JP4043604B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に三元触媒と炭化水素の吸着材とを備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の冷間時に排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を吸着するＨＣ吸着材を、三元触媒とともに排気系に配置し、三元触媒が活性化するまでの間ＨＣをＨＣ吸着材に吸着させるようして、冷間始動時のＨＣの排出量を低減する技術は従来より知られている。ＨＣ吸着材は、その温度が上昇すると吸着したＨＣを脱離する特性を有し、脱離される単位時間当たりのＨＣ量は、脱離開始当初は比較的多く、その後徐々に減少する点に着目し、脱離開始からの経過時間に応じて機関に供給する混合気の空燃比をリーン側に制御することにより、三元触媒に流入する排気ガス中のＨＣ量を適切な値（三元触媒で酸化可能な程度の値）に制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置が、従来より知られている（特開平６−８１６３７号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＨＣ吸着材から脱離するＨＣの量は、脱離開始からの経過時間だけでなく機関の負荷によっても変動する。より具体的には負荷が大きいほど脱離するＨＣの量は増加するため、上記従来の装置では、三元触媒に流入する排気ガス中のＨＣ量が三元触媒の酸化能力を越えて、排気ガス特性を悪化させる場合があった。
【０００４】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、排気系に配置されたＨＣ吸着材から炭化水素が脱離するときにおける混合気の空燃比を適切に制御し、特に機関始動後の排気ガス特性を良好に維持することができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気系に第１の三元触媒と、該第１の三元触媒より下流側に設けられ、炭化水素の吸着材及び該吸着材から脱離される炭化水素を酸化可能な態様で配置された第２の三元触媒を有する排気ガス浄化装置とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、前記第１の三元触媒と前記排気ガス浄化装置との間に設けられた第１の酸素濃度センサと、前記排気ガス浄化装置の下流側に設けられた第２の酸素濃度センサと、前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、前記吸着材からの炭化水素の脱離を判定する脱離判定手段と、該脱離判定手段により、脱離中と判定されたときに前記機関に供給する混合気の空燃比を、前記検出した負荷が大きいほどリーン化するリーン化手段とを備え、前記吸着材による炭化水素の吸着中は前記第１の酸素濃度センサに出力に応じて前記空燃比の補正を行い、前記脱離判定手段により脱離が開始されたと判定された後は前記第２の酸素濃度センサの出力に応じて前記空燃比の補正を行うことを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、機関の負荷が検出され、炭化水素吸着材から炭化水素が脱離中であると判定したときは、検出した負荷が大きいほど、つまり、脱離する炭化水素の量が大きいほど、機関に供給する混合気の空燃比がリーン化されるので、第２の三元触媒に流入する炭化水素量を、機関負荷に応じた適切な量とすることができ、機関始動後の排気ガス特性を良好に維持することができる。また、第１の三元触媒の下流側に設けられた第１の酸素濃度センサの出力、または第２の三元触媒の下流側に設けられた第２の酸素濃度センサの出力に応じて空燃比が補正されるので、機関の排気系や空燃比制御の特性ばらつきや経年変化の影響を抑制することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の一形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその空燃比制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御用電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【０００８】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【０００９】
一方、スロットル弁３の直ぐ下流には負荷検出手段としての吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８が設けられており、この絶対圧センサ８により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ＥＣＵ５に供給される。また、その下流には吸気温（ＴＡ)センサ９が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１０】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１１】
エンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１１及び気筒判別（ＣＹＬ）センサ１２が取り付けられている。エンジン回転数センサ１１は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０゜毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力し、気筒判別センサ１２は、特定の気筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１２】
排気管１３には三元触媒１４と、三元触媒及びＨＣ（炭化水素）吸着材１５ａを内蔵する排気ガス浄化装置１５と上流側からこの順序で設けられている。ＨＣ吸着材１５ａは、例えばゼオライトやモルデナイト、アルミノシリケート、あるいは活性炭等から成るものであり、その温度が約１６０℃以下ではＨＣを吸着するが、それを越える温度では逆に吸着したＨＣを脱離する特性を有する。この排気ガス浄化装置１５には吸着材１５ａの温度ＴＡＤＳを検出する温度センサ１９が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。
【００１３】
三元触媒は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態では、排気ガス中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気ガスリッチ状態では、蓄積した酸素により排気ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
【００１４】
三元触媒１４の上流位置には、比例型空燃比センサ１６（以下「ＬＡＦセンサ１６」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１６は排気ガス中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００１５】
三元触媒１４の下流位置及び排気ガス浄化装置１５の下流位置には、それぞれ二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１７，１８が装着されており、これらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。このＯ２センサ１７，１８は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。
【００１６】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路５ａ、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）５ｂ、ＣＰＵ５ｂで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段５ｃ、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路５ｄ等から構成される。
【００１７】
ＣＰＵ５ｂは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）に基づき、前記ＴＤＣ信号パルスに同期する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴｉＭ×ＫＣＭＤ×ＫＬＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２…（１）
【００１８】
ここに、ＴｉＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴｉマップを検索して決定される。Ｔｉマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。すなわち、基本燃料量ＴｉＭは、エンジン１の吸入空気量（重量流量）にほぼ比例する値を有する。
【００１９】
ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、エンジン回転数ＮＥ、スロットル弁開度θＴＨ、エンジン水温ＴＷ等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとる。また目標空燃比係数ＫＣＭＤは、後述するようにＨＣ吸着材１５ａからＨＣが脱離しているときは、空燃比をリーン化するリーン化所定値ＫＣＭＤＨＢに設定される。
【００２０】
目標空燃比係数ＫＣＭＤは、Ｏ２センサ１７または１８の出力に応じて算出されるオフセット補正項ＫＣＭＤＯＦＦＳＥＴを加算することにより補正される。これは、エンジンの排気系やＬＡＦセンサの特性のばらつきや経年変化の影響を抑制するようためである。エンジンの暖機中（ＨＣ吸着材１５ａによるＨＣの吸着中）は、Ｏ２センサ１７の出力を用いてオフセット補正項ＫＣＭＤＯＦＦＳＥＴの算出を行い、ＨＣ吸着材１５ａからＨＣの脱離開始後は、Ｏ２センサ１８の出力を用いてオフセット補正項ＫＣＭＤＯＦＦＳＥＴの算出を行う。
【００２１】
ＫＬＡＦは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１６の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ制御により算出される空燃比補正係数である。
【００２２】
Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
【００２３】
ＣＰＵ５ｂは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴ及び燃料噴射時期に基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路５ｄを介して燃料噴射弁６に供給する。
【００２４】
図２は、ＨＣ吸着材１５ａが脱離中であるか否かを判別する脱離判別処理のフローチャートであり、本処理はＴＤＣ信号パルスの発生毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
【００２５】
ステップＳ１１では、吸着材の温度ＴＡＤＳが所定温度ＴＤＳＲ（例えば１４０〜１８０℃）より高いか否かを判別し、ＴＡＤＳ≦ＴＤＳＲであるときは、脱離中でないと判定して、脱離中であることを「１」で示す脱離フラグＦＤＳＲを「０」に設定して（ステップＳ１５）、本処理を終了する。
【００２６】
吸着材温度ＴＡＤＳが所定温度ＴＤＳＲを越えたときは、下記式（２）により、基本燃料量ＴｉＭ（式（１））の積算値ＩＴｉＭ（エンジン１の始動時に「０」にリセットされる）を算出する（ステップＳ１２）。
ＩＴｉＭ＝ＩＴｉＭ＋ＴｉＭ （２）
ここで、右辺のＩＴｉＭは前回算出値、ＴｉＭは今回の基本燃料量である。
【００２７】
積算値ＴｉＭは、脱離開始時点からの排気ガス量にほぼ比例するので、これをＨＣ吸着材１５ａから脱離するＨＣの量を示すパラメータとして使用することができる。
【００２８】
ステップＳ１３では、積算値ＩＴｉＭが所定値ＩＴｉＭＨＢより大きくなったか否かを判別し、ＩＴｉＭ≦ＩＴｉＭＨＢである間はＨＣの脱離中であると判定して、脱離フラグＦＤＳＲを「１」に設定する（ステップＳ１４）。その後ＩＴｉＭ＞ＩＴｉＭＨＢとなると、脱離終了と判定して、ステップＳ１３からステップＳ１５に進み、脱離フラグＦＤＳＲを「０」にリセットする。
【００２９】
図３は、目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出する処理のフローチャートであり、本処理はＴＤＣ信号パルスの発生毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
【００３０】
ステップＳ２１では、脱離フラグＦＤＳＲが「１」であるか否かを判別し、ＦＳＤＲ＝０であって脱離中でない判定されているときは、エンジン運転状態に応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤを設定する（ステップＳ２４）。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、基本的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定され、高負荷運転時やエンジン水温ＴＷが低いときは、エンジン負荷やエンジン水温ＴＷに応じた修正が行われる。
【００３１】
ＦＤＳＲ＝１であって脱離中と判定されたときは、図４に示すようにエンジン回転数ＮＥ及びエンジン負荷を示すパラメータとしての吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＫＣＭＤＨＢテーブルを検索し、リーン化所定値ＫＣＭＤＨＢを算出する。ＫＣＭＤＨＢテーブルには、吸気管内絶対圧ＰＢＡが、低負荷側所定値ＰＢＡＬ（例えば２６０ｍｍＨｇ）以上の場合に適用される低負荷側設定値ＫＣＭＤＨＢＬと、高負荷側所定値ＰＢＡＨ（例えば７１０ｍｍＨｇ）以上の場合に適用される高負荷側設定値ＫＣＭＤＨＢＨとが、エンジン回転数ＮＥに応じて設定されており、設定値ＫＣＭＤＨＢＬ，ＫＣＭＤＨＢＨは、ともにエンジン回転数ＮＥが高くなるほど、減少するように設定されている。なお、図４において、所定回転数ＮＥ１，ＮＥ２はそれぞれ、例えば１０００ｒｐｍ，５０００ｒｐｍに設定される。吸気管内絶対圧ＰＢＡが低負荷側所定値ＰＢＡＬと高負荷側所定値ＰＢＡＨとの間にあるときは、補間演算により、リーン化所定値ＫＣＭＤＨＢが算出される。したがって、リーン化所定値ＫＣＭＤＨＢは、吸気管内絶対圧ＰＢＡが高いほど、すなわちエンジン負荷が増加するほど減少するように設定される。
【００３２】
続くステップＳ２３では、目標空燃比係数ＫＣＭＤをステップＳ２２で算出したリーン化所定値ＫＣＭＤＨＢに設定して本処理を終了する。
【００３３】
図３の処理によれば、脱離中と判定されたときは、目標空燃比係数ＫＣＭＤがリーン化所定値ＫＣＭＤＨＢに設定され、吸気管内絶対圧ＰＢＡが増加するほど、すなわちエンジン負荷が増加するほど、空燃比のリーン化の度合いが大きくなるように制御されるので、排気ガス浄化装置１５の内の三元触媒による酸化能力見合ったＨＣ排出量となり、機関始動後の排気ガス特性を良好に維持することができる。
【００３４】
図５は空燃比補正係数ＫＬＡＦを算出する処理のフローチャートであり、本処理はＴＤＣ信号パルスの発生毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
【００３５】
ステップＳ３１でＬＡＦセンサ１６の出力に応じたフィードバック制御を実行するＬＡＦフィードバック制御条件が成立しているか否かを判別する。このＬＡＦフィードバック制御条件は、ＬＡＦセンサ１６が活性化しており、燃料供給遮断運転あるいはスロットル全開運転を実行していないこと等を条件として成立する。ステップＳ３１の答が否定（ＮＯ）のときは、空燃比補正係数ＫＬＡＦを「１．０」に設定して（ステップＳ３２）、本処理を終了する。
【００３６】
ＬＡＦフィードバック制御条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１６の出力を当量比に変換した検出当量比ＫＡＣＴと、目標空燃比係数ＫＣＭＤとの偏差ＤＫＡＦ（ｋ）（＝ＫＣＭＤ（ｋ）−ＫＡＣＴ（ｋ））を算出し（ステップＳ３３）、偏差ＤＫＡＦ（ｋ）及び各制御ゲインＫＰ，ＫＩ，ＫＤを下記式に適用して、比例項ＫＬＡＦＰ（ｋ）、積分項ＫＬＡＦＩ（ｋ）及び微分項ＫＬＡＦＤ（ｋ）を算出する（ステップＳ３４）。ここで、（ｋ），（ｋ−１）は、それぞれ今回値，前回値であることを示すために付されている。
ＫＬＡＦＰ（ｋ）＝ＤＫＡＦ（ｋ）×ＫＰ
ＫＬＡＦＩ（ｋ）＝ＤＫＡＦ（ｋ）×ＫＩ＋ＫＬＡＦ（ｋ−１）
ＫＬＡＦＤ（ｋ）＝（ＤＫＡＦ（ｋ）−ＤＫＡＦ（ｋ−１））×ＫＤ
【００３７】
そして、比例項ＫＬＡＦＰ、積分項ＫＬＡＦＩ及び微分項ＫＬＡＦＤを加算して空燃比補正係数ＫＬＡＦ（＝ＫＬＡＦＰ＋ＫＬＡＦＩ＋ＫＬＡＦＤ）を算出し（ステップＳ３５）、算出した空燃比補正係数ＫＬＡＦの値が所定上下限値の範囲内に入るようにリミット処理を行って（ステップＳ３６）、本処理を終了する。
【００３８】
本処理により、ＬＡＦセンサ出力に基づく検出当量比ＫＡＣＴが、目標空燃比係数ＫＣＭＤに一致するようにフィードバック制御が実行される。
【００３９】
本実施形態では、図２の処理が脱離判定手段に相当し、図３のステップＳ２１，２２，Ｓ２３がリーン化手段に相当する。
【００４０】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、脱離開始の判定は、センサによって検出したＨＣ吸着材温度ＴＡＤＳを用いて、所定温度ＴＤＳＲを越えたか否かを判別することにより行うようにしたが、検出した吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定される温度上昇積分項ＤＣＴＣを積算することにより、ＨＣ吸着材の温度を推定し、該推定した温度値ＣＴＡＤＳを検出温度ＴＡＤＳに代えて使用するようにしてもよい。
【００４１】
また、ＨＣ吸着材１５ａの温度を検出することに代えて、排気ガス浄化装置１５の上流側における排気ガス温度を検出し、該検出した排気ガス温度が、所定排気ガス温度を超えたか否かにより、脱離の開始を判定するようにしてもよい。あるいは、エンジン始動開始時点からエンジン水温ＴＷに応じて設定される所定期間が経過した時点から脱離が開始されると判定するようしてもよい。
【００４２】
また上述した実施形態では、ＨＣ吸着材１５ａが三元触媒とともに格納された排気ガス浄化装置１５を用いる構成を示したが、これに限るものではなく、ＨＣ吸着材と三元触媒とを同一の担体に担持させたものであったり、排気系の最下流に設けられた電気加熱式の三元触媒であってもよく、ＨＣ吸着材から脱離されるＨＣを酸化可能な態様で三元触媒が配置されているものであればよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、機関の負荷が検出され、炭化水素吸着材から炭化水素が脱離中であると判定したときは、検出した負荷が大きいほど、すなわち脱離する炭化水素量が大きいほど機関に供給する混合気の空燃比がリーン化されるので、第２の三元触媒に流入する炭化水素量を、機関負荷に応じた適切な量とすることができ、機関始動後の排気ガス特性を良好に維持することができる。また、第１の三元触媒の下流側に設けられた第１の酸素濃度センサの出力、または第２の三元触媒の下流側に設けられた第２の酸素濃度センサの出力に応じて空燃比が補正されるので、機関の排気系や空燃比制御の特性ばらつきや経年変化の影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその空燃比制御装置の構成を示す図である。
【図２】ＨＣ吸着材からＨＣが脱離中であるか否かを判定する処理のフローチャートである。
【図３】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）を算出する処理のフローチャートである。
【図４】図３の処理で使用するテーブルを示す図である。
【図５】空燃比補正係数（ＫＬＡＦ）を算出する処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 内燃機関
５ 電子コントロールユニット（脱離判定手段、リーン化手段）
６ 燃料噴射弁
８ 吸気管内絶対圧センサ（負荷検出手段）
１５ 排気ガス浄化装置
１５ａ ＨＣ吸着材

Claims (1)

1. 排気系に第１の三元触媒と、該第１の三元触媒より下流側に設けられ、炭化水素の吸着材及び該吸着材から脱離される炭化水素を酸化可能な態様で配置された第２の三元触媒を有する排気ガス浄化装置とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記第１の三元触媒と前記排気ガス浄化装置との間に設けられた第１の酸素濃度センサと、
   前記排気ガス浄化装置の下流側に設けられた第２の酸素濃度センサと、
   前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記吸着材からの炭化水素の脱離を判定する脱離判定手段と、
   該脱離判定手段により、脱離中と判定されたときに前記機関に供給する混合気の空燃比を、前記検出した負荷が大きいほどリーン化するリーン化手段とを備え、
   前記吸着材による炭化水素の吸着中は前記第１の酸素濃度センサに出力に応じて前記空燃比の補正を行い、前記脱離判定手段により脱離が開始されたと判定された後は前記第２の酸素濃度センサの出力に応じて前記空燃比の補正を行うことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

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