JP2017014915A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタに捕捉された粒子状物質の堆積量如何によらず、要求された大きさのエンジントルクを出力できるようにする。【解決手段】排気通路に粒子状物質を捕集するためのフィルタを設けている内燃機関を制御するものであって、少なくともエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて単位時間あたり粒子状物質がフィルタに堆積する量を推測し、それを積算して現在フィルタに堆積している粒子状物質の量を求め、現在フィルタに堆積している粒子状物質の量の多寡に応じて燃料噴射量を補正する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、排気通路に粒子状物質を捕集するためのフィルタを設けている内燃機関を制御する制御装置に関する。

ディーゼルエンジンに代表される圧縮着火式の内燃機関から排出される排気ガス中には、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）が含まれる。このため、ＰＭを捕集するフィルタを排気通路に設置して、ＰＭの大気中への放散を抑止することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２００９−０６２９６６号公報

フィルタに捕捉されたＰＭの堆積量が増加すると、フィルタが目詰まりを起こしているような状態となり、排気通路を流れる排気ガスに対する抵抗（圧力損失）が増して背圧が増大する。その分だけ、内燃機関が出力することのできるエンジントルクが低減する。

アクセル開度即ち運転者によるアクセルペダルの踏込量と燃料噴射量との関係が恒常的に一定であるとすると、フィルタにＰＭが堆積しているか否かによって、アクセル開度に対するエンジントルクの大きさが変化し、車両の加速度が変動することになる。つまりは、ＰＭの堆積量が車両のドライブフィーリングに影響を与えてしまう。

本発明は、フィルタに捕捉されたＰＭの堆積量如何によらず、要求された大きさのエンジントルクを出力できるようにすることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、排気通路にＰＭを捕集するためのフィルタを設けている内燃機関を制御するものであって、少なくともエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて単位時間あたりＰＭがフィルタに堆積する量を推測し、それを積算して現在フィルタに堆積しているＰＭの量を求め、現在フィルタに堆積しているＰＭの量の多寡に応じて燃料噴射量を補正する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、フィルタに捕捉されたＰＭの堆積量如何によらず、要求された大きさのエンジントルクを出力することが可能となる。

本発明の一実施形態の車両用内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 内燃機関の運転条件と単位時間あたり発生しフィルタに捕集されるＰＭの量との関係を示す図。 フィルタに堆積したＰＭの量と燃料噴射量の補正量との関係を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する処理の手順例を示す図。 同実施形態の制御における、アクセル開度と燃料噴射量との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジンやＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジン等のような圧縮着火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の燃焼室の天井部には、当該気筒１の燃焼室内に直接に燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。また、各気筒１の吸気ポート近傍に、グロープラグ（余熱プラグ）１２及びスワールコントロールバルブ１３を設けている。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、排気ターボ過給機６のコンプレッサ６１、水冷式インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３及び吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機６の排気タービン６２、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化装置４１を配置している。排気浄化装置４１は、排気ガス中に含まれるＰＭを漉し取るフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐｒａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）及び有害物質の酸化／還元を促す三元触媒を包含する。

排気ターボ過給機５、６は、排気タービン５２、６２とコンプレッサ５１、６１のインペラとをシャフトを介して同軸で連結し、連動するように構成したものである。そして、タービン５２、６２及びコンプレッサ５１、６１のインペラを排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

図示例の内燃機関は、排気ターボ過給機５、６を二基備える、いわゆる２ステージターボ（シーケンシャルターボ）エンジンである。排気ターボ過給機５は、エンジン回転数が比較的高い運転領域で仕事をする高速用ターボ過給機である。他方、排気ターボ過給機６は、エンジン回転数が比較的低い運転領域で仕事をする低速用ターボ過給機である。低速用ターボ過給機６の容量は、高速用ターボ過給機５の容量と比較して小さい。

吸気通路３においては、低速用ターボ過給機６のコンプレッサ６１を迂回する吸気バイパス通路３６を設け、かつこの吸気バイパス通路３６の出口を開閉するバルブ３７を設置している。吸気バイパスバルブ３７は、吸気バイパス通路３６を流通する吸気の流量を制御する。高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１を迂回する吸気バイパス通路は、存在しない。

さらに、排気通路４においても、低速用ターボ過給機６のタービン６２を迂回する排気バイパス通路４３、及び高速用ターボ過給機５のタービン５２を迂回する排気バイパス通路４４を設けており、かつこれら排気バイパス通路４３、４４のそれぞれの入口を開閉する排気バイパスバルブ４５、４６を設置している。バルブ４５は排気バイパス通路４３を流通する排気の流量を制御し、バルブ４６は排気バイパス通路４４を流通する排気の流量を制御する。排気バイパスバルブ４５、４６は、ＷＧＶ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ）と呼称されることもある。

バルブ３７、４６は、負圧アクチュエータ３７１、４６１を使用したＶＳＶ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）である。負圧アクチュエータ３７１、４６１はダイヤフラム式アクチュエータであり、そのダイヤフラムの一方の面には負圧及び内蔵のスプリングによる弾性付勢力が、他方の面には大気圧が加わる。負圧は、バキュームポンプ９１から供給される。バキュームポンプ９１は、一定の大きさの負圧を発生させる。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１とバキュームポンプ９１とを接続する管路上にはそれぞれ、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２を設置している。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１のダイヤフラムの一方の面に実際に作用する負圧の大きさは、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度に応じて変化する。そして、バルブ３７、４６の開度は、ダイヤフラムの両面に作用する負圧及び大気圧の差圧と、ダイヤフラムを弾性付勢するスプリングの弾性付勢力との差に応じて変化する。つまり、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度の操作を通じて、バルブ３７、４６の開度を操作することが可能である。

これに対し、バルブ４５は、電磁バルブであるＥＶＲＶ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）である。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２、７は、排気通路４を流れる排気の一部を吸気通路３に還流して吸気に混交せしめるものである。本実施形態の内燃機関は、ＥＧＲ装置２、７を二基備える。ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における排気浄化装置４１の下流側を吸気通路３における高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１の上流側に連通させるＥＧＲ通路２１と、当該ＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ２２は、ＥＧＲ通路２１を流通する低圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。

ＥＧＲ装置７は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における低速用ターボ過給機６のタービン６２の上流側を吸気通路３におけるインタクーラ３５の下流側に連通させるＥＧＲ通路７１と、当該ＥＧＲ通路７１を開閉するＥＧＲバルブ７２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ７２は、ＥＧＲ通路７１を流通する高圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。

加えて、排気通路４における、低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所よりも下流の箇所に、排気絞りバルブ４７を設置している。低圧ループＥＧＲ通路２１が接続している吸気通路のコンプレッサ５１の上流側の圧力は、当該コンプレッサ５１による過給の度合いに応じて変動する。その結果として、低圧ループＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量が変化する。排気絞りバルブ４７は、ＥＧＲバルブ２２とともに、低圧ループＥＧＲガスの流量、ひいては気筒１に充填される吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を目標値に収束させるために機能する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジントルクまたは負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３のサージタンク３３内の（即ち、気筒１に流入する）吸気の温度及び圧力（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｅ、吸気通路３の最上流即ちエアクリーナ３１の下流かつ低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所の上流における新気の流量及び温度を検出するエアフローメータ・新気温センサから出力される新気流量・温度信号ｆ、吸気通路３のコンプレッサ５１の下流かつコンプレッサ６１の上流における吸気の圧力（高速用ターボ過給機５による過給圧）を検出する吸気圧センサから出力される吸気圧信号ｇ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出するセンサから出力される冷却水温信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｉ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｊ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ７２に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ３７の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ３７２に対して開度操作信号ｍ、ＥＶＲＶ４５に対して開度操作信号ｎ、ＶＳＶ４６の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ４６２に対して開度操作信号ｏ、排気絞りバルブ４７に対して開度操作信号ｐ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに、気筒１に充填される吸気（新気）量に見合った燃料噴射量を推算する。また、それとともに、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、排気ターボ過給機５、６による過給の目標過給圧等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、少なくともエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて単位時間あたりＰＭがＤＰＦ４１に堆積する量を推測し、それを積算して現在ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量を求め、現在ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量の多寡に応じて燃料噴射量を増減補正する。

図２に、内燃機関の運転条件即ち実際の燃料噴射量及びエンジン回転数と、単位時間あたり発生しＤＰＦ４１に捕集されるＰＭの量との関係を示す。ＰＭの単位時間あたりの堆積量は、当然ながらエンジン回転数が高いほど多くなる。一方で、燃料噴射量との関係では、燃料噴射量がある程度の量未満の領域では燃料噴射量が多いほど単位時間あたりの堆積量が多くなるが、燃料噴射量がある程度の量以上の領域では燃料噴射量が多いほど単位時間あたりの堆積量が少なくなる傾向にある。

図３に、ＤＰＦ４１に捕集されたＰＭの累積の堆積量と、燃料噴射量の補正量との関係を示す。ＤＰＦ４１に堆積したＰＭの量が多くなるほど、排気通路４を流れる排気ガスに対する流路抵抗即ち圧力損失が増して背圧が増大する。その分だけ、内燃機関が出力することの可能なエンジントルクが低減する。そこで、ＥＣＵ０は、ＤＰＦ４１に堆積したＰＭの量が多いほど燃料噴射量を増し、逆にそのＰＭの量が少ないほど燃料噴射量を減らすことにより、ＰＭの堆積に起因した圧力損失を相殺して常に要求された大きさのエンジントルクを出力できるようにする。

図４に、ＥＣＵ０が燃料噴射量の補正量を決定するにあたり実行する処理の手順例を示す。まず、ＥＣＵ０は、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数を参照して、単位時間あたりのＰＭの発生量を推測する（ステップＳ１）。ＥＣＵ０のメモリには予め、燃料噴射量及びエンジン回転数と、単位時間あたりのＰＭの発生量との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数をキーとして当該マップを検索し、単位時間あたりのＰＭの発生量を知得する。さらに、知得した単位時間あたりの発生量を、現在の内燃機関の温度（冷却水温）や吸気温、大気圧等に応じて補正しても構わない。

並びに、ＥＣＵ０は、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数を参照して、ＤＰＦ４１の入口即ち上流側における排気温を推測する（ステップＳ２）。ＤＰＦ４１に流入する排気ガスの温度は、ＤＰＦ４１に現に堆積しているＰＭの量に影響を与える。つまり、高温の排気がＤＰＦ４１に流入する場合、ＰＭの酸化または燃焼が促進されて、ＰＭの堆積量が減少するということである。ＥＣＵ０のメモリには予め、燃料噴射量及びエンジン回転数と、ＤＰＦ４１の上流側の排気温との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数をキーとして当該マップを検索し、ＤＰＦ４１の上流側の排気温を知得する。さらに、知得した排気温を、現在の内燃機関の温度や吸気温、大気圧等に応じて補正しても構わない。なお、ＤＰＦ４１の上流側の排気温を検出する排気温センサが排気通路４に設置されているならば、ステップＳ２においてＤＰＦ４１の上流側の排気温を実測することができる。

そして、ＤＰＦ４１の上流側の排気温を参照して、単位時間あたりのＰＭの減少量を推測する（ステップＳ３）。ＥＣＵ０のメモリには予め、ＤＰＦ４１の上流側の排気温と、単位時間あたりのＰＭの減少量との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、ＤＰＦ４１の上流側の排気温をキーとして当該マップを検索し、単位時間あたりのＰＭの減少量を知得する。

ステップＳ１で得た単位時間あたりのＰＭの発生量から、ステップＳ３で得た単位時間あたりのＰＭの減少量を減算したものが、ＤＰＦ４１に堆積するＰＭの単位時間あたりの増減量となる。ＥＣＵ０は、この単位時間あたりの増減量を積算（時間積分）することにより、現在ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量を得る（ステップＳ４）。

その上で、ＥＣＵ０は、現在ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量を参照して、燃料噴射量の補正量を決定する（ステップＳ５）。ＥＣＵ０のメモリには予め、ＰＭの堆積量と、燃料噴射量の増量補正量との関係を規定したマップデータが格納されている。燃料噴射量の増量補正量は、アクセル開度が大きいほど多くなる燃料噴射量の基本量に乗算する補正係数であることもあれば、その基本量に加算するオフセット量であることもある。ＤＰＦ４１にＰＭが全く堆積していない場合、補正係数は１となり、オフセット量は０となる。そして、ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量が増すほど、補正係数またはオフセット量が大きくなる。ＥＣＵ０は、現在のＤＰＦ４１へのＰＭの堆積量をキーとして当該マップを検索し、燃料噴射量の増量補正量を知得する。

最終的に、ＥＣＵ０は、ステップＳ５で得た燃料噴射量の増量補正量を燃料噴射量の基本量に加味して、インジェクタ１１から噴射する燃料の量を決定する（ステップＳ６）。これにより、図５に示すように、ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量が少ない場合（実線にて表す）と多い場合（破線にて表す）とで燃料噴射量が変化し、ＰＭの堆積に起因した圧力損失が相殺されて、アクセル開度に応じた大きさのエンジントルクを常時出力できるようになる。なお、燃料噴射量を、現在の内燃機関の温度や吸気温、大気圧等に応じて補正しても構わない。

ＥＣＵ０は、上述したステップＳ１ないしＳ６を反復的に実行する。但し、意図的にＤＰＦ４１の再生処理が行われたときには、現在ＤＰＦ４１に堆積しているＰＭの量を所定値（０であることがある）にリセットする。ＤＰＦ４１の再生処理とは、ＤＰＦ４１に堆積したＰＭを積極的に酸化または燃焼させる処理であり、例えば、敢えてポスト噴射を実行して高温の排気ガスをＤＰＦ４１に送り込んだり、ＤＰＦ４１に通電したりする処理がこれに当たる。

本実施形態では、排気通路４にＰＭを捕集するためのフィルタ４１を設けている内燃機関を制御するものであって、少なくともエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて単位時間あたりＰＭがフィルタ４１に堆積する量を推測し、それを積算して現在フィルタ４１に堆積しているＰＭの量を求め、現在フィルタ４１に堆積しているＰＭの量の多寡に応じて燃料噴射量を補正する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、フィルタ４１に捕捉されたＰＭの堆積量如何によらず、運転者が要求した大きさのエンジントルクを出力することが可能となり、運転者が意図した通りのドライブフィーリングを得られるようになる。

また、排気圧センサ（背圧センサ）を排気通路４に設置する必要がなく、排気圧センサの設置に伴うコストの増大を抑えられる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、単位時間あたりのＰＭの減少量を求めるステップ（Ｓ２及びＳ３）において、ＤＰＦ４１の上流側の排気温という中間変数を介在させず、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数から直接的に単位時間あたりのＰＭの減少量を得るようにしてもよい。その場合、内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０のメモリには予め、燃料噴射量及びエンジン回転数と、単位時間あたりのＰＭの減少量との関係を規定したマップデータが格納される。そして、ＥＣＵ０は、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数をキーとして当該マップを検索し、単位時間あたりのＰＭの減少量を知得する。さらに、知得した単位時間あたりの減少量を、現在の内燃機関の温度や吸気温、大気圧等に応じて補正しても構わない。

あるいは、ＤＰＦ４１に堆積するＰＭの単位時間あたりの増減量、即ち発生量と減少量との合算を求めるステップ（Ｓ１ないしＳ４）において、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数から直接的に単位時間あたりのＰＭの増減量を得るようにしてもよい。その場合、内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０のメモリには予め、燃料噴射量及びエンジン回転数と、単位時間あたりのＰＭの増減量との関係を規定したマップデータが格納される。そして、ＥＣＵ０は、現在の燃料噴射量及びエンジン回転数をキーとして当該マップを検索し、ＤＰＦ４１に堆積するＰＭの単位時間あたりの増減量を知得する。さらに、知得した単位時間あたりの増減量を、現在の内燃機関の温度や吸気温、大気圧等に応じて補正しても構わない。

その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…フィルタ（ＤＰＦ）
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｉ…燃料噴射信号

Claims (1)

1. 排気通路に粒子状物質を捕集するためのフィルタを設けている内燃機関を制御するものであって、
   少なくともエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて単位時間あたり粒子状物質がフィルタに堆積する量を推測し、それを積算して現在フィルタに堆積している粒子状物質の量を求め、
   現在フィルタに堆積している粒子状物質の量の多寡に応じて燃料噴射量を補正する内燃機関の制御装置。

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