JP7008805B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気通路に排気微粒子を捕集する排気微粒子フィルタを備えた内燃機関の制御方法および制御装置に関する。

ガソリン機関のように主に理論空燃比での燃焼を行う内燃機関において、排気中の排気微粒子を捕集するための排気微粒子フィルタが排気通路に設けられることがある。この排気微粒子フィルタは、堆積した排気微粒子が運転中に燃焼することによって再生される。例えば、燃料カットを伴うコースト走行中に排気微粒子フィルタに酸素が供給されるため、排気微粒子の燃焼が生じる。ここで、排気微粒子フィルタにおける排気微粒子堆積量が多くかつ排気微粒子フィルタの温度が高いときに、減速時の燃料カットによって排気微粒子フィルタに多量の酸素が供給されると、排気微粒子の急激な燃焼によって排気微粒子フィルタが過昇温する虞がある。

特許文献１には、このような排気微粒子フィルタの過昇温を回避するために、排気微粒子フィルタの堆積量が所定値を越えており、かつ排気微粒子フィルタの温度が所定温度を越えている場合には、減速時の燃料カットを禁止することが開示されている。また特許文献１には、排気微粒子フィルタの堆積量や温度が燃料カットを禁止すべきレベルに達する前の第１段階において、空燃比を弱リーンとする弱リーン制御を行うことも開示されている。

しかし、特許文献１のように、排気微粒子堆積量が多くかつ排気微粒子フィルタ温度が高いときに減速時の燃料カットを禁止する構成では、全開運転の割合が高い態様で運転がなされたときに、排気微粒子フィルタが再生される機会がほぼ無くなってしまう。

また、弱リーン制御により空燃比をリーンとした運転を継続すると、ＮＯｘの発生およびこのＮＯｘの処理が新たな問題となる。

特開２０１１－９９４５１号公報

この発明は、主に理論空燃比での燃焼を行うとともに、排気通路に排気微粒子フィルタを備えた車両用の内燃機関の制御方法ないし制御装置において、上記排気微粒子フィルタの排気微粒子堆積量および温度を検出もしくは推定し、これらの排気微粒子堆積量および温度が所定の過昇温条件にあれば減速時の燃料カットを禁止し、この燃料カットの禁止中に、
（１）上記排気微粒子フィルタの温度が、上記過昇温条件における温度閾値よりも高い所定の温度未満であること、または、上記排気微粒子フィルタの排気微粒子堆積量が、上記過昇温条件における堆積量閾値よりも多い所定の堆積量未満であること、
（２）１回の車両のコースト走行の中で所定回数以内の一時的な酸素供給であること、
（３）前回の一時的な酸素供給から所定時間が経過していること、
の３つの条件が同時に成立したときには、上記排気微粒子フィルタへの一時的な酸素供給を行う。

排気微粒子フィルタへの一時的な酸素供給は、例えば、全気筒もしくは一部気筒の燃料カットや二次空気供給によって行うことができ、この一時的な酸素供給によって排気微粒子フィルタに堆積していた排気微粒子が燃焼する。仮に、酸素供給の時間が長いと、排気微粒子堆積量や温度が過昇温条件にあった排気微粒子フィルタの温度（ベッド温度）は過度に昇温し、排気微粒子フィルタが熱的損傷に至る懸念がある。しかし、短い時間の一時的な酸素供給であれば、ベッド温度の上昇は比較的小さく、熱的損傷が問題となる温度まで過昇温することはない。

従って、排気微粒子堆積量および温度が所定の過昇温条件にあるときに、基本的に燃料カットを禁止しつつ、所定の解除条件を満たすときには一時的な酸素供給を許容することで、過昇温の回避と再生機会の確保とを両立させることができる。

この発明が適用される内燃機関のシステム構成の説明図。 エンジンコントローラが実行する制御の流れを示すフローチャート。 排気微粒子堆積量および温度をパラメータとした過昇温条件の領域を示した特性図。 禁止解除温度Ｔｆｃ１および解除終了温度Ｔｆｃ２の特性を示した特性図。 減速時の燃料カットに伴うベッド温度の変化を、（ａ）実施例と（ｂ）比較例とで対比して示した特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る制御が適用される内燃機関１の一実施例のシステム構成を示している。内燃機関１は、主に理論空燃比（ストイキ）での燃焼を行う内燃機関であり、例えば、４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関からなる。内燃機関１の各々の気筒には、筒内もしくは吸気ポートへ向けて燃料の供給を行う図示しない燃料噴射弁と、筒内に形成された混合気への点火を行う図示しない点火プラグと、がそれぞれ設けられている。

内燃機関１の吸気通路２には、エンジンコントローラ１１からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ３が配置されている。スロットルバルブ３の上流側には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフロメータ１２が設けられており、このエアフロメータ１２のさらに上流側に、図示を省略したエアクリーナが設けられている。

内燃機関１の排気通路４には、三元触媒からなる触媒装置５が配置されており、この触媒装置５の下流に、排気ガス中に含まれる排気微粒子を捕集して除去する排気微粒子フィルタ６（いわゆるＧＰＦ）が配置されている。排気微粒子フィルタ６よりも下流側において、排気通路４は図示しない消音器を介して大気に開放されている。排気通路４の触媒装置５よりも上流側には、排気空燃比を検出する空燃比センサ１３が配置されている。

排気微粒子フィルタ６は、例えば、端部が交互に目封じされた微細な多数の通路を有するように形成されたいわゆるウォールフロー型のモノリス型セラミックスフィルタからなる。好ましい一例では、上流側の触媒装置５と組み合わせられる下流側の三元触媒装置としても機能するように、排気微粒子フィルタ６が三元触媒を担持している。また、一例では、排気微粒子フィルタ６は、セラミックスフィルタの温度（ベッド温度）を検出するフィルタ温度センサ１４を備えている。なお、ベッド温度を直接に検出せずに、排気微粒子フィルタ６の上流側および下流側にそれぞれガス温度を検出する上流側温度センサおよび下流側温度センサを設け、これら２つの温度センサの検出値からベッド温度を推定するように構成してもよい。あるいは、排気微粒子フィルタ６の温度を温度センサにより検出せずに、内燃機関１の運転条件や運転条件の履歴などの他のパラメータから排気微粒子フィルタ６の温度を推定することも可能である。

上記エンジンコントローラ１１には、上記のエアフロメータ１２、空燃比センサ１３、フィルタ温度センサ１４のほか、内燃機関１の回転速度を検出するためのクランク角センサ１５、冷却水温を検出する水温センサ１６、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１７、車速を検出する車速センサ１８、等の種々のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１１は、これらの検出信号に基づき、図示しない燃料噴射弁による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグによる点火時期、スロットルバルブ３の開度、等を最適に制御している。

基本的には、内燃機関１の空燃比は、空燃比センサ１３の検出信号に基づいて燃料噴射弁からの燃料噴射量をフィードバック制御することにより、理論空燃比を目標空燃比として制御される。この理論空燃比の下で、触媒装置５による三元触媒作用が得られる。

また、エンジンコントローラ１１は、内燃機関１の所定の滅速時に燃料カットを行う燃料カット制御機能を備えている。例えば、車両走行中に運転者がアクセルペダル開度を全閉としたときに、所定の燃料カット条件（例えば、冷却水温が暖機完了後であること、車速が所定の閾値以上であること、機関回転速度が所定の閾値以上であること、など）を満たせば、燃料噴射の停止つまり燃料カットを実行する。そして、燃料カットリカバー条件として、例えば、アクセルペダルの踏込、車速が所定の閾値以下に低下したこと、あるいは、機関回転速度が所定の閾値以下に低下したこと、などのいずれかが検出されたときに、燃料供給の再開つまり燃料カットリカバーを実行する。

このような燃料カットが行われると、燃焼室に取り込まれた酸素が消費されることなく排気通路４に流れ出るので、排気微粒子フィルタ６の温度がある程度高い状態にあれば、排気微粒子フィルタ６に堆積していた排気微粒子が燃焼して除去される。すなわち、排気微粒子フィルタ６が再生される。しかしながら、排気微粒子フィルタ６に多量の排気微粒子が堆積していて、かつ排気微粒子フィルタ６の温度がかなり高い状態にあるときに、燃料カットが実行されると、多量の排気微粒子が急激に燃焼する結果、排気微粒子フィルタ６が過度に昇温し、熱的損傷に至る懸念がある。そのため、以下に詳述するように、排気微粒子フィルタ６の状態に応じて燃料カットが制限される。

なお、以下に説明する実施例では、燃料カット禁止中の一時的な酸素供給が燃料カットの禁止を一時的に解除することによって実現される。

図２は、エンジンコントローラ１１において実行される減速時の燃料カットの制御の流れを示したフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンは、例えば所定の微小時間毎に繰り返し実行される。

ステップ１では、排気微粒子フィルタ６の排気微粒子堆積量と温度（ベッド温度）とを読み込む。排気微粒子フィルタ６における現在の排気微粒子堆積量は、図示しない他のルーチンによって内燃機関１の運転中に逐次推定されている。例えば、内燃機関１の運転条件（負荷および回転速度）から求められる単位時間当たりの排気微粒子生成量を逐次加算する一方、排気微粒子が燃焼する運転条件では燃焼により減少するであろう量を逐次減算していくことで、現在の排気微粒子堆積量が推定される。排気微粒子の燃焼により排気微粒子フィルタ６が完全に再生されたものとみなされたときに、排気微粒子堆積量の推定値を０にリセットするようにしてもよい。排気微粒子フィルタ６の温度としては、一例では、フィルタ温度センサ１４の検出値が用いられる。

ステップ２では、これらの排気微粒子堆積量と温度とが、燃料カット実行により過昇温を招来する虞がある所定の過昇温条件にあるか否かを判定する。具体的には、排気微粒子堆積量と温度とをパラメータとして、図３に示すように、排気微粒子堆積量が大であるほど温度閾値Ｔｆｃが低くなる特性に過昇温条件となる領域が定められており、この図３の特性に基づいて過昇温条件にあるか否かが判定される。すなわち、堆積していた排気微粒子の全量が燃料カットに伴って燃焼すると仮定すると、排気微粒子堆積量が大であるほど再生時の温度上昇が大となるので、温度閾値Ｔｆｃが相対的に低い温度となる。ステップ２では、例えば、排気微粒子フィルタ６の排気微粒子堆積量に基づいて定まる温度閾値Ｔｆｃと検出温度とを比較し、検出温度がそのときの排気微粒子堆積量に対応する温度閾値Ｔｆｃを越えていれば、過昇温条件にあると判定する。なお、排気微粒子フィルタ６の温度に応じて定まる限界となる排気微粒子堆積量閾値とそのときの推定排気微粒子堆積量とを比較するようにしてもよい。

排気微粒子堆積量および温度が過昇温条件になければ、ステップ１３へ進んで、燃料カット制御として通常制御を継続する。つまり、通常の減速時の燃料カットおよびその後の燃料カットリカバーを許可する。従って、車両走行中に運転者がアクセルペダル開度を全閉としたときに、他の燃料カット条件を満たすことを条件として燃料カットを実行する。これにより、前述したように、排気微粒子フィルタ６に堆積していた排気微粒子が燃焼し、排気微粒子フィルタ６が再生される。

排気微粒子堆積量および温度が過昇温条件にあれば、ステップ２からステップ３へ進み、アクセルペダル開度が全閉となったか否かを繰り返し判定する。換言すれば、燃料カットの対象となる減速操作がなされたか否かを判定する。アクセルペダル開度が全閉に変化していなければ、今回のルーチンを終了する。

ステップ３で減速操作がなされたと判定した場合には、ステップ４へ進み、排気微粒子の燃焼に伴う過昇温を回避するために燃料カットを禁止する。

次に、ステップ４からステップ５へ進み、排気微粒子フィルタ６への一時的な酸素供給を許可する解除条件を求める。そして、ステップ６において、解除条件が成立しているか否かを判定する。この実施例では、解除条件は、下記の３つの条件が同時に成立（つまり「ＡＮＤ条件」）していることである。

（１）排気微粒子フィルタ６の温度（ベッド温度）が所定の禁止解除温度Ｔｆｃ１未満であること；
（２）１回のコースト走行中の中で所定回数（本実施例では例えば１回）以内の禁止解除であること；
（３）前回の禁止解除（詳しくは禁止解除の開始時点もしくは終了時点のいずれか）から所定時間が経過していること。

禁止解除温度Ｔｆｃ１は、短時間の燃料カット（つまり短時間の酸素供給）であれば排気微粒子フィルタ６の過昇温が生じないと考えられるベッド温度であり、固定値であってもよいが、この実施例では、図４に示すように、前述した排気微粒子堆積量に対応した温度閾値Ｔｆｃよりも僅かに高い温度となるように排気微粒子堆積量に応じた値として予め設定されている。つまり、禁止解除温度Ｔｆｃ１の特性は、基本的な燃料カットの禁止を行う温度閾値Ｔｆｃに所定の温度差を加算したものとなっている。

（２）および（３）の条件は、短時間の酸素供給であっても頻度が高いと過昇温に至る虞があることを考慮したものである。（３）の条件により、燃料カットに伴って上昇したベッド温度が元の温度に戻る程度のインターバルが与えられる。

従って、ステップ５においては、（１）の条件に関してそのときの排気微粒子堆積量に対応した禁止解除温度Ｔｆｃ１を設定し、（２）の条件に関して１コースト走行中の許容回数である「１」を設定し、（３）の条件に関してインターバルとなる所定時間（例えば固定値）を設定する。

そして、ステップ６において、そのときの排気微粒子フィルタ６の温度を禁止解除温度Ｔｆｃ１と比較して（１）の条件を判定するとともに、（２），（３）の条件を判定し、最終的に（１），（２），（３）の条件が同時に成立していれば、燃料カットの禁止の一時的な解除（つまり一時的な酸素供給）が可能であると判定する。

ステップ６においてＮＯであれば、そのままルーチンを終了する。従って、燃料カットの禁止が継続される。

ステップ６においてＹＥＳであれば、ステップ６からステップ７へ進み、燃料カット禁止を解除する。つまり、燃料カットを実行する。

そして、ステップ８～１１において、この一時的な燃料カット禁止の解除を終了する条件の判定を行う。ステップ８では、排気微粒子フィルタ６の温度（ベッド温度）を読み込む。通常は、燃料カットに伴って排気微粒子の酸化・燃焼が生じるので、排気微粒子フィルタ６の温度は上昇する。ステップ９では、燃料カット禁止を解除している時間つまり燃料カットの継続時間を計測する。ステップ１０では、今回の燃料カットによって生じた排気微粒子の燃焼による発熱量（積算値）を求める。排気微粒子の発熱量は、例えば、排気微粒子堆積量と酸素量とから推定される。

ステップ１１においては、下記の（４）～（６）の３つの条件の中の何れか１つが成立（つまり「ＯＲ」条件）していれば、燃料カット禁止の一時的な解除を終了する終了条件が成立したものとする。

（４）解除してからの経過時間（つまり燃料カットの継続時間）が所定時間以上であること；
（５）排気微粒子の燃焼による発熱量（積算値）が所定値以上であること；
（６）排気微粒子フィルタ６の温度（ベッド温度）が所定の解除終了温度Ｔｆｃ２以上であること。

（４）の条件における所定時間は、禁止解除温度Ｔｆｃ１付近の温度を有する排気微粒子フィルタ６が燃料カットに伴う排気微粒子の燃焼によって過昇温を来さない範囲の時間に設定される。

（５）の条件における発熱量は、後述するように、排気微粒子フィルタ６の温度上昇のピークが燃料カット終了後に遅れて生じることを考慮したものである。すなわち、発熱量が大である場合には、フィルタ温度センサ１４で検出される温度が解除終了温度Ｔｆｃ２に達する前に燃料カットを終了する必要がある。

（６）の条件における解除終了温度Ｔｆｃ２は、燃料カット終了後に遅れて生じる温度上昇をも考慮して排気微粒子フィルタ６の過昇温が生じない温度として設定されるものであって、固定値であってもよいが、この実施例では、図４に示すように、前述した排気微粒子堆積量に対応した禁止解除温度Ｔｆｃ１よりも僅かに高い温度となるように排気微粒子堆積量に応じた値として予め設定されている。つまり、禁止解除温度Ｔｆｃ１の特性は、禁止解除温度Ｔｆｃ１に所定の温度差を加算したものとなっている。

これらの条件のいずれも成立していない場合は、ステップ１１の判定はＮＯであり、この場合は、ステップ７へ戻って燃料カットを継続する。

（４）～（６）のいずれかの条件が成立すれば、ステップ１１の判定はＹＥＳとなり、この場合は、ステップ１１からステップ１２へ進んで燃料カット禁止の解除を終了する。従って、コースト走行中であっても、燃料カットが終了する。

このように、上記実施例では、排気微粒子フィルタ６における排気微粒子堆積量および温度（ベッド温度）が所定の過昇温条件にあれば、基本的に減速時の燃料カットが禁止され、燃料カットに伴う排気微粒子フィルタ６の過昇温ひいてはその熱的損傷が回避される。しかしながら、排気微粒子堆積量および温度が過昇温条件にあっても、上述した（１）～（３）の解除条件を満たす場合には、一時的な（つまり短時間の）燃料カットが実行される。これにより、排気微粒子フィルタ６が部分的に再生される。従って、運転者が高負荷運転を長く継続したような場合でも、減速操作に伴って部分的な再生の機会が得られ、排気微粒子の過度の堆積が防止される。

図５は、減速時の燃料カットに伴う排気微粒子フィルタ６のベッド温度の変化を示したタイムチャートである。これは、排気微粒子堆積量が比較的多く、かつ減速時（燃料カット開始直前）のベッド温度が前述した温度閾値Ｔｆｃと禁止解除温度Ｔｆｃ１との間にあることを前提としている。

図の（ｂ）は、比較例として、減速時に通常の燃料カットを行った場合の特性であり、減速開始から通常の燃料カットリカバー条件（前述した車速の低下等）が成立するまで燃料カットを継続している。燃料カットに伴って堆積していた排気微粒子の燃焼が生じるので、ベッド温度は、燃料カット開始から僅かに遅れて上昇し始める。そして、燃料カット終了後も温度上昇が継続し、燃料カット終了後に温度のピークが現れる。この例では、燃料カット終了後にベッド温度が排気微粒子フィルタ６の熱的損傷が生じる限界温度Ｔｌｉｍを越えてしまう。なお、本明細書において「過昇温」とは、この限界温度Ｔｌｉｍを越えることを意味する。

図の（ａ）は、実施例として、減速時に燃料カット禁止を一時的に解除して短時間の燃料カットを行った場合の特性を示している。この場合は、排気微粒子フィルタ６に与えられる酸素の総量が相対的に少なくなるので、温度上昇が緩やかであり、燃料カット終了後に出現する温度のピークが低くなる。従って、排気微粒子フィルタ６の熱的損傷が生じる限界温度Ｔｌｉｍを越えることがない。

なお、図（ａ）の例では、減速時（燃料カット開始直前）のベッド温度が前述した温度閾値Ｔｆｃと禁止解除温度Ｔｆｃ１との間にあることを前提とするので、運転者による減速操作と実質的に同時に一時的な燃料カットが許可されることになる。しかしながら、減速開始時に前述した解除条件が成立していないものの、減速による排気微粒子フィルタ６の温度低下等によって解除条件が減速中（コースト走行中）に成立したような場合には、その時点から一時的な燃料カットが開始されることもあり得る。

解除条件を満たしたときの一時的な酸素供給の手段としては、全気筒の燃料カット、あるいは一部気筒の燃料カットが可能である。一部気筒の燃料カットでは、全気筒の燃料カットに比較して、排気微粒子フィルタ６への酸素供給量を少なく抑制することができる。あるいは、排気通路４における触媒装置５の上流もしくは排気微粒子フィルタ６の上流に二次空気を導入可能な二次空気導入装置を設け、この二次空気導入装置を用いて一時的な酸素供給を行うようにしてもよい。

Claims (5)

1. 主に理論空燃比での燃焼を行うとともに、排気通路に排気微粒子フィルタを備えた車両用の内燃機関の制御方法において、
   上記排気微粒子フィルタの排気微粒子堆積量および温度を検出もしくは推定し、これらの排気微粒子堆積量および温度が所定の過昇温条件にあれば減速時の燃料カットを禁止し、
   この燃料カットの禁止中に、
   （１）上記排気微粒子フィルタの温度が、上記過昇温条件における温度閾値よりも高い所定の温度未満であること、または、上記排気微粒子フィルタの排気微粒子堆積量が、上記過昇温条件における堆積量閾値よりも多い所定の堆積量未満であること、
   （２）１回の車両のコースト走行の中で所定回数以内の一時的な酸素供給であること、
   （３）前回の一時的な酸素供給から所定時間が経過していること、
   の３つの条件が同時に成立したときには、上記排気微粒子フィルタへの一時的な酸素供給を行う、
   内燃機関の制御方法。
2. 上記の過昇温条件は、排気微粒子堆積量と温度とをパラメータとして排気微粒子堆積量が大であるほど温度閾値が低くなる特性に定められている、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 上記の一時的な酸素供給の１回における継続時間を、第２の所定時間に制限する、請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法。
4. 上記の一時的な酸素供給は、全気筒の燃料カット、一部気筒の燃料カット、二次空気供給、のいずれかで行う、請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
5. 主に理論空燃比での燃焼を行うとともに、排気通路に排気微粒子フィルタを備えた車両用の内燃機関の制御装置であって、
   上記排気微粒子フィルタの排気微粒子堆積量および温度を検出もしくは推定し、これらの排気微粒子堆積量および温度が所定の過昇温条件にあれば減速時の燃料カットを禁止し、
   この燃料カットの禁止中に、
   （１）上記排気微粒子フィルタの温度が、上記過昇温条件における温度閾値よりも高い所定の温度未満であること、または、上記排気微粒子フィルタの排気微粒子堆積量が、上記過昇温条件における堆積量閾値よりも多い所定の堆積量未満であること、
   （２）１回の車両のコースト走行の中で所定回数以内の一時的な酸素供給であること、
   （３）前回の一時的な酸素供給から所定時間が経過していること、
   の３つの条件が同時に成立したときには、上記排気微粒子フィルタへの一時的な酸素供給を行う、
   内燃機関の制御装置。

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