JP5375554B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献1の技術では、上流側触媒と下流側触媒との酸素吸蔵量を変えることで触媒の耐熱性や浄化性能を向上させることを目的としており、下流側に設けられたO2センサの検出遅れを抑制するものではない。そのため、内燃機関の空燃比F/B制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることが困難である、といった問題点がある。
このように、同一運転環境下において、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。そのため、下流側空燃比検出手段が空燃比の変化を迅速に検出することができることから、検出結果に基づいてメインF/B制御による空燃比の補正を修正するサブF/B制御を迅速に実行することができる。よって、内燃機関の空燃比F/B制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
このように、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度を、下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の範囲内になる酸素吸蔵速度とすることで、下流側空燃比検出手段が示す電圧の振幅を小さくして検出応答性を高めることができる。よって、内燃機関の空燃比F/B制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
エンジンECU10は、クランク角センサからのピストン12の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定しインジェクタ18に信号を送る。インジェクタ18は、エンジンECU10の信号に従って、指示された噴射タイミングで吸気ポート13に燃料を噴射する。インジェクタ18より噴射された燃料は、霧化して吸入空気と混合しつつ、吸気弁の開弁に伴って吸気ポート13から燃焼室11内へ流入する。燃焼室11内へ流入した燃料と吸入空気との混合気は、ピストン12の上昇運動により燃焼室11内で圧縮されて点火プラグ19により点火されることで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストン12を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン100は動力を得る。
この場合、エンジン100は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム1は、エンジン100と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
スロットルバルブ17は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル(図示しない)と連動し、スロットルバルブ17の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
この場合、インジェクタ18は、吸気ポート13に限られず、燃焼室11の任意の位置に装着して燃焼室11内に燃料を直接噴射する構成としてもよい。また、インジェクタ18は、燃焼室11と吸気ポート13との両方に設けてもよい。
排気浄化触媒31aの具体的な構成については後述する。
なお、A/Fセンサ21は、本発明の上流側空燃比検出手段の一構成例である。
なお、O2センサ22は、本発明の下流側空燃比検出手段の一構成例である。
まず、エンジンECU10は、排気浄化触媒31a上流側のA/Fセンサ21の検出結果から燃焼室11内の混合気の空燃比を把握し、現状の負荷状態で要求される空燃比へと補正するための第1補正係数を演算して、第1補正係数に基づいて燃料噴射量を調整するメイン空燃比F/B制御を実行する。
次に、エンジンECU10は、メイン空燃比F/B制御に加えて、排気浄化触媒31a下流側のO2センサ22の検出結果に基づいて第2補正係数を演算し、メイン空燃比F/B制御にて得られた第1補正係数を修正するサブ空燃比F/B制御を実行する。このようなサブ空燃比F/B制御を実行することにより、排気浄化触媒31a上流側のA/Fセンサ21の出力特性のバラツキに基づく空燃比の誤差を、充分に撹拌されて酸素濃度が平衡状態となった排気浄化触媒31a下流側の排気ガスからO2センサ22が検出した空燃比に基づいて修正可能であるために、空燃比制御の精度をより向上させることができる。
なお、エンジンECU10は、本発明の空燃比制御手段の一構成例である。
以下に、排気浄化触媒31aの具体的な構成を説明する。排気浄化触媒31aは、触媒担体32aと酸素吸蔵/放出材33aから構成される。
[酸素吸蔵/放出の化学反応式]
4CeO2 ⇔ 2Ce2O3+O2 ・・・(1)
上記(1)式のように、Ce系酸化物の酸素吸蔵メカニズムは、Ce3+ → Ce4+の酸化反応による。この酸化反応は、Ce2O3とO2とが瞬時に反応するために、O2が接触し易いCe系酸化物のより表層部分から内部に向かって進行する。そのため、より多くのO2を迅速にCe系酸化物のより内部まで侵入させることで、Ce系酸化物の単位時間当たりの酸化反応量が増大する、すなわち、酸素吸蔵速度が大きくなる。
ここで、Ce系酸化物とZrO2の固溶体は、Ce原子に対してZr原子が極めて小さいために固溶体の結晶に歪みができる。そのため、結晶の歪みを通じて固溶体のより内部までO2が素早く侵入することができることから、Ce系酸化物の酸素吸蔵速度が大きくなる。そして、固溶体中のZr組成比率がより大きいほど、O2が固溶体の内部に侵入するための通路が増加するために酸素吸蔵速度がより大きくなる。また、固溶体中のZr組成比率がより小さいほど、O2が固溶体の内部に侵入するための通路が減少するために酸素吸蔵速度がより小さくなる。このように、酸素吸蔵/放出材33aのZr組成比率をより小さくすることで、排気浄化触媒31aの酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。
この場合、特に、O2センサ22の空燃比の判定電圧を0.5[V]からより高電圧側(リッチ側)に設定してもよい。それにより、エンジン100の空燃比がリッチ側からリーン側へと変化する際に生じるO2センサ22の空燃比の検出遅れをより効果的に抑制することができる(図5(b)参照)。
なお、排気浄化触媒31aは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
更に、エンジンシステム2は、排気通路16に排気浄化触媒31bを備えることで、下流側に設けられたO2センサ22の空燃比の検出遅れを抑制し、エンジン200の空燃比F/B制御による補正を迅速に収束させることができる。
排気浄化触媒31bは、触媒担体32aと酸素吸蔵/放出材33bから構成される。
また、酸素吸蔵/放出材33bは、その複合酸化物を構成するZr組成比率が、触媒担体32aの全体にわたって同じ比率をとる構成である。
[酸素吸蔵の反応速度式]
v=k・[O2]・[Ce2O3]2 ・・・(2)
(v:酸素吸蔵速度,k:反応速度係数)
上記(2)式のように、Ce系酸化物の酸素吸蔵の反応速度は、O2の濃度に対してCe2O3の濃度が二乗で関与する。そして、一般的に、Ce系酸化物は、Pt等の貴金属と共存することでCe4+ → Ce3+の還元反応の速度が大きくなる、すなわち、O2の放出速度が大きくなる。そのため、Ce系酸化物の結晶子内にPtをより多量に分散させるほど、Ce系酸化物が吸蔵したO2を放出する際の速度が大きくなるために、Ce系酸化物中のCe2O3の濃度が高まる。このように、Ce系酸化物中のCe2O3の濃度が高まると、(2)式より、Ce系酸化物の酸素吸蔵速度がより大きくなる。また、NOx吸蔵還元型においても、NOx吸蔵/放出材に貴金属を担持することで、排気ガス中のNOxが貴金属を滑り落ちてその近傍のNOx吸蔵/放出材に吸蔵するスピルオーバー効果によってNOxの吸蔵・放出速度が大幅に向上する。そのため、複合酸化物へのPt担持量を少量とすることで、酸素吸蔵/放出材33bの酸素吸蔵速度を小さくすることができる。
また、酸素吸蔵反応が進行するにつれて、反応速度の遅い酸素がより排気浄化触媒31bの下流側の、すなわち、よりO2センサ22に対向する側の酸素吸蔵/放出材33bで吸蔵される。そのため、排気浄化触媒31bのO2センサ22に対向する側の酸素吸蔵速度を小さく、すなわち、Pt担持量を少量にすることで、排気浄化触媒31bがリーン雰囲気になる前に排気浄化触媒31bの下流側へ充分な量のO2を流出させることができる(図3(b)参照)。
このように、排気浄化触媒31bのO2センサ22に対向する側のPt担持量を少量とすることで、排気浄化触媒31bの下流側へ充分な量のO2を流出させることができることから、O2センサ22の検出応答性を向上させることができる。よって、O2センサ22の空燃比の検出遅れを抑制することができる。
なお、排気浄化触媒31bは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
更に、エンジンシステム3は、排気通路16に排気浄化触媒31cおよび排気浄化触媒31dを備えることで、下流側に設けられたO2センサ22の空燃比の検出遅れを抑制し、エンジン300の空燃比F/B制御による補正を迅速に収束させることができる。
排気浄化触媒31cは、触媒担体32bと酸素吸蔵/放出材33cとから構成される。また、排気浄化触媒31dは、触媒担体32cと酸素吸蔵/放出材33dとから構成される。そして、排気浄化触媒31cは、排気通路16の両センサ間のよりA/Fセンサ21側(上流側)に設けられて、排気浄化触媒31dは、排気通路16の両センサ間のよりO2センサ22側(下流側)に設けられる。
より下流側に酸素吸蔵速度がゼロのダミー触媒を配置した(a)、および酸素吸蔵速度が等しい排気浄化触媒を配置した(c)は、O2センサ22の出力電圧の振幅がより大きく、判定電圧付近に収束できていない。そのため、サブF/B制御を迅速に行うことができないために、エンジン300の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができず、その結果、排気エミッション濃度を効果的に低減することができない。
一方、より下流側に酸素吸蔵速度の小さい排気浄化触媒31dを配置した(b)は、O2センサ22の出力電圧の振幅がより小さく、判定電圧付近に収束している。そのため、サブF/B制御を迅速に行うことができるために、エンジン300の空燃比がより早く理論空燃比に近づき、その結果、排気エミッション濃度を効果的に低減することができる。
なお、排気浄化触媒31cおよび排気浄化触媒31dは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
10 エンジンECU(空燃比制御手段)
11 燃焼室
12 ピストン
18 インジェクタ
21 A/Fセンサ(上流側空燃比検出手段)
22 O2センサ(下流側空燃比検出手段)
31 排気浄化触媒(排気浄化装置)
32 触媒担体
33 酸素吸蔵/放出材
100,200,300 エンジン
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵/放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置と、
前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過する前の排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過した後の排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記内燃機関の空燃比を目標空燃比へと補正する空燃比制御手段と、を備え、
前記空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記内燃機関の燃料噴射量を補正するメインフィードバック制御と、前記下流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記メインフィードバック制御による燃料噴射量の補正を修正するサブフィードバック制御と、を実行し、
前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵/放出材は、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、
前記排気浄化触媒は、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量が少量であることで、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記下流側空燃比検出手段は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧値を示し、
前記排気浄化触媒は、前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が、前記下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の上限値および下限値の範囲内になる酸素吸蔵速度とすることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の制御装置。 - 前記排気浄化装置は、前記排気通路に設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する第1の酸素吸蔵/放出材を含有する第1の排気浄化触媒と、前記排気通路の前記第1の排気浄化触媒よりも下流側に設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する第2の酸素吸蔵/放出材を有する第2の排気浄化触媒と、を含み、
前記上流側空燃比検出手段は、前記第1の排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記第1の排気浄化触媒を通過する前の排気ガスの空燃比を検出し、
前記下流側空燃比検出手段は、前記第2の排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記第2の排気浄化触媒を通過した後の排気ガスの空燃比を検出し、
前記第1の酸素吸蔵/放出材は、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、
前記第2の酸素吸蔵/放出材は、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、
前記上流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量は、前記第1の酸素吸蔵/放出材の貴金属の担持量であり、
前記下流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量は、前記第2の酸素吸蔵/放出材の貴金属の担持量であり、
前記上流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度は、前記第1の排気浄化触媒の酸素吸蔵速度であり、
前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度は、前記第2の排気浄化触媒の酸素吸蔵速度であることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の制御装置。
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