JP2018162701A

JP2018162701A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2018162701A
Application number: JP2017059721A
Authority: JP
Inventors: 雄貴鈴木; Yuki Suzuki; 土屋　富久; Tomihisa Tsuchiya; 富久土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-10-18

Abstract

【課題】添加弁の温度上昇を抑制しつつ、再生効率の低下や白煙の発生を抑制して触媒を再生できる内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】内燃機関に接続された排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記排気通路に設けられて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側から燃料を添加する添加弁と、前記内燃機関での空燃比をリッチ空燃比に制御したリッチ期間とリーン空燃比に制御したリーン期間とを交互に切り替えて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生する再生処理の実行中であるか否かを判定する再生判定部と、前記再生判定部の判定結果が肯定判定の場合に、前記リッチ期間での前記添加弁の温度を予測する予測部と、予測された前記温度が所定の閾値を超えたか否かを判定する温度判定部と、前記温度判定部の判定結果が肯定判定の場合、前記温度判定部の判定結果が否定判定の場合よりも、前記リッチ期間を短縮する期間制御部と、前記リッチ期間での前記添加弁による燃料の添加を禁止する禁止部と、を備えた内燃機関の制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気を浄化する触媒に燃料を添加する添加弁により、触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えて、触媒を再生する技術が知られている（特許文献１参照）。また、このような添加弁を冷却することを目的として、添加弁から添加剤を噴射する技術が知られている（特許文献２参照）。

特開２００４−３４６７９３号公報特開２０１５−１２１１９８号公報

例えば、内燃機関での空燃比がリッチ空燃比に制御されるリッチ期間とリーン空燃比に成業されるリーン期間とを交互に切り替えて、触媒を硫黄被毒から再生することが考えられる。このような触媒の再生中でのリッチ期間中に、添加弁を冷却するために添加弁から燃料が噴射されると、触媒に流入する排気の空燃比が変化して、再生効率の低下や白煙の発生などの影響を与える可能性がある。しかしながら、上記のリッチ期間中に、冷却を目的とする添加弁からの燃料の噴射を禁止すると、添加弁が高温になりすぎる可能性がある。

そこで本発明は、添加弁の温度上昇を抑制しつつ、再生効率の低下や白煙の発生を抑制して触媒を再生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。

上記目的は、内燃機関に接続された排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記排気通路に設けられて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側から燃料を添加する添加弁と、前記内燃機関での空燃比をリッチ空燃比に制御したリッチ期間とリーン空燃比に制御したリーン期間とを交互に切り替えて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生する再生処理の実行中であるか否かを判定する再生判定部と、前記再生判定部の判定結果が肯定判定の場合に、前記リッチ期間での前記添加弁の温度を予測する予測部と、予測された前記温度が所定の閾値を超えたか否かを判定する温度判定部と、前記温度判定部の判定結果が肯定判定の場合、前記温度判定部の判定結果が否定判定の場合よりも、前記リッチ期間を短縮する期間制御部と、前記リッチ期間での前記添加弁による燃料の添加を禁止する禁止部と、を備えた内燃機関の制御装置によって達成できる。

本発明によれば、添加弁の温度上昇を抑制しつつ、再生効率の低下や白煙の発生を抑制して触媒を再生できる内燃機関の制御装置を提供できる。

図１は、エンジンシステムの概略構成図である。図２は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。図３は、ＥＣＵが実行する制御を示したタイミングチャートの一例である。

図１は、エンジンシステム１の概略構成図である。エンジン２０は、ディーゼルエンジンであり、ピストン２４が収納されたシリンダブロック２１上に設置されたシリンダヘッド２２内の燃焼室２３の内で混合気を燃焼させて、ピストン２４を往復動させる。ピストン２４の往復動は、クランクシャフト２６の回転運動に変換される。また、エンジン２０は直列４気筒のディーゼルエンジンである。エンジン２０のシリンダヘッド２２には、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに設けられている。各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介してサージタンク１８に接続されている。サージタンク１８の上流側には吸気通路１０が接続されており、吸気通路１０の上流端にはエアクリーナ１９が設けられている。そして吸気通路１０には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１５と、電子制御式のスロットルバルブ１３とが設けられている。また、各気筒内には、燃焼室２３内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２が設置されている。燃料噴射弁１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、ピストン２４で圧縮されて自己着火により燃焼させられる。

各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気通路３０に接続されている。排気通路３０には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒であるＮＳＲ（ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒３１と、ＮＳＲ触媒３１の下流側に、ＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）３２とが備えられている。なお、ＮＳＲ触媒３１およびＤＰＦ３２の代わりにＤＰＮＲ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）触媒を用いてもよい。

ＮＳＲ触媒３１は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによって更に還元されてＮ₂となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂ＯやＣＯ₂となる。即ち、ＮＳＲ触媒３１に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。本実施例のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を上記燃料噴射弁１２からの燃料噴射動作（アフター噴射、ポスト噴射）やスロットルバルブ１３の開度制御によって行うようになっている。尚、アフター噴射やポスト噴射は、後述するようにＮＯｘ還元制御やＳ再生制御において、排気の空燃比（排気Ａ／Ｆ）を調整したり、ＮＳＲ触媒３１の温度を上昇させたりするのに利用される。

ＤＰＦ３２は、例えば多孔質セラミック構造体で成り、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるＰＭ（ＰａｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集するようになっている。このＤＰＦ３２には、ＤＰＦ再生運転時に、上記捕集したＰＭを酸化・燃焼するための触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。

また、排気通路３０のＮＳＲ触媒３１の上流側に、燃料添加弁３４が設けられている。この燃料添加弁３４は、ＥＣＵ５０により、必要に応じて排気中に燃料を添加する電子制御式の開閉弁である。また、排気通路３０のＮＳＲ触媒３１の上流側には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ３３が設置されている。空燃比センサ３３は、いわゆる広域空燃比センサであり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した値の信号を出力する。

エンジンシステム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することによりエンジン２０を制御する。またＥＣＵ５０は、後述する制御を実行する。この制御は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、再生判定部、予測部、温度判定部、期間制御部、及び禁止部により実現される。詳しくは後述する。

ＥＣＵ５０には、スロットルバルブ１３及び燃料噴射弁１２、燃料添加弁３４等が電気的に接続されている。またＥＣＵ５０には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１１、スロットルバルブ１３のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１４、吸入空気量を検出するエアフローメータ１５、空燃比センサ３３、クランクシャフト２６のクランク角を検出するクランク角センサ２５、エンジン２０の冷却水の温度を検出する水温センサ２９や、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、スロットルバルブ１３、燃料噴射弁１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射比率、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

次に、ＥＣＵ５０が実行するＮＯｘ還元制御及びＳ再生制御について説明する。最初に、ＮＯｘ還元制御について説明する。ＮＳＲ触媒３１は、排気の空燃比がリーン空燃比となる雰囲気下で排気中のＮＯｘを吸蔵し、ＮＯｘの吸蔵量は徐々に増大することにより、ＮＳＲ触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力が低下する。そこで、ＮＯｘ吸蔵量が所定の閾値に達した場合に、燃料噴射弁１２からのポスト噴射やアフター噴射によって排気の空燃比を一時的にリッチ化させて、又は燃料添加弁３４の噴射により、排気中の還元剤成分である燃料量を増大させる。これにより、ＮＳＲ触媒３１の周囲が還元雰囲気となって吸蔵されているＮＯｘが放出され、ＮＳＲ触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力が回復する。

次に、Ｓ再生制御について説明する。ＮＳＲ触媒３１では、ＮＯｘを吸蔵するのと同様のメカニズムで硫黄成分（ＳＯｘ）の吸着が生じている。一旦、吸着されたＳＯｘは、上記のＮＯｘ還元制御が行われても離脱せずに、ＮＳＲ触媒３１内に蓄積されていく。ＮＳＲ触媒３１でのＳＯｘの蓄積量が増加すると、ＮＳＲ触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力は低下し、ＮＯｘ浄化率が低下する（Ｓ被毒）。

Ｓ再生制御は、このようなＳ被毒を解消する制御であり、ＮＳＲ触媒３１の雰囲気温度をおよそ６００〜７００℃の高温域まで昇温させるとともに、ＮＳＲ触媒３１に流入する排気の酸素濃度を低くする（排気の空燃比をリッチにする）ことにより、ＮＳＲ触媒３１に蓄積されているＳＯｘを気体状のＳＯ₂等に還元する。本実施例では、上述した燃料噴射弁１２によるアフター噴射やポスト噴射等の燃料噴射と、スロットルバルブ１３の開度の制御とにより、エンジン２０の筒内の混合気の空燃比がリッチ空燃比となるリッチ期間とリーン空燃比となるリーン期間とが交互に切り替えられる。これにより、空燃比がリッチである排気中の未燃燃料がＮＳＲ触媒３１に供給され、ＮＳＲ触媒３１の周辺の排気の空燃比がリーンとなる雰囲気下で未燃燃料が酸化し、その反応熱によってＮＳＲ触媒３１の床温度が効果的に上昇してＳ被毒が解消される。

上記のように、Ｓ再生制御の実行により、ＮＳＲ触媒３１での燃料の反応熱により、燃料添加弁３４が高温になる。このため、熱の影響により燃料添加弁３４の機能を維持することが困難になる可能性がある。そこで、ＥＣＵ５０は、上記のＮＯｘ還元制御やＳ再生制御とは別に、燃料添加弁３４の機能を維持するために燃料添加弁３４から間欠的に燃料を噴射して、燃料添加弁３４の高温化を抑制する、冷却添加制御を実行する。

ここで、上述のようにエンジン２０での空燃比が制御されてＳ再生制御が実行されている最中に、燃料添加弁３４による冷却添加制御が実行されると、以下のような問題が生じる可能性がある。例えば、ＮＳＲ触媒３１周辺の雰囲気がリッチの場合に、燃料添加弁３４から燃料が噴射されると、ＮＳＲ触媒３１に供給される燃料量が過剰となって、ＮＳＲ触媒３１の再生効率に影響を与える可能性がある。また、白煙が発生する可能性もある。そこで、本実施例でのＥＣＵ５０は、以下のような制御を実行する。

図２は、ＥＣＵ５０が実行する制御の一例を示したフローチャートである。この制御は、所定期間毎に繰り返し実行される。最初に、Ｓ再生制御の実行中であるか否かが判定される（ステップＳ１）。具体的には、Ｓ再生要求フラグを参照して判定される。Ｓ再生要求フラグがＯＮの場合にはＳ再生制御の実行中であることを意味し、ＯＦＦの場合にはＳ再生制御の停止中であることを意味する。肯定判定の場合には、本制御は終了する。ステップＳ１の処理は、エンジン２０での空燃比をリッチ空燃比に制御したリッチ期間とリーン空燃比に制御したリーン期間とを交互に切り替えてＮＳＲ触媒３１を再生する再生処理の実行中であるか否かを判定する再生判定部が実行する処理の一例である。

ステップＳ１で肯定判定の場合には、現時点が、リッチ期間が開始されたタイミングであるか否かが判定される（ステップＳ３）。具体的には、吸入空気量及び燃料噴射量の変化に基づいて、判定される。

ステップＳ３で肯定判定の場合には、リッチ期間での燃料添加弁３４の最高温度Ｔｍが予測される（ステップＳ５）。具体的には、エンジン２０の回転数や負荷、冷却水温度、予め設定されているリッチ期間の長さ、リッチ期間でのリッチ空燃比、リッチ期間当初での燃料添加弁３４の温度等に基づいて、予め設定されたリッチ期間での最高温度Ｔｍが規定されたマップ又は算出式により予測される。リッチ期間当初での燃料添加弁３４の温度は、エンジン２０の回転数や負荷、リッチ期間となる直前のリーン期間の長さやリーン期間でのリーン空燃比に基づいて、推定される。ステップＳ５の処理は、ステップＳ１及びＳ３で肯定判定の場合に、リッチ期間での燃料添加弁３４の温度を予測する予測部が実行する処理の一例である。

次に、最高温度Ｔｍが所定の閾値Ｔｃよりも大きいか否かが判定される（ステップＳ７）。閾値Ｔｃは、燃料添加弁３４の耐熱性等を考慮して定められており、燃料添加弁３４の機能に影響がでない上限温度よりも所定のマージンだけ低い値に設定されている。ステップＳ７で否定判定の場合については、後述する。ステップＳ７の処理は、予測された最高温度Ｔｍが所定の閾値Ｔｃを超えたか否かを判定する温度判定部が実行する処理の一例である。

ステップＳ７で肯定判定の場合には、リッチ期間を短縮する短縮期間ｔｓが算出される（ステップＳ９）。このリッチ期間の短縮期間ｔｓは、最高温度Ｔｍ及び閾値Ｔｃの差分が大きいほど、即ち、最高温度Ｔｍが閾値Ｔｃよりも高いほど、長期となるように算出される。短縮期間ｔｓは、短縮後のリッチ期間中での燃料添加弁３４の最高温度が閾値Ｔｃを超えないように算出される。短縮期間ｔｓは、最高温度Ｔｍ及び閾値Ｔｃの差分に応じて規定されたマップ又は算出式により算出される。尚、短縮期間ｔｓは、予め設定されているリッチ期間を超えないように算出される。ステップＳ９の処理は、ステップＳ７の判定結果が肯定判定の場合、ステップＳ７の判定結果が否定判定の場合よりも、リッチ期間を短縮する期間制御部が実行する処理の一例である。

次に、算出された短縮期間ｔｓに基づいて、リッチ期間が短縮される（ステップＳ１１）。具体的には、予め設定されたリッチ期間から算出された短縮期間ｔｓだけ短縮される。尚、ステップＳ３又はＳ７で否定判定の場合には、ステップＳ９及びＳ１１の処理は実行されずに、後述するステップＳ１３の処理が実行される。即ち、ステップＳ７で否定判定の場合には、リッチ期間の短縮は実行されない。

次に、リッチ期間中であるか否かが判定される（ステップＳ１３）。否定判定の場合には、燃料添加弁３４の冷却添加が許可される（ステップＳ１５）。即ち、リーン期間であれば燃料添加弁３４の冷却添加が許容される。肯定判定の場合、即ち、リッチ期間中では、燃料添加弁３４の冷却添加は禁止される（ステップＳ１７）。尚、冷却添加が禁止されると、冷却添加禁止フラグがＯＮに切り換えられる。冷却添加が許可されると、冷却添加禁止フラグはＯＦＦに切り換えられる。

以上のように、最高温度Ｔｍが高温の場合には、冷却添加が禁止されるリッチ期間が短縮される。これにより、燃料添加弁３４の添加弁の温度上昇が抑制される。また、リッチ期間中では、冷却添加が禁止されるため、ＮＳＲ触媒３１の再生効率の低下や、白煙の発生を抑制してＮＳＲ触媒３１をＳ再生できる。

図３は、ＥＣＵ５０が実行する制御を示したタイミングチャートの一例である。図３には、エンジン２０での空燃比、排気温度、吸入空気量、燃料添加弁３４の温度、及び冷却添加禁止フラグの状態を示している。また、図３では、本実施例での制御のタイミングチャートと共に、本実施例とは異なりリッチ期間が短縮されない比較例の場合でのタイミングチャートとを示している。尚、比較例では、リッチ期間の短縮は行われないが、リッチ期間での冷却添加制御は、本実施例と同様に禁止される。図３では、本実施例での空燃比等の変化を実線で示し、比較例での空燃比などの変化を点線で示している。

まず、比較例でのタイミングチャートについて説明する。時刻ｔ１でリーン期間からリッチ期間に切り替えられると、排気温度及び吸入空気量は低下し、冷却添加禁止フラグはＯＦＦからＯＮに切り替えられる。このため、リーン期間で許容されていた冷却添加制御は、リッチ期間で禁止されて燃料添加弁３４の温度が上昇し始め、リッチ期間が終了する時刻ｔ３前に燃料添加弁３４の温度が閾値Ｔｃを超える。また、時刻ｔ３でリッチ期間からリーン期間に切り替えられると、排気温度及び吸入空気量は上昇し、冷却添加禁止フラグはＯＮからＯＦＦに切り替えられて冷却添加制御が許可されて燃料添加弁３４の温度は低下する。時刻ｔ５で再びリーン期間からリッチ期間に切り替えられると、冷却添加禁止フラグはＯＦＦからＯＮに切り替えられて冷却添加制御が禁止され、再び燃料添加弁３４の温度がリッチ期間中に閾値Ｔｃを超える。このように、リッチ期間において、常に燃料添加弁３４の温度が高温となり、燃料添加弁３４の熱の影響を受ける可能性がある。

次に、本実施例でのタイミングチャートについて説明する。時刻ｔ１でリーン期間からリッチ期間に切り替えられると、最高温度Ｔｍが予測され、予測された最高温度Ｔｍが閾値Ｔｃより大きいと、リッチ短縮期間ｔｓが算出される。これにより、予め設定されたリッチ期間からリッチ短縮期間ｔｓだけ短縮され、燃料添加弁３４の温度が閾値Ｔｃを超える前の時刻ｔ２で、リッチ期間からリーン期間に切り換えられる。従って、時刻ｔ２で、冷却添加禁止フラグはＯＮからＯＦＦに切り換えられてリーン期間で冷却添加が許可される。このため、燃料添加弁３４の温度上昇が抑制されている。

また、本実施例では時刻ｔ２で冷却添加が許可されるため、時刻ｔ３で冷却添加が許可される比較例の場合よりも燃料添加弁３４の温度が低い時点で、冷却添加が実行される。このため、本実施例では、再びリーン期間からリッチ期間に切り替えられる時刻ｔ４での燃料添加弁３４の温度も低くなっている。従って、時刻ｔ４から時刻ｔ５でのリッチ期間中では、燃料添加弁３４の温度は閾値Ｔｃを超えずに、このリッチ期間は短縮されない。このように、リッチ期間中での燃料添加弁３４の最高温度Ｔｍが閾値Ｔｃ以下の場合には、リッチ期間は短縮されないため、ＮＳＲ触媒３１のＳ再生の実行性をも確保されている。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例では、リッチ期間での燃料添加弁３４の最高温度Ｔｍが閾値Ｔｃよりも大きい場合に、リッチ期間を短縮していたが、これに限定されない。例えば、リッチ期間での燃料添加弁３４の平均温度を推定し、平均温度が所定の閾値よりも大きい場合に、リッチ期間を短縮してもよい。

１エンジンシステム
２０エンジン（内燃機関）
３０排気通路
３１ＮＳＲ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）
３４燃料添加弁
５０ＥＣＵ（再生判定部、予測部、温度判定部、期間制御部、禁止部）

Claims

内燃機関に接続された排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
前記排気通路に設けられて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側から燃料を添加する添加弁と、
前記内燃機関での空燃比をリッチ空燃比に制御したリッチ期間とリーン空燃比に制御したリーン期間とを交互に切り替えて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生する再生処理の実行中であるか否かを判定する再生判定部と、
前記再生判定部の判定結果が肯定判定の場合に、前記リッチ期間での前記添加弁の温度を予測する予測部と、
予測された前記温度が所定の閾値を超えたか否かを判定する温度判定部と、
前記温度判定部の判定結果が肯定判定の場合、前記温度判定部の判定結果が否定判定の場合よりも、前記リッチ期間を短縮する期間制御部と、
前記リッチ期間での前記添加弁による燃料の添加を禁止する禁止部と、を備えた内燃機関の制御装置。