(57)【要約】【課題】異なる利益を複合させ、全体的な性能を向上させる内燃機関の空燃比制御装置を提供する。【解決手段】エンジン１の排気管３に設けられた排気浄化用の触媒コンバータ１１と、触媒コンバータ１１に導かれる排気ガスの空燃比をリーンとリッチとの間で強制的に変調させる空燃比変調手段とを備え、空燃比変調手段が複数の異なる空燃比の変調特性を複合させて、複数の異なる空燃比の変調特性の制御を、各々の所定時間ずつ順次切り替えて制御する内燃機関の空燃比制御装置。【選択図】　図１
2004132280.tif 000002
【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排気浄化用の触媒と、
前記触媒に導かれる排気ガスの空燃比をリーンとリッチとの間で強制的に変調させる空燃比変調手段とを備え、
前記空燃比変調手段が複数の異なる空燃比の変調特性を順次切り替えて制御することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記複数の異なる空燃比の変調特性はＴＨＣ浄化に有利な変調特性とＮＯｘ浄化に有利な変調特性とを含むことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記複数の異なる空燃比の変調特性は触媒の劣化検出に有利な変調特性と排気浄化に有利な変調特性とを含むことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記空燃比変調手段が、前記複数の異なる空燃比の変調特性に設定された各々の所定時間ずつ、前記複数の異なる空燃比の変調特性を順次制御することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
前記触媒が酸素吸蔵材を実質的に含まないことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の内燃機関において、空気と燃料との比を制御する空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン等の内燃機関の排気浄化システムとして、空気及び燃料を所定の空燃比の燃焼ガスに制御し、その燃焼ガスの燃焼後の排気を触媒に流入させる技術が開示されている。又、空燃比を理論空燃比（ストイキとも呼ぶ）の近傍に制御すると、ＴＨＣ（全炭化水素化合物）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の３成分を同時に高い効率で浄化できる三元触媒が知られている。
【０００３】
又、空燃比を制御するにあたり、Ｏ２センサ等からのフィードバック信号により空燃比を制御するのではなく、理論空燃比を境に、空燃比をリッチとリーンに交互に周期的に強制変調させて、触媒の浄化性能を向上させる技術が開示されている。更に、複数の変調特性の空燃比制御を重畳させて浄化性能を向上させようとする技術も開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５６１５３２号公報（第３頁−７頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、試験の結果、触媒によって、ＴＨＣの浄化に有利な空燃比の変調特性（周期、振幅、デューティ（パルス間隔に対するパルス振幅時間の比）、波形等）と、ＮＯｘに有利な空燃比の変調特性が存在することが判明した。例えば、Ｃｅ（セリウム）を含まない触媒において、変調周期を０．１秒とすると、より広い空燃比の範囲においてＮＯｘを高い効率で浄化できるが、ＴＨＣを高い効率で浄化できる範囲は広くない。一方、変調周期を０．５秒にすると、より広い範囲でＴＨＣを高い浄化効率で浄化できるが、ＮＯｘを高い浄化効率で浄化できる範囲は狭い。
【０００６】
又、触媒の劣化検出を行なう場合、変調周期を長くすると触媒下流の劣化検出信号の変動が大きくなり、触媒の劣化判定を容易に行なえるが、触媒の浄化性能が低下する場合がある。一方、変調周期を短くすると触媒の浄化性能が向上するが、触媒下流の劣化検出信号の変動が小さくなり、触媒の劣化判定が困難になる場合がある。
【０００７】
つまり、同一の空燃比の変調特性下では、ＴＨＣあるいはＮＯｘの一方しか高い浄化性能を確保することができず、又、触媒の劣化判定と浄化性能の維持を両立させることが困難であることが判明した。又、上述した複数の変調特性が重畳された空燃比制御装置でも、複数の変調特性の制御成分が同時に混在することになり、相互に干渉して十分な浄化性能が得られなくなるおそれがある。又、変調特性の高周波成分の影響を受けるため、触媒の劣化検出が十分に機能しないおそれも有り、逆に、触媒の劣化検出性能を確保しようとすると、変調の高周波化にも限界があり、大きな浄化性能の向上は期待できない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、異なる利益を複合させて、全体的な性能を向上させる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る内燃機関の空燃比制御装置は、触媒に導かれる燃焼ガスの空燃比をリーンとリッチとの間で強制的に変調させる空燃比変調手段が、複数の異なる空燃比の変調特性を順次切り替えて制御することで、複数の異なる空燃比の変調特性を複合させて、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化用の触媒にて、その排気ガスを浄化する。
【００１０】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る内燃機関の空燃比制御装置は、複数の異なる空燃比の変調特性として、ＨＣ等のＴＨＣ（全炭化水素化合物）浄化に有利な変調特性と、ＮＯ等のＮＯｘ（窒素酸化物）浄化に有利な変調特性とを含む。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る内燃機関の空燃比制御装置は、複数の異なる空燃比の変調特性として、触媒の劣化検出に有利な変調特性と、排気浄化に有利な変調特性とを含む。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る内燃機関の空燃比制御装置は、前記複数の異なる空燃比の変調特性に各々の所定時間が設定され、前記空燃比変調手段が、各々の所定時間ずつ、前記複数の異なる空燃比の変調特性を順次制御する。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る内燃機関の空燃比制御装置は、触媒がセリア、ジルコニアなどの酸素吸蔵材を実質的に含まない。つまり、酸素吸蔵能力がない、あるいは少ない触媒を用いている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る空燃比制御装置が制御する内燃機関の概略図である。
【００１５】
図１に示すように、内燃機関であるエンジン１は、複数の燃焼室（気筒）２を有しており、各燃焼室２と連通するように、その上流側には吸気通路となる吸気管３が設けられている。同様に、各燃焼室２と連通するように、その下流側には排気通路となる排気管４が設けられている。
【００１６】
吸気管３の最上流部にはエアクリーナ５が設けられおり、ここで外部からの吸気を清浄にしている。エアクリーナ５の下流には、エアフローセンサ６、スロットル７及びスロットル開度センサ８が設けられており、アクセルペダルの踏込み量に応じて、スロットル７の開度が制御され、その開度に応じた吸気流量をエアフローセンサ６で検出する。なお、図１には図示していないが、吸気の温度センサや圧力センサ等も設けられており、空燃比はこれらの検出値も用いて、より正確に算出される。
【００１７】
各燃焼室２の直前の吸気管３側には燃料を噴射する電磁式のインジェクタ９が設けられており、各燃焼室２の直前で空気と混合され、各燃焼室２と吸気管４との間に設けられた吸気弁１０を開けることで、各燃焼室２に燃料及び空気の燃焼ガスが導入される。なお、図１では、インジェクタ９を吸気管３側に設けているが、各燃焼室２に直接設け、直接噴射して燃料を供給してもよい（直噴式）。図示していないが、インジェクタ９には、燃料タンクを擁した燃圧制御手段が燃料パイプを介して接続されている。燃料タンクからインジェクタ９への燃料の圧力は、フューエルポンプやレギュレータ等を用いた燃圧制御手段により制御されており、これにより、噴射圧を制御し、燃焼室２への噴射量を制御することができる。
【００１８】
各燃焼室２には、点火プラグ（図示せず）が設けられており、吸気管３側から導入された吸入空気と燃料を点火、燃焼させることでピストンを動作させ、クランクシャフトを回転させて、エンジントルクを発生させている。なお、クランクシャフトには、クランクの角度を検出するクランク角センサ１２が設けられている。
【００１９】
各燃焼室２と排気管４との間には排気弁１１が設けられており、各燃焼室２で燃焼された燃焼ガスが、排気弁１１を開けることで、排気管４側へ排気ガスとして排出される。排気管４の下流側には、排気浄化用の触媒装置として触媒コンバータ１３が設けられており、更に、排気ガスの消音器となるマフラ（図示せず）が設けられている。排気ガスは触媒コンバータ１３にて浄化され、マフラを経由して外部へ放出される。
【００２０】
触媒コンバータ１３の上流側には、排気ガス中のＯ２の濃度を検出するＯ２センサ１４が設けられ、触媒コンバータ１３の下流側にも、触媒の劣化状態を検出する触媒劣化検出手段となるＯ２センサ１５が設けられている。触媒の劣化判定は、空燃比の変調波形とＯ２センサ１５による検出波形とを比較して、波形が同等であれば、劣化していると判定する。逆に、触媒が劣化していなければ、Ｏ２センサ１５による検出波形は異なるものとなる。
【００２１】
触媒コンバータ１３は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属が担体に担持されたものであるが、酸素吸蔵機能を有する酸素吸蔵（ＯＳＣ：Ｏｘｙｇｅｎ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）材を、実質的には有していない。例えば、セリア（ＣｅＯ２）や、ジルコニア（ＺｒＯ２）、あるいはこれらの複合酸化物等を含まない、あるいは少量しか含まないものであり、酸素吸蔵能力が低い触媒である。酸素吸蔵能力が低い触媒は、貴金属雰囲気が変動しやすく、空燃比の変調特性に対する触媒性能の差がより拡大されるため、複合化による性能向上がより大きなものとなる。
【００２２】
本発明に係る空燃比制御装置は、上記構成のエンジン１を制御することで実現される。なお、上記構成のエンジン１と同等であれば、どのようなエンジンでもよい。
【００２３】
図２は、本発明に係る実施形態の一例を示す空燃比制御装置のブロック図である。
【００２４】
本発明に係る空燃比制御装置では、エンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１６により、主に、燃料を噴射するインジェクタ９を制御することで、本発明に係る空燃比の変調特性を実現している。具体的には、スロットル７のスロットル開度に応じて吸入された空気量に対して、燃料の噴射量及びその噴射のタイミングを制御することで、本発明に係る空燃比の変調特性を制御する。この時、インジェクタ９の開度やインジェクタ９への燃圧を制御する燃圧制御手段１７により、燃料の噴射量を制御し、本発明に係る変調特性の空燃比の制御が可能となる。なお、ＥＣＵ１６は、空燃比制御を含め、エンジンの総合的な制御を行う。
【００２５】
空燃比変調手段となるエンジンＥＣＵ１６には、ハードウェアとして、演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）と、制御プログラムの格納領域となるＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）や制御プログラムの作動領域となるＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、種々の信号の入出力を行うインターフェイス等から構成されており、ソフトウェアとして、制御プログラムを有している。エンジンＥＣＵ１６の制御プログラムは、インターフェイスから入力される種々の入力信号に基づき、その制御を決定し、制御される機器のドライバを経由して制御信号が出力される。
【００２６】
エンジンＥＣＵ１６には、種々の入出力装置が接続されている。主な入力装置としては、吸入流量を検出するエアフローセンサ６と、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ８と、クランク角を検出するクランク角検出センサ１２と、Ｏ２濃度を検出するＯ２センサ１４とを有しており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００２７】
主な、出力制御機器としては、スロットル開度を制御するスロットル７と、燃料の噴射量、タイミングを制御するインジェクタ９と、インジェクタへの燃圧を制御する燃圧制御手段１７等が接続されている。これらの制御機器には、各センサからの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期等がそれぞれ出力され、これにより、インジェクタ９から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射される。
【００２８】
図３は、本発明に係る実施形態の一例を示す空燃比制御のフローチャートである。
【００２９】
図３に示すように、本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置では、触媒による排気ガスの浄化が要求される時、あるいは触媒劣化判定が必要とされる時に、その制御が開始する（ステップＳ１）。この時、初期条件として、第１タイマに所定時間１が設定され、第２タイマに０が設定される。
【００３０】
ステップＳ２では、第２タイマのカウント時間が判断され、初期状態においては、第２タイマ＝０であるため、ステップＳ３へ進む。
【００３１】
ステップＳ３では、予め設定された第１変調の空燃比制御の波形が出力されて、その出力波形に基づいて、空燃比が制御される。
【００３２】
第１タイマが０でない場合、ステップＳ５をスキップし（ステップＳ４）、第１タイマの所定時間１からカウントダウンを行い（ステップＳ６）、第１タイマが０になるまで第１変調の制御を繰り返す。つまり、所定時間１の間、第１変調の空燃比制御の波形を出力し続けることとなる。例えば、後述の図４（ａ）中の所定時間１の部分の波形が第１変調の波形となる。
【００３３】
第１タイマのカウント時間が０になると、第２タイマに所定時間２を設定し（ステップＳ５）、第１変調の制御を終了する。第２タイマに所定時間２が設定されると、ステップＳ２で第２タイマのカウント時間が０ではないと判断され、ステップＳ８、つまり第２変調の制御へ進む。
【００３４】
ステップＳ８では、予め設定された第２変調の空燃比制御の波形が出力されて、その出力波形に基づいて、空燃比が制御される。
【００３５】
第２タイマの所定時間２からカウントダウンを行い（ステップＳ１０）、第２タイマが０になるまで、第２変調の制御を繰り返す。つまり、所定時間２の間、第２変調の空燃比制御の波形を出力し続けることとなる。例えば、後述の図４（ａ）中の所定時間２の部分の波形が第２変調の波形となる。
【００３６】
第２タイマのカウント時間が０になると、第１タイマに所定時間１を設定し（ステップＳ９）、第２変調の制御を終了する。この場合、ステップＳ２で第２タイマのカウント時間が０と判断されるので、ステップＳ３、つまり第１変調の制御へ進むこととなる。
【００３７】
このように、本発明に係る空燃比制御装置では、上記手順の制御を行なうことで、各々の変調特性に設定された所定時間ずつ、複数の異なる空燃比の変調特性を順次切り換えて制御することとなる。
【００３８】
図４（ａ）は、本発明の実施形態の一例を示す空燃比変調の制御波形である。なお、比較のため、図４（ｂ）に従来の強制的な空燃比変調の制御波形を示した。
又、図５は、本発明の実施形態の他の例を示す空燃比変調の制御波形である。
【００３９】
図４（ａ）は、互いに異なる周期を有する第１変調、第２変調を複合させて、それぞれ所定時間１と所定時間２の運転時間で順次切り換えた周期複合変調の制御波形である。第１変調は第２変調に比べて周期が短く設定されており、周期の短い第１変調での制御では、第２変調での制御に比べてＮＯｘの浄化効率が向上するが、ＴＨＣの浄化効率が低下する。一方、周期の長い第２変調での制御では、第１変調での制御に比べてＴＨＣの浄化効率が向上するが、ＮＯｘの浄化効率が低下する。このため、第１変調がＮＯｘ浄化に有利な変調特性として設定されており、第２変調がＴＨＣ浄化に有利な変調特性として設定されている。同時に、周期が長い第２変調は、触媒劣化検出に有利な変調特性でもあり、この場合、周期が短い第１変調は、排気浄化に有利な変調特性を成している。
【００４０】
図５では、他の複合変調例を示しており、図５（ａ）は、互いに異なる振幅を有する第１変調、第２変調を複合させて、それぞれ所定時間１と所定時間２の運転時間で順次切り換えた振幅複合変調の制御波形であり、図５（ｂ）は、互いに異なるデューティを有する第１変調、第２変調を複合させて、それぞれ所定時間１と所定時間２の運転時間で順次切り換えたデューティ複合変調の制御波形であり、図５（ｃ）は、互いに異なる波形を有する第１変調、第２変調を複合させて、それぞれ所定時間１と所定時間２の運転時間で順次切り換えた波形複合変調の制御波形であり、図５（ｄ）は、互いに異なる振幅、周期、デューティと、更に互いに異なる中心空燃比とを有する第１変調、第２変調を複合させて、それぞれ所定時間１と所定変調サイクル２の運転時間で順次切り換えた複合変調の制御波形である。又、互いに異なる中心空燃比を有する空燃比変調を複合させる中心空燃比の複合変調としてもよい。
【００４１】
図４、図５に示すように、変調特性を複合させることにより、ＴＨＣに有利な変調特性（周期、振幅、デューティ、波形）とＮＯｘに有利な変調特性とを複合させて、ＴＨＣ、ＮＯｘ共に浄化性能を改善することができる。更に、ＣＯに有利な変調特性を複合させて、更に浄化性能を改善することができる。同様に、触媒劣化検出に有利な変調特性と触媒浄化性能に有利な変調特性とを複合させて、浄化性能を確保しつつ触媒劣化判定を容易にすることもできる。
【００４２】
なお、図４、図５に示すように、第１変調、第２変調は、少なくとも周期、振幅、デューティ、波形等の変調特性の内、少なくとも１以上が異なるものとする。例えば、第１変調、第２変調の周期を、それぞれ０．１秒と０．５秒として、触媒に応じた最適値を設定する。又、所定時間１、２は、同一値としてもよいし、異なる値としてもよく、触媒に応じた最適値が設定される。例えば、所定時間１＝１秒、所定時間２＝１秒とする。又、所定時間１、２の代わりに、所定変調サイクル１、２としてもよく、更に、所定時間と所定変調サイクルを複合させたものでもよい。例えば、所定時間１＝１５秒、所定変調サイクル２＝１サイクルとする。波形は、方形波（矩形波、台形波等）、三角波でもよく、それ以外に多角形波としてもよく、又、正弦波等としてもよい。更に、強制的な変調波形ではなく、従来のＯ２センサの出力値トリガにして、リッチ・リーン方向を反転させる変調波形としてもよい。
【００４３】
又、本実施例では、第１変調、第２変調の２つの変調特性を複合しているが、これに限らず第３変調を追加してもよいし、更に異なる変調を追加するようにしてもよい。又、運転条件（例えば、スロットル開度、エンジン回転速度、体積効率、車速、マニホールド圧、排気流量、排温、触媒温度、吸入空気流量、あるいはこれらと相関のある条件）に応じて、変調特性を変更するようにしてもよいし、特定条件においては、変調特性を変更しないようにしてもよい。更に、異なる変調特性をステップ的に変更しているが、例えば、周期を０．１秒、０．２秒、０．３秒と設定して、徐々に変更するようにしてもよい。又、中心空燃比はストイキに限らず、その他の空燃比でもよい。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、異なる変調特性の制御を順次切り替えて実行するので、各変調特性による浄化特性を複合化することができ、排気浄化性能を効率良く向上できる。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、浄化性能を高次元でバランスさせることができる。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、排気浄化性能の向上と触媒劣化検出性能を高次元でバランスさせることができる。
【００４７】
請求項４に係る発明によれば、各変調特性毎に最適な運転継続時間を設定できるため、複合化による性能向上効果を効果的に発生させることができる。
【００４８】
請求項５に係る発明によれば、変調特性の違いによる浄化特性の差が発生し易くなり、複合化による性能向上効果を効果的に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の一例を示すエンジンの概略構成図である。
【図２】本発明に係る実施形態の一例を示す空燃比制御のブロック図である。
【図３】本発明に係る実施形態例を示す空燃比制御のフローチャートである。
【図４】本発明に係る実施形態の一例を示す空燃比変調の制御波形及び従来の強制的な空燃比変調の制御波形である。
【図５】本発明に係る実施形態の他の一例を示す空燃比変調の制御波形である。
【符号の説明】
６　　エアフローセンサ
７　　スロットル
８　　スロットル開度センサ
９　　インジェクタ
１２　クランク角センサ
１４　Ｏ２センサ
１６　エンジンＥＣＵ
１７　燃圧制御手段
【図１】
2004132280.tif 000003
【図２】
2004132280.tif 000004
【図３】
2004132280.tif 000005
【図４】
2004132280.tif 000006
【図５】
2004132280.tif 000007