JP3879342B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特にリーン運転においてエンジンから排出されるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを高効率に浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンにおいては燃費向上と排気低減が主要な課題である。近年、ポンプ損失を低減するために空燃比をリーンで運転し燃費向上を図るリーンバーンエンジンが主流になりつつある。一方、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘすべての排気成分を低減する手段としては、それぞれを無害な物質へと転換する三元触媒をエンジンの排気管に設置する排気システムが従来から用いられている。三元触媒内でＨＣ，ＣＯをＨ2Ｏ，ＣＯ2にＮＯｘをＮ2 にそれぞれ高効率に酸化還元するためには酸化剤であるＮＯｘと還元剤であるＨＣ，ＣＯの比が化学量論的にバランスがとれている状態すなわち理論空燃比であることが望ましい。リーンバーンエンジンにおいては空燃比を理論空燃比より希薄側で運転するため、排気中の酸素が過剰となり三元触媒内においてＮＯｘがＮ2 に還元されることなく排出される。この問題を解決するために、特開平8−4522 号では多気筒機関のうち一つの気筒をリッチ運転し、残りの気筒はリーン運転を行い、リッチ気筒の排気管にＮＯｘをＮＨ3 に転換する触媒（以下ＮＨ3 生成触媒と呼称）を備え、リッチ気筒とリーン気筒の集合部の下流に触媒（以下脱硝触媒と呼称）を備え、ＮＨ3 とリーン気筒からのＮＯｘを反応させ、Ｎ2 に転換する排気浄化システムが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この排気浄化システムでは脱硝触媒内のＮＨ3 とＮＯｘの量的バランスが崩れると、ＮＨ3あるいはＮＯｘが転換されず排気悪化の原因となる。特開平8−4522号においてはリッチ気筒とＮＨ3 生成触媒との間に酸素センサを配し、酸素センサの出力に基づいてリッチ気筒の空燃比を制御し、リッチ気筒の噴射量から所定の割合に減量した燃料量をリーン気筒に噴射することで脱硝触媒入口のＮＨ3 とＮＯｘの量的バランスを保つ方式を提案している。一方、この排気浄化システムではＮＨ3 生成触媒あるいは脱硝触媒の特性変化，運転条件あるいは外部環境の変化による排気成分比の変化、さらには酸素センサの特性変化を原因として、脱硝触媒入口のＮＨ3 とＮＯｘの量的バランスが崩れることが考えられる。しかしながらこの方式ではリッチ気筒，リーン気筒の空燃比を予め定められた割合に従って制御するだけであり、上記原因による脱硝触媒下流の排気悪化に対応することは困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、多気筒で構成されるエンジンを有する内燃機関の排気浄化装置であって、
少なくとも一つの気筒は空燃比をリッチに運転する手段と、
残りの気筒は空燃比をリーンに運転する手段と、
該リッチ気筒からの排気をＮＨ3 に転換する触媒と、
該残りのリーン気筒からのＮＯｘと前記ＮＨ3 に転換する触媒からのＮＨ3 とからＮ2 を生成する触媒と、
前記Ｎ2 を生成する触媒の下流に排気成分を検出するセンサと、
該センサ出力値に基づいて前記エンジンの運転状態を、前記リッチ運転をする気筒と前記リーン運転をする気筒とを独立して制御する手段と、
前記Ｎ 2 を生成する触媒の上流もしくは下流に三元触媒もしくは酸化触媒もしくは NOx を吸着あるいは吸蔵する触媒を備えると共に
前記三元触媒を前記Ｎ 2 を生成する触媒の上流に配し、リーン運転時は前記センサの出力が所定範囲内になるようにエンジンのリッチ気筒の空燃比を制御し、理論空燃比運転時は前記センサの出力が所定範囲内になるようにエンジンの全気筒の空燃比を制御する手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置により解決される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１３は本発明の一実施例を示すシステム図である。４気筒で構成されるエンジン１３において、１番気筒３５，２番気筒３６，３番気筒３７はリーン運転許可時リーン運転を行う。４番気筒３８はリーン運転許可時リッチ運転を行う。リーン運転不許可時は全気筒の空燃比を理論空燃比で運転を行う。外部からの空気はエアクリーナ１４を通過し、吸気マニホールド１５を経て各気筒の燃焼室内に流入する。リーン燃焼を行う気筒の流入空気量は電子スロットル１６により調節され、リッチ燃焼を行う気筒の流入空気量は電子スロットル１７により調節される。エアフロセンサ１８では流入空気量が検出される。クランク角センサ１９では、クランク軸の回転角１度毎に信号が出力される。水温センサ２０はエンジンの冷却水温度を検出する。エアフロセンサ１４，電子スロットル１６，１７に取り付けられた開度センサ２１，２２，クランク角センサ１９，水温センサ２０それぞれの信号はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２３に送られ、これらセンサ出力からエンジンの運転状態を得て、空気量，燃料噴射量，点火時期の主要な操作量が最適に演算される。エンジンコントロールユニット２３内で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、気筒毎の燃焼室内に設置された燃料噴射弁２４〜２７に送られる。またコントロールユニット２３で演算された点火時期に基づいて駆動信号が点火プラグ２８〜３１に送られる。燃焼室内は図１４に表す。燃焼室内に噴射された燃料は吸気マニホールド１５からの空気と混合気を形成する。混合気は点火プラグ２８〜３１で発生される火花により爆発し、その際発生するエネルギーがエンジンの動力源となる。１番気筒から３番気筒の排気は排気マニホールド３９に排出される。４番気筒の排気は排気マニホールド４０に排出される。排気マニホールド４０にはＮＨ3 生成触媒３２が取り付けられている。１番気筒から３番気筒までの排気管と４番気筒の排気管はＮＨ3 生成触媒３２の下流で合流し、その下流には脱硝触媒３３が取り付けられている。脱硝触媒３３の下流にはＮＯｘセンサ３４が取り付けられている。リーン運転許可時は１番気筒から３番気筒まではリーン運転を行い、４番気筒はリッチ運転を行う。ＮＨ3 生成触媒から生成されるＮＨ3 とリーン気筒から排出されるＮＯｘは脱硝触媒３３にてＮ2 に転換される。例えば、ＮＨ3 の量がＮＯｘをＮ2 に転換するに十分でない場合は、ＮＯｘが脱硝触媒３３にて転換されずに排出されるので、排出ＮＯｘはＮＯｘセンサ３４で検出されることになる。ＮＯｘセンサ３４の信号はコントロールユニット２３に入力され、その値に基づいてコントロールユニット内で後述の排気最適制御の操作量演算が行われる。
【０００６】
図１６はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２３の内部を示したものである。ＥＣＵ２３内にはＮＯｘセンサ，電子スロットル開度センサ，エアフロセンサ，エンジン回転数センサ，水温センサの各センサ出力値が入力され、入力回路４１にて雑音除去等の信号処理を行った後、入出力ポート４２に送られる。入力ポートの値はＲＡＭ４３に保管され、ＣＰＵ４４内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ４５に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ作動量を表す値はＲＡＭ４３に保管された後、出力ポートに送られる。電子スロットル１６，電子スロットル１７の各目標開度に基づいた信号が入出力ポート４２から駆動回路４８，駆動回路４９に送られ、電子スロットル内のモータを駆動するための電流が制御される。点火プラグの作動信号は点火出力回路内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時である。出力ポートにセットされた点火プラグ用の信号は点火信号出力回路４６で燃焼に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグに供給される。また燃料噴射弁の駆動信号は開弁時ＯＮ，閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路４７で燃料噴射弁を開くに十分なエネルギーに増幅され燃料噴射弁に送られる。燃料噴射量はエアフロセンサ１８およびエンジン回転数センサ１９の各出力値から例えば下式で示されるような１気筒あたりの基本燃料噴射量を演算する。
【０００７】
ＴＩｎ＝ＴＰＨＩｎ・Ｋ・（ＱＡｎ／Ｎ）
ここに
ＴＩｎ：ｎ番気筒の基本燃料噴射量
Ｋ：燃料噴射量調整係数
ＴＰＨＩｎ：ｎ番気筒の目標当量比
ＱＡｎ：ｎ番気筒に流入する空気量
Ｎ：回転数
であり、燃料噴射量調整係数Ｋは理論空燃比を実現するＴＩｎとなるよう燃料噴射弁の特性等を考慮して与える。したがって目標当量比ＴＰＨＩｎ＝１のとき、ｎ番気筒の空燃比は理論空燃比で運転される。このＴＰＨＩｎの具体的な演算方法を以下に示す。図１６は各気筒の燃料噴射量および電子スロットル開度の制御ブロック図である。以下に各ブロックの処理内容を説明する。
【０００８】
（１）標準空気量演算部（図１７）
本制御においては目標トルクと目標空燃比を実現する各気筒の空気量を制御し、その空気量に基づいて燃料量を制御する構成とする。標準空気量演算部ではアクセル開度と回転数から理論空燃比下で目標トルクを実現する１気筒当たりの空気量を演算する。具体的には図１７に示されるように、エンジンの性能に基づいて、予めＲＯＭ上のマップに設定しておくのがよい。ここにＡＰＯ，ＮＤＡＴＡ，ＴＰＳＴＤはそれぞれアクセル開度，回転数，標準空気量を表す。
【０００９】
（２）＃１〜＃３目標当量比演算部（図１８）
＃１〜＃３目標当量比演算部では、リーン燃焼を行う１，２，３番気筒の目標当量比を演算する。具体的にはＡＰＯとＮＤＡＴＡで決められる運転領域毎に最適な当量比を予めＲＯＭ上にマップに設定しておきオンライン参照して得るものとする。ここにＴＰＨＩ＿Ａは該目標当量比を表す。最適な当量比は燃焼の安定性，燃費，排気等から決定するのがよい。
【００１０】
（３）＃４目標当量比演算部（図１９）
＃４目標当量比演算部では、リッチ燃焼を行う４番気筒の目標当量比を演算する。具体的にはＡＰＯとＮＤＡＴＡで決められる運転領域毎に最適な当量比と予めＲＯＭ上のマップに設定しておきオンライン参照して得るものとする。ここのＴＰＨＩ＿Ｂは該最適当量比を表す。最適な当量比は、リーン気筒から排出されるＮＯｘとのマスバランスによって決められる。排気システムの特性変化による最適空燃比の変化は後述の排気最適化補正係数で補正する。
【００１１】
（４）＃１〜＃３目標空気量演算部（図２０）
ここでは１，２，３番気筒の目標空気量を演算する。具体的には標準空気量ＴＰＳＴＤに該気筒の目標酸素過剰率１／ＴＰＨＩ＿Ａを乗じて得るものとする。ここにＴＴＰ＿Ａは該目標空気量とする。
【００１２】
（５）＃４目標空気量演算部（図２１）
ここでは４番気筒の目標空気量を演算する。具体的には標準空気量ＴＰＳＴＤに該気筒の目標酸素過剰率１／ＴＰＨＩ＿Ｂを乗じて得るものとする。ここにＴＴＰ＿Ｂは該目標空気量とする。
【００１３】
（６）＃１〜＃３目標スロットル開度演算部（図２２）
ここでは１，２，３番気筒の空気量を調節する電子スロットル１６の目標開度を演算する。具体的には目標空気量ＴＴＰ＿Ａと回転数ＮＤＡＴＡからマップ参照して得るものとする。ここにＴＴＶＯ＿Ａは該目標スロットル開度である。マップ値は予めスロットル１６およびエンジンの仕様から決めるのがよい。
【００１４】
（７）＃４目標スロットル開度演算部（図２３）
ここでは４番気筒の空気量を調節する電子スロットル１７の目標開度を演算する。具体的には目標空気量ＴＴＰ＿Ｂと回転数ＮＤＡＴＡからマップ参照して得るものとする。ここにＴＴＶＯ＿Ｂは該目標スロットル開度である。マップ値は予めスロットル１７およびエンジンの仕様から決めるのがよい。
【００１５】
（８）＃１〜＃３スロットル制御部（図２４）
ここではスロットル１６の開度を制御する。目標開度ＴＴＶＯ＿Ａに開度センサ出力２１から得られる実開度ＴＶＯ＿Ａを高応答に精度良く制御する手法はいくつか知られているが、ここではＰＩＤ制御を用いるものとする。ＰＩＤ制御以外の手法用いることも可能である。
【００１６】
（９）＃４スロットル制御部（図２５）
ここではスロットル１７の開度を制御する。目標開度ＴＴＶＯ＿Ｂに開度センサ出力２２から得られる実開度ＴＶＯ＿Ｂに制御する手法としては同様にＰＩＤ制御とする。
【００１７】
（１０）実空気量演算部（図２６）
ここではエンジンに流入する空気量を演算する。具体的にはエアフロセンサ１４の出力を変換して実空気量を得るものとする。変換にはエアフロセンサ出力特性を設定したＲＯＭ上のテーブルを用いるものとする。ここにＱＡは実空気量を表す。
【００１８】
（１１）＃１〜＃３空気量演算部（図２７）
ここでは１番気筒，２番気筒および３番気筒へ流入する総空気量を演算する。具体的には実空気量ＱＡと目標当量比ＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂから空気分配比にしたがって演算するものとする。演算式は図１７に示す。ここにＱＡ＿Ａは該空気量を表す。
【００１９】
（１２）＃４空気量演算部（図２８）
ここでは４番気筒へ流入する空気量を演算する。具体的には実空気量ＱＡからＱＡ＿Ａを引いた値とする。ここにＱＡ＿Ｂは該空気量を表す。
【００２０】
（１３）＃１〜＃３燃料噴射量演算部（図２９）
ここでは１，２，３番気筒の燃料噴射量を演算する。具体的な式は図２９に示す。ここにＴＩ１〜ＴＩ３は該気筒の燃料噴射量を表す。またＫはＴＰＨＩ＿Ａ＝１のとき、理論空燃比相当の燃料を噴射するように調節される値で、燃料噴射弁２４〜２７の特性に基づいて決められる。
【００２１】
（１４）＃４燃料噴射量演算部（図３０）
ここでは１番気筒の燃料噴射量を演算する。具体的な式は図３０に示す。ここにＴＩ４は該気筒の燃料噴射量を表す。ＰＨＩＨＯＳは次に説明する排気最適化補正係数である。
【００２２】
（１５）排気最適化補正係数演算部（図３１）
ここでは脱硝触媒３３下流のＮＯｘセンサ３４の出力に基づいて排気最適化補正係数の演算を行う。ここに
ＮＯＸＯＵＴ：ＮＯｘセンサ３４の出力。
【００２３】
ＮＯＸＮＧ：ＮＯｘ悪化を判定するしきい値。
【００２４】
ＲＨＯＳ：リッチシフト割合。
【００２５】
ＰＨＩＨＯＳ：排気最適化補正係数。
【００２６】
を表す。脱硝触媒３３の下流のＮＯｘ量はＮＯＸＮＧ以下の値となるよう目標当量比ＴＰＨＩ＿Ｂを設定するが、何らかの理由で排気システムに特性変化が発生したとき以下の方法で排気を抑制する。脱硝触媒３３の下流のＮＯｘ量であるＮＯＸＯＵＴがＮＯＸＮＧより大きくなったとき、ＮＨ3 生成触媒からのＮＨ3 量を増加させるべく４番気筒の空燃比をリッチにする。具体的にはＲＨＯＳで定められる所定割合でＰＨＩＨＯＳを増加させる。ＰＨＩＨＯＳは図３０に示されるように４番気筒の燃料噴射量に乗じられる。ＮＯＸＯＵＴ＜ＮＯＸＮＧになればリッチシフトを停止し、ＰＨＩＨＯＳはその値を維持する。過剰なリッチシフトを防止するためにＰＨＩＨＯＳにはリミッタを設けるものとする。ＮＯＸＮＧは経験的に決めるのがよい。
【００２７】
（実施例２）
本実施例では実施例１のシステムにおいて４番気筒の排気管にリニア空燃比センサ５２を追加した場合のシステムについて説明する。具体的には図３２の示すとおりである。図３３は制御ブロック図である。基本的な構成は実施例１と同じであるが、排気最適化補正係数演算部は図３４に示すとおりである。ここに
ＮＯＸＯＵＴ：ＮＯｘセンサ３４の出力。
【００２８】
ＮＯＸＮＧ：ＮＯｘ悪化を判定するしきい値。
【００２９】
ＲＨＯＳ：リッチシフト割合。
【００３０】
ＰＨＩＨＯＳ０：排気最適化目標当量比補正係数。
【００３１】
ＴＰＨＩ＿Ｂ：目標当量比。
【００３２】
ＴＰＨＩＨＯＳ＿Ｂ：補正後目標当量比。
【００３３】
ＡＦＯＵＴ：Ａ／Ｆセンサ５２出力。
【００３４】
ＲＰＨＩ：実当量比。ＡＦＯＵＴから変換して得る。
【００３５】
ＰＨＩＨＯＳ：空燃比Ｆ／Ｂ補正係数。
【００３６】
である。
【００３７】
通常時すなわちＮＯＸＯＵＴ≦ＮＯＸＮＧの時、ＰＨＩＨＯＳは４番気筒の当量比はＡ／Ｆセンサ５２の出力に基づいてＴＰＨＩ＿Ｂとなるように制御される。ＮＯＸＯＵＴ＞ＮＯＸＮＧすなわち脱硝触媒３３の下流ＮＯｘが悪化したときは４番気筒の空燃比をリッチにすべく、４番気筒の目標当量比ＴＰＨＩ＿Ｂをリッチ側に変化させるＰＨＩＨＯＳ０をＲＨＯＳの割合で増加させる。
【００３８】
また、本実施例では空気量の演算を実施例１の手法を踏襲したが、Ａ／Ｆセンサ出力値と４番気筒燃料噴射量から４番気筒空気量を高精度演算することも可能であることを付言しておく。
【００３９】
（実施例３）
本実施例では実施例２のシステムにおいて脱硝触媒の上流に三元触媒を設置した場合のリーン制御および理論空燃比制御について説明する。実施例１，２では、リーン運転のみについて説明したが、実際には領域によっては理論空燃比で運転することが考えられる。本実施例では理論空燃比運転時における排気最適制御について述べる。図３５は本実施例におけるシステム図である。脱硝触媒３３の上流に三元触媒５３を取り付ける。図３６は本実施例における制御ブロック図である。基本的な構成は実施例１と同じであるが、排気最適化係数を全気筒に反映させる構成となっている。ＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂの値は理論空燃比相当値とする。前述したように全気筒ストイキ運転時、ＮＯｘセンサ３４出力と理論空燃比との関係は図１０のようになる。これは図９に示される三元触媒の浄化特性によるものである。このことからセンサ出力に基づいて、図１０に示される制御範囲となるようエンジンの空燃比を制御すれば、排気は最適化される。具体的には図３１に示されるブロック図で可能となる。すなわち空燃比が理論空燃比がリーン側へシフトしたときはＮＯｘが増加するのでＮＯｘセンサ３４で検出される。このとき全気筒の空燃比をリッチシフトすべくＰＨＩＨＯＳをＲＯＨＯＳの割合で増加させる。ただし、過剰なリッチシフトを防ぐべくＰＨＩＨＯＳにはリミッタを設ける。
【００４０】
またＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂの値を理論空燃比よりややリーン側へ設定することでリッチ側へ理論空燃比制御する方式あるいはＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂの値を理論空燃比よりややリッチ側へ設定することでリーン側へ理論空燃比制御する方式も考えられることを付言しておく。
以上のように、本発明では脱硝触媒下流の排気を確実に低減し得る排気浄化システムを提案するものである。具体的には請求項１においては図１に示すように脱硝触媒２の下流に排気成分を検出する排気センサ３を少なくとも一つ配し、センサ３の出力値に基づいて制御装置４でエンジン運転状態をＦ／Ｂ制御し、脱硝触媒２下流の排気を常時最適にする排気制御システムである。本システムでは脱硝触媒下流の排気成分が最適となるようにエンジン運転状態をＦ／Ｂ制御するので、前述した種々の排気制御システムの特性変化に対応し、常時脱硝触媒下流の排気を最適化することが可能となる。たとえば、請求項２では脱硝触媒下流にＮＯｘセンサを備えることで、ＮＯｘ排出量を検出しＮＯｘ排出量が最小となるようエンジンの運転状態をＦ／Ｂ制御する排気制御システムが考えられる。この場合、請求項３，請求項４に記載のようにエンジンの運転状態としてリッチ気筒の空燃比，点火時期あるいはリーン気筒の空燃比，点火時期等を制御対象とすることが考えられる。より詳細には脱硝触媒下流のＮＯｘが多量に検出された時は、ＮＨ 3 生成触媒からのＮＨ 3 を増加させるべくリッチ気筒の空燃比をよりリッチに制御するシステムが考えられる。図３では操作量を燃料噴射量とした排気制御システムの構成を表している。図４では操作量を空気量とした排気制御システムの構成を表しており、リーン気筒とリッチ気筒間のトルク段差を避けるため、空気量は独立に制御するようリッチ気筒用とリーン気筒用と独立に空気量制御バルブを備える構成となる。また、請求項５においては図２のようにリッチ気筒の排気管に空燃比センサ９を配し、脱硝触媒下流排気センサ３の出力値とでエンジンの運転状態を制御する。例えば、図５に示すように通常はセンサ９の出力値に基づいてリッチ気筒の空燃比をＦ／Ｂ制御するが、排気センサ３から脱硝触媒下流の排気が悪化したことが検出された場合は、Ｆ／Ｂ制御に関するパラメータを変化させ、脱硝触媒下流の排気の最適化を図る。パラメータとしては、たとえばリッチ気筒の空燃比Ｆ／Ｂ制御の目標空燃比等が考えられ、脱硝触媒下流のＮＯｘが増加したときはリッチ気筒の目標空燃比をリッチにする等が考えられる。センサ９としては図１１，図１２に示される特性を持つＯ 2 センサ、Ａ／Ｆセンサが考えられる。図５では操作量を燃料噴射量としているが図６のようにリッチ気筒の空気量としてもよい。請求項６においては、ＨＣ，ＣＯを酸化するために、脱硝触媒の上流もしくは下流に三元触媒もしくは酸化触媒もしくはＮＯｘ触媒を備えることでより排気を低減する排気制御システムを提案している。特に脱硝触媒の上流に三元触媒を備える構成においては、エンジンの全気筒をストイキ運転する場合、脱硝触媒下流のセンサで理論空燃比制御が可能である。すなわち、脱硝触媒下流にＮＯｘセンサを取り付けた構成では、全気筒ストイキ運転時、センサ出力と理論空燃比との関係は図１０のようになる。これは図９に示される三元触媒の浄化特性によるものである。このことからセンサ出力に基づいて、図１０に示される制御範囲となるようエンジンの空燃比を制御すれば、排気は最適化される。脱硝触媒下流センサは図１１，図１２に示される特性を持つＯ 2 センサ，Ａ／Ｆセンサとしても同様の効果が得られるものである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば脱硝触媒下流のセンサ出力値に基づいてエンジンの運転状態を制御するので、排気制御システムの特性変化に対応し、常時脱硝触媒下流の排気を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な構成を表した図である。
【図２】本発明の構成においてリッチ気筒の排気管に排気センサを取り付けた場合のシステム図である。
【図３】本発明の構成において燃料噴射弁を用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図４】本発明の構成において電子スロットルを用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図５】本発明の構成においてリッチ気筒の排気管に排気センサを取り付け、燃料噴射弁を用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図６】本発明の構成においてリッチ気筒の排気管に排気センサを取り付け、電子スロットルを用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図７】本発明において触媒２の下流に酸化触媒，三元触媒，ＮＯｘ触媒を具備した場合のシステム図である。
【図８】本発明において触媒２の上流に酸化触媒，三元触媒，ＮＯｘ触媒を具備した場合のシステム図である。
【図９】三元触媒の特性を表した図である。
【図１０】ＮＯｘセンサの特性を表した図である。
【図１１】Ｏ2 センサの特性を表した図である。
【図１２】Ａ／Ｆセンサの特性を表した図である。
【図１３】実施例１におけるシステム図である。
【図１４】実施例１における気筒内部を表した図である。
【図１５】実施例１におけるＥＣＵ２３の内部処理を表した図である。
【図１６】実施例１におけるエンジン制御方法を表したブロック図である。
【図１７】実施例１における標準空気量演算部のブロック図である。
【図１８】実施例１における＃１〜＃３目標当量比演算部を示す図。
【図１９】実施例１における＃４目標当量比演算部を示す図。
【図２０】実施例１における＃１〜＃３目標空気量演算部を示す図。
【図２１】実施例１における＃４目標空気量演算部を示す図。
【図２２】実施例１における＃１〜＃３目標スロットル開度演算部を示す図。
【図２３】実施例１における＃４目標スロットル開度演算部を示す図。
【図２４】実施例１における＃１〜＃３スロットル制御部を示す図。
【図２５】実施例１における＃４スロットル制御部を示す図。
【図２６】実施例１における実空気量演算部を示す図。
【図２７】実施例１における＃１〜＃３空気量演算部を示す図。
【図２８】実施例１における＃４空気量演算部を示す図。
【図２９】実施例１における＃１〜＃３燃料噴射量演算部を示す図。
【図３０】実施例１における＃４燃料噴射量演算部を示す図。
【図３１】実施例１における排気最適化補正係数演算部を示す図。
【図３２】実施例２におけるシステム図である。
【図３３】実施例２におけるエンジン制御方法を表したブロック図である。
【図３４】実施例２における排気最適化補正係数演算部を示す図。
【図３５】実施例３におけるシステム図である。
【図３６】実施例３におけるエンジン制御方法を表したブロック図である。
【符号の説明】
１…ＮＨ3 を生成する触媒、２…ＮＨ3 とＮＯｘをＮ2 に転換する触媒、３…触媒２の下流の排気成分を検出する排気センサ、４…エンジンの運転状態を制御する装置、５，１３…エンジン、６…燃料噴射弁、７，８，１６，１７…電子スロットル、９…触媒１の上流の排気成分を検出する排気センサ、１０…リッチ気筒空燃比Ｆ／Ｂ制御装置、１１…リッチ気筒目標空燃比調節装置、１２…三元触媒もしくは酸化触媒もしくはＮＯｘ触媒、１４…エアクリーナ、１５…吸気マニホールド、１８…エアフロセンサ、１９…クランク角センサ、２０…水温センサ、２１，２２…開度センサ、２３…エンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)、２４…１番気筒燃料噴射弁、２５…２番気筒燃料噴射弁、２６…３番気筒燃料噴射弁、２７…４番気筒燃料噴射弁、２８…１番気筒点火プラグ、２９…２番気筒点火プラグ、３０…３番気筒点火プラグ、３１…４番気筒点火プラグ、３２…ＮＨ3 生成触媒、３３…脱硝触媒、３４…ＮＯｘセンサ、３５…１番気筒、３６…２番気筒、３７…３番気筒、３８…４番気筒、３９，４０…排気マニホールド、４１…アクセルペダル、４２…アクセル開度センサ、４３…入力回路、４４…入出力ポート、４５…ＲＡＭ、４６…ＣＰＵ、４７…ＲＯＭ、４８…点火信号出力回路、４９…燃料噴射弁駆動回路、５０，５１…電子スロットル駆動回路、５２…Ａ／Ｆセンサ、５３…三元触媒。
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特にリーン運転においてエンジンから排出されるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを高効率に浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンにおいては燃費向上と排気低減が主要な課題である。近年、ポンプ損失を低減するために空燃比をリーンで運転し燃費向上を図るリーンバーンエンジンが主流になりつつある。一方、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘすべての排気成分を低減する手段としては、それぞれを無害な物質へと転換する三元触媒をエンジンの排気管に設置する排気システムが従来から用いられている。三元触媒内でＨＣ，ＣＯをＨ2Ｏ，ＣＯ2にＮＯｘをＮ2 にそれぞれ高効率に酸化還元するためには酸化剤であるＮＯｘと還元剤であるＨＣ，ＣＯの比が化学量論的にバランスがとれている状態すなわち理論空燃比であることが望ましい。リーンバーンエンジンにおいては空燃比を理論空燃比より希薄側で運転するため、排気中の酸素が過剰となり三元触媒内においてＮＯｘがＮ2 に還元されることなく排出される。この問題を解決するために、特開平8−4522 号では多気筒機関のうち一つの気筒をリッチ運転し、残りの気筒はリーン運転を行い、リッチ気筒の排気管にＮＯｘをＮＨ3 に転換する触媒（以下ＮＨ3 生成触媒と呼称）を備え、リッチ気筒とリーン気筒の集合部の下流に触媒（以下脱硝触媒と呼称）を備え、ＮＨ3 とリーン気筒からのＮＯｘを反応させ、Ｎ2 に転換する排気浄化システムが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この排気浄化システムでは脱硝触媒内のＮＨ3 とＮＯｘの量的バランスが崩れると、ＮＨ3あるいはＮＯｘが転換されず排気悪化の原因となる。特開平8−4522号においてはリッチ気筒とＮＨ3 生成触媒との間に酸素センサを配し、酸素センサの出力に基づいてリッチ気筒の空燃比を制御し、リッチ気筒の噴射量から所定の割合に減量した燃料量をリーン気筒に噴射することで脱硝触媒入口のＮＨ3 とＮＯｘの量的バランスを保つ方式を提案している。一方、この排気浄化システムではＮＨ3 生成触媒あるいは脱硝触媒の特性変化，運転条件あるいは外部環境の変化による排気成分比の変化、さらには酸素センサの特性変化を原因として、脱硝触媒入口のＮＨ3 とＮＯｘの量的バランスが崩れることが考えられる。しかしながらこの方式ではリッチ気筒，リーン気筒の空燃比を予め定められた割合に従って制御するだけであり、上記原因による脱硝触媒下流の排気悪化に対応することは困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、多気筒で構成されるエンジンを有する内燃機関の排気浄化装置であって、
少なくとも一つの気筒は空燃比をリッチに運転する手段と、
残りの気筒は空燃比をリーンに運転する手段と、
該リッチ気筒からの排気をＮＨ3 に転換する触媒と、
該残りのリーン気筒からのＮＯｘと前記ＮＨ3 に転換する触媒からのＮＨ3 とからＮ2 を生成する触媒と、
前記Ｎ2 を生成する触媒の下流に排気成分を検出するセンサと、
該センサ出力値に基づいて前記エンジンの運転状態を、前記リッチ運転をする気筒と前記リーン運転をする気筒とを独立して制御する手段と、
前記Ｎ 2 を生成する触媒の上流もしくは下流に三元触媒もしくは酸化触媒もしくは NOx を吸着あるいは吸蔵する触媒を備えると共に
前記三元触媒を前記Ｎ 2 を生成する触媒の上流に配し、リーン運転時は前記センサの出力が所定範囲内になるようにエンジンのリッチ気筒の空燃比を制御し、理論空燃比運転時は前記センサの出力が所定範囲内になるようにエンジンの全気筒の空燃比を制御する手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置により解決される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１３は本発明の一実施例を示すシステム図である。４気筒で構成されるエンジン１３において、１番気筒３５，２番気筒３６，３番気筒３７はリーン運転許可時リーン運転を行う。４番気筒３８はリーン運転許可時リッチ運転を行う。リーン運転不許可時は全気筒の空燃比を理論空燃比で運転を行う。外部からの空気はエアクリーナ１４を通過し、吸気マニホールド１５を経て各気筒の燃焼室内に流入する。リーン燃焼を行う気筒の流入空気量は電子スロットル１６により調節され、リッチ燃焼を行う気筒の流入空気量は電子スロットル１７により調節される。エアフロセンサ１８では流入空気量が検出される。クランク角センサ１９では、クランク軸の回転角１度毎に信号が出力される。水温センサ２０はエンジンの冷却水温度を検出する。エアフロセンサ１４，電子スロットル１６，１７に取り付けられた開度センサ２１，２２，クランク角センサ１９，水温センサ２０それぞれの信号はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２３に送られ、これらセンサ出力からエンジンの運転状態を得て、空気量，燃料噴射量，点火時期の主要な操作量が最適に演算される。エンジンコントロールユニット２３内で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、気筒毎の燃焼室内に設置された燃料噴射弁２４〜２７に送られる。またコントロールユニット２３で演算された点火時期に基づいて駆動信号が点火プラグ２８〜３１に送られる。燃焼室内は図１４に表す。燃焼室内に噴射された燃料は吸気マニホールド１５からの空気と混合気を形成する。混合気は点火プラグ２８〜３１で発生される火花により爆発し、その際発生するエネルギーがエンジンの動力源となる。１番気筒から３番気筒の排気は排気マニホールド３９に排出される。４番気筒の排気は排気マニホールド４０に排出される。排気マニホールド４０にはＮＨ3 生成触媒３２が取り付けられている。１番気筒から３番気筒までの排気管と４番気筒の排気管はＮＨ3 生成触媒３２の下流で合流し、その下流には脱硝触媒３３が取り付けられている。脱硝触媒３３の下流にはＮＯｘセンサ３４が取り付けられている。リーン運転許可時は１番気筒から３番気筒まではリーン運転を行い、４番気筒はリッチ運転を行う。ＮＨ3 生成触媒から生成されるＮＨ3 とリーン気筒から排出されるＮＯｘは脱硝触媒３３にてＮ2 に転換される。例えば、ＮＨ3 の量がＮＯｘをＮ2 に転換するに十分でない場合は、ＮＯｘが脱硝触媒３３にて転換されずに排出されるので、排出ＮＯｘはＮＯｘセンサ３４で検出されることになる。ＮＯｘセンサ３４の信号はコントロールユニット２３に入力され、その値に基づいてコントロールユニット内で後述の排気最適制御の操作量演算が行われる。
【０００６】
図１６はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２３の内部を示したものである。ＥＣＵ２３内にはＮＯｘセンサ，電子スロットル開度センサ，エアフロセンサ，エンジン回転数センサ，水温センサの各センサ出力値が入力され、入力回路４１にて雑音除去等の信号処理を行った後、入出力ポート４２に送られる。入力ポートの値はＲＡＭ４３に保管され、ＣＰＵ４４内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ４５に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ作動量を表す値はＲＡＭ４３に保管された後、出力ポートに送られる。電子スロットル１６，電子スロットル１７の各目標開度に基づいた信号が入出力ポート４２から駆動回路４８，駆動回路４９に送られ、電子スロットル内のモータを駆動するための電流が制御される。点火プラグの作動信号は点火出力回路内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時である。出力ポートにセットされた点火プラグ用の信号は点火信号出力回路４６で燃焼に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグに供給される。また燃料噴射弁の駆動信号は開弁時ＯＮ，閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路４７で燃料噴射弁を開くに十分なエネルギーに増幅され燃料噴射弁に送られる。燃料噴射量はエアフロセンサ１８およびエンジン回転数センサ１９の各出力値から例えば下式で示されるような１気筒あたりの基本燃料噴射量を演算する。
【０００７】
ＴＩｎ＝ＴＰＨＩｎ・Ｋ・（ＱＡｎ／Ｎ）
ここに
ＴＩｎ：ｎ番気筒の基本燃料噴射量
Ｋ：燃料噴射量調整係数
ＴＰＨＩｎ：ｎ番気筒の目標当量比
ＱＡｎ：ｎ番気筒に流入する空気量
Ｎ：回転数
であり、燃料噴射量調整係数Ｋは理論空燃比を実現するＴＩｎとなるよう燃料噴射弁の特性等を考慮して与える。したがって目標当量比ＴＰＨＩｎ＝１のとき、ｎ番気筒の空燃比は理論空燃比で運転される。このＴＰＨＩｎの具体的な演算方法を以下に示す。図１６は各気筒の燃料噴射量および電子スロットル開度の制御ブロック図である。以下に各ブロックの処理内容を説明する。
【０００８】
（１）標準空気量演算部（図１７）
本制御においては目標トルクと目標空燃比を実現する各気筒の空気量を制御し、その空気量に基づいて燃料量を制御する構成とする。標準空気量演算部ではアクセル開度と回転数から理論空燃比下で目標トルクを実現する１気筒当たりの空気量を演算する。具体的には図１７に示されるように、エンジンの性能に基づいて、予めＲＯＭ上のマップに設定しておくのがよい。ここにＡＰＯ，ＮＤＡＴＡ，ＴＰＳＴＤはそれぞれアクセル開度，回転数，標準空気量を表す。
【０００９】
（２）＃１〜＃３目標当量比演算部（図１８）
＃１〜＃３目標当量比演算部では、リーン燃焼を行う１，２，３番気筒の目標当量比を演算する。具体的にはＡＰＯとＮＤＡＴＡで決められる運転領域毎に最適な当量比を予めＲＯＭ上にマップに設定しておきオンライン参照して得るものとする。ここにＴＰＨＩ＿Ａは該目標当量比を表す。最適な当量比は燃焼の安定性，燃費，排気等から決定するのがよい。
【００１０】
（３）＃４目標当量比演算部（図１９）
＃４目標当量比演算部では、リッチ燃焼を行う４番気筒の目標当量比を演算する。具体的にはＡＰＯとＮＤＡＴＡで決められる運転領域毎に最適な当量比と予めＲＯＭ上のマップに設定しておきオンライン参照して得るものとする。ここのＴＰＨＩ＿Ｂは該最適当量比を表す。最適な当量比は、リーン気筒から排出されるＮＯｘとのマスバランスによって決められる。排気システムの特性変化による最適空燃比の変化は後述の排気最適化補正係数で補正する。
【００１１】
（４）＃１〜＃３目標空気量演算部（図２０）
ここでは１，２，３番気筒の目標空気量を演算する。具体的には標準空気量ＴＰＳＴＤに該気筒の目標酸素過剰率１／ＴＰＨＩ＿Ａを乗じて得るものとする。ここにＴＴＰ＿Ａは該目標空気量とする。
【００１２】
（５）＃４目標空気量演算部（図２１）
ここでは４番気筒の目標空気量を演算する。具体的には標準空気量ＴＰＳＴＤに該気筒の目標酸素過剰率１／ＴＰＨＩ＿Ｂを乗じて得るものとする。ここにＴＴＰ＿Ｂは該目標空気量とする。
【００１３】
（６）＃１〜＃３目標スロットル開度演算部（図２２）
ここでは１，２，３番気筒の空気量を調節する電子スロットル１６の目標開度を演算する。具体的には目標空気量ＴＴＰ＿Ａと回転数ＮＤＡＴＡからマップ参照して得るものとする。ここにＴＴＶＯ＿Ａは該目標スロットル開度である。マップ値は予めスロットル１６およびエンジンの仕様から決めるのがよい。
【００１４】
（７）＃４目標スロットル開度演算部（図２３）
ここでは４番気筒の空気量を調節する電子スロットル１７の目標開度を演算する。具体的には目標空気量ＴＴＰ＿Ｂと回転数ＮＤＡＴＡからマップ参照して得るものとする。ここにＴＴＶＯ＿Ｂは該目標スロットル開度である。マップ値は予めスロットル１７およびエンジンの仕様から決めるのがよい。
【００１５】
（８）＃１〜＃３スロットル制御部（図２４）
ここではスロットル１６の開度を制御する。目標開度ＴＴＶＯ＿Ａに開度センサ出力２１から得られる実開度ＴＶＯ＿Ａを高応答に精度良く制御する手法はいくつか知られているが、ここではＰＩＤ制御を用いるものとする。ＰＩＤ制御以外の手法用いることも可能である。
【００１６】
（９）＃４スロットル制御部（図２５）
ここではスロットル１７の開度を制御する。目標開度ＴＴＶＯ＿Ｂに開度センサ出力２２から得られる実開度ＴＶＯ＿Ｂに制御する手法としては同様にＰＩＤ制御とする。
【００１７】
（１０）実空気量演算部（図２６）
ここではエンジンに流入する空気量を演算する。具体的にはエアフロセンサ１４の出力を変換して実空気量を得るものとする。変換にはエアフロセンサ出力特性を設定したＲＯＭ上のテーブルを用いるものとする。ここにＱＡは実空気量を表す。
【００１８】
（１１）＃１〜＃３空気量演算部（図２７）
ここでは１番気筒，２番気筒および３番気筒へ流入する総空気量を演算する。具体的には実空気量ＱＡと目標当量比ＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂから空気分配比にしたがって演算するものとする。演算式は図１７に示す。ここにＱＡ＿Ａは該空気量を表す。
【００１９】
（１２）＃４空気量演算部（図２８）
ここでは４番気筒へ流入する空気量を演算する。具体的には実空気量ＱＡからＱＡ＿Ａを引いた値とする。ここにＱＡ＿Ｂは該空気量を表す。
【００２０】
（１３）＃１〜＃３燃料噴射量演算部（図２９）
ここでは１，２，３番気筒の燃料噴射量を演算する。具体的な式は図２９に示す。ここにＴＩ１〜ＴＩ３は該気筒の燃料噴射量を表す。またＫはＴＰＨＩ＿Ａ＝１のとき、理論空燃比相当の燃料を噴射するように調節される値で、燃料噴射弁２４〜２７の特性に基づいて決められる。
【００２１】
（１４）＃４燃料噴射量演算部（図３０）
ここでは１番気筒の燃料噴射量を演算する。具体的な式は図３０に示す。ここにＴＩ４は該気筒の燃料噴射量を表す。ＰＨＩＨＯＳは次に説明する排気最適化補正係数である。
【００２２】
（１５）排気最適化補正係数演算部（図３１）
ここでは脱硝触媒３３下流のＮＯｘセンサ３４の出力に基づいて排気最適化補正係数の演算を行う。ここに
ＮＯＸＯＵＴ：ＮＯｘセンサ３４の出力。
【００２３】
ＮＯＸＮＧ：ＮＯｘ悪化を判定するしきい値。
【００２４】
ＲＨＯＳ：リッチシフト割合。
【００２５】
ＰＨＩＨＯＳ：排気最適化補正係数。
【００２６】
を表す。脱硝触媒３３の下流のＮＯｘ量はＮＯＸＮＧ以下の値となるよう目標当量比ＴＰＨＩ＿Ｂを設定するが、何らかの理由で排気システムに特性変化が発生したとき以下の方法で排気を抑制する。脱硝触媒３３の下流のＮＯｘ量であるＮＯＸＯＵＴがＮＯＸＮＧより大きくなったとき、ＮＨ3 生成触媒からのＮＨ3 量を増加させるべく４番気筒の空燃比をリッチにする。具体的にはＲＨＯＳで定められる所定割合でＰＨＩＨＯＳを増加させる。ＰＨＩＨＯＳは図３０に示されるように４番気筒の燃料噴射量に乗じられる。ＮＯＸＯＵＴ＜ＮＯＸＮＧになればリッチシフトを停止し、ＰＨＩＨＯＳはその値を維持する。過剰なリッチシフトを防止するためにＰＨＩＨＯＳにはリミッタを設けるものとする。ＮＯＸＮＧは経験的に決めるのがよい。
【００２７】
（実施例２）
本実施例では実施例１のシステムにおいて４番気筒の排気管にリニア空燃比センサ５２を追加した場合のシステムについて説明する。具体的には図３２の示すとおりである。図３３は制御ブロック図である。基本的な構成は実施例１と同じであるが、排気最適化補正係数演算部は図３４に示すとおりである。ここに
ＮＯＸＯＵＴ：ＮＯｘセンサ３４の出力。
【００２８】
ＮＯＸＮＧ：ＮＯｘ悪化を判定するしきい値。
【００２９】
ＲＨＯＳ：リッチシフト割合。
【００３０】
ＰＨＩＨＯＳ０：排気最適化目標当量比補正係数。
【００３１】
ＴＰＨＩ＿Ｂ：目標当量比。
【００３２】
ＴＰＨＩＨＯＳ＿Ｂ：補正後目標当量比。
【００３３】
ＡＦＯＵＴ：Ａ／Ｆセンサ５２出力。
【００３４】
ＲＰＨＩ：実当量比。ＡＦＯＵＴから変換して得る。
【００３５】
ＰＨＩＨＯＳ：空燃比Ｆ／Ｂ補正係数。
【００３６】
である。
【００３７】
通常時すなわちＮＯＸＯＵＴ≦ＮＯＸＮＧの時、ＰＨＩＨＯＳは４番気筒の当量比はＡ／Ｆセンサ５２の出力に基づいてＴＰＨＩ＿Ｂとなるように制御される。ＮＯＸＯＵＴ＞ＮＯＸＮＧすなわち脱硝触媒３３の下流ＮＯｘが悪化したときは４番気筒の空燃比をリッチにすべく、４番気筒の目標当量比ＴＰＨＩ＿Ｂをリッチ側に変化させるＰＨＩＨＯＳ０をＲＨＯＳの割合で増加させる。
【００３８】
また、本実施例では空気量の演算を実施例１の手法を踏襲したが、Ａ／Ｆセンサ出力値と４番気筒燃料噴射量から４番気筒空気量を高精度演算することも可能であることを付言しておく。
【００３９】
（実施例３）
本実施例では実施例２のシステムにおいて脱硝触媒の上流に三元触媒を設置した場合のリーン制御および理論空燃比制御について説明する。実施例１，２では、リーン運転のみについて説明したが、実際には領域によっては理論空燃比で運転することが考えられる。本実施例では理論空燃比運転時における排気最適制御について述べる。図３５は本実施例におけるシステム図である。脱硝触媒３３の上流に三元触媒５３を取り付ける。図３６は本実施例における制御ブロック図である。基本的な構成は実施例１と同じであるが、排気最適化係数を全気筒に反映させる構成となっている。ＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂの値は理論空燃比相当値とする。前述したように全気筒ストイキ運転時、ＮＯｘセンサ３４出力と理論空燃比との関係は図１０のようになる。これは図９に示される三元触媒の浄化特性によるものである。このことからセンサ出力に基づいて、図１０に示される制御範囲となるようエンジンの空燃比を制御すれば、排気は最適化される。具体的には図３１に示されるブロック図で可能となる。すなわち空燃比が理論空燃比がリーン側へシフトしたときはＮＯｘが増加するのでＮＯｘセンサ３４で検出される。このとき全気筒の空燃比をリッチシフトすべくＰＨＩＨＯＳをＲＯＨＯＳの割合で増加させる。ただし、過剰なリッチシフトを防ぐべくＰＨＩＨＯＳにはリミッタを設ける。
【００４０】
またＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂの値を理論空燃比よりややリーン側へ設定することでリッチ側へ理論空燃比制御する方式あるいはＴＰＨＩ＿Ａ，ＴＰＨＩ＿Ｂの値を理論空燃比よりややリッチ側へ設定することでリーン側へ理論空燃比制御する方式も考えられることを付言しておく。
以上のように、本発明では脱硝触媒下流の排気を確実に低減し得る排気浄化システムを提案するものである。具体的には請求項１においては図１に示すように脱硝触媒２の下流に排気成分を検出する排気センサ３を少なくとも一つ配し、センサ３の出力値に基づいて制御装置４でエンジン運転状態をＦ／Ｂ制御し、脱硝触媒２下流の排気を常時最適にする排気制御システムである。本システムでは脱硝触媒下流の排気成分が最適となるようにエンジン運転状態をＦ／Ｂ制御するので、前述した種々の排気制御システムの特性変化に対応し、常時脱硝触媒下流の排気を最適化することが可能となる。たとえば、請求項２では脱硝触媒下流にＮＯｘセンサを備えることで、ＮＯｘ排出量を検出しＮＯｘ排出量が最小となるようエンジンの運転状態をＦ／Ｂ制御する排気制御システムが考えられる。この場合、請求項３，請求項４に記載のようにエンジンの運転状態としてリッチ気筒の空燃比，点火時期あるいはリーン気筒の空燃比，点火時期等を制御対象とすることが考えられる。より詳細には脱硝触媒下流のＮＯｘが多量に検出された時は、ＮＨ 3 生成触媒からのＮＨ 3 を増加させるべくリッチ気筒の空燃比をよりリッチに制御するシステムが考えられる。図３では操作量を燃料噴射量とした排気制御システムの構成を表している。図４では操作量を空気量とした排気制御システムの構成を表しており、リーン気筒とリッチ気筒間のトルク段差を避けるため、空気量は独立に制御するようリッチ気筒用とリーン気筒用と独立に空気量制御バルブを備える構成となる。また、請求項５においては図２のようにリッチ気筒の排気管に空燃比センサ９を配し、脱硝触媒下流排気センサ３の出力値とでエンジンの運転状態を制御する。例えば、図５に示すように通常はセンサ９の出力値に基づいてリッチ気筒の空燃比をＦ／Ｂ制御するが、排気センサ３から脱硝触媒下流の排気が悪化したことが検出された場合は、Ｆ／Ｂ制御に関するパラメータを変化させ、脱硝触媒下流の排気の最適化を図る。パラメータとしては、たとえばリッチ気筒の空燃比Ｆ／Ｂ制御の目標空燃比等が考えられ、脱硝触媒下流のＮＯｘが増加したときはリッチ気筒の目標空燃比をリッチにする等が考えられる。センサ９としては図１１，図１２に示される特性を持つＯ 2 センサ、Ａ／Ｆセンサが考えられる。図５では操作量を燃料噴射量としているが図６のようにリッチ気筒の空気量としてもよい。請求項６においては、ＨＣ，ＣＯを酸化するために、脱硝触媒の上流もしくは下流に三元触媒もしくは酸化触媒もしくはＮＯｘ触媒を備えることでより排気を低減する排気制御システムを提案している。特に脱硝触媒の上流に三元触媒を備える構成においては、エンジンの全気筒をストイキ運転する場合、脱硝触媒下流のセンサで理論空燃比制御が可能である。すなわち、脱硝触媒下流にＮＯｘセンサを取り付けた構成では、全気筒ストイキ運転時、センサ出力と理論空燃比との関係は図１０のようになる。これは図９に示される三元触媒の浄化特性によるものである。このことからセンサ出力に基づいて、図１０に示される制御範囲となるようエンジンの空燃比を制御すれば、排気は最適化される。脱硝触媒下流センサは図１１，図１２に示される特性を持つＯ 2 センサ，Ａ／Ｆセンサとしても同様の効果が得られるものである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば脱硝触媒下流のセンサ出力値に基づいてエンジンの運転状態を制御するので、排気制御システムの特性変化に対応し、常時脱硝触媒下流の排気を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な構成を表した図である。
【図２】本発明の構成においてリッチ気筒の排気管に排気センサを取り付けた場合のシステム図である。
【図３】本発明の構成において燃料噴射弁を用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図４】本発明の構成において電子スロットルを用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図５】本発明の構成においてリッチ気筒の排気管に排気センサを取り付け、燃料噴射弁を用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図６】本発明の構成においてリッチ気筒の排気管に排気センサを取り付け、電子スロットルを用いて空燃比を制御する場合のシステム図である。
【図７】本発明において触媒２の下流に酸化触媒，三元触媒，ＮＯｘ触媒を具備した場合のシステム図である。
【図８】本発明において触媒２の上流に酸化触媒，三元触媒，ＮＯｘ触媒を具備した場合のシステム図である。
【図９】三元触媒の特性を表した図である。
【図１０】ＮＯｘセンサの特性を表した図である。
【図１１】Ｏ2 センサの特性を表した図である。
【図１２】Ａ／Ｆセンサの特性を表した図である。
【図１３】実施例１におけるシステム図である。
【図１４】実施例１における気筒内部を表した図である。
【図１５】実施例１におけるＥＣＵ２３の内部処理を表した図である。
【図１６】実施例１におけるエンジン制御方法を表したブロック図である。
【図１７】実施例１における標準空気量演算部のブロック図である。
【図１８】実施例１における＃１〜＃３目標当量比演算部を示す図。
【図１９】実施例１における＃４目標当量比演算部を示す図。
【図２０】実施例１における＃１〜＃３目標空気量演算部を示す図。
【図２１】実施例１における＃４目標空気量演算部を示す図。
【図２２】実施例１における＃１〜＃３目標スロットル開度演算部を示す図。
【図２３】実施例１における＃４目標スロットル開度演算部を示す図。
【図２４】実施例１における＃１〜＃３スロットル制御部を示す図。
【図２５】実施例１における＃４スロットル制御部を示す図。
【図２６】実施例１における実空気量演算部を示す図。
【図２７】実施例１における＃１〜＃３空気量演算部を示す図。
【図２８】実施例１における＃４空気量演算部を示す図。
【図２９】実施例１における＃１〜＃３燃料噴射量演算部を示す図。
【図３０】実施例１における＃４燃料噴射量演算部を示す図。
【図３１】実施例１における排気最適化補正係数演算部を示す図。
【図３２】実施例２におけるシステム図である。
【図３３】実施例２におけるエンジン制御方法を表したブロック図である。
【図３４】実施例２における排気最適化補正係数演算部を示す図。
【図３５】実施例３におけるシステム図である。
【図３６】実施例３におけるエンジン制御方法を表したブロック図である。
【符号の説明】
１…ＮＨ3 を生成する触媒、２…ＮＨ3 とＮＯｘをＮ2 に転換する触媒、３…触媒２の下流の排気成分を検出する排気センサ、４…エンジンの運転状態を制御する装置、５，１３…エンジン、６…燃料噴射弁、７，８，１６，１７…電子スロットル、９…触媒１の上流の排気成分を検出する排気センサ、１０…リッチ気筒空燃比Ｆ／Ｂ制御装置、１１…リッチ気筒目標空燃比調節装置、１２…三元触媒もしくは酸化触媒もしくはＮＯｘ触媒、１４…エアクリーナ、１５…吸気マニホールド、１８…エアフロセンサ、１９…クランク角センサ、２０…水温センサ、２１，２２…開度センサ、２３…エンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)、２４…１番気筒燃料噴射弁、２５…２番気筒燃料噴射弁、２６…３番気筒燃料噴射弁、２７…４番気筒燃料噴射弁、２８…１番気筒点火プラグ、２９…２番気筒点火プラグ、３０…３番気筒点火プラグ、３１…４番気筒点火プラグ、３２…ＮＨ3 生成触媒、３３…脱硝触媒、３４…ＮＯｘセンサ、３５…１番気筒、３６…２番気筒、３７…３番気筒、３８…４番気筒、３９，４０…排気マニホールド、４１…アクセルペダル、４２…アクセル開度センサ、４３…入力回路、４４…入出力ポート、４５…ＲＡＭ、４６…ＣＰＵ、４７…ＲＯＭ、４８…点火信号出力回路、４９…燃料噴射弁駆動回路、５０，５１…電子スロットル駆動回路、５２…Ａ／Ｆセンサ、５３…三元触媒。
Claims (1)
- 多気筒で構成されるエンジンを有する内燃機関の排気浄化装置であって、
少なくとも一つの気筒は空燃比をリッチに運転する手段と、
残りの気筒は空燃比をリーンに運転する手段と、
該リッチ気筒からの排気をＮＨ3 に転換する触媒と、
該残りのリーン気筒からのＮＯｘと前記ＮＨ3 に転換する触媒からのＮＨ3 とからＮ2 を生成する触媒と、
前記Ｎ2 を生成する触媒の下流に排気成分を検出するセンサと、
該センサ出力値に基づいて前記エンジンの運転状態を、前記リッチ運転をする気筒と前記リーン運転をする気筒とを独立して制御する手段と、
前記Ｎ 2 を生成する触媒の上流もしくは下流に三元触媒もしくは酸化触媒もしくは NOx を吸着あるいは吸蔵する触媒を備えると共に
前記三元触媒を前記Ｎ 2 を生成する触媒の上流に配し、リーン運転時は前記センサの出力が所定範囲内になるようにエンジンのリッチ気筒の空燃比を制御し、理論空燃比運転時は前記センサの出力が所定範囲内になるようにエンジンの全気筒の空燃比を制御する手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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