WO2023238361A1 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

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storage capacity
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combustion engine
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民一 木村
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日産自動車株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters

Definitions

  • the present invention relates to a control method and device for diagnosing deterioration of a three-way catalyst provided in an exhaust passage of an internal combustion engine based on the oxygen storage capacity of the three-way catalyst.
  • a three-way catalyst is capable of oxidizing CO and HC and reducing NOx in exhaust gas, but in order to achieve both oxidation and reduction at a high level through catalytic action, the catalyst must absorb and release oxygen.
  • the so-called oxygen storage capacity is important.
  • the maximum oxygen storage capacity of the three-way catalyst installed in the exhaust passage of an internal combustion engine decreases as the catalyst deteriorates (permanently and temporarily). . Therefore, various techniques have been proposed to determine the oxygen storage capacity of the three-way catalyst in some way during operation of the internal combustion engine, and to diagnose catalyst deterioration based on how much the actual oxygen storage capacity has decreased from the initial oxygen storage capacity. (For example, Patent Document 1).
  • the initial oxygen storage capacity to be compared is a value set corresponding to the initial state of the three-way catalyst, that is, the characteristics of a new three-way catalyst, as suggested in Patent Document 1.
  • the substantial oxygen storage capacity of the three-way catalyst during operation is affected by the gas flow rate flowing into the three-way catalyst.
  • the gas flow rate through the three-way catalyst is large, the flow rate of gas passing through the catalyst layer of the three-way catalyst is high, and the oxygen storage amount is relatively small compared to when the gas flow rate is low. Oxygen and NOx escape.
  • Patent Document 1 Conventional techniques such as those disclosed in Patent Document 1 do not take into account such substantial changes in oxygen storage capacity related to gas flow rate, and for example, when deterioration diagnosis is performed under operating conditions where gas flow rate is large. erroneous judgments are likely to occur.
  • the present invention provides a control method for an internal combustion engine that includes a three-way catalyst in an exhaust passage and diagnoses catalyst deterioration based on a decrease in oxygen storage capacity of the three-way catalyst from a reference oxygen storage capacity.
  • the reference oxygen storage capacity is set in accordance with the gas flow rate flowing into the three-way catalyst such that the larger the gas flow rate, the smaller the reference oxygen storage capacity.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of an internal combustion engine according to an embodiment including a three-way catalyst.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of operating points of an internal combustion engine according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of control according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing characteristics of reference oxygen storage capacity with respect to intake air amount.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine 1 according to an embodiment to which the present invention is applied.
  • the internal combustion engine 1 of one embodiment is used in a series hybrid vehicle as a power generation internal combustion engine that drives a power generation motor generator, which mainly operates as a generator, in accordance with electric power demand, and is a four-stroke cycle spark ignition engine. It consists of a type internal combustion engine (so-called gasoline engine).
  • gasoline engine a type internal combustion engine
  • One example is an in-line three-cylinder engine, and each cylinder is provided with an intake valve 2, an exhaust valve 3, and a spark plug 4.
  • the illustrated example is configured as a cylinder direct injection type engine, and a fuel injection valve 5 that injects fuel into the cylinder is arranged, for example, on the intake valve 2 side.
  • a port injection type configuration in which fuel is injected toward the intake port 6 may be used.
  • An electronically controlled throttle valve 10 whose opening degree is controlled by a control signal from an engine controller 9 is installed on the upstream side of the collector portion 8 of the intake passage 7 connected to the intake port 6 of each cylinder.
  • An air flow meter 11 for detecting the amount of intake air is disposed upstream of the throttle valve 10, and an air cleaner 12 is disposed further upstream.
  • the exhaust ports 13 of each cylinder are combined into one exhaust passage 14, and this exhaust passage 14 is provided with a three-way catalyst 15 for purifying exhaust gas.
  • the three-way catalyst 15 is, for example, a so-called monolithic ceramic catalyst in which a catalyst layer containing a catalyst metal is coated on the surface of a monolithic ceramic body in which fine passages are formed.
  • the three-way catalyst 15 may include a plurality of catalysts (for example, a manifold catalyst and an underfloor catalyst) arranged in series.
  • An upstream air-fuel ratio sensor 19 for detecting the exhaust air-fuel ratio is arranged on the inlet side of the three-way catalyst 15 in the exhaust passage 14, that is, at a position upstream of the three-way catalyst 15.
  • This upstream air-fuel ratio sensor 19 is a so-called wide-range air-fuel ratio sensor that can obtain an output according to the exhaust air-fuel ratio.
  • a response is provided to the composition of the exhaust gas that has passed through the three-way catalyst 15 in order to calibrate the air-fuel ratio feedback control system including the upstream air-fuel ratio sensor 19, diagnose deterioration of the three-way catalyst 15, etc.
  • a downstream air-fuel ratio sensor 20 is arranged.
  • the downstream air-fuel ratio sensor 20 may be, for example, an O2 sensor, but in one example, a so-called wide-range air-fuel ratio sensor is used like the upstream air-fuel ratio sensor 19.
  • Detection signals from the air-fuel ratio sensors 19 and 20 and the air flow meter 11 are input to the engine controller 9.
  • the engine controller 9 is further input with detection signals from a large number of sensors, such as a crank angle sensor 21 for detecting engine rotational speed and a water temperature sensor 22 for detecting cooling water temperature. Based on these input signals, the engine controller 9 optimally controls the fuel injection amount and injection timing by the fuel injection valve 5, the ignition timing by the spark plug 4, the opening degree of the throttle valve 10, etc.
  • the engine controller 9 is connected via an in-vehicle network 32 such as CAN communication to an integrated controller 31 that controls the entire series hybrid vehicle including a driving motor generator, etc., and various functions including starting and stopping are controlled from the integrated controller 31. receive a request or command.
  • the internal combustion engine 1 of one embodiment is an internal combustion engine for power generation in a series hybrid vehicle, it is basically started when the SOC of the vehicle running battery decreases, and as illustrated in FIG.
  • the motor is operated at several predetermined operating points (combinations of load and rotational speed) depending on the magnitude of the rotational speed.
  • four operating points P1 to P4 are shown in FIG. 2, when the power generation demand is relatively small, the operation is performed at the operating point P1, which is set near the best fuel efficiency point, and the larger the power generation demand, the more Operating points P2, P3, and P4 that are on the high-speed, high-load side are selected. Note that these operating points are not exactly one point, but each includes an appropriate range of rotational speed and load, although it is a relatively narrow range.
  • the engine controller 9 performs air-fuel ratio control to optimize the exhaust purification performance of the three-way catalyst 15.
  • the oxygen storage amount of the three-way catalyst 15 is estimated based on the exhaust air-fuel ratio detected by the upstream air-fuel ratio sensor 19, and this oxygen storage amount is determined as the target oxygen storage amount (as described later, the reference oxygen storage capacity).
  • the fuel injection amount (injection pulse width) of the fuel injection valve 5 is feedback-controlled so that the fuel injection amount (injection pulse width) is set to an intermediate value.
  • the engine controller 9 diagnoses the deterioration of the three-way catalyst 15 while the internal combustion engine 1 is operating.
  • the maximum oxygen storage capacity of the three-way catalyst 15, that is, the oxygen storage capacity decreases as the catalyst deteriorates (permanent deterioration and temporary deterioration). Therefore, the current oxygen storage capacity of the three-way catalyst 15 is determined while the internal combustion engine 1 is operating, and this oxygen storage capacity is calculated from the standard oxygen storage capacity (for example, corresponding to the oxygen storage capacity of a new three-way catalyst 15). Catalyst deterioration can be diagnosed by determining the degree of deterioration.
  • the oxygen storage amount is 0; Since the oxygen storage amount can be considered to be saturated when the reverse occurs, the current oxygen storage capacity can be determined from the relationship with the oxygen storage amount estimated based on the exhaust air-fuel ratio detected by the upstream air-fuel ratio sensor 19. I can do it. By comparing this current oxygen storage capacity with a reference oxygen storage capacity, it is determined whether the catalyst has deteriorated. For example, if the current oxygen storage capacity is lower than the reference oxygen storage capacity by a predetermined percentage, it is determined that the oxygen storage capacity has deteriorated.
  • the reference oxygen storage capacity which serves as a reference for determining deterioration, is set in consideration of the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15.
  • the substantial oxygen storage capacity of the three-way catalyst 15 during operation is affected by the gas flow rate entering the three-way catalyst 15.
  • the gas flow rate flowing through the three-way catalyst 15 is large, the flow rate of gas passing through the catalyst layer of the three-way catalyst 15 becomes high, and at a stage where the amount of oxygen storage is relatively small compared to when the gas flow rate is small. Oxygen and NOx flow downstream. Therefore, if the standard oxygen storage capacity is fixedly determined according to the oxygen storage capacity when new without considering the influence of this gas flow rate, the actual oxygen storage capacity will decrease when the gas flow rate is large. Misjudgment may occur.
  • the reference oxygen storage capacity is set according to the gas flow rate so that the larger the gas flow rate, the smaller the reference oxygen storage capacity.
  • the intake air amount detected by the air flow meter 11 is used as a parameter corresponding to the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15. Note that the "intake air amount” does not refer to the amount of air per cylinder cycle, but refers to the flow rate of air taken into the internal combustion engine 1 (that is, passing through the air flow meter 11) per unit time.
  • one of the controls executed by the engine controller 9 includes perturbation control for suppressing or canceling temporary deterioration (also called temporary poisoning) of the catalyst performance of the three-way catalyst 15.
  • Perturbation control periodically repeats rich combustion with a large equivalence ratio and lean combustion with a small equivalence ratio. For example, in an internal combustion engine 1 having multiple cylinders, rich combustion is performed N times according to the combustion order. is performed continuously, then lean combustion is performed continuously N times, and these are repeated periodically.
  • Temporary catalyst deterioration is a phenomenon in which oxygen, HC, etc. adhere to the catalyst metal surface, reducing the catalyst metal surface area and reducing catalyst performance. The poisonous substances covering the catalytic metal surface are peeled off and the catalytic performance is restored. Note that even during such perturbation control, the average air-fuel ratio is maintained near the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the internal combustion engine 1 of the embodiment is operated at the four operating points P1 to P4 illustrated in FIG. 2, but temporary deterioration of the catalyst is likely to occur under the operating point P4, which is the highest speed and high load side. .
  • perturbation control is executed in parallel when the internal combustion engine 1 is operated at the operating point P4. This suppresses or eliminates temporary deterioration of the catalyst.
  • perturbation control needs to be performed within a range that ensures the conversion rates of HC, CO, and NOx in the three-way catalyst 15. For example, if the lean combustion period in perturbation control (in other words, the number N of consecutive lean combustions) is excessively long, lean combustion will continue even after the oxygen storage amount of the three-way catalyst 15 is saturated, resulting in NOx Similarly, if the rich combustion period (number of consecutive rich combustions N) is excessively long, rich combustion will continue even after the oxygen storage amount of the three-way catalyst 15 reaches 0. HC etc. flow out downstream of the three-way catalyst 15.
  • the lean combustion period in perturbation control in other words, the number N of consecutive lean combustions
  • the rich combustion period number of consecutive rich combustions N
  • the optimum rich/lean fluctuation cycle in perturbation control is determined according to the oxygen storage capacity of the three-way catalyst 15 so that the conversion rate does not decrease on both the lean side and the rich side.
  • the actual oxygen storage capacity is affected by the magnitude of the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15, so in one embodiment, the oxygen storage capacity is affected by the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15, that is, the amount of intake air.
  • the rich/lean cycle in perturbation control is set based on the above reference oxygen storage capacity. Specifically, when the gas flow rate is large and the reference oxygen storage capacity is small, the period is set relatively short. For example, at operating point P4 in FIG.
  • the gas flow rate (intake air amount) is larger than at other operating points P1 to P3, but the period in perturbation control is relatively large based on the reference oxygen storage capacity at that time. Since the value is set to a relatively short value, temporary deterioration can be alleviated while suppressing a decrease in the conversion rate due to an excessively long rich combustion period or lean combustion period as described above.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of control regarding reference oxygen storage capacity in one embodiment. Note that the functions shown in this block diagram are realized by software or hardware executed by the engine controller 9. As shown in the figure, this functional block diagram includes an intake air amount calculation section 101, an oxygen amount calculation section 102, an oxygen storage estimation section 103, a catalyst diagnosis section 104, an air-fuel ratio control section 105, and a cycle setting section. 106 is included.
  • the oxygen storage estimation section 103 includes a reference oxygen storage capacity calculation section 107 , an oxygen storage amount calculation section 108 , a lean side reset section 109 , and a rich side reset section 110 .
  • the intake air amount calculation unit 101 calculates the amount of intake air taken into the internal combustion engine 1 based on the detection signal of the air flow meter 11. This intake air amount is regarded as the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15.
  • the oxygen amount calculation unit 102 calculates the amount of oxygen flowing into the three-way catalyst 15 per unit time based on the exhaust air-fuel ratio detected by the upstream air-fuel ratio sensor 19 and the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15, that is, the amount of intake air. demand. Note that the oxygen amount is given as both positive and negative values. In other words, if the air-fuel ratio is rich, the oxygen amount will be a negative value.
  • the oxygen storage amount calculation unit 108 calculates the current oxygen storage amount by integrating the oxygen amount per unit time output by the oxygen amount calculation unit 102. This current oxygen storage amount value is input to the catalyst diagnosis section 104 and the air-fuel ratio control section 105, respectively.
  • the reference oxygen storage capacity calculation unit 107 calculates the reference oxygen storage capacity according to the intake air amount output by the intake air amount calculation unit 101 (that is, the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15).
  • a characteristic map as shown in FIG. 4 is provided in which values of reference oxygen storage capacity are assigned using the intake air amount as a parameter, and this map is used to determine the reference oxygen storage capacity corresponding to the intake air amount. seek. As shown in FIG. 4, the larger the intake air amount, the smaller the reference oxygen storage capacity.
  • the oxygen storage amount is the amount of oxygen when the three-way catalyst 15 is new and the gas flow rate is the minimum.
  • the storage amount can be expressed as a percentage of 100 (%). Therefore, the reference oxygen storage capacity is 100 (%) when the amount of intake air is minimum, and becomes a smaller percentage as the amount of intake air is larger.
  • the value of the reference oxygen storage capacity determined by the reference oxygen storage capacity calculation unit 107 in this manner is given to the oxygen storage amount calculation unit 108 as an upper limit value.
  • the oxygen storage amount output by the oxygen storage amount calculation unit 108 is limited by this upper limit value. In other words, the oxygen storage amount estimated by the integration in the oxygen storage amount calculation unit 108 does not exceed the reference oxygen storage capacity that takes into account the intake air amount.
  • the value of the reference oxygen storage capacity calculated by the reference oxygen storage capacity calculation unit 107 is input to the catalyst diagnosis unit 104, the air-fuel ratio control unit 105, and the cycle setting unit 106, respectively.
  • the catalyst diagnosis unit 104 determines whether or not the catalyst has deteriorated by comparing the current oxygen storage capacity with the reference oxygen storage capacity.
  • a reference oxygen storage capacity value that takes into account the amount of intake air is used. This suppresses misjudgment when, for example, the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15 is large.
  • the air-fuel ratio control unit 105 sets a target oxygen storage amount in air-fuel ratio control using a reference oxygen storage capacity that takes into account the amount of intake air. For example, a value of 1/2 of the reference oxygen storage capacity is set as the target oxygen storage amount. Thereby, air-fuel ratio control suitable for the actual oxygen storage capacity, which changes depending on the gas flow rate, is realized.
  • the cycle setting unit 106 sets the rich/lean cycle in the perturbation control described above based on the reference oxygen storage capacity corresponding to the intake air amount.
  • the lean-side reset unit 109 and rich-side reset unit 110 included in the oxygen storage estimation unit 103 calculate the integration by the oxygen storage amount calculation unit 108 based on the reversal of the air-fuel ratio detected by the downstream air-fuel ratio sensor 20 to lean/rich. or reset the current estimated oxygen storage amount.
  • the lean-side reset unit 109 considers that the oxygen storage capacity of the three-way catalyst 15 is saturated when the air-fuel ratio detected by the downstream air-fuel ratio sensor 20 becomes lean, and uses the value of the reference oxygen storage capacity. Reset oxygen storage estimate.
  • the reference oxygen storage capacity a reference oxygen storage capacity that takes into account the amount of intake air output by the reference oxygen storage capacity calculation unit 107 is used.
  • the rich-side reset unit 110 assumes that the oxygen storage amount of the three-way catalyst 15 has become 0 when the air-fuel ratio detected by the downstream air-fuel ratio sensor 20 becomes rich, and resets the estimated value of the oxygen storage amount to 0. .
  • the accuracy of the oxygen storage amount estimated by integration is increased.
  • the intake air amount is used as a parameter corresponding to the gas flow rate flowing into the three-way catalyst 15, but the exhaust gas flow rate is calculated based on the intake air amount and taking into account combustion.
  • the flow rate of exhaust gas flowing through the exhaust passage may be detected by some means.
  • the "intake air amount” may be either a mass flow rate or a volumetric flow rate, and for example, the relationship between the target oxygen storage amount and the intake air amount as shown in FIG. You can set it in the form.
  • the present invention is applied to an internal combustion engine for power generation in a series hybrid vehicle, but the present invention can be widely applied not only to an internal combustion engine for power generation, but also to an internal combustion engine that drives a vehicle. be.
  • perturbation control is always executed at a specific operating point, but regardless of the operating point, perturbation control is executed when temporary deterioration of the catalyst is detected or estimated. Good too.
  • the "reference oxygen storage capacity” is treated as the maximum oxygen storage capacity at which the oxygen storage amount becomes saturated under each intake air amount, but in the present invention, the “reference oxygen storage capacity” is The threshold value that is compared with the storage capacity itself may be determined as the “reference oxygen storage capacity" in accordance with the intake air amount or gas flow rate.

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Abstract

内燃機関(1)は三元触媒(15)を備える。エンジンコントローラ(9)は、三元触媒(15)に流れ込む単位時間当たりの酸素量を求める酸素量演算部(102)と、正負の酸素量の積算により現在の酸素ストレージ量を推定する酸素ストレージ量演算部(108)と、を有する。基準酸素ストレージ容量演算部(107)は、吸入空気量演算部(101)が出力する吸入空気量に応じて、吸入空気量が大であるほど小さな値として基準酸素ストレージ容量を出力する。触媒診断部(104)は、この吸入空気量を考慮した基準酸素ストレージ容量と現在の酸素ストレージ容量との比較により触媒劣化を判定する。

Description

内燃機関の制御方法および制御装置
 この発明は、内燃機関の排気通路に設けられる三元触媒の劣化を、三元触媒の酸素ストレージ能力に基づいて診断する制御方法および装置に関する。
 三元触媒では排気中のCOならびにHCの酸化およびNOxの還元が可能であるが、触媒作用によるこれらの酸化と還元とを高いレベルで両立させるためには、触媒が酸素を吸蔵・放出する、いわゆる酸素ストレージ能力が重要である。
 ここで、内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒が最大に酸素を蓄えることができる容量つまり酸素ストレージ容量は、触媒の劣化(恒久的な劣化および一時的な劣化)に伴って低下する。そのため、内燃機関の運転中に何らかの形で三元触媒の酸素ストレージ容量を求め、この実際の酸素ストレージ容量が初期の酸素ストレージ容量からどの程度低下しているかによって触媒劣化を診断する技術が種々提供されている(例えば特許文献1)。比較対象となる初期の酸素ストレージ容量は、特許文献1に示唆されているように、三元触媒の初期状態つまり新品の三元触媒の特性に対応して設定された値となる。
 本発明者の新たな知見によると、運転中の三元触媒の実質的な酸素ストレージ容量は三元触媒に流入するガス流量の影響を受ける。三元触媒を流れるガス流量が大であると、三元触媒の触媒層を通過するガスの流速が高くなり、ガス流量が少ない場合に比較して相対的に酸素ストレージ量が少ない段階で下流側に酸素およびNOxが流出する。
 特許文献1等の従来の技術では、このようなガス流量に関連した実質的な酸素ストレージ容量の変化が考慮されておらず、例えばガス流量が大である運転条件下で劣化診断がなされたときに誤判定を生じやすい。
特開2001-329832号公報
 この発明は、排気通路に三元触媒を備え、この三元触媒の酸素ストレージ容量の基準酸素ストレージ容量からの低下に基づいて触媒劣化を診断する内燃機関の制御方法において、
 上記基準酸素ストレージ容量を、上記三元触媒に流入するガス流量に応じて、当該ガス流量が大であるほど基準酸素ストレージ容量が小となるように設定する。
 このように三元触媒に流入するガス流量が大であるほど基準酸素ストレージ容量を小さく設定することで、ガス流速の上昇に起因した実質的な酸素ストレージ容量の低下が相殺され、劣化診断における誤判定が生じにくくなる。
三元触媒を備えた一実施例の内燃機関の構成説明図。 一実施例の内燃機関の運転点の例を示す特性図。 一実施例の制御の機能ブロック図。 吸入空気量に対する基準酸素ストレージ容量の特性を示す特性図。
 以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、この発明が適用される一実施例の内燃機関1の概略的な構成を示した説明図である。一実施例の内燃機関1は、シリーズハイブリッド車両において、主に発電機として動作する発電用モータジェネレータを電力要求に応じて駆動する発電用内燃機関として用いられるものであり、4ストロークサイクルの火花点火式内燃機関(いわゆるガソリン機関)からなる。一例では、直列3気筒機関であり、各気筒に、吸気弁2ならびに排気弁3および点火プラグ4を備えている。また図示例は、筒内直接噴射式機関として構成されており、筒内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁5が、例えば吸気弁2側に配置されている。なお、吸気ポート6へ向けて燃料を噴射するポート噴射型の構成であってもよい。
 各気筒の吸気ポート6に接続された吸気通路7のコレクタ部8上流側には、エンジンコントローラ9からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ10が介装されている。スロットルバルブ10の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ11が配設されており、さらに上流側に、エアクリーナ12が配設されている。
 各気筒の排気ポート13は、1本の排気通路14として集合し、この排気通路14に、排気浄化のための三元触媒15が設けられている。三元触媒15は、例えば、微細な通路が形成されたモノリスセラミックス体の表面に触媒金属を含む触媒層をコーティングした、いわゆるモノリスセラミックス触媒である。なお、三元触媒15は、直列に配置された複数の触媒(例えば、マニホルド触媒と床下触媒)を含む構成であってもよい。
 排気通路14の三元触媒15の入口側つまり該三元触媒15よりも上流側の位置には、排気空燃比を検出するための上流側空燃比センサ19が配置されている。この上流側空燃比センサ19は、排気空燃比に応じた出力が得られるいわゆる広域空燃比センサである。さらに三元触媒15の下流側に、上流側空燃比センサ19を含む空燃比フィードバック制御系の較正や三元触媒15の劣化診断等のために、三元触媒15を通過した排気の組成に応答する下流側空燃比センサ20が配置されている。この下流側空燃比センサ20は、例えばO2センサであってもよいが、一例では、上流側空燃比センサ19と同じくいわゆる広域空燃比センサが用いられている。
 空燃比センサ19,20やエアフロメータ11の検出信号は、エンジンコントローラ9に入力される。エンジンコントローラ9には、さらに、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ21、冷却水温を検出する水温センサ22、等の多数のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ9は、これらの入力信号に基づき、燃料噴射弁5による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ4による点火時期、スロットルバルブ10の開度、等を最適に制御している。エンジンコントローラ9は、走行用モータジェネレータ等を含むシリーズハイブリッド車両全体の制御を行う統合コントローラ31にCAN通信等の車内ネットワーク32を介して接続されており、統合コントローラ31から始動・停止を含む種々の要求ないし指令を受ける。
 一実施例の内燃機関1は、シリーズハイブリッド車両における発電用内燃機関であることから、基本的には車両走行用バッテリのSOCが低下したときに始動され、図2に例示するように、発電要求の大小に応じて予め定められたいくつかの運転点(負荷と回転速度との組み合わせ)において運転される。例えば、図2には4つの運転点P1~P4が示されているが、発電要求が比較的小さいときは最良燃費点付近に設定される運転点P1において運転され、発電要求が大きいほど、より高速高負荷側となる運転点P2,P3,P4が選択される。なお、これらの運転点は、厳密な1点ではなく、それぞれ、比較的狭い範囲ではあるが回転速度および負荷について適当な範囲を含むものである。
 エンジンコントローラ9は、内燃機関1の種々の制御の中の1つとして、三元触媒15による排気浄化性能を最適化するための空燃比制御を行う。空燃比制御は、上流側空燃比センサ19が検出した排気空燃比に基づいて三元触媒15の酸素ストレージ量を推定し、この酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量(後述するように基準酸素ストレージ容量の中間値に設定される)となるように燃料噴射弁5の燃料噴射量(噴射パルス幅)をフィードバック制御するものである。
 さらに、エンジンコントローラ9は、内燃機関1の運転中に、三元触媒15の劣化診断を行う。前述したように、三元触媒15が最大に酸素を蓄えることができる容量つまり酸素ストレージ容量は、触媒の劣化(恒久的な劣化および一時的な劣化)に伴って低下する。そのため、内燃機関1の運転中に三元触媒15の現在の酸素ストレージ容量を求め、この酸素ストレージ容量が基準酸素ストレージ容量(例えば新品の三元触媒15が有する酸素ストレージ容量に相当する)からどの程度低下しているかによって触媒劣化を診断することができる。例えば、下流側空燃比センサ20によって検出される三元触媒15下流側の排気空燃比がリーンからリッチに反転したときに酸素ストレージ量が0であるとみなすことができ、逆にリッチからリーンに反転したときに酸素ストレージ量が飽和したとみなすことができるので、上流側空燃比センサ19が検出した排気空燃比に基づいて推定される酸素ストレージ量との関係から現在の酸素ストレージ容量を求めることができる。この現在の酸素ストレージ容量を基準酸素ストレージ容量と比較することで、触媒が劣化しているか否かが判定される。例えば、現在の酸素ストレージ容量が基準酸素ストレージ容量よりも所定の割合だけ低下していたら劣化していると判定される。
 ここで、劣化判定の基準となる基準酸素ストレージ容量は、本実施例では、三元触媒15に流入するガス流量を考慮して設定される。前述したように、運転中の三元触媒15の実質的な酸素ストレージ容量は三元触媒15に流入するガス流量の影響を受ける。三元触媒15を流れるガス流量が大であると、三元触媒15の触媒層を通過するガスの流速が高くなり、ガス流量が少ない場合に比較して相対的に酸素ストレージ量が少ない段階で下流側に酸素およびNOxが流出する。従って、このガス流量の影響を考慮せずに新品時の酸素ストレージ容量に対応して基準酸素ストレージ容量を固定的に定めたとすると、実質的な酸素ストレージ容量が低下するガス流量が大であるときに誤判定が生じ得る。
 本実施例では、ガス流量が大であるほど基準酸素ストレージ容量が小となるように、ガス流量に応じて基準酸素ストレージ容量が設定される。ここで、一実施例では、三元触媒15に流入するガス流量に相当するパラメータとして、エアフロメータ11が検出した吸入空気量が用いられる。なお、「吸入空気量」は、気筒のサイクル当たりの空気量ではなく、内燃機関1に吸入される(つまりエアフロメータ11を通過する)単位時間当たりの空気の流量を意味している。
 またエンジンコントローラ9が実行する制御の1つには、三元触媒15の触媒性能の一時劣化(一時被毒とも呼ばれる)を抑制ないし解除するためのパータベーション制御が含まれる。パータベーション制御は、当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返すものであり、例えば、複数気筒を有する内燃機関1において燃焼順序に従ってN回のリッチ燃焼を連続して行い、次いでN回のリーン燃焼を連続して行い、これらを周期的に繰り返す。触媒の一時劣化は、触媒金属表面に酸素やHC等が付着して触媒金属表面積が減少し、触媒性能が低下する現象であり、触媒に接するガスの空燃比を比較的大幅に周期変動させると触媒金属表面を覆っていた被毒物質が剥がれ落ち、触媒性能が回復する。なお、このようなパータベーション制御中も平均的な空燃比は理論空燃比近傍に維持される。
 前述したように一実施例の内燃機関1は図2に例示した4つの運転点P1~P4で運転されるが、最も高速高負荷側である運転点P4の下では触媒の一時劣化が生じやすい。特にシリーズハイブリッド車両の発電用途では同じ運転点での運転が比較的長い時間継続される。そのため、一実施例においては、運転点P4で内燃機関1が運転されるときに、並行してパータベーション制御を実行する。これにより触媒の一時劣化が抑制ないし解除される。
 ここで、パータベーション制御は、三元触媒15におけるHC、CO、NOxの転換率が確保される範囲で行う必要がある。例えば、パータベーション制御におけるリーン燃焼期間(換言すれば連続したリーン燃焼の回数N)が過度に長いと三元触媒15の酸素ストレージ量が飽和した後もリーン燃焼が行われる結果、NOxが三元触媒15の下流に流出し、同様に、リッチ燃焼期間(連続したリッチ燃焼の回数N)が過度に長いと三元触媒15の酸素ストレージ量が0となった後もリッチ燃焼が行われる結果、HC等が三元触媒15の下流に流出する。そのため、リーン側およびリッチ側の双方で転換率が低下しないように、パータベーション制御における最適なリッチ/リーン変動周期は、三元触媒15の酸素ストレージ容量に応じたものとなる。前述したように実質的な酸素ストレージ容量は三元触媒15に流入するガス流量の大小の影響を受けるので、一実施例においては、三元触媒15に流入するガス流量つまり吸入空気量に応じた上記の基準酸素ストレージ容量に基づいて、パータベーション制御におけるリッチ/リーンの周期が設定される。具体的には、ガス流量が大で基準酸素ストレージ容量が小さな値となると、周期が相対的に短く設定される。例えば図2の運転点P4は、他の運転点P1~P3に比較してガス流量(吸入空気量)が大となるが、そのときの基準酸素ストレージ容量に基づいてパータベーション制御における周期が相対的に短い値に設定されるので、上述したようなリッチ燃焼期間ないしリーン燃焼期間が過度に長いことによる転換率の低下を抑制しつつ一時劣化の解除が図れる。
 図3は、一実施例の基準酸素ストレージ容量に関する制御の機能ブロック図である。なお、このブロック図で示す機能は、エンジンコントローラ9が実行するソフトウェアもしくはハードウェアによって実現される。図示するように、この機能ブロック図には、吸入空気量演算部101と、酸素量演算部102と、酸素ストレージ推定部103と、触媒診断部104と、空燃比制御部105と、周期設定部106と、が含まれている。酸素ストレージ推定部103は、基準酸素ストレージ容量演算部107と、酸素ストレージ量演算部108と、リーン側リセット部109と、リッチ側リセット部110と、を備えている。
 吸入空気量演算部101は、エアフロメータ11の検出信号に基づき、内燃機関1に吸入される吸入空気量を算出する。この吸入空気量は、三元触媒15に流入するガス流量とみなされる。酸素量演算部102は、上流側空燃比センサ19が検出した排気空燃比と三元触媒15に流入するガス流量つまり吸入空気量とに基づいて三元触媒15に流れ込む単位時間当たりの酸素量を求める。なお、酸素量は正・負の双方の値で与えられる。つまりリッチ空燃比であれば酸素量は負の値となる。酸素ストレージ量演算部108は、酸素量演算部102が出力する単位時間当たりの酸素量を積算していくことで、現在の酸素ストレージ量を算出する。この現在の酸素ストレージ量の値は、触媒診断部104および空燃比制御部105にそれぞれ入力される。
 基準酸素ストレージ容量演算部107は、吸入空気量演算部101が出力する吸入空気量(つまり三元触媒15に流入するガス流量)に応じて基準酸素ストレージ容量を求める。一実施例においては、吸入空気量をパラメータとして基準酸素ストレージ容量の値を割り付けた図4に示すような特性のマップを備えており、このマップを用いて吸入空気量に対応する基準酸素ストレージ容量を求める。図4に示すように、吸入空気量が大であるほど基準酸素ストレージ容量は小となる。
 なお、酸素ストレージ量および基準酸素ストレージ容量のいずれも酸素の質量(単位g)でもって取り扱うことができるが、慣用的には、三元触媒15が新品でかつガス流量が最小であるときの酸素ストレージ量を100(%)として、これに対するパーセンテージでもって示すことができる。従って、基準酸素ストレージ容量は、吸入空気量が最小であるときに100(%)であり、吸入空気量が大であるほど小さなパーセンテージとなる。
 このようにして基準酸素ストレージ容量演算部107が求めた基準酸素ストレージ容量の値は、酸素ストレージ量演算部108に上限値として与えられる。酸素ストレージ量演算部108が出力する酸素ストレージ量は、この上限値によって制限される。つまり、酸素ストレージ量演算部108での積算により推定される酸素ストレージ量は、吸入空気量を考慮した基準酸素ストレージ容量を越えることがない。
 また、基準酸素ストレージ容量演算部107が求めた基準酸素ストレージ容量の値は、触媒診断部104、空燃比制御部105および周期設定部106にそれぞれ入力される。
 触媒診断部104では、前述したように現在の酸素ストレージ容量を基準酸素ストレージ容量と比較することで、触媒が劣化しているか否かを判定するのであるが、比較対象となる基準酸素ストレージ容量として吸入空気量を考慮した基準酸素ストレージ容量の値が用いられる。これにより、例えば三元触媒15に流入するガス流量が大であるときの誤判定が抑制される。
 空燃比制御部105では、吸入空気量を考慮した基準酸素ストレージ容量を用いて、空燃比制御における目標酸素ストレージ量を設定する。例えば基準酸素ストレージ容量の1/2の値が目標酸素ストレージ量として設定される。これにより、ガス流量に応じて変化する実際の酸素ストレージ容量に適した空燃比制御が実現される。
 周期設定部106では、吸入空気量に応じた基準酸素ストレージ容量に基づいて、上述したパータベーション制御におけるリッチ/リーンの周期を設定する。基準酸素ストレージ容量が小であるほど、周期が短く設定される。なお、パータベーション制御が特定の1つの運転点(負荷および回転速度)でのみ行われる場合には、基本的に吸入空気量が特定の1つの値になり得るので、周期が1つの固定的な値になり得る。
 酸素ストレージ推定部103に含まれるリーン側リセット部109およびリッチ側リセット部110は、下流側空燃比センサ20の検出空燃比のリーン/リッチへの反転に基づいて、酸素ストレージ量演算部108が積算ないし推定している現在の酸素ストレージ量をリセットするものである。例えば、リーン側リセット部109は、下流側空燃比センサ20の検出空燃比がリーンとなったときに三元触媒15の酸素ストレージ能力が飽和したものとみなし、基準酸素ストレージ容量の値を用いて酸素ストレージ量の推定値をリセットする。ここで、基準酸素ストレージ容量としては基準酸素ストレージ容量演算部107が出力する吸入空気量を考慮した基準酸素ストレージ容量が用いられる。一例として吸入空気量を考慮した基準酸素ストレージ容量が90(%)であるとすると、飽和したとみなされた現在の酸素ストレージ量が90(%)にリセットされる。リッチ側リセット部110は、下流側空燃比センサ20の検出空燃比がリッチとなったときに三元触媒15の酸素ストレージ量が0になったとみなし、酸素ストレージ量の推定値を0にリセットする。このようなリーン側リセット部109およびリッチ側リセット部110を有することで、積算により推定される酸素ストレージ量の精度が高くなる。
 以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、三元触媒15に流入するガス流量に相当するパラメータとして吸入空気量を用いているが、吸入空気量を基礎に燃焼を考慮して排気ガス流量を算出するようにしてもよく、あるいは、何らかの手段で排気通路を流れる排気ガス流量を検出するようにしてもよい。
 なお、上記実施例において「吸入空気量」は質量流量および体積流量のいずれであってもよく、例えば、図4に示したような目標酸素ストレージ量と吸入空気量との関係をそれぞれに適した形で設定すればよい。
 また、上記実施例ではシリーズハイブリッド車両における発電用内燃機関にこの発明を適用した例を説明したが、この発明は、発電用内燃機関に限らず、車両を駆動する内燃機関に広く適用が可能である。
 また上記実施例ではパータベーション制御を特定の運転点において常に実行するようになっているが、運転点に拘わらずに、触媒の一時劣化を検出ないし推定したときにパータベーション制御を行うようにしてもよい。
 さらに、上記実施例では、「基準酸素ストレージ容量」を各々の吸入空気量の下で酸素ストレージ量が飽和することとなる最大の酸素ストレージ容量として取り扱っているが、本発明においては、現在の酸素ストレージ容量と大小比較される閾値そのものを「基準酸素ストレージ容量」として吸入空気量ないしガス流量に応じて求めるようにしてもよい。

Claims (7)

  1.  排気通路に三元触媒を備え、この三元触媒の酸素ストレージ容量の基準酸素ストレージ容量からの低下に基づいて触媒劣化を診断する内燃機関の制御方法において、
     上記基準酸素ストレージ容量を、上記三元触媒に流入するガス流量に応じて、当該ガス流量が大であるほど基準酸素ストレージ容量が小となるように設定する、
     内燃機関の制御方法。
  2.  内燃機関に吸入される空気の流量を上記ガス流量とみなす、
     請求項1に記載の内燃機関の制御方法。
  3.  内燃機関に吸入される空気の流量をパラメータとするテーブルから上記基準酸素ストレージ容量を求める、
     請求項2に記載の内燃機関の制御方法。
  4.  触媒の一時劣化解除のために当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返すパータベーション制御を行うとともに、このパータベーション制御のリッチ/リーン変動周期を、上記のガス流量を考慮した基準酸素ストレージ容量に基づいて設定する、
     請求項1に記載の内燃機関の制御方法。
  5.  上記三元触媒の酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量となるように空燃比制御を行うとともに、上記目標酸素ストレージ量を、上記のガス流量を考慮した基準酸素ストレージ容量に基づいて設定する、
     請求項1に記載の内燃機関の制御方法。
  6.  上記三元触媒に流入するガスに基づき上記三元触媒の酸素ストレージ量を推定するとともに、上記三元触媒の下流の空燃比がリーンに反転したときに、上記のガス流量を考慮した基準酸素ストレージ容量を用いて酸素ストレージ量推定値をリセットする、
     請求項1に記載の内燃機関の制御方法。
  7.  内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、この三元触媒の上流側および下流側にそれぞれ設けられた上流側空燃比センサおよび下流側空燃比センサと、燃料噴射量を制御するコントローラと、を備え、上記コントローラは、上記三元触媒の酸素ストレージ容量の基準酸素ストレージ容量からの低下に基づいて触媒劣化を診断する内燃機関の制御装置において、
     上記コントローラは、上記基準酸素ストレージ容量を、上記三元触媒に流入するガス流量に応じて、当該ガス流量が大であるほど基準酸素ストレージ容量が小となるように設定する、
     内燃機関の制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06212955A (ja) * 1993-01-22 1994-08-02 Honda Motor Co Ltd 内燃エンジンの触媒劣化検出装置
WO2012086078A1 (ja) * 2010-12-24 2012-06-28 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置

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