JPH08291730A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】排気系にリーンＮＯｘ触媒と三元触媒とを介装
した場合に、最大限排気浄化性能を高めること。 【構成】リーン制御中に機関回転速度ＮＥ，機関負荷Ｔ
Ｐを求め（S1,S2)、これらの平均値ＡＶＥＮＥ，ＡＶＥ
ＴＰを求める(S3)。そして、機関運転状態がリーン制御
状態からストイキ制御状態に切り換える時を検出すると
(S4)、前記ＡＶＥＮＥ，ＡＶＥＴＰに基づいて、リッチ
シフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を求める(S5)。Ｓ６では、こ
のリッチシフト量に基づいて、燃料噴射量を増量補正し
て空燃比をリッチシフトさせる。これにより、前記切り
換え時に、リーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ効果に
より発生する三元触媒13のＨＣ不足を補うことができる
ので、三元触媒12のＮＯｘの転換効率を向上させること
ができ、以って排気有害成分の排出量を最大限低減する
ことができる。

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、詳しくは、排気系に、排気空燃比がリーン
（希薄空燃比）雰囲気下でもＮＯｘ（窒素酸化物）を浄
化することができるリーンＮＯｘ触媒と、理論空燃比
（ストイキ）近傍でＮＯｘ，ＣＯ（一酸化炭素），ＨＣ
（炭化水素）を同時に浄化することができる三元触媒
と、を備えた場合に、排気有害成分の排出量を効率的に
低減でき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、この種の空燃比制御装置として
は、以下のようなものがある。例えば、特開昭６２−１
６２７４６号公報によれば、空燃比センサ等の空燃比検
出手段の出力に基づいて、ある運転領域でリーンＮＯｘ
触媒を有効活用すべく目標リーン空燃比となるように、
吸入空気或いは燃料の機関への供給量を制御すると共
に、該リーン運転領域から、三元触媒を有効活用させる
必要のある三元運転領域（以下、ストイキ運転領域とも
言う。）に移行した場合において、移行後所定期間は、
移行前の目標空燃比（リーン設定）と理論空燃比に対し
て逆方向の空燃比（リッチ）となるように、前記供給量
を制御（リッチシフト）するようにしたものが開示され
ている。これは、加速時にリーン運転領域から三元運転
領域へ移行する際には、三元触媒に余剰の酸素が流入す
る状態となるので、三元触媒に流入する排気空燃比がス
トイキから外れ、有効に三元触媒の排気浄化性能を発揮
させることができなくなるのを防止するためである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開昭６
２−１６２７４６号公報に開示されるものでは、リーン
運転領域からストイキ運転領域への切り換え時の前記リ
ッチシフト量が、ゼオライト系リーンＮＯｘ触媒のＨＣ
ストレージ量に対応していなかったため、上記リッチシ
フトでは現実には過不足が生じ、ＮＯｘ若しくはＨＣの
排出量を増大させることとなっていた。

【０００４】即ち、リーン運転領域からストイキ運転領
域への切り換え直後には、ゼオライト系リーンＮＯｘ触
媒のＨＣストレージ効果により三元触媒へ流入する排気
中のＨＣが減少し、三元触媒においてＨＣが不足し、三
元触媒におけるＮＯｘの転換（例えば、２ＮＯｘ＋２Ｈ
Ｃ→Ｎ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ＋２ＣＯ₂ ）が阻害されるという問題
があるにも拘わらず、これに効果的に対応することがで
きていなかった。

【０００５】本発明は、上記従来の実情に鑑みなされた
もので、リーンＮＯｘ触媒と、その下流側に三元触媒
と、を備えた場合において、リーン制御状態からストイ
キ制御状態へ移行する際に、その移行前のリーン運転状
態に基づいて、リーンＮＯｘ触媒の活性状態における最
適なリッチシフト量を算出し、当該算出されたリッチシ
フト量に従い空燃比のリッチシフトを行なわせるように
して、最大限排気有害成分の排出量を低減できるように
した内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的と
する。また、当該装置の更なる高精度化を図ることも目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置は、図１に
示すように、排気中のＮＯｘを希薄空燃比雰囲気下で浄
化処理するリーンＮＯｘ触媒と、当該リーンＮＯｘ触媒
を通過した後の排気を理論空燃比近傍雰囲気下において
浄化処理する三元触媒と、を備えた内燃機関の空燃比制
御装置において、機関吸入混合気の空燃比を希薄空燃比
に制御するリーン制御から、機関吸入混合気の空燃比を
理論空燃比近傍に制御するストイキ制御へ切り換える際
に、該切り換え前のリーン運転状態に基づいて、機関吸
入混合の空燃比を過濃側にシフトさせるリッチシフト量
を算出するリッチシフト量算出手段と、前記リーン制御
から前記ストイキ制御への切り換え中に、前記リッチシ
フト量に基づいて、機関吸入混合気の空燃比をリッチシ
フトさせる空燃比制御手段と、を含んで構成した。

【０００７】請求項２に記載の発明では、前記リッチシ
フト算出手段を、少なくともリーン制御中の機関回転速
度，機関負荷に基づいて、リッチシフト量を算出する構
成とした。請求項３に記載の発明では、前記リッチシフ
ト算出手段を、少なくともリーン制御中の機関回転速
度，機関負荷が大きいほど、リッチシフト量を大きな値
として算出する構成とした。

【０００８】請求項４に記載の発明では、前記リーン制
御中の機関回転速度，機関負荷が、平均処理した値であ
るように構成した。

【０００９】

【作用】上記構成を備える請求項１に記載の発明では、
機関制御状態が、リーン制御状態からストイキ制御状態
へ切り換える際に、その切り換え前のリーン運転状態に
基づいて、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ効果に対
応した最適なリッチシフト量を算出し、当該算出したリ
ッチシフト量に従い空燃比制御量（例えば、燃料供給
量、吸入空気流量）を制御して機関吸入混合気の空燃比
をリッチシフトさせるようにする。これにより、当該制
御状態の切り換え時に、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレ
ージ効果により発生する三元触媒のＨＣ不足を補うこと
ができるようになるので、三元触媒のＮＯｘの転換効率
を向上させることができ、以って排気有害成分の排出量
を最大限低減することができるようになる。

【００１０】請求項２，請求項３に記載の発明では、リ
ーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ量に大きく影響するリ
ーン制御中の機関回転速度と機関負荷とをパラメータと
して、リッチシフト量を算出するようにしたので、リッ
チシフト量の算出の高精度化を図ることができ、またＨ
Ｃストレージ量と、リーン制御中の機関回転速度，機関
負荷と、の相関関係を満たすべく、機関回転速度，機関
負荷が大きいほどリッチシフト量を大きく算出するよう
にしたので、リッチシフト量の算出精度を向上させるこ
とができる。

【００１１】請求項４に記載の発明では、瞬間的（或い
は一時的）な機関回転速度，機関負荷の変化を吸収する
ことができるので、例えばノイズ等があっても、リッチ
シフト量の算出精度を高精度化することができる。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を添付の図面を参
照して説明する。本発明の一実施例の全体構成を示す図
２において、機関１の吸気通路14には吸入空気流量Ｑａ
を検出するエアフローメータ２及びアクセルペダルと連
動して吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁が設け
られ、下流のマニホールド部分には気筒毎に電磁式の燃
料噴射弁６が設けられる。また、機関１のクランクシャ
フトやカムシャフトの回転と同期して所定角度毎にパル
ス信号を発生させてクランク位置や機関回転速度ＮＥを
検出するクランク角センサ３が設けられている。

【００１３】前記燃料噴射弁６は、入・出力インターフ
ェース，Ａ／Ｄ変換器，ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵ等を含
んで構成されるコントロールユニット５において、後述
するようにして設定される駆動パルス信号（噴射パルス
巾信号）によって所定噴射時期に開弁駆動され、図示し
ない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータ
（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を所定量
噴射供給する。なお、機関１の燃焼室に吸入された混合
気は、各気筒の燃焼室に臨んで設けられた点火栓４によ
り点火され燃焼されるが、この点火栓４は、コントロー
ルユニット５の駆動信号に基づき、運転状態等に応じて
予め設定された点火タイミングで点火コイル７からの高
電圧を受け点火するようになっている。

【００１４】また、機関１の冷却ジャケット内の冷却水
温度Ｔｗを検出する水温センサ８が設けられている。排
気通路９にはマニホールド集合部近傍に、排気中の酸素
濃度に比例した検出値から空燃比を検出する空燃比検出
手段としての空燃比センサ10が設けられ、その下流側
に、触媒コンテナ11が介装されており、当該触媒コンテ
ナ11の内部には、上流側にリーンＮＯｘ触媒12が、下流
側にＰｔ，Ｐｄ系等からなる三元触媒13が保持されてい
る。なお、システムによっては、前記空燃比センサ10
は、排気中の酸素濃度をＡ／Ｆ＝１３〜１５程度の狭い
範囲で検出する酸素センサ（Ｏ₂ センサ）を用いること
もできる。また、空燃比センサ10による空燃比フィード
バック制御を行なわず、所謂フィードフォワード制御に
よりリーン運転とストイキ運転とを行なうようにした場
合にも本発明は適用可能であり、かかる場合には空燃比
センサ10は備えなくてもよい。

【００１５】ところで、前記リーンＮＯｘ触媒12は、リ
ーン領域で排気中のＮＯｘを浄化する性質を持つもので
ある。ここで、リーンＮＯｘ触媒は遷移金属或いは貴金
属を担持したゼオライトでその全体又は大部分を構成す
るものであり、酸素過剰雰囲気下でＮＯｘを還元浄化す
る触媒として定義されるものである。なお、長時間の使
用に耐える（耐久後においてもリーン雰囲気下で良好な
ＮＯｘ転換作用を奏することができる）リーンＮＯｘ触
媒を用いるのが好ましい。即ち、ハニカム担体上に白
金，パラジウム及びロジウムからなる群から選ばれた１
種以上の貴金属を含む活性アルミナを主成分とする無機
物からなる第１コート層（リーン雰囲気下でＨＣ，ＣＯ
を酸化するための層）と、このコート層上の貴金属成分
を含まない活性アルミナを主成分とする無機物からなる
第２コート層（第１コート層の反応熱を遮断し第３コー
ト層の熱劣化を防止するための層）と、さらにこのコー
ト層上の金属（例えばＣｕまたはＣｏ）をイオン交換し
たゼオライト粉末を主成分とする無機物からなる第３コ
ート層（リーン雰囲気下でＮＯｘを還元するための層）
と、を備えたものを用いることが、リーン雰囲気下での
耐久性、排気有害成分（ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ）の浄化性
能面で好ましい。

【００１６】また、本実施例では、リーンＮＯｘ触媒12
の排気下流側に三元触媒13を備えるようにしているが、
例えば、リーンＮＯｘ触媒12の担体に、三元用触媒を担
持させるようにした構造の触媒を用いるようにしても、
本発明の作用効果を奏することができるものである。こ
こで、本発明のリッチシフト量算出手段、空燃比制御手
段としての機能をソフトウエア的に備えるコントロール
ユニット５が行なう空燃比制御について、図３のフロー
チャートに従って説明する。

【００１７】ステップ（図にはＳと記してある。以下、
同様）１では、リーン運転条件が成立しているか否かを
判定する。ＹＥＳの場合にはステップ２へ進み、ＮＯの
場合にはステップ４へ進む。なお、当該判定は、機関回
転速度ＮＥや機関負荷（例えばＴＰ〔基本燃料噴射
量〕，Ｑａ，スロットル弁開度等）、車速（或いはこれ
らの平均値）等に基づいて予め定めたリーン運転領域
に、現在の運転状態があるか否かで判断できる。かかる
判定は、従来と同様の方法で行なっても構わない。

【００１８】ステップ２では、リーン運転中の機関負荷
ＴＰと、機関回転速度ＮＥと、を検出する。ステップ３
では、検出した機関負荷ＴＰ，機関回転速度ＮＥと、順
次前回のデータとの平均化（移動平均や加重平均等とし
てもよい）を行い、平均値をＡＶＥＴＰ，ＡＶＥＮＥと
してセットして、ステップ１へ戻る。

【００１９】従って、リーン運転条件成立中は、上記ス
テップ２，ステップ３が順次繰り返されることになる。
ステップ１で、運転条件等が変化しリーン運転条件が解
除されると、ステップ４へ進むが、ステップ４では、リ
ーン運転からストイキ運転への切り換え時か否かを判定
する。当該判定は、機関回転速度ＡＶＥＮＥ，機関負荷
ＡＶＥＴＰ，車速等に基づいて予め定めたリーン運転
（制御）領域からストイキ運転（制御）領域へ運転（制
御）状態が変化したか否かで判断することができる。な
お、平均値ＡＶＥＮＥ，ＡＶＥＴＰ等を用いず、機関回
転速度ＮＥや機関負荷（例えばＴＰ〔基本燃料噴射
量〕，Ｑａ，スロットル弁開度等）、車速等に基づいて
判断するようにしてもよい。

【００２０】ＹＥＳであれば、ステップ５進む。一方、
ＮＯであれば、リーン制御からストイキ制御への切り換
え時におけるリーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ効果
により発生するＨＣ不足による三元触媒13の排気浄化性
能の低下は考えなくて良いので、本実施例における空燃
比制御（リッチシフト制御）を行なう必要がないので、
かかる場合には、ステップ１へ戻る。

【００２１】ステップ５では、ステップ３で求めたＡＶ
ＥＴＰ，ＡＶＥＮＥを読み込み、例えば、フロー中に示
すような、予め設定されているリッチシフト量（ＲＣＨ
ＳＦＴ）の表データを参照して、前記ＡＶＥＴＰ，ＡＶ
ＥＮＥに対応するリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を検
索し、補間演算等して求める。このリッチシフト量（Ｒ
ＣＨＳＦＴ）は、前記ＡＶＥＮＥとＡＶＥＴＰにより区
画されて設定されており、図４に示すように、ＡＶＥＮ
ＥおよびＡＶＥＴＰの増加と伴に大きな値になるように
設定されている。また、リーンＮＯｘ触媒12のＨＣスト
レージ量に応じた最大値を持つものである。なお、例え
ば、リーン運転からストイキ運転への切り換え時にリー
ンＮＯｘ触媒12へ吸着されるＨＣ量（ＨＣストレージ
量）は、該切り換え前のリーンＮＯｘ触媒12のＨＣスト
レージ量により変化する場合もあるので、切り換え前の
運転状態やリーン運転の継続時間等により、リーン運転
からストイキ運転への切り換え時にリーンＮＯｘ触媒12
へ吸着されるＨＣ量を推定し、この推定結果に基づい
て、前記リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を補正するよ
うにしてもよい。

【００２２】ところで、リッチシフト量（ＲＣＨＳＦ
Ｔ）を、機関回転速度ＮＥと機関負荷ＴＰとに応じた値
を持たせることにより、リーン運転状態からストイキ運
転状態への実際の切り換え時間を短くできると共に、切
り換え時の機関のトルク変動を小さくできることにもな
る。なお、算出されたリッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）
は、ステップ６において、リーン運転からストイキ運転
への切り換え時の燃料噴射量ＴＩの演算に反映され、こ
れによりリッチシフトが実行される。

【００２３】即ち、 ＴＩ＝ＴＰ×ＫＭＲ×ＣＯＥＦ×ＡＬＰＨ＋ＴＳ ただし、ＴＩは、燃料噴射弁の開弁時間（噴射パルス
巾）で表される。ＴＳは、燃料噴射弁の無効噴射パルス
巾である。ＴＰは、基本燃料噴射パルス巾（＝Ｋ×Ｑａ
／ＮＥ，Ｋは定数）である。本実施例では、前述したよ
うにエアフローメータ２の検出値Ｑａに基づき算出する
が、ＴＰは他にもスロットル弁開度ＴＶＯ，機関回転速
度ＮＥ等に基づいて検出することもできる。

【００２４】ＫＭＲは、負荷，回転速度，機関温度等に
より定まる目標空燃比である。ＣＯＥＦは、燃料の遅れ
補正係数（壁流補正係数）であり、過渡時の燃料量を補
正するものである。また、機関負荷や機関温度等に基づ
く燃料量の補正等、各種の補正を含めるようにしてもよ
い。ＡＬＰＨは、空燃比センサ10により検出される空燃
比に基づいて目標空燃比となるように燃料噴射量をフィ
ードバック制御するための補正係数である。

【００２５】なお、リーン運転からストイキ運転へ移行
するときに、前記ＫＭＲの値に、移行開始後所定期間
（例えば、実験結果に基づいて、或いはリッチシフト
量、ＨＣストレージ量の推定結果等に基づき設定するこ
とができる。また、一定期間としてもよい。）、前記リ
ッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）が加えられることで、最
終的な燃料噴射量ＴＩが演算され、これによりリッチシ
フトが実行される。

【００２６】前記リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）は、
機関回転速度ＮＥと機関負荷ＴＰとにより区画されて設
定すればよいので、本実施例のようにＡＶＥＮＥやＡＶ
ＥＴＰを用いずに、単にＮＥとＴＰとに基づき設定され
た表データを用いて設定するようにしてもよい。ただ
し、本実施例のように、ＡＶＥＮＥやＡＶＥＴＰを用い
れば、瞬間的（或いは一時的）なＴＰ，ＮＥの変化を吸
収する（なます）ことができるので、例えばノイズ等が
あっても、高精度にリーン運転条件（状態）からストイ
キ運転条件（状態）への移行を検出することができると
共に、リッチシフト量の算出精度を高精度化することが
できる。

【００２７】また、リッチシフトを実行する場合に、空
燃比センサ10の検出値に基づき設定される空燃比フィー
ドバック補正係数ＡＬＰＨを、リッチシフト量（ＲＣＨ
ＳＦＴ）により補正するようにしても、本実施例と同様
の効果が得られる。このように、本実施例によれば、機
関運転状態が、リーン運転状態からストイキ運転状態へ
移行する際に、その移行前のリーン運転状態に基づい
て、リーンＮＯｘ触媒12の活性状態における最適なリッ
チシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）を算出し、当該算出された
リッチシフト量（ＲＣＨＳＦＴ）に従いリッチシフトを
行なわせるようにしたので、当該切り換え時におけるリ
ーンＮＯｘ触媒12のＨＣストレージ効果により発生する
ＨＣ不足を過不足なく補うことができるので、三元触媒
13の排気浄化性能（ＮＯｘ，ＨＣの転換効率）を向上さ
せることができ、以って排気有害成分の排出量を最大限
低減することができる。

【００２８】なお、運転状態切り換え時に、一律にリッ
チシフトする場合に比べ、運転状態切り換え前の運転状
態に応じて、即ちＨＣストレージ量に応じて、リッチシ
フト量を可変設定するようにしたので、過不足なくＨＣ
を補給でき排気性能の向上の最適化を図れるのは勿論、
リッチシフトによる燃費の悪化も最小に抑制することが
できる。

【００２９】ところで、本実施例では、リッチシフト
を、燃料噴射量を増量することで説明してきたが、機関
吸入空気流量を減少させることで達成するようにしても
よい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載の発明によれば、機関制御状態が、リーン制御状態か
らストイキ制御状態へ切り換える際に、その切り換え前
のリーン運転状態に基づいて、リーンＮＯｘ触媒のＨＣ
ストレージ効果に対応した最適なリッチシフト量を算出
し、当該算出したリッチシフト量に従い機関吸入混合気
の空燃比をリッチシフトさせるようにしたので、当該制
御状態の切り換え時に、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレ
ージ効果により発生する三元触媒のＨＣ不足を補うこと
ができるので、三元触媒のＮＯｘの転換効率を向上させ
ることができ、以って排気有害成分の排出量を最大限低
減することができる。

【００３１】請求項２，請求項３に記載の発明によれ
ば、リーンＮＯｘ触媒のＨＣストレージ量に大きく影響
するリーン制御中の機関回転速度と機関負荷とをパラメ
ータとして、リッチシフト量を算出するようにしたの
で、リッチシフト量の算出の高精度化を図ることがで
き、またＨＣストレージ量と、リーン制御中の機関回転
速度，機関負荷と、の相関関係を満たすべく、機関回転
速度，機関負荷が大きいほどリッチシフト量を大きく算
出するようにしたので、リッチシフト量の算出精度をよ
り向上させることができる。

【００３２】請求項４に記載の発明によれば、リーン運
転中の機関回転速度，機関負荷とを平均処理すること
で、瞬間的な機関回転速度，機関負荷の変化を吸収する
ことができるので、例えばノイズ等が発生したとして
も、リッチシフト量の算出精度を高く維持することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１に記載の発明に対応するブロック
図。

【図２】 本発明の一実施例に係る全体構成図

【図３】 同上実施例の空燃比制御を説明するフローチ
ャート

【図４】 リッチシフト量と、機関回転速度，機関負荷
との関係を説明する図

【符号の説明】

１ 内燃機関 ２ エアフローメータ ３ クランク角センサ ５ コントロールユニット ６ 燃料噴射弁 11 触媒コンテナ 12 リーンＮＯｘ触媒 13 三元触媒

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気中のＮＯｘを希薄空燃比雰囲気下で浄
   化処理するリーンＮＯｘ触媒と、当該リーンＮＯｘ触媒
   を通過した後の排気を理論空燃比近傍雰囲気下において
   浄化処理する三元触媒と、を備えた内燃機関の空燃比制
   御装置において、 機関吸入混合気の空燃比を希薄空燃比に制御するリーン
   制御から、機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比近傍に
   制御するストイキ制御へ切り換える際に、該切り換え前
   のリーン運転状態に基づいて、機関吸入混合の空燃比を
   過濃側にシフトさせるリッチシフト量を算出するリッチ
   シフト量算出手段と、 前記リーン制御から前記ストイキ制御への切り換え中
   に、前記リッチシフト量に基づいて、機関吸入混合気の
   空燃比をリッチシフトさせる空燃比制御手段と、 を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比制
   御装置。
2. 【請求項２】前記リッチシフト算出手段が、少なくとも
   リーン制御中の機関回転速度，機関負荷に基づいて、リ
   ッチシフト量を算出することを特徴とする請求項１に記
   載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】前記リッチシフト算出手段が、少なくとも
   リーン制御中の機関回転速度，機関負荷が大きいほど、
   リッチシフト量を大きな値として算出することを特徴と
   する請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 【請求項４】前記リーン制御中の機関回転速度，機関負
   荷が、平均処理した値であることを特徴とする請求項２
   または請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。