JP4425662B2

JP4425662B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4425662B2
Application number: JP2004040858A
Authority: JP
Inventors: 勝治和田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP2005233017A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

機関の燃焼室で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘの排出量が増加する傾向がある。そのため、機関の排気系にＮＯｘ浄化装置（ＮＯｘ吸収還元触媒）を設け、ＮＯｘの排出量を低減する技術が、例えば特許文献１に示されている。排気系にＮＯｘ浄化装置を備えた機関では、リーンバーン運転のみを長時間継続して行うと、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘ量が飽和する。したがって、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘを還元するために、比較的短時間の空燃比リッチ化（以下「還元リッチ化」という）を行う必要がある。

機関の吸入空気量が変化する過渡時において、還元リッチ化を実行すると、機関出力トルクの変動や失火を発生させる可能性が高くなるため、特許文献１に示された装置では、機関の吸入空気量が変化する過渡運転状態においては、還元リッチ化が禁止される。

特開平１１−４４２３４号公報

特許文献１に示された装置では、失火の発生を未然に防止するために、失火の発生する可能性が高い機関運転状態において一律に還元リッチ化が禁止される。そのため、機関運転状態が頻繁に変化するような場合には、還元リッチの実行頻度が低下し、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘが飽和してしまう可能性が高い。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、最小限の失火は許容して還元リッチ化の十分な頻度を確保しつつ、失火に起因するＮＯｘ浄化装置の故障を防止することが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。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気系に排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化手段（１１）が設けられた内燃機関（１）の制御装置であって、前記機関（１）に吸入される空気量を制御する吸気制御弁（１３）と、前記機関に燃料を供給する燃料供給手段（１２）と、前記吸気制御弁（１３）の開度を減少させることにより、前記排気浄化手段（１１）に流入する排気の空燃比をリッチ化し、前記排気浄化手段内のＮＯｘを還元する還元リッチ化手段（Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１７）とを備える内燃機関の制御装置において、前記機関（１）の失火を検出する失火検出手段と、前記失火が検出された場合において、失火発生時に前記排気浄化手段（１１）の温度が最大許容温度（ＴＬＭＴＭＡＸ）を超える可能性がある所定運転状態で前記機関（１）が運転されているときは、前記還元リッチ化手段（Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１７）による空燃比リッチ化を禁止する禁止手段（Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１８）とを備え、前記所定運転状態は、前記機関の負荷を示す負荷パラメータ（ＡＰ）が前記機関の回転数（ＮＥ）に応じて設定される閾値（ＡＰＬＨＬ）より大きい運転状態であることを特徴とする。

「空燃比」は、一般には機関で燃焼する混合気の空気と燃料の比率を意味するが、本明細書及び特許請求の範囲において、「排気の空燃比」という場合には、排気中の酸素濃度と、還元剤（還元成分）濃度との比率を意味するものとする。また「排気の空燃比のリッチ化」は、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くすることを意味するものとする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の失火が検出された場合において、失火発生時に、ＮＯｘを浄化する排気浄化手段の温度が最大許容温度を超える可能性がある所定運転状態で機関が運転されているときは、還元リッチ化手段による排気空燃比のリッチ化が禁止される。すなわち排気浄化手段の温度が異常に高くなる可能性ある所定運転状態においてのみ、排気空燃比のリッチ化が禁止される。したがって、例えば排気浄化手段がＮＯｘ吸収還元触媒である場合には、ＮＯｘ還元のための排気空燃比リッチ化を、従来例より高い頻度で実行することができ、吸収ＮＯｘ量が飽和する事態を回避することができる。また、失火に起因する排気浄化手段の故障を防止することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成を示す図である。エンジン１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１２が設けられている。燃料噴射弁１２は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１２の開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。

タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンのの開度（以下「ベーン開度」という）を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をタービン１０に供給し、これによってベーン開度を制御する。ベーン開度を増加させると、タービン１０の効率が向上し、タービン回転数は増加する。その結果、過給圧が増加する。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には吸入空気量を制御するスロットル弁１３が設けられている。吸気管２は、スロットル弁１３の下流側において各気筒に対応して分岐し、分岐した吸気管２のそれぞれは、２つの吸気ポート２Ａ，２Ｂに分岐する。なお、図１には１つの気筒に対応する構成のみが示される。

スロットル弁１３は、通常のエンジン運転状態では、ほぼ全開とされており、以下に説明する還元リッチ化を実行する際、スロットル弁開度を減少させ、エンジン１の燃焼室に流入する新気を減少させる。このことにより、空気量が燃料量に対して減少し、空燃比（排気の空燃比）がリッチ化される。

エンジン１の各気筒には、２つの吸気弁（図示せず）及び２つの排気弁（図示せず）が設けられている。２つの吸気弁により開閉される吸気口（図示せず）は吸気ポート２Ａ，２Ｂのそれぞれに接続されている。
また、吸気ポート２Ｂ内には、当該吸気ポート２Ｂを介して吸入される空気量を制限してエンジン１の燃焼室にスワールを発生させるスワール制御弁（以下「ＳＣＶ」という）１４が設けられている。スロットル弁１３及びＳＣＶ１４は、電動モータや油圧アクチュエータによって駆動されるバタフライ弁であり、それらの弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

排気管４と吸気ポート２Ｂとの間には、排気を吸気ポート２Ｂに還流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。ＥＧＲ弁６は、デューティ比可変の制御信号により、弁開度ＬＣＡＴが、エンジン運転状態に応じて設定されるリフト量指令値ＬＣＭＤと一致するように制御される。

吸気管２には、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ２１と、コンプレッサ９の下流側の過給圧ＰＣＨを検出する過給圧センサ２２とが取り付けられており、これらの検出信号はＥＣＵ２０に供給される。
排気管４の、タービン１０の下流側には、ＮＯｘ浄化装置１１が設けられている。ＮＯｘ浄化装置１１は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ浄化装置１１は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高く、還元剤（ＨＣ及びＣＯ）濃度が酸素濃度より低い排気リーン状態においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低く、還元剤濃度が酸素濃度より高い排気リッチ状態においては、吸収ＮＯｘを還元剤により還元し、窒素ガス、水蒸気及び二酸化炭素として排出するように構成されている。

ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。また、ディーゼル機関用の燃料に含まれている硫黄（Ｓ）が酸化して発生したＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に付着すると、ＮＯｘ吸収能力が低下するので、適時ＳＯｘの放出（以下「サルファーパージ」という）を実行する必要がある。この場合にも、空燃比のリッチ化が実行される。これらの空燃比のリッチ化は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料量の増量と主としてスロットル弁１３による吸入空気量の減量とによって行われる。なお本実施形態では、空燃比をリッチ化するときにおける吸入空気量の調整は、スロットル弁１３だけでなく、ＥＧＲ弁６の開度を制御を併用して行われる。

また、ＮＯｘ浄化装置１１の上流側には、比例型空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）２３が設けられている。ＬＡＦセンサ２３は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号をＥＣＵ２０に供給する。
さらに、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２５及びエンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２６が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

クランク角度位置センサ２６は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ２０に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期の制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１２、ＥＧＲ弁６、タービン１０、スロットル弁１３、ＳＣＶ１４などに制御信号を供給する出力回路等から構成される。

燃料噴射量ＴＯＵＴは、実際には燃料噴射弁１２の開弁時間として算出される。図示しない燃料噴射時期演算処理により得られる燃料噴射時期において、燃料噴射量ＴＯＵＴに応じた時間に亘って燃料噴射弁１２が開弁され、エンジン１に燃料が供給される。

図２は、上述したＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘの還元、またはサルファパージのために空燃比リッチ化制御を行う場合における燃料噴射量ＴＯＵＴの算出手法を説明するための機能ブロック図である。この図に示されるブロックの機能は、具体的にはＥＣＵ２０のＣＰＵによる演算処理により実現される。

図２に示される燃料噴射量算出モジュールは、第１基本燃料量算出部３１と、第２基本燃料量算出部３２と、切換部３３と、第１目標空燃比設定部３４と、第２目標空燃比設定部３５と、切換部３６と、減算部３７と、フィードバック制御項算出部３８と、加算部３９とを備えている。

第１基本燃料量算出部３１は、エンジン１の失火が検出されていないときに適用される第１基本燃料量ＴＩＭ１を、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じたマップ（図示せず）を検索することにより算出する。第２基本燃料量算出部３２は、エンジン１の失火が検出されたときに適用される第２基本燃料量ＴＩＭ２を、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じたマップ（図示せず）を検索することにより算出する。切換部３３は、失火検出信号ＳＭＦに応じて、第１基本燃料量ＴＩＭ１と、第２基本燃料量ＴＩＭ２とを切り換えて、基本燃料量ＴＩＭを出力する。具体的には、失火が検出されていないときは、第１基本燃料量ＴＩＭ１が選択され、失火が検出されたときは、第２基本燃料量ＴＩＭ２が選択される。

第１目標空燃比設定部３４は、エンジン１の失火が検出されていないときに適用される第１リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ１（例えば、１４．０）の設定を行い、第１目標空燃比設定部３５は、エンジン１の失火が検出されたときに適用される第２リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ２（例えば、１４．５）の設定を行う。第２リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ２は、第１リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ１より少しリーン側に値に設定されている。切換部３６は、失火検出信号ＳＭＦに応じて、第１リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ１と、第２リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ２とを切り換える。具体的には、失火が検出されていないときは、第１リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ１が選択され、失火が検出されたときは、第２リッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤ２が選択される。

減算部３７は、切換部３６から出力されるリッチ化目標空燃比ＡＦＣＭＤから、ＬＡＦセンサ２３により検出される検出空燃比ＡＦＡＣＴを減算することにより、空燃比偏差ＤＡＦを算出する。
フィードバック制御項算出部３８は、空燃比偏差ＤＡＦが「０」となるように、フィードバック制御項ＴＦＢを算出する。加算部３９は、切換部３３から出力される基本燃料量ＴＩＭに、フィードバック制御項ＴＦＢを加算することにより、燃料噴射量ＴＯＵＴを算出する。

図３は、図２に示した燃料噴射量演算部の演算、及び吸入空気量の制御を行うことにより、空燃比リッチ化制御を行う処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＧＡＣＭＤマップ（図示せず）を検索し、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤを算出する。

ステップＳ１２では、失火が検出されたか否かを判別する。失火検出は、図示しない処理により、エンジン１の回転変動を示す回転変動パラメータＭＥＭＦに基づいて行われる。より具体的には、エンジン１のクランク軸が所定角度（例えば３０度）回転するのに要する時間ＣＲＭＥの移動平均化演算を行うことにより、平均値ＭＳＭＥが算出され、その平均値ＭＳＭＥの単位時間当たりの変化量の絶対値を、エンジン回転数ＮＥに応じて補正することにより、回転変動パラメータＭＥＭＦが算出される。そして、回転変動パラメータＭＥＭＦが、判定閾値ＭＦＤＴＨを超えたとき、失火が発生したと判定される。ここで、判定閾値ＭＦＤＴＨは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど減少するように設定される。

ステップＳ１２で失火が検出されていないときは、ステップＳ１３に進み、第１リッチ化噴射量制御を実行する。すなわち、図２を参照して説明したように、第１基本燃料量ＴＩＭ１及び第１目標空燃比ＡＦＣＭＤ１を用いた空燃比フィードバック制御行い、空燃比が１４．０程度となるように、燃料噴射量の制御を行う。

ステップＳ１４では、吸入空気量センサ２１により検出される吸入空気量ＧＡが、ステップＳ１１で算出した目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに一致するように、スロットル弁１３及びＥＧＲ弁６の開度を制御する。より具体的には、スロットル弁開度ＴＨを目標開度ＴＨＣＭＤまで減少させるとともに、吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤと一致するようにＥＧＲ弁６の開度（リフト量）を制御する。
ステップＳ１２で失火が検出されたときは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰで決まるエンジン運転状態が、図４にハッチングを付して示す禁止領域（高負荷高回転領域）ＲＩＢＴ内にあるか否かを判別する（ステップＳ１５）。具体的には、エンジン回転数ＮＥに応じて判定ラインＬＨＬに相当するＬＨＬテーブルを検索して、アクセルペダル操作量ＡＰの閾値ＡＰＬＨＬを算出し、アクセルペダル操作量ＡＰが閾値ＡＰＬＨＬ以上であるとき、エンジン運転状態が禁止領域ＲＩＢＴ内にあると判定する。

ステップＳ１５の答が否定（ＮＯ）であって、エンジン運転状態が、図４に示す許可領域ＲＰＭＴ内にあるときは、ステップＳ１６に進み、第２リッチ化噴射量制御を実行する。すなわち、図２を参照して説明したように、第２基本燃料量ＴＩＭ２及び第２目標空燃比ＡＦＣＭＤ２を用いた空燃比フィードバック制御行い、空燃比が１４．５程度となるように、燃料噴射量の制御を行う。第１リッチ化噴射量制御に比べてリッチ化の度合が小さくなるので、ＮＯｘ浄化装置１１内の触媒の温度は上昇しても最大許容温度ＴＬＭＴＭＡＸ以下に抑えることができる。ステップＳ１７では、ステップＳ１４と同様に、吸入空気量センサ２１により検出される吸入空気量ＧＡが、ステップＳ１１で算出した目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに一致するように、スロットル弁１３及びＥＧＲ弁６の開度が、ステップＳ１４と同様に制御される。

ステップＳ１５の答が肯定（ＹＥＳ）、すなわち、エンジン運転状態が禁止領域ＲＩＢＴ内にあるときは、リッチ化制御を実行するとＮＯｘ浄化装置１１内の触媒の温度が最大許容温度ＴＬＭＴＭＡＸを超える可能性があるため、リッチ化制御を禁止する（ステップＳ１８）。

以上のように図３に示す処理によれば、エンジン１の失火が検出された場合でも、エンジン運転状態が許可領域ＲＰＭＴ内にあるときは、失火が検出されない場合に比べてリッチ化度合を小さくして（空燃比を若干大きくして）、リッチ化制御が実行される。したがって、ＮＯｘ浄化装置１１内の触媒の温度を最大許容温度ＴＬＭＴＭＡＸ以下に抑えつつ、ＮＯｘ浄化装置１１に吸収されたＮＯｘの還元やサルファパージを実行することができる。

さらに失火が検出された場合において、エンジン運転状態が禁止領域ＲＩＢＴ内にあるときは、リッチ化制御を禁止するようにしたので、触媒の温度が最大許容温度ＴＬＭＴＭＡＸが超えるような事態を確実に回避し、ＮＯｘ浄化装置１１の故障を防止することできる。

本実施形態では、スロットル弁１３が吸気制御弁をに相当し、燃料噴射弁１２が燃料供給手段に相当し、ＮＯｘ浄化装置１１が排気浄化手段に相当し、ＥＣＵ２０が、還元リッチ化手段、失火検出手段、及び禁止手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ１１〜Ｓ１７が還元リッチ化手段に相当し、ステップＳ１２、Ｓ１５，及びＳ１８が禁止手段に相当する。またＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される図示しない失火検出処理が失火検出手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ＮＯｘ浄化装置１１は、空燃比リッチ化制御中に生成されるアンモニアを保持する能力を有し、リーンバーン運転時にそのアンモニアによってＮＯｘを還元することができるアンモニア活用型のＮＯｘ浄化装置を、ＮＯｘ浄化装置１１として用いてもよい。

また上述した実施形態では、燃料噴射弁１２により、１気筒当たり１回の主噴射を行う場合において、その主噴射の燃料噴射量ＴＯＵＴを増量して、排気空燃比のリッチ化（排気中の還元剤量の増量）を行うようにしたが、主噴射に加えてポスト噴射（主噴射の後に実行される補助的な燃料噴射）を実行して、排気空燃比のリッチ化を行うようにしてもよい。また、排気管４内に燃料、水素、アンモニアといった還元剤を直接供給する機構を、還元剤供給手段として設け、この還元剤供給手段により、還元剤の増量を行うようにしてもよい。ポスト噴射や還元剤供給手段により、還元剤量の増量を行う場合には、排気の空燃比に対応する目標空燃比を設定し、ＬＡＦセンサ２３により検出される排気空燃比が目標空燃比に一致するように、ポスト噴射量または還元剤供給手段による還元剤供給量の制御を行うようにする。

また上述した実施形態では、ディーゼル内燃機関の制御に本発明を適用した例を示したが、これに限るものではなく、ガソリン内燃機関の制御にも、本発明は適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示すブロック図である。空燃比リッチ化制御における燃料噴射制御を説明するためのブロック図である。空燃比リッチ化制御を行う処理のフローチャートである。失火検出時に、空燃比リッチ化制御を禁止する機関運転領域を示す図である。

符号の説明

１内燃機関
２吸気管
４排気管
５排気還流通路
６排気還流弁
１１ＮＯｘ浄化装置（排気浄化手段）
１２燃料噴射弁（燃料供給手段）
１３スロットル弁（吸気制御弁）
２０電子制御ユニット（還元リッチ化手段、失火検出手段、禁止手段）
２１吸入空気量センサ
２３酸素濃度センサ
２５アクセルセンサ
２６クランク角度位置センサ

Claims

排気系に排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化手段が設けられた内燃機関の制御装置であって、前記機関に吸入される空気量を制御する吸気制御弁と、前記機関に燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気制御弁の開度を減少させることにより、前記排気浄化手段に流入する排気の空燃比をリッチ化し、前記排気浄化手段内のＮＯｘを還元する還元リッチ化手段とを備える内燃機関の制御装置において、
前記機関の失火を検出する失火検出手段と、
前記失火が検出された場合において、失火発生時に前記排気浄化手段の温度が最大許容温度を超える可能性がある所定運転状態で、前記機関が運転されているときは、前記還元リッチ化手段による空燃比リッチ化を禁止する禁止手段とを備え、
前記所定運転状態は、前記機関の負荷を示す負荷パラメータが前記機関の回転数に応じて設定される閾値より大きい運転状態であることを特徴とする内燃機関の制御装置。