JP2016200089A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気浄化装置は、排気浄化触媒20と、下流側センサ41と、制御装置30とを具備する。制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比になるようにフードバック制御を実行し、且つ下流側センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときには目標空燃比をリーン空燃比に切り換えると共に、下流側センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときには目標空燃比をリッチ空燃比に切り換える。制御装置は、目標空燃比をリーン空燃比又はリッチ空燃比に切り換えてから下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上又はリッチ判定空燃比以下になるまでの過不足量パラメータの値が、所定の限界値よりも大きいときには下流側空燃比センサに異常が生じていないと判定する。
【選択図】図10
Description
図1は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1において、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉する。
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒20、24は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒20、24は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt))及び酸素吸蔵能力を有する物質(例えば、セリア(CeO2))を担持させたものである。排気浄化触媒20、24は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス(HCやCO等)と窒素酸化物(NOx)とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
次に、図3及び図4を参照して、本実施形態における空燃比センサ40、41の出力特性について説明する。図3は、本実施形態における空燃比センサ40、41の電圧−電流(V−I)特性を示す図であり、図4は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ40、41周りを流通する排気ガスの空燃比(以下、「排気空燃比」という)と出力電流Iとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ40、41として同一構成の空燃比センサが用いられる。
次に、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
図5を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図5は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、空燃比補正量AFC、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
なお、基本的な空燃比制御としては、上記図5に示した制御とは異なる制御を行ってもよい。このような制御としては、例えば、図6に示した制御が挙げられる。
OED=0.23・Qi/(AFup−AFR) …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比、AFRは後述する制御中心空燃比をそれぞれ表している。
ところで、機関本体1が複数の気筒を有する場合、各気筒から排出される排気ガスの空燃比には気筒間でずれが生じる場合がある。一方、上流側空燃比センサ40は排気マニホルド19の集合部に配置されるが、その配置位置に応じて各気筒から排出された排気ガスが上流側空燃比センサ40に曝される程度が気筒間で異なる。この結果、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は、或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比の影響を強く受けることになる。このため、この或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比が全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比とは異なる空燃比となっている場合、平均空燃比と上流側空燃比センサ40の出力空燃比との間にはずれが生じる。すなわち、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は排気ガスの実際の平均空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中(すなわち、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき)に学習制御が行われる。以下では、この学習制御について説明する。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k1・ΔΣOED …(2)
AFR=AFRbase+sfbg(n) …(3)
なお、上記式(2)において、nは計算回数又は時間を表している。したがって、sfbg(n)は今回の計算時の又は現在の学習値である。加えて、上記式(2)におけるk1は、過不足量誤差ΔΣOEDを制御中心空燃比AFRに反映させる程度を表すゲインである。ゲインk1の値が大きいほど制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。さらに、上記式(3)において、基本制御中心空燃比AFRbaseは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。
ところで、上記学習制御は、上流側空燃比センサ40の出力空燃比にずれが生じた場合にそのずれを補償すべく用いられている。しかしながら、上流側空燃比センサ40のみならず、下流側空燃比センサ41の出力空燃比にもずれが生じる場合がある。例えば、下流側空燃比センサ41の駆動回路等に異常が生じると、下流側空燃比センサ41の出力電流が全体的に大きい側又は小さい側にシフトする中心値ずれが生じる。すなわち、下流側空燃比センサ41に異常が生じるとその出力空燃比に中心値ずれが生じる場合がある。
このため、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnに大きなずれが生じているか否か、すなわち下流側空燃比センサ41に異常が発生しているか否か(或いは、正常であるか否か)を診断することが必要になる。ここで、図8に示したように、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnに大きなずれが生じている場合には、出力空燃比AFdwnがリッチ判定空燃比AFrichからリーン判定空燃比AFleanまで変化する間、又はその逆に変化する間、上流側排気浄化触媒20への酸素の吸放出が行われない。このため、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnは短いサイクルで、リッチ判定空燃比AFrich以下とリーン判定空燃比以上とを交互に繰り返すことになる。
ところで、上流側排気浄化触媒20の最大吸蔵可能酸素量Cmaxは常に一定ではなく、経時劣化等により徐々に減少していくことが知られている。このため、上流側排気浄化触媒20の劣化度合いが大きくなると、それに伴って最大吸蔵可能酸素量Cmaxが新品時の値から大きく減少する。このように、最大吸蔵可能酸素量Cmaxが大きく減少すると、これに伴って下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnがリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変化するサイクルが短くなる。この様子を、図9に示す。
そこで、本実施形態では、酸素増大期間Tinc及び酸素減少期間Tdecにおける積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値が限界値以下になった場合には、上述したように、下流側空燃比センサ41に異常があると仮判定する。下流側空燃比センサ41に異常があると仮判定されたときには、上述した仮判定を行うための制御とは異なる方法で下流側空燃比センサ41の異常を診断する本判定制御を行うようにしている。特に、本実施形態では、本判定制御として、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を全体的にリッチ側又はリーン側へシフトさせる制御を行うようにしている。具体的には、本判定制御では、学習値sfbgが一時的に増大又は減少せしめられる。以下では、本判定制御の例について説明する。
次に、図12〜図16を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図12に示したように、A1〜A9の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図12を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックA1〜A9における操作は、基本的にECU31において実行される。
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段A1、基本燃料噴射量算出手段A2、及び燃料噴射量算出手段A3が用いられる。
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、空燃比補正量算出手段A4、学習値算出手段A5、制御中心空燃比算出手段A6及び目標空燃比設定手段A7が用いられる。
次に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに基づいたF/B補正量の算出について説明する。F/B補正量の算出に当たっては、空燃比偏差算出手段A8、F/B補正量算出手段A9が用いられる。
DFi=Kp・DAF+Ki・SDAF+Kd・DDAF …(4)
図13は、空燃比補正量の算出制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU31において一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図14は、学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、ECU31において一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図15は、正常判定及び仮判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、ECU31において一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図16は、本判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、ECU31において一定時間間隔の割り込みによって行われる。
次に、図17及び図18を参照して、本発明の第二実施形態の排気浄化装置について説明する。第二実施形態の排気浄化装置の構成及び制御は、本判定制御を除いて、第一実施形態の排気浄化装置の構成及び制御と同様である。本実施形態では、本判定制御として、リーン判定空燃比AFleanと理論空燃比との差及びリッチ判定空燃比AFrichと理論空燃比との差のうち少なくとも何れか一方が大きくなるようにリーン判定空燃比及びリッチ判定空燃比の少なくとも何れか一方を連続的に変化させる制御を行っている。
図19は、本判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、ECU31において一定時間間隔の割り込みによって行われる。
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
19 排気マニホルド
20 上流側排気浄化触媒
24 下流側排気浄化触媒
31 ECU
40 上流側空燃比センサ
41 下流側空燃比センサ
Claims (8)
- 機関排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置された下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御すると共に前記下流側空燃比センサの異常を診断する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比になるようにフィードバック制御を実行し、且つ前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときには前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り換えると共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときには前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り換えるように前記目標空燃比を設定する目標空燃比設定制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素又は不足する酸素の量である酸素過不足量の積算値に関連するパラメータを過不足量パラメータとすると、
前記制御装置は、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り換えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの前記過不足量パラメータの値と、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り換えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでの前記過不足量パラメータの値との差が小さくなるように前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を変化させるべく前記フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習制御を実行し、且つ
前記制御装置は、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り換えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの前記過不足量パラメータの値又は前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り換えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでの前記過不足量パラメータの値が、前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素がゼロから最大吸蔵可能酸素量まで又は最大吸蔵可能酸素量からゼロまで変化するのに必要な前記過不足量パラメータの値よりも小さい所定の限界値よりも大きいときには前記下流側空燃比センサに異常が生じていないと判定する正常判定制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置。 - 前記過不足量パラメータは、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素又は不足する酸素の量である酸素過不足量の積算値である、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記過不足量パラメータは、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量の積算値である、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記過不足量パラメータは、時間である、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記制御装置は、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り換えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの前記過不足量パラメータの値又は前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り換えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの前記過不足量パラメータの値が、前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素がゼロから最大吸蔵可能酸素量まで又は最大吸蔵可能酸素量からゼロまで変化するのに必要な前記過不足量パラメータの値よりも小さい所定の限界値以下になったときには前記下流側空燃比センサに異常が生じていると仮判定する仮判定制御と、該仮判定制御において前記下流側空燃比センサに異常が生じていると仮判定されたときに、前記仮判定とは異なる方法で前記下流側空燃比センサの異常を診断する本判定制御とを実行する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときには前記目標空燃比を一定値であるリーン設定空燃比に切り換えると共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときには前記目標空燃比を一定値であるリッチ設定空燃比に切り換えるように前記目標空燃比を設定し、
前記制御装置は、前記本判定制御において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を全体的にリッチ側又はリーン側へシフトさせ、
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を全体的にリッチ側又はリーン側へシフトさせることにより、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの期間又は前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでの期間の変化量が予め定められた判定値以下である場合には、前記下流側空燃比センサに異常があると本判定する、請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときには前記目標空燃比を一定値であるリーン設定空燃比に切り換えると共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときには前記目標空燃比を一定値であるリッチ設定空燃比に切り換えるように前記目標空燃比を設定し、
前記制御装置は、前記本判定制御において、前記リーン判定空燃比と理論空燃比との差及び前記リッチ判定空燃比と理論空燃比との差のうち少なくとも何れか一方が大きくなるように前記リーン判定空燃比及び前記リッチ判定空燃比の少なくとも何れか一方を連続的に変化させていき、
前記リーン判定空燃比及び前記リッチ判定空燃比の少なくとも何れか一方を連続的に変化させている間に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になってから次のサイクルにおいて再び前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでの周期の単位時間当たりの変化量、または、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になってから次のサイクルにおいて再び前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの周期の単位時間当たりの変化量が予め定められた判定値以上になった場合には、前記下流側空燃比センサに異常があると本判定する、請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御装置は、前記本判定制御において、前記リーン設定空燃比と理論空燃比との差及び前記リッチ設定空燃比と理論空燃比との差のうち少なくとも何れか一方が予め定められた差になるまで前記リーン判定空燃比及び前記リッチ判定空燃比の少なくとも何れか一方を連続的に変化させ、
前記リーン判定空燃比及び前記リッチ判定空燃比の少なくとも何れか一方を連続的に変化させている間に、予め定められた期間以上に亘って前記周期の単位時間当たりの変化量が予め定められた判定値未満に維持された場合には、前記下流側空燃比センサには異常がないと本判定する、請求項7に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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