KR101774184B1 - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 제어 장치는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 희박 공연비로 하는 희박 제어 및 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 하는 농후 제어를 포함하는 통상 운전 제어를 실시한다. 통상 운전 제어는, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 경우에, 희박 제어에 있어서의 판정 기준 흡장량을 감소시키는 판정 기준 감소 제어를 포함하고, 판정 기준 흡장량이 열화 판정값 미만으로 된 경우에, 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL DEVICE}
본 발명은, 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다.
연소실로부터 배출되는 배기 가스에는, 미연 가스나 NOx 등이 포함되어 있고, 배기 가스의 성분을 정화하기 위해 기관 배기 통로에는 배기 정화 촉매가 배치된다. 미연 가스나 NOx 등의 성분을 동시에 정화할 수 있는 배기 정화 촉매로서는 3원 촉매가 알려져 있다. 3원 촉매는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비의 근방의 경우에, 미연 가스나 NOx 등을 높은 정화율로 정화할 수 있다. 이 때문에, 종래부터 내연 기관의 배기 통로에 공연비 센서를 설치하고, 이 공연비 센서의 출력값에 기초하여 내연 기관에 공급하는 연료의 양을 제어하는 제어 장치가 알려져 있다.
배기 정화 촉매로서는, 산소 흡장 능력을 갖는 것을 사용할 수 있다. 산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매는, 산소 흡장량이 상한 흡장량과 하한 흡장량 사이의 적당한 양일 때에는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후해도 미연 가스(HC나 CO 등)나 NOx 등을 정화할 수 있다. 배기 정화 촉매에 이론 공연비보다도 농후측의 공연비(이하, 「농후 공연비」라고도 함)의 배기 가스가 유입되면, 배기 정화 촉매에 흡장되어 있는 산소에 의해 배기 가스 중의 미연 가스가 산화 정화된다.
반대로, 배기 정화 촉매에 이론 공연비보다도 희박측의 공연비(이하, 「희박 공연비」라고도 함)의 배기 가스가 유입되면, 배기 가스 중의 산소가 배기 정화 촉매에 흡장된다. 이에 의해, 배기 정화 촉매 표면 상에서 산소 부족 상태가 되고, 이에 수반하여 배기 가스 중의 NOx가 환원 정화된다. 이와 같이, 배기 정화 촉매는 산소 흡장량이 적당한 양인 한, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비에 상관없이, 배기 가스를 정화할 수 있다.
따라서, 이러한 제어 장치에서는, 배기 정화 촉매에 있어서의 산소 흡장량을 적절한 양으로 유지하기 위해, 배기 정화 촉매의 배기 흐름 방향 상류측에 공연비 센서를 설치하고, 배기 흐름 방향 하류측에 산소 센서를 설치하도록 하고 있다. 이들 센서를 사용해서, 제어 장치는 상류측의 공연비 센서의 출력에 기초하여 이 공연비 센서의 출력이 목표 공연비에 상당하는 목표값이 되도록 피드백 제어를 행한다. 덧붙여, 하류측의 산소 센서의 출력에 기초하여 상류측의 공연비 센서의 목표값을 보정한다.
예를 들어, 일본 특허 공개 제2011-069337호 공보에 기재된 제어 장치에서는, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 고측 임계값 이상이며, 배기 정화 촉매의 상태가 산소 부족 상태일 때에는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 공연비가 된다. 반대로, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 저측 임계값 이하이며, 배기 정화 촉매의 상태가 산소 과잉 상태일 때에는, 목표 공연비가 농후 공연비가 된다. 이 제어에 의해, 산소 부족 상태 또는 산소 과잉 상태에 있을 때에, 배기 정화 촉매의 상태를 빠르게 이들 양쪽 상태의 중간 상태, 즉, 배기 정화 촉매에 적당한 양의 산소가 흡장되어 있는 상태로 되돌릴 수 있다고 되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-234787호 공보에 기재된 제어 장치에서는, 에어플로우미터 및 배기 정화 촉매의 상류측의 공연비 센서 등의 출력에 기초하여, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량을 산출하고 있다. 그리고 나서, 산출된 산소 흡장량이 목표 산소 흡장량보다도 많을 때에는 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 농후 공연비로 하고, 산출된 산소 흡장량이 목표 산소 흡장량보다도 적을 때에는 목표 공연비를 희박 공연비로 하고 있다. 이 제어에 의해, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량을 목표 산소 흡장량으로 일정하게 유지할 수 있다고 되어 있다.
일본 특허 공개 제2011-069337호 공보 일본 특허 공개 제2001-234787호 공보 일본 특허 공개 평8-232723호 공보 일본 특허 공개 제2009-162139호 공보
산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비인 경우에, 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량의 근방이 되면, 배기 가스 중의 산소를 흡장하기 어려워진다. 배기 정화 촉매의 내부에서는 산소 과잉 상태가 되어, 배기 가스에 포함되는 NOx가 환원 정화되기 어려워진다. 이로 인해, 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량의 근방이 되면, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 NOx 농도가 급격하게 상승한다.
이로 인해, 상기의 일본 특허 공개 제2011-069337호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 저측 임계값 이하로 되었을 때에 목표 공연비를 농후 공연비로 설정하는 제어를 행한 경우에는 배기 정화 촉매로부터는 어느 정도의 NOx가 유출된다고 하는 문제가 있다.
도 17에, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비와 배기 정화 촉매로부터 유출되는 NOx 농도와의 관계를 설명하는 타임차트를 나타낸다. 도 17은, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량, 하류측의 산소 센서에 의해 검출되는 배기 가스의 공연비, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비, 상류측의 공연비 센서에 의해 검출되는 배기 가스의 공연비 및 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 농도의 타임차트이다.
시각 t1 이전의 상태에서는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 공연비로 되어 있다. 이로 인해, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량은 서서히 증가하고 있다. 한편, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 산소는 모두 배기 정화 촉매에 있어서 흡장되므로, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 산소는 거의 포함되어 있지 않다. 이로 인해, 하류측의 산소 센서에 의해 검출되는 배기 가스의 공연비는 거의 이론 공연비가 된다. 마찬가지로, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 NOx는 모두 배기 정화 촉매에 있어서 환원 정화되므로, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 NOx도 거의 포함되어 있지 않다.
배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 서서히 증가하여 최대 산소 흡장량 Cmax에 가까워지면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 산소의 일부가 배기 정화 촉매에 흡장되지 않게 되고, 그 결과, 시각 t1로부터, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에 산소가 포함되게 된다. 이로 인해, 하류측 산소 센서에 의해 검출되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비가 된다. 그 후, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 더욱 증가하면, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가, 미리 정해진 상한 공연비 AFhighref(저측 임계값에 상당)에 도달하고, 목표 공연비가 농후 공연비로 전환된다.
목표 공연비가 농후 공연비로 전환되면, 전환된 목표 공연비에 맞춰서 내연 기관에 있어서의 연료 분사량이 증대하게 된다. 이와 같이 연료 분사량이 증대되어도, 내연 기관 본체로부터 배기 정화 촉매까지는 어느 정도의 거리가 있으므로, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비는 바로 농후 공연비로 변경되지 않고 지연이 생긴다. 이로 인해, 목표 공연비가 시각 t2에서 농후 공연비로 전환되어도 또한, 시각 t3까지 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비의 상태로 된다. 이로 인해, 시각 t2로부터 시각 t3 사이에 있어서는, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 Cmax에 도달하거나, 또는 최대 산소 흡장량 Cmax 근방의 값이 되고, 그 결과, 배기 정화 촉매로부터는 산소 및 NOx가 유출되게 된다. 그 후, 시각 t3에서 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비가 되고, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비에 수렴되어 간다.
이와 같이, 목표 공연비를 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환하고 나서 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 될 때까지는 지연이 생긴다. 그 결과, 시각 t1로부터 시각 t4까지의 기간에, 배기 정화 촉매로부터 NOx가 유출되어 버렸다.
본 발명의 목적은, 산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매를 구비하는 내연 기관에 있어서, NOx의 유출을 억제하는 내연 기관의 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제1 내연 기관의 제어 장치는, 기관 배기 통로에 있어서 산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매를 구비하는 내연 기관의 제어 장치이며, 배기 정화 촉매의 상류에 배치되고, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서와, 배기 정화 촉매의 하류에 배치되고, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서와, 배기 정화 촉매에 흡장되는 산소의 흡장량을 취득하는 산소 흡장량 취득 수단을 구비한다. 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 이하인 판정 기준 흡장량 이상으로 될 때까지, 단속적 또는 연속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박한 희박 설정 공연비로 하는 희박 제어와, 하류측 공연비 센서의 출력이 이론 공연비보다도 농후한 공연비인 농후 판정 공연비 이하로 될 때까지, 연속적 또는 단속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후한 농후 설정 공연비로 하는 농후 제어를 포함하는 통상 운전 제어를 실시하도록 형성되어 있다. 통상 운전 제어는, 희박 제어의 기간 중에 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상으로 된 경우에 농후 제어로 전환하고, 농후 제어의 기간 중에 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하로 된 경우에 희박 제어로 전환하는 제어를 포함한다. 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 희박한 희박 공연비의 영역에서 희박 설정 공연비가 미리 정해져 있다. 통상 운전 제어는, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 경우에, 희박 제어에 있어서의 판정 기준 흡장량을 감소시키는 판정 기준 감소 제어를 포함한다. 판정 기준 흡장량이 미리 정해진 열화 판정값 미만으로 된 경우에, 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별한다.
상기 발명에 있어서는, 희박 제어의 실시 횟수 및 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수를 검출하고, 희박 제어의 실시 횟수에 대한 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수의 비율이 미리 정해진 판정값보다도 커진 경우에 판정 기준 감소 제어를 실시할 수 있다.
상기 발명에 있어서는, 통상 운전 제어는, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 미만으로 유지되어 있는 경우에, 판정 기준 흡장량을 유지하는 제어를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 내연 기관의 제어 장치는, 기관 배기 통로에 있어서 산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매를 구비하는 내연 기관의 제어 장치이며, 배기 정화 촉매의 상류에 배치되고, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서와, 배기 정화 촉매의 하류에 배치되고, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서와, 배기 정화 촉매에 흡장되는 산소의 흡장량을 취득하는 산소 흡장량 취득 수단을 구비한다. 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 이하인 판정 기준 흡장량 이상으로 될 때까지, 단속적 또는 연속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박한 희박 설정 공연비로 하는 희박 제어와, 하류측 공연비 센서의 출력이 이론 공연비보다도 농후한 공연비인 농후 판정 공연비 이하로 될 때까지, 연속적 또는 단속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후한 농후 설정 공연비로 하는 농후 제어를 포함하는 통상 운전 제어를 실시하도록 형성되어 있다. 통상 운전 제어는, 희박 제어의 기간 중에 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상으로 된 경우에 농후 제어로 전환하고, 농후 제어의 기간 중에 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하로 된 경우에 희박 제어로 전환하는 제어를 포함한다. 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 희박한 희박 공연비의 영역에서 희박 설정 공연비가 미리 정해져 있고, 희박 제어의 실시 횟수 및 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수를 검출하고, 희박 제어의 실시 횟수에 대한 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수의 비율이 미리 정해진 비율 판정값보다도 커진 경우에 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별한다.
본 발명에 따르면, NOx의 유출을 억제하는 내연 기관의 제어 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 있어서의 내연 기관의 개략도이다.
도 2a는 배기 정화 촉매의 산소 흡장량과 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2b는 배기 정화 촉매의 산소 흡장량과 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 미연 가스의 농도와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 공연비 센서의 개략적인 단면도이다.
도 4a는 공연비 센서의 동작을 개략적으로 도시한 제1 도면이다.
도 4b는 공연비 센서의 동작을 개략적으로 도시한 제2 도면이다.
도 4c는 공연비 센서의 동작을 개략적으로 도시한 제3 도면이다.
도 5는 공연비 센서에 있어서의 배기 공연비와 출력 전류와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 전압 인가 장치 및 전류 검출 장치를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 상류측의 배기 정화 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 8은 하류측의 배기 정화 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 9는 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 10은 실시 형태에 있어서의 제1 통상 운전 제어에 있어서의 공연비 보정량을 산출하는 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 실시 형태에 있어서의 희박 검출 시의 제어의 타임차트이다.
도 12는 실시 형태에 있어서의 제2 통상 운전 제어의 타임차트이다.
도 13은 실시 형태에 있어서의 제2 통상 운전 제어의 흐름도이다.
도 14는 실시 형태의 제2 통상 운전 제어에 있어서 배기 정화 촉매의 열화를 판정하는 제어의 흐름도이다.
도 15는 실시 형태에 있어서의 제3 통상 운전 제어의 타임차트이다.
도 16은 실시 형태의 제3 통상 운전 제어에 있어서 배기 정화 촉매의 열화를 판정하는 제어의 흐름도이다.
도 17은 종래 기술의 제어 타임차트이다.
도 1 내지 도 16을 참조하여, 실시 형태에 있어서의 내연 기관의 제어 장치에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 내연 기관은, 회전력을 출력하는 기관 본체와, 연소실로부터 유출되는 배기를 정화하는 배기 처리 장치를 구비한다.
<내연 기관 전체의 설명>
도 1은, 본 실시 형태에 있어서의 내연 기관을 개략적으로 도시하는 도면이다. 내연 기관은 기관 본체(1)를 구비하고, 기관 본체(1)는 실린더 블록(2)과, 실린더 블록(2)에 고정된 실린더 헤드(4)를 포함한다. 실린더 블록(2)에는 구멍부가 형성되고, 이 구멍부의 내부를 왕복 이동하는 피스톤(3)이 배치되어 있다. 연소실(5)은 실린더 블록(2)의 구멍부, 피스톤(3) 및 실린더 헤드(4)에 둘러싸이는 공간에 의해 구성되어 있다. 실린더 헤드(4)에는 흡기 포트(7) 및 배기 포트(9)가 형성되어 있다. 흡기 밸브(6)는 흡기 포트(7)를 개폐하고, 배기 밸브(8)는 배기 포트(9)를 개폐하도록 형성되어 있다.
실린더 헤드(4)의 내벽면에 있어서, 연소실(5)의 중앙부에는 점화 플러그(10)가 배치되고, 실린더 헤드(4)의 내벽면의 주변부에는 연료 분사 밸브(11)가 배치된다. 점화 플러그(10)는 점화 신호에 따라서 불꽃을 발생시키도록 구성된다. 또한, 연료 분사 밸브(11)는 분사 신호에 따라서, 소정량의 연료를 연소실(5) 내에 분사한다. 또한, 연료 분사 밸브(11)는 흡기 포트(7) 내에 연료를 분사하도록 배치되어도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료로서 이론 공연비가 14.6인 가솔린이 사용된다. 그러나, 본 발명의 내연 기관은 다른 연료를 사용해도 된다.
각 기통의 흡기 포트(7)는 각각 대응하는 흡기 지관(13)을 통하여 서지 탱크(14)에 연결되고, 서지 탱크(14)는 흡기관(15)을 통하여 에어 클리너(16)에 연결된다. 흡기 포트(7), 흡기 지관(13), 서지 탱크(14), 흡기관(15)은 기관 흡기 통로를 형성한다. 또한, 흡기관(15) 내에는 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(18)가 배치된다. 스로틀 밸브(18)는 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 의해 회동하게 됨으로써, 흡기 통로의 개구 면적을 변경할 수 있다.
한편, 각 기통의 배기 포트(9)는 배기 매니폴드(19)에 연결된다. 배기 매니폴드(19)는, 각 배기 포트(9)에 연결되는 복수의 지부와 이들 지부가 집합된 집합부를 갖는다. 배기 매니폴드(19)의 집합부는 상류측의 배기 정화 촉매(20)를 내장한 상류측 케이싱(21)에 연결된다. 상류측 케이싱(21)은 배기관(22)을 통하여 하류측의 배기 정화 촉매(24)를 내장한 하류측 케이싱(23)에 연결된다. 배기 포트(9), 배기 매니폴드(19), 상류측 케이싱(21), 배기관(22) 및 하류측 케이싱(23)은 기관 배기 통로를 형성한다.
본 실시 형태의 내연 기관의 제어 장치는, 전자 제어 유닛(ECU)(31)을 포함한다. 본 실시 형태에 있어서의 전자 제어 유닛(31)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 버스(32)를 통하여 서로 접속된 RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), ROM(리드 온리 메모리)(34), CPU(마이크로프로세서)(35), 입력 포트(36) 및 출력 포트(37)를 구비한다.
흡기관(15)에는 흡기관(15) 내를 흐르는 공기 유량을 검출하기 위한 에어플로우미터(39)가 배치되고, 이 에어플로우미터(39)의 출력은 대응하는 AD 변환기(38)를 통하여 입력 포트(36)에 입력된다.
또한, 배기 매니폴드(19)의 집합부에는 배기 매니폴드(19) 내를 흐르는 배기 가스[즉, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스]의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서(40)가 배치된다. 덧붙여, 배기관(22) 내에는 배기관(22) 내를 흐르는 배기 가스[즉, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되어 하류측의 배기 정화 촉매(24)에 유입되는 배기 가스]의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서(41)가 배치된다. 이들 공연비 센서의 출력도 대응하는 AD 변환기(38)를 통하여 입력 포트(36)에 입력된다. 또한, 이들 공연비 센서의 구성에 대해서는 후술한다.
또한, 액셀러레이터 페달(42)에는 액셀러레이터 페달(42)의 답입량에 비례한 출력 전압을 발생하는 부하 센서(43)가 접속되고, 부하 센서(43)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(38)를 통하여 입력 포트(36)에 입력된다. 크랭크각 센서(44)는 예를 들어 크랭크 샤프트가 15도 회전할 때마다 출력 펄스를 발생하고, 이 출력 펄스가 입력 포트(36)에 입력된다. CPU(35)에서는 이 크랭크각 센서(44)의 출력 펄스로부터 기관 회전수가 계산된다. 한편, 출력 포트(37)는 대응하는 구동 회로(45)를 통하여 점화 플러그(10), 연료 분사 밸브(11) 및 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 접속된다.
<배기 정화 촉매의 설명>
본 실시 형태의 내연 기관의 배기 처리 장치는, 복수의 배기 정화 촉매를 구비한다. 본 실시 형태의 배기 처리 장치는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)와, 배기 정화 촉매(20)보다도 하류에 배치되어 있는 하류측의 배기 정화 촉매(24)를 포함한다. 상류측의 배기 정화 촉매(20) 및 하류측의 배기 정화 촉매(24)는, 마찬가지의 구성을 갖는다. 이하에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 대해서만 설명하지만, 하류측의 배기 정화 촉매(24)도 마찬가지의 구성 및 작용을 갖는다.
상류측의 배기 정화 촉매(20)는 산소 흡장 능력을 갖는 3원 촉매이다. 구체적으로는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)는 세라믹으로 이루어지는 담체에, 촉매 작용을 갖는 귀금속[예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh)] 및 산소 흡장 능력을 갖는 물질[예를 들어, 세리아(CeO2)]을 담지시킨 것이다. 상류측의 배기 정화 촉매(20)는 소정의 활성 온도에 도달하면, 미연 가스(HC나 CO 등)와 질소산화물(NOx)을 동시에 정화하는 촉매 작용에 추가하여, 산소 흡장 능력을 발휘한다.
상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장 능력에 의하면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 희박(희박 공연비)할 때에는 배기 가스 중의 산소를 흡장한다. 한편, 상류측의 배기 정화 촉매(20)는, 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후(농후 공연비)할 때에는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 흡장되어 있는 산소를 방출한다. 또한, 「배기 가스의 공연비」는, 그 배기 가스가 생성될 때까지 공급된 공기의 질량에 대한 연료의 질량 비율을 의미하는 것이며, 통상은 그 배기 가스가 생성될 때에 연소실(5) 내에 공급된 공기의 질량에 대한 연료의 질량 비율을 의미한다. 본 명세서에서는, 배기 가스의 공연비를 「배기 공연비」라고 하는 경우도 있다. 다음에, 본 실시 형태에 있어서의 배기 정화 촉매의 산소 흡장량과 정화 능력과의 관계에 대해서 설명한다.
도 2a 및 도 2b에, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량과 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 및 미연 가스(HC, CO 등)의 농도와의 관계를 나타낸다. 도 2a는 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비일 때의, 산소 흡장량과 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 농도와의 관계를 나타낸다. 한편, 도 2b는 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비일 때의, 산소 흡장량과 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 미연 가스의 농도와의 관계를 나타낸다.
도 2a로부터 알 수 있는 바와 같이, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 적을 때에는, 최대 산소 흡장량까지 여유가 있다. 이로 인해, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비(즉, 이 배기 가스가 NOx 및 산소를 포함함)이어도, 배기 가스 중의 산소는 배기 정화 촉매에 흡장되고, 이에 수반하여 NOx도 환원 정화된다. 이 결과, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 거의 NOx는 포함되지 않는다.
그러나, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 많아지면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비인 경우, 배기 정화 촉매에 있어서 배기 가스 중의 산소를 흡장하기 어려워지고, 이에 수반하여 배기 가스 중의 NOx도 환원 정화되기 어려워진다. 이로 인해, 도 2a로부터 알 수 있는 바와 같이, 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 Cmax 근방의 상한 흡장량 Cuplim을 초과해서 증대하면 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 농도가 급격하게 상승한다.
한편, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 많을 때에는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비(즉, 이 배기 가스가 HC나 CO 등의 미연 가스를 포함함)이면, 배기 정화 촉매에 흡장되어 있는 산소가 방출된다. 이로 인해, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 미연 가스는 산화 정화된다. 이 결과, 도 2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 거의 미연 가스는 포함되지 않는다.
그러나, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 적어지고, 0의 근방이 되면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비인 경우, 배기 정화 촉매로부터 방출되는 산소가 적어지고, 이에 수반하여 배기 가스 중의 미연 가스도 산화 정화되기 어려워진다. 이로 인해, 도 2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 산소 흡장량이 어떤 하한 흡장량 Clowlim을 초과해서 감소하면 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 미연 가스의 농도가 급격하게 상승한다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서 사용되는 배기 정화 촉매(20, 24)에 의하면, 배기 정화 촉매(20, 24)에 유입되는 배기 가스의 공연비 및 산소 흡장량에 따라서 배기 가스 중의 NOx 및 미연 가스의 정화 특성이 변화된다. 또한, 촉매 작용 및 산소 흡장 능력을 갖고 있으면, 배기 정화 촉매(20, 24)는 3원 촉매와는 다른 촉매이어도 된다.
<공연비 센서의 구성>
다음에, 도 3을 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 상류측 공연비 센서(40) 및 하류측 공연비 센서(41)의 구조에 대해서 설명한다. 도 3은 공연비 센서의 개략적인 단면도이다. 본 실시 형태에 있어서의 공연비 센서는, 고체 전해질층 및 한 쌍의 전극으로 이루어지는 셀이 1개인 1셀형의 공연비 센서이다. 공연비 센서로서는, 이 형태에 한정되지 않고, 배기 가스의 공연비에 따라서 출력이 연속적으로 변화되는 다른 형태의 센서를 채용해도 상관없다. 예를 들어, 2셀형의 공연비 센서를 채용해도 상관없다.
본 실시 형태에 있어서의 공연비 센서는, 고체 전해질층(51)과, 고체 전해질층(51)의 한쪽의 측면 상에 배치된 배기측 전극(제1 전극)(52)과, 고체 전해질층(51)의 다른 쪽의 측면 상에 배치된 대기측 전극(제2 전극)(53)과, 통과하는 배기 가스의 확산 율속을 행하는 확산 율속층(54)과, 확산 율속층(54)을 보호하는 보호층(55)과, 공연비 센서의 가열을 행하는 히터부(56)를 구비한다.
고체 전해질층(51)의 한쪽의 측면 상에는 확산 율속층(54)이 형성되고, 확산 율속층(54)의 고체 전해질층(51)측의 측면과는 반대측의 측면 상에는 보호층(55)이 형성된다. 본 실시 형태에서는, 고체 전해질층(51)과 확산 율속층(54) 사이에는 피측 가스실(57)이 형성된다. 이 피측 가스실(57)에는 확산 율속층(54)을 개재하여 공연비 센서에 의한 검출 대상인 가스, 즉 배기 가스가 도입하게 된다. 또한, 배기측 전극(52)은 피측 가스실(57) 내에 배치되고, 따라서, 배기측 전극(52)은 확산 율속층(54)을 개재하여 배기 가스에 노출되게 된다. 또한, 피측 가스실(57)은 반드시 설치할 필요는 없고, 배기측 전극(52)의 표면 상에 확산 율속층(54)이 직접 접촉되도록 구성되어도 된다.
고체 전해질층(51)의 다른 쪽의 측면 상에는 히터부(56)가 설치된다. 고체 전해질층(51)과 히터부(56) 사이에는 기준 가스실(58)이 형성되고, 이 기준 가스실(58) 내에는 기준 가스가 도입된다. 본 실시 형태에서는, 기준 가스실(58)은 대기에 개방되어 있고, 따라서 기준 가스실(58) 내에는 기준 가스로서 대기가 도입된다. 대기측 전극(53)은 기준 가스실(58) 내에 배치되고, 따라서, 대기측 전극(53)은 기준 가스(기준 분위기)에 노출된다. 본 실시 형태에서는, 기준 가스로서 대기가 사용되고 있으므로, 대기측 전극(53)은 대기에 노출되게 된다.
히터부(56)에는 복수의 히터(59)가 설치되어 있고, 이들 히터(59)에 의해 공연비 센서의 온도, 특히 고체 전해질층(51)의 온도를 제어할 수 있다. 히터부(56)는 고체 전해질층(51)을 활성화할 때까지 가열하기 위해 충분한 발열 용량을 갖고 있다.
고체 전해질층(51)은 ZrO2(지르코니아), HfO2, ThO2, Bi2O3 등에 CaO, MgO, Y2O3, Yb2O3 등을 안정제로서 배당한 산소 이온 전도성 산화물의 소결체에 의해 형성되어 있다. 또한, 확산 율속층(54)은 알루미나, 마그네시아, 규석질, 스피넬, 멀라이트 등의 내열성 무기 물질의 다공질 소결체에 의해 형성되어 있다. 또한, 배기측 전극(52) 및 대기측 전극(53)은 백금 등의 촉매 활성이 높은 귀금속에 의해 형성되어 있다.
또한, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이에는, 전자 제어 유닛(31)에 탑재된 전압 인가 장치(60)에 의해 센서 인가 전압 Vr이 인가된다. 덧붙여, 전자 제어 유닛(31)에는 전압 인가 장치(60)에 의해 센서 인가 전압 Vr을 인가했을 때에 고체 전해질층(51)을 개재하여 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이로 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 장치(61)가 설치된다. 이 전류 검출 장치(61)에 의해 검출되는 전류가 공연비 센서의 출력 전류이다.
<공연비 센서의 동작>
다음에, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 이와 같이 구성된 공연비 센서의 동작의 기본적인 개념에 대해서 설명한다. 도 4a 내지 도 4c는 공연비 센서의 동작을 개략적으로 도시한 도면이다. 사용 시에서, 공연비 센서는 보호층(55) 및 확산 율속층(54)의 외주면이 배기 가스에 노출되도록 배치된다. 또한, 공연비 센서의 기준 가스실(58)에는 대기가 도입된다.
상술한 바와 같이, 고체 전해질층(51)은 산소 이온 전도성 산화물의 소결체로 형성된다. 따라서, 고온에 의해 활성화된 상태에서 고체 전해질층(51)의 양측면간에 산소 농도의 차가 생기면, 농도가 높은 측면측으로부터 농도가 낮은 측면측으로 산소 이온을 이동시키고자 하는 기전력 E가 발생하는 성질(산소 전지 특성)을 갖고 있다.
반대로, 고체 전해질층(51)은 양측면간에 전위차가 부여되면, 이 전위차에 따라서 고체 전해질층의 양측면간에서 산소 농도비가 생기도록, 산소 이온의 이동을 일으키고자 하는 특성(산소 펌프 특성)을 갖는다. 구체적으로는, 양측면간에 전위차가 부여된 경우에는, 정극성을 부여받은 측면에 있어서의 산소 농도가, 부극성을 부여받은 측면에 있어서의 산소 농도에 대해, 전위차에 따른 비율로 높아지도록, 산소 이온의 이동이 야기된다. 또한, 도 3 및 도 4a 내지 도 4c에 도시한 바와 같이, 공연비 센서에서는 대기측 전극(53)이 정극성, 배기측 전극(52)이 부극성이 되도록, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이에 일정한 센서 인가 전압 Vr이 인가되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 공연비 센서에 있어서의 센서 인가 전압 Vr은 동일한 전압으로 되어 있다.
공연비 센서의 주위에서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때에는, 고체 전해질층(51)의 양측면간에서의 산소 농도의 비는 그만큼 크지 않다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51)의 양측면간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비의 쪽이 작아진다. 이로 인해, 고체 전해질층(51)의 양측면간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향하여 커지도록, 도 4a에 도시한 바와 같이, 배기측 전극(52)으로부터 대기측 전극(53)을 향하여 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 전압 인가 장치(60)의 정극으로부터, 대기측 전극(53), 고체 전해질층(51) 및 배기측 전극(52)을 통하여 전압 인가 장치(60)의 부극으로 전류가 흐른다.
이 때 흐르는 전류(출력 전류) Ir의 크기는, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 개재하여 피측 가스실(57)에 확산에 의해 유입되는 산소량에 비례한다. 따라서, 이 전류 Ir의 크기를 전류 검출 장치(61)에 의해 검출함으로써, 산소 농도를 알 수 있고, 나아가서는 희박 영역에서의 공연비를 알 수 있다.
한편, 공연비 센서의 주위에서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때에는, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 개재하여 미연 가스가 피측 가스실(57) 내에 유입되므로, 배기측 전극(52) 상에 산소가 존재해도, 미연 가스와 반응해서 제거된다. 이로 인해, 피측 가스실(57) 내에서는 산소 농도가 매우 낮게 되고, 그 결과, 고체 전해질층(51)의 양측면간에서의 산소 농도의 비는 큰 것이 된다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51)의 양측면간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비의 쪽이 커진다. 이로 인해, 고체 전해질층(51)의 양측면간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향하여 작게 되도록, 도 4b에 도시한 바와 같이, 대기측 전극(53)으로부터 배기측 전극(52)을 향하여 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 대기측 전극(53)으로부터, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 전압 인가 장치(60)를 통하여 배기측 전극(52)으로 전류가 흐른다.
이 때 흐르는 전류는 출력 전류 Ir이 된다. 출력 전류의 크기는 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51) 중을 대기측 전극(53)으로부터 배기측 전극(52)으로 이동하게 되는 산소 이온의 유량에 의해 결정된다. 그 산소 이온은 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 개재하여 피측 가스실(57)로 확산에 의해 유입되는 미연 가스와 배기측 전극(52) 상에서 반응(연소)한다. 따라서, 산소 이온의 이동 유량은 피측 가스실(57) 내에 유입된 배기 가스 중의 미연 가스의 농도에 대응한다. 따라서, 이 전류 Ir의 크기를 전류 검출 장치(61)에 의해 검출함으로써, 미연 가스 농도를 알 수 있고, 나아가서는 농후 영역에서의 공연비를 알 수 있다.
또한, 공연비 센서의 주위에서의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는, 피측 가스실(57)에 유입되는 산소 및 미연 가스의 양이 화학당량비로 되어 있다. 이로 인해, 배기측 전극(52)의 촉매 작용에 의해 양자는 완전히 연소하고, 피측 가스실(57) 내의 산소 및 미연 가스의 농도에 변동은 생기지 않는다. 이 결과, 고체 전해질층(51)의 양측면간의 산소 농도비는 변동되지 않고, 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비인 채로 유지된다. 이로 인해, 도 4c에 도시한 바와 같이, 산소 펌프 특성에 의한 산소 이온의 이동은 일어나지 않고, 그 결과, 회로를 흐르는 전류는 생기지 않는다.
이와 같이 구성된 공연비 센서는, 도 5에 도시한 출력 특성을 갖는다. 즉, 공연비 센서에서는, 배기 공연비가 커질수록(즉, 희박하게 될수록), 공연비 센서의 출력 전류 Ir이 커진다. 덧붙여, 공연비 센서는 배기 공연비가 이론 공연비일 때에 출력 전류 Ir이 0으로 되도록 구성된다.
<전압 인가 장치 및 전류 검출 장치의 회로>
도 6에, 전압 인가 장치(60) 및 전류 검출 장치(61)를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 나타낸다. 도시한 예에서는, 산소 전지 특성에 의해 생기는 기전력을 E, 고체 전해질층(51)의 내부 저항을 Ri, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이의 전위차를 Vs로 나타내고 있다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압 인가 장치(60)는, 기본적으로, 산소 전지 특성에 의해 생기는 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 일치하도록, 부귀환 제어를 행하고 있다. 환언하면, 전압 인가 장치(60)는 고체 전해질층(51)의 양측면간의 산소 농도비의 변화에 의해 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이의 전위차 Vs가 변화되었을 때에도, 이 전위차 Vs가 센서 인가 전압 Vr이 되도록 부귀환 제어를 행하고 있다.
따라서, 배기 공연비가 이론 공연비로 되어 있고, 고체 전해질층(51)의 양측면간에 산소 농도비의 변화가 생기지 않는 경우에는, 고체 전해질층(51)의 양측면간의 산소 농도비는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로 되어 있다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 일치하고, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이의 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr로 되어 있고, 그 결과, 전류 Ir은 흐르지 않는다.
한편, 배기 공연비가 이론 공연비와는 다른 공연비로 되어 있고, 고체 전해질층(51)의 양측면간에 산소 농도비의 변화가 생기는 경우에는, 고체 전해질층(51)의 양측면간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로는 되어 있지 않다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr과는 다른 값이 된다. 이로 인해, 부귀환 제어에 의해, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr과 일치하도록 고체 전해질층(51)의 양측면간에서 산소 이온의 이동을 시키기 위해, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이에 전위차 Vs가 부여된다. 그리고, 이때 산소 이온의 이동에 수반하여 전류 Ir이 흐른다. 이 결과, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 수렴하고, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 수렴하면, 머지않아, 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr에 수렴하게 된다.
따라서, 전압 인가 장치(60)는, 실질적으로 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이에 센서 인가 전압 Vr을 인가하고 있다고 할 수 있다. 또한, 전압 인가 장치(60)의 전기 회로는 반드시 도 6에 도시한 바와 같은 것일 필요는 없고, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이에 센서 인가 전압 Vr을 실질적으로 인가할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.
또한, 전류 검출 장치(61)는, 실제로 전류를 검출하는 것이 아니라, 전압 E0을 검출하여 이 전압 E0으로부터 전류를 산출하고 있다. 여기서, E0은, 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016038728616-pct00001
여기서, V0은 오프셋 전압(E0이 마이너스값이 되지 않도록 인가해 두는 전압이며 예를 들어 3V), R은 도 6에 도시한 저항의 값이다.
수학식 1에 있어서, 센서 인가 전압 Vr, 오프셋 전압 V0 및 저항값 R은 일정하기 때문에, 전압 E0은 전류 Ir에 따라서 변화된다. 이로 인해, 전압 E0을 검출하면, 그 전압 E0으로부터 전류 Ir을 산출하는 것이 가능하다.
따라서, 전류 검출 장치(61)는, 실질적으로 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이에 흐르는 전류 Ir을 검출하고 있다고 할 수 있다. 또한, 전류 검출 장치(61)의 전기 회로는 반드시 도 6에 도시한 바와 같은 것일 필요는 없고, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이를 흐르는 전류 Ir을 검출할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.
<통상 운전 제어의 개요>
다음에, 본 실시 형태의 내연 기관의 제어 장치에 있어서의 공연비 제어의 개요를 설명한다. 처음에, 내연 기관에 있어서 목표 공연비에 가스 공연비를 일치시키도록 연료 분사량을 결정하는 통상 운전 제어에 대해서 설명한다. 내연 기관의 제어 장치는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 조정하는 유입 공연비 제어 수단을 구비한다. 본 실시 형태의 유입 공연비 제어 수단은, 연소실에 공급하는 연료의 양을 조정함으로써, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 조정한다. 유입 공연비 제어 수단으로서는, 이 형태에 한정되지 않고, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 조정 가능한 임의의 장치를 채용할 수 있다. 예를 들어, 유입 공연비 제어 수단은, 배기 가스를 기관 흡기 통로에 환류시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치를 구비하고 있고, 환류 가스의 양을 조정하도록 형성되어 있어도 상관없다.
본 실시 형태의 내연 기관은, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류(즉, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비) Irup가 목표 공연비에 상당하는 값이 되도록 피드백 제어가 행해진다.
목표 공연비는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하로 되었을 때에, 목표 공연비는 희박 설정 공연비가 되고, 그 공연비로 유지된다. 여기서, 농후 판정 기준값 Iref는, 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 농후 판정 공연비(예를 들어, 14.55)에 상당하는 값을 채용할 수 있다. 또한, 희박 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 어느 정도 희박한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어, 14.65 내지 20, 바람직하게는 14.65 내지 18, 보다 바람직하게는 14.65 내지 16 정도가 된다.
본 실시 형태의 내연 기관의 제어 장치는, 배기 정화 촉매에 흡장되는 산소의 흡장량을 취득하는 산소 흡장량 취득 수단을 구비한다. 목표 공연비가 희박 설정 공연비인 경우에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정된다. 또한, 본 실시 형태에서는 목표 공연비가 농후 설정 공연비인 경우에도 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정된다. 산소 흡장량 OSAsc의 추정은, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 에어플로우미터(39) 등에 기초하여 산출되는 연소실(5) 내에의 흡입 공기량의 추정값 및 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 등에 기초하여 행해진다. 그리고, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 설정되는 제어를 실시하고 있는 기간 중에, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 미리 정해진 판정 기준 흡장량 Cref 이상으로 되면, 그것까지 희박 설정 공연비이었던 목표 공연비가, 농후 설정 공연비가 되고, 그 공연비로 유지된다. 본 실시 형태에 있어서는, 약 농후 설정 공연비가 채용되어 있다. 약 농후 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 약간 농후하며, 예를 들어, 13.5 내지 14.58, 바람직하게는 14 내지 14.57, 보다 바람직하게는 14.3 내지 14.55 정도가 된다. 그 후, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 다시 농후 판정 기준값 Iref 이하로 되었을 때에 다시 목표 공연비가 희박 설정 공연비가 되고, 그 후, 마찬가지의 조작이 반복된다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 설정 공연비와 약 농후 설정 공연비에 교대로 설정된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 약 농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차보다도 크다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 목표 공연비는 단기간의 희박 설정 공연비와, 장기간의 약 농후 설정 공연비에 교대로 설정되게 된다.
또한, 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차와 거의 동일해도 상관없다. 즉, 농후 설정 공연비의 깊이와 희박 설정 공연비의 깊이가 거의 동등하게 되어도 상관없다. 이와 같은 경우에는, 희박 설정 공연비의 기간과, 농후 설정 공연비의 기간이 거의 동일한 길이로 된다.
<타임차트를 사용한 제어의 설명>
도 7에, 본 실시 형태에 있어서의 제1 통상 운전 제어의 타임차트를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 내연 기관의 제어 장치에 있어서의 공연비 제어를 행한 경우에 있어서의, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn, 공연비 보정량 AFC, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 농도의 타임차트이다.
또한, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때에 0으로 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 농후 공연비일 때에 마이너스의 값이 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 희박 공연비일 때에 플러스의 값이 된다. 또한, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비 또는 희박 공연비일 때에는, 이론 공연비로부터의 차가 커질수록, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup의 절대값이 커진다. 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비에 따라서, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup와 마찬가지로 변화된다. 또한, 공연비 보정량 AFC는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비에 관한 보정량이다. 공연비 보정량 AFC가 0일 때에는 목표 공연비는 이론 공연비가 되고, 공연비 보정량 AFC가 플러스의 값일 때에는 목표 공연비는 희박 공연비가 되고, 공연비 보정량 AFC가 마이너스의 값일 때에는 목표 공연비는 농후 공연비가 된다.
도시한 예에서는, 시각 t1 이전의 상태에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich가 되어 있다. 약 농후 설정 보정량 AFCrich는, 약 농후 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 작은 값이다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비가 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 마이너스의 값이 된다. 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되므로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소해 간다. 그러나, 배기 가스 중에 포함되어 있는 미연 가스는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로 정화되므로, 하류측 공연비 센서의 출력 전류 Irdwn은 거의 0(이론 공연비에 상당)이 된다. 이때, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있으므로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 서서히 감소하면, 산소 흡장량 OSAsc는 시각 t1에서 하한 흡장량(도 2b의 Clowlim 참조)을 초과해서 감소한다. 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량보다도 감소하면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입된 미연 가스의 일부는 상류측의 배기 정화 촉매(20)로 정화되지 않고 유출된다. 이로 인해, 시각 t1 이후, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하는 데 수반하여, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 서서히 저하된다. 이때도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있으므로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
그 후, 시각 t2에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Iref에 도달한다. 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref로 되면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 감소를 억제하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환된다. 희박 설정 보정량 AFClean은 희박 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 큰 값이다. 따라서, 목표 공연비는 희박 공연비가 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref에 도달하고 나서, 즉 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비에 도달하고 나서, 공연비 보정량 AFC의 전환을 행하고 있다. 이것은, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 충분해도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로부터 매우 어긋나게 되는 경우가 있기 때문에다. 즉, 가령 출력 전류 Irdwn이 0(이론 공연비에 상당)으로부터 약간 어긋난 경우에도 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해서 감소하고 있다고 판단하게 되면, 실제로는 충분한 산소 흡장량이 있어도 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해서 감소하였다고 판단될 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비에 도달하여 비로소 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해서 감소하였다고 판단하는 것으로 하고 있다. 반대로 말하면, 농후 판정 공연비는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 충분할 때에는 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 도달하는 일이 없는 공연비가 된다.
시각 t2에서, 목표 공연비를 희박 공연비로 전환해도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 바로 희박 공연비로 되지 않고, 어느 정도의 지연이 생긴다. 그 결과, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 시각 t3에서 농후 공연비로부터 희박 공연비로 변화된다. 또한, 시각 t2 내지 t3에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 되어 있으므로, 이 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 된다. 그러나, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
시각 t3에서 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 변화되면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대한다. 또한, 이에 수반하여, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로 변화되고, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn도 0에 수렴한다. 이때, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비로 되어 있지만, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장 능력에는 충분한 여유가 있으므로, 유입되는 배기 가스 중의 산소는 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 흡장되고, NOx는 환원 정화된다. 이로 인해, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
그 후, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 증대하면, 시각 t4에서 산소 흡장량 OSAsc는 판정 기준 흡장량 Cref에 도달한다. 판정 기준 흡장량 Cref는, 최대 산소 흡장량 Cmax 이하로 설정되어 있다. 본 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref로 되면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에의 산소의 흡장을 중지하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich(0보다도 작은 값)로 전환된다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비가 된다.
단, 상술한 바와 같이, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화될 때까지는 지연이 생긴다. 이로 인해, 시각 t4에서 전환을 행해도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 어느 정도 시간이 경과한 시각 t5에서 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화된다. 시각 t4 내지 t5에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비이므로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대되어 간다.
그러나, 판정 기준 흡장량 Cref는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량(도 2a의 Cuplim 참조)보다도 충분히 낮게 설정되어 있으므로, 시각 t5에서도 산소 흡장량 OSAsc는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에는 도달하지 않는다. 반대로 말하면, 판정 기준 흡장량 Cref는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화될 때까지 지연이 생겨도, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에 도달하지 않도록 충분히 적은 양이 된다. 예를 들어, 판정 기준 흡장량 Cref는, 최대 산소 흡장량 Cmax의 3/4 이하, 바람직하게는 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/5 이하가 된다. 따라서, 시각 t4 내지 t5에서도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
시각 t5 이후에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich가 되어 있다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비가 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 마이너스의 값이 된다. 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되므로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소해 가고, 시각 t6에서, 시각 t1과 마찬가지로, 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량을 초과해서 감소한다. 이때도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있으므로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
계속해서, 시각 t7에서, 시각 t2와 마찬가지로, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Iref에 도달한다. 이에 의해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 공연비에 상당하는 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환된다. 그 후, 상술한 시각 t1 내지 t6의 사이클이 반복된다.
또한, 이와 같은 공연비 보정량 AFC의 제어는, 전자 제어 유닛(31)에 의해 행해진다. 따라서, 전자 제어 유닛(31)은, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref가 될 때까지, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적으로 희박 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref 이상이 되었을 때에, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 도달하지 않고 0을 향하여 감소하도록, 목표 공연비를 계속적으로 약 농후 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비한다고 말할 수 있다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 실시 형태에 따르면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 항상 억제할 수 있다. 즉, 상술한 제어를 행하고 있는 한, 기본적으로는 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 적은 것으로 할 수 있다.
또한, 일반적으로, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 흡입 공기량의 추정값 등에 기초하여 산소 흡장량 OSAsc를 추정한 경우에는 오차가 생길 가능성이 있다. 본 실시 형태에 있어서도, 시각 t3 내지 t4에 걸쳐서 산소 흡장량 OSAsc를 추정하고 있으므로, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값에는 다소의 오차가 포함된다. 그러나, 이와 같은 오차가 포함되어 있었다고 해도, 판정 기준 흡장량 Cref를 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량보다도 충분히 낮게 설정해 두면, 실제의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에까지 도달하는 것은 거의 없다. 따라서, 이러한 관점에서도 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 억제할 수 있다.
또한, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 일정하게 유지되면, 그 배기 정화 촉매의 산소 흡장 능력이 저하된다. 이에 대해, 본 실시 형태에 의하면, 산소 흡장량 OSAsc는 항상 상하로 변동되어 있으므로, 산소 흡장 능력이 저하되는 것이 억제된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 시각 t2 내지 t4에서, 공연비 보정량 AFC는 희박 설정 보정량 AFClean으로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없고, 서서히 감소시키는 등, 변동되도록 설정되어도 된다. 마찬가지로, 시각 t4 내지 t7에서, 공연비 보정량 AFC는 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없고, 서서히 감소시키는 등, 변동되도록 설정되어도 된다.
단, 이 경우라도, 시각 t2 내지 t4에서의 공연비 보정량 AFC는, 당해 기간에 있어서의 목표 공연비의 평균값과 이론 공연비와의 차가, 시각 t4 내지 t7에서의 목표 공연비의 평균값과 이론 공연비와의 차보다도 커지도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 연소실(5) 내에의 흡입 공기량의 추정값 등에 기초하여, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정되어 있다. 그러나, 산소 흡장량 OSAsc는 이들 파라미터에 추가하여 다른 파라미터에 기초하여 산출되어도 되고, 이들 파라미터와는 다른 파라미터에 기초하여 추정되어도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 판정 기준 흡장량 Cref 이상으로 되면, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환된다. 그러나, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환하는 타이밍은, 예를 들어, 목표 공연비를 약 농후 설정 공연비로부터 희박 설정 공연비로 전환하고 나서의 기관 운전 시간 등, 다른 파라미터를 기준으로 해도 된다. 단, 이 경우라도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량보다도 적다고 추정되는 동안에, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환하는 것이 필요하게 된다.
<하류측 촉매도 사용한 제어의 설명>
또한, 본 실시 형태에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 추가하여 하류측의 배기 정화 촉매(24)도 설치되어 있다. 하류측의 배기 정화 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 어느 정도의 기간마다 행해지는 연료 커트(F/C) 제어에 의해 최대 산소 흡장량 Cmax 근방의 값이 된다. 이로 인해, 가령 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 미연 가스를 포함한 배기 가스가 유출되었다고 해도, 이들 미연 가스는 하류측의 배기 정화 촉매(24)에 있어서 산화 정화된다.
여기서, 연료 커트 제어란, 내연 기관을 탑재하는 차량의 감속 시 등에 있어서, 크랭크 샤프트나 피스톤(3)이 운동하고 있는 상태라도, 연료 분사 밸브(11)로부터 연료의 분사를 정지하는 제어이다. 이 제어를 행하면, 배기 정화 촉매(20) 및 배기 정화 촉매(24)에는 다량의 공기가 유입되게 된다.
이하, 도 8을 참조하여, 하류측의 배기 정화 촉매(24)에 있어서의 산소 흡장량 OSAufc의 추이에 대해서 설명한다. 도 8은 도 7과 마찬가지의 도면이며, 도 7의 NOx 농도의 추이로 바꿔서, 하류측의 배기 정화 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc 및 하류측의 배기 정화 촉매(24)로부터 유출되는 배기 가스 중의 미연 가스(HC나 CO 등)의 농도 추이를 나타내고 있다. 또한, 도 8에 도시한 예에서는, 도 7에 도시한 예와 동일한 제어를 행하고 있다.
도 8에 도시한 예에서는, 시각 t1 이전에 연료 커트 제어가 행해지고 있다. 이로 인해, 시각 t1 이전에 있어서, 하류측의 배기 정화 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 최대 산소 흡장량 Cmax 근방의 값이 되어 있다. 또한, 시각 t1 이전에 있어서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는 거의 이론 공연비로 유지된다. 이로 인해, 하류측의 배기 정화 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 일정하게 유지된다.
그 후, 시각 t1 내지 t4에서, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있다. 이로 인해, 하류측의 배기 정화 촉매(24)에는, 미연 가스를 포함하는 배기 가스가 유입된다.
상술한 바와 같이, 하류측의 배기 정화 촉매(24)에는 다량의 산소가 흡장되어 있으므로, 하류측의 배기 정화 촉매(24)에 유입되는 배기 가스 중에 미연 가스가 포함되어 있으면, 흡장되어 있는 산소에 의해 미연 가스가 산화 정화된다. 또한, 이에 수반하여, 하류측의 배기 정화 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 감소한다. 단, 시각 t1 내지 t4에서 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 미연 가스는 그만큼 많지 않으므로, 요사이의 산소 흡장량 OSAufc의 감소량은 얼마 안된다. 이로 인해, 시각 t1 내지 t4에서 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 미연 가스는 모두 하류측의 배기 정화 촉매(24)에 있어서 환원 정화된다.
시각 t6 이후에 대해서도, 어느 정도의 시간 간격마다 시각 t1 내지 t4에서의 경우와 마찬가지로, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 미연 가스가 유출된다. 이와 같이 하여 유출된 미연 가스는 기본적으로 하류측의 배기 정화 촉매(24)에 흡장되어 있는 산소에 의해 환원 정화된다. 따라서, 하류측의 배기 정화 촉매(24)로부터는 미연 가스가 유출되는 일은 거의 없다. 상술한 바와 같이, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량이 적은 것으로 되는 것을 생각하면, 본 실시 형태에 의하면, 하류측의 배기 정화 촉매(24)로부터의 미연 가스 및 NOx의 배출량은 항상 적은 것이 된다.
<구체적인 제어의 설명>
다음에, 도 9 및 도 10을 참조하여, 상기 실시 형태에 있어서의 제어 장치에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 제어 장치는, 기능 블록도인 도 9에 도시한 바와 같이, A1 내지 A9의 각 기능 블록을 포함하여 구성되어 있다. 이하, 도 9를 참조하면서 각 기능 블록에 대해서 설명한다.
<연료 분사량의 산출>
우선, 연료 분사량의 산출에 대해서 설명한다. 연료 분사량의 산출 시에는, 통내 흡입 공기량 산출부로서의 통내 흡입 공기량 산출 수단 A1, 기본 연료 분사량 산출부로서의 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 연료 분사량 산출부로서의 연료 분사량 산출 수단 A3이 사용된다.
통내 흡입 공기량 산출 수단 A1은, 에어플로우미터(39)에 의해 계측되는 흡입 공기 유량 Ga와, 크랭크각 센서(44)의 출력에 기초하여 산출되는 기관 회전수 NE와, 전자 제어 유닛(31)의 ROM(34)에 기억된 맵 또는 계산식에 기초하여, 각 기통에의 흡입 공기량 Mc를 산출한다.
기본 연료 분사량 산출 수단 A2는, 통내 흡입 공기량 산출 수단 A1에 의해 산출된 통내 흡입 공기량 Mc를, 후술하는 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT로 제산함으로써, 기본 연료 분사량 Qbase를 산출한다(Qbase＝Mc/AFT).
연료 분사량 산출 수단 A3은, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2에 의해 산출된 기본 연료 분사량 Qbase에, 후술하는 F/B 보정량 DQi를 더함으로써 연료 분사량 Qi를 산출한다(Qi＝Qbase＋DQi). 이와 같이 하여 산출된 연료 분사량 Qi의 연료가 연료 분사 밸브(11)로부터 분사되도록, 연료 분사 밸브(11)에 대해 분사 지시가 행해진다.
<목표 공연비의 산출>
다음에, 목표 공연비의 산출에 대해서 설명한다. 목표 공연비의 산출 시에는, 산소 흡장량 취득부로서 산소 흡장량 취득 수단이 사용된다. 목표 공연비의 산출 시에는, 산소 흡장량 취득부로서 기능하는 산소 흡장량 산출 수단 A4, 목표 공연비 보정량 산출부로서의 목표 공연비 보정량 산출 수단 A5 및 목표 공연비 설정부로서의 목표 공연비 설정 수단 A6이 사용된다.
산소 흡장량 산출 수단 A4는, 연료 분사량 산출 수단 A3에 의해 산출된 연료 분사량 Qi 및 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초하여 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 OSAest를 산출한다. 예를 들어, 산소 흡장량 산출 수단 A4는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 대응하는 공연비와 이론 공연비와의 차분에 연료 분사량 Qi를 승산함과 함께, 구한 값을 적산함으로써 산소 흡장량의 추정값 OSAest를 산출한다. 또한, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의한 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정은, 항상 행해지고 있지 않아도 된다. 예를 들어, 목표 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비에 실제로 전환되었을 때(도 7에 있어서의 시각 t3)로부터, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달하기(도 7에 있어서의 시각 t4)까지의 동안만 산소 흡장량을 추정해도 된다.
목표 공연비 보정량 산출 수단 A5에서는, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의해 산출된 산소 흡장량의 추정값 OSAest와, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn에 기초하여, 목표 공연비의 공연비 보정량 AFC가 산출된다. 구체적으로는, 공연비 보정량 AFC는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref(농후 판정 공연비에 상당하는 값) 이하가 되었을 때에, 희박 설정 보정량 AFClean이 된다. 그 후, 공연비 보정량 AFC는, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달할 때까지, 희박 설정 보정량 AFClean으로 유지된다. 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달하면, 공연비 보정량 AFC는 약 농후 설정 보정량 AFCrich가 된다. 그 후, 공연비 보정량 AFC는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref(농후 판정 공연비에 상당하는 값)가 될 때까지, 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 유지된다.
목표 공연비 설정 수단 A6은, 기준이 되는 공연비, 본 실시 형태에서는 이론 공연비 AFR에, 목표 공연비 보정량 산출 수단 A5에 의해 산출된 공연비 보정량 AFC를 가산함으로써, 목표 공연비 AFT를 산출한다. 따라서, 목표 공연비 AFT는, 약 농후 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich인 경우)이거나, 또는 희박 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean인 경우) 중 어느 하나가 된다. 이와 같이 하여 산출된 목표 공연비 AFT는, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 후술하는 공연비차 산출 수단 A8에 입력된다.
도 10은 공연비 보정량 AFC의 산출 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도시한 제어 루틴은 일정 시간 간격의 인터럽트에 의해 행해진다.
도 10에 도시한 바와 같이, 우선, 스텝 S11에 있어서 공연비 보정량 AFC의 산출 조건이 성립하고 있는지 여부가 판정된다. 공연비 보정량의 산출 조건이 성립하고 있는 경우란, 예를 들어, 연료 커트 제어 중이 아닌 것 등을 들 수 있다. 스텝 S11에 있어서 목표 공연비의 산출 조건이 성립하고 있다고 판정된 경우에는, 스텝 S12로 진행한다. 스텝 S12에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn, 연료 분사량 Qi가 취득하게 된다. 계속해서 스텝 S13에서는, 스텝 S12에서 취득된 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 연료 분사량 Qi에 기초하여 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 산출된다.
계속해서 스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있는지 여부가 판정된다. 희박 설정 플래그 Fr은, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 설정되면 1이 되고, 그 이외의 경우에는 0이 된다. 스텝 S14에 있어서 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있는 경우에는, 스텝 S15로 진행한다. 스텝 S15에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하인지 여부가 판정된다. 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref보다도 크다고 판정된 경우에는 제어 루틴이 종료되게 된다.
한편, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하여, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 저하되면, 스텝 S15에서 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하라고 판정된다. 이 경우에는, 스텝 S16으로 진행하고, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean이 된다. 계속해서, 스텝 S17에서는, 희박 설정 플래그 Fr이 1로 설정되고, 제어 루틴이 종료되게 된다.
다음의 제어 루틴에 있어서는, 스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있지 않다고 판정되어, 스텝 S18로 진행한다. 스텝 S18에서는, 스텝 S13에 의해 산출된 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref보다도 적은지 여부가 판정된다. 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref보다도 적다고 판정된 경우에는 스텝 S19로 진행하고, 공연비 보정량 AFC가 계속해서 희박 설정 보정량 AFClean이 된다. 한편, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 증대하면, 머지않아 스텝 S18에서 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref 이상이라고 판정되어 스텝 S20으로 진행한다. 스텝 S20에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich가 되고, 계속해서, 스텝 S21에서는 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 리셋되고, 제어 루틴이 종료되게 된다.
<F/B 보정량의 산출>
다시 도 9로 되돌아가, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초한 F/B 보정량의 산출에 대해서 설명한다. F/B 보정량의 산출 시에는, 수치 변환부로서의 수치 변환 수단 A7, 공연비차 산출부로서의 공연비차 산출 수단 A8, F/B 보정량 산출부로서의 F/B 보정량 산출 수단 A9가 사용된다.
수치 변환 수단 A7은, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup와, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup와 공연비와의 관계를 규정한 맵 또는 계산식(예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같은 맵)에 기초하여, 출력 전류 Irup에 상당하는 상류측 배기 공연비 AFup를 산출한다. 따라서, 상류측 배기 공연비 AFup는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비에 상당한다.
공연비차 산출 수단 A8은, 수치 변환 수단 A7에 의해 구해진 상류측 배기 공연비 AFup로부터 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT를 감산함으로써 공연비차 DAF를 산출한다(DAF＝AFup-AFT). 이 공연비차 DAF는, 목표 공연비 AFT에 대한 연료 공급량의 과부족을 나타내는 값이다.
F/B 보정량 산출 수단 A9는, 공연비차 산출 수단 A8에 의해 산출된 공연비차 DAF를, 비례ㆍ적분ㆍ미분 처리(PID 처리)함으로써, 하기 수학식 2에 기초하여 연료 공급량의 과부족을 보상하기 위한 F/B 보정량 DFi를 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 F/B 보정량 DFi는, 연료 분사량 산출 수단 A3에 입력된다.
Figure 112016038728616-pct00002
또한, 상기 수학식 2에 있어서, Kp는 미리 설정된 비례 게인(비례 상수), Ki는 미리 설정된 적분 게인(적분 상수), Kd는 미리 설정된 미분 게인(미분 상수)이다. 또한, DDAF는, 공연비차 DAF의 시간 미분값이며, 금회 갱신된 공연비차 DAF와 전회 갱신되었던 공연비차 DAF와의 차를 갱신 간격에 대응하는 시간으로 제산함으로써 산출된다. 또한, SDAF는, 공연비차 DAF의 시간 적분값이며, 이 시간 적분값 DDAF는 전회 갱신된 시간 적분값 DDAF에 금회 갱신된 공연비차 DAF를 가산함으로써 산출된다(SDAF＝DDAF＋DAF).
또한, 상기 실시 형태에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 상류측 공연비 센서(40)에 의해 검출하고 있다. 그러나, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비의 검출 정밀도는 반드시 높을 필요는 없기 때문에, 예를 들어, 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 및 에어플로우미터(39)의 출력에 기초하여 이 배기 가스의 공연비를 추정하도록 해도 된다.
이와 같이, 통상 운전 제어에 있어서는, 상류측의 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 농후 공연비의 상태와 희박 공연비의 상태를 반복하고, 또한 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량의 근방에 도달하는 것을 회피하는 제어를 행함으로써, NOx의 유출을 억제할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 통상 운전 제어에 있어서, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 하는 제어를 농후 제어라고 칭하고, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 희박 공연비로 하는 제어를 희박 제어라고 칭한다. 즉, 통상 운전 제어에서는, 농후 제어와 희박 제어를 반복해서 행한다.
<희박 검출 시의 제어의 설명>
그런데, 통상 운전 제어를 행하고 있는 기간 중에, 배기 정화 촉매에 경년 열화가 생기거나, 배기 가스에 포함되는 탄화수소의 부착이나 유황 성분에 의한 피독이 생기거나 함으로써, 산소 흡장 능력이 저하되는 경우가 있다. 산소 흡장 능력이 저하되면, 배기 정화 촉매의 내부가 희박 분위기로 되는 경우가 있다. 예를 들어, 희박 공연비의 배기 가스가 배기 정화 촉매에 유입되었을 때에 산소를 충분히 흡장할 수 없어 배기 정화 촉매의 내부가 희박 분위기로 되는 경우가 있다. 그 결과, NOx를 충분히 정화할 수 없을 우려가 있다. 배기 정화 촉매의 산소 흡장 능력이 저하되면, NOx의 정화 능력이 항상적으로 저하된다.
한편, 배기 정화 촉매의 산소 흡장 능력이 충분해도, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 원하는 공연비보다도 일시적으로 높아지는 경우가 있다. 예를 들어, 요구 부하의 변화에 수반하여 가속 또는 감속하는 경우에는, 연소실에 있어서의 연소 시의 공연비를 변화시키는 경우가 있다. 연소 시의 공연비의 변동 시에는, 연소 시의 공연비의 흐트러짐에 의해 원하는 공연비보다도 희박하게 되는 경우가 있다. 연소 시의 공연비가 원하는 공연비보다도 희박하게 되면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비도 원하는 공연비보다도 희박하게 된다. 이 결과, 배기 정화 촉매의 내부가 희박 분위기로 되어, NOx를 충분히 정화할 수 없게 될 우려가 있다.
배기 정화 촉매(20)의 내부가 희박 분위기로 되면, 배기 정화 촉매(20)로부터의 유출되는 배기 가스의 공연비도 희박 공연비로 된다. 따라서, 본 실시 형태의 내연 기관의 제어 장치에 있어서는, 통상 운전 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 것을 검출함과 함께, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후한 농후 공연비로 하는 제어를 행한다. 본 실시 형태에 있어서는, 이 제어를 희박 검출 시의 제어라고 칭하고, 희박 검출 시의 제어에서는 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 보조 농후 설정 공연비에 제어한다.
본 실시 형태에서는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가, 미리 정해진 희박 설정 공연비 이상으로 된 경우에 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되었다고 판별된다. 본 실시 형태에서는, 희박 설정 공연비가 미리 정해져 있다. 희박 설정 공연비는 농후 판정 공연비와 마찬가지로, 운전 기간 중에 있어서의 이론 공연비로부터의 미소 변동분을 고려하여, 이론 공연비로부터 약간 희박의 값을 채용할 수 있다. 이와 같은 희박 설정 공연비는, 예를 들어, 14.65를 채용할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 희박 설정 공연비에 대응하는 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류의 희박 설정 기준값 Irefx가 미리 설정되어 있다.
도 11에, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 경우의 희박 검출 시의 제어의 타임차트를 나타낸다. 도 11에는 전자 제어 유닛(31)에 의해 추정되는 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 및 산소 방출량의 추정값의 그래프가 나타내어져 있다. 산소 방출량은 마이너스의 값으로 나타내어져 있고, 절대값이 커질수록 산소 방출량이 많은 것을 나타내고 있다. 산소 흡장량은 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환될 때에 0으로 되어 있다. 또한, 산소 방출량은, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 전환될 때에 0으로 되어 있다.
시각 t3까지는, 제1 통상 운전 제어와 마찬가지의 제어를 행하고 있다(도 7 참조). 즉, 시각 t2에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref에 도달하고 있다. 시각 t2에서, 공연비 보정량이 약 농후 설정 보정량 AFCrich로부터 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환되어 있다. 시각 t3에서 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 보정량 AFClean에 대응하는 희박 공연비로 된다. 시각 t3 이후에는, 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 증가하고, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류는 0을 향하여 상승한다.
이 때에, 배기 정화 촉매(20)의 열화나 연소 시의 공연비의 흐트러짐 등에 기인하여 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 Cref 미만임에도 불구하고, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되어 있다. 즉, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 0보다도 크게 되어 있다. 시각 t11에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx에 도달하고 있다.
본 실시 형태의 제어 장치는, 시각 t11에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류가 희박 설정 기준값 Irefx에 도달한 것을 검출하고, 희박 검출 시의 제어를 실시한다. 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 보조 농후 설정 공연비로 되도록 공연비 보정량을 변경한다. 공연비 보정량을 희박 설정 보정량 AFClean으로부터 보조 농후 설정 보정량 AFCrichx로 전환한다. 보조 농후 설정 보정량 AFCrichx는 미리 설정되어 있다. 도 11에 도시하는 제어예에서는, 보조 농후 설정 보정량 AFCrichx는, 약 농후 설정 보정량 AFCrich보다도 절대값이 커지도록 설정되어 있다.
시각 t12에서, 상류측 공연비 센서(40)의 출력이 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환되어 있다. 시각 t12 이후에는 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 감소한다. 이와 같이 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 하는 제어를 행함으로써, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류를, 빠르게 0으로 되돌릴 수 있다. 즉, 배기 정화 촉매(20)의 내부 및 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비로 할 수 있다.
도 11에 도시하는 예에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류가 0으로 되돌릴 때까지, 희박 검출 시의 제어를 계속하고 있다. 제어 장치는, 시각 t13에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 0으로 된 것을 검출하고, 희박 검출 시의 제어를 종료하고 있다. 시각 t13에서, 공연비 보정량을 통상 운전 제어의 농후 제어의 공연비에 대응하는 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되돌리고 있다. 시각 t14에서, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 약 농후 공연비로 되돌리고 있다. 시각 t13 이후는, 전술한 통상 운전 제어를 실시하고 있다.
도 11의 산소 흡장량 및 산소 방출량의 그래프에는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되지 않았던 경우가 일점쇄선으로 나타내어져 있다. 희박 검출 시의 제어를 행한 경우에는, 통상 운전 제어의 희박 제어에 있어서 흡장되는 산소량보다도 적은 상태에서 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환된다.
이와 같이, 통상 운전 제어의 기간 중에 희박 검출 시의 제어를 실시함으로써, 배기 정화 촉매(20)의 내부가 희박 분위기로 된 경우에 빠르게 이론 공연비로 되돌려, 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx의 유출을 억제할 수 있다.
상기의 희박 검출 시의 제어에서는, 희박 검출 시의 제어의 보조 농후 설정 공연비를 통상 운전 제어의 농후 제어의 농후 설정 공연비보다도 농후하게 하고 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 보조 농후 설정 공연비를 농후 설정 공연비와 동일하게 해도 상관없다. 즉, 희박 검출 시의 제어로서, 통상 운전 제어의 희박 제어로부터 농후 제어로 전환하는 제어를 실시해도 상관없다. 이하의 설명에서는, 희박 검출 시의 제어로서, 통상 운전 제어의 희박 제어로부터 농후 제어로 전환하는 제어를 예로 들어 설명한다.
<판정 기준 감소 제어 및 촉매 이상 판정 제어의 설명>
희박 검출 시의 제어에서는, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환해서 NOx의 유출을 억제한다. 그런데, 배기 정화 촉매(20)의 경년 열화 등에 의해 배기 정화 촉매(20)의 최대 산소 흡장량 Cmax가 저하되어 있는 경우에는, 희박 제어를 실시할 때마다 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되는 경우가 있다. 따라서, 제어 장치는, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 것을 검출한 경우에는, 배기 정화 촉매의 판정 기준 흡장량을 감소시키는 판정 기준 감소 제어를 실시할 수 있다. 판정 기준 감소 제어에서는, 희박 제어에 의해 배기 정화 촉매(20)에 공급하는 산소량(산소 흡장량)을 저감한다.
제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가, 미리 정해진 희박 설정 공연비 이상으로 된 경우에, 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되었다고 판별할 수 있다. 이와 같은 희박 설정 공연비는, 희박 검출 시의 제어를 위한 희박 설정 공연비와 마찬가지의 판정값을 채용할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 희박 설정 공연비에 대응하는 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류의 희박 설정 기준값 Irefx가 미리 설정되어 있다. 또한, 판정 기준 감소 제어를 위한 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되었다고 판정하는 판정값과, 희박 검출 시의 제어를 위한 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되었다고 판정하는 판정값이 서로 달라도 상관없다.
본 실시 형태에 있어서의 판정 기준 감소 제어에서는, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 희박 제어의 횟수에 기초하여 판정 기준 흡장량 Cref를 감소한다.
도 12에, 본 실시 형태에 있어서의 제2 통상 운전 제어의 타임차트를 나타낸다. 판정 기준 감소 제어를 실시하기 전의 초기 판정 기준 흡장량 Cref1은, 미리 설정되어 있다. 또한, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비인 것이 검출된 경우에는, 희박 검출 시의 제어를 실시하고 있다. 여기서의 희박 검출 시의 제어로서는, 일시적으로 깊은 농후 공연비를 설정하는 제어를 행하지 않고, 통상 운전 제어의 희박 제어로부터 농후 제어로 전환하고 있다.
제어 장치는, 희박 제어의 실시 횟수인 빈도 Nt를 검출한다. 또한, 제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 횟수인 희박 검출 횟수 Nx를 검출한다. 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이, 희박 설정 기준값 Irefx 이상으로 된 횟수를 검출한다.
그리고, 제어 장치는, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달하기 전에, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달한 경우에 판정 기준 흡장량 Cref를 감소시키는 판정 기준 감소 제어를 실시한다. 즉, 희박 제어의 실시 횟수 중 소정의 비율 이상으로 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되는 횟수가 검출된 경우에는, 판정 기준 흡장량 Cref를 감소시키는 제어를 행한다.
시각 t21까지는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되지 않고, 판정 기준 흡장량 Cref1이 일정하게 유지되어 있다. 시각 t22에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx에 도달하고, 희박 검출 시의 제어를 행하고 있다. 공연비 보정량은, 희박 설정 보정량 AFClean으로부터 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 변경되어 있다.
다음에, 시각 t23에서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref에 도달하여, 농후 제어로부터 희박 제어로 전환되어 있다. 이때 희박 제어에서는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는, 희박 공연비에 도달하지 않고, 거의 이론 공연비 이하로 유지되어 있다. 시각 t24에서, 산소 흡장량의 추정값이 판정 기준 흡장량 Cref1에 도달하여, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환되어 있다. 희박 검출 시의 제어를 실시하지 않고 1회의 희박 제어를 종료하고 있다.
복수회의 희박 제어에는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되는 경우와, 이론 공연비 이하로 유지되는 경우가 혼재된다. 제어 장치는, 1회의 희박 제어를 행하면 빈도 Nt를 1씩 증가한다. 또한, 제어 장치는, 1회의 희박 제어의 기간 중에 희박 공연비가 검출되면 희박 검출 횟수 Nx를 1씩 증가한다. 도 12에 도시하는 제어예에서는, 시각 t21로부터 개시하는 희박 제어에 의해, 빈도 Nt가 0으로부터 1로 된다. 또한, 희박 검출 횟수 Nx가 0으로부터 1로 된다. 시각 t23으로부터 개시하는 희박 제어에 의해, 빈도 Nt가 1로부터 2로 된다. 한편, 희박 검출 횟수 Nx는 1인 채로 유지된다.
본 실시 형태에 있어서의 통상 운전 제어에서는, 빈도 Nt 및 희박 검출 횟수 Nx를 검출하면서 농후 제어와 희박 제어를 반복하고 있다. 시각 t25, 시각 t26 및 시각 t27로부터 개시하는 희박 제어에서는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되어 있다. 각각의 희박 제어에 있어서, 빈도 Nt와 희박 검출 횟수 Nx가 증가하고 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 희박 제어를 행하는 빈도 Nt에 관한 빈도 판정값 CNt가 미리 정해져 있다. 또한, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되었다고 판별되는 희박 검출 횟수 Nx에 관한 희박 검출 횟수 판정값 CNx가 미리 정해져 있다.
시각 t27로부터 개시하는 희박 제어에서는, 시각 t28에서 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx에 도달하고, 희박 검출 시의 제어가 행해지고 있다. 희박 검출 횟수 Nx는 1이 가산되어, 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달하고 있다. 이에 대해, 빈도 Nt는 1이 가산되지만, 빈도 판정값 CNt 미만이다.
제어 장치는, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달하기 전에, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달한 것을 검출한다. 그리고, 제어 장치는, 시각 t29에서 판정 기준 흡장량 Cref를 감소시키는 제어를 행하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 1회의 감소량 DCL이 미리 설정되어 있다. 판정 기준 흡장량 Cref1로부터 판정 기준 흡장량 Cref2로 변경되어 있다.
또한, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달한 경우 또는 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달한 경우에는, 빈도 Nt 및 희박 검출 횟수 Nx를 0로 하는 제어를 행할 수 있다. 즉, 빈도 Nt 및 희박 검출 횟수 Nx를 리셋하는 제어를 행할 수 있다.
판정 기준 흡장량 Cref가 감소함으로써, 1회의 희박 제어에 있어서 배기 정화 촉매(20)에 흡장되는 산소량이 감소한다. 이로 인해, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되는 희박 제어의 횟수를 감소시킬 수 있다.
시각 t29 이후에서, 시각 t31로부터 개시하는 희박 제어 및 시각 t32로부터 개시하는 희박 제어에서는, 어느 쪽의 희박 제어에 있어서도 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는, 거의 이론 공연비 이하로 유지되어 있다.
통상 운전 제어를 계속하면, 배기 정화 촉매(20)의 열화에 의해 최대 산소 흡장량 Cmax가 서서히 저하된다. 그리고, 판정 기준 감소 제어에 의해, 판정 기준 흡장량 Cref를 서서히 감소시킬 수 있다. 통상 운전 제어를 계속한 후의 시각 t33에서는, 판정 기준 흡장량 Cref3까지 감소하고 있다. 또한, 시각 t33에서 개시하는 희박 제어에서는, 시각 t34에서 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되어 있다.
시각 t35로부터 개시하는 희박 제어에서는, 시각 t36에서 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 되고, 희박 검출 횟수 Nx를 1증가하고, 빈도 Nt를 1증가한다. 이 결과, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달하고 있다. 제어 장치는, 시각 t37에서 판정 기준 흡장량 Cref를 감소량DCL로 감소시키는 제어를 행하고 있다. 판정 기준 흡장량 Cref3으로부터 판정 기준 흡장량 Cref4로 변경되어 있다.
시각 t37 이후의 통상 운전 제어도 마찬가지의 제어를 반복하고 있다. 시각 t41로부터 개시하는 희박 제어 및 시각 t42로부터 개시하는 희박 제어에서는, 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 Cref4에 도달하고, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환되어 있다.
이와 같이, 제2 통상 운전 제어에 있어서는, 복수회의 희박 제어를 행했을 때에, 미리 정해진 비율 이상으로 희박 공연비가 검출된 경우에 판정 기준 흡장량을 감소시키는 제어를 실시하고 있다. 환언하면, 판정 기준 감소 제어에서는, 희박 제어의 실시 횟수에 대한 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수의 비율이 미리 정해진 판정값보다도 커진 경우에 판정 기준 흡장량을 감소하고 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 복수회의 희박 제어를 행했을 때에, 희박 공연비가 검출된 비율이 미리 정해진 비율의 판정값 미만인 경우에는, 판정 기준 흡장량을 유지하고 있다. 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달하기 전에 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달한 경우에는, 판정 기준 흡장량 Cref를 변경하지 않고 유지하고 있다.
판정 기준 감소 제어를 실시함으로써, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환할 때의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량을 적게 할 수 있다. 즉, 희박 제어에 있어서, 배기 정화 촉매(20)에 공급하는 산소량을, 배기 정화 촉매(20)의 열화 등에 의해 저하된 최대 산소 흡장량 Cmax보다도 적은 양으로 할 수 있다. 배기 정화 촉매의 최대 산소 흡장량 Cmax의 변화에 따라서 판정 기준 흡장량을 설정할 수 있다. 이 결과, 배기 정화 촉매(20)에 산소가 흡장되지 않고 배기 정화 촉매(20)의 내부가 희박 분위기로 되는 것을 억제할 수 있다. 배기 정화 촉매(20)로부터 NOx가 유출되는 것을 억제할 수 있다.
그런데, 배기 정화 촉매(20)가 소정의 산소 흡장 능력 미만으로 된 경우에는, 배기 정화 촉매(20)가 열화되어 이상이라고 판별할 수 있다. 본 실시 형태의 제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)가 이상이라고 판별하는 촉매 이상 판정 제어를 실시한다. 판정 기준 감소 제어를 반복하면 판정 기준 흡장량 Cref가 서서히 저하된다. 제2 통상 운전 제어에서는, 판정 기준 흡장량 Cref가 미리 정해진 열화 판정값 CCref 미만으로 된 경우에, 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별한다.
도 12에 도시하는 제어예에서는, 시각 t37에서, 판정 기준 흡장량 Cref가 감소하여 열화 판정값 CCref 미만으로 되어 있다. 제어 장치는, 판정 기준 흡장량 Cref가 열화 판정값 CCref 미만인 것을 검출하고, 배기 정화 촉매(20)가 이상이라고 판별되어 있다. 예를 들어, 제어 장치는, 운전석 전의 인스트루먼트 패널에 배치된 배기 정화 촉매의 이상을 통지하는 경고등을 점등시킨다. 사용자는, 배기 정화 촉매의 이상을 통지하는 경고등이 점등한 것을 확인하고, 배기 정화 촉매의 수리를 의뢰할 수 있다.
도 13에, 본 실시 형태의 제2 통상 운전 제어의 흐름도를 나타낸다. 스텝 S11 내지 스텝 S14는, 제1 통상 운전 제어와 마찬가지이다(도 10 참조).
스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0이 아닌 경우에는, 스텝 S41로 이행한다. 즉, 공연비 보정량이 희박 설정 보정량으로 설정되고, 희박 제어를 실시하고 있는 경우에는, 스텝 S41로 이행한다. 스텝 S41에 있어서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx에 도달하고 있는지 여부가 판별된다. 즉, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가, 미리 정해진 희박 설정 공연비 미만인지 여부가 판별된다.
스텝 S41에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx 이상인 경우에는, 스텝 S42로 이행한다. 이 경우에는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는, 희박 공연비라고 판별할 수 있다. 스텝 S42에 있어서는, 희박 검출 횟수 Nx에 1을 추가하는 제어를 행한다.
다음에, 스텝 S20에 있어서는, 공연비 보정량 AFC를 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 변경한다. 즉, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환한다. 스텝 S21에 있어서는, 희박 설정 플래그 Fr을 1로부터 0으로 변경한다. 다음에, 스텝 S43에 있어서는, 빈도 Nt에 1이 가산된다.
한편, 스텝 S41에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx 미만인 경우에는, 스텝 S18로 이행한다. 스텝 S18에 있어서는, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달하고 있는지 여부를 판별한다. 스텝 S18에 있어서, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref 미만인 경우에는, 스텝 S19로 이행한다. 스텝 S19에 있어서, 공연비 보정량 AFC에 희박 설정 보정량 AFClean이 설정되어 희박 제어가 계속된다.
스텝 S18에 있어서, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref 이상인 경우에는, 스텝 S20으로 이행한다. 이 경우에는, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비에 도달하지 않고, 판정 기준 흡장량까지 산소가 흡장되어 있다. 이 경우에는, 스텝 S20 및 스텝 S21에 있어서, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환된다. 그리고, 스텝 S43에 있어서, 빈도 Nt에 1이 가산된다. 스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0인 경우에는, 도 10에 도시하는 제1 통상 운전 제어와 마찬가지이다.
이와 같이, 제2 통상 운전 제어에서는, 희박 제어의 실시 횟수인 빈도 Nt 및 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비가 된 횟수인 희박 검출 횟수 Nx가 검출된다.
도 14에, 제2 통상 운전 제어에 있어서, 판정 기준 흡장량을 설정하는 제어 및 배기 정화 촉매의 이상을 판별하는 제어의 흐름도를 나타낸다. 도 14에 도시하는 제어는, 예를 들어, 미리 정해진 시간 간격마다 실시할 수 있다. 또는, 1회의 희박 제어가 종료될 때마다 실시할 수 있다.
스텝 S51에 있어서는, 현재의 희박 검출 횟수 Nx를 판독한다. 스텝 S52에 있어서는, 현재의 빈도 Nt를 판독한다. 스텝 S53에 있어서는, 현재의 판정 기준 흡장량 Cref를 판독한다.
스텝 S54에 있어서는, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx 이상인지 여부를 판별한다. 즉, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달하고 있는지 여부를 판별한다. 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx 이상인 경우에는, 스텝 S55로 이행한다. 스텝 S55에 있어서는, 판정 기준 흡장량 Cref를 감소시키는 제어를 행한다. 본 실시 형태에 있어서는, 미리 설정된 감소량 DCL로 판정 기준 흡장량을 감소시키고 있다.
여기서, 판정 기준 흡장량 Cref를 감소하는 제어를 반복하면, 판정 기준 흡장량이 0 이하로 될 우려가 있다. 예를 들어, 판정 기준 흡장량이 마이너스의 값이 될 우려가 있다. 그런데, 산소 흡장량이 0 미만이 되는 것은 생길 수 없다. 또는, 본 실시 형태의 제어 장치에서는, 판정 기준 흡장량이 미리 정해진 열화 판정값까지 감소하면, 제어 장치는, 사용자에게 배기 정화 촉매의 이상을 통지하는 제어를 행한다. 사용자에게 배기 정화 촉매의 이상을 통지한 경우에는, 사용자에 대해 배기 정화 촉매의 교환 등이 요구되기 때문에, 판정 기준 흡장량을 더욱 감소시켜 관리를 행하는 의의는 작아진다.
이로 인해, 본 실시 형태에 있어서는, 판정 기준 흡장량의 하한의 가드값으로 하고, 흡장량 하한 가드값이 미리 설정되어 있다. 흡장량 하한 가드값은, 판정 기준 흡장량이 흡장량 하한 가드값 미만으로 되지 않도록 설정하는 값이다. 또는, 판정 기준 흡장량을 설정할 필요가 있는 범위의 최소값이 흡장량 하한 가드값이다.
스텝 S56에 있어서는, 스텝 S55에 있어서 산출한 판정 기준 흡장량 Cref가 미리 설정된 흡장량 하한 가드값 미만인지 여부를 판별한다. 스텝 S56에 있어서, 판정 기준 흡장량 Cref가, 흡장량 하한 가드값 미만인 경우에는, 스텝 S57로 이행한다. 스텝 S57에 있어서는, 판정 기준 흡장량 Cref로서, 흡장량 하한 가드값을 채용한다. 스텝 S56에 있어서, 판정 기준 흡장량 Cref가 흡장량 하한 가드값 이상인 경우에는, 스텝 S55에서 설정된 판정 기준 흡장량 Cref를 채용한다.
다음에, 스텝 S60에 있어서는, 판정 기준 흡장량 Cref가 열화 판정값 CCref미만인지 여부를 판별한다. 스텝 S60에 있어서, 판정 기준 흡장량 Cref가 열화 판정값 CCref 미만인 경우에는, 스텝 S61로 이행한다. 스텝 S61에 있어서는, 배기 정화 촉매(20)가 이상이라고 판정할 수 있다. 그리고, 제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)가 이상인 경고등을 점등시킨다.
스텝 S60에 있어서, 판정 기준 흡장량 Cref가 열화 판정값 CCref 이상인 경우에는, 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장 능력이 허용 범위 내라고 판별할 수 있다. 배기 정화 촉매(20)는 정상이라고 판별할 수 있다. 이 경우에는, 스텝 S62로 이행한다.
스텝 S62에 있어서는, 희박 검출 횟수 Nx를 0으로 한다. 또한, 스텝 S63에 있어서는, 빈도 Nt를 0으로 한다. 이와 같이, 판정 기준 흡장량을 감소하는 판정 기준 감소 제어 및 배기 정화 촉매가 열화되어 있는지 여부를 판별하는 촉매 이상 판정 제어를 실시할 수 있다.
한편, 스텝 S54에 있어서, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx 미만인 경우에는, 스텝 S58로 이행한다. 스텝 S58에 있어서는, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt 이상인지 여부를 판별한다. 즉, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달하고 있는지 여부를 판별한다. 스텝 S58에 있어서, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt 미만인 경우에는, 이 제어를 종료한다.
스텝 S58에 있어서, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt 이상인 경우에는, 스텝 S62로 이행한다. 이 경우에는, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달하기 전에, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달하고 있다. 판정 기준 흡장량을 현재의 값으로 유지하여, 희박 검출 횟수 Nx 및 빈도 Nt를 리셋한다. 스텝 S62에 있어서는, 희박 검출 횟수 Nx를 0으로 한다. 또한, 스텝 S63에 있어서, 빈도 Nt를 0으로 한다.
이와 같이, 본 실시 형태의 제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)의 열화의 진행과 함께 판정 기준 흡장량을 감소시킬 수 있다. 또한, 제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)가 이상인지 여부를 판정할 수 있다.
판정 기준 감소 제어로서는, 상기의 형태에 한정되지 않고, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 경우에 실시할 수 있다. 예를 들어, 판정 기준 감소 제어는 희박 제어의 빈도를 검출하지 않고, 희박 검출 횟수가 미리 정해진 횟수의 판정값에 도달한 경우에 판정 기준 흡장량을 감소시키는 제어를 실시해도 상관없다. 또는, 1회의 희박 검출 시의 제어를 실시할 때마다 판정 기준 흡장량을 감소시켜도 상관없다. 나아가서는, 지근의 미리 정해진 실시 횟수의 희박 제어에 있어서, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비에 도달한 횟수가 미리 정해진 횟수의 판정값에 도달한 경우에 판정 기준 흡장량을 감소시키는 제어를 실시해도 상관없다.
또한, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 된 경우에는, 희박 제어에 있어서의 희박 설정 공연비를 작게 하는 제어를 실시해도 상관없다. 즉, 희박 제어에 있어서의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 농후측으로 변경해도 상관없다. 배기 정화 촉매(20)가 열화 등으로 한 경우에는, 단위 시간당에 배기 정화 촉매(20)에 흡장되는 산소량이 감소한다. 즉, 산소의 흡장 속도가 저하된다. 희박 설정 공연비를 농후측으로 변경함으로써, 단위 시간에 유입되는 산소량을 저감할 수 있어, 배기 정화 촉매(20)의 내부가 희박 분위기가 되는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 배기 정화 촉매(20)로부터 NOx가 유출되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비의 판정에 있어서, 연소 시의 공연비의 변동 등에 기인해서 잘못된 판정을 행하는 경우가 있다. 또는, 탄화수소 또는 유황의 흡착 등에 의해 일시적으로 최대 산소 흡장량이 감소하고 있는 경우에는, 최대 산소 흡장량이 회복하는 경우가 있다. 또는, 판정 기준 감소 제어에 있어서의 판정 기준 흡장량의 감소량이 지나치게 큰 경우가 있다. 이로 인해, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 미만으로 유지되어 있는 경우에는, 판정 기준 흡장량을 증가시키는 제어를 실시해도 상관없다. 나아가서는, 희박 제어의 실시 기간 중에 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 미만으로 유지되어 있는 경우에는, 희박 제어에 있어서의 희박 설정 공연비를 희박측으로 변경하는 제어를 실시해도 상관없다.
도 15에, 본 실시 형태에 있어서의 제3 통상 운전 제어의 타임차트를 나타낸다. 제3 통상 운전 제어에 있어서는, 판정 기준 흡장량 Cref를 변경하지 않고, 희박 제어의 실시 횟수 및 희박 검출 시의 제어의 실시 횟수에 기초하여, 배기 정화 촉매(20)의 이상의 유무를 판별한다.
시각 t21로부터 시각 t28까지의 제어는, 제2 통상 운전 제어와 마찬가지이다(도 12 참조). 시각 t27로부터 개시하는 희박 제어에서는, 시각 t28에서 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 설정 기준값 Irefx에 도달하고, 희박 검출 시의 제어가 행해지고 있다. 희박 검출 횟수 Nx는 1이 가산되어, 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달하고 있다. 이에 대해, 빈도 Nt는 빈도 판정값 CNt 미만이다.
제어 장치는, 시각 t29에서, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt에 도달하기 전에, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx에 도달한 것을 검출한다. 제어 장치는, 배기 정화 촉매(20)가 열화되어 이상이라고 판별할 수 있다. 시각 t29에서는, 빈도 Nt 및 희박 검출 횟수 Nx가 0으로 리셋되어 있다. 시각 t51 이후에서는, 통상 운전 제어를 계속하고 있다.
이와 같이 제3 통상 운전 제어에서는, 희박 제어의 실시 횟수에 대한 희박 검출 시의 제어의 실시 횟수의 비율에 기초하여, 배기 정화 촉매의 이상을 판별하고 있다. 보다 구체적으로는, 희박 제어의 실시 횟수에 대한 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수의 비율이 미리 정해진 비율 판정값보다도 커진 경우에 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별되어 있다.
도 16에, 본 실시 형태의 제3 통상 운전 제어에 있어서, 배기 정화 촉매가 이상인지 여부를 판별하는 촉매 이상 판정 제어의 흐름도를 나타낸다. 도 16에 도시하는 제어는, 예를 들어, 미리 정해진 시간 간격마다 실시할 수 있다. 또는, 1회의 희박 제어가 종료될 때마다 실시할 수 있다.
스텝 S51로부터 스텝 S54까지는, 제2 통상 운전 제어와 마찬가지이다(도 14 참조). 스텝 S54에 있어서, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx 이상인 경우에는, 스텝 S61로 이행한다. 스텝 S61에 있어서는, 배기 정화 촉매(20)가 열화되어 이상이라고 판별한다. 그리고, 스텝 S62에 있어서, 희박 검출 횟수 Nx를 0으로 한다. 또한, 스텝 S63에 있어서, 빈도 Nt를 0으로 한다.
한편, 스텝 S54에 있어서, 희박 검출 횟수 Nx가 희박 검출 횟수 판정값 CNx 미만인 경우에는, 스텝 S58로 이행한다. 스텝 S58에 있어서는, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt 이상인지 여부를 판별한다. 스텝 S58에 있어서, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt 미만인 경우에는, 이 제어를 종료한다.
스텝 S58에 있어서, 빈도 Nt가 빈도 판정값 CNt 이상인 경우에는, 스텝 S62로 이행한다. 이 경우에는, 배기 정화 촉매(20)는 정상이라고 판별할 수 있다. 그리고, 스텝 S62 및 스텝 S63에 있어서, 희박 검출 횟수 Nx 및 빈도 Nt를 0으로 리셋한다.
이와 같이, 제3 통상 운전 제어에서는, 판정 기준 흡장량을 변화시키지 않고 배기 정화 촉매가 이상인지 여부를 판별할 수 있다. 또한, 상기의 제어에서는, 희박 제어의 실시 횟수가 미리 정해진 횟수의 판정값에 도달한 경우에는 0으로 하고 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 지근의 미리 정해진 실시 횟수의 희박 제어에 기초하여 판정해도 상관없다. 즉, 지근의 미리 정해진 실시 횟수의 희박 제어에 있어서, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비에 도달한 횟수가 미리 정해진 횟수의 판정값에 도달한 경우에 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별해도 상관없다.
본 실시 형태의 희박 제어에 있어서는, 연속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박하게 하고 있지만, 이 형태에 한정되지 않고, 단속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박하게 해도 상관없다. 또한, 마찬가지로, 농후 제어에 있어서도, 연속적 또는 단속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후하게 할 수 있다.
상술한 각각의 제어에 있어서는, 기능 및 작용이 변경되지 않는 범위에서 적절히 스텝의 순서를 변경할 수 있다. 상술한 각각의 도면에 있어서, 동일 또는 상 등하는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 또한, 상기의 실시 형태는 예시이며 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 실시 형태에 있어서는, 청구범위에 나타내어지는 형태의 변경이 포함되어 있다.
5 : 연소실
11 : 연료 분사 밸브
19 : 배기 매니폴드
20 : 배기 정화 촉매
31 : 전자 제어 유닛
40 : 상류측 공연비 센서
41 : 하류측 공연비 센서

Claims (4)

  1. 기관 배기 통로에 있어서 산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매를 구비하는 내연 기관의 제어 장치이며,
    상기 배기 정화 촉매의 상류에 배치되고, 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서와,
    상기 배기 정화 촉매의 하류에 배치되고, 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서와,
    상기 배기 정화 촉매에 흡장되는 산소의 흡장량을 취득하는 산소 흡장량 취득 수단을 구비하고,
    상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 이하인 판정 기준 흡장량 이상으로 될 때까지, 단속적 또는 연속적으로 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박한 희박 설정 공연비로 하는 희박 제어와, 하류측 공연비 센서의 출력이 이론 공연비보다도 농후한 공연비인 농후 판정 공연비 이하로 될 때까지, 연속적 또는 단속적으로 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후한 농후 설정 공연비로 하는 농후 제어를 포함하는 통상 운전 제어를 실시하도록 형성되어 있고,
    통상 운전 제어는, 희박 제어의 기간 중에 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상으로 된 경우에 농후 제어로 전환하고, 농후 제어의 기간 중에 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하로 된 경우에 희박 제어로 전환하는 제어를 포함하고,
    상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 희박한 희박 공연비의 영역에서 희박 설정 공연비가 미리 정해져 있고,
    통상 운전 제어는, 희박 제어의 실시 기간 중에 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 경우에, 희박 제어에 있어서의 판정 기준 흡장량을 감소시키는 판정 기준 감소 제어를 포함하고,
    판정 기준 흡장량이 미리 정해진 열화 판정값 미만으로 된 경우에, 상기 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    희박 제어의 실시 횟수 및 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수를 검출하고,
    희박 제어의 실시 횟수에 대한 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수의 비율이 미리 정해진 판정값보다도 커진 경우에 판정 기준 감소 제어를 실시하는, 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    통상 운전 제어는, 희박 제어의 실시 기간 중에 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 미만으로 유지되어 있는 경우에, 판정 기준 흡장량을 유지하는 제어를 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  4. 기관 배기 통로에 있어서 산소 흡장 능력을 갖는 배기 정화 촉매를 구비하는 내연 기관의 제어 장치이며,
    상기 배기 정화 촉매의 상류에 배치되고, 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서와,
    상기 배기 정화 촉매의 하류에 배치되고, 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서와,
    상기 배기 정화 촉매에 흡장되는 산소의 흡장량을 취득하는 산소 흡장량 취득 수단을 구비하고,
    상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 이하인 판정 기준 흡장량 이상으로 될 때까지, 단속적 또는 연속적으로 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박한 희박 설정 공연비로 하는 희박 제어와, 하류측 공연비 센서의 출력이 이론 공연비보다도 농후한 공연비인 농후 판정 공연비 이하로 될 때까지, 연속적 또는 단속적으로 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후한 농후 설정 공연비로 하는 농후 제어를 포함하는 통상 운전 제어를 실시하도록 형성되어 있고,
    통상 운전 제어는, 희박 제어의 기간 중에 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상으로 된 경우에 농후 제어로 전환하고, 농후 제어의 기간 중에 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하로 된 경우에 희박 제어로 전환하는 제어를 포함하고,
    상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 희박한 희박 공연비의 영역에서 희박 설정 공연비가 미리 정해져 있고,
    희박 제어의 실시 횟수 및 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수를 검출하고,
    희박 제어의 실시 횟수에 대한 상기 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 설정 공연비 이상으로 된 횟수의 비율이 미리 정해진 비율 판정값보다도 커진 경우에 상기 배기 정화 촉매가 이상이라고 판별하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 제어 장치.
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