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CN1111252C - 发动机废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

提供一个前部A/F传感器(4)，检测流入一种第一三元催化剂(3a)中的废气的空气燃料比率；一个第一后部O2传感器(5a)，检测流出第一三元催化剂的废气的氧浓度；一种第二三元催化剂(3b)，插入在第一三元催化剂的下游；及一个第二后部O2传感器(5b)，检测流出第二三元催化剂(3b)的废气的氧浓度。在正常运行期间，根据检测的空气燃料比率计算第一三元催化剂(3a)的氧存储量，并且根据计算的氧存储量控制发动机的空气燃料比率，从而第一三元催化剂(3a)的氧存储量是一个目标量。然而，在由于燃料切断造成的贫油空气燃料比率下运行之后，根据由第二后部O2传感器(5b)检测的氧浓度控制空气燃料比率，从而催化剂的氧存储量是目标值。

Description

发动机废气净化装置
本发明涉及一种装有催化剂的发动机废气净化装置。
由日本专利局在1997年出版的JP-A-H9-228873公开了一种技术，其中根据发动机吸气量和流入催化剂中的废气的空气燃料比率估计存储在三元催化剂中的氧量(下文“氧存储量”)，并且进行发动机空气燃料比率控制，从而催化剂的氧存储量是恒定的。
为了把三元催化剂的NOx(氧化氮)、CO及HC(烃)转换效率保持在最大值处，催化剂气氛必须保持在化学计量空气燃料比率下。如果催化剂的氧存储量保持恒定，则即使流入催化剂中的废气的空气燃料比率临时变得贫油(lean)，在废气中的氧也存储在催化剂中，而相反，即使流入催化剂中的废气的空气燃料比率临时变得富油(rich)，也释放存储在催化剂中的氧，所以能把催化剂气氛保持在化学计量空气燃料比率下。
提出了一种一个第二三元催化剂布置在上述三元催化剂的下游的结构，以满足更严格的废气排放性能要求。在这种结构中，贫油运行如燃油切断控制运行之后，尽管催化剂吸收氧高达超过需要量的最大极限，但只控制上游催化剂的氧存储量，从而它返回到以后空气燃料比率控制中的需要存储量，而第二三元催化剂不象这样控制。第二三元催化剂的氧存储量因此有效地保持在其最大值处，所以第二三元催化剂的转换效率不能保持在最大值下，并且有Nox排出量将增大的危险。
因此，本发明的一个目的在于，解决以上问题，并且提供一种发动机废气净化装置，其中在贫油运行之后下游催化剂的转换效率保持在较高值。
为了实现以上目的，本发明提供一种废气净化装置，该装置包括：一种第一催化剂，提供在发动机排气管中；一种第二催化剂，提供在第一催化剂的下游；一个前部传感器，检测流入第一催化剂中的废气特性；一个第一后部传感器，检测流出第一催化剂的废气特性；一个第二后部传感器，检测流出第二催化剂的废气特性；一个微处理器，编程成使用检测的废气特性计算第一催化剂的氧存储量，以控制发动机的空气燃料比率，从而第一催化剂的氧存储量是基于计算氧存储量的一个目标量，并且在贫油空气燃料比率下运行之后，使用由第二后部传感器检测的废气特性控制空气燃料比率，从而第一催化剂和第二催化剂的氧存储量是一个目标量。
本发明进一步提供一种废气净化装置，该装置包括一种提供在废气净化装置中的第一催化剂，该装置包括：一种第一催化剂，提供在发动机排气管中；一种第二催化剂，提供在第一催化剂的下游；一个前部传感器，检测流入第一催化剂中的废气特性；一个第一后部传感器，检测流出第一催化剂的废气特性；一个第二后部传感器，检测流出第二催化剂的废气特性；及一个微处理器，编程成使用在正常运行期间由前部传感器检测的废气特性和由第一后部传感器检测的废气特性计算存储在第一催化剂中的氧存储量，在贫油空气燃料比率下运行之后，使用由前部传感器检测的废气特性和由第二后部传感器检测的废气特性计算存储在第一催化剂和第二催化剂中的氧存储量，控制发动机空气燃料比率，从而在正常运行期间，第一催化剂的氧存储量是基于第一催化剂中的计算氧存储量的一个目标量，及控制发动机空气燃料比率，从而在贫油空气燃料比率下运行之后，存储在第一催化剂和第二催化剂中的氧存储量是基于第一催化剂和第二催化剂中的计算氧存储量的一个目标量。
本发明的细节及其他特征和优点在说明书的剩余部分中叙述，并且表示在附图中。
严格地讲，贵金属吸收在分子状态下的氧，而氧存储材料吸收作为化合物的氧，但在如下描述中，吸收和吸附统称为存储。
而且，表达“废气空气燃料比率是富油的”是指在废气中的氧浓度低于当发动机运行在化学计量空气燃料比率下时在废气中的氧浓度，而表达“废气空气燃料比率是贫油的”是指在废气中的氧浓度高于当发动机运行在化学计量空气燃料比率下时在废气中的氧浓度。表达“废气空气燃料比率是化学计量的”是指在废气的氧浓度等于当发动机运行在化学计量空气燃料比率下时在废气中的氧浓度。
图1是根据本发明的一种废气净化装置的示意图。
图2表示一种催化剂的氧释放特性。
图3是流程图，表示一个用来计算催化剂的氧存储量的程序。
图4是流程图，表示一个用来计算流入催化剂中的废气的氧过剩/缺少量的子程序。
图5是流程图，表示一个用来计算一个高速分量的氧释放速率的子程序。
图6是流程图，表示一个用来计算氧存储量的高速分量的子程序。
图7是流程图，表示一个用来计算氧存储量的一个低速分量的子程序。
图8是流程图，表示一个用来确定复位条件的程序。
图9是流程图，表示一个用来完成计算氧存储量的复位的程序。
图10是流程图，表示一个用来根据氧存储量计算一个目标空气燃料比率的程序。
图11表示一个后部氧传感器输出和高速分量在把氧存储量控制为常数时如何变化。
图12是流程图，表示在贫油运行之后与一种空气燃料比率控制有关的处理程序的一个第一实施例的细节。
图13表示当根据第一实施例进行控制时空气燃料比率、后部氧传感器输出等如何变化。
图14类似于图12，但是表示在贫油运行之后与空气燃料比率控制有关的处理程序的一个第二实施例的细节。
图15类似于图13，但是表示当根据第二实施例进行控制时空气燃料比率、后部氧传感器输出等如何变化。
图16类似于图12，但是表示在运行之后与空气燃料比率控制有关的处理程序的一个第三实施例的细节。
图17类似于图13，但是表示当根据第三实施例进行控制时空气燃料比率、后部氧传感器输出等如何变化。
图18类似于图12，但是表示在贫油运行之后与空气燃料比率控制有关的处理程序的一个第四实施例的细节。
参照附图的图1，发动机1的排气通道2装有催化剂3a(第一催化剂)、3b(第二催化剂)、3c(第三催化剂)、一个布置在催化剂3a的进口中的前部宽范围空气燃料比率传感器4(下文称作前部A/F传感器)、一个布置在催化剂3a的出口中的第一后部氧传感器5a、一个布置在催化剂3b的出口中的第二后部氧传感器5b及一个控制器6。
一个节流阀8、和一个检测由节流阀8调节的吸入空气量的空气流量计9，设置在发动机1的一个吸气通道7中。
催化剂3a、3b、3c是具有一种三元催化剂功能的催化剂。当催化气氛处于化学计量空气燃料比率下时，催化剂3a、3b、3c以最大效率净化NOx、HC及CO。催化剂3a、3b、3c的催化剂载体涂有诸如氧化铈之类的氧存储材料，并且催化剂3具有根据流入废气的空气燃料比率存储或释放氧的功能(下文称作氧存储功能)。有可能把具有不同特性的每种催化剂相结合，例如第一催化剂3a具有三元催化剂功能，第二催化剂3b和第三催化剂3c是具有三元催化功能的HC捕获催化剂。
这里，催化剂3a、3b、3c的氧存储量可以分成一个由在催化剂3a、3b、3c中的贵金属(Pt、Rh、Pd)存储和释放的高速分量HO2、和一个由在催化剂3a、3b、3c中的氧存储材料存储和释放的低速分量LO2。低速分量LO2表示比高速分量HO2存储和释放较大量的氧，但其存储/释放速率比高速分量HO2的低。
而且，该高速分量HO2和低速分量LO2具有如下特性：
-当存储氧时，氧最好按高速分量HO2存储，并且当高速分量HO2已经达到一个最大容量HO2MAX并且不能再存储时，开始按低速分量LO2存储。
-当释放氧，并且低速分量LO2与高速分量HO2的比(LO2/HO2)小于一个预定值时，即当高速分量较大时，氧最好从高速分量HO2释放，而当低速分量LO2与高速分量HO2的比大于该预定值时，氧从高速分量HO2和低速分量LO2释放，从而低速分量LO2与高速分量HO2的比不变。
图2表示催化剂的氧存储/释放特性。
垂直轴表示高速分量HO2(在贵金属中存储的氧量)，而水平轴表示低速分量LO2(在氧存储材料中存储的氧量)。
在正常运行状态下，低速分量LO2几乎是零，而只有高速分量HO2根据流入催化剂中的空气燃料比率变化，如图中的箭头A1所示。把高速分量HO2控制成例如是其最大容量的一半。
然而，当已经进行发动机燃料切断时或当发动机从预热状态重新启动(热重新启动)时，高速分量HO2已经达到其最大容量，并且氧按低速分量LO2存储(在图2中的箭头A2)。氧存储量从点X1至点X2变化。
当氧从点X2释放时，氧最好从高速分量HO2释放。当低速分量LO2与高速分量HO2的比达到预定值(在图2中的X3)时，氧从高速分量HO2和低速分量LO2释放，从而低速分量LO2与高速分量HO2的比不变，即在图中所示的直线L上运动的同时释放氧。这里，在线L上，低速分量相对于高速分量1是从5至15，而最好接近10。
返回图1，提供在催化剂3a上游的前部A/F传感器4根据流入催化剂3a中废气的空气燃料比率输出一个电压。提供在每种催化剂3a、3b上游的后部氧传感器5a、5b借助于作为一个阈值的化学计量空气燃料比率检测催化剂3a、3b的废气空气燃料下游是富油还是贫油的。这里，经济氧传感器5a、5b提供在催化剂3a、3b的下游，而能提供一个能连续检测空气燃料比率的A/F传感器来代替每个传感器。
检测冷却水温度的冷却水温度传感器10装配到发动机1上。检测的冷却水温度用来确定发动机1的运行状态，并且也用来估计催化剂3a的催化剂温度。
控制器6包括一个微处理器、RAM、ROM及I/O接口，并且它根据空气流量计9、前部A/F传感器4及冷却水温度传感器10的输出计算催化剂3a的氧存储量(高速分量HO2和低速分量LO2)。
当计算氧存储量的高速分量HO2大于一个预定量(例如高速分量的最大容量HO2MAX的一半)时，控制器6使发动机1的空气燃料比率富油，使流入催化剂3a的废气的空气燃料比率富油，并且减小高速分量HO2。相反，当它小于预定量时，控制器6使发动机1的空气燃料比率贫油，使流入催化剂3a的废气的空气燃料比率贫油，增大高速分量HO2，及保持氧存储量的高速分量HO2恒定。
由于计算误差在计算氧存储量与真实氧存储量之间可能产生偏差，所以控制器6根据催化剂3a的废气下游的空气燃料比率借助于一个预定计时复位氧存储量计算值，并且由真实氧存储量校正这种偏差。
具体地说，当根据第一后部氧传感器5a的输出确定催化剂3a的空气燃料比率是贫油的时，确定至少高速分量HO2是最大值，并且把高速分量HO2复位到最大容量。当由第一后部氧传感器5a确定催化剂3a的空气燃料比率下游是富油的时，氧已既不从高速分量HO2而且也不从低速分量LO2释放，从而把高速分量HO2和高速分量LO2复位到最小容量。
其次，将描述由控制器6进行的控制。
首先，将描述氧存储量的计算，随后根据氧存储量复位氧存储量的计算值、和发动机1的空气燃料比率控制。
用来计算催化剂3a的氧存储量的程序表示在图3中。该程序由控制器6以预定间隔执行。
根据该程序，首先在步骤S1，读出冷却水温度传感器10和空气流量计9的输出作为发动机1的运行参数。在步骤S2，根据这些参数估计催化剂3a的一个温度TCAT。在步骤S3，通过比较估计催化剂温度TCAT和一个催化剂活化温度TACTo(例如300℃)，确定是否已经活化催化剂3a。
当确定已经达到催化剂活化温度TACTo时，程序转到一个步骤S4以计算催化剂3a的氧存储量。当确定还没有达到催化剂活化温度TACTo时，终止处理，假定催化剂3a不存储或释放氧。
在步骤S4，执行一个用来计算氧过剩/缺少量O2IN的子程序(图4)，并且计算流入催化剂3a中的废气的氧过剩/缺少量。在步骤S5，执行用来计算氧存储量的高速分量的一个氧释放速率A的一个程序(图5)，并且计算高速分量的氧释放速率A。
而且，在步骤S6，执行一个用来计算氧存储量的高速分量HO2的子程序(图6)，并且根据氧过剩/缺少量O2IN和高速分量的氧释放速率A，计算高速分量HO2、和溢流到低速分量LO2中没有作为高速分量HO2存储的氧量OVERFLOW。
在步骤S7，根据溢流氧量OVERFLOW，确定流入催化剂3a中的氧过剩/缺少量O2IN是否都已经作为高速分量HO2存储。当所有氧过剩/缺少量O2IN都已经作为高速分量存储(OVERFLOW＝0)时，终止处理。在其他情况下，程序转到步骤S8，执行一个用来计算低速分量LO2的子程序(图7)，并且根据从高速分量HO2溢流的溢流氧量OVERFLOW，计算低速分量LO2。
这里，由发动机1的冷却水温度、发动机负载及发动机转动速度估计催化剂温度TCAT，但一个温度传感器11也可以附加到催化剂3a上，如图2中所示，并且直接测量催化剂3a的温度。
当催化剂温度TCAT小于活化温度TCATo时，不计算氧存储量，而是可以消除步骤S3，并且催化剂温度TCAT的影响可以反映在高速分量的氧释放速度A或低速分量的氧存储/释放速度B中，这在以后描述。
其次，将描述从步骤S4至S6和在步骤S8中执行的子程序。
图4表示用来计算流入催化剂3a中的废气的氧过剩/缺少量O2IN的子程序。在该子程序中，根据催化剂3a废气上游的空气燃料比率和发动机1的吸入空气量，计算流入催化剂3a中的废气的氧过剩/缺少量O2IN。
首先在步骤S11，读前部A/F传感器4的输出和空气流量计9的输出。
其次，在步骤S12，使用一张预定转换表把前部A/F传感器4的输出转换成流入催化剂3a中的废气的过剩/缺乏氧浓度FO2。这里，过剩/缺乏氧浓度FO2是基于在化学计量空气燃料比率下的氧浓度的相对浓度。如果废气空气燃料比率等于化学计量空气燃料比率，则它是零，如果它比化学计量空气燃料比率富油，则它为负，而如果它比化学计量空气燃料比率贫油，则它为正。
在步骤S13，使用一张预定转换表把空气流量计9的输出转换成一个吸入空气量Q，并且在步骤S14，把吸入空气量Q乘以过剩/缺乏氧浓度FO2，以计算流入催化剂3a中的废气的过剩/缺乏氧量O2IN。
当过剩/缺乏氧浓度FO2具有以上特性时，在流入催化剂3a中的废气是化学计量空气燃料比率时，过剩/缺乏氧量O2IN是零，在流入催化剂3a中的废气是富油时是一个负值，及在流入催化剂3a中的废气是贫油时是一个正值。
图5表示一个用来计算氧存储量的高速分量的氧释放速率A的子程序。在该子程序中，由于高速分量HO2的氧释放速率受低速分量LO2的影响，所以根据低速分量LO2计算高速分量的氧释放速率A。
首先在步骤S21，确定低速分量相对于高速分量的比LO2/HO2是否小于一个预定值AR(例如AR＝10)。当确定比LO2/HO2小于预定值AR时，即当高速分量HO2比低速分量LO2较大时，程序转到步骤S22，并且把高速分量的氧释放速率A设置为1.0，表示首先从高速分量HO2释放氧的事实。
另一方面，当确定比LO2/HO2不小于预定值AR时，从高速分量HO2和低速分量LO2都释放氧，从而低速分量LO2与高速分量HO2的比不变。程序然后转到步骤S23，并且计算不会引起比LO2/HO2变化的高速分量的氧释放速率值A。
图6表示一个用来计算氧存储量的高速分量HO2的子程序。在该子程序中，根据流入催化剂3a中的废气的氧过剩/缺少量O2IN和高速分量的氧释放速率A，计算高速分量HO2。
首先，在步骤S31根据氧过剩/缺少量O2IN确定存储还是释放高速分量HO2。
当流入催化剂3a中的废气的空气燃料比率贫油，并且氧过剩/缺少量O2IN大于零时，确定正在存储高速分量HO2，程序转到步骤S32，并且由如下公式(1)计算高速分量HO2：
HO2＝HO2z+O2IN                 (1)
其中HO2z＝在前一时刻高速分量HO2的值。
另一方面，当确定氧过剩/缺少量O2IN小于零，并且正在释放高速分量时，程序转到步骤S33，并且由如下公式(2)计算高速分量HO2：
HO2＝HO2z+O2IN×A          (2)
其中A＝高速分量HO2的氧释放速率。
在步骤S34、S35，确定计算HO2是否超过高速分量的最大容量HO2MAX，或者它是否小于最小容量HO2MIN(＝0)。
当高速分量HO2大于最大容量HO2MAX时，程序转到步骤S36，由如下公式(3)计算流出的没有作为高速分量HO2存储的溢流氧量(过多量)OVERFLOW：
OVERFLOW＝HO2-HO2MAX           (3)
并且把高速分量HO2限制为最大容量HO2MAX。
当高速分量HO2小于最小容量HO2MIN时，程序转到步骤S37，由如下公式(4)计算没有作为高速分量HO2存储的溢流氧量(缺少量)OVERFLOW：
OVERFLOW＝HO2-HO2MIN          (4)
并且把高速分量HO2限制为最小容量HO2MIN。这里，把零给作最小容量HO2MIN，从而把当已经释放所有高速分量HO2时缺少的氧量计算为一个负溢流氧量。
当高速分量HO2位于最大容量HO2MAX与最小容量HO2MIN之间时，流入催化剂3a中的废气的氧过剩/缺少量O2IN都作为高速分量HO2存在，并且把零设置为溢流氧量OVERFLOW。
这里，当高速分量HO2大于最大容量HO2MAX或小于最小容量HO2MIN时，从高速分量HO2溢流的溢流氧量OVERFLOW作为低速分量LO2存储。
图7表示一个用来计算氧存储量的一个低速分量LO2的子程序。在该子程序中，根据从高速分量HO2溢流的溢流氧量OVERFLOW计算低速分量LO2。
根据这点，在步骤S41中，由如下公式(5)计算低速分量LO2：
LO2＝LO2z+OVERFLOW×B               (5)
其中LO2z＝低速分量LO2的紧在前面的值，并且
B＝低速分量的氧存储/释放速率。
这里，低速分量的氧存储/释放速率B设置成一个小于1的正值，但实际具有用于存储和释放的不同特性。而且，真实存储/释放速率受催化剂温度TCAT和低速分量LO2的影响，所以能把存储速率和释放速率设置成独立地变化。在这种情况下，当溢流氧量OVERFLOW为正时，氧处于过剩，并且把在这时的氧存储速度例如设置为一个催化剂温度TCAT越高或低速分量LO2越小而越大的值。而且，当溢流氧量OVERFLOW为负时，氧缺少，并且把这时的氧释放速率可以设置为一个催化剂温度TCAT越高或低速分量LO2越大而越大的值。
在步骤S42、S43，以与在计算高速分量HO2时相同的方式，确定计算的低速分量LO2是否已经超过一个最大容量LO2MAX或者小于一个最小容量LO2MIN(＝0)。
当超过最大容量LO2MAX时，程序转到步骤S44，由如下公式(6)计算已经从低速分量LO2溢流的一个氧过剩/缺少量O2OUT：
LO2OUT＝LO2-LO2MAX               (6)
并且把低速分量LO2限制为最大容量LO2MAX。氧过剩/缺少量O2OUT从催化剂3a的下游流出。
当低速分量LO2小于最小容量时，程序转到步骤S45，并且把低速分量LO2限制为最小容量LO2MIN。
其次，将描述由控制器6完成的氧存储量的计算值的复位。通过在预定条件下复位氧存储量的计算值，消除至此已经积累的计算误差，并且能提高氧存储量的计算精度。
图8表示一个用来确定复位条件的程序的细节。该程序由催化剂3a下游的废气空气燃料比率确定用来复位氧存储量(高速分量HO2和低速分量LO2)的条件是否保持，并且设置一个标志Frich和一个标志Flean。
首先在步骤51，读取检测催化剂3a下游的废气空气燃料比率的后部氧传感器5的输出。以后，在步骤S52，把后部氧传感器输出RO2与一个贫油确定阈值LDT相比较，并且在步骤S53，把后部氧传感器输出RO2与富油确定阈值RDT相比较。
作为这些比较的一个结果，当后部氧传感器输出RO2小于贫油确定阈值LDT时，程序转到步骤S54，并且把标志Flean设置为表示用于氧存储量的贫油复位条件保持的“1”。当后部氧传感器输出RO2超过富油确定阈值RDT时，程序转到步骤S55，并且把标志Frich设置为表示用于氧存储量的富油复位条件保持的“1”。
当后部氧传感器输出RO2位于贫油确定阈值LDT与富油确定阈值RDT之间时，程序转到步骤S56，并且把标志Flean和Frich设置为表示贫油复位条件和富油复位条件不保持的“0”。
图9表示一个用来复位氧存储量的程序。
根据该程序，在步骤S61、S62，根据标志Flean和Frich的值的变化确定贫油复位条件或富油复位条件是否保持。
当标志Flean从“0”变到“1”，并且确定贫油复位条件保持时，程序转到步骤S63，并且把氧存储量的高速分量HO2复位到最大容量HO2MAX。在这时，不进行低速分量LO2的复位。另一方面，当标志Frich从“0”变到“1”，并且确定富油复位条件保持时，程序转到步骤S64，并且把氧存储量的高速分量HO2和低速分量LO2分别复位到最小容量HO2MIN、LO2MIN。
在这些条件下为什么进行复位的原因在于，当低速分量LO2的氧存储速率较慢时，即使当高速分量HO2达到最大容量时低速分量LO2还没有达到最大容量，在催化剂的下游氧也溢流，而当催化剂的废气空气燃料比率变得贫油时，可以认为至少高速分量HO2已经达到最大容量。
当催化剂下游的废气空气燃料比率变得富油时，从释放较慢的低速分量LO2不释放氧。因此，可以认为高速分量HO2和低速分量LO2都没有存储，并且在最小容量下。
其次，将描述由控制器6进行的空气燃料比率控制(氧存储量恒定控制)。
图10是表示一个用来根据氧存储量计算一个目标空气燃料比率的程序。
根据该程序，在步骤S71中，读当前氧存储量的高速分量HO2。在步骤S72，计算在当前高速分量HO2与高速分量的一个目标值TGHO2之间的一个偏差DHO2(＝由催化剂3a需要的氧过剩/缺少量)。把高速分量的目标值TGHO2设置为例如高速分量的最大容量HO2MAX的一半。
在步骤S73，把计算的偏差DHO2转换成一个空气燃料比率等效值，并且设置发动机1的一个目标空气燃料比率T-A/F。
因此，根据该程序，当氧存储量的高速分量HO2没有达到一个目标量时，把发动机1的目标空气燃料比率设置为贫油的，并且增大氧存储量(高速分量HO2)。另一方面，当高速分量HO2超过目标量时，把发动机1的目标空气燃料比率设置为富油的，并且减小氧存储量(高速分量HO2)。
其次，将描述由以上控制进行的整个作用。
在根据本发明的废气净化装置中，当发动机1启动时，由控制器6根据流入催化剂3a的废气的空气燃料比率和吸入空气量估计催化剂3a的氧存储量，并且根据实际特性把氧存储量的计算划分成高速分量HO2和低速分量LO2。
具体地说，进行计算，假定当存储氧时，最好存储高速分量HO2，而当已不能存储高速分量HO2时，低速分量LO2开始存储。计算也假定，在释放氧时，当低速分量LO2和高速分量HO2的比(LO2/HO2)小于预定值AR时，最好从高速分量HO2释放氧，而当比LO2/HO2达到预定值AR时，既从低速分量LO2又从高速分量HO2释放氧以保持该比LO2/HO2。
当计算氧存储量的高速分量HO2大于目标值时，控制器6通过把发动机1的空气燃料比率控制到富油减小高速分量，而当它小于目标值时，通过把空气燃料比率控制到贫油增大高速分量HO2。
结果，氧存储量的高速分量HO2保持在目标值处，并且即使流入催化剂3a的废气的空气燃料比率偏离化学计量比，氧也按高速分量HO2立即存储或按高速分量HO2立即释放，这具有较高的响应性，把催化剂气氛校正到化学计量空气燃料比率，及把催化剂3a的转换效率保持在最大值处。
而且，如果计算误差积累，则计算氧存储量偏离真实氧存储量，然而借助于催化剂3a的下游的废气成为富油或贫油时的计时，复位氧存储量(高速分量HO2和低速分量LO2)，并且校正在计算值与真实氧存储量之间的任何矛盾。
图11表示当执行以上氧存储量恒定控制时高速分量HO2如何变化。
在这种情况下，在时刻t1，第一后部氧传感器5a的输出变得小于贫油确定阈值，并且贫油复位条件保持，所以把高速分量HO2复位到最大容量HO2MAX。然而，低速分量LO2不必在这时最大，所以没有执行低速分量的复位，图中未示出。
在时刻t2、t3，第一后部氧传感器5a的输出变得大于富油确定阈值，并且富油复位条件保持，所以把氧存储量的高速分量HO2复位到最小容量(＝0)。把在这时的低速分量LO2也复位到最小容量，未表示。
因而，借助于在其下催化剂3a的下游的废气的空气燃料比率成为富油或贫油的计时，也进行氧存储量计算值的复位，并且校正与真实氧存储量相矛盾的结果，进一步提高催化剂的氧存储量的计算精度，增大用来保持氧存储量恒定的空气燃料比率控制的精度，及把催化剂的转换效率保持在较高值。
以上是由本发明假定的空气燃料比率控制的一个例子。根据本发明，在运行在贫油空气燃料比率下之后的一种第二催化剂3b的氧存储量由一个第二后部O2传感器5b控制到一个适当量。在如下描述中，参照图12和以后的附图描述这点。
图12是流程图，表示控制第二催化剂3b的氧存储量的第一实施例的控制，而图13表示由于这种控制空气燃料比率等如何变化。借助于以上空气燃料控制定期地同步进行这种处理。它具有选择由图8的复位条件确定程序使用的第一后部O2传感器5a输出、和设置由图10的空气燃料比率控制程序使用的一个目标氧存储量(TGHO2)的功能。
在这种处理中，首先在步骤S81确定是否在减速期间进行燃料切断控制。是否已经实施燃料切断控制通过监视以上在图13中描述的燃料控制信号、或通过独立地检测燃料切断条件确定。作为在减速期间用于燃料切断控制的控制条件的一个例子，开始条件是车辆速度和发动机转动速度大于或等于一个确定值、松开加速踏板、及变速箱不在中位。以这种方式开始的燃料切断终止，并且当发动机转动速度降到低于一个下限确定值或压下加速器踏板时，执行恢复。因此，通过监视这些条件确定在减速期间的燃料切断和恢复。
在该步骤中，确定是否已经开始加速燃料的切断恢复，并且当在步骤S81和步骤S84中检测到恢复开始时，把一个标志FFCR设置到1。标志FFCR表示正进行瞬态后恢复富油空气燃料比率控制，并且当终止这种控制时，把该标志复位到0。当标志FFCR是0时，把第一后部O2传感器5a的输出用作用于复位确定的后部O2传感器输出(图8)，并且在步骤S82和步骤S83中，把第一催化剂3a的最大氧存储量HO2MAX的1/2设置为一个目标氧存储量TGHO2。因此，由于以上空气燃料比率控制，把第一催化剂3a的氧存储量保持在其最大值的约1/2处，并且达到稳定的废气净化性能。在该时段期间，因为来自上游的废气的空气燃料比率稳定在化学计量空气燃料比率的附近，所以下游催化剂3b、3c的氧存储量的较大过多/不足不会出现。
另一方面，在上述后恢复空气燃料比率控制(FFCR＝1)期间，首先确定氧存储量是否是目标量，并且当它已经恢复到目标量时，把标志FFCR复位到0，并且程序返回在步骤S82和步骤S83中的正常处理。当氧存储量不是目标量时，把第二后部O2传感器5b的输出用作用于复位确定的后部O2传感器输出，并且在步骤S84把第一催化剂3a的最大氧存储量HO2MAX和第二催化剂3b的最大氧存储量2HO2MAX之和的1/2设置为目标氧存储量TGHO2。由于这点，进行空气燃料比率控制，从而催化剂3a、3b的氧存储量分别近似为1/2，所以由于燃料切断在贫油气氛中氧存储量过大的催化剂3a、3b迅速返回适当量，并且恢复希望废气净化性能。
在该实施例中，废气净化装置包括提供在第二催化剂3b的出口中的第二后部O2传感器5b，并且根据由第二后部O2传感器5b检测的废气的特性控制空气燃料比率，从而由于燃料切断运行在贫油空气燃料比率下之后，催化剂3a、3b的氧存储量是目标值。因此废气净化装置能把催化剂3a、3b的氧存储量保持在预定量的范围内，并且保持稳定的废气净化性能。空气燃料比率控制在这时由一个确定值控制富油的空气燃料比率，直到当第二催化剂3b的废气特性已经变得比确定值贫油时，第二催化剂3b的废气特性从确定值向富油变化。
由在减速下的燃料切断控制等典型地检测在贫油空气燃料比率下的运行状态。这种开始和结束能由控制器6的信号检测。在运行在贫油空气燃料比率下之后的这种控制能根据燃料切断的结束而开始。燃料切断控制不必在减速时，例如当继续高负载运行或高速运行时，进行这种燃料切断控制以对于所有汽缸或一部分汽缸保护发动机。在这种情况下，流入催化剂中的废气是归因于过多O2的贫油状态。贫油运行状态可以由第二后部O2传感器5b的输出直接检测。
能选择应该检测的废气的特性，由此有可能确定存储量，例如空气燃料比率或氧浓度。
由于计算分别用于具有高存储/释放速率的高速分量、和具有比高速分量慢的存储/释放速率的低速分量的催化剂的氧存储量，所以更准确地计算根据催化剂特性的催化剂的实际氧存储量。因此，更准确地控制催化剂的实际氧存储量。
图14是流程图，表示根据用来控制氧存储量的第二实施例的控制。图15表示在这种控制下空气燃料比率等如何变化。在图14中，略去表示在燃料切断恢复之后瞬态富油空气燃料比率控制的开始和结束的标志(FFCR)的处理。
在图12的处理中，在贫油状态之后第一和第二催化剂3a、3b的氧存储量迅速返回适当量，但如果如图1中所示进一步提供一种第三催化剂3c，则第三催化剂3c的氧存储量不必控制到适当量。为了控制这点，一个后部O2传感器可以提供在第三催化剂3c的下游，但构造更复杂。因此，在这种处理中，设置目标氧存储量，假定第二催化剂3b的氧存储量也表示第三催化剂的氧存储量，如以后描述的那样。
在这种处理中，在步骤S91中燃料切断之后的确定、在步骤S92中除燃料切断之外情况下的目标空气燃料比率TGHO2的设置、及在步骤S93由于目标氧存储量的实现的处理的终止，分别与图12相同。然而，在直到达到切断燃料之后的目标氧存储量的处理中，复位确定标志Flean、Frich首先分别保持在0处，在步骤S94中中断图9的预设置处理，并且然后设置目标氧存储量TGHO2，以减小催化剂3a、3b、3c的氧存储量。这里，在步骤S95，把第一催化剂3a、第二催化剂3b和第三催化剂3c的相应最大氧存储量HO2MAX、2HO2MAX、3HO2MAX之和的1/2设置为目标氧存储量TGHO2。由于该原因，进行空气燃料比率控制，从而分别得到催化剂3a、3b的氧存储量的近似1/2，所以由于燃料切断在贫油气氛中具有过多氧存储量的催化剂3a、3b、3c的氧存储量迅速返回适当量，并且恢复期望的废气净化性能。
在该实施例中，第三催化剂3c提供在第二催化剂3b的下游以提高废气排放性能。在这种结构中，进行空气燃料比率控制，假定第三催化剂3c的氧存储量与第二催化剂3b的氧存储量相同。因此这种结构能保持第三催化剂3c的高净化效率，并且呈现至最大极限的第三催化剂3c的废气净化性能。
图16流程图，表示根据用来控制氧存储量的第三实施例的控制。图17表示由于这种控制空气燃料比率等如何变化。在图16中，略去表示在燃料切断恢复之后瞬态富油空气燃料比率控制的开始和结束的标志(FFCR)的处理。
在这种控制中，当在步骤S101确定是在燃料切断之后时，在步骤S102、S103把第二后部O2传感器5b的输出与一个确定贫油确定值相比较。当传感器5b的输出比确定值贫油时，在步骤104中把在图10的步骤S73中计算的目标空气燃料比率箝位到一个预定富油空气燃料比率，例如A/F＝约14.0。当后部O2传感器的输出比确定值富油时，取消这种处理，并且根据目标氧存储量设置目标空气燃料比率(图10)。
图18是流程图，表示根据用来控制氧存储量的第四实施例的控制。当第二后部O2传感器5b的输出贫油时，该程序打算把目标空气燃料比率箝位到富油侧并且把催化剂3a、3b的氧存储量减小到目标量，而不顾发动机是否正运行在诸如燃料切断控制之类的贫油运行状态下(步骤S1101、S1102、S1103)。这种控制与图16相同，不同之处在于把目标空气燃料比率箝位到富油侧的开始条件是把第二后部O2传感器5b的输出与贫油确定值相比较的结果。
具有申请日1999年10月15日的美国专利申请No.09/418,255通过参考包括在这里。
定义其中要求专利权或专有权的本发明的实施例。
如上所述，根据本发明的废气净化装置，作为一种在贫油运行之后下游催化剂的转换效率保持在较高值处的废气净化装置是有用的。

Claims (9)

1.一种废气净化装置，包括：
一种第一催化剂(3a)，提供在发动机排气管(2)中；
一种第二催化剂(3b)，提供在第一催化剂(3a)的下游；
一个前部传感器(4)，检测流入第一催化剂(3a)中的废气特性；
一个第一后部传感器(5a)，检测流出第一催化剂(3a)的废气特性；
一个第二后部传感器(5b)，检测流出第二催化剂(3b)的废气特性；
一个微处理器(6)，编程成：
使用检测的废气特性计算第一催化剂(4a)的氧存储量，
控制发动机(1)的空气燃料比率，从而第一催化剂(4a)的氧存储量是基于计算氧存储量的一个目标量，
在贫油空气燃料比率下运行之后，使用由第二后部传感器(5b)检测的废气特性控制空气燃料比率，从而第一催化剂(4a)和第二催化剂(3b)的氧存储量是一个目标量。
2.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，其中微处理器(6)进一步编程成确定运行状态是在当执行燃料切断控制时的贫油空气燃料比率下的运行状态。
3.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，其中微处理器(6)进一步编程成根据来自第后部传感器(5a)的废气特性确定在贫油空气燃料比率下的运行状态。
4.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，其中由传感器检测的废气特性是空气燃料比率或氧浓度。
5.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，其中微处理器(6)进一步编程成分别对于一个具有高存储/释放速率的一个高速分量、和一个具有比高速分量慢的低存储/释放速率的一个低速分量计算第一和第二催化剂(3a、3b)的氧存储量。
6.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，其中发动机废气净化装置进一步包括一种提供在第二催化剂(3b)下游的第三催化剂(3c)，并且微处理器(6)进一步编程成控制空气燃料比率，从而第三催化剂(3c)的氧存储量是一个基于第二催化剂(3b)的氧存储量的目标量，假定第三催化剂(3c)的氧存储量与第二催化剂(3b)的氧存储量相同。
7.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，其中微处理器(6)进一步编程成由一个确定值控制富油的空气燃料比率，直到当根据来自第二后部传感器(5b)的输出计算的来自第二催化剂(3b)的废气特性变得比确定值贫油时来自第二催化剂(3b)的废气特性从确定值向富油变化。
8.一种废气净化装置，包括：
一种第一催化剂(3a)，提供在发动机排气管(2)中；
一种第二催化剂(3b)，提供在第一催化剂(3a)的下游；
一个前部传感器(4)，检测流入第一催化剂(3a)中的废气特性；
一个第一后部传感器(5a)，检测流出第一催化剂(3a)的废气特性；
一个第二后部传感器(5b)，检测流出第二催化剂(3b)的废气特性；
一个微处理器(6)，编程成：
在运行期间使用由前部传感器(4)检测的废气特性和由第一后部传感器(5a)检测的废气特性计算存储在第一催化剂(3a)中的氧存储量，
在贫油空气燃料比率下运行之后，使用由前部传感器(4)检测的废气特性和由第二后部传感器(5b)检测的废气特性计算存储在第一催化剂(3a)和第二催化剂(3b)中的氧存储量，
控制发动机空气燃料比率，从而在正常运行期间，第一催化剂(3a)的氧存储量是基于在第一催化剂(3a)中的计算氧存储量的一个目标量，
控制发动机空气燃料比率，从而在贫油空气燃料比率下运行之后，在第一催化剂(3a)和第二催化剂(3b)中存储的氧存储量是基于在第一催化剂(3a)和第二催化剂(3b)中的计算氧存储量的一个目标量。
9.根据权利要求8所述的发动机废气净化装置，其中微处理器(6)进一步编程成使用由前部传感器(4)检测的废气特性和由第一后部传感器(5a)检测的废气特性控制发动机空气燃料比率，从而在贫油空气燃料比率下运行之后，当在第一催化剂(3a)和第二催化剂(3b)中存储的氧存储量已经达到目标量时，第一催化剂(3a)的氧存储量是目标量。
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