JP4995154B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、特に内燃機関への燃料供給を一時的に停止する燃料カットを行う際に機関へ供給する空気量の制御を行うものに関する。

特許文献１には、内燃機関の停止条件が成立したときに、先ず機関に供給する空気量を減量し、その後機関への燃料供給を停止する手法が示され、さらに内燃機関の停止条件が成立したときに、機関による駆動される車両が走行しているか否かに応じて、燃料供給停止に先立つ空気量の減量を行うか否かを決定する手法が示されている。

特開２００３−３１４３２１号公報

排気系に排気浄化用触媒、あるいは粒子状物質を捕捉するパーティキュレートフィルタといった排気浄化装置が設けられている機関では、一時的に空燃比をリッチ化することなどにより触媒の昇温を促進する燃焼モードや、パーティキュレートフィルタに堆積したパティキュレート（粒子状物質）を燃焼させる燃焼モードが採用され、触媒の早期活性化やパーティキュレートフィルタの再生が行われる。

特許公報１に示された手法は、燃料カットの開始時点における振動を防止するためのものであり、排気系の排気浄化装置に関連する燃焼モードを考慮したものではない。そのため、例えばパーティキュレートフィルタの再生を行っているときに燃料カットを実行するような場合には、燃料カット中においてパティキュレートフィルタの温度低下が大きくなり、燃料カット終了後にパーティキュレートフィルタの再生を直ちに再開することが困難となる可能性がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、燃料カットを行う際に機関に供給する空気量を適切に制御し、燃料カット中に運転性を悪化させることなく、燃料カット終了直後において排気浄化装置の再生（ＮＯｘ除去処理などを含む）を早期に開始することを可能とす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、内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化手段（１１，１２）と、排気を前記機関の吸気管に還流する排気還流通路（６）と、該排気還流通路（６）に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁（７）とを備える内燃機関の制御装置において、前記機関の運転状態に応じて前記機関への燃料供給を停止する燃料カットの実行条件を判定する燃料カット条件判定手段と、前記排気浄化手段の温度を上昇させるために膨張行程または排気行程における燃料噴射を行う昇温制御手段と、前記機関の燃焼モードが前記昇温制御手段の作動時における昇温燃焼モードであるか、前記昇温制御手段の非作動時におけるリーン燃焼モードであるかを判別する燃焼モード判別手段と、前記燃料カット条件判定手段により前記燃料カットの実行条件が成立したと判定されたときは、該燃料カット実行条件成立直前における前記機関の燃焼モードに基づいて、前記燃料カット中に前記機関の供給する空気量を制御する空気量制御手段と、前記燃料カット実行条件成立直前における前記機関の燃焼モードに基づいて、前記燃料カット中における前記排気還流制御弁（７）の開度を制御する排気還流量制御手段とを備え、前記排気還流量制御手段は、前記機関の燃焼モードが前記リーン燃焼モードであるときは、前記排気還流制御弁（７）の開度を「０」より大きい所定開度（ＬＦＣ１）に制御する一方、前記機関の燃焼モードが前記昇温燃焼モードであるときは、前記排気還流制御弁（７）の開度を「０」に制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は吸気系にインテークシャッタ（３）を備え、前記空気量制御手段は、前記インテークシャッタ（３）の開度（ＩＳ）を制御することにより、前記空気量を制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記排気浄化手段は、排気浄化用触媒（１１）、及び粒子状物質を捕捉するパーティキュレートフィルタ（１２）の少なくとも一方であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置において、前記空気量制御手段は、前記燃料カット実行条件成立直前において前記昇温燃焼モードが選択されていたときは、前記機関に供給する空気量を前記機関の回転数（ＮＥ）に応じて制御することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料カットの実行条件が判定されるとともに、排気浄化手段の温度を上昇させるために膨張行程または排気行程における燃料噴射を行う昇温制御手段の作動時における昇温燃焼モードであるか、昇温制御手段の非作動時におけるリーン燃焼モードであるかが判別され、燃料カットの実行条件が成立したと判定されたときは、該燃料カット実行条件成立直前における機関の燃焼モード（直前燃焼モード）に基づいて、燃料カット中に機関の供給する空気量が制御されるとともに、燃料カット中における排気還流制御弁の開度制御が行われる。具体的には、直前燃焼モードがリーン燃焼モードであるときは、排気還流制御弁の開度が「０」より大きい所定開度に制御される一方、直前燃焼モードが昇温燃焼モードであるときは、排気還流制御弁の開度が「０」に制御される。したがって、排気浄化手段の温度を上昇させるための昇温燃焼モードが選択されていたときは、供給空気量を適切に制限することにより、燃料カット中における運転性（エンジンブレーキの効き方）を良好に維持しつつ排気浄化手段の温度低下を抑制し、燃料カット終了直後において早期に排気浄化手段の再生を開始することができる。

請求項２に記載の発明によれば、インテークシャッタの開度を制御することにより、空気量が制御される。
請求項３に記載の発明によれば、排気浄化用触媒、及び／または粒子状物質を捕捉するパーティキュレートフィルタが排気系に設けられ、これらの温度を上昇させるための燃焼モードが燃料カットの直前に選択されていたときに、上記効果が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、燃料カット実行条件成立直前において排気浄化手段の温度を上昇させるための昇温燃焼モードが選択されていたときは、機関に供給する空気量が機関回転数に応じて制御される。機関回転数に応じて供給空気量を制御することにより、運転性を良好に維持しつつ排気浄化手段の温度低下を抑制することができる。

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及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）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１６が設けられている。燃料噴射弁１６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１６の開弁時間及び開弁時期（燃料噴射時間及び燃料噴射時期）は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及び過給機８を備えている。過給機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、可変ベーンの開度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。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ５及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ（スロットル弁）３が設けられている。インテークシャッタ３には、インテークシャッタ３を駆動するアクチュエータ１４が接続されている。ＥＣＵ２０は、アクチュエータ１４によりインテークシャッタ３の開閉制御を行う。

排気管４のタービン１０の上流側と、吸気管２のインテークシャッタ５の下流側との間には、排気を吸気管２に還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６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）７が設けられている。ＥＧＲ弁７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。

排気管４の、タービン１０の下流側には、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒１１及びディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１２が設けられている。ＮＯｘ浄化触媒１１は、排気中の酸素濃度が比較的高い酸化雰囲気にあるときＮＯｘを吸着し、排気中の還元成分濃度が比較的高い還元雰囲気にあるとき吸着したＮＯｘを脱離及び還元して放出する。ＮＯｘ浄化触媒１１のＮＯｘ吸着容量には限界があるため、ＮＯｘ吸着量が所定量に達すると、排気を還元雰囲気にするＮＯｘ還元制御が行われる。通常の燃料噴射制御では、燃料噴射量がエンジン１の運転状態（エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱ）に応じて設定され、燃料噴射弁１６による主噴射及び主噴射に先行するパイロット噴射が行われる。ＮＯｘ還元制御では主噴射実行後の膨張行程または排気行程で（換言すればエンジン１の出力トルクに寄与しないタイミングで）、燃料噴射（以下「ポスト噴射」という）を実行する。ポスト噴射によって燃料、すなわち還元成分が燃焼室に供給され、排気が還元雰囲気とされる。

またＮＯｘ浄化触媒１１には燃料に含まれる硫黄の酸化物（ＳＯｘ）が徐々に堆積するため、堆積した硫黄酸化物を除去するＳＯｘ除去制御が適時実行される。

ＤＰＦ１２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレート（粒子状物質）であるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。堆積したスートを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適時実行される。

さらにエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２１、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量（踏み込み量）ＡＰを検出するアクセルセンサ２２、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ（図示せず）などが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ２０に供給される。

クランク角度位置センサ２１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１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）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。またエンジンの要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出され、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように設定される。

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、アクチュエータ１４，燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁７などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒１１に吸着されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元制御を実行するときは、ＮＯｘ還元燃焼モードが採用され、上述したようにポスト噴射が実行される。またＮＯｘ浄化触媒１１に吸着された硫黄酸化物（ＳＯｘ）を除去するＳＯｘ除去制御を実行するときは、ＳＯｘ除去昇温燃焼モード及びＳＯｘ除去還元燃焼モードが採用され、ＮＯｘ還元燃焼モードと同様にポスト噴射によってＮＯｘ浄化触媒１１の温度を上昇させ（ＳＯｘ除去昇温燃焼モード）、かつ還元成分をＮＯｘ浄化触媒１１に供給することによりＳＯｘが除去される（ＳＯｘ除去還元燃焼モード）。ＳＯｘ除去昇温燃焼モードでは、ポスト噴射における燃料噴射量が排気を酸化雰囲気とするように制御され、ＳＯｘ除去還元燃焼モードでは、ポスト噴射における燃料噴射量が排気を還元雰囲気とするように制御される。

またＤＰＦ１２に堆積したスートを除去するＤＰＦ再生制御を実行するときは、ＤＰＦ再生燃焼モードが採用され、ポスト噴射によってＤＰＦ１２の温度を上昇させることにより、スートを燃焼させる。なお、通常のエンジン運転では、リーン燃焼モードが適用され、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に値となるように燃料噴射量が制御される。またエンジン１の冷間始動直後においてはＮＯｘ浄化触媒１１の活性化を促進するための触媒昇温燃焼モードが適用され、ポスト噴射が実行される。

図２は、エンジン１の吸入空気量（供給空気量）を制御する処理のフローチャートである。この処理では、インテークシャッタ３の目標開度ＩＳＣＭＤが算出され、ＥＣＵ２０は、インテークシャッタ３の開度ＩＳが目標開度ＩＳＣＭＤと一致するようにアクチュエータ１４を駆動する。図２の処理は、所定時間毎にＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。

ステップＳ１１では、燃料カットフラグＦＦＣが「１」であるか否かを判別する。燃料カットフラグは図示しない他の処理において、エンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＦＣ以上でかつエンジン１の要求トルクＴＲＱが「０」であるとき「１」に設定される。燃料カットフラグＦＦＣが「１」であるときは、燃料噴射弁１６による燃料供給が停止される。

ステップＳ１１においてＦＦＣ＝０であって、燃料カットを行っていないときは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＩＳＣＭＤマップ（図示せず）を検索し、インテークシャッタ３の目標開度ＩＳＣＭＤを算出する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１１においてＦＦＣ＝１であって、燃料カットを行っているときは、燃料カット開始直前におけるエンジン１の燃焼モード（以下「直前燃焼モード」という）がリーン燃焼モードであったか否かを判別する（ステップＳ１３）。その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、目標開度ＩＳＣＭＤを燃料カット運転用の所定開度ＩＳＦＣ（例えば１００％）に設定する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）、すなわち直前燃焼モードが、上述したＤＰＦ再生燃焼モード、ＮＯｘ還元燃焼モード、ＳＯｘ除去昇温燃焼モード、ＳＯｘ除去還元燃焼モード、または触媒昇温燃焼モードの何れかであったときは、直前燃焼モードに応じてＩＳＦＣＲｉテーブル（ｉ＝１〜５）を選択する（ステップＳ１５）。図３は、ＤＰＦ再生燃焼モードに対応するＩＳＦＣＲ１テーブルを示す。ＩＳＦＣＲ１テーブルは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、第１設定開度ＩＳＦＣＲ１が増加するように設定されている。ＮＯｘ還元燃焼モード、ＳＯｘ除去昇温燃焼モード、ＳＯｘ除去還元燃焼モード、及び触媒昇温燃焼モードに対応するＩＳＦＣＲ２テーブル，ＩＳＦＣＲ３テーブル，ＩＳＦＣＲ４テーブル、及びＩＳＦＣＲ５テーブルもＩＳＦＣＲ１テーブルと同様に、エンジン回転数ＮＥが増加するほど第２設定開度ＩＳＦＣＲ２、第３設定開度ＩＳＦＣＲ３、第４設定開度ＩＳＦＣＲ４、及び第５設定開度ＩＳＦＣＲ５が増加するように設定されている。

より具体的には、ＮＯｘ還元燃焼モードに対応するＩＳＦＣＲ２テーブル及びＳＯｘ除去還元燃焼モードに対応するＩＳＦＣＲ４テーブルは、エンジン回転数ＮＥの全領域で、第２設定開度ＩＳＦＣＲ２及び第４設定開度ＩＳＦＣＲ４が、第１設定開度ＩＳＦＣＲ１より若干小さな値となるように設定されている。またＳＯｘ除去昇温燃焼モードに対応するＩＳＦＣＲ３テーブルに設定される第３設定開度ＩＳＦＣＲ３は、第１設定開度ＩＳＦＣＲ１とほぼ同一の値に設定されている。また触媒昇温燃焼モードに対応するＩＳＦＣＲ５テーブルは、エンジン回転数ＮＥが比較的低い低回転領域で第５設定開度ＩＳＦＣＲ５が、第１設定開度ＩＳＦＣＲ１より若干小さい値に設定されている。

ステップＳ１６では、エンジン回転数ＮＥに応じて選択したＩＳＦＣＲｉテーブルを検索し、設定開度ＩＳＦＣＲｉを算出する。ステップＳ１７では、目標開度ＩＳＣＭＤをステップＳ１６で算出した設定開度ＩＳＦＣＲｉに設定する。

図４は、ＥＧＲ弁７のリフト量（開度）を行う処理のフローチャートである。この処理では、ＥＧＲ弁７のリフト量指令値ＬＣＭＤが算出され、ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ弁７の実リフト量ＬＡＣＴがリフト量指令値ＬＣＭＤと一致するように、ＥＧＲ弁７を駆動する。図４の処理はＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間毎に実行される。

ステップＳ２１では、燃料カットフラグＦＦＣが「１」であるか否かを判別し、ＦＦＣ＝０であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて図示しないマップを検索することにより、ＥＧＲ弁７のリフト量指令値ＬＣＭＤを算出する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２１でＦＦＣ＝０であって燃料カットを行っているときは、直前燃焼モードがリーン燃焼モードであったか否かを判別する（ステップＳ２３）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、リフト量指令値ＬＣＭＤを燃料カット用の第１所定リフト量ＬＦＣ１（例えば６５％の開度に相当する値）に設定する（ステップＳ２４）。

ステップＳ２３で直前燃焼モードがリーンモード以外の燃焼モードであったときは、リフト量指令値ＬＣＭＤを燃料カット用の第２所定リフト量ＬＦＣ２（例えば「０」）に設定する（ステップＳ２５）。

本実施形態では、燃料カットの実行条件が成立したと判定されたとき（ＦＦＣ＝１であるとき）は、燃料カット開始（実行条件成立）直前におけるエンジン１の燃焼モードに基づいて、インテークシャッタ３の開度が制御され、燃料カット中にエンジン１の供給する空気量が制御される。より具体的には、ＮＯｘ浄化触媒１１またはＤＰＦ１２の昇温を行うための燃焼モードが選択されていたときは、エンジン１に供給する空気量を制限するようにインテークシャッタ３の開度がエンジン回転数ＮＥに応じて制御される。したがって、燃料カット中における運転性（エンジンブレーキの効き方）を良好に維持しつつＮＯｘ浄化触媒１１またはＤＰＦ１２の温度低下を抑制し、例えば燃料カット終了直後においてＮＯｘ浄化触媒１１のＮＯｘ還元制御、あるいはＤＰＦ１２は再生制御を早期に開始することができる。

本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒１１及びＤＰＦ１２が排気浄化手段に相当し、インテークシャッタ３、アクチュエータ及びＥＣＵ２０が空気量制御手段を構成する。またＥＣＵ２０が、燃料カット条件判定手段、昇温制御手段、燃焼モード判別手段、及び排気還流量制御手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１１が燃料カット条件判定手段に相当し、ステップＳ１３が燃焼モード判別手段に相当し、ステップＳ１５〜Ｓ１７が空気量制御手段に相当し、図４のステップＳ２３〜Ｓ２５が排気還流量制御手段に相当する。

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、排気浄化手段は、ＮＯｘ浄化触媒１１またはＤＰＦ１２の何れか一方のみでもよく、あるいは図５に示すように酸化触媒１３、ＤＰＦ１２、及びＮＯｘ浄化触媒１１を含むものであってもよい。酸化触媒１３は、排気中の未燃成分（炭化水素）及び一酸化炭素の酸化を促進する触媒である。

インテークシャッタ３による燃料カット中の吸入空気量（供給空気量）制御は、直前燃焼モードにおいて必要とされる排気温度に対応して吸入空気量が最適化されるように実行されることが望ましい。

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図である。 図１に示す機関の吸入空気量の制御を行う処理のフローチャートである。 図２の処理で参照されるテーブルの一例を示す図である。 図１に示す機関の排気還流量の制御を行う処理のフローチャートである。 図１に示す構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
３ インテークシャッタ（空気量制御手段）
１４ アクチュエータ（空気量制御手段）
４ 排気管
１１ ＮＯｘ浄化触媒（排気浄化手段）
１２ ディーゼルパティキュレートフィルタ（排気浄化手段）
６ 排気還流通路
７ 排気還流制御弁
２０ 電子制御ユニット（燃料カット条件判定手段、昇温制御手段、燃焼モード判別手段、空気量制御手段、排気還流量制御手段）

Claims (4)

1. 内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化手段と、排気を前記機関の吸気管に還流する排気還流通路と、該排気還流通路に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁とを備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関の運転状態に応じて前記機関への燃料供給を停止する燃料カットの実行条件を判定する燃料カット条件判定手段と、
   前記排気浄化手段の温度を上昇させるために膨張行程または排気行程における燃料噴射を行う昇温制御手段と、
   前記機関の燃焼モードが前記昇温制御手段の作動時における昇温燃焼モードであるか、前記昇温制御手段の非作動時におけるリーン燃焼モードであるかを判別する燃焼モード判別手段と、
   前記燃料カット条件判定手段により前記燃料カットの実行条件が成立したと判定されたときは、該燃料カット実行条件成立直前における前記機関の燃焼モードに基づいて、前記燃料カット中に前記機関の供給する空気量を制御する空気量制御手段と、
   前記燃料カット実行条件成立直前における前記機関の燃焼モードに基づいて、前記燃料カット中における前記排気還流制御弁の開度を制御する排気還流量制御手段とを備え、
   前記排気還流量制御手段は、前記機関の燃焼モードが前記リーン燃焼モードであるときは、前記排気還流制御弁の開度を「０」より大きい所定開度に制御する一方、前記機関の燃焼モードが前記昇温燃焼モードであるときは、前記排気還流制御弁の開度を「０」に制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関は吸気系にインテークシャッタを備え、前記空気量制御手段は、前記インテークシャッタの開度を制御することにより、前記空気量を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。
3. 前記排気浄化手段は、排気浄化用触媒、及び粒子状物質を捕捉するパーティキュレートフィルタの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記空気量制御手段は、前記燃料カット実行条件成立直前において前記昇温燃焼モードが選択されていたときは、前記機関に供給する空気量を前記機関の回転数に応じて制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

Images