JP3939026B2

JP3939026B2 - 三元触媒の酸素ストレージ量制御装置

Info

Publication number: JP3939026B2
Application number: JP17005298A
Authority: JP
Inventors: 尚己冨澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: JP2000008921A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三元触媒の酸素ストレージ量制御装置に関し、詳しくは、エンジンの排気通路に介装されて排気中のＣＯ，ＨＣの酸化及びＮＯｘの還元を行う三元触媒において、酸素ストレージ量を最適に制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンの排気通路に三元触媒を介装する一方、該三元触媒における酸化と還元とのバランスをとって高い転化率を実現するために、燃焼混合気の空燃比を理論空燃比に保つ空燃比フィードバック制御を行うエンジンの排気浄化システムが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、三元触媒は、酸素を貯蔵する酸素ストレージ能力を有するため、触媒中の酸素ストレージ量が転化率に大きく影響することになり、例えば酸素ストレージ量が最適量よりも多いと、ＣＯ，ＨＣの酸化反応が促進される一方、ＮＯｘの還元反応が鈍り、逆に酸素ストレージ量が最適値よりも少ないと、ＮＯｘの還元反応が促進される一方、ＣＯ，ＨＣの酸化反応が鈍ることになる。
【０００４】
ところが、従来のように、触媒入口での排気空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する場合には、そのときの酸素ストレージ量とは無関係に、触媒に導入される排気中の酸素濃度が一定になるように制御するから、酸素ストレージ量を最適値に制御することにはならず、結果的に、三元触媒における転化率を安定的に高いレベルに維持させることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、酸素ストレージ量を、酸化反応と還元反応とをバランスさせる最適量に制御できるようにして、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを安定的に高い転化率で浄化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。
【０００８】
図１に示すように、エンジンの排気通路に介装される三元触媒の上流側及び下流側それぞれに、排気中の酸素濃度を検出する一対の酸素濃度センサが設置される。
【０００９】
酸素ストレージ量推定手段は、一対の酸素濃度センサの検出結果に基づいて前記三元触媒における酸素ストレージ量を推定する。
【００１０】
目標ストレージ量設定手段は、エンジンの負荷及び回転速度に基づいて酸素ストレージ量の目標値を設定し、排気空燃比フィードバック手段は、目標ストレージ量設定手段で設定された目標値と前記酸素ストレージ量推定手段で推定された酸素ストレージ量との差が少なくなるように、前記三元触媒入口の排気空燃比をフィードバック制御する。
【００１１】
かかる構成によると、三元触媒における酸素ストレージ量が、エンジンの運転状態毎の目標値になるように、触媒入口の排気空燃比が制御される。例えばＮＯｘの排出量が多くなる運転状態では、酸素ストレージ量の目標値を比較的小さくすることで、ＮＯｘを効果的に浄化でき、また、ＣＯ，ＨＣの排出量が多くなる運転状態では、酸素ストレージ量の目標値を比較的大きくすることで、ＣＯ，ＨＣを効果的に浄化できることになる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、前記排気空燃比フィードバック手段が、前記目標ストレージ量設定手段で設定された目標値と前記酸素ストレージ量推定手段で推定された酸素ストレージ量との差を前記三元触媒入口の目標排気空燃比に変換し、該目標排気空燃比と前記三元触媒の上流側の酸素濃度センサで検出される実際の排気空燃比との差に基づいて、前記三元触媒入口の排気空燃比をフィードバック制御する構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、酸素ストレージ量の目標値と推定値との差から、目標の酸素ストレージ量を得るための目標排気空燃比を設定し、実際の排気空燃比が目標排気空燃比になるように制御することで、酸素ストレージ量が目標値に一致するように制御される。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、エンジンの負荷及び回転速度によるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ排出量の違いに対応して、三元触媒における酸素ストレージ量を変化させることができ、以って、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを効果的に浄化することが可能になるという効果がある。
【００１５】
請求項２記載の発明によると、酸素ストレージ量を目標に一致させるための目標排気空燃比を設定し、実際の排気空燃比を前記目標排気空燃比に一致させるようにフィードバック制御を行うことで、酸素ストレージ量を目標に精度に良く制御できるという効果がある。
【００１６】
【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、実施形態におけるエンジンのシステム構成を示す図である。
この図２において、エンジン１の吸気通路には燃料噴射弁２が設けられており、該燃料噴射弁２から噴射される燃料と空気とが予混合し、シリンダ内に吸気弁３を介して吸引される。シリンダ内の燃焼混合気は、点火栓４による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、排気弁５を介して排気通路６に排出される。
【００１７】
排気通路６には、三元触媒７が介装されており、該三元触媒７で排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘが浄化される。
前記三元触媒７の上流側及び下流側には、排気中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する酸素濃度センサ８，９がそれぞれ介装されている。
前記酸素濃度センサ８，９は、排気中の酸素濃度に応じて検出信号がリニアに変化するセンサであって、広域空燃比センサとして従来から空燃比フィードバック制御に用いられている公知のセンサである。
【００１８】
前記酸素濃度センサ８，９の検出信号はコントロールユニット10に入力され、図中に制御ブロック図として示した流れに沿って処理されて、最終的には、燃料噴射弁２による燃料噴射量が制御されるようになっている。
以下、図２に示す制御ブロック図に沿って、処理内容を概説する。
酸素ストレージ量推定部101 （酸素ストレージ量推定手段）では、両酸素濃度センサ８，９の検出信号に基づいて三元触媒７における酸素ストレージ量を推定する。
【００１９】
一方、目標酸素ストレージ量設定部102 （目標ストレージ量設定手段）では、エンジン負荷Ｔｐとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて目標酸素ストレージ量を設定する。尚、ＣＯ，ＨＣが出やすい運転領域では前記目標酸素ストレージ量を比較的大きくして、ＣＯ，ＨＣの酸化反応が促進されるようにし、逆に、ＮＯｘが出やすい領域では前記目標酸素ストレージ量を比較的小さくして、ＮＯｘの還元反応が促進されるようにすると良い。
【００２０】
酸素ストレージ量比較部103 では、前記酸素ストレージ濃度推定部101 で推定された実際の酸素ストレージ量と、前記目標酸素ストレージ量設定部102 で設定された目標酸素ストレージ量との差を演算する。
そして、目標空燃比設定部104 では、前記酸素ストレージ量比較部103 で算出された酸素ストレージ量の実際値と目標値との差を、目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に変換する。尚、前記目標空燃比は、三元触媒７の上流側の酸素濃度センサ８で検出される触媒入口の排気空燃比の目標値である。
【００２１】
空燃比比較部105 では、前記目標空燃比設定部104 で設定された目標空燃比と、前記酸素濃度センサ８からの検出信号に基づいて入口空燃比検出部109 で検出された三元触媒７入口での実際の空燃比とを比較し、空燃比偏差算出部106 では、前記目標空燃比と実際の空燃比との差を算出する。
そして、噴射量補正部107 （排気空燃比フィードバック手段）では、前記空燃比の差が少なくするように、換言すれば、実際の空燃比を前記目標空燃比に近づけるように、燃料噴射弁２による燃料噴射量を補正するための補正値を決定する。
【００２２】
噴射量演算部 108 では、エンジン１の吸入空気量Ｑ，回転速度Ｎｅに基づいて基本燃料噴射量を演算すると共に、エンジン１の冷却水温度Ｔｗ等に応じた補正値、及び、前記噴射量補正部107で設定された補正値によって前記基本燃料噴射量を補正して、最終的な燃料噴射量を算出する。そして、前記燃料噴射量に相当するパルス幅の噴射パルス信号を、所定の噴射タイミングにおいて燃料噴射弁２に出力する。
【００２３】
ここで、図２の制御ブロック図に示した制御内容を、図３のフローチャートに従って詳述する。
図３のフローチャートにおいて、まず、Ｓ１では、三元触媒７上流側の酸素濃度センサ８からの検出信号に基づいて三元触媒７入口での排気空燃比（酸素濃度）を検出する。
【００２４】
Ｓ２では、前記Ｓ１で検出した排気空燃比を平均化処理し、Ｓ３では、前記平均化処理された排気空燃比を、入口空燃比ＡＦＩＮとする。
Ｓ４では、三元触媒７下流側の酸素濃度センサ９からの検出信号に基づいて三元触媒７出口での排気空燃比（酸素濃度）を検出する。
Ｓ５では、前記Ｓ４で検出した排気空燃比を平均化処理し、Ｓ６では、前記平均化処理された排気空燃比を、出口空燃比ＡＦＯＵＴとする。
【００２５】
Ｓ７では、前記入口空燃比ＡＦＩＮと出口空燃比ＡＦＯＵＴとの差を変数とする関数ｆ₁（ＡＦＩＮ−ＡＦＯＵＴ）に基づいて三元触媒７における酸素ストレージ量の推定値ＳＯ₂を算出する。前記関数ｆ₁（ＡＦＩＮ−ＡＦＯＵＴ）は、入口空燃比ＡＦＩＮと出口空燃比ＡＦＯＵＴとの差、即ち、供給酸素量と反応後の残存酸素量との差から、三元触媒における酸素ストレージ量を推定するモデル式である。
【００２６】
Ｓ８では、エンジン負荷Ｔｐとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて予め目標酸素ストレージ量ＴＳＯ₂を記憶したマップを参照し、そのときのエンジン負荷Ｔｐとエンジン回転速度Ｎｅに対応する目標酸素ストレージ量ＴＳＯ₂を検索する。Ｓ９では、前記目標酸素ストレージ量ＴＳＯ₂と推定値ＳＯ₂との差ΔＳＯ₂を算出する。
【００２７】
Ｓ10では、前記酸素ストレージ量の差ΔＳＯ₂を変数とする関数ｆ₂（ΔＳＯ₂）に基づいて三元触媒７の入口での目標排気空燃比ＴＡＦを算出する。前記関数ｆ₂（ΔＳＯ₂）は、前記酸素ストレージ量の差ΔＳＯ₂を０ならしめるための、差ΔＳＯ₂から目標排気空燃比ＴＡＦへの変換モデル式である。
Ｓ11では、前記目標排気空燃比ＴＡＦと、実際の触媒入口空燃比である前記入口空燃比ＡＦＩＮとの差ΔＡＦを演算する。
【００２８】
Ｓ12では、前記ΔＡＦに基づいて実際の入口空燃比ＡＦＩＮが、目標排気空燃比ＴＡＦよりもリーンであるかリッチであるかを判別する。
そして、実際の入口空燃比ＡＦＩＮが目標排気空燃比ＴＡＦよりもリーンであるときには、Ｓ13へ進んで燃料噴射量をより増量して入口空燃比をよりリッチに修正すべく補正値をリッチ方向へ積分制御する。
【００２９】
一方、実際の入口空燃比ＡＦＩＮが目標排気空燃比ＴＡＦよりもリッチであるときには、Ｓ14へ進んで燃料噴射量をより減量して入口空燃比をよりリーンに修正すべく補正値をリーン方向へ積分制御する。
また、実際の入口空燃比ＡＦＩＮが略目標排気空燃比ＴＡＦに一致しているときには、Ｓ15へ進んで、それまでの補正値を保持させるようにする。
【００３０】
実際の入口空燃比ＡＦＩＮをリッチ化すれば、三元触媒７に対する供給酸素量が減少して、酸素ストレージ量を減少変化させることができ、また、実際の入口空燃比ＡＦＩＮをリーン化すれば、三元触媒７に対する供給酸素量が増大して、酸素ストレージ量を増大変化させることができる。
従って、前記目標排気空燃比ＴＡＦの設定においては、推定値ＳＯ₂が目標酸素ストレージ量ＴＳＯ₂よりも少ないときには、その差が大きいときほど目標排気空燃比ＴＡＦとしてリーンな空燃比を設定すれば、実際の酸素ストレージ量を増大変化させて目標に近づけることができ、また、推定値ＳＯ₂が目標酸素ストレージ量ＴＳＯ₂よりも多いときには、その差が大きいときほど目標排気空燃比ＴＡＦとしてリッチな空燃比を設定すれば、実際の酸素ストレージ量を減少変化させて目標に近づけることができる。
【００３１】
そして、三元触媒７における酸素ストレージ量を目標値（最適値）に維持することができれば、三元触媒７におけるＣＯ，ＨＣの酸化反応及びＮＯｘの還元反応をバランス良く実行させて、最大限の浄化性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明に係る装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】実施の形態におけるエンジンのシスムテ構成及び制御内容を示すブロック図。
【図３】実施の形態における酸素ストレージ量制御の様子を示すフローチャート。
【符号の説明】
１エンジン
２燃料噴射弁
３吸気弁
４点火栓
５排気弁
６排気通路
７三元触媒
８，９酸素濃度センサ
10 コントロールユニット
101 酸素ストレージ量推定部
102 目標酸素ストレージ量設定部
103 酸素ストレージ量比較部
104 目標空燃比設定部
105 空燃比比較部
106 空燃比偏差算出部
107 噴射量補正部
108 噴射量演算部
109 入口空燃比検出部

Claims

エンジンの排気通路に介装される三元触媒の上流側及び下流側それぞれ設置され、排気中の酸素濃度を検出する一対の酸素濃度センサと、
該一対の酸素濃度センサの検出結果に基づいて前記三元触媒における酸素ストレージ量を推定する酸素ストレージ量推定手段と、
エンジンの負荷及び回転速度に基づいて酸素ストレージ量の目標値を設定する目標ストレージ量設定手段と、
該目標ストレージ量設定手段で設定された目標値と前記酸素ストレージ量推定手段で推定された酸素ストレージ量との差が少なくなるように、前記三元触媒入口の排気空燃比をフィードバック制御する排気空燃比フィードバック手段と、
を含んで構成されたことを特徴する三元触媒の酸素ストレージ量制御装置。
前記排気空燃比フィードバック手段が、前記目標ストレージ量設定手段で設定された目標値と前記酸素ストレージ量推定手段で推定された酸素ストレージ量との差を前記三元触媒入口の目標排気空燃比に変換し、該目標排気空燃比と前記三元触媒の上流側の酸素濃度センサで検出される実際の排気空燃比との差に基づいて、前記三元触媒入口の排気空燃比をフィードバック制御することを特徴とする請求項１記載の三元触媒の酸素ストレージ量制御装置。