JPH0466716A - 内燃機関の触媒コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、内燃機関の触媒コンバータ装置に関し、特に
空燃比センサを排気浄化触媒の上流側及び下流側に備え
、これら２つの空燃比センサの検出値に基づいて空燃比
を高精度にフィードバック制御する装置に用いられる内
燃機関の触媒コンバータ装置に関する。

〈従来の技術〉 従来の一般的な内燃機関の空燃比制御装置としては例え
ば特開昭６０−２４０８４０号公報に示されるようなも
のがある。

このものの概要を説明すると、機関の吸入空気流量Ｑ及
び回転数Ｎを検出してシリンダに吸入される空気量に対
応する基本燃料供給量Ｔ、　　（＝Ｋ・Ｑ／Ｎ；　Ｋは
定数）を演算し、この基本燃料供給量Ｔ、を機関温度等
により補正したものを排気中酸素濃度の検出によって混
合気の空燃比を検出する空燃比センサ（酸素センサ）か
らの信号によって設定される空燃比フィードバック補正
係数（空燃比補正量）を用いてフィードバック補正を施
し、バッテリ電圧による補正等をも行って最終的に燃料
供給量Ｔ１を設定する。

そして、このようにして設定された燃料供給量Ｔ、に相
当するパルス巾の駆動パルス信号を所定タイミングで燃
料噴射弁に出力することにより、機関に所定量の燃料を
噴射供給するようにしている。

上記空燃比センサからの信号に基づく空燃比フィードバ
ック補正は空燃比を目標空燃比（理論空燃比）付近に制
御するように行われる。これは、排気系に介装され、排
気中のＣｏ、　ＨＣ（炭化水素）を酸化すると共にＮＯ
工を還元して浄化する排気浄化触媒（三元触媒）の転化
効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼時の排気状態で有効
に機能するように設定されているからである。

前記、空燃比センサの発生起電力（出力電圧）は理論空
燃比近傍で急変する特性を有しており、この出力電圧ｖ
０と理論空燃比相当の基準電圧（スライスレベル）ＳＬ
とを比較して混合気の空燃比か理論空燃比に対してリッ
チかリーンかを判定する。そして、例えば空燃比がリー
ン（リッチ）の場合には、前記基本燃料供給量ＴＰに乗
じるフィードバック補正係数αをリーン（リッチ）に転
じた初回に大きな比例定数Ｐを増大（減少）した後、所
定の積分定数Ｉずつ徐々に増大（減少）していき燃料供
給量Ｔ、を増量（減量）補正することで空燃比を理論空
燃比近傍に制御する。

ところで、上記のような通常の空燃比フィードバック制
御装置では１個の空燃比センサを応答性を高めるため、
できるたけ燃焼室に近い排気マニホールドの集合部分に
設けているか、この部分は排気温度が高いため空燃比セ
ンサか熱的影響や劣化により特性か変化し易く、また、
気筒毎の排気の混合か不十分であるため全気筒の平均的
な空燃比を検出しにくく空燃比の検出精度に難かあり、
引いては空燃比制御精度を悪くしていた。

この点に鑑み、排気浄化触媒（以下第１排気浄化触媒と
称する）の下流側にも空燃比センサを設け、２つの空燃
比センサの検出値を用いて空燃比をフィードバック制御
するものか提案されている（特開昭５８−４８７５６号
公報参照）。

即ち、下流側の空燃比センサ（以下第２空燃比センサと
称する）は燃焼室から離れているため応答性には難かあ
るか、第１排気浄化触媒の下流であるため、排気成分バ
ランスの影響（ＣＯ，ＨＣ。

Ｎ　Ｏｘ　、　　ＣＯ＊等）を受は難く、排気中の毒性
成分による被毒量が少ないため被毒による特性変化も受
けに（く、しかも排気の混合状態かよいため金気筒の平
均的な空燃比を検出できる等、上流側の空燃比センサ（
以下第１空燃比センサと称する）に比較して、高精度で
安定した検出性能か得られる。

そこで、２つの空燃比センサの検出値に基づいて前記同
様の演算によって夫々設定される２つの空燃比フィード
バック補正係数を組み合わせたり、或いは第１空燃比セ
ンサにより設定される空燃比フィードバック補正係数の
制御定数（比例分や積分分）、第１空燃比センサの出力
電圧の比較電圧や遅延時間を補正すること等によって上
流側空燃比センサの出力特性のばらつきを第２空燃比セ
ンサによって補償して高精度な空燃比フィードバック制
御を行うようにしている。

ところで、上記のような２つの空燃比センサの検出値を
用いて空燃比をフィードバック制御するものにあっては
、第２空燃比センサによるフィードバック制御に伴い、
空燃比か前記２つの空燃比センサ間に配設される第１排
気浄化触媒の酸素吸着能力限界まで振られることとなる
。

ここで、該第１排気浄化触媒の一酸化炭素（ＣＯ）、炭
化水素（ＨＣ）等の酸化効率、また窒素酸化物（ＮＯ，
）等の還元効率は前記空燃比の限界付近においては低下
するため、前述のように空燃比か限界付近まで振られた
場合は十分に排気中の未燃成分を浄化できずエミッショ
ンか増加するという惧れがある。

この点に鑑み、第２空燃比センサの下流側にも更に排気
浄化触媒（以下第２排気浄化触媒と称する）を設け、前
述のように空燃比が限界付近まで振られた場合にも、当
該第２排気浄化触媒において排気中の未燃成分を浄化し
、もって良好な排気エミッションが得られるようにした
ものがある。

近年、排気浄化触媒として、一体成形型のセラミック質
モノリス担体に、機関排気を浄化する貴金属等の触媒成
分を担持させたモノリス触媒が用いられている。ところ
で、モノリス触媒に担持されている三元触媒を用いて機
関排気を浄化する場合、機関の設定空燃比により浄化特
性か大きく変わる。即ち空燃比が薄いときには燃焼後も
酸素の量か多くなり酸化作用が活発になり、還元作用が
不活発になる。また、空燃比が濃いときにはこの逆に酸
化作用が不活発になり、還元作用か活発になる。

このため、従来は空燃比か変動しても、三元触媒の触媒
活性を十分維持しさらには触媒活性を高める目的で、酸
素ストレージ能力を有するセリア（Ｃｅ０２）が担持さ
れている。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、上記従来の２つの排気浄化触媒を排気通路に
設けるものにあっては、第１排気浄化触媒は機関本体に
近いため高温の排気が通過することになる。ここで前記
セリアは耐熱性能を向上させる作用も有しているため、
セラミック質モノリス担体を前記排気の高温から守るた
めに、第１排気浄化触媒には多めのセリアか担持されて
いる。

しかるに、第１排気浄化触媒か多めのセリアを担持して
いると、該第１排気浄化触媒の酸素吸着能力限界か大き
くなってくる。このため、第２空燃比センサのフィード
バック周期か長くなり、空燃比の理論空燃比からの最大
ずれ量か大きくなって転換効率の低い部分での使用割合
が増加し、エミッションも増加するという慣れがある。

一方、第１排気浄化触媒の容積を第２排気触媒に比較し
て小さくすると、第１排気浄化触媒に係る転換効率か低
下して、第２空燃比センサによる第１空燃比センサの出
力特性の補償か不可能となり、もって高精度な空燃比フ
ィードバック制御を行うことができなくなる。

そこで、本発明は以上のような従来の実情に鑑み、良好
なエミッションを確保しつつ、高精度な空燃比フィード
バック刺部を行える内燃機関の触媒コンバータ装置を提
供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 このため、本発明に係る内燃機関の触媒コンバータ装置
は、機関排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ備えら
れた排気浄化用の第１および第２触媒と、前記第１触媒
よりも上流側及び該第１触媒と前記第２触媒との間にそ
れぞれ配設され、空燃比によって変化する排気中特定気
体成分の濃度比に感応して出力値が変化する第１および
第２の空燃比センサと、を備えて、吸気系への燃料供給
量あるいは空気供給量を補正して空燃比を制御する内燃
機関の空燃比制御装置において、第１触媒に係る酸素ス
トレージ能力を第２触媒に係る酸素ストレージ能力に較
べて小さくする構成とした。

〈作用〉 酸素ストレージ能力か小さいと空燃比か大きく振れた場
合は触媒の転換効率は悪くなるが、第１および第２の空
燃比センサを備えて空燃比を制御する内燃機関の空燃比
制御装置にあっては、第１触媒に係る酸素ストレージ能
力を小さくすることにより、第１排気浄化触媒の酸素吸
着能力限界は小さくなる。このため、第２空燃比センサ
のフィードバック周期は短くなり、空燃比の理論空燃比
からの最大ずれ量も小さくなって触媒において転換効率
の高い部分での使用割合か増加し、エミッションも低下
する。

さらに第２触媒は酸素ストレージ能力か大きいので、空
燃比か振れた場合の排気中の未燃成分の浄化能力は十分
である。

従って、良好なエミッションを確保しつつ、高精度な空
燃比フィードバック制御を行うことか可能となる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

一実施例の構成を示す第１図において、機関１１の吸気
通路１２には吸入空気流量Ｑを検出するエアフローメー
タ１３及びアクセルペダルと連動して吸入空気流量Ｑを
制御する絞り弁１４が設けられ、下流のマニホールド部
分には気筒毎に燃料供給手段としての電磁式の燃料噴射
弁１５か設けられる。

燃料噴射弁１５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１６からの噴射パルス信号によって
開弁駆動し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレ
ッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を
噴射供給する。更に、機関１１の冷却ジャケット内の冷
却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１７か設けられる。

一方、排気通路１８にはマニホールド集合部に排気中酸
素濃度を検出することによって吸入混合気の空燃比を検
出する第１の空燃比センサ１９か設けられ、その下流側
の排気管に排気中のＣｏ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を
行って浄化する排気浄化触媒としての第１の三元触媒２
０が設けられ、更に該第１の三元触媒２０の下流側に第
１空燃比センサと同一の機能を持つ第２の空燃比センサ
２１が設けられ、更に該第２の空燃比センサ２Ｘの下流
側に第１の三元触媒２０と同一の機能を有すると共に、
前記第１の三元触媒２０より容積が若干小さい第２の三
元触媒２２が設けられている。

即ち、第１の三元触媒２０．第２の三元触媒２２等によ
り触媒コンバータ装置か構成されている。

また、第１図で図示しないディストリビュータには、ク
ランク角センサ２３が内蔵されており、該クランク角セ
ンサ２３から機関回転と同期して出力されるクランク単
位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準
角信号の周期を計測して機関回転数Ｎを検出する。

次に、コントロールユニット１６による空燃比制御ルー
チンを第２図のフローチャートに従って説明する。第２
図は燃料噴射量設定ルーチンを示し、このルーチンは所
定周期（例えば１０ｍ５）毎に行われる。

ステップ（図ではＳと記す）ｌでは、エアフローメータ
１３によって検出された吸入空気流量Ｑとクランク角セ
ンサ２４からの信号に基づいて算出した機関回転数Ｎと
に基づき、単位回転当たりの吸入空気量に相当する基本
燃料噴射量Ｔ、を次式によって演算する。

Ｔ　ｐ　＝　Ｋ　ｘ　Ｑ　／　Ｎ　　　（Ｋは定数）ス
テップ２では、水温センサ１７によって検出された冷却
水温度Ｔｗ等に基づいて各種補正係数Ｃ０ＥＦを設定す
る。

ステップ３では、別ルーチンにより設定されたフィード
バック補正係数αを読み込む。

即ち、第１及び第２の空燃比センサ１９．２１の検出値
に基づいて夫々設定される２つの空燃比フィードバック
補正係数を組み合わせたり、或いは第１空燃比センサ１
９により設定される空燃比フィードバック補正係数の制
御定数（比例分や積分分）を補正すること等によって第
１の空燃比センサ１９の出力特性のばらつきを第２の空
燃比センサ２２によって補償した値を読み込む。

ステップ４では、バッテリ電圧値に基づいて電圧補正分
子、を設定する。これは、バッテリ電圧変動による燃料
噴射弁１５の噴射流量変化を補正するためのものである
。

ステップ５では、最終的な燃料噴射量（燃料供給量）Ｔ
１を次式に従って演算する。

Ｔ＋　＝Ｔｐ　ｘＣＯＥＦｘａ＋Ｔｓ ステップ６では、演算された燃料噴射弁Ｔ１を出力用レ
ジスタにセットする。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量Ｔ１のパルス巾
をもつ駆動パルス信号か燃料噴射弁１５に与えられて燃
料噴射が行われる。

ここで、本発明に係る排気浄化用の第１および第２触媒
としての第１の三元触媒２０および第２の三元触媒２２
はモノリス型触媒であり、例えば第３図及び第４図に示
すようなものである。

即ち、耐熱合金等によって形成される円柱状の担体３１
には、その軸方向両端を直線的に連通ずるハニカム状の
処理気体通路３２か隔壁３２ａによって形成されている
。この担体３１の処理気体通路３２を形成する隔壁３２
ａの内周壁面には、後述する成分のウォッシュコート３
３が塗布されており、これによってモノリス型触媒３４
か構成されている。

ここで、本発明に係る第１実施例としてウォッシュコー
ト３３の成分を表１に示す。

即ち、第１触媒２０の酸素ストレージ能力を有する成分
であるセリアＣｅＯ□の含有量か、第２触媒２２におけ
るセリアＣｅＯ□の含有量に較べて、１／３となってい
る。

表１ 従って、第１触媒２０の酸素ストレージ能力は小さく、
第１触媒２０の酸素吸着能力限界及び前述の吸着てきな
い酸素量も小さ（なる。このため、本実施例に係る構成
によれば、第１の空燃比センサ１９及び第２の空燃比セ
ンサ２１を備えて空燃比を制御しているので、第２の空
燃比センサ２１のフィードバック周期は短くなり、第５
図（ｂ）に示す従来例に較べ第５図（ａ）に示すように
、空燃比が大きくふれることが防止される。

さらに第２触媒２２はセリアＣｅＯ２の含有量が多いの
で酸素ストレージ能力が大きく、空燃比か振れた場合も
排気中の未燃成分の浄化能力か十分あるので、第２触媒
２２出口のエミッションか十分低減できる（第５図参照
）。

従って、本実施例によれば、良好なエミッションを確保
しつつ、高精度な空燃比フィードバック制御を行うこと
か可能となる。

次に本発明に係る第２実施例について説明するが、第２
実施例に係る触媒コンバータ装置に係る排気浄化用の第
１および第２触媒としての第１の：元触媒２０および第
２の三元触媒２２は、第１実施例と同様であるので、構
成については説明を省略する。

第２実施例では、表２に示す成分のつオツシュコート３
３を塗布した。

表２ 本実施例においても、第１触媒２０のセリアＣｅＯ□の
含有量か第２触媒２２における含有量に較へて少なく、
さらに本実施例では触媒貴金属の熱劣化を補償する目的
でジルコニア（Ｚｒ０２）や酸化バリウム（Ｂａｄ）の
含有量を増やして、当該触媒貴金属の熱劣化を補償して
いる。

次に本発明に係る第３実施例について説明する。

第３実施例に係る排気浄化用触媒コンバータ装置３０は
、第６図に示すように、容器３３に第１の三元触媒３１
および第２の三元触媒３２が直列に設けられており、該
第１の三元触媒３１と第２の三元触媒３２との間の排気
通路３４に第２の空燃比センサ２１か設けられるもので
ある。

そして第３実施例では、表３に示す成分のウォッシュコ
ート３３を塗布した。

表３ 本実施例においても、第１触媒３１のセリアＣｅＯ２の
含有量が、第２触媒３２における含有量に較べて少なく
、さらに本実施例においてもジルコニア（ＺｒＯ２）や
酸化バリウム（Ｂａｄ）の含有量を増やして、触媒貴金
属の熱劣化を補償している。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、機関排気通路に
おいて上流側より、第１空燃比センサ。

排気浄化用第１触媒、第２空燃比センサ、排気浄化用第
２触媒の順で備えたものにおいて、第１触媒に係る酸素
ストレージ能力を第２触媒に係る酸素ストレージ能力に
較へて小さくしたので、第２空燃比センサのフィードバ
ック周期を短くでき、空燃比の理論空燃比からの最大ず
れ量を小さくすることかできると共に、第２触媒による
排気中の未燃成分浄化能力も十分確保することかできる
。

従って、良好なエミッションを確保しつつ、高精度な空
燃比フィードバック制御を行うことか可能となるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るシステム構成図、第２商
工実施例の燃料噴射量設定ルーチンを示すフローチャー
ト、第３図はモノリス型触媒の斜視図、第４図は第３図
の部分拡大図、第５図は本１１・・・機関　　１８・・
・排気通路　　１９・・・第１の空燃比センサ　　２０
・・・第１の三元触媒２０２１・・・第２の空燃比セン
サ　　２２・・・第２の三元触媒　　３Ｉ・・・担体　
　３２ａ・・・隔壁　　３３・・・ウォッシュコート特
許出願人　　日産自動車株式会社 代理人　弁理士　笹　島　　富二雄 １１・・・機関 １８・・・排気通路 １９・・・第１の空燃比センサ ２０・・・第１の三元触媒２゜ × ２３〈Ｒや 第２図 第１ 第５図 （ａ） 第２慰祥出口 （ｂ） 第２先媒巳口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　機関排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ備えられ
   た排気浄化用の第１および第２触媒と、前記第１触媒よ
   りも上流側及び該第１触媒と前記第２触媒との間にそれ
   ぞれ配設され、空燃比によって変化する排気中特定気体
   成分の濃度比に感応して出力値が変化する第１および第
   ２の空燃比センサと、を備える内燃機関の触媒コンバー
   タ装置において、 第１触媒に係る酸素ストレージ能力を第２触媒に係る酸
   素ストレージ能力に較べて小さくしたことを特徴とする
   内燃機関の触媒コンバータ装置。