(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段を備えるとともに、リーン雰囲気ではＮＯｘを吸着するとともに、物理吸着と化合物の形態とでそれぞれ酸素を保持し、リッチまたはストイキ雰囲気ではＮＯｘを脱離、還元するとともに酸素を異なる速度で放出する触媒を排気通路に介装した排気浄化装置において、前記空燃比制御手段を、ストイキ以上の空燃比にフィードバック制御する通常空燃比制御と、前記触媒に吸着したＮＯｘを脱離、還元するために空燃比をリッチ化するリッチ化制御と、このリッチ化制御の終了後に、前記触媒に保持された酸素のうち放出速度の遅いものが放出されることによりリーン雰囲気となる時間だけ、前記リッチ化制御時よりも空燃比が大きい所定量だけリッチ側の空燃比に制御したのち、前記通常空燃比制御に戻すリッチシフト制御とを行うように構成したことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１において、リッチシフト制御時のリッチ側への空燃比シフト量を、リッチ化制御終了からの経過時間に応じて減少させるエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１において、空燃比制御手段を、リッチシフト制御時の制御量を学習し、次回以降のリッチシフト制御時に当該学習結果を適用するように構成したエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、特に排気系にリーン雰囲気ではＮＯｘを吸着し、リッチまたはストイキ雰囲気ではＮＯｘを離脱、還元する触媒を設けた排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
エンジン排気の酸素濃度に応じて排気中のＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸蔵触媒というものが知られている。ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気中の酸素濃度が高いリーン雰囲気下でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低下するストイキないしリッチ雰囲気下でＮＯｘを放出する性質を有している。
【０００３】
従来の三元触媒はＮＯｘ浄化機能を発揮させるためにはストイキ空燃比で運転を行う必要があったが、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いることによりリーン空燃比での運転が可能となった。リーン空燃比での運転中に発生したＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒に吸着させておき、触媒からのＮＯｘの脱離および還元は一時的に空燃比をリッチ化することで処理する。ただし空燃比のリッチ化はＮＯｘ吸蔵触媒に吸着されているＮＯｘの量に応じて過不足のないように行わないと燃費および排気エミッションに悪影響を及ぼす。
【０００４】
ＮＯｘが脱離および還元されている間はリッチ雰囲気下であっても触媒での還元作用により下流側の空燃比はリーン傾向となり、ＮＯｘの脱離が終了すると酸素が減少して下流側空燃比はリッチ化する。そこで、このようなＮＯｘ吸蔵触媒を用いた排気浄化装置においては、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流に設けた空燃比センサもしくは酸素センサにより排気中の酸素濃度を検出し、その出力からリッチ状態を判定したときに触媒からのＮＯｘの脱離が完了したものとして空燃比のリッチ化を終了させ、ストイキ空燃比へのフィードバック制御に移行するようにしている（特開平７−１３９３８８号公報参照）。
【０００５】
しかしながら、このようにセンサ出力からリッチ状態を判定してリッチ化を終了させたとしても、リッチ化前に触媒に保持された酸素のうち放出速度の遅いものが放出されることで触媒がリーン雰囲気となり、このためリッチ雰囲気の間に脱離したＮＯｘが還元されることなくそのまま排出されてしまうという問題がある。本発明はこのような問題点を解消することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段を備えるとともに、リーン雰囲気ではＮＯｘを吸着するとともに、物理吸着と化合物の形態とでそれぞれ酸素を保持し、リッチまたはストイキ雰囲気ではＮＯｘを脱離、還元するとともに酸素を異なる速度で放出する触媒を排気通路に介装した排気浄化装置において、前記空燃比制御手段を、ストイキ以上の空燃比にフィードバック制御する通常空燃比制御と、前記触媒に吸着したＮＯｘを脱離、還元するために空燃比をリッチ化するリッチ化制御と、このリッチ化制御の終了後に、前記触媒に保持された酸素のうち放出速度の遅いものが放出されることによりリーン雰囲気となる時間だけ、前記リッチ化制御時よりも空燃比が大きい所定量だけリッチ側の空燃比に制御したのち、前記通常空燃比制御に戻すリッチシフト制御とを行うように構成した。
【００１１】
第２の発明は、前記発明において、リッチシフト制御時のリッチ側への空燃比シフト量を、リッチ化制御終了からの経過時間に応じて減少させるようにした。
【００１２】
第３の発明は、前記第１の発明において、空燃比制御手段を、リッチシフト制御時の制御量を学習し、次回以降のリッチシフト制御時に当該学習結果を適用するように構成した。
【００１３】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明によれば、リッチ化制御の後に当該リッチ化制御時よりも大きい空燃比のリッチシフト制御を所定時間行うようにしたことから、ストイキ空燃比でのフィードバック制御時に触媒に蓄積されていた酸素のうち放出速度の遅い分によるリーン化傾向を補償して、リッチ化制御直後のＮＯｘの排出を抑制することができる。
【００１４】
一般に酸素過剰のリーン雰囲気下では、白金、ロジウム等の触媒に適用する金属の表面には物理吸着により酸素分子が保持され、また酸化セリウム、バリウム等には化合物の形態で酸素が吸収される。触媒に保持された酸素はリッチ雰囲気下で放出されるが、このときの放出速度には主として前述した吸着の形態に応じて速いものと遅いものとがあり、このうち放出速度の遅い分が前述したようにリッチ化制御後の触媒内の酸素濃度に影響を及ぼしてＮＯｘを排出する原因となる。本発明によればこの遅れて放出される酸素に対してリッチシフト制御を行うことにより触媒雰囲気がリーン化するのを防止しているのであり、これにより触媒から脱離したＮＯｘがそのまま排出されるのを阻止して確実に浄化することが可能となる。
【００１５】
前記リッチシフト制御を行う期間は、通常空燃比制御の間に触媒に保持された酸素のうち放出速度の遅いものの量に応じた時間だけ行う。前記酸素量は例えばエンジンや触媒の特性に基づいて実験的に定めることができる。
【００１７】
第２の発明によれば、酸素の放出に応じてリッチシフト量を減じるようにしたことから、リッチ制御後のリーン化をより的確に防止することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、リッチシフト制御時の制御量（空燃比のリッチシフト量またはリッチシフト制御を行う時間）を学習して制御するものとしたので、制御精度および排気エミッション性能をより高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明によるエンジンの排気浄化装置の一実施形態のシステム構成を示している。この図において、エンジン１には点火プラグ６および燃料噴射弁５が取り付けられている。排気通路７には、排気ガスを浄化するための触媒９、１０が設けられており、下流側の触媒１０は、排気ガス空燃比（酸素濃度）がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸着し、吸着したＮＯｘをリッチのときに脱離、還元する作用を有するＮＯｘ吸蔵触媒である。ＮＯｘ吸蔵触媒１０としては、触媒担体上にアルカリ金属あるいはアルカリ土類からなるＮＯｘ吸収剤を担持させた構成のものの他、一般に三元触媒と呼ばれているものの中にもＮＯｘ吸蔵作用を有するものがあり、これらを適用することができる。
【００２０】
また、排気通路７には排気中の酸素濃度を検出する２つの酸素センサ８、１１が設けられており、酸素センサ８は触媒９の上流側に、酸素センサ１１は触媒１０の下流側に、それぞれ配置されている。
【００２１】
燃料噴射弁５、点火プラグ６は、エンジン１に取り付けられた水温センサ１２やクランク角センサ１３の出力、吸気通路２に取り付けられたエアフローメータ３の出力、スロットル弁４の開度、前記酸素センサ８、１１の出力等をもとにコントロールユニット１４により制御される。空燃比フィードバック制御は、基本的にはエンジン回転数と吸入空気量とに基づいて定めた基本燃料噴射量としての噴射弁パルス幅を水温やバッテリ電圧に応じて補正し、燃焼結果として上流側酸素センサ８から得られる排気酸素濃度をフィードバックして目標空燃比となるように燃料量の補正を繰り返す制御である。このような制御を行うコントロールユニット１４は、例えばマイクロコンピュータおよびその周辺装置から構成されており、本発明との関係では前述の通り空燃比制御手段を構成する。
【００２２】
次に、前記コントロールユニット１４により実行される本発明に係るリッチ化制御の一実施形態につき、図２に示した流れ図に基づいて説明する。この流れ図は前記マイクロコンピュータシステムにより周期的に実行される処理ルーチンの概要を表している。なお以下の説明および流れ図中で符号Ｓは処理ステップを表している。
【００２３】
この制御ではまず、前処理としてイグニッションスイッチがＯＮとなった時にフラグＦＬＧＲＳが０にクリアされる。このフラグＦＬＧＲＳはＮＯｘ吸蔵触媒に吸着されたＮＯｘの脱離・還元のためのリッチ化を行なったか否かを示すものであり、リッチ化制御の終了時に１にセットされる。リッチ化制御は、エンジンの暖機が完了して触媒が反応温度に達した後のアイドリング時などあらかじめ設定された時期に前記空燃比フィードバック制御の目標空燃比を所定のリッチ空燃比に設定し、あるいは燃料量を所定量増やすオープンループ制御により濃空燃比の混合気を形成することにより行われ、前記下流側酸素センサ１０の出力が所定のスライスレベルによるリッチ状態を検出した時点で終了する。図２はこのようなリッチ化制御を前提として、その後のリッチシフト制御の処理の部分を表したものである。
【００２４】
前記前処理ののち、Ｓ１では後述するリッチシフト制御を実行中であるか否かを判定する。リッチシフト制御中でない場合にはＳ６へ進みＦＬＧＲＳを０とし、Ｓ７でストイキ空燃比を目標とする通常空燃比制御を実行して今回の処理ループを終了する。
【００２５】
Ｓ１でリッチシフト制御中であると判定された場合には、次にＳ２でＦＬＧＲＳ=１であるかを判定する。ＦＬＧＲＳ＝１でない場合、つまり、現在リッチ化制御後のリッチシフト制御中でない場合にはＳ６へ進み、ＦＬＧＲＳを０とし、Ｓ７で通常空燃比制御を行ない今回の処理を終了する。Ｓ２にてＦＬＧＲＳ=１である場合は、現在リッチシフト制御中であるため、Ｓ３へ進みＦＬＧＲＳ=１となってから設定時間ＴＭＲＲＳが経過したか、つまりリッチ化制御が終了してからＴＭＲＲＳが経過したかを判定する。設定時間ＴＭＲＲＳは、触媒のＮＯｘ脱離・還元処理を完了して以後の空燃比フィードバック制御期間中に、触媒にストレージされた酸素のうち放出速度の遅いものが放出されリーン雰囲気となりＮＯｘが排出される可能性のある時間であり、実験的に求められる値である。ＴＭＲＲＳが既に経過している場合には、リッチシフトは必要ないため、Ｓ６へ進みＦＬＧＲＳを０とし、Ｓ７で通常の空燃比制御を行い今回の処理を終了する。ＴＭＲＲＳがまだ経過していない場合にはＮＯｘが放出される可能性のある期間であるため、リッチシフト制御を行なうためにＳ４へ進み、空燃比フィードバック制御の空燃比補正Ｐ分（比例分）のシフト量ＰＳＦＴを実験結果により設定された値ＰＳＦＴＲＳ０に設定したのち、Ｓ５にて空燃比フィードバック制御を行なう。
【００２６】
なお、前記シフト量ＰＳＦＴは、上流側酸素センサ８の出力電圧ＶＯ２とリッチ・リーン判定用スライスレベルＳＬとの関係から次式（１），（２）の様に空燃比フィードバック補正係数α（図４参照）に反映させるものである。ただし、式中のＰＡＬＰはＰ分の基本値である。
【００２７】
ＶＯ２≧ＳＬの時（リッチ）
α＝１．０−ＰＡＬＰ＋ＰＳＦＴ  …  （１）
ＶＯ２＜ＳＬの時（リーン）
α＝１．０＋ＰＡＬＰ＋ＰＳＦＴ  …  （２）
従って、ＰＳＦＴを正の値でＰＳＦＴＲＳ０に設定することにより、空燃比フィードバック制御の制御中心がリッチ側に移動し、空燃比をわずかにリッチに設定することができる。
【００２８】
図３は、本発明によるリッチシフト制御に関する第２の実施形態を示す流れ図である。この実施形態は、前記第１の実施形態に対して空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴＲＳ０を時間経過に伴い減少させるようにした点で異なる。流れ図上では図２に比較してＳ２４〜Ｓ２８が追加されており、以下この追加による変更点を中心に説明する。
【００２９】
Ｓ６でＦＬＧＲＳを０とした後に、Ｓ２８の処理が行われる。Ｓ６に進んだ場合には通常空燃比制御を行なうため、空燃比フィードバック制御の空燃比補正ＰＳＦＴＲＳ０を付加したことを示すフラグＦＬＧＰＳＦＴを０として、Ｓ７での通常空燃比制御へ進む。
【００３０】
Ｓ３にて、ＮＯｘ脱離・還元のためのリッチ化制御を行なってからまだ設定時間ＴＭＲＲＳが経過していない場合には、次いでＳ２４へ進む。Ｓ２４ではフラグＦＬＧＰＳＦＴが１であるか、つまり空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴＲＳ０が付加されているかを判定する。ＦＬＧＰＳＦＴ＝０である場合にはまだ空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴＲＳ０が付加されていないため、Ｓ２５へ進み、ＰＳＦＴＲＳをＰ分シフト量基本値ＰＳＦＴＲＳ０とし、Ｓ２６でフラグＦＬＧＰＳＦＴ＝１とした後にＳ４にて、最終的な空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴをＰＳＦＴＲＳとする。また、Ｓ２４でフラグＦＬＧＰＳＦＴ＝１である場合には既に空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴＲＳ０が付加されているため、Ｓ２７へ進み、ＰＳＦＴＲＳをシフト減少量DRＳ減らした後、Ｓ４で最終的な空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴをＰＳＦＴＲＳとする。
【００３１】
次に本発明の第３の実施形態につき説明する。
【００３２】
次に第３実施例について説明する。この実施形態は、前記空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴＲＳ０およびリッチシフト時間ＴＭＲＲＳをＮＯｘ脱離・還元のためのリッチ化制御を行なう毎に学習していくものである。
【００３３】
ここでは、ＰＳＦＴＲＳ０およびＴＭＲＲＳの学習方法を中心に説明する。すなわち、まず空燃比補正Ｐ分のシフト量ＰＳＦＴＲＳ０は、リッチ化制御後のリッチシフトのための空燃比フィードバック制御中の下流側酸素センサ１１出力のリーン化量をもとに算出する。具体的には、図４に示した空燃比フィードバック制御中のＮＯｘが排出されない下限の酸素センサ出力電圧値ＶＯ２ＬＬＭＴと実際の酸素センサ出力電圧値の差であるＯＳＦＴＲＳＮを、リッチ化制御後のリッチシフト制御が行なわれるたびに次式（３）により加重平均を行ない、ＯＳＦＴＲＳＮ(new)を算出する。ただし式中のＫＦＳＴは実験により求められる重み係数である。
【００３４】
0003861637.tif 000002
このＯＳＦＴＲＳＮ(new)をもとに、図５に示すようにあらかじめ設定されたマップを読み込んでＰＳＦＴＲＳ０を求め、次回のリッチ化制御後の空燃比フィードバック制御中にＰＳＦＴとして使用する。
【００３５】
また、リッチシフト時間ＴＭＲＲＳは、図４に示したようにリッチ化制御終了後からＮＯｘ触媒下流側酸素センサ１１の出力が一旦低下し、再度V０２ＬＬＭＴに達するまでの時間ＴＭＲＲＳN(new)を、リッチ化制御後に空燃比フィードバックが行なわれるたびに次式（４）により加重平均を行ない算出する。ただし、式中のＫＴＭＲは実験により求められる重み係数である。
【００３６】
0003861637.tif 000003
このＴＭＲＲＳＮ(new)を、次回のリッチ化制御後の空燃比フィードバック制御中にＴＭＲＲＳとして使用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエンジンシステムの実施形態の概略構成図。
【図２】本発明によるリッチシフト制御の第１の実施形態を示す流れ図。
【図３】本発明によるリッチシフト制御の第２の実施形態を示す流れ図。
【図４】本発明によるリッチシフト制御の第３の実施形態に係るタイミング図。
【図５】空燃比フィードバック制御中のＮＯｘが排出されない下限の酸素センサ出力電圧値と実際の酸素センサ出力電圧値の差であるＯＳＦＴＲＳＮとリッチシフト量（空燃比フィードバック補正量Ｐ分のシフト量）との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１    エンジン（火花点火式内燃機関）
２    吸気通路
３    エアフローメータ
４    スロットル弁
５    燃料噴射弁
６    点火プラグ
７    排気通路
８    酸素センサ
９    触媒
１０    触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒）
１１    酸素センサ
１２    水温センサ
１３    クランク角センサ
１４    コントロールユニット
【図１】
0003861637.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003861637.tif 000007
【図５】
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