專利名稱：內(nèi)燃機的空燃比控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機的空燃比控制裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，為凈化內(nèi)燃機的廢氣，在排氣通道上配有排氣凈化催化裝置(三元催化劑)，并根據(jù)設(shè)在排氣通道的空燃比傳感器檢測出的空燃比進行反饋控制，使得提供于內(nèi)燃機的混合氣體的空燃比達到理論空燃比。由此，氮氧化物NOx、一氧化碳CO、碳氫化合物HC會同時減少。為提高內(nèi)燃機排出的尾氣的凈化率，準(zhǔn)確地進行上述反饋控制會很有效。
此外，為進一步提高排氣凈化性能，一直進行關(guān)于有效利用排氣凈化催化裝置的氧吸附作用的方法的研究。這種方法是，在氧化還原廢氣中的待凈化的物質(zhì)時，利用吸附于排氣凈化催化裝置的氧或排氣凈化催化裝置的氧吸附功能。
特開平5-195842號公報中公開的控制裝置，就是主要利用這種氧吸附作用的裝置，根據(jù)進氣流量、空氣中氧的含量和拉姆達(λ)值1(理論空燃比)的偏差的積，估算吸附于全部排氣凈化催化裝置的氧含量(氧吸附量、實際氧氣充填度)，使得把空燃比控制為氧吸附量達到某一固定的目標(biāo)值。
但是，上述的控制是把氧吸附量維持在目標(biāo)值附近的控制，從而存在以下問題，不能執(zhí)行把廢氣中一個或多個特定成分的排出量降低到所期望的值以下的空燃比控制，或者并非把全部催化劑的氧吸附量、而是把催化劑上游以下的氧吸附量維持在所期望值附近的空燃比控制。
因此，發(fā)明者在開發(fā)估算自排氣凈化催化裝置流出(通過排氣凈化催化裝置被凈化)的廢氣中所含特定成分的排出量(或者，表示廢氣狀態(tài)的代表值)的方法的同時，發(fā)明了通過將此估算值達到預(yù)定的目標(biāo)狀態(tài)的空燃比控制，從而提高排氣凈化性能的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的為提供一種內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，該裝置估算自排氣凈化催化裝置流出的廢氣中所含特定成分的排出量(或者，表示廢氣狀態(tài)的代表值)，根據(jù)此估算值進行空燃比的控制，從而提高來自排氣凈化催化裝置的廢氣的凈化率。
空燃比通過本發(fā)明空燃比控制裝置被控制的內(nèi)燃機，在其排氣通道上有排氣凈化催化裝置。而且，該空燃比控制裝置包括估算裝置，用于根據(jù)流入此排氣凈化催化裝置的廢氣的廢氣空燃比，估算自排氣凈化催化裝置流出的廢氣中所含的至少一種特定成分的排出量或表示流出的廢氣狀態(tài)的至少一種代表值的一個估算值；目標(biāo)設(shè)定裝置，用于通過的估算裝置，關(guān)于被估算的估算值設(shè)定目標(biāo)狀態(tài)；空燃比控制裝置，用于把空燃比控制為由估算裝置估算的估算值、通過目標(biāo)設(shè)定裝置設(shè)定的目標(biāo)狀態(tài)。
由此，控制空燃比，從而使自排氣凈化催化裝置流出的廢氣中所含的至少一種特定成分的排出量或表示流出的廢氣狀態(tài)的至少一種代表值的估算值達到目標(biāo)狀態(tài)，所以能夠提高排氣凈化性能。
此外，在本發(fā)明的一種實施例中，由估算裝置所估算的估算值，是表示在預(yù)定時間之后(即，自現(xiàn)時間點到預(yù)定時間后的時間點)的排出量或代表值的值。由此，能夠進行更快速的空燃比控制，并提高排氣凈化性能。
在本發(fā)明的其他實施例中，空燃比控制裝置進一步包括控制內(nèi)燃機的點火正時的點火正時控制裝置，并且空燃比控制裝置具有能任意控制用于調(diào)節(jié)內(nèi)燃機進氣量的節(jié)氣門開度的功能。使用空燃比控制裝置把空燃比控制為使估算裝置估算的預(yù)定時間后的估算值達到預(yù)定目標(biāo)狀態(tài)時，通過空燃比控制裝置延遲節(jié)氣門的開啟控制，并通過點火正時控制裝置可以提前點火正時。
由此，可以抑制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的降低，同時實現(xiàn)根據(jù)空燃比控制提高排氣凈化性能。
在本發(fā)明其他實施例中，估算裝置，當(dāng)濃空燃比時估算有關(guān)排出量增加的成分中的至少一種估算值，當(dāng)稀空燃比時估算有關(guān)排出量增加的成分中的至少一種估算值；目標(biāo)設(shè)定裝置，設(shè)定每個估算值的目標(biāo)狀態(tài)。
此外，在該空燃比控制裝置中，通過目標(biāo)設(shè)定裝置設(shè)定的目標(biāo)狀態(tài)，可以把估算值設(shè)為預(yù)定范圍內(nèi)。
此外，目標(biāo)設(shè)定裝置，可以把每個估算值相等的狀態(tài)設(shè)定為目標(biāo)狀態(tài)。
此外，估算裝置，可以在估算值的估算中反映節(jié)氣門開度的預(yù)測值。
此外，估算裝置，可以在估算值的估算中反映燃料性能模型。
在本發(fā)明的其他實施例中，可以構(gòu)成為估算裝置，估算對于把排氣凈化催化裝置劃分到廢氣流向的多個區(qū)域內(nèi)的特定區(qū)域的估算值；目標(biāo)設(shè)定裝置，設(shè)定與特定區(qū)域的估算值對應(yīng)的目標(biāo)狀態(tài)；空燃比控制裝置，控制空燃比，使得在特定區(qū)域中的估算值達到該特定區(qū)域所設(shè)定的目標(biāo)狀態(tài)。
由此，可以使特定區(qū)域中的廢氣狀態(tài)接近于所期望的狀態(tài)。
此外，估算裝置也可構(gòu)造為，能夠設(shè)定被劃分的多個區(qū)域內(nèi)最下游區(qū)域偏上的特定區(qū)域。
由此，偏上游的特定區(qū)域的估算值成為空燃比控制的對象，所以可以迅速地進行空燃比控制，即使特定區(qū)域中的控制結(jié)果與目標(biāo)狀態(tài)不同，也能夠由特定區(qū)域通過下游區(qū)域的催化作用凈化廢氣，因此能夠提高排氣凈化性能。
此時，估算裝置也可構(gòu)造為，能夠隨著內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)狀態(tài)改變特定區(qū)域，并由此進一步提高排氣凈化性能。
此外，也可以是，估算裝置選擇兩個區(qū)域作為特定區(qū)域來估算各估算值；目標(biāo)設(shè)定裝置，在各特定區(qū)域中分別設(shè)定估算值的目標(biāo)狀態(tài)；空燃比控制裝置，控制空燃比，使得各特定區(qū)域的各估算值達到相應(yīng)的目標(biāo)狀態(tài)。由此，能夠進行更準(zhǔn)確的空燃比控制，因此可以進一步提高凈化性能。
此外，在如上所述選擇多個特定區(qū)域的情況下，為進行更準(zhǔn)確的空燃比控制，空燃比控制裝置也可構(gòu)造為，對每個特定區(qū)域單獨設(shè)定空燃比控制的影響度。
進而，空燃比控制裝置也可構(gòu)造為，按照內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)改變每個特定區(qū)域的影響度。
在本發(fā)明的其他實施例中，空燃比裝置進一步包括下游空燃比傳感器，用于檢測自排氣凈化催化裝置流出的廢氣的廢氣空燃比；估算模型校正裝置，用于根據(jù)由估算裝置估算的估算值以及下游空燃比傳感器的檢測結(jié)果，校正估算值的估算模型。由此，可提高估算模型的估算值的估算精度。
在本發(fā)明的其他實施例中，空燃比控制裝置進一步包括下游空燃比傳感器，用于檢測自排氣凈化催化裝置流出的廢氣的廢氣空燃比；傳感器診斷裝置，用于根據(jù)由估算裝置估算的估算值以及下游空燃比傳感器的檢測結(jié)果，診斷下游空燃比傳感器。由此，可以對傳感器進行診斷。
在本發(fā)明的其他實施例中，在上游排氣凈化催化裝置以及下游排氣凈化催化裝置作為排氣通道上的排氣凈化催化裝置時，估算裝置估算上游排氣凈化催化裝置以及下游排氣凈化催化裝置的估算值。
在此情況下，即空燃比控制裝置進一步包括一個中間空燃比傳感器，用于檢測由上游排氣凈化催化裝置流出從而流入下游排氣凈化催化裝置的廢氣的廢氣空燃比，則空燃比控制裝置優(yōu)選地構(gòu)造為，根據(jù)上游排氣凈化催化裝置中的估算值與中間空燃比傳感器的檢測結(jié)果，控制由上游排氣凈化催化裝置流出從而流入下游排氣凈化催化裝置的廢氣的廢氣空燃比。
此外，上游排氣凈化催化裝置中的估算值與廢氣中的氧氣過量—不足有關(guān)，所以目標(biāo)設(shè)定裝置優(yōu)選地構(gòu)造為，使估算值的目標(biāo)狀態(tài)設(shè)定成把流入下游排氣凈化催化裝置的廢氣中的氧過量或不足量的累計值成為零。
本發(fā)明還提供了一種內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其中排氣凈化催化裝置配置于排氣通道，該催化劑包含流入氣體通過的空間、露在該空間的涂層，該涂層用于承載具有催化劑功能的物質(zhì)以及具有氧吸附—釋放功能的物質(zhì)。空燃比控制裝置包括估算裝置，估算通過排氣凈化催化裝置的一部分或全部的內(nèi)燃機廢氣中所含的特定成分的排出量所對應(yīng)的值作為估算值；空燃比裝置，這樣控制流入排氣凈化催化裝置的廢氣的空燃比，使由估算裝置估算的估算值的至少一個達到預(yù)定的目標(biāo)狀態(tài)。
由此，能夠依照被估算的廢氣中的特定成分的排出量，對空燃比進行控制，所以可提高排氣凈化性能。
此時，特定成分為，流入排氣凈化催化裝置的內(nèi)燃機廢氣中所含的具有還原功能的還原成分、以及廢氣中所含的能夠給還原成分供氧的存儲成分中的至少一個成分；而估算裝置形成的結(jié)構(gòu)為，根據(jù)考慮到特定成分的質(zhì)量平衡而形成的估算模型，估算估算值。
進而，估算裝置的模型，主要把排氣凈化催化裝置劃分到廢氣流向的多個區(qū)域中的特定區(qū)域，并根據(jù)流入特定區(qū)域空間的特定成分的量和自特定區(qū)域空間流出的特定成分的量、以及由特定區(qū)域空間擴散至特定區(qū)域涂層的特定成分的量而形成得到。
進而，估算裝置的估算模型，由特定區(qū)域空間擴散至特定區(qū)域涂層的特定成分的量以及涂層中所消耗的特定成分的量而形成得到。
通過這種模型估算特定成分的排出量時，為了計算簡便起見，特定成分優(yōu)選為氧、或氧和一氧化碳。


圖1是表示具有本發(fā)明控制裝置的實施例的內(nèi)燃機的剖面圖。
圖2是圖1所示的排氣凈化催化裝置的外觀圖。
圖3是圖2所示的排氣凈化催化裝置的局部剖面圖。
圖4是為說明本發(fā)明中的估算模型(催化劑模型)的示意圖。
圖5是為說明本發(fā)明中的估算模型的示意圖。
圖6是為說明本發(fā)明中的估算模型中使用的風(fēng)上法(upwindscheme)的示意圖。
圖7是表示為根據(jù)本發(fā)明的估算模型求出廢氣中的氧濃度的程序的流程圖。
圖8是表示為根據(jù)本發(fā)明的估算模型求出廢氣中的一氧化碳濃度的程序的流程圖。
圖9是表示為根據(jù)本發(fā)明的估算模型求出廢氣中的碳氫化合物濃度的程序的流程圖。
圖10是表示為根據(jù)本發(fā)明的估算模型求出廢氣中的氮氧化物(一氧化氮)濃度的程序的流程圖。
圖11是表示為根據(jù)本發(fā)明的估算模型求出廢氣中的氧吸附密度的程序的流程圖。
圖12是為由催化劑老化度和催化劑溫度求出系數(shù)Kstor，i、Krel，i的圖。
圖13是規(guī)定了用于確定流入排氣凈化催化裝置的一氧化碳濃度的廢氣空燃比和一氧化碳濃度的關(guān)系的圖(圖表)。
圖14是表示流入排氣凈化催化裝置的碳氫化合物濃度和廢氣空燃比關(guān)系的曲線圖。
圖15是表示流入排氣凈化催化裝置的碳氫化合物濃度和排氣溫度關(guān)系的曲線圖。
圖16是表示流入排氣凈化催化裝置的一氧化氮濃度和廢氣空燃比關(guān)系的曲線圖。
圖17是規(guī)定了流入排氣凈化催化裝置的一氧化氮濃度和缸內(nèi)進氣量關(guān)系的曲線圖。
圖18是本發(fā)明的控制裝置的第一實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖19是表示CgoutO2與反饋校正量的關(guān)系的圖。
圖20是本發(fā)明的控制裝置的第二實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖21是本發(fā)明的控制裝置的第三實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖22是本發(fā)明的控制裝置的第四實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖23是本發(fā)明的控制裝置的第五實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖24是本發(fā)明的控制裝置的第六實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖25是本發(fā)明的控制裝置的第七實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖26是表示運轉(zhuǎn)狀態(tài)為進氣量時的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與特定區(qū)域的位置之間的關(guān)系的圖。
圖27是表示運轉(zhuǎn)狀態(tài)為加速踏板開度的變化量(Δ加速踏板開度)時的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與特定區(qū)域的位置之間的關(guān)系的圖。
圖28是表示運轉(zhuǎn)狀態(tài)為催化劑的活性狀態(tài)時的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與特定區(qū)域的位置之間的關(guān)系的圖。
圖29是表示運轉(zhuǎn)狀態(tài)為空燃比的變量(ΔA/F)時的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與特定區(qū)域的位置之間的關(guān)系的圖。
圖30是本發(fā)明的控制裝置的第八實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖31是本發(fā)明的控制裝置的第九實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖32是表示特定區(qū)域的位置與控制增益G1、G2的關(guān)系的圖。
圖33是本發(fā)明的控制裝置的第十實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖34是本發(fā)明的控制裝置的第十一實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖35是表示貫串到本發(fā)明的第十二實施例以及第十三實施例的內(nèi)燃機的圖。
圖36是本發(fā)明的控制裝置的第十二實施例中的空燃比控制的流程圖。
圖37是本發(fā)明的控制裝置的第十三實施例中的空燃比控制的流程圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的空燃比控制裝置的實施例進行說明。圖1表示具有這樣的空燃比控制裝置的內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)。這種空燃比控制裝置是控制作為內(nèi)燃機發(fā)動機1的裝置。
發(fā)動機1是多缸發(fā)動機，圖1中只表示其中的一個氣缸的剖面圖。此發(fā)動機1，可以通過用火花塞2對各氣缸3內(nèi)的混合氣體進行點火來產(chǎn)生驅(qū)動力。發(fā)動機1把空氣—燃料混合氣體吸入到氣缸3內(nèi)，該混合氣體通過進氣通道4從外部吸入的空氣和噴射器5所噴射的燃料進行混合而形成。進氣門6可以開關(guān)氣缸3內(nèi)部與進氣通道4的間隙。排氣通道7是，把在氣缸3內(nèi)部燃燒掉的混合氣體作為廢氣排放的通道。排氣門8可以開關(guān)氣缸3內(nèi)部與排氣通道7的間隙。
節(jié)氣門9是調(diào)節(jié)氣缸3內(nèi)所吸入的進氣量的裝置，配置于進氣通道4。在節(jié)氣門9上，接有檢測其開度的節(jié)氣門位置傳感器。此外，節(jié)氣門9，與節(jié)氣門電動機11相連，根據(jù)節(jié)氣門電動機11的驅(qū)動力來進行開或關(guān)操作。加速踏板位置傳感器12，配置于節(jié)氣門9的附近，可以檢測加速踏板踏板的操作量(加速踏板開度)?；谶@種結(jié)構(gòu)，節(jié)氣門9的開度可以按電子化的形式進行控制。即，此發(fā)動機1使用了電子控制節(jié)流方式。
此外，發(fā)動機1包括檢測進氣量的空氣流計13；曲柄位置傳感器14，用于檢測曲加速踏板位置并產(chǎn)生信號，而求出氣缸3內(nèi)的活塞15的位置及發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度NE；檢測發(fā)動機1的振動的振動傳感器16；以及檢測冷卻水溫度的水溫傳感器17。
排氣凈化催化裝置(催化劑轉(zhuǎn)換器，以下也會簡稱為‘催化裝置’)19，配置于排氣通道7。有時也在排氣通道上設(shè)置多個這種催化劑。例如，對于根據(jù)廢氣的流向多個串聯(lián)設(shè)置時，以及具有分支排氣通道的發(fā)動機，各分支排氣通道可設(shè)置有單獨的催化裝置(更具體地講，在四氣缸發(fā)動機中，兩個氣缸的排氣管合并于某一處的位置配置一個催化裝置，另兩個氣缸的排氣管在合并于某一處的位置再配置一個催化裝置的情況)。在本實施例中，各氣缸3的排氣管在合并于一處偏下游的地方配置一個催化裝置19。
而且，發(fā)動機1具備估算催化裝置19溫度的催化劑溫度傳感器21、炭罐23、清除進氣通道4中從燃料箱中流出的蒸發(fā)燃料并把其收集到炭罐23中的清除控制閥24、安裝于催化裝置19上游的上游空燃比傳感器25、以及安裝于催化裝置下游的下游空燃比傳感器26。
空燃比傳感器25、26可由各安裝位置中的廢氣中氧濃度，分別檢測出廢氣空燃比(廢氣的廢氣空燃比、廢氣空燃比)?？杖急葌鞲衅?5為線性地檢測空燃比的線性空燃比傳感器，而空燃比傳感器26為識別空燃比濃或稀的濃差電池型傳感器。
上述的火花塞2、噴射器5、節(jié)氣門位置傳感器10、節(jié)氣門電動機11、加速踏板位置傳感器12、空氣流計13、曲柄位置傳感器14、振動傳感器16、水溫傳感器17、催化劑溫度傳感器21、清除控制閥24、上游空燃比傳感器25、以及下游空燃比傳感器26，與控制發(fā)動機1的電子控制單元(ECU)18連接，根據(jù)來自ECU18的信號受到控制，或者，可以把檢測結(jié)果發(fā)送到ECU18。
ECU18包括進行運算的CPU、記錄運算結(jié)果等各種信息的RAM、由電池保持存儲內(nèi)容的備用RAM、以及存有控制程序的ROM，因而可以進行各種運算，從而實現(xiàn)由噴射器5噴射的燃料噴射量的控制、點火正時的控制、氧吸附量的運算、后述模型的校正、以及上述傳感器的診斷等。
(催化劑的氧吸附作用)以下，對催化裝置19的結(jié)構(gòu)以及氧吸附作用進行說明。
催化裝置19，如圖2中所示的外觀，剖面為橢圓形的被稱作整體式催化劑轉(zhuǎn)換器的柱狀三元催化劑。圖3是以正交于加速踏板的平面截斷催化裝置19的擴大剖面圖，如圖3所示，通過由堇青石，陶瓷的一種，構(gòu)成的載流子19a，催化裝置19內(nèi)部細分在加速踏板延伸方向的軸線方向空間。各軸線方向空間，若以垂直于軸線的平面截斷會呈現(xiàn)近似正方形狀，故也稱作單元。載流子19a，通過鋁涂層19b被涂層，而涂層19b載有由白金(Pt)、氧化鈰(CeO2)等稀有金屬構(gòu)成的活性成分。
當(dāng)流入催化裝置19的氣體的空燃比為理論空燃比時，該催化裝置19具有氧化未燃成分(HC，CO)，同時還原氮氧化物(NOx)的功能(把此稱作‘催化功能’或‘氧化還原功能’)。因為載有上述氧化鈰等成分，催化裝置19具有吸附(存貯，吸收)流入催化單元的廢氣中的氧分子以及釋放氧分子的性質(zhì)(以下，稱作‘氧吸附功能’)，因而根據(jù)這種氧吸附功能，即使空燃比從理論空燃比偏移某些程度，也能夠凈化HC，CO以及NOx。
即，當(dāng)內(nèi)燃機吸入混合氣體的空燃比(以下，也簡稱為‘內(nèi)燃機的空燃比’；這種內(nèi)燃機的空燃比與流入催化劑的氣體的空燃比‘廢氣空燃比’相等)很稀而導(dǎo)致流入催化裝置19的氣體含有過量的氧及氮氧化物NOx時，催化裝置19吸附過量的氧，同時從氮氧化物NOx中獲取氧(還原NOx)來吸附氧，并由此凈化NOx。當(dāng)內(nèi)燃機的空燃比變濃而導(dǎo)致流入同催化裝置19的氣體的碳氫化合物HC及一氧化碳CO等未然成分過量時，催化裝置19把吸附于內(nèi)部的氧分子予以這些未燃成分、從而氧化未燃成分，并由此凈化HC，CO。
因此，若催化裝置19吸附氧氣達到吸附氧的極限(換言之，氧吸附量OSA達到最大氧吸附量OSAmax＝Cmax時)，當(dāng)流入催化裝置19的氣體的廢氣空燃比變稀時不能吸附氧，所以無法充分凈化廢氣中的NOx。另一方面，催化劑已完全釋放了氧并沒有吸附任何氧(換言之，氧吸附量OSA成為‘0’時)，就不能在流入催化裝置19的氣體的廢氣空燃比變濃時釋放出氧，因此不能充分凈化廢氣中的HC及CO。因此，希望控制流入催化裝置19的氣體的空燃比，使得把氧吸附量OSA維持在預(yù)定值，即使在流入催化裝置19的氣體的空燃比成為相當(dāng)于過渡階段的稀空燃比或相當(dāng)于濃空燃比的情況下，也能夠很準(zhǔn)確地估算催化劑的氧吸附量，使得可以充分凈化同氣體中的有害成分。
此外，催化裝置19中流入了空燃比很稀的氣體時，在催化裝置19的上游會被吸附更多的氧，催化裝置19中流入了空燃比很濃的氣體時，則會消耗吸附于同催化裝置19的上游的氧。因此，估算從催化裝置19的最上游位置至任意位置的氧吸附量OSA的總量，根據(jù)估算值進行空燃比控制，便可輕易避免催化裝置19整體的氧吸附量為0或達到最大氧吸附量Cmax，所以即使存在空燃比控制中不可避免的控制延遲，也能有效的降低排放。進而，若能估算自催化裝置19流出的氣體(或被催化裝置19的一部分或全部凈化的氣體)中含有的特定氣體成分的濃度，就可以主要對特定氣體成分的空燃比進行控制，來準(zhǔn)確地控制特定氣體成分的排放。
根據(jù)以上要求，本空燃比控制裝置，通過使用估算模型(催化劑模型)，估算特定氣體成分的濃度(排出量)和氧吸附量。這些估算值，便是表示由排氣凈化催化裝置的全部或其內(nèi)部的預(yù)定區(qū)域(一部分)流出的廢氣中含有的至少一種特定成分的排出量，或流出廢氣狀態(tài)的至少一種代表值。
(催化劑模型)
以下，對催化劑模型進行說明。首先，如圖4中模式化地示出，根據(jù)正交于氣體入口(流入方)Fr至出口(流出方)Rr方向的軸線的平面，把催化裝置19劃分成多個區(qū)域。即，把催化裝置19沿著排氣流向、劃分成多個區(qū)域。被劃分的各區(qū)域沿軸線方向的長度為L(為微小的長度，表示為dx)。如上所述，催化裝置19的剖面積dA是一定值。
再者，這種催化劑模型，是把催化劑劃分成多個區(qū)域而構(gòu)成的模型，但也可把催化劑整體想象成以下所述的一個區(qū)域，不把催化裝置19劃分成多個區(qū)域構(gòu)成催化劑模型。
繼而，著重在所劃分區(qū)域內(nèi)的任意特定區(qū)域，考慮通過特定區(qū)域的特定化學(xué)物種(特定成分)的質(zhì)量平衡?；瘜W(xué)物種為廢氣中所含的成分，例如，氧O2、一氧化碳CO、碳氫化合物HC、以及氮氧化物NOx。再者，化學(xué)物種，也可以是流入催化劑的廢氣的空燃比濃時，包含在廢氣中所含成分的成分(濃成分)；或者，流入催化劑的廢氣的空燃比稀時，包含在廢氣中所含成分的成分(稀成分)。
在此，用本催化劑模型把使用的各種值定義為以下的形式。

現(xiàn)在，若考慮時刻t～t+Δt期間內(nèi)特定區(qū)域中化學(xué)物種的平衡，如圖5所示，特定區(qū)域的排氣相(也可以簡稱為‘氣體相’)的化學(xué)物種變化量ΔM，如下述(1)式所示，等于由流入特定區(qū)域的化學(xué)物種量Min減去自特定區(qū)域流出的化學(xué)物種量Mout及被涂層載有的化學(xué)物種量Mcoat的量。由此，催化劑模型根據(jù)特定區(qū)域中特定成分的質(zhì)量平衡構(gòu)成。
ΔM＝Min-Mout-Mcoat…(1)以下，對(1)式的各項進行個別的探討。首先，可根據(jù)下述(2)式求出(1)式左邊的化學(xué)物種變化量ΔM。(2)式中，對上述所經(jīng)期間的化學(xué)物種濃度變化量(對化學(xué)物種濃度的時間性變化量在所經(jīng)期間內(nèi)積分所得的量)乘以微小體積σ·dA·dx所得的值在特定區(qū)域(軸向)進行的積分。
ΔM=∫WEσ·dA·[∫tt+Δt∂Cg∂t∂t]dx···(2)]]>(1)式右邊第1項Min是Cgin·Vgin·Da通過所經(jīng)期間進行積分的值，Cgin·Vgin·Da是流入特定區(qū)域氣體的化學(xué)物種濃度Cgin與積vgin·dA的乘積，積vgin·dA是單位時間內(nèi)流入特定區(qū)域的氣體體積所對應(yīng)的值，即‘流入特定區(qū)域的氣體流速vgin與特定區(qū)域截面積dA的積(實際上是，以截面積dA、流速為vgin的氣體流入開度率σ的催化裝置內(nèi)，所以催化裝置內(nèi)部的氣體流速成為vgin/σ，這種實際流速vgin/σ與催化劑的實際截面積σ·dA的積)’。此外，(1)式右邊第2項Mout，是對Cgout·vgout·dA在所經(jīng)期間進行積分的值，Cgout·vgout·dA是自特定區(qū)域流出的氣體的流速vgout與特定區(qū)域截面積dA的積vgout·dA(實際是，氣體流速vgin/σ與實際截面積σ·dA的積)乘以流出氣體中的化學(xué)物種濃度Cgout所得的值。即，上述(1)式右邊第1項及第2項可描述成下述(3)。
Min-Mout=∫tt+Δt{Vginσ·(σ·dA)·Cgin-Vgoutσ·(σ·dA)·Cgout}dt]]>=∫tt+Δt(vgin·dA·Cgin-vgout·dA·Cgout)dt···(3)]]>但是，流入特定區(qū)域的氣體流速vgin與特定區(qū)域流出的氣體流速vgout間沒有很大差異，所以若設(shè)成vg＝vgin＝vgout，(3)式，便變成下述(4)式的形式。
Min-Mout=∫tt+Δt(-dA·vg)·(Cgout-Cgin)dt]]>=∫tt+Δt(-dA·vg)·[Cg(x)]WEdt]]>=∫tt+Δt(-dA·vg)∫WE∂Cg∂xdxdt···(4)]]>
繼而，對轉(zhuǎn)到(移動)(1)式右邊第3項的涂層的化學(xué)物種量Mcoat進行討論。幾何表面積Sgeo是催化裝置單位體積所對應(yīng)的化學(xué)物種反應(yīng)的表面積，因此作用于特定區(qū)域中化學(xué)物種反應(yīng)的表面積為Sgeo·dA·dx，作用于特定區(qū)域單位長度對應(yīng)的反應(yīng)的表面積成為Sgeo·dA。此外，根據(jù)菲克原理(Fick’s law)，傳遞到涂層的化學(xué)物種量可以認(rèn)為與氣體相的化學(xué)物種濃度Cg與涂層的化學(xué)物種濃度Cw之差成比例關(guān)系。由此，可得到下述(5)式。再者，hD為比例常數(shù)，但如上述表格所示，是被稱作質(zhì)量傳遞系數(shù)的值。
Mcoat=∫WE∫tt+ΔtSgeo·hD·(Cg-Cw)·dAdtdx···(5)]]>因此，由上述(1)，(2)，(4)式及(5)式，可得出以下的(6)式。
σ∂Cg∂t=-vg·∂Cg∂x-sgeo·hD·(Cg-Cw.)···(6)]]>若在這(6)式中使用近似于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)(quasi state)的值，可認(rèn)為(6)式的左邊變?yōu)椤?’(Cg/t＝0)(即，可以認(rèn)為濃度Cg可瞬間達到穩(wěn)態(tài)值)，可以得到下述的(7)式。
-vg·∂Cg∂x=Sgeo·hD·(Cg-Cw)···(7)]]>在此，把出現(xiàn)的擴散速度(實際擴散速度)RD換作(8)式的形式，(7)式變成(9)式。
RD＝Sgeo·hD…(8)-vg·∂Cg∂x=RD·(Cg-Cw)···(9)]]>
繼而，若認(rèn)為特定區(qū)域涂層中的化學(xué)物種平衡(特定成分的質(zhì)量平衡)與上述相同，如下述(10)式所示，涂層內(nèi)化學(xué)物種的時間性變化量(單位時間內(nèi)的變化量)ΔMc，就是由單位時間內(nèi)從排氣相傳送到涂層的化學(xué)物種量Md，減去單位時間內(nèi)涂層內(nèi)反應(yīng)所消耗的化學(xué)物種量Mr的量。
ΔMc＝Md-Mr …(10)如下述(11)式所示，(10)式左邊的(涂層內(nèi)化學(xué)物種的時間性變化量)ΔMc，根據(jù)化學(xué)物種的濃度變化(Cw/t)乘以體積((1-σ)·dA·dx)求出，右邊第1項根據(jù)(5)式所述的相同理由，即，由菲克原理認(rèn)為可描述成下述(12)式。
ΔMc=(1-σ)·dA·dx·∂Cw∂t···(11)]]>Md＝Sgeo·hD·(Cg-Cw)·dA·dx …(12)此外，(10)式的右邊第2項(單位時間內(nèi)在涂層內(nèi)的反應(yīng)所消耗的化學(xué)物種量Mr)，可由使用了涂層內(nèi)化學(xué)物種的消耗速度R的下述(13)式求出。
Mr＝R·dA·dx…(13)因此，由(10)～(13)式，得出下述(14)式。
(1-σ)·∂Cw∂t=Sgeo·hD·(Cg-Cw)-R···(14)]]>若在此(14)式中使用近似準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)(quasi state)(Cw/t＝0)，可得出下述(15)式。
R＝Sgeo·hD·(Cg-Cw) …(15)在此，把(15)式用到(8)式，可得出下述的(16)式。
R＝RD·(Cg-Cw) …(16)
若概括以上所述，(9)式以及(16)式便是催化劑模型的基本公式。(9)式表示某化學(xué)物種的(特定區(qū)域的流入量)和(由排氣相至涂層的擴散量+自特定區(qū)域的流出量)的平衡狀態(tài)，(16)式表示化學(xué)物種的(排氣相至涂層的擴散量)和(涂層中的消耗量)的平衡狀態(tài)。
繼而，將說明利用該催化劑模型實際地計算自特定區(qū)域流出的特定化學(xué)物種i的濃度Cgout的方法。首先，拆散(9)式，可得出下述(17)式。再者，以下把上述dx表示為L。
vg·Cgout-CginL=RD·(Cg-Cw)···(17)]]>在此，如在圖6中概念性所述，可以認(rèn)為由特定區(qū)域I流出的化學(xué)物種的濃度Cgout深受特定區(qū)域I化學(xué)物種的濃度Cg(I)的影響，所以可以設(shè)成下述(18)式的形式。這樣的考慮方法稱作‘風(fēng)上法’。換言之，所謂風(fēng)上法，是指‘相鄰于特定區(qū)域I上游區(qū)域(I-1)中的濃度Cg(I-1)的化學(xué)物種，流入特定區(qū)域I’的考慮方法，也可表述為下述(19)式的形式。
Cgout＝Cg(I) …(18)Cgin＝Cg(I-1) …(19)但是，若基于反應(yīng)速度論，某化學(xué)物種的消耗速度R為其化學(xué)物種涂層的平均濃度Cw的函數(shù)fcw(例如，Cw的n次方)，因此把這種函數(shù)設(shè)成最簡單的形式fcw(x)＝x，消耗速度R便成為(20)式所示的形式。以下為方便起見，把式(20)中的R*稱作‘消耗速度常數(shù)’。
R＝R*·Cw…(20)把此(20)式用到上述的(16)式(R＝RD·(Cg-Cw)…(16))便能得出下述的(21)式，通過改變(21)式的形式得出下述(22)式。
R*·Cw＝RD·(Cg-Cw) …(21)Cw=RDR*+RD·Cg···(22)]]>此外，根據(jù)上述風(fēng)上法，因Cg=Cgout，(22)式可替換成下述(23)式。
Cw=RDR*+RD·Cgout···(23)]]>把Cg＝Cgout關(guān)系用到上述(17)式以便去掉Cg，并由(17)式和上述(23)式去掉Cw，可以得出下述(24)式。
Cgout=vgvg+R*·RDR*+RD·L·Cgin···(24)]]>因此，若把SP值設(shè)成下述(25)式的形式，(24)式可轉(zhuǎn)換成(26)式所示的形式。值SP因為深受出現(xiàn)的擴散速度RD和消耗速度常數(shù)R*中較小值的影響，所以值SP表示質(zhì)量傳遞(RD)或化學(xué)反應(yīng)(R*)中的無論哪一項確定Cgout的速度變化，因此也稱作‘反應(yīng)限速因子’。
SP=R*·RDR*+RD···(25)]]>Cgout=vgvg+SP·L·Cgin···(26)]]>由以上的式子，若能確定消耗速度常數(shù)R*和出現(xiàn)的擴散速度RD，可根據(jù)給出流入特定區(qū)域的化學(xué)物種濃度Cgin，由(25)式和(26)式求出自特定區(qū)域流出的化學(xué)物種濃度Cgout。以上所述為計算化學(xué)物種濃度Cgout的基本思考方法。
繼而，將說明求出確定上述消耗速度常數(shù)R*和出現(xiàn)的擴散速度RD，并自特定區(qū)域流出的化學(xué)物種濃度的具體方法中的一個例子。在此例(催化劑模型)中，假設(shè)催化裝置中作為氧化·還原反應(yīng)的三元反應(yīng)在瞬間內(nèi)完全地進行，主要針對了氧過量—不足時的氧的吸附·釋放反應(yīng)。再者，這種假設(shè)(催化劑模型)，也是非常實際且高精度的形式。
此時，所針對的化學(xué)物種i是從生成(帶來氧)氧的化學(xué)物種(吸附劑)，如氧O2或作為氮氧化物中的一種的一氧化氮NO，以及消耗氧的化學(xué)物種(還原劑)，如一氧化碳CO或碳氫化合物HC，中選出的化學(xué)物種。
此外，以下，吸附劑的化學(xué)物種i的Cgout表示為Cgout，stor，i；化學(xué)物種i的Cw表示為Cw，stor，i；化學(xué)物種i的Cgin表示為Cgin，stor，i；化學(xué)物種i的出現(xiàn)的擴散速度RD表示為RD，i；化學(xué)物種i的消耗速度表示為Rstor，i；化學(xué)物種i的消耗速度常數(shù)表示為R*stor，i；以及化學(xué)物種i的反應(yīng)限速因子表示為SPstor，i(此時，化學(xué)物種i為O2或NO)。
同樣，還原劑的化學(xué)物種i的Cgout表示為Cgout，reduc，i；化學(xué)物種i的Cw表示為Cw，reduc，i；化學(xué)物種i的Cgin表示為Cgin，reduc，i；化學(xué)物種i的出現(xiàn)的擴散速度RD表示為RD，i；化學(xué)物種i的消耗速度表示為Rreduc，i；化學(xué)物種i的消耗速度常數(shù)表示為R*reduc，i；以及化學(xué)物種i的反應(yīng)限速因子表示為SPreduc，i(此時，化學(xué)物種i為CO或HC等)。若把各值表示成這種形式，便可由上述的(20)，(23)，(25)，(26)式得出以下的(27)～(34)式。
Rstor，i＝R*stor，i·Cw，stor，i …(27)Cw,stor,i=RD,iR*stor,i+RD,i·Cgout,stor,i···(28)]]>
SPstor,i=R*stor,i·RD,iR*stor,i+RD,i···(29)]]>Cgout,stor,i=vgvg+SPstor,i·L·Cgin,stor,i···(30)]]>Rsreduc，i＝R*reduc，i·Cw，reduc，i …(31)Cw,reduc,i=RD,iR*reduc,i+RD,i·Cgout,reduc,i···(32)]]>SPreduc,i=R*reduc,i·RD,iR*reduc,i+RD,i···(33)]]>Cgout,reduc,i=vgvg+SPreduc,i·L·Cgin,reduc,i···(34)]]>根據(jù)這些式子，為求出Cgout，stor，i(具體講，自特定區(qū)域流出的氧濃度Cgout，O2、自特定區(qū)域流出的一氧化氮的濃度Cgout，NO)以及Cgout，reduc，i(具體講，自特定區(qū)域流出的一氧化碳的濃度Cgout，CO、自特定區(qū)域流出的碳氫化合物的濃度Cgout，HC)，首先，要求出消耗速度常數(shù)R*stor，i以及消耗速度常數(shù)R*reduc，i。
但是，根據(jù)反應(yīng)速度論，可以認(rèn)為在特定區(qū)域中的涂層氧吸附的速度(氧的吸附速度)Rstor，i，與涂層吸附劑(O2、NO等)的濃度Cw，stor，i(例如，Cw，O2或Cw，NO)的函數(shù)f1(Cw，stor，i)的值成比例關(guān)系，也與特定區(qū)域涂層的最大氧吸附密度和實際氧吸附密度(對應(yīng)這時的點)之差(Ostmax-Ost)的函數(shù)f2(Ostmax-Ost)的值成比例關(guān)系。最大氧吸附密度與氧吸附密度之差(Ostmax-Ost)，表示針對特定區(qū)域中的氧吸附余量。
因此，為簡單起見，把函數(shù)設(shè)成f1(x)＝f2(x)＝x，可得出下述(35)式。下述(35)式的kstor，i為氧吸附速度系數(shù)(吸附方反應(yīng)速度系數(shù)，吸附劑的消耗速度系數(shù))，是根據(jù)所熟悉的阿列紐斯方程(Arrhenius方程)中表示的溫度變化的系數(shù)，并可以通過分別檢測或估算的催化劑溫度Temp和預(yù)定函數(shù)(也可以是規(guī)定了氧吸附速度系數(shù)kstor，i和催化劑溫度Temp間關(guān)系的圖)求出。再者，氧吸附速度系數(shù)kstor，i，也根據(jù)催化劑老化程度而變化，所以可根據(jù)催化劑老化程度求出。
Rstor，i＝kstor，i·Cw，stor，i·(Ostmax-Ost) …(35)因此，由(26)式和(35)式，消耗速度常數(shù)R*stor，i可根據(jù)下述(36)式求出。
R*stor，i＝kstor，i·(Ost max-Ost) (36)此外，在只針對氧的吸附(吸收)和釋放狀態(tài)的此模型，還原劑只用于釋放吸附于涂層的氧，因此還原劑的消耗速度Rredcu，i與吸附于涂層的氧的釋放速度(氧的釋放速度)Rrel，i相等。
因此，若對氧的釋放速度Rrel，i進行討論，釋放速度Rrel，i，與氧的吸附速度Rstor，i一樣可以認(rèn)為根據(jù)反應(yīng)速度論，與涂層中消耗氧的化學(xué)物種(例如，CO，HC)的濃度Cw，reduc，i(例如，Cw，CO、Cw，HC)的函數(shù)g1(Cw，reduc，i)的值成比例關(guān)系，并與氧吸附密度Ost的函數(shù)g2(Ost)的值成比例關(guān)系。
因此，為簡單起見，把函數(shù)設(shè)為g1(x)＝g2(x)＝x，可得出下述(37)式。下述(37)式的krel，i為氧釋放速度系數(shù)(釋放方反應(yīng)速度系數(shù))，與氧吸附速度系數(shù)kstor，i一樣是根據(jù)阿列紐斯方程中表示的溫度變化的系數(shù)，可以通過分別檢測或估算的催化劑溫度Temp和預(yù)定的函數(shù)(也可以是規(guī)定了氧吸附速度系數(shù)krel，i和催化劑溫度Temp間關(guān)系的圖)求出。再者，氧吸附速度系數(shù)krel，i，也根據(jù)催化劑老化程度而變化，所以可以根據(jù)催化劑老化程度求出。
Rrel，i＝krel，i·Cw，reduc，i·Ost …(37)此結(jié)果，如上述還原劑的消耗速度Rredcu，i與涂層的氧的釋放速度Rrel，i相等，因此消耗速度常數(shù)R*reduc，i可根據(jù)比較(31)式和(37)式來得出的下述(38)式求出。
R*reduc，i＝krel，i·Ost (38)由以上所述，若能求出氧吸附密度Ost(關(guān)于氧吸附密度的所求方法后面加以描述)，就可從(36)式求出消耗速度常數(shù)R*stor，i(例如，R*O2)。一方面，出現(xiàn)的擴散速度RD，i如(8)式所示是Sgeo·hD，i，所以可以作為溫度與流量的函數(shù)(催化裝置的溫度和通過催化裝置的氣體流量的函數(shù))而實驗性地求出。此結(jié)果，由(29)式SPstor，i(例如，SPstor，O2)被確定，所以給出了Cgin，stor，i(例如，Cgin，O2)作為邊界條件時，可由(30)式求出Cgout，stor，i(例如，Cout，O2)。且，新的Cw，stor，i(例如，Cw，O2)可由(28)式求出。
同樣，若能求出氧吸附密度Ost，就可從(38)式求出消耗速度常數(shù)R*reduc，i(例如，R*reduc，CO)。一方面，出現(xiàn)的擴散速度RD，i(例如，RD，CO)如(8)式所示是Sgeo·hD，i，所以可以作為溫度與流量的函數(shù)(催化裝置的溫度和通過催化裝置的氣體流量的函數(shù))而實驗性地求出。此結(jié)果，由(33)式SPreduc，i(例如，SPreduc，CO)被確定，所以給出了Cgin，reduc，i(例如，Cgin，CO)作為邊界條件時，可由(34)式求出Cgout，reduc，i(例如，Cgout，CO)。且，新的Cw，reudc，i(例如，Cw，CO)可由(32)式求出。
以下，將說明求得Cgout，stor，i、Cgout，reduc，i所必要的氧吸附密度Ost的所求方法。
首先，針對作為涂層的化學(xué)物種的氧平衡，由于該平衡為涂層中的氧的吸附部分與氧的釋放部分之差，因此可由下述(39)式表述。(39)式中dA·L為特定區(qū)域的體積dV。
(1-σ)·dA·L·dOstdt]]>=(1-σ)·dA·L·ΣiRstor,i-(1-σ)·dA·L·ΣiRrel,i---(39)]]>把這(39)式變換一下，可得出下述(40)式。
dOstdt=ΣiRstor,i-ΣiRrel,i···(40)]]>把此(40)式，用(35)式和(37)式來拆散，可得出下述的(41)式。
Ost(t+Δt)-Ost(t)Δt]]>=Σi(kstor,i·Cw,stor,i)·{Ostmax-Ost(t+Δt)}-Σi(krel,i·Cw,reduc,i)·Ost(t+Δt)···(41)]]>變換此(41)式，可得出下述(42)式～(44)式，并由此可以求出氧吸附密度Ost(更新后進行)。
Ost(t+Δt)=Ost(t)+Δt·P·Ostmax1+Δt·Q···(42)]]>P=Σikstor,i·Cw,stor,i···(43)]]>Q=Σikstor,i·Cw,stor,i+Σikrel,i·Cw,reduc,i···(44)]]>這樣，由(42)式～(44)式可求出氧吸附密度Ost，因此可以如上所述地求出Cgout，stor，i、Cgout，reduc，。此外，因求出了氧吸附密度Ost，所以可根據(jù)下述(45)式求出特定區(qū)域的氧吸附量OSA。
OSA＝Ost·dA·L …(45)
因此，當(dāng)給出流入催化裝置的化學(xué)物種濃度Cgin，i作為邊界條件時，自催化裝置上游區(qū)(特定區(qū)域)起，依次，用(45)式可以求出各區(qū)的氧吸附量OSA，并由此，準(zhǔn)確地估算催化裝置內(nèi)部的氧吸附量的分布。此外，若累計在催化裝置整體中各區(qū)的氧吸附量OSA，也能準(zhǔn)確地估算催化裝置整體的氧吸附量。
以下，利用流程圖說明求出實際催化裝置中的氧O2、一氧化碳CO、碳氫化合物HC、以及氮氧化物(這里為一氧化氮)NO的各化學(xué)物種濃度Cgout，O2、Cgout，CO、Cgout，HC、以及Cgout，NO的具體方法的一個例子。在此例子中，也假設(shè)催化裝置中氧化·還原反應(yīng)的三元催化反應(yīng)瞬間地且完全地進行，主要只針對氧過量或不足時的氧的吸附或釋放反應(yīng)。
ECU18的CPU，可以使由圖7至圖11的一系列流程圖所表示的程序、每經(jīng)過預(yù)定時間就能自圖7的程序開始依次執(zhí)行。此外，這些程序是，催化裝置19劃分成多個區(qū)(特定區(qū)域)中對應(yīng)于其中一個區(qū)I的程序，且都相同的程序在其他區(qū)中也可以通過CPU同時并行地被執(zhí)行。
當(dāng)達到預(yù)定標(biāo)記時間時，CPU從步驟700開始進行處理，進入步驟705把上次程序運算的后述步驟745算出的涂層的氧濃度Cw，O2(k+1)設(shè)定成此次涂層的氧濃度Cw，O2值Cw，O2(k)，接著在步驟710中把本程序前次運算時的后述圖11的步驟1125算出的氧吸附密度Ost(k)設(shè)定成此次的氧吸附密度Ost的值Ost(k)。
繼而，根據(jù)步驟715中催化裝置19的溫度Temp和表示催化裝置19的老化程度的老化指標(biāo)值REKKA和如圖12所示的圖(檢查圖表)MapkstorO2，CPU確定氧吸附速度系數(shù)kstor，O2(k)。
催化劑溫度Temp，也可以通過溫度傳感器21檢測，也可以根據(jù)發(fā)動機1的運轉(zhuǎn)狀態(tài)(例如，進氣量Ga和發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度NE)估算。
老化指標(biāo)值REKKA，是由催化裝置19的最大氧吸附量Cmax求出的值(例如，最大氧吸附量Cmax的遞增系數(shù))。如下所述地求出最大氧吸附量Cmax。即，當(dāng)發(fā)動機1在預(yù)定的正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，下游傳感器26檢測出稀于理論空燃比的空燃比時，將流入催化裝置19的氣體的空燃比維持在預(yù)定的濃空燃比，由此充分地消耗貯藏在催化裝置19內(nèi)的氧。
其結(jié)果，下游傳感器26輸出濃于理論空燃比對應(yīng)的值，而不是稀于理論空燃比對應(yīng)的值，由此時刻t1CPU把流入催化裝置19的氣體的空燃比設(shè)定成預(yù)定的稀空燃比，而后下游傳感器26輸出稀于理論空燃比的空燃比對應(yīng)的值、而不是濃于理論空燃比的空燃比對應(yīng)的值的時刻t2前，CPU根據(jù)下述(46)式以及(47)式求出流入催化裝置19的氣體的含氧氣量。把由此(47)式求出的累計值O2storage(＝Cmax1)作為最大氧吸附量Cmax來使用。
46 ΔO2＝0.23·Gf·(AF-AFstoich)…(46)0.23空氣中氧的重量比AF 流入催化裝置19的廢氣空燃比(由空燃比傳感器檢測出的空燃比)AFstoich 理論空燃比(理想空燃比、化學(xué)空燃比)Gf 單位時間內(nèi)的供給燃料質(zhì)量O2storage＝ΣΔO2(積分區(qū)間t1～t2)…(47)再者，時刻t2之后，把流入催化裝置19的氣體的空燃比維持在預(yù)定的濃空燃比，然后下游傳感器26輸出濃于理論空燃比的空燃比對應(yīng)的值、代替稀于理論空燃比的空燃比對應(yīng)的值的時刻t3前，由與上述(46)式相同的式求出流入催化裝置19的氣體中所含的單位時間內(nèi)的氧不足量，由與上述(47)式相同的式，經(jīng)時刻t2～t3累計單位時間內(nèi)的氧不足量，由此求出的累計值Cmax2可以作為最大氧吸附量Cmax使用，最大氧吸附量Cmax1與此最大氧吸附量Cmax2的平均值也可以作為最大氧吸附量Cmax使用。
繼而，CPU，在步驟中720，由步驟720內(nèi)所述式(參照上述(36)式)求出氧的消耗速度常數(shù)R*stor，O2(k)。進而，在步驟720中使用的最大氧吸附密度Ostmax，也可以是一定值，但要求根據(jù)催化劑老化指標(biāo)REKKA(或，最大氧吸附量Cmax)所確定(以下，相同)。然后，CPU根據(jù)催化劑溫度Temp和圖MapRDO2確定步驟中的出現(xiàn)的擴散速度RD，O2(k)。
繼而，在步驟730中，CPU由步驟730內(nèi)所述的式(參照上述(29)式)求出氧的反應(yīng)限速因子SPstor，O2，在步驟735中，此程序讀出作為對象的、靠前于區(qū)I的前區(qū)I-1流出的氧濃度Cgout，O2(k)，作為流入對象的區(qū)I的氧濃度Cgin，O2(k)。
此時，當(dāng)作為對象的區(qū)I為催化裝置19的最上游區(qū)時，因為不存在前區(qū)I-1，所以步驟735中的前區(qū)I-1的Cgout，O2(k)為流入催化裝置19的氣體的氧濃度Cgin，O2(k)。由基于流入催化裝置19的氣體的空燃比A/F和氣體流量的函數(shù)fO2，求出流入催化裝置19的氣體的氧濃度Cgin，O2(k)。下述(48)式的右邊，為該函數(shù)fO2的具體例子。
Cgin，O2＝kgmol·0.23·(Ga+Gf)·(AF-AFstoich)/(1+AF)…(48)在此，式中的各符號及常數(shù)，為以下所述。
kgmol 用于把質(zhì)量變換成摩爾數(shù)的系數(shù)0.23空氣中氧的重量比AF 流入催化裝置19的廢氣的空燃比(由空燃比傳感器25檢測出的空燃比)
AFstoich 理論空燃比(理想空燃比、化學(xué)空燃比)Ga 單位時間內(nèi)的進氣質(zhì)量(由空氣流計13估算的進氣流量)Gf 單位時間內(nèi)的供給燃料質(zhì)量簡單敘述上述式的導(dǎo)出過程，流入催化裝置19的廢氣的空燃比AF是Ga/Gf，對于Gf若把求得理論空燃比所需的空氣質(zhì)量變?yōu)镚astoich，則理論空燃比AFstoich變成Gastoich/Gf。一方面，當(dāng)供給燃料質(zhì)量為Ga時空燃比成為AF時，求理論空燃比AFstoich所需的空氣質(zhì)量的過量空氣質(zhì)量為Ga-Gastoich，所以若把氧氣質(zhì)量換作MassO2，則可得出下述(49)式，由此(49)式可得出上述(48)式。
MassO2=0.23·(Ga-Gastoich)]]>=0.23·(Gf·AF-Gf·AFstoich)]]>=0.23·(Ga+Gf)·Gf·AF-Gf·AFstoichGa+Gf]]>=0.23·(Ga+Gf)·AF-AFstoich(Ga+Gf)/Gf···(49)]]>繼而，CPU進入步驟740，由步驟740中所述的式(參照上述(30)式)求出Cgout，O2(k+1)。Vg值為空氣流計13檢測的進氣流量。如此，在步驟740中，重新計算作為對象的區(qū)I流出的氧濃度Cgout，O2。繼而，CPU進入步驟745，由步驟745中所述的式(參照上述(28)式)求出Cw，O2(k+1)。即，CPU重新計算在步驟745中作為對象的區(qū)I的涂層的氧濃度Cw，O2，經(jīng)過步驟795進入如圖8所示的步驟800。如此，圖7所示的程序，構(gòu)成了特定區(qū)域中排氣相的氧濃度估算裝置、以及涂層的氧濃度估算裝置。
繼而，CPU由步驟800進入步驟805，把本程序前次運算時的后述步驟840中算出的涂層的一氧化碳Cw，CO(k+1)，設(shè)定成此次作為涂層的一氧化碳濃度Cw，CO的值Cw，CO(k)。
繼而，在步驟810中，根據(jù)催化裝置19的溫度Temp和催化裝置19的老化指標(biāo)REKKA和圖12所示的圖MapkrelCO，CPU確定系數(shù)krel，CO(k)。接著，在步驟815中，由步驟815內(nèi)所述的式(參照上述(38)式)，CPU求出消耗速度常數(shù)R*reduc，CO(k)。然后，在步驟820中，由催化劑溫度Temp和圖MapRDCO，CPU確定出現(xiàn)的擴散速度RD，CO(k)。
繼而，CPU在步驟825中，由步驟825內(nèi)所述的式(參照上述(33)式)求出一氧化碳的反應(yīng)限速因子SPreduc，CO；在步驟830中，此程序讀取作為對象的、靠前于區(qū)I的前區(qū)I-1(即，上游的)流出的一氧化碳濃度Cgout，CO(k)，作為流入對象的區(qū)的一氧化碳濃度Cgin，CO(k)。
此時，當(dāng)作為對象的區(qū)I為催化裝置19的最上游區(qū)時，因為不存在前區(qū)I-1，所以步驟830中的前區(qū)I-1的Cgout，CO(k)為流入催化裝置19的氣體的一氧化碳濃度Cgin，CO。基于規(guī)定了流入催化裝置19的氣體的空燃比A/F和一氧化碳濃度Cgin，CO的關(guān)系圖，如圖13所示，求出一氧化碳濃度Cgin，CO。
在此，通過實驗預(yù)先求出流入催化裝置氣體的空燃比A/F和一氧化碳濃度Cgin，CO間的關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系、和流入催化劑的實際空燃比A/F，求出上述一氧化碳濃度Cgin，CO。但是，也可以通過實驗預(yù)先求出一氧化碳濃度Cgin，CO與除了空燃比A/F以外，如點火正時、發(fā)動機1的冷卻水溫、以及流入催化劑的氣體量(例如，與由空氣流計13檢測出的進氣流量相等的量)等的至少一個參數(shù)之間關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系和實際參數(shù)，更精確地求出一氧化碳濃度Cgin，CO。
繼而，CPU進入步驟835，由步驟835中所述的式(參照上述(34)式)求出Cgout，CO(k+1)。即，重新計算作為對象的區(qū)I流出的一氧化碳濃度Cgout，CO。繼而，CPU進入步驟840，由步驟840中所述的式(參照上述(32)式)求出Cw，CO(k+1)。即，CPU重新計算在步驟840中作為對象的區(qū)I的涂層的一氧化碳濃度Cw，CO，經(jīng)過步驟895進入如圖9所示的步驟900。如此，圖8所示的程序，構(gòu)成了特定區(qū)域I中排氣相的一氧化碳濃度估算裝置、以及涂層的一氧化碳濃度估算裝置。
圖9所示的程序是對碳氫化合物HC進行運算的程序，與前述用于進行一氧化碳CO運算的圖8中的程序相同。
簡單說明為，CPU由步驟900進入步驟905，把本程序前次運算時、后述步驟中940所算出的涂層的碳氫化合物Cw，HC(k+1)設(shè)定為此次涂層的碳氫化合物濃度Cw，HC的值Cw，HC(k)。
繼而，在步驟910中，根據(jù)催化裝置19的溫度Temp和催化裝置19的老化指標(biāo)REKKA和圖12所示的圖MapkrelHC，CPU確定系數(shù)krel，HC(k)。接著，在步驟915中，由步驟915所述的式(參照上述(38)式)，CPU求出消耗速度常數(shù)R*reduc，HC(k)。然后，在步驟920中，由催化劑溫度Temp和圖MapRDHC，CPU確定出現(xiàn)的擴散速度RD，HC(k)。
繼而，在步驟925中，CPU由步驟925中所述的式(參照上述(33)式)求出碳氫化合物的反應(yīng)限速因子SPreduc，HC；在步驟930中，此程序讀取作為對象的、靠前于區(qū)I的前(即，上游的)區(qū)I-1流出的碳氫化合物濃度Cgout，HC(k)，作為流入對象的區(qū)I的碳氫化合物濃度Cgin，HC(k)。
此時，當(dāng)作為對象的區(qū)I為催化裝置19的最上游區(qū)時，不存在前區(qū)I-1，則步驟930中前區(qū)I-1的Cgout，HC(k)為流入催化裝置19的氣體的氧濃度Cgin，HC(k)。此時，流入催化裝置19的氣體的空燃比A/F和碳氫化合物濃度Cgin，HC間的關(guān)系如圖14的圖表所示，而發(fā)動機1的排氣溫度和碳氫化合物濃度Cgin，HC間的關(guān)系如圖15的圖表所示。因此，預(yù)先由實驗求出流入催化裝置19的氣體的空燃比A/F以及發(fā)動機1排氣溫度和碳氫化合物濃度Cgin，HC間的關(guān)系，并以圖的形式進行存儲。由實際氣體空燃比A/F以及實際發(fā)動機1的排氣溫度和關(guān)系圖，求出碳氫化合物濃度Cgin，HC。
再者，在計算上述碳氫化合物濃度Cgin，HC時，也可以通過實驗預(yù)先求出碳氫化合物濃度Cgin，HC與除了空燃比A/F和發(fā)動機1的排氣溫度之外，例如點火正時、發(fā)動機1的冷卻水溫、以及流入催化劑的氣體量(例如，與由空氣流計13檢測出的進氣流量相等的量)等至少一個參數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系和實際的參數(shù)更精確地求出碳氫化合物濃度Cgin，HC。
繼而，CPU進入步驟935，由步驟935中所述的式(參照上述(34)式)求出Cgout，HC(k+1)。即，重新計算作為對象的區(qū)I流出的碳氫化合物濃度Cgout，HC。繼而，CPU進入步驟940，由步驟940中所述的式(參照上述(32)式)求出Cw，HC(k+1)。即，CPU重新計算在步驟940中作為對象的區(qū)I的涂層的碳氫化合物濃度Cw，HC，然后經(jīng)過步驟995進入如圖10所示的步驟1000。如此，圖9所示的程序，構(gòu)成了特定區(qū)域I中排氣相的碳氫化合物濃度估算裝置、以及涂層的碳氫化合物濃度估算裝置。
圖10所示的程序，是對氮氧化物(在此，作為氮氧化物的代表選擇了一氧化氮NO)進行計算的程序，該計算與上述圖7～圖9所示的程序相同。
簡單說明為，CPU由步驟1000進入步驟1005，把本程序前次運算時后述步驟中1040所算出的涂層的一氧化氮Cw，NO(k+1)，設(shè)定為此次涂層的一氧化氮濃度Cw，NO的值Cw，NO(k+1)。
繼而，在步驟1010中，CPU根據(jù)催化裝置19的溫度Temp和催化裝置19的老化指標(biāo)REKKA和圖12所示的圖MapkstorNO，確定系數(shù)kstor，NO(k)；接著，在步驟1015中，由步驟1015內(nèi)所述的式(參照上述(36)式)求出消耗速度常數(shù)R*stor，NO(k)；然后，在步驟1020中，由催化劑溫度Temp和圖MapRDNO，確定出現(xiàn)的擴散速度RD，NO(k)。
繼而，CPU在步驟1025中由步驟1025中所述的式(參照上述(29)式)，求出一氧化氮的反應(yīng)限速因子SPstor，NO；在步驟1030中，此程序讀取作為對象的、靠前于區(qū)I的前(即，上游的)區(qū)I-1流出的一氧化氮濃度Cgout，NO(k)，作為流入同對象的區(qū)I的一氧化氮濃度Cgin，NO(k)。
此時，當(dāng)作為對象的區(qū)I為催化裝置19的最上游區(qū)時，不存在前區(qū)I-1，所以步驟1030中前區(qū)I-1的Cgout，NO(k)為流入催化裝置19的氣體的一氧化氮濃度Cgin，NO。此時，流入催化裝置19的氣體的空燃比A/F和一氧化氮濃度Cgin，NO間的關(guān)系如圖16的圖表所示，而發(fā)動機1一個氣缸的每個進氣過程的進氣流量Mc(缸內(nèi)進氣量)和一氧化氮濃度Cgin，NO間的關(guān)系如圖17的圖表所示。因此，預(yù)先由實驗求出流入催化裝置19氣體空燃比A/F、缸內(nèi)進氣量和一氧化氮濃度Cgin，NO間的關(guān)系，并以圖的形式進行存儲。由實際氣體空燃比A/F、實際缸內(nèi)進氣量和關(guān)系圖，求出碳氫化合物濃度Cgin，NO。
再者，在求出上述一氧化氮濃度Cgin，NO時，也可以通過實驗預(yù)先求出一氧化氮濃度Cgin，NO與除了空燃比A/F以及缸內(nèi)進氣量以外，例如點火正時、發(fā)動機1冷卻水溫、以及流入催化劑的氣體量(例如，與由空氣流計13檢測出的進氣流量相等的量)等至少一個參數(shù)之間關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系和實際參數(shù)，更精確地求出一氧化氮濃度Cgin，NO。
繼而，CPU進入步驟1035，由步驟1035中所述的式(參照上述(30)式)求出Cgout，NO(k+1)。即，重新計算作為對象的區(qū)I流出的一氧化氮濃度Cgout，NO。繼而，CPU進入步驟1040，由步驟1040中所述的式(參照上述(28)式)求出Cw，NO(k+1)。即，在步驟1040中，CPU重新計算作為對象的區(qū)I的涂層的一氧化氮濃度Cw，NO，然后經(jīng)過步驟1095進入如圖11所示的步驟1100。如此，圖10所示的程序，構(gòu)成了特定區(qū)域I中排氣相的一氧化氮濃度估算裝置、以及涂層的一氧化氮濃度估算裝置。
圖11所示的程序是用于計算氧吸附密度(氧吸附濃度)Ost的程序。具體地，CPU在步驟1105中根據(jù)基于上述(43)式的步驟1105中所述的式，求出系數(shù)P；接著在步驟1120中，根據(jù)基于上述(44)式的步驟1120中所述的式，求出系數(shù)Q。繼而，CPU在步驟1125中，根據(jù)基于上述(42)式的步驟1125中所述的式，求出氧吸附密度Ost(k+1)。在步驟1195中暫時結(jié)束圖7～圖11所示的本程序。再者，步驟1125以后，根據(jù)上述(45)式求出此區(qū)的氧吸附量OSA，I，因此可以為構(gòu)成為進入步驟1195的結(jié)構(gòu)。如此，圖11所示的程序，構(gòu)成氧吸附密度計算裝置、以及氧吸附量計算裝置。
以上，如已說明過的，可求出作為對象的區(qū)I的化學(xué)物種的濃度Cgout，i，使用上述的風(fēng)上法，依次求出相鄰的區(qū)I的化學(xué)物種的濃度Cgout，i。同樣，求出每個區(qū)I的氧吸附密度Ost，并使用上述的(45)式，求出區(qū)I的氧吸附量OSA。此外，若把此區(qū)I的氧吸附量OSA由催化劑入口至任意的區(qū)K累計起來，可求出催化裝置中至區(qū)K的累計氧吸附量OSA，K，而如果區(qū)K為催化裝置的出口處的區(qū)，便可求出催化劑的氧吸附量OSAall。
繼而，對使用了上述的空燃比控制裝置的控制實施例，依次進行說明。
首先，對于第1實施例，參照其控制流程的圖18進行說明。在本實施例中，廢氣中的氧氣量(實際為，由催化裝置排出的氧的濃度)和一氧化碳量(實際為由催化裝置排出的一氧化碳的濃度)由上述的估算值求出。此外，氧氣量在空燃比控制中作為氧的過量或不足量使用。即，氧過量時氧氣量為正值，氧不足時氧氣量為負值。進而，在本實施例中，把催化裝置19整體當(dāng)作是一個區(qū)域(特定區(qū)域)來考慮。
在催化裝置19中的廢氣凈化反應(yīng)中，氧為氧化(即，為氧化作為未燃燃料的碳氫化合物或一氧化碳)廢氣中的待凈化成分而被消耗。為此，由催化裝置19流出的廢氣中含有這些待氧化成分時，認(rèn)為是氧氣量不足。即，估算值成為負值。再者，在此，未燃成分代表為一氧化碳CO。
對此，通過廢氣中的待凈化成分(氮氧化物NOx)被還原生成的氧、流入的廢氣中所含的氧，由于催化裝置19的氧吸附作用而未在同催化裝置19中吸附盡時，氧成分從同催化裝置19流出。此時，當(dāng)作氧過量。即，估算值成為正值。再者，在此，有關(guān)于氧吸附作用的成分以氧O2來代表之。
本空燃比控制裝置，使用與這種氧有關(guān)的估算值進行空燃比控制。具體地講，裝置的CPU，如圖18的流程圖所示，在步驟10中讀取上游空燃比傳感器25檢測出的流入催化裝置19的廢氣的空燃比，在下一個步驟30中運用前次(本程序前次實施時在后述步驟55中求出)的氧吸附密度Ost計算Rosc(即R*stor，O2、R*reduc，CO)以及RD(RD，O2、RD，CO)。
此時，當(dāng)流入催化裝置19的廢氣的空燃比稀于理論空燃比時，使用已說明過的基于(8)式的以下的(50)式計算RD，使用了已說明過的基于(36)式的以下的(51)式計算Rosc。
RD，O2＝Sgeo·hD，O2…(50)
Rosc＝R*stor，O2＝kstor，O2·(Ostmax-Ost) …(51)此外，當(dāng)流入催化裝置19的廢氣的空燃比濃于理論空燃比時，使用已說明過的基于(8)式的以下的(52)式計算RD，使用了已說明過的基于(38)式的以下的(53)式計算Rosc。
RD，CO＝Sgeo·hD，CO…(52)Rosc＝R*reduc，CO＝krel，CO·Ost …(53)對于Rosc，成為例如有關(guān)溫度的函數(shù)。在此，例如，hD為溫度函數(shù)，ksotr，O2、krel，CO如圖12所示，是溫度與催化劑老化度的函數(shù)。溫度由溫度傳感器21檢測出，根據(jù)檢測出的溫度由ECU18內(nèi)的ROM存儲的函數(shù)式或圖表計算Rosc。
然后，在步驟40中，當(dāng)流入催化裝置19的廢氣的空燃比稀于理論空燃比時，CPU運用上述的(30)式計算Cgout，O2(＝CgoutO2)，當(dāng)流入催化裝置19的廢氣的空燃比濃于理論空燃比時，CPU運用上述的(34)式計算Cgout，CO。Cgout，CO被求出時，由Cgout，O2＝-2·Cgout，CO，求出最終的Cgout，O2。
此外，在步驟40中計算Cgout，O2(以Cgout，CO替換前的Cgout，O2)以及Cgout，CO時，分別需要有Cgin，O2及Cgin，CO。在步驟40中由上述的(48)式求出Cgin，O2。此時，廢氣空燃比濃于理論空燃比，由(48)式算出的Cgin，O2為正值便把其值當(dāng)作Cgin，O2使用，由(48)式算出的Cgin，O2為負值，便把其值的絕對值的1/2當(dāng)作Cgin，CO使用。
接著，CPU在步驟50中根據(jù)(28)式及(32)式求出涂層的各化學(xué)物種濃度Cw(Cw，O2、Cw，CO)，在步驟55中由(42)式～(44)式計算Ost(此次值)的同時，在步驟60中，由(Cgout，O2-O2ref)·G等求出空燃比控制型的反饋校正量(F/B校正量)。在這里，O2ref為控制目標(biāo)(目標(biāo)狀態(tài))，G為控制增益。圖19為表示這種Cgout，O2與F/B校正量間關(guān)系的圖表。在本實施例中，控制目標(biāo)被鎖定在預(yù)定的范圍內(nèi)。被確定的F/B校正量，作為確定空燃比的燃料噴射量的校正系數(shù)之一而反映到空燃比控制上。
繼而，對第二實施例，參照表示其控制流程的圖20進行說明。在本實施例中，作為上述的估算值，使用了廢氣中的濃的成分和稀的成分。此外，在本實施例中，把催化裝置19整體當(dāng)作一個區(qū)域(特定區(qū)域)來考慮。
濃成分，是指綜合了廢氣空燃比很濃時廢氣中的含量增加的成分的物質(zhì)，因此是表示由催化裝置19流出的廢氣狀態(tài)的代表值之一。具體講，是把廢氣中所含的CO或HC的量合并為一個指標(biāo)的代表值。另一方面，稀成分，是指綜合了廢氣空燃比很稀時廢氣中的含量增加的成分的物質(zhì)，因此是表示由催化裝置19流出的廢氣狀態(tài)的代表值之一。具體講，是把廢氣中所含的NOx或O2的量合并為一個指標(biāo)的代表值。在本實施例中，使用了上述的兩個估算值進行空燃比控制，因此對于Cgout，把有關(guān)于濃成分的項設(shè)成CgoutR。即，CgoutR=ΣiCgout,reduc,i]]>具體講，使其成為CgoutR＝(Cgout，reduc，CO+Cgout，reduc，HC)。此外，把有關(guān)于稀成分的項設(shè)成CgoutL。即，CgoutL=ΣiCgout,stor,i]]>具體講，使其成為CgoutL＝(Cgout，stor，O2+Cgout，stor，NO)。本實施例，使用如此設(shè)定的CgoutR和CgoutL進行以下的運算。
首先，如圖20的流程圖所示，CPU在步驟70中估算發(fā)動機1的燃燒后的廢氣(流入催化劑的廢氣)中的濃成分CgoutR和稀成分CgoutL。估算這樣的濃成分CgoutR和稀成分CgoutL時，考慮催化裝置19中的氧化·還原反應(yīng)(三元反應(yīng))以及氧吸附釋放反應(yīng)。把有關(guān)于三元反應(yīng)的化學(xué)公式表示為(54)式。此外，把有關(guān)于氧吸附釋放反應(yīng)的化學(xué)公式表示為(55)式。再者，把此氧吸附釋放反應(yīng)中的各反應(yīng)的反應(yīng)速度系數(shù)，設(shè)為KO2(＝Kstor，O2)、KNO(＝Kstor，NO)、KCO(＝Krel，CO)、KHC(＝Krel，HC)。在(55)式中的氧的吸附·釋放中，發(fā)揮盡氧吸附·釋放功能的載體金屬表述為鈰(Ce)。
繼而，進入步驟100與第一實施例一樣，CPU計算Rosc(即R*stor，O2、R*stor，NO、R*reduc，CO、R*reduc，HC)以及RD(即RD，O2、RD，NO、RD，CO、RD，HC)。接著在步驟110中，CPU使用上述的(34)式計算CgoutR＝(Cgout，reduc，CO+Cgout，reduc，HC)，使用(30)式計算CgoutL＝(Cgout，stor，O2+Cgout，stor，NO)。
進而，CPU在步驟120中使用(28)式及(32)式求出涂層的各化學(xué)物種濃度Cw(即Cw，O2、Cw，NO、Cw，CO、Cw，HC)，在步驟125中由(42)式～(44)式計算Ost(此次值)的同時，在步驟130中把空燃比控制型的反饋校正量(F/B)，由(CgoutR-Ref)×GR+(CgoutL-Ref)×GL求出。在此，(CgoutR-Ref)×GR是對應(yīng)于濃成分的部分，(CgoutL-Ref)×GL是對應(yīng)于稀成分的部分。Ref為控制目標(biāo)(目標(biāo)狀態(tài))，GR、GL為對應(yīng)于每中成分所設(shè)定的控制增益。
在此，進行空燃比控制使CgoutR與CgoutL相等。即，為使CgoutR以及CgoutL的任意項能成為目標(biāo)值Ref，確定出了對應(yīng)于各成分的F/B校正量(CgoutR-Ref)×GR，(CgoutL-Ref)×GL。此外，在本實施例中，控制目標(biāo)鎖定在預(yù)定的范圍內(nèi)。被確定的校正量，作為確定空燃比的燃料噴射量的校正系數(shù)之一反映于空燃比控制中。
再者，更具體講，根據(jù)(56)式計算反饋校正量。
繼而，對第三實施例，參照表示其控制流程的圖21進行說明。在本實施例中，作為上述的估算值，使用了廢氣中的氧排出量、一氧化碳排出量以及一氧化氮排出量(實際為，這些的各濃度)。此外，在本實施例中，把催化裝置19整體當(dāng)作一個區(qū)域(特定區(qū)域)來考慮。在本實施例中，使用上述的三個估算值進行空燃比控制，因此關(guān)于Cgout，把有關(guān)氧排出量的項設(shè)為CgoutO2(Cgout，O2)，把有關(guān)一氧化碳排出量的項設(shè)為CgoutCO(Cgout，CO)，把有關(guān)一氧化氮排出量的項設(shè)為CgoutNO(Cgout，NO)來進行說明。
首先，CPU，如圖21的流程圖中所示，在步驟140中，如上所述估算發(fā)動機1的燃燒后的廢氣(流入催化裝置19的廢氣)中的濃成分CginR(Cgin，CO)和稀成分CginL(Cgin，O2，Cgin，NO)；在步驟170中，計算Rosc(即R*stor，O2、R*stor，NO、R*reduc，CO)以及RD(即RD，O2、RD，NO、RD，CO)。然后，在步驟180中使用上述的(34)式，CPU計算CgoutR(Cgout，reduc，CO)，使用(30)式計算CgoutL(Cgout，stor，O2＝CgoutO2和Cgout，stor，NO＝CgoutNO)。
進而，CPU在步驟190中使用(28)式及(32)式求出涂層的各化學(xué)物種濃度Cw(即Cw，O2、Cw，NO、Cw，CO)，在步驟195中由(42)式～(44)式計算Ost(此次值)。且，CPU，在步驟200中把用于反饋于空燃比控制的反饋校正量(F/B)，由(CgoutO2-O2ref)×GO2+(CgoutNO-NOref)×GNO+(CgoutCO-COref)×GCO求出。在此，(CgoutO2-O2ref)×GO2是對應(yīng)于氧成分的部分，(CgoutNO-NOref)×GNO是對應(yīng)于一氧化氮成分的部分，(CgoutCO-COref)×GCO是對應(yīng)于一氧化碳成分的部分。O2ref、NOref、COref為對應(yīng)于每個成分的控制目標(biāo)，GO2、GNO、GCO為對應(yīng)于每種成分所設(shè)定的控制增益。被確定的校正量，作為確定空燃比的燃料噴射量的校正系數(shù)之一反映于空燃比控制中。再者，在本實施狀態(tài)中，也可以把控制目標(biāo)鎖定在預(yù)定的范圍內(nèi)。
繼而，對于第四實施例進行說明。在本實施例中，與第一實施例一樣，作為上述的估算值使用了廢氣中的氧氣量(由催化裝置19流出的氧的濃度)，但是其估算值為預(yù)定時間后的估算值(從現(xiàn)時刻至預(yù)定時間前的時刻的估算值)。即，在本實施例中，根據(jù)所謂‘先讀出’進行控制。由此，估算值的估算方法，也與第一實施例不同。這里的估算值(氧氣量)也作為過量—不足量來被控制，催化裝置19整體作為一個區(qū)域(特定區(qū)域)來考慮。
對于估算值(排出氧過量或不足量)的估算與上述的第一實施例一樣使用了估算模型(估算方法)。在本實施例中進而，進氣量或用于燃燒的燃料量也使用模型來進行估算。有關(guān)進氣量的模型，在這里稱為空氣模型，有關(guān)燃料量的模型，在這里稱為燃料性能模型。
第四實施例中的控制流程圖表示為圖22。首先，如圖22的流程圖所示，CPU使用上述的空氣模型，估算(步驟210)預(yù)定時間后的進氣量。在這里省略此空氣模型的詳細說明，但作為一個例子有，與檢測進氣量的進氣管內(nèi)壓傳感器及空氣流計13的輸出相結(jié)合，使用節(jié)氣門9的開度的時間變化及其微積分值、發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)的時間變化及微積分值等，估算預(yù)定時間后的缸內(nèi)進氣量的方法等。
以下，對于使用節(jié)氣門9開度來估算進氣流量的方法的一個例子進行簡單說明。
(1)CPU根據(jù)檢測出的現(xiàn)時刻的加速踏板位置傳感器12檢測現(xiàn)時刻的加速踏板開度。
(2)CPU根據(jù)檢測出的現(xiàn)時刻的加速踏板開度確定暫定的目標(biāo)節(jié)氣門開度。
(3)CPU把被確定的暫定目標(biāo)節(jié)氣門的開度延遲預(yù)定時間左右，使其成為實際目標(biāo)節(jié)氣門開度。換言之，設(shè)定自現(xiàn)時刻提前預(yù)定時間的暫定的目標(biāo)節(jié)氣門開度，作為實際的目標(biāo)節(jié)氣門開度。暫定的目標(biāo)節(jié)氣門開度，在其作為實際的目標(biāo)節(jié)氣門開度使用之前由時序存儲于RAM內(nèi)。
(4)CPU控制節(jié)氣門電動機11，使得被設(shè)定的實際的目標(biāo)節(jié)氣門開度與節(jié)氣門9的開度相一致。
(5)CPU估算現(xiàn)時刻至預(yù)備下次進氣過程的氣缸的進氣門關(guān)閉的時刻(進氣門關(guān)閉時)的時間，并根據(jù)其估算的時間與存儲的暫態(tài)的目標(biāo)節(jié)氣門開度，計算氣缸的進氣門關(guān)閉時的目標(biāo)節(jié)氣門開度，由目標(biāo)節(jié)氣門開度計算進氣門關(guān)閉時的估算節(jié)氣門開度。
(6)CPU根據(jù)估算節(jié)氣門開度和發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度和圖表，估算預(yù)備下次進氣過程的進氣門關(guān)閉時的進氣量(缸內(nèi)進氣量)Mc。
繼而，CPU，根據(jù)步驟210的估算結(jié)果，計算(步驟220)基準(zhǔn)燃料噴射量(例如，用于把吸入發(fā)動機1的混合氣體的空燃比變成理論空燃比所需的噴射量)。這種基準(zhǔn)燃料噴射量根據(jù)各種校正系數(shù)所校正，確定出最終燃料噴射量。
進而，根據(jù)這種基準(zhǔn)燃料噴射量(或是對于基準(zhǔn)燃料噴射量加以校正的燃料噴射量)和燃料性能模型估算(步驟230)廢氣的空燃比。在這里也省略對此燃料性能模型的詳細說明，但作為一個例子有，與基準(zhǔn)燃料噴射量自身相結(jié)合，考慮到在進氣通道或氣缸內(nèi)壁等部分中的燃料附著部分或缸內(nèi)壁粘著燃料的剝離部分等，估算預(yù)定時間后廢氣空燃比的方法等。
例如，根據(jù)此燃料模型，相當(dāng)于fi(k)的燃料量和由噴射器噴射后的燃料附著量fw(k+1)由下述(57)式求出。
fw(k+1)＝R·fi(k)+P·fw(k) …(57)在上述的(57)式中，fw(k)為噴射相當(dāng)于fi(k)的燃料量之前、在進氣通道等中的燃料附著量；P為已附著于進氣通道的燃料中經(jīng)過一次進氣過程后附著并殘留在進氣通道內(nèi)的燃料的所占比例(殘留率)；R為所噴射的燃料中直接附著于進氣通道等的燃料的所占比例(附著率)。
一方面，此次的燃料噴射量fi(k)中的燃燒室(氣缸)內(nèi)所吸入的燃料量成為(1-R)·fi(k)，而已附著的燃料量(燃料附著量)fw(k)中的燃燒室(氣缸)內(nèi)所吸入的燃料量成為(1-P)·fw(k)。即，根據(jù)此次的燃料噴射，成為氣缸內(nèi)吸入了下述(58)式所示的燃料量fc(k)。
fc(k)＝(1-R)·fi(k)+(1-P)·fw(k) …(58)因此，實際上，基本噴射量的燃料噴射器5噴射，上述(58)式的fi(k)當(dāng)作與基本噴射量相同，來求出實際吸入氣缸的燃料量fc(k)，根據(jù)把估算的缸內(nèi)進氣量Mc除以此燃料量fc(k)，預(yù)測廢氣空燃比。此外，為下次的計算而備，把(57)式的fi(k)當(dāng)作與基本噴射量相等來求出燃料附著量fw(k+1)。
繼而，CPU，進入步驟235，把步驟230中估算的廢氣空燃比設(shè)為上述(48)式的AF，又(48)式估算CginO2(＝Cgin，O2)的同時，根據(jù)規(guī)定了步驟230中估算的廢氣空燃比、以及流入催化劑的氣體的空燃比A/F和一氧化碳濃度CginCO間關(guān)系的圖，如圖13所示，估算一氧化碳濃度CginCO。然后，CPU與第一實施例中所述的方法相同地，在步驟240中估算CgoutO2。這種CgoutO2，是廢氣空燃比預(yù)測(先讀出)自現(xiàn)時刻經(jīng)預(yù)定時間后的空燃比的項，因此，CginO2及CginCO也分別成為自現(xiàn)時刻經(jīng)預(yù)定時間后的CginO2及CginCO，所以成為預(yù)測了自現(xiàn)時刻經(jīng)預(yù)定時間后的值。
繼而，在步驟250中判斷CgoutO2是否大于0，在步驟中判斷為‘是’時執(zhí)行濃稠控制(步驟260)，判斷為‘否’時執(zhí)行稀薄控制(步驟270)。即，在本實施例中的CgoutO2的目標(biāo)狀態(tài)(目標(biāo)值)為0(零)，進行空燃比控制使得同CgoutO2成為0。
濃稠控制為把空燃比(內(nèi)燃機的空燃比)校正為偏濃的空燃比控制(增加噴射量的控制)，稀薄控制為把空燃比校正為偏稀的控制(減少噴射量的控制)。在本實施例中，其校正量在每個濃稠控制·稀薄控制中是一定的。再者，也可以改變估算的CgoutO2和其目標(biāo)狀態(tài)的間隔度所對應(yīng)的校正量。此外，也可以在步驟260中計算把空燃比校正為偏濃的校正系數(shù)，在步驟270中計算把空燃比校正為偏稀的校正系數(shù)，并進行把這些校正系數(shù)乘以基本噴射量等的處理，從而反映于噴射控制。
繼而，對第五實施例進行說明。在本實施例中，也與上述的第四實施例相同地，進行所謂‘先讀出’的控制。此外，在本實施例中，算出了廢氣中的多個排出成分的估算值。在這里，把這些多個估算值(具體講為Cgout，O2及Cgout，CO等)當(dāng)作Cgout**來存儲。同樣，對于Cgin則當(dāng)作Cgin**進行存儲。此外，在這里對催化裝置19整體，也當(dāng)作一個區(qū)域(特定區(qū)域)。
在第五實施例中的控制流程表示為圖23。首先，如圖23的流程圖所示，CPU，使用上述的空氣模型，估算預(yù)定時間后的進氣量(步驟280)。繼而，CPU，使用上述的燃料性能模型估算氣缸內(nèi)實際供給的燃料量(步驟290)，由步驟280及步驟290的結(jié)果計算空燃比(步驟300)。
并且，CPU，根據(jù)算出的空燃比計算流入催化裝置19的各成分中每個所對應(yīng)的Cgin**(步驟310)。進而，考慮催化裝置19內(nèi)的反應(yīng)，估算各成分中的每個Cgout**和催化裝置19的氧吸附量OSA(步驟320)。對于Cgin**和Cgout**的估算，是根據(jù)了上述的實施例的方法。此外，根據(jù)上述的(42)～(45)式估算OSA。
繼而，由節(jié)氣門驅(qū)動請求及其時刻的OSA等的運轉(zhuǎn)條件，CPU預(yù)測是否為不利于排氣凈化的狀況。是否有節(jié)氣門驅(qū)動請求，可根據(jù)司機的加速踏板操作量(加速踏板開度)的時間變化(加速踏板開度的時間微分值)進行判斷得出。此外，判斷是否為不利于排氣凈化的狀況，例如，可根據(jù)判斷是否為加速踏板開度急劇變化的過渡狀態(tài)來進行判斷。過渡狀態(tài)時，易造成催化裝置19的氧吸附狀態(tài)不穩(wěn)定，空燃比控制無法提供及時校正量，從而排氣凈化率下降的可能性很大。此時，CPU由電子控制延遲(減小開關(guān)動作速度)節(jié)氣門9的開關(guān)動作，并由此抑制待凈化成分流到催化裝置19下游，同時也根據(jù)點火正時控制，補充由節(jié)氣門操作延遲引起的所需轉(zhuǎn)矩的不足部分。
具體描述為，CPU判斷是否有節(jié)氣門驅(qū)動請求(步驟330)，若沒有這種請求，判斷為不利于排氣凈化的狀態(tài)，并結(jié)束圖23的流程圖中所示的控制。一方面，有節(jié)氣門驅(qū)動請求時，CPU根據(jù)其時刻的OSA、算出的Cgout**、節(jié)氣門開度預(yù)測值、以及加速踏板開度的時間性變化量等的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，判斷能否預(yù)計排氣凈化率的下降(步驟340)。且，若判斷不能預(yù)計排氣凈化率的下降，按照驅(qū)動請求驅(qū)動節(jié)氣門9(步驟360)。
另一方面，CPU預(yù)測出了排氣凈化率的下降時，確定節(jié)氣門驅(qū)動動作的延遲量以及點火正時的轉(zhuǎn)矩校正量的同時，進行使得上述估算值Cgout**一致于目標(biāo)狀態(tài)的空燃比控制(步驟350)，進行節(jié)氣門驅(qū)動(步驟360)。節(jié)氣門驅(qū)動動作的延遲量，例如，為控制節(jié)氣門開度的急劇的變化，用于對上述的實際的目標(biāo)節(jié)氣門開度把實施了一次延遲處理的開度作為實際的節(jié)氣門開度，來重新設(shè)定所必需的量。點火正時的校正量，是伴隨重新設(shè)定這種實際節(jié)氣門開度而產(chǎn)生的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的下降部分的校正量(進角量)。此外，用于把估算值Cgout**當(dāng)作目標(biāo)狀態(tài)的空燃比控制，與上述的其他實施例相同。
至此說明的各種實施例，任意項都是把催化裝置19整體當(dāng)作一個區(qū)域來考慮計算估算值。對此，以下的實施例，把催化裝置19在廢氣的流向上劃分為多個區(qū)域(區(qū))，對于其多個區(qū)域中的一個區(qū)域(特定區(qū)域I)的各估算值設(shè)定目標(biāo)狀態(tài)，進行空燃比控制，使得各估算值成為目標(biāo)狀態(tài)。
首先，在把催化裝置19劃分為多個區(qū)域的實施例中，對于第六實施例，參照表示其控制流程的圖24進行說明。此實施例，把催化裝置19劃分為n段進行處理。在這里，在催化裝置19的被劃分的多個區(qū)域中，自上游開始依次編給I＝1～n的號碼的同時，在各區(qū)域I的每個估算值添加字I＝1～n。
此外，在本實施例中，廢氣中的氧氣量(由催化裝置19的各區(qū)域排出的氧的濃度)和一氧化碳量(由催化裝置19的各區(qū)域排出的一氧化碳的濃度)由上述的估算值求出。進而，氧氣量在空燃比控制中與第一實施例一樣當(dāng)作過量或不足量。再者，如已描述過的那樣，上述(27)式～(34)式、(36)式、以及(38)式等的各數(shù)值，根據(jù)由這些式自催化裝置19上游依次計算，對于所有區(qū)域都可算出。
以下，對這種實施例的控制方法，參照圖24所示的流程圖具體說明為，首先，CPU讀入由上游空燃比傳感器25檢測的流入催化裝置19的廢氣的空燃比(步驟370)，把代表上述的特定區(qū)域的值I清‘0’(步驟380)。接著，為I←I+1，CPU把I的值增加‘1’(步驟390)。在此階段中，I的值成為1。
繼而，CPU計算對應(yīng)于區(qū)域I的RoscI(即R*stor，O2，I、R*reduc，CO，I)以及RDI(RD，O2，I、RD，CO，I)(步驟410)。
此時，當(dāng)流入催化裝置19的廢氣的空燃比稀于理論空燃比情況下，使用已說明過的(50)式計算RD，I，使用已說明過的(51)式計算Rosc，I。此外，當(dāng)流入催化裝置19的廢氣的空燃比濃于理論空燃比情況下，使用已說明過的(52)式計算RD，I，使用已說明過的(53)式計算Rosc，I。
然后，CPU與上述的第一實施例的圖18的步驟40一樣，使用(30)式和(34)式計算CgoutI(Cgout，O2，I和Cgout，CO，I)(步驟420)。此時，與步驟40一樣，CPU根據(jù)上述(48)式計算進行步驟420的處理時所必需的Cgin，O2等。再者，求出Cgout，CO，I時，在Cgout，O2，I處設(shè)定為-2Cgout，CO，I。
繼而，CPU根據(jù)(28)式及(32)式求出涂層的化學(xué)濃度CwI(Cw，O2，I、Cw，CO，I)(步驟430)，根據(jù)(42)式～(44)式計算OstI(此次值)的同時(步驟435)，判斷現(xiàn)在的I值是否為n以上(步驟440)。此時，若I值小于n，CPU回到步驟390，把I值加大1后對于下游的區(qū)域進行同樣的計算(步驟410～430，步驟435)。另一方面，若I值為n以上，所有區(qū)域的各種值的計算便結(jié)束，所以此時，CPU自步驟440進入步驟450。
并且，CPU在步驟450中把空燃比的反饋校正量(F/B校正量)，根據(jù)特定區(qū)域J中的估算值CgoutO2，J，由(CgoutO2，J-O2ref)×G求出。在此，O2ref為控制目標(biāo)、G為控制增益。被確定的反饋校正量，作為確定空燃比的燃料噴射量的校正系數(shù)之一反映于空燃比控制。
如此，在本實施例中，把催化裝置19劃分為多個區(qū)域，求出了關(guān)于特定區(qū)域J的上述估算值，因此可根據(jù)特定區(qū)域J的估算值，能夠更正確地把握催化裝置19的狀況。此外，特定區(qū)域J，能夠設(shè)定為比最下游區(qū)域上游側(cè)區(qū)域，其結(jié)果，可把廢氣的凈化性能進一步提高。換言之，若使特定區(qū)域J(J＜n)的狀態(tài)接近理想狀態(tài)，即使是未曾預(yù)料的大量未燃成分或氮氧化物流入了催化裝置19，在特定區(qū)域的J+1～n區(qū)域中，凈化這些的可能性也很大。即，可以減小由空燃比控制延遲造成的危害(排放惡化)。
繼而，對第七實施例，參照表示其控制的流程的圖25進行說明。本實施例，只限于計算各區(qū)域中對應(yīng)的各種數(shù)值，與第六實施例相比沒有任何變動。因此，在相同控制步驟中附上了相同符號，省略其說明。
在本實施例中，CPU在步驟440中判斷為‘是’(即，結(jié)束了所有區(qū)域中的各數(shù)值的計算)，CPU得出用于確定特定區(qū)域(待控制區(qū)域，以下，稱作特定控制區(qū)域J)的運轉(zhuǎn)條件(步驟460)，根據(jù)得出的運轉(zhuǎn)條件確定特定控制區(qū)域J(步驟470)。作為上述運轉(zhuǎn)條件，可以設(shè)定各種條件。在此，舉出四個根據(jù)一種條件確定特定控制區(qū)域J的具體例子。圖26～圖29，表示在各例子中使用的圖。
圖26為，表示用于把進氣量作為運轉(zhuǎn)條件使用時的‘進氣量與特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)間的關(guān)系’的圖。進氣量由空氣流計13檢測。根據(jù)此圖，進氣量越多，特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J越往上游(上游段)設(shè)定。
圖27為表示用于把加速踏板的時間性變化量(Δ加速踏板開度)作為運轉(zhuǎn)條件使用時的‘Δ加速踏板開度與特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)間的關(guān)系’的圖。Δ加速踏板開度，根據(jù)加速踏板位置傳感器12的檢測結(jié)果而得出。根據(jù)此圖，Δ加速踏板開度越大，特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J越往上游(上游段)設(shè)定。
關(guān)于進氣量及Δ加速踏板開度，其值越大越把特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J的位置設(shè)定于上游，其值越小越把特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J的位置設(shè)定于下游。這是因為，在容易發(fā)生所謂‘掃氣現(xiàn)象’時把用于空燃比控制的特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J設(shè)定在上游，在不易發(fā)生所謂‘掃氣現(xiàn)象’時把用于空燃比控制的特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J設(shè)定在下游。‘掃氣現(xiàn)象’是指，盡管催化裝置19自身有凈化能力，但仍由于流速加快、流量增多，在廢氣中的待凈化成分充分被凈化之前流到下游的現(xiàn)象。
圖28為表示用于把催化裝置19的活性狀態(tài)作為上述的運轉(zhuǎn)條件使用時的‘催化劑的活性狀態(tài)與特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J間的關(guān)系’的圖。催化裝置19的活性狀態(tài)，例如，可根據(jù)催化劑溫度傳感器21檢測的催化裝置19的溫度確定。根據(jù)此圖，催化裝置19的活性狀態(tài)越低(還未充分地活性化)，特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J就越被設(shè)定到上游。由此，根據(jù)特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J也能夠把下游的區(qū)域用作緩沖器(用于排氣凈化的預(yù)備區(qū)域)，所以廢氣中的待凈化成分被充分地凈化。
圖29為表示用于把空燃比(流入催化裝置19的氣體的空燃比，即，供給于發(fā)動機1的混合氣體的空燃比)的時間性變化量(Δ空燃比)作為上述的運轉(zhuǎn)條件使用時的‘Δ空燃比與特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J間的關(guān)系’的圖。Δ空燃比，可以根據(jù)進行空燃比控制的ECU18算出。根據(jù)此圖，Δ空燃比越小，(空燃比沒有多余變化時)特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J就越被設(shè)定到下游。
由此，CPU在圖25所示的步驟470中確定特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)，進入步驟480由被確定的特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J的估算值Cgout，O2，J，把空燃比反饋校正量(F/B校正量)，根據(jù)(Cgout，O2，J-O2ref)×G而求出。在此，O2ref為控制目標(biāo)，G為控制增益。被確定的校正量，作為確定空燃比的燃料噴射量的校正系數(shù)之一而反映于空燃比控制。如此，把催化裝置19劃分為多個區(qū)域，通過改變對應(yīng)于運轉(zhuǎn)狀態(tài)的特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)J，可以使廢氣的凈化性能進一步提高。
在上述的第六實施例以及第七實施例中，特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)只有一個。但是，特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)也可以不是一個，可以被設(shè)定成多個。通過這樣的做法，會有更進一步有效地進行廢氣凈化。下面要說明的第八實施例，把特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)設(shè)定為多個。
第八實施例中的控制的流程表示為圖30。本實施例，有關(guān)于各區(qū)域中對應(yīng)的各種數(shù)值的計算，與上述的第六實施例以及第七實施例相比沒有太多變動。因此，在相同控制步驟中附上相同符號，省略其說明。
在本實施例中，CPU在步驟440中判斷為‘是’(即，結(jié)束了所有區(qū)域的各數(shù)值的計算時)，CPU進入步驟490，根據(jù)預(yù)先確定的兩個特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)(區(qū)域I1以及I2區(qū)域)的估算值Cgout，O2，I1以及Cgout，O2，I2由[(Cgout，O2，I1-O2ref)×G1+(Cgout，O2，I2-O2ref)×G2]求出空燃比反饋校正量(F/B校正量)。在此，O2ref為控制目標(biāo)，在本實施例中，對于特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)I1以及特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)I2使用了一個控制目標(biāo)。在此步驟490中確定的校正量，作為確定空燃比的燃料噴射量的校正系數(shù)之一而反映于空燃比控制。再者，也可以設(shè)定與特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)I1和特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)I2不同的控制目標(biāo)。
此外，G1、G2為，分別關(guān)于特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)I1、特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)I2的控制增益。在本實施例中，使控制增益G1、G2不同，對至各特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)的估算值的空燃比控制的影響度進行重復(fù)賦值值。根據(jù)此做法，當(dāng)把特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)設(shè)定成多個時，關(guān)于那些特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)的狀況給空燃比控制的影響度可以個別地設(shè)定，可以進一步提高排氣凈化性能。如此，通過把催化裝置19劃分為多個區(qū)域，設(shè)定多個特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)，能夠把廢氣凈化性能進一步提高。
在上述的第八實施例中，控制增益G1、G2設(shè)為預(yù)先確定的固定值。但是，把特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)設(shè)定為多個時的各特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)的控制增益可以不是作為預(yù)先的固定值確定的值，也可以是作為對應(yīng)于運轉(zhuǎn)狀況而變動的變量來設(shè)定。下面要說明的第九實施例，可以變化各特定區(qū)域(特定控制區(qū)域)對應(yīng)的控制增益。
第九實施例中的控制的流程表示為圖31。本實施例，是有關(guān)各區(qū)域?qū)?yīng)的各種數(shù)值，與上述的第六實施例～第八實施例相比沒有太大變化。因此，在相同控制步驟中附上相同中符號，省略其說明。
在本實施例中，CPU在步驟440中判斷為‘是’(即，結(jié)束了所有區(qū)域的各數(shù)值的計算)，CPU進入步驟500由空氣流計13得出進氣流量Ga，該進氣流量Ga是用于確定各特定區(qū)域?qū)?yīng)的控制增益的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。CPU，在步驟510中，根據(jù)得出的進氣流量Ga和圖32所示的圖，確定各特定區(qū)域(特定控制區(qū)域I1，特定控制區(qū)域I2)對應(yīng)的控制增益(G1，G2)。
在圖32所示的圖中，橫軸表示特定區(qū)域的位置，縱軸表示作為G1，G2被設(shè)定的控制增益。此外，在此圖中，特定控制區(qū)域I1位于特定控制區(qū)域I2的下游，并設(shè)定有進氣流量Ga的不同大小所對應(yīng)的兩條曲線。各曲線設(shè)定為，使得下游的特定區(qū)域I1的控制增益G1大于位于上游的特定區(qū)域I2的控制增益G2。即，若根據(jù)此圖確定控制增益，下游的特定區(qū)域的估算值對空燃比控制的影響度較大。再者，可適當(dāng)調(diào)節(jié)這些曲線，例如，把這些曲線設(shè)置為朝上游側(cè)增大控制增益，那么上游特定區(qū)域的估算值的影響會增大。
進而，在圖32所示的圖中，適用于進氣量Ga大時的曲線，位于適用于進氣量Ga小時的曲線的上方。因此，隨著進氣量Ga增大，控制增益G1、G2也增加。
如此的確定控制增益，CPU根據(jù)[(Cgout，O2，I1-O2ref)×G1+(Cgout，O2，I2-O2ref)×G2]式，求出空燃比反饋校正量(F/B校正量)(步驟520)。O2ref為控制目標(biāo)。
如此，把催化劑劃分為多個區(qū)域，從而設(shè)定多個特定區(qū)域，通過依照發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、改變對各特定區(qū)域中每個空燃比控制的影響度，能夠進一步提高廢氣凈化性能。
再者，作為確定控制增益的上述的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以采用各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。此外，不只是一種運轉(zhuǎn)狀態(tài)，還可以根據(jù)多個運轉(zhuǎn)狀態(tài)確定各特定區(qū)域的控制增益。此外，在本實施例中，使用了對于特定區(qū)域I1以及特定區(qū)域I2都相同的控制目標(biāo)，但是也可以設(shè)定在特定區(qū)域I1和特定區(qū)域I2中不同的控制目標(biāo)。
繼而，執(zhí)行基于上述估算值的空燃比控制的同時，利用下游空燃比傳感器的輸出對于校正上述的估算模型的第十實施例進行說明。把本實施例中的控制流程表示為圖33。圖33的流程圖，并不是表示用于控制空燃比的程序，而是表示用于校正估算模型的控制的程序。再者，在本實施例中，與第一實施例相同，把催化裝置19整體當(dāng)作一個區(qū)域來考慮計算估算值，把廢氣中的氧氣量(由催化裝置19流出的氧濃度)作為估算值之一進行計算。
具體講，在步驟530中，CPU得出上游空燃比傳感器25檢測的流入催化裝置19的廢氣的空燃比(廢氣空燃比)，進入步驟540根據(jù)得出的廢氣空燃比計算Cgout，O2(＝CgoutO2)等?；谶@些的步驟530、540的處理，實際上由執(zhí)行基于圖18所示的步驟10～步驟50以及步驟55的同樣的處理來實現(xiàn)。
繼而，CPU進入步驟550，根據(jù)步驟540中算出的CgoutO2估算(預(yù)測)下游空燃比傳感器26可能輸出的輸出值，在步驟560中計算(下游空燃比傳感器26的實際輸出)-(步驟550中估算的傳感器輸出估算值)，從而得到ErrorO2mdl。
并且，接著在步驟570中，CPU判斷此ErrorO2mdl的絕對值，是否大于預(yù)定的模型允許誤差Emdl。此時，下游空燃比傳感器26的實際輸出與步驟550中估算的輸出估算值之差若在允許范圍內(nèi)，CPU在步驟570中判斷為‘否’，此時，沒必要對上述的估算模型進行校正，并結(jié)束圖33所示的流程的控制。
與此相反，若下游空燃比傳感器26的實際輸出與步驟550中估算的輸出估算值之差ErrorO2mdl超過允許范圍(模型允許誤差Emdl)，CPU在步驟570中判斷為‘是’，進入步驟580，修正在估算模型中使用的(上述的(36)式以及(38)式等中使用)的kstor(kstor，i)以及krel(krel，i)。
如此，執(zhí)行使用上述的估算值的空燃比控制的同時，通過使用此估算值和下游空燃比傳感器26的輸出校正估算模型，可以進一步提高估算模型的估算精度。
上述的第十實施例中，根據(jù)下游空燃比傳感器26的輸出校正估算模型，但在下面要說明的第十一實施例中，根據(jù)由估算模型的估算結(jié)果進行下游空燃比傳感器26的異常判斷(診斷)。在本實施例中的控制的流程表示為圖34。圖34的流程圖，并非表示用于空燃比控制的程序，而表示用于進行傳感器的診斷(異常判斷)的程序。再者，在本控制中，與第一實施例一樣，把催化裝置19整體當(dāng)作一個區(qū)域來考慮計算估算值，把廢氣中的氧氣量(由催化裝置19排出的氧的濃度)作為估算值的一種計算。
具體說明為，在步驟530中，CPU檢測得出空燃比傳感器25檢測的流入催化裝置19的廢氣的空燃比，進入步驟540根據(jù)得出的廢氣空燃比計算CgoutO2的同時，在步驟550中根據(jù)計算的CgoutO2估算(預(yù)測)可能為下游空燃比傳感器26的輸出的值。這些的步驟530～550，與上述的第十實施例中的步驟530～550相同。
繼而，CPU進入步驟590，計算(下游空燃比傳感器26的實際輸出)-(步驟550中估算的傳感器輸出估算值)，從而得到ErrorO2sns。
并且，CPU，接著在步驟600中，判斷此ErrorO2sns的絕對值是否大于預(yù)定的傳感器允許誤差Esns。此時，下游空燃比傳感器26的實際輸出與步驟550中估算的輸出估算值之差ErrorO2sns若在允許范圍(傳感器允許誤差Esns)內(nèi)，CPU在步驟600中判斷為‘否’，此時，判斷下游空燃比傳感器26為正常，并結(jié)束圖34所示的流程的控制。
與此相反，若下游空燃比傳感器26的實際輸出與步驟550中估算的輸出估算值之差ErrorO2sns超過允許范圍(傳感器允許誤差Esns)，CPU在步驟600中判斷為‘是’，進入步驟610，判斷下游空燃傳感器26為異常。
根據(jù)此實施例，執(zhí)行使用上述的估算值的空燃比控制的同時，通過使用此估算值和下游空燃比傳感器26的輸出，可以進行空燃比傳感器26的診斷。
在第十實施例中，根據(jù)下游空燃比傳感器26的輸出，校正了用于求的估算值的估算模型。與此相反，在第十一實施例中，根據(jù)由估算模型算出的估算值進行下游空燃比傳感器26的診斷。這些實施例是互為矛盾的考慮方法，但可以根據(jù)判斷估算值和下游空燃比傳感器26的輸出當(dāng)中哪一項的可信性更高來進行選擇。此外，對于發(fā)動機1的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，如可信項產(chǎn)生變化時，也可以依據(jù)發(fā)動機1的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，選擇性地進行估算模型校正控制和下游空燃比傳感器26的診斷控制。此外，如第十一實施例，不只判斷下游空燃比傳感器26的正?；虍惓?，也可以校正對應(yīng)于ErrorO2sns的下游空燃比傳感器26的輸出。
上述實施例，如圖1所示，是用于排氣通道7上僅有一個催化裝置19的發(fā)動機1。與此相反，以下要說明的第十二實施例中，如為整體結(jié)構(gòu)的圖35中所示，發(fā)動機1在其排氣通道7上有多個(以下的實施例中為兩個)的排氣凈化催化裝置19a、19b。再者，在圖35中，與圖1所示的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)用相同符號表示，省略其說明，只對圖1所示的與內(nèi)燃機不同的部分進行說明。
關(guān)于圖35所示的有關(guān)此實施例的內(nèi)燃機，在排氣通道7上的兩個部位配設(shè)有排氣凈化催化裝置19a、19b。把上游側(cè)催化劑稱作上游排氣凈化催化裝置19a(以下，也稱作上游催化裝置19a)，把下游側(cè)催化劑稱作下游排氣凈化催化裝置19b(以下，也稱作下游催化裝置19b)來區(qū)別。
例如，在四氣缸的發(fā)動機中，兩個上游催化裝置19a可以并排放置，使得某兩個氣缸的排氣管合并于一個催化裝置，另兩個氣缸的排氣管合并于另一個催化裝置。而且，下游催化裝置19b通常在所有排氣管會合處的下游，設(shè)有一個排氣管部分。
上游催化裝置19a，也被稱作起動催化劑，具有小容積并盡量配置于接近氣缸3的位置，通過廢氣熱量在冷起動后迅速升溫至活性化溫度，并迅速發(fā)揮排氣凈化性能。
與此相反，下游催化裝置19b，也稱作下溢催化劑，具有充分大的容積并配設(shè)于車輛底板下，準(zhǔn)確地凈化廢氣中的待凈化成分。在上游催化裝置19a的上游，配設(shè)有檢測流入上游催化裝置19a的廢氣的空燃比的上游空燃比傳感器25。此外，在下游催化裝置19b的下游，配設(shè)有檢測由下游催化裝置19a流出的廢氣的空燃比的下游空燃比傳感器26。進而，在上游催化裝置19a和下游催化裝置19b之間配設(shè)有中間空燃比傳感器27，檢測由上游催化裝置19a流出而流入下游催化裝置19b的廢氣的空燃比。
這些空燃比傳感器25、26、27，連接于ECU18，把其檢測結(jié)果發(fā)送到ECU18的同時，內(nèi)藏有根據(jù)供給的電力提前升溫的電阻絲。此外，在上游催化裝置19a以及下游催化裝置19b中，分別裝有檢測這些溫度的溫度傳感器21a、21b。
繼而，對本實施例的工作狀態(tài)進行說明。在此實施例中，由上游催化裝置19a和下游催化裝置19b，根據(jù)上述的估算模型進行估算值的計算，并基于此進行空燃比控制。根據(jù)這些估算值、中間空燃比傳感器27的檢測結(jié)果，也可控制自上流催化裝置19a流出并流入下游催化裝置19b的廢氣的空燃比。再者，除了在各自模型中使用的參數(shù)的數(shù)值不同以外，適用于上游催化裝置19a的估算模型的基本結(jié)構(gòu)、與適用于下游催化裝置19b的估算模型的基本結(jié)構(gòu)都相同。
本實施例中的控制的流程表示為圖36。圖36的流程圖，只表示用于計算估算值的程序。此外，在本實施例中，把上游催化裝置19a整體當(dāng)作一個區(qū)域來計算估算值，把下游催化裝置19b整體當(dāng)作一個區(qū)域來計算估算值。此實施例的估算值之一為，廢氣中的氧氣量(由催化裝置19a、19b流出的氧的濃度)。
此外，關(guān)于上述的Cgin、Cgout，各催化劑對應(yīng)的每項表示為以下的形式。即，把流入上游催化裝置19a的化學(xué)物種(在這里為氧)濃度描述為CginO2SC，由催化裝置19a流出的化學(xué)物種濃度描述為CgoutO2SC。同樣地，把流入下游催化裝置19b的化學(xué)物種(在這里為氧)濃度描述為CginO2UF，由催化裝置19b流出的化學(xué)物種濃度描述為CgoutO2UF。自上游催化裝置19a流出的化學(xué)物種流入下游催化裝置19b，所以CgoutO2SC＝CginO2UF。
具體地，根據(jù)由圖36的流程所示的程序進行說明。在步驟650中，CPU得出上游空燃比傳感器25檢測的流入上游催化裝置19a的廢氣的空燃比；進入步驟652，根據(jù)得出的廢氣空燃比計算關(guān)于上游催化裝置19a的CgoutO2SC。這些基于步驟650、652的處理，實際上由執(zhí)行與圖18所示的步驟10～步驟50、以及步驟55的相同的處理而實現(xiàn)。繼而，在步驟654中，根據(jù)步驟652中算出的CgoutO2SC，CPU估算(預(yù)測)中間空燃比傳感器27的可能輸出。
并且，CPU，進入步驟656，計算(中間空燃比傳感器27的實際輸出)-(步驟654中估算的輸出估算值)，從而得到ErrorO2mdl；接著在步驟658中，判斷此ErrorO2mdl的絕對值是否大于預(yù)定的模型允許誤差Emdl。此時，中間空燃比傳感器27的實際輸出與步驟654中所估算的輸出估算之間的差，若超過了允許范圍，CPU便在步驟658中判斷‘是’為進入步驟660；在步驟660中校正CgoutO2SC，然后進入步驟662。
這種在步驟660中CgoutO2SC的校正，首先校正估算模型，接著根據(jù)校正過的估算模型再度計算CgoutO2SC而實現(xiàn)。估算模型的校正，與上述的圖33的流程中的步驟580中的校正同樣地進行。
一方面，中間空燃比傳感器27的實際輸出與步驟654中估算的輸出估算值之差，若在允許范圍內(nèi)，CPU在步驟658中判斷為‘否’，沒有必要對上述的估算模型進行校正，因此直接進入步驟662中把CgoutO2SC設(shè)定成Cgin O2UF。再者，當(dāng)經(jīng)過步驟660到達步驟662時，步驟660中校正的CgoutO2SC設(shè)定成Cgin O2UF。
繼而，在步驟664中，CPU根據(jù)上述算出的關(guān)于下游催化裝置的Cgin O2UF，由與步驟652同樣的方法計算Cgin O2UF。在圖中沒有表示的步驟中，根據(jù)如此算出的CgoutO2SC以及Cgin O2UF計算空燃比校正量，并反映于空燃比控制。如此，關(guān)于排氣通道7上的多個催化裝置19a、19b分別計算估算值，通過進行使用這些估算值的空燃比控制，可以進一步提高廢氣凈化性能。
繼而，對于第十三實施例進行說明。本實施例，與上述過的第十而實施例類似，但是CgoutO2SC的校正就不被進行。再者，把第十三實施例的控制與第十二實施例的控制組合起來一起進行也是可以的。第十三實施例，為把下游催化裝置19b的凈化率維持在很高的范圍內(nèi)，使用算出的估算值，控制流入下游催化裝置19b的廢氣的空燃比。具體講，為把下游催化裝置19b的凈化率維持在很高的范圍內(nèi)，進行空燃比控制，使得流入同下游催化裝置19b的廢氣中的氧過量—不足量的累計值成為零。
流入上述的下游催化裝置19b的氧過量—不足量的累計值表示為了維持下游催化裝置19b的很高凈化率、使流入下游催化裝置的氧氣量平衡(綜合·平均值)成為零時的剩余·不足狀態(tài)。本實施例中的控制的流程表示為圖37。
根據(jù)此流程圖，對本裝置的工作狀態(tài)進行說明為，CPU在步驟650中得出上游空燃比傳感器25檢測的流入上游催化裝置19a的廢氣的空燃比，在步驟652中根據(jù)得出的空燃比，計算關(guān)于上游催化裝置19a的CgoutO2SC。這些基于步驟650、652的處理，實際上由執(zhí)行與基于圖18所示的步驟10～步驟50、以及步驟55的同樣處理而實現(xiàn)。繼而，CPU進入步驟662，把在步驟652中算出的CgoutO2SC設(shè)定成CginUF。
繼而，CPU進入步驟670，在步驟662中求出已算出的Cgin O2UF的累計值(表現(xiàn)為ΣCgin O2UF)。即，CPU把至今的累計值ΣCgin O2UF(k-1)進行存儲，并通過在此加上在步驟662中新算出的Cgin O2UF(k)，得出新的累計值ΣCgin O2UF(k)。
在步驟672中，CPU判斷算出的累計值ΣCgin O2UF(k)是否大于零若在步驟672中判斷為‘是’時，進入步驟672，進行控制(濃稠控制)使得流入下游催化裝置19b的廢氣的空燃比變濃。另一方面，在步驟672執(zhí)行時，計算出的累計值ΣCgin O2UF(k)若小于零，則CPU在步驟672中判斷為‘否’，進入步驟676，進行控制(稀薄控制)使得流入下游催化裝置19b的廢氣的空燃比變稀。
如此，由上述催化裝置19a和下游催化裝置19b計算估算值，基于這些估算值，根據(jù)進行使下游催化裝置19b的凈化率維持很高狀態(tài)的空燃比控制，可以進一步提高廢氣凈化性能。
如上說明，在本發(fā)明的各實施例中，基于流入排氣凈化催化裝置的廢氣的空燃比，估算由排氣凈化催化裝置排出(由催化裝置的全部或催化裝置的一部分的特定區(qū)域之一排放)的特定成分的排出量(或者，表示排出的廢氣狀態(tài)的代表值)；設(shè)定對應(yīng)所估算的估算值的目標(biāo)狀態(tài)，進行控制，使得此估算值成為目標(biāo)狀態(tài)。由此，當(dāng)劃分排氣凈化催化裝置或催化裝置時，可以把特定區(qū)域(特定區(qū))排出的特定成分的排出量(包含從催化裝置或特定區(qū)域排出的廢氣的狀態(tài)、催化裝置整體或催化裝置最上游位置至特定區(qū)域的氧吸附量等為代表的催化裝置的狀態(tài))控制為所期望的狀態(tài)，可以提高排氣凈化性能。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其特征在于，具備估算裝置，基于流入配設(shè)于內(nèi)燃機排氣通道上的排氣凈化催化裝置的廢氣的廢氣空燃比，估算由排氣凈化催化裝置流出的廢氣中所含的至少一種的特定成分的排出量、或表示由排氣凈化催化裝置流出的廢氣的狀態(tài)的至少一種代表值的估算值；目標(biāo)設(shè)定裝置，設(shè)定由估算裝置估算的估算值的目標(biāo)狀態(tài)；空燃比控制裝置，控制內(nèi)燃機的空燃比，使得由估算裝置估算的估算值成為由目標(biāo)設(shè)定裝置設(shè)定的目標(biāo)狀態(tài)；其中，估算裝置對于把排氣凈化催化裝置沿排氣流向劃分的多個區(qū)域中的特定區(qū)域，進行估算值的估算；目標(biāo)設(shè)定裝置設(shè)定對于特定區(qū)域中的估算值的目標(biāo)狀態(tài)；空燃比控制裝置控制空燃比，使得特定區(qū)域的估算值成為對于特定區(qū)域設(shè)定的目標(biāo)狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其特征在于，估算裝置把特定區(qū)域設(shè)定到被劃分的多個區(qū)域中最下游區(qū)域的上游側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其特征在于，估算裝置對應(yīng)內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)變換特定區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其特征在于，估算裝置選擇作為特定區(qū)域的兩個區(qū)域并估算各估算值；目標(biāo)設(shè)定裝置對各特定區(qū)域分別設(shè)定估算值的目標(biāo)狀態(tài)；空燃比控制裝置控制空燃比，使得各特定區(qū)域的各估算值成為各自目標(biāo)狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其特征在于，空燃比控制裝置個別地設(shè)定對應(yīng)于各特定區(qū)域中每一區(qū)域的空燃比控制的影響度。
6.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃機的空燃比控制裝置，其特征在于，空燃比控制裝置根據(jù)內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)改變對于各特定區(qū)域中每一區(qū)域的影響度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空燃比控制裝置，該空燃比控制裝置根據(jù)流入配設(shè)于發(fā)動機1排氣通道7上的排氣凈化催化裝置19的廢氣的廢氣空燃比，使用模型估算由排氣凈化催化裝置流出的廢氣中所含的至少一種特定成分的排出量，控制空燃比使得該估算出的值成為目標(biāo)狀態(tài)。該模型根據(jù)考慮特定成分的質(zhì)量平衡而確定。
文檔編號F01N11/00GK1936293SQ20061012908
公開日2007年3月28日 申請日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月18日
發(fā)明者永井俊成, 片山章弘, 加藤直人, 黑田幸男, 久世泰廣, 沢田裕, 內(nèi)田孝宏, 馬場直樹, 小島晉爾 申請人:豐田自動車株式會社