JP3635711B2

JP3635711B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP3635711B2
Application number: JP09492195A
Authority: JP
Inventors: 治郎竹内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JPH08291730A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、詳しくは、排気系に、排気空燃比がリーン（希薄空燃比）雰囲気下でもＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化することができるリーンＮＯｘ触媒と、理論空燃比（ストイキ）近傍でＮＯｘ，ＣＯ（一酸化炭素），ＨＣ（炭化水素）を同時に浄化することができる三元触媒と、を備えた場合に、排気有害成分の排出量を効率的に低減できるようにした内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の空燃比制御装置としては、以下のようなものがある。
例えば、特開昭６２−１６２７４６号公報によれば、空燃比センサ等の空燃比検出手段の出力に基づいて、ある運転領域でリーンＮＯｘ触媒を有効活用すべく目標リーン空燃比となるように、吸入空気或いは燃料の機関への供給量を制御すると共に、該リーン運転領域から、三元触媒を有効活用させる必要のある三元運転領域（以下、ストイキ運転領域とも言う。）に移行した場合において、移行後所定期間は、移行前の目標空燃比（リーン設定）と理論空燃比に対して逆方向の空燃比（リッチ）となるように、前記供給量を制御（リッチシフト）するようにしたものが開示されている。これは、加速時にリーン運転領域から三元運転領域へ移行する際には、三元触媒に余剰の酸素が流入する状態となるので、三元触媒に流入する排気空燃比がストイキから外れ、有効に三元触媒の排気浄化性能を発揮させることができなくなるのを防止するためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開昭６２−１６２７４６号公報に開示されるものでは、リーン運転領域からストイキ運転領域への切り換え時の前記リッチシフト量が、ゼオライト系リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ量に対応していなかったため、上記リッチシフトでは現実には過不足が生じ、ＮＯｘ若しくはＨＣの排出量を増大させることとなっていた。
【０００４】
即ち、リーン運転領域からストイキ運転領域への切り換え直後には、ゼオライト系リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ効果により三元触媒へ流入する排気中のＨＣが減少し、三元触媒においてＨＣが不足し、三元触媒におけるＮＯｘの転換（例えば、２ＮＯｘ＋２ＨＣ→Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ＣＯ₂）が阻害されるという問題があるにも拘わらず、これに効果的に対応することができていなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、リーンＮＯｘ触媒と、その下流側に三元触媒と、を備えた場合において、リーン制御状態からストイキ制御状態へ移行する際に、その移行前のリーン運転状態に基づいて、リーンＮＯｘ触媒の活性状態における最適なリッチシフト量を算出し、当該算出されたリッチシフト量に従い空燃比のリッチシフトを行なわせるようにして、最大限排気有害成分の排出量を低減できるようにした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。また、当該装置の更なる高精度化を図ることも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載の発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置は、図１に示すように、
排気中のＮＯｘを希薄空燃比雰囲気下で浄化処理するリーンＮＯｘ触媒と、当該リーンＮＯｘ触媒を通過した後の排気を理論空燃比近傍雰囲気下で浄化処理する三元触媒と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
機関吸入混合気の空燃比を希薄空燃比に制御するリーン制御から、機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比近傍に制御するストイキ制御へ切り換える際に、該切り換え前のリーン運転状態に基づいて、機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比よりも過濃側にシフトさせるリッチシフト量を算出するリッチシフト量算出手段と、
前記リーン制御から前記ストイキ制御への切り換え中に、前記リッチシフト量に基づいて、機関吸入混合気の空燃比をリッチシフトさせる空燃比制御手段と、
を含んで構成した。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、前記リッチシフト算出手段を、少なくともリーン制御中の機関回転速度，機関負荷に基づいて、リッチシフト量を算出する構成とした。
請求項３に記載の発明では、前記リッチシフト算出手段を、少なくともリーン制御中の機関回転速度，機関負荷が大きいほど、リッチシフト量を大きな値として算出する構成とした。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、前記リーン制御中の機関回転速度，機関負荷が、平均処理した値であるように構成した。
【０００９】
【作用】
上記構成を備える請求項１に記載の発明では、機関制御状態が、リーン制御状態からストイキ制御状態へ切り換える際に、その切り換え前のリーン運転状態に基づいて、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ効果に対応した最適なリッチシフト量を算出し、当該算出したリッチシフト量に従い空燃比制御量（例えば、燃料供給量、吸入空気流量）を制御して機関吸入混合気の空燃比をリッチシフトさせるようにする。これにより、当該制御状態の切り換え時に、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ効果により発生する三元触媒のＨＣ不足を補うことができるようになるので、三元触媒のＮＯｘの転換効率を向上させることができ、以って排気有害成分の排出量を最大限低減することができるようになる。
【００１０】
請求項２，請求項３に記載の発明では、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ量に大きく影響するリーン制御中の機関回転速度と機関負荷とをパラメータとして、リッチシフト量を算出するようにしたので、リッチシフト量の算出の高精度化を図ることができ、またＨＣストレージ量と、リーン制御中の機関回転速度，機関負荷と、の相関関係を満たすべく、機関回転速度，機関負荷が大きいほどリッチシフト量を大きく算出するようにしたので、リッチシフト量の算出精度を向上させることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、瞬間的（或いは一時的）な機関回転速度，機関負荷の変化を吸収することができるので、例えばノイズ等があっても、リッチシフト量の算出精度を高精度化することができる。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の一実施例を添付の図面を参照して説明する。
本発明の一実施例の全体構成を示す図２において、機関１の吸気通路14には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ２及びアクセルペダルと連動して吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁が設けられ、下流のマニホールド部分には気筒毎に電磁式の燃料噴射弁６が設けられる。また、機関１のクランクシャフトやカムシャフトの回転と同期して所定角度毎にパルス信号を発生させてクランク位置や機関回転速度ＮＥを検出するクランク角センサ３が設けられている。
【００１３】
前記燃料噴射弁６は、入・出力インターフェース，Ａ／Ｄ変換器，ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵ等を含んで構成されるコントロールユニット５において、後述するようにして設定される駆動パルス信号（噴射パルス巾信号）によって所定噴射時期に開弁駆動され、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（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を所定量噴射供給する。なお、機関１の燃焼室に吸入された混合気は、各気筒の燃焼室に臨んで設けられた点火栓４により点火され燃焼されるが、この点火栓４は、コントロールユニット５の駆動信号に基づき、運転状態等に応じて予め設定された点火タイミングで点火コイル７からの高電圧を受け点火するようになっている。
【００１４】
また、機関１の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ８が設けられている。
排気通路９にはマニホールド集合部近傍に、排気中の酸素濃度に比例した検出値から空燃比を検出する空燃比検出手段としての空燃比センサ10が設けられ、その下流側に、触媒コンテナ11が介装されており、当該触媒コンテナ11の内部には、上流側にリーンＮＯｘ触媒12が、下流側にＰｔ，Ｐｄ系等からなる三元触媒13が保持されている。なお、システムによっては、前記空燃比センサ10は、排気中の酸素濃度をＡ／Ｆ＝１３〜１５程度の狭い範囲で検出する酸素センサ（Ｏ₂センサ）を用いることもできる。また、空燃比センサ10による空燃比フィードバック制御を行なわず、所謂フィードフォワード制御によりリーン運転とストイキ運転とを行なうようにした場合にも本発明は適用可能であり、かかる場合には空燃比センサ10は備えなくてもよい。
【００１５】
ところで、前記リーンＮＯｘ触媒12は、リーン領域で排気中のＮＯｘを浄化する性質を持つものである。ここで、リーンＮＯｘ触媒は遷移金属或いは貴金属を担持したゼオライトでその全体又は大部分を構成するものであり、酸素過剰雰囲気下でＮＯｘを還元浄化する触媒として定義されるものである。
なお、長時間の使用に耐える（耐久後においてもリーン雰囲気下で良好なＮＯｘ転換作用を奏することができる）リーンＮＯｘ触媒を用いるのが好ましい。即ち、ハニカム担体上に白金，パラジウム及びロジウムからなる群から選ばれた１種以上の貴金属を含む活性アルミナを主成分とする無機物からなる第１コート層（リーン雰囲気下でＨＣ，ＣＯを酸化するための層）と、このコート層上の貴金属成分を含まない活性アルミナを主成分とする無機物からなる第２コート層（第１コート層の反応熱を遮断し第３コート層の熱劣化を防止するための層）と、さらにこのコート層上の金属（例えばＣｕまたはＣｏ）をイオン交換したゼオライト粉末を主成分とする無機物からなる第３コート層（リーン雰囲気下でＮＯｘを還元するための層）と、を備えたものを用いることが、リーン雰囲気下での耐久性、排気有害成分（ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ）の浄化性能面で好ましい。
【００１６】
また、本実施例では、リーンＮＯｘ触媒12の排気下流側に三元触媒13を備えるようにしているが、例えば、リーンＮＯｘ触媒12の担体に、三元用触媒を担持させるようにした構造の触媒を用いるようにしても、本発明の作用効果を奏することができるものである。
ここで、本発明のリッチシフト量算出手段、空燃比制御手段としての機能をソフトウエア的に備えるコントロールユニット５が行なう空燃比制御について、図３のフローチャートに従って説明する。
【００１７】
ステップ（図にはＳと記してある。以下、同様）１では、リーン運転条件が成立しているか否かを判定する。ＹＥＳの場合にはステップ２へ進み、ＮＯの場合にはステップ４へ進む。なお、当該判定は、機関回転速度ＮＥや機関負荷（例えばＴＰ〔基本燃料噴射量〕，Ｑａ，スロットル弁開度等）、車速（或いはこれらの平均値）等に基づいて予め定めたリーン運転領域に、現在の運転状態があるか否かで判断できる。かかる判定は、従来と同様の方法で行なっても構わない。
【００１８】
ステップ２では、リーン運転中の機関負荷ＴＰと、機関回転速度ＮＥと、を検出する。
ステップ３では、検出した機関負荷ＴＰ，機関回転速度ＮＥと、順次前回のデータとの平均化（移動平均や加重平均等としてもよい）を行い、平均値をＡＶＥＴＰ，ＡＶＥＮＥとしてセットして、ステップ１へ戻る。
【００１９】
従って、リーン運転条件成立中は、上記ステップ２，ステップ３が順次繰り返されることになる。
ステップ１で、運転条件等が変化しリーン運転条件が解除されると、ステップ４へ進むが、ステップ４では、リーン運転からストイキ運転への切り換え時か否かを判定する。当該判定は、機関回転速度ＡＶＥＮＥ，機関負荷ＡＶＥＴＰ，車速等に基づいて予め定めたリーン運転（制御）領域からストイキ運転（制御）領域へ運転（制御）状態が変化したか否かで判断することができる。なお、平均値ＡＶＥＮＥ，ＡＶＥＴＰ等を用いず、機関回転速度ＮＥや機関負荷（例えばＴＰ〔基本燃料噴射量〕，Ｑａ，スロットル弁開度等）、車速等に基づいて判断するようにしてもよい。
【００２０】
ＹＥＳであれば、ステップ５進む。一方、ＮＯであれば、リーン制御からストイキ制御への切り換え時におけるリーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ効果により発生するＨＣ不足による三元触媒13の排気浄化性能の低下は考えなくて良いので、本実施例における空燃比制御（リッチシフト制御）を行なう必要がないので、かかる場合には、ステップ１へ戻る。
【００２１】
ステップ５では、ステップ３で求めたＡＶＥＴＰ，ＡＶＥＮＥを読み込み、例えば、フロー中に示すような、予め設定されているリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）の表データを参照して、前記ＡＶＥＴＰ，ＡＶＥＮＥに対応するリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を検索し、補間演算等して求める。
このリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）は、前記ＡＶＥＮＥとＡＶＥＴＰにより区画されて設定されており、図４に示すように、ＡＶＥＮＥおよびＡＶＥＴＰの増加と伴に大きな値になるように設定されている。また、リーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ量に応じた最大値を持つものである。なお、例えば、リーン運転からストイキ運転への切り換え時にリーンＮＯｘ触媒12へ吸着されるＨＣ量（ＨＣストレージ量）は、該切り換え前のリーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ量により変化する場合もあるので、切り換え前の運転状態やリーン運転の継続時間等により、リーン運転からストイキ運転への切り換え時にリーンＮＯｘ触媒12へ吸着されるＨＣ量を推定し、この推定結果に基づいて、前記リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を補正するようにしてもよい。
【００２２】
ところで、リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を、機関回転速度ＮＥと機関負荷ＴＰとに応じた値を持たせることにより、リーン運転状態からストイキ運転状態への実際の切り換え時間を短くできると共に、切り換え時の機関のトルク変動を小さくできることにもなる。
なお、算出されたリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）は、ステップ６において、リーン運転からストイキ運転への切り換え時の燃料噴射量ＴＩの演算に反映され、これによりリッチシフトが実行される。
【００２３】
即ち、
ＴＩ＝ＴＰ×ＫＭＲ×ＣＯＥＦ×ＡＬＰＨ＋ＴＳ
ただし、ＴＩは、燃料噴射弁の開弁時間（噴射パルス巾）で表される。ＴＳは、燃料噴射弁の無効噴射パルス巾である。
ＴＰは、基本燃料噴射パルス巾（＝Ｋ×Ｑａ／ＮＥ，Ｋは定数）である。本実施例では、前述したようにエアフローメータ２の検出値Ｑａに基づき算出するが、ＴＰは他にもスロットル弁開度ＴＶＯ，機関回転速度ＮＥ等に基づいて検出することもできる。
【００２４】
ＫＭＲは、負荷，回転速度，機関温度等により定まる目標空燃比である。
ＣＯＥＦは、燃料の遅れ補正係数（壁流補正係数）であり、過渡時の燃料量を補正するものである。また、機関負荷や機関温度等に基づく燃料量の補正等、各種の補正を含めるようにしてもよい。
ＡＬＰＨは、空燃比センサ10により検出される空燃比に基づいて目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御するための補正係数である。
【００２５】
なお、リーン運転からストイキ運転へ移行するときに、前記ＫＭＲの値に、移行開始後所定期間（例えば、実験結果に基づいて、或いはリッチシフト量、ＨＣストレージ量の推定結果等に基づき設定することができる。また、一定期間としてもよい。）、前記リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）が加えられることで、最終的な燃料噴射量ＴＩが演算され、これによりリッチシフトが実行される。
【００２６】
前記リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）は、機関回転速度ＮＥと機関負荷ＴＰとにより区画されて設定すればよいので、本実施例のようにＡＶＥＮＥやＡＶＥＴＰを用いずに、単にＮＥとＴＰとに基づき設定された表データを用いて設定するようにしてもよい。ただし、本実施例のように、ＡＶＥＮＥやＡＶＥＴＰを用いれば、瞬間的（或いは一時的）なＴＰ，ＮＥの変化を吸収する（なます）ことができるので、例えばノイズ等があっても、高精度にリーン運転条件（状態）からストイキ運転条件（状態）への移行を検出することができると共に、リッチシフト量の算出精度を高精度化することができる。
【００２７】
また、リッチシフトを実行する場合に、空燃比センサ10の検出値に基づき設定される空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨを、リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）により補正するようにしても、本実施例と同様の効果が得られる。
このように、本実施例によれば、機関運転状態が、リーン運転状態からストイキ運転状態へ移行する際に、その移行前のリーン運転状態に基づいて、リーンＮＯｘ触媒12の活性状態における最適なリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を算出し、当該算出されたリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）に従いリッチシフトを行なわせるようにしたので、当該切り換え時におけるリーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ効果により発生するＨＣ不足を過不足なく補うことができるので、三元触媒13の排気浄化性能（ＮＯｘ，ＨＣの転換効率）を向上させることができ、以って排気有害成分の排出量を最大限低減することができる。
【００２８】
なお、運転状態切り換え時に、一律にリッチシフトする場合に比べ、運転状態切り換え前の運転状態に応じて、即ちＨＣストレージ量に応じて、リッチシフト量を可変設定するようにしたので、過不足なくＨＣを補給でき排気性能の向上の最適化を図れるのは勿論、リッチシフトによる燃費の悪化も最小に抑制することができる。
【００２９】
ところで、本実施例では、リッチシフトを、燃料噴射量を増量することで説明してきたが、機関吸入空気流量を減少させることで達成するようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載の発明によれば、機関制御状態が、リーン制御状態からストイキ制御状態へ切り換える際に、その切り換え前のリーン運転状態に基づいて、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ効果に対応した最適なリッチシフト量を算出し、当該算出したリッチシフト量に従い機関吸入混合気の空燃比をリッチシフトさせるようにしたので、当該制御状態の切り換え時に、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ効果により発生する三元触媒のＨＣ不足を補うことができるので、三元触媒のＮＯｘの転換効率を向上させることができ、以って排気有害成分の排出量を最大限低減することができる。
【００３１】
請求項２，請求項３に記載の発明によれば、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ量に大きく影響するリーン制御中の機関回転速度と機関負荷とをパラメータとして、リッチシフト量を算出するようにしたので、リッチシフト量の算出の高精度化を図ることができ、またＨＣストレージ量と、リーン制御中の機関回転速度，機関負荷と、の相関関係を満たすべく、機関回転速度，機関負荷が大きいほどリッチシフト量を大きく算出するようにしたので、リッチシフト量の算出精度をより向上させることができる。
【００３２】
請求項４に記載の発明によれば、リーン運転中の機関回転速度，機関負荷とを平均処理することで、瞬間的な機関回転速度，機関負荷の変化を吸収することができるので、例えばノイズ等が発生したとしても、リッチシフト量の算出精度を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載の発明に対応するブロック図。
【図２】本発明の一実施例に係る全体構成図
【図３】同上実施例の空燃比制御を説明するフローチャート
【図４】リッチシフト量と、機関回転速度，機関負荷との関係を説明する図
【符号の説明】
１内燃機関
２エアフローメータ
３クランク角センサ
５コントロールユニット
６燃料噴射弁
11 触媒コンテナ
12 リーンＮＯｘ触媒
13 三元触媒

Claims

排気中のＮＯｘを希薄空燃比雰囲気下で浄化処理するリーンＮＯｘ触媒と、当該リーンＮＯｘ触媒を通過した後の排気を理論空燃比近傍雰囲気下で浄化処理する三元触媒と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
機関吸入混合気の空燃比を希薄空燃比に制御するリーン制御から、機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比近傍に制御するストイキ制御へ切り換える際に、該切り換え前のリーン運転状態に基づいて、機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比よりも過濃側にシフトさせるリッチシフト量を算出するリッチシフト量算出手段と、
前記リーン制御から前記ストイキ制御への切り換え中に、前記リッチシフト量に基づいて、機関吸入混合気の空燃比をリッチシフトさせる空燃比制御手段と、
を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記リッチシフト算出手段が、少なくともリーン制御中の機関回転速度，機関負荷に基づいて、リッチシフト量を算出す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。
前記リッチシフト算出手段が、少なくともリーン制御中の機関回転速度，機関負荷が大きいほど、リッチシフト量を大きな値として算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記リーン制御中の機関回転速度，機関負荷が、平均処理した値であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。