KR20160044543A - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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?타로 오카자키
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Abstract

내연 기관의 제어 장치는, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 희박 설정 공연비로 하는 희박 제어 및 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 농후 설정 공연비로 하는 농후 제어를 실시한다. 희박 제어에 의해 배기 정화 촉매에 흡장되는 산소량이 판정 기준 흡장량 이상이 된 경우에 농후 제어로 전환하는 제어를 실시하고, 또한 제1 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비는, 제1 흡입 공기량보다도 작은 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비보다도 농후측으로 설정하는 제어를 실시한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다.
연소실로부터 배출되는 배기 가스에는, 미연 가스나 NOx 등이 포함되어 있으며, 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 근방인 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 농후하더라도 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 상태로 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 관계없이, 배기 가스를 정화할 수 있다.
따라서, 이러한 제어 장치에서는, 배기 정화 촉매에 있어서의 산소 흡장량을 적절한 양으로 유지하기 위해서, 배기 정화 촉매의 배기 흐름 방향 상류측에 공연비 센서를 설치하고, 배기 흐름 방향 하류측에 산소 센서를 설치하도록 하고 있다. 이들 센서를 사용하여, 제어 장치는, 상류측의 공연비 센서의 출력에 기초하여 이 공연비 센서의 출력이 목표 공연비에 상당하는 목표값으로 되도록 피드백 제어를 행한다. 또한, 하류측의 산소 센서의 출력에 기초하여 상류측의 공연비 센서의 목표값을 보정한다.
예를 들어, 일본 특허공개 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 공연비로 된다. 반대로, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 저측 임계값 이하이며, 배기 정화 촉매의 상태가 산소 과잉 상태일 때에는, 목표 공연비가 농후 공연비로 된다. 이 제어에 의해, 산소 부족 상태 또는 산소 과잉 상태에 있을 때, 배기 정화 촉매의 상태를 신속하게 이들 양 상태의 중간 상태, 즉, 배기 정화 촉매에 적당한 양의 산소가 흡장되어 있는 상태로 되돌릴 수 있게 되어 있다.
또한, 일본 특허공개 제2001-234787호 공보에 기재된 제어 장치에서는, 에어플로우 미터 및 배기 정화 촉매의 상류측의 공연비 센서 등의 출력에 기초하여, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량을 산출하고 있다. 게다가, 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 있게 되어 있다.
일본 특허공개 제2011-069337호 공보 일본 특허공개 제2001-234787호 공보 일본 특허공개 평8-232723호 공보 일본 특허공개 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.
이 때문에, 상기의 일본 특허공개 제2011-069337호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 저측 임계값 이하로 되었을 때 목표 공연비를 농후 공연비로 설정하는 제어를 행한 경우에는 배기 정화 촉매로부터는 어느 정도의 NOx가 유출된다는 문제가 있다.
도 16에, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비와 배기 정화 촉매로부터 유출되는 NOx 농도와의 관계를 설명하는 타임차트를 나타낸다. 도 16은, 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 흡장되기 때문에, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 산소는 거의 포함되어 있지 않다. 이로 인해, 하류측의 산소 센서에 의해 검출되는 배기 가스의 공연비는 거의 이론 공연비로 된다. 마찬가지로, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 NOx는 모두 배기 정화 촉매에 있어서 환원 정화되기 때문에, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 NOx도 거의 포함되어 있지 않다.
배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 서서히 증가해서 최대 산소 흡장량 Cmax에 가까워지면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 산소의 일부가 배기 정화 촉매에 흡장되지 않게 되어, 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 공연비로 된다. 그 후, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 더 증가하면, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가, 미리 정해진 상한 공연비 AFhighref(저측 임계값에 상당)에 달하여, 목표 공연비가 농후 공연비로 전환된다.
목표 공연비가 농후 공연비로 전환되면, 전환된 목표 공연비에 맞춰서 내연 기관에 있어서의 연료 분사량이 증대된다. 이와 같이 연료 분사량이 증대되어도, 내연 기관 본체로부터 배기 정화 촉매까지는 어느 정도의 거리가 있기 때문에, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비는 곧 바로는 농후 공연비로 변경되지 않아 지연이 발생한다. 이로 인해, 목표 공연비가 시각 t2에서 농후 공연비로 전환되어도 또한, 시각 t3까지 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비인 채로 된다. 이로 인해, 시각 t2로부터 시각 t3의 사이에 있어서는, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하거나, 또는 최대 산소 흡장량 Cmax 근방의 값으로 되어, 그 결과, 배기 정화 촉매로부터는 산소 및 NOx가 유출되게 된다. 그 후, 시각 t3에 있어서 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 되고, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비에 수렴되어 간다.
이와 같이, 목표 공연비를 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환되고 나서 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비가 될 때까지는 지연이 발생한다. 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 내연 기관 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 센서를 구비한다. 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 이하인 판정 기준 흡장량 이상이 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 실시하고, 희박 제어의 기간 중에 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상이 된 경우에 농후 제어로 전환하고, 농후 제어의 기간 중에 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하가 된 경우에 희박 제어로 전환하는 제어를 실시한다. 또한, 제1 흡입 공기량 및 제1 흡입 공기량보다도 작은 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비를 비교했을 때, 제1 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비를 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비보다도 농후측으로 설정하는 제어를 실시한다.
상기 발명에 있어서는, 흡입 공기량이 증대할수록 희박 설정 공연비를 농후측으로 설정하는 제어를 실시할 수 있다.
상기 발명에 있어서는, 고흡입 공기량의 영역이 미리 정해져 있으며, 고흡입 공기량의 영역에서는, 흡입 공기량이 증대할수록 희박 설정 공연비를 농후측으로 설정하고, 고흡입 공기량의 영역보다 작은 흡입 공기량의 영역에서는, 희박 설정 공연비를 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 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 나타내는 도면이다.
도 2b는, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량과 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 미연 가스의 농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은, 공연비 센서의 개략적인 단면도이다.
도 4a는, 공연비 센서의 동작을 개략적으로 나타낸 제1도이다.
도 4b는, 공연비 센서의 동작을 개략적으로 나타낸 제2도이다.
도 4c는, 공연비 센서의 동작을 개략적으로 나타낸 제3도이다.
도 5는, 공연비 센서에 있어서의 배기 공연비와 출력 전류와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, 전압 인가 장치 및 전류 검출 장치를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, 실시 형태의 제1 통상 운전 제어에 있어서의 상류측의 배기 정화 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 8은, 실시 형태의 제1 통상 운전 제어에 있어서의 하류측의 배기 정화 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 9는, 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 10은, 실시 형태의 제1 통상 운전 제어에 있어서의 공연비 보정량을 산출하는 제어 루틴의 흐름도이다.
도 11은, 실시 형태의 제2 통상 운전 제어의 타임차트이다.
도 12는, 실시 형태의 제2 통상 운전 제어에 있어서의 공연비 보정량을 산출하는 제어 루틴의 흐름도이다.
도 13은, 실시 형태의 흡입 공기량과 희박 설정 보정량과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 실시 형태의 흡입 공기량과 희박 설정 보정량과의 다른 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는, 실시 형태의 제3 통상 운전 제어의 타임차트이다.
도 16은, 종래의 기술 제어의 타임차트이다.
도 1 내지 도 15를 참조하여, 실시 형태에 있어서의 내연 기관의 제어 장치에 대하여 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 나타내는 도면이다. 내연 기관은, 기관 본체(1)를 구비하고, 기관 본체(1)는 실린더 블럭(2)과, 실린더 블럭(2)에 고정된 실린더 헤드(4)를 포함한다. 실린더 블럭(2)에는 구멍부가 형성되고, 이 구멍부의 내부를 왕복 이동하는 피스톤(3)이 배치되어 있다. 연소실(5)은 실린더 블럭(2)의 구멍부, 피스톤(3), 및 실린더 헤드(4)로 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 내벽면 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 따라 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 통해 서지 탱크(14)에 연결되고, 서지 탱크(14)는 흡기관(15)을 통해 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 회동됨으로써, 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 가지부와 이들 가지부가 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 통해 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 기관 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 통해 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 에어플로우 미터(39)가 배치되고, 이 에어플로우 미터(39)의 출력은 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 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. 또한, 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 통해 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 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 크랭크각 센서(44)는, 예를 들어 크랭크 샤프트가 15°회전할 때마다 출력 펄스를 발생하고, 이 출력 펄스가 입력 포트(36)에 입력된다. CPU(35)에서는 이 크랭크각 센서(44)의 출력 펄스로부터 기관 회전 수가 계산된다. 한편, 출력 포트(37)는 대응하는 구동 회로(45)를 통해 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 달하면, 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)일 때에는 배기 가스 중의 산소를 흡장한다. 한편, 상류측의 배기 정화 촉매(20)는, 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후(농후 공연비)일 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 생성되는 데 있어서 연소실(5) 내에 공급된 공기의 질량에 대한 연료의 질량 비율을 의미한다. 본 명세서에서는, 배기 가스의 공연비를 「배기 공연비」라 하는 경우도 있다. 이어서, 본 실시 형태에 있어서의 배기 정화 촉매의 산소 흡장량과 정화 능력과의 관계에 대하여 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)이더라도, 배기 가스 중의 산소는 배기 정화 촉매에 흡장되고, 이에 수반하여 NOx도 환원 정화된다. 이 결과, 배기 정화 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중에는 대부분 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 증대되면 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 적어지게 되어, 0의 근방이 되면, 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비인 경우, 배기 정화 촉매로부터 방출되는 산소가 적어지게 되고, 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 변화한다. 또한, 촉매 작용 및 산소 흡장 능력을 갖고 있으면, 배기 정화 촉매(20, 24)는 3원 촉매와는 상이한 촉매이어도 된다.
<공연비 센서의 구성>
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 상류측 공연비 센서(40) 및 하류측 공연비 센서(41)의 구조에 대하여 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 형태로 한정되지 않고, 배기 가스의 공연비에 따라서 출력이 연속적으로 변화하는 다른 형태의 센서를 채용해도 무방하다. 예를 들어, 2셀형의 공연비 센서를 채용해도 무방하다.
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 설치되고, 확산 율속층(54)의 고체 전해질층(51)측의 측면과는 반대측의 측면 상에는 보호층(55)이 설치된다. 본 실시 형태에서는, 고체 전해질층(51)과 확산 율속층(54)의 사이에는 피측 가스실(57)이 형성된다. 이 피측 가스실(57)에는 확산 율속층(54)을 통해 공연비 센서에 의한 검출 대상인 가스, 즉 배기 가스가 도입된다. 또한, 배기측 전극(52)은 피측 가스실(57) 내에 배치되고, 따라서, 배기측 전극(52)은 확산 율속층(54)을 통해 배기 가스에 노출되게 된다. 또한, 피측 가스실(57)은 반드시 설치할 필요는 없으며, 배기측 전극(52)의 표면 상에 확산 율속층(54)이 직접 접촉하도록 구성되어도 된다.
고체 전해질층(51)의 다른 쪽의 측면 상에는 히터부(56)가 설치된다. 고체 전해질층(51)과 히터부(56)의 사이에는 기준 가스실(58)이 형성되고, 이 기준 가스실(58) 내에는 기준 가스가 도입된다. 본 실시 형태에서는, 기준 가스실(58)은 대기에 개방되어 있으며, 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 있기 때문에, 대기측 전극(53)은 대기에 노출되게 된다.
히터부(56)에는 복수의 히터(59)가 설치되어 있으며, 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 가열하기에 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)의 사이에는, 전자 제어 유닛(31)에 탑재된 전압 인가 장치(60)에 의해 센서 인가 전압 Vr이 인가된다. 또한, 전자 제어 유닛(31)에는, 전압 인가 장치(60)에 의해 센서 인가 전압 Vr을 인가했을 때 고체 전해질층(51)을 통해 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 사이에 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>
다음으로, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 이와 같이 구성된 공연비 센서의 동작의 기본적인 개념에 대하여 설명한다. 도 4a 내지 도 4c는, 공연비 센서의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다. 사용 시에 있어서, 공연비 센서는, 보호층(55) 및 확산 율속층(54)의 외주면이 배기 가스에 노출되게 배치된다. 또한, 공연비 센서의 기준 가스실(58)에는 대기가 도입된다.
전술한 바와 같이, 고체 전해질층(51)은, 산소 이온 전도성 산화물의 소결체로 형성된다. 따라서, 고온에 의해 활성화된 상태에서 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에 산소 농도의 차가 발생하면, 농도가 높은 측면측으로부터 농도가 낮은 측면측으로 산소 이온을 이동시키려고 하는 기전력 E가 발생하는 성질(산소 전지 특성)을 갖고 있다.
반대로, 고체 전해질층(51)은, 양 측면 간에 전위차가 부여되면, 이 전위차에 따라서 고체 전해질층의 양 측면 간에서 산소 농도비가 발생하도록, 산소 이온의 이동을 일으키려고 하는 특성(산소 펌프 특성)을 갖는다. 구체적으로는, 양 측면 간에 전위차가 부여된 경우에는, 정극성이 부여된 측면에 있어서의 산소 농도가, 부극성이 부여된 측면에 있어서의 산소 농도에 대하여, 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 부극성으로 되도록, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 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 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때에는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서의 산소 농도의 비는 그다지 크지 않다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비의 쪽이 작아진다. 이로 인해, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향해서 커지도록, 도 4a에 도시한 바와 같이, 배기측 전극(52)으로부터 대기측 전극(53)을 향해서 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 통해 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 통해서 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 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때에는, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 통해서 미연 가스가 피측 가스실(57) 내로 유입되기 때문에, 배기측 전극(52) 상에 산소가 존재하여도, 미연 가스와 반응하여 제거된다. 이로 인해, 피측 가스실(57) 내에서는 산소 농도가 매우 낮아지게 되어, 그 결과, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서의 산소 농도의 비는 크게 된다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비 쪽이 커진다. 이로 인해, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향해서 작아지도록, 도 4b에 도시한 바와 같이, 대기측 전극(53)으로부터 배기측 전극(52)을 향해서 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 대기측 전극(53)으로부터, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 전압 인가 장치(60)를 통해서 배기측 전극(52)에 전류가 흐른다.
이 때 흐르는 전류는 출력 전류 Ir로 된다. 출력 전류의 크기는, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51) 중을 대기측 전극(53)으로부터 배기측 전극(52)으로 이동되는 산소 이온의 유량에 의해 결정된다. 그 산소 이온은, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 통해서 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 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는, 피측 가스실(57)로 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 발생하지 않는다. 이 결과, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 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 발생하지 않는다.
이와 같이 구성된 공연비 센서는, 도 5에 도시한 출력 특성을 갖는다. 즉, 공연비 센서에서는, 배기 공연비가 크게 될수록(즉, 희박하게 될수록), 공연비 센서의 출력 전류 Ir이 커진다. 또한, 공연비 센서는, 배기 공연비가 이론 공연비일 때 출력 전류 Ir이 0이 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 발생하는 기전력을 E, 고체 전해질층(51)의 내부 저항을 Ri, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 사이의 전위차를 Vs로 나타내고 있다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압 인가 장치(60)는 기본적으로, 산소 전지 특성에 의해 발생하는 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 일치하도록, 부귀환 제어를 행하고 있다. 환언하면, 전압 인가 장치(60)는 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비의 변화에 의해 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53) 사이의 전위차 Vs가 변화한 때에도, 이 전위차 Vs가 센서 인가 전압 Vr이 되도록 부귀환 제어를 행하고 있다.
따라서, 배기 공연비가 이론 공연비로 되어 있어, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에 산소 농도비의 변화가 발생하지 않는 경우에는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 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 있어, 그 결과, 전류 Ir은 흐르지 않는다.
한편, 배기 공연비가 이론 공연비와는 상이한 공연비로 되어 있어, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에 산소 농도비의 변화가 발생하는 경우에는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로는 되지 않는다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr과는 상이한 값으로 된다. 이로 인해, 부귀환 제어에 의해, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr과 일치하도록 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서 산소 이온의 이동을 시키기 위해, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 사이에 전위차 Vs가 부여된다. 그리고, 이때의 산소 이온의 이동에 수반하여 전류 Ir이 흐른다. 이 결과, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 수렴하고, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 수렴하면, 결국은 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr에 수렴하게 된다.
따라서, 전압 인가 장치(60)는, 실질적으로 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 사이에 센서 인가 전압 Vr을 인가하고 있다고 할 수 있다. 또한, 전압 인가 장치(60)의 전기 회로는 반드시 도 6에 도시된 바와 같은 것일 필요는 없으며, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 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 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
(식 1)
Figure pct00001
여기서, V0은 오프셋 전압(E0이 부의 값으로 되지 않도록 인가해 두는 전압이며 예를 들어 3V), R은 도 6에 도시한 저항의 값이다.
식 (1)에 있어서, 센서 인가 전압 Vr, 오프셋 전압 V0 및 저항값 R은 일정하기 때문에, 전압 E0은 전류 Ir에 따라서 변화한다. 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)의 사이에 흐르는 전류 Ir을 검출하고 있다고 할 수 있다. 또한, 전류 검출 장치(61)의 전기 회로는 반드시 도 6에 도시된 바와 같은 것일 필요는 없으며, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 사이를 흐르는 전류 Ir을 검출할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.
<기본적인 통상 운전 제어의 개요>
다음으로, 본 실시 형태의 내연 기관 제어 장치에 있어서의 공연비 제어의 개요를 설명한다. 처음에, 내연 기관에 있어서 목표 공연비에 가스 공연비를 일치시키도록 연료 분사량을 결정하는 통상 운전 제어에 대하여 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 형태로 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 있으며, 환류 가스의 양을 조정하도록 형성되어 있어도 무방하다.
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 값으로 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 때, 목표 공연비는 희박 설정 공연비로 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∼20, 바람직하게는 14.65∼18, 보다 바람직하게는 14.65∼16 정도로 된다.
본 실시 형태의 내연 기관 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 에어플로우 미터(39) 등에 기초하여 산출되는 연소실(5) 내로의 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 이상이 되면, 그때까지 희박 설정 공연비이었던 목표 공연비가, 농후 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 본 실시 형태에 있어서는, 약(弱)농후 설정 공연비가 채용되어 있다. 약농후 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 약간 농후하며, 예를 들어 13.5∼14.58, 바람직하게는 14∼14.57, 보다 바람직하게는 14.3∼14.55 정도로 된다. 그 후, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 다시 농후 판정 기준값 Iref 이하로 되었을 때 다시 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 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 약농후 설정 공연비로 교대로 설정된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 약농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차보다도 크다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 목표 공연비는, 단기간의 희박 설정 공연비와, 장기간의 약농후 설정 공연비로 교대로 설정되게 된다.
또한, 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차와 거의 동일하여도 무방하다. 즉, 농후 설정 공연비의 깊이와 희박 설정 공연비의 깊이가 거의 동등하여도 무방하다. 이와 같은 경우에는, 희박 설정 공연비의 기간과, 농후 설정 공연비의 기간이 거의 동일한 길이가 된다.
<타임차트를 사용한 제어의 설명>
도 7을 참조하여, 전술한 바와 같은 조작에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 7은, 본 발명의 내연 기관 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 때 0이 되어, 당해 배기 가스의 공연비가 농후 공연비일 때 부의 값으로 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 희박 공연비일 때 정의 값으로 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 절댓값이 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 변화한다. 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 공연비로 되고, 공연비 보정량 AFC가 정의 값일 때에는 목표 공연비는 희박 공연비로 되고, 공연비 보정량 AFC가 부의 값일 때에는 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.
도시한 예에서는, 시각 t1 이전의 상태에서는, 공연비 보정량 AFC가 약농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있다. 약농후 설정 보정량 AFCrich는, 약농후 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 작은 값이다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 부의 값으로 된다. 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되기 때문에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소되어 간다. 그러나, 배기 가스 중에 포함되어 있는 미연 가스는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로 정화되기 때문에, 하류측 공연비 센서의 출력 전류 Irdwn은 거의 0(이론 공연비에 상당)으로 된다. 이때, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 서서히 감소하면, 산소 흡장량 OSAsc는 시각 t1에 있어서 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. 이 때도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
그 후, 시각 t2 에 있어서, 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 Iref가 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 공연비로 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 충분하여도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로부터 극히 조금 어긋나 버리는 경우가 있기 때문이다. 즉, 가령 출력 전류 Irdwn이 0(이론 공연비에 상당)으로부터 약간 어긋난 경우에도 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해서 감소하고 있다고 판단해버리면, 실제로는 충분한 산소 흡장량이 있어도 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해서 감소했다고 판단될 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비에 도달되어 비로소 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해서 감소했다고 판단하도록 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 경우가 없는 공연비로 된다.
시각 t2에 있어서, 목표 공연비를 희박 공연비로 전환하여도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 곧 바로는 희박 공연비로 되지 않아, 어느 정도의 지연이 발생한다. 그 결과, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 시각 t3에 있어서 농후 공연비로부터 희박 공연비로 변화한다. 또한, 시각 t2∼t3에 있어서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 이 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 된다. 그러나, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
시각 t3에 있어서 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 변화되면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대된다. 또한, 이에 수반하여 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로 변화하고, 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 있기 때문에, 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 증대되면, 시각 t4에 있어서 산소 흡장량 OSAsc는 판정 기준 흡장량 Cref에 도달한다. 본 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref가 되면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로의 산소의 흡장을 중지하기 위해서, 공연비 보정량 AFC가 약농후 설정 보정량 AFCrich(0보다도 작은 값)로 전환된다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.
단, 전술한 바와 같이, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화할 때까지는 지연이 발생한다. 이로 인해, 시각 t4에서 전환을 행하여도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 어느 정도 시간이 경과한 시각 t5에 있어서 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화한다. 시각 t4∼t5에 있어서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비이기 때문에, 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 있기 때문에, 시각 t5에 있어서도 산소 흡장량 OSAsc는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에는 도달되지 않는다. 반대로 말하면, 판정 기준 흡장량 Cref는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화할 때까지 지연이 발생하여도, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에 도달되지 않도록 충분히 적은 양으로 된다. 예를 들어, 판정 기준 흡장량 Cref는, 최대 산소 흡장량 Cmax의 3/4 이하, 바람직하게는 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/5 이하로 된다. 따라서, 시각 t4∼t5에 있어서도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
시각 t5 이후에 있어서는, 공연비 보정량 AFC가 약농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup이 부의 값으로 된다. 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되기 때문에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소되어 가고, 시각 t6에 있어서, 시각 t1과 마찬가지로, 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량을 초과해서 감소한다. 이때도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
계속해서, 시각 t7에 있어서, 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, 전술한 시각 t1∼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 때, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref로 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 이상으로 되었을 때, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하지 않고 0을 향해서 감소하도록, 목표 공연비를 계속적으로 약농후 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비한다고 할 수 있다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 실시 형태에 의하면, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 항상 억제할 수 있다. 즉, 전술한 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 발생할 가능성이 있다. 본 실시 형태에 있어서도, 시각 t3∼t4에 걸쳐서 산소 흡장량 OSAsc를 추정하고 있기 때문에, 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 경우는 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 반하여, 본 실시 형태에 의하면, 산소 흡장량 OSAsc는 항상 상하로 변동하고 있기 때문에, 산소 흡장 능력이 저하되는 것이 억제된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 시각 t2∼t4에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 희박 설정 보정량 AFClean으로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없고, 서서히 감소시키는 등, 변동하게 설정되어도 된다. 마찬가지로, 시각 t4∼t7에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 약농후 설정 보정량 AFCrich로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없으며, 서서히 감소시키는 등, 변동하게 설정되어도 된다.
단, 이 경우라도, 시각 t2∼t4에 있어서의 공연비 보정량 AFC는, 당해 기간에 있어서의 목표 공연비의 평균값과 이론 공연비와의 차가, 시각 t4∼t7에 있어서의 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) 내로의 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 상이한 파라미터에 기초하여 추정되어도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 판정 기준 흡장량 Cref 이상이 되면 목표 공연비가 희박 설정 공연비로부터 약농후 설정 공연비로 전환된다. 그러나, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약농후 설정 공연비로 전환하는 타이밍은, 예를 들어 목표 공연비를 약농후 설정 공연비로부터 희박 설정 공연비로 전환하고 나서의 기관 운전 시간 등, 다른 파라미터를 기준으로 하여도 된다. 단, 이 경우라도, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량보다도 적다고 추정되는 동안에, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약농후 설정 공연비로 전환하는 것이 필요해진다.
<하류측 촉매도 사용한 제어의 설명>
또한, 본 실시 형태에서는, 상류측의 배기 정화 촉매(20)에 추가하여 하류측의 배기 정화 촉매(24)도 마련되어 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 값으로 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 대하여 설명한다. 도 8은, 도 7과 마찬가지의 도면이며, 도 7의 NOx 농도의 추이를 대신하여, 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 값으로 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∼t4에 있어서, 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.
전술한 바와 같이, 하류측의 배기 정화 촉매(24)에는 다량의 산소가 흡장되어 있기 때문에, 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∼t4에 있어서 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 미연 가스는 그다지 많지 않기 때문에, 이 사이의 산소 흡장량 OSAufc의 감소량은 얼마 되지 않는다. 이로 인해, 시각 t1∼t4에 있어서 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∼t4에 있어서의 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 경우는 거의 없다. 전술한 바와 같이, 상류측의 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx 배출량이 적게 되는 것을 고려하면, 본 실시 형태에 의하면, 하류측의 배기 정화 촉매(24)로부터의 미연 가스 및 NOx의 배출량은 항상 적게 된다.
<구체적인 제어의 설명>
다음으로, 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∼A9의 각 기능 블록을 포함하여 구성되어 있다. 이하, 도 9를 참조하면서 각 기능 블록에 대하여 설명한다.
<연료 분사량의 산출>
우선, 연료 분사량의 산출에 대하여 설명한다. 연료 분사량의 산출에 있어서는, 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, 에어플로우 미터(39)에 의해 계측되는 흡입 공기 유량 Ga와, 크랭크각 센서(44)의 출력에 기초하여 산출되는 기관 회전 수 NE와, 전자 제어 유닛(31)의 ROM(34)에 기억된 맵 또는 계산식에 기초하여, 각 기통으로의 흡입 공기량 Mc를 산출한다. 본 실시 형태에 있어서는, 통내 흡입 공기량 산출 수단 A1이 흡입 공기량 취득 수단으로서 기능한다. 흡입 공기량 취득 수단으로서는, 이 형태로 한정되지 않고, 임의의 장치나 제어에 의해 연소실에 유입되는 공기의 흡입 공기량을 취득할 수 있다.
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 가산함으로써 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 대하여 분사 지시가 행해진다.
<목표 공연비의 산출>
다음으로, 목표 공연비의 산출에 대하여 설명한다. 목표 공연비의 산출에 있어서는, 산소 흡장량 취득부로서 산소 흡장량 취득 수단이 사용된다. 목표 공연비의 산출에 있어서는, 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 공연비의 차분에 연료 분사량 Qi를 승산함과 함께, 구한 값을 적산함으로써 산소 흡장량의 추정값 OSAest를 산출한다. 또한, 연료 분사량 Qi 및 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초하여 산소 방출량을 계산하여도 무방하다. 또한, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의한 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정은, 항상 행해지지 않아도 된다. 예를 들어, 목표 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 실제로 전환되었을 때(도 7에 있어서의 시각 t3)로부터, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달할 때(도 7에 있어서의 시각 t4)까지의 동안에만 산소 흡장량을 추정하여도 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) 이하로 되었을 때, 희박 설정 보정량 AFClean으로 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 도달되면, 공연비 보정량 AFC는 약농후 설정 보정량 AFCrich로 된다. 그 후, 공연비 보정량 AFC는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref(농후 판정 공연비에 상당하는 값)로 될 때까지, 약농후 설정 보정량 AFCrich로 유지된다.
목표 공연비 설정 수단 A6은, 기준으로 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, 약농후 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 약농후 설정 보정량 AFCrich의 경우)이거나, 또는 희박 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean의 경우) 중 어느 하나로 된다. 이와 같이 하여 산출된 목표 공연비 AFT는, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 후술하는 공연비 차 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 성립되어 있는지 여부가 판정된다. 공연비 보정량의 산출 조건이 성립되어 있는 경우란, 예를 들어 연료 커트 제어 중이 아닌 것 등을 들 수 있다. 스텝 S11에 있어서 목표 공연비의 산출 조건이 성립되었다고 판정된 경우에는, 스텝 S12로 진행된다. 스텝 S12에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn, 연료 분사량 Qi가 취득된다. 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 1로 되고, 그 이외의 경우에는 0으로 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 종료된다.
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 진행되고, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 된다. 계속해서, 스텝 S17에서는, 희박 설정 플래그 Fr이 1로 설정되어, 제어 루틴이 종료된다.
다음 제어 루틴에 있어서는, 스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되지 않았다고 판정되어 스텝 S18로 진행된다. 스텝 S18에서는, 스텝 S13에서 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 진행되고, 공연비 보정량 AFC가 계속해서 희박 설정 보정량 AFClean으로 된다. 한편, 상류측의 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 증대되면, 드디어 스텝 S18에 있어서 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref 이상이라고 판정되어 스텝 S20으로 진행된다. 스텝 S20에서는, 공연비 보정량 AFC가 약농후 설정 보정량 AFCrich로 되고, 계속해서, 스텝 S21에서는, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 리셋되고, 제어 루틴이 종료된다.
<F/B 보정량의 산출>
다시 도 9로 되돌아가서, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초한 F/B 보정량의 산출에 대하여 설명한다. F/B 보정량의 산출에 있어서는, 수치 변환부로서의 수치 변환 수단 A7, 공연비 차 산출부로서의 공연비 차 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.
공연비 차 산출 수단 A8은, 수치 변환 수단 A7에 의해 구해진 상류측 배기 공연비 AFup로부터 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT를 감산함으로써 공연비 차 DAF를 산출한다(DAF=AFup-AFT). 이 공연비 차 DAF는, 목표 공연비 AFT에 대한 연료 공급량의 과부족을 나타내는 값이다.
F/B 보정량 산출 수단 A9는, 공연비 차 산출 수단 A8에 의해 산출된 공연비 차 DAF를, 비례·적분·미분 처리(PID 처리)함으로써, 하기 식 (2)에 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.
(식 2)
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또한, 상기 식 (2)에 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, 공연비 차 DAF의 시간 미분값이며, 금회 갱신된 공연비 차 DAF와 전회 갱신된 공연비 차 DAF와의 차를 갱신 간격에 대응하는 시간으로 제산함으로써 산출된다. 또한, SDAF는, 공연비 차 DAF의 시간 적분값이며, 이 시간 적분값 DDAF는 전회 갱신된 시간 적분값 DDAF에 금회 갱신된 공연비 차 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 공연비 검출 정밀도는 반드시 높은 필요는 없는 것으로, 예를 들어 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 및 에어플로우 미터(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 도달되는 것을 피하는 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 반복하여 행한다. 또한, 전술한 기본적인 통상 운전 제어를 제1 통상 운전 제어라고 칭한다.
<제2 통상 운전 제어의 설명>
다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 제2 통상 운전 제어에 대하여 설명한다. 내연 기관의 운전 기간 중에는 요구 부하가 변화한다. 내연 기관의 제어 장치는, 요구 부하에 기초하여 흡입 공기량을 조정한다. 즉, 부하가 커질수록 흡입 공기량이 증대된다. 연료 분사 밸브로부터 분사되는 연료의 양은, 흡입 공기량과 연소 시의 공연비에 기초하여 설정된다.
그런데, 연소 시의 공연비가 동일하더라도, 흡입 공기량이 증대되면 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 유량은 증대된다. 배기 가스의 공연비가 희박 공연비인 경우에는, 흡입 공기량이 증대될수록, 단위 시간당 배기 정화 촉매에 유입되는 산소의 양은 증대된다. 이 때문에, 흡입 공기량이 크게 되는 운전 상태에서는, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량의 변화 속도가 크게 된다. 연소 시의 공연비는, 부하 변동 등에 수반하여 변화할 때 소정의 오차가 발생한다. 연소 시의 공연비의 어긋남 등에 기인하여 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비에도 어긋남이 발생한다. 이 때, 배기 가스의 공연비의 어긋남이 작아도 배기 가스의 유량이 크면, 산소 흡장량의 증가 속도가 빨라져서 산소 흡장량이 배기 정화 촉매의 최대 산소 흡장량 Cmax에 근접할 우려가 있다. 산소 흡장량이 배기 정화 촉매의 최대 산소 흡장량 Cmax에 근접하면 NOx를 충분히 정화할 수 없을 우려가 있다.
따라서, 본 실시 형태의 제2 통상 운전 제어에서는, 흡입 공기량을 취득하고, 흡입 공기량에 기초하여 희박 제어에 있어서의 희박 설정 공연비를 변경하는 제어를 실시한다. 제2 통상 운전 제어에서는, 흡입 공기량이 증대될수록 희박 설정 공연비를 농후측으로 설정하는 제어를 포함한다.
도 11에, 본 실시 형태에 있어서의 제2 통상 운전 제어의 타임차트를 나타낸다. 시각 t5까지는, 전술한 제1 통상 운전 제어와 마찬가지의 제어를 행하고 있다. 즉, 시각 t2까지는 농후 제어를 실시하고, 시각 t2로부터 시각 t4까지는 희박 제어를 실시하고 있다. 시각 t2에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref에 도달되었다. 시각 t2에 있어서, 공연비 보정량이 약농후 설정 보정량 AFCrich로부터 희박 설정 보정량 AFClean1로 전환되었다. 시각 t3에 있어서 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비가 된다. 시각 t3 이후에는 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 증가하고, 시각 t4에 있어서 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 Cref에 도달되었다. 시각 t4에 있어서 공연비 보정량이 희박 설정 보정량 AFClean1로부터 약농후 설정 보정량 AFCrich로 전환되었다. 시각 t5 이후에서는 산소 흡장량이 서서히 저하되고 있다.
여기서, 시각 t11까지는, 요구 부하가 일정하며, 흡입 공기량 Mc1이 일정하다. 시각 t11까지는 비교적으로 저부하이며, 흡입 공기량 Mc1은 저흡입 공기량이다. 시각 t11에 있어서 요구 부하가 증대하여 고부하로 되었다. 흡입 공기량이 저흡입 공기량으로부터 고흡입 공기량으로 변화되었다. 도 11에 도시한 제어예에서는, 흡입 공기량 Mc1로부터 흡입 공기량 Mc2로 증대되었다. 흡입 공기량 Mc가 증대되면, 단위 시간당 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 양이 증대된다.
시각 t11의 전후에 있어서도 공연비 보정량은, 약농후 설정 보정량 AFCrich로 유지되고 있다. 그러나, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 유량이 증대되기 때문에, 시각 t11 이후에서는 산소 흡장량의 감소 속도가 빠르게 된다. 시각 t12에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 0으로부터 하강을 개시하고, 시각 t13에 있어서 농후 판정 기준값 Iref에 도달되었다. 시각 t13에 있어서, 농후 제어로부터 희박 제어로 전환되었다. 시각 t14에 있어서, 상류측 공연비 센서(40)에 출력값이, 농후 공연비로부터 희박 공연비로 변화되었다.
시각 t13 이후의 희박 제어에서는, 시각 t11에 있어서 흡입 공기량이 증대되고 있기 때문에, 희박 설정 공연비를 저하시키는 제어를 행하고 있다. 공연비 보정량은 희박 설정 보정량 AFClean2로 설정되어 있다. 희박 설정 보정량 AFClean2는, 희박 설정 보정량 AFClean1보다도 작게 설정되어 있다. 시각 t13 이후의 희박 제어에 있어서의 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup는, 전회의 희박 제어의 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup보다도 작아진다. 이와 같이 시각 t13으로부터 개시되는 희박 제어에 있어서, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 희박 공연비를 시각 t2로부터 개시되고 있는 희박 제어의 희박 공연비보다도 농후하게 한다. 도 11에 도시한 제어예에서는, 공연 보정량을 작게 한 것의 흡입 공기량이 증대되었기 때문에, 산소 흡장량의 상승 속도는, 시각 t2로부터 시각 t4까지의 전회의 희박 제어보다도 빨라지게 되어 있다.
시각 t15에 있어서, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달되고, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환되었다. 공연비 보정량이 희박 설정 보정량 AFClean2로부터 약농후 설정 보정량 AFCrich로 전환되었다. 시각 t16에 있어서, 상류측 공연비 센서(40)의 출력값이, 희박 공연비로부터 농후 공연비로 전환되었다. 산소 흡장량은, 시각 t16 이후에 있어서 서서히 감소한다.
도 11에 도시한 제어예에 있어서는, 흡입 공기량이 증대될수록 희박 설정 공연비를 저하시키는 제어를 행하고 있다. 여기서, 도 11에 도시한 예에서는, 희박 설정 공연비를 농후측으로 하여도, 흡입 공기량의 증가량이 크기 때문에, 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량에 도달될 때까지의 시간이 짧아지게 되어 있다. 즉, 시각 t13으로부터 시각 t15까지의 희박 제어의 계속 시간은, 시각 t2로부터 시각 t4까지의 희박 제어의 계속 시간보다도 짧아지게 되어 있다. 희박 설정 공연비를 저하하였었을 때의 희박 제어의 계속 시간은, 이 형태로 한정되지 않고, 흡입 공기량의 증량에 따라서 길어지거나, 거의 동일해지거나 해도 무방하다. 또한, 도 11에 도시한 제어예에서는, 시각 t5에 있어서의 산소 흡장량보다도 흡입 공기량을 증대했을 때의 시각 t16에 있어서의 산소 흡장량이 커지게 되어 있지만, 이 형태로 한정되지 않고, 흡입 공기량을 변화한 경우에도 산소 흡장량이 거의 일정하게 유지되어 있어도 무방하다.
이와 같이, 흡입 공기량이 증대되었을 때, 즉, 부하가 증대될 때 희박 제어에 있어서의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 저하시키는 제어를 행함으로써, 희박 제어로 전환할 때 산소 흡장량의 증가 속도가 크기 때문에, 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 Cmax의 근방에 도달되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 배기 정화 촉매(20)로부터의 NOx의 유출을 억제할 수 있다.
도 12에, 본 실시 형태에 있어서의 제2 통상 운전 제어의 흐름도를 나타낸다. 스텝 S11부터 스텝 S13까지의 공정은, 전술한 제1 통상 운전 제어와 마찬가지이다. 스텝 S13에 있어서, 산소 흡장량의 추정값 OSAest를 추정한 후에 스텝 S31로 이행한다. 스텝 S31에 있어서는 흡입 공기량 Mc를 판독한다.
다음으로, 스텝 S32에 있어서는, 희박 설정 공연비를 설정한다. 즉, 희박 설정 보정량 AFClean을 설정한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 약농후 설정 보정량 AFCrich는, 흡입 공기량이 변화되어도 미리 정해진 일정한 보정량을 채용하고 있다.
도 13에, 제2 통상 운전 제어에 있어서의 희박 설정 보정량의 그래프를 나타낸다. 흡입 공기량 Mc의 전체 영역에 있어서, 흡입 공기량 Mc가 증대될수록, 희박 설정 보정량 AFClean이 감소하도록 설정되어 있다. 이 흡입 공기량과 희박 설정 보정량의 관계는, 전자 제어 유닛(31)에 미리 기억시켜 둘 수 있다. 즉, 흡입 공기량 Mc를 함수로 한 희박 설정 보정량 AFClean을 미리 전자 제어 유닛(31)에 기억시켜 둘 수 있다. 이와 같이, 흡입 공기량에 기초하여 희박 제어에 있어서의 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 설정할 수 있다.
스텝 S14부터 스텝 S21까지는, 전술한 제1 통상 운전 제어와 마찬가지이다. 여기서, 스텝 S16에 있어서, 농후 제어로부터 희박 제어로 전환하기 위해서, 공연비 보정량을 약농후 설정 보정량 AFCrich로부터 희박 설정 보정량 AFClean으로 변경하는 경우에는, 스텝 S32에서 설정된 희박 설정 보정량 AFClean이 사용된다.
또한, 희박 제어에 있어서는, 스텝 S18에 있어서, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref보다도 작은 경우에는, 희박 제어가 계속된다. 이 경우에, 스텝 S19에 있어서, 공연비 보정량 AFC에는, 스텝 S32에서 설정된 희박 설정 보정량 AFClean이 채용된다. 희박 설정 보정량은, 흡입 공기량에 기초하여 변경되기 때문에, 희박 제어를 계속하고 있는 기간 중에도 흡입 공기량이 변화된 경우에는 희박 설정 보정량을 변경하는 제어를 실시하고 있다.
또한, 희박 제어를 실시하고 있는 기간 중에는, 농후 제어로부터 희박 제어로 전환되었을 때의 희박 설정 보정량으로 유지하는 제어를 행하여도 무방하다. 즉, 희박 제어의 기간 중에는 희박 설정 보정량을 일정하게 유지하는 제어를 실시하여도 무방하다.
본 실시 형태에 있어서는, 흡입 공기량이 증대될수록 희박 설정 공연비를 농후 측으로 설정하는(작게 설정하는) 제어를 행하고 있지만, 이 형태로 한정되지 않고, 임의의 제1 흡입 공기량 및 제1 흡입 공기량보다도 작은 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비를 비교했을 때, 제1 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비를 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비보다도 농후측으로 설정하는(작게 설정하는) 제어를 포함하고 있으면 무방하다. 예를 들어, 흡입 공기량이 크다고 판단되는 고흡입 공기량의 영역과 고흡입 공기량의 영역보다도 작은 저흡입 공기량의 영역이 미리 설정되어 있으며, 각각의 영역에서 희박 설정 보정량이 일정 값으로 설정되어 있어도 무방하다. 이 경우에는, 고흡입 공기량의 영역 희박 설정 보정량은, 저흡입 공기량의 영역 희박 설정 보정량보다도 낮게 설정할 수 있다.
도 14에, 본 실시 형태에 있어서의 흡입 공기량에 대한 희박 설정 보정량의 다른 관계를 설명하는 그래프를 나타낸다. 다른 희박 설정 보정량을 설정하는 제어에 있어서는, 흡입 공기량이 크다고 판단되는 고흡입 공기량의 영역이 미리 정해져 있다. 흡입 공기량 판정 기준값 Mcref 이상의 영역이 고흡입 공기량의 영역으로서 설정되어 있다.
고흡입 공기량의 영역에서는, 흡입 공기량 Mc가 증대될수록 희박 설정 공연비가 감소하고 있다. 그런데, 흡입 공기량 판정 기준값 Mcref보다도 작은 영역에서는, 희박 설정 공연비를 일정하게 유지하고 있다. 즉, 저흡입 공기량의 영역 및 중 정도의 흡입 공기량의 영역에서는, 희박 설정 보정량을 일정하게 유지하고, 고흡입 공기량의 영역만 희박 설정 보정량을 변화시키는 제어를 행하고 있다.
저흡입 공기량의 영역 및 중 정도의 흡입 공기량의 영역에서는, 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 유량도 작거나 중 정도이기 때문에, 공연비 보정량이 희박 설정 공연비로 전환되었을 때, 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 증가 속도는 비교적 낮게 억제된다. 이에 반하여, 고흡입 공기량의 영역에서는, 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 증가 속도가 커지게 되어, 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 Cref에 접근하기 쉬워진다. 이 때문에, 다른 희박 설정 보정량을 설정하는 제어에 있어서는, 미리 정해진 흡입 공기량 판정 기준값 Mcref 미만의 영역에서는, 일정한 희박 설정 보정량을 설정하고, 흡입 공기량 판정 기준값 Mcref 이상의 영역에서는, 흡입 공기량이 증대될수록 희박 설정 보정량을 감소시키고 있다. 이와 같이, 흡입 공기량의 일부 영역에 있어서, 흡입 공기량이 증대되면 희박 설정 공연비를 농후측으로 하는 제어를 행하여도 무방하다.
또한, 상기한 형태에 있어서는, 흡입 공기량의 증가에 대하여 희박 설정 공연비를 연속적으로 변화시키고 있지만, 이 형태로 한정되지 않고, 희박 설정 공연비는 흡입 공기량의 증가에 대하여, 불연속적으로 변화시켜도 무방하다. 예를 들어, 흡입 공기량의 증가에 대하여 스텝 형상으로 희박 설정 공연비를 감소시켜도 무방하다.
<제3 통상 운전 제어의 설명>
도 15에, 본 실시 형태에 있어서의 제3 통상 운전 제어의 타임차트를 나타낸다. 제3 통상 운전 제어에 있어서는, 흡입 공기량 Mc가 작은 경우에는, 농후 설정 공연비의 깊이와 희박 설정 공연비의 깊이가 거의 동일해지도록 제어한다. 즉, 농후 설정 보정량 AFCrichx의 절댓값은, 희박 설정 보정량 AFClean1의 절댓값과, 거의 동일해지도록 제어되어 있다. 농후 설정 공연비의 깊이와 희박 설정 공연비의 깊이가 거의 동일하기 때문에, 농후 제어의 계속 시간과 희박 제어의 계속 시간이 거의 동일해진다.
시각 t2에 있어서, 공연비 보정량이 농후 설정 보정량 AFCrichx로부터 희박 설정 보정량 AFClean1로 전환되었다. 시각 t4에 있어서, 공연비 보정량이 희박 설정 보정량 AFClean1로부터 농후 설정 보정량 AFCrichx로 전환되었다. 시각 t11에 있어서 부하가 증대되고, 흡입 공기량 Mc1로부터 흡입 공기량 Mc2로 증가하였다. 시각 t13에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Iref에 도달되었다. 공연비 보정량이 농후 설정 보정량 AFCrichx로부터 희박 설정 보정량 AFClean2로 전환되었다. 이 때, 시각 t11에 있어서 흡입 공기량이 증대되었기 때문에, 희박 설정 보정량 AFClean2는, 전회의 희박 제어에 있어서의 희박 설정 보정량 AFClean1보다도 작게 설정되어 있다.
시각 t15에 있어서, 희박 제어로부터 농후 제어로 전환되고, 시각 t16에 있어서는, 상류측 공연비 센서의 출력값이 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화되었다. 또한 시각 t17에 있어서는, 농후 제어로부터 희박 제어로 전환되며, 시각 t18에 있어서는 상류측 공연비 센서의 출력값이 농후 공연비로부터 희박 공연비로 전환되었다. 시각 t17에 있어서의 농후 제어로부터 희박 제어로의 전환 시에도 흡입 공기량이 높은 흡입 공기량 Mc2이기 때문에, 희박 설정 보정량 AFClean2가 채용되어 있다.
본 실시 형태의 제3 통상 운전 제어에 있어서는, 흡입 공기량이 큰 영역에서는, 희박 설정 보정량 AFClean2의 절댓값이, 농후 설정 보정량 AFCrichx의 절댓값보다도 작아지게 된다. 즉, 고흡입 공기량의 영역에서는, 희박 설정 공연비의 깊이가 농후 설정 공연비의 깊이보다도 얕아지게 된다. 이와 같이, 흡입 공기량이 커지게 된 경우에, 희박 설정 보정량의 절댓값이 농후 설정 보정량의 절댓값보다도 작아지게 되어도 무방하다.
본 실시 형태에 있어서는, 흡입 공기 유량 Ga와 기관 회전 수 NE에 기초하여 흡입 공기량 Mc를 추정하고 있지만, 이 형태로 한정되지 않고, 흡입 공기량에 관련된 내연 기관의 운전 상태가 변화되었을 때 흡입 공기량이 증대되었다고 판별할 수 있다. 예를 들어, 요구 부하가 증대되었을 때 흡입 공기량이 증대되었다고 판별해도 무방하다.
본 실시 형태의 희박 제어에 있어서는, 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상이 될 때까지 연속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박하게 하고 있지만, 이 형태로 한정되지 않고, 단속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 희박하게 하여도 무방하다. 또한, 마찬가지로, 농후 제어에 있어서도, 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하로 될 때까지, 연속적 또는 단속적으로 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비보다 농후한 농후 설정 공연비로 할 수 있다.
전술한 각각의 제어에 있어서는, 기능 및 작용이 변경되지 않는 범위에서 적절히 스텝의 순서를 변경할 수 있다. 전술한 각각의 도면에 있어서, 동일 또는 상 등한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 또한, 상기의 실시 형태는 예시이며 발명을 한정하는 것이 아니다. 또한, 실시 형태에 있어서는, 청구범위에 개시되는 형태의 변경이 포함되어 있다.
11: 연료 분사 밸브
18: 스로틀 밸브
20: 배기 정화 촉매
31: 전자 제어 유닛
39: 에어플로우 미터
40: 상류측 공연비 센서
41: 하류측 공연비 센서
42: 액셀러레이터 페달
43: 부하 센서

Claims (3)

  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 센서를 구비하고,
    상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량 이하인 판정 기준 흡장량 이상이 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 실시하고, 희박 제어의 기간 중에 산소 흡장량이 판정 기준 흡장량 이상이 된 경우에 농후 제어로 전환하여, 농후 제어의 기간 중에 하류측 공연비 센서의 출력이 농후 판정 공연비 이하가 된 경우에 희박 제어로 전환하는 제어를 실시하고, 또한 제1 흡입 공기량 및 제1 흡입 공기량보다도 작은 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비를 비교했을 때, 제1 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비를 제2 흡입 공기량에 있어서의 희박 설정 공연비보다도 농후측으로 설정하는 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    흡입 공기량이 증대될수록 희박 설정 공연비를 농후측으로 설정하는 제어를 실시하는, 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    고흡입 공기량의 영역이 미리 정해져 있으며,
    고흡입 공기량의 영역에서는, 흡입 공기량이 증대될수록 희박 설정 공연비를 농후측으로 설정하고, 고흡입 공기량의 영역보다 작은 흡입 공기량의 영역에서는, 희박 설정 공연비를 일정하게 유지하는, 내연 기관의 제어 장치.
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