JP5516058B2 - 選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、排気管に選択還元触媒装置が設けられたエンジンにおける燃料噴射時期を制御する選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置に係り、浄化性能の悪化を防ぎつつ、燃費を向上させることができる選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置に関する。
ディーゼルエンジンのエンジン制御において、燃料噴射時期は、アクセル開度、エンジン回転数等のエンジンパラメータで噴射時期マップを参照して求められる。
従来、噴射時期マップは、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の汚染物質が少なくなることを最優先に設定されており、この噴射時期マップを参照して噴射時期を決定すれば清浄な排気ガスが排出されるように最適化されている。また、エンジンの温度を示す冷却水温、吸入する外気の温度である大気温、平地と高地で異なる大気圧なども排気ガス成分に影響を与えるので、これらの要素で噴射時期を補正することも行われている。
一方、近年では、エンジンの後段において排気ガス中のＮＯｘを浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置が開発されつつある。ＳＣＲ装置では、上流で噴射された尿素水が排気ガスの熱でアンモニアとなり、選択還元触媒の働きによりアンモニアとＮＯｘが中和されるようになっている。尿素水噴射の制御（ＳＣＲ制御）では、エンジンパラメータや排気ガス温度から排気ガス中のＮＯｘ量を推定し、尿素水噴射量を決定するようになっている。ＳＣＲ装置の上流と下流にはＮＯｘセンサが設置され、ＳＣＲ装置の上流と下流のＮＯｘ濃度がＳＣＲ制御にフィードバックされる。
特開平９−１２５９３８号公報 特開２０００−３０３８２６号公報
ところで、ＳＣＲ装置を研究開発段階から実際に車両に搭載される実用段階に移そうとするにあたり、ＳＣＲ制御とエンジン制御の連携が不十分であることが分かった。
すなわち、現状では、ＳＣＲ制御とエンジン制御とが互いに独立しているため、例えば、ＳＣＲ装置においてＮＯｘ浄化の性能が何かの原因で悪化しているときでも、エンジン制御の側でＮＯｘ排出を抑制する制御を行うようにはなっていない。
図４に示されるように、ＳＣＲ装置の上流におけるＮＯｘ濃度（線４１）が増加しているピークにおいて、ＳＣＲ装置での浄化性能が良好であれば、ＳＣＲ装置の下流におけるＮＯｘ濃度（線４２）は増加しない。しかし、ＳＣＲ装置での浄化性能が悪化していると、ＳＣＲ装置の下流におけるＮＯｘ濃度（線４３）は、上流におけるＮＯｘ濃度の増加に伴い、増加してしまう。
逆に、ＳＣＲ装置において浄化性能が良好であるときに、エンジン制御でもＥＧＲ率を大きくするなどしてＮＯｘ排出を抑制していることがある。しかし、このときエンジン制御では排気を清浄にすることを優先し燃費を犠牲にしている場合がある。このため、燃費の向上が妨げられる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、浄化性能の悪化を防ぎつつ、燃費を向上させることができる選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設置されたＳＣＲ（選択還元触媒）装置と、前記ＳＣＲ装置の上流側でＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサと、前記ＳＣＲ装置の下流側でＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサと、前記上流側ＮＯｘセンサで検出されたＮＯｘ濃度と前記下流側ＮＯｘセンサで検出されたＮＯｘ濃度に基づいて前記ＳＣＲ装置における浄化率を算出する浄化率算出部と、前記ＳＣＲ装置における浄化率が良好時には、前記エンジンの燃料噴射時期を標準の燃料噴射時期に制御し、前記ＳＣＲ装置における浄化率が悪化時には、前記エンジンの燃料噴射時期を前記標準の燃料噴射時期に比べて排気がより清浄となる燃料噴射時期に制御する燃料噴射時期制御部とを備え、前記燃料噴射時期制御部は、あらかじめ設定された前記ＳＣＲ装置における理論浄化率に対する前記浄化率算出部で算出された浄化率の差分を浄化率悪化分として算出する浄化率悪化分算出部と、浄化率悪化分に応じて前記標準の燃料噴射時期から排気が最も清浄となる燃料噴射時期までの間に燃料噴射時期を決定する噴射時期決定部とを備える選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置である。
前記噴射時期決定部は、前記標準の燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率良好時噴射時期マップと、前記排気が最も清浄となる燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率悪化時噴射時期マップと、あらかじめ浄化率悪化分ごとに補間係数が設定された補間係数マップと、前記浄化率良好時噴射時期マップを参照して読み出した標準の燃料噴射時期と前記浄化率悪化時噴射時期マップを参照して読み出した排気が最も清浄となる燃料噴射時期とを、前記補間係数マップを浄化率悪化分で参照して読み出した補間係数で補間演算して、決定結果となる燃料噴射時期を求める補間演算部とを備えてもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）浄化性能の悪化を防ぎつつ、燃費を向上させることができる。
本発明の一実施形態を示す選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置のブロック構成図である。 図１の燃料噴射制御装置を搭載した車両の排気系の構成図である。 本発明におけるＳＣＲ装置の上流下流のＮＯｘ濃度を示すグラフである。 従来におけるＳＣＲ装置の上流下流のＮＯｘ濃度を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１及び図２に示されるように、本発明に係る選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置（以下、燃料噴射制御装置という）１は、エンジン２の排気管３に設置されたＳＣＲ装置４と、ＳＣＲ装置４の上流側でＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ５と、ＳＣＲ装置４の下流側でＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ６と、上流側ＮＯｘセンサ５で検出されたＮＯｘ濃度と下流側ＮＯｘセンサ６で検出されたＮＯｘ濃度に基づいてＳＣＲ装置４における浄化率Ｅを算出する浄化率算出部７と、ＳＣＲ装置４における浄化率Ｅが良好時には、エンジン２の燃料噴射時期を標準の燃料噴射時期に制御し、ＳＣＲ装置４における浄化率Ｅが悪化時には、エンジン２の燃料噴射時期を前記標準の燃料噴射時期に比べて排気がより清浄となる燃料噴射時期に制御する燃料噴射時期制御部８とを備えたものである。
燃料噴射時期制御部８は、あらかじめ設定されたＳＣＲ装置４における理論浄化率に対する浄化率算出部７で算出された浄化率Ｅの差分を浄化率悪化分Δとして算出する浄化率悪化分算出部９と、浄化率悪化分Δに応じて前記標準の燃料噴射時期から排気が最も清浄となる燃料噴射時期までの間に燃料噴射時期τを決定する噴射時期決定部１０とを備える。
噴射時期決定部１０は、前記標準の燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率良好時噴射時期マップ１１と、前記排気が最も清浄となる燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率悪化時噴射時期マップ１２と、あらかじめ浄化率悪化分Δごとに補間係数Ｋが設定された補間係数マップ１３と、浄化率良好時噴射時期マップ１１を参照して読み出した標準の燃料噴射時期と浄化率悪化時噴射時期マップ１２を参照して読み出した排気が最も清浄となる燃料噴射時期とを、補間係数マップ１３を浄化率悪化分Δで参照して読み出した補間係数Ｋで補間演算して、決定結果となる燃料噴射時期τを求める補間演算部１４とを備える。
浄化率算出部７は、例えば、上流側ＮＯｘセンサ５で検出されたＮＯｘ濃度から下流側ＮＯｘセンサ６で検出されたＮＯｘ濃度を引き、上流側ＮＯｘセンサ５で検出されたＮＯｘ濃度で割ることにより、浄化率Ｅを求めるようになっている。この場合、ＳＣＲ装置４でのＮＯｘ浄化性能が良好なときは、浄化率Ｅは最も１に近く、これを浄化率が良好であるという。ＳＣＲ装置４でのＮＯｘ浄化性能が悪いときは、浄化率Ｅは０に近づき、これを浄化率が悪化しているという。
浄化率算出部７、燃料噴射時期制御部８は、ＥＣＭ（Engine Control Module）あるいはＥＣＵ（Engine Control Unit）と呼ばれるプログラム式のデジタル回路にソフトウェアとして設けられる。
浄化率悪化分算出部９は、あらかじめ設定されている理論浄化率から浄化率算出部７で算出された浄化率Ｅを差し引いて浄化率悪化分Δとする。浄化率が良好であれば、浄化率悪化分Δは最も小さく、浄化率が悪化していると、浄化率悪化分Δは大きくなることになる。理論浄化率は、理論浄化率マップ１５に設定されており、エンジンパラメータあるいはＳＣＲ制御に用いるパラメータで参照される。
噴射時期決定部１０は、基本的には従来同様、アクセル開度、エンジン回転数等のエンジンパラメータで噴射時期マップを参照するものであるが、本発明では、浄化率良好時噴射時期マップ１１と浄化率悪化時噴射時期マップ１２の両方を参照して、両者の燃料噴射時期を補間することで、中間的な値をとるようになっている。より具体的には、補間演算部１４が補間係数マップ１３を浄化率悪化分Δで参照して補間係数Ｋを読み出し、この補間係数Ｋで補間演算するようになっている。補間係数Ｋは、浄化率悪化分Δが小さいとき、浄化率良好時噴射時期マップ１１から読み出した燃料噴射時期に近い結果が得られるような値をとり、浄化率悪化分Δが大きいとき、浄化率悪化時噴射時期マップ１２から読み出した燃料噴射時期に近い結果が得られるような値をとる係数である。補間係数Ｋの具体的な値及び補間演算式は、実験により最適なものを採用するとよい。
図２に示されるように、エンジン２の排気管３には、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１６が設置され、ＤＰＦ１６の下流に尿素水噴射装置１７が設置され、尿素水噴射装置１７の下流にＳＣＲ装置４が設置される。エンジン２は、例えば、蓄圧式噴射装置を備えたエンジン２である。尿素水噴射装置１７は、図示しないＳＣＲ制御装置により制御されて尿素水を排気管３内に噴射するものである。ＳＣＲ装置４は、尿素水から生じたアンモニアと排気ガス中のＮＯｘを中和させる選択還元触媒１８を有する。上流側ＮＯｘセンサ５は、ＳＣＲ装置４の入口に設けられ、下流側ＮＯｘセンサ６は、ＳＣＲ装置４の出口に設けられる。上流側ＮＯｘセンサ５、下流側ＮＯｘセンサ６は、公知のＮＯｘセンサからなるので、説明は省略する。
次に、燃料噴射制御装置１の動作を説明する。
噴射時期決定部１０は、燃料噴射時期制御の開始時、浄化率良好時噴射時期マップ１１から得られた燃料噴射時期と浄化率悪化時噴射時期マップ１２から得られた燃料噴射時期の中点を無条件（デフォルト）に燃料噴射時期に決定する。この燃料噴射時期でエンジン制御が行われ、一方、ＳＣＲ制御装置はＳＣＲ制御を開始する。
上流側ＮＯｘセンサ５と下流側ＮＯｘセンサ６が出力するＮＯｘ濃度は、常時（例えば、１燃焼サイクルよりも短いサンプリングインターバルで）、浄化率算出部７に読み込まれ、浄化率算出部７では浄化率が算出される。浄化率悪化分算出部９では、あらかじめ設定されたＳＣＲ装置４における理論浄化率に対する浄化率算出部７で算出された浄化率Ｅの差分が浄化率悪化分Δとして算出される。もし、ＳＣＲ装置４におけるＮＯｘの浄化率が良好であれば、浄化率悪化分Δは最も小さい値となる。もし、浄化率が悪化していると、浄化率悪化分Δは悪化の度合いに応じて大きくなる。
補間演算部１４は、浄化率悪化分Δで補間係数マップ１３を参照して補間係数Ｋを読み出す。同時に、補間演算部１４は、アクセル開度、エンジン回転数等のエンジンパラメータで浄化率良好時噴射時期マップ１１と浄化率悪化時噴射時期マップ１２をそれぞれ参照して燃料噴射時期を読み出す。浄化率良好時噴射時期マップ１１から読み出されるのは標準の燃料噴射時期である。浄化率悪化時噴射時期マップ１２から読み出されるのは排気が最も清浄となる燃料噴射時期である。次いで、補間演算部１４は、２つの燃料噴射時期を補間係数Ｋで補間演算して、決定結果となる燃料噴射時期τを求める。
これにより、浄化率が比較的良好なときには、燃料噴射時期τは標準の燃料噴射時期に近く、浄化率が悪化してくると、燃料噴射時期τは排気が最も清浄となる燃料噴射時期に近づいていく。燃料噴射時期τの決定は、例えば、１燃焼サイクルごとに行うとよい。
なお、同じエンジンパラメータにおける浄化率良好時噴射時期マップ１１による燃料噴射時期と浄化率悪化時噴射時期マップ１２による燃料噴射時期は、従来の噴射時期マップと同様、エンジン機種ごとにエンジンパラメータを多様に変化させつつＮＯｘ濃度を測定する実験を行い、その実験結果から求めた最適値を設定するとよい。
このような燃料噴射時期制御が行われるため、ＳＣＲ装置４におけるＮＯｘの浄化率が良好なときにはエンジンでは標準の燃料噴射時期で燃料噴射が行われ、ＳＣＲ装置４におけるＮＯｘの浄化率が悪化するにつれてエンジンでは排気が清浄となる燃料噴射時期での燃料噴射に変わっていく。したがって、最終的に、大気に排出されるＮＯｘは低減される。
ここで、図４と同じ条件、すなわち燃料噴射時期を除く他のエンジンパラメータは同じとし、本発明におけるＳＣＲ装置４の上流と下流のＮＯｘ濃度の変化を観測した。
図３に示されるように、ＳＣＲ装置４の上流におけるＮＯｘ濃度（線３１）が増加しているピークにおいて、ＳＣＲ装置４での浄化性能が良好であれば、ＳＣＲ装置４の下流におけるＮＯｘ濃度（線３２）は増加しない。ＳＣＲ装置４での浄化性能が悪化したとき、上流におけるＮＯｘ濃度の増加のピークにおいて、下流におけるＮＯｘ濃度（線３３）の増加は従来（図４）に比較して抑制されている。
この実験結果から、ＳＣＲ装置４における浄化率が悪化したときにエンジン２の燃料噴射時期を標準の燃料噴射時期に比べて排気がより清浄となる燃料噴射時期に制御することで、大気に排出されるＮＯｘが低減されることが実証された。
本実施形態では、エンジン２が蓄圧式噴射装置を備えたものとしたが、分配式噴射装置を備えたものにおいても、ポンプに進角を与えるタイマを電子制御して噴射時期を変えることで本発明を適用することができる。
以上説明したように、本発明によれば、ＳＣＲ装置４における浄化率が良好時にはエンジン２の燃料噴射時期を標準の燃料噴射時期に制御し、ＳＣＲ装置４における浄化率が悪化時には、エンジン２の燃料噴射時期を標準の燃料噴射時期に比べて排気がより清浄となる燃料噴射時期に制御するようにしたので、ＳＣＲ装置４における浄化率が良好時はもとより、悪化時でも最終的な浄化性能は悪化を防ぐことができる。よって、浄化性能が悪化したときに表示灯を点灯する構成においても、点灯に至ることを回避することができる。
本発明に用いる標準の燃料噴射時期は、それよりも排気が清浄となる燃料噴射時期に比較して、燃費がよいエンジン条件となる。よって、本発明によれば、ＳＣＲ装置４における浄化率が良好時あるいはそれに準じ悪化があまり深刻でないときは、標準の燃料噴射時期あるいはそれに近い燃料噴射時期で燃料噴射が行われることになるので、燃費を向上させることができる。
本発明によれば、浄化率の悪化をＮＯｘ濃度差から算出された浄化率Ｅの大小で表すのではなく、理論浄化率に対する算出された浄化率Ｅの差分である浄化率悪化分Δで表すようにしたので、ＳＣＲ装置４の性能の悪化を適正に評価することができる。つまり、浄化率Ｅが低いときにＳＣＲ装置４の性能が悪化したと評価する論理では、排気ガス温度などの諸条件によってもともと浄化率Ｅが低い場合（つまり理論浄化率が低い場合）があっても、これをＳＣＲ装置４の性能の悪化と評価してしまうのに対し、浄化率悪化分Δで評価すれば、浄化率Ｅが理論浄化率から乖離した場合をＳＣＲ装置４の性能の悪化と評価できる。
本発明によれば、標準の燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率良好時噴射時期マップ１１と排気が最も清浄となる燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率悪化時噴射時期マップ１２の２つの噴射時期マップ１１，１２を用い、これらから読み出した２つの燃料噴射時期補間演算して燃料噴射時期τを求めるようにしたので、２つの噴射時期マップ１１，１２だけで、全ての浄化率悪化分Δに対応して燃料噴射時期τを決定することができる。
１ 燃料噴射制御装置
２ エンジン
３ 排気管
４ ＳＣＲ装置
５ 上流側ＮＯｘセンサ
６ 下流側ＮＯｘセンサ
７ 浄化率算出部
８ 燃料噴射時期制御部
９ 浄化率悪化分算出部
１０ 噴射時期決定部
１１ 浄化率良好時噴射時期マップ
１２ 浄化率悪化時噴射時期マップ
１３ 補間係数マップ
１４ 補間演算部
１５ 理論浄化率マップ

Claims (2)

  1. エンジンの排気管に設置されたＳＣＲ（選択還元触媒）装置と、
    前記ＳＣＲ装置の上流側でＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサと、
    前記ＳＣＲ装置の下流側でＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサと、
    前記上流側ＮＯｘセンサで検出されたＮＯｘ濃度と前記下流側ＮＯｘセンサで検出されたＮＯｘ濃度に基づいて前記ＳＣＲ装置における浄化率を算出する浄化率算出部と、
    前記ＳＣＲ装置における浄化率が良好時には、前記エンジンの燃料噴射時期を標準の燃料噴射時期に制御し、前記ＳＣＲ装置における浄化率が悪化時には、前記エンジンの燃料噴射時期を前記標準の燃料噴射時期に比べて排気がより清浄となる燃料噴射時期に制御する燃料噴射時期制御部とを備え、
    前記燃料噴射時期制御部は、
    あらかじめ設定された前記ＳＣＲ装置における理論浄化率に対する前記浄化率算出部で算出された浄化率の差分を浄化率悪化分として算出する浄化率悪化分算出部と、
    浄化率悪化分に応じて前記標準の燃料噴射時期から排気が最も清浄となる燃料噴射時期までの間に燃料噴射時期を決定する噴射時期決定部と
    を備える
    ことを特徴とする選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置。
  2. 前記噴射時期決定部は、
    前記標準の燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率良好時噴射時期マップと、
    前記排気が最も清浄となる燃料噴射時期がエンジンパラメータで参照される浄化率悪化時噴射時期マップと、
    あらかじめ浄化率悪化分ごとに補間係数が設定された補間係数マップと、
    前記浄化率良好時噴射時期マップを参照して読み出した標準の燃料噴射時期と前記浄化率悪化時噴射時期マップを参照して読み出した排気が最も清浄となる燃料噴射時期とを、前記補間係数マップを浄化率悪化分で参照して読み出した補間係数で補間演算して、決定結果となる燃料噴射時期を求める補間演算部とを備えることを特徴とする請求項１記載の選択還元触媒装置付きエンジンの燃料噴射制御装置。
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