JP2609129B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、内燃機関の三元触媒式排気浄化システムに
関し、特に、窒素酸化物（NOx）の低減を図った排気浄
化システムに関する。

〈従来の技術〉 内燃機関の排気浄化システムとして、第７図に示すよ
うに、機関２の排気通路３に装着され機関排気の酸素濃
度を検出する酸素センサ１と、該酸素センサ１によって
検出された排気中酸素濃度に基づいて機関２に供給され
る混合気の空燃比と目標空燃比との偏差に応じたフィー
ドバック補正量を設定し、該フィードバック補正量に基
づいて混合気の空燃比をフィードバック制御する制御手
段４と、機関２の排気通路３に装着され機関排気中の三
成分（CO,HC,NOx）を浄化する三元触媒５と、を含んで
構成されたものが、従来より知られている。

ここで、従来の酸素センサ１は、セラミック基材の内
外表面の各一部に電極を形成すると共に、外表面に白金
触媒層を形成してなるセンサ部を有し、該センサ部の大
気に接触させた内表面側の電極と、機関排気に接触させ
た外表面側の電極との間に発生する起電力により機関排
気の酸素濃度を検出するようにしたものである（特開昭
58−204365号公報，実開昭59−31054号公報等参照）。

そして、前記白金触媒層は、一酸化炭素COや炭化水素
HCと酸素O₂とのCO＋1/2 O₂→CO₂,HC＋O₂→H₂O＋CO₂なる
酸化反応を促進し、濃混合気で燃焼させた時にその部分
に残存する低濃度のO₂をCOやHCと良好に反応させてO₂濃
度をゼロ近くにし、セラミック基材の内外のO₂濃度比を
大きくして、大きな起電力を発生させる。

一方、希薄混合気で燃焼させた時には、排気中に高濃
度のO₂と低濃度のCO,HCがあるため、CO,HCとO₂とが反応
してもまだO₂が余り、セラミック基材内外のO₂濃度比は
小さく殆ど電圧は発生しない。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、このような従来の排気浄化システムに
おいては、酸素センサ１が排気中酸素濃度を略適正に検
出できるものではあるが、NOx対策としては何ら寄与す
るものではなかった。

即ち、酸素センサ１で検出すべき酸素O₂の一部は空気
中のN₂と反応してNOxを形成するが、酸素センサ１はこ
のNOxを検出する能力はない。

従って、酸素センサ１はNOx濃度とは無関係に排気中
の酸素濃度を検出し、本来検出すべきO₂濃度より薄い状
態（燃料濃い状態）を検出してしまう。言い換えれば、
酸素センサ１がNOxの影響を受けて誤制御してしまうの
である。

このため、システムは混合気をO₂濃度の濃い（燃料の
薄い）ところで制御（リーン制御）してしまい、転化率
即ち、NOxが還元されてN₂になる割合が低い制御範囲と
なって、NOxの発生を抑えることができないという問題
点があった。

特に、NOxは高負荷時や高速走行時に多く発生する
が、この場合NOxのばらつきが大きくなり、良好なエミ
ッションが得られない。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、
酸素センサのリーン起電力がNOxの増加に比例して上昇
することに着目し、このリーン起電力をNOxの増加の判
定基準として、NOxの増加時に独特の空燃比制御を実行
してNOxの発生を抑えることを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 このため、本発明の内燃機関の排気浄化システムは、
第１図に示すように、機関の排気通路に装着され機関排
気の酸素濃度を検出する酸素センサと、該酸素センサに
よって検出された排気中酸素濃度に基づいて機関に供給
される混合気の空燃比と目標空燃比との偏差に応じたフ
ィードバック補正量を設定し、該フィードバック補正量
に基づいて混合気の空燃比をフィードバック制御する制
御手段と、機関の排気通路に装着され機関排気中の成分
を浄化する三元触媒と、を含んで構成される内燃機関の
排気浄化システムにおいて、前記酸素センサのリーン起
電力を基準値と比較するリーン起電力比較手段と、該比
較手段から出力される信号に基づいてリーン起電力が基
準値以上の時に空燃比フィードバック制御におけるリッ
チ時間割合を増大させる手段とを備えた構成とする。

〈作用〉 酸素センサは、NOxが増加するとリーン起電力が上昇
する。この上昇の大きさもNOx発生量に比例する。

従って、排気中のNOx濃度が高い領域で、空燃比フィ
ードバック制御におけるリッチ時間割合の増大させる
と、三元触媒におけるNOxの転化率が充分に高い所が使
用され、良好なNOx低減機能を安定して確保できる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図において、機関11の吸気通路12には、吸入空気
流量Ｑを検出するエアフローメータ13及びアクセルペダ
ルと連動して吸入空気流量Ｑを制御する絞り弁14が設け
られ、下流のマニホールド部には気筒毎に電磁式の燃料
噴射弁15が設けられる。この燃料噴射弁15は、マイクロ
コンピュータを内蔵したコントロールユニット16からの
噴射パルス信号によって開弁駆動し、図示しない燃料ポ
ンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定
圧力に制御された燃料を噴射供給する。更に、機関11の
冷却ジャケット内の冷却水温度T_wを検出する水温センサ
17が設けられると共に、排気通路18内の排気酸素濃度を
検出することによって吸入混合気の空燃比を検出する酸
素センサ19が設けられ、更に、下流側の排気中のCO,HC
の酸化とNOxの還元を行って浄化する三元触媒20が設け
られる。又、図示しないディストリビュータには、クラ
ンク角センサ21から機関回転と同期して出力されるクラ
ンク単位角度信号を一定時間カウントして、又は、クラ
ンク基準角度信号の周期を計測して機関回転数が検出さ
れる。

次に、コントロールユニット16による燃料噴射量演算
ルーチンを第３図に示したフローチャートに従って説明
する。

このルーチンは所定周期（例えば10ms）毎に行われ
る。

ステップ（図では１と記す）では、エアフローメータ
13によって検出された吸入空気流量Ｑとクランク角セン
サ21からの信号によって算出された機関回転数Ｎとに基
づき、単位回転当たりの吸入空気流量Ｑに相当する基本
燃料噴射量T_pを次式により算出する。

T_p＝Ｋ×Q/N（Ｋは定数） ステップ２では、水温センサ17によって検出された冷
却水温度T_w等に基づいて各種補正係数COEFを設定する。

ステップ３では、酸素センサ19からの信号に基づいて
設定されたフィードバック補正係数LAMBDAを読み取る。

ステップ４では、バッテリの電圧値に基づいて電圧補
正分T_Sを設定する。これはバッテリ電圧変動による燃料
噴射弁15の噴射流量変化を補正するためのものである。

ステップ５では、最終的な燃料噴射量T_iを次式に従っ
て演算する。

T_i＝T_p×COEF×LAMBDA＋T_S ステップ６では、演算された燃料噴射量T_iを出力用レ
ジスタにセットする。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射
タイミングになると、演算した燃料噴射量T_iのパルス巾
を持つ駆動パルス信号が燃料噴射弁15に与えられて燃料
噴射が行われる。

以上の構成の内燃機関において、本発明においては、
酸素センサ19のリーン起電力を基準値と比較するリーン
起電力比較手段と、該比較手段から出力される信号に基
づいてリーン起電力が基準値以上の時に空燃比フィード
バック制御におけるリッチ時間割合を増大させる手段と
がコントロールユニット16に装備されている。

ここで、前記酸素センサ19のリーン起電力はNOxが増
加すると上昇する。この上昇の大きさはNOx量に比例し
て上昇する。

第４図は酸素センサ19取付位置におけるNOx量と酸素
センサ19のリーン起電力との関係を表すグラフで、酸素
センサ19のリーン起電力はNOx量と比例して上昇する。
第５図は酸素センサ19の制御波形を示しており、NOx量
が大きい時の制御波形はリーン起電力が上昇した点線で
示すものとなる。

一方、三元触媒20反応後の排気エミッションは、三元
触媒20の性能及び機関11の性質によって異なるが、第６
図に示すグラフのように、リーン起電力が上昇すると、
確実にNOx量は増加する。

尚、このグラフから明らかなように、リーン起電力が
例えば200mVであれば、NOx量が規制値以下に収まり問題
はない。

従って、酸素センサ19のリーン起電力が基準値（200m
V）以上の時に、フィードバック補正係数LAMBDAを増大
させて、基準値に対する空燃比をリッチ側にシフトす
る。これは、酸素センサ19の基準値即ち、スライスレベ
ルをリーン起電力200mVのところにずらすことにより、
酸素センサ19の出力変化特性がリッチ側にシフトして基
準値に対する空燃比がリッチ側にシフトしたことと同じ
である。

尚、酸素センサ19の信号電圧とリーン起電力200mVの
比較判定は、信号電圧の５回の平均で行う。

以上のようにすると、排気中のNOx濃度が高い領域で
は空燃比フィードバック制御におけるリッチ時間割合が
増大し、三元触媒20におけるNOxの転化率が充分に高い
所が使用され、良好なNOx低減機能を安定して確保でき
る。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、酸素センサの
リーン起電力がNOxの増加に比例して上昇することに着
目し、このリーン起電力をNOxの増加の判定基準とし
て、リーン起電力が基準値以上の時に空燃比フィードバ
ック制御におけるリッチ時間割合を増大させる制御を行
うようにしたから、三元触媒におけるNOxの転化率が充
分に高い所が使用され、良好なNOx低減機能を安定して
確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる内燃機関の排気浄化システムの
クレーム対応図、第２図は同上の内燃機関の排気浄化シ
ステムの一実施例を示すシステム図、第３図は燃料噴射
量制御ルーチンを示すフローチャート、第４図は酸素セ
ンサ取付位置でのNOx量と酸素センサのリーン起電力と
の関係を表すグラフ、第５図は酸素センサの制御波形を
示す図、第６図はリーン起電力と三元触媒反応後のエミ
ッションとの関係を表すグラフ、第７図は従来の排気浄
化システムを示す概略図である。 11……機関、15……燃料噴射弁、16……コントロールユ
ニット、18……排気通路 19……酸素センサ、20……三元触媒

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気通路に装着され機関排気の酸素
   濃度を検出する酸素センサと、該酸素センサによって検
   出された排気中酸素濃度に基づいて機関に供給される混
   合気の空燃比と目標空燃比との偏差に応じたフィードバ
   ック補正量を設定し、該フィードバック補正量に基づい
   て混合気の空燃比をフィードバック制御する制御手段
   と、機関の排気通路に装着され機関排気中の成分を浄化
   する三元触媒と、を含んで構成される内燃機関の排気浄
   化システムにおいて、前記酸素センサのリーン起電力を
   基準値と比較するリーン起電力比較手段と、該比較手段
   から出力される信号に基づいてリーン起電力が基準値以
   上の時に空燃比フィードバック制御におけるリッチ時間
   割合を増大させる手段とを備えたことを特徴とする内燃
   機関の排気浄化システム。