JP2008175194A

JP2008175194A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2008175194A
Application number: JP2007011762A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hashizume; 剛橋詰
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】ＥＧＲ装置を備える内燃機関の制御装置において、排気中へ燃料添加を行うことによる機関の燃焼変動を抑制する。
【解決手段】内燃機関の制御装置において、排気通路上であってタービンより下流側にはＤＰＦが設けられ、排気通路上の排気浄化装置より下流側から、吸気通路上のコンプレッサより上流側へはＥＧＲ装置が設けられる。また、ＤＰＦに至る排気中には、燃料添加弁により燃料が添加される。排気に添加された燃料は、排気浄化装置にて酸素と反応して二酸化炭素が発生し、二酸化炭素を含む排気がＥＧＲガスとして吸気側に戻される。よって、燃料添加タイミングがまちまちであると、排気中の二酸化炭素濃度或いは酸素濃度が変動することにより吸気中の二酸化炭素濃度或いは酸素濃度も変動し、内燃機関の燃焼変動を生じさせる。そこで、燃料添加装置は、排気環流装置の動作中は、内燃機関の各サイクルにおいてクランク角に同期して燃料を添加する。これにより、燃焼変動が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガスを排気通路から吸気通路へ環流する排気環流通路を備える内燃機関の制御装置に関する。

排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、還元剤として燃料を供給することにより吸蔵したＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒を有する排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１では、還元剤としての燃料添加を、内燃機関の排気弁が開く所定のクランク角位置で行うことが記載されている。

また、ディーゼルエンジンなどの内燃機関において、排気通路から排気ガスの一部を吸気通路へ戻し、機関内での燃焼温度を下げることにより、ＮＯｘの発生を抑制する排気再循環（ＥＧＲ：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が知られている。排気通路の触媒より下流側の位置から排気を吸気側へ環流させるＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンの例が特許文献２に記載されている。

特開２００２−１０６３３２号公報特開２００１−２３４７７２号公報

特許文献１の技術では、複数回の燃料添加を行うときには、各燃料添加は所定のクランク角で実施される。しかし、内燃機関の全てのサイクルで燃料添加が行われるわけではなく、燃料添加が行われるサイクルと行われないサイクルとが混在する。このため、排気の空燃比がリーンとリッチとを繰り返し、吸気側に送られるＥＧＲガス中のＣＯ_２濃度が変動するため、内燃機関の燃焼状態が変動してしまう。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲ装置を備える内燃機関の制御装置において、排気中へ燃料添加を行うことによる機関の燃焼変動を抑制することを課題とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の制御装置は、吸気通路に設けられたコンプレッサ及び排気通路に設けられたタービンを有するターボチャージャと、前記排気通路上の前記タービンより下流側に設けられた排気浄化装置と、前記排気通路上の前記排気浄化装置より下流側の位置から、前記吸気通路上の前記コンプレッサより上流側の位置へ排気を環流させる排気環流装置と、前記排気浄化装置を流れる排気に燃料を添加する燃料添加装置と、を備え、前記燃料添加装置は、前記排気環流装置の動作中は、前記内燃機関の各サイクルにおいてクランク角に同期して燃料を添加する。

上記の内燃機関の制御装置は、例えばターボチャージャを備えるディーゼルエンジンに好適に適用することができる。排気通路上であってタービンより下流側には、例えばＤＰＦ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒などの排気浄化装置が設けられる。また、排気通路上の排気浄化装置より下流側から、吸気通路上のコンプレッサより上流側へは、ＥＧＲ装置などの排気を環流させる装置が設けられている。さらに、排気浄化装置に至る排気中に燃料を添加する燃料添加装置が設けられている。この燃料添加は、ＤＰＦのＰＭ再生、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のリッチスパイクなどの目的で実施される。

上記の構成では、排気に添加された燃料が排気浄化装置にて酸素と反応して二酸化炭素が発生し、二酸化炭素を含む排気がＥＧＲガスとして吸気側に戻される。よって、燃料添加タイミングがまちまちであると、排気中の二酸化炭素濃度或いは酸素濃度が変動するので吸気中の二酸化炭素濃度或いは酸素濃度も変動し、内燃機関の燃焼変動を生じさせる。そこで、燃料添加装置は、排気環流装置の動作中は、内燃機関の各サイクルにおいてクランク角に同期して燃料を添加する。これにより、排気中の二酸化炭素濃度或いは酸素濃度が均一化されるので、吸気中の二酸化炭素濃度或いは酸素濃度も均一化され、燃焼変動を抑制することができる。

上記の内燃機関の制御装置の一態様では、前記燃料添加装置は、前記内燃機関のクランク角が所定クランク角となる度に燃料を添加する。なお、この場合、内燃機関のサイクル中に複数回燃料添加を行ってもかまわない。

好適な例では、前記排気浄化装置は粒子状物質除去装置であり、前記燃料添加装置は、燃料を添加することにより前記粒子状物質除去装置を昇温し再生する。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

［装置構成］
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置１００の概略構成を示すブロック図である。なお、図１において、実線の矢印は吸気及び排気の流れを示し、破線の矢印は制御信号を示す。

図１において、内燃機関の制御装置１００は、内燃機関１０として直列４気筒のディーゼルエンジンを備える。内燃機関１０の各気筒は、吸気マニホールド１１及び排気マニホールド１２に接続されている。内燃機関１０は、各気筒に設けられた燃料噴射弁１５と、各燃料噴射弁１５に対して高圧の燃料を供給するコモンレール１４とを備え、コモンレールには不図示の燃料ポンプにより燃料が高圧状態で供給される。クランク角センサ１８は、内燃機関１０のクランク角を検出し、検出信号Ｓ２をＥＣＵ７へ供給する。

吸気マニホールド１１に接続された吸気通路２０には、内燃機関１０への流入空気量を計測するエアフローメータ２１と、スロットル２２弁と、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ａと、吸気を冷却するインタークーラ２４とが設けられている。一方、排気マニホールド１２に接続された排気通路２５には、ターボチャージャ２３のタービン２３ｂと、ＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）３０が設けられている。

また、気筒毎に設けられた燃料噴射弁１５とは別に、未燃燃料を噴射する燃料添加弁１７が排気マニホールド１２に設けられている。本実施形態では、燃料添加弁１７は、排気通路２５上のＤＰＦ３０に堆積する粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）の再生を行うために使用される。即ち、燃料添加弁１７により排気に燃料を添加してＤＰＦ３０を昇温し、ＤＰＦ３０に捕集されたＰＭを燃焼させて処理する。

内燃機関の制御装置１００は、ターボチャージャの下流側からＥＧＲガスと取り出すＥＧＲ装置（以下、「低圧ループＥＧＲ装置」と呼ぶ。）を備える。具体的には、図示のように、排気通路２５上のＤＰＦ３０より下流側の位置と、吸気通路２０のコンプレッサ２３ａより上流側の位置とを接続するＥＧＲ通路３５が設けられている。ＥＧＲ通路３５には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３６と、ＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲ弁３７とが設けられている。

内燃機関の制御装置１００の各要素は、ＥＣＵ７により制御されている。具体的には、ＥＣＵ７は、スロットル弁２２に制御信号Ｓ１を送りスロットル弁２２の開度を制御する。また、ＥＣＵ７は、燃料噴射弁１５に制御信号Ｓ３を送って燃料噴射量を制御するとともに、燃料添加弁１７に制御信号Ｓ４を送って燃料添加タイミング及び燃料添加量を制御する。さらに、ＥＣＵ７は、ＥＧＲ弁３７に制御信号Ｓ５を送ってその開度を制御する。なお、ＥＣＵ７は内燃機関の制御装置１００の他の構成要素の制御も行うが、本実施形態と特に関係の無い部分については説明を省略する。

［ＰＭ再生処理］
次に、本実施形態によるＤＰＦ３０のＰＭ再生処理について説明する。ＤＰＦ３０は、例えばセラミック多孔質フィルタなどにより構成され、排気中のＰＭを捕集する。しかし、捕集されたＰＭはフィルタ上に堆積するため、ＰＭを捕集し続けると、フィルタが目詰まりを生じる。よって、ある程度の量のＰＭがフィルタに堆積したときに、ＤＰＦ３０を通過する排気中に燃料を添加して排気温度を上昇させ、ＤＰＦ３０に堆積したＰＭを燃焼させて除去する必要がある。この処理を「ＰＭ再生」と呼ぶ。

本実施形態では、燃料添加弁１７によりＰＭ再生のための燃料添加を行う。具体的には、ＥＣＵ７は、ＰＭ再生が必要となったときに、燃料添加弁１７へ制御信号Ｓ４を送り、所定量の燃料を噴射させる。なお、ＰＭ再生は、ＤＰＦ３０に所定量以上のＰＭが堆積したときに行われる。ＤＰＦ３０内のＰＭ堆積量は例えばＤＰＦ３０の前後の排気圧力差などに基づいて推定することができ、その推定堆積量が所定値を超えた場合にＥＣＵ７はＰＭ再生要求があると判断し、ＰＭ再生処理を行う。なお、ＰＭの堆積量の検出方法やＰＭ再生を行う条件などに関しては、既知の各種の方法を適用することができる。

ＰＭ再生処理においては、ＥＣＵ７は、まず必要な燃料添加量を算出し、複数回にわたり燃料添加弁１７から燃料添加を実施する。図２（Ａ）及び（Ｂ）はＰＭ再生処理における燃料添加タイミング例を示す。

図２（Ｂ）は、内燃機関のサイクルとは無関係に燃料添加を行った例である。内燃機関の１サイクルはクランク角（ＣＡ）７２０度に相当する。図２（Ｂ）の例では、燃料添加が実施されるサイクルと、燃料添加が実施されないサイクルとが混在している。また、燃料添加が実施されるサイクルでも、１サイクル中の燃料添加タイミング（即ち、燃料添加が実施されるときのクランク角）はまちまちである。燃料添加により、燃料中の炭化水素（ＨＣ）と排気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生するため、燃料添加後に排気中のＣＯ_２濃度が上昇する。この排気は、ＥＧＲガスとして吸気側へ戻されるため、吸気中のＣＯ_２濃度も上昇する。図２（Ｂ）に示す例のように、燃料添加タイミングがばらばらであると、吸気中のＣＯ_２濃度が変動するため、内燃機関の燃焼状態が変動してしまう。

これに対し、図２（Ａ）は本実施形態による燃料添加タイミングを示す。本実施形態では、ＰＭ再生を実施する場合であって、ＥＧＲ装置が動作している場合、内燃機関の各サイクルにおいて、同一のクランク角で燃料添加を実施する。即ち、燃料添加は内燃機関のクランク角に同期しており、内燃機関の１サイクルに相当するクランク角０〜７２０度のうち所定のクランク角（以下、「Ｘ度」とする。）において燃料添加が実施される。これにより、燃料添加が継続的に行われている間は、排気中のＣＯ_２濃度は一定となり、図２（Ａ）に示すように吸気中のＣＯ_２濃度も一定となる。よって、吸気中のＣＯ_２濃度の変動が無くなるので、燃焼状態の変動を防止することができる。

なお、図２（Ａ）の例では、内燃機関の１サイクル中に燃料添加を１回行っている。この場合、燃料添加はクランク角７２０度間隔で実施される。しかし、本発明では、燃料添加を行うクランク角の間隔（以下、「燃料添加サイクル」と呼ぶ。）は７２０度には限られない。例えば、内燃機関の１サイクル中に２回の燃料添加を実施する場合には、クランク角３６０度ごとに燃料添加を実施すればよい。この場合、上記の例では、内燃機関の各サイクルにおいて、クランク角がＸ度のときと、（Ｘ＋３６０）度のときに燃料添加を実施すればよい。同様に、さらに燃料添加タイミングの間隔を短くし、クランク角１８０度ごとに燃料添加を行うこととしてもよい。

次に、燃料添加サイクルについて検討する。理論上は、クランク角１８０度ごとに燃料添加を行うと、内燃機関の１回の爆発に対して１回の燃料添加が実施されることになり好ましい。しかし、実際問題としては、燃料添加弁１７からの噴射量の精度による制約がある。燃料噴射弁は、噴射量が十分に多い場合には精度よく噴射量を制御できるが、噴射量が少ないと１回あたりの噴射量の誤差が大きくなり、噴射量の精度が低下するという性質がある。よって、理論上はクランク角１８０度ごとに燃料添加を行うことが望ましいが、１回あたりの噴射量が、噴射量の精度を維持できる最低限の噴射量（以下、「最低噴射量」と呼ぶ。）より小さくなる場合は、クランク角３６０度又は７２０度ごとに燃料噴射を行うようにして、１回あたりの燃料添加量を最低噴射量以上とすることが好ましい。このように、燃料添加サイクルは、現実的には燃料添加弁の能力、精度を考慮して決定することが好ましい。

図３は、本実施形態による燃料添加処理のフローチャートである。なお、この例では、内燃機関の１サイクル中に、クランク角＝Ｘ度のタイミングで１回の燃料添加を行うものとする。即ち、添加サイクルは、クランク角７２０度である。

まず、ＥＣＵ７は、ＰＭ再生要求があるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。一例としては、前述のように、例えばＤＰＦ３０におけるＰＭ堆積量を検出又は推定し、所定の堆積量を超える場合にＰＭ再生要求ありと判断する。ＰＭ再生要求が無い場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、処理は終了する。

一方、ＰＭ再生要求がある場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７は１回あたりの燃料添加量を算出する（ステップＳ１０２）。燃料添加量の算出方法について以下に説明する。ＰＭ再生のためにＤＰＦ３０を昇温する目標温度は予め決定されており、ＥＣＵ７はこれを記憶している。ＥＣＵ７は、例えば温度センサによりＤＰＦ３０の温度、又は、ＤＰＦ３０に流入する排気温を検出することにより、現在のＤＰＦ３０の温度を検出又は推定する。そして、現在のＤＰＦ３０の温度と目標温度との差、即ち、ＤＰＦ３０を昇温すべき昇温量ΔＴを算出する。そして、以下の式（１）によりＤＰＦ３０を昇温するための必要エネルギーを求め、式（２）により１回あたりの燃料添加量を算出する。

（必要エネルギー）＝（添加サイクル中の空気流量）×（昇温量ΔＴ）×比熱（１）
（燃料添加量）＝（必要エネルギー）／（単位量の燃料による発熱量）（２）
こうして、１回の燃料添加量を算出すると、ＥＣＵ７は、クランク角センサ１８からの検出信号Ｓ２を参照し、クランク角が所定の燃料噴射クランク角（Ｘ度）になったときに（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、燃料添加弁１７に制御信号Ｓ４を送って燃料添加を実施する（ステップＳ１０４）。そして、ＥＣＵ７は、ＤＰＦ３０が目標温度に達したか否かを判定し（ステップＳ１０５）、目標温度に達した場合には処理を終了する。一方、ＤＰＦ３０が目標温度に達しない場合、処理はステップＳ１０３へ戻り、燃料添加を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態では、ＰＭ再生処理において、クランク角に同期して、内燃機関の各サイクル中の所定のクランク角のタイミングで燃料添加を実施するので、排気中のＣＯ_２濃度を一定にすることができる。その結果ＥＧＲ装置により吸気側へ環流するＣＯ_２濃度も一定に維持することができ、内燃機関の燃焼変動を防止することができる。

［変形例１］
上記の実施形態では、内燃機関の制御装置１００は、低圧ループＥＧＲ装置のみを備えている。その代わりに、低圧ループＥＧＲ装置と高圧ループＥＧＲ装置の両方を備える内燃機関の制御装置に対して本発明を適用することも可能である。そのような内燃機関の制御装置の一例を図４に示す。

図４において、排気通路２５のタービン２３ｂの上流位置と、吸気通路２０のインタークーラ２４より下流位置とは、ＥＧＲ通路３１により接続されている。ＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲ弁３３が設けられている。なお、このようにＥＧＲ経路がターボチャージャの上流側にあるＥＧＲ装置を、以下「高圧ループＥＧＲ装置」と呼ぶ。

なお、本発明は、基本的に低圧ループＥＧＲ装置を備える内燃機関の制御装置に適用することが有効であるが、高圧ループＥＧＲ装置のみを備える内燃機関の制御装置であっても、添加燃料がＥＧＲガスを通じて吸気に混入しうるような構成のものには適用の余地がある。

［変形例２］
上記の実施形態では、ＤＰＦ３０のＰＭ再生のために、燃料添加弁１７により排気に燃料が添加されている。これに対し、排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型の触媒を備える内燃機関の制御装置においては、排気の空燃比を一時的にリッチとして、触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるために排気に燃料を添加することが行われる（一般的に「リッチスパイク」とも呼ばれる。）。このような目的で排気中に燃料を添加する場合にも本発明を適用することができる。即ち、ＥＣＵ７は、リッチスパイクを行う際に、図２（Ａ）に示すように、内燃機関の各サイクルでクランク角に同期して所定のクランク角のタイミングで燃料添加を実施すればよい。

実施形態に係る内燃機関の制御装置の概略ブロック図である。燃料添加タイミングの例を示す図である。燃料添加処理のフローチャートである。変形例に係る内燃機関の制御装置の概略ブロック図である。

符号の説明

７ＥＣＵ
１０内燃機関（エンジン）
１７燃料添加弁
２０吸気通路
２３ターボチャージャ
２５排気通路
３０ＤＰＦ
３１、３５ＥＧＲ通路
３３、３７ＥＧＲ弁

Claims

内燃機関の制御装置であって、
吸気通路に設けられたコンプレッサ及び排気通路に設けられたタービンを有するターボチャージャと、
前記排気通路上の前記タービンより下流側に設けられた排気浄化装置と、
前記排気通路上の前記排気浄化装置より下流側の位置から、前記吸気通路上の前記コンプレッサより上流側の位置へ排気を環流させる排気環流装置と、
前記排気浄化装置を流れる排気に燃料を添加する燃料添加装置と、を備え、
前記燃料添加装置は、前記排気環流装置の動作中は、前記内燃機関の各サイクルにおいてクランク角に同期して燃料を添加することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記燃料添加装置は、前記内燃機関のクランク角が所定クランク角となる度に燃料を添加することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記排気浄化装置は粒子状物質除去装置であり、前記燃料添加装置は、燃料を添加することにより前記粒子状物質除去装置を昇温し再生することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。