JP2010084614A - エンジンシステムの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ吸着触媒を確実に再生することができるエンジンシステムの制御方法及びエンジンシステムの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジンシステムの制御方法は、排気通路５に、酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵し、燃料過剰雰囲気で排気中のＮＯｘをパージするＮＯｘトラップ触媒３３を備えたエンジンシステムの制御方法であって、ＮＯｘトラップ触媒３３のパージ条件が成立し、エンジン要求トルクの上昇値が所定値以下である場合にＥＧＲ流量を増加させ空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させる第１工程（時刻ｔ１）と、この第１工程中に、エンジン要求トルクの上昇値が所定値より大きくなった場合に、燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比より下に下げる第２工程（時刻ｔ１２）とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンシステムの制御方法及び制御装置に係わり、特に、酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵しそれ以外の雰囲気で吸蔵しているＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンシステムの制御方法及びこのようなエンジンシステムの制御装置に関する。

放出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、空燃比が理論空燃比より大きい所謂リーン状態の燃焼で発生する酸化性雰囲気ではＮＯｘを吸着して排気中のＮＯｘを低減する一方、それ以外雰囲気すなわち空燃比が理論空燃比より下の所謂リッチ状態の燃焼等で発生する還元性雰囲気では吸着していたＮＯｘを放出（還元）するＮＯｘ吸着触媒が排気管に設けられたエンジンシステムが知られている。

このようなＮＯｘ吸着触媒はＮＯｘ吸着量に限界があるため、ＮＯｘ吸着触媒が飽和量付近までＮＯｘを吸着する（再生必要条件が成立する）と、エンジンシステムが排気を強制的に還元性雰囲気に移行させ、排気ガス中の酸素濃度を低下させてＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化してＮＯｘ吸着触媒を再生する処理（リッチスパイク処理）が行われる。

このようなリッチスパイク処理として、燃料噴射量の増量によってエンジン吸気の空燃比を理論空燃比以上としたり、シリンダを出た排気ガスに燃料を添加したりするなどの手法の他に、燃費改善の観点から、ＥＧＲによってエンジンに流入する新気の量を減少させてエンジン吸気の空燃比を理論空燃比より下に低下させ、排気を還元性雰囲気（燃料過剰雰囲気）に移行させるものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−１７０５２号公報

しかしながら、上記のようなＥＧＲを用いたリッチスパイク処理では、ＥＧＲバルブを開いて吸気側への排気還流を開始してから排気が還元性雰囲気に移行するまでに所定時間を要し、また、処理中にトルクを増大させることができない。

このため、ＥＧＲを用いたリッチスパイクでは、ＮＯｘ吸着触媒の再生要求によるＥＧＲ開始から排気が還元性雰囲気に移行してＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘ放出還元が開始するまでの移行期間中に、アクセルが踏み込まれてエンジン要求トルクの上昇すると、トルク要求に応えるべく、ＥＧＲを中止して新気流量を増加させる制御が行われていた。この場合、ＥＧＲ開始からアクセル踏み込みによるエンジン要求トルクの上昇までの間の処理によって排気が還元性雰囲気に近づいているにもかかわらず、エンジン要求トルクの上昇によってＥＧＲが中止され、ＮＯｘ吸着触媒の再生要求に全く応えることができないという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ＮＯｘ吸着触媒を確実に再生することができるエンジンシステムの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、排気通路に、酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵し燃料過剰雰囲気で排気中のＮＯｘをパージするＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンシステムの制御方法であって、ＮＯｘトラップ触媒のパージ条件が成立し、エンジン要求トルクの上昇値が所定値以下である場合にＥＧＲ流量を増量して空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させる第１工程と、この第１工程中に、エンジン要求トルクの上昇値が所定値より大きくなった場合に、燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比より下に下げる第２工程とを備えること特徴とするエンジンシステムの制御方法が提供される。

このように構成された本発明によれば、ＥＧＲ流量を増量して空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させる第１工程中に、エンジンの要求トルクの上昇値が所定値よりも大きくなった場合には、第２工程で燃料の噴射量を増量して空燃比を急速に低下させられる。この結果、排気通路中の雰囲気が燃料過剰雰囲気になり、リッチスパイク処理が実行される。したがって、第１工程においてＥＧＲで排気を燃料過剰雰囲気に近づけた処理を有効活用してＮＯｘトラップ触媒を再生することができる。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記第２工程における燃料噴射量の増量は、エンジンの膨張行程で追加の燃料を噴射することによって行われる。

本発明の他の好ましい実施形態によれば、第２工程における燃料噴射の増量分は、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘの吸蔵量が多いほど、多くなる。
このように構成された本発明によれば、ＮＯｘの吸蔵量に応じてＮＯｘを放出させる量を増やすことができる。

本発明の他の好ましい実施形態によれば、膨張行程の直前の圧縮工程での燃料の噴射量が多いほど、該膨張行程での追加の燃料の噴射が遅角させられる。
このように構成された本発明によれば、膨張行程で噴射した燃料が、燃焼することなく確実に排気管内に流入し、排気を還元性雰囲気にすることに寄与する。

本発明の他の好ましい実施形態によれば、第２工程では、更に内部ＥＧＲによってエンジン内のＥＧＲ量を増量して、空燃比を理論空燃比より下まで下げるように構成されている。
このように構成された本発明によれば、排気弁と排気弁のバルブオーバラップによる内部ＥＧＲによって、新気流量を減らすことができ、好適に空燃比を理論空燃比より下まで低下させることができる。

本発明の他の態様によれば、エンジンと、このエンジンの排気通路に設けられ、酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵それ以外の雰囲気で排気中にＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンシステムの制御装置であって、ＮＯｘトラップ触媒の再生必要条件が成立し且つエンジンの要求トルクの上昇値が所定値以下である場合に、ＥＧＲ量を増量させ空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させるＥＧＲ装置制御手段と、このＥＧＲ装置制御手段によって空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させているときに、エンジンの要求トルクの上昇値が所定値より大きくなった場合に、燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比より下まで下げる燃料噴射制御手段とを備えていること、を特徴とするエンジンシステムの制御装置が提供される。

このように構成された本発明によれば、ＥＧＲ装置によって空燃比を理論空燃比より下まで低下させている途中でエンジンの要求トルクの上昇値が所定値より大きくなった場合でも、燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比より下まで下げることができ、これにより、排気通路中の雰囲気は燃料過剰雰囲気に移行し始める。
すなわち、排気通路中が燃料過剰雰囲気に移行しているときにエンジン要求トルクの上昇値が所定値より大きくなった場合でも、燃料噴射制御手段によって燃料の噴射量を増量して空燃比を急速に低下させることによりＥＧＲ装置制御手段による処理を有効活用し、リッチスパイク処理を行ってＮＯｘ吸着触媒を再生することができる。

このように本発明によれば、ＮＯｘ吸着触媒を確実に再生することができるエンジンシステムの制御方法及び制御装置が提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステムの制御方法及びエンジンシステムについて説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態の制御方法を実行するエンジンシステムのブロック図である。

図１に示すように、エンジンシステムは、エンジン１と、このエンジン１に設けられた吸気通路３及び排気通路５と、ＥＣＵ７を備える。

エンジン１は、多気筒式のディーゼルエンジン（一気筒のみ図示）であり、燃焼室９内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、燃焼室９と吸気通路３の間に設けられた吸気弁１３と、燃焼室９と排気通路５の間に設けられた排気弁１５と、燃焼室９内の空気を圧縮するピストン１７と、エンジン１の回転数を検出するための回転数センサ１９を備える。

インジェクタ１１は、燃焼室９内に燃料を噴射するようになっており、ＥＣＵ７の制御によって、エンジン１の圧縮工程中に燃料を噴射するメイン噴射、及びエンジン１の膨張行程中に燃料を噴射するポスト噴射等を行う。本実施形態において、メイン噴射は、エンジン１の圧縮工程中に燃料を噴射して、これによりトルクを発生させるものである。また、ポスト噴射は、エンジン１の膨張行程中に燃料を噴射してトルクの発生に寄与せずに、排気通路５中の雰囲気を燃料過剰雰囲気に移行させるためのものである。

吸気通路３には、その上流側からエアクリーナ２１、吸気量を調整するスロットルバルブ２３、及びサージタンク２５が設けられており、外気をエンジン１の燃焼室９に導くようになっている。また、吸気通路３には、吸気量を検出する吸気量センサ２７、スロットルバルブ２３の開度を検出する開度センサ２９、及びサージタンク２５内の吸気負圧を検出するブーストセンサ３１が設けられており、それぞれのセンサ２７，２９，３１の検出値は、ＥＣＵ７によって読み取られるようになっている。

排気通路５には、ＮＯｘトラップ触媒３３が設けられており、エンジン１の排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するようになっている。また、排気通路５のＮＯｘトラップ触媒３３よりも上流側には、エンジン１の燃焼室９内の混合気の空燃比を検出する空燃比センサ３５、及び排気の温度を検出する排気温センサ３７が設けられており、それぞれのセンサ３５，３７の検出値は、ＥＣＵ７によって読み取られるようになっている。

ＮＯｘトラップ触媒３３は、ＮＯｘ吸収材（図示せず）を備えており、排気通路５中の雰囲気が酸素過剰雰囲気（酸化雰囲気）のときには排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵することで車両からの排気中のＮＯｘ含有量を低下させるようになっている。またＮＯｘトラップ触媒３３は、排気通路５の雰囲気が燃料過剰雰囲気（還元雰囲気）となっているときに吸蔵しているＮＯｘを放出するとともに、放出したＮＯｘを排気中に含有される未燃燃料のＣＯ、ＨＣと反応させて酸素と窒素に分解する。

また、エンジンシステムは、排気通路５から吸気通路３に、エンジン１の排気を還流するためのＥＧＲ通路３９を備える。このＥＧＲ通路３９は、排気通路５のＮＯｘトラップ触媒３３よりも上流側から、吸気通路３のサージタンク２５よりも上流側まで延びている。そしてＥＧＲ通路３９には、ＥＧＲバルブ４１が設けられており、ＥＣＵ７の制御によって、吸気通路３に還流されるＥＧＲ量を調整するようになっている。

ＥＣＵ７は、ＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲ制御部４３と、ＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量を算出するためのＮＯｘ吸蔵量推定部４５と、アクセル４７の開度を検出してエンジン１の要求トルクを検出する加速要求検出部４９と、インジェクタ１１を制御するためのインジェクタ制御部（燃料噴射制御手段）５１を備える。

ＥＧＲ制御部４３は、通常の運転時にＥＧＲバルブ４１の開閉を制御してエンジン１の排気を吸気通路３に還流するようになっており、これによりエンジン１の燃焼室９内の混合気の燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの発生量を低下させるようになっている。

具体的にはＥＧＲ制御部４３は、エンジン１のインジェクタ１１がメイン噴射を行ってエンジン１トルクを発生させている状態では、エンジン負荷が極端に大きい場合を除いて、エンジン１の排気がＥＧＲ通路３９を通ってエンジン１に還流されるようにＥＧＲバルブ４１を制御する。

一方で、エンジン１のインジェクタ１１がポスト噴射を行っているときには、未燃燃料がＥＧＲ通路３９を通ってエンジン１に還流されるのを防ぐために、ＥＧＲ制御部４３は、ＥＧＲバルブ４１を閉じるようになっている。

またＥＧＲ制御部４３は、ＮＯｘトラップ触媒３３を再生するときに、ＥＧＲバルブ４１を制御して燃焼室９内の混合気の空燃比を低下させて燃焼室９内をリッチ状態にするようになっている。これにより、排気通路５の雰囲気が徐々に燃料過剰雰囲気に移行し、ＮＯｘトラップ触媒３３からＮＯｘが放出されＮＯｘトラップ触媒３３が再生される。

ＮＯｘ吸蔵量推定部４５は、ＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量を算出するようになっている。そしてＮＯｘ吸蔵量推定部４５は、ＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が所定量を超えてＮＯｘトラップ触媒３３のパージ条件が成立した場合にはＥＧＲ制御部４３に対してパージ要求（再生要求）信号を供給する。

ＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量は、回転数センサ１９によって検出されたエンジン１の回転数、排気温センサ３７によって検出された排気温度、開度センサ２９によって検出されたスロットルバルブ２３の開度から推定されるエンジン１の負荷等に基づいて瞬間的なＮＯｘ吸蔵量である瞬時ＮＯｘ吸蔵量を算定し、これを積算することによって算出される。

要求トルク検出部４９は、アクセルの踏み込み量および速度に基づいて加速要求を検出し、これを、エンジン要求トルクとしてインジェクタ制御部５１に供給する。要求トルク検出部４９によって検出されたエンジン要求トルクの上昇値が所定値以上である場合にはドライバが加速を要求していることとなる。

インジェクタ制御部５１は、インジェクタ１１によるメイン噴射及びポスト噴射のタイミング及び燃料の噴射量を制御するようになっている。そしてインジェクタ制御部５１は、通常の運転時には、エンジン１の要求トルクに応じてメイン噴射時の燃料噴射量を制御するようになっている。このメイン噴射時の噴射量は、要求トルク検出部４９から供給されたエンジン要求トルクに応じて調整される。

またインジェクタ制御部５１は、膨張行程に実行されエンジン１のトルク発生に寄与しないポスト噴射の制御も行う。ポスト噴射が行われると、エンジン１の燃焼室９内の雰囲気がリッチ状態になり、これにより排気通路５中が燃料過剰雰囲気に移行する。

本実施形態では、ポスト噴射は、直前のメイン噴射の燃料の噴射量が多いほど、ポスト噴射のタイミングが遅角するように制御される。これにより、ポスト噴射時の燃料が、トルク発生に使用されるのを防止することができる。

次に、本発明の実施形態にかかるエンジンシステムの動作について説明する。図２は、本実施形態のエンジンシステムのリッチスパイク処理時に、ＥＣＵが実行する処理を示すフローチャートであり、図３及び図４は本実施形態のエンジンシステムによって実行されるリッチスパイク処理における排気管内の空燃比の変化の一例を示すグラフである。

先ず、図２及び図３を参照して、本実施形態にかかるエンジンシステムがＮＯｘトラップ触媒３３をパージするときの動作について説明する。尚、以下の説明において「Ｓ」は「ステップ」を示す。

Ｓ１においてパージ条件が成立したか否かが判断される。尚、本実施形態のエンジンはディーゼルエンジンであり、通常は、リーン状態で運転されている。
ＥＣＵ７のＮＯｘ吸蔵量推定部４５がＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量の推定値が吸蔵可能な閾値を超えたと判断（再生必要条件成立）し、且つ要求トルク検出部４９から供給されたエンジン１の要求トルクの上昇値が現在加速中でないことを示している場合に、パージ条件を満たしたと判断される。

Ｓ１で、ＹＥＳすなわちパージ条件が成立したときにはＳ２に進み、ＮＯすなわちパージ条件が成立していないときには再度、Ｓ１の処理が行われる。

次いで、Ｓ２で、エンジン１に還流するＥＧＲ量を増量する（図３のｔ１）。この処理は、ＥＧＲバルブ４１を調整して、ＥＧＲ通路３９を通ってエンジン１に還流されるＥＧＲ量を増やすことで行われる。ＥＧＲ量が増えると、エンジン１の燃焼室９に流入する新気の割合が減少するため、エンジン吸気の空燃比λが低下して、エンジン１の燃焼室９内がリッチ状態に移行していく。

次いで、Ｓ３において、空燃比センサ３５の検出結果に基づいて、排気通路内の雰囲気が燃料過剰雰囲気（還元雰囲気）に達したか否かが判断される。Ｓ３でＹＥＳすなわち、排気通路５中の雰囲気が燃料過剰雰囲気となった場合（図３のｔ２）には、Ｓ４に進み、ＥＧＲバルブ４１を制御して所定時間が経過するまで、排気通路内を燃料過剰雰囲気に維持する（Ｓ４）ことによって、ＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘをパージ（リッチスパイク処理）を実行する。

所定の時間が経過すると（図３のｔ３）後、Ｓ５に進みＥＧＲ量を所定量に戻し、燃焼室９内をリーン状態に戻す（図３のｔ４）。この所定時間は、ＮＯｘトラップ触媒３３が吸着していたＮＯｘがパージされるのに十分な時間に設定されている。

一方、Ｓ３においてＮＯとなった場合には、Ｓ６に進み、パージの中止要求があったか否かが判断される。パージ中止要求は、ドライバがアクセルを踏み込み、エンジン要求トルクの上昇値が所定値以上となった場合に発生する。

Ｓ６でＮＯすなわちパージ中止要求がない場合には、Ｓ３に戻る。一方、Ｓ６でＹＥＳすなわちパージ中止要求があった場合には、Ｓ７に進み、ポスト噴射の噴射量及びタイミングを算出する。

ポスト噴射の噴射量は、インジェクタ制御部５１が、現在の空燃比を所定時間、例えば０．５秒程度だけ理論空燃比より下まで低下させることができるような値が算出される。また、ＮＯｘトラップ触媒３３のＮＯｘの吸蔵量が多いほど、噴射量を多くするようにしてもよい。

また、ポスト噴射のタイミングは、インジェクタ制御部５１が、直前の圧縮工程におけるメイン噴射の噴射量に基づいて算出する。具体的には、膨張行程の直前の圧縮工程での燃料の噴射量が多いほど、ポスト噴射のタイミングは遅角させられる。

次いで、Ｓ８において、Ｓ７の算出結果に基づいてポスト噴射を行わせる（図４のｔ１２）。これにより、排気通路５中の雰囲気が燃料過剰雰囲気となり、ＮＯｘトラップ触媒３３からＮＯｘが放出・還元（パージ）される（図４のｔ１３）。その後、Ｓ５に進み加速要求に応えるために燃焼室９内をリーン状態に戻す（図４のｔ１４）。

このような動作をする本実施形態のエンジンシステム制御方法および制御装置では、パージ要求に基づいて排気通路を燃料過剰雰囲気に移行させている間にパージ中止要求があった場合においても、ポスト噴射によって排気通路５を迅速に燃料過剰雰囲気に移行させ、確実にＮＯｘトラップ触媒３３のリッチスパイク処理を行うことができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、排気通路を燃料過剰雰囲気に移行させるために、排気通路から吸気通路に排気を還流させる所謂外部ＥＧＲを用いたが、排気行程で排気弁１５を制御し排気弁と吸気弁をオーバラップさせる所謂内部ＥＧＲ制御を併用あるいは、単独で用いても良い。

また、上記実施形態では、ディーゼルエンジンを例に挙げたが、本発明をガソリンエンジンに適用することもできる。さらに上記実施形態では、燃料過剰雰囲気のパージ目標とする閾値をλ＝１．０として設定したが、触媒の種類に応じてこれよりも下の値を設定することも可能である。

本発明の実施形態によるエンジンシステムを示すブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの動作を示すフロー図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの空燃比の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの空燃比の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
５ 排気通路
７ ＥＣＵ
１１ インジェクタ
３３ ＮＯｘトラップ触媒
３９ ＥＧＲ通路

Claims (6)

1. 酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵しそれ以外の雰囲気で排気中にＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒を、排気通路に備えたエンジンシステムの制御方法であって、
   前記ＮＯｘトラップ触媒の再生必要条件が成立し、且つエンジン要求トルクの上昇値が所定値以下である場合に、ＥＧＲ量を増加させ空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させる第１工程と、
   この第１工程中に、エンジン要求トルクの上昇値が前記所定値より大きくなった場合に、燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比より下に下げ、前記ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを放出させる第２工程とを備えていること、
   を特徴とするエンジンシステムの制御方法。
2. 前記第２工程における燃料噴射量の増量は、エンジンの膨張行程で追加の燃料を噴射することによって行われる、
   請求項１に記載のエンジンシステムの制御方法。
3. 前記第２工程における燃料噴射の増量分は、前記ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘの吸蔵量が多いほど、多くなる、
   請求項１又は請求項２に記載のエンジンシステムの制御方法。
4. 前記膨張行程の直前の圧縮工程での燃料の噴射量が多いほど、該膨張行程での追加の燃料の噴射が遅角させられる、
   請求項２又は請求項３に記載のエンジンシステムの制御方法。
5. 前記第２工程では、更に内部ＥＧＲによってエンジン内のＥＧＲ量を増量して、空燃比を理論空燃比より下まで下げるように構成されている、
   請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のエンジンシステムの制御方法。
6. エンジンと、
   このエンジンの排気通路に設けられ、酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵それ以外の雰囲気で排気中にＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンシステムであって、
   前記ＮＯｘトラップ触媒の再生必要条件が成立し且つ前記エンジンの要求トルクの上昇値が所定値以下である場合に、ＥＧＲ量を増量させ空燃比を理論空燃比より下に向けて減少させるＥＧＲ装置制御手段と、
   このＥＧＲ装置制御手段によって空燃比を理論空燃比以下に向けて減少させているときに、前記エンジンの要求トルクの上昇値が所定値より大きくなった場合に、燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比より下まで下げる燃料噴射制御手段とを備えていること、
   を特徴とするエンジンシステムの制御装置。

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