JP2005240592A

JP2005240592A - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2005240592A
Application number: JP2004048327A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shinjo; 崇新城
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】スモークの発生を抑えた状態で排気温度を上昇させるとともに、排気空燃比を低下させ、NOxトラッブ触媒等を再生させる。
【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の燃料噴射の噴射時期を進角させる。
【選択図】図5

Description

本発明は、エンジンの制御装置に関し、詳細には、パティキュレートフィルタや、NOxトラップ触媒等の排気浄化装置を備えるエンジンにおいて、これらの排気浄化装置の状態に応じ、スモークの発生を抑えた状態で排気温度を上昇させるとともに、排気空燃比を低下させる技術に関する。

排気通路に触媒を備えるディーゼルエンジンにおいて、この触媒の活性促進のために排気温度を上昇させる技術として、次のものが知られている。すなわち、エンジンの運転状態に応じ、要求されるエンジントルクを発生させるための基本燃料噴射量を演算し、算出した基本燃料噴射量に対応する量の燃料を、上死点近傍で複数回に分けて噴射するものである(特許文献1)。

また、排気から窒素酸化物(以下「NOx」という。)を除去する装置として、NOxトラップ触媒が知られている。NOxトラップ触媒は、酸化雰囲気のもとでNOxをトラップし、還元雰囲気のもとでトラップしているNOxを放出する性質を持つ。NOxトラップ触媒は、酸化雰囲気のもとで、NOx以外に排気に含まれる硫黄分もトラップする。トラップしているNOxまたは硫黄分を放出させ、NOxトラップ触媒を再生させるため、空気過剰率を低下させて排気空燃比を低下させることが知られている。NOxトラップ触媒から硫黄分を放出させるときは、排気空燃比を低下させるだけでなく、硫黄分の分解を促進するため、排気温度を上昇させるのが一般的である。
特開2000-320386号公報(段落番号OlO6〜0111)

しかしながら、上記の分割噴射技術には、次のような問題がある。この技術は、分割して噴射された各燃料の燃焼が途切れることのないように、先に噴射された燃料の火炎中に後続の燃料を噴射していくものであるため、2回目以降に噴射された燃料の燃焼は、拡散燃焼が主体となる。このため、排気温度を上昇させることはできるものの、スモークの排出抑制の観点から空気過剰率を低下させることができず、排気空燃比の低下を要するNOxトラップ触媒の再生に適用し得るものではない。

本発明は、スモークの発生を抑えた状態で排気温度を上昇させるとともに、排気空燃比を低下させ、NOxトラップ触媒等の排気浄化装置を再生させることのできるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンの制御装置を提供するものであり、エンジンには、排気通路に排気浄化装置が設けられる。本発明に係る装置は、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る。他方、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る。予備燃焼は、上死点またはその近傍で行わせ、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る。また、本発明に係る装置は、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、予備燃焼の燃料噴射時期を進角させる。

本発明によれば、通常時以外のときにおいて、主燃焼を通常時の対応する燃焼よりも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。ここで、主燃焼は、時期を遅らせているが、予備燃焼が形成する熱発生により筒内温度が上昇するので、安定して行われる。主燃焼を予備燃焼が終了した後に行わせることで、各燃焼の間に時間を持たせ、主燃焼に寄与する燃料の予混合を促すことができる。このため、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である。また、本発明によれば、予備燃焼の着火遅れに応じてその噴射時期を進角させることで、主燃焼の安定に必要な熱発生を確実に形成することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

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。)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。

エンジン本体において、シリンダヘッドには、インジェクタ21が気筒毎に設置されている。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール22を介してインジェクタ21に供給され、インジェクタ21により燃焼室内に直接噴射される。インジェクタ21は、燃料を複数回に分けて噴射する。インジェクタ21による通常の燃料噴射には、エンジントルクを発生させるためのメイン噴射と、メイン噴射よりも進角させて行われるパイロット噴射とが含まれる。

排気通路31には、マニホールド部の下流にターボチャージャのタービン12bが介装されている。排気によりタービン12bが駆動されることで、コンプレッサ12aが回転する。タ一ビンの可動べ一ン121は、アクチュエータ122と接続されており、アクチュエータ122により角度が制御される。タービン12bの下流には、NOxトラップ触媒32が設置されており、さらにその下流には、ディーゼルパティキュレートフィルタ33が設置されている。NOxトラップ触媒32は、排気空燃比に応じて異なる機能を奏し、排気がリーンであるときに排気中のNOxをトラップする一方、これがリッチであるときにトラップしているNOxを放出する。NOxは、放出される際に排気中の炭化水素(以下「HC」という。)等の還元剤により浄化される。NOxトラップ触媒32は、NOx以外に排気に含まれる硫黄分もトラップする。NOxトラップ触媒32には、このようなNOx処理機能と併せ、排気中のHCおよび一酸化炭素(以下「CO」という。)を酸化させる機能を持たせている。ディーゼルパティキュレートフィルタ33は、セラミック等を素材とした多孔質のフィルタエレメントを含んで構成される。排気がフィルタエレメントによりろ過され、排気からパティキュレートが除去される。

排気通路31は、EGR管34により吸気通路11と接続されており、EGR管34には、EGR弁35が介装されている。EGR弁35は、アクチュエータ351に接続されており、アクチュエータ351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およ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およ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および温度センサ57が設置されている。各センサの出力は、コントローラ(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Tfue1を演算する。ECU41は、演算結果をもとに、インジェクタ21および他のアクチュエータ122,151,351を制御する。

以下、ECU41の動作をフローチャートにより説明する。

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。以下のフローチャートおよび説明中の符号Sは処理ステップ番号を表している。

S1では、エンジン回転数Ne、アクセル開度APO、触媒温度Tnoxおよび排気圧力Pexhを読み込む。

S2では、触媒温度Tnoxが所定温度T11以上であるか否かを判定する。T11は、NOxトラップ触媒32の活性温度に相当する。Tll以上であるときは、S3へ進み、Tllよりも低いときは、図35に示すルーチンヘ進む。

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、st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。

NOX=NOX_n-1＋Ne・st … (1)
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=SOX_n-1＋Ne・st … (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から単位時間あ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。

S6では、PM再生実行フラグFregが0であるか否かを判定する。Fregは、通常は0に設定されている。Fregが0であるときは、S7へ進み、0でないときは、図17に示すルーチンヘ進む。

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。Fdesu1がOであるときは、S8へ進み、0でないときは、図24に示すルーチンヘ進む。

S8では、NOx再生実行フラグFspが0であるか否かを判定する。Fspは、通常は0に設定されている。Fspが0であるときは、S9へ進み、0でないときは、図25に示すルーチンヘ進む。

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再生また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に示すルーチンヘ進む。

S10では、PM再生要求フラグrqREGが0であるか否かを判定する。rqREGは、通常は0に設定されており、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を処理するPM再生を行う時期に至ったものと判定されたときに1に切り換えられる。rqREGが0であるときは、S11へ進み、0でないときは、図28に示すルーチンヘ進む。

S11では、脱硫再生要求フラグrqDESULが0であるか否かを判定する。rqDESULは、通常は0に設定されており、NOxトラップ触媒32からトラップしている硫黄分を放出させる脱硫再生を行う時期に至ったものと判定されたときに1に切り換えられる。rqDESULが0であるときは、S12へ進み、0でないときは、図30に示すルーチンヘ進む。

Sl2では、NOx再生要求フラグrqSPが0であるか否かを判定する。rqSPは、通常は0に設定されており、NOxトラップ触媒32からトラップしているNOxを放出させるNOx再生を行う時期に至ったものと判定されたときに1に切り換えられる。rqSPが0であるときは、Sl3へ進み、0でないときは、図31に示すルーチンヘ進み、このルーチンのS701において、NOx再生実行フラグFspを1に設定する。

Sl3では、パティキュレート堆積量PMが規定量PM1に達したか否かを判定する。この判定は、規定量PM1のパティキュレートが堆積したときに運転状態に応じて得られるエンジン1の背圧P1と、圧力センサ51により検出された排気圧力Pexhとの比較により行う。P1は、エンジン回転数Neおよび要求噴射量Qfdrvにより図3に示すマップを検索し、Neが高く、かつQfdrvが多いときほど大きな値として算出される。要求噴射量Qfdrvは、通常時はメイン噴射による噴射量(以下「メイン噴射量」という。)Qmainを、通常時以外のときは後述する第2の噴射量Qmを指す。排気圧力PexhがPl以上であり、パティキュレート堆積量PMがPMlに達したものと判断されるときは図32に示すルーチンヘ進み、このルーチンのS801において、PM再生要求フラグrqREGを1に設定する。Plよりも低いときは、Sl4へ進む。PM再生が無用に繰り返されることを防止するため、rqREGを1に切り換える前提として、前回に行われたPM再生が終了してからの累積走行距離を演算し、これが所定距離に達していることを採用してもよい。

S14では、硫黄分トラップ量SOXが所定量SOX1に達したか否かを判定する。SOX1に達したときは、図33に示すルーチンヘ進み、このルーチンのS901において、脱硫再生要求フラグrqDESULを1に設定する。SOXlに達していないときは、Sl5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に示すルーチンヘ進み、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。

Sl6では、通常のリーン燃焼(以下「通常燃焼」という。)により運転を行わせる。

ここで、S2から図35に示すルーチンヘ進み、NOxトラップ触媒32の活性を促進する場合、S6から図17に示すルーチンヘ進み、PM再生を実行する場合、S7から図24に示すルーチンヘ進み、脱硫再生を実行する場合、およびS8から図25に示すルーチンヘ進み、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。

ここで、各燃焼形態の概念について説明する。

図4および5は、燃焼形態に応じた燃料噴射パターンおよび熱発生率を示し、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、パイロット噴射およ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。

一方、分割リタード燃焼では、まず、圧縮行程で第1の燃料噴射を行わせ、その後の膨張行程で第2の燃料噴射を行わせる。第1の燃料噴射は、上死点位置での筒内温度(以下「圧縮端温度」という。)を上昇させるためのものであり、第1の燃料噴射により上死点またはその近傍で予備燃焼を生じさせ、熱発生Pを形成する。第1の燃料噴射の噴射量(以下「第1の噴射量」という。)Qpは、運転状態に応じて異なるが、少なくとも予備燃焼による熱発生Pが確認されるだけの量に設定する。第2の燃料噴射は、エンジントルクを発生させるためのものであり、予備燃焼が終了した後に行わせる。第2の燃料噴射により予備燃焼が終了した後に主燃焼を生じさせ、熱発生Mを形成する。第1の燃料噴射の開始時期(以下「第1の噴射時期」という。)ITpと、第2の燃料噴射の開始時期(以下「第2の噴射時期」という。)ITmとの間隔Δtijは、詳しくは後述するが、予備燃焼の着火遅れ特性を考慮して、予備燃焼が開始してから主燃焼が開始するまでに例えば20°CA以上の時間が経過するように設定する。主燃焼は、膨張行程での燃焼となるために燃焼速度が遅く、その終了時期は、上死点後50°CA以降となる。

図6は、分割リタード燃焼による効果を第2の噴射時期ITmとの関係で示している。なお、空気過剰率を一定としている。

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および第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。

また、低負荷時は、本来の排気温度が低いため、脱硫再生時等の目標温度を達成するには、排気温度を大幅に上昇させる必要がある。このため、主燃焼の時期を大幅に遅らせることが必要となり、１回の予備燃焼だけでは主燃焼の時期まで筒内温度を高く維持することができない場合がある。そのような場合は、図7に示すように複数回の予備燃焼を行わせることとし、1回目の予備燃焼により上昇させた筒内温度を、2回目以降の予備燃焼により維持する。各予備燃焼の熱発生P1,P2が重ならないようにするとともに、すべての予備燃焼が終了した後に主燃焼を行わせることで、スモークの発生を抑えた状態で目標温度を達成することが可能となる。

図8は、燃料噴射ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンは、分割リタード燃焼を行わせる際に実行され、このルーチンにおいては第1の噴射時期ITpおよび第2の燃料噴射の噴射量(以下「第2の噴射量」という。)Qmが設定される。

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および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。

S52では、エンジン回転数Ne、アクセル開度APO、目標空気過剰率tλ、目標EGR率tRegrおよび燃料比重κfuelを読み込む。.
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再生ルーチンおよ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および要求噴射量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および目標吸入空気量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24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。

tQegr=(tRegr/(1-tRegr))×tQac … (3)
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および燃料温度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κfue1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。

図8に戻り、S53では、第1の噴射量Qpと第2の噴射量Qmを演算する。ここではまず第2の噴射量Qmについて、エンジン回転数Neおよびアクセル開度APOにより図11に示すマップを検索して決定する。Qmは、同じ値のNeのもとで、APOが大きいときほど大きな値として算出される。次いで、前記Qmとエンジン回転数Neにより図12に示すマップを検索して第1の燃料噴射量Qpを決定する。Qpは基本的に低速低負荷域ほど大きな値が算出される。

S54では、第1の燃料噴射の噴射時期の基本値ITpbaseを演算する。基本値ITpbaseは、エンジン回転数Neおよび第2の噴射量Qmにより図20に示すマップを検索して決定される。ITpbaseは基本的にNeが高く、かつQmが多いときほど進角量が大の値として算出される。

S55では、予備燃焼に関する着火遅れ因子に応じた補正係数Kidを演算する。本実施形態では、着火遅れ因子として目標空気過剰率tλ、目標EGR率tRegr、エンジン回転数Neおよび燃料比重κfuelを採用する。各因子に応じた補正係数の第1〜4の項Kidl〜Kid4を演算し、算出したKid1〜Kid4を乗算して補正係数Kid(=Kidl×Kid2xKid3×Kid4)を算出する。

第1の項Kid1は、目標空気過剰率tλにより図13に示すテーブルを検索し、tλが低いときほど大きな値として算出される。本実施形態では、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するので、吸入空気量の滅少に伴う圧縮端温度の低下に対し、第1の項Kid1を増大させ、第1の噴射時期ITpを進角させる。目標空気過剰率tλは、圧縮端温度に相関するパラメータとして採用するのであり、そのようなパラメータとして他のもの、たとえば特定のクランク角における筒内圧力を採用してもよい。

第2の項Kid2は、目標EGR率tRegrにより図14に示すテーブルを検索し、tRegrが高いときほど大きな値として算出される。EGR率の上昇に伴う酸素濃度の低下に対し、第2の項Kid2を増大させ、第1の噴射時期ITpを進角させる。

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。

第4の項Kid4は、燃料比重κfuelにより図16に示すテーブルを検索し、κfue1が大きいときほど大きな値として算出される。比重の増大(すなわち、セタン価の低下)に伴う燃料の着火性の低下に対し、第4の項Kid4を増大させ、第1の噴射時期ITpを進角させる。

S56では、基本値ITpbaseに補正係数Kidを乗算し、第1の噴射時期ITp(=ITpbase×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。

図17は、PM再生ルーチンのフローチャートを示している。PM再生は、排気温度を上昇させ、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を燃焼させることにより行い、PM再生時の運転は、分割リタード燃焼により行わせる。第2の噴射時期ITmを制御して排気温度を上昇させ、パティキュレートを燃焼させることのできる温度(ここでは、600℃以上)にディーゼルパティキュレートフィルタ34を加熱する。このルーチンにおいて、第1および第2の噴射時期ITp,ITmが設定される。

S101では、フィルタ温度Tdpfを読み込む。

SlO2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および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、IPM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および第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tQacOを読み出す。読み出したtQacO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(=tQacOxtλreg)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。

分割リタード燃焼による運転に際し、第1の噴射時期ITpを既述した手法（図8）にて算出すると共に、第2の噴射時期ITmを、Ne,Qmにより図21に示すマップを検索し、Neが低く、かつQmが少ないときほど遅い時期に設定される。ここで、第2の噴射時期ITmは、通常燃焼による場合に同じ運転状態のもとで設定されるメイン噴射の開始時期よりも大幅に遅い時期となる。燃料噴射の遅角化に伴うエンジントルクの変動を抑制するため、第2の噴射量Qmおよび目標吸入空気量tQacに対し、第2の噴射時期ITmに応じた補正を施す。この補正は、第2の噴射時期ITmにより図22に示すテーブルを検索して補正係数Ktrlを演算するとともに、算出したKtr1を第2の噴射量Qmに乗算することにより行う。補正係数Ktrlは、ITmが遅いときほど大きな値として算出される。また、空気過剰率の低下に伴うポンピングロスの増大に対処するため、第2の噴射量Qmおよび目標吸入空気量tQacに対し、目標空気過剰率tλに応じた補正を施す。この補正は、目標空気過剰率tλにより図23に示すテーブルを検索して補正係数Ktr2を演算するとともに、算出したKtr2を第2の噴射量Qmに乗算することにより行う。補正係数Ktr2は、tλが低いときほど大きな値として算出される。

S103では、フィルタ温度Tdpfが所定温度T21以上であるか否かを判定する。T21は、パティキュレートの燃焼に必要な最低温度に相当し、たとえば600℃に設定する。T21以上であるときは、S104へ進み、T21よりも低いときは、S108へ進む。SlO8では、第2の噴射時期ITmを更に遅らせ、排気温度を上昇させる。S109では、このときの遅角分をも含めて補正係数Ktr1を算出し、これを第2の噴射量Qmに乗算することで、トルク変動を抑制する。

S104では、フィルタ温度Tdpfが所定温度T22以下であるか否かを判定する。T22は、ディーゼルパティキュレートフィルタ33への熱負荷を許容範囲内に抑えるうえでの限界温度に相当し、たとえば700℃に設定する。T22以下であるときは、S105へ進み、T22よりも高いときは、Sl10へ進む。SllOでは、第2の噴射時期ITmを所定量だけ進め、排気温度を低下させる。Sll1では、このときの進角分をも含めて補正係数Ktrlを算出し、これを第2の噴射量Qmに乗算する。

S105では、SlO8またはS110により補正した噴射時期ITmによる燃料噴射を実施した後、所定時間tregが経過したか否かを判定する。tregが経過したときは、PM再生が終了したものと判断してS106へ進み、tregが経過していないときはこのルーチンをリターンする。フィルタ温度Tdpfが目標範囲内に保持される間に、堆積しているパティキュレートが焼却される。

S106では、PM再生実行フラグFregをOに設定して燃焼形態を通常燃焼に戻し、空気過剰率を通常値に、排気温度を通常温度に復帰させる。また、パティキュレート堆積量PMを0に設定する。

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るおそれがあるためである。

図24は、脱硫再生ルーチンのフローチャートを示している。脱硫再生は、排気を通常時よりもリッチ側に制御してNOxトラップ触媒32に還元剤を供給するとともに、排気温度を上昇させ、硫黄分の分解を促進することにより行う。脱硫再生時の運転は、分割リタード燃焼により行わせる。触媒成分にBa系のものを用いたNOxトラップ触媒32は、脱硫再生に際して650℃以上の温度に加熱する必要がある。このルーチンにおいて、前記第1および第2の噴射時期ITp,ITmが設定される。

S201では、触媒温度Tnoxを読み込む。

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および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(=tQacO)を算出し、これが達成されるように吸気絞り弁15およびEGR弁35を動作させる。また、既述した図8以下の処理により第1および第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。

S203では、触媒温度Tnoxが、所定温度T12以上であるか否かを判定する。T12は、硫黄分の分解に必要な最低温度に相当し、たとえば650℃に設定する。T12以上であるときは、S204へ進み、T12よりも低いときは、S208へ進む。S208では、第2の噴射時期ITmをさらに遅らせ、排気温度を上昇させる。S209では、このときの遅角分をも含めた補正係数Ktr1を算出し、これを第2の噴射量Qmに乗算する。

S204では、S208により補正した噴射時期ITmによる燃料噴射を実施した後、所定時間tdesulが経過したか否かを判定する。tdesulが経過したときは、脱硫再生が終了したものと判断してS205へ進み、tdesulが経過していないときは、このルーチンをリターンする。触媒温度Tnoxが目標範囲内に保持される間に、トラップされている硫黄分が分解され、NOxトラップ触媒32から放出される。硫黄分は、放出される際に排気中の還元剤によ力浄化される。

S205では、脱硫再生実行フラグFdesu1を0に設定して燃焼形態を通常燃焼に戻し、空気過剰率を通常値に、排気温度を通常温度に復帰させる。また、硫黄分トラップ量SOXを0に設定する。

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。

S207では、故障回避実行フラグFrecを1に設定する。脱硫再生が終了した時点の高温下で空気過剰率を即時に通常値に復帰させたとすると、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るおそれがあるためである。

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、前記第1および第2の噴射時期ITp,ITmが設定される。

S301では、空気過剰率をNOx再生のために設定された目標空気過剰率tλspに制御する。NOx再生時における目標空気過剰率tλapは、リッチを示すものとして、たとえば0.9に設定する。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tQacOにtλspを乗算し、NOx再生時における目標吸入空気量tQac(=tQacO×tλsp)を算出する。算出したtQacが達成されるように吸気絞り弁15の開度を制御するとともに、目標空気過剰率tλspに対する乖離は、EGR弁35の開度を制御して調整する。また、既述した処理により第1および第2の噴射時期ITp,ITmを設定するとともに、図22,23に示すテーブルを検索して算出した補正係数Ktr1,Ktr2を第2の噴射量Qmに乗算する。

S302では、NOx再生を開始した後、所定時間tspikeが経過したか否かを判定する。tspikeが経過したときは、NOx再生が終了したものと判断してS303へ進み、tspikeが経過していないときは、このルーチンをリターンする。所定時間tspikeが経過するまでにトラップされているNOxが分解され、NOxトラップ触媒32から放出される。NOxは、放出される際に排気中の還元剤により浄化される。

S303では、NOx再生実行フラグFspを0に設定して燃焼形態を通常燃焼に戻し、空気過剰率を通常値に復帰させる。また、NOxトラップ量NOXを0に設定する。

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再生時およ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。

S401では、フィルタ温度Tdpfを読み込む。

S402では、エンジン回転数Neおよびメイン噴射量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および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。

S403では、フィルタ温度Tdpfが所定温度T23以下であるか否かを判定する。T23以下であるときは、燃え残りのパティキュレートが急速に燃焼するおそれが解除されたものと判断してS404へ進み、T23よりも高いときは、このルーチンをリターンする。

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。

図28,30および31は、再生実行フラグ設定ルーチンのフローチャートを示し、これらのルーチンは、図2に示すフローチャートにおいて、PM再生要求フラグrqREG、脱硫再生要求フラグrqDESULまたはNOx再生要求フラグrqSPが1に切り換えられたときに実行される。これらのルーチンにおいて、異なる再生要求が同時に発生した場合の優先順位が決定され、各再生実行フラグFreg,Fdesu1またはFspが設定される。

図28に示すフローチャートにおいて、S501では、NOx再生要求フラグrqSPが0であるか否かを判定する。Oであるときは、S502へ進み、0でないときは、S504へ進む。

S502では、エンジン回転数Neおよびアクセル開度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。

S503では、PM再生実行フラグFregを1に設定する。

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。

S505では、フィルタ温度Tdpfが所定温度T24以上であるか否かを判定する。T24は、ディーゼルパティキュレートフィルタ33に担持させた触媒の活性温度に相当し、PM再生時の目標温度T21よりも低い温度に設定する。T24以上であるときは、S502へ進み、T24よりも低いときは、目標温度丁21に到達するまでに相当の時間を要するものと判断し、NOx再生を優先して行わせるべく、S506へ進む。

S506では、NOx再生実行フラグFspを1に設定する。

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。

S603では、触媒温度Tnoxが所定温度Tl3以上であるか否かを判定する。T13は、脱硫再生め円滑な遂行に必要な温度として、脱硫再生時の目標温度T12よりも低い温度に設定する。Tl3以上であるときは、S604へ進み、T13よりも低いときは、目標温度T12に到達するまでに相当の時間を要するものと判断し、S606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。

S606では、NOx再生要求フラグrqSPが0であるか否かを判定する。0であるときは、S604へ進む。一方、0でないときは、S607へ進み、NOx再生実行フラグFspを1に設定する。これにより、NOx再生が脱硫再生に優先して行われる。

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。

図35は、急速活性ルーチンのフローチャートを示している。

SllOl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、SllO3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、既述した処理により第1および第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。

SllO4では、触媒温度Tnoxが活性温度T11に達したか否かを判定する。達したときは、このルーチンをリターンし、達していないときは、分割リタード燃焼による運転を継続させる。このルーチンがリターンされることで、燃焼形態が通常燃焼に切り換えられる(Sl6)。

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。

第1に、ディーゼルパティキュレートフィルタ33のPM再生、NOxトラップ触媒32の脱硫再生およびこの触媒32の急速活性に際し、燃焼形態を分割リタード燃焼に切り換え、第2の燃料噴射を通常時のメイン噴射よりもクランク角に関して遅い時期に行わせることとした。このため、排気温度を上昇させ、目標とする高い排気温度を実現することができる。また、脱硫再生では、還元剤を供給するために吸入空気量を減少させ、排気空燃比を低下させることとするが、適正時期に設定した第1の燃料噴射により予備燃焼を行わせ、これにより形成される熱発生により筒内温度が確実に上昇するので、筒内温度を維持し、主燃焼を安定して行わせることができる。

第2に、第1および第2の燃料噴射の間隔Δtijを調節し、主燃焼を予備燃焼が終了した後に行わせることとした。このため、予備燃焼と主燃焼との間に時間を持たせ、主燃焼に寄与する燃料の予混合を促すことができ、PM再生時、NOx再生時および脱硫再生時における空気過剰率の低下に対し、予混合燃焼が主体の燃焼形態として、スモークの発生を抑えることが可能である。

第3に、目標空気過剰率tλ等の予備燃焼の着火遅れ因子を検出し、この燃焼の着火遅れが時聞またはクランク角に関して長期化するものと判断されるときは、第1の噴射時期ITpを進角補正するようにした。このため、予備燃焼を確実に行わせ、主燃焼の安定に必要な熱発生を確実に形成することができる。

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。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの構成運転モード選択ルーチンのフローチャート PM再生時期判定閾値P1のマップ通常燃焼の概念分割リタード燃焼の概念分割リタード燃焼による効果低負荷時における分割リタード燃焼の概念燃料噴射演算ルーチンのフローチャート目標EGR率tRegrのマップ燃料比重演算ルーチンのフローチャート第2の噴射量Qmのマップ第1の噴射量のマップ着火遅れ補正係数の第1の項Kid1のテーブル着火遅れ補正係数の第2の項Kid2のテーブル着火遅れ補正係数の第3の項Kid3のテーブル着火遅れ補正係数の第4の項Kid4のテーブル PM再生ルーチンのフローチャート PM再生時目標空気過剰率tλregのテーブルストイキ相当目標吸入空気量tQacOのマップ第1の噴射時期の基本値ITpbaseのマップ第2の噴射時期ITmのマップ補正係数Ktr1のテーブル補正係数Ktr2のテーブル脱硫再生ルーチンのフローチャート NOx再生ルーチンのフローチャート故障回避ルーチンのフローチャート故障回避時目標吸入空気量tQacrecのマップ第1の再生実行フラグ設定ルーチンのフローチャート分割リタード燃焼可能領域のマップ第2の再生実行フラグ設定ルーチンのフローチャート第3の再生実行フラグ設定ルーチンのフローチャート PM再生要求フラグ設定ルーチンのフローチャート脱硫再生要求フラグ設定ルーチンのフローチャート NOx再生要求フラグ設定ルーチンのフローチャート急速活性ルーチンのフローチャート

符号の説明

1…ディーゼルエンジン、
11…吸気通路、
12…可変ノズルターボチャージャ、
15…吸気絞り弁、
21…インジェクタ、
22…コモンレール、
31…排気通路、
32…NOxトラップ触媒、
33…ディーゼルパティキュレートフィルタ、
34…EGR管、
35…EGR弁、
41…コントローラ、
51…排気圧力センサ、
52…排気空燃比センサ、
53…排気温度センサ、
54…エアフローメータ、
55…クランク角センサ、
56…アクセルセンサ、
57…燃料温度センサ。

Claims

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、上死点また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、予備燃焼の燃料噴射時期を進角させることを特徴とす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の燃料噴射の噴射時期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の燃料噴射の噴射時期を進角させる請求項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または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および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または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の燃料噴射の噴射時期を進角させる請求項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の燃料噴射の噴射時期を進角させる請求項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の燃料噴射の噴射時期を進角させる請求項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の燃料噴射の噴射時期を進角させる請求項2〜9のいずれかに記載のエンジンの制御装置。