(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空燃比よりも希薄な空燃比での燃焼領域でＮＯｘを一時的に吸蔵し、理論空燃比付近での燃焼領域で前記吸蔵したＮＯｘを放出して還元処理するＮＯｘ吸蔵型触媒装置を排気系に備えた希薄燃焼機関の空燃比制御装置であって、
機関吸入混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
該空燃比検出手段で検出される空燃比を目標空燃比に近づける方向に、機関への燃料供給量を補正するための空燃比フィードバック補正値を設定する空燃比フィードバック補正手段と、
希薄空燃比燃焼領域から理論空燃比付近での燃焼領域への移行初期に、前記ＮＯｘ吸蔵型触媒装置におけるＮＯｘ吸蔵量に応じて前記空燃比フィードバック補正値のリッチ方向操作量を補正設定し、空燃比をリッチシフトさせるリッチ化手段と、
機関の吸入空気量が少なくかつＮＯｘ吸蔵量が少ないときに、リッチシフト量を制限するように前記空燃比フィードバック補正値の許容上限値を設定し、前記ＮＯｘ吸蔵量に応じて補正設定されたリッチ方向操作量に基づいて設定された空燃比フィードバック補正値を、前記許容上限値内に制限するリッチシフト制限手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする希薄燃焼機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は希薄燃焼機関の空燃比制御装置に関し、詳しくは、理論空燃比よりも希薄な空燃比で燃焼させる所謂希薄燃焼機関におけるＮＯｘ浄化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記希薄燃焼機関におけるＮＯｘの浄化装置としては、従来、特開平６−６６１８５号公報に開示されるようなものがあった。このものは、希薄燃焼領域においてＮＯｘを吸蔵し、運転条件の変化によって理論空燃比燃焼領域に切り換わったときに、前記吸蔵しておいたＮＯｘを還元処理するものであるが、希薄燃焼が長く続くとＮＯｘを吸蔵しきれなくなるので、空燃比を一時的に濃くし、かかるリッチ運転下で前記ＮＯｘを還元処理して再び希薄燃焼に戻すようにしている。
【０００３】
希薄燃焼領域でのＮＯｘ処理のために空燃比をリッチ化させるに当たっては、機関の吸入空気量と機関負荷とに基づいてＮＯｘ吸蔵量を推定し、ＮＯｘ吸蔵量が所定値以上になると、そのときの吸蔵量に応じてリッチ化度合いを決定し、該決定に応じてＮＯｘ処理のための空燃比リッチ化制御を実行している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ＮＯｘ還元処理のためのリッチシフト制御において、従来では、ＮＯｘ吸蔵量に基づいてＮＯｘの還元処理に要求されるリッチシフト量が確保されるようにしているが、例えば低回転低負荷域等では、前記ＮＯｘ処理に要求されるリッチシフト量では燃費に与える悪影響が大きくなって、ＮＯｘ処理のために燃費性能が大きく悪化する惧れがあった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、吸蔵したＮＯｘを還元処理するために空燃比を一時的にリッチシフトさせる構成において、燃費に対する影響を抑制しつつ、効果的にＮＯｘを還元処理することができるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１の発明にかかる希薄燃焼機関の空燃比制御装置は、理論空燃比よりも希薄な空燃比での燃焼領域でＮＯｘを一時的に吸蔵し、理論空燃比付近での燃焼領域で前記吸蔵したＮＯｘを放出して還元処理するＮＯｘ吸蔵型触媒装置を排気系に備えた希薄燃焼機関の空燃比制御装置であって、機関吸入混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、該空燃比検出手段で検出される空燃比を目標空燃比に近づける方向に、機関への燃料供給量を補正するための空燃比フィードバック補正値を設定する空燃比フィードバック補正手段と、希薄空燃比燃焼領域から理論空燃比付近での燃焼領域への移行初期に、前記ＮＯｘ吸蔵型触媒装置におけるＮＯｘ吸蔵量に応じて前記空燃比フィードバック補正値のリッチ方向操作量を補正設定し、空燃比をリッチシフトさせるリッチ化手段と、機関の吸入空気量が少なくかつＮＯｘ吸蔵量が少ないときに、リッチシフト量を制限するように前記空燃比フィードバック補正値の許容上限値を設定し、前記ＮＯｘ吸蔵量に応じて補正設定されたリッチ方向操作量に基づいて設定された空燃比フィードバック補正値を、前記許容上限値内に制限するリッチシフト制限手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
請求項１の発明にかかる希薄燃焼機関の空燃比制御装置によると、希薄燃焼状態から理論空燃比付近での燃焼に移行したときに、空燃比フィードバック補正値のリッチ方向操作量をＮＯｘ吸蔵量に応じて補正設定することで、空燃比のリッチシフトを図るが、機関の吸入空気量が少なくかつＮＯｘ吸蔵量が少ないときには、リッチシフト量を制限するように空燃比フィードバック補正値の許容上限値を設定し、ＮＯｘ吸蔵量に応じて補正設定された操作量を用いて設定される空燃比フィードバック補正値が前記許容上限値を越えることがないように制限し、燃費性能等が大きく悪化することを回避する。
【０００８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。図１は、実施例の希薄燃焼機関のシステム構成図であり、内燃機関１には、エアフローメータ２で計量された空気が吸引され、かかる空気と燃料噴射弁３から噴射される燃料とによって所定空燃比の混合気が形成される。
【０００９】
機関１からの排気は、排気通路４途中に設けられた触媒装置５で浄化されて排出される。前記燃料噴射弁３による燃料噴射量は、コントロールユニット６から出力される噴射パルス信号のパルス幅に応じて制御される。前記コントロールユニット６には、前記エアフローメータ２からの吸入空気量信号Ｑａ、クランク軸又はカム軸から回転信号を取り出す回転センサ７からの機関回転数信号Ｎ、触媒装置５の上流側の排気通路４に設けられて排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ８（空燃比検出手段）からの酸素濃度信号等が入力される。
【００１０】
前記酸素センサ８は、例えば基準酸素濃度と排気中の酸素濃度との比に応じた起電力を発生する酸素濃淡電池であり、理論空燃比を境に酸素濃度が急変することに対応して、理論空燃比よりもリッチ側では出力が高くなり、リーン側では出力が低くなることで、理論空燃比を検出できるセンサである。そして、コントロールユニット６は、吸入空気量Ｑａと機関回転数Ｎとに基づいて基本噴射パルス幅Ｔｐ（基本燃料供給量）を演算する一方、理論空燃比燃焼域では、前記酸素センサ８の出力に基づいて実際の空燃比を理論空燃比に近づける方向に空燃比フィードバック補正係数α（空燃比フィードバック補正値）を比例積分制御し、前記基本噴射パルス幅Ｔｐに前記空燃比フィードバック補正係数αを乗算して補正設定して、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉ（Ｔｉ＝Ｔｐ×α）を設定する。
【００１１】
ここで、本実施例の機関１は、空燃比＝２２程度の希薄空燃比で燃焼を行わせる所謂希薄燃焼機関であり、前記希薄空燃比燃焼での運転と、理論空燃比付近での燃焼運転とを運転条件（例えば機関負荷，回転数）に応じて切り換えるようになっている。そして、前記希薄燃焼中における排気浄化、特に、ＮＯｘ浄化のために、前記触媒装置５として、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒を用いている。前記ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒は、理論空燃比付近での燃焼時にＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣの転換効率が最大となる通常の三元触媒としての浄化性能を有すると共に、ＮＯｘ吸蔵物質を備えた触媒である。
【００１２】
前記ＮＯｘ吸蔵物質は、例えばバナジウム系の物質からなるものであり、希薄燃焼領域では、ＮＯｘ吸蔵材中にＮＯｘを一時吸蔵しておき、理論空燃比付近になると前記吸蔵していたＮＯｘを放出し、前記放出されたＮＯｘは三元触媒の機能によって排気中に含まれるＨＣ，ＣＯと反応して還元される。尚、前記ＮＯｘ吸蔵材と三元触媒とを個別に設ける構成とし、三元触媒の上流側においてＮＯｘを吸蔵し、放出されたＮＯｘを下流側の三元触媒で浄化する構成としても良い。
【００１３】
また、希薄燃焼領域でＮＯｘの浄化する触媒として公知であるゼオライト三元触媒を、前記ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒の上流側に介装したり、前記ゼオライト三元触媒とＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒とを一体的に備える構成であっても良い。前記ゼオライト三元触媒は、基材として用いられるゼオライトの微細な孔に捕らえられたＨＣを、ゼオライトに付着している活性貴金属に吸着されるＮＯｘと反応させることで、希薄燃焼領域でもＮＯｘを還元処理できるようにした触媒である。
【００１４】
上記のように、本実施例の触媒装置においては、希薄燃焼中にＮＯｘを吸蔵し、理論空燃比燃焼に移行したときに前記吸蔵されたＮＯｘを還元処理するが、かかる理論空燃比燃焼への移行初期に、空燃比を理論空燃比よりもリッチ化させて、ＮＯｘの還元処理に必要とされるＨＣ，ＣＯ量を確保し、移行初期に放出されるＮＯｘの還元処理が良好に行われるようにしてある。
【００１５】
かかるリッチシフト制御の様子を、図２のフローチャートに示してある。尚、本実施例において、リッチシフト制限手段，リッチ化手段，空燃比フィードバック補正手段としての機能は、前記図２のフローチャートに示すように、コントロールユニット６がソフトウェア的に備えている。
【００１６】
図２のフローチャートは、機関回転に同期して実行されるものであり、Ｓ１では、空燃比フィードバック制御（図中ではλコンと記してある。）の開始条件が成立しているか否かを判別する。そして、開始条件が成立しているときには、Ｓ２へ進み、酸素センサ８の出力を読み込む。
【００１７】
Ｓ３では、予め理論空燃比に対するリーン状態を判別するために設定されているスライスレベルＳＬ／ＬＥＡＮ（図３参照）と前記読み込んだ酸素センサ８の出力とを比較し、実際の空燃比が目標空燃比である理論空燃比よりもリーンであるか否かを判別する。ここで、スライスレベルＳＬ／ＬＥＡＮよりも酸素センサ８の出力が小さく、空燃比が理論空燃比よりもリーンであると判別されたときには、Ｓ４へ進み、リーンフラグがオンになっているか否かを判別する。
【００１８】
前記リーンフラグ及び後述するリッチフラグは、共に初期状態でオフであり、空燃比がリッチになればリッチフラグがオン、リーンフラグがオフされ、空燃比がリーンになればリーンフラグがオン、リッチフラグがオフされるようになっている。従って、空燃比がリッチからリーンへ反転した初回であれば、前記Ｓ４において前記リーンフラグはオフであると判別されることになり、この場合には、Ｓ５へ進む。
【００１９】
Ｓ５では、空燃比フィードバック制御を開始してリーン判定されたのが初回であるか否かを判別する。そして、希薄燃焼領域から理論空燃比燃焼領域への移行時で、前記Ｓ５でリーン判定の初回であると判別されると、Ｓ６へ進み、吸入空気量Ｑａと機関回転数Ｎとを読み込み、前記触媒装置５のＮＯｘ吸蔵材に対するＮＯｘ吸蔵量Ｗを推定演算する。即ち、ＮＯｘ量は、吸入空気量Ｑ（排気量）が多くなるほど増大し、機関負荷Ｑａ／Ｎが高くなるほど増大するので、希薄空燃比燃焼中における前記吸入空気量Ｑａと機関回転数Ｎとから予測されるＮＯｘ量を積算することで、ＮＯｘ吸蔵量Ｗを推定できる。従って、図２のフローチャートは、説明上リーン判定の初回にＳ６，７の処理が行われる構成となっているが、実際上は、希薄燃焼領域において求めておいた吸蔵量Ｗを読み込むことになる。
【００２０】
ＮＯｘの吸蔵量Ｗを推定演算すると、次のＳ８では、吸入空気量Ｑａと吸蔵量Ｗとに基づいて、空燃比フィードバック補正係数αの増大比例制御に用いる比例分ＰＬ（リッチ方向操作量：図３参照）を、通常よりも大きな値として補正設定する。このように、本実施例では、前記比例分ＰＬを通常よりも増大設定することで、空燃比をリッチシフトさせるものであり、そのリッチシフト量は、吸入空気量ＱａとＮＯｘ吸蔵量Ｗとに基づいて、ＮＯｘ還元処理に要求される値として設定される構成としてある。
【００２１】
Ｓ９では、前記Ｓ８においてＮＯｘ還元処理に要求されるリッチシフト量に対応する値として設定された比例分ＰＬを、前回までの空燃比フィードバック補正係数αに加算し、該加算結果を今回値とする。Ｓ10ｂでは、吸入空気量ＱａとＮＯｘ吸蔵量Ｗとを読み込み、次のＳ11ｂでは、吸入空気量ＱａとＮＯｘ吸蔵量Ｗとに基づいて上限値Lmtshiftを設定する（図４参照）。
【００２２】
そして、Ｓ12では、前記Ｓ９で増大操作された補正係数αと前記上限値Lmtshiftとを比較し、上限値Lmtshiftを越えている場合には、Ｓ13へ進んで、前記上限値Lmtshiftを補正係数αとすることで、上限値Lmtshift内に補正係数αを制限する。上記Ｓ10ｂ〜Ｓ13の部分が、リッチシフト制限手段に相当する。上記構成によると、リッチシフト量を抑制したい吸入空気量Ｑａの少ないときに、そのときのＮＯｘ吸蔵量Ｗが少なければ、大幅にリッチシフト量を制限することができ、燃費性能を最大限に向上させることができる一方、吸入空気量Ｑａが少なくても吸蔵量Ｗが多いときには比較的大きなリッチシフトを許容して、ＮＯｘ浄化率を維持させることができる。
【００２３】
補正係数αを比例分ＰＬに基づいて増大操作すると、Ｓ15でリーンフラグをオンし、また、Ｓ16では、リッチフラグをオフする。
【００２４】
一方、Ｓ５でリッチ→リーン反転が初めてではないと判別されたときには、Ｓ14で、通常の目標空燃比付近に安定させるための比例分ＰＬを用いて補正係数αを増大操作する。また、Ｓ４でリーンフラグがオンであると判別されたときには、Ｓ17へ進み、所定の積分分Ｉを前回までの補正係数αに加算して、該加算値を今回値とする。そして、空燃比が理論空燃比よりもリッチに反転するまで、積分制御による補正係数αの増大操作を繰り返す。
【００２５】
Ｓ３で、酸素センサ８の出力がスライスレベルＳＬ／ＬＥＡＮ以上であると判別されたときには、Ｓ18へ進む。Ｓ18では、予め理論空燃比に対するリッチ状態を判別するために設定されているスライスレベルＳＬ／ＲＩＣＨ（＞ＳＬ／ＬＥＡＮ：図３参照）と酸素センサ８の出力とを比較し、実際の空燃比が目標空燃比である理論空燃比よりもリッチであるか否かを判別する。
【００２６】
ここで、酸素センサ８の出力がスライスレベルＳＬ／ＲＩＣＨ以下である場合には、センサ出力が２つのスライスレベルＳＬ／ＬＥＡＮ，ＳＬ／ＲＩＣＨで挟まれる領域内にあることを示す。この場合には、実際の空燃比が略理論空燃比になっているものと見做し、補正係数αを操作することなく本ルーチンを終了させる。
【００２７】
一方、酸素センサ８の出力がスライスレベルＳＬ／ＲＩＣＨを越えて空燃比がリッチになると、リッチフラグのオン・オフをＳ19で判別することで、空燃比反転時であるか否かを判別する。ここで、リッチフラグがオフであって空燃比反転時であるときには、通常の比例分ＰＲに基づく減少制御をＳ20で実行し、Ｓ21，Ｓ22ではリッチフラグ，リーンフラグの更新を行う。
【００２８】
空燃比のリッチ状態が継続している場合には、Ｓ19からＳ23へ進み、積分分Ｉに基づいて補正係数αを徐々に減少制御させる。このように、実際の空燃比が理論空燃比に近づく方向に空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御するものであるが、空燃比フィードバック制御の開始時、即ち、希薄燃焼領域から理論空燃比燃焼領域への移行初期には、補正係数αの増大制御に用いる比例分ＰＬを、希薄燃焼中に吸蔵されたＮＯｘの処理に要求される大きさを持つ、通常よりも大きな値とすることで、空燃比を強制的にリッチシフトさせ、理論空燃比燃焼領域の移行初期に放出されるＮＯｘの還元処理に必要とされるＨＣ，ＣＯ量を確保するものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明にかかる希薄燃焼機関の空燃比制御装置によると、希薄燃焼状態から理論空燃比付近での燃焼に移行した初期に、リッチシフトを行うことで、理論空燃比付近の燃焼に移行したときに放出されるＮＯｘの還元処理に必要とされるＨＣ，ＣＯが前記リッチシフトによって確保でき、以って、理論空燃比付近での燃焼領域に移行したときにＮＯｘを良好に還元処理できると共に、リッチシフト量を抑制したい吸入空気量の少ないときに、そのときのＮＯｘ吸蔵量が少なければ、大幅にリッチシフト量を制限することができ、燃費性能を最大限に向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の希薄燃焼機関におけるシステム構成図。
【図２】実施例の空燃比制御を示すフローチャート。
【図３】空燃比フィードバック制御及びリッチシフト制御を示すタイムチャート。
【図４】実施例における上限値特性を示す線図。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…エアフローメータ
３…燃料噴射弁
４…排気通路
５…触媒装置
６…コントロールユニット
７…回転センサ
８…酸素センサ
【図１】
0003892061.tif 000002
【図２】
0003892061.tif 000003
【図３】
0003892061.tif 000004
【図４】
0003892061.tif 000005