JP4448103B2 - 内燃機関の吸入空気量を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量を制御するための方法に関する。

本発明は、限定するものではないが、内燃機関の排気ガスの後処理装置を制御するために用いることが特に有利であり、とりわけ、ディーゼルエンジンの排気ガスを処理するための窒素酸化物吸着触媒を再生するために用いることが有利である。これに関し、純粋に例示として以下に説明する。

周知の通り、ディーゼルエンジンの排出ガスは次の（ａ）〜（ｄ）の化合物を含み、中には健康および／または環境に有害なものもある。
（ａ） 燃料中の炭化水素の完全燃焼によって発生した二酸化炭素（ＣＯ₂）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）
（ｂ） 燃料中の炭化水素の不完全燃焼によって発生した未燃炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）
（ｃ） エンジンに吸入された空気に含まれる窒素の酸化によって発生した窒素酸化物（ＮＯ_x）
（ｄ） 主として噴射された燃料の不完全燃焼によって発生した微粒子（パティキュレート）

一酸化炭素と炭化水素は、次の酸化過程を経て二酸化炭素と水蒸気に転化することが可能であり、この化学反応は、混合気が希薄、すなわち高酸素濃度、のときに進行する。
ＣＯ＋ＨＣ＋Ｏ₂ → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ

一方、窒素酸化物は、次の還元過程を経て二酸化炭素、窒素、および水蒸気に転化することが可能であり、この化学反応は、混合気が過濃なときに引き起こされる。
ＮＯ_x＋ＣＯ＋ＨＣ → Ｎ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ

オットーエンジンの場合には、上記の現象が同時に利用される。

上記三つの汚染物質（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_x）の全てを効果的に除去するために、三価触媒を備えるオットーエンジンの燃焼室の混合気は、化学量論的、すなわち燃焼室に供給された空気量が燃焼室内の燃料を燃焼させるために必要な正確な量でなければならない。

しかしながら、三価触媒はディーゼルエンジンでの使用には向かない。それは、機能させるためには化学量論比を超える空気量（希薄運転）が必要であり、そのために、通常運転状態において前記した理由により窒素酸化物の還元ができないからである。

したがって、ディーゼルエンジンが発生した窒素酸化物を三価触媒によって除去することは不可能であり、この種のエンジンの触媒の有効性は、一酸化炭素と炭化水素を二酸化炭素と水蒸気に酸化することにのみ制限される。

窒素酸化物の排出量を低減するために、排気ガスの一部を燃焼室に再循環させることが知られている（ＥＧＲ−排ガス再循環）。排気ガスは二酸化炭素を含有しており、二酸化炭素は、燃焼室で発生した所与の熱量によって上昇する燃焼室内の温度を低下させる高い熱容量を有しているために、窒素酸化物をより容易に発生することができる燃焼室の高温領域とのあいだの熱交換を抑制する。このために、総合的な効果として、燃焼によって発生する窒素酸化物の総量が低減される。燃焼室内に戻される排気ガスの流量は、通常は、排気ガス管とエンジンの吸気管を連結する再循環パイプに沿って配置されたいわゆるＥＧＲソレノイドバルブによって調節される。

しかし、排ガス再循環装置は、単独で使用した場合、特に微粒子と未燃炭化水素の発生の観点から最近の環境汚染規制の要請に応えることができない。

効果的に窒素酸化物の排出量を低減するために最近用いられるようになった解決策の一つは、窒素酸化物トラップ（ＬＮＴ；リーンＮＯ_xトラップ）としても知られるいわゆる窒素酸化物吸着触媒（ＮＯ_x吸着触媒）の使用であり、それは、従来の触媒の下流側の位置で排気管に取り付けられて、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化元素、たとえば白金（Ｐｔ）、によって二酸化窒素（ＮＯ₂）に転化して吸着化合物、たとえば酸化バリウム（ＢａＯ）、によって捕捉する。

吸着プロセス中、酸化バリウムは、受容域が飽和されるために一酸化窒素（ＮＯ）を吸着できないようになり、窒素酸化物吸着触媒が窒素酸化物をもはや効果的に除去できない飽和状態に達したとき、受容域をいわゆる再生、すなわち窒素酸化物の脱着と同時還元によって周期的に「浄化」しなければならない。この段階において、酸化バリウム（ＢａＯ）は、還元元素、たとえばロジウム（Ｒｈ）、によって窒素と二酸化炭素に分離されるが、これは、ディーゼルエンジンを較正して排気ガス中に還元雰囲気（過濃操作）を数秒間発生させることによって達成することができる。

バリウムの吸着能力は、一例として、燃料中の硫黄によって低下する。悪いことに、３００℃を超える温度において硫黄は二酸化硫黄（ＳＯ₂）へと酸化され、さらに、大気中の湿気によって三酸化硫黄（ＳＯ₃）に転化される。この二つの化合物は、窒素酸化物と同様のプロセスで酸化バリウムと反応する、すなわち、バリウムの受承域に硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）の形で捕捉される傾向にある。したがって、受容域の一部が永久的に硫酸バリウムによって占領され、このために、窒素酸化物の一部の取り込みと吸着効率の悪化を防止する。事実、二酸化窒素によって飽和された受容域の再生は３００℃から４５０℃の範囲で行われるが、硫化物によって飽和された受容域を再生するためには、６００℃前後の温度が必要である。

したがって、窒素酸化物吸着触媒の硫化物による損傷を防止するためには、燃料の硫黄を全く含まない、あるいは、損傷の範囲を限定するために最高でも１０ｐｐｍに押さえなければならない。

潤滑油と燃料に起因した少量の硫化物がゆっくりとではあるが吸着触媒に蓄積することは避けられず、したがって、還元雰囲気状態と約６００℃の温度とを組み合わせた脱硫として知られる特定の再生手法によって、１０００ｋｍから４０００ｋｍ毎に硫化物を定期的に取り除かなければならない。

吸着、脱着、および脱硫は、エンジンが作動中の空燃比組成に緊密に関連している。つまり、窒素酸化物と硫黄を吸着するためには空燃比は希薄（酸化雰囲気）でなければならないが、窒素酸化物を脱着する、あるいは、硫黄酸化物を脱硫するためには空燃比は過濃（還元雰囲気）でなければならない。

より具体的には、窒素酸化物の脱着−還元機構は希薄混合気状態において開始され、触媒として機能するプラチナ（Ｐｔ）によって一酸化窒素（ＮＯ）が次の式にしたがって二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化される。
ＮＯ ＋ 1/2 Ｏ₂ → ＮＯ₂

続いて、二酸化窒素（ＮＯ₂）は、吸着元素、たとえば酸化バリウム（ＢａＯ）と反応し、次の式に示すように硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃）₂）として捕捉（すなわち化学的吸着）される。
ＢａＯ ＋ ＮＯ₂ ＋ 1/2 Ｏ₂ → Ｂａ（ＮＯ₃）₂

再生段階において、一酸化炭素と未燃炭化水素の排出量を増加させて排気ガスに還元性の特性を与えるために、混合気は予め決められた時間過濃にされる。

還元雰囲気は、硝酸バリウムを熱力学的に不安定にし、それにより、次の式に示すように一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ₂）を放出させる。
Ｂａ（ＮＯ₃）₂ → ＢａＯ ＋ ２ＮＯ ＋ 1/2 Ｏ₂
Ｂａ（ＮＯ₃）₂ → ＢａＯ ＋ ２ＮＯ₂ ＋ 1/2 Ｏ₂

触媒としてのロジウムが配置されているために、過濃混合気状態において一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ₂）は、一酸化炭素（ＣＯ）、水素、および炭化水素によって還元されて窒素（Ｎ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）になる。

可能な還元のルートの一つは下記の式の通りである。
ＮＯ ＋ ＣＯ → 1/2 Ｎ₂ ＋ ＣＯ₂

混合気は、一般的に空燃（Ａ／Ｆ）比つまりエンジンの燃焼室の強さによって定量的に規定されており、この比は、燃焼行程において使用可能な新鮮な空気量を表す。

再生手法は、現在、混合気が過濃にされる、とりわけ１２から１４の空燃（Ａ／Ｆ）比、が一定時間（約５秒間）継続される再生段階と、その前の、希薄な混合気、とりわけ２０から５５の空燃（Ａ／Ｆ）比、が一定時間（約６０秒間）継続される蓄積段階を含む。

排ガス再循環装置が装備されたエンジンにおいて、蓄積段階から再生段階に切り換えるために空燃比を変更することができる周知の方法は、排気ガスの再循環流量を調節して、燃焼室に供給される酸素量を変化させることである。欧州特許申請ＥＰ−Ａ−１ ３３６ ７４５は排気ガスの再循環流量の制御装置を提案しており、この制御装置においては、ＥＧＲバルブが、エンジンの吸気流量がエンジンの燃焼室内の要求基準空燃比に基づいて算出された基準空気量と等量になるように閉ループ制御されている。

しかし、吸入空気量を制御するための上記の閉ループ制御は、窒素酸化物吸着触媒を再生するときには余り効果的ではない。つまり、窒素酸化物吸着触媒の再生は、きわめて短時間で完了し、また、空燃比に大きく依存するために、きわめて正確で、速い空燃比の変更を行うことが要求されており、周知の制御装置では達成することが不可能である。

本発明の目的は、内燃機関の吸入空気量を、とりわけ窒素酸化物吸着触媒を再生するために制御するための方法と装置を提供することである。

本発明の一態様は、内燃機関（１）の吸入空気量を制御するための方法において、
燃焼室の中で得られる基準空燃比（（Ａ／Ｆ）_REF）の関数としてエンジンの吸入空気量を制御すること、を含み、また
エンジン（１）が発生した排気ガス中の酸素濃度（％Ｏ₂）の関数としてもエンジン（１）の吸入空気量を制御することを含むことを特徴としている。

本発明の他の態様は、内燃機関（１）の吸入空気量を制御するための制御装置（９）において、前記方法を実行するように構成されていることを特徴としている。

本発明によると、請求項１と請求項１２に各々記載されているように、内燃機関の吸入空気量を制御するための方法と装置が提供される。

さらに、本発明によると、請求項１０と請求項１３に各々記載されているように、内燃機関の排気ガスの後処理装置を制御するための方法と装置が提供される。

本発明の、これに限定するものではないが、好ましい形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

添付図面の符号１は、全体としてディーゼルエンジンを示し、とりわけ、コンプレッサ３とコンプレッサ３に連結されたタービン４によって規定されたターボチャージャ（スーパーチャージャ）２、吸気装置５、コモンレール式燃料噴射装置６、排気装置７、排ガス再循環装置８、および、上記装置を制御するための電子制御装置９を有する過給機付きディーゼルエンジンを示す。

より具体的には、吸気装置５は、コンプレッサ３と相対熱交換器（インタークーラ）１１が直列に配置された吸気管１０と、吸入空気をシリンダに供給するために吸気管１０とエンジン１のシリンダ１３に連結された吸気マニホルド１２を有する。

排気装置７は、タービン４、酸化触媒コンバータ１５、酸化窒素吸着触媒１６、および、微粒子フィルタ（図示せず）が直列に配置された排気管１４と、燃焼によって発生したガスを排気管に導くためにエンジン１のシリンダ１３と排気管１４に連結された排気マニホルド１７を有する。

排気ガス再循環装置８は、排気管１４のタービン４上流側の位置と吸気管１０の熱交換器１１下流側の位置に連結され、また、別の熱交換器（ＥＧＲクーラ）１９が配置されたガス再循環パイプ１８と、ガス再循環パイプ１８が吸気管１０に連結された位置に配置された制御のためのソレノイドバルブ２０（以下、単にＥＧＲバルブと呼ぶ）を有する。

電子制御装置９は、エンジンの吸入空気量Ａ_MEASを計測するためにデビメータによって規定され、吸気管１０のコンプレッサ３上流側の位置に配置された空気流量計２１、駆動軸２４（一点鎖線によって概略的に示す）に取り付けられたパルスホイール２３と、パルスホイール２３に向けて配置されてパルスホイール２３の回転速度、ひいてはエンジン回転数ＲＰＭ、を示す信号を発生する電磁センサ２５を含むエンジン回転数計測装置２２、排気ガス中の酸素濃度％Ｏ₂を測定するために窒素酸化物吸着触媒１６上流の排気管１４に配置されたＵＨＥＧＯ（万能型加熱式排ガス酸素センサ）として知られる酸素濃度センサ２６、および、空気流量計２１、エンジン回転数計測装置２２、ならびにＥＧＲバルブ２０に接続されて、以下に説明するように、エンジン１の吸入空気量を制御する方法を実行するための電子中央制御ユニット２７を有する。

電子中央制御ユニット２７は、スピードＲＰＭ、（各々のシリンダに噴射された燃料の量Ｑによって規定された）エンジン負荷、および、要求された再生の種類（脱着か脱硫か）を選択するとともに、本発明の構成要素ではないがために詳細な説明はしないが、ある手法に基づいて電子中央制御ユニット２７が発生する選択のための選択信号Ｓが入力される選択ブロック２８を実行し、選択ブロック２８は、代わって、脱着中または脱硫中に燃焼室内において得られる基準空燃比（Ａ／Ｆ）_REFとして規定され、さらに、たとえば軽油の場合は１４．６５の化学量論的空燃比（Ａ／Ｆ）_STOICHに対して標準化された基準ラムダλ_REFを出力する（次式参照）。
λ_REF ＝ （Ａ／Ｆ）_REF／（Ａ／Ｆ）_STOICH

より具体的には、選択ブロック２８は各々脱着用と脱流用の二つのテーブル（図示せず）を記憶しており、それらは、選択信号Ｓによって呼び出され、また、各々スピードＲＰＭとエンジン負荷Ｑの関数としての基準ラムダλ_REFが収容されている。

電子中央制御ユニット２７は、また、空気量算出ブロック２９を実行し、それは、基準ラムダλ_REF、燃料の噴射量Ｑ、および、排気ガス中の酸素濃度％Ｏ₂を受信するとともに、以下に説明するように、基準空気量Ａ_REFを出力する。

より具体的には、空気量算出ブロック２９は、基準空気量Ａ_REFに対するフィードフォワード操作量Ａ_FFを出力するフィードフォワード算出ブランチ３０と、基準空気量Ａ_REFにフィードバック操作量Ａ_FBを出力するフィードバック算出ブランチ３１を有する。

さらに具体的には、フィードフォワード算出ブランチ３０は算出ブロック３２によって規定されており、それは、基準ラムダλ_REFと燃料の噴射量Ｑを受信するとともに、基準ラムダλ_REFと燃料の噴射量Ｑの関数として周知の式により、基準空気量Ａ_REFにフィードフォワード操作量Ａ_FFを出力する。

フィードバック算出ブランチ３１は変換ブロック３３を有しており、それは、排気ガス中の酸素濃度％Ｏ₂を受信し、次の周知の式にしたがって算出された対応する測定ラムダλ_MEASを出力する。

ここで、Ｈ／Ｃは、ラムダセンサ供給元から提供された炭素に対する水素の割合、Ｘ_O2は、酸素濃度センサ２６によって計測された酸素モル数で実質的に酸素濃度％Ｏ₂によって表される。

また、フィードバック算出ブランチ３１は、基準ラムダλ_REFと測定ラムダλ_MEASを受信するとともに、基準ラムダλ_REFと測定ラムダλ_MEASの差に等しいエラー信号ＥＲＲを出力する減算ブロック３４と、詳細は説明しないが、周知のＰＩＤ（比例積分導関数）構造を実行し、また、エラー信号ＥＲＲを受信するとともに、基準空気量Ａ_REFに対するフィードバック操作量Ａ_FBを出力する算出ブロック３５を有する。

空気量算出ブロック２９は加算ブロック３６を有しており、それは、フィードフォワード操作量Ａ_FFとフィードバック操作量Ａ_FBを受信し、フィードフォワード操作量Ａ_FFとフィードバック操作量Ａ_FBの合計値としての基準空気量Ａ_REFを出力する。

最後に、電子中央制御ユニット２７は、基準空気量Ａ_REFと測定空気量Ａ_MEASを受信し、また、本発明の構成要素ではないがために詳細な説明はしないが、周知の方法によって測定空気量Ａ_MEASが基準空気量Ａ_REFにほぼ等しくなるようにＥＧＲバルブ２０を制御するための制御信号を出力するとともに、ＥＧＲバルブ２０を閉ループ制御方式により制御する制御ブロック３７を実行する。

エンジン１による吸入空気量Ａ_MEASが単にフィードフォワード操作量Ａ_FFによってのみ規定される基準空気量Ａ_REFと等しくなるように閉ループ制御されている周知の制御装置とは異なり、本発明による基準空気量Ａ_REFは、空燃比が窒素酸化物吸着触媒の再生に必要な正確さと機敏さを持って変更できるように、排気ガス中の酸素濃度％Ｏ₂に基づいて発生されたフィードバック操作量Ａ_FBを含む。すなわち、フィードフォワード算出ブランチ３０は、蓄積段階から再生段階に切り換えるとき、空燃比の高速変更を確実なものにし、一方、フィードバック算出ブランチ３１は、再生段階においてきわめて正確な空燃比を確実なものにする。

別の利点は、窒素酸化物吸着触媒１６の再生（脱着または脱硫）に加えて、本発明による制御方法が、排気ガスのラムダに基づいてエンジン１の吸入空気量を微調整することが要求される全ての装置に用いることができるという事実である。

この方法は、また、コモンレール式燃料噴射装置６と吸気装置５の構成部分の機械的および／または電子的特性の誤差を補正することもできる。

ここに記載し、また、図示した方法を、添付請求項に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、変更できることは明白であろう。

たとえば、算出ブロック３５は、上記した構造、たとえばＰＩ構造またはモデルに基づいた構造以外の構造を実行してフィードバック操作量Ａ_FBを算出することができる。

さらに、基準空気量Ａ_REFを、上記とは異なり、フィードフォワード操作量Ａ_FFとフィードバック操作量Ａ_FBの関数として算出することが可能であり、たとえば、これらにウェイトを付けて合計すること、または、０から１の範囲のフィードバック操作量Ａ_FBを発生させて、それをフィードフォワード操作量Ａ_FFの係数として用いることが可能である。

本発明による吸入空気量を制御するための方法を実行する電子制御装置が装備されたディーゼルエンジンの概略図である。

Claims (11)

1. 内燃機関（１）の吸入空気量を制御するための方法であって、
   燃焼室の中で得られる基準空燃比（（Ａ／Ｆ）_REF）を算出する工程、
   エンジン（１）が発生した排気ガス中の酸素濃度（％Ｏ₂）を測定する工程、
   前記基準空燃比（（Ａ／Ｆ）_REF）および前記酸素濃度（％Ｏ₂）に基づいて基準吸入空気量（Ａ_REF）を算出する工程および
   前記基準吸入空気量（Ａ_REF）に基づいてエンジン（１）の吸入空気量を制御する工程からなる内燃機関（１）の吸入空気量を制御するための方法であって、
   前記基準吸入空気量（Ａ_REF）を算出する工程が、
   基準空燃比（（Ａ／Ｆ）_REF）に基づいて基準吸入空気量（Ａ_REF）に対するフィードフォワード操作量（Ａ_FF）を算出することと、
   排気ガス中の酸素濃度（％Ｏ₂）に基づいて基準吸入空気量（Ａ_REF）に対するフィードバック操作量（Ａ_FB）を算出することと、
   前記フィードフォワード操作量（Ａ_FF）および前記フィードバック操作量（Ａ_FB）に基づいて前記基準吸入空気量（Ａ_REF）を算出すること、とを含み、
   フィードバック操作量（Ａ_FB）の算出が、
   排気ガス中の酸素濃度（％Ｏ₂）に基づいて測定ラムダ（λ_MEAS）を決定することと、
   基準空燃比（（Ａ／Ｆ）_REF）および測定ラムダ（λ_MEAS）に基づいて前記フィードバック操作量（Ａ_FB）を算出することを含むことを特徴とする方法。
2. 前記フィードバック操作量（Ａ_FB）の算出が、基準空燃比（（Ａ／Ｆ）_REF）および測定ラムダ（λ_MEAS）に基づいてエラー（ＥＲＲ）を算出すること、および
   該エラー（ＥＲＲ）に基づいて前記フィードバック操作量（Ａ_FB）を算出することからなる請求項１記載の方法。
3. 前記エラーに基づいて前記フィードバック操作量（Ａ_FB）を算出することが、
   比例積分導関数（ＰＩＤ）制御を実行することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記エラー（ＥＲＲ）が、
   スピードＲＰＭとエンジン負荷の関数としての基準ラムダ（λ _REF ）から前記測定ラムダ（λ_MEAS ）を減算することにより算出されることを特徴とする請求項２または３記載の方法。
5. 基準空気量（Ａ_REF）を算出することが、
   前記フィードフォワード操作量（Ａ_FF）と前記フィードバック操作量（Ａ_FB）とを加算することを含む請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記基準吸入空気量（Ａ_REF）に基づいてエンジン（１）の吸入空気量を制御する工程が、測定空気量Ａ_MEASを計測すること、および測定空気量Ａ_MEASが実質的に基準吸入空気量（Ａ_REF）に等しくなるように閉ループ制御される請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記エンジンの吸入空気量を制御することが、
   前記エンジン（１）の内部において排気ガスの再循環を制御することを含む請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載された方法を用いて前記エンジン（１）の吸入空気量を制御する装置（９）。
9. 内燃機関（１）の排気ガスの後処理装置（９，１６）を制御する方法において、
   請求項１〜７のいずれかに記載された方法を用いて前記エンジン（１）の吸入空気量を制御する方法。
10. 前記排気ガスの後処理装置（９，１６）が、窒素酸化物吸着触媒（１６）を含む請求項９記載の方法。
11. 請求項９または１０の方法を用いて内燃機関（１）の排気ガスの後処理装置（９，１６）を制御する装置。

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