JP3632065B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳しくは、所謂ＮＯｘ吸収触媒を備えたエンジンにおいて、前記ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘを浄化するための空燃比制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排気空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸収し、排気空燃比が理論空燃比（ストイキ）又はリッチであるときに前記吸収したＮＯｘを脱離して還元処理するＮＯｘ吸収触媒（ＮＯｘ吸収型三元触媒）を備え、リーン燃焼中に前記ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘが飽和量に達すると、燃焼混合気の空燃比を強制的にリーン空燃比から理論空燃比又はリッチ空燃比に切り換えて、前記吸収されたＮＯｘの脱離・還元処理を行わせるよう構成されたリーン燃焼エンジンが知られている（特開平７−１３９３９７号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘを効率良く浄化させるためには、ＮＯｘ吸収触媒内を速やかにリッチ化させることが好ましく、そのために、リッチスパイクを与えることが有効である。そして、前記リッチスパイクを与える方法としては、燃焼混合気の空燃比を理論空燃比にフィードバック制御するための空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ を、強制的にリッチ化方向にステップ変化させ、その後に理論空燃比へのフィードバック制御を行わせる方法がある。
【０００４】
ここで、上記のようにしてリッチスパイクを与えた後は、過剰なリッチ制御によるＨＣ，ＣＯ量の増大を防止するために、速やかに理論空燃比に戻すことが要求されるが、空燃比フィードバック制御のゲインを単に増大させると、空燃比が理論空燃比を越えてリーン化するオーバーシュートが発生し、ＮＯｘ排出量が増大してしまうという問題があった（図５参照）。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、空燃比フィードバック補正係数を強制的にステップ変化させることによってリッチスパイクを与える構成において、過剰なリッチ制御を防止しつつ、オーバーシュートによる空燃比のリーン化を防止できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、図１に示すように構成される。
図１において、ＮＯｘ吸収触媒は、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸収し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに前記吸収したＮＯｘを脱離して還元処理する触媒である。
【０００７】
また、空燃比フィードバック制御手段は、前記燃焼混合気の目標空燃比が理論空燃比であるときに、空燃比検出手段で検出されるエンジンの燃焼混合気の空燃比を理論空燃比に一致させるべく、エンジンへの燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数を設定する。
一方、リッチスパイク手段は、前記目標空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に切り換えられたときに、前記空燃比フィードバック補正係数を強制的に増大方向にステップ変化させて燃焼混合気を一時的にリッチにする。
【０００８】
ここで、制御ゲイン変更手段は、リッチスパイク手段による一時的なリッチ状態から燃焼混合気を理論空燃比付近に戻すべく前記空燃比フィードバック制御手段が前記空燃比フィードバック補正係数を減少変化させるときの制御ゲインを、前記空燃比フィードバック補正係数の値に応じて変更する。
かかる構成によると、リーンから理論空燃比に移行させるときにリッチスパイクを与えることで、ＮＯｘ吸収触媒内を速やかにリッチ化し、リーン燃焼中にＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘの脱離・還元処理を行わせる。前記リッチスパイクは、理論空燃比へのフィードバック制御において用いられる空燃比フィードバック補正係数を強制的にステップ変化させて与えるが、該リッチスパイク後に理論空燃比に戻すときの制御ゲインが、空燃比フィードバック補正係数の値に応じて変更される。即ち、空燃比フィードバック補正係数が、理論空燃比相当の値に近づくに従って制御ゲインが変更されることになる。
【０００９】
請求項２記載の発明では、前記制御ゲイン変更手段が、前記空燃比フィードバック補正係数が閾値以下であるときには、前記閾値を越える場合に比べて前記制御ゲインを小さくする構成とした。
かかる構成によると、リッチスパイク直後は、前記空燃比フィードバック補正係数を比較的大きな制御ゲインで制御して、速やかな理論空燃比への収束を図るが、空燃比フィードバック補正係数が閾値以下になると、制御ゲインを小さくし、理論空燃比を越えてリーンに制御されるオーバーシュートの発生を抑止する。
【００１０】
請求項３記載の発明では、前記空燃比フィードバック補正係数が閾値以下であるときの制御ゲインを通常値よりも大きな値とする構成とした。
かかる構成によると、空燃比フィードバック補正係数が閾値以下になると、それまでよりも制御ゲインを小さくしてオーバーシュートの抑止を図るが、通常よりも大きなゲインを用いることで、速やかな理論空燃比への復帰を確保できるようにする。
【００１１】
請求項４記載の発明では、前記空燃比フィードバック制御手段が、前記空燃比フィードバック補正係数を、比例・積分制御により設定する構成であって、前記制御ゲイン変更手段が、制御ゲインを決定するパラメータとしての積分定数を前記空燃比フィードバック補正係数の値に応じて変更する構成とした。
かかる構成によると、実際の空燃比と理論空燃比との比較から空燃比フィードバック補正係数を比例・積分制御する構成において、前記積分制御における積分定数が、ステップ変化を与えた後の空燃比フィードバック補正係数の値に応じて変更され、例えば当初は比較的大きな積分定数による大きな制御ゲインで理論空燃比に応答良く近づくようにし、理論空燃比に近づいたら比較的小さな積分定数による小さな制御ゲインによってフィードバック制御を行わせて、オーバーシュートの発生を抑止する。
請求項５記載の発明では、前記制御ゲイン変更手段により変更される、前記空燃比フィードバック補正係数のステップ変化直後の制御ゲインが通常値よりも大きな値である構成とした。
かかる構成により、通常よりも大きなゲインを用いて速やかな理論空燃比への復帰を確保できるようにする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、リッチスパイク後に空燃比を理論空燃比に戻すときに、応答性を確保しつつ、オーバーシュートの発生を抑止することが可能になるという効果がある。
請求項２記載の発明によると、空燃比フィードバック補正係数が閾値を越えるときには、比較的大きな制御ゲインによって理論空燃比へ速やかに近づけることができる一方、空燃比フィードバック補正係数が前記閾値以下まで低下したときには制御ゲインを小さくし、理論空燃比を越えて大きくリーン化してしまうことを回避できるという効果がある。
【００１３】
請求項３，５記載の発明によると、理論空燃比を越えてリーン側にオーバーシュートすることを回避しつつ、理論空燃比に速やかに戻すことができるという効果がある。
請求項４記載の発明によると、空燃比フィードバック制御における積分定数の変更によって、リッチスパイク後に応答良くかつオーバーシュートなく理論空燃比に戻すことができるという効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図２は、実施の形態におけるエンジンのシステム構成を示す図であり、エンジン１の吸入空気量はスロットルバルブ２で制御される一方、エンジン１の各気筒には、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３がそれぞれ設けられており、該燃料噴射弁３による燃料噴射によって燃焼室内に混合気が形成される。
【００１５】
ここで、マイクロコンピュータを内蔵したエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）４は、エンジン負荷，エンジン回転速度，冷却水温度，始動状態等の運転条件に基づいて、目標空燃比（理論空燃比，リーン空燃比又はリッチ空燃比）を設定し、該目標空燃比の混合気を形成させるべく燃料噴射弁３の燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。
【００１６】
尚、燃料噴射弁３が吸気系（例えば各気筒の吸気ポート部分）に燃料を噴射する構成であって、リーン燃焼を行うエンジンであっても良い。
前記燃料噴射弁３からの燃料噴射で形成された混合気は、点火プラグ５による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、ＮＯｘ吸収触媒６を介して大気中に排出される。
【００１７】
前記ＮＯｘ吸収触媒６は、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸収し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに前記吸収したＮＯｘを放出して還元処理するＮＯｘ吸収型三元触媒である。
前記ＥＣＵ４には、燃料噴射制御等のために各種センサからの検出信号が入力される。
【００１８】
前記各種センサとしては、エンジン１の吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ７，スロットルバルブ２の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ８，エンジン１の冷却水温度ＴＷを検出する水温センサ９，クランク角を検出するクランク角センサ１０，前記ＮＯｘ吸収触媒６の上流側で排気中の酸素濃度を検出することで燃焼混合気の空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出する酸素センサ１１（空燃比検出手段）などが設けられている。
【００１９】
ＥＣＵ４は、目標空燃比に対応する基本燃料噴射量を、吸入空気流量Ｑａ及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいて演算する一方、冷却水温度ＴＷ等に応じて補正係数ＣＯを設定し、更に、目標空燃比が理論空燃比であるときには、前記酸素センサ１１による検出結果に基づいて実際の空燃比を理論空燃比に近づけるように空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ を比例・積分制御し、前記基本燃料噴射量を、前記補正係数ＣＯ，空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ 等で補正して最終的な燃料噴射量を決定する。
【００２０】
前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ の比例・積分制御は、酸素センサ１１で検出される空燃比がリッチ（リーン）である間は、積分定数Ｉずつ補正係数ＡＬＰＨＡ を減少（増大）させ、空燃比がリッチからリーン（リーンからリッチ）に反転すると、比例定数Ｐだけ補正係数ＡＬＰＨＡ をステップ的に増大（減少）させて行われる（空燃比フィードバック制御手段）。
【００２１】
前記ＮＯｘ吸収触媒６は、前述のように、リーン燃焼中はＮＯｘを吸収するのみでＮＯｘの脱離還元を行わないので、ＮＯｘ吸収量が飽和量に達すると、エンジン１から排出されたＮＯｘが浄化されずにそのまま排出されることになってしまう。従って、リーン燃焼が継続してＮＯｘ吸収量が飽和量に達したと推定されるときには、本来リーン燃焼を行わせるべき運転条件であっても一時的に目標空燃比を理論空燃比に切り換えるようになっている。
【００２２】
ここで、図３のフローチャートに従って、目標空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に切り換えられたときの空燃比制御について説明する。
尚、前記リーン空燃比から理論空燃比への目標空燃比の切り換えは、要求トルクの増大変化に対応するための切り換えと、前記ＮＯｘ吸収触媒６におけるＮＯｘ吸収量が飽和量に達したことに基づく切り換えとの双方を含むものとする。
【００２３】
図３のフローチャートにおいて、Ｓ１では、リーンから理論空燃比への目標空燃比の切り換えが行われたか否かを判別する。
リーンから理論空燃比への切り換え時であるときには、前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ を、初期値である１００ ％から強制的に所定値ΔＡＬＰＨＡ だけ増大方向にステップ変化させる（リッチスパイク手段）。これにより、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ で補正される燃料噴射量が理論空燃比相当値よりも増量補正されることになる。
【００２４】
尚、前記所定値ΔＡＬＰＨＡ を、前記ＮＯｘ吸収触媒６におけるＮＯｘ吸収量や、エンジン運転条件（負荷，回転）に応じて変化させても良い。
Ｓ３では、酸素センサ１１の出力に基づいて前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ を比例・積分制御する空燃比フィードバック制御を開始させる。前記Ｓ２における空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ のステップ増量によって、空燃比がリッチ化されるので、空燃比フィードバック制御の開始直後には、リッチ空燃比を理論空燃比に戻すべく、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ を積分定数Ｉに従って徐々に減少させる制御が行われることになる。
【００２５】
Ｓ４では、そのときの空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ が予め設定された閾値よりも大きいか否かを判別する。前記閾値は、補正係数ＡＬＰＨＡ の初期値（１００ ％）よりも大きく、Ｓ２でステップ変化させた補正係数ＡＬＰＨＡ よりも小さな値に設定される。
Ｓ４で、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ が閾値よりも大きいと判断されたときには、Ｓ５へ進み、前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ の比例・積分制御における積分定数Ｉとして、予め記憶された所定値Ｉ（１） をセットする。前記所定値Ｉ（１） は、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ をステップ増量してリッチスパイクを与えた後で、空燃比を理論空燃比に速やかに戻すために、通常のフィードバック制御状態で用いる積分定数Ｉよりも大きな値に設定される。
【００２６】
一方、Ｓ４で空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ が閾値以下であると判断されたときには、Ｓ６へ進み、前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ の比例・積分制御における積分定数Ｉとして、予め記憶された所定値Ｉ（２） をセットする。前記所定値Ｉ（２） は、空燃比を理論空燃比に速やかに戻すべく、通常のフィードバック制御状態で用いる積分定数Ｉよりも大きな値に設定されるが、前記所定値Ｉ（１） よりも小さな値に設定され、理論空燃比を越えてリーン側にオーバーシュートすることを抑止できるように設定される。
【００２７】
上記Ｓ４〜Ｓ６の部分が制御ゲイン変更手段に相当する。
上記のようにして空燃比フィードバック制御における制御ゲインを決定する積分定数を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ の値に応じて設定すれば、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ をステップ増量してリッチスパイクを与えた後で、速やかに理論空燃比に戻すことができると共に、理論空燃比を越えてリーン側に大きくオーバーシュートすることを回避できる。即ち、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ がステップ増量値から閾値にまで低下する間においては、前記所定値Ｉ（１） を積分定数として、空燃比を理論空燃比に速やかに近づけ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ が閾値にまで低下すると、その後は、積分定数をより小さな前記所定値Ｉ（２） に切り換えることで、オーバーシュートの発生を抑止しながら最大限の応答で理論空燃比にまで戻すようにする（図４参照）。
【００２８】
Ｓ７では、空燃比がリッチ状態からリーン状態に反転したか否かを判別し、空燃比の反転が検出されるまでは、前記所定値Ｉ（１） 或いは所定値Ｉ（２） を積分定数とする積分制御によって空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ を減少させるが、空燃比がリーンに反転したことが検出されると、Ｓ８へ進んで、積分定数Ｉを通常値に切り換えて、その後は通常に比例・積分制御を行わせる。
【００２９】
尚、ＮＯｘ吸収触媒６におけるＮＯｘ吸収量が飽和量に達したことに基づいて、目標空燃比をリーンから理論空燃比に切り換えたときには、所定期間が経過すると目標空燃比がリーンに戻されることになり、目標空燃比がリーンである間は、前記空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ は初期値（１００ ％）にクランプされる。
【００３０】
上記では、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ が閾値を越えているか閾値以下であるかによって積分定数Ｉ（制御ゲイン）を変更する構成としたが、相互に異なる複数の閾値を設定することで、積分定数Ｉ（制御ゲイン）をより細かく変更するようにしても良く、その場合も、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡ が初期値に近づくほど積分定数Ｉ（制御ゲイン）を小さく変更すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明に係る排気浄化装置の構成ブロック図。
【図２】実施の形態におけるエンジンのシステム構成図。
【図３】実施の形態における空燃比制御の様子を示すフローチャート。
【図４】実施の形態における空燃比制御の特性を示すタイムチャート。
【図５】従来の空燃比制御の特性及び問題点を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
２ スロットルバルブ
３ 燃料噴射弁
４ エンジンコントロールユニット
５ 点火プラグ
６ ＮＯｘ吸収触媒
７ エアフローメータ
８ スロットルセンサ
９ 水温センサ
１０ クランク角センサ
１１ 酸素センサ

Claims (5)

1. 排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸収し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに前記吸収したＮＯｘを脱離して還元処理するＮＯｘ吸収触媒と、
   エンジンの燃焼混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記燃焼混合気の目標空燃比が理論空燃比であるときに、前記空燃比検出手段で検出される空燃比を理論空燃比に一致させるべく、エンジンへの燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数を設定する空燃比フィードバック制御手段と、
   前記目標空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に切り換えられたときに、前記空燃比フィードバック補正係数を強制的に増大方向にステップ変化させて燃焼混合気を一時的にリッチにするリッチスパイク手段と、
   該リッチスパイク手段による一時的なリッチ状態から燃焼混合気を理論空燃比付近に戻すべく前記空燃比フィードバック制御手段が前記空燃比フィードバック補正係数を減少変化させるときの制御ゲインを、前記空燃比フィードバック補正係数の値に応じて変更する制御ゲイン変更手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記制御ゲイン変更手段が、前記空燃比フィードバック補正係数が閾値以下であるときには、前記閾値を越える場合に比べて前記制御ゲインを小さくすることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記空燃比フィードバック補正係数が閾値以下であるときの制御ゲインが通常値よりも大きいことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記空燃比フィードバック制御手段が、前記空燃比フィードバック補正係数を、比例・積分制御により設定する構成であって、前記制御ゲイン変更手段が、制御ゲインを決定するパラメータとしての積分定数を前記空燃比フィードバック補正係数の値に応じて変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記制御ゲイン変更手段により変更される、前記空燃比フィードバック補正係数のステップ変化直後の制御ゲインが通常値よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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