(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路の上流側と下流側とにそれぞれ配置されたフロント触媒及びリア触媒と、フロント触媒をバイパスしてリア触媒上流に合流するバイパス通路と、排気の流れをフロント触媒側とバイパス通路側とに切換えることのできるバイパス弁と、機関運転状態に応じてバイパス弁を切換えるバイパス弁切換制御手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、
フロント触媒及びリア触媒の各上流にそれぞれフロント酸素センサ及びリア酸素センサを設ける一方、
バイパス弁の切換状態に応じ、フロント触媒側への切換状態にてフロント酸素センサを選択し、バイパス通路側への切換状態にてリア酸素センサを選択する酸素センサ選択手段と、
選択された酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算する補正係数演算手段と、
フロント酸素センサ及びリア酸素センサの各出力の反転周波数を検出する反転周波数検出手段と、
両酸素センサの反転周波数を比較する比較手段と、
バイパス弁の切換時に、前記比較手段により、両酸素センサの反転周波数がほぼ同一と判断されるまで、前記補正係数演算手段に優先して、切換前に選択されていた酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算する切換時補正係数演算手段と、
機関への燃料噴射量を前記空燃比フィードバック補正係数により補正する燃料噴射量補正手段と、
バイパス弁の切換時に、前記比較手段により、両酸素センサの反転周波数がほぼ同一と判断されるまで、前記バイパス弁切換制御手段に優先して、バイパス弁の開度を排気をフロント触媒側とバイパス通路側との両方へ流す中間開度に制御する中間開度制御手段と、
を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記バイパス弁切換制御手段は、機関回転数及び負荷に基づいて、高回転・高負荷時にバイパス弁をバイパス通路側に切換えるものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排気系に２つの触媒を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関の排気浄化装置として、例えば特開昭６２−９９６１１号公報に示されるようなものがある。
これは、排気通路の上流側と下流側とにそれぞれフロント触媒及びリア触媒を配置し、また、フロント触媒をバイパスしてリア触媒上流に合流するバイパス通路と、排気の流れをフロント触媒側とバイパス通路側とに切換えることのできるバイパス弁とを設けてある。
【０００３】
そして、機関運転状態、特には排気温度、又は機関回転数及び負荷を検出し、これに応じてバイパス弁を切換えている。
具体的には、排気温度が低い時、又は低回転・低負荷時には、バイパス弁をフロント触媒側に切換えて、排気通路における機関になるべく近い位置に設けたフロント触媒を用いて、排気浄化を図り、またフロント触媒での燃焼熱によりリア触媒の活性化を促進する。
【０００４】
そして、排気温度が高い時、又は高回転・高負荷時には、バイパス弁をバイパス通路側に切換えて、フロント触媒の焼損を防止しつつ、リア触媒のみで排気浄化を図る。
また、空燃比をストイキに制御する空燃比フィードバック制御のための酸素センサは、フロント触媒の上流に配置し、この酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行うが、バイパス通路側への切換状態においても空燃比フィードバック制御を可能とするために、バイパス通路側への切換状態にて、排気がフロント触媒にわずかながら流入するように、バイパス弁を少し開け、この少量の排気により酸素センサで空燃比を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載の装置にあっては、バイパス弁のバイパス通路側への切換状態においては、酸素センサにより少量の排気から空燃比を検出するため、空燃比検出の精度及び応答性に劣り、また、フロント触媒に高温の排気が常に流入するため、触媒劣化を引き起こしやすいという問題点がある。
【０００６】
そこで、フロント触媒及びリア触媒の各上流にそれぞれフロント酸素センサ及びリア酸素センサを設ける一方、バイパス弁の切換状態に応じ、フロント触媒側への切換状態にてフロント酸素センサを選択し、バイパス通路側への切換状態にてリア酸素センサを選択して、選択された酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行うことが検討されている。
【０００７】
これによれば、バイパス通路への切換状態（高速・高負荷時）におけるフロント触媒への高温の排気の流入を防止して、触媒劣化を抑制すると共に、いずれの運転状態においても、それぞれ触媒の直上流の酸素センサにより空燃比フィードバック制御ができるため、空燃比はストイキに制御され、触媒の転換効率を高めることが可能となる。
【０００８】
ところが、バイパス弁により排気の流れを切換えると同時に、空燃比フィードバック制御に使用する酸素センサを切換えるように制御すると、切換後に使用する酸素センサが安定する前に（正しい空燃比を示す前に）、その信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行ってしまうため、空燃比のリッチスパイク又はリーンスパイクが発生し、触媒の転換効率が大幅に悪化するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、バイパス弁の切換時の空燃比制御を安定させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、図１に示すように、排気通路の上流側と下流側とにそれぞれ配置されたフロント触媒及びリア触媒と、フロント触媒をバイパスしてリア触媒上流に合流するバイパス通路と、排気の流れをフロント触媒側とバイパス通路側とに切換えることのできるバイパス弁と、機関運転状態に応じてバイパス弁を切換えるバイパス弁切換制御手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、フロント触媒及びリア触媒の各上流にそれぞれフロント酸素センサ及びリア酸素センサを設ける一方、バイパス弁の切換状態に応じ、フロント触媒側への切換状態にてフロント酸素センサを選択し、バイパス通路側への切換状態にてリア酸素センサを選択する酸素センサ選択手段と、選択された酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算する補正係数演算手段と、フロント酸素センサ及びリア酸素センサの各出力の反転周波数を検出する反転周波数検出手段と、両酸素センサの反転周波数を比較する比較手段と、バイパス弁の切換時に、前記比較手段により、両酸素センサの反転周波数がほぼ同一と判断されるまで、前記補正係数演算手段に優先して、切換前に選択されていた酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算する切換時補正係数演算手段と、機関への燃料噴射量を前記空燃比フィードバック補正係数により補正する燃料噴射量補正手段と、バイパス弁の切換時に、前記比較手段により、両酸素センサの反転周波数がほぼ同一と判断されるまで、前記バイパス弁切換制御手段に優先して、バイパス弁の開度を排気をフロント触媒側とバイパス通路側との両方へ流す中間開度に制御する中間開度制御手段と、を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明において、前記バイパス弁切換制御手段は、機関回転数及び負荷に基づいて、高回転・高負荷時にバイパス弁をバイパス通路側に切換えるものであることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
請求項１に係る発明では、バイパス弁の切換状態に応じ、フロント触媒側への切換状態にてフロント酸素センサを選択し、バイパス通路側への切換状態にてリア酸素センサを選択して、選択された酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算して、空燃比フィードバック制御を行うが、バイパス弁の切換時は、フロント酸素センサ及びリア酸素センサの各出力の反転周波数を検出し、両酸素センサの反転周波数を比較していて、両酸素センサの反転周波数がほぼ同一と判断されるまで、切換前に選択されていた酸素センサからの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数を演算して、空燃比フィードバック制御を行う。
【００１３】
このように、バイパス弁の切換時は、両酸素センサの信号をモニタし、略同一の反転周波数となってから、空燃比フィードバック制御に使用する酸素センサを切換える制御としたため、バイパス弁の切換時に応答性の高い酸素センサを用いることで、切換時に生じる空燃比のスパイクを防止することができて、触媒の転換効率を高く保つことが可能となり、エミッションの悪化を抑制できる。
【００１４】
また、常に応答性の高い酸素センサを使用して、空燃比フィードバック制御を行うため、切換直後に運転条件が変化した場合でも、追従性良く制御でき、空燃比の変動を抑制することができる。
また、バイパス弁の切換時に、両酸素センサの反転周波数がほぼ同一と判断されるまで、バイパス弁の開度を排気をフロント触媒側とバイパス通路側との両方へ流す中間開度に制御する。これにより、切換時に使用する酸素センサの検出精度を高く維持できて、制御精度が大幅に向上する。
【００１５】
請求項２に係る発明では、機関回転数及び負荷に基づいて、高回転・高負荷時にバイパス弁をバイパス通路側に切換えるので、排気温度センサを用いることなく、制御できる。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明の一実施例を図２〜図４により説明する。
図２はシステム構成図である。
内燃機関１の吸気通路２には、各気筒毎に吸気ポートへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３が設けられている。
【００１７】
この燃料噴射弁３は、コントロールユニット10からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅によって燃料噴射量が制御され、この燃料噴射量の制御により空燃比が制御される。
排気通路４には、上流側にフロント触媒５が配置されると共に、下流側にリア触媒６が配置されている。
【００１８】
また、フロント触媒５をバイパスしてリア触媒６上流に合流するパイパス通路７が設けられ、フロント触媒５側通路とバイパス通路７とを選択するバイパス弁８が設けられている。
このバイパス弁８は、電磁駆動型であって、共通の弁軸に２つの弁体８ａ，８ｂが取付けられており、非通電状態では、弁体８ａによりフロント触媒５側通路を開いて弁体８ｂによりバイパス通路７を閉止し、通電されると、弁体８ａによりフロント触媒５側通路を閉止して弁体８ｂによりバイパス通路７を開くように切換えられる。このバイパス弁８への通電もコントロールユニット10により制御される。
【００１９】
前記燃料噴射弁３及びバイパス弁８の制御のため、コントロールユニット10には、各種のセンサから、吸入空気流量信号、回転数信号などが入力されている。
更に、排気通路４のフロント触媒５上流（入口部）に、フロント酸素センサ11が設けられると共に、リア触媒６上流（入口部）に、リア酸素センサ12が設けられていて、これらの信号もコントロールユニット10に入力されている。
【００２０】
ここにおいて、コントロールユニット10は、前記各種のセンサからの信号を入力しつつ、内蔵のマイクロコンピュータにより、図３のフローチャートに示す制御を行う。
図３のフローチャートに従って説明する。尚、本ルーチンは所定時間（例えば10msec）毎に実行される。
【００２１】
ステップ21（図にはＳ21と記してある。以下同様）では、機関の運転状態として、機関回転数Ｎｅ及び負荷（基本燃料噴射量）Ｔｐを読込む。
【００２２】
ステップ22では、バイパス弁８をバイパス通路７側に切換える条件である高回転・高負荷状態か否かを判定する。
高回転・高負荷状態の場合は、ステップ23へ進み、バイパス弁８の状態を示すフラグＦの値を判定する。
高回転・高負荷状態に変化した直後は、これまでバイパス弁８はフロント触媒５側であったため、Ｆ＝０となっており、この場合、ステップ24へ進む。
【００２３】
ステップ24では、フロント酸素センサ11及びリア酸素センサ12の各出力の反転周波数ＨＺＦ，ＨＺＲを検出する。尚、反転周波数は反転周期の逆数として算出できる。
次のステップ25では、これらの反転周波数ＨＺＦ，ＨＺＲを比較し、リア酸素センサ12側の反転周波数ＨＺＲがフロント酸素センサ11側の反転周波数ＨＺＦに近い値となったか否かを判定する。具体的には、ＨＺＲ≧ＨＺＦ×0.9 となったか否かを判定する。
【００２４】
切換条件成立直後は、リア酸素センサ12側の反転周波数ＨＺＲは非常に小さいため、ステップ26へ進む。
ステップ26では、バイパス弁８を駆動し、中間開度に制御する。この中間開度では、排気はフロント触媒５側とバイパス通路７側との両方へ流れる。
そして、ステップ27では、リア酸素センサ12の応答性が低いため、フロント酸素センサ11を選択する。
【００２５】
そして、ステップ28では、選択されたフロント酸素センサ11からの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを演算する。すなわち、フロント酸素センサ11により検出される空燃比がリッチのときは空燃比フィードバック補正係数αを減少させ、空燃比がリーンのときは空燃比フィードバック補正係数αを増大させる。
【００２６】
このようにして設定された空燃比フィードバック補正係数αは、別ルーチンによる燃料噴射量Ｔｉの演算に際して用いられる。すなわち、吸入空気流量Ｑａと回転数Ｎｅとから基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを空燃比フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ・αを演算する。そして、このＴｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号を燃料噴射弁３に出力して燃料噴射を行わせる。
【００２７】
バイパス弁８が中間開度に制御されて、フロント酸素センサ11及びリア酸素センサ12の両方に排気が流れると、リア酸素センサ12側の反転周波数ＨＺＲは徐々に大きくなり、フロント酸素センサ11側の反転周波数ＨＺＦに近づく。
【００２８】
これにより、ＨＺＲ≧ＨＺＦ×0.9 となると、リア酸素センサ12の応答性は十分と判断されて、ステップ25からステップ29へ進む。
ステップ29では、バイパス弁８を完全にバイパス通路７側に切換える。
そして、ステップ30では、リア酸素センサ12を選択する。
そして、ステップ31では、選択されたリア酸素センサ12からの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを演算する。すなわち、リア酸素センサ12により検出される空燃比がリッチのときは空燃比フィードバック補正係数αを減少させ、空燃比がリーンのときは空燃比フィードバック補正係数αを増大させる。
【００２９】
そして、ステップ32では、フラグＦ＝１にする。
このように低回転・低負荷から高回転・高負荷に運転状態が変化して、バイパス弁８をフロント触媒５側からバイパス通路７側に切換える場合の空燃比フィードバック制御の動きを図４により説明する。
図４では、バイパス弁をフロント触媒側からバイパス通路側に切換える条件と判断されたら、リア酸素センサ側の反転周波数ＨＺＲが未だ低いため、バイパス弁は中間開度に設定される。この時点では、まだフロント酸素センサにより空燃比フィードバック制御を行っている。その後、徐々にリア酸素センサの応答性が高くなり、その反転周波数ＨＺＲがフロント酸素センサ側の反転周波数ＨＺＦと同等となったら、バイパス弁を切換えると同時に空燃比フィードバック制御もリア酸素センサに切換える。その結果、リア酸素センサの応答性が充分に高くなってから空燃比フィードバック制御を切換えるため、空燃比のスパイクが生じず、従って触媒の転換効率を高く保つことが可能となる。
【００３０】
これに対し、図５の従来例のように、バイパス弁の切換えと同時に、フロント酸素センサからリア酸素センサに切換えた場合、リア酸素センサは切換前にフロント触媒を通過した排気を検知していたため、応答性が悪く、切換直後は正しい値を示さない場合がある。図では、切換時にリア酸素センサの出力が０Ｖなので、空燃比はリーンと判断し、空燃比フィードバック補正係数αは更にリッチ側に追いかける。結果として、リッチスパイクが生じ、リア触媒の転換効率が大幅に悪化し、ＨＣ，ＣＯの排出が増大する。
【００３１】
ステップ22での反転で低回転・低負荷状態の場合は、ステップ33へ進む。
ステップ33では、フラグＦの値を判定し、低回転・低負荷状態に変化した直後は、これまでバイパス弁８はバイパス通路７側であったため、Ｆ＝１となっており、この場合、ステップ34へ進む。
ステップ34では、フロント酸素センサ11及びリア酸素センサ12の各出力の反転周波数ＨＺＦ，ＨＺＲを検出する。
【００３２】
次のステップ35では、これらの反転周波数ＨＺＦ，ＨＺＲを比較し、フロント酸素センサ11側の反転周波数ＨＺＦがリア酸素センサ12側の反転周波数ＨＺＲに近い値となったか否かを判定する。具体的には、ＨＺＦ≧ＨＺＲ×0.9 となったか否かを判定する。
切換条件成立直後は、フロント酸素センサ11側の反転周波数ＨＺＲは非常に小さいため、ステップ36へ進む。
【００３３】
ステップ36では、バイパス弁８を駆動し、中間開度に制御する。この中間開度では、排気はフロント触媒５側とバイパス通路７側との両方へ流れる。
そして、ステップ37では、フロント酸素センサ11の応答性が低いため、リア酸素センサ12を選択する。
そして、ステップ38では、選択されたリア酸素センサ12からの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを演算する。
【００３４】
バイパス弁８が中間開度に制御されて、フロント酸素センサ11及びリア酸素センサ12の両方に排気が流れると、フロント酸素センサ11側の反転周波数ＨＺＦは徐々に大きくなり、リア酸素センサ12側の反転周波数ＨＺＲに近づく。
これにより、ＨＺＦ≧ＨＺＲ×0.9 となると、フロント酸素センサ11の応答性は十分と判断されて、ステップ35からステップ39へ進む。
【００３５】
ステップ39では、バイパス弁８を完全にフロント触媒５側に切換える。
そして、ステップ40では、フロント酸素センサ11を選択する。
そして、ステップ41では、選択されたフロント酸素センサ11からの信号に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを演算する。
そして、ステップ42では、フラグＦ＝０にする。
【００３６】
尚、本実施例においては、ステップ21，22，29，39の部分がバイパス弁切換制御手段に相当し、ステップ30，40の部分が酸素センサ選択手段に相当し、ステップ31，41の部分が補正係数演算手段に相当し、ステップ24，34の部分が反転周波数検出手段に相当し、ステップ25，35の部分が比較手段に相当し、ステップ26，36の部分が中間開度制御手段に相当し、ステップ27，28，37，38の部分が切換時補正係数演算手段に相当する。また、別ルーチンにより燃料噴射量Ｔｉを演算する部分が燃料噴射量補正手段に相当する。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、バイパス弁の切換時は、両酸素センサの信号をモニタし、略同一の反転周波数となってから、空燃比フィードバック制御に使用する酸素センサを切換える制御としたため、バイパス弁の切換時に生じる空燃比のスパイクを防止することができて、触媒の転換効率を高く保つことが可能となり、エミッションの悪化を抑制できるという効果が得られる他、常に応答性の高い酸素センサを使用して、空燃比フィードバック制御を行うため、切換直後に運転条件が変化した場合でも、追従性良く制御でき、空燃比の変動を抑制することができるという効果が得られる。
【００３８】
また、バイパス弁の切換時に、バイパス弁の開度を中間開度に制御することで、切換時に使用する酸素センサの検出精度を高く維持できて、制御精度が大幅に向上するという効果が得られる。
請求項２に係る発明によれば、機関回転数及び負荷に基づいて制御することで、排気温度センサを用いることなく制御できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】本発明の一実施例を示すシステム構成図
【図３】制御内容を示すフローチャート
【図４】効果を示す図
【図５】従来例の説明図
【符号の説明】
１  内燃機関
２  吸気通路
３  燃料噴射弁
４  排気通路
５  フロント触媒
６  リア触媒
７  バイパス通路
８  バイパス弁
10  コントロールユニット
11  フロント酸素センサ
12  リア酸素センサ
【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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