JP4127092B2

JP4127092B2 - Air-fuel ratio control device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4127092B2
Application number: JP2003080602A
Authority: JP
Inventors: 俊成永井; 直人加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004285948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、特に、排気通路に三元触媒装置を備える内燃機関の空燃比を制御する装置として好適な空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２００２−１１５５９０号公報に開示されるように、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を強制的にリッチおよびリーンに振動させることにより、排気通路に配置された三元触媒装置（以下、単に「触媒」と称す）の活性を高める空燃比制御装置が知られている。以下、上記の如く強制的に空燃比を振動させる制御を「パータベーション制御」と称す。
【０００３】
触媒は、排気空燃比がリーンである場合は、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵することでその浄化（還元）を図り、一方、排気空燃比がリッチである場合は、吸蔵酸素を放出して未燃成分を酸化することにより排気ガスの浄化を図る。上記のパータベーション制御では、触媒中の吸蔵酸素が全て放出される状態と、触媒が能力一杯に酸素を吸蔵する状態とが繰り返されるように空燃比が繰り返しリッチ或いはリーンとされる。このような状態が繰り返されると、触媒の活性が高められ、その酸素吸蔵能力が増すことが知られている。触媒は、大きな酸素吸蔵能力を有するほど優れた浄化能力を発揮する。このため、上記従来の装置によれば、パータベーション制御を実行することにより、内燃機関のエミッション特性を改善し、或いは維持することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１５５９０号公報
【特許文献２】
特開平７−２５９６０２号公報
【特許文献３】
特開２００２−１９５０８０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したパータベーション制御は、空燃比をリッチ側にもリーン側にも大きく振動させることとしている。空燃比の変動は、内燃機関のトルク変動の原因となる。つまり、内燃機関の出力トルクは、筒内で燃焼する燃料と空気（酸素）の量で決定される。内燃機関において、筒内に流入する空気量は厳密に制御することができる。筒内に流入する空気が厳密に制御されていれば、燃料が多量に供給されても、燃料の燃焼量にはさほど大きな変化は生じない。このため、内燃機関の出力トルクは、パータベーション制御の過程で空燃比がリッチ化される時点で大きく変化することはない。
【０００６】
これに対して、空燃比がリーン化される場合は、筒内に流入する燃料の量が予定量より増えれば、燃料の燃焼量が予定量より多量となる。そして、筒内に流入する燃料の量は、吸気ポートや吸気弁に付着しているポートウェット量の変化などに伴って比較的容易に増減する。このため、上述したパータベーション制御は、特に空燃比がリーン側に設定される場合において、内燃機関の出力トルクを変動させ易いという特性を有している。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関のトルク変動を十分に抑制しつつ、排気通路に配置された触媒の活性を高めることのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
排気通路に配置され、内燃機関から排出される排気ガスを浄化して排出する三元触媒装置と、
前記三元触媒装置が酸素を十分に吸蔵した第１酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、理論空燃比より第１設定値だけ大きなリーン空燃比に維持するリーン空燃比維持手段と、
前記三元触媒装置が、前記第１酸素吸蔵状態となった後、酸素を十分に放出した第２酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、前記第１設定値より大きな第２設定値だけ理論空燃比より小さいリッチ空燃比に維持するリッチ空燃比維持手段と、
前記三元触媒装置の内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定することのできる触媒内酸素過不足量推定手段と、
排気空燃比が前記リーン空燃比に維持されている状況下で、特定位置における酸素過剰量が判定値以上となった場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
排気空燃比が前記リッチ空燃比に維持されている状況下で、前記特定位置における酸素不足量が判定値以上となった場合に前記第２酸素吸蔵状態の成立を判定するタイミング判定手段と、
前記三元触媒装置の最上流位置以降の所定位置を流れる排気ガスの酸素過不足状態を実測する酸素過不足状態実測センサと、
前記所定位置における前記酸素過不足量の推定値と、実測された前記酸素過不足状態とが整合しているか否かを判断する整合性判断手段と、
前記整合が否定された場合に、前記特定位置を前記三元触媒装置の上流側に移行させる特定位置移行手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記所定位置は前記三元触媒装置の下流位置であり、
前記酸素過不足量の推定結果に基づいて、排気ガス中の酸素過不足量が実質的にゼロとなる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三元触媒装置の中から消滅した時点で、前記酸素過不足状態実測センサの出力変化がない場合に、前記収束点の消滅の時点と前記出力変化の時点とが一致するように、前記触媒内酸素過不足量推定手段による推定手法を補正する推定手法補正手段と、を備え、
前記整合性判断手段は、前記推定手法の補正頻度が判定頻度以上である場合、或いは、前記推定手法の補正幅が判定幅以上である場合に、前記整合を否定することを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、
前記所定位置は前記三元触媒装置の下流位置であり、
前記酸素過不足量の推定結果に基づいて、排気ガス中の酸素過不足量が実質的にゼロとなる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三元触媒装置の中に検知されている状況下で、前記酸素過不足状態実測センサの出力に変化が認められた場合に、前記収束点の消滅の時点と前記出力変化の時点とが一致するように、前記触媒内酸素過不足量推定手段による推定手法を補正する推定手法補正手段と、を備え、
前記整合性判断手段は、前記推定手法の補正頻度が判定頻度以上である場合、或いは、前記推定手法の補正幅が判定幅以上である場合に、前記整合を否定することを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、前記三元触媒装置は、直列に並んだ複数の触媒ユニットを含んでいることを特徴とする。
【００１４】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
内燃機関の状態が安定しているか否かを判別する安定状態判別手段と、
内燃機関の状態が安定しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記酸素過不足量の推定結果に基づいて、排気ガス中の酸素過不足量が実質的にゼロとなる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三触媒装置内の上流側に位置するように空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記収束点が基準位置より上流側に位置しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１７】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。
吸気通路１２には、その内部を流れる空気量、すなわち、内燃機関１０に流入する吸入空気量Gaを検知するエアフロメータ１６が配置されている。エアフロメータ１６の下流には、スロットルバルブ１８が配置されている。スロットルバルブ１８は、アクセル開度などに基づいてスロットルモータ２０により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ１８の近傍には、スロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサ２２、およびアクセル開度を検出するためのアクセルポジションセンサ２４が配置されている。
【００１８】
内燃機関１０は、複数の気筒を有する多気筒式の機関であり、図１は、そのうちの一気筒の断面を示している。内燃機関１０が備える個々の気筒には、吸気通路１２に通じる吸気ポート、および排気通路１４に通じる排気ポートが設けられている。個々の吸気ポートには、その内部に燃料を噴射するための燃料噴射弁２５が配置されている。また、個々の吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、吸気通路１２或いは排気通路１４と内燃機関１０の燃焼室とを導通または遮断するための吸気弁２６および排気弁２８が設けられている。
【００１９】
内燃機関１０は、クランクシャフトの近傍にクランク角センサ２９を備えている。クランク角センサ２９によれば、クランクシャフトの回転位置や、クランクシャフトの回転速度、つまり、内燃機関１０の回転数NE等を検知することができる。
【００２０】
内燃機関１０の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒３０が配置されている。触媒３０は、酸素を含むリーンな排気ガスが供給された場合にはその内部に酸素を吸蔵し、また、酸素不足のリッチな排気ガスが供給された場合にはその内部に吸蔵している酸素を放出することで排気ガスを浄化する三元触媒でである。触媒３０の上流および下流には、それぞれの位置で排気空燃比A/Fがリッチであるかリーンであるかを検出するための上流空燃比センサ３２、および下流空燃比センサ３４が配置されている。また、触媒３０には、その内部の温度Tempを検出するための触媒温度センサ３６が配置されている。
【００２１】
図１に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)４０を備えている。ECU４０は、内燃機関１０の運転状態を制御するユニットである。上述した各種アクチュエータやセンサ等は、ECU４０により駆動され、また、ECU４０に対して出力信号等を供給している。
【００２２】
［空燃比フィードバック制御の基本動作の説明］
本実施形態のシステムにおいて、内燃機関１０に対する燃料噴射量は、サイクル毎に燃料噴射弁２５が開弁状態とされる時間、つまり、燃料噴射時間TAUにより決定される。ECU４０は、触媒３０に流入する排気ガスの空燃比、すなわち排気空燃比A/Fが、理論空燃比の近傍でリッチな値とリーンな値を繰り返すようにその燃料噴射時間TAUを制御する。
【００２３】
より具体的には、ECU４０は、先ず、吸入空気量Gaに基づいて、理論空燃比を実現するための基本の燃料噴射時間TAU0を算出する。そして、ECU４０は、そのTAU0にフィードバック補正係数FAFを掛け合わせることにより最終的な燃料噴射時間TAUを決定する。フィードバック補正係数FAFは、上流空燃比センサ３２により検出される排気空燃比A/Fがリッチである間は減少方向に更新される。その結果、燃料噴射時間TAUが縮小され、排気空燃比A/Fはリーン方向に補正される。また、フィードバック補正係数FAFは、排気空燃比A/Fがリーンである間は増加方向に更新される。その結果、燃料噴射時間TAUが伸張され、排気空燃比A/Fがリッチ方向に補正される。このような制御が繰り返し行われることにより、触媒３０の上流における排気空燃比A/Fは、理論空燃比を挟んで、その近傍において振動するように変化する。
【００２４】
触媒３０上流における排気空燃比A/Fが上記の如く理論空燃比の近傍で振動を繰り返す場合、触媒３０には、リッチな排気ガスとリーンな排気ガスとが、つまり、酸素不足の排気ガスと酸素過多な排気ガスとが交互に適当な期間だけ供給されることになる。触媒３０に流入する排気ガスの空燃比がこのような変化を示すと、触媒３０の内部では、酸素の放出と吸蔵とが適当に繰り返されることとなり、その結果、触媒３０の排気ガス浄化能力が安定して維持されることとなる。以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、上流空燃比センサ３２の出力に基づく空燃比フィードバック制御を行うことで、触媒３０に、継続的に所望の排気ガス浄化能力を発揮させることができる。
【００２５】
しかしながら、上述した空燃比フィードバック制御によって触媒３０の浄化能力を維持することができるのは、あくまで、触媒３０の内部において酸素吸蔵能力に余力が存在する場合に限られる。つまり、触媒３０の上流において排気空燃比A/Fを振動させ続けたとしても、様々な要因により、触媒３０の内部状態は、吸蔵容量一杯に酸素が吸蔵された状態や、全ての吸蔵酸素が放出された状態が形成されることがある。前者の場合に、リーンな排気ガスが触媒３０に流入すると、また、後者の場合にリッチな排気ガスが触媒３０に流入すると、未浄化の排気ガスが触媒３０の下流に吹き抜ける。
【００２６】
内燃機関１０のエミッション特性を常時良好に維持するためには、そのような未浄化成分の吹き抜けは回避することが望ましい。更に、排気空燃比A/Fの荒れに対する触媒３０の余力を確保しておく意味では、触媒３０の全域に適量な酸素が吸蔵されている状態、より具体的には、触媒３０の全域が、吸蔵可能な最大酸素量のほぼ半分を吸蔵しているような状態が維持されることが望ましい。
【００２７】
そこで、本実施形態のシステムでは、触媒３０の内部状態を排気ガスの流れ方向の位置毎に推定し、つまり、個々の位置における酸素吸蔵状態や、個々の位置を流れる排気ガス中の酸素過不足量（空燃比）を推定し、その推定結果に基づいて、上述した望ましい状態が形成されるように、空燃比制御の手法に補正を施すこととしている。以下、このような機能を実現するために、ECU４０が実行する具体的な処理の内容について説明する。
【００２８】
［触媒モデルの説明］
図２は、本実施形態において用いられる触媒モデルを説明するための概念図である。本実施形態において、ECU４０は、以下に説明する触媒モデルを用いて触媒３０の内部状態を推定する。以下、図２を参照して、その触媒モデルの内容と、そのモデルを用いた状態推定の方法とを具体的に説明する。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態において用いられる触媒モデルは、触媒３０を、仮想的に、排気ガスの流れ方向に並ぶ複数のブロックに分割して取り扱うことを前提としている。ここでは、便宜上それらのブロックを、上流側から下流側に向う順で、Aブロック、Bブロック、・・・Hブロック、Iブロック、Jブロックとし、それぞれのブロックはΔxの幅を有しているものとする。
【００３０】
図２に示すCginは、触媒３０に流入する排気ガス中の特定成分の量、つまり、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガス中の特定成分の量を意味している。また、図２に示すCgoutは、触媒３０から流出する排気ガス中の特定成分の量を意味している。図２に示す触媒モデルの概念図において、触媒３０に流入する特定成分の量Cginは、そのままAブロックに流入する特定成分の量Cgin(A)となる。また、Aブロックから排出される排気ガス中の特定成分の量Cgout(A)は、そのままBブロックに流入する特定成分の量Cgin(B)となる。そして、隣接するブロックの間ではこの関係が順次成立し、最下流のブロックJから流出する特定成分の量Cgout(J)は、そのまま触媒３０から流出する特定成分の量Cgoutとなる。尚、本明細書において、Cgin(N)およびCgout(N)は、それぞれ第Nブロックに流入する特定成分の量、および第Nブロックから流出する特定成分の量を示しているものとする。
【００３１】
上記の関係は、排気ガス中に含まれる種々の成分、例えば、NOx、CO、HC、O2などのそれぞれについて成立する。以下、触媒モデルの説明を進めるにあたり、説明の簡単化のため、その特定成分は酸素であるものとする。そして、Cgin、Cgout、Cgin(N)およびCgout(N)は、排気ガス中に含まれる酸素量を正の値で示し、排気ガス中の酸素不足量を負の値で示す変数とする。このような前提の下、以下の説明においては、CginおよびCgin(N)を「流入酸素過不足量」と称し、また、CgoutおよびCgout(N)を「流出酸素過不足量」と称することとする。
【００３２】
本実施形態において、ECU４０には、個々のブロックの流入酸素過不足量Cgin(N)に基づいて、そのブロックの流出酸素過不足量Cgout(N)を演算するためのモデルが記憶されている（詳細は後に説明する）。このモデルによれば、CginすなわちCgin(A)に基づいてCgout(A)を求めることができ、また、Cgout(A)すなわちCgin(B)に基づいてCgout(B)を求めることができる。そして、同様の計算を繰り返すことにより、個々のブロックにおける流出酸素過不足量Cgout(N)を順次求めることができ、その計算をＪブロックまで行うことで、触媒３０の下流における流出酸素過不足量Cgoutを求めることができる。
【００３３】
図１に示すシステムによれば、上流空燃比センサ３２により検出される排気空燃比A/F、およびエアフロメータ１６により検出される吸入空気量Ga（或いは、そのGaに基づいて算出される燃料噴射量）に基づいて、内燃機関１０から流出する排気ガス中の酸素過不足量、つまり、触媒３０に流入する排気ガス中の酸素過不足量Cginを求めることができる。従って、ECU４０は、上述した触媒モデルを用いた繰り返し計算を行うことにより、AブロックからJブロックまでの全てにつき流出酸素過不足量Cgout(N)を求めることができ、また、触媒３０の下流における流出酸素過不足量Cgoutを求めることができる。
【００３４】
次に、ECU４０が、第N段のブロックにおける流入酸素過不足量Cgin(N)に基づき、そのブロックにおける流出酸素過不足量Cgout(N)を求める具体的手法について説明する。
次式（１）は、ECU４０が、時刻t＋Δtにおける第N段のブロックの流出酸素過不足量Cgout(t＋Δt, N)を推定するために用いる演算式である。

但し、δCgは、δCg（Ga，Temp，φost(t，N))と表されるべき関数、つまり、吸入空気量Ga、触媒温度Temp、および時刻tにおける第N段のブロックの酸素吸蔵率φost（t, N）の関数である。ECU４０は、Ga、Temp、およびφostと、δCgとの関係を定めたマップ或いは演算式を記憶しており、そのマップ或いは演算式を用いてδCgを算出する。
【００３５】
δCgは、物理的には、触媒３０が、単位時間および単位長あたりに吸蔵或いは放出する酸素の量を意味している。δCgの符号は、第N段のブロックが酸素を吸蔵する場合には正に設定され、一方、酸素を放出する場合には負に設定される。具体的には、第N段のブロックに流れ込む排気ガスがリーンであり、そのブロックが酸素を吸蔵する状況下ではδCgの符号は正とされ（δCg＞０）、反対に、第N段のブロックに流れ込む排気ガスがリッチであり、そのブロックが酸素を放出する状況下ではδCgの符号は負とされる（δCg＜０）。
【００３６】
つまり、上記（１）式中、右辺第２項「δCg×Δt×Δx」は、第N段のブロック（幅Δx）において、Δtの時間の間に吸蔵または放出される酸素量に相当している。ここで、上記（１）式中、右辺第１項に含まれる第N−1ブロックの流出酸素過不足量Cgout(t＋Δt, N−1)は、そこを流れる排気ガスがリーンである場合、時刻t＋Δtに第N−1段のブロックから流出してくる排気ガス中の酸素過多量を意味する。従って、上記（１）式によれば、この場合は、第N-1段のブロックから流出してくる排気ガス中の酸素過多量から第N段のブロックで吸蔵される酸素量δCgを減じた値が、第N段における流出酸素過不足量Cgout(t＋Δt, N)として、つまり、第N段のブロックから流出する排気ガス中の酸素過多量として算出される。
【００３７】
時刻t＋Δtにおいて第N-1段のブロックから流出してくる排気ガスがリッチである場合は、上記（１）式の右辺第１項Cgout(t＋Δt, N−1)は、第N-1段のブロックから流出する排気ガス中の酸素不足量を意味する。従って、上記（１）式によれば、この場合は、第N-1段のブロックから流出してくる排気ガス中の酸素不足量に第N段のブロックから放出される酸素量δCgを加えた値が第N段のブロックにおける流出酸素不足量Cgout(t＋Δt, N)として、つまり、第N段のブロックから流出する排気ガス中の酸素不足量として算出される。
【００３８】
δCgを決定する３つの因子のうち、吸入空気量Gaと触媒温度Tempは、それぞれエアフロメータ１６および触媒温度センサ３６により検知することができる。残る１つの因子、すなわち、酸素吸蔵率φost（t，N)は、次式（２）に示す通り、時刻tにおける第N段のブロックの酸素吸蔵量ost(t，N)と、第N段のブロックの酸素吸蔵容量OSC(N)との比である。
φost（t，N)＝ost(t，N)／OSC(N) ・・・（２）
【００３９】
酸素吸蔵容量OSC(N)は、触媒３０の酸素吸蔵量OSCを求めるための公知の手法と同様の手法により求めることができる。例えば、その値OSC(N)は、以下のような手法で求めることができる。すなわち、先ず、第N段のブロックに吸蔵されている全ての酸素が放出されるまで、そのブロックに流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持する。全ての酸素が放出されたと判断できたら（第N段のブロックの下流にリッチな排気ガスが流出してきたら）、次にそのブロックに流入する排気ガスの空燃比をリーンに変化させる。以後、第N段のブロックに容量一杯の酸素が吸蔵されるまで（第N段のブロックの下流にリーンな排気ガスが流出してくるまで）、そのブロックに流入する排気ガス中の酸素量を積算する。この手法によれば、酸素量の積算値の最終的な値を、第N段のブロックにおける酸素吸蔵容量OSC(N)として扱うことができる。尚、OSC(N)を求める手法はこれに限定されるものではなく、より単純には、触媒３０のOSCを、ブロック数（本実施形態では１０）で割った値をOSC(N)としてもよい。
【００４０】
上記（２）式に含まれるost (t，N)は、次式（３）に示す関係式により求めることができる。但し、ここでは、説明の便宜上、時刻t＋Δtにおける第N段のブロックの酸素吸蔵量ost(t＋Δt，N)を求める形式で式（３）を表している。また、次式（３）中、右辺第２項に含まれるKは適合係数である。
ost(t＋Δt, N)＝ost(t, N)＋K×δCg×Δt×Δx ・・・（３）
【００４１】
上記（３）式によれば、第N段のブロックに流入する排気ガスがリーンである場合は（従って、δCgは正）、時刻tにおける酸素吸蔵量ost(t, N)に、時間Δtの間に新たに吸蔵された酸素量（厳密には適合係数Kで補正された値）を加えた値が時刻t＋Δtにおける酸素吸蔵量ost(t＋Δt, N)として算出される。また、第N段のブロックに流入する排気ガスがリッチである場合は（従って、δCgは負）、時刻tにおける酸素吸蔵量ost(t, N)から、時間Δtの間に放出された酸素量（厳密には適合係数Kで補正された値）を減じた値が時刻t＋Δtにおける酸素吸蔵量ost(t＋Δt, N)として算出される。
【００４２】
以上説明した通り、ECU４０は、上述した触媒モデルを用いることにより、第N段のブロックにおける流出酸素過不足量Cgout(N)、酸素吸蔵率φost(N)、および酸素吸蔵量ost(N)等を求めることができる。そして、ECU４０は、個々のブロックに対して上記の処理を繰り返し適用することにより、AブロックからJブロックまで、全てのブロックにつき、それらの値を算出することができる。
【００４３】
［本実施形態における空燃比制御の説明］
以上の処理によれば、本実施形態のシステムでは、流出酸素過不足量Cgout(N)の収束点がどこにあるのか、また、その収束点の上流側にどのような酸素過不足量分布が存在しているのかを検知することができる。そして、これらの情報が取得できれば、その収束点が、未浄化成分の吹き抜けを生じさせる程度にまで下流側に移行しているかを判断することができ、更に、その収束点を上流側に移行させるために触媒上流の空燃比A/Fをどのように制御すればよいかを決めることができる。
【００４４】
そこで、本実施形態では、収束点が所定の目標位置を超えて下流側に移行してきた場合に、その収束点が上流側に移行するように空燃比制御の手法を補正することで、未浄化成分の吹き抜けを防止することとしている。このため、本実施形態のシステムによれば、原則的には、触媒３０の上流側の領域で流出酸素過不足量Cgout(N)を収束させることができ、触媒３０の下流に未浄化の成分が吹き抜けるのを有効に防止することができる。
【００４５】
［本実施形態における触媒活性化制御の説明］
本実施形態のシステムにおいて、触媒３０の浄化能力は、その酸素吸蔵容量OSCが多量であるほど優れたものとなる。そして、触媒３０は、酸素を一杯に吸蔵した状態と吸蔵酸素を全て放出した状態とが繰り返されることにより活性化され、大きな酸素吸蔵容量OSCを取り戻すことができる。従って、経時的な変化に影響されることなく内燃機関１０のエミッション特性を良好に維持するためには、触媒３０が酸素を一杯に吸蔵した状態と、触媒３０が酸素を全て放出した状態とが繰り返されるように、触媒上流における排気空燃比、つまり、内燃機関１０に供給される混合気の空燃比を繰り返しリーンとリッチの間で振動させることが有効である。
【００４６】
ところが、混合気の空燃比がリッチとリーンの間で振動する状況下では、内燃機関の出力トルクに変動が生ずることがある。特に、従来技術の欄において説明した通り、その空燃比がリーンとされる状況下では、内燃機関１０の出力トルクが過剰な値になり易い。そこで、本実施形態では、内燃機関１０の出力トルクを大きく変化させることなく触媒３０の活性を高めることができるように、混合気の空燃比を、リーン側には浅く（小さく）、一方、リッチ側には深く（大きく）振動させることとした。この場合、空燃比がリーンとされている間に生じ得る出力トルクの変動量を小さく抑制することができ、その結果、内燃機関１０の出力トルクに生ずる変動量を十分に抑制することが可能である。
【００４７】
図３は、上記の機能を実現するためにECU４０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。
図３に示すルーチンでは、先ず、触媒３０の活性化制御の実行条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１００）。
既述した通り、本実施形態では、空燃比を強制的にリッチとリーンに振ることにより触媒３０の活性向上が図られる。このような制御が過渡運転時に実行されると、予期しない外乱の影響により、酸素吸蔵量が容量一杯になった後更に空燃比がリーンに維持されたり、或いは酸素吸蔵量がゼロになった後更に空燃比がリッチに維持されたりすることにより、触媒３０の下流に未浄化の成分が吹き抜け易い状態となる。同様に、触媒３０が不安定な状況下、或いは触媒３０が劣化している状況下で空燃比の強制振動が行われた場合にも、触媒３０の下流に未浄化の成分が吹き抜け易い状況が生ずる。このため、触媒３０の活性化制御は、内燃機関１０が安定した運転状態を維持しており、かつ、触媒３０が安定した浄化能力を発揮している場合にのみ実行することが望ましい。
【００４８】
上記ステップ１００では、上記の要求を満たすべく、内燃機関１０が定常運転中であるか否か、および上述した流出酸素過不足量Cgout(N)の収束点が所定の基準ブロックより上流側において生じているか否かが判断される。前者の条件が成立する場合は、内燃機関１０の状態が安定していると判断できる。また、後者の条件が成立する場合は、触媒３０が、安定した浄化能力を適正に発揮していると判断できる。図３に示すルーチンでは、それらの条件の何れかが成立しないと判別された場合は、活性化制御の実行条件が成立していないと判断され、以後、通常の空燃比フィードバック制御が継続される（ステップ１０２）。
【００４９】
一方、ステップ１００において、上述した２つの条件が何れも成立していると判別された場合は、活性化制御の実行条件が成立していると判断される。この場合、次に、混合気の目標空燃比が、理論空燃比より第１設定値だけ大きなリーン空燃比A/Fleanに設定される（ステップ１０４）。
リーン空燃比A/Fleanは、種々の変動要素の影響で筒内に供給される燃料の量が予定の噴射量に比して増量したとしても、車両のドライバビリティを著しく悪化させるような出力トルク変動を生じさせることのない値として実験的に定められた値である。このため、本ステップ１０４において目標空燃比がリーン空燃比A/Fleanに設定されると、その後、ドライバビリティに影響するようなトルク変動を伴うことなしに触媒３０の酸素吸蔵量ostを増加させることができる。
【００５０】
図３に示すルーチンでは、次に、触媒３０の酸素吸蔵量ostが算出される（ステップ１０６）。
既述した通り、ECU４０は、上記（３）式を用いることにより、触媒３０内の個々のブロックにおける酸素吸蔵量ost(N)を算出することができる。本ステップ１０６では、そのようにして算出される酸素吸蔵量ost(N)を全てのブロックにつき積算することにより、触媒３０の酸素吸蔵量ostが算出される。
【００５１】
次に、上記ステップ１０６において算出された酸素吸蔵量ostが判定量αを超えているか否かが判別される（ステップ１０８）。
判定量αは、触媒３０の酸素吸蔵容量OSCを基準に求められた値である。具体的には、例えば、酸素吸蔵量OSCの８０％に相当する量が判定量αとして設定される。この場合、本ステップ１０８の条件は、触媒３０の酸素吸蔵量ostが酸素吸蔵容量OSCの８０％を超えるまでは成立しないものとして判別され、一方、ostがOSCの８０％を超えるとその成立が判別される。
【００５２】
図３に示すルーチンでは、上記ステップ１０８においてost＞αが成立しないと判別される間は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、ost＞αが成立すると判別されると、その後リッチスパイク制御が実行された後、今回の処理サイクルが終了される（ステップ１１０）。
リッチスパイク制御は、目標空燃比を、所定の短期間だけ、理論空燃比より第２設定値だけ小さなリッチ空燃比A/Frichに維持する制御である。第２設定値は、第１設定値に比して十分に大きな値である。また、目標空燃比をリッチ空燃比A/Frichに維持すべき所定の短期間は、混合気の空燃比がリッチ空燃比A/Frichに制御されることを前提として、触媒３０に吸蔵されている全ての酸素、つまり、α相当値の酸素を放出させるために必要な期間である。このため、上記のリッチスパイク制御によれば、短期間だけ目標空燃比を大きくリッチに偏らせることにより、触媒３０に吸蔵されている殆ど全ての酸素を放出させることができる。
【００５３】
図４は、上述した図３に示すルーチンが繰り返されることにより実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は目標空燃比の波形を示し、また、図４（Ｂ）は触媒３０の酸素吸蔵量ostの波形を示す。
【００５４】
活性化制御の実行条件が成立している状況下で上記図３に示すルーチンが繰り返されると、図４（Ａ）に示すように、目標空燃比は、比較的長期にわたって浅いリーンに維持された後、短期間だけ深いリッチに維持される。その結果、図４（Ｂ）に示すように、触媒３０内の酸素吸蔵量ostは、目標空燃比がリーンに維持されている間にほぼ酸素吸蔵容量OSC一杯にまで増加し、その後、目標空燃比がリッチに維持される期間中にほぼゼロにまで減少する。
【００５５】
図５は、混合気の空燃比と内燃機関１０の出力トルクTとの関係を示した図である。図５に示すように、出力トルクTは、空燃比がリッチ側にずれる場合にはさほど大きく変化しないものの、空燃比がリーン側にずれる場合には大きな変化を示すことがある。上記図３に示すルーチンによれば、リッチ空燃比A/Frichは深いリッチであるが、リーン空燃比A/Fleanは浅いリーンとされている。このため、図３に示すルーチンによれば、触媒３０の活性化制御の実行に伴って内燃機関１０の出力トルクが大きく変化することはない。更に、このルーチンによれば、触媒３０がほぼ酸素吸蔵容量OSC一杯に酸素を吸蔵した状態と、ほぼ全ての酸素を放出した状態とを繰り返し実現することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、排気エミッションを悪化させることなく、かつ、内燃機関１０の出力トルクを大きく変動させることなく、触媒３０の活性を高めることができる。
【００５６】
ところで、上述した実施の形態１においては、触媒３０の酸素吸蔵量ostが判定量αを超えたか否かに基づいて目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミングを判定しているが、その判定の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、本実施形態のシステムでは、酸素吸蔵率φostを算出することができるため（上記（２）式参照）、上記の判定は、そのφostに基づいて行うこととしてもよい。
【００５７】
また、上述した実施の形態１においては、触媒３０に吸蔵されている全ての酸素、つまり、α相当値の酸素を放出させるために必要な期間だけリッチスパイク制御を継続することとしている。換言すると、実施の形態１では、触媒３０に吸蔵されている酸素の全量を放出するに足る時間が経過したか否かに基づいて、目標空燃比を深いリッチに設定すべき期間の終了タイミングが判定されている。しかしながら、その終了タイミングの判定手法はこれに限定されるものではない。例えば、リッチスパイク制御の実行中にも触媒３０内の酸素吸蔵量ost或いは酸素吸蔵率φostを算出し、それらost、φostがほぼゼロにまで低下したか否かに基づいてリッチスパイク制御の終了タイミングを判定することとしてもよい。
【００５８】
また、上述した実施の形態１、或いは上記の変形例では、触媒３０が酸素を一杯に吸蔵しているか否か、および触媒３０がほぼ全量の酸素を放出しているか否かを、触媒３０の酸素吸蔵量ost、或いは酸素吸蔵率φostを基礎として判断することとしているが、本実施形態のシステムがその判断に用いうる手法は、これに限定されるものではない。
【００５９】
すなわち、実施の形態１のシステムは、既述した通り、触媒３０内の個々のブロックにつき、流出酸素過不足量Cgoutを算出することができる。第N段のブロックの流出酸素過不足量Cgout(N)は、目標空燃比がリーンである状況下では、第N段以前の全領域が能力一杯に酸素を吸蔵するまではゼロ近傍値を維持し、その領域に能力一杯の酸素が吸蔵された後に酸素過多を意味する値に変化する。このため、触媒３０内の特定ブロックXのCgout(X)が酸素過多を意味する値に変化したか否かを監視すれば、触媒３０の酸素吸蔵量ostが判定量に達したか否かを判断することが可能である。
【００６０】
同様に、目標空燃比がリッチである場合について検討すると、その状況下では、第N段ブロックの流出酸素過不足量Cgout(N)は、それ以前の全領域が吸蔵酸素の全てを放出するまではゼロ近傍値を維持し、その領域内のほぼ全ての酸素が放出されることにより酸素不足を意味する値に変化する。このため、触媒３０内の特定ブロックXのCgout(X)が酸素不足を意味する値に変化したか否かを監視すれば、触媒３０の酸素吸蔵量ostがほぼゼロにまで低下したか否かを判断することが可能である。
【００６１】
このため、実施の形態１のシステムにおいて、触媒３０が能力一杯に酸素を吸蔵したか否か、および触媒３０がほぼ全ての酸素を放出したか否かは、特定ブロックXの流出酸素過不足量Cgout(X)に基づいて判断することとしてもよい。つまり、触媒３０の活性化制御において、目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミング、およびリッチスパイク制御を終了するタイミングは、特定ブロックXの流出酸素過不足量Cgout(X)に基づいて判断することとしても良い。
【００６２】
また、実施の形態１のシステムは、既述した通り、触媒３０の下流に下流空燃比センサ３４を備えている。このシステムにおいて、目標空燃比がリーン空燃比A/Fleanに維持されると、触媒３０が容量一杯に酸素を吸蔵した時点で、下流空燃比センサ３４の出力は理論空燃比の近傍値からリーンを表す値に変化する。同様に、リッチスパイク制御の実行中は、触媒３０内の全ての酸素が放出された時点で、下流空燃比センサ３４の出力は理論空燃比の近傍値からリッチを表す値に変化する。このため、実施の形態１のシステムにおいて、目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミング、およびリッチスパイク制御を終了するタイミングは、下流空燃比センサ３４の出力に基づいて判断することとしても良い。
尚、このような手法で目標空燃比を切り換えるにあたっては、触媒３０の下流に配置すべきセンサは、排気ガスの空燃比に応じた出力を発する空燃比センサに限定されるものではなく、そのセンサは、排気ガスがリッチであるかリーンであるかに応じた出力を発生する酸素濃度センサであってもよい。
【００６３】
また、上述した実施の形態１においては、内燃機関１０の排気通路１４に触媒３０が一つだけ配置される構成が用いられているが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、排気通路１４には、直列に並んだ複数の触媒を配置することとしてもよい。この場合、複数の触媒の全てを実施の形態１における触媒３０とみなして既述の処理を行うことにより、エミッションを悪化させることなく全ての触媒の活性を高めることができる。また、直列に並んだ複数の触媒のそれぞれを触媒３０とみなして個々の触媒につき別個に活性化制御を行うことによっても、排気エミッションを悪化させることなく全ての触媒の活性を高めることができる。
【００６４】
尚、上述した実施の形態１においては、触媒３０が前記第１の発明における「三元触媒装置」に相当していると共に、ECU４０が上記ステップ１０４〜１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「リーン空燃比維持手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「リッチ空燃比維持手段」が、それぞれ実現されている。
【００６６】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、個々のブロックの流出酸素過不足量Cgout(N)を推定することにより前記第１の発明における「触媒内酸素過不足量推定手段」が実現されていると共に、ECU４０に、特定ブロックXにおけるCgout(N)に基づいてリッチスパイク制御の開始タイミング及びリッチスパイク制御の終了タイミングを判定させることにより前記第１の発明における「リッチ化タイミング判定手段」及び「タイミング判定手段」を実現することができる。
【００６８】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０に、内燃機関１０が定常運転中であるか否かを判断させることにより前記第５の発明における「安定状態判別手段」を実現することができると共に、ECU４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第５の発明における「空燃比制御許可手段」が実現されている。
【００６９】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０に、Cgoutの収束点を検知させることにより前記第６の発明における「収束点検知手段」を、その収束点が上流側に位置するように空燃比制御を実行させることにより前記第６の発明における「空燃比制御手段」を、それぞれ実現することができると共に、ECU４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第６の発明における「空燃比制御許可手段」が実現されている。
【００７０】
実施の形態２．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の装置は、実施の形態１の装置において、ECU４０に、上記図３に示すルーチンに代えて、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００７１】
本実施形態のシステムは、触媒３０の下流に下流空燃比センサ３４を有している。従って、ECU４０は、触媒３０の下流に流出してくる排気ガスの空燃比を実測することができる。一方、ECU４０は、上述した触媒モデルを用いた処理を行うことにより、触媒３０の下流に流出する排気ガス中の酸素過不足量Cgoutを推定することができる。排気ガス中の酸素過不足量Cgoutは、その排気ガスの空燃比と相関を有する値であるため、酸素過不足量Cgoutは空燃比に変換することができ、反対に、空燃比は酸素過不足量Cgoutに変換することができる。このため、本実施形態のシステムは、触媒下流の空燃比の実測値と、触媒下流における酸素過不足量の推定値とが互いに対応しているか否かを判断することができる。
【００７２】
上記の実測値と推定値とが対応している場合は、触媒モデルが、現実の現象を精度良く表していると判断することができる。一方、両者が対応していない場合は、触媒モデルが現実の現象を正しく表していないと判断することができる。そして、後者の場合には、空燃比制御の精度を高めるために、触媒モデルに含まれる適合値（上記（１）式におけるδCg、および上記（３）式における適合係数K）に適当な修正を施すことが望ましい。
【００７３】
本実施形態において、ECU４０は、上記の要求を満たすべく、触媒下流における空燃比の実測値と、その位置における酸素過不足量Cgoutの推定値とが対応していない場合は、両者が対応するように、適当な修正幅だけ、δCgおよびKに修正を施すこととした。このため、本実施形態のシステムによれば、経時変化等に影響されることなく、触媒モデルを、常に現実の現象に適合したモデルに維持しておくことができる。
【００７４】
以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、触媒モデルが常に現実の現象を表すように、適宜そのモデルに対して修正が施される。ところで、触媒モデルに修正を施す必要が生ずるのは、触媒３０の特性が劣化等により変化した場合である。そして、その修正が頻繁に行われる場合、或いは、その修正に大幅な補正が必要な場合は、触媒３０の状態が不安定であり、流出酸素過不足量Cgoutの推定精度が疑わしい場合である。
【００７５】
本実施形態のシステムは、実施の形態１の場合と同様に、目標空燃比を強制的にリーンおよびリッチに振動させる手法で触媒３０の活性化制御を実行する。そして、ここでは、特定ブロックXの流出酸素過不足量Cgoutに基づいて目標空燃比の反転タイミングが判定される（実施の形態１の変形例参照）。このような判定手法が用いられる場合は、特定ブロックXが下流側に位置するほど、触媒３０内の広い領域の活性向上が可能となる一方、触媒下流への未浄化成分の吹き抜けが生じ易い状態となる。
【００７６】
触媒３０の状態が安定しており、Cgoutの推定精度が高い場合は、特定ブロックXを十分に下流側に設定しても触媒下流への未浄化成分の吹き抜けを防ぎつつ活性化制御を行うことができる。従って、この場合は、特定ブロックXを十分に下流側に設定して、触媒内の広い領域を対象としてその活性の向上を図ることが望ましい。一方、触媒３０の状態が不安定であり、Cgoutの推定精度が低い場合は、触媒３０の下流に未浄化成分が吹き抜けることがないように、特定ブロックXを上流側に移行したうえで活性化制御を実行することが望ましい。そこで、本実施形態のシステムは、触媒モデルの修正頻繁や補正幅により触媒３０の安定性、つまり、流出酸素過不足量Cgoutの推定精度を判断し、その判断に従って特定ブロックXの位置を適宜設定することとした。
【００７７】
図６は、上記の機能を実現すべく本実施形態においてECU４０が実行する制御ルーチンのフローチャートを示す。
図６に示すルーチンでは、先ず、空燃比フィードバック制御が実行されているか否かが、具体的な処理としては、そのための実行条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１２０）。
【００７８】
空燃比フィードバック制御の実行条件が成立していないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、その条件が成立していると判別された場合は、次に、触媒モデルを用いた上記の処理により、触媒３０内の全てのブロックにつき、流出酸素過不足量Cgout(N)が算出される（ステップ１２２）。
【００７９】
流出酸素過不足量Cgout(N)が算出されると、次に、その算出値が実質的にゼロとなる収束ブロックの番号♯が計算される（ステップ１２４）。
触媒３０内の個々のブロックには、上流側から下流側に向かって一つずつ番号が大きくなるように、１から順に番号が付されている。本ステップ１２４では、収束点と判断されたブロックの番号が収束ブロック番号♯として記憶される。
【００８０】
次に、前回の処理サイクル時から今回の処理サイクル時にかけて、収束ブロックが触媒３０の中から消滅しており、かつ、下流空燃比センサ３４の出力変化がないという状況が生じているか否かが判別される（ステップ１２６）。
この条件は、触媒モデルを用いた推定によれば触媒３０の下流に酸素過不足のある排気ガスが流出し始めたと判断できるにも関わらず、下流空燃比センサ３４によればそのような状況が検出されていない場合にのみ成立する。つまり、本ステップ１２６において判別される条件は、推定による酸素過不足量Cgoutと、実測による空燃比との対応がとれていない場合に限って成立する条件の一つである。
【００８１】
ステップ１２６において上記条件が不成立であると判別された場合は、次に、今回の処理サイクル時において触媒３０の内部に収束点が検知されているにも関わらず、前回の処理サイクル時から今回の処理サイクル時にかけて、下流空燃比センサ３４の出力に顕著な変化が生じているという状況が生じているか否かが判別される（ステップ１２８）。
この条件は、推定による酸素過不足量Cgoutと、実測による空燃比との対応がとれていない場合に限って成立するもう一つの条件である。
【００８２】
上記ステップ１２６の条件、および上記ステップ１２８の条件の何れもが成立しない場合は、触媒モデルと現実の状態との間に修正すべきずれは認められないと判断することができる。この場合、以後、速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、それらの条件の何れかが成立する場合は、触媒モデルに修正すべきずれが生じていると判断することができる。図６に示すルーチンでは、この場合、先ず、触媒モデルに対して適当な補正が施されると共に、補正回数の積算処理、つまり、前回の処理サイクル時までに行われていた補正回数に１を加える処理が行われる（ステップ１３０）。
【００８３】
次に、「補正回数の積算値」が所定の判定値βを超えたか否か、および触媒モデルに施された「補正量」が所定の判定値γを超えたか否かが判別される（ステップ１３２）。
【００８４】
上記ステップ１３２において、「補正回数の積算値」としては、触媒３０が新品の状態で使用され始めた後に行われた全ての補正回数の積算値、或いは現時点から遡って過去一定期間の間に行われた補正回数の積算値を用いることができる。前者の積算値は触媒モデルが過去にどれだけ補正されたかを表している。触媒モデルの補正は、触媒３０の劣化が進むのに追従して行われるため、その値は、触媒３０にどの程度の劣化が生じているかに対応している。従って、前者の積算値によれば、適当な判定値βとの比較を行うことで、触媒３０の定常的な不安定度を判断することができる。また、後者の積算値は、触媒モデルの補正がどの程度の頻度で行われているかを表している。触媒モデルの補正は、触媒３０の劣化が進むほど頻繁に行われ易くなる。従って、後者の積算値も触媒３０の劣化状態を表しており、その値によれば、適当な判定値βとの比較を行うことにより、触媒３０の現時点での不安定度を判断することができる。
【００８５】
同様に、上記ステップ１３２において、「補正量」としては、触媒３０が新品の状態で使用され始めた後に行われた全ての補正に伴う補正量（つまり個々の補正量の積算値）、或いは今回の処理サイクルにおいて行われた補正に伴う補正量を用いることができる。前者の補正量は触媒モデルが過去にどれだけ補正されたかを表しているため、その値によれば、適当な判定値γとの比較を行うことで、触媒３０の定常的な不安定度を判断することができる。また、後者の補正量は、触媒モデルにどの程度急激な変化が要求されたかを表しており、その値によれば、適当な判定値γとの比較を行うことにより、触媒３０の現時点での不安定度を判断することができる。
【００８６】
このように、上記ステップ１３２の処理によれば、補正回数が判定値βを超えているか否かに基づいて、また、補正量が判定値γを超えているか否かに基づいて、触媒３０の状態が安定しているのか、或いは不安定であるのかを判定することができる。図６に示すルーチンでは、それら２つの条件が何れも成立しない場合は、触媒３０の状態が安定しており、Cgoutの推定精度が高いと判断され、以後、何ら処理が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。一方、それらの条件の少なくとも一方が成立する場合には、Cgoutの推定精度が低いと判断され、特定ブロックXが上流側に移行される（ステップ１３４）。
【００８７】
以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、流出酸素過不足量Cgoutの推定精度が高いと判断できる場合は特定ブロックXを触媒３０内の十分に下流側の位置に設定し、また、触媒３０の状態が不安定でありCgoutの推定精度が低いと判断できる場合は、特定ブロックXを触媒３０内の上流側の位置に移行することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、触媒３０の状態が安定している場合には、未浄化成分の吹き抜けを防止しつつ、広い領域において触媒３０の活性向上を図ることができ、また、触媒３０の状態が不安定な場合には、未浄化成分の吹き抜けを防止し得る限度内で、触媒３０の活性向上を図ることができる。
【００８８】
ところで、上述した実施の形態３の装置は、内燃機関１０の排気通路１４に触媒３０が一つだけ配置される構造を有しているが、本発明の適用が可能な構造は、このような構造に限定されるものではない。すなわち、本発明は、図７（Ａ）または図７（Ｂ）に示すように、排気通路１４に、直列に配置された２つの触媒５０，５２を備える構造に対しても適用することが可能である。
【００８９】
図７（Ａ）は、上流触媒５０の前後に上流空燃比センサ５４および下流空燃比センサ５６を備える構造を示す。この構造によれば、上流空燃比センサ５４を実施の形態２における上流空燃比センサ３２として用いることにより、直列に並んだ２つの触媒５０，５２の双方を対象として、個々のブロックの流出酸素過不足量Cgout(N)を推定することができる。そして、特定ブロックXを下流触媒５２中に設定することにより、２つの触媒５０，５２の双方を対象として活性化制御を行うことができる。
【００９０】
図７（Ａ）に示す構成によれば、また、下流空燃比センサ５６を実施の形態２における下流空燃比センサ３４として用いることにより、上流触媒５０についての触媒モデルが現実の状態に対応しているか否かを判断することができる。更に、それらが対応していない場合には、両者が対応するように上流触媒５０の触媒モデルを修正すると共に、その修正の程度から類推して下流触媒５２についての触媒モデルを修正することができる。そして、要求される修正頻度や補正幅に基づいてCgoutの推定精度を判断し、その判断に従って、特定ブロックXを適当に上流側、或いは下流側の適正位置に設定することができる。
【００９１】
図７（Ｂ）は、上流触媒５０の上流に上流空燃比センサ５４を備えると共に、下流触媒５２の下流に下流空燃比センサ５６を備える構造を示す。この構造によれば、図７（Ａ）に示す構造の場合と同様に、上流空燃比センサ５４を用いることにより触媒５０，５２内部の流出酸素過不足量Cgout(N)を推定すると共に、特定ブロックXを下流触媒５２中に設定することにより、２つの触媒５０，５２の双方を対象とした活性化制御を行うことができる。
【００９２】
図７（Ｂ）に示す構成によれば、また、下流空燃比センサ５６を実施の形態２における下流空燃比センサ３４として用いることにより、２つの触媒５０，５２の双方につき、触媒モデルが現実の状態に対応しているか否かを判断することができる。更に、それらが対応していない場合には、両者が対応するようにそれらの触媒モデルを修正することができる。そして、要求される修正頻度や補正幅に基づいてCgoutの推定精度を判断し、その判断に従って、特定ブロックXを適当に上流側、或いは下流側の適正位置に設定することができる。
【００９３】
ところで、上述した実施の形態２においては、特定ブロックXの流出酸素過不足量Cgout(X)に基づいて目標空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えるタイミング、およびリッチスパイク制御を終了するタイミングを判断することとし、触媒３０の不安定度（Cgoutの推定精度）に基づいて特定ブロックXの位置を適宜設定することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上記の切り換えタイミングは、触媒３０の酸素吸蔵容量ost或いは酸素吸蔵率φostに基づいて判断することができ、その場合、ostやφostと比較すべき判定値（図３におけるα参照）を触媒３０の不安定度に基づいて適宜増減することによれば、実施の形態２の場合と同様の効果を得ることができる。
【００９４】
尚、上述した実施の形態２においては、下流空燃比センサ３４が前記第１の発明における「酸素過不足状態実測センサ」が実現されている。また、 ECU ４０が上記ステップ１２２〜１３２の処理を実行することにより前記第１の発明における「整合性判断手段」が、上記ステップ１３４の処理を実行することにより前記第１の発明における「特定位置移行手段」が、それぞれ実現されている。更に、 ECU ４０が、上記ステップ１２２及び１２４の処理を実行することにより前記第２又は第３の発明における「収束点検知手段」が、上記ステップ１２６及び１３０の処理を実行することにより前記第２の発明における「推定手法補正手段」が、上記ステップ１２８及び１３０の処理を実行することにより前記第３の発明における「推定手法補正手段」が、それぞれ実現されている。
【００９５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、空燃比を浅いリーンにすることで触媒に酸素を吸蔵させ、空燃比を深いリッチにすることで触媒から酸素を放出させることができる。空燃比をリーン化する際に、そのリーン化の程度が浅いものであれば大きなトルク変動は生じない。このため、本発明によれば、内燃機関のトルク変動を十分に抑制しつつ触媒の活性を高めることができる。また、本発明によれば、触媒内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定しつつ、特定位置における酸素過剰量が判定値以上となった場合に、つまり、特定位置の下流に判定値以上の酸素を含む排気ガスが流出し始めた場合に、特定位置以前の領域に十分な酸素が吸蔵されたものとして、空燃比を浅いリーンから深いリッチに切り換えることができる。更に、特定位置における酸素不足量が判定値以上となった場合に、空燃比を深いリッチとする制御を終わらせることができる。また、本発明によれば、所定位置における酸素過不足量の推定値と、実測された酸素過不足状態とが整合しない場合に、前記特定位置を上流側に移行させることができる。このため、本発明によれば、三元触媒装置の状態が安定している場合には、未浄化成分の吹き抜けを防止しつつ、広い領域において三元触媒装置の活性向上を図ることができ、また、三元触媒装置の状態が不安定な場合には、未浄化成分の吹き抜けを防止し得る限度内で、三元触媒装置の活性向上を図ることができる。
【００９６】
第２の発明によれば、酸素過不足量の収束点が三元触媒装置の中から消滅した時点で、酸素過不足状態実測センサの出力変化がない場合に、収束点の消滅の時点と出力変化の時点とが一致するように、酸素過不足量の推定手法を補正することができる。更に、その補正が頻繁に、或いは大きな補正幅を伴って行われる場合は、酸素過不足量の推定値と実測値が整合しないと判断して、特定位置を上流側に移行することができる。
【００９７】
第３の発明によれば、酸素過不足量の収束点が三元触媒装置の中に検知されているにも拘わらず、酸素過不足状態実測センサの出力に変化がみとめられた場合に、収束点の消滅の時点と出力変化の時点とが一致するように、酸素過不足量の推定手法を補正することができる。更に、その補正が頻繁に、或いは大きな補正幅を伴って行われる場合は、酸素過不足量の推定値と実測値が整合しないと判断して、特定位置を上流側に移行することができる。
【０１００】
第４の発明によれば、直列に並んだ複数の触媒ユニットを対象として、エミッション特性を損なうことなく、それらの活性を高めることができる。
【０１０１】
第５の発明によれば、空燃比を強制的にリッチおよびリーンに振動させる制御を内燃機関の安定時にのみ許可することができるため、未浄化成分の吹き抜けを有効に防止することができる。
【０１０２】
第６の発明によれば、空燃比を強制的にリッチおよびリーンに振動させる制御を、収束点が基準位置より上流にある場合にのみ許可することができるため、未浄化成分の吹き抜けを有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１において用いられる触媒モデルの概念を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】混合気の空燃比と内燃機関の出力トルクとの関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２の制御手法を適用することができる他の構成の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１０内燃機関
１２吸気通路
１４排気通路
３０触媒
４０ ECU(Electronic Control Unit)
Cgin 触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量
Cgout 触媒から流出する排気ガス中の酸素過不足量
Cgout(N) 第N段のブロックから流出する排気ガス中の酸素過不足量
Cgin(N) 第N段のブロックに流入する排気ガス中の酸素過不足量
ost(N) 第N段のブロックの酸素吸蔵量
OSC(N) 第N段のブロックの酸素吸蔵容量
Cgout(X) 特定ブロックXから流出する排気ガス中の酸素過不足量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine, and more particularly to an air-fuel ratio control device suitable as a device for controlling the air-fuel ratio of an internal combustion engine having a three-way catalyst device in an exhaust passage.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as disclosed in, for example, JP-A-2002-115590, a three-way catalyst disposed in an exhaust passage by forcibly oscillating an air-fuel ratio of exhaust gas exhausted from an internal combustion engine richly and leanly 2. Description of the Related Art An air-fuel ratio control device that increases the activity of a device (hereinafter simply referred to as “catalyst”) is known. Hereinafter, the control for forcibly oscillating the air-fuel ratio as described above is referred to as “perturbation control”.
[0003]
When the exhaust air-fuel ratio is lean, the catalyst purifies (reduces) by storing excess oxygen in the exhaust gas. On the other hand, when the exhaust air-fuel ratio is rich, the catalyst releases the stored oxygen. The exhaust gas is purified by oxidizing the unburned components. In the perturbation control described above, the air-fuel ratio is repeatedly made rich or lean so that the state in which all the stored oxygen in the catalyst is released and the state in which the catalyst fully stores oxygen are repeated. It is known that when such a state is repeated, the activity of the catalyst is enhanced and the oxygen storage capacity thereof is increased. The catalyst exhibits an excellent purification capacity as it has a large oxygen storage capacity. For this reason, according to the conventional apparatus, it is possible to improve or maintain the emission characteristics of the internal combustion engine by executing the perturbation control.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-115590 A
[Patent Document 2]
JP 7-259602 A
[Patent Document 3]
JP 2002-195080 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the perturbation control described above causes the air-fuel ratio to vibrate greatly both on the rich side and on the lean side. Variations in the air-fuel ratio cause torque variations in the internal combustion engine. That is, the output torque of the internal combustion engine is determined by the amount of fuel and air (oxygen) combusted in the cylinder. In an internal combustion engine, the amount of air flowing into the cylinder can be strictly controlled. If the air flowing into the cylinder is strictly controlled, even if a large amount of fuel is supplied, the fuel combustion amount does not change so much. For this reason, the output torque of the internal combustion engine does not change greatly when the air-fuel ratio is enriched in the process of perturbation control.
[0006]
On the other hand, when the air-fuel ratio is made lean, if the amount of fuel flowing into the cylinder increases from the planned amount, the fuel combustion amount becomes larger than the planned amount. The amount of fuel flowing into the cylinder increases and decreases relatively easily with changes in the amount of port wet adhering to the intake port and intake valve. For this reason, the above-described perturbation control has a characteristic that the output torque of the internal combustion engine can be easily changed, particularly when the air-fuel ratio is set to the lean side.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and provides an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine capable of enhancing the activity of a catalyst disposed in an exhaust passage while sufficiently suppressing torque fluctuations of the internal combustion engine. The purpose is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, a first invention is an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine,
  A three-way catalyst device that is disposed in the exhaust passage and purifies exhaust gas exhausted from the internal combustion engine;
  The exhaust air-fuel ratio upstream of the three-way catalyst device is maintained at a lean air-fuel ratio that is larger than the theoretical air-fuel ratio by a first set value until the three-way catalyst device is in a first oxygen storage state in which oxygen is sufficiently stored. Lean air-fuel ratio maintaining means;
  After the three-way catalyst device is in the first oxygen storage state, the exhaust air / fuel ratio upstream of the three-way catalyst device is set to the first setting until the three-way catalyst device is in a second oxygen storage state in which oxygen is sufficiently released. Rich air-fuel ratio maintaining means for maintaining a rich air-fuel ratio smaller than the stoichiometric air-fuel ratio by a second set value larger than the value;
  An oxygen excess / deficiency estimation means in the catalyst capable of estimating the oxygen excess / deficiency in the exhaust gas flowing inside the three-way catalyst device for each position in the exhaust gas flow direction;
  Enrichment timing determination means for determining whether or not the first oxygen storage state is established when an excess oxygen amount at a specific position is equal to or greater than a determination value under a condition in which an exhaust air-fuel ratio is maintained at the lean air-fuel ratio;
  Timing determination means for determining the establishment of the second oxygen storage state when an oxygen shortage amount at the specific position is equal to or greater than a determination value under a situation where the exhaust air-fuel ratio is maintained at the rich air-fuel ratio;
  An oxygen excess / deficiency state measurement sensor for actually measuring an oxygen excess / deficiency state of exhaust gas flowing through a predetermined position after the most upstream position of the three-way catalyst device;
  Consistency determining means for determining whether or not the estimated value of the oxygen excess / deficiency at the predetermined position is consistent with the actually measured oxygen excess / deficiency state;
  A specific position shifting means for shifting the specific position to the upstream side of the three-way catalyst device when the matching is denied;
  It is characterized by providing.
[0009]
  The second invention is the first invention, wherein
  The predetermined position is a downstream position of the three-way catalyst device;
  Based on the estimation result of the oxygen excess / deficiency, the oxygen excess / deficiency in the exhaust gasIs virtually zeroConvergence point detecting means for detecting the convergence point;
  When the convergence point disappears from the three-way catalyst device and there is no change in the output of the oxygen excess / deficiency state measurement sensor, the convergence point disappears at the same time as the output change. And an estimation method correction means for correcting the estimation method by the oxygen excess / deficiency estimation means in the catalyst,
  The consistency determination unit denies the alignment when the correction frequency of the estimation method is equal to or greater than a determination frequency, or when the correction width of the estimation method is equal to or greater than a determination width.
[0010]
  The third invention is the first invention, wherein
  The predetermined position is a downstream position of the three-way catalyst device;
  Based on the estimation result of the oxygen excess / deficiency, the oxygen excess / deficiency in the exhaust gasIs virtually zeroConvergence point detecting means for detecting the convergence point;
  In the situation where the convergence point is detected in the three-way catalyst device, when a change is recognized in the output of the oxygen excess / deficiency state actual measurement sensor, the point of disappearance of the convergence point and the output change An estimation method correction means for correcting the estimation method by the oxygen excess / deficiency estimation means in the catalyst so as to coincide with the time point,
  The consistency determination unit denies the alignment when the correction frequency of the estimation method is equal to or greater than a determination frequency, or when the correction width of the estimation method is equal to or greater than a determination width.
[0013]
  The second4The invention of the first to the first3In any one of the inventions, the three-way catalyst device includes a plurality of catalyst units arranged in series.
[0014]
  The second5The invention of the first to the first4In any of the inventions of
  Stable state determining means for determining whether or not the state of the internal combustion engine is stable;
  An air-fuel ratio control permitting means for permitting the operation of the lean air-fuel ratio maintaining means and the rich air-fuel ratio maintaining means only when the state of the internal combustion engine is stable;
  It is characterized by providing.
[0015]
  According to a sixth invention, in any one of the first to fifth inventions,
  Based on the estimation result of the oxygen excess / deficiency, the oxygen excess / deficiency in the exhaust gasIs virtually zeroConvergence point detecting means for detecting the convergence point;
  Air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio so that the convergence point is located upstream in the three-catalyst device;
  An air-fuel ratio control permission means for permitting the operation of the lean air-fuel ratio maintenance means and the rich air-fuel ratio maintenance means only when the convergence point is located upstream from the reference position;
  It is characterized by providing.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0017]
Embodiment 1 FIG.
[Description of system configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the present embodiment includes an internal combustion engine 10. An intake passage 12 and an exhaust passage 14 communicate with the internal combustion engine 10.
An air flow meter 16 that detects the amount of air flowing through the intake passage 12, that is, the amount of intake air Ga flowing into the internal combustion engine 10, is arranged. A throttle valve 18 is disposed downstream of the air flow meter 16. The throttle valve 18 is an electronically controlled valve that is driven by the throttle motor 20 based on the accelerator opening. A throttle position sensor 22 for detecting the throttle opening and an accelerator position sensor 24 for detecting the accelerator opening are arranged in the vicinity of the throttle valve 18.
[0018]
The internal combustion engine 10 is a multi-cylinder engine having a plurality of cylinders, and FIG. 1 shows a cross section of one of the cylinders. Each cylinder included in the internal combustion engine 10 is provided with an intake port that communicates with the intake passage 12 and an exhaust port that communicates with the exhaust passage 14. Each intake port is provided with a fuel injection valve 25 for injecting fuel therein. Each intake port and exhaust port is provided with an intake valve 26 and an exhaust valve 28 for conducting or blocking the intake passage 12 or the exhaust passage 14 and the combustion chamber of the internal combustion engine 10, respectively.
[0019]
The internal combustion engine 10 includes a crank angle sensor 29 in the vicinity of the crankshaft. The crank angle sensor 29 can detect the rotational position of the crankshaft, the rotational speed of the crankshaft, that is, the rotational speed NE of the internal combustion engine 10 and the like.
[0020]
A catalyst 30 for purifying exhaust gas is disposed in the exhaust passage 14 of the internal combustion engine 10. The catalyst 30 occludes oxygen when lean exhaust gas containing oxygen is supplied, and oxygen occluded therein when rich exhaust gas lacking oxygen is supplied. It is a three-way catalyst that purifies exhaust gas by releasing. An upstream air-fuel ratio sensor 32 and a downstream air-fuel ratio sensor 34 for detecting whether the exhaust air-fuel ratio A / F is rich or lean at each position are arranged upstream and downstream of the catalyst 30. . Further, the catalyst 30 is provided with a catalyst temperature sensor 36 for detecting an internal temperature Temp.
[0021]
The system shown in FIG. 1 includes an ECU (Electronic Control Unit) 40. The ECU 40 is a unit that controls the operating state of the internal combustion engine 10. The various actuators and sensors described above are driven by the ECU 40 and supply output signals and the like to the ECU 40.
[0022]
[Description of basic operation of air-fuel ratio feedback control]
In the system of the present embodiment, the fuel injection amount for the internal combustion engine 10 is determined by the time during which the fuel injection valve 25 is opened for each cycle, that is, the fuel injection time TAU. The ECU 40 controls the fuel injection time TAU so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst 30, that is, the exhaust air-fuel ratio A / F, repeats a rich value and a lean value near the stoichiometric air-fuel ratio.
[0023]
More specifically, the ECU 40 first calculates a basic fuel injection time TAU0 for realizing the theoretical air-fuel ratio, based on the intake air amount Ga. Then, the ECU 40 determines the final fuel injection time TAU by multiplying the TAU0 by the feedback correction coefficient FAF. The feedback correction coefficient FAF is updated in a decreasing direction while the exhaust air-fuel ratio A / F detected by the upstream air-fuel ratio sensor 32 is rich. As a result, the fuel injection time TAU is reduced, and the exhaust air / fuel ratio A / F is corrected in the lean direction. Further, the feedback correction coefficient FAF is updated in an increasing direction while the exhaust air-fuel ratio A / F is lean. As a result, the fuel injection time TAU is extended, and the exhaust air / fuel ratio A / F is corrected in the rich direction. By repeatedly performing such control, the exhaust air-fuel ratio A / F upstream of the catalyst 30 changes so as to vibrate in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio.
[0024]
When the exhaust air-fuel ratio A / F upstream of the catalyst 30 repeats oscillation in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio as described above, the catalyst 30 has rich exhaust gas and lean exhaust gas, that is, oxygen-deficient exhaust gas and Excess oxygen-exhaust gas is alternately supplied for an appropriate period. When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst 30 shows such a change, oxygen release and occlusion are appropriately repeated inside the catalyst 30. As a result, the exhaust gas purification ability of the catalyst 30 is increased. It will be maintained stably. As described above, in the system of the present embodiment, by performing air-fuel ratio feedback control based on the output of the upstream air-fuel ratio sensor 32, the catalyst 30 can continuously exhibit a desired exhaust gas purification capability.
[0025]
However, the purification capability of the catalyst 30 can be maintained by the above-described air-fuel ratio feedback control only when there is a surplus in the oxygen storage capability inside the catalyst 30. That is, even if the exhaust air-fuel ratio A / F is continuously oscillated upstream of the catalyst 30, due to various factors, the internal state of the catalyst 30 is such that oxygen is occluded to the full occlusion capacity or all the occluded oxygen is present. A released state may be formed. When the lean exhaust gas flows into the catalyst 30 in the former case, and when the rich exhaust gas flows into the catalyst 30 in the latter case, the unpurified exhaust gas blows out downstream of the catalyst 30.
[0026]
In order to maintain good emission characteristics of the internal combustion engine 10 at all times, it is desirable to avoid such blowout of unpurified components. Furthermore, in the sense of ensuring the surplus capacity of the catalyst 30 against the rough exhaust air-fuel ratio A / F, a state in which an appropriate amount of oxygen is occluded in the entire area of the catalyst 30, more specifically, the entire area of the catalyst 30 is It is desirable to maintain a state where approximately half of the maximum oxygen amount that can be stored is stored.
[0027]
Therefore, in the system of the present embodiment, the internal state of the catalyst 30 is estimated for each position in the exhaust gas flow direction, that is, the oxygen storage state at each position and the oxygen excess or deficiency in the exhaust gas flowing at each position. The amount (air-fuel ratio) is estimated, and based on the estimation result, the air-fuel ratio control method is corrected so that the above-described desirable state is formed. Hereinafter, specific processing contents executed by the ECU 40 in order to realize such functions will be described.
[0028]
[Description of catalyst model]
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a catalyst model used in the present embodiment. In the present embodiment, the ECU 40 estimates the internal state of the catalyst 30 using a catalyst model described below. Hereinafter, the contents of the catalyst model and the state estimation method using the model will be described in detail with reference to FIG.
[0029]
As shown in FIG. 2, the catalyst model used in the present embodiment is based on the premise that the catalyst 30 is virtually divided into a plurality of blocks arranged in the exhaust gas flow direction. Here, for the sake of convenience, these blocks are designated as A block, B block,..., H block, I block, J block in order from the upstream side to the downstream side, and each block has a width of Δx. Shall.
[0030]
Cgin shown in FIG. 2 means the amount of the specific component in the exhaust gas flowing into the catalyst 30, that is, the amount of the specific component in the exhaust gas immediately after being discharged from the internal combustion engine 10. Further, Cgout shown in FIG. 2 means the amount of the specific component in the exhaust gas flowing out from the catalyst 30. In the conceptual diagram of the catalyst model shown in FIG. 2, the amount Cgin of the specific component flowing into the catalyst 30 becomes the amount Cgin (A) of the specific component flowing into the A block as it is. Further, the amount Cgout (A) of the specific component in the exhaust gas discharged from the A block becomes the amount Cgin (B) of the specific component flowing into the B block as it is. This relationship is successively established between adjacent blocks, and the amount Cgout (J) of the specific component flowing out from the most downstream block J becomes the amount Cgout of the specific component flowing out from the catalyst 30 as it is. In the present specification, Cgin (N) and Cgout (N) represent the amount of the specific component flowing into the Nth block and the amount of the specific component flowing out from the Nth block, respectively.
[0031]
The above relationship is established for each of various components contained in the exhaust gas, such as NOx, CO, HC, and O2. In the following description of the catalyst model, it is assumed that the specific component is oxygen for the sake of simplicity. Cgin, Cgout, Cgin (N), and Cgout (N) are variables that indicate the amount of oxygen contained in the exhaust gas as a positive value and the amount of oxygen deficiency in the exhaust gas as a negative value. Under these assumptions, in the following description, Cgin and Cgin (N) are referred to as “inflow oxygen excess / deficiency”, and Cgout and Cgout (N) are referred to as “outflow oxygen excess / deficiency”. To do.
[0032]
In the present embodiment, the ECU 40 stores a model for calculating the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) of each block based on the inflow oxygen excess / deficiency Cgin (N) of each block ( Details will be described later). According to this model, Cgout (A) can be obtained based on Cgin, that is, Cgin (A), and Cgout (B) can be obtained based on Cgout (A), that is, Cgin (B). By repeating the same calculation, the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) in each block can be sequentially obtained. By performing the calculation up to the J block, the outflow oxygen excess / deficiency downstream of the catalyst 30 is obtained. Cgout can be obtained.
[0033]
According to the system shown in FIG. 1, the exhaust air-fuel ratio A / F detected by the upstream air-fuel ratio sensor 32 and the intake air amount Ga detected by the air flow meter 16 (or the fuel injection calculated based on the Ga) The amount of oxygen excess / deficiency in the exhaust gas flowing out from the internal combustion engine 10, that is, the amount of oxygen excess / deficiency Cgin in the exhaust gas flowing into the catalyst 30 can be obtained. Therefore, the ECU 40 can calculate the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) for all the blocks from the A block to the J block by repeatedly performing the calculation using the catalyst model described above. The outflow oxygen excess / deficiency Cgout can be obtained.
[0034]
Next, a specific method by which the ECU 40 obtains the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) in the block based on the inflow oxygen excess / deficiency Cgin (N) in the N-th block will be described.
The following expression (1) is an arithmetic expression used by the ECU 40 to estimate the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (t + Δt, N) of the N-th block at time t + Δt.

However, δCg is a function to be expressed as δCg (Ga, Temp, φost (t, N)), that is, the intake air amount Ga, the catalyst temperature Temp, and the oxygen storage rate φost of the N-th block at time t. It is a function of (t, N). The ECU 40 stores a map or an arithmetic expression that defines the relationship between Ga, Temp, and φost, and δCg, and calculates δCg using the map or the arithmetic expression.
[0035]
δCg physically means the amount of oxygen that the catalyst 30 occludes or releases per unit time and unit length. The sign of ΔCg is set to be positive when the Nth stage block occludes oxygen, while it is set to be negative when oxygen is released. Specifically, the exhaust gas flowing into the Nth stage block is lean, and the sign of δCg is positive (δCg> 0) under the condition that the block occludes oxygen, on the contrary, the Nth stage block The sign of δCg is negative (δCg <0) when the exhaust gas flowing into is rich and the block releases oxygen.
[0036]
That is, in the above equation (1), the second term “δCg × Δt × Δx” on the right side corresponds to the amount of oxygen occluded or released during the time Δt in the N-th stage block (width Δx). Yes. Here, in the above equation (1), the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (t + Δt, N−1) of the N−1th block included in the first term on the right side is the time when the exhaust gas flowing therethrough is lean. It means the excess oxygen in the exhaust gas flowing out from the block of the (N−1) -th stage at t + Δt. Therefore, according to the above equation (1), in this case, the oxygen amount δCg stored in the N-th block is reduced from the excess oxygen in the exhaust gas flowing out from the N-th block. The value is calculated as the excess oxygen deficiency Cgout (t + Δt, N) in the Nth stage, that is, as the excess oxygen in the exhaust gas flowing out from the Nth stage block.
[0037]
When the exhaust gas flowing out from the (N−1) th stage block is rich at time t + Δt, the first term Cgout (t + Δt, N−1) on the right side of the above equation (1) is It means the oxygen deficiency in the exhaust gas flowing out from the block. Therefore, according to the above equation (1), in this case, the amount of oxygen δCg released from the Nth stage block is added to the oxygen deficiency in the exhaust gas flowing out from the N-1st stage block. The value is calculated as the outflowing oxygen deficiency Cgout (t + Δt, N) in the Nth stage block, that is, as the oxygen deficiency in the exhaust gas flowing out from the Nth stage block.
[0038]
Of the three factors that determine δCg, the intake air amount Ga and the catalyst temperature Temp can be detected by the air flow meter 16 and the catalyst temperature sensor 36, respectively. The remaining one factor, that is, the oxygen storage rate φost (t, N), is expressed by the following equation (2): the oxygen storage amount ost (t, N) of the N-th block at time t and the N-th stage It is a ratio with the oxygen storage capacity OSC (N) of the block.
φost (t, N) = ost (t, N) / OSC (N) (2)
[0039]
The oxygen storage capacity OSC (N) can be obtained by a method similar to a known method for obtaining the oxygen storage amount OSC of the catalyst 30. For example, the value OSC (N) can be obtained by the following method. That is, first, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the block is kept rich until all the oxygen stored in the N-th block is released. If it can be determined that all the oxygen has been released (if rich exhaust gas flows out downstream of the Nth stage block), then the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into that block is changed to lean. Thereafter, the oxygen amount in the exhaust gas flowing into the N-th block until the full oxygen is stored in the N-th block (until lean exhaust gas flows out downstream of the N-th block). Accumulate. According to this method, the final value of the integrated value of the oxygen amount can be handled as the oxygen storage capacity OSC (N) in the N-th block. Note that the method for obtaining OSC (N) is not limited to this, and more simply, the value obtained by dividing the OSC of the catalyst 30 by the number of blocks (10 in the present embodiment) may be OSC (N). Good.
[0040]
The ost (t, N) included in the above equation (2) can be obtained from the relational equation shown in the following equation (3). However, here, for convenience of explanation, Expression (3) is expressed in a form for obtaining the oxygen storage amount ost (t + Δt, N) of the N-th block at time t + Δt. In the following equation (3), K included in the second term on the right side is a fitness coefficient.
ost (t + Δt, N) = ost (t, N) + K × δCg × Δt × Δx (3)
[0041]
According to the above equation (3), when the exhaust gas flowing into the N-th block is lean (and therefore δCg is positive), the oxygen storage amount ost (t, N) at time t is A value obtained by adding the amount of oxygen newly stored in the meantime (strictly, the value corrected by the fitness coefficient K) is calculated as the oxygen storage amount ost (t + Δt, N) at time t + Δt. In addition, when the exhaust gas flowing into the Nth stage block is rich (thus, δCg is negative), the amount of oxygen released during time Δt from the oxygen storage amount ost (t, N) at time t A value obtained by subtracting (strictly, the value corrected by the fitness coefficient K) is calculated as the oxygen storage amount ost (t + Δt, N) at time t + Δt.
[0042]
As described above, the ECU 40 uses the catalyst model described above, thereby allowing the excess oxygen deficiency Cgout (N), the oxygen storage rate φost (N), the oxygen storage amount ost (N), etc. Can be requested. The ECU 40 can calculate the values for all the blocks from the A block to the J block by repeatedly applying the above processing to each block.
[0043]
[Description of air-fuel ratio control in this embodiment]
According to the above processing, in the system of this embodiment, where the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) is at the convergence point, and what kind of oxygen excess / deficiency distribution exists upstream of the convergence point. It is possible to detect whether or not And if these information can be acquired, it can be judged whether the convergence point has shifted to the downstream side to such an extent that the unpurified component is blown away, and further, the convergence point is shifted to the upstream side. Therefore, it is possible to determine how to control the air-fuel ratio A / F upstream of the catalyst.
[0044]
Therefore, in the present embodiment, when the convergence point has shifted to the downstream side beyond the predetermined target position, the air-fuel ratio control method is corrected so that the convergence point shifts to the upstream side, thereby unpurified. It is intended to prevent the component from being blown through. Therefore, according to the system of the present embodiment, in principle, the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) can be converged in the upstream region of the catalyst 30, and unpurified components downstream of the catalyst 30. Can be effectively prevented from blowing through.
[0045]
[Description of catalyst activation control in this embodiment]
In the system of the present embodiment, the purification capacity of the catalyst 30 becomes better as the oxygen storage capacity OSC increases. Then, the catalyst 30 is activated by repeating the state where the oxygen is fully occluded and the state where all the occluded oxygen is released, so that the large oxygen occlusion capacity OSC can be recovered. Therefore, in order to maintain the emission characteristics of the internal combustion engine 10 satisfactorily without being affected by changes over time, there are a state in which the catalyst 30 fully stores oxygen and a state in which the catalyst 30 releases all oxygen. It is effective to repeatedly oscillate the exhaust air-fuel ratio upstream of the catalyst, that is, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine 10 between lean and rich so as to be repeated.
[0046]
However, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture vibrates between rich and lean, the output torque of the internal combustion engine may fluctuate. In particular, as described in the section of the prior art, the output torque of the internal combustion engine 10 tends to become an excessive value under a situation where the air-fuel ratio is lean. Therefore, in the present embodiment, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is made shallower (smaller) on the lean side while being rich so that the activity of the catalyst 30 can be increased without greatly changing the output torque of the internal combustion engine 10. The side was vibrated deeply (largely). In this case, the amount of fluctuation of the output torque that can occur while the air-fuel ratio is lean can be reduced, and as a result, the amount of fluctuation that occurs in the output torque of the internal combustion engine 10 can be sufficiently suppressed. is there.
[0047]
FIG. 3 shows a flowchart of a control routine executed by the ECU 40 to realize the above function.
In the routine shown in FIG. 3, first, it is determined whether or not the execution condition for the activation control of the catalyst 30 is satisfied (step 100).
As described above, in the present embodiment, the activity of the catalyst 30 is improved by forcibly changing the air-fuel ratio between rich and lean. If such control is executed during transient operation, after the oxygen storage amount becomes full due to the influence of an unexpected disturbance, the air-fuel ratio is kept lean or the oxygen storage amount becomes zero. Furthermore, when the air-fuel ratio is kept rich, unpurified components are easily blown downstream of the catalyst 30. Similarly, even when the air-fuel ratio is forcedly oscillated under conditions where the catalyst 30 is unstable or the catalyst 30 is deteriorated, there is a situation in which unpurified components are likely to blow through downstream of the catalyst 30. Arise. For this reason, it is desirable to execute the activation control of the catalyst 30 only when the internal combustion engine 10 maintains a stable operation state and the catalyst 30 exhibits a stable purification ability.
[0048]
In the above step 100, in order to satisfy the above requirements, whether or not the internal combustion engine 10 is in steady operation and the convergence point of the above-mentioned outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) occurs upstream from the predetermined reference block. It is determined whether or not. When the former condition is satisfied, it can be determined that the state of the internal combustion engine 10 is stable. Moreover, when the latter condition is satisfied, it can be determined that the catalyst 30 properly exhibits stable purification ability. In the routine shown in FIG. 3, if it is determined that any of these conditions is not satisfied, it is determined that the activation control execution condition is not satisfied, and then normal air-fuel ratio feedback control is continued. (Step 102).
[0049]
On the other hand, if it is determined in step 100 that both of the above two conditions are satisfied, it is determined that the execution condition for the activation control is satisfied. In this case, the target air-fuel ratio of the air-fuel mixture is then set to a lean air-fuel ratio A / Flean that is larger than the stoichiometric air-fuel ratio by the first set value (step 104).
Lean air-fuel ratio A / Flean is an output torque that significantly deteriorates the drivability of the vehicle even if the amount of fuel supplied into the cylinder is increased compared to the planned injection amount due to the influence of various variables. This value is experimentally determined as a value that does not cause fluctuation. Therefore, when the target air-fuel ratio is set to the lean air-fuel ratio A / Flean in this step 104, thereafter, the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 is increased without accompanying torque fluctuation that affects drivability. Can do.
[0050]
Next, in the routine shown in FIG. 3, the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 is calculated (step 106).
As described above, the ECU 40 can calculate the oxygen storage amount ost (N) in each block in the catalyst 30 by using the above equation (3). In this step 106, the oxygen storage amount ost (N) calculated in this way is integrated for all the blocks, whereby the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 is calculated.
[0051]
Next, it is determined whether or not the oxygen storage amount ost calculated in step 106 exceeds the determination amount α (step 108).
The determination amount α is a value obtained based on the oxygen storage capacity OSC of the catalyst 30. Specifically, for example, an amount corresponding to 80% of the oxygen storage amount OSC is set as the determination amount α. In this case, the condition of this step 108 is determined not to be established until the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 exceeds 80% of the oxygen storage capacity OSC, whereas the establishment is established when ost exceeds 80% of OSC. Determined.
[0052]
In the routine shown in FIG. 3, while it is determined in step 108 that ost> α is not satisfied, the current processing cycle is immediately terminated thereafter. On the other hand, if it is determined that ost> α is established, then the rich spike control is executed, and then the current processing cycle is terminated (step 110).
The rich spike control is a control for maintaining the target air-fuel ratio at a rich air-fuel ratio A / Frich that is smaller than the theoretical air-fuel ratio by a second set value for a predetermined short period. The second set value is a value sufficiently larger than the first set value. Further, a predetermined short period in which the target air-fuel ratio should be maintained at the rich air-fuel ratio A / Frich is occluded in the catalyst 30 on the assumption that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is controlled to the rich air-fuel ratio A / Frich. This is a period necessary for releasing all oxygen, that is, oxygen corresponding to α. For this reason, according to the rich spike control described above, almost all the oxygen stored in the catalyst 30 can be released by biasing the target air-fuel ratio so as to be rich in a short period.
[0053]
FIG. 4 is a timing chart for explaining an operation realized by repeating the routine shown in FIG. 3 described above. More specifically, FIG. 4A shows the waveform of the target air-fuel ratio, and FIG. 4B shows the waveform of the oxygen storage amount ost of the catalyst 30.
[0054]
When the routine shown in FIG. 3 is repeated under the condition that the activation control execution condition is satisfied, as shown in FIG. 4A, the target air-fuel ratio is maintained at a shallow lean value for a relatively long period of time. After that, it is kept rich and rich only for a short period. As a result, as shown in FIG. 4B, the oxygen storage amount ost in the catalyst 30 increases to almost the oxygen storage capacity OSC while the target air-fuel ratio is maintained lean, and then the target air It decreases to almost zero during the period when the fuel ratio is kept rich.
[0055]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of the air-fuel mixture and the output torque T of the internal combustion engine 10. As shown in FIG. 5, the output torque T does not change so much when the air-fuel ratio shifts to the rich side, but may show a large change when the air-fuel ratio shifts to the lean side. According to the routine shown in FIG. 3, the rich air-fuel ratio A / Frich is deep rich, but the lean air-fuel ratio A / Flean is shallow. For this reason, according to the routine shown in FIG. 3, the output torque of the internal combustion engine 10 does not change greatly as the activation control of the catalyst 30 is executed. Further, according to this routine, it is possible to repeatedly realize the state in which the catalyst 30 has occluded oxygen to almost full oxygen storage capacity OSC and the state in which almost all oxygen has been released. For this reason, according to the system of the present embodiment, the activity of the catalyst 30 can be increased without deteriorating the exhaust emission and without greatly changing the output torque of the internal combustion engine 10.
[0056]
In the first embodiment described above, the timing for switching the target air-fuel ratio from shallow lean to deep rich is determined based on whether or not the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 exceeds the determination amount α. The determination method is not limited to this. That is, in the system of the present embodiment, the oxygen storage rate φost can be calculated (see the above equation (2)), so the above determination may be made based on the φost.
[0057]
In the first embodiment described above, rich spike control is continued for a period necessary to release all oxygen stored in the catalyst 30, that is, oxygen corresponding to α. In other words, in the first embodiment, the end timing of the period in which the target air-fuel ratio should be set to a rich rich state is determined based on whether or not the time sufficient to release the total amount of oxygen stored in the catalyst 30 has elapsed. It has been judged. However, the method for determining the end timing is not limited to this. For example, the oxygen storage amount ost or the oxygen storage rate φost in the catalyst 30 is calculated even during execution of the rich spike control, and the end timing of the rich spike control is based on whether or not the ost and φost have decreased to almost zero. May be determined.
[0058]
Further, in the above-described first embodiment or the above-described modified example, whether or not the catalyst 30 occludes oxygen fully and whether or not the catalyst 30 releases almost the entire amount of oxygen are determined. Although the determination is based on the oxygen storage amount ost or the oxygen storage rate φost, the method that the system of the present embodiment can use for the determination is not limited to this.
[0059]
That is, as described above, the system of the first embodiment can calculate the outflow oxygen excess / deficiency Cgout for each block in the catalyst 30. The oxygen excess / deficiency Cgout (N) of the Nth stage block maintains a value close to zero until the entire area before the Nth stage has fully occluded oxygen under conditions where the target air-fuel ratio is lean. Then, after oxygen with full capacity is occluded in that region, the value changes to a value meaning excessive oxygen. Therefore, if it is monitored whether or not Cgout (X) of the specific block X in the catalyst 30 has changed to a value that means excessive oxygen, it is determined whether or not the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 has reached the determination amount. It is possible to judge.
[0060]
Similarly, when considering the case where the target air-fuel ratio is rich, under that circumstance, the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) of the Nth stage block is until all of the stored oxygen is released. Maintains a value close to zero, and changes to a value meaning oxygen deficiency when almost all oxygen in the region is released. Therefore, if it is monitored whether or not Cgout (X) of the specific block X in the catalyst 30 has changed to a value meaning oxygen shortage, whether or not the oxygen storage amount ost of the catalyst 30 has decreased to almost zero. Can be determined.
[0061]
For this reason, in the system of the first embodiment, whether or not the catalyst 30 occludes oxygen to its full capacity and whether or not the catalyst 30 has released almost all of oxygen are determined by the excess or deficiency of outflow oxygen in the specific block X. The determination may be made based on Cgout (X). That is, in the activation control of the catalyst 30, the timing for switching the target air-fuel ratio from shallow lean to deep rich and the timing for ending the rich spike control are determined based on the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (X) of the specific block X. It is also good to do.
[0062]
Further, the system of the first embodiment includes the downstream air-fuel ratio sensor 34 downstream of the catalyst 30 as described above. In this system, when the target air-fuel ratio is maintained at the lean air-fuel ratio A / Flean, the output of the downstream air-fuel ratio sensor 34 decreases from the value near the stoichiometric air-fuel ratio when the catalyst 30 has occluded oxygen to its full capacity. It changes to the value to represent. Similarly, during the execution of the rich spike control, when all the oxygen in the catalyst 30 is released, the output of the downstream air-fuel ratio sensor 34 changes from a value near the stoichiometric air-fuel ratio to a value representing rich. Therefore, in the system of the first embodiment, the timing for switching the target air-fuel ratio from shallow lean to deep rich and the timing for ending the rich spike control may be determined based on the output of the downstream air-fuel ratio sensor 34. .
Note that when the target air-fuel ratio is switched by such a method, the sensor to be disposed downstream of the catalyst 30 is not limited to the air-fuel ratio sensor that generates an output corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas. May be an oxygen concentration sensor that generates an output depending on whether the exhaust gas is rich or lean.
[0063]
Moreover, in Embodiment 1 mentioned above, although the structure by which only one catalyst 30 is arrange | positioned in the exhaust passage 14 of the internal combustion engine 10 is used, the structure of this invention is not limited to this, A plurality of catalysts arranged in series may be arranged in the exhaust passage 14. In this case, it is possible to increase the activities of all the catalysts without deteriorating the emissions by performing the above-described treatment by regarding all of the plurality of catalysts as the catalyst 30 in the first embodiment. Also, the activation of all the catalysts can be increased without deteriorating the exhaust emission by considering each of the plurality of catalysts arranged in series as the catalyst 30 and performing activation control separately for each catalyst.
[0064]
In the first embodiment described above, the catalyst 30 corresponds to the “three-way catalyst device” in the first aspect of the invention, and the ECU 40 executes the processing of steps 104 to 106 described above to execute the first step. The “lean air-fuel ratio maintaining means” in the present invention implements the “rich air-fuel ratio maintaining means” in the first invention by executing the processing of step 110 described above.
[0066]
  In the first embodiment described above, the ECU 40 estimates the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) of each block, and thereby1In the present invention, the “oxygen excess / deficiency estimation means” in the catalyst is realized, and the ECU 40 makes the rich spike control start timing based on Cgout (N) in the specific block X.And rich spike control end timingBy determining1"Rich enrichment timing determination means" in the inventionAnd "timing judgment means"Can be realized.
[0068]
  In the first embodiment described above, the ECU 40 is made to determine whether the internal combustion engine 10 is in steady operation or not.5The “stable state determination means” in the present invention can be realized, and the ECU 40 executes the process of the step 100, whereby the first5The “air-fuel ratio control permitting means” in the present invention is realized.
[0069]
  Further, in the first embodiment described above, the ECU 40 is caused to detect the convergence point of Cgout by detecting the convergence point of Cgout.6The “convergence point detecting means” in the invention of the present invention is configured to execute the air-fuel ratio control so that the convergence point is located upstream.6Each of the “air-fuel ratio control means” in the present invention can be realized, and the ECU 40 executes the processing of step 100 to execute the first step.6The “air-fuel ratio control permitting means” in the present invention is realized.
[0070]
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The apparatus according to the present embodiment can be realized by causing the ECU 40 to execute a routine shown in FIG. 6 described later instead of the routine shown in FIG. 3 in the apparatus according to the first embodiment.
[0071]
The system of this embodiment has a downstream air-fuel ratio sensor 34 downstream of the catalyst 30. Therefore, the ECU 40 can actually measure the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing out downstream of the catalyst 30. On the other hand, the ECU 40 can estimate the oxygen excess / deficiency Cgout in the exhaust gas flowing out downstream of the catalyst 30 by performing the processing using the catalyst model described above. Since the oxygen excess / deficiency Cgout in the exhaust gas is a value correlated with the air / fuel ratio of the exhaust gas, the oxygen excess / deficiency Cgout can be converted to the air / fuel ratio. The amount can be converted to Cgout. Therefore, the system of the present embodiment can determine whether or not the measured value of the air-fuel ratio downstream of the catalyst and the estimated value of the oxygen excess / deficiency downstream of the catalyst correspond to each other.
[0072]
When the measured value and the estimated value correspond to each other, it can be determined that the catalyst model accurately represents an actual phenomenon. On the other hand, if the two do not correspond, it can be determined that the catalyst model does not correctly represent the actual phenomenon. In the latter case, in order to improve the accuracy of the air-fuel ratio control, an appropriate correction is made to the fitting values (δCg in the above equation (1) and the fitting coefficient K in the above equation (3)) included in the catalyst model. It is desirable to apply.
[0073]
In the present embodiment, in order to satisfy the above-described requirements, the ECU 40 seems to respond if the actual measured value of the air-fuel ratio downstream of the catalyst does not correspond to the estimated value of the oxygen excess / deficiency Cgout at that position. In addition, ΔCg and K were corrected by an appropriate correction width. For this reason, according to the system of the present embodiment, the catalyst model can always be maintained as a model adapted to an actual phenomenon without being affected by a change with time.
[0074]
As described above, in the system of the present embodiment, the model is appropriately modified so that the catalyst model always represents an actual phenomenon. Incidentally, it is necessary to modify the catalyst model when the characteristics of the catalyst 30 change due to deterioration or the like. When the correction is frequently performed or when a large correction is required for the correction, the state of the catalyst 30 is unstable and the estimation accuracy of the outflow oxygen excess / deficiency Cgout is doubtful.
[0075]
As in the case of the first embodiment, the system of the present embodiment executes the activation control of the catalyst 30 by a method of forcibly oscillating the target air-fuel ratio lean and rich. Here, the reversal timing of the target air-fuel ratio is determined based on the outflow oxygen excess / deficiency Cgout of the specific block X (see the modification of the first embodiment). When such a determination method is used, the more the specific block X is located on the downstream side, the greater the activity of a wide area in the catalyst 30 can be improved, while the unpurified component is likely to blow through downstream of the catalyst. It becomes.
[0076]
When the state of the catalyst 30 is stable and the estimation accuracy of Cgout is high, activation control is performed while preventing unpurified components from being blown downstream of the catalyst even if the specific block X is set sufficiently downstream. Can do. Therefore, in this case, it is desirable to set the specific block X sufficiently downstream so as to improve the activity for a wide area in the catalyst. On the other hand, when the state of the catalyst 30 is unstable and the estimation accuracy of Cgout is low, activation is performed after moving the specific block X to the upstream side so that unpurified components will not blow through downstream of the catalyst 30. It is desirable to perform control. Therefore, the system of the present embodiment determines the stability of the catalyst 30, that is, the estimation accuracy of the outflow oxygen excess / deficiency Cgout based on the frequent correction and correction range of the catalyst model, and appropriately sets the position of the specific block X according to the determination. It was decided to.
[0077]
FIG. 6 shows a flowchart of a control routine executed by the ECU 40 in the present embodiment in order to realize the above function.
In the routine shown in FIG. 6, first, it is determined whether or not the air-fuel ratio feedback control is being executed, and as a specific process, whether or not an execution condition for that is satisfied (step 120).
[0078]
If it is determined that the execution condition of the air-fuel ratio feedback control is not satisfied, the current processing cycle is immediately terminated thereafter. On the other hand, if it is determined that the condition is satisfied, the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) is then calculated for all the blocks in the catalyst 30 by the above processing using the catalyst model. (Step 122).
[0079]
When the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) is calculated, the convergence block number # where the calculated value is substantially zero is calculated (step 124).
Each block in the catalyst 30 is numbered in order from 1 so that the number increases one by one from the upstream side toward the downstream side. In step 124, the block number determined as the convergence point is stored as the convergence block number #.
[0080]
Next, it is determined whether or not there is a situation in which the convergence block has disappeared from the catalyst 30 and there is no change in the output of the downstream air-fuel ratio sensor 34 from the previous processing cycle to the current processing cycle. A determination is made (step 126).
This condition is based on the estimation using the catalyst model, although it can be determined that exhaust gas with excess or deficiency of oxygen has started to flow out downstream of the catalyst 30, such a situation is obtained by the downstream air-fuel ratio sensor 34. Applicable only if not detected. That is, the condition determined in step 126 is one of the conditions that is satisfied only when the estimated oxygen excess / deficiency Cgout and the actually measured air-fuel ratio are not matched.
[0081]
If it is determined in step 126 that the above condition is not satisfied, next, although the convergence point is detected inside the catalyst 30 during the current processing cycle, the current processing time from the previous processing cycle is detected. It is determined whether or not there is a situation in which a significant change has occurred in the output of the downstream air-fuel ratio sensor 34 over the processing cycle (step 128).
This condition is another condition that is satisfied only when the estimated oxygen excess / deficiency Cgout and the actually measured air-fuel ratio are not matched.
[0082]
When neither the condition of step 126 nor the condition of step 128 is satisfied, it can be determined that there is no deviation to be corrected between the catalyst model and the actual state. In this case, the current processing cycle is immediately terminated thereafter. On the other hand, if any of these conditions is met, it can be determined that there is a shift to be corrected in the catalyst model. In the routine shown in FIG. 6, in this case, first, an appropriate correction is applied to the catalyst model, and the correction count integration process, that is, the correction count that has been performed up to the previous processing cycle is set to 1. The adding process is performed (step 130).
[0083]
Next, it is determined whether or not the “integrated value of the number of corrections” exceeds a predetermined determination value β, and whether or not the “correction amount” applied to the catalyst model exceeds a predetermined determination value γ (step). 132).
[0084]
In the above-described step 132, the “integrated value of the number of corrections” is an integrated value of all the corrections performed after the catalyst 30 starts to be used in a new state, or is performed during a certain period in the past from the present time. The integrated value of the number of corrections can be used. The former integrated value represents how much the catalyst model has been corrected in the past. Since the correction of the catalyst model is performed following the progress of the deterioration of the catalyst 30, the value corresponds to how much the catalyst 30 is deteriorated. Therefore, according to the former integrated value, the steady instability of the catalyst 30 can be determined by making a comparison with an appropriate determination value β. The integrated value of the latter represents how often the catalyst model is corrected. The correction of the catalyst model is likely to be performed more frequently as the deterioration of the catalyst 30 progresses. Therefore, the latter integrated value also represents the deterioration state of the catalyst 30, and according to the value, it is possible to determine the current degree of instability of the catalyst 30 by making a comparison with an appropriate determination value β. it can.
[0085]
Similarly, in the above step 132, the “correction amount” is the correction amount associated with all corrections performed after the catalyst 30 starts to be used in a new state (that is, the integrated value of the individual correction amounts), or this time. The correction amount accompanying the correction performed in the processing cycle can be used. Since the former correction amount represents how much the catalyst model has been corrected in the past, according to the value, the steady instability of the catalyst 30 can be determined by comparing with the appropriate judgment value γ. Judgment can be made. The latter correction amount indicates how much rapid change is required in the catalyst model, and according to the value, the comparison with the appropriate judgment value γ makes it possible to determine the current value of the catalyst 30. The degree of instability can be determined.
[0086]
Thus, according to the process of step 132, the catalyst 30 is determined based on whether or not the number of corrections exceeds the determination value β and whether or not the correction amount exceeds the determination value γ. It can be determined whether the state is stable or unstable. In the routine shown in FIG. 6, if neither of these two conditions is satisfied, it is determined that the state of the catalyst 30 is stable and the Cgout estimation accuracy is high. The processing cycle is terminated. On the other hand, when at least one of these conditions is satisfied, it is determined that the Cgout estimation accuracy is low, and the specific block X is shifted to the upstream side (step 134).
[0087]
As described above, according to the routine shown in FIG. 6, when it can be determined that the estimation accuracy of the outflow oxygen excess / deficiency Cgout is high, the specific block X is set at a sufficiently downstream position in the catalyst 30. When it can be determined that the state of the catalyst 30 is unstable and the Cgout estimation accuracy is low, the specific block X can be moved to the upstream position in the catalyst 30. Therefore, according to the system of the present embodiment, when the state of the catalyst 30 is stable, the activity of the catalyst 30 can be improved in a wide area while preventing the unpurified component from being blown through. When the state of the catalyst 30 is unstable, the activity of the catalyst 30 can be improved within a limit that can prevent unpurified components from being blown out.
[0088]
By the way, the apparatus of the third embodiment described above has a structure in which only one catalyst 30 is disposed in the exhaust passage 14 of the internal combustion engine 10, but the structure to which the present invention can be applied is such a structure. The structure is not limited. That is, the present invention can be applied to a structure including two

catalysts

50 and 52 arranged in series in the exhaust passage 14 as shown in FIG. 7A or 7B. It is.
[0089]
FIG. 7A shows a structure in which an upstream air-fuel ratio sensor 54 and a downstream air-fuel ratio sensor 56 are provided before and after the upstream catalyst 50. According to this structure, by using the upstream air-fuel ratio sensor 54 as the upstream air-fuel ratio sensor 32 in the second embodiment, the outflow oxygen excess of each block is targeted for both the two

catalysts

50 and 52 arranged in series. The deficiency Cgout (N) can be estimated. Then, by setting the specific block X in the downstream catalyst 52, activation control can be performed for both of the two

catalysts

50 and 52.
[0090]
According to the configuration shown in FIG. 7A, the downstream air-fuel ratio sensor 56 is used as the downstream air-fuel ratio sensor 34 in the second embodiment, so that the catalyst model for the upstream catalyst 50 corresponds to the actual state. It can be determined whether or not. Furthermore, when they do not correspond, the catalyst model of the upstream catalyst 50 can be corrected so that both correspond, and the catalyst model for the downstream catalyst 52 can be corrected by analogy with the degree of the correction. . Then, the estimation accuracy of Cgout is determined based on the required correction frequency and correction range, and the specific block X can be appropriately set at an appropriate position on the upstream side or downstream side in accordance with the determination.
[0091]
FIG. 7B shows a structure including an upstream air-fuel ratio sensor 54 upstream of the upstream catalyst 50 and a downstream air-fuel ratio sensor 56 downstream of the downstream catalyst 52. According to this structure, as in the case of the structure shown in FIG. 7A, the upstream air-fuel ratio sensor 54 is used to estimate the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (N) inside the

catalysts

50 and 52 and to specify By setting the block X in the downstream catalyst 52, activation control for both of the two

catalysts

50 and 52 can be performed.
[0092]
According to the configuration shown in FIG. 7B, the downstream air-fuel ratio sensor 56 is used as the downstream air-fuel ratio sensor 34 in the second embodiment, so that the catalyst model is actual for both of the two

catalysts

50 and 52. It can be determined whether or not it corresponds to the state. Further, if they do not correspond, their catalyst models can be modified so that they correspond. Then, the estimation accuracy of Cgout is determined based on the required correction frequency and correction range, and the specific block X can be appropriately set at an appropriate position on the upstream side or downstream side in accordance with the determination.
[0093]
In the second embodiment described above, the timing for switching the target air-fuel ratio from shallow lean to deep rich and the timing for ending rich spike control are determined based on the outflow oxygen excess / deficiency Cgout (X) of the specific block X. The position of the specific block X is appropriately set based on the degree of instability of the catalyst 30 (Cgout estimation accuracy), but the present invention is not limited to this. That is, the above switching timing can be determined based on the oxygen storage capacity ost or the oxygen storage rate φost of the catalyst 30. In this case, the determination value (see α in FIG. 3) to be compared with ost and φost is used as the catalyst. By appropriately increasing or decreasing based on the degree of instability of 30, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
[0094]
In the second embodiment, the downstream air-fuel ratio sensor 34 is1"Oxygen excess / deficiency state measurement sensor" in the present invention is realized. Also,

ECU

40 executes the processing of steps 122 to 132 described above, whereby the “consistency determining means” in the first invention isAbove steps1By executing the process of No. 34.1Each of the “specific position shifting means” in the present invention is realized.Furthermore,

ECU

40 performs the processing of

steps

122 and 124, so that the “convergence point detecting means” in the second or third invention performs the processing of

steps

126 and 130 in the second invention. The “estimation method correction unit” in the third aspect of the present invention is realized by the “estimation method correction unit” executing the processing of

steps

128 and 130 described above.
[0095]
【The invention's effect】
  Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
  According to the first invention, oxygen can be stored in the catalyst by making the air-fuel ratio shallow and lean, and oxygen can be released from the catalyst by making the air-fuel ratio deep and rich. When the air-fuel ratio is made lean, if the degree of leaning is shallow, a large torque fluctuation will not occur. For this reason, according to the present invention, the activity of the catalyst can be enhanced while sufficiently suppressing the torque fluctuation of the internal combustion engine.Further, according to the present invention, when the oxygen excess / deficiency in the exhaust gas flowing inside the catalyst is estimated for each position in the flow direction of the exhaust gas, and when the oxygen excess at the specific position is equal to or greater than the determination value. In other words, when exhaust gas containing oxygen above the criterion value begins to flow downstream from the specific position, it is assumed that sufficient oxygen has been occluded in the area before the specific position, and the air-fuel ratio is changed from shallow lean to deep rich. Can be switched. Further, when the oxygen shortage amount at the specific position becomes equal to or larger than the determination value, the control for making the air-fuel ratio deep and rich can be ended. Further, according to the present invention, when the estimated value of the oxygen excess / deficiency at the predetermined position does not match the actually measured oxygen excess / deficiency state, the specific position can be shifted to the upstream side. Therefore, according to the present invention, when the state of the three-way catalyst device is stable, the activity of the three-way catalyst device can be improved in a wide area while preventing unpurified components from being blown through, Further, when the state of the three-way catalyst device is unstable, the activity of the three-way catalyst device can be improved within a limit that can prevent the unpurified component from being blown through.
[0096]
  According to the second invention, the oxygen deficiency amountWhen the convergence point disappears from the three-way catalyst device, if there is no change in the output of the oxygen excess / deficiency state measurement sensor, the oxygen excess / deficiency is set so that the convergence point disappears at the same time as the output change. The amount estimation method can be corrected. Furthermore, when the correction is performed frequently or with a large correction range, it is determined that the estimated value of the oxygen excess / deficiency does not match the actual measurement value, and the specific position can be shifted to the upstream side.
[0097]
  According to the third invention, the oxygen excess / deficiency amountWhen the convergence point is detected in the three-way catalyst device, but the change in the output of the oxygen excess / deficiency state measurement sensor is detected, the point of convergence point disappears and the point of output change coincides. Thus, the oxygen excess / deficiency estimation method can be corrected. Furthermore, when the correction is performed frequently or with a large correction range, it is determined that the estimated value of the oxygen excess / deficiency does not match the actual measurement value, and the specific position can be shifted to the upstream side.
[0100]
  First4According to the inventionInFor a plurality of catalyst units arranged side by side, their activity can be enhanced without impairing the emission characteristics.
[0101]
  First5According to the invention, since the control for forcibly oscillating the air-fuel ratio to rich and lean can be permitted only when the internal combustion engine is stable, it is possible to effectively prevent the unpurified component from being blown through.
[0102]
  First6According to the invention, since the control for forcibly oscillating the air-fuel ratio to rich and lean can be permitted only when the convergence point is upstream from the reference position, the blowout of unpurified components is effectively prevented. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the concept of a catalyst model used in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart of a control routine executed in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the air-fuel ratio of the air-fuel mixture and the output torque of the internal combustion engine.
FIG. 6 is a flowchart of a control routine executed in the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of another configuration to which the control method according to the second embodiment of the present invention can be applied.
[Explanation of symbols]
10 Internal combustion engine
12 Intake passage
14 Exhaust passage
30 Catalyst
40 ECU (Electronic Control Unit)
Excess and deficiency of oxygen in exhaust gas flowing into Cgin catalyst
Cgout Excess and deficiency of oxygen in exhaust gas flowing out from catalyst
Cgout (N) Excess or deficiency of oxygen in the exhaust gas flowing out from the Nth stage block
Cgin (N) Excess or deficiency of oxygen in exhaust gas flowing into the Nth stage block
ost (N) Oxygen storage capacity of the Nth stage block
OSC (N) Oxygen storage capacity of the Nth stage block
Cgout (X) Excess oxygen amount in the exhaust gas flowing out from the specific block X

Claims

排気通路に配置され、内燃機関から排出される排気ガスを浄化して排出する三元触媒装置と、
前記三元触媒装置が酸素を十分に吸蔵した第１酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、理論空燃比より第１設定値だけ大きなリーン空燃比に維持するリーン空燃比維持手段と、
前記三元触媒装置が、前記第１酸素吸蔵状態となった後、酸素を十分に放出した第２酸素吸蔵状態となるまで、当該三元触媒装置の上流における排気空燃比を、前記第１設定値より大きな第２設定値だけ理論空燃比より小さいリッチ空燃比に維持するリッチ空燃比維持手段と、
前記三元触媒装置の内部を流れる排気ガス中の酸素過不足量を、排気ガスの流れ方向の位置毎に推定することのできる触媒内酸素過不足量推定手段と、
排気空燃比が前記リーン空燃比に維持されている状況下で、特定位置における酸素過剰量が判定値以上となった場合に前記第１酸素吸蔵状態の成立を判定するリッチ化タイミング判定手段と、
排気空燃比が前記リッチ空燃比に維持されている状況下で、前記特定位置における酸素不足量が判定値以上となった場合に前記第２酸素吸蔵状態の成立を判定するタイミング判定手段と、
前記三元触媒装置の最上流位置以降の所定位置を流れる排気ガスの酸素過不足状態を実測する酸素過不足状態実測センサと、
前記所定位置における前記酸素過不足量の推定値と、実測された前記酸素過不足状態とが整合しているか否かを判断する整合性判断手段と、
前記整合が否定された場合に、前記特定位置を前記三元触媒装置の上流側に移行させる特定位置移行手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。A three-way catalyst device that is disposed in the exhaust passage and purifies exhaust gas exhausted from the internal combustion engine;
The exhaust air-fuel ratio upstream of the three-way catalyst device is maintained at a lean air-fuel ratio that is larger than the theoretical air-fuel ratio by a first set value until the three-way catalyst device is in a first oxygen storage state in which oxygen is sufficiently stored. Lean air-fuel ratio maintaining means;
After the three-way catalyst device is in the first oxygen storage state, the exhaust air / fuel ratio upstream of the three-way catalyst device is set to the first setting until the three-way catalyst device is in a second oxygen storage state in which oxygen is sufficiently released. Rich air-fuel ratio maintaining means for maintaining a rich air-fuel ratio smaller than the stoichiometric air-fuel ratio by a second set value larger than the value;
An oxygen excess / deficiency estimation means in the catalyst capable of estimating the oxygen excess / deficiency in the exhaust gas flowing inside the three-way catalyst device for each position in the exhaust gas flow direction;
Enrichment timing determination means for determining whether or not the first oxygen storage state is established when an excess oxygen amount at a specific position is equal to or greater than a determination value under a condition in which an exhaust air-fuel ratio is maintained at the lean air-fuel ratio;
Timing determination means for determining the establishment of the second oxygen storage state when an oxygen shortage amount at the specific position is equal to or greater than a determination value under a situation where the exhaust air-fuel ratio is maintained at the rich air-fuel ratio;
An oxygen excess / deficiency state measurement sensor for actually measuring an oxygen excess / deficiency state of exhaust gas flowing through a predetermined position after the most upstream position of the three-way catalyst device;
Consistency determining means for determining whether or not the estimated value of the oxygen excess / deficiency at the predetermined position is consistent with the actually measured oxygen excess / deficiency state;
A specific position shifting means for shifting the specific position to the upstream side of the three-way catalyst device when the matching is denied;
An air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine, comprising:

前記所定位置は前記三元触媒装置の下流位置であり、
前記酸素過不足量の推定結果に基づいて、排気ガス中の酸素過不足量が実質的にゼロとなる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三元触媒装置の中から消滅した時点で、前記酸素過不足状態実測センサの出力変化がない場合に、前記収束点の消滅の時点と前記出力変化の時点とが一致するように、前記触媒内酸素過不足量推定手段による推定手法を補正する推定手法補正手段と、を備え、
前記整合性判断手段は、前記推定手法の補正頻度が判定頻度以上である場合、或いは、前記推定手法の補正幅が判定幅以上である場合に、前記整合を否定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。The predetermined position is a downstream position of the three-way catalyst device;
Based on the estimation result of the oxygen excess / deficiency, convergence point detection means for detecting a convergence point at which the oxygen excess / deficiency in the exhaust gas becomes substantially zero; and
When the convergence point disappears from the three-way catalyst device and there is no change in the output of the oxygen excess / deficiency state measurement sensor, the convergence point disappears at the same time as the output change. And an estimation method correction means for correcting the estimation method by the oxygen excess / deficiency estimation means in the catalyst,
The consistency determination unit, when the correction frequency of the estimation method is equal to or greater than a determination frequency, or when the correction width of the estimation method is equal to or greater than a determination width, denies the alignment. The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1.

前記所定位置は前記三元触媒装置の下流位置であり、
前記酸素過不足量の推定結果に基づいて、排気ガス中の酸素過不足量が実質的にゼロとなる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三元触媒装置の中に検知されている状況下で、前記酸素過不足状態実測センサの出力に変化が認められた場合に、前記収束点の消滅の時点と前記出力変化の時点とが一致するように、前記触媒内酸素過不足量推定手段による推定手法を補正する推定手法補正手段と、を備え、
前記整合性判断手段は、前記推定手法の補正頻度が判定頻度以上である場合、或いは、前記推定手法の補正幅が判定幅以上である場合に、前記整合を否定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。The predetermined position is a downstream position of the three-way catalyst device;
Based on the estimation result of the oxygen excess / deficiency, convergence point detection means for detecting a convergence point at which the oxygen excess / deficiency in the exhaust gas becomes substantially zero; and
In the situation where the convergence point is detected in the three-way catalyst device, when a change is recognized in the output of the oxygen excess / deficiency state actual measurement sensor, the point of disappearance of the convergence point and the output change An estimation method correction means for correcting the estimation method by the oxygen excess / deficiency estimation means in the catalyst so as to coincide with the time point,
The consistency determination unit, when the correction frequency of the estimation method is equal to or greater than a determination frequency, or when the correction width of the estimation method is equal to or greater than a determination width, denies the alignment. The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1.

前記三元触媒装置は、直列に並んだ複数の触媒ユニットを含んでいることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。 The air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the three-way catalyst device includes a plurality of catalyst units arranged in series.

内燃機関の状態が安定しているか否かを判別する安定状態判別手段と、
内燃機関の状態が安定しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。Stable state determining means for determining whether or not the state of the internal combustion engine is stable;
An air-fuel ratio control permitting means for permitting the operation of the lean air-fuel ratio maintaining means and the rich air-fuel ratio maintaining means only when the state of the internal combustion engine is stable;
The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, further comprising:

前記酸素過不足量の推定結果に基づいて、排気ガス中の酸素過不足量が実質的にゼロとなる収束点を検知する収束点検知手段と、
前記収束点が前記三触媒装置内の上流側に位置するように空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記収束点が基準位置より上流側に位置しているときに限り、前記リーン空燃比維持手段および前記リッチ空燃比維持手段の作動を許可する空燃比制御許可手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。Based on the estimation result of the oxygen excess / deficiency, convergence point detection means for detecting a convergence point at which the oxygen excess / deficiency in the exhaust gas becomes substantially zero; and
Air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio so that the convergence point is located upstream in the three-catalyst device;
An air-fuel ratio control permission means for permitting the operation of the lean air-fuel ratio maintenance means and the rich air-fuel ratio maintenance means only when the convergence point is located upstream from the reference position;
The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, further comprising: