JP2007198288A

JP2007198288A - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP2007198288A
Application number: JP2006018952A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kimura; 光壱木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、硫黄濃度の高い燃料が使用される場合であっても、良好な排気浄化性能を維持することを目的とする。
【解決手段】主触媒（貴金属）と助触媒を含む三元触媒を備える。最大酸素吸蔵量Cmax値＜閾値であること、かつ、走行距離＜閾値であること、かつ、上記熱劣化影響履歴がないことのすべての条件が成立すると判断された場合に、助触媒が劣化していると判断する（ステップ１００）。そして、その場合には、リッチ側への空燃比制御を制限すべく、目標空燃比の制御中心をストイキに対してリーン側の値にシフトさせる（ステップ１０２）。
【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、特に、排気通路に三元触媒を備える内燃機関を制御する装置として好適な空燃比制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関の空燃比制御装置が開示されている。この従来の装置は、内燃機関の排気系に配設される触媒の硫黄被毒による酸素吸蔵能力の低下（劣化）を、経年変化による劣化と区別して検出するというものである。より具体的には、触媒（三元触媒）の下流側に配設された酸素センサの最大出力値が所定値以下になったときに、硫黄被毒していると判定している。そして、上記従来の装置では、触媒が硫黄被毒していると判定された場合に、空燃比を一定期間に渡ってリッチ化することで、触媒の脱硫処理を行うようにしている。

特開平８−１４４７４６号公報特開２００２−９７９３８号公報特開２００２−３６４４１号公報特開２００４−７６６８１号公報

上記従来の空燃比制御装置の手法は、触媒に硫黄被毒が生じたという結果に受けて、制御（脱硫）を行うものであり、硫黄濃度の高い燃料の使用中における排気浄化対策という点において、未だ改善の余地を有するものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、硫黄濃度の高い燃料が使用される場合であっても、良好な排気浄化性能を維持し得る内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、主触媒と助触媒を含む三元触媒を備える内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記主触媒の劣化と前記助触媒の劣化を判別する劣化判別手段と、
前記劣化判別手段によって前記助触媒が劣化していると判断された場合に、理論空燃比に対するリッチ側への空燃比制御を制限する空燃比制御制限手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記三元触媒の酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
前記三元触媒の温度情報を取得する温度情報取得手段とを更に備え、
前記劣化判別手段は、前記酸素吸蔵能が低下し、かつ、前記三元触媒が高温に晒されていない場合に、前記助触媒が劣化していると判断することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記三元触媒の酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
前記三元触媒の経年変化情報を取得する経年変化情報取得手段とを更に備え、
前記劣化判別手段は、前記酸素吸蔵能が低下し、かつ、前記三元触媒に経年変化が生じていないと判断する場合に、前記助触媒が劣化していると判断することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、排気通路における目標空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を補正するフィードバック手段を更に備え、
前記空燃比制御制限手段による前記制限は、前記目標空燃比の制御中心を理論空燃比に対してリーン側にシフトさせるものであることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、排気通路における目標空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を補正するフィードバック手段を更に備え、
前記空燃比制御制限手段による前記制限は、前記目標空燃比が理論空燃比に対してリッチ側に振れた場合の燃料噴射量の補正応答速度を、リーン側に振れた場合に比して速めるものであることを特徴とする。

第１の発明によれば、助触媒に酸素吸蔵能の低下による劣化が生じているが、主触媒の活性は劣化していないと判断されるときには、リッチ側への空燃比制御が制限されることになり、空燃比がリッチ側に制御されている時間を短くすることができる。このため、硫黄濃度の高い燃料が使用される場合等において、助触媒に劣化が生じていると判断される状況下でも、HC、COの良好な浄化を確保して、三元活性を良好に維持することが可能となる。

第２の発明によれば、三元触媒の酸素吸蔵能と温度情報に基づいて、助触媒に劣化が生じていることを正確に判別することができる。

第３の発明によれば、三元触媒の酸素吸蔵能と経年変化情報に基づいて、助触媒に劣化が生じていることを正確に判別することができる。

第４の発明によれば、助触媒に劣化が生じていると判断される状況下でも、浄化ウィンドウを外さない空燃比制御を実現することができる。

第５の発明によれば、助触媒に劣化が生じていると判断される状況下でも、浄化ウィンドウを外さない空燃比制御を実現することができる。そして、本発明によれば、そのような空燃比制御を、前記第４の発明に比して、目標空燃比がリーン側に振れた際にNOxの浄化性能が悪化するのを抑制しつつ、実現することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１における空燃比制御装置の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態の装置は、内燃機関の排気通路１０に配置された上流触媒（S/C）１２および下流触媒（U/F）１４を備えている。上流触媒１２および下流触媒１４は、何れも、CO、HCおよびNOxを同時に浄化することのできる三元触媒である。

上流触媒１２の上流および下流には、それぞれメイン空燃比センサ１６、およびサブO₂センサ（酸素センサ）１８が配置されている。メイン空燃比センサ１６は、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比A/Fに対してほぼリニアな出力を発するセンサである。一方、サブO₂センサ１８は、上流触媒１２から流出してくる排気ガスが理論空燃比に対してリッチである場合にリッチ出力（例えば０．８V）を発生し、また、その排気ガスがリーンである場合にリーン出力（例えば０．２V）を発生するセンサである。

メイン空燃比センサ１６の出力、およびサブO₂センサ１８の出力は、それぞれECU(Electronic Control Unit)２０に供給されている。ECU２０には、更に、内燃機関の運転状態を検出するためのエアフロメータ２２、クランク角センサ２４、スロットルポジションセンサ２６、およびアクセルポジションセンサ２８等の各種センサと、燃料噴射弁３０などが接続されている。エアフロメータ２２は、内燃機関の吸入空気量Gaを検出するセンサである。クランク角センサ２４は機関回転数Neに応じた出力を発するセンサである。スロットルポジションセンサ２６およびアクセルポジションセンサ２８は、それぞれ、スロットルバルブの開度およびアクセルペダルの踏み込み量に応じた出力を発するセンサである。また、燃料噴射弁３０は、内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射するための電磁弁である。

図２は、三元触媒における空燃比に対するHC等の転化効率特性を示す図である。尚、ここでは、HC、CO、NOxの３成分が同時に浄化されることを、「三元活性」と称している。内燃機関の筒内から排出されるHC、CO、NOxの３成分を同時に高い転化効率で浄化するためには、空燃比を図２に示すストイキ近傍の浄化ウィンドウの範囲内で制御する必要がある。このため、上記のように構成された図１に示すシステムにおいては、上流側のメイン空燃比センサ１６の出力に基づいてメインのフィードバック制御が実行され、一方、下流側のサブO₂センサ１８の出力に基づいてサブのフィードバック制御が実行される。

メインフィードバック制御では、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比が、理論空燃比（ストイキ）を制御中心とする目標空燃比と一致するように燃料噴射量の制御が行われる。また、サブフィードバック制御では、上流触媒１２の下流に流出してくる排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、より具体的には、上流触媒１２の下流に配置されたサブO₂センサ１８の出力がストイキ出力となるように、メインフィードバック制御の内容が修正される。これらの制御によれば、燃料噴射量を適切に随時補正し、上流触媒１２の下流における空燃比を精度良くストイキの近傍値に維持することができ、優れた排気浄化性能を得ることができる。

次に、図３を参照して、三元触媒である上流触媒１２および下流触媒１４の構造について説明する。より具体的には、図３（Ａ）は、触媒１２等の断面を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す触媒層３４の部位を拡大した概念図である。

図３（Ａ）に示すように、三元触媒１２等は、セル状に構成されたセラミックス担体３２を備えている。セラミックス担体３２は、触媒層３４を保持する機能を有している。図３（Ｂ）に示すように、触媒層３４には、白金Pt等の貴金属（主触媒）３６とセリアCeO₂等の助触媒３８が含まれている。

以上のように構成された三元触媒１２等は、酸素吸蔵能を有しており、その範囲内で酸素を吸蔵することができる。この酸素吸蔵能（最大酸素吸蔵量Cmax値）は、触媒の劣化を検出する際の判断基準となり得るものである。最大酸素吸蔵量Cmax値は、触媒が高熱に晒されることにより或いは触媒の経年変化により劣化するのに伴って低下する。

また、触媒の最大酸素吸蔵量Cmax値は、硫黄濃度の高い燃料が使用された場合にも、いわゆる被毒による劣化に伴って低下することが従来から知られている。しかしながら、硫黄濃度の高い燃料が使用されることで最大酸素吸蔵量Cmax値が低下している場合であっても、触媒が高熱に晒されていなかったり或いは触媒に経年変化が生じていない場合には、貴金属はシンタリング（粒成長）していないと考えられる。従って、このような場合には、主触媒である貴金属の活性は劣化しておらず、助触媒であるセリアCeO₂の酸素吸放出サイトが劣化（若しくは妨害）されていると判断することができる。

ストイキよりもリッチ側の領域においては、排気ガス中の酸素は不足している。このため、当該リッチ側の領域において、HC、COを十分に酸化させるには、セリアCeO₂の酸素吸蔵能が必須となる。しかしながら、硫黄濃度の高い燃料が使用されることで、上記のように、助触媒であるセリアCeO₂の酸素吸放出サイトに劣化が生ずると、当該リッチ側の領域において、HC、COの酸化率が低下してしまう。その結果、当該リッチ側の領域において、浄化ウィンドウの範囲内に空燃比を制御することが困難になる。

そこで、本実施形態では、硫黄濃度の高い燃料が使用される場合であっても、浄化ウィンドウを外すことなく、良好な排気浄化性能を維持できるようにすべく、ECU２０に以下の図４に示すルーチンを所定時間毎に実行させることとした。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、上記の目的を達成するために、本実施の形態１においてECU２０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、触媒１２等に劣化が生じているか否かについて、そして、劣化が生じている場合には、主触媒と助触媒のどちらに劣化が生じているのかについての判別がなされる（ステップ１００）。具体的には、本ステップ１００では、最大酸素吸蔵量Cmax値が所定の閾値より小さいかどうか、車両の走行距離が所定の閾値より小さいかどうか、失火等の触媒１２等への熱劣化影響履歴がないかどうかに基づく判別が実行される。

上記ステップ１００において、最大酸素吸蔵量Cmax値＜閾値が成立しないと判定された場合には、触媒１２等に熱や硫黄被毒による劣化が生じていないものと判断することができる。尚、最大酸素吸蔵量Cmax値は、例えば、特開２００４−７６６８１号公報に示される方法にて求めることができる。走行距離＜閾値が成立しないと判定された場合、すなわち、規定の距離以上の走行が既になされている場合には、触媒１２等に経年変化による劣化が生じていると判断することができる。また、ECU２０が有する失火カウンタにより一定の割合以上の失火が発生していると認められた場合、或いは高負荷状態や高車速状態で車両が走行された場合などの触媒への熱劣化影響履歴があったと認められる場合には、触媒１２等に熱劣化が生じていると判断することができる。これらの場合には、何れも、今回のルーチンの処理が速やかに終了される。尚、ECU２０は、常時、最大酸素吸蔵量Cmax値の算出を行っている。また、ECU２０は、車両が備える車輪速センサの出力に基づいて走行距離を、上記失火カウンタを利用して熱劣化影響履歴を、それぞれ取得している。

一方、上記ステップ１００において、最大酸素吸蔵量Cmax値＜閾値であること、かつ、走行距離＜閾値であること、かつ、上記熱劣化影響履歴がないことのすべての条件が成立すると判断された場合には、既述したように、主触媒である貴金属の活性は劣化しておらず、助触媒であるセリアCeO₂の酸素吸放出サイトが劣化（若しくは妨害）されていると判断することができる。

そこで、この場合には、目標空燃比の制御中心がストイキに対してリーン側の値にシフトされる（ステップ１０２）。より具体的には、目標空燃比をリッチ側とリーン側とで交互に切り換える際に、図２に示す浄化ウィンドウにおいて、リーン側の限界値はそのままに、リッチ側の限界値をストイキまでシフトさせて、それらの限界値の範囲内に収まるように空燃比が制御される。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、触媒１２等の最大酸素吸蔵量Cmax値が低下している状況下において、主触媒３６の劣化と助触媒３８の劣化を判別することができる。そして、上記ルーチンの処理によれば、硫黄濃度の高い燃料が使用される場合等において、助触媒３８に酸素吸蔵能の低下による劣化が生じているが、主触媒３６の活性は劣化していないと判断されるときには、リッチ側への空燃比制御が制限されることになり、空燃比がリッチ側に制御されている時間を短くすることができる。このため、助触媒３８に劣化が生じていると判断される状況下でも、HC、COの良好な浄化を確保して、浄化ウィンドウを外さない空燃比制御を実現することができ、三元活性を良好に維持することが可能となる。

尚、上述した実施の形態１においては、ECU２０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「劣化判別手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比制御制限手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU２０が最大酸素吸蔵量Cmax値の算出を行うことにより前記第２または第３の発明における「酸素吸蔵能取得手段」が、ECU２０が備える失火カウンタを利用して熱劣化影響履歴を取得することにより前記第２の発明における「温度情報取得手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU２０が車両が備える車輪速センサの出力に基づいて走行距離を取得することにより前記第３の発明における「経年変化情報取得手段」が実現されている。
また、ECU２０が上記メインフィードバック制御およびサブフィードバック制御を実行することにより前記第４の発明における「フィードバック手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU２０に図４に示すルーチンに代えて後述する図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

［実施の形態２における具体的処理］
図５は、本実施の形態２においてECU２０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図５において、実施の形態１における図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図５に示すルーチンでは、ステップ１００において、助触媒３８に酸素吸蔵能の低下による劣化は生じていると判定された場合には、次いで、リッチ側への空燃比制御を制限させるべく、リッチ側の補正応答速度が速められる（ステップ２００）。

既述したサブフィードバック制御では、より具体的には、メインフィードバック制御の内容を修正するための補正量は、PID制御によって算出される。この補正量は、比例項および積分項を含んでいる。比例項は、サブO₂センサ１８の出力とサブフィードバックの目標電圧（ストイキ出力）との出力偏差に所定の比例項ゲインを乗じた値として設定されている。積分項は、出力偏差の積算値に所定の積分項ゲインを乗じた値として設定されている。

図５に示すルーチンにおいて、本ステップ２００の制御の開始前は、目標空燃比がリッチ側およびリーン側のどちらに振れた場合であっても、比例項ゲインおよび積分項ゲインの値は同じ値に設定されている。

これに対し、本ステップ２００の処理が実行される場合には、目標空燃比の制御中心はそのままで制御しつつ、比例項ゲインおよび積分項ゲインの値が本ステップ２００の制御開始前の値に対してそれぞれ変更される。より具体的には、目標空燃比がリッチ側に振れた場合に用いる比例項ゲインおよび積分項ゲインの値が、リーン側に振れた場合に用いる値に比して大きな値に変更される。

その結果、目標空燃比がリッチ側に振れた場合の空燃比の補正応答速度を、リーン側に振れた場合に比して速めることができる。尚、本ステップ２００における変更後のゲインの値は、算出される目標空燃比の値にハンチングが生じない範囲内で適合された値が用いられるものとする。

以上説明した図５に示すルーチンによれば、硫黄濃度の高い燃料が使用される場合等において、助触媒３８に酸素吸蔵能の低下による劣化が生じているが、主触媒３６の活性は劣化していないと判断されるときに、リッチ側の補正応答速度が速められることにより、リッチ側への空燃比制御が制限されることになる。このため、助触媒３８に劣化が生じていると判断される状況下でも、浄化ウィンドウを外さない空燃比制御を実現することができる。

また、上記図５に示すルーチンによれば、上述した実施の形態１とは異なり、助触媒３８に酸素吸蔵能の低下による劣化は生じていると判定された場合であっても、目標空燃比の制御中心をストイキから変更することなく、リッチ側への空燃比制御を制限することができる。このため、上述した実施の形態１の制御に比して、目標空燃比がリーン側に振れた際に、NOxの浄化性能が悪化するのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１における空燃比制御装置の構成を説明するための図である。三元触媒における空燃比に対するHC等の転化効率特性を示す図である。三元触媒である上流触媒および下流触媒の構造を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０排気通路
１２上流触媒
１４下流触媒
１６メイン空燃比センサ
１８サブO₂センサ
２０ ECU(Electronic Control Unit)
３２セラミックス担体
３４触媒層
３６主触媒（貴金属）
３８助触媒
Cmax 最大酸素吸蔵量

Claims

主触媒と助触媒を含む三元触媒を備える内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記主触媒の劣化と前記助触媒の劣化を判別する劣化判別手段と、
前記劣化判別手段によって前記助触媒が劣化していると判断された場合に、理論空燃比に対するリッチ側への空燃比制御を制限する空燃比制御制限手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記三元触媒の酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
前記三元触媒の温度情報を取得する温度情報取得手段とを更に備え、
前記劣化判別手段は、前記酸素吸蔵能が低下し、かつ、前記三元触媒が高温に晒されていない場合に、前記助触媒が劣化していると判断することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記三元触媒の酸素吸蔵能を取得する酸素吸蔵能取得手段と、
前記三元触媒の経年変化情報を取得する経年変化情報取得手段とを更に備え、
前記劣化判別手段は、前記酸素吸蔵能が低下し、かつ、前記三元触媒に経年変化が生じていないと判断する場合に、前記助触媒が劣化していると判断することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
排気通路における目標空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を補正するフィードバック手段を更に備え、
前記空燃比制御制限手段による前記制限は、前記目標空燃比の制御中心を理論空燃比に対してリーン側にシフトさせるものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
排気通路における目標空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を補正するフィードバック手段を更に備え、
前記空燃比制御制限手段による前記制限は、前記目標空燃比が理論空燃比に対してリッチ側に振れた場合の燃料噴射量の補正応答速度を、リーン側に振れた場合に比して速めるものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。