KR20040030685A

KR20040030685A - 내연 기관의 공연비 제어 장치

Info

Publication number: KR20040030685A
Application number: KR10-2003-7016585A
Authority: KR
Inventors: 나가이토시나리; 카타야마아키히로; 카토나오토; 쿠로다유키오; 쿠제야수히로; 사와다히로시; 우치다타카히로; 바바나오키; 코지마신지
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-04-09
Also published as: EP1830058A3; US20040144079A1; EP1830058A2; DE60232335D1; CN1936293A; JPWO2002103181A1; CA2450172C; CN1936291A; US7162862B2; EP1411229A4; CN1516781A; CN1936306A; WO2002103181A1; ES2326959T3; CN1936292A; CN100458112C; EP1411229A1; CN100538040C; DE60235778D1; CN1936306B

Abstract

본 발명에 의한 공연비 제어 장치는 엔진(1)의 배기 통로(7) 상에 배치된 배기 정화 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비에 근거하여, 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에 포함되는 적어도 하나의 특정 성분의 배출량을 모델을 사용하여 추정하여, 이 추정한 값이 목표 상태가 되도록 공연비를 제 어한다. 모델은 특정 성분의 물질 수지를 고려함으로써 결정되고 있다.

Description

내연 기관의 공연비 제어 장치{Air-fuel ratio controller of internal combustion engine}

종래부터, 내연 기관의 배기 가스를 정화하기 위해, 배기 정화 촉매(3원 촉매)를 배기 통로 상에 배치하여, 배기 통로에 설치한 공연비 센서에 의해 검출되는 공연비에 근거하여 기관에 공급되는 혼합기의 공연비가 이론 공연비가 되도록 피드백 제어를 하고 있다. 이로써, 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)가 동시에 저감된다. 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스의 정화율을 향상시키기 위해서는 상술한 피드백 제어를 정밀도 좋게 행하는 것이 유효하다.

또한, 한층 더한 배기 정화 성능 향상을 위해, 배기 정화 촉매의 산소 흡장 작용을 효과적으로 이용하는 방법이 검토되어 오고 있다. 이 방법은 배기 가스 중의 정화해야 할 물질을 산화 환원할 때에, 배기 정화 촉매에 흡장한 산소나 배기 정화 촉매의 흡장 기능을 이용한다.

일본 특개평 5-195842호 공보에 개시된 제어 장치는 이러한 산소 흡장 작용에 착안하여 이루어진 장치로, 배기 정화 촉매 전체에 흡장되는 산소량(산소 흡장량, 산소의 실제 충전도)을 흡입 공기 유량, 공기 중의 산소 함유량 및 Lambda치1(이론 공연비)로부터의 편차의 곱에 근거하여 추정하고, 이 산소 흡장량을 어느 고정된 목표치가 되도록 공연비를 제어하도록 되어 있다.

그렇지만, 상술한 제어는 산소 흡장량을 목표치 근방으로 유지하고자 하는 제어로, 배기 가스 중의 착안한 하나 또는 복수의 특정 성분의 배출량을 원하는 값 이하로 하는 공연비 제어, 혹은, 촉매 전체의 산소 흡장량이 아니라 동일 촉매의 상류 부분까지에 있어서의 산소 흡장량을 원하는 값 근방으로 유지하고자 하는 공연비 제어를 할 수 없는 등의 문제가 있다.

그래서, 발명자는 배기 정화 촉매로부터 유출되는(배기 정화 촉매에 의해 정화되는) 배기 가스 중에 포함되는 특정 성분의 배출량(혹은 배기 가스 상태를 나타내는 대표치)을 추정하는 수법을 개발함과 동시에, 이 추정치를 소정의 목표 상태로 하도록 공연비 제어를 함으로써 배기 정화 성능을 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.

본 발명은 내연 기관의 공연비 제어 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제어 장치의 실시예를 갖는 내연 기관을 도시하는 단면도.

도 2는 도 1에 도시한 배기 정화 촉매의 외관도.

도 3은 도 2에 도시한 배기 정화 촉매의 부분 단면도.

도 4는 본 발명에 있어서의 추정 모델(촉매 모델)을 설명하기 위한 모식도.

도 5는 본 발명에 있어서의 추정 모델을 설명하기 위한 모식도.

도 6은 본 발명에 있어서의 추정 모델에서 사용되는 풍상법을 설명하기 위한 모식도.

도 7은 본 발명에 의한 추정 모델에 따라서 배기 가스 중의 산소 농도를 구하기 위한 프로그램을 도시한 플로 차트.

도 8은 본 발명에 의한 추정 모델에 따라서 배기 가스 중의 일산화탄소 농도를 구하기 위한 프로그램을 도시한 플로 차트.

도 9는 본 발명에 의한 추정 모델에 따라서 배기 가스 중의 탄화수소 농도를 구하기 위한 프로그램을 도시한 플로 차트.

도 10은 본 발명에 의한 추정 모델에 따라서 배기 가스 중의 질소 산화물(일산화질소) 농도를 구하기 위한 프로그램을 도시한 플로 차트.

도 11은 본 발명에 의한 추정 모델에 따라서 산소 흡장 밀도를 구하기 위한 프로그램을 도시한 플로 차트.

도 12는 촉매 열화도와 촉매 온도로부터 계수(Kstor, i, Krel, i)를 구하기 위한 맵.

도 13은 배기 정화 촉매에 유입되는 일산화탄소 농도를 결정하기 위해 사용되는 배기 공연비와 동일 산화탄소 농도와의 관계를 규정한 맵(테이블).

도 14는 배기 정화 촉매에 유입되는 탄화수소 농도와 배기 공연비와의 관계를 도시한 그래프.

도 15는 배기 정화 촉매에 유입되는 탄화수소 농도와 배기 온도와의 관계를 도시한 그래프.

도 16은 배기 정화 촉매에 유입되는 일산화질소 농도와 배기 공연비와의 관계를 도시한 그래프.

도 17은 배기 정화 촉매에 유입되는 일산화질소 농도와 통 내 흡입 공기량과의 관계를 규정한 그래프.

도 18은 본 발명의 제어 장치의 제 1 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 19는 CgoutO2와 피드백 보정량과의 관계를 도시하는 맵.

도 20은 본 발명의 제어 장치의 제 2 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 21은 본 발명의 제어 장치의 제 3 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 22는 본 발명의 제어 장치의 제 4 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 23은 본 발명의 제어 장치의 제 5 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 24는 본 발명의 제어 장치의 제 6 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 25는 본 발명의 제어 장치의 제 7 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 26은 운전 상태가 흡입 공기량인 경우의 동일 운전 상태와 특정 영역의위치와의 관계를 도시하는 맵.

도 27은 운전 상태가 액셀레이터 개방도의 변화량(△액셀레이터 개방도)인 경우의 동일 운전 상태와 특정 영역의 위치와의 관계를 도시하는 맵.

도 28은 운전 상태가 촉매의 활성 상태인 경우의 동일 운전 상태와 특정 영역의 위치와의 관계를 도시하는 맵.

도 29는 운전 상태가 공연비의 변동량(△A/F)인 경우의 동일 운전 상태와 특정 영역의 위치와의 관계를 도시하는 맵.

도 30은 본 발명의 제어 장치의 제 8 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 31은 본 발명의 제어 장치의 제 9 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 32는 특정 영역의 위치와 제어 게인(G₁, G₂)과의 관계를 도시하는 맵.

도 33은 본 발명의 제어 장치의 제 10 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 34는 본 발명의 제어 장치의 제 11 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 35는 본 발명의 제 12 실시예 및 제 13 실시예에 따른 내연 기관을 도시하는 도면.

도 36은 본 발명의 제어 장치의 제 12 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

도 37은 본 발명의 제어 장치의 제 13 실시예에 있어서의 공연비 제어의 플로 차트.

본 발명의 목적은 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에 포함되는 특정 성분의 배출량(혹은 배기 가스의 상태를 나타내는 대표치)을 추정하여, 그 추정치에 근거하여 공연비 제어를 함으로써, 배기 정화 촉매에 의한 배기 가스의 정화 효율을 향상시킬 수 있는 내연 기관의 공연비 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 공연비 제어 장치에 의해 공연비가 제어되는 내연 기관은 그 배기 통로 상에 배기 정화 촉매를 구비하고 있다. 그리고, 공연비 제어 장치는 그배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비에 근거하여, 동일 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에 포함되는 적어도 하나의 특정 성분의 배출량 또는 유출되는 배기 가스 상태를 나타내는 적어도 하나의 대표치인 추정치를 추정하는 추정 수단과, 상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치에 대한 목표 상태를 설정하는 목표 설정 수단과, 상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치가 상기 목표 설정 수단에 의해 설정된 목표 상태가 되도록 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비하고 있다.

이로써, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에 포함되는 적어도 하나의 특정 성분의 배출량 또는 유출되는 배기 가스 상태를 나타내는 적어도 하나의 대표치인 추정치가 목표 상태가 되도록 공연비가 제어되기 때문에, 배기 정화 성능을 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 한 양태에 있어서, 상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치는 소정 시간 후에 있어서의(즉, 현 시점에서 소정 시간 후에 있어서의 시점에서의) 배출량 또는 대표치를 예측한 것이다. 이로써, 보다 신속한 공연비의 제어가 가능해져 배기 정화 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서는, 상기 공연비 제어 장치가 상기 내연 기관의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단을 더 구비하고, 또한, 상기 공연비 제어 수단이 상기 내연 기관의 흡입 공기량을 조절하는 스로틀 밸브의 개방도를 임의로 제어할 수 있는 기능을 갖고 있어, 상기 추정 수단에 의한 소정 시간 후의 상기 추정치가 소정의 목표 상태가 되도록 상기 공연비 제어 수단을 사용하여 공연비를 제어함에 있어서, 상기 공연비 제어 수단에 의해 스로틀 밸브의 개방 제어를 지연시킴과 동시에, 상기 점화 시기 제어 수단에 의해 점화 시기를 진각시키도록 구성된다.

이로써, 엔진 토크 저하를 억제하면서 공연비 제어에 의한 배기 정화 성능의 향상을 달성할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서는, 상기 추정 수단이 리치 공연비 시에 배출량이 증가하는 성분에 관련되는 적어도 하나의 추정치와, 린 공연비 시에 배출량이 증가하는 성분에 관련되는 적어도 하나의 추정치를 추정하고, 상기 목표 설정 수단이 각 추정치마다 목표 상태를 설정한다.

또한, 이 공연비 제어 장치에 있어서, 상기 목표 설정 수단에 의해 설정되는 목표 상태는 상기 추정치를 소정 범위 내로 하는 것이어도 된다.

또한, 상기 목표 설정 수단은 각 추정치마다 같아지는 상태를 목표 상태로 하여 설정하여도 된다.

또한, 상기 추정 수단은 스로틀 개방도의 개방도 예측치를 상기 추정치의 추정에 반영시켜도 된다.

또한, 상기 추정 수단은 연료 거동 모델을 상기 추정치의 추정에 반영시켜도 된다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 추정 수단이 상기 배기 정화 촉매를 배기 가스가 흐르는 방향으로 복수의 영역으로 분할한 것 중 특정 영역에 대해서 상기 추정치를 추정하고, 상기 목표 설정 수단이 상기 특정 영역에 대한 추정치에 대한 목표 상태를 설정하고, 상기 공연비 제어 수단이 상기 특정 영역에 대한 추정치가 동일 특정 영역에 대하여 설정된 상기 목표 상태가 되도록 공연비를 제어하도록 구성되어 있어도 된다.

이것에 의하면, 특정 영역에서의 배기 가스 상태를 원하는 상태로 근접시킬 수 있다.

또한, 상기 추정 수단은 상기 분할된 복수의 영역 중 가장 하류 측 영역보다도 상류 측에 상기 특정 영역을 설정하도록 구성되어도 된다.

이것에 의하면, 보다 상류 측 특정 영역의 추정치가 공연비 제어 대상이 되기 때문에, 신속한 공연비 제어가 가능해짐과 동시에, 특정 영역에서의 제어 결과가 목표 상태와 달랐다고 하여도, 특정 영역으로부터 하류 영역의 촉매 작용에 의해 배기 가스를 정화할 수 있기 때문에, 배기 정화 성능을 향상시킬 수 있다.

이 경우, 상기 추정 수단은 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 상기 특정 영역을 변경하도록 구성되어도 되며, 이로써, 배기 정화 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 추정 수단이 상기 특정 영역으로서 2개의 영역을 선택하여 각 추정치를 추정하고, 상기 목표 설정 수단이 각 특정 영역에 대해서 각각 상기 추정치의 목표 상태를 설정하고, 상기 공연비 제어 수단이 각 특정 영역의 각 추정치가 각 목표 상태가 되도록 공연비를 제어하도록 구성되어도 된다. 이로써, 보다 면밀한 공연비 제어가 가능해지기 때문에, 배기 정화 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한, 이와 같이 특정 영역을 복수 선택할 경우, 더욱 면밀한 공연비 제어를 하기 위해, 상기 공연비 제어 수단이 각 특정 영역마다 공연비 제어에 대한 영향도를 개별로 설정하도록 구성되어도 된다.

더욱이, 상기 공연비 제어 수단은 각 특정 영역마다의 상기 영향도를 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 변경하도록 구성되어도 된다.

본 발명의 다른 양태에 있어서는, 공연비 제어 장치가 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 하류 측 공연비 센서와, 상기 추정 수단에 의해 추정된 상기 추정치 및 상기 하류 측 공연비 센서의 검출 결과에 근거하여 상기 추정치의 추정 모델을 보정하는 추정 모델 보정 수단을 더 구비하고 있다. 이로써, 추정 모델에 의한 추정치의 추정 정밀도가 향상한다.

본 발명의 다른 양태에 있어서는, 공연비 제어 장치가 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 하류 측 공연비 센서와, 상기 추정 수단에 의해 추정된 상기 추정치 및 상기 하류 측 공연비 센서의 검출 결과에 근거하여 상기 하류 측 공연비 센서의 진단을 하는 센서 진단 수단을 더 구비하고 있다. 이로써, 센서 진단을 할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 배기 통로 상에 상기 배기 정화 촉매로서 상류 측 배기 정화 촉매 및 하류 측 배기 정화 촉매가 배치되어 있는 경우, 상기 추정 수단은 상기 상류 측 배기 정화 촉매 및 상기 하류 측 배기 정화 촉매의 쌍방에 대해서 추정치를 추정한다.

이 경우에 있어서, 공연비 제어 장치가 상기 상류 측 배기 정화 촉매로부터유출되어 상기 하류 측 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 중간부 공연비 센서를 더 구비할 경우, 상기 공연비 제어 수단은 상기 상류 측 배기 정화 촉매에 대한 상기 추정치와 상기 중간부 공연비 센서의 검출 결과에 근거하여, 상기 상류 측 배기 정화 촉매로부터 유출되어 상기 하류 측 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비를 제어하도록 구성되는 것이 적합하다.

또한, 상기 상류 측 배기 정화 촉매에 대한 상기 추정치가 배기 가스 중의 산소 과부족량에 관한 것으로, 상기 목표 설정 수단은 상기 하류 측 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 상기 산소 과부족량의 적산치가 제로가 되도록 상기 추정치의 목표 상태를 설정하도록 구성되는 것이 적합하다.

본 발명은 또한, 유입되는 가스가 통과하는 공간과, 동일 공간에 노출됨과 동시에 촉매 기능을 발생시키는 물질 및 산소 흡장 방출 기능을 발생시키는 물질을 보유한 코트층을 포함하여 이루어지는 배기 정화 촉매를 배기 통로에 배치한 내연 기관의 공연비 제어 장치로, 상기 배기 정화 촉매의 일부 또는 전부를 통과한 상기 기관의 배기 가스에 포함되는 특정 성분의 배출량에 따른 값을 추정치로서 추정하는 추정 수단과, 상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치 중 적어도 하나가 소정의 목표 상태가 되도록 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비한 내연 기관의 공연비 제어 장치를 제공한다.

이것에 의하면, 추정된 배기 가스 중의 특정 성분의 배출량(농도 등)에 따른 공연비 제어가 이루어지기 때문에, 배기 정화 성능이 향상한다.

이 경우, 상기 특정 성분은 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 상기 기관의 배기 가스에 포함됨과 동시에 환원 기능을 갖는 리덕션 성분 및 동일 배기 가스에 포함됨과 동시에 동일 리덕션 성분에 산소를 공급할 수 있는 스토리지 성분 중 적어도 하나의 성분이며, 상기 추정 수단은 상기 특정 성분의 물질 수지를 고려하여 형성된 추정 모델에 근거하여 상기 추정치를 추정하도록 구성될 수 있다.

더욱이, 상기 추정 수단의 모델은 상기 배기 정화 촉매를 배기 가스가 흐르는 방향으로 복수의 영역으로 분할한 것 중 특정 영역에 착안하고, 동일 특정 영역의 상기 공간에 유입되는 상기 특정 성분의 량과 동일 특정 영역의 공간에서 유출되는 동일 특정 성분의 량 및 동일 특정 영역의 공간에서 동일 특정 영역의 상기 코트층에 확산하는 동일 특정 성분의 량에 근거하여 형성될 수 있다.

더욱이, 상기 추정 수단의 추정 모델은 상기 특정 영역의 공간에서 상기 특정 영역의 코트층으로 확산하는 상기 특정 성분의 량과 동일 코트층에서 소비되는 동일 특정 성분의 량에 근거하여 형성될 수 있다.

이러한 모델에 의해 특정 성분의 배출량을 추정할 경우, 상기 특정 성분은 산소 또는 산소와 일산화탄소로 하는 것이 계산상 간편하다.

이하, 본 발명에 의한 공연비 제어 장치의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 이러한 공연비 제어 장치를 갖는 내연 기관의 구성을 도시하고 있다. 이 공연비 제어 장치는 내연 기관인 엔진(1)을 제어하는 것이다.

엔진(1)은 다기통 엔진으로, 도 1에 있어서는 그 1기통만이 단면도로 도시되어 있다. 이 엔진(1)은 점화 플러그(2)에 의해 각 실린더(3) 내의 혼합기에 대하여 점화를 함으로써 구동력을 발생시키도록 되어 있다. 엔진(1)은 흡기 통로(4)를 통해 외부로부터 흡입된 공기와 인젝터(5)로부터 분사된 연료를 혼합함으로써 형성되는 혼합기를 실린더(3) 내에 흡입하도록 되어 있다. 흡기 밸브(6)는 실린더(3)의 내부와 흡기 통로(4) 사이를 개폐하도록 되어 있다. 배기 통로(7)는 실린더(3)의 내부에서 연소된 혼합기를 배기 가스로서 배기하는 통로이다. 배기 밸브(8)는 실린더(3)의 내부와 배기 통로(7) 사이를 개폐하도록 되어 있다.

스로틀 밸브(9)는 실린더(3) 내에 흡입되는 흡입 공기량을 조절하기 위한 것으로, 흡기 통로(4)에 배치되어 있다. 이 스로틀 밸브(9)에는 그 개방도를 검출하는 스로틀 포지션 센서(10)가 접속되어 있다. 또한, 스로틀 밸브(9)는 스로틀 모터(11)와 연결되어 있고, 스로틀 모터(11)의 구동력에 의해 개폐되도록 되어 있다.액셀레이터 포지션 센서(12)는 스로틀 밸브(9) 근방에 배치되어, 액셀레이터 패달의 조작량(액셀레이터 개방도)을 검출하도록 되어 있다. 이들 구성에 근거하여, 스로틀 밸브(9)의 개방도는 전자적으로 제어되도록 되어 있다. 즉, 본 엔진(1)에는 전자 제어 스로틀 방식이 채용되어 있다.

또한, 엔진(1)은 흡입 공기량(흡입 공기 유량)을 검출하는 에어 플로 미터(13), 크랭크샤프트의 위치를 검출함으로써 실린더(3) 내의 피스톤(15)의 위치나 엔진 회전 속도(NE)를 구하는 신호를 발생시키는 크랭크 포지션 센서(14), 동일 엔진(1)의 노킹을 검출하는 노크 센서(16) 및 냉각수온을 검출하는 수온 센서(17)를 구비하고 있다.

배기 정화 촉매(촉매 컨버터, 이하, 간단히 「촉매」라 호칭하는 경우도 있다.)(19)는 배기 통로(7)에 배치되어 있다. 이러한 촉매는 배기 통로 상에 복수 설치되는 경우도 있다. 예를 들면, 배기의 흐름에 대하여 직렬로 복수 설치되는 경우나, 배기 통로가 분기되어 있는 구성을 구비하는 엔진에 대해서는 각 분기한 배기 통로에 구비되는 경우(보다 구체적으로는 4기통 엔진에 있어서, 2기통의 배기관이 하나로 정리된 개소에 촉매가 하나 배치되고, 나머지 2기통의 배기관이 하나로 정리된 개소에 또 하나의 촉매가 배치되는 경우)이다. 본 실시예에 있어서는, 각 실린더(3)의 배기관이 하나로 정리된 개소보다도 하류 측에 하나의 촉매(19)가 배치되어 있다.

엔진(1)은 더욱이, 촉매(19) 온도를 측정하는 촉매 온도 센서(21), 차콜 캐니스터(charcoal canister; 23), 차콜 캐니스터(23)에 포집된 연료 탱크로부터의증발 연료를 흡기 통로(4)에 퍼지시키는 퍼지 컨트롤 밸브(24), 촉매(19)의 상류 측에 설치된 상류 측 공연비 센서(25) 및 촉매(19)의 하류 측에 설치된 하류 측 공연비 센서(26)를 구비하고 있다.

상기 공연비 센서(25, 26)는 각 설치 위치에 있어서의 배기 가스 중의 산소 농도로부터 동일 배기 가스의 공연비(배기 가스의 배기 공연비, 배기 공연비)를 각각 검출하도록 되어 있다. 공연비 센서(25)는 공연비를 리니어에 검출하는 리니어 공연비 센서이고, 공연비 센서(26)는 공연비가 리치인지 린인지를 식별하는 농담 전지형 센서이다.

상술한 점화 플러그(2), 인젝터(5), 스로틀 포지션 센서(10), 스로틀 모터(11), 액셀레이터 포지션 센서(12), 에어 플로 미터(13), 크랭크 포지션 센서(14), 노크 센서(16), 수온 센서(17), 촉매 온도 센서(21), 퍼지 컨트롤 밸브(24), 상류 측 공연비 센서(25) 및 하류 측 공연비 센서(26)는 엔진(1)을 제어하는 전자 제어 유닛(ECU; 18)과 접속되어 있어, ECU(18)로부터의 신호에 근거하여 제어되거나 혹은 검출 결과를 ECU(18)에 대하여 송출하도록 되어 있다.

ECU(18)는 연산을 하는 CPU, 연산 결과 등의 각종 정보를 기록하는 RAM, 배터리에 의해 기억 내용이 보존되는 백업 RAM 및 제어 프로그램 등을 격납한 ROM을 구비하고 있어, 각종 연산을 하여, 인젝터(5)로부터 분사하는 연료 분사량 제어, 점화 시기 제어, 산소 흡장량 산출, 후술하는 모델 보정 및 상기 센서의 진단 등을 하도록 되어 있다.

(촉매의 산소 흡장 작용)

다음으로, 촉매(19) 구성 및 산소 흡장 작용에 대해서 설명한다.

촉매(19)는 도 2에 외관을 도시한 바와 같이, 단면이 타원형(단면적이 dA 일정)의 기둥형 모노리스 촉매 컨버터라 호칭되는 3원 촉매로, 축에 직교하는 평면에서 동일 촉매(19)를 절단한 확대 단면도인 도 3에 도시한 바와 같이, 세라믹의 일종인 코제라이트로 이루어지는 캐리어(19a)에 의해, 그 내부가 축 방향으로 연재하는 축선 방향 공간으로 세분되어 있다. 각 축선 방향 공간은 축선에 수직인 평면에서 절단하면 대략 정방형 형상을 갖고 있어, 셀이라고도 호칭된다. 캐리어(19a)는 알루미나의 코트층(19b)에 의해 코팅되어 있고, 동일 코트층(19b)는 백금(Pt) 등의 귀금속으로 이루어지는 활성 성분(촉매 성분) 및 세리아(CeO₂) 등의 성분을 보유하고 있다.

이러한 촉매(19)는 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비가 이론 공연비일 때에 미연 성분(HC, CO)을 산화하고, 동시에 질소 산화물(NOx)을 환원하는 기능(이것을 「촉매 기능」 또는 「산화 환원 기능」이라 한다.)을 갖는다. 또한, 촉매(19)는 상기 세리아 등의 성분을 보유함으로써, 동일 촉매(19)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 분자를 흡장(저장, 흡착) 및 방출하는 성질(이하, 「산소 흡장 기능」이라 호칭한다.)을 갖고 있어, 이 산소 흡장 기능에 의해, 공연비가 이론 공연비로부터 어느 정도까지 편이하였다고 하여도 HC, CO 및 NOx를 정화할 수 있다.

즉, 촉매(19)는 기관이 흡입하는 혼합기의 공연비(이하, 간단히 「기관의 공연비」라고도 호칭한다. 이 기관의 공연비는 촉매에 유입되는 가스의 공연비인 「배기 공연비」와 같다.)가 린이 되어 촉매(19)에 유입되는 가스에 과잉 산소 및 질소 산화물(NOx)이 다량 포함되면, 동일 과잉 산소를 흡장함과 동시에, 동일 질소 산화물(NOx)에서 산소를 빼앗아(NOx를 환원하여) 동일 산소를 흡장하며, 이로써 NOx를 정화한다. 또한, 촉매(19)는 기관의 공연비가 리치로 되어 동일 촉매(19)에 유입되는 가스에 탄화수소(HC)나 일산화탄소(C0) 등의 미연 성분이 다량 포함되면, 내부에 흡장하고 있는 산소 분자를 이들 미연 성분에 줘 동일 미연 성분을 산화하며, 이로써 HC, CO를 정화한다.

따라서, 촉매(19)가 산소를 흡장할 수 있는 한계까지 산소를 흡장하고 있으면(바꾸어 말하면, 산소 흡장량(OSA)이 최대 산소 흡장량 0SAmax=Cmax에 도달하고 있으면), 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 배기 공연비가 린이 되었을 때에 산소를 흡장할 수 없기 때문에, 배기 가스 중의 NOx를 충분히 정화할 수 없게 된다. 한편, 촉매(19)가 산소를 다 방출하고 있어 산소를 전혀 흡장하고 있지 않으면(바꾸어 말하면, 산소 흡장량(0SA)이 「0」으로 되어 있으면 ), 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 배기 공연비가 리치가 되었을 때에 산소를 방출할 수 없기 때문에, 배기 가스 중의 HC나 CO를 충분히 정화할 수 없게 된다. 이 때문에, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비가 과도적으로 상당한 린 공연비 또는 상당한 리치 공연비가 된 경우라도, 동일 가스 중의 유해 성분을 충분히 정화할 수 있도록 촉매(19)의 산소 흡장량(0SA)을 정밀도 좋게 추정함과 동시에, 동일 산소 흡장량(OSA)을 소정의 값으로 유지하도록 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비를 제어해 두는 것이바람직하다.

또한, 촉매(19)에 린인 공연비의 가스가 유입되었을 때에는, 동일 촉매(19)의 상류 측에 있어서 보다 많은 산소가 흡장되어, 동일 촉매(19)에 리치인 공연비의 가스가 유입되었을 때에는, 동일 촉매(19)의 상류 측으로부터 흡장되어 있는 산소가 소비되어 간다. 따라서, 동일 촉매(19)의 최상류 위치에서 임의의 위치까지의 산소 흡장량(OSA)의 합계량을 추정하여, 동일 추정치에 근거하는 공연비 제어를 하면, 촉매(19) 전체의 산소 흡장량이 「0」 또는 최대 산소 흡장량(Cmax)에 도달하는 것을 회피하기 쉬워지기 때문에, 동일 공연비 제어에 불가피한 제어 지연이 존재하고 있어도 이미션을 효과적으로 저감할 수 있다. 더욱이, 촉매(19)로부터 유출되는 가스(또는 촉매(19)의 일부 또는 전부에 의해 정화된 가스)에 포함되는 특정 가스 성분의 농도를 추정할 수 있으면, 동일 가스 성분에 착안한 공연비 제어를 함으로써, 동일 가스 성분 배출을 고정밀도로 억제할 수 있다.

이상의 요구로부터, 본 공연비 제어 장치는 추정 모델(촉매 모델)을 사용함으로써, 특정 가스 성분의 농도(배출량)와 산소 흡장량을 추정한다. 이들 추정치가 배기 정화 촉매의 전부 또는 그 내부의 소정 영역(일부)으로부터 유출되는 배기 가스 중에 포함되는 적어도 하나의 특정 성분의 배출량 또는 유출되는 배기 가스의 상태를 나타내는 적어도 하나의 대표치이다.

(촉매 모델)

이하, 촉매 모델에 대해서 설명하면, 우선, 도 4에 모식적으로 도시한 바와같이, 촉매(19)를 가스 입구(유입 측; Fr)에서 출구(유출 측; Rr)를 향하는 축선에 직교하는 면에 의해 복수의 영역(「블록」이라고도 호칭한다.)으로 분할한다. 즉, 촉매(19)를 배기 가스가 흐르는 방향을 따라 복수의 영역으로 분할한다. 분할된 각 영역의 축선 방향의 길이는 L(미소한 길이로 dx라고도 쓴다.)이다. 상술한 바와 같이, 촉매(19)의 단면적은 dA 일정하다.

또한, 이 촉매 모델은 촉매를 복수의 영역으로 분할하여 구축된 모델이지만, 촉매 전체를 이하에 서술하는 하나의 영역으로서 생각함으로써, 동일 촉매(19)를 복수의 영역으로 분할하지 않고 촉매 모델을 구축할 수도 있다.

다음으로, 분할된 영역 중 임의의 특정 영역에 주목하여, 동일 특정 영역을 통과하는 특정 화학종(특정 성분)의 물질의 수지를 생각한다. 화학종은 배기 가스 중에 포함되는 성분으로, 예를 들면, 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소 산화물(NOx)이다. 또한, 화학종은 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치일 때에 동일 배기 가스 중에 포함되는 성분을 종합한 것(리치 성분) 혹은 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린일 때에 동일 배기 가스 중에 포함되는 성분을 종합한 것(린 성분)으로 할 수도 있다.

여기서, 본 촉매 모델로 사용하는 각종 값을 다음과 같이 정의한다.

값	단위	정의·설명
Cg	mol/m³	특정 영역에 있어서의 배기 가스상의 화학종의 농도
Cgin	mol/m³	특정 영역에 유입되는 화학종의 농도
Cgout	mol/m³	특정 영역에서 유출되는 화학종의 농도
Cw	mol/m³	특정 영역의 코트층에 있어서의 화학종의 농도
Sgeo	m²/m³	기하학적 표면적. 특정 영역에 있어서 촉매가 단위 체적당 갖고 있는 표면적
σ	무차원	개구율. 특정 영역의 축선에 수직인 단면의 단면적에 대한 가스가 통과하는 공간의 동일 축선에 수직인 단면의 단면적
h_D	m/s	화학종 및 그 온도 등에 따라 다르며, 실험적으로 요구되는 물질 전달율
vg	m/s	특정 영역에 유입되는 가스의 유속
R	mol/(m³·s)	착안하고 있는 화학종이 소비되는 경우에 양의 값, 동일 화학종이 생성되는 경우에 음의 값이 되도록 결정되는 코트층에서의 화학종의 소비 속도
Rstor, i	mol/(m³·s)	화학종(i)에 의해 코트층에 산소가 흡장되는 속도(산소의 흡장 속도), 즉, 코트층에 산소를 가져오는 화학종(스토리지·에이전트)의 소비 속도
Rredcu, i	mol/(m³·s)	코트층에서 산소를 소비하는 화학종(i; 리덕션·에이전트)의 소비 속도
Rrel, i	mol/(m³·s)	화학종(i)에 의해 코트층에 흡장되어 있는 산소가 방출되는 속도(산소의 방출 속도)
Ost	mol/m³	코트층의 산소 흡장 밀도
Ostmax	mol/m³	코트층의 산소 흡장능(Oxygen Storage Capacity), 즉, 촉매의 조성, 열화도 및 온도 등에 의해 결정되는 최대 산소 흡장 밀도

지금, 시각(t 내지 t+△t)의 소정의 기간에 있어서의 특정 영역에서의 화학종의 수지를 생각하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 특정 영역의 배기 가스상(단, 「가스상」이라고도 호칭한다.)에 있어서의 화학종의 변화량(△M)은 하기의 (1)식에 도시한 대로, 동일 특정 영역에 유입한 동일 화학종의 량(Min)에서 동일 특정 영역에서 유출한 동일 화학종의 량(Mout)과 코트층에 빼앗긴 동일 화학종의 량(Mcoat)을 감산한 량과 같다. 이와 같이, 촉매 모델은 특정 영역에 있어서의 특정 성분의 물질 수지에 근거하여 구축된다.

△M=Min-Mout-Mcoat ···(1)

이하, (1)식의 각 항에 대해서 개별로 검토한다. 우선, (1)식의 좌변에 있는 화학종의 변화량(△M)은 하기 (2)식에 의해 구할 수 있다. (2)식은 상기 소정의 기간에 있어서의 화학종의 농도 변화량(화학종의 농도(Cg)의 시간 변화량을 소정의 기간에 걸쳐 적분한 량)에 미소 체적(σ·dA·dx)을 곱한 값을 특정 영역에 걸쳐(축 방향으로) 적분한 것이다.

···(2)

(1)식의 우변 제 1 항의 Min은 단위 시간당 특정 영역에 유입되는 가스의 체적에 상당하는 값인 「특정 영역에 유입되는 가스의 유속(vgin)과 동일 특정 영역의 단면적(dA)의 곱(vgin·dA)(실제로는 단면적(dA)에서 개구율(σ)의 촉매 내에 유속(Vgin)의 가스가 흘러 들어오기 때문에, 촉매 내부에서의 가스 유속은 Vgin/σ가 되고, 이 실제의 유속(Vgin/σ)과 촉매의 실질적인 단면적(σ·dA)의 곱)」에 동일 유입되는 가스 중의 화학종의 농도(Cgin)를 곱한 값(Cgin·Vgin·dA)을 소정 기간에 걸쳐 적분한 값이다. 또한, (1)식의 우변 제 2 항의 Mout는 특정 영역에서 유출되는 가스의 유속(vgout)과 동일 특정 영역의 단면적(dA)의 곱(vgout·dA)(실제로는 가스의 유속(Vgout/σ)과 실질적인 단면적(σ·dA)의 곱)에 동일 유출되는 가스 중의 동일 화학종의 농도(Cgout)를 곱한 값(Cgout·vgout·dA)을 소정 기간에 걸쳐 적분한 값이다. 즉, 상기 (1)식의 우변 제 1 항 및 제 2 항은 하기 (3)식과 같이 기술할 수 있다.

···(3)

그런데, 특정 영역에 유입되는 가스의 유속(vgin)과 동일 특정 영역에서 유출되는 가스의 유속(vgout)간에 큰 차이는 없기 때문에, vg=vgin=vgout로 두면, (3)식은 하기 (4)식과 같이 변형된다.

···(4)

다음으로, (1)식의 우변 제 3 항의 코트층에 전달되는(이동하는) 화학종의 량(Mcoat)에 대해서 검토한다. 기하학적 표면적(Sgeo)은 촉매의 단위 체적당 화학종의 반응에 기여하는 표면적이므로, 특정 영역에 있어서 화학종의 반응에 기여하는 표면적은 Sgeo·dA·dx이고, 동일 특정 영역의 단위 길이당 동일 반응에 기여하는 면적은 Sgeo·dA가 된다. 또한, 코트층에 전달되는 화학종의 량은 피크의 법칙으로부터, 가스상의 화학종의 농도(Cg)와 코트층의 화학종의 농도(Cw)와의 차이에 비례한다고 생각할 수 있다. 이들로부터, 하기의 (5)식을 얻을 수 있다. 또한, h_D는 비례 정수이지만, 상기 표에 도시한 바와 같이, 물질 전달율이라 호칭되는 값이다.

···(5)

따라서, 상기 (1), (2), (4)식 및 (5)식으로부터, 이하의 (6)식을 얻을 수 있다.

···(6)

이 (6)식에 준정상(quasi state) 근사를 적용하면, (6)식의 좌변은 「0」(∂Cg/∂t=0)이라고 생각할 수 있기 때문에(즉, 농도(Cg)는 순간적으로 정상치에 이른다고 생각되므로), 하기의 (7)식을 얻을 수 있다.

···(7)

여기서, 외관의 확산 속도(실질적인 확산 속도; R_D)를 (8)식과 같이 두면, (7)식은 (9)식으로 다시 쓰인다.

···(8)

···(9)

다음으로, 특정 영역의 코트층에 있어서의 화학종의 수지(특정 성분의 물질 수지)를 상기와 같이 생각하면, 하기 (10)식에 도시한 바와 같이, 코트층 내에 있어서의 화학종의 시간적 변화량(단위 시간당 변화량; △Mc)은 단위 시간당 배기 가스상에서 코트층으로 전달되는 동일 화학종의 량(Md)으로부터, 동일 단위 시간당코트층에서 반응에 의해 소비되는 동일 화학종의 량(Mr)을 줄인 량이다.

△Mc=Md-Mr ···(10)

(10)식의 좌변(코트층 내에 있어서의 화학종의 시간적 변화량; △Mc)은 하기 (11)식에 도시한 바와 같이, 화학종의 농도 변화(∂Cw/∂t)에 체적((1-σ)·dA·dx)을 곱함으로써 구할 수 있으며, 우변 제 1 항(단위 시간당 배기 가스상으로부터 코트층으로 전달되는 화학종의 량(Md))은 (5)식에서 설명한 이유와 같은 이유에 의해, 즉, 피크의 법칙으로 생각하면, 하기 (12)식과 같이 기술할 수 있다.

···(11)

···(12)

또한, (10)식의 우변 제 2 항(단위 시간당 코트층에서 반응에 의해 소비되는 화학종의 량(Mr))은 코트층에서의 화학종의 소비 속도(R)를 사용한 하기 (13)식에 의해 구할 수 있다.

Mr=R·dA·dx ···(13)

따라서, (10) 내지 (13)식으로부터, 하기의 (14)식을 얻을 수 있다.

···(14)

이 (14)식에 준정상(quasi state) 근사를 적용하면 (∂Cw/∂t=0), 하기의 (15)식을 얻을 수 있다.

R=Sgeo·h_D·(Cg-Cw) ···(15)

여기서, (15)식에 (8)식을 적용하면, 하기의 (16)식을 얻을 수 있다.

R=R_D·(Cg-Cw) ···(16)

이상을 요약하면, (9)식 및 (16)식이 촉매 모델의 기본식이다. (9)식은 어떤 화학종의 (특정 영역에의 유입량)과 (배기 가스상으로부터 코트층에의 확산량+특정 영역으로부터의 유출량)이 균형잡혀 있는 것을 도시하고, (16)식은 동일 화학종의 (배기 가스상으로부터 코트층에의 확산량)과 (코트층에서의 소비량)이 균형잡혀 있는 것을 도시하고 있다.

다음으로, 이러한 촉매 모델을 사용하여 특정 영역에서 유출되는 특정 화학종(i)의 농도(Cgout)를 실제로 산출하기 위한 방법에 대해서 설명한다. 우선, (9)식을 이산화하면, 하기 (17)식을 얻을 수 있다. 또한, 이하에 있어서는 상기 dx를 L로 하여 나타낸다.

···(17)

여기서, 도 6에 개념적으로 도시한 바와 같이, 특정 영역(I)으로부터 유출되는 화학종의 농도(Cgout)는 동일 특정 영역(I)의 화학종의 농도 Cg(I)의 영향을 강하게 받는다고 생각되기 때문에, 하기의 (18)식과 같이 둘 수 있다. 이러한 사고 방식은 「풍상법」이라 호칭된다. 바꾸어 말하면, 풍상법이란 「특정 영역(I)에 인접하는 상류 측의 영역(I-1)에 있어서의 농도 Cg(I-1)의 화학종이 특정 영역(I)에 유입한다.」라는 사고 방식으로, 하기 (19)식과 같이 기술할 수도 있다.

Cgout=Cg(I) ···(18)

Cgin=Cg(I-1) ···(19)

그런데, 반응 속도론에 근거하면, 어느 화학종의 소비 속도(R)는 그 화학종의 코트층의 평균 농도(Cw)의 함수(fcw)(예를 들면, Cw의 n승)가 되기 때문에, 이 함수(fcw)를 가장 간편해지도록 fcw(x)=x로 두면, 동일 소비 속도(R)는 (20)식에서도시한 바와 같이 둘 수 있다. 또한, 이하에 있어서, (20)식 중 R*를 편의상 「소비 속도 정수」라고 호칭한다.

R=R*·Cw ···(20)

이 (20)식을 상기 (16)식(R=R_D·(Cg-Cw) …(16))에 적용하면 하기 (21)식을 얻을 수 있고, 동일 (21)식을 변형함으로써 하기 (22)식을 얻을 수 있다.

R*·Cw=R_D·(Cg-Cw) ···(21)

···(22)

또한, 상술한 풍상법에 의하면, Cg=Cgout이므로, (22)식은 하기 (23)식으로 다시 쓸 수 있다.

···(23)

그리고, Cg=Cgout이 되는 관계를 상기 (17)식에 적용하여 Cg를 소거함과 동시에, 동일 (17)식과 상기 (23)식으로부터 Cw를 소거하면, 하기 (24)식을 얻을 수 있다.

···(24)

그래서, 값(SP)을 하기 (25)식과 같이 두면, (24)식은 (26)식과 같이 다시 쓸 수 있다. 값(SP)은 외관의 확산 속도(R_D)와 소비 속도 정수(R*) 중 작은 쪽의 값에 강한 영향을 받는 값이므로, Cgout의 변화가 물질의 전달(R_D) 또는 화학적 반응(R*) 중 어느 하나에 의해 율속되고 있는지를 도시하는 값으로, 따라서, 「반응 율속 인자」라고 부를 수도 있다.

···(25)

···(26)

이상의 것으로부터, 소비 속도 정수(R*)와 외관의 확산 속도(R_D)를 결정할 수 있으면, 특정 영역에 유입되는 화학종 농도(Cgin)를 줌으로써, (25)식과 (26)식에 근거하여 동일 특정 영역으로부터 유출되는 화학종의 농도(Cgout)를 구할 수 있다. 이상이 화학종의 농도(Cgout)를 산출하는 기본적 사고이다.

다음으로, 상기 소비 속도 정수(R*)와 외관의 확산 속도(R_D)를 결정함과 동시에, 특정 영역에서 유출되는 화학종 농도(Cgout)를 구할 때보다 구체적인 방법의 일례에 대해서 설명한다. 이 예(촉매 모델)에서는, 촉매에서의 산화·환원 반응인 3원 반응은 순간적으로 또한 완전히 종료하는 것으로 가정하여, 그 결과로서의 산소 과부족에 근거하는 산소의 흡장·방출 반응에 착안하는 것으로 한다. 또한, 이 가정(촉매 모델)은 현실적이고 또한 정밀도가 좋은 것이다.

이 경우, 착안하는 화학종(i)은 예를 들면, 산소(O₂)나 질소 산화물의 하나인 일산화질소(NO)와 같이 산소를 생성하는(산소를 발생시키는) 화학종(스토리지·에이전트) 및 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)와 같이 산소를 소비하는 화학종(리덕션·에이전트)으로부터 선택된 화학종이다.

또한, 이하에 있어서, 스토리지·에이전트의 화학종(i)의 Cgout를 Cgout, stor, i, 동일 화학종(i)의 Cw를 Cw, stor, i, 동일 화학종(i)의 Cgin을 Cgin, stor, i, 동일 화학종(i)의 외관의 확산 속도(R_D)를 R_D, i, 동일 화학종(i)의 소비 속도를 Rstor, i, 동일 화학종(i)의 소비 속도 정수를 R*stor, i 및 동일 화학종(i)의 반응 율속 인자 SPstor, i(이 경우, 화학종(i)은 O₂또는 NO)로 나타낸다.

마찬가지로, 리덕션·에이전트의 화학종(i)의 Cgout를 Cgout, reduc, i, 동일 화학종(i)의 Cw를 Cw, rcduc, i, 동일 화학종(i)의 Cgin을 Cgin, reduc, i, 동일 화학종(i)의 외관의 확산 속도(R_D)를 R_D, i, 동일 화학종(i)의 소비 속도를 Rreduc, i, 동일 화학종(i)의 소비 속도 정수를 R*reduc, i 및 동일 화학종(i)의 반응 율속 인자 SPreduc, i(이 경우, 화학종(i)은 CO 또는 HC 등)로 나타낸다. 이와 같이 각 값을 나타내면, 상기 (20), (23), (25), (26)식으로부터 이하의 (27) 내지 (34)식을 얻을 수 있다.

···(27)

···(28)

···(29)

···(30)

···(31)

···(32)

···(33)

···(34)

이들 식에 근거하여, Cgout, sotr, i(구체적으로는 특정 영역에서 유출되는 산소의 농도(Cgout, O2), 특정 영역에서 유출되는 일산화질소의 농도(Cgout, NO)) 및 Cgout, reduc, i(구체적으로는 특정 영역에서 유출되는 일산화탄소의 농도(Cgout, C0), 특정 영역에서 유출되는 탄화수소의 농도(Cgout, HC))를 구하기 위해, 우선, 소비 속도 정수(R*stor, i) 및 소비 속도 정수(R*reduc, i)를 구한다.

그런데, 반응 속도론에 의하면, 특정 영역의 코트층에서 산소가 흡장되는 속도(산소의 흡장 속도; Rstor, i)는 동일 코트층의 스토리지·에이전트(O₂, NOx 등)의 농도(Cw, stor, i)(예를 들면, Cw, O2, Cw, NO)의 함수 f1(Cw, stor, i)의 값과 비례함과 동시에, 특정 영역의 코트층의 최대 산소 흡장 밀도와 실제의(그 시점에 있어서의) 산소 흡장 밀도와의 차이(0stmax-0st)의 함수 f2(Ostmax-Ost)의 값과 비례한다고 생각된다. 이 최대 산소 흡장 밀도와 산소 흡장 밀도와의 차이(Ostmax-Ost)는 착안하고 있는 특정 영역에 있어서의 산소 흡장 여유량을 나타낸다.

그래서, 간단함을 위해 함수 f1(x)=f2(x)=x로 하면, 하기의 (35)식을 얻을 수 있다. 하기 (35)식의 kstor, i는 산소 흡장 속도 계수(흡장 측 반응 속도 계수, 스토리지·에이전트의 소비 속도 계수)이고, 잘 알려진 아레니우스의 식으로 나타나는 온도에 의존하여 변화하는 계수이며, 별도 검출 또는 추정되는 촉매 온도(Temp)와 소정의 함수(산소 흡장 속도 계수(kstor, i)와 촉매 온도(Temp)간의관계를 규정한 맵이어도 된다.)에 근거하여 구할 수 있다. 또한, 산소 흡장 속도 계수(kstor, i)는 촉매 열화 정도에 따라서도 변화하기 때문에, 동일 촉매 열화 정도에 따라서 구하여도 된다.

Rstor, i=kstor, i·Cw, stor, i·(Ostmax-Ost) ···(35)

따라서, (27)식과 (35)식으로부터, 소비 속도 정수(R*stor, i)는 하기 (36)식에 의해 구할 수 있다.

R*Stor, i=kstor, i·(0stmax-0st) ···(36)

또한, 산소의 흡장(흡착)과 방출에만 착안하고 있는 이 모델에 있어서는, 환원제인 리덕션·에이전트는 코트층에 흡장되어 있는 산소의 방출에만 사용되므로, 동일 리덕션·에이전트의 소비 속도(Rredcu, i)는 코트층에 흡장되어 있는 산소가 방출되는 속도(산소의 방출 속도; Rrel, i)와 같다.

그래서, 산소의 방출 속도(Rrel, i)에 대해서 검토하면, 동일 방출 속도(Rrel, i)는 산소의 흡장 속도(Rstor, i)와 동일하게 반응 속도론에 근거하여, 동일 코트층에 있어서 산소를 소비하는 화학종(예를 들면, CO, HC)의 농도(Cw, reduc, i)(예를 들면, Cw, C0, Cw, HC)의 함수 g1(Cw, reduc, i)의 값과 비례함과 동시에, 산소 흡장 밀도(OSt)의 함수 g2(Ost)의 값과 비례한다고 생각된다.

그래서, 간단함을 위해 함수 g1(x)=g2(x)=x로 하면, 하기의 (37)식을 얻을 수 있다. 하기 (37)식의 krel, i는 산소 방출 속도 계수(흡탈 측 반응 속도, 계수)이고, 산소 흡장 속도 계수(kstor, i)와 마찬가지로 아레니우스 식으로 나타나는 온도에 의존하여 변화하는 계수이며, 별도 검출 또는 추정되는 촉매 온도(Temp)에 근거하여 소정의 함수(산소 방출 속도 계수(krel, i)와 촉매 온도(Temp)간의 관계를 규정한 맵이어도 된다.)에 근거하여 구할 수 있다. 또한, 산소 방출 속도 계수(krel, i)는 촉매 열화 정도에 따라서도 변화하기 때문에, 동일 촉매 열화 정도에 따라서 구하여도 된다.

Rrel, i=krel, i·Cw, reduc, i·0st ···(37)

이 결과, 상술한 바와 같이 리덕션·에이전트의 소비 속도(Rredcu, i)는 코트층의 산소의 방출 속도(Rrel, i)와 같으므로, 소비 속도 정수(R*reduc, i)는 (31)식과 (37)식을 비교함으로써 얻어지는 하기 (38)식에 근거하여 구할 수 있다.

R*reduc, i=krel, i·0st ···(38)

이상의 것으로부터, 산소 흡장 밀도(0st)가 구해지면(산소 흡장 밀도(Ost)를 구하는 방법에 대해서는 후술한다.), (36)식으로부터 소비 속도 정수(R*stor, i)(예를 들면, R*O₂)를 구할 수 있다. 한편, 외관의 확산 속도(R_D, i)(예를 들면, R_D, O₂)는 (8)식과 같이 Sgeo·h_D, i이므로, 온도와 유량의 함수(촉매의 온도와 동일 촉매를 통과하는 가스 유량의 함수)로서 실험적으로 구해 둘 수 있다. 이 결과, (29)식으로부터 SPstor, i(예를 들면, SPstor, O₂)가 결정되기 때문에, 경계 조건으로서 Cgin, stor, i(예를 들면, Cgin, O₂)가 주어질 때, (30)식으로부터 Cgout, stor, i(예를 들면, Cout, O₂)를 구할 수 있다. 그리고, 새로운 Cw, stor, i(예를 들면, Cw, O₂)를 (28)식에 의해 구할 수 있다.

마찬가지로, 산소 흡장 밀도(0st)가 구해지면, (38)식으로부터 소비 속도 정수(R*reduc, i)(예를 들면, R*reduc, CO)를 구할 수 있다. 한편, 외관의 확산 속도(R_D, i)(예를 들면, R_D, C0)는 (8)식과 같이 Sgeo·h_D, i이므로, 온도와 유량의 함수(촉매의 온도와 동일 촉매를 통과하는 가스 유량의 함수)로서 실험적으로 구해 둘 수 있다. 이 결과, (33)식으로부터 SPreduc, i(예를 들면, SPreduc, C0)가 결정되기 때문에, 경계 조건으로서 Cgin, reduc, i(예를 들면, Cgin, CO)가 주어질 때, (34)식으로부터 Cgout, reduc, i(예를 들면, Cgout, C0)를 구할 수 있다. 그리고, 새로운 Cw, reudc, i(예를 들면, Cw, C0)를 (32)식에 의해 구할 수 있다.

다음으로, Cgout, stor, i, Cgout, reduc, i를 구하기 위해 필요해지는 산소 흡장 밀도(0st)를 구하는 방법에 대해서 설명한다.

우선, 코트층에서의 화학종으로서의 산소 수지에 대해서 착안하면, 동일 수지는 코트층에서의 산소의 흡장분과 산소의 방출분의 차이이므로, 하기 (39)식에 의해 기술된다. (39)식에서 dA·L은 특정 영역의 체적(dV)이다.

···(39)

이 (39)식을 변형하면, 하기 (40)식을 얻을 수 있다.

···(40)

이 (40)식을 (35)식과 (37)식을 사용하면서 이산화하면, 하기의 (41)식을 얻을 수 있다.

···(41)

이 (41)식을 변형하면, 하기 (42)식 내지 (44)식을 얻을 수 있고, 이들로부터 산소 흡장 밀도(0st)를 구할 수 있다(갱신하여 갈 수 있다).

···(42)

···(43)

···(44)

이와 같이, 식 (42) 내지 (44)식으로부터 산소 흡장 밀도(0st)를 구할 수 있기 때문에, 상술한 바와 같이 Cgout, stor, i, Cgout, reduc, i를 구할 수 있다. 또한, 산소 흡장 밀도(0st)를 구할 수 있기 때문에, 하기 (45)식에 근거하여 특정 영역의 산소 흡장량(OSA)을 구할 수 있다.

OSA=Ost·dA·L ···(45)

따라서, 촉매에 유입되는 화학종 농도(Cgin, i)가 경계 조건으로서 주어졌을 때, 촉매 상류의 블록(특정 영역)으로부터 순차 (45)식을 사용하여 각 블록의 산소 흡장량(0SA)을 구할 수 있으며, 이로써, 촉매 내부의 산소 흡장량 분포가 정밀도 좋게 추정된다. 또한, 각 블록의 산소 흡장량(OSA)을 촉매 전체에 대해서 적산하면, 동일 촉매 전체의 산소 흡장량에 대해서도 정밀도 좋게 추정할 수 있다.

다음으로, 실제 촉매에 있어서의 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소 산화물(여기서는 일산화질소; N0)의 각 화학종 농도(Cgout, O₂, Cgout, CO,Cgout, HC 및 Cgout, NO)를 구하기 위한 구체적 방법의 일례에 대해서, 플로 차트를 사용하여 설명한다. 이 예에 있어서도, 촉매에서의 산화·환원 반응인 3원 반응은 순간적으로 또한 완전히 종료하는 것으로 가정하여, 그 결과로서의 산소 과부족에 근거하는 산소의 흡장·방출 반응에만 착안하는 것으로 한다.

ECU(18)의 CPU는 도 7로부터 도 11의 일련의 플로 차트에 의해 도시된 프로그램을 소정 시간 경과마다 도 7의 프로그램부터 순차대로 실행하도록 되어 있다. 또한, 이들 프로그램은 촉매(19)를 다수의 블록(특정 영역)으로 분할하고, 그 중 하나의 블록(I)에 대한 프로그램으로, 완전히 같은 프로그램이 다른 블록에 대해서도 동시 병행적으로 CPU에 의해 실행되고 있다.

CPU는 소정의 타이밍이 되면 도 7의 스텝 700부터 처리를 개시하여, 스텝 705로 진행하여 이전 회의 본 프로그램 연산 시에 있어서 후술하는 스텝 745에서 산출된 코트층의 산소 농도(Cw, O2(k+1))를 이번 코트층의 산소 농도(Cw, O2)의 값인 Cw, O2(k)로 설정하여, 계속되는 스텝 710에서 이전 회의 본 프로그램 연산 시에 있어서 후술하는 도 11의 스텝 1125에서 산출된 산소 흡장 밀도(0st(k+1))를 이번 산소 흡장 밀도(0st)의 값(0st(k))으로 설정한다.

다음으로, CPU는 스텝 715에서 촉매(19)의 온도(Temp)와 동일 촉매(19)의 열화 정도를 나타내는 열화 지표치(REKKA)와 도 12에 도시한 바와 같은 맵(룩 업 테이블) MapkstorO2로부터 산소 흡장 속도 계수(kstor, O2(k))를 결정한다.

촉매 온도(Temp)는 온도 센서(21)에 의해 검출하여도 되고, 엔진(1)의 운전 상태(예를 들면, 흡입 공기량(Ga)과 엔진 회전 속도(NE))에 따라서 추정하여도 된다.

열화 지표치(REKKA)는 촉매(19)의 최대 산소 흡장량(Cmax)에 따라서 구할 수 있는 값(예를 들면, 최대 산소 흡장량(Cmax)의 단조 증가 함수)이다. 최대 산소 흡장량(Cmax)은 다음과 같이 하여 구할 수 있다. 즉, 엔진(1)이 소정의 정상 운전 상태에 있는 경우에, 하류 측 센서(26)가 이론 공연비보다 린인 공연비를 검출하고 있을 때, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비를 소정의 리치 공연비로 유지하며, 이로써 촉매(19) 내에 저장되어 있는 산소를 모두 소비한다.

그 결과, 하류 측 센서(26)가 이론 공연비보다 린인 공연비에 대응하는 값으로부터 이론 공연비보다 리치인 공연비에 대응하는 값을 출력하면, 그 시점(t1)으로부터 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비를 소정의 린 공연비로 설정하고, 다음으로 하류 측 센서(26)가 이론 공연비보다 리치인 공연비에 대응하는 값으로부터 이론 공연비보다 린인 공연비에 대응하는 값을 출력하는 시점(t2)까지 동일 촉매(19)에 유입되는 가스 중에 포함되는 산소량을 하기 (46)식 및 (47)식에 근거하여 구한다. 이 (47)식에 의해 구할 수 있는 적산치 O2storage(=Cmax1)를 최대 산소 흡장량(Cmax)으로서 채용한다.

△O₂=0.23·Gf·(AF-AFstoich) ···(46)

0.23 : 공기 중의 산소의 중량 비율

AF : 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비

(공연비 센서(25)에 의해 검출되는 공연비)

AFstoich: 이론 공연비(이상 공연비, 스토이키 공연비)

Gf : 단위 시간당 공급 연료 질량

O2storage=Σ△O₂(적산 구간(t1 내지 t2)) ···(47)

또한, 시점(t2) 후, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비를 소정의 리치 공연비로 유지하고, 다음으로 하류 측 센서(26)가 이론 공연비보다 린인 공연비에 대응하는 값으로부터 이론 공연비보다 리치인 공연비에 대응하는 값을 출력하는 시점(t3)까지 동일 촉매(19)에 유입되는 가스 중에 포함되는 단위 시간당 산소의 부족량을 상기 (46)식과 같은 식에 의해 구하여, 상기 (47)식과 같은 식에 의해 동일 단위 시간당 산소의 부족량을 시점(t2 내지 t3)에 걸쳐 적산하며, 이로써 구해지는 적산치(Cmax2)를 최대 산소 흡장량(Cmax)으로서 채용하여도 되고, 상기 최대 산소 흡장량(Cmax1)과 이 최대 산소 흡장량(Cmax2)과의 평균치를 최대 산소 흡장량(Cmax)으로서 채용하여도 된다.

이어서, CPU는 스텝 720에서 동일 스텝 720 내에 기재한 식(상기 (36)식을 참조.)에 따라서 산소의 소비 속도 정수(R*stor, O2(k))를 구한다. 또한, 스텝 720에서 사용하는 최대 산소 흡장 밀도(Ostmax)는 일정치로 하여도 되지만, 상기 촉매 열화 지표치(REKKA)(또는 최대 산소 흡장량(Cmax))에 따라서 결정되는 것이 바람직하다(이하, 동일.). 그 후, CPU는 스텝 725에서 외관의 확산 속도(R_D,O2(k))를 촉매 온도(Temp)와 맵(MapR_DO2)으로 결정한다.

계속해서, CPU는 스텝 730에서 산소의 반응 율속 인자(SPstor, O2)를 동일 스텝 730 내에 기재한 식(상기 (29)식을 참조.)에 의해 구하여, 스텝 735에서, 이 프로그램이 대상으로 하고 있는 블록(I)보다도 이전(즉, 상류) 블록(I-1)으로부터 유출되는 산소 농도(Cgout, O2(k))를 동일 대상으로 하고 있는 블록(I)에 유입되는 산소 농도(Cgin, O2(k))로서 넣는다.

이 때, 대상으로 하고 있는 블록(I)이 촉매(19)의 가장 상류 블록인 경우, 이전 블록(I-1)은 존재하지 않으므로, 스텝 735에 있어서의 이전 블록인 Cgout, O2(k)는 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 산소 농도(Cgin, O2)이다. 이 촉매(19)에 유입되는 가스의 산소 농도(Cgin, O2)는 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비(A/F)와 동일 가스의 유량에 근거하는 함수(fO2)에 의해 구할 수 있다. 하기의 (48)식의 우변은 이 함수(fO2)의 구체예이다.

Cgin, O2=kgmol·0.23·(Ga+Gf)·(AF-AFstoich)/(1+AF) ···(48)

여기서, (48)식 중의 각 기호 및 정수는 이하와 같다.

kgmol : 질량을 몰수로 변환하기 위한 계수

0.23 : 공기 중의 산소의 중량 비율

AF : 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비

(공연비 센서(25)에 의해 검출되는 공연비)

AFstoich: 이론 공연비(이상 공연비, 스토이키 공연비)

Ga : 단위 시간당 흡입 공기 질량

(에어 플로 미터(13)에 의해 측정되는 흡입 공기 유량)

Gf : 단위 시간당 공급 연료 질량

상기 (48)식의 도출 과정을 간단히 서술하면, 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비(AF)는 Ga/Gf이고, Gf에 대하여 이론 공연비를 얻기 위해 필요한 공기 질량을 Gastoich라 하면, 이론 공연비(AFstoich)는 Gastoich/Gf가 된다. 한편, 공급 연료 질량이 Ga일 때에 공연비가 AF가 되었을 때, 이론 공연비(AFstoich)를 얻기 위해 필요한 공기 질량에 대한 과잉 공기 질량은 Ga-Gastoich이므로, 산소의 질량을 MassO2로 두면, 하기 (49)식이 얻어져, 이 (49)식으로부터 상기 (48)식을 얻을 수 있다.

···(49)

다음으로, CPU는 스텝 740으로 진행하여, 동일 스텝 740에 기술한 식(상기(30)식을 참조.)에 따라서 Cgout, O2(k+1)를 구한다. vg의 값은 에어 플로 미터(13)가 검출한 흡입 공기 유량으로 한다. 이와 같이, 스텝 740에서는 대상으로 하고 있는 블록(I)에서 유출되는 산소 농도(Cgout, O2)를 새롭게 산출한다. 이어서, CPU는 스텝 745로 진행하여, 동일 스텝 745에 기술한 식(상기 (28)식을 참조.)에 따라서 Cw, O2(k+1)를 구한다. 즉, CPU는 스텝 745에서 대상으로 하고 있는 블록(I)의 코트층의 산소 농도(Cw, O2)를 새롭게 산출하여, 스텝 795을 경유하여 도 8에 도시한 스텝 800으로 진행한다. 이와 같이, 도 7에 의해 도시한 프로그램은 특정 영역(I)에 있어서의 배기 가스상의 산소 농도 추정 수단 및 코트층의 산소 농도 추정 수단을 구성하고 있다.

다음으로, CPU는 스텝 800에서 스텝 805로 진행하여, 이전 회의 본 프로그램 연산 시에 있어서 후술하는 스텝 840에서 산출된 코트층의 일산화탄소(Cw, CO(k+1))를 이번 코트층의 일산화탄소 농도(Cw, C0)의 값인 Cw, CO(k)로 설정한다.

다음으로, CPU는 스텝 810에서 촉매(19)의 온도(Temp)와 동일 촉매(19)의 열화 지표치(REKKA)와 도 12에 도시한 바와 같은 맵(MapkrelC0)으로부터 계수(krel, CO(k))를 결정하여, 계속되는 스텝 815에서 동일 스텝 815 내에 기재한 식(상기 (38)식을 참조.)에 따라서 소비 속도 정수(R*reduc, CO(k))를 구하고, 그 후, 스텝 820에서 외관의 확산 속도(R_D, CO(k))를 촉매 온도(Temp)와 맵(MapR_DC0)으로부터 결정한다.

계속해서, CPU는 스텝 825에서 일산화탄소의 반응 율속 인자(SPreduc, C0)를동일 스텝 825 내에 기재한 식(상기 (33)식을 참조.)에 의해 구하고, 스텝 830에서, 이 프로그램이 대상으로 하고 있는 블록(I)보다도 이전(즉, 상류) 블록(I-1)으로부터 유출되는 일산화탄소 농도(Cgout, CO(k))를 동일 대상으로 하고 있는 블록에 유입되는 일산화탄소 농도(Cgin, CO(k))로서 넣는다.

이 때, 대상으로 하고 있는 블록(I)이 촉매(19)의 가장 상류 블록인 경우, 이전 블록(I-1)은 존재하지 않으므로, 스텝 830에 있어서의 이전 블록인 Cgout, C0(k)는 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 일산화탄소 농도(Cgin, C0)이고, 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비(A/F)와 일산화탄소 농도(Cgin, CO)와의 관계를 규정한 도 13에 도시한 맵에 근거하여 구할 수 있다.

여기서는, 촉매에 유입되는 가스의 공연비(A/F)와 일산화탄소 농도(Cgin, CO)와의 관계를 미리 실험에 의해 구해 두고, 이 관계와 동일 촉매에 유입되는 실제 공연비(A/F)에 근거하여 상기 일산화탄소 농도(Cgin, CO)를 구하고 있지만, 공연비(A/F) 외에, 점화 시기, 엔진(1)의 냉각수온 및 촉매에 유입되는 가스량(예를 들면, 에어 플로 미터(13)에 의해 검출되는 흡입 공기 유량과 같은 량) 등의 파라미터의 하나 이상과 일산화탄소 농도(Cgin, CO)와의 관계를 미리 실험에 의해 구해 두고, 이 관계와 실제 파라미터에도 근거하여 일산화탄소 농도(Cgin, CO)를 더욱 정밀도 좋게 구하여도 된다.

다음으로, CPU는 스텝 835로 진행하여, 동일 스텝 835에 기술한 식(상기 (34)식을 참조.)에 따라서 Cgout, C0(k+1)를 구한다. 즉, 대상으로 하고 있는 블록(I)에서 유출되는 일산화탄소 농도(Cgout, CO)를 새롭게 산출한다. 이어서, CPU는 스텝 840으로 진행하여, 동일 스텝 840에 기술한 식(상기 (32)식을 참조.)에 따라서 Cw, CO(k+1)를 구한다. 즉, CPU는 스텝 840에서 대상으로 하고 있는 블록(I)의 코트층의 일산화탄소 농도(Cw, C0)를 새롭게 산출하여, 스텝 895를 경유하여 도 9에 도시한 스텝 900으로 진행한다. 이와 같이, 도 8에 의해 도시한 프로그램은 특정 영역(I)에 있어서의 배기 가스상의 일산화탄소 농도 추정 수단 및 코트층의 일산화탄소 농도 추정 수단을 구성하고 있다.

도 9에 도시한 프로그램은 탄화수소(HC)에 대한 연산을 하는 프로그램으로, 일산화탄소(C0)에 대한 연산을 하기 위한 앞서 설명한 도 8의 프로그램과 같은 프로그램이다.

간단히 설명하면, CPU는 스텝 900에서 스텝 905로 진행하여, 이전 회의 본 프로그램 연산 시에 있어서 후술하는 스텝 940에서 산출된 코트층의 일산화탄소(Cw, HC(k+1))를 이번 코트층의 일산화탄소 농도(Cw, HC)의 값인 Cw, HC(k)로 설정한다.

다음으로, CPU는 스텝 910에서 촉매(19)의 온도(Temp)와 동일 촉매(19)의 열화 지표치(REKKA)와 도 12에 도시한 바와 같은 맵(MapkrelHC)으로부터 계수(krel, HC(k))를 결정하여, 계속되는 스텝 915에서 동일 스텝 915 내에 기재한 식(상기 (38)식을 참조.)에 따라서 소비 속도 정수(R*reduc, HC(k))를 구하고, 그 후, 스텝 920에서 외관의 확산 속도(R_D, HC(k))를 촉매 온도(Temp)와 맵(MapR_DHC)으로부터 결정한다.

계속해서, CPU는 스텝 925에서 탄화수소의 반응 율속 인자(SPreduc, HC)를 동일 스텝 925 내에 기재한 식(상기 (33)식을 참조.)에 의해 구하여, 스텝 930에서, 이 프로그램이 대상으로 하고 있는 블록(I)보다도 이전(즉, 상류) 블록(I-1)으로부터 유출되는 탄화수소 농도(Cgout, HC(k))를 동일 대상으로 하고 있는 블록에 유입되는 탄화수소 농도(Cgin, HC(k))로서 넣는다.

이 때, 이 프로그램이 대상으로 하고 있는 블록(I)이 촉매(19)의 가장 상류 블록인 경우, 이전 블록(I-1)은 존재하지 않고, 스텝 930에 있어서의 Cgout, HC(k)는 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 탄화수소 농도(Cgin, HC)이다. 이 경우, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비(A/F)와 탄화수소 농도(Cgin, HC)와의 관계는 도 14의 그래프에 도시한 바와 같고, 엔진(1)의 배기 온도와 탄화수소 농도(Cgin, HC)와의 관계는 도 15의 그래프에 도시한 바와 같으므로, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비(A/F) 및 엔진(1)의 배기 온도와 탄화수소 농도(Cgin, HC)와의 관계를 미리 실험에 의해 구하여 맵으로서 기억해 두고, 실제 가스의 공연비(A/F) 및 실제 엔진(1)의 배기 온도와 동일 맵으로부터 탄화수소 농도(Cgin, HC)를 구한다.

또한, 상기 탄화수소 농도(Cgin, HC)를 구함에 있어서, 공연비(A/F) 및 엔진(1)의 배기 온도 외에, 점화 시기, 엔진(1)의 냉각수온 및 촉매에 유입되는 가스량(예를 들면, 에어 플로 미터(13)에 의해 검출되는 흡입 공기 유량과 같은 량) 등의 파라미터의 하나 이상과 탄화수소 농도(Cgin, HC)와의 관계를 미리 실험에 의해 구해 두고, 이 관계와 실제 파라미터에도 근거하여 상기 탄화수소 농도(Cgin, HC)를 더욱 정밀도 좋게 구하여도 된다.

다음으로, CPU는 스텝 935로 진행하여, 동일 스텝 935에 기술한 식(상기 (34)식을 참조.)에 따라서 Cgout, HC(k+1)를 구한다. 즉, 대상으로 하고 있는 블록(I)에서 유출되는 일산화탄소 농도(Cgout, HC)를 새롭게 산출한다. 이어서, CPU는 스텝 940으로 진행하여, 동일 스텝 940에 기술한 식(상기 (32)식을 참조.)에 따라서 Cw, HC(k+1)를 구한다. 즉, CPU는 스텝 940에서 대상으로 하고 있는 블록(I)의 코트층의 일산화탄소 농도(Cw, HC)를 새롭게 산출하여, 스텝 995를 경유하여 도 10에 도시한 스텝 1000으로 진행한다. 이와 같이, 도 9에 의해 도시한 프로그램은 특정 영역(I)에 있어서의 배기 가스상의 탄화수소 농도 추정 수단 및 코트층의 탄화수소 농도 추정 수단을 구성하고 있다.

도 10에 도시한 프로그램은 질소 산화물(여기서는 질소 산화물의 대표로서 일산화질소(N0)를 선택하였다.)에 대해서, 상기 도 7 내지 도 9에 도시한 프로그램에 근거하는 연산과 같은 연산을 하기 위한 프로그램이다.

간단히 설명하면, CPU는 스텝 1000에서 스텝 1005로 진행하여, 이전 회의 본 프로그램 연산 시에 있어서 후술하는 스텝 1040에서 산출된 코트층의 일산화질소(Cw, NO(k+1))를 이번 코트층의 일산화질소 농도(Cw, NO)의 값인 Cw, NO(k+1)로 설정한다.

다음으로, CPU는 스텝 1010에서 촉매(19)의 온도(Temp)와 동일 촉매(19)의 열화 지표치(REKKA)와 도 12에 도시한 바와 같은 맵(MapkstorNO)으로부터 산소 흡장 속도 계수(kstor, NO(k))를 결정하여, 계속되는 스텝 1015에서 동일 스텝 1015 내에 기재한 식(상기 (36)식을 참조.)에 따라서 소비 속도 정수(R*stor, NO(k))를구하고, 그 후, 스텝 1020에서 외관의 확산 속도(R_D, NO(k))를 촉매 온도(Temp)와 맵(MapR_DNO)으로부터 결정한다.

계속해서, CPU는 스텝 1025에서 일산화질소의 반응 율속 인자(SPstor, N0)를 동일 스텝 1025 내에 기재한 식(상기 (29)식을 참조.)에 의해 구하여, 스텝 1030에서, 이 프로그램이 대상으로 하고 있는 블록(I)보다도 이전(즉, 상류) 블록(I-1)으로부터 유출되는 일산화질소 농도(Cgout, NO(k))를 동일 대상으로 하고 있는 블록에 유입되는 일산화질소 농도(Cgin, NO(k))로서 넣는다.

이 때, 이 프로그램이 대상으로 하고 있는 블록(I)이 촉매(19)의 가장 상류 블록인 경우, 이전 블록(I-1)은 존재하지 않고, 스텝 1030에 있어서의 이전 블록인 Cgout, NO(k)는 동일 촉매(19)에 유입되는 가스의 일산화질소 농도(Cgin, N0)이다. 이 경우, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비(A/F)와 일산화질소 농도(Cgin, NO)와의 관계는 도 16의 그래프에 도시한 바와 같고, 엔진(1)의 1기통의 1흡기 행정당 흡입 공기 유량(Mc; 통 내 흡입 공기량)과 일산화질소 농도(Cgin, NO)와의 관계는 도 17의 그래프에 도시한 바와 같으므로, 촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비(A/F) 및 통 내 흡입 공기량과 일산화질소 농도(Cgin, NO)와의 관계를 미리 실험에 의해 구하여 맵으로서 기억해 두고, 실제 가스의 공연비(A/F) 및 실제 통 내 흡입 공기량과 동일 맵으로부터 일산화질소 농도(Cgin, NO)를 구한다.

또한, 상기 일산화질소 농도(Cgin, NO)를 구함에 있어서, 촉매에 유입되는 가스의 공연비(A/F) 및 통 내 흡입 공기량 외에, 점화 시기, 엔진(1)의 냉각수온및 촉매에 유입되는 가스량(예를 들면, 에어 플로 미터(13)에 의해 검출되는 흡입 공기 유량과 같은 량) 등의 파라미터의 하나 이상과 일산화질소 농도(Cgin, N0)와의 관계를 미리 실험에 의해 구해 두고, 이 관계와 실제 파라미터에도 근거하여 상기 일산화질소 농도(Cgin, NO)를 더욱 정밀도 좋게 구하여도 된다.

다음으로, CPU는 스텝 1035로 진행하여, 동일 스텝 1035에 기술한 식(상기 (30)식을 참조.)에 따라서 Cgout, NO(k+1)를 구한다. 즉, 대상으로 하고 있는 블록(I)에서 유출되는 일산화질소 농도(Cgout, NO)를 새롭게 산출한다. 이어서, CPU는 스텝 1040으로 진행하여, 동일 스텝 1040에 기술한 식(상기 (28)식을 참조.)에 따라서 Cw, NO(k+1)를 구한다. 즉, CPU는 스텝 1040에서 대상으로 하고 있는 블록(I)의 코트층의 일산화질소 농도(Cw, NO)를 새롭게 산출하여, 스텝 1095를 경유하여 도 11에 도시한 스텝 1100으로 진행한다. 이와 같이, 도 10에 의해 도시한 프로그램은 특정 영역(I)에 있어서의 배기 가스상의 일산화질소 농도 추정 수단 및 코트층의 일산화질소 농도 추정 수단을 구성하고 있다.

도 11에 도시한 프로그램은 산소 흡장 밀도(산소 흡장 농도; Ost)를 산출하기 위한 프로그램으로, 구체적으로 서술하면, CPU는 스텝 1105에서 상기 (43)식에 근거하는 동일 스텝 1105 내에 기술한 식에 의해 계수(P)를 구함과 동시에, 계속되는 스텝 1120에서 상기 (44)식에 근거하는 동일 스텝 1120에 기술한 식에 의해 계수(Q)를 구한다. 이어서, CPU는 스텝 1125에서 상기 (42)식에 근거하는 동일 스텝 1125에 기술한 식에 의해 산소 흡장 밀도(0st(k+1))를 구하여, 스텝 1195에서 도 7 내지 도 11에 도시한 본 프로그램을 일단 종료한다. 또한, 스텝 1125 다음으로,상기 (45)식에 근거하여 이 블록의 산소 흡장량(OSA, I)을 구하고나서, 스텝 1195로 진행하도록 구성하여도 된다. 이와 같이, 도 11에 도시한 프로그램은 산소 흡장 밀도 산출 수단 및 산소 흡장량 산출 수단을 구성하고 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 대상으로 하고 있는 블록(I)의 화학종(i)의 농도(Cgout, i)를 구할 수 있어, 상술한 풍상법을 사용함으로써, 순차 인접하는 블록(I)의 화학종(i)의 농도(Cgout, i)가 구해져 간다. 마찬가지로, 각 블록(I)마다 산소 흡장 밀도(0st)를 구할 수 있어, 상술한 (45)식을 사용함으로써, 동일 블록(I)의 산소 흡장량(OSA)을 구할 수 있다. 또한, 이 블록(I)의 산소 흡장량(OSA)을 촉매 입구에서 임의의 블록(K)까지 적산하면, 동일 블록(K)까지의 촉매 내의 적산 산소 흡장량(0SA, K)을 구할 수 있어, 블록(K)이 촉매 출구의 블록이면, 동일 촉매의 산소 흡장량(OSAall)을 구할 수 있다.

다음으로, 상술한 공연비 제어 장치를 사용한 제어의 실시예에 대해서, 순차 설명한다.

우선, 제 1 실시예에 대해서, 그 제어의 플로 차트를 도시한 도 18을 참조하면서 설명한다. 본 실시예에서는 배기 가스 중의 산소량(실제로는, 촉매(19)로부터 배출되는 산소의 농도)과 일산화탄소량(실제로는 촉매(19)로부터 배출되는 일산화탄소의 농도)을 상술한 추정치로서 구한다. 또한, 산소량은 공연비 제어에 있어서 산소의 과부족량으로서 취급한다. 즉, 산소가 지나치게 존재할 경우에 산소량은 양의 값, 산소가 부족한 경우에 산소량은 음의 값으로 한다. 더욱이, 본 실시예에서는 촉매(19) 전체를 하나의 영역(특정 영역)으로서 생각하고 있다.

촉매(19)에서의 배기 가스의 정화 반응에 있어서는, 배기 가스 중의 정화해야 할 성분을 산화시키기 위해(즉, 미연 연료인 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키기 위해) 산소가 소비된다. 이 때문에, 촉매(19)로부터 유출되는 배기 가스 중에 이들 산화해야 할 성분이 포함되어 있을 때는 산소량이 부족하다고 간주한다. 즉, 추정치는 음의 값을 취한다. 또한, 여기서는 미연 성분을 일산화탄소(C0)로 대표시킨다.

이에 대하여, 배기 가스 중의 정화해야 할 성분(질소 산화물; NOx)이 환원됨으로써 생기는 산소 및 유입되는 배기 가스 중에 포함되는 산소가 촉매(19)의 산소 흡장 작용에 의해 동일 촉매(19)에 다 흡장 할 수 없는 경우, 산소 성분이 동일 촉매(19)로부터 유출된다. 이 때는, 산소량이 과잉이라고 간주한다. 즉, 추정치는 양의 값을 취한다. 또한, 여기서는 산소 흡장 작용에 관련되는 성분을 산소(O₂)로 대표시킨다.

본 공연비 제어 장치는 이 산소에 관한 추정치를 사용하여 공연비 제어를 한다. 구체적으로 서술하면, 동일 장치의 CPU는 도 18의 플로 차트에 도시한 바와 같이, 스텝 10에서 상류 측 공연비 센서(25)가 검출하는 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비(배기 공연비)를 취득하고, 다음 스텝 30에서 이전 회의(본 프로그램의 이전 회 실행 시에 있어서의 후술하는 스텝 55에서 구하였다) 산소 흡장 밀도(0st)를 사용하여 Rosc(즉 R*stor, O2, R*reudc, CO) 및 R_D(R_D, O2, R_D, CO)를 산출한다.

이 때, 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다 린인 경우, R_D산출에는 이미 설명한 (8)식에 근거하는 이하의 (50)식을 사용하고, Rosc 산출에는 이미 설명한 (36)식에 근거하는 이하의 (51)식을 사용한다.

R_D, O2=Sgeo·h_D, O2 ···(51)

Rosc=R*stor, O2=kstor, O2·(Ostmax-Ost) ···(51)

또한, 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다 리치인 경우, R_D산출에는 이미 설명한 (8)식에 근거하는 이하의 (52)식을 사용하고, Rosc 산출에는 이미 설명한 (38)식에 근거하는 이하의 (53)식을 사용한다.

R_D, CO=Sgeo·h_D, CO ···(52)

Rosc=R*reduc, CO=krel, CO·Ost ···(53)

Rosc에 대해서는, 예를 들면 온도에 대한 함수가 된다. 여기서는, 예를 들면, h_D가 온도의 함수이고, ksotr, O2, krel, C0는 도 12에 도시한 바와 같이, 온도와 촉매 열화도의 함수이다. 온도는 온도 센서(21)에 의해 검출되어, 검출된 온도에 근거하여 ECU(18) 내의 R0M에 격납된 함수식이나 맵으로부터 Rosc가 산출된다.

그 후, CPU는 스텝 40에서, 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다 린인 경우, 상술한 (30)식을 사용하여 Cgout, O2(=CgoutO2), 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다 리치인 경우, 상술한 (34)식을 사용하여 Cgout, C0를 산출한다. 그리고, Cgout, C0가 구해졌을 때에는, Cgout, O2=-2·Cgout, CO로서, 최종적인 Cgout, O2를 구한다.

또한, 스텝 40에서 Cgout, O2(Cgout, C0로 치환하기 전의 Cgout, O2) 및 Cgout, CO를 산출하기 위해서는 Cgin, O2 및 Cgin, CO가 각각 필요해진다. 스텝 40에서는 Cgin, O2를 상술한 (48)식으로부터 구하고 있다. 이 때, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 리치이고, (48)식에 따라서 계산한 Cgin, O2이 양의 값이면 그 값을 그대로 Cin, O2로서 채용하고, (48)식에 따라서 계산한 Cgjn, O2이 음의 값이면, 그 값의 절대치의 1/2를 Cgin, CO로서 채용한다.

이어서, CPU는 스텝 50에서 코트층의 각 화학종 농도 Cw(Cw, O2, Cw, C0)를 (28)식 및 (32)식에 근거하여 구하여, 스텝 55에서 (42)식 내지 (44)식에 의해 0st(이번 값)를 산출함과 동시에, 스텝 60에서, 공연비 제어용 피드백 보정량(F/B 보정량)을 (Cgout, O2-O2ref)·G 등으로부터 구한다. 여기서, O2ref는 제어 목표(목표 상태), G는 제어 게인이다. 도 19는 이 Cgout, O2와 F/B 보정량과의 관계를 도시한 그래프이다. 본 실시예에서는, 제어 목표는 소정의 범위로서 정해지고 있다. 결정된 F/B 보정량은 공연비를 결정하는 연료 분사량의 보정 계수의 하나로서 공연비 제어에 반영된다.

다음으로, 제 2 실시예에 대해서, 그 제어의 플로 차트를 도시한 도 20을 참조하면서 설명한다. 본 실시예에서는, 상술한 추정치로서, 배기 가스 중의 리치 성분과 린 성분을 사용하고 있다. 또한, 본 실시예에서는 촉매(19) 전체를 하나의 영역(특정 영역)으로서 생각하고 있다.

리치 성분이란 배기 공연비가 리치일 때에 배기 가스 중의 함유량이 증가하는 성분을 종합한 것으로, 촉매(19)로부터 유출되는 배기 가스 상태를 나타내는 대표치의 하나이다. 구체적으로는, 배기 가스에 포함되는 CO나 HC의 량을 하나의 지표로서 정리한 대표치이다. 한편, 린 성분이란 배기 공연비가 린일 때에 배기 가스 중의 함유량이 증가하는 성분을 종합한 것으로, 촉매(19)로부터 유출되는 배기 가스 상태를 나타내는 대표치의 하나이다. 구체적으로는, 배기 가스에 포함되는 NOx나 O₂량을 하나의 지표로서 정리한 대표치이다. 본 실시예에서는, 상술한 2개의 추정치를 사용하여 공연비 제어를 하기 때문에, Cgout에 관해서는 리치 성분에 관한 것을 CgoutR로 둔다. 즉,

구체적으로는, CgoutR=Cgout, reduc, CO+Cgout, reduc, HC)로 한다.

또한, 린 성분에 관한 것을 CgoutL로 둔다. 즉,

구체적으로는, CgoutL=Cgout, stor, O2+Cgout, stor, NO로 한다. 본 실시예는 이와 같이 정한 CgoutR과 CgoutL을 사용하여 이하의 연산을 한다.

우선, 도 20의 플로 차트에 도시된 바와 같이, CPU는 스텝 70에서 엔진(1) 연소 후의 배기 가스(촉매(19)에 유입되는 배기 가스) 중의 리치 성분(CginR)과 린 성분(CginL)을 추정한다. 이러한 리치 성분(CginR)과 린 성분(CginL) 추정에 있어서는, 촉매(19)에서의 산화·환원 반응(3원 반응) 및 산소 흡장 방출 반응을 고려한다. 3원 반응에 관련되는 화학식을 (54)식에 도시한다. 또한, 산소 흡장 방출 반응에 관련되는 화학식을 (55)식에 도시한다. 또한, 이 산소 흡장 방출 반응에 있어서의 각 반응의 반응 속도 계수를 KO2(=Kstor, O2), KNO(=Kstor, NO), KCO(=Krel, CO), KHC(=Krel, HC)로 한다. (55)식에서의 산소의 흡장·방출에 있어서는, 산소 흡장·방출 기능을 발생시키는 보유 금속을 세륨(Ce)으로서 기재되어 있다.

···(54)

···(55)

이어서, CPU는 스텝 100으로 진행하여 상술한 제 1 실시예와 마찬가지로, Rosc(즉 R*stor, O2, R*stor, N0, R*reduc, C0, R*reudc, HC) 및 R_D(즉 R_D, O2, R_D, NO, R_D, CO, R_D, HC)를 산출하여, 계속되는 스텝 110에서, 상술한 (34)식을 사용하여 CgoutR(=Cgout, reduc, C0+Cgout, reduc, HC)을 산출하고, (30)식을 사용하여 CgoutL(=Cgout, stor, O2+Cgout, stor, NO)을 산출한다.

더욱이, CPU는 스텝 120에서 코트층의 각 화학종 농도 Cw(즉 Cw, O2, Cw, N0, Cw, C0, Cw, HC)를 (28)식 및 (32)식을 사용하여 구하여, 스텝 125에서 (42)식 내지 (44)식에 의해 0st(이번 값)를 산출함과 동시에, 스텝 130에서 공연비 제어용 피드백 보정량(F/B 보정량)을 (CgoutR-Ref)×GR+(CgoutL-Ref)×GL로부터 구한다. 여기서, (CgoutR-Ref)×GR이 리치 성분에 대응하는 부분이고, (CgoutL-Ref)×GL이 린 성분에 대응하는 부분이다. Ref는 제어 목표(목표 상태), GR, GL은 각 성분마다 설정되는 제어 게인이다.

여기서, CgoutR과 CgoutL이 같아지도록 공연비 제어가 행하여진다. 즉,CgoutR 및 CgoutL이 모두 목표치(Ref)가 되도록 각 성분에 대응하는 F/B 보정량(CgoutR-Ref)×GR, (CgoutL-Ref)×GL이 결정된다. 또한, 본 실시예에서는, 제어 목표는 소정의 범위로서 정해지고 있다. 결정된 보정량은 공연비를 결정하는 연료 분사량의 보정 계수의 하나로서 공연비 제어에 반영된다.

또한, 보다 구체적으로는 하기 (56)식에 의해 피드백 보정량을 계산하게 된다.

···(56)

다음으로, 제 3 실시예에 대해서, 그 제어의 플로 차트를 도시한 도 21을 참조하면서 설명한다. 본 실시예에서는, 상술한 추정치로서 배기 가스 중의 산소 배출량, 일산화탄소 배출량 및 일산화질소 배출량(실제로는 그들의 각 농도)을 사용하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 촉매(19) 전체를 하나의 영역(특정 영역)으로서 생각하고 있다. 본 실시예에서는, 상술한 세가지 추정치를 사용하여 공연비 제어를 하기 때문에, Cgout에 관해서는, 산소 배출량에 관한 것을 CgoutO2(Cgout, O2)로 하고, 일산화탄소 배출량에 관한 것을 CgoutCO(Cgout, CO)로 하고, 일산화질소 배출량에 관한 것을 CgoutNO(Cgout, NO)로 하여 설명한다.

우선, CPU는 도 21의 플로 차트에 도시되는 바와 같이, 스텝 140에서, 엔진(1) 연소 후의 배기 가스(촉매(19)에 유입되는 배기 가스) 중의 리치 성분CginR(Cgin, CO)과 린 성분 CginL(Cgin, O2, Cgin, NO)을 상술한 바와 같이 추정하여, 스텝 170에서, Rosc(즉 R*stor, O2, R*stor, N0, R*reduc, CO) 및 R_D(즉 R_D, O2, R_D, N0, R_D, CO)를 산출한다. 그 후, CPU는 스텝 180에서 상술한 (34)식을 사용하여 CgoutR(Cgout, reduc, CO)을 산출하고, (30)식을 사용하여 CgoutL(Cgout, stor, O2=CgoutO2와 Cgout, stor, NO=CgoutNO)을 산출한다.

더욱이, CPU는 스텝 190에서 코트층에 있어서의 각 화학종 농도 Cw(즉 Cw, O2, Cw, N0, Cw, CO)를 (28)식 및 (32)식을 사용하여 구하여, 스텝 195에서 (42)식 내지 (44)식에 의해 0st(이번 값)를 산출한다. 그리고, CPU는 스텝 200에서 공연비 제어에 피드백하기 위한 피드백 보정량(F/B 보정량)을 (CgoutO2-O2ref)×GO2+(CgoutNO-NOref)×GNO+(CgoutCO-COref)×GC0로부터 구한다. 여기서, (CgoutO2-O2ref)×GO2가 산소 성분에 대응하는 부분이고, (CgoutNO-NOref)×GN0가 일산화질소 성분에 대응하는 부분이고, (CgoutCO-COref)×GCO가 일산화탄소 성분에 대응하는 부분이다. O2ref, NOref, COref는 각 성분마다의 제어 목표, GO2, GN0, GCO는 각 성분마다 설정되는 제어 게인이다. 결정된 보정량은 공연비를 결정하는 연료 분사량의 보정 계수의 하나로서 공연비 제어에 반영된다. 또한, 본 실시예에 있어서도, 제어 목표를 소정의 범위로서 정하고 있어도 된다.

다음으로, 제 4 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 상술한 추정치로서 배기 가스 중의 산소량(촉매(19)로부터 배출되는 산소의 농도)을 사용하지만, 그 추정치는 소정 시간 후의 추정치(현 시점에서소정 시간 전의 시점 추정치)이다. 즉, 본 실시예에 있어서는, 소위 「선판독」에 의한 제어를 한다. 이에 따라, 추정치의 추정 수법도 제 1 실시예와는 다르다. 여기서의 추정치(산소량)도 과부족량으로서 파악되어, 촉매(19) 전체가 하나의 영역(특정 영역)으로서 생각되고 있다.

추정치(배출 산소 과부족량)의 추정에는 상술한 제 1 실시예와 같은 추정 모델(추정 방법)이 사용된다. 본 실시예에서는 더욱이 흡입 공기량이나 연소에 기여하는 연료량 등도 모델을 사용하여 추정한다. 흡입 공기량에 관한 모델을 여기서는 공기 모델이라 하는 것으로 하고, 연료량에 관한 모델을 여기서는 연료 거동 모델이라 하는 것으로 한다.

제 4 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 22에 도시한다. 우선, 도 22의 플로 차트에 도시되는 바와 같이, CPU는 상술한 공기 모델을 사용하여, 소정 시간 후의 흡입 공기량을 추정한다(스텝 210). 이 공기 모델에 대한 상세한 설명은 여기서는 생략하지만, 일례로서는 흡입 공기량을 검출하는 흡기관 내압 센서나 에어 플로 미터(13)의 출력과 더불어, 스로틀 밸브(9)의 개방도의 시간 변화나 그 미적분치, 엔진 회전수의 시간적 변화나 미적분치 등을 사용하여, 소정 시간 후의 통 내 흡입 공기량을 추정하는 수법 등이 있다.

이하, 스로틀 밸브(9)의 개방도를 사용한 흡입 공기 유량의 추정 방법의 일례에 대해서 간단히 설명한다.

(1) CPU는 액셀레이터 포지션 센서(12)로부터 현 시점의 액셀레이터 개방도를 검출한다.

(2) CPU는 검출한 현 시점의 액셀레이터 개방도에 근거하여 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도를 결정한다.

(3) CPU는 결정된 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도를 소정 시간만큼 지연하여 실제 목표 스로틀 밸브 개방도로 한다. 바꾸어 말하면, 현 시점에서 소정 시간 전의 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도가 실제의 목표 스로틀 밸브 개방도로서 설정된다. 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도는 그것이 실제 목표 스로틀 밸브 개방도로서 사용될 때까지 시계열적으로 RAM 내에 격납된다.

(4) CPU는 설정된 실제의 목표 스로틀 밸브 개방도와 스로틀 밸브(9)의 개방도가 일치하도록 스로틀 모터(11)를 제어한다.

(5) CPU는 현 시점에서 다음으로 흡기 행정을 맞이하는 기통의 흡기 밸브가 닫히는 시점(흡기 밸브 폐쇄 밸브 시)에 이르기까지의 시간을 추정하여, 그 추정한 시간과 상기 RAM에 격납되어 있는 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도에 근거하여, 동일 기통의 흡기 밸브 폐쇄 밸브 시에 있어서의 목표 스로틀 밸브 개방도를 산출하고, 동일 목표 스로틀 밸브 개방도에 의해 동일 흡기 밸브 폐쇄 밸브 시의 추정 스로틀 밸브 개방도를 산출한다.

(6) CPU는 다음으로 흡기 행정을 맞이하는 기통의 흡기 밸브 폐쇄 밸브 시의 흡입 공기 유량(통 내 흡입 공기량; Mc)을 상기 추정 스로틀 밸브 개방도와 엔진 회전 속도와 맵에 근거하여 추정한다.

이어서, CPU는 스텝 210의 추정 결과를 근거로 하여, 기본 연료 분사량(예를 들면, 엔진(1)에 흡입되는 혼합기의 공연비를 이론 공연비로 하기 위해 필요한 분사량)을 산출한다(스텝 220). 이 기본 연료 분사량이 각종 보정 계수에 의해 보정되어, 최종적인 연료 분사량이 결정된다.

더욱이, 이 기본 연료 분사량(혹은 기본 연료 분사량에 대하여 보정이 가해진 연료 분사량)과 연료 거동 모델에 근거하여 배기 가스의 공연비를 추정한다(스텝 230). 이 연료 거동 모델에 대한 상세한 설명도 여기서는 생략하지만, 일례로서는 기본 연료 분사량 자체와 더불어, 흡기 포트나 실린더 내벽 등의 부재에의 연료 부착분이나 동일 내벽에 부착하고 있는 연료의 박리분 등도 고려하여, 소정 시간 후의 배기 공연비를 추정하는 수법 등이 있다.

예를 들면, 이 연료 모델에 의하면, fi(k)만큼의 연료량을 인젝터(5)로부터 분사한 후의 연료 부착량(fw(k+1))은 하기 (57)식에 의해 구할 수 있다.

fw(k+1)=R·fi(k)+P·fw(k) ···(57)

상기 (57)식에 있어서, fw(k)는 fi(k)만큼의 연료량을 분사하기 전의 흡기 포트 등에의 연료 부착량, P는 흡기 포트 등에 이미 부착하고 있는 연료 중 1흡기 행정을 거친 후에 동일 흡기 포트 등에 부착한 채로 잔류하고 있는 연료의 비율(잔류율), R은 분사된 연료 중 흡기 포트 등에 직접 부착하는 연료의 비율(부착율)이다.

한편, 이번 연료 분사량 fi(k) 중 연소실(기통) 내에 흡입되는 연료량은 (1-R)·fi(k)가 되고, 이미 부착하고 있는 연료량(연료 부착량; fw(k)) 중 연소실(기통) 내에 흡입되는 연료량은 (1-P)·fw(k)가 된다. 즉, 이번 연료 분사에 의해, 기통 내에는 하기 (58)식에 도시한 연료량(fc(k))이 흡입되게 된다.

fc(k)=(1-R)·fi(k)+(1-P)·fw(k) ···(58)

따라서, 실제로는 기본 분사량의 연료를 인젝터(5)로부터 분사하여, 상기 (58)식의 fi(k)를 기본 분사량과 같다고 놓고 실제로 기통에 흡입되는 연료량(fc(k))을 구하여, 상기 추정한 통 내 흡입 공기량(Mc)을 이 연료량(fc(k))에서 제함으로써, 배기 공연비를 예측한다. 또한, 다음 번 계산에 구비하여, (57)식의 fi(k)를 기본 분사량과 같다고 놓고 연료 부착량(fw(k+1))을 구해 둔다.

다음으로, CPU는 스텝 235로 진행하여, 상기 스텝 230에서 추정된 배기 공연비를 상기 (48)식의 AF로 놓고, 동일 (48)식으로부터 CginO2(=Cgin, O2)를 추정함과 동시에, 상기 스텝 230에서 추정된 배기 공연비 및 촉매에 유입되는 가스의 공연비(A/F)와 일산화탄소 농도(CginC0)와의 관계를 규정한 도 13에 도시한 맵에 근거하여 일산화탄소 농도(CginCO)를 추정한다. 그 후, CPU는 제 1 실시예에서 서술한 수법과 동일하게 하여 스텝 240에서 CgoutO2를 추정한다. 이 CgoutO2는 상기 배기 공연비가 현 시점에서 소정 시간 후의 공연비를 예측(선판독)한 것으로, 따라서, CginO2 및 CginC0도 각각 현 시점에서 소정 시간 후의 CginO2 및 CginCO가 되므로, 현 시점에서 소정 시간 후의 CgoutO2를 예측한 값으로 되어 있다

다음으로, CPU는 스텝 250에서 상기 CgoutO2가 0보다 큰지의 여부를 판정하여, 동일 스텝에서 「Yes」라 판정하였을 때는 리치 제어(스텝 260), 「No」라 판정하였을 때는 린 제어(스텝 270)를 실행한다. 즉, 본 실시예에 있어서의 CgoutO2의 목표 상태(목표치)는 0(제로)이고, 동일 CgoutO2가 0이 되도록 공연비 제어가 실행된다.

리치 제어는 공연비(기관의 공연비)를 리치 측에 보정하는 공연비 제어(분사량을 증량하는 제어)이고, 린 제어는 공연비를 린 측에 보정하는 제어(분사량을 감량하는 제어)이다. 본 실시예에서는, 그 보정량은 리치 제어·린 제어의 각 제어마다 일정하다. 또한, 추정한 CgoutO2와 그 목표 상태와의 괴리도에 따라서 보정량을 변경하여도 된다. 또한, 스텝 260에서는 공연비를 리치 측에 보정하는 보정 계수를 산출하고, 스텝 270에서는 공연비를 린 측에 보정하는 보정 계수를 산출하여, 이들 보정 계수를 기본 분사량에 편승하는 등의 처리를 하여 연료 분사 제어에 반영시키도록 하여도 된다.

다음으로, 제 5 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서도, 상술한 제 4 실시예와 마찬가지로, 소위 「선판독」에 의한 제어를 한다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 배기 가스 중의 복수의 배출 성분에 대한 추정치가 산출된다. 여기서는, 이들 복수의 추정치(구체적으로는 Cgout, O2나 Cgout, C0 등)를 Cgout**로서 기재하는 것으로 한다. 마찬가지로, Cgin에 대해서는 Cgin**로서 기재한다. 또한, 여기서도 촉매(19) 전체는 하나의 영역(특정 영역)으로서 취급되고 있다.

제 5 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 23에 도시한다. 우선, 도 23의 플로 차트에 도시되는 바와 같이, CPU는 상술한 공기 모델을 사용하여, 소정시간 후의 흡입 공기량을 추정한다(스텝 280). 이어서, CPU는 상술한 연료 거동 모델을 사용하여 실린더(3) 내에 실제로 공급될 연료량을 추정하여(스텝 290), 스텝 280 및 스텝 290의 결과로부터 공연비를 산출한다(스텝 300).

그리고, CPU는 산출한 공연비에 근거하여 촉매(19)에 유입되는 각 성분마다의 Cgin**를 산출한다(스텝 310). 더욱이, 촉매(19) 내의 반응을 고려하여, 각 성분마다의 Cgout**와 촉매(19)의 산소 흡장량(OSA)을 추정한다(스텝 320). Cgin**과 Cgout**의 추정에 대해서는 상술한 실시예의 수법에 의한다. 또한, OSA는 상술한 (42) 내지 (45)식에 근거하여 추정한다.

다음으로, CPU는 배기 정화에 불리한 상황이 될지의 여부를 스로틀 구동 요구나 그 시점에서의 OSA 등의 운전 조건으로부터 예측한다. 스로틀 구동 요구의 유무는 운전자에 의한 액셀레이터 패달의 조작량(액셀레이터 개방도)의 시간 변화(액셀레이터 개방도의 시간 미분치)에 근거하여 판단될 수 있다. 또한, 배기 정화에 불리한 상황인지의 여부는 예를 들면, 스로틀 개방도가 급격히 변화하는 과도 상태 시인지의 여부에 근거하여 판정될 수 있다. 과도 상태 시에는 촉매(19)의 산소 흡장 상태가 불안정해지기 쉬워, 공연비 제어에 의한 보정이 시간에 맞지 않고 배기 정화율이 악화할 가능성이 높다. 이러한 때, CPU는 스로틀 밸브(9)의 개폐 동작을 전자 제어에 의해 지연시켜(개폐 동작 속도를 작게 하여), 이것에 의해 정화해야 할 성분의 촉매(19) 하류 측에의 유출을 억지하면서, 스로틀 동작 지연에 의한 요구 토크 미달분을 점화 시기 제어에 의해 보충한다.

구체적으로 서술하면, CPU는 스로틀 구동 요구가 있는지의 여부를 판정하여(스텝 330), 이러한 스로틀 구동 요구가 없으면, 배기 정화에 불리한 상황으로는 되기 어렵다고 판정하여, 도 23의 플로 차트에 도시되는 제어를 종료한다. 한편, 스로틀 구동 공급이 있는 경우, CPU는 그 시점에서의 OSA, 산출한 Cgout**, 스로틀 개방도 예측치 및 액셀레이터 개방도의 시간 변화량 등의 운전 상태에 근거하여, 배기 정화율이 악화하는 것이 예상되는지의 여부를 판정한다(스텝 340). 그리고, CPU는 배기 정화율이 악화하는 것이 예상되지 않는다고 판정하면, 구동 요구대로 스로틀 밸브(9)를 구동한다(스텝 360).

한편, CPU는 배기 정화율 악화가 예측될 때, 스로틀 구동 동작의 지연량 및 점화 시기에 의한 토크 보정량을 결정함과 동시에, 상술한 추정치(Cgout**)를 목표 상태에 일치시키기 위한 공연비 제어를 하여(스텝 350), 스로틀 구동을 한다(스텝 360). 스로틀 구동 동작의 지연량은 예를 들면, 스로틀 밸브 개방도의 급격한 변화를 억제하기 위해, 상술한 실제 목표 스로틀 밸브 개방도에 대하여 1차 지연 처리를 실시한 개방도를 실제 스로틀 밸브 개방도로서 다시 설정하기 위해 필요한 량이다. 점화 시기의 보정량은 이 실제 스로틀 밸브 개방도를 다시 설정한 것에 따르는 엔진 토크의 저하분을 보충하기 위한 보정량(진각량)이다. 또한, 추정치(Cgout**)를 목표 상태로 하기 위한 공연비 제어는 상술한 다른 실시예와 같다.

여기까지 설명한 각 실시예는 모두 촉매(19) 전체를 하나의 영역으로서 생각하여 각 추정치를 산출하는 것이었다. 이에 대하여, 이하의 실시예는 촉매(19)를 배기 가스가 흐르는 방향으로 복수의 영역(블록)으로 분할하여, 그 복수의 영역 중하나의 영역(특정 영역; J)에 대한 각 추정치에 대하여 목표 상태를 설정하여, 동일 각 추정치가 목표 상태가 되도록 공연비 제어를 한다.

우선, 촉매(19)를 복수 영역으로 분할하는 실시예 중, 제 6 실시예에 대해서, 그 제어의 플로 차트를 도시한 도 24를 참조하면서 설명한다. 이 실시예는 촉매(19)를 n단으로 분할하여 취급한다. 여기서, 촉매(19)가 분할된 복수의 영역에 대해서, 상류 측으로부터 I=1 내지 n의 번호를 순차로 붙임과 동시에, 각 영역(I)마다의 추정치 등에 I=1 내지 n의 첨자를 붙인다.

또한, 본 실시예에서는, 배기 가스 중의 산소량(촉매(19)의 각 영역에서 배출되는 산소의 농도)과 일산화탄소량(촉매(19)의 각 영역에서 배출되는 일산화탄소의 농도)을 상술한 추정치로서 구한다. 더욱이, 산소량은 공연비 제어에 있어서 제 1 실시예와 마찬가지로 과부족량으로서 취급한다. 또한, 이미 서술한 바와 같이, 상기 (27)식 내지 (34)식, (36)식 및 (38)식 등에 의한 각 수치는 이들 식에 근거하여 촉매(19)의 상류 측부터 순차 계산함으로써, 모든 영역에 대해서 산출할 수 있다.

이하, 이 실시예의 제어 방법에 대해서 도 24에 도시한 플로 차트를 참조하면서 구체적으로 설명하면, 우선, CPU는 상류 측 공연비 센서(25)가 검출하는 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 페치하고(스텝 370), 상술한 특정 영역을 나타내는 값(I)을 「0」으로 리셋한다(스텝 380). 이어서, CPU는 I←I+1로 하여, I의 값을 「1」만큼 인크리먼트한다(스텝 390). 이 단계에서는 I의 값은 1이 된다.

이어서, CPU는 영역(I)에 대한 RoscI(즉 R*stor, O2, I, R*reudc, CO, I) 및 R_DI(R_D, O2, I, R_D, CO, I)를 산출한다(스텝 410).

이 때, 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다 린인 경우, R_D, I 산출에는 이미 설명한 (50)식을 사용하고, Rosc, I 산출에는 이미 설명한 (51)식을 사용한다. 또한, 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다 리치인 경우, R_D, I 산출에는 이미 설명한 (52)식을 사용하고, Rosc, I 산출에는 이미 설명한 (53)식을 사용한다.

그 후, CPU는 상술한 제 1 실시예의 도 18의 스텝 40과 마찬가지로, (30)식과 (34)식을 사용하여 CgoutI(Cgout, 02, I와 Cgout, C0, I)를 산출한다(스텝 420). 이 때, CPU는 스텝 420의 처리를 할 때에 필요로 하는 Cin, O2, I 등을 스텝 40과 마찬가지로 상기 (48)식에 근거하여 산출한다. 또한, Cgout, CO, I가 구해졌을 때에는, Cgout, O2, I에 -2·Cgout, C0, I를 설정한다

이어서, CPU는 코트층의 화학종 농도 CwI(Cw, O2, I, Cw, C0, I)를 (28)식 및 (32)식에 근거하여 구하여(스텝 430), (42)식 내지 (44)식에 의해 0stI(이번 값)를 산출함과 동시에(스텝 435), 현재의 I 값이 n이상인지의 여부를 판정한다(스텝 440). 이 때, I 값이 n미만이면, CPU는 스텝 390으로 돌아가, I 값을 「1」만큼 크게 하여 다음 하류 측 영역에 대해서 같은 산출을 한다(스텝 410 내지 430, 스텝 435). 한편, I 값이 n이상이 되면, 모든 영역에 대한 각종 값의 산출이 종료한 것이 되기 때문에, 이 경우, CPU는 스텝 440에서 스텝 450으로 진행한다.

그리고, CPU는 스텝 450에서 공연비의 피드백 보정량(F/B 보정량)을 특정 영역(J; J는 n보다 작거나 같다)에 대한 추정치(CgoutO2, J)에 근거하여, (CgoutO2, J-O2ref)×G로부터 구한다. 여기서, O2ref는 제어 목표, G는 제어 게인이다. 결정된 피드백 보정량은 공연비를 결정하는 연료 분사량의 보정 계수의 하나로서 공연비 제어에 반영된다.

이와 같이, 본 실시예에 있어서는 촉매(19)를 복수의 영역으로 분할하여, 특정 영역(J)에 관한 상술한 추정치를 구하고 있기 때문에, 동일 특정 영역(J)의 추정치에 근거하여, 촉매(19)의 상황을 보다 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 특정 영역(J)은 가장 하류 측 영역보다도 상류 측 영역에 설정할 수 있어, 그 결과, 배기 가스의 정화 성능을 보다 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다. 바꾸어 말하면, 특정 영역 J(J<n)의 상태를 이상 상태에 가깝게 해 두면, 예기하지 않은 다량의 미연 성분이나 질소 산화물이 촉매(19)에 유입되었다고 해도, 특정 영역(J+1 내지 n)의 영역에서, 이들을 정화할 가능성이 높아진다. 즉, 공연비 제어 지연에 의한 폐해(이미션 악화)를 작게 할 수 있다.

다음으로, 제 7 실시예에 대해서, 그 제어의 플로 차트를 도시한 도 25를 참조하면서 설명한다. 본 실시예는 각 영역마다의 각종 수치 산출에 관한 한, 제 6 실시예와 조금도 변하는 곳이 없다. 이 때문에, 동일 제어 스텝에는 동일 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.

본 실시예에 있어서, CPU가 스텝 440에서 「Yes」라고 판정하면(즉, 모든 영역에 대한 각 수치 산출이 종료하면), 동일 CPU는 특정 영역(제어해야 할 영역, 이하, 특정 제어 영역(J)이라고도 한다.)을 결정하기 위한 운전 조건을 취득하여(스텝 460), 취득한 운전 조건에 근거하여 특정 제어 영역(J)을 결정한다(스텝 470). 상술한 운전 조건으로서는, 각종 조건을 설정할 수 있다. 또한, 하나의 조건 뿐만 아니라, 복수의 조건에 근거하여 특정 제어 영역(J)을 결정할 수도 있다. 여기서는, 하나의 조건에 근거하여 특정 제어 영역(J)을 결정하는 구체예를 4개 든다. 도 26 내지 도 29는 각 예에 있어서 사용하는 맵을 도시하고 있다.

도 26은 상술한 운전 조건으로서 흡입 공기량을 사용한 경우에 사용하는 「흡입 공기량과 특정 영역(특정 제어 영역; J)과의 관계」를 도시하는 맵이다. 흡입 공기량은 에어 플로 미터(13)에 의해 검출된다. 이 맵에 의하면, 흡입 공기량이 많을수록 특정 영역(특정 제어 영역; J)이 상류 측(상류단)에 설정된다.

도 27은 상술한 운전 조건으로서 액셀레이터 개방도의 시간 변화량(△ 액셀레이터 개방도)을 사용한 경우에 사용하는 「△액셀레이터 개방도와 특정 영역(특정 제어 영역)과의 관계」를 도시하는 맵이다. △액셀레이터 개방도는 엑셀레이터 포지션 센서(12)의 검출 결과를 가공함으로써 얻을 수 있다. 이 맵에 의하면, △액셀레이터 개방도가 클수록 특정 영역(특정 제어 영역; J)이 상류 측에 설정된다.

흡입 공기량이나 △액셀레이터 개방도에 관해서는, 그 값이 커질수록 특정 영역(특정 제어 영역; J)의 위치를 상류 측에 설정하고, 그 값이 작아질수록 특정 영역(특정 제어 영역; J)의 위치를 하류 측에 설정한다. 이것은 소위 「누출 현상」이 발생하기 쉬운 경우에는 공연비 제어에 사용되는 특정 영역(특정 제어 영역; J)을 상류 측에 설정하고, 「누출 현상」이 발생하기 어려운 경우에는 특정 영역(특정 제어 영역; J)을 하류 측에 설정하기 위함이다. 「누출 현상」이란 촉매(19) 자체는 정화하는 능력을 갖고 있음에도 불구하고, 유속이 빠르거나 유량이 많거나 하는 이유에 의해, 배기 가스 중의 정화되어야 하는 성분이 충분히 정화되기 전에 하류 측에 유출되어버리는 현상이다.

도 28은 상술한 운전 조건으로서 촉매(19)의 활성 상태를 사용한 경우에 사용하는 「촉매의 활성 상태와 특정 영역(특정 제어 영역; J)과의 관계」를 도시하는 맵이다. 촉매(19)의 활성 상태는 예를 들면, 촉매 온도 센서(21)에 의해 검출한 촉매(19)의 온도로부터 결정할 수 있다. 이 맵에 의하면, 촉매(19)의 활성 상태가 낮을수록(아직 충분히 활성화하고 있지 않을수록) 특정 영역(특정 제어 영역; J)이 상류 측에 설정된다. 이로써, 특정 영역(특정 제어 영역; J)보다도 하류 측 영역을 버퍼(배기 정화를 위한 예비적 영역)로서 사용할 수 있기 때문에, 배기 가스 중의 정화해야 할 성분이 충분히 정화될 수 있다.

도 29는 상술한 운전 조건으로서 공연비(촉매(19)에 유입되는 가스의 공연비, 즉, 엔진(1)에 공급되는 혼합기의 공연비)의 시간적 변화량(△공연비)을 사용한 경우에 사용하는 「△공연비와 특정 영역(특정 제어 영역; J)과의 관계」를 도시하는 맵이다. △공연비는 공연비 제어를 담당하고 있는 ECU(18)에 의해 산출할 수 있다. 이 맵에 의하면, △공연비가 작을(공연비가 남아 변화하고 있지 않은 경우)수록 특정 영역(특정 제어 영역; J)이 하류 측에 설정된다.

이와 같이, CPU는 도 25에 도시한 스텝 470에서 특정 영역(특정 제어 영역; J)을 결정하면, 스텝 480으로 진행하여 동일 결정된 특정 영역(특정 제어 영역; J)의 추정치(Cgout, O2, J)에 근거하여, 공연비 피드백 보정량(F/B 보정량)을 (Cgout, O2, J-O2ref)×G에 근거하여 구한다. 여기서, O2ref는 제어 목표, G는 제어 게인이다. 결정된 보정량은 공연비를 결정하는 연료 분사량의 보정 계수의 하나로서 공연비 제어에 반영된다. 이와 같이, 촉매(19)를 복수의 영역으로 분할하여, 운전 상태에 따라서 특정 영역(특정 제어 영역; J)을 변경함으로써, 배기 가스의 정화 성능을 보다 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다.

상술한 제 6 실시예 및 제 7 실시예에 있어서는 특정 영역(특정 제어 영역)은 하나뿐이었다. 그러나, 특정 영역(특정 제어 영역)은 하나가 아니어도 되고, 복수 설정되어도 된다. 이와 같이 함으로써, 배기 가스의 정화를 보다 한층 더 효과적으로 행할 수 있게 되는 경우가 있다. 다음에 설명하는 제 8 실시예는 특정 영역(특정 제어 영역)을 복수 설정하고 있다.

제 8 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 30에 도시한다. 본 실시예는 각 영역마다의 각종 수치 산출에 관해서, 상술한 제 6 실시예 및 제 7 실시예와 조금도 변하는 곳이 없다. 이 때문에, 동일 제어 스텝에는 동일 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.

본 실시예에 있어서는, CPU가 스텝 440에서 「Yes」라고 판정하면(즉, 모든 영역에 대한 각 수치 산출이 종료하면), CPU는 스텝 490으로 진행하여, 미리 결정되어 있는 2개의 특정 영역(특정 제어 영역)(영역(I₁) 및 영역(I₂))의 추정치(Cgout, O2, I₁및 Cgout, O2, I₂)에 근거하여 공연비 피드백 보정량(F/B 보정량)을 [(Cgout, O2, I₁-O2ref)×G₁+(Cgout, O2, I₂-O2ref)×G2]로부터 구한다. 여기서, O2ref는 제어 목표이고, 본 실시예에 있어서는 특정 영역(특정 제어 영역; I₁) 및 특정 영역(특정 제어 영역; I₂) 쌍방에 대해서 동일 제어 목표가 사용되고 있다. 이 스텝 490에 있어서 결정된 보정량은 공연비를 결정하는 연료 분사량의 보정 계수의 하나로서 공연비 제어에 반영된다. 또한, 특정 영역(특정 제어 영역; I₁)과 특정 영역(특정 제어 영역; I₂)에서 다른 제어 목표를 설정할 수도 있다.

또한, G₁, G₂는 각각 특정 영역(특정 제어 영역; I₁), 특정 영역(특정 제어 영역; I₂)에 관한 제어 게인이다. 본 실시예에서는, 제어 게인(G₁, G₂)을 다르게 하여, 각 특정 영역(특정 제어 영역)의 추정치의 공연비 제어에의 영향도에 대한 가중을 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 특정 영역(특정 제어 영역)을 복수 설정할 경우에, 그들 특정 영역(특정 제어 영역)에 대한 상황이 공연비 제어에 주는 영향도를 개별로 설정할 수 있어, 배기 정화 성능을 보다 향상시킬 수 있는 경우가 있다. 이와 같이, 촉매(19)를 복수의 영역으로 분할하여, 복수의 특정 영역(특정 제어 영역)을 설정함으로써, 배기 가스의 정화 성능을 보다 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다.

상술한 제 8 실시예에 있어서는 제어 게인(G₁, G₂)은 미리 결정된 고정치로 되어 있었다. 그러나, 특정 영역(특정 제어 영역)을 복수 설정한 경우의 각 특정 영역(특정 제어 영역)에 관한 제어 게인은 미리 고정치로서 결정되어 있지 않아도되고, 운전 상황 등에 따라서 변동하는 변수치로서 설정되어도 된다. 다음에 설명하는 제 9 실시예는 각 특정 영역(특정 제어 영역)에 대응하는 제어 게인을 가변으로 하고 있다.

제 9 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 31에 도시한다. 본 실시예는 각 영역마다의 각종 수치 산출에 관해서, 상술한 제 6 실시예 내지 제 8 실시예와 조금도 변하는 곳이 없다. 이 때문에, 동일 제어 스텝에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

본 실시예에 있어서는, CPU가 스텝 440에서 「Yes」라고 판정하면(즉, 모든 영역에 대한 각 수치의 산출이 종료하면), CPU는 스텝 500으로 진행하여 각 특정 영역에 대응하는 제어 게인을 결정하기 위한 운전 상태인 흡입 공기 유량(Ga)을 에어 플로 미터(13)로부터 취득한다. 그리고, CPU는 스텝 510에서, 상기 취득한 흡입 공기 유량(Ga)과 도 32에 도시한 맵에 근거하여, 각 특정 영역마다(특정 영역(I₁) 및 특정 영역(I₂))에 대한 제어 게인(G₁, G₂)을 결정한다.

도 32에 도시한 맵에 있어서는, 가로 축이 특정 영역의 위치를 도시하고, 세로 축이 G₁, G₂로서 설정되는 제어 게인을 도시하고 있다. 또한, 이 맵에서는, 특정 영역(I₁)은 특정 영역(I₂)보다도 하류 측에 위치하여, 흡입 공기량(Ga)의 대소에 따른 2개 곡선이 설정되어 있다. 각 곡선은 상류 측 특정 영역(I₂)의 제어 게인(G₂)보다도 하류 측 특정 영역(I₁)의 제어 게인(G₁) 쪽이 커지도록 설정되어 있다. 즉, 이 맵에 의해 제어 게인을 결정하면, 하류 측 특정 영역에 관한 추정치의 공연비 제어에 대한 영향도가 커진다. 또한, 이들 곡선은 적당히 정할 수 있어, 예를 들면, 이들 곡선을 상류 측을 향하여 함께 제어 게인을 크게 하도록 설정하면, 상류 측 특정 영역의 추정치가 중시되게 된다.

더욱이, 도 32에 도시하는 맵에서는, 흡입 공기량(Ga)이 큰 경우에 적용하는 곡선이 흡입 공기량(Ga)이 작은 경우에 적용하는 곡선보다도 위에 위치되어 있다. 이 때문에, 제어 게인(G₁, G₂)은 흡입 공기량(Ga)이 많을수록 커지도록 설정된다.

CPU는 이렇게 하여 제어 게인을 결정하면, 공연비 피드백 보정량(F/B 보정량)을 [(Cgout, O2, I₁-O2ref)×G₁+(Cgout, O2, I₂-O2ref)×G2]가 되는 식에 근거하여 구한다(스텝 520). O2ref는 제어 목표이다.

이와 같이, 촉매를 복수의 영역으로 분할하여 복수의 특정 영역을 설정하여, 각 특정 영역마다의 공연비 제어에의 영향도를 엔진(1)의 운전 상태에 따라서 변경함으로써, 배기 가스의 정화 성능을 보다 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 제어 게인을 결정하기 위한 상술한 운전 상태로서는, 각종 운전 상태를 채용할 수 있다. 또한, 하나의 운전 상태 뿐만 아니라, 복수의 운전 상태에 근거하여 각 특정 영역에 대한 제어 게인을 결정할 수도 있다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 특정 영역(I₁) 및 특정 영역(I₂) 쌍방에 대해서 동일한 제어 목표가 사용되었었지만, 특정 영역(I₁)과 특정 영역(I₂)에서 다른 제어 목표를 설정하여도 된다.

다음으로, 상술한 추정치에 근거하는 공연비 제어를 실행함과 동시에, 하류 측 공연비 센서(26)의 출력을 사용하여 상술한 추정 모델을 보정하는 제 10 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 33에 도시한다. 도 33의 플로 차트는 공연비를 제어하기 위한 프로그램을 도시한 것이 아니라, 추정 모델을 보정하는 제어를 하기 위한 프로그램을 도시한 것이다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 촉매(19) 전체를 하나의 영역으로서 생각하여 추정치를 산출하고, 배기 가스 중의 산소량(촉매(19)로부터 유출되는 산소 농도)을 동일 추정치의 하나로서 산출한다.

구체적으로 설명하면, CPU는 스텝 530에서, 상류 측 공연비 센서(25)가 검출하는 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비(배기 공연비)를 취득하여, 스텝 540으로 진행하여 동일 취득한 배기 공연비에 근거하여 Cgout, O2(=CgoutO2) 등을 산출한다. 이들 스텝 530, 540에 근거하는 처리는 실제로는 도 18에 도시한 스텝 10 내지 스텝 50 및 스텝 55에 근거하는 처리와 같은 처리를 실행함으로써 달성된다.

이어서, CPU는 스텝 550으로 진행하여, 스텝 540에서 산출된 CgoutO2에 근거하여 하류 측 공연비 센서(26)가 출력할 출력을 추정(예측)하여, 스텝 560에서(하류 측 공연비 센서(26)의 실제 출력)-(스텝 550에 있어서 추정된 센서 출력 추정치)를 ErrorO2mdl로서 산출한다.

그리고, CPU는 계속되는 스텝 570에서, 이 ErrorO2mdl의 절대치가 소정의 모델 허용 오차(Emdl)보다도 큰지의 여부를 판정한다. 이 때, 하류 측 공연비 센서(26)의 실제 출력과 스텝 550에 있어서 추정된 출력 추정치와의 차이가 허용범위 내이면, CPU는 스텝 570에 「No」라고 판정하여, 이 경우, 상술한 추정 모델에 대하여 보정을 할 필요는 없기 때문에, 도 33에 도시한 플로 차트에 의한 제어를 일단 종료한다.

이에 대하여, 하류 측 공연비 센서(26)의 실제 출력과 스텝 550에서 추정된 출력 추정치와의 차이(ErrorO2mdl)가 허용 범위(모델 허용 오차; Emdl)를 넘었으면, CPU는 스텝 570에서 「Yes」라고 판정하여, 스텝 580으로 진행하여, 추정 모델로 사용하는(상술한 (36)식 및 (38)식 등에서 사용하는) kstor(Kstor, i) 및 krel(krel, i)을 수정한다.

이와 같이, 상술한 추정치를 사용한 공연비 제어를 실행함과 동시에, 이 추정치와 하류 측 공연비 센서(26)의 출력을 사용하여 추정 모델을 보정함으로써, 동일 추정 모델의 추정 정밀도를 보다 한층 더 향상시킬 수 있다.

상술한 제 10 실시예에서는, 하류 측 공연비 센서(26)의 출력에 근거하여 추정 모델을 보정하였지만, 다음에 설명하는 제 11 실시예에 있어서는, 추정 모델에 의한 추정 결과에 근거하여 하류 측 공연비 센서(26)의 이상 판정(진단)을 한다. 본 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 34에 도시한다. 도 34의 플로 차트는 공연비를 제어하기 위한 프로그램을 도시한 것이 아니라, 센서 진단(이상 판정)을 하기 위한 프로그램을 도시한 것이다. 또한, 본 제어에 있어서는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 촉매(19) 전체를 하나의 영역으로서 생각하여 추정치를 산출하고, 배기 가스 중의 산소량(촉매(19)로부터의 배출되는 산소의 농도)을 동일 추정치의 하나로서 산출한다.

구체적으로 설명하면, CPU는 스텝 530에서, 공연비 센서(25)가 검출하는 촉매(19)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출 취득하여, 스텝 540으로 진행하여 동일 취득한 배기 공연비에 근거하여 CgoutO2를 산출함과 동시에, 스텝 550에서 동일 산출된 CgoutO2에 근거하여 하류 측 공연비 센서(26)가 출력할 출력을 추정(예측)한다. 이들 스텝 530 내지 550은 상술한 제 10 실시예에 있어서의 스텝 530 내지 550과 동일하다.

이어서, CPU는 스텝 590으로 진행하여, (하류 측 공연비 센서(26)의 실제 출력)-(스텝 550에 있어서 추정된 센서 출력 추정치)를 ErrorO2sns로서 산출한다.

그리고, CPU는 계속되는 스텝 600에서, 이 ErrorO2sns의 절대치가 소정의 센서 허용 오차(Esns)보다도 큰지의 여부를 판정한다. 이 때, 하류 측 공연비 센서(26)의 실제 출력과 스텝 550에 있어서 추정된 출력 추정치와의 차이(ErrorO2sns)가 허용 범위(센서 허용 오차; Esns) 내이면, CPU는 스텝 600에서 「No」라고 판정하여, 이 경우, 하류 측 공연비 센서(26)는 정상이라고 판단하여, 도 34에 도시한 플로 차트에 의한 제어를 일단 종료한다.

이에 대하여, 하류 측 공연비 센서(26)의 실제 출력과 스텝 550에서 추정된 센서 출력 추정치와의 차이(ErrorO2sns)가 허용 범위(센서 허용 오차; Esns)를 넘었으면, CPU는 스텝 600에서 「Yes」라고 판정하여, 스텝 610으로 진행하여, 하류 측 공연비 센서(26)가 이상이라고 판정한다.

이 실시예에 의하면, 상술한 추정치를 사용하여 공연비 제어가 실행됨과 동시에, 이 추정치와 하류 측 공연비 센서(26)의 출력에 근거하여 동일 공연비센서(26) 진단이 행하여질 수 있다.

제 10 실시예에서는, 하류 측 공연비 센서(26)의 출력에 근거하여 추정치를 구하기 위한 추정 모델을 보정하였다. 이에 대하여, 제 11 실시예에서는, 추정 모델에 의해 산출되는 추정치에 근거하여 하류 측 공연비 센서(26) 진단을 하였다. 이들은 서로 모순되는 생각이기는 하지만, 추정치와 하류 측 공연비 센서(26) 출력 중 어느 하나가 신뢰성이 높은지에 근거하여 선택하면 된다. 또한, 엔진(1)의 운전 상태에 따라서, 신뢰할 수 있는 쪽이 변하는 경우는, 엔진(1)의 운전 상태에 따라서 추정 모델 보정 제어와 하류 측 공연비 센서(26)의 진단 제어가 배타적으로 행하여지도록 하여도 된다. 또한, 제 11 실시예와 같이, 하류 측 공연비 센서(26)의 정상 이상을 판정한 뿐만 아니라, ErrorO2sns에 따라서 하류 측 공연비 센서(26) 출력을 보정하도록 구성하여도 된다.

지금까지 설명하여 온 실시예는 도 1에 도시되는 바와 같은 배기 통로(7) 상에 하나의 촉매(19)만을 갖는 엔진(1)에 적용되었었다. 이에 대하여, 이하에 설명하는 제 12 실시예에서는, 전체 구성인 도 35에 도시한 바와 같이, 엔진(1)이 그 배기 통로(7) 상에 복수(이하의 실시예에서는 2개)의 배기 정화 촉매(19a, 19b)를 갖고 있다. 또한, 도 35에 있어서, 도 1에 도시한 구성과 동일 구성에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략함과 동시에, 이하에 있어서는 도 1에 도시한 내연 기관과 상위한 부분에 대해서만 설명한다.

도 35에 도시되는 이 실시예에 관련되는 내연 기관에 관해서는, 배기 통로(7) 상의 2개소에 배기 정화 촉매(19a, 19b)가 배치되어 있다. 상류 측 촉매를 상류 측 배기 정화 촉매(19a)(이하, 상류 측 촉매(19a)라고도 한다.), 하류 측 촉매를 하류 측 배기 정화 촉매(19b)(이하, 하류 측 촉매(19b)라고도 한다.)라 호칭하여 구별한다.

상류 측 촉매(19a)는 예를 들면, 4기통 엔진에 있어서, 어느 2기통의 배기관이 하나로 정리된 개소에 하나, 나머지 2기통의 배기관이 하나로 정리된 개소에 또 하나라는 식으로, 병렬로 합계 2개 설치되는 경우도 있다. 또한, 이 경우, 하류 측 촉매(19b)는 모든 배기관이 하나로 정리된 부분보다도 하류 배기관에 설치되는 경우가 많다.

상류 측 촉매(19a)는 시동 시 촉매라고도 불리며, 용량이 작은 것이 실린더(3)에 가능한 한 가까운 위치에 배치되고, 배기 가스의 열에 의해 냉간 시동 후에 빠른 시기에 활성화 온도로까지 승온되어, 빠른 시기에 배기 정화 성능을 발휘하는 것을 목적으로 하여 배치되는 경우가 많다.

이에 대하여, 하류 측 촉매(19b)는 언더 플로어 촉매라고도 불리며, 충분한 용량을 갖는 것이 차량의 바닥 아래에 배치되어, 배기 가스 중 정화해야 할 성분을 확실하게 정화하는 것을 목적으로 하여 배치되는 경우가 많다. 그리고, 상류 측 촉매(19a)의 상류 측에는 상류 측 촉매(19a)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 상류 측 공연비 센서(25)가 배치되어 있다. 또한, 하류 측 촉매(19b)의 하류 측에는 하류 측 촉매(19b)에서 유출되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 하류 측 공연비 센서(26)가 배치되어 있다. 더욱이, 상류 측 촉매(19a)와 하류 측 촉매(19b)간에는 상류 측 촉매(19a)에서 유출되어, 하류 측 촉매(19b)로 유입되는배기 가스의 공연비를 검출하는 중간부 공연비 센서(27)가 배치되어 있다.

이들 공연비 센서(25, 26, 27)는 ECU(18)에 접속되어 있어, 그 검출 결과를 ECU(18)에 송출함과 동시에, ECU(18)로부터 공급되는 전력에 의해 빠른 시기에 승온되도록 히터가 내장되어 있다. 또한, 상류 측 촉매(19a) 및 하류 측 촉매(19b)에는 그들 온도를 검출하는 온도 센서(21a, 21b)가 각각 설치되어 있다.

다음으로, 본 실시예의 작동에 대해서 설명하면, 이 실시예에서는 상류 측 촉매(19a)와 하류 측 촉매(19b) 쌍방에서, 상술한 추정 모델에 의한 추정치의 산출이 행하여지며, 이들에 근거하는 공연비 제어가 행하여진다. 이들 추정치와, 중간부 공연비 센서(27)의 검출 결과에 근거하여, 상류 측 촉매(19a)에서 유출되어 하류 측 촉매(19b)로 유입되는 배기 가스의 공연비도 제어된다. 또한, 상류 측 촉매(19a)에 적용하는 추정 모델의 기본 구성과, 하류 측 촉매(19b)에 적용하는 추정 모델의 기본 구성은 각각의 모델에서 사용하는 파라미터 수치가 다른 점을 제외하고 동일하다.

본 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 36에 도시한다. 도 36의 플로 차트는 추정치를 산출하기 위한 프로그램만을 도시하고 있다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 상류 측 촉매(19a) 전체를 하나의 영역으로서 생각하여 추정치를 산출하고, 하류 측 촉매(19b) 전체를 하나의 영역으로서 생각하여 별도의 추정치를 산출한다. 이 실시예의 추정치의 하나는 배기 가스 중의 산소량(촉매(19a, 19b)에서 유출되는 산소의 농도)이다.

또한, 상술한 Cgin, Cgout에 관해서는, 각 촉매마다 이하와 같이 나타내는것으로 한다. 즉, 상류 측 촉매(19a)에 유입되는 화학종(여기서는 산소) 농도는 CginO2SC, 동일 촉매(19a)에서 유출되는 화학종 농도는 CgoutO2SC라 기술한다. 마찬가지로, 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 화학종(여기서는 산소) 농도는 CginO2UF, 동일 촉매(19b)에서 유출되는 화학종 농도는 CgoutO2UF라 기술한다. 상류 측 촉매(19a)에서 유출한 화학종은 하류 측 촉매(19b)에 유입되기 때문에, CgoutO2SC=CginO2UF이다.

구체적으로, 도 36의 플로 차트에 의해 도시된 프로그램에 따라서 설명하면, CPU는 스텝 650에서, 상류 측 공연비 센서(25)가 검출하는 상류 측 촉매(19a)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 취득하여, 스텝 652로 진행하여, 동일 취득한 배기 공연비에 근거하여 상류 측 촉매(19a)에 관한 CgoutO2SC를 산출한다. 이들 스텝 650, 652에 근거하는 처리는 실제로는 도 18에 도시한 스텝 10 내지 스텝 50 및 스텝 55에 근거하는 처리와 같은 처리를 실행함으로써 달성된다. 이어서, CPU는 스텝 654에서, 상기 스텝 652에서 산출된 CgoutO2SC로부터 중간부 공연비 센서(27)가 출력할 출력을 추정(예측)한다.

그리고, CPU는 스텝 656으로 진행하여, (중간부 공연비 센서(27)의 실제 출력)-(스텝 654에 있어서 추정된 출력 추정치)를 ErrorO2mdl로서 산출하여, 계속되는 스텝 658에서, 이 ErrorO2mdl의 절대치가 소정의 모델 허용 오차(Emdl)보다도 큰지의 여부를 판정한다. 이 때, 중간부 공연비 센서(27)의 실제 출력과 스텝 654에 있어서 추정된 출력 추정치와의 차이가 허용 범위를 넘었으면, CPU는 스텝 658에서 「Yes」라고 판정하여 스텝 660으로 진행하고, 동일 스텝 660에서 CgoutO2SC를 보정하여, 스텝 662로 진행한다.

이 스텝 660에 있어서의 CgoutO2SC의 보정은 우선 추정 모델을 보정하고, 이어서 보정한 추정 모델에 근거하여 다시 CgoutO2SC를 산출함으로써 달성된다. 추정 모델 보정은 상술한 도 33의 플로 차트에 있어서의 스텝 580에서의 보정과 동일하게 행하여진다.

한편, 중간부 공연비 센서(27)의 실제 출력과 스텝 654에 있어서 추정된 출력 추정치와의 차이가 허용 범위 내이면, CPU는 스텝 658에서 「No」라고 판정하여, 상술한 추정 모델에 대하여 보정을 할 필요가 없기 때문에, 스텝 662로 직접 진행하여 CgoutO2SC를 CginO2UF로 설정한다. 또한, 스텝 660을 경유하여 스텝 662에 도달한 경우, 스텝 660에서 보정된 CgoutO2SC가 CginO2UF로 설정된다.

이어서, CPU는 스텝 664에서, 상기 산출한 하류 측 촉매에 관한 CginO2UF에 근거하여 CgoutO2UF를 스텝 652와 동일하게 산출한다. 그리고, CPU는 도시하지 않은 스텝에서, 이와 같이 산출된 CgoutO2SC 및 CgoutO2UF에 근거하여 공연비 피드백 보정량을 산출하여, 공연비 제어에 반영한다. 이와 같이, 배기 통로(7) 상의 복수의 촉매(19a, 19b) 쌍방에 관해서 추정치를 각각 산출하여, 이들 추정치를 사용한 공연비 제어를 함으로써, 배기 가스의 정화 성능을 보다 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다.

다음으로, 제 13 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예는 상술한 제 12 실시예와 유사하지만, CgoutO2SC 보정은 행하여지지 않는다. 또한, 제 13 실시예의 제어를 제 12 실시예의 제어와 조합하여 행하도록 하여도 상관 없다. 제 13 실시예는 하류 측 촉매(19b)의 정화율을 높게 유지하기 위해, 산출한 추정치를 사용하여 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 제어한다. 구체적으로는, 하류 측 촉매(19b)의 정화율을 높게 유지하기 위해, 동일 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 과부족량의 적산치가 제로가 되도록 공연비 제어를 한다.

상기 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 산소 과부족량의 적산치란 하류 측 촉매(19b)의 정화율을 높게 유지시키기 위해 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 산소량의 수지(총합·평균치)를 제로로 할 때의 잉여·부족 상태를 나타내는 것이다. 본 실시예에 있어서의 제어의 플로 차트를 도 37에 도시한다.

이 플로 차트를 따라, 본 장치의 작동을 설명하면, CPU는 스텝 650에서 상류 측 공연비 센서(25)가 검출하는 상류 측 촉매(19a)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 취득하여, 스텝 652에서 상기 취득한 공연비에 근거하여, 상류 측 촉매(19a)에 관한 CgoutO2SC를 산출한다. 이들 스텝 650, 652에 근거하는 처리는 실제로는 도 18에 도시한 스텝 10 내지 스텝 50 및 스텝 55에 근거하는 처리와 같은 처리를 실행함으로써 달성된다. 이어서, CPU는 스텝 662로 진행하여, 스텝 652에서 산출한 CgoutO2SC를 CginO2UF로 설정한다.

이어서, CPU는 스텝 670으로 진행하여, 스텝 662에 있어서 산출된 CginO2UF의 적산치(ΣCginO2UF라 표현한다)를 구한다. 즉, CPU는 지금까지의 적산치(ΣCginO2UF(k-1))를 스톡하고 있어, 이에 대하여 새롭게 스텝 662에서 산출된 CginO2UF(k)를 더함으로써, 새로운 적산치(ΣCgjnO2UF(k))를 얻는다.

그리고, CPU는 스텝 672에서, 상기 산출된 적산치(ΣCginO2UF(k))가 제로보다 큰지의 여부를 판정하여, 동일 스텝 672에서 「Yes」라고 판정할 때, 스텝 674로 진행하여 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치가 되는 제어(리치 제어)를 한다. 한편, 스텝 672 실행 시에, 상기 산출된 적산치(ΣCginO2UF(k))가 제로 이하이면, CPU는 스텝 672에서 「No」라고 판정하여 스텝 676으로 진행하여, 하류 측 촉매(19b)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 린으로 하도록 제어(린 제어)를 한다.

이와 같이, 상류 측 촉매(19a)와 하류 측 촉매(19b) 쌍방에 관해서 추정치를 산출하여, 이들 추정치에 근거하여, 하류 측 촉매(19b)를 정화율이 높은 상태로 유지하는 공연비 제어를 함으로써, 배기 가스의 정화 성능을 보다 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 각 실시예에 의하면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비에 근거하여, 배기 정화 촉매로부터 배출되는(동일 촉매의 전부 또는 동일 촉매의 일부인 특정 영역의 하나로부터 배출되는) 특정 성분의 배출량(혹은, 배출되는 배기 가스 상태를 나타내는 대표치)을 추정하여, 추정한 추정치에 대한 목표 상태를 설정하여, 이 추정치가 목표 상태가 되도록 공연비 제어를 한다. 이로써, 배기 정화 촉매 혹은 동일 촉매를 분할한 경우의 특정 영역(특정 블록)으로부터 배출되는 특정 성분의 배출량(촉매 또는 특정 영역에서 배출되는 배기 가스 상태, 촉매 전체 또는 동일 촉매의 최상류 위치에서 특정 영역까지의 산소 흡장량 등으로 대표되는 촉매 상태를 포함한다.)을 원하는 상태로 제어할 수있어, 배기 정화 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

내연 기관의 배기 통로 상에 배치된 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비에 근거하여, 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에 포함되는 적어도 하나의 특정 성분의 배출량 또는 유출되는 배기 가스 상태를 나타내는 적어도 하나의 대표치인 추정치를 추정하는 추정 수단과,

상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치에 대한 목표 상태를 설정하는 목표 설정 수단과,

상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치가 상기 목표 설정 수단에 의해 설정된 목표 상태가 되도록 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치가 소정 시간 후에 있어서의 배출량 또는 대표치를 예측한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 내연 기관의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단을 더 구비하고, 또한, 상기 공연비 제어 수단이 상기 내연 기관의 흡입 공기량을 조절하는 스로틀 밸브의 개방도를 임의로 제어할 수 있는 기능을 갖고 있고,

상기 추정 수단에 의한 소정 시간 후의 상기 추정치가 소정의 목표 상태가되도록 상기 공연비 제어 수단을 사용하여 공연비를 제어함에 있어서, 상기 공연비 제어 수단에 의해 스로틀 밸브의 개방 제어를 지연시킴과 동시에, 상기 점화 시기 제어 수단에 의해 점화 시기를 진각(進角)시키는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정 수단이 리치 공연비 시에 배출량이 증가하는 성분에 관련되는 적어도 하나의 추정치와, 린 공연비 시에 배출량이 증가하는 성분에 관련되는 적어도 하나의 추정치를 추정하고,

상기 목표 설정 수단이 각 추정치마다 목표 상태를 설정하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목표 설정 수단에 의해 설정되는 목표 상태가 상기 추정치를 소정 범위 내로 하는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 목표 설정 수단이 각 추정치마다 같아지는 상태를 목표 상태로서 설정하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 추정 수단이 스로틀 개방도의 개방도 예측치를 상기 추정치의 추정에 반영시키는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 추정 수단이 연료 거동 모델을 상기 추정치의 추정에 반영시키는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정 수단이 상기 배기 정화 촉매를 배기 가스가 흐르는 방향으로 복수의 영역으로 분할한 것 중 특정 영역에 대해서 상기 추정치를 추정하고,

상기 목표 설정 수단이 상기 특정 영역에 대한 추정치에 대한 목표 상태를 설정하고,

상기 공연비 제어 수단이 상기 특정 영역에 대한 추정치가 동일 특정 영역에 대하여 설정된 상기 목표 상태가 되도록 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 추정 수단이 상기 분할된 복수의 영역 중 가장 하류 측 영역보다도 상류 측에 상기 특정 영역을 설정하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 추정 수단이 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 상기 특정 영역을 변경하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 추정 수단이 특정 영역으로서 2개의 영역을 선택하여 각 추정치를 추정하고, 상기 목표 설정 수단이 각 특정 영역에 대해서 각각 상기 추정치의 목표 상태를 설정하고, 상기 공연비 제어 수단이 각 특정 영역의 각 추정치가 각 목표 상태가 되도록 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 공연비 제어 수단이 각 특정 영역마다 공연비 제어에 대한 영향도를 개별로 설정하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 13 항에 있어서, 상기 공연비 제어 수단이 각 특정 영역마다의 상기 영향도를 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 변경하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 하류 측 공연비 센서와, 상기 추정 수단에 의해 추정된 상기 추정치 및 상기 하류 측 공연비 센서의 검출 결과에 근거하여 상기 추정치의 추정 모델을 보정하는 추정 모델 보정 수단을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 하류 측 공연비 센서와, 상기 추정 수단에 의해 추정된 상기 추정치 및 상기 하류 측 공연비 센서의 검출 결과에 근거하여 상기 하류 측 공연비 센서의 진단을 하는 센서 진단 수단을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 배기 통로 상에 상기 배기 정화 촉매로서 상류 측 배기 정화 촉매 및 하류 측 배기 정화 촉매가 배치되어 있고,

상기 추정 수단은 상기 상류 측 배기 정화 촉매 및 상기 하류 측 배기 정화 촉매의 쌍방에 대해서 추정치를 추정하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 17 항에 있어서, 상기 상류 측 배기 정화 촉매로부터 유출되어 상기 하류 측 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 중간부 공연비 센서를 더 구비하고,

상기 공연비 제어 수단은 상기 상류 측 배기 정화 촉매에 대한 상기 추정치와 상기 중간부 공연비 센서의 검출 결과에 근거하여, 상기 상류 측 배기 정화 촉매로부터 유출되어 상기 하류 측 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 배기 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 17 항에 있어서, 상기 상류 측 배기 정화 촉매에 대한 상기 추정치가 배기 가스 중의 산소 과부족량에 관한 것이고,

상기 목표 설정 수단은 상기 하류 측 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 상기 산소 과부족량의 적산치가 제로가 되도록 상기 추정치의 목표 상태를 설정하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
유입되는 가스가 통과하는 공간과, 동일 공간에 노출됨과 동시에 촉매 기능을 가져오는 물질 및 산소 흡장 방출 기능을 가져오는 물질을 보유한 코트층을 포함하여 이루어지는 배기 정화 촉매를 배기 통로에 배치한 내연 기관의 공연비 제어 장치에 있어서,

상기 배기 정화 촉매의 일부 또는 전부를 통과한 상기 기관의 배기 가스에 포함되는 특정 성분의 배출량에 따른 값을 추정치로서 추정하는 추정 수단과,

상기 추정 수단에 의해 추정되는 추정치 중 적어도 하나가 소정의 목표 상태가 되도록 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비한, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 특정 성분은 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 상기 기관의 배기 가스에 포함됨과 동시에 환원 기능을 갖는 리덕션 성분 및 동일 배기 가스에 포함됨과 동시에 동일 리덕션 성분에 산소를 공급할 수 있는 스토리지 성분 중 적어도 하나의 성분이며,

상기 추정 수단은 상기 특정 성분의 물질 수지를 고려하여 형성된 추정 모델에 근거하여 상기 추정치를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 추정 수단의 추정 모델은 상기 배기 정화 촉매를 배기 가스가 흐르는 방향으로 복수의 영역으로 분할한 것 중 특정 영역에 착안하고, 동일 특정 영역의 상기 공간에 유입되는 상기 특정 성분량과 동일 특정 영역의 공간에서 유출되는 동일 특정 성분량 및 동일 특정 영역의 공간에서 동일 특정 영역의 상기 코트층으로 확산하는 동일 특정 성분량에 근거하여 형성된 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 추정 수단의 모델은 상기 특정 영역의 공간에서 상기 특정 영역의 코트층으로 확산하는 상기 특정 성분량과 동일 코트층에서 소비되는 동일 특정 성분량에 근거하여 형성된 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 특정 성분은 산소인, 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 특정 성분은 산소와일산화탄소인, 내연 기관의 공연비 제어 장치.