JP2023133746A - 内燃機関の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態に応じて、最適な燃料噴射を実行できる内燃機関の制御システムを提供する。
【解決手段】第１燃料と第２燃料とが使用可能な内燃機関の制御システムであって、粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの上流に配置され、前記粒子状物質の堆積状態を検知する検知部と、前記第１燃料によって堆積される前記粒子状物質の堆積量である第１堆積量と、前記第２燃料によって堆積される前記粒子状物質の堆積量である第２堆積量と、前記検知部によって検知した前記粒子状物質の第３堆積量と、に基づいて、前記第１燃料と前記第２燃料の混合割合を判定する判定制御を実行する、制御装置と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本開示は、内燃機関の制御システムに関する。

従来、排気浄化装置に取り付けられるフィルタに堆積した粒子状物質を検知するＰＭセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、ＰＭセンサを用いて燃料性状を判定する内燃機関の制御システムを開示している。

特開２０１６－１０９５１２号公報

近年、二酸化炭素削減のために、バイオ燃料が開発されている。バイオ燃料は、石油由来の燃料と混合されて使用される場合も多い。したがって、内燃機関の制御システムは、粒子状物質の堆積状態に基づいて、このような２種類の燃料の混合割合を判定できることが好ましい。

本開示の課題は、粒子状物質の堆積状態に基づいて、混合燃料の混合割合を判定可能な内燃機関の制御システムを提供することである。

本開示に係る内燃機関の制御システムは、第１燃料と第２燃料とを混合した燃焼が使用可能な内燃機関の制御システムである。内燃機関の制御システムは、粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの上流に配置され、前記粒子状物質の堆積状態を検知する検知部と、前記第１燃料によって堆積される前記粒子状物質の堆積量を予め設定した第１堆積量と、前記第２燃料によって堆積される前記粒子状物質の堆積量を予め設定した第２堆積量と、前記検知部によって検知した前記粒子状物質の第３堆積量と、に基づいて、前記第１燃料と前記第２燃料の混合割合を判定する判定制御を実行する、制御装置と、を備える。

この内燃機関の制御システムによれば、第１堆積量と、第２堆積量と、検知部によって検知した第３堆積量と、に基づいて、第１燃料と第２燃料との混合割合を判定できる。

本開示によれば、粒子状物質の堆積状態に基づいて、混合燃料の混合割合を判定可能な内燃機関の制御システムを提供できる。

本開示の実施形態による内燃機関の制御システムのシステム図。 本開示の実施形態による制御装置が判定する混合割合を示す図。 本開示の実施形態による制御装置の制御手順を示すフローチャート。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下明細書において吸気、または排気の流れる方向に対して上流側を上流と明細書に記し、下流側を下流と明細書に記す。

図１に示すように、内燃機関２の制御システム１は、フィルタ４と、ＰＭセンサ（検知部の一例）６と、排気循環装置８と、燃料タンク１０と、給油リッド１２と、過給機１４と、インタークーラ１６と、スロットル弁１８と、制御装置２０と、を備える。本実施形態の内燃機関２は、燃料タンク１０にバイオ燃料（第１燃料の一例）と、軽油（第２燃料の一例）と、を混合した燃料を使用可能なディーゼルエンジンである。内燃機関２は、吸気通路２ａから吸気を気筒２ｂに送り、燃料噴射弁２ｃから噴射した燃料と吸気とを混合する。内燃機関２は、ピストン２ｄで混合気を圧縮し、自着火する。本実施形態の内燃機関２は、車両（例えば、自動車）に搭載される。

本実施形態では、内燃機関２は、気筒２ｂから排出された排気が過給機１４のタービン１４ａを回転させる。タービン１４ａは、同軸上に配置されたコンプレッサ１４ｂを回転させ、吸気を過給する。過給した吸気は、インタークーラ１６によって冷却される。しかし、過給機１４は必ずしも必要ではない。

フィルタ４は、排気を浄化する排気浄化装置３に配置される。フィルタ４は、排気中に含まれる粒子状物質を捕集する。本実施形態では、フィルタ４は、ディーゼルエンジンの粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパーティキュレータフィルタである。フィルタ４の上流には、酸化触媒４ａが配置される。酸化触媒４ａは、燃料噴射弁２ｃから噴射された燃料を燃焼反応させ、排気温度を上昇させる。これによって、フィルタ４に流入する排気が高温になる。高温になった排気は、フィルタ４に捕集された粒子状物質を燃焼させ、フィルタ４を再生する。排気浄化装置３は、フィルタ４の下流に配置される、図示しないＮＯｘトラップ、または尿素選択還元触媒などを有してもよい。

ＰＭセンサ６は、フィルタ４の上流に配置され、粒子状物質の堆積状態を検知する。ＰＭセンサ６は、粒子状物質が堆積すると電流値が変化するセンサである。具体的には、粒子状物質が堆積すると電流が流れやすくなり、電流値が増加する。ＰＭセンサ６は、ヒータ６ａを有する。ヒータ６ａは、ＰＭセンサ６に堆積した粒子状物質を焼き除去する。ＰＭセンサ６のその他の構成は、既存のＰＭセンサと同様であればよく、より詳細な説明は省略する。本実施形態では、ＰＭセンサ６は、酸化触媒４ａとフィルタ４との間に配置される。これによって、ＰＭセンサ６に燃料の燃え残り等が付着することを抑制できる。しかし、ＰＭセンサ６は、酸化触媒４ａよりも上流側に配置されてもよい。ＰＭセンサ６は、制御装置２０と電気的に接続され、電流値を制御装置２０に送信する。また、ヒータ６ａの作動は、制御装置２０によって制御される。

排気循環装置８は、内燃機関２に排気循環ガスを導入する装置である。より具体的には、排気循環装置８は、気筒２ｂから排出された排気を吸気通路２ａに循環する装置である。排気循環装置８は、排気循環通路８ａと、排気循環弁８ｂと、を有する。排気循環通路８ａは、排気通路４ｂと吸気通路２ａとを接続する。排気循環弁８ｂは、排気循環通路８ａ上に設けられ、排気循環通路８ａを開閉することによって、排気から循環された排気循環ガスを吸気通路２ａに導入する。排気循環弁８ｂは、制御装置２０と電気的に接続され、制御装置２０によって制御される。制御装置２０は、排気循環弁８ｂを制御し、排気循環ガスの吸気への導入量を制御する。本実施形態では、制御装置２０は、スロットル弁１８を制御し、スロットル弁１８を閉じることによって吸気通路２ａに負圧を発生させる。制御装置２０は、これによっても排気循環ガスの導入量を制御できる。

燃料タンク１０は、バイオ燃料と軽油とを貯蔵し、燃料噴射弁２ｃに供給するための装置である。本実施形態では、燃料タンク１０は、給油口１０ａを開閉する給油リッド１２と、燃料レベルセンサ１０ｂと、を有する。給油リッド１２は、制御装置２０と電気的に接続され、給油リッド１２の開閉状態を制御装置２０に送信する。燃料レベルセンサ１０ｂは、制御装置２０と電気的に接続され、燃料タンク１０の燃料の残存量（燃料レベル）を制御装置２０に送信する。

制御装置２０は、バイオ燃料によって堆積される粒子状物質の堆積量を予め設定した第１堆積量と、軽油によって堆積される粒子状物質の堆積量を予め設定した第２堆積量と、ＰＭセンサ６によって検知した粒子状物質の第３堆積量と、に基づいて、バイオ燃料と軽油の混合割合（混合率）を判定する判定制御を実行する。

より具体的には、図２に示すように、制御装置２０は、内燃機関２にバイオ燃料のみを使用した場合における、所定時間中の粒子状物質の堆積量である第１堆積量の変化（図２の一点鎖線参照）を記憶している。制御装置２０は、内燃機関２に軽油のみを使用した場合における、所定時間中の粒子状物質の堆積量である第２堆積量の変化（図２の破線参照）も記憶している。所定時間は、第１堆積量の変化および第２堆積量の変化を実験によって計測した時間であってもよい。制御装置２０は、第１堆積量と、第２堆積量と、ＰＭセンサ６から取得した第３堆積量（図２の実線参照）と、を比較し、バイオ燃料と軽油の混合割合を判定する。

本実施形態では制御装置２０は、第１堆積量と第２堆積量とに基づいて、バイオ燃料と軽油の混合割合に応じた推定堆積量（図２の二点鎖線参照）を演算している。制御装置２０は、ＰＭセンサ６の電流値から、実際に排気中に流れる粒子状物質の堆積量に相当する第３堆積量を取得する。制御装置２０は、取得した第３堆積量と推定堆積量を比較することによって、推定した混合割合に対して、実際の混合割合が高いか低いかを判定する。制御装置２０は、推定した混合割合に対して第３堆積量が多い場合、軽油の割合を推定した割合よりも高く補正する。一方、制御装置２０は、推定した混合割合に対して第３堆積量が少ない場合、バイオ燃料の割合を推定した割合よりも高く補正する。これによって、制御装置２０は、混合割合を判定できる。なお、ＰＭセンサ６は、粒子状物質がＰＭセンサ６のセンサ素子に堆積するまでの一定期間は、不感帯を有する。制御装置２０は、この間も、推定堆積量を演算している。

制御装置２０は、排気循環ガスの導入割合を決定し、排気循環ガスの導入量が、エアクリーナ３２に取り付けられたエアフロセンサ２２によって検知した吸気量に対して決定した導入割合となるように、排気循環弁８ｂの開度を制御する。制御装置２０は、内燃機関２の運転領域ごとに排気循環ガスの導入割合を定めたマップに基づいて、排気循環ガスの導入割合を決定してもよい。

このほか、制御装置２０は、エアフロセンサ２２、およびアクセルポジションセンサ３０ａなどのセンサから取得した値に基づいて、内燃機関２が所望の運転状態となるように、燃料噴射弁２ｃ、排気循環弁８ｂ、および過給機１４の過給圧、などの各装置の制御を実行してもよい。制御装置２０は、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータによって構成されるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒоｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置２０は、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、内燃機関２が、所望の運転状態となるように各装置を制御する。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。

次に、図３のフローチャートを用いて、制御装置２０が実行する制御手順について説明する。なお、制御装置２０は、図示しないイグニッションスイッチがオンされると制御動作を開始する。

ステップＳ１において、制御装置２０は、給油がされたか否か判断する。本実施形態では、制御装置２０は、給油リッド１２の開閉状態を検知し、給油リッド１２が開いた場合に、給油が開始されたと判断する。その他、制御装置２０は、燃料レベルが上昇したと判断した場合に給油がされたと判断してもよい。制御装置２０は、給油がされたと判断するとステップＳ２に処理を進める。

ステップＳ２では、制御装置２０は、ヒータ６ａを作動させ、ＰＭセンサ６に堆積した粒子状物質を除去するとともに、第３堆積量をリセットするセンサリセットを実行する。これによって、バイオ燃料と軽油の混合割合をより正確に判定できる。しかし、制御装置２０は、センサリセットを必ずしも実行しなくてもよい。具体的には、制御装置２０は、ＰＭセンサ６の第３堆積量の現在値に基づいて、センサリセットの要否を判断したのち実行してもよい。例えば、制御装置２０は、第３堆積量が所定量よりも多い場合に、センサリセットを実行してもよい。制御装置２０は、センサリセットを実行するとステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ３では、制御装置２０は、給油がされたと判断してから所定期間経過したか否か判断する。所定期間は、例えば、給油された燃料が燃料噴射弁２ｃに到達する時間に応じて設定すればよい。すなわち、所定期間は、燃料タンク１０から燃料噴射弁２ｃまでの配管に残った燃料が入れ替わるまでの時間を基準に設定される。所定期間は、例えば、燃料タンク１０から燃料噴射弁２ｃまでの容量と、単位時間あたりに燃料が輸送される量、または単位時間あたりの燃料噴射量などから演算してもよい。さらに、制御装置２０は、所定期間にＰＭセンサ６の不感帯を考慮した期間を含んでもよい。これによって、制御装置２０は、より正確に混合割合を判定できる。制御装置２０は、所定期間経過したと判断すると（ステップＳ３ ＹＥＳ）、ステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ４では、制御装置２０は、排気循環ガスが内燃機関２の吸気に所定割合以上となるように排気循環装置８を制御する排気循環制御を実行する。バイオ燃料は燃料中に酸素原子が存在するため、排気循環ガスを増量しても軽油と比べて粒子状物質が増えにくい傾向にある。このため、排気循環ガスを増量したほうが、第３堆積量中における軽油による粒子状物質の堆積量と、バイオ燃料による粒子状物質の堆積量の差が大きくなる。

所定割合は、例えば、同一の運転領域における通常状態の排気循環ガスの導入量が吸気量に対して第１導入割合（例えば、３０％）である場合、第１導入割合よりも大きい第２導入割合（例えば、４０％）としてもよい。また、別の運転点において導入割合が所定割合以上である場合、制御装置２０は、導入割合を維持してもよい。このように、制御装置２０は、排気循環ガスを増量することによって、第３堆積量中における軽油による粒子状物質の堆積量と、バイオ燃料による粒子状物質の堆積量と、の差が大きくなるように制御する。制御装置２０は、排気循環制御を実行すると、ステップＳ５に処理を進める。

ステップＳ５では、制御装置２０は、アイドル中か否か判断する。本実施形態では制御装置２０は、アクセルペダル３０が踏み込まれておらず、アクセルポジションセンサ３０ａの出力がゼロ、かつ、燃料噴射弁２ｃが燃料噴射を実行し内燃機関２の回転を維持している場合にアイドル中であると判断する。しかし、アイドル中か否かの判断は、その他の方法によって判断してもよい。

制御装置２０は、ステップＳ５において、アイドル中ではないと判断した場合（ステップＳ５ ＮＯ）、ステップＳ６に処理を進める。ステップＳ６では、制御装置２０は、定常走行中か否か判断する。定常走行中は、内燃機関２の出力変化が所定範囲内である状態の一例である。所定範囲は、例えば、出力変化がプラスマイナス５ｋW以内、またはトルクの変化がプラスマイナス５Ｎｍ以内など、内燃機関２が一定の出力で運転されている状態を示す範囲であればよい。制御装置２０は、定常走行中であるか否かを、アクセルポジションセンサ３０ａの出力の変化率に基づいて判断してもよい。具体的には、制御装置２０は、アクセルポジションセンサ３０ａの出力の変化率が所定範囲内の場合、定常走行中であると判断してもよい。また、制御装置２０は、内燃機関２の出力変化を取得し、出力変化が一定である場合に、定常走行中であると判断してもよい。

制御装置２０は、定常走行中であると判断した場合（ステップＳ６ ＹＥＳ）、ステップＳ７に処理を進め、判定制御を実行する。制御装置２０は、ステップＳ７で判定制御を実行すると、ステップＳ１に処理を進める。

ステップＳ１において、制御装置２０は、給油がされていないと判断した場合（ステップＳ１ ＮＯ）、ステップＳ４に処理を進め、前述した排気循環制御を実行する。

制御装置２０は、ステップＳ３において所定期間経過していないと判断した場合（ステップＳ３ ＮＯ）、所定期間経過するまで待つ。これによって、制御装置２０は、混合割合の誤検出を抑制できる。

制御装置２０は、ステップＳ５においてアイドル中であると判断した場合（ステップＳ６ ＮＯ）、ステップＳ８に処理を進め判定制御を禁止する。アイドル中は、粒子状物質が排出されにくい。このため、制御装置２０は、アイドル中の判定制御を禁止することによって、より正確に混合割合の判定をしやすい。制御装置２０は、判定制御を禁止すると、ステップＳ５に処理を進める。

制御装置２０は、ステップＳ６において定常走行中でないと判断した場合（ステップＳ６ ＮＯ）、ステップＳ８に処理を進め判定制御を禁止する。定常走行中以外は、粒子状物質が過剰に排出されやすい。このため、制御装置２０は、定常走行中以外の判定制御を禁止することによって、より正確に混合割合の判定をしやすい。制御装置２０は、ステップＳ６において定常走行中であると判断した場合（ステップＳ６ ＹＥＳ）、ステップＳ７に処理を進め判定制御を実施し、ステップＳ１に処理を戻す。制御装置２０は、ステップＳ１からステップＳ８までの処理を所定時間毎に繰り返し実行する。

以上説明した通り、本開示の内燃機関２の制御システム１によれば、制御装置２０は、第１堆積量と第２堆積量と、ＰＭセンサ６によって検知した第３堆積量に基づいて、バイオ燃料と軽油との混合割合を判定できる。

さらに、車両が実際に走行する場合は、加減速を繰り返す。これによって粒子状物質の堆積量は常に変化しやすい。したがって、混合割合は極力短い期間で判定できることが好ましい。例えば、短期間の定常走行中に混合割合を判定できることが好ましい。

制御装置２０は、排気循環制御を実行することによって、第３堆積量中における軽油による粒子状物質の堆積量と、バイオ燃料による粒子状物質の堆積量の差が大きくなるように制御する。これによって、混合割合を短期間で判定できるとともに、より正確にバイオ燃料と軽油の混合割合を判定しやすい。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

（ａ）上記実施形態では、フィルタ４を用いたディーゼルエンジンを例に説明したが、本開示はこれに限定されない。内燃機関２は、ガソリンエンジンであってもよい。この場合、内燃機関２は、バイオエタノール燃料（第１燃料の一例）と、ガソリン（第２燃料の一例）を使用可能な内燃機関２であってもよい。また、この場合、フィルタ４は、ガソリンパーティキュレートフィルタであってもよい。

（ｂ）上記実施形態では、内燃機関２の制御システム１を、ディーゼルエンジンを搭載する車両に適用した例を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、内燃機関２の制御システム１を、外部充電または外部給電が可能なプラグインハイブリッド車両（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）に適用してもよい。

１ ：制御システム
２ ：内燃機関
４ ：フィルタ
６ ：ＰＭセンサ
６ａ ：ヒータ
８ ：排気循環装置
１０ ：燃料タンク
２０ ：制御装置

Claims (7)

1. 第１燃料と第２燃料とを混合した燃料を使用可能な内燃機関の制御システムであって、
   粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタの上流に配置され、前記粒子状物質の堆積状態を検知する検知部と、
   前記第１燃料によって堆積される前記粒子状物質の堆積量を予め設定した第１堆積量と、前記第２燃料によって堆積される前記粒子状物質の堆積量を予め設定した第２堆積量と、前記検知部によって検知した前記粒子状物質の第３堆積量と、に基づいて、前記第１燃料と前記第２燃料の混合割合を判定する判定制御を実行する、制御装置と、
   を備える、内燃機関の制御システム。
2. 前記内燃機関に供給する燃料を貯蔵する燃料タンクをさらに備え、
   前記制御装置は、前記燃料タンクに給油されたか否かを判断し、前記燃料タンクに給油されたと判断してから所定期間経過した場合に前記判定制御を実行する、
   請求項１に記載の内燃機関の制御システム。
3. 前記内燃機関に排気循環ガスを導入する排気循環装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記所定期間経過後に前記排気循環ガスが前記内燃機関の吸気量に対して所定割合以上となるように前記排気循環装置を制御する排気循環制御を実行する、
   請求項２に記載の内燃機関の制御システム。
4. 前記制御装置は、前記排気循環制御を実行する間に、前記判定制御を実行する、
   請求項３に記載の内燃機関の制御システム。
5. 前記検知部はヒータを有し、
   前記制御装置は、前記燃料タンクに給油されたと判断した場合に前記ヒータを作動させ、前記第３堆積量をリセットする、
   請求項２から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御システム。
6. 前記内燃機関の出力変化が所定の期間において所定範囲内の場合に、前記判定制御を実行する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御システム。
7. 前記内燃機関がアイドル中は、前記判定制御を禁止する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御システム。