JP2004116295A

JP2004116295A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004116295A
Application number: JP2002276803A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Yoshizawa; 吉澤　秀和; Shigeo Okuma; 大隈　重男
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】酸素ストレージ能力を有する触媒の目標酸素ストレージ量を適切に設定する。
【解決手段】排気通路１２に三元触媒１３が配設されたエンジン１において、前記三元触媒１３の酸素ストレージ量を算出して、この酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量となるように空燃比を制御する。ここで、前記目標酸素ストレージ量は、前記三元触媒１３の酸素ストレージ量の増加速度及び／又は減少速度に基づいて、増加速度と減少速度とが等しくなるように設定される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、酸素ストレージ能力を有する触媒の目標酸素ストレージ量を適切に設定することで転換効率を高く維持できるようにした技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排気通路に設けられた触媒の酸素ストレージ量が目標値となるように空燃比を制御することで、触媒における酸化反応と還元反応とをバランスさせて高い転換効率を維持するようにしたものが知られており、前記酸素ストレージ量の目標値は、通常、触媒の最大酸素ストレージ量を基準に設定されるが（例えば、最大酸素ストレージ量の１／２）、触媒が劣化することによってその最大酸素ストレージ量も減少することから、触媒の劣化に応じて最大酸素ストレージ量を更新し、この更新した最大酸素ストレージ量に基づいて目標値を設定するようにした排気浄化装置がある（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３４７８８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒は劣化すると、その最大酸素ストレージ量が減少するばかりでなく、触媒における酸化・還元反応速度も変化することがある。酸化・還元反応速度が変化すれば、最大酸素ストレージ量が同じであっても最適酸素ストレージ量は変化することになるから、このことを考慮して酸素ストレージ量の目標値を設定する必要がある。
【０００５】
しかし、上記従来のものは、最大酸素ストレージ量を更新することで劣化に伴う最大酸素ストレージ量の減少については対応できるものの、酸化・還元反応速度の変化を考慮していないため、適切な目標値が設定できず、十分な排気浄化性能を発揮できない。
また、触媒における酸化・還元反応は化学変化であるから、そのときの温度状態等によっても反応速度が変化することになるが、この点についても全く考慮していないため、運転状態によっては、十分な排気浄化性能を発揮できないという問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、触媒における酸化・還元速度を考慮しつつ目標酸素ストレージ量を設定することで、転換効率を高く維持し、十分な排気浄化性能を発揮できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、酸素ストレージ能力を有する触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記触媒における酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度の少なくとも一方に基づいて目標酸素ストレージ量を設定し、前記触媒の酸素ストレージ量が前記目標酸素ストレージ量となるように空燃比を制御するようにした。
【０００８】
このようにすれば、酸素ストレージ量の増加速度と減少速度を比較することによって、あるいは、酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度の一方とあらかじめ設定された基準速度とを比較することによって、触媒における酸化反応速度と還元反応速度の差が把握できるから、最大酸素ストレージ量を基準としつつ、酸素ストレージ量の減少速度が高く、酸化反応の方が還元反応よりも速いような場合には、還元反応を促進させる（酸化反応を鈍らせる）ような目標酸素ストレージ量を設定し、これとは逆に、酸素ストレージ量の増加速度が高く、還元反応の方が酸化反応よりも速いような場合には、酸化反応を促進させる（還元反応を鈍らせる）ような目標酸素ストレージ量を設定することができる。
【０００９】
これにより、触媒における酸化・還元反応を常にバランスさせて高い転換効率を確保することができ、排気浄化性能を効果的に発揮できる。
また、最大酸素ストレージ量、酸素ストレージ量の増加速度及び減少速度を算出し、これらに基づいて目標酸素ストレージ量を設定することにより、触媒の劣化等によって最大酸素ストレージ量が減少した場合や酸化・還元反応速度が変化した場合であっても、これに対応させた適切な目標酸素ストレージ量を設定できる。これにより、常に高い転換効率を確保でき、排気浄化性能を効果的に発揮できる。
【００１０】
また、酸素ストレージ量の増加速度が低くなるほど、又は、減少速度が高くなるほど、触媒中の酸化反応が速くなっている（還元反応が遅くなっている）と考えられるから、その程度に応じて目標酸素ストレージ量を小さく設定することにより、常に触媒における酸化・還元反応のバランスを図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態に係る内燃機関のシステム構成図である。図１において、機関１の吸気通路２には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３が設けられ、吸入空気量Ｑａはスロットルバルブ４により制御される。
【００１２】
吸気マニホールド５に設けられた燃料噴射弁６は、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）２０からの噴射信号によって開弁駆動され、燃料を噴射供給する。
機関の燃焼室７には火花点火を行う点火栓８が設けられており、吸気バルブ９を介して吸入された混合気を火花点火によって着火する。燃焼排気は、排気バルブ１０、排気マニホールド１１を介して排気通路１２に排出され、三元触媒１３、マフラー１４を通過した後、大気中の放出される。
【００１３】
前記三元触媒１３は、酸素ストレージ効果を有し、理論空燃比近傍で排気中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して他の無害な成分（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｎ_２）に転換する。
また、三元触媒１３の上流側には、排気中の酸素濃度に応じて空燃比をリニアに検出する広域型酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）１５が設けられており、三元触媒１３の下流側には、理論空燃比近傍で出力値が急変するストイキ型の酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）１６が配設されている。
【００１４】
ここにおいて、コントロールユニット２０には、前記エアフローメータ３、Ａ／Ｆセンサ１５及びＯ_２センサ１６の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１７、エンジン冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１８等の各種センサからの検出信号が入力される。
コントロールユニット２０は、前記三元触媒１３の目標酸素ストレージ量を設定し、算出した酸素ストレージ量が前記目標酸素ストレージ量となるように三元触媒１３上流側の空燃比を制御する。
【００１５】
具体的には、まず、現在の酸素ストレージ量を算出する。かかる算出は、例えば、本願出願人が先に出願した酸素吸着モデルを用いた方法により行う（特願２００１−１７２１２０号）。簡単に説明すると、前記Ａ／Ｆセンサ１５の出力値と吸入空気量Ｑａとに基づいて算出する三元触媒１３で利用されない酸素（過剰）量を入力とし、前記Ｏ_２センサ１６の出力値を出力とする三元触媒１３の酸素吸着モデルを設定し、この酸素吸着モデルをオンラインで逐次同定する。そして、同定した酸素吸着モデルの（推定）パラメータから三元触媒１３の酸素ストレージ量を算出する。
【００１６】
次に、算出した現在の酸素ストレージ量Ｏｓと目標酸素ストレージ量ＯＳＣとの偏差ΔＯｓ１（＝Ｏｓ−ＯＳＣ）を算出する。
そして、この偏差ΔＯｓ１に基づく所定の処理（例えば、比例積分微分制御）によって三元触媒１３上流側の目標空燃比を算出し、前記Ａ／Ｆセンサ１５で検出される空燃比が前記目標空燃比となるように燃料噴射量が制御される。
【００１７】
なお、三元触媒１３の酸素ストレージ量Ｏｓが目標酸素ストレージ量ＯＳＣよりも大きいとき（ΔＯｓ１＜０）は、目標空燃比はリッチとなり、酸素ストレージ量Ｏｓが目標酸素ストレージ量ＯＳＣよりも小さいとき（ΔＯｓ１＞０）は、目標空燃比はリーンとなる。
また、前記目標酸素ストレージ量ＯＳＣは、最大酸素ストレージ量、酸素ストレージ量の増加速度及び減少速度から以下のようにして設定される。
【００１８】
図２は、三元触媒１３の最大酸素ストレージ量を算出、更新するフローチャートである。
図２において、ステップ１（図中Ｓ１と記す。以下同じ）では、三元触媒１３上流側の排気空燃比をリーン化する。これは、流入する排気を酸素過剰な状態として、三元触媒１３の酸素ストレージ量を増大させるためである。
【００１９】
ステップ２では、前記Ｏ_２センサ１６の出力が所定のリーン判定値を超えたか否かを判定する。上記リーン化制御により酸素過剰な排気を流入させた場合、三元触媒１３がまだ酸素を吸着できる状態であれば、前記Ｏ_２センサ１６の出力がリーン判定値を超えることはないが、三元触媒１３の酸素ストレージ量が最大量となってそれ以上酸素を吸着できなくなると、前記Ｏ_２センサ１６の出力がリーン判定値を超えることになる。従って、かかる判定によって、三元触媒１３の酸素ストレージ量が最大量となったか否かを判定できる。
【００２０】
そして、前記Ｏ_２センサ１６の出力が前記リーン判定値を超えた場合にはステップ３に進み、そうでない場合には、まだ酸素ストレージ量が最大量となっていないので、上記リーン化制御を継続する。
ステップ３では、酸素ストレージ量を算出し、これを最大酸素ストレージ量として更新して処理を終了する。
【００２１】
図３は、三元触媒１３における酸素ストレージ量の増加速度（酸素吸着速度）を算出するフローチャートである。
ステップ１１では、現在の酸素ストレージ量Ｏｓを読み込む。
ステップ１２では、三元触媒１３上流側の空燃比をリーン化して流入する排気を所定の酸素過剰状態にすると共に、経過時間の計測を開始する。
【００２２】
ステップ１３では、上記リーン化制御後の酸素ストレージ量の増加量が、所定量ΔＯｓ２となったか否かを判定する。増加量が所定量ΔＯｓ２となった場合にはステップ１４に進み、そうでない場合には上記リーン化制御を継続する。
ステップ１４では、所定量ΔＯｓ２を、上記リーン化制御開始からの経過時間で除算して酸素ストレージ量の増加速度を算出し、処理を終了する。
【００２３】
なお、酸素ストレージ量を０とした後に上記リーン化制御を行って、最大酸素ストレージ量に到達するまでの時間を計測し、この計測時間で最大酸素ストレージ量を除算して酸素ストレージ量の増加速度を算出するようにしてもよい。
図４は、三元触媒１３における酸素ストレージ量の減少速度（酸素放出速度）を算出するフローである。
【００２４】
ステップ２１では、現在の酸素ストレージ量Ｏｓを読み込む。
ステップ２２では、三元触媒１３上流側の空燃比をリッチ化して流入する排気を所定の酸素不足状態にすると共に、経過時間の計測を開始する。このように、酸素不足の排気を三元触媒１３に流入させると、三元触媒１３に吸着されていた酸素が酸化反応で使用されて酸素ストレージ量が減少することになる。
【００２５】
ステップ２３では、上記リッチ化制御後の酸素ストレージ量の減少量が、所定量ΔＯｓ３となったか否かを判定する。減少量が所定量ΔＯｓ３となった場合にはステップ２４に進み、そうでない場合には上記リッチ化制御を継続する。
ステップ２４では、前記所定量ΔＯｓ３を、上記リッチ化制御開始からの経過時間で除算して酸素ストレージ量の減少速度を算出する。
【００２６】
なお、酸素ストレージ量を最大酸素ストレージ量とした後に上記リッチ化制御を行って、酸素ストレージ量が０になるまでの時間を計測し、この計測時間で最大酸素ストレージ量を除算して酸素ストレージ量の増加速度を算出するようにしてもよい。
そして、最大酸素ストレージ量、酸素ストレージ量の増加速度（酸素吸着速度）及び減少速度（酸素放出速度）に基づいて、以下のようにして目標酸素ストレージ量ＯＳＣを設定する。
【００２７】
まず、酸素ストレージ量の増加速度と減少速度とが等しい場合には、図５に示すように、目標酸素ストレージ量を最大酸素ストレージ量の１／２とする。この場合、三元触媒１２における酸化反応速度と還元反応速度とが等しいと考えられる。
次に、酸素ストレージ量の増加速度の方が減少速度よりも高い場合には、図６に示すように、目標酸素ストレージ量を最大酸素ストレージ量の１／２よりも大きな値に設定する。この場合、三元触媒１３において、還元反応が酸化反応に勝っている（還元反応の方が酸化反応よりも速い）と考えられることから、目標酸素ストレージ量を比較的大きく設定し、相対的に酸化反応を促進させるようにする。これにより、三元触媒１３における酸化反応と還元反応とをバランスさせることができる。なお、この場合、増加速度が高いほど（減少速度との差が大きいほど）目標酸素ストレージ量が大きく設定されることになる。
【００２８】
一方、酸素ストレージ量の増加速度の方が減少速度よりも低いときは、図７に示すように、目標酸素ストレージ量を最大酸素ストレージ量の１／２よりも小さな値に設定する。この場合、三元触媒１３において、酸化反応が還元反応に勝っている（酸化反応の方が還元反応よりも速い）と考えられることから、目標酸素ストレージ量を比較的小さく設定し、相対的に還元反応を促進させるようにする。これにより、三元触媒１３における酸化反応と還元反応とをバランスさせることができる。なお、この場合、減少速度が高いほど（増加速度との差が大きいほど）目標酸素ストレージ量が小さく設定されることになる。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、三元触媒１３の最大酸素ストレージ量を算出・更新すると共に、三元触媒１３の酸素ストレージ量の増加速度、減少速度についても考慮して目標酸素ストレージ量を設定することにより、三元触媒１３の劣化状態や機関の運転状態にかかわらず、三元触媒１３における酸化反応と還元反応とをバランスさせることができ、高い転換効率を確保できる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、最大酸素ストレージ量、酸素ストレージ量の増加速度及び減少速度とに基づいて目標酸素ストレージ量を設定（更新）するものについて説明しているが、最大酸素ストレージ量を算出等することなく、酸素ストレージ量の増加速度及び減少速度（のみ）を算出し、この増加速度と減少速度とが等しくなるように目標酸素ストレージ量をフィードバック制御する構成としてもよい。この場合は、酸素ストレージ量の増加速度が減少速度よりも高いときは、現在設定されている目標酸素ストレージ量を大きくするように補正し、減少速度が増加速度よりも高いときは、現在設定されている目標酸素ストレージ量を小さくするように補正することになる。
【００３１】
また、酸素ストレージ量の増加速度と減少速度との双方を算出しているが、これらが等しいときを基準速度としてあらかじめ記憶しておき、この基準速度と酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度のいずれか一方とを比較するようにしてもよい。この場合、最大酸素ストレージ量と、酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度のいずれか一方とを算出すれば、上記実施形態と同様に目標酸素ストレージ量を設定することができるし、算出した酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度が、前記基準速度となるように目標酸素ストレージ量をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００３２】
また、酸素ストレージ量、最大酸素ストレージ量、酸素ストレージ量の増加速度及び減少速度の算出は、上記した方法に限定されるものではなく、他の方法によるものであってもよい。
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置
において、現在の酸素ストレージ量から酸素ストレージ量を所定量変化させると共に、この変化に要した時間を計測し、前記所定量及び計測時間から酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度を算出することを特徴とする。
【００３３】
このようにすれば、酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度を容易に算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンのシステム構成を示す図。
【図２】最大酸素ストレージ量の算出を示すフローチャート。
【図３】酸素ストレージ量の増加速度（酸素吸着速度）の算出を示すフローチャート。
【図４】酸素ストレージ量の減少速度（酸素放出速度）の算出を示すフローチャート。
【図５】酸素ストレージ量の増加速度と減少速度とが等しい場合の目標酸素ストレージ量を示す図。
【図６】酸素ストレージ量の増加速度の方が減少速度よりも高い場合の目標酸素ストレージ量を示す図。
【図７】酸素ストレージ量の減少速度の方が増加速度よりも高い場合の目標酸素ストレージ量を示す図。
【符号の説明】
１…エンジン、３…エアフローメータ、６…燃料噴射弁、１２…排気通路、１３…三元触媒、１５…Ａ／Ｆセンサ、１６…Ｏ_２センサ、２０…コントロールユニット

Claims

機関の排気通路に配設され、酸素ストレージ能力を有する触媒と、
前記触媒の酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量となるように空燃比を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記触媒における酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度の少なくとも一方に基づいて前記目標酸素ストレージ量を設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
機関の排気通路の配設され、酸素ストレージ能力を有する触媒と、
前記触媒の酸素ストレージ量と最大酸素ストレージ量とを算出する酸素ストレージ量算出手段と、
前記触媒における酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度の少なくとも一方を算出する酸素ストレージ速度算出手段と、
前記最大酸素ストレージ量と、前記酸素ストレージ量の増加速度又は減少速度の少なくとも一方と、に基づいて前記触媒の目標酸素ストレージ量を設定する目標酸素ストレージ量設定手段と、
前記触媒の酸素ストレージ量が前記目標酸素ストレージ量となるように空燃比を制御する空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記酸素ストレージ量の増加速度が低いほど又は減少速度が高いほど、前記目標酸素ストレージ量を小さく設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。