JP2005048745A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents
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Abstract
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【解決手段】 NOxトラップ触媒が所定温度T5以下のとき、暖機促進運転可能領域で、主トルクを発生させる主燃焼と、主燃焼に先立ってなされる少なくとも1回の予備燃焼とを行わせ、前記予備燃焼は、少なくとも1つが圧縮上死点近傍で起こるように、また、前記主燃焼は、前記予備燃焼が終了した後に開始するように、機関への燃料噴射を制御する燃焼制御に切り替える一方、EGRを減少してHC,CO排出量を低減し、EGR減少に伴う排気温度の上昇を抑制するため主燃焼用の噴射時期を進角する。
【選択図】 図12
Description
本発明は、このような実情を踏まえ、排気温度を上昇させるときなどに、空燃比をリッチ化しても、スモークの悪化を招くことのない燃焼を実現することを目的とする。また、燃焼を切換える際に、トルク変化を生じさせることなく、目標とする空燃比を実現できるようにすることを目的とする。
また、予備燃焼により筒内温度が高められるので、主燃焼の発生時期をリタードすることができ、これにより排気温度を高くできる。
従って、前記燃焼モードに切り換えることで、排気空燃比のリッチ化及び/又は昇温による排気浄化装置の再生を、スモークを悪化させることなく、実現できる。
図1は、車両用内燃機関としてのディーゼルエンジン1の燃焼制御装置を示すシステム構成図である。
エンジン1の吸気通路2の上流に、ターボチャージャ3のコンプレッサ3aが配置され、吸入空気は、前記コンプレッサ3aによって過給された後、インタークーラ4で冷却され、吸気絞り弁5を通過した後、コレクタ6を経て各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、燃料噴射ポンプ7により高圧化されてコモンレール8に送られ、各気筒の燃料噴射弁9から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料とは、ここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路10へ流出する。前記燃料噴射ポンプ7,コモンレール8及び燃料噴射弁9によって、コモンレール式燃料噴射装置が構成される。
ここで、排気通路10の排気タービン下流には、排気浄化のため、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxをトラップし、トラップしたNOxを排気空燃比がリッチのときに脱離浄化することのできるNOxトラップ触媒13を配置してある。また、このNOxトラップ触媒13には、酸化触媒(貴金属)を担持させて、流入する排気成分(HC、CO)を酸化する機能を持たせてある。
また、NOxトラップ触媒13の温度(触媒温度)を検出する触媒温度センサ25、排気通路10のDPF14入口側にて排気圧力を検出する排気圧力センサ26、DPF14の温度(DPF温度)を検出するDPF温度センサ27、更に排気通路10のDPF14出口側にて排気空燃比(以下排気λといい、数値としては空気過剰率で表す)を検出する空燃比センサ28が設けられ、これらの信号もコントロールユニット20に入力されている。但し、NOxトラップ触媒13の温度やDPF14の温度はこれらの下流側などに排気温度センサを設けて、排気温度より間接的に検出するようにしてもよい。
ここにおいて、コントロールユニット20では、DPF14に捕集されて堆積したPMの燃焼除去によるDPF14の再生、NOxトラップ触媒13にトラップされたNOxの脱離浄化、NOxトラップ触媒13のS(硫黄)被毒解除を含む、排気浄化制御を行うようにしており、かかる排気浄化制御について、以下に詳細に説明する。
先ず図2のフローに沿って説明する。
S1では、各種センサ信号を読込み、エンジン回転速度Ne、アクセル開度APO、吸入空気量Qac、触媒温度、DPF入口側排気圧力、DPF温度、DPF出口側排気λを検出する。
S5では、DPFに捕集されて堆積しているPM堆積量を次のように計算する。DPFのPM堆積量が増えれば、当然DPF入口側排気圧力が上昇することから、排気圧力センサにより、DPF入口側排気圧力を検出し、現在の運転状態(エンジン回転速度、負荷)での基準排気圧力との比較により、PM堆積量を推定する。尚、前回のDPF再生からのエンジン回転速度積算値や走行距離と、排気圧力とを組み合わせて、PM堆積量を推定するようにしてもよい。
S7では、NOxトラップ触媒のS被毒解除モード中であることを示すdesulフラグが立っているか否かを判定する。desulフラグ=1の場合は、後述する図4のS被毒解除モードの制御へ進む。
S9では、DPF再生及びS被毒解除後の溶損防止モード中であることを示すrecフラグが立っているか否かを判定する。recフラグ=1の場合は、後述する図6の溶損防止モードの制御へ進む。
S11では、S被毒解除要求が出ていることを示すrq−desulフラグが立っているか否かを判定する。S被毒解除要求が出ていてrq−desulフラグ=1の場合は、後述する図8のフローへ進み、S被毒解除要求が出ている場合の再生の優先順位を決定する。
PM堆積量>PM1で、DPF再生時期と判定された場合は、図9のフローへ進み、S701でrq−DEFフラグを1にして、DPF再生要求を出す。
S13では、S4で計算したNOxトラップ触媒のS堆積量が所定量S1に達して、S被毒解除時期になったか否かを判定する。
S14では、S3で計算したNOxトラップ触媒のNOx堆積量が所定量NOx1に達して、NOx脱離浄化時期になったか否かを判定する。
次に図3のDPF再生モードの制御について説明する。PM堆積量が所定量PM1に達してrq−DPFフラグ=1となり、これを受けて後述する図7のフローによりregフラグ=1となると、図3のフローが開始される。
ここで、本発明に係る分割リタード燃焼について説明する。尚、本燃焼はDPF再生の他、S被毒解除、NOx脱離浄化(リッチスパイク)、暖機促進にも用いられる。
DPFの再生を行う場合、排気λを1〜1.4 の間で制御し、且つDPFの温度を600℃以上にする必要がある。また、S被毒解除を行う場合、λ≦1、且つ排温≧600℃を実現する必要がある。
通常の運転から、DPF再生やS被毒解除等の低λで且つ高排温を実現するためには、吸気量を絞る必要がある。ところが、吸気量を絞った場合、筒内の圧縮端温度が低下してしまうことから、燃焼が不安定となり、通常のリーン燃焼と同じようなパイロット噴射の設定では、主噴射の噴射時期を進角する必要がある(図13;参考例(1))。このような燃料噴射量と噴射時期の設定では、排温を上げるために噴射時期をリタードさせたくとも、燃焼が不安定になってしまうことから、リタードにも限界があり、低λ、高排温を実現することは難しい。
しかしながら、前に吹いた燃料の燃焼が活発な状態で次の燃料を噴射しているため、燃焼は図14に示すように連続したものとなる。すなわち、主燃焼のために分割された燃料は、前に噴かれた燃焼の火炎中に噴射されることから、噴射されるや否や燃焼が開始し、拡散燃焼割合が増え、部分的な当量比は非常にリッチとなり、スモークが大幅に悪化してしまう。
すなわち、圧縮行程でまず燃料を噴射し(a)、TDC近傍での筒内温度(圧縮端温度)を高めるための予備燃焼を行う。運転条件に応じて、予備燃焼の熱発生が起こる噴射量は異なるが、少なくとも予備燃焼の熱発生が確認でき、主燃焼のための燃料噴射時の筒内温度が自己着火可能な温度を上回るために必要な量の燃料を噴射する。また、各運転条件において予想される圧縮端温度に応じて予備燃焼のための燃料噴射量、及び時期を変えることで、予備燃焼の安定性を向上できる。
つまり、予備燃焼によって筒内温度を高めることで、主燃焼のリタード限界を広げて、目標温度への制御性を向上させる一方、予備燃焼が確実に終了した後に主燃焼の燃料を噴射することで、主燃焼のための着火遅れ期間を確保し、主燃焼の予混合燃焼割合を高くして、スモークの排出を抑制する。
また、予備燃焼によって主燃焼のリタード限界が広がることから、主噴射の噴射時期をリタードしても低λ条件での燃焼は安定し、高い排気温度の実現が可能となった。
図18は、エンジン運転条件(エンジン回転速度Ne、負荷Q)をパラメータとして、予備燃焼のための目標燃料噴射時期を示している。
図20は、エンジン運転条件(エンジン回転速度Ne、負荷Q)をパラメータとして、ある目標排気温度を実現するための、主燃焼のための目標燃料噴射時期(主噴射時期)を示している。
S102では、排気λを目標値に制御する。DPFの再生では排気λの目標値はPM堆積量によって異なる。従って、DPF入口側排気圧力を検出し、現在の運転状態(エンジン回転速度、負荷)での基準排気圧力との比較により、PM堆積量を推定し、図23に示すPM堆積量に対応した目標λを設定して、制御する。
更に、目標空燃比が理論空燃比もしくはそれに近い値まで小さくなった場合は、吸気絞りによるポンピングロスが生じるため、図26に示すように目標λに応じたトルク補正係数K2で目標吸入空気量及び主燃焼のための燃料噴射量を補正する。
DPF温度>T22の場合は、再生中に上限値を超えたため、S111へ進んで、主燃焼の燃料噴射時期を進角して、排気温度を低下させ、次いでS112で、燃料噴射時期の進角によるトルク増加を抑制するためのトルク補正(主燃焼用噴射量の減量補正)を行う。
DPF温度<T21の場合は、再生中に下限値を下回ったため、S109へ進んで、主燃焼の燃料噴射時期をリタードして、排気温度を上昇させ、次いでS110で、燃料噴射時期のリタードによるトルク落ちを補償するためのトルク補正(主燃焼用噴射量の増量補正)を行う。
S106では、DPFの再生が完了したので、本発明に係る分割リタード燃焼から通常の燃焼に切換えて、DPFの加熱を停止する。
S108では、DPFの再生は完了したものの、DPFにPMの燃え残りがあった場合に排気λを急に大きくすると、DPFでPMが一気に燃えてしまい溶損する恐れがあることから、溶損防止モードに入るために、recフラグを1にする。
次に図4のS被毒解除モードの制御について説明する。NOxトラップ触媒のS堆積量が所定値S1に達してrq−desulフラグ=1となり、これを受けて後述する図8のフローによりdesulフラグ=1となると、図4のフローが開始される。
S202では、排気λをストイキに制御する。すなわち、目標λをストイキに設定して、制御する。
S203では、触媒温度が所定値T4より高くなっているか否かを判定する。例えばBa系のNOxトラップ触媒の場合は、リッチ〜ストイキ雰囲気で600℃以上にする必要があることから、T4は600℃以上に設定される。
S204では、S被毒解除モードで所定時間tdesul 経過したか否かを判定する。所定時間経過すれば、S被毒が解除されるので、S205へ進む。
S205では、S被毒解除が完了したので、本発明に係る分割リタード燃焼から通常の燃焼に切換えて、NOxトラップ触媒の加熱を停止する。もちろん同時に、ストイキ運転を解除する
S206では、S被毒解除が完了したので、desulフラグを0にする。
S208では、rq−spフラグを0にする。S被毒解除を行うと、NOxトラップ触媒が長時間ストイキにさらされることで、NOx脱離浄化が同時に行われるので、NOx脱離浄化要求(リッチスパイク要求)が出ていた場合に、これを取下げるためである。
S301では、NOxトラップ触媒のNOx脱離浄化のため、エンジンの燃焼を、通常のリーン燃焼から、本発明に係る分割リタード燃焼に切換える。
S303では、リッチスパイクモードにて所定時間tspike 経過したか否かを判定し、経過した場合は、NOx脱離浄化完了と見なして、S304へ進む。
S305では、NOx脱離浄化が完了したので、spフラグを0にする。
次に図6の溶損防止モードの制御について説明する。DPF再生又はS被毒解除が終了し、図3又は図4のフローによりrecフラグ=1となると、図6のフローが開始される。
S403では、DPFの溶損の恐れがないことから、排気λ制御を止める。
次に図7の再生優先順位決定フロー(1)について説明する。DPF再生要求(rq−DPFフラグ=1)が出されると、図6のフローが開始される。尚、本フローは、DPF再生要求と、S被毒解除要求又はNOx脱離浄化要求とが、同時におきたときの優先順位についての規定するものである。
S堆積量>S1の場合は、図10のフローのS801へ進んで、rq−desulフラグ=1とし、S被毒解除要求を出す。この場合、後述する図8のフローにより優先順位が決定される。
S502では、rq−spフラグ=1、すなわちNOx脱離浄化要求(リッチスパイク要求)が出ているか否かを判定し、出ていない場合は、S503へ進む。
S503では、DPF再生要求が出された後に、NOx堆積量が所定値NOx1に達してNOx脱離浄化時期になっているか否かを、S14と同様の手法で、判定する。
S503での判定で、NOx堆積量<NOx1の場合は、DPF再生要求のみが出ている場合であり、この場合は、S504へ進む。
S504では、図28に示すDPF再生及びS被毒解除の可能領域(低回転・低負荷以外の領域;昇温代が比較的少なく、排気性能の悪化代が許容値を超えない領域)であるか否かを判定する。再生可能領域の場合は、S505へ進み、regフラグ=1として、DPFの再生に移行する。
S506では、エンジンの運転条件がNOx排出量の少ない条件(例えば定常条件)であるか否かを判定する。NOx排出量が少ない条件であれば、NOxトラップ触媒の再生を多少遅らせても、テールパイプでの排気の悪化は殆ど無いため、運転性に影響を大きく及ぼすDPFの再生を優先させるのが望ましい。従って、この場合はS507へ進む。
S507では、DPF温度がDPFに担持させた酸化触媒が活性化する温度T6より高いか否かを判定する。昇温を開始するにあたり、DPFに担持させた酸化触媒が活性化する温度T6よりも低い場合は、昇温開始しても、再生可能温度に到達するまで時間がかかり、昇温中にテールパイプでのNOxの悪化も懸念されるため、NOxトラップ触媒の再生を優先させるのが望ましい。従って、この場合もS508へ進み、spフラグ=1として、NOx脱離浄化(リッチスパイク)に移行する。
次に図8の再生優先順位決定フロー(2)について説明する。S被毒解除要求(rq−desulフラグ=1)が出されると、図8のフローが開始される。尚、本フローは、S被毒解除要求とNOx脱離浄化要求とが同時におきたときの優先順位について規定するものである。
PM堆積量>PM1の場合は、図9のフローのS701へ進んで、rq−DPFフラグ=1とし、DPF再生要求を出す。この場合、前述の図7のフローにより優先順位が決定される。
S602では、触媒温度が所定温度T1より高いか否かを判定し、高い場合には、S603へ進む。
S603では、図24に示すDPF再生及びS被毒解除の可能領域(低回転・低負荷以外の領域;昇温代が比較的少なく、排気性能の悪化代が許容値を超えない領域)であるか否かを判定する。S被毒解除可能領域の場合は、S604へ進み、desulフラグ=1として、S被毒解除に移行する。
S605では、rq−spフラグ=1、すなわちNOx脱離浄化要求が出ているか否かを判定し、出ている場合は、S607へ進み、spフラグ=1として、NOx脱離浄化(リッチスパイク)に移行する。
S606では、S被毒解除要求が出された後に、NOx堆積量が所定値NOx1に達してNOx脱離浄化時期になっているか否かを、S14と同様の手法で、判定する。
NOx堆積量>NOx1の場合は、図11のフローのS901へ進み、rq−spフラグ=1とする。
S1001では、暖機促進運転可能領域か否かを判定する。ここでの暖機促進運転は、本発明に係る分割リタード燃焼により行うため、この燃焼が可能な領域か否かを判定する。具体的には、図28に示したDPF再生及びS被毒解除の可能領域を、暖機促進運転可能領域とし、この領域の場合に、S1002へ進む。
S1003では、機関回転速度と負荷(燃料噴射量)によって設定されるEGR目標値(目標EGR率)を、図29に示すEGRを減少する冷間時用のものに変更する。また、EGRを減少した場合に排気温度が上昇するので、排気温度を維持する場合には、図30に示す主噴射時期の補正マップを用いるなどして主噴射時期を進角させる(図17(A)参照)。
2 吸気通路
5 吸気絞り弁
9 燃料噴射弁
10 排気通路
11 EGR通路
12 EGR弁
13 NOxトラップ触媒
14 DPF
20 コントロールユニット
21 回転速度センサ
22 アクセル開度センサ
23 エアフローメータ
24 水温センサ
25 触媒温度センサ
26 排気圧力センサ
27 DPF温度センサ
28 空燃比センサ
Claims (8)
- 排気通路に排気浄化装置を備える内燃機関において、
排気浄化装置の状態に基づく所定の条件のときに、主トルクを発生させる主燃焼と、主燃焼に先立ってなされる少なくとも1回の予備燃焼とを行わせ、前記予備燃焼は、少なくとも1つが圧縮上死点近傍で起こるように、また、前記主燃焼は、前記予備燃焼が終了した後に開始するように、機関への燃料噴射を制御する燃焼制御を行う一方、
前記排気浄化装置の触媒活性状態を判断し、触媒未活性と判断されたときに前記燃焼制御を行うときは、目標空気過剰率を維持したまま、機関燃焼室から排出されるHC,COを減少する制御を行うことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 前記触媒未活性と判断されたときにHC,COを減少する制御は、EGR(排気再循環)を減少する制御であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記触媒が活性したと判断されたときは、EGRを増加することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記EGRを減少する制御に伴い、主燃焼の噴射時期を進角させることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記EGRを増加する制御に伴い、主燃焼の噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記触媒活性状態を判断するしきい値として、触媒内温度を用いることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記触媒活性状態を判断するしきい値として、触媒出口のHCまたはCOの少なくとも一方の濃度を用いることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 前記EGRの基本値を、機関回転速度及び負荷によって設定することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
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