JP2019015239A

JP2019015239A - エンジンの制御装置

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Publication number: JP2019015239A
Application number: JP2017133599A
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Inventors: 悠也松澤; Yuya Matsuzawa
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
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Abstract

【課題】排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制する。【解決手段】制御装置は、燃料噴射量Ｑを取得するステップ（Ｓ１００）と、エンジン回転数ＮＥを取得するステップ（Ｓ１０２）と、ＮＯｘ排出量Ｅを算出するステップ（Ｓ１０４）と、積算ＮＯｘ排出量Ｌを算出するステップ（Ｓ１０６）と、出力指標Ｄを算出するステップ（Ｓ１０８）と、出力指標Ｄに基づいてエンジンの出力の使用可能範囲を設定するステップ（Ｓ１１０）と含む、制御処理を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンを制御する制御装置に関するものである。

従来、自動車や産建機に用いられるディーゼルエンジンにおいて、排ガスに含まれる環境汚染物質の濃度や排出量などが規定された排ガス規制をクリアするために、エンジンの出力をエンジンのハードウェアの構成によって定まる限界性能よりも低い性能に制限する、所謂、出力制限制御を行なうことが知られている。

たとえば、特開２０１３−５００８３号公報（特許文献１）には、排ガスの後処理装置の作動が停止する場合に、エンジンの出力を制限する技術が開示されている。

特開２０１３−５００８３号公報

ところで、エンジンの出力制限を行なう際に、あらゆる運転条件下において排ガス規制をクリアできるように、予め十分な余裕をもってエンジンの出力を一律に制限してしまうと、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうこととなり、急加速などの瞬間的な出力増加要求に対応できなくなるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができるエンジンの制御装置を提供することである。

この発明のある局面に係るエンジンの制御装置は、エンジン回転数を検出する回転検出装置と、燃料噴射量の指令値に基づいてエンジンの燃焼室内に燃料を供給する燃料供給装置と、エンジンの出力の使用可能範囲を設定し、使用可能範囲内でエンジンの出力を制御する出力制御装置とを備える。出力制御装置は、燃料供給装置による燃料の供給量の指令値と回転検出装置により検出されたエンジン回転数とから環境汚染物質の排出量を算出する。出力制御装置は、現時点よりも前の時点である第１時点から現時点までの間にエンジンが排出した環境汚染物質の排出量の積算値を算出する。出力制御装置は、第１時点から予め設定された所定時間後の時点である第２時点までの間における環境汚染物質の排出許容量を算出する。出力制御装置は、算出された積算値と、算出された排出許容量との差分を算出する。出力制御装置は、算出された差分を現時点から第２時点までの期間で除算した値を第１出力指標として算出する。出力制御装置は、環境汚染物質の排出量が算出された第１出力指標以下となるように使用可能範囲を設定する。

このようにすると、第１時点から第２時点までの環境汚染物質の排出許容量に対する第１時点から現時点までの環境汚染物質の排出量の積算値に応じてエンジンの出力の使用可能範囲が設定されるため、排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。

好ましくは、出力制御装置は、供給量の指令値とエンジン回転数と予め定められたマップとから環境汚染物質の排出量を算出する。予め定められたマップにおいては、複数の運転条件毎に排出量が設定される。運転条件は、供給量とエンジン回転数とを含む。出力制御装置は、環境汚染物質の排出量が第１出力指標以下となるように使用可能な運転条件の範囲を設定する。

このようにすると、第１時点から第２時点までエンジンを稼働させた場合の環境汚染物質の排出量の積算値が排出許容量以下となるように、第１時点から現時点までの環境汚染物質の排出量の積算値に応じて、現時点から先のエンジンの使用可能な運転条件の範囲が設定されるため、排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。

さらに好ましくは、出力制御装置は、第１出力指標が大きい場合には、第１出力指標が小さい場合よりも供給量およびエンジン回転数のうちの少なくともいずれかの制御上限値を増加させる。

このようにすると、第１出力指標に応じて供給量またはエンジン回転数の制御上限値が設定されるため、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。

さらに好ましくは、環境汚染物質は、粒子状物質および窒素酸化物のうちの少なくともいずれかを含む。

このようにすると、粒子状物質または窒素酸化物の規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。

さらに好ましくは、出力制御装置は、現時点よりも前の時点であって、第１時点よりも後の時点である第３時点から現時点までの間の積算値と、第３時点から所定時間先の時点である第４時点までの間における排出許容量との差分を、現時点から第４時点までの期間で除算した値を第２出力指標として算出する。出力制御装置は、第１出力指標と第２出力指標とのうちのいずれか小さい方の値に基づいて使用可能範囲を設定する。

このようにすると、第１時点から第２時点までの期間および第３時点から第４時点までの期間のいずれの期間においても排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。

この発明によると、排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができるエンジンの制御装置を提供することができる。

本実施の形態におけるエンジンの概略構成を示す図である。制御装置で実行される制御処理を示すフローチャートである。燃料噴射量とエンジン回転数とＮＯｘ排出量との関係を示す表形式のマップの一例を示す図である。燃料噴射量の変化とエンジン回転数の変化とを示すタイミングチャートである。積算ＮＯｘ排出量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。出力指標の算出処理を説明するための図である。エンジントルクの上限の変化を説明するための図である。変形例に係る制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態におけるエンジン１の概略構成を示す図である。本実施の形態において、エンジン１は、たとえば、コモンレール式のディーゼルエンジンを一例として説明する。しかしながら、エンジン１としては、その他の形式のエンジン（たとえば、ガソリンエンジン等）であってもよい。

エンジン１は、エンジン本体１０と、エアクリーナ２０と、インタークーラ２６と、吸気マニホールド２８と、過給機３０と、排気マニホールド５０と、排気処理装置５６と、第１排気再循環装置（以下、第１ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置と記載する）６０と、第２排気再循環装置（以下、第２ＥＧＲ装置と記載する）７０と、制御装置２００と、エンジン回転数センサ２０６とを備える。

エンジン本体１０は、複数の気筒１２と、コモンレール１４と、複数のインジェクタ１６とを含む。本実施の形態においては、エンジン１は、直列４気筒エンジンを一例として説明するが、その他の気筒レイアウト（たとえば、Ｖ型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。

複数のインジェクタ１６は、複数の気筒１２の各々に設けられ、その各々がコモンレール１４に接続されている燃料噴射装置である。燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料は、サプライポンプ（図示せず）によって所定圧まで加圧されてコモンレール１４へ供給される。コモンレール１４に供給された燃料は複数のインジェクタ１６の各々から所定のタイミングで噴射される。複数のインジェクタ１６は、制御装置２００からの制御信号に基づいて動作する。

エアクリーナ２０は、エンジン１の外部から吸入される空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、第１吸気管２２の一方端が接続される。

第１吸気管２２の他方端は、過給機３０のコンプレッサ３２の入口に接続される。コンプレッサ３２の出口には、第２吸気管２４の一方端が接続される。コンプレッサ３２は、第１吸気管２２から流通する空気を過給して第２吸気管２４に供給する。コンプレッサ３２の詳細な動作については後述する。

第２吸気管２４の他方端には、インタークーラ２６の一方端が接続される。インタークーラ２６は、第２吸気管２４を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。

インタークーラ２６の他方端には、第３吸気管２７の一方端が接続される。第３吸気管２７の他方端には、吸気マニホールド２８が接続される。吸気マニホールド２８は、エンジン本体１０の複数の気筒１２の各々の吸気ポートに連結される。なお、吸気マニホールド２８の上流には、たとえば、排気マニホールド５０から第１ＥＧＲ装置６０を経由して還流する排ガス（以下、吸気通路に還流される排ガスをＥＧＲガスとも記載する）を吸気マニホールドに流通させるための吸気絞り弁が設けられていてもよい。

排気マニホールド５０は、エンジン本体１０の複数の気筒１２の各々の排気ポートに連結される。排気マニホールド５０には、第１排気管５２の一方端が接続される。第１排気管５２の他方端は、過給機３０のタービン３６に接続される。そのため、各気筒の排気ポートから排出される排ガスは、排気マニホールド５０に集められた後、第１排気管５２を経由してタービン３６に供給される。

タービン３６には、第２排気管５４の一方端が接続される。第２排気管５４の他方端は、排気処理装置５６の入口部分に接続される。排気処理装置５６は、たとえば、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）および炭素酸化物（ＣＯｘ）などを酸化する酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）や、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter））を捕集するＰＭ除去フィルタ（いずれも図示せず）などを含む。

排気処理装置５６の出口部分には、第３排気管５８の一方端が接続される。第３排気管５８の他方端には、触媒などの排ガスから特定の成分を除去する追加の排気処理装置やマフラー等が接続される。そのため、タービン３６から排出された排ガスは、第２排気管５４、排気処理装置５６、第３排気管５８、各種触媒およびマフラー等を経由して車外に排出される。

第３吸気管２７と排気マニホールド５０とは、エンジン本体１０を経由せずに第１ＥＧＲ装置６０によって接続される。第１ＥＧＲ装置６０は、第１ＥＧＲバルブ６２と、第１ＥＧＲクーラ６４と、第１ＥＧＲ通路６６とを含む。第１ＥＧＲ通路６６は、第３吸気管２７と排気マニホールド５０とを接続する。第１ＥＧＲバルブ６２と、第１ＥＧＲクーラ６４とは、第１ＥＧＲ通路６６の途中に設けられる。

第１ＥＧＲバルブ６２は、制御装置２００からの制御信号に応じて、第１ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスの流量を調整する。第１ＥＧＲクーラ６４は、たとえば、第１ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスを冷却する水冷式あるいは空冷式の熱交換器である。排気マニホールド５０内の排気が第１ＥＧＲ装置６０を経由してＥＧＲガスとして吸気側に戻されることによって気筒内の燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される。

第１吸気管２２と第３排気管５８とは、エンジン本体１０を経由せずに第２ＥＧＲ装置７０によって接続される。第２ＥＧＲ装置７０は、第２ＥＧＲバルブ７２と、第２ＥＧＲクーラ７４と、第２ＥＧＲ通路７６とを含む。第２ＥＧＲ通路７６は、第１吸気管２２と第３排気管５８とを接続する。第２ＥＧＲバルブ７２と、第２ＥＧＲクーラ７４とは、第２ＥＧＲ通路７６の途中に設けられる。

第２ＥＧＲバルブ７２は、制御装置２００からの制御信号に応じて、第２ＥＧＲ通路７６を流通するＥＧＲガスの流量を調整する。第２ＥＧＲクーラ７４は、たとえば、第２ＥＧＲ通路７６を流通するＥＧＲガスを冷却する水冷式または空冷式の熱交換器である。第３排気管５８内の排気が第２ＥＧＲ装置７０を経由してＥＧＲガスとして吸気側に戻されることによって気筒内の燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される。

過給機３０は、コンプレッサ３２と、タービン３６とを含む。コンプレッサ３２のハウジング内にはコンプレッサホイール３４が収納され、タービン３６のハウジング内にはタービンホイール３８が収納される。コンプレッサホイール３４とタービンホイール３８とは、連結軸４２によって連結され、一体的に回転する。そのため、コンプレッサホイール３４は、タービンホイール３８に供給される排気の排気エネルギーによって回転駆動される。

エンジン１の動作は、制御装置２００によって制御される。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むメモリと、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、上述したセンサ類（たとえば、エンジン回転数センサ２０６）接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、複数のインジェクタ１６、第１ＥＧＲバルブ６２および第２ＥＧＲバルブ７２等）が接続される。

制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。また、制御装置２００には、時間の計測を行うためのタイマー回路（図示せず）が内蔵されている。

エンジン回転数センサ２０６は、エンジン１のクランクシャフトの回転数をエンジン回転数ＮＥとして検出する。エンジン回転数センサ２０６は、検出したエンジン回転数ＮＥを示す信号を制御装置２００に送信する。

以上のような構成を有するエンジン１においては、排ガスに含まれる環境汚染物質の濃度や排出量などが規定された排ガス規制をクリアするために、エンジン１の出力をエンジン１のハードウェア構成によって定まる限界性能よりも低い性能に制限する、所謂、出力制限制御を行なうことが知られている。排ガス規制は、所定走行距離当たりあるいは所定稼働時間当たりの環境汚染物質の排出量の許容量などとして各国で規定されている。

ところで、エンジン１の出力制限を行なう際に、あらゆる運転条件下において排ガス規制をクリアできるように、予め十分な余裕をもってエンジン１の出力を一律に制限してしまうと、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうこととなり、急加速などの瞬間的な出力増加要求に対応できなくなるという問題がある。

そこで、本実施の形態においては、制御装置２００は、以下のように動作するものとする。すなわち、制御装置２００は、インジェクタ１６による燃料の供給量（以下、燃料噴射量と記載する）の指令値とエンジン回転数センサ２０６により検出されたエンジン回転数とから環境汚染物質の排出量を算出する。制御装置２００は、現時点よりも前の時点である第１時点から現時点までの間にエンジン１が排出した環境汚染物質の排出量の積算値を算出する。制御装置２００は、第１時点から予め設定された所定時間後の時点である第２時点までの間における環境汚染物質の排出許容量を算出する。制御装置２００は、算出された積算値と、算出された排出許容量との差分を算出する。制御装置２００は、算出された差分を現時点から第２時点までの期間で除算した値を出力指標として算出する。制御装置２００は、環境汚染物質の排出量が算出された出力指標以下となるように現時点から先のエンジンの出力の使用可能範囲を設定する。

このようにすると、排ガス規制をクリアしつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。以下の説明においては、排出量の算出対象となる環境汚染物質として、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一例として説明する。

以下に、図２を参照して、本実施の形態における制御装置２００で実行される制御処理について説明する。図２は、制御装置２００で実行される制御処理を示すフローチャートである。制御装置２００は、たとえば、図２のフローチャートに示される制御処理を予め定められた時間Ａが経過する毎に実行する。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置２００は、燃料噴射量Ｑを取得する。制御装置２００は、たとえば、燃料噴射量の指令値（噴射時間）に基づいて燃料噴射量Ｑを取得する。

Ｓ１０２にて、制御装置２００は、エンジン回転数ＮＥを取得する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数センサ２０６の検出結果に基づいてエンジン回転数ＮＥを取得する。

Ｓ１０４にて、制御装置２００は、ＮＯｘ排出量Ｅを算出する。制御装置２００は、取得した燃料噴射量Ｑとエンジン回転数ＮＥと予め定められたマップとからＮＯｘ排出量Ｅを算出する。予め定められたマップにおいては、複数の運転条件毎にＮＯｘ排出量が設定される。運転条件は、たとえば、燃料噴射量とエンジン回転数とを含む。

図３は、燃料噴射量とエンジン回転数とＮＯｘ排出量との関係を示す表形式のマップの一例を示す図である。図３に示すように、エンジン回転数ＮＥ１、ＮＥ２、および、ＮＥ３と、燃料噴射量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、および、Ｑ４との各組み合わせに対応するＮＯｘ排出量Ｅが予め設定される。たとえば、各組み合わせに対応するＮＯｘ排出量Ｅは、実験等によって適合される。

エンジン回転数ＮＥ１、ＮＥ２、および、ＮＥ３の間には、たとえば、ＮＥ１＜ＮＥ２＜ＮＥ３の大小関係が成立しており、同様に、燃料噴射量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、およびＱ４の間には、たとえば、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３＜Ｑ４の大小関係が成立しているものとする。図３において、ＮＥ１〜ＮＥ３およびＱ１〜Ｑ４の各組み合わせに対応する数値１〜６は、ＮＯｘ排出量Ｅを示す。図３における数値１〜６は、高回転かつ高噴射量の運転条件になるほどＮＯｘ排出量Ｅが相対的に増加する傾向を示すものであって、数値自体は一例として示されている。

制御装置２００は、取得したエンジン回転数ＮＥがたとえば、ＮＥ１とＮＥ２との間の中間値となる場合や、取得した燃料噴射量ＱがＱ１とＱ２との間の中間値となる場合などにおいては、線形補間等を用いてＮＯｘ排出量Ｅを算出する。

図２に戻って、Ｓ１０４にて、制御装置２００は、積算ＮＯｘ排出量Ｌを算出する。積算ＮＯｘ排出量Ｌは、現時点よりも前の時点である第１時点から現時点までのＮＯｘ排出量Ｅの積算値である。制御装置２００は、予め定められた時間Ｔが経過する毎に積算ＮＯｘ排出量Ｌの値を初期値（ゼロ）にリセットし、リセットした時点を第１時点とする。制御装置２００は、第１時点から予め定められた時間Ｔが経過するまでの間、前回値（初期値ゼロ）にＳ１０２にて算出されたＮＯｘ排出量Ｅを加算することによって積算ＮＯｘ排出量Ｌを算出する処理を繰り返す。

Ｓ１０８にて、制御装置２００は、出力指標Ｄを算出する。制御装置２００は、積算ＮＯｘ排出量Ｌの許容量Ｌｍａｘから現時点における積算ＮＯｘ排出量Ｌを減算した値を現時点から第２時点までの期間で除算することによって出力指標（傾き）Ｄを算出する。第２時点は、第１時点から予め定められた時間Ｔが経過した時点である。

Ｓ１１０にて、制御装置２００は、算出された出力指標Ｄに基づいてエンジン１の出力の使用可能範囲を設定する。すなわち、制御装置２００は、ＮＯｘ排出量Ｅが算出された出力指標Ｄ以下となるようにエンジン１の出力の使用可能範囲を設定する。本実施の形態においては、制御装置２００は、ＮＯｘ排出量Ｅが算出された出力指標Ｄ以下となるように使用可能な運転条件の範囲を設定する。運転条件は、燃料噴射量とエンジン回転数とを含む。

制御装置２００は、たとえば、所定時間当たりのＮＯｘ排出量Ｅが、出力指標Ｄに基づいて算出される所定時間当たりのＮＯｘ排出量以下となるように使用可能な運転条件の範囲を設定する。

たとえば、ＮＯｘ排出量Ｅの積算値が出力指標Ｄで示される傾きで変化する場合を想定した運転条件が予め実験等によって設定される。制御装置２００は、出力指標Ｄに対応する当該運転条件を使用可能な運転条件の範囲の上限（制御上限値）として設定する。

また、制御装置２００は、出力指標の大小に応じてこの制御上限値を変更する。制御装置２００は、たとえば、出力指標Ｄがしきい値よりも大きい場合には、出力指標Ｄがしきい値よりも小さい場合よりも燃料噴射量とエンジン回転数とのうちの少なくともいずれかの制御上限値を上昇させる。

本実施の形態においては、制御装置２００は、たとえば、出力指標Ｄがしきい値よりも大きい場合には、出力指標Ｄがしきい値よりも小さい場合よりも燃料噴射量の制御上限値を上昇させることによってエンジン１が発生するトルクの上限を上昇させる。

以上のような構造およびフローチャートに基づく制御装置２００の動作について図４〜図６を用いて説明する。

図４は、燃料噴射量の変化とエンジン回転数の変化とを示すタイミングチャートである。図４の上段のグラフは、燃料噴射量の変化を示すタイミングチャートである。図４の上段のグラフの縦軸は、燃料噴射量Ｑを示し、図４の上段のグラフの横軸は、時間を示す。図４の下段のグラフは、エンジン回転数ＮＥの変化を示すタイミングチャートである。図４の下段のグラフの縦軸は、エンジン回転数ＮＥを示し、図４の下段のグラフの横軸は、時間を示す。図４における時間ゼロの時点が第１時点を示し、時間Ｔ（ｎ）が現時点を示す。

制御装置２００は、エンジン１の動作中においては、燃料噴射量Ｑを取得し（Ｓ１００）、エンジン回転数ＮＥを取得する（Ｓ１０２）。たとえば、図４に示すように、制御装置２００は、現時点における燃料噴射量Ｑ（ｎ）を取得し、エンジン回転数ＮＥ（ｎ）を取得する。

制御装置２００は、取得された燃料噴射量Ｑ（ｎ）と、エンジン回転数ＮＥ（ｎ）と、図３に示すマップとを用いてＮＯｘ排出量Ｅ（ｎ）を算出する（Ｓ１０４）。制御装置２００は、算出されたＮＯｘ排出量Ｅ（ｎ）を積算ＮＯｘ排出量Ｌの前回値Ｌ（ｎ−１）に加算することによって積算ＮＯｘ排出量Ｌの今回値Ｌ（ｎ）を算出する（Ｓ１０６）。

今回値Ｌ（ｎ）の具体的な算出処理について図５を用いて説明する。図５は、エンジン１の動作中における積算ＮＯｘ排出量Ｌの時間変化の一例を示すタイミングチャートである。図５の縦軸は、積算ＮＯｘ排出量Ｌを示す。図５の横軸は、時間を示す。時間Ｔ（ｎ）が現時点を示し、時間ゼロの時点が第１時点を示す。時間Ｔの時点が第１時点から予め定められた時間Ｔ後の時点である第２時点を示す。

たとえば、第１時点（時間ゼロ）から現時点（時間Ｔ（ｎ））までの間において、燃料噴射量Ｑとエンジン回転数ＮＥとが図４に示すように変化した場合には、図５の実線に示すように、積算ＮＯｘ排出量Ｌは、予め定められた時間Ａが経過する毎に算出されるＮＯｘ排出量Ｅが加算され、単調増加していく。現時点が時間Ｔ（ｎ）である場合には、制御装置２００は、取得した燃料噴射量Ｑ（ｎ）とエンジン回転数ＮＥ（ｎ）とを用いてＮＯｘ排出量Ｅ（ｎ）を算出し、算出されたＮＯｘ排出量Ｅ（ｎ）を積算ＮＯｘ排出量Ｌの前回値Ｌ（ｎ−１）に加算することによって積算ＮＯｘ排出量Ｌの今回値Ｌ（ｎ）を算出する。

なお、図５の太破線は、たとえば、時間ゼロの時点からエンジン１をＮＯｘ排出量が最大となる状態（最大排出状態）で動作させた場合における積算ＮＯｘ排出量Ｌの変化を示す。図５の一点鎖線は、時間Ｔ１まで最大排出状態でエンジン１を動作させた後に、エンジン１の動作状態を最低限の動作状態で維持した場合の積算ＮＯｘ排出量Ｌの変化を示す。図５の二点鎖線は、時間ゼロの時点からエンジン１の動作状態を最低限の動作状態で維持した場合の積算ＮＯｘ排出量Ｌの変化を示す。

エンジン１の動作は、最大排出状態と最低限の動作状態との間で変化するため、積算ＮＯｘ排出量Ｌは、図５の破線および一点鎖線よりも下であって、かつ、図５の二点鎖線よりも上の領域内で変化することになる。

算出された積算ＮＯｘ排出量Ｌの今回値Ｌ（ｎ）に基づいて出力指標Ｄが算出される（Ｓ１０８）。以下に、出力指標Ｄの算出処理について図６を用いて説明する。

図６は、出力指標Ｄの算出処理を説明するための図である。図６の左側のグラフは、前回の計算タイミングである時間Ｔ（ｎ−１）までの積算ＮＯｘ排出量Ｌの変化を示す。図６の右側のグラフは、今回の計算タイミングである時間Ｔ（ｎ）までの積算ＮＯｘ排出量Ｌの変化を示す。図６の左側のグラフにおいても右側のグラフにおいても、縦軸は、積算ＮＯｘ排出量Ｌを示し、横軸は、時間を示す。

図６の左側のグラフに示すように、現時点が前回の計算タイミングである時間Ｔ（ｎ−１）である場合には、上限値Ｌｍａｘと時間Ｔ（ｎ−１）における積算ＮＯｘ排出量Ｌ（ｎ−１）との差分（Ｌｍａｘ−Ｌ（ｎ−１））を時間Ｔ（ｎ−１）から時間Ｔまでの期間（Ｔ−Ｔ（ｎ−１））で除算することによって算出される傾きが出力指標Ｄ（ｎ−１）として算出される。

一方、図６の右側のグラフに示すように、現時点が時間Ｔ（ｎ−１）から予め定められた時間Ａが経過した後の時間Ｔ（ｎ）である場合には、上限値Ｌｍａｘと時間Ｔ（ｎ）における積算ＮＯｘ排出量Ｌ（ｎ）との差分（Ｌｍａｘ−Ｌ（ｎ））を時間Ｔ（ｎ）から時間Ｔまでの期間（Ｔ−Ｔ（ｎ））で除算することによって算出される傾きが出力指標Ｄ（ｎ）として算出される。

時間Ｔ（ｎ−１）から時間Ｔ（ｎ）までの期間において積算ＮＯｘ排出量Ｌの変化（傾き）が出力指標Ｄ（ｎ−１）よりも小さい場合には、時間Ｔ（ｎ−１）から時間Ｔ（ｎ）に時間が進むにつれて図６に示す太破線の傾きが出力指標Ｄ（ｎ−１）よりも大きくなる。すなわち、出力指標Ｄの値が増加することになる。

算出された出力指標Ｄに基づいてエンジン１の出力の使用可能範囲が設定される（Ｓ１１０）。以下、図７を用いてエンジン１の出力の使用可能範囲の設定処理について説明する。

図７は、エンジントルクとエンジン回転数との関係を示す図である。図７の縦軸は、エンジントルクＴｑを示し、図７の横軸は、エンジン回転数ＮＥを示す。図７の実線は、出力指標Ｄがしきい値よりも小さい場合における各エンジン回転数ＮＥに対するエンジントルクＴｑの上限を示す。図７の破線は、たとえば、出力指標Ｄがしきい値以上である場合における各エンジン回転数ＮＥに対するエンジントルクＴｑの上限を示す。

制御装置２００は、たとえば、アクセル開度等の要求出力に基づいて燃料噴射量を決定する。制御装置２００は、出力指標Ｄがしきい値よりも小さい場合には、第１の値を制御上限値として燃料噴射量を決定する。制御装置２００は、出力指標Ｄがしきい値以上の場合には、第１の値よりも大きい第２の値を制御上限値として燃料噴射量を決定する。このように出力指標Ｄとしきい値との比較結果によって燃料噴射量の制御上限値が二段階に変化するため、発生可能なエンジントルクＴｑの上限についても図７の実線と破線に示すように出力指標Ｄとしきい値との比較結果によって二段階に変化する。

たとえば、図７に示すように、出力指標Ｄの変化前後でエンジン回転数ＮＥがＮＥａで一定となる場合を想定すると、出力指標Ｄがしきい値よりも小さい場合には、第１の値が制御上限値として燃料噴射量が決定される。そのため、発生可能なエンジントルクＴｑの上限としてはＴｑ（０）となる。

一方、出力指標Ｄがしきい値以上である場合には、第２の値が制御上限値として燃料噴射量が決定される。そのため、発生可能なエンジントルクＴｑの上限としては、Ｔｑ（０）よりも大きいＴｑ（１）となる。

このとき、第１時点（時間ゼロ）から第２時点（時間Ｔ）までの予め定められた時間ＴにおけるＮＯｘ排出量の積算値Ｌは上限値Ｌｍａｘを超えないようにエンジン１の出力が制御されるため、ＮＯｘ排出量の規制値を満たすことが可能となる。

以上のようにして、本実施の形態に係るエンジンの制御装置によると、ＮＯｘ排出量が出力指標Ｄ以下となるようにエンジン１の出力の使用可能範囲が設定される。したがって、排ガス規制をクリアしつつ、エンジン１の性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができるエンジンの制御装置を提供することができる。

以下、変形例について説明する。
上述の実施の形態では、環境汚染物質として、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一例として説明したが、たとえば、排ガス規制の対象となる成分であればよく、特に窒素酸化物に限定されるものではない。環境汚染物質としては、たとえば、粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）であってもよい。

さらに上述の実施の形態では、出力指標Ｄがしきい値以上であるか否かによって燃料噴射量の制御上限値を二段階に変化させるものとして説明したが、たとえば、出力指標Ｄのしきい値を複数個設定することによって燃料噴射量の制御上限値を複数段階で変化させるようにしてもよいし、出力指標Ｄに変化に対して燃料噴射量の制御上限値を線形的あるいは非線形的に変化させるようにしてもよい。

さらに上述の実施の形態では、第１時点から第２時点までの予め定められた時間Ｔにおいて第１時点から現時点までの積算ＮＯｘ排出量Ｌと、許容量との差分を現時点から第２時点までの期間で除算した値を出力指標Ｄ１として算出するものとして説明したが、加えて、現時点よりも前の時点であって、かつ、第１時点よりも後の第３時点から第２時点よりも後の第４時点までの予め定められた時間Ｔにおいて第３時点から現時点までの積算ＮＯｘ排出量Ｌと、許容量との差分を現時点から第４時点までの期間で除算した値を出力指標Ｄ２として算出してもよい。この場合、現時点において複数個の出力指標Ｄ１，Ｄ２が算出されることになるため、制御装置２００は、複数の出力指標Ｄ１，Ｄ２のうちの最も小さい値に基づいてエンジン１の出力の使用可能範囲を設定してもよい。なお、出力指標Ｄ１が「第１出力指標」に対応し、出力指標Ｄ２が「第２出力指標」に対応する。

図８は、変形例に係る制御装置２００の動作を説明するためのタイミングチャートである。図８の縦軸は、積算ＮＯｘ排出量Ｌを示し、図８の横軸は、時間を示す。

現時点が時間Ｔ（ｎ）である場合を想定する。出力指標Ｄ１は、第１時点である時間ゼロの時点から予め定められた時間Ｔが経過した第２時点である時間Ｔまでの期間を基準として算出された出力指標である。具体的には、出力指標Ｄ１は、許容量Ｌｍａｘ−積算ＮＯｘ排出量Ｌ（ｎ）をＴ−Ｔ（ｎ）で除算して算出される。

出力指標Ｄ２は、第３時点である時間Ｓの時点から予め定められ時間Ｔが経過した第４時点である時間Ｔ＋Ｓまでの期間を基準として算出された出力指標である。具体的には、出力指標Ｄ２は、許容量Ｌｍａｘ’−Ｌ（ｎ）をＴ＋Ｓ−Ｔ（ｎ）で除算して算出される。なお、ＬＳは、時間Ｓにおける積算ＮＯｘ排出量Ｌである。許容量Ｌｍａｘ’は、時間Ｓにおける積算ＮＯｘ排出量ＬＳからの積算ＮＯｘ排出量Ｌの許容量であって、ＬｍａｘにＬｓを加算した値である。

このように現時点（時間Ｔ（ｎ））において異なる期間を基準とした２つの出力指標Ｄ１および出力指標Ｄ２が算出される場合には、いずれか小さい方の出力指標Ｄ２に基づいてエンジン１の出力の使用可能範囲が設定される。このようにすると、第１時点から第２時点までの期間および第３時点から第４時点までの期間のいずれの期間おいても積算ＮＯｘ排出量が許容量Ｌｍａｘを超えることを抑制しつつ、エンジンの性能が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。

なお、上記した変形例は、その全部または一部を組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１エンジン、１０エンジン本体、１２気筒、１４コモンレール、１６インジェクタ、２０エアクリーナ、２２，２４，２７吸気管、２６インタークーラ、２８吸気マニホールド、３０過給機、３２コンプレッサ、３４コンプレッサホイール、３６タービン、３８タービンホイール、４２連結軸、５０排気マニホールド、５２，５４，５８排気管、５６排気処理装置、６０，７０ＥＧＲ装置、６２，７２ＥＧＲバルブ、６４，７４ＥＧＲクーラ、６６，７６ＥＧＲ通路、２００制御装置、２０６エンジン回転数センサ。

Claims

エンジンの制御装置であって、
エンジン回転数を検出する回転検出装置と、
燃料噴射量の指令値に基づいて前記エンジンの燃焼室内に燃料を供給する燃料供給装置と、
前記エンジンの出力の使用可能範囲を設定し、前記使用可能範囲内で前記エンジンの出力を制御する出力制御装置とを備え、
前記出力制御装置は、
前記燃料供給装置による燃料の供給量の指令値と前記回転検出装置により検出された前記エンジン回転数とから環境汚染物質の排出量を算出し、
現時点よりも前の時点である第１時点から現時点までの間に前記エンジンが排出した前記環境汚染物質の排出量の積算値を算出し、
前記第１時点から予め設定された所定時間後の時点である第２時点までの間における前記環境汚染物質の排出許容量を算出し、
算出された前記積算値と、算出された前記排出許容量との差分を算出し、
算出された前記差分を前記現時点から前記第２時点までの期間で除算した値を第１出力指標として算出し、
前記環境汚染物質の排出量が算出された前記第１出力指標以下となるように前記使用可能範囲を設定する、エンジンの制御装置。
前記出力制御装置は、前記供給量の指令値と前記エンジン回転数と予め定められたマップとから前記環境汚染物質の排出量を算出し、
前記予め定められたマップにおいては、複数の運転条件毎に前記排出量が設定され、
前記運転条件は、前記供給量と前記エンジン回転数とを含み、
前記出力制御装置は、前記環境汚染物質の排出量が前記第１出力指標以下となるように使用可能な前記運転条件の範囲を設定する、請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記出力制御装置は、前記第１出力指標が大きい場合には、前記第１出力指標が小さい場合よりも前記供給量および前記エンジン回転数のうちの少なくともいずれかの制御上限値を増加させる、請求項２に記載のエンジンの制御装置。
前記環境汚染物質は、粒子状物質および窒素酸化物のうちの少なくともいずれかを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
前記出力制御装置は、前記現時点よりも前の時点であって、前記第１時点よりも後の時点である第３時点から前記現時点までの間の前記積算値と、前記第３時点から前記所定時間先の時点である第４時点までの間における前記排出許容量との差分を、前記現時点から前記第４時点までの期間で除算した値を第２出力指標として算出し、前記第１出力指標と前記第２出力指標とのうちのいずれか小さい方の値に基づいて前記使用可能範囲を設定する、請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンの制御装置。