JP2004176602A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドリングストップを自動的に行うとともに、ＮＯｘ還元処理を効率よく行うことが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】車両停止かつアイドリング時には、ＩＳ条件成立（ステップＳ２）として機関停止制御を行い（ステップＳ３）、所定の発進条件が成立した場合（ステップＳ１２）は、低温再始動の可否を判定して（ステップＳ１４）、条件を満たせば低温燃焼などにより機関の再始動を行う（ステップＳ１８）により、始動時のＮＯｘを低減しつつ、触媒へ還元剤である燃料を供給して触媒再生を行う。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関し、特に停車中等に内燃機関を自動的に停止させ、発進時に再始動させる内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関と電動モーターを駆動源として併用するハイブリッド車両においては、停車中やバッテリーに十分な電力がありモーター走行が可能な走行状態では、内燃機関を停止させ、高出力が必要な場合やバッテリーの充電電力が不足した場合に再始動させる制御が行われている。
【０００３】
一方、内燃機関の排気浄化システムとしてＮＯｘ吸蔵還元触媒が広く用いられている。このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒は、リーン運転中に発生するＮＯｘを吸蔵し、リッチ運転中には吸蔵したＮＯｘを放出するとともにＨＣ、ＣＯによって還元させる。このような排気浄化システムを内燃機関を頻繁に停止させるハイブリッド車両に適用した場合、リッチ運転を行う機会を確保できない可能性がある。そこで、特許文献１に開示されている技術では、内燃機関停止条件が成立した場合には、内燃機関停止直前または、再始動直後に還元リッチ化を行うこととしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１０４５９７号公報（段落００４４〜００４９、図６）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、信号待ち等の停車中において内燃機関をアイドリング運転させている場合は内燃機関を自動的に停止させることで、排出ガス量を抑制し、燃費向上を図る技術（アイドリングストップ）が知られている。こうしたアイドリングストップは、内燃機関の停止、再始動をハイブリッド車両における内燃機関の停止・再始動よりも頻繁に行うことになり、再始動時は発進時であるため、アイドル運転とは異なる制御が必要となる。
【０００６】
そこで本発明は、アイドリングストップを自動的に行うとともに、ＮＯｘ還元処理を効率よく行うことが可能な内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、車両が停止状態でかつ、所定の条件が成立した場合に内燃機関を自動的に停止させ、発進条件が成立した場合に自動的に内燃機関を再始動させる制御を行う内燃機関の制御装置において、内燃機関の排気通路には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が配置されており、該触媒のＮＯｘ還元要求中でも内燃機関の自動停止条件が満たされた場合には内燃機関を自動停止させて、再始動時に所定の暖機条件が満たされている場合には還元剤を供給する燃焼による再始動（例えば、低温燃焼による再始動）を行うものである。
【０００８】
ＮＯｘ還元要求中でも内燃機関を自動停止させることでアイドリング時のリッチ運転を抑制し、排出ガス量抑制と燃費向上の効果が増す。また、すでに暖機されている場合には、酸素濃度が低く燃料リッチ状態にある低温燃焼などでも始動が可能であり、これにより還元剤を触媒へと投入して還元を行う。これにより始動時のＮＯｘも低減される。
【０００９】
このＮＯｘ還元要求中の再始動時に前記所定の暖機条件が満たされている場合で、かつ、触媒温度が所定値を超えている場合には還元剤を供給する燃焼による再始動（例えば、低温燃焼による再始動）を行い、それ以外の場合には、通常燃焼による再始動を行い、触媒温度が所定値を超えてからＮＯｘ還元制御を実施することが好ましい。
【００１０】
触媒温度が高い条件時に低温燃焼などによる触媒還元を行うことで、触媒の還元を確実に行うことができる。触媒温度が低い場合には、通常燃焼による再始動により燃焼ガスを比較的高温としてこれによる触媒昇温を行ってから触媒の還元を行うことで確実な触媒還元が行える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明に係る制御装置（内燃機関の制御装置）を搭載した内燃機関の概略構成図である。この内燃機関１は、車両に搭載される多気筒式のディーゼルエンジンであり、ここでは、その一気筒のみを簡略化して図示している。
【００１３】
内燃機関１のシリンダ１０には、往復移動するピストン１１が配置されており、ピストン１１とシリンダ１０およびシリンダヘッド１２で区画された領域が燃焼室１３を構成する。この燃焼室１３には、吸気バルブ４１、排気バルブ４２を介して吸気管２０と排気管３０が接続されている。吸気バルブ４１、排気バルブ４２は各気筒ごとに１つずつ設けられてもよいし、複数設けられていてもよい。また、吸気バルブ４１と排気バルブ４２の数を異ならせてもよい。シリンダヘッド１２の燃焼室１３に臨む位置には、グロープラグ１６と燃料インジェクタ１７が配置される。この燃料インジェクタ１７は、図示していないコモンレールに接続されており、このコモンレールは燃料タンク８０に燃料ポンプ８１を介して接続され、燃料である軽油を高圧で保持している。
【００１４】
ピストン１１はコンロッド１４を介してクランク軸１５に接続され、ピストン１１の往復移動をクランク軸１５の回転運動へと変換する。このクランク軸１５には始動モータ７０が接続可能である。そして、シリンダ１０に冷却水温センサ４５がクランク軸１５に隣接してクランク角度センサ４６が配置されている。
【００１５】
吸気管２０には、上流側からエアフィルター２１、ターボチャージャー４７の圧縮機側、インタークーラー２３、電磁スロットル弁２４が配置され、電磁スロットル弁２４の下流側に吸気温センサ２２と吸気圧センサ２６が配置される。
【００１６】
排気管３０には、その下流側に三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒等からなる排気浄化装置３１が配置されており、排気浄化装置３１の上流側にはＡ／Ｆセンサ３２が配置され、排気浄化装置３１には触媒温度センサ３３が配置されている。Ａ／Ｆセンサ３２と排気バルブ４２の間で排気管３０は分岐され、一方にはターボチャージャー４７のタービン側が配置され、他方には、アクチュエータ３６によって駆動されるウェストゲートバルブ３５が配置されている。
【００１７】
排気管３０と吸気管２０とはＥＧＲ（排ガス再循環）通路４３によって接続されており、ＥＧＲ通路４３上には通路の開閉を行うＥＧＲバルブ４４が配置されている。
【００１８】
内燃機関１の制御装置であるエンジンＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、メモリ等から構成される。そして、上述した各センサ２２、２６、３２〜３３、４５、４６の各出力のほか、運転者の操作するアクセルペダルに取り付けられたアクセル開度センサ５１と車速を検出する車速センサ５２の出力が入力されており、燃料インジェクタ１７、電磁スロットル２４、アクチュエータ３６、ＥＧＲバルブ４４、始動モータ７０、燃料ポンプ８０の各作動を制御する。
【００１９】
本発明に係る内燃機関の制御装置（エンジンＥＣＵ６０）は、停車時かつ機関アイドリング時に自動的に内燃機関１を停止させるアイドリングストップ（ＩＳ）を行い、運転者の発進操作時に再始動させる制御を実施する。また、エンジンＥＣＵ６０は、排気浄化装置３１の再生を行う機能を備える。排気浄化装置３１の排気浄化触媒であるＮＯｘ吸蔵還元触媒は、リーン燃焼時にＮＯｘを吸蔵するが、その吸蔵量には限界がある。そこで、エンジンＥＣＵ６０は、吸蔵限界に近づいた場合には、排気管内に還元剤（燃料）を供給し、燃料リッチとすることで、吸蔵していたＮＯｘを放出し、還元剤との反応で窒素と酸素に分解することにより再生と浄化を行う。なお、分解によって得られた酸素は還元剤である燃料の燃焼に用いられる。
【００２０】
以下、この制御処理を具体的に説明する。図２は、この制御処理の第１の実施形態の処理内容を示すフローチャートであり、図３は、車両停止時以降の排気浄化装置３１の触媒温度変化を示すグラフであり、図４は図２の制御における燃料噴射タイミングを示すタイミングチャートである。本処理はエンジンＥＣＵ６０により、内燃機関１の始動後、運転者がイグニッションキーの操作によりエンジンを停止させるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。なお、この処理に使用されるフラグＦｌａｇＥＳは、内燃機関１を自動停止させたＩＳ状態であるか否かを示すフラグであり、エンジン始動時に初期値０に設定されている。
【００２１】
ステップＳ１では、このフラグＦｌａｇＥＳの値をチェックする。値が０の場合、つまり現在、ＩＳ状態ではなく、内燃機関１が作動中である場合にはステップＳ２へと移行する。ステップＳ２では、ＩＳ条件が成立しているか否かを判定する。このＩＳ条件とは、例えば、車速センサ５２によって検出された車速が０で、電磁スロットル２４のスロットル開度が全閉状態で、クランク角度センサ４６によって検出されたエンジン回転数が所定回転数以下で、冷却水温センサ４５によって検出されたエンジン冷却水温が所定温度以上で、アクセル開度センサ５１で検出されたアクセル開度が所定角度以下で、触媒温度センサ３４で検出された触媒温度が所定温度以上の場合にＩＳ条件を満たすと判定すればよい。このように停車中かつ内燃機関１がアイドリング状態で負荷がほとんどない状態では、内燃機関１を停止させることが可能であり、また、内燃機関１および排気浄化装置３１の暖機が完了していることから、発進時の再始動も容易に行える状態にあると考えられるからである。
【００２２】
条件を満たしている場合には、ステップＳ３へと移行し、機関停止制御を行う。具体的には、燃料インジェクタ１７からの燃料噴射を禁止することで燃焼を停止し、内燃機関１の運転を停止させる。このとき、シリンダ１０内のピストン１１はポンプ仕事を行うことになり、これによってクランク軸１５の回転エネルギーが消費されるため、クランク軸１５は停止に至る。機関停止後には、ステップＳ４に移行して、前述したフラグＦｌａｇＥＳに１をセットして処理を終了する。車両停止からアイドル運転を継続した場合には、低温の燃焼ガスが排気管３０から排気浄化装置３１へと送られることにより、触媒が冷却されるため、その温度は図３の破線Ａに示されるように時間が経つほど下降していく。これに対して、アイドリングストップを行うと、内燃機関１の停止によって排気管３０内を燃焼ガスや空気が流動することがないため、触媒の放熱が抑制され、その温度は図３の実線Ｂで示されるように、内燃機関１の運転継続時（破線Ａ）に比べて温度低下が少なくなる。この結果、触媒温度が維持されやすい。また、内燃機関１を停止させるため、燃料を消費することがなく、燃焼も行わないので、燃費向上と排出ガス量を低減する効果も得られる。
【００２３】
一方、ステップＳ２でＩＳ条件が不成立と判定した場合には、その後の処理をスキップして処理を終了する。この場合には、内燃機関１はそのまま作動し続けることになる。
【００２４】
ステップＳ１でＦｌａｇＥＳが１と判定された場合、つまり、現在ＩＳ状態で内燃機関１を自動停止させていると判定した場合には、ステップＳ１２に移行して発進条件が成立しているか否かを判定する。この発進条件とは、例えば、運転者がアクセルペダルを所定角度以上に踏み込む操作を行ったことがアクセル開度センサ５１により検出された場合に満たされる。発進条件が満たされていない場合には、その後の処理をスキップして処理を終了する。この場合には、ＩＳ状態、つまり、内燃機関１の自動停止状態が継続することになる。
【００２５】
ステップＳ１２で発進条件が満たされたと判定された場合には、ステップＳ１４へと移行して暖機条件が満たされているか否かを判定する。具体的には、冷却水温センサ４５で検出したエンジン冷却水温が所定値以上であるか、吸気温センサ２２によって検出した吸気温や吸気圧センサ２６によって検出された吸気圧や図示していないセンサで測定した燃料噴射圧等の条件から後述する低温燃焼などによる始動が可能か否かを判定する。
【００２６】
低温燃焼などにより始動可能と判定した場合には、ステップＳ１６へと移行し、電磁スロットル弁２４の開度を制御して、吸入空気量を通常始動時より減少させる。そして、この状態で始動モータ７０をクランク軸１５に接続して始動モータ７０の駆動力によってクランク軸１５を回転させ、開かれた吸気バルブ４１から燃焼室１３へと空気を導入し（吸気行程）、その後吸気バルブ４１を閉じて、導入した空気を圧縮し（圧縮行程）、図４の線Ｃに示されるようにＴＤＣ（上死点）到達前後にかけて燃料インジェクタ１７から大量の燃料を噴射することで燃料リッチとすることで、燃焼温度を低下させた低温燃焼などを行う。この燃焼による筒内ガスの膨張によってピストン１１を駆動し（膨張行程）、コンロッド１４を介してクランク軸１５を駆動させる。筒内ガス温度が低いため、サーマルＮＯｘの生成が抑制される。このため、再始動時のＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００２７】
この燃焼過程では噴射された燃料が完全には燃焼せず、筒内ガス中には燃料が含まれた状態にある。排気行程では、排気バルブ４２が開かれ、筒内ガスは排気管３０へと送られ、その下流の排気浄化装置３１へと送られる。このとき、アクチュエータ３６を操作してウェストゲートバルブ３５を開いておくことで、筒内ガスを分岐されている排気管３０のうちウェストゲートバルブ３５側へと流すことで、ターボチャージャー４７の駆動を停止させておくことが好ましい。ターボチャージャー４７が駆動していると、シリンダ１０内への吸入空気量が増大するため、同じ燃料噴射量でも燃料リーンとなり、燃焼温度が上昇してしまうからである。同様に、インタークーラー２３の作動も停止させておくことが好ましい。
【００２８】
還元剤である燃料を含む筒内ガスが排気浄化装置３１へと送られることで、触媒に吸蔵されていたＮＯｘが放出され、窒素と酸素に分解される。なお、酸素は燃料の燃焼に用いられる。これにより、触媒が再生される。
【００２９】
内燃機関１の始動が成功したら、始動モータ７０をクランク軸１５から切り離す。始動の成功・不成功はクランク角度センサ４７の出力から判定可能である。燃料インジェクタ１７からの燃料噴射量は、アクセル開度や吸気温センサ２２で検出した吸気温、吸気圧センサ２６で測定した吸気圧、Ａ／Ｆセンサ３２によって測定したＡ／Ｆ値等によって補正される。
【００３０】
内燃機関１の再始動に成功したら、ステップＳ２０に移行してＦｌａｇＥＳに０をセットして処理を終了する。この再始動は自動的かつ短時間で行うことができるため、発進性を損なうことがない。このような制御により、停車中の機関アイドリング時に内燃機関１を速やかに停止させ、発進時には速やかに再始動を行えるので、排出ガス量を抑制し、燃費が向上する。また、機関停止時に排気浄化装置３１に送られるガス量を減らすことができるため、触媒の保温性を維持できる。
【００３１】
一方、ステップＳ１４で暖機条件が満たされていないと判定した場合には、ステップＳ２２へと移行して電磁スロットル弁２４を通常の始動時吸入空気量となるように制御し、ステップＳ２４で通常燃焼による再始動処理を行う。この通常燃焼時には、図４のＤで示されるように燃料インジェクタ１７を制御することにより、ＴＤＣ到達直前にパイロット噴射を行い、ＴＤＣ到達後にメイン噴射を行う２回噴射を実施する。このように、ＴＤＣ到達前の噴射燃料量を抑制することで、早期着火を抑制し、燃焼を安定させる。これにより、暖機条件が満たされていない場合でも早期かつ確実な再始動を行うことができる。始動が完了した後の処理は上述した低温始動時と同様である。
【００３２】
本実施形態では、触媒のＮＯｘ還元要求中であるか否かに関わらずアイドリングストップ制御の要求があった場合には内燃機関１の運転を停止させ、再始動時には暖機条件が満たされていれば低温燃焼などによる再始動を行うことで再生を行うようにしている。このように低温燃焼などで再始動を行うことで始動時のＮＯｘ排出量を低減するとともに、触媒の還元を行うことが可能となる。ここでは、還元要求中でない場合でも条件が満たされていれば低温燃焼などで再始動を行う制御形態を説明したが、還元要求中でない場合には、同じ低温燃焼であっても排気浄化装置３１への還元剤の供給が抑制されるよう燃料噴射量を抑制してもよい。逆に、再始動時に積極的に再生運転を行うことも可能である。
【００３３】
次に、制御処理の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態は図２に示される第１の実施形態の発進時の処理（ステップＳ１４〜Ｓ２０）を変形したものであり、図５にはこの変形部分のみのフローチャートを示している。
【００３４】
ステップＳ１４における暖機条件判定、条件が満たされた場合のステップＳ１６の空気量減少処理は上述した第１の実施形態と同様である。空気量減少処理後、ステップＳ１７に移行して触媒温度センサ３３で測定した触媒温度をしきい値Ｔｔｈと比較する。触媒温度がしきい値Ｔｔｈを超えていれば、再生可能と判定し、ステップＳ１８へ移行して低温燃焼再始動を行う。この低温燃焼再始動処理は上述した第１の実施形態と同一である。触媒温度が高いときのみに低温再始動を行うことで、排気浄化装置３１の触媒再生を確実に行うことができる。また、低温燃焼では上述したように燃料リッチとなるが、本実施形態では触媒温度が高いときに低温燃焼再始動を行うため、排気管３０へ流れ込む燃料の２次燃焼を促し、確実に処理することができるので、エミッションが向上する。始動後の処理は第１の実施形態と同一であり、最終的にＦｌａｇＥＳに０をセットして処理を終了する（ステップＳ２０）。
【００３５】
一方、ステップＳ１４で暖機条件が満たされていないと判定した場合には、第１の実施形態と同様に通常空気量となるよう制御し（ステップＳ２２）、通常燃焼による再始動処理を行う。なお、ステップＳ１７において触媒温度がしきい値Ｔｔｈ以下であると判定された場合もステップＳ２４へと移行して通常の噴射燃料量による再始動処理を実施する。始動後ステップＳ２５へと移行して再生要求中であるか否かを判定する。再生要求は、具体的には触媒前後の差圧、触媒下流に設置した排気センサの測定値を基に判定してもよいし、走行履歴から触媒に吸着されたＮＯｘ量を推定することで判定してもよい。再生要求中でない場合には、ステップＳ２０へと移行することで処理を終了する。これに対し、再生要求中の場合にはステップＳ２６へと移行して触媒温度が再生可能なしきい値Ｔｔｈを超えているか否かを判定する。触媒温度がしきい値Ｔｔｈ未満の場合には、しきい値Ｔｔｈを超えるまでステップＳ２６の判定処理を繰り返すループ処理を行うことで待機する。この待機中は、通常燃焼によって燃焼室１３内の燃焼温度を高くしているため、排気浄化装置３１を流れる排ガス温度が高く、触媒を加熱してその昇温を行う。触媒温度がしきい値Ｔｔｈを超えた場合にはステップＳ２７へと移行し、燃料リッチ状態として還元剤である燃料を排気浄化装置３１へと導入することで触媒の再生を行う。
【００３６】
本実施形態によれば、再始動時に触媒の再生が可能な場合で低温燃焼による始動が可能な場合には、低温燃焼により再始動を行うことで合わせて触媒の再生を行い、触媒の温度が低く再生が困難な場合には、通常燃焼により再始動を行い、触媒温度を昇温して触媒の再生を可能としてから再生を行うため、確実な再生が行える。
【００３７】
以上説明した処理フローは例示であって、本発明の内燃機関の制御装置における制御はこの処理フローに限定されるものではない。例えば、一部の処理を並列で処理したり、順序を入れ換えることも可能である。
【００３８】
以上の説明では、ディーゼルエンジンの場合を例に説明したが、燃料としてＬＰＧ等を用いる筒内燃料噴射式の内燃機関についても本発明は適用可能である。
【００３９】
排気浄化装置は還元剤によって再生を行う各種の触媒を用いた排気浄化装置を適用することができ、例えば、ＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）やＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が挙げられる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、車両停止時かつ機関アイドリング時には内燃機関の運転を停止し、再始動時に所定の条件を満たした場合には、低温燃焼などによって機関の再始動を行うことにより、始動時のＮＯｘ排出を低減しつつ、排気浄化用の触媒の再生を行うことができる。
【００４１】
さらに、再始動時に触媒の再生要求があっても、触媒温度が低いなどの理由により触媒の再生ができない場合には、通常運転で再始動させてから排ガスによって触媒を加熱して昇温させてから触媒へ還元剤である燃料を供給して再生を行うことで確実な始動と再生を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制御装置を搭載した内燃機関の概略構成図である。
【図２】図１の装置におけるアイドリングストップ制御の第１の実施形態の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】車両停止時以降の排気浄化装置の触媒温度変化を示すグラフである。
【図４】図２の制御における燃料噴射タイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】図１の装置におけるアイドリングストップ制御の第２の実施形態の処理内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関、１０…シリンダ、１１…ピストン、１２…シリンダヘッド、１３…燃焼室、１４…コンロッド、１５…クランク軸、１６…グロープラグ、１７…燃料インジェクタ、２０…吸気管、２１…エアフィルター、２２…吸気温センサ、２３…インタークーラー、２４…電磁スロットル弁、２６…吸気圧センサ、３０…排気管、３１…排気浄化装置、３２…Ａ／Ｆセンサ、３３…触媒温度センサ、３５…ウェストゲートバルブ、３６…アクチュエータ、４１…吸気バルブ、４２…排気バルブ、４３…ＥＧＲ通路、４４…ＥＧＲバルブ、４５…冷却水温センサ、４６…クランク角度センサ、４７…ターボチャージャー、５１…アクセル開度センサ、５２…車速センサ、６０…エンジンＥＣＵ、７０…始動モータ、８０…燃料タンク、８１…燃料ポンプ。

Claims (3)

1. 車両が停止状態でかつ、所定の条件が成立した場合に内燃機関を自動的に停止させ、発進条件が成立した場合に自動的に内燃機関を再始動させる制御を行う内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の排気通路には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が配置されており、該触媒のＮＯｘ還元要求中でも内燃機関の自動停止条件が満たされた場合には内燃機関を自動停止させて、再始動時に所定の暖機条件が満たされている場合には前記触媒に還元剤を供給する燃焼による再始動を行う内燃機関の制御装置。
2. ＮＯｘ還元要求中の再始動時に前記所定の暖機条件が満たされている場合で、かつ、触媒温度が所定値を超えている場合には前記触媒に還元剤を供給する燃焼による再始動を行い、それ以外の場合には、通常燃焼による再始動を行い、触媒温度が所定値を超えてからＮＯｘ還元制御を実施する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記触媒に還元剤を供給する燃焼による再始動とは、低温燃焼による再始動である請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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