JP2013119832A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は内燃機関の制御装置に関し、リーンバーン運転中に排出ＮＯｘ量を減らしながらノッキングの発生を抑制可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ノッキング有りと判定された場合、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比以上か否かが判定される（ステップ１３０）。本ステップにおいて、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比以上であると判定された場合、図４で説明した数値マップが特定され、この数値マップに従ってガス燃料比Ｇ／Ｆが変更される（ステップ１４０）。数値マップの特定は、ステップ１２０で算出したノッキング強度と、当該ノッキング強度の算出時におけるＮＯｘ濃度とを用いることにより行われる。一方、ステップ１３０において、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比よりも小さいと判定された場合、点火時期の遅角制御が実行される（ステップ１５０）。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳細には、その吸気系にＥＧＲガスが添加される内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、均質燃焼と成層リーン燃焼との間で燃焼形態を切り換え可能なエンジンの排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを設け、燃焼形態の切り換えに応じて当該ＥＧＲバルブの開度を制御するエンジンの制御装置が開示されている。ＥＧＲバルブの開度を制御すればエンジンの吸気系に導入するＥＧＲガス量を制御できるので、燃焼状態の切り換えによって変化する排出ＮＯｘ量を調整できる。また、低温のＥＧＲガスを導入すればノッキングの発生を抑制できる。従って、上記特許文献１の制御装置によれば、排出ＮＯｘ量を調整しながらノッキングの発生を抑制することが可能となる。

特開２００２−１３０００７号公報 特開２００５−１０５９７４号公報

ところで、過給機を搭載したエンジンにおいては、過給運転中に大量の吸入ガスが筒内に導入される。また、この過給運転中、ＥＧＲ通路を経由させたＥＧＲガスを導入すると、エンジン筒内の圧力が上昇し易くなる。つまり、過給機を搭載したエンジンは、過給機非搭載エンジンに比してノッキングの発生確率が高いと言える。また、リーンバーン運転中においては、三元触媒でＮＯｘを浄化することができない。そのため、リーンバーン運転中は、できる限り排出ＮＯｘ量を減らす必要がある。従って、過給機を搭載したエンジンにおいて、リーンバーン運転中に排出ＮＯｘ量を減らしながらノッキングの発生を抑制するためには、更なる改良が必要であった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、リーンバーン運転中に排出ＮＯｘ量を減らしながらノッキングの発生を抑制可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記内燃機関に吸入される総吸入ガスに対する、前記ＥＧＲ通路を経由して前記内燃機関に還流させるＥＧＲガスの比率を表すＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整手段と、
前記内燃機関に吸入される新気ガス量と、前記内燃機関における消費燃料量との比率を表す空燃比を調整する空燃比調整手段と、
内燃機関から排出されるＮＯｘ量毎に、ノッキング強度とＥＧＲ率と空燃比との関係を規定した特性マップと、
前記内燃機関におけるノッキング強度を取得するノッキング強度取得手段と、
前記内燃機関から排出されたＮＯｘ量を取得するＮＯｘ量取得手段と、
前記ノッキング強度が設定強度よりも大きい場合に、前記ＮＯｘ量取得手段により取得したＮＯｘ量に対応する特性マップを特定し、特定した特性マップに基づいて、前記ＥＧＲ率調整手段と前記空燃比調整手段とを制御するノッキング回避制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ノッキング回避制御手段は、前記特定した特性マップにおいて、前記ＥＧＲ率が高くなると共に、前記空燃比が燃料リッチとなるように前記ＥＧＲ率調整手段と前記空燃比調整手段とを制御することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ノッキング回避制御手段は、前記内燃機関に吸入される総吸入ガス量と前記内燃機関における消費燃料量との比率を表すガス燃料比が理論空燃比よりも燃料リーンである場合には、前記ＥＧＲ率調整手段および前記空燃比調整手段の制御を禁止して、前記内燃機関に吸入されるガスの点火時期を遅角側に制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、ノッキング強度が設定強度よりも大きい場合に、ＮＯｘ量取得手段により取得したＮＯｘ量に対応する特性マップを特定し、特定した特性マップに基づいて、ＥＧＲ率調整手段と空燃比調整手段とを制御することができる。この特性マップは、内燃機関から排出されるＮＯｘ量毎に、ノッキング強度とＥＧＲ率と空燃比との関係を規定したものである。そのため、特性マップを特定し、特定した特性マップに基づいてＥＧＲ率調整手段と空燃比調整手段とを制御すれば、内燃機関から排出されるＮＯｘ量を略一定としながらノッキング強度を低下させることが可能となる。従って、リーンバーン運転中に排出ＮＯｘ量を減らしながらノッキングの発生を抑制できる。

本発明者の知見によれば、ＥＧＲ率を高くしつつ空燃比を燃料リッチとすることで、内燃機関から排出されるＮＯｘ量を一定としながらノッキング強度を低下できることが明らかとなった。第２の発明は、本知見に基づくものである。従って、第２の発明によれば、上記第１の発明で特定した特性マップにおいて、ＥＧＲ率が高くなると共に、空燃比が燃料リッチとなるように上記ＥＧＲ率調整手段と上記空燃比調整手段とを制御できるので、排出ＮＯｘ量を減らしながらノッキングの発生を抑制できる。

ガス燃料比は、内燃機関に吸入される総吸入ガス量と、内燃機関における消費燃料量との比率を表すものであり、その値が理論空燃比よりも燃料リーンとなった場合は、ＥＧＲ率や空燃比の制御によってはノッキングの解消が図れない状況にあると判断できる。第３の発明によれば、このような場合に、ＥＧＲ率調整手段および空燃比調整手段の制御を禁止して、点火時期の遅角制御を実行できる。点火時期の遅角制御を実行すれば、確実にノッキングを解消できる。従って、ＥＧＲ率調整手段および空燃比調整手段の制御によってもノッキングの解消が図れない場合に、緊急的に点火時期の遅角制御を実行して確実にノッキングを解消できる。

本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。 排出ＮＯｘ量と空燃比との関係をＥＧＲ率毎に示した図である。 空燃比Ａ／Ｆとガス燃料比Ｇ／Ｆとの関係を示した図である。 ガス燃料比Ｇ／Ｆとノッキング強度との関係を示した図である。 本実施形態において、ＥＣＵ６０により実行されるノッキング回避制御のルーチンを示すフローチャートである。

［システム構成の説明］
以下、図１乃至図５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、本発明の実施形態のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関として、均質燃焼によるリーンバーン運転が可能なエンジン１０を備えている。エンジン１０は、複数の気筒を有している（図１では４つの気筒）。また、図１に示すシステムは、エンジン１０の他、エンジン１０に空気を供給する吸気系と、エンジン１０から排気ガスを排出する排気系と、エンジン１０の運転を制御する制御系とを備えている。

エンジン１０の吸気系は、吸気マニホールド１２と、吸気マニホールド１２に接続される吸気管（吸気通路）１４とを備えている。大気中から吸気管１４に取り込まれた新気ガスは、サージタンク１６、吸気マニホールド１２を介して各気筒の燃焼室に分配される。吸気管１４の入口には、エアクリーナ１８が取り付けられている。エアクリーナ１８の下流近傍には、吸気管１４に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。

エアフローメータ２０の下流には、過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。また、コンプレッサ２２ａの下流には、コンプレッサ２２ａにより圧縮されたガスを冷却するインタークーラ２４が配置されている。インタークーラ２４の下流には、吸気管１４を流れるガス量を調整するためのスロットルバルブ２６が配置されている。

エンジン１０の排気系は、排気マニホールド２８と、排気マニホールド２８に接続される排気管（排気通路）３０とを備えている。エンジン１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド２８に集められ、排気マニホールド２８を介して排気管３０へ排出される。排気マニホールド２８の下流の排気管３０には、過給機２２のタービン２２ｂが配置されている。

タービン２２ｂの下流には、前処理触媒３２およびリーンＮＯｘ触媒３４がこの順に配置されている。前処理触媒３２は、これに流入する排気空燃比が理論空燃比付近の狭い範囲にある場合に、排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する三元触媒である。リーンＮＯｘ触媒３４は所謂吸蔵還元型のＮＯｘ触媒であり、これに流入する排気空燃比が所定リーン域にある場合にＮＯｘを吸蔵し、所定リッチ域にある場合にＮＯｘを放出するという吸放出作用を有する。また、前処理触媒３２とリーンＮＯｘ触媒３４の間には、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ３６が設置されている。

また、図１に示すシステムは、低圧ＥＧＲ通路３８を備えている。低圧ＥＧＲ通路３８は、前処理触媒３２とＮＯｘ触媒３４の間の排気管３０と、スロットルバルブ２６より下流の吸気管１４とを接続するように構成されている。低圧ＥＧＲ通路３８の途中には、当該通路３８を開閉するための低圧ＥＧＲバルブ４０が設けられている。

また、図１に示すシステムは、高圧ＥＧＲ通路４２を備えている。高圧ＥＧＲ通路４２は、吸気マニホールド１２に共通に接続されたＥＧＲデリバリ４４と、タービン２２ｂより上流の排気管３０とを連通するように構成されている。高圧ＥＧＲ通路４２の途中には、当該通路４２を開閉するための高圧ＥＧＲバルブ４６が設けられている。また、高圧ＥＧＲ通路４２の途中には、高圧ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ４８や、ＥＧＲガス中の未燃ＨＣや粒子状物質を浄化（除去）するＥＧＲ触媒５０が設けられている。

エンジン１０の制御系は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０を備えている。ＥＣＵ６０には、上述した各種センサおよび各種アクチュエータの他、ノッキングを検知するノッキング検知システム（ＫＣＳ）５２、エンジン１０の筒内に燃料を噴射するインジェクタ５４等が接続されている。ＥＣＵ６０には、これらの機器やセンサ以外にも複数の機器やセンサが接続されているが、ここではその説明は省略する。ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動するようになっている。

［実施の形態のノッキング回避制御］
図１に示したシステム構成によれば、低圧ＥＧＲガスや高圧ＥＧＲガスをエンジン１０に還流できるので、軽負荷燃焼時に前処理触媒３２にＣＯやＨＣを供給してその温度低下を防止できる。しかし、上述したように、過給機搭載エンジンにおいては、非搭載エンジンに比してノッキングの発生確率が高い。また、均質燃焼によるリーンバーン運転を行うエンジンの場合、特に高負荷域においてノッキングの発生確率が高くなる。故に、本実施形態のエンジン１０のような均質燃焼によるリーンバーン運転を行う過給機付きエンジンの場合、ノッキング要因により高負荷燃焼時において負荷に制限が掛かり、運転領域が制限される。

上記の負荷制限が掛からないようにするためには、ノッキングの発生またはその予兆が検出された場合（以下、単に「ノッキング検出時」と称す。）に、ノッキング回避制御を実行する必要がある。ここで、公知のノッキング回避制御の一つに、点火時期の遅角制御がある。しかしながら、当該遅角制御の実行は燃費の悪化に繋がるので極力避けたいところである。また、また別の公知のノッキング回避制御としては、低温のＥＧＲガスの導入制御が挙げられる。しかしながら、単に低温ＥＧＲガスを導入するだけでは、排出ＮＯｘ量が増加してしまう場合がある。このことについて、図２を参照しながら説明する。

図２は、排出ＮＯｘ量と空燃比との関係をＥＧＲ率（筒内総ガスに対するＥＧＲガス（低圧ＥＧＲガス＋高圧ＥＧＲガス）の導入割合をいう。以下同じ。）毎に示した図である。図２に示すように、排出ＮＯｘ量は、ＥＧＲ率が高いほど減少するものの、定ＥＧＲ率では空燃比がリッチになるほど増加する。そのため、ＥＧＲ率と空燃比との組み合わせによっては排出ＮＯｘ量が多くなる場合がある。つまり、ＥＧＲ率を高くしたとしても、その間に空燃比をリッチに変更すると排出ＮＯｘ量が増加する場合がある。そこで、本実施形態においては、ノッキング検出時、ＥＧＲ率のみならず空燃比をも考慮したノッキング回避制御を実行することとしている。

本実施形態においては、具体的に、ＥＧＲ率と空燃比とを用いて表されるパラメータ（ガス燃料比Ｇ／Ｆ）を制御するガス燃料比Ｇ／Ｆ制御を実行する。このガス燃料比Ｇ／Ｆ制御に関し、ガス燃料比Ｇ／Ｆは、次式（１）により表される。
Ｇ／Ｆ＝（Ｇａ＋Ｇｅｇｒ）／Ｇｆ
＝Ａ／Ｆ×（１／（１−ＥＧＲ／１００）） ・・・（１）
上記式（１）において、Ａ／Ｆは空燃比、即ち新気ガスと燃料量との比であり、ＥＧＲはＥＧＲ率［％］である。また、Ｇａは新気ガス量［ｇ／ｓ］であり、ＧｅｇｒはＥＧＲガス量［ｇ／ｓ］であり、Ｇｆは燃料消費量［ｇ／ｓ］である。
図３は、空燃比Ａ／Ｆとガス燃料比Ｇ／Ｆとの関係を示した図である。図３は、上記式（１）を用いて作成できる。

ガス燃料比Ｇ／Ｆ制御においては、排出ＮＯｘ量が目標値を下回るようにガス燃料比Ｇ／Ｆが制御される。図２に示した太線は、排出ＮＯｘ量の目標値である。図２に示すように、排出ＮＯｘ量を当該目標値以下とするためには、例えば、１５％以上のＥＧＲ率に増やす場合には２２以上の空燃比となるように、２５％以上のＥＧＲ率に増やす場合には１８以上の空燃比となるように、ＥＧＲ率と空燃比との組み合わせを制御してガス燃料比Ｇ／Ｆを制御する。

また、ガス燃料比Ｇ／Ｆ制御においては、制御実行中にノッキング強度が低下するようにガス燃料比Ｇ／Ｆが制御される。図４は、ガス燃料比Ｇ／Ｆとノッキング強度との関係を示した図である。図４に示すように、ノッキング強度は、ガス燃料比Ｇ／Ｆがよりリッチ側になるほど低下するという特性を示す。そのため、ガス燃料比Ｇ／Ｆ制御においては、図４に矢印で示すように、ガス燃料比Ｇ／Ｆをリッチ側に徐々に変更する。これにより、排出ＮＯｘ量を略一定としながらノッキング強度を低下させることが可能となる。また、ガス燃料比Ｇ／Ｆ制御は、点火時期の遅角制御に比して、その実行による消費燃料量を少なくできる。従って、ノッキング検出時における燃費の悪化を抑制することもできる。なお、図４の関係は、等トルク、等排出ＮＯｘ量の条件下で予め実験等により求められ、トルクおよび排出ＮＯｘ量毎に、数値マップの形でＥＣＵ６０内部に記憶されているものとする。

［実施の形態における具体的処理］
次に、図５を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図５は、本実施形態において、ＥＣＵ６０により実行されるノッキング回避制御のルーチンを示すフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図５に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ６０は、ノッキングの検出を開始し（ステップ１１０）、その有無を判定する（ステップ１２０）。ノッキングの検出は、ＫＣＳ５２により検出される振動からノッキング強度を算出し、これを設定強度と比較することにより行われる。なお、この設定強度は、ノッキングの発生またはその予兆として認められる振動強度として予めＥＣＵ６０内部に記憶した値が用いられる。そして、算出したノッキング強度が上記設定強度以上の場合はノッキング有りと判定する。ノッキング有りと判定された場合、ＥＣＵ６０は、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比以上か否かを判定する（ステップ１３０）。一方、ノッキング無しと判定された場合、ＥＣＵ６０は、本ルーチンを終了する。

ステップ１３０において、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比以上であると判定された場合、ＥＣＵ６０は、図４で説明した数値マップを特定し、この数値マップに従いガス燃料比Ｇ／Ｆを変更する（ステップ１４０）。数値マップの特定は、ステップ１２０で算出したノッキング強度と、当該ノッキング強度の算出時におけるＮＯｘ濃度とを用いることにより行われる。なお、ＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサ３６のセンサ出力が用いられる。数値マップによるガス燃料比Ｇ／Ｆの変更は、ガス燃料比Ｇ／Ｆの今回値が前回記憶値よりもリッチ側にシフトするように（例えば、０．５小さくなるように）変更される。

一方、ステップ１３０において、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比よりも小さいと判定された場合、ガス燃料比Ｇ／Ｆ制御を継続したにも関わらずノッキングの解消が図れなかったと判断できる。そのため、ＥＣＵ６０は、点火時期の遅角制御を実行する（ステップ１５０）。ステップ１４０に続いて、ＥＣＵ６０は、ガス燃料比Ｇ／Ｆの今回値を記憶し（ステップ１６０）、本ルーチンを終了する。

以上、図５に示したルーチンによれば、ノッキング有りと判定された場合に、ガス燃料比Ｇ／Ｆの今回値が前回記憶値よりもリッチ側にシフトするように変更できる。この変更は、図４で説明した数値マップに従い行われる。よって、排出ＮＯｘ量の増加を回避しながらノッキング強度を低下させることが可能となる。また、図５に示したルーチンによれば、ガス燃料比Ｇ／Ｆが理論空燃比よりも小さいと判定された場合、点火時期の遅角制御を実行できる。従って、ガス燃料比Ｇ／Ｆの制御によってノッキングの解消が図れない場合には、点火時期の遅角制御によって確実にノッキングを解消できる。

ところで、上記実施の形態においては、低圧ＥＧＲ通路３８および高圧ＥＧＲ通路４２を設けたが、低圧ＥＧＲ通路３８および高圧ＥＧＲ通路４２の内の一方を省略してもよい。この場合、省略に係るＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブも省略することができる。

なお、上記実施の形態においては、低圧ＥＧＲ通路３８および高圧ＥＧＲ通路４２が上記第１の発明における「ＥＧＲ通路」に、低圧ＥＧＲバルブ４０および高圧ＥＧＲバルブ４６が上記第１の発明における「ＥＧＲ率調整手段」に、スロットルバルブ２６が上記第１の発明における「空燃比調整手段」に、ＫＣＳ５２が上記第１の発明における「ノッキング強度取得手段」に、ＮＯｘセンサ３６が上記第１の発明における「ＮＯｘ量取得手段」に、図４で説明した数値マップが上記第１の発明における「特性マップ」に、それぞれ相当している。
また、上記実施の形態においては、ＥＣＵ６０が図５のステップ１４０の処理を実行することにより上記第１の発明における「ノッキング回避制御手段」が実現されている。

１０ エンジン
２６ スロットルバルブ
３６ ＮＯｘセンサ
３８ 低圧ＥＧＲ通路
４０ 低圧ＥＧＲバルブ
４２ 高圧ＥＧＲ通路
４６ 高圧ＥＧＲバルブ
５２ ノッキング検知システム（ＫＣＳ）
６０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記内燃機関に吸入される総吸入ガスに対する、前記ＥＧＲ通路を経由して前記内燃機関に還流させるＥＧＲガスの比率を表すＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整手段と、
   前記内燃機関に吸入される新気ガス量と、前記内燃機関における消費燃料量との比率を表す空燃比を調整する空燃比調整手段と、
   内燃機関から排出されるＮＯｘ量毎に、ノッキング強度とＥＧＲ率と空燃比との関係を規定した特性マップと、
   前記内燃機関におけるノッキング強度を取得するノッキング強度取得手段と、
   前記内燃機関から排出されたＮＯｘ量を取得するＮＯｘ量取得手段と、
   前記ノッキング強度が設定強度よりも大きい場合に、前記ＮＯｘ量取得手段により取得したＮＯｘ量に対応する特性マップを特定し、特定した特性マップに基づいて、前記ＥＧＲ率調整手段と前記空燃比調整手段とを制御するノッキング回避制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ノッキング回避制御手段は、前記特定した特性マップにおいて、前記ＥＧＲ率が高くなると共に、前記空燃比が燃料リッチとなるように前記ＥＧＲ率調整手段と前記空燃比調整手段とを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記ノッキング回避制御手段は、前記内燃機関に吸入される総吸入ガス量と前記内燃機関における消費燃料量との比率を表すガス燃料比が理論空燃比よりも燃料リーンである場合には、前記ＥＧＲ率調整手段および前記空燃比調整手段の制御を禁止して、前記内燃機関に吸入されるガスの点火時期を遅角側に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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