KR100423378B1 - 내연 기관의 공연비 제어 장치 - Google Patents

내연 기관의 공연비 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내연 기관의 공연비 제어 장치는 배기 정화 촉매의 산소 흡수량을 추정하는 산소 흡수량 추정 수단과, 산소 흡수량에 근거하여 제어 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비하고 있다. 그리고, 산소 흡수량에 대하여 상측 임계치 및 하측 임계치가 설정되어 있고, 공연비 제어 수단은 산소 흡수량이 상측 임계치보다 클 때는 공연비를 농후한(rich) 측으로 제어하고, 하측 임계치보다도 작을 때는 공연비를 희박한(lean) 측으로 제어한다. 이렇게 함으로써, 산소 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이(소정 범위 내)에서 변동하기 때문에, 배기 정화 촉매의 활성화가 촉진되어, 배기 정화 촉매의 정화 성능을 높게 유지할 수 있는 동시에, 안정적인 공연비 제어를 행할 수 있다.

Description

내연 기관의 공연비 제어 장치{Air/fuel ratio control device for combustion engine}
본 발명은 내연 기관의 공연비 제어 장치에 관한 것이다.
내연 기관에서는 배기 가스를 정화하기 위해서 배기 통로 상에 배기 정화 촉매(3원 촉매)를 배치하고, 배기 통로에 설치한 공연비 센서에 의해 공연비를 검출하여, 혼합기가 이론 공연비가 되도록 피드백 제어를 행하는 것에 의해, 질소 산화물(N0x), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)를 동시에 저감하도록 하고 있다. 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스의 정화율을 더욱 향상시키기 위해서는, 상술한 피드백 제어를 높은 정밀도로 행하는 것이 유효하다. 또한, 배기 정화 촉매의 산소 흡수 작용에 착안하여, 질소 산화물(N0x), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)의 정화율을 한층 더 향상시키는 것도 유효하다.
이 산소 흡수 작용을 효과적으로 이용하기 위한 제어가 종래부터 검토되고 있다. 이러한 산소 흡수 작용에 착안한 제어 장치로서는 일본 특개평5-195842호 공보에 기재된 것 등이 있다. 일본 특개평5-195842호 공보에 기재된 제어 장치는 배기 정화 촉매에 흡수되는 산소량(산소 흡수량)의 목표치를 1개 정하고, 산소 흡수량이 목표치가 되도록 공연비를 상시 제어하는 것이다.
배기 정화 촉매의 성질로서 산화·환원 반응이나 산소의 흡수·방출(흡탈(吸脫)) 반응을 어느 정도 반복하여 행하게 한 쪽이 촉매 금속이 활성화되고, 정화 성능(산화 환원 성능 및 산소 흡탈 성능)이 높게 유지된다는 성질이 있다. 상술한 바와 같이, 1개의 목표치에 수렴하는 제어를 상시 행하면 이러한 촉매 금속의 활성화가 저해되어, 배기 정화 성능이 저하되는 현상이 생긴다. 그래서, 이러한 문제가 생기지 않도록 개선이 요망되고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 배기 정화 촉매의 산소 흡수 능력의 저하를 억제하는 동시에, 안정적인 공연비 제어를 행할 수 있는 내연 기관의 공연비 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 제어 장치의 일 실시예를 갖는 내연 기관을 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 제어 장치의 일 실시예에 따른 제어의 플로우챠트.
도 3은 본 발명의 제어 장치의 일 실시예에 따른 제어시의 산소 흡수량의 변화를 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 제어 장치의 다른 실시예에 따른 제어시의 산소 흡수량의 변화를 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명의 제어 장치의 일 실시예에 따른 제어시의 산소 흡수량과 제어 이득과의 관계를 도시하는 그래프.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1: 엔진 2: 플러그
본 발명의 내연 기관의 공연비 제어 장치는 내연 기관의 배기 통로에 배치된 배기 정화 촉매의 산소 흡수량을 내연 기관의 공연비로부터 산출되는 산소 흡탈량의 이력(履歷)에 근거하여 추정하는 산소 흡수량 추정 수단과, 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량에 근거하여 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비하고 있다. 그리고, 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량에 대하여 상측 임계치 및 하측 임계치가 설정되어 있고, 공연비 제어 수단은 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이에 있을 때는 공연비를 일정하게 제어하고, 상측 임계치보다 클 때는 공연비를 농후한 측으로 제어하며, 하측 임계치보다 작을 때는 공연비를 희박한(lean) 측으로 제어한다. 이 때문에, 본 발명에 따르면, 산소 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이(소정 범위 내)에서 변동하기 때문에, 배기 정화 촉매의 활성화가 촉진되어, 배기 정화 촉매의 정화 성능을 높게 유지할 수 있는 동시에 안정적인 공연비 제어를 행할 수 있다.
여기서, 상측 임계치와 하측 임계치의 사이에 목표 흡수량이 또한 설정되고, 공연비 제어 수단은 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량이 상측 임계치보다 클 때는 산소 흡수량이 목표 흡수량이 되도록 공연비를 농후한(rich)측으로 제어하며, 하측 임계치보다도 작을 때는 산소 흡수량이 목표 흡수량이 되도록 공연비를 희박한 측으로 제어하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 산소 흡수량을 소정 범위 내에 유지하면서, 이의 변동을 행하게 하는 것을 양립시킬 수 있다.
더욱이, 목표 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이에서 상측 목표 흡수량과 하측 목표 흡수량으로서 2개 설정되고, 공연비 제어 수단은 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량이 상측 임계치보다 클 때는 산소 흡수량이 상측 목표 흡수량이 되도록 공연비를 농후한 측으로 제어하며, 하측 임계치보다도 작을 때는 산소 흡수량이 하측 목표 흡수량이 되도록 공연비를 희박한 측으로 제어하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 산소 흡수량에 근거하는 공연비 제어에 의해서 산소 흡수량을 강제적으로 제어하는 기회가 더욱 줄고, 배기 정화 촉매의 활성화를 한층 더 촉진할 수 있다.
실시예의 설명에 앞서, 배기 정화 촉매의 산소 흡수 작용에 대하여 간단히 설명한다.
이하에 설명하는 실시예에 있어서는, 도 1에 도시되는 바와 같이 배기 통로(7) 상에 배기 정화 촉매(19)를 갖고 있다. 또, 배기 정화 촉매는, 배기 통로 상에 복수 개 설치되는 경우가 있다. 직렬적으로 복수 개 설치되는 경우나, 분기 부분에 병렬적으로 복수 개 설치되는 경우 등이 있다. 예를 들어, 4기통의 엔진에 대하여 그 중의 2기통의 배기관이 하나로 합쳐진 개소에 배기 정화 촉매가 하나 설치되고, 나머지 2기통의 배기관이 하나로 합쳐진 개소에 또 하나의 배기 정화 촉매가 설치되는 경우가 있다. 본 실시예에 있어서는, 각각의 실린더(3)마다의 배기관이 하나로 합쳐진 개소보다도 하류측에 하나의 배기 정화 촉매(19)가 배치되어 있다.
이하의 실시예에 있어서의 배기 정화 촉매(19)로서는, 산소 흡수 작용을 갖는 3원 촉매가 사용되고 있다. 이 3원 촉매는 산화세륨(Ce02) 등의 성분을 가지며, 배기 가스 중의 산소를 흡수·방출하는 성질을 갖고 있다.
이 3원 촉매의 산소 흡수 방출 기능은 혼합기의 공연비가 희박하게 되면 배기 가스 중에 존재하는 과잉 산소를 흡착 보유하고, 공연비가 농후하게 되면 흡착 보유한 산소를 방출하는 것이다. 혼합기가 희박하게 되었을 때에는 과잉의 산소가 3원 촉매에 흡착 보유되기 때문에 질소산화물(N0x)이 환원되고, 혼합기가 농후하게 되었을 때에는 3원 촉매에 흡착 보유된 산소가 방출되기 때문에 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)가 산화되고, 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)를 정화할 수 있다.
이 때, 상술한 바와 같이, 3원 촉매가 그 산소 흡수 능력의 한계까지 산소를 흡수하고 있으면, 들어오는 가스의 배기 공연비가 희박하게 되었을 때에 산소를 흡수할 수 없게 되어, 배기 가스 중의 질소 산화물(NOx)을 충분히 정화할 수 없게 된다. 한편, 3원 촉매가 산소를 다 방출하여 산소를 전혀 흡수하고 있지 않으면, 들어오는 가스의 배기 공연비가 농후하게 되었을 때에 산소를 방출할 수 없기 때문에, 배기 가스 중의 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)를 충분히 정화할 수 없게 된다. 이 때문에, 들어오는 가스의 배기 공연비가 희박하게 되거나 농후하게 되더라도 대응할 수 있도록 산소 흡수량을 제어한다.
3원 촉매의 산소 흡수·방출은 상술한 바와 같이 배기 공연비에 따라서 행해지기 때문에, 공연비를 제어함으로써, 산소 흡수량을 제어할 수 있다. 통상의 공연비 제어에서는 흡입 공기량 등으로부터 기본 연료 분사량을 산출하여, 이 기본 연료 분사량에 대하여 각종 보정 계수를 곱하거나 혹은 더하는 것에 의해서 최종적인 연료 분사량이 결정된다. 여기서는, 산소 흡수량을 제어하기 위해서, 산소 흡수량에 근거하는 보정 계수가 1개 결정되고, 이로써, 산소 흡수량에 근거하는 공연비 제어가 행해진다.
추가하여 상세히 기술하면, 산소 흡수량에 근거하는 공연비 제어를 행하지 않는 경우가 있다. 이러한 경우에 있어서도 공연비 제어 자체는 행해질 수 있으며, 산소 흡수량에 근거하는 공연비 제어가 행해지지 않는 경우란, 상술한 산소 흡수량에 근거하는 보정 계수가 산출되지 않는 경우나, 산소 흡수량에 근거하는 보정 계수가 산출되더라도 실제의 공연비 제어에는 반영되지 않는 경우 등이다.
이하에는, 본 발명의 내연 기관의 공연비 제어 장치의 실시예에 대하여 설명한다. 도 1에 본 실시예의 제어 장치를 갖는 내연 기관의 구성도를 도시한다.
본 실시예의 제어 장치는 내연 기관인 엔진(1)을 제어하는 것이다. 엔진(1)은 도 1에 도시되는 바와 같이, 점화 플러그(2)에 의해서 각 실린더(3) 내의 혼합기에 대하여 점화를 행하는 것에 의해서 구동력을 발생한다. 엔진(1)의 연소 시에 외부로부터 흡입한 공기는 흡기 통로(4)를 통과하고, 인젝터(5; injector)로부터 분사된 연료와 혼합되어, 혼합기로서 실린더(3) 내에 흡기된다. 실린더(3)의 내부와 흡기 통로(4)의 사이는 흡기 밸브(6)에 의해서 개폐된다. 실린더(3)의 내부에서 연소된 혼합기는 배기 가스로서 배기 통로(7)에 배기된다. 실린더(3)의 내부와 배기 통로(7)의 사이는 배기 밸브(8)에 의해서 개폐된다.
흡기 통로(4) 상에는 실린더(3) 내에 흡입되는 흡입 공기량을 조절하는 스로틀 밸브(9)가 배치되어 있다. 이 스로틀 밸브(9)에는 그 개방도(開放度)를 검출하는 스로틀 포지션 센서(10)가 접속되어 있다. 또한, 흡기 통로(4) 상에는 아이들 시(idling; 스로틀 밸브(9)의 전체 폐쇄 시)에 바이패스 통로(11)를 거쳐서 실린더(3)에 공급되는 흡입 공기량을 조절하는 에어바이패스 밸브(12)도 배치되어 있다. 더욱이, 흡기 통로(4) 상에는 흡입 공기량을 검출하기 위한 에어플로우미터(13)도 설치되어 있다.
엔진(1)의 크랭크 샤프트 근방에는 크랭크 샤프트의 위치를 검출하는 크랭크 포지션 센서(14)가 설치되어 있다. 크랭크 포지션 센서(14)의 출력으로부터, 실린더(3) 내의 피스톤(15)의 위치나, 엔진 회전수(NE)를 구할 수도 있다. 또한, 엔진(1)에는, 엔진(1)의 노킹(knocking)을 검출하는 노크 센서(16)나 냉각수 온도를 검출하는 수온 센서(17)도 설치되어 있다.
이러한 점화 플러그(2), 인젝터(5), 스로틀 포지션 센서(10), 에어바이패스 밸브(12), 에어플로우미터(13), 크랭크 포지션 센서(14), 노크 센서(16), 수온 센서(17)나 그 밖의 센서류는, 엔진(1)을 종합적으로 제어하는 전자 제어 유닛(ECU; 18)과 접속되어 있고, ECU(18)로부터의 신호에 근거하여 제어되거나, 또는, 검출 결과를 ECU(18)에 대하여 송출하고 있다. 배기 통로(7) 상에 배치된 배기 정화 촉매(19)의 온도를 측정하는 촉매 온도 센서(21), 챠콜 캐스터(charcoal caster; 23)에 의해서 포집된 연료 탱크 내에서의 증발 연료를 흡기 통로(4) 상에 퍼지(purge)시키는 퍼지 컨트롤 밸브(24)도 ECU(18)에 접속되어 있다.
또한, ECU(18)에는 배기 정화 촉매(19)의 상류측에 설치된 상류측 공연비 센서(25) 및 배기 정화 촉매(19)의 하류측에 설치된 하류측 공연비 센서(26)도 접속되어 있다. 상류측 공연비 센서(25)는 그 설치 위치에서의 배기 가스 중의 산소 농도로부터 배기 공연비를 선형(linear)으로 검출하는 리니어 공연비 센서이다. 하류측 공연비 센서(26)는, 그 설치 위치에서의 배기 가스 중의 산소 농도로부터 배기 공연비를 온-오프적으로 검출하는 산소 센서이다. 또, 이러한 공연비 센서(25, 26)는, 소정의 온도(활성화 온도) 이상이 되지 않으면 정확한 검출을 행할 수 없기 때문에, 빠른 시기에 활성화 온도로 승온되도록, ECU(18)를 거쳐서 공급되는 전력에 의해서 승온된다.
ECU(18)는, 내부에서 연산을 행하는 CPU나 연산 결과 등의 각종 정보량을 기억하는 RAM, 배터리에 의해서 그 기억 내용이 보유되는 백업 RAM, 각 제어 프로그램을 격납한 ROM 등을 갖고 있다. ECU(18)는 공연비에 근거하여 엔진(1)을 제어하거나, 배기 정화 촉매(19)에 흡수되어 있는 산소 흡수량을 연산한다. 또한, ECU(18)는 인젝터(5)에 의해서 분사하는 연료 분사량을 연산하거나, 산소 흡수량의 이력으로부터 배기 정화 촉매(19)의 열화(劣化) 판정도 행한다. 즉, ECU(18)는 검출한 배기 공연비나 산출한 산소 흡수량 등에 근거하여 엔진(1)을 제어한다.
다음에, 상술한 공연비 제어 장치에 의해서 산소 흡수량의 이력을 사용하여배기 정화 촉매(19)의 산소 흡수량을 추정하고, 이 추정된 산소 흡수량에 근거하는 공연비 피드백 제어(제어를 정지시키는 경우도 포함한다)에 대하여 설명한다.
산소 흡수량(02SUM)은 상류측 공연비 센서(25)에 의해서 검출되는 배기 정화 촉매(19)의 상류측의 배기 공연비(Abyf)로부터 배기 정화 촉매(19)의 산소 흡탈량(02AD)을 추정하여 이것을 적산(積算)하여 가는 것에 의해서(즉, 이력을 사용하는 것에 의해서) 얻어진다. 여기서는, 산소 흡탈량(02AD)이 양의 값일 때는 산소가 배기 정화 촉매(19)에 흡수되고, 즉, 산소 흡수량(02SUM)은 증가된다. 한편, 산소 흡탈량(02AD)이 음의 값일 때는 산소가 방출되고, 즉, 산소 흡수량(02SUM)은 감소된다.
또한, 배기 정화 촉매(19)가 흡수할 수 있는 최대의 산소 흡수량을 최대 흡수 가능 산소량(OSC)으로 한다(도 3 참조). 즉, 산소 흡수량(02SUM)은 제로와 최대 흡수 가능 산소량(OSC)과의 사이의 값을 갖게 된다. 산소 흡수량(02SUM)이 제로라는 것은 배기 정화 촉매(19)가 산소를 흡수하고 있지 않다는 것이고, 산소 흡수량(02SUM)이 최대 흡수 가능 산소량(OSC)이라는 것은 배기 정화 촉매(19)가 그 능력의 한계까지 산소를 다 흡수하고 있다는 것이다. 최대 흡수 가능 산소(OSC)는 일정하지 않고, 배기 정화 촉매(19)의 상태(온도나 열화 정도 등)에 의해 변동할 수 있다. 최대 흡수 가능 산소량(OSC)의 갱신은 하류측 공연비 센서(26)의 검출 결과에 근거하여 행해진다.
또, 산소 흡수량(02SUM)은 어떤 시점(예를 들어 점화시(ignition on))을 기준으로 하여 산출하여도 좋고, 이 경우는, 기준인 시점의 산소 흡수량(02SUM)을 제로로 하고, 이것에 대하여 상측, 하측으로 변동하도록 제어하여도 좋다. 이러한 경우는, 그 시점에서의 배기 정화 촉매(19)의 상태에 따라서 산소 흡수량(02SUM)이 취할 수 있는 상한치 및 하한치를 각각 설정할 수 있고, 이 상·하한치의 차가 상술한 최대 흡수 가능 산소량(OSC)에 상당하는 것으로 된다(도 4 참조). 상술한 상한치 및 하한치는 배기 정화 촉매(19)의 상태에 따라서 각각 변동할 수 있다. 이러한 상한치 및 하한치(즉, 최대 흡수 가능 산소량(OSC))의 갱신은 하류측 공연비 센서(26)의 검출 결과에 근거하여 행해진다.
본 실시예에서는 상류측 공연비 센서(19)나 ECU(18) 등이, 산소 흡탈량(02AD)의 이력으로부터 산소 흡수량(02SUM)을 추정하는 산소 흡수량 추정 수단으로서 기능하고 있다. 또한, ECU(18)나, 에어플로우미터(13), 인젝터(5) 등이 공연비 제어 수단으로서 기능하고 있다.
본 실시예에 있어서의 제어의 플로우챠트를 도 2에, 산소 흡수량(02SUM)의 시간 경과에 따른 변화를 도 3에 도시한다. 본 실시예의 제어에 있어서는 도 3에 도시되는 바와 같이, 추정되는 산소 흡수량(02SUM)에 대하여 상측 임계치(B) 및 하측 임계치(A)가 설정되어 있다. 더욱이, 이 상측 임계치(B)와 하측 임계치(A)의 사이에 2개의 목표 흡수량이 더 설정되어 있다. 이 2개의 목표 흡수량은 상측 임계치(B)에 가까운 상측 목표 흡수량(B-β)과, 하측 임계치(A)에 가까운 하측 목표 흡수량(A+α)이다.
또, 이러한 하측 임계치(A), 상측 임계치(B), 하측 목표 흡수량(A+α), 상측 목표 흡수량(B-β)은, 고정값으로 되어도 좋고, 변동하는 값으로 되어도 좋다. 본실시예에 있어서는 배기 정화 촉매(19)의 상태에 따라서 변동된다. 또한, 도 3에 도시되는 범위 내에 있어서는 최대 산소 흡수 가능량(OSC)은, 일정한 값을 유지하고 있다.
그리고, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(B)보다 커졌을 때에는 산소 흡수량(02SUM)이 상측 목표 흡수량(B-β)이 될 때까지 공연비를 농후한 측으로 제어한다(산소 흡수량(02SUM)은 감소된다). 한편, 산소 흡수량(02SUM)이 하측 임계치(A)보다도 작아졌을 때에는 산소 흡수량(02SUM)이 하측 목표 흡수량(A+α)이 될 때까지 공연비를 희박한 측으로 제어한다(산소 흡수량(02SUM)은 증가된다). 그리고, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(A)와 하측 임계치(B)의 사이에 있을 때는 공연비를 일정하게 제어한다.
또, 여기에 말하는, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(A)와 하측 임계치(B)의 사이에 있다는 것은 산소 흡수량(02SUM)이 처음부터 이 범위 내에 있는 경우를 말하며, 상술한 바와 같이, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(B)보다 커져 산소 흡수량(02SUM)이 상측 목표 흡수량(B-β)이 되기까지의 과정에서 상기 범위 내에 있는 경우나, 하측 임계치(A)보다도 작아져서 산소 흡수량(02SUM)이 하측 목표치(A+α)가 되기까지의 과정에서 상기 범위 내에 있는 경우를 포함하지 않는다.
산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(A)와 하측 임계치(B)의 사이에 있는 경우에 공연비를 일정하게 제어할 때, 본 실시예에서는 이론 공연비로의 피드백 제어가 실행된다. 이것은 공연비 센서(25, 26)에 의해서 검출되는 배기 공연비에 근거하여, 공연비가 이론 공연비가 되도록 제어하는 일반적인 것이다. 이와 같이, 여기서는 공연비가 일정하게 되도록 제어되지만, 실제로는 가속 시의 연료 증량이나 감속 시의 퓨엘 커트(fuel cut) 등의 연료 분사량 보정 제어에 의해서 공연비가 의도적으로 변동되거나, 불가피한 공기량 변화와 연료 분사량의 제어 오차 등에 의해서 공연비가 불가피하게 변동하여, 공연비가 이론 공연비로부터 벗어나는 현상이 생길 수 있다.
이러한 현상의 결과, 산소 흡수량(02SUM)이 상술한 범위 내에 있고, 공연비가 일정하게 제어되더라도 산소 흡수량(02SUM)은 운전 상태의 변화에 따라서 형편에 따라 변동할 수 있다. 상술한 바와 같이, 배기 정화 촉매에는 산화·환원 반응이나 산소의 흡탈 반응이 어느 정도 반복하여 행해진 쪽이, 즉, 산소 흡수량(02SUM)이 어느 정도 변동한 쪽이 촉매 금속이 활성화되어, 정화 성능(산화 환원 성능 및 산소 흡수 성능)이 높게 유지된다는 성질이 있다. 이 때문에, 이와 같이, 소정의 범위 내에서 산소 흡수량(02SUM)을 자연스럽게 변동시키는 것에 의해서 촉매 금속이 활성화되어, 배기 정화 성능을 높게 유지할 수 있다.
더욱이, 산소 흡수량(02SUM)과, 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어의 제어 이득과의 관계를 도 5에 도시한다. 이와 같이, 산소 흡수량(02SUM)의 소정 범위로부터의 괴리가 클수록, 제어 이득의 절대값을 크게 하도록 하면, 산소 흡수량(02SUM)을 보다 빠른 시기에 소정 범위 내에 복귀시킬 수 있는 동시에, 소정 범위 내에 있는 경우는 제어 이득의 절대값을 작게 하여 제어 시스템이 어지러워지는 것을 억제할 수 있다. 또, 도 5에 도시되고 있는 제어 이득은 산소흡수량(02SUM)에 관계한 부분의 제어 이득뿐이다. 실제로는, 다른 제어(통상의 공연비 피드백 제어 등)의 제어 이득 등이 중첩된 종합적인 제어 이득이 제어에 영향을 미친다.
본 실시예에 있어서의 제어에 대하여, 도 2에 도시되는 플로우챠트에 근거하여 설명한다. 우선, 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어를 행할 수 있는 기본적인 상황에 있는지의 여부(제어 실행 조건이 성립하고 있는지의 여부)가 판정된다(스텝(100)). 제어 실행 조건이란, 예를 들어, 상류측 공연비 센서(25)가 활성화 온도에 도달하고 있는지의 여부 등이다. 상술한 바와 같이, 산소 흡수량(02SUM)은 상류측 공연비 센서(25)의 출력에 근거하여 추정되기 때문에, 상류측 공연비 센서(25)가 활성화하고 있지 않는 경우는 산소 흡수량(02SUM)의 정상인 추정을 행할 수 없다. 이러한 경우는 제어 실행 조건이 성립하고 있지 않다고 생각된다.
스텝(100)이 부정되는 경우는 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어는 행해지지 않고, 도 2에 도시되는 플로우챠트의 제어를 일단 종료한다. 스텝(100)이 긍정되는 경우는, 다음에, 배기 정화 촉매(19)의 상황 등에 근거하여 상측 임계치(B) 및 하측 임계치(A)가 산출·설정된다(스텝(110)). 이어서, 그 시점에서의 산소 흡수량(02SUM)이 설정된 하측 임계치(A)보다도 작은지의 여부를 판정한다(스텝 120). 스텝(120)이 긍정되는 경우, 즉, 산소 흡수량(02SUM)이 하측 임계치(A)보다 작고 소정 범위 외에 있는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)을 소정 범위 내로 되돌리도록 산소 흡수량(02SUM)의 목표 흡수량으로서 하측 목표 흡수량(A+α)이 설정된다(스텝(150)). 스텝(150)의 다음에는, 설정되어 있는 목표 흡수량에 수렴시키는 제어가 행해진다(스텝(180)).
한편, 스텝(120)이 부정되는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)이 설정된 상측 임계치(B)보다도 큰지의 여부를 판정한다(스텝(130)). 스텝(130)이 긍정되는 경우, 즉, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(B)보다 크고 소정 범위 외에 있는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)을 소정 범위 내로 되돌리도록 산소 흡수량(02SUM)의 목표 흡수량으로서 상측 목표 흡수량(B-β)이 설정된다(스텝(160)). 스텝(160)의 다음에는, 설정되어 있는 목표 흡수량에 수렴시키는 제어가 행해진다(스텝(180)).
더욱이, 스텝(130)도 부정되는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)이 하측 목표 흡수량(A+α) 이상이고, 또한, 상측 목표 흡수량(B-β) 이하의 범위 내에 있는지의 여부를 판정한다(스텝(14O)).(여기서는, 편의 상, 하측 「목표」흡수량(A+α)·상측 「목표」 흡수량(B-β)으로서 설명하지만, 스텝(140)을 경유하는 상황에서는 이러한 2개의 값이 「목표」값이 아닌 경우도 있다.) 스텝(140)이 긍정되는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)이 하측 목표 흡수량(A+α) 이상이고, 또한, 상측 목표 흡수량(B-β) 이하의 범위 내에 있기 때문에, 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어는 행해지지 않고 도 2에 도시되는 플로우챠트의 제어는 일단 종료한다.
한편, 스텝(140)이 부정되는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 목표 흡수량(B-β)보다 크고, 또한, 상측 임계치(B) 이하이거나, 하측 목표 흡수량(A+α)보다 작고, 또한, 하측 임계치(A) 이상이다. 이 경우는, 산소 흡수량(02SUM)이 소정범위 외로 되어 스텝(150)이나 스텝(160)에서 설정된 목표 흡수량에 수렴시키는 제어 중인지의 여부를 판정한다(스텝(170)). 스텝(170)이 긍정되면, 설정되어 있는 목표 흡수량에 수렴시키는 제어가 행해진다(스텝(180)). 스텝(170)이 부정되는 경우는, 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어는 행해지지 않고, 도 2에 도시되는 플로우챠트의 제어는 일단 종료한다.
이렇게 함으로써, 산소 흡수량(02SUM)은, 어떤 일정한 범위(본 실시예의 경우는, 상측 임계치(B)와 하측 임계치(A)의 사이)에서 변동할 수 있다. 이미 언급하였지만, 배기 정화 촉매에는, 산화·환원 반응이나 산소의 흡탈 반응을 어느 정도 반복하여 행하게 한 쪽이 촉매 금속이 활성화되고, 정화 성능(산화 환원 성능및 산소 흡수 성능)이 높게 유지된다는 성질이 있으므로, 이와 같이, 소정의 범위 내에서 자연스럽게 변동시키는 것에 의해서 촉매 금속이 활성화되어, 배기 정화 성능을 높게 유지할 수 있다.
이에 대하여, 1개의 목표치에 수렴하도록 산소 흡수량(02SUM)을 제어하면, 이러한 활성화가 행해지지 않고, 배기 정화 촉매의 정화 성능이 둔화되어 버린다. 또한, 1개의 목표치에 수렴하도록 산소 흡수량(02SUM)을 제어하는 경우, 제어와 실제의 상황이 맞지 않으면 제어가 발산하기 쉬워지는 것도 염려된다. 이에 대하여, 본 실시예에 따르면, 소정의 범위 내에 있는 경우는, 형편에 맞추어 변동시키는 것에 의해서, 제어가 파탄하여 버리는 것을 억제할 수 있다. 더구나, 형편에 맞추더라도 소정 범위 내에서 산소 흡수량(02SUM)은 변동하기 때문에, 상술한 활성화는 확실하게 행해진다.
또한, 본 실시예는 외란(disturbance) 등에 의해서 산소 흡수량(02SUM)을 소정 범위 내에서 변동시키는(산소 흡탈 반응을 행하게 한다) 것이었지만, 산소 흡수량(02SUM)을 소정 범위 내에서 강제적으로 변동시키는 것도 생각된다. 그러나, 이 경우는, 강제적인 변동에 외란이 중첩되고, 배기 정화 촉매가 산소를 다 사용하여 버리거나, 산소를 그 능력 한도껏 흡수하여 버리기 쉽다. 이러한 일이 발생하면, 배기 정화 성능이 악화되는 것은 이미 설명한 바와 같다.
반대로, 이러한 것을 염려하여 강제적으로 변동시키는 범위를 작게 하면, 변동 폭이 작아져서, 1개의 목표치에 대하여 수렴시키는 제어와 조금도 다르지 않게 되어 버린다. 이러한 것도 고려하면, 본 실시예와 같이, 산소 흡수량(02SUM)을 강제적으로 변동시키지 않고서, 소정 범위를 벗어나는 경우에만 제어하는 것이 바람직하다.
상술한 실시예에서는, 산소 흡수량(02SUM)이 소정 범위 외에 있게 된 경우는, 그 소정 범위의 안쪽에 설정된 목표 흡수량이 될 때까지 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어가 행해진다. 이 경우, 한번 목표 흡수량에 도달할 때까지는 소정 범위 내이더라도 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어가 행해진다. 그러나, 산소 흡수량(02SUM)이 소정 범위 외에 있게 된 경우에, 산소 흡수량(02SUM)이 소정 범위 내로 되돌아갈 때까지 산소 흡수량(02SUM)에 근거하는 공연비 제어를 행하는 제어를 행하여도 좋다. 이 제어는 상술한 제어에 있어서의 α나 β의 값이 제로인 경우와 동등하다.
본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 산소 흡수량 추정 수단은, 엔진(1)의 공연비로부터 산출되는 산소 흡탈량(02AD)의 이력으로부터 산소 흡수량(02SUM)을 추정하지만, 상술한 실시예에 있어서는, 산소 흡탈량(02AD)을 산출하기 위한 공연비로서 상류측 공연비 센서(25)의 출력을 사용하였다. 그러나, 산소 흡탈량을 산출하기 위한 공연비로서, 엔진(1)의 제어 공연비를 사용하는 것도 가능하다. 혹은, 상술한 연료 거동 모델이나 연소 모델로부터 얻어지는 공연비를 사용하여도 좋다.
또한, 상술한 실시예에 있어서는, 산소 흡수량(02SUM)이 상측 임계치(A)와 하측 임계치(B)의 사이에 있을 때에 공연비를 일정하게 제어하는데 일반적인 공연비 피드백 보정 제어가 행해졌다. 그러나, 공연비를 일정하게 제어하는 데, 오픈 루프(open loop) 제어 등으로 제어하여도 좋다. 이렇게 하여도, 산소 흡수량(02SUM)은 소정의 범위 내에서 자연스럽게 변동하기 때문에, 배기 정화 촉매의 배기 정화 성능을 높게 유지할 수 있다.
산소 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이(소정 범위 내)에서 변동하기 때문에, 배기 정화 촉매의 활성화가 촉진되어, 배기 정화 촉매의 정화 성능을 높게 유지할 수 있는 동시에, 안정적인 공연비 제어를 행할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연 기관의 배기 통로에 배치된 배기 정화 촉매의 산소 흡수량을, 상기 내연 기관의 공연비로부터 산출되는 산소 흡탈량의 이력에 근거하여 추정하는 산소 흡수량 추정 수단과,
    상기 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량에 근거하여, 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비한 내연 기관의 공연비 제어 장치에 있어서,
    상기 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량에 대하여, 상측 임계치 및 하측 임계치가 설정되어 있고,
    상기 공연비 제어 수단은 상기 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이에 있을 때는 공연비를 일정하게 제어하고, 상측 임계치보다 클 때는 공연비를 농후한 측으로 제어하며, 하측 임계치보다도 작을 때는 공연비를 희박한 측으로 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상측 임계치와 하측 임계치의 사이에 목표 흡수량이 추가로 설정되고,
    상기 공연비 제어 수단은 상기 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량이 상측 임계치보다 클 때는 산소 흡수량이 목표 흡수량이 되도록 공연비를 농후한 측으로 제어하며, 하측 임계치보다도 작을 때는 산소 흡수량이 목표 흡수량이 되도록 공연비를 희박한 측으로 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    목표 흡수량이 상측 임계치와 하측 임계치의 사이에 상측 목표 흡수량과 하측 목표 흡수량으로서 2개 설정되고,
    상기 공연비 제어 수단은 상기 산소 흡수량 추정 수단에 의해서 추정되는 산소 흡수량이 상측 임계치보다 클 때는 산소 흡수량이 상측 목표 흡수량이 되도록 공연비를 농후한 측으로 제어하며, 하측 임계치보다도 작을 때는 산소 흡수량이 하측 목표 흡수량이 되도록 공연비를 희박한 측으로 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상측 임계치와 상측 목표치가 일치하고, 또한, 하측 임계치와 하측 목표치가 일치하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상측 임계치 및 하측 임계치가 상기 배기 정화 촉매의 최대 흡수 가능 산소량의 안쪽에 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상측 임계치가 최대 흡수 가능 산소량의 중앙치보다도 상측에 설정되고, 하측 임계치가 최대 흡수 가능 산소량의 중앙치보다도 하측에 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상측 목표치가 상측 임계치와 최대 흡수 가능 산소량의 중앙치와의 사이에 설정되고, 하측 목표치가 하측 임계치와 최대 흡수 가능 산소량의 중앙치와의 사이에 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    산소 흡수량이 양(+)의 값만을 취하도록 배기 정화 촉매가 산소를 흡수하지 않고 있는 상태의 산소 흡수량을 제로(0)로서 설정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    산소 흡수량이 양(+)의 값 및 음(-)의 값을 취하도록 배기 정화 촉매가 임의의 상태 시의 산소 흡수량을 제로(0)로서 설정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    배기 정화 촉매의 상류측에 배기 정화 촉매로 유입하는 배기 가스의 배기 공연비를 검출하는 상류측 배기 공연비 검출 수단을 추가로하고 있고, 상기 산소 흡수량 추정 수단이 상류측 배기 공연비 검출 수단에 의해서 검출된 배기 공연비에 근거하여 산소 흡탈량을 산출하여, 산소 흡탈량의 적산 이력(積算履歷)으로부터 산소 흡수량을 추정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
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