KR101760196B1 - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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노리히사 나카가와
유지 야마구치
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

내연 기관의 제어 장치는, 상류측 촉매(20)와, 상류측 촉매보다도 배기 흐름 방향 하류측에 설치된 하류측 촉매(24)와, 이들 촉매 간에 설치된 하류측 공연비 검출 수단(41)과, 하류측 촉매의 산소 흡장량을 추정하는 흡장량 추정 수단과, 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 목표 공연비가 되도록 상기 배기 가스의 공연비를 제어하는 유입 공연비 제어 장치를 구비한다. 통상 시 농후 제어 시에는, 하류측 공연비 검출 수단에 의해 검출된 공연비가 농후 공연비가 되었을 때에는, 목표 공연비가 희박 공연비로 설정되고, 상류측 촉매의 산소 흡장량이 상류측 판정 기준 흡장량 이상으로 되었을 때에는, 목표 공연비가 농후 공연비로 설정된다. 하류측 촉매의 산소 흡장량이 최대 흡장량보다도 적은 하류측 하한 흡장량 이하로 되었을 때에는, 상류측 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비가 되도록 목표 공연비가 희박 공연비로 설정된다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 공연비 센서의 출력에 따라서 내연 기관을 제어하는 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다.
종래부터, 내연 기관의 배기 통로에 공연비 센서를 설치하고, 이 공연비 센서의 출력에 기초하여 내연 기관에 공급하는 연료량을 제어하는 내연 기관의 제어 장치가 널리 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 내지 4를 참조).
이러한 제어 장치에서는, 배기 통로 내에 설치된 산소 흡장 능력을 갖는 상류측 촉매 및 하류측 촉매가 사용된다. 산소 흡장 능력을 갖는 촉매는, 산소 흡장량이 상한 흡장량과 하한 흡장량 사이의 적당한 양일 때에는, 촉매에 유입되는 배기 가스 중의 미연 가스(HC나 CO 등)나 NOx 등을 정화할 수 있다. 즉, 촉매에 이론 공연비보다도 농후한 측의 공연비(이하, 「농후 공연비」라고도 함)의 배기 가스가 유입되면, 촉매에 흡장되어 있는 산소에 의해 배기 가스 중의 미연 가스가 산화 정화된다. 반대로, 촉매에 이론 공연비보다도 희박한 측의 공연비(이하, 「희박 공연비」라고도 함)의 배기 가스가 유입되면, 배기 가스 중의 산소가 촉매에 흡장된다. 이에 의해, 촉매 표면 상에서 산소 부족 상태로 되고, 이에 수반하여 배기 가스 중의 NOx가 환원 정화된다. 그 결과, 촉매는, 산소 흡장량이 적당한 양인 한, 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비에 관계없이, 배기 가스를 정화할 수 있다.
따라서, 이러한 제어 장치에서는, 상류측 촉매에 있어서의 산소 흡장량을 적절한 양으로 유지하기 위해, 상류측 촉매의 배기 흐름 방향 상류측에 공연비 센서를 설치하고, 상류측 촉매의 배기 흐름 방향 하류측이며 하류측 촉매의 배기 흐름 방향 상류측에 산소 센서를 설치하도록 하고 있다. 이들 센서를 사용하여, 제어 장치는, 상류측의 공연비 센서의 출력에 기초하여 이 공연비 센서의 출력 전류가 목표 공연비에 상당하는 목표값이 되도록 피드백 제어를 행한다. 또한, 하류측의 산소 센서의 출력에 기초하여 상류측의 공연비 센서의 목표값을 보정한다.
예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 제어 장치에서는, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 고측 임계값 이상이며, 상류측 촉매의 상태가 산소 부족 상태일 때에는, 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 공연비로 된다. 반대로, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 저측 임계값 이하이며, 상류측 촉매의 상태가 산소 과잉 상태일 때에는, 목표 공연비가 농후 공연비로 된다. 특허문헌 1에 의하면, 이에 의해, 산소 부족 상태 또는 산소 과잉 상태에 있을 때, 촉매의 상태를 신속하게 이들 양 상태의 중간 상태(즉, 촉매에 적당한 양의 산소가 흡장되어 있는 상태)로 되돌릴 수 있게 되어 있다.
또한, 상기 제어 장치에서는, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 고측 임계값과 저측 임계값의 사이에 있는 경우, 산소 센서의 출력 전압이 증대 경향에 있을 때에는 목표 공연비가 희박 공연비로 된다. 반대로, 산소 센서의 출력 전압이 감소 경향에 있을 때에는 목표 공연비가 농후 공연비로 된다. 특허문헌 1에 의하면, 이에 의해, 상류측 촉매의 상태가 산소 부족 상태 또는 산소 과잉 상태로 되는 것을 미연에 방지할 수 있게 되어 있다.
일본 특허공개 제2011-069337호 공보 일본 특허공개 제2005-351096호 공보 일본 특허공개 제2000-356618호 공보 일본 특허공개 평8-232723호 공보 일본 특허공개 제2009-162139호 공보 일본 특허공개 제2001-234787호 공보
그런데, 특허문헌 1에 기재된 제어 장치에서는, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 고측 임계값 이상이며, 상류측 촉매의 상태가 산소 부족 상태일 때에는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 공연비로 된다. 즉, 이 제어 장치에서는, 촉매의 상태가 산소 부족 상태이며, 상류측 촉매로부터 미연 가스가 유출되었을 때, 목표 공연비를 희박 공연비로 하고 있다. 따라서, 상류측 촉매로부터는 다소의 미연 가스가 유출되는 경우가 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재된 제어 장치에서는, 하류측의 산소 센서의 출력 전압이 저측 임계값 이하이며, 촉매의 상태가 산소 과잉 상태일 때에는, 목표 공연비가 농후 공연비로 된다. 즉, 이 제어 장치에서는, 촉매의 상태가 산소 과잉 상태이며, 상류측 촉매로부터 산소 및 NOx가 유출되었을 때, 목표 공연비를 농후 공연비로 하고 있다. 따라서, 상류측 촉매로부터는 다소의 NOx가 유출되는 경우가 있다.
따라서, 상류측 촉매로부터는 미연 가스와 NOx의 양쪽이 유출되는 경우가 있다. 이와 같이, 상류측 촉매로부터 미연 가스와 NOx의 양쪽이 유출되면, 하류측 촉매에서는 이들 양쪽의 성분을 정화하는 것이 필요해진다.
따라서, 본 발명자들은, 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를, 이론 공연비보다도 어느 정도 희박한 희박 설정 공연비와, 이론 공연비보다도 약간 농후한 약 농후 설정 공연비로 교대로 설정하는 공연비 제어를 행하는 것을 제안하고 있다. 구체적으로는, 이러한 공연비 제어에서는, 상류측 촉매의 하류측에 배치된 하류측 공연비 센서에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후한 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때, 상류측 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 흡장량으로 될 때까지, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 된다. 한편, 상류측 촉매의 산소 흡장량이 소정의 흡장량 이상으로 되었을 때, 목표 공연비가 약 농후 설정 공연비로 된다.
이와 같은 제어를 행함으로써, 목표 공연비를 약 농후 설정 공연비로 하고 있으면, 상류측 촉매의 산소 흡장량이 서서히 적어지고, 최종적으로는 상류측 촉매로부터 근소하게 미연 가스가 유출된다. 이와 같이 약간 미연 가스가 유출되면, 하류측 공연비 센서에 의해 기준 공연비 이하의 공연비가 검출되고, 그 결과, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 전환된다.
목표 공연비가 희박 설정 공연비로 전환되면, 상류측 촉매의 산소 흡장량은 급격하게 증대된다. 상류측 촉매의 산소 흡장량이 급격하게 증대되면, 산소 흡장량은 단기간에 소정의 흡장량에 도달하고, 그 후, 목표 공연비가 약 농후 설정 공연비로 전환된다.
이와 같은 제어를 행한 경우, 상류측 촉매로부터는 미연 가스가 유출되는 일은 있지만 NOx가 유출되는 일은 거의 없다. 이로 인해, 기본적으로, 하류측 촉매에는 NOx가 유입되지 않고, 미연 가스만이 유입되게 된다. 특히, 연료 분사 밸브로부터의 연료 분사를 일시적으로 정지시키는 연료 커트 제어를 행하는 내연 기관에서는, 연료 커트 제어의 실행 시에 하류측 촉매의 산소 흡장량은 최대 산소 흡장량으로까지 도달한다. 이로 인해, 이러한 내연 기관에서는, 하류측 촉매에 미연 가스가 유입되어도 하류측 촉매에 흡장되어 있는 산소를 방출함으로써, 미연 가스를 정화할 수 있다.
그런데, 내연 기관을 탑재한 차량의 운전 상황에 따라서는, 장기간에 걸쳐서 연료 커트 제어가 실행되지 않는 경우가 있다. 이 경우, 하류측 촉매의 산소 흡장량이 저하되어, 결국 상류측 촉매로부터 약간 유출된 미연 가스를 충분히 정화할 수 없게 되어버릴 수 있다.
따라서, 상기 과제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 전술한 바와 같이 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 제어한 경우이며, 하류측 촉매로부터 미연 가스가 유출되는 것을 확실하게 억제할 수 있는 내연 기관의 제어 장치를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 제1 발명에서는, 연소 기관의 배기 통로에 설치된 상류측 촉매와, 상기 상류측 촉매보다도 배기 흐름 방향 하류측에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 하류측 촉매와, 상기 상류측 촉매와 상기 하류측 촉매의 사이에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 하류측 공연비 검출 수단과, 상기 하류측 촉매의 산소 흡장량을 추정하는 흡장량 추정 수단과, 상기 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 목표 공연비가 되도록 상기 배기 가스의 공연비를 제어하는 유입 공연비 제어 장치를 구비하는, 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 상기 하류측 공연비 검출 수단에 의해 검출된 공연비가 이론 공연비보다도 농후한 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 상류측 판정 기준 흡장량으로 될 때까지, 상기 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는 통상 시 희박 제어 수단과, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 상기 상류측 판정 기준 흡장량 이상으로 되었을 때, 상기 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정하는 통상 시 농후 제어 수단과, 상기 흡장량 추정 수단에 의해 추정된 상기 하류측 촉매의 산소 흡장량이 최대 흡장량보다도 적은 소정의 하류측 하한 흡장량 이하로 되었을 때에는, 상기 통상 시 농후 제어 수단 및 통상 시 희박 제어 수단에 의해 목표 공연비의 설정을 행하지 않고, 상기 상류측 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후하게 되지 않고 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 되도록 상기 목표 공연비를 단속적 또는 계속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는 흡장량 회복 제어 수단을 구비한다.
제2 발명에서는, 제1 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 하류측 촉매의 산소 흡장량이 상기 하류측 하한 흡장량보다도 많고 또한 최대 산소 흡장량 이하의 소정의 하류측 상한 흡장량으로 될 때까지 상기 목표 공연비의 설정을 계속한다.
제3 발명에서는, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 상류측 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 되도록 상기 목표 공연비를 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정한다.
제4 발명에서는, 제3 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 하류측 공연비 검출 수단에 의해 검출된 공연비가 이론 공연비보다도 희박한 희박 판정 공연비 이상으로 되었을 때, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 0보다도 많은 소정의 상류측 하한 흡장량으로 될 때까지, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정하는 회복 시 농후 제어 수단과, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 상기 상류측 하한 흡장량 이하로 되었을 때 상기 산소 흡장량이 0에 달하지 않고 최대 산소 흡장량을 향해 증가하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 희박하게 설정하는 회복 시 희박 제어 수단을 갖는다.
제5 발명에서는, 제4 발명에 있어서, 상기 회복 시 농후 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 상기 회복 시 희박 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 크다.
제6 발명에서는, 제4 또는 제5 발명에 있어서, 상기 회복 시 농후 제어 수단은 상기 목표 공연비를 계속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정한다.
제7 발명에서는, 제4 내지 제6 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 회복 시 희박 제어 수단은 상기 목표 공연비를 계속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정한다.
제8 발명에서는, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 목표 공연비를 계속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정한다.
제9 발명에서는, 제8 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적으로 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비로부터의 차는, 상기 통상 시 희박 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차 이상이다.
제10 발명에서는, 제8 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적으로 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 상기 통상 시 희박 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 작다.
제11 발명에서는, 제8 내지 제10 중 어느 하나 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단은, 당해 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 설정하고 있는 기간에 걸쳐서, 상기 목표 공연비를 일정한 공연비로 고정한다.
제12 발명에서는, 제8 내지 제10 중 어느 하나 발명에 있어서, 상기 흡장량 회복 제어 수단은, 당해 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 설정하고 있는 기간에 있어서, 상기 목표 공연비를 연속적으로 또는 단계적으로 저하시킨다.
본 발명에 의하면, 하류측 촉매로부터 미연 가스가 유출되는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제어 장치가 사용되는 내연 기관을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 촉매의 산소 흡장량과 촉매로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 또는 미연 가스의 농도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은, 공연비 센서의 개략적인 단면도이다.
도 4는, 공연비 센서의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는, 공연비 센서의 배기 공연비와 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, 전압 인가 장치 및 전류 검출 장치를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 8은, 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 9는, 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 10은, 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 11은, 공연비 보정량의 산출 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 12는, 흡장량 회복 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 13은, 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 14는, 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 15는, 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 16은, 각 배기 공연비에 있어서의 센서 인가 전압과 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은, 각 센서 인가 전압에 있어서의 배기 공연비와 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18은, 도 16에 X-X로 나타낸 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 19는, 도 17에 Y로 나타낸 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 20은, 공연비 센서의 공연비와 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내연 기관 제어 장치에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여한다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 장치가 사용되는 내연 기관을 개략적으로 나타내는 도면이다.
<내연 기관 전체의 설명>
도 1을 참조하면, 1은 기관 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 블록(2) 내에서 왕복 이동하는 피스톤, 4는 실린더 블록(2) 상에 고정된 실린더 헤드, 5는 피스톤(3)과 실린더 헤드(4)의 사이에 형성된 연소실, 6은 흡기 밸브, 7은 흡기 포트, 8은 배기 밸브, 9는 배기 포트를 각각 나타낸다. 흡기 밸브(6)는 흡기 포트(7)를 개폐하고, 배기 밸브(8)는 배기 포트(9)를 개폐한다.
도 1에 도시한 바와 같이 실린더 헤드(4)의 내벽면 중앙부에는 점화 플러그(10)가 배치되고, 실린더 헤드(4)의 내벽면 주변부에는 연료 분사 밸브(11)가 배치된다. 점화 플러그(10)는, 점화 신호에 따라서 불꽃을 발생시키도록 구성된다. 또한, 연료 분사 밸브(11)는, 분사 신호에 따라서, 소정량의 연료를 연소실(5) 내에 분사한다. 또한, 연료 분사 밸브(11)는, 흡기 포트(7) 내에 연료를 분사하도록 배치되어도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료로서 촉매에 있어서의 이론 공연비가 14.6인 가솔린이 사용된다. 그러나, 본 발명의 내연 기관은 다른 연료를 사용하여도 된다.
각 기통의 흡기 포트(7)는 각각 대응하는 흡기 지관(13)을 통해 서지 탱크(14)에 연결되고, 서지 탱크(14)는 흡기관(15)을 통해 에어 클리너(16)에 연결된다. 흡기 포트(7), 흡기 지관(13), 서지 탱크(14), 흡기관(15)은 흡기 통로를 형성한다. 또한, 흡기관(15) 내에는 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(18)가 배치된다. 스로틀 밸브(18)는, 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 의해 회전됨으로써, 흡기 통로의 개구 면적을 변경할 수 있다.
한편, 각 기통의 배기 포트(9)는 배기 매니폴드(19)에 연결된다. 배기 매니폴드(19)는, 각 배기 포트(9)에 연결되는 복수의 지부와 이들 지부가 집합된 집합부를 갖는다. 배기 매니폴드(19)의 집합부는 상류측 촉매(20)를 내장한 상류측 케이싱(21)에 연결된다. 상류측 케이싱(21)은, 배기관(22)을 통해 하류측 촉매(24)를 내장한 하류측 케이싱(23)에 연결된다. 배기 포트(9), 배기 매니폴드(19), 상류측 케이싱(21), 배기관(22) 및 하류측 케이싱(23)은, 배기 통로를 형성한다.
전자 제어 유닛(ECU)(31)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍 방향성 버스(32)를 통해 서로 접속된 RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), ROM(리드 온리 메모리)(34), CPU(마이크로프로세서)(35), 입력 포트(36) 및 출력 포트(37)를 구비한다. 흡기관(15)에는, 흡기관(15) 내를 흐르는 공기 유량을 검출하기 위한 에어 플로우미터(39)가 배치되고, 이 에어 플로우미터(39)의 출력은 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 또한, 배기 매니폴드(19)의 집합부에는 배기 매니폴드(19) 내를 흐르는 배기 가스[즉, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스]의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서(상류측 공연비 검출 수단)(40)가 배치된다. 또한, 배기관(22) 내에는 배기관(22) 내를 흐르는 배기 가스[즉, 상류측 촉매(20)로부터 유출되어 하류측 촉매(24)에 유입되는 배기 가스]의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서(하류측 공연비 검출 수단)(41)가 배치된다. 이들 공연비 센서(40, 41)의 출력도 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 또한, 이들 공연비 센서(40, 41)의 구성에 대해서는 후술한다.
또한, 액셀러레이터 페달(42)에는 액셀러레이터 페달(42)의 답입량에 비례한 출력 전압을 발생하는 부하 센서(43)가 접속되고, 부하 센서(43)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 크랭크각 센서(44)는 예를 들어 크랭크 샤프트가 15°회전할 때마다 출력 펄스를 발생하고, 이 출력 펄스가 입력 포트(36)에 입력된다. CPU(35)에서는 이 크랭크각 센서(44)의 출력 펄스로부터 기관 회전수가 계산된다. 한편, 출력 포트(37)는 대응하는 구동 회로(45)를 통해 점화 플러그(10), 연료 분사 밸브(11) 및 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 접속된다. 또한, ECU(31)는, 각종 센서 등의 출력에 기초하여 내연 기관을 제어하는 제어 수단으로서 기능한다.
<촉매의 설명>
상류측 촉매(20) 및 하류측 촉매(24)는, 모두 마찬가지의 구성을 갖는다. 이하에서는, 상류측 촉매(20)에 대해서만 설명하지만, 하류측 촉매(24)도 마찬가지의 구성 및 작용을 갖는다.
상류측 촉매(20)는, 산소 흡장 능력을 갖는 3원 촉매이다. 구체적으로는, 상류측 촉매(20)는, 세라믹으로 이루어지는 담체에, 촉매 작용을 갖는 귀금속[예를 들어, 백금(Pt)] 및 산소 흡장 능력을 갖는 물질[예를 들어, 세리아(CeO2)]을 담지시킨 것이다. 상류측 촉매(20)는, 소정의 활성 온도에 달하면, 미연 가스(HC나 CO 등)와 질소산화물(NOx)을 동시에 정화하는 촉매 작용에 추가하여, 산소 흡장 능력을 발휘한다.
상류측 촉매(20)의 산소 흡장 능력에 의하면, 상류측 촉매(20)는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 희박(희박 공연비)할 때에는 배기 가스 중의 산소를 흡장한다. 한편, 상류측 촉매(20)는, 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후(농후 공연비)할 때에는, 상류측 촉매(20)에 흡장되어 있는 산소를 방출한다. 또한, 「배기 가스의 공연비」는, 그 배기 가스가 생성될 때까지 공급된 공기의 질량에 대한 연료의 질량 비율을 의미하는 것이며, 통상은 그 배기 가스가 생성되는 데 있어서 연소실(5) 내에 공급된 공기의 질량에 대한 연료의 질량 비율을 의미한다. 본 명세서에서는, 배기 가스의 공연비를 「배기 공연비」라 하는 경우도 있다.
상류측 촉매(20)는, 촉매 작용 및 산소 흡장 능력을 가짐으로써, 산소 흡장량에 따라서 NOx 및 미연 가스의 정화 작용을 갖는다. 즉, 도 2의 (A)에 도시한 바와 같이, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비인 경우, 산소 흡장량이 적을 때에는 상류측 촉매(20)에 의해 배기 가스 중의 산소가 흡장되고, NOx가 환원 정화된다. 또한, 산소 흡장량이 많아지면, 상한 흡장량 Cuplim을 경계로 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스 중의 산소 및 NOx의 농도가 급격하게 상승한다.
한편, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비인 경우, 산소 흡장량이 많을 때에는 상류측 촉매(20)에 흡장되어 있는 산소가 방출되고, 배기 가스 중의 미연 가스는 산화 정화된다. 또한, 산소 흡장량이 적어지면, 하한 흡장량 Clowlim을 경계로 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스 중의 미연 가스의 농도가 급격하게 상승한다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서 사용되는 촉매(20, 24)에 의하면, 촉매(20, 24)에 유입되는 배기 가스의 공연비 및 산소 흡장량에 따라서 배기 가스 중의 NOx 및 미연 가스의 정화 특성이 변화된다. 또한, 촉매 작용 및 산소 흡장 능력을 갖고 있으면, 촉매(20, 24)는 3원 촉매와는 다른 촉매이어도 된다.
<공연비 센서의 구성>
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 공연비 센서(40, 41)의 구성에 대하여 설명한다. 도 3은, 공연비 센서(40, 41)의 개략적인 단면도이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 공연비 센서(40, 41)는, 고체 전해질층 및 한 쌍의 전극으로 이루어지는 셀이 1개인 1 셀형의 공연비 센서이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 공연비 센서(40, 41)는, 고체 전해질층(51)과, 고체 전해질층(51)의 한쪽의 측면 상에 배치된 배기측 전극(제1 전극)(52)과, 고체 전해질층(51)의 다른 쪽의 측면 상에 배치된 대기측 전극(제2 전극)(53)과, 통과하는 배기 가스의 확산 율속을 행하는 확산 율속층(54)과, 확산 율속층(54)을 보호하는 보호층(55)과, 공연비 센서(40, 41)의 가열을 행하는 히터부(56)를 구비한다.
고체 전해질층(51)의 한쪽의 측면 상에는 확산 율속층(54)이 형성되고, 확산 율속층(54)의 고체 전해질층(51)측의 측면과는 반대측의 측면 상에는 보호층(55)이 설치된다. 본 실시 형태에서는, 고체 전해질층(51)과 확산 율속층(54)의 사이에는 피측 가스실(57)이 형성된다. 이 피측 가스실(57)에는 확산 율속층(54)을 통해 공연비 센서(40, 41)에 의한 검출 대상인 가스, 즉 배기 가스가 도입된다. 또한, 배기측 전극(52)은 피측 가스실(57) 내에 배치되고, 따라서, 배기측 전극(52)은 확산 율속층(54)을 통해 배기 가스에 노출되게 된다. 또한, 피측 가스실(57)은 반드시 설치할 필요는 없으며, 배기측 전극(52)의 표면 상에 확산 율속층(54)이 직접 접촉하도록 구성되어도 된다.
고체 전해질층(51)의 다른 쪽의 측면 상에는 히터부(56)가 설치된다. 고체 전해질층(51)과 히터부(56)의 사이에는 기준 가스실(58)이 형성되고, 이 기준 가스실(58) 내에는 기준 가스가 도입된다. 본 실시 형태에서는, 기준 가스실(58)은 대기에 개방되어 있으며, 따라서 기준 가스실(58) 내에는 기준 가스로서 대기가 도입된다. 대기측 전극(53)은, 기준 가스실(58) 내에 배치되고, 따라서, 대기측 전극(53)은, 기준 가스(기준 분위기)에 노출된다. 본 실시 형태에서는, 기준 가스로서 대기가 사용되고 있기 때문에, 대기측 전극(53)은 대기에 노출되게 된다.
히터부(56)에는 복수의 히터(59)가 설치되어 있으며, 이들 히터(59)에 의해 공연비 센서(40, 41)의 온도, 특히 고체 전해질층(51)의 온도를 제어할 수 있다. 히터부(56)는, 고체 전해질층(51)을 활성화할 때까지 가열하는 데 충분한 발열 용량을 갖고 있다.
고체 전해질층(51)은, ZrO2(지르코니아), HfO2, ThO2, Bi2O3 등에 CaO, MgO, Y2O3, Yb2O3 등을 안정제로서 배당한 산소 이온 전도성 산화물의 소결체에 의해 형성되어 있다. 또한, 확산 율속층(54)은, 알루미나, 마그네시아, 규석질, 스피넬, 멀라이트 등의 내열성 무기 물질의 다공질 소결체에 의해 형성되어 있다. 또한, 배기측 전극(52) 및 대기측 전극(53)은, 백금 등의 촉매 활성이 높은 귀금속에 의해 형성되어 있다.
또한, 배기측 전극(52)과 대기측 전극(53)의 사이에는, ECU(31)에 탑재된 전압 인가 장치(60)에 의해 센서 인가 전압 Vr이 인가된다. 또한, ECU(31)에는, 전압 인가 장치(60)에 의해 센서 인가 전압 Vr을 인가했을 때 고체 전해질층(51)을 통해 이들 전극(52, 53) 사이에 흐르는 전류(출력 전류)를 검출하는 전류 검출 장치(61)가 설치된다. 이 전류 검출 장치(61)에 의해 검출되는 전류가 공연비 센서(40, 41)의 출력 전류이다.
<공연비 센서의 동작>
다음으로, 도 4를 참조하여, 이와 같이 구성된 공연비 센서(40, 41)의 동작의 기본적인 개념에 대하여 설명한다. 도 4는, 공연비 센서(40, 41)의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다. 사용 시에 있어서, 공연비 센서(40, 41)는, 보호층(55) 및 확산 율속층(54)의 외주면이 배기 가스에 노출되도록 배치된다. 또한, 공연비 센서(40, 41)의 기준 가스실(58)에는 대기가 도입된다.
전술한 바와 같이, 고체 전해질층(51)은, 산소 이온 전도성 산화물의 소결체로 형성된다. 따라서, 고온에 의해 활성화된 상태에서 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에 산소 농도의 차가 발생하면, 농도가 높은 측면측으로부터 농도가 낮은 측면측으로 산소 이온을 이동시키려고 하는 기전력 E가 발생하는 성질(산소 전지 특성)을 갖고 있다.
반대로, 고체 전해질층(51)은, 양 측면 간에 전위차가 부여되면, 이 전위차에 따라서 고체 전해질층의 양 측면 간에서 산소 농도비가 발생하도록, 산소 이온의 이동을 일으키려고 하는 특성(산소 펌프 특성)을 갖는다. 구체적으로는, 양 측면 간에 전위차가 부여된 경우에는, 정극성이 부여된 측면에 있어서의 산소 농도가, 부극성이 부여된 측면에 있어서의 산소 농도에 대하여, 전위차에 따른 비율로 높아지도록, 산소 이온의 이동이 야기된다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 공연비 센서(40, 41)에서는, 대기측 전극(53)이 정극성, 배기측 전극(52)이 부극성이 되도록, 이들 전극(52, 53) 사이에 일정한 센서 인가 전압 Vr이 인가되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 공연비 센서(40, 41)에 있어서의 센서 인가 전압 Vr은 동일한 전압으로 되어 있다.
공연비 센서(40, 41) 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때에는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서의 산소 농도의 비는 그다지 크지 않다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비 쪽이 작아진다. 이로 인해, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향해 커지도록, 도 4의 (A)에 도시한 바와 같이, 배기측 전극(52)으로부터 대기측 전극(53)을 향해 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 전압 인가 장치(60)의 정극으로부터, 대기측 전극(53), 고체 전해질층(51) 및 배기측 전극(52)을 통해 전압 인가 장치(60)의 부극으로 전류가 흐른다.
이 때 흐르는 전류(출력 전류) Ir의 크기는, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 통과하여 피측 가스실(57)로 확산에 의해 유입되는 산소량에 비례한다. 따라서, 이 전류 Ir의 크기를 전류 검출 장치(61)에 의해 검출함으로써, 산소 농도를 알 수 있고, 나아가서는 희박 영역에서의 공연비를 알 수 있다.
한편, 공연비 센서(40, 41) 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때에는, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 통해 미연 가스가 피측 가스실(57) 내로 유입되기 때문에, 배기측 전극(52) 상에 산소가 존재하여도, 미연 가스와 반응하여 제거된다. 이로 인해, 피측 가스실(57) 내에서는 산소 농도가 극히 낮아지고, 그 결과, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서의 산소 농도의 비는 크게 된다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비 쪽이 커진다. 이로 인해, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향해 작아지도록, 도 4의 (B)에 도시한 바와 같이, 대기측 전극(53)으로부터 배기측 전극(52)을 향해 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 대기측 전극(53)으로부터, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 전압 인가 장치(60)를 통해 배기측 전극(52)으로 전류가 흐른다.
이 때 흐르는 전류(출력 전류) Ir의 크기는, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 고체 전해질층(51) 중을 대기측 전극(53)으로부터 배기측 전극(52)으로 이동되는 산소 이온의 유량에 의해 결정된다. 그 산소 이온은, 배기 중으로부터 확산 율속층(54)을 통해 피측 가스실(57)로 확산에 의해 유입되는 미연 가스와 배기측 전극(52) 상에서 반응(연소)한다. 따라서, 산소 이온의 이동 유량은 피측 가스실(57) 내에 유입된 배기 가스 중의 미연 가스의 농도에 대응한다. 따라서, 이 전류 Ir의 크기를 전류 검출 장치(61)에 의해 검출함으로써, 미연 가스 농도를 알 수 있고, 나아가서는 농후 영역에서의 공연비를 알 수 있다.
또한, 공연비 센서(40, 41) 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는, 피측 가스실(57)에 유입되는 산소 및 미연 가스의 양이 화학당량비로 되어 있다. 이로 인해, 배기측 전극(52)의 촉매 작용에 의해 양자는 완전히 연소되고, 피측 가스실(57) 내의 산소 및 미연 가스의 농도에 변동은 발생하지 않는다. 이 결과, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비는, 변동하지 않고, 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비인 채로 유지된다. 이로 인해, 도 4의 (C)에 도시한 바와 같이, 산소 펌프 특성에 의한 산소 이온의 이동은 일어나지 않고, 그 결과, 회로를 흐르는 전류는 발생하지 않는다.
이와 같이 구성된 공연비 센서(40, 41)는, 도 5에 도시한 출력 특성을 갖는다. 즉, 공연비 센서(40, 41)에서는, 배기 공연비가 커질수록(즉, 희박하게 될수록), 공연비 센서(40, 41)의 출력 전류 Ir이 커진다. 또한, 공연비 센서(40, 41)는, 배기 공연비가 이론 공연비일 때 출력 전류 Ir이 0으로 되도록 구성된다.
<전압 인가 장치 및 전류 검출 장치의 회로>
도 6에, 전압 인가 장치(60) 및 전류 검출 장치(61)를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 나타낸다. 도시한 예에서는, 산소 전지 특성에 의해 발생하는 기전력을 E, 고체 전해질층(51)의 내부 저항을 Ri, 양 전극(52, 53) 간의 전위차를 Vs로 나타내고 있다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압 인가 장치(60)는, 기본적으로, 산소 전지 특성에 의해 발생하는 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 일치하도록, 부귀환 제어를 행하고 있다. 다시 말하자면, 전압 인가 장치(60)는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비의 변화에 의해 양 전극(52, 53) 간의 전위차 Vs가 변화했을 때에도, 이 전위차 Vs가 센서 인가 전압 Vr로 되도록 부귀환 제어를 행하고 있다.
따라서, 배기 공연비가 이론 공연비로 되어 있어, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에 산소 농도비의 변화가 발생하지 않는 경우에는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로 되어 있다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 일치하고, 양 전극(52, 53) 간의 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr로 되어 있으며, 그 결과, 전류 Ir은 흐르지 않는다.
한편, 배기 공연비가 이론 공연비와는 다른 공연비로 되어 있어, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에 산소 농도비의 변화가 발생하는 경우에는, 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로 되지 않는다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr과는 다른 값으로 된다. 그 결과, 부귀환 제어에 의해, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr과 일치하도록 고체 전해질층(51)의 양 측면 간에서 산소 이온의 이동을 시키기 위해, 양 전극(52, 53) 간에 전위차 Vs가 부여된다. 그리고, 이때의 산소 이온의 이동에 수반하여 전류 Ir이 흐른다. 이 결과, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 수렴되고, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 수렴되면, 드디어, 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr에 수렴하게 된다.
따라서, 전압 인가 장치(60)는, 실질적으로 양 전극(52, 53) 간에 센서 인가 전압 Vr을 인가하고 있다고 할 수 있다. 또한, 전압 인가 장치(60)의 전기 회로는 반드시 도 6에 도시된 바와 같은 것일 필요는 없으며, 양 전극(52, 53) 간에 센서 인가 전압 Vr을 실질적으로 인가할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.
또한, 전류 검출 장치(61)는, 실제로 전류를 검출하는 것이 아니라, 전압 E0을 검출하여 이 전압 E0으로부터 전류를 산출하고 있다. 여기서, E0은, 하기 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
(식 1)
Figure 112015070545809-pct00001
여기서, V0은 오프셋 전압(E0이 부의 값이 되지 않도록 인가해 두는 전압이며 예를 들어 3V), R은 도 6에 도시한 저항의 값이다.
식 (1)에 있어서, 센서 인가 전압 Vr, 오프셋 전압 V0 및 저항값 R은 일정하기 때문에, 전압 E0은 전류 Ir에 따라서 변화된다. 이로 인해, 전압 E0을 검출하면, 그 전압 E0으로부터 전류 Ir을 산출하는 것이 가능하다.
따라서, 전류 검출 장치(61)는, 실질적으로 양 전극(52, 53) 사이에 흐르는 전류 Ir을 검출하고 있다고 할 수 있다. 또한, 전류 검출 장치(61)의 전기 회로는 반드시 도 6에 도시된 바와 같은 것일 필요는 없으며, 양 전극(52, 53) 사이를 흐르는 전류 Ir을 검출할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.
<공연비 제어의 개요>
다음으로, 본 발명의 내연 기관 제어 장치에 있어서의 공연비 제어의 개요를 설명한다. 본 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류[즉, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비] Irup가 목표 공연비에 상당하는 값으로 되도록 피드백 제어가 행해진다. 목표 공연비의 설정 제어는, 크게 구별하면, 하류측 촉매(24)에 충분한 산소 흡장량이 있는 경우에 있어서의 통상 제어와, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 저하된 경우에 있어서의 흡장량 회복 제어의 2개의 제어로 나뉜다. 이하에서는, 우선, 통상 제어에 대하여 설명한다.
<통상 제어의 개요>
통상 제어의 실행 시에 있어서는, 목표 공연비는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri 이하로 되었을 때, 목표 공연비는 희박 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 여기서, 농후 판정 기준값 Irefri는, 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 농후 판정 공연비(예를 들어, 14.55)에 상당하는 값이다. 또한, 희박 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 어느 정도 희박한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어 14.65 내지 20, 바람직하게는 14.68 내지 18, 보다 바람직하게는 14.7 내지 16 정도로 된다.
목표 공연비가 희박 설정 공연비로 변경되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정된다. 산소 흡장량 OSAsc의 추정은, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 에어 플로우미터(39) 등에 기초하여 산출되는 연소실(5) 내로의 흡입 공기량의 추정값 또는, 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 등에 기초하여 행해진다. 그리고, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 미리 정해진 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup 이상이 되면 그때까지 희박 설정 공연비였던 목표 공연비가, 약 농후 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 약 농후 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어 13.5 내지 14.58, 바람직하게는 14 내지 14.57, 보다 바람직하게는 14.3 내지 14.55 정도로 된다. 그 후, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 다시 농후 판정 기준값 Irefri 이하로 되었을 때 다시 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 되고, 그 후, 마찬가지의 조작이 반복된다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 설정 공연비와 약 농후 설정 공연비로 교대로 설정된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 약 농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차보다도 크다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 목표 공연비는, 단기간의 희박 설정 공연비와, 장기간의 약 농후 설정 공연비로 교대로 설정되게 된다.
<타임차트를 이용한 통상 제어의 설명>
도 7을 참조하여, 전술한 바와 같은 조작에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 7은, 본 발명의 내연 기관 제어 장치에 있어서의 공연비 제어를 행한 경우에 있어서의, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn, 공연비 보정량 AFC, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스 중의 NOx 농도 및 하류측 촉매(24)로부터 유출한 미연 가스(HC, CO 등)의 타임차트이다.
또한, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때 0으로 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 농후 공연비일 때 부의 값으로 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 희박 공연비일 때 정의 값으로 된다. 또한, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비 또는 희박 공연비일 때에는, 이론 공연비로부터의 차가 커질수록, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup의 절댓값이 커진다.
하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn도, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비에 따라서, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup와 마찬가지로 변화한다. 또한, 공연비 보정량 AFC는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비에 관한 보정량이다. 공연비 보정량 AFC가 0일 때에는 목표 공연비는 이론 공연비로 되고, 공연비 보정량 AFC가 정의 값일 때에는 목표 공연비는 희박 공연비로 되고, 공연비 보정량 AFC가 부의 값일 때에는 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.
도시한 예에서는, 시각 t1 이전의 상태에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있다. 약 농후 설정 보정량 AFCrich는, 약 농후 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 작은 값이다. 따라서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비는 농후 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 부의 값으로 된다. 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되므로, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소해 간다. 그러나, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에 포함되어 있는 미연 가스는, 상류측 촉매(20)로 정화되기 때문에, 하류측 공연비 센서의 출력 전류 Irdwn은 거의 0(이론 공연비에 상당)으로 된다. 이때, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 서서히 감소하면, 산소 흡장량 OSAsc는 시각 t1에 있어서 하한 흡장량(도 2의 Clowlim 참조)을 초과해 감소된다. 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량보다도 감소하면, 상류측 촉매(20)에 유입된 미연 가스의 일부는 상류측 촉매(20)로 정화되지 않고 유출된다. 이로 인해, 시각 t1 이후, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하는 데 수반하여, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 서서히 저하된다. 이때에도, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
그 후, 시각 t2에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Irefri에 도달된다. 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri로 되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 감소를 억제하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환된다. 희박 설정 보정량 AFClean은, 희박 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 큰 값이다. 따라서, 목표 공연비는 희박 공연비로 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri에 도달되고 나서, 즉 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비에 도달되고 나서, 공연비 보정량 AFC의 전환을 행하고 있다. 이것은, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량이 충분하여도, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로부터 매우 근소하게 어긋나 버리는 경우가 있기 때문이다. 즉, 가령 출력 전류 Irdwn이 0(이론 공연비에 상당)으로부터 약간 어긋난 경우에도 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해 감소되어 있다고 판단해 버리면, 실제로는 충분한 산소 흡장량이 있어도, 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해 감소되었다고 판단될 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비에 도달되고 나서야 비로서 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해 감소되었다고 판단되도록 하고 있다. 반대로 말하자면, 농후 판정 공연비는, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량이 충분할 때에는 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 도달되는 일이 없는 공연비로 된다.
시각 t2에 있어서, 목표 공연비를 희박 공연비로 전환하여도, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비도 농후 공연비로부터 희박 공연비로 변화된다[실제로는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 변화될 때까지는 지연이 발생하지만, 도시한 예에서는 편의상 동시에 변화되는 것으로 하고 있음].
시각 t2에 있어서 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 변화하면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대된다. 또한, 이에 수반하여 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로 변화되고, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn도 0으로 수렴된다. 또한, 도시한 예에서는, 목표 공연비를 전환한 직후에는 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 저하되어 있다. 이것은, 목표 공연비를 전환하고 나서 그 배기 가스가 하류측 공연비 센서(41)에 도달할 때까지 지연이 발생하기 때문이다.
이때, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비로 되어 있지만, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장 능력에는 충분한 여유가 있기 때문에, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중의 산소는 상류측 촉매(20)에 흡장되고, NOx는 환원 정화된다. 이로 인해, 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
그 후, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 증대되면, 시각 t3에 있어서 산소 흡장량 OSAsc는 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup에 도달된다. 본 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup가 되면, 상류측 촉매(20)로의 산소의 흡장을 중지하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich(0보다도 작은 값)로 전환된다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 도시한 예에서는, 목표 공연비를 전환하는 것과 동시에 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비도 변화하고 있지만, 실제로는 지연이 발생한다. 이로 인해, 시각 t3에서 전환을 행하여도, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 어느 정도 시간이 경과하고 나서 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화된다. 따라서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 변화될 때까지는, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대되어 간다.
그러나, 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량(도 2의 Cuplim 참조)보다도 충분히 낮게 설정되어 있기 때문에, 시각 t3에 있어서도 산소 흡장량 OSAsc는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량 Cuplim에는 도달되지 않는다. 반대로 말하자면, 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화될 때까지 지연이 발생하여도, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에 도달하지 않도록 충분히 적은 양으로 된다. 예를 들어, 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup는, 최대 산소 흡장량 Cmax의 3/4 이하, 바람직하게는 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/5 이하로 된다.
시각 t3 이후에 있어서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 부의 값으로 된다. 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되므로, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소되어 가고, 시각 t4에 있어서, 시각 t1과 마찬가지로, 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량을 초과해 감소된다. 이때에도, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
계속해서, 시각 t5에 있어서, 시각 t2와 마찬가지로, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Irefri에 도달한다. 이에 의해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 공연비에 상당하는 값 AFClean으로 전환된다. 그 후, 전술한 시각 t1∼t4의 사이클이 반복된다.
또한, 이러한 공연비 보정량 AFC의 제어는, ECU(31)에 의해 행해진다. 따라서, ECU(31)는, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup로 될 때까지, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적으로 희박 설정 공연비로 설정하는 통상 시 희박 제어 수단과, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup 이상으로 되었을 때, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 목표 공연비를 계속적으로 약 농후 설정 공연비로 설정하는 통상 시 농후 제어 수단을 구비한다고 할 수 있다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 실시 형태에 의하면, 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 항상 적은 것으로 할 수 있다. 즉, 전술한 제어를 행하고 있는 한, 기본적으로는 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 적은 것으로 할 수 있다.
또한, 일반적으로, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 흡입 공기량의 추정값 등에 기초하여 산소 흡장량 OSAsc를 추정한 경우에는 오차가 발생할 가능성이 있다. 본 실시 형태에 있어서도, 시각 t2∼t3에 걸쳐서 산소 흡장량 OSAsc를 추정하고 있기 때문에, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값에는 다소의 오차가 포함된다. 그러나, 이러한 오차가 포함되어 있었다고 해도, 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup를 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량보다도 충분히 낮게 설정해 두면, 실제의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량 Cuplim으로까지 도달되는 일은 거의 없다. 따라서, 이러한 관점에서도 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 배출량을 억제할 수 있다.
또한, 촉매의 산소 흡장량이 일정하게 유지되면, 그 촉매의 산소 흡장 능력이 저하된다. 이에 반하여, 본 실시 형태에 의하면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 항상 상하로 변동되고 있기 때문에, 산소 흡장 능력이 저하되는 일이 억제된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 연소실(5) 내로의 흡입 공기량의 추정값 등에 기초하여, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정되어 있다. 그러나, 산소 흡장량 OSAsc는 이들 파라미터에 추가하여 다른 파라미터에 기초하여 산출되어도 되고, 이들 파라미터와는 다른 파라미터에 기초하여 추정되어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup 이상으로 되면, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환된다. 그러나, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환하는 타이밍은, 예를 들어 목표 공연비를 약 농후 설정 공연비로부터 희박 설정 공연비로 전환하고 나서의 기관 운전 시간 등, 다른 파라미터를 기준으로 하여도 된다. 단, 이 경우에도, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량보다도 적다고 추정되는 동안에, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환하는 것이 필요해진다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 시각 t2∼t3에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 희박 설정 보정량 AFClean으로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없으며, 서서히 감소시키는 등, 변동하도록 설정되어도 된다. 마찬가지로, 시각 t3∼t5에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 약 농후 설정 보정량 AFrich로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없으며, 서서히 감소시키는 등, 변동되도록 설정되어도 된다.
단, 이 경우에도, 시각 t2∼t3에 있어서의 공연비 보정량 AFC는, 당해 기간에 있어서의 목표 공연비의 시간 평균값(즉, 시각 t2∼t3에 있어서의 공연비의 평균값)과 이론 공연비의 차가, 시각 t3∼t5에 있어서의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 커지도록 설정된다.
또한, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있는 동안에 있어서도, 어느 정도의 시간 간격마다, 공연비 보정량 AFC를 짧은 시간에 걸쳐서 일시적으로 희박 공연비에 상당하는 값(예를 들어, 희박 설정 보정량 AFClean)으로 설정하여도 된다. 즉, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 약 농후 설정 공연비로 되어 있는 동안에 있어서도, 어느 정도의 시간 간격마다, 목표 공연비가 짧은 시간에 걸쳐서 일시적으로 희박 공연비로 되어 된다. 이 모습을 도 8에 도시하였다.
도 8은, 도 7과 마찬가지의 도면이며, 도 8에 있어서의 시각 t1∼t5는 도 7에 있어서의 시각 t1∼t5와 마찬가지의 제어 타이밍을 나타내고 있다. 따라서, 도 8에 도시한 제어에 있어서도, 시각 t1∼t5의 각 타이밍에 있어서는, 도 7에 도시한 제어와 마찬가지의 제어가 행해지고 있다. 또한, 도 8에 도시한 제어에서는, 시각 t3∼t5의 동안, 즉, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있는 동안에, 복수 회(시각 t6, t7)에 걸쳐서 일시적으로 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 되어 있다.
이와 같이, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 일시적으로 증대시킴으로써 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc를 일시적으로 증대시키거나 혹은 산소 흡장량 OSAsc의 감소를 일시적으로 저감할 수 있다. 이에 의해, 시각 t3에 있어서 공연비 보정량 AFC를 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 전환하고 나서, 시각 t5에 있어서 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri에 도달될 때까지의 시간을 길게 할 수 있다. 즉, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 0 근방으로 되어 상류측 촉매(20)로부터 미연 가스가 유출되는 타이밍을 늦출 수 있다. 이에 의해, 상류측 촉매(20)로부터의 미연 가스의 유출량을 감소시킬 수 있다.
또한, 도 8에 도시한 예에서는, 공연비 보정량 AFC가 기본적으로 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있는 동안(시각 t3∼t5)에 있어서, 일시적으로 공연비 보정량 AFC를 희박 설정 보정량 AFClean으로 하고 있다. 이와 같이 일시적으로 공연비 보정량 AFC를 변경하는 경우에는, 반드시 공연비 보정량 AFC를 희박 설정 보정량 AFClean으로 변경할 필요는 없으며, 약 농후 설정 보정량 AFCrich보다도 희박하면 어떠한 공연비로 변경하여도 된다.
또한, 공연비 보정량 AFC가 기본적으로 희박 설정 보정량 AFClean으로 되어 있는 동안(시각 t2∼t3)에 있어서도, 일시적으로 공연비 보정량 AFC를 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 하여도 된다. 이 경우에도 마찬가지로, 일시적으로 공연비 보정량 AFC를 변경하는 경우에는, 희박 설정 보정량 AFClean보다도 농후하면 어떠한 공연비로 공연비 보정량 AFC를 변경하여도 된다.
단, 본 실시 형태에 있어서도, 시각 t2∼t3에 있어서의 공연비 보정량 AFC는, 당해 기간에 있어서의 목표 공연비의 시간 평균값(즉, 시각 t2∼t3의 평균값)과 이론 공연비의 차가, 시각 t3∼t5에 있어서의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 커지도록 설정된다.
어쨌든, 도 7 및 도 8의 예를 정리하여 표현하자면, ECU(31)는, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup로 될 때까지, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 계속적 또는 단속적으로 희박 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup 이상으로 되었을 때, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 약 농후 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비한다고 할 수 있다.
<하류측 촉매도 사용한 통상 제어의 설명>
또한, 본 실시 형태에서는, 상류측 촉매(20)에 추가하여 하류측 촉매(24)도 설치되어 있다. 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 어느 정도의 기간마다 행해지는 연료 커트 제어에 의해 최대 흡장량 Cmax 근방의 값으로 된다. 이로 인해, 가령 상류측 촉매(20)로부터 미연 가스를 포함한 배기 가스가 유출되었다고 하여도, 이들 미연 가스는 하류측 촉매(24)에 있어서 산화 정화된다.
또한, 연료 커트 제어란, 내연 기관을 탑재하는 차량의 감속 시 등에 있어서, 크랭크 샤프트나 피스톤(3)이 운동하고 있는 상태이더라도, 연료 분사 밸브(11)로부터 연료의 분사를 행하지 않는 제어이다. 이 제어를 행하면, 양 촉매(20, 24)에는 다량의 공기가 유입되게 된다.
도 7에 도시한 예에서는, 시각 t1 이전에 연료 커트 제어가 행해지고 있다. 이로 인해, 시각 t1 이전에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 최대 산소 흡장량 Cmax 근방의 값으로 되어 있다. 또한, 시각 t1 이전에 있어서는, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는 거의 이론 공연비로 유지된다. 이로 인해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 일정하게 유지된다.
그 후, 시각 t1∼t3에 있어서, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있다. 이로 인해, 하류측 촉매(24)에는, 미연 가스를 포함하는 배기 가스가 유입된다.
전술한 바와 같이, 하류측 촉매(24)에는 다량의 산소가 흡장되어 있기 때문에, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에 미연 가스가 포함되어 있으면, 흡장되어 있는 산소에 의해 미연 가스가 산화 정화된다. 또한, 이에 수반하여 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 감소한다. 단, 시각 t1∼t3에 있어서 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 미연 가스는 그다지 많지 않기 때문에, 이 사이의 산소 흡장량 OSAufc의 감소량은 근소하다. 이로 인해, 시각 t1∼t3에 있어서 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 미연 가스는 모두 하류측 촉매(24)에 있어서 산화 정화된다.
시각 t4 이후에 대해서도, 어느 정도의 시간 간격마다 시각 t1∼t3에 있어서의 경우와 마찬가지로, 상류측 촉매(20)로부터 미연 가스가 유출된다. 이와 같이 하여 유출된 미연 가스는 기본적으로 하류측 촉매(24)에 흡장되어 있는 산소에 의해 환원 정화된다.
<흡장량 회복 제어의 개요>
그런데, 연료 커트 제어는 내연 기관을 탑재한 차량의 감속 시 등에 행해지기 때문에, 반드시 일정 시간 간격으로 행해지는 것은 아니다. 이로 인해, 경우에 따라서는, 장기간에 걸쳐서 연료 커트 제어가 행해지지 않는 경우도 있다. 이러한 경우, 상류측 촉매(20)로부터의 미연 가스의 유출이 반복하여 행해지면, 결국은 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSCufc가 0에 달한다. 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSCufc가 0에 달하면, 그 이상, 하류측 촉매(24)에 따라서는 미연 가스를 정화할 수 없게 되어, 하류측 촉매(24)로부터 미연 가스가 유출되게 된다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 에어 플로우미터(39) 등에 기초하여 산출되는 연소실(5) 내에의 흡입 공기량의 추정값 또는 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 및 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn 등에 기초하여, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 추정된다. 그리고, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc의 추정값이 미리 정해진 하류측 하한 흡장량 Clowdwn 이하로 되면, 통상 제어를 정지하여, 흡장량 회복 제어가 개시된다. 흡장량 회복 제어가 개시되면, 통상 제어에 있어서의 목표 공연비의 설정을 정지하여, 목표 공연비가 이론 공연비보다도 상당히 희박한 미리 정해진 공연비로 된다. 본 실시 형태에서는, 이 공연비는, 통상 제어에 있어서의 희박 설정 공연비와 동일한 공연비로 된다.
또한, 이 공연비는 통상 제어에 있어서의 희박 설정 공연비와 반드시 동일할 필요는 없으며, 이론 공연비보다도 어느 정도 희박(예를 들어, 14.65 내지 20, 바람직하게는 14.68 내지 18, 보다 바람직하게는 14.7 내지 16 정도)하면 된다. 특히, 이 공연비는, 통상 제어에 있어서의 희박 설정 공연비 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 흡장량 회복 제어에 의해 목표 공연비를 계속적으로 희박하게 설정할 때의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 통상 시 희박 제어 수단에 의해 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 하류측 하한 흡장량 Clowdwn은, 가령 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc의 추정값에 다소 오차가 발생하여도, 실제의 산소 흡장량 OSAufc가 0에 도달되지 않는 값으로 된다. 예를 들어, 하류측 하한 흡장량 Clowdwn은, 최대 산소 흡장량 Cmax의 1/4 이상, 바람직하게는 1/2 이상, 보다 바람직하게는 4/5 이상으로 된다.
목표 공연비가 희박 설정 공연비로 변경되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량은 증대되고, 결국은, 최대 산소 흡장량에 도달한다. 그 후도 목표 공연비를 희박 설정 공연비로 유지하면, 상류측 촉매(20)에 따라서는 이미 산소를 흡장할 수 없게 되어, 상류측 촉매(20)로부터 산소가 유출된다. 이 산소는, 하류측 촉매(24)에 유입된다. 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 저하되어 있기 때문에, 하류측 촉매(24)에는 산소가 흡장되고, 이에 의해 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 증대된다.
그 후도 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 희박 설정 공연비로 계속해서 설정하면, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc의 추정값이 미리 정해진 하류측 상한 흡장량 Chidwn 이상으로 된다. 본 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 상한 흡장량 Chidwn 이상으로 되면 흡장량 회복 제어가 종료되고, 통상 제어가 재개된다.
<타임차트를 이용한 흡장량 회복 제어의 설명>
도 9를 참조하여, 전술한 바와 같은 조작에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 9는, 흡장량 회복 제어를 행한 경우에 있어서의 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc 등의 타임차트이다.
도시한 예에서는, 시각 t1 이전의 상태는, 기본적으로, 도 7에 있어서의 t1 이전의 상태와 마찬가지이며, 통상 제어가 행해지고 있다. 단, 도 9에 도시한 예에서는, t1 이전에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAsc가 비교적 저하되어 있다.
도 9에 도시한 예에서는, 도 7에 도시한 예와 마찬가지로, 시각 t1에 있어서 상류측 촉매(20)에 유입된 배기 가스의 일부가 상류측 촉매(20)로 정화되지 않고 유출되기 시작한다. 그리고, 시각 t2에 있어서 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Irefri에 도달된다. 그 결과, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환된다. 그러나, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환되어도, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비 변화 지연에 의해, 상류측 촉매(20)로부터는 미연 가스가 유출된다(이에 의해, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 저하되어 있음).
시각 t2∼t3에 있어서, 상류측 촉매(20)로부터 유출한 미연 가스가 하류측 촉매(24)에 유입되면, 하류측 촉매(24)에 있어서 흡장된 산소와 미연 가스가 반응하고, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 저하된다. 이 결과, 시각 t3에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 하류측 하한 흡장량 Clowdwn에 달하고, 통상 제어가 정지되어, 흡장량 회복 제어가 개시된다.
시각 t3에 있어서, 흡장량 회복 제어가 개시되면, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 된다. 즉, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 공연비에 상당하는 희박 설정 보정량 AFClean으로 설정된다. 본 실시 형태에서는, 흡장량 회복 제어의 개시 전으로부터 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 되어 있기 때문에, 시각 t3 이후에도 공연비 보정량 AFC가 그대로 유지되게 된다.
공연비 보정량 AFC를 희박 설정 보정량 AFClean으로 계속해서 유지하면, 상류측 촉매(20)에는 다량의 산소가 유입되고, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 증대되고, 결국은, 시각 t4에 있어서, 최대 산소 흡장량 Cmax에 달한다. 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하면, 상류측 촉매(20)는 그 이상 산소를 흡장할 수 없게 되어, 상류측 촉매(20)로부터 산소가 유출된다. 또한, 이에 수반하여 상류측 촉매(20)에서는, NOx를 정화할 수 없게 되기 때문에, 상류측 촉매(20)로부터는 NOx도 유출하게 된다.
상류측 촉매(20)로부터 유출된 산소는, 하류측 촉매(24)에 의해 흡장되기 때문에, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 증대된다. 또한, 상류측 촉매(20)로부터 유출된 NOx는 하류측 촉매(24)에 의해 정화된다. 따라서, 하류측 촉매(24)로부터의 NOx 배출량은 억제된다.
그대로 공연비 보정량 AFC를 희박 설정 보정량 AFClean으로 계속해서 유지하면, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc는 서서히 증대되고, 결국은, 시각 t5에 있어서, 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 상한 흡장량 Chidwn에 도달된다. 이와 같이, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 상한 흡장량 Chidwn에 도달되었을 때에는, 하류측 촉매(24)에는 충분한 산소가 흡장되어 있다. 또한, 더 이상, 상류측 촉매(20)로부터 산소에 추가하여 NOx가 유출되면, 결국 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달함과 함께에 NOx를 정화할 수 없게 되어 버린다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 시각 t5에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 상한 흡장량 Chidwn에 도달되면, 흡장량 회복 제어를 종료하여, 통상 제어가 재개된다. 구체적으로는, 시각 t5에 있어서, 목표 공연비가 약 농후 설정 공연비로 설정되고, 따라서 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 된다. 이에 의해, 상류측 촉매(20)에는 미연 가스를 포함한 배기 가스가 유입되고, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 서서히 감소해 간다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 실시 형태에 의하면, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 감소하여도, 그 산소 흡장량 OSAufc를 회복시킬 수 있다. 이에 의해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc를 항상 충분한 양으로 유지할 수 있고, 따라서 통상 제어를 행하여도 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 미연 가스를 항상 하류측 촉매(24)로 확실하게 정화할 수 있도록 된다.
특히, 본 실시 형태에서는, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 감소되었을 때, 목표 공연비를 이론 공연비보다도 비교적 높고 희박하게 계속적으로 고정하고 있다. 이로 인해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc를 단시간에 증대시킬 수 있다. 여기서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스가 장기간에 걸쳐서 희박 공연비가 되면, 상류측 촉매(20)이 배기 가스 중의 황 성분을 흡장하기 쉽다. 본 실시 형태에 의하면, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc를 단시간에 증대시킬 수 있기 때문에, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스가 희박 공연비로 되는 기간이 짧아져서, 그 결과, 상류측 촉매(20)에의 황의 흡장을 억제할 수 있다.
<구체적인 제어의 설명>
다음으로, 도 10 내지 도 12를 참조하여, 상기 실시 형태에 있어서의 제어 장치에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 제어 장치는, 기능 블록도인 도 10에 도시한 바와 같이, A1 내지 A9의 각 기능 블록을 포함하여 구성되어 있다. 이하, 도 10을 참조하면서 각 기능 블록에 대하여 설명한다.
<연료 분사량의 산출>
우선, 연료 분사량의 산출에 대하여 설명한다. 연료 분사량의 산출에 있어서는, 통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 연료 분사량 산출 수단 A3이 사용된다.
통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1은, 에어 플로우미터(39)에 의해 계측되는 흡입 공기 유량 Ga와, 크랭크각 센서(44)의 출력에 기초하여 산출되는 기관 회전수 NE와, ECU(31)의 ROM(34)에 기억된 맵 또는 계산식에 기초하여, 각 기통으로의 흡입 공기량 Mc를 산출한다.
기본 연료 분사량 산출 수단 A2는, 통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1에 의해 산출된 통 내 흡입 공기량 Mc를, 후술하는 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT로 제산함으로써, 기본 연료 분사량 Qbase를 산출한다 (Qbase=Mc/AFT).
연료 분사량 산출 수단 A3은, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2에 의해 산출된 기본 연료 분사량 Qbase에, 후술하는 F/B 보정량 DQi를 가함으로써 연료 분사량 Qi를 산출한다(Qi=Qbase+DQi). 이와 같이 하여 산출된 연료 분사량 Qi의 연료가 연료 분사 밸브(11)로부터 분사되도록, 연료 분사 밸브(11)에 대하여 분사 지시가 행해진다.
<목표 공연비의 산출>
다음으로, 목표 공연비의 산출에 대하여 설명한다. 목표 공연비의 산출에 있어서는, 산소 흡장량 산출 수단 A4, 목표 공연비 보정량 산출 수단 A5 및 목표 공연비 설정 수단 A6이 사용된다.
산소 흡장량 산출 수단 A4는, 연료 분사량 산출 수단 A3에 의해 산출된 연료 분사량 Qi(또는 통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1에 의해 산출된 통 내 흡입 공기량 Mc), 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup 및 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn에 기초하여 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 OSAscest 및 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest를 산출한다.
예를 들어, 산소 흡장량 산출 수단 A4는, 하기 식 (2), (3)에 의해 산소 흡장량의 추정을 행하고 있다.
(식 2)
Figure 112015070545809-pct00002
(식 3)
Figure 112015070545809-pct00003
상기 식 (2), (3)에 있어서, AFIrup는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 대응하는 공연비, AFIrdwn은, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn에 대응하는 공연비, AFst는 이론 공연비, 0.23은 대기 중의 산소 질량 비율, k는 계산 횟수를 각각 나타내고 있다. 따라서, k-1은 전회의 계산 시에 있어서의 값을 의미하고 있다. 또한, 연료 커트 제어가 행해졌을 때에는, 양 촉매의 산소 흡장량의 추정값은, 최대 산소 흡장량으로 된다.
또한, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의한 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정은, 항상 행해지지 않아도 된다. 예를 들어 목표 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 실제로 전환되었을 때(도 7에 있어서의 시각 t3)로부터, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup에 도달할 때(도 7에 있어서의 시각 t4)까지의 동안에만 산소 흡장량을 추정하여도 된다.
목표 공연비 보정량 산출 수단 A5에서는, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의해 산출된 산소 흡장량의 추정값 OSAscest, OSAufcest와, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn에 기초하여, 목표 공연비의 공연비 보정량 AFC가 산출된다. 구체적으로는, 공연비 보정량 AFC는, 도 11 및 도 12를 이용하여 이하에서 설명한 바와 같이 설정된다.
목표 공연비 설정 수단 A6은, 기준이 되는 공연비, 본 실시 형태에서는 이론 공연비 AFR에, 목표 공연비 보정량 산출 수단 A5에 의해 산출된 공연비 보정량 AFC를 가산함으로써, 목표 공연비 AFT를 산출한다. 따라서, 목표 공연비 AFT는, 약 농후 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich의 경우)이거나, 또는 희박 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean의 경우) 중 어느 하나로 된다. 이와 같이 하여 산출된 목표 공연비 AFT는, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 후술하는 공연비 차 산출 수단 A8에 입력된다.
도 11은, 공연비 보정량 AFC의 산출 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도시한 제어 루틴은 일정 시간 간격의 인터럽트에 의해 행해진다.
도 11에 도시한 바와 같이, 우선, 스텝 S11에 있어서 공연비 보정량 AFC의 산출 조건이 성립하고 있는지 여부가 판정된다. 공연비 보정량의 산출 조건이 성립하고 있는 경우란, 예를 들어 연료 커트 제어 중이 아닌 것 등을 들 수 있다. 스텝 S11에 있어서 목표 공연비의 산출 조건이 성립되어 있다고 판정된 경우에는, 스텝 S12로 진행된다. S12에서는, 산소 흡장량 추정 수단 A4에 의해 산출된 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 OSAscest 및 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest와, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 취득된다.
계속해서, 스텝 S13에서는, 회복 제어 실행 플래그 RecFr가 0으로 설정되어 있는지 여부가 판정된다. 회복 제어 실행 플래그 RecFr은, 흡장량 회복 제어의 실행 중에는 1로 되고, 그 이외의 경우에는 0으로 되는 플래그이다. 흡장량 회복 제어가 실행되어 있지 않을 때에는, 회복 제어 실행 플래그 Rec가 0으로 설정되어 있으며, 스텝 S14로 진행된다. 스텝 S14에서는, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest가 하류측 하한 흡장량 Clowdwn보다도 많은지 여부가 판정된다. 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest가 하류측 하한 흡장량 Clowdwn 보다도 많은 경우에는 스텝 S15로 진행된다.
스텝 S15에서는, 희박 설정 플래그 LeanFr이 0으로 설정되어 있는지 여부가 판정된다. 희박 설정 플래그 LeanFr은, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 설정되면 1로 되고, 그 이외의 경우에는 0으로 된다. 스텝 S15에 있어서 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있는 경우에는, 스텝 S16으로 진행된다.
스텝 S16에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri 이하인지 여부가 판정된다. 상류측 촉매(20)에 충분한 산소가 흡장되어 있으며, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 거의 이론 공연비인 경우에는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri보다도 크다고 판정되어, 스텝 S17로 진행된다. 스텝 S17에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich으로 되고, 계속해서, 스텝 S18에서는, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되고, 제어 루틴이 종료된다.
한편, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하여, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 저하되면, 스텝 S16에 있어서 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 농후 판정 기준값 Irefri 이하라고 판정되어, 스텝 S19로 진행된다. 스텝 S19에서는, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 되고, 계속해서, 스텝 S20에서는, 희박 설정 플래그 LeanFr이 1로 설정되고, 제어 루틴이 종료된다.
다음의 제어 루틴에 있어서는, 스텝 S15에 있어서, 희박 설정 플래그 LeanFr가 0으로 설정되지 않았다고 판정되어, 스텝 S20으로 진행된다. 스텝 S20에서는, 스텝 S12에서 취득된 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 OSAscest가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup보다도 적은지 여부가 판정된다. 추정값 OSAscest가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup보다도 적다고 판정된 경우에는 스텝 S21로 진행되고, 공연비 보정량 AFC가 계속해서 희박 설정 보정량 AFClean으로 된다. 한편, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량이 증대되면, 드디어 스텝 S20에 있어서 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 OSAscest가 상류측 판정 기준 흡장량 Chiup 이상이라고 판정되어 스텝 S17로 진행된다. 스텝 S17에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되고, 계속해서, 스텝 S18에서는, 희박 설정 플래그 LeanFr이 0으로 리셋되고, 제어 루틴이 종료된다.
한편, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 감소하면, 다음의 제어 루틴에서는, 스텝 S14에 있어서 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest가 하류측 하한 흡장량 Clowdwn 이하라고 판정되어, 스텝 S22로 진행되고, 흡장량 회복 제어가 실행된다.
도 12는, 흡장량 회복 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도 12에 도시한 바와 같이, 우선, 스텝 S31에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest가 하류측 상한 흡장량 Chidwn보다도 적은지 여부가 판정된다. 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 충분히 회복되지 않고, 따라서 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest가 하류측 상한 흡장량 Chidwn보다도 적을 때에는, 스텝 S32로 진행된다. 스텝 S32에서는, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 설정되고, 계속해서, 스텝 S33에서는, 회복 제어 실행 플래그 RecFr가 1인 채로 된다.
한편, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 증대되면, 다음의 제어 루틴에서는, 스텝 S31에 있어서 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량의 추정값 OSAufcest가 하류측 상한 흡장량 Chidwn 이상이라고 판정되어, 스텝 S34로 진행된다. 스텝 S34에서는, 회복 제어 실행 플래그 RecFr이 0으로 설정되고, 제어 루틴이 종료된다.
<F/B 보정량의 산출>
다시 도 10으로 되돌아가서, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup에 기초한 F/B 보정량의 산출에 대하여 설명한다. F/B 보정량의 산출에 있어서는, 수치 변환 수단 A7, 공연비 차 산출 수단 A8, F/B 보정량 산출 수단 A9가 사용된다.
수치 변환 수단 A7은, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup와, 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup와 공연비의 관계를 규정한 맵 또는 계산식(예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같은 맵)에 기초하여, 출력 전류 Irup에 상당하는 상류측 배기 공연비 AFup를 산출한다. 따라서, 상류측 배기 공연비 AFup는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비에 상당한다.
공연비 차 산출 수단 A8은, 수치 변환 수단 A7에 의해 구해진 상류측 배기 공연비 AFup로부터 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT를 감산함으로써 공연비 차 DAF를 산출한다(DAF=AFup-AFT). 이 공연비 차 DAF는, 목표 공연비 AFT에 대한 연료 공급량의 과부족을 나타내는 값이다.
F/B 보정량 산출 수단 A9는, 공연비 차 산출 수단 A8에 의해 산출된 공연비 차 DAF를, 비례·적분·미분 처리(PID 처리)함으로써, 하기 식 (1)에 기초하여 연료 공급량의 과부족을 보상하기 위한 F/B 보정량 DFi를 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 F/B 보정량 DFi는, 연료 분사량 산출 수단 A3에 입력된다.
(식 1)
Figure 112015070545809-pct00004
또한, 상기 식 (1)에 있어서, Kp는 미리 설정된 비례 게인(비례 상수), Ki는 미리 설정된 적분 게인(적분 상수), Kd는 미리 설정된 미분 게인(미분 상수)이다. 또한, DDAF는, 공연비 차 DAF의 시간 미분값이며, 금회 갱신된 공연비 차 DAF와 전회 갱신되어 있던 공연비 차 DAF의 차를 갱신 간격에 대응하는 시간으로 제산함으로써 산출된다. 또한, SDAF는, 공연비 차 DAF의 시간 적분값이며, 이 시간 적분값 DDAF는 전회 갱신된 시간 적분값 DDAF에 금회 갱신된 공연비 차 DAF를 가산함으로써 산출된다(SDAF=DDAF+DAF).
또한, 상기 실시 형태에서는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 상류측 공연비 센서(40)에 의해 검출하고 있다. 그러나, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비 검출 정밀도는 반드시 높을 필요는 없기 때문에, 예를 들어 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 및 에어 플로우미터(39)의 출력에 기초하여 이 배기 가스의 공연비를 추정하도록 해도 된다.
<제2 실시 형태>
다음으로, 도 13을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제2 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어는, 기본적으로, 제1 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어와 마찬가지이다. 그러나, 상기 제1 실시 형태의 제어 장치에서는, 흡장량 회복 제어 실행 시에 있어서 목표 공연비가 이론 공연비보다도 어느 정도 희박한 미리 정해진 공연비로 되었던 데 비하여, 본 실시 형태의 제어 장치에서는, 흡장량 회복 제어 실행 시에 있어서 목표 공연비가 이론 공연비보다도 약간 희박한 미리 정해진 공연비(약 희박 설정 공연비)로 된다.
본 실시 형태에서는, 이 공연비는 통상 제어에 있어서의 희박 설정 공연비보다도 낮은 공연비로 된다. 예를 들어, 이 공연비는 14.62 내지 15.7, 바람직하게는 14.63 내지 15.2, 보다 바람직하게는 14.65 내지 14.9 정도로 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 흡장량 회복 제어에 의해 목표 공연비를 계속적으로 희박하게 설정할 때의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 통상 시 희박 제어 수단에 의해 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 작은 것이 바람직하다.
도 13은, 본 실시 형태에 있어서의 흡장량 회복 제어를 행한 경우에 있어서의 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc 등의 타임차트이다. 시각 t3 이전에 있어서는, 도 9에 도시한 예와 마찬가지로, 통상 제어가 행해지고 있다. 시각 t3에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 하류측 하한 흡장량 Clowdwn에 달하여, 흡장량 회복 제어가 개시되면, 목표 공연비가 희박 설정 공연비로부터 약 희박 설정 공연비로 전환된다. 즉, 시각 t3에 있어서, 공연비 보정량 AFC가 약 희박 설정 공연비에 상당하는 약 희박 설정 보정량 AFCleans로 설정된다.
공연비 보정량 AFC를 약 희박 설정 보정량 AFCleans로 설정한 채 유지하면, 시각 t4에 있어서, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하고, 상류측 촉매(20)로부터 산소가 유출되기 시작한다. 이에 의해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 증대되고, 시각 t5에 있어서 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 상한 흡장량 Chidwn에 도달한다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, 흡장량 회복 제어 중에 있어서의 목표 공연비가 이론 공연비보다도 약간 희박한 약 희박 설정 공연비로 된다. 이로 인해, 흡장량 회복 제어 중에 어떠한 요인에 의해 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 최대 산소 흡장량에 도달하여도, 하류측 촉매(24)로부터는 이론 공연비보다도 약간 희박한 배기 가스밖에 유출되지 않는다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 하류측 촉매(24)로부터 NOx가 유출되었다고 해도, 그 유출량을 최소한으로 억제할 수 있다.
<제3 실시 형태>
다음으로, 도 14를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제3 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어는, 기본적으로, 상기 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어와 마찬가지이다. 그러나, 상기 실시 형태의 제어 장치에서는, 흡장량 회복 제어 실행 시에 있어서 목표 공연비가 일정하게 유지되었던 데 비하여, 본 실시 형태의 제어 장치에서는, 흡장량 회복 제어 실행 시에 있어서 목표 공연비가 서서히 저하된다.
도 14는, 본 실시 형태에 있어서의 흡장량 회복 제어를 행한 경우에 있어서의 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc 등의 타임차트이다. 시각 t3 이전에 있어서는, 도 9에 도시한 예와 마찬가지로, 통상 제어가 행해지고 있다. 시각 t3에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 하류측 하한 흡장량 Clowdwn에 달하여, 흡장량 회복 제어가 개시되면, 우선, 도 9에 도시한 예와 마찬가지로, 공연비 보정량 AFC가, 이론 공연비보다도 어느 정도 희박한 희박 설정 공연비에 상당하는 희박 설정 보정량 AFClean에 설정한 채 유지된다.
그 후, 시각 t4에 있어서, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax에 달하고, 상류측 촉매(20)로부터 산소가 유출되기 시작한다. 이에 의해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 증대되기 시작한다. 본 실시 형태에서는, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAsc가 증대되기 시작해, 하류측 상한 흡장량 Chidwn과 하류측 하한 흡장량 Clowdwn 사이의 미리 정해진 중간 흡장량 Cmidwn에 달하면, 공연비 보정량 AFC가, 약 희박 설정 공연비로 전환된다. 이에 의해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc의 증가 속도가 저하된다. 그 후, 시각 t5에 있어서 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 상한 흡장량 Chidwn에 도달한다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, 흡장량 회복 제어의 개시 시에는 목표 공연비가 이론 공연비보다도 어느 정도 희박하게 설정되기 때문에, 처음에, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc를 비교적 단시간에 증대시킬 수 있다. 또한, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 어느 정도 증대되면 목표 공연비가 이론 공연비보다도 약간 희박하게 설정되기 때문에, 흡장량 회복 제어 중에 어떠한 요인에 의해 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 최대 산소 흡장량에 도달하여도, 하류측 촉매(24)로부터는 이론 공연비보다도 약간 희박한 배기 가스밖에 유출되지 않는다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc를 비교적 단시간에 증대시키면서, 하류측 촉매(24)로부터의 NOx의 유출을 억제할 수 있다.
<제4 실시 형태>
다음으로, 도 15를 참조하여, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제4 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어는, 기본적으로, 상기 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어와 마찬가지이다. 그러나, 상기 실시 형태의 제어 장치에서는, 흡장량 회복 제어 실행 시에 있어서 목표 공연비가 항상 희박하게 유지되었던 데 비하여, 본 실시 형태의 제어 장치에서는, 흡장량 회복 제어 실행 시에 있어서 목표 공연비는 단속적으로 희박하게 설정된다.
본 실시 형태에 있어서는, 흡장량 회복 제어에 있어서, 목표 공연비는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 판정 기준값 Irefle 이상으로 되었을 때, 목표 공연비는 농후 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 여기서, 희박 판정 기준값 Irefle는, 이론 공연비보다도 약간 희박한 미리 정해진 희박 판정 공연비(예를 들어, 14.65)에 상당하는 값이다. 또한, 농후 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 어느 정도 농후한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어 10 내지 14.55, 바람직하게는 12 내지 14.52, 보다 바람직하게는 13 내지 14.5 정도로 된다. 이때, 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스는 약간 희박하게 되기 때문에, 이에 의해 하류측 촉매(24)에 산소가 유입되고, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 증대된다.
목표 공연비가 농후 설정 공연비에 변경되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 추정된다. 그리고, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 미리 정해진 상류측 하한 흡장량 Clowup 이하로 되면, 그때까지 농후 설정 공연비이었던 목표 공연비가, 약 희박 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 약 희박 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 약간 희박한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어 14.62 내지 15.7, 바람직하게는 14.63 내지 15.2, 보다 바람직하게는 14.65 내지 14.9 정도로 된다. 그 후, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 다시 희박 판정 기준값 Irefle 이상으로 되었을 때 다시 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 농후 설정 공연비로 되고, 그 후, 흡장량 회복 제어 중에 있어서 마찬가지의 조작이 반복된다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, 흡장량 회복 제어 중에 있어서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 설정 공연비와 약 희박 설정 공연비로 교대로 설정된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 약 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차보다도 크다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는, 단기간의 농후 설정 공연비와, 장기간의 약 희박 설정 공연비가 교대로 설정되게 된다. 또한, 이러한 제어는, 통상 제어의 농후와 희박을 반전시킨 제어라고 할 수 있다.
도 15는, 본 실시 형태에 있어서의 흡장량 회복 제어를 행한 경우에 있어서의 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc 등의 타임차트이다. 도 15에 도시한 예에서는, 시각 t2 이전에 있어서는 통상 제어가 행해지고 있으며, 시각 t1에 있어서 상류측 촉매(20)에 유입된 배기 가스의 일부가 상류측 촉매(20)로 정화되지 않고 유출되기 시작하였다. 그리고, 시각 t2에 있어서, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 하류측 하한 흡장량 Clowdwn에 달하고, 통상 제어가 정지되어, 흡장량 회복 제어가 개시된다.
시각 t2에 있어서, 흡장량 회복 제어가 개시되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 미리 정해진 상류측 하한 흡장량 Clowup 이하이기 때문에, 목표 공연비가 약 희박 설정 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 정의 값으로 된다. 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 산소가 포함되게 되기 때문에, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 증대해 간다. 그러나, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에 포함되어 있는 산소는, 상류측 촉매(20)로 흡장되기 때문에, 하류측 공연비 센서의 출력 전류 Irdwn은 거의 0(이론 공연비에 상당)으로 된다. 이때, 상류측 촉매(20)로부터의 미연 가스 및 NOx 배출량은 억제된다.
상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 서서히 증대되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 시각 t3에 있어서, 상한 흡장량(도 2의 Cuplim 참조)을 초과해 증대된다. 이에 의해, 상류측 촉매(20)에 유입된 산소의 일부는 상류측 촉매(20)로 흡장되지 않고 유출된다. 이로 인해, 시각 t3 이후, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 증가하는 데 수반하여, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 서서히 증가한다. 이때, 상류측 촉매(20)로부터는 산소 및 NOx가 유출된다. 이에 의해, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량이 증대되고, 또한 상류측 촉매(20)로부터 유출한 NOx는 하류측 촉매(24)로 정화된다.
그 후, 시각 t4에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 판정 기준값 Irefle에 도달된다. 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 판정 기준값 Irefle가 되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 증대를 억제하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 농후 설정 공연비에 상당하는 농후 설정 보정량 AFCrich로 전환된다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.
시각 t4에 있어서, 목표 공연비를 농후 공연비로 전환하면, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비도 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화한다[실제로는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 변화될 때까지는 지연이 발생하지만, 도시한 예에서는 편의상 동시에 변화되는 것으로 하고 있음].
시각 t4에 있어서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 변화되면, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 감소한다. 또한, 이에 수반하여 상류측 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로 변화되고, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn도 0으로 수렴된다. 또한, 도시한 예에서는, 목표 공연비를 전환한 직후에는 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 상승하고 있다. 이것은, 목표 공연비를 전환하고 나서 그 배기 가스가 하류측 공연비 센서(41)에 도달할 때까지 지연이 발생하기 때문이다.
이때, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있지만, 상류측 촉매(20)에는 다량의 산소가 흡장되어 있기 때문에, 배기 가스 중의 미연 가스는 상류측 촉매(20)에 있어서 정화된다. 이로 인해, 상류측 촉매(20)로부터의 NOx 및 미연 가스의 배출량은 억제된다.
그 후, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하면, 시각 t5에 있어서 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 하한 흡장량 Clowup에 도달한다. 본 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 하한 흡장량 Clowup에 달하면, 상류측 촉매(20)로부터의 산소의 방출을 중지하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 약 희박 설정 보정량 AFCleans로 전환된다. 따라서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비는 희박 공연비로 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 도시한 예에서는, 목표 공연비를 전환하는 것과 동시에 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비도 변화하고 있지만, 실제로는 지연이 발생한다. 이로 인해, 시각 t5에서 전환을 행하여도, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 어느 정도 시간이 경과하고 나서 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화한다. 따라서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 변화할 때까지는, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대해 간다.
그러나, 상류측 하한 흡장량 Clowup은 0이나 하한 흡장량 Clowlim보다도 충분히 높게 설정되어 있기 때문에, 시각 t5에 있어서도 산소 흡장량 OSAsc는 0이나 하한 흡장량 Clowlim에는 도달되지 않는다. 반대로 말하자면, 상류측 하한 흡장량 Clowup는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화할 때까지 지연이 발생하여도, 산소 흡장량 OSAsc가 0이나 하한 흡장량 Clowlim에 도달되지 않는 양으로 된다. 예를 들어, 상류측 하한 흡장량 Clowup은, 최대 산소 흡장량 Cmax의 1/4 이상, 바람직하게는 1/2 이상, 보다 바람직하게는 4/5 이상으로 된다.
시각 t5 이후에 있어서는, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비 보정량 AFC가 약 희박 설정 보정량 AFCleans로 되어 있다. 따라서, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비는 희박 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 정의 값으로 된다. 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 산소가 포함되는 것이기 때문에, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 증대되어 가고, 시각 t6에 있어서, 시각 t3과 마찬가지로, 산소 흡장량 OSAsc가 상한 흡장량을 초과해 증대된다.
계속해서, 시각 t7에 있어서, 시각 t4와 마찬가지로, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 희박 판정 기준값 Irefle에 도달하고, 공연비 보정량 AFC가 농후 설정 공연비에 상당하는 값 AFCrich으로 전환된다. 그 후, 전술한 시각 t3∼t6의 사이클이 반복된다.
또한, 이러한 공연비 보정량 AFC의 제어는, ECU(31)에 의해 행해진다. 따라서, ECU(31)는, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 희박 판정 공연비 이상으로 되었을 때, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 하한 흡장량 Clowup로 될 때까지, 상류측 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 농후 공연비로 설정하는 회복 시 농후 제어 수단과, 상류측 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 상류측 하한 흡장량 Clowup 이하로 되었을 때, 산소 흡장량 OSAsc가 0에 달하지 않고 최대 산소 흡장량을 향해 증가하도록, 목표 공연비를 계속적으로 또는 단속적으로 약 농후 공연비로 설정하는 회복 시 농후 제어 수단을 구비한다고 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 회복 시 농후 제어 수단에 의해 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정할 때의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 회복 시 희박 제어 수단에 의해 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 크게 된다.
본 실시 형태에서는, 흡장량 회복 제어 중에 있어서의 목표 공연비가 전술한 바와 같이 설정되기 때문에, 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량을 서서히 증대시키고 있다. 이로 인해, 흡장량 회복 제어 중에 어떠한 요인에 의해 하류측 촉매(24)의 산소 흡장량 OSAufc가 최대 산소 흡장량에 도달해버릴 가능성을 낮게 억제할 수 있다.
<제5 실시 형태>
다음으로, 도 16 내지 도 20을 참조하여, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제5 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어는, 기본적으로, 상기 실시 형태에 관한 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어와 마찬가지이다. 그러나, 상기 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서 및 하류측 공연비 센서의 모두 동일한 센서 인가 전압이었던 데 비하여, 본 실시 형태에서는, 이들 공연비 센서의 사이에서 서로 다른 센서 인가 전압으로 되어 있다.
<공연비 센서의 출력 특성>
본 실시 형태의 상류측 공연비 센서(40) 및 하류측 공연비 센서(41)는, 제1 실시 형태의 공연비 센서(40, 41)와 마찬가지로, 도 3 및 도 4를 이용하여 설명한 바와 같이 구성되며 또한 동작한다. 이들 공연비 센서(40, 41)는, 도 16에 도시된 바와 같은 전압-전류(V-I) 특성을 갖는다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서 인가 전압 Vr이 0 이하/및 0 근방의 영역에서는, 배기 공연비가 일정한 경우에는, 센서 인가 전압 Vr을 부의 값으로부터 서서히 증가해 가면, 이에 수반하여 출력 전류 Ir이 증가해 간다.
즉, 이 전압 영역에서는, 센서 인가 전압 Vr이 낮기 때문에, 고체 전해질층(51)을 통해 이동 가능한 산소 이온의 유량이 적다. 이로 인해, 확산 율속층(54)을 통한 배기 가스의 유입 속도보다도 고체 전해질층(51)을 통해 이동 가능한 산소 이온의 유량이 적어지고, 따라서, 출력 전류 Ir은 고체 전해질층(51)을 통해 이동 가능한 산소 이온의 유량에 따라서 변화된다. 고체 전해질층(51)을 통해 이동 가능한 산소 이온의 유량은 센서 인가 전압 Vr에 따라서 변화하기 때문에, 결과적으로 센서 인가 전압 Vr의 증가에 수반하여 출력 전류가 증가한다. 또한, 이와 같이 센서 인가 전압 Vr에 비례하여 출력 전류 Ir이 변화하는 전압 영역은 비례 영역이라 불린다. 또한, 센서 인가 전압 Vr이 0일 때 출력 전류 Ir이 부의 값을 취하는 것은, 산소 전지 특성에 의해 고체 전해질층(51)의 양 측면 간의 산소 농도비에 따른 기전력 E가 발생하기 때문이다.
그 후, 배기 공연비를 일정하게 한 채, 센서 인가 전압 Vr을 서서히 증가해 가면, 이에 대한 출력 전류의 증가 비율은 점차 작아지고, 결국엔 거의 포화 상태로 된다. 그 결과, 센서 인가 전압 Vr을 증가시켜도 출력 전류는 거의 변화하지 않게 된다. 이 거의 포화된 전류는 한계 전류라 부르고, 이하에서는, 이 한계 전류가 발생하는 전압 영역을 한계 전류 영역이라 부른다.
즉, 이 한계 전류 영역에서는, 센서 인가 전압 Vr이 어느 정도 높기 때문에, 고체 전해질층(51)을 통해 이동 가능한 산소 이온의 유량이 많다. 이로 인해, 확산 율속층(54)을 통한 배기 가스의 유입 속도보다도 고체 전해질층(51)을 통해 이동 가능한 산소 이온의 유량 쪽이 많아진다. 따라서, 출력 전류 Ir은 확산 율속층(54)을 통해 피측 가스실(57)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 농도나 미연 가스 농도에 따라서 변화된다. 배기 공연비를 일정하게 하여 센서 인가 전압 Vr을 변화시켜도, 기본적으로는 확산 율속층(54)을 통해 피측 가스실(57)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 농도나 미연 가스 농도는 변화하지 않기 때문에, 출력 전압 Ir은 변화되지 않는다.
단, 배기 공연비가 서로 다르면, 확산 율속층(54)을 통해 피측 가스실(57)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 농도나 미연 가스 농도도 서로 다르기 때문에, 출력 전류 Ir은 배기 공연비에 따라서 변화된다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 희박 공연비와 농후 공연비는 한계 전류가 흐르는 방향이 반대로 되어 있으며, 희박 공연비일 때에는 공연비가 커질수록, 농후 공연비일 때에는 공연비가 작아질수록, 한계 전류의 절댓값이 커진다.
그 후, 배기 공연비를 일정하게 한 채, 센서 인가 전압 Vr을 더 증가해 가면, 이에 수반하여 다시 출력 전류 Ir이 증가하기 시작한다. 이와 같이 높은 센서 인가 전압 Vr을 인가하면, 배기측 전극(52) 상에서는 배기 가스 중에 포함되는 수분의 분해가 발생하고, 이에 수반하여 전류가 흐른다. 또한, 센서 인가 전압 Vr을 더 증가해 가면, 물의 분해만으로는 전류를 조달할 수 없게 되고, 이번에는 고체 전해질층(51)의 분해가 발생한다. 이하에서는, 이와 같이 물이나 고체 전해질층(51)의 분해가 발생하는 전압 영역을 물 분해 영역이라 부른다.
도 17은, 각 센서 인가 전압 Vr에 있어서의 배기 공연비와 출력 전류 Ir의 관계를 나타내는 도면이다. 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서 인가 전압 Vr이 0.1V 내지 0.9V 정도이면, 적어도 이론 공연비의 근방에 있어서는, 배기 공연비에 따라서 출력 전류 Ir이 변화된다. 또한, 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서 인가 전압 Vr이 0.1V 내지 0.9V 정도이면, 이론 공연비의 근방에 있어서는, 배기 공연비와 출력 전류 Ir의 관계는 센서 인가 전압 Vr에 무관하게 거의 동일하다.
한편, 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 어떤 일정한 배기 공연비 이하로 배기 공연비가 낮아지면, 배기 공연비가 변화하여도 출력 전류 Ir이 거의 변화되지 않게 된다. 이 일정한 배기 공연비는 센서 인가 전압 Vr에 따라서 변화되고, 센서 인가 전압 Vr이 높을수록 높다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 어떤 특정한 값 이상으로 증대시키면, 도면 중에 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 배기 공연비가 어떤 값이더라도 출력 전류 Ir이 0으로 되지 않게 된다.
한편, 어떤 일정한 배기 공연비 이상에 배기 공연비가 높아지면, 배기 공연비가 변화하여도 출력 전류 Ir이 거의 변화되지 않게 된다. 이 일정한 배기 공연비도 센서 인가 전압 Vr에 따라서 변화되고, 센서 인가 전압 Vr이 낮을수록 낮다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 어떤 특정한 값 이하로 저하시키면, 도면 중에 이점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 배기 공연비가 어떤 값이어도 출력 전류 Ir이 0으로 되지 않는다(예를 들어, 센서 인가 전압 Vr을 0V로 한 경우에는 배기 공연비에 관계없이 출력 전류 Ir은 0으로 되지 않음).
<이론 공연비 근방에 있어서의 미시적 특성>
그런데, 본 발명자들이 예의 연구를 행한 바, 센서 인가 전압 Vr과 출력 전류 Ir의 관계(도 16)나 배기 공연비와 출력 전류 Ir의 관계(도 17)를 거시적으로 보면 전술한 바와 같은 경향이 되지만, 이들 관계를 이론 공연비 근방에서 미시적으로 보면 이와는 다른 경향이 된다는 사실을 알아내었다. 이하, 이에 대하여 설명한다.
도 18은, 도 16의 전압-전류선도에 대하여, 출력 전류 Ir이 0 근방으로 되는 영역(도 16에 있어서 X-X로 나타낸 영역)을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 18로부터 알 수 있는 바와 같이, 한계 전류 영역에서도, 배기 공연비를 일정하게 했을 때, 센서 인가 전압 Vr이 증대하는 데 수반하여 출력 전류 Ir도 매우 근소하게 증대된다. 예를 들어, 배기 공연비가 이론 공연비 14.6인 경우를 예로 들어 보면, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V 정도일 때에는 출력 전류 Ir은 0으로 된다. 이에 반하여, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 어느 정도 낮게(예를 들어, 0.2V) 하면, 출력 전류는 0보다도 낮은 값으로 된다. 한편, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 어느 정도 높게(예를 들어, 0.7V) 하면, 출력 전류는 0보다도 높은 값으로 된다.
도 19는, 도 17의 공연비-전류선도에 대하여, 배기 공연비가 이론 공연비 근방이며 또한 출력 전류 Ir이 0 근방인 영역(도 17에 있어서 Y로 나타낸 영역)을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 19로부터는, 이론 공연비 근방의 영역에서는, 동일한 배기 공연비에 대한 출력 전류 Ir이 센서 인가 전압 Vr마다 약간 서로 다르다는 점을 알 수 있다. 예를 들어, 도시한 예에서는, 배기 공연비가 이론 공연비인 경우, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V로 했을 때 출력 전류 Ir이 0으로 된다. 그리고, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 크게 하면 출력 전류 Ir도 0보다 커지고, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 작게 하면 출력 전류 Ir도 0보다 작아진다.
또한, 도 19로부터는, 센서 인가 전압 Vr마다, 출력 전류 Ir이 0으로 될 때의 배기 공연비(이하, 「전류 0일 때의 배기 공연비」라고 함)가 서로 다르다는 점을 알 수 있다. 도시한 예에서는, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V인 경우에는 배기 공연비가 이론 공연비일 때 출력 전류 Ir이 0으로 된다. 이에 반하여, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V보다도 큰 경우에는, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때 출력 전류 Ir이 0으로 되고, 센서 인가 전압 Vr이 커질수록 전류 0일 때의 배기 공연비는 작아진다. 반대로, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V보다도 작은 경우에는, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때 출력 전류 Ir이 0으로 되고, 센서 인가 전압 Vr이 작아질수록 전류 0일 때의 배기 공연비는 커진다. 즉, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 전류 0일 때의 배기 공연비를 변화시킬 수 있다.
여기서, 도 5에 있어서의 기울기, 즉 배기 공연비의 증가량에 대한 출력 전류의 증가량의 비율(이하, 「출력 전류 변화율」이라고 함)은, 마찬가지의 생산 공정을 거쳐도 반드시 동일하게는 되지 않으며, 동일 형식의 공연비 센서이더라도 개체 간에서 편차가 발생해버린다. 또한, 동일한 공연비 센서에 있어서도, 경년열화 등에 의해 출력 전류 변화율은 변화된다. 이 결과, 가령 도 20에 실선 A로 나타낸 출력 특성을 갖도록 구성되어 있는 동일 형식의 센서를 사용하여도, 사용한 센서나 사용 기간 등에 따라서, 도 20에 파선 B로 나타낸 바와 같이 출력 전류 변화율이 작아지거나, 일점쇄선 C로 나타낸 바와 같이 출력 전류 변화율이 커지거나 한다.
이로 인해, 동일 형식의 공연비 센서를 사용하여 동일한 공연비의 배기 가스 계측을 행하여도, 사용한 센서나 사용 기간 등에 의해, 공연비 센서의 출력 전류는 서로 다른 것으로 되어버린다. 예를 들어, 공연비 센서가 실선 A로 나타낸 바와 같은 출력 특성을 갖는 경우에는, 공연비가 af1인 배기 가스의 계측을 행했을 때의 출력 전류는, I2가 된다. 그러나, 공연비 센서가 파선 B나 일점쇄선 C로 나타낸 바와 같은 출력 특성을 갖는 경우에는, 공연비가 af1인 배기 가스의 계측을 행했을 때의 출력 전류는, 각각 I1 및 I3으로 되고, 전술한 I2와는 다른 출력 전류가 되어버린다.
그러나, 도 20으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 공연비 센서의 개체 간에서 편차가 발생하거나, 동일한 공연비 센서에 있어서도 경년열화 등에 의해 편차가 발생하거나 했다고 하여도, 전류 0일 때의 배기 공연비(도 20의 예에서는 이론 공연비)는 거의 변화되지 않는다. 즉, 출력 전류 Ir이 0 이외의 값을 취할 때에는, 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출하는 것은 곤란한 데 비하여, 출력 전류 Ir이 0으로 될 때에는, 배기 공연비의 절댓값(도 20의 예에서는 이론 공연비)을 정확하게 검출할 수 있다.
그리고, 도 19를 이용하여 설명한 바와 같이, 공연비 센서(40, 41)에서는, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 전류 0일 때의 배기 공연비를 변화시킬 수 있다. 즉, 센서 인가 전압 Vr을 적절하게 설정하면, 이론 공연비 이외의 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출할 수 있다. 특히, 센서 인가 전압 Vr을 후술하는 「특정 전압 영역」내에서 변화시킨 경우에는, 전류 0일 때의 배기 공연비를 이론 공연비(14.6)에 대하여 약간만으로[예를 들어, ±1%의 범위(약 14.45 내지 약 14.75) 내] 조정할 수 있다. 따라서, 센서 인가 전압 Vr을 적절하게 설정함으로써, 이론 공연비와는 약간 다른 공연비의 절댓값을 정확하게 검출할 수 있도록 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 전류 0일 때의 배기 공연비를 변화시킬 수 있다. 그러나, 센서 인가 전압 Vr을 어떤 상한 전압보다도 크게 하거나 또는 어떤 하한 전압보다도 작게 하면, 센서 인가 전압 Vr의 변화량에 대한 전류 0일 때의 배기 공연비의 변화량이 커진다. 따라서, 이러한 전압 영역에서는, 센서 인가 전압 Vr이 약간 어긋나면, 전류 0일 때의 배기 공연비가 크게 변화되어 버린다. 따라서, 이러한 전압 영역에서는, 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출하기 위해서는, 센서 인가 전압 Vr을 정밀하게 제어할 필요가 있게 되어, 그다지 실용적이지 않다. 이로 인해, 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출하는 관점에서는, 센서 인가 전압 Vr은 어떤 상한 전압과 어떤 하한 전압 사이의 「특정 전압 영역」내의 값으로 할 필요가 있게 된다.
여기서, 도 19에 도시한 바와 같이, 공연비 센서(40, 41)는, 각 배기 공연비마다, 출력 전류 Ir이 한계 전류로 되는 전압 영역인 한계 전류 영역을 갖는다. 본 실시 형태에서는, 배기 공연비가 이론 공연비일 때의 한계 전류 영역이 「특정 전압 영역」으로 된다.
또한, 도 17을 이용하여 설명한 바와 같이, 센서 인가 전압 Vr을 어떤 특정한 값(최대 전압) 이상으로 증대시키면, 도면 중에 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 배기 공연비가 어떤 값이어도 출력 전류 Ir이 0으로 되지 않는다. 한편, 센서 인가 전압 Vr을 어떤 특정한 값(최소 전압) 이하로 저하시키면, 도면 중에 이점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 배기 공연비가 어떤 값이어도 출력 전류 Ir이 0으로 되지 않는다.
따라서, 센서 인가 전압 Vr이 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압이면, 출력 전류가 0으로 되는 배기 공연비가 존재한다. 반대로, 센서 인가 전압 Vr이 최대 전압보다도 높은 전압 혹은 최소 전압보다도 낮은 전압이면, 출력 전류가 0이 되는 배기 공연비가 존재하지 않는다. 따라서, 센서 인가 전압 Vr은, 적어도, 배기 공연비가 어느 쪽인가의 공연비일 때에 출력 전류가 0으로 되는 전압인 것, 즉, 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압인 것이 필요해진다. 전술한 「특정 전압 영역」은, 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압 영역이다.
<각 공연비 센서에 있어서의 인가 전압>
본 실시 형태에서는, 전술한 미시적 특성을 감안하여, 상류측 공연비 센서(40)에 의해 배기 가스의 공연비를 검출할 때에는, 상류측 공연비 센서(40)에 있어서의 센서 인가 전압 Vrup는, 배기 공연비가 이론 공연비(본 실시 형태에서는 14.6)일 때 출력 전류가 0으로 되는 전압(예를 들어, 0.45V)으로 고정된다. 다시 말하자면, 상류측 공연비 센서(40)에서는 전류 0일 때의 배기 공연비가 이론 공연비가 되도록 센서 인가 전압 Vrup가 설정된다. 한편, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 배기 가스의 공연비를 검출할 때에는, 하류측 공연비 센서(41)에 있어서의 센서 인가 전압 Vr은, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 농후 판정 공연비(예를 들어, 14.55)일 때 출력 전류가 0으로 되는 일정 전압(예를 들어, 0.7V)으로 고정된다. 다시 말하자면, 하류측 공연비 센서(41)에서는, 전류 0일 때의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 약간 농후한 농후 판정 공연비가 되도록 센서 인가 전압 Vrdwn이 설정된다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)에 있어서의 센서 인가 전압 Vrdwn이 상류측 공연비 센서(40)에 있어서의 센서 인가 전압 Vrup보다도 높은 전압으로 된다.
따라서, 양 공연비 센서(40, 41)에 접속된 ECU(31)는, 상류측 공연비 센서(40)의 출력 전류 Irup가 0으로 되었을 때 상류측 공연비 센서(40) 주위의 배기 공연비는 이론 공연비라고 판단한다. 한편, ECU(31)는, 하류측 공연비 센서(41)의 출력 전류 Irdwn이 0으로 되었을 때에는 하류측 공연비 센서(41) 주위의 배기 공연비는 농후 판정 공연비, 즉, 이론 공연비와는 다른 미리 정해진 공연비라고 판단한다. 이에 의해, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 농후 판정 공연비를 정확하게 검출할 수 있다.
5: 연소실
6: 흡기 밸브
8: 배기 밸브
10: 점화 플러그
11: 연료 분사 밸브
13: 흡기 지관
15: 흡기관
18: 스로틀 밸브
19: 배기 매니폴드
20: 상류측 촉매
21: 상류측 케이싱
22: 배기관
23: 하류측 케이싱
24: 하류측 촉매
31: ECU
39: 에어 플로우미터
40: 상류측 공연비 센서
41: 하류측 공연비 센서

Claims (12)

  1. 내연 기관의 배기 통로에 설치된 상류측 촉매와, 상기 상류측 촉매보다도 배기 흐름 방향 하류측에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 하류측 촉매와, 상기 상류측 촉매와 상기 하류측 촉매의 사이에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 하류측 공연비 검출 수단과, 상기 하류측 촉매의 산소 흡장량을 추정하는 흡장량 추정 수단과, 상기 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 목표 공연비가 되도록 해당 배기 가스의 공연비를 제어하는 유입 공연비 제어 장치를 구비하는, 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
    상기 하류측 공연비 검출 수단에 의해 검출된 공연비가 이론 공연비보다도 농후한 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 상류측 판정 기준 흡장량으로 될 때까지, 상기 상류측 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는 통상 시 희박 제어 수단과,
    상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 상기 상류측 판정 기준 흡장량 이상으로 되었을 때, 상기 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정하는 통상 시 농후 제어 수단과,
    상기 흡장량 추정 수단에 의해 추정된 상기 하류측 촉매의 산소 흡장량이 최대 흡장량보다도 적은 소정의 하류측 하한 흡장량 이하로 되었을 때에는, 상기 통상 시 농후 제어 수단 및 통상 시 희박 제어 수단에 의해 목표 공연비의 설정을 행하지 않고, 상기 상류측 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후하게 되지 않고 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 되도록 상기 목표 공연비를 단속적 또는 계속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는 흡장량 회복 제어 수단을 구비하는, 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 하류측 촉매의 산소 흡장량이 상기 하류측 하한 흡장량보다도 많고 또한 최대 산소 흡장량 이하의 소정의 하류측 상한 흡장량으로 될 때까지 상기 목표 공연비의 설정을 계속하는, 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 상류측 촉매로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 되도록 상기 목표 공연비를 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는, 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 하류측 공연비 검출 수단에 의해 검출된 공연비가 이론 공연비보다도 희박한 희박 판정 공연비 이상으로 되었을 때, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 0보다도 많은 소정의 상류측 하한 흡장량으로 될 때까지, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정하는 회복 시 농후 제어 수단과, 상기 상류측 촉매의 산소 흡장량이 상기 상류측 하한 흡장량 이하로 되었을 때 상기 산소 흡장량이 0에 달하지 않고 최대 산소 흡장량을 향해 증가하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 희박하게 설정하는 회복 시 희박 제어 수단을 갖는, 내연 기관의 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회복 시 농후 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 상기 회복 시 희박 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 큰, 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 회복 시 농후 제어 수단은 상기 목표 공연비를 계속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 설정하는, 내연 기관의 제어 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 회복 시 희박 제어 수단은 상기 목표 공연비를 계속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는, 내연 기관의 제어 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단은, 상기 목표 공연비를 계속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정하는, 내연 기관의 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적으로 희박하게 설정할 때의 해당 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비로부터의 차는, 상기 통상 시 희박 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차 이상인, 내연 기관의 제어 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적으로 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차는, 상기 통상 시 희박 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 설정할 때의 상기 목표 공연비의 시간 평균값과 이론 공연비의 차보다도 작은, 내연 기관의 제어 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단은, 당해 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 설정하고 있는 기간에 걸쳐서, 상기 목표 공연비를 일정한 공연비로 고정하는, 내연 기관의 제어 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 흡장량 회복 제어 수단은, 당해 흡장량 회복 제어 수단에 의해 상기 목표 공연비를 설정하고 있는 기간에 있어서, 상기 목표 공연비를 연속적으로 또는 단계적으로 저하시키는, 내연 기관의 제어 장치.
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