JP2003206732A - 排気浄化装置付き内燃機関 - Google Patents
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Abstract
式のガソリンエンジンにおいて発生するパティキュレー
ト・マターの除去をより効果的に行うことを課題とす
る。 【解決手段】 燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生
したパティキュレート・マターを、排気通路中に設けた
排気浄化装置で酸化処理する内燃機関において、排気通
路に設けられた排気浄化装置でのパティキュレート・マ
ターの酸化速度が遅い場合、その堆積量が多い場合、排
気ガス中の酸素量が少なくなる理論空燃比側へのストイ
キフィードバック制御から、より酸素量が多くなる希薄
燃焼側へのリーンフィードバック制御とを切り換える空
燃比制御切換手段を設けた。
Description
ソリンエンジンで発生するパティキュレート・マターの
浄化に関する。
ィキュレート・マターは通常ディーゼルエンジンで問題
とされ、その除去のための技術が種々開発されてきた。
例えば、特公平7−106290号などにその例が開示
されている。
レート・マターは、ディーゼルエンジンだけでなく、ガ
ソリンエンジンでも発生する。とりわけ、筒内直接噴射
式のガソリンエンジンでは、成層リーン燃焼時すなわ
ち、少量の燃料を成層状態として燃焼室内で燃焼させる
場合に、点火プラグ近傍の燃料が過濃となってスモーク
が発生しやすく、スモークに伴うパティキュレート・マ
ターの適切な除去が望まれている。ガソリンエンジンと
ディーゼルエンジンとでは燃料が異なること及びそれに
伴う機関の運転状況が異なることから、ガソリンエンジ
ンでは独自にパティキュレート・マターの除去を考察す
る必要がある。
するパティキュレート・マターの除去をより効果的に行
うことを課題とする。
に本発明では、燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生
したパティキュレート・マターを、排気通路中に設けた
排気浄化装置で酸化処理する内燃機関において、次の手
段を採用した。
の酸化速度が低下する運転条件となったとき、あるい
は、パティキュレート・マターが所定以上堆積したとき
の少なくともいずれかの条件を満たしたとき、空燃比制
御手段により空燃比を現状よりも過薄側へ移行して排気
浄化装置への酸素供給を多くする。
られる。
するストイキエンジン(ポート噴射式ストイキエンジ
ン、あるいは、筒内噴射式ストイキエンジン)におい
て、例えば、排気通路に設けられた排気浄化装置でのパ
ティキュレート・マターの状態に応じて、排気ガス中の
酸素量が少なくなる理論空燃比側へのフィードバック制
御と、排気ガス中の酸素量が多くなる希薄燃焼側へのフ
ィードバック制御とを切り換える空燃比制御切換手段を
設ける。
センサの出力に基づいて空燃比を所定の目標値にフィー
ドバック制御するフィードバック制御手段を有する内燃
機関が望ましい。
トイキフィードバックを行う第1空燃比制御手段と、理
論空燃比に対して燃料量を過薄にするリーンフィードバ
ック制御を行う第2空燃比制御手段とを備え、第1空燃
比制御手段による制御を原則として行い、排気浄化装置
でのパティキュレート・マターの状態に応じて第2空燃
比制御手段に切り換えるようにすることも可能である。
置は、パティキュレート・マターを酸化除去可能なフィ
ルタにNOx 吸収剤(活性酸素放出剤)を担持したフィ
ルタ、酸化触媒を担持したフィルタ、フィルタ自体には
触媒が担持されずフィルタ前段にNOをNO2 に酸化す
る触媒を配置し、NO2 でパティキュレート・マターを
酸化するフィルタの少なくともいずれかが好ましい。も
ちろん、触媒等を担持していない単純なフィルタであっ
てもよいことはいうまでもない。
るリーンフィードバック制御に切り換える条件として
は、パティキュレート・マターの酸化速度が低下する運
転条件となったときを例示できる。また、パティキュレ
ート・マターの堆積状態を検出する堆積状態検出手段を
備え、パティキュレート・マターが所定以上堆積したと
きにリーンフィードバック制御に切り換えるようにして
もよい。
であるときは、温度が低下した後に、第2空燃比制御手
段によるリ−ンフィードバック制御に切換えるようにす
るとよい。温度が高い時でパティキュレート・マターが
相当量堆積したときにリーンフィードバックを行うと、
一気にパティキュレート・マターが燃焼し、排気浄化装
置(フィルタ)が溶損したり、また、もし排気浄化装置
(フィルタ)に触媒が担持していれば、触媒が熱劣化を
起こすことがある。このため、本件では、排気浄化装置
(フィルタ)の温度が高い時にはある程度温度が下がっ
た後に、リーンフィードバック制御に切換える。
始動時、前記第1、第2制御手段によるフィードバック
制御をしないオープンループ制御で運転し、その後、第
2空燃比制御手段によるリーンフィードバック制御に切
換えるようにするとよい。このとき、冷間始動時、フィ
ードバック制御開始条件を満足したことでまず第1空燃
比制御手段によるフィードバック制御を行い、その後、
排気浄化装置が活性温度に達したときに、第2空燃比制
御手段によるリーンフィードバック制御に切換えるよう
にするとよい。冷間始動時は特にパティキュレート・マ
ターの発生量が多い。このため、始動時にフィードバッ
ク制御を開始するにあたり、第2空燃比制御から開始す
ることで、酸素量を多く供給してパティキュレート・マ
ターの酸化を促進させる。排気浄化装置(フィルタ)の
活性状態を条件に入れて制御を行うことで、より確実な
パティキュレート・マターの除去を行えるようにする。
プ制御を行うものとし、この制御状態からフィードバッ
ク制御に移行するときには、オープンループ制御から第
2空燃比制御手段によるリーンフィードバック制御に切
換えるようにするとよい。高負荷運転時もパティキュレ
ート・マターの発生量か多いので、高負荷運転からフィ
ードバック可能な運転になったときに、リーンフィード
バックを行う第2空燃比制御から入り、酸素量を多く供
給してパティキュレート・マターの除去をねらう。
浄化装置に供給できたときに、第2空燃比制御手段によ
るリーンフィードバック制御から第1空燃比制御手段に
よるフィードバック制御に戻すようにする。
フィードバック制御は、理論空燃比よりややリーンとす
るだけで足りるものである。
とができることは言うまでもない。
した図面に基いて説明する。
件発明の適用される内燃機関であるガソリンエンジンを
説明する。
の全体概略図である。図1において、11は内燃機関本
体、12は吸気通路、13は吸気通路に設けられたエア
フローメータを示している。エアフローメータ13は吸
入空気量を直接計測するものであって、たとえばポテン
ショメータを内蔵した可動ベーン式エアフローメータ等
が使用され、吸入空気量に比例したアナログ電圧の出力
信号を発生する。この出力信号は制御回路20のマルチ
プレクサ内蔵A/D変換器101に入力される。ディス
トリビュータ14には、その軸がたとえばクランク角に
換算して720°毎に基準位置検出用パルス信号を発生
するクランク角センサ15、およびクランク角に換算し
て30°毎にクランク角検出用パルス信号を発生するク
ランク角センサ16がそれぞれ設けられている。これら
クランク角センサ15、16のパルス信号は制御回路2
0の入出力インターフェイス102に供給され、このう
ちクランク角センサ16の出力はCPU103の割込み
端子に供給される。
供給系から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料
噴射弁7が設けられている。また、吸気通路12のスロ
ットル弁26には、スロットル弁26が全閉状態か否か
を示す信号、すなわちLL信号を発生するアイドルスイ
ッチ27が設けられている。このアイドル状態出力信号
LLは制御回路20の入出力インターフェイス102に
供給される。
ットル弁26をバイパスするバイパス通路21と、この
バイパス通路21を通って流れる空気量を制御するアイ
ドルスピードコントロール弁(ISC弁)22とが設け
られている。ISC弁22はステッパモータ等の適宜な
形式のアクチュエータにより駆動される流量制御弁であ
り、制御回路20からの出力信号により作動し、アイド
ル時の機関吸入空気量を調節して機関のアイドル回転数
を目標回転数に制御するのに用いられる。本実施の形態
では、ISC弁22は、触媒が活性化していない場合に
機関アイドル回転数を上昇させることにより排気流量を
増大させて触媒温度を上昇させる触媒昇温手段の一部と
しても機能する。
ウォータジャケット18には、冷却水の温度を検出する
ための水温センサ19が設けられている。水温センサ1
9は冷却水の温度に応じたアナログ電圧の電気信号を発
生する。この出力もA/D変換器101に供給されてい
る。
下流の排気系には、排気ガス中の3つの有害成分HC、
CO、NOX を同時に浄化する三元触媒を収容する触媒
コンバータ32が設けられている。また、触媒コンバー
タ12の上流側の排気マニホールド31には、空燃比セ
ンサ(本実施の形態では酸素濃度を検出するO2 セン
サ)33が設けられている。
濃度を検出し、空燃比が理論空燃比に対してリーン側か
リッチ側かに応じて異なる出力電圧を発生するものであ
る。O2 センサ33の出力電圧は、制御回路20のA/
D変換器101に供給されている。
コンピュータとして構成され、A/D変換器101、入
出力インターフェイス102、CPU103の他に、R
OM104、RAM105、バックアップRAM10
6、クロック発生回路107等を有する。
1の燃料噴射制御、点火時期制御等の基本制御を行う
他、後述のように機関空燃比を制御する空燃比制御手
段、触媒32が活性状態にあるか否かを検出する触媒活
性状態検出手段、機関点火時期の遅角とISC弁22と
を制御して触媒暖機を行う触媒活性化手段、空燃比制御
切換手段、パティキュレート・マターの堆積状態を検出
する堆積状態検出手段等の本発明の各種機能実現手段を
プログラムにより実現している。
ウンタ108、フリップフロップ109、および駆動回
路110は燃料噴射弁7を制御するためのものである。
すなわち、後述のルーチンにおいて、燃料噴射量(噴射
時間)TAUが演算されると、噴射時間TAUがダウン
カウンタ108にプリセットされると共にフリップフロ
ップ109がセットされる。この結果、駆動回路110
が燃料噴射弁7の付勢を開始する。他方、ダウンカウン
タ108がクロック信号(図示せず)を計数して最後に
その出力端子が“1”レベルとなったときに、フリップ
フロップ109がセットされて駆動回路110は燃料噴
射弁7の付勢を停止する。つまり、上述の燃料噴射時間
TAUだけ燃料噴射弁7は付勢され、時間TAUに応じ
た量の燃料が機関本体11の燃焼室に供給されることに
なる。
イス102は、点火回路112に接続されており、機関
本体11の点火時期を制御している。すなわち、制御回
路20は入出力インターフェイス102にクランク角セ
ンサ6の基準クランク角パルス信号を入力後、クランク
軸が所定の回転角度に達する毎に点火回路112に点火
信号を出力し、各気筒の点火プラグ(図示せず)にスパ
ークを発生させる。機関本体11の点火時期は、負荷
(例えば機関1回転当たりの吸入空気量)、回転数等の
運転条件の関数として制御回路20のROM104に最
適値が格納されており、最適な点火時期が運転条件に応
じて決定される。
および冷却水温データは所定時間もしくは所定クランク
角毎に実行されるA/D変換ルーチンによって取込まれ
てRAM105の所定領域に格納される。つまり、RA
M105における吸入空気量データおよび冷却水温デー
タは所定時間毎に更新されている。また、回転速度デー
タはクランク角センサ16の30°CA(クランク角)
毎の割込みによって演算されてRAM105の所定領域
に格納される。
を吸気ポートに噴射するポート噴射式のガソリンエンジ
ンを示したが、理論空燃比での燃焼を可能とするなら
ば、燃料噴射弁をシリンダヘッドに設けて、燃料を筒内
に直接噴射する筒内噴射式のガソリンエンジンであって
もよい。
は、アルミナの表面に白金(Pt)+ロジウム(Rh)
や、白金(Pt)+ロジウム(Rh)+パラジウム(P
d)等の貴金属を薄く付着させたもので、排気ガス中の
三成分CO、HC、NOx を次のような反応で同時に
低減させる。
→H2+H2O+CO2 なお、排気浄化装置としては、上記三元触媒に加えてパ
ティキュレート・フィルタ(PF)をその排気上流側に備
えている。
カム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数
個の排気流通路を具備するいわゆるウォールフロー型で
ある。パティキュレート・フィルタは例えばコージライ
トのような多孔質材料から形成されており、細孔内壁面
上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されてお
り、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在
すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度
が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活
性酸素放出剤が坦持されている。
マターを酸化除去可能なフィルタにNOx 吸収剤(活性
酸素放出剤)を担持したフィルタを用いることができ
る。これは、例えばアルミナを担体とし、この担体上に
例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セ
シウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カル
シウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イッ
トリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つ
と、白金Ptのような貴金属とが担持されている。機関
吸気通路及びNOx 触媒上流での排気通路内に供給さ
れた空気及び燃料(炭化水素)の比をNOx 触媒への
流入排気ガスの空燃比と称するとき、このNOx 触媒
は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはNOx を
吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収し
たNOx を放出する。
を担持したフィルタを用いることができる。酸化触媒
は、例えば、触媒ペレットと呼ばれる粒状のアルミナの
表面に、触媒作用をするパラジウム(Pd)またはパラ
ジウム+白金(Pt)等の貴金属を薄く付着させたもの
で、排気ガス中のCOとHCとを酸化させて無害なCO
2とH2Oにする。
体には触媒が担持されずフィルタ前段にNOをNO2 に
酸化する触媒を配置し、NO2 でパティキュレート・マ
ターを酸化するフィルタを用いることもできる。
される本発明の実施の形態における燃料噴射制御につい
て説明する。この制御は制御回路20により実行され
る。
ては、空燃比が理論空燃比付近の狭い範囲に限定され
る。従って、噴射する燃料量は、吸入された酸素量に対
し、完全燃焼となる量(この場合の空燃比が理論空燃
比)に制御することが必須となる。
や機関安全性あるいは燃費等につき、問題となる場合が
ある。そこで、種々の補正を行う必要がある。このため
に燃料噴射制御が必要となるのである。
って行われるものである。
弁7の駆動回路110の駆動時間(燃料噴射時間TAU
=噴射量)を制御することで実現される。
と暖機後運転時とでは異なる。なお、以下において、燃
料噴射時間と燃料噴射量とは同義である。
決定される。メインの燃料噴射弁の他に始動用の燃料噴
射弁がある場合、始動時に始動用の燃料噴射弁から所定
時間(水温で決まる)連続的にオープンループ制御で燃
料噴射を行い、エンジン回転数が所定値以上となった時
点で噴射を中止する。
燃料噴射時間TAU(噴射量)を決定する。 TAU=TAUSTU×FTHA+TAUV ここで、TAUSTU:始動時基本噴射時間(噴射
量):冷却水の水温によって決定され水温が低いほど多
くなる。
空気密度が変わるのでそれを補正するために吸気温度が
高いほど小さい値とされる。
動電圧が印加されてから弁が開弁されるまでに作動遅れ
があり、また、開弁するときも遅れがある。その遅れ時
間は開弁時の方が長い。よって、実際に筒内に吸入され
るべき量に対応する時間だけ燃料噴射弁を開弁しても実
際に開弁される時間は短くなる(噴射量は少なくな
る)。その燃料噴射弁から燃料噴射が行われない時間を
無効噴射時間といい、その時間を補正して実際に噴射さ
れる量を要求値に合わせるための補正量がTAUVであ
る。
射量により運転される。 TAU=TAUP×FWL×(FAF+FG)×{FA
SE+FAE+FOTP+FDE(D)}×FFC+T
AUV TAUP:基本噴射量(噴射時間):1回の吸入行程で
吸入される空気量(センサ検出値から求められる)に基
づいて決定される噴射量の基本値 FWL:暖機増量:暖機中は燃料の霧化が悪いことに起
因してリッチ空燃比が要求されるので暖機中は燃料の増
量補正をして空燃比をリッチにする。冷却水温に応じた
補正値を機関回転数による補正係数で補正して暖機増量
とする。
三元触媒の浄化率が期待できる領域(理論空燃比近傍)
に空燃比を制御するため、酸素センサの出力値をもとに
現在の空燃比を検出して、その空燃比が上記領域に入る
ように空燃比をフィードバック制御する。
時変化によって同じ運転状態であっても要求噴射量は異
なる。空燃比フィードバック中であればフィードバック
によって実際の要求値と計算値との間の差異は補正され
るのであるが、フィードバックが実行されていないとき
はその差がそのまま現れ空燃比がずれる。そこでフィー
ドバックによる修正分を記憶しておき常時補正すること
であらゆる運転状態時に前記差異をなくすようにする。
近は乾いているので、それを濡らすために始動後所定時
間は噴射量を増量しエンストを防止する。この値は、始
動時の冷却水温によって初期値を決定し、その後所定噴
射毎に減衰させ、FASE=0となった時点で終了す
る。
(パティキュレート・マター)が上昇(負圧が減少)す
るため、噴射された燃料の内、吸気弁やその近傍に付着
する燃料量が増加する。付着した燃料が燃焼室に入るま
でには時間がかかるため、加速時には付着燃料の増加分
だけ余分に噴射しないと空燃比がリーンとなる。この付
着燃料の増加分を補うのが加速増量FAEである。
には排気温度が高くなり、排気系部品の熱損傷の危険が
あるため空燃比をリッチにして排気温度を下げる。
にエアフローメータの検出値がアンダーシュートして実
際の値よりも小さい値を出力するのでそれを補償するた
めに減速時に増量する。また、減速時には吸気管負圧が
大きくなり、吸気管に付着していた燃料が蒸発して吸入
されるので、その吸入分を補償するために燃料噴射量を
減量する。
をかせぐため燃料カットを行う場合があるが、その燃料
カット復帰時にトルクが急に出ることによるショックを
防止するために、燃料噴射量を減量することによって燃
料カット復帰時のトルクの立ち上がりを滑らかにする。
U=TAUP×FAF×β+γとする。
するルーチンであって、所定クランク角たとえば360
°毎に実行される。ステップ101では、RAM105
より吸入空気量データQ及び回転速度データNe を読出
して基本噴射量TAUP(TAUPは理論空燃比を得る
噴射時間)を演算する。たとえばTAUP←α・Q/N
e (αは定数)とする。ステップ202では、最終噴射
量TAUを、TAU←TAUP・FAF・β+γにより
演算する。次いで、ステップ303にて、噴射量TAU
をダウンカウンタ108にセットすると共にフリップフ
ロップ109をセットして燃料噴射を開始させる。そし
て、ステップ104にてこのルーチンを終了する。な
お、上述のごとく、噴射量TAUに相当する時間が経過
すると、ダウンカウンタ108の出力信号によってフリ
ップフロップ109がリセットされて燃料噴射は終了す
る。
れに基づき、燃料噴射が行われ、その結果として空燃比
が決定される。すなわち空燃比制御がなされる。
料噴射制御において行われる空燃比フィードバック制御
により、本発明における空燃比制御がなされる。
グラムによって実現される第1の空燃比制御手段により
実行される。この第1の空燃比制御手段は、目標値を理
論空燃比に向けてフィードバック制御するストイキフィ
ードバック制御手段である。排気通路に設けたO2 セン
サの出力値がリッチ(理論空燃比に対し過濃)であると
きは、燃料噴射量を減量し、リーン(理論空燃比に対し
過薄)であるときは、燃料噴射量を増量する。
回路20のCPU上にプログラムによって実現され、こ
の第2の空燃比制御手段は、空燃比をリーン側へとずら
すリーンフィードバック制御手段である。
センサの出力波形とFAFの値の関係を示す。図3にお
いて、TDR、TDLは、リーンからリッチへの移行時
およびリッチからリーンへの移行時のO2 センサの応答
遅れを補償するための逆特性の遅れ時間設定である。O
2 センサの応答性はリーンからリッチの応答性の方がそ
の逆に比べて良い。リーンからリッチに移行する場合、
センサ検出部まわりの酸素量が少ない状態のところに、
過剰のO2 が到達する。逆に、リッチからリーンに移行
する場合、過剰に存在するO2 と、そこに到達したH
C、COとが反応してO2 が減少した状態となる。O2
とHC、COとでは分子の大きさがO2 の方が大きいの
でO2 がセンサの検出部に到達するまでの時間の方が、
HC、COが到達するまでの時間より長い。よって、O
2 センサが空燃比の切り替わりを検出できる状態になる
までの時間が上記のように異なってくる。
の検出遅れ時間(リッチ検出遅れ)中には、実際の空燃
比はリッチであるにもかかわらず、O2 センサはリーン
であると出力しているので、フィードバック制御はリッ
チ側に補正され、よりリッチとなる。逆に、リッチから
リーンに移行するときの検出遅れ時間(リーン検出遅
れ)中には、実際の空燃比はリーンであるにもかかわら
ず、O2 センサはリッチであると出力しているので、フ
ィードバック制御はリーン側に補正され、よりリーンと
なる。全体でみると、リーン検出遅れの方が長いので、
リーン側に過補正されている時間の方が長く、リーンず
れする。それを防止するため、各遅れ時間の逆特性の遅
れ時間を意図的に設定したのがTD(ディレー時間)で
ある(TDR>TDL)。
ッチからリーン、リーンからリッチへの移行時にステッ
プ的に補正される燃料噴射量であり、RSLをリーンス
キップ定数、RSRをリッチスキップ定数という。
にリーン(リッチ)側へと徐々に燃料噴射量を補正して
いく、その傾き(積分定数)を示す。
出力に基づいて第1の空燃比制御手段により空燃比補正
係数FAFを演算し空燃比を理論空燃比に向けてフィー
ドバック制御を行うことができる。
算する空燃比制御ルーチンを示している。本ルーチン
は、所定時間たとえば4ms毎に実行される。ステップ2
01では、O2 センサ33による空燃比の閉ループ(フ
ィードバック)条件が成立しているか否かを判別する。
たとえば、冷却水温が所定値(例えば70℃)以下の
時、機関始動中、始動後増量中、暖機増量中、パワー増
量中、触媒過熱防止のための燃料噴射量増量中、上流側
O2 センサ33の出力信号が一度も反転していない時、
燃料カット中等はいずれも閉ループ条件が不成立であ
り、その他の場合が閉ループ条件成立である。閉ループ
条件が不成立のときには、図3、ステップ225に進
み、空燃比フィードバックフラグXMFBを“0”と
し、ステップ226に進みルーチンを終了する。なお、
空燃比補正係数FAFを1.0としてもよい。他方、閉
ループ条件成立の場合はステップ202に進む。
力VOMをA/D変換して取込み、ステップ203にて
VOMが比較電圧VR1以下か否かにより、空燃比がリッ
チかリーンかを判別する。比較電圧VR1は、通常O2 セ
ンサ出力の振幅中心の電圧をとり、本実施例ではVR1=
0.45Vである。ステップ204から209、及びス
テップ210から215は、ステップ203で判定した
O2 センサ33出力の値に基づくフ空燃比フラグF1の
設定操作を示す。
気空燃比がリッチかリーンかを示すフラグであり、フラ
グF1の値はディレイカウンタCDLYのカウントダウ
ン(リーン空燃比時)またはカウントアップ(リッチ空
燃比時)操作により(ステップ206、212)上流側
O2 センサ13出力が所定の遅延時間(TDL、TD
R)以上リッチまたはリーンに保持された場合1(リッ
チ)から0(リーン)、または0から1に変更される
(ステップ207から209、ステップ213から21
5)。ここで、TDL(ステップ207、208)はO
2 センサ33の出力がリッチからリーンに変化してもリ
ッチ状態であるとの判断を保持するためのリーン遅延時
間であって、負の値で定義され、TDR(ステップ21
3、214)はO2 センサ33の出力がリーンからリッ
チに変化してもリーン状態であるとの判断を保持するた
めのリッチ遅延時間であって、正の値で定義される。
F1の符号が反転したか否か、すなわち遅延処理後の空
燃比が反転したか否かを判別する。空燃比が反転してい
れば、ステップ217にて、空燃比フラグF1の値によ
り、リッチからリーンへの反転か、リーンからリッチへ
の反転かを判別する。リッチからリーンへの反転であれ
ば、ステップ218にて空燃比補正係数FAFを、FA
F←FAF+RSRとスキップ的に増大させ、空燃比を
リッチ側に補正する。また、逆にリーンからリッチへの
反転であれば、ステップ219にて、FAF←FAF−
RSLとFAFをスキップ的に減少させて空燃比をリー
ン側に補正する。つまり、スキップ処理を行う。
号が反転していなければ、ステップ220,221,2
22にて積分処理を行う。つまり、ステップ220に
て、F1=“1”か否かを判別し、F1=“0”(リー
ン)であればステップ221にてFAF←FAF+KI
Rとし、他方、F1=“1”(リッチ)であればステッ
プ222にてFAF←FAF−KILとする。ここで、
積分定数KIR,KILはスキップ定数RSR,RSL
に比して十分小さく設定してあり、KIR(KIL)<
RSR(RSL)である。従って、ステップ221はリ
ーン状態(F1=“0”)で空燃比を徐々にリッチ側に
移行させ、ステップ222はリッチ状態(F1=
“1”)で空燃比を徐々にリーン側に移行させる。
8,219,221,222にて演算された空燃比補正
係数FAFは最小値たとえば0.8にてガードされ、ま
た、最大値たとえば1.2にてガードされる。これによ
り、何らかの原因で空燃比補正係数FAFが大きくなり
過ぎ、もしくは小さくなり過ぎた場合に、その値で機関
の空燃比を制御してオーバリッチ、オーバリーンになる
のを防ぐ。ステップ224では、空燃比フィードバック
フラグXMFBを“1”とし、上述のごとく演算された
FAFをRAM105に格納して、ステップ226にて
このループは終了する。
示す。O2 センサ33の出力VOMにより図6(A)に
示すごとくリッチ、リーン判別の空燃比信号A/Fが得
られると、ディレイカウンタCDLYは、図6(B)に
示すごとく、リッチ状態でカウントアップされ、リーン
状態でカウントダウンされる。この結果、図6(C)に
示すごとく、遅延処理された空燃比信号A/F′(フラ
グF1に相当)が形成される。たとえば、時刻t1 にて
空燃比信号A/F′がリーンからリッチに変化しても、
遅延処理された空燃比信号A/F′はリッチ遅延時間T
DRだけリーンに保持された後に時刻t2 にてリッチに
変化する。時刻t3 にて空燃比信号A/Fがリッチから
リーンに変化しても、遅延処理された空燃比信号A/
F′はリーン遅延時間(−TDL)相当だけリッチに保
持された後に時刻t4 にてリーンに変化する。
t7 のごとくリッチ遅延時間TDRより短い期間で反転
すると、ディレイカウンタCDLYが最大値TDRに到
達するのに時間を要し、この結果、時刻t8 にて遅延処
理後の空燃比信号A/F′が反転される。つまり、遅延
処理後の空燃比信号A/F′は遅延処理前の空燃比信号
A/Fに比べて安定となる。このように遅延処理後の安
定した空燃比信号A/F′にもとづいて図6(D)に示
す空燃比補正係数FAFが得られる。
設けられた排気浄化装置でのパティキュレート・マター
の酸化状態あるいは堆積状態に応じて、排気ガス中の酸
素量が少なくなる理論空燃比側へのフィードバック制御
(第1の空燃比制御手段)と、排気ガス中の酸素量が多
くなる希薄燃焼側へのフィードバック制御(第2の空燃
比制御手段)とを、空燃比制御切換手段で切り換える。
て空燃比を理論空燃比とするストイキフィードバックを
行う第1空燃比制御手段と、理論空燃比に対して燃料量
を過薄にするリーンフィードバック制御を行う第2空燃
比制御手段とを備え、第1空燃比制御手段による制御を
原則として行い、排気浄化装置にパティキュレート・マ
ターが堆積したと判断されるときに、あるいはパティキ
ュレート・マターの酸化速度が低下する条件で、第2空
燃比制御手段に切り換える。すなわち、ストイキ運転を
原則とし、パティキュレート・マターが堆積したと判断
されるとき、あるいは、酸化速度が低下すると判断され
たとき、リーン側へと制御を切り換えるのである。
において、リーン側に空燃比が移行するように空燃比補
正係数FAF2を設定することの他、空燃比制御定数と
してのスキップ定数RSR,RSL、積分定数KIR,
KIL、遅延時間TDR,TDL、もしくはO2 センサ
13の出力VOMの比較電圧(リーン・リッチ判定電
圧)VR1を可変とすることを例示できる。
のように変動するかを説明する。たとえば、リッチスキ
ップ定数RSRを大きくすると、制御空燃比をリッチ側
に移行でき、また、リーンスキップ定数RSLを小さく
しても制御空燃比をリッチ側に移行でき、他方、リーン
スキップ定数RSLを大きくすると、制御空燃比をリー
ン側に移行でき、また、リッチスキップ定数RSRを小
さくしても制御空燃比をリーン側に移行できる。
と、制御空燃比をリッチ側に移行でき、また、リーン積
分定数KILを小さくしても制御空燃比をリッチ側に移
行でき、他方、リーン積分定数KILを大きくすると、
制御空燃比をリーン側に移行でき、また、リッチ積分定
数KIRを小さくしても制御空燃比をリーン側に移行で
きる。従って、リッチ積分定数KIRおよびリーン積分
定数KILを補正することにより空燃比を制御できる。
ーン遅延時間(−TDL)を小さく設定すれば、制御空
燃比はリッチ側に移行でき、逆に、リーン遅延時間(−
TDL)を大きくもしくはリッチ遅延時間(TDR)を
小さく設定すれば、制御空燃比はリーン側に移行でき
る。
制御空燃比をリッチ側に移行でき、また、比較電圧VR1
を小さくすると制御空燃比をリーン側に移行できる。
る必要があるが、以上から明かなように、中心空燃比を
リーン寄りにするには、 リーン側へのスキップ定数RSL > リッチ側への
スキップ定数RSR、 リーン側への積分定数KIL > リッチ側への積分
定数KIR、 リッチ判定のディレー時間TDR < リ一ン判定の
ディレー時間TDL(長い間リーンにとどめておけ
る)、 O2 センサのリーンリッチ判定電圧をストイキフィー
ドバック時よりも下げる(図7)(判定電圧をストイキ
フィードバック時より下げると、リッチであると判断す
る頻度が多くなるので、リーン補正の時間が長くなり中
心空燃比がリーン寄りとなる)、等のそれぞれ単独、組
み合わせにより実行可能である。
御手段で、ストイキフィードバック制御を実行している
が、パティキュレート・マターがフィルタに堆積したと
きあるいは堆積すると推定されたとき、パティキュレー
ト・マターの酸化速度が低下したとき、あるいは低下す
ると推定されたとき、リーン側に空燃比が移行するよう
に空燃比補正係数FAF2を設定するか、あるいは、ス
トイキフィードバックにおける、スキップ定数RSL、
RSR、積分定数KIL、KIR、ディレー時間TD
R、TDLが上記条件からを満たすように変更する
こと、あるいは、のO2 センサのリーンリッチ判定電
圧をストイキフィードバック時よりも下げることで、リ
ーンフィードバック制御を行うのである。
パティキュレート・マターがフィルタに堆積したときあ
るいは堆積すると推定されたとき、パティキュレート・
マターの酸化速度が低下したとき、あるいは低下すると
推定されたとき、実行されるが、より具体的には以下の
ような条件の下で実行される。
低くなると判断されたとき、上記した手法によりフィー
ドバック制御をリーン寄りにする。
パティキュレート・マター排出マップを持っておき、そ
の領域に入ったとき(パティキュレート・マターの量が
多くなって、酸化処理が堆積に間に合わなくなったと
き)(パティキュレート・マターの堆積状態を検出する
堆積状態検出手段の一例である) 判断例2:排気系に配置されたパティキュレート・マタ
ー検出センサがある閾値以上の値を検知したとき(パテ
ィキュレート・マターの堆積状態を検出する堆積状態検
出手段の一例である) 判断例3:フィルタ温度(推定マップによる温度判断or
実測温度)が低いとき 判断例4:上記パティキュレート・マター排出量と温度
からパティキュレート・マター酸化速度を考慮して、パ
ティキュレート・マター酸化速度が低いと判断した場
合。パティキュレート・マターの排出量が多くなるほ
ど、温度が低くなるほど、パティキュレート・マター酸
化速度は低いと判断される。
での詰まり状態を検知したとき、上記した手法によりフ
ィードバック制御をリーン寄りにする。
閾値を越えた場合 検知例2:吸入空気量の減少度合いが閾値を越えた場合 検知例3:パティキュレート・マター堆積量推定ロジッ
クにより一定レベル以上のパティキュレート・マター堆
積量が予想された場合 (これらはパティキュレート・マターの堆積状態を検出
する堆積状態検出手段の一例である) ただし、上記b)においてフィルタの温度が、パティキ
ュレート・マターの安全酸化速度以上である場合にはそ
の温度以下になってからストイキフィードバックをリー
ン寄りにすることが望まれる。図8において、(A)の
P点でリーンフィードバック制御を行うと、フィルタ温
度が一気に上がってしまい過熱状態となり触媒が損傷す
るおそれがあるので、これを避けることのできる安全温
度として閾値として500℃程度を目安に、この温度以
下になった時点でリーンフィードバック制御を行う。
ードバックをリーン寄りにするシステムでは、フィルタ
に吸蔵還元機能を付与しておくことでリーン寄りにした
場合には、NOx の排出を最小減にすることが可能とな
る。
りにするシステムでは、フィルタに担持させるロジウム
や他の貴金属量を増加させておくことでリーン寄りにな
った場合でもNOx の還元浄化がより効果的に行えるよ
うにするとよい。
ーが比較的多くパティキュレート・マターが堆積してし
まう条件で、かつ、ストイキフィードバックが実行され
ており、フィルタが活性判定されている場合、上記した
手法によりフィードバック制御をリーン寄りにする。
発生量が多い。また、O2 センサの素子温度が低く、O
2 を検出できないので、オープンループ制御で機関の運
転がなされる。そこで、どの後の運転で、ストイキフィ
ードバック条件が満たされ(O2 センサの活性化)、ス
トイキフィードバック制御が開始されたことを条件に、
かつ、フィルタが活性化していることを条件に、フィー
ドバックをリーン寄りに制御する。
酸素が多く供給され、パティキュレート・マターの酸化
を向上させることができる。ここで、パティキュレート
・マター排出量は、排気管に配置されたパティキュレー
ト・マターセンサから積算してもよい。また、フィルタ
の活性化判定は、温度センサによるフィルタ温度の検出
値あるいはエンジンの運転条件による。例えばフィルタ
温度が活性化温度以上になっている場合、あるいはエン
ジンが始動から所定時間経過した場合などを条件にフィ
ルタが活性化したと判断する。
す。ここでは、フィルタの活性判定(A)と、O2 セン
サ活性判定(B)と、車速(C)とを同時に監視してい
る。始動後、所定の温度に達しO2 センサが活性化す
る。その後、機関回転数が上がりフィルタ温度が上がっ
て活性化したことを条件にリーンフィードバック制御を
実行する。
ュレート・マター排出量を予測し(マップ等)、一定値
以上の場合にリーンフィードバック制御を行う場合を示
す。
い高負荷運転の後、ストイキフィードバックが開始さ
れ、フィルタが活性判定されている場合、上記した手法
によりフィードバック制御をリーン寄りにする。
た、触媒保護のためオープンループ制御でリッチ化され
た運転が実行されている。よって、フィードバックでリ
ーン寄りの運転はできない。そこで、パティキュレート
・マターの排出が多い高負荷運転の後に、ストイキフィ
ードバック制御が開始されたことを条件に、かつ、フィ
ルタが活性化していることを条件にリーンフィードバッ
ク制御を行う。
劣化の心配がある場合には劣化判定温度以下(700〜800
℃)になったことを条件として、上記した手法によりフ
ィードバック制御をリーン寄りにする。
負荷運転時、車速が伸び、オープンループ制御となる。
この場合、パティキュレート・マターの発生が多く、排
気ガス中の酸素がほぼ0となる。その後、車速が安定す
ると、フィードバック制御に戻るので、リーンフィード
バック制御によるフィルタへの酸素供給が可能となる。
但し、急加速後の昇温でフィルタが過熱し、リーンフィ
ードバック制御によりそれ以上加熱すると、熱劣化のお
それがあると判断されるとき(フィルタ温度により判
定)、フィルタ温度が熱劣化防止判定温度(700℃〜
800℃)以下になったことを条件(T1)に、リーン
フィードバック制御を行う。
量が一定値以上の場合には、パティキュレート・マター
の燃焼による過昇温が懸念されるため、パティキュレー
ト・マター安全酸化温度(例えば約600℃)にまで下が
ったことを条件として(T2)、上記した手法によりフ
ィードバック制御をリーン寄りにする。 e)上記において、パティキュレート・マター排出量に
応じて一定量の酸素が供給できたと判断した場合には、
リーンフィードバックを停止する。
が多いほどリーンフィードバック制御時間を長くする、
O2 センサ出力から供給O2 量を積算してパティキュレ
ート・マター堆積量に応じた量が供給できた場合にリー
ンフィードバック制御を停止する、フィードバック補正
係数から供給O2 量を積算してパティキュレート・マタ
ー堆積量に応じた量が供給できれば停止する、といった
場合である。
ターの酸化速度が低下したと判断されたとき、パティキ
ュレート・マターが堆積したとき等に、リーンフィード
バック制御により酸素を排気浄化装置に供給し、パティ
キュレート・マターを燃焼させて除去することができ
る。 特に、ガソリン直噴エンジンで、成層リーンで運
転した場合に排気温度が低くまたパティキュレート・マ
ターの排出量も比較的多いので、成層リーンが続くとパ
ティキュレート・マターが堆積してしまうおそれがあっ
たが、本発明により、このようなエンジンでのパティキ
ュレート・マターの酸化処理が円滑に行うことができ
る。
である。
ある。
補正係数FAFとの関係を示す概念図である。
チャートの一部である。
チャートの一部である。
イムチャートである。
ドバック制御を示す図である。
全酸化温度以下となった場合に実行するリーンフィード
バック制御を示す図である。
対応するリーンフィードバック制御例1を示す図であ
る。
に対応するリーンフィードバック制御例2を示す図であ
る。
生に対応するリーンフィードバック制御例を示す図であ
る。
F)パティキュレート・フィルタ、33…O2 センサ
Claims (11)
- 【請求項1】燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生し
たパティキュレート・マターを、排気通路中に設けた排
気浄化装置で酸化処理する内燃機関において、 パティキュレート・マターの酸化速度が低下する運転条
件となったとき、あるいは、パティキュレート・マター
が所定以上堆積したときの少なくともいずれかの条件を
満たしたとき、空燃比を燃料量が現状の空燃比より過薄
とする側に移行する空燃比制御手段にを備えたことを特
徴とする排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項2】燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生し
たパティキュレート・マターを、排気通路中に設けた排
気浄化装置で酸化処理する内燃機関において、 排気通路に設けられた排気浄化装置でのパティキュレー
ト・マターの状態に応じて、排気ガス中の酸素量が少な
くなる理論空燃比側へのフィードバック制御と、排気ガ
ス中の酸素量が多くなる希薄燃焼側へのフィードバック
制御とを切り換える空燃比制御切換手段を有することを
特徴とする排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項3】燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生し
たパティキュレート・マターを酸化除去可能な排気浄化
装置を排気通路中に有するとともに、排気通路に設けら
れた酸素濃度センサの出力に基づいて空燃比を所定の目
標値にフィードバック制御するフィードバック制御手段
を有する内燃機関において、 前記目標値を理論空燃比とするストイキフィードバック
を行う第1空燃比制御手段と、理論空燃比に対して燃料
量を過薄にするリーンフィードバック制御を行う第2空
燃比制御手段とを備え、 第1空燃比制御手段による制御を原則として行い、排気
浄化装置でのパティキュレート・マターの状態に応じて
第2空燃比制御手段に切り換えることを特徴とする排気
浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項4】前記排気浄化装置は、パティキュレート・
マターを酸化除去可能なフィルタにNOx 吸収剤(活性
酸素放出剤)を担持したフィルタ、酸化触媒を担持した
フィルタ、フィルタ自体には触媒が担持されずフィルタ
前段にNOをNO 2 に酸化する触媒を配置し、NO2 で
パティキュレート・マターを酸化するフィルタの少なく
ともいずれかであることを特徴とする請求項1から3の
いずれかに記載の排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項5】パティキュレート・マターの酸化速度が低
下する運転条件となったとき、第2空燃比制御手段によ
るリーンフィードバック制御に切換えることを特徴とす
る請求項2または3に記載の排気浄化装置付き内燃機
関。 - 【請求項6】パティキュレート・マターの堆積状態を検
出する堆積状態検出手段を備え、パティキュレート・マ
ターが所定以上堆積したときに第2空燃比制御手段によ
るリーンフィードバック制御に切換える請求項2または
3に記載の排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項7】排気浄化装置の温度が所定値以上であると
きは、温度が低下した後に、第2空燃比制御手段による
リ−ンフィードバック制御に切換えることを特徴とする
請求項2または3に記載の排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項8】冷間始動時、空燃比のオープンループ制御
で運転し、その後、リーンフィードバック制御に切換え
ることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の
排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項9】冷間始動時、フィードバック制御開始条件
を満足したことでストイキフィードバック制御を行い、
その後、排気浄化装置が活性温度に達したときに、リー
ンフィードバック制御に切換えることを特徴とする請求
項8記載の排気浄化装置付き内燃機関。 - 【請求項10】高負荷運転で空燃比のオープンループ制
御を行うものとし、この制御状態からフィードバック制
御に移行するときには、オープンループ制御からリーン
フィードバック制御に切換えることを特徴とする請求項
1から3のいずれかに記載の排気浄化装置付き内燃機
関。 - 【請求項11】所定の酸素量が排気浄化装置に供給でき
たときに、リーンフィードバック制御からストイキフィ
ードバック制御に戻すことを特徴とする請求項1から3
のいずれかに記載の排気浄化装置付き内燃機関。
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