JP2010024864A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮着火式のエンジンにおいて、燃費の悪化を必要最小限に抑制しつつ、ＮＯｘの排出を抑制可能な減速リッチスパイクを実現するエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】 ＥＣＵ１Ａは、減速フューエルカット運転時に筒内に燃料を噴射する減速リッチスパイクを行う圧縮着火式のエンジン５０につき、減速リッチスパイクで目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射する分割噴射制御手段を備える。また目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射するにあたっては、ＥＣＵ１Ａは具体的にはエンジン５０の運転状態である吸入空気量Ｇａと回転数ＮＥとに基づき、各分割噴射の燃料噴射量と、各分割噴射間のインターバルとを決定する噴射条件決定手段をさらに備える。
【選択図】 図２

Description

本発明はエンジンの制御装置に関し、特に減速フューエルカット運転時に筒内に燃料を噴射する減速リッチスパイクを行う圧縮着火式のエンジンについての制御装置であるエンジンの制御装置に関する。

従来、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、単にＮＯｘ触媒とも称す）が排気系に設けられたエンジンが知られている。ＮＯｘ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いとき、すなわち排気の空燃比（Ａ／Ｆ）が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵する。一方、ＮＯｘ触媒は、流入する排気の酸素濃度が低下し、且つ還元剤が存在するときには吸蔵していたＮＯｘを窒素（Ｎ_２）に還元しつつ放出する。したがって、流入する排気のＡ／Ｆが低くなったときはＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘがＮ_２に還元されつつ放出される。

かかるＮＯｘ触媒では、排気浄化能力を維持するため、吸蔵されたＮＯｘを還元、放出する必要がある。このため、排気のＡ／Ｆを一時的に低くするいわゆるリッチスパイクを行い、吸蔵されたＮＯｘを還元、放出する。そしてこのリッチスパイクとして、減速フューエルカット運転時に筒内に燃料を噴射する減速リッチスパイクが従来から知られている。
ここで、通常燃焼時には筒内に供給される空気量が多いため、リッチな状態を作り出すためにはそれだけ多くの燃料を必要とする。これに対して、減速フューエルカット運転時には筒内に供給される空気量が少ないため、リッチな状態を作り出すための燃料の量も通常燃焼時と比較して少なくて済む。このため減速リッチスパイクによれば燃費の悪化を抑制することができる点で有利である。
減速リッチスパイクに関する技術として、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１または２で提案されている。

特開２００６−００９６３８号公報 特開２００３−０８３０５４号公報

近年では環境問題への取り組みが重要な課題となっており、その一環として今後益々厳しくなる排ガス規制もクリアする必要がある。そして排ガス規制のＮＯｘ値をクリアするためには、燃焼でＮＯｘの排出を抑制するとともに、ＮＯｘ触媒による後処理を高効率で行うことが必要不可欠になってくる。
しかしながら、燃焼でＮＯｘの排出を低減するためには効率の低いところでエンジンの運転を行う必要があり、この結果、燃費の悪化を招くことになる。また、排気浄化能力を維持するためにＮＯｘ触媒を還元する際には、リッチスパイクで燃料を添加することが必要となり、必然的に燃費の悪化を招くことになる。
すなわち、ＮＯｘの排出を抑制しようとすると燃費の悪化を招くことから、燃費の悪化を必要最小限に抑制しつつ、ＮＯｘの排出を抑制可能な技術が望まれる。

この点、リッチスパイクでＮＯｘ触媒の還元を行う方法には、減速リッチスパイクのほか、通常燃焼時に筒内に燃料を噴射してリッチな状態を作る方法（以下、第１の方法と称す）や、燃料添加弁で燃料を筒外に噴射してリッチな状態を作る方法（以下、第２の方法と称す）もあるが、これらの方法には以下の問題がある。
すなわち第１の方法では、筒内燃焼を行うため排気経路に燃料が付着ほとんど付着しないものの、トルクの変動を防止する必要があり、ロバスト性が必ずしも高くないという問題がある。
また第２の方法では、筒外噴射のためトルク変動は発生しないものの、燃料が液体のままで分散しにくく、排気経路に付着し易い（すなわち燃費が必要以上に悪化し易い）という問題がある。

これに対して減速リッチスパイクによれば、減速時にはエンジンの状態が比較的安定していることからロバスト性が高いという利点がある。また減速時には筒内に供給される空気量が少ないことから、リッチな状態を作るために必要な燃料も少なくて済み、第１または第２の方法と比較して燃費の点でも有利である。
しかしながら、減速リッチスパイクであっても、燃料を噴射する以上、燃費の悪化自体は避けられず、また減速リッチスパイクでは空気量が少ないことから筒内に噴射した燃料を燃焼させないようにできるところ、筒内噴射であるにも関わらず、第２の方法と同様に燃費が必要以上に悪化し易いという問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、圧縮着火式のエンジンにおいて、燃費の悪化を必要最小限に抑制しつつ、ＮＯｘの排出を抑制可能な減速リッチスパイクを実現するエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は減速フューエルカット運転時に筒内に燃料を噴射する減速リッチスパイクを行う圧縮着火式のエンジンにつき、前記減速リッチスパイクで目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射する分割噴射制御手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、燃料を分割噴射することで噴射した燃料の表面積を増すことができ、これにより燃料の蒸発を促進することができる。このため本発明によれば、燃料の付着を抑制することができる。また燃料の付着を抑制できることから、必要以上の燃料を噴射することを抑制でき、この結果、目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を噴射することができる。このように分割噴射により燃料の蒸発を促進し、燃料の付着を抑制できることに加えて、目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を噴射する本発明によれば、燃費の悪化を必要最小限に抑制できる。またこれによりＮＯｘ触媒の還元も行えることから、本発明によれば、ＮＯｘの排出も抑制できる。

また本発明は前記エンジンの運転状態に基づき、各分割噴射の燃料噴射量と、各分割噴射間のインターバルとを決定する噴射条件決定手段をさらに備える構成であってもよい。すなわち必要な燃料噴射量を分割して噴射するにあたっては、具体的には本発明のような噴射条件決定手段をさらに備えることが好適である。

また本発明は前記各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合に、前記噴射条件決定手段が、前記各分割噴射の燃料噴射量を最低燃料噴射量と決定するとともに、前記各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合に、燃圧を上昇させる燃圧上昇手段をさらに備える構成であってもよい。本発明によれば、各分割噴射の燃料噴射量がソフト或いはハード的に噴射可能な燃料噴射量以下である場合であっても、最低燃料噴射量を噴射することで燃費の悪化を必要最小限に抑制できる。また本発明によれば、燃圧を上昇させることで燃料の微粒化を促進できるので、最低燃料噴射量を噴射した場合であっても、燃料の付着を抑制できる。

本発明によれば圧縮着火式のエンジンにおいて、燃費の悪化を必要最小限に抑制しつつ、ＮＯｘの排出を抑制可能な減速リッチスパイクを実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現されている本実施例に係るエンジンの制御装置をエンジン５０など関連する各構成とともに模式的に示す図である。吸気系１０は、エアフロメータ１１と、インタークーラ１２と、ディーゼルスロットル１３と、インテークマニホールド１４とを有して構成されている。エアフロメータ１１はエアフロセンサと大気温センサとを有して構成されており、吸入空気量Ｇａを計測するとともに計測した吸入空気量Ｇａに応じた信号を出力する。インタークーラ１２は過給機３０によって圧縮された吸気を冷却する。ディーゼルスロットル１３はＥＣＵ１Ａの制御のもと、図示しないアクチュエータによって開閉駆動し、吸入空気量を調節する。インテークマニホールド１４はエンジン５０の各気筒に吸気を分配する。

排気系２０は、エキゾーストマニホールド２１と、ＮＯｘ触媒２２と、Ｏ_２センサ２３と、Ａ／Ｆセンサ２４とを有して構成されている。エキゾーストマニホールド２１は、各気筒からの排気を下流側で一つの排気通路に合流させる。ＮＯｘ触媒２２は、内部流路の壁面上にアルミナからなる担体の層を備えている。また担体上には、バリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）が担持され、これにＯ2 ストレージ能力のあるセリア（Ｃｅ2 Ｏ3 ）が添加されている。なお、ＮＯｘ触媒２２は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成することができる。

過給機３０は可変容量型ターボチャージャであり、コンプレッサ部３１と、タービン部３２とを有して構成されている。過給機３０は、図示しないコンプレッサホイールを収納するコンプレッサ部３１が吸気系１０に、図示しないタービンホイール３２を収納するタービン部３２が排気系２０に、夫々介在するようにして配設されている。コンプレッサホイールとタービンホイールとは回転軸で連結されており、タービンホイールが排気によって駆動されると、回転軸を介してコンプレッサホイールが駆動し吸気を圧縮する。また過給機３０はタービン部３２に図示しないバリアブルノズルを備えている。バリアブルノズルはＥＣＵ１Ａの制御のもと、タービン容量を変更する。

排気還流系４０はＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲバルブ４３とを有して構成されている。ＥＧＲ通路４１は吸気系１０と排気系２０とを連通している。ＥＧＲ通路４１は本実施例では具体的にはインテークマニホールド１４の上流側の集合部分とエキゾーストマニホールド２１の下流側の集合部分とを連通している。ＥＧＲクーラ４２は還流される排気を冷却する。ＥＧＲバルブ４３はＥＣＵ１Ａの制御のもと、ＥＧＲ通路４１の開度を変更し、還流される排気の量を調節する。これによりＥＧＲ率が変更される。なお、排気還流系４０は例えばエンジン５０の気筒毎に設けられてもよい。

エンジン５０は圧縮着火式のディーゼルエンジンであり、各気筒５１に直接燃料を噴射する燃料噴射弁５２を備えている。各燃料噴射弁５２は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）５３と接続されている。コモンレール５３は、図示しない燃料供給管を介して燃料ポンプ（図示省略）と連通している。燃料ポンプから吐出された燃料はコモンレール５３へ供給され、コモンレール５３で所定圧まで蓄圧されて各気筒５１の燃料噴射弁５２へ分配される。そして、燃料噴射弁５２に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁５２が開弁し、これにより燃料噴射弁５２から気筒５１内へ燃料が噴射される。エンジン５０には、クランク角センサ６１やエンジン５０の冷却水温を検出するための水温センサ６２など各種のセンサが配設されている。

ＥＣＵ１Ａは、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１Ａは主にエンジン５０を制御するように構成されており、本実施例では具体的には燃料噴射弁５２や燃料ポンプのほか、ディーゼルスロットル１３や、過給機３０や、ＥＧＲバルブ４３などを制御するように構成されている。これら制御対象はＥＣＵ１Ａに電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１Ａにはエアフロメータ１１や、クランク角センサ６１や、水温センサ６２などの各種のセンサが電気的に接続されている。ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１Ａでは各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。

この点、本実施例では以下に示す分割噴射制御手段と、噴射条件決定手段とがＥＣＵ１Ａで機能的に実現される。分割噴射制御手段は、減速フューエルカット運転時に筒内に燃料を噴射する減速リッチスパイクで燃料を分割して噴射する。この点、分割噴射制御手段はより具体的には目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射するように構成されている。また目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射するにあたっては、噴射条件決定手段が、エンジン５０の運転状態（ここでは具体的には吸入空気量Ｇａおよび回転数ＮＥ）に基づき、各分割噴射の燃料噴射量と、各分割噴射間のインターバルとを決定する。

次にＥＣＵ１Ａの動作を図２に示すフローチャートを用いて説明する。ＥＣＵ１Ａでは、図２のフローチャートに示す処理がごく短い時間間隔で繰り返し実行される。ＥＣＵ１Ａは減速リッチスパイクの実行条件が成立したか否か、或いは成立しているか否かを判定する（ステップＳ１１）。本実施例では具体的には減速フューエルカット運転になったか否かを判定することで、減速リッチスパイクの実行条件が成立したか否かを判定する。減速フューエルカット運転になったか否かは、例えば所定のエンジン回転数ＮＥ以上で、アクセルＯＦＦになったか否かで判定することができる。

但しこれに限られず、減速リッチスパイクの実行条件が成立したか否かは、減速フューエルカット運転になったか否かの判定を含め、適宜の条件であってよい。例えば減速フューエルカット運転になったと判定した場合に、さらに前回ＮＯｘ還元を行ってから所定の期間が経過したか否かを判定し、所定期間が経過したと判定した場合に、減速リッチスパイクの実行条件が成立したと判定してもよい。また、例えば減速フューエルカット運転になったと判定した場合に、さらに推定したＮＯｘ触媒２２のＮＯｘ吸蔵量が所定値を超えたか否かを判定し、所定値を超えたと判定した場合に、減速リッチスパイクの実行条件が成立したと判定してもよい。

また本ステップでは、減速リッチスパイク実行フラグがＯＮであるか否かを判定することで、減速リッチスパイク実行条件が成立しているか否かを判定する。そして減速リッチスパイク実行フラグがＯＮである場合には、ステップＳ１１で肯定判定される。ステップＳ１１で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは減速リッチスパイク実行フラグをＯＮにする（ステップＳ１２）。これにより、減速リッチスパイクの実行条件が成立する。ステップＳ１２に続いて、ＥＣＵ１Ａは減速フューエルカット運転中であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。本ステップで肯定判定されることにより、減速リッチスパイクが継続されることになる。ステップＳ１１またはＳ１３で否定判定であれば、減速リッチスパイク実行フラグをＯＦＦにする（ステップＳ１７）。

一方、ステップＳ１３で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは吸入空気量Ｇａおよび回転数ＮＥを検出する（ステップＳ１４）。続いて、ＥＣＵ１Ａは各分割噴射の燃料噴射量と、各分割噴射間のインターバルとを決定する（ステップＳ１５）。これにより、目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射することが可能になる。ステップＳ１５に続いてＥＣＵ１Ａは、目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射する（ステップＳ１６）。これにより減速リッチスパイクが分割噴射で行われる。

図３は分割噴射の様子を筒内温度或いは筒内圧の変化の様子とともに模式的に示す図である。図３に示すように分割噴射は、具体的には筒内温度Ｔ或いは筒内圧力Ｐが最大となる圧縮上死点付近（圧縮上死点を含む）から、圧縮上死点よりも進角側に亘ったタイミングの範囲で行うことができる。この点、分割噴射（パイロット噴射）はボアのオイル希釈が問題とならない最大進角のタイミングから開始することができる。またかかるタイミングはエンジンや燃料噴射弁の異なるハード諸元毎に実験などに基づき決定することができる。また分割噴射は各分割噴射で燃料噴射量を均等にして行うことができ、各分割噴射間のインターバルは回転数ＮＥに応じて決めることが可能な最小のインターバルとすることが好適である。

この点、各分割噴射の燃料噴射量は、具体的には次の式（１）に基づき算出することができる。
各分割噴射の燃料噴射量＝トータル噴射量×（最大進角／パイロットインターバル） ・・・（１）
但し最大進角はＴＤＣ基準である。またトータル噴射量（ｍｍ^３ｓｔ）は目標空燃比に対して必要な燃料噴射量であり、エアフロメータ１１の出力に基づき検出される吸入空気量Ｇａと目標空燃比とから求めることができる。目標空燃比はＮＯｘ触媒２２でリッチな状態を作り出すための空燃比であり、例えばストイキとして設定した１４．５以下の空燃比に設定することができる。また分割噴射を開始するタイミングである最大進角（°ＣＡ）は、オイル希釈の問題が生じないクランクアングルとすることができる。またパイロットインターバル（°ＣＡ）は各分割噴射間のインターバルであり、噴射可能最小インターバル（ｍｓ）と回転数ＮＥ（ｒｐｍ）とから算出することができる。

減速リッチスパイクで燃料を分割噴射することで、噴射した燃料の表面積を増すことができ、これにより燃料の蒸発を促進することができる。このため燃料の付着を抑制できる。また燃料の付着を抑制できることから、必要以上の燃料を噴射することを抑制でき、この結果、目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を噴射することができる。これにより、燃費の悪化を必要最小限に抑制できる。
さらに分割噴射の条件を固定することなく、吸入空気量Ｇａや回転数ＮＥに応じて各分割噴射の燃料噴射量やインターバルを決定することで、エンジン５０の運転状態に応じた最大のＮＯｘ還元効果を得ることができる。
そしてかかる分割噴射を行う減速リッチスパイクでは燃費の悪化とＮＯｘの排出とを抑制できるため、例えば等浄化率の場合には燃費を低減することができ、また等燃費の場合には浄化率を向上させることができる。またかかる減速リッチスパイクは制御プログラムの変更で実現可能なことからコスト的にも有利である。
このようにＥＣＵ１Ａは、圧縮着火式のエンジン５０において、燃費の悪化を必要最小限に抑制しつつ、ＮＯｘの排出を抑制可能な減速リッチスパイクを実現できる。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｂは、各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合に、分割噴射決定手段がさらに各分割噴射の燃料噴射量を最低燃料噴射量と決定するとともに、決定した最低燃料噴射量に応じて各分割噴射間のインターバルを決定するように構成されている点と、各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合に、燃圧を上昇させる燃圧上昇手段をさらに備えている点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。なお、ＥＣＵ１Ｂに関連する各構成はＥＣＵ１Ａの場合と同じとなっている。このため本実施例ではＥＣＵ１Ｂその他関連する各構成については図示省略する。また、燃圧変更手段はＥＣＵ１ＡのＲＯＭに格納されたプログラムを変更することで実現できる。

次にＥＣＵ１Ｂの動作を図４に示すフローチャートを用いて詳述する。なお、本フローチャートは図示のようにステップＳ２１からＳ２４までが追加されている点以外、図２に示すフローチャートと同一のものとなっている。このため本実施例では特にこれらのステップについて詳述する。ステップＳ１５に続いてＥＣＵ１Ｂは、各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１）。肯定判定であればステップＳ１６に進む。一方、否定判定であれば、ＥＣＵ１Ｂは各分割噴射の燃料噴射量を最低燃料噴射量と決定する（ステップＳ２２）。またこのときＥＣＵ１Ｂは、決定した最低燃料噴射量に応じて各分割噴射間のインターバルを決定する（ステップＳ２３）。具体的にはトータル噴射量を各分割噴射の燃料噴射量で割って得た値で、最大進角を割ることにより、各分割噴射間のインターバルを決定する。続いてＥＣＵ１Ｂはレール圧（燃圧）を上昇させ（ステップＳ２４）、その後燃料を分割噴射する（ステップＳ１６）。

このように各分割噴射の燃料噴射量がソフト或いはハード的に噴射可能な燃料噴射量以下である場合には、最低燃料噴射量を噴射することで、燃費の悪化を必要最小限に抑制できる。またレール圧を上昇させることで燃料の微粒化を促進できるので、最低燃料噴射量を噴射した場合であっても、燃料の付着を抑制できる。
このようにＥＣＵ１ＢはＥＣＵ１Ａと比較して、さらに各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合であっても、圧縮着火式のエンジン５０において、燃費の悪化を必要最小限に抑制しつつ、ＮＯｘの排出を抑制可能な減速リッチスパイクを実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば分割噴射制御手段や分割噴射決定手段や燃圧変更手段はＥＣＵ１で実現することが合理的であるが、例えばその他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。この点、本発明のエンジンの制御装置は例えば複数の電子制御装置や電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。すなわち、本発明のエンジンの制御装置は例えば分散制御的な態様で実現されてもよい。

ＥＣＵ１Ａを関連する各構成とともに模式的に示す図である。 ＥＣＵ１Ａの動作をフローチャートで示す図である。 分割噴射の様子を筒内温度或いは筒内圧の変化の様子とともに模式的に示す図である。 ＥＣＵ１Ｂの動作をフローチャートで示す図である。

符号の説明

１ ＥＣＵ
２２ ＮＯｘ触媒
３０ 過給機
５０ エンジン
５２ 燃料噴射弁

Claims (3)

1. 減速フューエルカット運転時に筒内に燃料を噴射する減速リッチスパイクを行う圧縮着火式のエンジンにつき、
   前記減速リッチスパイクで目標空燃比に対して必要な燃料噴射量を分割して噴射する分割噴射制御手段を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 請求項１記載のエンジンの制御装置であって、
   前記エンジンの運転状態に基づき、各分割噴射の燃料噴射量と、各分割噴射間のインターバルとを決定する噴射条件決定手段をさらに備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 請求項２記載のエンジンの制御装置であって、
   前記各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合に、前記分割噴射決定手段が、前記各分割噴射の燃料噴射量を最低燃料噴射量と決定するとともに、
   前記各分割噴射の燃料噴射量が噴射可能な燃料噴射量以下である場合に、燃圧を上昇させる燃圧上昇手段をさらに備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
   

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