(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比をリッチにすると吸収したＮＯｘを放出すると共に還元することができるＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
前記内燃機関の排気側であって前記触媒の上流側に配置された第１空燃比センサと、
前記触媒の下流側に配置された第２空燃比センサと、
燃料を前記内燃機関へ供給する供給路に設けられた流量制御弁とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
制御手段は、
空燃比がリッチであるリッチ時間を前記流量制御弁が開状態の時間で測定し、
空燃比がリーンであるリーン時間を前記流量制御弁が閉状態の時間で測定し、
前記第２空燃比センサがリッチを検出したときに、前記流量制御弁を閉じる制御を行い、
前記検出した今回のリッチ時間が基準時間より短いときには、今回のリーン時間より次回のリーン時間を長くする制御を行う
ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
内燃機関から流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比をリッチにすると吸収したＮＯｘを放出すると共に還元することができるＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
前記内燃機関の排気側であって前記触媒の上流側に配置された第１空燃比センサと、
前記触媒の下流側に配置された第２空燃比センサと、
燃料を前記内燃機関へ供給する供給路に設けられた流量制御弁とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
制御手段は、
空燃比がリッチであるリッチ時間を前記流量制御弁が開状態の時間で測定し、
空燃比がリーンであるリーン時間を前記流量制御弁が閉状態の時間で測定し、
前記第２空燃比センサがリッチを検出したときに、前記流量制御弁を閉じる制御を行い、
前記検出した今回のリッチ時間が基準時間より長いときには、今回のリーン時間より次回のリーン時間を短くする制御を行う
ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記今回のリッチ時間が所定時間内であって、かつ、前記前回のリッチ時間が基準時間より長いときには、前記今回のリーン時間より前記次回のリーン時間を短くする制御を行う
ことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記今回のリッチ時間が所定時間内であって、かつ、前記前回のリッチ時間が基準時間より短いときには、前記今回のリーン時間より前記次回のリーン時間を長くする制御を行う
ことを特徴とする請求項１または２記載の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、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】
最近、内燃機関から流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸収し、逆に、流入する排気の空燃比をリッチにすると吸収したＮＯｘを放出すると共に還元することができるＮＯｘ吸蔵還元触媒が開発されている（日本化学会誌１９９６  Ｎｏ．１２「自動車希薄燃焼エンジン用窒素酸化物吸蔵還元型触媒の開発」松本伸一他著）。
【０００３】
この吸蔵還元触媒を利用した内燃機関の空燃比制御装置としては、排気雰囲気を、触媒温度が高温時には還元状態の度合いが深く、かつ、還元状態保持時間が短くなるように制御し、逆に、触媒温度が低温時には還元状態の度合いが浅く、かつ、還元状態保持時間が長くなるように制御するものが提案されている（特開平６−１０７２５号）。
【０００４】
また、ＮＯｘの放出速度によってリッチ時間を設定する内燃機関の空燃比制御装置も提案されている（特開平６−１７３６５６号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この吸蔵還元触媒は、負荷変動による排ガス組成の変動や触媒自身の劣化によって、ＮＯｘの吸蔵可能時間が変動するため、上記した従来のＮＯｘ放出速度によってリッチ時間を設定する方法では、吸蔵可能時間が低下した場合にＮＯｘが増大してしまうという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が劣化等によってその吸蔵可能時間が低下した場合でも、ＮＯｘを増加させないような制御を行うことができる内燃機関の空燃比制御装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関から流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比をリッチにすると吸収したＮＯｘを放出すると共に還元することができるＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記内燃機関の排気側であって前記触媒の上流側に配置された第１空燃比センサと、前記触媒の下流側に配置された第２空燃比センサと料を前記内燃機関へ供給する供給路に設けられた流量制御弁とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、制御手段は、空燃比がリッチであるリッチ時間を前記流量制御弁が開状態の時間で測定し、空燃比がリーンであるリーン時間を前記流量制御弁が閉状態の時間で測定し、前記第２空燃比センサがリッチを検出したときに、前記流量制御弁を閉じる制御を行い、前記検出した今回のリッチ時間が基準時間より短いときには、今回のリーン時間より次回のリーン時間を長くする制御を行う
ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置である。
【０００８】
請求項２の発明は、内燃機関から流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比をリッチにすると吸収したＮＯｘを放出すると共に還元することができるＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記内燃機関の排気側であって前記触媒の上流側に配置された第１空燃比センサと、前記触媒の下流側に配置された第２空燃比センサと、燃料を前記内燃機関へ供給する供給路に設けられた流量制御弁とを備えた内燃機関の空燃比制御装置において、制御手段は、空燃比がリッチであるリッチ時間を前記流量制御弁が開状態の時間で測定し、空燃比がリーンであるリーン時間を前記流量制御弁が閉状態の時間で測定し、前記第２空燃比センサがリッチを検出したときに、前記流量制御弁を閉じる制御を行い、前記検出した今回のリッチ時間が基準時間より長いときには、今回のリーン時間より次回のリーン時間を短くする制御を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置である。
【０００９】
請求項３の発明の前記制御手段は、前記今回のリッチ時間が所定時間内であって、かつ、前回のリッチ時間が基準時間より長いときには、前記今回のリーン時間より前記次回のリーン時間を短くする制御を行うことを特徴とする求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置である。
【００１０】
請求項４の発明の前記制御手段は、前記今回のリッチ時間が所定時間内であって、かつ、前回のリッチ時間が基準時間より長いときには、前記今回のリーン時間より前記次回のリーン時間を短くする制御を行うことを特徴とする求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置である。
【００１３】
請求項１、２の発明であると、制御手段は、第２空燃比センサがリッチを検出したときに流量制御弁を閉じて、燃料の供給量を少なくし、リーン状態にする。すなわち、吸蔵還元触媒の下流側においてリッチ状態になるということは、内燃機関から出たリッチガスが触媒を通過しても、なお、酸素不足の状態にある。これは、吸蔵還元触媒上に酸素及びＮＯｘが存在しなくなることを意味する。そのため、この時点を第２空燃比センサが検出して流量制御弁を閉じ、空気の供給量を増やしてリーン状態とする。また、制御手段はリッチ時間によって、次のリーン時間を決定する制御を行うため、吸蔵可能時間に応じてリーン時間を決定できる。すなわち、請求項１の発明であると、リッチ時間が基準時間よりも短いときには、リッチ時間がＮＯｘの吸蔵可能時間にまだ到達していないことを意味しているため、触媒はＮＯｘをさらに吸蔵することができる。そのため、リーン時間を長くすることが可能であるため、今回のリーン時間よりも次回のリーン時間を長くするように制御する。請求項２の発明であると、逆にリッチ時間が基準時間よりも長いときには、リッチ時間が吸蔵可能時間を越えていることを意味するため、次回のリーン時間を今回のリーン時間よりも短く制御する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１〜図２に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本実施例のガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）の空燃比制御装置１０のブロック図である。
【００２０】
燃料供給管１２から都市ガス１３Ａが供給され、空気供給管１４から空気が供給され、ミキサー１３でガスと空気が混合される。一方、燃料供給管１２の途中から分岐したバイパス路１５には、空燃比制御用バイパス弁１６が備えられている。このバイパス弁１６には、不図示のステッピングモータを備えたアクチュエータバルブが設けられている。
【００２１】
供給される空気とガスは、スロットル１８の動きによってガスエンジン２０によって供給される量が決定される。
【００２２】
ガスエンジン２０の排気側には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、単に「触媒」という）２２が設けられている。また、ガスエンジン２０の排気側と触媒２２の上流側との間には、第１の酸素センサであるメイン酸素センサ２４が設けられている。
【００２３】
さらに、触媒２２の下流側には、第２の酸素センサであるサブ酸素センサ２６が設けられている。
【００２４】
この空燃比制御装置１０を制御するのが、マイクロコンピュータよりなる制御部２８である。この制御部２８には、入出力ポート３２、ＲＯＭ３４、ＲＡＭ３６及び中央制御装置（ＣＰＵ）３８が設けられている。メイン酸素センサ２４、サブ酸素センサ２６の出力は入出力ポート３２を経て制御部２８に入力され、この制御部２８の出力は入出力ポート３２を経てバイパス弁１６のステッピングモータを制御する。また、ＲＯＭ３４には、装置１０の制御用プログラムが記憶されている。
【００２５】
本実施例の制御においては、与えられた負荷によりリーン運転時の空燃比が変わる。また、リーン運転とリッチ運転の切替は与えられた負荷毎にバイパス弁１６のステッピングモータのステップ数を設定しておき、負荷に応じたステップ数を変更することによって行う。
【００２６】
まず、本実施例の空燃比制御方法の概略について、図２のタイムチャートに基づいて説明する。
【００２７】
図２は、メイン酸素センサ２４の出力と、サブ酸素センサ２６の出力と、バイパス弁１６の開閉状態と、排ガスの組成を示したものである。
【００２８】
バイパス弁１６を閉から開状態にすると、ガスの供給量が増え、メイン酸素センサ２４の位置ではリッチ状態となる（図２の▲１▼の位置）。この時点からリッチ運転が始まる。この時点からＣＰＵ３８は、その内部に内蔵したタイマーを作動させて、リーン時間の計測を開始する。このリッチ運転においては、ガスエンジン２０から出るリッチガスが触媒２２上のＮＯｘを還元するために、排ガス組成中のＮＯｘが減少する。一方、リッチ状態にあるため、触媒２２上のＯ2 及びＮＯｘがなくなった時点からＣＯの量が増加し始める。
【００２９】
この状態において、サブ酸素センサ２６の位置では、サブ酸素センサ２６が触媒２２の下流側に配されており、メイン酸素センサ２４の位置よりも後方側に配されている位置的な理由と、触媒２２がＮＯｘを吸蔵しているため、サブ酸素センサ２４におけるリッチ状態の観測は、メイン酸素センサ２４よりも遅れた状態となる（図２の▲２▼の位置）。そして、サブ酸素センサ２６の位置において、リッチ状態になった時点で制御装置２８はバイパス弁１６を開から閉状態とする（図２の▲３▼の位置）。これにより、リッチ運転は終了する。そして、制御装置２８はリッチ時間をｔRmとして計測を終了する。
【００３０】
バイパス弁１６が閉状態になるため、ガス供給量が減り、空気の供給量が増えるため、メイン酸素センサ２４はリーン状態を検知する（図２の▲４▼の位置）。この時点からリーン運転が始まる。一方、触媒２２は、空気の量が増えたため、ＮＯｘを吸蔵できる状態となる。触媒２２は時間と共に、ＮＯｘを吸蔵し、破瓜してくるために触媒２２の下流側の排ガス組成中のＮＯｘの量が増加する。この際には、十分なＯ2 が供給されるリーン運転であるのでＣＯの発生がない。このリーン運転のリーン時間ｔLmは、リッチ時間ｔRmの長さによって決定する。
【００３１】
決定の方法は次の通りである。
【００３２】
リッチ時間ｔRmが、リッチ設定時間ｔRsよりも短いときには、次のリーン時間ｔLmを長くする。また、逆にリッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsより長いときには、次のリーン時間ｔLmを短くする。
【００３３】
すなわち、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsよりも短いということは、触媒２２のＮＯｘの吸蔵可能時間にリッチ時間ｔRmが到達していないことを意味し、ＮＯｘをまだ吸蔵できる能力がある状態になっている。そのため、リーン時間ｔLmを長くしてＮＯｘを吸蔵させる時間を長くしてやることができる。そして、このリーン時間ｔLmが長ければ長いほどガスエンジン２０の効率は向上する。
【００３４】
逆に、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsよりも長い場合には、触媒２２の吸蔵可能時間を越えていることを意味し、そのためリーン時間ｔLmを短くしてＮＯｘの破瓜前にリッチ運転させることにより、ＮＯｘの触媒２２の下流側への流出を防ぎ、触媒２２の吸蔵可能時間と一致させる。
【００３５】
そして、このリーン時間ｔLmが終了すると再びリッチ運転を開始する（図２の▲５▼の位置）。
【００３６】
以下、同様にサブ酸素センサ２６がリッチ状態になった時点で（図２の▲６▼の位置）、リッチ運転を終了しリーン運転を行う。このリーン運転を行う時間は、上記のようにリッチ運転の時間によって決定する。
【００３７】
上記制御方法の詳しいものを、図３から図５のフローチャートに基づいて３種類説明する。
【００３８】
図３のフローチャートは、第１の空燃比制御方法を示すものである。
【００３９】
ステップ１において、メイン酸素センサ２４の出力Ｖmm、サブ酸素センサ２６の出力Ｖsm、バイパス弁１６の開閉時間ｔRm，ｔLm、バイパス弁１６の開度を入力しステップ２に進む。
【００４０】
ステップ２において、負荷変動があればステップ３に進み、負荷変動がなければステップ４に進む。
【００４１】
ステップ３において、負荷変動があったため、バイパス弁１６の開度の設定値を変更しステップ４に進む。
【００４２】
ステップ４において、リーン時間ｔLmがリーン設定時間ｔLsよりも長いか短いかの判断を行う。ここでリーン時間ｔLmとは、上記したように、バイパス弁１６が閉状態にある時間をいう。このリーン時間ｔLmがリーン設定時間ｔLsよりも長ければステップ５に進み、短ければバイパス弁１６の閉状態を続けてステップ１に戻る。
【００４３】
ステップ５において、バイパス弁１６を開状態にして、リッチ運転を開始する。
【００４４】
ステップ６において、サブフィードバックの判断を行う。すなわち、サブ酸素センサ２６の出力Ｖsmが一定値Ｖss以上になればステップ７に進み、その状態にならなければステップ６の状態を続ける。これは、上記したようにサブ酸素センサ２６の位置がリッチ状態になればステップ７に進み、リーン状態を続けていればステップ６の状態を続けることである。
【００４５】
ステップ７において、バイパス弁１６を閉状態として、リッチ運転を終了しリーン運転を開始する。そして、ステップ８に進む。
【００４６】
ステップ８において、直前に終了したリッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRs内にあるか否かを判断する。すなわち、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRs内にあれば、この空燃比制御は適性であると判断し、ステップ１に戻り、そうでなければ不適切と判断してステップ９に進む。
【００４７】
ステップ９において、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsよりも長ければステップ１０に進み、短ければステップ１１に進む。ステップ１１において、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsよりも長いため、上記したように触媒２２の吸蔵可能時間を越えていると判断し、リーン設定時間ｔLsを５秒短くし、ステップ１に戻る。
【００４８】
ステップ１１においては、逆にリッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsよりも短いため、まだ吸蔵可能時間に達していないと判断し、リーン設定時間ｔLsを５秒長くし、ステップ１１に戻る。
【００４９】
上記のような制御を行うことにより、リーン運転を開始するタイミングを正確に捉えることができると共に、触媒２２の吸蔵可能時間に応じたリーン時間ｔLmを設定できるため、ガスエンジン２０が好適に働くことができるリーン運転を長くすることができる。
【００５０】
図４は第２の空燃比制御方法を示すのフローチャートであって、ステップ１〜１１は、第１の制御方法と同様である。異なるのはステップ１２からである。
【００５１】
第１の空燃比制御方法におけるステップ８において、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRs内に収まっているため、この空燃比制御は適性であると判断されている。しかしながら、リーン運転をできるだけ長くしてガスエンジン２０の効率をよくする必要があるため、ステップ１２に以下の制御を行う。
【００５２】
ステップ１２において、前回のリッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsに収まっていれば、この空燃比制御は適性であるとしてステップ１に戻る。一方、リッチ設定時間ｔRs内に長なっていなければ不適切と判断してステップ１３に進む。
【００５３】
ステップ１３において、前回のリッチ時間ｔRmとリッチ設定時間ｔRsを比較し、リッチ時間がリッチ設定時間ｔRsよりも長ければステップ１４に進み、短ければステップ１５に進む。
【００５４】
ステップ１４、ステップ１５における制御は、ステップ１０、ステップ１１と同様である。
【００５５】
このように、現在のリッチ運転が適性であっても、さらに前回のリッチ運転における情報を利用して、リーン時間ｔLmを調整するため、より効率の高いガスエンジン２０の運転を行うことができる。
【００５６】
図５は第３の空燃比制御方法のフローチャートであって、ステップ１〜ステップ１５は、第２の制御方法と同様である。異なるのは、ステップ１２において、前回のリッチ時間ｔRmが適正であると判断した場合でも、ステップ１６以下の制御を行う。
【００５７】
ステップ１６において、前回のリッチ時間ｔRmとリッチ設定時間ｔRsを比較し、リッチ時間ｔRmがリッチ設定時間ｔRsよりも短ければステップ１７に進み、長ければステップ１４に進む。
【００５８】
ステップ１７において、リーン時間ｔLmを５秒長くしてステップ１に戻る。
【００５９】
このように、さらにリーン時間ｔLmを長くするような制御を行うことにより、ガスエンジン２０の効率をより向上させることができる。
【００６０】
上記の３種類の空燃比制御方法であると、リーン時間ｔLmとリッチ時間ｔRmを細かく制御することにより、触媒２２の経年変化よる劣化等の影響を除くことができ、空燃比制御を適切に実施することができ、排ガス浄化能力を長期間維持することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上により、本発明は、リーン時間とリッチ時間を細かく制御することにより、触媒性能の経年変化の劣化等の影響を除くことができ、空燃比制御を適切に実施することができ、排ガス浄化能力を長期間維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空燃比制御装置のブロック図である。
【図２】メイン酸素センサとサブ酸素センサの出力及びバイパス弁の開度、排ガス組成のタイムチャートである。
【図３】第１の空燃比制御方法のフローチャートである。
【図４】第２の空燃比制御方法のフローチャートである。
【図５】第３の空燃比制御方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１０  空燃比制御装置
１２  燃料供給管
１３  ミキサー
１４  空気供給管
１５  バイパス路
１６  バイパス弁
１８  スロットル
２０  ガスエンジン
２２  触媒
２４  メイン酸素センサ
２６  サブ酸素センサ
２８  制御装置
３２  入出力ポート
３４  ＲＯＭ
３６  ＲＡＭ
３８  中央制御装置（ＣＰＵ）
【図１】
0003968483.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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