JP3606211B2

JP3606211B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP3606211B2
Application number: JP2001038145A
Authority: JP
Inventors: 元小熊; 健中村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: US20010022082A1; EP1128042A2; EP1128042A3; US6568176B2; DE60125261T2; EP1128042B1; DE60125261D1; JP2001317401A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三元触媒に吸収されている酸素量（以下、「酸素ストレージ量」）をエンジンの吸入空気量と触媒に流入する排気の空燃比に基づき推定演算し、触媒の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジンの空燃比制御を行う技術が知られている（特開平９−２２８８７３号）。
【０００３】
三元触媒のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要があるが、触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで、触媒に流入する排気がリーン側にずれても排気中の酸素が触媒に吸収され、逆に、触媒に流入する排気がリッチ側にずれても触媒に吸収されている酸素が放出され、触媒雰囲気を実質的に理論空燃比に保つことができる。
【０００４】
したがって、このような制御を行う排気浄化装置においては、触媒の転換効率を高く保つために酸素ストレージ量の正確な演算が要求され、種々の演算手法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、酸素ストレージ量を精度よく演算できても、前回のエンジン停止からの経過時間が短い等でエンジン再始動時の触媒温度が高いと、ＮＯｘが放出されやすいという傾向がある。
【０００６】
これは始動時の触媒温度が高いと、排気管に拡散している酸素（排気管出口から進入した大気）を触媒が多量に吸収しており、触媒のＮＯｘ浄化能力が低下しているからである。すなわち、触媒の酸素ストレージ量が多いと触媒に流入する排気の空燃比がリーン側にずれた場合に触媒雰囲気を理論空燃比に修正できず、排気中のＮＯｘを十分に浄化することができなくなる。
【０００７】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、三元触媒を備え、その酸素ストレージ量を一定に保つようにエンジンの空燃比を制御する排気浄化装置において、始動時におけるＮＯｘ排出量を抑えることを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、エンジンの排気浄化装置において、排気管に設けられた触媒と、エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、暖機状態での始動と判定された場合、触媒下流の空燃比がリッチ化するまでエンジンの空燃比をリッチ側に制御する第１の空燃比制御手段と、触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、検出された排気の特性に基づき触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、演算された酸素ストレージ量に基づき触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比を制御する第２の空燃比制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、エンジンの冷却液温を検出する手段を備え、ホットリスタート判定手段がエンジン始動時における冷却液温が所定温度（例えば６０℃）より高いときに暖機状態での始動であると判定することを特徴とするものである。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、触媒の温度を検出あるいは推定する手段を備え、ホットリスタート判定手段は、エンジン始動時における触媒の温度が所定温度（例えば３００℃）より高いときに暖機状態での始動であると判定することを特徴とするものである。
【００１１】
第４の発明は、第１から第３の発明において、触媒の下流に第２の触媒を備え、第１の空燃比制御手段が暖機状態での始動であると判定された場合、第２の触媒下流の空燃比がリッチ化するまでエンジンの空燃比をリッチ側に制御することを特徴とするものである。
【００１２】
第５の発明は、エンジンの排気浄化装置において、エンジンの排気管に設けられた触媒と、触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、触媒から流出する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、暖機状態での始動と判定された場合、エンジンの空燃比をリッチ側に制御する第１の空燃比制御手段と、触媒に流入する排気の特性を用いて、触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、触媒から流出する排気特性がリッチ化した後、演算された酸素ストレージ量に基づき、触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比を制御する第２の空燃比制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算することを特徴とするものである。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、酸素ストレージ量演算手段が、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で、高速成分及び低速成分をそれらの最小容量にリセットすることを特徴とするものである。
【００１５】
第８の発明は、エンジンの排気浄化装置において、エンジンの排気管に設けられた第１の触媒と、第１の触媒に流入する排気特性を検出する第１の排気特性検出手段と、第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、第１の触媒から流出する排気特性を、第２の触媒の上流側で検出する第２の排気特性検出手段と、第２の触媒から流出する排気特性を検出する第３の排気特性検出手段と、暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、暖機状態での始動であると判定された場合、エンジンの空燃比をリッチ側に制御する第１の空燃比制御手段と、第２の触媒から流出する排気特性がリッチ化した後、第１の触媒に流入する排気特性と第１の触媒から流出する排気特性を用いて第１の触媒の酸素ストレージ量を演算し、この演算された酸素ストレージ量に基づき第１の触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比を制御する第２の空燃比制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
第９の発明は、排気管に触媒を備えたエンジンの空燃比制御方法において、エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定し、暖機状態での始動と判定された場合、前記触媒下流の空燃比がリッチ化するまで前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御し、前記触媒に流入する排気の特性に基づき前記触媒の酸素ストレージ量を演算し、前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標値となるように前記エンジンの空燃比を制御することを特徴とするものである。
第１０の発明は、エンジンの排気浄化装置において、排気管に設けられた触媒と、エンジン始動時、暖機状態での始動であるかを判定するホットリスタート判定手段と、暖機状態での始動と判定された場合、前記触媒下流の空燃比がリッチ化するまで前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御する空燃比制御手段と、前記触媒の酸素ストレージ量を演算するとともに、前記触媒下流の空燃比がリッチ化した時点で酸素ストレージ量を最小容量にリセットする酸素ストレージ量演算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
【作用及び効果】
したがって、この発明に係る排気浄化装置では、触媒に流入する排気の特性（例えば、排気空燃比）に基づき触媒の酸素ストレージ量が演算され、触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比制御が行われるが、暖機状態からの再始動（ホットリスタート）である場合は触媒下流がリッチ化するまでエンジンの空燃比がリッチ側にシフトされる（第１、第９の発明）。
【００１８】
ホットリスタート時は触媒温度が高く、排気管に拡散している酸素を吸収して触媒のＮＯｘ浄化能力が低下しているので、そのまま通常運転を行うと始動時のＮＯｘ排出量を増大させる原因となるが、本発明によると、ホットリスタート時は触媒下流がリッチ化するまでエンジンの空燃比がリッチ側に制御され、触媒に吸収されている酸素が一旦全て放出されるので、ＮＯｘの浄化能力が確保され、始動時におけるＮＯｘの排出量を抑えることができる。
【００１９】
ホットリスタートの判定は、第２の発明のように、始動時におけるエンジンの冷却液温（冷却水温あるいは油温）から判定しても良いし、第３の発明のように始動時における触媒温度を検出あるいは推定し、それに基づき判定するようにしても良い。
【００２０】
また、複数の触媒を備えている場合は、第４、第８の発明のように、２つめ以降の触媒の下流がリッチ化するまで空燃比のリッチ化制御を行うようにすれば、下流側の触媒に吸収されている酸素も併せて放出させることができ、始動時における下流側の触媒のＮＯｘ浄化能力も高めることができる。
【００２１】
ここで触媒の酸素ストレージ特性は、触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれるが、第６の発明によれば、触媒の酸素ストレージ量が実際の特性に合わせて高速成分と低速成分とに分けて演算されるので、酸素ストレージ量を正確に演算することができる。
【００２２】
また、始動時に触媒に吸収されている酸素量を正確に求めることは難しいが、第７、第１０の発明によれば、触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で触媒に吸収されている酸素が一旦全て放出されることを利用し、酸素ストレージ量を最小容量にリセットするので、以降の酸素ストレージ量の演算精度を速やかに向上させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
図１は、本発明が適用される排気浄化装置の概略構成を示し、火花点火式エンジン１の排気浄化装置は、排気管２に設けられた触媒３と、フロントＡ／Ｆセンサ４と、リアＯ_２センサ５と、コントローラ６とを備える。
【００２５】
エンジン１の吸気管７には、運転者のアクセル操作と独立して制御可能な電子制御式スロットル弁８と、スロットル弁８によって調整された吸入空気量を検出するエアフローメータ９とが設けられている。また、エンジン１にはエンジン回転数を検出するクランク角センサ１２が設けられている。
【００２６】
触媒３はいわゆる三元触媒であり、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを最大効率で浄化する。触媒３は触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（以下、「酸素ストレージ機能」）を有している。
【００２７】
ここで触媒３の酸素ストレージ量は、触媒３の貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）に吸収／放出される高速成分ＨＯ２と、触媒３の酸素ストレージ材に吸収／放出される低速成分ＬＯ２とに分けることができる。低速成分ＬＯ２は高速成分ＨＯ２に比べて多くの酸素を吸収／放出することができるが、その吸収／放出速度は高速成分ＨＯ２に比べて遅いという特性を有している。
【００２８】
さらに、これら高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２は、
− 酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２に優先して酸素が吸収され、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに達して酸素を吸収しきれない状態になったら低速成分ＬＯ２に酸素が吸収され始める。
【００２９】
− 酸素放出時は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が所定値未満の場合、すなわち高速成分が比較的多い場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出され、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が所定値以上の場合は高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２の両方から酸素が放出される。
という特性を有している。
【００３０】
図２はこのような触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。縦軸は高速成分ＨＯ２（貴金属に吸収される酸素量）、横軸は低速成分ＬＯ２（酸素ストレージ材に吸収される酸素量）を示している。
【００３１】
通常運転状態では、低速成分ＬＯ２は略ゼロであり、高速成分ＨＯ２のみが図中矢印Ａ_１で示すように触媒に流入する排気の空燃比に応じて変化する。高速成分ＨＯ２は、例えば、その最大容量の半分となるように制御される。
【００３２】
しかしながら、エンジンの燃料カットが行われたときや、暖機状態からのエンジン再始動（ホットリスタート）であるときは、高速成分ＨＯ２がその最大容量に達し、図中矢印Ａ_２で示すように低速成分ＬＯ２にも酸素の吸収が行われ、酸素ストレージ量は状態Ｘ_１から状態Ｘ_２まで変化する。
【００３３】
この状態Ｘ_２から酸素が放出されるときは、高速成分ＨＯ２から優先して酸素の放出が行われ、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が所定値に達すると（状態Ｘ_３）、以後、低速成分ＬＯ２に対する高速成分ＨＯ２の比が変化しないように高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２の両方から酸素の放出が行われる。すなわち、酸素ストレージ量が図中の線Ｌ上を変化するように酸素の放出が行われる。なお、この線Ｌ上では、高速成分１に対して低速成分が５から１５、好ましくは高速成分１に対して低速成分が略１０となっている。
【００３４】
図１に戻り、触媒３の上流に設けられたフロントＡ／Ｆセンサ４は触媒３に流入する排気の空燃比をリニアに検出し、触媒３の下流に設けられたリアＯ_２センサ５は触媒３下流の酸素濃度を理論空燃比に対して反転的に検出する。なお、ここでは触媒３の下流に安価なＯ_２センサを設けたが、リニアに空燃比を検出できるＡ／Ｆセンサを設けても良い。
【００３５】
また、エンジン１には冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１０が取り付けられており、検出された冷却水温はエンジン１の運転状態を判断するのに用いられる他、触媒３の触媒温度を推定するのにも用いられる。
【００３６】
コントローラ６はマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等で構成され、エアフローメータ９、フロントＡ／Ｆセンサ４及び冷却水温センサ１０の出力に基づき、触媒３の酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）を演算する。
【００３７】
そして、コントローラ６は、演算した酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が所定量（例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分）よりも多いときはエンジン１の空燃比をリッチ側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を減少させ、逆に、所定量よりも少ないときは空燃比をリーン側にシフトさせて高速成分ＨＯ２を増大させ、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が一定に保たれるようにする。
【００３８】
なお、エンジン始動時の冷却水温（触媒温度）が高く、触媒３に多量の酸素が吸収されている場合（ホットリスタート時）は、触媒３に吸収されている酸素を一旦全て放出させてＮＯｘ浄化能力を確保すべく、触媒３下流のリアＯ_２センサ５がリッチ判定するまで空燃比のリッチシフトが行われる。
【００３９】
さらに、演算誤差により演算される酸素ストレージ量と実際の酸素ストレージ量との間にずれが生じるが、コントローラ６は触媒３下流の酸素濃度に基づき所定のタイミングで酸素ストレージ量のリセットを行い、実際の酸素ストレージ量とのずれを修正する。
【００４０】
具体的には、リアＯ_２センサ５がリーン判定した場合は、少なくとも高速成分ＨＯ２は最大となっていると判断し、高速成分ＨＯ２を最大容量にリセットする。また、リアＯ_２センサ５がリッチ判定した場合は、高速成分ＨＯ２のみならず低速成分ＬＯ２からの酸素放出も行われなくなっていることから、低速成分ＨＯ２及び高速成分ＬＯ２を最小容量にリセットする。
【００４１】
以下、コントローラ６が行う制御について詳しく説明する。
【００４２】
ここではまず、酸素ストレージ量の演算について説明し、その後で、酸素ストレージ量のリセット、酸素ストレージ量に基づくエンジン１の空燃比制御について説明する。
【００４３】
エンジン１が始動されると、まず、図３に示す始動時制御（第１の空燃比制御）が実行され、始動時制御が終了したら図４に示す酸素ストレージ量の演算ルーチンが繰り返し実行される。
【００４４】
図３は始動時制御の内容を示し、エンジン始動時、例えば、エンジン１の完爆判定後に一回だけ実行される。
【００４５】
これによると、まず、冷却水温センサ１０の出力に基づき始動時のエンジン冷却水温ＴＷＮＩＮＴが検出され（ステップＳＳ１）、これとホットリスタート判定しきい値ＴＷＮＨＯＴ（例えば６０℃）と比較することにより、暖機状態からの再始動、すなわちホットリスタートか否かの判定が行われる（ステップＳＳ２）。
【００４６】
始動冷却水温ＴＷＮＩＮＴがしきい値ＴＷＮＨＯＴよりも高く、ホットリスタートであると判定された場合はステップＳＳ３以降に進み、触媒３に吸収されている酸素を放出させるべくエンジン１の空燃比のリッチシフトが実行される（ステップＳＳ３）。そして、リアＯ_２センサ５の出力がリッチ判定しきい値を超えるまで、すなわち、触媒３下流の空燃比がリッチ化するまで空燃比のリッチシフトが継続される（ステップＳＳ４、ＳＳ５）。
【００４７】
リアＯ_２センサ５がリッチ判定しきい値を超えるとステップＳＳ６に進む。触媒３の下流がリッチ化した時点では、触媒３に吸収されていた酸素は全て放出されていると考えられるので、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２がそれぞれ最小値（最小容量）ＨＯ２ＭＩＮ、ＬＯ２ＭＩＮにリセットされる。
【００４８】
一方、ステップＳＳ２で始動時冷却水温ＴＷＮＩＮＴがしきい値ＴＷＮＨＯＴよりも低く、ホットリスタートでないと判定された場合はそのまま始動時制御を終了する。
【００４９】
なお、ここで始動時における冷却水温に基づきホットリスタートか否かの判定を行っているが、エンジンの油温に基づき判定するようにしてもよい。あるいは、始動時における触媒温度をセンサによって検出、またはエンジン１の各種運転パラメータに基づき推定し、始動時における触媒温度に基づき判定するようにしても良い。この場合、始動時の触媒温度が所定温度（例えば３００℃）よりも高いときにホットリスタートであると判定するようにする。
【００５０】
始動時制御が終了すると、図４に示す触媒３の酸素ストレージ量を演算するためのルーチンが所定時間毎に実行される。
【００５１】
これによると、まず、エンジン１の各種運転パラメータとして、代表的にエアフローメータ９、冷却水温センサ１０、クランク角センサ１２の出力が読み込まれ、触媒３の温度ＴＣＡＴがそれらに基づき推定される（ステップＳ１、Ｓ２）。そして、推定された触媒温度ＴＣＡＴと触媒活性温度ＴＡＣＴｏとを比較することによって触媒３が活性化したか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００５２】
その結果、触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達していると判断された場合は触媒３の酸素ストレージ量の演算を行うべくステップＳ４以降に進む。触媒活性温度ＴＡＣＴｏに達しないと判断された場合は、触媒３は酸素の吸収／放出作用を行わないとして処理を終了する。
【００５３】
ステップＳ４では酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチン（図５）が実行されて触媒３に流入する排気中の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが演算され、ステップＳ５では酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチン（図６）が実行され、高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００５４】
さらに、ステップＳ６では酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチン（図７）が実行され、酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２及び高速成分ＨＯ２で吸収されずに低速成分ＬＯ２に溢れるオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが演算される。
【００５５】
ステップＳ７では、ステップＳ６で演算されたオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき触媒３に流入する排気中の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが全て高速成分ＨＯ２で吸収されたか否かを判断する。そして、酸素過不足量Ｏ２ＩＮが高速成分で完全に吸収された場合（ＯＶＥＲＦＬＯＷ＝０）は処理を終了するが、そうでない場合はステップＳ８へ進んで低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチン（図８）が実行され、高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。
【００５６】
なお、ここでは触媒温度ＴＣＡＴをエンジン１の冷却水温、エンジン負荷、エンジン回転数から推定するようにしているが、図１に示すように触媒３に温度センサ１１を取り付け、触媒３の温度を直接測定するようにしてもよい。
【００５７】
また、ステップＳ３で触媒温度ＴＣＡＴが活性温度ＴＡＣＴｏよりも低いときは酸素ストレージ量を演算しないようにしているが、ステップＳ３を無くして、触媒温度ＴＣＡＴの影響を高速成分の酸素放出率Ａや後述する低速成分の酸素吸収放出率Ｂに反映するようにしても良い。
【００５８】
次に、ステップＳ４から６及びステップＳ８で実行されるサブルーチンについて説明する。
【００５９】
図５は、触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３上流の空燃比とエンジン１の吸入空気量に基づき触媒３に流入する排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮが演算される。
【００６０】
これによると、まず、フロントＡ／Ｆセンサ出力とエアフローメータ出力が読み込まれる（ステップＳ１１）。
【００６１】
ステップＳ１２では読み込まれたフロントＡ／Ｆセンサ出力を所定の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、触媒３に流入する排気の過不足酸素濃度を演算する。ここで過不足酸素濃度とは理論空燃比時の酸素濃度を基準とした相対的な濃度で、排気が理論空燃比でゼロ、リッチで負、リーンで正の値をとる。
【００６２】
ステップＳ１３ではエアフローメータ出力を所定の変換テーブルを用いて吸入空気量に変換し、ステップＳ１４ではステップＳ１３で演算した吸入空気量にステップＳ１２で演算した過不足酸素濃度を乗じて触媒３に流入する排気の過不足酸素量Ｏ２ＩＮを演算する。
【００６３】
過不足酸素濃度が上記特性を有することから、過不足酸素量Ｏ２ＩＮは、触媒３に流入する排気が理論空燃比のときゼロ、リッチのとき負、リーンのとき正の値をとる。
【００６４】
また、図６は、酸素ストレージ量の高速成分の酸素放出率Ａを演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２の酸素放出速度が低速成分ＬＯ２の影響を受けることから、低速成分ＬＯ２に応じて高速成分の酸素放出率Ａが演算される。
【００６５】
これによると、まず、ステップＳ２１で低速成分の高速成分に対する比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ（例えばＡＲ＝１０）より小さいか否かが判断される。
【００６６】
判断の結果、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲより小さいと判断された場合、すなわち、高速成分ＨＯ２が低速成分ＬＯ２に対して比較的多い場合はステップＳ２２へ進み、高速成分ＨＯ２から酸素が優先して放出されるとして高速成分の酸素放出率Ａに１．０がセットされる。
【００６７】
これに対し、比ＬＯ２／ＨＯ２が所定値ＡＲ以上と判断された場合は、高速成分ＨＯ２に対する低速成分ＬＯ２の比が変化しないよう高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２から酸素が放出されるので、ステップＳ２３へ進んで高速成分の酸素放出率Ａとして比ＬＯ２／ＨＯ２が変化しないような値が演算される。
【００６８】
また、図７は、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは触媒３に流入する排気の酸素酸素過不足量Ｏ２ＩＮと高速成分の酸素放出率Ａに基づき高速成分ＨＯ２の演算が行われる。
【００６９】
これによると、まず、ステップＳ３１では酸素過不足量Ｏ２ＩＮの値に基づき高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあるか、あるいは酸素を放出する状態にあるかが判断される。
【００７０】
その結果、触媒３に流入する排気の空燃比がリーンであって、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロより大きい場合、高速成分ＨＯ２が酸素を吸収する状態にあると判断してステップＳ３２に進み、次式（１）、
ＨＯ２＝ＨＯ２ｚ＋Ｏ２ＩＮ・・・・・（１）
ＨＯ２ｚ：高速成分ＨＯ２の前回値
により高速成分ＨＯ２が演算される。
【００７１】
一方、酸素過不足量Ｏ２ＩＮがゼロ以下の値で、高速成分が酸素を放出する状態にあると判断された場合はステップＳ３３に進み、次式（２）、
ＨＯ２＝ＨＯ２ｚ＋Ｏ２ＩＮ × Ａ・・・・・（２）
Ａ：高速成分ＨＯ２の酸素放出率
により高速成分ＨＯ２が演算される。
【００７２】
このようにして高速成分ＨＯ２が演算されたら、ステップＳ３４、Ｓ３５でその値が高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００７３】
そして、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上になっている場合はステップＳ３６に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバーフロー分（過剰量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（３）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ＝ＨＯ２ − ＨＯ２ＭＡＸ・・・・・（３）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸに制限される。
【００７４】
また、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下になっている場合はステップＳ３７に進み、高速成分ＨＯ２に吸収されずに溢れ出るオーバーフロー分（不足量）ＯＶＥＲＦＬＯＷが次式（４）、
ＯＶＥＲＦＬＯＷ＝ＨＯ２ − ＨＯ２ＭＩＮ・・・・・（４）
により演算され、さらに、高速成分ＨＯ２が最小容量ＨＯ２ＭＩＮに制限される。なお、ここでは最小容量ＨＯ２ＭＩＮとしてゼロを与えているから高速成分ＨＯ２を全て放出した状態で不足する酸素量が負のオーバーフロー分として算出されることになる。
【００７５】
また、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸと最小容量ＨＯ２ＭＩＮの間にあるときは、触媒３に流入した排気の酸素過不足量Ｏ２ＩＮは全て高速成分ＨＯ２に吸収されるので、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷにはゼロが設定される。
【００７６】
ここで、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸ以上あるいは最小容量ＨＯ２ＭＩＮ以下となって高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷは低速成分ＬＯ２で吸収あるいは放出される。
【００７７】
また、図８は酸素ストレージ量の低速成分ＬＯ２を演算するためのサブルーチンの内容を示す。このサブルーチンでは高速成分ＨＯ２から溢れ出たオーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷに基づき低速成分ＬＯ２が演算される。
【００７８】
これによると、ステップＳ４１では低速成分ＬＯ２が次式（５）、
ＬＯ２＝ＬＯ２ｚ＋ＯＶＥＲＦＬＯＷ × Ｂ・・・・・（５）
ＬＯ２ｚ：低速成分ＬＯ２の前回値
Ｂ：低速成分の酸素吸収放出率
により演算される。ここで低速成分の酸素吸収放出率Ｂは１以下の正の値に設定されるが、実際には吸収と放出で異なる特性を有し、また、実際の吸収放出率は触媒温度ＴＣＡＴ、低速成分ＬＯ２等の影響を受けるので、吸収率と放出率をそれぞれ分離して可変に設定するようにしても良い。その場合、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが正であるとき、酸素が過剰であり、このときの酸素吸収率Ｂは、例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が小さいほど大きな値に設定される。また、オーバーフロー分ＯＶＥＲＦＬＯＷが負であるとき、酸素が不足しており、このときの酸素放出率Ｂは例えば、触媒温度ＴＣＡＴが高いほど、また低速成分ＬＯ２が大きいほど大きな値に設定される。
【００７９】
ステップＳ４２、Ｓ４３では、高速成分ＨＯ２の演算時と同様に、演算された低速成分ＬＯ２がその最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えていないか、あるいは最小容量ＬＯ２ＭＩＮ（＝０）以下になっていないかが判断される。
【００８０】
その結果、最大容量ＬＯ２ＭＡＸを超えている場合はステップＳ４４に進み、低速成分ＬＯ２から溢れる酸素過不足量Ｏ２ＯＵＴが次式（６）、
Ｏ２ＯＵＴ＝ＬＯ２ − ＬＯ２ＭＡＸ・・・・・（６）
により演算されて低速成分ＬＯ２が最大容量ＬＯ２ＭＡＸに制限される。酸素過不足量Ｏ２ＯＵＴはそのまま触媒３の下流に流出する。
【００８１】
一方、最小容量以下になっている場合はステップＳ４５へ進み、低速成分ＬＯ２が最小容量ＬＯ２ＭＩＮに制限される。
【００８２】
次に、コントローラ６が行う酸素ストレージ量のリセットについて説明する。酸素ストレージ量のリセットを実行することにより、それまでに蓄積された演算誤差が解消され、酸素ストレージ量の演算精度を高めることが可能となる。
【００８３】
図９はリセット条件の判断ルーチンの内容を示す。このルーチンは、触媒３下流の酸素濃度から酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセット条件が成立したか否かを判定し、フラグＦｒｉｃｈ及びフラグＦｌｅａｎのセットを行うものである。
【００８４】
これによると、まず、触媒３下流の酸素濃度を検出するリアＯ_２センサ５の出力が読み込まれる（ステップＳ５１）。そして、リアＯ_２センサ出力とリーン判定しきい値、リッチ判定しきい値との比較が行われる（ステップＳ５２、Ｓ５３）
比較の結果、リアＯ_２センサ出力がリーン判定しきい値を下回っていた場合はステップＳ５４に進んでフラグＦｌｅａｎに酸素ストレージ量のリーンリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。また、リアＯ_２センサ出力がリッチ判定しきい値を上回っていた場合はステップＳ５５に進んでフラグＦｒｉｃｈに酸素ストレージ量のリッチリセット条件が成立したことを示す「１」が設定される。
【００８５】
リアＯ_２センサ出力がリーン判定しきい値とリッチ判定しきい値の間にあるときはステップＳ５６に進んで、フラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈにリーンリセット条件、リッチリセット条件が不成立であることを示す「０」が設定される。
【００８６】
図１０は酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示す。
【００８７】
これによると、ステップＳ６１、Ｓ６２でフラグＦｌｅａｎ及びＦｒｉｃｈの値の変化に基づきリーンリセット条件あるいはリッチリセット条件が成立したか否かが判断される。
【００８８】
そして、フラグＦｌｅａｎが「０」から「１」に変化し、リーンリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６３に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。このとき、低速成分ＬＯ２のリセットは行わない。一方、フラグＦｒｉｃｈが「０」から「１」に変化し、リッチリセット条件が成立したと判断された場合はステップＳ６４に進み、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２がそれぞれ最小容量ＨＯ２ＭＩＮ、ＬＯ２ＭＩＮにリセットされる。
【００８９】
このような条件でリセットを行うのは、低速成分ＬＯ２の酸素吸収速度が遅いため、高速成分ＨＯ２が最大容量に達すると低速成分ＬＯ２が最大容量に達していなくても酸素が触媒下流に溢れることから、触媒下流がリーンになった時点では少なくとも高速成分ＨＯ２は最大容量になっていると考えられるからである。
【００９０】
また、触媒下流がリッチになる時点では、緩やかに酸素を放出する低速成分ＬＯ２からも酸素が放出されていないといえ、高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２共に酸素を殆ど保持しておらず最小容量になっていると考えられるからである。
【００９１】
さらに、コントローラ６が行う空燃比制御（酸素ストレージ量一定制御）について説明する。
【００９２】
図１１は酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチン（第２の空燃比制御）の内容を示す。
【００９３】
これによると、まず、現在の酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が読み込まれ（ステップＳ７１）、現在の高速成分ＨＯ２と高速成分の目標値ＴＧＨＯ２の偏差ＤＨＯ２（＝触媒３が必要としている酸素過不足量）が演算される（ステップＳ７２）。高速成分の目標値ＴＧＨＯ２は、例えば高速成分の最大容量ＨＯ２ＭＡＸの半分に設定される。
【００９４】
そしてステップＳ７３では、演算された偏差ＤＨＯ２が空燃比相当の値に換算され、エンジン１の目標空燃比が設定される。
【００９５】
したがって、このルーチンによると、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする量に満たない場合はエンジン１の目標空燃比がリーン側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の増大が図られる。これに対し、高速成分ＨＯ２が目標とする量を超えている場合はエンジン１の目標空燃比がリッチ側に設定され、酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２）の減少が図られることになる。
【００９６】
次に、上記制御を行うことによる全体的な作用について説明する。
【００９７】
本発明に係る排気浄化装置にあっては、エンジン１が始動されると、まず始動時制御が実行される。
【００９８】
始動時における冷却水温からホットリスタートであると判定された場合は、触媒３下流の空燃比がリッチ化するまでエンジンの空燃比がリッチ側にシフトされ、触媒３に吸収されている酸素の放出が行われる。
【００９９】
ホットリスタートで触媒３に予め吸収されている酸素量が多い場合は、触媒３に流入する排気の空燃比がリーン側にずれたときに触媒雰囲気を理論空燃比に修正することができず、そのまま運転を行うとＮＯｘの排出量が増加するが、このように触媒３下流の空燃比がリッチになるまでエンジンの空燃比をリッチ化すれば触媒３に吸収されている酸素が一旦全て放出されるので、始動時に排出されるＮＯｘの量を抑えることができる。また、酸素ストレージ量の初期値がゼロとなり、以後の酸素ストレージ量の演算精度を向上させることができる。
【０１００】
そして、始動時制御が完了すると、触媒３の酸素ストレージ量の演算が開始され、触媒３の転換効率を最大に保つべく、触媒３の酸素ストレージ量が一定となるようにエンジン１の空燃比制御が行われる。
【０１０１】
コントローラ６は触媒３に流入する排気の空燃比、エンジン１の吸入空気量に基づき触媒３の酸素ストレージ量を推定演算するが、酸素ストレージ量の演算は実際の特性に合わせて高速成分ＨＯ２と低速成分ＬＯ２とに分けて行われる。
【０１０２】
具体的には、酸素吸収時は、高速成分ＨＯ２が優先して吸収し、高速成分ＨＯ２が吸収しきれない状態となったら低速成分ＬＯ２が吸収し始めるとして演算が行われる。また、酸素放出時は、低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の比（ＬＯ２／ＨＯ２）が一定割合ＡＲ以下の場合は高速成分ＨＯ２から優先して酸素が放出されるとし、比ＬＯ２／ＨＯ２が一定割合になったらその比ＬＯ２／ＨＯ２を保つように低速成分ＬＯ２と高速成分ＨＯ２の両方から酸素が放出されるとして演算が行われる。
【０１０３】
そして、演算された酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標値よりも多いときは、コントローラ６はエンジン１の空燃比をリッチ側に制御して高速成分ＨＯ２を減少させ、目標値よりも少ないときは空燃比をリーン側に制御して高速成分ＨＯ２を増大させる。
【０１０４】
この結果、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が目標とする値に保たれるので、触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比からずれたとしても、応答性の高い高速成分ＨＯ２から直ちに酸素が吸収あるいは放出されて触媒雰囲気が理論空燃比方向に修正され、触媒３の転換効率が最大に保たれる。
【０１０５】
さらに、演算誤差が累積すると演算される酸素ストレージ量が実際の酸素ストレージ量とずれてくるが、触媒３下流がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量（高速成分ＨＯ２及び低速成分ＬＯ２）のリセットが行われ、演算値と実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される。
【０１０６】
図１２は上記酸素ストレージ量一定制御を行ったときの高速成分ＨＯ２の変化の様子を示したものである。この場合、時刻ｔ_１では、リアＯ_２センサ５の出力がリーン判定しきい値より小さくなりリーンリセット条件が成立するので、高速成分ＨＯ２が最大容量ＨＯ２ＭＡＸにリセットされる。ただし、このとき低速成分ＬＯ２は最大になっているとは限らないので低速成分ＬＯ２のリセットは行われない。
【０１０７】
時刻ｔ_２、ｔ_３では、リアＯ_２センサ５の出力がリッチ判定しきい値より大きくなりリッチリセット条件が成立するので、酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２が最小容量（＝０）にリセットされる。このとき低速成分ＬＯ２も最小容量にリセットされる（図示せず）。
【０１０８】
このように、触媒３の下流の排気がリッチあるいはリーンになったタイミングで酸素ストレージ量のリセットが行われ、実際の酸素ストレージ量とのずれが修正される結果、触媒の酸素ストレージ量の演算精度がさらに向上し、酸素ストレージ量を一定に保つための空燃比制御の精度も高められて触媒の転換効率を高く維持することができる。
【０１０９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明が適用可能な範囲は上記以外の構成にも適用可能であり、例えば、図１３に示すように触媒３の下流にさらに別の触媒１３（例えば、三元触媒機能を有するＨＣ吸着触媒）を備えた構成であっても良い。
【０１１０】
さらに、この場合、ホットリスタート時に、触媒１３の下流に設けられたＯ_２センサ１４によってリッチ判定されるまでエンジンの空燃比をリッチシフトするようにすれば、触媒１３に吸収されている酸素も併せて放出させることができ、下流側の触媒１３のＮＯｘ浄化能力も高く維持することができる。そして、Ｏ_２センサ１４によってリッチ判定された時点で酸素ストレージ量の高速成分ＨＯ２、低速成分ＬＯ２をそれぞれ最小容量ＨＯ２ＭＩＮ、ＬＯ２ＭＩＮにリセットすれば、以降の酸素ストレージ量の演算精度を速やかに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】触媒の酸素吸収／放出特性を示した図である。
【図３】始動時制御の内容を示したフローチャートである。
【図４】触媒の酸素ストレージ量を演算するためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図５】触媒に流入する排気の酸素過不足量を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図６】高速成分の酸素放出率を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図７】酸素ストレージ量の高速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図８】酸素ストレージ量の低速成分を演算するためのサブルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図９】リセット条件の判断ルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１０】酸素ストレージ量のリセットを行うためのルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１１】酸素ストレージ量から目標空燃比を演算するルーチンの内容を示したフローチャートである。
【図１２】酸素ストレージ量一定制御を行ったときの様子を示したタイムチャートである。
【図１３】本発明の別の実施形態である。
【符号の説明】
１エンジン
２排気管
３三元触媒
４フロントＡ／Ｆセンサ
５リアＯ_２センサ
７吸気管
８スロットル弁
９エアフローメータ
１０冷却水温センサ
１１触媒温度センサ

Claims

排気管に設けられた触媒と、
エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、
暖機状態での始動と判定された場合、前記触媒下流の空燃比がリッチ化するまで前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御する第１の空燃比制御手段と、
前記触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記検出された排気の特性に基づき前記触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、
演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標値となるように前記エンジンの空燃比を制御する第２の空燃比制御手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記エンジンの冷却液温を検出する手段を備え、
前記ホットリスタート判定手段は、エンジン始動時における冷却液温が所定温度より高いときに暖機状態での始動であると判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記触媒の温度を検出あるいは推定する手段を備え、
前記ホットリスタート判定手段は、エンジン始動時における前記触媒の温度が所定温度より高いときに暖機状態での始動であると判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記触媒の下流に第２の触媒を備え、
前記第１の空燃比制御手段は、暖機状態での始動であると判定された場合、前記第２の触媒下流の空燃比がリッチ化するまで前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジンの排気浄化装置。
エンジンの排気管に設けられた触媒と、
前記触媒に流入する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
前記触媒から流出する排気の特性を検出する排気特性検出手段と、
エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、
暖機状態での始動と判定された場合、前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御する第１の空燃比制御手段と、
前記触媒に流入する排気の特性を用いて、前記触媒の酸素ストレージ量を演算する酸素ストレージ量演算手段と、
前記触媒から流出する排気特性がリッチ化した後、演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標値となるように前記エンジンの空燃比を制御する第２の空燃比制御手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記触媒の酸素ストレージ量を吸収放出速度が速い高速成分と吸収放出速度が高速成分よりも遅い低速成分とに分けて演算することを特徴とする請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記酸素ストレージ量演算手段は、前記触媒から流出する排気特性がリッチ化した時点で、高速成分及び低速成分をそれらの最小容量にリセットすることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置。
エンジンの排気管に設けられた第１の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気特性を検出する第１の排気特性検出手段と、
前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、
前記第１の触媒から流出する排気特性を、前記第２の触媒の上流側で検出する第２の排気特性検出手段と、
前記第２の触媒から流出する排気特性を検出する第３の排気特性検出手段と、
暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、
暖機状態での始動であると判定された場合、エンジンの空燃比をリッチ側に制御する第１の空燃比制御手段と、
前記第２の触媒から流出する排気特性がリッチ化した後、前記第１の触媒に流入する排気特性と前記第１の触媒から流出する排気特性を用いて前記第１の触媒の酸素ストレージ量を演算し、この演算された酸素ストレージ量に基づき前記第１の触媒の酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの空燃比を制御する第２の空燃比制御手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
排気管に触媒を備えたエンジンの空燃比制御方法において、
エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定し、
暖機状態での始動と判定された場合、前記触媒下流の空燃比がリッチ化するまで前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御し、
前記触媒に流入する排気の特性に基づき前記触媒の酸素ストレージ量を演算し、
前記演算された酸素ストレージ量に基づき、前記触媒の酸素ストレージ量が目標値となるように前記エンジンの空燃比を制御する、
ことを特徴とするエンジンの空燃比制御方法。
排気管に設けられた触媒と、
エンジン始動時、暖機状態での始動であるか否かを判定するホットリスタート判定手段と、
暖機状態での始動と判定された場合、前記触媒下流の空燃比がリッチ化するまで前記エンジンの空燃比をリッチ側に制御する空燃比制御手段と、
前記触媒の酸素ストレージ量を演算するとともに、前記触媒下流の空燃比がリッチ化した時点で酸素ストレージ量を最小容量にリセットする酸素ストレージ量演算手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。