JP2004346849A - ディーゼル・エンジンの制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス通路に設けたフィルタなどを再生するための制御モード転換を合理化する。制御モード転換に伴う失火（ミスファイア）あるいは予期しない急加速などを防止する。
【解決手段】通常の運転状態で設定されるエンジンの燃焼モード（第一モード）から、燃料をリッチにして排気ガス温度を上昇させる燃焼モード（第二モード）への転換は、ＶＧＴ弁のターボ回転を配慮して相応の時間をかけて転換させる。ＶＧＴ弁を含む各弁の転換制御を実質的に同時に開始し、各弁の制御を時間の関数で制御し、実質的に同時に終了する。第二モードから排気ガスのＨＣ（炭化水素）成分を増大させる燃焼モード（第三モードへの転換、もしくは第二モードから第一モードへの転換）は短い時間で実行する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル・エンジンから排気ガス中に排出される微粒子（ＳＰＭ，Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ） の低減に関する。本発明はディーゼル・エンジンの排気ガス通路に設けられるフィルタの再生に利用する。とくに排気ガス浄化装置に溜まる微粒子をディーゼル・エンジンからの排気温度を上昇させることにより燃焼させ、あるいは還元性炭化水素（ＨＣ）により触媒を再生するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１（出願人、マツダ）、非特許文献１でディーゼル・エンジンの排気ガスを浄化するために、排気通路にフィルタを設けるとともに、所定時間が経過するとこのフィルタに溜まる微粒子を燃焼させて、フィルタに充填された触媒を再生させる技術が知られている。触媒を再生させるためには、ディーゼル・エンジンの燃焼モードを一時的に転換することにより制御される。これには、ディーゼル・エンジンに設けられた可変容量過給機（ＶＧＴ）弁、排気ガス還流（ＥＧＲ）弁、および吸気弁の開度を相互に関連して制御することが有効である。
【０００３】
すなわち、通常の走行状態では、燃焼モードを燃料に対する空気の混合比を走行に最適な状態に制御している（第一モード）。ＶＧＴ弁およびＥＧＲ弁についても、その時点の負荷に応じて最適な状態が得られるように制御されている。排気通路に設けたフィルタに微粒子が溜まった状態になると、これを自動的に検出して制御トリガが発生する。この制御トリガにより、ディーゼル・エンジンに供給する混合気について、その空気と燃料の混合比を燃料成分の大きいリッチなモードに移行する（第二モード）。これにより排気ガスの温度を上昇させる。これにはＶＧＴ弁およびＥＧＲ弁の開度を相互に関連させながら制御を行う。これにより排気ガスの温度が上昇し、フィルタに溜まっているすす粒子を酸化させる。
あらかじめ設定された時間が経過すると、通常の走行状態に適するモード（第一モード）に戻す。第二モードでは、温度がそれ程高くないので、フィルタ外周にあるすすは酸化できずに残り、排圧の上昇が短い周期で発生するようになる。このため、ＨＣ（炭化水素）を供給し、さらに高温にしてすすの酸化を行うモードを設ける（第三モード）。これもＶＧＴ弁およびＥＧＲ弁の開度を相互に関連させながら制御を行う。
【０００４】
特許文献１には、これらの弁開度を時間の経過にしたがい、相互に関連させて制御する技術が開示されている。この一連の弁開度は、トリガ信号により起動されコンピュータ制御されることが説明されている。また、このようなディーゼル・エンジンの排気ガス浄化について、一般的な技術が非特許文献１に詳しく解説されている。その２８頁には、最近の関連する主要な参考文献のリストが掲載されている。
【０００５】
特許文献１に開示された従来例方法にしたがうと、ディーゼル・エンジンの運転中に、はじめにＶＧＴ弁を絞り、過給率を高くして空気充填量を増大させてから、ある時間をおき、ついでＥＧＲ弁を開いてその還流率を所定値まで高くすることにより燃焼モードの切替を行うように教示されている。これは特許文献１の図１９およびその説明［００９２］に記載されているところである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１２３８５８号公報
【非特許文献１】
三輪恵「ＰＭ逓減のためのエンジン技術」、株式会社山海堂発行 雑誌「エンジンテクノロジー」Ｖｏｌ．２ Ｎｏ．５ ２５〜２８頁、２００２年９月発行
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃焼モードの切替を行うと、エンジンに供給される燃料が増大し、一時的にエンジンの出力トルクが急増する現象が観察された。これは、その切替時に供給される空気量の変化が、かならずしも設計値通りに制御されないことが原因であることがわかった。さらにこれは、可変容量過給機に含まれるターボ・チャージャの慣性により、制御値の急激な変化に対して実際の還流量には相応の遅れが生じることがあり、これが主要な原因であることがわかった。
【０００８】
このように予期しない制御により出力トルクが急増する現象は望ましいことではない。またこの空気量の変化が遅れることがあると、状態によっては失火（ミス・ファイア）を招く場合があることも経験された。
【０００９】
本発明は、これを改良するものであって、排気通路のフィルタに設けられた触媒を再生するために行われる、可変容量過給機（ＶＧＴ）弁、および排気ガス還流（ＥＧＲ）弁を含む複数の弁についての制御方法を改良することを目的とする。本発明は、複数の弁に対する経時的な制御により、エンジン出力トルクの急増や、失火が発生しない制御方法および装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、可変容量過給機（ＶＧＴ）弁、および排気ガス還流（ＥＧＲ）弁、ならびに吸気絞り弁を排気通路のフィルタを再生する状態から、通常の動作状態に復帰するときの合理的な制御方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、通常の走行状態で設定される燃焼モードである第一モードから、排気ガス温度を上昇させる第二モードへ転換させる際に、ターボ・チャージャが応答追従するに要する時間を配慮して緩やかに制御することを最大の特徴とする。
そしてこの緩やかな弁制御を時間の関数として設定し制御することにより、供給される気流に過不足が発生しないように円滑な制御を実行することができる。
【００１１】
すなわち本発明は、エンジンの燃焼モードを通常走行状態で設定される第一モードから、排気ガス温度を上昇させる第二モードへ転換させるディーゼル・エンジンの制御方法において、
ＶＧＴ （Ｖａｌｕａｂｌｅ Ｇｒｏｓｓ Ｔｕｒｂｏ 可変容量過給機） 弁、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ， 排気ガス還流） 弁、および吸気弁の切換動作を相応の移行時間（ｔ_１ からｔ_２ まで）をかけて緩やかに実行させるとともに、前記各弁の開度をその経過時間の関数として制御することを特徴とする。ＶＧＴ弁は回転体を含み、この回転体は慣性を有するので、弁の開閉制御には制御信号が与えられてから、その開度が制御信号の指示値になるまでに相応の時間がかかる。上記相応の移行時間（ｔ_１ からｔ_２ まで）とは、ターボ・チャージャの回転体回転速度が制御に追従するに要する時間である。これはターボ・チャージャの大きさおよび回転特性にしたがって異なる値となる。例示すると時間（ｔ_１ からｔ_２ まで）は数十秒であり、さらに詳しくは１０秒ないし５０秒程度である。
【００１２】
前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の制御を実質的に同時に開始し、実質的に同時に終了するように制御することが望ましい。前記ＶＧＴ弁開度を時間ｔの関数ｆ（ｔ）とするとき、前記ＥＧＲ弁および前記吸気弁の開度を前記関数ｆ（ｔ）の逆関数に比例する関数、もしくはｆ（ｔ）の対数に比例する関数で制御する構成とすることが望ましい。
【００１３】
特許文献１に説明されている方法では、はじめにＶＧＴ弁を制御し、このＶＧＴ弁が絞られてからつぎにＥＧＲ弁の開度を増大するように説明されている。しかしＶＧＴ弁の開度を変更すると、それはターボ・チャージャの回転体慣性の影響を受けるから、実際に気流の変化がこの制御量に対応するには、上記説明のように相応の時間を要することになる。これをターボ・チャージャの回転体慣性を配慮して制御することにより、制御に対して装置が正しく応答しない、という矛盾はなくなる。
【００１４】
前記第二モードから前記第一モードに戻すための制御については、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作を実質的に同時に開始し、同時に終了するとともに、その切換えに要する動作時間（ｔ_３ からｔ_４ まで）は、前記経過時間（ｔ_１ からｔ_２ までの）より短い時間に設定することができる。前記第二モードから排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）の割合を増大させる第三モードに転換する制御についても同様である。これはＶＧＴ弁およびＥＧＲ弁をそれぞれ開ける方向の制御であり、回転体の慣性の影響を受けるとしても回転速度を減速させる方向の制御であるのでその影響程度は小さいからである。この短い経過時間（ｔ_３ からｔ_４ まで）は例示すると数秒である。装置によっては１秒程度まで短縮することもできる。
【００１５】
本発明のもう一つの観点は制御装置であり、ＶＧＴ弁、ＥＧＲ弁および吸気弁の開度を関連して制御することにより、エンジンの燃焼モードを通常走行状態で設定される第一モード、排ガス温度を上昇させる第二モード、および排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）の割合を増大させる第三モードのいずれかを選択する制御手段を備えたディーゼル・エンジンの制御装置において、前記制御手段は、前記第一モードから前記第二モードへのモード転換について、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作を相応の時間ｔ_１ にわたり時間の関数として制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記第二モードから前記第一モードへの転換、または前記第二モードから前記第三モードへの転換は、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作の時間が前記時間ｔ_１ より短い時間に設定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明実施例装置をさらに詳しく説明する。図１は本発明実施例装置の制御対象となるディーゼル・エンジンの吸排気系を説明する構成図である。図の左上から取込まれた空気はエアクリーナ１を経由してエンジンに流入する。この流入量はエアフローセンサ２により検出され、制御に利用される。この吸気はインタークーラ３を介してエンジンに供給される。この流入量は吸気絞り弁９により調節される。エンジンの排気はＶＧＴを介してマフラー８から大気中に送出される。このときターボを駆動し吸気を加圧する。また排気の一部はＥＧＲクーラ６およびＥＧＲ弁７を経由して吸気側に帰還される。
【００１８】
制御回路１２は、エアフローセンサ２、ブースト圧センサ４、排気温度センサ１０の検出出力およびトリガ入力を取込み、ＶＧＴ弁５、ＥＧＲ弁７、および吸気絞り弁９の各弁開度を制御する装置である。この制御回路１２には、運転席で発生するトリガ信号も入力する。
【００１９】
このような装置で本発明の特徴はその制御方法にある。図２は本発明実施例制御方法を説明するタイムチャートである。横軸に時間をとり、縦軸に各弁の開度を表示する。すなわち車両の走行中はエンジンの燃焼モードは第一モードであり、この第一モードでは、各弁の開度はアクセル・ペダルの踏み込み量に対応して最適な走行状態が得られるように制御されている。第二モードはマフラー８に設けられたフィルタの温度を上昇させてフィルタを再生させるモードである。これは、エンジンに供給する燃料の混合比をリッチにすることにより行われる。さらに第三モードは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）の割合を高くしてフィルタを再生させるモードである。これもエンジンに供給する燃料の混合比を炭化水素の割合を高くするように制御することにより行われる。
【００２０】
このような処理を実行するために、図２に示す起動タイミングｔ_１ でトリガ信号が発生される。これは制御回路１２がエンジン運転の時間経過にしたがって自律的に発生される。さらに、運転席からの操作によりこの起動トリガ信号を発生することができる。制御回路１２は、このタイミングｔ_１ からＶＧＴ弁５が緩やかに、その開度が時間の経過ｔにしたがってほぼ直線的に小さくなるように制御される。同時にタイミングｔ_１ からＥＧＲ弁７および吸気絞り弁９が、それぞれ時間の関数として制御される。このＶＧＴ弁５の開度を制御する関数を時間の関数ｆ（ｔ）とすると、その対数関数または逆関数として設定することが望ましい。
【００２１】
そして時刻ｔ_１ からあらかじめ設定された時間が経過した時刻ｔ_２ （例、数十秒経過時）に、この弁開度の変更を中止して第二モードに入る。第二モードは、上述のように燃料の混合をリッチにして、マフラー８に設けられたフィルタの温度を上昇させるモードである。この第二モードは時刻ｔ_２ からあらかじめ設定された時間が経過する時刻ｔ_３ まで継続する。
【００２２】
時刻ｔ_３ でさらにモードを転換して排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）の量を増大させるように、その燃料混合比を制御する。このための転換に要する時間は時刻ｔ_３ からｔ_４ である。この期間はＶＧＴ弁５のターボ回転を減速させる方向の制御である。ＶＧＴ弁５のターボ回転には負荷がかかっているから、その回転速度は短い時間で減速させることができる。すなわち時刻ｔ_３ からｔ_４ までは短い時間（例、１秒前後）に設定することができる。
【００２３】
時刻ｔ_３ では、第二モードをつねに第三モードに転換するものではない。すなわち、第二モードの後に必ず炭化水素の量を増大させる第三モードを設定する必要はなく、その制御モードを第三モードに転換する代わりに、通常の走行モードである第一モードに戻すための制御を行う場合もある。この場合にも、ＶＧＴ弁５の回転速度は短い時間で減速させることができるから、同様に短い時間（例、１秒前後）でこれを実行することができる。
【００２４】
図３に上記制御について、さらに詳しい制御フローチャートを示す。このフローチャートは制御回路１２が実行する演算手順の要部を示すものである。以下図３について簡単に説明する。
【００２５】
制御開始のトリガが発生して制御を開始すると、エンジンの燃焼モードについて、はじめに各モード（第一、第二、第三）における各弁の開度を演算する。例えば、ＥＧＲｖ１は第一モードにおけるＥＧＲ弁７の開度である。ＶＧＴｖ１は第一モードにおけるＶＧＴ弁５の開度である。ＤＳＬｖ１は第一モードにおける吸気絞り弁９の開度である。第二モードおよび第三モードにおいても同様にその添え数字により表記する。
【００２６】
つぎに現在の状態がモードの移行中であるかを再度確認して、移行中であれば、どのモードからどのモードへの移行であるかを識別する。そして、それぞれのモード移行についての所要時間を設定する。この例では第一モードから第二モードに移行するときに限りその移行のための所要時間 （Ｔ１２） を２０秒とし、その他の移行時間は一律に１秒とする。そしてその移行がどのモードからどのモードへの移行であるかを示すフラグを立てる。フラグはＦ＝１からＦ＝４ までのいずれかである。
【００２７】
ついでそのフラグにしたがって、各弁についてその時点の開度を表示するような数式にしたがって演算するとともにその開度を制御する。図中のｓｐは単位時間ごとに発生する計数信号であり、Ｔｃｏｕｎｔ はその時点の経過時刻を示す。＊Ｇは利得定数を乗算することを示す。利得定数Ｇは逆関数移行時の傾きを定めることになる。これは円滑な制御が行われるように適宜選択することがよい。
【００２８】
この演算結果にしたがって各弁開度が制御される。経過時間があらかじめ設定された時間までこの制御が繰り返されるる。経過時間が設定された時間に達すると、フラグがリセット（Ｆ＝０）される。
【００２９】
上記の経過時間２０秒あるいは１秒はあくまでも例示であり、これはＶＧＴ弁の性質に応じてそれぞれ適当な値を設定することができる。とくに第一モードから第二モードに移行する所要時間Ｔ１２は、利用するＶＧＴ弁の性能に応じてさらに短い値（例えば１０秒以下）を設定することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、エンジン出力トルクの急増や、失火が発生しない制御方法および装置が得られる。本発明の制御により、運転者は燃焼モードの変更をその都度意識する必要がなくなり、実質的に運転操作を定常通りに実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図２】本発明実施例装置の制御タイムチャート。
【図３】本発明実施例装置の制御フローチャート。
【符号の説明】
１ エアクリーナ
２ エアフローセンサ
３ インタークーラ
４ ブースト圧センサ
５ ＶＧＴ弁
６ ＥＧＲクーラ
７ ＥＧＲ弁
８ マフラー
９ 吸気絞り弁（ＤＳＬ）
１０ 排気温度センサ
１２ 制御回路

Claims (8)

1. 燃焼モードを通常走行状態で設定される第一モードから、排気ガス温度を上昇させる第二モードへ転換させるディーゼル・エンジンの制御方法において、
   ＶＧＴ（可変容量過給機）弁、ＥＧＲ（排気ガス還流） 弁、および吸気絞り弁の切換動作を相応の移行時間をかけて緩やかに実行させるとともに、前記各弁の開度をその経過時間の関数として制御することを特徴とするディーゼル・エンジンの制御方法。
2. 前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の制御を実質的に同時に開始し、実質的に同時に終了する請求項１記載のディーゼル・エンジンの制御方法。
3. 前記ＶＧＴ弁開度を時間ｔの関数ｆ（ｔ）とするとき、前記ＥＧＲ弁および前記吸気弁の開度を前記関数ｆ（ｔ）の逆関数に比例する関数で制御する請求項１記載のディーゼル・エンジンの制御方法。
4. 前記ＶＧＴ弁開度を時間ｔの関数ｆ（ｔ）とするとき、前記ＥＧＲ弁および前記吸気弁の開度を前記関数ｆ（ｔ）の対数に比例する関数で制御する請求項１記載のディーゼル・エンジンの制御方法。
5. 前記第二モードから前記第一モードに戻すための制御については、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作を実質的に同時に開始し、同時に終了するとともに、その切換えに要する動作時間が前記移行時間より短い時間に設定された請求項１記載のディーゼル・エンジンの制御方法。
6. 前記第二モードから排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）の割合を増大させる第三モードに転換する制御についても、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作を実質的に同時に開始し、同時に終了するとともに、その切換えに要する動作時間が前記移行時間より短い時間に設定された請求項１記載のディーゼル・エンジンの制御方法。
7. ＶＧＴ弁、ＥＧＲ弁および吸気弁の開度を関連して制御することにより、エンジンの燃焼モードを通常走行状態で設定される第一モード、排ガス温度を上昇させる第二モード、および排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）の割合を増大させる第三モードのいずれかを選択する制御手段を備えたディーゼル・エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、前記第一モードから前記第二モードへのモード転換について、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作を相応の移行時間にわたり時間の関数として制御する手段を備えたことを特徴とするディーゼル・エンジンの制御装置。
8. 前記第二モードから前記第一モードへの転換、または前記第二モードから前記第三モードへの転換は、前記ＶＧＴ弁、前記ＥＧＲ弁、および前記吸気弁の切換動作の時間が前記移行時間より短い時間に設定された請求項７記載のディーゼル・エンジンの制御装置。

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