JP2002180875A - 内燃機関の排出ガス浄化制御装置 - Google Patents
内燃機関の排出ガス浄化制御装置Info
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Abstract
媒(又は触媒群)を効率良く使用して排出ガスを効率良
く浄化できるようにする。 【解決手段】 エンジン11の排気管21に上流側触媒
22と下流側触媒23とを直列に配置し、上流側触媒2
2の上流側及び下流側と、下流側触媒23の下流側に、
それぞれ、排出ガスの空燃比又はリッチ/リーンを検出
する第1〜第3センサ24〜26を配置する。エンジン
制御用のECU29は、下流側触媒23の状態がリッチ
のときに、上流側触媒22の状態がリーンとなるように
空燃比を制御し、下流側触媒23の状態がリーンのとき
に、上流側触媒22の状態がリッチとなるように空燃比
を閉ループ制御する。これにより、上流側触媒23と下
流側触媒24の両方を有効に使用して排出ガス中のリッ
チ成分とリーン成分を効率良く浄化することができる。
Description
触媒又は複数の触媒群を直列に配置した内燃機関の排出
ガス浄化制御装置に関するものである。
高めるために、エンジンの排気管の途中に、排出ガス浄
化用の触媒を2個直列に設置したものがある。このもの
は、上流側触媒の上流側と下流側触媒の下流側にそれぞ
れ空燃比センサ(又は酸素センサ)を配置し、上流側触
媒に流入する排出ガスの空燃比を上流側のセンサで検出
してこれを目標空燃比に一致させるように空燃比閉ルー
プ制御を行うと共に、下流側触媒を通過した排出ガスの
空燃比を下流側のセンサで検出してこれを所定値に一致
させるように上流側の目標空燃比を補正するようにして
いる。
ス浄化率は、触媒のリーン/リッチ成分の吸着状態によ
って変化し、触媒の吸着状態がストイキ付近のときに排
出ガス中のリッチ成分(HC、CO等)とリーン成分
(NOx等)の両方を最も効率良く浄化でき、最も高い
排出ガス浄化率を得ることができる。しかし、上記従来
の空燃比閉ループシステムでは、上流側触媒の状態がリ
ッチのときは下流側触媒の状態もリッチになる傾向があ
り、また、上流側触媒の状態がリーンのときは下流側触
媒の状態もリーンになる傾向がある。その結果、上流側
触媒状態と下流側触媒状態の両方を同時にリッチ又はリ
ーンに制御してしまう傾向があり、2つの触媒を効率良
く利用した排出ガスの浄化を行うことができないため、
2つの触媒を用いる割りには排出ガス浄化率向上の効果
が小さいものとなっていた。
たものであり、従ってその目的は、排気通路に直列に配
置した複数の触媒(又は触媒群)を効率良く使用して排
出ガスを効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率
を高めることができる内燃機関の排出ガス浄化制御装置
を提供することにある。
に、本発明の請求項1の排出ガス浄化制御装置は、排気
通路の上流側に配置された触媒又は触媒群(以下「上流
側触媒」という)の状態を上流側触媒状態検出手段によ
り検出又は推定すると共に、下流側に配置された触媒又
は触媒群(以下「下流側触媒」という)の状態を下流側
触媒状態検出手段により検出又は推定し、図6に示すよ
うに、上流側触媒状態と下流側触媒状態の一方がリッチ
で他方がリーンとなるように空燃比を空燃比制御手段に
より制御する。
は、上流側触媒の浄化特性は、排出ガス中のリーン成分
(NOx等)の浄化率が高くなるが、リッチ成分(H
C、CO等)の浄化率が相対的に低下するため、上流側
触媒から流出する排出ガス中のリッチ成分が相対的に多
くなるが、この場合は、下流側触媒状態がリーンとなる
ように制御されるため、上流側触媒で浄化できなかった
リッチ成分をリーン状態の下流側触媒で効率良く浄化す
ることができる。一方、上流側触媒状態がリーンのとき
には、上流側触媒から流出する排出ガス中のリーン成分
が相対的に多くなるが、この場合は、下流側触媒状態が
リッチとなるように制御されるため、上流側触媒で浄化
できなかったリーン成分をリッチ状態の下流側触媒で効
率良く浄化することができる。このようにして、上流側
触媒と下流側触媒の両方を有効に使用して排出ガス中の
リッチ成分とリーン成分を効率良く浄化することがで
き、排出ガス浄化率を高めることができる。
状態検出手段及び下流側触媒状態検出手段として、各触
媒又は各触媒群の下流側に排出ガスの空燃比又はリッチ
/リーンを検出するセンサを配置しても良い。上述した
ように、触媒状態がリッチのときには、触媒から流出す
る排出ガス中のリッチ成分が相対的に多くなり、また、
触媒状態がリーンのときには、触媒から流出する排出ガ
ス中のリーン成分が相対的に多くなるため、触媒から流
出する排出ガスの空燃比又はリッチ/リーンを検出すれ
ば、その検出値から触媒の状態を推定することができ
る。
に応じて上流側触媒状態をリッチ又はリーンに制御する
際に、上流側触媒の浄化率が所定値以下とならないよう
に該上流側触媒のリッチ/リーン度合を所定範囲内に制
限することが好ましい。このようにすれば、空燃比の過
補正による上流側触媒の浄化率低下を防止することがで
きる。
流出する排出ガスの空燃比をセンサで検出して、この空
燃比を下流側触媒のガス成分吸着状態のリッチ/リーン
と逆側に制御するようにしても良い。このようにすれ
ば、前記請求項1と同じく、上流側触媒と下流側触媒の
両方を有効に使用して排出ガス中のリッチ成分とリーン
成分を効率良く浄化することができ、排出ガス浄化率を
高めることができる。
れた触媒又は触媒群(以下「上流側触媒」という)に流
入する排出ガスの空燃比又はリッチ/リーンを検出する
第1センサと、上流側触媒から流出する排出ガスの空燃
比又はリッチ/リーンを検出する第2センサと、下流側
に配置された触媒又は触媒群(以下「下流側触媒」とい
う)から流出する排出ガスの空燃比又はリッチ/リーン
を検出する第3センサとを備えたシステムにおいて、下
流側セカンド閉ループ制御手段によって、下流側触媒の
下流側の第3センサの出力に基づいて下流側触媒の上流
側(上流側触媒の下流側)の第2センサの目標出力(下
流側触媒の上流側の目標空燃比)を設定すると共に、上
流側セカンド閉ループ制御手段によって、上流側触媒の
下流側の第2センサの出力とその目標出力との偏差に基
づいて上流側触媒の上流側の第1センサの目標出力(上
流側触媒の上流側の目標空燃比)を設定し、空燃比閉ル
ープ制御手段によって、第1センサの出力とその目標出
力との偏差に基づいて空燃比を閉ループ制御するように
しても良い。このようにすれば、下流側触媒の下流側の
第3センサの出力に基づく下流側セカンド閉ループ制御
と、上流側触媒の下流側の第2センサの出力に基づく上
流側セカンド閉ループ制御とによって、上流側触媒と下
流側触媒の両方をバランス良く使用できる空燃比に制御
することができて、上流側触媒と下流側触媒の両方によ
って排出ガス中のリッチ成分とリーン成分を効率良く浄
化することができ、排出ガス浄化率を高めることができ
る。
の上流側の第1センサにより検出された空燃比が目標空
燃比となるように空燃比を空燃比閉ループ制御手段によ
り閉ループ制御する際に、上流側触媒の下流側の第2セ
ンサの出力とその目標出力との偏差に基づいて前記目標
空燃比を上流側セカンド閉ループ制御により補正すると
共に、下流側触媒の下流側の第3センサの出力に基づい
て上流側触媒の下流側の第2センサの目標出力を下流側
セカンド閉ループ制御手段により補正するようにしても
良い。このようにしても、前記請求項5と同様の効果を
得ることができる。
力に基づいて第2センサの目標出力を補正するマップを
備え、該マップは、前記第3センサの出力が第1の所定
値よりも大きい時、及び、該第1の所定値より小さい第
2の所定値よりも小さい時、第2センサの目標出力が一
定値となるように設定しても良い。このようにすれば、
内燃機関の運転状態や上流側触媒の状態によって下流側
触媒に流入する排出ガスの空燃比が大きく変動した場合
でも、第2センサの目標出力を上流側触媒と下流側触媒
の両方をバランス良く使用できる範囲内に制限すること
ができ、空燃比の過補正による排出ガス浄化率の低下を
防止することができる。
に基づいて説明する。まず、図1に基づいてエンジン制
御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関である
エンジン11の吸気管12の最上流部には、エアクリー
ナ13が設けられ、このエアクリーナ13の下流側に
は、吸入空気量を検出するエアフローメータ14が設け
られている。このエアフローメータ14の下流側には、
スロットルバルブ15とスロットル開度を検出するスロ
ットル開度センサ16とが設けられている。
は、サージタンク17が設けられ、このサージタンク1
7に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ18が設
けられている。また、サージタンク17には、エンジン
11の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド19が
設けられ、各気筒の吸気マニホールド19の吸気ポート
近傍に、燃料を噴射する燃料噴射弁20が取り付けられ
ている。
路)の途中には、排出ガス中のCO,HC,NOx等を
低減させる三元触媒等の上流側触媒22と下流側触媒2
3が直列に設置されている。更に、上流側触媒22の上
流側及び下流側と、下流側触媒23の下流側には、それ
ぞれ第1センサ24、第2センサ25、第3センサ26
が設置されている。この場合、第1センサ24は、上流
側触媒22に流入する排出ガスの空燃比に応じたリニア
な空燃比信号を出力する空燃比センサ(リニアA/Fセ
ンサ)が用いられ、第2センサ25と第3センサ26
は、各触媒22,23から流出する排出ガスのリッチ/
リーンに応じて出力電圧が反転する酸素センサが用いら
れている。第2センサ25と第3センサ26は、上流側
触媒22の吸着状態と下流側触媒23の吸着状態を検出
する上流側触媒状態検出手段と下流側触媒状態検出手段
として機能する。尚、第2センサ25及び/又は第3セ
ンサ26は、第1センサ24と同じく、空燃比センサ
(リニアA/Fセンサ)を用いても良く、勿論、第1セ
ンサ24として酸素センサを用いても良い。
は、冷却水温を検出する冷却水温センサ27や、エンジ
ン回転数NEを検出するクランク角センサ28が取り付
けられている。
回路(以下「ECU」と表記する)29に入力される。
このECU29は、マイクロコンピュータを主体として
構成され、内蔵されたROM(記憶媒体)に記憶された
図2乃至図4の各プログラムを実行することで、空燃比
を閉ループ制御する空燃比制御手段としての役割を果た
す。
図3及び図4のプログラムを実行することで、下流側触
媒23の下流側の第3センサ26の出力に基づいて、下
流側触媒23の上流側の第2センサ25の目標出力Vtg
(下流側触媒23の上流側の目標空燃比)を設定する下
流側セカンド閉ループ制御を実施すると共に、下流側触
媒23の上流側の第2センサ25の出力とその目標出力
Vtgとの偏差に基づいて上流側触媒22の上流側の第1
センサ24の目標出力(上流側触媒22の上流側の目標
空燃比λTG)を設定する上流側セカンド閉ループ制御を
実施する。これらの機能が特許請求の範囲でいう下流側
セカンド閉ループ制御手段と上流側セカンド閉ループ制
御手段に相当する。
サ24の出力とその目標出力(目標空燃比λTG)との偏
差に基づいて空燃比補正係数FAFを算出する(後述す
る図2のステップ104)。この機能が特許請求の範囲
でいう空燃比閉ループ制御手段に相当する。以下、これ
らの制御を実行する各プログラムの処理内容を説明す
る。
プログラムは、空燃比の閉ループ制御を通じて要求燃料
噴射量TAUを設定するプログラムであり、所定クラン
ク角毎に実行される。本プログラムが起動されると、ま
ず、ステップ101で、現在の吸気管圧力、エンジン回
転速度等の運転状態パラメータに基づいてマップ等から
基本燃料噴射量TPを算出し、次のステップ102で、
空燃比閉ループ制御条件が成立しているか否かを判定す
る。ここで、空燃比閉ループ制御条件は、エンジン冷却
水温が所定温度以上であること、エンジン運転状態が高
回転・高負荷領域ではないこと等であり、これらの条件
を全て満たしたときに空燃比閉ループ制御条件が成立す
る。
御条件が不成立と判定された場合にはステップ106に
進み、空燃比補正係数FAFを「1.0」に設定して、
ステップ105に進む。この場合は、空燃比の閉ループ
補正は行われない。
ープ制御条件が成立していると判定された場合は、ステ
ップ103に進み、後述する図3の目標空燃比設定プロ
グラムを実行して上流側触媒22上流側の目標空燃比λ
TGを設定し、次のステップ104で、上流側触媒22の
上流側の第1センサ24の出力(排出ガスの空燃比)と
目標空燃比λTGとの偏差に応じて空燃比補正係数FAF
を算出する。
量TP、空燃比補正係数FAF及び他の補正係数FAL
Lを用いて、次式により燃料噴射量TAUを算出して、
本プログラムを終了する。TAU=TP×FAF×FA
LL
103で実行される図3の目標空燃比設定プログラムの
処理内容を説明する。本プログラムが起動されると、ま
ず、ステップ201で、図4の目標電圧設定プログラム
を実行し、第3センサ26の出力電圧(下流側触媒23
下流側の空燃比)に応じてマップにより第2センサ25
の目標電圧Vtgを設定する。この目標電圧Vtgのマップ
特性は、第3センサ26の出力電圧が所定範囲内(第2
の所定値A<出力電圧<第1の所定値B)の領域では、
第3センサ26の出力電圧が高くなるほど、第2センサ
25の目標電圧Vtgが低くなり、第3センサ26の出力
電圧が第2の所定値A以下の領域では、第2センサ25
の目標電圧Vtgが上限値で一定となり、第3センサ26
の出力電圧が第1の所定値B以上の領域では、第2セン
サ25の目標電圧Vtgが下限値で一定となる。
02に進み、上流側触媒22下流側に配置された第2セ
ンサ25の出力電圧VOX2が目標電圧Vtgより高いか
低いかによって、上流側触媒22の状態がリッチかリー
ンかを判定し、リーンのときには、ステップ203に進
み、前回もリーンであったか否かを判定する。前回も今
回もリーンである場合には、ステップ204に進み、リ
ッチ積分量λIRを、現在の吸入空気量に応じてマップ等
から算出する。この際、吸入空気量が多くなるほど、リ
ッチ積分量λIRが小さくなるように設定される。リッチ
積分量λIRの算出後、ステップ205に進み、目標空燃
比λTGをλIRだけリッチ側に補正し、そのときのリッチ
/リーンを記憶して(ステップ213)、本プログラム
を終了する。
場合には、ステップ206に進み、リッチ側へのスキッ
プ量λSKR を、第3センサ26の出力(下流側触媒23
の吸着状態)に応じてマップ等から算出する。これによ
り、下流側触媒23のリーン成分吸着量が多くなるほ
ど、リッチスキップ量λSKR が大きくなるように設定さ
れる。リッチスキップ量λSKR の算出後、ステップ20
7進み、目標空燃比λTGをλIR+λSKR だけリッチ側に
補正し、そのときのリッチ/リーンを記憶して(ステッ
プ213)、本プログラムを終了する。
25の出力電圧VOX2が目標電圧Vtgより高い(上流
側触媒22の状態がリッチ)と判定された場合には、ス
テップ208に進み、前回もリッチであったか否かを判
定する。前回も今回もリッチである場合には、ステップ
209に進み、リーン積分量λILを現在の吸入空気量に
応じてマップ等から算出する。この際、吸入空気量が多
くなるほど、リーン積分量λILが小さくなるように設定
される。リーン積分量λILの算出後、ステップ210に
進み、目標空燃比λTGをλILだけリーン側に補正し、そ
のときのリッチ/リーンを記憶して(ステップ21
3)、本プログラムを終了する。
した場合には、ステップ211に進み、リーン側へのス
キップ量λSKL を、第3センサ26の出力(下流側触媒
23の吸着状態)に応じてマップ等から算出する。これ
により、下流側触媒23のリッチ成分吸着量が多くなる
ほど、リーンスキップ量λSKR が大きくなるように設定
される。この後、ステップ212に進み、目標空燃比λ
TGをλIL+λSKL だけリーン側に補正し、そのときのリ
ッチ/リーンを記憶して(ステップ213)、本プログ
ラムを終了する。
動を図5のタイムチャートに基づいて説明する。下流側
触媒23下流側の第3センサ26の出力電圧(下流側触
媒23の状態)に応じて、上流側触媒22下流側の第2
センサ25の目標電圧Vtgが設定される。これにより、
下流側触媒23の状態がリーンのときに、第2センサ2
5の目標電圧Vtgがリッチ側に設定され、下流側触媒2
3の状態がリッチのときに、第2センサ25の目標電圧
Vtgがリーン側に設定される。
電圧と目標電圧Vtgとを比較し、第2センサ25の出力
電圧が目標電圧Vtgを横切る毎に、上流側触媒22上流
側の目標空燃比λTGがリッチ側又はリーン側にスキップ
する。このような制御を行うことで、下流側触媒23の
状態がリッチのときに、上流側触媒22の状態がリーン
となるように空燃比が制御され、下流側触媒23の状態
がリーンのときに、上流側触媒22の状態がリッチとな
るように空燃比が制御される。
ときには、上流側触媒22の浄化特性は、排出ガス中の
リーン成分(NOx等)の浄化率が高くなるが、リッチ
成分(HC、CO等)の浄化率が相対的に低下するた
め、上流側触媒22から流出する排出ガス中のリッチ成
分が相対的に多くなるが、この場合は、下流側触媒23
の状態がリーンとなるように制御されるため、上流側触
媒22で浄化できなかったリッチ成分をリーン状態の下
流側触媒23で効率良く浄化することができる。一方、
上流側触媒22の状態がリーンのときには、上流側触媒
22から流出する排出ガス中のリーン成分が相対的に多
くなるが、この場合は、下流側触媒23の状態がリッチ
となるように制御されるため、上流側触媒22で浄化で
きなかったリーン成分をリッチ状態の下流側触媒23で
効率良く浄化することができる。このようにして、上流
側触媒23と下流側触媒24の両方を有効に使用して排
出ガス中のリッチ成分とリーン成分を効率良く浄化する
ことができ、排出ガス浄化率を高めることができる。
出力電圧に応じて第2センサ25の目標電圧Vtgを設定
する際に、目標電圧Vtgの上限値と下限値を設けて、目
標電圧Vtgを所定範囲内に制限するようにしたので、上
流側触媒22のリッチ/リーン度合を所定範囲内に制限
することができて、空燃比の過補正による上流側触媒2
2の浄化率低下を防止することができる。
る排出ガスの空燃比(第2センサ25の出力)が下流側
触媒23のガス成分吸着状態のリッチ/リーン(第3セ
ンサ26の出力)と逆側となるように制御しても良く、
この場合でも、前記実施形態と同じく、上流側触媒22
と下流側触媒23の両方を有効に使用して排出ガス中の
リッチ成分とリーン成分を効率良く浄化することがで
き、排出ガス浄化率を高めることができる。
の触媒22,23を直列に配置した実施形態であるが、
3個以上の触媒を配置して、それを2つの触媒群に区分
し、各触媒群を1個の触媒と見なして本発明を適用して
も良い。
ム全体の概略構成図
フローチャート
フローチャート
ローチャート
センサ出力の挙動を示すタイムチャート
すタイムチャート
アフローメータ、20…燃料噴射弁、21…排気管(排
気通路)、22…上流側触媒、23…下流側触媒、24
…第1センサ、25…第2センサ(上流側触媒状態検出
手段),26…第3センサ(下流側触媒状態検出手
段)、29…ECU(空燃比制御手段,上流側セカンド
閉ループ制御手段,下流側セカンド閉ループ制御手
段)。
Claims (7)
- 【請求項1】 排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群
を直列に配置した内燃機関において、 上流側に配置された触媒又は触媒群(以下「上流側触
媒」という)の状態を検出又は推定する上流側触媒状態
検出手段と、 下流側に配置された触媒又は触媒群(以下「下流側触
媒」という)の状態を検出又は推定する下流側触媒状態
検出手段と、 上流側触媒状態と下流側触媒状態の一方がリッチで他方
がリーンとなるように空燃比を制御する空燃比制御手段
とを備えていることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄
化制御装置。 - 【請求項2】 前記上流側触媒状態検出手段及び前記下
流側触媒状態検出手段として、各触媒又は各触媒群の下
流側に排出ガスの空燃比又はリッチ/リーンを検出する
センサが配置されていることを特徴とする請求項1に記
載の内燃機関の排出ガス浄化制御装置。 - 【請求項3】 前記空燃比制御手段は、下流側触媒状態
に応じて上流側触媒状態をリッチ又はリーンに制御する
際に、上流側触媒の浄化率が所定値以下とならないよう
に該上流側触媒のリッチ/リーン度合を所定範囲内に制
限することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機
関の排出ガス浄化制御装置。 - 【請求項4】 排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群
を直列に配置した内燃機関において、 上流側に配置された触媒又は触媒群(以下「上流側触
媒」という)から流出する排出ガスの空燃比又はリッチ
/リーンを検出するセンサと、 下流側に配置された触媒又は触媒群(以下「下流側触
媒」という)のガス成分吸着状態を検出又は推定する下
流側触媒状態検出手段と、 上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比を下流側触媒
のガス成分吸着状態のリッチ/リーンと逆側に制御する
空燃比制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機
関の排出ガス浄化制御装置。 - 【請求項5】 排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群
を直列に配置した内燃機関において、 上流側に配置された触媒又は触媒群(以下「上流側触
媒」という)に流入する排出ガスの空燃比又はリッチ/
リーンを検出する第1センサと、 前記上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比又はリッ
チ/リーンを検出する第2センサと、 下流側に配置された触媒又は触媒群(以下「下流側触
媒」という)から流出する排出ガスの空燃比又はリッチ
/リーンを検出する第3センサと、 前記第3センサの出力に基づいて前記第2センサの目標
出力を設定する下流側セカンド閉ループ制御手段と、 前記第2センサの出力とその目標出力との偏差に基づい
て前記第1センサの目標出力を設定する上流側セカンド
閉ループ制御手段と、 前記第1センサの出力とその目標出力との偏差に基づい
て空燃比を閉ループ制御する空燃比閉ループ制御手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化
制御装置。 - 【請求項6】 排気通路に複数の触媒又は複数の触媒群
を直列に配置した内燃機関において、 上流側に配置された触媒又は触媒群(以下「上流側触
媒」という)に流入する排出ガスの空燃比又はリッチ/
リーンを検出する第1センサと、 前記上流側触媒から流出する排出ガスの空燃比又はリッ
チ/リーンを検出する第2センサと、 下流側に配置された触媒又は触媒群(以下「下流側触
媒」という)から流出する排出ガスの空燃比又はリッチ
/リーンを検出する第3センサと、 前記第1センサにより検出された空燃比が目標空燃比と
なるように空燃比を閉ループ制御する空燃比閉ループ制
御手段と、 前記第2センサの出力とその目標出力との偏差に基づい
て前記目標空燃比を補正する上流側セカンド閉ループ制
御手段と、 前記第3センサの出力に基づいて前記第2センサの目標
出力を補正する下流側セカンド閉ループ制御手段とを備
えていることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化制御
装置。 - 【請求項7】 前記下流側セカンド閉ループ制御手段
は、前記第3センサの出力に基づいて前記第2センサの
目標出力を補正するマップを備え、該マップは、前記第
3センサの出力が第1の所定値よりも大きい時、及び、
該第1の所定値より小さい第2の所定値よりも小さい
時、前記第2センサの目標出力が一定値となるように設
定されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の
内燃機関の排出ガス浄化制御装置。
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