JP2015048780A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇温制御時に供給する燃料量の算出に際して、フィードフォワード項の適合が不要な内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】本実施の形態によれば、定常ＤＰＦモデルおよび定常ＣＣＯモデルを用いたフィードフォワード制御によって、昇温制御に燃料添加弁２０から添加する燃料量Ｑｉｎｊの基本量（フィードフォワード項）を算出できる。即ち、フィードフォワード項を制御マップによらずに算出できる。制御マップによらずに算出できれば、当然、制御用マップを用いたフィードフォワード項の適合も不要となる。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。詳細には、排気を浄化する手段として燃料を供給する装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、排気中のＨＣ、ＣＯやＮＯを酸化する触媒（ＣＣＯ）と、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパーティキュレートフィルター（ＤＰＦ）とを備える内燃機関が公知である。また、このような内燃機関において、ＤＰＦに捕集したＰＭを燃焼除去するために、ＤＰＦの温度を強制的に昇温させる制御を行うことも公知である。昇温制御は、一般に、燃料噴射タイミングの遅延やポスト噴射により行われる。ＤＰＦの温度上昇には、ＣＣＯでの噴射燃料の酸化に伴い発生する熱が利用される。

昇温制御を行う内燃機関の例としては、下記の特許文献１を挙げることができる。特許文献１では、フィードフォワード制御によって算出した基本噴射量と、フィードバック制御によって算出した補正量とを加算することで昇温制御時のポスト噴射量を算出している。具体的に、該文献の第２実施形態では、排気流量をゲインマップに適用して制御ゲインを求め、この制御ゲインを含む一次の伝達関数の関係式によって基本噴射量を算出している。補正量は、ＤＰＦの目標温度と実温度を入力としたＰＩＤ演算により算出される。

特開２０１２−０７２６６６号公報 特開２０１１−１５７８９３号公報 特開２００９−２４３３９８号公報 特開２０１１−１１７３９４号公報

しかしながら、当該ゲインマップは試験データまたはシミュレーション計算により設定されるものであるため、試行錯誤による調整が不可欠となる。また、制御ゲイン（フィードフォワード項）の適合が必要となるので、この制御ゲインが適合できない運転領域においてはフィードバック項の負担が大きくなり、積分器の溜め込みが頻繁に起こる可能性がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、昇温制御時に供給する燃料量の算出に際して、フィードフォワード項の適合が不要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、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化触媒機能を有する第１浄化装置と、
前記排気通路において前記第１浄化装置の下流に設けられた第２浄化装置と、
前記第１浄化装置の上流に燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置からの燃料供給量を制御することで前記第２浄化装置の温度を目標温度に制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第１浄化装置において成立する熱収支の関係に基づいて構築された第１モデルと、前記第２浄化装置において成立する熱収支の関係に基づいて構築された第２モデルと、を備え、
前記第１モデルおよび前記第２モデルは、前記燃料供給装置から供給した燃料の全てが前記第１浄化装置において熱に変換され、尚且つ、当該変換熱の全てが前記第１浄化装置の温度上昇に寄与することを前提として構築され、
前記制御装置は、前記第２モデルに前記目標温度を入力することで前記第１浄化装置の温度を算出し、前記第１モデルに当該算出温度を入力することで前記燃料供給量を算出するように構成されることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記第１モデルが式（１）で表され、前記第２モデルが式（２）で表わされ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。

式（１）において、Ｑ_ｉｎｊ ^＊は所定の定常状態において燃料供給装置から供給される燃料供給量であり、Ｈ_νはＨＣの低位発熱量であり、Ｋ_{ａｔｍ，１ｓｔ}は第１浄化装置における大気への熱伝達係数であり、Ｔ_１ｓｔ ^＊は所定の定常状態における第１浄化装置の温度であり、Ｔ_ａｔｍは大気温度であり、ｈ_１ｓｔは第１浄化装置の流路単位面積当たりの熱変換係数であり、Ａ_１ｓｔは第１浄化装置の流路面積であり、Ｔ_{１ｓｔ，ｕｓ}は第１浄化装置の入口温度である。

式（２）において、Ｔ_１ｓｔ ^＊は所定の定常状態における第１浄化装置の温度であり、Ｔ_２ｎｄ ^ｒｅｆは第２浄化装置の目標温度であり、ｈ_２ｎｄは第２浄化装置の流路単位面積当たりの熱変換係数であり、Ａ_２ｎｄは第２浄化装置の流路面積であり、Ｑ_{ｅｘｏ，２ｎｄ，ｐｍ}は排気中のＰＭ燃焼に伴う発熱によって第２浄化装置へ移動する熱流量であり、ｍ_ｐｍはＰＭの堆積量であり、Ｋ_{ａｔｍ，２ｎｄ}は第２浄化装置における大気への熱伝達係数であり、Ｔ_ａｔｍは大気温度である。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記制御装置は、前記第２浄化装置の実温度と前記目標温度との偏差に基づいて前記第１および第２モデルから算出された燃料供給量を増減補正するように構成されることを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記制御装置は、排気空燃比に基づき設定した上限値以下となるように前記燃料供給量を補正するように構成されることを特徴とする。

第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記制御装置は、排気中の炭化水素の許容量に基づき設定した上限値以下となるように前記燃料供給量を補正するように構成されることを特徴とする。

第１の発明によれば、第２浄化装置の目標温度を第２モデルに入力することで第１浄化装置の温度を算出し、当該算出温度を第１モデルに入力することで、燃料供給装置から供給する燃料の量を算出できる。即ち、制御マップを用いることなく燃料供給量を算出できる。よって、制御マップによる適合を行うことなくフィードフォワード項を算出できる。

第２の発明によれば、式（１）で表される第１モデルと、式（２）で表される第２モデルによって、燃料供給装置から供給する燃料の量を算出できる。

第３の発明によれば、第２浄化装置の実温度と目標温度との偏差に基づいて第１および第２モデルから算出された燃料供給量を増減補正できるので、目標温度の追従が可能となる。

第４の発明によれば、排気空燃比に基づき設定した上限値以下となるように燃料供給量を補正できる。即ち、排気空燃比に基づいた制約を考慮して燃料供給量を決定できる。

第５の発明によれば、排気中の炭化水素の許容量に基づき設定した上限値以下となるように燃料供給量を補正できる。即ち、炭化水素量に基づいた制約を考慮して燃料供給量を決定できる。

ディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。 昇温制御を実行するためのＥＣＵ３０の機能ブロック図である。

以下、図１および図２を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る制御装置は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンの後処理システムを制御対象とする。図１はディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。後処理システムは、エンジン１０の排気通路１２にＣＣＯ（ディーゼル酸化触媒）１４とＤＰＦ（ディーゼル微粒子フィルタ）１６とを備え、シリンダヘッドの排気ポート１８に燃料添加弁２０を備えている。ＣＣＯ１４の上流にはＣＣＯ１４の入口温度Ｔ_{ｃｃｏ，ｕｓ}を計測するための温度センサ２２が取り付けられている。ＤＰＦ１６の近傍には、ＤＰＦ１６の実温度Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅａｌを計測するための温度センサ２４が取り付けられている。

後処理システムは、更に、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。温度センサ２２，２４は、ＥＣＵ３０の入力側に接続されている。ＥＣＵ３０の入力側には大気温度Ｔ_ａｔｍを計測するためのセンサ（不図示）も接続されている。燃料添加弁２０は、ＥＣＵ３０の出力側に接続されている。ＥＣＵ３０は、ＤＰＦ１６に堆積したＰＭの堆積量が所定値を超えた場合に、燃料添加弁２０から燃料を添加してＤＰＦ１６の温度を目標温度（約６５０℃）まで昇温する制御を実行するように構成されている。昇温制御を実行することで、ＤＰＦ１６に堆積したＰＭが燃焼除去される。

図２は、昇温制御を実行するためのＥＣＵ３０の機能ブロック図である。ＥＣＵ３０は、フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御によって燃料添加弁２０から添加する燃料量Ｑ_ｉｎｊの基本量に相当する定常添加量Ｑ_ｉｎｊ ^＊を算出するための演算器３２，３４を備えている。演算器３２は、ＤＰＦ１６が目標温度に収束した際にＤＰＦ１６の温度が満たす熱収支の関係式から逆算した定常ＤＰＦモデルを備えている。この定常ＤＰＦモデルは後述するようにＤＰＦ１６が目標温度に収束する定常状態にあるときのＣＣＯ１４の温度を出力するモデルである。また、演算器３４は、ＣＣＯ１４の上流から所定の燃料供給量で燃料を供給した際にＣＣＯ１４が所定の温度に収束する際の熱収支の関係式から逆算した定常ＣＣＯモデルを備えている。この定常ＣＣＯモデルは後述するようにＣＣＯ１４を所定の温度に収束させるときのＣＣＯ１４の上流から供給される燃料供給量を出力するモデルである。

定常ＤＰＦモデルは、ＤＰＦ１６の温度目標値Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅｆが与えられると、定常ＣＣＯ温度Ｔ_ｃｃｏ ^＊を出力するように構成されている。具体的に、定常ＤＰＦモデルは次式（３）で表される。尚、Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅｆ，Ｔ_ｃｃｏ ^＊以外の定義については後述する。

式（３）は、ＤＰＦ１６の温度の更新式に基づいて導出される。当該式は、次式（４）で表される。式（４）において、Ｔ_ｄｐｆはＤＰＦ１６の温度（Ｋ）であり、δ_ｍｄｌはモデル離散時間化のサンプル時間（ｓｅｃ）であり、Ｃ_ｄｐｆはＤＰＦ１６の熱容量（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））であり、Ｍ_ｄｐｆはＤＰＦ１６の質量（ｋｇ）である。また、ｋは離散時間ステップを表している。

また、式（４）において、Ｑ_{ｅｘｏ，ｄｐｆ}は排気中の発熱によってＤＰＦ１６へ移動する熱流量（Ｗ＝Ｊ／ｓｅｃ）であり、Ｑ_{ａｉｒ，ｄｐｆ}はＤＰＦ１６から大気へ移動する熱流量（Ｗ）であり、Ｑ_{ｅｘｈ，ｄｐｆ}はＤＰＦ１６から排気へ移動する熱流量（Ｗ）である。これらは次の式（５）〜（７）で表される。

式（５）において、Ｑ_{ｅｘｏ，ｄｐｆ，ｐｍ}は排気中のＰＭ燃焼に伴う発熱によってＤＰＦ１６へ移動する熱流量（Ｗ）であり、ｍ_ｐｍはＰＭの堆積量（ｋｇ）であり、η_{ｅｘｏ，ｃｃｏ}は添加燃料のＣＣＯ１４における熱変換効率であり、Ｔ_ｃｃｏはＣＣＯ１４の温度（Ｋ）であり、Ｗは排気流量（ｋｇ／ｓｅｃ）であり、Ｈ_νはＨＣの低位発熱量（Ｊ／ｋｇ）である。
式（６）において、Ｋ_{ａｔｍ，ｄｐｆ}はＤＰＦ１６における大気への熱伝達係数（Ｗ／Ｋ）であり、Ｔ_ａｔｍは大気温度（Ｋ）である。
式（７）において、ｈ_ｄｐｆは流路単位面積当たりのＤＰＦ１６の熱変換係数（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））であり、Ａ_ｄｐｆはＤＰＦ１６の流路面積（ｍ^２）である。

式（５）の右辺の第１項は、ＤＰＦ１６でのＰＭの燃焼により生じた熱を表している。同第２項は、ＣＣＯ１４での添加燃料の酸化により生じ、ＣＣＯ１４の温度上昇に寄与することなくＤＰＦ１６に流入した熱を表している。

本実施の形態では、昇温制御を開始してから十分に時間が経過し、ＤＰＦ１６の温度Ｔ_ｄｐｆが温度目標値Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅｆに収束した定常状態においては、添加燃料の全てがＣＣＯ１４で酸化され、尚且つ、この酸化熱の全てがＣＣＯ１４の温度上昇に寄与することを前提とする。そうすると、式（５）の右辺第２項がゼロとなる。即ち、次式（８）が成立する。

式（８）を式（５）に適用し、ＣＣＯ１４の温度Ｔ_ｃｃｏについて式（４）を整理すると、次式（９）が導かれる。

式（９）の温度Ｔ_ｄｐｆを温度目標値Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅｆとすれば、定常ＣＣＯ温度Ｔ_ｃｃｏ ^＊を表す式（３）が導かれる。このように、前記の前提を置くことで、定常ＤＰＦモデルでＴ_ｃｃｏを収束計算により求める必要がある式（５）の右辺第２項がゼロとなり、簡単な演算でＣＣＯ１４の温度を導くことができる。

定常ＣＣＯモデルは、定常ＣＣＯ温度Ｔ_ｃｃｏ ^＊が与えられると、定常添加量Ｑ_ｉｎｊ ^＊を出力するように構成されている。具体的に、定常ＣＣＯモデルは次式（１０）で表される。

式（１０）は、ＣＣＯ１４の温度の更新式に基づいて導出される。当該式は、次式（１１）で表される。式（１１）において、Ｔ_ｃｃｏはＣＣＯ１４の温度（Ｋ）であり、δ_ｍｄｌはモデル離散時間化のサンプル時間（ｓｅｃ）であり、Ｃ_ｃｃｏはＣＣＯ１４の熱容量（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））であり、Ｍ_ｃｃｏはＣＣＯ１４の質量（ｋｇ）である。また、ｋは離散時間ステップを表している。

また、式（１１）において、Ｑ_{ｅｘｏ，ｃｃｏ}は添加燃料の発熱によってＣＣＯ１４へ移動する熱流量（Ｗ＝Ｊ／ｓｅｃ）であり、Ｑ_{ａｉｒ，ｃｃｏ}はＣＣＯ１４から大気へ移動する熱流量（Ｗ）であり、Ｑ_{ｅｘｈ，ｃｃｏ}はＣＣＯ１４から排気へ移動する熱流量（Ｗ）である。これらは次の式（１２）〜（１４）で表される。

式（１３）において、Ｋ_{ａｔｍ，ｃｃｏ}はＣＣＯ１４における大気への熱伝達係数（Ｗ／Ｋ）である。
式（１４）において、ｈ_ｃｃｏは流路単位面積当たりのＣＣＯ１４の熱変換係数（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））であり、Ａ_ｃｃｏはＣＣＯ１４の流路面積（ｍ^２）である。

上述したように、本実施の形態においては式（８）の成立を前提とする。式（８）を式（１２）に適用し、燃料量Ｑ_ｉｎｊについて式（１１）を整理すると、次式（１５）が導かれる。

式（１５）の温度Ｔ_ｃｃｏを定常ＣＣＯ温度Ｔ_ｃｃｏ ^＊とすれば、定常添加量Ｑ_ｉｎｊ ^＊を表す式（１０）が導かれる。

図２に戻り、ＥＣＵ３０の機能の説明を続ける。ＥＣＵ３０は、フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御によってＤＰＦ１６の温度を目標温度に追従させるための構造を備えている。該フィードバック構造は、加減算器３６、積分器３８及び加算器４０を備えており、ＤＰＦ１６の温度目標値Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅｆとＤＰＦ１６の実温度Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅａｌの偏差が与えられると、定常添加量Ｑ_ｉｎｊ ^＊の補正量に相当する要求補正量Ｑ_ｉｎｊ ^ｃｏｒを出力する。なお、フィードバック構造における制御アルゴリズムは、比例積分演算に限られず、任意の制御アルゴリズムをとることができる。

フィードフォワード制御によって算出された定常添加量Ｑ_ｉｎｊ ^＊およびフィードバック（制御によって算出された要求添加量Ｑ_ｉｎｊ ^ｃｏｒは加算器４２に入力され、ベース要求添加量Ｑ_ｉｎｊ ^ｂａｓｅが出力される。

そして、ベース要求添加量Ｑ_ｉｎｊ ^ｂａｓｅは、リミッタ４４において、排気空燃比（Ａ／Ｆ）上の制約から算出した最大許容値や、ＣＣＯ１４の上流を流れる炭化水素（ＨＣ）上の制約から算出した最大許容値を超えないように調節される。これにより、最終要求添加量（つまり、燃料量Ｑ_ｉｎｊ）が決定される。なお、上記２つの最大許容値は予めシミュレーション等により設定されＥＣＵ３０に記憶されているものとする。

以上、本実施の形態によれば、２つの定常モデルによってフィードフォワード項（つまり、定常添加量Ｑ_ｉｎｊ ^＊）を算出できる。即ち、制御マップによらずにフィードフォワード項を算出できる。制御マップによらずに算出できれば、当然、制御用マップを用いたフィードフォワード項の適合も不要となる。また、本実施の形態によれば、フィードフォワード項を高精度に算出できる。従って、フィードバック項（つまり、要求補正量Ｑ_ｉｎｊ ^ｃｏｒ）の負担を低減できるので、積分器３８の溜め込みによる影響を未然に防止できる。加えて、本実施の形態によれば、Ａ／Ｆ制約やＨＣ制約を織り込むことができる。従って、これらの制約を充足した昇温制御を実現できる。

ところで、上記実施の形態においては、ＣＣＯ１４とＤＰＦ１６を備える後処理システムにおいて、ＤＰＦ１６の昇温制御を例として説明した。しかし、当該昇温制御はＤＰＦ１６に限られず、ＣＣＯ１４の後段に設置される装置、例えばＮＳＲ触媒（ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）や、ＳＣＲ触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）にも適用が可能である。

また、上記実施の形態においては、燃料添加弁２０を用いて燃料を添加する所謂排気管内噴射を行ったが、エンジン１０の燃焼室に取り付けられる燃料噴射弁を用いた燃料噴射タイミングの遅延やポスト噴射によって燃料を添加してもよい。即ち、ＣＣＯ１４の上流に燃料を添加可能であれば、本実施の形態の変形例として適用できる。

また、上記実施の形態においては、ＣＣＯ１４の入口温度Ｔ_{ｃｃｏ，ｕｓ}、ＤＰＦ１６の実温度Ｔ_ｄｐｆ ^ｒｅａｌおよび大気温度Ｔ_ａｔｍをセンサによって計測したが、公知の他の手段により取得または推定してもよい。

なお、上記実施の形態においてはＣＣＯ１４が上記第１の発明の「第１浄化装置」に、ＤＰＦ１６が同発明の「第２浄化装置」に、燃料添加弁２０が同発明の「燃料供給装置」に、ＥＣＵ３０が同発明の「制御装置」に、定常ＣＣＯモデルが同発明の「第１モデル」に、定常ＤＰＦモデルが同発明の「第２モデル」に、それぞれ該当する。

１０ エンジン
１２ 排気通路
１４ ＣＣＯ
１６ ＤＰＦ
２０ 燃料添加弁
３０ ＥＣＵ
３２，３４ 演算器

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ酸化触媒機能を有する第１浄化装置と、
   前記排気通路において前記第１浄化装置の下流に設けられた第２浄化装置と、
   前記第１浄化装置の上流に燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置からの燃料供給量を制御することで前記第２浄化装置の温度を目標温度に制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記第１浄化装置において成立する熱収支の関係に基づいて構築された第１モデルと、前記第２浄化装置において成立する熱収支の関係に基づいて構築された第２モデルと、を備え、
   前記第１モデルおよび前記第２モデルは、前記燃料供給装置から供給した燃料の全てが前記第１浄化装置において熱に変換され、尚且つ、当該変換熱の全てが前記第１浄化装置の温度上昇に寄与することを前提として構築され、
   前記制御装置は、前記第２モデルに前記目標温度を入力することで前記第１浄化装置の温度を算出し、前記第１モデルに当該算出温度を入力することで前記燃料供給量を算出するように構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第１モデルが式（１）で表され、前記第２モデルが式（２）で表わされ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。
   

   

   式（１）において、Ｑ_ｉｎｊ ^＊は所定の定常状態において燃料供給装置から供給される燃料供給量であり、Ｈ_νはＨＣの低位発熱量であり、Ｋ_{ａｔｍ，１ｓｔ}は第１浄化装置における大気への熱伝達係数であり、Ｔ_１ｓｔ ^＊は所定の定常状態における第１浄化装置の温度であり、Ｔ_ａｔｍは大気温度であり、ｈ_１ｓｔは第１浄化装置の流路単位面積当たりの熱変換係数であり、Ａ_１ｓｔは第１浄化装置の流路面積であり、Ｔ_{１ｓｔ，ｕｓ}は第１浄化装置の入口温度である。
   

   

   式（２）において、Ｔ_１ｓｔ ^＊は所定の定常状態における第１浄化装置の温度であり、Ｔ_２ｎｄ ^ｒｅｆは第２浄化装置の目標温度であり、ｈ_２ｎｄは第２浄化装置の流路単位面積当たりの熱変換係数であり、Ａ_２ｎｄは第２浄化装置の流路面積であり、Ｑ_{ｅｘｏ，２ｎｄ，ｐｍ}は排気中のＰＭ燃焼に伴う発熱によって第２浄化装置へ移動する熱流量であり、ｍ_ｐｍはＰＭの堆積量であり、Ｋ_{ａｔｍ，２ｎｄ}は第２浄化装置における大気への熱伝達係数であり、Ｔ_ａｔｍは大気温度である。
3. 前記制御装置は、前記第２浄化装置の実温度と前記目標温度との偏差に基づいて前記第１および第２モデルから算出された燃料供給量を増減補正するように構成され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。
4. 前記制御装置は、排気空燃比に基づき設定した上限値以下となるように前記燃料供給量を補正するように構成されることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記制御装置は、排気中の炭化水素の許容量に基づき設定した上限値以下となるように前記燃料供給量を補正するように構成されることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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