JP2004285896A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸素センサの出力に基づき、強制変調中における排気の平均空燃比を検出する平均空燃比検出手段(S20)と、平均空燃比検出手段により検出される平均空燃比を目標空燃比に調整する空燃比調整手段(S22)と、強制変調中に酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域を超えないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するリッチリーン時間制限手段(S12)とを備える。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気空燃比を強制変調させることにより触媒コンバータの浄化性能を向上させる技術に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
白金(Pt)等の貴金属を利用した排気浄化用の三元触媒コンバータは、少なからず酸素(O2)ストレージ機能を有しており、排気空燃比がリーン空燃比(酸化雰囲気)であるときにO2を吸蔵してNOxの発生を抑え、一方排気空燃比がリッチ空燃比(還元雰囲気)であるときには、上記吸蔵したO2を放出してHC、COの酸化促進を図り、排気浄化性能を向上させることが可能である。
【0003】
このようなことから、近年では、例えば内燃機関の燃焼室内の空燃比を所定空燃比(例えば、理論空燃比)を挟み一定期間毎に所定の振幅でリーン空燃比とリッチ空燃比とに切り換えることで排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比とに強制的に変調、即ち強制変調させ、三元触媒コンバータの排気浄化性能向上を図った自動車が開発され、実用化されている(特許文献1等参照)。
【0004】
また、強制変調を実施する際、特に強制変調の振幅が大きいほど排気浄化性能が向上することも知られている。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−89318号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、強制変調を行う場合、排気空燃比を排気センサにより監視して排気空燃比の平均空燃比が常に目標空燃比となるよう空燃比制御を行うのがよく、これにより排気空燃比の制御精度が向上し、排気浄化性能の向上が図られる。
そして、排気空燃比を検出する排気センサとしては、全領域空燃比センサ(例えば、リニア空燃比センサ:LAFS)や酸素センサ(例えば、O2センサ)が知られている。
【0007】
しかしながら、全領域空燃比センサは検出可能な空燃比領域が広い一方、コストが非常に高いという欠点があり、実用的ではない。
これに対し、酸素センサは低コストであるため、一般に多用するには非常に有利である一方、空燃比に対して非線形の特性を示すために検出可能な空燃比検出領域が狭く、排気浄化性能の向上を図るべく強制変調の振幅を大きくすると、排気空燃比が酸素センサの空燃比検出領域を超えてしまい、当該酸素センサの出力からでは排気空燃比を正確に検出できないという問題がある。
【0008】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気空燃比を強制変調する際、低コストの排気センサを用いて排気空燃比の制御精度の向上を図り、排気浄化性能の向上を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項1の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を目標空燃比を挟みリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させる空燃比強制変調手段と、前記排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度を検出し出力する酸素センサと、前記酸素センサの出力に基づき、前記強制変調中における排気の平均空燃比を検出する平均空燃比検出手段と、前記平均空燃比検出手段により検出される平均空燃比を前記目標空燃比に調整する空燃比調整手段と、前記強制変調中に前記酸素センサの出力により検出される空燃比が前記酸素センサの空燃比検出領域の上限値及び下限値に達しないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するリッチリーン時間制限手段とを備えることを特徴としている。
【0010】
即ち、空燃比強制変調手段によって排気空燃比をリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させることにより触媒コンバータの酸素ストレージ機能を利用して排気浄化性能の向上が図られるが、この際、リッチリーン時間制限手段によって酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域を超えないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限する。
【0011】
つまり、酸素センサの出力は排気空燃比が空燃比検出領域を超えると頭打ちとなり空燃比を正確に検出できなくなるのであるが、通常、酸素センサには応答遅れがあり、強制変調を行っても酸素センサの出力は応答遅れ期間で実際値より小さな値を示す傾向にあるため、この応答遅れを利用し、リッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限することで全体として変調周期を縮めるようにして酸素センサの出力を小さく抑え、酸素センサの出力により検出される空燃比が該酸素センサの空燃比検出領域内に納まるようにする。
【0012】
これにより、酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、平均空燃比検出手段により酸素センサの出力から求まる平均空燃比が常に実際値に即した正確な値とされ、当該平均空燃比が空燃比調整手段により常に良好に目標空燃比に調整されることになり、低コストの排気センサを用いながらも強制変調時における排気空燃比の制御精度が向上し、触媒コンバータの排気浄化性能の向上が図られる。
【0013】
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置では、前記リッチリーン時間制限手段は、前記強制変調の所定の振幅が大きいほど、前記酸素センサの応答遅れが小さいほど、排気輸送遅れが小さいほど或いは前記酸素センサの活性状態が良好であるほどリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限することを特徴としている。
【0014】
即ち、酸素センサの出力は応答遅れによって実際値より小さな値を示す傾向にあるとはいえ、強制変調の所定の振幅が大きいほど排気空燃比が空燃比検出領域を超えて酸素センサの出力が頭打ちになり易く、また、酸素センサの応答遅れや排気輸送遅れが小さく或いは酸素センサの活性状態が良好であって酸素センサの応答性がよいほど応答遅れ期間が短くなり酸素センサの出力が実際値に即して変化し排気空燃比が空燃比検出領域を超え易いため、これらいずれかの場合には、リッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限する。
【0015】
これにより、酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域内に納まるようになり、低コストの酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、平均空燃比検出手段により酸素センサの出力から求まる平均空燃比が常に実際値に即した正確な値とされる。
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置では、前記平均空燃比検出手段は、前記酸素センサの出力を空燃比に変換した後に該空燃比を平均化或いは平滑化するようにして排気の平均空燃比を検出することを特徴としている。
【0016】
即ち、図2に示すように、酸素センサの出力は、空燃比検出領域内においても空燃比に対し非線形で変化する特性を有するため、当該酸素センサの出力を平均化或いは平滑化した後に同図から平均空燃比を読み出そうとしても正確な平均空燃比を求めることはできないのであるが、同図に基づき酸素センサの出力を空燃比に変換した後に当該空燃比を平均化或いは平滑化して平均空燃比を求めることにより、平均空燃比が容易にして正確に求められ、低コストの排気センサを用いながら平均空燃比を良好に検出可能である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、当該排気浄化装置の構成を説明する。
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体(以下、単にエンジンという)1としては、吸気管噴射型(Multi Point Injection:MPI)ガソリンエンジンが採用される。
【0018】
エンジン1のシリンダヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ4が取り付けられており、点火プラグ4には高電圧を出力する点火コイル8が接続されている。
シリンダヘッド2には、各気筒毎に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド10の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド10には、電磁式の燃料噴射弁6が取り付けられており、燃料噴射弁6には、燃料パイプ7を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置(図示せず)が接続されている。
【0019】
吸気マニホールド10の燃料噴射弁6よりも上流側には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁14が設けられており、併せてスロットル弁14の弁開度θthを検出するスロットルポジションセンサ(TPS)16が設けられている。さらに、スロットル弁14の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ18が介装されている。エアフローセンサ18としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【0020】
また、シリンダヘッド2には、各気筒毎に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド12の一端がそれぞれ接続されている。
なお、当該MPIエンジンは公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
【0021】
排気マニホールド12の他端には排気管20が接続されており、当該排気管20には、排気浄化触媒装置として三元触媒(触媒コンバータ)30が介装されている。
この三元触媒30は、担体に活性貴金属として銅(Cu),コバルト(Co),銀(Ag),白金(Pt),ロジウム(Rh),パラジウム(Pd)のいずれかを有している。セリウム(Ce)、ジルコニア(Zr)等の酸素吸蔵材を含む場合の他、当該酸素吸蔵材を含まない場合においても、活性貴金属は、酸素吸蔵機能(O2ストレージ機能)を有しており、故に、三元触媒30は、排気空燃比(排気A/F)がリーン空燃比(リーンA/F)である酸化雰囲気中において酸素(O2)を吸着すると、排気A/Fがリッチ空燃比(リッチA/F)となり還元雰囲気となるまでそのO2をストレージO2として保持し、当該ストレージO2により、還元雰囲気状態においてもHC(炭化水素)やCO(一酸化炭素)を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒30は、酸化雰囲気でHC、COを浄化できるのは勿論のことNOxの発生をもある程度抑え、還元雰囲気中においてNOxの浄化のみならず吸蔵されたO2によりHC、COをもある程度浄化可能である。
【0022】
また、排気管20の三元触媒コンバータ30よりも上流側には、排気中の酸素濃度を検出するO2センサ(酸素センサ)22が配設されている。O2センサ22は、空燃比に対して図2に示すような特性を有し、安価な排気センサとして公知である。
ECU(電子コントロールユニット)40は、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備えており、当該ECU40により、エンジン1を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
【0023】
ECU40の入力側には、上述したTPS16、エアフローセンサ18、O2センサ22の他、エンジン1のクランク角を検出するクランク角センサ42等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。なお、クランク角センサ42からのクランク角情報に基づいてエンジン回転速度Neが検出される。
【0024】
一方、ECU40の出力側には、上述の燃料噴射弁6、点火コイル8、スロットル弁14等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力される。詳しくは、各種センサ類からの検出情報に基づき空燃比が適正な目標空燃比(目標A/F)に設定され、当該目標A/Fに応じた量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁6から噴射され、またスロットル弁14が適正な開度に調整され、点火プラグ4により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【0025】
より詳しくは、当該排気浄化装置では、三元触媒30が上記O2ストレージ機能を有していることから、三元触媒30の能力を十分発揮するために、通常運転時には、ECU40によって空燃比を目標A/Fを境に所定のリッチA/Fと所定のリーンA/Fとの間で強制的に交互に振る強制変調制御を行うようにしている。つまり、燃焼室内の空燃比(燃焼A/F)を一定期間に亘りリーンA/Fとした後一定期間リッチA/Fとするように変調制御し、排気A/Fを所定のリーンA/Fと所定のリッチA/F間で所定の振幅で周期的に変調させるようにしている(空燃比強制変調手段)。なお、変調波形は方形波に限られるものではなく、三角波、正弦波、波状波等でもよい。
【0026】
これにより、排気A/FがリーンA/Fである酸化雰囲気中ではHC、COが良好に浄化されるとともに三元触媒30のO2ストレージ機能によりO2が吸蔵されてNOxの発生がある程度抑えられ、排気A/FがリッチA/Fである還元雰囲気中ではNOxが良好に浄化されるとともに吸蔵されたストレージO2によってHC、COがある程度継続的に浄化され続け、三元触媒30の排気浄化性能の向上が図られる。
【0027】
ところで、エンジン1でこのような空燃比の強制変調を行う場合、三元触媒30の排気浄化性能を向上させるためには、排気A/FをO2センサ22により監視して排気A/Fの平均空燃比(平均A/F)が常に目標A/Fとなるよう空燃比制御を行うのがよい。しかしながら、上述したように、O2センサ22は、空燃比に対して非線形の特性を示すために検出可能な空燃比検出領域が狭く、排気浄化性能の向上を図るべく強制変調の振幅を大きくすると、図3に示すように、実際の空燃比(破線で示す)が定常時の空燃比検出領域を超えてしまい、空燃比検出領域を超えた領域ではO2センサ22の出力が頭打ちとなって排気A/Fを正確に検出できず(実線で示す)、実際の平均A/F(破線で示す)とO2センサ22の出力により検出される平均A/F(実線で示す)との間にずれが生じることになる。
【0028】
本発明に係る排気浄化装置では、このような問題を解決するように図っており、以下、上記のように構成された本発明に係る排気浄化装置の空燃比強制変調手法について説明する。
先ず、第1実施例について説明する。
図4を参照すると、本発明の第1実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
【0029】
ステップS10では、現在強制変調中であるか否かを判別する。具体的には、三元触媒30が所定の活性状態に達し、上記強制変調制御の開始条件が成立して強制変調制御が開始されているか否かを判別する。判別結果が偽(No)で強制変調を実施していないと判定された場合には、何もせずに当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真(Yes)で強制変調中であると判定された場合には、ステップS12に進む。
【0030】
ステップS12では、強制変調においてリーン空燃比側となっている時間、即ちリーン時間とリッチ空燃比側となっている時間、即ちリッチ時間とをそれぞれリーン側振幅、リッチ側振幅に応じて設定する(リッチリーン時間制限手段)。一般に、O2センサ22には応答遅れがあり、強制変調を行ってもO2センサ22の出力は急激に変化する酸素濃度に追従しきれず、実際値よりも小さな値を示す傾向にある。そして、この傾向は、強制変調の変調周期が小さく反転速度が速いほど、即ちリーン時間とリッチ時間とが短くなるほど顕著である。
【0031】
そこで、ここでは、この応答遅れの性質を利用し、排気浄化性能の向上を図るべく強制変調の振幅を大きくしたとしてもO2センサ22の出力が頭打ちとならないよう、強制変調の振幅(リーン側振幅、リッチ側振幅)の大きさに応じてリッチ時間とリーン時間とを適正に制限してO2センサ22の出力を小さく抑え、強制変調の振幅の大きさに拘わらずO2センサ22の出力により検出される排気A/Fが空燃比検出領域の上限値(上限境界値)及び下限値(下限境界値)に達しないようにして空燃比検出領域内に納まるようにする。なお、リーン側振幅とリッチ側振幅とは、理論空燃比(ストイキオ)を基準としてもよいし、O2センサ22の出力の中央値を基準としてもよい。また、空燃比検出領域としてはO2センサ22の定常時における空燃比検出領域が用いられ、当該空燃比検出領域は、例えば、リーン空燃比からリッチ空燃比への切換後500ms後にO2センサ22の出力から求めたリッチ側空燃比とリッチ空燃比からリーン空燃比への切換後500ms後にO2センサ22の出力から求めたリーン側空燃比との間までの安定領域とされる。
【0032】
実際には、リーン側振幅とリーン時間及びリッチ側振幅とリッチ時間との関係が実験等により予め設定され、図5に示すようにマップとしてECU40内に記憶されており、リーン時間及びリッチ時間は、リーン側振幅及びリッチ側振幅の大きさに応じて当該マップから読み出される。具体的には、リーン側振幅及びリッチ側振幅が大きいほどリーン時間とリッチ時間とをそれぞれ短く制限する。
【0033】
また、O2センサ22の出力は、基本的に、O2センサ22の応答遅れ(排気流量、エンジン回転速度Ne、触媒温度、排気温度、体積効率、正味平均有効圧、吸気管圧力、排気圧力等)、排気輸送遅れ(O2センサ上流排気系容積、排気流量、エンジン回転速度Ne、体積効率等)が大きいほど、或いは、O2センサの活性状態(冷却水温度、吸気温度、潤滑油温度、始動後経過時間、O2センサヒータ通電時間、走行距離等)が悪いほど強制変調により急変する酸素濃度に追従し難いため、リーン時間とリッチ時間とをこれらO2センサ22の応答遅れ、排気輸送遅れ、O2センサの活性状態の各状況の少なくともいずれか一つに応じて設定するのがよい。具体的には、O2センサ22の応答遅れ、排気輸送遅れが小さいほど、或いはO2センサの活性状態が良好であるほどリーン時間とリッチ時間とをそれぞれ短く制限する。
【0034】
また、簡便な手法として、リーン時間とリッチ時間とを触媒システムに応じて予め設定した最適な時間値(例えば、50msと50ms)に固定するようにしてもよい。
また、ここではリーン時間とリッチ時間のように時間で規定しているが、サイクルで規定してもよい。
【0035】
このようにしてリーン時間及びリッチ時間が制限されると、図6に示すように、強制変調による実際の排気A/Fの振幅(破線で示す)はそのままでありながら、O2センサ22の出力により検出される排気A/Fは振幅(実線で示す)が小さく抑えられて空燃比検出領域内に良好に納まることになる。
ステップS14では、O2センサ22の出力を空燃比に変換する。具体的には、上述した図2の特性がECU40内に変換マップとして記憶されており、当該変換マップに基づきO2センサ22の出力を空燃比に変換する。つまり、O2センサ22の出力に基づく排気A/Fを検出する。
【0036】
なお、当該実施形態ではO2センサ22の出力を空燃比に変換するようにしているが、空燃比に相当する空燃比相関値(例えば、燃空比、当量比、燃料噴射量、燃料噴射期間等)に変換するようにしてもよい。
ステップS20では、ステップS14で検出されたO2センサ22の出力に基づく排気A/Fの所定期間での平均A/Fを算出する(平均空燃比検出手段)。ここに、所定期間は例えば変調周期であるが、これに限られるものではなく、触媒システムに最適なものであれば変調周期より長い期間であってもよい。
【0037】
また、平均A/Fの平均手法としては、所定期間における空燃比の値を算術平均して平均化するものであってもよいし、所定期間の吸入空気総量を所定期間の供給燃料総量で除して平均化するものであってもよく、或いは、加重平均(フィルタリング処理)により平滑化するようなものであってもよい。
なお、ステップS14でO2センサ22の出力を空燃比相関値(例えば、燃空比、当量比、燃料噴射量、燃料噴射期間等)に変換した場合には、平均A/Fに代えて平均A/F相関値を算出することになる。
【0038】
ところで、ここでは、O2センサ22の出力を平均化或いは平滑化した後に変換して平均A/Fを求めるのではなく、O2センサ22の出力を空燃比に変換した後に平均化或いは平滑化して平均A/Fを求めるようにしている。これは、図2から明らかなように、O2センサ22の出力は、空燃比検出領域内においても空燃比に対し非線形で変化する特性を有し、当該O2センサ22の出力を平均化或いは平滑化した後に同図から平均A/Fを読み出そうとしても非線形領域では正確な平均A/Fを求めることはできない一方、同図に基づきO2センサ22の出力を空燃比に変換した後であれば当該空燃比を平均化或いは平滑化して容易にして正確に平均A/Fを求めることができるためである。これにより、平均A/Fを良好に検出可能である。
【0039】
このように求められたO2センサ22の出力に基づく排気A/Fの平均A/Fは、上記ステップS12において、リーン時間及びリッチ時間がそれぞれリーン側振幅とリッチ側振幅とに応じて設定され、O2センサ22の出力に基づく排気A/Fが空燃比検出領域内に納まるようにされているので、図6に示すように、実際の平均A/Fに良好に一致する。
【0040】
つまり、O2センサ22の応答遅れの性質を利用することにより、空燃比に対し非線形で変化する特性を有し且つリニア空燃比センサ(LAFS)よりも安価なO2センサ22を排気センサとして用いるようにしても、O2センサ22の出力に基づいて的確に排気A/Fの平均A/Fを検出することができる。
ステップS22では、このようにして検出された排気A/Fの平均A/Fが上記目標A/Fとなるように空燃比を調整する(空燃比調整手段)。即ち、排気A/Fの平均A/Fが目標A/Fとなるようにフィードバック制御を行う。フィードバック制御はPID制御、現代制御理論に基づく制御のいずれであってもよい。
【0041】
なお、ここでは、平均A/Fを算出する所定期間を例えば変調周期としたが、所定期間をリーン期間とリッチ期間とし、ステップS20においてリーン期間のリーン側平均A/Fとリッチ期間のリッチ側平均A/Fとをそれぞれ求め、ステップS22においてリーン側平均A/Fとリッチ側平均A/Fとがそれぞれリーン側目標空燃比とリッチ側目標空燃比となるように空燃比を調整するようにしてもよい。
【0042】
これにより、排気A/Fの制御精度が向上して排気A/Fの強制変調が常に適正な状態に維持され、三元触媒30の排気浄化性能の向上が図られる。
次に、第2実施例について説明する。
第2実施例では、排気浄化装置は、上記第1実施例におけるO2センサ22にセンサ素子の温度を検出するセンサ素子温度検出手段が付加されており、センサ素子温度検出手段により検出され出力されたO2センサ22のセンサ素子の温度情報は、ECU40の入力側に入力するように構成されている。
【0043】
図7を参照すると、本発明の第2実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、第2実施例では、上記第1実施例の図4のフローチャートに対しステップS13が追加されるとともにステップS14がステップS14’に変更されている点が異なるのみであり、ここでは第1実施例と異なる部分を中心に説明する。
【0044】
ステップS10を経てステップS12においてリーン時間及びリッチ時間をそれぞれリーン側振幅とリッチ側振幅とに応じて設定したら、ステップS13において、センサ素子温度検出手段によりO2センサ22のセンサ素子の温度を検出する。
実際には、センサ素子温度を直接検出することは困難であるため、ここでは、センサ素子温度をエンジン1の運転状態に基づくセンサ素子温度相関値(エンジン回転速度Ne、体積効率、吸気管負圧、吸入空気量、排気温度、冷却水温度、外気温度のうち1以上)として求めるようにする。
【0045】
そして、ステップS14’において、O2センサ22の出力を空燃比に変換する。
ところで、空燃比が同じでも温度によって酸素濃度が異なるため、O2センサ22の出力と空燃比との関係は、O2センサ22のセンサ素子の温度によって変化する。
【0046】
従って、ここでは、上記センサ素子温度相関値に応じた複数の変換マップを図2に準じて予め設定しECU40に記憶しておき、センサ素子温度相関値に応じてこれら変換マップを切り換え、当該センサ素子温度相関値に応じた変換マップに基づいてO2センサ22の出力を空燃比に変換する。つまり、O2センサ22の出力に基づく排気A/Fをセンサ素子温度を考慮して検出する。具体的には、O2センサ22の出力が同一であっても、排気A/Fがリッチ側では、センサ素子温度が高温であるほど排気A/Fをリーン空燃比寄りの値に変換し、低温であるほど排気A/Fをリッチ空燃比寄りの値に変換し、排気A/Fがリーン側では、その逆に変換する。
【0047】
なお、ここでは、センサ素子温度相関値に応じた複数の変換マップをセンサ素子温度に応じて切り換えるようにしたが、センサ素子温度相関値に応じた変換係数を予め設定してマップ化しておき、基準となる排気A/Fに当該センサ素子温度相関値に応じた変換係数を乗算するようにしてもよい。
さらに、ここでは、センサ素子温度相関値に応じた複数の変換マップを有し、或いはセンサ素子温度相関値に応じた変換係数をマップとして有するようにしたが、センサ素子温度相関値から一旦センサ素子温度を推定し、当該センサ素子温度の推定値に応じた複数の変換マップを有し、或いは当該推定値に応じた変換係数をマップとして有するようにしてもよい。
【0048】
また、熱容量による応答遅れが発生するような場合には、変換して求めた排気A/F或いは変換係数にフィルタリング処理等を施して補完するのが好ましい。これにより、エンジン1の運転状態に応じて排気温度等により時々刻々とセンサ素子の温度が変化しても、排気A/Fの検出精度が向上し、常に適正な排気A/Fが検出される。
【0049】
従って、ステップS20においてステップS14’で検出されたO2センサ22の出力に基づく排気A/Fの平均A/Fを算出し、次のステップS22において当該平均A/Fが目標A/Fとなるようフィードバック制御を実施するが、当該フィードバック制御が適正なものとなる。
これにより、排気A/Fの制御精度が向上して排気A/Fの強制変調が常に適正な状態に維持され、三元触媒30の排気浄化性能のさらなる向上が図られる。
【0050】
次に、第3実施例について説明する。
第3実施例では、排気浄化装置は、上記第2実施例の場合と同様にO2センサ22にセンサ素子の温度を検出するセンサ素子温度検出手段が付加され、さらに、センサ素子部を加熱量を調節しながら加熱する素子加熱手段を備えて構成されている。素子加熱手段としては、ここではスイッチのオン・オフにより切換作動する電気式ヒータが用いられる。
【0051】
図8を参照すると、本発明の第3実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、第3実施例では、上記第1実施例の図4のフローチャートに対しステップS15乃至ステップS19が追加されている点が異なり、ここでも第1実施例と異なる部分を中心に説明する。
【0052】
ステップS10を経てステップS12においてリーン時間及びリッチ時間をそれぞれリーン側振幅とリッチ側振幅とに応じて設定し、ステップS14においてO2センサ22の出力を所定温度のもとで上記図2の特性を有する変換マップに基づき空燃比に変換したら、ステップS15において、センサ素子温度検出手段によりO2センサ22のセンサ素子の温度を検出する。
【0053】
上記第2実施例の場合と同様、実際には、センサ素子温度を直接検出することは困難であるため、ここでは、センサ素子温度をエンジン1の運転状態に基づくセンサ素子温度相関値(エンジン回転速度Ne、体積効率、吸気管負圧、吸入空気量、排気温度、冷却水温度、外気温度のうち1以上)として求めるようにする。
【0054】
ステップS16では、素子加熱手段としてのヒータのデューティ(オン・オフ時間率)を設定する。具体的には、センサ素子部の温度が上記所定温度となることを目標にセンサ素子温度相関値とヒータのデューティとの関係を予めデューティマップとしてECU40に記憶しておき、当該デューティマップからセンサ素子温度相関値に応じてデューティの初期値を読み出す。なお、このステップS16は、上記ステップS10の判別が偽(No)から真(Yes)に切り換わった直後の初回にのみ実行される。
【0055】
ステップS17では、センサ素子温度が上記所定温度より大であるか否か、即ちセンサ素子温度相関値が所定温度相関値より大であるか否かを判別する。つまり、上記図2の変換マップに対応した温度条件に達しているか否かを判別する。判別結果が真(Yes)でセンサ素子温度相関値が所定温度相関値より大と判定された場合には、ステップS18に進み、ヒータのデューティを減少させる。一方、判別結果が偽(No)でセンサ素子温度相関値が所定温度相関値以下と判定された場合には、ステップS19に進み、ヒータのデューティを増大させる。
【0056】
これにより、センサ素子部の加熱量が良好に調節され、センサ素子温度が上記所定温度近傍に良好に収束することになる。
なお、ここでは、センサ素子温度相関値に応じたデューティマップに基づきヒータのデューティの初期値を設定するようにし、センサ素子温度相関値が所定温度相関値より大であるか否かを判別するようにしたが、センサ素子温度相関値から一旦センサ素子温度を推定し、当該センサ素子温度の推定値に応じたデューティマップに基づきヒータのデューティの初期値を設定するようにし、当該推定値が所定温度より大であるか否かを判別するようにしてもよい。
【0057】
また、熱容量による応答遅れが発生するような場合には、求められたデューティにフィルタリング処理等を施して補完するのが好ましい。
これにより、エンジン1の運転状態に応じて排気温度等により時々刻々とセンサ素子の温度が変化しても、センサ素子温度が上記図2の変換マップに対応した温度条件に良好に維持され、排気A/Fの検出精度が向上し、常に適正な排気A/Fが検出される。
【0058】
従って、上記第2実施例の場合と同様、ステップS20においてステップS14で検出されたO2センサ22の出力に基づく排気A/Fの平均A/Fを算出し、ステップS22において当該平均A/Fが目標A/Fとなるようフィードバック制御を実施するが、当該フィードバック制御が適正なものとなる。
これにより、排気A/Fの制御精度が向上して排気A/Fの強制変調が常に適正な状態に維持され、三元触媒30の排気浄化性能のさらなる向上が図られる。
【0059】
以上第1乃至第3実施例に基づき説明したように、本発明に係る排気浄化装置では、強制変調制御において、強制変調のリーン時間とリッチ時間とを、O2センサ22の出力により検出される排気A/FがO2センサ22の空燃比検出領域内に納まるように設定している。
従って、空燃比に対し非線形で変化する特性を有し且つリニア空燃比センサ(LAFS)よりも安価なO2センサ22を排気センサとして採用するようにしても、O2センサ22の応答遅れの性質を利用することで、O2センサ22の出力に基づく排気A/Fの平均A/Fを実際の平均A/Fに良好に一致或いは相関させるようにでき、故にO2センサ22の出力に基づいて的確に排気A/Fの平均A/Fを検出して目標A/Fにフィードバック制御することができ、排気A/Fの強制変調を常に適正な状態に維持して三元触媒30の排気浄化性能を向上させることができる。
【0060】
なお、上記実施形態では、O2センサ22を三元触媒30の上流側に設置した場合を例に説明したが、O2ストレージ機能の弱い三元触媒30にあってはO2センサを三元触媒30の下流側に設置するようにしてもよい。この場合、触媒雰囲気を直接検出できることになり、また、OBD(On Board Diagnosis)に対応して触媒下流にO2センサを要する触媒システムにおいては、触媒上流のO2センサが不要となりコスト削減が図られる。
【0061】
また、触媒コンバータは、三元触媒に限られず、少なくともO2ストレージ機能を有していれば如何なるものであってもよい。
また、上記実施形態では、エンジン1としてMPIエンジンを採用した例を示したが、これに限られず、エンジン1は強制変調制御が可能であれば如何なるエンジンであってもよく、筒内噴射型エンジンであってもよい。
【0062】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項1の内燃機関の排気浄化装置によれば、空燃比強制変調手段によって排気空燃比をリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させる際、酸素センサの出力により検出される空燃比が酸素センサの空燃比検出領域の上限値及び下限値に達しないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するようにしたので、酸素センサの応答遅れを利用して酸素センサの出力により検出される空燃比を酸素センサの空燃比検出領域内に納めるようにできる。これにより、酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、酸素センサの出力から求まる平均空燃比を常に実際値に即した正確な値として良好に目標空燃比に調整できることになり、低コストの排気センサを用いながらも強制変調時における排気空燃比の制御精度を向上させ、触媒コンバータの排気浄化性能の向上を図ることができる。
【0063】
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制変調の所定の振幅が大きいほど酸素センサの出力も大きく排気空燃比が空燃比検出領域を超え易く、また、酸素センサの応答遅れや排気輸送遅れが小さく或いは酸素センサの活性状態が良好であって酸素センサの応答性がよいほど応答遅れ期間が短くなり酸素センサの出力が実際値に即して変化し排気空燃比が空燃比検出領域を超え易いのであるが、これらいずれかの場合には、リッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限するようにしたので、酸素センサの出力により検出される空燃比を酸素センサの空燃比検出領域内に納めるようにできる。これにより、低コストの酸素センサによって排気空燃比を確実に検出可能となり、酸素センサの出力から求まる平均空燃比を常に実際値に即した正確な値にできる。
【0064】
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸素センサの出力を空燃比に変換した後に該空燃比を平均化或いは平滑化するようにして排気の平均空燃比を検出するようにしているので、酸素センサの出力が空燃比に対し非線形の特性を有し、当該酸素センサの出力を平均化或いは平滑化した後においては平均空燃比を正確に求められないのであるが、酸素センサの出力を空燃比に変換した後に当該空燃比を平均化或いは平滑化して平均空燃比を求めることにより、平均空燃比を容易にして正確に求めるようにでき、低コストの排気センサを用いながら平均空燃比を良好に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】空燃比に対するO2センサの出力特性を示す図である。
【図3】強制変調により実際の空燃比(破線)が定常時の空燃比検出領域を超え、空燃比検出領域を超えた領域でO2センサの出力が頭打ちとなった場合の排気A/F(実線)を示す図である。
【図4】本発明の第1実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図5】リーン側振幅とリーン時間及びリッチ側振幅とリッチ時間との関係を示すマップである。
【図6】強制変調制限制御によりリーン時間及びリッチ時間を制限した場合の排気A/F(実線)を示す図であって、本発明の作用効果を示す図である。
【図7】本発明の第2実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】本発明の第3実施例に係る強制変調制限制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン本体
6 燃料噴射弁
22 O2センサ(酸素センサ)
30 三元触媒(触媒コンバータ)
40 ECU(電子コントロールユニット)
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、
前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を目標空燃比を挟みリーン空燃比側とリッチ空燃比側とに所定の振幅で強制変調させる空燃比強制変調手段と、
前記排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度を検出し出力する酸素センサと、前記酸素センサの出力に基づき、前記強制変調中における排気の平均空燃比を検出する平均空燃比検出手段と、
前記平均空燃比検出手段により検出される平均空燃比を前記目標空燃比に調整する空燃比調整手段と、
前記強制変調中に前記酸素センサの出力により検出される空燃比が前記酸素センサの空燃比検出領域の上限値及び下限値に達しないようにリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを制限するリッチリーン時間制限手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記リッチリーン時間制限手段は、前記強制変調の所定の振幅が大きいほど、前記酸素センサの応答遅れが小さいほど、排気輸送遅れが小さいほど或いは前記酸素センサの活性状態が良好であるほどリッチ空燃比側時間とリーン空燃比側時間とを短く制限することを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記平均空燃比検出手段は、前記酸素センサの出力を空燃比に変換した後に該空燃比を平均化或いは平滑化するようにして排気の平均空燃比を検出することを特徴とする、請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化装置。
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2003
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