JP2006118433A

JP2006118433A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006118433A
Application number: JP2004307119A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Arai; かおる荒井; Tomoaki Honda; 友明本田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】燃料カット後の燃料復帰時における燃料供給量の適正化を図り、ＮＯｘの浄化性能を向上させることの可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】燃料カットからの燃料復帰後、内燃機関の空燃比を所定時間（リッチ化時間ｔr）に亘り所定のリッチ空燃比（ＫAF＝１．２）に設定し(S12)、この際、所定時間については燃料復帰後の吸入空気量Ｑaの積算値に基づいて設定する(S14)。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、燃料カット後の燃料復帰時におけるＮＯｘの排出を抑える技術に関する。

車両に搭載された内燃機関の排気通路には、当該内燃機関から排出されるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯx（窒素酸化物）等の物質を浄化することを目的として三元触媒等の触媒が設けられている。通常、触媒には貴金属が添加されており、これにより当該物質の酸化反応、還元反応が促進され、排気浄化性能の向上が図られている。
また、三元触媒は排気空燃比がストイキ（理論空燃比）近傍にあるときに高い排気浄化性能を発揮することが知られており、触媒の浄化性能を高めることを目的として、排気通路に設けた酸素センサ（Ｏ₂センサ等）からの排気空燃比情報に基づき、排気空燃比がストイキ近傍となるように空燃比をフィードバック制御するようにしている。

一方、近年、燃料消費量の低減、触媒保護等の観点から、主として車両の減速時において燃料供給を停止する所謂燃料カットが行われている。
しかしながら、当該燃料カットを実施すると、排気中に酸素（Ｏ₂）が多量に含まれていることから触媒の貴金属に酸素が吸着し、その後において排気中のＮＯｘを十分に浄化できない、所謂ＮＯxスパイクという現象が起こる。

そこで、このようなＮＯxスパイクを抑制すべく、燃料カットを終了して燃料供給を復帰（燃料復帰）させる際には、空燃比をリッチ空燃比寄りに制御すべく燃料を増量して排気中に未燃ＨＣを多く存在させ、触媒の貴金属に吸着した酸素を脱離するようにしている。
そして、例えば、燃料カットにより燃料供給が遮断されている時間に応じて燃料復帰時における燃料の増量量を補正する技術が開発されている（特許文献１）。
特開平５−１４１２９３号公報

上記のように、燃料復帰時には空燃比をリッチ空燃比寄りに制御するのであるが、実際には、上述の如く空燃比のフィードバック制御を実施したままＰＩ値を別設定しているのが一般的であり、この場合、酸素センサの検出誤差等によってＨＣ量にばらつきが生じたり、或いは、空燃比をリッチ空燃比寄りにするほどＮＯｘの生成自体を低減できるところ空燃比をそれほど大きくリッチ空燃比寄りに設定できず、ＮＯｘの発生を十分に抑制できないという問題がある。

また、燃料カット中に触媒の貴金属に吸着する酸素は短時間でほぼ一定量に達するのに対し、燃料復帰後に触媒に供給される燃料の量は運転者のアクセル操作度合いによって変化することから、空燃比のリッチ化に必要な時間については当該アクセル操作度合いに応じて可変させる必要があるのであるが、上記のようにフィードバック制御を行ったままの状態では、空燃比は周期的にリッチ空燃比からリーン空燃比に反転し、リッチ化に必要な時間が当該反転周期で決定されてしまい、排気空燃比を十分にリッチ化できないという問題がある。

また、上記特許文献１に開示の技術においても、燃料カット中の時間については考慮しているものの燃料復帰後の時間については何ら考慮しておらず、やはり排気空燃比を十分にリッチ化できるとは言い難い。
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、燃料カット後の燃料復帰時における燃料供給量の適正化を図り、ＮＯｘの浄化性能を向上させることの可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

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、貴金属を有して排気中の物質を浄化する触媒と、内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、内燃機関への燃料供給を一時的に停止する燃料カット手段と、前記燃料カット手段による内燃機関への燃料供給の停止から燃料供給を復帰した後、内燃機関の空燃比を所定時間に亘り所定のリッチ空燃比に設定する空燃比制御手段とを備え、前記空燃比制御手段は、燃料供給を復帰した後に前記吸入空気量検出手段により検出される吸入空気量の積算値に基づいて前記所定時間を設定することを特徴とする。

即ち、一般に、触媒は、酸素濃度の高い酸化雰囲気にあるときに貴金属の周りに酸素を吸着し、酸素濃度の低い還元雰囲気にあるときに当該吸着した酸素を放出する性質を有しているところ、燃料カットを実施した場合には酸素の貴金属等への吸着量が多く、燃料供給を復帰しても吸着した酸素をすぐには放出できず、排気中のＮＯxを十分に浄化できない傾向にあるのであるが、内燃機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に設定するとともに、リッチ空燃比に設定する所定時間を燃料供給量に比例する吸入空気量の積算値に基づいて設定することで、燃料供給を復帰した後に触媒に流入する排気中の未燃ＨＣが適正量に設定される。

これにより、貴金属の周りに吸着した酸素の量に対し未燃ＨＣ量が過不足となることが防止され、当該貴金属の周りに吸着した酸素が速やかにして確実に放出されるとともに、空燃比を所定のリッチ空燃比に設定したことでＮＯｘの発生が抑制される。
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、点火時期を設定する点火時期設定手段をさらに備え、前記点火時期設定手段は、前記空燃比制御手段により内燃機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に設定している間、点火時期を所定量だけ遅角させることを特徴とする。

これにより、内燃機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に設定している間、トルクが低下し、トルク変動が抑制される。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃料カットからの燃料復帰後、内燃機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に設定するとともに、リッチ空燃比に設定する所定時間を燃料供給量に比例する吸入空気量の積算値に基づいて設定するようにしたので、燃料復帰後に触媒に流入する排気中の未燃ＨＣをばらつきなく適正量に設定でき、触媒の貴金属の周りに吸着した酸素を速やかにして確実に放出できるとともに、ＮＯｘの生成そのものを抑制することができ、ＮＯxスパイクの発生を良好に防止することができる。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃料カットからの燃料復帰後、内燃機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に設定している間は点火時期を遅角させるので、空燃比のリッチ化に伴うトルク変動を防止できる。

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空燃比制御装置の概略構成図が示されており、以下、当該空燃比制御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）４気筒ガソリンエンジンが採用される。

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（インジェクション）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。

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Ｑaを計測するエアフローセンサ（吸入空気量検出手段）１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式やホットフィルム式エアフローセンサが使用される。

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。
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３０が介装されている。

三元触媒３０は、空燃比がストイキ（理論空燃比）近傍であるときにＨＣ、ＣＯを酸化除去するとともにＮＯxを還元除去可能な触媒であり、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。活性貴金属は、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、酸素吸着機能（Ｏ₂ストレージ機能）を有している。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、還元雰囲気中に当該ストレージＯ₂を放出することにより、解離Ｏが除去され、例えば還元雰囲気状態においてもＨＣやＣＯを酸化除去可能である。

また、排気管２０の三元触媒３０よりも上流側には、排気中のＯ₂濃度を検出することで排気Ａ／Ｆを検出するＯ₂センサ２２が配設されている。
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を含めた空燃比制御装置の総合的な制御が行われる。

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。
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、通常はＯ₂センサ２２からの情報に基づき目標Ａ／Ｆがフィードバック（Ａ／Ｆ−Ｆ／Ｂ）制御され、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（点火時期設定手段）。

特に、当該エンジン１は、車両の減速走行時において燃料供給を停止し、燃料カットを実施することが可能に構成されている（燃料カット手段）。つまり、当該エンジン１では、運転者がアクセルペダル（図示せず）の踏み込みを中止し且つエンジン回転速度Ｎeが所定回転速度以上の場合において、燃料噴射弁６からの燃料噴射を停止して適宜燃料カットを行うようにしている。そして、当該エンジン１では、燃料カットを実施して燃料供給を復帰させた直後、即ち燃料カット復帰直後には、十分なエンジン出力を得るべく、また燃料カットによって三元触媒３０の貴金属に多量に吸着されたストレージＯ₂を放出すべく、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆに設定するようにしている（空燃比制御手段）。なお、燃料カットは、全気筒について実施するようにしてもよいし、一部気筒についてのみ実施するようにしてもよい。

以下、上記のように構成された本発明に係る空燃比制御装置の制御内容及び作用について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る空燃比制御、即ち燃料カット後Ａ／Ｆ制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図３を参照すると、当該燃料カット後Ａ／Ｆ制御の制御結果がタイムチャートで示されており、以下図３を参照しながら同フローチャートに沿い説明する。

ステップＳ１０では、燃料カットを終了(ON→OFF)したか否かを判別する。具体的には、燃料カットの解除条件を満たしたか否か、例えば運転者がアクセルペダルの踏み込みを再開したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で燃料カットを未だ終了していない場合には、何もせずに当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で燃料カットを終了したと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、Ａ／Ｆ−Ｆ／Ｂ制御を一時中止(OFF)し、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆ（値１２或いはその近傍）に設定する。実際には、燃料噴射量Ｑfは次式(1)から算出されるため、図３に示すように、Ａ／Ｆ係数ＫAFを上記リッチＡ／Ｆに相当する値（ＫAF＝１．２或いはその近傍）に設定し固定する。
燃料噴射量Ｑf＝[[インジェクション駆動時間×ＫAF×各種補正係数]×インジェクションゲイン等]＋デッドタイム …(1)
このように目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆ（値１２或いはその近傍）に設定すると、図４に燃焼におけるＡ／ＦとＮＯx濃度等との関係を示すように、目標Ａ／Ｆをストイキ近傍とした場合に比べてＮＯxの生成が大幅に抑制される。

なお、燃料カットの終了直後に運転者がアクセルペダルを大きく踏み込んだ場合のように、目標Ａ／Ｆが上記リッチＡ／Ｆ（値１２或いはその近傍）よりもさらにリッチＡ／Ｆ寄りである場合には当該リッチＡ／Ｆ寄りのリッチＡ／Ｆを優先する。これによりドライバビリティの低下が防止される。
ステップＳ１４では、エアフローセンサ１８からの吸入空気量Ｑa情報に基づき、目標Ａ／Ｆを上記の如くリッチＡ／Ｆにしている時間、即ち燃料カット終了後のリッチ化時間ｔrを設定する。

具体的には、燃料カット終了後の吸入空気量Ｑaを検出して次式(2)が成立するまでの時間を計測し、この時間をリッチ化時間ｔrとする。
Σ（Ｑave×Ｔ1）＞Ｘ1 …(2)
ここに、Ｔ1はクランク角信号の立ち下がり周期であり、Ｑaveは当該周期Ｔ1間の吸入空気量Ｑaの平均値Ｑaveであり、Ｘ1は三元触媒３０の貴金属のＯ₂ストレージ能力に相当する所定値である。

三元触媒３０の貴金属に吸着したストレージＯ₂の飽和量は、貴金属の量に比例し、三元触媒３０毎に一定値を採るため、当該ストレージＯ₂を脱離させ放出させるためには、当該ストレージＯ₂と完全に反応するだけのＨＣを三元触媒３０に供給すればよく、これにより貴金属に吸着したストレージＯ₂を確実に放出することが可能である。
しかしながら、排気通路に流出した排気中の未燃ＨＣの量を検出することは実車においては容易ではない。

一方、吸入空気量Ｑaは演算上、燃料供給量Ｑfに良好に比例し、燃料カット終了後のクランク角信号の立ち下がり周期Ｔ1とその間の吸入空気量Ｑaの平均値Ｑaveとを掛け合わせた値の積算値Σ（Ｑave×Ｔ1）を求めれば、一定の空燃比の下での燃料カット終了後の燃料供給量Ｑfの総量を相関的に求めることができ、さらにはエンジン１から排出される未燃ＨＣの総量を相関的に求めることができる。

従って、ここでは、積算値Σ（Ｑave×Ｔ1）を排気中の未燃ＨＣ量の相関値とし、当該積算値Σ（Ｑave×Ｔ1）が三元触媒３０の貴金属のＯ₂ストレージ能力に相当する値、即ち予め上記リッチＡ／Ｆ（値１２或いはその近傍）の下で設定された所定値Ｘ1を越えるまでをリッチ化時間ｔrとして設定する。
これにより、三元触媒３０に供給する未燃ＨＣの量を三元触媒３０のＯ₂ストレージ能力に応じた適正なものにできる。

なお、リッチ化時間ｔrについては、上限クリップ値を設けるのがよく、これによりリッチＡ／ＦでのＡ／Ｆ制御が不必要に長くなることがなくなり、燃費の悪化等が防止される。
ステップＳ１６では、点火時期を所定量だけ遅角（リタード）させる。つまり、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆ（値１２或いはその近傍）に設定すると、そのままではエンジン１の出力トルクが増大することになるため、点火時期を通常ようりも大幅に遅角させ、燃焼を緩慢なものにする。これにより、エンジン１の出力トルクが良好にバランスされ、トルク変動が良好に防止される。

なお、点火時期の遅角量にはクリップ値を設けるのがよい。これにより、エンジン１が燃焼悪化に至ることが防止される。
ステップＳ１８では、燃料カット終了後、上記リッチ化時間ｔrが経過したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で未だリッチ化時間ｔrが経過していないと判定された場合には、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆに設定し点火時期を遅角させたままリッチ化時間ｔrが経過するのを待つ。そして、判別結果が真（Ｙｅｓ）となり、リッチ化時間ｔrが経過したと判定された場合には、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、遅角させていた点火時期を進角させ、Ａ／Ｆ係数ＫAFをストイキに相当する値（ＫAF＝１．０或いはその近傍）に設定する。つまり、リッチ化時間ｔrが経過したと判定されたときには、上記より貴金属に吸着したストレージＯ₂はもはや完全に放出されたと判断でき、目標Ａ／Ｆのリッチ化を解除して目標Ａ／Ｆを通常の状態（ここでは、ストイキ）に戻すとともに点火時期を通常の状態に戻すようにする。なお、この際、点火時期を急激に戻すとトルクショックが生じるおそれがあり、ここでは、図３に示すように、点火時期についてはランプ制御により徐々に或いは段階的に（例えば、１°CAずつ）通常の状態に戻すようにする。

ステップＳ２２では、目標Ａ／Ｆを通常の状態に戻してから所定時間ｔ1が経過したか否かを判別する。即ち、目標Ａ／Ｆを通常の状態に戻す指令を発した後、所定時間ｔ1待って燃焼が安定したか否かを判定する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には所定時間ｔ1が経過するのを待ち、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には燃焼が安定したと判定し、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、燃焼が安定したことをもって中止していたＡ／Ｆ−Ｆ／Ｂ制御を再開し、当該ルーチンを抜けて通常のＡ／Ｆ制御に戻る。
このように、本発明に係る燃料カット後Ａ／Ｆ制御では、燃料カットからの燃料復帰後、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆ（値１２或いはその近傍）に固定し、さらに、リッチ化時間ｔrを、未燃ＨＣの量と相関のある吸入空気量Ｑaに基づき、当該未燃ＨＣの量が三元触媒３０の貴金属のＯ₂ストレージ能力を越えるまでの時間に設定してＡ／Ｆ制御を行うようにしている。

従って、燃料復帰後に三元触媒３０に流入する排気中の未燃ＨＣをばらつきなく適正量に設定でき、検出可能な吸入空気量Ｑaに基づいて三元触媒３０の貴金属の周りに吸着したストレージＯ₂を過不足なく速やかにして確実に放出できるとともにＮＯｘの生成そのものを大幅に抑制するようにでき、燃料復帰後におけるＮＯxスパイクの発生を良好に防止することができる。

以上で本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、吸入空気量Ｑaに基づいてリッチ化時間ｔrを設定するようにしているが、エンジン１からの排気量を検出し、当該排気量に基づいてリッチ化時間ｔrを設定することも可能である。

また、上記実施形態では、燃料カットからの燃料復帰後に、Ａ／Ｆ−Ｆ／Ｂ制御を中止し、点火時期を遅角させるようにしたが、燃料カット中（例えば、燃料カット開始時）からＡ／Ｆ−Ｆ／Ｂ制御を中止し、点火時期を遅角させておくようにしてもよい。
また、上記実施形態では、三元触媒３０を適用したが、これに限られるものではなく、貴金属を有した触媒であれば如何なる触媒であっても本発明を適用可能である。

また、上記実施形態では、エンジン１を吸気管噴射型ガソリンエンジンとしたが、筒内噴射型ガソリンエンジンであってもよい。

車両に搭載された本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図である。本発明に係る燃料カット後Ａ／Ｆ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本発明に係る燃料カット後Ａ／Ｆ制御の制御結果を示すタイムチャートである。燃焼におけるＡ／ＦとＮＯx濃度等との関係を示す図である。

符号の説明

１エンジン本体
４点火プラグ
６燃料噴射弁
１８エアフローセンサ（吸入空気量検出手段）
３０三元触媒
４０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、貴金属を有して排気中の物質を浄化する触媒と、
内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
内燃機関への燃料供給を一時的に停止する燃料カット手段と、
前記燃料カット手段による内燃機関への燃料供給の停止から燃料供給を復帰した後、内燃機関の空燃比を所定時間に亘り所定のリッチ空燃比に設定する空燃比制御手段とを備え、
前記空燃比制御手段は、燃料供給を復帰した後に前記吸入空気量検出手段により検出される吸入空気量の積算値に基づいて前記所定時間を設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
点火時期を設定する点火時期設定手段をさらに備え、
前記点火時期設定手段は、前記空燃比制御手段により内燃機関の空燃比を所定のリッチ空燃比に設定している間、点火時期を所定量だけ遅角させ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。