JP4329176B2 - ディーゼルエンジンの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路に酸素過剰雰囲気の排気中のNOxを吸収するNOx吸収材を配置して、通常の運転状態で排気中のNOxを除去できるようにしたディーゼルエンジンの制御装置及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気を浄化するための触媒としては、略理論空燃比付近で排気中のHC、CO及びNOxを同時にかつ極めて有効に浄化できる三元触媒が知られており、ガソリンエンジンにおいては、この三元触媒を用いるとともに、全負荷域等を除く大部分の運転領域において空燃比を略理論空燃比付近に制御することが一般に行われている。
【0003】
しかしながら、ディーゼルエンジンは通常のあらゆる運転領域において燃焼室の平均的空燃比がかなりリーンな状態(例えばA/F≧18)になるので、前記三元触媒を用いることはできず、しかも、燃焼室の平均的空燃比がかなりリーンな状態では、排気は酸素濃度がかなり高い雰囲気になり、そのような雰囲気でNOxを十分に還元浄化すること自体が困難である。
【0004】
この点について、排気中の酸素濃度が所定値(例えば4%)以上の酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度の減少によって、吸収しているNOxを放出するいわゆるNOx吸収材を用いる技術があるが、このNOx吸収材は、NOx吸収量が増えると吸収性能が低下するため、そうなる前に吸収しているNOxを放出させるいわゆるリフレッシュを行う必要がある。
【0005】
そこで、例えば特開平6−212961号公報に開示されるディーゼルエンジンの制御装置では、前記のリフレッシュを行うべきときに排気中に還元剤として未燃燃料(軽油)を供給し、排気中の酸素を消費させて、酸素濃度を低下させるようにしている。すなわち、このものでは、通常の燃料噴射の他に気筒の膨張行程中期から排気行程にかけて少量の燃料を噴射するようにしており、この燃料が燃焼室内の高温の既燃ガスによって活性化されて強い還元性を持つようになるので、NOx吸収材からのNOxの放出を促しかつそのNOxを十分に還元浄化することがきる。
【0006】
また、特開平7−279718号公報に開示されるディーゼルエンジンの制御装置では、エンジンの運転中にNOx吸収材をリフレッシュするときには、吸気系への排気の還流量を増大させるか又は吸気制御弁を閉じて、外部からの新しい空気(新気)の吸入量を減らすとともに、この新気の減少に伴うエンジン出力の低下分を補完するように燃料噴射量を増量させて、エンジン出力の変動を抑制しながら、燃焼室の平均的空燃比をリッチな状態に切替えるようにしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記前者の従来例(特開平6−212961号公報)では、NOx吸収材のリフレッシュのために上述の如く気筒の膨張行程中期以降で燃料を噴射しており、その燃料の多くが燃焼室から未燃状態で排出されていることから、燃費がかなり悪化する上に、未燃燃料が大気中に排出されるという環境上の問題もある。さらに、気筒の膨張行程で噴射された燃料の一部は極めて悪い状態で燃焼するので、いわゆる蒸し焼き状態になって、スモーク量の増大を招く。
【0008】
また、前記後者の従来例(特開平7−279718号公報)の場合も、NOx吸収材をリフレッシュさせるときに、上述の如くエンジンの燃焼室への新気の吸入量が減少しかつ燃料噴射量がかなり増えることから、燃料噴霧中の過濃混合気部分で燃焼が悪化し、スモーク量が急激に増大する虞れがある。
【0009】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気通路にNOx吸収材を配設したディーゼルエンジンの制御装置において、該NOx吸収材をリフレッシュするときの制御手順に工夫を凝らし、NOx吸収材を有効にリフレッシュしながら、スモークの増大の抑制を図ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、本発明の解決手段では、NOx吸収材のリフレッシュのために燃料噴射量を増量補正するときに、燃焼室への吸気充填量を増大させるとともに、排気の還流率も増大させるようにした。尚、この明細書中で「吸気」とは、外部から取り入れられる新しい空気(新気)だけでなく、前記のように還流される排気やブローバイガス等も含んで、燃焼室に吸入される気体全体のことをいう。
【0011】
具体的に、請求項1の発明では、図1に示すように、エンジン1の気筒内燃焼室4に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁5と、エンジン1の排気通路20に配設され、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気の排気中のNOxを吸収する一方、酸素濃度の低下に伴い前記吸収したNOxを放出するNOx吸収材22と、前記燃料噴射弁5による燃料の噴射状態を少なくともエンジン1の運転状態に応じて制御する燃料噴射制御手段35aと、前記NOx吸収材22からNOxを放出させるとき、排気中の酸素濃度が低下するように前記燃料噴射弁5による燃料噴射量を増量補正する噴射量補正手段35bとを備え、さらに、図示しないが、エンジン1の吸気系へ排気の一部を還流させる排気還流通路と、この排気還流通路による排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、を備えたディーゼルエンジンの制御装置Aを前提とする。
【0012】
そして、エンジン1には排気により吸気を過給するターボ過給機を備えるとともに、このターボ過給機はタービンへの排気圧力を高める排圧可変機構(充填量調節手段250)を有するものとし、前記噴射量補正手段35bによる燃料噴射量の増量補正が行われるとき、前記ターボ過給機による吸気の過給圧が高くなって、燃焼室4への吸気充填量が増大するように該ターボ過給機の排圧可変機構を作動制御する充填量制御手段35dと、前記噴射量補正手段35bによる燃料噴射量の増量補正が行われるとき、排気還流率が高くなるように前記排気還流量調節手段を作動制御する排気還流制御手段と、を設け、その上で、前記噴射量補正手段35bは、前記充填量制御手段35dによる排圧可変機構の作動制御によって燃焼室4の吸気充填量が増大され、その後、前記排気還流制御手段による排気還流量調節手段の作動制御によって、排気中の酸素濃度が略2%になるように排気還流率が高められてから、燃料噴射量を増量補正するものとする。
【0013】
前記の構成により、ディーゼルエンジン1の運転中にNOx吸収材22からNOxを放出させるときには、噴射量補正手段35bにより燃料噴射量の増量補正制御が行われ、エンジン1の燃焼室4の平均的空燃比は通常のリーン状態に比べてリッチな状態に変化して、排気中の酸素濃度が低下する。この際、前記燃焼室4への吸気充填量が増大するように、充填量制御手段35dによりターボ過給機の排圧可変機構(充填量調節手段250)が作動制御されて過給圧が高くなるとともに、排気還流率が増大するように、排気還流制御手段により排気還流量調節手段が作動制御されることで、該燃焼室4内の吸気温度及び圧力が高められて、燃料の気化霧化が促進される。
【0014】
これにより、燃料噴射量が増量補正されていても、その燃料が十分に空気と混合されて良好に燃焼するので、スモークの増大を抑制することができる。しかも、燃料噴射量の増量補正に伴うエンジン出力の変動が、排気還流率を高めることで軽減される。
【0015】
また、前記のように、まず、エンジン1の燃焼室4の吸気充填量を十分に増大させた上で、排気中の酸素濃度が略2%になるようにその還流率を高め、その後に燃料噴射量を増量するようにしているので、吸気充填量の制御の応答遅れや排気還流量の調節遅れに起因する悪影響を回避しながら、燃料噴射量を増量補正することができる。これにより、排気中の酸素濃度を狙い通りに低下させることができ、スモーク等の排気有害成分の増大を招くことなく、NOx吸収材22からのNOxの放出を十分に促進することができる。
【0016】
尚、前記NOx吸収材に関して「酸素濃度の低下に伴い吸収したNOxを放出する」というのは、排気中の酸素濃度が例えば3〜4%未満(好ましくは1〜2%未満)になった状態を指し、この状態は燃焼室の平均的空燃比が略理論空燃比付近か或いは理論空燃比よりも小さいリッチ状態のときに対応する。また、前記酸素過剰雰囲気とは、排気中の酸素濃度が所定値(例えば4%)以上で、燃焼室の平均的空燃比が前記リッチ状態よりも大きいリーン状態のときに対応する。
【0017】
請求項2の発明では、排気還流制御手段は、噴射量補正手段による燃料噴射量の増量補正の開始後に、排気還流量調節手段の作動制御によってさらに排気還流率を高めるものとする。このことで、エンジンの燃焼室の空燃比を確実に理論空燃比近傍、又はこれよりもリッチな状態にさせて、排気中の酸素濃度を十分に低下させることができ、これにより、請求項1の発明の作用効果を確実に得ることができる。
【0018】
請求項3の発明では、燃料噴射制御手段は、噴射量補正手段により燃料噴射量の増量補正が行われるとき、燃料噴射弁により燃料を、気筒の圧縮上死点近傍での主噴射と該主噴射とは別の副噴射とに分けて噴射させるものとする。このことで、燃料噴射量が全体としてかなり多くなっても、主噴射による燃料噴霧が過度にリッチな状態になることを阻止して、スモークの増大を抑制できる。
【0019】
請求項4の発明では、請求項3における副噴射は、エンジンが高負荷運転域にあれば、気筒の吸気行程ないし圧縮行程で行い、エンジンが低負荷運転域にあれば気筒の圧縮上死点後10〜25°CAで行うものとする。尚、「CA」とはクランク角度のことである。
【0020】
このようにすると、副噴射を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で行うことで、該副噴射された燃料は主噴射が行われるまでに吸気と十分に混合され、主噴射による燃料噴霧の着火により良好に燃焼するようになる。また、副噴射を気筒の圧縮上死点後10〜25°CAで行えば、副噴射による燃料噴霧は主噴射の燃焼によって温度及び圧力の極めて高い燃焼室に噴射され、速やかに気化霧化して良好に燃焼するようになる。これにより、燃焼状態の改善によってスモークの増大を抑制できる。
【0021】
次に、請求項5の発明は、エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁を設けるとともに、エンジンの排気通路に、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気の排気中のNOxを吸収する一方、酸素濃度の低下に伴い前記吸収したNOxを放出するNOx吸収材を配設し、さらに、エンジンの吸気系へ排気の一部を還流させる排気還流通路と、この排気還流通路による排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、を設けて、前記燃料噴射弁による燃料の噴射状態を少なくともエンジンの運転状態に応じて制御するとともに、前記NOx吸収材からNOxを放出させるときには、排気中の酸素濃度が低下するように前記燃料噴射弁による燃料噴射量を増量補正する、ディーゼルエンジンの制御方法を前提とする。
【0022】
そして、エンジンには排気により吸気を過給するターボ過給機を備えるとともに、このターボ過給機はタービンへの排気圧力を高める排圧可変機構を設け、前記の燃料噴射量の増量補正を行うときには、まず、前記ターボ過給機による吸気の過給圧が高くなって燃焼室への吸気充填量が増大するように、該ターボ過給機の排圧可変機構を作動制御し、その後、前記排気還流量調節手段を排気還流率が高くなるように作動制御して、排気中の酸素濃度が略2%になるように排気還流率を高めてから、燃料噴射量を増量補正する。
【0023】
この方法によれば、請求項1の発明と同じ作用効果が得られ、NOx吸収材を有効にリフレッシュしながら、スモークの増大を抑制することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
図2は本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置Aの全体構成を示し、1は車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジンである。このエンジン1は複数の気筒2,2,…(1つのみ図示する)を有し、その各気筒2内に往復動可能にピストン3が嵌挿されていて、このピストン3によって各気筒2内に燃焼室4が区画されている。また、燃焼室4の上面の略中央部には、インジェクタ(燃料噴射弁)5が先端部の噴孔を燃焼室4に臨ませて配設され、各気筒毎の所定の噴射タイミングで開閉作動されて、燃焼室4に燃料を直接噴射するようになっている。
【0025】
前記各インジェクタ5は燃料を所定の高圧状態で蓄える共通のコモンレール(蓄圧室)6に接続され、そのコモンレール6には、内部の燃圧(コモンレール圧)を検出する圧力センサ6aが配設されるとともに、クランク軸7により駆動される高圧供給ポンプ8が接続されていて、この高圧供給ポンプ8の作動により、コモンレール6内の燃圧を調節するようになっている。また、クランク軸7の回転角度を検出する電磁ピックアップからなるクランク角センサ9が設けられている。このクランク角センサ9は、クランク軸7端に配設された被検出用プレート(図示せず)の外周に相対向するように配置され、該被検出用プレートの外周部に形成された突起部の通過に対応して、パルス信号を出力する。
【0026】
エンジン1の一側(図の左側)には、各気筒2の燃焼室4に対し図外のエアクリーナで濾過した空気を供給するための吸気通路10が接続されており、この吸気通路10の下流端部は、図示しないがサージタンクを介して気筒毎に分岐して、それぞれ吸気ポートにより各気筒2の燃焼室4に接続されている。また、サージタンク内で各気筒2に供給される吸気の過給圧力を検出する過給圧センサ10aが設けられている。前記吸気通路10には上流側から下流側に向かって順に、エンジン1に吸入される吸気流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ11と、後述のタービン21により駆動されて吸気を圧縮するブロワ12と、このブロワ12により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ13と、吸気通路10の断面積を絞る吸気絞り弁14とがそれぞれ設けられている。この吸気絞り弁14は、全閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述のEGR弁24と同様、ダイヤフラム15に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁16により調節されることで、弁の開度が制御されるようになっている。
【0027】
一方、エンジン1の他側(図の右側)には、各気筒2の燃焼室4から排気を排出する排気通路20が接続され、この排気通路20の上流端部は分岐して、それぞれ図示しない排気ポートにより各気筒2の燃焼室4に連通されており、その排気通路の20の集合部に排気中の酸素濃度を検出するためのO2センサ17が配設されている。また、前記排気通路20には上流側から下流側に向かって順に、排気流により回転されるタービン21と、排気中のHC、CO及びNOx並びにパティキュレートを浄化可能な触媒22とが配設されている。
【0028】
前記O2センサ17は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもので、排気中の酸素濃度が略零になっているとき、即ち空燃比が略理論空燃比のときを含む所定の空燃比範囲で出力電流値が空燃比に略比例するという特性を有する。また、前記触媒22は、軸方向(排気の流れ方向)に沿って互いに平行に延びる多数の貫通孔を有するハニカム構造のコージェライト製担体(図示せず)の各貫通孔壁面に2層の触媒層を形成したもので、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度が前記酸素過剰雰囲気に比べて低いリッチ状態で吸収しているNOxを放出して、還元浄化する特性を有する。
【0029】
すなわち、前記触媒22は、排気中の酸素濃度が高いとき、即ち燃焼室4の空燃比がリーンな状態のときにNOxを吸収する一方、燃焼室4の空燃比が略理論空燃比付近か又はそれよりもリッチな状態になって排気中の酸素濃度が低下すると、吸収したNOxを放出して還元浄化する吸収還元タイプのものである。具体的には、触媒22としては、担体の壁表面に白金PtとNOx吸収材であるバリウムBa等のアルカリ土類金属、アルカリ金属又は希土類金属のうち少なくとも一種とを担持したアルミナやセリアが担持された内側触媒層と、白金Pt等の貴金属を担持したゼオライトが担持された外側触媒層とを形成した2層コートタイプのものが用いられている。
【0030】
尚、前記触媒22において、バリウムBaに代えてそれ以外のアルカリ土類金属やナトリウムNa等のアルカリ金属、又は希土類金属のうちの少なくとも一種を用いるようにしてもよい。また、前記内側触媒層のサポート材としてゼオライトを用いてもよく、その場合には前記外側触媒層のサポート材として、アルミナ又はセリアを用いてもよい。さらに、前記触媒22としては、担体の壁表面にアルミナやセリアがサポート材として担持された触媒層を形成し、このサポート材に、白金Pt、ロジウムRh、パラジウムPd等の貴金属と、カリウムK等のアルカリ金属やバリウムBa等のアルカリ土類金属とを担持した1層コートタイプのものを用いてもよい。
【0031】
前記タービン21及びブロワ12からなるターボ過給機25は、図3に示すように、タービン21を収容するタービン室21aに該タービン21aの全周を囲むように複数のフラップ21b,21b,…(排圧可変機構)が設けられ、その各フラップ21bが排気流路のノズル断面積(A)を変化させるように回動するVGT(バリアブルジオメトリーターボ)である。このVGTの場合、同図(a)に示すように、フラップ21b,21b,…をタービン21に対し周方向に向くように位置付けてノズル断面積(A)を小さくすることで、排気流量の少ないエンジン1の低回転域でもタービン21への排気流速及び圧力を高めて、過給効率を向上できる。一方、同図(b)に示すように、フラップ21b,21b,…をその先端がタービン21の中心に向くように位置付けて、ノズル断面積(A)を大きくすることで、排気流量の多いエンジン1の高回転域で排気抵抗の増大を抑制しつつ、優れた過給効率が得られる。
【0032】
前記排気通路20は、タービン21よりも上流側の部位で、排気の一部を吸気側に還流させる排気還流通路(以下EGR通路という)23の上流端に分岐接続されている。このEGR通路23の下流端は吸気絞り弁14よりも下流側の吸気通路10に接続されており、そのEGR通路23の途中の下流端寄りには、開度調節可能な負圧作動式の排気還流量調節弁(排気還流量調節手段:以下EGR弁という)24が配置されていて、排気通路20の排気の一部をEGR弁24により流量調節しながら吸気通路10に還流させるようになっている。
【0033】
前記EGR弁24は、図4に示すように、弁箱を仕切るダイヤフラム24aに弁棒24bが固定され、この弁棒24bの両端にEGR通路23の開度をリニアに調節する弁本体24cとリフトセンサ26とが設けられている。前記弁本体24cはスプリング24dによって閉方向(図の下方)に付勢されている一方、弁箱の負圧室(ダイヤフラム24aよりも上側の室)には負圧通路27が接続されている。この負圧通路27は、負圧制御用の電磁弁28を介してバキュームポンプ(負圧源)29に接続されており、電磁弁28が後述のECU35からの制御信号(電流)によって負圧通路27を連通又は遮断することによって、負圧室のEGR弁駆動負圧が調節され、それによって、弁本体24cによりEGR通路23の開度がリニアに調節されるようになっている。
【0034】
尚、前記ターボ過給機25のフラップ21b,21b,…にもEGR弁24と同様にダイヤフラム30が取り付けられていて、負圧制御用の電磁弁31によりダイヤフラム30に作用する負圧が調節されることで、前記フラップ21b,21b,…の作動量が調節されるようになっている。
【0035】
前記各インジェクタ5、高圧供給ポンプ8、吸気絞り弁14、EGR弁24、ターボ過給機25のフラップ21b,21b,…等はコントロールユニット(Engine Contorol Unit:以下ECUという)35からの制御信号によって作動するように構成されている。一方、このECU35には、前記圧力センサ6aからの出力信号と、クランク角センサ9からの出力信号(クランク角信号)と、過給圧センサ10aからの出力信号と、エアフローセンサ11からの出力信号と、O2センサ17からの出力信号と、EGR弁24のリフトセンサ26からの出力信号と、車両の運転者による図示しないアクセルペダルの操作量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ32からの出力信号とが少なくとも入力されている。
【0036】
そして、インジェクタ5の作動による燃料噴射制御が行われて、燃料噴射量及び燃料噴射時期がエンジン1の運転状態に応じて制御されるとともに、高圧供給ポンプ8の作動によるコモンレール圧力、即ち燃量噴射圧の制御が行われ、これに加えて、吸気絞り弁14の作動による吸入空気量の制御と、EGR弁24の作動による排気還流量の制御と、ターボ過給機25のフラップ21b,21b,…の作動制御(VGT制御)とが行われるようになっている。
【0037】
具体的に、前記ECU35のメモリには、エンジン1の目標トルク及び回転数の変化に応じて実験的に決定した基本的な燃料噴射量Qのマップが電子的に格納されており、アクセル開度センサ32からの出力信号に基づいて求めた目標トルクとクランク角センサ9からの出力信号に基づいて求めたエンジン回転数とに基づいて、エンジン1の要求出力に対応する基本燃料噴射量Qbaseが前記燃料噴射量マップから読み込まれる。そして、図5(a)に示すように、その基本燃料噴射量Qbaseの燃料が基本的には各気筒2の圧縮上死点(TDC)近傍で噴射され(以下、主噴射という)、エンジン1は燃焼室4の空燃比がかなりリーンな状態で運転される。
【0038】
また、排気通路20の触媒22におけるNOx吸収量を推定し、その推定値が所定以上に大きくなってNOx吸収性能の低下が予想されるときには(吸収過剰状態)、詳しくは後述するが、主に燃料噴射量の増量により一時的に燃焼室4の空燃比を略理論空燃比付近か或いはそれよりもリッチな状態に制御するとともに、同図(b)又は(c)に示すように、前記主噴射に加えて、燃料の一部を吸気行程初期から膨張行程前半までの間での副噴射によって噴射させることで、排気中のスモーク量の増大を抑制しながら、酸素濃度を低下させかつ還元剤成分濃度を高めて、触媒22から吸収したNOxを放出させ、十分に還元浄化させるようにしている。
【0039】
尚、前記図5の(a)〜(c)にそれぞれ示す燃料噴射形態において、インジェクタ5の実際の励磁時間(開弁時間)は、燃料噴射量だけではなく、圧力センサ6aにより検出されたコモンレール圧を加味して決定される。
【0040】
(燃料噴射制御)
以下に、前記ECU35による燃料噴射制御の処理動作について具体的に図6及び図7のフローチャート図に沿って説明する。この制御は各気筒2毎に独立して所定クランク角で実行されるものであるが、エンジン1が定常運転状態にあるときには所定時間毎に実行するようにしてもよい。
【0041】
まず、図6に示すフローのスタート後のステップSA1において、クランク角信号、O2センサ出力、エアフローセンサ出力、アクセル開度等を読み込む。続くステップSA2において、アクセル開度から求めた目標トルクとクランク角信号から求めたエンジン回転数とに基づいて、燃料噴射量マップから基本燃料噴射量Qbaseを読み込むとともに、基本的な燃料噴射タイミングを別のマップから読み込む。ここで、基本燃料噴射量Qbaseを読み込む燃料噴射量マップは、例えば、図8に例示するように、アクセル開度及びエンジン回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な燃料噴射量Qを記録したものである。このマップにおいて、基本燃料噴射量Qbaseは、アクセル開度が大きいほど、またエンジン回転数が高いほど、多くなるように設定されている。
【0042】
続いて、ステップSA3では、触媒22のNOx吸収量を推定し、続くステップSA4において、その推定値(吸収量)を予め定めた設定値と比較して、設定値以上でyesならばステップSA5に進む一方、設定値よりも小さいnoならば、ステップSA12に進む。前記のNOx吸収量の推定は、例えば車両の走行距離とその間の燃料の総噴射量とを積算し、その積算値に基づいて行うようにすればよい。或いは、エンジン1の運転時間とその間の燃料の総噴射量とを積算し、さらにエンジン1の運転状態に基づいてその積算値を修正して、その積算値に基づいてNOx吸収量を推定するようにしてもよい。また、より簡単にエンジン1の運転時間の合計に基づいてNOx吸収量を推定することも可能である。
【0043】
前記ステップSA4において、NOx吸収量が設定値以上でyesと判定されて進んだステップSA5では、リフレッシュフラグF1をオンにする(F1=1)。このリフレッシュフラグF1は、燃焼室4の平均的空燃比を略理論空燃比付近のリッチ状態になるように制御して、触媒22から吸収しているNOxを放出させかつ還元浄化させるリフレッシュ期間であることを示すものである。続いて、ステップSA6において、EGR判定フラグFeの値を判別する。このEGR判定フラグFeは、後述のEGR制御によるEGR弁24の開作動によってエンジン1の燃焼室4への排気の還流状態が変化しているか、或いはEGR弁24の開動作が終了して燃焼室4への排気の還流状態が安定しているかを判定するものである。
【0044】
そして、前記EGR判定フラグFeがオフになっていれば(Fe=0)、排気の還流状態が安定していないnoと判定して、ステップSA13に進む一方、フラグがオンになっていれば(Fe=1)、排気の還流状態が安定したyesと判定して、ステップSA7に進み、その安定した状態で燃焼室4の平均的空燃比が略理論空燃比付近になるよう、基本燃料噴射量Qbaseを増量補正するための補正量を演算する。この補正量は、例えばエアフローセンサ出力から求められる吸入空気量に基づいて、この吸入空気量に対し略理論空燃比になるような燃料噴射量を求め、この値に基づいて演算するものである。
【0045】
続いて、ステップSA8において、リフレッシュ期間の経過を判定するためのタイマ値T1をインクリメントし、続くステップSA9では、そのタイマ値T1が設定タイマ値T10以上か否かを判別する。この設定タイマ値T10は、燃焼室4の空燃比を略理論空燃比付近になるように制御したときに、触媒22に吸収されているNOxの略全部が放出されるのに要する時間に対応する値である。この設定タイマ値T10を、エンジン1が継続して空燃比のリーンな状態で運転されている時間やその間の負荷状態等に応じて補正するようにしてもよい。
【0046】
前記ステップSA9において、タイマ値T1が設定タイマ値T10以上であるyesと判定されれば、ステップSA13に進む一方、タイマ値T1が設定タイマ値T10よりも小さいnoと判定されれば、即ちリフレッシュ期間内であれば、ステップSA10に進んで、基本燃料噴射量Qbaseに前記ステップSA6で演算した補正量を加算して、補正後燃料噴射量Qrを決定する。続いて、ステップSA11において、補正後燃料噴射量Qrを主噴射量Qr1と副噴射量Qr2とに2分割するとともに、それらの噴射タイミングをそれぞれ設定し、その後、図7に示すステップSA16に進む。具体的に、前記副噴射及び主噴射のタイミングはそれぞれ前記図5(a)〜(c)に例示するようになっていて、主噴射のためのインジェクタ5の開弁時期はBTDC5°CAを基準として、噴射量Qr1が多いほど進角され、反対に噴射量Qr1が少ないほど遅角されるように設定されている。
【0047】
また、副噴射のためのインジェクタ5の開弁時期は、同図(b)に示す気筒の吸気行程初期から圧縮行程前半までのプレ噴射期間(図例ではBTDC350°CA〜BTDC90°CA)か、又は同図(c)に示すような前記主噴射の完了から膨張行程前半までのポスト噴射期間(図例では、ATDC15〜20°CAであるが、ATDC10〜25°CAでもよい)のいずれか一方に設定されており、かつ、エンジン負荷が高いほど進角され、反対にエンジン負荷が低いほど遅角されるように設定されている。つまり、副噴射は、エンジン1が高負荷運転域にあれば、前記実施形態の早期噴射と同様に主噴射よりも早期に行われるプレ噴射となり、一方、エンジン1が低負荷運転域にあれば、主噴射の後で行われるポスト噴射となる。
【0048】
さらに、前記副噴射量Qr2の主噴射量Qr1に対する割合は、エンジン1の負荷状態及び回転数に基づいて予め実験的に定められてマップとしてメモリに記録されており、このマップから読み込まれるようになっている。このマップにおいて、前記副噴射がプレ噴射となる場合には、その噴射量Qr2の主噴射量Qr1に対する割合は8〜23%とされ、その範囲でエンジン負荷が高いほど噴射割合が大きくなるように設定されている。一方、前記副噴射がポスト噴射となる場合には、その噴射量Qr2の主噴射量Qr1に対する割合は30〜50%とされ、その範囲でエンジン負荷が高いほど噴射割合が小さくなるように設定されている。
【0049】
このように、触媒22のNOx吸収量が設定値以上になって、そのNOx吸収性能の低下が懸念されるときには、排気の空燃比が略理論空燃比付近になるように燃料噴射量Qを増量補正して、該触媒22をリフレッシュするとともに、燃料を主噴射と副噴射とに2分割して噴射することで、スモークの生成を抑えるようにしている。尚、燃料噴射回数は2回に限るものではなく、主噴射をさらに複数回に分割して行うようにしてもよい。また、前記主噴射の直前にいわゆるパイロット噴射を行うようにしてもよい。
【0050】
これに対し、前記ステップSA4においてNOx吸収量の推定値が設定値よりも少ないnoと判定されて進んだステップSA12では、今度は、アクセル開度が設定開度よりも大きいか否か判別する。この判別がyesであれば、エンジン1が加速運転状態にあると判定して前記ステップSA5に進み、上述の如く燃料噴射量の増量等を行って、触媒22をリフレッシュする。一方、前記判別がnoであれば、エンジン1は加速運転状態にないと判定してステップSA13に進み、リフレッシュフラグF1をクリアして(F1=0)、続くステップSA14においてタイマ値T1をリセットする(T1=0)。そして、ステップSA15に進んで、前記ステップSA2で読み込んだ基本燃料噴射量Qbaseをそのまま主噴射量Qr1として、図7のステップSA19に進む。
【0051】
つまり、触媒22におけるNOx吸収量が設定値よりも低い間は、エンジン1が加速運転状態でなければ、燃料噴射量の増量補正は行わない。これにより、通常の主噴射のみが行われ、エンジン1は燃焼室4の平均的空燃比がリーンな状態で運転される。また、エンジン1が加速運転状態であれば、触媒22におけるNOx吸収量に拘わらず燃料噴射量の増量補正を行うことで、触媒22のリフレッシュの頻度を高めて、NOx吸収性能をより高く維持することができる。しかも、エンジン1が加速運転状態に移行するときに燃料噴射量を増量するようにすれば、その噴射量増量に伴うエンジン出力の変動は予測されるものなので、乗車フィーリングを損うこともない。
【0052】
前記図6のステップSA11に続いて、図7のステップSA16では、プレ噴射の設定があるか否かを判別する。そして、前記ステップSA11において副噴射タイミングがプレ噴射期間内に設定されていなければ、プレ噴射なしnoと判定してステップSA19に進む一方、副噴射タイミングがプレ噴射期間内に設定されていれば、プレ噴射ありyesと判定して、ステップSA17に進む。このステップSA17では、クランク角信号に基づいて前記の設定されている噴射タイミング(プレ噴射タイミング)になったか否かを判別し、そのプレ噴射タイミングになるまで待って(ステップSA17でno)、プレ噴射タイミングになれば(ステップSA17でyes)、ステップSA18に進んで、プレ噴射を実行する。
【0053】
続いて、ステップSA19では、同様にクランク角信号に基づいて主噴射(メイン噴射)の実行タイミングになったか否か判別し、主噴射タイミングになるまで待って(ステップSA19でno)、主噴射タイミングになれば(ステップSA19でyes)、ステップSA20に進んで、主噴射を実行する。さらに、ステップSA21〜SA23の各ステップにおいて、前記プレ噴射と同様にして、ポスト噴射の設定があるか否かを判別し、設定があれば、そのポスト噴射タイミングになったときにポスト噴射を実行して、しかる後にリターンする。
【0054】
一方、前記図6のステップSA15において基本燃料噴射量Qbaseをそのまま主噴射量Qr1として設定した場合には、続いて前記ステップSA19、SA20で主噴射を実行した後、続くステップSA21でポスト噴射なしnoと判定して、リターンする。
【0055】
前記図6及び図7に示すフローの各ステップが、全体として、少なくともエンジン1の運転状態に応じてインジェクタ5による燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御手段35aに対応しており、この燃料噴射制御手段25aは、触媒22のリフレッシュのための燃料噴射量の増量補正が行われるとき、インジェクタ5により燃料を、気筒の圧縮上死点近傍での主噴射と、気筒の吸気行程ないし圧縮行程でのプレ噴射、又は圧縮上死点後10〜25°CAでのポスト噴射とに分けて噴射させるように構成されている。そして、前記ポスト噴射を行うことで、排気の温度状態及び圧力状態を高めて、ターボ過給機25の過給圧を速やかに上昇させることができる。
【0056】
また、特に、前記ステップSA10,SA11の各ステップにより、触媒22からNOxを放出させるとき、排気中の酸素濃度が低下するようにインジェクタ5による燃料噴射量を増量補正する噴射量補正手段35bが構成されている。そして、この噴射量補正手段35bは、後述のEGR制御によってエンジン1の燃焼室4への排気の還流量が増大されかつ該排気の還流状態が安定した後に、燃料噴射量の増量補正を行うように構成されている。
【0057】
(EGR制御)
以下に、前記ECU35によるEGR制御の処理動作について具体的に図9のフローチャート図に沿って説明する。尚、この制御は所定時間毎に実行される。
【0058】
まず、スタート後のステップSB1において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度等を読み込み、続くステップSB2において、アクセル開度とクランク角信号から求めたエンジン回転数とに基づいて、マップから基本EGR率EGRbを読み込む。このマップは、図10に例示するように、アクセル開度及びエンジン回転数に対応する最適なEGR率を予め実験的に決定して、ECU35のメモリに電子的に格納したものであり、基本EGR率EGRbはアクセル開度が小さいほど大きくなるように、また、エンジン回転数が低いほど大きくなるように設定されている。
【0059】
続いて、ステップSB3では、前記ステップSB2と同様にアクセル開度とエンジン回転数とに基づいて、マップから目標新気量qを読み込む。ここで、新気量とは燃焼室4に吸入される吸気のうち還流排気等を除いたもので、エアフローセンサ11により計測される外部からの吸入空気量に対応する。前記マップも前記基本EGR率EGRbのマップと同様にメモリに格納されており、図11に例示するように目標新気量qはアクセル開度が大きいほど大きくなるように、また、エンジン回転数が高いほど大きくなるように設定されている。
【0060】
ここで、EGR率とは、還流される排気量(EGR量)の全吸気量に対する割合をいう。また、一般に、直噴式ディーゼルエンジンにおいては、EGR率を高めて燃焼室の空燃比をリッチな状態にするほどNOxの生成を抑制できるが、その反面、図12に例示するように、空燃比があまり小さくなるとスモークの生成量が急増するという特性がある。そこで、前記ステップSB2,SB3における基本EGR率EGRb及び目標新気量qは、いずれもエンジン1の燃焼室4の空燃比がスモーク量の急増しない範囲でできるだけ小さな値になるように設定している。
【0061】
前記ステップSB3に続いて、ステップSB4では、上述の燃料噴射制御において設定したリフレッシュフラグF1の値を判別し、フラグがオフになっていれば(F1=0)、リフレッシュ期間でないnoと判定してステップSB13に進む一方、フラグがオンになっていれば(F1=1)、リフレッシュ期間であるyesと判定して、ステップSB5に進み、今度は、VGT判定フラグFvの値を判別する。このVGT判定フラグFvは、後述のVGT制御によってターボ過給機25の過給圧が目標値近傍の所定範囲内に入ったかどうか判定するものである。
【0062】
そして、前記VGT判定フラグFvがオフになっていれば(Fv=0)、未だ過給圧は十分に高くなっていないnoと判定して、ステップSB10に進む一方、フラグがオンになっていれば(Fv=1)、過給圧は十分に高くなったyesと判定して、ステップSB6に進み、前記基本EGR率EGRb及び目標新気量qをそれぞれ燃焼室4の平均的空燃比がリッチ側にずれるように補正する。詳しくは、例えばエアフローセンサ出力から求められる吸入空気量と現在のインジェクタ5による燃料噴射量とに基づいて、この現在の燃料噴射量に対し、燃焼室4の平均的空燃比が所定範囲内の値にならないように、目標新気量qを減少させる第1補正量qm1を決定するとともに、この第1補正量qm1に対応する第1EGR率補正値EGRm1を演算する。そして、該第1EGR率補正値EGRm1を前記ステップSB2で読み込んだ基本EGR率EGRbに加算するとともに、前記第1補正量qm1を前記ステップSB3で読み込んだ目標新気量qから減算する。
【0063】
すなわち、一般的にNOx吸収材は排気中の酸素濃度が略2%以下になると、吸収したNOxを放出するが、酸素濃度が更に低下(例えば0〜1%以下)するまでは放出されたNOxを十分に還元することができず、一時的に大気中へのNOx排出量が増大してしまう(図20参照)。そこで、前記の各ステップでは、排気の還流量を増大させて新気量を減少させるときに、燃焼室4の平均的空燃比が前記所定範囲内の値にならないように、即ち、排気中の酸素濃度が略2%以下にならないように制御して、NOx排出量の増大を防止している。
【0064】
続いて、ステップSB7では、前記ステップSB5におけるVGT判定フラグFvのオン判定から設定時間が経過したか否か判別する。この判別結果がnoであれば、EGR弁24が後述のステップSB12の制御手順により開作動されてからの経過時間が短いので、EGR弁24は未だ開作動中であるか、或いはEGR弁24の開作動そのものは終了していても、燃焼室4における排気の還流状態が安定していないと判定して、ステップSB10に進む。一方、ステップSB5の判別結果がyesであれば、EGR弁24の開作動は終了しかつ燃焼室4における排気の還流状態も安定していると判定して、ステップSB8に進み、EGR判定フラグFeをオンにする(Fe=1)。
【0065】
つまり、EGR弁24の作動遅れや還流排気の輸送遅れが大きいことを考慮して、該EGR弁24が開作動している間や燃焼室4への排気還流量がオーバーシュートして安定しない間は、EGR判定フラグFeの値をオフ状態にして、燃料噴射量の増量補正を規制するようにしている。尚、前記ステップSB7における判定方法としては、VGT判定フラグFvのオン判定からの経過時間以外に、例えばリフレッシュフラグF1のオン判定からの経過時間に基づいて判定を行うようにしてもよく、或いはEGR弁24のリフトセンサ26からの出力に基づいて判定を行うようにしてもよい。さらに、エアフローセンサ出力及び燃料噴射量に基づいて、燃焼室4の平均的空燃比が目標値になったことを判定するようにしてもよく、また、同様にO2センサ17の出力に基づいて判定を行うようにすることも可能である。
【0066】
続いて、ステップSB9において、今度は、前記ステップSB6で補正した基本EGR率EGRb及び目標新気量qを、それぞれ、燃焼室4の平均的空燃比が略理論空燃比付近になるようにさらにリッチ側に補正する。すなわち、前記ステップSB6と同様にして目標新気量qを減少させる第2補正量qm2を決定するとともに、この第2補正量qm2に対応する第2EGR率補正値EGRm2を演算し、各演算結果に基づいて、改めて、基本EGR率EGRb及び目標新気量qを演算する。尚、前記EGR率EGRbの補正演算において、補正後の基本EGR率EGRbを、排気の還流量が多くなり過ぎて失火することのないようにさらに補正するようにしてもよい。
【0067】
続いて、ステップSB10では、エアフローセンサ出力から求められる実新気量から目標新気量qを減算した新気量偏差に基づいて、EGR率フィードバック補正値EGRf/bを図13に例示するマップから読み込む。このマップにおいて、EGR率フィードバック補正値EGRf/bは、目標新気量qが実新気量よりも多いときはその偏差が大きいほど小さくなるように、また、目標新気量qが実新気量よりも少ないときはその偏差が大きいほど大きくなるように設定されている。但し、目標新気量qが実新気量に近いところには不感帯がある。
【0068】
続いて、ステップSB11では、前記ステップSB9で補正した基本EGR率EGRbにステップSB10で求めたEGR率フィードバック補正値EGRf/bを加算して、目標EGR率EGRtを演算する。そして、続くステップSB12において、その目標EGR率EGRtに対応する出力を負圧制御用の電磁弁28に出力して、EGR弁24を駆動し、しかる後にリターンする。尚、前記ステップSB10,SB11におけるフィードバック補正は行わないようにしてもよい。或いは、O2センサ17により検出される排気中の酸素濃度に基づいてフィードバック制御するようにしてもよい。
【0069】
要するに、前記のEGR制御によれば、触媒22のリフレッシュを行うときに、まず、新気量の減少によって排気中の酸素濃度が略2%くらいになるように、排気の還流割合を増大させる。このとき、EGR弁24の制御のオーバーシュートが収まって、エンジン1の燃焼室4への排気の還流状態が安定するまでは燃料噴射量の増量は行わない。そして、EGR弁24の開作動が完了して排気の還流状態も落ち着いた後で、EGR判定フラグFeをオンにして、燃料噴射量の増量補正を行わせるとともに、EGR弁24をさらに開作動させてEGR率を高めることで、燃焼室4の平均的空燃比を確実に理論空燃比近傍又はこれよりもリッチな状態にさせ、排気中の酸素濃度を十分に低下させて、触媒22のリフレッシュを有効に促進するようにしている。
【0070】
前記のようにEGR率の増大によって新気量を減少させながら、燃料噴射量を増量することで、結果的にエンジン出力の変動を緩和することができる。また、燃焼室4に還流される排気により燃焼が適度に緩やかになり、NOxの生成が抑えられる上に、還流される排気により燃料の微粒化及び気化霧化が促進されるので、そのことによる燃焼性の向上によって、スモークの生成が抑制される。
【0071】
一方、前記ステップSB4において、リフレッシュフラグF1がオフになっていて(F1=0)、リフレッシュ期間でないnoと判定して進んだステップSB13では、今度は、前回の制御サイクルにおいてリフレッシュフラグF1がオンになっていたか否か判別する。この判別結果がyesであればステップSB14に進んで、前回の制御サイクルで補正した基本EGR率EGRb及び目標新気量qを、今回ステップSB2,3でそれぞれ読み込んだ基本EGR率EGRb及び目標新気量qにより、所定の重み付けをしてなまし処理をして、その後、前記ステップSB10に進む。
【0072】
また、前記ステップSB13の判別結果がnoであれば、ステップSB15に進んで、前記なまし処理中であるかどうか判定する。すなわち、前回の制御サイクルで補正した基本EGR率EGRb等が今回読み込んだ基本EGR率EGRb等と異なっていれば、なまし処理中でyesと判定して、前記ステップSB14に進む一方、両者がほぼ等しければ、なまし処理を終了してステップSB16に進み、EGR判定フラグFeをクリアして、ステップSB10に進む。つまり、触媒22のリフレッシュを終えてエンジン1を通常の運転状態に戻すときには、EGR率を徐々に減少させ、新気量を徐々に増やして、基本的な排気還流状態に戻すようにしている。
【0073】
前記図9のフローにおけるステップSB4〜SB12の各ステップにより、触媒22のリフレッシュの際に、そのための燃料噴射量の増量補正が行われる前に、EGR率が増大するようにEGR弁24を開作動させる排気還流制御手段35cが構成されている。そして、この排気還流制御手段35cは、後述のVGT制御によってターボ過給機25の過給圧が高められて、エンジン1の燃焼室4の吸気充填量が所定以上に増大した後に(ステップSB5でyes)、前記のEGR弁24の作動制御を開始するように構成されている
(VGT制御)
以下に、前記ECU35によるVGT制御の処理動作について具体的に図14のフローチャート図に沿って説明する。尚、この制御は所定時間毎に実行される。
【0074】
まず、スタート後のステップSC1において、クランク角信号、過給圧センサ出力、エアフローセンサ出力、アクセル開度等を読み込み、続くステップSC2において、アクセル開度とクランク角信号から求めたエンジン回転数とに基づいて、マップから基本ノズル断面積VGTbを読み込む。このマップは、図15に例示するように、アクセル開度及びエンジン回転数に対応するターボ過給機25の最適なノズル断面積を予め実験的に決定して、ECU35のメモリに電子的に格納したものであり、基本ノズル断面積VGTbはアクセル開度が大きいほど大きくなるように、また、エンジン回転数が高いほど大きくなるように設定されている。このことで、エンジン1の高回転域で排気抵抗の増大を回避しつつ、滑らかな過給が行われる一方、エンジン1の低回転域でもタービン21への排気圧力を高めて、過給圧を速やかに上昇させることができる。
【0075】
続いて、ステップSC3では、上述の燃料噴射制御において設定したリフレッシュフラグF1の値を判別し、フラグがオフになっていれば(F1=0)、リフレッシュ期間でないnoと判定し、前記基本ノズル断面積VGTbをそのまま目標ノズル断面積VGTrとして、ステップSC9に進む。一方、フラグがオンになっていれば(F1=1)、リフレッシュ期間であるyesと判定して、ステップSC4に進む。このステップSC4では、前記ステップSC2で読み込んだ基本ノズル断面積VGTbから予め設定されている補正値VAを減算して、目標ノズル断面積VGTrを演算し、続くステップSC5では前記目標ノズル断面積VGTrに対応する目標過給圧bstrを設定する。
【0076】
続いて、ステップSC6において、過給圧センサ10aにより検出される実際の過給圧bstと前記目標過給圧bstrとを比較し、該実際の過給圧bstが目標過給圧bstrを含む所定範囲内に入ったかどうか(bstr≒bst?)判別する。この判別結果がyesならば、ターボ過給機25による過給圧bstがに高くなり、エンジン1の燃焼室4の吸気充填量が十分に増大されたと判定し、ステップSC7に進んで、VGT判定フラグFvをオンにする(Fv=1)一方、判別結果がnoならば、過給圧bstは未だ十分に高くなっていないと判定し、それぞれステップSC8に進んで、目標ノズル断面積VGTrに対応する出力を負圧制御用の電磁弁31に出力して、ターボ過給機25のフラップ21b,21b,…を回動させ、しかる後にリターンする。
【0077】
つまり、リフレッシュフラグF1がオンになっていて、触媒22のリフレッシュを行うのであれば、そうでないときよりもターボ過給機25のノズル断面積(A)を減少させ、タービン21への排気圧力を高めて、過給圧bstを速やかに上昇させる。このことで、エンジン1の燃焼室4の吸気充填量が増大し、吸気の温度状態及び圧力状態が高められて、燃料噴霧の気化霧化や空気との混合状態が大幅に改善され、燃焼に伴うスモークの生成が抑制される。尚、このときには、上述のEGR制御によりEGR率が高められていて、エンジン1の燃焼室4への新気の吸入量はむしろ減少しているので、エンジン1の出力トルクの変動は少ない。
【0078】
一方、前記ステップSC3において、リフレッシュフラグF1がオフになっていて(F1=0)、リフレッシュ期間でないnoと判定して進んだステップSC9では、今度は、前回の制御サイクルにおいてリフレッシュフラグF1がオンになっていたか否か判別する。この判別結果がyesであればステップSC10に進んで、前回の制御サイクルで補正した目標ノズル断面積VGTrを今回の目標ノズル断面積VGTrにより所定の重み付けをしてなまし処理をし、その後、前記ステップSC8に進む。
【0079】
また、前記ステップSC9の判別結果がnoであれば、ステップSC11に進んで、前記なまし処理中かどうか判定する。すなわち、前回の制御サイクルで補正した目標ノズル断面積VGTrが今回の目標ノズル断面積VGTrと大きく異なっていれば、なまし処理中でyesと判定して前記ステップSC10に進む一方、両者がほぼ等しければ、なまし処理を終了してステップSC12に進み、VGT判定フラグFvをクリアして、ステップSC8に進む。つまり、触媒22のリフレッシュを終えてエンジン1を通常の運転状態に戻すときには、ターボ過給機25のノズル断面積(A)を徐々に増大させて、基本的な過給状態に戻すようにしている。
【0080】
前記図14に示すフローのステップSC3〜SC8により、触媒22のリフレッシュの際にエンジン1の燃焼室4の吸気充填量が所定値に増大するように、ターボ過給機25の過給圧bstを速やかに上昇させる充填量制御手段35dが構成されている。そして、この充填量制御手段35dは、ターボ過給機25のタービン21への排気圧力が高まるように、フラップ21b,21b,…を回動させるものである。
【0081】
次に、この実施形態の作用効果を説明する。
【0082】
この実施形態では、エンジン1の運転中に通常は燃料噴射制御手段35aにより、図5(a)に示す如く各気筒2の圧縮行程終期にインジェクタ5から基本燃料噴射量Qbaseの燃料が一括して1回噴射され、各気筒毎の燃焼室4では空燃比がリーンな状態で混合気が燃焼されて、この燃焼に伴い生成するNOxが触媒22に吸収される。
【0083】
一方、触媒22のNOx吸収量が多くなって、NOx吸収性能の低下が懸念される状態になると、まず、充填量制御手段35dによりターボ過給機25のノズル断面積が絞られて過給圧力が高められ、燃焼室4の吸気充填量が増大される。続いて、排気還流制御手段35cによりEGR弁24の開度が大きくなるように制御されて、燃焼室4のEGR率が高められるとともに、燃焼室4の平均的空燃比が略理論空燃比付近になるように、噴射量補正手段35bにより燃料噴射量の増量補正が行われ、これにより、排気中の酸素濃度が低下して、触媒22からNOxが放出されかつ還元浄化される(触媒22のリフレッシュ)。
【0084】
このとき、燃料噴射制御手段35aによるインジェクタ5の制御によって、該インジェクタ5により主噴射とは別に副噴射が行われる。すなわち、エンジン1が高負荷運転域にあれば、前記図5(b)に示すように、吸気行程ないし圧縮行程でプレ噴射が行われ、このプレ噴射された燃料は主噴射が行われるまでに吸気と十分に混合されて、主噴射による燃料噴霧の着火により良好に燃焼するようになる。一方、エンジン1が低負荷運転域にあれば、同図(c)に示すように、主噴射の完了直後(ATDC10〜25°CA)にポスト噴射が行われ、このポスト噴射により燃料が温度及び圧力状態の極めて高い燃焼室4に噴射されて、速やかに気化霧化して完全燃焼するようになる。
【0085】
つまり、この実施形態では、インジェクタ5により燃料を主噴射とこれとは別の副噴射とに分けて噴射させることにより、スモークの急増を招くことなく、燃焼室4の空燃比を略理論空燃比付近に制御して、触媒22をリフレッシュすることができる。特に、副噴射をポスト噴射とすれば、排気中の未燃HCやCO等の還元剤成分の濃度を高めて、触媒22のリフレッシュをさらに促進することができる。
【0086】
図16は、例えば燃料を主噴射とポスト噴射とに分けて噴射させたときのスモーク量を、燃料を主噴射により一括して噴射したときと比較した実験結果を示すものである。この実験では、この実施形態のディーゼルエンジン1と同様の排気量2000ccの4気筒ディーゼルエンジンを用い、そのエンジンを低負荷運転域でかつエンジン回転数1500rpmで運転している。また、主噴射及びポスト噴射の開始時期はそれぞれBTDC5°CA及びATDC20°CAに固定し、かつそれらの噴射量は同じとしている。そして、同図によれば、燃焼室の平均の空気過剰率λがλ>1.6のときには、一括噴射であってもスモーク量は十分に少ないが、λ≦1.6のときには、空気過剰率λが小さくなるに連れて一括噴射の場合のスモーク量が急激に増大しており、λ=1のとき、即ち燃焼室の空燃比が理論空燃比になっているときには、スモーク量がλ>1.6のときの約20倍と極めて多くなってしまう。
【0087】
これに対しポスト噴射を行うようにした場合、1.2≦λ<1.6のときのスモーク量はλ>1.6のときと殆ど変わらず、λ=1のときでも未だ十分に少ないということができる。特に、λ=1のときには、ポスト噴射をしたときのスモーク量は一括噴射の場合に比べて1/4以下になっており、スモークの生成を大幅に抑制できることが分かる。
【0088】
図17は、燃焼室の空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射量の総量を決定し、その燃料を半分づつ主噴射とポスト噴射とに分けて噴射する場合に、主噴射の開始時期(インジェクタの開弁時期)をBTDC5°CAとする一方、ポスト噴射の開始時期をATDC10〜30°CAの間で変化させ、そのときのスモーク量と燃費率とをそれぞれ計測した実験結果を示している。同図によれば、ポスト噴射をATDC15〜25°CAのクランク角範囲で行ったときに、スモーク量を大幅に低減できる一方、ポスト噴射をATDC10〜20°CAのクランク角範囲で行えば、燃費率を低減できることが分かる。従って、エンジンの仕様等によって異なるとは考えられるが、ポスト噴射の開始時期はATDC10〜25°CAの範囲とするのがよく、特にATDC15〜20°CAの範囲とすることが好ましい。
【0089】
そして、この実施形態では、上述の如く触媒22のリフレッシュを行うときに、ターボ過給機25による吸気の過給圧を高めて、燃焼室4の吸気充填量を増大させるようにしており、このことにより、エンジン1の燃焼室4の吸気温度及び吸気圧力を高めて燃料の気化霧化を促進し、燃焼状態の改善によってスモークの増大を抑制し、或いは燃費の改善が図られる。
【0090】
図18は前記図17における燃費率とスモーク量との対応関係を表したもので、ポスト噴射の開始時期は、点aがATDC15°CA、点bがATDC20°CA、点cがATDC25°CA、そして、点dがATDC30°CAである。このうちの点aに示す場合、即ち主噴射をBTDC5°CAで行いかつポスト噴射をATDC15°CAで行うことが、前記図17にも示すように燃費率及びスモーク量を両立させる上で最も好ましい。加えて、前記のようにターボ過給機の過給圧を高めて吸気充填量を増大させることで、同図に点eとして示すように、スモーク量を殆ど増やすことなく、燃費率を大幅に改善することができる。
【0091】
さらに、この実施形態では、上述の如き触媒22のリフレッシュの際に、噴射量補正手段35bによるインジェクタ5からの燃料噴射量の増量補正、排気還流制御手段35cによるEGR弁24の作動制御、及び充填量制御手段35dによる燃焼室4の吸気充填量の増大制御(VGT制御)が、それぞれ別々に所定の順序で行われる。詳しくは、図19に示すように、エンジン1の運転中に触媒22におけるNOx吸収量が多くなって、リフレッシュフラグF1がオンになると(t1)、まず、充填量制御手段35dにより目標ノズル断面積VGTrが減少補正され、過給圧力が上昇するようにターボ過給機25のフラップ21b,21b,…が回動されて、ノズル断面積が絞られる(t1〜t2)。これに伴い、ターボ過給機25の上流側の排気圧力も高くなり、自ずとEGR率が増大するので、エンジン1の燃焼室4の平均的空燃比を維持するようにEGR弁24の開度が徐々に減少される。
【0092】
そして、エンジン1の燃焼室4への吸気の過給圧が高くなり、吸気充填量が十分に増大されると(t2)、今度は、VGT判定フラグFvがオンになって、燃焼室4の平均的空燃比をリッチ側に変化させるべく、排気還流制御手段35cによりEGR弁24の開度が増大される(t2〜t3)。このEGR弁24の開作動から遅れて、実際の排気還流量も増大し、燃焼室4の平均的空燃比が徐々にリッチ側に変化する。そして、そのEGR弁24の開作動は、燃焼室4の平均的空燃比状態が排気中の酸素濃度が略2%以下になるような所定の状態(α)になる前に終了し(t3)、さらにオーバーシュートによる空燃比の変動が収まったとき(t4)、EGR判定フラグFeがオンになる。
【0093】
前記EGR判定フラグFeがオンになると、噴射量補正手段35bにより燃料噴射量Qtの増量補正が行われ、かつ排気還流制御手段35cによりEGR弁24の開度が一層、大きくなるように制御される。これにより、燃焼室4の平均的空燃比は略理論空燃比付近又はそれよりもリッチな状態になり、排気中の酸素濃度が低下して、触媒22のリフレッシュが行われる。そして、該触媒22からのNOxの放出が十分に行われると(t4〜t5)、その後、直ちに燃料噴射量の増量補正が終了するとともに、EGR弁24が徐々に閉作動され、かつターボ過給機25のフラップ21b、21b、…も回動されて、エンジン1は通常の運転状態に戻される。
【0094】
このように、応答遅れの大きいEGR弁24とターボ過給機25の作動制御を先に行い、それらが終了して、エンジン1の燃焼室4の吸気充填量やEGR率が安定した後に燃料噴射量を増量することにより、該燃焼室4の平均的空燃比を狙い通りに変化させることができ、よって、該燃焼室4の平均的空燃比を略理論空燃比付近にまでリッチ化する場合でも、その空燃比の変動に起因するスモークやNOxの排出増大を防止することができる。また、前記の燃料噴射量の増量補正制御、EGR弁24の開作動制御及びターボ過給機25のフラップ21b,21b,…の作動制御をそれぞれ別々に行うようにしているので、各々がエンジン1の燃焼状態に影響を及ぼす3つの制御が互いに干渉することを回避して、制御の手順の簡略化が図られる。
【0095】
特に、EGR弁24の制御のオーバーシュートにより一時的に排気還流量が過大になっているときには、上述の如く燃料噴射量を増量補正するとともに、ポスト噴射させると、燃料の一部が未燃状態で排気と共に吸気系に還流されてしまい、過度のリッチ化によってスモークの急増を招く虞れがあるので、前記のようにEGR率が安定した後に燃料噴射量を増量することは極めて有効である。
【0096】
さらに、この実施形態では、まず、EGR弁24の制御によって排気中の酸素濃度を略2%くらいになるまで徐々に低下させ、その状態で燃料噴射量を増量補正して、排気中の酸素濃度を直ちに略0%に低下させるようにしている。すなわち、図20に例示するように、触媒22は酸素濃度が略2%以下になると吸収したNOxを放出するが、酸素濃度が更に低くなるまでは(λ≦1)放出されたNOxを十分に還元することができず、大気中へのNOx排出量が一時的に増大するという特性を有する。これに対し、前記のように燃料噴射量の増量によって排気中の酸素濃度を略2%くらいから略0%に直ちに低下させるようにすることで、NOx排出量の増大を防止することができる。
【0097】
(他の実施形態)
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態の燃料噴射制御によれば、触媒22のリフレッシュの際に、燃料噴射量を増量補正するとともに、エンジン1が高負荷域にあれば主噴射に加えてプレ噴射を行う一方、エンジン1が低負荷域にあれば、主噴射に加えてポスト噴射を行うようにしているが、これに限らず、エンジン1が低負荷域にあるときにのみ、前記燃料噴射量の増量補正を行いかつ、燃料は主噴射とポスト噴射とに分けて噴射させるようにしてもよい。
【0098】
また、前記実施形態では、主噴射はいつでも燃料を一括して噴射するものとしているが、これに限らず、触媒22のリフレッシュを行うときには、インジェクタ5により燃料を気筒の圧縮上死点近傍で複数回に分割して噴射させるようにしてもよい。すなわち、例えば主噴射の形態を、図21(a)に示すように燃料を圧縮上死点近傍で一括して噴射するか、同図(b)に示すように2回に分割して噴射するか、或いは同図(c)に示すように3回に分割して噴射するかのいずれかから選択するようにしてもよい。
【0099】
そのようにすれば、主噴射により気筒の圧縮上死点近傍で噴射された燃料の微粒化及び空気との混合を促進し、空気利用率を向上させて燃焼状態を改善することができる。しかも、燃焼の終了時期が遅角側にずれて、図22及び図23にそれぞれ示すように排気の温度状態及び圧力状態が高められるので、ターボ過給機25による吸気の過給圧をさらに応答性良く上昇させることができる。
【0100】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明に係るディーゼルエンジンの制御装置によると、エンジンの運転中にNOx吸収材からNOxを放出させるために、噴射量補正手段により燃料噴射量の増量補正を行う場合に、充填量制御手段により、エンジンの燃焼室への吸気充填量が増大するようにターボ過給機の排圧可変機構を作動制御するとともに、排気還流率が増大するように、排気還流制御手段により排気還流量調節手段を作動制御して、該燃焼室内の吸気温度及び圧力を高めることで、前記のように燃料噴射量が増量補正されていても、その燃料の気化霧化を促進し、十分に空気と混合させて良好に燃焼せせることができるので、NOx吸収材を有効にリフレッシュしながら、これに伴うスモークの増大を抑制できる。しかも、そうして排気還流率を高めることにより、燃料噴射量の増量補正に伴うエンジン出力の変動を軽減できる。
【0101】
また、まず、エンジンの燃焼室の吸気充填量を十分に増大させ、その後、排気中の酸素濃度が略2%になるようにその還流率を高めた上で、燃料噴射量を増量することで、吸気充填量の制御の応答遅れや排気還流量の調節遅れに起因する悪影響を回避して、排気中の酸素濃度を狙い通りに低下させ、スモーク等の排気有害成分の増大を招くことなく、NOx吸収材からのNOxの放出を十分に促進することができる。
【0102】
請求項2の発明によると、燃料噴射量の増量補正の開始後にさらに排気還流率を高めることで、エンジンの燃焼室の空燃比をより確実にリッチ化させて、排気中の酸素濃度を十分に低下させることができる。
【0103】
請求項3の発明によると、主噴射に加えて副噴射を行わせることにより、燃料噴射量の増量時でも、主噴射による燃料噴霧の過度のリッチ化を阻止して、スモークの増大を抑制できる。
【0104】
請求項4の発明によると、副噴射を気筒の吸気行程ないし圧縮行程、又は圧縮上死点後の所定のタイミングで行うことで、燃焼状態の改善によってスモークの増大を抑制できる。
【0105】
また、請求項5の発明に係るディーゼルエンジンの制御方法によると、請求項1の発明と同じ効果が得られ、NOx吸収材を有効にリフレッシュしながら、スモークの増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成図である。
【図2】 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置の全体構成を示す図である。
【図3】 ターボ過給機の一部を、A/R小の状態(a)、又はA/R大の状態(b)でそれぞれ示す説明図である。
【図4】 EGR弁及びその駆動系の構成図である。
【図5】 プレ噴射、主噴射及びポスト噴射の噴射タイミングをそれぞれ示す説明図である。
【図6】 燃料噴射制御の前半の処理手順を示すフローチャート図である。
【図7】 燃料噴射制御の後半の処理手順を示すフローチャート図である。
【図8】 燃料噴射量をアクセル開度及びエンジン回転数に対応づけて設定したマップの一例を示す図である。
【図9】 EGR制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図10】 EGR率をアクセル開度及びエンジン回転数に対応づけて設定したマップの一例を示す図である。
【図11】 目標新気量をアクセル開度及びエンジン回転数に対応づけて設定したマップの一例を示す図である。
【図12】 燃焼室の空燃比とスモーク量との関係を示すグラフ図である。
【図13】 EGRフィードバック補正値を新気量偏差に対応づけて設定したマップの一例を示す図である。
【図14】 VGT制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図15】 VGTのノズル断面積をアクセル開度及びエンジン回転数に対応づけて設定したマップの一例を示す図である。
【図16】 空気過剰率の変化に対するスモーク量の変化を、分割噴射の場合と一括噴射の場合とで比較して示すグラフ図である。
【図17】 ポスト噴射の時期を変化させたときのスモーク量の変化と燃費率の変化とを互いに関係づけて示すグラフ図である。
【図18】 図17に示したスモーク量の変化と燃費率の変化との対応関係を表すグラフ図である。
【図19】 触媒リフレッシュ時におけるVGTノズル断面積の変化、EGR弁開度の変化、燃料噴射量の変化、及び燃焼室の平均的空燃比(実空燃比)の変化の様子を互いに関連づけて示したタイムチャート図である。
【図20】 エンジンの燃焼室の平均的空燃比と触媒の下流側のNOx排出量との関係を示したグラフ図である。
【図21】 主噴射を分割して行うようにした他の実施形態に係る図5相当図である。
【図22】 主噴射を2分割又は3分割して行うことによる排気温度の変化特性を示すグラフ図である。
【図23】 排気圧力の変化特性を示す図22相当図である。
【符号の説明】
A エンジンの制御装置
1 ディーゼルエンジン
2 気筒
4 燃焼室
5 インジェクタ(燃料噴射弁)
10 吸気通路
20 排気通路
21b 排圧可変機構
22 触媒(NOx吸収材)
23 EGR通路(排気還流通路)
24 EGR弁(排気還流量調節手段)
25 ターボ過給機(充填量調節手段)
35 ECU(コントロールユニット)
35a 燃料噴射制御手段
35b 噴射量補正手段
35c 排気還流制御手段
35d 充填量制御手段
Claims (5)
- エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と、
エンジンの排気通路に配設され、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気の排気中のNOxを吸収する一方、酸素濃度の低下に伴い前記吸収したNOxを放出するNOx吸収材と、
前記燃料噴射弁による燃料の噴射状態を少なくともエンジンの運転状態に応じて制御する燃料噴射制御手段と、
前記NOx吸収材からNOxを放出させるとき、排気中の酸素濃度が低下するように前記燃料噴射弁による燃料噴射量を増量補正する噴射量補正手段とを備え、
さらに、エンジンの吸気系へ排気の一部を還流させる排気還流通路と、この排気還流通路による排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
エンジンには排気により吸気を過給するターボ過給機が備えられ、このターボ過給機はタービンへの排気圧力を高める排圧可変機構を有し、
前記噴射量補正手段による燃料噴射量の増量補正が行われるとき、前記ターボ過給機による吸気の過給圧が高くなって燃焼室への吸気充填量が増大するように、該ターボ過給機の排圧可変機構を作動制御する充填量制御手段と、
前記噴射量補正手段による燃料噴射量の増量補正が行われるとき、排気還流率が高くなるように前記排気還流量調節手段を作動制御する排気還流制御手段と、を備え、
前記噴射量補正手段は、前記充填量制御手段による排圧可変機構の作動制御によって、燃焼室の吸気充填量が増大され、その後、前記排気還流制御手段による排気還流量調節手段の作動制御によって、排気中の酸素濃度が略2%になるように排気還流率が高められてから、燃料噴射量を増量補正するものであることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項1において、
排気還流制御手段は、噴射量補正手段による燃料噴射量の増量補正の開始後に、排気還流量調節手段の作動制御によってさらに排気還流率を高めるように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項1又は2のいずれかにおいて、
燃料噴射制御手段は、噴射量補正手段により燃料噴射量の増量補正が行われるとき、燃料噴射弁により燃料を、気筒の圧縮上死点近傍での主噴射と該主噴射とは別の副噴射とに分けて噴射させるように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項3において、
副噴射は、エンジンが高負荷運転域にあれば気筒の吸気行程ないし圧縮行程で行われ、エンジンが低負荷運転域にあれば気筒の圧縮上死点後10〜25°CAで行われることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁を設けるとともに、
エンジンの排気通路に、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気の排気中のNOxを吸収する一方、酸素濃度の低下に伴い前記吸収したNOxを放出するNOx吸収材を配設し、
さらに、エンジンの吸気系へ排気の一部を還流させる排気還流通路と、この排気還流通路による排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、を設け、
前記燃料噴射弁による燃料の噴射状態を少なくともエンジンの運転状態に応じて制御するとともに、前記NOx吸収材からNOxを放出させるときには、排気中の酸素濃度が低下するように前記燃料噴射弁による燃料噴射量を増量補正する、ディーゼルエンジンの制御方法において、
エンジンには排気により吸気を過給するターボ過給機を備えるとともに、このターボ過給機にはタービンへの排気圧力を高める排圧可変機構を設け、
前記の燃料噴射量の増量補正を行うとき、まず、前記ターボ過給機による吸気の過給圧が高くなって、燃焼室への吸気充填量が増大するように該ターボ過給機の排圧可変機構を作動制御し、その後、前記排気還流量調節手段を排気還流率が高くなるように作動制御して、排気中の酸素濃度が略2%になるように排気還流率を高めてから、燃料噴射量を増量補正することを特徴とするディーゼルエンジンの制御方法。
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