JPH11223143A

JPH11223143A - 内燃機関の排気浄化方法

Info

Publication number: JPH11223143A
Application number: JP10024573A
Authority: JP
Inventors: Koji Yokota; 幸治横田; Katsunori Yamada; 勝則山田; Giichi Murakami; 義一村上
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素センサからの信号に頼ることなく排気中の
酸化成分と被酸化成分との比率を理論比に精度高く制御
でき、また天然ガスなどを燃料としても、有害成分を効
率良く除去することができるようにする。【解決手段】触媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化
成分の比率を変化させたときの触媒温度の変化を測定
し、触媒温度が極大値となるときの排気中の酸化成分と
被酸化成分の比率の値に応じて空燃比を制御する。有害
成分を触媒上で最も効果的に除去できている空燃比にお
いて触媒出口温度が極大値となるので、酸素センサなど
を用いずとも精度高い空燃比制御が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気浄化用触媒を
備えた内燃機関の排気中の有害成分を効率良く浄化する
ために、触媒に流入する排気の雰囲気を制御する排気浄
化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のエンジンから排出される排気中
には、一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、窒素酸化物
（NO_x）などの有害成分が含まれ、そのまま排出したの
では環境汚染となる。そのため、これらの有害成分を酸
化又は還元して浄化するために、排気通路には酸化触
媒、三元触媒などの排気浄化用触媒が配置されている。

【０００３】ところで三元触媒を有効に機能させるため
には、エンジンに供給される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ＝
Air/Fuel）を制御する必要がある。なぜならば三元触媒
で排気中の有害成分であるCO、HC及びNO_xを相殺できる
空燃比範囲は、ガソリンエンジンの場合を図７に示すよ
うに、理論空燃比近傍のごく狭い範囲に限られているか
らである。そのため、排気浄化用触媒より上流側の排気
流路に酸素センサを配置し、酸素センサからの信号に基
づいてエンジンに供給される燃料量あるいは空気量を増
減することで、エンジンに供給される混合気の空燃比を
フィードバック制御している。

【０００４】すなわち、酸素センサからの信号が判定電
位より低い場合には、酸化成分と被酸化成分の比率は酸
化成分が過剰のリーン状態であり、判定電位より高い場
合には酸化成分と被酸化成分の比率は被酸化成分が過剰
のリッチ状態にあると判定される。したがって従来の空
燃比制御方法では、図６に示すように、先ずリーン状態
から徐々に燃料供給量を増大させる。すると酸素センサ
の電位が徐々に上昇するので、電位が判定電位となった
時点で燃料供給量を所定値まで急激に低下させ、その後
燃料供給量を徐々に低減させる。これにより酸素センサ
の電位は山状の円弧カーブを描き、極大値をとった後徐
々に低下する。そして判定電位となった時点で燃料供給
量を所定値まで急激に増大させ、その後は徐々に燃料供
給量を増大させる。

【０００５】このような制御を行うことにより、エンジ
ンに供給される混合気の空燃比をほぼ理論空燃比に制御
できるため、触媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化
成分の比率を平均すればほぼ１対１の理論比に制御で
き、触媒において有害成分を効率良く除去することがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した制御方法にお
いては、酸素センサにより排気中の酸化成分と被酸化成
分の比率を検出しているが、これは酸素濃度の急変点に
おいて酸素センサの出力電圧又は電気抵抗値が対応して
変化する現象を利用している。この酸素濃度急変点は酸
化成分と被酸化成分とが１対１の理論比に相当する。

【０００７】したがって従来の排気浄化方法において
は、酸素センサの出力信号により現在の排気中の酸化成
分と被酸化成分の比率を検出することで、エンジンに供
給されている混合気の空燃比が酸素不足（リッチ）であ
るか酸素過剰（リーン）であるかを判定し、その判定結
果に従って内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御
することで触媒より上流側の排気中の酸化成分と被酸化
成分との比率を制御するフィードバック制御を行ってい
る。

【０００８】ところが現実の酸素センサは、必ずしも酸
化成分と被酸化成分とが１対１の理論比で信号が急変す
るとは限らず、信号の信頼性が充分に高くないという問
題がある。このように酸素センサの信号が現実の値から
ずれる原因としては、静特性と動特性の二つの原因があ
る。＜静特性によるずれ＞酸素センサの信号は、例えば水素
を多く含むなど排気の組成により信号急変点がシフトす
ることが知られている。したがって代替燃料を用いたり
エンジンの運転条件が大きく変化した場合には、排気組
成が大幅に変化するため信号急変点が理論空燃比である
という保証がない。

【０００９】また酸素センサとしては、ジルコニアを用
いた酸素濃淡電池を利用したものが一般的である。この
酸素センサの起電力は温度に大きく依存し、温度が高く
なるほど起電力が低下する。したがって温度補正を行わ
ない制御システムでは、温度変化によるずれが生じる。
さらに酸素センサ自体に経時変化があることがわかって
おり、使用中に信号急変点がずれる場合がある。

【００１０】＜動特性によるずれ＞実際に酸素センサ周
囲の雰囲気が切り替わってから、酸素センサが信号を出
力するまでに僅かな遅れが生じる。またこの遅延時間
は、リッチ雰囲気からリーン雰囲気に切り替わる場合と
その逆の場合とでは異なっていることも明らかとなっ
た。したがって酸素センサを各種変動条件下で使用する
場合においては、制御された排気の酸化成分と被酸化成
分との比率がどのようになるかを精度高く定めることは
困難である。

【００１１】さらに燃料として天然ガス（ＣＮＧ）など
を用いた場合には、CO、HC及びNO_xを最も効率良く浄化
できるのは、図８に示すように理論空燃比よりもやや酸
素不足のリッチ側となることが知られている。この理由
は、排気に含まれるメタンが触媒で浄化されにくいた
め、理論比では酸素が過剰となってNO_xが浄化されなく
なるためである。また排気中に残存する酸素によってメ
タンの酸化反応が抑制されるという現象があることもわ
かっている。しかしリッチ側にずらす程度は、触媒の性
能や温度、排気流量などの使用条件によって変化するた
め、上記した制御方法では最適に制御することが困難で
ある。

【００１２】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、酸素センサからの信号に頼ることなく排気
中の酸化成分と被酸化成分との比率を理論比に精度高く
制御でき、また天然ガスなどを燃料としても、有害成分
を効率良く除去することができるようにすることを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の内燃機関の排気浄化方法の特徴は、排気経路に配置
された排気浄化用触媒の内部及び触媒の排気出口側端部
の少なくとも一方の温度に関連した物理量を検出する温
度検出手段を備え、触媒に流入する排気中の酸化成分と
被酸化成分の比率を変化させて温度検出手段で検出され
た物理量の変化を測定し、物理量が極大値となるときの
触媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化成分の比率の
値に応じて触媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化成
分の比率を制御することにある。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明者らは、使用中の排気浄化
用触媒の温度と浄化効率との関係を鋭意研究した結果、
触媒が最も効果的に作動している状態において触媒の温
度が極大となる現象を見出した。本発明はこの発見に基
づいてなされたものである。排気浄化用触媒は、反応と
しては酸化還元反応を促進している。具体的には、酸化
性ガスであるO₂及びNO_xと、還元性ガスであるH₂、CO及
びHCとが互いに相殺することで、排気中の有害成分を除
去して排気を浄化する。

【００１５】相殺することを逆に考えると、触媒上で反
応が最も活発に進行している条件が触媒を最も有効に働
かせることとなる。酸素が関与する反応は発熱反応であ
り、有害成分を最も効率良く除去できる条件において触
媒内での発熱量が最も大きいことになる。そこでこの観
点から、触媒入りガス温度を一定として、混合気の空燃
比と触媒出口の温度との関係を調査した。その結果、図
９及び図10に示すように、ガソリン燃料の場合及び天然
ガス燃料の場合共に、有害成分を触媒上で最も効果的に
除去できている空燃比において触媒出口温度が極大値と
なることが明らかとなった。

【００１６】すなわち本発明の排気浄化方法では、排気
浄化用触媒の内部及び触媒の排気出口側端部の少なくと
も一方の温度に関連した物理量を指標としたところに最
大の特色を有する。この物理量としては通常は温度が用
いられるが、排気浄化用触媒の内部及び排気出口側端部
の少なくとも一方の温度に関連した物理量であれば、例
えばエンジンの吸入空気量、空間速度、車速、触媒入り
口温度、燃料供給量、二次空気量など他の指標を用いる
こともできる。物理量として温度を選んだ場合には、そ
の絶対値ではなく相対値が重要である。

【００１７】温度検出手段としては、熱電対、サーミス
タなどの温度センサが一般に用いられるが、触媒の内部
及び触媒の排気出口側端部の少なくとも一方の温度を間
接的に検出できるものを用いることもできる。触媒が使
用される温度範囲、すなわち０℃〜 950℃において２℃
未満の温度差を検出できることが望ましいが、最低でも
常用温度範囲である 300〜 400℃において３℃の温度差
を検出できるものが必要である。

【００１８】なお温度の絶対値を検出することは必ずし
も必要ではなく、相対値すなわち温度差を検出できれば
よいのであるから、温度検出手段自体の経時変化や温度
保証装置の経時変化などは障害とはならない。また直接
に温度を検出する場合の温度検出手段の配置位置は、触
媒の温度の極大値を検出できる位置すなわち触媒の内部
及び触媒の排気出口側端部の少なくとも一方である。

【００１９】そして本発明の排気浄化方法では、先ず触
媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化成分の比率を変
化させる。これは内燃機関に供給される混合気の空燃比
を変化させることで容易に行うことができる。そして温
度検出手段がそのときの触媒の内部及び触媒の排気出口
側端部の少なくとも一方の温度に関連した物理量を検出
する。この物理量は酸化成分と被酸化成分の比率の変化
に伴って変動し、リッチ→リーン→リッチ→リーンなど
と変化させた場合には必ず極大値をもつ。

【００２０】この極大値のときの排気中の酸化成分と被
酸化成分の比率の値に応じて、触媒に流入する排気中の
酸化成分と被酸化成分の比率が制御される。これは、内
燃機関に供給される混合気の空燃比を制御してもよい
し、触媒より上流側で排気中に燃料などの被酸化成分あ
るいは空気を添加してもよい。例えば内燃機関に流入す
る混合気の平均空燃比が一定となるように制御している
場合には、極大値をとるときの空燃比の値を制御値に増
減すればよい。

【００２１】この方法は、暖機が完了し、車速、負荷な
どがほぼ一定とみなせる時点で行うことが望ましい。ま
たこの方法は常に行う必要はなく、例えば3000km走行し
たら一度、あるいは３ケ月に一度などとして行うことも
できる。これにより酸素センサの劣化などによる不具合
が修正できる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。（実施例１）図１に本実施例の排気浄化方法を行う排気
浄化装置の構成を示す。この排気浄化装置は、エンジン
１に燃料を供給する燃料供給装置２と、エンジン１から
の排気流路に配置されたハニカム形状のモノリス触媒３
と、触媒３の上流側に配置された酸素センサ４と、触媒
３の出口側端面の温度を検出する温度センサ５と、燃料
供給装置２のエンジン１への燃料供給量を制御する空燃
比制御部６とより構成されている。

【００２３】空燃比制御部６は、図２に示すように信号
加工部60と燃料制御回路61とからなり、信号加工部60は
酸素センサ４の信号を加工して燃料制御回路61へ送り、
燃料制御回路61が燃料供給装置２のエンジン１への燃料
供給量を制御するものである。また信号加工部60は、平
均空燃比制御回路66、判定電位制御回路62、比較回路6
3、遅延時間制御回路64及び遅延回路65から構成されて
いる。

【００２４】平均空燃比を決定するパラメータとして
は、酸素センサ４に使用される判定電位、空燃比制御が
始まるまでの遅延時間、制御時にジャンプさせる空燃比
幅などであるが、本実施例では空燃比制御が始まるまで
の遅延時間を用いている。以下、空燃比制御部６による
通常時の制御の内容を説明する。酸素センサ４はジルコ
ニア固体電解質からなるものであり、その起電力は排気
雰囲気に対応して図３（１）に示すように 0.1Ｖから
0.9Ｖの間で変動する。そして起電力が低い場合は雰囲
気が酸素過剰のリーン側にあり、高い場合は被酸化成分
が過剰のリッチ側にあることを示す。

【００２５】排気雰囲気の状態を判定するには、通常
0.3〜 0.6Ｖの間で適当な判定電位Ｖ _sを予め設定す
る。この判定電位Ｖ_sは判定電位制御回路62で制御され
ている。そして比較回路63では、現実の酸素センサ４の
起電力と判定電位Ｖ_sとを比較し、図３（２）に示すよ
うに、酸素センサ４の起電力が判定電位Ｖ_sより低い場
合は排気雰囲気をリーン側、酸素センサ４の起電力が判
定電位Ｖ_sより高い場合は排気雰囲気をリッチ側と判定
する。しかし酸素センサ４の信号自体にノイズが含まれ
ている。したがって実用上は、遅延時間制御回路64で設
定された時間に基づいて、図３（３）に示すように、遅
延回路65が時間T₁及びT₂だけ遅らせて判定している。

【００２６】そして図３（３）の信号に基づいて、燃料
制御回路61が燃料供給装置２を制御し、図３（４）に示
すように燃料量が増減される。これにより平均空燃比を
一定にフィードバック制御され、排気中の酸化成分と被
酸化成分の比が最適となるため、触媒による浄化性能が
高度に発揮され排気中の有害物質を効率よく浄化するこ
とが可能となる。

【００２７】ここで酸素センサ４に劣化が生じ、起電力
が低い方へシフトしたと想定する。この場合には、起電
力が判定電位Ｖ_s以下から判定電位Ｖ_s以上となっても
現実の排気雰囲気はリーン側にあり、制御の精度が大幅
に低下する。そこで本実施例では温度センサ５を配置
し、以下のような制御を行っている。つまり本実施例で
は、酸素センサ４による制御に温度センサ５の信号によ
る補正を行う方式としている。すなわち、酸素センサ４
の制御パラメータに外乱を与え、それによる温度の変化
を基に最適な平均空燃比を決定しようとするものであ
る。

【００２８】冷却水温度などから暖機が完了し、60km/h
定常走行時において、予めプログラムされた図４（１）
に示す山状のパターンに従って平均空燃比を変動させ、
そのときの触媒出口温度を測定する。つまりリ−ン→リ
ッチの遅延時間T₁を 490ミリ秒から10ミリ秒まで連続的
に変化させ、同時にリッチ→リーンの遅延時間T₂を10ミ
リ秒から 490ミリ秒まで連続的に変化させ、合計が 500
ミリ秒となるようにする。リーン→リッチの遅延時間T₁
が 490ミリ秒のときに平均空燃比は最もリーン側であ
り、それから徐々にリッチ側となってリーン→リッチの
遅延時間T₁が10ミリ秒のときに平均空燃比は最もリッチ
側となる。その後リーン→リッチの遅延時間T₁を再び10
ミリ秒から 490ミリ秒まで連続的に変化させるととも
に、リッチ→リーンの遅延時間T₂を 490ミリ秒から10ミ
リ秒まで連続的に変化させる。

【００２９】このように平均空燃比を往復変化させると
同時に、温度センサ５により触媒出口温度を連続的に計
測する。その結果は図４（２）のようになり、触媒出口
温度には二つの極大値が現れる。その極大値となる二つ
の空燃比の平均値（ (a+b)/2））を算出する。ここで往
復測定して平均値をとったのは、温度センサ５の応答遅
れを相殺するためである。そして得られた平均値を平均
空燃比補正量とし、その補正量の分に相当する酸素セン
サ４の起電力分だけ判定電位Ｖs を増減させるように判
定電位制御回路62を制御する。平均空燃比補正量の演算
は、平均空燃比補正回路66で行う。

【００３０】なお、遅延時間T₁，T₂は30ミリ秒で一定と
し、判定電圧Ｖ_sを 0.2Ｖから0.75Ｖの間で連続的に往
復変化させても、触媒出口温度には同様の二つの極大値
が現れ、極大値となる二つの空燃比の平均値（ (a+b)/
2））は同じ値となった。つまり遅延時間及び判定電圧
は、それぞれ上記制御のパラメータとして同等に利用す
ることができる。

【００３１】上記制御を４気筒2000ccのガソリンエンジ
ン、４気筒2000ccのＬＰＧエンジン及び４気筒2000ccの
天然ガスエンジンにそれぞれ適用し、それぞれ2000 rpm
で運転したときのHC、CO及びNOx 浄化率を測定した。ま
た温度センサ５を用いず、酸素センサ４のみで制御した
場合についても同様に浄化率を測定し、これを従来例と
した。それぞれの結果を表１に示す。

【００３２】

【表１】表１より、いずれの燃料においても温度を含めた制御を
行うことで、従来例に比べてHCの浄化率が向上してい
る。また触媒の効果が得にくいＬＰＧ及び天然ガスを用
いても、HC浄化率の向上のみならずNO_x浄化率が大きく
向上していることがわかる。

【００３３】（実施例２）本実施例では、酸素センサを
用いない例について説明する。図５に本実施例の排気浄
化方法を行う排気浄化装置の構成を示す。この排気浄化
装置は、エンジン１に燃料を供給する燃料供給装置２
と、エンジン１からの排気流路に配置されたハニカム形
状のモノリス触媒３と、触媒３の出口側端面の温度を検
出する温度センサ５と、燃料供給装置２のエンジン１へ
の燃料供給量を制御する空燃比制御部６と、エンジン１
へ供給される空気量を検出する空気量センサ７とより構
成されている。

【００３４】この排気浄化装置では、空気量センサ７の
信号に基づいて、空燃比制御部６がエンジン１に供給す
べき燃料の量を演算し、その結果に基づいて燃料供給装
置２が燃料をエンジン１に供給する。供給すべき燃料量
Ｆは、供給される空気量Ｖに比例するので、Ｆ＝ａ・Ｖ
（ａ：定数）と表される。そして温度による補正係数を
ｋとすれば、Ｆ＝ｋ・ａ・Ｖとなる。

【００３５】エンジンの駆動条件は全てこの式に当ては
めることができるが、ガソリンエンジンでは、回転数に
同期して断続的に燃料を供給する方式が一般的であり、
この場合は、Ｆの値を１回転あたりの供給量に換算する
必要が生じる。このときの換算の誤差及び空気量センサ
７の信号の直線性を考慮すると、あるａの値のとき式の
成立するエンジン条件の範囲を限定でき、Ｆの精度をよ
り向上させることができる。例えばある回転数、スロッ
トル開度においてｋ_iとａ_iの値をマップとして保存し
ておくならば、任意のエンジン条件ｉにおいてＦ＝ｋ_i
・ａ_i・Ｖと表される。ここで、ａ_iは予め与えられる
値である。

【００３６】そしてほぼ定常運転とみなされる走行条件
において、Ｖ_iがほぼ一定とみなされる条件において、
ｋ_iの値を 0.9から 1.1まで往復変化させ、触媒に流入
する排気中の酸化成分と被酸化成分の比率を変化させ
て、実施例１と同様にして温度センサ５により触媒出口
温度を連続的に計測する。すると触媒出口温度には実施
例１と同様に極大値が現れ、その極大値となるときのｋ
値が得られる。

【００３７】これにより得られたｋ値を補正係数とする
ことで、所定の空気量Ｖにおける燃料量Ｆが精度高く算
出され、平均空燃比を排気中の有害成分を最小とする点
に保持することが可能となる。なお、空気量センサ７の
信号から真の空気量を求めるためには温度及び湿度によ
る補正が必要となるが、上記した最適な補正係数ｋを決
定する過程においてこの補正が必然的に含まれてしま
う。したがって通常の空燃比制御においては、温度セン
サ及び湿度センサの一方又は両方を不要とすることもで
きる。

【００３８】

【発明の効果】すなわち本発明の内燃機関の排気浄化方
法によれば、酸素センサからの信号に頼ることなく排気
中の酸化成分と被酸化成分との比率を理論比に精度高く
制御できる。また天然ガスなどを燃料としても、排気中
の酸化成分と被酸化成分との比率を理論比に精度高く制
御でき、有害成分を効率良く除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例で用いた排気浄化装置の構成
を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施例で用いた排気浄化装置の空燃
比制御部の構成を示すブロックダイヤグラムである。

【図３】本発明の一実施例で用いた排気浄化装置による
通常の空燃比制御の方法を示すタイムチャートである。

【図４】本発明の一実施例において平均空燃比を連続的
に変化させた場合の触媒出口温度の変化を示すグラフで
ある。

【図５】本発明の第２の実施例で用いた排気浄化装置の
構成を示す説明図である。

【図６】従来の空燃比制御方法を示すタイムチャートで
ある。

【図７】ガソリンエンジンにおける空燃比と浄化率との
関係を示すグラフである。

【図８】天然ガスエンジンにおける空燃比と浄化率との
関係を示すグラフである。

【図９】ガソリンエンジンにおける空燃比と触媒出口温
度との関係を示すグラフである。

【図10】天然ガスエンジンにおける空燃比と触媒出口温
度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１：エンジン２：燃料供給装置３：
排気浄化用触媒４：酸素センサ５：温度センサ６：
空燃比制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田勝則愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者村上義一東京都日野市日野台３丁目１番地１日野自動車工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気経路に配置された排気浄化用触媒の
内部及び該触媒の排気出口側端部の少なくとも一方の温
度に関連した物理量を検出する温度検出手段を備え、該
触媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化成分の比率を
変化させて該温度検出手段で検出された該物理量の変化
を測定し、該物理量が極大値となるときの該触媒に流入
する排気中の酸化成分と被酸化成分の比率の値に応じて
該触媒に流入する排気中の酸化成分と被酸化成分の比率
を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。