JP4362835B2 - 内燃機関の排出ガス浄化制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群を直列に配置した内燃機関の排出ガス浄化制御装置に関するものである。

近年、エンジンの排出ガスの浄化能力を高めるために、エンジンの排気管の途中に、排出ガス浄化用の触媒を２個直列に設置したものがある。このものは、上流側触媒の上流側と下流側触媒の下流側にそれぞれ空燃比センサ（又は酸素センサ）を配置し、上流側触媒に流入する排出ガスの空燃比を上流側のセンサで検出してこれを目標空燃比に一致させるように空燃比閉ループ制御を行うと共に、下流側触媒を通過した排出ガスの空燃比を下流側のセンサで検出してこれを所定値に一致させるように上流側の目標空燃比を補正するようにしている。
特開平６−３３７４９号公報

一般に、触媒の排出ガス浄化率は、触媒のリーン／リッチ成分の吸着状態によって変化し、触媒の吸着状態がストイキ付近のときに排出ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）とリーン成分（ＮＯｘ等）の両方を最も効率良く浄化でき、最も高い排出ガス浄化率を得ることができる。しかし、上記従来の空燃比閉ループシステムでは、上流側触媒の状態がリッチのときは下流側触媒の状態もリッチになる傾向があり、また、上流側触媒の状態がリーンのときは下流側触媒の状態もリーンになる傾向がある。その結果、上流側触媒状態と下流側触媒状態の両方を同時にリッチ又はリーンに制御してしまう傾向があり、２つの触媒を効率良く利用した排出ガスの浄化を行うことができないため、２つの触媒を用いる割りには排出ガス浄化率向上の効果が小さいものとなっていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、排気通路に直列に配置した複数の触媒（又は触媒群）を効率良く使用して排出ガスを効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる内燃機関の排出ガス浄化制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群を直列に配置した内燃機関において、上流側に配置された触媒又は触媒群（以下「上流側触媒」という）から流出する排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出するセンサと、下流側に配置された触媒又は触媒群（以下「下流側触媒」という）のガス成分吸着状態を検出又は推定する下流側触媒状態検出手段と、上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比を下流側触媒のガス成分吸着状態のリッチ／リーンと逆側に制御する空燃比制御手段とを備えた構成とし、下流側触媒のガス成分吸着状態がリッチのときには、上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比がリーンとなるように制御し、下流側触媒のガス成分吸着状態がリーンのときには、上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比がリッチとなるように制御するようにしたものである。このようにすれば、下流側触媒のガス成分吸着状態がリッチのときには、上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比がリーンとなるように制御され、下流側触媒のガス成分吸着状態がリーンのときには、上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比がリッチとなるように制御されるため、上流側触媒と下流側触媒の両方を有効に使用して排出ガス中のリッチ成分とリーン成分を効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。

一方、エンジン１１の排気管２１（排気通路）の途中には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を低減させる三元触媒等の上流側触媒２２と下流側触媒２３が直列に設置されている。更に、上流側触媒２２の上流側及び下流側と、下流側触媒２３の下流側には、それぞれ第１センサ２４、第２センサ２５、第３センサ２６が設置されている。この場合、第１センサ２４は、上流側触媒２２に流入する排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）が用いられ、第２センサ２５と第３センサ２６は、各触媒２２，２３から流出する排出ガスのリッチ／リーンに応じて出力電圧が反転する酸素センサが用いられている。第２センサ２５と第３センサ２６は、上流側触媒２２の吸着状態と下流側触媒２３の吸着状態を検出する上流側触媒状態検出手段と下流側触媒状態検出手段として機能する。尚、第２センサ２５及び／又は第３センサ２６は、第１センサ２４と同じく、空燃比センサ（リニアＡ／Ｆセンサ）を用いても良く、勿論、第１センサ２４として酸素センサを用いても良い。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、エンジン回転数ＮＥを検出するクランク角センサ２８が取り付けられている。
これら各種のセンサ出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２乃至図４の各プログラムを実行することで、空燃比を閉ループ制御する空燃比制御手段としての役割を果たす。

本実施形態では、ＥＣＵ２９は、後述する図３及び図４のプログラムを実行することで、下流側触媒２３の下流側の第３センサ２６の出力に基づいて、下流側触媒２３の上流側の第２センサ２５の目標出力Ｖtg（下流側触媒２３の上流側の目標空燃比）を設定する下流側セカンド閉ループ制御を実施すると共に、下流側触媒２３の上流側の第２センサ２５の出力とその目標出力Ｖtgとの偏差に基づいて上流側触媒２２の上流側の第１センサ２４の目標出力（上流側触媒２２の上流側の目標空燃比λTG）を設定する上流側セカンド閉ループ制御を実施する。これらの機能が特許請求の範囲でいう下流側セカンド閉ループ制御手段と上流側セカンド閉ループ制御手段に相当する。

更に、上流側触媒２２の上流側の第１センサ２４の出力とその目標出力（目標空燃比λTG）との偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを算出する（後述する図２のステップ１０４）。この機能が特許請求の範囲でいう空燃比閉ループ制御手段に相当する。
以下、これらの制御を実行する各プログラムの処理内容を説明する。

［燃料噴射量算出］
図２の燃料噴射量算出プログラムは、空燃比の閉ループ制御を通じて要求燃料噴射量ＴＡＵを設定するプログラムであり、所定クランク角毎に実行される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、現在の吸気管圧力、エンジン回転速度等の運転状態パラメータに基づいてマップ等から基本燃料噴射量ＴＰを算出し、次のステップ１０２で、空燃比閉ループ制御条件が成立しているか否かを判定する。ここで、空燃比閉ループ制御条件は、エンジン冷却水温が所定温度以上であること、エンジン運転状態が高回転・高負荷領域ではないこと等であり、これらの条件を全て満たしたときに空燃比閉ループ制御条件が成立する。

上記ステップ１０２で、空燃比閉ループ制御条件が不成立と判定された場合にはステップ１０６に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを「１．０」に設定して、ステップ１０５に進む。この場合は、空燃比の閉ループ補正は行われない。

一方、上記ステップ１０２で、空燃比閉ループ制御条件が成立していると判定された場合は、ステップ１０３に進み、後述する図３の目標空燃比設定プログラムを実行して上流側触媒２２上流側の目標空燃比λTGを設定し、次のステップ１０４で、上流側触媒２２の上流側の第１センサ２４の出力（排出ガスの空燃比）と目標空燃比λTGとの偏差に応じて空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。

この後、ステップ１０５で、基本燃料噴射量ＴＰ、空燃比補正係数ＦＡＦ及び他の補正係数ＦＡＬＬを用いて、次式により燃料噴射量ＴＡＵを算出して、本プログラムを終了する。
ＴＡＵ＝ＴＰ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ

［目標空燃比設定］
次に、図２のステップ１０３で実行される図３の目標空燃比設定プログラムの処理内容を説明する。本プログラムが起動されると、まず、ステップ２０１で、図４の目標電圧設定プログラムを実行し、第３センサ２６の出力電圧（下流側触媒２３下流側の空燃比）に応じてマップにより第２センサ２５の目標電圧Ｖtgを設定する。この目標電圧Ｖtgのマップ特性は、第３センサ２６の出力電圧が所定範囲内（第２の所定値Ａ＜出力電圧＜第１の所定値Ｂ）の領域では、第３センサ２６の出力電圧が高くなるほど、第２センサ２５の目標電圧Ｖtgが低くなり、第３センサ２６の出力電圧が第２の所定値Ａ以下の領域では、第２センサ２５の目標電圧Ｖtgが上限値で一定となり、第３センサ２６の出力電圧が第１の所定値Ｂ以上の領域では、第２センサ２５の目標電圧Ｖtgが下限値で一定となる。

目標電圧Ｖtgの設定後、図３のステップ２０２に進み、上流側触媒２２下流側に配置された第２センサ２５の出力電圧ＶＯＸ２が目標電圧Ｖtgより高いか低いかによって、上流側触媒２２の状態がリッチかリーンかを判定し、リーンのときには、ステップ２０３に進み、前回もリーンであったか否かを判定する。前回も今回もリーンである場合には、ステップ２０４に進み、リッチ積分量λIRを、現在の吸入空気量に応じてマップ等から算出する。この際、吸入空気量が多くなるほど、リッチ積分量λIRが小さくなるように設定される。リッチ積分量λIRの算出後、ステップ２０５に進み、目標空燃比λTGをλIRだけリッチ側に補正し、そのときのリッチ／リーンを記憶して（ステップ２１３）、本プログラムを終了する。

また、前回リッチで今回リーンに反転した場合には、ステップ２０６に進み、リッチ側へのスキップ量λSKR を、第３センサ２６の出力（下流側触媒２３の吸着状態）に応じてマップ等から算出する。これにより、下流側触媒２３のリーン成分吸着量が多くなるほど、リッチスキップ量λSKR が大きくなるように設定される。リッチスキップ量λSKR の算出後、ステップ２０７進み、目標空燃比λTGをλIR＋λSKR だけリッチ側に補正し、そのときのリッチ／リーンを記憶して（ステップ２１３）、本プログラムを終了する。

一方、前記スキップ２０２で、第２センサ２５の出力電圧ＶＯＸ２が目標電圧Ｖtgより高い（上流側触媒２２の状態がリッチ）と判定された場合には、ステップ２０８に進み、前回もリッチであったか否かを判定する。前回も今回もリッチである場合には、ステップ２０９に進み、リーン積分量λILを現在の吸入空気量に応じてマップ等から算出する。この際、吸入空気量が多くなるほど、リーン積分量λILが小さくなるように設定される。リーン積分量λILの算出後、ステップ２１０に進み、目標空燃比λTGをλILだけリーン側に補正し、そのときのリッチ／リーンを記憶して（ステップ２１３）、本プログラムを終了する。

また、前回はリーン側で今回リッチに反転した場合には、ステップ２１１に進み、リーン側へのスキップ量λSKL を、第３センサ２６の出力（下流側触媒２３の吸着状態）に応じてマップ等から算出する。これにより、下流側触媒２３のリッチ成分吸着量が多くなるほど、リーンスキップ量λSKR が大きくなるように設定される。この後、ステップ２１２に進み、目標空燃比λTGをλIL＋λSKL だけリーン側に補正し、そのときのリッチ／リーンを記憶して（ステップ２１３）、本プログラムを終了する。

以上説明した本実施形態の空燃比制御の挙動を図５のタイムチャートに基づいて説明する。下流側触媒２３下流側の第３センサ２６の出力電圧（下流側触媒２３の状態）に応じて、上流側触媒２２下流側の第２センサ２５の目標電圧Ｖtgが設定される。これにより、下流側触媒２３の状態がリーンのときに、第２センサ２５の目標電圧Ｖtgがリッチ側に設定され、下流側触媒２３の状態がリッチのときに、第２センサ２５の目標電圧Ｖtgがリーン側に設定される。

エンジン運転中は、第２センサ２５の出力電圧と目標電圧Ｖtgとを比較し、第２センサ２５の出力電圧が目標電圧Ｖtgを横切る毎に、上流側触媒２２上流側の目標空燃比λTGがリッチ側又はリーン側にスキップする。このような制御を行うことで、下流側触媒２３の状態がリッチのときに、上流側触媒２２の状態がリーンとなるように空燃比が制御され、下流側触媒２３の状態がリーンのときに、上流側触媒２２の状態がリッチとなるように空燃比が制御される。

例えば、上流側触媒２２の状態がリッチのときには、上流側触媒２２の浄化特性は、排出ガス中のリーン成分（ＮＯｘ等）の浄化率が高くなるが、リッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）の浄化率が相対的に低下するため、上流側触媒２２から流出する排出ガス中のリッチ成分が相対的に多くなるが、この場合は、下流側触媒２３の状態がリーンとなるように制御されるため、上流側触媒２２で浄化できなかったリッチ成分をリーン状態の下流側触媒２３で効率良く浄化することができる。一方、上流側触媒２２の状態がリーンのときには、上流側触媒２２から流出する排出ガス中のリーン成分が相対的に多くなるが、この場合は、下流側触媒２３の状態がリッチとなるように制御されるため、上流側触媒２２で浄化できなかったリーン成分をリッチ状態の下流側触媒２３で効率良く浄化することができる。このようにして、上流側触媒２３と下流側触媒２４の両方を有効に使用して排出ガス中のリッチ成分とリーン成分を効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる。

更に、本実施形態では、第３センサ２６の出力電圧に応じて第２センサ２５の目標電圧Ｖtgを設定する際に、目標電圧Ｖtgの上限値と下限値を設けて、目標電圧Ｖtgを所定範囲内に制限するようにしたので、上流側触媒２２のリッチ／リーン度合を所定範囲内に制限することができて、空燃比の過補正による上流側触媒２２の浄化率低下を防止することができる。

尚、本発明は、上流側触媒２２から流出する排出ガスの空燃比（第２センサ２５の出力）が下流側触媒２３のガス成分吸着状態のリッチ／リーン（第３センサ２６の出力）と逆側となるように制御しても良く、この場合でも、前記実施形態と同じく、上流側触媒２２と下流側触媒２３の両方を有効に使用して排出ガス中のリッチ成分とリーン成分を効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を高めることができる。

図１のシステム構成は、排気管２１に２個の触媒２２，２３を直列に配置した実施形態であるが、３個以上の触媒を配置して、それを２つの触媒群に区分し、各触媒群を１個の触媒と見なして本発明を適用しても良い。

本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図である。 燃料噴射量算出プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 目標空燃比設定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 目標電圧設定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 目標空燃比、第２センサ出力、目標電圧、第３センサ出力の挙動を示すタイムチャートである。 上流側触媒状態と下流側触媒状態との関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エアフローメータ、２０…燃料噴射弁、２１…排気管（排気通路）、２２…上流側触媒、２３…下流側触媒、２４…第１センサ（センサ）、２５…第２センサ、２６…第３センサ（下流側触媒状態検出手段）、２９…ＥＣＵ（空燃比制御手段）

Claims (1)

1. 排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群を直列に配置した内燃機関において、
   上流側に配置された触媒又は触媒群（以下「上流側触媒」という）から流出する排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出するセンサと、
   下流側に配置された触媒又は触媒群（以下「下流側触媒」という）のガス成分吸着状態を検出又は推定する下流側触媒状態検出手段と、
   上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比を下流側触媒のガス成分吸着状態のリッチ／リーンと逆側に制御する空燃比制御手段とを備え、
   前記空燃比制御手段は、前記下流側触媒のガス成分吸着状態がリッチのときには、前記上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比がリーンとなるように制御し、前記下流側触媒のガス成分吸着状態がリーンのときには、前記上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比がリッチとなるように制御することを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化制御装置。

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