JPH03225013A

JPH03225013A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPH03225013A
Application number: JP1908790A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kato; 健治加藤; Tokuta Inoue; 井上　悳太; Kiyoshi Obata; 小端　喜代志; Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Shinichi Takeshima; 伸一竹島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-10-04
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JP2727718B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気系に、酸化雰
囲気（酸素過剰雰囲気）中、ＨＣ（未燃炭化水素）存在
下でＮＯｘを還元できるゼオライト系触媒を備えた排気
浄化装置に関するものであり、とくに触媒の耐久劣化を
防止した排気浄化装置に関する。

〔従来の技術〕

最近、燃費向上のために、希薄域の空燃比で燃焼させる
リーンバーン内燃機関の開発が進められ、一部は実用化
されている。希薄空燃比領域においては、従来の触媒で
はＮＯｘを浄化できないので、ＮＯｘ低減がリーンバー
ンエンジンの課題になっており、希薄空燃比でもＮＯｘ
を浄化できる触媒が注目されている。

特開平１−１３０７３５号公報、特願昭６３−９５０２
６号は、遷移金属を担持せしめたゼオライトからなり、
酸化雰囲気中、ＨＣ存在下でＮＯｘを還元する触媒（以
下、リーンＮＯｘ触媒という）を教示している。

また、リーンＮＯｘ触媒は還元雰囲気中すなわち空燃比
リッチの雰囲気中に置かれると劣化が進行することから
、空燃比センサで空燃比リッチと判断されるときには、
二次空気を導入して酸化雰囲気とすることが提案されて
いる（特開平１−’２０３６０９号公報）。

ところで、触媒劣化防止として、リーンＮＯｘ触媒をバ
イパスする通路、排気の流れをリーンＮＯｘ触媒とバイ
パスする通路との間に切替えるバイパス弁を設けて、空
燃比リッチのときにリーンＮＯｘ触媒をバイパスするよ
うに排気の流れを制御することが考えられる（以下、従
来制御法という）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、空燃比センサで実際の空燃比を検出しそれに基
づいて空燃比リッチと判断されてからバイパス弁をバイ
パス通路開側に切替えると、制御遅れ／バイパス弁の作
動遅れにより、空燃比り。

チな排気の一部がリーンＮＯｘ触媒に導入されてしまい
、触媒耐久劣化およびＮＯｘ増大の対策としては十分で
ない。

これを、たとえば定常時→加速と変化する場合を例にと
って、第１０図を参照してさらに詳しく説明する。スロ
ットル開度が「閉」がら「開」に変化すると、時間遅れ
をもって空燃比がリーンがらリッチに変化する。従来制
御法では、空燃比センサで検出した空燃比Ａ／Ｆが、所
定の空燃比レベル（たとえば理論空燃比：ガソリンエン
ジンの場合はＡ／Ｆストイキ＝　１４．５）よりもリッ
チ側になった時、バイパス弁を「開」に制御するので、
そのＩＩ　’＜８　遅れ（ＥＣＵ〜バイパス弁）や、バ
イパス弁「閉」−「開」の作動時間から、バイパス「開
」までに時間がかかり、この間の空燃比リッチな排気が
リーンＮＯｘ触媒に入ってしまい、触媒の耐久劣化を進
めてしまう。

本発明は、空燃比がリーンからリッチになることが予想
されるとき、従来制御法よりは早目にバイパスを「開」
として、空燃比リッチな排気かり−ンＮＯｘ触媒に導入
されることを防止し、触媒の耐久劣化を抑制することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の排気浄
化装置は、第１図に示すように、内燃機関２の運転状態
を検出する運転状態検出手段１０と、運転状態検出手段１０の出力より空燃比を調整する空燃
比調整手段１２と、内燃機関２の排気系に設けられた、遷移金属或いは貴金
属を担持せしめたゼオライトからなり、酸化雰囲気中、
ＨＣ存在下で排気ガス中のＮＯｘを還元する触媒、いわ
ゆるリーンＮＯｘ触媒４と、リーンＮＯｘ触媒４をバイ
パスするバイパス通路６と、運転状態検出手段１０の出力より空燃比リッチを予想す
る予想手段１４と、予想手段１４により空燃比リッチと予想されたときバイ
パス通路６を開とするバイパス弁８と、から構成される
。

〔作用〕

予想手段１４は、たとえば次のような場合に、空燃比リ
ーンがリッチになると予想する。

（イ）リーン化補正係数ＫＬＥＡＮ≧１．０の時。

ただし、ＫＬＥＡＮは、制御目標空燃比に相当し、機関
の運転状態などから演算される。

（ロ）スロットル開度ＴＡが所定値以上の時、あるいは
ＯＴＰ増量（オーバテンベラチャプロテクション増量）
がある時。

（ハ）加速時。

（ニ）冷間時あるいは暖機中（水温増量など）。

予想手段１４が空燃比がリーンからリッチになると予想
した時、実際の空燃比がリッチになる前に、バイパス弁
８を「開」にするよう制御信号を送る。

したがって、バイパス弁８「閉」から「開」になるのに
若干の時間を費やしたとしても、実際の空燃比が所定値
以下（リッチ）になる頃には、バイパス弁８が「開」に
なっており、空燃比リッチな排気がリーンＮＯｘ触媒４
に入ることはない。

上記の如く、本発明の排気浄化装置では、バイパス弁８
「閉」−「開」の制御は早く実行することにより、空燃
比リッチな排気がリーンＮＯｘ触媒４に入ることが防止
され、リーンＮＯｘ触媒４の耐久劣化が抑えられ、ＮＯ
ｘが長期間効果的に低減される。

（実施例〕次に、本発明の具体的実施例を説明する。

第２図は本発明の一実施例のシステム構成を示している
。第２図において、ガソリン機関或いはディーゼル機関
からなる内燃機関２の排気系には、リーンＮＯｘ触媒４
と、リーンＮＯｘ触媒４をバイパスするバイパス通路６
と、排気をリーンＮ。

Ｘ触媒４とバイパス通路６との間に切替えるバイパス弁
８と、リーンＮＯｘ触媒４の上流に設けた空燃比センサ
１８と、リーンＮＯｘ触媒４の下流に必要に応して設け
た三元触媒或いは酸化触媒２２が設けられている。

内燃機関２の吸気系には、スロ・ノトル弁２８が設けら
れ、スロットル弁２８の開度はスロ・ノトル開度センサ
３０によって検出されるようになっている。

スロットル弁２８の下流には吸気管圧力センサ３２が設
けられ、また吸気系には必要に応じて吸気温センサ３６
が設けられる。

内燃機関２の各気筒に接続する各吸気ボート（ディーゼ
ル機関の場合は各気筒）には、燃料噴射弁１６が設けら
れる。火花点火式機関の場合は各気筒に点火プラグ３８
が設けられ、４０はイグナイタ、２４は火花点火のため
電流を分配するディストリビュータである。ディストリ
ビュータ２４の回転軸は内燃機関２のクランク軸に連動
され、機関回転速度、クランク角度を検出するためのク
ランク角度センサ２Ｇがディストリビュータ２４に内装
させて設けられている。なお、内燃機関２の冷却水温を
検出する水温センサ３４も設けられている。

内ｍ機関２はエンジンコントロールコンピュータ２０に
よって制御される。第３図はエンジンコントロールコン
ピュータ２０の内部構成、各種センサおよび各種アクチ
ュエータとの関連を示している。

第３図に示すように、エンジンコントロールコンピュー
タ２０は、演算を実行するセントラルブロセノサユニソ
ト（ＣＰＵ）２０ａ、、読み出し専用のリードオンリメ
モリ　（ＲＯＭ）２０ｂ、−時記憶用のランダムアクセ
スメモリ　（ＲＡＭ）２０ｃ、アナログ信号用の入力イ
ンターフェイス２０ｄ１アナログ信号をディジタル信号
に変換するＡ／Ｄコンバータ２０ｅ、ディジタル信号用
の入力インターフェイス２０ｒ１出力インターフエイス
２０ｇからなり、定電圧電源２０ｈから電力を供給され
る。

吸気管圧力センサ３２、水温センサ３４、吸気温センサ
３６、空燃比センサ１８の出力は入力インターフェイス
２０ｄに入力され、クランク角度センサ２６、スロット
ル開度センサ（ディジタル信号の場合）３０の出力は入
力インターフェイス２０ｆに入力される。ＣＰＵ２０ａ
では後述する演算が行われ、その出力は出力インターフ
ェイス２０ｇを介して各燃料噴射弁（インジェクタ）１
６、バイパス制、御弁８等に送信され、各アクチュエー
タを制御する。

第４図はＲＯＭ２０ｂに記憶され、ＣＰＵ２０ａに読み
出されてバイパス制御を行なう、本発明の第１実施例に
係る演算ルーチンを示している。

第４図のルーチンは、クランク角度センサ２６かラック
ランク角度に基づき、たとえば１８０　’　ＣＡ（クラ
ンク角度）毎に割込まれる。

ステップ１０１において、クランク角度センサ２６の出
力からニシン回転速度ＮＥを、吸気管圧力センサ３２の
出力から吸気管圧力ＰＭを読み込む。

ついでステップ１０２にて、吸気管圧力とエンジン回転
速度より、空燃比が理論空燃比となるように、基本燃料
噴射量Ｔｐを算出する。

つぎに、水温、吸気温等の運転条件に応じて基本燃料噴
射量を補正する操作を行う。まず、ステップ１０３　で
、水温センサ３４からの出力ＴＨＷ、或いは吸気温セン
サ３６からの出力ＴＨＡを読込む。

つぎにステップ１０４で、水温（或いは吸気温）増量Ｆ
ＷＬを算出する。水温増量は暖機時のドライバビリティ
向上のための燃料噴射の増量で、たとえば、第５図に示
すＴＨＷ−ＦＷＬマツプにより求められる。

基本燃料噴射量Ｔｐは、エンジン回転速度ＮＥ、吸気管
圧力ＰＭによっても補正される。ステップ１０５で、吸
気管圧力に対するリーン化補正係数にＬＥＡＮＰＭを、
たとえば、第６図に示すＰＭ−ＫＬＥＡＮＰｌ！ｊマツ
プから、求める。ついでステップ１０６で、エンジン回
転速度ＮＥに対するリーン化補正係数ＫＬＥＡＮＮＥを
、たとえば、第７図に示すＮＥ−ＫＬ４ＡＮＮＥマツプ
から、算出す目標空燃比に対応するもの）を算出する。

この他に燃料噴射量は、加速増量、スロットル高開度時
増量、触媒設置時に必要となることがある触媒過熱防止
増量が施されることがある。ステップ１０８では、八Ｐ
Ｍ＞α（αは成る一定値）で入り、加速時のトルク向上
のために、八ＰＭより加速増量ＦＡＣＣが算出される。

ステップ１０９では、スロットル開度ＴＡ＞Ｃ（Ｃは成
る一定値）で入り、スロットル高開度時の出力向上のた
めに、スロットル開度ＴＡよりスロットル高開度時増量
ＦＰＯＷＥＲが算出される。ステップ１１０では、機関
１回転当りの吸入空気量Ｑ／Ｎ、機関回転速度ＮＥより
、触媒過熱防止増量ＯＴＰ　（オーバテンベラチャプロ
テクション）を求める。

リーン化補正係数ＫＬＥＡＮ、各種の増量が算出された
後、ステップ１１１に進んで、燃料噴射量を補正する。

燃料噴射量ＴＡＵは次式より算出される。

ＴＡＵ＝Ｔｐ−ＫＬＥＡＮ−ＦＷＬ（１＋ＦＡＣＣ＋ＦＰＯＷＥＲ＋０ＴＰ）ついで、ステップ１１２に進み、ＴＡｔＪをセットし、
ＴＡＵだけ燃料噴射を実行する。

ついで、ステップ１１３以降のバイパス制御のステップ
へと進む、ステップ１１３で、バイパス中か否か、すな
わちバイパス判定フラッグＸＦ＝１　　（バイパス中）
か否かを判断する。

ステップ１１３にてバイパス中でないなら、すなわちＸ
Ｆ＝１でないなら、ステップ１１４．１１５．１１６　
、１１７．１１Ｂへと進み、空燃比がリッチとなるか否
かを予想する。すなわち、ステップ１１４では、冷間時
或いは暖機中の如く水温増量があれば、すなわちＦＷＬ
＞１．０であれば空燃比がリッチになると予想する。ス
テップ１１５では、リーン化補正係数ＫＬＥＡＮより空
燃比がリッチになるか否かを予想する。ただし、ＫＬＥ
ＡＮ＝理論空燃比／目標空燃比の関係があり、ＫＬＥＡ
Ｎ＞１．０なら空燃比がリッチになると予想し、ＫＬＥ
ＡＮ≦１．０なら空燃比がリーンになると予想する。ス
テップ１１６では加速増量が正であるなら、すなわちＦ
ＡＣＣ＞０なら空燃比がリッチ゛になると予想する。ス
テップ１１７ではスロットル高開度時の出力補正が正で
あるなら、すなわちＦＰＯＷＥＲ＞０なら空燃比がリッ
チになると予想する。ステップ１１８では、触媒過熱防
止増量が正であるなら、すなわちＯＴＰ＞０なら、空燃
比がす・７チになると予想する。上記において、ステッ
プ１１４．１１５．１１６．１１７．１１８の何れか少
なくとも一つは空燃比がリーンからリッチに変化するこ
とを予想する予想手段１４を構成する。

ステップ１１４．１１５．１１６．１１７．１１Ｂの何
れかで空燃比がリッチになると予想されたなら、ステッ
プ１２３に進み、実際の空燃比がリーンからリッチに変
化する前にバイパス弁８を「開」の実行処理をする。す
なわち、バイパス弁８が「開」となるのに若干時間がか
かっても、空燃比がリッチになると予想されてから実際
に空燃比がリッチになるのにより多くの時間がかかるか
ら、バイパス弁８が「開」となった後で実際の空燃比が
リッチとなり、リッチな空燃比の排気がリーンＮＯｘ触
媒４に流れ込むことはない、ステップ１２３のバイパス
弁８「開」実行処理が済むと、ステップ１２４に進んで
バイパス判定フラッグＸＦをバイパス中を表示する１と
しておく。

ステップ１１３でＸＦ＝　１なら、すなわちバイパス中
ならステップ１２１に進み、空燃比センサ１８の出力か
ら現在の実際の空燃比を読み込み、ステップ１２２に進
んで実際の空燃比Ａ／Ｆが所定値すより大か否かを判定
する。ステップ１２２でＡ／Ｆ＞ｂでないなら空燃比リ
ッチだから、ステップ１２３に進み、バイパス弁８を「
開」のままとし、ついでステップ１２４に進んでバイパ
ス判定フラッグＸＦを１のままとしておく。

ステップ１２２でＡ／Ｆ　＞　ｂなら、すなわち実際の
空燃比がリッチからり−ンに変化したなら、ステップ１
１９に進み、バイパス弁８の「閉」実行処理をする。し
たがって、空燃比がリッチからリーンに変化するときの
バイパス弁８の「閉」実行処理は、空燃比がリッチから
り−ンに変化することを予想して行うのではなく、実際
の空燃比がり・ノチからリーンに変化したことを判断し
て行う、したがって、実際の空燃比がリーンに変化した
後にバイパス弁８が「閉」になるから、空燃比リッチな
排気がリーンＮＯｘ触媒４に導入されることはない、つ
いで、ステップ１２０に進みノマイノクス判定フラッグ
ＸＦを０としてお（。

第８図は本発明の第２実施例に係る演算ルーチンを示し
ており、第１実施例と異なるステップを２００番台の番
号で、第１実施例に準しるステップは第１実施例と同し
番号で示しである。空燃比がリッチからリーンになると
きのバイノぐス弁８の「閉」への切替えを、第１実施例
では実際の空燃比がリーンになってから実行したのに対
し、第２実施例では、Ｋ＝ＫＬＥＡＮ　−ＦＷＬ（１＋ＦＡＣＣ＋ＦＰＯＷＥＲ＋ＦＯＴＰ）＞１．０となった時、すなわち空燃比が全体的に見てり−ンにな
ると予想された時から、所定時間だけ経過してから実行
する。

さらに詳しくは、第２実施例では、ステ・ノブ１１３で
バイパス中（ＸＦ＝１）と判定されると、ステップ２０
１　に進み、Ｋ＞１．０か否かを判定し、Ｋ〉１．０で
ないなら、すなわち空燃比が全体的に見てリーンになる
と予想されたなら、ステップ２０２を介してステップ２
０３に進み、時間経過ＣＬＥＡＮを１づつカウントアツ
プしていく。１８０°クランク角度毎にルーチンに割込
んで演算を繰返し実行することによりＣＬＥＡＮが増加
していき、ＣＬＥＡＮが所定値ｅより大となる割込み演
算において、すなわち所定時間経過した演算において、
ステップ２０２でＣＬＥＡＮ＞ｅとなったときに空燃比
がリーンからリッチに変化したとみなし、ステップ２０
５を介してステップ１１９に進み、バイパス弁８「閉」
実行処理をする。ステップ２０３．２０２は予想手段１
４を構成する。その他のときはステ・ノブ１２３に進み
、バイパス弁８は開のままである。

ステップ２０４．２０５はＣＬＥＡＮを０に保ち、ある
いはＯにクリアするステップである。その他は第１実施
例に準じる。

つぎに、本発明の作用を、第９図のタイムチャートを参
照して説明する。ただし、燃料補正は、リーン化補正係
数ＫＬＥＡＮのみによる場合を、例として挙げである。

たとえば、定常走行　→　加速　−減速　一定常走行（Ａ／Ｆリー
ン）　（リッチ）（リーン）（リーン）のように運転す
るとき、スロットル開度ＴＡは第６図の最上段のように
変化することになる。

この時、制御目標空燃比（リーン化補正係数ＫＬＥＡＮ
に１き換えられる）は、第６図の上から第２．３段目に
示すように、機関の運転状態や各種センサの信号から求
められるので、検出の遅れや演算時間など、多少の制御
遅れがある。

上記の目標空燃比に実行処理するには、ＥＣＵ２０から
燃料噴射弁１６に信号を送って燃料を噴射し、その燃料
が吸気ボートを通ってシリンダ内に入り（輸送４旧、燃
焼して、その排気が排気系を通って空燃比センサ１８に
達するので、実際の空燃比を空燃比センサ１８が検出す
るまでに、かなりの時間を要する。したがって、実際の
空燃比（空燃比センサ１８の検出）は、第６図の上から
第４段目に示すように、遅れる。

従来制御法では、空燃比センサ１８で検出した実際の空
燃比値が、所定の空燃比レベルよりもリッチ側になった
時、バイパス弁を「開」に制御するので、その制御遅れ
（ＥＣＬＩ〜バイパス弁）や、バイパス弁「閉」＝「開
」の時間から、バイパス「開」までに時間がかかり、こ
の間の空燃比リッチな排気が、リーンＮＯｘ触媒に入っ
てしまうことは、前記した通りである。

しかし、本発明では、第６図の最下段に示すように、目
標空燃比（ＫＬＥＡＮ（ｉ）が所定値以下（たとえば理
論空燃比よりもリッチ側）になった時に、バイパス弁８
を「開」にするようｌ１１ｍ信号を送る。したがって、
バイパス弁８の「閉」−「開」に若干の時間を費やして
も、実際の空燃比が所定値以下（リッチ）になる頃には
、バイパス弁８が「開」になっており、空燃比リッチな
排気がリーンＮＯｘ触媒４に入ることはない。

一方、空燃比がリッチからリーンに変化するときには、
従来の制御法と同様に、空燃比センサで実際の空燃比が
リーンになってからバイパス弁８を「開」−「閉」に°
制御するので、この場合も空燃比リッチな排気がリーン
ＮＯｘ触媒４に導かれることはない。

本発明では、上記の如く、バイパス弁８「閉」＝「開」
の制御は早（、「開」＝「閉」の制御は遅く実行するこ
とにより、空燃比リッチな排気がリーンＮＯｘ触媒４に
入ることが防止される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、空燃比リッチを予想する予想手段と、
予想手段により空燃比リッチと予想されたときバイパス
通路を開とするバイパス弁を設けたので、実際の空燃比
がリーンからリッチに変化する前にバイパス弁を「閉」
から「開」に切替えることができ、空燃比リッチな排気
がリーンＮ。

Ｘ触媒に導入されることを防止できる。したがって、リ
ーンＮＯｘ触媒の耐久劣化を抑えることができ、長期間
にわたってＮＯｘを効果的に低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御系
統図、第２図は本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置の機器系統図、第３図は第２図のうち、ＥＣＵ、各種−センサ、各種ア
クチエエータの関連を示すブロック図、第４図は本発明
の第１実施例に係る制御フローチャート、第５図は第４図のステップ１０４の演算で用いる水温Ｔ
ＨＷ−水温増量ＦＷＬマツプ図、第６図は第４図のステ
ップ１０５の演算で用いる吸気管圧力ＰＭ−リーン化化
工正係数′ＬＥ、ＡＮＰＭマツプ図、第７図は第４図のステップ１０６の演・算で用いるエン
ジン回転速度ＮＥ−リーン化補正係数ＫＬＥＡＮＮＥマ
ツプ図、第８図は本発明の第２実施例に係る制御フローチャート
、第９図はリーン化補正係数ＫＬＥＡＮで空燃比リーンか
らリッチへの変化を予想した場合の、スロットル開度、
目標空燃比、ＫＬＥＡＮ、実際の空燃比、バイパス弁の
開閉、間のタイミングチャート、第１０図は従来法から考えられる′制御法におけるスロ
ットル開度、空燃比、バイパス開閉、間のタイミングチ
ャート、である。２・・・・・・内燃機関４・・・・・・リーンＮＯｘ触媒６・・・・・・バイパス通路８・・・・・・バイパス弁ｌＯ・・・・・・運転状態検出手段１２・・・・・・空燃比調整手段１４・・・・・・予想手段１６・・・・・・燃料噴射弁１８・・・・・・空燃比センサ２０・・・・・・ＥＣＵ２６・・・・・・クランク角度センサ３０・・・・・・スロットル開度センサ３２・・・・・
・吸気管圧力センサ３４・・・・・・水温センサ３６・・・・・・吸気温センサ３８・・・・・・点火プラグ許　出　願　人　　　トヨタ自動車株式会社第１図第５図４　ｒｓｗ第６図第７図＋　ＮＥ

Claims

【特許請求の範囲】１、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と
、運転状態検出手段の出力より空燃比を調整する空燃比調
整手段と、内燃機関の排気系に設けられた、遷移金属或いは貴金属
を担持せしめたゼオライトからなり、酸化雰囲気中、Ｈ
Ｃ存在下で排気ガス中のＮＯｘを還元する触媒、いわゆ
るリーンＮＯｘ触媒と、リーンＮＯｘ触媒をバイパスす
るバイパス通路と、運転状態検出手段の出力より空燃比リッチを予想する予
想手段と、予想手段により空燃比リッチと予想されたときバイパス
通路を開とするバイパス弁と、からなることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。