JP4382581B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気通路に複数の触媒を直列に配置した内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、例えば特開２００２−２３５５８４号公報に開示されるように、排気通路に触媒を備える内燃機関において、触媒の酸素吸蔵量が所定の目標値となるように燃料噴射量を制御する装置が知られている。内燃機関は、混合気が燃料リッチである場合はＨＣやＣＯ等の未燃成分を含む排気ガスを排出し、一方、混合気が燃料リーンである場合は、ＮＯｘを含む排気ガスを排出する。触媒は、ＣＯやＨＣを含む排気ガスが流入してきた場合には、吸蔵酸素を放出してそれらの成分を浄化（酸化）する。また、ＮＯｘを含む排気ガスが流入してくると、触媒は、排気ガス中の酸素を吸蔵することでその浄化（還元）を図る。

内燃機関の運転中には、種々の条件で混合気の空燃比がリッチ或いはリーンにシフトする。このような状況下で触媒が常に安定した浄化能力を効率的に発揮するためには、触媒の内部に、適量の酸素が吸蔵されており、かつ、十分な酸素吸蔵余力が残されている必要がある。

上記公報に開示された装置では、上流側触媒の上流及び下流、下流側触媒の下流に、それぞれ第１、第２、第３のセンサを設置し、主に第２、第３のセンサの出力により触媒内の酸素吸蔵量を制御している。具体的には、第３センサがリッチを検出した場合にはリーン制御を行うことで、リーンを検出した場合にはリッチ制御を行うことで、それぞれ触媒内の酸素吸蔵量を適量に制御するようにしている。
特開２００２−２３５５８４号公報 特開２００２−２７６４３３号公報

しかしながら、上記公報に開示された装置では、下流側触媒の下流にある第３のセンサの出力に基づいて酸素吸蔵量を制御しているため、常に酸素吸蔵量を適量に制御できているとはいえないという問題点が生ずる。酸素吸蔵量が適量に制御できず、排気を十分に浄化できない場合の一例を以下に説明する。

この装置では、リッチ制御を行っているときには、第３のセンサがストイキを検出するまでリッチ制御を行うことになっている。従って、第３のセンサがストイキを検出した時、上流側触媒、下流側触媒のいずれも、大部分にリッチ成分が吸着している状態となっている。例えばこの時点で、排気空燃比がリッチであるとすると、上流側触媒も下流側触媒のいずれも、この排気を浄化する能力が乏しい状態にあり、十分な浄化が行えるとはいえない。一方、リーン制御を行っているときにも、排気空燃比がリーンである場合に同じような状況が起こることなる。この点で、上記従来の装置は、触媒の排気ガス浄化能力を最大限に引き出すものではなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気空燃比がリッチであってもリーンであっても効率的に排気を浄化させることのできるよう触媒内の酸素吸蔵量を制御する、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置された上流側触媒と、前記上流側触媒の下流側に直列に配置され、前記上流側触媒と等しいＣmax容量を有する下流側触媒と、前記上流側触媒の上流に設けられた第１空燃比検出手段と、前記下流側触媒の上流であり、かつ、前記上流側触媒の下流に設けられた第２空燃比検出手段と、前記下流側触媒の下流に設けられた第３空燃比検出手段と、前記第２空燃比検出手段の出力と前記第３空燃比検出手段の出力とに基づいて、前記上流側触媒と前記下流側触媒の酸素吸蔵量が共にゼロとなる酸素放出状態の成立を検知するリッチ外乱検知手段と、前記酸素放出状態の成立が検知された際に、前記内燃機関の空燃比をリーンに反転するリーン反転制御を実行するリーン制御手段と、前記リーン反転制御の実行後、更に前記第２空燃比検出手段の出力がリーンに反転した後に、前記内燃機関の空燃比をリッチに反転するリッチ反転制御を実行するリッチ制御手段と、前記第１空燃比検出手段の出力に基づいて、前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算する酸素過不足量積算手段と、前記リッチ反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量の積算値が所定値に達した時点で前記リーン反転制御を実行し、前記リーン反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過剰量の積算値が前記所定値に達した時点で前記リッチ反転制御を実行する空燃比反転手段と、を有することを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の排気通路に配置された上流側触媒と、前記上流側触媒の下流側に直列に配置され、前記上流側触媒と等しいＣmax容量を有する下流側触媒と、前記上流側触媒の上流に設けられた第１空燃比検出手段と、前記下流側触媒の上流であり、かつ、前記上流側触媒の下流に設けられた第２空燃比検出手段と、前記下流側触媒の下流に設けられた第３空燃比検出手段と、前記第２空燃比検出手段の出力と前記第３空燃比検出手段の出力とに基づいて、前記上流側触媒と前記下流側触媒の酸素吸蔵量が共に最大酸素吸蔵量となる酸素吸蔵状態の成立を検知するリーン外乱検知手段と、前記酸素吸蔵状態の成立が検知された際に、前記内燃機関の空燃比をリッチに反転するリッチ反転制御を実行するリッチ制御手段と、前記リッチ反転制御の実行後、更に前記第２空燃比検出手段の出力がリッチに反転した後に、前記内燃機関の空燃比をリーンに反転するリーン反転制御を実行するリーン制御手段と、前記第１空燃比検出手段の出力に基づいて、前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算する酸素過不足量積算手段と、前記リーン反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過剰量の積算値が所定値に達した時点で前記リッチ反転制御を実行し、前記リッチ反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量の積算値が前記所定値に達した時点で前記リーン反転制御を実行する空燃比反転手段と、を有することを特徴とする。

第１の発明によれば、リッチ外乱の場合に、上流側触媒と下流側触媒との間に設けた第２空燃比検出手段の検出結果に基づいて、触媒の酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量の１／２以上に制御することができる。これにより、触媒の酸素吸蔵量を、排気ガスの浄化能力が最大限発揮できる範囲に収めることができる。また、触媒の酸素吸蔵量をこの範囲に制御することにより、排気空燃比がリッチまたはリーンのいずれに変化した場合でも、安定して排気ガスを浄化することが可能となる。

第２の発明によれば、リーン外乱の場合に、上流側触媒と下流側触媒との間に設けた第２空燃比検出手段の検出結果に基づいて、触媒の酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量の１／２以上に制御することができる。これにより、触媒の酸素吸蔵量を、排気ガスの浄化能力が最大限発揮できる範囲に収めることができる。また、触媒の酸素吸蔵量をこの範囲に制御することにより、排気空燃比がリッチまたはリーンのいずれに変化した場合でも、安定して排気ガスを浄化することが可能となる。

［本実施形態の構成］
図１は、本発明に好適な実施の形態の構成を説明するための図を示す。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の各気筒には、排気マニホールドを介して排気通路１２が連通している。排気通路１２には、上流側触媒１４と下流側触媒１６とが直列に配置されている。上流側触媒１４および下流側触媒１６は、何れも、所定の活性温度環境下で、酸素の吸脱反応を伴って排気ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを浄化することのできる三元触媒である。また、上流側触媒１４の容量と下流側触媒１６の容量とは、ともに等しいものを用いている。

上流側触媒１４の上流にはＡ／Ｆセンサ１８が配置されている。また、上流側触媒１４の下流（下流側触媒１６の上流）には、第１0_２センサ２０が配置されている。さらに、下流側触媒１６の下流には、第２0_２センサ２２が配置されている。Ａ／Ｆセンサ１８は、排気ガスの空燃比に応じた出力を発生する公知の空燃比センサである。一方、第１0_２センサ２０及び第２O_２センサ２２は、排気ガスがリッチであるかリーンであるかに応じて出力を急変させる公知の酸素センサである。

内燃機関１０は、個々の気筒に対して燃料を噴射するための燃料噴射弁（図示せず）を備えている。燃料噴射弁には、図示しない燃料フィードポンプより所定の圧力で燃料が供給されている。燃料噴射弁の先端に設けられた弁機構が開弁すると、その燃料が個々に気筒に向けて噴射される。燃料噴射弁によれば、弁機構を開弁させる時間、つまり、燃料噴射時間TAUを制御することで、精度良く燃料噴射量を制御することができる。

本実施形態のシステムは、図１に示すように、ＥＣＵ(Electronic control Unit)３０を備えている。Ａ／Ｆセンサ１８、第１O_２センサ２０、第２O_２センサ２２、および燃料噴射弁は、何れもＥＣＵ３０と電気的に接続されている。ＥＣＵ３０には、これらの要素に加えて、吸入空気量Gaを検出するためのエアフロメータや、機関回転数Neを検出するための回転数センサ（何れも図示せず）などが電気的に接続されている。

［本実施形態の動作］
（低減可能範囲の説明）
図２は、排気空燃比とＮＯｘやＣＯ等の低減可能な範囲との関係を説明するための図である。図２において、排気ガスの低減可能範囲、ＮＯｘの排出領域、ＣＯの排出領域は、それぞれ触媒の酸素吸蔵率の値を用いて示される。ここで、「酸素吸蔵率」とは、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１と下流側触媒１６の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２の和（＝ＯＳＡ）を、上流側触媒１４の最大酸素吸蔵量Ｃmax_１と下流側触媒１６の最大酸素吸蔵量Ｃmax_２の和（＝Ｃmax）で除した値である。酸素吸蔵率は、図２の縦軸に示すように、最小値０と最大値１の間で変化する値である。また、横軸は排気空燃比と理論空燃費の差を示すものである。図２では排気空燃比が理論空燃費より大であるとき、すなわち、排気空燃比がリーンであるときの低減可能範囲を示している。なお、図２では、横軸が０．１から０．４の範囲での低減可能範囲を示す。また、本図では排気空燃比がリーンであるときのデータを示しているが、排気空燃比がリッチな場合にも本図と同様の傾向を示している。

図２は、具体的には、排気空燃比が理論空燃費より０．１大きい場合は（リーンである場合は）、触媒の酸素吸蔵量が０．６４（点Ａ）から０．９６（点Ｂ）の間にあるときにＮＯｘやＣＯ等の排出が低減されることを示している。このとき、触媒の酸素吸蔵量が０．６４（点Ａ）を下回った状態になるとＣＯが排出され、０．９６（点Ｂ）を上回った状態になるとＮＯｘが排出されることとなる。また、排気空燃比がリーン側に０．２大きい場合は、触媒の酸素吸蔵量が０．５５（点Ｃ）から０．９７（点Ｄ）の間にあるときにＮＯｘやＣＯ等の排出が低減される。このとき、触媒の酸素吸蔵量が０．５５（点Ｃ）を下回った状態になるとＣＯが排出され、０．９７（点Ｄ）を上回った状態になるとＮＯｘが排出されることとなる。以下、排気空燃比がリーン側に順次大きくなった場合の低減可能範囲は、図に示す通りである。

図２に示す低減可能範囲は、酸素吸蔵率が０．５を超える範囲に収まる領域である。つまり、上流側触媒１４と下流側触媒１６の酸素吸蔵量の和が、各々の最大酸素吸蔵量の和に対して、この範囲に収まっている場合にＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの全てを効率的に浄化することができる。このため内燃機関１０の運転中は、原則として、触媒全体の酸素吸蔵率がその範囲（０．５以上の範囲）に収まるように空燃比を制御することが望ましい。

ところが、Ａ／Ｆセンサ１８の出力は、上流側触媒１４及び下流側触媒１６に流入するガスの空燃比を表すものではあるが、上流側触媒１４及び下流側触媒１６の内部の酸素吸蔵状態は、そこに流入してくるガスの空燃比と直接相関を有するものではない。従って、Ａ／Ｆセンサ１８の出力を基礎としても、酸素吸蔵率が０．５以上に収まっているか否かを直接判断することは困難である。

そこで、本実施形態では、以下に説明する手法で酸素吸蔵率を０．５以上の範囲に収めることとしている。すなわち、本実施形態の装置は、触媒全体の酸素吸蔵量ＯＳＡを、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１と下流側触媒の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２との和で把握する。また、リーン外乱の発生等に伴って第１O_２センサ２０の出力がリーン反転した場合には、その時点で上流側触媒１４の酸素吸蔵率が「１」になったもの、つまり、酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が上流側触媒１４の最大酸素吸蔵量Ｃmax_１になったものと判断する。同様に、リッチ外乱の発生等に伴って第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転した場合には、その時点で上流側触媒１４の酸素吸蔵率が「０」になったもの、つまり、酸素吸蔵量ＯＳＡ_１がゼロになったものと判断する。また、第２O_２センサ２２の出力がリッチ又はリーンに反転した場合についても、下流側触媒１６の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２を同様に判断できるものとする。

さらに、触媒全体（上流側触媒１４及び下流側触媒１６）に流入するガス中の酸素過不足量は公知の手法で求めることができる。酸素過不足量が判ると、その値を積算することで触媒の酸素吸蔵量ＯＳＡの増減量ΔＯＳＡを求めることができる。このため、ある時点で上流側触媒１４または下流側触媒１６のいずれかの酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量と等しい、あるいは「０」であると確定できれば、その後はＯＳＡの絶対量を推定し続けることができる。一方で、酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流側触媒１４に流入するガス中の酸素過不足量を制御することにより、つまり、そのガスの空燃比を制御することにより自由に増減させることができる。このため、本実施形態の装置は、第１O_２センサ２０または第２O_２センサ２２の出力がリーンまたはリッチに反転した後、上記の手法でＯＳＡを推定しながら、そのＯＳＡに対応する酸素吸蔵率（ＯＳＡ／Ｃmax）が０．５以上に収まるように空燃比の制御を行う。

さらにまた、本実施形態のシステムでは、上流側触媒１４と下流側触媒１６の容量を同一に構成することで、触媒全体の酸素吸蔵量をより把握しやすくしたうえで、酸素吸蔵率が０．５以上の範囲に収まるように空燃比の制御を行っている。

上記の制御手法によれば、リッチ外乱或いはリーン外乱等に起因して上流側触媒１４または下流側触媒１６の酸素吸蔵率が最小値０または最大値１となった後に、触媒全体の酸素吸蔵率を精度良く理想の範囲（０．５以上）に収めることができる。このため、本実施形態の装置によれば、上流側触媒１４および下流側触媒１６に対して、優れた浄化能力を与えることができる。

ところで、触媒（上流側触媒１４および下流側触媒１６）に流入する排気ガスの空燃比は、内燃機関１０の運転状態に応じて変化する。例えば、フューエルカットの実行中は、燃料の噴射が停止されることから、その空燃比は比較的長期にわたってリーンな値となる。一方、触媒の過熱防止を目的とした燃料増量（以下、「ＯＰＴ増量」と称す）等が実行されている間は、排気空燃比が比較的長期にわたってリッチとなる。以下、図３以降を参照して、上記の機能を実現するために、本実施形態において実行される処理の具体的な内容を説明するが、以下の説明では、これらの例に挙げたように排気空燃比を長期にわたってリッチ化させる現象を「リッチ外乱」と称し、一方、排気空燃比を長期にわたってリーン化させる現象を「リーン外乱」と称す。また、以下、リーン外乱に続いて実行される空燃比制御を「リーン外乱制御」と称し、また、リッチ外乱に続いて実行される空燃比制御を「リッチ外乱制御」と称することとする。

図３は、リーン外乱制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、リーン外乱制御において用いられる空燃比（上流側触媒１４の上流）の波形を示す。また、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、その空燃比制御の実行に伴う第１O_２センサ２０と第２O_２センサ２２の出力の変化をそれぞれ示している。さらに、図３（Ｄ）、（Ｅ）及び（Ｆ）は、上流側触媒１４および下流側触媒１６の酸素吸蔵量の変化を表している。

図３において、時刻t1は、フューエルカット等のリーン外乱が終了した時刻を示す。この時刻t1において、上流側触媒１４および下流側触媒１６の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に達している（図３（Ｄ））。この場合、上流側触媒１４および下流側触媒１６の下流にはリーンなガスが吹き抜けており、第１O_２センサ２０および第２O_２センサ２２の出力は、ともにリーン出力に反転している（図３（Ｂ）、図３（Ｃ））。

本実施形態の装置は、リーン外乱が終了した時点で第２O_２センサ２２の出力がリーン出力に反転している場合は、リッチ制御を開始する。リッチ制御の実行中は、図３（Ａ）に示すように、触媒上流の空燃比が所定のリッチ空燃比とされる。その結果、上流側触媒１４の吸蔵酸素が脱離し、酸素吸蔵量が減少傾向を示す。この際、酸素の脱離は上流側触媒１４の上流から開始される。

リッチ制御は、第１O_２センサ２０の出力がリッチ出力に反転するまで継続され、リッチ出力が検出された時点で終了される（図３（Ｂ））。その結果、上流側触媒１４および下流側触媒１６は、図３（Ｅ）に示すような酸素吸蔵分布を示す。

リッチ制御が終了すると（時刻t2）、触媒上流の空燃比が所定のリーン値に変更され、リーン制御が開始される。リーン制御の実行中は、酸素を過剰に含む排気ガスが上流側触媒１４に流入することから、上流側触媒１４の酸素吸蔵量は増加傾向を示す。この際、酸素の吸蔵は、上流側触媒１４の上流側から開始される。

リーン制御は、この制御に伴う吸蔵酸素の積算量が所定の量に到達するまで継続され、第１O_２センサ２０の出力がリーン出力に反転するよりも前に終了される。なお、吸蔵酸素の積算量は、Ａ／Ｆセンサ１８で検出する空燃比と、リーン制御を行う時間とから算出される。図３において、時刻t3は、リーン制御が終了した時刻を示す。この時刻t3において、上流側触媒１４では、上流側に酸素が吸着した状態となっている（図３（Ｆ））。

リーン制御が終了すると（時刻t3）、空燃比が再びリッチに変更され、リッチ制御が開始される。リッチ制御の実行中は、上流側触媒１４にリッチなガスが流入するため、再び上流側触媒１４の酸素吸蔵量が減少傾向に転ずる。上流側触媒１４では、上流側から吸蔵されていた酸素が脱離される。

リッチ制御は、上流側触媒１４の酸素がほぼ全て脱離されるまで継続される。図３において、時刻t4は、リッチ制御が終了した時刻を示す。この時刻t4において、上流側触媒１４の内部では、吸蔵されていた酸素がほぼ脱離された状態となっている（図３（Ｅ））。

以上説明した通り、本実施形態の装置では、リーン外乱が終了した時点で第２O_２センサ２２の出力がリーン反転していた場合には、空燃比をリッチとするリッチ制御を行い、第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転した時点でリッチ制御を終了し、空燃比をリーン値とするリーン制御を行い、その後、リッチ制御とリーン制御とが交互に繰り返される。その結果、上流側触媒１４と下流側触媒１６における酸素吸蔵量の和が、それぞれの最大酸素吸蔵量の和の１／２以上を保つように制御される。

図４に、上述した空燃比制御を実現するためにＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。より具体的には、図４は、リーン外乱制御を実現するためのフローチャートである。以下、リーン外乱制御のフローチャートについて説明する。

図４に示すルーチンは、フューエルカット等のリーン外乱が終了した時点で起動されるものとする。このルーチンでは、まず、第１O_２センサ２０の出力がリーン反転しているか否かが判別される（ステップ１００）。リーン反転しているか否かは、第１O_２センサ２０の出力が所定の電圧の値を示しているかどうかで判別される。

その結果、第１O_２センサ２０の出力がリーン反転していないと判別された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、その出力にリーン反転が生じていると判別された場合は、第２O_２センサ２２の出力がリーン反転しているか否かが判別される（ステップ１０２）。

その結果、第２O_２センサ２２の出力がリーン反転していないと判別された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、その出力にリーン反転が生じていると判別された場合は、上流側触媒１４及び下流側触媒１６の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達していると判断して、ステップ１０４に処理が移される。なお、最大酸素吸蔵量は、公知の手法で計測するものとし、ここではその計測についての詳細な説明は省略する。

次に、図４に示すルーチンでは、リッチ制御が実行される（ステップ１０４）。リッチ制御の実行中は、空燃比が所定のリッチ目標値に設定され、酸素吸蔵量を見ながら、Ａ／Ｆセンサ１８の出力がそのリッチ目標値と対応するように空燃比のフィードバック制御が実行される。このリッチ制御は、第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転するまで継続される。次に、第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転しているか否かが判別される（ステップ１０６）。

その結果、第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転していないと判別された場合は、ステップ１０４に処理が移され、そのままリッチ制御が実行される。一方、その出力にリッチ反転が生じていると判別された場合は、上流側触媒１４の酸素吸蔵量がほぼ０になっていると判断して、ステップ１０８に処理が移される。

図４に示すルーチンでは、次に、リッチ外乱あるいはリーン外乱の発生が認められるか否かが判別される（ステップ１０８）。その結果、いずれかの外乱の発生が認められると判別された場合には、その外乱に対処するため、今回の処理サイクルが速やかに終了される。一方、それらの外乱の発生は認められないと判別された場合は、ステップ１１０に処理が移される。

次に、リーン制御が開始される（ステップ１１０）。リーン制御の実行中は、目標空燃比が所定のリーン目標値に設定され、酸素吸蔵量を見ながら、Ａ／Ｆセンサ１８の出力がそのリーン目標値と対応するように、空燃比のフィードバック制御が実行される。ＥＣＵ３０は、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が所定量Ｌ_１に到達すると、リーン制御を終了させる。

次に、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が所定量Ｌ_１に到達しているか否かが判別される（ステップ１１２）。ここで、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１は、以下に説明する手法で算出される。

すなわち、本実施形態の装置において、上流側触媒１４に流入する排気ガス中の酸素過不足量ΔＯＳＡ_１は、以下に示す式により求めることができる。なお、本ステップにおいては、リーン制御実行前の上流側触媒１４の酸素吸蔵量を０とみなすことができるため、以下の式により算出される「酸素過不足量ΔＯＳＡ_１」の値が、リーン制御実行中の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１と等しいとみなすことができる。本実施形態の装置は、リーン制御の実行開始が指示された後、この式に従って、繰り返しＯＳＡ_１の最新値を算出し続ける。

ΔＯＳＡ_１＝∫（排気ガス量×ストイキとの酸素濃度差×吸着脱離係数）dt
但し、この式における「ストイキとの酸素濃度差」は、上流側触媒１４に流入するガス中の酸素濃度とストイキ（理論空燃比）における酸素濃度との差であり、前者の濃度が高い場合（つまりリーンの場合）に正となるものとする。この値は、メインＡ／Ｆセンサ１８の出力に基づいて算出することができる。また、「吸着脱離係数」は、予め定められた固定値である。

本ステップにおいて、上述した式により算出される上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が、予め設定した所定量Ｌ_１に到達していないと判別された場合には、ステップ１１０に処理が移され、そのままリーン制御が継続される。一方、酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が、所定量Ｌ_１に到達していると判別された場合には、リーン制御を終了し、再びリッチ制御が実行される（ステップ１０４）。以後、リッチ外乱あるいはリーン外乱が生ずるまでステップ１０４からステップ１１２の処理が繰り返される。この際、ステップ１０６では、積算された酸素不足量ΔＯＳＡ _１ がＬ _１ に達したか、つまり、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ _１ がゼロに戻ったかが判別される。その結果、上流側触媒１４と下流側触媒１６の酸素吸蔵量の和が、各々の最大酸素吸蔵量に対して１／２以上を保つように制御される。

なお、本実施形態におけるステップ１１２のリーン制御の終了時期は、ＯＳＡ_１の累積値を基礎として判断しているが、本発明ではこれに限らず、ＯＳＡ_１の累積値を見ることなく、予め設定した時間の経過に応じて見込みにより判断してもよい。

図５は、リッチ外乱制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図５（Ａ）は、リッチ外乱制御において用いられる空燃比（上流側触媒１４の上流）の波形を示す。また、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、その空燃比制御の実行に伴う第１O_２センサ２０と第２O_２センサ２２の出力の変化をそれぞれ示している。さらに、図５（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）及び（Ｇ）は、上流側触媒１４および下流側触媒１６の酸素吸蔵量の変化を表している。

図５において、時刻t1は、ＯＰＴ増量等のリッチ外乱が終了した時刻を示す。この時刻t1において、上流側触媒１４および下流側触媒１６の酸素吸蔵量はほぼ０となっている（図５（Ｄ））。この場合、上流側触媒１４および下流側触媒１６の下流にはリッチなガスが吹き抜けており、第１O_２センサ２０および第２O_２センサ２２の出力は、ともにリッチ出力に反転している（図５（Ｂ）、図５（Ｃ））。

本実施形態の装置は、リッチ外乱が終了した時点で第２O_２センサ２２の出力がリッチ出力に反転している場合は、リーン制御を開始する。リーン制御の実行中は、図５（Ａ）に示すように、触媒上流の空燃比が所定のリーン空燃比とされる。その結果、酸素を過剰に含む排気ガスが上流側触媒１４に流入することから、上流側触媒１４の酸素吸蔵量は増加傾向を示す。この際、酸素の吸着は上流側触媒１４の上流から開始される。

リーン制御は、第１O_２センサ２０の出力がリーン出力に反転するまで継続され（時刻t2）、さらに所定量の酸素を下流側触媒１６に吸着させた後に終了される（図５（Ｂ））。その結果、上流側触媒１４および下流側触媒１６は、図５（Ｅ）に示すような酸素吸蔵分布を経て、図５（Ｆ）に示すような酸素吸蔵分布へと最終的に移行する。

リーン制御が終了すると（時刻t3）、触媒上流の空燃比が所定のリッチ値に変更され、リッチ制御が開始される。リッチ制御の実行中は、上流側触媒１４にリッチなガスが流入するため、再び上流側触媒１４の酸素吸蔵量が減少傾向に転ずる。上流側触媒１４では、上流側から吸蔵されていた酸素が脱離される。

リッチ制御は、この制御に伴う吸蔵酸素の積算量が所定の量に到達するまで継続され、第１O_２センサ２０の出力がリッチ出力に反転するよりも前に終了される。なお、吸蔵酸素の積算量は、Ａ／Ｆセンサ１８で検出する空燃比と、リッチ制御を行う時間とから算出される。図５において、時刻t4は、リッチ制御が終了した時刻を示す。この時刻t4において、上流側触媒１４では、上流側の酸素が脱離した状態となっている（図５（Ｇ））。

リッチ制御が終了すると（時刻t4）、空燃比が再びリーンに変更され、リーン制御が開始される。リーン制御の実行中は、酸素を過剰に含む排気ガスが上流側触媒１４に流入することから、上流側触媒１４の酸素吸蔵量は増加傾向を示す。上流側触媒１４では、上流側から酸素が吸着される。

図５において、時刻t5は、リーン制御が終了した時刻を示す。この時刻t5において、上流側触媒１４の内部では、酸素吸蔵量がほぼ最大酸素吸蔵量に等しい状態となっている（図５（Ｆ））。

以上説明した通り、本実施形態の装置では、リッチ外乱が終了した時点で第２O_２センサ２２の出力がリッチ反転していた場合には、空燃比をリーンとするリーン制御を行い、第１O_２センサ２０の出力がリーン反転し、さらに所定量の酸素を下流側触媒１６に吸着させた後にリーン制御を終了し、空燃比をリッチ値とするリッチ制御を行い、その後、リーン制御とリッチ制御とが交互に繰り返される。その結果、上流側触媒１４と下流側触媒１６における酸素吸蔵量の和が、それぞれの最大酸素吸蔵量の和の１／２以上を保つように制御される。

図６に、上述した空燃比制御を実現するためにＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。より具体的には、図６は、リッチ外乱制御を実現するためのフローチャートである。以下、リッチ外乱制御のフローチャートについて説明する。

図６に示すルーチンは、ＯＰＴ増量等のリッチ外乱が終了した時点で起動されるものとする。このルーチンでは、まず、第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転しているか否かが判別される（ステップ２００）。リッチ反転しているか否かは、第１O_２センサ２０の出力が所定の電圧の値を示しているかどうかで判別される。

その結果、第１O_２センサ２０の出力がリッチ反転していないと判別された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、その出力にリッチ反転が生じていると判別された場合は、第２O_２センサ２２の出力がリッチ反転しているか否かが判別される（ステップ２０２）。

その結果、第２O_２センサ２２の出力がリッチ反転していないと判別された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、その出力にリッチ反転が生じていると判別された場合は、上流側触媒１４及び下流側触媒１６の酸素吸蔵量がほぼ０に等しい状態になっていると判断して、ステップ２０４に処理が移される。

次に、図６に示すルーチンでは、リーン制御が実行される（ステップ２０４）。リーン制御の実行中は、空燃比が所定のリーン目標値に設定され、酸素吸蔵量を見ながら、Ａ／Ｆセンサ１８の出力がそのリーン目標値と対応するように空燃比のフィードバック制御が実行される。ＥＣＵ３０は、下流側触媒１６の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２が所定量Ｌ_２に到達すると、リーン制御を終了させる。ここで、本ステップにおける下流側触媒１６の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２は、以下に説明する手法で算出される。

すなわち、本実施形態の装置において、下流側触媒１６に流入する排気ガス中の酸素過不足量ΔＯＳＡ_２は、以下に示す式により求めることができる。なお、本ステップにおいては、酸素過不足量ΔＯＳＡ_２の算出を、第１O_２センサ２０の出力がリーン反転した時点から行うことにより、算出開始前の下流側触媒１６の酸素吸蔵量を０とみなすことができるため、以下の式により算出される「酸素過不足量ΔＯＳＡ_２」の値が、リーン制御実行中の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２と等しいとみなすことができる。本実施形態の装置は、第１O_２センサ２０の出力がリーン反転した直後より、この式に従って、繰り返しＯＳＡ_２の最新値を算出し続ける。

ΔＯＳＡ_２＝∫（排気ガス量×ストイキとの酸素濃度差×吸着脱離係数）dt
但し、この式における「ストイキとの酸素濃度差」は、下流側触媒１６に流入するガス中の酸素濃度とストイキ（理論空燃比）における酸素濃度との差であり、前者の濃度が高い場合（つまりリーンの場合）に正となるものとする。この値は、メインＡ／Ｆセンサ１８の出力に基づいて算出することができる。また、「吸着脱離係数」は、予め定められた固定値である。

次に、下流側触媒１６の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２が所定量Ｌ_２に到達しているか否かが判別される（ステップ２０６）。本ステップにおいて、上述した式により算出される下流側触媒１６の酸素吸蔵量ＯＳＡ_２が、予め設定した所定量Ｌ_２に到達していないと判別された場合には、ステップ２０４に処理が移され、そのままリーン制御が継続される。一方、酸素吸蔵量ＯＳＡ_２が、所定量Ｌ_２に到達していると判別された場合には、リーン制御を終了し、ステップ２０８に処理が移される。

図６に示すルーチンでは、次に、リーン外乱あるいはリッチ外乱の発生が認められるか否かが判別される（ステップ２０８）。その結果、いずれかの外乱の発生が認められると判別された場合には、その外乱に対処するため、今回の処理サイクルが速やかに終了される。一方、それらの外乱の発生は認められないと判別された場合は、ステップ２１０に処理が移される。

次に、リッチ制御が開始される（ステップ２１０）。リッチ制御の実行中は、目標空燃比が所定のリッチ目標値に設定され、酸素吸蔵量を見ながら、Ａ／Ｆセンサ１８の出力がそのリッチ目標値と対応するように、空燃比のフィードバック制御が実行される。なお、リッチ制御の実行中は、上流側触媒１４の酸素吸蔵量は減少傾向を示し、ＥＣＵ３０は、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が所定量Ｌ_３以下に到達すると、リッチ制御を終了させる。ここで、本ステップにおける上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１は、以下に説明する手法で算出される。

すなわち、本実施形態の装置において、上流側触媒１４に流入する排気ガス中の酸素過不足量ΔＯＳＡ_１は、以下に示す（１）式により求めることができる。なお、本ステップにおいては、リッチ制御実行前の上流側触媒１４の酸素吸蔵量を、上流側触媒１４の最大酸素吸蔵量Ｃmax_１と等しいものとみなすことができるため、（１）式により算出される「酸素過不足量ΔＯＳＡ_１」を用いれば、リッチ制御後の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１は、（２）式のように表すことができる。本実施形態の装置は、リッチ制御の実行開始が指示された後、この式に従って、繰り返しＯＳＡ_１の最新値を算出し続ける。

ΔＯＳＡ_１＝∫（排気ガス量×ストイキとの酸素濃度差×吸着脱離係数）dt・・・（１）
ＯＳＡ_１＝Ｃmax_１＋ΔＯＳＡ_１・・・（２）
但し、この式における「ストイキとの酸素濃度差」および「吸着脱離係数」の内容については、上述したものと同様である。

次に、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が所定量Ｌ_３以下に到達しているか否かが判別される（ステップ２１２）。本ステップにおいて、上述した式により算出される上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が、予め設定した所定量Ｌ_３より大きいと判別された場合には、ステップ２１０に処理が移され、そのままリッチ制御が継続される。一方、酸素吸蔵量ＯＳＡ_１が、所定量Ｌ_３以下に到達していると判別された場合には、リッチ制御を終了し、ステップ２０４に処理が移される。

以後、リッチ外乱あるいはリーン外乱が生ずるまでステップ２０４からステップ２１２の処理が繰り返される。この際、ステップ２０６では、積算された酸素過剰量ΔＯＳＡ _１ が（Ｃmax _１ −Ｌ _３ ）に達したか、つまり、上流側触媒１４の酸素吸蔵量ＯＳＡ _１ がＣmax _１ に戻ったかが判別される。その結果、上流側触媒１４と下流側触媒１６の酸素吸蔵量の和が、各々の最大酸素吸蔵量に対して１／２以上を保つように制御される。

なお、本実施形態におけるステップ２０６のリーン制御およびステップ２１２のリッチ制御の終了時期は、それぞれＯＳＡ_２またはＯＳＡ_１の累積値を基礎として判断しているが、本発明ではこれに限らず、各々の累積値を見ることなく、予め設定した条件の成否に応じて見込みにより判断してもよい。

以上説明したように、本実施形態において実行される制御によれば、上流側触媒１４と下流側触媒１６の酸素吸蔵量の和が、各々の最大酸素吸蔵量に対して１／２以上の状態を保つように制御することが可能となる。その結果、排気空燃比がリッチであってもリーンであっても、効率的に排気を浄化することができる。

また、本実施形態のように、上流側触媒１４と下流側触媒１６の容量を等しくすることにより、例えば上流側触媒１４の酸素吸蔵量をほぼゼロにして下流側触媒１６の酸素吸蔵量をほぼ最大酸素吸蔵量と等しくする、もしくは上流側触媒１４の酸素吸蔵量をほぼ最大酸素吸蔵量と等しい状態にして下流側触媒１６の酸素吸蔵量をほぼゼロにする、というように、触媒の最大酸素吸蔵量に対する酸素吸蔵量の割合を１／２以上に制御することがより容易にできることとなる。

なお、上述した実施の形態においては、Ａ／Ｆセンサ１８、第１O _２ センサ２０及び第２O _２ センサ２２が、それぞれ前記第１および第２の発明における「第１空燃比検出手段」、「第２空燃比検出手段」および「第３空燃比検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１００および１０２の処理を実行することにより前記第２の発明における「リーン外乱検知手段」が、上記ステップ２００および２０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「リッチ外乱検知手段」が、それぞれ実現されている。また、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「リッチ制御手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「リーン制御手段」が、それぞれ実現されている。また、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０６および１１０の処理を実行することにより前記第２の発明における「リッチ制御手段」が、上記ステップ２０６および２１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「リーン制御手段」が、それぞれ実現されている。また、ＥＣＵ３０が、酸素過不足量ΔＯＳＡ _１ を積算することにより前記第１および第２の発明における「酸素過不足量積算手段」が実現されている。更に、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１１２の処理に続けてステップ１０４〜１１２の処理を繰り返すことにより、或いは、上記ステップ２１２の処理に続けてステップ２０４〜２１２の処理を繰り返すことにより前記第１および第２の発明における「空燃比反転手段」が実現されている。

本発明に好適な実施の形態の構成を説明するための図である。 排気空燃比とＮＯｘやＣＯ等の低減可能な範囲との関係を説明するための図である。 本発明に好適な実施の形態において実行されるリーン外乱制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に好適な実施の形態において実行される制御ルーチンのフローチャートである。 本発明に好適な実施の形態において実行されるリッチ外乱制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に好適な実施の形態において実行される制御ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 排気通路
１４ 上流側触媒
１６ 下流側触媒
１８ Ａ／Ｆセンサ
２０ 第１O_２センサ
２２ 第２O_２センサ
３０ ＥＣＵ(Electronic control Unit)

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に配置された上流側触媒と、
   前記上流側触媒の下流側に直列に配置され、前記上流側触媒と等しいＣmax容量を有する下流側触媒と、
   前記上流側触媒の上流に設けられた第１空燃比検出手段と、
   前記下流側触媒の上流であり、かつ、前記上流側触媒の下流に設けられた第２空燃比検出手段と、
   前記下流側触媒の下流に設けられた第３空燃比検出手段と、
   前記第２空燃比検出手段の出力と前記第３空燃比検出手段の出力とに基づいて、前記上流側触媒と前記下流側触媒の酸素吸蔵量が共にゼロとなる酸素放出状態の成立を検知するリッチ外乱検知手段と、
   前記酸素放出状態の成立が検知された際に、前記内燃機関の空燃比をリーンに反転するリーン反転制御を実行するリーン制御手段と、
   前記リーン反転制御の実行後、更に前記第２空燃比検出手段の出力がリーンに反転した後に、前記内燃機関の空燃比をリッチに反転するリッチ反転制御を実行するリッチ制御手段と、
   前記第１空燃比検出手段の出力に基づいて、前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算する酸素過不足量積算手段と、
   前記リッチ反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量の積算値が所定値に達した時点で前記リーン反転制御を実行し、前記リーン反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過剰量の積算値が前記所定値に達した時点で前記リッチ反転制御を実行する空燃比反転手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に配置された上流側触媒と、
   前記上流側触媒の下流側に直列に配置され、前記上流側触媒と等しいＣmax容量を有する下流側触媒と、
   前記上流側触媒の上流に設けられた第１空燃比検出手段と、
   前記下流側触媒の上流であり、かつ、前記上流側触媒の下流に設けられた第２空燃比検出手段と、
   前記下流側触媒の下流に設けられた第３空燃比検出手段と、
   前記第２空燃比検出手段の出力と前記第３空燃比検出手段の出力とに基づいて、前記上流側触媒と前記下流側触媒の酸素吸蔵量が共に最大酸素吸蔵量となる酸素吸蔵状態の成立を検知するリーン外乱検知手段と、
   前記酸素吸蔵状態の成立が検知された際に、前記内燃機関の空燃比をリッチに反転するリッチ反転制御を実行するリッチ制御手段と、
   前記リッチ反転制御の実行後、更に前記第２空燃比検出手段の出力がリッチに反転した時点で、前記内燃機関の空燃比をリーンに反転するリーン反転制御を実行するリーン制御手段と、
   前記第１空燃比検出手段の出力に基づいて、前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を積算する酸素過不足量積算手段と、
   前記リーン反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素過剰量の積算値が所定値に達した時点で前記リッチ反転制御を実行し、前記リッチ反転制御の実行後に前記上流側触媒に流入する排気ガス中の酸素不足量の積算値が前記所定値に達した時点で前記リーン反転制御を実行する空燃比反転手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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