JP2006083796A

JP2006083796A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2006083796A
Application number: JP2004270867A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Yamashita; 山下　　幸宏
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP4314636B2; US20060059894A1; US7200988B2

Abstract

【課題】排気通路に直列に配置した２つの触媒を効率良く使用して排出ガスを効率良く浄化できるようにする。
【解決手段】上流側触媒２２の上流側及び下流側、下流側触媒２３の下流側に、それぞれ第１排気センサ２４、第２排気センサ２５、第３排気センサ２６を設置し、第３排気センサ２６の出力に基づいて第２排気センサ２５の目標電圧を決定し、この目標電圧と第２排気センサ２５の出力とに基づいて上流側触媒２２の上流側の目標空燃比を決定すると共に、第３排気センサ２６の出力に応じて目標空燃比を補正する。そして、第３排気センサ２６の出力に応じて目標空燃比を補正する領域では、第３排気センサ２６の出力による目標空燃比のリッチ側への補正量が大きくなるほど、目標空燃比制御ゲイン（比例項ゲイン、積分項ゲイン）を小さくするように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に２つの触媒を直列に配置した内燃機関の空燃比制御装置に関する発明である。

近年、特許文献１（特開２００２−２３５５８４号公報）に示すように、エンジンの排出ガスの浄化能力を高めるために、エンジンの排気管に、排出ガス浄化用の触媒を２個直列に設置し、上流側触媒の上流側に第１排気センサ、前記２つの触媒間に第２排気センサ、下流側触媒の下流側に第３排気センサをそれぞれ配置し、前記第３排気センサの出力に基づいて前記第２排気センサの目標値を決定すると共に、この目標値と前記第２排気センサの出力とに基づいて前記上流側触媒の上流側の目標空燃比を決定し、前記目標空燃比と前記第１排気センサで検出した空燃比との偏差に基づいて空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御するようにしたものがある。
特開２００２−２３５５８４号公報（第１頁等）

近年の排出ガス規制の強化に伴って、下流側触媒の酸素ストレージ量（酸素吸蔵量）が増加する傾向が強くなってきているため、従来の空燃比制御技術では、上流側触媒がリッチで、下流側触媒がリーンとなっている状態で、大気中へのＮＯｘ等のリーン成分排出量が増加する傾向がある。この理由は、次の通りである。

上流側触媒がリッチの状態になると、上流側触媒からリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ等）が流出するため、下流側触媒の酸素ストレージ量が少なければ、上流側触媒から下流側触媒に流入するリッチ成分によって下流側触媒のリーン状態を比較的早期に解消できるが、下流側触媒の酸素ストレージ量が多いと、上流側触媒からリッチ成分が下流側触媒に供給されても、下流側触媒のリーン状態を早期に解消することが困難になり、リーン状態が長く続くことになる（図７参照）。その結果、大気中へのＮＯｘ等のリーン成分排出量が増加するという不具合が発生する。また、従来の空燃比制御技術では、上流側触媒がリーンからリッチに変化した時点で、まだ下流側触媒がリーンの状態であっても、目標空燃比がリーン方向に補正されるため、下流側触媒のリーン状態を解消するのに十分なリッチ成分を下流側触媒に供給できなくなってしまい、その分、下流側触媒がリーンの状態が長く続いて、大気中へのＮＯｘ等のリーン成分排出量が増加する傾向がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、排気通路に直列に配置した２つの触媒を効率良く使用して排出ガスを効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に２つの触媒を直列に配置し、上流側触媒の上流側に第１排気センサ、前記２つの触媒間に第２排気センサ、下流側触媒の下流側に第３排気センサをそれぞれ配置し、前記第３排気センサの出力に基づいて前記第２排気センサの目標電圧を決定し、この目標電圧と前記第２排気センサの出力とに基づいて前記上流側触媒の上流側の目標空燃比を決定する目標空燃比制御手段と、前記目標空燃比と前記第１排気センサで検出した空燃比との偏差に基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、前記第３排気センサの出力に応じて前記目標空燃比を補正する目標空燃比補正手段を備え、前記第３排気センサの出力に応じて前記第２排気センサの出力による前記目標空燃比の変化量が通常時よりも小さくなるように制御するようにしたものである。

本発明では、例えば、第３排気センサの出力（下流側触媒の状態）がリーン状態になっているときに、その第３排気センサのリーン出力に応じて目標空燃比がリッチ側に補正されて第２排気センサの出力（上流側触媒の状態）がリッチ側に変化しても、その第２排気センサのリッチ出力による目標空燃比のリーン側への変化量が小さくなるように制御される。これにより、第２排気センサの出力（上流側触媒の状態）がリッチ側に変化しても、暫く上流側触媒がリッチ状態を維持するように制御されるようになり、その間に、下流側触媒のリーン状態を早期に解消するのに十分なリッチ成分が上流側触媒から下流側触媒に供給されるようになる。これにより、排気通路に直列に配置した２つの触媒を効率良く使用して排出ガスを効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる。

この場合、請求項２のように、第３排気センサの出力がリーンになるほど、目標空燃比の制御ゲインを小さくするようにすると良い。このようにすれば、第３排気センサの出力による目標空燃比のリッチ側への補正量が大きい場合でも、暫く上流側触媒がリッチ状態を維持するように制御することができて、下流側触媒のリーン状態を解消するのに十分なリッチ成分を上流側触媒から下流側触媒に供給することができ、大気中へのＮＯｘ等のリーン成分排出量を確実に低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。

一方、エンジン１１の排気管２１（排気通路）の途中には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を低減させる三元触媒等の上流側触媒２２と下流側触媒２３が直列に設置されている。更に、上流側触媒２２の上流側及び下流側と、下流側触媒２３の下流側には、それぞれ第１排気センサ２４、第２排気センサ２５、第３排気センサ２６が設置されている。この場合、第１排気センサ２４は、上流側触媒２２に流入する排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）が用いられ、第２排気センサ２５と第３排気センサ２６は、各触媒２２，２３から流出する排出ガスのリッチ／リーンに応じて出力電圧が反転する酸素センサが用いられている。尚、第２排気センサ２５及び／又は第３排気センサ２６は、第１排気センサ２４と同じく、空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）を用いても良く、勿論、第１排気センサ２４として酸素センサを用いても良い。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、エンジン回転速度を検出するクランク角センサ２８が取り付けられている。

これら各種のセンサ出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２のサブＦ／Ｂ制御ルーチンを実行することで、第２排気センサ２５及び第３排気センサ２６の出力に基づいて上流側触媒２２の上流側の目標空燃比を設定する目標空燃比制御手段として機能すると共に、メインＦ／Ｂ制御ルーチン（図示せず）を実行することで、この目標空燃比と第１排気センサ２４で検出した空燃比との偏差に基づいて空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段として機能する。

図２のサブＦ／Ｂ制御ルーチンは、エンジン運転中に所定周期（例えば２５ｍｓ）で実行され、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘに応じて目標空燃比ｆａｆｓｂが補正される領域で、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘによる目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔが大きくなるほど、目標空燃比制御ゲイン（比例項ゲインｋｐ、積分項ゲインｋｉ）を小さくするように設定して目標空燃比ｆａｆｓｂを算出するようにしたところに特徴がある。

本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、サブＦ／Ｂ制御実行条件が成立しているか否かを判定する。ここで、サブＦ／Ｂ制御実行条件は、例えばエンジン冷却水温が所定温度以上（触媒２２，２３の暖機完了）であること、エンジン運転状態が高回転・高負荷領域ではないこと等であり、これらの条件を全て満たしたときにサブＦ／Ｂ制御実行条件が成立する。

このステップ１０１で、サブＦ／Ｂ制御実行条件が不成立と判定された場合には、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、サブＦ／Ｂ制御実行条件が成立していると判定されれば、次のステップ１０２に進み、第２排気センサ２５の出力ｓｏｘと第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘを読み込む。この後、ステップ１０３に進み、図３の目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔの算出マップを参照して、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘに応じた目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔを算出する。

ここで、図３の目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔの算出マップの特性は、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが所定電圧（例えば０．３Ｖ）以上の領域、すなわちストイキ付近（若しくは弱リーン）よりもリッチ側の領域で、目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔが０％に設定され、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘによる目標空燃比ｆａｆｓｂの補正が行われないように設定され、ストイキ付近（若しくは弱リッチ）よりもリーン側の領域でのみ、目標空燃比ｆａｆｓｂがリッチ側に補正され、その補正領域では、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが低下するほど（リーン度合が強くなるほど）、目標空燃比のリッチ側への補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔが大きくなるように設定されている。尚、この目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔは、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが例えば０．１Ｖ以下の領域では、ガード値（例えば−１％）で制限される。このステップ１０３の処理が特許請求の範囲でいう目標空燃比補正手段としての役割を果たす。

目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔの算出後、ステップ１０４に進み、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘに応じた目標空燃比制御ゲイン（比例項ゲインｋｐ、積分項ゲインｋｉ）を図４及び図５のマップを参照して算出する。図４及び図５のマップの特性は、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘに応じて目標空燃比ｆａｆｓｂが補正される領域（第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが０．１〜０．３Ｖの領域）で、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘによる目標空燃比のリッチ側への補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔが大きくなるほど、比例項ゲインｋｐと積分項ゲインｋｉを小さくするように設定されている。

比例項ゲインｋｐ、積分項ゲインｋｉの算出後、ステップ１０５に進み、目標空燃比ｆａｆｓｂを次式により算出する。
ｆａｆｓｂ＝ｋｐ×（ｓｏｘ−目標ｓｏｘ）＋Ｉｆａｆｓｂ(i) ＋ｆａｆｓｂ２ｓｔＩｆａｆｓｂ(i) ＝Ｉｆａｆｓｂ(i-1) ＋ｋｉ×（ｓｏｘ−目標ｓｏｘ）
上式において、ｋｐ×（ｓｏｘ−目標ｓｏｘ）は比例項である。

また、Ｉｆａｆｓｂ(i) とＩｆａｆｓｂ(i-1) は、それぞれ積分項の今回値と前回値である。目標ｓｏｘは、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘ（下流側触媒２３の下流側の空燃比）に応じて図６のマップにより設定される第２排気センサ２５の目標電圧（下流側触媒２３の上流側の目標空燃比）である。図６のマップの特性は、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが所定範囲内（Ａ＜出力電圧＜Ｂ）の領域では、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが高くなるほど、目標ｓｏｘが低くなり、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが所定値Ａ以下の領域では、目標ｓｏｘが上限値で一定となり、第３排気センサ２６の出力ｒｓｏｘが所定値Ｂ以上の領域では、目標ｓｏｘが下限値で一定となる。

以上説明した図２のサブＦ／Ｂ制御ルーチンによって目標空燃比ｆａｆｓｂが算出されると、この目標空燃比ｆａｆｓｂと第１排気センサ２４で検出した空燃比との偏差が小さくなるように空燃比（燃料噴射量）がフィードバック制御される。

ところで、従来の空燃比制御技術では、図７に示すように、上流側触媒２２の状態（第２排気センサ２５の出力）がリッチになると、上流側触媒２２からリッチ成分が流出するため、下流側触媒２３の酸素ストレージ量が少なければ、上流側触媒２２から下流側触媒２３に流入するリッチ成分によって下流側触媒２２のリーン状態を比較的早期に解消できるが、下流側触媒２３の酸素ストレージ量が多いと、上流側触媒２２からリッチ成分が下流側触媒２３に供給されても、下流側触媒２３のリーン状態を早期に解消することが困難になり、リーン状態が長く続くことになる。その結果、大気中へのＮＯｘ等のリーン成分排出量が増加するという不具合が発生する。

これに対して、本実施例では、図８に示すように、上流側触媒２２の状態（第２排気センサ２５の出力）がリッチで、下流側触媒２３の状態（第３排気センサ２６の出力）がリーンの状態になると、第３排気センサ２６のリーン出力に応じて目標空燃比がリッチ側に補正されるが、このとき、第２排気センサ２５のリッチ出力による目標空燃比のリーン側への変化量が小さくなるように制御される。これにより、第２排気センサ２６の出力（上流側触媒２２の状態）が暫くリッチ状態を維持するように制御されるようになり、その間に、下流側触媒２３のリーン状態を早期に解消するのに十分なリッチ成分が上流側触媒２２から下流側触媒２３に供給されるようになる。これにより、直列に配置した２つの触媒２２，２３を効率良く使用して排出ガスを効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる。

しかも、本実施例では、第３排気センサ２６の出力に応じて目標空燃比が補正される領域で、第３排気センサ２６の出力による目標空燃比のリッチ側への補正量が大きくなるほど、目標空燃比制御ゲイン（比例項ゲインｋｐ、積分項ゲインｋｉ）を小さくするようにしたので、第３排気センサ２６の出力による目標空燃比のリッチ側への補正量が大きい場合でも、暫く上流側触媒がリッチ状態を維持するように制御することができて、下流側触媒のリーン状態を解消するのに十分なリッチ成分を上流側触媒２２から下流側触媒２３に供給することができ、大気中へのＮＯｘ等のリーン成分排出量を確実に低減することができる。

尚、図１のシステム構成は、排気管２１に２個の触媒２２，２３を直列に配置した実施例であるが、３個以上の触媒を配置して、それを２つの触媒群に区分し、各触媒群を１個の触媒と見なして本発明を適用しても良い。

その他、本発明の適用範囲は、三元触媒のみを用いた排気浄化システムに限定されず、本発明を、三元触媒と他の触媒（ＮＯｘ触媒等）を組み合わせた排気浄化システムや三元触媒以外の触媒のみを用いた排気浄化システムに適用しても良い。

本発明の一実施例を示すエンジン制御システム全体の概略構成図である。サブＦ／Ｂ制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。第３排気センサの出力ｒｓｏｘに応じて目標空燃比補正量ｆａｆｓｂ２ｓｔを設定するマップの一例を示す図である。第３排気センサの出力ｒｓｏｘに応じて比例項ゲインｋｐを設定するマップの一例を示す図である。第３排気センサの出力ｒｓｏｘに応じて積分項ゲインｋｉを設定するマップの一例を示す図である。第３排気センサの出力ｒｓｏｘに応じて目標ｓｏｘを設定するマップの一例を示す図である。従来の空燃比制御技術の一例を説明するタイムチャートである。本発明の実施例の空燃比制御技術の一例を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、２０…燃料噴射弁、２１…排気管（排気通路）、２２…上流側触媒、２３…下流側触媒、２４…第１排気センサ、２５…第２排気センサ、２６…第３排気センサ、２９…ＥＣＵ（空燃比フィードバック制御手段，目標空燃比補正手段）。

Claims

内燃機関の排気通路に２つの触媒を直列に配置し、上流側触媒の上流側に第１排気センサ、前記２つの触媒間に第２排気センサ、下流側触媒の下流側に第３排気センサをそれぞれ配置し、前記第３排気センサの出力に基づいて前記第２排気センサの目標電圧を決定し、この目標電圧と前記第２排気センサの出力とに基づいて前記上流側触媒の上流側の目標空燃比を決定する目標空燃比制御手段と、前記目標空燃比と前記第１排気センサで検出した空燃比との偏差に基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記第３排気センサの出力に応じて前記目標空燃比を補正する目標空燃比補正手段を備え、
前記目標空燃比制御手段は、前記第３排気センサの出力に応じて前記第２排気センサの出力による前記目標空燃比の変化量が通常時よりも小さくなるように制御することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記目標空燃比制御手段は、前記第３排気センサの出力がリーンになるほど、前記目標空燃比の制御ゲインを小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。