JPH0688520A - 排気ガス流を浄化する装置 - Google Patents

排気ガス流を浄化する装置

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JPH0688520A
JPH0688520A JP3015298A JP1529891A JPH0688520A JP H0688520 A JPH0688520 A JP H0688520A JP 3015298 A JP3015298 A JP 3015298A JP 1529891 A JP1529891 A JP 1529891A JP H0688520 A JPH0688520 A JP H0688520A
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exhaust gas
catalyst
sensor
air
purifying
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JP3015298A
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Michael J Anderson
ジョン アンダーソン マイクル
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Ford Motor Co
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Ford Motor Co
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ６０ミリ秒以下のフィードバック応答時間内
で、化学量論値の±０．０１〜０．０２％以内に空燃比
を維持するエンジンの排気ガス流浄化装置の提供。 【構成】 排気ガス流に含まれる様々な燃焼生成物を濾
過する小質量の３路フィルター触媒２０と、該フィルタ
ー触媒の下流側に配置され、排気ガス流に含まれる有害
物質の残量を所望レベルにまで変換する大質量の３路主
触媒２２と、前記触媒の間にて排気ガス流の中に配置さ
れ、フィルター触媒を流出する排気ガス流に含まれる酸
素レベルを迅速且つ正確に指示する連続的な汎用性の高
い排気ガスセンサー２１と、検出した酸素レベルが化学
量論値から外れたときに混合気の空燃比を閉ループにて
調節するための比例的な積分制御装置とを含む。排気ガ
ス酸素センサー２１は、化学的ノイズを除去し、センサ
ーの応答性を遅延させ、そして経時変化を補償するよう
に時間に応答して、フィルター触媒と相互作用するよう
に関係付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は自動車エンジンの排気を
浄化する装置および方法に係わり、特に最大限の浄化を
行うために触媒並びに空燃比のフィードバックを併用す
る前述した装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】触媒装置の変換効率を改善するために、
従来の技術は基本的に２つの道筋に沿って行われてき
た。即ち、（ｉ）変換チャンバーの中の触媒部材の化学
的又は物理的な配置を変更するか、（ii）触媒変換チャ
ンバーへ導かれるガス排出物質を変える方法である。触
媒部材を変更する方法では、従来技術は安定化したアル
ミナ基体を貴金属で被覆する組み合わせを使用して、３
路触媒（即ち、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯx を変換させる触
媒）を市場で発展させた。この基体はモノリシックな多
孔コアーの上に担持されている。このコアーは真っ直ぐ
な中断されない軸線流路に沿って様々な空間速度で排気
ガスを通過させるように作られている。このような触媒
構造はそれだけでは、不規則で且つ統計的に予測できな
い酸素レベルの偏差（化学的ノイズ）、並びに特に機関
の暖気運転や冷間始動の間に発生し得る酸素レベルの統
計的に予測可能な偏差（過渡暴走）、が原因して変換上
の欠陥を解決することはできない。排気ガス中の化学的
ノイズは、異なるシリンダーからの排気ガスやシリンダ
ーでの不完全燃焼にそれぞれ原因して生じるリッチおよ
びリーンな乱渦流が混合することで発生する。燃焼爆発
はシリンダー間で固有に相違する。これは燃焼速度およ
びパルス波が相違することに原因する。この変動は、排
気ガスの混合気を共通の流れに導く排気ポートの長さが
相違することによって一層ひどくなる。化学的ノイズの
偏差は予測することができず、理想的な酸素レベルによ
る制御を強く阻害している。過渡暴走は不適性な燃焼制
御によって平均的な酸素レベルからの一時的な実際的な
変化を示す。これは補償するために正確に検出されねば
ならない。過渡暴走は不規則的なものとは考えられてお
らず、予測することが可能である。
【０００３】導かれた排気ガスを変化させることに関し
て、従来の技術は機関に於ける燃焼空気／燃料の比率
（空燃比）が化学量論値に近づけば近づく程、変換のた
めの触媒チャンバーに導かれる有害物質（ＨＣ、ＣＯ、
ＮＯx ）の体積が減少するということを見出した。空燃
比のフィードバック装置は配置されていたが、予測され
る委任連邦レベルに必要とされる燃焼効率のレベルに迄
触媒で改善することの達成は、過渡燃焼および不規則燃
焼の生成物によって主に阻止されていた。空燃比の測定
に於ける僅かな不正確さや、センサーによる検出および
フィードバックに於ける僅かな時間遅れが空燃比の調節
にハンチング現象を引き起こし、１９９４年の予測され
る委任連邦レベル（１２万〜１６万キロメートル（７
５，０００〜１００，０００マイル）の間の自動車走行
でのグラム／キロメートル（グラム／マイル）単位）
で、０．１５６〜１９．４（０．２５〜３１）のＨＣ、
２．１３〜２．６３（３．４〜４．２）のＣＯ、０．２
５（０．４）のＮＯx 、そして、０．１８１〜０．２２
５（０．２９〜０．３６）の炭化水素全量（ＴＨＣ）を
達成するのは不可能である。更に、このような様々な生
成物は触媒並びにフィードバック装置の経時変化によっ
て時間と共に次第に増大してしまい、２００２年に始ま
ることになっている予測される連邦の長寿命の要求値を
この装置が達成することは阻まれてしまう。又、それ以
降は１９９４年の予測される要求値（１６万キロメート
ル（１００，０００マイル）の走行に於いて）の半分に
迄本質的に低減されるであろう。
【０００４】本発明は、空燃比変更器に、フィードバッ
ク制御ループに於ける線形なワイドレンジな汎用性の高
い排気ガス酸素（以下にＵＥＧＯと称する）センサーの
上流側に質量の小さな高負荷フィルター触媒を配置して
独特に組み合わせることによって、劇的に改善されるこ
とを見出したのである。このような組み合わせは排気ガ
スが主変換触媒に流入する前にその排気ガスを処理す
る。出願人は、（ａ）フィルター触媒（不規則な即ち様
々な燃焼生成物もしくは化学的ノイズを濾過できるフィ
ルター触媒）を使用するが、運転される自動車から排出
される有害物質の一部分のみを通常のように変換するこ
と、（ｂ）主触媒の上流側でフィルター触媒の下流側に
１つのＵＥＧＯセンサーの使用、そして（ｃ）時間によ
って触媒又はセンサーの偏差に関する自動的な補正を展
開すること、を考慮した従来の技術は全く見出せない。
【０００５】本発明にとって必要なこととされる基本的
にスイッチ切り換えのない排気ガスセンサーの最初の設
計は１９８１年あたりに先ず見出され、ヘトリックの米
国特許明細書第４，２７２，３２９号（フォード・モー
ター・カンパニーに譲渡された）が付与されている。こ
の特許は多数のセル構造の酸素センサーを記載してお
り、このセンサーは、厳しい排出物質の基準に合わせる
のに一層有効とされている。この特許のセンサーは線形
出力を与える。このような出力はワイドレンジの空燃比
に関してより正確な測定を行う一方、熱的に誘起される
不正確さを避けるために、実質的に温度に感応しないよ
うになされている。１９８６年および１９８８年の間に
発表された論文は、閉ループフィードバック装置（閉ル
ープとは、ここでは制御される量が測定され、所望の性
能を表す標準値と比較されることを意味するのに使用さ
れている）を使用して広い範囲での空燃比に適用される
場合に、このようなＵＥＧＯセンサーが技術分野に於い
て受け入れられることを示している。このような論文に
は、（１）アイ・ムラセ、エイ・モリヤマおよびエム・
ナカイの「広いレンジの酸素センサーを使用する携帯用
の高速応答する空燃比測定器」、ＳＡＥペーパー８８０
５５９、２月２９日、１９８８年、（２）ジェイ・イシ
イ、エム・アマノ、ティー・ヤマウチ、およびエヌ・ク
リハラの「ワイドレンジの空燃比制御装置」、ＳＡＥペ
ーパー８８０１３４、２月２９日、１９８８年、（３）
エス・ウエノ、エヌ・イチカワ、エス・スズキおよびケ
イ・テラカドの「ワイドレンジの空燃比センサー」、Ｓ
ＡＥペーパー８６０４０９、１９８６年、および、
（４）エス・スズキ、ティー・ササヤマ、エム・ミキ、
エム・オーツガおよびエス・タナカの「リッチ、化学量
論値およびリーンの領域に関する空燃比センサー」ＳＡ
Ｅペーパー８６０４０８、１９８６年、が含まれる。
【０００６】このようなＵＥＧＯセンサーの設計展開に
て欠けているのは、高い精度を実現するために装置を如
何に使用するか、ということである。従来の技術に於い
て更に原始的な排気ガスセンサー（スイッチ切り換えセ
ンサー）の応用例では、（ａ）１つ又は２つの触媒本体
を有する１つのスイッチ切り換えセンサー、或いは
（ｂ）１つ又は２つの触媒本体を有する２つのスイッチ
切り換えセンサー、を使用してきた。スイッチ切り換え
センサーでは化学量論値に於いて或いはその付近に於い
て信号が非常に急激に変化する。
【０００７】触媒本体に対して上流側に１つのスイッチ
形式の排気ガスセンサーを配置することは米国特許明細
書第４，０００，６１４号（１９７７年）で使用されて
いる。このセンサーはフィードバック制御ループの中に
配置され、化学量論値の±１〜２％以内で空燃比制御精
度を達成することのみ可能とされている。空燃比に関す
る公差のこの狭い範囲は過度のハンチング現象を生じ、
又、酸素センサーによって過剰補正することが特徴であ
る。これはその配置位置に一部原因し、又、１９７０年
代に使用されたセンサーの特徴であるスイッチ点形式の
センサーを使用していることに一部原因する。
【０００８】米国特許明細書第３，９６１，４７７号
（１９７６年）では２つの触媒本体の間に排気ガスセン
サーを配置し、上流側の触媒本体は酸化触媒とし、下流
側の触媒本体は還元触媒とする試みがなされている。こ
の特許はまた、触媒に関する閉ループの空燃比制御を行
う初期の例である。又、１９７０年代の最も有効な概念
の１つを代表している。空燃比の公差は貧弱である。そ
れはスイッチ点形式の排気ガスセンサーを使用している
こと、および、排気ガスの酸素含有量を正確に検出する
能力を損なうようにセンサーのすぐ上流側で空気の噴射
が行われていること、に一部原因している。この参考文
献は装填或いは効力に関して触媒を説明していない。
【０００９】１つ以上の排気ガスセンサーを使用するこ
とは米国特許明細書第３，９３９，６５４号、同第４，
２５１，９９０号および同第４，７６１，９５０号に記
載されている。特許第３，９３９，６５４号（１９７６
年）に於いては、ステップ機能（スイッチ形式）する酸
素センサーが触媒本体の上流側および下流側に配置され
る一方、機関の燃料噴射装置には閉ループフィードバッ
ク装置が使用されている。この特許は酸素センサーに関
する応答時間および精度による問題点を適切に例証して
いて、使用されている形式に係わりなく触媒自体に関す
る幾つかの問題点に原因するとしている。空燃比のフィ
ードバック制御ループの制御を得るために比較器および
積分器が使用されている。長期間にわたる精度は１つの
スイッチ点センサーよりも多少向上されるが、精度は±
１％よりもはるかに下まわって改善されていない。
【００１０】特許第４，２５１，９９０号（１９８１
年）に於いては、２つのセンサーが使用されており、１
つの排気ガスセンサーが２つの触媒の上流側に直列に配
置されている。再び述べるが、スイッチ点形式の排気ガ
スセンサーが使用されていて、過渡空燃比制御の不正確
さ、および、ハンチングが継続すること並びに応答の悪
さの原因となる比較信号の時間遅れ、が避けられていな
い。
【００１１】特許第４，７６１，９５０号（１９８８
年）は、１つの触媒本体の付近に配置されている上流側
センサーを改修するために下流側センサーの情報を使用
して、この情報を制御目的で比較する、というソフトウ
ェア（図４Ｄに於けるジャンプバック制御のアルゴリズ
ムを参照されたい）を使用している。再び述べるが、こ
れらのセンサーはスイッチ点形式のものであり、装置は
空燃比制御に於ける精度上の問題点並びに比較の時間遅
れの問題点の影響を受けている。
【００１２】上述した特許となっている従来の技術の何
れもが、装置系でのセンサー或いは単体としてのセンサ
ーのサイクル応答時間を改善するものではないのであ
る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的は、機
関と触媒との間を結ぶ閉ループの空燃比フィードバック
装置を改善することによって、望ましくない排出物質を
今までにない低いレベル値に迄制御することである。こ
の空燃比フィードバック装置はループおよび６０ミリ秒
以下の時間内に応答するセンサーに対して３〜６Hzの周
波数て優れたフィードバック応答性を与える。又、この
装置は様々な燃焼生成物、燃料噴射に於ける変動、吸入
空気の変動、シリンダー間の状態の相違、そして排気ガ
スの乱流状態に於ける変動には関係なく、化学量論値の
±０．０１〜０．０２％以内に空燃比を維持するような
分解能を有する制御を行う。
【００１４】
【課題を達成するための手段】このような目的に合わせ
るために本発明の装置は、排気ガス流の発生源の近くに
配置され、該排気ガス流に含まれる様々な燃焼生成物を
濾過するのに有効な小質量で小容積の３路フィルター触
媒と、この第１のフィルター触媒の下流側に配置され、
排気ガス流に含まれる有害な排出物質の残量を所望のレ
ベルに迄変換するのに有効な大質量の３路主触媒と、両
触媒の間で排気ガス流の中に配置され、フィルター触媒
を出た排気ガス流に含まれる酸素レベルを迅速且つ正確
に指示するのに有効な連続的な汎用性の高い排気ガス酸
素センサーと、検出した酸素レベルの目標レベルからの
偏差に応答して混合気の空燃比を閉ループにて調節する
ための比例制御装置と、を含んで構成される。
【００１５】汎用性の高い排気ガス酸素（ＵＥＧＯ）セ
ンサーは、化学的ノイズの排除並びに経時変化を補正す
るための空燃比のフィードバックループのゲインの変化
に時間的に応答するようにフィルター触媒に対して相互
作用するように関係付けられる。この相互作用は、ＵＥ
ＧＯセンサーをフィルター触媒の下流側に配置し、フィ
ルター触媒による変換効率を制限し、そしてこのセンサ
ーと空燃比制御装置との間の相互作用関係を構成するこ
とにより、燃料の噴射に影響を与えて、フィルター触媒
が応答能力を高度に改善されるようになすことで、得ら
れる。このような相互作用はセンサーが補完的に且つ又
フィルター触媒の感応性に対抗して動作して、化学的ノ
イズの除去を達成するようになすことを保証するのであ
る。
【００１６】好ましくは、小質量は５００グラム以下を
意味し、小容積は３２７．８cm3 （２０in3 ）以下を意
味する。大質量は１０００グラム以上を意味し、大容量
は６５５．５cm3 （４０in3 ）以上を意味する。フィル
ター触媒は予め定めた制限された変換効率、即ち機関が
アイドル運転でない状態の下で４０〜６０％効率で、ア
イドル運転状態の下ではアイドル空間速度が２０Ｋ／時
間にて８０〜８５％迄、の変換効率を有する触媒を意味
する。好ましくは、フィルター触媒は多量を充填され
（即ち、貴金属が１m3当り１．４〜２．１kg（１ｆｔ3
当り４０〜６０グラム））、５．０８〜１０．１６cm
（２〜４in）の長さで、容積は約２６２．２〜３２７．
８cm3 （１６〜２０in3 ）とされる。好ましくは、フィ
ルター触媒は１つの排気ガス流発生源から約２．５４〜
１０．１６cm（１〜４in）の距離の範囲内に配置され、
全触媒容量の１０〜２０％を占めるようになされる。
【００１７】ＵＥＧＯセンサーについて、下流側の配置
とは排気ガス流の流れ方向に沿っての下流側を意味し、
ワイドレンジとはリッチ、リーンもしくはほぼ化学量論
値の各状態に於いて正確に空燃比を測定するための汎用
性を意味している。
【００１８】従って、このセンサーは２個又はそれ以上
の個数のセル（即ちポンピングセルおよび基準セル）を
有して、連続的な線形出力特性並びに対称的（化学量論
値の上又は下で）な時間的応答性を達成している。この
ようにセンサーは電極から尖晶石層（ｓｐｉｎｅｌ ｌ
ａｙｅｒ）が除去されていて、拡散キャビティの上の多
孔質の層によって形成された薄壁の拡散路を使用してい
る、ことが好ましい。このセンサーは５グラムよりも小
さい小質量の検出部材を備え、好ましくは４個の包囲さ
れた電極を使用していて、このセンサーは６０ミリ秒よ
りも短い周波数応答性を有している。このような線形セ
ンサーはラムダ値が０．７および１．４にて±３％の精
度（作動点の）を特徴とする性能を有する。ラムダ値が
１に近づく程精度は向上し、ラムダ値が１の位置ではた
ったの±０．０７％となる。ここで、ラムダ値は化学量
論的な空燃比に対する実際上の空燃比の比率を意味して
いる。
【００１９】主触媒は、上流側に配置されているフィル
ター触媒から約１０．１６cm（４in）の距離の位置に位
置決めされるのが好ましい。又、機関高負荷の下で空間
速度が４００Ｋ／時間にて排出物質の９０％迄を変換す
るように充填される。
【００２０】直列状態に装備された２つの触媒およびこ
れらの触媒の間に介在された線形のＵＥＧＯセンサーを
含み、上流側の触媒は有害排出物の制限された範囲での
変換を行うと共に排出物質の様々な燃焼生成物を濾過す
るために装備されていて、センサーの電圧変化が所望範
囲に空燃混合気を制御するのに使用されているような触
媒装置の化学的な経時変化を補償するための本発明の方
法の態様は、（ａ）変換効率を次第に低下させ、且つ多
量の有害なガス排出物が通り抜けるのを許すという予め
定めた使用法によって上流側の触媒の化学的劣化速度を
実験的に確定し、（ｂ）センサーの応答性が次第に遅く
なり、且つセンサーのゲインが低下するという正常な使
用法によって該センサーの劣化速度を実験的に確定し、
（ｃ）実験的に確定された劣化速度に基づいてフィード
バック制御ループに関する初期ゲインの特性を確定し、
センサーが経時変化する際にゲイン特性に於けるその損
失が劣化の結果として生じる上流側触媒を通る有害ガス
生成物の通過増大を相殺し、これによって下流側触媒か
らの排気ガスの一定したループ応答性および変換レベル
を維持するようになす、諸段階を包含する。
【００２１】
【実施例】本発明の主目的の１つは相互作用する触媒−
燃料噴射装置のフィードバック装置を改善することであ
る。この装置は、先例のないリアルタイム、例えば６０
ミリ秒以内の応答時間内、での化学量論値の±０．０１
〜０．０２％という分解能の範囲内で緊密な平均的空燃
比の制御を達成する。触媒本体の劣化、もしくは正確な
分解能および迅速な応答に影響を及ぼす経時にみる燃料
装置の制御に於ける劣化、を補正することも本発明の目
的である。これらの目的を、機関の特性の相違や、正確
な分解能および迅速な応答に影響を及ぼす経時による触
媒本体もしくは燃料装置の劣化に関係なく、達成するこ
とが望まれている。これらの目的は、ここでは小質量小
容積のフィルター触媒と、線形ワイドレンジな多数セル
構造とされた小質量の排気ガス酸素センサーとの独特の
相互作用的な組み合わせによって達成できる。このセン
サーは汚損並びに大気温度から隔絶される。この組み合
わせ構造部は、従来の３路触媒本体の上流側に配置され
る。
【００２２】図１に示されるように、内燃機関の内部で
燃焼されて発生される排気ガスを浄化するための装置の
基本的部材には、燃焼室１１を有する機関１０と、空燃
供給装置１２とが含まれる。この空燃供給装置は、空気
取り入れ装置１５と、空気スロットル１７、空燃メータ
ー１６および１点燃料噴射装置１３を含んでおり、超音
波燃料アトマイザー１４が幾つかの例において使用され
ている。燃焼シリンダーもしくはチャンバー、即ち燃焼
室１１、の各々から延在されている排気チャンネル１８
が導かれ且つ合流されて共通の排気管１９を形成してい
る。排気管１９には小質量のフィルター触媒２０が介在
されている。この触媒は排気チャンネルが共通の排気管
となるように合流している箇所のすぐ近くに配置されて
いる。ワイドレンジの汎用性の高い排気ガス酸素（ＵＥ
ＧＯ）センサー２１がフィルター触媒のすぐ下流側に配
置されている。周囲触媒２２はこのセンサー２１の下流
側に配置されている。相互作用する制御装置２３は一部
が排気ガス酸素センサー構造部と一体化されており、
又、一部がセンサー２１を燃料噴射装置１３およびその
他の閉ループフィードバック装置に於ける機関パラメー
タとリンクさせている。
【００２３】フィルター触媒 フィルター触媒２０は排気ガス流の中に注意深く配置さ
れねばならない。又、フィルター触媒２０は小質量の３
路機能を有して排気ガス流に含まれる様々な有害な燃焼
生成物を濾過するように構成されねばならない。様々な
燃焼生成物は各個の燃焼シリンダーの状態が相違するこ
とによってリッチおよびリーンな乱渦流が生じる際に発
生する。この渦流は規則的な完全燃焼したシリンダーの
排気ガスと不完全燃焼したシリンダーの燃焼生成物との
混合気を表す。渦流は不規則である。フィルター並びに
消火（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）触媒の両方として作動させ
るために、触媒２０は約３００〜５００グラムの小質量
とされ、そして２４５．８〜３２７．８cm3 （１５〜２
０in3 ）の小容積を有している。このような小質量およ
び小容量が共に１０Hzよりも高いフィルター周波数に望
まれる。フィルター触媒は横断面形状が円形であれば、
約５．０８〜１０．１６cm（２〜４in）のような比較的
短い長さを有していなければならない。フィルター触媒
は高い空間速度（即ち、機関のアイドル運転で少なくと
も５０Ｋ／時間、スロットルが広く開口された状態で少
なくとも３５０Ｋ／時間を有するように設計されていな
ければならない。フィルター触媒は、機関装置のための
全触媒容積（フィルター触媒および主触媒）の１０〜２
０％を占めているだけである。この触媒は１cm2 当り３
１〜６２個の多孔密度（１in2 当り２００〜４００個の
多孔密度）のモノリシック構造部に支持されることがで
きる。或いは又、ワイヤーメッシュ支持体とされること
ができる。
【００２４】セラミックの多孔質モノリス形式の支持体
が排気マニホールドに対して密接に連結された関係状態
で作動できる。通常のウォッシュコーティングが使用さ
れてこのモノリスをそのような箇所での高温使用に対し
て安定させるようにする。フィルター触媒はその有効性
を損なうことのないように排気ガス流の発生源にできる
だけ近づいて配置されるのが好ましい。好ましい実施例
に於いては、このような位置決めは排気管１９の基部
（シリンダーからの排気が１つの流れとして合流する箇
所）から７．６２〜１０．１６cm（３〜４in）以内とさ
れる。
【００２５】フィルター触媒は非常に多量に貴金属を充
填されねばならない。実際には貴金属が１m3当り１．４
〜２．１kg（１ft3 当り４０〜６０グラム）の範囲とさ
れる。この貴金属には、プラチナ、パラジウム或いはロ
ジウムが組み合わされるか単独で含まれ、良く知られて
いるように排気ガス流に含まれる有害物質を酸化および
還元するようになす。このようなフィルター触媒は有害
排出物質の一部（即ち、機関の大負荷の下で４０〜６０
％、アイドル状態の下で８０〜８５％迄の量）のみを変
換できるとされることが重要である。これは、質量、貴
金属の充填率、寸法、そしてフィルター触媒の空間速度
を調節することで行われる。
【００２６】このようなフィルター触媒は化学的ノイズ
を除去することが可能となる。何故ならば、これらのノ
イズは上述のような小質量で小容積の経時変化した或い
は経時変化していない触媒の濾過容量の範囲内で十分に
高い周波数を有しているからである。燃焼シリンダーに
よって放出される最も低い予測される化学的ノイズの周
波数は約１０Hzである。これはそのような触媒の４Hz濾
過能力に十分に含まれる。このような新規なフィルター
触媒の変換能力は化学的ノイズに関して様々な燃焼生成
物の除去を多少超えるのである。何故ならば、フィルタ
ー触媒の設計は触媒の計算できない経時劣化を許容しな
ければならないからである。
【００２７】フィルター触媒がここで特定したよりも大
きな変換効率を先ず達成するように設計されていたとす
るならば、フィードバック制御装置およびセンサーの全
体の応答時間は悪い影響を受ける。何故ならば、この制
御ループはダンプされてしまうからである。ダンプが大
きくなり、制御ループ周波数（制限サイクル周波数）が
一層遅くなると、一層大きな空燃比の暴走が許容される
ようになり、触媒の効率の損失を引き起こす。制限サイ
クル周波数はリッチをリーンに完遂し、そしてリッチへ
戻す制御サイクルに必要な時間の逆数である。制限サイ
クル周波数は制御ループに於ける補正遅延によって決定
され、又、センサーの応答、ガス搬送遅延、排出物質制
御の電子的遅延、そしてソフトウェアのアルゴリズムの
遅延を含んでいる。
【００２８】センサー ここに記載する本発明の組み合わせに於いて協働するた
めにセンサーに要求される基本的な特性は、少なくとも
基本的なネルンスト形式の電気化学的なセルを含むこと
である。これはしばしばスイッチ切り換え式排気ガス酸
素センサーと称される。この基本的なセンサーの構築ブ
ロックが必要とされるが、最終的なセンサーはスイッチ
切り換え式もしくはステップ機能するものでなく、ここ
に説明する工夫が含まれる。
【００２９】１９７０年代および１９８０年代を通じて
機関の空燃比制御に対するセンサーの応用は、本質的に
スイッチ点形式のものであった。このボルタ形式のＺｒ
Ｏ2スイッチセンサーは広く一般に使用されてきた（し
ばしば酸素センサー、ＥＧＯ（排気ガス酸素）センサ
ー、ＨＥＧＯ（加熱された排気ガス酸素）センサー、電
気機械セル、ラムダセンサー、燃料セルと称される）。
これらのセンサーは機関によって発生された排気ガスに
於ける酸素分圧を実際に測定する。機関から出る酸素濃
度は機関の空燃比に関係する。機関から出る酸素がガス
アナライザーによって測定されたならば、酸素濃度と空
燃比との間には、特に化学量論値による比率に近い空燃
比では、特別な関係はない。平衡状態の酸素の検出を促
進するのはセンサーに使用された触媒物質である。しか
しながら、小型のセンサー電極での空間速度は非常に速
いので、実際の機関運転に於いて平衡化は殆ど起こらな
い。これらのセンサーは、完全に平衡化した、安定し
た、高温度の運転に於いてのみネルンストの数式によっ
て予測されるように化学量論値にて切り換える。残念な
がら、このような状態は多くのＳＡＥ論文や特許が示し
ているように実際の機関運転に於いては全くもしくは殆
ど存在しないのである。
【００３０】スイッチ点形式の酸素センサーの制限は、
（ａ）１％を超える精度で正確に空燃比を測定すること
ができなく、スイッチング時間並びにセンサーの応答時
間が望まれるほど十分でないこと、（ｂ）テールパイプ
からの放出を増加しないでスロットルの動きもしくはト
ランスミッションによるシフトが行われることにより生
じる化学量論値に近い空燃比の過渡的な偏差を測定する
ことができないこと、である。センサーの応答時間は、
ガスの遷移領域がセンサーを通過した後で電極／電解質
の界面にて排気ガスの平衡化された状態が確立されるの
に必要とされるセンサーにとっての時間である。スイッ
チング時間は該界面に平衡化されたガス状態が確立され
た後にその電圧を切り換える時間である。この２つの応
答時間はしばしば加算され、センサー応答時間と記述さ
れる。スイッチ点センサーの応答特性は複雑で、目標か
ら外れた（ｏｆｆ−ｔａｒｇｅｔ）調節を生じてしま
う。このようなセンサーの電圧出力は化学的な変化の各
々に応じて粗く揺動し、１秒間に多数回も発生してしま
う。このような粗い揺動は通常はマイクロプロセッサに
よって１秒間に１〜２回の揺動となるようにソフトウェ
アーでフィルター掛けされる。このマイクロプロセッサ
は信号を燃料噴射装置に伝達し、燃料噴射装置は各々の
揺動に於いて電圧の外れた側と同じ側に調節される。こ
の結果、排気ガスは改善されることになるのであり、排
気ガスは電圧のピーク値を或る程度低減して化学的な偏
差が改められるのである。或る種の不適当な点は米国特
許明細書第４，２５１，９９０号および第４，２７２，
３２９号に更に詳しく記載されている。
【００３１】これらの制限を克服するために、例えばセ
ルの設計に於ける多くの組み合わせや、センサー位置の
上および下流側の変更や、アルゴリズムの強制使用のよ
うな別の構成とする技術が試みられてきた。配置自体で
はスイッチ点センサーのドリフトを解決することはでき
なかった。このような試みは「リアルタイム」のフィー
ドバックを改善することはできず、経時ドリフト制御に
於ける非常に僅かな改善をすることになるリターンでの
制御装置を複雑にした。
【００３２】ネルンスト形式の電気化学セルは（図２に
示されるように）固形電解質３０を含む。この電解質３
０は典型的には部分的に安定化されたジルコニアを含ん
でなる。この電解質は反対両側に配置されている電極３
１、３２（通常はプラチナ）の間で酸素イオンを導く。
電極３１は空気に露出され、又、電極３２は排気ガスに
露出される。これらの電極は尖晶石の保護層で被覆され
ている。又、これらの層はセンサーの応答性を鈍化し、
複雑化させる原因となっている。空気と排気ガスとに於
ける酸素分圧の相違に原因して起電力（ｅｍｆ）が発生
される。この電圧出力Ｖは図３に示すように化学量論値
（空燃比が１４．７）において急激に変化する。このよ
うなスイッチ点形式の排気ガスセンサーは化学量論値に
達したときを示すことのみ可能であり、何れの時点に於
ける空燃比が如何にリーン又はリッチであるかを伝える
ことはできない。従って、このような形式のセンサーが
線形センサーとされたとしても、その基本的な機能はシ
ステム制御に必要とされる改善を達成することはできな
いのである。
【００３３】このスイッチ点特性を排除するために本発
明で必要とされるセンサーは（図４に示すように）更に
追加の部材を含む。即ち、（ａ）２つのセル４０、４１
（セル４１は通常のネルンスト形式の検出セルで、セル
４０は空燃比に比例したポンピング電流を表すポンピン
グセルである）と、（ｂ）これらの２つのセルの間に配
置され、セル間のキャビティに到達する酸素分子の量を
制御する一方で電極４２が被覆即ちカバーされない状態
に保持するための開口を形成した拡散層４３（プラグに
支持されるのが好ましい）と〔この拡散層の開口は特別
な多孔質の拡散層によって閉じられて、汚染の影響がな
い酸素分子の安定した到達を再び制御するようにされる
ことができる〕、（ｃ）リッチな排気ガス状態の間は２
つのセル間の制限された容積の中に酸素をポンピング
し、リーンな排気ガス状態の間はこの制限された容積か
ら酸素を排出させるようになす可逆回路と、を含んでい
る。この可逆回路セル間の制限された容積内で化学量論
値の混合気を維持する傾向を有する。従って、時間遅延
に於ける変動は回避される。空気および排気ガスの温度
状態による変動は、図４に示すように２つのセルから隔
てられて外部に配置されたセラミック部材の中に埋設さ
れた加熱部材４５、４６を配備することによって排除で
きる。温度の影響はこの２つのセルの配置によって最小
限に抑えることができる。プラチナ電極は尖晶石による
層を形成されないことでセンサー応答特性を改善するよ
うに、被覆されないのが好ましい。このような汎用性の
高い即ちワイドレンジの排気ガスセンサーの出力電圧は
図５に最も良く示されている。空気の過剰比が１（ラム
ダ＝１）であるならば、ポンピングセルの電力はゼロで
ある。検出された空気過剰比の範囲は外部の電子装置に
与えられる。このようなセンサーの構造は多数セルのワ
イドレンジな線形の構造であり、６０マイクロ秒以下の
応答時間を有する（空燃比の変化に対する全体的な応答
の６３％の応答時間である）。この構造は機関空燃比の
検出並びに制御に改善をもたらし、これにより以下の特
定の機能を付与することで排気ガスを改善する。このよ
うな機能は現在のスイッチ点センサーで得ることはでき
ない。このような機能とは、（ａ）エンジン運転に於け
る空燃比の測定、（ｂ）化学量論値から外れた空燃比の
高精度での測定、（ｃ）空燃比の変化を検出する上での
速い応答性、（ｄ）リッチからリーンへ、また、リーン
からリッチへと空燃比を変化させるより安定した対称的
な応答特性、（ｅ）排気温度の変化に対する応答性の鈍
感さ、（ｆ）所望の応答時間特性に於ける設計変更の一
層の融通性、である。
【００３４】検出部材であるセルは５グラム以下の小質
量を有し、このセンサーはラムダが０．７および１．４
のときに（動作点に関する）±３％の精度を与える。精
度はラムダが１となる方向に向かって高まり、ラムダが
１のときは僅かに±０．０７％となる。
【００３５】相互作用の制御 フィルター触媒、センサー、そして燃料噴射装置は、閉
ループゲインを選択することで速い応答時間を達成する
ために（空燃比制御装置および燃料噴射装置に対して調
節電流を付与するためにセンサー信号には多数のファク
ターが使用される）、又、サイクル周波数を制限するた
めに、互いに関係付けられねばならない。フィードバッ
ク制御ループの制限サイクル周波数は３Hz又はそれ以上
とされて、ゲイン設定は標準の２０％以下とされて設備
や貴金属の経時変化に於ける差異を補償できるようにな
されねばならない。この差異なる用語はここではエンジ
ンに於ける燃料噴射装置のバラツキ、装置に於けるセン
サーのバラツキ、エンジンシリンダーに於ける空気取り
入れ量のバラツキを意味している。経時変化なる用語は
ここでは貴金属が時間によって触媒表面に付着する即ち
焼結することを意味する。ゲインおよび相シフトはフィ
ルター触媒によってセンサーの働きをなすように成形さ
れる（即ち、ＵＥＧＯセンサーの容量および拡散係数を
操作することによって）。
【００３６】最も簡単な相互関係は直接的に比例する閉
ループフィードバックによってセンサーを燃料噴射装置
に連結し、一方ではフィルター触媒が排気ガス濾過し
（化学的ノイズを除去する）且つその中の有害物質の少
量を変換するようにセンサーに応答するよう寸法決めさ
れ組み合わされることを保証することである。比例とは
出力と入力との間に連続した線形関係があることを意味
する。
【００３７】しかしながら、１次フィードバックループ
は米国特許明細書第３，９３９，６５４号に指摘されて
いる１９８８年２月２９日付け（ＳＡＥ発行第８８０１
３４号）の「ワイドレンジな空燃比制御装置」と題する
ジェー・イシイ、エム・アマノ、ティー・ヤマウチ、エ
ヌ、クリハラによるＳＡＥ技術公報に記載されている制
御装置の一部と同様に、比例−積分（ＰＩ）制御方法を
行うのが望ましい。
【００３８】比例もしくは積分であろうとなかろうと、
独立したアルゴリズムがこの制御に於けるループゲイン
係数として使用されている。このアルゴリズムはセンサ
ー出力特性に従属する。比例制御のアルゴリズムはＵＥ
ＧＯセンサーの検出した空燃比と直接に反対の方向又は
比例する方向に作用する。この積分制御のアルゴリズム
は或る時間にわたり空燃比レベルを積分して、蒸気パー
ジ負荷のような制御装置の負荷に関して平均的な空燃比
レベルを補正するように作用する。従って、比例＋積分
が入力およびその入力の積分時間の線形的な組み合わせ
に比例した出力を与えるのである。典型的なＰＩアルゴ
リズムは次の通りである。即ち、
【００３９】
【数１】 ここで、 ｂ＝比例ゲイン／静的ゲイン Ｉ＝積分動作率 Ｐ＝比例ゲイン Ｓ＝複素変数 Ｘ＝入力変換 Ｙ＝出力変換
【００４０】Ｐのみ又はＰＩの制御が本発明の制御装置
には必要である。従って、排気ガスがリッチ領域にある
ならばこの制御方法のロジックはラムダを増大させ、
又、排気ガスがリーンの領域にあるならばラムダを減少
させる。閉ループ構成に於いては（図６に示すよう
に）、噴射装置の動力はその噴射装置の係数Ｋi によっ
て変化されるように空気流量およびラムダによって影響
を受ける。ＰＩフィードバック制御は重要である。何故
ならば、線形出力のＵＥＧＯセンサーと使用される場合
にその制御アルゴリズムが空燃比を化学量論値にとどめ
ることを可能にするからである。従来技術のアルゴリズ
ムはこれを許容できなかった。
【００４１】空燃比制御を更に正確とするように改善す
るために、適応フィードバックループが更に第１のフィ
ードバックループに組み合わされて、様々な空気流量／
速度の組み合わせに関しての噴射装置および閉ループセ
ンサーの係数を補正するようになすことができる。
【００４２】噴射装置の動力は温度、エンジン速度、そ
してエンジン負荷から得たオープンループ（フィードフ
ォワード）情報によって変化される。
【００４３】この装置の経時変化を補償するために、フ
ィードバックループのゲイン設定が行われて、フィルタ
ー触媒の設計質量および寸法を考慮してフィルター触媒
から受け取った予測信号を通常のように増幅するために
予め定めた値の約１５〜２５％低い値とされるようにし
なければならない。従って、フィルター触媒が新しい場
合は、フィルター触媒に流入する空燃混合気に於けるミ
リ秒の変化は、化学的ノイズが除去されて生じる触媒か
らの流出によって抑制される。排気ガスセンサーを通過
する前のこのような変化の大きさは、正常および過渡に
於ける暴走によって抑制される。これによりセンサーは
素早い応答性（第２の相シフトの０．０６０）にて第２
の振幅に相当する非常に正確な電圧値を伝達する。又、
マイクロプロセッサはこの電圧信号を逆数に変換し、こ
れが噴射装置の動力要素を変化させて、フィルター触媒
に導かれた空燃混合気が小さな変数を有するようにさせ
る。主３路触媒はこれにより、空燃比が化学量論値に比
較的近いときに有害物質の残量を更に有効に変換し、殆
ど真直線と仮定される最終的な変化となす。
【００４４】例えば車輛が９０，０００km（５０，００
０マイル）以上走行したときのようにフィルター触媒が
実質的に経時変化したときには、空燃比の大きさは誇張
された揺動を示すことになる。これはフィルター触媒が
新しいとき程にはそれらの揺動を減衰できず化学的ノイ
ズの何れかを排除できないということに原因する。経時
変化してしまったフィルター触媒を通過することで生じ
る大きな空燃比の揺動はフィードバックループのゲイン
を増大するように作用し、これにより感応性を高める。
又、同じ時期にセンサーは或る程度の劣化を受ける。こ
れは小さな空燃比の変化を検出することを意味する。セ
ンサーのこのような劣化は小さな範囲でフィードバック
ループゲインを低減させるように作用する。全体とし
て、くみあわされた触媒−センサーの相互作用は経時変
化によってフィードバックループゲインを増大し、これ
により空燃比の偏差を一層迅速に補正するようになす。
経時変化した触媒は高い変換効率を維持するためには一
層高い周波数および小さな空燃比の暴走が必要とされ
る。
【００４５】図７のａに示すように、Ｏ2 は化学量論値
を超える範囲で非常に素早く上昇するが、変換効率は化
学量論値にてピークを迎える（図７のｂを参照された
い）。このようなピークはアイドル運転よりも高負荷運
転に於いてフィルター触媒に関して低くなり、新しい触
媒に比較して経時変化した触媒の方がピークが低くな
り、主触媒に対してフィルター触媒の方でピークが低く
なる。Ｏ2 に於ける変化は化学量論値に近づく程小さく
なる（図７のｃ）。この経時変化したフィルター触媒の
補正ゲインは新しい触媒よりも強くなる（図７のｄ）。
【００４６】従って、排気ガスが化学量論値に近づく程
変換が多くなり且つ酸素変数が小さくなる。マイクロプ
ロセッサに於けるフィードバック補正ゲインが小さくな
る程排気ガスは化学量論値に近づく。しかし、この値は
濾過されない化学成分の量が大きくなる結果として経時
変化によって増大される。（図７のｅ）。
【００４７】
【発明の効果】本発明の装置を使用すれば、例え厳密な
方法ではないとしても予測される２００３年の連邦排気
ガス規制を達成することができる。
【００４８】本発明に於ける特定の実施例を図示し説明
してきたが、当業者には本発明から逸脱しないで様々な
変化および変更が行なえることは明白であり、本発明の
真の精神および範囲に含まれるこれら全ての変更および
等価装置を特許請求の範囲の欄にて包含することが意図
されるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の断面図と本発明に係わる排気マニホ
ールドおよび触媒本体並びに相互作用制御装置の斜視図
との複合図。
【図２】従来のスイッチ点酸素センサー（従来の技術）
の概略図。
【図３】図２のスイッチ点酸素センサーに関する空燃比
の関数としての出力電圧のプロット図。
【図４】本発明による装置および方法に使用できる汎用
性の高い排気ガス酸素センサーの概略図。
【図５】図４のセンサーに関する空気過剰比の関数とし
ての空燃比センサー出力のプロット図。
【図６】本発明の装置に関する概略的な制御図。
【図７】本発明の閉じたフィードバック制御ループの動
作を示すデーターを表す一連の図。
【符号の説明】
１０ 内燃機関即ちエンジン １１ 燃焼室 １２ 空燃混合気の供給装置 １３ 燃料噴射装置 １４ 燃料アトマイザー １５ 空気取り入れ口 １６ 空燃比メーター １７ 空気スロットル １８ 排気ガスチャンネル １９ 排気ガス流 ２０ 小質量のフィルター触媒 ２１ ワイドレンジの汎用性の高い排気ガス酸素センサ
ー即ちＵＥＧＯ ２２ 主触媒 ２３ 相互作用の制御装置 ３０ 固形電解質 ３１，３２ 電極 ４０，４１ セル ４２ 電極 ４３ 拡散層 ４４ 可逆回路 ４５，４６ ヒーター部材

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関のシリンダー内で空気／燃料の
    混合気を燃焼させることによって発生する排気ガス流を
    浄化する装置であって、 （ａ）排気ガス流に含まれる様々な燃料生成物を濾過す
    るのに有効な、該排気ガス流の発生源の近くに配置され
    た小質量の３路フィルター触媒と、 （ｂ）前記排気ガス流に含まれる有害な排出物質の残量
    を所望のレベルに迄変換するのに有効な、前記第一のフ
    ィルター触媒の下流側に配置された大質量の３路主触媒
    と、 （ｃ）前記フィルター触媒を出た排気ガス流に含まれる
    酸素レベルを迅速且つ正確に指示するのに有効な、両触
    媒の間で該排気ガス流の中に配置された汎用性の高い連
    続的な排気ガス酸素センサーと、 （ｄ）検出した酸素レベルの目標レベルからの偏差に相
    互作用的に応答して前記混合気の空燃比を閉ループにて
    調整するための比例制御装置とを包含することを特徴と
    する排気ガス流を浄化する装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載された装置であって、化
    学的ノイズを濾過すればするほど空燃混合気が化学量論
    に近づくように前記フィルター触媒の寸法および変換効
    率が定められていることを特徴とする排気ガス流を浄化
    する装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載された装置であって、前
    記フィルター触媒が排気ガス流の発生源の近くに接続さ
    れ、消化（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）触媒として機能するの
    に有効であることを特徴とする排気ガス流を浄化する装
    置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載された装置であって、前
    記フィルター触媒が３２７．８cm3 （２０ｉｎ3 ）より
    は小さな容積を有し、１ｍ3 当り１．４〜２．１kg（１
    ｆｔ3 当り４０〜６０グラム）の範囲で貴金属を含んで
    いることを特徴とする排気ガス流を浄化する装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載された装置であって、前
    記フィルター触媒が約５．０８〜１０．１６cm（２〜４
    ｉｎ）の長さを有するように寸法決めされていて、排気
    ガス流の発生源から約２．５４〜１０．１６cm（１〜４
    ｉｎ）の距離を隔てられていることを特徴とする排気ガ
    ス流を浄化する装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載された装置であって、前
    記フィルター触媒が機関のアイドル運転のときで且つ約
    ２０Ｋ／時間の空間速度に於いて該排気ガス流の８０〜
    ８５％を超えることのない変換を行うことを特徴とする
    排気ガス流を浄化する装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載された装置であって、前
    記フィルター触媒が機関のアイドル運転でない状態に於
    いて排気ガスに含まれる有害な化学物質の約４０〜６０
    ％を変換でき、しかも３２７．８cm3 （２０ｉｎ3 ）よ
    りは小さな容積を有していることを特徴とする排気ガス
    流を浄化する装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載された装置であって、前
    記フィルター触媒が装備された状態で少なくとも３５０
    Ｋ／時間の空間速度にて作動されることを特徴とする排
    気ガス流を浄化する装置。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載された装置であって、前
    記主触媒が前記フィルター触媒よりも実質的に大きな質
    量を有し、又、１．４kg／ｍ3 （４０g ／ｆｔ3 ）を超
    えない量の貴金属を含んでいることを特徴とする排気ガ
    ス流を浄化する装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載された装置であって、
    前記主触媒が前記フィルター触媒から下流側に約２．５
    ４〜１５．２４cm（１〜６ｉｎ）の範囲の距離を隔てて
    配置されていることを特徴とする排気ガス流を浄化する
    装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが前記フィルター触媒と相互作用的に関係
    して化学的ノイズを排除し、センサーの応答遅れを排除
    し、そして前記フィルター触媒又はセンサーの経時変化
    を補償するようになされていることを特徴とする排気ガ
    ス流を浄化する装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが６０ミリ秒以下の応答時間を有すること
    を特徴とする排気ガス流を浄化する装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが実質的に温度に感応せずに高精度を維持
    することを特徴とする排気ガス流を浄化する装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが前記フィルター触媒の出口付近に隣接し
    て配置されていることを特徴とする排気ガス流を浄化す
    る装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載された装置であっ
    て、前記センサーが前記フィルター触媒から２．５４〜
    １０．１６cm（１〜４ｉｎ）の範囲内に配置されている
    ことを特徴とする排気ガス流を浄化する装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが線形電圧出力を与え、この電圧出力は
    ０．７〜１．４のラムダ値に於いて±３．０％以内で空
    燃混合気に関するラムダの制御を行うのであって、ラム
    ダ値が１に近づく程精度は増大し、ラムダ値が１では化
    学量論上の制御が少なくとも空燃比の±０．０２％の精
    度を有することを特徴とする排気ガス流を浄化する装
    置。
  17. 【請求項１７】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが６０ミリ秒よりも短い時間内に信号を燃
    料噴射装置に伝達するようになされていることを特徴と
    する排気ガス流を浄化する装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１に記載された装置であって、
    前記ループのゲインがフィルター触媒による正常機能に
    関して予め定めたゲインよりも１５〜２５％程低い範囲
    内のプリセットゲインを有していることを特徴とする排
    気ガス流を浄化する装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１に記載された装置であって、
    前記センサーが、ネルンスト形式の電気化学セルと、ポ
    ンピングセルと、制御されたチャンネルを通して内部に
    酸素が拡散される基準チャンバー（該チャンバーは前記
    セルの各々の陽極に隣接されている）と、排気ガスがリ
    ッチな状態では前記チャンバー内へ酸素をポンピング
    し、又、排気ガスがリーンな状態では該チャンバーから
    酸素を排出して、該チャンバー内に化学量論的な混合気
    を維持するようになす可逆回路と、外部温度の影響を排
    除するための外部ヒーターとを含んで構成されているこ
    とを特徴とする排気ガス流を浄化する装置。
  20. 【請求項２０】 内燃機関から排出される排気ガス流を
    浄化するための内燃機関−触媒の制御ループであって、 （ａ）主触媒と、 （ｂ）前記主触媒の上流側に配置され、前記排気ガス流
    の発生源の近くに接続されたフィルタースターター触媒
    と、 （ｃ）前記両触媒の中間にて排気ガス流の酸素レベルを
    検出するように配置された線形の多層セルとされた排気
    ガスセンサーであり、対称的な応答性および６０ミリ秒
    以内の応答時間を有する前記センサーと、 （ｄ）内燃機関に燃料および空気を混合気として調節可
    能に導くための制御装置と、 （ｅ）前記センサーの出力を前記制御装置に対して閉じ
    たフィードバックループの下で相互作用的に接続するた
    めの電子装置であり、センサー出力に対して少なくとも
    比例的な空燃比の制御を行い、空燃比の±０．０１〜
    ０．０２％の精度範囲内で化学量論と一致するように内
    燃機関の空燃比を維持することができる電子装置とを含
    んで構成されたことを特徴とする内燃機関−触媒の制御
    ループ。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載された制御ループで
    あって、前記電子装置が３Hzよりも高い限界サイクル周
    波数で比例制御を行うのに有効であることを特徴とする
    内燃機関−触媒の制御ループ。
  22. 【請求項２２】 請求項２０に記載された制御ループで
    あって、前記電子装置が少なくとも前記フィルター触媒
    の経時変化によって増大するゲインを有することを特徴
    とする内燃機関−触媒の制御ループ。
  23. 【請求項２３】 請求項２０に記載された制御ループで
    あって、前記電子装置が比例且つ積分フィードバック制
    御を達成するために数学的アルゴリズムを展開すること
    を特徴とする内燃機関−触媒の制御ループ。
  24. 【請求項２４】 請求項２０に記載された制御ループで
    あって、前記電子装置が内燃機関のその他の作動パラメ
    ータに関する入力情報を受け取り、それらのパラメータ
    に応答して前記比例ループ制御に対して適応補正を行う
    ことを特徴とする内燃機関−触媒の制御ループ。
  25. 【請求項２５】 請求項２０に記載された制御ループで
    あって、前記センサーが３個又はそれ以上の個数のセル
    を有していることを特徴とする内燃機関−触媒の制御ル
    ープ。
  26. 【請求項２６】 内燃機関の出力内で空燃混合気が燃焼
    して発生する排気ガスを所望のレベルに迄浄化するのに
    使用される触媒装置であり、直列状態にて補完的に装備
    された２つの触媒と、これらの触媒の間に組み付けられ
    たワイドレンジの汎用性の高い排気ガス酸素センサーと
    を含み、上流側の触媒は有害排出物質の制限された範囲
    での変換を行うと共に該排出物質の成分によって生じた
    様々な燃焼生成分を濾過するために装備されていて、
    又、空燃制御装置が相互作用的に閉ループのフィードバ
    ック関係の下で前記センサーの電圧出力部に接続され、
    所望される精度範囲内で空燃混合気を化学量論的に或い
    はそれに近い値に制御するようになされている前記触媒
    装置の化学的な経時変化を補償する方法であって、 （ａ）変換効率が低下し且つ又多量の有害なガス排出物
    質の通り抜けるのを許してしまう予め定められた使用法
    によって前記上流側の触媒の化学的劣化速度を実験的に
    確定し、 （ｂ）センサーのゲインが低下する正常な使用法によっ
    て該センサーの劣化速度を実験的に確定し、 （ｃ）劣化する際のセンサーの感応性に於ける全ての損
    失を相殺して下流側の触媒から排出されるガスの変換レ
    ベルを実質的に一定のレベルに維持するようになすため
    に、上流側の触媒の実験的に確定された劣化速度に比例
    して増大する相互作用的な閉ループのフィードバックに
    関する初期ゲイン特性を確定する、諸段階を包含するこ
    とを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】 請求項２６に記載された方法であっ
    て、前記センサーがフィルター触媒の最大効率に関する
    よりも高い周波数応答特性を有するように設定されるこ
    とを特徴とする方法。
  28. 【請求項２８】 請求項２６に記載された方法であっ
    て、閉じたフィードバック関係状態が３〜６Hzの応答周
    波数を有していることを特徴とする方法。
  29. 【請求項２９】 請求項２６に記載された方法であっ
    て、段階（ｃ）に於いて前記フィードバック制御ループ
    のゲインが正常な検出に必要とされるよりも２０％低く
    設定されることを特徴とする方法。
  30. 【請求項３０】 請求項２６に記載された方法であっ
    て、前記センサーが内蔵ゲインを有するように構成さ
    れ、このゲインが１２０，０００キロメートル（７５，
    ０００マイル）を超える走行使用のために経時変化され
    た触媒に必要とされるよりも高い初期周波数応答性を与
    えていることを特徴とする方法。
  31. 【請求項３１】 請求項２６に記載された方法であっ
    て、前記上流側の触媒が全触媒容積のたった１０〜２０
    ％しか占めていないことを特徴とする方法。
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