JP2006511754A - 排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明の内燃エンジン（２）の排気ライン（４）上に設けられた排気ガス浄化手段（１４）再生のための内燃エンジン（２）制御方法においては、排気ガス浄化手段の再生過程の間に、排気ガス浄化手段（１４）の下流の排気ガスの組成のみを解析し、この解析に基づいて、排気ガス浄化手段（１４）の上流の排気ガスの組成を変更するためのエンジン制御信号を作る。

Description

本発明は、特に排気ガス浄化手段再生のための、内燃エンジン制御方法及び制御装置に関する。

内燃エンジンが装備された自動車の汚染物質の排出、特に一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び炭化水素（ＨＣ）の排出を減少させるための努力が傾注されている。
このため、周知のように、窒素酸化物トラップタイプの触媒コンバータのような、排出汚染物質の酸化または還元を助長して、排出汚染物質を非汚染物質とみなされる物質に変換することに適した、排気ガス浄化手段が設けられる。
触媒コンバータの中においては、窒素酸化物は、排気ガスの中に存在する窒素酸化物の還元剤との反応を助長する触媒要素が活性な箇所に留置される。留置された窒素酸化物を還元して除去し、排気ガス浄化手段を再生するために、パージ過程が設けられる。パージ過程においては、触媒要素の触媒活性箇所に捕捉されている窒素酸化物の除去を助長するために、排気ガスの組成を操作する。
パージ過程の間には、排気ガス浄化手段の上流の排気ガスラインに設けられた比例型酸素プローブによる測定値から、排気ガス浄化手段の中へ流入する排気ガスの組成を知って、捕捉された窒素酸化物の除去を良好に調節するために排気ガスの組成の決めることができる。比例型酸素プローブは、排気ガスの空燃比のリッチネスを知ることを特に可能にする。
比例型酸素プローブから供給される信号から、例えば、フィードバックループを介して噴射器を操作して、燃焼混合気とエンジンから出る排気ガスの組成を変更することができる。

しかしながら、より信頼性が改良され、実施のコストが低減された、排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジンの制御方法及び装置を提供することが望まれている。

このため、本発明は、簡単な設計のエンジンを基礎にして、限られた部品数で実施することが可能な、従ってエンジンの製造コストを減少することが可能で、エンジンの信頼性を改良することが可能な、排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジンの制御方法及び装置を提供することを目的とする。
また本発明は、より頑丈で、エンジンの環境によりよく適応する部品を使用することを可能にする、排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジンの制御方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の内燃エンジンの排気ライン上に設けられた排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法においては、上記排気ガス浄化手段の再生過程の間に、上記排気ガス浄化手段の下流の排気ガスの組成のみを解析し、上記解析に基づいて、上記排気ガス浄化手段の上流の排気ガスの組成を変更するためのエンジン制御信号を作る。

排気ガス浄化手段の下流の排気ガスの解析は、排気ガス浄化手段の下流における排気ガスの組成の変化による、例えば窒素酸化物トラップのパージ過程の終了のより良好な検出を可能にする。排気ガス浄化手段の下流における解析に基づくエンジンの制御は、エンジンの出口から直接排出されるガスの高温、高圧にさらされる、排気ガス浄化手段の上流における追加の解析手段の採用を回避すること可能にする。

１実施の形態においては、燃焼混合気の組成を変更することによって、排気ガスの組成を変更する。

１実施の形態においては、上記排気ガス浄化手段の下流に設けられた、オール オア ナッシング型または比例型の酸素プローブを用いて排気ガスの組成を解析する。

排気ガス浄化手段の下流に設けられた、オール オア ナッシング型すなわち「ラムダ型」または比例型の酸素プローブから供給される信号は、パージ過程の間における排気ガス浄化手段の上流の排気ガスの空燃比のリッチネスに概ね比例し、排気ガスの組成の調整に有利に使用可能であることが分かっている。

ラムダ型酸素プローブから供給される信号は、ラムダ型酸素プローブの動作温度に依存する。従って、酸素プローブの動作温度の制御装置を設けることが有利である。

エンジンの制御信号を作るために、酸素プローブの出力信号を設定値と比較し、出力信号と設定値との間の偏差を減少させるための制御信号を決定する。制御信号は、排気ガスの組成を、制御された仕方で操作することを可能にする信号である。

１実施の形態においては、上記制御信号に基づいて、再生過程の終了段階を検出する。上記排気ガス浄化手段の下流に設けられたラムダ型酸素プローブから供給される信号に基づいて、パージの終了段階を検出することができることが分かっている。排気ガス浄化手段の下流における酸素プローブの出力信号に基づいて下流に位置する排気ガスの組成を調整する場合には、上記出力信号は、既に調整されているので、パージ段階の終了を検出するために使用することは難しい。しかしながら、測定された信号に基づいて作られた制御信号を、パージ段階の終了を検出するために使用することができる。

また本発明は、燃料噴射を変更するための制御モジュールと、排気ガス浄化手段の直近下流に設けられた酸素プローブとを有する、内燃エンジンの排気ライン上に設けられた排気ガス浄化手段再生のための制御装置に関する。上記排気ガス浄化手段の再生過程の間に、上記燃料噴射の制御モジュールは、上記酸素プローブの出力信号のみに応じて、排気ガスの組成の変更を引き起こす。

上記酸素プローブは、オール オア ナッシング型または比例型であることが有利である。

本制御装置は、さらに、上記酸素プローブの動作温度の制御手段を有する。

望ましくは、本制御装置は、上記制御モジュールによって作られる制御信号に応じて、再生過程の終了段階を検出する検出モジュールを有する。

本発明とその利点は、非限定的な例としてとらえられ、添付図面によって例示された実施の形態の詳細な説明を検討することによって、よりよく理解されるであろう。これらの図において：
−図１は、排気ガス浄化手段が装備された自動車の駆動装置の全体を現す略図であり；
−図２は、本発明の１局面による、排気ガス浄化手段の下流に設けられたラムダ型酸素プローブの出力信号を表すグラフであり；
−図３は、図２に示す出力信号に基づいて作られた制御信号を表すグラフであり；
−図４は、本発明の１局面による制御装置を表すブロック図である。

図１において、駆動装置１は、内燃エンジン２と、吸気ライン３と、排気ライン４と、燃料供給装置５と、制御装置６を有する。
内燃エンジン２は、燃焼室すなわちシリンダ７を有する。図には、４シリンダの例が破線の円で示されている。
吸気ライン３は、吸気中間導管８を有する。吸気中間導管８の一端は、吸気マニホールド９へ通じ、他端は吸入空気流量制御機１０へ接続されている。吸気マニホールド９は、１つの入口と、シリンダ７へ供給される空気流量を配分するための４つの出口を有する。吸入空気流量制御機１０は、吸気弁１１を有し、吸気中間導管８と空気取り入れ口（図示しない）との間に設けられている。
排気ライン４は、排気中間導管１２を有する。排気中間導管１２の入口は、排気マニホールド１３に接続されている。排気マニホールド１３は、内燃エンジン２のシリンダ７から出る排気ガス流を受けて誘導するための、４つの入口と１つの出口を有する。排気中間導管１２の出口は、触媒コンバータ１４である排気ガス浄化手段へ接続されている。例として、触媒コンバータ１４は、窒素酸化物トラップ型であり、排気ライン４の最終出口（図示しない）の上流に設けられる。
燃料供給装置５は、燃料タンク１５と、共通のランプ１６と、噴射器１７を有する。噴射器１７は、この例においては４個であり、内燃エンジン２のシリンダ７へ燃料を直接噴射するために設けられるものである。共通のランプ１６は、供給導管１８と、該供給導管１８を燃料タンク１５へ接続する供給装置１９を介して燃料タンク１５へ接続されている。供給装置１９は、非限定的な例として、燃料タンク１５から低圧ポンプまたは「加圧ポンプ」によって燃料を供給される、高圧供給ポンプで構成することができる。噴射器１７は、噴射導管２０を介して、共通のランプ１６へ接続される。供給装置１９は、共通のランプ１６を燃料で満たし、各噴射器１７へ供給するための蓄圧器としての役割を果たす共通のランプ１６の中を設定圧力に維持するように制御される。
制御装置６が、吸気弁１１と噴射器１７の制御信号を作るため、および、図示しないエンジンの基本的な機能（排気ガス再循環バルブの操作等。）を実行するために設けられる。
制御装置６は、それぞれ制御配線２１、２２を介して、図示しないアクチュエータへ接続されて吸気弁１１の位置を制御し、また噴射器１７へ接続される。
駆動装置１は、吸入空気を加速するためのターボ装置を有する。ターボ装置は、排気マニホールド１３の下流の排気中間導管１２に設けられたタービン２９を有し、タービン２９は、実線で図式的に表したターボシャフト３０を介して、吸気マニホールド９の上流の吸気中間導管８に設けられたコンプレッサ３１を駆動する。

制御装置６は、制御信号を作成するために、触媒コンバータ１４の直近下流の排気ライン４に設けられた、ラムダ型または比例型の酸素プローブ２３から発生される測定信号を利用する。制御装置６は、計測配線２４を介して、酸素プローブ２３へ接続される。
作動時には、制御装置６は、アクセルペダルの位置の信号、エンジン回転数、またはエンジンへ加えられる負荷、または冷却液の温度、・・・、のような、必要なあらゆる信号に基づいて、吸気弁１１、噴射器１７、及びエンジンに関連する基本的な機能を実行するその他の要素の制御信号を作成し、内燃エンジンの制御のために使用する。以下に説明するように、触媒コンバータ１４のパージ過程の間には、制御装置６は、酸素プローブ２３から発生される測定信号が考慮に入れられるように噴射器１７を制御する。
勿論、本発明は、排気ガスの組成を変更するために噴射器１７を操作する場合に限定されるものではない。排気ガスの組成を操作することを可能にする、エンジンの基本的な機能を実行するあらゆる要素を制御することを想定することが可能である。

図１における要素と類似の要素には同じ符号を用いて記載した図４において、制御装置６は、２入力、１出力の比較器２５を有する。比較器２５は、一方の入力に参照モジュール２８から来る参照値すなわち設定値Ｃを、他方の入力に酸素プローブ２３の出力信号Ｓ_Ｍを受ける。比較器２５は、出力から、設定値Ｃと出力信号Ｓ_Ｍとの間の差として定義される偏差Ｅを供給する。偏差Ｅは、制御信号Ｓ_Ｃを作成する制御モジュール２６へ送られる。
制御信号Ｓ_Ｃは、例えば噴射器１７のようなエンジンの基本的な機能を実行する要素へ直接または異なる制御手段を介して送られる。後者の場合には、制御信号Ｓ_Ｃは、図示しない主制御モジュールによって別途作られた、主制御信号の修正信号であり、例えば、燃焼混合気のリッチネスを増加または減少するために、主制御モジュールによって決められた噴射器１７の開口時間を増加または減少させる場合がこれに該当する。

また、制御装置６は、制御モジュール２６によって作られた制御信号Ｓ_Ｃを入力として受ける検出モジュール２７を有する。図２、３を検討しながら以下に詳細に説明するように、検出モジュール２７は、制御信号Ｓ_Ｃに基づいて、パージ過程の終了を検出する。検出モジュール２７は、パージ過程の停止を引き起こす、図示しない制御装置６の制御手段へ向けて発信される検出信号Ｓ_Ｄを出力から供給する。

図１、４における要素と類似の要素には同じ符号を用いて記載した図２に、パージ過程中の酸素プローブ２３の１つの出力信号Ｓ_Ｍが、横軸に時間、縦軸に出力信号Ｓ_Ｍのレベルを表すグラフに示されている。

実線で表された第１信号Ｓ_１は、第１信号Ｓ_１に基づく制御によって制御信号Ｓ_Ｃが作成される場合に得られるラムダ型酸素プローブ２３の出力信号に該当する。パージ過程の中間時点Ｔ２と終了時点Ｔ３との間を除いて、第１信号Ｓ_１と一致する第２信号Ｓ_２が点線で表されている。第２信号Ｓ_２は、パージ過程中に、触媒コンバータ１４の下流に設けられたラムダ型酸素プローブの出力信号のみに基づいて制御され、触媒コンバータ１４の上流の排気ガスの組成を変更することのない、触媒コンバータ１４の下流に設けられたラムダ型酸素プローブに基づいて得られる出力信号に該当する。

第２信号Ｓ_２の値は、パージ過程の開始時点Ｔ１以前とパージ過程終了時点Ｔ３以後はゼロである。パージ過程の開始時点Ｔ１直後に、第２信号Ｓ_２の値は、第１台状部の値Ｖ１になり、中間時点Ｔ２までほぼ第１台状部の値Ｖ１を維持する。窒素酸化物トラップの中に捕捉された窒素酸化物の還元の終了に対応する中間時点Ｔ２の直後に、第２信号Ｓ_２の値は、第１台状部の値Ｖ１よりも大きい第２台状部の値Ｖ２になる。第２台状部の値Ｖ２は、パージ過程終了時点Ｔ３まで維持され、その後第２信号Ｓ_２の値はゼロに戻る。

第１信号Ｓ_１は、パージ過程の開始時点Ｔ１直後に第１台状部の値Ｖ１に到達し、パージ過程終了時点Ｔ３まで概ねこの値を維持し、パージ過程終了時点Ｔ３からゼロに戻る。第１信号Ｓ_１は、中間時点Ｔ２の周辺で第１台状部の値Ｖ１から僅かに離れる。第１台状部の値Ｖ１は、設定値Ｃに相当する。

パージ過程の開始時において、パージ過程の開始時点Ｔ１と中間時点Ｔ２との間に、酸素プローブ２３は、触媒コンバータ１４の下流における排気ガスの酸素濃度を表す出力信号Ｓ_Ｍを発生する。この出力信号は、排気ガスの空燃比のリッチネスに比例することが確認されている。制御モジュール２６は、設定値Ｃと出力信号Ｓ_Ｍとの間の差である偏差Ｅに応じて、噴射器１７に適用され、燃焼混合気の空燃比のリッチネス、従って排気ガスの組成を変更することを可能にする、制御信号Ｓ_Ｃを決定する。制御モジュール２６によって形成される制御ループは、酸素プローブ２３の出力信号Ｓ_Ｍを設定値Ｃに概ね等しく維持する排気ガスの組成を得る効果を有する。

パージ過程の開始時点Ｔ１と中間時点Ｔ２との間に、触媒コンバータ１４の触媒活性箇所に吸収されていた窒素酸化物は、酸化還元反応によって除去される。

パージ過程の中間時点Ｔ２以後は、触媒コンバータ１４の触媒要素に吸収されていた窒素酸化物は、概ね完全に除去されている。従って、排気ガスの中に存在する還元剤はもはや酸化されないので、もし制御信号を変化しなかったら、触媒コンバータ１４の下流の排気ガスの組成に変化が生じる。すなわち、排気ガスの水素（Ｈ_２）濃度の増加が特にもたらされる。水素（Ｈ_２）は、窒素酸化物の還元剤であり、酸素プローブは水素（Ｈ_２）に対して敏感である。排気ガスの組成のこの変化は、第２信号Ｓ_２によって図示されているような、第１台状部の値Ｖ１から第２台状部の値Ｖ２への、出力信号Ｓ_Ｍの移行をもたらす。第２台状部の値Ｖ２は、実際には酸素プローブの出力信号の飽和値である。

制御によって、第１信号Ｓ_１によって図示されているように、出力信号Ｓ_Ｍは概ね一定に維持されるが、排気ガスの組成は変更されている。

図１、２、４における要素と類似の要素には同じ符号を用いて記載した図３に、制御モジュール２６によって作られ、図２の第１信号Ｓ_１に対応する制御信号Ｓ_Ｃが、横軸に時間、縦軸に制御信号Ｓ_Ｃの値を表すグラフに示されている。

実線で表された制御信号Ｓ_Ｃは、パージ過程の開始時点Ｔ１以前とパージ過程終了時点Ｔ３以後はゼロである。パージ過程の開始時点Ｔ１直後に、制御信号Ｓ_Ｃは、第１制御値Ｃ１に達し、中間時点Ｔ２まで第１制御値Ｃ１の値を維持し、次いで、第２制御値Ｃ２になり、パージ過程終了時点Ｔ３まで概ね第２制御値Ｃ２の値を維持する。

中間時点Ｔ２の後の制御信号Ｓ_Ｃのジャンプは、窒素酸化物の還元の終了と、触媒コンバータ１４の下流の排気ガスの組成の変化に対応する。制御の効果によって、第１信号Ｓ_１が概ね設定値Ｃに維持され（図２）、第２台状部の値Ｖ２へジャンプすることがないように、制御信号Ｓ_Ｃが変更される。これとは逆に、制御信号自身は、対応するジャンプを示す。

第１の台状部と第２の台状部との間の制御信号Ｓ_Ｃのジャンプは、窒素酸化物のパージの終了と、パージ過程の最終段階への移行を検出することを可能にする。実際、中間時点Ｔ２において制御信号Ｓ_Ｃの１次微分値が閾値を超えること、ほぼ中間時点Ｔ２において制御信号Ｓ_Ｃの２次微分値がゼロになること、あるいは更に、制御信号Ｓ_Ｃの瞬時の値とスライド平均値との間の差が閾値を超えることを検出することができる。

このようなジャンプを検出したときには、検出モジュール２７は、パージ過程が中止されるべきであることを示す検出信号を作る。

パージ過程の中間時点と終了時点との間の時間間隔は、分かりやすくするために、パージ過程の開始時点と中間時点との間の時間間隔に比して誇張されていることに注意する。パージは、パージ過程の最終段階への移行が検出されると直ちに中止されるので、中間時点と終了時点との間の時間間隔はきわめて短い。

なお、酸素プローブ、特にラムダ型の酸素プローブは、動作温度に対して敏感であるので、ラムダ型の酸素プローブの温度を維持するための、動作温度の制御手段を設けることができる。このため、酸素プローブの温度検出器を備え、酸素プローブの電源に連結して、温度を適合化させることを可能にする、酸素プローブの加熱温度制御回路を設けることができる。この変形として、酸素プローブの温度に応じて、酸素プローブから供給される測定値を補償してもよい。

本発明によれば、排気ガス浄化手段の下流の排気ガスの組成の解析のみを用いて、排気ガス浄化手段のパージ過程を実行するために内燃エンジンを制御することができる。唯一の酸素プローブのみが用いられ、このことは制御装置の複雑性を減少させる。また、排気ガスの組成の解析のために、比例型の酸素プローブに比して、より頑丈で、圧力に対して敏感でないラムダ型の酸素プローブを使用することができる。排気ガス浄化手段と、関連するラムダ型の酸素プローブは、エンジンの燃焼室の出口に近接した排気ライン上に配置することができる。ラムダ型の酸素プローブは、比例型の酸素プローブに比して応答時間が短いので、排気ガスの組成調整の改善を可能にする。また、酸素プローブの出力信号に基づいて作られた制御信号を解析することによって、パージ過程の終了を検出することができる。

Claims (10)

1. 内燃エンジン（２）の排気ライン（４）上に設けられた排気ガス浄化手段（１４）再生のための内燃エンジン（２）制御方法において、上記排気ガス浄化手段の再生過程の間に、上記排気ガス浄化手段（１４）の下流の排気ガスの組成のみを解析し、上記解析に基づいて、上記排気ガス浄化手段（１４）の上流の排気ガスの組成を変更するためのエンジン制御信号を作ることを特徴とする、排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法。
2. 上記排気ガス浄化手段（１４）の下流に設けられた、オール オア ナッシング型の酸素プローブ（２３）を用いて排気ガスの組成を解析することを特徴とする、請求項１に記載の排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法。
3. 上記酸素プローブ（２３）の動作温度を制御することを特徴とする、請求項２に記載の排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法。
4. 上記酸素プローブ（２３）の出力信号（Ｓ_Ｍ）を設定値（Ｃ）と比較し、上記出力信号（Ｓ_Ｍ）と上記設定値（Ｃ）との間の偏差（Ｅ）を減少させるための制御信号（Ｓ_Ｃ）を決定することを特徴とする、請求項２または３に記載の排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法。
5. 上記制御信号（Ｓ_Ｃ）に基づいて、再生過程の終了段階を検出することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気ガス浄化手段再生のための内燃エンジン制御方法。
6. 燃料噴射を変更するための制御モジュール（２６）と、排気ガス浄化手段（１４）の直近下流に設けられた酸素プローブ（２３）とを有する、内燃エンジン（２）の排気ライン（４）上に設けられた排気ガス浄化手段（１４）再生のための制御装置において、上記排気ガス浄化手段（１４）の再生過程の間に、上記燃料噴射の制御モジュールは、上記酸素プローブ（２３）の出力信号のみに応じて、排気ガスの組成の変更を引き起こすことを特徴とする、排気ガス浄化手段再生のための制御装置。
7. 上記酸素プローブ（２３）は、オール オア ナッシング型または比例型であることを特徴とする、請求項６に記載の排気ガス浄化手段再生のための制御装置。
8. 上記酸素プローブ（２３）の動作温度の制御手段を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の排気ガス浄化手段再生のための制御装置。
9. 上記制御モジュール（２６）によって作られる制御信号に応じて、再生過程の終了段階を検出する検出手段（２７）を有することを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１つに記載の排気ガス浄化手段再生のための制御装置。
10. 上記排気ガス浄化手段は、窒素酸化物トラップを有することを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１つに記載の排気ガス浄化手段再生のための制御装置。

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