JP3003447B2

JP3003447B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3003447B2
Application number: JP5048211A
Authority: JP
Inventors: 太容吉野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 2000-01-31
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: JPH06257487A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関し、詳しくは、ＨＣの吸着能力を有し、ＨＣ存在下
でＮＯｘを還元する触媒を排気通路に備えた排気浄化装
置において、前記触媒のＮＯｘ還元性能を維持するため
の技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、理論空燃比よりも大幅にリーンな
空燃比域（例えば20〜22程度の空燃比）で燃焼させるリ
ーンバーン内燃機関が開発されており、かかるリーンバ
ーン内燃機関では、リーン空燃比域でＮＯｘを浄化させ
るためにリーンＮＯｘ触媒が使用されている。

【０００３】前記リーンＮＯｘ触媒は、ゼオライトを主
成分とするものであり、排気中のＨＣを一時的に吸着
し、このＨＣによりＮＯｘを還元するものであると推定
されている。従って、前記リーンＮＯｘ触媒におけるＮ
Ｏｘの浄化処理には、ＨＣの存在が不可欠であり、排気
中のＨＣ／ＮＯｘ比が低下すると、ＮＯｘ還元性能が低
下する。

【０００４】そこで、ＨＣ量の不足によってリーンＮＯ
ｘ触媒のＮＯｘ還元性能が低下するときに、排気中のＨ
Ｃ量を強制的に増大させて、ＮＯｘ還元性能を維持でき
るようにした排気浄化装置が提案されており、排気中の
ＨＣ量を強制的に増大させるための手段として以下のよ
うな手段Ａ〜Ｃを採用している。 (Ａ) ．燃料の噴射時期を遅らせることによって、壁流
となって燃焼室に流れ込む燃料量を多くして燃料の霧化
を抑制することにより、排気中のＨＣを増やす（特開平
３−２１７６４０号公報参照）。

【０００５】(Ｂ) ．冷却水温度を低くすることで燃焼
室の壁温を低下させ、これにより、燃料の霧化を抑制し
て排気中のＨＣを増やす（特開平３−２２９９１４号公
報参照）。 (Ｃ) ．キャニスタに吸着捕集された蒸発燃料、又は、
ブローバイガスを、リーンＮＯｘ触媒上流で排気中に添
加し、排気中のＨＣを増やす（特開平３−２４２４１５
号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
(Ａ) 〜 (Ｃ) に示す手段のうち、 (Ａ) の壁流量の増
大や (Ｂ) の燃焼室壁温の低下を実施した場合には、不
完全燃焼が増加して燃焼が不安定となり、運転性の悪化
をもたらす惧れがあった。また、 (Ｂ) の燃焼室壁温を
低下させる手段の場合は、ＨＣ不足が判断されてから、
冷却水温度を下げて実際に燃焼室壁温が低下するまでの
時間損失が大きく、この間のＮＯｘは充分に浄化されず
に排出されてしまい、ＮＯｘ還元性能を安定的に維持さ
せることが困難である。

【０００７】更に、 (Ｃ) のＨＣを排気中に添加する手
段では、未使用の燃料を排気中に添加するものであるか
ら、燃費の悪化をもたらすという問題があった。また、
リーンバーン内燃機関では、理論空燃比付近の出力空燃
比域とリーン空燃比域との間で目標空燃比の切り換えを
行なうときに、トルクの急激な変化により運転性を損な
うことがないように、空燃比を徐々に変化させることが
行なわれている。ところが、ＮＯｘの排出量は、図４に
示すように、前記目標空燃比の切り換え途中の空燃比域
（16〜18程度の空燃比）で最も多くなり、このときにＨ
Ｃ／ＮＯｘ比が小さくなってリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ
還元性能が低下するので、目標空燃比切り換えの際に多
量のＮＯｘが排出されるという問題があった。

【０００８】ここで、前述のような目標空燃比切り換え
の際に、ＮＯｘ量に対してＨＣ量が不足してＮＯｘ還元
性能が低下することを、前述のようなＨＣ量の増大手段
によって補償しようとしても、空燃比がＮＯｘ濃度がピ
ークとなる空燃比域に該当していることや排気中のＨＣ
濃度の低下を直接的に検出した結果に基づいてＨＣ量増
大手段を作動させたのでは、応答遅れが生じると共に、
多量に排出されるＮＯｘの還元に必要とするだけのＨＣ
量を確保できなくなる場合もあり、ＮＯｘ還元能力を安
定的に高く維持させることは困難であった。

【０００９】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元性能を維持させる
ためのＨＣ量の増大制御が、機関運転性を悪化させるこ
となく、また、未使用の燃料を用いることなく実現でき
るようにすると共に、リーンバーン内燃機関における目
標空燃比の切り換え時に、ＮＯｘ還元性能を安定的に維
持できるようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのため本発明にかかる
内燃機関の排気浄化装置は、図１に示すように構成され
る。図１において、空燃比切り換え手段は、機関吸入混
合気の目標空燃比を機関運転条件に応じて理論空燃比付
近の出力空燃比域と理論空燃比よりも大きなリーン空燃
比域とに切り換える手段であって、前記出力空燃比域と
リーン空燃比域との間で空燃比を徐々に変化させる。

【００１１】排気浄化触媒は、排気通路に介装されＨＣ
の吸着能力を有しＨＣ存在下でＮＯｘを還元する触媒で
ある。また、ＨＣ濃度増大手段は、排気浄化触媒上流側
の排気中ＨＣ濃度を増大せしめる手段である。そして、
ＨＣ濃度制御手段は、前記出力空燃比域と前記リーン空
燃比域との間での空燃比の切り換えが開始される直前の
所定期間において、ＨＣ濃度増大手段により排気中のＨ
Ｃ濃度を増大させる。

【００１２】ここで、前記ＨＣ濃度制御手段が、ＨＣ濃
度増大手段によるＨＣ濃度の増大を、機関の低回転・低
負荷時ほどより長い期間行なわせるよう構成すると良
い。

【００１３】また、前記ＨＣ濃度増大手段が、機関吸入
混合気の空燃比を強制的に目標空燃比よりもリッチ化さ
せることで、前記排気浄化触媒の上流側の排気中ＨＣ濃
度を増大せしめる構成とすることができ、かかる構成に
おいては、図２に示すように、ＨＣ濃度増大手段により
空燃比がリッチ化されるときに、該リッチ化に伴う発生
トルクの増大を抑制する方向に、発生トルクに関与する
空燃比以外の制御対象を制御する発生トルク制御手段を
設けることが好ましい。

【００１４】ここで、内燃機関が各気筒別に燃料を噴射
供給する燃料噴射手段を備えて構成される場合には、前
記ＨＣ濃度増大手段が、特定気筒に噴射供給される燃料
量を強制的に増大補正することで前記特定気筒の空燃比
のみをリッチ化させ、前記発生トルク制御手段が、前記
特定気筒での発生トルクを他気筒の発生トルクに一致さ
せるべく、前記特定気筒に対してのみ発生トルクを抑制
する制御を行なうよう構成することができる。

【００１５】また、前記ＨＣ濃度増大手段が全気筒の空
燃比を強制的にリッチ化させ、前記発生トルク制御手段
が前記目標空燃比相当の発生トルクに一致させるべく全
気筒に対して発生トルクを抑制する制御を行なうよう構
成することもできる。また、前記発生トルク制御手段
が、点火時期と排気還流量との少なくと一方を制御する
ことによって発生トルクの増大を抑制する構成とすると
良い。

【００１６】

【００１７】

【作用】かかる構成の排気浄化装置によると、出力空燃
比域とリーン空燃比域との間での空燃比の切換えが開始
される直前に、排気浄化触媒の上流側の排気中ＨＣ濃度
を増大させる処理がなされる。ここで、排気浄化触媒の
ＨＣ吸着能力によって前記ＨＣ濃度増大処理によって増
大したＨＣが一定期間吸着されるから、空燃比切り換え
途中でＮＯｘ濃度がピークとなる空燃比域を通過するこ
とがあっても、上記のようにして事前に吸着させておい
たＨＣによってＮＯｘの還元性能を維持することが可能
となる。

【００１８】ここで、機関の低回転・低負荷時にはＨＣ
の排出量が少ないから、空燃比切り換え直前にＨＣ量の
増大を図る場合には、低回転・低負荷時ほど長い期間Ｈ
Ｃ量増大処理を実行させるようにする。また、本発明で
は、排気浄化触媒上流側のＨＣ濃度を増大させる手段
を、機関吸入混合気の空燃比を強制的に所定期間だけ目
標空燃比よりもリッチ化させる手段とし、ＨＣ濃度増大
のために空燃比をリッチ化させたことによって出力の急
増が発生することを抑止すべく、空燃比以外の制御対象
を出力抑制方向に制御させる。

【００１９】前記空燃比のリッチ化は、全気筒ではなく
特定気筒のみ行なわせる構成とすることができ、この場
合には、気筒間での発生トルクのばらつきが生じないよ
うに、前記リッチ化させる特定気筒の発生トルクを他気
筒のレベルに一致させるようにする。また、前記空燃比
のリッチ化は、全気筒で行なっても良く、この場合に
は、基準の目標空燃比相当の発生トルクとなるように、
全気筒に対して発生トルクを抑制する制御を施す。

【００２０】前記空燃比のリッチ化に伴う出力増大を抑
制するには、点火時期の遅角補正や排気還流量の増大制
御を行なえば良い。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
のシステム構成を示す図３において、内燃機関１には、
エアクリーナ２，吸気ダクト３，スロットルチャンバ
４，吸気マニホールド５を介して空気が吸入される。

【００２２】前記吸気ダクト３には、機関の吸入空気流
量Ｑを検出するエアフローメータ６が介装されている。
前記スロットルチャンバ４には、吸入空気量を調整する
バタフライ式のスロットル弁７が介装されており、この
スロットル弁７には、その開度ＴＶＯを検出するポテン
ショメータ式のスロットルセンサ８が付設されている。

【００２３】また、前記スロットル弁７をバイパスして
機関に供給される補助空気量を制御するために、開度制
御されるアイドル制御バルブ９、エアコン信号に応じて
オン・オフ的に開閉するファーストアイドルコントロー
ルバルブ（ＦＩＣＤ）10、冷却水温度に応じて補助空気
量を調整するエアレギュレータ11が設けられている。一
方、前記吸気マニホールド５の各ブランチ部には、図示
しないフューエルタンクから圧送されプレッシャレギュ
レータにより所定圧力に調整された燃料を、間欠的に機
関１に噴射供給するための電磁式のインジェクタ12が設
けられており、このインジェクタ12の開弁時間を介して
燃料供給量、引いては、機関吸入混合気の空燃比を制御
できるようになっている。

【００２４】また、各気筒の燃焼室に臨ませて点火栓13
が設けられており、この点火栓13には、点火時期制御信
号に応じてイグニッションコイル14で発生した高電圧が
ディストリビュータ15を介して分配供給されるようにな
っている。前記ディストリビュータ15には、クランク角
センサ16が内蔵されており、該クランク角センサ16は、
所定クランク角毎に検出信号を出力する。尚、前記クラ
ンク角センサ16からの検出信号に基づいて機関回転速度
が算出される。

【００２５】機関１からの排気は、排気マニホールド1
7，排気ダクト18，リーンＮＯｘ触媒19（排気浄化触
媒），マフラー20を介して大気中に排出される。前記排
気ダクト18には、機関吸入混合気の空燃比と密接な関係
にある排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ21が介装
されている。また、リーンＮＯｘ触媒19の下流側には排
気温度を検出する排気温度センサ22が設けられている。

【００２６】前記リーンＮＯｘ触媒19は、遷移金属或い
は貴金属を担持せしめたゼオライトからなり、ＨＣの吸
着能力（ＨＣストレージ効果）を有すると共に、酸化雰
囲気中ＨＣ存在下でＮＯｘを還元する機能を有する触媒
である。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23は、前記各種センサの他、機関の冷却水温度
を検出する水温センサ24，機関のノッキング振動を検出
するノックセンサ25からの検出信号などを入力し、イン
ジェクタ12による燃料噴射量、点火栓13による点火時
期、更に、アイドル制御バルブ９で調整される補助空気
量などを制御する機能を有している。

【００２７】尚、図３において、26はキャニスタであ
り、図示しないフューエルタンク内の蒸発燃料を吸着捕
集すると共に、該吸着捕集した蒸発燃料を機関吸気系に
脱離供給する。前記コントロールユニット23は、機関吸
入混合気の目標空燃比を、前記各種センサに基づき検出
される運転条件に応じて、理論空燃比付近の出力空燃比
域と、理論空燃比よりも大きな燃焼安定限界付近のリー
ン空燃比域（空燃比20〜22程度）とに切り換え、該切り
換え設定される目標空燃比に応じて燃料噴射量を制御す
るようになっている。従って、本実施例の機関１は所謂
リーンバーン機関である。

【００２８】ここで、前記リーンＮＯｘ触媒は、前述の
ように、ＨＣの存在によってＮＯｘを還元処理するもの
であるから、ＨＣ量が不足するとＮＯｘの還元性能が低
下する。特に、前述のように出力空燃比域とリーン空燃
比域との間で空燃比を変化させるときには、図４に示す
ように、ＮＯｘ排出量がピークとなる空燃比域（空燃比
16〜18程度）を通過し、然も、このときにＨＣ／ＮＯｘ
比が小さくなって、リーンＮＯｘ触媒19におけるＮＯｘ
の還元処理が期待できなくなるので、空燃比の切り換え
を行なうときに多くのＮＯｘが大気中に排出される惧れ
がある。

【００２９】そこで、本実施例では、空燃比切り換え時
に以下のようにしてＨＣ量を確保して、ＮＯｘの還元性
能を維持できるようにしてある。図５のフローチャート
は、出力空燃比域（略理論空燃比）とリーン空燃比域と
の間における目標空燃比の切り換え制御を示すものであ
る。尚、本実施例において空燃比切り換え手段としての
機能は、前記図５のフローチャートに示すように、コン
トロールユニット23がソフトウェア的に備えている。ま
た、本実施例では機関１は直列４気筒機関とする。

【００３０】図５のフローチャートに示すルーチンは、
１サイクル毎に実行されるものであり、まず、機関負
荷，回転速度，冷却水温度等の情報を読み込む（Ｓ1
1）。前記機関負荷は、前記エアフローメータ６で検出
される吸入空気流量Ｑと、クランク角センサ16からの検
出信号に基づいて算出される機関回転速度Ｎｅとに基づ
いて別のルーチンで演算される基本燃料噴射量Ｔｐ（←
Ｋ×Ｑ／Ｎｅ）で代表させることができる。

【００３１】そして、前記機関負荷，回転速度の情報に
基づいて、現状の運転条件が予め設定されたリーン運転
領域に含まれるか否かを判別し、更に、冷却水温度の情
報に基づいてリーン運転可能な条件であるか否かを判別
することで、リーン運転が可能であるか否かを判別する
（Ｓ12）。ここで、リーン運転が可能であると判別され
た場合には、目標空燃比の設定切り換え状態を示すリー
ン判定フラグＦＬＥＡＮに１をセットし（Ｓ13）、リー
ン運転が不可能で出力空燃比域（理論空燃比）での燃焼
（ストイキ運転）を行なわせる必要があるときには、前
記リーン判定フラグＦＬＥＡＮに０をセットする（Ｓ1
4）。

【００３２】次いで、今回設定されたリーン判定フラグ
ＦＬＥＡＮと、本プログラム前回実行時に設定されたリ
ーン判定フラグＦＬＥＡＮ（＝ＦＬ−ＯＬＤ）とを比較
する（Ｓ15）。ここで、今回設定されたリーン判定フラ
グＦＬＥＡＮが前回値に対して異なるとき、換言すれ
ば、リーン空燃比域から出力空燃比域への切り換え、又
は、出力空燃比域からリーン空燃比域への切り換えが行
なわれたときには、リッチ化フラグＦＲＩＣＨに１をセ
ットする（Ｓ16）。

【００３３】前記リッチ化フラグＦＲＩＣＨは、実際に
空燃比の切り換えを行なう前の所定期間だけ、切り換え
前の空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼させる状態を示
すフラグである（図９参照）。一方、前記リーン判定フ
ラグＦＬＥＡＮが前回と同じ場合には、リッチ化フラグ
ＦＲＩＣＨの設定を行なわずに進む。

【００３４】そして、本プログラムの次回実行時におけ
るＳ15での判別のために、今回設定されたリーン判定フ
ラグＦＬＥＡＮを前回値ＦＬ−ＯＬＤにセットする（Ｓ
１７）。次いで、上記のリーン運転が可能であるか否か
の判定結果を受けて、実際の目標空燃比の設定を行なう
（Ｓ18）。

【００３５】前記Ｓ１８における目標空燃比設定の詳細
は、図６及び図７のフローチャートに示してある。尚、
本実施例において、ＨＣ濃度増大手段，ＨＣ濃度制御手
段，発生トルク制御手段としての機能は、前記図６及び
図７のフローチャートに示すように、コントロールユニ
ット２３がソフトウェア的に備えている。

【００３６】この図６及び図７のフローチャートにおい
て、まず、前記リッチ化フラグＦＲＩＣＨの判定を行な
う（Ｓ201)。そして、前記リッチ化フラグＦＲＩＣＨが
１であるときには、空燃比をリッチ化させる制御の初期
状態を判定するためのフラグＦＲ−ＯＬＤを判定する
（Ｓ202)。

【００３７】ここで、前記フラグＦＲ−ＯＬＤが０であ
ると判別され、リッチ化制御の初期状態であるときに
は、前記フラグＦＲ−ＯＬＤに１をセットした後（Ｓ20
3)、図８に示すように予め機関負荷と機関回転速度とに
より割り付けられたマップから、空燃比を実際に切り換
える前に空燃比を強制的にリッチ化させる期間ＴＲを読
み取る（Ｓ204)。そして、前記リッチ化期間ＴＲを計測
するためのタイマーｔ_Rを所定値Δｔだけカウントアッ
プさせ（Ｓ205)、リッチ化期間の計測をスタートさせ
る。

【００３８】即ち、出力空燃比域とリーン空燃比域との
間における空燃比の切り換えが設定されても、直ちに切
り換えを開始するのではなく、前記リッチ化期間ＴＲだ
け空燃比の切り換え開始を遅延させ、該遅延期間中に切
り換え前の空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼させるこ
とでＨＣを多く排出させて、前記遅延期間中にリーンＮ
Ｏｘ触媒19に対して可能範囲内の最大量のＨＣを吸着さ
せるようにする（図９参照）。

【００３９】前記リーンＮＯｘ触媒19では、その触媒の
担持量によって吸着可能なＨＣ総量ＭＯが決定されるの
で、運転条件及び空燃比設定から機関からのＨＣ排出量
を求め、更に、この値からＨＣ吸着量が前記吸着可能量
ＭＯになるまでの時間を求め、この時間を前記リッチ化
期間ＴＲとしてある。ＨＣの排出量は、高負荷・高回転
になるほど増加するので、前記リッチ化期間ＴＲは、機
関の高負荷・高回転ほど短い期間に、換言すれば、機関
の低負荷・低回転ほど長い期間となるように設定され
る。従って、前記リッチ化期間ＴＲだけ所定のリッチ化
処理を行なえば、リーンＮＯｘ触媒19に対して吸着可能
な最大量のＨＣが吸着されることが予測される。

【００４０】次に、機関負荷と機関回転速度とにより割
り付けられた通常運転時用の空燃比・点火時期のマップ
を、前記リーン判定フラグＦＬＥＡＮに基づいて参照
し、この参照値をそれぞれＭＫＭＲ，ＭＡＤＶにセット
する（Ｓ206)。前記通常運転時用の空燃比・点火時期マ
ップは、図10に示すように、出力空燃比域用（ストイキ
用）とリーン空燃比域用との２種類が予め用意されてお
り、前記リーン判定フラグＦＬＥＡＮに基づいていずれ
か一方のマップを選択し、そのときの機関負荷と回転と
から目標となるリーン空燃比と点火時期とを前記選択し
たマップから参照する。

【００４１】そして、前記参照値ＭＫＭＲ, ＭＡＤＶを
各気筒毎に割り当てられたＫＭＲ（ｉ），ＡＤＶ（ｉ）
（ｉ＝１〜４）に格納させる（Ｓ207)。ここで、リーン
判定フラグＦＬＥＡＮは前回に対して反転しており、本
来であれば、リーン判定フラグＦＬＥＡＮが１であれば
リーン空燃比域（リーン運転）用のマップを参照し、ま
た、リーン判定フラグＦＬＥＡＮが０であれば出力空燃
比域（ストイキ運転）用のマップを参照することにな
る。

【００４２】しかしながら、本実施例では前記リッチ化
期間ＴＲ中（フラグＦＲＩＣＨが１である間）は空燃比
の切り換えを遅延させ、リーン判定フラグＦＬＥＡＮが
反転してから前記リッチ化期間ＴＲが経過した後に初め
て空燃比の切り換えを行なう（図９参照）。従って、前
述のように、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが１であると判
定されるリッチ化期間ＴＲであるＳ206 では、リーン判
定フラグＦＬＥＡＮが０であるリーン空燃比域から出力
空燃比域への切り換え時には、切り換え前のリーン空燃
比域用のマップを参照し、また、リーン判定フラグＦＬ
ＥＡＮが１である出力空燃比域（理論空燃比）からリー
ン空燃比域への切り換え時には、切り換え前の出力空燃
比域用のマップを参照するものとする。

【００４３】上記では、全気筒の空燃比・点火時期とし
て、切り換え前の空燃比設定に対応する通常データを設
定させたが、次のＳ208 ，Ｓ209 では、特定気筒の空燃
比のみをリッチ化させるために、前記特定気筒の空燃比
・点火時期設定を書き換える処理が行なわれる。即ち、
出力空燃比域とリーン空燃比域との間での空燃比切り換
えが指示されると、特定気筒以外の気筒については単純
に実際の切り換え制御の開始を遅らせるが、特定気筒に
ついては、前記遅延期間内で強制的に多くのＨＣを排出
させるべく、少なくとも他気筒よりもリッチ化させるも
のである。

【００４４】コントロールユニット23には、予め前記特
定気筒をリッチ化させるための空燃比・点火時期マップ
として、図10（ｃ），（ｄ）に示すように、出力空燃比
域（ストイキ）からリーン空燃比域への切り換え時に用
いるマップと、逆方向への切り換え時に用いるマップと
が備えられており、例えば出力空燃比域からリーン空燃
比域への切り換え時のリッチ化期間においては、他気筒
については図10（ａ）のマップが用いられるが、特定気
筒については図10（ｃ）のマップが用いられる。

【００４５】ここで、図10（ａ）のマップと図10（ｃ）
のマップ、図10（ｂ）のマップと図10（ｄ）のマップを
それぞれに比較すると、同一の負荷・回転に対応するデ
ータＳ_ijとＳ' _ij 又はＬ_ijとＬ' _ij を用いて制御し
たときには同じ発生トルクが得られるようになってい
る。リッチ化期間ＴＲにおいては、特定気筒のみがリッ
チ化されることになるから、空燃比の設定のみを気筒間
で異ならせると、発生トルクが特定気筒で大きくなっ
て、気筒間における発生トルクがアンバランスとなって
しまう。そこで、空燃比としてはリッチ化されても、該
リッチ化に伴って他気筒よりも発生トルクが大きくなる
ことがないように、点火時期を補正したマップをリッチ
化用の空燃比・点火時期マップとして設定し（図11参
照）、リッチ化させる特定気筒の発生トルクとリッチ化
されない他気筒の発生トルクが等しくなるようにしてあ
る。

【００４６】即ち、図11に示すように、所定のリーン空
燃比で燃焼される他気筒に対し、特定気筒の空燃比を９
程度と大幅にリッチ化させると、該リッチ化に伴って前
記リッチ化気筒の発生トルクのみが増大してしまう。そ
こで、前記リッチ化による発生トルクの増大分を、点火
時期の遅角（リタード）設定によって相殺できるような
空燃比・点火時期のデータを予め実験によって求め、こ
れをリッチ化用マップとして設定する。そして、通常マ
ップを用いて制御される気筒での発生トルクと、リッチ
化用マップを用いて制御される気筒での発生トルクが、
同一負荷・回転条件で略等しくなるようにしてある。

【００４７】Ｓ208 では前述のようにして設定されてい
るリッチ化用空燃比・点火時期マップを空燃比の切り換
え方向に応じて参照し、機関負荷・回転に応じた空燃比
・点火時期の参照値をＫＭＲ（１），ＡＤＶ（１）にセ
ットする。尚、前記ＫＭＲ（１），ＡＤＶ（１）は、前
述のステップで通常運転用の制御値がセットされるが、
前記リッチ化用のマップの参照値に置き換えられる。

【００４８】尚、本実施例では、図９に示すように、出
力空燃比域で14〜16程度の空燃比に制御され、リーン空
燃比域では20〜22程度の空燃比に制御されるのに対し、
出力空燃比域からリーン空燃比域への切り換え時には、
特定気筒の空燃比を所定期間だけ10〜12程度に低下（リ
ッチ化）させてから実際の切り換えを開始させ、また、
リーン空燃比域から出力空燃比域への切り換え時には、
特定気筒の空燃比を所定期間だけ８〜10程度に低下（リ
ッチ化）させてから実際の切り換えを開始させるように
した。

【００４９】上記のようにして空燃比を切り換える直前
の所定期間ＴＲにおいて、切り換え前の目標空燃比（他
気筒の空燃比）に対して特定気筒の空燃比のみを発生ト
ルクを増大させることなくよりリッチ化させる空燃比・
点火時期を設定すると、次いで、前記特定気筒（１番気
筒）に対する設定空燃比・点火時期の前回値ＫＭＲ−Ｏ
ＬＤ（１），ＡＤＶ−ＯＬＤ（１）として、通常マップ
を参照したものではなく、前記リッチ化用マップを参照
したものをセットする（Ｓ209)。

【００５０】次に、タイマーｔ_Rによって計測される時
間に基づいて所定のリッチ化期間ＴＲが経過したか否か
を判別する（Ｓ210)。そして、リッチ化期間ＴＲが経過
していない場合には、そのままＳ214 以降の目標空燃比
の設定ステップに進むが、リッチ化期間ＴＲが経過した
ことが判別されると、前記フラグＦＲＩＣＨ，ＦＲ−Ｏ
ＬＤ及びタイマーｔ_Rをゼロリセットし（Ｓ211)、前記
リッチ化期間ＴＲだけ遅延させておいた空燃比の切り換
えを開始させるようにする。

【００５１】前記リッチ化フラグＦＲＩＣＨがゼロリッ
トされると、次回からは、リーン判定フラグＦＬＥＡＮ
に対応して、フラグＦＬＥＡＮが０であるときには出力
空燃比域用の通常マップ（図10（ａ））を参照し、ま
た、フラグＦＬＥＡＮが１であるときにはリーン空燃比
域用の通常マップ（図10（ｂ））を参照して、各気筒の
共通の空燃比・点火時期を設定する（Ｓ212 ，Ｓ213
）。

【００５２】Ｓ214 〜Ｓ222 は、出力空燃比域とリーン
空燃比域の間での空燃比切り換えを行なうときに、切り
換え前の空燃比から徐々に切り換え後の空燃比に変化さ
せて、空燃比の切り換えに伴う急激な出力変化が生じな
いように目標空燃比を設定するためのステップである。
まず、今回マップを参照して設定された空燃比ＫＭＲ
（ｉ）と前回の空燃比ＫＭＲ−ＯＬＤ（ｉ）とを比較
し、空燃比の増大設定がなされたか否かを判別する（Ｓ
214)。

【００５３】ここで、設定空燃比が増大変化していると
判別された場合には、前回値ＫＭＲ−ＯＬＤ（ｉ）に対
して所定のステップ量ΔＲＭＲを加算したデータと、今
回の設定空燃比ＫＭＲ（ｉ）とを比較し、小さい方のデ
ータを最終的な目標空燃比ＴＭＲ（ｉ）にセットする。
従って、出力空燃比域からリーン空燃比域に移行すると
きには、理論空燃比付近から最終的なリーン空燃比へ一
度に変化するのではなく、前記ステップ量ΔＲＭＲずつ
徐々に変化することになる。

【００５４】一方、マップを参照して求められる設定空
燃比が変化していないか又は減少変化している場合に
は、前回値ＫＭＲ−ＯＬＤ（ｉ）から所定のステップ量
ΔＬＭＲを減算したデータと、今回の設定空燃比ＫＭＲ
（ｉ）とを比較し、大きい方のデータを最終的な目標空
燃比ＴＭＲ（ｉ）にセットする。従って、リーン空燃比
域から出力空燃比域へ移行するときには、リーン空燃比
から理論空燃比付近へ一度に変化するのではなく、前記
ステップ量ΔＬＭＲずつ徐々に変化することになる。

【００５５】また、マップを参照して求められる設定空
燃比が変化していない場合、即ち、安定的な理論空燃比
或いはリーン空燃比運転状態、若しくは、前記リッチ化
期間ＴＲにおいては、マップ参照値がそのまま目標空燃
比ＴＭＲ（ｉ）として設定されることになる。Ｓ217 〜
Ｓ219 では、前記目標空燃比ＴＭＲ（ｉ）の設定と同様
にして、点火時期ＴＡＤＶ（ｉ）を徐々に変化させる処
理を行なう。

【００５６】上記の目標空燃比ＴＭＲ（ｉ）及びＴＡＤ
Ｖ（ｉ）は、各気筒別に行なわれるようになっており、
Ｓ214 〜Ｓ219 の一連の処理が一旦終了すると、気筒数
カウンタｉ（初期値＝１）を１アップさせる。そして、
このカウンタｉが４を超えるようになるまで、換言すれ
ば、全気筒について目標空燃比ＴＭＲ（ｉ）及びＴＡＤ
Ｖ（ｉ）の設定が終了するまでは、Ｓ214 〜Ｓ219 の処
理を繰り返す。

【００５７】目標空燃比ＴＭＲ（ｉ）及びＴＡＤＶ
（ｉ）の設定が全気筒について終了すると、前記カウン
タｉを初期値である０にリセットした後（Ｓ222)、前記
目標空燃比ＴＭＲ（ｉ）及びＴＡＤＶ（ｉ）を図示しな
い空燃比・点火時期制御ルーチンへ渡し、前記目標空燃
比ＴＭＲ（ｉ）に対応する噴射量制御及びＴＡＤＶ
（ｉ）に対応する点火時期制御が行なわれる。

【００５８】上記図６及び図７のフローチャートに示し
た制御を概略的に述べると、出力空燃比域（ストイキ運
転）とリーン空燃比域（リーン運転）との間で切り換え
を行なうときに、切り換えを所定期間ＴＲだけ延期し、
かかる切り換え延期期間において特定気筒の空燃比のみ
をリッチ化させる。かかる空燃比リッチ化に当たって
は、リッチ化に伴う発生トルクの増大を抑制すべく点火
時期を他気筒に比べて遅角設定し、他気筒の発生トルク
と同等レベルとする。

【００５９】上記のように特定気筒をリッチ化させる
と、該特定気筒からの排気中に含まれるＨＣ量を強制的
に増大させることができ、この特定気筒から排出される
ＨＣ量に応じた前記期間ＴＲの設定によって、前記空燃
比切り換え遅延期間内でリーンＮＯｘ触媒19に対して吸
着可能な最大量のＨＣを吸着させることができる。そし
て、前記リッチ化期間ＴＲが経過し、リーンＮＯｘ触媒
19に最大量のＨＣが吸着されたものと推定される状態に
なってから、実際の空燃比切り換えを開始させる。

【００６０】ここで、理論空燃比付近の出力空燃比域と
リーン空燃比域（空燃比20〜22程度）との間の空燃比域
（空燃比16〜18）で機関１からのＮＯｘ排出量がピーク
となるが、上記のように空燃比切り換えを開始させる直
前にリーンＮＯｘ触媒19に対して積極的に多くのＨＣを
吸着させておけば、実際にＮＯｘが機関から多量に排出
される空燃比状態となったときに、前記吸着させておい
たＨＣの存在によってＮＯｘの還元性能を維持させるこ
とが可能となる。

【００６１】従って、本実施例によれば、目標空燃比が
出力空燃比域（理論空燃比）とリーン空燃比域との間で
切り換えられるときに、出力の急激な変化を回避すべく
徐々に空燃比を変化させる構成としても、切り換え途中
の空燃比域で多量に排出されるＮＯｘを良好に還元処理
することが可能となり、運転性を維持しつつＮＯｘ排出
量の増大を回避できる。

【００６２】尚、空燃比切り換え直前の所定期間におい
て、噴射時期を遅らせたり、燃焼室壁温度を低下させた
り、更には、ブローバイガスやキャニスタ23から脱離さ
れた蒸発燃料を排気系に添加することによって、リーン
ＮＯｘ触媒19に対して空燃比切り換え途中に多量に排出
されるＮＯｘの処理に供することができるＨＣを吸着さ
せるようにしても良い。

【００６３】しかしながら、本実施例のように、機関吸
入混合気の空燃比をリッチ化させる構成とすれば、前記
ＨＣ量の確保のために不完全燃焼が大幅に増大したり、
燃焼に全く供しない燃料を前記ＨＣ量の確保のために使
用することがなく、更に、応答良くＨＣ量の増大を図れ
るため、機関の運転性や燃費を大幅に悪化させることな
く、ＮＯｘの安定的な浄化を図ることが可能である。

【００６４】ところで、空燃比の切り換え直前に、リー
ンＮＯｘ触媒19に対して最大量のＨＣを吸着させるため
にリッチさせる気筒が発生するトルクが、他の気筒（切
り換え前の空燃比で通常に制御されている気筒）が発生
するトルクと等しくするには、図示平均有効圧Ｐｅが互
いに等しい値となる空燃比・点火時期とすれば良い。し
かし、前記図示平均有効圧Ｐｅを等しくしても、ｄＰｅ
／ｄθまでは等しくすることはできないので、リッチ化
させた気筒と他の気筒とでは軸加振力が異なった大きさ
になり、リッチ化気筒における軸加振力がより大きくな
る。

【００６５】一方、直列４気筒機関の場合、機関振動に
及ぼす影響はフライホイルに対して最も遠い１番気筒の
軸加振力が最も大きい。また、４番気筒の軸加振力は、
直にクランクメインベアリングに加わるが、メインベア
リングはフライホイルによる加振力が加わり強度的に最
も厳しい。従って、上記実施例では、説明を簡略化する
ためにリッチ化させる特定気筒を１番気筒としたが、機
関振動の低減や耐久性向上のためには、２番気筒や３番
気筒をリッチ化させる特定気筒とすることが望ましい。

【００６６】また、図12のフローチャートに示すよう
に、空燃比の切り換え直前の所定期間において通常制御
される気筒に対してリッチ化させる気筒を順次切り換え
る構成とすることもできる。前記図12のフローチャート
は、前述した図６のフローチャートにおけるＳ208,Ｓ20
9 の部分の代わりに実行されるものである。

【００６７】まず、リッチ化気筒カウンタＣＹＬ−Ｎ
（初期値＝１）で指定される気筒をリッチ化気筒とし
て、このリッチ化気筒に対する空燃比ＫＭＲと点火時期
ＡＤＶとをマップを参照して決定する（Ｓ31）。尚、前
記空燃比ＫＭＲと点火時期ＡＤＶとは、リッチ化されず
に通常に切り換え前の空燃比設定に応じて制御される気
筒に対して、空燃比としてはリッチであるが、発生トル
クとして同等となるものである。

【００６８】次いで、上記設定された空燃比ＫＭＲと点
火時期ＡＤＶを当該リッチ化気筒における前回値として
ＫＭＲ−ＯＬＤ，ＡＤＶ−ＯＬＤにセットする（Ｓ3
2）。次に、前記リッチ化気筒カウンタＣＹＬ−Ｎを１
アップし（Ｓ33）、該１アップされたリッチ化気筒カウ
ンタが４を超えた場合には（Ｓ34）、初期値である１に
リセットする処理を行なう（Ｓ35）。

【００６９】従って、前記リッチ化気筒カウンタＣＹＬ
−Ｎは１サイクル毎に１→２→３→４→１と変化し、こ
れに伴ってリッチ化される気筒が１サイクル毎に＃１→
＃２→＃３→＃４→＃１と順次変化することになる。空
燃比をリッチ化すると、その気筒の燃焼室壁温が低下す
るが、上記のようにリッチ化気筒を順次変化させる構成
であれば、１つの気筒の壁温だけが低下してシリンダの
熱応力がアンバランスとなることがない。

【００７０】更に、上記実施例では、４気筒のうちの１
気筒のみをＨＣ量の確保のために強制的にリッチ化させ
る構成としたが、２乃至３気筒或いは全気筒を空燃比切
り換え前の所定期間内でリッチ化させる構成としても良
い。例えばリーン運転から急加速のために出力空燃比
（理論空燃比）に切り換えるときに、空燃比切り換えを
比較的短時間のうちに行なわなければならない場合があ
る。空燃比の切り換えを急ぐのに伴い、一時的にリッチ
化させる期間（リッチ化期間ＴＲ）を短縮させようとす
ると、前記リッチ化期間におけるＨＣ濃度を高める必要
が生じる。そのため、一時的にリッチ化させる気筒の数
を増やして対応することが考えられ、要求されるＨＣ濃
度によっては全気筒を一時的にリッチ化することも可能
である。

【００７１】図13のフローチャートは、機関１の急加速
時には、１気筒のみではなく全気筒についてリッチ化を
行なう制御を示すフローチャートであり、前述の図６の
フローチャートにおいて、追加実行されるようになって
いる。即ち、空燃比切り換え直前のリッチ化期間ＴＲを
計測するためのタイマーｔ_Rをカウントアップさせると
（Ｓ205)、スロットルセンサ８で検出されるスロットル
弁７の開度ＴＶＯを読み込む（Ｓ1001）。

【００７２】そして、今回読み込んだ開度ＴＶＯと前回
値ＴＶＯ−ＯＬＤとの差ΔＴＶＯ、即ち、１サイクル間
における開度ＴＶＯの変化量を演算し（Ｓ1002）、該Δ
ＴＶＯに基づいてスロットル弁７が所定以上の割合で開
操作されている状態（急加速）であるか否かを判別する
（Ｓ1003）。ここで、急加速状態でない場合には、Ｓ20
6 へ進み、前述の説明通りに特定１気筒のみをリッチ化
させる処理を行なう。

【００７３】一方、急加速であると判別された場合に
は、必要ＨＣ量をリーンＮＯｘ触媒19に吸着させる処理
を早急に終わらせる必要があるから、全気筒についてリ
ッチ化させるべくリッチ化用マップを参照して全気筒の
空燃比・点火時期を設定する（Ｓ1004，Ｓ1005）。ここ
で、上記のように全気筒を同時にリッチ化させる構成で
あれば、気筒間における発生トルクのばらつきは生じな
いが、空燃比をリッチ化させる処理のみを行なうと、リ
ッチ化と同時に発生トルクが急増することになってしま
う。しかしながら、前記リッチ化マップは、空燃比につ
いてはリッチ化させるが、点火時期の遅角設定によっ
て、通常の空燃比・点火時期マップを用いて制御したと
きと略同等の発生トルクが得られるように設定されてい
るので、全気筒についてリッチ化を行なっても、発生ト
ルクが急増することはない。

【００７４】尚、図13のフローチャートでは省略した
が、急加速判定に伴って全気筒リッチ化処理を行なう場
合には、リッチ化期間ＴＲを１気筒のみリッチ化させる
場合に比べて短縮させる構成とすると良い。上記のよう
にして全気筒をリッチ化させる構成とすれば、気筒間に
おける軸加振力のアンバランスが生じないため、振動・
耐久性の点で有利であり、また、短時間のうちにリーン
ＮＯｘ触媒19に対して最大量のＨＣを吸着させることが
できるからリッチ化期間を短縮できる。

【００７５】また、上記では、空燃比切り換えを開始さ
せる前の所定期間において空燃比をリッチ化させる処理
において、急加速時であるときにのみ全気筒をリッチ化
させ、急加速時以外では１気筒のみをリッチ化させるこ
とになるが、急加速時以外であっても全気筒をリッチ化
させる構成としても良い。また、加速を急加速，緩加速
に判別し、例えば加速時以外は１気筒のみ、緩加速時に
は２気筒を、急加速時には全気筒をリッチ化させる構成
としても良い。更に、２気筒或いは３気筒をリッチ化さ
せるときには、リッチ化させる気筒群を順次変化させる
構成としても良い。

【００７６】尚、上記実施例では、ゼオライトを主成分
とするリーンＮＯｘ触媒19を排気通路に備えた機関１に
ついて述べたが、ＨＣの吸着能力を有し、ＨＣ存在下で
ＮＯｘを還元する触媒であれば、上記のように空燃比の
切り換え直前に触媒上流側のＨＣ量を増やすことで、切
り換えが開始される前に触媒に対してＮＯｘ処理に充分
な量のＨＣを吸着させることができ、以て、切り換え途
中でのＮＯｘ処理能力を高めることができるから、前記
リーンＮＯｘ触媒に限らず三元触媒であっても良い。

【００７７】また、上記実施例では、空燃比をリッチ化
させることによる発生トルクの増大を点火時期の遅角設
定によって相殺させるようにしたが、特に全気筒をリッ
チ化させる構成では、排気還流量の制御によってリッチ
化に伴う発生トルクの増大を抑制する構成とすることも
できる。更に、点火時期と排気還流量との組み合わせに
よって発生トルクの増大を抑制する構成としても良い。

【００７８】また、前記リーンＮＯｘ触媒のＨＣ吸着能
力は、ＨＣ濃度やガス流量の他、排気温度（触媒温度）
によっても変化するから、排気温度センサ22で検出され
る排気温度に応じてリッチ化期間ＴＲを変化させる構成
としても良い。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ＨＣの吸着能力を有しＨＣ存在下でＮＯｘを還元する触
媒によって排気中のＮＯｘを処理する排気浄化装置にお
いて、理論空燃比付近の出力空燃比域と、理論空燃比よ
りも大きなリーン空燃比域と間で目標空燃比が徐々に切
り換えられるときに、前記切り換えを開始する直前の所
定期間において触媒上流側のＨＣ量を増大させて、前記
触媒に対して充分なＨＣを吸着させるから、切り換え途
中のＮＯｘ処理能力を高めることができるという効果が
ある。

【００８０】また、触媒上流側のＨＣ量を増大させる手
段として、機関吸入混合気の空燃比をリッチ化させる構
成としたことから、不完全燃焼を大幅に増大させること
なく、また、燃費の大幅な悪化をもたらすことなく、然
も、応答良くＨＣ量の増大が図れる一方、前記リッチ化
によって出力が変動することがなく運転性を良好に保つ
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図２】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図３】実施例のシステム構成を示す概略図。

【図４】空燃比に対するＮＯｘ，ＨＣの排出量変化の様
子を示す線図。

【図５】空燃比切り換え制御を示すフローチャート。

【図６】空燃比切り換え時のＨＣ増大制御を示すフロー
チャート。

【図７】空燃比切り換え時のＨＣ増大制御を示すフロー
チャート。

【図８】ＨＣ増大制御（リッチ化）期間のマップを示す
図。

【図９】実施例における空燃比変化の様子を示すタイム
チャート。

【図10】実施例における空燃比・点火時期マップを示す
図。

【図11】空燃比・点火時期と発生トルクとの関係を示す
線図。

【図12】リッチ化気筒を変化させる実施例を示すフロー
チャート。

【図13】全気筒をリッチ化させる実施例を示すフローチ
ャート。

【符号の説明】

１内燃機関６エアフローメータ 12 インジェクタ 16 クランク角センサ19 リーンＮＯｘ触媒 23 コントロールユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｃ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ａ 41/36 41/36 Ｂ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ３０１Ｈ３０１Ｎ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１ＧＦ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/04 330 F01N 3/24 ZAB F02D 41/14 310 F02D 41/36 F02D 43/00 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機関吸入混合気の目標空燃比を機関運転条
件に応じて理論空燃比付近の出力空燃比域と理論空燃比
よりも大きなリーン空燃比域とに切り換える手段であっ
て、前記出力空燃比域とリーン空燃比域との間で空燃比
を徐々に変化させる空燃比切り換え手段を有してなる内
燃機関の排気浄化装置であって、排気通路に介装されＨＣの吸着能力を有しＨＣ存在下で
ＮＯｘを還元する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側の排気中ＨＣ濃度を増大せしめ
るＨＣ濃度増大手段と、前記空燃比切り換え手段により前記出力空燃比域と前記
リーン空燃比域との間での空燃比の切り換えが開始され
る直前の所定期間において、前記ＨＣ濃度増大手段によ
り排気中のＨＣ濃度を増大させるＨＣ濃度制御手段と、を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項２】前記ＨＣ濃度制御手段が、前記ＨＣ濃度増
大手段によるＨＣ濃度の増大を、機関の低回転・低負荷
時ほどより長い期間行なわせることを特徴とする請求項
１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記ＨＣ濃度増大手段が、機関吸入混合気
の空燃比を強制的に目標空燃比よりもリッチ化させるこ
とで、前記排気浄化触媒の上流側の排気中ＨＣ濃度を増
大せしめる構成であって、前記ＨＣ濃度増大手段により空燃比がリッチ化されると
きに、該リッチ化に伴う発生トルクの増大を抑制する方
向に、発生トルクに関与する空燃比以外の制御対象を制
御する発生トルク制御手段を設けたことを特徴とする請
求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】内燃機関が各気筒別に燃料を噴射供給する
燃料噴射手段を備えて構成され、前記ＨＣ濃度増大手段
が、特定気筒に噴射供給される燃料量を強制的に増大補
正することで前記特定気筒の空燃比のみをリッチ化さ
せ、前記発生トルク制御手段が、前記特定気筒での発生
トルクを他気筒の発生トルクに一致させるべく、前記特
定気筒に対してのみ発生トルクを抑制する制御を行なう
ことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項５】前記ＨＣ濃度増大手段が全気筒の空燃比を
強制的にリッチ化させ、前記発生トルク制御手段が前記
目標空燃比相当の発生トルクに一致させるべく全気筒に
対して発生トルクを抑制する制御を行なうことを特徴と
する請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】前記発生トルク制御手段が、点火時期と排
気還流量との少なくとも一方を制御することによって発
生トルクの増大を抑制することを特徴とする請求項３，
４又は５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。