JP2023076990A - 空燃比制御装置及び空燃比制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、内燃機関の運転状態や排気浄化触媒の温度が変化した場合にも、高い浄化率を維持することができる空燃比制御装置及び空燃比制御システムを提供する。【解決手段】 空燃比制御装置１０は、エンジン５０に接続された排気浄化触媒５６を流れる排気ガスＧの上流側における空燃比をリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比調整部１１と、振動の周波数を段階的に変更して排気浄化触媒５６の下流側の排気ガスＧにおける空燃比である下流側空燃比または前記周波数の変化に対する前記下流側空燃比の変化を測定する探索部と、前記下流側空燃比または周波数Ｈの変化に対する下流側空燃比の変化を測定する探索部１２と、下流側空燃比の値または周波数Ｈに対する下流側空燃比の傾きｇが既定の閾値ｇ０に達したときの周波数Ｈを最適周波数Ｈ０として決定する周波数決定部１３と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、エンジンの空燃比制御技術に関する。

一般に、内燃機関に供給される燃料及び空気の混合気は、混合気中の酸素と燃料とが過不足なく反応する理論空燃比に維持するためにフィードバック制御がかけられる。
内燃機関の排気系に設置されるセンサで燃料リッチな状態が検知されると、エンジン制御装置（ＥＣＵ：Engine Control Unit）を介して混合気の空燃比が引き上げられる。反対に、燃料リーンな状態が検知されると燃料が足されて空燃比が引き下げられる。このように、排気ガス成分に基づくフィードバック制御により、空燃比は理論空燃比を跨いで所定の周波数で変動しながら理論空燃比におおよそ維持される。

ところで、従来から、空燃比を強制的に増減振動させることで排気浄化触媒（適宜、単に「触媒」という）の浄化率が向上することが知られている。この増減振動の周波数に対して触媒の浄化率が向上するメカニズムについては、酸素活性種の関与によるものと推測されている。また、空燃比の振動により反応成分を触媒に多く接触させることで触媒を昇温し、触媒の浄化率を向上させる技術も知られている。

特開昭５２－０８１４３８号公報

しかしながら、触媒コンバータの浄化率は、排気ガス量の変化など内燃機関の運転状態や排気浄化触媒の温度が変化した際に、浄化率が最高値から外れることがあるという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、簡易な構成で、内燃機関の運転状態や排気浄化触媒の温度が変化した場合にも、高い浄化率を維持することができる空燃比制御装置及び空燃比制御システムを提供することを目的とする。

本実施形態に係る空燃比制御装置は、エンジンに接続された排気浄化触媒を流れる排気ガスの上流側における空燃比をリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比調整部と、前記振動の周波数を段階的に変更して前記排気浄化触媒の下流側の前記排気ガスにおける空燃比である下流側空燃比または前記周波数の変化に対する前記下流側空燃比の変化を測定する探索部と、前記空燃比の値または前記周波数に対する前記下流側空燃比の傾きが既定の閾値に達したときの前記周波数を最適周波数として決定する周波数決定部と、を備えるものである。

本発明により、簡易な構成で、内燃機関の運転状態や排気浄化触媒の温度が変化した場合にも、高い浄化率を維持することができる空燃比制御装置及び空燃比制御システムが提供される。

本発明の第１実施形態に係る空燃比制御装置が適用された吸気ポート燃料噴射エンジンを示すブロック図。 検証実験で用いたモデルガスの組成分を示す図。 触媒の性能、温度及び体積速度を変化させて測定した周波数と触媒の浄化率との関係を示す実験グラフを示す図。 触媒の性能、温度及び体積速度を変化させて測定した周波数と触媒の浄化率との関係を示す実験グラフを示す図。 触媒の性能、温度及び体積速度を変化させて測定した周波数と触媒の浄化率との関係を示す実験グラフを示す図。 触媒の性能、温度及び体積速度を変化させて測定した周波数と触媒の浄化率との関係を示す実験グラフを示す図。 浄化率の極大値より高い高周波数領域における上流側及び下流側の空燃比センサの出力波形を示すグラフ。 図８は、浄化率の極大値より低い低周波数領域における上流側及び下流側の空燃比センサの出力波形を示すグラフ。 最適周波数を決定して浄化率を最適値に調整する手順について説明するフローチャート。 第２実施形態に係る空燃比制御装置の動作を説明するフローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
なお、実施形態において、エンジンから排出された排気ガスが正常に流れる向きを基準にして「上流」「下流」の用語を用いる。つまり、エンジンにより近い側が「上流側」、その反対側が「下流側」である。

（第１実施形態）
まず、図１のエンジン５０及びその周辺機器のブロック図を用いて、第１実施形態に係る空燃比制御装置（以下、単に「制御装置」という）１０について概説する。
第１実施形態に係る制御装置１０は、直列接続型ハイブリッドエンジンや定置型エンジンなど、エンジン運転領域の変化が比較的緩慢なエンジン５０に好適に適用される。
エンジン５０には、図１に示されるように、エアクリーナ５１を介して大気開放された吸気管５２が、吸気マニホールドを介して接続される。エンジン５０の燃料室に供給される空気は、この吸気管５２から導入される。

また、エンジン５０の排気ポートには、排気マニホールドを介して排気管５３が接続される。また、排気管５３の下流には、触媒コンバータ５４が接続される。
触媒コンバータ５４には、排気ガスＧ中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを除去する三元触媒などの排気浄化触媒（以下、単に「触媒」という）５６が収容されている。また、触媒コンバータ５４には、触媒５６の上流側及び下流側にそれぞれ空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）５７，５８が設けられる。触媒５６の上流側に設置された上側空燃比センサ５７は、エンジン５０で燃焼して排気され触媒５６に流入してくる排気ガスＧの空燃比を計測する。また、触媒５６の下流側に設置された下側空燃比センサ５８は、触媒５６で浄化されて触媒５６から流出してくる排気ガスＧの空燃比（以下、「下流側空燃比」という）を計測する。つまり、第１実施形態における排気系の浄化システムは、いわゆる２Ａ／Ｆセンサシステムで構成される。

また、エンジン５０には、エンジン制御装置（ＥＣＵ：Engine Control Unit）５９が接続される。ＥＣＵ５９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
ＥＣＵ５９は、ネットワーク６０でエンジン５０各所や触媒コンバータ５４に設けられるセンサ６１，５７，５８及びアクチュエータに接続されて、エンジン５０の動作を監視制御する。

また、ＥＣＵ５９には、第１実施形態に係る制御装置１０が設けられる。制御装置１０は、空燃比調整部１１、周波数決定１２及び探索部１３を備える。
空燃比調整部１１は、上述の２つの空燃比センサ５７，５８からＥＣＵ５９に送られてくる排気ガスＧの空燃比の情報に基づいて、エンジン５０内の混合気がリッチ（燃料リッチ）であるかリーン（燃料リーン）であるか判断する。そして、空燃比調整部１１は、空燃比が理論空燃比になるように、燃料の供給量を常時増減させて調整する。この調整により、吸気の空燃比の数値は、理論空燃比を跨いでリッチ及びリーン間を一定周期で変動する。この変動を以下、λ振動とよび、またこのλ振動の振動周波数を周波数Ｈとよぶ。なお、吸気の空燃比を振動させることで排気ガスＧの空燃比の数値も周波数Ｈでλ振動をする。

ここで、空燃比とほぼ同じ概念で、空燃比を理論空燃比で除算して規格化した物理量に空気過剰率λがある。このように規定される空気過剰率λは、空燃比が理論空燃比と一致したときに１となる。また、空気過剰率λが１より小さいときに空燃比はリッチな状態、空気過剰率λが１より大きいときに空燃比はリーンな状態となる。
以下では、制御装置１０の各構成部１１～１３は、空燃比の代わりに空燃比を規格化したこの空気過剰率λを監視制御するものとして説明する。

探索部１３は、空燃比調整部１１を介して上側空燃比センサ５７で取得される上側空気過剰率λ_ｆに基づいてこの上側空気過剰率λ_ｆのλ振動の周波数Ｈを変化させて最適周波数Ｈ_oを探索する。最適周波数Ｈoにおいて酸素活性種を最も効率良く利用できるため浄化率が極大になると推定されるためである。

ここで、図２～図６を用いて、環境条件を変更させながらλ振動の周波数Ｈ、触媒５６の浄化率及び下流側空燃比に基づく空気過剰率λの関係を調べた検証実験について説明する。
図２は、この検証実験で用いたモデルガスの組成分を示す表である。
この検証実験では、モデルガスの空気過剰率λをリッチ（λ＝０．９５）とリーン（λ＝１．０５）との間で振動させ、λ振動の周波数Ｈに対するＴＨＣ（全炭化水素）とＮＯｘの浄化率を調べた。図２の表では、空気過剰率λのλ振動に合わせてリッチのときでは燃料の未燃成分である一酸化炭素ＣＯの含有量が多く、リーンのときでは酸素Ｏ_２の含有率が高くなっていることが確認できる。

また、図３～図６は、触媒５６の性能、温度及び体積速度を変化させて測定した周波数Ｈと触媒５６の浄化率との関係を示す実験グラフである。
図３～図６のいずれも、横軸は対数表示した周波数Ｈ［Ｈｚ］、左縦軸は浄化率［％］、右縦軸は後に図７，８を用いて詳述する最小空気過剰率λ_{r_min}である。横軸は対数表示なため、目盛の０は１［Ｈｚ］、目盛の-１は１０^-1［Ｈｚ］を示している。また、図３～図６において、「■」及び細い実線で表されるグラフは全炭化水素の浄化率、「●」及び細い破線で表されるグラフはＮＯｘの浄化率を示す。また、「▲」，「△」は空気過剰率λの実測値であり、太い破線はこれらの空気過剰率λの実測値を直線でフィッティングしたものである。

また、図３は、触媒性能を高性能、供給する排気ガスＧの流量を触媒流量の３０×１０３倍である「低流量」、触媒５６の温度を４５０℃としたときの実験結果を表す。図４は図３の条件で温度を３５０℃に変更したときの実験結果を表す。図５は図３の条件で流量を約８倍の「高流量」に変更したときの実験結果を表す。図６は、図３の条件で触媒性能を低性能に変更したときの実験結果を表す。

このように環境条件を変えた図３～図６のいずれにおいても、最小空気過剰率λ_{r_min}は周波数Ｈの対数に対して直線的に変化し、浄化率が極大となる点で傾きｇが不連続に変化していることが分かる。
言い換えると、空気過剰率λの測定値が不連続に飛躍している周波数Ｈ付近で全炭化水素及びＮＯｘの両方の浄化率がほぼ極大値に達していることがわかる。つまり、空気過剰率λが最も１に近づいたときに触媒５６の浄化率がほぼ極大になっていることが確認できる。

ここで、図３～図６中の右縦軸の変数である最小空気過剰率λ_{r_min}について説明する。
図７は、浄化率の極大値より高い高周波数領域αにおける上流側及び下流側の空燃比センサ５７，５８の出力波形を示すグラフである。また、図８は、浄化率の極大値より低い低周波数領域βにおける上流側及び下流側の空燃比センサ５７，５８の出力波形を示すグラフである。
図７,８のグラフにおいて、横軸は時間［ｓ］、左縦軸は触媒５６の入口箇所のガス温度［℃］、右縦軸は空気過剰率λを表す。
グラフ中上側空燃比センサ５７が検出した空気過剰率λを上側空気過剰率λ_ｆとして細線で表している。また、下側空燃比センサ５８が検出した下流側空燃比に基づく空気過剰率λを下側空気過剰率λ_rとして太線で表している。

図７の高周波数領域αにおいては、下側空気過剰率λ_rの振動が上側空気過剰率λ_ｆと比較して大きく減衰していることが確認できる。この減衰は、触媒５６の酸素貯蔵機能（ＯＳＣ機能）がλ振動を吸収するためと考えられる。一方、図８の低周波数領域βにおいては、下側空気過剰率λ_rの振動が減衰していないことが確認できる。低周波数領域βにおいては触媒５６のＯＳＣ機能ではもはやλ振動を緩和できないためと考えられる。
この結果から、高周波数領域αにおいては、下側空気過剰率λ_rは周波数Ｈの影響が極めて小さく、したがって傾きｇの値は相対的に小さくなることが予想できる。また、低周波数領域βにおいては、下側空気過剰率λ_rは周波数Ｈが低下するほど小さくなり、したがって傾きｇの値は相対的に大きくなることが予想できる。

そこで、検証実験では、下側空気過剰率λ_rの振動の極小値である最小空気過剰率λ_{r_min}を図７,８のグラフから読み取り図３～図６のグラフにプロットしていき、上述の傾向を実際に確認した。
なお、低周波数領域βよりもさらに周波数Ｈを下げた場合、定常リッチと定常リーンとが繰り返される状態になり、再び最小空気過剰率λ_{r_min}は周波数Ｈの影響を受けなくなる。また、この領域における触媒５６の浄化率は低いことが確認されている。

この検証実験を踏まえ、探索部１３は、図３～図６で示される周波数Ｈを変化させて最小空気過剰率λ_{r_min}を次々に測定していく。そして、探索部１３は、高周波数領域αから低周波数領域βへ状態が転移して最小空気過剰率λ_{r_min}の値が不連続に急激に変化するときの周波数Ｈすなわち最適周波数Ｈ_oを探索する。
最適周波数Ｈ_oは、最小空気過剰率λ_{r_min}に代えて縦軸の最小空気過剰率λ_{r_min}の値の変化を横軸の周波数Ｈの変化で除算した傾きｇを用いて探索してもよい。つまり、下側空燃比センサ５８の出力値から次式（１）で計算される傾きｇを用いて探索してもよい。

ｇ＝Δλ_{r_min}／Δｌｏｇ（周波数Ｈ） （１）

なお、周波数Ｈを周波数そのものでなくその対数をとることで周波数Ｈに対する最小空気過剰率λ_{r_min}の傾向をより明確に検知することができる。
周波数決定１２は、傾きｇを急激に変化させる周波数Ｈを最適周波数Ｈ_oとして決定する。周波数決定１２が決定した最適周波数Ｈ_oを空燃比調整部１１が維持する。

なお、傾きｇではなく、上述のように最小空気過剰率λ_{r_min}自体の数値を監視し、最小空気過剰率λ_{r_min}の不連続変化から浄化率が極大となる周波数Ｈを推定してもよい。この場合、例えば周波数Ｈを下げていく場合において、予め設定した閾値Ω未満となったことを以て浄化率が極大となる周波数領域であると判断する。
また、傾きｇによる推定と、この最小空気過剰率λ_{r_min}自体による推定と、を組み合わせて最適周波数Ｈ_oを特定してもよい。これらを組み合わせて最適周波数Ｈ_oを決定することで、最適周波数Ｈ_oの精度を高めることができる。

なお、エンジン回転数と運転負荷との関係を示すマップなど、エンジン５０の運転状態を表すマップを各周波数ＨごとにＥＣＵ５９に保持させておくことが望ましい。そして、運転状態が異なるマップに移行したことをトリガーとして、探索部１３が最適周波数Ｈ_oの探索を開始することが望ましい。運転状態が大きく変更されたタイミングで探索をかけなおすことで、常時浄化率を最高値に維持することができる。また、マップごとに最適周波数Ｈ_oの妥当範囲をＥＣＵ５９に記憶させておいてもよい。異なるマップに移行した場合にそのマップについて記憶させておいた妥当範囲内で最適周波数Ｈ_oを探索することで、より短時間で浄化率を最高値にすることができる。

また、例えば１万時間または１万ｋｍなど、運転時間または走行距離が一定値を超えた際にも最適周波数Ｈ_oを探索して更新することが望ましい。このようなタイミングで補正することで、エンジン５０や触媒５６の劣化の進行による極大値の変化に合わせて最適周波数Ｈ_oを補正することができる。

次に、図９のフローチャートを用いて、最適周波数Ｈ_oを決定して浄化率を最適値に調整する手順について説明する（適宜図３～図８を参照）。なお、図９及び以下の説明において、各ステップを「Ｓ１１」などと表記する。
また、探索部１３は、周波数Ｈを横軸、最小空気過剰率λ_{r_min}を縦軸としたときの傾きｇを用いて探索する例で説明する。

まず、探索部１３は、図９に示されるように、下側空燃比センサ５８の出力値である下側空気過剰率λ_r及び上側空燃比センサ５７の出力値である上側空気過剰率λ_ｆをモニタする（Ｓ１１）。このとき、探索部１３は、空燃比調整部１１を介して上側空燃比センサ５７の出力する上側空気過剰率λ_ｆに基づいてλ振動を制御する。そして、探索部１３は、下側空気過剰率λ_rのλ振動の極小値である最小空気過剰率λ_{r_min}を抽出する。
次に、周波数Ｈを標準値１Ｈｚから対数目盛の所定目盛ずつ徐々に下げて、片対数グラフ上に最小空気過剰率λ_{r_min}をプロットしていく（Ｓ１２）。

グラフの傾きｇが閾値ｇ_０未満のうちは、周波数Ｈを引き下げていく（Ｓ１３においてＮＯ，Ｓ１２へ）。
そして、グラフの傾きｇが閾値ｇ_０を超えた場合（Ｓ１３においてＹＥＳ）、低周波数領域βに遷移したと判断して終了する（Ｓ１４，ＥＮＤ）。
周波数決定１２は、このときの周波数Ｈを最適周波数Ｈ_oとして決定する。また、空燃比調整部１１は、λ振動の周波数Ｈとするように調整する。

なお、閾値ｇ_０の値が大きすぎると高周波数領域αから低周波数領域βに遷移しても閾値ｇ_０ではその遷移を検知できなくなる。また、閾値ｇ_０の値が小さすぎると遷移をしていない段階で遷移があったと誤診断して不適切な周波数Ｈを誤検出してしまう。この閾値ｇ_０は、実験的に０．０１５～０．０２５程度とすることが望ましいと分かっている。閾値ｇ_０をこの範囲とすることで、精度よく最適周波数Ｈ_oを特定することができる。ただし、触媒５６の仕様やエンジン５０の仕様に応じて設計段階で決定される。

以上のように、第１実施形態に係る制御装置１０によれば、簡易な構成で、内燃機関の運転状態や触媒５６の温度が変化した場合にも、高い浄化率を維持することができる。

（第２実施形態）
図１０は第２実施形態に係る制御装置１０の動作を説明するフローチャートである。
第２実施形態では、図１０に示されるように、周波数決定１２が、傾きｇが閾値ｇ_０を超えた際のλ振動の周波数Ｈを微小割合増加または減少させて最適周波数Ｈ_oとする（Ｓ１５）。
ここで、微小割合とは、周波数Ｈの刻み幅の例えば１割など、２割以下の割合のことをいう。つまり、第２実施形態では、第１実施形態で決定した最適周波数Ｈ_oに微小割合だけ加減して補正して、改めて最適周波数Ｈ_oとする。

周波数Ｈの変化の刻み幅を小さくすると、その度にトルク変動が発生して乗車者の乗り心地を損なう。特にフライホイールが小さい場合、乗車者が体感するトルク変動は大きくなる。
そこで、第２実施形態では、周波数Ｈの刻みを大きくとり、探索部１３による探索によるトルク変動の回数を低減させる。そして、傾きｇが閾値ｇ_０を超えたことを検知したときには、既に最適周波数Ｈ_oを跨いだ先のより小さい周波数Ｈが検出されていると想定する。そして、周波数決定１２は、最適周波数Ｈ_oよりも小さいと考えられる検出された周波数Ｈに微小割合を加えた値を最適周波数Ｈ_oとする。
なお、低周波数領域βから周波数Ｈを段階的に上げていく場合には、閾値ｇ_０を超えたときの周波数Ｈから微小割合だけ減じて最適周波数Ｈ_oとする。

なお、第２実施形態では、探索部１３の動作手順に検出した周波数Ｈに微小割合だけ補正をして最適周波数Ｈ_oとすること以外は第１実施形態と同様であるため、重複する説明を省略する。図面においても同様に、重複する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

以上のように、第２実施形態に係る制御装置１０によれば、トルク変動が小さく乗車者に快適な乗り心地を提供することができる。

以上述べた各実施形態に係る制御装置１０によれば、簡易な構成で、エンジン５０の運転状態または排気浄化触媒５６の温度が変化した場合にも、高い浄化率を維持することができることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、エンジン運転領域の変化が比較的緩慢なエンジンに対してより好適であると説明したが、空燃比制御装置が適用されるエンジンは変化が緩慢なエンジンに限定されるものではない。

１０…制御装置、１１…空燃比調整部、１２…周波数決定、１３…探索部、５０…エンジン、５１…エアクリーナ、５２…吸気管、５３…排気管、５４…触媒コンバータ、５６…排気浄化触媒（触媒）、５７…上側空燃比センサ、５８…下側空燃比センサ、５９…ＥＣＵ、６０…ネットワーク、６１…センサ、Ｇ…排気ガス、Ｈ…周波数、Ｈ_o…最適周波数、ｇ…傾き、ｇ_０…閾値、Ω…閾値、α…高周波数領域、β…低周波数領域、λ…空気過剰率、λ_ｆ…上側空気過剰率、λ_r…下側空気過剰率、λ_{r_min}…最小空気過剰率。

Claims (6)

1. エンジンに接続された排気浄化触媒を流れる排気ガスの上流側における空燃比をリッチ側とリーン側とに振動させる空燃比調整部と、
   前記振動の周波数を段階的に変更して前記排気浄化触媒の下流側の前記排気ガスにおける空燃比である下流側空燃比または前記周波数の変化に対する前記下流側空燃比の変化を測定する探索部と、
   前記下流側空燃比の値または前記周波数に対する前記下流側空燃比の傾きが既定の閾値に達したときの前記周波数を最適周波数として決定する周波数決定部と、を備えることを特徴とする空燃比制御装置。
2. 前記傾きは、前記周波数の対数に対する前記空燃比の変化の割合である請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記閾値は、０．０１５～０．０２５の範囲である請求項２に記載の空燃比制御装置。
4. 前記周波数毎に内燃機関の回転数と運転負荷との関係を示すマップを備え、
   前記探索部は、異なる前記マップに移行した際に探索をやりなおす請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の空燃比制御装置。
5. 前記周波数決定部は、探索に用いた周波数幅の所定割合を前記最適周波数に加減算して前記最適周波数を補正する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空燃比制御装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の空燃比制御装置と、
   前記エンジンと、
   前記排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の上流側及び下流側に配置されて空燃比を検知する２以上の空燃比センサと、を備えることを特徴とする空燃比制御システム。
   

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