JP2009127561A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は内燃機関の空燃比制御装置に関し、水性シフト反応による酸素センサの過剰リッチ出力の影響を適切に排除して、触媒下流におけるエミッション特性を良好に維持しうる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記内燃機関の排気通路に配置された触媒と、前記触媒の下流側に配置され、排気ガス中の酸素濃度に基づく出力を提供する酸素センサと、前記酸素センサの出力に基づいて前記燃料噴射弁から噴射する燃料量を決定するフィードバック手段とを備え、前記フィードバック手段は、所定の触媒温度範囲に限り、触媒温度に基づいて、水性シフト反応による前記酸素センサの過剰リッチ出力を相殺するための補正を行うことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、車載用内燃機関の空燃比を制御する装置として好適な空燃比制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、排気通路に触媒装置を配置し、触媒装置の下流側に、空燃比を検出するためのセンサを配置した内燃機関が知られている。また、特許文献１に開示されているように、水性シフト反応によってセンサの検出値に影響が及ぶことが知られている。この影響は、水性シフト反応により発生した水素の増加に伴い、センサの検出値が過剰にリッチ出力してしまうことにより生ずるものである。特許文献１の内燃機関は、このような水性シフト反応を考慮してセンサの検出値を補正し空燃比を制御している。

特許文献１の内燃機関では、触媒温度の観点から、水性シフト反応を考慮した補正が行われている。具体的には、センサの出力値に対して、高触媒温度領域で最大、低触媒温度領域で最小となるような補正が行われている。この補正は、高触媒温度領域（高速高負荷域）ほど排気ガスの温度が高く水性シフト反応が活発となるとの知見に基づくものである。この補正を行うことで、一層高精度な空燃比フィードバック制御を実現することができ、その結果、優れたエミッション特性を実現することができる。

特開２０００−８９２０号公報 特開平９−２６８９３４号公報

上述したように、特許文献１の内燃機関では、センサの出力値に対して、高触媒温度領域で最大、低触媒温度領域で最小となるような補正が行われている。しかしながら、水性シフト反応は、触媒温度に従って単純に増加するものではない。この点において、上記従来の内燃機関において行われる補正は、必ずしも、良好なエミッション特性を実現しうるものではなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水性シフト反応による酸素センサの過剰リッチ出力の影響を適切に排除して、触媒下流におけるエミッション特性を良好に維持しうる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒の下流側に配置され、排気ガス中の酸素濃度に基づく出力を提供する酸素センサと、
前記酸素センサの出力に基づいて前記燃料噴射弁から噴射する燃料量を決定するフィードバック手段と
を備え、
前記フィードバック手段は、所定の触媒温度範囲に限り、触媒温度に基づいて、水性シフト反応による前記酸素センサの過剰リッチ出力を相殺するための補正を行うことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記所定の触媒温度範囲は、４００℃近傍から６００℃近傍までであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記フィードバック手段は、前記触媒温度が５００℃近傍のときに前記過剰リッチ出力を相殺するための最大の補正を行うことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記フィードバック手段は、
前記過剰リッチ出力を相殺するための第１の補正と、
吸入空気量が大きくなるほど空燃比をリッチにするための第２の補正と
を実行し、前記第１の補正について吸入空気量を触媒温度の代用特性として用い、前記第１の補正および前記第２の補正を検出吸入空気量に基づいて行うことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記酸素センサの出力がリーンである場合には、前記過剰リッチ出力を相殺するための補正を禁止することを特徴とする。

第１の発明によれば、酸素センサの出力値に影響を及ぼす水性シフト反応が起こる温度範囲で、その影響を適切に打ち消すための補正を実行することができる。

第２の発明によれば、現実的に水性シフト反応が起こる４００℃近傍から６００℃近傍までの範囲で、上記の影響を適切に打ち消すための補正を実行することができる。

第３の発明によれば、水性シフト反応由来の水素濃度が最大となる５００℃近傍のときに、上記の影響を最大に打ち消すための補正を実行することができる。

第４の発明によれば、空燃比を触媒の浄化ウインドウ内に保つために、吸入空気量増加に併せた空燃比リッチ補正を実行することができる。また、本発明によれば、この空燃比リッチ補正と、上記の影響を打ち消すための補正とを、検出吸入空気量に基づいて実行することができる。

第５の発明によれば、リーン領域では上記の影響を排除する補正をオフとすることができる。この領域では水性シフト反応は起こらない。このため、本発明によれば、不要な補正を禁止して効率的なフィードバック制御を行うことができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
（特徴部分の構成）
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両に動力源として搭載される内燃機関１０を備えている。

内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、吸入空気量（以下、「Ｇａ」ともいう。）を検出するエアフローメータ１６が配置されている。また、内燃機関の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が配置されている。

内燃機関１０の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒４０が配置されている。触媒４０は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）およびパラジウム（Ｐｄ）などの貴金属を含み、酸素吸蔵／放出機能を有するセリア（ＣｅＯ_２）を助触媒として含んでいる。触媒４０は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを同時に浄化することのできる三元触媒としての機能を有している。

触媒４０の下流側には、排気ガスセンサ４６が配置されている。排気ガスセンサ４６は、触媒４０から流出してくる排気ガスが理論空燃比に対してリッチであるか、或いはリーンであるかに応じて急変する出力を発する酸素センサである。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述したセンサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて燃料噴射弁２６からの噴射量を制御し、内燃機関１０の運転状況を制御する。

［実施の形態１における制御］
酸素センサの出力値に影響を及ぼす水性シフト反応は、所定の触媒温度範囲で起こる。この水性シフト反応は、４００℃〜６００℃の範囲で起こり、発生する水素濃度は、５００℃を極値として増減する。具体的には、水素濃度は、４００℃〜５００℃で単調に増加し、５００℃を境にして単調に減少する。触媒温度に対する水素濃度の関係を図２に示す。また、発生する水素は、酸素センサが過剰リッチ出力する原因である。このため、内燃機関に設置された触媒の温度が上記範囲にある場合、触媒下流に設置された酸素センサの出力値は、必要以上にリッチ側にシフトしてしまう。

そこで、必要以上にリッチとなった出力を打ち消すような補正を実行する必要がある。具体的には、５００℃をピークとして、４００℃〜５００℃では単調減少、５００℃を境に単調増加となるような補正を行う。なお、４００℃よりも低温および６００℃よりも高温の領域においては、酸素センサの出力値に影響を及ぼす水性シフト反応が発生しないことから補正量はゼロである。図３に、触媒温度に対する補正量のマップを示す。

ところで、排出ガスの浄化に際しては、酸素吸蔵／放出能を有するセリアが助触媒として機能し、この機能は、Ｇａの増加に伴い盛んとなることが知られている。また、酸素吸蔵／放出速度については、吸蔵速度が放出速度よりも速いことが知られている。ここで、Ｇａが増加すると仮定すると、吸蔵放出速度の差に起因して触媒はリーン雰囲気となってしまう。そこで、空燃比を触媒の浄化ウインドウ内に保つために、Ｇａが増加するほど空燃比をリッチにする補正を実行する。図４に、Ｇａに対する空燃比リッチ補正量のマップを示す。

Ｇａに対する触媒温度の関係を図５に示す。排気システムの設計によって異なるものの、一般に、Ｇａの増加に伴い触媒温度は高温となる。

図６は、Ｇａに対する２つの補正量の関係を示すマップである。まず、図３および図５に触媒温度が共通することから、触媒温度の代用特性としてＧａを用い、Ｇａに基づく補正量のマップを配置する。このマップを図６の６０１に示す。次に、このマップ上に、図４と同一のマップ６０２を配置する。なお、図４は、Ｇａに対する空燃比リッチ補正量のマップである。これら２つの補正量を同一マップ上に配置することで、Ｇａ増加を考慮した補正と、水性シフト反応を考慮した補正とを、Ｇａに基づいて同時に行う。

図７は、図６の補正量を加算したマップを示す。排気システムの設計によって異なるものの、Ｇａに対する上記２つの補正量を加算すると、図７に示す関係になる。

なお、排気ガスがリーン雰囲気では、三元触媒により一酸化炭素は酸化されてほとんど存在しない。つまり、水性シフト反応の反応物が存在しない。よって、水性シフト反応で発生する水素濃度を考慮した補正を行う必要はない。したがって、排気ガスがリーン雰囲気では、この補正をキャンセルする。

［実施の形態１における具体的処理］
図８は、上記ＥＣＵにおいて実行されるフィードバック制御の流れを示すフローチャートである。図８のルーチンは、例えば、内燃機関１０の回転に同期して繰り返し実行される。先ず、ステップＳ１では、エアフローメータ１６から吸入空気量の読み込みを行う。

次に、ステップＳ２では、フィードバック条件であるか否かを判定する。冷却水温が低い場合やアイドル時等、フィードバック制御を行う条件にないときは、オープンループ制御となり、図示せぬ他のルーチンによって処理される。フィードバック制御を行う条件であれば、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、排気ガスセンサ４６の出力を読み込む。

ステップＳ４では、ステップＳ３で得られたセンサ出力から、排気ガスがリッチ雰囲気であるか否かを判定する。ステップＳ４でリッチ雰囲気であると判定された場合には、ステップＳ６において、図７に示す特性マップ（第１マップ）を用いて補正量を演算する。図７のマップは、Ｇａ増加に併せたリッチ補正量と、水性シフト反応を考慮したリーン補正量とを同一マップ上に配置したものである。したがって、排気ガスがリッチ雰囲気である場合には、これら２つの補正量を加算する。

一方、ステップＳ４でリーン雰囲気であると判定された場合には、ステップＳ５において、図４に示す特性マップ（第２マップ）に従って補正量を演算する。図４のマップは、水性シフト反応によるリーン補正を含まないマップである。したがって、排気ガスがリーン雰囲気である場合には、Ｇａ増加に併せたリッチ補正によって補正量を演算する。

ステップＳ７では、ステップＳ５またはステップＳ６で演算した補正量から、フィードバック補正量を算出する。そして、ステップＳ８において、前記フィードバック補正量から、燃料噴射弁２６から噴射する燃料の噴射量を算出する。

以上説明したように、図８に示すルーチンによれば、現実的に水性シフト反応が起こる触媒温度領域において、酸素センサの出力値に及ぼす影響を適切に打ち消すことができる。この結果、触媒下流におけるエミッション特性を良好に維持することができる。

なお、上述した実施の形態１においては、触媒温度範囲を４００℃〜６００℃としているが、本発明では、４００℃近傍から６００℃近傍までとしてもよい。同様に、過剰リッチ出力を相殺するための最大の補正を行う触媒温度を５００℃近傍としてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、リッチ雰囲気で図７に示す特性マップを用いてフィードバック補正量を演算したが、本発明では、図６の特性マップに示すように、Ｇａ増加を考慮した補正量と、水性シフト反応で発生する水素濃度を考慮した補正量とを個別に算出した後にフィードバック補正量を演算してもよい。

また、上述した実施の形態１においては、酸素センサ出力値に特性マップの補正量を演算してフィードバック補正値を算出し、そのフィードバック補正値を用いて燃料噴射量を演算したが、本発明では、燃料噴射量に、直接、特性マップの補正量を演算してもよい。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 触媒温度と水性シフト反応で発生する水素濃度との関係を示す図である。 触媒温度と補正量との関係を示すマップである。 吸入空気量と補正量との関係を示すマップである。 吸入空気量と触媒温度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１における、吸入空気量と補正量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１における、吸入空気量と補正量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１における、フィードバック制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１４ 排気通路
１６ エアフローメータ
２６ 燃料噴射弁
４０ 触媒
４６ 排気ガスセンサ

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
   前記触媒の下流側に配置され、排気ガス中の酸素濃度に基づく出力を提供する酸素センサと、
   前記酸素センサの出力に基づいて前記燃料噴射弁から噴射する燃料量を決定するフィードバック手段と
   を備え、
   前記フィードバック手段は、所定の触媒温度範囲に限り、触媒温度に基づいて、水性シフト反応による前記酸素センサの過剰リッチ出力を相殺するための補正を行うことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記所定の触媒温度範囲は、４００℃近傍から６００℃近傍までであ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。
3. 前記フィードバック手段は、前記触媒温度が５００℃近傍のときに前記過剰リッチ出力を相殺するための最大の補正を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
   前記フィードバック手段は、
   前記過剰リッチ出力を相殺するための第１の補正と、
   吸入空気量が大きくなるほど空燃比をリッチにするための第２の補正と
   を実行し、前記第１の補正について吸入空気量を触媒温度の代用特性として用い、前記第１の補正および前記第２の補正を検出吸入空気量に基づいて行うことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記酸素センサの出力がリーンである場合には、前記過剰リッチ出力を相殺するための補正を禁止することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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