JP4748124B2

JP4748124B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4748124B2
Application number: JP2007175337A
Authority: JP
Inventors: 智洋金子; 清藤原; 崇小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP2009013839A

Description

本発明は、再生式の排気浄化手段と、排気浄化手段より上流の排気通路と吸気通路とを連通する第１ＥＧＲ通路と、排気浄化手段より下流の排気通路と前記吸気通路とを連通する第２ＥＧＲ通路と、を備えた圧縮着火式の内燃機関に適用され、内燃機関の運転状態に応じて通常燃焼と予混合燃焼とに燃焼形態を切り替える内燃機関の制御装置に関する。

パティキュレートフィルタの再生時にパティキュレートフィルタの下流に設けられた排気絞り弁を閉弁させたり、パティキュレートフィルタより上流の排気通路に接続されたＥＧＲ通路のＥＧＲ弁を閉弁させたりしてパティキュレートフィルタ内の圧力を昇圧させる排気浄化装置が知られている（特許文献１〜３参照）。また、内燃機関の燃焼形態を拡散燃焼と予混合燃焼とに切替可能な内燃機関に適用され、パティキュレートフィルタを昇温する際は拡散燃焼でリッチ運転を行わせる排気浄化装置が知られている（特許文献４参照）。さらに、ターボチャージャのタービンより下流の排気管と吸気管とを接続する低圧ＥＧＲ経路及びタービンより上流の排気管と吸気管とを接続する高圧ＥＧＲ経路を備えるとともに燃焼形態を通常燃焼と予混合燃焼とに切り替えることができ、運転状態に応じてこれらＥＧＲ経路及び燃焼形態をそれぞれ切り替える内燃機関が知られている（特許文献５参照）。

特開２００４−２８５９０７号公報特許第３７１４２５２号公報特開２００５−２８２５３３号公報特開２００６−６５１１６号公報特開２００４−１５０３１９号公報

特許文献４、５の内燃機関のように燃焼形態を予混合燃焼に切替可能な内燃機関では、燃焼形態が予混合燃焼のときにパティキュレートフィルタなどの再生式の排気浄化手段の再生時期になる場合がある。予混合燃焼においては、気筒内に吸入される新気の量を抑えるべくスロットル弁の開度が小さく設定されるとともに排気通路から吸気通路に大量の排気を還流させるべくＥＧＲ弁の開度が大きく設定される。そのため、予混合燃焼時に排気浄化手段の再生を実行する場合は、通常燃焼時と同様のタイミングで排気絞り弁やＥＧＲ弁の操作を行っても排気浄化手段の再生処理を実行するまでに内燃機関の背圧が適切に上昇しないおそれがある。特許文献１〜３の装置は、このような予混合燃焼時における再生方法について開示されていない。特許文献４の装置では、燃焼形態が予混合燃焼のときにパティキュレートフィルタの再生時期になると燃焼形態を通常燃焼である拡散燃焼に切り替えてパティキュレートフィルタの再生を行っているが、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの生成を抑えるためには機能再生中も燃焼形態を予混合燃焼に維持する方が望ましい。

そこで、本発明は、燃焼形態を通常燃焼と予混合燃焼に切り替え可能な内燃機関において燃焼形態が予混合燃焼のときにも排気浄化手段の再生処理を適切に行うことが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、排気通路に設けられて昇温操作により機能が再生される再生式の排気浄化手段と、前記排気浄化手段より上流の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、前記排気浄化手段より上流の排気通路と吸気通路とを連通する第１ＥＧＲ通路と、前記第１ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流される排気の流量を調整する第１ＥＧＲ弁と、前記排気浄化手段より下流の排気通路と前記吸気通路とを連通する第２ＥＧＲ通路と、前記第２ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流される排気の流量を調整する第２ＥＧＲ弁と、前記排気浄化手段より下流、かつ前記第２ＥＧＲ通路の接続位置より上流の排気通路に配置され、その排気通路の流路断面積を変更可能な排気絞り弁と、を備えた圧縮着火式の内燃機関に適用され、前記内燃機関の運転状態に応じて通常燃焼と予混合燃焼とに燃焼形態を切り替える燃焼形態切替手段を備える内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の燃焼形態が前記予混合燃焼であり、かつ前記排気浄化手段の昇温操作を実行する所定の再生条件が成立した場合、前記内燃機関の排気通路の流路断面積が絞られるように前記排気絞り弁を制御するとともに前記第１ＥＧＲ通路を介した前記吸気通路への排気の還流が停止されるように前記第１ＥＧＲ弁の開度を制御する圧力上昇制御を実行する圧力上昇手段と、前記圧力上昇手段による前記圧力上昇制御の実行後に前記内燃機関の背圧が所定の閾値以上に変化したか否か判定する判定手段と、前記判定手段により前記内燃機関の背圧が前記所定の閾値以上に変化したと判定された場合に前記燃料添加弁から燃料を噴射させる機能再生制御を実行する燃料添加手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の制御装置によれば、内燃機関の燃焼形態が予混合燃焼のときに所定の再生条件が成立した場合、判定手段によって内燃機関の背圧が所定の閾値以上に変化したと判定された後に機能再生制御が実行されるので、所定の閾値を適切に設定することにより内燃機関の背圧が排気浄化手段の機能を再生させるために適した圧力に上昇してから機能再生制御を実行することができる。そのため、燃焼形態が予混合燃焼のときにも排気浄化手段の再生処理を適切に行うことができる。

本発明の制御装置の一形態において、前記圧力上昇手段は、前記圧力上昇制御の実行時に前記吸気通路に設けられたスロットル弁を開き側に制御してもよい（請求項２）。この場合、吸気量を増加させることができるので、より速やかに内燃機関の背圧を上昇させることができる。

本発明の制御装置の一形態においては、前記圧力上昇手段による前記圧力上昇制御の実行後、前記第１ＥＧＲ弁の開度の変更を禁止するとともに前記内燃機関の気筒に吸入される吸気の酸素濃度が目標濃度範囲内に調整されるように前記第２ＥＧＲ弁の開度を調整する弁開度調整手段をさらに備えていてもよい（請求項３）。第１ＥＧＲ通路は排気絞り弁よりも上流の排気通路に接続されているため、第１ＥＧＲ弁を開けると排気浄化手段における排気の圧力が低下する。そこで、第１ＥＧＲ弁の開度の変更を禁止し、内燃機関の背圧の低下を防止する。一方、排気絞り弁は第２ＥＧＲ通路の接続位置よりも上流に設けられているため、第２ＥＧＲ弁の開度を変更して吸気通路に還流される排気（以下、ＥＧＲガスと称することがある。）の量を調整しても内燃機関の背圧の低下を抑制できる。そのため、このように第１ＥＧＲ弁の開度の変更を禁止し、第２ＥＧＲ弁にて吸気の酸素濃度を調整することにより、ＮＯｘの発生を抑えつつ機能再生制御を実行できる。

本発明の制御装置の一形態においては、前記燃料添加手段による前記機能再生制御の実行時に前記吸気通路に還流される排気中の二酸化炭素濃度を取得する二酸化炭素濃度取得手段と、前記二酸化炭素濃度取得手段により取得された二酸化炭素濃度が所定の許容値より高い場合、前記第２ＥＧＲ弁を閉じ側に制御するとともに前記第１ＥＧＲ弁を開き側に制御する排気流量制御手段と、をさらに備えていてもよい（請求項４）。機能再生制御の実行時は燃料添加弁から添加された燃料が排気浄化手段で燃焼し、排気浄化手段より下流の排気の二酸化炭素濃度が上昇する。二酸化炭素濃度の高い排気が第２ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されると、気筒内での燃焼混合気の燃焼状態が悪化してトルク変動を引き起こすおそれがある。そこで、吸気通路に還流される二酸化炭素の濃度が所定の許容値よりも高い場合は、第２ＥＧＲ弁を閉じ側に制御して二酸化炭素濃度の高い排気の還流を抑制する。また、この第２ＥＧＲ弁の閉じ側への制御とともに第１ＥＧＲ弁を開き側に制御するので、第２ＥＧＲ弁を閉じ側に制御するまでとほぼ同様の量のＥＧＲガスを吸気通路に還流させることができる。そのため、このように各ＥＧＲ弁を制御することにより、内燃機関のトルク変動を抑制しつつ吸気通路にＥＧＲガスを還流し続けることができる。

この形態において、前記排気流量制御手段は、前記第２ＥＧＲ弁を閉じ側に制御したことによる前記吸気通路に還流される排気の流量の変化が補償されるように前記第１ＥＧＲ弁を開き側に制御してもよい（請求項５）。このように各ＥＧＲ弁を制御することにより、吸気通路にそれまでとほぼ同量のＥＧＲガスを吸気通路に還流させることができる。

なお、本発明の「補償」の概念は、第２ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されるＥＧＲガス量の減少が第１ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されるＥＧＲガス量の増加にて打ち消されるように第１ＥＧＲ弁を開き側に制御することを意味し、第２ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されるＥＧＲガス量の減少を第１ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されるＥＧＲガス量の増加によって完全に相殺すること、及び第２ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されるＥＧＲガス量の減少を第１ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流されるＥＧＲガス量の増加によって部分的に補うことの両方を含む。

以上に説明したように、本発明の制御装置によれば、内燃機関の燃焼形態が予混合燃焼のときに所定の再生条件が成立した場合は、内燃機関の背圧が所定の閾値以上に変化した後に機能再生制御が実行されるので、内燃機関の背圧が排気浄化手段の機能を再生させるために適した圧力に上昇してから機能再生制御を実行することができる。そのため、燃焼形態が予混合燃焼のときにも排気浄化手段の再生処理を適切に行うことができる。

（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る制御装置が組み込まれた内燃機関の一例を示している。図１の内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、自動車などの車両に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジンであり、複数（図１では４つ）の気筒２が設けられる機関本体３と、各気筒２にそれぞれ接続される吸気通路４及び排気通路５とを備えている。吸気通路４には、吸気濾過用のエアフィルタ６、吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ７、吸入空気量を調整するための第１スロットル弁８、ターボ過給機９のコンプレッサ９ａ、吸気を冷却するためのインタークーラ１０、及び吸入空気量を調整するための第２スロットル弁１１が設けられている。排気通路５には、排気通路内に燃料を噴射するための燃料添加弁１２、ターボ過給機９のタービン９ｂ、排気を浄化するための排気浄化装置１３、排気通路５の流路断面積を変更可能な排気絞り弁１４、及び排気絞り弁１４を迂回させて排気を下流に導くバイパス通路１５が設けられている。

バイパス通路１５には、排気絞り弁１４と排気浄化装置１３との間の排気通路内の圧力が所定圧以上になると開弁する圧力調整弁１６が設けられている。排気浄化装置１３には、三元触媒１３ａ及び排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化手段としてのパティキュレートフィルタ（以下、フィルタと略称することがある。）１３ｂが設けられる。図１に示したように燃料添加弁１２は、排気浄化装置１３よりも上流に設けられる。排気絞り弁１４は、その開度を閉じ側に制御することによって排気通路５の流路断面積を絞ることができ、全閉状態においても排気通路５が完全に遮断されないように全閉時の開度が設定される周知のものである。図１に示したように各気筒２には、気筒２内に燃料を噴射するためのインジェクタ１７がそれぞれ設けられている。各インジェクタ１７は、インジェクタ１７に供給される高圧の燃料が蓄えられるコモンレール１８に接続されている。また、エンジン１は機関本体３で発生したブローバイガスを吸気通路４に導くブローバイガス通路１９を備えている。

排気通路５と吸気通路４とは、第１ＥＧＲ通路としての高圧ＥＧＲ通路２０及び第２ＥＧＲ通路としての低圧ＥＧＲ通路２１にて接続されている。図１に示したように高圧ＥＧＲ通路２０は、排気浄化装置１３より上流の排気通路５とコンプレッサ９ａより下流の吸気通路４とを接続している。低圧ＥＧＲ通路２１は、排気浄化装置１３及び排気絞り弁１４より下流の排気通路５とコンプレッサ９ａより上流の吸気通路４とを接続している。そのため、排気絞り弁１４は、排気浄化装置１３より下流、かつ低圧ＥＧＲ通路２１の接続位置より上流の排気通路５に配置される。高圧ＥＧＲ通路２０には、高圧ＥＧＲ通路２０を介して吸気通路４に還流されるＥＧＲガス（以下、第１ＥＧＲガスと称することがある。）の流量を調整する第１ＥＧＲ弁としての高圧ＥＧＲ弁２２が設けられている。低圧ＥＧＲ通路２１には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２３、及び低圧ＥＧＲ通路２１を介して吸気通路４に還流されるＥＧＲガス（以下、第２ＥＧＲガスと称することがある。）の流量を調整する第２ＥＧＲ弁としての低圧ＥＧＲ弁２４が設けられている。このように低圧ＥＧＲ通路２１にはＥＧＲクーラ２３を設けるため、高圧ＥＧＲ通路２０よりも長さが長くなる。

高圧ＥＧＲ弁２２、低圧ＥＧＲ弁２４、燃料添加弁１２、及び排気絞り弁１４のそれぞれの動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン１に設けられている各種センサからの出力信号を参照してエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ３０は、例えばエンジン１の運転状態に基づいて各気筒２に供給すべき燃料量を算出し、その算出した燃料量の燃料が各気筒２に供給されるように各気筒２に設けられたインジェクタ１７の動作を制御する。ＥＣＵ３０には、各種センサとしてエンジン１の機関回転速度（回転数）に対応する信号を出力するクランク角センサ３１、排気浄化装置１３の前後の圧力差に対応する信号を出力する差圧センサ３２、及び排気浄化装置１３内の排気の圧力に対応する信号を出力する圧力センサ３３が接続されている。また、エアフローメータ７もＥＣＵ３０に接続されている。

ＥＣＵ３０は、エンジン１の回転数及び負荷に基づいてエンジン１の燃焼形態を、通常燃焼と予混合燃焼（以下、ＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＣｈａｒｇｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ（ＨＣＣＩ）燃焼と称することがある。）とに切り替える。通常燃焼では、圧縮上死点においてインジェクタ１７から気筒２内に燃料を噴射させ、その直後に燃料を燃焼させる。一方、予混合燃焼では、圧縮上死点の３０°ＣＡ（クランク角度を意味する。）程度前頃にインジェクタ１７から気筒２内に燃料を噴射させ、その後圧縮上死点でその燃料を燃焼させる。この予混合燃焼時は、気筒２内への新気の流入を抑制しつつＥＧＲガスを大量に導入するため、ＥＣＵ３０は各スロットル弁８、１１の開度をそれぞれ小さく設定するとともに各ＥＧＲ弁２２、２４の開度をそれぞれ大きく設定する。このような燃焼形態の切り替えは、例えば図２に示したマップを予め実験などにより求めてＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップを参照して行えばよい。このように燃焼形態を切り替えることにより、ＥＣＵ３０が本発明の燃焼形態切替手段として機能する。

また、エンジン１では、排気通路４から吸気通路３に排気を還流させるための複数種類のＥＧＲモードがエンジン１の運転状態に対応付けられて設定されている。ＥＧＲモードとしては、低圧ＥＧＲ通路２１のみを介して排気を吸気通路４に還流するロープレッシャーループ（ＬＰＬ）モード、高圧ＥＧＲ通路２０のみを介して排気を吸気通路４に還流するハイプレッシャーループ（ＨＰＬ）モード、及び高圧ＥＧＲ通路２０と低圧ＥＧＲ通路２１との両方のＥＧＲ通路を介して排気を吸気通路４に還流するＭＰＬモードが設定されている。図３は、これら各ＥＧＲモードとエンジン１の運転状態との対応関係の一例を示す図である。ＥＣＵ３０は、吸気通路４への排気の還流を行う場合、図３の対応関係を参照し、エンジン１の運転状態を示す回転数及び負荷に応じてＬＰＬモード、ＭＰＬモード、又はＨＰＬモードのいずれかのＥＧＲモードを選択する。また、エンジン１の運転状態の変化に応じてＥＧＲモードを切り替える。なお、ＬＰＬモードは、高圧ＥＧＲ弁２２が全閉に維持されるとともに低圧ＥＧＲ弁２４が開けられることにより実行される。ＨＰＬモードは、低圧ＥＧＲ弁２４が全閉に維持されるとともに高圧ＥＧＲ弁２２が開けられることにより実行される。ＭＰＬモードは、高圧ＥＧＲ弁２２及び低圧ＥＧＲ弁２４の両方が開けられることにより実行される。これら各ＥＧＲモードにおける高圧ＥＧＲ弁２２及び低圧ＥＧＲ弁２４のそれぞれの開度は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ３０が適切な値に調整する。

周知のようにフィルタ１３ｂで捕集可能な粒子状物質の量には上限があり、所定の周期でフィルタ１３ｂを粒子状物質が酸化除去される温度（例えば、６００°Ｃ）まで昇温する昇温操作を実行してフィルタ１３に捕集されている粒子状物質を酸化除去するＰＭ再生を実行する必要がある。そこで、ＥＣＵ３０は、フィルタ１３ｂのＰＭ再生を実行すべくエンジン１の運転中に図４に示した機能再生制御ルーチンを所定の周期で繰り返し実行する。なお、図４の制御ルーチンはＥＣＵ３０が実行する他のルーチンと並行に実行される。

図４の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１においてエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、エンジン１の回転数、吸入空気量、排気浄化装置１３の前後の圧力差、及びエンジン１の燃焼形態などが取得される。次のステップＳ１２においてＥＣＵ３０は、フィルタ１３ｂのＰＭ再生を実行する所定の再生条件が成立したか否か判断する。所定の再生条件は、フィルタ１３ｂに捕集されている粒子状物質の量が予め設定した所定量を超えた場合に成立したと判断される。周知のように排気浄化装置１３の前後の圧力差とフィルタ１３ｂに捕集されている粒子状物質の量とは相関関係を有している。そこで、例えば排気浄化装置１３の前後の圧力差が所定量に対応する許容上限値より大きい場合に所定の再生条件が成立したと判断される。また、排気浄化装置１３に単位時間当たりに流入した粒子状物質の量を積算してフィルタ１３ｂに捕集されている粒子状物質の量を推定し、その推定値が所定量を超えた場合に再生条件が成立したと判断してもよい。なお、フィルタ１３ｂにて捕集可能な粒子状物質の上限はフィルタ１３ｂの大きさに応じて変化するため、所定量及び許容上限値はフィルタ１３ｂの大きさに応じて適宜設定すればよい。所定の再生条件が不成立と判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。

一方、所定の再生条件が成立したと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０はエンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼、すなわち予混合燃焼か否か判断する。エンジン１の燃焼形態が通常燃焼であると判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ３０は各スロットル弁８、１１を開き側に制御するとともに各ＥＧＲ弁２２、２４を全閉にし、その後燃料添加弁１２から燃焼を噴射させてフィルタ１３ｂのＰＭ再生を行う通常再生制御を実行する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、エンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼であると判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ３０は高圧ＥＧＲ弁２２が開いているか否か、すなわち高圧ＥＧＲ通路２０を介して排気を吸気通路４に還流しているか否か判断する。高圧ＥＧＲ弁２２が開いていると判断した場合はステップＳ１６に進み、ＥＣＵ３０は高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にする。続くステップＳ１７においてＥＣＵ３０は、各スロットル弁８、１１を所定の開度分開き側に制御する。所定の開度は、各気筒２に流入する新気の流量が急に増加しないように適宜設定すればよい。次のステップＳ１８においてＥＣＵ３０は、高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にしたことによる第１ＥＧＲガス量の減少を第２ＥＧＲガス量の増加で補償すべく低圧ＥＧＲ弁２４を開き側に制御する。このように第２ＥＧＲガス量を調整することにより、エンジン１の各気筒２に吸入される吸気の酸素濃度をＨＣＣＩ燃焼の目標濃度範囲内に調整できる。その後ステップＳ１９に進み、ＥＣＵ３０は排気絞り弁１４を全閉にする。なお、既に排気絞り弁１４が全閉であった場合はその状態を維持する。

次のステップＳ２０においてＥＣＵ３０は、エンジン１の背圧が所定の閾値以上か否か判断する。エンジン１の背圧（以下、背圧と略称することがある。）を高くすることによりエンジン１の負荷を高くして排気の温度を上昇させることができる。そこで、所定の閾値としては、例えば燃料添加弁１２から噴射すべき燃料を減少させることができ、かつフィルタ１３ｂの温度を速やかに上昇させることが可能な排気温度となる背圧が設定される。このような圧力はフィルタ１３ｂの大きさに応じて異なるため、所定の閾値はフィルタ１３ｂの大きさに応じて適宜設定してよい。なお、背圧は圧力センサ３３にて検出してもよいし、高圧ＥＧＲ弁２２の開度、排気絞り弁１４の開度、各スロットル弁８、１１のそれぞれの開度、吸入空気量、及びインジェクタ１７から噴射された燃料量に基づいて推定してもよい。背圧が閾値未満と判断した場合はステップＳ１７に処理を戻し、背圧が所定の閾値以上に変化するまでステップＳ１７〜Ｓ２０の処理が繰り返し実行される。

一方、背圧が所定の閾値以上と判断した場合はステップＳ２１に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加弁１２から燃料を噴射させてフィルタ１３ｂのＰＭ再生を実行する燃料添加制御を実行する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。なお、この燃料添加制御の実行時、ＥＣＵ３０は第１ＥＧＲガスの流量、第２ＥＧＲガスの流量、エンジン１の回転数、及びエンジン１の負荷に応じてエンジン１の燃焼形態を適宜変更してよい。例えば、第２ＥＧＲガスにてＨＣＣＩ燃焼を継続可能であれば、ＨＣＣＩ燃焼を継続する。一方、第２ＥＧＲガスのみではＨＣＣＩ燃焼が継続不可能と判断した場合はエンジン１の燃焼を通常燃焼に切り替えてもよい。

ステップＳ１５において高圧ＥＧＲ弁２２が閉じていると判断した場合はステップＳ２２に進み、ＥＣＵ３０は各スロットル弁８、１１を所定の開度分開き側に制御する。この所定の開度は上述したステップＳ１７の処理と同様に設定される。続くステップＳ２３においてＥＣＵ３０は、排気絞り弁１４を全閉にする。なお、既に排気絞り弁１４が全閉であった場合はその状態を維持する。次のステップＳ２４においてＥＣＵ３０は各インジェクタ１７からの燃料の噴射時期が圧縮上死点に近付くように噴射時期を遅角させる。その後ステップＳ２５に進み、ＥＣＵ３０は上述したステップＳ２０と同様に背圧が所定の閾値以上か否か判断する。背圧が所定の閾値未満と判断した場合はステップＳ２２に処理を戻し、背圧が所定の閾値以上に変化するまでステップＳ２２〜Ｓ２５の処理が繰り返し実行される。一方、背圧が所定の閾値以上と判断した場合はステップＳ２１に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加制御を実行する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

図５は、図４の機能再生制御ルーチンによってエンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼のときにフィルタ１３ｂのＰＭ再生を実行した場合の高圧ＥＧＲ弁２２の開度、排気絞り弁１４の開度、背圧、吸入空気量、及び気筒２に流入する吸気の酸素濃度の時間変化を示している。図５の時刻Ｔ１において所定の再生条件が成立すると、まず高圧ＥＧＲ弁２２が全閉になるまで徐々に閉じ側に制御される。また、排気絞り弁１４が全閉になるまで徐々に閉じ側に制御される。図５に示したように、このように高圧ＥＧＲ弁２２及び排気絞り弁１４が閉じ側に制御されると、背圧が徐々に上昇する。一方、酸素濃度及び吸入空気量は、図４のステップＳ１７が実行されて各スロットル弁８、１１が開き側に制御されることにより一旦上昇するが、その後上昇が抑制されて所定値に安定する。図５の時刻Ｔ２において背圧が所定の閾値以上になると燃料添加弁１２からの燃料の噴射が開始されるが、第２ＥＧＲガスの流量を増加させるので、酸素濃度及び吸入空気量を時刻Ｔ２における値のまま推移させることができる。第２ＥＧＲガスによる酸素濃度及び吸入空気量の増加の抑制が困難になり、これらの値が上昇を開始すると図５の時刻Ｔ３においてＥＣＵ３０はエンジン１の燃焼形態をＨＣＣＩ燃焼から通常燃焼に切り替える。

以上に説明したように、第１の形態に係る制御装置によれば、エンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼のときに所定の再生条件が成立した場合、背圧が所定の閾値以上に変化した後に燃料添加弁１２から燃料を噴射させるので、エンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼のときでもフィルタ１３ｂのＰＭ再生を適切に実行することができる。また、ＰＭ再生を実行する際は、各スロットル弁８、１１を開き側に制御するので、速やかに背圧を上昇させることができる。さらに、低圧ＥＧＲ弁２４にて吸気通路４に還流されるＥＧＲガスの流量を調整することにより、気筒２に吸入される吸気の酸素濃度を抑えることができる。そのため、ＮＯｘの発生を抑制しつつＰＭ再生を実行することができる。

なお、ＥＣＵ３０は、図４のステップＳ１６及びＳ１９を実行することにより本発明の圧力上昇手段として、図４のステップＳ２０を実行することにより本発明の判定手段として、図４のステップＳ２１を実行することにより本発明の燃料添加手段としてそれぞれ機能する。また、ＥＣＵ３０は、図４のステップＳ１８を実行することにより本発明の弁開度調整手段として機能する。

図４の制御ルーチンにおいては、エンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼のときにＰＭ再生を実行する場合、高圧ＥＧＲ弁２２を全閉に制御するが、この高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にする制御を予め行っておくことにより、さらに速やかにＰＭ再生を実行することができる。図６は、このように高圧ＥＧＲ弁２２を所定の再生条件が成立する前に予め全閉に制御するためにＥＣＵ３０がエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する機能再生準備制御ルーチンを示している。なお、図６において図４と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図６の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１でエンジン１の運転状態を取得する。続くステップＳ３１においてＥＣＵ３０は、フィルタ１３ｂのＰＭ再生を実行する機能再生時期を推定する。機能再生時期の推定は、例えば以下の推定方法にて行う。まず、エンジン１の運転状態に基づいて単位時間当たりに排気浄化装置１３に流入する粒子状物質の量を算出する。次に排気浄化装置１３に流入した粒子状物質の量の積算値と再生条件が成立する条件として設定された所定量との差を求める。その後、この積算値と所定量との差を単位時間当たりに排気浄化装置１３に流入する粒子状物質の量で割ることにより機能再生時期を推定する。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の残余期間推定手段として機能する。

次のステップＳ３２においてＥＣＵ３０は、機能再生時期までの残余期間が予め設定した判定値以下か否か判断する。判定値としては、例えばエンジン１の運転状態に影響を与えることなく第１ＥＧＲガスの還流を停止させることが可能な時間が設定される。残余期間が判定値より大きいと判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。一方、残余期間が判定値以下と判断した場合はステップＳ３３に進み、ＥＣＵ３０はエンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼か否か判断する。エンジン１の燃焼形態が通常燃焼であると判断した場合はステップＳ３４に進み、ＥＣＵ３０は所定の再生条件が成立するまでエンジン１の燃焼形態を変更することを禁止する。所定の再生条件が成立するまで、エンジン１の燃焼形態は通常燃焼に維持される。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、エンジン１の燃焼状態がＨＣＣＩ燃焼であると判断した場合はステップＳ３５に進み、ＥＣＵ３０は高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にする。なお、既に高圧ＥＧＲ弁２２が全閉であった場合はその状態を維持する。続くステップＳ３６においてＥＣＵ３０は、高圧ＥＧＲ弁２２を制御したことによる第１ＥＧＲガスの減少が第２ＥＧＲガスの増加によって補償されるように低圧ＥＧＲ弁２４の開度を制御する。また、以降は所定の再生条件が成立するまで低圧ＥＧＲ通路２１のみを介して吸気通路４にＥＧＲガスが還流されるようにＥＧＲモードをＬＰＬモードに固定する。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の第１ＥＧＲ弁停止手段として機能する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

図６の制御ルーチンを実行することにより、所定の再生条件が成立する前に予め高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にしておくことができるので、所定の再生条件が成立したときに排気絞り弁１４を全閉にすることで速やかに背圧を上昇させることができる。そのため、フィルタ１３ｂのＰＭ再生を速やかに実行することができる。

（第２の形態）
次に図７及び図８を参照して本発明の第２の形態について説明する。なお、この形態でもエンジン１については図１が参照される。図７は、第２の形態における機能再生制御ルーチンを示している。図７の制御ルーチンもＥＣＵ３０が実行する他のルーチンとエンジン１の運転中に並行に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図７において図４と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図７においてＥＣＵ３０は、ステップＳ１３まで図４と同様に処理を進める。ステップＳ１３においてエンジン１の燃焼形態が通常燃焼と判断した場合、ＥＣＵ３０はステップＳ１４を実行し、その後今回の制御ルーチンを終了する。一方、エンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼と判断した場合はステップＳ１６に進み、高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にする。続くステップＳ１７においてＥＣＵ３０は各スロットル弁８、１１を所定の開度分開き側に制御し、その後ステップＳ１９においてＥＣＵ３０は排気絞り弁１４を全閉にする。そして、ステップＳ１８においてＥＣＵ３０は、高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にしたことによる第１ＥＧＲガス量の減少を第２ＥＧＲガス量の増加で補償すべく低圧ＥＧＲ弁２４を開き側に制御する。次のステップＳ２０においてＥＣＵ３０は、背圧が所定の閾値以上か否か判断する。背圧が所定の閾値未満と判断した場合はステップＳ１６に処理を戻し、背圧が所定の閾値以上に変化するまでステップＳ１６〜Ｓ２０の処理を繰り返し実行する。一方、背圧が所定の閾値以上と判断した場合はステップＳ２１に進み、ＥＣＵ２０は燃料添加制御を実行する。

続くステップＳ４１においてＥＣＵ３０は、第１ＥＧＲガスの二酸化酸素（ＣＯ_２）の濃度が所定の許容値以下か否か判断する。燃料添加弁１２から噴射された燃料はフィルタ１３ｂで燃焼しＣＯ_２が発生する。また、フィルタ１３ｂに捕集されていた粒子状物質が燃焼する際にもＣＯ_２が発生する。この発生したＣＯ２は第２ＥＧＲガスとして吸気通路４に還流されるが、この際ＣＯ_２の濃度が高すぎるとエンジン１の燃焼状態が悪化してトルク変動が発生するおそれがある。そこで、許容値としては、ＥＧＲガスとして還流されてもエンジン１のトルク変動の発生を抑制することが可能なＣＯ_２濃度が設定される。第１ＥＧＲガスのＣＯ_２濃度は、例えばインジェクタ１７から噴射された燃料量、吸入空気量、燃料添加弁１２から噴射された燃料量、及びエンジン１から排出された排気のうち排気第１ＥＧＲガスとして吸気通路４に還流される排気の割合を示すＬＰＬＥＧＲ率などに基づいて推定すればよい。このように第１ＥＧＲガスのＣＯ_２濃度を推定することにより、ＥＣＵ３０が本発明の二酸化炭素濃度取得手段として機能する。第１ＥＧＲガスのＣＯ_２濃度が許容値以下と判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、第１ＥＧＲガスのＣＯ_２濃度が許容値より大きいと判断した場合はステップＳ４２に進み、ＥＣＵ３０は高圧ＥＧＲ弁２２を開き側に制御するとともに、その制御による第１ＥＧＲガスの増加が第２ＥＧＲガスの減少によって補償されるように低圧ＥＧＲ弁２４を閉じ側に制御する。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の排気流量制御手段として機能する。続くステップＳ４３においてＥＣＵ３０は、背圧が所定の許容圧力以上か否か判断する。高圧ＥＧＲ弁２２を開き側に制御するとエンジン１の背圧が低下し、これによりエンジン１への負荷が低下して排気の温度が低下する。この場合、フィルタ１３ｂのＰＭ再生を継続させるためには燃料添加弁１２からより多くの燃料を噴射させる必要がある。そのため、背圧にはＰＭ再生を適切に実行可能な圧力範囲が存在する。そこで、所定の許容圧力としては、例えばこの圧力範囲の下限値が設定される。背圧が所定の許容圧力以上と判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、背圧が所定の許容圧力未満と判断した場合はステップＳ４４に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加弁１２からの燃料の噴射を停止させて燃料添加制御を中止させる。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の中止手段として機能する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

第２の形態では、第２ＥＧＲガスのＣＯ_２濃度が所定の許容値より大きくなると高圧ＥＧＲ弁２２を開き側に制御するとともに低圧ＥＧＲ弁２４を閉じ側に制御するので、エンジン１のトルク変動を抑制しつつ吸気通路４にＥＧＲガスを還流し続けてエンジン１の燃焼形態をＨＣＣＩ燃焼に維持することができる。また、エンジン１の背圧が許容圧力未満に低下すると燃料添加制御を中止するので、燃料添加弁１２からの無駄な燃料の噴射を防止できる。

なお、第２の形態においては、図７のステップＳ１６において高圧ＥＧＲ弁２２を全閉にするとともに低圧ＥＧＲ弁２４も全閉にし、エンジン１の燃焼形態をＨＣＣＩ燃焼から通常燃焼に切り替えてもよい。このようにエンジン１の燃焼形態を切り替えることにより、ＥＣＵ３０が本発明の強制切替手段として機能する。フィルタ１３ｂのＰＭ再生時にエンジン１の燃焼形態をＨＣＣＩ燃焼から通常燃焼に切り替える場合、高圧ＥＧＲ弁２２と低圧ＥＧＲ弁２４を同時に全閉にしても高圧ＥＧＲ通路２０より低圧ＥＧＲ通路２１の方が長いため、高圧ＥＧＲ通路２０を介した排気の還流が停止してから低圧ＥＧＲ通路２１を介した排気の還流が停止するまでに無駄な時間差が生じる。そこで、このようにフィルタ１３ｂのＰＭ再生時にエンジン１の燃焼形態をＨＣＣＩ燃焼から通常燃焼に切り替える場合は、所定の再生条件が成立する前に予め低圧ＥＧＲ弁２４を全閉にし、高圧ＥＧＲ通路２０のみを使用した排気の還流を行ってもよい。図８は、このように所定の再生条件が成立する前に予め低圧ＥＧＲ弁２４を全閉にするべくＥＣＵ３０がエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する機能再生準備制御ルーチンを示している。なお、図８において図６と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図８の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０はステップＳ３３まで図６の制御ルーチンと同様に処理を進める。ステップＳ３３においてエンジン１の燃焼形態が通常燃焼と判断した場合はステップＳ３４に進み、ＥＣＵ３０は所定の再生条件が成立するまでエンジン１の燃焼形態を変更することを禁止する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、エンジン１の燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼と判断した場合はステップＳ５１に進み、ＥＣＵ３０は低圧ＥＧＲ弁２４を全閉にする。なお、既に低圧ＥＧＲ弁２４が全閉であった場合はその状態を維持する。続くステップＳ５２においてＥＣＵ３０は、低圧ＥＧＲ弁２２を制御したことによる第２ＥＧＲガスの減少が第１ＥＧＲガスの増加によって補償されるように高圧ＥＧＲ弁２２の開度を制御する。また、以降は所定の再生条件が成立するまで高圧ＥＧＲ通路２０のみを介して吸気通路４にＥＧＲガスが還流されるようにＥＧＲモードをＨＰＬモードに固定する。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の第２ＥＧＲ弁停止手段として機能する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

このように所定の再生条件が成立する前に予め低圧ＥＧＲ弁２４を全閉にしておくことにより、所定の再生条件の成立時にエンジン１の燃焼形態を速やかに通常燃焼に切り替えうることができる。そのため、フィルタ１３ｂのＰＭ再生を速やかに実行することができる。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明の制御装置が適用される内燃機関の排気浄化手段は、パティキュレートフィルタに限定されない。パティキュレートフィルタに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を担持させたものが排気浄化手段として設けられていてもよいし、担体に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持させた排気浄化触媒が排気浄化手段として設けられていてもよい。周知のように吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は排気に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）に被毒されるため、ＮＯｘ触媒から硫黄（Ｓ）成分を放出させるべくＮＯｘ触媒の昇温操作を含んだ機能再生処理、いわゆるＳ再生がＮＯｘ触媒に対して所定の間隔で行われる。そのため、エンジンの燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼のときにＳ再生が実行される場合がある。そこで、本発明の制御装置を適用する。これにより、エンジンの燃焼形態がＨＣＣＩ燃焼のときでもＳ再生を適切に実行することができる。

なお、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを触媒にて保持できるものであればよく、吸収又は吸着いずれの態様でＮＯｘが保持されるかは吸蔵の用語によって制限されない。ＳＯｘの被毒についてもその態様を問わないものである。

本発明の第１の形態に係る制御装置が組み込まれた内燃機関の一例を示す図。エンジンの回転数及び負荷とエンジンの燃焼形態との対応関係を示す図。エンジンの回転数及び負荷と各ＥＧＲモードとの対応関係を示す図。第１の形態における機能再生制御ルーチンを示すフローチャート。図４の機能再生制御ルーチンにてＰＭ再生を実行した場合の高圧ＥＧＲ弁の開度、排気絞り弁の開度、背圧、吸入空気量、及び気筒に流入する吸気の酸素濃度の時間変化を示す図。第１の形態における機能再生準備制御ルーチンを示すフローチャート。第２の形態における機能再生制御ルーチンを示すフローチャート。第２の形態における機能再生準備制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
４吸気通路
５排気通路
８第１スロットル弁
１１第２スロットル弁
１２燃料添加弁
１３ｂパティキュレートフィルタ（排気浄化手段）
１４排気絞り弁
２０高圧ＥＧＲ通路（第１ＥＧＲ通路）
２１低圧ＥＧＲ通路（第２ＥＧＲ通路）
２２高圧ＥＧＲ弁（第１ＥＧＥ弁）
２４低圧ＥＧＲ弁（第２ＥＧＲ弁）
３０エンジンコントロールユニット（燃焼形態切替手段、圧力上昇手段、判定手段、燃料添加手段、弁開度調整手段、残余期間推定手段、第１ＥＧＲ弁停止手段、二酸化炭素濃度取得手段、排気流量制御手段、中止手段、強制切替手段、第２ＥＧＲ弁停止手段）

Claims

排気通路に設けられて昇温操作により機能が再生される再生式の排気浄化手段と、前記排気浄化手段より上流の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、前記排気浄化手段より上流の排気通路と吸気通路とを連通する第１ＥＧＲ通路と、前記第１ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流される排気の流量を調整する第１ＥＧＲ弁と、前記排気浄化手段より下流の排気通路と前記吸気通路とを連通する第２ＥＧＲ通路と、前記第２ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流される排気の流量を調整する第２ＥＧＲ弁と、前記排気浄化手段より下流、かつ前記第２ＥＧＲ通路の接続位置より上流の排気通路に配置され、その排気通路の流路断面積を変更可能な排気絞り弁と、を備えた圧縮着火式の内燃機関に適用され、前記内燃機関の運転状態に応じて通常燃焼と予混合燃焼とに燃焼形態を切り替える燃焼形態切替手段を備える内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の燃焼形態が前記予混合燃焼であり、かつ前記排気浄化手段の昇温操作を実行する所定の再生条件が成立した場合、前記内燃機関の排気通路の流路断面積が絞られるように前記排気絞り弁を制御するとともに前記第１ＥＧＲ通路を介した前記吸気通路への排気の還流が停止されるように前記第１ＥＧＲ弁の開度を制御する圧力上昇制御を実行する圧力上昇手段と、前記圧力上昇手段による前記圧力上昇制御の実行後に前記内燃機関の背圧が所定の閾値以上に変化したか否か判定する判定手段と、前記判定手段により前記内燃機関の背圧が前記所定の閾値以上に変化したと判定された場合に前記燃料添加弁から燃料を噴射させる機能再生制御を実行する燃料添加手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記圧力上昇手段は、前記圧力上昇制御の実行時に前記吸気通路に設けられたスロットル弁を開き側に制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記圧力上昇手段による前記圧力上昇制御の実行後、前記第１ＥＧＲ弁の開度の変更を禁止するとともに前記内燃機関の気筒に吸入される吸気の酸素濃度が目標濃度範囲内に調整されるように前記第２ＥＧＲ弁の開度を調整する弁開度調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記燃料添加手段による前記機能再生制御の実行時に前記吸気通路に還流される排気中の二酸化炭素濃度を取得する二酸化炭素濃度取得手段と、前記二酸化炭素濃度取得手段により取得された二酸化炭素濃度が所定の許容値より高い場合、前記第２ＥＧＲ弁を閉じ側に制御するとともに前記第１ＥＧＲ弁を開き側に制御する排気流量制御手段と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記排気流量制御手段は、前記第２ＥＧＲ弁を閉じ側に制御したことによる前記吸気通路に還流される排気の流量の変化が補償されるように前記第１ＥＧＲ弁を開き側に制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。