JP6926964B2 - 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する。

排気中の粒子を捕集するフィルタを排気通路に備える内燃機関が知られている（例えば特許文献１等）。こうした内燃機関の排気通路には、排気通路内の圧力を計測する圧力センサがフィルタの上流に設けられている。そして、この圧力センサの検出値に基づいてフィルタの粒子堆積量を算出しており、その算出した粒子堆積量が閾値に達すると、フィルタに堆積した粒子を燃焼除去する再生処理が行われる。

特開２０１５−２１４５５号公報

ところで、例えば再生処理が十分に行えない状態が続くなどにより、フィルタの粒子堆積量が上記閾値を超えて増加していくと、フィルタよりも上流の排気圧は、フィルタの粒子堆積量が上記閾値に達したときの圧力を超えて上昇するようになり、場合によっては排気系部品の耐圧限界に達してしまうおそれがある。

そこで、フィルタよりも上流の排気圧が、そうした耐圧限界に達する前に排気圧の増大を制限する制限処理を行うようにすれば、排気系部品を保護することができる。ここで、排気圧が耐圧限界に達する前に制限処理を開始するには、耐圧限界よりも低い値に設定した制限開始圧に排気圧が達した時点で制限処理を開始することが望ましい。

ただし、そうした制限開始圧が圧力センサの計測可能範囲よりも高い場合には、排気圧が制限開始圧に達しているか否かを把握できないため、排気系部品を保護することができなくなる。従って、圧力センサの計測可能範囲を少なくともそうした制限開始圧を検出可能な範囲にまで広げる必要がある。

しかし、圧力センサの計測可能範囲を広げると、新たに次の不都合が生じる。すなわち、圧力変化に応じた圧力センサの出力値の変化幅には限りがある。そのため、圧力センサの計測可能範囲を広げてしまうと、圧力変化に対する圧力センサの出力値変化が小さくなり、微細な圧力変化を捉えることが難しくなるため、圧力センサの検出値に基づいて算出される粒子堆積量の精度が低下してしまう。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力センサの計測可能範囲を広げることなく排気系部品を保護することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、排気通路の途中に設けられて排気中の粒子を捕集するフィルタと、前記フィルタよりも上流の排気圧を計測する圧力センサとを備える内燃機関に適用されて、前記排気圧が排気系部品の耐圧限界に達する前に前記排気圧の増大を制限する制限処理を行う。前記制限処理は、前記圧力センサの計測可能範囲よりも高い圧力であって且つ前記耐圧限界よりも低い値に設定された制限開始圧に前記排気圧が達すると実行される処理であり、制御装置は、前記排気圧を前記フィルタに捕集された粒子の堆積量及び内燃機関の吸入空気量に基づいて推定する処理を実行する。

フィルタよりも上流の排気圧は、吸入空気量の増大に伴って排気流量が増加するほど高くなる。また、同じ吸入空気量であってもフィルタに捕集された粒子の堆積量が多いほど上記排気圧は高くなる。従って、フィルタよりも上流の排気圧は、フィルタに捕集された粒子の堆積量及び吸入空気量に基づいて推定することができる。そこで、同構成では、そうした排気圧をフィルタの粒子堆積量と吸入空気量とに基づいて推定するようにしているため、フィルタよりも上流の排気圧が圧力センサの計測可能範囲より高い圧力になっても、そうした上流の排気圧を把握することが可能になっている。従って、フィルタよりも上流の排気圧が圧力センサの計測可能範囲より高い圧力になっても、フィルタよりも上流の排気圧が耐圧限界に達する前に上記制限処理を実行することが可能になる。

このように同構成によれば、圧力センサの計測可能範囲を広げることなく、フィルタよりも上流の排気圧が上記制限開始圧に達したことを判定することができるため、圧力センサの計測可能範囲を広げることなく排気系部品を保護することができる。

制御装置の一実施形態について、これが適用される内燃機関の模式図。 フィルタよりも上流の排気圧と吸入空気量とＰＭ堆積量との関係を示すグラフ。 同実施形態において制限処理を実行するための一連の処理手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用を示すタイミングチャート。

以下、内燃機関の制御装置の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関１０は複数の気筒１０ａを備えており、各気筒１０ａの吸気ポートには吸気通路１３が接続されている。吸気通路１３には、吸入空気量を調整するスロットル弁１４が設けられている。

各気筒１０ａの燃焼室には燃料噴射弁１１がそれぞれ配置されている。そして、各気筒１０ａの燃焼室では、吸気通路１３を通じて吸入された空気と燃料噴射弁１１から噴射された燃料との混合気が火花放電によって点火されることにより燃焼される。燃焼室での混合気の燃焼によって生じた排気は、内燃機関１０の排気ポートに接続された排気マニホールド１５に排出される。

排気マニホールド１５の下流には、三元触媒１７が接続されている。この三元触媒１７は、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して、水や二酸化炭素を生成する。また、三元触媒１７は、排気に含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して、窒素を生成する。

三元触媒１７の下流には排気管１６が接続されている。排気管１６の途中には、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ１８が設けられている。
内燃機関１０の制御装置２００は、中央処理装置（ＣＰＵ）やメモリ等を備えており、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、内燃機関１０の各種制御を実施する。

制御装置２００には、各種センサの検出信号が入力されている。例えば、内燃機関１０の上部に取り付けられた圧力センサ５０には、排気管１６において三元触媒１７よりも下流側であって且つフィルタ１８よりも上流側の部分に連通する連通管５１が接続されており、圧力センサ５０が連通管５１内の圧力を計測することによりフィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰ（絶対圧）が検出される。また、圧力センサ５０は、排気圧ＥＰと大気圧との差である差圧ΔＰも検出する。この差圧ΔＰは、排気管１６におけるフィルタ１８の上流側の排気圧とフィルタ１８の下流側の排気圧との圧力差を示す値として利用される。排気管１６において三元触媒１７よりも下流側であって且つフィルタ１８よりも上流側の部分には排気温センサ５２が設けられており、この排気温センサ５２は、三元触媒１７を通過した排気の温度である排気温度ＴＨＥを検出する。内燃機関１０のクランクシャフト近傍に設けられたクランク角センサ５３は、内燃機関１０の機関回転速度ＮＥを検出する。内燃機関１０の吸気通路の上流に設けられたエアフロメータ５４は、内燃機関１０の吸入空気量ＧＡを検出する。

なお、本実施形態では、上述した排気マニホールド１５、三元触媒１７、排気管１６、フィルタ１８、圧力センサ５０、連通管５１、排気温センサ５２等が排気系部品に相当する。

制御装置２００は、燃料噴射弁１１の燃料噴射や、スロットル弁１４の開度を制御する。また、制御装置２００は、フィルタ１８に順次堆積していくＰＭの量であるＰＭ堆積量を機関運転中に算出する。ここで、制御装置２００は、上記差圧ΔＰに基づいて第１のＰＭ堆積量を算出するとともに、機関運転状態（例えば燃料噴射弁１１の燃料噴射量Ｑ及び吸入空気量ＧＡ及び機関回転速度ＮＥ等）に基づいて第２のＰＭ堆積量を算出しており、第１のＰＭ堆積量及び第２のＰＭ堆積量のうちで量が多い方を最終的なＰＭ堆積量として選択する。そして、この選択されたＰＭ堆積量が予め定めた閾値以上になると、フィルタ１８に堆積したＰＭを燃焼除去して同フィルタ１８を再生するために、フィルタ１８に流入する排気の温度を高める昇温処理を実行する。

本実施形態では、上記昇温処理として、内燃機関１０の一部の気筒１０ａの空燃比を理論空燃比よりもリッチとするリッチ燃焼気筒とし、残りの気筒１０ａの空燃比を理論空燃比よりもリーンとするリーン燃焼気筒とするディザ制御を実行する。このディザ制御が実行されると、リッチ燃焼気筒から排出された排気中の未燃燃料成分や不完全燃焼成分と、リーン燃焼気筒から排出された排気中の酸素との反応が三元触媒１７によって促進されて、三元触媒１７が昇温される。このようにして三元触媒１７が昇温されると、三元触媒１７を通過する排気の温度が上昇し、この高温化した排気が三元触媒１７よりも排気下流側に設けられたフィルタ１８に流れ込むことによりフィルタ１８は高温化する。そして、高温化したフィルタ１８の雰囲気を酸化雰囲気にすることにより、フィルタ１８に捕集されたＰＭは燃焼（酸化）除去される。

また、制御装置２００は、フィルタ１８の再生中にフィルタ１８から減少していくＰＭの量であるＰＭ除去量を排気温度ＴＨＥなどに基づいて算出する。そして、制御装置２００は、フィルタ１８の再生開始時におけるＰＭ堆積量からＰＭ除去量を減算することにより、フィルタ１８の再生中においてフィルタ１８内に残存しているＰＭの量であるＰＭ残存量を算出する。そして、ＰＭ残存量が予め定めた閾値以下になると、フィルタ１８の再生が完了したと判断して、昇温処理を終了する。

ところで、例えば上述したフィルタ１８の再生が十分に行えない状態が続くなどにより、フィルタ１８のＰＭ堆積量が上記閾値を超えて増加していくと、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰは、フィルタ１８のＰＭ堆積量が上記閾値に達したときの圧力を超えて上昇する。そして、場合によっては、上昇した排気圧ＥＰが上述した排気系部品の耐圧限界に達してしまうおそれがある。

そこで、制御装置２００は、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰが、そうした耐圧限界に達する前に排気圧の増大を制限する制限処理を実行することにより、排気系部品を保護する。本実施形態では、そうした制限処理として、スロットル弁１４の開度を減少させて吸入空気量を減量することにより排気圧の増大を抑える処理が実施される。

ここで本実施形態では、排気圧ＥＰが耐圧限界に達する前に制限処理を開始するために、耐圧限界よりも低い値に設定した制限開始圧に排気圧ＥＰが達すると制限処理を実行する。

図２に示すように、本実施形態では、上記の耐圧限界Ｐｍａｘが圧力センサ５０の計測可能範囲の上限値ＳＲｍａｘよりも高い圧力になっている。そして、上記の制限開始圧Ｐｓは、圧力センサ５０の計測可能範囲の上限値ＳＲｍａｘよりも高い圧力であって且つ上記耐圧限界Ｐｍａｘよりも低い値に設定されている。

このように、制限開始圧Ｐｓは、圧力センサ５０の計測可能範囲の上限値ＳＲｍａｘよりも高い圧力になっているため、このままでは排気圧ＥＰが制限開始圧Ｐｓに達しているか否かを判断することができない。そのため、本実施形態では、圧力センサ５０の計測可能範囲よりも高い排気圧ＥＰについては次のように推定するようにしている。

先の図２において、フィルタ１８のＰＭ堆積量が多いときの吸入空気量ＧＡと排気の圧力（排気圧ＥＰ）との関係を二点鎖線Ｌ１で示し、フィルタ１８のＰＭ堆積量が少ないときの吸入空気量ＧＡと排気圧ＥＰとの関係を二点鎖線Ｌ２で示す。これら二点鎖線Ｌ１や二点鎖線Ｌ２に示されるように、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰは、吸入空気量ＧＡの増大に伴って排気流量が増加するほど高くなる。また、同じ吸入空気量ＧＡであってもフィルタ１８のＰＭ堆積量が多いほど排気圧ＥＰは高くなる。従って、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰは、フィルタ１８の現在のＰＭ堆積量及び吸入空気量ＧＡに基づいて推定することができる。そこで、本実施形態では、フィルタ１８のＰＭ堆積量と吸入空気量ＧＡとに基づいて排気圧ＥＰを推定する。

より詳細には、内燃機関１０において実現可能な吸入空気量の最大値を最大吸入空気量ＧＡｍａｘとしたときに、この最大吸入空気量ＧＡｍａｘにおいて排気圧ＥＰが制限開始圧Ｐｓに達する場合のＰＭ堆積量を基準堆積量とする。そして、この基準堆積量における吸入空気量ＧＡと排気圧ＥＰとの関係が予め求められている（図２に示す実線Ｌｂａｓｅ）。そして、基準堆積量における吸入空気量ＧＡと排気圧ＥＰとの関係から、現在の吸入空気量ＧＡ（例えば図２に示すＧＡａ）に対応する排気圧ＥＰである基準圧ＥＰｂａｓｅを算出する。

次に、現在の吸入空気量ＧＡを取得したときに圧力センサ５０によって計測された排気圧ＥＰ（図２に示すＥＰａ）から基準圧ＥＰｂａｓｅを減じて差圧ΔＥＰ（ΔＥＰ＝ＥＰａ−ＥＰｂａｓｅ）を求める。この差圧ΔＥＰは、基準堆積量と現在のＰＭ堆積量との差に相関する値であって、排気圧ＥＰに対するＰＭ堆積量の影響度合が反映される。なお、この差圧ΔＥＰが負の値になる場合、つまり現在の排気圧ＥＰが基準圧ＥＰｂａｓｅよりも低い場合には、現在のＰＭ堆積量が基準堆積量よりも少ないため、吸入空気量ＧＡが最大吸入空気量ＧＡｍａｘに達しても、排気圧ＥＰは制限開始圧Ｐｓに達することがない。従って、差圧ΔＥＰが負の値になる場合には、上記の制限処理を実行しない。

一方、差圧ΔＥＰが正の値になる場合、つまり現在の排気圧ＥＰが基準圧ＥＰｂａｓｅよりも高い場合には、現在のＰＭ堆積量が基準堆積量よりも多いため、吸入空気量ＧＡが最大吸入空気量ＧＡｍａｘに達する前に、排気圧ＥＰが制限開始圧Ｐｓに達する可能性がある。ここで、差圧ΔＥＰが正の値になる場合には、その値が大きいほど、現在のＰＭ堆積量は基準堆積量よりも多くなっているため、同じ吸入空気量であっても排気圧ＥＰは高くなる。従って、差圧ΔＥＰが正の値であってその値が大きいほど、排気圧ＥＰが上記制限開始圧Ｐｓに達するときの吸入空気量ＧＡは少なくなる。そこで、排気圧ＥＰが上記制限開始圧Ｐｓに達するときの吸入空気量ＧＡを制限開始空気量ＧＡｓとしたときに、この制限開始空気量ＧＡｓを差圧ΔＥＰに基づいて算出する。より具体的には、差圧ΔＥＰが正の値であってその値が大きいときほど制限開始空気量ＧＡｓは少ない量となるように当該制限開始空気量ＧＡｓが算出される。

そして、吸入空気量ＧＡが制限開始空気量ＧＡｓに達すると、排気圧ＥＰが制限開始圧Ｐｓと同じ圧力になっていると推定されて、上記の制限処理が実行される。
図３に、上記推定処理や制限処理を実行するための一連の処理手順を示す。なお、この処理は、制御装置２００によって所定周期毎に実行される。

本処理を開始すると、制御装置２００は、現在の吸入空気量ＧＡ及び排気圧ＥＰを読み込む（Ｓ１００）。次に、制御装置２００は、読み込んだ吸入空気量ＧＡが判定値Ａ以上であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。この判定値Ａには、次の値が設定されている。すなわち、吸入空気量が少ない領域では、吸入空気量に応じた排気圧ＥＰの差異や、ＰＭ堆積量に応じた排気圧ＥＰの差異が少なく、排気圧ＥＰの推定精度を十分に確保できないおそれがある。そのため、判定値Ａには、吸入空気量ＧＡが当該判定値Ａ以上であることに基づき、現在の吸入空気量ＧＡは、排気圧ＥＰの推定精度を確保できる程度に多くなっていることを判定することのできる値が予め設定されている。なお、この判定値Ａを過度に大きい値にしてしまうと、上記制限処理を開始しても排気圧の制限が間に合わなくなるおそれがあるため、制限処理の実行による排気圧の制限が間に合うようにその値を設定することが望ましい。

そして、吸入空気量ＧＡが判定値Ａ未満であるときには（Ｓ１１０：ＮＯ）、制御装置２００は、本処理を一旦終了する。
一方、吸入空気量ＧＡが判定値Ａ以上であるときには（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御装置２００は、読み込んだ現在の吸入空気量ＧＡに基づいて上記基準圧ＥＰｂａｓｅを算出し（Ｓ１２０）、読み込んだ現在の排気圧ＥＰが基準圧ＥＰｂａｓｅよりも高いか否かを判定する（Ｓ１３０）。そして、読み込んだ現在の排気圧ＥＰが基準圧ＥＰｂａｓｅよりも高いときには（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、制御装置２００は、上記差圧ΔＥＰを算出して（Ｓ１４０）、その算出した差圧ΔＥＰに基づいて上記制限開始空気量ＧＡｓを算出する（Ｓ１５０）。

次に、制御装置２００は、吸入空気量ＧＡが制限開始空気量ＧＡｓ以上であるか否かを判定する（Ｓ１７０）。そして、吸入空気量ＧＡが制限開始空気量ＧＡｓ以上であるときには（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、制御装置２００は、上記の制限処理を実行して（Ｓ１８０）、本処理を一旦終了する。一方、ステップＳ１７０にて、吸入空気量ＧＡが制限開始空気量ＧＡｓ未満であると判定されるときには（Ｓ１７０：ＮＯ）、制御装置２００は、本処理を一旦終了する。

上記ステップＳ１３０において、読み込んだ現在の排気圧ＥＰが基準圧ＥＰｂａｓｅ以下であると判定されるときには（Ｓ１３０：ＮＯ）、制御装置２００は、ステップＳ１６０において上記制限開始空気量ＧＡｓを「０」にリセットした後、上記ステップＳ１７０以降の処理を実行する。

本実施形態の作用について説明する。
図４に本実施形態の作用を示す。なお、図４には、フィルタ１８のＰＭ堆積量が上記の基準堆積量を超えている場合の例を示す。

この図４に示すように、吸入空気量ＧＡが増加していくと、圧力センサ５０によって計測される排気の圧力（排気圧ＥＰ）の検出値は高くなっていく。そして、検出値が上記の上限値ＳＲｍａｘに達すると、それ以降は、排気圧ＥＰの実値（破線で図示）が上昇しても検出値は上限値ＳＲｍａｘに貼り付いた状態になり、圧力センサ５０の検出値では排気圧ＥＰが制限開始圧Ｐｓに達したことを把握することができなくなる。しかし、本実施形態では、排気圧ＥＰが圧力センサ５０の計測可能範囲を超えて高くなっても、吸入空気量ＧＡが上記制限開始空気量ＧＡｓに達すると（時刻ｔ１）、排気圧ＥＰは制限開始圧Ｐｓと同じ圧力になったと推定されて上記制限処理が実行される。このように排気圧ＥＰが耐圧限界Ｐｍａｘに達する前に上記制限処理が実行されることにより、上述した排気系部品は保護される。

本実施形態の効果について説明する。
（１）上記排気圧ＥＰをフィルタ１８のＰＭ堆積量と吸入空気量ＧＡとに基づいて推定するようにしているため、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰが圧力センサ５０の計測可能範囲より高い圧力になっても、そうした上流の排気圧ＥＰを把握することが可能になっている。従って、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰが圧力センサ５０の計測可能範囲より高い圧力になっても、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰが耐圧限界Ｐｍａｘに達する前に上記制限処理を実行することが可能になる。このように圧力センサ５０の計測可能範囲を広げることなく、フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰが上記制限開始圧Ｐｓに達したことを判定することができるため、圧力センサ５０の計測可能範囲を広げることなく排気系部品を保護することができる。

（２）排気圧ＥＰが上記制限開始圧Ｐｓに達したことを検出するために圧力センサ５０の計測可能範囲を広げてしまうと、圧力変化に対する圧力センサ５０の出力値変化が小さくなり、微細な圧力変化を捉えることが難しくなる。そのため、圧力センサ５０の検出値に基づいて算出されるＰＭ堆積量の精度が低下してしまう。この点、本実施形態では、圧力センサ５０の計測可能範囲を広げることなく、排気圧ＥＰが上記制限開始圧Ｐｓに達したことを把握することが可能なため、ＰＭ堆積量の算出精度が低下することを抑えることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・三元触媒１７やフィルタ１８の温度を高める昇温処理としてディザ制御を行うようにしたが、他の昇温処理を行ってもよい。

また、昇温処理として点火時期の遅角処理を行うことにより、燃焼室から排気通路に排出される排気の温度を高め、これにより三元触媒１７やフィルタ１８の温度を高めるようにしてもよい。

・上述した排気圧ＥＰの推定を行う場合には、推定を行わない場合と比較して圧力の計測可能範囲がより狭い圧力センサ５０を使用してもよい。この場合には、圧力変化に対する圧力センサ５０の出力値変化が大きくなり、微細な圧力変化を捉えることが容易になるため、圧力センサ５０の検出値に基づいて算出されるＰＭ堆積量の算出精度を高めることができる。

・フィルタ１８よりも上流の排気圧ＥＰを上記連通管５１を介して計測したが、その他の構造で排気圧ＥＰを計測してもよい。例えば、排気管１６においてフィルタ１８よりも上流の部位に圧力センサ５０の検出素子部を直接配置してもよい。

１０…内燃機関、１０ａ…気筒、１１…燃料噴射弁、１３…吸気通路、１４…スロットル弁、１５…排気マニホールド、１６…排気管、１７…三元触媒、１８…フィルタ、５０…圧力センサ、５１…連通管、５２…排気温センサ、５３…クランク角センサ、５４…エアフロメータ、２００…制御装置。

Claims (1)

1. 吸気通路に設けられて吸入空気量を検出するエアフロメータと、排気通路の途中に設けられて排気中の粒子を捕集するフィルタと、前記フィルタよりも上流の排気圧を計測する圧力センサとを備える内燃機関に適用されて、前記排気圧が排気系部品の耐圧限界に達する前に前記排気圧の増大を制限する制限処理を行う制御装置であって、
   前記制限処理は、前記圧力センサの計測可能範囲よりも高い圧力であって且つ前記耐圧限界よりも低い値に設定された制限開始圧に前記排気圧が達すると実行される処理であり、
   前記排気圧が前記制限開始圧に達するときの前記吸入空気量を制限開始空気量とし、前記内燃機関において実現可能な前記吸入空気量の最大値を最大吸入空気量とし、前記最大吸入空気量において前記排気圧が前記制限開始圧に達する場合の、前記フィルタに堆積した粒子の堆積量を基準堆積量としたとき、
   前記フィルタに堆積した粒子の堆積量が前記基準堆積量であるときの、前記吸入空気量と前記排気圧との関係を予め記憶しており、
   前記関係に基づいて、前記エアフロメータが検出した前記吸入空気量に対応する前記排気圧である基準圧を推定し、
   前記基準圧と、前記エアフロメータが前記吸入空気量を検出したときに前記圧力センサが計測した前記排気圧との差に基づいて前記制限開始空気量を推定し、
   前記エアフロメータが検出した前記吸入空気量が前記制限開始空気量に達すると前記排気圧が前記制限開始圧になっていると推定する処理を実行する
   内燃機関の制御装置。

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