JPH0693897A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】リーンバーン制御時において、ＮＯx 排出量を
抑制しつつ運転の安定化を向上させることを目的とす
る。 【構成】排気通路に吸着材８と、リーンＮＯｘ触媒９
と、このリーンＮＯｘ触媒９の入口付近にＨＣ濃度セン
サ13を設け、機関温度が所定温度より高くリーンバーン
制御に移行した時に、吸着材８からのＨＣ脱離量をＨＣ
濃度センサ13で検出し、リーンＮＯｘ触媒９のＮＯx 転
換効率が高くなるＨＣ濃度の高い時には、未燃ガス補正
係数を高く設定することで、通常のリーンバーン制御時
のリーン空燃比よりリッチ側（理論空燃比よりリーンで
ある）に空燃比を制御する。これにより、ＮＯx 排出量
を抑制しつつ運転性の安定化を図ることができるように
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の空燃比制御
装置に関し、特に、運転状態に応じて空燃比を理論空燃
比と理論空燃比より薄いリーン側の空燃比とに切り換え
るようにした内燃機関の空燃比制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃費を可及的に向上させるため、
機関の安定する運転領域においては理論空燃比よりリー
ン側に設定した混合気で燃焼する（以下、リーンバーン
制御という）ようにした内燃機関が提案されている（例
えば特開昭６０−２３３３２９号公報等参照）。

【０００３】ところで、リーンバーン制御内燃機関にあ
っては、理論空燃比よりリーン側に設定した混合気にお
いて運転がなされるため、排気浄化装置として、理論空
燃比よりリーン側においてＮＯ_X の転換効率が低下する
通常の三元触媒を用いる場合は、図９に示すように、Ｎ
Ｏx 発生量を許容値以下にする必要から空燃比（Ａ／
Ｆ）をＡ／Ｆ＝22付近に設定している。尚、図９は、低
負荷、一定回転速度での運転状態における特性を示して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空燃比
を22付近に設定した場合には、失火限界に近い値である
ことから暖機直後等においては機関運転が不安定となり
運転性に問題がある。そこで、空燃比をこれよりも多少
リッチ側（Ａ／Ｆ＝20付近）に設定すれば、燃費もあま
り変わらずに運転性は安定化するが、図９に示すように
ＮＯx の発生量が増大するという問題が生じる。

【０００５】ところで、空燃比が理論空燃比よりリーン
側となっても、機関から排出されるＮＯ_X の転換効率が
低下しない機能を有する、ゼオライトやアルミナシリケ
ートを基材とする触媒（以下、リーンＮＯ_X 触媒とい
う）がある。このリーンＮＯ_X触媒は、基材に吸着した
未燃ガスであるＨＣによりＮＯ_X を還元することにより
当該ＮＯ_X を浄化している。このため、前記リーンＮＯ
x 触媒は、図10に示すように、触媒入口のＨＣ濃度が高
い程ＮＯx の転換効率が高くなる特性を有している。

【０００６】一方、自動車排気浄化装置として、機関排
気系に配置した、排気中の有害成分の浄化のための触媒
コンバータの上流側に、ＨＣを吸着するための吸着材を
納めたトラッパーを配置したものが提案されている。当
該排気浄化装置においては、低温時にはＨＣを吸着材に
トラップし、高温時にＨＣを吸着材から脱離して触媒で
浄化する。吸着材としては、ゼオライトが吸着性に優れ
ていることから、例えばモノリス担体にゼオライトをコ
ートしたものが提案されている（例えば特願平３−３１
４６５８号参照）。

【０００７】そこで、本発明は上記の事情に鑑み、運転
状態に応じて理論空燃比とリーン空燃比とを切換制御す
る内燃機関において、未燃ガス吸着材とリーンＮＯｘ触
媒とを用い、リーン空燃比制御領域でＮＯx 排出量を抑
制しつつ運転性をより一層向上させるようにした空燃比
制御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、図１
に示すように、機関の運転状態に応じて空燃比を、理論
空燃比とリーン空燃比とに切換制御する構成の内燃機関
の空燃比制御装置において、機関排気通路に、排気中の
未燃ガスを吸着する未燃ガス吸着材と、該未燃ガス吸着
材の下流側に理論空燃比よりリーン側の空燃比でも良好
なＮＯx 転換効率を有するリーン空燃比用触媒とを順次
配置し、前記リーン空燃比用触媒の入口側排気通路に未
燃ガス濃度を検出する未燃ガス濃度検出手段を設ける一
方、機関運転状態検出手段と、機関運転状態に基づいて
基本燃料噴射量を演算する基本燃料噴射量演算手段と、
機関運転状態に基づいて理論空燃比制御領域かリーン空
燃比制御領域かを判定する空燃比制御領域判定手段と、
該空燃比制御領域判定手段がリーン空燃比制御領域と判
定した時にその時の運転状態に応じてリーン空燃比補正
係数を設定するリーン空燃比補正係数設定手段と、前記
空燃比制御領域判定手段がリーン空燃比制御領域と判定
した時に前記未燃ガス濃度検出手段の検出値に基づいて
未燃ガス濃度の増大に応じて未燃ガス濃度補正係数を増
大設定する未燃ガス濃度補正係数設定手段と、前記基本
噴射量と両補正係数とに基づいて実際の燃料噴射量を演
算する燃料噴射量演算手段と、該燃料噴射量演算手段の
演算値に基づいて燃料噴射弁を駆動制御する制御手段と
を備えて構成した。

【０００９】

【作用】かかる構成において、機関排気通路に介装され
た未燃ガス吸着材は、例えば、機関始動時等の低温時で
は、吸着材温度が低く排気中の未燃ガスは吸着材にトラ
ップされる。そして、機関運転状態検出手段からの検出
信号に基づいて機関暖機が終了して機関が安定化しリー
ン空燃比制御領域であると空燃比制御領域判定手段によ
り判定されると、リーン空燃比補正係数設定手段によっ
てその時の運転状態に応じた補正係数が設定されてリー
ン空燃比制御が開始される。リーン空燃比制御が開始さ
れると未燃ガス濃度検出手段によってリーンＮＯｘ触媒
入口の未燃ガス濃度の検出が行われ、その検出に基づい
て未燃ガス濃度補正係数設定手段によって未燃ガス濃度
補正係数が設定される。

【００１０】そして、設定された両補正係数と基本燃料
噴射量演算手段で演算された基本燃料噴射量とに基づい
て燃料噴射量演算手段により実際の燃料噴射量が演算さ
れ、該演算値に基づいて制御手段により燃料噴射弁を駆
動制御して所望の空燃比に制御する。ここで、前記未燃
ガス濃度補正係数の設定は、リーンＮＯｘ触媒の転換効
率が高くなる未燃ガス濃度が高い時は、補正係数値を大
きくするように設定する。これにより、未燃ガス濃度が
高い時には、空燃比が通常のリーン空燃比よりもリッチ
（理論空燃比よりはリーンである）側に制御されて運転
性が安定し、しかも、リーンＮＯｘ触媒の転換効率が高
くなるのでＮＯx 排出量も抑制できるようになる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図２に本発明の第１実施例のシステム構成を示
す。図２において、機関本体１の吸気通路２には、スロ
ットル弁３により制御される吸入空気流量を検出するエ
アフローメータ４が設けられている。また、吸気マニホ
ールド５には、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁６が設け
られていて、後述するコントロールユニット10からの噴
射パルス信号によって開弁駆動し、図示しない燃料ポン
プから圧送されたプレッシャレギュレータにより所定の
圧力に制御された燃料を吸気マニホールド５内に噴射供
給する。

【００１２】機関本体１の排気通路７には、未燃ガス吸
着材（以下、単に吸着材という）８とリーン空燃比用触
媒であるリーンＮＯｘ触媒９が順次配置されている。前
記吸着材８は、例えばモノリス形状のセラミック担体に
γ−アルミナ等をコーティングしたものである。尚、吸
着材８はモノリス形状に限らず、例えばフォーム状、ペ
レット状、メッシュ状等であってもよく、また、コーテ
ィング材としては活性炭吸着材等の吸着性能があるもの
であればよい。また、リーンＮＯｘ触媒９は、触媒担体
にゼオライトやアルミナシリケート等コーティングした
ものである。

【００１３】コントロールユニット10は、マイクロコン
ピュータを内蔵し、機関運転状態を検出する各種センサ
類からの検出信号に基づいて、基本噴射量の演算、理論
空燃比領域かリーン空燃比領域かの空燃比制御領域の判
定、各種補正係数の設定及び実際に噴射する最終的な燃
料噴射量の演算を行い、前述したように各燃料噴射弁６
の噴射パターン信号を発生して各燃料噴射弁６を駆動制
御して空燃比を制御するものである。従って、前記コン
トロールユニット10が、基本燃料噴射量演算手段、空燃
比制御領域判定手段、リーン空燃比補正係数設定手段、
未燃ガス濃度補正係数設定手段、燃料噴射量演算手段及
び制御手段の機能を備えているものである。

【００１４】前記各種センサとしては、スロットル弁３
の上流側で機関本体１の吸入空気量Ｑａを検出する前述
したエアフローメータ４と、クランク軸の回転に基づい
て機関回転速度Ｎを検出するクランク角センサ11と、機
関本体１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ12及び
吸着材８下流側でリーンＮＯｘ触媒９の入口付近の排気
通路７に配置され吸着材８から排出されリーンＮＯｘ触
媒９に流入する未燃ガスであるＨＣ濃度を検出する未燃
ガス濃度検出手段としてのＨＣ濃度センサ13が設けられ
ている。ここで、前記エアフローメータ４、クランク角
センサ11及び水温センサ12が機関運転状態検出手段に相
当する。

【００１５】次にかかる第１実施例装置の空燃比制御の
動作を図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップ１（図ではＳ１と記す。以下同様）で
は、エアフローメータ４、クランク角センサ11及び水温
センサ12からの吸入空気流量Ｑａ、機関回転速度Ｎ及び
機関冷却水温Ｔｗを入力する。

【００１６】ステップ２では、前記機関回転数速度Ｎと
吸入空気流量Ｑａ信号とに基づいて、理論空燃比相当の
基本燃料噴射量Ｔｐを次式によって演算する。 Ｔｐ＝Ｋ・Ｑ／Ｎ （但しＫは定数） ステップ３では、冷却水温補正係数Ｋ_TWを演算する。ス
テップ４では、検出した水温Ｔｗが60℃を越えたか否か
を判定する。Ｔｗ≦60℃の時（ＮＯ）は暖機中であり理
論空燃比制御領域と判断してステップ５に進む。この時
には、吸着材８においてＨＣが吸着されている。

【００１７】ステップ５では、後述するリーン空燃比補
正係数Ｋ_LEAN及びＨＣ濃度センサ13で検出されるＨＣ濃
度に対応して設定される未燃ガス濃度補正係数Ｋ_ADS の
それぞれの値をＫ_LEAN＝１、Ｋ_ADS ＝１に設定し、ステ
ップ９に進み、実際の燃料噴射量を次式に基づいて演算
する。 Ｔｉ＝Ｔｐ×Ｔｗ×Ｋ_LEAN×Ｋ_ADS ＋Ｔｓ ここで、Ｔｓはバッテリ電圧補正値である。

【００１８】一方、ステップ４において、Ｔｗ＞60℃の
時（ＹＥＳ）は暖機完了であり、リーン空燃比制御領域
と判断して理論空燃比制御からリーン空燃比制御に移行
してステップ６に進む。ステップ６では、基本燃料噴射
量Ｔｐと機関回転速度Ｎとから図４のマップに基づいて
リーン空燃比補正係数Ｋ_LEANの値を検索する。

【００１９】ステップ７では、ＨＣ濃度センサ13で検出
される、吸着材８から脱離されてリーンＮＯｘ触媒９に
流入するＨＣの濃度、即ち、リーンＮＯｘ触媒９入口側
のＨＣ濃度を入力する。ステップ８では、ステップ７で
入力したＨＣ濃度に応じて図５のマップから未燃ガス濃
度補正係数Ｋ_ADS の値を検索する。この場合、図５のマ
ップに示すように、ＨＣ濃度が高くなる従って未燃ガス
濃度補正係数Ｋ_ADS の値は大きく設定される。

【００２０】ステップ９では、前述の演算式に基づいて
現在の運転状態に応じた実際の燃料噴射弁Ｔｉを演算す
る。以上から明らかなように、リーン空燃比制御領域に
おいては、リーンＮＯｘ触媒９入口側のＨＣ濃度に応じ
て空燃比が補正され、ＨＣ濃度が高くなるとリーン制御
時の設定空燃比が通常よりはリッチ側（理論空燃比より
はリーンである）に制御される。これにより、従来不安
定であった暖機直後のリーン空燃比制御領域での運転性
が安定する。そして、このようにリッチ側に制御すると
ＮＯx 発生量が高くなるが、ＨＣ濃度が高くなると図10
に示すようにリーンＮＯｘ触媒９の転換効率が高くなる
ので、発生量が高くなるにも拘らず外部に排出されるＮ
Ｏx 量は充分に抑制でき、排気特性が悪化することはな
い。

【００２１】次に、図６に本発明の第２実施例のシステ
ム構成図を示す。尚、第１実施例と同一部分には同一符
号を付して説明を省略する。図６において、吸着材８を
バイパスするバイパス通路14を設ける共に、吸着材８の
入口側排気通路部と、前記バイパス通路14とに、排気通
路７中の排気流れを制御するそれぞれ第１切換弁15と第
２切換弁16とを介装してある。

【００２２】かかる第２実施例の空燃比制御動作を図７
のフローチャートを参照して説明する。ステップ11〜ス
テップ13までは第１実施例と同様である。ステップ14で
は、検出した水温Ｔｗが40℃未満か否かを判定する。Ｔ
ｗ＜40℃の時（ＹＥＳ）は暖機中であり理論空燃比制御
領域と判断してステップ15に進む。

【００２３】ステップ15では、第１切換弁15を全開とす
る。ステップ16では、第２切換弁16を全閉とする。これ
により、排気の全てを吸着材８側に流して排気中のＨＣ
の吸着を行う。ステップ17では、次式に基づいて理論空
燃比相当の燃料噴射量Ｔｉを演算する。

【００２４】Ｔｉ＝Ｔｐ×Ｔｗ＋Ｔｓ また、ステップ14でＴｗ≧40℃の時（ＮＯ）は、ステッ
プ18に進む。ステップ18では、Ｔｗが60℃未満か否かを
判定する。Ｔｗ＜60℃の時（ＹＥＳ）は未だ暖機中であ
り理論空燃比制御領域と判断してステップ19に進む。ス
テップ19では、第１切換弁15を全閉とする。

【００２５】ステップ20では、第２切換弁16を全開とす
る。これにより、排気の全てをバイパス通路14側に流し
て吸着材８からのＨＣの脱離を行わず、排気を直接リー
ンＮＯｘ触媒９に導入する。そして、ステップ17で前述
の式に基づいて理論空燃比相当の燃料噴射量Ｔｉを演算
して、理論空燃比状態に制御する。

【００２６】一方、ステップ18でＴｗ≧60℃の時（Ｎ
Ｏ）は暖機完了であり、リーン空燃比制御領域と判断し
て理論空燃比制御からリーン空燃比制御に移行してステ
ップ21に進む。ステップ21では、第１実施例の場合と同
様に、基本燃料噴射量Ｔｐと機関回転速度Ｎとから図４
のマップに基づいてリーン空燃比補正係数Ｋ_LEANの値を
検索する。

【００２７】ステップ22では、図８に示すマップからそ
の時のリーン制御時の機関運転状態に対応して第１切換
弁15の開度を設定して、吸着材８からのＨＣの脱離量を
制御する。ステップ23では、ＨＣ濃度センサ13で検出さ
れるリーンＮＯｘ触媒９入口側のＨＣ濃度を入力する。

【００２８】ステップ24では、ステップ23で入力したＨ
Ｃ濃度に応じて図５のマップから未燃ガス濃度補正係数
Ｋ_ADS の値を検索する。ステップ25では、第１実施例と
同様の演算式に基づいて現在の運転状態に応じた実際の
燃料噴射弁Ｔｉを演算する。ステップ26では、第２切換
弁16を全開とする。

【００２９】かかる第２実施例装置では、吸着材８で吸
着したＨＣの脱離量を制御できるので、ＮＯx 転換量の
より必要な加速条件で脱離量を増大制御して転換効率を
高めるよう制御することが可能となる。尚、本実施例で
は、空燃比をオープン制御する例を示したが、空燃比セ
ンサを設けて空燃比をフィードバック制御するようにす
れば空燃比制御精度をより向上できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、リ
ーン空燃比制御領域においてリーンＮＯｘ触媒入口の未
燃ガス濃度が高くリーンＮＯｘ触媒のＮＯx 転換効率の
高い時には、リーン制御時の空燃比を通常よりリッチ側
（理論空燃比よりリーン）に制御する構成としたので、
ＮＯx の排出量を抑制しつつリーンバーン制御時の運転
性の安定化を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の構成を説
明するブロック図

【図２】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の第１実施
例を示す構成図

【図３】同上第１実施例の空燃比制御動作を説明するフ
ローチャート

【図４】リーン空燃比制御時の機関運転状態とリーン空
燃比補正係数との関係図

【図５】ＨＣ濃度と未燃ガス濃度補正係数との関係図

【図６】本実施例の内燃機関の空燃比制御装置の第２実
施例を示す構成図

【図７】同上第２実施例の空燃比制御動作を説明するフ
ローチャート

【図８】リーン補正係数と第１切換弁開度の関係を示す
図

【図９】従来装置における空燃比とトルク変動とＮＯx
発生量との関係を示す図

【図10】ＨＣ濃度とリーンＮＯｘ触媒の転換効率との関
係を示す図

【符号の説明】

１ 機関本体 ４ エアフローメータ ６ 燃料噴射弁 ７ 排気通路 ８ 未燃ガス吸着材 ９ リーンＮＯｘ触媒 10 コントロールユニット 11 クランク角センサ 12 水温センサ 13 ＨＣ濃度センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の運転状態に応じて空燃比を、理論空
   燃比とリーン空燃比とに切換制御する構成の内燃機関の
   空燃比制御装置において、 機関排気通路に、排気中の未燃ガスを吸着する未燃ガス
   吸着材と、該未燃ガス吸着材の下流側に理論空燃比より
   リーン側の空燃比でも良好なＮＯx 転換効率を有するリ
   ーン空燃比用触媒とを順次配置し、前記リーン空燃比用
   触媒の入口側排気通路に未燃ガス濃度を検出する未燃ガ
   ス濃度検出手段を設ける一方、 機関運転状態検出手段と、 機関運転状態に基づいて基本燃料噴射量を演算する基本
   燃料噴射量演算手段と、 機関運転状態に基づいて理論空燃比制御領域かリーン空
   燃比制御領域かを判定する空燃比制御領域判定手段と、 該空燃比制御領域判定手段がリーン空燃比制御領域と判
   定した時にその時の運転状態に応じてリーン空燃比補正
   係数を設定するリーン空燃比補正係数設定手段と、 前記空燃比制御領域判定手段がリーン空燃比制御領域と
   判定した時に前記未燃ガス濃度検出手段の検出値に基づ
   いて未燃ガス濃度の増大に応じて未燃ガス濃度補正係数
   を増大設定する未燃ガス濃度補正係数設定手段と、 前記基本噴射量と両補正係数とに基づいて実際の燃料噴
   射量を演算する燃料噴射量演算手段と、 該燃料噴射量演算手段の演算値に基づいて燃料噴射弁を
   駆動制御する制御手段とを備えて構成したことを特徴と
   する内燃機関の空燃比制御装置。