JP2004257270A

JP2004257270A - エンジンの空燃比制御方法

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Publication number: JP2004257270A
Application number: JP2003046277A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Uematsu; 豊上松; Hitoshi Yokoyama; 仁横山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP3829811B2

Abstract

【課題】エンジンの排気通路に設けたＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するために、吸入空気量制御とポスト噴射により一時的に排気ガスをリッチ条件にする際に、運転条件によらず早期にリッチ条件を実現できるエンジンの空燃比制御方法を提供する。
【解決手段】前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２を再生するために、一時的にインテークスロットル２３による吸気絞り制御と燃料噴射制御におけるポスト噴射を行って排気ガスをリッチ条件にする際に、リッチ条件制御の初期に第１ポスト噴射量Ｑｐ１でポスト噴射を行い、その後に、前記吸入空気量検出手段２１で検出された吸入空気量Ｍａｆが、所定の吸入空気量Ｍａｆ１より少なくなった時に、ポスト噴射量Ｑｐを増量してリッチ条件用の第２ポスト噴射量Ｑｐ２にする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有する排気浄化システムを備えたエンジンの空燃比制御方法に関し、より詳細には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のためのリッチ条件を作り出すエンジンの空燃比制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の排気ガス中におけるＮＯｘの低減のために、窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵するＮＯｘ吸蔵還元型触媒の適用が考えられている。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、図６と図７に示すように、γ−アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の担持体３２ａに白金Ｐｔ等の触媒３２ｂと酸化バリウム（ＢａＯ_２）等のＮＯｘ吸蔵材（吸収剤）３２ｃを担持して形成され、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘの吸蔵・放出のメカニズムに従って、ＮＯｘを浄化している。
【０００３】
つまり、図６に示すように、理論空燃比よりも空気が多いリーン状態の場合には、酸素（Ｏ_２）が触媒３２ｂの表面に付着し、一酸化窒素（ＮＯ）は、２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２の反応により、二酸化窒素（ＮＯ_２）になり、このＮＯ_２は、触媒３２上で酸化されつつＮＯｘ吸蔵材３２ｃにＮＯ_３ ⁻としてＢａ（ＮＯ_３）_２等の形で吸蔵される。
【０００４】
また、図７に示すように、理論空燃比近傍のリッチ状態の場合には、酸素濃度の低下によりＮＯｘ吸蔵材３２ｃはリーン状態で吸着したＮＯｘを放出し、このＮＯｘは炭化水素（ＨＣ）等の還元剤により三元触媒と同様な反応によって窒素（Ｎ_２）に還元される。
【０００５】
そして、ディーゼルエンジンの通常の運転のように、リーン条件の運転状態でＮＯｘを吸蔵し続けると、ＮＯｘ吸蔵材が例えばＢａ（ＮＯ_３）_２に変化し、吸蔵能力が飽和に達してしまうので、十分なＮＯｘ浄化性能を発揮するためには、その飽和に達する前に、エンジンの運転条件を一時的にリッチ条件の運転状態に変更して排気ガス中にリッチ状態を発生させて吸蔵能力を回復する必要がある。そのため、エンジンの稼働中にエンジンの運転条件をリーン条件とリッチ条件を切り換えている。
【０００６】
このリッチ条件を、黒煙を発生させることなく、実現する方法の一つとして、排気循環量を増加し且つ吸入空気量を減らしてピストンの圧縮上死点よりも若干早いタイミングで主噴射を行うと共に、該主噴射に続いて圧縮上死点より若干遅いタイミングでポスト噴射を行う方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
この吸入空気量を減少する方法を用いると、燃料噴射量の制御によってリッチ条件を作る場合と比較して、燃費の悪化が少ないという利点がある。
【０００８】
また、この吸入空気量を減少する手段としては、ＥＧＲ弁の制御やインテークスロットル（吸気絞り弁）の制御において、目標吸入空気量を減少させて、エンジンの制御装置（ＥＣＵ）が具備しているフィードバックコントロールを用いるのが簡便である。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−３１７３９６号公報（第２頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの運転条件によっては、リッチ条件に到達するまでの時間が長くなって、運転性（ドライバビリティ）に悪影響を及ぼすことがあり、この影響は、特に高速・低負荷領域で大きくなるという問題がある。
【００１１】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、エンジンの排気通路に設けたＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するために、吸入空気量制御とポスト噴射により一時的に排気ガスをリッチ条件にする際に、運転条件によらず早期にリッチ条件を実現できるエンジンの空燃比制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明のエンジンの空燃比制御方法は、エンジンの排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有する排気浄化システムを備えると共に、インテークスロットルとポスト噴射可能な燃料噴射装置と吸入空気量検出手段を備えたエンジンの空燃比制御方法であって、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するために、一時的にインテークスロットルによる吸気絞り制御と燃料噴射制御におけるポスト噴射を行って排気ガスをリッチ条件にする際に、リッチ条件制御の初期に第１ポスト噴射量でポスト噴射を行い、その後に、前記吸入空気量検出手段で検出された吸入空気量が、所定の吸入空気量より少なくなった時に、ポスト噴射量を増量してリッチ条件用の第２ポスト噴射量にすることを特徴とする。
【００１３】
また、上記のエンジンの空燃比制御方法において、ポスト噴射量を除いた燃料噴射量と前記所定の吸入空気量とから算出される空燃比が１５〜１６の範囲内となるように、前記所定の吸入空気量を設定することを特徴とする。
【００１４】
更に、上記のエンジンの空燃比制御方法において、前記インテークスロットルによる吸気絞り制御における目標吸入空気量を、ポスト噴射量を除いた燃料噴射量と該目標吸入空気量とから算出される空燃比が理論空燃比になる吸入空気量に設定することを特徴とする。
【００１５】
そして、上記のエンジンの空燃比制御方法において、排気通路に設けた空燃比センサで計測される空燃比が１４．０〜１４．７になった時にリッチ制御を終了することを特徴とする。
【００１６】
つまり、リッチ条件に到達するまでの時間が長く運転性に悪影響を及ぼすようなエンジンの運転領域において、運転性に悪影響を及ぼさないようにするために、予め定められた運転条件又は計測される吸入空気量の時間変化を検知して、吸入空気量の減少制御に加えてポスト噴射を実施する。
【００１７】
そして、リーン条件からリッチ条件への切り換えの際のトルクショックを防ぐために、リッチ制御時においてポスト噴射を行う際に、最初微少量の第１ポスト噴射量でのポスト噴射を行い、このポスト噴射量を除いた燃料噴射量と計測吸入空気量とから算出される空燃比が所定の空燃比１５〜１６になるような所定の吸入空気量になった時にポスト噴射量を増加して第２ポスト噴射量にしてリッチガスを生成するものである。なお、この第１ポスト噴射量から第２ポスト噴射量へのポスト噴射量の増加は、一度に行っても良く、連続的又は段階的に徐々に増加してもよい。
【００１８】
その際にインテークスロットルの吸気絞り制御による吸入空気量の減少に時間遅れが生じ、吸入空気量を減少するのに時間がかかるため、吸気絞り制御における目標吸入空気量及び目標絞り量を、ポスト噴射量を考慮しないでインテークスロットルによる空気減少量だけで理論空燃比になるように設定し、吸入空気量の減少の時間を短縮する。
【００１９】
また、そのまま吸気絞り制御を続けてオーバーリッチになることを防止するために、空燃比センサで計測された空燃比が、１４．０〜１４．７、即ち、理論空燃比付近になった瞬間にリッチ制御を終了する。
【００２０】
このオーバーリッチは、実際の空燃比にはポスト噴射量も寄与するのに、目標吸入空気量をポスト噴射量を考慮に入れずに設定していることから生じる。つまり、実際の吸入空気量が目標吸入空気量に近付くに連れ、ポスト噴射量の分だけオーバーリッチとなるのである。
【００２１】
そして、この制御アルゴリズムにより、燃費悪化の少ない吸入空気量制御でも運転状態によらず、迅速に確実なリッチ条件を実現することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るエンジンの空燃比制御方法について、図面に参照しながら説明する。
【００２３】
図１に示すように、このエンジンの排気浄化システム１０においては、エンジン１の吸気通路２に吸入空気量検出手段である吸入空気量センサ（マスエアフローセンサ）２１とターボ３１のコンプレッサ３１ａとインタークーラ２２とインテークスロットル（吸気絞り弁）２３が設けられ、排気通路３にターボチャージャ３１のタービン３１ｂとＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２と空燃比センサ３３が設けられ、また、ＥＧＲ通路（排気循環通路）４にＥＧＲクーラ４１とＥＧＲバルブ４２が設けられている。
【００２４】
また、燃料噴射系には、燃料タンク（図示しない）から燃料Ｆをエンジンの燃焼室５４に供給するための燃料ポンプ５１とコモンレール５２と燃料噴射弁（インジェクタ）５３が設けられ、更に、アクセル開度Ａｃｃ、エンジン回転数Ｎｅ、クランク角ＣＡ等を入力し、エンジンを制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置６０が設けられている。
【００２５】
そして、本発明のエンジンの空燃比制御方法は、図２に示すような制御フローに従って行われる。この制御フローは、エンジンの制御フローと並行して実行されるフローであり、エンジンの運転開始と共に実行が開始され、エンジンの運転終了と共に、即ち、エンジンキーＯＦＦの割り込みと共に、この制御フローはストップされる。
【００２６】
そして、この制御フローがスタートすると、リーン条件の制御に入り、ステップＳ１１で、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑを入力し、このエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑからリーン設定時間マップを参照してリーン設定時間ｔｌｓを算出する。
【００２７】
次のステップＳ１２で、リーン条件制御を所定の時間の間行い、ステップＳ１３のリーン条件制御の終了判定に行く。
【００２８】
このステップＳ１２では、図６に示すような浄化メカニズムで、Ｏ_２がＰｔ等の触媒３２ｂの表面に付着し、ＮＯは、ＮＯ＋Ｏ_２→ＮＯ_２の反応により、ＮＯ_２になり、このＮＯ_２は、触媒３２ｂ上で酸化されつつＮＯｘ吸蔵材３２ｃにＮＯ_３ ⁻としてＢａ（ＮＯ_３）_２等の形で吸蔵され、排気ガスＧは浄化され、浄化された排気ガスＧｃとして大気中に排出される。
【００２９】
そして、ステップＳ１３で、リーン積算時間ｔｌがリーン設定時間ｔｌｓを超えておらず、リーン条件制御が終了していないと判定された時は、ステップＳ１２に戻ってリーン条件制御を繰り返し、リーン積算時間ｔｌがリーン設定時間ｔｌｓを超えて、リーン条件制御が終了したと判定された時は、ステップＳ１４に行く。
【００３０】
このステップＳ１４では、リッチ条件制御のための制御値を入力及び算出する。具体的には、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑを入力し、このエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑから最大リッチ時間マップを参照して最大リッチ時間ｔｍａｘを算出し、また、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑから、ポスト噴射タイミングマップ、第１ポスト噴射量マップ、第２ポスト噴射量マップをそれぞれ参照して、ポスト噴射タイミングＴｐｏｓ、第１ポスト噴射量Ｑｐ１、第２ポスト噴射量Ｑｐ２を算出する。
【００３１】
更に、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑから、第１吸入空気量マップ、第２吸入空気量マップ、目標空燃比マップを参照して、第１吸入空気量（所定の吸入空気量）Ｍａｆ１、第２吸入空気量（目標吸入空気量）Ｍａｆ２、目標空燃比ＡＦ１を算出する。
【００３２】
そして、次のステップＳ１５では、第１段階のリッチ条件制御を所定の時間行う。この第１段階のリッチ条件制御は、ポスト噴射量Ｑｐを第１ポスト噴射量Ｑｐ１で行うと共に、第２吸入空気量（目標吸入空気量）Ｍａｆ２を目標に、インテークスロットル２３の空気量制御、即ち、弁開度を徐々に小さくする吸気絞り制御を行う。
【００３３】
このステップＳ１５の後に、ステップＳ１６で、第１段階のリッチ条件制御が終了したか否の判定を、吸入空気量センサ２１で検出された計測吸入空気量Ｍａｆｍが第１吸入空気量Ｍａｆ１より小さくなったか否かの判定で行う。
【００３４】
このステップＳ１６の判定で、計測吸入空気量Ｍａｆｍが第１吸入空気量Ｍａｆ１より小さくなっていない場合は、ステップＳ１５の第１段階のリッチ条件制御を繰り返し、インテークスロットル２３の小さくなる弁開度に追従して計測吸入空気量Ｍａｆｍが第１吸入空気量Ｍａｆ１より小さくなるのを待つ。
【００３５】
このステップＳ１６の判定で、吸入空気量センサ（吸入空気量検出手段）２１で検出された計測吸入空気量Ｍａｆｍが第１吸入空気量（所定の吸入空気量）Ｍａｆ１より小さくなっている場合は、第１段階のリッチ条件制御は終了したとして、ステップＳ１７の第２段階のリッチ条件制御を行う。
【００３６】
この第２段階のリッチ条件制御は、ポスト噴射量Ｑｐを第２ポスト噴射量Ｑｐ２で行うと共に、第１段階の吸気絞り制御と同様に、また、この制御に連続して、第２吸入空気量（目標吸入空気量）Ｍａｆ２を目標に、インテークスロットル２３の空気量制御、即ち、弁開度を徐々に小さくする絞り制御を行う。なお、インテークスロットル２３の弁開度が第２吸入空気量Ｍａｆ２に対応する目標弁開度になった時は、そのまま、目標弁開度を維持する。
【００３７】
このステップＳ１７の燃料噴射制御では、図７に示すような浄化メカニズムで、酸素濃度の低下によりＮＯｘ吸蔵材３２ｃはリーン状態で吸着したＮＯｘを放出し、このＮＯｘはＨＣ等の還元剤により三元触媒と同様な反応によってＮ_２に還元され、排気ガスＧは浄化された排気ガスＧｃになり大気中に排出される。
【００３８】
そして、次のステップＳ１８で、第２段階のリッチ条件制御が終了したか否の判定を行う。このステップＳ１８では、計測空燃比ＡＦｍが目標空燃比ＡＦ１より小さくなったか否かで判定し、小さい場合には、終了したとして、ステップＳ１１に戻り、大きい場合には、ステップＳ１９に行き、更に、ステップＳ１９で、リッチ積算時間ｔｒが最大リッチ時間ｔｍａｘを超えたか否かで判定する。
【００３９】
このステップＳ１９で、リッチ積算時間ｔｒが最大リッチ時間ｔｍａｘを超えた場合には、リッチ条件制御を終了してステップＳ１１に戻る。
【００４０】
つまり、ステップＳ１８で計測空燃比ＡＦｍが目標空燃比ＡＦ１以上で、且つ、ステップＳ１９でリッチ積算時間ｔｒが最大リッチ時間ｔｍａｘ以下の場合には、リッチ条件制御は終了していないとして、ステップＳ１７に戻り、第２段階のリッチ条件制御を繰り返す。
【００４１】
そして、ステップＳ１８で計測空燃比ＡＦｍが目標空燃比ＡＦ１より小さくなるか、ステップＳ１９でリッチ積算時間ｔｒが最大リッチ時間ｔｍａｘを超えた場合には、第２段階のリッチ条件制御も終了したとしてステップＳ１１に戻る。
【００４２】
以上のステップＳ１１〜ステップＳ１９を繰り返し実行し、この実行中にステップＳ２１のエンジンキーＯＦＦによる割り込みが生じると、ステップＳ２２で制御終了作業をしてから、例えば、リーン条件制御やリッチ条件制御の途中でストップする場合に、次回にこの制御フローがスタートする時に、リーン積算時間ｔｌやリッチ積算時間ｔｒの初期値をストップ時の値とすることができるように、リーン積算時間ｔｌやリッチ積算時間ｔｒを記憶してからストップする。
【００４３】
上記のエンジンの空燃比制御の時系列を図３に示す。このエンジンの空燃比制御によれば、リッチ条件制御が開始されると、第１段階のリッチ条件制御で、微少量である第１ポスト噴射量Ｑｐ１（例えば、１ｍｍ^３／ｓｔ）のポスト噴射を開始し、次の第２段階のリッチ条件制御で、噴射量Ｑｐを増加し、所定の第２ポスト噴射量Ｑｐ２（例えば、７〜１０ｍｍ^３／ｓｔ）にすることができる。この段階的な増加により、ポスト噴射によるトルクショックを低減することができる。
【００４４】
また、リッチ条件制御の開始と同時に計測吸入空気量Ｍａｆｍをリッチ条件の第２吸入空気量（目標吸入空気量）Ｍａｆ２になるように減少させるが、トルクショックを抑えるために、ランプ時間ｔｒａｍｐを設け徐々に減少させる。
【００４５】
また、インテークスロットル２３の絞り量の目標値に関係する第２吸入空気量Ｍａｆ２は、到達すべき空燃比の目標値ＡＦ１と燃料噴射量から計算によって求められるが、この燃料噴射量にポスト噴射量Ｑｐを加算すると、第２吸入空気量Ｍａｆ２の値が大きくなり、早期にリッチ条件に到達し難くなるため、通常運転時と同様、パイロット噴射量とメイン噴射量の加算値を燃料噴射量として扱い、ポスト噴射量Ｑｐを除いた燃料噴射量と目標空燃比ＡＦ１から第２吸入空気量Ｍａｆ２を算出する。
【００４６】
この算出された第２吸入空気量Ｍａｆ２に対して、ランプ制御により徐々に弁開度が減少するように、その時々のインテークスロットル２３の経過目標絞り量が設定され、インテークスロットル２３の絞り制御が行われる。しかし、実際の吸入空気量には遅れが発生するため、計測吸入空気量Ｍａｆｍは、経過目標絞り量に対応する経過目標吸入空気量Ｍａｆｐに対して遅れて反応する。
【００４７】
そして、計測吸入空気量Ｍａｆｍと第２吸入空気量Ｍａｆ２との差が、予め設定しておいた所定量よりも小さくなった時、即ち、計測吸入空気量Ｍａｆｍがリッチ条件を作るには十分減少していないが、通常の運転条件に比べれば相当小さい第１吸入空気量（所定の吸入空気量）Ｍａｆ１、具体的には空燃比が１５〜１６になった時に、ポスト噴射量Ｑｐを増加し、吸入空気量Ｍａｆの減少に従って、排気ガスをリッチ条件に到達させる。
【００４８】
実際の走行条件における、このリッチ制御による空燃比の変化を、図４及び図５に示す。図４は高負荷条件でポスト噴射を加えた場合の空燃比の変化を示し、図５はポスト噴射を加えなかった場合の空燃比の変化を示す。ポスト噴射を加えたことでリッチ条件に到達しやすくなったことが分かる。
【００４９】
本発明の空燃比制御方法によれば、ポスト噴射と吸入空気量制御とが併せて用いられ、一部の走行条件のみであることから、燃費の悪化は、例えば、ＭＶＥＧ走行の場合０．７％と小さく抑えることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のエンジンの空燃比制御方法によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するために、一時的に排気ガスをポスト噴射を使用してリッチ条件にする際に、インテークスロットルによる吸気絞りを行って、吸入空気量を減少すると共にポスト噴射を行うので、燃費の悪化を防止しながら、確実にリッチ条件を実現できる。
【００５１】
また、リーン条件制御の開始初期に、微少量のポスト噴射量を行い、吸入空気量が所定の値以下になった時に、ポスト噴射量を所定の噴射量まで増加するので、このポスト噴射によるトルク変動を少なくでき、トルクショックを発生させることなく、リーン条件とリッチ条件を切り換えることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有する排気浄化システムを備えたエンジンのシステムを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の制御フローを示す図である。
【図３】制御の時系列の一例を示す図である。
【図４】高負荷条件でポスト噴射を加えた場合の空燃比の時系列を示す図である。
【図５】ポスト噴射を加えなかった場合の空燃比の時系列を示す図である。
【図６】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵のメカニズムを示す図である。
【図７】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘの放出とのメカニズムを示す図である。
【符号の説明】
１エンジン（内燃機関）
２排気通路
３吸気通路
４ＥＧＲ通路
２３インテークスロットル（吸気絞り弁）
３２ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
５３燃料噴射弁（インジェクタ）
６０制御装置（ＥＣＵ）

Claims

エンジンの排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有する排気浄化システムを備えると共に、インテークスロットルとポスト噴射可能な燃料噴射装置と吸入空気量検出手段を備えたエンジンの空燃比制御方法であって、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するために、一時的にインテークスロットルによる吸気絞り制御と燃料噴射制御におけるポスト噴射を行って排気ガスをリッチ条件にする際に、リッチ条件制御の初期に第１ポスト噴射量でポスト噴射を行い、その後に、前記吸入空気量検出手段で検出された吸入空気量が、所定の吸入空気量より少なくなった時に、ポスト噴射量を増量してリッチ条件用の第２ポスト噴射量にすることを特徴とするエンジンの空燃比制御方法。
ポスト噴射量を除いた燃料噴射量と前記所定の吸入空気量とから算出される空燃比が１５〜１６の範囲内となるように、前記所定の吸入空気量を設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの空燃比制御方法。
前記インテークスロットルによる吸気絞り制御における目標吸入空気量を、ポスト噴射量を除いた燃料噴射量と該目標吸入空気量とから算出される空燃比が理論空燃比になる吸入空気量に設定することを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの空燃比制御方法。
排気通路に設けた空燃比センサで計測される空燃比が１４．０〜１４．７になった時にリッチ条件制御を終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの空燃比制御方法。