JP2004092472A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気通路に三元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒(本明細書においては、単に「触媒」と云うこともある。)が、同機関の排気通路に配設されている。この三元触媒は、酸素を吸蔵する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、触媒内に吸蔵されている酸素量を「酸素吸蔵量」と称呼する。)を有していて、流入するガスの空燃比がリッチである場合には吸蔵している酸素によりHC,CO等の未燃成分を酸化するとともに、流入するガスの空燃比がリーンである場合には窒素酸化物(NOx)を還元して同NOxから奪った酸素を内部に吸蔵する。これにより、三元触媒は、機関の空燃比が理論空燃比から偏移した場合でも、未燃成分や窒素酸化物等の有害成分を浄化することができる。
【0003】
一方、近年、内燃機関の始動直後の排気ガスを浄化するとするとともに、完全暖機後の排気浄化性能を一層向上するため、機関の排気通路にスタート・コンバータと云われる比較的小容量の第1触媒を配設するともに、第1触媒よりも下流の排気通路にアンダ・フロア・コンバータと云われる比較的容量の大きい第2触媒を配設する構成が採用されることがある。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、温度の高い排気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、その容量が大きいことから、一旦暖機した後においては優れた排気浄化機能を発揮する。
【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、機関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、触媒の酸素吸蔵量は、「0」から吸蔵し得る最大の酸素量(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、触媒内の酸素吸蔵量が「0」近傍であるときに機関の空燃比がリッチとなると、触媒内で未燃成分を十分に酸化することができず同触媒から未燃成分(リッチ空燃比の排気ガス)が流出してしまう。反対に、触媒内の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量近傍であるときに機関の空燃比がリーンとなると、触媒内で窒素酸化物を十分に還元することができず同触媒から窒素酸化物(リーン空燃比の排気ガス)が流出してしまう。
【0005】
以上のことから、未燃成分や窒素酸化物を効率よく浄化するため触媒内の酸素吸蔵量が適切な量(例えば、最大酸素吸蔵量の半分程度の量)になるように機関の空燃比が制御されることが好ましく、上記のように、第1触媒と第2触媒とを内燃機関の排気通路に直列に配設した場合においては、第1触媒の酸素吸蔵量も第2触媒の酸素吸蔵量も共に適切な量になるように機関の空燃比が制御されることが好ましい。
【0006】
このため、特開2001−234787号公報に開示された排気浄化装置は、第1触媒の酸素吸蔵量を演算し、演算した第1触媒の酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量(第1触媒の最大酸素吸蔵量の半分程度の量)となるように機関の空燃比を制御するとともに、同第1触媒の目標酸素吸蔵量を、第2触媒下流に設けられた空燃比センサの出力が同第2触媒から流出する排気ガスの特性がリーン状態であることを示したときには減少させ、同排気ガスの特性がリッチ状態であることを示したときには増大させるようになっている。
【0007】
これによれば、第2触媒から流出する排気ガスの特性がリーン状態となっているとき、即ち、第2触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近い量になっているときには、機関の空燃比がリッチとなるように制御されて第1触媒の酸素吸蔵量が減少せしめられた目標酸素吸蔵量(「0」に近い量)まで減少させられる。従って、第1触媒からリッチ空燃比の排気ガスが流出し易くなり、この結果、第2触媒の酸素吸蔵量は適切な量(第2触媒の最大酸素吸蔵量の半分程度の量)になるまで減少する。
【0008】
一方、第2触媒から流出する排気ガスの特性がリッチ状態となっているとき、即ち、第2触媒の酸素吸蔵量が「0」に近い量になっているときには、機関の空燃比がリーンとなるように制御されて第1触媒の酸素吸蔵量が増加せしめられた目標酸素吸蔵量(「最大酸素吸蔵量」に近い量)まで増加させられる。従って、第1触媒からリーン空燃比の排気ガスが流出し易くなり、この結果、第2触媒の酸素吸蔵量は上記適切な量になるまで増加する。
【0009】
また、上記のようにして第2触媒の酸素吸蔵量が適切な量に到達した後は、第2触媒から流出する排気ガスの特性はリーン状態でもリッチ状態でもなくなるので、第1触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の半分程度の適切な量に戻された第1触媒の目標酸素吸蔵量になるように機関の空燃比が制御され、この結果、第1触媒の酸素吸蔵量も第2触媒の酸素吸蔵量も共に適切な量になるように調整される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記開示された装置のように、機関の空燃比制御により第1触媒の酸素吸蔵量も第2触媒の酸素吸蔵量も共に適切な量になるように調整するためには、先ず、第1触媒の酸素吸蔵量を強制的に適切な量から偏移させて第2触媒の酸素吸蔵量を適切な量に調整し、その後に第1触媒の酸素吸蔵量を適切な量に調整する必要がある。換言すれば、第1,第2触媒の各々の酸素吸蔵量を別個独立に(同時に)調整することができない。これは、第1触媒の酸素吸蔵量が適切な量に調整されている状態にあると、第2触媒の酸素吸蔵量を増加させるための窒素酸素物(NOx)や同第2触媒の酸素吸蔵量を減少させるためのHC,CO等の未燃成分が第1触媒から流出しにくくなって同第2触媒の酸素吸蔵量を調整することが困難になることによる。従って、機関の空燃比制御により第1,第2触媒の各々の酸素吸蔵量を共に適切な量になるように調整するためには、比較的長い時間を要するという問題がある。
【0011】
従って、本発明の目的は、内燃機関の排気通路に直列に配設された複数の触媒の各々の酸素吸蔵量を別個独立に適切な量に調整することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0012】
【本発明の概要】
本発明の第1の特徴は、内燃機関の排気浄化装置が、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た第2触媒と、少なくとも前記第2触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値を取得値として取得する取得値取得手段と、前記取得値が前記第2触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように、同取得値に基いて同第2触媒の酸素吸蔵量を増加させるための所定量の空気を同第2触媒に供給する空気供給装置とを備えたことにある。
【0013】
本発明の第2の特徴は、上記本発明の第1の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置において、空気供給装置の代わりに、前記取得値が前記第2触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように、同取得値に基いて同第2触媒の酸素吸蔵量を減少させるための所定量の還元剤を同第2触媒に供給する還元剤供給装置を備えたことにある。ここで、「還元剤」は、例えば、HC,CO等の燃料中の成分であって、これらに限定されない。
【0014】
上記した本発明の第1の特徴及び第2の特徴において、取得値取得手段が取得値として取得する「少なくとも第2触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値」は、例えば、第2触媒の酸素吸蔵量を示す値、後述するように第2触媒から流出する酸素の吸蔵・放出反応に関係する特定成分(例えば、酸素成分(酸素分子及び窒素酸化物の酸素))の流出量に応じた値、又は第2触媒よりも下流の排気通路に配設された空燃比センサの出力値であって、計算又は物理的な検出により得られる値である。
【0015】
また、「所定の目標値」は、第2触媒の最大酸素吸蔵量の半分程度の量に相当する値であることが好適であり、所定の幅を有する値であってもよい。また、上記した本発明の第1の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置において、さらに、前記取得値が前記第2触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように、同取得値に基いて同第2触媒の酸素吸蔵量を減少させるための所定量の還元剤を前記第1触媒よりも下流であって同第2触媒よりも上流の前記排気通路に供給する還元剤供給装置を備えることが好適である。
【0016】
上記した第1の特徴に係る構成によれば、取得値取得手段により取得された取得値が、所定の目標値に相当する第2触媒の目標酸素吸蔵量(例えば、最大酸素吸蔵量の半分程度の量)よりも同第2触媒の酸素吸蔵量が小さいことを示す値となっているとき、同取得値が所定の目標値となるように同取得値に基いて空気供給装置により所定量の空気を第2触媒に供給することで、同空気中の酸素が第2触媒内に吸蔵され、この結果、第2触媒の酸素吸蔵量を上記目標酸素吸蔵量まで増加させることができる。
【0017】
また、上記した第2の特徴に係る構成によれば、取得値取得手段により取得された取得値が、所定の目標値に相当する第2触媒の目標酸素吸蔵量(例えば、最大酸素吸蔵量の半分程度の量)よりも同第2触媒の酸素吸蔵量が大きいことを示す値となっているとき、同取得値が所定の目標値となるように同取得値に基いて還元剤供給装置により所定量の還元剤を第2触媒に供給することで、同還元剤により第2触媒内の吸蔵酸素が奪われ、この結果、第2触媒の酸素吸蔵量を上記目標酸素吸蔵量まで減少させることができる。
【0018】
即ち、上記した第1の特徴に係る構成、及び第2の特徴に係る構成によれば、第2触媒の上流の排気通路に配設されている第1触媒の酸素吸蔵量を強制的に適切な量から偏移させることなく(第1触媒の酸素吸蔵量を変更することなく)第2触媒の酸素吸蔵量を適切な量に調整することができる。従って、第1触媒の酸素吸蔵量を、例えば、第1触媒の下流に配設された空燃比センサの出力に基いた機関の空燃比のフィードバック制御、上記した第2触媒用の空気(還元剤)供給装置と同様の第1触媒用の空気(還元剤)供給装置を第1触媒よりも上流の排気通路に配設した場合には同第1触媒用の空気(還元剤)供給装置等により適切な量に調整するように構成すれば、第1,第2触媒の各々の酸素吸蔵量が適切な量から偏移したとき、第1,第2触媒の各々の酸素吸蔵量を別個独立に直ちに適切な量になるように調整することができ、この結果、エミッションの排出量を効果的に低減することができる。
【0019】
上記した第2の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記還元剤供給装置は、チャコールキャニスタに吸着された燃料を前記還元剤として使用するように構成されることが好適である。一般に、内燃機関においては、燃料タンク等から発生した燃料蒸気を一旦吸着するとともに吸着した燃料(成分)を内燃機関の吸気系に供給するためのチャコールキャニスタが装着されている。従って、上記構成によれば、還元剤供給装置としての新たな装置を追加する必要がないので、排気浄化装置を全体として安価とすることができる。
【0020】
また、上記構成によれば、チャコールキャニスタが吸着した燃料を吸気系ではなく排気系に供給するので、吸着した燃料を吸気系に供給することに起因する吸気混合気の空燃比の荒れの発生を防止でき、エミッションの排出量をより一層低減できるとともに、機関の出力変動を低減できることで運転者のドライバビリティが向上する。
【0021】
上記した第1の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記第2触媒が同第2触媒に流入するガス中の還元剤による被毒状態にあることを検出する還元剤被毒状態検出手段を備え、前記第2触媒が前記ガス中の還元剤による被毒状態にあるとき、前記空気供給装置により前記被毒状態を解消するための空気を同第2触媒に供給するように構成されることが好適である。
【0022】
触媒は、排気ガス中の還元剤(例えば、HC,CO等の未燃成分)が所定量だけ連続的に流入すると、同還元剤が同触媒内の貴金属やセリア(CeO2)(以下、「貴金属等」と称呼する。)の表面に付着して貴金属等の表面積が小さくなることにより被毒(所謂、一次被毒)し、かかる被毒により劣化する(例えば、触媒の最大酸素吸蔵量が低下する)ことが知られている。本明細書において、「還元剤による被毒状態にある触媒」とは、かかる状態にある触媒のことを云う。また、一方では、還元剤による触媒の一次被毒状態は、同触媒に所定量の酸素を供給することにより解消することも知られている。
【0023】
従って、上記のように、第2触媒が排気ガス中の還元剤による被毒状態にあるとき、上記空気供給装置により同被毒状態を解消するための空気を第2触媒に供給するように構成すれば、第2触媒の酸素吸蔵量を制御するための空気供給装置を触媒の還元剤による被毒状態の解消のためにも併用することができ、簡易な構成で触媒の還元剤による被毒状態を解消することができる。
【0024】
また、上記した第2の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記第2触媒が同第2触媒に流入するガス中の硫黄による被毒状態にあることを検出する硫黄被毒状態検出手段を備え、前記第2触媒が前記硫黄による被毒状態にあるとき、前記還元剤供給装置により前記被毒状態を解消するための還元剤を同第2触媒に供給するように構成されることが好適である。
【0025】
触媒は、排気ガス中の硫黄成分が所定量だけ連続的に流入すると、同硫黄成分が同触媒内の貴金属等の表面に付着して貴金属等の表面積が小さくなることにより被毒(所謂、一次被毒)し、かかる被毒によっても劣化することが知られている。本明細書において、「硫黄による被毒状態にある触媒」とは、かかる状態にある触媒のことを云う。また、一方では、硫黄成分による触媒の一次被毒状態は、同触媒に所定量の還元剤(例えば、HC,CO等の未燃成分)を供給することにより解消することも知られている。
【0026】
従って、上記のように、第2触媒が排気ガス中の硫黄による被毒状態にあるとき、上記還元剤供給装置により同被毒状態を解消するための還元剤を第2触媒に供給するように構成すれば、第2触媒の酸素吸蔵量を制御するための還元剤供給装置を触媒の硫黄による被毒状態の解消のためにも併用することができ、簡易な構成で触媒の硫黄による被毒状態を解消することができる。
【0027】
また、上記した第1の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記第2触媒よりも下流の前記排気通路に配設された触媒下流空燃比センサと、前記第2触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出している状態から前記空気供給装置により同第2触媒に空気を供給したときの同供給される空気中の酸素量及び前記触媒下流空燃比センサの出力の理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態への出力変化に基いて同第2触媒の最大酸素吸蔵量を取得する最大酸素吸蔵量取得手段とを備えるように構成されることが好適である。
【0028】
上述したように、触媒は排気ガス中に含まれる還元剤や硫黄等による被毒により劣化し、触媒の劣化が進行するほど最大酸素吸蔵量は低下する。従って、触媒の最大酸素吸蔵量を推定できれば、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒が劣化したか否かを判定することができる。このため、例えば、特開平5−133264号公報等に記載されているように、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比から所定のリーン空燃比(又は、その逆)に強制的に変化させ、その際における触媒下流に配置した空燃比センサの出力変化と、前記所定のリッチ空燃比、又は前記所定のリーン空燃比とに基いて同触媒の最大酸素吸蔵量を推定し、同推定した最大酸素吸蔵量に基いて同触媒の劣化の程度を検出する技術が知られている。
【0029】
しかしながら、かかる技術により触媒の最大酸素吸蔵量を推定しようとすると、機関の空燃比をリッチ空燃比及びリーン空燃比のいずれか一方から他方へ変化させる必要があり、この結果、機関の出力変動が運転者に感知され易く、ドライバビリティの悪化が感知され易いという問題があった。
【0030】
これに対し、上記のように、第2触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出している状態から空気供給装置により同第2触媒に空気を供給し、そのときの供給される空気中の酸素量及び触媒下流空燃比センサの出力の理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態への出力変化に基いて同第2触媒の最大酸素吸蔵量を取得するように構成すれば、仮に、第2触媒を内部に吸蔵している酸素を完全に放出している状態にするために機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に変化させたとしても、その後に機関の空燃比をリーン空燃比に変化させる必要はない。従って、機関の出力変動量が低減し、触媒の最大酸素吸蔵量を取得することに起因して発生するドライバビリティの悪化を最小限にすることが可能となる。
【0031】
同様に、上記した第2の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記第2触媒よりも下流の前記排気通路に配設された触媒下流空燃比センサと、前記第2触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵している状態から前記還元剤供給装置により同第2触媒に前記還元剤を供給したときの同供給される還元剤の量及び前記触媒下流空燃比センサの出力の理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態への出力変化に基いて同第2触媒の最大酸素吸蔵量を取得する最大酸素吸蔵量取得手段とを備えるように構成されることが好適である。
【0032】
これによっても、仮に、第2触媒を内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵している状態にするために機関の空燃比を所定のリーン空燃比に変化させたとしても、その後に機関の空燃比をリッチ空燃比に変化させる必要はない。従って、機関の出力変動量が低減し、触媒の最大酸素吸蔵量を取得することに起因して発生するドライバビリティの悪化を最小限にすることが可能となる。
【0033】
加えて、上記した第1の特徴に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記取得値取得手段は、前記第2触媒における酸素の吸蔵・放出反応に着目するとともに、少なくとも同第2触媒の酸素吸蔵量に基いて同第2触媒が内部に流入するガスから吸蔵する酸素量及び内部に吸蔵している酸素から放出する酸素量を所定のパラメータを利用して算出するモデルを使用して前記取得値を取得するように構成されているとともに、前記第2触媒よりも下流の前記排気通路に配設された触媒下流空燃比センサと、前記空気供給装置により前記第2触媒に前記空気を供給したときの前記触媒下流空燃比センサの出力値と前記取得値との比較結果に基づいて前記所定のパラメータを補正するパラメータ補正手段とを備えるように構成されることが好適である。
【0034】
これによれば、例えば、前記モデルが所定のパラメータを利用して取得値として取得する「少なくとも第2触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値」が第2触媒から流出する酸素成分(酸素分子及び窒素酸化物の酸素)の流出量に応じた値であった場合、空気供給装置により第2触媒に空気(酸素)を供給していくときの、触媒下流空燃比センサの出力の理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態への変化に基いて検出・推定される実際に第2触媒から流出する酸素成分の流出量と上記モデルにより計算される第2触媒から流出する酸素成分の流出量とを比較し、両者に差があった場合、その差が消滅する方向に前記所定のパラメータを補正することができる。従って、上記モデルにより計算される取得値を実際の値に近づけることができ、同モデルによる同取得値の計算精度を高くすることができるとともに、一層正確に第2触媒の酸素吸蔵量を適切な量に調整することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化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。
【0036】
この内燃機関10は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部20と、シリンダブロック部20の上に固定されるシリンダヘッド部30と、シリンダブロック部20にガソリン混合気を供給するための吸気系統40と、シリンダブロック部20からの排気ガスを外部に放出するための排気系統50とを含んでいる。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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、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、並びに、空気供給装置及び還元剤供給装置としてのエア・還元ガス噴射装置55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。
【0041】
エア・還元ガス噴射装置55は、図示しない燃料タンク等から発生した燃料蒸気を吸着可能なチャコールキャニスタ55aと、外部の空気(以下、単に「エア」と云うこともある。)を昇圧するエアポンプ55bと、第1触媒53の最上流位置よりも若干上流の排気通路(以下、「第1触媒側噴射部」と称呼する。)に昇圧されたエアを直接噴射する(第1の位置)かチャコールキャニスタ55a内を通過した後のHC,CO等の未燃成分等の還元剤を多量に含んだ状態にある昇圧された空気(以下、「還元ガス」と称呼する。)を噴射する(第2の位置)かを選択可能な3ポート2位置切替型の電磁弁である第1触媒側切替弁55cと、第1触媒側切替弁55cにより選択されたエア及び還元ガスのいずれか一方の第1触媒側噴射部への噴射量を制御する第1触媒側噴射量制御弁55dと、第2触媒54の最上流位置よりも若干上流の排気通路(以下、「第2触媒側噴射部」と称呼する。)に昇圧されたエアを直接噴射する(第1の位置)か昇圧された還元ガスを噴射する(第2の位置)かを選択可能な3ポート2位置切替型の電磁弁である第2触媒側切替弁55eと、第2触媒側切替弁55eにより選択されたエア及び還元ガスのいずれか一方の第2触媒側噴射部への噴射量を制御する第2触媒側噴射量制御弁55fとを備えている。
【0042】
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よりも上流(且つ、第1触媒側噴射部よりも上流)の排気通路に配設された空燃比センサ66(以下、「最上流空燃比センサ66」と称呼する。)、第1触媒53よりも下流であって第2触媒54よりも上流(且つ、第2触媒側噴射部よりも上流)の排気通路に配設された空燃比センサ67(以下、「第1触媒下流空燃比センサ67」と称呼する。)、第2触媒54よりも下流の排気通路に配設された空燃比センサ68(以下、「第2触媒下流空燃比センサ68」と称呼する。)、及びアクセル開度センサ69を備えている。
【0043】
熱線式エアフローメータ61は、吸気管41内を流れる吸入空気の質量流量に応じた電圧Vgを出力するようになっている。かかるエアフローメータ61の出力Vgと、計測された吸入空気量(流量)AFMとの関係は、図2に示したとおりである。スロットルポジションセンサ62は、スロットル弁43の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ63は、インテークカムシャフトが90°回転する毎に(即ち、クランク軸24が180°回転する毎に)一つのパルスを有する信号(G2信号)を発生するようになっている。クランクポジションセンサ64は、クランク軸24が10°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸24が360°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度NEを表す。水温センサ65は、内燃機関10の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
【0044】
最上流空燃比センサ66は、図3に示したように、空燃比A/Fに応じた電流を出力し、この電流に応じた電圧vabyfsを出力するようになっている。図3から明らかなように、最上流空燃比センサ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1触媒下流空燃比センサ67、及び第2触媒下流空燃比センサ68は、図4に示したように、理論空燃比において急変する電圧Voxs1,Voxs2をそれぞれ出力するようになっている。より具体的に述べると、第1,第2触媒下流空燃比センサ67,68は、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときは略0.1(V)、空燃比が理論空燃比よりもリッチのときは略0.9(V)、及び空燃比が理論空燃比のときは略0.5(V)の電圧を出力するようになっている。アクセル開度センサ69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。
【0045】
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)、定数等を予め記憶したROM72、CPU71が必要に応じてデータを一時的に格納するRAM73、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップRAM74、及びADコンバータを含むインターフェース75等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース75は、前記センサ61〜69と接続され、CPU71にセンサ61〜69からの信号を供給するとともに、同CPU71の指示に応じて可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、イグナイタ38、インジェクタ39、スロットル弁アクチュエータ43a、エアポンプ55b、第1触媒側切替弁55c、第1触媒側噴射量制御弁55d、第2触媒側切替弁55e、及び第2触媒側噴射量制御弁55fに駆動・制御信号を送出するようになっている。
【0046】
(酸素吸蔵量制御の概要)
ところで、第1,第2触媒53,54は、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分(HC,CO)を酸化するとともに、窒素酸化物(NOx)を還元する機能を有する。更に、第1,第2触媒53,54は、酸素を貯蔵する酸素吸蔵機能を有し、この酸素吸蔵機能により、空燃比が理論空燃比から偏移したとしても、HC,CO、及びNOxを浄化することができる。このような機能は、第1,第2触媒53,54が有するセリウムCeによって達成される。
【0047】
より具体的に述べると、セリウムCeは金属単体の状態であると不安定であり、酸素が結合するとセリアCeO2となって安定する。従って、空燃比が理論空燃比よりもリーンであって、第1,第2触媒53,54内に酸素分子(窒素酸化物の酸素を含む。)が流入すると、セリウムCeは酸素を奪ってセリアCeO2となる(本明細書において、この反応を「酸素吸蔵反応」と称呼する。)。一方、空燃比が理論空燃比よりもリッチであって、第1,第2触媒53,54内に未燃HC,COが流入すると、これら未燃HC,COはセリアCeO2から酸素を奪う。この結果、セリアCeO2は、再び不安定なセリウムCeとなる(本明細書において、この反応を「酸素放出反応」と称呼する。)。
【0048】
このように、空燃比がリーンになると排気ガスに含まれる酸素分子が奪われるので、同排気ガス中に含まれるNOxが還元される。また、空燃比がリッチになると排気ガスに含まれるHC,COがセリアCeO2から酸素を奪うので、同HC,COが酸化される。以上により、第1,第2触媒53,54は、空燃比が理論空燃比より偏移しても、HC,CO、及びNOxを浄化することができる。
【0049】
以上のことから明らかなように、第1,第2触媒53,54がHC,COを効率的に浄化するためには、同第1,第2触媒53,54が酸素を貯蔵していなければならず、NOxを効率的に浄化するためには、同第1,第2触媒53,54が酸素を貯蔵し得る状態(即ち、第1,第2触媒53,54の実際の酸素吸蔵量の各々が、それぞれ、同第1,第2触媒53,54の各々の最大酸素吸蔵量以下である状態)になければならないことになる。
【0050】
一方、機関の空燃比は同機関の運転状態等に応じてリッチ、又はリーンとなり、同空燃比がリッチ又はリーンの何れとなるかを予測することは困難である。従って、HC,CO,及びNOxを排出しないようにするためには、通常、第1,第2触媒53,54の酸素吸蔵量の各々が同第1,第2触媒53,54の各々の最大酸素吸蔵量の半分程度の量に維持されていることが好ましい。
【0051】
そこで、本発明による排気浄化装置は、第1触媒53(全体)の酸素吸蔵量OSA1allを算出(推定)し、算出された第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1allが第1触媒53の最大酸素吸蔵量Cmax1allの半分の量に設定されている第1触媒目標酸素吸蔵量OSA1allrefと一致するように、同酸素吸蔵量OSA1allの値に応じてエア・還元ガス噴射装置55を制御する。ここで、算出された第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1allは「少なくとも第1触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値」である。
【0052】
より具体的に述べると、本装置は、第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1allの値から第1触媒目標酸素吸蔵量OSA1allrefの値を減じることにより得られる偏差を比例・積分処理(PI処理)して第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbを求める。そして、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbが「0」又は正の値である場合には、同第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbの値の関数Q1caniに基いて、CPU71の演算周期あたりに噴射すべき酸素吸蔵量制御用還元ガス量Q1cani(OSA1fb)を算出するとともに、第1触媒側切替弁55cを第2の位置に切替え、第1触媒側噴射量制御弁55dを制御することにより同還元ガス量Q1cani(OSA1fb)の還元ガスを第1触媒側噴射部に噴射する。ここで、関数Q1caniは、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbの値が「0」のときに「0」となり、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbの増加に応じて増加するように設定されている。これにより、前記還元ガス中の還元剤により第1触媒53内の吸蔵酸素が奪われ、この結果、第1触媒53の酸素吸蔵量が減少する。
【0053】
一方、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbが負の値である場合には、本装置は、同第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbの絶対値の関数Q1airに基いて、CPU71の演算周期あたりに噴射すべき酸素吸蔵量制御用エア量Q1air(|OSA1fb|)を算出するとともに、第1触媒側切替弁55cを第1の位置に切替え、第1触媒側噴射量制御弁55dを制御することにより同エア量Q1air(|OSA1fb|)のエアを第1触媒側噴射部に噴射する。ここで、関数Q1airは、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbの絶対値が「0」のときに「0」となり、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbの絶対値の増加に応じて増加するように設定されている。これにより、前記エア中の酸素が第1触媒53内に吸蔵され、この結果、第1触媒53の酸素吸蔵量が増加する。以上のように、第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1allが第1触媒目標酸素吸蔵量OSA1allrefになるようにエア・還元ガス噴射装置55がフィードバック制御されて、第1触媒53の酸素吸蔵量制御用のエア又は還元ガスがCPU71の演算周期毎に噴射される。
【0054】
同様に、本装置は、第2触媒54(全体)の酸素吸蔵量OSA2allを算出(推定)し、算出された第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2allが第2触媒54の最大酸素吸蔵量Cmax2allの半分の量に設定されている第2触媒目標酸素吸蔵量OSA2allref(所定の目標値)と一致するように、上述した第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1allの制御とは別個独立に、同酸素吸蔵量OSA2allの値に応じてエア・還元ガス噴射装置55を制御する。ここで、算出された第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2allは「少なくとも第2触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値」である取得値に対応している。
【0055】
より具体的に述べると、本装置は、第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2allの値から第2触媒目標酸素吸蔵量OSA2allrefの値を減じた偏差を比例・積分処理(PI処理)して第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbを求める。そして、第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbが「0」又は正の値である場合には、同第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbの値の関数Q2caniに基いて、CPU71の演算周期あたりに噴射すべき還元ガス量Q2cani(OSA2fb)を算出するとともに、第2触媒側切替弁55eを第2の位置に切替え、第2触媒側噴射量制御弁55fを制御することにより同還元ガス量Q2cani(OSA2fb)の還元ガスを第2触媒側噴射部に噴射する。ここで、関数Q2caniは、第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbの値が「0」のときに「0」となり、第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbの増加に応じて増加するように設定されている。これにより、前記還元ガス中の還元剤により第2触媒54内の吸蔵酸素が奪われ、この結果、第2触媒54の酸素吸蔵量が減少する。
【0056】
一方、第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbが負の値である場合には、本装置は、同第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OS2fbの絶対値の関数Q2airに基いて、CPU71の演算周期あたりに噴射すべきエア量Q2air(|OSA2fb|)を算出するとともに、第2触媒側切替弁55eを第1の位置に切替え、第2触媒側噴射量制御弁55fを制御することにより同エア量Q2air(|OSA2fb|)のエアを第2触媒側噴射部に噴射する。ここで、関数Q2airは、第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbの絶対値が「0」のときに「0」となり、第2触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA2fbの絶対値の増加に応じて増加するように設定されている。これにより、前記エア中の酸素が第2触媒54内に吸蔵され、この結果、第2触媒54の酸素吸蔵量が増加する。以上のように、上述した第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1allの制御とは別個独立に、第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2allが第2触媒目標酸素吸蔵量OSA2allrefになるようにエア・還元ガス噴射装置55がフィードバック制御されて、第2触媒54の酸素吸蔵量制御用のエア又は還元ガスがCPU71の演算周期毎に噴射される。
【0057】
(触媒モデルの必要性)
ところで、上述したように第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量を用いてエア・還元ガス噴射装置55を制御するためには、同第1,第2触媒53,54のそれぞれの酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allを求めなければならない。しかしながら、酸素吸蔵量を直接計測することはできない。そのため、本装置は第1,第2触媒53,54のそれぞれの酸素吸蔵量を計算により求める。
【0058】
ここで、触媒にリーンな空燃比のガスが流入したときには、同触媒の上流側においてより多くの酸素が吸蔵され、同触媒にリッチな空燃比のガスが流入したときには、同触媒の上流側から吸蔵されている酸素が消費されていく。従って、触媒内に吸蔵されている酸素は同触媒の排気ガスの流れ方向において均一に分布しているわけではない。よって、触媒内の酸素吸蔵量を正確に求めるためには、かかる吸蔵酸素の分布を考慮した計算を行う必要がある。
【0059】
また、触媒の酸素吸蔵量は同触媒内において発生する上記酸素吸蔵・放出反応の程度に応じて変化する。この酸素吸蔵・放出反応の程度は、触媒に流入又は同触媒から流出する排気ガスに含まれる上記酸素吸蔵・放出反応に関係する特定成分の量に依存する。従って、触媒の酸素吸蔵量を正確に求めるためには、前記特定成分の量を考慮に入れた計算を行う必要がある。
【0060】
以上の要求に基き、本装置は以下に説明する触媒モデルを第1,第2触媒53,54に適用することにより、同第1,第2触媒53,54内の上記特定成分の量及び酸素吸蔵量を算出する。
【0061】
(触媒モデルの説明、並びに特定成分の量及び酸素吸蔵量の算出)
触媒モデルは、図5に模式的に示したように、軸線に直交する断面形状が一定である柱状の触媒を同軸線に直交する面によりN個の(複数の)領域(「ブロック」とも称呼する。)に分割して構築されている。即ち、触媒モデルが対象とする触媒は排気ガスの流れ方向に沿ってN個のブロックに分割されている。分割された各ブロックの軸線方向の長さはLである。なお、説明の便宜上、各ブロックには、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から順に図5に示すように番号を付してあり、任意のi番目のブロックに関連する変数・記号等には、それらの末尾に(i)を付すことにする。また、この触媒モデルは、触媒を複数のブロックに分割して構築されているが、触媒全体を一つの領域(ブロック)として考えることにより、触媒モデルを構築することもできる。
【0062】
まず、図6に示したように、分割されたブロックのうちのi番目のブロック(i)(特定領域)に注目し、同ブロック(i)における酸素吸蔵・放出反応に関係する特定成分のCPU71の演算周期あたりの収支を考える。この触媒モデルでは、触媒での酸化・還元反応である三元反応は瞬時かつ完全に終了するものと仮定し、その結果としての酸素の過不足に基く酸素の吸蔵・放出反応のみに着目するものとする。この仮定(触媒モデル)は、現実的でありかつ計算精度のよいものである。なお、図6に示した排ガス相は排気ガスが通過する空間であり、コート層は白金(Pt)等の貴金属からなる活性成分及びセリア(CeO2)等の成分が担持された層である。
【0063】
特定成分は、例えば、酸素(分子)O2、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCから選択された成分であってもよいが、この触媒モデルでは、上記三元反応が瞬時かつ完全に終了するものと仮定した状態における排気ガスに含まれる酸素(酸素分子及び窒素酸化物の酸素。本明細書では、酸素分子及び窒素酸化物の酸素を総称して「酸素」と称呼する。)(の過不足)を特定成分として選択している。この酸素の量である酸素量CgO2は、同酸素が過剰であるとき(即ち、排気ガス中にO2及びNOxが存在する場合)に正の値となり、同酸素が不足しているとき(即ち、排気ガス中に未燃HC,COが存在する場合)に負の値となるように計算される。
【0064】
また、注目するブロック(i)において、CPU71の演算周期あたり同ブロック(i)の排ガス相に流入する酸素量CgO2を流入酸素量CginO2(i)、同演算周期あたり同ブロック(i)の排ガス相から流出する酸素量CgO2を流出酸素量CgoutO2(i)と称呼し、同演算周期あたり同ブロック(i)のコート層に吸蔵され又は同コート層から放出される酸素量CgO2を酸素吸蔵量変化量δOSA(i)と称呼する。この酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は、酸素がコート層に吸蔵されるときに正の値となり、酸素がコート層から放出されるときに負の値となるように計算される。また、現時点におけるブロック(i)のコート層における酸素吸蔵量を酸素吸蔵量OSA(i)と称呼し、現時点におけるブロック(i)のコート層における最大酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量Cmax(i)と称呼する。
【0065】
いま、図6に示すブロック(i)における酸素量CgO2の上記演算周期あたりの収支を考えると、同ブロック(i)の排ガス相に流入した流入酸素量CginO2(i)のうち酸素吸蔵量変化量δOSA(i)だけがコート層に吸蔵され、同流入酸素量CginO2(i)のうちコート層に吸蔵されなかった残りの酸素量CgO2が流出酸素量CgoutO2(i)となるから、流入酸素量CginO2(i),流出酸素量CgoutO2(i)及び酸素吸蔵量変化量δOSA(i)の間には下記数1に示した関係が成立する。この下記数1に示した関係が本触媒モデルの基本式である。
【0066】
【数1】
CgoutO2(i)=CginO2(i)−δOSA(i)
【0067】
次に、酸素吸蔵量変化量δOSA(i)について考える。流入酸素量CginO2(i)が正の値のときはブロック(i)の排ガス相に流入する排気ガス中の酸素が過剰であることを意味し、同排気ガス中の酸素の一部はブロック(i)のコート層に吸蔵されるから酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は正の値となる。このときの酸素吸蔵反応の量、即ち酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は、流入酸素量CginO2(i)の値に比例するとともにブロック(i)の現時点での最大酸素吸蔵量Cmax(i)と現時点での酸素吸蔵量OSA(i)との差の値に比例すると考えられる。従って、流入酸素量CginO2(i)が正の値のとき、酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は下記数2,及び下記数3に基いて算出することができる。
【0068】
【数2】
δOSA(i)=H(i)・CginO2(i)
【0069】
【数3】
H(i)=h・((Cmax(i)−OSA(i))/Cmax(i)) (0 ≦ H(i) < 1)
【0070】
上記数2及び上記数3において、H(i)はブロック(i)における流入酸素量CginO2(i)に対する吸蔵される酸素量(δOSA(i))の割合を示す反応率である。hは所定のパラメータとしての反応速度定数であり、本モデルでは後述するように適宜補正されていく正の値であるが、触媒の温度に応じて変化する正の値(例えば、触媒の温度の増加に応じて増加する正の値)としてもよい。また、上記数3における現時点での最大酸素吸蔵量Cmax(i)と現時点での酸素吸蔵量OSA(i)との差の値(Cmax(i)−OSA(i))は、ブロック(i)における現時点での酸素吸蔵余裕量を示している。このように、本触媒モデルでは、少なくとも触媒内の酸素吸蔵量に基いて同触媒が内部に流入する排気ガスから吸蔵する酸素量を算出する。
【0071】
一方、流入酸素量CginO2(i)が負の値のときはブロック(i)の排ガス相に流入する排気ガスの酸素が不足していることを意味し、同排気ガスにはブロック(i)のコート層から放出された酸素が与えられるから酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は負の値となる。このときの酸素放出反応の量、即ち酸素吸蔵量変化量δOSA(i)(の絶対値)は、流入酸素量CginO2(i)の値に比例するとともにブロック(i)の現時点での酸素吸蔵量OSA(i)の値に比例すると考えられる。従って、流入酸素量CginO2(i)が負の値のとき、酸素吸蔵量変化量δOSA(i)は上記数2と同一の関係を示す下記数4,及び下記数5に基いて算出することができる。
【0072】
【数4】
δOSA(i)=H(i)・CginO2(i)
【0073】
【数5】
H(i)=h・(OSA(i)/Cmax(i)) (0 ≦ H(i) < 1)
【0074】
上記数4及び上記数5において、H(i)はブロック(i)における流入酸素量CginO2(i)(負の値)に対する放出される酸素量(δOSA(i),負の値)の割合を示す反応率である。hは反応速度定数であり上記数3にて使用されているものと同様である。また、上記数5における現時点での酸素吸蔵量OSA(i)の値は、ブロック(i)における現時点での酸素放出余裕量を示している。このように、本触媒モデルでは、少なくとも触媒内の酸素吸蔵量に基いて同触媒が内部に吸蔵している酸素から放出する酸素量を算出する。
【0075】
ここで、上記数3及び上記数5にて使用するブロック(i)における最大酸素吸蔵量Cmax(i)は後述する手法により予め求められているものとする。また、上記数3及び上記数5にて使用するブロック(i)における現時点での酸素吸蔵量OSA(i)は、初期値が付与された時点から現時点までの酸素吸蔵量変化量δOSA(i)の積算値であるから下記数6に基いて算出することができる。
【0076】
【数6】
OSA(i)=ΣδOSA(i) (0 ≦ OSA(i) ≦ Cmax(i))
【0077】
次に、各ブロック間での境界条件について考えると、図5に示したように、互いに隣接する2つのブロックのうちの上流側のブロックの排ガス相の流出面と下流側のブロックの排ガス相の流入面は互いに連続しているから、図6に示したように、ブロック(i)に流入する流入酸素量CginO2(i)は、ブロック(i)に隣接する上流側のブロック(i−1)から流出する流出酸素量CgoutO2(i−1)であり、また、ブロック(i)から流出する流出酸素量CgoutO2(i)は、ブロック(i)に隣接する下流側のブロック(i+1)に流入する流入酸素量CginO2(i+1)である。従って、下記数7に示した関係が成立する。換言すると、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)が求まればブロック(i)に隣接する下流側のブロック(i+1)の流入酸素量CginO2(i+1)が求まる。
【0078】
【数7】
CginO2(i+1)=CgoutO2(i)
【0079】
以上のことから、最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)が境界条件として付与されれば、上記数2又は上記数4によりブロック(1)における酸素吸蔵量変化量δOSA(1)が求まり、その結果、上記数6によりブロック(1)における酸素吸蔵量OSA(1)を更新できるとともに上記数1によりブロック(1)における流出酸素量CgoutO2(1)が求まる。ブロック(1)における流出酸素量CgoutO2(1)が求まれば、上記数7によりブロック(2)における流入酸素量CginO2(2)が求まり、その結果、上記数2又は上記数4によりブロック(2)における酸素吸蔵量変化量δOSA(2)が求まる。これにより、上記数6によりブロック(2)における酸素吸蔵量OSA(2)を更新できるとともに、上記数1によりブロック(2)における流出酸素量CgoutO2(2)が求まる。
【0080】
このような手続きを繰り返すことにより、本触媒モデルによれば、CPU71の演算周期が経過する毎に最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)が境界条件として付与されれば、上記数1〜上記数7より、最上流のブロック(1)から、順次、各ブロック(i) (i=1,2,・・・,N) における酸素吸蔵量OSA(i),流入酸素量CginO2(i),及び流出酸素量CgoutO2(i)を全て算出することができる。これにより、触媒内部の酸素吸蔵量の分布が精度よく計算される。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSA(i) (i=1,2,・・・,N) を触媒全体について積算すれば、同触媒全体の酸素吸蔵量OSAallについても精度よく計算することができる。
【0081】
なお、以下に、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)を求めるための一般式を求めておく。先ず、上記数1における「i」を「1」に書き換えると下記数8が導かれる。
【0082】
【数8】
CgoutO2(1)=CginO2(1)−δOSA(1)
【0083】
また、上記数1における「i」を「2」に書き換えて、これに上記数7及び上記数8の関係を適用すると、下記数9が導かれる。
【0084】
【数9】
CgoutO2(2)=CginO2(1)−δOSA(1)−δOSA(2)
【0085】
さらに、上記数1における「i」を「3」に書き換え、これに上記数7及び上記数9の関係を適用すると、下記数10が導かれる。
【0086】
【数10】
CgoutO2(3)=CginO2(1)−δOSA(1)−δOSA(2)−δOSA(3)
【0087】
このような手続きを繰り返して上記数10の関係を一般的に記述すると、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)を求めるための一般式である下記数11が導かれる。
【0088】
【数11】
CgoutO2(i)=CginO2(1)−δOSA(1)−δOSA(2)− ・・・ −δOSA(i−1)−δOSA(i)
(i=1,2,・・・,N)
【0089】
また、上記数1及び上記数2(又は上記数4)より下記数12が導かれるから、下記数12に上記数7の関係を適用し、その関係を一般的に記述すると、任意のi番目のブロック(i)の流出酸素量CgoutO2(i)を求めるための他の一般式である下記数13も容易に導くことができる。
【0090】
【数12】
CgoutO2(i)=CginO2(i)・(1−H(i))
【0091】
【数13】
CgoutO2(i)=CginO2(1)・(1−H(1))(1−H(2))・・・(1−H(i−1))(1−H(i))
(i=1,2,・・・,N)
【0092】
(触媒モデルの具体的な適用)
次に、以上説明した触媒モデルを、図7に示したように、第1,第2触媒53,54にそれぞれ適用する。触媒モデルが対象とする第1触媒53は排気ガスの流れ方向に沿ってN1個のブロックに分割され、触媒モデルが対象とする第2触媒54は排気ガスの流れ方向に沿ってN2個のブロックに分割されている。
【0093】
ここで、第1触媒53のi番目のブロックをブロック1(i)と称呼し、同ブロック1(i)における流入酸素量を流入酸素量Cgin1O2(i),流出酸素量を流出酸素量Cgout1O2(i),酸素吸蔵量をOSA1(i),最大酸素吸蔵量をCmax1(i)とそれぞれ称呼する。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSA1(i) (i=1,2,・・・,N1) を積算することにより得られる第1触媒53全体の酸素吸蔵量を酸素吸蔵量OSA1allと称呼し、各ブロックの最大酸素吸蔵量Cmax1(i) (i=1,2,・・・,N1) を積算した値である第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量Cmax1allと称呼する。
【0094】
同様に、第2触媒54のi番目のブロックをブロック2(i)と称呼し、同ブロック2(i)における流入酸素量を流入酸素量Cgin2O2(i),流出酸素量を流出酸素量Cgout2O2(i),酸素吸蔵量をOSA2(i),最大酸素吸蔵量をCmax2(i)とそれぞれ称呼する。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSA2(i) (i=1,2,・・・,N2) を積算することにより得られる第2触媒54全体の酸素吸蔵量を酸素吸蔵量OSA2allと称呼し、各ブロックの最大酸素吸蔵量Cmax2(i) (i=1,2,・・・,N2) を積算した値である第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量Cmax2allと称呼する。
【0095】
第1触媒53の各ブロック1(i)の最大酸素吸蔵量Cmax1(i) (i=1,2,・・・,N1)、及び第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1all、並びに第2触媒54の各ブロック2(i)の最大酸素吸蔵量Cmax2(i) (i=1,2,・・・,N2)、及び第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量Cmax2allは後述する手法により予め求められているものとする。
【0096】
図7に示した第1,第2触媒53,54に適用された上記触媒モデルでは、先に説明したように、第1,第2触媒53,54の各々の各ブロックにおける酸素吸蔵量OSA1(i) (i=1,2,・・・,N1)、及び酸素吸蔵量OSA2(i) (i=1,2,・・・,N2)の初期値を初期条件として付与するとともに、CPU71の演算周期が経過する毎に、第1触媒53の最上流のブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)、及び第2触媒54の最上流のブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)をそれぞれ境界条件として付与すれば、第1触媒53の各ブロック1(i) (i=1,2,・・・,N1) における酸素吸蔵量OSA1(i),流入酸素量Cgin1O2(i),及び流出酸素量Cgout1O2(i)、並びに第2触媒54の各ブロック2(i) (i=1,2,・・・,N2) における酸素吸蔵量OSA2(i),流入酸素量Cgin2O2(i),及び流出酸素量Cgout2O2(i)を全て算出することができる。これにより、第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1all及び第2触媒54全体の酸素吸蔵量OSA2all(取得値)もそれぞれ取得・算出することができる。
【0097】
まず、第1,第2触媒53,54の各々の各ブロックにおける酸素吸蔵量の初期値を付与する手法について説明すると、本装置は、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1が0.7(V)より大きい値を示したとき、即ち、第1触媒53の下流側であって第2触媒54の上流側の空燃比が明白なリッチ空燃比となったときは、同第1触媒53内に酸素が全く存在せず未燃HC,COが浄化されない状態となったことを意味するから、第1触媒53の各ブロックにおける酸素吸蔵量OSA1(i) (i=1,2,・・・,N1) 及び第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1allを全て「0」に設定する。
【0098】
同様に、本装置は、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が0.7(V)より大きい値を示したとき、即ち、第2触媒54の下流側の空燃比が明白なリッチ空燃比となったときは、第2触媒54の各ブロックにおける酸素吸蔵量OSA2(i) (i=1,2,・・・,N2) 及び第2触媒54全体の酸素吸蔵量OSA2allを全て「0」に設定する。このようにして、第1,第2触媒53,54の各々の各ブロックにおける酸素吸蔵量の初期値「0」が初期条件として付与される。
【0099】
次に、第1触媒53の最上流のブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)を算出する手法について説明すると、本装置は、先ず、下記数14に基いてCPU71の演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量を算出する。
【0100】
【数14】
Cgin1O2(1)=0.23・mfr1・(abyfs − stoich)
【0101】
上記数14において、値「0.23」は大気中に含まれる酸素の重量割合である。mfr1は所定時間(演算周期tsample)内の燃料噴射量Fiの合計量であり、stoichは理論空燃比(例えば、14.7)である。abyfsは所定時間tsampleにおいて最上流空燃比センサ66により検出された空燃比A/Fである。なお、abyfsは前記所定時間tsample内の最上流空燃比センサ66により検出された空燃比A/Fの平均値としてもよい。
【0102】
この数14に示したように、所定時間tsample内の噴射量の合計量mfr1に、検出された空燃比A/Fの理論空燃比からの偏移(abyfs − stoich)を乗じることで、同所定時間tsampleにおける空気の過剰量が求められ、この空気の過剰量に酸素の重量割合を乗じることで同所定時間tsampleにおける機関の排気ガス中の酸素の過剰量、即ち流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量が求められる。このようにして算出される流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量は、上記数14から明らかなように、酸素が過剰であるときに正の値となり、酸素が不足しているときに負の値となるように計算される。
【0103】
次に、本装置は、上記流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量に対して、現時点にてエア・還元ガス噴射装置55により第1触媒側噴射部に噴射された(噴射指示を行った)酸素吸蔵量制御用のエアの量又は還元ガスの量に基く補正を行い、最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求める。より具体的に述べると、現時点にて所定時間tsampleあたり酸素吸蔵量制御用エア量Q1air(|OSA1fb|)のエアが噴射されている場合には、同エア量Q1air(|OSA1fb|)に大気中に含まれる酸素の重量割合である値「0.23」を乗算することにより同エア量Q1air(|OSA1fb|)中の酸素量を求め、同酸素量である0.23・Q1air(|OSA1fb|)を上記流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量に加算することにより最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求める。
【0104】
一方、現時点にて所定時間tsampleあたり酸素吸蔵量制御用還元ガス量Q1cani(OSA1fb)の還元ガスが噴射されている場合には、同還元ガス量Q1cani(OSA1fb)に基く関数f1caniにより同還元ガス量Q1cani(OSA1fb)中の還元剤の量(エア及び還元剤を含む還元ガス全体としての酸素の不足量。以下、同様とする。)を求め、同還元剤の量であるf1cani(Q1cani(OSA1fb))を上記流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量から減算することにより最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求める。ここで、関数f1caniは、上記還元ガス量Q1cani(OSA1fb)の値が「0」のときに「0」となり、同還元ガス量Q1cani(OSA1fb)の増加に応じて増加するように設定されている。このようにして、CPU71の演算周期毎に第1触媒53の最上流のブロック1(1)における(最終的な)流入酸素量Cgin1O2(1)が境界条件として付与される。
【0105】
次に、第2触媒54の最上流のブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)を算出する手法について説明すると、第1触媒53の最下流のブロック1(N1)から流出する排気ガスは、現時点にてエア・還元ガス噴射装置55によりエア及び還元ガスのいずれも第2触媒側噴射部へ噴射されていない(噴射指示が行なわれていない)と仮定したとき、エキゾーストパイプ52を通過して外部とのガスの授受がないまま第2触媒54の最上流のブロック2(1)に流入する。従って、このとき、第1触媒53の最下流のブロック1(N1)から流出する流出酸素量Cgout1O2(N1)と第2触媒54の最上流のブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)とは同一の値となるので、この値を流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量として設定する。
【0106】
次に、本装置は、上記流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量に対して、現時点にてエア・還元ガス噴射装置55により第2触媒側噴射部に噴射された(噴射指示を行った)酸素吸蔵量制御用エアの量又は還元ガスの量に基く補正を行い、最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める。より具体的に述べると、現時点にて所定時間tsampleあたり酸素吸蔵量制御用エア量Q2air(|OSA2fb|)のエアが噴射されている場合には、同エア量Q2air(|OSA2fb|)に値「0.23」を乗算することにより同エア量Q2air(|OSA2fb|)中の酸素量を求め、同酸素量である0.23・Q2air(|OSA2fb|)を上記流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量に加算することにより最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める。
【0107】
一方、現時点にて所定時間tsampleあたり酸素吸蔵量制御用還元ガス量Q2cani(OSA2fb)の還元ガスが噴射されている場合には、同還元ガス量Q2cani(OSA2fb)に基く関数f2caniにより同還元ガス量Q2cani(OSA2fb)中の還元剤の量を求め、同還元剤の量であるf2cani(Q2cani(OSA2fb))を上記流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量から減算することにより最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める。ここで、関数f2caniも、上記還元ガス量Q2cani(OSA2fb)の値が「0」のときに「0」となり、同還元ガス量Q2cani(OSA2fb)の増加に応じて増加するように設定されている。このようにして、CPU71の演算周期毎に第2触媒54の最上流のブロック1(1)における(最終的な)流入酸素量Cgin2O2(1)が境界条件として付与される。
【0108】
このようにして本装置は、CPU71の演算周期毎に、第1触媒53の各ブロック1(i) (i=1,2,・・・,N1) における酸素吸蔵量OSA1(i),流入酸素量Cgin1O2(i),及び流出酸素量Cgout1O2(i)、並びに第2触媒54の各ブロック2(i) (i=1,2,・・・,N2) における酸素吸蔵量OSA2(i),流入酸素量Cgin2O2(i),及び流出酸素量Cgout2O2(i)を全て算出するとともに、第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1all及び第2触媒54全体の酸素吸蔵量OSA2allもそれぞれ算出する。
【0109】
(最大酸素吸蔵量の算出)
次に、上述した触媒モデルで使用される最大酸素吸蔵量の算出手法(最大酸素吸蔵量取得制御)について図8を参照しながら説明する。即ち、本装置は、先ず、図8(a)に示したように、時刻t1にて第1触媒53の上流のガスの空燃比(実際には、機関が吸入する混合気の空燃比であり、以下、単に「第1触媒上流空燃比」と云うこともある。)を理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御するとともに、図8(b)及び図8(c)に示したように、エア・還元ガス噴射装置55によるエア及び還元ガスの噴射作動を停止する(第1触媒側噴射量制御弁55d及び第2触媒側噴射量制御弁55fを共に閉状態に維持する)。
【0110】
これにより、第1触媒53に所定のリッチ空燃比の排気ガスのみが流入するから、図8(d)に示したように、第1触媒53の酸素吸蔵量は次第に減少し、時刻t2にて「0」になる。この結果、時刻t2にて、第1触媒53からリッチ空燃比のガスが流出し始め、図8(e)に示したように、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1はリーンを示す値からリッチを示す値に変化する(出力Voxs1>0.7(V)になる)。
【0111】
時刻t2にて、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1がリーンを示す値からリッチを示す値に変化した後も、本装置は第1触媒上流空燃比を上記所定のリッチ空燃比に制御し続ける(図8(a)を参照)。これにより、第1触媒53にリッチな空燃比のガスが流入し続け、しかも、第1触媒53の酸素吸蔵量は「0」となっていて同第1触媒53は酸素を消費(放出)することができない状態にあるから、同第1触媒53からリッチ空燃比のガスが流出し続ける。
【0112】
この結果、図8(f)に示したように、時刻t2以降において第2触媒54の酸素吸蔵量は次第に減少し、時刻t3にて「0」になる。この結果、時刻t3にて、第2触媒54からリッチガスが流出し始め、図8(g)に示したように、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2はリーンを示す値からリッチを示す値に変化する(出力Voxs2>0.7(V)になる)。なお、時刻t1〜t3間の作動を第1モード(Mode=1)における作動と呼ぶ。
【0113】
以上のように、第1モード(Mode=1)においては、第1触媒53が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するとともに、第2触媒54が内部に吸蔵している酸素を完全に放出するように同第1触媒53の上流の空燃比が理論空燃比よりもリッチに制御される。
【0114】
時刻t3にて、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2がリーンを示す値からリッチを示す値に変化すると、図8(a)及び図8(c)に示したように、本装置は第1触媒上流空燃比を理論空燃比(一定)になるように制御するとともに、エア・還元ガス噴射装置55により所定時間tsampleあたりエア量Q2airaddの第2触媒Cmax算出用エアを同所定時間tsample毎に第2触媒側噴射部に噴射開始する。
【0115】
これにより、第1触媒53には理論空燃比の排気ガスのみが流入するので第1触媒53の酸素吸蔵量は「0」のまま変動しない一方で、第2触媒54には理論空燃比の排気ガスとともに第2触媒Cmax算出用エア中の酸素を含むガス(リーンな空燃比のガス)が流入するため、第2触媒54の酸素吸蔵量は「0」から増大していく。そして、時刻t4になると、第2触媒54の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量Cmax2allに達するから、第2触媒54からリーン空燃比のガスが流出し始め、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する(出力Voxs2<0.3(V)になる)。この時刻t3〜t4間の作動を第2モード(Mode=2)における作動と呼ぶ。
【0116】
なお、第2モードにおいて、第2触媒54の最下流のブロック2(N2)における流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2をリッチを示す値からリーンを示す値に変化させるために必要な後述する正の所定値Lean2以上に到達する到達時点が時刻t4よりも後である場合には、時刻t3〜同到達時点間の作動を第2モード(Mode=2)における作動と呼ぶ。
【0117】
この第2モード実行中においては、本装置は、エア量Q2airaddの第2触媒Cmax算出用エアを同所定時間tsample毎に第2触媒側噴射部に噴射しているので、上記した第2触媒54の最上流のブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量に対して上記エア量Q2airaddを加算(補正)することにより最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める。具体的には、第1,第2触媒53,54にはそれぞれ理論空燃比の排気ガスが流入するので流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量は「0」として算出され、この結果、第2モード実行中における最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)の値は上記エア量Q2airadd(正の一定値)に維持される。
【0118】
本装置は、かかる時刻t3〜t4間において、以下のようにして第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量Cmax2allを算出する。即ち、第1触媒上流空燃比を理論空燃比に戻すとともにエア量Q2airaddの第2触媒Cmax算出用エアの噴射を開始した時刻t3から、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2がリーンを示す値に変化する時刻t4までの間、下記数15、及び下記数16に基いて酸素吸蔵量の変化量ΔO2を算出するとともにこれを積算し、同時刻t4での積算値を最大酸素吸蔵量Cmax2allとして算出する。
【0119】
【数15】
ΔO2=0.23・Q2airadd
【0120】
【数16】
Cmax2all=ΣΔO2(区間t=t3〜t4)
【0121】
数15に示したように、所定時間tsample内のエア量Q2airaddを同所定時間tsampleにおける空気の過剰量として扱い、この空気の過剰量に酸素の重量割合を乗じることで同所定時間tsampleにおける酸素吸蔵量変化量(吸蔵酸素量)ΔO2が求められる。そして、数16に示したように、酸素吸蔵量変化量ΔO2を時刻t3〜t4に渡って積算することで、第2触媒54の酸素吸蔵量が「0」である状態から酸素を最大限に吸蔵するまでの酸素量、即ち最大酸素吸蔵量Cmax2allが推定・算出される。このように、本実施形態では、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2の変化、及び、エア・還元ガス噴射装置55により所定時間tsample毎に第2触媒側噴射部に噴射されるエア量Q2airadd中の酸素量を利用して最大酸素吸蔵量Cmax2allを算出する。
【0122】
第2モード(Mode=2)における作動が終了すると、図8(a)、図8(b)及び図8(c)に示したように、本装置は第1触媒上流空燃比を継続して理論空燃比になるように制御する一方で、エア・還元ガス噴射装置55により所定時間tsampleあたりエア量Q1airaddの第1触媒Cmax算出用エアを同所定時間tsample毎に第1触媒側噴射部に噴射開始するとともに、上記したエア・還元ガス噴射装置55による第2触媒側噴射部へのエアの噴射を停止する。
【0123】
これにより、第1触媒53に理論空燃比の排気ガスとともに第1触媒Cmax算出用エア中の酸素を含むガス(リーンな空燃比のガス)が流入するため、第1触媒53の酸素吸蔵量は「0」から増大して行く。そして、時刻t5になると、第1触媒53の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量Cmax1allに達するから、第1触媒53からリーン空燃比のガスが流出し始め、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1はリッチを示す値からリーンを示す値に変化する(出力Voxs1<0.3(V)になる)。この第2モード終了時点〜時刻t5間の作動を第3モード(Mode=3)における作動と呼ぶ。
【0124】
なお、第3モードにおいて、第1触媒53の最下流のブロック1(N1)における流出酸素量Cgout1O2(N1)の値が第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1をリッチを示す値からリーンを示す値に変化させるために必要な後述する正の所定値Lean1以上に到達する到達時点が時刻t5よりも後である場合には、第2モード終了時点〜同到達時点間の作動を第3モード(Mode=3)における作動と呼ぶ。
【0125】
この第3モード実行中においては、本装置は、エア量Q1airaddの第1触媒Cmax算出用エアを同所定時間tsample毎に第1触媒側噴射部に噴射しているので、上記した第1触媒53の最上流のブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量に対して上記エア量Q1airaddを加算(補正)することにより最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求める。具体的には、第1触媒53には理論空燃比の排気ガスが流入するので流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量は「0」として算出され、この結果、第3モード実行中における最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)の値は上記エア量Q1airadd(正の一定値)に維持される。
【0126】
本装置は、かかる第2モード終了時点〜時刻t5間において、上記最大酸素吸蔵量Cmax2allを求めた場合と同様な下記数17、及び下記数18により示される計算を行うことで第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1allを算出する。このように、本実施形態では、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1の変化、及び、エア・還元ガス噴射装置55により所定時間tsample毎に第1触媒側噴射部に噴射されるエア量Q1airadd中の酸素量を利用して最大酸素吸蔵量Cmax1allを算出する。
【0127】
【数17】
ΔO2=0.23・Q1airadd
【0128】
【数18】
Cmax1all=ΣΔO2(区間t=第2モード終了時点〜t5)
【0129】
そして、本装置は、第3モード(Mode=3)終了時点にて上記した最大酸素吸蔵量取得制御を終了するとともに、同第3モード終了時点以降において、図5に示した触媒モデルが対象とする触媒全体の最大酸素吸蔵量の値から同触媒の各ブロック毎の各最大酸素吸蔵量の分布を求めるための最大酸素吸蔵量分布マップを表した図9に基き、上記算出した第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1allの値及び第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量Cmax2allの値から、第1,第2触媒の各々の各ブロック毎の最大酸素吸蔵量の分布をそれぞれ求める。図9に斜線で示された部分の面積は触媒全体の最大酸素吸蔵量Cmaxallの値に対応している。
【0130】
図9に示したように、触媒の各ブロック毎の各最大酸素吸蔵量Cmax(n) (n=1,・・・,N)は、同各最大酸素吸蔵量Cmax(n)の総和が同触媒全体の最大酸素吸蔵量Cmaxallの値となるように設定されるとともに、上流側のブロックから下流側のブロックに推移するに従い、所定の勾配をもって線形的に増加するように設定される。これは、触媒の上流側部分の方が下流側部分に比して、内部に流入する排気ガス中に含まれる鉛や硫黄等により被毒して最大酸素吸蔵量が低下し易くなるためである。
【0131】
具体的には、本装置は、第1触媒53の各ブロック1(i)毎の各最大酸素吸蔵量Cmax1(i) (i=1,・・・,N1)、及び第2触媒54の各ブロック2(i)毎の各最大酸素吸蔵量Cmax2(i) (i=1,・・・,N2)を、図9に示した最大酸素吸蔵量分布マップに基いた下記数19及び下記数20に基いてそれぞれ算出する。
【0132】
【数19】
Cmax1(i)=A1・(i−(N1/2))+(Cmax1all/N1) (i=1,・・・,N1)
【0133】
【数20】
Cmax2(i)=A2・(i−(N2/2))+(Cmax2all/N2) (i=1,・・・,N2)
【0134】
上記数19及び上記数20において、A1,A2はそれぞれ正の定数であって、各ブロック毎の最大酸素吸蔵量の分布の上記勾配を決定する値である。A1,A2は同一の値であってもよいし、それぞれ異なる値であってもよい。なお、触媒の各ブロック毎の各最大酸素吸蔵量は、上流側のブロックから下流側のブロックに推移するに従い増加するように設定されていればよく、例えば、非線形的に増加するように設定されていてもよい。このようにして、第1触媒53の各ブロック1毎の各最大酸素吸蔵量及び同第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量、並びに第2触媒54の各ブロック2毎の各最大酸素吸蔵量及び同第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量が算出される。
【0135】
(反応速度定数の補正)
先に説明した数1〜数13(特に、数3及び数5)から明らかなように、上記触媒モデルが対象とする触媒の最下流のブロック2(N)から流出する流出酸素量CgoutO2(N)の値は、所定のパラメータとしての触媒の反応速度定数hの値に依存する。具体的に述べると、例えば、触媒の最上流のブロック(1)における流入酸素量CginO2(1)の値が正の値のとき(酸素が過剰であるとき)、反応速度定数hの値が小さいほど、上記数3により算出される各ブロック(i)における反応率H(i)は小さくなり、上記数2により算出される各ブロック(i)における酸素吸蔵量変化量δOSA(i)の値(正の値)も小さくなるので、上記数1により算出される各ブロック(i)における流出酸素量CgoutO2(i)の値(正の値)が大きくなり、最下流のブロック(N)における流出酸素量CgoutO2(N)の値(正の値)も大きくなる。同様にして、反応速度定数hの値が大きいほど、最下流のブロック(N)における流出酸素量CgoutO2(N)の値(正の値)は小さくなる。
【0136】
一方、上記した最大酸素吸蔵量取得制御における第2モード開始時点である図8の時刻t3においては、上述したように第1触媒53の実際の酸素吸蔵量、及び第2触媒54の実際の酸素吸蔵量は共に「0」になっている。また、このとき、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1、及び第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2は共に0.7(V)を超える値となっているので、先に述べたように、第1触媒53全体の計算値である酸素吸蔵量OSA1all、及び第2触媒54全体の計算値である酸素吸蔵量OSA2allも共に「0」にクリアされている。従って、時刻t3の時点で計算値である酸素吸蔵量OSA2allは実際の酸素吸蔵量(=「0」)と一致しているとともに、上述したように第2モード実行中は第1触媒53には理論空燃比の排気ガスのみが流入するから(最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)は「0」であるから)、第3モード開始時点でも計算値である酸素吸蔵量OSA1allの値は実際の酸素吸蔵量(=「0」)と一致している。
【0137】
以上のことから、最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)の値が上記エア量Q2airadd(正の一定値)に維持される第2モードの開始時である図8の時刻t3から第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2がリッチを示す値からリーンを示す値に実際に変化する図8の時刻t4までの経過時間T2senと、同時刻t3から第2触媒54の最下流のブロック2(N2)における流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2をリッチを示す値からリーンを示す値に変化させるために必要な正の所定値Lean2以上となるまでの経過時間T2cgoutとを比較した場合、経過時間T2senが経過時間T2cgoutよりも長いときには、第2触媒54の反応速度定数h2が適正値よりも小さくて流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が実際よりも早めに正の所定値Lean2に到達したことを意味する。よって、このときには、第2触媒54の反応速度定数h2の値を現時点での値よりも大きくなる方向に補正する必要がある。同様にして、経過時間T2senが経過時間T2cgoutよりも短いときには、第2触媒54の反応速度定数h2が適正値よりも大きくて流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が実際よりも遅めに正の所定値Lean2に到達したことを意味する。よって、このときには、第2触媒54の反応速度定数h2の値を現時点での値よりも小さくなる方向に補正する必要がある。
【0138】
同様に、流入酸素量Cgin1O2(1)の値が上記エア量Q1airadd(正の一定値)に維持される第3モードの開始時点から第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1がリッチを示す値からリーンを示す値に実際に変化する図8の時刻t5までの経過時間T1senと、同第3モード開始時点から第1触媒53の最下流のブロック1(N1)における流出酸素量Cgout1O2(N1)の値が第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1をリッチを示す値からリーンを示す値に変化させるために必要な正の所定値Lean1以上となるまでの経過時間T1cgoutとを比較した場合、経過時間T1senが経過時間T1cgoutよりも長いときには、第1触媒53の反応速度定数h1の値を現時点での値よりも大きくなる方向に補正する必要がある。同様にして、経過時間T1senが経過時間T1cgoutよりも短いときには、第1触媒53の反応速度定数h1の値を現時点での値よりも小さくなる方向に補正する必要がある。
【0139】
このような知見に基き、本装置は、上記した最大酸素吸蔵量取得制御を実行する毎に、第3モードにおいて上記経過時間T1sen及び経過時間T1cgoutを計測して、同経過時間T1senから経過時間T1cgoutを減じた時間である偏差時間ΔT1を算出するとともに、同偏差時間ΔT1に基く関数f1により補正量f1(ΔT1)を求め、第1触媒53のその時点での反応速度定数h1の値に同補正量f1(ΔT1)を加算することにより、新たな反応速度定数h1を求める。ここで、関数f1は、偏差時間ΔT1が「0」のときに「0」、偏差時間ΔT1が正の値のときに正の値、偏差時間ΔT1が負の値のときに負の値となるとともに、偏差時間ΔT1の絶対値の増加に応じて増加するように設定されている。
【0140】
同様に、本装置は、上記した最大酸素吸蔵量取得制御を実行する毎に、第2モードにおいて上記経過時間T2sen及び経過時間T2cgoutを計測して、同経過時間T2senから経過時間T2cgoutを減じた時間である偏差時間ΔT2を算出するとともに、同偏差時間ΔT2に基く関数f2により補正量f2(ΔT2)を求め、第2触媒54のその時点での反応速度定数h2の値に同補正量f2(ΔT2)を加算することにより、新たな反応速度定数h2を求める。ここで、関数f2も、偏差時間ΔT2が「0」のときに「0」、偏差時間ΔT2が正の値のときに正の値、偏差時間ΔT2が負の値のときに負の値となるとともに、偏差時間ΔT2の絶対値の増加に応じて増加するように設定されている。以上のようにして、第1触媒53の反応速度定数h1の値、及び第2触媒54の反応速度定数h2の値が上記した最大酸素吸蔵量取得制御が実行される毎に補正される。
【0141】
(リフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御)
触媒は、排気ガス中の還元剤(例えば、HC,CO等の未燃成分)が所定量だけ連続的に流入すると、同還元剤が同触媒内の貴金属等の表面に付着して貴金属等の表面積が小さくなることにより一次被毒し、かかる一次被毒により劣化する(例えば、触媒の最大酸素吸蔵量が低下する)。しかし、この還元剤による触媒の一次被毒状態は、同触媒に酸素を供給することにより解消する(リフレッシュする)。
【0142】
また、触媒は、排気ガス中の硫黄成分が所定量だけ連続的に流入すると、同硫黄成分が同触媒内の貴金属等の表面に付着して貴金属等の表面積が小さくなることにより一次被毒し、かかる一次被毒により劣化する。このように硫黄成分が貴金属等の表面に付着する現象は流入する排気ガスが連続してリーンとなっている場合に発生しやすい。しかし、この硫黄成分による触媒の一次被毒状態は、同触媒に還元剤(例えば、HC,CO等の未燃成分)を供給することにより解消する(リフレッシュする)。
【0143】
以上のことから、本装置は、第1触媒53の最上流のブロック1(1)の演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)が連続して正の値となり、かつ、同連続して正の値となった演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)の総和が正の所定量L1refresh以上となったとき、第1触媒53が硫黄成分による一次被毒状態になったと判定し、第1触媒側切替弁55cを第2の位置に切替え、第1触媒側噴射量制御弁55dを制御することにより一定値であるリフレッシュ還元ガス量Q1canirefの還元ガスを第1触媒側噴射部に噴射する。
【0144】
一方、上記演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)が連続して負の値となり、かつ、同連続して負の値となった演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)の総和の絶対値が前記所定量L1refresh以上となったとき、本装置は、第1触媒53が還元剤による一次被毒状態になったと判定し、第1触媒側切替弁55cを第1の位置に切替え、第1触媒側噴射量制御弁55dを制御することにより一定値であるリフレッシュエア量Q1airrefのエアを第1触媒側噴射部に噴射する。
【0145】
同様に、本装置は、第2触媒54の最上流のブロック2(1)の演算周期毎の流入酸素量Cgin2O2(1)が連続して正の値となり、かつ、同連続して正の値となった演算周期毎の流入酸素量Cgin2O2(1)の総和が正の所定量L2refresh以上となったとき、第2触媒54が硫黄成分による一次被毒状態になったと判定し、第2触媒側切替弁55eを第2の位置に切替え、第2触媒側噴射量制御弁55fを制御することにより一定値であるリフレッシュ還元ガス量Q2canirefの還元ガスを第2触媒側噴射部に噴射するとともに、上記演算周期毎の流入酸素量Cgin2O2(1)が連続して負の値となり、かつ、同連続して負の値となった演算周期毎の流入酸素量Cgin2O2(1)の総和の絶対値が前記所定量L2refresh以上となったとき、第2触媒54が還元剤による一次被毒状態になったと判定し、第2触媒側切替弁55eを第1の位置に切替え、第2触媒側噴射量制御弁55fを制御することにより一定値であるリフレッシュエア量Q2airrefのエアを第2触媒側噴射部に噴射する。
【0146】
以上のようなリフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御により、第1,第2触媒53,54の各々の還元剤による被毒状態及び硫黄成分による被毒状態がそれぞれ別個独立にリフレッシュされる。また、上記した最大酸素吸蔵量取得制御実行中においてこのリフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御が実行されると、計算される第1,第2触媒53,54の各々の最大酸素吸蔵量Cmax1all,Cmax2allに誤差が生じる可能性があるので、最大酸素吸蔵量取得制御実行中においては同リフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御は実行されない。
【0147】
また、本装置は、第1触媒53に対して現時点にてリフレッシュエア量Q1airrefのエアを噴射した場合には、同エア量Q1airrefに大気中に含まれる酸素の重量割合である値「0.23」を乗算することにより同エア量Q1airref中の酸素量を求め、同酸素量である0.23・Q1airrefを、上記酸素吸蔵量制御用エア量Q1air(|OSA1fb|)中の酸素量、又は上記酸素吸蔵量制御用還元ガス量Q1cani(OSA1fb)中の還元剤の量に基いて補正された上記流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量に対してさらに加算することにより最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求めるとともに、第2触媒54に対して現時点にてリフレッシュエア量Q2airrefのエアを噴射した場合にも、同様にして、酸素量である0.23・Q2airrefを、補正された流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量に対してさらに加算することにより最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める。
【0148】
一方、本装置は、第1触媒53に対して現時点にてリフレッシュ還元ガス量Q1canirefの還元ガスを噴射した場合には、上記した関数f1caniにより同還元ガス量Q1caniref中の還元剤の量を求め、同還元剤の量であるf1cani(Q1caniref)を、上記酸素吸蔵量制御用エア量Q1air(|OSA1fb|)中の酸素量、又は上記酸素吸蔵量制御用還元ガス量Q1cani(OSA1fb)中の還元剤の量に基いて補正された上記流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量から減算することにより最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求めるとともに、第2触媒54に対して現時点にてリフレッシュ還元ガス量Q2canirefの還元ガスを噴射した場合にも、同様にして、上記した関数f2caniに基く還元剤の量であるf2cani(Q2caniref)を、補正された流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量から減算することにより最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める。
【0149】
<実際の作動>
次に、上記のように構成された本発明による排気浄化装置の実際の作動について、電気制御装置70のCPU71が実行するルーチン(プログラム)をフローチャートにより示した図10〜図22を参照しながら説明する。
【0150】
CPU71は、図10に示した最終燃料噴射量Fiの計算、及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、各気筒のクランク角が各吸気上死点前の所定クランク角度(例えば、BTDC90°CA)となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が前記所定クランク角度になると、CPU71はステップ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。
【0151】
次いで、CPU71はステップ1010に進み、基本燃料噴射量Fbaseに係数Kを乗じた値に後述する空燃比フィードバック補正量DFiを加えた値を最終燃料噴射量Fiとして設定する。この係数Kの値は、通常は「1.00」であり、後述するように、第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1all及び第2触媒54の最大酸素吸蔵量Cmax2allを算出するために強制的に空燃比を変更するとき、「1.00」以外の所定値に設定される。
【0152】
次いで、CPU71はステップ1015に進み、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に対して行う。その後、CPU71はステップ1020に進み、その時点の燃料噴射量合計量mfr1に最終燃料噴射量Fiを加えた値を、新たな燃料噴射量積算値mfr1に設定する。この燃料噴射量積算値mfr1は、後述する第1触媒53の最上流ブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)の算出の際に用いられる。その後、CPU71はステップ1095に進み、本ルーチンを一旦終了する。以上により、フィードバック補正された最終燃料噴射量Fiの燃料が吸気行程を迎える気筒に対して噴射される。
【0153】
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、最上流空燃比センサ66が正常であり、且つ、後述する最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」のときに成立する。なお、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANは、後述するように、その値が「1」のとき最大酸素吸蔵量算出のために強制的に空燃比を変更する空燃比制御(以下、「最大酸素吸蔵量取得制御」と称呼する。)を実行していることを示し、その値が「0」のとき同最大酸素吸蔵量算出のための空燃比制御を実行していないことを示す。
【0154】
いま、空燃比フィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、CPU71はステップ1105にて「Yes」と判定してステップ1110に進み、現時点の最上流空燃比センサ66の出力vabyfsを図3に示したマップに基いて変換することにより、現時点における第1触媒53の上流側制御用空燃比abyfsを求める。
【0155】
次に、CPU71はステップ1115に進み、現時点からNストローク(N回の吸気行程)前に吸気行程を迎えた気筒の吸入空気量である筒内吸入空気量Mc(k−N)を前記求めた上流側制御用空燃比abyfsで除することにより、現時点からNストローク前の筒内燃料供給量Fc(k−N)を求める。値Nは、内燃機関の排気量、燃焼室25から最上流空燃比センサ66までの距離等により異なる値である。
【0156】
このように、現時点からNストローク前の筒内燃料供給量Fc(k−N)を求めるために、現時点からNストローク前の筒内吸入空気量Mc(k−N)を上流側制御用空燃比abyfsで除するのは、燃焼室25内で燃焼された混合気が最上流空燃比センサ66に到達するまでには、Nストロークに相当する時間を要しているからである。なお、筒内吸入空気量Mcは、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ61の出力AFMと、エンジン回転速度NEとに基いて求められ(例えば、エアフローメータ61の出力AFMに一次遅れ処理を施した値をエンジン回転速度NEで除することにより求められ)、各吸気行程に対応してRAM73内に記憶されている。
【0157】
次いで、CPU71はステップ1120に進み、現時点からNストローク前の筒内吸入空気量Mc(k−N)を現時点からNストローク前の時点における目標空燃比abyfr(k−N)(この例では、理論空燃比)で除することにより、現時点からNストローク前の目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)を求める。そして、CPU71はステップ1125に進んで目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)から筒内燃料供給量Fc(k−N)を減じた値を筒内燃料供給量偏差DFcとして設定する。つまり、筒内燃料供給量偏差DFcは、Nストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。次に、CPU71はステップ1130に進み、下記数21に基いて空燃比フィードバック補正量DFiを求める。
【0158】
【数21】
DFi=(Gp・DFc+Gi・SDFc)・KFB
【0159】
上記数21において、Gpは予め設定された比例ゲイン、Giは予め設定された積分ゲインである。なお、数21の係数KFBはエンジン回転速度NE、及び筒内吸入空気量Mc等により可変とすることが好適であるが、ここでは「1」としている。また、値SDFcは筒内燃料供給量偏差DFcの積分値であり、次のステップ1135にて更新される。即ち、CPU71は、ステップ1135にてその時点における筒内燃料供給量偏差DFcの積分値SDFcに上記ステップ1125にて求めた筒内燃料供給量偏差DFcを加えて、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値SDFcを求め、ステップ1195にて本ルーチンを一旦終了する。
【0160】
以上により、空燃比フィードバック補正量DFiが比例積分制御により求められ、この空燃比フィードバック補正量DFiが前述した図10のステップ1010、及びステップ1015により燃料噴射量に反映されるので、Nストローク前の燃料供給量の過不足が補償され、空燃比の平均値が目標空燃比abyfrと略一致せしめられる。
【0161】
一方、ステップ1105の判定時において、空燃比フィードバック制御条件が不成立であると、CPU71は同ステップ1105にて「No」と判定してステップ1140に進み、空燃比フィードバック補正量DFiの値を「0」に設定し、ステップ1195に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、空燃比フィードバック制御条件が不成立であるとき(最大酸素吸蔵量取得制御実行中を含む)は、最上流空燃比センサ66の出力vabyfsにかかわらず、空燃比フィードバック補正量DFiを「0」として空燃比(燃料噴射量)の補正を行わない。
【0162】
次に、第1,第2触媒53,54の各々の各ブロック毎の流出酸素量、及び酸素吸蔵量の算出等における作動について説明する。CPU71は図12〜図14の一連のフローチャートにより示されたルーチンを所定時間の経過毎に図12のルーチンから順に実行するようになっている。
【0163】
従って、所定のタイミングになると、CPU71は、第1触媒53の各ブロック1毎の流出酸素量,酸素吸蔵量等を算出するための図12に示されたルーチンのステップ1200から処理を開始し、ステップ1205に進んで、図10のステップ1020にて逐次更新されている燃料噴射量積算値mfr1と、最上流空燃比センサ66により検出された空燃比abyfsと、上記数14(の右辺)に基くステップ1205内に記載した式とに基いて、境界条件である第1触媒53のブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量を算出する。
【0164】
次に、CPU71はステップ1210に進んで、現時点にてエア・還元ガス噴射装置55が第1触媒側噴射部にエア又は還元ガスを噴射している場合は、噴射されているエア中の酸素量又は還元ガス中の還元剤の量に基いてステップ1205にて算出した流入酸素量Cgin1O2(1)の基本量を補正して最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)を求める。
【0165】
次いで、CPU71はステップ1215に進んでカウンタ値nの値、及び第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1allの値をそれぞれ「0」に設定した後、ステップ1220に進んで第1触媒53の各ブロック1毎の流出酸素量,酸素吸蔵量等を算出する処理を開始する。まず、CPU71はステップ1220においてカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「1」に設定する。カウンタ値nは第1触媒53のブロック1の番号を示している。この時点ではカウンタ値nの値は「1」であり、続くステップ1225〜ステップ1280までの処理においてカウンタ値nの値は「1」に維持されるので、今回の同ステップ1225〜ステップ1280までの処理においては最上流のブロック1(1)における計算が実行される。
【0166】
まず、CPU71はステップ1225に進んで、流入酸素量Cgin1O2(1)の値が「0」以上であるか否かを判定し、流入酸素量Cgin1O2(1)の値が「0」以上であればステップ1230に進んで、後述するルーチンにより既に算出されているブロック1(1)の最大酸素吸蔵量Cmax1(1)の値と、後述するステップ1265にて前回本ルーチンが実行されたときに計算(更新)されたブロック1(1)の酸素吸蔵量OSA1(1)の値と、後述するルーチンにより適宜補正される第1触媒53の反応速度定数h1の値と、上記数3(の右辺)に基くステップ1230内に記載した式とに基いてブロック1(1)における反応率Hを算出する。
【0167】
また、ステップ1225における判定において、流入酸素量Cgin1O2(1)の値が「0」以上でなければCPU71はステップ1235に進んで、上記最大酸素吸蔵量Cmax1(1)の値と、上記酸素吸蔵量OSA1(1)の値と、上記反応速度定数h1の値と、上記数5(の右辺)に基くステップ1235内に記載した式とに基いてブロック1(1)における反応率Hを算出する。
【0168】
次いで、CPU71はステップ1240に進み、ステップ1230又はステップ1235にて算出した反応率Hの値と、ステップ1210にて算出した第1触媒53のブロック1(1)における最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)の値と、上記数2(の右辺)又は上記数4(の右辺)に基くステップ1240内に記載した式とに基いてブロック1(1)における酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)を算出する。
【0169】
次に、CPU71はステップ1245に進んで、後述するステップ1265にて前回本ルーチンが実行されたときに計算されたブロック1(1)の酸素吸蔵量OSA1(1)の値とステップ1240にて今回算出したブロック1(1)の酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)の値とを積算した値がブロック1(1)における最大酸素吸蔵量Cmax1(1)の値以下であるか否かを判定する。
【0170】
ここで、前記積算した値が最大酸素吸蔵量Cmax1(1)の値以下であればCPU71はステップ1250に進んで同積算した値が「0」以上であるか否かを判定するとともに、同積算した値が「0」以上であればステップ1265に進んで、同積算した値を新たな酸素吸蔵量OSA1(1)として設定する。このように、前記積算した値が「0」以上最大酸素吸蔵量Cmax1(1)以下であればステップ1240にて算出された酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)の値がそのままブロック1(1)における酸素吸蔵量変化量として使用される。
【0171】
一方、ステップ1245の判定において、前記積算した値が最大酸素吸蔵量Cmax1(1)の値を超えていればCPU71はステップ1255に進み、最大酸素吸蔵量Cmax1(1)の値から前回算出した酸素吸蔵量OSA1(1)の値を減算した値を酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)に格納した後ステップ1265に進む。このように、前記積算した値がブロック1(1)における最大酸素吸蔵量Cmax1(1)を超えていれば今回ステップ1265にて算出されるブロック1(1)における酸素吸蔵量OSA1(1)の値が最大酸素吸蔵量Cmax1(1)を超えてしまうことを意味するので、今回ステップ1265にて算出される酸素吸蔵量OSA1(1)の値が最大酸素吸蔵量Cmax1の値と等しくなるように酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)が調整される。
【0172】
同様に、ステップ1250の判定において、前記積算した値が「0」未満(負の値)となっていればCPU71はステップ1260に進み、前回算出した酸素吸蔵量OSA1(1)の値に対して符号を反転させた値を酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)に格納した後ステップ1265に進む。このように、前記積算した値が「0」未満であれば今回ステップ1265にて算出されるブロック1(1)における酸素吸蔵量OSA1(1)の値が「0」未満(負の値)になってしまうことを意味するので、今回ステップ1265にて算出される酸素吸蔵量OSA1(1)の値が「0」になるように酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)が調整される。
【0173】
ステップ1265にてブロック1(1)における今回の酸素吸蔵量OSA1(1)を算出した後、CPU71はステップ1270に進んでステップ1210にて算出したブロック1(1)における最終的な流入酸素量Cgin1O2(1)の値と、上記調整後のブロック1(1)における酸素吸蔵量変化量δOSA1(1)の値と、上記数1(の右辺)に基くステップ1270内に記載した式とに基いてブロック1(1)における流出酸素量Cgout1O2(1)を算出する。
【0174】
次いで、CPU71はステップ1275に進んで、(現時点ではステップ1215の実行により「0」となっている)現時点における第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1allの値にステップ1265にて算出されたブロック1(1)における今回の酸素吸蔵量OSA1(1)の値を加えた値を新たな第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1(1)として格納した後、ステップ1280に進んで、ステップ1270にて算出されたブロック1(1)における流出酸素量Cgout1O2(1)の値と、上記数7に基いてブロック1(1)に隣接する下流側のブロック1(2)における流入酸素量Cgin1O2(2)を算出する。
【0175】
そして、CPU71はステップ1285に進んでカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しいか否かを判定する。現時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、CPU71はステップ1285にて「No」と判定し、再びステップ1220に戻ってカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「2」に設定した後、続くステップ1225〜ステップ1280までの処理を実行することで次のブロックであるブロック1(2)における計算を実行する。このとき、ステップ1270における流入酸素量Cgin1O2(2)の値としては前回ステップ1280にて算出した流入酸素量Cgin1O2(2)の値が使用される。
【0176】
このようにして、ステップ1225〜ステップ1280までの処理は、カウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しくなるまで繰り返し実行される。これにより、第1触媒53の最上流のブロック1(1)から最下流のブロック1(N1)までの各ブロック1(n)の流入酸素量Cgin1O2(n)、流出酸素量Cgout1O2(n)、酸素吸蔵量変化量δOSA1(n)、及び酸素吸蔵量OSA1(n)の値が順次算出されていく。また、ステップ1275の処理が繰り返し実行されることにより、第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1allも算出される。
【0177】
ステップ1220の処理が繰り返されることによりカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しくなると、CPU71はステップ1285にて「Yes」と判定してステップ1290に進み、燃料噴射量積算値mfr1の値を「0」に設定した後、ステップ1295を経由して、図13に示された第2触媒54の各ブロック2毎の流出酸素量,酸素吸蔵量等を算出するためのルーチンのステップ1300に進む。
【0178】
図13のルーチンは、ステップ1305にて、境界条件である第2触媒54のブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量として図12のステップ1270にて既算出済みの第1触媒53の最下流のブロック1(N1)における流出酸素量Cgout1O2(N1)を使用し、ステップ1310にて現時点にてエア・還元ガス噴射装置55が第2触媒側噴射部にエア又は還元ガスを噴射している場合にステップ1305にて算出した流入酸素量Cgin2O2(1)の基本量を補正して最終的な流入酸素量Cgin2O2(1)を求める点を除き図12のルーチンと同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。ここで、ステップ1375は、取得値取得手段に対応している。
【0179】
次に、CPU71は図13のステップ1395を経由して、図14に示された第1,第2触媒53,54の各々の各ブロック毎の酸素吸蔵量の値、並びに第1触媒53全体の酸素吸蔵量の値及び第2触媒54全体の酸素吸蔵量の値を初期化(クリア)するためのルーチンのステップ1400に進む。
【0180】
次に、CPU71はステップ1405に進んで、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1の値が0.7(V)より大きいか否かをモニタする。このとき、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1の値が0.7(V)より大きければ、即ち、第1触媒53の下流空燃比がリッチ空燃比であれば、同第1触媒53内全体に吸蔵されている酸素量が「0」であることを意味するので、CPU71はステップ1410に進んで第1触媒53の各ブロック1毎の酸素吸蔵量の値及び第1触媒53全体の酸素吸蔵量の値を総て「0」に設定する処理を開始する。
【0181】
一方、ステップ1405の判定において、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1の値が0.7(V)以下であれば、CPU71はステップ1405からステップ1435に直接進んで第2触媒54側の処理を開始する。
【0182】
いま、ステップ1405の判定において第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1の値が0.7(V)より大きくなっているとすると、CPU71はステップ1410に進み、カウンタ値nの値を「0」に設定した後、ステップ1415に進んでカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「1」に設定する。次いで、CPU71はステップ1420に進んで、第1触媒53のブロック1(n)における酸素吸蔵量OSA1(n)の値を「0」に設定する。この時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、最上流のブロック1(1)における酸素吸蔵量OSA1(1)の値が「0」に設定される。
【0183】
そして、CPU71はステップ1425に進んでカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しいか否かを判定する。現時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、CPU71は再びステップ1415に戻ってカウンタ値nの値を「1」だけ増大した後ステップ1420及びステップ1425の処理を実行する。即ち、ステップ1420及びステップ1425の処理は、カウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しくなるまで繰り返し実行される。これにより、第1触媒53の最上流のブロック1(1)から最下流のブロック1(N1)までの各ブロック1(n)における酸素吸蔵量OSA1(n)の値が総て「0」にクリアされる。
【0184】
前述のステップ1415の処理が繰り返されることによりカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しくなると、CPU71はステップ1430に進み、第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1allの値を「0」に設定した後、ステップ1435に進んで第2触媒54側の処理を開始する。
【0185】
この第2触媒54側の処理は、上述したステップ1405〜ステップ1430の処理と同様であるステップ1435〜ステップ1460の処理を実行することにより達成される。これにより、第2触媒54の最上流のブロック2(1)から最下流のブロック2(N2)までの各ブロック2(n)における酸素吸蔵量OSA2(n)の値が総て「0」にクリアされる。この第2触媒54側の処理が終了すると、CPU71はステップ1495に進んで、図12〜図14に示した一連のルーチンを一旦終了する。
【0186】
次に、第1,第2触媒53,54全体の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allを第1触媒目標酸素吸蔵量OSA1allref,第2触媒目標酸素吸蔵量OSA2allrefにそれぞれ一致させるための酸素吸蔵量制御用のエア又は還元ガスの噴射制御について説明すると、CPU71は図15に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1500から処理を開始し、ステップ1505に進んで、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」であるか否かを判定し、同フラグXHANの値が「1」であれば、最大酸素吸蔵量取得制御実行中であるのでエア又は還元ガスの噴射制御を実行せずに直接ステップ1595に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0187】
いま、ステップ1505の判定において、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」であるものとして説明を続けると、CPU71はステップ1510に進んで、図12のステップ1275で算出された現時点での第1触媒53全体の酸素吸蔵量OSA1allから後述するように設定される第1触媒目標酸素吸蔵量OSA1allrefを減じることにより、第1触媒酸素吸蔵量偏差量DOSA1allを求める。次に、CPU71はステップ1515に進み、下記数22に基いて第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbを求める。
【0188】
【数22】
OSA1fb=Kp1・DOSA1all+Ki1・SDOSA1all
【0189】
上記数22において、Kp1は予め設定された第1触媒用比例ゲイン、Ki1は予め設定された第1触媒用積分ゲインである。また、SDOSA1allは第1触媒酸素吸蔵量偏差量DOSA1allの積分値であって、次のステップ1520にて更新される値である。即ち、CPU71は、ステップ1520に進んで、その時点における第1触媒酸素吸蔵量偏差量の積分値SDOSA1allに上記ステップ1510にて求めた第1触媒酸素吸蔵量偏差量DOSA1allを加えて、新たな第1触媒酸素吸蔵量偏差量の積分値SDOSA1allを求める。
【0190】
次に、CPU71はステップ1525に進んで、ステップ1515にて算出した第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbが「0」以上であれば、ステップ1530に進んで上述した酸素吸蔵量制御用還元ガス量Q1cani(OSA1fb)の還元ガスの噴射指示を行う一方で、第1触媒酸素吸蔵量フィードバック制御量OSA1fbが負の値であれば、ステップ1535に進んで上述した酸素吸蔵量制御用エア量Q1air(|OSA1fb|)のエアの噴射指示を行う。これにより、第1触媒側噴射部に第1触媒酸素吸蔵量制御用のエア又は還元ガスが演算周期毎に噴射される。ここで、噴射されたエア又は還元ガスに基く第1触媒53の最上流ブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)の補正処理は、この直後に実行される図12のステップ1210にて行われる。
【0191】
次に、CPU71はステップ1540に進んで、第2触媒54側の酸素吸蔵量制御用のエア又は還元ガスの噴射処理を開始する。この第2触媒54側の処理は、上述したステップ1510〜ステップ1535の処理と同様であるステップ1540〜ステップ1565の処理を実行することにより達成される。ここで、ステップ1540における第2触媒54全体の酸素吸蔵量OSA2allは図13のステップ1375で算出された値が使用され、第2触媒目標酸素吸蔵量OSA2allrefの設定については後述する。また、ステップ1545におけるKp2は予め設定された第2触媒用比例ゲイン、Ki2は予め設定された第2触媒用積分ゲインである。これにより、第2触媒側噴射部に第2触媒酸素吸蔵量制御用の還元ガス量Q2cani(OSA2fb)の還元ガス又はエア量Q2air(|OSA2fb|)のエアが演算周期毎に噴射される。ここで、噴射されたエア又は還元ガスに基く第2触媒54の最上流ブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)の補正処理は、この直後に実行される図13のステップ1310にて行われる。この第2触媒54側の処理が終了すると、CPU71はステップ1595に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0192】
次に、第1,第2触媒53,54が被毒状態にある場合に同第1,第2触媒53,54をそれぞれリフレッシュさせるためのリフレッシュ用のエア又は還元ガスの噴射制御について説明すると、CPU71は図16に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ1600から処理を開始し、ステップ1605に進んで、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」であるか否かを判定し、同フラグXHANの値が「1」であれば最大酸素吸蔵量取得制御実行中であるのでリフレッシュ用のエア又は還元ガスの噴射制御を実行せずにステップ1680に進んで、第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2及び第2触媒流入酸素量積算値TCgin2O2を共に「0」にクリアした後、直接ステップ1695に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0193】
いま、ステップ1605の判定において、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」であるものとして説明を続けると、CPU71はステップ1610に進んで、図12のステップ1210にて演算周期毎に計算されている第1触媒53の最上流ブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)の符号変化がないか否かを判定し、流入酸素量Cgin1O2(1)の符号変化があった場合にはステップ1640に進んで第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2を「0」にクリアするとともにステップ1645以降に進んで第2触媒54側の処理を直ちに開始する。
【0194】
いま、ステップ1610の判定において、前回の本ルーチン実行時も今回の本ルーチン実行時も共に流入酸素量Cgin1O2(1)の値が正の値であった(符号変化がなかった)ものとして説明を続けると、CPU71はステップ1615にて現時点での第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の値に現時点での流入酸素量Cgin1O2(1)の(正の)値を加えた値を新たな第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2として設定するとともに、ステップ1620に進んで現時点での第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の絶対値が所定量L1refresh以上であるか否かを判定し、第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の絶対値が所定量L1refresh未満であればステップ1645以降に進んで第2触媒54側の処理を行う一方で、第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の絶対値が所定量L1refresh以上であればステップ1625以降に進んで第1触媒53側のリフレッシュ用エア又は還元ガスの噴射処理を開始する。
【0195】
換言すれば、流入酸素量Cgin1O2(1)が連続して正の値となり、かつ、同連続して正の値となった演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)の総和であるステップ1615にて逐次更新される正の値である第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2が所定量L1refresh以上となったとき、CPU71はステップ1625に進んで、ステップ1615にて逐次更新した第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の値が正の値であるか否かを判定する。この場合、第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の値は正の値であるので、CPU71は第1触媒53が硫黄による被毒状態にあると判定してステップ1630に進んで、上述したリフレッシュ還元ガス量Q1canirefの還元ガスの噴射指示を行った後、ステップ1640に進んで第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2を「0」にクリアするとともにステップ1645以降に進んで第2触媒54側の処理を開始する。
【0196】
次に、ステップ1610の判定において、前回の本ルーチン実行時も今回の本ルーチン実行時も共に流入酸素量Cgin1O2(1)の値が負の値であった(符号変化がなかった)ものとして説明を続けると、CPU71は流入酸素量Cgin1O2(1)が連続して負の値となり、かつ、同連続して負の値となった演算周期毎の流入酸素量Cgin1O2(1)の総和である負の値である第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の絶対値が前記所定量L1refresh以上となったとき、CPU71はステップ1625に進んで、ステップ1615にて逐次更新した第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の値が負の値であるか否かを判定する。この場合、第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2の値は負の値であるので、CPU71は第1触媒53が還元剤による被毒状態にあると判定してステップ1635に進んで、上述したリフレッシュエア量Q1airrefのエアの噴射指示を行った後、ステップ1640に進んで第1触媒流入酸素量積算値TCgin1O2を「0」にクリアするとともにステップ1645以降に進んで第2触媒54側の処理を開始する。これにより、第1触媒側噴射部に第1触媒リフレッシュ用のエア又は還元ガスが噴射される。ここで、噴射されたエア又は還元ガスに基く第1触媒53の最上流ブロック1(1)における流入酸素量Cgin1O2(1)の補正処理は、この直後に実行される図12のステップ1210にて行われる。
【0197】
次に、CPU71はステップ1645に進んで、第2触媒54側のリフレッシュ用のエア又は還元ガスの処理を開始する。この第2触媒54側の処理は、上述したステップ1610〜ステップ1640の処理と同様であるステップ1645〜ステップ1675の処理を実行することにより達成される。これにより、第2触媒側噴射部に第2触媒リフレッシュ用の還元ガス量Q2canirefの還元ガス又はエア量Q2airrefのエアが噴射された場合、噴射されたエア又は還元ガスに基く第2触媒54の最上流ブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)の補正処理は、この直後に実行される図13のステップ1310にて行われる。この第2触媒54側の処理が終了すると、CPU71はステップ1695に進んで本ルーチンを一旦終了する。ここで、ステップ1645〜ステップ1660は、還元剤被毒状態検出手段及び硫黄被毒状態検出手段に対応している。
【0198】
次に、最大酸素吸蔵量算出のために行われる最大酸素吸蔵量取得制御について説明する。CPU71は図17〜図21のフローチャートにより示された各ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【0199】
従って、所定のタイミングになると、CPU71は図17のステップ1700から処理を開始し、ステップ1705に進んで最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」であるか否かを判定する。いま、最大酸素吸蔵量算出のための最大酸素吸蔵量取得制御を行っておらず、且つ、最大酸素吸蔵量取得制御開始条件が成立していないとして説明を続けると、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値は「0」となっている。従って、CPU71はステップ1705にて「Yes」と判定してステップ1710に進み、先に説明した図10のステップ1010にて使用される係数Kの値を1.00に設定する。
【0200】
次いで、CPU71はステップ1715にて最大酸素吸蔵量取得制御の開始判定条件が成立しているか否かを判定する。この最大酸素吸蔵量取得制御の開始判定条件は、冷却水温THWが所定温度以上であり、図示しない車速センサにより得られた車速が所定の高車速以上であり、スロットル弁開度TAの単位時間あたりの変化量が所定量以下である、機関が定常運転されている場合に成立する。更に、この開始判定条件に、前回の最大酸素吸蔵量取得制御の終了時点から所定時間以上が経過したこと、前回の最大酸素吸蔵量取得制御の終了時点から車両が所定距離以上運転されたこと、前回の最大酸素吸蔵量取得制御の終了時点から内燃機関10が所定時間以上運転されたことの任意の一つ、又は一つ以上を判定条件に加えても良い。現段階では、上述したように、最大酸素吸蔵量取得制御の開始判定条件は成立していないから、CPU71はステップ1715にて「No」と判定してステップ1795に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【0201】
次に、先に説明した図8の時刻t1のように、その時点では最大酸素吸蔵量取得制御を行っていないが、最大酸素吸蔵量取得制御の開始判定条件が成立したものとして説明を続けると、この場合、CPU71はステップ1705にて「Yes」と判定してステップ1710に進み、係数Kの値を1.00に設定する。次いで、CPU71は、最大酸素吸蔵量取得制御の開始判定条件が成立しているので、ステップ1715にて「Yes」と判定してステップ1720に進み、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値を「1」に設定する。
【0202】
そして、CPU71はステップ1725に進み、第1モードに移行するためにModeの値を「1」に設定するとともに、続くステップ1730にて係数Kの値を1.02に設定し、ステップ1795に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、前述の空燃比フィードバック制御条件が成立しなくなるから、CPU71は図11のステップ1105にて「No」と判定してステップ1140に進むようになり、空燃比フィードバック補正量DFiの値は0に設定される。この結果、図10のステップ1010の実行により、基本燃料噴射量Fbaseが1.02倍された値が最終燃料噴射量Fiとして算出され、この最終燃料噴射量Fiの燃料が噴射されるので、機関の空燃比は理論空燃比よりもリッチな前記所定のリッチ空燃比に制御される。また、CPU71は図15のステップ1505及び図16のステップ1605にて「No」と判定するようになり、図15の処理に基く酸素吸蔵量制御用エア・還元ガス噴射制御、及び図16の処理に基くリフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御が中止される。
【0203】
以降、CPU71は図17のルーチンの処理をステップ1700から繰り返し実行するが、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「1」となっていることから、ステップ1705にて「No」と判定して直ちにステップ1795に進み、本ルーチンを一旦終了するようになる。
【0204】
一方、CPU71は図18に示した第1モード制御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、所定のタイミングとなると、CPU71はステップ1800から処理を開始してステップ1805に進み、Modeの値が「1」であるか否かを判定する。この場合、先の図17のステップ1725の処理によりModeの値は「1」となっているので、CPU71はステップ1805にて「Yes」と判定してステップ1810に進み、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1及び第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が共に0.7(V)より大きいか否かを判定する。現時点では、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に変更した直後であるから、第1触媒下流空燃比センサ出力Voxs1及び第2触媒下流空燃比センサ出力Voxs2は共に0.7(V)以下である(理論空燃比よりもリーンな空燃比を示している)。従って、CPU71はステップ1810にて「No」と判定し、ステップ1895にて本ルーチンを一旦終了する。
【0205】
以降、CPU71は図18のステップ1800〜1810を繰り返し実行する。また、空燃比は所定のリッチ空燃比に維持されているから、所定の時間が経過すると図8の時刻t2を経た時刻t3のように第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1及び第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が共に0.7(V)より大きくなる。これにより、CPU71はステップ1810に進んだとき、同ステップ1810にて「Yes」と判定してステップ1815に進み、Modeの値を「2」に設定し、ステップ1820に進んで係数Kの値を1.00に戻すとともに、続くステップ1825に進んで、先に説明した経過時間T1sen,経過時間T2sen,経過時間T1cgout,及び経過時間T2cgoutにそれぞれ相当するカウンタN1sen,カウンタN2sen,カウンタN1cgout,及びカウンタN2cgoutを総て「0」に設定し、ステップ1830に進み後述する第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1及び第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2を共に「0」に設定した後、ステップ1895にて本ルーチンを一旦終了する。
【0206】
この結果、係数Kの値は1.00に戻され、図10のステップ1010の実行により、基本燃料噴射量Fbaseがそのまま最終燃料噴射量Fiとして算出され、この最終燃料噴射量Fiの燃料が噴射されるので、その後の第2モード及び第3モード実行中において機関の空燃比は理論空燃比一定となるように制御される。また、これ以降、CPU71は図18のルーチンの処理をステップ1800から繰り返し実行するが、Modeの値が「2」となっていることから、ステップ1805にて「No」と判定して直ちにステップ1895に進み、本ルーチンを一旦終了するようになる。
【0207】
また、CPU71は、図19に示した第2モード制御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、所定のタイミングとなると、CPU71はステップ1900から処理を開始してステップ1905にてModeの値が「2」であるか否かを判定する。この場合、先の図18のステップ1815の処理によりModeの値は「2」となっているので、CPU71はステップ1905にて「Yes」と判定してステップ1910に進み、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が0.3(V)以上であるか、又は、第2触媒54の最下流のブロック2(N2)における流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が正の一定値Lean2より小さいか否かを判定する。
【0208】
現時点では、機関の空燃比を所定のリッチ空燃比から理論空燃比に戻した直後であるから、図8の時刻t3のように(第1触媒下流空燃比センサ出力Voxs1及び)第2触媒下流空燃比センサ出力Voxs2は共に0.3(V)以上(理論空燃比よりもリッチな空燃比を示す値)であって、且つ、流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が正の一定値Lean2より小さい。従って、CPU71はステップ1910にて「Yes」と判定してステップ1915に進み、上述したエア量Q2airadd(一定値)の第2触媒Cmax算出用エアの噴射指示を行う。これにより、第2触媒側噴射部に前記第2触媒Cmax算出用エアが噴射される。ここで、噴射されたエアに基く第2触媒54の最上流ブロック2(1)における流入酸素量Cgin2O2(1)の補正処理は、この直後に実行される図13のステップ1310にて行われる。
【0209】
次に、CPU71はステップ1920に進み、第2触媒下流空燃比センサ出力Voxs2が0.3(V)以上であるか否かを判定する。上述したように、現時点では第2触媒下流空燃比センサ出力Voxs2は0.3(V)以上となっているので、CPU71はステップ1920にて「Yes」と判定してステップ1925に進み、カウンタN2senの値(現時点では「0」)を「1」だけ増大して「1」に設定するとともに、続くステップ1930にて上記数15及び上記数16に基くステップ1930内に記載の式により現時点での第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2の値(現時点では「0」)に上記第2触媒Cmax算出用エア中の酸素量である0.23・Q2airaddを加算した値を新たな酸素吸蔵量OSA2として設定する。
【0210】
次いで、CPU71はステップ1935に進んで、流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が正の一定値Lean2より小さいか否かを判定する。上述したように、現時点では流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が正の一定値Lean2より小さいので、CPU71はステップ1935にて「Yes」と判定してステップ1940に進み、カウンタN2cgoutの値(現時点では「0」)を「1」だけ増大して「1」に設定するとともにステップ1995に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0211】
以降、CPU71は図19のステップ1900〜1940を繰り返し実行し、その度にカウンタN2senの値及びカウンタN2cgoutの値が「1」づつ増大していく。また、第2触媒54には上記第2触媒Cmax算出用エアが流入し続けるから、所定時間が経過すると図8の時刻t4のように第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が0.3(V)より小さく(理論空燃比よりもリーンな空燃比を示す値と)なる。これ以降、CPU71はステップ1920に進んだとき「No」と判定し、ステップ1925のカウンタN2senの更新処理及びステップ1930の酸素吸蔵量OSA2の更新処理を実行せずにステップ1935に進むようになる。
【0212】
その一方で、第2触媒54に上記第2触媒Cmax算出用エアが流入し続けることにより流出酸素量Cgout2O2(N2)の値は次第に増大していき、所定時間が経過すると正の一定値Lean2に到達する。これ以降、CPU71はステップ1935に進んだとき「No」と判定し、ステップ1940のカウンタN2cgoutの更新処理を実行せずにステップ1995に進むようになる。
【0213】
そして、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が0.3(V)より小さくなり、且つ、流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が正の一定値Lean2に到達すると、CPU71はステップ1910に進んだとき、「No」と判定してステップ1945に進み、Modeの値を「3」に設定した後ステップ1995に進んで本ルーチンを一旦終了する。これ以降、CPU71は図19のルーチンの処理をステップ1900から繰り返し実行するが、Modeの値が「3」となっていることから、ステップ1905にて「No」と判定して直ちにステップ1995に進み、本ルーチンを一旦終了するようになる。
【0214】
この結果、第2モード終了時点は、第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2が0.3(V)より小さくなる時点(上述の経過時間T2senに対応する時点)と流出酸素量Cgout2O2(N2)の値が正の一定値Lean2に到達する時点(上述の経過時間T2cgoutに対応する時点)のうちの後の時点となる。また、第2モード終了時点において、第2触媒54の酸素吸蔵量OSA2の値が同第2触媒54の最大酸素吸蔵量に相当する値になっているとともに、カウンタN2senの値及びカウンタN2cgoutの値がそれぞれ経過時間T2sen及び経過時間T2cgoutに相当する値となっている。
【0215】
同様に、CPU71は、図20に示した第3モード制御ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。ここで、この第3モード制御ルーチンは図19のルーチンと同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。第3モード終了時点は、第2モード終了時点と同様に、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1が0.3(V)より小さくなる時点(上述の経過時間T1senに対応する時点)と流出酸素量Cgout1O2(N1)の値が正の一定値Lean1に到達する時点(上述の経過時間T1cgoutに対応する時点)のうちの後の時点となる。また、第3モード終了時点において、第1触媒53の酸素吸蔵量OSA1の値が同第1触媒53の最大酸素吸蔵量に相当する値になっているとともに、カウンタN1senの値及びカウンタN1cgoutの値がそれぞれ経過時間T1sen及び経過時間T1cgoutに相当する値となっている。
【0216】
加えて、ステップ2045にてModeの値が「0」に再設定され、続くステップ2050にて最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」に設定されるので、これ以降、図15の処理に基く酸素吸蔵量制御用エア・還元ガス噴射制御、及び図16の処理に基くリフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御が再開されるとともに、空燃比フィードバック制御条件が成立していれば、図11の処理に基く空燃比フィードバック制御が再開される。
【0217】
次に、最大酸素吸蔵量算出における作動について説明する。CPU71は図21のフローチャートにより示されたルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。
【0218】
従って、所定のタイミングになると、CPU71は図21のステップ2100から処理を開始し、ステップ2105に進んで最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「1」から「0」に変化したか否かをモニタする。このとき、第3モードが終了して、先に説明した図20のステップ2045にて最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「0」に変更されると、CPU71はステップ2105にて「Yes」と判定してステップ2110に進む。ここで、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が変化していなければ、CPU71はステップ2105からステップ2195に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0219】
いま、第3モードが終了した直後であるとすると、CPU71はステップ2105からステップ2110に進み、その時点の酸素吸蔵量OSA1及びOSA2を、それぞれ第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1all及び第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量Cmax2allとして格納する。このステップ2110は、最大酸素吸蔵量取得手段に対応している。
【0220】
次いでCPU71はステップ2115に進み、カウンタ値nの値を「0」に設定した後、ステップ2120に進んで第1触媒53の各ブロック1毎の最大酸素吸蔵量を算出する処理を開始する。まず、CPU71はステップ2120においてカウンタ値nの値を「1」だけ増大して「1」に設定した後、ステップ2125に進んで上記ステップ2110にて取得した第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1allの値と、カウンタ値nの値と、上記数19(の右辺)に基くステップ2125内に記載した式とに基いて第1触媒53のブロック1(n)における最大酸素吸蔵量Cmax1(n)を算出する。この時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、ブロック1(1)における最大酸素吸蔵量Cmax1(1)が算出される。
【0221】
そして、CPU71はステップ2130に進んでカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しいか否かを判定する。現時点ではカウンタ値nの値は「1」であるから、CPU71はステップ2130にて「No」と判定し、再びステップ2120に戻ってカウンタ値nの値を「1」だけ増大した後ステップ2125及びステップ2130の処理を実行する。即ち、ステップ2120及びステップ2125の処理は、カウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しくなるまで繰り返し実行される。これにより、第1触媒53の最上流のブロック1(1)から最下流のブロック1(N1)までの各ブロック1(n)の最大酸素吸蔵量Cmax1(n)の値が順次算出されていく。
【0222】
前述のステップ2120の処理が繰り返されることによりカウンタ値nの値が第1触媒53のブロック数N1と等しくなると、CPU71はステップ2130にて「Yes」と判定してステップ2135に進み、カウンタ値nの値を「0」に設定した後、ステップ2140に進んで第2触媒54の各ブロック2毎の最大酸素吸蔵量を算出する処理を開始する。
【0223】
この第2触媒54の各ブロック2毎の最大酸素吸蔵量を算出する処理は、上述したステップ2120〜ステップ2130の処理と同様であるステップ2140〜ステップ2150までの処理を第2触媒54のブロック数N2回だけ繰り返し実行することにより達成される。ステップ2145における最大酸素吸蔵量Cmax2(n)の算出は、上記ステップ2110にて取得した第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量Cmax2allの値と、カウンタ値nの値と、上記数20(の右辺)に基くステップ2145内に記載した式とに基いて行われる。これにより、第2触媒54の最上流のブロック2(1)から最下流のブロック2(N2)までの各ブロック2(n)の最大酸素吸蔵量Cmax2(n)の値が順次算出されていく。
【0224】
ステップ2140の処理が繰り返されることによりカウンタ値nの値が第2触媒54のブロック数N2と等しくなると、CPU71はステップ2150にて「Yes」と判定してステップ2155に進み、上記第1触媒53全体の最大酸素吸蔵量Cmax1allの値の半分の値を図15のステップ1510にて使用する第1触媒目標酸素吸蔵量OSA1allrefとして格納するとともに、上記第2触媒54全体の最大酸素吸蔵量Cmax2allの値の半分の値を図15のステップ1540にて使用する第2触媒目標酸素吸蔵量OSA2allrefとして格納し、ステップ2195に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0225】
次に、反応速度定数の補正における作動について説明する。CPU71は図22のフローチャートにより示されたルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU71は図22のステップ2200から処理を開始し、ステップ2205に進んで、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「1」から「0」に変化したか否かをモニタし、最大酸素吸蔵量取得制御実行中フラグXHANの値が「1」から「0」に変化していなければ、CPU71はステップ2205からステップ2295に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
【0226】
いま、第3モードが終了した直後であるとものとして説明を続けると、CPU71はステップ2205にて「Yes」と判定してステップ2210に進み、現時点にて図20のステップ2025にて更新が完了しているカウンタN1senの値から現時点にて図20のステップ2040にて更新が完了しているカウンタN1cgoutの値を減算した値を上述した偏差時間ΔT1に相当する偏差値ΔN1として格納するとともに、ステップ2215に進んで、偏差値ΔN1と上記関数f1に基いた補正量f1(ΔN1)を現時点での第1触媒53の反応速度定数h1に加算した値を新たな反応速度定数h1として設定する。
【0227】
次いで、CPU71はステップ2220に進み、現時点にて図19のステップ1925にて更新が完了しているカウンタN2senの値から現時点にて図19のステップ1940にて更新が完了しているカウンタN2cgoutの値を減算した値を上述した偏差時間ΔT2に相当する偏差値ΔN2として格納するとともに、ステップ2225に進んで、偏差値ΔN2と上記関数f2に基いた補正量f2(ΔN2)を現時点での第2触媒54の反応速度定数h2に加算した値を新たな反応速度定数h2として設定した後、ステップ2295に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、第1触媒53の反応速度定数h1の値及び第2触媒54の反応速度定数h2の値が上述した最大酸素吸蔵量取得制御が実行・完了される毎に補正される。ここで、ステップ2225は、パラメータ補正手段に対応している。
【0228】
以上、説明したように、本発明による実施形態によれば、酸素吸蔵量制御用の所定量のエア又は還元ガスをエア・還元ガス噴射装置55により第1触媒側噴射部及び第2触媒側噴射部に噴射することにより、第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allを別個独立に直ちに適切な量になるように調整することができ、この結果、エミッションの排出量を効果的に低減することができた。
【0229】
また、リフレッシュ用の所定量のエア又は還元ガスをエア・還元ガス噴射装置55により第1触媒側噴射部及び第2触媒側噴射部に噴射することにより、簡易な構成で、第1,第2触媒53,54の各々の還元剤による被毒状態及び硫黄成分による被毒状態をそれぞれ別個独立に解消する(リフレッシュする)ことができた。
【0230】
また、Cmax算出用のエアをエア・還元ガス噴射装置55により第1触媒側噴射部及び第2触媒側噴射部に噴射することにより、同噴射されるエア中の酸素量を利用して第1,第2触媒53,54の最大酸素吸蔵量Cmax1all,Cmax2allを算出するので、第1,第2触媒53,54の各々の最大酸素吸蔵量を取得するにあたり、同第1,第2触媒53,54を共に内部に吸蔵している酸素を完全に放出している状態にするために機関の空燃比を第1モード(Mode=1)実行中において所定のリッチ空燃比に変化させるのみで、その後の第2,第3モードにおいては機関の空燃比を理論空燃比に維持できリーン空燃比に変化させる必要はない。従って、機関の出力変動量が低減し、触媒の最大酸素吸蔵量を取得することに起因して発生するドライバビリティの悪化を最小限にすることが可能となった。
【0231】
加えて、第1触媒53の反応速度定数h1の値、及び第2触媒54の反応速度定数h2の値が上記した最大酸素吸蔵量取得制御が実行される毎に補正される。従って、上記触媒モデルにより計算される第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2all(取得値)を実際の値に近づけることができ、同モデルによる計算精度を高くすることができるとともに、一層正確に第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allを適切な量に調整することができた。
【0232】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allがそれぞれ目標酸素吸蔵量OSA1allref,OSA2allrefに一致するように比例・積分処理によりエア・還元ガス噴射装置55をフィードバック制御しているが、各触媒の目標酸素吸蔵量をそれぞれ所定の幅を有する値とし、各触媒の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allが前記所定の幅の範囲外の値となったときにのみ所定量のエア又は還元ガスを噴射することにより第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allを適切な量になるように維持させてもよい。
【0233】
また、上記実施形態においては、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1、及び第2触媒下流空燃比センサ68の出力Voxs2がそれぞれ所定の目標出力値(例えば、理論空燃比に相当する値)に一致するように比例・積分処理によりエア・還元ガス噴射装置55をフィードバック制御してもよい。
【0234】
また、上記実施形態においては、第1触媒53の最下流ブロック1(N1)の流出酸素量Cgout1O2(N1)、及び第2触媒54の最下流ブロック2(N2)の流出酸素量Cgout2O2(N2)の値がそれぞれ所定の目標値(例えば、「0」)に一致するように比例・積分処理によりエア・還元ガス噴射装置55をフィードバック制御してもよい。
【0235】
また、上記実施形態においては、通常は、第1触媒下流空燃比センサ67の出力Voxs1が所定の目標出力値となるように機関の空燃比をフィードバック制御するとともにエア・還元ガス噴射装置55による酸素吸蔵量制御用の噴射処理を中止し、所定の条件が成立したときのみ、エア・還元ガス噴射装置55による酸素吸蔵量制御用の噴射処理を実行することにより第1,第2触媒53,54の各々の酸素吸蔵量OSA1all,OSA2allを適切な量になるように維持させてもよい。
【0236】
また、上記実施形態においては、エア及び還元ガスを共に噴射できるエア・還元ガス噴射装置55を備えているが、エアのみを供給できる空気供給装置、及び還元ガスのみを供給できる還元ガス供給装置のいずれか一方のみを備えるように構成してもよい。この場合、酸素吸蔵量制御等において、エア及び還元ガスのうち対応する供給装置が存在しない方のガスを触媒に供給する必要があるときは、機関の空燃比をリッチ又はリーンに制御することで前記ガスを触媒に供給できるように構成すればよい。
【0237】
また、上記実施形態においては、第1,第2触媒53,54の各々の最大酸素吸蔵量を取得する最大酸素吸蔵量取得制御を実行するにあたり、第1モードにて機関の空燃比を所定のリーン空燃比に制御することにより第1,第2触媒53,54を共に内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵している状態とし、続く第2,第3モードにおいて、機関の空燃比を理論空燃比一定に制御するとともにエア・還元ガス噴射装置55を制御して所定量の還元ガスを各触媒に噴射することにより、同所定量の還元ガス中の酸素の不足量(還元ガス中の還元剤の量)を利用して第1,第2触媒53,54の各々の最大酸素吸蔵量を取得するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による実施形態に係る排気浄化装置を内燃機関に適用したシステムの概略図である。
【図2】図1に示したエアフローメータの出力電圧と計測された吸入空気量との関係を示したマップである。
【図3】図1に示した最上流空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図4】図1に示した第1触媒下流空燃比センサ、及び第2触媒下流空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示したマップである。
【図5】触媒モデルを模式的に示した図である。
【図6】図5に示した触媒モデルの特定領域に注目したときの同特定領域における酸素吸蔵・放出反応に関係する特定成分の収支を示した図である。
【図7】図5に示した触媒モデルを第1,第2触媒にそれぞれ適用した場合の模式図である。
【図8】図1に示した排気浄化装置が各触媒の最大酸素吸蔵量を求める場合の第1触媒上流の空燃比、各触媒上流のエア噴射量、各触媒の酸素吸蔵量、各空燃比センサの出力の変化を示したタイムチャートである。
【図9】図5に示した触媒モデルが対象とする触媒全体の最大酸素吸蔵量から同触媒の各ブロック毎の各最大酸素吸蔵量の分布を求めるためのマップである。
【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】図1に示したCPUが実行する第1触媒の各ブロック毎の流出酸素量、酸素吸蔵量等を算出するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図13】図1に示したCPUが実行する第2触媒の各ブロック毎の流出酸素量、酸素吸蔵量等を算出するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図14】図1に示したCPUが実行する第1,第2触媒の各々の各ブロック毎の酸素吸蔵量をクリアするためのルーチンを示したフローチャートである。
【図15】図1に示したCPUが実行する酸素吸蔵量制御用エア・還元ガス噴射制御を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【図16】図1に示したCPUが実行するリフレッシュ用エア・還元ガス噴射制御を行うためのルーチンを示したフローチャートである。
【図17】図1に示したCPUが実行する最大酸素吸蔵量取得制御を開始するか否かを決定するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図18】図1に示したCPUが実行する第1モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図19】図1に示したCPUが実行する第2モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図20】図1に示したCPUが実行する第3モードのルーチンを示したフローチャートである。
【図21】図1に示したCPUが実行する最大酸素吸蔵量を算出するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図22】図1に示したCPUが実行する反応速度定数を補正するためのルーチンを示したフローチャートである。
【符号の説明】
10…内燃機関、25…燃焼室、39…インジェクタ、52…エキゾーストパイプ(排気管)、53…三元触媒(第1触媒、前段触媒)、54…三元触媒(第2触媒、後段触媒)、55…エア・還元ガス噴射装置、55a…チャコールキャニスタ、55b…エアポンプ、55c…第1触媒側切替弁、55d…第1触媒側噴射量制御弁、55e…第2触媒側切替弁、55f…第2触媒側噴射量制御弁、66…最上流空燃比センサ、67…第1触媒下流空燃比センサ、68…第2触媒下流空燃比センサ、70…電気制御装置、71…CPU。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine having a three-way catalyst in an exhaust passage.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a three-way catalyst for purifying exhaust gas of an internal combustion engine (hereinafter, sometimes simply referred to as a “catalyst”) is disposed in an exhaust passage of the engine. This three-way catalyst has a function of storing oxygen. 2 It has a storage function (hereinafter, this function is referred to as “oxygen storage function”, and the amount of oxygen stored in the catalyst is referred to as “oxygen storage amount”). When rich, the stored oxygen oxidizes unburned components such as HC and CO, and when the air-fuel ratio of the inflowing gas is lean, it reduces nitrogen oxides (NOx) to reduce NOx. Oxygen taken from is stored inside. Thereby, the three-way catalyst can purify harmful components such as unburned components and nitrogen oxides even when the air-fuel ratio of the engine deviates from the stoichiometric air-fuel ratio.
[0003]
On the other hand, in recent years, in order to purify exhaust gas immediately after the start of the internal combustion engine and further improve exhaust purification performance after complete warm-up, a relatively small-capacity first converter called a start converter is provided in an exhaust passage of the engine. In some cases, a catalyst is provided, and a second catalyst having a relatively large capacity called an under-floor converter is provided in an exhaust passage downstream of the first catalyst. In this case, the first catalyst is disposed closer to the exhaust port of the engine than the second catalyst, and the exhaust gas having a high temperature flows thereinto. Demonstrate. On the other hand, the second catalyst takes a longer time to warm up than the first catalyst, but because of its large capacity, exhibits an excellent exhaust purification function once warmed up.
[0004]
By the way, since the operating state of the internal combustion engine changes every moment, the air-fuel ratio of the engine becomes rich or lean. On the other hand, the oxygen storage amount of the catalyst varies between “0” and the maximum amount of oxygen that can be stored (hereinafter, referred to as “maximum oxygen storage amount”). Therefore, if the air-fuel ratio of the engine becomes rich when the oxygen storage amount in the catalyst is near “0”, the unburned components cannot be sufficiently oxidized in the catalyst and the unburned components ( Exhaust gas with a rich air-fuel ratio) flows out. On the other hand, if the air-fuel ratio of the engine becomes lean when the oxygen storage amount in the catalyst is near the maximum oxygen storage amount, nitrogen oxides cannot be sufficiently reduced in the catalyst and nitrogen oxide ( (Lean air-fuel ratio).
[0005]
From the above, the air-fuel ratio of the engine is adjusted so that the oxygen storage amount in the catalyst becomes an appropriate amount (for example, about half of the maximum oxygen storage amount) in order to efficiently purify unburned components and nitrogen oxides. When the first catalyst and the second catalyst are arranged in series in the exhaust passage of the internal combustion engine as described above, the amount of oxygen stored in the first catalyst and the amount of oxygen stored in the second catalyst are preferably controlled. It is preferable that the air-fuel ratio of the engine is controlled so that the amounts are both appropriate.
[0006]
For this reason, the exhaust gas purification device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-234787 calculates the oxygen storage amount of the first catalyst, and calculates the calculated oxygen storage amount of the first catalyst as the target oxygen storage amount (the maximum oxygen storage amount of the first catalyst). The air-fuel ratio of the engine is controlled so as to be about half of the oxygen storage amount), and the target oxygen storage amount of the first catalyst is determined by the output of an air-fuel ratio sensor provided downstream of the second catalyst. The characteristic is reduced when the characteristic of the exhaust gas flowing out of the catalyst indicates a lean state, and is increased when the characteristic of the exhaust gas indicates a rich state.
[0007]
According to this, when the characteristics of the exhaust gas flowing out of the second catalyst are in a lean state, that is, when the oxygen storage amount of the second catalyst is close to the maximum oxygen storage amount, the engine idle state is reduced. The fuel ratio is controlled to be rich, and the oxygen storage amount of the first catalyst is reduced to the reduced target oxygen storage amount (the amount close to “0”). Therefore, the exhaust gas with a rich air-fuel ratio easily flows out of the first catalyst. As a result, the oxygen storage amount of the second catalyst becomes an appropriate amount (about half the maximum oxygen storage amount of the second catalyst). Decrease.
[0008]
On the other hand, when the characteristic of the exhaust gas flowing out of the second catalyst is in a rich state, that is, when the oxygen storage amount of the second catalyst is close to “0”, the air-fuel ratio of the engine becomes lean. Accordingly, the oxygen storage amount of the first catalyst is increased to an increased target oxygen storage amount (an amount close to the “maximum oxygen storage amount”). Therefore, the exhaust gas having a lean air-fuel ratio easily flows out of the first catalyst, and as a result, the oxygen storage amount of the second catalyst increases until the appropriate amount is reached.
[0009]
After the amount of oxygen stored in the second catalyst reaches an appropriate amount as described above, the characteristics of the exhaust gas flowing out of the second catalyst are neither in the lean state nor in the rich state. The air-fuel ratio of the engine is controlled so that the target oxygen storage amount of the first catalyst is returned to an appropriate amount that is about half of the maximum oxygen storage amount. As a result, the oxygen storage amount of the first catalyst is also reduced to the second oxygen storage amount. The oxygen storage amounts of the catalysts are also adjusted to be appropriate amounts.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In order to adjust both the oxygen storage amount of the first catalyst and the oxygen storage amount of the second catalyst to an appropriate amount by controlling the air-fuel ratio of the engine as in the apparatus disclosed above, first, the first catalyst is used. It is necessary to adjust the oxygen storage amount of the second catalyst to an appropriate amount by forcibly shifting the oxygen storage amount of the catalyst from an appropriate amount, and then adjust the oxygen storage amount of the first catalyst to an appropriate amount. . In other words, the oxygen storage amounts of the first and second catalysts cannot be adjusted independently (simultaneously). This is because when the oxygen storage amount of the first catalyst is adjusted to an appropriate amount, nitrogen oxygen (NOx) for increasing the oxygen storage amount of the second catalyst or the oxygen storage amount of the second catalyst is increased. This is because unburned components such as HC and CO for reducing the amount are difficult to flow out of the first catalyst, and it becomes difficult to adjust the oxygen storage amount of the second catalyst. Therefore, there is a problem that it takes a relatively long time to adjust the oxygen storage amounts of the first and second catalysts to an appropriate amount by controlling the air-fuel ratio of the engine.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine which can independently and independently adjust the oxygen storage amounts of a plurality of catalysts arranged in series in an exhaust passage of the internal combustion engine to an appropriate amount. Is to do.
[0012]
[Overview of the present invention]
According to a first feature of the present invention, an exhaust purification device for an internal combustion engine includes a first catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine, and a second catalyst disposed in the exhaust passage downstream of the first catalyst. A catalyst, an acquisition value acquisition unit that acquires, as an acquisition value, at least a value that changes according to the oxygen storage amount of the second catalyst, and a predetermined target value at which the acquisition value makes the purification efficiency of the second catalyst good. Thus, an air supply device for supplying a predetermined amount of air to the second catalyst for increasing the oxygen storage amount of the second catalyst based on the obtained value is provided.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, instead of the air supply device, the obtained value is a predetermined value at which the purification efficiency of the second catalyst becomes good. And a reducing agent supply device for supplying a predetermined amount of reducing agent to the second catalyst to reduce the oxygen storage amount of the second catalyst based on the obtained value so as to achieve the target value. . Here, the “reducing agent” is, for example, a component in fuel such as HC and CO, and is not limited to these.
[0014]
In the first and second features of the present invention described above, the “value that changes at least according to the oxygen storage amount of the second catalyst” acquired by the acquisition value acquisition unit as the acquisition value is, for example, the value of the second catalyst. The value indicates the oxygen storage amount, and depends on the outflow amount of specific components (for example, oxygen components (oxygen molecules and oxygen of nitrogen oxides)) related to the storage and release reactions of oxygen flowing out of the second catalyst as described later. It is a value or an output value of an air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage downstream of the second catalyst, and is a value obtained by calculation or physical detection.
[0015]
Further, the “predetermined target value” is preferably a value corresponding to about half of the maximum oxygen storage amount of the second catalyst, and may be a value having a predetermined width. In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, the acquired value may be a predetermined target value at which the purification efficiency of the second catalyst is improved. A reducing agent supply device for supplying a predetermined amount of reducing agent for reducing the oxygen storage amount of the second catalyst to the exhaust passage downstream of the first catalyst and upstream of the second catalyst based on It is preferable to provide
[0016]
According to the configuration according to the first feature, the acquired value acquired by the acquired value acquiring means is equal to the target oxygen storage amount of the second catalyst corresponding to the predetermined target value (for example, about half of the maximum oxygen storage amount). The amount of oxygen stored in the second catalyst is smaller than the amount of the second catalyst, the predetermined amount of air is supplied by the air supply device based on the obtained value so that the obtained value becomes the predetermined target value. By supplying air to the second catalyst, oxygen in the air is stored in the second catalyst, and as a result, the oxygen storage amount of the second catalyst can be increased to the target oxygen storage amount.
[0017]
Further, according to the configuration according to the second feature described above, the acquired value acquired by the acquired value acquiring unit is the target oxygen storage amount of the second catalyst corresponding to the predetermined target value (for example, the maximum oxygen storage amount of the second catalyst). (About half the amount) when the value indicates that the oxygen storage amount of the second catalyst is larger than that of the second catalyst, the reducing agent supply device controls the reducing agent supply device based on the obtained value so that the obtained value becomes a predetermined target value. By supplying a predetermined amount of the reducing agent to the second catalyst, the stored oxygen in the second catalyst is deprived by the reducing agent, and as a result, the oxygen storage amount of the second catalyst is reduced to the target oxygen storage amount. Can be.
[0018]
That is, according to the configuration according to the first feature and the configuration according to the second feature, the oxygen storage amount of the first catalyst disposed in the exhaust passage upstream of the second catalyst is forcibly adjusted appropriately. It is possible to adjust the oxygen storage amount of the second catalyst to an appropriate amount without deviating from an appropriate amount (without changing the oxygen storage amount of the first catalyst). Therefore, the oxygen storage amount of the first catalyst is controlled by, for example, feedback control of the air-fuel ratio of the engine based on the output of an air-fuel ratio sensor disposed downstream of the first catalyst, and the air (reducing agent) for the second catalyst described above. In the case where an air (reducing agent) supply device for the first catalyst similar to the supply device is disposed in the exhaust passage upstream of the first catalyst, the air (reducing agent) supply device for the first catalyst is used. If it is configured to adjust to an appropriate amount, when the oxygen storage amount of each of the first and second catalysts deviates from the appropriate amount, the oxygen storage amount of each of the first and second catalysts is separately and independently set. It can be immediately adjusted to an appropriate amount, and as a result, emission emissions can be effectively reduced.
[0019]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, it is preferable that the reducing agent supply device is configured to use the fuel adsorbed by the charcoal canister as the reducing agent. In general, an internal combustion engine is equipped with a charcoal canister for temporarily adsorbing fuel vapor generated from a fuel tank or the like and supplying the adsorbed fuel (component) to an intake system of the internal combustion engine. Therefore, according to the above configuration, it is not necessary to add a new device as a reducing agent supply device, so that the entire exhaust gas purification device can be made inexpensive.
[0020]
Further, according to the above configuration, the fuel adsorbed by the charcoal canister is supplied not to the intake system but to the exhaust system, so that the occurrence of rough air-fuel ratio of the intake air-fuel mixture caused by supplying the adsorbed fuel to the intake system is reduced. It is possible to further reduce the emission amount of emissions and to reduce the fluctuation of the output of the engine, thereby improving the drivability of the driver.
[0021]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, the reducing agent poisoning state detection for detecting that the second catalyst is poisoned by the reducing agent in the gas flowing into the second catalyst. Means for supplying air for eliminating the poisoning state to the second catalyst by the air supply device when the second catalyst is poisoned by the reducing agent in the gas. Preferably.
[0022]
When a predetermined amount of the reducing agent (for example, unburned components such as HC and CO) in the exhaust gas continuously flows into the catalyst, the reducing agent is noble metal or ceria (CeO) in the catalyst. 2 ) (Hereinafter referred to as “noble metal”) adheres to the surface and decreases the surface area of the noble metal or the like, thereby causing poisoning (so-called primary poisoning). It is known that the maximum oxygen storage amount decreases). In the present specification, "a catalyst poisoned by a reducing agent" refers to a catalyst in such a state. On the other hand, it is also known that the primary poisoning state of the catalyst by the reducing agent is eliminated by supplying a predetermined amount of oxygen to the catalyst.
[0023]
Therefore, as described above, when the second catalyst is poisoned by the reducing agent in the exhaust gas, the air supply device supplies air for eliminating the poisoning to the second catalyst. Then, the air supply device for controlling the oxygen storage amount of the second catalyst can be used together to eliminate the poisoning state of the catalyst by the reducing agent. The state can be eliminated.
[0024]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, a sulfur poisoning state detection unit detects that the second catalyst is poisoned by sulfur in gas flowing into the second catalyst. Means for supplying a reducing agent to the second catalyst by the reducing agent supply device when the second catalyst is poisoned by the sulfur. Is preferred.
[0025]
When the sulfur component in the exhaust gas continuously flows by a predetermined amount, the catalyst adheres to the surface of the noble metal or the like in the catalyst and decreases the surface area of the noble metal or the like, so that the catalyst is poisoned (so-called primary). Poisoning), and it is known that such poisoning causes deterioration. In the present specification, "a catalyst poisoned by sulfur" means a catalyst in such a state. On the other hand, it is also known that the primary poisoning state of a catalyst due to a sulfur component is eliminated by supplying a predetermined amount of a reducing agent (for example, unburned components such as HC and CO) to the catalyst.
[0026]
Therefore, as described above, when the second catalyst is poisoned by sulfur in the exhaust gas, the reducing agent supply device supplies a reducing agent for eliminating the poisoning state to the second catalyst. With this configuration, the reducing agent supply device for controlling the oxygen storage amount of the second catalyst can be used together to eliminate the poisoning state of the catalyst by sulfur. The state can be eliminated.
[0027]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, a catalyst downstream air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the second catalyst and the second catalyst occluded therein. When the air is supplied to the second catalyst by the air supply device from the state where the oxygen is completely released, the theoretical amount of oxygen in the supplied air and the output of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst are calculated. The maximum oxygen that obtains the maximum oxygen storage amount of the second catalyst based on a change in output from a state indicating an air-fuel ratio richer than the fuel ratio to a state indicating an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio It is preferable to be configured to include a storage amount acquisition unit.
[0028]
As described above, the catalyst deteriorates due to poisoning by a reducing agent, sulfur, or the like contained in the exhaust gas, and the maximum oxygen storage amount decreases as the deterioration of the catalyst progresses. Therefore, if the maximum oxygen storage amount of the catalyst can be estimated, it can be determined whether or not the catalyst has deteriorated based on the estimated maximum oxygen storage amount. For this reason, for example, as described in JP-A-5-133264, the air-fuel ratio of the engine is forcibly changed from a predetermined rich air-fuel ratio to a predetermined lean air-fuel ratio (or vice versa), At that time, the maximum oxygen storage amount of the catalyst is estimated based on the output change of the air-fuel ratio sensor disposed downstream of the catalyst and the predetermined rich air-fuel ratio or the predetermined lean air-fuel ratio. A technique for detecting the degree of deterioration of the catalyst based on the amount of occlusion is known.
[0029]
However, when trying to estimate the maximum oxygen storage amount of the catalyst by such a technique, it is necessary to change the air-fuel ratio of the engine from one of the rich air-fuel ratio and the lean air-fuel ratio to the other. There has been a problem that the driver is easily perceived and deterioration of drivability is easily perceived.
[0030]
On the other hand, as described above, air is supplied to the second catalyst from the state in which the second catalyst completely releases the oxygen stored therein by the air supply device, and the air supplied at that time is supplied. Based on the output change from the state indicating that the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio of the output of the catalyst and the air-fuel ratio downstream of the catalyst to the state indicating that the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio Therefore, if the maximum oxygen storage amount of the second catalyst is acquired, the air-fuel ratio of the engine is set to a predetermined value in order to completely release the oxygen stored in the second catalyst. , It is not necessary to subsequently change the engine air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio. Therefore, the output fluctuation amount of the engine is reduced, and it is possible to minimize deterioration of drivability caused by obtaining the maximum oxygen storage amount of the catalyst.
[0031]
Similarly, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the above-described second feature, the catalyst downstream air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the second catalyst and the second catalyst are disposed inside. The amount of the supplied reducing agent when the reducing agent is supplied to the second catalyst by the reducing agent supply device from the state where oxygen is stored to the limit at which oxygen can be stored, and the amount of the reducing agent supplied to the catalyst downstream air-fuel ratio sensor The maximum oxygen storage amount of the second catalyst is determined based on an output change from a state indicating an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio to a state indicating an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio. It is preferable that the apparatus is provided with a maximum oxygen storage amount acquiring means for acquiring.
[0032]
Even with this, even if the air-fuel ratio of the engine is changed to a predetermined lean air-fuel ratio in order to make the second catalyst occlude oxygen to the limit at which oxygen can be stored therein, the Need not be changed to the rich air-fuel ratio. Therefore, the output fluctuation amount of the engine is reduced, and it is possible to minimize deterioration of drivability caused by obtaining the maximum oxygen storage amount of the catalyst.
[0033]
In addition, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect described above, the acquisition value acquisition unit focuses on the oxygen storage / release reaction in the second catalyst and at least the oxygen of the second catalyst. The above-mentioned acquisition is performed using a model for calculating the amount of oxygen stored in the gas flowing into the second catalyst and the amount of oxygen released from the oxygen stored therein using predetermined parameters based on the storage amount. And the air supply device supplies the air to the second catalyst through the catalyst downstream air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the second catalyst. And a parameter correction unit that corrects the predetermined parameter based on a comparison result between the output value of the catalyst downstream air-fuel ratio sensor and the obtained value. That.
[0034]
According to this, for example, the “at least a value that changes in accordance with the oxygen storage amount of the second catalyst” acquired as an acquisition value by using the predetermined parameter by the model is the oxygen component (oxygen molecule) flowing out of the second catalyst. And the value corresponding to the outflow amount of nitrogen oxides), the stoichiometric air-fuel ratio of the output of the catalyst downstream air-fuel ratio sensor when the air (oxygen) is supplied to the second catalyst by the air supply device. Of the oxygen component actually flowing out of the second catalyst, which is detected and estimated based on the change to a state indicating a leaner air-fuel ratio, and the oxygen flowing out of the second catalyst calculated by the above model. By comparing the outflow amounts of the components, and when there is a difference between the two, the predetermined parameter can be corrected in a direction in which the difference disappears. Therefore, the obtained value calculated by the above model can be made closer to the actual value, the calculation accuracy of the obtained value by the same model can be increased, and the oxygen storage amount of the second catalyst can be more accurately adjusted. The amount can be adjusted.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a system in which an exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention is applied to a spark ignition type multi-cylinder (four cylinder)
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The air / reducing
[0042]
On the other hand, this system is upstream of the hot wire
[0043]
The hot wire
[0044]
As shown in FIG. 3, the most upstream air-
[0045]
Further, the system includes an
[0046]
(Overview of oxygen storage control)
Incidentally, the first and
[0047]
More specifically, cerium Ce is unstable when it is a simple metal, and when oxygen is bonded, ceria CeO 2 It becomes stable. Therefore, when the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio and oxygen molecules (including oxygen of nitrogen oxides) flow into the first and
[0048]
As described above, when the air-fuel ratio becomes lean, oxygen molecules contained in the exhaust gas are deprived, so that NOx contained in the exhaust gas is reduced. When the air-fuel ratio becomes rich, HC and CO contained in the exhaust gas become ceria CeO. 2 , The HC and CO are oxidized. As described above, the first and
[0049]
As is clear from the above, in order for the first and
[0050]
On the other hand, the air-fuel ratio of the engine becomes rich or lean according to the operating state of the engine, and it is difficult to predict whether the air-fuel ratio will be rich or lean. Therefore, in order to prevent the emission of HC, CO, and NOx, each of the oxygen storage amounts of the first and
[0051]
Therefore, the exhaust gas purification apparatus according to the present invention calculates (estimates) the oxygen storage amount OSA1all of the first catalyst 53 (entire), and calculates the calculated oxygen storage amount OSA1all of the
[0052]
More specifically, the present apparatus performs a proportional / integral process (PI process) on a deviation obtained by subtracting the value of the first catalyst target oxygen storage amount OSA1allref from the value of the oxygen storage amount OSA1all of the
[0053]
On the other hand, when the first catalytic oxygen storage amount feedback control amount OSA1fb is a negative value, the present apparatus performs the calculation of the CPU 71 based on the function Q1air of the absolute value of the first catalytic oxygen storage amount feedback control amount OSA1fb. Calculate the oxygen storage amount control air amount Q1air (| OSA1fb |) to be injected per cycle, switch the first catalyst
[0054]
Similarly, the present apparatus calculates (estimates) the oxygen storage amount OSA2all of the second catalyst 54 (overall), and calculates the calculated oxygen storage amount OSA2all of the
[0055]
More specifically, the present apparatus performs a proportional / integral process (PI process) on a deviation obtained by subtracting the value of the second catalyst target oxygen storage amount OSA2allref from the value of the oxygen storage amount OSA2all of the
[0056]
On the other hand, when the second catalyst oxygen storage amount feedback control amount OSA2fb is a negative value, the present apparatus performs the calculation of the CPU 71 based on the function Q2air of the absolute value of the second catalyst oxygen storage amount feedback control amount OS2fb. The air amount Q2air (| OSA2fb |) to be injected per cycle is calculated, the second catalyst-
[0057]
(Necessity of catalyst model)
Incidentally, as described above, in order to control the air / reducing
[0058]
Here, when a gas having a lean air-fuel ratio flows into the catalyst, more oxygen is stored upstream of the catalyst, and when a gas having a rich air-fuel ratio flows into the catalyst, the oxygen flows from the upstream side of the catalyst. The stored oxygen is consumed. Therefore, the oxygen stored in the catalyst is not uniformly distributed in the flow direction of the exhaust gas of the catalyst. Therefore, in order to accurately determine the oxygen storage amount in the catalyst, it is necessary to perform a calculation in consideration of the distribution of the stored oxygen.
[0059]
Further, the oxygen storage amount of the catalyst changes according to the degree of the oxygen storage / release reaction occurring in the catalyst. The degree of the oxygen storage / release reaction depends on the amount of the specific component related to the oxygen storage / release reaction contained in the exhaust gas flowing into or out of the catalyst. Therefore, in order to accurately determine the oxygen storage amount of the catalyst, it is necessary to perform a calculation in consideration of the amount of the specific component.
[0060]
Based on the above requirements, the present apparatus applies the catalyst model described below to the first and
[0061]
(Explanation of catalyst model and calculation of specific component amount and oxygen storage amount)
As shown schematically in FIG. 5, the catalyst model is composed of a column-shaped catalyst having a constant cross-sectional shape perpendicular to the axis and having N (plural) regions (also referred to as “blocks”) formed by a surface perpendicular to the coaxial line. ). That is, the catalyst targeted by the catalyst model is divided into N blocks along the flow direction of the exhaust gas. The length in the axial direction of each divided block is L. For convenience of explanation, each block is numbered in order from the upstream side along the flow direction of the exhaust gas as shown in FIG. 5, and variables and symbols related to an arbitrary i-th block are denoted by numbers. Will append (i) to their end. Although this catalyst model is constructed by dividing the catalyst into a plurality of blocks, a catalyst model can be constructed by considering the entire catalyst as one region (block).
[0062]
First, as shown in FIG. 6, attention is paid to the i-th block (i) (specific area) among the divided blocks, and the CPU 71 of the specific component related to the oxygen storage / release reaction in the block (i). Consider the balance per calculation cycle of. In this catalyst model, it is assumed that the three-way reaction, which is the oxidation / reduction reaction in the catalyst, is completed instantaneously and completely, and focuses only on the oxygen storage / release reactions based on the resulting excess / deficiency of oxygen. And This assumption (catalyst model) is realistic and has high calculation accuracy. The exhaust gas phase shown in FIG. 6 is a space through which the exhaust gas passes, and the coat layer is formed of an active component made of a noble metal such as platinum (Pt) and ceria (CeO). 2 ) Is a layer in which components such as
[0063]
The specific component is, for example, oxygen (molecule) O 2 , A component selected from nitrogen oxides NOx, carbon monoxide CO, and hydrocarbons HC. In this catalyst model, the exhaust gas in a state where the three-way reaction is assumed to end instantaneously and completely (Oxygen of oxygen molecules and nitrogen oxides. In this specification, oxygen molecules and oxygen of nitrogen oxides are collectively referred to as “oxygen”). ing. The amount of oxygen CgO2, which is the amount of oxygen, is determined when the amount of oxygen is excessive (that is, Og in the exhaust gas). 2 And when NOx is present), and becomes a negative value when the oxygen is insufficient (ie, when unburned HC and CO are present in the exhaust gas).
[0064]
In the block (i) of interest, the amount of oxygen CgO2 flowing into the exhaust gas phase of the block (i) per calculation cycle of the CPU 71 is calculated as the amount of oxygen CginO2 (i) flowing into the exhaust gas phase of the block (i) per calculation cycle. The amount of oxygen CgO2 flowing out of the block is referred to as the outflowing oxygen amount CgoutO2 (i), and the amount of oxygen CgO2 absorbed or released from the coat layer of the same block (i) per the same operation cycle is the amount of change in the oxygen storage amount. It is referred to as δOSA (i). The oxygen storage amount change amount δOSA (i) is calculated to have a positive value when oxygen is occluded in the coat layer and a negative value when oxygen is released from the coat layer. Further, the oxygen storage amount in the coat layer of the block (i) at the present time is referred to as oxygen storage amount OSA (i), and the maximum oxygen storage amount in the coat layer of the block (i) at the present time is the maximum oxygen storage amount Cmax (i). Called.
[0065]
Now, considering the balance of the oxygen amount CgO2 in the block (i) shown in FIG. 6 per the above calculation cycle, the oxygen storage amount change amount of the inflowing oxygen amount CginO2 (i) flowing into the exhaust gas phase of the block (i) is considered. Only δOSA (i) is occluded in the coat layer, and the remaining oxygen amount CgO2 of the inflow oxygen amount CginO2 (i) not occluded in the coat layer becomes the outflow oxygen amount CgoutO2 (i), so the inflow oxygen amount CginO2 (1) The relationship shown in the
[0066]
(Equation 1)
CgoutO2 (i) = CginO2 (i) -δOSA (i)
[0067]
Next, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) will be considered. When the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a positive value, it means that the oxygen in the exhaust gas flowing into the exhaust gas phase of the block (i) is excessive, and a part of the oxygen in the exhaust gas is blocked ( The oxygen storage amount change amount δOSA (i) is a positive value because it is stored in the coat layer i). The amount of the oxygen storage reaction at this time, that is, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) is proportional to the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (i), and the current maximum oxygen storage amount Cmax (i) of the block (i). And the oxygen storage amount OSA (i) at this time. Therefore, when the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a positive value, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) can be calculated based on the following
[0068]
(Equation 2)
δOSA (i) = H (i) · CginO2 (i)
[0069]
[Equation 3]
H (i) = h · ((Cmax (i) −OSA (i)) / Cmax (i)) (0 ≦ H (i) <1)
[0070]
In the
[0071]
On the other hand, when the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a negative value, it means that the oxygen of the exhaust gas flowing into the exhaust gas phase of the block (i) is insufficient. Since the oxygen released from the coat layer is provided, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) has a negative value. The amount of oxygen release reaction at this time, that is, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) (absolute value) is proportional to the value of the inflowing oxygen amount CginO2 (i) and the oxygen storage amount at the present time in the block (i). It is considered to be proportional to the value of OSA (i). Therefore, when the inflowing oxygen amount CginO2 (i) is a negative value, the oxygen storage amount change amount δOSA (i) can be calculated based on the following Expressions 4 and 5 showing the same relationship as
[0072]
(Equation 4)
δOSA (i) = H (i) · CginO2 (i)
[0073]
(Equation 5)
H (i) = h · (OSA (i) / Cmax (i)) (0 ≦ H (i) <1)
[0074]
In the above Expressions 4 and 5, H (i) represents the ratio of the released oxygen amount (δOSA (i), negative value) to the inflowing oxygen amount CginO2 (i) (negative value) in the block (i). It is a reaction rate shown. h is a reaction rate constant, which is the same as that used in the above equation (3). Further, the value of the oxygen storage amount OSA (i) at the present time in the above equation (5) indicates the oxygen release allowance at the present time in the block (i). As described above, in the present catalyst model, the amount of oxygen released from the oxygen stored inside the catalyst is calculated based on at least the amount of oxygen stored in the catalyst.
[0075]
Here, it is assumed that the maximum oxygen storage amount Cmax (i) in the block (i) used in
[0076]
(Equation 6)
OSA (i) = ΣδOSA (i) (0 ≦ OSA (i) ≦ Cmax (i))
[0077]
Next, considering the boundary conditions between the respective blocks, as shown in FIG. 5, the outflow surface of the exhaust gas phase of the upstream block and the exhaust gas phase of the downstream block of the two adjacent blocks as shown in FIG. Since the inflow surfaces are continuous with each other, as shown in FIG. 6, the inflowing oxygen amount CginO2 (i) flowing into the block (i) is equal to the upstream block (i-1) adjacent to the block (i). Oxygen amount CgoutO2 (i-1) flowing out of the block (i-1), and the oxygen amount CgoutO2 (i) flowing out of the block (i) flows into a downstream block (i + 1) adjacent to the block (i). This is the inflowing oxygen amount CginO2 (i + 1). Therefore, the relationship shown in the following equation 7 is established. In other words, if the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) of an arbitrary i-th block (i) is obtained, the inflow oxygen amount CginO2 (i + 1) of the downstream block (i + 1) adjacent to the block (i) is obtained.
[0078]
(Equation 7)
CginO2 (i + 1) = CgoutO2 (i)
[0079]
From the above, if the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) is given as a boundary condition, the oxygen storage amount change amount δOSA (1) in the block (1) is calculated by the above equation (2) or (4). ) Is obtained. As a result, the oxygen storage amount OSA (1) in the block (1) can be updated by the above equation (6), and the outflow oxygen amount CgoutO2 (1) in the block (1) can be obtained by the above equation (1). If the outflow oxygen amount CgoutO2 (1) in the block (1) is obtained, the inflow oxygen amount CginO2 (2) in the block (2) is obtained from the above equation (7). As a result, the block (2) is obtained from the above equation (2) or (4). ) Is obtained. Thereby, the oxygen storage amount OSA (2) in the block (2) can be updated by the above equation (6), and the outflow oxygen amount CgoutO2 (2) in the block (2) can be obtained by the above equation (1).
[0080]
By repeating such a procedure, according to the present catalyst model, if the inflowing oxygen amount CginO2 (1) in the most upstream block (1) is given as a boundary condition every time the calculation cycle of the CPU 71 elapses, From
[0081]
In the following, a general formula for calculating the outflow oxygen amount CgoutO2 (i) of an arbitrary i-th block (i) is obtained. First, when “i” in the
[0082]
(Equation 8)
CgoutO2 (1) = CginO2 (1) -δOSA (1)
[0083]
Also, when “i” in the
[0084]
(Equation 9)
CgoutO2 (2) = CginO2 (1) −δOSA (1) −δOSA (2)
[0085]
Further, when “i” in the
[0086]
(Equation 10)
CgoutO2 (3) = CginO2 (1) −δOSA (1) −δOSA (2) −δOSA (3)
[0087]
When such a procedure is repeated to generally describe the relationship of
[0088]
[Equation 11]
CgoutO2 (i) = CginO2 (1) −δOSA (1) −δOSA (2) −... −δOSA (i−1) −δOSA (i)
(I = 1, 2,..., N)
[0089]
In addition, since the following equation 12 is derived from the
[0090]
(Equation 12)
CgoutO2 (i) = CginO2 (i) · (1-H (i))
[0091]
(Equation 13)
CgoutO2 (i) = CginO2 (1) · (1-H (1)) (1-H (2)) (1-H (i-1)) (1-H (i))
(I = 1, 2,..., N)
[0092]
(Specific application of catalyst model)
Next, the catalyst model described above is applied to the first and
[0093]
Here, the i-th block of the
[0094]
Similarly, the i-th block of the
[0095]
The maximum oxygen storage amount Cmax1 (i) (i = 1, 2,..., N1) of each block 1 (i) of the
[0096]
In the above-described catalyst model applied to the first and
[0097]
First, a method for giving an initial value of the oxygen storage amount in each block of the first and
[0098]
Similarly, when the output Voxs2 of the second catalyst downstream air-
[0099]
Next, a method of calculating the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) in the most upstream block 1 (1) of the
[0100]
[Equation 14]
Cgin1O2 (1) = 0.23 · mfr1 · (abysfs-stoich)
[0101]
In the above Expression 14, the value “0.23” is the weight ratio of oxygen contained in the atmosphere. mfr1 is a total amount of the fuel injection amount Fi within a predetermined time (calculation period tsample), and stoich is a stoichiometric air-fuel ratio (for example, 14.7). abyfs is the air-fuel ratio A / F detected by the most upstream air-
[0102]
As shown in Expression 14, the total amount mfr1 of the injection amount within the predetermined time tsample is multiplied by the deviation (abysfs-stoich) of the detected air-fuel ratio A / F from the stoichiometric air-fuel ratio to obtain the same predetermined amount. The excess amount of air at the time tsample is obtained, and the excess amount of air is multiplied by the weight ratio of oxygen to obtain the excess amount of oxygen in the exhaust gas of the engine at the same predetermined time tsample, that is, the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1). A basic amount is required. The basic amount of the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) calculated in this manner has a positive value when oxygen is excessive, and a negative value when oxygen is insufficient, as is apparent from the above equation (14). Calculated to be a value.
[0103]
Next, in the present device, the air / reducing
[0104]
On the other hand, when the reducing gas amount of the oxygen storage amount controlling reducing gas amount Q1cani (OSA1fb) is being injected per predetermined time tsample at the present time, the reducing gas amount is calculated by the function f1cani based on the reducing gas amount Q1cani (OSA1fb). The amount of the reducing agent in Q1cani (OSA1fb) (the amount of oxygen in the reducing gas as a whole including the air and the reducing agent; the same applies hereinafter) is determined, and the amount of the reducing agent, f1cani (Q1cani (OSA1fb)). ) Is subtracted from the basic amount of the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) to obtain a final inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1). Here, the function f1cani is set to “0” when the value of the reducing gas amount Q1cani (OSA1fb) is “0”, and is set to increase as the reducing gas amount Q1cani (OSA1fb) increases. . In this way, the (final) inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) in the most upstream block 1 (1) of the
[0105]
Next, a method of calculating the inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) in the most upstream block 2 (1) of the
[0106]
Next, in the present device, the air / reducing
[0107]
On the other hand, when the reducing gas amount of the oxygen storage amount control reducing gas amount Q2cani (OSA2fb) is being injected per predetermined time tsample at the present time, the same reducing gas amount is obtained by the function f2cani based on the reducing gas amount Q2cani (OSA2fb). The amount of the reducing agent in Q2cani (OSA2fb) is obtained, and the amount of the reducing agent, f2cani (Q2cani (OSA2fb)), is subtracted from the basic amount of the inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) to obtain the final inflowing oxygen amount. Find Cgin2O2 (1). Here, the function f2cani is also set to be "0" when the value of the reducing gas amount Q2cani (OSA2fb) is "0", and to increase as the reducing gas amount Q2cani (OSA2fb) increases. . In this way, the (final) inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) in the block 1 (1) at the uppermost stream of the
[0108]
In this manner, the present apparatus provides the oxygen storage amount OSA1 (i) in each block 1 (i) (i = 1, 2,..., N1) of the
[0109]
(Calculation of maximum oxygen storage amount)
Next, a method of calculating the maximum oxygen storage amount (maximum oxygen storage amount acquisition control) used in the above-described catalyst model will be described with reference to FIG. That is, as shown in FIG. 8A, the present apparatus firstly performs the air-fuel ratio of the gas upstream of the
[0110]
As a result, only the exhaust gas having a predetermined rich air-fuel ratio flows into the
[0111]
At time t2, even after the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0112]
As a result, as shown in FIG. 8 (f), the oxygen storage amount of the
[0113]
As described above, in the first mode (Mode = 1), the
[0114]
At time t3, when the output Voxs2 of the second catalyst downstream air-
[0115]
As a result, only the stoichiometric air-fuel ratio exhaust gas flows into the
[0116]
In the second mode, the value of the outflow oxygen amount Cgout2O2 (N2) in the block 2 (N2) at the most downstream side of the
[0117]
During the execution of the second mode, the present apparatus injects the second catalyst Cmax calculating air of the air amount Q2airrad to the second catalyst-side injection unit at the same predetermined time tssample. By adding (correcting) the air amount Q2airadd to the basic amount of the inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) in the most upstream block 2 (1), the final inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) is obtained. Specifically, since the exhaust gas having the stoichiometric air-fuel ratio flows into each of the first and
[0118]
The present device calculates the maximum oxygen storage amount Cmax2all of the entire
[0119]
[Equation 15]
ΔO2 = 0.23 · Q2airradd
[0120]
(Equation 16)
Cmax2all = ΣΔO2 (section t = t3 to t4)
[0121]
As shown in Expression 15, the air amount Q2airradd within the predetermined time tsample is treated as an excess amount of air in the same predetermined time tsample, and the excess amount of air is multiplied by the weight ratio of oxygen to thereby store oxygen in the predetermined time tsample. The amount change amount (storage oxygen amount) ΔO2 is obtained. Then, as shown in Equation 16, the oxygen storage amount change amount ΔO2 is integrated over the time t3 to t4 to maximize the oxygen from the state where the oxygen storage amount of the
[0122]
When the operation in the second mode (Mode = 2) ends, as shown in FIGS. 8 (a), 8 (b) and 8 (c), the present apparatus continuously maintains the first catalyst upstream air-fuel ratio. While control is performed to achieve the stoichiometric air-fuel ratio, the air / reducing
[0123]
As a result, the gas containing oxygen (lean air-fuel ratio gas) in the air for calculating the first catalyst Cmax flows into the
[0124]
In the third mode, the value of the outflow oxygen amount Cgout1O2 (N1) in the block 1 (N1) at the most downstream side of the
[0125]
During the execution of the third mode, the present device injects the first catalyst Cmax calculating air of the air amount Q1airrad to the first catalyst-side injection unit at the same predetermined time tssample. By adding (correcting) the air amount Q1airadd to the basic amount of the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) in the most upstream block 1 (1), the final inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) is obtained. Specifically, since the exhaust gas having the stoichiometric air-fuel ratio flows into the
[0126]
The present apparatus performs the same calculation as in the case where the maximum oxygen storage amount Cmax2all is obtained between the end time of the second mode and the time t5 by the following Expressions 17 and 18 to thereby obtain the entire
[0127]
[Equation 17]
ΔO2 = 0.23 · Q1airradd
[0128]
(Equation 18)
Cmax1all = ΣΔO2 (section t = end of second mode to t5)
[0129]
Then, the present device ends the above-described maximum oxygen storage amount acquisition control at the end of the third mode (Mode = 3), and after the end of the third mode, the catalyst model shown in FIG. Based on the maximum oxygen storage amount distribution map for obtaining the distribution of each maximum oxygen storage amount for each block of the same catalyst from the value of the maximum oxygen storage amount of the entire catalyst, the
[0130]
As shown in FIG. 9, each maximum oxygen storage amount Cmax (n) (n = 1,..., N) for each block of the catalyst is the same as the total sum of the maximum oxygen storage amounts Cmax (n). The value is set so as to be the value of the maximum oxygen storage amount Cmaxall of the entire catalyst, and is set so as to increase linearly with a predetermined gradient as the state changes from the upstream block to the downstream block. This is because the upstream portion of the catalyst is more likely to be poisoned by lead, sulfur, and the like contained in the exhaust gas flowing into the catalyst than the downstream portion, and the maximum oxygen storage amount is more likely to decrease. .
[0131]
Specifically, the present apparatus is configured such that each of the maximum oxygen storage amounts Cmax1 (i) (i = 1,..., N1) of each block 1 (i) of the
[0132]
[Equation 19]
Cmax1 (i) = A1 · (i− (N1 / 2)) + (Cmax1all / N1) (i = 1,..., N1)
[0133]
(Equation 20)
Cmax2 (i) = A2 · (i− (N2 / 2)) + (Cmax2all / N2) (i = 1,..., N2)
[0134]
In the equations (19) and (20), A1 and A2 are positive constants, respectively, and are values that determine the gradient of the distribution of the maximum oxygen storage amount for each block. A1 and A2 may have the same value or different values. Note that each maximum oxygen storage amount of each block of the catalyst may be set so as to increase as the transition from the upstream block to the downstream block is performed.For example, the maximum oxygen storage amount is set to increase nonlinearly. May be. Thus, the maximum oxygen storage amount of each
[0135]
(Correction of reaction rate constant)
As is clear from
[0136]
On the other hand, at time t3 in FIG. 8, which is the start time of the second mode in the above-described maximum oxygen storage amount acquisition control, the actual oxygen storage amount of the
[0137]
From the above, the second catalyst downstream from time t3 in FIG. 8 at the start of the second mode in which the final value of the inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) is maintained at the air amount Q2airradd (a positive constant value). The elapsed time T2sen from time t4 in FIG. 8 when the output Voxs2 of the air-
[0138]
Similarly, a value indicating that the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0139]
Based on such knowledge, the present apparatus measures the elapsed time T1sen and the elapsed time T1cgout in the third mode every time the above-described maximum oxygen storage amount acquisition control is executed, and calculates the elapsed time T1cgout from the elapsed time T1sen. Is calculated, and a correction amount f1 (ΔT1) is obtained by a function f1 based on the deviation time ΔT1, and the same is corrected to the value of the reaction rate constant h1 of the
[0140]
Similarly, the present apparatus measures the elapsed time T2sen and the elapsed time T2cgout in the second mode every time the above-described maximum oxygen storage amount acquisition control is executed, and subtracts the elapsed time T2cgout from the elapsed time T2sen. And the correction amount f2 (ΔT2) is obtained by a function f2 based on the deviation time ΔT2, and the correction amount f2 (ΔT2) is added to the value of the reaction rate constant h2 of the
[0141]
(Refresh air / reducing gas injection control)
When a predetermined amount of a reducing agent (for example, unburned components such as HC and CO) in the exhaust gas continuously flows into the catalyst, the reducing agent adheres to the surface of the noble metal or the like in the catalyst and the noble metal or the like is removed. The primary poisoning is caused by the decrease in the surface area, and the primary poisoning deteriorates (for example, the maximum oxygen storage amount of the catalyst is reduced). However, the primary poisoning state of the catalyst by the reducing agent is eliminated (refreshed) by supplying oxygen to the catalyst.
[0142]
In addition, when the sulfur component in the exhaust gas continuously flows by a predetermined amount, the catalyst adheres to the surface of the noble metal or the like in the catalyst and becomes primarily poisoned because the surface area of the noble metal or the like decreases. , And deteriorates due to such primary poisoning. Such a phenomenon that the sulfur component adheres to the surface of a noble metal or the like easily occurs when the inflowing exhaust gas is continuously lean. However, the primary poisoning state of the catalyst due to the sulfur component is eliminated (refreshed) by supplying a reducing agent (for example, unburned components such as HC and CO) to the catalyst.
[0143]
From the above, according to the present apparatus, the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) for each calculation cycle of the first upstream block 1 (1) of the
[0144]
On the other hand, the absolute value of the sum of the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) in each of the calculation cycles in which the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) in each of the calculation cycles has a continuous negative value and has the same continuous negative value. When the value is equal to or greater than the predetermined amount L1refresh, the present apparatus determines that the
[0145]
Similarly, in the present apparatus, the inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) for each calculation cycle of the most upstream block 2 (1) of the
[0146]
By the above-described refresh air / reducing gas injection control, the poisoning state of each of the first and
[0147]
Further, when the present device injects air of the refresh air amount Q1airref to the
[0148]
On the other hand, when the present device injects the reducing gas of the refresh reducing gas amount Q1caniref at the present time into the
[0149]
<Actual operation>
Next, the actual operation of the exhaust emission control device according to the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 10 to 22, which are flowcharts of routines (programs) executed by the CPU 71 of the
[0150]
The CPU 71 calculates the final fuel injection amount Fi shown in FIG. 10 and gives a routine for instructing the fuel injection to a predetermined crank angle (for example, BTDC 90 ° CA) before the intake top dead center of each cylinder. Each time, it is repeatedly executed. Therefore, when the crank angle of an arbitrary cylinder reaches the predetermined crank angle, the CPU 71 starts processing from
[0151]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1010, and sets a value obtained by adding a later-described air-fuel ratio feedback correction amount DFi to a value obtained by multiplying the basic fuel injection amount Fbase by the coefficient K as the final fuel injection amount Fi. The value of the coefficient K is normally “1.00”, and is forced to calculate the maximum oxygen storage amount Cmax1all of the entire
[0152]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1015 to instruct the
[0153]
Next, the calculation of the air-fuel ratio feedback correction amount DFi will be described. The CPU 71 repeatedly executes the routine shown in FIG. 11 every time a predetermined time elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1100 and proceeds to step 1105 to determine whether the air-fuel ratio feedback control condition is satisfied. The air-fuel ratio feedback control condition is, for example, that the cooling water temperature THW of the engine is equal to or higher than the first predetermined temperature, the intake air amount (load) per rotation of the engine is equal to or lower than a predetermined value, and And is established when the value of a flag XHAN during execution of maximum oxygen storage amount acquisition control described later is “0”. As will be described later, when the maximum oxygen storage amount acquisition control execution flag XHAN is "1", the air-fuel ratio control (hereinafter, referred to as "1") forcibly changing the air-fuel ratio for calculating the maximum oxygen storage amount. This is referred to as “maximum oxygen storage amount acquisition control”.) When the value is “0”, it indicates that the air-fuel ratio control for calculating the maximum oxygen storage amount is not performed.
[0154]
Now, continuing the description assuming that the air-fuel ratio feedback control condition is satisfied, the CPU 71 determines “Yes” in
[0155]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1115, and calculates the in-cylinder intake air amount Mc (k−N) that is the intake air amount of the cylinder that has reached the intake stroke N strokes (N intake strokes) before the current time. By dividing by the upstream control air-fuel ratio abyfs, the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) N strokes before the current time is obtained. The value N varies depending on the displacement of the internal combustion engine, the distance from the
[0156]
As described above, in order to obtain the in-cylinder fuel supply amount Fc (k-N) N strokes before the current time, the in-cylinder intake air amount Mc (k-N) N strokes before the current time is determined by the air-fuel ratio for upstream control. The reason for dividing by abyfs is that it takes a time corresponding to N strokes for the air-fuel mixture burned in the
[0157]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1120 to increase the in-cylinder intake air amount Mc (k−N) N strokes before the current time by the target air-fuel ratio abyfr (k−N) at the time N strokes before the current time (in this example, theoretically By dividing by the air-fuel ratio, the target in-cylinder fuel supply amount Fcr (k−N) N strokes before the current time is obtained. Then, the CPU 71 proceeds to step 1125 and sets a value obtained by subtracting the in-cylinder fuel supply amount Fc (k−N) from the target in-cylinder fuel supply amount Fcr (k−N) as the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc. That is, the in-cylinder fuel supply amount deviation DFc is an amount representing the excess or deficiency of the fuel supplied into the cylinder at the time before the N stroke. Next, the CPU 71 proceeds to step 1130 to obtain the air-fuel ratio feedback correction amount DFi based on the following equation (21).
[0158]
(Equation 21)
DFi = (Gp · DFc + Gi · SDFc) · KFB
[0159]
In the
[0160]
As described above, the air-fuel ratio feedback correction amount DFi is obtained by the proportional integral control, and the air-fuel ratio feedback correction amount DFi is reflected on the fuel injection amount in
[0161]
On the other hand, if the air-fuel ratio feedback control condition is not satisfied at the time of the determination at
[0162]
Next, the operation in calculating the outflow oxygen amount and the oxygen storage amount for each block of each of the first and
[0163]
Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from
[0164]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1210. If the air / reducing
[0165]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1215 to set the value of the counter value n and the value of the oxygen storage amount OSA1all of the entire
[0166]
First, the CPU 71 proceeds to step 1225 to determine whether or not the value of the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) is equal to or greater than “0”. Proceeding to step 1230, the value of the maximum oxygen storage amount Cmax1 (1) of the block 1 (1) already calculated by the routine described later and the value calculated when the routine was last executed in
[0167]
If the value of the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) is not equal to or greater than “0” in the determination at
[0168]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1240, in which the value of the reaction rate H calculated in
[0169]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1245, in which the value of the oxygen storage amount OSA1 (1) of the block 1 (1) calculated when the routine was last executed in
[0170]
Here, if the integrated value is equal to or less than the maximum oxygen storage amount Cmax1 (1), the CPU 71 proceeds to step 1250 to determine whether the integrated value is equal to or greater than “0”, If the calculated value is equal to or greater than "0", the process proceeds to step 1265, and the integrated value is set as a new oxygen storage amount OSA1 (1). As described above, if the integrated value is equal to or more than “0” and equal to or less than the maximum oxygen storage amount Cmax1 (1), the value of the oxygen storage amount change amount δOSA1 (1) calculated in
[0171]
On the other hand, if it is determined in
[0172]
Similarly, in the determination of
[0173]
After calculating the current oxygen storage amount OSA1 (1) in block 1 (1) in
[0174]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1275, in which the value of the oxygen storage amount OSA1all of the entire
[0175]
Then, the CPU 71 proceeds to step 1285 and determines whether or not the value of the counter value n is equal to the number of blocks N1 of the
[0176]
In this way, the processing from
[0177]
When the value of the counter value n becomes equal to the number N1 of blocks of the
[0178]
The routine in FIG. 13 is the same as the basic amount of the inflowing oxygen amount Cgin2O2 (1) in the block 2 (1) of the
[0179]
Next, the CPU 71 passes through the
[0180]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1405 to monitor whether the value of the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0181]
On the other hand, if it is determined in
[0182]
Now, assuming that the value of the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0183]
Then, the CPU 71 proceeds to step 1425 to determine whether or not the value of the counter value n is equal to the number of blocks N1 of the
[0184]
When the value of the counter value n becomes equal to the number of blocks N1 of the
[0185]
The processing on the
[0186]
Next, an oxygen storage amount control for adjusting the total oxygen storage amounts OSA1all and OSA2all of the first and
[0187]
Now, in the determination of
[0188]
(Equation 22)
OSA1fb = Kp1 · DOSA1all + Ki1 · SDOSA1all
[0189]
In the
[0190]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1525, and if the first catalytic oxygen storage amount feedback control amount OSA1fb calculated in
[0191]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1540 to start an injection process of air or reducing gas for controlling the amount of oxygen stored on the
[0192]
Next, a description will be given of injection control of refresh air or reducing gas for refreshing the first and
[0193]
Now, in the determination of
[0194]
Now, in the determination of
[0195]
In other words, the flow proceeds to step 1615 where the inflowing oxygen amount Cgin1O2 (1) is a continuous positive value and the sum of the inflowing oxygen amounts Cgin1O2 (1) for each calculation cycle in which the continuous and positive values are obtained. When the first catalyst inflowing oxygen amount integrated value TCgin1O2, which is a positive value that is successively updated, becomes greater than or equal to the predetermined amount L1refresh, the CPU 71 proceeds to step 1625, and the first catalyst inflowing oxygen amount that is successively updated in
[0196]
Next, in the determination of
[0197]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1645 to start processing the refresh air or the reducing gas on the
[0198]
Next, the maximum oxygen storage amount acquisition control performed for calculating the maximum oxygen storage amount will be described. The CPU 71 executes each routine shown by the flowcharts of FIGS. 17 to 21 every time a predetermined time elapses.
[0199]
Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 1700 in FIG. 17 and proceeds to step 1705 to determine whether or not the value of the maximum oxygen storage amount acquisition control execution flag XHAN is “0”. . Now, if the description is continued assuming that the maximum oxygen storage amount acquisition control for calculating the maximum oxygen storage amount is not performed and the start condition of the maximum oxygen storage amount acquisition control start condition is not satisfied, the maximum oxygen storage amount acquisition control is executed. The value of the middle flag XHAN is “0”. Therefore, the CPU 71 determines “Yes” in
[0200]
Next, the CPU 71 determines in
[0201]
Next, as described above at time t1 in FIG. 8, the maximum oxygen storage amount acquisition control is not performed at that time, but the description will be continued assuming that the start determination condition of the maximum oxygen storage amount acquisition control is satisfied. In this case, the CPU 71 determines “Yes” in
[0202]
Then, the CPU 71 proceeds to step 1725, sets the value of Mode to “1” to shift to the first mode, sets the value of the coefficient K to 1.02 in
[0203]
Thereafter, the CPU 71 repeatedly executes the processing of the routine in FIG. 17 from step 1700. However, since the value of the maximum oxygen storage amount acquisition control execution flag XHAN is “1”, “No” is determined in
[0204]
On the other hand, the CPU 71 repeatedly executes the first mode control routine shown in FIG. 18 every time a predetermined time elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts processing from
[0205]
Thereafter, the CPU 71 repeatedly executes
[0206]
As a result, the value of the coefficient K is returned to 1.00, and the basic fuel injection amount Fbase is directly calculated as the final fuel injection amount Fi by executing
[0207]
Further, the CPU 71 repeatedly executes the second mode control routine shown in FIG. 19 every predetermined time. Accordingly, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from
[0208]
At this time, since the air-fuel ratio of the engine has just returned from the predetermined rich air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio, the first catalyst downstream air-fuel ratio sensor output Voxs1 and the second catalyst downstream air-fuel ratio as shown at time t3 in FIG. Both the fuel ratio sensor outputs Voxs2 are 0.3 (V) or more (a value indicating an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio), and the value of the outflow oxygen amount Cgout2O2 (N2) is smaller than the positive constant value Lean2. . Accordingly, the CPU 71 determines “Yes” in
[0209]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1920 and determines whether or not the output Voxs2 of the second catalyst downstream air-fuel ratio sensor is 0.3 (V) or more. As described above, since the output Voxs2 of the second catalyst downstream air-fuel ratio sensor is 0.3 (V) or more at present, the CPU 71 determines “Yes” in
[0210]
Next, the CPU 71 proceeds to step 1935 to determine whether or not the value of the outflow oxygen amount Cgout2O2 (N2) is smaller than a positive constant value Lean2. As described above, since the value of the outflow oxygen amount Cgout2O2 (N2) is smaller than the positive constant value Lean2 at this time, the CPU 71 determines “Yes” in
[0211]
Thereafter, the CPU 71 repeatedly executes
[0212]
On the other hand, as the second catalyst Cmax calculation air continues to flow into the
[0213]
When the output Voxs2 of the second catalyst downstream air-
[0214]
As a result, the end time of the second mode includes the time point when the output Voxs2 of the second catalyst downstream air-
[0215]
Similarly, the CPU 71 repeatedly executes the third mode control routine shown in FIG. 20 every time a predetermined time elapses. Here, the third mode control routine is the same as the routine of FIG. 19, and thus the detailed description is omitted here. Similarly to the end of the second mode, the end of the third mode is the time when the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0216]
In addition, the value of Mode is reset to “0” in
[0217]
Next, the operation in calculating the maximum oxygen storage amount will be described. The CPU 71 executes the routine shown by the flowchart in FIG. 21 every time a predetermined time elapses.
[0218]
Accordingly, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from
[0219]
Now, assuming that it is immediately after the end of the third mode, the CPU 71 proceeds from
[0220]
Next, the CPU 71 proceeds to step 2115, sets the value of the counter value n to “0”, and then proceeds to step 2120 to start processing for calculating the maximum oxygen storage amount of each
[0221]
Then, the CPU 71 proceeds to step 2130 to determine whether or not the value of the counter value n is equal to the number N1 of blocks of the
[0222]
When the value of the counter value n becomes equal to the number of blocks N1 of the
[0223]
The processing of calculating the maximum oxygen storage amount for each
[0224]
When the value of the counter value n becomes equal to the number N2 of blocks of the
[0225]
Next, the operation in correcting the reaction rate constant will be described. The CPU 71 executes the routine shown by the flowchart in FIG. 22 every time a predetermined time elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 71 starts the process from step 2200 in FIG. 22, proceeds to step 2205, and changes the value of the maximum oxygen storage amount acquisition control execution flag XHAN from “1” to “0”. If the value of the maximum oxygen storage amount acquisition control execution flag XHAN has not changed from “1” to “0”, the CPU 71 proceeds directly from
[0226]
Now, assuming that it is immediately after the end of the third mode, the CPU 71 determines “Yes” in
[0227]
Next, the CPU 71 proceeds to step 2220, and changes the value of the counter N2cgout that has been updated in
[0228]
As described above, according to the embodiment of the present invention, a predetermined amount of air or reducing gas for controlling the oxygen storage amount is injected by the air / reducing
[0229]
In addition, by injecting a predetermined amount of refreshing air or reducing gas into the first catalyst-side injection unit and the second catalyst-side injection unit by the air / reduction
[0230]
Further, by injecting the air for Cmax calculation into the first catalyst-side injection unit and the second catalyst-side injection unit by the air / reducing
[0231]
In addition, the value of the reaction rate constant h1 of the
[0232]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, air / reduced gas injection is performed by proportional / integral processing so that the oxygen storage amounts OSA1all and OSA2all of the first and
[0233]
In the above embodiment, the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0234]
Further, in the above embodiment, the outflow oxygen amount Cgout1O2 (N1) of the most downstream block 1 (N1) of the
[0235]
In the above-described embodiment, normally, the air-fuel ratio of the engine is feedback-controlled so that the output Voxs1 of the first catalyst downstream air-
[0236]
Further, in the above embodiment, the air / reducing
[0237]
In the above embodiment, when executing the maximum oxygen storage amount acquisition control for acquiring the maximum oxygen storage amount of each of the first and
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a system in which an exhaust purification device according to an embodiment of the present invention is applied to an internal combustion engine.
FIG. 2 is a map showing a relationship between an output voltage of the air flow meter shown in FIG. 1 and a measured intake air amount.
FIG. 3 is a map showing a relationship between an output voltage of the most upstream air-fuel ratio sensor shown in FIG. 1 and an air-fuel ratio.
FIG. 4 is a map showing a relationship between an output voltage and an air-fuel ratio of a first catalyst downstream air-fuel ratio sensor and a second catalyst downstream air-fuel ratio sensor shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a diagram schematically showing a catalyst model.
6 is a diagram showing a balance of a specific component related to an oxygen storage / release reaction in the specific region of the catalyst model shown in FIG. 5 when focusing on the specific region.
FIG. 7 is a schematic diagram when the catalyst model shown in FIG. 5 is applied to first and second catalysts, respectively.
8 is a diagram showing an air-fuel ratio upstream of a first catalyst, an air injection amount upstream of each catalyst, an oxygen storage amount of each catalyst, and an air-fuel ratio when the exhaust purification device shown in FIG. 1 obtains the maximum oxygen storage amount of each catalyst. 5 is a time chart showing a change in sensor output.
9 is a map for obtaining a distribution of each maximum oxygen storage amount for each block of the catalyst from the maximum oxygen storage amount of the entire catalyst which is a target of the catalyst model shown in FIG. 5;
FIG. 10 is a flowchart showing a routine for calculating a fuel injection amount executed by a CPU shown in FIG. 1;
FIG. 11 is a flowchart showing a routine for calculating an air-fuel ratio feedback correction amount executed by the CPU shown in FIG. 1;
12 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 for calculating an outflow oxygen amount, an oxygen storage amount, and the like for each block of the first catalyst.
FIG. 13 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 for calculating an outflow oxygen amount, an oxygen storage amount, and the like for each block of the second catalyst.
FIG. 14 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 for clearing the oxygen storage amount for each block of each of the first and second catalysts.
FIG. 15 is a flowchart illustrating a routine for performing air / reducing gas injection control for oxygen storage amount control executed by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 16 is a flowchart showing a routine for performing refresh air / reducing gas injection control executed by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 17 is a flowchart illustrating a routine for determining whether or not to start a maximum oxygen storage amount acquisition control executed by the CPU illustrated in FIG. 1;
FIG. 18 is a flowchart showing a first mode routine executed by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 19 is a flowchart showing a second mode routine executed by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 20 is a flowchart showing a routine in a third mode executed by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 21 is a flowchart illustrating a routine for calculating a maximum oxygen storage amount executed by a CPU illustrated in FIG. 1;
FIG. 22 is a flowchart illustrating a routine for correcting a reaction rate constant executed by the CPU illustrated in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第2触媒と、
少なくとも前記第2触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値を取得値として取得する取得値取得手段と、
前記取得値が前記第2触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように、同取得値に基いて同第2触媒の酸素吸蔵量を増加させるための所定量の空気を同第2触媒に供給する空気供給装置と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。A first catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine;
A second catalyst disposed in the exhaust passage downstream of the first catalyst;
Acquisition value acquisition means for acquiring at least a value that changes according to the oxygen storage amount of the second catalyst as an acquisition value;
A predetermined amount of air for increasing the oxygen storage amount of the second catalyst based on the obtained value is used so that the obtained value becomes a predetermined target value at which the purification efficiency of the second catalyst becomes good. (2) an air supply device for supplying the catalyst;
An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, comprising:
前記第1触媒よりも下流の前記排気通路に配設された第2触媒と、
少なくとも前記第2触媒の酸素吸蔵量に応じて変化する値を取得値として取得する取得値取得手段と、
前記取得値が前記第2触媒の浄化効率が良好となる所定の目標値となるように、同取得値に基いて同第2触媒の酸素吸蔵量を減少させるための所定量の還元剤を同第2触媒に供給する還元剤供給装置と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。A first catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine;
A second catalyst disposed in the exhaust passage downstream of the first catalyst;
Acquisition value acquisition means for acquiring at least a value that changes according to the oxygen storage amount of the second catalyst as an acquisition value;
A predetermined amount of a reducing agent for reducing the oxygen storage amount of the second catalyst based on the obtained value is used so that the obtained value becomes a predetermined target value at which the purification efficiency of the second catalyst becomes good. A reducing agent supply device for supplying to the second catalyst;
An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, comprising:
前記還元剤供給装置は、チャコールキャニスタに吸着された燃料を前記還元剤として使用するように構成されている内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2,
The reducing agent supply device is an exhaust gas purification device for an internal combustion engine configured to use fuel adsorbed in a charcoal canister as the reducing agent.
前記第2触媒が同第2触媒に流入するガス中の還元剤による被毒状態にあることを検出する還元剤被毒状態検出手段を備え、
前記第2触媒が前記ガス中の還元剤による被毒状態にあるとき、前記空気供給装置により前記被毒状態を解消するための空気を同第2触媒に供給するように構成された内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 1,
Reducing agent poisoning state detecting means for detecting that the second catalyst is poisoned by a reducing agent in the gas flowing into the second catalyst,
When the second catalyst is in a poisoned state by the reducing agent in the gas, the air supply device supplies air for eliminating the poisoned state to the second catalyst. Exhaust gas purification device.
前記第2触媒が同第2触媒に流入するガス中の硫黄による被毒状態にあることを検出する硫黄被毒状態検出手段を備え、
前記第2触媒が前記硫黄による被毒状態にあるとき、前記還元剤供給装置により前記被毒状態を解消するための還元剤を同第2触媒に供給するように構成された内燃機関の排気浄化装置。An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 2 or claim 3,
Sulfur poisoning state detecting means for detecting that the second catalyst is poisoned by sulfur in gas flowing into the second catalyst,
When the second catalyst is poisoned by the sulfur, the exhaust gas purification of the internal combustion engine is configured to supply a reducing agent for eliminating the poisoning condition to the second catalyst by the reducing agent supply device. apparatus.
前記第2触媒よりも下流の前記排気通路に配設された触媒下流空燃比センサと、
前記第2触媒が内部に吸蔵している酸素を完全に放出している状態から前記空気供給装置により同第2触媒に空気を供給したときの同供給される空気中の酸素量及び前記触媒下流空燃比センサの出力の理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態への出力変化に基いて同第2触媒の最大酸素吸蔵量を取得する最大酸素吸蔵量取得手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 1,
A catalyst downstream air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the second catalyst;
The amount of oxygen in the supplied air and the downstream of the catalyst when the air is supplied to the second catalyst by the air supply device from the state where the second catalyst completely releases the oxygen stored therein. Based on the output change of the air-fuel ratio sensor from a state indicating an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio to a state indicating an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the maximum value of the second catalyst Maximum oxygen storage amount obtaining means for obtaining the oxygen storage amount,
An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, comprising:
前記第2触媒よりも下流の前記排気通路に配設された触媒下流空燃比センサと、
前記第2触媒が内部に酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵している状態から前記還元剤供給装置により同第2触媒に前記還元剤を供給したときの同供給される還元剤の量及び前記触媒下流空燃比センサの出力の理論空燃比よりもリーンな空燃比であることを示す状態から理論空燃比よりもリッチな空燃比であることを示す状態への出力変化に基いて同第2触媒の最大酸素吸蔵量を取得する最大酸素吸蔵量取得手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 2 or claim 3,
A catalyst downstream air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the second catalyst;
When the reducing agent is supplied to the second catalyst by the reducing agent supply device from the state in which the second catalyst is storing oxygen to the limit capable of storing oxygen therein, Based on a change in the output of the catalyst downstream air-fuel ratio sensor from a state indicating an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio to a state indicating an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio, Maximum oxygen storage amount obtaining means for obtaining the maximum oxygen storage amount of the catalyst,
An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, comprising:
前記取得値取得手段は、前記第2触媒における酸素の吸蔵・放出反応に着目するとともに、少なくとも同第2触媒の酸素吸蔵量に基いて同第2触媒が内部に流入するガスから吸蔵する酸素量及び内部に吸蔵している酸素から放出する酸素量を所定のパラメータを利用して算出するモデルを使用して前記取得値を取得するように構成されているとともに、
前記第2触媒よりも下流の前記排気通路に配設された触媒下流空燃比センサと、
前記空気供給装置により前記第2触媒に前記空気を供給したときの前記触媒下流空燃比センサの出力値と前記取得値との比較結果に基づいて前記所定のパラメータを補正するパラメータ補正手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 1,
The acquisition value acquisition means focuses on the oxygen storage / release reaction in the second catalyst and, based on at least the oxygen storage amount of the second catalyst, the amount of oxygen stored by the second catalyst from the gas flowing into the inside. And configured to obtain the obtained value using a model that calculates the amount of oxygen released from the oxygen stored therein using a predetermined parameter,
A catalyst downstream air-fuel ratio sensor disposed in the exhaust passage downstream of the second catalyst;
Parameter correction means for correcting the predetermined parameter based on a comparison result between the output value of the catalyst downstream air-fuel ratio sensor and the obtained value when the air is supplied to the second catalyst by the air supply device,
An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, comprising:
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JP2002253287A JP2004092472A (en) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | Exhaust emission control device for internal combustion engine |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013238134A (en) * | 2012-05-14 | 2013-11-28 | Mazda Motor Corp | Exhaust emission control method and device for internal combustion engine |
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- 2002-08-30 JP JP2002253287A patent/JP2004092472A/en active Pending
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