JP6287933B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの制御装置に関し、特に排気浄化装置の性能を回復させるための回復制御を行うようにしたものに係る。
従来より、例えば自動車等に搭載されるディーゼルエンジンの排気浄化装置としては、酸素濃度の高い排気中においても窒素酸化物(NOx)を浄化可能なDe−NOx触媒と、排気中の粒子状物質(Particulate Matter:PM)を捕集するPMフィルタと、を備えたものが知られている。
前記De−NOx触媒は、いわゆるNOx吸蔵還元型の触媒であり、排気中の酸素濃度が高い状態(言い換えると排気の空燃比A/Fがリーンの状態)でNOxを吸蔵するNOx吸蔵材を有している。そして、酸素濃度の低下、即ち空燃比のリッチ化によって排気中に増加する一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)等の還元成分と前記NOx吸蔵材に吸蔵したNOxとを反応させて、排気を浄化する。
このようなDe−NOx触媒では、NOx吸蔵量の増大に連れて排気中のNOxを吸蔵する能力が低下するので、吸蔵量が所定の閾値に達すれば意図的に排気の空燃比をリッチ化させ、吸蔵されているNOxを還元するようにしている(排気浄化装置の浄化性能を回復させる回復制御の一例であり、以下ではNOx還元制御ともいう)。
また、前記のPMフィルタにおいても、PMの捕集量が多くなるに連れてフィルタの通気抵抗が大きくなるので、捕集量が所定の閾値に達すれば排気への燃料供給などを行い、この燃料の燃焼によってフィルタ温度を所定以上に高めることで、捕集されているPMを酸化(燃焼)させて除去するようにしている(これも回復制御の一例であり、以下ではフィルタ再生制御ともいう)。
より具体的に特許文献1に記載のディーゼルエンジンでは、前記のような回復制御の際に、気筒の圧縮上死点近傍で燃料のメイン噴射(主噴射)を行った後に、膨張行程においてアフター噴射(後噴射)を行い、排気の空燃比をリッチ化させている。その際、EGRバルブを開いて排気の一部(EGRガス)を吸気系に再循環させ、燃焼温度の上昇を抑制するようにしている。
特開2013−194597号公報
ところが、前記のように回復制御の際には排気の空燃比がリッチ化されていることから、EGRガスの再循環を行うと、このEGRガスに含まれているPMがEGR通路の壁面に付着しやすく、これによりデポジットが生成して堆積するおそれがある。このため、前記特許文献1では、EGR通路の温度などからデポジットの生成しやすさを判定し、例えば冷却水温が低くて、デポジットが生成しやすいと判定すれば、EGRバルブは閉じてEGRガスの流通を禁止するようにしている。
このように従来までは、回復制御のために排気の空燃比をリッチ化させるときに、デポジットの堆積を防ぐためにEGR通路におけるEGRガスの流通を禁止せざるを得ない場合があって、EGRガスの再循環を行える機会が少なくなることから、燃焼温度の低減などの効果を十分に得られないという問題があった。
この点に鑑みて本発明の目的は、ディーゼルエンジンにおいて例えばDe−NOx触媒のような排気浄化装置の回復制御を行うときに、EGR通路の温度が低くてデポジットの生成しやすい状態であっても、その堆積を防止できるようにして、EGRガスの再循環を行える機会を増やすことにある。
前記目的を達成するために本発明の発明者は、後噴射によって排気の空燃比をリッチ化させるようにした場合に、この排気中のPMがEGR通路において堆積しデポジットとなる過程について実験および考察を重ねた結果、PMにおけるSOF(可溶性有機成分)の割合がEGR通路の壁面などへの付着力を決定する重要な因子であることに気付いた。すなわち、SOFの割合が低ければ一旦、付着したPMも通常のEGRガスの流れによって剥離してしまうので、デポジットとして堆積することは防げるのである。
そして、そのようなPMにおけるSOF割合は、後噴射を行うときの筒内温度に強く依存することが分かった。このことから、前記のようにPMの付着力が弱くなるSOFの割合、およびこれに対応する筒内温度を実験などによって設定し、この設定温度以上の筒内温度のときに後噴射を行うようにすれば、それ以外の条件によらずEGR通路におけるデポジットの堆積を防止できると考えられる。
このような新規な知見に基づいてなされた本発明は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に配設された排気浄化装置と、この排気浄化装置の浄化性能を回復させる回復制御の際に、前記燃料噴射弁により燃料の主噴射の後の膨張行程で後噴射を行わせて、前記回復制御の始まる前と比べて排気の空燃比をリッチ化させる燃料噴射制御手段と、を備えたディーゼルエンジンの制御装置を前提とする。
そして、前記排気通路から排気の一部を吸気通路へ再循環させるEGR通路と、このEGR通路を開閉可能なEGRバルブと、このEGRバルブの開閉制御を行うEGR制御手段とを備え、前記回復制御の際に前記EGR制御手段によってEGRバルブを開いて、EGR通路にEGRガスを流通させる場合は、このEGRガスの流通後であって前記後噴射の実行前に筒内温度が1150Kよりも高い状態のときに、前記燃料噴射制御手段によって前記後噴射を実行する構成として、前記EGR通路の壁面へのPMの付着力を弱くすることにより、当該EGR通路におけるデポジットの堆積を抑制するようにした。
なお、一般的にディーゼルエンジンは通常、排気の空燃比がリーンな状態で運転されるので、これをリッチ化させるというのは、リーンな空燃比を理論空燃比に近づけることも含み、理論空燃比よりもリッチにすることには限定されない。また、筒内温度については気筒内の平均的な温度を意味し、後噴射された燃料の蒸発による局所的な温度の低下については考慮しないものとする。
前記構成の制御装置においては、ディーゼルエンジンの運転中に排気浄化装置の回復制御を行う際に、EGR通路にEGRガスを流通させる場合は、主噴射の後の膨張行程において筒内温度が1150Kよりも高い状態で、即ち1150Kよりも高い状態のときに、後噴射が実行される。こうすると、後噴射された燃料の熱分解が十分に促進され、低級な(炭素数の少ない)HCの割合が増えることによって、排気中のPMにおけるSOFの割合が低くなると考えられる。
これによりPMのEGR通路壁面などへの付着力が弱くなる結果として、一旦、付着したPMも通常のEGRガスの流れによって剥がされるようになるので、デポジットの堆積を抑制することができる。よって、例えばDe−NOx触媒のような排気浄化装置の回復制御を行うときに、EGR通路の温度が低くてもEGRガスの再循環を行えるようになり、こうしてEGRガスの再循環を行える機会が増えることによって、燃焼温度低減などの効果が十分に得られるようになる。
前記のように後噴射を実行する筒内温度は高いほど、燃料の熱分解が促進されて、HCの低級化が進むようになり、PMにおけるSOFの割合が低下して、その付着力が弱くなると考えられる。本発明者の実験によれば、1250K以上の筒内温度で後噴射した場合、生成されるPMは一旦、EGR通路の壁面に付着しても、その後、エンジンの常用運転領域におけるEGRガスの流れによって剥離しやすく、デポジットとして堆積し難いことが分かった。
また、後噴射の際の筒内温度を種々、変更して実験したところ、PMの手触りが異なるものとなることも分かった。1150K以下の筒内温度で後噴射した場合は、PMの表面が硬質な手触りとなる一方、1150Kよりも高い筒内温度で後噴射した場合は、筒内温度の上昇とともにPMの表面が柔らかな感触に変化してゆく。これは、筒内温度の上昇とともにPMの表面に付着しているSOFが少なくなっているためであると考えられ、温度の上昇とともにHCの低級化が進むという傾向と一致している。
このことから、少なくとも1150Kよりも高い筒内温度において後噴射を行うようにすれば、EGR通路におけるデポジットの堆積を抑制でき、特に1250K以上の筒内温度において後噴射を行うようにすれば、デポジットの堆積を防止できると考えられる。
ところで、気筒の膨張行程においてはピストンの下降に伴って筒内温度が低下するので、前記のように1150Kよりも高い筒内温度において燃料を後噴射しようとすれば、膨張行程の前半において後噴射を開始することが好ましい。この結果、後噴射された燃料の一部は燃焼することになり、これにより筒内温度が上昇するとともに、気筒内の燃焼ガスに含まれているPMの再燃焼が促進される。
但し、後噴射した燃料の燃焼量が多くなると、これに伴い生成するPM(主に煤)が急増するおそれがある。すなわち、前記したように排気浄化装置の回復制御においては排気の空燃比をリッチ化させるものであるが、回復制御の効果を高めるためには、排気の空燃比が理論空燃比近傍となるよう、後噴射の量を十分に多くすることが望ましい。一方で、こうすると、エンジンの目標トルクが大きくなるような運転状態では、後噴射する燃料がかなり多くなってしまい、酸素との邂逅率の低い状態で燃焼することによって、PMが急増することになる。
この点を考慮して前記燃料噴射制御手段は、後噴射された燃料の燃焼による筒内温度のピーク値が1800K以下となるように、当該後噴射を実行するのが好ましい。すなわち、後噴射の量が少なくて、その一部が燃焼しても筒内温度はあまり上昇しないのであれば、噴射タイミングを進角側に設定する一方、後噴射の量が多くなり、その一部が燃焼することによって筒内温度がかなり上昇するのであれば、噴射タイミングを遅角側に設定すればよい。
より具体的に、前記のような後噴射のタイミングは、エンジンの目標トルクおよび回転数に応じて予めマップなどに設定しておき、エンジンの運転中にはマップを参照して決定した値に基づいて、燃料噴射弁を制御すればよい。気筒の膨張行程における筒内温度は、例えば吸気圧、EGRガス流量、燃料噴射圧などの影響も受けるが、これらはフィードバック制御によって所期の値に維持することができるので、実際の状態に応じて変更する必要はない。
但し吸気温については、外気の影響を受けて変動するので、これによる筒内温度の変化に応じて後噴射の時期を変更するようにしてもよい。すなわち、エンジンの吸気通路を流通する吸気の温度を検出する吸気温検出手段を備え、燃料噴射制御手段は、回復制御の際に前記マップを参照して決定した後噴射のタイミングを、検出した吸気の温度が高いほど遅角側に補正するようにすればよい。
さらに、前記EGR制御手段については、前記回復制御の際に前記EGRバルブを開いて、EGR通路におけるEGRガスの流量を増大させるものとしてもよい。こうしてEGRガスの流量を増大させることによって、気筒内に吸入される空気(新気)の量が減少し、空燃比がリッチ化されるので、その分はポスト噴射量を少なくすることができるとともに、EGRガスの流量が増大することによっても、EGR通路におけるPMの堆積を抑制できる。
本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置によると、排気浄化装置の回復制御のために、燃料の後噴射によって排気の空燃比をリッチ化させるとともに、EGR通路によってEGRガスを吸気通路へ再循環させる場合は、前記の後噴射を筒内温度が予め設定した温度(例えば1150K)よりも高い状態のときに実行することで、排気中に含まれるPMの付着力を弱め、EGR通路の壁面への付着を抑制することができる。これにより、EGR通路におけるデポジットの生成、堆積を防止することができるので、EGRガスの再循環を行える機会が増えて、燃焼温度低減などの効果が十分に得られるようになる。
実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成を示す図である。 エンジンの気筒内の燃焼室周辺を拡大して示す断面図である。 インジェクタの燃料噴射制御の説明図であって、上段にはNOx還元制御の際の燃料噴射の態様を示し、下段にはそのときの筒内温度の変化の一例を示す。 エンジンの運転状態に基づくEGR制御のためのマップのイメージ図である。 ポスト噴射時の筒内温度に対する、デポジットに含まれるSOF割合の依存性を示す実験結果のグラフ図である。 ポスト噴射時の筒内温度と燃焼ガス中のHCの成分割合との相関を示すグラフ図である。 NOx還元制御の具体的な手順を示すフローチャート図である。 MPL−EGRシステムを装備するエンジンに適用した他の実施形態に係る図1相当図である。 MPL−EGRシステムを装備するエンジンに適用した他の実施形態に係る図4相当図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式のディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明する。図1に模式的に示すディーゼルエンジン1(以下、単にエンジン1ともいう)は、一例として直列4気筒エンジンであり、各気筒10内の燃焼室にそれぞれ噴孔を臨ませて、インジェクタ2(燃料噴射弁)が配置されている(図の右端の気筒10にのみ符号を付す)。
すなわち、図2に拡大して示すように各気筒10内にはピストン3が配置され、気筒10の上端を閉ざすシリンダヘッド11との間に燃焼室が区画されているとともに、ピストン3の頂部には、燃焼室の一部を構成するキャビティ31が凹設されている。一方、燃焼室の天井部を構成するシリンダヘッド11にインジェクタ2が配設されており、その先端部(図の下端部)の複数の噴孔から気筒10内の外周側に向かって燃料を噴射するようになっている。
図1に示すように各気筒10のインジェクタ2は、燃料蓄圧容器であるコモンレール20に接続されていて、ここに蓄えられている高圧の燃料が分配されるようになっている。コモンレール20には、図示しないが、燃料配管を介して昇圧ポンプが接続されており、燃料タンクの燃料が昇圧ポンプにより昇圧されて、コモンレール20に供給される。なお、コモンレール20にはその内圧(燃料の圧力)を検出するレール圧センサ41が配設されている。
また、前記インジェクタ2を間に挟むようにシリンダヘッド11には、吸気ポート111および排気ポート112が形成されていて、それぞれ吸気バルブ12および排気バルブ13によって開閉されるようになっている。吸気ポート111は、シリンダヘッド11の一側(図1の上側)に接続された吸気マニホルド63に接続されており、同様に排気ポート11bは、シリンダヘッド11の他側(図1の下側)に接続された排気マニホルド72に接続されている。
そして、エンジン1の吸気通路6は、前記の吸気ポート111および吸気マニホルド63と、これに接続される吸気管64とからなり、吸気の流れの上流側から順にエアクリーナ60、吸気量を検出するためのエアフローメータ43、後述するターボチャージャ5のコンプレッサホイール53、インタークーラ61、および吸気絞り弁(ディーゼルスロットル)62などが配設されている。吸気通路6は、吸気マニホルド63において各気筒10毎に分岐している。
一方、エンジン1の排気通路7は、前記の排気ポート112および排気マニホルド72と、これに接続される排気管73とからなり、エンジン1の各気筒10からの排気の流れを排気マニホルド72において集合させるようになっている。排気マニホルド72よりも下流側の排気通路7には、排気の流れの上流側から順に、後述のターボチャージャ5のタービンホイール52、NOx吸蔵還元型の触媒74(以下、De−NOx触媒74という)、およびPMフィルタ75(Diesel Particulate Filter:以下、DPF75という)が配置されている。
前記De−NOx触媒74は、酸素の過剰な状態ではNOxを吸蔵する一方、酸素濃度が低下して、還元成分(HC,CO)が増大すれば、NOxを放出して還元する。例えばNO2やNOとして放出されたNOxは、排気中のHCやCOと速やかに反応し、さらに還元されてN2となる。また、HCやCOは、NO2やNOを還元することで、自身は酸化されてH2OやCO2となる。
すなわち、De−NOx触媒74に流入する排気中の酸素濃度や還元成分を適宜、調整することによって、排気中のHC、CO、NOxを浄化することができる。本実施形態ではこの排気中の酸素濃度や還元成分の調整を、インジェクタ2による燃料のポスト噴射や後述するEGR装置8によるEGRガス流量の制御、或いは吸気絞り弁62による吸気量の制御によって行うようにしている。
なお、DPF75は、例えば多孔質セラミック構造体であって、排気が多孔質の壁を通過する際に、この排気中に含まれるPMを捕集するようになっている。このDPF75には、その機能を回復させる制御であるDPF再生制御の際に、捕集したPMを酸化・燃焼するための触媒(例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒)が担持されている。
さらに、図1に表れているようにエンジン1にはターボチャージャ5が装備されている。ターボチャージャ5は、タービンシャフト51によって連結されたタービンホイール52およびコンプレッサホイール53を備えており、コンプレッサホイール53は吸気通路6に、また、タービンホイール52は排気通路7に、それぞれ配置されている。そして、タービンホイール52が排気流(排気圧)を受けて回転されると、これと一体に回転するコンプレッサホイール53によって、吸気を圧縮して供給する。
本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構54(詳細は図示せず)が設けられている。この可変ノズルベーン機構54の開度を調整することによって、ターボチャージャ5による過給の度合いを調整することができる。こうしてターボチャージャ5(コンプレッサホイール53)によって過給された吸気は、吸気通路6のインタークーラ61によって冷却された後に、各気筒10に吸入される。
また、本実施形態のエンジン1にはEGR装置8が装備されている。EGR装置8は、前記ターボチャージャ5のタービンホイール52よりも上流側(すなわち、De−NOx触媒74よりも上流側)の排気通路7から、コンプレッサホイール53よりも下流側(吸気絞り弁62よりも下流側)の吸気通路6へ排気の一部(EGRガス)を再循環させるEGR通路81と、このEGR通路81を開閉可能であって、かつその流路面積を変更可能なEGRバルブ82とを備えている。さらに図示の例では、エンジン1の冷却水によってEGRガスを冷却するEGRクーラ83が設けられている。
前記のEGR通路81により吸気通路6へ再循環されるEGRガスの流量は、EGRバルブ82の開度によって調整される。また、必要に応じて吸気絞り弁62の開度が小さくされ、新気(吸気通路6を流入する外気)を減量させることによって、EGRガスの流量を増量することもある。後述するNOx還元制御においてポスト噴射によって排気の空燃比をリッチ化させるときには、EGRバルブ82の開度を大きくし、EGRガスの流量を増量させる。
−センサ類−
エンジン1の各部位には各種センサが取り付けられており、それぞれの部位において環境条件やエンジン1の運転状態に関連する信号を出力する。例えば、クランクシャフトが一定角度回転する毎にクランクポジションセンサ40が検出信号(パルス)を出力する。前記レール圧センサ41は、コモンレール20内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力し、スロットル開度センサ42は吸気絞り弁62の開度に応じた検出信号を出力し、エアフローメータ43は、吸気絞り弁62よりも上流側の吸気通路6における吸気の流量(吸気量)に応じた検出信号を出力する。
また、水温センサ46は、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力し、アクセル開度センサ47は、自動車のアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)に応じた検出信号を出力する。吸気絞り弁62よりも下流側の吸気通路6に配置された吸気圧センサ48が、吸気の圧力に応じた検出信号を出力し、インタークーラ61よりも下流側の吸気通路6に配置された吸気温センサ49が、吸気の温度に応じた検出信号を出力する。EGR開度センサ50は、EGRバルブ82の開度に応じた検出信号を出力する。
さらに、排気通路7に配置されたA/F(空燃比)センサ441,442はそれぞれ、De−NOx触媒74の上流側および下流側における排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する。同様に排気温センサ451,452もそれぞれ、De−NOx触媒74の上流側および下流側における排気の温度(排気温度)に応じた検出信号を出力する。これらのA/Fセンサ441,442および排気温センサ451,452によってDe−NOx触媒74やDPF75に流入する排気の空燃比や温度を検出することができる。なお、A/Fセンサや排気温センサの配設位置は、De−NOx触媒74の上流側のみとしてもよいし、下流側のみとしてもよい。
−ECU−
ECU100は、図示しないCPU、ROM、RAM等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えており、その入力回路には、前記のレール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ441,442、排気温センサ451,452、水温センサ46、アクセル開度センサ47、吸気圧センサ48、吸気温センサ49、EGR開度センサ50などが接続されている。
一方、ECU100の出力回路には、前記昇圧ポンプ、インジェクタ2、吸気絞り弁62、EGRバルブ82、およびターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構(可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ)54が接続されている。そして、ECU100は、前記各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値に基づき、必要に応じてROMに記憶された各種マップを参照して、エンジン1の運転状態に係る各種制御を実行する。
一例としてECU100は、インジェクタ2による燃料噴射制御(噴射量・噴射時期の制御)、ターボチャージャ5の過給制御、吸気絞り弁62の開度(スロットル開度)の制御、EGRバルブ82の開度の制御などを実行する。具体的に燃料噴射制御としては、図3に一例を示すようにパイロット噴射やメイン噴射(主噴射)の他、必要に応じてポスト噴射(本発明に係る後噴射であって、アフター噴射と呼ばれることもある)を実行する。なお、図3の下段には、気筒10の圧縮行程および膨張行程における筒内温度(同図には筒内温度TAと示す)の変化の一例を示しており、詳しくは後述する。
公知のようにパイロット噴射は、メイン噴射に先立って噴射した少量の燃料を燃焼させることにより、引き続いてメイン噴射される燃料の着火遅れを抑制して、安定した拡散燃焼に導くためのものである。また、メイン噴射はトルク発生のための噴射動作であり、その噴射量は基本的には、アクセル開度、エンジン回転数、冷却水温、吸気温等の運転状態に応じ、目標トルクが得られるように決定される。
すなわち、例えばアクセル開度が大きいほど、また、エンジン回転数(クランクポジションセンサ40からの信号に基づいて算出されるエンジン回転数)が高いほど、エンジン1の目標トルクは大きくなり、それに応じてメイン噴射量が多く設定される。そして、例えば、各気筒10毎の圧縮上死点(TDC)前に前記パイロット噴射が実行され、所定のインターバルを経てTDC近傍において前記メイン噴射が実行される。
こうしてメイン噴射された燃料が分裂しながら周囲の空気を巻き込んで燃料噴霧を形成し、その内部では微小な燃料液滴が蒸発しながら空気と混合される。そして、いわゆる着火遅れ期間の後に混合気が自着火して火炎を生成し、さらに周囲の空気を巻き込みながら燃焼するようになる。このような燃焼によって筒内温度が上昇し(図3を参照)、膨張する燃焼ガスがピストン3を押し下げて、エンジントルクを生成する。
前記のような燃料噴射を実行する際の噴射圧力は、コモンレール20の内圧により決定される。ECU100は、コモンレール内圧の目標値(目標レール圧)とレール圧センサ41による検出値との偏差に応じて、昇圧ポンプからの吐出量を調整することにより、コモンレール内圧を目標レール圧になるようにフィードバック制御する。なお、目標レール圧は、例えばROMに記憶されたマップを参照して、エンジン1の目標トルクが大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど、高い値に設定される。
さらに、前記のポスト噴射は、後述するNOx還元制御やDPF再生制御などにおいて、排気の空燃比(排気A/F)をリッチ化させたり、De−NOx触媒74やDPF75の温度を上昇させたりするために用いられる。すなわち、NOx還元制御について以下に詳細に説明するように、例えばDe−NOx触媒74におけるNOx吸蔵量が所定の閾値に達して、そのNOxを放出させるNOx還元制御を行う際に、燃料のポスト噴射が行われる。
前記の燃料噴射制御の他にECU100は、エンジン1の運転状態に応じて吸気圧や吸気絞り弁62およびEGRバルブ82の開度を制御し、吸気(新気)の量や排気の再循環量(EGRガスの流量)を調整する。この制御は、予め実験などによって作成されてROMに記憶されているマップ(例えば吸気圧や吸気量、EGR制御などのマップ)を参照して行われる。
例えばECU100は、吸気絞り弁62よりも下流側の吸気通路6における吸気圧の目標値(目標吸気圧)と吸気圧センサ48による検出値との偏差に応じて、可変ノズルベーン機構54の開度を調整することによって、ターボチャージャ5による過給の度合いを調整し、これにより、吸気圧が目標値になるようにフィードバック制御する。なお、目標吸気圧は、吸気圧のマップを参照してエンジン1の目標トルクが大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど、高い値に設定される。
また、ECU100は、図4に一例を示すEGR制御のマップを参照して、EGR通路81におけるEGRガスの流量が目標値(目標EGRガス流量)になるように、EGRバルブ82の開度をフィードバック制御する。この制御を行うことでECU100は、EGRバルブ82の開閉制御を行うEGR制御手段を構成する。EGRガスの流量は、EGRバルブ82の開度、吸気温、並びに、吸気および排気の圧力差をパラメータとして算出される。なお、吸排気の圧力差はエンジン1の運転状態に基づいて予め設定されたマップから求められる。
図4のマップにおいては、排気の再循環を行う運転領域(以下、EGR領域という)が、目標トルクの特に大きな高負荷域を除いて設定されている。また、EGR領域においては目標トルクの大きいときほど、エンジン回転数の高いときほど、目標EGRガス流量が少なくなっている。なお、図4にハッチングを入れて示す領域においては、必要に応じて以下に説明するNOx還元制御が行われる。
−NOx還元制御−
一般的にディーゼルエンジン1においては、大部分の運転領域で排気の空燃比はリーンになるので、酸素濃度の高い排気中においてNOxがDe−NOx触媒74に吸蔵されてゆき、その吸蔵量の増大に連れてDe−NOx触媒74のNOx吸蔵能力が徐々に低下してゆく。そこで、エンジン1の運転履歴などに基づいて推定されるNOx吸蔵量が所定の閾値(De−NOx触媒74のNOx吸蔵能力が飽和する前の適値)に達すれば、NOx還元制御が行われる。
すなわち、以下に説明するようにインジェクタ2によりポスト噴射を行わせて、排気の空燃比を一時的にリッチ化させ、還元成分(CO,HC)を増大させることにより、De−NOx触媒74に吸蔵されているNOxの放出を促し、そのNOx吸蔵能力を回復させる。なお、NOx吸蔵量の推定手法としては、エンジン回転数とインジェクタ2からの燃料噴射量とに応じたNOx吸蔵量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められるNOx吸蔵量を積算するという方法が挙げられる。
−ポスト噴射のタイミング−
ところで、前記のようにNOx還元制御の際にポスト噴射された燃料の多くは、高温の燃焼ガス中において熱分解されつつ、その多くは未燃状態で排気マニホルド72に流出し、排気管73内を流通してDe−NOx触媒74に到達する。こうして燃料(軽油)が熱分解されることにより、低級な(炭素数の少ない)HCの割合が増えることになって、NOx還元制御が効率よく行われる。
一方で、そのように排気の空燃比をリッチ化させるとともに、EGRバルブ82を開いてEGRガスをEGR通路81に流通させると、このEGRガスに含まれているPMがEGR通路81の壁面に付着しやすく、デポジットとして堆積するおそれがある。このため、従来はNOx還元制御の際にEGRガスの再循環を行える機会が制限されており、燃焼温度の低減などの効果を十分に得ることは難しいと考えられていた。
この点について本発明の発明者は、前記のようにポスト噴射を行って、排気の空燃比をリッチ化させるようにした場合に、この排気中のPMがEGR通路81において堆積し、デポジットとなる過程について実験および考察を重ねた。そして、PMにおけるSOFの割合(SOF/PM)がEGR通路の壁面などへの付着力を決定する重要な因子であり、SOFの割合が低ければ一旦、付着したPMも容易に剥離してしまい、堆積し難いという知見を得た。
詳しくは、本発明者は、本実施形態のエンジン1と同様に構成された直列4気筒ディーゼルエンジンを用いて、テストベンチで実験を行った。まず、敢えてEGR通路の壁面にPMを付着させるために、冷却水温70℃の状態でNOx還元制御を実行しつつ、アクセル開度を約10%、エンジン回転数は約1000rpmに維持して連続13時間の運転を行った。
その際、NOx還元制御におけるポスト噴射のタイミングは種々、変更して、それぞれ異なる温度状態でポスト噴射が行われるようにした。具体的には筒内温度が1050〜1350Kの範囲でそれぞれ異なる状態でポスト噴射が行われるように、その噴射タイミングを複数、設定した。なお、筒内温度は気筒10内の平均的な温度を意味し、ポスト噴射された燃料の蒸発による局所的な温度の低下は考慮していない。
そして、エンジンの運転を停止してEGR通路の状態を調べ、その壁面にPMが付着し堆積していることを確認した後に、今度はエンジンをEUモードで運転して、再びEGR通路の状態を調べた。その結果、筒内温度が1150Kよりも高い状態でポスト噴射を行った場合は、前記のように壁面に付着していたPMが剥離して、EGR通路の圧力損失が減少することが分かった。具体的には筒内温度が1250K以上でポスト噴射を行った場合は、EGR通路の圧力損失が実験前の状態にまで戻ることから、EGR通路の壁面に付着していたPMの殆どが剥離していると考えられる。
これに対して、筒内温度が1050〜1150Kの状態でポスト噴射を行った場合は、EUモードで運転した後もEGR通路の圧力損失は殆ど減少せず、PMが剥離していないことが分かった。このことから、1150Kよりも高い筒内温度でポスト噴射した場合、排気中のPMは一旦、EGR通路の壁面に付着しても、その後、エンジンの常用運転領域において剥離しやすくなっており、特に1250K以上でポスト噴射を行えば、EGR通路におけるPMの堆積を防止できると言える。
また、そうしてポスト噴射の際の筒内温度を変更して実験し、排気中のPMを収集して観察したところ、その手触りが異なるものとなることも分かった。1150K以下の筒内温度でポスト噴射した場合は、PMの表面が硬質な手触りとなる一方、1150Kよりも高い筒内温度でポスト噴射した場合は、その温度が高いほど柔らかな感触に変化してゆく。これは、ポスト噴射の際の筒内温度が高いほど、PMの表面に付着しているSOFが少ないためであると考えられる。
そこで、前記の実験において採取したPMの成分分析を行ったところ、図5に一例を示すように、SOFの割合(SOF/PM)はポスト噴射時の筒内温度に強く依存することが分かった。すなわち、図5に仮想線Iとして示すように筒内温度の上昇に伴いSOFの割合は低くなっていくが、このSOF割合の低下幅は、筒内温度が高いほど徐々に小さくなってゆく。
また、図6に一例を示すのは、燃焼ガスに含まれるHCの成分割合をガスクロマトグラフィーによって調べた結果であり、ポスト噴射時の筒内温度の上昇に連れて、メタン(CH4)の割合が高くなる一方、エチレン(C24)やエタン(C26)など、炭素数2のHCの割合およびそれ以上の炭素数のHCの割合が減少している。このことから、熱分解によってHCの低級化が進むことが、SOF割合の低下の要因と考えられる。
このような実験結果から本発明者は、少なくとも1150Kよりも高い筒内温度でポスト噴射を行うようにすれば、生成するPMにおけるSOF割合が所定割合(例えば40%くらいと推定)以下になって、EGR通路の壁面などへの付着力が弱くなり、デポジットの堆積を抑制できると考えた。また、筒内温度は高いほどSOF割合が低下してPMの付着力が弱くなり、好ましくは1250K以上でポスト噴射を行うようにすれば、EGR通路におけるデポジットの堆積を実質的に防止できると考えた。
ここで、図3の下段に一例を示すように、筒内温度TAは気筒10の圧縮行程におけるピストン3の上昇によって徐々に上昇し、メイン噴射された燃料の着火によってさらに上昇した後に、気筒10の膨張行程で最大値に到達して、その後はピストン3の下降に伴って徐々に低下してゆく。そして、気筒10の膨張行程でポスト噴射が行われると、その燃料の一部が燃焼することによって、再び筒内温度が上昇するとともに、気筒10内の燃焼ガスに含まれているPMの再燃焼が促進される。
但し、NOx還元制御においては、後述するように排気の空燃比が理論空燃比近傍となるように、ポスト噴射する燃料量は十分に多くするので、エンジン1の目標トルクが大きくなるような運転状態では、ポスト噴射された燃料の燃焼量がかなり多くなってしまい、酸素との邂逅率の低い状態で燃焼することによって、PM(主に煤)が急増するおそれがある。この点を考慮して本実施形態では、以下に説明するようにポスト噴射を、燃料の燃焼による筒内温度のピーク値(図3に点Pとして示す)が1800K以下となるようにして実行する。
言い換えると本実施形態のエンジン1は、以下に具体的に説明するようにNOx還元制御を行う際に、EGRバルブ82を開いて、EGR通路81にEGRガスを流通させるとともに、排気中のPMにおけるSOFの割合が所定割合以下となるように、筒内温度が予め設定した温度(設定温度)よりも高い状態でポスト噴射を行うようにしたものである。
−具体的な制御の手順−
以下、本実施形態においてECU100によって行われるNOx還元制御の具体的な手順を図7のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートはエンジン1の運転中に所定のタイミングで実行される。
図7のフローにおけるスタート後のステップST1でECU100は、まず、NOx還元制御の実行フラグがONになっているか否かを判定する。この実行フラグはNOx還元制御の開始に伴ってONされ、NOx還元制御が終了すると(De−NOx触媒74内のNOxの略全量が放出されたとしてNOx還元制御が終了すると)、OFFされる。例えば自動車の走行開始時や、前回のNOx還元制御が終了した直後など、De−NOx触媒74におけるNOxの吸蔵量が少ない場合はNOx還元制御は開始されておらず、実行フラグはOFFになっている。
こうして実行フラグがOFFになっていて、ステップST1で否定判定(NO)された場合には、ステップST2に進んで、NOx吸蔵量が制御開始の閾値以上となっているか否か判定する。この閾値は、NOx還元制御が必要な値として予め実験などによって設定されている。自動車の走行開始時などのようにNOx吸蔵量が少ないときには、ステップST2において否定判定し(NO)、制御終了となる(エンド)。
一方、自動車の走行開始から暫くの間、エンジン1の運転が継続されると、酸素濃度の高い排気中においてDe−NOx触媒74のNOx吸蔵量が多くなっていき、前記の閾値以上となった場合にステップST2で肯定判定(YES)して、ステップST3に進む。このステップST3では、NOx還元制御の実行フラグをOFFからONに切り替えて、以下のようにNOx還元制御を開始する。
すなわち、まず、ステップST4においてECU100は、NOx還元制御のために実行するポスト噴射の量およびタイミングを決定する。ポスト噴射する燃料の量は、エンジン1の目標トルクおよび回転数に応じて、排気の空燃比が理論空燃比に近いリーン側の所定値(例えばA/F=15くらい)になるように予めマップに設定されており、エンジン1の運転中にはマップを参照して決定される。なお、ポスト噴射の量は、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように設定してもよい。
一方、ポスト噴射のタイミングについては以下のように算出される。図3の下段に表れているように、気筒10の膨張行程において筒内温度TAは徐々に低下してゆくので、前述した設定温度よりも高い状態でポスト噴射を行うために、まず、予め実験などによってエンジン1の運転状態(目標トルクおよび回転数)毎の筒内温度の変化を調べて、設定温度TA1(例えば1250K)となるクランク角(クランクポジション)θ1を求め、これをエンジン1の運転状態に対応するマップに設定しておく。
また、前記のように調べた筒内温度と、前記ポスト噴射の量とに基づいて、ポスト噴射した燃料の燃焼による筒内温度のピーク値が1800Kとなるようなポスト噴射のタイミング(図3に仮想線で示すクランク角θ2)を求めて、これら2つのクランク角θ1,θ2の中間の時期(クランク角)を、ポスト噴射の開始時期とする。こうすると、燃料の燃焼による筒内温度のピーク値が1800K以下となるようにして、ポスト噴射を行うことができる。なお、前記のクランク角θ2についても予め実験などによって調べて、エンジン1の運転状態およびポスト噴射量に対応するマップとして設定しておけばよい。
以上のようにポスト噴射の量およびタイミングを算出するとともに、ステップST5においてはEGRバルブ82の開度を大きくして、EGR通路81におけるEGRガスの流量を増大させる。これにより、気筒10内に吸入される空気(新気)の量が減少し、前記のポスト噴射と併せて、排気の空燃比が好適にリッチ化されるとともに、EGR通路81におけるPMの堆積が抑制される。なお、必要に応じて吸気絞り弁62の開度を小さくしてもよい。また、図7のフローにおいてEGRバルブ82の制御(ステップST5)は、ポスト噴射の量およびタイミングの算出(ステップST6)の後に記載しているが、実際には燃料噴射制御の手順とEGR制御の手順とは並行して行われる。
続いてステップST6において、必要に応じてポスト噴射のタイミングを補正する。すなわち、筒内温度は吸気温、吸気圧、EGRガス流量、燃料噴射圧などの影響を受けるので、前記のようにマップに設定されている噴射終了時期から算出したポスト噴射のタイミングを、レール圧センサ41、吸気圧センサ48、吸気温センサ49、EGR開度センサ50などからの信号に基づいて、補正することが考えられる。
この点について本実施形態では、上述したように吸気圧、EGRガス流量、および燃料噴射圧をエンジン1の目標トルクおよび回転数に応じて、予めマップに設定された目標値になるようにフィードバック制御しているので、前記のセンサ41、48〜50などの信号に基づいて補正する必要はない。一方、吸気温については制御できないので、これが外気の影響を受けて変動した場合に、筒内温度の変化に応じてポスト噴射の時期を補正するようにしている。
具体的には、吸気温センサ49によって検出される吸気温が高いほど、前記ステップST4においてマップを参照して決定したポスト噴射のタイミングを遅角側に補正する。この補正量は、吸気温の変動による筒内温度の変化を予め実験などによって調べ、エンジン1の運転状態に対応付けて設定したマップに設定されている。なお、吸気温の変動に起因する筒内温度の変化はあまり大きくはないので、ステップST4で決定したポスト噴射のタイミングでも筒内温度が設定温度よりも高く、かつ、ポスト噴射された燃料の燃焼による筒内温度のピーク値が1800K以下になるのであれば、補正はしなくてもよい。
そして、ステップST7において各気筒10毎のポスト噴射を実行し、ステップST8においてDe−NOx触媒74からのNOx排出量(還元量)が所定量に達したか否かを判定する。この所定量は、NOx還元制御を終了させるためのNOx排出量であって、例えば、NOx還元制御の開始時におけるNOx吸蔵量に相当する値、または、このNOx吸蔵量よりも少し小さい値に設定されている。なお、前記のNOx排出量(還元量)は、例えば時間当たりの排出量を温度と排気空燃比とから求めて積算するようにすればよい。
NOx還元制御が始まってから暫くの間は、De−NOx触媒74からのNOx排出量が所定量に達していないので、ステップST8で否定判定して(NO)前記ステップST4へリターンし、前記のようにポスト噴射の量およびタイミングを決定する。その後、ステップST5〜7の手順が繰り返され、De−NOx触媒74からのNOx排出量が所定量に達するまで、NOx還元制御が継続される。
その結果、De−NOx触媒74からのNOx排出量が所定量に達し、ステップST8で肯定判定(YES)されれば、ステップST9に進んでNOx還元制御の終了処理を行う。すなわち、ポスト噴射による空燃比のリッチ化を終了するとともに、EGRバルブ82の開度を小さくして、NOx還元制御の実行フラグをOFFにする。こうしてNOx還元制御は終了し(エンド)、De−NOx触媒74の機能が十分に回復された状態で、通常のエンジン制御に移行する。
図7を参照して上述したNOx還元制御のルーチンは、ECU100において所定のプログラムが実行されることによって実現される。そして、ステップST5の処理を実行することによってECU100は、NOx還元制御の際にEGRバルブ82を開いて、EGR通路81にEGRガスを流通させるEGR制御手段を構成する。
また、ステップST4,6,7の処理を実行することによってECU100は、NOx還元制御の際にインジェクタ2によるメイン噴射の後の気筒10の膨張行程でポスト噴射を行わせ、排気の空燃比をリッチ化させる燃料噴射制御手段を構成する。この燃料噴射制御手段は、排気中のPMにおけるSOFの割合が所定以下となるように、筒内温度が予め設定した温度よりも高い状態で、ポスト噴射を実行する。
以上、説明したように本実施形態に係るディーゼルエンジン1の制御装置によると、NOx還元制御の際にEGRガスの再循環を行うのであれば、排気の空燃比をリッチ化させるためのポスト噴射を、筒内温度が設定温度よりも高い状態で行うことにより、排気中のPMにおけるSOFの割合を低くして、EGR通路82壁面への付着力を弱くすることができる。
これにより、デポジットの生成、堆積を防止することができるので、EGRガスの再循環を行える機会を増やし、燃焼温度低減などの効果を十分に得ることができる。しかも、本実施形態ではポスト噴射を、その燃料の燃焼による筒内温度のピーク値が1800K以下になるようにして行うことで、排気中のPMが急増する心配もなく、DPF75におけるPMの捕集量が急増することを防止できる。
−他の実施形態−
以上、説明した実施形態では、自動車に搭載されたコモンレール式のディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
また、前記の実施形態では図7のフローのステップST6において、必要に応じてポスト噴射のタイミングを吸気温に基づいて補正するようにしているが、吸気温、吸気圧、EGRガス流量、燃料噴射圧などに基づく補正はしていない。しかしながら、これにも限定されず、必要に応じて吸気温、吸気圧、EGRガス流量、燃料噴射圧などに基づいて、ポスト噴射のタイミングを補正するようにしてもよい。
また、前記の実施形態では、タービンホイール52よりも上流側の排気通路7からコンプレッサホイール53よりも下流側の吸気通路6へ排気の一部を再循環させるEGR装置8(以下、高圧EGR装置8という)を装備したエンジン1について説明したが、これにも限定されない。例えば図8に一例を示すように高圧EGR装置8(HPL−EGR)および低圧EGR装置9(LPL−EGR)を装備したエンジン1にも、本発明を適用することができる。
以下、図1に示すエンジン1と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明は省略し、異なる構成要素、即ち低圧EGR装置9について簡単に説明する。この低圧EGR装置9は、DPF75よりも下流側の排気通路7から、コンプレッサホイール53よりも上流側の吸気通路6へEGRガスを再循環させる低圧EGR通路91と、この低圧EGR通路91を流通するEGRガスの流量を調整するための低圧EGRバルブ92と、EGRガスを冷却するための低圧EGRクーラ93とを備えている。また、排気の一部を積極的に低圧EGR通路91に流すことができるように、DPF75よりも下流側の排気通路7には排気シャッターバルブ86が配設されている。
そして、一例を図9のマップに示すようにEGR領域は、高圧EGR装置8のみを使用する相対的に低負荷側の領域(HPL)と、低圧EGR装置9のみを使用する相対的に高負荷側の領域(LPL)と、高圧EGR装置8および低圧EGR装置9の両方を使用する中間負荷の領域(MPL)とに分かれている。また、図9にハッチングを入れて示すように、必要に応じてNOx還元制御の行われる領域が、前記の3つの領域に跨って設定されている。
すなわち、前記実施形態と同じくNOx還元制御は、De−NOx触媒74のNOx吸蔵量が所定の閾値に達すると開始される。このとき、高圧EGR通路81によってEGRガスの再循環を行う運転領域(図9にHPL、MPLとして示す領域)であれば、前記実施形態と同じくポスト噴射のタイミングが筒内温度に対応付けて設定される。これにより、高圧EGR通路81におけるデポジットの生成、堆積を防止することができ、EGRガスの再循環を行える機会が増えて、その効果が十分に得られるようになる。
また、前記の実施形態では排気浄化装置の回復制御の具体例として、De−NOx触媒74の機能を回復させるNOx還元制御について説明したが、これにも限定されず、本発明は例えば、De−NOx触媒74の硫黄被毒を解消するための回復制御にも適用可能であり、また、DPF75に捕集されているPMを燃焼させる回復制御(DPF再生制御)にも適用可能である。
本発明は、排気浄化装置の機能を回復させる回復制御の際にも、排気(EGRガス)の再循環によって燃焼温度の低減などの効果を十分に得られるようになるので、特に自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用して有益である。
1 ディーゼルエンジン
10 気筒
2 インジェクタ(燃料噴射弁)
6 吸気通路
7 排気通路
49 吸気温センサ(吸気温検出手段)
74 De−NOx触媒(排気浄化装置)
75 DPF(PMフィルタ:排気浄化装置)
81,91 EGR通路
82,92 EGRバルブ
100 ECU

Claims (5)

  1. 気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に配設された排気浄化装置と、この排気浄化装置の浄化性能を回復させる回復制御の際に、前記燃料噴射弁により燃料の主噴射の後の膨張行程で後噴射を行わせて、前記回復制御の始まる前と比べて排気の空燃比をリッチ化させる燃料噴射制御手段と、を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
    前記排気通路から排気の一部を吸気通路へ再循環させるEGR通路と、このEGR通路を開閉可能なEGRバルブと、このEGRバルブの開閉制御を行うEGR制御手段とを備え、
    前記回復制御の際に前記EGR制御手段によってEGRバルブを開いて、EGR通路にEGRガスを流通させる場合は、このEGRガスの流通後であって前記後噴射の実行前に筒内温度が1150Kよりも高い状態のときに、前記燃料噴射制御手段によって前記後噴射を実行する構成として、
    前記EGR通路の壁面へのPMの付着力を弱くすることにより、当該EGR通路におけるデポジットの堆積を抑制することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
  2. 請求項1に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
    前記燃料噴射制御手段は、前記回復制御の際に前記EGR制御手段によってEGRバルブを開いて、EGR通路にEGRガスを流通させる場合は、このEGRガスの流通後であって前記後噴射の実行前に筒内温度が1250K以上の状態のときに、後噴射を実行する、ディーゼルエンジンの制御装置。
  3. 請求項1または2のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
    前記燃料噴射制御手段は、後噴射された燃料の燃焼による筒内温度のピーク値が1800K以下となるように、当該後噴射を実行する、ディーゼルエンジンの制御装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
    前記後噴射のタイミングは、エンジンの目標トルクおよび回転数に応じて予めマップに設定されており、
    前記吸気通路を流通する吸気の温度を検出する吸気温検出手段を備え、
    前記燃料噴射制御手段は、前記回復制御の際に前記マップを参照して決定した後噴射のタイミングを、前記検出した吸気の温度が高いほど遅角側に補正する、ディーゼルエンジンの制御装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
    前記EGR制御手段は、前記回復制御の際に前記EGRバルブを開いて、EGR通路におけるEGRガスの流量を増大させる、ディーゼルエンジンの制御装置
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