(57)【要約】【課題】浄化に酸化雰囲気を必要とするＨＣおよびＣＯと浄化に還元雰囲気を必要とするＮＯｘとを三元触媒により同時に浄化することには元来自己矛盾が存在することに対処し、これら３成分のすべてをより高い浄化率にて浄化する。【解決手段】内燃機関をＨＣやＣＯの排出抑制のためにリーン運転するとき排気浄化触媒の酸素蓄積量を推定し、機関リーン運転を該酸素蓄積量が所定の上限値に達するまでとすることによりＭＯｘの排出も抑える。更に、これに続いて排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の下限値に低下するまで機関をリッチ運転してよい。【選択図】    図２
2004162535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給手段と空気供給手段と酸化助勢機能および還元助勢機能を備えた排気浄化触媒とを有する内燃機関の空燃比制御装置にして、前記燃料供給手段と前記空気供給手段の少なくとも一方に作用して内燃機関の運転に於ける空燃比を設定する第一の手段と、前記第一の手段による空燃比の設定状況に基づいて前記排気浄化触媒に蓄積される酸素量を推定する第二の手段とを含み、前記第一の手段は内燃機関よりの未燃成分の排出を抑制すべく空燃比をリーンに設定するとき前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の上限値を越えない範囲でそれを行うようになっていることを特徴とする空燃比制御装置。
【請求項２】
前記第一の手段は前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が前記上限値を越えたとき機関運転の空燃比をリッチに設定するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記第一の手段は機関運転の空燃比をリッチに設定したとき前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の下限値に低下するまで機関運転の空燃比をリッチ状態とするようになっていることを特徴とする請求項２に記載の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記第一の手段は前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が前記所定の下限値まで低下したとき機関運転の空燃比を理論空燃比に設定するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記第一の手段は機関が冷温始動されたとき内燃機関の空燃比をリーンに設定するようになっていることを特徴請求項１〜４のいずれかに記載の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記第二の手段は前記排気浄化触媒を流れた排気の量およびその空燃比と該排気浄化触媒の温度に基づいて該排気浄化触媒に蓄積された酸素の量を推定するようになっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の空燃比制御装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比は、機関の性能を評価する観点に応じてその最適値が異なり、これまでそれぞれの観点からこれを最適制御することが種々提案されている。その内、排気浄化触媒による排気浄化性能との関連に於いて空燃比の最適制御を目指す技術として下記の特許文献に記載されているものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、機関の冷温始動時に燃焼を安定させるために空燃比をリッチにし、その結果燃焼室よりＨＣやＣＯが多く排出されてくることに対して排気浄化触媒の上流側にて二次空気を注入する従来の技術に於いては、燃料中に含まれる硫黄分により生じたＳＯ２が二次空気の酸素により酸化されて硫酸塩となり、排気浄化触媒に付着するという問題があることに着目し、冷温時にリッチ運転される内燃機関に於いて、排気浄化触媒入口の空燃比がリーンとなるようリーン化処理を行う手段と、このリーン化処理後に排気浄化触媒入口の空燃比がリッチとなるようリッチ化処理を行う手段を設けるものである。尚、リッチおよびリーンは、それぞれ空燃比が理論空燃比より低い状態および理論空燃比より高い状態を指す。
【０００４】
特許文献２に記載の技術は、機関冷温始動時に排気浄化触媒の早期活性化のために所定時間だけ機関をリーン運転する従来技術に於いては、設定された所定時間の不足によって触媒の活性化が不足したり或いはリーン運転の過剰によってＮＯｘの排出が増大するという問題があることに着目し、機関冷温始動時に運転をリーン化したとき、機関冷却水温度が触媒活性化判定温度に達したときリーン運転を解除するものである。
【０００５】
特許文献３に記載の技術は、機関冷温始動時の排気浄化触媒の活性化早めると共にＨＣ排出量を低減するため、機関始動後空気量の増量と点火時期の遅角補正を行い、排気ガス温度に応じてＨＣの自然発火率を算出し、自然発火率に応じて目標空燃比係数を設定し、排気ガス温度が高くなるほど目標空燃比係数を増大させることにより、排気ガス温度が高くなるにつれて空気量の増量により高くされていた空燃比を元に戻すものである。
【特許文献１】
特開平９‐２４２５２８号公報
【特許文献２】
特開平９‐１５１７５９号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３２４５５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の運転に係る有害成分ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化については、ＨＣおよびＣＯがその浄化に酸化雰囲気を必要とし、ＮＯｘがその浄化に還元雰囲気を必要とすることから、これら三成分を三元触媒により同時に浄化することには元来自己矛盾が存在する。本発明は、この自己矛盾に対処し、これら３成分のすべてをより高い浄化率にて浄化することを課題している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するものとして、本発明は、燃料供給手段と空気供給手段と酸化助勢機能および還元助勢機能を備えた排気浄化触媒とを有する内燃機関の空燃比制御装置にして、前記燃料供給手段と前記空気供給手段の少なくとも一方に作用して内燃機関の運転に於ける空燃比を設定する第一の手段と、前記第一の手段による空燃比の設定状況に基づいて前記排気浄化触媒に蓄積される酸素量を推定する第二の手段とを含み、前記第一の手段は内燃機関よりの未燃成分の排出を抑制すべく空燃比をリーンに設定するとき前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の上限値を越えない範囲でそれを行うようになっていることを特徴とする空燃比制御装置を提供するものである。
【０００８】
上記の如き空燃比制御装置に於いて、前記第一の手段は前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が前記上限値を越えたとき機関運転の空燃比をリッチに設定するようになっていてよい。また、前記第一の手段は機関運転の空燃比をリッチに設定したとき前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の下限値に低下するまで機関運転の空燃比をリッチ状態とするようになっていてよい。更にまた、前記第一の手段は前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が前記所定の下限値まで低下したとき機関運転の空燃比を理論空燃比に設定するようになっていてよい。
【０００９】
以上いずれの場合にも、前記第一の手段は機関が冷温始動されたとき内燃機関の空燃比をリーンに設定するようになっていてよい。
【００１０】
また、以上いずれの場合にも、前記第二の手段は排気浄化触媒を流れた排気の量およびその空燃比と排気浄化触媒の温度に基づいて排気浄化触媒に蓄積された酸素の量を推定するようになっていてよい。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
上記の如く燃料供給手段と空気供給手段と酸化助勢機能および還元助勢機能を備えた排気浄化触媒とを有する内燃機関に於いて、その空燃比を制御する空燃比制御装置が、燃料供給手段と空気供給手段の少なくとも一方に作用して内燃機関の運転に於ける空燃比を設定する第一の手段と、該第一の手段による空燃比の設定状況に基づいて排気浄化触媒に蓄積される酸素量を推定する第二の手段とを含み、前記第一の手段が内燃機関よりの未燃成分の排出を抑制すべく空燃比をリーンに設定するとき前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の上限値を越えない範囲でそれを行うようになっていれば、内燃機関よりのＨＣおよびＣＯの排出を抑制するためのリーン運転を、それによって生ずる排気浄化触媒の酸素蓄積がＮＯｘの浄化妨げない範囲に抑え、ＨＣおよびＣＯに対する浄化性能とＮＯｘに対する浄化性能のいずれをも制御下に置くことにより、その間の平衡を最適状態に制御し、両者に対する浄化効果を総合的に最大化することができる。
【００１２】
この場合、更に前記第一の手段が、前記第二の手段により推定される前記排気浄化触媒の酸素蓄積量が前記上限値を越えたとき、機関運転の空燃比をリッチに設定するようになっていれば、排気浄化触媒の酸素蓄積量が前記上限値を越えたときには、それに続いて機関運転がリッチにされることにより、排気浄化触媒に蓄積された酸素を排気中の未燃分により除去し、載置浄化触媒の酸素蓄積量を元に戻すことが効果的に行われる。また、かかるリッチ運転が、前記第二の手段により推定される排気浄化触媒の酸素蓄積量が所定の下限値に低下するまで行われるようになっていれば、排気浄化触媒の酸素蓄積量を元の値に低減させるリッチ運転の度合が最適の度合に制御される。そして、これらのリーン運転とリッチ運転を組み合わせた制御過程を経て機関運転が標準の空燃比にて運転されるようになっていれば、機関の冷温始動時の如く一時的にＨＣやＣＯの排出が増大する運転状態から正常な運転状態に移行する過程におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出抑制を総合的に改善することができる。
【００１３】
また、上記の如き空燃比制御が特に機関の冷温始動時に対し適用されるときには、機関の始動から暖機に至る過程に於いては、機関温度の上昇に伴って排気中に含まれるＨＣおよびＣＯは次第に減少し、逆にＮＯｘは次第に増大する関係にあるので、制御の前半においては機関をリーン運転することにより主としてＨＣおよびＣＯのよりよい浄化を図り、その際排気浄化触媒への酸素の蓄積を許容限度とする注意を払い、制御の後半においては機関をリッチ運転することにより排気浄化触媒に蓄積された酸素を確実に消化しつつＮＯｘの排出を抑制した運転を行うことができ、機関冷温始動時に於ける総合的排気浄化性能のより良い改善を図ることができる。
【００１４】
排気浄化触媒に酸素が蓄積される量は、それを通って流れる排気の量と排気浄化触媒の温度により左右されるので、前記第二の手段が排気浄化触媒を流れた排気の量およびその空燃比と排気浄化触媒の温度に基づいて該酸素蓄積量を推定するようになっていれば、上記の空燃比制御に必要な酸素蓄積量の推定をその目的にとって十分高い精度にて達成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は一つの標準的内燃機関に本発明による空燃比制御装置を組み込んだ構成を示す概略図である。図に於いて、１０は内燃機関のシリンダであり、１２はピストンである。シリンダのヘッド部には吸気ポート１４および排気ポート１６が設けられており、それぞれ吸気弁１８および排気弁２０により開閉されるようになっている。吸気ポート１４には、エアクリーナ２２を経て取り入れられた空気が、吸気絞り弁２４、排気ガス再循環制御弁２６を備えた吸気通路２８を経て供給されるようになっている。排気ポート１６から排出された排気は三元触媒コンバータ３０を含む排気通路３２を経て大気へ排出される。排気通路３２からは三元触媒コンバータ３０より手前の位置より排気ガス再循環通路３４が排気ガス再循環制御弁２６を経て吸気通路２８へ通じている。燃料は燃料噴射弁３６より供給され、混合気は点火栓３８により点火されるようになっている。
【００１６】
吸気弁１８、排気弁２０、吸気絞り弁２４、排気ガス再循環制御弁２６、燃料噴射弁３６、点火栓３８はいずれもこの技術分野に於いては既に種々の態様にて公知のマイクロコンピュータを備えた電子式制御装置（ＥＣＵ）４０により制御されるようになっている。電子式制御装置４０には、機関温度センサ４２より機関温度に関する情報、触媒温度センサ４４より三元触媒コンバータ３０に於ける触媒温度に関する情報、図には示されていない機関回転数センサおよびアクセル開度センサより機関回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ｄａに関する情報、および機関運転制御に必要なその他の情報が供給されるようになっている。
【００１７】
上記の如き構成により、内燃機関の運転は、基本的には、運転者が所望の機関回転数を得るべくアクセルペダルを踏み込む操作に基づき、機関回転数Ｎｅとアクセル開度Ｄａに応じて吸気絞り弁２４の開度が制御されて吸入空気量が制御され、それに対応した量の燃料を供給すべく燃料噴射弁３６が制御され、その際吸入空気量と燃料供給量の一方または双方を他方に対し相対的に変化させることにより空燃比が制御される要領にて行われる。従って、本発明による空燃比制御装置は、実質的に、吸気絞り弁２４、燃料噴射弁３６、電子式制御装置４０の組合せにより構成され、更に、排気浄化触媒に於ける酸素蓄積量の推定に触媒温度を考慮する場合には、これに触媒温度センサ４４を加えたもの、或は触媒温度を機関温度に基づいて推定する場合には、これに機関温度センサ４２を加えたものとして構成される。尚、本発明による空燃比制御装置が内燃機関冷温始動に適用される場合には、機関始動時の温度が所定値以下であるか否かを検出する機関温度センサが必要である。
【００１８】
図２は本発明による空燃比制御装置を機関の冷温始動時の排気浄化向上のために機関に組み込んだ場合の作動を示すフローチャートである。機関始動と同時に空燃比制御装置の作動が開始されると、先ずステップ１にて機関温度Ｔｅが所定のしきい値温度Ｔｅａ以上であるか否かが判断される。答がイエスであれば、本発明による空燃比制御装置の作動は必要とされないので、制御は後述のステップ８へ進み、初めから目標空燃比を所定の標準値に設定し、本発明による制御作動を終了する。
【００１９】
ステップ１の答がノーのとき、制御はステップ２へ進み、目標空燃比を理論空燃比より高い例えば１５．００の如き所定のリーン値Ｒ１に設定することが行われる。次いで制御はステップ３へ進み、排気浄化触媒に於ける酸素蓄積量Ｇｏが計算される。この酸素蓄積量Ｇｏは、機関の運転時間の経過に伴って増大し、その値は基本的には機関運転の時々刻々に於ける吸気量とステップ２にて制御される空燃比とによって定まるので、個々の設計による内燃機関について、吸気絞り弁２４および燃料噴射弁３６に対する指令信号と運転継続時間とに基づいて予め実験的に求めることができる。またこの酸素蓄積量Ｇｏは触媒温度にも影響されるので、酸素蓄積量Ｇｏは触媒温度センサ４４により検出される触媒温度または機関温度センサ４２からの信号に基づき推定される触媒温度によって修正されるようになっているのが好ましい。（尚、機関の冷温始動時には排気ガス再循環制御弁２６は通常を全閉状態とされている。）
【００２０】
この種の内燃機関運転のコンピュータ制御は、所定の制御フローチャートに従って各ステップを実行することを通常数十ミリセカンドの周期にて繰り返す態様にて行われる。図２のフローチャートによる制御に於いては、ステップ３にて触媒に於ける酸素蓄積量Ｇｏが計算されると、制御はステップ４へ進み、Ｇｏの値が酸素蓄積量の許容上限を示す所定のしきい値Ｇｏ１を越えたか否かが判断される。答がノーである間、制御はステップ３へ戻り、再度Ｇｏを計算し、再度ステップ４にてＧｏがＧｏ１を越えたか否かを判断する操作が数十ミリセカンドの周期にて繰り返される。
【００２１】
図３はそのような制御の経過を時間に対する空燃比の変化として示すグラフである。図３に於いて、Ｔ０は機関の冷温始動に伴って本発明による空燃比制御装置による制御が開始された時点であり、空燃比Ｒ１は、冷温始動完了後に機関が運転される際の理論空燃比Ｒｔより高い或る所定のリーン空燃比の値（上記の例では１５．００）である。機関の冷温始動が順調に続けられ、ステップ３に於けるＧｏの計算が順調に続けられれば、やがてステップ４の答はノーからイエスに転ずる。その時点がＴ１である。
【００２２】
こうしてステップ４の答がノーよりイエスに転ずると、制御はステップ５へ進み、目標空燃比を理論空燃比Ｒｔよりも低い例えば１４．４５の如き所定のリッチ値Ｒ２に設定することが行われる。次いで制御はステップ６へ進み、空燃比がステップ５にてリッチに設定された運転状態での触媒酸素蓄積量Ｇｏがステップ３に於けると同様の要領にて計算される。空燃比がリッチに設定されれば、触媒に蓄積された酸素は次第に消化されていくので、Ｇｏの値は次第に低下していく。この場合にも、機関運転の時々刻々に於けるＧｏの値は吸気絞り弁２４および燃料噴射弁３６に対する指令信号と運転継続時間とに基づいて実験的に求めることができ、またその値が触媒温度によって修正されるようになっていれば、より高い精度による触媒酸素蓄積量の推定が得られる。そして得られた計算値Ｇｏはその都度次のステップ７にてリッチ運転を終了すべき所定の下限値Ｇｏ２まで下がったか否かが判断される。答がノーである間、制御はステップ６へ戻り、再度Ｇｏを計算し、それがＧｏ２以下に下がったか否かを判断する操作が数十ミリセカンドの周期にて繰り返される。
【００２３】
かくしてリーン運転が順調に続けられれば、やがてＧｏはＧｏ２以下に下がり、ステップ７の答はノーよりイエスに転ずる。この時点が図３のグラフに於ける時点Ｔ２である。それより制御はステップ８へ進み、以後目標空燃比を所定の標準値に設定することが行われ、本発明による空燃比制御装置の作動は終了する。かかる標準値は通常理論空燃比であってよく、車輌用内燃機関の燃料では一般に１４．５である。
【００２４】
以上に於いては本発明を一つの実施の形態について詳細に説明したが、かかる実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】一つの標準的内燃機関に本発明による空燃比制御装置を組み込んだ構成を示す概略図。
【図２】本発明による空燃比制御装置が内燃機関の冷温始動に適用された場合についてその作動の一例を示すフローチャート。
【図３】本発明による空燃比制御装置の制御の経過を時間に対する空燃比の変化として示すグラフ。
【符号の説明】
１０…シリンダ、１２…ピストン、１４…吸気ポート、１６…排気ポート、１８…吸気弁、２０…排気弁、２２…エアクリーナ、２４…吸気絞り弁、２６…排気ガス再循環制御弁、２８…吸気通路、３０…三元触媒コンバータ、３２…排気通路、３４…排気ガス再循環通路、３６…燃料噴射弁、３８…点火栓、４０…電子式制御装置、４２…機関温度センサ、４４…触媒温度センサ
【図１】
2004162535.tif 000003
【図２】
2004162535.tif 000004
【図３】
2004162535.tif 000005