JPH08158917A - 内燃機関の空燃比制御方法及び装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御方法及び装置

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JPH08158917A
JPH08158917A JP30585694A JP30585694A JPH08158917A JP H08158917 A JPH08158917 A JP H08158917A JP 30585694 A JP30585694 A JP 30585694A JP 30585694 A JP30585694 A JP 30585694A JP H08158917 A JPH08158917 A JP H08158917A
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control
sensor
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Toru Matsui
徹 松井
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Tokyo Gas Co Ltd
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14Introducing closed-loop corrections
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
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    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 各種特性の異なる三元触媒を用いても同一制
御にて所望のNOx浄化率を達成することが出来る様な
内燃機関の空燃比制御方法及び装置の提供。 【構成】 内燃機関5の排気通路10に介装された三元
触媒12の下流側に設置されたNOxセンサ50で測定
されたNOx濃度と所定値とを比較し52、NOx濃度
が所定値を越えた場合にサブ酸素センサ14の制御目標
値Vsを燃料リッチ側に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、排気ラインに三元触媒
を介装し、該三元触媒の上流側にはメイン酸素センサを
設け、下流側にサブ酸素センサを設けた内燃機関、例え
ばガスエンジンの空燃比制御に関する。
【0002】
【従来の技術】その様なガスエンジンのシステムが図3
で示されている。図3において、矢印Aで示す空気が空
気供給通路1から供給され、矢印Bで示すガスがガス供
給通路2から供給される。そして、空気AとガスBとは
ミキサ3により混合され、混合気は、混合気体供給通路
4を介してガスエンジン5に供給される。ここで、ガス
供給通路2からはバイパス通路6が分岐しており、バイ
パス通路6はミキサ3をバイパスして通路4に合流して
いる。そして、バイパス通路6のガス流量はバイパス弁
7の開度に依存している。なお、符号8はスロットル
弁、符号9は負荷センサを示している。
【0003】ガスエンジン5の排気ガスは、排気通路1
0により排出され、該通路10には三元触媒12が介装
されている。そして、三元触媒12の上流側にはメイン
酸素センサ13が設けられ、下流側にはサブ酸素センサ
14が設けられている。ここで、符号15はガスエンジ
ン5の回転数を検出する回転センサを示している。
【0004】負荷センサ9、メイン酸素センサ13、サ
ブ酸素センサ14、回転センサ15の検出結果(センサ
出力)は、それぞれラインL1、L2、L3、L4を介
して制御手段(コントロールユニット)30に送られ
る。制御手段30においては、これ等の検出結果に基づ
いて、ガスエンジン5に供給される混合気すなわち燃料
気体における空燃比を最適なものとするべく、バイパス
弁7の開度を決定し、ラインL5を介して、バイパス弁
7の作動用アクチュエータ16の作動信号を出力するの
である。
【0005】排気ガス浄化用の触媒の上流と下流にそれ
ぞれ酸素センサを配設したダブル酸素センサシステムが
従来から提案されている。このシステムは、上流側にあ
るメイン酸素センサの出力信号に基づいて空燃比をフィ
ードバック制御するに当り、下流側にあるサブ酸素セン
サの出力信号に基づいて制御定数(積分定数、スキップ
量、遅延時間等)を補正することにより、メイン酸素セ
ンサの特性変化および触媒劣化時における触媒の空燃比
特性変化等による空燃比制御性の低下を防止するための
ものである。
【0006】その際、サブ酸素センサの制御目標電圧に
おける空燃比は、触媒のウインドウにおける空燃比と一
致するので、サブ酸素センサによる補正は、サブ酸素セ
ンサの出力電圧が制御目標電圧を維持できるように実行
される。
【0007】図3において、負荷センサ9の出力はライ
ンL1を介して負荷演算手段32へ送られる。そして、
メイン酸素センサ13の出力は、ラインL2を介して空
燃比補正量演算手段36へ送られる。また、サブ酸素セ
ンサ14の出力は、ラインL3を介して制御定数演算手
段38に送られ、回転センサ15の出力は、ラインL4
を介して、回転数演算手段40に送られる。
【0008】負荷演算手段32、空燃比補正量演算手段
36及び回転数演算手段40の演算処理の結果は、バイ
パスガス量演算手段42に出力される。該手段42にお
いては、ガスエンジン5の空燃比が触媒に対して最適に
なる様なバイパスガス流量が計算され、その結果は空燃
比調整手段44に出力される。そして、計算されたバイ
パスガス量に対応するバイパス弁7の開度が作動信号と
して、ラインL5を介してアクチュエータ16へ出力さ
れる。この際に、制御定数演算手段38の出力が空燃比
補正量演算手段36へ送出されるので、サブ酸素センサ
14の出力もバイパス弁7の開度を決定する演算処理に
使用される訳である。
【0009】例えば、ガスエンジンで三元触媒を用いた
場合、触媒の劣化にともない図−4で示すように触媒ウ
インドウが燃料リッチ側にシフトする。この際、サブ酸
素センサの出力も触媒の劣化に合せ燃料リッチ側へシフ
トするため、上述のようなダブル酸素センサシステムを
用い、サブ酸素センサの出力電圧が制御目標電圧(V
s)となるよう空気比を制御することで、触媒劣化時の
ウインドウシフトに対応している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかし、三元触媒の種
類ごとに触媒成分が違う、使用されるエンジン、運転条
件の違いにより触媒の使用条件が違う、等の理由で三元
触媒の劣化パターンはそれぞれの触媒で違いが生じる。
(劣化時における空燃比に対する酸化窒素(以下「NO
x」と記載する)浄化率、一酸化炭素(以下「CO」と
記載する)浄化率、炭化水素浄化率特性は全ての三元触
媒において同一とはならない。)よって、触媒ウインド
ウに対するサブ酸素センサの空燃比特性も、図−5で示
すように触媒毎に違いが生じる。そこで、サブ酸素セン
サの出力電圧が、制御目標電圧(Vs)となるよう空燃
比制御を行っても、それぞれの触媒によってNOx、C
Oの浄化率に違いが生じる。
【0011】ここで、コージェネレーション用ガスエン
ジンのように非常に高いNOx浄化性能が求められてい
る場合には、上記の差が大きな問題となり、触媒によっ
ては目標NOx浄化率の得られる空燃比より燃料リーン
側で運転されるため、目標NOx浄化性能が得られない
場合が存在する。
【0012】そこで所望のNOx浄化率を達成するた
め、NOxセンサを設け、その出力のみに基づいて制御
を行うことも考えられる。しかし、NOxセンサは計測
のための反応速度(レスポンス)が非常に遅く、しかも
使用温度に制限があるため、ガスエンジンの様な内燃機
関の制御には不適当である。
【0013】本発明は上述したような従来技術の問題点
に鑑みて提案されたもので、各種特性の異なる三元触媒
を用いても同一制御にて所望のNOx浄化率を達成する
ことが出来る様な内燃機関の空燃比制御方法及び装置の
提供を目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関の空燃
比制御方法は、内燃機関の排気通路に介装された三元触
媒の上流側に設置されたメイン酸素センサによる計測結
果を入力する工程と、三元触媒の下流側に設置されたサ
ブ酸素センサによる計測結果を入力する工程とを含む内
燃機関の制御方法において、三元触媒下流側に設置され
た酸化窒素センサ(NOxセンサ)により計測された酸
化窒素濃度(NOx濃度)を入力する工程と、該酸化窒
素濃度を所定値(或いは基準濃度)とを比較する比較工
程と、酸化窒素濃度が所定値を越えた場合にサブ酸素セ
ンサの制御目標値を燃料リッチ側に変化させる工程、と
を含んでいる。
【0015】また本発明の内燃機関の空燃比制御装置
は、内燃機関の排気通路に三元触媒を介装し、三元触媒
の上流側に設けられたメイン酸素センサ及び下流側に設
けられたサブ酸素センサからの出力信号が送出される内
燃機関の制御装置において、三元触媒下流側に設けられ
て酸化窒素濃度を検出する酸化窒素センサと、該酸化窒
素濃度と所定値とを比較する比較手段と、酸化窒素濃度
が所定値を越えた場合にサブ酸素センサの制御目標値を
燃料リッチ側に変化させる制御目標値演算手段、とを備
えている。
【0016】
【作用】上述したような構成を具備する本発明によれ
ば、サブ酸素センサによるフィードバック制御成立(安
定)後、触媒下流側のNOx濃度を所定値(或いは基準
となるNOx濃度の値)と比較し、NOx濃度が所定値
を越えた場合に前記サブ酸素センサの制御目標値を燃料
リッチ側に変化させている。ここで、サブ酸素センサに
よるフィードバック制御成立(安定)までは、従来より
提案されているダブルO2 センサシステムと同一の制御
を行う(サブフィードバック成立(安定):サブ酸素セ
ンサ出力電圧が、制御目標電圧を所定回数横切った状
態)。そしてNOx濃度が所定値以下になるまで、上記
制御を繰返している。そして本発明では、NOxを直接
測定して空燃比制御を行っているので、劣化特性がそれ
ぞれ異なる三元触媒を用いても制御が可能なのである。
【0017】ここで、NOx濃度の計測手段であるNO
xセンサは、上述した様に、レスポンスが遅いという問
題を有している。しかしながらサブ酸素センサによるフ
ィードバック制御は、制御成立(安定)まで、ある程度
の時間を有するため、サブ酸素センサフィードバック制
御成立(安定)までの時間>NOxセンサのレスポンス
となり、NOxセンサのレスポンスが遅いことは、内燃
機関(ガスエンジン)の運転制御には何等悪影響を及ぼ
さないのである。
【0018】つまり、内燃機関(ガスエンジン)の主た
る空燃比制御においてはサブ酸素センサの出力を用いて
いるので、NOxセンサのレスポンスの悪さはサブ酸素
センサのフィードバッグが成立(安定)するまでの時間
に吸収される。これに加えて、ダブルO2 センサシステ
ムによる空燃比制御は極めて安定した制御であるため、
制御不能状態への暴走は防止される。そして、これ等に
起因して、空燃比制御においてハンチングを生じること
も無い。
【0019】コージェネレーションにおいてガスエンジ
ンが用いられる場合、三元触媒〜排ガス排出口までの距
離は長く、また途中に熱交換器等の装置を有するため、
三元触媒〜排ガス排出口までの排ガス煙道にはさまざま
な温度領域が存在する。そこで、NOxセンサに適した
温度領域にNOxセンサを取付けることで、NOxセン
サの温度制御を簡単なものとすることができる。この
際、三元触媒〜NOxセンサの距離が長くなった場合、
上述したようにサブ酸素センサによるフィードバック成
立(安定)までの時間に、距離の長さによる応答遅れ時
間が吸収されてしまうため、制御上問題を起こすことは
ない。
【0020】本発明によれば、燃料リッチ側への移行
は、三元触媒下流側のサブ酸素センサによる制御が安定
するまで行われない。そのため、空燃比が燃料リッチ側
へ大きくずれることによるCOや触媒新品時におけるN
3 の様なNOx以外の成分の排出も抑えられる。
【0021】
【実施例】以下、主として図1及び図2を参照しつつ、
本発明の実施例について説明する。ここで、図面におい
て同一の部材については同一の参照符号を付して説明し
てある。
【0022】図1において、負荷センサ9の出力はライ
ンL1を介して負荷演算手段32へ送られ、メイン酸素
センサ13の出力はラインL2を介して空燃比補正量演
算手段36へ送られる。そして、サブ酸素センサ14の
出力はラインL3を介して制御定数演算手段38に送ら
れ、回転センサ15の出力はラインL4を介して回転数
演算手段40に送られる。
【0023】図3で示す従来技術と同様に、負荷演算手
段32、空燃比補正量演算手段36及び回転数演算手段
40の演算処理の結果は、バイパスガス量演算手段42
に出力される。そして、ガスエンジン5の空燃比が触媒
に対して最適になる様なバイパスガス流量が計算され、
その結果は空燃比調整手段44に出力され、該計算され
たバイパスガス量に対応するバイパス弁7の開度が作動
信号として、ラインL5を介してアクチュエータ16へ
出力される。
【0024】ここで、図1で示す本発明の実施例では、
三元触媒12の下流側に、より具体的には三元触媒12
から出てくる排気ガスの温度による影響が最低限に抑え
ることが可能である位置、にはNOxセンサ50が設け
られている。このNOxセンサ50による計測結果、す
なわち三元触媒12下流側のNOx濃度は、ラインL8
を介して比較手段52に送られ、比較手段52及び制御
目標値演算手段54により所定の処理が為された後に、
その処理結果である制御目標値が制御定数演算手段38
に送られる。なお、この「所定の処理」に介しては、図
2を参照して後述する。
【0025】この様に、この際に、サブフィードバック
補正値及びNOx濃度を考慮した制御目標値が制御定数
演算手段38に入力され、その出力が空燃比補正量演算
手段36へ送出されるので、サブ酸素センサ14及びN
Oxセンサ50の出力もバイパス弁7の開度を決定する
演算処理に使用されるのである。
【0026】次に図2をも参照して、上述した「所定の
処理」、すなわち比較手段52及び制御目標値演算手段
54における処理について説明する。
【0027】先ず、メインフィードバックが成立(メイ
ン酸素センサの活性化)したか否か判断する(ステップ
S1)。メインフィードバックが成立したならば(ステ
ップS1がYes)、サブフィードバックが成立或いは
安定したか(サブ酸素センサの出力が制御目標値を所定
回数横切る)否か判断する(ステップS2)。
【0028】サブフィードバックが成立(或いは安定)
したならば(ステップS2がYes)、NOxセンサ5
0が計測した(三元触媒12下流側の)NOx濃度を読
み込む(ステップS3)。そして比較手段52におい
て、読み込まれたNOx濃度と所定値(サブ酸素センサ
制御目標値を変更する必要が無い場合におけるNOx濃
度の臨界値:ケース・バイ・ケースで設定される)とを
比較する(ステップS4)。
【0029】三元触媒下流側のNOx濃度が所定値より
も低い場合には(ステップS4がNo)、サブ酸素セン
サ制御目標値はそのままにして、メイン酸素センサ及び
サブ酸素センサの出力に基づく通常の制御を行う(ステ
ップS5:ステップS4がNoのループ。その際、サブ
酸素センサの出力が制御目標値を所定回横切る毎に、N
Ox値の読み込み(ステップS4)、比較(ステップS
5)を行う)。三元触媒下流側のNOx濃度が所定値よ
りも高い場合には(ステップS4がYes)、サブ酸素
センサ制御目標値(符号「Vs」で示す)を変更し(ス
テップS6)、サブフィードバックが成立或いは安定す
るのを待って(ステップS2)、再び制御を繰り返す。
【0030】図2において、サブ酸素センサ制御目標値
Vsは Vs=b+nc (n=1,2,3・・・) なる式で表現されている。
【0031】ステップS6においてサブ酸素センサ制御
目標値Vsを変化したことにより、制御は燃料リッチ側
へ移行するので、NOx濃度の増加に対応することが可
能となるのである。また、NOx濃度は基本的にNOx
センサ50により検出されるので、個々の三元触媒12
における劣化特性等が均一でなくても対応することが出
来る。
【0032】なお、図示の実施例はあくまでも例示であ
り、本発明は図示した以外に種々の変更或いは変形が可
能である旨を付記する。
【0033】
【発明の効果】以上説明した本発明の作用効果を以下に
列挙する。 (1) 劣化特性が異なる三元触媒を用いても制御が可
能である。 (2) メイン及びサブ酸素センサを用いた制御の長所
と、NOxセンサを用いた制御の長所とを組み合わせる
ことが出来る。 (3) NOxセンサのレスポンスの遅さによる悪影響
が無い。 (4) NOxセンサの取付位置に起因するレスポンス
の遅さによる悪影響も無い。 (5) 酸素センサによる空燃比制御が極めて安定した
制御である事に起因して、制御不能状態への暴走が防止
される。 (6) 空燃比制御においてハンチングを生じることも
無い。 (7) NOxセンサに適した温度領域に設置すること
でNOxセンサの温度制御を簡単なものとすることがで
きる。 (8) NOxセンサ及び酸素センサ以外の特別なセン
サを用いること無く、COやNH3 等のNOx以外の成
分の排出が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例を示すブロック図。
【図2】図1の実施例における制御フローチャートを示
す図。
【図3】従来技術を示すブロック図。
【図4】同一触媒の劣化による特性の変化を示す特性
図。
【図5】異種触媒の劣化特性のずれを示す特性図。
【符号の説明】
A・・・空気 1・・・空気供給通路 B・・・ガス 2・・・ガス供給通路 3・・・ミキサ 4・・・混合気供給通路 5・・・ガスエンジン 6・・・バイパス通路 7・・・バイパス弁 8・・・スロットル弁 9・・・負荷センサ 10・・・排気通路 12・・・三元触媒 13・・・メイン酸素センサ 14・・・サブ酸素センサ 15・・・回転センサ L1、L2、L3、L4、L5・・・ライン 16・・・作動用アクチュエータ16 30・・・制御手段(コントロールユニット) 32・・・負荷演算手段 36・・・空燃比補正量演算手段 38・・・制御定数演算手段 40・・・回転数演算手段 42・・・バイパスガス量演算手段 44・・・空燃比調整手段 50・・・窒素酸化物センサ(NOxセンサ) 52・・・比較手段 54・・・制御目標値演算手段

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の排気通路に介装された三元触
    媒の上流側に設置されたメイン酸素センサによる計測結
    果を入力する工程と、三元触媒の下流側に設置されたサ
    ブ酸素センサによる計測結果を入力する工程とを含む内
    燃機関の制御方法において、三元触媒下流側に設置され
    た酸化窒素センサにより計測された酸化窒素濃度を入力
    する工程と、該酸化窒素濃度を所定値とを比較する比較
    工程と、酸化窒素濃度が所定値を越えた場合にサブ酸素
    センサの制御目標値を燃料リッチ側に変化させる工程、
    とを含む事を特徴とする内燃機関の空燃比制御方法。
  2. 【請求項2】 内燃機関の排気通路に三元触媒を介装
    し、三元触媒の上流側に設けられたメイン酸素センサ及
    び下流側に設けられたサブ酸素センサからの出力信号が
    送出される内燃機関の制御装置において、三元触媒下流
    側に設けられて酸化窒素濃度を検出する酸化窒素センサ
    と、該酸化窒素濃度と所定値とを比較する比較手段と、
    酸化窒素濃度が所定値を越えた場合にサブ酸素センサの
    制御目標値を燃料リッチ側に変化させる制御目標値演算
    手段、とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装
    置。
JP30585694A 1994-12-09 1994-12-09 内燃機関の空燃比制御方法及び装置 Pending JPH08158917A (ja)

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