JP2013515896A5 - - Google Patents

Description

燃焼エンジン内のＮＯｘ排出量推定のための方法及び装置

本発明は、燃焼エンジン内のＮＯｘ排出量推定のための方法及び装置に関する。

ＥＧＲの最も重要な目標の一つは、ＮＯｘ排出量を減らすことである。

今日、多くのエンジンには、例えばＳＣＲ（選択的接触還元）触媒又はＮＯｘ吸蔵還元触媒のようなＮＯｘ後処理システムが備わる。これらのシステムのＮＯｘ変換のパフォーマンスの制御は、上流のＮＯｘ濃度の推定された又は測定された値に依存する。従って、ＮＯｘセンサは、しばしば後処理システムの吸入部に載置され、該吸入部はエンジンの排出部に対応する。

燃焼エンジンのＮＯｘ排出量は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を用いることにより大きく減少させることができる。従って、ＮＯｘ排出量は、ＥＧＲ率の変化にとても敏感に反応するが、ここでＥＧＲ率とは、再循環される排気ガスと燃焼エンジンのシリンダに注入される総ガスとの質量比である。排出目標によれば、２０％から６０％のＥＧＲ率が目的とされ、それは、ＮＯｘ減少率を３倍から１０倍に導く。

ＥＧＲを適用する主要な目標はＮＯｘを減少させることなので、ＮＯｘ測定装置に基づく測定コンセプトは、単純である。

従って、ＮＯｘセンサが、ＥＧＲ制御のためのフィードバック信号として用いられている。

しかし、現在利用できるＮＯｘセンサは、長い反応時間を示し、該反応時間は、典型的には５００−１０００ｍｓの時間遅延と、約５００−１５００ｍｓの時定数である。付け加えて、過渡動作の際の精度は、センサ測定の原理を原因として限定される。従って、ＥＧＲフィードバック・ループにおけるセンサ信号の直接使用、又は、後処理システムのための入力量としてのセンサ信号の直接使用は、しばしば、満足できない結果を与える。

ＥＧＲ制御のためには、センサの性能が貧弱であると、効果的で信頼の出来る、そして、十分速い制御が、不可能ではないにしてもとても困難な課題となる。例えセンサが、後処理システムの上流のＮＯｘ濃度の測定にのみ用いられるとしても、当該センサの遅いダイナミクスは、信頼性が高く堅牢なＮＯｘ変換効率の維持にとって厳しい問題を導くであろう。

Alexander Schilling "Model-Based Detection and Isolation of Faults in the Air and Fuel Paths of Common-rail DI Diesel Engines Equipped with a Lambda and a Nitrogen Oxides Sensor", PhD thesis, Diss. ETH No.17764, ETH Zurich, Switzerland, 2008

従って、本発明の主要な目的は、燃焼エンジン内のＮＯｘ排出量の推定のための方法及び装置を供することであって、それは上記の課題／欠点を克服するものである。

本発明に従えば、当該方法は、速度が速いが潜在的に不正確なＮＯｘ排出モデルの補正を供し、該補正は、ＮＯｘセンサから得られる第一測定値と、ＮＯｘ推定から得られる第二推定値との差異によるものである。

好ましくは、当該推定値は、適応フィルタによって補正され、該適応フィルタは、例えば、積算器、適応曲線又は適応マップ、又は、同様ないかなる要素又は手続でもよい。

そのような誤差は、有利なことに、ＥＧＲを利用するエンジンの場合はＥＧＲ率を調整するために、又は、ＥＧＲを持たないエンジンの場合は、ＮＯｘ推定値の調整のために用いられる。

当該方法を実装する装置は、適応ループにおいて用いられるＮＯｘセンサを備え、開放ループ又は閉鎖ループのＥＧＲ制御システムは、（ＥＧＲ制御手段からの）期待ＮＯｘ排出量が、定常状態のＮＯｘセンサで測定されるＮＯｘ排出量と一致するように適応される。従って、二つの態様が考察される：すなわち、第一に、仮にＥＧＲ率の測定のための何らかのセンサが存在するなら、この測定されたＥＧＲ率が補正される態様であり；第二に、仮に当該コンセプトが開放ループのＥＧＲ制御手段で用いられるなら、指示されるＥＧＲ率又はＥＧＲアクチュエータの位置すら調整される態様である。

ＥＧＲを持たないエンジンにとって、当該方法を行う装置はＮＯｘ推定モデルを補正し、ＮＯｘ推定モデルは、例えば燃焼モデルに基づいたものであり、該補正は、該モデルによって推定される定常状態のＮＯｘ濃度が、センサから得られる濃度に一致するようにするものである。

これらの及び更なる目的は、付随する請求項の中で述べられる装置及び方法によって実現され、該請求項は、本記述に不可欠な部分を構成する。

本発明は、以下に詳述する記載から十全に明白となるが、それは、単なる実例であって非限定的な例によるものであり、該記載は、以下に付随する図面を参照して読まれるべきものである。

図１が示すのは、ＥＧＲ測定装置を伴う閉鎖ループのＥＧＲ制御設定のための本発明に従った制御方式の図である。 図２が示すのは、いかなるＥＧＲ測定装置も伴わない開放ループのＥＧＲ制御設定の場合のＮＯｘセンサを用いる制御方式の図である。 図３が示すのは、ＥＧＲを伴わないエンジンのための制御方式の図である。

複数の図面における同一の参照番号及び文字は、同一の又は機能的に等しい部分を意図している。

ＮＯｘ排出量の推定のための有効なモデルは、複数の数値を考慮しており、該数値はＮＯｘの形成に影響を与えるものである。これらの数値は、注入される燃料、エンジン速度、ブースト圧、ブースト空気温度、レール圧力、注入開始角、ＥＧＲ率、又はその他であってよく、それらは炎の温度及び燃焼に影響を与える。

添付された図面に従えば、ブロック５、５’、及び５”は、それぞれの図面において、前記数値／パラメータ、例えば注入される燃料、エンジン速度、その他・・・から成る入力ブロックである。

仮に、ＥＧＲ測定装置、又は、ＥＧＲをＥＧＲ率又は質量流量によって算出するための何らかのセンサのコンセプトが存在するなら、ＥＧＲ率又は質量流量の測定値が、ＮＯｘ推定において利用される。ＥＧＲ測定値が存在しない場合は、ＥＧＲ目標値又は何らかの計算されたＥＧＲ率がＮＯｘ推定において考慮される。

図１が示すのは、ＥＧＲ測定を備えるＥＧＲ閉鎖ループ制御コンセプトが存在する場合の適応コンセプトの略図である。

ブロック３が表すのは、第一加算ノードの入力として、及び、ブロック４のためのフィード・フォワード・パスとして用いられるＥＧＲ目標値であって、前記ブロック４が表すのは、ＥＧＲ制御装置である。前記第一加算ノードにおいて、前記入力からブロック２の出力が差し引かれ、該ブロック２は、ＥＧＲ測定補正ブロックを表し、ＥＧＲ測定はブロック１から来るものである。前記第一加算ノードの出力は、前記ＥＧＲ制御ブロック４のための一つの他の入力である。

前記ブロック２は、適応ブロック８の出力に基づいて動作し、該適応ブロック８は、例えば積算器、適応曲線又は適応マップ又はいかなる類似の要素又は手続でもよい。

そのような適応ブロック８の入力は、ＮＯｘセンサ７から得られる第一測定値と、ＮＯｘ推定ブロック６から得られる第二推定値との間の差分であって、前記ブロック６は、ブロック５によって表される、前記エンジンの複数の数値／パラメータを入力として有し、更に、前記ＥＧＲ測定補正ブロック２の出力によって表される、前記エンジンの複数の数値／パラメータも入力として有する。

推定手段６は、周知の方法によって実装することができ、例えば、非特許文献１による開示に従った方法によって実装することができる。

閉鎖ループＥＧＲ制御コンセプトの場合は、一つの実現方法は、測定ＥＧＲ率又はＥＧＲ質量流量を適応方法で補正することであって、該適応方法は、測定されたＮＯｘ濃度と推定されるＮＯｘ濃度との間の差分を利用する。ＥＧＲ測定は、この差分すなわち誤差が、ゼロに収束されるように補正される。当該適応方法は、積算器、適応曲線又は適応マップ、又は、いかなる類似の要素又は手続をも備えることができる。ＥＧＲの補正は、加算的（オフセット）でも、乗算的（補正率）でも可能であり、又は、いかなる他の代数的演算、補正曲線又は補正マップを用いてもよい。

前記制御手段又はＥＧＲ制御手段であるＥＧＲ制御装置は、前記測定されてから補正されたＥＧＲ率又はＥＧＲ質量流量を前記目標値に強制するので、結局、前記目標値に一致する値が、ＮＯｘ推定手段に送られる。従って、制御手段による収束の後、ＮＯｘ推定手段は、その他のすべてのエンジンの数値が同じならば、常に同一値を算出し、従って、前記誤差はゼロとなる。前記適応方法は、前期推定ＮＯｘ値を測定値に強制するので、推定されたＮＯｘが表すのは、収束後の測定値である。従って、ＥＧＲ制御手段は、ＮＯｘ制御手段としてみなすことができる。ＮＯｘ濃度は、ＥＧＲラインの外乱（ＥＧＲ冷却器の付着物、生産物のバラつき、ＥＧＲバルブの付着物等）又はＥＧＲ測定原理（センサ・ドリフト等）があっても維持される。

図２が示すのは、ＥＧＲフィード・フォワード制御手段を有し、ＥＧＲ測定が存在しない適応コンセプトである。

図２によれば、ブロック３’が表わすのは、ＥＧＲフィード・フォワード制御ブロック４’の一つの入力として用いられるＥＧＲ目標値である。前記ＥＧＲフィード・フォワード制御ブロック４’の一つの他の入力は、適応ブロック８’の出力であって、該適応ブロック８’は例えば、積算器等である。当該適応ブロック８’の入力は、図１と同様に、ＮＯｘセンサ７’から得られる第一測定値と、ＮＯｘ推定ブロック６’から得られる第二推定値との間の差分であって、該ブロック６’は、一つの第一入力として、ブロック５’によって表される前記エンジン数値／パラメータを有し、一つの第二入力として前記ＥＧＲ目標値ブロック３’の出力を有する。

推定手段６’は、推定手段６と同様の方法で実装することができる。

図２に描かれる開放ループＥＧＲ制御コンセプトの場合において、一つの実現手段は、適応方法によってＥＧＲアクチュエータの位置を直接補正することであり、該方法は、測定された及び推定されたＮＯｘ濃度の間の差分を利用する。ＥＧＲアクチュエータの位置は、この差分すなわちこの誤差が、ゼロに収束するように補正される。当該適応手段は、積算器、適応曲線又は適応マップ、又は、いかなる類似の要素または手続によっても実行することができる。ＥＧＲアクチュエータの位置の補正は、加算的（オフセット）でも、乗算的（補正率）でも可能であり、又は、いかなる他の代数的演算、補正曲線又は補正マップを用いてもよい。

前記ＥＧＲ目標値は、ＮＯｘ推定手段に送られる。従って、ＮＯｘ推定手段は、仮に他のエンジン・パラメータの全てが同一であれば、同一値を算出する。前記適応方法は、ＮＯｘ推定値を測定値に強制するので、推定ＮＯｘは、収束の後の測定値を表す。従って、ＥＧＲ制御手段は、ＮＯｘ制御手段としてみなすことができる。ＮＯｘ濃度はＥＧＲラインの外乱又はドリフト効果（ＥＧＲ冷却器の付着物、生産物のバラつき、ＥＧＲバルブの付着物等）があっても維持される。

図３が示すのは、ＥＧＲが存在しないエンジンのための適応方法の略図である。ここでは単純に、推定されるＮＯｘは、定常状態の測定されたＮＯｘと一致するように適応されている。このことは、測定装置の定常状態の正確性と、ＮＯｘ推定手段の速度の速い過渡応答を保証する。当該適応は、単純な積算器（遅いＩコントローラ（Ｉ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ））、適応曲線又は適応マップ、又はいかなる類似の適応コンセプトを用いても実現することができる。

図３によれば、ブロック６”で表されるＮＯｘ推定手段は、入力として、ブロック５”によって表される前記エンジン・パラメータ／数値と、ＮＯｘ適応８”の出力との双方を入力として受け取り、前記ＮＯｘ適応８”はすなわち積算器等である。そして、前記ＮＯｘ適応８”の入力は、図１及び図２と同様に、ＮＯｘセンサ７”から得られる第一測定値と、前記ＮＯｘ推定ブロック６”から得られる第二推定値との差分である。

推定手段６”は、推定手段６と同様の方法で実装することができる。

有利なことに、当該ＥＧＲ測定は、ＥＧＲ率又はＥＧＲ質量流量の測定を意味するが、同一の方法を、例えば、ＥＧＲ制御を用いた空気の測定及び制御又は、例えば、燃料注入（例えば、レール圧、注入開始角、パイロット噴射等）のような、ＮＯｘに影響を与える如何なる設定にも適用することが可能である。更に、ＥＧＲ測定の代わりに、ＥＧＲ目標値を補正することも可能である。

本発明は、コンピュータ・プログラムにおいて有利に実装することが可能であり、該コンピュータ・プログラムは、当該プログラムがコンピュータ上で実行される際、当該方法の一つ以上のステップを実行するためのプログラム・コード手段を備える。このような理由で、本発明は、当該コンピュータ・プログラム及びコンピュータ読取り可能な記録媒体も対象とし、該コンピュータ読取り可能な記録媒体は記録されたメッセージを備え、当該コンピュータ読取り可能な記録媒体はプログラム・コード手段を備え、該プログラム・コード手段は、当該プログラムがコンピュータ上で実行される際、当該方法の一つ以上のステップを実行するためのものである。

主題となる発明の、多くの変更、修正、変化、及び他の利用や適用は、当業者にとって、その好適実施例を開示する当該明細書及び付随する図面について検討した後、明白となるであろう。そのような変更、修正、変化、及び他の利用や適用の全ては、本発明の精神や範囲を離れることはないが、本発明によって対象とされるものとみなされる。

更なる実施の詳細は述べられないが、それは、当業者であれば上記記述の教示を根幹とする発明を実行することが可能だからである。

１ ＥＧＲ測定
２ ＥＧＲ測定補正ブロック
３ ＥＧＲ目標値
３’ ＥＧＲ目標値
４ ＥＧＲ制御装置
４’ ＥＧＲフィード・フォワード制御ブロック
５ 入力ブロック
５’ 入力ブロック
５” 入力ブロック
６ ＮＯｘ推定ブロック
６’ 推定手段
６” ＮＯｘ推定手段
７ ＮＯｘセンサ
７’ ＮＯｘセンサ
７” ＮＯｘセンサ
８ 適応ブロック
８’ 適応ブロック
８” ＮＯｘ適応