JP7055641B2 - 車両用エンジンにおける燃焼制御方法および車両用エンジンシステム - Google Patents
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Description
初めに、本実施の形態に係る車両用エンジンの燃焼制御手法である、等NOx燃焼制御(等NOx制御とも称する)について、その基本的考え方を説明する。等NOx燃焼制御は、エンジンにおける燃焼状態を定常状態に保つための制御手法である。概略的には、内燃機関から排出される排ガス中のNOx濃度を測定し、当該NOx濃度が略一定に保たれるように当該エンジンの動作を制御することによって、当該エンジンにおける燃焼を定常状態に保つというものである。
図2は、本実施の形態に係る等NOx燃焼制御の制御対象の一態様である車両用エンジンシステム1000の吸気および排気に係る構成を、例示する図である。
次に、本実施の形態においてECU200による制御のもと行われる、エンジンシステム1000の等NOx燃焼制御について、その内容をより具体的に説明する。図3は、本実施の形態において行われる、等NOx燃焼制御の具体的な処理手順を示す図である。また、図4は、係る等NOx燃焼制御において行われる燃焼状態演算の手順を示す図である。また、図5は、ある温度(火炎温度)にあるエンジン本体部100内で燃焼が開始されたときのNOx濃度の経時的変化を示すとともに、エンジン本体部100からの排気ガスEGのNOx濃度と火炎温度との関係(NOx生成特性)の、燃焼開始からの経時的変化を示すグラフである。図5には、火炎温度がTaのときのNOx濃度の経時的変化を曲線CVaにて示している。さらに、図6は、拡散燃焼の場合における、エンジン本体部100における筒内温度と筒内圧力と熱発生率の、クランク角度依存性を示す図である。
B点:10%熱発生点と推定される点(推定10%熱発生点);
C点:最大熱発生率点と推定される点(推定最大熱発生率点);
D点:燃焼終了と推定される点(推定燃焼終了点);
E点:熱発生後の点、図6(c)においては排気バルブ開時期EVOによって代表している、すなわちθe=θγ。
次に、ポスト噴射が行われるリッチスパイク運転時の等NOx燃焼制御について説明する。後述するように、係る場合の等NOx燃焼制御は、ポスト噴射について、噴射量の妥当性を判断する工程や、着火時期(ポスト着火時期)をより適切とするための工程を含む点で、特徴的である。図7は、リッチスパイク運転時の等NOx燃焼制御の具体的な処理手順を示す図である。図8は、リッチスパイク運転時のエンジン本体部100における筒内温度と筒内圧力と熱発生率の、クランク角度依存性を示す図である。
図9は、図7に示した等NOx燃焼制御の処理手順の、変形例を示す図である。当該変形例では、等NOx燃焼制御の前提として、エンジンシステム1000を搭載した車両が運転状態にあるときのEGR率が所定のインターバルでモニタされる(ステップS301)。係るEGR率は、全吸気(新気と還流排気が合わさったもの)に対する、還流排気の比として求められる。ここで、新気吸気量は、エアフローセンサ21において特定される新気の流量から求まる。一方、還流排気中の酸素量は、LNT13の上流側近傍に設けられたNOxセンサNS1によって特定される排気ガスEG中の酸素濃度と、バルブVLV1およびVLV2の開度から特定される、分岐経路3および4を通じて吸気経路1に還流される排気の流量から求まる。また、新気の酸素濃度は大気の酸素濃度と一致するため既知であり、排気の酸素濃度は排気系に設けられる酸素センサOSやNOxセンサNSの酸素濃度出力から得られる。
図10は、エンジンシステム1000において用いられるNOxセンサNSの構成例を示す断面模式図である。以下においては、NOxセンサNSの構成について、その主たる構成要素であるセンサ素子N101を中心に説明する。ただし、エンジンシステム1000に用いられるNOxセンサNSの構成は、図10に示すものに限られない。
1a 吸気口
2 排気経路
2a 排気口
3、4 分岐経路
11 VNターボ
12 インタークーラ
13 LNT
14 DPF
15 SCR
16 尿素供給源
17 EGRクーラ
21 エアフローセンサ
22 回転数センサ
23 湿度センサ
24 吸気圧力センサ
25 吸気温度センサ
27、28、29 温度センサ
30 排気圧力センサ
100 エンジン本体部
CV1、CV3、CV4 熱発生率プロファイル
CV2 熱発生割合曲線
CVb NO濃度-温度曲線
EGR1 高圧排気循環装置
EGR2 低圧排気循環装置
IG(IG1、IG2、IG3) 吸気ガス
NS(NS1、NS2、NS3) NOxセンサ
OS 酸素センサ
ST1、ST2 スロットル
VLV1、VLV2 バルブ
ip1、ip2、ip3 燃料噴射パルス
pf0 理想プロファイル
pf1、pf2 熱発生率プロファイル
Claims (14)
- 車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
リッチスパイク運転時においてエンジンから排出される排気ガスの空燃比を、前記排気ガスの排気経路においてNOx吸蔵触媒よりも上流側に設けられた第1のNOxセンサから前記排気ガスの酸素濃度に応じて出力される第1の出力値に基づいて特定する、空燃比特定工程と、
前記排気ガスの前記NOx吸蔵触媒よりも上流側におけるNOx濃度を、前記第1のNOxセンサから前記排気ガスのNOx濃度に応じて出力される第2の出力値に基づいて特定する上流側NOx濃度特定工程と、
前記リッチスパイク運転時における前記エンジンの燃焼条件を制御するリッチスパイク燃焼制御工程と、
を備え、
前記リッチスパイク燃焼制御工程においては、前記空燃比があらかじめ理論空燃比に基づいて定められた所定の基準範囲を下回り、かつ、前記NOx濃度が所定の基準値を超える場合に、それぞれが前記NOx吸蔵触媒の上下流における圧力差を検知する差圧センサの出力に基づいて特定される、前記リッチスパイク運転時における前記エンジンの排気バルブ開時期での筒内圧力P1と、通常運転時における前記エンジンの排気バルブ開時期での筒内圧力P0との差分値P1-P0を算出し、
前記差分値P1-P0が所定の基準範囲をみたさずP1>P0である場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへのポスト噴射時の燃料噴射タイミングを遅角させ、
前記差分値P1-P0が所定の基準範囲をみたさずP1<P0である場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへのポスト噴射時の燃料噴射タイミングを進角させる、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - 請求項1に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
前記エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定工程、
をさらに備え、
前記リッチスパイク燃焼制御工程においては、前記空燃比があらかじめ理論空燃比に基づいて定められた所定の基準範囲を下回り、かつ、前記NOx濃度が所定の基準値を超える場合に、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける最大筒内圧力として推定される推定最大圧力と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての最大筒内圧力である理想最大圧力とを対比し、その結果に基づいて前記リッチスパイク時の前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - 請求項2に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
前記エンジンがターボチャージャーを備えており、
前記リッチスパイク燃焼制御工程においては、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記ターボチャージャーにおける過給圧を低下させ、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記過給圧を増加させる、
ことによって、前記リッチスパイク時の前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - 請求項2に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
前記エンジンにおいては、付設された排気循環装置によって前記排気ガスの一部が還流されて再吸気されるようになっており、
前記リッチスパイク燃焼制御工程においては、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記排気循環装置における前記排気ガスの還流量を増大させ、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記還流量を減少させる、
ことによって、前記リッチスパイク時の前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - 請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
前記熱発生率プロファイル推定工程においては、前記熱発生率プロファイルに対応する90%熱発生点、50%熱発生点、および10%熱発生点を与えるクランク角度を、
前記90%熱発生点についてはNOx生成時の火炎温度を特定することにより、
前記50%熱発生点については前記90%熱発生点と前記エンジンの上死点との中間として特定することにより、
前記10%熱発生点については前記90%熱発生点と前記50%熱発生点とからの線型的な外挿により、
それぞれ推定し、得られた推定結果に基づいて前記熱発生率プロファイルを推定する、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
前記空燃比が前記所定の基準範囲を上回る場合に、前記排気経路において前記NOx吸蔵触媒よりも下流側におけるNOx濃度を、当該下流側に設けられた第2のNOxセンサから前記排気ガスのNOx濃度に応じて出力される第3の出力値に基づいて特定する下流側NOx濃度特定工程、
をさらに備え、
前記リッチスパイク燃焼制御工程においては、前記NOx吸蔵触媒よりも下流側におけるNOx濃度が所定の基準値を超えている場合、前記ポスト噴射時の燃料噴射量を増大させる、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
前記リッチスパイク燃焼制御工程においては、前記空燃比があらかじめ理論空燃比に基づいて定められた所定の基準範囲を下回り、かつ、前記上流側NOx濃度が所定の基準値以下である場合、前記ポスト噴射時の燃料噴射量を低減させる、
ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。 - エンジンからの排気ガスが途中にNOx吸蔵触媒を備えた排気経路を介して外部に排出される、車両用エンジンシステムであって、
前記排気経路において前記NOx吸蔵触媒よりも上流側に設けられた第1のNOxセンサと、
リッチスパイク運転時において前記エンジンから排出される排気ガスの空燃比を、前記第1のNOxセンサから前記排気ガスの酸素濃度に応じて出力される第1の出力値に基づいて特定する、空燃比特定手段と、
前記排気ガスの前記NOx吸蔵触媒よりも上流側におけるNOx濃度を、前記第1のNOxセンサから前記排気ガスのNOx濃度に応じて出力される第2の出力値に基づいて特定する上流側NOx濃度特定手段と、
前記リッチスパイク運転時における前記エンジンの燃焼条件を制御するリッチスパイク燃焼制御手段と、
をさらに備え、
前記リッチスパイク燃焼制御手段は、前記空燃比があらかじめ理論空燃比に基づいて定められた所定の基準範囲を下回り、かつ、前記NOx濃度が所定の基準値を超える場合に、それぞれが前記NOx吸蔵触媒の上下流における圧力差を検知する差圧センサの出力に基づいて特定される、前記リッチスパイク運転時における前記エンジンの排気バルブ開時期での筒内圧力P1と、通常運転時における前記エンジンの排気バルブ開時期での筒内圧力P0との差分値P1-P0を算出し、
前記差分値P1-P0が所定の基準範囲をみたさずP1>P0である場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへのポスト噴射時の燃料噴射タイミングを遅角させ、
前記差分値P1-P0が所定の基準範囲をみたさずP1<P0である場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへのポスト噴射時の燃料噴射タイミングを進角させる、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。 - 請求項8に記載の車両用エンジンシステムであって、
前記エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定手段、
をさらに備え、
前記リッチスパイク燃焼制御手段は、前記空燃比があらかじめ理論空燃比に基づいて定められた所定の基準範囲を下回り、かつ、前記NOx濃度が所定の基準値を超える場合に、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける最大筒内圧力として推定される推定最大圧力と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての最大筒内圧力である理想最大圧力とを対比し、その結果に基づいて前記リッチスパイク時の前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。 - 請求項9に記載の車両用エンジンシステムであって、
前記エンジンがターボチャージャーを備えており、
前記リッチスパイク燃焼制御手段は、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記ターボチャージャーにおける過給圧を低下させ、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記過給圧を増加させる、
ことによって、前記リッチスパイク時の前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。 - 請求項9に記載の車両用エンジンシステムであって、
前記エンジンにおいては、付設された排気循環装置によって前記排気ガスの一部が還流されて再吸気されるようになっており、
前記リッチスパイク燃焼制御手段は、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記排気循環装置における前記排気ガスの還流量を増大させ、
前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記還流量を減少させる、
ことによって、前記リッチスパイク時の前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。 - 請求項9ないし請求項11のいずれかに記載の車両用エンジンシステムであって、
前記熱発生率プロファイル推定手段は、前記熱発生率プロファイルに対応する90%熱発生点、50%熱発生点、および10%熱発生点を与えるクランク角度を、
前記90%熱発生点についてはNOx生成時の火炎温度を特定することにより、
前記50%熱発生点については前記90%熱発生点と前記エンジンの上死点との中間として特定することにより、
前記10%熱発生点については前記90%熱発生点と前記50%熱発生点とからの線型的な外挿により、
それぞれ推定し、得られた推定結果に基づいて前記熱発生率プロファイルを推定する、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。 - 請求項8ないし請求項12のいずれかに記載の車両用エンジンシステムであって、
前記排気経路において前記NOx吸蔵触媒よりも下流側に設けられた第2のNOxセンサと、
前記空燃比が前記所定の基準範囲を上回る場合に、前記排気経路において前記NOx吸蔵触媒よりも下流側におけるNOx濃度を、前記第2のNOxセンサから前記排気ガスのNOx濃度に応じて出力される第3の出力値に基づいて特定する下流側NOx濃度特定手段と、
をさらに備え、
前記リッチスパイク燃焼制御手段は、前記NOx吸蔵触媒よりも下流側におけるNOx濃度が所定の基準値を超えている場合、前記ポスト噴射時の燃料噴射量を増大させる、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。 - 請求項8ないし請求項12のいずれかに記載の車両用エンジンシステムであって、
前記リッチスパイク燃焼制御手段は、前記空燃比があらかじめ理論空燃比に基づいて定められた所定の基準範囲を下回り、かつ、前記上流側NOx濃度が所定の基準値以下である場合、前記ポスト噴射時の燃料噴射量を低減させる、
ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。
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