JP4789291B2

JP4789291B2 - 内燃機関の昇温運転制御装置

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Publication number: JP4789291B2
Application number: JP2008002759A
Authority: JP
Inventors: 潤一栗田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: JP2009162190A; EP2233725B1; WO2009087707A1; EP2233725A1; EP2233725A4

Description

本発明は、制御精度の向上等を実現した内燃機関の昇温運転制御装置に関する。

ディーゼルエンジンを搭載した自動車の排気系には、排気ガス中の有害排出ガス成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx、ＰＭ等）を浄化すべく、ディーゼル酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：以下、ＤＯＣと記す）やディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter：以下、ＤＰＦと記す）等の排気浄化手段が設けられることが多い。一般に、排気浄化手段は活性温度に達しないとその浄化性能を発揮できないため、冷間始動時においては、排気浄化手段の温度を短時間で上昇させるべく、昇温運転制御（ＥＧＲ（Exhaust gas recirculation：排気ガス再循環）ガスの導入あるいは抑制や燃料噴射時間の延長等）が行われることが多い。

昇温運転制御は、エンジンのドライバビリティ等に影響を及ぼすため、エンジンの暖機状態に応じて行うことが望ましく、従来は冷却水温に基づいてその可否や実行時間を決定していた。しかしながら、冷却水温は、暖機状態を判定する指標としては適切なものではなく、例えば外気温が高い夏期等には、暖機が進行していないにも拘わらず冷却水温が高くなるため、冷却水温に基づいてＥＧＲガスの導入量を増加させると失火が生じることがある。そこで、燃料噴射量とエンジン回転速度とに基づき、初動時（クランキング開始時点）からのエンジンの総発生熱量を算出し、総発生熱量が所定の閾値に達した時点で暖機の完了を判定する方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−８９３４３号公報

上述した特許文献１の方法には、噴射された燃料がエンジンや排気浄化手段の昇温に寄与しないクランキング時から総発生熱量を算出するため、必ずしも暖機状態の正確な判定が行われないという問題があった。周知のように、エンジンが始動（完爆）するまでのクランキング期間は一定の値をとるものではなく、吸気温の低下等によって燃料が着火し難くなる寒冷時には有意に長くなる。そのため、特許文献１の方法を採用した場合、クランキング期間が長いと暖機が実際よりも進行していると判定されてしまい、不適切な昇温運転制御によって運転性能の悪化や有害排出ガス成分の増大等がもたらされる虞がある。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、制御精度の向上等を実現した内燃機関の昇温運転制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、排気系に排気浄化手段を有する内燃機関に付設され、当該排気浄化手段を昇温させるべく当該内燃機関を昇温運転制御する昇温運転制御装置であって、前記内燃機関が所定の完爆運転状態になったか否かを判定する完爆判定手段と、前記完爆判定手段によって前記内燃機関が完爆運転状態になったと判定された場合、その時点からの前記内燃機関の総発生熱量を燃料消費量に基づいて推定する総熱量推定手段とを備え、前記内燃機関には、インテークシャッターとＥＧＲ装置とコモンレールと可変ターボチャージャとのうち少なくとも１つが付設され、前記総発生熱量が第１昇温判定値に至らない場合、前記インテークシャッターの開放と、前記ＥＧＲ装置によるフュエルカット運転時におけるＥＧＲガスの導入と、前記コモンレールのレール圧の低減とのうち少なくとも１つによる第１昇温運転モードによる昇温処理を開始し、前記総発生熱量が第１昇温判定値と第２昇温判定値との間にある場合、前記第１昇温運転モードによる昇温処理に加え、前記ＥＧＲ装置による通常運転時におけるＥＧＲガスの導入と、前記可変ターボチャージャの過給量の低減とのうち少なくとも一方を用いる第２昇温運転モードによる昇温処理も開始し、前記総発生熱量が第２昇温判定値に達した場合、前記第１昇温運転モードによる昇温処理と前記第２昇温運転モードによる昇温処理とを中止することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係る内燃機関の昇温運転制御装置において、前記第１昇温運転モードによる昇温処理と前記第２昇温運転モードによる昇温処理とは、どちらもランプ制御を伴って開始されることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る内燃機関の昇温運転制御装置において、前記第１昇温運転モードによる昇温処理と前記第２昇温運転モードによる昇温処理とは、どちらもランプ制御を伴って中止されることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明に係る内燃機関の昇温運転制御装置において、前記昇温運転制御量設定手段は、吸気温度と冷却水温度とのうち少なくとも一方が所定の温度範囲外にある場合、前記昇温運転制御量の設定を行わないことを特徴とする。

第１の発明によれば、エンジンが完爆運転状態になった時点から総発生熱量が算出されるため、暖機状態の正確な判定が行われるようになり、運転性能の悪化や有害排出ガス成分の増大等が抑制される。また、第１昇温運転モードにおいては、エンジンの始動直後の燃焼を悪化させ難い装置を用いて昇温制御を行うことにより、失火等を招くことなく排気浄化手段を昇温させることができる。第２昇温運転モードにおいては、エンジンが安定運転状態であれば燃焼悪化をもたらさない装置をも用いて昇温制御を行うことにより、排気浄化手段の効果的かつ迅速な昇温を実現できる。また、第４発明によれば、エンジンの冷機時や温機時には、通常時運転制御や冷機時運転制御に移行することで、排気浄化手段の不要な昇温制御を行うことによる燃料消費を防止できる。

以下、図面を参照して、本発明が適用されたエンジンシステムの一実施形態を詳細に説明する。
図１は実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図であり、図２は実施形態に係る各機器とエンジンＥＣＵとの接続状態を示すブロック図である。

≪実施形態の構成≫
図１に示すように、エンジンシステム１は、直列４気筒ディーゼルエンジン（内燃機関：以下単にエンジンと記す）Ｅを中核に、エアクリーナ２や吸気管３、吸気マニホールド４等からなる吸気系と、排気マニホールド５や排気管６等からなる排気系と、コモンレール７や電子制御式の燃料噴射弁８等からなる燃料供給系とを備えている。本実施形態では、車室内にエンジンシステム１を統括制御するエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit：以下、単にＥＣＵと記す）９が設置される一方、運転席には運転者によって操作されるアクセルペダル１０が設置されている。なお、エンジンＥには、そのクランク角度を検出するクランク角センサ１１と、気筒内の圧力を検出する筒内圧センサ１２と、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１３が設置されている。また、アクセルペダル１０には、その踏込量を検出するアクセルペダルセンサ１４が付設されている。

吸気管３と排気管６との間には可変容量型ターボチャージャ（Variable Geometry Turbocharger:以下、ＶＧターボと記す）２１が設置され、排気ガスのエネルギーによって加圧された空気がエンジンＥに常に供給される。また、吸気管３の管路にはインテークシャッタ２２が設置され、所定の運転領域でエンジンＥの吸気量が絞られる。また、吸気管３と吸気マニホールド４との間には、低回転低負荷運転域等で流路断面積を絞って吸気流速が高めるべく、スワールコントロール弁２３が設けられている。なお、吸気系には、ＶＧターボ２１の上流側に吸気流量を検出する吸気流量センサ２４と上流側吸気温度Ｔａ１を検出する上流側吸気温センサ２５とが設置され、ＶＧターボ２１の下流側に過給圧を検出する過給圧センサ２６が設置され、インテークシャッタ２２の下流（後述するＥＧＲ弁３３の直前）に下流側吸気温度Ｔａ２を検出する下流側吸気温センサ２７が設置されている。また、インテークシャッタ２２には、その開度を検出するシャッタ開度センサ２８が付設されている。

スワールコントロール弁２３と排気マニホールド５とは、高温の排気ガスを燃焼室に導くべく、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと記す）通路３１を介して互いに連結されている。ＥＧＲ通路３１は、切換弁３２を介して分岐されたクーラー通路３１ａとバイパス通路３１ｂとからなっており、燃焼室に流入させる排気ガス（ＥＧＲガス）の量を調節するＥＧＲ弁３３がその合流部に設けられている。なお、ＥＧＲ弁３３には、その開度を検出するＥＧＲ弁開度センサ３４が付設されている。

排気管６の管路には、排気浄化手段であるＤＯＣ４１とＤＰＦ４２とを排気の流れに沿って連設してなる排気浄化装置４０が設置されている。ＤＯＣ４１とＤＰＦ４２との間には、空燃比を検出するＬＡＦ（Linear Air Fuel ratio）センサ４３と、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ４４とが設置されている。本実施形態のＤＯＣ４１は、低容量のプレ触媒をメイン触媒の上流に空隙をもって配置したタンデム・アンド・エアギャップ型である。なお、排気管６の後端（車体後部）には、排気消音に供されるマフラー４５が設置されている。

コモンレール７には、エンジンＥに駆動される吐出量可変式のサプライポンプ５１により、燃料タンク５２内の燃料が圧送される。なお、コモンレール７には、その内圧（以下、レール圧と記す）を検出するレール圧センサ５３が付設されている。

エンジンＥＣＵ９は、マイクロコンピュータやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース、各種ドライバ等から構成されている。図２に示すように、エンジンＥＣＵ９には各センサ（クランク角センサ１１や筒内圧センサ１２等）からの検出信号が入力する一方、エンジンＥＣＵ９からはエンジン制御機器（燃料噴射弁８やＶＧターボ２１等）への駆動信号が出力される。なお、エンジンＥＣＵ９には、上述したもの以外にも多数のセンサやエンジン制御機器が接続されているが、説明が煩雑になることを避けるためにそれらについての記載を省略する。

≪実施形態の作用≫
＜起動時制御＞
運転者がイグニッションキーを「ＯＮ」位置にすることでエンジンシステム１が起動されると、エンジンＥＣＵ９は、起動時制御を開始して、所定の処理インターバル（例えば、１０ｍｓ）で、図３のフローチャートにその手順を示す処理を繰り返し実行する。

エンジンＥＣＵ９は、起動時制御を開始すると、エンジンＥＣＵ９は、先ず図３のステップＳ１で、現在の冷却水温Ｔｗが高温側閾値Ｔｗｈ（例えば、５０℃）より低く、かつ、現在の吸気温Ｔａが高温側閾値Ｔａｈ（例えば、３０℃）より低いか否かを判定する。そして、この判定がＮｏであれば、エンジンＥＣＵ９は、エンジンＥがすでに暖機状態にあるため、ステップＳ２で通常時運転制御（暖機時運転制御）に移行する。なお、吸気温Ｔａは、エンジンＥの運転状況（グロープラグの通電状態等）に応じて、上流側吸気温度Ｔａ１と下流側吸気温度Ｔａ２とのどちらかが用いられる。

また、ステップＳ１の判定がＹｅｓであった場合、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ３で冷却水温Ｔｗが低温側閾値Ｔｗｌ（例えば、２０℃）より高く、かつ、吸気温Ｔａが低温側閾値Ｔａｌ（例えば、２０℃）より高いか否かを判定する。そして、この判定がＮｏであれば、エンジンＥＣＵ９は、エンジンＥが冷機状態にあるため、ステップＳ４で冷機時運転制御に移行する。なお、冷機時運転制御に移行した場合、エンジンＥＣＵ９は、エンジンＥを速やかに暖機すべく、新気導入量の増大や燃料噴射圧の減少、燃料噴射時期の遅延等を行う。

ステップＳ４の判定もＹｅｓ、すなわち、冷却水温Ｔｗが高温側閾値Ｔｗｈと低温側閾値Ｔｗｌとの間にあり、かつ、吸気温Ｔａが高温側閾値Ｔａｈと低温側閾値Ｔａｌとの間にあった場合、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ５で昇温運転制御に移行する。

＜昇温運転制御＞
昇温運転制御に移行すると、エンジンＥＣＵ９は、所定の処理インターバル（例えば、１０ｍｓ）で、図４のフローチャートにその手順を示す処理を繰り返し実行する。なお、図５は昇温運転制御における総発生熱量Ｑｔの時間的変化を示すグラフであり、図６は第１昇温運転モードおよび第２昇温運転モード（後述）の実行タイミングを示すタイムチャートである。

昇温運転制御を開始すると、エンジンＥＣＵ９は、図４のステップＳ１１でエンジンＥの回転速度Ｎｅが所定の完爆判定値Ｎｅｒ（例えば、５００ｒｐｍ）に達したか否かを判定し、この判定がＮｏであればスタートに戻ってステップＳ１１の判定を繰り返す。

運転者がイグニッションキーを「ＳＴＡＲＴ」位置にすると、エンジンＥは、図示しないスタータによってクランキングされた後に始動し、その回転速度Ｎｅが急速に上昇する。そして、エンジンＥの回転速度Ｎｅが完爆判定値Ｎｅｒに達し、ステップＳ１１の判定がＹｅｓになると、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ１２で初期値０の総熱量算出開始フラグＦｃｑが１であるか否かを判定する。

ステップＳ１２の初回の判定はＮｏとなるため、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ１３でエンジンＥの総発生熱量Ｑｔの算出を開始した後、ステップＳ１４で総熱量算出開始フラグＦｃｑを１としてスタートに戻る。なお、総発生熱量Ｑｔは、燃料噴射弁８の１回あたりの噴射量とエンジンＥの回転速度Ｎｅとの積に所定の変換係数を乗じ、その演算結果を温度補正係数Ｋｔによって補正することで算出され、図５に示すように、燃料噴射が行われるたびに徐々に増加する。温度補正係数Ｋｔは、始動時における冷却水温Ｔｗおよび吸気温Ｔａに応じて設定され、常温（例えば、２５℃）でその値が１．０となり、冷機時に１．０より大きい値となり、暖機時に１．０より小さい値となる。

ステップＳ１２の２回目以降の判定はＹｅｓとなるため、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ１５でイグニッションキーが「ＯＮ」位置にあるか否かを判定する。そして、この判定がＹｅｓであれば、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ１６で、始動時における冷却水温Ｔｗおよび吸気温Ｔａに基づき、図示しないマップから第１昇温判定値Ｑｔｈ１と第２昇温判定値Ｑｔｈ２とを設定する。なお、図６に示すように、冷却水温Ｔｗや吸気温Ｔａが高い場合には、ＤＯＣ４１の昇温が短時間で行えることから、第１昇温判定値Ｑｔｈ１および第２昇温判定値Ｑｔｈ２の値が小さく設定される。逆に、冷却水温Ｔｗや吸気温Ｔａが低い場合には、ＤＯＣ４１の昇温に長時間を要することから、第１昇温判定値Ｑｔｈ１および第２昇温判定値Ｑｔｈ２の値が大きく設定される。

（第１昇温運転モード）
次に、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ１７で総発生熱量Ｑｔが第１昇温判定値Ｑｔｈ１（例えば、２ｋＪ程度）に達したか否かを判定し、初回の判定は当然にＮｏとなるため、ステップＳ１８で第１昇温運転モードによる昇温処理を実行する。

本実施形態の場合、第１昇温運転モードでの昇温処理は、インテークシャッタ２２の開放（吸入新気量の増大）と、フュエルカット時におけるＥＧＲ弁３３の開放（減速時ＥＧＲ：高温のＥＧＲガスを燃焼室に導入）と、サプライポンプ５１の吐出量低減（コモンレール７のレール圧低減：燃料噴射弁８の噴射時間増大）との３つからなる。これらの昇温処理は、エンジンＥの始動直後に行われても燃焼を殆ど悪化させないため、失火等を招くことなくＤＯＣ４１を昇温させることができる。なお、第１昇温運転モードによる昇温処理にあたっては、運転状態の急変を抑制すべく、図６に示すように制御量を目標値に向けて徐々に変化させるランプ制御が行われる。

（第２昇温運転モード）
図５に示すように、エンジンＥの暖機の進行によって総発生熱量Ｑｔが第１昇温判定値Ｑｔｈ１に達し、ステップＳ１７の判定がＹｅｓになると、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ１９で総発生熱量Ｑｔが第２昇温判定値Ｑｔｈ２（例えば、１２ｋＪ程度）以下であるか否かを判定する。そして、この判定も当初はＹｅｓとなるため（すなわち、総発生熱量Ｑｔが第１昇温判定値Ｑｔｈ１と第２昇温判定値Ｑｔｈ２との間にあるため）、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ２０で第２昇温運転モードによる昇温処理を実行する。

本実施形態の場合、第２昇温運転モードでの昇温処理は、第１昇温運転モードでの昇温処理に、通常運転時におけるＥＧＲ弁３３の開放（ＥＧＲ）と、ＶＧターボ２１の過給量の低減（ＶＧターボ２１の仕事量の減少）と、燃料噴射弁８の燃料噴射圧減少（燃焼時間の延長）との３つが加えられる。これらの昇温処理は、エンジンＥが安定運転状態であれば燃焼悪化をもたらさないため、ＤＯＣ４１の効果的な昇温をもたらすことができる。なお、第２昇温運転モードによる昇温処理にあたっても、図６に示すように、第１昇温運転モードによる昇温処理の際と同様のランプ制御が行われる。

（昇温完了）
図５に示すように、エンジンＥの暖機が更に進行して総発生熱量Ｑｔが第２昇温判定値Ｑｔｈ２に達し（すなわち、ＤＯＣ４１の昇温が完了したと推定でき）、ステップＳ１９の判定がＮｏとなると、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ２１で総発生熱量Ｑｔを０にリセットし、ステップＳ２２で総熱量算出開始フラグＦｃｑを０とした後、ステップＳ２３で通常時運転制御に移行して昇温運転制御を終了する。なお、昇温運転制御の終了にあたっても、運転状態の急変を抑制すべく、図６に示すようにランプ制御が行われる。

（昇温制御の中止）
運転者がエンジンＥを始動させた後に短時間でイグニッションキーを「ＯＦＦ」位置にすると（エンジンＥを停止させると）、ステップＳ１５の判定がＮｏとなるため、エンジンＥＣＵ９は、ステップＳ２４で総発生熱量Ｑｔを０にリセットし、ステップＳ２５で総熱量算出開始フラグＦｃｑを０として昇温運転制御を中止する。これにより、次回の始動時においては、その時点の冷却水温Ｔｗおよび吸気温Ｔａ等に応じて、再び起動時制御や昇温運転制御が行われる。

本実施形態では、このような構成を採ったことにより、クランキング時から総発生熱量を算出する従来装置に較べて高い精度をもって暖機状態の判定を行えるようになり、エンジンＥの運転状態を良好に保ちながらＤＯＣ４１を速やかに昇温させることができるようになる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、内燃機関として直列４気筒ディーゼルエンジンを例示したが、本発明は、他の形式のディーゼルエンジンを始め、ガソリンエンジン等にも適用可能である。また、排気浄化手段としては、上述したＤＯＣやＤＰＦ以外にも、３元触媒装置やリーンＮＯｘ触媒等が採用可能である。その他、エンジンシステムの具体的構成や制御の具体的手順等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。実施形態に係る各機器とエンジンＥＣＵとの接続状態を示すブロック図である。実施形態に係る起動時制御の手順を示すフローチャートである。実施形態に係る昇温運転制御の手順を示すフローチャートである。実施形態に係る昇温運転制御における総発生熱量の時間的変化を示すグラフである。実施形態に係る昇温運転モードの実行タイミングを示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジンシステム
７コモンレール
８燃料噴射弁
９エンジンＥＣＵ
２１ＶＧターボ（可変ターボチャージャ）
２２インテークシャッタ
４１ＤＯＣ（排気浄化手段）
４２ＤＰＦ（排気浄化手段）
５１サプライポンプ
Ｅエンジン

Claims

排気系に排気浄化手段を有する内燃機関に付設され、当該排気浄化手段を昇温させるべく当該内燃機関を昇温運転制御する昇温運転制御装置であって、
前記内燃機関が所定の完爆運転状態になったか否かを判定する完爆判定手段と、
前記完爆判定手段によって前記内燃機関が完爆運転状態になったと判定された場合、その時点からの前記内燃機関の総発生熱量を燃料消費量に基づいて推定する総熱量推定手段とを備え、
前記内燃機関には、インテークシャッターとＥＧＲ装置とコモンレールと可変ターボチャージャとのうち少なくとも１つが付設され、
前記総発生熱量が第１昇温判定値に至らない場合、前記インテークシャッターの開放と、前記ＥＧＲ装置によるフュエルカット運転時におけるＥＧＲガスの導入と、前記コモンレールのレール圧の低減とのうち少なくとも１つによる第１昇温運転モードによる昇温処理を開始し、
前記総発生熱量が第１昇温判定値と第２昇温判定値との間にある場合、前記第１昇温運転モードによる昇温処理に加え、前記ＥＧＲ装置による通常運転時におけるＥＧＲガスの導入と、前記可変ターボチャージャの過給量の低減とのうち少なくとも一方を用いる第２昇温運転モードによる昇温処理も開始し、
前記総発生熱量が第２昇温判定値に達した場合、前記第１昇温運転モードによる昇温処理と前記第２昇温運転モードによる昇温処理とを中止する
ことを特徴とする内燃機関の昇温運転制御装置。
前記第１昇温運転モードによる昇温処理と前記第２昇温運転モードによる昇温処理とは、どちらもランプ制御を伴って開始されることを特徴とする請求項１に記載された内燃機関の昇温運転制御装置。
前記第１昇温運転モードによる昇温処理と前記第２昇温運転モードによる昇温処理とは、どちらもランプ制御を伴って中止されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された内燃機関の昇温運転制御装置。
前記昇温運転制御量設定手段は、吸気温度と冷却水温度とのうち少なくとも一方が所定の温度範囲外にある場合、前記昇温運転制御量の設定を行わないことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載された内燃機関の昇温運転制御装置。