JP2005048743A - 排気後処理装置付過給エンジンの制御装置および制御方法 - Google Patents

排気後処理装置付過給エンジンの制御装置および制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】容量可変型ターボ過給機を備えたエンジンに微粒子捕集フィルタを適用する場合に、目詰まりによる圧力損失の増加に適切に対処し、連鎖的な目詰まりの進行を抑制する。
【解決手段】微粒子捕集フィルタの前後圧力差などから、等価面積の減少割合を示す”つまり比率”RTO_ADPFを推定する（Ｓ３１５）。目標新気量tQac_corp_contと燃料噴射量QFVNTとから目標排気流量TQEXH（Ｓ３０３）を求め、２つのマップ（Ｓ３０４、Ｓ３０６）により目標ノズル開度を求める（Ｓ３０７）。タービン出口圧PEXH_TCOUT（Ｓ３１４）と”つまり比率”RTO_ADPFとから補正値KRAV_ADPFを求め（Ｓ３１６）、これを乗算する（Ｓ３０８）。微粒子捕集フィルタ２９が目詰まりすると、目標ノズル開度TRAVが、より大きくなるように補正されるので、エンジンの背圧となる排気タービン入口側の圧力上昇が抑制され、残留ガスによる内部ＥＧＲ率の上昇が抑制される。
【選択図】図８

Description

この発明は、排気通路に微粒子捕集フィルタなどの排気後処理装置を備えるとともに、容量可変型のターボ過給機を備えたエンジンの制御装置および制御方法に関し、特に、排気後処理装置の圧力損失の増加による急速な目詰まりの進行を抑制するようにする技術に関する。
排気有害成分として、特にディーゼルエンジンにおいては、排気中に含まれるカーボン等の排気微粒子（particulate matter：ＰＭ）が大きな問題となっており、従来から、排気後処理装置として、この排気微粒子を種々の形式の微粒子捕集フィルタ（Diesel particulate filter：ＤＰＦ）でもって捕集除去することが考えられている。
特許文献１には、ターボ過給機を備えた過給ディーゼルエンジンに微粒子捕集フィルタを用いた構成が開示されており、排気通路の上流側に排気タービンが位置し、その下流側に微粒子捕集フィルタが配置されている。
特開２００３−２７９１９号公報
上記のような微粒子捕集フィルタを用いる場合、最も課題となるのが、排気微粒子の堆積に伴う圧力損失の増加つまり目詰まりの問題である。特に、この目詰まりによりエンジンの運転条件が変化して、連鎖的に、目詰まりの進行が促進されることがある。
特許文献１のように、ターボ過給機を備えた過給ディーゼルエンジンに微粒子捕集フィルタを用いた構成では、経時的に微粒子捕集フィルタに微粒子が堆積していってその圧力損失が増加すると、微粒子捕集フィルタ入口側の圧力が上昇する。そのため、ターボ過給機の効率が悪化するとともに、エンジンの背圧が上昇して体積効率の低下ないしは内部排気還流の増加が生じ、出力の低下を来す。運転者は、必要な出力を維持するために、無意識に、アクセルペダルの開度を出力低下分だけ大きくするようにアクセルペダルを踏み増しするので、燃料噴射量が増加し、空燃比が低下する。従って、内部排気還流の増加と相俟って、エンジンからの排気微粒子排出量が増大し、微粒子捕集フィルタの目詰まりがさらに進行する。そして、これが再び排気微粒子排出量の増加をもたらすように連鎖的に作用するので、結果的に、微粒子捕集フィルタの目詰まりが急速に進行してしまう。
また、特に、ターボ過給機として排気タービンのノズル開度を可変制御できる容量可変型のターボ過給機を用いた場合には、目詰まりによる微粒子捕集フィルタ入口側の圧力上昇に対し、新気量の低下を補うように、ノズル開度が減少方向に制御されることになるので、排気タービンの入口側の圧力つまりエンジンの背圧がさらに上昇し、内部排気還流の増加や出力低下によるアクセルペダルの踏み増しという悪循環がさらに助長される。
そこで、この発明は、容量可変型のターボ過給機を備えたエンジンに微粒子捕集フィルタのような排気後処理装置を適用する場合に、その目詰まりつまり圧力損失の増大に、より適切に対処し、連鎖的な目詰まりの進行を抑制することを目的としている。
本発明の排気後処理装置付過給エンジンの制御装置は、排気微粒子が堆積する排気後処理装置を排気通路に備えるとともに、排気タービンのノズル開度を可変制御可能な容量可変型ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、
排気微粒子の堆積により減少する上記排気後処理装置の等価面積を推定する手段と、この等価面積の減少に対し上記ノズル開度を増加補正する手段と、を備えたことを特徴としている。
また本発明の排気後処理装置付過給エンジンの制御方法は、排気微粒子が堆積する排気後処理装置を排気通路に備えるとともに、排気タービンのノズル開度を可変制御可能な容量可変型ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、
排気微粒子の堆積により減少する上記排気後処理装置の等価面積を推定し、この等価面積が減少してきたときに、上記ノズル開度を増加補正するとともに、エンジンの目標空燃比をリッチ側に補正することを特徴としている。
上記のように排気微粒子の堆積による圧力損失の増加に対し、ノズル開度を増加補正することにより、排気タービンの入口側の圧力の上昇が抑制され、背圧上昇による内部排気還流の増加や出力低下が抑制される。従って、運転者によるアクセルペダルの踏み増しが最小限となり、排気微粒子の排出量増加が抑制される。
この発明によれば、排気後処理装置に排気微粒子が堆積して圧力損失が増加したときに、内部排気還流の増加や出力低下が抑制され、運転者によるアクセルペダルの踏み増しに伴う排気微粒子排出量の増加という連鎖的な悪循環を抑制することができる。
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、この発明が適用されるディーゼルエンジン１の全体的構成を示している。このディーゼルエンジン１は、比較的多量の排気還流（ＥＧＲ）を行うもので、排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、例えばステッピングモータにて開度が連続的に可変制御可能なＥＧＲ弁６を備えている。上記ＥＧＲ弁６の開度は、コントロールユニット５によって制御され、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようになっている。たとえば、低速低負荷域ではＥＧＲ率が最大となり、回転速度、負荷が高くなるに従い、ＥＧＲ率が減少していく。
上記吸気通路３の吸気ポート近傍には、運転条件に応じて燃焼室内にスワールを生成するスワールコントロールバルブ９が設けられている。このスワールコントロールバルブ９は、図示せぬアクチュエータを介して上記コントロールユニットの制御信号に応じて開閉駆動されるもので、例えば低速低負荷域で閉じられ、燃焼室内にスワールが生成される。
ディーゼルエンジン１は、コモンレール式の燃料噴射装置１０を備えている。このコモンレール式の燃料噴射装置１０においては、サプライポンプ１１により加圧された燃料が高圧燃料供給通路１２を介して蓄圧室（コモンレール）１３にいったん蓄えられたあと、この蓄圧室１３から各気筒の燃料噴射ノズル１４に分配され、各燃料噴射ノズル１４の開閉に応じてそれぞれ噴射される。上記蓄圧室１３内の燃料圧力は、図示せぬプレッシャレギュレータによって可変的に調整されるようになっており、蓄圧室１３には、燃料圧力を検出するために燃料圧力センサ１５が設けられている。さらに、燃料温度を検出する燃料温度センサ１６がサプライポンプ１１の上流側に配置されている。なお、燃焼室には、公知のグロープラグ１８が配置されている。
また、このディーゼルエンジン１は、排気タービン２２とコンプレッサ２３とを同軸上に備えたターボ過給機２１を有している。上記排気タービン２２は、排気通路２のＥＧＲ通路４分岐点より下流側に位置し、かつこの排気タービン２２のスクロール入口に、容量調整手段としての可変ノズル２４を備えた容量可変型の構成となっている。すなわち、可変ノズル２４の開度を小さくした状態では、低速域のような排気流量の少ない条件に適した小容量の特性となり、可変ノズル２４の開度を大きくした状態では、高速域のような排気流量の多い条件に適した大容量の特性となる。上記可変ノズル２４は、制御圧力（制御負圧）に応動するダイヤフラム式のアクチュエータ２５によって駆動され、かつ上記制御圧力は、デューティ制御される圧力制御弁２６を介して生成される。なお、上記排気タービン２２の上流側に、排気空燃比を検出する広域型の空燃比センサ１７が配置されている。
また、上記排気タービン２２下流側の排気通路２には、排気中のＣＯやＨＣ等を酸化する酸化触媒２７と、ＮＯｘの処理を行うＮＯｘトラップ触媒２８と、が順に配置されている。上記ＮＯｘトラップ触媒２８は、流入する排気の排気空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸着し、流入する排気の酸素濃度を低下させると、吸着していたＮＯｘを放出して触媒作用により浄化処理するものである。上記ＮＯｘトラップ触媒２８の下流側には、さらに、排気微粒子（particulate matter：ＰＭ）を捕集除去する触媒付きの微粒子捕集フィルタ（Diesel particulate filter：ＤＰＦ）２９が設けられている。この微粒子捕集フィルタ２９としては、例えば、コーディエライト等の柱状のフィルタ材料にハニカム状の多数の微細な通路を形成するととともに、その端部を交互に閉塞してなるウォールフローハニカム構造（いわゆる目封じ型）のフィルタが用いられている。上記微粒子捕集フィルタ２９の入口側および出口側には、それぞれ入口側および出口側での排気温度を検出するフィルタ入口側温度センサ３０、フィルタ出口側温度センサ３１が、配置されている。さらに、排気微粒子の堆積に伴い微粒子捕集フィルタ２９の圧力損失が変化するので、微粒子捕集フィルタ２９の入口側と出口側との間の圧力差を検出する差圧センサ３２が設けられている。圧力差を直接に検出する差圧センサ３２に代えて、入口側および出口側にそれぞれ圧力センサを設けて圧力差を求めることも勿論可能である。なお、上記微粒子捕集フィルタ２９のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が配置されている。
また、吸気通路３に介装された上記コンプレッサ２３の上流側には、吸入空気量つまり新気量を検出するエアフロメータ３５が配設され、さらにその上流に、エアクリーナ３６が位置している。上記エアクリーナ３６の入口側には、外気圧つまり大気圧を検出する大気圧センサ３７が配置されている。上記コンプレッサ２３とコレクタ部３ａとの間には、過給された高温の空気を冷却するインタークーラ３８が設けられている。
さらに、上記吸気通路３のコレクタ部３ａ入口側に、新気量を制限する吸気絞弁４１が介装されている。この吸気絞弁４１は、ステッピングモータ等からなるアクチュエータ４２を介して、コントロールユニット５の制御信号により開閉駆動される。また、上記コレクタ部３ａには、過給圧を検出する過給圧センサ４４と、吸気温度を検出する吸気温度センサ４５と、が設けられている。
上記燃料噴射装置１０の噴射量や噴射時期、ＥＧＲ弁６の開度、可変ノズル２４の開度、などを制御するコントロールユニット５には、上述のセンサ類のほかに、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４６、エンジン回転数を検出する回転数センサ４７、冷却水温度を検出する水温センサ４８、などのセンサ類の検出信号が入力されている。
次に、図２、図３、図８〜図１０は、上記コントロールユニット５によって実行される制御の内容をブロック図として示したものであり、以下、これを説明する。なお、これらの機能の多くは、ソフトウェア的に処理されるものである。まず、図２および図３に基づいて、微粒子捕集フィルタ２９における排気微粒子堆積量を求める処理を説明する。
この処理の基本的な考え方としては、ベルヌーイの定理に基づく関係から微粒子捕集フィルタ２９の通路面積（等価面積）を求め、これを、堆積量０の場合の通路面積と比較して、面積減少率を求め、この面積減少率から最終的に微粒子堆積量を求めるようにしている。ベルヌーイの定理によれば、絞りとなる部分の通路面積Ａと流量Ｑと前後差圧ΔＰと流体密度ρとの間には、次式のような関係がある。
Ａ＝Ｑ／√（２ρ・ΔＰ） …（１）
以下の処理では、この（１）式の関係から、そのときの微粒子捕集フィルタ２９の等価面積Ａを求めている。
先ず、図２は、排気流量QEXHを求める処理の流れを示しており、シリンダ内に流入する新気量QACとシリンダ内に噴射された燃料量QFTRQとをＳ１０１で加算し、かつこれにＳ１０２でエンジン回転数NEを乗じることにより、排気流量QEXHが求められる。
このようにして逐次求められる排気流量QEXHの値は、図３に示すＳ２０１において加重平均処理され、適宜な応答性を有する排気流量QEXHDとして出力される。ここで、加重平均の際のフィルタ定数（重み係数）TCは、エンジン回転数NEに応じてＳ２０２において所定のマップTTC_DPFLTから求めた値が用いられる。このマップTTC_DPFLTは、図４に示すような特性を有しており、低速域では応答性が低く、高速域では応答性が高くなる。
前述した差圧センサ３２の出力値PF_Dは、やはりＳ２０２で求まるエンジン回転数NEに応じたフィルタ定数（重み係数）TCを用いて、Ｓ２０３で加重平均処理され、適宜な応答性を有する差圧DP_DPF_FLTとして出力される。
また、フィルタ入口側温度センサ３０の出力値PF_Preは、Ｓ２０４で加重平均処理され、フィルタ出口側温度センサ３１の出力値PF_Pstは、Ｓ２０５で加重平均処理されるが、この加重平均処理の際のフィルタ定数（重み係数）TCとしては、ある定数KTC_TEXHが用いられる。そして、加重平均した各温度の和をＳ２０６で求めるとともに、Ｓ２０７で定数「２」で除すことにより、入口側および出口側の温度の平均値として、微粒子捕集フィルタ２９の温度TMP_DPFが求められる。なお、この温度TMP_DPFは、絶対温度である。
エンジンの運転条件が急激に変化した場合、例えば、アクセルペダル開度がステップ的に変化した場合に、各パラメータの変化、つまり、排気流量QEXHの変化や、微粒子捕集フィルタ２９の入口側および出口側の排気温度の変化、さらには微粒子捕集フィルタ２９の前後差圧の変化、は、それぞれ応答性が異なったものとなる。具体的には、前後差圧や排気流量QEXHの変化が比較的速やかに生じるのに対し、温度変化は比較的に緩やかに生じる。従って、仮にこれらの検出値をそのまま読み込んで、排気微粒子堆積量の推定を行うと、過渡的に大きな誤差が発生する。そして、これらの各パラメータのステップ応答は、エンジン回転数NEの高低によっても変化する。従って、本実施例では、上記のように、各検出値を加重平均処理する際のフィルタ定数TCを適宜に与えることにより、各パラメータの応答性のばらつきに起因した微粒子堆積量の推定精度の低下を回避するようにしている。特に、最も応答の遅い温度の変化を基準とし、排気流量QEXHの変化および圧力の変化の測定に際して、フィルタ定数をエンジン回転数NEに応じて変化させるようにしているのである。
一方、Ｓ２１１では、所定のマップTPEXH_MFLRを用いて、図示せぬ排気消音器の通気抵抗による圧力上昇分を、排気流量QEXHDに応じて求める。この圧力上昇分は、基本的には、排気流量QEXHDが大きいほど大となる。Ｓ２１２において、微粒子捕集フィルタ２９前後の差圧DP_DPF_FLTに上記の圧力上昇分を加算し、この出力PEXH_DPFIN（これは排気消音器と微粒子捕集フィルタ２９とによる圧力差に相当する）に、さらに、Ｓ２１３において、大気圧pATMを加算する。従って、このＳ２１３の出力は、微粒子捕集フィルタ２９入口側の排気圧力に相当する。そして、Ｓ２１４において、この圧力相当の値に、ガス定数Ｒに対応する所定の定数（Ｓ２１５）を乗じた上で、Ｓ２１６において、微粒子捕集フィルタ２９の温度TMP_DPF（絶対温度）により除算する。これにより、Ｓ２１６の出力として、密度ρつまり排気の比重ROUEXHが得られることになる。前述した（１）式に対応するように、Ｓ２１７で、定数「２」（Ｓ２１８）を乗じるとともに、差圧DP_DPF_FLTを乗じる。
さらに、Ｓ２１７の出力値の平方根をＳ２１９において求める。これは、演算処理の都合上、所定のマップTROOT_VEXHを参照して求める。これによって、上記（１）式の分母に相当する値、つまり排気流速VEXHが得られる。そして、Ｓ２２０において、排気流量QEXHDを上記排気流速VEXHでもって除す。従って、これによって、上記（１）式の面積Ａに相当する理論値、つまり微粒子捕集フィルタ２９の等価面積の基本的な値が与えられることになる。そして、本実施例では、その推定精度を高めるために、さらに、Ｓ２２１において、補正係数KADPFを乗じることで、排気流量と微粒子捕集フィルタ２９の温度とに対応した所要の補正を加えている。
すなわち、上記補正係数KADPFは、Ｓ２２９による排気流量QEXHDの逆数と微粒子捕集フィルタ２９の温度TMP_DPFとを入力としたＳ２２２のマップMAP_KADPFによって与えられる。図５は、上記マップMAP_KADPFの特性を示したものであり、排気流量QEXHDの逆数の大きさに対応して補正係数KADPFが与えられ、例えば、０．５〜２．５といった範囲で変化する。これは、同じ微粒子捕集フィルタ２９であっても排気流量つまり排気圧力が変化するとフィルタ通路利用効率が増減変化すると考えられることによる影響を相殺するためのものである。また、温度TMP_DPFに対しては、補正係数KADPFの変化は比較的小さいが、高温であるほど補正係数KADPFが小さくなる傾向を有する。これは、微粒子捕集フィルタ２９の温度が上昇すると該微粒子捕集フィルタ２９の嵩密度が増加し、その微細な通路の面積が物理的に減少する、と考えられることによる影響を相殺するものである。従って、これらの要因に基づく補正係数KADPFをＳ２２１で乗じることにより、微粒子捕集フィルタ２９の等価面積がより精度よく得られる。
このようにして逐次得られた値は、Ｓ２２３において加重平均処理され、微粒子捕集フィルタ２９の等価面積ADPFDとして出力される。
一方、Ｓ２２５においては、微粒子捕集フィルタ２９の初期の等価面積、つまり排気微粒子が全く堆積していない場合の等価面積ADPF_INITを求める。特に、ここでは、上述したように、微粒子捕集フィルタ２９の温度変化により該微粒子捕集フィルタ２９の嵩密度ひいては通路面積が変化することを考慮して、所定のマップTBL_ADPF_INITを用いて温度TMP_DPFにより補正した初期の等価面積ADPF_INITを出力する。このマップTBL_ADPF_INITは、図６に示すような特性、つまり低温時の等価面積を基準として高温時には僅かに小さくなる特性を有している。
Ｓ２２６では、Ｓ２２３で得られたそのときの等価面積ADPFDを、Ｓ２２５で得られた初期の等価面積ADPF_INITでもって除算することにより、通路面積の減少割合すなわち排気微粒子による”つまり比率”RTO_ADPFを求める。そして、Ｓ２２７において、このつまり比率RTO_ADPFの値から、既知の特性に沿った所定のマップTbl_SPMactを参照して、排気微粒子堆積量（重量）SPMactを求める。
このようにして求められた排気微粒子堆積量SPMactは、図外の処理によって所定の閾値と対比され、閾値に達していた場合には、強制的な微粒子捕集フィルタ２９の再生が行われる。この微粒子捕集フィルタ２９の再生は、種々の公知の方法で実現できるが、例えば、吸気絞弁４１を閉じて排気温度を上昇させる、あるいは、追加の燃料噴射を遅れて行う所謂ポスト噴射によって排気温度を上昇させる、などによって、堆積している排気微粒子を燃焼させることができる。
なお、Ｓ２３１では、所定のマップTPEXH_CATSを用いて、微粒子捕集フィルタ２９上流の触媒装置（ＮＯｘトラップ触媒２８および酸化触媒２７）の通気抵抗による圧力上昇分を、排気流量QEXHDに応じて求めている。この圧力上昇分は、基本的には、排気流量QEXHDが大きいほど大となる。そして、Ｓ２３２において、前述したＳ２１２の出力PEXH_DPFINに、この圧力上昇分を加算する。従って、このＳ２３２の出力PEXH_TCOUTは、酸化触媒２７の上流つまり排気タービン２２出口側の圧力に相当するものとなる。
上記のように、上記実施例では、ベルヌーイの定理による関係式から理論的に求まる微粒子捕集フィルタ２９の等価面積の基本値（理論値）に、さらに排気圧力（排気流量に相関する）と微粒子捕集フィルタ２９の温度とに基づく補正を加えることにより、図７に示すように、運転条件によらずに排気微粒子堆積量との間で一定の相関関係を安定的に得ることができる。従って、運転条件が変化したことによる誤判定を回避でき、適切な時期に微粒子捕集フィルタ２９の再生を再現性よく実行することが可能となる。
次に、図８は、ターボ過給機２１における可変ノズル２４の開度の制御を示している。ここでは、特に、上記の”つまり比率”RTO_ADPFに応じて、フィードフォワード方式でもって開度の補正を行っている。
Ｓ３０１で、目標新気量tQac_corp_contと燃料噴射量QFVNTとを加算し、Ｓ３０２で、これにエンジン回転数NEを乗じる。その出力を、Ｓ３０３で、定数KCONにより除算する。これによって、目標排気流量TQEXHが得られる。なお、これは、基本的に、図２の処理と同様であるが、図２が実際の排気流量を求めようとしているのに対し、ここでは、目標の排気流量を求めている。
Ｓ３０４のマップMRAVEGRとＳ３０６のマップMRAVQFOは、微粒子捕集フィルタ２９の等価面積の減少を考慮しない通常の可変ノズル２４の目標開度を求めるためのものであり、それぞれの出力値が、Ｓ３０７で合計され、目標ノズル開度MRAVOとして出力される。
Ｓ３０４のマップMRAVEGRでは、目標排気流量TQEXHと目標ＥＧＲ率REGR（Ｓ３０５）とをパラメータとして、目標ＥＧＲ率REGRを得るために必要な基本ノズル開度を求めている。このマップMRAVEGRは、概ね図１１に示すような特性となる。すなわち、可変ノズル２４のノズル開度とＥＧＲ率との関係（但し、ＥＧＲ弁６の開度が一定の場合）としては、ノズル開度が小さいほど背圧が高くなるので、図１２に示すような特性となる。また、過給圧一定の条件の下では、排気流量とノズル開度とは、図１３に示すような関係となる。図１１のマップMRAVEGRの特性は、このような両者の関係から導き出される。
また、ターボ過給機２１の動作特性には、排気流量とともに排気温度が関与するが、Ｓ３０６のマップMRAVQFOは、この排気温度による影響を補正するために、燃料噴射量QFVNTと目標排気流量TQEXHとをパラメータとして、所要の開度補正分を割り付けたものであり、図１４に示すような特性となっている。
２つのマップ（Ｓ３０４，Ｓ３０６）の出力は、前述したように、Ｓ３０７で合計され、目標ノズル開度MRAVOとして出力されるが、これに、さらに、Ｓ３０８において、Ｓ３１０〜Ｓ３１６で求めた微粒子捕集フィルタ２９の微粒子堆積に応じた補正が加えられ、最終的な目標ノズル開度TRAVとして出力される。ターボ過給機２１における容量つまり可変ノズル２４の開度は、この目標ノズル開度TRAVに沿って制御される。
Ｓ３１０は、ＥＧＲ弁開度STPDであり、Ｓ３１２では、このＥＧＲ弁開度STPDが「０」（Ｓ３１１）であるかを判定しており、「０」である場合には、切換部であるＳ３１３をＳ３１６側に切り換える。このＳ３１３は、Ｓ３１２からの入力がなければ、Ｓ３１１の値「０」を選択している。つまり、ＥＧＲ弁６が多少でも開いているＥＧＲ領域にあっては、Ｓ３１３から補正値として「０」が出力され、Ｓ３０８では実質的に補正は行われない。そして、ＥＧＲ領域外つまりＥＧＲ（排気還流）がなされていないときには、Ｓ３１２の出力により、Ｓ３１３が切り換えられるので、Ｓ３１６から出力される補正値KRAV_ADPFがＳ３０８で加算されることになる。
Ｓ３１６は、Ｓ３１４のタービン出口圧PEXH_TCOUTとＳ３１５の”つまり比率”RTO_ADPFとをパラメータとして、所定のマップMAP_KRAV_ADPFから補正値KRAV_ADPFを求めるものである。上記タービン出口圧PEXH_TCOUTは、前述したように、図２のＳ２３２から出力される。また”つまり比率”RTO_ADPFは、図２のＳ２２６で得られたものであり、排気微粒子が堆積していくに従って小さな値となる。上記マップMAP_KRAV_ADPFは、図１５に示すような特性を有しており、タービン出口圧PEXH_TCOUTの上昇に従って補正値KRAV_ADPFが大きく与えられ、かつ”つまり比率”RTO_ADPFが小さくなると、より大きな補正値KRAV_ADPFとなる。従って、ＥＧＲ領域外では、排気微粒子の堆積により微粒子捕集フィルタ２９の等価面積ADPFDが減少していくと、目標ノズル開度TRAVが、より大きくなるように補正される。
このように、微粒子捕集フィルタ２９が所謂目詰まりしたときに、可変ノズル２４の開度を増加補正することにより、エンジン１の背圧となる排気タービン２２入口側の圧力上昇が抑制され、燃焼の際の残留ガスによる内部ＥＧＲ率の上昇が抑制される。
なお、ＥＧＲ領域では、後述する目標空燃比の修正により排気微粒子堆積による等価面積ADPFDの減少に対応することになる。
図９は、コントロールユニット５によって実行される制御の内容のうち目標空燃比を求める処理をブロック図として示したものである。
尚、ここでは、前述したように、ＥＧＲ弁６が開かれたＥＧＲ領域では排気タービン２２の可変ノズル２４による容量可変調整が行われず、ＥＧＲ弁６が閉じられたＥＧＲ領域外では排気タービン２２の可変ノズル２４による容量可変調整が行われていることを前提としている。
Ｓ４０１のマップtLambda_map_w_pilotでは、アクセル開度により決定される要求燃料噴射量QFDRV_DCと、エンジン回転数NEと、に応じて目標空燃比（これは実際には空気過剰率の値で取り扱われる）λ0を算出する。
Ｓ４０２のマップTBL_KLAMB_ADPF_WOEGRでは、上述したつまり比率RTO_ADPFに応じて補正係数Ｋ1を算出する。このマップTBL_KLAMB_ADPF_WOEGRは、排気タービン２２の可変ノズル２４による容量可変調整が行われる際の空燃比の補正量を算出するものであって、図１６に示すように、つまり比率RTO_ADPFが、ディーゼルエンジン１および微粒子捕集フィルタ２９の容量によって決まる所定値よりも小さい領域においてはＫ1＜１となり、所定値以上の領域においてはＫ1＝１となる。
Ｓ４０３のマップTBL_KLAMB_ADPF_WEGRでは、上述したつまり比率RTO_ADPFに応じて、補正係数Ｋ2を算出する。このマップTBL_KLAMB_ADPF_WEGRは、ＥＧＲが行われる際の空燃比の補正量を算出するものであって、図１７に示すように、つまり比率RTO_ADPFが、ディーゼルエンジン１および微粒子捕集フィルタ２９の容量によって決まる所定値よりも小さい領域においてはＫ2＞１となり、また、つまり比率RTO_ADPFが、所定値よりも大きい領域においてはＫ2＝１となる。
Ｓ４０４では、Ｓ４０２で算出した補正係数Ｋ1とＳ４０１で算出した目標空燃比λ0とを乗算し、切換部として示すＳ４０６に出力する。
Ｓ４０５では、Ｓ４０３で算出した補正係数Ｋ2とＳ４０１で算出した目標空燃比λ0とを乗算し、切換部として示すＳ４０６に出力する。
Ｓ４０６は、ＥＧＲ弁６が全閉であることを示すＳ４０９からの入力によって切り換えられる。このＳ４０９は、前述したＳ３１２と同じく、ＥＧＲ弁開度STPDが「０」であるかを判定するものである。ＥＧＲ弁６が全閉の場合（ＥＧＲ領域外）には、Ｓ４０２で算出した補正係数Ｋ1とＳ４０１で算出した目標空燃比λ0とを乗算した値を空燃比目標値λ1としてＳ４０７に出力し、ＥＧＲ弁６が開いている場合（ＥＧＲ領域）には、Ｓ４０３で算出した補正係数Ｋ2とＳ４０１で算出した空燃比λ0とを乗算した値を目標空燃比λ1としてＳ４０７に出力する。
すなわち、ＥＧＲが行われておらず排気タービン２２の可変ノズル２４による容量可変調整が行われている際には、Ｓ４０２で算出された補正係数Ｋ1を用いて、微粒子捕集フィルタ２９のつまり具合に応じて目標空燃比λ0を補正する。特に、補正係数Ｋ1の上述した特性によって、等価面積ADPFDの減少に対する可変ノズル２４の開度増加補正に対応して、目標空燃比λ0を下げる方向に補正が行われることになる。
従って、微粒子捕集フィルタ２９の目詰まりに伴う内部排気還流の増加や燃費の悪化が回避され、運転者が体感する出力低下が抑制されるため、目詰まりが進行していっても運転者によるアクセルペダルの踏み増しは非常に少ないものとなる。そのため、アクセルペダルの踏み増しに起因する排気微粒子排出量の増加が回避される。
また、ＥＧＲを行っている際には、微粒子捕集フィルタ２９の等価面積ADPFDが減少すると、Ｓ４０３で算出された補正係数Ｋ2を用いて排気微粒子捕集フィルタのつまり具合に応じて目標空燃比λ0を補正する。特に、補正係数Ｋ2が目詰まりに応じて１より大きくなっていくことで、目標空燃比λ0をリーン側に補正することになり、これによって燃焼室からの排気微粒子排出量そのものを抑制する。
一方、Ｓ４０８のマップtLambda_map_dpf_regでは、アクセル開度により決定される要求燃料噴射量QFDRV_DCと、エンジン回転数NEと、に応じて微粒子捕集フィルタ２９を再生する際に要求される目標空燃比λ2を算出し、算出された目標空燃比λ2を、切換部として示すＳ４０７に出力する。
Ｓ４０７は、Ｓ４１０の微粒子捕集フィルタ２９の再生要求信号state_ATSによって切り換えられるものであり、微粒子捕集フィルタ２９の再生中には、Ｓ４０８で算出された目標空燃比λ2を最終的な目標空燃比λとして出力する。そして、微粒子捕集フィルタ２９の再生中ではない場合には、Ｓ４０６から出力された目標空燃比λ1を最終的な目標空燃比λとして出力する。
図１０は、燃料噴射量を決定する制御ブロック図を示している。
Ｓ５０１では、エンジン回転数NEと現在のトランスミッションのギヤ位置情報GPとから、所定の特性のマップTKLAMNを用いて、燃焼室からスモークを排出しない範囲で最も低い空気過剰率として設定されたスモーク限界空燃比を求める。図１８は、マップTKLAMNの概略特性を示しており、エンジン低回転域においては「１」よりも大きなリーン側の一定値に固定され、エンジン中・高回域時においてはエンジン回転数に比例してさらにリーン方向に変化する。スモーク限界は、ギヤ位置によって異なるので、この図１８の特性は、各ギヤ位置毎に設定される。
Ｓ５０２は、ＥＧＲ中の酸素も加えた燃焼室内の実際の新気量つまりシリンダ内新気量QCSO2を示す。
ここで、シリンダ内新気量QCSO2は、次式（２）のように算出される。
QCSO2＝Qac＋｛（Qac×MEGR）／１００｝×｛（λ−１）／λ｝ …（２）
但し、Qacはエアフローメータ３５で検出される新気量、MEGRはＥＧＲ率、λは空燃比センサ１７で検出された現在の排気空燃比（空気過剰率）である。
Ｓ５０３では、Ｓ５０１で出力したスモーク限界空燃比で上記のシリンダ内新気量QCSO2を除すことにより、スモーク限界となる最大燃料噴射量QFL_LMDを算出する。なお、上述したように、スモーク限界空燃比は実際には空気過剰率の値であるので、理論空燃比に相当する定数（例えば１４．６）を用いて、一旦空燃比（Ａ／Ｆ）の値に換算して処理する。
Ｓ５０５では、Ｓ５０４の運転者のアクセル要求に応じて決定されるアクセル要求燃料噴射量tQfを、上記のスモーク限界となる最大燃料噴射量QFL_LMDと比較し、いずれか小さい値を選択して、最終的な燃料噴射量として設定（出力）する。そして、燃料噴射ノズル１４は、Ｓ５０５で設定された燃料噴射量の燃料を噴射するよう制御される。つまり、最終的な燃料噴射量は、スモーク限界となる最大燃料噴射量QFL_LMD以下に制限される。従って、仮に、微粒子捕集フィルタ２９の微粒子堆積量が増加して、等価面積ADPFDが大幅に減少したような場合に、出力低下を補うように運転者によるアクセルペダルの踏み増しが大幅に行われたとしても、必ずスモーク限界の空燃比よりもリーンに維持され、排気微粒子排出量の増加を最小限に抑制できる。
図１９は、本実施例において、微粒子捕集フィルタ２９の等価面積ADPFDの変化に対する（Ａ）可変ノズル２４のノズル開度との関係、（Ｂ）排気タービン２２の入口圧PEXH_TCINとの関係、および（Ｃ）微粒子捕集フィルタ２９の入口圧PEXH_DPFINとの関係、をまとめて示したものである。等価面積ADPFDが減少して（Ｂ）の排気タービン入口圧PEXH_TCINが上限値に達した領域付近では、上述したように、燃料噴射量が最大燃料噴射量QFL_LMDに制限されるようになる。なお、これは、前述したように、ＥＧＲが行われていない領域での作用を示す。
この発明が適用されるディーゼルエンジンの構成を示す構成説明図。 排気流量を求める処理の機能ブロック図。 微粒子堆積量を求める処理の機能ブロック図。 Ｓ２０２のマップTTC_DPFLTの特性を示す特性図。 Ｓ２２２のマップMAP_KADPFの特性を示す特性図。 Ｓ２２５のマップTBL_ADPF_INITの特性を示す特性図。 補正後の等価面積と微粒子堆積量との相関関係を示す特性図。 目標ノズル開度を求める処理の機能ブロック図 目標空燃比を求める処理の機能ブロック図。 燃料噴射量を決定する処理の機能ブロック図。 Ｓ３０４のマップMRAVEGRの特性を示す特性図。 ノズル開度とＥＧＲ率との関係を示す特性図。 排気流量とノズル開度との関係を示す特性図。 Ｓ３０６のマップMRAVQFOの特性を示す特性図。 Ｓ３１６のマップMAP_KRAV_ADPFの特性を示す特性図。 Ｓ４０２のマップTBL_KLAMB_ADPF_WOEGRの特性を示す特性図。 Ｓ４０３のマップTBL_KLAMB_ADPF_WEGRの特性を示す特性図。 Ｓ５０１のマップTKLAMNの特性を示す特性図。 等価面積ADPFDと、（Ａ）可変ノズル２４のノズル開度、（Ｂ）排気タービン２２の入口圧PEXH_TCIN、（Ｃ）微粒子捕集フィルタ２９の入口圧PEXH_DPFINとの関係を示す特性図。
符号の説明
１…ディーゼルエンジン
６…ＥＧＲ弁
１０…燃料噴射装置
１７…空燃比センサ
２１…ターボ過給機
２４…可変ノズル
２７…酸化触媒
２８…ＮＯｘトラップ触媒
２９…微粒子捕集フィルタ
３０…フィルタ入口側温度センサ
３１…フィルタ出口側温度センサ
３２…差圧センサ

Claims (5)

  1. 排気微粒子が堆積する排気後処理装置を排気通路に備えるとともに、排気タービンのノズル開度を可変制御可能な容量可変型ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、
    排気微粒子の堆積により減少する上記排気後処理装置の等価面積を推定する手段と、この等価面積の減少に対し上記ノズル開度を増加補正する手段と、を備えたことを特徴とする排気後処理装置付過給エンジンの制御装置。
  2. 上記等価面積の減少に対しエンジンの目標空燃比をリッチ側に補正する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気後処理装置付過給エンジンの制御装置。
  3. 運転者の要求に拘わらず燃料噴射量をスモーク限界以下に制限する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の排気後処理装置付過給エンジンの制御装置。
  4. 上記ノズル開度の増加補正は、排気還流を行っていないことを条件に実行されることを特徴とする請求項１に記載の排気後処理装置付過給エンジンの制御装置。
  5. 排気微粒子が堆積する排気後処理装置を排気通路に備えるとともに、排気タービンのノズル開度を可変制御可能な容量可変型ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、
    排気微粒子の堆積により減少する上記排気後処理装置の等価面積を推定し、この等価面積が減少してきたときに、上記ノズル開度を増加補正するとともに、エンジンの目標空燃比をリッチ側に補正することを特徴とする排気後処理装置付過給エンジンの制御方法。
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