した値を保持する。即ち、第2触媒54に流入する各濃度CginUF,O2(k)<1>,CginUF,CO(k)<1>,CginUF,HC(k)<1>を、第1触媒下流空燃比センサ66の出力と前述した記憶されているマップとにより決定し、その値を保持する。
【0229】
そして、CPU71はステップ2625に進み、同ステップ2625にてステップ2000〜2095を実行することにより、CgoutUF,X(k)<j>(CgoutUF,O2(k)<j>,CgoutUF,CO(k)<j>,CgoutUF,HC(k)<j>)(j=1〜m)を求め、再び、ステップ2610に戻る。このとき、CginUF,O2(k)<1>,CginUF,CO(k)<1>,CginUF,HC(k)<1>には、上記保持した値を使用する。このようにして、CPU71は、変数nの値が所定値nmaxとなるまで、第1触媒下流空燃比センサ66の出力が現時点の出力に維持される(変化しない)と仮定してCgoutUF,X(k)<j>を繰り返し計算する。
【0230】
また、CPU71は、図11に示したルーチンを実行するとき、ステップ1110及びステップ1125のCgoutUF,O2<i>として、図26に示したルーチンにおける変数nの値が(nmax−1)であるときに求められたCgoutUF,O2<m>を採用し、ステップ1115及びステップ1130のCgoutUF,O2<i>として、図26に示したルーチンにおける変数nの値が(nmax−2)であるときに求められたCgoutUF,O2<m>を採用する。
【0231】
以上により、変数nの値がnmax−1となるまで、即ち、現時点から所定時間だけ第1触媒下流空燃比センサ66の出力が現時点の出力に維持される(変化しない)と仮定して計算された第2触媒54の最下流のブロックmから流出する酸素濃度CgoutUF,O2(k)<m>に基づく空燃比制御が行われる。
【0232】
この第3実施形態によれば、時間的に先の(将来の)第2触媒54の状態が予測され、その予測値CgoutUF,O2(k)<m>に基づいて機関に供給される混合気の空燃比がフィードバック制御されるので、同フィードバック制御に内在する不可避的な制御遅れに関わらず、排ガスをより一層効果的に浄化することができる。
【0233】
<第4実施形態>
次に、本発明による排気浄化装置の第4実施形態について説明すると、この排気浄化装置は、第1触媒下流空燃比センサ66の出力が現時点から所定時間だけ同現時点の出力を継続すると仮定して同所定時間後の第2触媒54全体の酸素吸蔵量OSAUF<m>を予測・推定し、その推定値が所定の値(この場合、OSAreflow〜OSArefhighの値)となるように、機関10に供給される混合気の空燃比を制御する点においてのみ、上記第2実施形態の排気浄化装置と異なっている。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
【0234】
上記相違点は、第4実施形態の排気浄化装置のCPU71が、第2実施形態の排気浄化装置のCPU71が実行する各ルーチンに加えて図26にフローチャートにより示したルーチンを追加的に実行することにより生じる。即ち、CPU71は、図26のルーチンを実行することで、現時点から所定時間だけ第1触媒下流空燃比センサ66の出力が現時点の出力に維持される(変化しない)と仮定して第2触媒54の全体の酸素吸蔵量OSAUF<m>を求める。
【0235】
また、CPU71は、図25に示したルーチンを実行するとき、ステップ2510及びステップ2525のOSAUF<i>として、図26に示したルーチンにおける変数nの値が(nmax−1)であるときに求められたOSAUF<m>を採用し、ステップ2515及びステップ2530のOSAUF<i>として、図26に示したルーチンにおける変数nの値が(nmax−2)であるときに求められたOSAUF<m>を採用する。
【0236】
以上により、変数nの値がnmax−1となるまで、即ち、現時点から所定時間だけ第1触媒下流空燃比センサ66の出力が現時点の出力に維持される(変化しない)と仮定して計算された第2触媒54全体の酸素吸蔵量OSAUF<m>に基づく空燃比制御が行われる。
【0237】
この第4実施形態によれば、時間的に先の(将来の)第2触媒54の状態である酸素吸蔵量が予測され、その予測値OSAUF<m>に基づいて機関に供給される混合気の空燃比がフィードバック制御されるので、同フィードバック制御に内在する不可避的な制御遅れに関わらず、排ガスをより一層効果的に浄化することができる。
【0238】
以上、説明したように、本発明の各実施形態によれば、第1触媒下流空燃比センサ66の出力と触媒モデルとによって、第2触媒54の排気浄化に関連する物理量(第2触媒54の所定のブロックから流出する酸素濃度や第2触媒54全体の酸素吸蔵量又は同第2触媒54の上流側部分の酸素吸蔵量等)が時間遅れなく推定され、同物理量が所望の量となるように第2触媒54に流入する排ガスの空燃比が制御されるので、同第2触媒54を排気浄化を良好に行うことができる状態に維持しておくことが可能となる。その結果、各排気浄化装置は、有害成分の排出量をより効果的に低減することができる。更に、第1触媒53に対する触媒モデルのモデル誤差が、第1触媒下流空燃比センサ66の出力に基づいて低減されるとともに、その結果が、第2触媒54の触媒モデルの修正にも反映される。従って、第2触媒54の排気浄化に関連する物理量をより一層精度良く推定することもできる。
【0239】
なお、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、上記空燃比制御における理論空燃比からの振幅(α1,α2,αにより表される。)は、図27に示したように、第2触媒54の温度TempUF、吸入空気量Ga、及び第2触媒54の劣化指標値REKKAUF等の少なくとも一つに応じて可変としてもよい。これによれば、第2触媒54の酸素による一次被毒を適切に解消して、同第2触媒54の状態をより良好に維持することが可能となる。また、第1触媒下流空燃比センサ66は、CO濃度、HC濃度、及びNOx濃度の少なくとも一つ(好ましくは、総べて)を検出し得る排ガス特性検出センサに置換してもよい。
【0240】
更に、上記第1実施形態及び第3実施形態等においては酸素濃度CgoutUF,O2<i>を空燃比制御の指標値としているが、他の特定成分である一酸化炭素濃度CgoutUF,CO<i>、炭化水素濃度CgoutUF,HC<i>等を制御の指標値としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態に係る排気浄化装置を搭載した内燃機関の概略図である。
【図2】 図1に示した第1触媒下流空燃比センサの出力と空燃比との関係を示したグラフである。
【図3】 図1に示した第2触媒下流空燃比センサの出力と空燃比との関係を示したグラフである。
【図4】 図1に示した排気浄化装置による空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。
【図5】 触媒モデルを説明するための触媒の模式図である。
【図6】 図1に示した触媒の外観図である。
【図7】 図6に示した触媒の部分断面図である。
【図8】 触媒モデルを説明するための模式図である。
【図9】 触媒モデルで使用する風上法を説明するための模式図である。
【図10】 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11】 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を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図12】 触媒中の特定ガス成分濃度を算出するとともに触媒モデルの修正を行うために図1に示したCPUが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図13】 触媒モデルにしたがって第1触媒内部における酸素濃度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14】 触媒モデルにしたがって第1触媒内部における一酸化炭素濃度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】 触媒モデルにしたがって第1触媒内部における炭化水素濃度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16】 触媒モデルにしたがって第1触媒の酸素吸蔵密度と酸素吸蔵量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17】 触媒劣化度と触媒温度とから触媒モデルにて使用する各係数(各乗数)を求めるためのマップである。
【図18】 触媒に流入する一酸化炭素濃度を決定するために使用される排ガスの空燃比と同一酸化炭素濃度との関係を規定したマップである。
【図19】 触媒に流入する炭化水素濃度を決定するために使用される排ガスの空燃比と同炭化水素濃度との関係を規定したマップである。
【図20】 触媒モデルにしたがって第2触媒内部における酸素濃度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21】 触媒モデルにしたがって第2触媒内部における一酸化炭素濃度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22】 触媒モデルにしたがって第2触媒内部における炭化水素濃度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23】 触媒モデルにしたがって第2触媒の酸素吸蔵密度と酸素吸蔵量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24】 本発明の第2実施形態に係る排気浄化装置による空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。
【図25】 第2実施形態に係る排気浄化装置のCPUが実行する空燃比フィードバック補正量を計算するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図26】 第3実施形態に係る排気浄化装置のCPUが酸素濃度の予測値(将来値)を計算するために実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図27】 各実施形態の空燃比制御における空燃比の制御幅を示したグラフである。
【符号の説明】
10…内燃機関、53…第1触媒、54…第2触媒、66…第1触媒下流空燃比センサ(第1触媒下流排ガス特性検出センサ)、70…電気制御装置、71…CPU。
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に配設された第1触媒と、
前記第1触媒よりも下流の前記排気通路に配設されるとともに同配設部位における同排気通路内の排ガスの特性に応じた値を出力する第1触媒下流排ガス特性検出センサと、
前記第1触媒下流排ガス特性検出センサよりも下流の前記排気通路に配設された第2触媒と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第2触媒内を通過する排ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物及び酸素の何れかである特定成分の量に関する値、又は、前記第2触媒の酸素吸蔵量に関する値、である第2触媒の内部における排ガス浄化に関連する物理量を、同第2触媒を排ガスの流れ方向に沿って仮想的に分割した複数のブロックのうちの任意の一つのブロックである特定領域へ同排ガス中の特定成分が流入する量と、同特定成分が同特定領域の排ガス相からコート層へと拡散する量と同特定成分が同特定領域から下流側の特定領域へと流出する量との和と、が釣り合っていること、並びに、同特定領域において同特定成分が同排ガス相から同コート層へと拡散する量と同特定成分が同コート層で消費される量とが釣り合っていること、に基いて構築された触媒モデルに、少なくとも前記第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力から取得される値を適用した演算により推定する排ガス浄化関連物理量推定手段と、
前記推定された排ガス浄化に関連する物理量が所定の値となるように前記第2触媒に流入する排ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記排ガス浄化関連物理量推定手段は、前記複数のブロックの最下流に位置するブロックよりも上流に位置する中間ブロックから流出する前記排ガス中の特定成分の量に関する値を前記排ガス浄化に関連する物理量として推定するように構成された内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記排ガス浄化関連物理量推定手段は、前記複数のブロックの最下流に位置するブロックよりも上流に位置する単数又は複数のブロックからなる同第2触媒の部分の酸素吸蔵量を前記排ガス浄化に関連する物理量として推定するように構成された内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記排ガス浄化関連物理量推定手段は、前記第1触媒下流排ガス特性検出センサの出力が現時点から所定時間だけ同現時点の出力を継続すると仮定して同現時点から所定時間後の前記排ガス浄化に関連する物理量を推定するように構成された内燃機関の排気浄化装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002263211A JP4069367B2 (ja) | 2002-09-09 | 2002-09-09 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002263211A JP4069367B2 (ja) | 2002-09-09 | 2002-09-09 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004100569A JP2004100569A (ja) | 2004-04-02 |
JP4069367B2 true JP4069367B2 (ja) | 2008-04-02 |
Family
ID=32263031
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002263211A Expired - Fee Related JP4069367B2 (ja) | 2002-09-09 | 2002-09-09 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4069367B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2923864B1 (fr) * | 2007-11-20 | 2010-02-26 | Renault Sas | Procede pour diagnostiquer l'etat d'un systeme d'alimentation en carburant d'un moteur. |
CN112780427B (zh) * | 2021-01-20 | 2022-11-29 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种发动机系统的控制方法及装置 |
-
2002
- 2002-09-09 JP JP2002263211A patent/JP4069367B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004100569A (ja) | 2004-04-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4821905B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
JP3846375B2 (ja) | 触媒劣化判定方法 | |
JP3972748B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP2002195080A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
JP4069367B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP4422716B2 (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
JP4082130B2 (ja) | 触媒劣化判定装置 | |
JP3815386B2 (ja) | 触媒劣化判定方法 | |
JP4048959B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP2003314334A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 | |
JP4103522B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP4349205B2 (ja) | 空燃比制御装置 | |
JP2004263591A (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP4239521B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP5679839B2 (ja) | 空燃比制御装置 | |
JP2004300981A (ja) | 触媒劣化判定装置 | |
JP4770583B2 (ja) | 内燃機関の混合気制御装置 | |
JP2004270581A (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP2023161338A (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP2004251123A (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP2001248474A (ja) | エンジンの排気浄化装置 | |
JP2004346753A (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
JP2009074397A (ja) | 内燃機関の空燃比制御装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050526 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060630 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061011 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061208 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070522 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070719 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071219 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080101 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110125 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110125 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120125 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130125 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130125 Year of fee payment: 5 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |