JP7111043B2 - エンジン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタが排気通路に設けられたエンジンに適用されるエンジン制御装置に関する。

車載等のエンジンにおいて、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタが排気通路に設けられたものがある。フィルタへの微粒子物質の堆積が進むと、フィルタが目詰まりを起こす。そのため、フィルタの堆積がある程度進行した場合には、堆積した微粒子物質を燃焼浄化するためのフィルタの浄化処理を行うことがある。

従来、特許文献１には、空燃比を理論空燃比よりもリーンとしたリーン燃焼運転と、空燃比を理論空燃比よりもリッチとしたリッチ燃焼運転と、を交互に行うことで、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒装置を昇温するとともに、同触媒装置を硫黄被毒から回復させる技術が記載されている。上記のようなフィルタの浄化処理は、これと同様のリーン燃焼運転とリッチ燃焼運転との交互実施を通じて行うことが可能である。

特開２００３－２９３８３２号公報

ところで、車載等のエンジンには、排気通路に設置された空燃比センサの測定結果に基づき、空燃比の目標値に対する実測値のずれを空燃比学習値として学習する空燃比学習制御を行うものがある。一方、上記のようなフィルタの昇温処理及び浄化処理は、通常は殆ど使用されない運転領域でしか実施できない場合がある。そうした場合の空燃比学習値は専ら、昇温処理や浄化処理を行う運転領域とは異なる運転領域で学習されることになる。そのため、学習されている空燃比学習値が、昇温処理や浄化処理を行う運転領域での適切な値からは乖離した値となっていることがある。そして、そうした状況の下で浄化処理が行われると、不適切な空燃比で燃焼が行われてエンジンのＮＯｘやＣＯの排出量が大幅に増加する虞がある。また、フィルタにおける浄化処理中の微粒子物質の燃焼浄化の速度は、排気の酸素過剰率によって変化するため、浄化処理中の空燃比にずれがあると、浄化処理の実施期間に過不足が生じてしまう虞もある。

上記課題を解決するエンジン制御装置は、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタが排気通路に設置されたエンジンに適用される。そして、同エンジン制御装置は、フィルタを昇温するための昇温処理を同フィルタの再生要求に応じて実施するとともに、フィルタに堆積した微粒子物質を燃焼浄化するための浄化処理を昇温処理の完了後に実施する。また、上記エンジン制御装置は、浄化処理を実施するエンジンの運転領域である再生実施領域においてエンジンが運転されているときに同再生実施領域の空燃比学習値である再生用空燃比学習値の学習を行う再生用空燃比学習処理を実施する。そして、上記エンジン制御装置は、フィルタの再生要求時に再生用空燃比学習値の学習が完了していない場合には、同再生用空燃比学習値の学習を行った後に浄化処理を実施している。

上記のように構成されたエンジン制御装置では、浄化処理を行うエンジンの運転領域での再生用空燃比学習値の学習が完了した状態で浄化処理が行われる。そのため、浄化処理中のエンジンの空燃比のずれが生じにくくなり、浄化処理中のエンジンの排気性状の悪化や浄化処理の実施期間の過不足を抑えられる。

エンジン制御装置の一実施形態の構成を模式的に示す図。 同エンジン制御装置における空燃比学習領域の設定態様を示すグラフ。 同エンジン制御装置におけるフィルタ再生制御に係る処理の流れを示すフローチャート。

以下、エンジン制御装置の一実施形態を、図１～図３を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、車両に搭載されるエンジン１０は、ピストン１１が往復動可能に収容された気筒１２を備える。ピストン１１は、コネクティングロッド１３を介してクランク軸１４に連結されている。そして、気筒１２内でのピストン１１の往復動がクランク軸１４の回転運動に変換される。

気筒１２には、同気筒１２への空気の導入路である吸気通路１５が接続されている。吸気通路１５には、同吸気通路１５を流れる空気の流量（吸入空気量ＧＡ）を検出するエアフローメータ１６が設けられている。吸気通路１５におけるエアフローメータ１６よりも下流側の部分には、スロットルバルブ１７が設けられている。また、吸気通路１５におけるスロットルバルブ１７よりも下流側の部分には、燃料噴射弁１８が設置されている。燃料噴射弁１８は、吸気通路１５を流れる空気中に燃料を噴射することで、空気と燃料との混合気を形成する。

気筒１２には、同気筒１２に対して吸気通路１５を開閉する吸気バルブ１９が設けられている。また、気筒１２には、吸気バルブ１９の開弁に応じて吸気通路１５から混合気が導入される。気筒１２には、スパークにより気筒１２内の混合気を点火して燃焼させる点火装置２０が設置されている。

気筒１２には、混合気の燃焼により生じた排ガスの排出路である排気通路２１が接続されている。また、気筒１２には、同気筒１２に対して排気通路２１を開閉する排気バルブ２２が設けられている。排気通路２１には、排気バルブ２２の開弁に応じて気筒１２内から排ガスが導入される。排気通路２１には、排ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化すると同時にＮＯｘを還元する三元触媒装置２３が設置されている。また、排気通路２１における三元触媒装置２３よりも下流側の部分には、微粒子物質を捕集するためのフィルタ２４が設置されている。さらに、排気通路２１における三元触媒装置２３よりも上流側の部分には、排気通路２１を流れるガスの酸素濃度を、すなわち混合気の空燃比ＡＢＹＦを検出する空燃比センサ２５が設置されている。

エンジン１０を制御するエンジン制御装置としての電子制御ユニット２７は、制御のための演算処理を実行する演算処理回路と、制御用のプログラムやデータを記憶したメモリと、を有したマイクロコンピュータとして構成されている。電子制御ユニット２７には、上述のエアフローメータ１６、空燃比センサ２５、触媒流出ガス温センサ２６の検出信号が入力されている。また、電子制御ユニット２７には、クランク軸１４の回転角であるクランク角θｃを検出するクランク角センサ２８の検出信号が入力されている。そして、電子制御ユニット２７は、クランク角θｃの検出結果からエンジン回転数ＮＥを演算している。さらに、電子制御ユニット２７には、車両の走行速度である車速Ｖを検出する車速センサ２９、及びアクセルペダル３０の操作量であるアクセル開度ＡＣＣを検出するアクセルポジションセンサ３１の検出信号も入力されている。そして、電子制御ユニット２７は、これらセンサの検出結果に基づき、スロットルバルブ１７の開度、燃料噴射弁１８の燃料噴射の量や時期、点火装置２０のスパークの実施時期（点火時期）等を制御することで、車両の走行状況に応じてエンジン１０の運転状態を制御している。

以上のように構成されたエンジン１０では、排気中の微粒子物質をフィルタ２４に捕集することで、微粒子物質の外気への放出を抑えている。こうしたフィルタ２４は、捕集した微粒子物質が堆積して、目詰まりを起こすことがある。これに対して電子制御ユニット２７は、エンジン１０の運転状態からフィルタ２４に堆積している微粒子物質の量であるＰＭ堆積量を推定している。そして、電子制御ユニット２７は、ＰＭ堆積量が既定の再生要求値以上となった場合、フィルタ２４に堆積した微粒子物質を燃焼して浄化するためのフィルタ再生制御を行っている。フィルタ再生制御は、微粒子物質を燃焼可能な温度である再生可能温度Ｔ１までフィルタ２４を昇温するためのエンジン１０の制御処理である昇温処理と、フィルタ２４に堆積した微粒子物質を燃焼して浄化するためのエンジン１０の制御処理である浄化処理と、を通じて行われる。

昇温処理では、気筒１２で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしたリーン燃焼運転と、気筒１２で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチとしたリッチ燃焼運転と、が交互に行われる。リーン燃焼運転では、酸素を多く含んだ排気が気筒１２から排出され、リッチ燃焼運転では、未燃燃料を多く含んだ排気が気筒１２から排出される。昇温処理では、リーン燃焼運転によって三元触媒装置２３の内部を酸素濃度の高い酸化雰囲気としている。そして、その状態でリッチ燃焼運転を行って三元触媒装置２３に未燃燃料を導入することで、三元触媒装置２３内で未燃燃料を燃焼させている。これにより、三元触媒装置２３から流出してフィルタ２４に流入する排気の温度を高めて、その高温となった排気の熱でフィルタ２４を昇温している。ちなみに、昇温処理でのリーン燃焼運転及びリッチ燃焼運転のそれぞれの燃料噴射量及び期間は、三元触媒装置２３において、リーン燃焼運転により導入された酸素とリッチ燃焼運転により導入された未燃燃料とが過不足なく反応するように設定されている。そのため、昇温処理中にフィルタ２４に流入する排気の排気空燃比は理論空燃比となる。

浄化処理は、昇温処理によって再生可能温度Ｔ１以上の温度にフィルタ２４が昇温された状態で実施される。そして、浄化処理では、リーン燃焼運転により、余剰酸素を含んだ排気をフィルタ２４に供給することで、同フィルタ２４に堆積した微粒子物質を燃焼浄化している。なお、浄化処理においてリーン燃焼運転だけを行うと、フィルタ２４の温度が再生可能温度Ｔ１未満に低下して、微粒子物質の燃焼浄化を継続できなくなる場合がある。そこで、本実施形態では、浄化処理においても、リーン燃焼運転とリッチ燃焼運転とを交互に行うことで、浄化処理中のフィルタ２４の温度を再生可能温度Ｔ１以上に保持している。なお、浄化処理では、三元触媒装置２３での未燃燃料の燃焼に際して酸素が余剰となるように、リーン燃焼運転及びリッチ燃焼運転のそれぞれの燃料噴射量及び期間が設定される。そのため、浄化処理中には、未燃燃料との反応で余剰した酸素が三元触媒装置２３から流出するようになり、フィルタ２４に流入する排気の排気空燃比は理論空燃比よりもリーン側の値となる。そして、これによりフィルタ２４に供給された酸素が微粒子物質と反応することで、同フィルタ２４に堆積した微粒子物質が燃焼浄化されるようになる。こうした浄化処理でのリーン燃焼運転は、昇温処理でのリーン燃焼運転よりも、リーン側の空燃比で行われる。このように本実施形態での浄化処理は、フィルタ２４に堆積した微粒子物質の浄化と同時に、フィルタ２４を保温する処理となっている。

ちなみに、電子制御ユニット２７は、浄化処理中のフィルタ２４での微粒子物質の燃焼速度を推定し、その推定結果からＰＭ堆積量の値を更新している。そして、電子制御ユニット２７は、ＰＭ堆積量が既定の再生完了判定値まで低下したときに浄化処理を終了している。

なお、上記のような昇温処理、及び浄化処理を効率的に実施可能なエンジン１０の運転領域は限られている。そのため、電子制御ユニット２７は、昇温処理及び浄化処理を効率的に実施可能な運転領域である再生実施領域にエンジン１０の動作点を変更した上で、昇温処理及び浄化処理を行っている。なお、本実施形態の適用対象となるエンジン１０では、再生実施領域は、低負荷高回転の運転領域となっている。

一方、本実施形態のエンジン制御装置において電子制御ユニット２７は、空燃比学習制御により空燃比の制御精度を高めている。空燃比学習制御では、空燃比センサ２５の空燃比の検出結果に基づき、空燃比の定常偏差の補償に必要な燃料噴射量の補正値である空燃比学習値の学習が行われる。空燃比学習値の学習は、空燃比の制御目標値と空燃比センサ２５の空燃比の検出値との差が次第に縮小していくように空燃比学習値の値を更新することで行われる。なお、本実施形態では、エンジン回転数ＮＥ及びエンジン負荷率ＫＬに応じて区分けされた複数の学習領域毎にそれぞれ個別に空燃比学習値の学習を行っている。

図２に、本実施形態における学習領域の設定態様を示す。同図に示すように、本実施形態では、領域Ａ～領域Ｆの６つの学習領域が設定されている。なお、同図には、エンジン１０の最適燃費動作線と上述の再生実施領域とが併せ示されている。最適燃費動作線は、エンジン１０の軸出力に対して燃料消費量が最小となる動作点の集合を示している。同図に示すように、本実施形態の場合、再生実施領域は、最適燃費動作線から大きく離れた領域となっている。

電子制御ユニット２７は、可能な限り、最適燃費動作線上の動作点で運転が行われるようにエンジン制御を行っている。そのため、領域Ａ～領域Ｆの空燃比学習値の学習は、最適燃費動作線の近傍の領域で行われることが多くなる。一方、同一の学習領域内でも、エンジン回転数ＮＥやエンジン負荷率ＫＬによって、空燃比の定常偏差の大きさに違いがある場合がある。そのため、各領域Ａ～Ｆの空燃比学習値は、最適燃費動作線から離れた再生実施領域では、適切な値とならないことがある。

そうした場合には、昇温処理や浄化処理の実施中の空燃比の制御精度が悪化して、ＣＯやＮＯｘの排出量が増加する虞がある。特に浄化処理でのリーン燃焼運転は、昇温処理でのリーン燃焼運転よりもリーン側の空燃比で行われおり、空燃比のずれが燃焼の悪化に繋がりやすい。そのため、空燃比にずれが生じた状態でフィルタ２４の再生が行われた場合の浄化処理中のＣＯやＮＯｘの排出量の増加は、昇温処理中よりも大きくなる傾向がある。

なお、エンジンの機種によっては、最適燃費動作線の近傍の領域でフィルタ２４の再生を行うものもある。こうしたエンジンであっても、最適燃費動作線から離れた運転領域で空燃比学習値の学習が行われる場合があり、そうした場合には、再生実施領域では適切でない値が空燃比学習値として学習されてしまう場合がある。

さらに、浄化処理中のフィルタ２４における微粒子物質の燃焼速度は、排気の酸素過剰率に、ひいては気筒で燃焼する混合気の空燃比に依存する。そのため、浄化処理中の空燃比にずれが生じれば、ＰＭ堆積量の推定値にもずれが生じてしまい、浄化処理の実施期間に過不足が生じる虞もある。

そこで、本実施形態では、上述の各領域Ａ～領域Ｆの空燃比学習値とは別に、エンジン１０が再生実施領域で運転されているときに、再生実施領域の空燃比学習値の学習を行っている。なお、本実施形態では、再生実施領域では、燃料噴射量に対して、空燃比学習値による補正に併せて、再生用学習値による補正を行うようにしている。そして、再生実施領域でのエンジン１０の運転中に、空燃比学習値の更新を停止した上で、空燃比の制御目標値と空燃比センサ２５の空燃比の検出値との差が次第に縮小していくように再生用学習値の値を更新することで、同再生用学習値の学習を行っている。こうして学習された再生用学習値は、再生実施領域における空燃比の定常偏差と通常の空燃比学習値との差分に相当する値となる。こうした本実施形態では、空燃比学習値と再生用学習値との合計が、再生実施領域における空燃比学習値に相当する値となっている。

なお、上述のように本実施形態のエンジン制御装置では、再生実施領域が最適燃費動作線から離れた領域に設定されている。そのため、成り行きでエンジン制御を行った場合、再生実施領域における再生用学習値の学習を実施する機会が得られにくくなる。そこで、本実施形態では、再生用学習値の学習が完了しておらず、かつ再生実施領域でのエンジン１０の運転が可能な状況にある場合には、エンジン１０を強制的に再生実施領域で運転して、再生用学習値の学習を行うようにしている。具体的には、エンジン１０のアイドル運転時に再生用学習値の学習が完了していない場合には、アイドル運転中のエンジン回転数ＮＥの目標値である目標アイドル回転数を通常よりも高い回転数に設定している。そしてこれにより、エンジン１０を強制的に再生実施領域で運転して、再生用学習値の学習を行っている。

こうした場合にも、フィルタ２４の再生が要求されるまでに再生用学習値の学習を完了できない場合がある。そこで、本実施形態では、フィルタ２４の再生要求時に再生用学習値の学習が完了していない場合には、昇温処理の実行中に再生用学習値の学習を行い、その学習が完了した後に浄化処理を実施するようにしている。

図３のフローチャートには、エンジン１０の運転中におけるフィルタ再生制御に係る電子制御ユニット２７の処理の流れが示されている。上述のように、エンジン１０の運転中に電子制御ユニット２７は、フィルタ２４のＰＭ堆積量を推定しており、その推定したＰＭ堆積量が再生要求値以上となったか否かを判定している（Ｓ１００）。

ＰＭ堆積量が再生要求値以上となると（Ｓ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１１０に処理を進められ、そのステップＳ１１０において、再生実施領域へのエンジン動作点の移行処理が実施される。再生実施領域へのエンジン動作点の移行は、既定のフィルタ再生実施条件が成立したときに行われる。フィルタ再生実施条件は、エンジン１０を再生実施領域で運転可能な状況にあり、かつ空燃比学習値の学習が完了している場合に成立する。

再生実施領域へのエンジン動作点の移行がなされると、ステップＳ１２０において、昇温処理が開始される。昇温処理は、再生用学習値の学習が完了し（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、かつフィルタ２４の温度が再生可能温度Ｔ１以上となる（Ｓ１４０：ＹＥＳ）まで継続される。なお、昇温処理の実施中、再生用学習値の学習が完了していない場合（Ｓ１３０：ＮＯ）、その学習が完了するまで、ステップＳ１５０において再生用学習値の更新が行われる。

ステップＳ１２０での昇温処理の開始後、再生用学習値の学習が完了（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、かつフィルタ２４の温度が再生可能温度Ｔ１以上となると（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、ステップＳ１６０に処理が進められる。そして、そのステップＳ１６０において、昇温処理が終了されるとともに、浄化処理が開始される。このように本実施形態では、浄化処理は、再生用学習値の学習が完了した状態で実施されるようになっている。その後、ＰＭ堆積量が再生完了判定値以下に低下すると（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、ステップＳ１９０において浄化処理が終了されて、ステップＳ１００に処理が戻される。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
本実施形態では、昇温処理及び浄化処理を行うエンジン１０の運転領域である再生実施領域においてエンジン１０が運転されているときに再生用学習値の学習を行っている。そして、空燃比学習値と再生用学習値との合計を、再生実施領域における空燃比学習値である再生用空燃比学習値として求めている。こうした本実施形態では、昇温処理や浄化処理の実施中は、再生実施領域で学習された空燃比学習値により燃料噴射量の補正が行われる。そのため、最適燃費動作線から離れた再生実施領域での昇温制御、浄化制御の実施中も、空燃比を精度良く制御することが可能となる。そして、その結果、昇温処理及び浄化処理の実施中に、空燃比のずれにより、ＮＯｘやＣＯの排出量の増加といった排気性状の悪化が生じにくくなる。また、空燃比のずれにより、浄化処理中のＰＭ堆積量の推定結果にずれが生じて、浄化処理の実施期間に過不足が生じる事態にもなりにくくなる。

さらに、本実施形態では、フィルタ２４の再生要求時に再生用学習値の学習が完了していない場合には、昇温処理と並行して再生用学習値の学習を行っている。そして、その学習を完了した後に浄化処理を実施している。浄化処理の実施中は、昇温処理の実施中に比べて空燃比のずれが排気性状の悪化に繋がりやすい。そのため、浄化処理の実施中だけでも空燃比の制御精度を確保できれば、排気性状の悪化は許容可能なレベルに留められる。

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。
・上記実施形態では、フィルタ２４の再生要求時に再生用学習値の学習が完了していない場合には、昇温処理と並行して再生用学習値の学習を行っていたが、再生用学習値の学習の完了後に昇温制御を実施するようにしてもよい。

・上記実施形態では、再生実施領域でのエンジン１０の運転中に、同再生実施領域の空燃比学習値である再生用空燃比学習値と通常の空燃比学習値との差分を再生用学習値として学習していた。そして、通常の空燃比学習値と再生用学習値との合計を、再生用空燃比学習値として用いるようにしていた。こうした通常の空燃比学習値との差分である再生用学習値の代わりに、再生用空燃比学習値そのものの学習を、再生実施領域でのエンジン１０の運転中に行うようにしてもよい。

・上記実施形態では、浄化処理においてリーン燃焼運転とリッチ燃焼運転とを交互に行うようにしていた。そしてこれにより、フィルタ２４を保温しつつ、同フィルタ２４に堆積した微粒子物質を燃焼浄化するようにしていた。こうした浄化処理を、リッチ燃焼運転を行わずにリーン燃焼運転を継続することで行うようにしてもよい。こうした場合も、浄化処理により、フィルタ２４に堆積した微粒子物質を燃焼浄化することは可能である。

１０…エンジン、１１…ピストン、１２…気筒、１３…コネクティングロッド、１４…クランク軸、１５…吸気通路、１６…エアフローメータ、１７…スロットルバルブ、１８…燃料噴射弁、１９…吸気バルブ、２０…点火装置、２１…排気通路、２２…排気バルブ、２３…三元触媒装置、２４…フィルタ、２５…空燃比センサ、２６…触媒流出ガス温センサ、２７…電子制御ユニット、２８…クランク角センサ、２９…車速センサ、３０…アクセルペダル、３１…アクセルペダルセンサ。

Claims (1)

1. 排気中の微粒子物質を捕集するフィルタが排気通路に設置されたエンジンに適用されて、微粒子物質を燃焼可能な温度まで前記フィルタを昇温するための前記エンジンの制御処理である昇温処理を同フィルタの再生要求に応じて実施するとともに、前記フィルタに堆積した微粒子物質を燃焼浄化するための前記エンジンの制御処理である浄化処理を前記昇温処理の完了後に実施するエンジン制御装置において、
   前記浄化処理を実施する前記エンジンの運転領域である再生実施領域において前記エンジンが運転されているときに同再生実施領域の空燃比学習値である再生用空燃比学習値の学習を行う再生用空燃比学習処理を実施するとともに、
   前記フィルタの再生要求時に前記再生用空燃比学習値の学習が完了していない場合には、同再生用空燃比学習値の学習を行った後に前記浄化処理を実施する
   エンジン制御装置。

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