JP3915874B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの排気浄化効率を高く維持する技術に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
排気浄化触媒として使用される三元触媒は、酸化雰囲気(リーン空燃比雰囲気)においては酸素がHC(炭化水素)やCO(一酸化炭素)と反応し易くHC、COを高効率で浄化可能である一方NOxを浄化し難く(この状態を酸化被毒という)、還元雰囲気(リッチ空燃比雰囲気)においては還元剤である多量のHC、CO存在のもとNOxを高効率で浄化可能である。
【0003】
このようなことから、排気空燃比がリーン空燃比或いはリッチ空燃比のどちらか一方に大きく偏っているような場合には、NOxまたはHC、COのいずれか一方が十分浄化されずに排出されてしまうという問題がある。
そこで、従来、担体にセリア(Ce)等の酸素吸蔵機能(O2ストレージ機能)を有する物質を添加した触媒やNOx吸蔵機能(NOxストレージ機能)を有する物質を添加した触媒が知られている。このような触媒を用いるようにすれば、酸化雰囲気でHC、COが浄化されるとともに触媒内にO2がストレージされ且つNOxがストレージされ、一方、還元雰囲気において排気中のNOxとともにストレージされたNOxが還元浄化されるとともにストレージされたO2によってHC、COも浄化され、これにより浄化効率を向上させることが可能である。
【0004】
例えば、特開2000−104535号公報に開示の技術によれば、触媒下流にNOxセンサを設けるようにし、当該NOxセンサによってNOxの漏洩が検出されると、酸化雰囲気においてNOx吸蔵能力が飽和状態に達して酸化被毒状態となったとみなし、空燃比をリッチ空燃比に切り換え、これにより触媒雰囲気を一定期間に亘り還元雰囲気とするようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、還元雰囲気状態においては、CO等の還元剤が貴金属に吸着しやすいためにNOxの貴金属への吸着が阻害され易いという問題があり、また、上記セリア(Ce)はCeO2の状態では水性ガス反応(CO+H2O → H2+CO2)を促進し、これにより生成されたH2は(2NO+2H2 → N2+2H2O)のように反応してNOxを浄化するのであるが、還元雰囲気中にはCOが多いことから水性ガス反応の不活性(CeO2+CO → Ce2O3+CO2)が起こり、この状態では水性ガス反応が促進されずにその分NOxの浄化効率が低下するという問題がある。(これらを総称して還元被毒という)。このことは、即ち、還元雰囲気であっても触媒下流にNOxが漏洩する場合があることを示している。
【0006】
つまり、上記公報に開示されるように、触媒下流に設けたNOxセンサからの情報のみに基づいて単純に空燃比切換を行うようにしていると、酸化被毒の場合のみならず還元被毒によるNOxの浄化効率の低下によりNOxが漏洩している場合であっても、触媒雰囲気が還元雰囲気に維持され、意図に反してNOxの排出が継続されてしまうという不都合が起こり得る。
【0007】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、触媒状態を適切に把握して浄化効率を安定して高く維持可能な排気浄化装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項1の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、該触媒コンバータの下流側に設けられた第1の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状態を検出する触媒浄化状態検出手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられた第2の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出する触媒雰囲気検出手段と、内燃機関の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で変調可能な空燃比変動手段と、前記触媒浄化状態検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されたとき、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が該検出結果と異なる雰囲気となるよう前記空燃比変動手段を調整する触媒雰囲気調整手段とを備えたことを特徴としている。
【0009】
従って、触媒浄化状態検出手段によって触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じ、触媒雰囲気調整手段によって触媒コンバータの雰囲気が該検出結果と異なる雰囲気となるように空燃比変動手段が調整される。つまり、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されたときに、触媒雰囲気が酸化雰囲気である場合には空燃比変動手段がリッチ空燃比に変調させられて還元雰囲気に切り換えられ、一方触媒雰囲気が還元雰囲気である場合には空燃比変動手段がリーン空燃比に変調させられて酸化雰囲気に切り換えられる。これにより、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうといったことが防止され、触媒コンバータの浄化効率が安定して高く維持可能とされる。
【0010】
また、請求項2の発明では、前記第1の排ガス検出手段はNOxセンサであり、前記触媒浄化状態検出手段は、該NOxセンサが所定量以上のNOxを検知することにより排ガス浄化状況の悪化を検出することを特徴としている。
従って、NOxセンサにより所定量以上のNOxが検知されて触媒浄化状態検出手段によって触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、触媒雰囲気調整手段により、触媒コンバータが酸化被毒の状態にある場合には還元雰囲気に切り換えられ、一方還元被毒の状態にある場合には酸化雰囲気に切り換えられる。これにより、特に還元被毒の状態が意図に反して継続されてしまうことが防止され、触媒コンバータの浄化効率が安定して高く維持可能とされる。
【0011】
また、請求項3の発明では、前記第2の排ガス検出手段は酸素センサであり、前記触媒雰囲気検出手段は、該酸素センサの出力値に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出することを特徴としている。
従って、触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるのか或いは酸化雰囲気にあるのかが触媒コンバータ下流の酸素センサによって容易且つ確実に検出可能とされ、触媒コンバータの雰囲気が適切に調整される。
【0012】
また、請求項4の発明では、前記空燃比変動手段は、所定の周期、振幅で空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で強制的に変調可能な空燃比強制変動手段であって、前記触媒雰囲気調整手段は、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いを調整することを特徴としている。
【0013】
従って、空燃比変動手段が空燃比強制変動手段であって、空燃比がリーン空燃比とリッチ空燃比間で強制的に変調されると、触媒コンバータの雰囲気が酸化雰囲気と還元雰囲気との間で変動し、HC、COとNOxとが共に良好に浄化されることになるが、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いが調整されることで触媒雰囲気が酸化雰囲気から還元雰囲気に、或いは還元雰囲気から酸化雰囲気に適切に精度良く切り換えられることになる。これにより、空燃比強制変動手段を備えている場合において、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうことが防止され、触媒コンバータの浄化効率が安定して高く維持可能とされる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【0015】
同図に示すように、エンジン本体(以下、単にエンジンという)1としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射(吸気行程噴射)とともに圧縮行程での燃料噴射(圧縮行程噴射)を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン1は、容易にして理論空燃比(ストイキオ)での運転やリッチ空燃比での運転(リッチ空燃比運転)の他、リーン空燃比での運転(リーン空燃比運転)が実現可能である。
【0016】
同図に示すように、エンジン1のシリンダヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ4とともに電磁式の燃料噴射弁6が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ4には高電圧を出力する点火コイル8が接続されている。また、燃料噴射弁6には、燃料パイプ7を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置(図示せず)が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁6に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁6から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Pinjと燃料噴射弁6の開弁時間、即ち燃料噴射時間Tinjとから決定される。
【0017】
シリンダヘッド2には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド10の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド2には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド12の一端がそれぞれ接続されている。
【0018】
なお、当該筒内噴射型のエンジン1は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド10には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁14及び当該スロットル弁14の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ(TPS)16が設けられており、さらに、スロットル弁14の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ18が介装されている。エアフローセンサ18としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【0019】
一方、排気マニホールド12には排気管(排気通路)20が接続されており、この排気管20には、排気浄化触媒装置として三元触媒(触媒コンバータ)30が介装されている。
この三元触媒30は、担体に活性貴金属として銅(Cu),コバルト(Co),銀(Ag),白金(Pt),パラジウム(Pd),ロジウム(Rh)等のいずれかを有するとともにセリア(Ce)が添加されており、酸素吸蔵機能(O2ストレージ機能)を有した三元触媒として構成されている。つまり、セリア(Ce)は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素(O2)を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのO2を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒30は還元雰囲気状態においても担体表面に十分にO2を有してHC(炭化水素)やCO(一酸化炭素)を酸化除去可能である。即ち、O2ストレージ機能を有した当該三元触媒30は、酸化雰囲気でHC、COを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたO2により還元雰囲気中においてもNOxの浄化のみならずこれらHC、COを浄化可能である。
【0020】
また、三元触媒30にはアルカリ土類金属であるバリウム(Ba)も添加されており、当該三元触媒30はNOx吸蔵機能(NOxストレージ機能)をも有している。つまり、当該バリウム(Ba)は還元雰囲気中ではCOと反応して触媒上に炭酸塩(BaCO3)として存在しているが、酸化雰囲気中ではNOxと反応して硝酸塩になり、一時的にNOxを吸蔵する性質を有している。これにより、当該三元触媒30は見かけ上酸化雰囲気状態においてもNOxを浄化可能である。なお、このように硝酸塩として吸蔵されたNOxは、還元雰囲気でCO存在のもとに放出され、還元除去される。これによりNOx吸蔵機能が再生される。
【0021】
また、排気管20には、排気流速を測定する流速センサ22が配設されており、さらに、三元触媒30の下流にはO2センサ(第2の排ガス検出手段、酸素センサ)24及びNOxセンサ(第1の排ガス検出手段)26が配設されている。O2センサ24は、酸素濃度に応じて出力電圧が変化するものであり、空燃比がリーン空燃比のときには低い電圧値を示す一方、理論空燃比近傍で急増して空燃比がリッチ空燃比のときには高い電圧値を示すようなセンサであり、NOxセンサ26はNOx量を検出するセンサである。
【0022】
また、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備えたECU(電子コントロールユニット)40が設置されており、このECU40により、エンジン1を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ECU40の入力側には、上述したTPS16、エアフローセンサ18、流速センサ22、O2センサ24及びNOxセンサ26等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【0023】
一方、ECU40の出力側には、上述の燃料噴射弁6や点火コイル8等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁6から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ4により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【0024】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本発明に係る排気浄化装置では、三元触媒30の能力を最大限発揮するために、ECU40によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている(空燃比強制変動手段、空燃比変動手段)。つまり、ここでは、図2に示すように、空燃比(A/F)を一定期間(リーン時間)に亘りリーン空燃比とした後一定期間リッチ空燃比とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている。なお、変調波形は、ここでは方形波であるが三角波であってもよい。
【0025】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはHC、COが良好に浄化されるとともに三元触媒30のO2ストレージ機能によりO2が吸蔵され且つNOxストレージ機能によりNOxが吸蔵され、排気空燃比がリッチ空燃比のときにはNOxが良好に浄化されるとともに吸蔵されたO2によってHC、COが継続的に浄化され続ける。
【0026】
ところで、上述したように、排気空燃比がリーン空燃比、即ち酸化雰囲気のときには、NOxストレージ機能によってNOxが一時的に吸蔵されるものの、NOx吸蔵能力が飽和状態に達すると、三元触媒30は酸化被毒状態となってそれ以上NOxを吸蔵できず、一方、排気空燃比がリッチ空燃比、即ち還元雰囲気のときには、当該還元雰囲気状態が長く継続されると、CO等の還元剤が貴金属に吸着したり水性ガス反応の不活性が起こり、三元触媒30は還元被毒状態となってそれ以上NOxを還元できないという現象が起こる。
【0027】
そこで、本発明では、NOxが触媒下流に不用意に漏洩しないよう、つまりリッチ空燃比とリーン空燃比とが適切なタイミングで切り換わるよう空燃比強制変動の変調度合いを調整するようにしており、即ち、三元触媒30のNOx浄化効率が常時高く維持されるよう三元触媒30の最適化を図るようにしている。
詳しくは、図5に示すように、触媒下流に設けた酸素センサ、即ちO2センサ24の出力値とNOx浄化効率との間には、O2センサ24の出力値が所定範囲となるように空燃比をバランスよく変調制御すると高いNOx浄化効率が得られるという関係があることが確認されており、ここでは、このように変調度合いを調整することで三元触媒30の排気浄化効率の最適化を図るようにしている。
【0028】
具体的には、例えば平均A/Fが所定値(ストイキ近傍等)となるようにしながらリーン空燃比とリッチ空燃比との値を調整することで空燃比をバランスよく変調制御し、O2センサ24の出力値が所定範囲内に収まるようにする。
図3を参照すると、当該変調度合いの調整制御、即ち触媒最適化制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に基づき本発明に係る触媒最適化制御の制御手順を説明する。
【0029】
当該触媒最適化制御は、三元触媒30の下流に設けられたO2センサ24とNOxセンサ26からの情報に基づき行われる。
先ず、ステップS1では、ガスセンサであるO2センサ24とNOxセンサ26とが活性状態にあるか否かを判別する。つまり、O2センサ24とNOxセンサ26とが適正に作動しているか否かを判別する。判別結果が真(Yes)で、O2センサ24とNOxセンサ26とが活性状態にあると判定されたら、次にステップS2に進む。
【0030】
ステップS2では、NOxセンサ26からの検出情報に基づき、三元触媒30下流のNOx出力N(n)が所定最小値Nminより小であるか否かを判別する(触媒浄化状態検出手段)。判別結果が偽(No)でNOx出力N(n)が所定最小値Nmin以上であるような場合、即ち触媒下流にNOxが漏洩していると判定された場合にはステップS4に進む。一方、判別結果が真(Yes)でNOx出力N(n)が所定最小値Nminより小、即ち、触媒下流にNOxが漏洩していないと判定された場合にはステップS3に進む。なお、NOx出力N(n)はNOxセンサ26の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。
【0031】
ステップS3では、所定最小値NminをNOx出力N(n)によって更新し、所定最小値Nminの学習を行う。同時に、このときのO2センサ24からの検出情報である出力S(n)を判定出力Sとして記憶する。なお、これら所定最小値Nminや判定出力Sは固定値であってもよいし、運転状態(例えば、エンジン回転速度、体積効率、正味平均有効圧、排気マニホールド圧、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ)に応じて変更するようなものであってもよい。
【0032】
ステップS4では、O2センサ24からの検出情報である出力S(n)が上記記憶した判定出力Sより小であるか否かを判別する(触媒雰囲気検出手段)。つまり、ここでは、三元触媒30下流の酸素濃度に基づき、三元触媒30が酸化雰囲気であるか或いは還元雰囲気であるかを判別する。なお、出力S(n)はO2センサ24の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。
【0033】
ステップS4の判別結果が偽(No)の場合には、三元触媒30は還元雰囲気にあると判定でき、一方、ステップS4の判別結果が真(Yes)の場合には、三元触媒30は酸化雰囲気にあると判定できる。
つまり、上記ステップS2の判別結果が偽(No)であって触媒下流にNOxが漏洩していると判定され、且つ、ステップS4の判別結果が偽(No)で三元触媒30が還元雰囲気にあると判定された場合には、NOxの漏洩は上述したように還元被毒によるものと判断できる。一方、ステップS2の判別結果が偽(No)であって触媒下流にNOxが漏洩していると判定され、且つ、ステップS4の判別結果が真(Yes)で三元触媒30が酸化雰囲気にあると判定された場合には、NOxの漏洩は上述したように酸化被毒によるものと判断できる。
【0034】
そして、ステップS4の判別結果が真(Yes)で三元触媒30が酸化雰囲気にある場合には、ステップS5において、実際に漏洩しているNOx量相当値Nを(N=Nmin−(N(n)−Nmin))として求め、一方、ステップS4の判別結果が偽(No)で三元触媒30が還元雰囲気にある場合には、ステップS6において、NOx量相当値NをN(n)とする。これにより、還元被毒の場合にはNOx量相当値Nは所定最小値Nminに対して大側の値として求められ、一方、酸化被毒の場合にはNOx量相当値Nは所定最小値Nminに対して小側の値として求められる。これにより、以降の演算における所定最小値Nminとの比較において、Nが所定最小値Nminより大の場合には還元被毒状態として処理され、小の場合には酸化被毒状態として処理される。
【0035】
図4のステップS12では、次式(1)から現在の空燃比の変調度合い、即ち周期Tに対するリーン空燃比の時間(リーン時間tl)の比である空燃比デューティDを求め、当該デューティDが所定値D1より小さいか否か(D<D1)を判別する。
(空燃比デューティ)D=(リーン時間)tl/(周期)T …(1)
なお、3燃焼毎に空燃比を変更するような高周波での変調の場合、デューティは所定期間(例えば1sec)に対する所定期間中のリーン積算時間の比として求める。
【0036】
また、リーン空燃比の値とリッチ空燃比の値は運転条件に応じて最適な値に設定される。
また、周期Tについては、固定値(例えば1sec)であってもよいし、運転状態(例えば、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、排気マニホールド圧、冷却水温、潤滑油温の少なくともいずれか一つ)に応じて変更するようにしてもよい。
【0037】
さらに、リーン空燃比時とリッチ空燃比時のトルク差がないように点火時期、A/F等を設定すると、フィーリングが改善される。
ここに、三元触媒30の排気浄化効率の最適化を図るべく空燃比をバランスよく変調制御するためには、O2センサ24の出力S(n)が上記所定範囲となるように、即ちNOxセンサ26からのNOx出力N(n)が所定最小値Nmin以上にならないように空燃比の変調度合い、即ちデューティDを設定すればよい。従って、デューティ制御を行う場合、吸気流量計、燃料噴射弁等には作動のバラツキがあることを考慮し、出力S(n)の所定の上限値に対応するデューティD1と出力S(n)の所定の下限値に対応するデューティD2、即ちNOx出力N(n)が所定最小値Nmin以上とならない範囲に対応するデューティD1,D2は、実験により予め設定(マッチング)されている。
【0038】
ところが、吸気流量計、燃料噴射弁等の誤差により、実際のリーン空燃比あるいはリッチ空燃比が所望の範囲から外れている場合があり、このとき、空燃比の変調度合いを調整しても出力S(n)を所定範囲内に、つまりNOx出力N(n)を所定最小値Nminに抑えることができない。
そこで、ここでは、デューティDが本制御の出力S(n)の上限に対応したデューティD1より小さいか否かを判別し、出力S(n)を当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリーン側にずれている可能性の有無を判別する。
【0039】
ステップS12の判別結果が真(Yes)でデューティDが所定値D1より小さいと判定された場合には、次にステップS14に進む。
ステップS14では、NOxセンサ26からのNOx出力N(n)情報に基づく上記NOx量相当値Nが所定最小値上限値(Nmin+ΔN)よりも小さいか否か(N<Nmin+ΔN)を判別する。即ち、O2センサ24からの検出情報である出力S(n)が上記所定の下限値と所定の上限値との間の制御目標値S1よりも小さいか否かを判別する。なお、ΔNは不感帯を示す。
【0040】
通常ならば、ステップS12の判別結果が真(Yes)であれば、空燃比の指令値は過剰にリッチとなっており、三元触媒30は還元雰囲気となり、出力S(n)は制御目標値S1を越え、NOx量相当値Nは所定最小値上限値(Nmin+ΔN)以上となるはずある。しかしながら、ステップS12の判別結果が真(Yes)でありながらステップS14の判別結果が真(Yes)でNOx量相当値Nが所定最小値上限値(Nmin+ΔN)よりも小さい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリーン空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップS14の判別結果が真(Yes)の場合には、次にステップS16に進む。
【0041】
ステップS16では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(2)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比及び所定のリッチ空燃比の指令値を実際値との整合を図るべくリッチ側に補正する。即ち上下限A/Fリッチ化補正を行う。
(補正A/F)(n)=(補正A/F)(n-1)+G1 …(2)
ここに、G1は補正ゲインであり、NOxセンサ26の出力N(n)と所定最小値Nminとの偏差に応じて増減する。
【0042】
そして、ステップS12乃至ステップS16は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップS14の判別結果が偽(No)でNOx量相当値Nが所定最小値上限値(Nmin+ΔN)以上と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップS30に進み、NOx出力N(n)が所定最小値Nminとなるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、この場合、三元触媒30は還元被毒状態にあるので、空燃比の変調度合いを調節することで、図2に示す平均A/Fをリーン空燃比寄りに調整する(触媒雰囲気調整手段)。
【0043】
変調度合いの調整方法としては、空燃比デューティDを変える方法、酸化剤或いは還元剤の供給度合い(即ち空燃比A/F)を変える方法等が考えられるが、ここでは空燃比デューティDを変える方法を採用し、次式(3)に示すように、リーン空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティDを大きくすることにより平均A/Fをリーン化して変調度合いを調整する。
【0044】
D(n)=D(n-1)+G3 …(3)
ここに、G3は補正ゲインであり、NOxセンサ26の出力N(n)と所定最小値Nminとの偏差に応じて増減する。
そして、このステップS30は、NOxセンサ26の出力N(n)が所定最小値Nminとなるまで繰り返し実行される。
【0045】
これにより、排気空燃比をリーン空燃比とする酸化雰囲気状態とリッチ空燃比とする還元雰囲気状態とをバランスよく変調させて変動させることができることになり、三元触媒30の浄化効率の最適化が図られる。
上記ステップS12の判別結果が偽(No)でデューティDが所定値D1以上と判定された場合には、次にステップS18に進む。
【0046】
ステップS18では、今度はデューティDが所定値D2より大きいか否か(D>D2)を判別する。
判別値である所定値D2は上述したように出力S(n)の所定の下限値に対応したデューティD2であり、ここではデューティDが本制御の出力S(n)の下限に対応したデューティD2より大きいか否かを判別し、出力S(n)を当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリッチ側にずれている可能性の有無を判別する。
【0047】
ステップS18の判別結果が真(Yes)でデューティDが所定値D2より大きいと判定された場合には、次にステップS20に進む。
ステップS20では、NOx量相当値Nが所定最小値下限値(Nmin−ΔN)よりも大きいか否か(N>Nmin−ΔN)を判別する。即ち、O2センサ24からの検出情報である出力S(n)が上記所定の下限値と所定の上限値との間の制御目標値S1よりも大きいか否かを判別する。
【0048】
通常ならば、ステップS18の判別結果が真(Yes)であれば、空燃比の指令値は過剰にリーンとなっており、三元触媒30は酸化雰囲気となり、出力S(n)は制御目標値S1を下回り、NOx量相当値Nは所定最小値下限値(Nmin−ΔN)以下となるはずある。しかしながら、ステップS18の判別結果が真(Yes)でありながらステップS20の判別結果が真(Yes)でNOx量相当値Nが所定最小値下限値(Nmin−ΔN)よりも大きい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリッチ空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップS20の判別結果が真(Yes)の場合には、次にステップS22に進む。
【0049】
ステップS22では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(4)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比及び所定のリッチ空燃比の指令値を実際値との整合を図るべくリーン補正する。即ち上下限A/Fリーン化補正を行う。
(補正A/F)(n)=(補正A/F)(n-1)−G2 …(4)
ここに、G2は補正ゲインであり、NOxセンサ26の出力N(n)と所定最小値Nminとの偏差に応じて増減する。
【0050】
そして、上記ステップS12乃至ステップS16と同様、ステップS18乃至ステップS22は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップS20の判別結果が偽(No)でNOx量相当値Nが所定最小値下限値(Nmin−ΔN)以下と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップS26に進み、NOx出力N(n)が所定最小値Nminとなるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、この場合、三元触媒30は酸化被毒状態にあるので、空燃比の変調度合いを調節することで、図2に示す平均A/Fをリッチ空燃比寄りに調整する(触媒雰囲気調整手段)。
【0051】
上記ステップS30と同様、ここでは、空燃比デューティDを変える方法を採用し、次式(5)に示すように、リッチ空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティDを小さくすることにより平均A/Fをリッチ化して変調度合いを調整する。
D(n)=D(n-1)−G4 …(5)
ここに、G4は補正ゲインであり、NOxセンサ26の出力N(n)と所定最小値Nminとの偏差に応じて増減する。
【0052】
そして、このステップS26は、NOxセンサ26の出力N(n)が所定最小値Nminとなるまで繰り返し実行される。
これにより、やはり排気空燃比をリーン空燃比とする酸化雰囲気状態とリッチ空燃比とする還元雰囲気状態とをバランスよく変調させて変動させることができることになり、三元触媒30の浄化効率の最適化が図られる。
【0053】
このように、ステップS26或いはステップS30において空燃比デューティDが変更されると、当該デューティDは所定値D1以上所定値D2以下の範囲に入るようになる。従って、この場合には、ステップS18の判別結果は偽(No)となり、次にステップS24に進む。
ステップS24では、NOx量相当値Nが所定最小値下限値(Nmin−ΔN)よりも小さいか否か(N<Nmin−ΔN)を判別する。
【0054】
同じく、ステップS28では、NOx量相当値Nが所定最小値上限値(Nmin+ΔN)よりも大きいか否か(N>Nmin+ΔN)を判別する。
ステップS24、ステップS28の判別結果がそれぞれ真(Yes)の場合には、前述したように、ステップS26或いはステップS30において、三元触媒30が還元被毒状態であるか酸化被毒状態であるかによって空燃比の変調度合いが適正に調整され、その結果、NOx量相当値Nが不感帯Δ内のバラツキを許容して所定最小値Nminに一致する。
【0055】
これにより、NOxセンサ26の出力N(n)を常に所定最小値Nminに抑えることになり、酸化雰囲気状態と還元雰囲気状態とを常時バランスよく変調させて変動させ、三元触媒30の浄化効率を安定して最適な状態に維持することができる。
なお、上記実施形態では、式(2)乃至式(5)に基づいて上下限A/F及び平均A/Fをリッチ化或いはリーン化したが、これらリッチ化及びリーン化の処理を比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つを用いて行うようにしてもよく、また、現代制御理論を用いて行うようにしてもよい。
【0056】
また、上記実施形態では、排気通路に三元触媒30のみ配設された場合を説明したが、本発明は、排気通路に三元触媒が複数配設された場合にも適用可能である。例えば、排気管後方に通常の三元触媒(後方触媒)を配するとともにエンジン1の近傍に三元触媒(前方触媒)を配し、それぞれの三元触媒の直下流にO2センサとNOxセンサを設けるようにし、低温始動時のような後方触媒を十分に活性できないような状況下では前方触媒下流のO2センサ、NOxセンサの出力値を用いるようにし、一方後方触媒が十分活性した後は当該後方触媒下流のO2センサ、NOxセンサの出力値を用いるように切換えてもよい。なお、この切換えは運転状態(例えば、冷却水温、始動後経過時間、後方触媒温度、前方触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ)に基づいて行えばよい。
【0057】
また、上記実施形態では、空燃比強制変動手段を備えて空燃比を強制変調させる場合を例に説明したが、これに限らず、通常の空燃比フィードバック制御や通常は空燃比を変調させない制御等に本発明を適用することもでき、この場合には、O2センサとNOxセンサの情報に基づいて空燃比をリッチ空燃比側或いはリーン空燃比側に適正に反転させることになる(空燃比変動手段)。
【0058】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項1の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、空燃比変動手段を調整して、適切に、触媒雰囲気が酸化雰囲気である場合には還元雰囲気に切り換えるようにし、一方触媒雰囲気が還元雰囲気である場合には酸化雰囲気に切り換えるようにするので、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうことを防止でき、触媒コンバータの浄化効率を安定して高く維持することができる。
【0059】
また、請求項2の排気浄化装置によれば、NOxセンサにより所定量以上のNOxが検知され、触媒コンバータが酸化被毒の状態にある場合には還元雰囲気に切り換えるようにし、一方還元被毒の状態にある場合には酸化雰囲気に切り換えるようにするので、特に還元被毒の状態が意図に反して不用意に継続されてしまうことを防止でき、触媒コンバータの浄化効率を安定して高く維持することができる。
【0060】
また、請求項3の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるのか或いは酸化雰囲気にあるのかを触媒コンバータ下流の酸素センサによって容易且つ確実に検出でき、触媒コンバータの雰囲気を適切に調整することができる。
また、請求項4の排気浄化装置によれば、空燃比変動手段が空燃比強制変動手段である場合には、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いを調整するようにして触媒雰囲気を酸化雰囲気から還元雰囲気に、或いは還元雰囲気から酸化雰囲気に適切に切り換えるようにでき、これにより、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうことを防止でき、触媒コンバータの浄化効率を安定して高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】空燃比(A/F)の変調波形を示す図である。
【図3】本発明に係る変調度合いの調整制御、即ち触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートの主要部である。
【図4】図3に続く、触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートの残部である。
【図5】触媒下流O2センサ出力値とNOx浄化効率との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン本体
4 点火プラグ
6 燃料噴射弁
10 吸気マニホールド
12 排気マニホールド
14 スロットル弁
16 スロットルポジションセンサ(TPS)
18 エアフローセンサ
20 排気管(排気通路)
24 O2センサ(第2の排ガス検出手段、酸素センサ)
26 NOxセンサ(第1の排ガス検出手段)
30 三元触媒(触媒コンバータ)
40 ECU(電子コントロールユニット)
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、
該触媒コンバータの下流側に設けられた第1の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状態を検出する触媒浄化状態検出手段と、
前記触媒コンバータの下流側に設けられた第2の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出する触媒雰囲気検出手段と、
内燃機関の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で変調可能な空燃比変動手段と、
前記触媒浄化状態検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されたとき、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が該検出結果と異なる雰囲気となるよう前記空燃比変動手段を調整する触媒雰囲気調整手段と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。 - 前記第1の排ガス検出手段はNOxセンサであり、前記触媒浄化状態検出手段は、該NOxセンサが所定量以上のNOxを検知することにより排ガス浄化状況の悪化を検出することを特徴とする、請求項1記載の排気浄化装置。
- 前記第2の排ガス検出手段は酸素センサであり、前記触媒雰囲気検出手段は、該酸素センサの出力値に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出することを特徴とする、請求項1または2記載の排気浄化装置。
- 前記空燃比変動手段は、所定の周期、振幅で空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で強制的に変調可能な空燃比強制変動手段であって、
前記触媒雰囲気調整手段は、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いを調整することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか記載の排気浄化装置。
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