JP4985530B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この従来の排気浄化装置では、燃料に含まれるバイオ燃料濃度が高くなるほど、リッチスパイク処理期間の初期における１回当たりの燃料添加量がリッチスパイク処理期間の後期における１回当たりの燃料添加量よりも多くなるようにしている。

特開２００６−１７７３１３号公報 特開２００７−２３９５３１号公報 特開平８−１１７６０３号公報

ところで、内燃機関では、排気系温度（排気ガス温度、触媒温度、パティキュレートフィルタ温度）が過昇温（ＯＴ）するのを回避させるための制御が行われる。具体的には、例えば、ディーゼルエンジンでは、粒子状物質ＰＭが捕集されたパティキュレートフィルタの再生や硫黄被毒した触媒の再生を行うために、当該フィルタや触媒を昇温させる昇温制御が行われる。この昇温制御では、通常の燃料噴射弁によるアフター噴射や排気燃料添加弁による排気系への燃料添加が実施される。このような昇温制御の実行時には、当該フィルタ等の温度もしくは排気ガス温度が所定の設定温度以上に達した場合に、昇温分の燃料カットを行うことで上記過昇温を防止している。

このような燃料カットが実行された後であっても、直ちには排気系の温度が下がらず、燃料噴射弁内の残燃料の存在や制御の応答遅れ等が原因で、一時的に昇温していくことになる。上記燃料カットを開始する上記設定温度は、このような一時的な昇温分を見越して、排気系温度が過昇温しないように決定される。しかしながら、軽油などの炭化水素燃料に対してバイオ燃料などの含酸素燃料が高濃度で混合された混合燃料が使用されると、含酸素燃料による燃焼促進によって、この一時的な昇温代が大きくなってしまう。このため、何らの配慮がなされていないと、排気系温度が過昇温してしまうことが懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、炭化水素燃料に混合される含酸素燃料濃度に関わらず、排気系温度の過昇温を良好に回避させ得る内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、排気ガスを浄化可能な触媒および排気ガス中に含まれるパティキュレートフィルタのうちの少なくとも前記触媒を排気通路に備えるディーゼルエンジンの制御装置であって、
炭化水素燃料および含酸素燃料の供給を受ける燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給される燃料中の含酸素燃料濃度を取得する燃料濃度取得手段と、
前記触媒を昇温させるべく、前記排気通路に二次燃料を供給する二次燃料噴射実行手段と、
前記ディーゼルエンジンの排気系温度が所定の設定温度に達した場合に、当該排気系温度の上昇を回避するべく、前記二次燃料の供給を停止する燃料カット実行手段と、
前記燃料濃度取得手段により取得される含酸素燃料濃度が高い場合には、当該含酸素燃料濃度が低い場合に比して、前記設定温度を低く設定する温度設定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記温度設定手段は、含酸素燃料濃度が高くなるほど、前記設定温度をより低く設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、炭化水素燃料に混合される含酸素燃料濃度に応じた、燃料カットの実行後の一時的な排気系温度の昇温代の変化に関わらず、排気系温度の過昇温（ＯＴ）を良好に回避することが可能となる。より具体的には、本発明によれば、運転中に触媒の昇温を目的として排気通路に二次燃料を供給する制御を行うディーゼルエンジンにおいて、含酸素燃料濃度に関わらず、触媒温度やパティキュレートフィルタ温度等の排気系温度の過昇温を良好に回避することが可能となる。

第２の発明によれば、濃度が高いほど燃焼促進効果が高まる含酸素燃料の性質を考慮して、排気系温度の過昇温を良好に回避することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、自動車に搭載されたディーゼルエンジン１０を備えている。ディーゼルエンジン１０の燃料は、燃料タンク１２に貯留されている。燃料タンク１２には、軽油１００％の燃料、或いは、軽油とバイオ燃料との混合燃料が給油されるものとする。尚、このようなバイオ燃料としては、例えば、菜種メチルエステルを用いることができる。また、本実施形態では、燃料タンク１２に供給されるバイオ燃料種が１種類に固定されている環境（市場）を想定している。

燃料タンク１２内の燃料は、燃料パイプ１４を通ってディーゼルエンジン１０側へ移送される。燃料パイプ１４の途中には、燃料ポンプ１６が設置されている。燃料ポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、コモンレール１８内に貯留され、このコモンレール１８から、各気筒の燃料噴射弁２０へ分配される。また、燃料ポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、排気通路２２に配置される排気燃料添加弁２４にも供給される。

また、燃料タンク１２には、燃料タンク１２内の混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出するためのバイオ燃料濃度センサ２６が取り付けられている。このようなバイオ燃料濃度センサ２６としては、例えば、光学式のセンサや炭化水素燃料とバイオ燃料との誘電率が異なる性質を利用した方式のセンサ等を用いることができる。

ディーゼルエンジン１０の排気通路２２におけるターボ過給機２８の下流側には、上流側から順に、ＮＯｘを浄化するためのＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒３０、ＮＯｘの浄化のための触媒とともに粒子状物質ＰＭを除去するためのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３２ａを含むＤＰＮＲ（Diesel Particulate NOx Reduction）触媒３２、および、酸化触媒３４が配置されている。

また、排気通路２２には、ＮＳＲ触媒３０およびＤＰＮＲ触媒３２の前後差圧を検出するための差圧センサ３６が取り付けられている。この差圧センサ３６は、ＤＰＮＲ触媒３２内のパティキュレートフィルタ３２ａへのＰＭの堆積量を判定するために用いられる。

また、ＤＰＮＲ触媒３２の上流および下流には、排気ガス温度を検出するための排気温度センサ３８、４０がそれぞれ取り付けられている。本実施形態では、これらの排気温度センサ３８、４０による排気ガス温度の測定値に基づいて、ＤＰＮＲ触媒３２の温度を推定するようにしている。更に、ＤＰＮＲ触媒３２の下流には、その位置での排気ガスの空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ４２が取り付けられている。

本実施形態のシステムは、更に、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、バイオ燃料濃度センサ２６、差圧センサ３６、排気温度センサ３８、４０、Ａ／Ｆセンサ４２、およびＩＧスイッチ５２とともに、ディーゼルエンジン１０を制御するための各種のセンサが接続されている。また、ＥＣＵ５０には、燃料ポンプ１６、燃料噴射弁２０、および排気燃料添加弁２４とともに、ディーゼルエンジン１０を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。

以上のように構成された本実施形態のシステムでは、ディーゼルエンジン１０の運転中に、ＰＭが捕集されたパティキュレートフィルタ３２ａの再生や硫黄被毒した触媒３２等の再生を行うために、当該フィルタ３２ａや触媒３２等を昇温させる昇温制御が行われる。この昇温制御では、例えば、排気燃料添加弁２４によって排気通路２２内に燃料を噴射することで、触媒３２等に未燃燃料が供給される。尚、触媒３２等への未燃燃料の供給は、上記排気燃料添加弁２４による供給に代えて、上記燃料噴射弁２０によってメインの燃料噴射後に行われるポスト噴射で実現されるものであってもよい。本明細書中においては、触媒３２等への未燃燃料の供給を目的として、排気燃料添加弁２４により排気通路２２に噴射される燃料や上記ポスト噴射により噴射される燃料を「二次燃料」と総称することとする。

しかしながら、パティキュレートフィルタ３２ａや触媒３２等は、一定温度以上に過昇温（ＯＴ）してしまうと、破損または溶損してしまう。このため、一般的に、昇温制御の実行時に当該フィルタ３２ａや触媒３２等が過昇温するのを回避するために、排気系温度（当該フィルタ３２ａの温度、触媒３２等の温度、もしくは排気ガスの温度）に、ＯＴ限界設定温度が設けられている。そして、昇温制御の実行中に上記排気系温度が当該ＯＴ限界設定温度以上に達した場合に、昇温のための上記二次燃料の噴射をカットすることで上記過昇温を防止するようにしている。

図２は、上記昇温制御実行時の触媒温度の上昇を、軽油１００％の燃料使用時と高バイオ燃料濃度の燃料使用時とで比較した概念図である。
図２中に示す「触媒ＯＴ温度」とは、触媒３２等の破損や溶損が実際に起こり得る温度である。先ず、軽油のみの場合を説明する。触媒温度が上記ＯＴ限界設定温度に達した時点で昇温用の二次燃料の噴射をカットした後であっても、図２に示すように、直ちには触媒温度が下がらず、燃料噴射弁（添加弁）内の残燃料や制御の応答遅れ等が原因で、一時的に昇温していくことになる。

ＯＴ限界設定温度は、上記のような一時的な昇温分を見越して、図２に示すように、触媒ＯＴ温度に対して余裕をもって予め低い温度に設定（適合）されている。このため、軽油のみを燃料タンクが供給を受ける燃料として想定するシステムであれば、二次燃料のカット後に一時的な昇温が認められても、触媒温度が触媒ＯＴ温度に達してしまうことを回避することができる。

ところで、バイオ燃料は、燃料中に酸素を含む含酸素燃料である。このため、バイオ燃料は、酸素を含まない炭化水素燃料である軽油とは異なり、燃焼促進効果を有している。また、この燃焼促進効果は、混合燃料中のバイオ燃料濃度が高くなるほど大きくなる。このため、高バイオ濃度燃料が使用された場合には、軽油のみの場合と比較すると、図２に示すように、燃料カット時点から触媒温度がピーク値に達する時点までの時間ΔＴにはそれほど差は見られないが、高バイオ濃度燃料の場合は、軽油のみの場合よりも、燃料カット後の昇温代が大きくなる（図２中のａ＜ｂ）。

このため、本実施形態のシステムのように、燃料タンク１２に軽油以外にもバイオ燃料濃度の供給を受け、当該燃料タンク１２内の燃料中のバイオ燃料濃度（含酸素燃料濃度）が給油の態様によって変化することが想定されるシステムの場合には、バイオ燃料濃度の変化に対して何らの配慮なしに、軽油のみの場合と同様にＯＴ限界設定温度を設けているだけでは、高バイオ濃度燃料の使用時に、触媒温度等の排気系温度が過昇温してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、排気系温度の過昇温を回避するために二次燃料カットを開始するＯＴ限界設定温度を、二次燃料中のバイオ燃料濃度に応じて変更するようにした。より具体的には、バイオ燃料濃度が高くなるほど、当該ＯＴ限界設定温度を低く設定するようにした。

図３は、上記の機能を実現するために、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、車両のＩＧスイッチ５２がＯＮとされた際に起動されるものとする。

図３に示すルーチンでは、先ず、燃料タンク１２に取り付けられたバイオ燃料濃度センサ２６の出力に基づいて、燃料タンク１２から供給される燃料中のバイオ燃料濃度（Ｌ）が取得される（ステップ１００）。尚、バイオ燃料濃度（Ｌ）の取得方法は、このようなバイオ燃料濃度センサ２６による取得方法に限らず、例えば、ディーゼルエンジン１０の排気ガスの空燃比等から推定により求めるものであってもよい。

次に、取得されたバイオ燃料濃度（Ｌ）に応じた触媒３２等のＯＴ限界設定温度がマップ等を用いて取得される（ステップ１０２）。ＥＣＵ５０は、そのようなＯＴ限界設定温度の取得を可能にすべく、バイオ燃料濃度（Ｌ）とＯＴ限界設定温度との関係を定めたマップを記憶している。図４は、そのようなマップの設定の一例である。図４に示すマップでは、基本的に、バイオ燃料濃度（Ｌ）が高くなるほど、ＯＴ限界設定温度が高くなるように設定されている。

次に、上記ステップ１０２において設定されたＯＴ限界設定温度を用いて、ディーゼルエンジン１０の通常の燃料・触媒制御（上記昇温制御）が実行される（ステップ１０４）。次いで、ＩＧスイッチ５２がＯＦＦとされたか否かが判別される（ステップ１０６）。その結果、ディーゼルエンジン１０の運転中は、上記ステップ１０４の処理が継続され、一方、ＩＧスイッチ５２がＯＦＦとされた場合には、今回のルーチンが終了される。

以上説明した図３に示すルーチンによれば、触媒温度の過昇温（ＯＴ）を回避するべくバイオ燃料濃度に応じて適切に設定されたＯＴ限界設定温度を用いて、ディーゼルエンジン１０の運転が実施されるようになる。より具体的には、高バイオ濃度燃料が使用された際に触媒温度が場合であっても、低バイオ濃度燃料が使用された際に比して、より低いＯＴ限界設定温度から燃料カットが行われるようになる。このため、高バイオ濃度燃料が使用されたことで燃料カットの実行後の触媒温度の昇温代が大きい場合であっても、触媒温度が触媒ＯＴ温度に達するのを回避できるようになる。このように、本実施形態のシステムによれば、燃料中に含まれるバイオ燃料濃度の如何に関わらず、触媒温度などの排気系温度が過昇温してしまうのを良好に回避することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、バイオ燃料（含酸素燃料）として、菜種から生産される菜種メチルエステルを使用する場合について説明したが、メチルエステルは菜種から生産されるものに限らず、いかなるバイオマスから生産されるものでもよい。更には、炭化水素燃料と混合される含酸素燃料であれば、メチルエステルなどのバイオ燃料に限らず、他の種類の燃料でもよい。混合される炭化水素燃料（化石燃料）についても、軽油に限らず、他の種類の燃料でもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料濃度取得手段」が、触媒温度がＯＴ限界設定温度に達した場合に排気燃料添加弁２４による二次燃料の噴射を停止することにより前記第１の発明における「燃料カット実行手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「温度設定手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ５０が排気燃料添加弁２４を用いて燃料噴射を実行することにより前記第１の発明における「二次燃料噴射実行手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 昇温制御実行時の触媒温度の上昇を、軽油１００％の燃料使用時と高バイオ燃料濃度の燃料使用時とで比較した概念図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 図３に示すルーチン中で参照されるＯＴ限界設定温度マップの一例を示す図である。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１２ 燃料タンク
１６ 燃料ポンプ
２０ 燃料噴射弁
２２ 排気通路
２４ 排気燃料添加弁
２６ バイオ燃料濃度センサ
３０ ＮＳＲ触媒
３２ ＤＰＮＲ触媒
３２ａ パティキュレートフィルタ
３４ 酸化触媒
３６ 差圧センサ
３８、４０ 排気温度センサ
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (2)

1. 排気ガスを浄化可能な触媒および排気ガス中に含まれるパティキュレートフィルタのうちの少なくとも前記触媒を排気通路に備えるディーゼルエンジンの制御装置であって、
   炭化水素燃料および含酸素燃料の供給を受ける燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給される燃料中の含酸素燃料濃度を取得する燃料濃度取得手段と、
   前記触媒を昇温させるべく、前記排気通路に二次燃料を供給する二次燃料噴射実行手段と、
   前記ディーゼルエンジンの排気系温度が所定の設定温度に達した場合に、当該排気系温度の上昇を回避するべく、前記二次燃料の供給を停止する燃料カット実行手段と、
   前記燃料濃度取得手段により取得される含酸素燃料濃度が高い場合には、当該含酸素燃料濃度が低い場合に比して、前記設定温度を低く設定する温度設定手段と、
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 前記温度設定手段は、含酸素燃料濃度が高くなるほど、前記設定温度をより低く設定することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。

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