发动机的废气排放控制.pdf

具体实施方式

参照附图的图1，发动机1在进气通道8中设有进气节流阀5，并在
进气歧管8A的每个支路中设有燃油喷射器7，歧管8A将进气通道8与
发动机1的燃烧室1A相连。

燃油注射器7响应来自控制单元2的脉冲信号将燃油喷射到进气歧
管8A内的进气内。催化转换器10设置在发动机1的排气通道9内。在
催化转换器10中贮藏了三元催化剂。三元催化剂是本领域公知的催化剂，
它能同时进行废气中HC和CO的氧化和NO_x的还原。

当发动机1燃烧/排放具有化学计量空燃比的燃油混合物时，该类催
化剂能显现出最大转换效率。

信号分别从以下传感器输入控制单元2：检测发动机1转速的曲柄转
角传感器4、检测发动机1进气量的气流计6、检测发动机1冷却水温度
的水温传感器11和检测催化转换器10中催化剂温度的催化剂温度传感
器12。

从上游的所谓“通用”排气含氧传感器3输入表示废气中氧浓度的
电压信号VFAF，所述排气含氧传感器3设置在催化转换器10上游的排
放通道9内。也从下游氧传感器13输入电压信号VRO2，所述下游氧传
感器13设置在催化转换器10下游的排放通道9内。

通用排气含氧传感器3是这样一种传感器：它输出随废气中的氧浓
度成比例变化的信号VFAF，并能检测和表示宽范围的氧浓度。应当注
意的是，从通用排气含氧传感器3输入的信号VFAF用较低的值表示低
氧浓度，用较高的值表示高氧浓度。

另一方面，下游氧传感器13是不太贵的传感器，它能强烈地(或不
成比例地)响应氧浓度的变化，并能显示在跨越化学计量比空燃混合物
的狭窄范围上急剧变化的输出。因此该类传感器适合于检测化学计量空
燃比的燃油混合物在发动机中燃烧时相对于现有废气中氧浓度较高或较
低的氧浓度之间的转换。从氧传感器13输入的信号VRO2是这样的：高
压信号代表排气中的高氧浓度，而低压输出表示低氧浓度。

此后与化学计量空燃比相对应的氧浓度称为化学计量氧浓度。

控制单元2根据这些输入信号计算基本燃油喷射量Tp，并通过加入
各类校正确定燃油喷射量Ti。将与燃油喷射量Ti对应的脉冲信号输出给
燃油注射器7。控制单元2包括微处理器，微处理器设有中央处理器
(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)和输出接口(I/O
接口)。

催化转换器10中贮藏的三元催化剂包括诸如铂、铑或钯的贵金属和
诸如氧化铈、钡或碱金属的氧存储材料。贵金属和氧存储材料以涂覆形
式设置到基板上。贵金属和氧存储材料都具有氧存储能力，当发动机废
气中的氧浓度升高到高于化学计量氧浓度以上时，这些贵金属和氧存储
材料都能存储氧。当废气中的氧浓度比化学计量浓度低时，被存储的氧
就释放出来。通过这种方式能将包围催化剂的气体环境保持为或接近化
学计量氧浓度，从而促进了HC和NO_x成分的高效氧化和还原。

应当注意的是，贵金属吸收的氧能快速地吸收和释放，因此将它们
称为高速氧成分。另一方面，氧存储材料中存储的氧会比较缓慢地存储
和释放。将其称为低速氧成分。另外，在吸收过程中，贵金属优先吸收
氧，直到贵金属被饱和而不能吸收任何氧为止低速成分才开始被存储到
氧存储材料中。

然而释放特性与吸收过程的不同之处在于：直到达到两种不同材料
中含氧量的预定比，贵金属才倾向于迅速地释放氧。然而，在达到两种
存储材料中存储的氧量的预定平衡后，从贵金属和氧存储材料释放的速
率显示出基本上呈线性的特性。随着公开的进行，这些因素的细节将变
得更容易被理解。
第一实施例

用以下公式表示三元催化剂的氧存储能力：

氧存储量＝∑{废气量×(催化剂上游的过量/不足氧浓度-催化剂
下游的过量/不足氧浓度)}……(1)

将过量/不足氧浓度定义如下。

在将化学计量氧浓度作为值为零的参考值情况下，当废气中的氧浓
度高于参考值时用正百分比表示氧浓度的过量/不足比率，而当其低于参
考值时用负百分比表示氧浓度的过量/不足比率。由此，如图4所示，当
供应给发动机1的燃油混合物的空燃比为富油态时，也就是说，当燃油
混合物的燃油含量高于与化学计量空燃比相对应的含量时，废气的过量/
不足氧浓度为负值。

相反地，当供应给发动机1的燃油混合物的空燃比为贫油态，即当
燃油混合物的燃油含量低于与化学计量空燃比相对应的含量时，废气的
过量/不足氧浓度为正值。

控制单元2根据通用排气含氧传感器3的输出反馈控制燃油混合物
的空燃比，以便使废气的平均氧浓度与化学计量氧浓度一致。在以下描
述中，该空燃比控制被称为兰姆达(λ)控制。

兰姆达(λ)控制有助于使催化剂下游的废气氧浓度维持化学计量
浓度，并能使废气的过量/不足氧浓度呈现零值。

通过公式(2)表示该状态下三元催化剂的氧存储量。

氧存储量＝∑{废气量×催化剂上游的过量/不足氧浓度}……(2)

当供应给发动机1的燃油混合物从空燃比为13的富油混合物转换为
空燃比为16的贫油空燃比混合物时，测量催化剂下游和上游的氧浓度。
这些测量结果示于图2中。图中的纵轴表示换算成燃油混合物空燃比的
氧浓度值。

在区域A中，所有流入催化转换器的过量氧存储在催化剂(作为高
速成分)中，结果，即使当催化剂上游的氧浓度很高时(如曲线F-A/F
所示)，催化剂下游的氧浓度也维持为化学计量值(如曲线R-F/A所示)。

相反，在区域B中，催化剂不能再十分迅速地存储可得的氧，由此
所有流入催化转换器的过量氧不再被吸收，从而使催化剂下游的氧浓度
变得比化学计量值高一个过剩量。

应当注意的是，即使当催化剂下游的氧浓度高于化学计量值时，催
化剂也继续存储氧或诸如氧化氮(NO)的氧化物。然而在速度上该氧存
储要慢于A区域中进行的氧存储。

假设A和B区域中发生快速和缓慢存储的原因是由以下原因导致
的：虽然催化剂中包含的贵重/贵金属能物理地吸收氧，也就是说以分子
状态吸收氧，但氧存储材料通过化学键以化合物方式吸收氧。可以认为
由于这些区别导致了氧存储速度上的差别。

由此，在图2中，可以将催化剂下游的氧浓度从化学计量值开始增
加时的催化剂氧存储量认为是催化剂贵金属的氧存储量，并将此后的催
化剂氧存储量认为是氧存储材料的氧存储量。

然而，这两个成分的存储量总和受氧存储材料较慢的吸收速度的影
响。由于氧存储材料的氧存储量的变化，因此需要大量时间来控制废气
中的平均氧浓度。正如可以理解的，如果使空燃比维持贫油或富油水平
很长一段时间以有助于低速成分，则减少废气有毒成分方面的控制效率
将受到不利影响。因此，尽管氧吸收材料能比贵金属存储更多的氧，但
基本控制要以快速成分或以被催化剂的贵金属部分吸收或释放的氧量为
中心。

本发明的废气排放控制器的控制单元2执行以下的燃油混合物空燃
比控制。当催化转换器10的下游废气氧浓度值近似等于化学计量值时，
根据催化转接器10上游单位时间内的过量/不足氧浓度计算催化剂中贵金
属的氧存储量(快速成分)。当确立了预定控制条件时，控制供应给发
动机1的燃油混合物的空燃比，使催化剂中贵金属的氧存储量与仅相对
于催化剂中贵金属的氧存储量设定的目标值一致。通过将达到催化剂中
贵金属的目标氧存储量的校正系数引入兰姆达(λ)控制来实现该控制。
特别是，由下面的公式(3)计算兰姆达(λ)控制过程中的燃油注射量
Ti。

Ti＝Tp×TFBYA×α×H×2+Ts……(3)

其中，Tp＝基本注射量，

TFBYA＝与目标空燃比的倒数对应的目标当量比，

α＝空燃比反馈校正系数，

H＝为达到催化剂中贵金属的目标氧存储量的校正参数，以及

Ts＝无效注射量

将燃油注射量Ti、基本注射量Tp和无效注射量Ts都生成为由控制
单元2向燃油注射器7输出的脉冲信号的脉冲宽度。

上述公式中除校正系数H外的每个量的系数都是公知的，例如美国
专利5529043中就公开了这些系数。

现在参照图3详细描述该控制程序中由控制单元2执行的校正系数
H的计算程序。例如，以10微秒的时间间隔执行该程序。

在步骤S1中，根据由温度传感器11传感的发动机冷却液温度或可
选择地通过温度传感器11直接测量的催化剂材料的温度测量值导出的估
算值，判断催化转换器10中的三元催化剂是否已变得有活性。如果三元
催化剂没有活性，则由于不能利用催化剂的氧存储功能而立即终止程序。

当在步骤S2中确定催化剂有活性后，程序根据从催化转换器10上
游的通用排气含氧传感器3输入的信号VFAF计算废气中存在的过量/不
足氧浓度FO₂。

通过查看图5所示的表格进行计算，所述表格提前被存储在控制单
元2的存储器中，它以数字值的形式表示图4所示的过量/不足氧浓度的
特性。在图5中，由供应给发动机1的对应燃油混合物空燃比表示氧浓
度。

由于燃烧燃油混合物的空燃比范围是公知的，因此可将通用排气含
氧传感器3的测量范围设定为与该范围相等。当切断向发动机1的燃油
供应时，例如这可在某种减速模式下发生，废气中的氧浓度就会落在测
量范围之外。实际上可以理解的是，当确定氧浓度落在测量范围之外时，
事实上已经切断了燃油供应。如图4所示，该情况下的过量/不足氧浓度
FO₂计为+20.9％。

下面，在步骤S3中，将从催化剂下游的氧传感器13输入的信号VRO2
与化学计量氧浓度作比较。当用信号VRO2表示的氧浓度低于化学计量
氧浓度时，催化剂中贵金属的高速氧存储量表示为零。

在该情况下，程序进行到步骤S4，将催化剂中贵金属的氧存储量
HOSC_n重新设为零。此后，程序进行到步骤S7。术语HOSC_n是由当前
时刻的程序计算出的值，术语HOSC_n-1是由前一时刻的程序计算出的值。

另一方面，在步骤S3中，当用信号VRO2表示的氧浓度高于或等于
化学计量氧浓度时，程序进行到步骤S5，在此判断由VRO2表示的氧浓
度是否高于化学计量氧浓度。当用信号VRO2表示的氧浓度不高于化学
计量氧浓度时，与步骤S3中判断结果的关系表示催化剂的气体环境维持
在化学计量氧浓度，并表示催化剂正为催化转换器10上游的氧浓度变化
进行补偿。在该情况下，程序进行到步骤S6。当步骤S5中由信号VRO2
表示的氧浓度高于化学计量氧浓度时，程序进行到步骤S7。

当程序进行到步骤S6时，有时是不执行兰姆达(λ)控制的情况。

在步骤S6中，由以下公式(4)计算催化剂中贵金属的氧存储量
HOSCO_n。

HOSCO_n＝HOSCO_n-1×a×FO2×Q×t……(4)

其中，HOSCO_n＝在执行前一时刻程序得到的HOSCO_n值，

a＝确定氧存储或氧释放速度的常数，它也包含单位换算值，

FO2＝过量/不足的氧浓度，

Q＝废气流量，以及

t＝程序的执行时间间隔(例如10微秒)。

可用通过气流计6检测的吸入气体流量代替废气流量Q。

上述公式(4)中的值FO2×Q×t是每个程序执行时间间隔的过量/
不足氧浓度。通过乘以常数a计算执行前一程序后已由催化剂贵金属存
储或已由催化剂贵金属释放的高速氧量，所述常数a用每个程序执行时
间间隔内的过量/不足氧浓度确定氧释放和氧吸收速度。通过将该计算结
果加到执行程序的前一时刻得到的氧存储量HOSCO_n-1上来计算催化剂
贵金属的当前氧存储量。

应当注意的是，当催化转换器10上游的氧浓度高于化学计量氧浓度
时，供应给发动机1的燃油混合物的空燃比是贫油的。在该情况下，公
式(4)的第二项将执行程序的前一时刻后催化剂贵金属中存储的氧量确
定为正值。当催化转换器10上游的氧浓度低于化学计量氧浓度时，供应
给发动机1的燃油混合物的空燃比是富油的。在该情况下，公式(4)中
的第二项将执行程序的前一时刻后催化剂贵金属中释放的氧量确定为负
值。

在完成步骤S6的计算后，程序进行到步骤S7，在此判断是否实施兰
姆达(λ)控制。

仅当通用排气含氧传感器3起作用时才进行兰姆达(λ)控制。此
外，当切断向发动机1的燃油供应或当发动机在高负载条件下运行时，
不实施兰姆达(λ)控制。

当在步骤S8到S12中实施兰姆达(λ)控制时，程序执行对校正系
数H的计算。当不实施兰姆达(λ)控制时，不进行校正系数H的计算，
同时终止程序。

换句话说，当催化转换器中的三元催化剂有活性时通常计算催化剂
中贵金属的氧存储量HOSC_n。相反，将为使氧存储量HOSC_n与目标值
一致而对空燃比实施的反馈控制限于进行兰姆达(λ)控制的情况。可
通过公知的各种比例-积分-微分控制实施反馈控制。在步骤S8中，由
公式(5)计算氧存储量HOSC_n与氧存储量的目标值之间的差值HOSCs_n。

HOSCs_n＝HOSC_n-HOSC_y×1/2………(5)

其中，HOSC_y＝催化剂中贵金属的氧存储能力。

从等式(5)可以看出，将目标值设定为催化剂中贵金属氧存储能力
HOSC_y的1/2。通过后面将描述的图6所示的程序计算氧存储能力
HOSC_y。

接着是步骤S9，由公式(6)计算反馈校正量的比例因子Hp。

Hp＝比例增益×HOSCs_n……(6)

在步骤S10中，由公式(7)计算反馈校正量的积分因子Hi。

Hi＝积分增益×∑HOSCs_n……(7)

在步骤S11中，由等式(8)计算反馈校正量的微分因子Hd。

Hd＝微分增益×(HOSCs_n-HOSCs_n-1)/t………(8)

其中，t＝程序执行时间间隔(＝10微秒)

在步骤S12中，将比例因子Hp、积分因子Hi和微分因子Hd的总
和设定为校正系数H，程序终止。

控制单元2通过公式(3)利用校正系数H计算发动机1的燃油注射
量Ti，并将相应的脉冲信号输出给燃油注射器7。

通过上述方式仅计算由催化剂中贵金属导致的氧存储量，并控制空
燃比，以便使计算值与催化剂中贵金属氧存储量的目标值一致。

因此，氧存储量在短时间内集中于目标值。此外，依照该实施例，
可以忽略氧存储材料的影响，该氧存储材料不会有助于催化剂气体环境
的短期变化。由于将氧存储量的目标值设定为催化剂中贵金属氧存储能
力的1/2，就不可能发生实际氧存储量中的过量或不足，并且总能将催化
剂对废气中有毒/有害成分的转换效能维持在最佳水平。

下面设定对氧存储能力HOSC_y的计算。

根据对本实施例的发展中进行的研究，由于通用排气含氧传感器3
或氧传感器13性能上的偏差会产生以下现象。

即使当催化转换器10下游废气中的氧浓度近似等于化学计量氧浓度
时，催化转换器10的上游废气中氧浓度低于化学计量氧浓度的持续阶段
不总是等于催化转换器10的上游废气氧浓度高于化学计量氧浓度的持续
阶段。

参照图7A和7B，即使在兰姆达(λ)控制下的稳恒状态中，由催
化转换器10下游的下游氧传感器13输入的信号VRO2也不是连续变化
的。当VRO2小于贫油限制电平LSL时，可以判定催化转换器10的下
游氧浓度高于化学计量浓度。当VRO2高于富油限制电平RSL时，可判
定催化转换器10的下游氧浓度低于化学计量浓度。正如前面所描述的，
信号VRO2用高值表示低氧浓度，用低值表示高氧浓度。

当VRO2介于限制电平LSL和RSL之间时，也就是说例如在时间
间隔t1-t2与时间间隔t3-t4之间时，可以判定催化转换器10的下游废气
氧浓度的值近似等于化学计量浓度。此后将介于限制电平LSL与RSL之
间的氧浓度区域称为化学计量范围。

在时间间隔t1-t2与时间间隔t3-t4之间，虽然催化转换器10的下游
氧浓度在化学计量范围内，但在时间间隔t1-t2和时间间隔t3-t4中催化
转换器10的上游氧浓度也是不同的。催化转换器10的上游氧浓度低于
时间间隔t1-t2内的化学计量氧浓度，即供应给发动机1的燃油混合物的
空燃比是富油的。另一方面，氧浓度高于时间间隔t3-t4内的化学计量氧
浓度，即供应给发动机1的燃油混合物的空燃比是贫油的。

因此，可将催化转换器10的下游氧浓度变得低于LSL时的催化剂
中贵金属的氧存储量计为贵金属的氧存储能力HOSC_y，将该氧存储能力
值的一半作为目标值。然而在该情况下，目标值受通用排气含氧传感器3
或氧传感器13的性能偏差影响。

在附图中，时间间隔t3-t4要长于时间间隔t1-t2。因此，贫油混合物
的时间间隔要长于实际时间间隔，该时间间隔中计算出的最大氧存储量
值大于实际值。结果，氧存储量的目标值会设定得高于正确值。相反地，
由于氧传感器性能上的偏差时间间隔t3-t4可能会短于时间间隔t1-t2。在
该情况下，氧存储量的目标值会设定得小于原本值。

为了消除该误差，根据本发明的废气排放控制装置的控制单元2通
过以下方式设定氧存储量的目标值。

首先，当催化转换器10下游废气中氧浓度的值近似等于化学计量氧
浓度、同时将贫油混合物供应给发动机1时，由信号VFAF计算催化剂
中贵金属的最大氧存储量LMAX。另一方面，当催化转换器10下游废气
中的氧浓度值近似等于化学计量氧浓度、同时将富油混合物供应给发动
机1时，由信号VFAF计算催化剂中贵金属的最大氧释放量RMAX。将
最大氧存储量LMAX和最大氧释放量RMAX的平均值设为氧存储能力
HOSC_y。

现在参照图6，下面将描述由控制单元2执行的催化剂中贵金属氧存
储能力HOSC_y的计算程序。以10微秒的时间间隔执行该程序。

在步骤S21中，以与图3中步骤S2相同的方式计算废气的过量/不
足氧浓度FO2。在下面的步骤S22中判断是否形成了计算催化剂中贵金
属的氧存储能力HOSC_y的条件。该判断可根据对由图8所示程序确定的
许可标志的判定来完成。当许可标志值为1时程序进行到步骤S23。当许
可标志值为零时，程序立即终止。

在标志S23-S27中，将从氧传感器13输入的信号VRO2与限制电
平RSL和限制电平LSL作比较。此外确定信号VRO2是否符合以下5
种情况中的任何一个。

当信号VRO2在化学计量范围内且贫油混合物供应给发动机1时；

当信号VRO2在化学计量范围内且富油混合物供应给发动机1时；

当信号VRO2变得低于限制电平LSL时；

当信号VRO2变得大于限制电平RSL时；以及

其它情况(包括信号VRO2的输出变得低于限制电平RSL时的情况
和信号VRO2变得大于限制电平LSL时的情况)。

再次参照图7A和7B，例如，情况(1)对应于时间间隔t3-t4，情
况(2)对应于时间间隔t1-t2。例如，情况(3)对应于时间t4，情况(4)
对应于时间t2，情况(5)对应于时间t1和时间t3。

再回来参照图6，在情况(1)中，程序通过步骤S23、S24和S25
进行到步骤S29。在步骤S29中，利用与公式(4)对应的公式(9)计算
催化剂中贵金属的特定阶段的氧存储量HOSCL_n。此后终止程序。

HOSCL_n＝HOSCL_n-1×aL×FO2×Q×t……(9)

其中，HOSCL_n-1＝由前一时刻程序计算的特定阶段的氧存储量

aL＝包含单位换算值的正的常数

FO2＝过量/不足氧浓度

Q＝废气流量(可用吸入空气流量代替)，以及

t＝程序执行时间间隔(10微秒)

将常数aL设定成等于公式(4)中的常数a。

在情况(2)中，程序通过步骤S23、S24和S25进行到步骤S28。

在步骤S28中，利用公式(10)计算催化剂中贵金属的特定阶段的
氧释放量HOSCR_n，所述公式(10)与公式(4)对应。然后程序终止。

HOSCR_n＝HOSCR_n-1×aR×FO2×Q×t………(10)

其中，HOSCR_n-1＝利用前一时刻中的程序计算特定阶段的氧释放
量，

aR＝包括单位换算值的正的常数

FO2＝过量/不足的氧浓度

Q＝废气流量(可用吸入的空气流量代替)，以及

t＝程序执行时间间隔(10微秒)

将常数aR设定为等于公式(9)中的常数aL。

在情况(3)中，程序通过步骤S23、S24和步骤S27进行到步骤S32。

在步骤S32中，将催化剂中贵金属的特定阶段的氧存储量HOSCL_n
存为最大催化剂存储量LMAX。然后在步骤S33中，将催化剂中特定阶
段的贵金属氧存储量HOSCL_n重设为零，然后程序进行到步骤S34。

在情况(4)中，程序通过步骤S23和步骤S26进行到步骤S30。在
步骤S30中，将催化剂中贵金属的特定阶段的氧释放量HOSCR_n存为最
大催化剂释放量RMAX。然后在步骤S31中，将催化剂中贵金属的特定
阶段的氧释放量HOSCR_n重设为零，然后程序进行到步骤S34。

在步骤S34中利用公式(11)计算最大催化剂存储量LAMX和最大
催化剂释放量RMAX的存储值的平均值AVE。

AVE＝(LMAX+RMAX)/2…………(11)

另外，为了抑制平均值AVE的变化，在后面的步骤S35中利用公式
(12)计算平均值AVE的加权平均值RAVE_n。

RAVE_n＝AVE×G+RAVE_n-1×(1-G)…………(12)

其中，RAVE_n-1＝在前一时刻的程序中计算的加权平均值，以及

G＝加权平均系数。

在接下来的步骤S36中，将催化剂中贵金属的氧存储能力HOSC_y设
定为等于加权平均值RAVE_n。

在情况(5)中，如果步骤S26中的判断或步骤S27中的判断为否定，
程序就立即终止。催化剂中贵金属的氧存储能力HOSC_y存储在控制单元
2中的存储器(RAM)中，在图3所示程序中的步骤S8中会用到氧存储
能力HOSC_y。

通过该方式，废气排放控制装置校正了通用供气氧传感器3和氧传
感器13的性能偏差，并降低了由于该性能上的偏差导致的对氧存储量目
标值的影响。由此，就可以提高对发动机1空燃比的控制精度。

参照图8描述了由控制单元2执行的、用以判断用于计算催化剂中
贵金属氧存储能力HOSC_y的条件的程序。利用该程序中设定的计算许可
标志来判断图6中的步骤S22。该程序以10微秒的时间间隔执行。

在步骤S41中，判断发动机1的转速是否符合中等转速范围，即，
既不会与低转速区也不会与高转速区相符。在步骤S42中，判断发动机1
上的负载是否与适当范围相符，即，既不与低负载区也不与高负载区相
符。在步骤S43中，利用水温传感器11确定发动机是否完成了从发动机
1的冷却水温度的预热。在步骤S44中，判断空燃比反馈校正系数阿尔法
中的变化是否在正常范围内。在步骤S45中，判断由催化剂温度传感器12
检测的催化剂温度TCAT(例如300℃)是否高于或等于预定温度。在步
骤S46中，判断通用排气含氧传感器3的信号VFAF的偏差校正出现率
是否少于预定次数。

当完全满足了步骤S41到S46中的判断条件时，程序将步骤S47中
的计算许可标志设定为满足氧存储能力HOSC_y计算条件的值“1”，并
终止程序。当不能满足步骤S41到S46中的任何条件时，在步骤S48中
程序将计算许可标志重设为零值，然后程序终止。

当催化剂没有活性时(即，低于其活化温度)，很难判断/判定氧从
催化剂中释放出来或氧存储到催化剂中。从而，就不可能正确计算催化
剂中贵金属的氧存储能力HOSC_y，即使采样到了氧存储量的最大值
LMAX或氧释放量的最大值RMAX也是如此。仅当形成了步骤S41-S46
中的条件时才允许计算氧存储能力HOSC_y，以此来消除氧存储能力
HOSC_y中的偏差。

下面，将参照图9A和9B描述在步骤S46中判定的通用排气含氧传
感器3的输出的偏差校正出现率。

即使在兰姆达(λ)控制的情况下，由通用排气含氧传感器3输入
的信号VFAF也会发生偏差。在该情况下，由氧传感器13输入的信号
VRO2显示出变化到正常范围外的情况。当信号VFAF发生象氧浓度降
低那样的偏差时，兰姆达(λ)控制就倾向于提高供给发动机1的燃油
混合物的空燃比，由此会使信号VRO2的取值高于或等于该图中由曲线
1或曲线3表示的预定值C。相反地，当信号VFAF发生象氧浓度增加
那样的偏移时，兰姆达(λ)控制倾向于降低供给发动机1的燃油混合
物的空燃比，从而使信号VRO2的取值低于或等于该图中由曲线2和曲
线4表示的预定值D。通过这种方式会对基于传感器13的输出对催化剂
气体环境测量的精度产生不利影响。

为了消除这种不利影响，控制单元2会确定通用排气含氧传感器3
的输出中是否会存在偏差，当存在偏差时，将偏差校正加到由通用排气
含氧传感器3输入的信号VFAF中。

参照图10来描述由控制单元2执行的偏差校正程序。该程序以10
微秒的时间间隔执行。

在步骤S51中，读取由氧传感器13输入的信号VRO2和由通用排气
含氧传感器3输入的信号VFAF。

在下面的步骤S52中，判断在VRO2的取值高于预定值C后是否经
过了预定时间。当该条件形成后，判断在信号VFAF中沿氧浓度增加方
向发生了偏差。在该情况下，在步骤S53中，将从信号VFAF减去预定
校正量得到的值重设为信号VFAF。正如早先所描述的，信号VFAF用
较低值表示较低氧浓度，用较高值表示较高氧浓度。当信号VFAF变小
时，兰姆达(λ)控制倾向于提高供给发动机1的燃油混合物的空燃比。
结果，使信号VRO2回到化学计量范围内。

接着在步骤S54中，增加偏差校正出现率计数CNT1，并终止程序。
启动发动机1时将偏差校正出现率计数CNT1值初始设定为零。

当未形成步骤S52中的条件时，程序进行到步骤S55，在此判断在
输出VRO2的取值小于预定值D后是否经过了预定时间。当该条件形成
时，判断在信号VFAF中沿氧浓度降低的方向出现偏差。在该情况下，
在步骤S56中，将把预定校正量加到VFAF上得到的值重设为信号
VFAF。接着在步骤S57中，增加偏差校正出现率计数CNT2，并终止程
序。当启动发动机1时一开始就将偏差校正转动出现率CNT2设定为零
值。将计数值CNT1和CNT2存储在控制单元2的存储器(RAM)中。

在图8所述的计算条件判定程序中，在步骤S46中判断两个计数值
CNT1和CNT2是否都小于预定数。如果在步骤S48中任何一个值大于
或等于预定数，则将计算许可标志重新设定为零值。图10所示的偏差校
正程序不仅用于校正通用排气含氧传感器3的输出偏差，也可用于获得
为判断是否形成了催化剂中贵金属氧存储能力HOSC_y的计算条件的数
据。

当频繁执行通用排气含氧传感器3的输出偏差校正时，就存在这样
一种可能：通用排气含氧传感器3将显现出某种类型的性能故障。在这
样的条件下，就可能通过阻止在该条件下计算催化剂中贵金属的氧存储
量来消除计算氧存储能力HOSC_y的过程中发生的偏差。

正如该实施例所示的，当废气空燃比几乎是催化剂下游的化学计量
值且比催化剂上游的化学计量值更富油时，通过将周期(即FO2×Q×t)
中的不足氧量与常数aR相乘来计算在一个计算周期(例如10微秒)中
从催化剂释放出来的氧释放量，其表示催化剂中存储的氧释放速率
(S28)。另外，当废气空燃比几乎是催化剂下游的化学计量值且为催化
剂上游化学计量的贫油值时，通过将周期中的过量氧量(即FO2×Q×t)
与常数aL相乘来计算在一个计算周期(例如10微秒)中由催化剂存储
的氧存储量，其表示流入催化剂的氧存储速率(S29)。

然而，为了减少计算，可将这两个值(一个计算周期中从催化剂释
放的氧释放量和一个计算周期中由催化剂存储的氧存储量)择一地设定
为固定值，使两个值彼此相等。这意味着将步骤S28中的值“aR×FO2
×Q×t”和步骤S29中的值“aL×FO2×Q×t”设定为相等的固定值，
这两个值如图6所示。

通常，可用以下两个时间段时间长度之差简单表示通用排气含氧传
感器和O2传感器的输出偏差、空燃比控制的误差量：一个阶段是废气空
燃比几乎是催化剂下游的化学计量值和催化剂上游化学计量值的富油值
(例如图7A所示的从t1到t2的阶段)的阶段，另一个阶段是废气空燃
比几乎是催化剂下游的化学计量值和催化剂化学计量上游的贫油值(例
如图7A所示的t3到t4的阶段)的阶段。由此，当它精确到能够仅通过
利用这些时间长度计算RMAX和LMAX时，一个计算周期中从催化剂
释放的氧释放量和一个计算周期中由催化剂存储的氧存储量可以刚好是
相同的固定值。当然为了提高精度可根据实验结果适当地调整这些固定
值。

图7B是利用上面可选择的描述内容的情况下的HOSCR_n和HOSCL_n
转换。正如该图中所示的，HOSCR_n和HOSCL_n可以相同且以恒定速率
增加。可以理解的是，由于从t3到t4的时间长度要长于从t1到t2的时
间长度，因此LMAX大于RMAX。

在图8所示的计算条件的判定程序中，在该实施例中当发动机的运
行进入预定的发动机高速区、发动机低速区、发动机高负载区、发动机
低负载区中的任何一个时不允许计算氧存储能力HOSC_y。然而，如果想
要，也可以计算这些运行条件下的氧存储能力HOSC_y。当发动机完成预
热前利用催化剂在低温条件下起作用时，在发动机完成预热前可允许计
算氧存储能力HOSC_y。

在步骤S46中，不用判断偏差出现率是否低于预定次数，而是当然
可以将校正值的积分值与预定值作比较，从而能得到相同结果。

为了计算氧存储能力HOSC_y，必需采样催化剂中贵金属的氧存储量
最大值LMAX和氧释放量最大值RMAX。然而，有时会出现这样的情
况：氧传感器13的输出始终处于限制电平LSL和RSL之间。因此，为
了计算氧存储能力HOSC_y，必需强行使供给发动机1的燃油化合物的空
燃比变成富油态或贫油态。

在日本专利局于1997年出版的Tokkai平9-222010中公开了一种
强行使供给发动机1的燃油混合物的空燃比成为富油态或贫油态的方法。
该文件中公开的装置是这样的：该装置判断构成部分废气净化系统的催
化剂是否有活性。依照该判断结果在催化剂有活性前将空燃比交替地从
富油转变为贫油。依照催化剂从氧存储能力确定转变幅度的大小。

该装置能通过监控频率容易地适于满足上述要求，随着频率变化限
制电平LSL和RSL增加，一旦频率下降到预定数值以下，该装置就引入
贫油混合物，直至检测到饱和，继之以富油混合物，直至检测到耗尽。
利用该设置，可导出并利用所需的平均值，由该平均值设定目标值。
第二实施例

在该第二实施例中，正如上面所间接提到的，认为催化剂10的氧存
储量分成了高速成分(数量)HOSC_n和低速成分(数量)LOSC_n，其中
所述高速成分由催化剂中的贵金属(Pt，Rh，Pd)存储和释放，而所述低
速成分由催化剂10中的氧存储材料存储和释放。低速成分LOSC_n代表
了比高速成分HOSC_n的氧量大的存储与释放量，但由于上面所间接指出
的原因，其存储/释放速率要低于高速成分HOSC_n的存储/释放速率。

另外，该高速成分HOSC_n和低速成分LOSC_n具有的特性模拟如下：

-在存储氧时，氧优先地存储为高速成分HOSC_n，仅当高速成分
HOSC_n达到最大容量HOSC_nMAX(比较前述的HOSC_y)且氧再也不能
存储为高速成分HOSC_n时，氧开始存储为低速成分LOSC_n。

-在释放氧时，低速成分LOSC_n与高速成分HOSC_n的比值
(LOSC_yn/HOSC_n)低于预定值，即，当高速成分相对大一些时，氧优
先从高速成分HOSC_n中释放出来。当低速成分LOSC_n与高速成分HOSC_n
的比值大于预定值时，氧既从高速成分HOSC_n释放出来，又从低速成分
LOSC_n中释放出来，于是低速成分LOSC_n对高速成分HOSC_n的比值不
会改变。

图11表示催化剂的氧存储/释放特性。纵轴表示高速成分HOSC_n(贵
金属中存储的氧量)，而横轴表示低速成分LOSC_n(氧存储材料中存储
的氧)。

在正常运行条件下，如图11中的箭头A₁所示，低速成分LOSC_n几
乎为零，仅有高速成分HOSC_n随流入催化剂的废气的空燃比变化。例如，
通常可将高速成分控制为最大容量的一半。

然而，当执行发动机的“停止供应燃油”时，或当从预热状态重新
启动(热再启动)发动机时，高速成分HOSC_n达到最大值，然后氧被存
储为低速成分LOSC_n(见图11中的箭头A₂)。氧存储量从点X₁变化到
点X₂。

当氧在点X₂处释放时，氧优先以高速成分HOSC_n的形式释放。当
低速成分LOSC_n对高速成分HOSC_n的比值(即LOSC_n/HOSC_n)达到
预定值(图11中的X₃)时，氧以高速和低速成分LOSC_n、HOSC_n的
形式通过低速成分对高速成分比值不变的方式既从贵金属中又从氧存储
材料中释放出来。也就是说，氧沿直线轨迹L释放。在该例子中，轨迹
L描述了这样一种情况：低速成分对高速成分的比值为5～15(优选为
10)：1。

控制器2根据空气流量计6、前端A/F传感器3和冷却水温度传感
器11的输出计算催化剂10的氧存储量(高速成分HOSC_n和低速成分
LOSC_n)。

当计算出的氧存储量的高速成分HOSC_n高于预定值，例如为高速成
分最大容量HOSC_nMAX的一半时，控制器6使发动机1的空燃比成为
富油，由此，使流入催化剂10的废气的空燃比成为富油的，同时减少了
高速成分HOSC_n。相反地，当高速成分HOSC_n低于预定值时，控制器6
使发动机1的空燃比成为贫油的，由此，使流入催化剂10的废气的空燃
比成为贫油的，同时增加了高速成分HOSC_n。

由于计算误差，计算出的氧存储量与实际氧存储量之间可能会出现
差异。在该情况下，控制器6根据催化剂10下游废气的空燃比重新设定
具有预定定时的氧存储量的计算值，并校正与实际氧存储量的差异值。

具体地，当根据后部氧传感器5的输出判定催化剂10下游的空燃比
为贫油态时，就判定至少有高速成分HOSC_n达到了最大值。在该情况下，
将高速成分HOSC_n重新设定为最大容量。当由后部氧传感器5确定催化
剂10下游的空燃比为富油态时，氧不再从高速成分HOSC_n或低速成分
LOSC_n释放出来。在该情况下，将高速成分HOSC_n和低速成分LOSC_n
重设为最小容量。

下面描述由控制器6执行的控制。

首先描述氧存储量的估算与计算，接着描述氧存储量计算值的重新
设定，最后是基于氧存储量对发动机1实施的空燃比控制。

图12表示用于计算或估算催化剂10的氧存储量的主程序。由控制
器6以预定时间间隔完成该计算。

依照该程序，首先在步骤S601中读取冷却水温度传感器10、曲柄角
传感器12和空气流量计9的输出，将其作为发动机1的运行参数。在步
骤S602中，根据这些参数估算催化剂10的温度TCAT。在步骤S603中，
通过将估算的催化剂温度TCAT与催化剂活化温度TACTo(例如300℃)
作比较，判断催化剂10是否已被活化。

当确定已经达到了催化剂的活化温度TCATo时，程序进行到步骤
S604，以计算催化剂10的氧存储量。当确定还未达到催化剂的活化温度
TCATo时，因为该情况下假设催化剂10还没有存储或释放氧，因此终
止程序进行。

在步骤S604中执行用于计算氧的过量/不足量O2IN的子程序(图
13)，并计算流入催化剂10的废气的氧过量/不足量。在步骤S605中，
执行用于计算氧存储量高速成分的氧释放速率A的子程序(图14)，并
计算高速成分的氧释放速率A。

接着在步骤S606中执行计算氧存储量的高速成分HOSC_n的子程序
(图15)。在该步骤中，根据氧的过量/不足量O2IN和高速成分的氧释
放速率A计算高速成分HOSC_n和过量流入低速成分LOSC_n而未被存储
为高速成分HOSC_n的氧量OVERFLOW。

在步骤S607中，根据溢出的氧量OVERFLOW判断流入催化剂10
的所有氧过量/不足量O2IN是否都已存储为高速成分HOSC_n。当所有的
氧过量/不足量O2IN都已存储为高速成分(即OVERFLOW＝0)时，
程序终止。否则，程序进行到步骤S608，在此执行用于计算低速成分
LOSC_n的子程序(图16)，并根据从高速成分HOSC_n溢出的溢出氧量
OVERFLOW计算低速成分LOSC_n。

在此，由发动机1的冷却水温度、发动机负载和发动机转速估算催
化剂温度TCAT。可选择地，也可以将温度传感器12与图1所示的催化
剂10一起使用，并直接测量催化剂10的温度。

当催化剂温度TCAT低于活化温度TCATo时，在4所描述的程序
中不计算氧存储量。可选择的是，可去掉步骤S603，以高速成分的氧释
放速率A或低速成分的氧存储/释放速率B反映催化剂温度TCAT的效
果，这将在后面描述。

下面将描述执行步骤S604到S606和步骤S608的子程序。图13表
示用于计算流入催化剂10的废气的过量/不足氧量O2IN的子程序。在该
子程序中，根据催化剂10上游废气的空燃比和发动机1的进气量计算流
入催化剂10的废气的过量/不足氧量O2IN。

首先，在步骤S711中读取前部A/F传感器3的输出和空气流量计6
的输出。

接着在步骤S712中，利用预定的换算表将前部A/F传感器3的输出
换算成流入催化剂10的废气的过量/不足氧浓度FO2。在此，过量/不足
氧浓度FO2是相对于化学计量空燃比氧浓度的相对浓度。如果废气的空
燃比等于化学计量空燃比，该浓度就为零，如果废气空燃比化学计量空
燃比更富油，则该浓度为负，如果废气空燃比化学计量空燃比更贫油，
则该浓度为正。

在步骤S713中，利用预定的换算表将空气流量计9的输出换算为进
气量(Q×t)，其中Q＝用进气流速表示的废气流速，t＝周期时间。在
步骤S714中，将进气量(Q×t)乘以过量/不足氧浓度FO2以计算流入
催化剂10的过量/不足氧量O2IN。

由于过量/不足氧浓度FO2具有上述特性，因此当流入催化剂10的
废气处于化学计量空燃比时，过量/不足氧量O2IN为零，当其是富油的
时，过量/不足氧量为负，而当其为贫油的时，该值为正。

图14表示用于计算氧存储量高速成分的氧释放速率A的子程序。在
该子程序中，假设高速成分HOSC_n的氧释放速率受到低速成分LOSC_n
的影响，考虑到低速成分LOSC_n计算高速成分的氧释放速率A。

首先，在步骤S821中，判断低速成分相对于高速成分的比值
LOSC_n/HOSC_n是否低于预定阈值AR(例如AR＝10)。当确定比值
LOSC_n/HOSC_n低于预定值AR时，即当高速成分HOSC_n与低速成分
LOSC_n相比相对较大时，程序进行到步骤S822，并将高速成分的氧释放
速率A设定为1.0，以表示氧仅从高速成分HOSC_n中释放出来的情况。

另一方面，当确定比值LOSC_n/HOSC_n不低于预定阈值AR时，氧
从高速成分HOSC_n和低速成分LOSC_n中释放出来，这样低速成分LOSC_n
对高速成分HOSC_n的比值不会变化。然后程序进行到步骤S823，计算
高速成分氧释放速率A的值，所述值不会引起比值LOSC_n/HOSC_n变化。

图15表示计算氧存储量高速成分HOSC_n的子程序。在该子程序中，
根据流入催化剂10的废气的过量/不足氧量O2IN和高速成分的氧释放速
率A计算高速成分HOSC_n。

首先，在步骤S931中根据氧过量/不足量O2IN判断高速成分HOSC_n
是否被存储或被释放。

当流入催化剂10的废气的空燃比为贫油态且由此氧过量/不足量
O2IN大于零时，就判定高速成分HOSC_n被存储。然后程序进行到步骤
S932，由下面的公式(13)计算或估算高速成分HOSC_n：

HOSC_n＝HOSCz+O2IN  ………(13)

其中：O2IN＝FO2×Q×t，

HOSCz＝紧接着前一时刻的高速成分HOSC_n的值。

因此，该情况下通过氧过量/不足量O2IN来增加高速成分HOSC_n。

另一方面，当确定氧过量/不足量O2IN小于零而释放高速成分时，
程序进行到步骤S933，由以下公式(14)计算高速成分HOSC_n：

HOSC_n＝HOSCz+O2IN×A………(14)

其中：A＝高速成分HOSC_n的氧释放速率。

在步骤S934和S935中，判断经计算的HOSC_n是否超过高速成分的
最大容量HOSC_nMAX，或计算的HOSC_n是否低于最小容量
HOSC_nMIN。

当高速成分HOSC_n高于最大容量HOSC_nMAX时，程序进行到步
骤S936，由下面的公式(15)计算流入催化剂而未被存储为高速成分
HOSC_n的溢出氧量(超出的量)OVERFLOW：

OVERFLOW＝HOSC_n-HOSC_nMAX………(15)

在该情况下，高速成分HOSC_n被限定于最大容量HOSC_nMAX。

当高速成分HOSC_n低于最小容量HOSC_nMN时，程序进行到步骤
S937，利用下面的公式(16)计算未被存储为部分高速成分HOSC_n的溢
出氧量(不足的量)OVERFLOW：

OVERFLOW＝HOSC_n-HOSC_nMIN………(16)

在该情况下，高速成分HOSC_n被限定于最小容量HOSC_nMIN。在
此，将零作为最小容量HOSC_nMIN，从而当所有高速成分HOSC_n释放
出来时将不足的氧量计算为负溢出氧量。

当高速成分HOSC_n位于最大容量HOSC_nMAX和最小容量HOSC_n
MIN之间时，将流入催化剂10的废气的氧过量/不足量O2IN全部存储
为高速成分HOSC_n，将零设定为溢出氧量OVERFLOW。

当高速成分HOSC_n高于最大容量HOSC_nMAX或小于最小容量
HOSC_nMIN时，将从高速成分HOSC_n溢出的溢出氧量OVERFLOW存
储为低速成分LOSC_n。

图16表示用于计算氧存储量的低速成分LOSC_n的子程序。在该子
程序中，根据从高速成分HOSC_n溢出的溢出氧量OVERFLOW计算低
速成分LOSC_n。

在步骤S1041中依照该子程序通过以下公式(17)计算低速成分
LOSC_n。

LOSCn＝LOSCz+OVERFLOW×B………(17)

其中，LOSCz＝低速成分LOSCn的紧邻前一值，以及

B＝低速成分的氧存储/释放速率。

在此，将低速成分的氧存储/释放速率设定为小于1的正值，但实际
上它具有存储与释放的不同特性。另外，实际存储/释放速率受到催化剂
温度TCAT和低速成分LOSCn的影响，从而将存储与释放速率设定得
能独立地变化。在该情况下，当溢出氧量OVERFLOW为正时，氧处于
过量状态，此时，例如将氧存储速率设定为这样一个值，该值越大，催
化剂温度TCAT越高，或低速成分LOSCn越小。此外，当溢出氧量
OVERFLOW为负时，氧是不足的，此时，例如将氧释放速率设定为这
样一个值，该值越大，催化剂温度TCAT越高，或低速成分LOSCn越
大。

在步骤S1042、S1043中，与计算高速成分HOSCn时的方式相同，
判断所计算的低速成分LOSCn是否超过了最大容量LOSCnMAX或低
于最小容量LOSCnMIN，例如零。

当超过最大容量LOSCnMAX时，程序进行到步骤S1044，由下面
的公式(18)计算从低速成分LOSCn溢出的氧过量/不足量O2OUT：

LOSCnOUT＝LOSCn-LOSCnMAX………(18)
低速成分LOSCn被限定为最大容量LOSCnMAX。氧的过量/不足量
O2OUT流出催化剂10的下游。

当低速成分LOSCn低于最小容量LOSCnMIN时，程序进行到步骤
S1045，而低速成分LOSCn被限制为最小容量LOSCnMIN。

下面描述由控制器6执行的氧存储量计算值的重设。通过在预定条
件下重设被计算或估算的氧存储量的值，可消除至此已累积的计算误差，
并提高氧存储量的计算精度。

图17表示用于判断重设条件的程序的详细内容。该程序判断重设氧
存储量(高速成分HOSCn和低速成分LOSCn)的条件能否保持催化剂
10下游确定的废气空燃比，并据此设定标志Frich和Flean。

首先，在步骤S1051中读取检测催化剂10下游的废气空燃比的后部
氧传感器5的输出。接着，在步骤S1502中将后部氧传感器的输出VRO2
与贫油判定阈值LSL作比较，然后在步骤S1503中将后部氧传感器的输
出VRO2与富油判定阈值RSL作比较。

作为这些比较结果，当后部传感器的输出VRO2小于贫油判定阈值
LSL时，程序进行到步骤S1054，将标志Flean设定为“1”，以此表示
保持了氧存储量的贫油重设条件。另一方面，当后部氧传感器的输出VRO2
超过富油判定阈值时，程序进行到步骤S1055，标志Frich设定为“1”，
以此表示保持了氧存储量的富油重设条件。

当后部传感器的输出VRO2位于贫油判定阈值LSL和富油判定阈值
RSL之间时，程序进行到步骤S1056，标志Flean和Frich被设定为“0”，
以此表示不能保持贫油重设条件和富油重设条件。

图18表示用于重设氧存储量的程序。根据图18，在步骤S1061、S1062
中，根据标志Flean和Frich的值的变化判断是否保持了贫油重设条件或
富油重设条件。

当Flean从“0”变为“1”时，就判定保持了贫油重设条件，程序
进行到步骤S1063，将氧存储量的高速成分HOSCn重设为最大容量
HOSCnMAX。此时，不进行低速成分LOSCn的重设。另一方面，当标
志Frich从“0”变到“1”时，就判定保持了富油重设条件，程序进行
到步骤S1064，分别将氧存储量的高速成分HOSCn和低速成分LOSCn
重设为最小容量HOSCnMIN和LOSCnMIN。

进行上述贫油重设条件重设的原因在于，低速成分LOSCn的氧存储
速率慢，如果高速成分HOSCn已达到最大容量，即使低速成分LOSCn
还未达到最大容量，氧也会溢流到催化剂的下游。在该情况下，催化剂
下游的废气空燃比变成贫油的，并假定至少高速成分HOSCn已经达到
最大容量。

当催化剂下游的废气空燃比变成富油状态，则氧不会从低速成分
LOSCn中释放出来。因此，在该情况下，因为没有氧释放出来，假定高
速成分HOSCn和低速成分LOSCn都在最小容量。

下面将描述由控制器6执行的空燃比控制(氧存储量的恒定控制)。

图19表示用于根据估算的或计算的氧存储量计算目标空燃比的程
序。

基于此，在步骤S1071中读取当前氧存储量的高速成分HOSCn。在
步骤S1072中计算当前高速成分HOSCn与高速成分的目标值TGHOSCn
之间的偏差DHOSCn(＝催化剂10所需的氧过量/不足量)。例如，将
高速成分的目标值TG HOSCn设定为高速成分最大容量HOSCnMAX
的一半。

在步骤S1073中，将计算出的偏差DHOSCn换算成空燃比的当量值，
并设定发动机1的目标空燃比T-A/F。

因此，依照该程序，当氧存储量的高速成分HOSCn低于目标量时，
将发动机1的目标空燃比设定为贫油状态，同时增加氧存储量的高速成
分HOSCn。另一方面，当高速成分HOSCn高于目标量时，将发动机1
的目标空燃比设为富油状态，同时减少氧存储量的高速成分HOSCn。以
这种方式能通过控制目标空燃比来控制高速成分。

下面描述由上述控制完成的整体操作。

在依照本发明的废气净化装置中，当发动机1启动时就开始计算催
化剂10的氧存储量，并控制发动机1的空燃比，以使催化剂10的氧存
储量保持不变，以便能维持催化剂的最大转化率。

根据流入催化剂10的被测空燃比和进气量估算催化剂10的氧存储
量，根据各成分的性质，将氧存储量的计算分为高速成分HOSCn的计
算和低速成分LOSCn的计算。

依照高速成分和低速成分特性的特有模式进行计算。准确地说，进
行计算时假定存储氧时优先存储高速成分HOSCn，而仅当氧不再作为高
速成分HOSCn被存储时才开始存储低速成分LOSCn。计算还假定，当
氧释放时，低速成分LOSCn与高速成分HOSCn的比值(LOSCn
/HOSCn)小于预定的阈值AR，氧优先从高速成分HOSCn中释放出来。
当比值LOSCn/HOSCn达到预定的阈值AR时，假定氧既从低速成分
LOSCn又从高速成分HOSCn中释放出来，以保持该比值LOSCn
/HOSCn恒定不变。

当计算出的氧存储量的高速成分HOSCn大于目标值时，控制器6
就通过将发动机1的空燃比控制为富油状态来减少高速成分，当氧存储
量的高速成分HOSCn低于目标值时，通过将空燃比控制为贫油状态来
增加高速成分HOSCn。

结果，将氧存储量的高速成分HOSCn控制为目标值。由此，即使
流入催化剂10的废气的空燃比从化学计量空燃比偏移时，也能立即将氧
存储为部分高速成分HOSCn或使氧立即从高速成分HOSCn中释放出
来，它具有高响应性。通过这种方式，能将催化剂的气氛校正成化学计
量空燃比，并能使催化剂10的转化率保持最大值。

如果计算误差累积，则计算出的氧存储量与实际氧存储量会发生偏
差。然而当催化剂10下游的废气变成富油或贫油状态时，可以重设氧存
储量(高速成分HOSCn和低速成分LOSCn)，由此可以校正计算或估
算值与实际氧存储量之间的任何偏差。

图20表示当实施上述氧存储量的恒定控制时高速成分HOSCn如何
变化。

在该情况下，在时间点t1处后部氧传感器5的输出变得低于贫油判
定阈值，且保持贫油重设条件，于是将氧存储量的高速成分HOSCn重
设为最大容量HOSCnMAX。然而，此时低速成分LOSCn不必为最大，
这样不进行低速成分的重设。在图20中未示出低速成分LOSCn。

在时刻t2、t3时，后部氧传感器5的输出变得大于富油判定阈值，
且保持富油重设条件，于是将氧存储量的高速成分HOSCn重设为最小
容量，即零。此时将低速成分LOSCn也重设为最小容量。

由此，当催化剂10下游的废气空燃比变成为富油或贫油状态时，进
行氧存储量计算或估算值的重设。因为校正了与实际氧存储量的差异，
因此可以进一步增强氧存储量的计算精度，提高了维持氧存储量恒定的
空燃比控制的精度，并使催化剂的转化率维持在高水平。
第三实施例

依照第二实施例的废气净化装置的结构与图1所示的结构类似，但
由控制器6执行的程序是不同的。具体地，有关氧存储量的计算或估算
不同。在该第二实施例中，依照氧存储量的高速成分对低速成分的比值
来确定催化剂10中的氧存储速率。更准确地说，鉴于在前面的实施例中，
高速成分的存储速率为固定值，而在第二实施例中，依照高速成分对低
速成分的比值来确定高速成分的存储速率。

参照图21的流程图描述由控制器6执行的控制。当维持兰姆达控制
状态(预定的空燃比控制条件)时，控制器6根据从催化剂10上游的前
部A/F传感器3输出的信号实施兰姆达控制。兰姆达(λ)控制意味着
计算空燃比反馈校正系数α，以便使催化剂10上游的废气空燃比的平均
值成为化学计量空燃比，利用该校正系数α校正基础注射量Tp。

在此，由于催化剂10上游的传感器3为A/F传感器，因此可由以下
公式计算比例部分和积分部分：

比例部分＝比例增益×Δ(A/F)，以及

积分部分＝积分增益×∑Δ(A/F)

其中，Δ(A/F)＝空燃比偏差

(＝实际废气空燃比-化学计量空燃比)，以及

执行比例加积分控制，取它们的总和为

α＝(比例部分+积分部分)

以预定时间间隔(例如10微秒)执行图21所示的程序，而不考虑
兰姆达控制。首先，在步骤S1101中判断催化剂10是否由于诸如冷却水
温度的条件而活化。如果催化剂10未被活化，则催化剂的氧存储量能力
是无效的，于是程序终止。

如果催化剂已经活化，则程序进行到步骤S1102，根据前部A/F传
感器3的输出从图5所示的查阅表中读取废气的过量/不足氧浓度FO2。

在此，正如图20所示，废气过量/不足氧浓度FO2是与空燃比为化
学计量值时的氧浓度相比的相对氧浓度。

由此，当空燃比为化学计量值时，FO2为零。当废气空燃比为贫油
状态时，氧浓度高于化学计量空燃比处的氧浓度，所以FO2为正。相反，
当废气空燃比为富油状态时，氧浓度低于化学计量空燃比处的氧浓度，FO2
为负。

在此，如图20所示，前部A/F传感器能进行测量的范围是有限的。
因此，在燃油停止供应过程中，空燃比如此贫油以致于它落在测量范围
之外。于是，就不能根据前部A/F传感器的输出计算燃油停止供应过程
中的空燃比和燃油停止供应过程中的过量/不足氧浓度。

然而，当空气燃油混合物燃烧时所需的空燃比位于预定范围内，如
果利用了覆盖所需空燃比范围的A/F传感器，则仅在停止燃油供应的过
程中才会发生贫油状态的空燃比落在测量范围之外的情况。因此，如果
设置了这样一种A/F传感器：其至少足够能覆盖所需的空燃比，且空燃
比是如此贫油状态以致它落在测量范围之外，则将与大气对应的值(＝
20.9％)用作过量/不足的氧浓度FO2。通过这种方式，即使在停止燃油
供应过程中也能计算过量/不足的氧浓度。

现在回到图21，在步骤S1103中，将催化剂下游的后部氧传感器13
的输出(VRO2)与富油判定阈值RSL比较。当判定后部氧传感器13的
输出VRO2高于富油判定阈值RSL、即当废气空燃比为富油状态时，假
定催化剂10的氧存储量为零。在该情况下，催化剂10不再使催化剂下
游的空燃比维持化学计量空燃比，于是程序进行到步骤S1104。在步骤
S1104中，将高速成分HOSCn和低速成分LOSCn都重设为零。

另一方面，当后部氧传感器的输出VRO2不大于富油判定阈值RSL
时，程序进行到步骤S1105，在此判断后部氧传感器的输出VRO2是否
小于贫油判定阈值LSL，即废气空燃比是否为贫油状态。当其不是贫油
状态、即催化剂下游的废气空燃比等于化学计量空燃比时，假定由于催
化剂10上游的废气空燃比的波动使氧被催化剂吸收，程序进行到步骤
S1106、S1107。

在此，程序进行到步骤S1106和S1107，而不管是否执行了兰姆达
控制，但在这两种情况下，催化剂10下游的废气空燃比为化学计量空燃
比。

在步骤S1106中，由下面的公式(19)计算高速成分HOSCn：

HOSCn＝HOSCz+a×FO2×Q×t………(19)
其中：

HOSCz＝紧邻前一时刻的高速成分的计算值，

a＝表示高速成分的氧存储速率或释放速率的系数，

FO2＝过量/不足的氧浓度，

Q＝废气流速(用进气流速表示)，以及

t＝周期时间(10微秒)。

公式(7)右边第二项中的FO2×Q×t是单位周期时间内的过量/不
足氧量(即O2IN)。通过将其乘以系数a来计算单位周期时间内存储或
释放为高速成分的氧量，所述系数a表示氧存储速率或释放速率。然后
通过将所述氧量加到高速成分的紧邻前一值HOSCz上来计算氧存储量的
高速成分。

公式(19)右手侧的第二项算入了单位周期时间内的过量/不足氧量
FO2×Q×t。过量/不足氧量集中为化学计量空燃比的氧量。换句话说，
当氧处于过量状态时，公式(19)右手侧的第二项表示单位周期时间内
存储的作为高速成分的氧量，而当氧不足时，公式(19)右手侧的第二
项表示单位周期时间内从高速成分释放的氧量。该第二项中的系数a决
定了氧处于过量状态时的氧存储速率，或氧不足时的氧释放速率。

在步骤S1107中，根据氧存储量的反应速率计算氧存储量的低速成
分LOSCn。在此，如果氧存储材料中的氧存储反应为

               ，
其中：

R＝通过化学结合吸收氧的物质(例如氧化铈)，反应速率k为

               k＝〔R〕×〔O₂〕/〔RO₂〕………(20)
其中：

〔R〕＝物质R的量，

〔O₂〕＝过量的氧浓度，以及

〔RO₂〕＝氧存储量的低速成分。

氧存储反应的速率直接与过量的氧浓度(〔O₂〕)成比例。该速率
也直接与存储氧的物质的量(〔R〕)、即低速成分的最大容量LOSCnMAX
与氧存储量的低速成分LOSCz之间的差值成比例。该速率与当前氧存储
量的低速成分(〔RO₂〕)成反比关系。因此，可用下面的公式(21)表
示过量速率k：

k＝d×FO2×(LOSCnMAX-LOSCz)/LOSCz………(21)

其中d＝反应速率的系数。

利用该反应速率k(K≤1)通过以下公式(21)计算氧存储量的低速
成分LOSCn：

LOSCn＝LOSCz+c×k×(FO2×Q×t-a×FO2×Q×t)………
(21)
其中：

LOSCz＝紧邻前一时刻中的低速成分的计算值，

c＝常数，

Q＝废气流速(用进气流速表示)，以及

t＝周期时间(10微秒)。

可将上面的反应系数k简化为常数值。在此，公式(21)右手侧第
二项中的FO2×Q×t-a×FO2×Q×t为单位周期时间内的过量/不足氧
量，该氧量溢出到低速成分中。因此，公式(21)中的项FO2×Q×t-a
×FO2×Q×t类似于公式(19)右手侧第二项中的FO2×Q×t。通过将
其乘以决定氧存储或氧释放速率的常数c×k，就可以计算单位周期时间
内由氧存储材料存储的氧量或从氧存储材料释放的氧量。通过将第二项
加到紧邻前一值LOSCz上，可以获得氧存储量的低速成分。

a×FO2×Q×t是单位周期时间内从高速成分中释放的氧量。FO2×
Q×t是单位周期时间内的过量/不足氧量。根据公式(21)中a×FO2×
Q×t与FO2×Q×t的差值计算单位周期时间内存储/释放为低速成分的
氧量的原因是，尽管确信贵金属和氧存储材料独立地进行氧存储，但可
以确信的是，与氧存储材料的氧存储相比，优先发生贵金属的氧存储。

当在步骤S1105中催化剂下游的废气为贫油状态时，程序跳过步骤
S1106和S1107进行到步骤S1108。

在步骤S1108中判断是否实施了兰姆达控制。正如所公知的，当催
化剂上游的前部A/F传感器4启动时，兰姆达控制随即开始。在停止燃
油供应的过程中或当发动机在高负载情况下运行时兰姆达控制也停止。

如果正在实施兰姆达控制，程序进行到步骤S1109和随后步骤中的
PID控制，当不实施兰姆达控制时，就不执行步骤S1109和随后的步骤。
一旦催化剂被活化，通常就进行高速成分HOSCn的计算。然而，反馈
控制限于执行兰姆达控制时的情况，该反馈控制能控制高速成分HOSCn
与目标值一致，即执行空燃比控制，以便使高速成分与预定目标值一致。

在步骤S1109中，由公式(22)计算氧存储量的高速成分HOSCn
与其目标值之间的差值(偏差DHOSCn)，例如，所述目标值为高速成
分最大容量HOSCnMAX的1/2。

DHOSCn＝HOSCn-HOSCnMAX/2………(22)

在步骤S1110、S1111和S1112中，由以下公式分别计算反馈量H
的比例部分Hp、积分部分Hi和微分部分Hd：

Hp＝比例增益×DHOSCn，

Hi＝积分增益×∑DHOSCn，

Hd＝微分增益×(DHOSCn-DHOSCz)/t，
其中：

t＝周期时间(10微秒)

在步骤S1113中将加和Hp、Hi和Hd获得的值设定为燃油校正量
H(反馈量)，然后图21的程序终止。

前述高速成分的最大容量HOSCnMAX为通过实验方式确定的固定
值。

例如通过公式(23)利用这样获得的燃油校正量H来计算连续喷射
过程中燃油喷射的脉冲宽度Ti：

Ti＝Tp×TYFBYA×α×H×2×Ts………(23)

其中：

Tp＝基础喷射脉冲宽度，

TFBYA＝目标当量比，

α＝空燃比反馈校正系数，以及

Ts＝喷射脉冲宽度校正

在预定喷射时刻图1中的燃油喷射阀7为每个汽缸的每隔一次发动
机转动打开一次，其开放时间为Ti，同时燃油喷射到进气通道8中。

在此，公式(23)右手侧的Tp、TFBYA、α和Ts与现有技术类似，
例如，在停止燃油供给过程中α为1.0，在兰姆达控制过程中TFBYA为
1.0。Ts是与电池电压对应的喷射脉冲宽度校正量。

下面参照图22的流程描述前述系数a的设定。以预定的时间间隔执
行该流程，例如时间间隔为10微秒。

在图22中，在步骤S1121中读取催化剂10上游的过量/不足氧浓度
FO2、高速成分的紧邻前一值HOSCz和低速成分的紧邻前一值LOSCz。
在已经第一次执行了图21的程序后，分别将值HOSCn和LOSCn设定
为HOSCz和LOSCz，作为第二次程序步骤的预备值。因此，不能在第
一次执行图21的程序前执行图22中的步骤S1123或S1124。当第一次
执行图21的程序时，可用预定初始值代替HOSCz和LOSCz。

在步骤S1122中，将过量/不足的氧浓度FO2与零比较。当FO2大
于零时判定氧被释放出来，然后程序进行到步骤S1123。在步骤S1123
中，将氧存储量的低速成分对高速成分的比值LOSCz/HOSCz与预定值
(阈值)AR(例如AR＝10)作比较。当比值LOSCz/HOSCz超过预定
值AR时，程序进行到步骤S1124，可用常数a代替LOSCz/HOSCz，其
中所述常数a作为氧从高速成分释放的速率。

在此，为什么将LOSCz/HOSCz用作氧从高速成分释放的速率的原
因如下。

当单独利用贵金属或氧存储材料时，氧释放速率取决于过量/不足的
氧浓度FO2和贵金属或氧存储材料中被存储的氧的分压。当贵金属和氧
存储材料都出现时，利用这两种成分的比来确定氧存储量和每个成分(贵
金属和氧存储材料)的最终氧释放速率。换句话说，高速成分的氧释放
速率直接与LOSCz/HOSCz成比例。

低速成分的最大容量大约比高速成分的最大容量大5到10倍，所以
步骤S1124中的HOSCz/LOSCz值大约等于1/10(值＜1.0)。

在步骤S1123中为什么将LOSCz/HOSCz而不是HOSCz/LOSCz
与预定值相比较的原因是因为LOSCz/HOSCz值比较大，比较容易比较。
当然可以理解的是也可以使用HOSCz/LOSCz。

当LOSCz/HOSCz小于预定值AR时，程序从步骤S1123进行到步
骤S1125，系数a被设定为1.0。在此，如果LOSCz/HOSCz小于预定值
AR，则意味着每个周期时间内从贵金属和氧存储材料释放的氧量(计算
值)总和大于实际从催化剂释放出来的氧量，这不能表示实际状态。在
该情况下，不再将HOSCz/LOSCz用作氧从高速成分释放出来的速率。
相反，考虑为仅用作高速成分释放氧，此时考虑用高速成分的氧释放速
率(即1.0)来代替系数a。此时高速成分的氧释放速率为最大值。

图23A表示当流入催化剂10的废气空燃比从贫油状态变到富油状态
时催化剂10前后的废气空燃比如何变化。图23A和23C表示当流入催
化剂10的废气空燃比从富油状态变为贫油状态时氧存储量如何变化。

在该情况下，在控制器6中，在执行计算的同时假定：如图23B所
示，单位周期时间内从高速成分释放出a×FO2×Q×t的氧量，如图23C
所示，单位周期时间内从低速成分释放出的氧量为c×k×(FO2×Q×t
-a×FO2×Q×t)。其也可以是这样的：例如当从停止燃油供应开始恢
复时，由图23A所示的空燃比差值C计算出来的两个计算值的和大于实
际从催化剂释放出来的氧量。在该情况下，设定高速成分的氧释放速率，
并忽略从低速成分释放出来的氧量。

回到图22，当FO2小于零时，就判定氧正被存储，然后程序进行到
步骤S1126。在步骤S1126中，象在步骤S1124中那样，将HOSCz/LOSCz
代替作为高速成分的氧存储速率的系数a。

在第一实施例中，假定在存储过程中所有的氧都被存储为高速成分，
直至高速成分达到最大容量。然而，在实际过程中，并不是所有流入催
化剂的氧都存储为高速成分，即使高速成分还没有达到最大容量时也是
如此。

因此，如果在该实施例中不仅在氧被释放时而且在氧被存储时根据
高速成分对低速成分的比值计算氧释放速率，就能更高精度地计算高速
成分。未被存储为高速成分的那部分氧被存储为低速部分，而剩余的氧
在催化剂下游释放。

由此，在该实施例中，通过分别对催化剂氧存储量的高速成分HOSCn
和催化剂氧存储量的低速成分LOSCn进行计算，其中高速成分的氧存储
/释放迅速，而低速成分的氧存储/释放较慢，根据高速成分对低速成分的
比值HOSCz/LOSCz精确地计算高速成分的氧释放速率。由此可以提高
氧存储量的高速成分的计算精度。

当氧从催化剂中释放出来且氧存储量的低速成分与高速成分的比值
LOSCz/HOSCz小于预定值(阈值)时，就会发生通过计算计算出来的
两个成分的氧释放量的总和大于实际从催化剂释放出来的氧量。在该情
况下不能代表实际状态。在该情况下，设定高速成分的氧释放速率而忽
略低速成分，能较好地接近实际状态。

当氧正被存储时，尽管氧被分别存储到贵金属和氧存储材料中，但
是相信以下计算能符合实际情况：假定氧首先通过贵金属从废气中迁移
出来，然后剩下的氧由氧存储材料迁移出来。对于氧的释放同样如此。
因此，依照该实施例，根据预定时间t内的过量/不足氧量(FO2×Q×t)
可估算贵金属在预定t内的氧存储量或氧释放量(a×FO2×Q×t)。然
后根据剩余值(FO2×Q×t-a×FO2×Q×t)计算或估算氧存储材料在
预定时间内的氧存储量或氧释放量。通过从预定时间的过量/不足氧量中
减去高速成分在预定时间内的该计算的氧存储/释放量，可获得剩余值。
通过该方式就能实现每个成分的精确估算。

计算高速成分HOSCn并控制空燃比，以便使HO2变成预定的目标
值，该目标值例如为HOSCnMAX的1/2。通过这种方式能很迅速地集中
到目标值，由此能忽略低速成分的影响，该低速成分在短时间内不会对
废气性能产生影响。

根据值(FO2×Q×t×a×FO2×Q×t)计算或估算低速成分在预定
时间内的氧存储量或氧释放量，所述值(FO2×Q×t×a×FO2×Q×t)
是通过从预定时间的过量/不足氧量中减去高速成分在预定时间内的氧存
储量/释放量得到的。然而，可选择的是，根据预定时间内的过量/不足氧
存储量(FO2×Q×t)计算低速成分在预定时间内的氧存储量或氧释放
量。

在此通过参考结合2000年2月16日在日本申请的日本专利申请
P2000-38677的内容，本公开和权利要求是基于该文件的优先权。另外
在此通过参考结合以下内容：日本专利申请P2000-34046(2000年2月
10日申请)和P2000-26284(2000年2月3日申请)的内容，连同发
明名称为“Exhaust Gas Purification Device(废气净化装置)”(Attorney
Docket No.040356/0347)的共同未决的美国专利申请的内容。

尽管上面仅参照有限数量的实施例描述了本发明，但是，由于在与
给出上述公开的本发明有关的领域中在技术人员的知识领域内容易进行
可能的各种改进和变化，因此本发明的精神仅由所附加的权利要求来限
制。

例如，在上面的实施例中，催化转换器10内存储的催化剂设有氧存
储材料，氧被具有图2所示快速和缓慢存储特性的催化剂所存储。然而，
当本发明应用于不采用氧存储材料的催化转换器时，通过应用此处公开
的技术仍然可以提高催化剂氧存储能力HOSCy的估算精度。