JP4325368B2 - 空燃比測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比測定装置に関する。

吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒とする。）を内燃機関の排気通路に配置し、酸化雰囲気のときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を該ＮＯx触媒に吸蔵し、還元雰囲気となったときは該ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxを還元して排気中のＮＯxを浄化する技術
が知られている。

このＮＯx触媒は、熱劣化や経年変化による劣化とともにＮＯxの吸蔵能力が低下することが知られており、この劣化の判定を該ＮＯx触媒前後に取り付けた酸素センサの出力に
基づいて行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１０７４１号公報 特開平９−２６８９３４号公報 特開平８−２５４５２２号公報

ところで、前記従来技術によりＮＯx触媒の劣化判定を行うときには、排気中の酸素濃
度や空燃比を酸素センサや空燃比センサにより正確に検出することが求められる。しかし、排気中に含まれる燃料のクラッキングが十分でないと、一部の燃料が空燃比センサの拡散抵抗層を通過できなくなる。そのため、実際よりも燃料成分が少ない状態で空燃比の測定が行われ、空燃比センサにより検出される空燃比は、実際よりもリーン側へずれることになる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、空燃比測定装置において、排気中に高分子ＨＣが存在していても空燃比を正確に検出することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による空燃比測定装置は、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の排気通路を流通する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
排気中の高分子ＨＣ濃度に関連する値に基づいて前記空燃比検出手段により検出された空燃比を補正する空燃比補正手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、空燃比検出手段により検出された空燃比を、排気中の高分子ＨＣ濃度に関連する値に基づいて補正し、実際の空燃比に近づけることにある。

なお、高分子ＨＣとは、空燃比検出手段により検出することができないほど分子量の大きな燃料成分である。ここで、燃料中には、ＣｎＨｍ（ｎ、ｍは任意の数）で表される様々な分子量の成分が混在している。そして、ｎの数が大きくなると、空燃比検出手段の例えば拡散抵抗層を通過することができなくなる。従って、高分子ＨＣとは、拡散抵抗層を通過することができない燃料成分としても良い。ここで、ｎは、例えば６以上の数であり、空燃比検出手段の種類によっても異なる値である。

このような高分子ＨＣが排気中に存在すると、空燃比検出手段により検出される空燃比は実際の空燃比からリーン側へずれてしまう。そして、このときの空燃比のずれは、高分子ＨＣの濃度と相関がある。すなわち、高分子ＨＣ濃度が高いほど、拡散抵抗層を通過することができなくなる燃料が増加し、空燃比検出手段により検出される空燃比は実際よりもリーン側へずれる。従って、排気中の高分子ＨＣの濃度に関する要素に基づいて、前記空燃比検出手段により検出された空燃比のずれの度合いを知ることができ、検出された空燃比を補正することが可能となる。

ここで、本発明では排気中の高分子ＨＣ濃度に関連する値に基づいて空燃比を補正しているが、高分子ＨＣ濃度を実際に求め、この値に基づいて空燃比を補正しても良い。

本発明においては、前記空燃比検出手段よりも上流の排気通路から燃料を添加する燃料添加手段をさらに備え、前記空燃比補正手段は、前記燃料添加手段により排気中へ添加される燃料が多いほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きくすることができる。

排気中に添加される燃料量が多くなると、その分、排気中の高分子ＨＣ濃度も高くなる。すなわち、排気中に添加される燃料量と排気中の高分子ＨＣ濃度とには相関がある。そのため、排気添加手段により排気中へ添加される燃料が多いほど、例えば拡散抵抗層を通過することができない燃料成分が多くなる。これにより、空燃比検出手段により検出された空燃比はリーン側へずれ、排気中に添加される燃料量が多いほど、このずれが大きくなる。従って、燃料添加手段による燃料添加量に基づいて、空燃比検出手段により検出される空燃比を補正することができる。

本発明においては、前記空燃比検出手段よりも上流の排気通路に酸化機能を有する触媒と、前記酸化機能を有する触媒の温度を検出する温度検出手段と、をさらに備え、前記空燃比補正手段は、前記温度検出手段により検出される温度が低いほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きくすることができる。

酸化機能を有する触媒の温度が低いほど、該触媒での燃料のクラッキング能力が低下し、排気中の高分子ＨＣ濃度が多くなる。すなわち、酸化機能を有する触媒の温度と排気中の高分子ＨＣ濃度とには相関がある。そのため、酸化機能を有する触媒の温度が低いほど、例えば拡散抵抗層を通過することができない燃料成分が多くなる。これにより、空燃比検出手段により検出された空燃比はリーン側へずれ、酸化機能を有する触媒の温度が低いほど、このずれが大きくなる。従って、温度検出手段により検出される温度に基づいて、空燃比検出手段により検出される空燃比を補正することができる。

本発明に係る空燃比測定装置では、高分子ＨＣに起因した検出空燃比のずれを補正し、空燃比検出の精度を向上することができる。

以下、本発明に係る空燃比測定装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る空燃比測定装置を適用する内燃機関１とその排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、燃焼室へ通じる排気通路２が接続されている。この排気通路２は、下流にて大気へと通じている。

前記排気通路２の途中には、酸化触媒３、及び吸蔵還元型ＮＯx触媒４（以下、ＮＯx触媒４という。）が内燃機関１側から順に備えられている。

ＮＯx触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機
能を有する。

また、酸化触媒３よりも下流で且つＮＯx触媒４よりも上流の排気通路２には、該排気
通路２を流通する排気の空燃比を検出する上流側空燃比センサ５が取り付けられている。一方、ＮＯx触媒４よりも下流の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気の温度を
検出する排気温度センサ６、及び該排気通路２を流通する排気の空燃比を検出する下流側空燃比センサ７が取り付けられている。

ここで、上流側空燃比センサ５及び下流側空燃比センサ７について説明する。

図２は、上流側空燃比センサ５の概略構成図である。なお、下流側空燃比センサ７は、上流側センサ５と同一の構成である。

上流側空燃比センサ５はハウジング５１を備えている。このハウジング５１は、中央部にセンサ素子５２が保持される貫通穴を有し、外周部に形成されたねじにて排気通路２に固定される。

センサ素子５２は、基端部がハウジング５１の貫通穴内に保持固定され、先端部はハウジング５１より突出して図の下方に延び、被測定ガスである内燃機関１からの排気の流通する排気通路２内に位置している。センサ素子５２は、円管状に形成した安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性固体電解質５０１の内周面及び外周面に、夫々白金等の電極５０２、５０３を配設してなり、外周面の電極５０３の表面には多孔質層よりなる拡散抵抗層５０４が形成されている。また、内部には電極５０２、５０３の温度を例えば６００℃に維持する電気ヒータ５０５が備えられている。

センサ素子５２の外表面は一部を除いてコーティング層で被覆されており、このコーティング層を形成しない先端よりの一部が被測定ガス中の特定成分濃度を検出するガス濃度検出部として機能する。

次に、前記構成の上流側空燃比センサ５の作動について説明する。

センサ素子５２の温度は電気ヒータ５０５により、例えば６００℃に加熱されているため、センサ素子５２周辺の温度は数百℃になっている。そのため、排気中の可燃性ガスと酸素とが反応し、酸素が消費される。さらに、残りの可燃性ガスと酸素とが拡散抵抗層５０４内で反応し、可燃性ガスが消費される。残りの酸素は外部電極５０３に到達してイオン化する。このようにしてイオン化した酸素は、固体電解質５０１内を移動して内部電極５０２で電子を放出する。この結果、排気中の酸素濃度に比例した電流が流れる。この電流は、可燃性ガスと反応した酸素の分だけ少なくなるので、この電流により得られた酸素濃度により排気の空燃比を検出することが可能となる。

ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒４のＮＯx吸蔵能力が飽和する前にＮＯx触媒４に吸蔵されたＮＯxを還元させる必要がある。

そこで、本実施例では、ＮＯx触媒４より上流の排気通路２を流通する排気中に還元剤
たる燃料（軽油）を添加する燃料添加弁８を備えている。ここで、燃料添加弁８は、後述するＥＣＵ９からの信号により開弁して燃料を噴射する。燃料添加弁８から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させると共に、ＮＯx触媒４に吸蔵されていたＮＯxを還元する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９が併設されている。このＥＣＵ９は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ９には、各種センサ等が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ９には、燃料添加弁８が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ９により制御することが可能になっている。

ところで、ＮＯx触媒４は、経年変化や熱劣化によりＮＯxの吸蔵能力が低下する。この吸蔵能力の低下を、ＮＯx触媒４前後の空燃比センサ５、７を用いて検出する方法が知ら
れている。

ここで、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されている場合に、該ＮＯx触媒４にリッチ空燃比
の排気を流通させると、該ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx及び酸素が放出される。このＮＯx及び酸素が放出されている間は、ＮＯx触媒４の下流の空燃比すなわち下流側空燃比センサ７により検出される空燃比がストイキとなることが知られている。そして、ＮＯx及び酸素が放出された後、下流側空燃比センサ７により検出される空燃比がリッチ空燃
比に移行する。このように下流側空燃比センサ７によりストイキが検出され、リッチ空燃比に移行するまでの時間は、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx及び酸素の量が多いほど長くなる。すなわち、ＮＯx触媒４の吸蔵能力が低下して、該ＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯx量及び酸素量が減少すると、前記ストイキが検出され、その後リッチ空燃比に移行す
るまでの時間が短くなる。従って、この時間を計ることにより、ＮＯx触媒４の劣化の度
合いを判定することが可能となる。

なお、ＮＯx触媒４の劣化の度合いを判定するときには、該ＮＯx触媒４に流入する排気の空燃比をストイキ若しくは、ストイキよりも若干リッチ側とする必要がある。従って、上流側空燃比センサ５の検出精度を高めることが重要となる。

ところで、燃料添加弁８から排気中へ燃料が添加されると、酸化触媒３においてこの燃料がクラッキングされる。しかし、燃料の添加量が多い場合や、酸化触媒３の温度が低い場合、排気中の酸素濃度が低い場合には、燃料のクラッキングが十分になされず、前記上流側空燃比センサ５に高分子ＨＣを多く含んだ排気が到達することがある。ここで、高分子ＨＣは、拡散抵抗層５０４を通過することができない燃料成分であり、例えば、ＣｎＨｍで表される燃料成分のうちｎが６以上のものを指す。

図３は、燃料添加時に本来上流側空燃比センサ５で検出される値、上流側センサ５の出力値、及び下流側センサ７の出力値の時間推移を示したタイムチャート図である。ここで、図３の横軸に示される時間において、およそ１秒経過時点から１０秒経過時点まで燃料添加弁８による燃料添加が行われている。すなわち、この間が、「燃料添加時」に該当す
る。「燃料添加時に本来上流側空燃比センサ５で検出される値」とは、酸化触媒３からＮＯx触媒４までの間を流通する排気の実際の空燃比を示し、上流側空燃比センサ５の出力
値がリーン側へずれていなければ該上流側センサ５から出力される空燃比である。

ここで、排気中に高分子ＨＣが多く含まれると、上流側空燃比センサ５では、拡散抵抗層５０４内で反応する燃料が少なくなり、外部電極５０３に到達してイオン化する酸素が多くなる。その結果、上流側空燃比センサ５から出力される空燃比は、実際の空燃比よりも酸素量が多い値となる。すなわちリーン側へずれた値が上流側空燃比センサ５から出力される。以下、センサの出力値が実際よりもリーン側へずれていることを「リーンずれ」という。

このように、上流側空燃比センサ５がリーンずれを起こしていると、前記したようなＮＯx触媒４の劣化判定が困難となる。

その点、本実施例においては、上流側空燃比センサ５のリーンずれを高分子ＨＣ濃度と関連する値、すなわち、燃料添加量、酸化触媒３の温度、内燃機関１から排出される酸素量に基づいて補正し、より正確な空燃比の検出を可能とする。

ここで、リーンずれは、燃料添加量、酸化触媒３の温度、内燃機関１から排出される酸素量により変化する。

図４は、酸化触媒３の温度と上流側空燃比センサ５のリーンずれの度合いとの関係を示した図である。このように、酸化触媒３の温度が高いほどリーンのずれ度合いが小さくなる。

また、図５は、燃料添加量を排気中の酸素量で除した値とリーンずれ度合いとの関係を示した図である。このように、燃料添加量の酸素量に対する比が多いほど、リーンずれ度合いが大きくなる。

図４及び図５の関係は、実験等により得ることができる。

次に、本実施例における検出空燃比の補正方法について説明する。

ここで、上流側空燃比センサ５で検出される空燃比は、以下の式により表すことができる。

Ａ／Ｆ＝Ｇａ／（Ｇｆ＋Ｇａｄ）
ここで、Ａ／Ｆは、上流側空燃比センサ５により検出される空燃比、Ｇａは、吸入空気量、Ｇｆは、気筒内への燃料噴射量、Ｇａｄは、燃料添加弁８からの燃料添加量である。

すなわち、
Ｇａｄ＝Ｇａ／（Ａ／Ｆ）−Ｇｆ
と表すことができる。

次に、上流側空燃比センサ５のリーンずれを考慮し、燃料添加弁８からの燃料添加量Ｇａｄを次式により補正する。補正後の燃料添加量をＧａｄ’とすると、
Ｇａｄ’＝Ｇａｄ×ＭＡＰ
ここで、ＭＡＰは、図４及び図５の関係から求められる値であり、酸化触媒３の温度と、吸入空気量とから得られる値である。この燃料添加量Ｇａｄ’は、燃料添加のために用いることはなく、次に説明する空燃比Ａ／Ｆ’を得るためだけに用いられる。

そして、補正した燃料添加量Ｇａｄ’から補正後の空燃比Ａ／Ｆ’を次式により算出する。

Ａ／Ｆ’＝Ｇａ／（Ｇｆ＋Ｇａｄ’）
この補正後の空燃比Ａ／Ｆ’は、図３に示される「本来上流側空燃比センサで検出される値」、すなわち実際の空燃比と略等しくなる。

このようにして、上流側空燃比センサ５により検出された空燃比を補正することが可能となる。

このように、上流側空燃比センサ５の出力値を補正することにより、ＮＯx触媒４に流
入する排気の空燃比をストイキ若しくは若干リッチ側とすることができ、ＮＯx触媒４の
劣化判定の精度を向上させることができる。

実施例に係る空燃比測定装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 空燃比センサの概略構成図である。 燃料添加時に本来上流側空燃比センサで検出される値、上流側センサの出力値、及び下流側センサの出力値の時間推移を示したタイムチャート図である。 酸化触媒の温度と空燃比センサのリーンずれの度合いとの関係を示した図である。 燃料添加量を排気中の酸素量で除した値とリーンずれ度合いとの関係を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 酸化触媒
４ 吸蔵還元型ＮＯx触媒
５ 上流側空燃比センサ
６ 排気温度センサ
７ 下流側空燃比センサ
８ 燃料添加弁
９ ＥＣＵ
５１ ハウジング
５２ センサ素子
５０１ 酸素イオン導電性固体電解質
５０２ 内部電極
５０３ 外部電極
５０４ 拡散抵抗層
５０５ 電気ヒータ

Claims (4)

1. ＮＯx触媒よりも上流に設けられ、内燃機関の排気通路を流通する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   排気中の高分子ＨＣ濃度に関連する値に基づいて前記空燃比検出手段により検出された
   空燃比を補正する空燃比補正手段と、
   を備え、
   前記空燃比補正手段は、空燃比を低下させてＮＯx触媒の劣化判定を行うときに空燃比
   を補正することを特徴とする空燃比測定装置。
2. 前記空燃比検出手段よりも上流の排気通路から燃料を添加する燃料添加手段をさらに備
   え、前記空燃比補正手段は、前記燃料添加手段により排気中へ添加される燃料が多いほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の空燃比測定装置。
3. 前記空燃比検出手段よりも上流の排気通路に酸化機能を有する触媒と、前記酸化機能を
   有する触媒の温度を検出する温度検出手段と、をさらに備え、前記空燃比補正手段は、前記温度検出手段により検出される温度が低いほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の空燃比測定装置。
4. 内燃機関の排気通路を流通する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   排気中の高分子ＨＣ濃度に関連する値に基づいて前記空燃比検出手段により検出された
   空燃比を補正する空燃比補正手段と、
   前記空燃比検出手段よりも上流の排気通路から燃料を添加する燃料添加手段と、
   前記空燃比検出手段よりも上流の排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒と、
   前記酸化機能を有する触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   を備え、
   前記空燃比補正手段は、
   前記燃料添加手段により排気中へ添加される燃料が多いほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きくし、
   前記温度検出手段により検出される温度が低いほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きくし、
   排気中の酸素量が少ないほど高分子ＨＣ濃度が濃いとして前記空燃比検出手段により検出された空燃比をリッチ側へ補正する値を大きく
   することを特徴とする空燃比測定装置。

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