JP3635711B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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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 +H2 O+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
【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 +H2 O+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 (4)
- 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。
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