JP2005048749A - エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジントルクを発生させるための主燃焼に先立ち、所定の熱発生を形成するための予備燃焼を行わせる。予備燃焼は、第1の燃料噴射により上死点近傍で行わせ、主燃焼は、第2の燃料噴射により通常時よりも遅く、かつ予備燃焼が終了した後に行わせる。予備燃焼の着火遅れ期間Δtijを検出し、これが長いときほど第1の燃料噴射の噴射量を増大させる。
【選択図】 図5
Description
図1は、本発明の一実施形態に係る自動車用ディーゼルエンジン(以下「エンジン」という。)1の構成を示している。
吸気通路11の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、エアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。吸気通路11には、可変ノズルターボチャージャ12のコンプレッサ12aが介装されており、コンプレッサ12aにより吸入空気が圧縮されて送り出される。コンプレッサ12aの下流には、インタークーラ13が設置されており、インタークーラ13により圧縮された吸入空気が冷却される。吸入空気は、さらにサージタンク14に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。サージタンク14の上流には、吸気絞り弁15が設置されている。吸気絞り弁15は、アクチュエータ151と接続されており、アクチュエータ151により開度が制御される。
排気通路31において、NOxトラップ触媒32と、ディーゼルパティキュレートフィルタ33との間には、圧力センサ51が設置されており、圧力センサ51により排気圧力Pexhが検出される。ディーゼルパティキュレートフィルタ33の下流には、酸素センサ52と、温度センサ53とが設置されており、酸素センサ52により排気空燃比ABYFが、温度センサ53により排気温度が検出される。温度センサ53は、検出された排気温度からNOxトラップ触媒32の温度(以下「触媒温度」という。)Tnox及びディーゼルパティキュレートフィルタ33の温度(以下「フィルタ温度」という。)Tdpfを推定するためのものである。NOxトラップ触媒32及びディーゼルパティキュレートフィルタ33のそれぞれに温度センサを設置し、それらの温度を直接検出することとしてもよい。また、エアフローメータ54、クランク角センサ55、アクセルセンサ56及び温度センサ57が設置されている。各センサの出力は、電子制御ユニット(以下「ECU」という。)41に入力される。ECU41は、エアフローメータ54の出力に基づいて吸入空気量Qacを、クランク角センサ55の出力に基づいてエンジン回転数Neを、アクセルセンサ56の出力に基づいてアクセル開度APOを、温度センサ57の出力に基づいて燃料温度Tfuelを演算する。ECU41は、演算結果をもとに、インジェクタ21及び他のアクチュエータ122,151,351を制御する。
図2は、運転モード選択ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンにより設定された運転モードに応じて燃焼形態が切り換えられる。
S1では、エンジン回転数Ne、アクセル開度APO、触媒温度Tnox及び排気圧力Pexhを読み込む。
S3では、NOxトラップ量NOXを検出する。NOxトラップ量NOXは、NOxトラップ触媒32にトラップされているNOxの量であり、エンジン回転数Neの積算値として下式(1)により算出する。符号n−1は、このルーチンを前回に実行した際に算出した値であることを示し、Δtは、このルーチンの実行周期を示す。NOxトラップ量NOXは、自動車がある一定の距離を走行するたびに所定量ずつ加算する方法で算出することもできる。
S4では、硫黄分トラップ量SOXを検出する。硫黄分トラップ量SOXは、NOxトラップ触媒32にトラップされている硫黄分の量であり、NOxトラップ量NOXと同様に、エンジン回転数Neの積算値として下式(2)により算出する。
SOX=SOXn-1+Ne×Δt ・・・(2)
S5では、パティキュレート堆積量PMを検出する。パティキュレート堆積量PMは、ディーゼルパティキュレートフィルタ33に堆積しているパティキュレートの量であり、ディーゼルパティキュレートフィルタ33の上流における排気圧力Pexhで近似する。パティキュレート堆積量PMは、エンジン回転数Neや、走行距離に基づいてエンジン1から単位時間当たりに排出されるパティキュレートの量を演算し、これを積算して算出することもできる。
S7では、脱硫再生実行フラグFdesulが0であるか否かを判定する。Fdesulは、通常は0に設定されている。Fdesulが0であるときは、S8へ進み、0でないときは、図24に示すルーチンへ進む。
S9では、故障回避実行フラグFrecが0であるか否かを判定する。Frecは、通常は0に設定されており、PM再生又は脱硫再生が終了したときに一時的に1に切り換えられる。Frecが0であるときは、S10へ進み、0でないときは、図26に示すルーチンへ進む。
S15では、NOxトラップ量NOXが所定量NOX1に達したか否かを判定する。NOX1に達したときは、図34に示すルーチンへ進み、このルーチンのS1001において、NOx再生要求フラグrqSPを1に設定する。NOX1に達していないときは、S16へ進む。
ここで、S2から図35に示すルーチンへ進み、NOxトラップ触媒32の活性を促進する場合、S6から図17に示すルーチンへ進み、PM再生を実行する場合、S7から図24に示すルーチンへ進み、脱硫再生を実行する場合、及びS8から図25に示すルーチンへ進み、NOx再生を実行する場合は、燃焼形態を切り換え、本発明に係る分割リタード燃焼により運転を行わせる。
図4及び5は、燃焼形態に応じた燃料噴射パターン及び熱発生率を示し、図4は、通常燃焼による場合のものを、図5は、分割リタード燃焼による場合のものを示している。
通常燃焼では、常用運転領域において、パイロット噴射及びメイン噴射を行う。パイロット噴射は、メイン噴射よりも早い上死点前40〜10°CAの時期に行わせ、1ストローク当たりの噴射量は、1〜3mm3の範囲に設定する。メイン噴射は、上死点前10〜−5°CAの時期に行わせ、パイロット噴射との間隔は、10〜30°CAの範囲に設定する。
分割リタード燃焼によれば、第2の噴射時期ITmを遅らせ、主燃焼を遅い時期に行わせることで、排気温度を上昇させることができる。また、第1及び第2の燃料噴射の間隔Δtijを設定し、予備燃焼が終了した後に主燃焼を行わせることで、第2の燃料噴射により噴射された燃料の着火遅れ期間Δtigmを確保することができ、主燃焼に際して燃料の予混合割合を高くすることができる。このため、NOxトラップ触媒32の脱硫再生等に際し、要求される高い排気温度を達成するとともに、空気過剰率の低下に対し、スモークの発生を抑えることが可能となる。ここで、第2の噴射時期ITmを遅らせるほど、排気温度を上昇させ、かつスモークを少なく抑えることができる。本実施形態では、空気過剰率を低下させる際に吸入空気量を減少させることとするが、予備燃焼により圧縮端温度が高められるので、主燃焼を安定して行わせることができる。なお、分割リタード燃焼によれば、第2の噴射時期ITmによらず、HCの排出が低いレベルに抑えられる。
S51では、燃焼形態の切り換えが指示されたか否かを判定する。燃焼形態の切り換えは、NOxトラップ触媒32の活性を促進する場合、PM再生を実行する場合、脱硫再生を実行する場合及びNOx再生を実行する場合に指示される。切り換えが指示されたときは、S52へ進み、指示されていないときは、このルーチンをリターンする。
ここで、目標空気過剰率tλは、後述するPM再生ルーチン、脱硫再生ルーチン、NOx再生ルーチン及び急速活性ルーチンにおいて、各運転モードに応じた値に設定される。
目標EGR率tRegrは、別に設けられるEGR制御ルーチンにおいて、エンジン回転数Ne及び要求噴射量Qfdrvに応じ、Neが低く、かつQfdrvが少ないときほど大きな値に設定される(図9)。ECU41は、EGR制御ルーチンにおいて、設定したtRegr及び目標吸入空気量tQacに基づいて下式(3)により目標EGRガス量tQegrを算出するとともに、算出したtQegrを実現するためのEGR弁35の目標開度tAegrを算出する。ECU41は、アクチュエータ351を作動させ、EGR弁35を目標開度tAegrに制御する。なお、本実施形態に関し、EGR率は、EGR管34を介して筒内に還流される排気の作動ガス全体に対する流量比をいう。
また、燃料比重κfuelは、燃料性状検出ルーチンにより検出される。このルーチンは、図10に示すフローチャートに従い、燃料タンクに燃料が補充されるたびに実行される。
S61では、吸入空気量Qac、要求噴射量Qfdrv、排気空燃比ABYF及び燃料温度Tfuelを読み込む。S62では、吸入空気量Qacを排気空燃比ABYFで除算し、燃料供給重量Gm(=Qac/ABYF)を算出する。S63では、算出したGmを要求噴射量Qfdrvで除算し、実燃料比重κ(=Gm/Qmain)を算出する。S64では、算出したκを基準温度下でのものに換算し、得た値を燃料比重κfuelとして記憶する。本実施形態では、基準温度として20℃を採用する。
S54では、第1の噴射量の基本値Qpbaseを演算する。基本値Qpbaseは、エンジン回転数Ne及び第2の噴射量Qmにより図12に示すマップを検索し、Neが低く、かつQmが少ないときほど大きな値として算出される。
第3の項Kid3は、エンジン回転数Neにより図15に示すテーブルを検索し、Neが高いときほど大きな値として算出される。エンジン回転数Neの上昇に伴うクランク角としての着火遅れの長期化に対し、第3の項Kid3を増大させ、第1の噴射量Qpを増大させる。
S56では、基本値Qpbaseに補正係数Kidを乗算し、第1の噴射量Qp(=Qpbase×Kid)を算出する。補正係数Kidを乗算することで、第1の燃料噴射により噴射された燃料の着火遅れが適正化される。
S102では、空気過剰率をディーゼルパティキュレートフィルタ34に堆積しているパティキュレートの量に応じた目標値tλregに制御する。空気過剰率は、吸気絞り弁15及びEGR弁35を作動させて制御する。ECU41は、パティキュレート堆積量PMにより図18に示すテーブルを検索し、PM再生時における目標空気過剰率tλreg(=1〜1.4)を算出する。目標空気過剰率tλregは、PMが多いときほど小さな値として算出される。ECU41は、エンジン回転数Ne及び第2の噴射量Qmにより図19に示すマップを検索し、ストイキに相当する空気過剰率を与える基準吸入空気量tQac0を読み出す。読み出したtQac0と、算出したtλregとを乗算してPM再生時における目標吸入空気量tQac(=tQac0×tλreg)を算出し、吸気絞り弁15を算出したtQacに応じた開度に制御する。実際の空気過剰率の目標値tλregに対する乖離は、酸素センサ52の出力をフィードバックしてEGR弁35の開度を制御することにより調整する。なお、パティキュレート堆積量PMは、排気圧力Pexhから推定することができる。
S107では、故障回避実行フラグFrecを1に設定し、ディーゼルパティキュレートフィルタ33の故障を回避するのための制御を行う。パティキュレートに燃え残りが存在するときは、空気過剰率を即時に通常値に復帰させたとすると、この燃え残りが急速に燃焼し、ディーゼルパティキュレートフィルタ33に過大な熱負荷をかけ、故障を来すおそれがあるためである。
S202では、空気過剰率をストイキ相当値(=1)に制御する。空気過剰率は、吸気絞り弁15及びEGR弁35を作動させて制御する。ECU41は、図19に示すマップを検索してストイキに相当する空気過剰率を与える目標吸入空気量tQac(=tQac0)を算出し、これが達成されるように吸気絞り弁15及びEGR弁35を動作させる。また、図20,21に示すマップを検索して第1及び第2の噴射時期ITp,ITmを算出するとともに、トルク変動を抑制し、ポンピングロスを低減するため、図22,23に示すテーブルを検索して補正係数Ktr1,Ktr2を算出する。算出したKtr1,Ktr2を第2の噴射量Qmに乗算する。
S206では、NOxトラップ量NOXを0に設定し、NOx再生要求フラグrqSPが1であるときは、これを0に設定する。脱硫再生を行うことにより空気過剰率がストイキ相当値に制御されると、硫黄分とともにNOxも放出され、NOx再生が同時に行われるためである。
図25は、NOx再生ルーチンのフローチャートを示している。NOx再生は、排気を一時的にストイキよりもリッチ側に制御することにより行い、NOx再生時の運転は、分割リタード燃焼により行わせる。NOx再生では、脱硫再生とは異なり、排気温度を上昇させる必要はないが、排気空燃比を低下させる際に吸入空気量を減少させることとしており、圧縮端温度の低下に対処する必要があるため、分割リタード燃焼による運転を採用する。このルーチンにおいて、第1及び第2の噴射時期ITp,ITmが設定される。
図26は、故障回避ルーチンのフローチャートを示している。故障回避は、空気過剰率をPM再生時及び脱硫再生時よりもリーン側の1.4以下の値に制御することにより行い、故障回避時の運転は、排気温度を低下させる必要があることから、通常燃焼により行わせる。
S402では、エンジン回転数Ne及びメイン噴射量Qmainにより図27に示すマップを検索し、目標吸入空気量tQacrecを設定する。吸気絞り弁15及びEGR弁35を設定したtQacrecに応じた開度に制御し、目標空気過剰率tλrecを達成する。
S404では、空気過剰率を通常値に復帰させるとともに、故障回避実行フラグFrecを0に設定する。
S502では、エンジン回転数Ne及びアクセル開度APOにより図29に示すマップを参照し、分割リタード燃焼が可能な領域に運転状態があるか否かを判定する。ハッチングを付した低回転、かつ低負荷の領域では、分割リタード燃焼への切り換えを禁止する。
一方、S504では、NOx排出量が少ない運転状態にエンジン1があるか否かを判定する。この判定は、たとえばエンジン1が定常運転状態にあるか否かを判定することにより行い、定常運転状態にあるときは、NOx排出量が少ないものと判断し、S505へ進む。一方、定常運転状態にないときは、NOx排出量が多いものと判断し、NOx再生をPM再生に優先して行わせるべく、S506へ進む。
図30に示すフローチャートにおいて、S601では、脱硫再生要求フラグrqDESULが1に切り換えられてから現在までの間に、PM再生要求フラグrqREGが1に切り換えられたか否かを判定する。切り換えられたときは、S602へ進み、PM再生実行フラグFregを1に設定する。これによりPM再生が脱硫再生に優先して行われる。一方、切り換えられていないときは、S603へ進む。
S604では、図29に示すマップを参照し、分割リタード燃焼が可能な領域に運転状態にあるか否かを判定する。そのような運転状態にあるときは、S605へ進み、脱硫再生実行フラグFdesulを1に設定する。一方、そのような運転状態にないときは、このルーチンをリターンする。
図31に示すフローチャートにおいて、S701では、NOx再生実行フラグFspを1に設定する。
S1101では、触媒温度Tnoxを読み込む。
S1102では、図29に示すマップを参照し、分割リタード燃焼が可能な領域に運転状態があるか否かを判定する。そのような運転状態にあるときは、S1103へ進み、燃焼形態を分割リタード燃焼に切り換える。一方、そのような運転状態にないときは、このルーチンをリターンする。分割リタード燃焼による運転に際し、図20,21に示すマップを検索し、第1及び第2の噴射時期ITp,ITmを算出する。第2の噴射時期ITmが遅い時期に設定されることで、排気温度が上昇し、NOxトラップ触媒32の活性が促進される。また、図22に示すテーブルを検索して算出した補正係数Ktr1を第2の噴射量Qmに乗算する。なお、急速活性時において、目標空気過剰率tλは、通常値に設定される。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
以上では、NOxトラップ触媒32とディーゼルパティキュレートフィルタ33とを個別の装置として構成する場合を例に説明したが、本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタ33のフィルタエレメントにNOxトラップ触媒の触媒成分を担持させたものに適用することも可能である。
Claims (10)
- 排気通路に排気浄化装置を備えるエンジンに設けられ、
排気浄化装置の状態に応じ、通常時とそれ以外のときとで燃焼形態を切り換え、
通常時は、エンジントルクを発生させるための燃焼を比較的に上死点に近い時期に行わせ、
通常時以外のときは、エンジントルクを発生させるための燃焼としての主燃焼と、主燃焼前に所定の熱発生を形成するための予備燃焼とを行わせ、予備燃焼は、上死点又はその近傍で行わせる一方、主燃焼は、通常時の対応する燃焼よりも遅く、かつ予備燃焼が終了した後に行わせ、予備燃焼に際し、その着火遅れ期間が長いか、あるいは長いと判断されるときは、予備燃焼に寄与する燃料を増量させるエンジンの制御装置。 - 筒内に燃料を直接噴射するインジェクタと、
インジェクタの動作を制御するコントローラとを含んで構成され、
コントローラは、通常時とそれ以外のときとでインジェクタの噴射形態を切り換え、インジェクタに対し、通常時は、エンジントルクを発生させる燃焼のための燃料噴射を比較的に早い時期に行わせる一方、通常時以外のときは、エンジントルクを発生させる燃焼に先立って所定の熱発生を形成する予備燃焼のための第1の燃料噴射を行わせるとともに、エンジントルクを発生させる燃焼としての主燃焼のための第2の燃料噴射を、通常時の対応する燃料噴射よりも遅く、かつ主燃焼が予備燃焼の終了後に行われる時期に行わせ、
また、コントローラは、予備燃焼に際し、その着火遅れに相関するパラメータを検出し、検出したパラメータの値に応じて第1の燃料噴射の噴射量を調節するエンジンの制御装置。 - コントローラは、検出したパラメータの値をもとに判断される予備燃焼の着火遅れ期間が長いときほど第1の燃料噴射の噴射量を増大させる請求項2に記載のエンジンの制御装置。
- 排気通路に排気浄化装置を備えるエンジンに設けられ、
コントローラは、排気浄化装置の状態に応じ、通常時とそれ以外のときとでインジェクタの噴射形態を切り換える請求項2又は3に記載のエンジンの制御装置。 - 排気浄化装置としてパティキュレートフィルタ及びNOxトラップ触媒の少なくとも一方を備えるエンジンに設けられる請求項4に記載のエンジンの制御装置。
- コントローラは、パティキュレートフィルタ又はNOxトラップ触媒の再生時に通常時以外のときの噴射形態に切り換える請求項5に記載のエンジンの制御装置。
- コントローラは、前記着火遅れに相関するパラメータとして圧縮端温度を検出し、検出した圧縮端温度が低いときほど第1の燃料噴射の噴射量を増大させる請求項2〜6のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
- 排気を筒内に還流させる排気還流装置を備えるエンジンに設けられ、
コントローラは、前記着火遅れに相関するパラメータとして排気還流率を検出し、検出した排気還流率が高いときほど第1の燃料噴射の噴射量を増大させる請求項2〜7のいずれかに記載のエンジンの制御装置。 - コントローラは、前記着火遅れに相関するパラメータとしてエンジン回転数を検出し、検出したエンジン回転数が高いときほど第1の燃料噴射の噴射量を増大させる請求項2〜8のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
- コントローラは、前記着火遅れに相関するパラメータとして燃料の性状を検出し、検出した性状をもとに判断される燃料の着火性が低いときほど第1の燃料噴射の噴射量を増大させる請求項2〜9のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
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