JPH0786332B2

JPH0786332B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH0786332B2
Application number: JP62238957A
Authority: JP
Inventors: 伸平中庭; 晶内川
Original assignee: 株式会社ユニシアジェックス
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPS6483834A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、内燃機関の空燃比を制御する装置に関し、特
に窒素酸化物（NO_X）の低減を図った装置に関する。

〈従来の技術〉従来の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_P（＝Ｋ・Q/;Kは定数）を演算
し、この基本燃料供給量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
出する酸素センサからの信号によっ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Ti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Tiに相当
するパルス巾の駆動パルス信号を電磁式の燃料噴射弁に
所定タイミングで出力することにより機関に所定の量の
燃料を噴射供給するようにしている。

ところで、上記酸素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_X
を還元して浄化する三元触媒の転化効率（浄化効率）が
理論空燃比燃料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。

このため、前記酸素センサとしては例えば特開昭58−20
4365号公報等に示されるような周知のセンサ部構造を有
したものを用いている。

このものは、酸素イオン導電性を有したセラミック管の
排気と接触する外表面に排気中のCO,HCの酸化反応を促
進させる白金触媒層を積層してある。そして、理論空燃
比よりリッチな混合気で燃焼させたときに白金触媒層付
近に残存する低濃度のO₂をCO,HCと良好に反応させてO₂
濃度をゼロ近くにし、セラミック管内表面に接触させた
大気のO₂濃度との濃度比を大きくして、セラミック管内
外表面間に大きな起電力を発生させる。

一方、理論空燃比によりリーンな混合気で燃焼させたと
きには、排気中に高濃度のO₂と低濃度のCO,HCが存在す
るため、CO,HCとO₂とが反応してもまだO₂があまり、セ
ラミック管内外表面間のO₂濃度比は小さく殆ど電圧は発
生しない。

このように、酸素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V₀₂を基準電圧（スライスレベル）とを比較して混合
気の空燃比が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T_Pに乗じる空燃比フィード
バック補正係数LAMBDAを所定量ずつ徐々に増大（減少）
していき燃料供給量Ti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、前記三元触媒は総合的にみれば理論空燃比制
御時にCO,HC,NO_Xのいずれをも有効に低減できるのであ
るが、例えばNO_Xの場合、理論空燃比近傍での転化率の
変化が大きいため部品バラツキ等も考慮すると高い転化
率を安定して得ることは難しい。

また、本来NO_X中の酸素分は、排気中酸素濃度として検
出されるべきものであるが、前記酸素センサではこれを
捉えることができないため、真の理論空燃比よりリーン
側で起電力が反転する傾向があり、空燃比がリーン側に
制御されてしまうため、三元触媒におけるNO_X転化率の
低下を助長する結果となっている。

このため、いわゆるEGR（排気還流）制御を併用してNO_X
低減を図っているが、EGR装置搭載によるコストアップ
を招き、排気導入による燃料効率の低下に伴い燃費も大
きく低下する要因となっていた。

この点に鑑み、酸素センサに排気中のNO_Xの還元反応を
促進させるロジウムRh等を含むNO_X還元触媒層を設け、N
O_Xを還元させることでNO_X中の酸素を検出可能にした酸
素センサが提案されている。

これにより、酸素センサの起電力が真の理論空燃比で反
転するようになる。この真の理論空燃比とは、NO_X還元
能力のない酸素センサによる起電力反転時の理論空燃比
よりもNO_X中の酸素分だけリッチ側にシフトされる。し
たがって、かかる酸素センサを使用すれば、従来よりも
相対的にリッチ側にシフトされて（以下リッチシフト効
果という）真の理論空燃比近傍に空燃比が制御されると
共に、NO_Xの濃度に関わらず略一定の空燃比となるから
三元触媒におけるCO,HC及びNO_Xの転化率を十分高めてC
O,HC排出量を最も有効に低減でき、EGR装置の省略を可
能にする。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかしながら、上記のようにNO_X濃度の高い領域で真の
理論空燃比付近に制御した場合でも前記したようにこの
付近は三元触媒のNO_Xの転化率は急変する特性であり部
品バラツキ及び劣化により転化率が不安定であるため、
又、加速時には壁流による燃料ディレー（シリンダへの
燃料の到達遅れ）等で一時大きく空燃比がリーンとな
り、NO_X還元触媒付の酸素センサはベースのCOが最も少
ない時NO_X還元触媒による2CO＋2NO→N₂＋2CO₂の反応が
なくなり、リッチシフトできない。従ってNO_X量の多い
加速時で三元触媒のNO_X転化率向上点までもってこれず
安定したNO_X低減機能を得ることは難しかった。

本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、NO_X
発生状態に応じてNO_X還元触媒付酸素センサで制御され
る目標空燃比をずらす制御を行うことにより上記問題点
を解決した内燃機関の空燃比制御装置を提供することを
目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉このため本発明は第１図に示すように、排気通路に三元
触媒を備えた機関に供給される混合気の空燃比に対応す
る排気中酸素濃度を検出するものであって、NO_X（窒素
酸化物）還元触媒を含んだ酸素センサを設けると共に、
該酸素センサの出力値と目標空燃比相当の基準値とを比
較しつつ燃料供給量を増減制御して空燃比を目標空燃比
に近づけるように制御する空燃比フィードバック制御手
段を設けた内燃機関の空燃比制御装置において、排気中
のNO_X濃度が高い運転領域では、前記空燃比フィードバ
ック制御手段における燃料供給量増量方向のフィードバ
ック制御定数を燃料供給量減量方向のフィードバック制
御定数より大きな値に切り換えるフィードバック制御定
数設定手段を備えた構成とする。

〈作用〉かかる構成とすれば、排気中の酸素濃度が高い運転領域
ではフィードバック制御定数設定手段により燃料供給量
増量方向のフィードバック制御定数が燃料供給量減量方
向のフィードバック制御定数より大きな値に設定され、
これにより、空燃比が理論空燃比よりリッチ側にある時
間割合が増大するため実質的にリッチ化される。

このようにして、高NO_X濃度状態時は、空燃比を僅かに
リッチ側に制御するだけで三元触媒におけるNO_X転化率
を極限近くまで高めることができる。

一方、三元触媒における排気中のCO,HCの転化率は空燃
比が僅かにリッチ側に変化してもそれ程低下せず、CO,H
Cの排出量増大を抑制しつつNO_X排出量を大幅に低減でき
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。

第２図は本実施例に使用する酸素センサのセンサ部構造
を示す。

図において、酸素イオン導電性を有する固体電解質であ
る酸化ジルコニウム（ZrO₂）を主成分とする閉塞先端部
を有する基材としてのセラミック管１の内表面及び外表
面の一部に、それぞれ白金からなる内側電極２及び外側
電極３を形成してあり、更に、セラミック管１の外表面
には、白金を蒸着して白金触媒層４を形成してある。該
白金触媒層４は、排気中のCO,HCの酸化反応を促進させ
る酸化触媒層を構成する。

前記白金触媒層４の外表面に、酸化チタンTiO₂や酸化ラ
ンタンLa₂O₂等を担体とし、ロジウムRhやルテニウムRu
等の窒素酸化物NO_Xの還元反応を促進させる触媒の粒子
をこの担体に混在（例えば１％〜10％）させてNO_X還元
触媒層５（例えば膜厚0.1〜５μｍ）を形成してある。
そして、このNO_X還元触媒層５の外表面にマグネシウム
スピネル等の酸化金属を溶射して、前記白金触媒層４及
びNO_X還元触媒層５を保護する保護層６を形成してあ
る。

尚、前記ロジウムRhやルテニウムRuは、窒素酸化物NO_X
の還元触媒として一般に知られているものであり、その
担体として酸化チタンTiO₂や酸化ランタンLa₂O₂を用い
ることによりγ−アルミナ等を用いた場合に比べてNO_X
還元反応が極めて効率良く行われることが実験により確
かめられている。また、第２図に示す酸素センサでは、
NO_X還元触媒層５の外表面に保護層６を形成してある
が、白金触媒層４とNO_X還元触媒層５との間に保護層６
を設けるようにしても良い。

かかる構成によれば、排気中に含まれる窒素酸化物NO_X
がNO_X還元触媒層５に達すると、NO_X還元触媒層５はNO_X
と排気中の未燃成分であるCO,HCとの次式に示す反応を
促進させる。

NO_X＋CO→N₂＋CO₂ NO_X＋HC→N₂＋H₂O＋CO₂ この結果、NO_X還元触媒層５より内側にある白金触媒層
４に達したO₂と反応する未燃成分CO,HCが前記NO_X還元触
媒層５における反応によって減少しているため、その分
O₂濃度が増大することになる。

従って、大気と接触するセラミック管１内側のO₂濃度と
排気側のO₂濃度との濃度差が減少し、排気中のNO_X濃度
が低いときに比較してリッチ側で酸素センサの起電力が
スライスレベル以下に低下し、リーン検出がなされるこ
ととなる。

排気中のNO_X濃度が高いほどNO_Xと反応する未燃成分CO,H
Cの濃度は増大し、O₂との反応が減少するため、よりリ
ッチ側でリーン検出がなされる。

このため、この酸素センサの検出結果（吸入混合気のリ
ッチ・リーン判定）に基づいて空燃比フィードバック制
御を行うと、空燃比はNO_X中の酸素成分を加味して酸素
濃度を検出して得た真の理論空燃比に近い所に制御され
ることとなる。

尚、NO_X還元触媒層５は未燃成分CO,HCとO₂との反応を促
進する機能を併せもっているのであるが、これは、白金
触媒層４の機能を代用しているだけであるから、これに
よって排気側のO₂濃度が減少することにはならない。

次に上記したようにNO_X濃度に応じて特性が変化する酸
素センサを用いた本発明に係る内燃機関の空燃比制御装
置の一実施例を説明する。

第３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
と連動して吸入吸気流量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には気筒毎に電磁式の燃料噴
射弁15が設けらる。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が設け
られると共に、排気通路18内の排気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酸素センサ
19（センサ部構造は第２図参照）が設けられ、更に、下
流側の排気中のCO,HCの酸化とNO_Xの還元を行って浄化す
る三元触媒20が設けられる。また、図示しないディスト
リビュータには、クランク角センサ21が内蔵されてお
り、該クランク角センサ21から機関回転と同期して出力
されるクランク単位角度信号を一定時間カウントして、
又は、クランク基準角度信号の周期を計測して機関回転
数が検出される。

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４図に示したフローチャートに従って説明する。第
４図は、燃料噴射量演算ルーチンを示す。このルーチン
は所定周期（例えば10ms）毎に行われる。

ステップ（図ではＳと記す）１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21からの信号によって算出した機関回転数とに基づ
き、単位回転当たりの吸入空気流量Ｑに相当する基本燃
料噴射量T_Pを次式により算出する。

T_P＝Ｋ×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COEFを設定する。

ステップ３では、後述するフィードバック補正係数設定
ルーチンにより酸素センサ19からの信号に基づいて設定
されたフィードバック補正係数LAMBDAを読み込む。

ステップ４では、バッテリの電圧値に基づいて電圧補正
分Ts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Tiを次式に従って
演算する。

Ti＝T_P×COEF×LAMBDA＋Ts ステップ６では、演算された燃料噴射量Ti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Tiのパルス巾の
もつ駆動パルス信号が燃料噴射弁15に与えられて燃料噴
射が行われる。

次に本発明に係るフィードバック制御定数設定機能を有
したフィードバック補正係数LAMBDA設定ルーチンを第５
図に従って説明する。このルーチンは機関回転に同期し
て実行される。

ステップ11では、酸素センサ19からの信号電圧V₀₂を入
力する。

ステップ12では、現在の機関回転数Ｎと基本燃料噴射量
T_Pとの最新のデータに基づき、ROMに記憶されたマップ
からフィードバック制御定数を検索する。ここで、フィ
ードバック制御定数は燃料供給量増量補正用として、後
述するように、空燃比がリッチからリーンに反転した直
後に加算される比例定数P_Rと反転直後以外で加算される
積分定数I_Rとを有し、また燃料供給量減量補正用として
空燃比がリーンからリッチに反転した直後に減算される
比例定数P_Lと反転直後以外で減算される積分定数I_Lとの
計４種類有する。

そして、ステップ12図中に例えばハッチングで示される
排気中NO_X濃度が高い領域では燃料供給量増量補正用の
比例定数P_R及び積分定数I_Rが燃料供給量減量補正用の比
例定数P_L及び積分定数I_Lに対して夫々大きな値に設定さ
れ、それ以外のNO_X濃度が低い領域では比例定数P_R及び
積分定数I_Rと比例定数P_L及び積分定数I_Lとは夫々略等し
い値に設定されている。このステップ12の部分がフィー
ドバック制御定数設定手段に相当する。

尚、P_R,I_Rの値をNO_X濃度に応じて任意に設定してもよ
い。

次にステップ13へ進みステップ11で入力した信号電圧V
₀₂と目標空燃比（理論空燃比）相当の基準値SLとを比較
する。

そして、空燃比がリッチ（V₀₂＞SL）のときステップ14
へ進み、リーンからリッチへの反転時か否かを判定し、
反転時にはフィードバック補正係数LAMBDAをステップ12
で検索された比例定数P_L分減少させる。反転時以外は、
ステップ16へ進み、フィードバック補正係数LAMBDAを前
回値に対し、検索された積分定数I_L分減少させる。

また、ステップ13で空燃比がリーン（V₀₂＜SL）と判定
されたときはステップ17へ進んで同様にリッチからリー
ンへの反転時か否かを判定し、反転時はステップ18へ進
んでフィードバック補正係数LAMBDAを検索された比例定
数P_R分増大させ、反転時以外はステップ19へ進み前回値
に対して検索された積分定数I_R分増大させる。

こうして、フィードバック補正係数LAMBDAを所定の傾き
で増減させる。尚Ｉ_R,L＜＜Ｐ_R,Lである。

このようにすると、排気中のNO_X濃度が高い領域では比
例定数P_R及び積分定数I_Rが比例定数P_L,I_Lに対して大き
く設定されているため、フィードバック補正係数LAMBDA
は、第６図に示すように変化し、P_R≒P_L,I_R≒I_Lとした
場合の理論空燃比に対し、リッチ側にある時間割合が増
大する。つまり、空燃比の制御中心値がリッチ側にシフ
トされる。

このように、高NO_X濃度領域では空燃比がリッチ側に制
御されることにより、第７図の特性に示すように、三元
触媒におけるNO_X転化率が十分高い所で安定し、部品バ
ラツキや劣化又は加速初期に一瞬空燃比がリーン化する
場合であっても良好なNO_X低減機能を安定して確保でき
る。

また、空燃比のリッチシフト量は小さいため、NO_X転化
率の向上には十分寄与する一方、CO,HCの転化率は空燃
比変化に対し、NO_X程には変化しないため、転化率の低
下は十分小さくて済み、かつ、常時リッチ空燃比に制御
するわけではなく、NO_X濃度が高い領域に限って行うの
であり、しかも第８図に示すように高NO_X濃度領域は元
々CO,HC濃度は低いから、CO,HCの排出量の増大を十分抑
えることができる。

このように、NO_X濃度の高い領域ではNO_X排出量低減機能
を高め、CO,HC濃度の高い領域ではCO,HC排出量低減機能
を高めることができるので、全運転領域に亘ってCO,HC,
NO_Xをバランスよく低減でき、総合的な排気エミッショ
ン性能を大きく改善することができる。

さらに、燃費重視対策として常用運転域で点火時期を進
角側に制御することが知られているが、この場合、燃焼
温度の上昇によってNO_X量は増大するが上記本発明に係
る制御を行うことでNO_X低減を図れ、燃費改善に寄与で
きる。

また、サージ（車両前後振動）の発生し易い燃焼安定性
の悪い機関にあっては点火時期を進角することでサージ
を抑制できるが、この場合もNO_X量が増大していたのを
前記制御によってNO_X低減を図れるため、サージ抑制に
も寄与できる。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明によれば排気中のNO_X濃度
が高い状態のときは、酸素センサの出力値との比較によ
り設定される燃料供給量方向のフィードバック制御定数
を大きい値に設定する構成としたため、実質的にリッチ
側空燃比にフィードバック制御されることによりNO_X排
出量を可及的に低減でき、かつ、低NO_X濃度状態では真
の理論空燃比付近に制御されるため、CO,HCの排出量を
可及的に低減できるので、全運転領域に亘って総合的に
排気エミッション特性を改善できる。

しかもソフトウェア機能のみで上記効果が得られEGR装
置等も不要となるため、性能を損なうことなく大幅な低
コスト化を図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の一実施例に使用する酸素センサの要部断面図、第３
図は同上実施例のシステム図、第４図は同じく燃料噴射
量制御ルーチンを示すフローチャート、第５図は同じく
フィードバック補正係数設定ルーチンを示すフローチャ
ート、第６図は同上実施例での制御時のフィードバック
補正係数と酸素センサ出力電圧の変化を示すタイムチャ
ート、第７図は同上実施例で使用する三元触媒の特性
図、第８図は同上実施例の各種排気成分の濃度特性図で
ある。 11……機関、15……燃料噴射弁、16……コントロールユ
ニット、18……排気通路、19……酸素センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に三元触媒を備えた機関に供給さ
れる混合気の空燃比に対応する排気中酸素濃度を検出す
るものであって、NO_X（窒素酸化物）還元触媒を含んだ
酸素センサを設けると共に、該酸素センサの出力値と目
標空燃比相当の基準値とを比較しつつ燃料供給量を増減
制御して空燃比を目標空燃比に近づけるように制御する
空燃比フィードバック制御手段を設けた内燃機関の空燃
比制御装置において、排気中のNO_X濃度が高い運転領域
では、前記空燃比フィードバック制御手段における燃料
供給量増量方向のフィードバック制御定数を燃料供給量
減量方向のフィードバック制御定数より大きな値に切り
換えるフィードバック制御定数設定手段を備えて構成し
たことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】前記酸素センサは、酸素イオン導電性を有
した固体電解質からなる基材の排気と接触する外表面に
機関排気中のCO,HC（炭化水素）の酸化反応を促進させ
る酸化触媒層と、同じく排気中のNO_Xの還元反応を促進
させるNO_X還元触媒層とが積層され、基材の排気と接触
する外表面と大気と接触する内表面との間に生じる起電
力を出力値として取り出す構成を有してなる特許請求の
範囲第１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】前記フィードバック制御定数設定手段は、
機関運転状態に基づいてNO_X濃度が高い運転領域を検出
して燃料供給量増量方向のフィードバック制御定数を燃
料供給量減量方向のフィードバック制御定数より大きな
値に切り換える手段である特許請求の範囲第１項又は第
２項記載の内燃機関の空燃比制御装置。