JP2011058364A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒による排気ガス浄化能率を高く保ち、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの排出量の一層の低減を図る。
【解決手段】内燃機関２の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒３の上流に設けられる第一の空燃比センサ１１と、触媒３の下流に設けられる第二の空燃比センサ１２と、少なくとも第一の空燃比センサ１１の出力を参照して空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部５とを具備する空燃比制御装置において、空燃比制御部５が、触媒３内に吸蔵した酸素量と当該触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、現在の酸素割合を推算してその酸素割合を目標値に制御するものとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を高める目的で実施される空燃比の制御に関する。

一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xを酸化／還元して無害化する三元触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。

そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれ空燃比センサを配し、空燃比センサの出力を目標値に制御するフィードバック制御を行うことが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。従来からある空燃比制御方法では、触媒下流の空燃比センサの出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて補正量を算定する。この補正量は、触媒上流の空燃比センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御における制御中心をリーン側あるいはリッチ側に変位させ、触媒内でのガスの空燃比をウィンドウ内に維持する役割を果たす。

近時では、強化された排気ガス規制に対応して、触媒の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）が大きくなる傾向にある。酸素吸蔵能が大きいと、触媒の上流で空燃比が変動したとしても、触媒下流の空燃比センサの出力信号にはすぐには変化が現れない。それ故、触媒下流の空燃比センサの出力がリーンからリッチへの遷移を示したときには、既に触媒内の酸素が不足してしまっており、ＨＣ及びＣＯの排出量が増加することがあり得た。逆に、触媒下流の空燃比センサの出力がリッチからリーンへの遷移を示したときには、既に触媒内が酸素過多であり、今度はＮＯ_xの排出量の増加を招いていた。

特許第２７９０８９６号公報 特許第２９１２４７８号公報 特開２００７−１８７１１９号公報 特開２００８−２４８８６２号公報

以上に鑑みてなされた本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を高く保ち、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの排出量の一層の低減を図ることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、前記触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照して空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部とを具備する空燃比制御装置において、前記空燃比制御部が、前記触媒内に吸蔵した酸素量と当該触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、酸素割合をリアルタイムで推算してその酸素割合を目標値に制御する、または、触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵し酸素が充満した状態を基準としてこの状態から酸素を放出した量をリアルタイムで推算してその放出量を目標値に制御するものとした。本発明によれば、触媒下流にある第二の空燃比センサの出力信号の変動が触媒内の空燃比の変動に対して遅延する問題を有効に回避でき、触媒の排気ガス浄化能率を高く保つことが可能となる。加えて、触媒に使用する貴金属量の削減にも資する。

前記モデル数式は、例えば、下式（数１）の形で表される。

触媒は、経時変化によって貴金属が粒成長し、酸素吸蔵能及び酸素放出能が徐々に低下する宿命にある。触媒の劣化は無論、酸素吸蔵速度、酸素放出速度にも影響を及ぼす。このような触媒の劣化に対処するには、モデルパラメータθ_iをオンライン同定するか、あるいは触媒の劣化の影響を受けないモデルパラメータθ_iを考える必要がある。

前者の場合には、前記空燃比制御部が、前記内燃機関における燃料カットの実行開始から前記触媒内に酸素が充満するまでの時間を計測することを通じて、モデルパラメータθ_iをオンライン同定する。

また、後者の場合には、モデルパラメータθ_iを、前記触媒における酸素吸蔵速度と酸素放出速度との比に基づいて定めることが好適である。詳しくは後述するが、酸素吸蔵速度と酸素放出速度との比は触媒の劣化の影響を受けにくいことが、本発明の発明者の尽力によって今般明らかとなった。

本発明によれば、触媒の排気ガス浄化能率を高く保つことができ、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの排出量の一層の低減を図り得る。

本発明の実施の形態の空燃比制御装置の構成要素を説明する図。 同空燃比制御装置のハードウェア資源構成を示す図。 燃料カット時のリア空燃比信号出力と酸素割合との関係を示す図。 フロント空燃比信号出力とリア空燃比信号出力との関係を示す図。 酸素吸蔵時間と酸素放出時間との関係を示す図。 流入空気量と反応速度比との関係を示す図。 流入空気量と反応速度比との関係を示す図。 流入ガスの温度と酸素吸蔵能との関係を示す図。 流入ガスの温度と酸素吸蔵能との関係を示す図。 燃料カット終了後の酸素放出量の制御の態様を示す図。

＜第一実施形態＞本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本空燃比制御装置１は、内燃機関２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xを無害化する触媒３における空燃比を制御するものであって、図１に示すように、触媒３の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ１１と、触媒３の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ１２と、両センサ１１、１２の出力信号を参照して空燃比制御を実施する空燃比制御部１３とを具備する。

図２に、ハードウェア構成の概要を示す。内燃機関２は、例えば自動車用の多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関２で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド４１、排気管４２及び触媒３を通じて大気中に放出される。空燃比センサ１１、１２は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。触媒３上流にある第一の空燃比センサ１１は、排気ガスの空燃比に比例した信号を出力するリニアＡ／Ｆセンサとすることが好ましい。触媒３下流にある第二の空燃比センサ１２は、リニアＡ／Ｆセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよい。

第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２は、吸気負圧センサ、エンジン回転数センサ、車速センサ、冷却水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置（ＥＣＵ）５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ｉ／Ｏインタフェース５４等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース５４は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、Ａ／Ｄ変換回路及び／またはＤ／Ａ変換回路を含む。プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。しかして、電子制御装置５は、プログラムに従い、空燃比制御部１３としての機能を発揮する。

空燃比制御部１３たる電子制御装置５は、第一の空燃比センサ１１、第二の空燃比センサ１２やその他のセンサから出力される信号を、Ｉ／Ｏインタフェース５４を介して受信する。そして、要求される燃料噴射量を算出し、この要求燃料噴射量に対応した制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁２１に入力、内燃機関２の燃料噴射を制御する。要求燃料噴射量は、吸気管内負圧及びエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた環境補正、並びに下記フィードバック制御による補正を加えて、最終的に決定する。

本実施形態では、空燃比の制御にあたり、第二の空燃比センサ１２の出力信号を制御量（制御出力）とするのではなく、触媒３内に現在吸蔵している酸素の量と触媒３の酸素吸蔵能との比（触媒内酸素吸蔵量／酸素吸蔵能）である酸素割合を制御量として、この酸素割合を所要の目標値に到達させるフィードバック制御を実施する。

触媒３に吸蔵した酸素量は、触媒３に流入する酸素の流量の時間積分に、反応速度係数を乗じたものと考えることができる。反応速度係数は、触媒３が酸素を吸蔵する速度を示す。反応速度係数と酸素吸蔵能との比（反応速度係数／酸素吸蔵能）をモデルパラメータθ₁とおけば、酸素濃度Ｏのモデル数式を下式（数２）の如く規定することができる。

αは空気中に含まれる酸素の割合であり、Ｇ_aは触媒３に流入する空気の流量である。αの値は、例えば０．２１とする。αは、モデルパラメータθ₁に組み入れてしまっても構わない。その場合、θ₁＝α×（反応速度係数／酸素吸蔵能）となる。流入空気量Ｇ_aは、第一の空燃比センサ１１を介して検出した流入ガスの空燃比に、電子制御装置５にて算出した要求燃料噴射量を乗じて算定する。このようにすれば、Ｇ_aを計測するために高価なエアフローセンサを使用せずに済む上、Ｇ_aの値の精度も向上する。尤も、吸気管内負圧及びエンジン回転数からＧ_aを推測することを妨げるものではない。

λは、排気ガスの空燃比の目標空燃比からの乖離を示す空気過剰率である。空気過剰率λは、第一の空燃比センサ１１を介して検出したガスの空燃比と、最終的に実現するべき目標空燃比との比（上流側実測空燃比／目標空燃比）である。目標空燃比は、通常は理論空燃比（ガソリンエンジンにあっては、１４．７）であるが、リーンバーン運転している最中等、理論空燃比よりも増減することがある。

酸素割合Ｏの値は、当然ながら、０≦Ｏ≦１の範囲をとる。電子制御装置５は、酸素割合Ｏに適宜に目標値を設定し、モデル数式（数２）に則って推算した酸素割合Ｏをその目標値に収束させるフィードバック制御を実施する。即ち、推算した現在の酸素割合Ｏとその目標値との偏差に基づいて燃料噴射量のフィードバック補正量を算出し、要求燃料噴射量に加味する。これにより、空燃比の振動を抑圧してウィンドウ内に維持する。

ところで、触媒３の酸素吸蔵能、酸素吸蔵速度、酸素放出速度は、おしなべて触媒３の経時劣化の影響を受ける。つまり、モデルパラメータθ₁は、触媒３の経時劣化の影響を受ける。従って、モデルパラメータθ₁はオンライン同定することが望ましい。モデルパラメータθ₁の同定を行うタイミングは、燃料カットの実行時がよい。燃料カットを実行すると、触媒３には燃料成分を含まない空気が流入し、触媒３内が酸素で満たされて酸素割合が１に限りなく近づくことが保証されるからである。しかも、燃料カットの機会は自動車の運転中しばしば訪れるので、自然にθ₁の同定回数を増やすことができる。

電子制御装置５は、所定の燃料カット条件が成立し、内燃機関２の気筒への燃料供給（燃料噴射）を一時中断する燃料カットを実行するときに、モデルパラメータθ₁を同定する。燃料カット条件は、既存の自動車用内燃機関２に準ずる。例えば、エンジン回転数が一定以上あり、かつアイドルスイッチがＯＮになった（または、アクセルペダルの踏込量が閾値以下となった）ことを条件とする。燃料カットは、エンジン回転数が所定の復帰回転数以下まで下がったり、アイドルスイッチがＯＦＦになったりすると終了（燃料供給を再開）する。

その上で、電子制御装置５は、燃料カットの実行開始時点ｔ₀から、触媒３内の酸素割合Ｏが１の近傍に達した時点ｔ₁までの経過時間を計測する。電子制御装置５は、触媒３下流の第二の空燃比センサ１２の出力信号を観測し、図３に示すように、その出力が完全なリーンを示す所定の閾値に到達した時点をｔ₁と判断する。また、電子制御装置５は、時点ｔ₀から時点ｔ₁までの期間における流入空気量Ｇ_a及び空気過剰率λをも計測する。

燃料カットの実行開始直前における触媒３内の酸素割合をＯ（ｔ₀）とおくと、時点ｔ₀から時点ｔ₁までの期間における計測値Ｇ_a、λについて、下式（数３）が成立する。

なお、式（数３）の左辺第二項のＯ（ｔ₀）に、燃料カットの実行開始直前における酸素割合Ｏの目標値を代入してもよい。

電子制御装置５は、式（数３）からモデルパラメータθ₁を逆算することで、θ₁を同定する。同定したθ₁は、ＲＡＭ５２またはＲＯＭ５３に学習値として記憶し、燃料供給再開後の空燃比制御に用いる。

本実施形態によれば、内燃機関２の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒３の上流に設けられる第一の空燃比センサ１１と、前記触媒３の下流に設けられる第二の空燃比センサ１２と、少なくとも前記第一の空燃比センサ１１の出力を参照して空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部１３とを具備する空燃比制御装置１において、前記空燃比制御部１３が、前記触媒３内に吸蔵した酸素量と当該触媒３の酸素吸蔵能との比である酸素割合Ｏのモデル数式に則り、酸素割合Ｏをリアルタイムで推算してその酸素割合Ｏを目標値に制御するものとしたため、触媒３下流にある第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動が触媒３内の空燃比の変動に対して遅延する問題を有効に回避でき、触媒３の排気ガス浄化能率を高く保つことが可能となる。加えて、触媒３に使用する貴金属量の削減にも資する。

酸素割合Ｏは、触媒３内に酸素が充満した状態を基準（Ｏ＝１）とする値であり、これを制御量としていることで、触媒３の酸素吸蔵能の劣化の度合いに応じた目標値の設定変更が不要となっている。また、燃料カットを実行する度、酸素割合Ｏの値が１にリセットされ、推算誤差もリセットされることから、高精度のフィードバック制御が実現される。

前記空燃比制御部１３が、前記内燃機関２における燃料カットの実行開始時点ｔ₀から前記触媒３内に酸素が充満する時点ｔ₁までの時間を計測することを通じて、モデルパラメータθ₁をオンライン同定するため、触媒３の経時劣化に起因するモデル化誤差を効果的に縮小することができる。

＜第二実施形態＞次に述べる第二実施形態は、モデルパラメータθ_iのオンライン同定を伴わない制御手法である。以降、第一実施形態との相異点を中心に説明する。特記しない要素については、第一実施形態と同様に構成してよい。

図４は、触媒３に流入するガスの空燃比を意図的に上下させる実験を行い、第一の空燃比センサ１１の出力信号及び第二の空燃比センサ１２の出力信号を観測したものである。第一の空燃比センサ１１の出力は、触媒３に流入するガスの空燃比をそのまま表示していると言える。一方で、第二の空燃比センサ１２の出力は、第一の空燃比センサ１１の出力、ひいては触媒３に流入するガスの空燃比の変動に対して遅れている。

触媒３に流入するガスの空燃比がリーンな期間では、触媒３に酸素が吸蔵される。触媒３に流入するガスの空燃比がリッチな期間では、触媒３に吸蔵されていた酸素が放出される。図４中、空燃比リッチだった流入ガスが空燃比リーンとなった後、再び空燃比リッチとなるまでの期間Ｔ₁が、触媒３に酸素が吸蔵される期間である。そして、空燃比リーンだった流入ガスが空燃比リッチとなった後、第二の空燃比センサ１２の出力信号がリーンからリッチへと反転するまでの期間Ｔ₂が、触媒３から酸素が放出される期間である。第二の空燃比センサ１２の出力がリーンからリッチへと反転したことは、触媒３からの酸素の放出が衰えたことを暗示している。

図５は、流入空気量Ｇ_aを一定として上記実験を行い、酸素吸蔵期間Ｔ₁と酸素放出期間Ｔ₂とをそれぞれ計測してプロットしたものである。図５では、触媒３に流入するガスの空燃比のリーン時の値とリッチ時の値との組合せを、三通りに変えて実験した結果を示している。流入ガスの空燃比の値によらず、酸素吸蔵期間Ｔ₁と酸素放出期間Ｔ₂との間には一定の比例関係が存在している。ここではその比例係数、即ち図５中に引いた直線の傾きを、反応速度比と呼称する。反応速度比は、酸素放出速度に対する酸素吸蔵速度の比（Ｔ₁／Ｔ₂）を示す。

図６は、流入空気量Ｇ_aを変えて上記実験を行い、反応速度比を計測したものである。並びに、図７は、同様の実験を、新しい触媒３と古い劣化した触媒３とを用いてそれぞれ行った結果である。図７から明らかなように、反応速度比は触媒３の経時劣化によらず一定であると見なすことができる。

因みに、図８は、触媒３に流入するガスの温度と、触媒３の酸素吸蔵能との関係をプロットしたものである。酸素吸蔵能は、同触媒３が放出することのできる酸素量の最大値と考えることができる。図９に示しているように、流入ガスの温度と酸素吸蔵能との関係は、触媒３の経時劣化の影響を受ける。

本実施形態では、触媒３内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態を基準とし、この状態から酸素を放出した量をモデル数式によって推算する。そして、推算した酸素放出量を制御量として、これを所要の目標値に到達させるフィードバック制御を実施する。

既に述べた通り、内燃機関２の気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットを実行すると、触媒３に燃料成分を含まない空気が流入し、触媒３内に酸素が充満する。よって、燃料カットを終了して燃料供給を再開する直前の時点ｔ₂では、触媒３内に酸素吸蔵能一杯まで酸素を吸蔵している。酸素吸蔵能は触媒３の経時劣化とともに低下するため、時点ｔ₂において触媒３に吸蔵している酸素の絶対量は不明である。だが、図１０に示すように、燃料供給再開後に触媒３から放出した酸素の量Ｏを考えれば、燃料供給再開時点ｔ₂における酸素放出量Ｏを常に０とすることができる。

第一実施形態において述べたモデル数式（数２）を援用し、モデルパラメータθ₁を酸素吸蔵速度または酸素放出速度を示すモデルパラメータをθ₂に置き換えると、酸素放出量Ｏのモデル数式として下式（数４）を得られる。

酸素放出量Ｏの値は、０≦Ｏ≦酸素吸蔵能の範囲をとる。

モデルパラメータθ₂は、触媒３が酸素を放出する（λ≦１となる）期間と、触媒３が酸素を吸蔵する（λ＞１となる）期間とで相異する。しかしながら、反応速度比は、触媒３の経時劣化によらず一定であることが分かっている。図６に示している反応速度比ｋ（Ｇ_a）を用いれば、モデルパラメータθ₂を下式（数５）のように設定することができる。

上式（数５）のモデルパラメータθ₂は、マップデータとしてＲＡＭ５２またはＲＯＭ５３に記憶保持させておけばよい。

電子制御装置５は、酸素放出量Ｏに適宜に目標値を設定し、モデル数式（数４）及び（数５）に則って推算した酸素放出量Ｏをその目標値に収束させるフィードバック制御を実施する。即ち、推算した現在の酸素放出量Ｏとその目標値との偏差に基づいて燃料噴射量のフィードバック補正量を算出し、要求燃料噴射量に加味する。これにより、空燃比の振動を抑圧してウィンドウ内に維持する。

本実施形態によれば、内燃機関２の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒３の上流に設けられる第一の空燃比センサ１１と、前記触媒３の下流に設けられる第二の空燃比センサ１２と、少なくとも前記第一の空燃比センサ１１の出力を参照して空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部１３とを具備する空燃比制御装置１において、前記空燃比制御部１３が、前記触媒３内に吸蔵した酸素量と当該触媒３の酸素吸蔵能との比である酸素割合Ｏのモデル数式に則り、触媒３内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵し酸素が充満した状態を基準としてこの状態から酸素を放出した量Ｏをリアルタイムで推算してその放出量Ｏを目標値に制御するするものとしたため、触媒３下流にある第二の空燃比センサ１２の出力信号の変動が触媒３内の空燃比の変動に対して遅延する問題を有効に回避でき、触媒３の排気ガス浄化能率を高く保つことが可能となる。加えて、触媒３に使用する貴金属量の削減にも資する。

酸素放出量Ｏは、触媒３内に酸素が充満した状態を基準（Ｏ＝０）とする値であり、これを制御量としていることで、触媒３の酸素吸蔵能の劣化の度合いに応じた目標値の設定変更が不要となっている。また、燃料カットを実行する度、酸素放出量Ｏの値が０にリセットされ、推算誤差もリセットされることから、高精度のフィードバック制御が実現される。

前記空燃比制御部１３が、モデルパラメータθ₂を、前記触媒３における酸素吸蔵速度と酸素放出速度との比ｋに基づいて定めるため、触媒３の経時劣化に起因するモデル化誤差を効果的に縮小することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。

１…空燃比制御装置
１１…第一の空燃比センサ
１２…第二の空燃比センサ
１３、５…空燃比制御部（電子制御装置）
２…内燃機関
３…触媒

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、
   前記触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、
   少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照して空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部と
   を具備しており、
   前記空燃比制御部は、前記触媒内に吸蔵した酸素量と当該触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、酸素割合を推算してその酸素割合を目標値に制御する、または、触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵し酸素が充満した状態を基準としてこの状態から酸素を放出した量を推算してその放出量を目標値に制御する
   ことを特徴とする空燃比制御装置。
2. 前記モデル数式が、式（数６）の形で表されるとともに、
   前記空燃比制御部が、前記内燃機関における燃料カットの実行開始から前記触媒内に酸素が充満するまでの時間を計測することを通じて、モデルパラメータθ_iをオンライン同定する請求項１記載の空燃比制御装置。
   

   
3. 前記モデル数式が、式（数６）の形で表されるとともに、
   モデルパラメータθ_iを、前記触媒における酸素吸蔵速度と酸素放出速度との比に基づいて定めている請求項１記載の空燃比制御装置。

Images