(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量を推定するＮＯｘ排出量推定手段と、ＮＯｘ排出量推定手段で推定されたＮＯｘ排出推定量に応じて空燃比を制御する空燃比制御手段と、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、内燃機関から排出される排気ガスを内燃機関の吸気側に再循環する排気ガス再循環管と、排気ガス再循環管を経由して内燃機関の吸気側に再循環される排気ガスの量を検出する排出ガス再循環量検出手段と、内燃機関の点火時期を検出する点火時期検出手段と、空燃比検出手段で検出された空燃比に応じた値と排出ガス再循環量検出手段で検出された排出ガス再循環量に応じた値と点火時期検出手段で検出された点火時期に応じた値とＤＮ＝Ｋ１・Ａ／Ｆ＋Ｋ２・ＥＧＲなる式とからＮＯｘ排出濃度を推定するＮＯｘ排出濃度推定手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
式中、ＤＮはＮＯｘ排出濃度推定値、Ａ／Ｆは空燃比、ＥＧＲは排出ガス再循環量、Ｋ１およびＫ２は点火時期に応じた係数である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＮＯｘ触媒を用いた内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の内燃機関の空燃比制御装置を示す構成図である。図８において、１は内燃機関であって、燃焼室１５を始め吸気系や点火系統がリーン燃焼可能に設計されている。内燃機関１の吸気ポート２には各気筒毎に燃料噴射弁３が取り付けられた吸気マニホールド４を介し、エアクリーナ５、吸入空気量Ｑａを検出するエアーフローセンサ６、スロットルバルブ７、ＩＳＣバルブ８等を備えた吸気管９が接続されている。エアーフローセンサ６としては、カルマン渦式エアーフローセンサ等が好適に使用される。また、内燃機関１の排気ポート１０には、排気マニホールド１１を介して、空気過剰率λ（空燃比情報）を検出する空燃比検出手段としてのリニア空燃比センサ等の空燃比センサ１２の取り付けられた排気管１４が接続されている。排気管１４には、排気浄化装置１３を介して図示しないマフラーが接続されている。
【０００３】
排気浄化触媒装置１３は三元触媒１３ａとＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂとの２つの触媒を備える。三元触媒１３ａがＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂよりも上流側に配設されている。三元触媒１３ａは、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）を酸化させるとともに、ＮＯｘを還元する機能を持っている。三元触媒１３ａによるＮＯｘの還元は理論空燃比（１４．７）付近において最大に促進される。ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂは、酸素過剰雰囲気（リーン空燃比）においてＮＯｘを吸蔵して、ＨＣ、ＣＯの存在する酸素不足雰囲気（リッチ空燃比）においてＮＯｘを還元する機能を持つものである。ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂとしては、例えば、Ｃａ（カルシウム）、Ｂａ（バリウム）等のアルカリ土類とＰｔ（白金）とからなる触媒が使用されている。酸素富過状態（酸化雰囲気）において内燃機関１から排出されるＮＯｘを吸着し、吸着したＮＯｘを炭化水素（ＨＣ）過剰状態（還元雰囲気）で還元させる特性を利用して大気へのＮＯｘ排出量を低減させる、触媒が知られている。
【０００４】
内燃機関１には、吸気ポート２から燃焼室１５に供給された空気と燃料との混合気に着火するための点火プラグ１６が配置されている。また、１８はカムシャフトと連動するエンコーダからクランク角同期信号θＣＲを検出するクランク角センサ、１９はスロットルバルブ開度θＴＨを検出するスロットルセンサ、２０は冷却水温ＴＷを検出する水温センサ、２１は大気圧Ｐａを検出する大気圧センサ、２２は吸気温度Ｔａを検出する吸気温センサである。なお、内燃機関回転数Ｎｅは、クランク角センサ１８が検出するクランク角同期信号θＣＲの発生時間間隔から演算される。車室内には、図示しない入出力装置、多数の制御プログラムを内蔵した記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマーカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）２３が設置されており、内燃機関１を含めた空燃比制御装置の総合的な制御を行っている。
【０００５】
次に、前記従来装置の動作について説明する。ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂでは、リーン空燃比制御時にＮＯｘを吸蔵することになるが、リーン燃焼運転を連続して行うと触媒の吸蔵容量に限度があるために、吸蔵量が飽和量に達すると、内燃機関１から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）の大部分が大気に排出されることになる。そこで、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂの吸蔵量が飽和量に達する前に、空燃比を理論空燃比またはその近傍値に制御する空燃比制御に切り替え、リッチ空燃比もしくは理論空燃比でＮＯｘの還元を開始しなければならず、リーン燃焼運転からリッチ燃焼運転に切り替えるタイミングが問題となる。
【０００６】
一般的には、リーン燃焼運転を所定期間行った後、リッチ燃焼運転を行うという手法が取られている。その方法としては、ＥＣＵ２３が内燃機関１から排出されるＮＯｘ排出量を推定し、そのＮＯｘ排出量が所定値に達したらリッチ運転を行うというものがある。ＮＯｘ排出量推定の例としては、例えば、特開平７−３０５６４４号公報で開示されている。それは、空燃比のマップとしてＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮを求め、点火時期のマップとして補正係数ＫＩｇを求め、その他の補正係数のマップとしてＥＧＲ量や温度等に応じてｋ１を同様に求め、吸入空気量ＱａによりＮＯｘ排出量ＱＮＯを（１）式により求めていた。
ＱＮＯ＝ｋ１・ＫＩｇ・Ｑａ・ＤＮ…………（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−３０５６４４号公報では、前記（１）式によりＮＯｘ排出量ＱＮＯを推定しているが、点火時期の変化により、空燃比Ａ／ＦとＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮとの関係や、ＥＧＲ量とＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮとの関係が大きく変化する。このため、ＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮは点火時期に応じて求めなければ推定精度が向上しない。また、マップが多数となりメモリ容量の増大を招いていた。
【０００８】
この発明の目的は、前述の問題点を解決するために、ＮＯｘ排出濃度推定値の推定精度の向上を図る内燃機関の空燃比制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量を推定するＮＯｘ排出量推定手段と、ＮＯｘ排出量推定手段で推定されたＮＯｘ排出推定量に応じて空燃比を制御する空燃比制御手段と、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、内燃機関から排出される排気ガスを内燃機関の吸気側に再循環する排気ガス再循環管と、排気ガス再循環管を経由して内燃機関の吸気側に再循環される排気ガスの量を検出する排出ガス再循環量検出手段と、内燃機関の点火時期を検出する点火時期検出手段と、空燃比検出手段で検出された空燃比に応じた値と排出ガス再循環量検出手段で検出された排出ガス再循環量に応じた値と点火時期検出手段で検出された点火時期に応じた値とＤＮ＝Ｋ１・Ａ／Ｆ＋Ｋ２・ＥＧＲなる式とからＮＯｘ排出濃度を推定するＮＯｘ排出濃度推定手段とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１について図１〜図６を用いて説明する。図１は、内燃機関１の空燃比制御装置を示す構成図である。図１において、ＥＣＵ２３０は、前記ディジタルコンピュータからなる前記ＥＣＵ２３に相当するものであって、ディジタルコンピュータが格納された多数の制御プログラムに従い内燃機関１を含めた空燃比制御装置の総合的な制御、とりわけ、図２〜図５の制御処理を実行する。ＥＣＵ２３０には、エアーフローセンサ６、クランク角センサ１８、スロットルセンサ１９、水温センサ２０、大気圧センサ２１、吸気温センサ２２等のセンサ類からの検出情報が入力される。ＥＣＵ２３０は上記各種センサ類からの検出情報に基づいて算出された燃料噴射量や点火時期、排出ガス再循環量ＥＧＲ等の最適値が出力されるようになっている。また、点火ユニット２４はＥＣＵ２３０からの指令により各気筒の点火プラグ１６に高電圧を出力し、ＥＣＵ２３０はその点火出力としての高電圧を点火ユニット２４より検出している。
【００２２】
ＥＣＵ２３０には、図示を省略したが、点火時期検出手段、排出ガス再循環量検出手段が内蔵されている。点火時期検出手段はＥＣＵ２３０が点火ユニット２４から点火プラグ１６への出力を検出する要素である。排出ガス再循環量検出手段は内燃機関回転数Ｎｅとエアーフローセンサ６と吸気圧センサ１７との関係を規定したマップから排出ガス再循環量ＥＧＲを検出する要素である。
【００２３】
また、ＥＣＵ２３０には、図示を省略したが、点火時期検出手段に代えて点火時期を運転状態に応じて求める手段、空燃比センサ１２に代えて空燃比を運転状態に応じて求める手段、排出ガス再循環量検出手段に代えて排出ガス再循環量を運転状態に応じて求める手段、バルブポジションセンサ２７に代えて排出ガス再循環バルブ開度を運転状態に応じて求める手段の少なくとも１つを内蔵しても良い。
【００２４】
点火時期を運転状態に応じて求める手段は、ＥＣＵ２３０が吸入空気量Ｑａまたは内燃機関負荷Ｐと内燃機関回転数Ｎｅとよりなる点火時期マップをＲＯＭに予め記憶しておき、エアーフローセンサ６からの検出信号または充填効率などの内燃機関負荷を表すパラメータである負荷Ｐとクランク角センサ１８からの検出信号に基づき上記点火時期マップより点火時期を求めることにより成立する。
【００２５】
同様に、空燃比を運転状態に応じて求める手段、排出ガス再循環量を運転状態に応じて求める手段、排出ガス再循環バルブ開度を運転状態に応じて求める手段それぞれは、上記点火時期を運転状態に応じて求める手段における「ＥＣＵ２３０が吸入空気量Ｑａまたは内燃機関負荷Ｐと内燃機関回転数Ｎｅとよりなる点火時期マップをＲＯＭに予め記憶しておき、エアーフローセンサ６からの検出信号または充填効率などの内燃機関負荷を表すパラメータである負荷Ｐとクランク角センサ１８からの検出信号に基づき上記点火時期マップより点火時期を求める」記載中の「点火時期」を「空燃比」、「排出ガス再循環バルブ開度」、「排出ガス再循環量」に読替えれば、成立する。
【００２６】
また、吸気マニホールド４には吸気圧Ｐｂを検出する吸気圧センサ１７が設けられている。排気管１４と吸気マニホールド４には排出ガス再循環管２５が接続され、排出ガス再循環管２５の中間部には排出ガス再循環路を開閉する排出ガス再循環バルブ２６が配置され、排出ガス再循環バルブ２６には排出ガス再循環バルブ開度を検出するバルブポジションセンサ２７が設けられている。結合子▲１▼同士が接続され、結合子▲２▼同士が接続されている。なお、内燃機関１、吸気ポート２、燃料噴射弁３、吸気マニホールド４、エアクリーナ５、エアーフローセンサ６、スロットルバルブ７、ＩＳＣバルブ８、吸気管９、排気ポート１０、排気マニホールド１１、空燃比センサ１２、排気浄化装置１３、三元触媒１３ａ、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂ、排気管１４、燃焼室１５、点火プラグ１６、クランク角センサ１８、スロットルセンサ１９、水温センサ２０、大気圧センサ２１、吸気温センサ２２、点火ユニット２４、クランク角同期信号θＣＲの発生時間間隔から内燃機関回転数Ｎｅを演算する手段等の要素は、前記図８と同じである。
【００２７】
次に実施の形態１の動作について説明する。図２は、ＥＣＵ２３０が実行する空燃比制御を示すフローチャートであり、クランク角センサ１８から供給されるクランク角同期信号θＣＲの発生毎（例えば、クランク角１２０°ＣＡ毎）に割り込み実行される。この空燃比制御は、酸化雰囲気であるリーン燃焼運転時に、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂのＮＯｘ吸蔵能力が略飽和状態となったら、リッチ燃焼運転に切り替え、所定の時間に亘りＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂを還元雰囲気下に置き、ＮＯＸ吸蔵触媒１３ｂの吸蔵能力を復活させるという制御を繰り返し行うものである。リーン燃焼運転とは、燃料噴射弁３からの燃料噴射量を略一定に保持し、スロットルバルブ７およびＩＳＣバルブ８を開弁するか、またはスロットルバルブ７を閉弁しＩＳＣバルブ８のみを開弁して吸気量を増量し、空燃比が理論空燃比（１４．７）よりも大きい値の燃料希薄混合気を燃焼させて、内燃機関１を作動させる運転をいう。リッチ燃焼運転とは、空燃比を理論空燃比（１４．７）よりも小さい値とした混合気を燃焼させる運転をいい、このリッチ燃焼運転時の排出ガス中には、リーン燃焼運転のときよりもＨＣおよびＣＯを多く含んでいる。従って、リッチ燃焼運転時の排出ガスは、還元雰囲気であり、ＮＯｘの還元が可能となっている。
【００２８】
ＥＣＵ２３０は、まず図２のステップＳ１０においてリーン燃焼運転条件が成立しているか否かを判別する。リーン燃焼運転条件としては、内燃機関１が、暖機状態にあり、内燃機関回転速度Ｎｅおよび内燃機関負荷によって決定される所定の運転領域で運転されており、かつ加速や減速すべき運転状態にないこと等が必要である。
【００２９】
ステップＳ１０の判別結果がＮｏ（否定）でリーン燃焼運転条件が成立していない場合には、次にステップＳ１２に進みリッチ燃焼運転制御を実行する。一方、ステップＳ１０の判別結果がＹｅｓ（肯定）の場合には、ステップＳ１４に進み、ＮＯｘ排出量の演算を実行する。
【００３０】
図３はＥＣＵ２３０がＮＯｘ排出量推定手段として機能した際のＮＯｘ排出量演算手順を示すフローチャートである。この図３に基づきＮＯｘ排出量演算手順を説明する。ＥＣＵ２３０は記憶した計算式から内燃機関排出ＮＯｘ濃度を計算した値を読み取る。この読み取り値は実測値ではなく、事前の実験で設定された計算式から計算した値を読み取る値であるため、推定値として扱われる。
【００３１】
まず、ステップＳ２０において点火時期検出値ＥＳＡを検出することにより空燃比Ａ／Ｆの係数Ｋ１と排出ガス再循環量ＥＧＲの係数Ｋ２とをそれぞれのマップより読み出す。Ｋ１のマップを図５に示し、Ｋ２のマップを図６に示す。次に、ステップＳ２１において空燃比Ａ／Ｆと排出ガス再循環量ＥＧＲを検出し、ステップＳ２２においてＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮを求めるが、ＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮは各々の点火時期検出値ＥＳＡに対して以下に示す式（２）で表される。
ＤＮ＝Ｋ１・（実Ａ／Ｆ）＋Ｋ２・（実ＥＧＲ）………（２）
ただし、Ｋ１およびＫ２は点火時期の値により変化する。実Ａ／Ｆは空燃比センサ１２から入力された空燃比、実ＥＧＲはマップより求めた値である。
また、ステップ２３において吸入空気量Ｑａを検出する。そして、ステップＳ２４においてＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮと吸入空気量ＱａとによりＮＯｘ排出量ＱＮＯを（３）式より求める。
ＱＮＯ＝Ｑａ・ＤＮ………（３）
また、ステップＳ２５においてＮＯｘ排出量ＱＮＯの累積値すなわちＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴを（４）式より求める。
ＱＮＴ＝∫ＱＮＯｄｔ………（４）
この（４）式はＱＮＴ←ＱＮＴ＋ＱＮＯとプログラム的には表現できる。
【００３２】
以上のようにしてＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴが計算されたならば、図２のＥＣＵ２３０が比較器として機能するステップＳ１６を実行する。ステップＳ１６ではＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴが所定値ＱＮＴ０より大きいか否かを判別する。ＱＮＴ０は例えば、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂのＮＯｘ吸蔵容量もしくはそれを超えない或る値である。判別結果がＮｏ（否定）である場合には、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂのＮＯｘ吸蔵容量に余裕があると判定でき、ステップＳ１８に進み、リーン燃焼運転制御を行う。
【００３３】
一方、ステップＳ１６の判別結果がＹｅｓ（肯定）で、ＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴが所定値ＱＮＴ０よりも大きい場合には、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂの吸蔵能力は飽和状態とみなすことができ、前述したステップＳ１２に進み、リッチ燃焼運転信号を出力して、リッチ燃焼運転制御を行う。このように、ＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴが所定値ＱＮＴ０よりも大きくなった時点でリッチ燃焼運転に切り替えることにより、内燃機関１からのＨＣ、ＣＯの排出量を増加させ、かつ酸素不足状態を作り出すことによりＨＣ、ＣＯとＮＯｘを反応させて、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂに吸蔵されていたＮＯｘを還元し、大気中に放出することができる。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂは再びＮＯｘを吸蔵することが可能となる。ステップＳ１６の判別によりステップＳ１２のリッチ燃焼運転制御が実行され、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂに吸蔵されていたＮＯｘが還元され始めると同時に、ＥＣＵ２３０のタイマーカウンタが計時を開始する。リッチ燃焼運転が開始された後、当該ルーチンが繰り返し実行される。
【００３４】
図４はＥＣＵ２３０リッチ燃焼運転継続判別手段として機能した際のリッチ燃焼運転継続判別手順を示すフローチャートである。前記ＥＣＵ２３０のタイマーカウンタの計時開始後において、図４の処理が開始し、ステップＳ２８の判別結果がＮｏ（否定）の場合には、上記計時時間がＮＯｘの還元完了とみなせる所定時間ｔＲ（例えば、３秒間）経過していないことになるので、ステップ２９に進みＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴにゼロをカウントアップして更新する。この時、ＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴの値は所定値ＱＮＴ０より大きい或る値に維持されている。このため、図２のステップＳ１６での判別結果はＹｅｓ（肯定）を維持し、リッチ燃焼運転状態が継続され、ＮＯｘが充分に還元されることになる。
【００３５】
そして、リッチ燃焼運転制御の開始後、所定時間ｔＲ（３秒間）が経過すると、図４のステップＳ２８の判別結果はＹｅｓ（肯定）となり、次にステップＳ３０に進む。ステップＳ３０は、所定時間ｔＲ（３秒間）が経過したことから、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂからＮＯｘが全て還元されたとみなして、ＮＯｘ排出量量累積値ＱＮＴをゼロにリセットする。
【００３６】
要するに、ＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴが所定値ＱＮＴ０に達すると、運転状態がリーン燃焼運転からリッチ燃焼運転に切り替わり、所定時間ｔＲに亘りリッチ燃焼運転が維持されることになる。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒１３ｂに吸蔵されていたＮＯｘが全て還元され、所定時間ｔＲ（３秒間）経過後に再びリーン燃焼運転が開始された時には、ＮＯｘ吸蔵能力は復活した状態となっている。また、一回のリーン燃焼運転の継続時間はＮＯｘ排出量が少ない運転状況の場合には、リッチ燃焼運転への切り替え頻度を少なくすることができ、燃費の悪化やトルク変動を極力抑えることができる。
【００３７】
実施の形態２．
前記実施の形態１ではＡ／ＦおよびＥＧＲを検出し、また、実Ａ／Ｆと実ＥＧＲとを用いてＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮを求めたが、図７に示すように、Ａ／ＦおよびＥＧＲの検出に代えてＡ／ＦおよびＥＧＲを算出し、また、実Ａ／Ｆと実ＥＧＲとに代えて制御目標Ａ／Ｆと制御目標ＥＧＲと用いてＮＯｘ排出濃度推定値ＤＮ求めても良い。図７はこの発明の実施の形態２のＮＯｘ排出量累積値ＱＮＴ演算手順を示すフローチャートであって、図３のステップＳ２１に相当するステップＳ２１’およびステップＳ２２に相当するステップＳ２２’が異なる以外は図３と同じである。ステップＳ２１’では空燃比算出値から制御目標Ａ／Ｆを、制御目標ＥＧＲステップ数から制御目標ＥＧＲを算出する。そして、ステップＳ２２’では上記制御目標Ａ／Ｆと制御目標ＥＧＲとを（５）式に代入しＮＯｘ排出濃度ＤＮを求める。
ＤＮ＝Ｋ１・（制御目標Ａ／Ｆ）＋Ｋ２・（制御目標ＥＧＲ）………（５）
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、この発明における内燃機関の空燃比制御装置は、空燃比に応じた値と排出ガス再循環量に応じた値と点火時期に応じた値とＤＮ＝Ｋ１・Ａ／Ｆ＋Ｋ２・ＥＧＲなる式とからＮＯｘ排出濃度を推定することにより、ＮＯｘ排出濃度推定精度を向上することがきでき、それにより、ＮＯｘ排出量推定精度が向上でき、ＮＯｘ排出濃度を四則演算により求めることにより、マップ数が減ったためにメモリ容量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の構成図である。
【図２】  同実施の形態１の空燃比制御のフローチャートである。
【図３】  同実施の形態１のＮＯｘ排出量推定のフローチャートである。
【図４】  同実施の形態１のリッチ燃焼運転継続判別のフローチャートである。
【図５】  同実施の形態１の点火時期に対するＫ１のマップである。
【図６】  同実施の形態１の点火時期に対するＫ２のマップである。
【図７】  この発明の実施の形態２に係るＮＯｘ排出量推定のフローチャートである。
【図８】  従来の内燃機関の空燃比制御装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１  内燃機関、６  エアフローセンサ、１２  空燃比センサ、
１３ｂＮＯｘ吸蔵触媒  １６点火プラグ、１７吸気圧センサ、
１８クランク角センサ、２６  排出ガス再循環バルブ、
２７  バルブポジションセンサ、２３０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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