JP2016217137A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】筒内の燃料濃度の均質性に影響する筒内流速(筒内に発生する気流の流速)を考慮することにより、内燃機関のSoot排出量を精度良く推定することができる制御装置を提供する。
【解決手段】所定の基本状態で筒内から排出されるSootの排出量であるベースSoot排出量を算出し、また、現在の運転状態における筒内流速の程度を示す筒内流速指標を算出する。そして、筒内流速指標に基づきベースSoot排出量を補正することによって、最終的なSoot排出量を得る。筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも小さい場合、筒内流速指標が小さいほど最終的なSoot排出量をベースSoot排出量に比べてより大きくし、筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも大きい場合、筒内流速指標が大きいほど最終的なSoot排出量をベースSoot排出量に比べてより小さくする。
【選択図】図3

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、内燃機関の筒内から排出されるSootの排出量を推定する機能を備えた制御装置に関する。
内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの筒内から排出されるガスには、Soot(煤)が含まれている。筒内で発生するSootの発生量は、例えば特開2007−046477号公報に開示されているように、Sootの生成メカニズムに基づく反応モデルを用いて推定することができる。近年の内燃機関では、筒内から排出されるSootの排出量を上記のようなモデルによって推定し、推定されたSoot排出量を用いてDPFの再生制御やOBDが行われている。この場合、Soot排出量推定モデルの推定精度を向上させることが、DPFの再生制御やOBDを精度よく行う上で重要となる。
特開2007−046477号公報 特開2004−138029号公報 特開2004−197600号公報
ところで、筒内の燃料濃度は不均質であり、局所的に他の部分よりも燃料リッチな部分が存在する。Sootはこの燃料リッチな部分において多く発生する。筒内の燃料濃度の均質性には筒内に発生する気流の流速(以下、筒内流速という)が関係することが知られている。筒内流速が速いほど燃料の拡散が進んで筒内の燃料濃度の均質性は高まり、筒内流速が遅いほど燃料の拡散が進まず筒内の燃料濃度の均質性は低くなる。上記従来の技術では、筒内流速のSoot排出量への影響についての考察がなされていないため、Soot排出量を高精度に推定できないおそれがある。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、筒内の燃料濃度の均質性に影響する筒内流速を考慮することにより、内燃機関のSoot排出量を精度良く推定することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る内燃機関の制御装置は、ベースSoot排出量算出手段、筒内流速指標算出手段、及び、補正手段を備えて構成される。
ベースSoot排出量算出手段は、内燃機関の所定の基本状態で筒内から排出されるSootの排出量であるベースSoot排出量を算出する手段である。所定の基本状態とは、詳しくは、機関回転速度と指令燃料噴射量がともに一定で運転されている定常状態であって、かつ、筒内流速に影響する所定の運転パラメータが、機関回転速度及び指令燃料噴射量から決まる所定値に保持されている状態である。
筒内流速指標算出手段は、現在の運転状態における筒内流速の程度を示す筒内流速指標を算出する手段である。筒内流速指標は、筒内の特定位置における流速や、筒内全体の平均流速の正確な値である必要はない。筒内流速指標は、筒内流速の分布が、基本状態での筒内流速の分布に比較して、遅い側に偏っているのか、或いは、速い側に偏っているのかを定量的に示す指標であればよい。
補正手段は、筒内流速指標に基づきベースSoot排出量を補正することによってSoot排出量を得る手段である。筒内流速が速いほど燃料の拡散が進んで筒内の燃料濃度の均質性は高まり、筒内から排出されるSootの排出量は抑えられる。逆に、筒内流速が遅いほど燃料の拡散が進まず筒内の燃料濃度の均質性は低くなり、筒内から排出されるSootの排出量は増大する。そこで、補正手段は、詳しくは、筒内流速指標が基本筒内流速指標(基本状態での筒内流速指標)よりも小さい場合、筒内流速指標が小さいほどSoot排出量をベースSoot排出量と比べてより大きくし、筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも大きい場合、筒内流速指標が大きいほどSoot排出量をベースSoot排出量と比べてより小さくするように構成される。
上記のごとく構成される制御装置によれば、筒内の燃料濃度の均質性に影響する筒内流速がSoot排出量の推定において考慮されるので、内燃機関のSoot排出量を精度良く推定することができる。
本発明の実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。 ECUが備える機能を示す機能ブロック図である。 Soot排出量を推定するための機能ブロックの詳細を示す機能ブロック図である。 筒内流速指標とF/A比の確率密度の分布との関係を示すグラフである。 Soot発生量とF/A比との関係を示すグラフである。 局所リッチ補正係数マップにおいて規定された筒内流速指標に対する局所リッチ補正係数の関係を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
1.エンジンシステムの構成
図1は、本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン(以下、単にエンジンと称する)である。エンジンの本体2には4つの気筒が直列に備えられ、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁8が気筒ごとに設けられている。エンジン本体2にはインテークマニホールド4とエキゾーストマニホールド6が取り付けられている。インテークマニホールド4にはエアクリーナ20から取り込まれた新気が流れる吸気通路10が接続されている。吸気通路10にはターボ過給機のコンプレッサ14が取り付けられている。吸気通路10においてコンプレッサ14の下流にはディーゼルスロットル24が設けられている。吸気通路10においてコンプレッサ14とディーゼルスロットル24との間にはインタークーラ22が備えられている。エキゾーストマニホールド6にはエンジン本体2から出た排気を大気中に放出するための排気通路12が接続されている。排気通路12にはターボ過給機のタービン16が取り付けられている。ターボ過給機は可変容量型であって、タービン16には可変ノズル18が備えられている。排気通路12においてタービン16の下流には排気を浄化するための酸化触媒25及びDPF26が設けられている。
本実施の形態に係るエンジンは、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるEGR装置を備えている。EGR装置は、吸気通路10におけるディーゼルスロットル24の下流の位置とエキゾーストマニホールド6とをEGR通路30によって接続している。EGR通路30にはEGR弁32が設けられている。EGR通路30においてEGR弁32の排気側にはEGRクーラ34が備えられている。EGR通路30にはEGRクーラ34をバイパスするバイパス通路36が設けられている。EGR通路30から分岐したバイパス通路36が再びEGR通路30に合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁38が設けられている。
本実施の形態に係るエンジンは、各所にセンサを備える。吸気通路10におけるエアクリーナ20の直下流には、湿度センサ付きのエアフローメータ54が取り付けられている。排気通路12には、DPF26の前後の差圧に応じた信号を出力する差圧センサ58や、DPF26を通過した排気の酸素濃度に応じた信号を出力する限界電流式の空燃比センサ60が取り付けられている。また、クランク軸の回転を検出するクランクセンサ52や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ56なども備えられている。
本実施の形態に係るエンジンシステムはECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50は、エンジンシステムの全体を総合制御する制御装置であって、少なくとも入出力インタフェース、CPU、ROM、RAMを有する。入出力インタフェースは、エンジン及び車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジンを構成するアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ECU50によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル18、燃料噴射弁8、EGR弁32、ディーゼルスロットル24などが含まれている。ROMには、エンジンを制御するための各種の制御プログラムやマップが記憶されている。CPUは、制御プログラムをROMから読みだして実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。
2.ECU50が備える機能
ECU50が備える機能には、運転中に筒内から排出されるSootの排出量を、仮想的に構築されたオンボード推定モデルを用いて推定するSoot排出量推定と、推定されたSoot排出量を用いて触媒再生や故障診断等を行う触媒制御とが含まれる。図2は、ECU50が備える機能を示す機能ブロック図である。この図に示すSootモデル100は、Soot排出量推定が行われる機能ブロックである。Sootモデル100では、エンジン回転速度、燃料噴射量、吸気O2濃度、比熱、及び空燃比等の運転条件の入力を受けてモデル演算を行い、Sootの排出量を推定することが行われる。また、この図に示す触媒制御ブロック300は、触媒制御を行うための機能ブロックである。触媒制御ブロック300では、Soot排出量推定によって推定されたSootの排出量を利用して、DPF26の再生制御や故障診断が行われる。なお、これらの触媒制御については、既に多くの公知文献においてその手法が提案されているため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
3.Soot排出量推定
Sootモデル100には、運転中に筒内から排出される単位時間当たりSoot排出量(mg/s)を推定する機能が含まれる。図3は、Sootモデル100が備える推定機能のうち、筒内から排出されるSoot排出量を推定するための機能ブロックを抽出した制御ブロック図である。以下、図3を参照して、Soot排出量を推定するためのモデル構成について詳細に説明する。
図3に示すSootモデル100は、ベースSootマップ101、ベースA/F算出部102、現在A/F算出部103、ベース吸気O2濃度算出部104、現在吸気O2濃度算出部105、過渡補正係数算出部106、比熱補正係数算出部107、筒内流速指標算出部118、局所リッチ補正係数算出部108、環境補正部120、及び演算部111,112,113,114,115,116を備えている。
ベースSootマップ101では、筒内流速(すなわち筒内に発生する気流の流速)に影響する運転パラメータ(燃料の噴射圧、スワール比、過給圧など)が何れも予め設定されたとおりの値になっているとの前提のもと、筒内から排出されるSootの量の基本値(すなわち定常状態での値)であるベースSoot排出量が、エンジン回転速度と指令燃料噴射量とに関連付けられている。クランクセンサ52の信号から計測されるエンジン回転速度“Ne”と燃料噴射弁8の指令燃料噴射量“Q”とを引数としてベースSootマップ101を検索することによって、現在の運転領域(すなわち燃料噴射量“Q”とエンジン回転速度“Ne”とで規定される運転領域)におけるベースSoot排出量が算出される。
ベースA/F算出部102は、目標新気量と指令燃料噴射量“Q”とを入力値として、現在の運転領域において基準となる空燃比であるベースA/Fを算出する。目標新気量と指令燃料噴射量との比が、ベースA/Fとして算出される。目標新気量は、現在の運転領域において目標とする新気量であって、エンジン回転速度及び指令燃料噴射量に対する目標新気量の関係を規定したマップを用いて算出される。
現在A/F算出部103は、エアフローメータ54によって計測される新気量“Ga”と指令燃料噴射量“Q”とを入力値として、現在の空燃比の推定値である現在A/Fを算出する。計測された新気量と指令燃料噴射量との比が、現在A/Fとして算出される。なお、エンジン本体2に経年劣化が生じている場合等には、現在A/Fが実際のA/Fから乖離することがある。そこで、現在A/F算出部103は、空燃比センサ60によって計測された実際のA/Fと現在A/Fとの差が無くなるようにするためのA/F学習値を現在A/Fに反映させる。なお、A/F学習値は、別途、フィードバック制御のルーチンにおいて計算されている。
ベース吸気O2濃度算出部104は、目標EGR率とベースA/Fとを入力値として、現在の運転領域における吸気中の酸素濃度の基本値であるベース吸気O2濃度(wt%)を算出する。ベース吸気O2濃度の計算には、EGR率と空燃比と酸素濃度との間の関係式が用いられる。目標EGR率は、現在の運転領域において目標とするEGR率であって、エンジン回転速度及び指令燃料噴射量に対する目標EGR率の関係を規定したマップを用いて算出される。
現在吸気O2濃度算出部105は、現在EGR率と現在A/F算出部103において算出された現在A/Fとを入力値として、ベース吸気O2濃度の計算に用いる関係式と同様の関係式を用いて、現在の吸気O2濃度の推定値である現在吸気O2濃度を算出する。現在EGR率は、エアフローメータ54によって計測される新気量と、公知の任意の手法で取得した筒内ガス量とから算出される。
演算部111は、過渡補正係数算出部106の入力として用いられるA/F比を算出する。A/F比は、ベースA/F算出部102により算出されたベースA/Fに対する、現在A/F算出部103により算出された現在A/Fとの比として算出される。
演算部112は、現在吸気O2濃度算出部105において算出された現在吸気O2濃度に、吸気O2濃度補正値を乗算することにより補正後吸気O2濃度を算出する。吸気O2濃度補正値は、湿度に応じて吸気O2濃度を補正するための補正係数であって、ベース吸気O2濃度に対する乾燥吸気O2濃度の割合として定義される。ベース吸気O2濃度は、エンジン回転速度と指令燃料噴射量とで規定される現在の運転領域での吸気O2濃度の基本値であって、予め用意されたマップから算出される。乾燥吸気O2濃度は、湿度センサ付きのエアフローメータ54により計測された新気量及び絶対湿度から算出される乾燥空気量と、公知の任意の手法で取得した筒内ガス量と、現在A/Fとから算出される吸気O2濃度である。
演算部113は、過渡補正係数算出部106の入力として用いられる吸気O2濃度比を算出する。吸気O2濃度比は、ベース吸気O2濃度算出部104において算出されたベース吸気O2濃度に対する、演算部112において算出された補正後吸気O2濃度の比として算出される。
過渡補正係数算出部106は、演算部111において演算されたA/F比と、演算部113において演算された吸気O2濃度比とを入力値として、エンジンが定常状態にある時のSoot排出量であるベースSoot排出量に対する過渡時のSoot排出量の増減を補正するための過渡補正係数を算出する。過渡補正係数の算出には、A/F比と吸気O2濃度比とに過渡補正係数を関連付けたマップが用いられる。
演算部114では、ベースSootマップ101において算出されたベースSoot排出量に、過渡補正係数算出部106において算出された過渡補正係数を乗算することにより過渡補正後のSoot排出量が算出される。ベースA/F及びベース吸気O2濃度をそれぞれ基準としたA/F比及び吸気O2濃度比に基づく過渡補正係数を利用することで、ベースSoot排出量を基礎としつつ、過渡的な空燃比及び吸気O2濃度の変化の影響が考慮されたSoot排出量を算出することができる。
比熱補正係数算出部107は、比熱補正値の入力を受けて比熱補正係数を算出する。比熱補正係数の算出には、比熱補正値に比熱補正係数を関連付けたマップが用いられる。比熱補正値は、湿度に応じて吸気の比熱を補正するための補正値であって、ベース比熱に対する現在の吸気の比熱の割合として定義される。ベース比熱は、エンジン回転速度と指令燃料噴射量とで規定される現在の運転領域での吸気の比熱の基本値であって、予め用意されたマップから算出される。現在の吸気の比熱は、湿度センサ付きのエアフローメータ54により計測された新気量及び絶対湿度を用いて算出される新気(湿潤空気)の分子量及び比熱と、EGRガスの分子量及び比熱から算出される。比熱補正係数の算出には、比熱補正値に比熱補正係数を関連付けたマップが用いられる。
演算部115では、演算部114において演算された過渡補正後のSoot排出量に比熱補正係数算出部107において算出された比熱補正係数が乗算される。筒内から排出されるSoot排出量は、筒内に吸入される吸気の湿度に応じて変化する。湿度による吸気の比熱の変化は、湿度による吸気O2濃度の変化とともに、湿度によるSoot排出量の変化の主因である。比熱補正係数によってSoot排出量を補正することで、湿度の影響が考慮されたSoot排出量を算出することができる。
筒内流速指標算出部118は、燃料噴射弁8の噴射圧、インテークマニホールド4内の圧力である過給圧、図示しないスワールコントロールバルブによって制御されるスワール比等、筒内流速に影響する運転パラメータを入力値として、現在の運転条件における筒内流速の程度を示す筒内流速指標を算出する。筒内流速指標は、筒内全体での流速の分布が、基本状態での流速の分布に比較して、どの程度遅い側に偏っているのか、或いは、どの程度速い側に偏っているのかを定量的に示す無次元の指標である。筒内流速の程度は、上記複数の運転パラメータの関係によって複合的に決まる。筒内流速指標の算出には、これらの運転パラメータに筒内流速指標を関連付けたマップ(実験的に得られたマップ)が用いられる。
筒内流速指標の算出に用いられる噴射圧、過給圧、スワール比等の運転パラメータは、エンジン回転速度と指令燃料噴射量とに関連付けられ、エンジン回転速度及び指令燃料噴射量に応じた値に設定される。前述のベースSootマップ101から算出されるベースSoot排出量は、これらの運転パラメータがエンジン回転速度と指令燃料噴射量とから決まる所定値に保持されているとの前提のもとで計算されたSootの排出量である。なお、本実施の形態では複数の運転パラメータから筒内流速指標を算出するとしているが、いずれか1つの運転パラメータから筒内流速指標を算出するのでもよい。
筒内流速指標算出部118で算出された筒内流速指標は、ベースSoot排出量に対するSoot排出量の増減を示す指標として用いることができる。なぜなら、筒内流速は筒内の燃料濃度の均質性に関係し、筒内の燃料濃度の均質性はSoot排出量に関係するからである。筒内の燃料濃度は均質ではないため、筒内には他の部分よりも燃料リッチな部分が局所的に存在する。Sootはこの局所的に存在する燃料リッチな部分において多く発生する。筒内流速の程度が大きいほど、燃料の拡散が進んで筒内の燃料濃度の均質性は高まり、局所的な燃料リッチな部分が縮小してSoot排出量は減少する。逆に、筒内流速の程度が小さいほど、燃料の拡散が進まず筒内の燃料濃度の均質性は低くなり、局所的な燃料リッチな部分が拡大してSoot排出量は増大する。
図4は、筒内流速指標とF/A比の確率密度の分布との関係を示すグラフである。F/A比は、筒内の局所のF/A(燃空比)の筒内全体の平均F/Aに対する比率と定義される。F/A比の確率密度の分布は筒内に燃料が拡散したときの燃料濃度の分布に相関し、これは正規分布で近似することができると考えられる。図4に描かれる実線の分布曲線は、筒内流速指標が基本筒内流速指標のときの分布曲線である。図4に描かれる点線の分布曲線は、筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも大きい場合の分布曲線であり、一点鎖線の分布曲線は、筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも小さい場合の分布曲線である。
ここで、エンジンが定常状態にあり、かつ、筒内流速に影響する噴射圧、スワール比、過給圧などの運転パラメータが何れも予め設定されたとおりの値(エンジン回転速度及び指令燃料噴射量に応じた値)になっている状態を基本状態とする。そして、基本状態での筒内流速の程度を示す筒内流速指標を基本筒内流速指標とする。エンジンの過渡運転時には、噴射圧、過給圧、スワール比等の運転パラメータの関係によって、筒内流速指標は基本状態での指標である基本筒内流速指標よりも大きくなる場合もあれば小さくなる場合もある。筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも大きければ、燃料の拡散が進んで筒内の燃料濃度の均質性は高まり、F/A比の確率密度の分散は基本状態でのそれよりも小さくなる。他方、筒内流速指標が小さければ、燃料の拡散が進まず筒内の燃料濃度の均質性は低くなり、F/A比の確率密度の分散は基本状態でのそれよりも大きくなる。
F/A比が1よりも小さい部分でのSootの発生は平均よりも少なく、F/A比が1よりも大きい部分でのSootの発生は平均よりも多い。ただし、図5に示すように、F/A比が1よりも大きいことによるSootの発生量の増大効果は、F/A比が1よりも小さいことによるSootの発生量の抑制効果よりも大きい。このため、F/A比の分散が大きくなるほど筒内全体でのSootの発生量、すなわち、筒内からのSootの排出量は増大する。
局所リッチ補正係数算出部108は、筒内流速指標算出部118で算出された筒内流速指標の入力を受けて、局所リッチ補正係数マップを用いて局所リッチ補正係数を算出する。図6は、局所リッチ補正係数マップにおいて規定された筒内流速指標に対する局所リッチ補正係数の関係を示す図である。このマップによれば、局所リッチ補正係数は、基本筒内流速指標“A”に対応する値が1であり、筒内流速指標が大きいほど1に比べてより小さい値をとり、筒内流速指標が小さいほど1に比べてより大きい値をとる。このマップは、実験的に得られた筒内流速指標とSoot排出量との関係を示すデータに基づいて作成されている。
演算部116では、演算部115において演算された比熱補正後のSoot排出量に局所リッチ補正係数算出部108において算出された局所リッチ補正係数が乗算される。筒内流速指標に基づく局所リッチ補正係数を利用することで、筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも小さい場合、筒内流速指標が小さいほどSoot排出量を比熱補正後のSoot排出量と比べてより大きくすることができる。逆に、筒内流速指標が基本筒内流速指標よりも大きい場合、筒内流速指標が大きいほどSoot排出量を比熱補正後のSoot排出量と比べてより小さくすることができる。つまり、筒内流速の程度に応じてSoot排出量を増減することができる。
環境補正部120は、演算部116において演算された局所リッチ補正後のSoot排出量に対し、冷却水温や気圧等の環境条件をSoot排出量に反映させる為の補正を行う。これにより、Sootモデル100から触媒制御ブロック300に与えられる最終的なSoot排出量が算出される。
上述した実施の形態では、ベースSootマップ101が本発明の「ベースSoot排出量算出手段」に相当し、筒内流速指標算出部118が本発明の「筒内流速指標算出手段」に相当し、局所リッチ補正係数算出部108及び演算部116が本発明の「補正手段」に相当している。
なお、ベースSootマップ101において算出されたベースSoot排出量を、過渡補正係数算出部106において算出された過渡補正係数で補正する処理は、本発明の実施において必須ではない。また、ベースSootマップ101において算出されたベースSoot排出量を、比熱補正係数算出部107において算出された比熱補正係数で補正する処理も、本発明の実施において必須ではない。また、環境補正部120による補正も、本発明の実施において必須ではない。
2 エンジン本体
8 燃料噴射弁
24 ディーゼルスロットル
25 酸化触媒
26 DPF
50 ECU
100 Sootモデル
101 ベースSootマップ
108 局所リッチ補正係数算出部
118 筒内流速指標算出部

Claims (2)

  1. 内燃機関の所定の基本状態で筒内から排出されるSootの排出量であるベースSoot排出量を算出するベースSoot排出量算出手段と、
    現在の運転状態において筒内に発生する気流の流速の程度を示す筒内流速指標を算出する筒内流速指標算出手段と、
    前記筒内流速指標に基づき前記ベースSoot排出量を補正することによってSoot排出量を得る補正手段と、を備え、
    前記補正手段は、前記筒内流速指標が前記基本状態において筒内に発生する気流の流速の程度を示す基本筒内流速指標よりも小さい場合、前記筒内流速指標が小さいほど前記Soot排出量を前記ベースSoot排出量と比べてより大きくし、前記筒内流速指標が前記基本筒内流速指標よりも大きい場合、前記筒内流速指標が大きいほど前記Soot排出量を前記ベースSoot排出量と比べてより小さくするように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記補正手段は、予め用意されたマップを参照して前記筒内流速指標から補正係数を算出し、前記補正係数によって前記ベースSoot排出量を補正するように構成され、
    前記補正係数は、前記基本筒内流速指標に対応する値が1であり、前記筒内流速指標が大きいほど1に比べてより小さい値をとり、前記筒内流速指標が小さいほど1に比べてより大きい値をと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。
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