JP2020041454A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】着火性の低い運転領域における着火性向上。【解決手段】内燃機関システムの、ＥＧＲ通路に、ＮＯｘを酸化できるＮＯｘ酸化触媒を設置する。制御装置は、排気中の酸素濃度を増量させる増量要求を検知した場合に、排気中のＮＯ濃度を推定し、目標酸素濃度を設定し、排気の酸素濃度が目標酸素濃度となるように制御する。ここで設定される目標酸素濃度は、推定された排気中のＮＯ濃度に応じて算出される値であり、ＮＯｘ酸化触媒におけるＮＯの酸化速度を上昇させることができる酸素濃度である。【選択図】図６

Description

本発明は内燃機関システムに関する。

近年、ガソリンエンジンにおいて、混合気を自着火させる燃焼方式で運転される圧縮自着火運転の採用が検討されているが、圧縮自着火運転は、低負荷で実行された場合、排気温度が低下して触媒床温が低下する傾向にある。これに対し、特許文献１には、圧縮自着火運転が可能なエンジンにおいて、触媒が不活性状態にあると判定された場合に、触媒活性化のために可変動弁機構の動作を変更して、燃焼室内に残留するガス量を増加させる制御を行なうことが記載されている。特許文献１によれば、この制御により、燃焼室の空燃比はリッチ化され、排気ガス中の一酸化炭素濃度が増加する。その結果、触媒床温の低下が抑制され、触媒活性化が図られる。

特開２００４−２５７３３１号公報 特開２００７−２６２９５４号公報 特開２０１４−２１４７３０号公報

低負荷運転時には、筒内温度の低下及び空気量減少により着火性が低下する虞がある。またリッチ燃焼での着火性は低い。このため特許文献１のように燃焼室内をリッチ化させる制御が低負荷運転時に行われた場合、着火性の低下により失火が発生する事態が生じ得る。従って、着火性の低い運転領域における着火性を向上させる技術の開発が望まれる。

本発明は以上の課題を鑑みてなされたものであり、着火性の低い運転領域において着火性を向上させることができるように改良された内燃機関システムを提供するものである。

本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、ＥＧＲ通路と、ＮＯｘ酸化触媒と、酸素濃度変更手段と、制御装置と、を備える。ＥＧＲ通路は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続し、排気通路から排気の一部を吸気通路側に還流させるための通路である。ＮＯｘ酸化触媒は、ＥＧＲ通路に配置され、ＮＯｘを酸化することができる触媒である。酸素濃度変更手段は、ＮＯｘ酸化触媒における酸素濃度を変更することができる。制御装置は、酸素濃度変更手段の制御パラメータの値を決定し、制御パラメータの値に応じて酸素濃度変更手段を制御するように構成されている。

制御装置は、更に、排気中の酸素濃度を増量させる増量要求を検知した場合に、排気中のＮＯ濃度を推定し、目標酸素濃度を設定し、ＮＯｘ酸化触媒の酸素濃度が目標酸素濃度となるように、燃料噴射弁の操作量を決定するように構成されている。ここで目標酸素濃度は、推定された排気中のＮＯ濃度に応じて算出される値であり、ＮＯｘ酸化触媒におけるＮＯの酸化速度を上昇させることができる酸素濃度である。

本発明の内燃機関システムによれば、排気中の酸素の増量が要求された場合、排気中の酸素濃度は、ＮＯ濃度に応じて設定された、ＮＯｘの酸化速度を上昇させる目標酸素濃度となるように制御される。これにより着火性の向上が要求されるような場合に、ＮＯｘ酸化触媒での反応速度を上昇させて、より多くのＮＯ_２を筒内に供給することができ、着火性を向上させることができる。

本発明の実施の形態の内燃機関システムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態における、ＮＯ濃度とＯ_２濃度の目標値と温度との関係を説明するための図である。 膨張行程での燃料噴射量と排気Ｏ_２濃度との関係を示す図である。 膨張行程での燃料噴射時期と排気Ｏ_２濃度との関係を示す図である。 膨張行程での燃料噴射圧と排気Ｏ_２濃度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態において実行される制御ルーチンをフローチャートで示した図である。 本発明の実施の形態の他の制御ルーチンをフローチャートで示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

図１は、本発明の実施の形態の内燃機関システムの全体構成を模式的に示す図である。本実施の形態の内燃機関システムは、複数のシリンダを有する多気筒エンジン（以下、単にエンジンという）２を有する。シリンダの数と配置に限定はない。シリンダごとに、インジェクタ４が設置されている。各シリンダの各吸気ポートには吸気通路６が連通し、各排気ポートには、排気通路８が連通している。

図１のシステムは、排気の一部を排気通路８から取り出し、吸気通路６に再循環させるためのＥＧＲ通路１０を有している。ＥＧＲ通路１０には、ＮＯｘ酸化触媒１２が設置されている。ＮＯｘ酸化触媒１２は、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化することができる。

図１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を備える。ＥＣＵ２０には、エンジン２及び車両に取り付けられた各種センサが接続されている。ＥＣＵ２０は、少なくとも入出力インタフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有している。入出力インタフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、インジェクタ４の他、エンジン２が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＲＯＭには、エンジン２を制御するための各種の制御プログラムやマップを含む各種の制御データが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをＲＯＭから読みだして実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

ところで、筒内にＮＯｘを導入することで、エンジン２の着火性を改善することができる。但し、導入されるのがＮＯの場合、着火性促進の効果を得るためには、同時にＨＣが導入される必要がある。しかしながら、通常の運転条件下ではＨＣが導入される状態は考えにくい。ＨＣが存在しないことを前提とする場合、着火性促進の効果を得るためには、ＮＯ_２を導入することが望ましい。

そこで本実施の形態の内燃機関システムは、ＮＯｘ酸化触媒１２をＥＧＲ通路１０に設置した構成としている。ＮＯｘ酸化触媒１２により、ＥＧＲガス中のＮＯｘを酸化することができ、ＥＧＲガス中のＮＯ_２の割合を増加させることができる。これにより筒内により多くのＮＯ_２を供給することができ、着火性促進の効果を高めることができる。

また、ＥＣＵ２０は、着火性が不足すると推定される運転条件下では、排気ＮＯ濃度が高い場合ほど、排気Ｏ_２を増加させるようにするＯ_２増量制御を実行する。これにより、着火性の不足が予測される運転条件下では、確実にＮＯｘを酸化させて、筒内により多くのＮＯ_２を供給可能とし、着火性の改善を図る。

図２は、本実施の形態のＯ_２増量制御における、ＮＯ濃度と、Ｏ_２濃度の目標値と、温度との関係を説明するための図である。図２に示されるように、温度が同一である場合、ＮＯ濃度が高い場合ほど、Ｏ_２濃度の目標値（以下「目標Ｏ_２濃度」とする）が高くなるように設定される。またＮＯ濃度が同一である場合、温度が低温である場合ほど、目標Ｏ_２濃度が高くなるように設定される。

図２に示されるＮＯ濃度と目標Ｏ_２濃度と温度との関係性は、Ｏ_２濃度の増量により、ＮＯの酸化速度を上げる観点から特定されるものである。図２に示されるような具体的なＮＯ濃度と目標Ｏ_２濃度と温度との関係は、実験や演算等により予め求め、ＥＣＵ２０にマップ等として定めておく。実際の制御においては、このマップに従って、現在のＮＯｘ酸化触媒１２の温度と、推定されたＮＯ濃度に対応する、目標Ｏ_２濃度が設定される。

但し、目標Ｏ_２濃度の算出方法は、これに限られない。例えば、次の数１式に示すアレニウスの式に従って、ＮＯ濃度とＮＯｘ酸化触媒１２の温度に応じて、目標Ｏ_２濃度を算出する構成であってもよい。

Ｏ_２増量制御では、目標Ｏ_２濃度に応じて、排気Ｏ_２濃度を上げる制御を実行する。これにより、ＮＯｘ酸化触媒１２に導入されるＥＧＲガスのＯ_２濃度が、目標Ｏ_２濃度となるようにする。本実施の形態では、排気Ｏ_２濃度を上昇させる手段は問わないが、以下に、膨張行程燃料噴射を行う燃焼形態でのＯ_２増量制御の例を示す。

一例として、膨張行程での燃料噴射量を減少することが挙げられる。図３は、膨張行程での燃料噴射量と排気Ｏ_２濃度との関係を示す図である。図３に示されるように、膨張行程での燃料噴射量が減少することで、筒内でのＯ_２消費量が減少するため、排気Ｏ_２濃度が上昇する。従って、膨張行程での燃料噴射量を制御パラメータとし、図３に示されるような関係に基づいて、目標Ｏ_２濃度に応じて燃料噴射量を増減させることで、ＮＯｘ酸化触媒１２に供給されるＥＧＲガスのＯ_２濃度を目標Ｏ_２濃度に制御することができる。

また、他の例として、膨張行程での燃料噴射時期を遅角化することが挙げられる。図４は、膨張行程での燃料噴射時期と排気Ｏ_２濃度との関係を示す図である。図４に示されるように、膨張行程における噴射時期を遅角化することで、筒内温度の低下に伴う燃焼量の減少により、排気Ｏ_２濃度を上昇させることができる。従って、膨張行程での燃料噴射量を制御パラメータとして、図４に示されるような関係に基づいて、目標Ｏ_２濃度に応じて燃料噴射時期を変化させることで、ＮＯｘ酸化触媒１２に供給されるＥＧＲガスのＯ_２濃度を目標Ｏ_２濃度に制御することができる。

また、他の例として、膨張行程での燃料噴射圧を昇圧することが挙げられる。図５は、膨張行程での燃料噴射圧と排気Ｏ_２濃度との関係を示す図である。図５に示されるように、膨張行程での燃料噴射圧を昇圧側に制御することで、排気Ｏ_２濃度を上昇させることができる。燃料噴射圧の変化により筒内での噴霧配置が変化し、高圧になるほど壁面周辺のＯ_２のみを消費するようになるため、Ｏ_２の消費量が減少するからである。従って、膨張行程での燃焼噴射圧を制御パラメータとして、図５に示されるような関係に基づいて、目標Ｏ_２濃度に応じて燃料噴射圧を変化させることで、ＮＯｘ酸化触媒１２に供給されるＥＧＲガスのＯ_２濃度を目標Ｏ_２濃度に制御することができる。

上記の制御パラメータは、１つ又は組み合わせて用いることで、ＥＧＲガスのＯ_２濃度を目標Ｏ_２濃度となるように制御することができる。但し、Ｏ_２濃度を変化させるための制御パラメータは、上述したものに限られない。

図６は、ＥＣＵ２０が実行する具体的な制御ルーチンをフローチャートで示した図である。図６のルーチンでは、まず、ステップＳ１０２において、現在の運転条件が取得される。現在の運転条件とは、例えば、エンジン回転速度、負荷、吸気温度等の条件である。そして、ステップＳ１０４において、Ｏ_２の増量が必要であり、かつ、Ｏ_２増量が可能なＯ_２増量運転領域が取得される。ここでＯ_２増量が必要な運転領域とは、着火性が不足する運転領域であり、より具体的には、吸気絞りでのリッチ燃焼、吸気絞りで排気温を上昇させる燃料、低吸気温条件、及び低圧縮比エンジン等の圧縮端温度が低い条件下での、軽負荷運転領域である。具体的な、Ｏ_２増量運転領域は予め設定され、ＥＣＵ２０に記憶されている。

次に、ステップＳ１０６において、現在、Ｏ_２増量運転領域にあるか否かが判別される。ステップＳ１０６において、Ｏ_２増量運転領域にはないと判別された場合には、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ１０６において、Ｏ_２増量運転領域であると判別された場合、次に、ステップＳ１０８に進み、排気中のＮＯ濃度が取得される。ここで取得されるＮＯ濃度は、排気通路８の、ＥＧＲ通路１０との分岐部よりも排気上流側のＮＯ濃度を示す値であればよい。従ってＮＯ濃度は、検出可能なセンサによる検出値であってもよいし、運転条件に基づき算出された推定値であってもよい。

次に、ステップＳ１１０に進み、目標Ｏ_２濃度が算出される。目標Ｏ_２濃度は、上述したようにマップ又はモデル式に、現在のＮＯｘ酸化触媒１２の床温とステップＳ１０８で取得されたＮＯ濃度を代入することで算出される。

次に、ステップＳ１１２に進み、目標Ｏ_２濃度に応じて、制御パラメータの値が算出される。次に、ステップＳ１１４に進み、設定された制御パラメータの値に従ってＯ_２増量制御が実行される。その後、今回の処理が終了する。

以上説明したように、本実施の形態の制御によれば、Ｏ_２増量によるＮＯ_２の増量が要求される環境下で、排気のＮＯ濃度に応じてＯ_２増量制御が実行されることで、筒内に導入されるＮＯ_２を増量することができる。従って、着火性が不足する運転領域における着火性を確実に改善することができる。

なお、本実施の形態では、取得した運転条件が、Ｏ_２増量が必要かつＯ_２増量が可能なＯ_２増量運転領域である場合に、Ｏ_２増量制御を実行する場合について説明した。しかし、Ｏ_２増量制御の実行は、この場合に限られない。他の制御例を図７に示す。

図７のルーチンでは、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理に替えて、ステップＳ２０２〜Ｓ２０８の処理が実行される。具体的には、ステップＳ２０２において、リッチ燃焼の要求があったか否かが判別される。リッチ燃焼の要求は、例えば、排気通路８に配置された排気浄化触媒の床温上昇や再生処理が必要な場合等に要求される。

リッチ燃焼の要求があった場合には、ステップＳ２０４において、現在の運転条件が取得され、ステップＳ２０６において、リッチ燃焼で着火性の不足が予想される運転領域である着火性不足領域が取得される。着火性不足領域は、例えば、負荷、筒内温度等により特定される運転領域であり、予めＥＣＵ２０に記憶されている。次に、ステップＳ２０８に進み、ステップＳ２０４において取得された運転条件が、ステップＳ２０６で取得された着火性不足領域にあるか否かが判別される。ステップＳ２０８において、現在の着火性不足領域であると判別された場合に、ステップＳ１０８〜Ｓ１１４に従って、Ｏ_２増量制御が実行される。

以上の実施の形態をまとめると、内燃機関システムは、内燃機関と、燃料噴射弁と、ＥＧＲ通路と、ＮＯｘ酸化触媒と、制御装置と、を備える。ＥＧＲ通路は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続し、排気通路から排気の一部を吸気通路側に還流させるための通路である。ＮＯｘ酸化触媒は、ＥＧＲ通路に配置され、ＮＯｘを酸化することができる触媒である。燃料噴射弁は、ＮＯｘ酸化触媒における酸素濃度を変更できるアクチュエータである。制御装置は、燃料噴射弁の操作量を決定し、操作量に応じて燃料噴射弁を制御するように構成されている。制御装置は、更に、排気中の酸素濃度を増量させる増量要求を検知した場合に、排気中のＮＯ濃度を推定し、目標酸素濃度を設定し、排気の酸素濃度が目標酸素濃度となるように、燃料噴射弁の操作量を決定するように構成されている。ここで目標酸素濃度は、推定された排気中のＮＯ濃度に応じて算出される値であり、ＮＯｘ酸化触媒におけるＮＯの酸化速度を上昇させることができる酸素濃度である。

本発明の内燃機関システムによれば、排気中の酸素の増量が要求された場合、排気中の酸素濃度は、ＮＯ濃度に応じて設定された、ＮＯｘの酸化速度を上昇させる目標酸素濃度となるように制御される。これにより着火性の向上が要求されるような場合に、ＮＯｘ酸化触媒での反応速度を上昇させて、より多くのＮＯ_２を筒内に供給することができ、着火性を向上させることができる。

以上の実施の形態においては、酸素濃度を変更できる酸素濃度変更手段として燃料噴射弁を用い、制御パラメータとして、膨張行程燃料噴射を行う燃焼形態における燃料噴射量、燃料噴射時期、及び、燃料噴射圧のうち何れか１以上のパラメータを用いてＯ_２増量制御を行なう例を述べた。

しかし、これに限られず、酸素濃度手段は、例えば、ＥＧＲ装置においてＥＧＲ量を調整するアクチュエータであってもよい。より具体的には、ＥＧＲ量をＥＧＲ弁により調整する場合には、制御パラメータはＥＧＲ弁の操作量である。そして、ＥＧＲ率制御によるＯ_２増量制御は、Ｏ_２濃度を高めたいときにはＥＧＲ率を低下させ、Ｏ_２濃度を抑制したいときにはＥＧＲ率を増加させるように制御することで実現できる。

また、酸素濃度手段は、過給圧や吸気スロットルを調整するアクチュエータであってもよい。より具体的には、例えば、過給圧のウエイストゲートバルブ又は可変ノズル等の過給圧を調整するアクチュエータ、又は、吸気スロットルを、酸素濃度変更手段として用いることができ、この場合、これらアクチュエータに対する操作量が制御パラメータとなる。そして、Ｏ_２濃度を高めたいときには過給圧を増加、又は吸気スロットルを開けるように制御パラメータを設定することで、Ｏ_２増量制御を実現することができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ エンジン
４ インジェクタ
６ 吸気通路
８ 排気通路
１０ ＥＧＲ通路
１２ ＮＯｘ酸化触媒

Claims (1)

1. 内燃機関と、
   内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に配置され、ＮＯｘを酸化するＮＯｘ酸化触媒と、
   前記ＮＯｘ酸化触媒における酸素濃度を変更できる酸素濃度変更手段と、
   前記酸素濃度変更手段の制御パラメータの値を決定し、前記制御パラメータの値に応じて前記酸素濃度変更手段を制御するように構成された制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、更に、
   排気中の酸素濃度を増量させる増量要求を検知した場合に、
   排気中のＮＯ濃度を推定し、
   推定されたＮＯ濃度に応じて、前記ＮＯｘ酸化触媒におけるＮＯの酸化速度を上昇させることができる酸素濃度を目標酸素濃度として設定し、
   前記ＮＯｘ酸化触媒の酸素濃度が前記目標酸素濃度となるように、前記制御パラメータの値を決定する、
   ように構成されていることを特徴とする内燃機関システム。

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