JP2005048699A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘトラップ触媒を備えたディーゼルエンジンにおいて、リッチスパイク制御時の燃料量を精度良く管理する。
【解決手段】リッチスパイク制御に入るときに一時的なストイキへのフィードバック制御により燃料噴射量の学習を行う。これにより、目標空気過剰率の実際値との誤差を補正して、精度の高い制御を行うことができる。フィードバック制御はストイキを目標として行うので、実空気過剰率のフィードバックには比較的安価な酸素センサを適用することができる。
【選択図】図３

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、特に排気系にＮＯｘトラップ触媒を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置の改良に関する。

ＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンの排気浄化装置として特許文献１に開示されたようなものが知られている。この種の排気浄化装置では、通常はリーン燃焼でエンジン運転を行い、その間に発生したＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に堆積させ、ある程度ＮＯｘが堆積した時点で排気の空気過剰率（以下、空気過剰率を符号「λ」で表す場合がある。）を一時的にリッチ化することでＮＯｘを吸収剤から脱離させ還元処理するようにしている。このような制御は、λを一時的にリッチ方向に操作することからリッチスパイク制御と称される。
特許平8-218920号公報

リッチスパイク制御は一時的にλを濃化するので、ＮＯｘ堆積量に応じて適切なλで必要最小限度の期間内で行うことが望ましく、リッチスパイク制御の過不足やλの制御誤差は、燃費、排気エミッション、運転性に悪影響を及ぼす。
ディーゼルエンジンでは通常はλが２〜３のリーン燃焼状態で運転しており、前述したリッチスパイク制御の際にはλを０．８程度まで変化させる。このためλを正確に制御するためにはストイキ外の幅広いλの検出が可能な空燃比センサを用いたフィードバック制御を実施することが考えられるが、空燃比センサは酸素センサに比較して高価であるという欠点がある。

本発明では、リッチスパイク制御の開始に当たり、酸素センサを用いて一時的にストイキを目標とするＰＩ制御による空気過剰率のフィードバック制御を行い、この間のＰＩ信号に基づいてリッチスパイク制御時の目標空気過剰率を学習補正する。

本発明によれば、リッチスパイク制御に入るときに一時的なストイキへのフィードバック制御により空気過剰率の学習を行うことにより、目標空気過剰率の実際値との誤差を補正して、精度の高い空気過剰率制御を行うことができる。フィードバック制御はストイキを目標として行うので、実空気過剰率のフィードバックには比較的安価な酸素センサを適用することができる。

図１は、本発明を適用可能な過給機付ディーゼルエンジンの一例を示した概略構成図である。図に示すように、エンジン本体１には、コモンレール２、燃料噴射弁３および図示しない燃料ポンプを構成要素とするコモンレール燃料噴射系が設けられており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。前記燃料噴射弁３は、燃焼室に燃料を直接噴射し、かつメイン噴射の前にパイロット噴射が可能であり、またコモンレール２内の設定燃料圧力を変更することにより、燃料噴射圧力を可変制御できる。

過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に介装されており、排気タービン４ｂにより駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。排気タービン４ｂは排気通路６に介装されており、エンジン本体１からの排気により回転して前記コンプレッサ４ａを駆動する。なお、本実施形態においては、過給機４として可変容量型のものを用いており、低速域においてはタービン４ｂ側に設けられた可変ノズルを絞ってタービン効率を高め、高速域においては前記可変ノズルを開いてタービン容量を拡大させることにより、広い運転領域で高い過給効果を得ることができる。

吸気通路５には、前記コンプレッサ４ａの上流側にエアフローメータ７、下流側に吸気絞り弁８がそれぞれ介装されている。吸気絞り弁８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてエンジン本体１に吸入される吸入空気量を制御する。

排気通路６には、エンジン本体１と排気タービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９が設けられ、このＥＧＲ通路９にはＥＧＲ弁１０が介装されている。前記ＥＧＲ弁１０は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体１に吸入されるＥＧＲ量を制御する。排気通路６には、排気タービン４ｂの下流側にＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２および排気微粒子フィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）１３が順に設けられている。

前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１は低温時に吸着した排気中のＨＣを高温時に放出する特性を有する。活性状態ではＨＣ、ＣＯを酸化処理する。ＮＯｘトラップ触媒１２は、希薄空燃比運転状態で吸着した排気中のNOxを、濃空燃比運転状態で放出する特性を有する。活性状態ではNOｘを還元浄化する。ＤＰＦ１３は排気中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集する。捕集したＰＭは排気温度を高温化する再生制御により燃焼処理される。前記ＮＯｘトラップ触媒およびＤＰＦ１３は、酸化触媒としての機能を併有するものもある。

各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａを検出する前記エアフローメータ７の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、前記コモンレール２内の燃料圧力（すなわち、燃料噴射圧）を検出するレール圧センサ１７等が設けられる。また、それぞれ前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２およびＤＰＦ１３の出口排気温度を検出する温度センサ２１、２２、２３が設けられている。排気通路６の酸化触媒１１よりも上流側には排気酸素濃度を検出する酸素センサ（Ｏ₂センサ）２４が設けられている。

２０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されたコントロールユニットであり、前記各種センサからの検出信号に基づいて燃料噴射量Ｑｆ、噴射時期ＩＴを設定して前記燃料噴射弁３の駆動を制御すると共に、前記吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。特に、本発明に係る制御としては、前記ＮＯｘトラップ触媒１２の再生（ＮＯｘ脱離）のためのリッチスパイク制御およびλのフィードバック制御を行う。本発明との関係では、コントロールユニット２０は、空気過剰率制御手段、リッチスパイク制御手段、フィードバック制御手段、燃料噴射量学習手段、燃料噴射量補正手段の各手段の機能に対応している。

図２〜図３はコントロールユニット２０により実行される前記リッチスパイク制御の制御ルーチンを示す。この制御ルーチンはエンジン運転中に予め定められた所定の条件、例えばアイドルを含む低負荷低速運転状態であることを条件に一定時間間隔で周期的に実行される。なお図２以下の各流れ図および以下の説明において符号Sは処理ステップ番号を表している。

この制御ではまずS11にて図１に示した各種センサ類からの信号を読みとり、次いでこれらの信号を用いてS12にてＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘ堆積量を計算する。ＮＯｘ堆積量の計算手法は各種知られており、例えばエンジン回転速度Ne、燃料噴射量Qf、冷却水温Tw等の運転状態信号から推定したＮＯｘ量を運転履歴に応じて積算してゆくことでＮＯｘ堆積量を求めることができる。

S13では前記計算により求めたＮＯｘ堆積量NOx0を基準値NOx1と比較し、ＮＯｘ堆積量NOx0がNOx1以下であれば何もせずに今回のルーチンは終了する。ＮＯｘ堆積量がNOx1を超えたときは、次いでS14にてリッチスパイク制御のルーチンへと移行する。

図３に示したリッチスパイク制御では、カウンタCoによって規定される期間だけPI制御によるストイキへの燃料量フィードバック制御を行い、その間のPI信号値から算出した学習量でリッチスパイク時の燃料噴射量を補正したうえでリッチ空燃比によるリッチスパイク制御を行う。まずS21にて目標空気過剰率を理論空燃比（λ＝１）として設定すると共に、前記カウンタCoを０に初期化する。カウンタCoはフィードバック制御実施期間の基準として酸素センサ２４の出力の反転回数を計測するためのものである。

S22ではストイキを目標λとするエンジン制御として、まず吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度を減じる制御を実施する。次いでS23では酸素センサ２４からの信号に基づき、燃料噴射量による空気過剰率のフィードバック制御を開始する。フィードバック制御開始後にS24にて酸素センサ２４の出力が反転したか否かを判定し、出力の反転を検出するたびにS25にて前記カウンタCoを加算する。

酸素センサ２４の出力は、図４に示したように理論空燃比付近でリーン側またはリッチ側へとステップ状に変化する特性を有しており、所定の基準電圧Vsとの比較により信号の反転を検知することができる。

S26ではカウンタCoの値を判定する。カウンタCoが1以上かつCn以下のときにはS27にてその時点でのPI信号（図４参照）を記憶する。Co＝０のときはS23に戻る。これはフィードバック制御を開始後、酸素センサ出力の最初の反転を待って前記PI信号の記憶を開始するためである。Coが所定値Cnを超えたときはPI信号を記憶するための反転回数を満たしたものとしてS28以下の処理に移行する。前記Cnの値は、ストイキでの制御を必要最小限にとどめるために、例えば３〜４程度に設定される。

S28ではフィードバック制御を終了して目標λに応じたリッチスパイク制御に移行する。前記目標λは、例えばエンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて目標値を付与するように予め形成されたマップを検索して求められる。λが大きいリーン燃焼運転状態にてＮＯｘトラップ触媒１２に堆積していたＮＯｘは、このリッチスパイク制御によるλの濃化によりＮＯｘ吸収剤から脱離し、触媒での還元処理により浄化される。

S29では、前記S23〜27のフィードバック制御の間に取得したPI信号値の平均値PIaを算出する。PI信号は、図4に示したようにストイキからの空気過剰率のずれに応じて燃料量を補正するためのP分（比例分）とI分（積分分）からなり、図では希薄方向への補正分をPL,ILで、濃方向への補正分をPR,IRで表している。また添え数字は周期番号を表している。

前記平均値PIaの算出法は任意であり、例えば酸素センサ出力の所定反転周期の間の制御周期ごとのPI信号値を積算したものの総平均値、あるいは酸素センサ出力の１反転周期毎のPI信号の最大値と最小値、例えば図４でαmax1とαmin1の和の1/2を各反転周期毎に求めて反転周期数で平均化したもの等である。

S30では前記平均値PIaから目標λに対応する燃料噴射量の学習補正量を設定し、S31にて該学習補正量にて燃料噴射量を補正する。PI信号は一般に燃料制御系では空燃比補正係数として用いられるものであり、その信号が出力された時点でのストイキからのλのずれを代表している。したがってある期間でのその平均値PIaを燃料噴射量の補正値に変換して学習を行わせることにより、以後の制御においてより精度の高い燃料噴射量制御が可能になる。

S32〜S33では、前述した学習後の燃料噴射量に基づき終了条件が成立するまでリッチスパイク制御を継続する。前記終了条件としては、例えば図２の処理によるＮＯｘ堆積量に応じて定めた時間が経過するまで、あるいはリッチスパイク制御の間のＮＯｘ残量を推定し、該推定値が所定値以下になるまで等である。前記終了条件が成立したらS34にてリッチスパイク制御を終了させ、図２のルーチンに戻る。

本発明を適用可能なディーゼルエンジンの一例を示す概略構成図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第１の流れ図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第２の流れ図。 排気の空気過剰率、酸素センサ出力、PI信号の関係を表したタイミング図。

符号の説明

１ エンジン本体
２ コモンレール
３ 燃料噴射弁
４ ターボ過給器
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ エアフローメータ
８ 吸気絞り弁
９ ＥＧＲ通路
１０ ＥＧＲ弁
１１ 酸化触媒
１２ ＮＯｘトラップ触媒
１３ ＤＰＦ（排気微粒子フィルタ）
１４ 回転速度センサ
１５ アクセル開度センサ
１６ 水温センサ
１７ レール圧センサ
２０ コントロールユニット
２１，２２，２３ 温度センサ
２４ 酸素センサ

Claims (9)

1. 排気通路に介装されるＮＯｘトラップ触媒と、
   空気過剰率をエンジン運転状態に応じた目標値となるように制御する空気過剰率制御手段と、
   リーン燃焼状態にて前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＮＯｘを、一時的にリッチ燃焼状態にしてＮＯｘトラップ触媒から脱離させるリッチスパイク制御手段と、を備えたディーゼルエンジンにおいて、
   排気酸素濃度を検出する酸素センサと、
   前記酸素センサ出力に基づきストイキを目標値としてＰＩ制御により空気過剰率をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
   前記リッチスパイク制御開始時に、前記目標空気過剰率への制御前に前記フィードバック制御手段によるフィードバック制御を所定期間実施し、該フィードバック制御時のＰＩ信号により燃料噴射量の補正量を学習する燃料噴射量学習手段と
   前記学習結果に基づき、リッチスパイク制御時の燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段と、を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記フィードバック制御を実施する所定期間は、前記酸素センサ出力の反転回数により定めるようにした請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記学習補正量は、酸素センサ出力が所定回数反転する間のＰＩ信号の平均値に基づいて設定する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記ＰＩ信号の平均値は、酸素センサ出力が所定回数反転する間のＰＩ信号の総平均値である請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記ＰＩ信号の平均値は、酸素センサ出力の１反転周期毎のＰＩ信号の最大値と最小値の平均値の和を反転回数で平均化したものである請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記空気過剰率制御手段は、エンジン運転状態としてエンジンの回転速度と燃料噴射量を検出し、該検出値に応じて目標空気過剰率を付与するように形成されたマップを検索して目標空気過剰率を設定する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記空気過剰率制御手段は、吸気通路に介装された絞り弁の開度に応じて吸入空気量を加減することで空気過剰率を制御する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記フィードバック制御手段および空気過剰率補正手段は、リッチスパイク制御時の目標空気過剰率を燃料噴射量により補正する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記学習結果はリッチスパイク制御時の空気過剰率フィードバック制御にのみ適用する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
   

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