JP2006274845A - 内燃機関のＮＯｘ排出量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 過渡時においても内燃機関のＮＯx排出量を高い精度をもって算出することができる内燃機関のＮＯx排出量算出装置を提供する。
【解決手段】 ブースト圧マップ値Ｐmapに対する実ブースト圧Ｐの遅れ特性を反映した補正係数Ｋ＝１−α（Ｐmap−Ｐ）／Ｐmapを求め、車両加速時（Ｐmap−Ｐ＞０）には、マップから求めたＮＯx量マップ値Ｎmapに補正係数Ｋを乗算することにより、実ブースト圧Ｐの変化を模擬した値としてＮＯx量Ｎを算出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は内燃機関から排出されるＮＯx量を算出する内燃機関のＮＯx排出量算出装置に関するものである。

内燃機関から排出されるＮＯx量は、内燃機関の各種制御、例えば排気浄化装置に関する制御等を行う際に重要な情報の一つとして利用されており、その一例として吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxの放出還元制御に利用されている（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１の技術では、予め設定したマップにより機関回転速度及び機関負荷に基づいて内燃機関から排出されるＮＯx量を算出し、算出値を順次加算してＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量を推定し、ＮＯx吸蔵量がＮＯx触媒の吸蔵限界に達する以前に内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に制御して、増加した排ガス中のＣＯ，ＨＣによりＮＯx触媒のＮＯxを放出還元するＮＯxパージを実施している。
特許第２５８６７３９号明細書（図６（Ａ））

上記特許文献１の技術では、実際に内燃機関を運転して機関回転速度及び機関負荷（例えば燃料噴射量）毎にＮＯx排出量を測定する試験を実施した上でマップを設定しているが、定常運転で校正したマップのため、車両加速等の過渡時にはマップから求めたＮＯx排出量と実際のＮＯx排出量との間に食い違いが生じてしまう。この現象は、定常時には機関回転速度や燃料噴射量等のエンジン運転条件が一定のため、筒内温度が変動せずにＮＯx排出量が安定するのに対して、過渡時にはエンジン運転条件が等しくても筒内温度が定常時とは異なってＮＯx排出量も相違することが要因である。

このため、ＮＯx排出量から推定したＮＯx吸蔵量も実際の値とは食い違いが生じてしまい、結果として適切な時期にＮＯxパージを実施することができず、例えばＮＯx触媒の吸蔵限界を越えてＮＯxを大気中に排出してしまったり、或いは吸蔵限界より遥かに以前に不必要なＮＯxパージを実施して燃費悪化を引き起こしたりするという問題が生じた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、過渡時においても内燃機関のＮＯx排出量を高い精度をもって算出することができる内燃機関のＮＯx排出量算出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の運転状態に基づいてＮＯx排出量を算出するＮＯx排出量算出手段と、内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関の吸気流に関する吸気相関パラメータを算出する吸気相関パラメータ算出手段と、吸気相関パラメータの実測値を検出する実吸気相関パラメータ検出手段と、吸気相関パラメータ算出手段により算出された吸気相関パラメータと実吸気相関パラメータ検出手段により検出された実吸気相関パラメータとに基づき、ＮＯx排出量算出手段により算出されたＮＯx排出量を補正するＮＯx排出量補正手段とを備えたものである。

従って、内燃機関の運転状態から吸気相関パラメータ算出手段により吸気流に関する吸気相関パラメータ、例えばブースト圧、ブースト温度、吸入空気量等が算出されると共に、吸気相関パラメータ検出手段により吸気相関パラメータの実測値が検出され、これらの吸気相関パラメータと実吸気相関パラメータとに基づき、内燃機関の運転状態からＮＯx排出量算出手段により算出されたＮＯx排出量がＮＯx排出量補正手段により補正される。

内燃機関の運転状態が変化すると、運転状態から求められるＮＯx排出量及び吸気相関パラメータもそれに応じて変動するが、実際のＮＯx排出量はＮＯx排出量の算出値に対して所定の遅れをもって追従しながら緩やかに変化し、その後にＮＯx排出量の算出値と略一致する。その結果、この間の期間では実際のＮＯx排出量の算出値と実際のＮＯx排出量との間に食い違いが生じる。

このような実際のＮＯx排出量の変動特性に対して実際の吸気相関パラメータの変動特性が近似することに本発明者は着目した。例えば車両加速時にはブースト圧、ブースト温度、吸入空気量が共に増加するが、吸気流の慣性及びターボラグ等の要因によりブースト圧の増加は遅れを生じ、ブースト圧に応じて変動するブースト温度も遅れを生じ、吸気流の慣性により吸入空気量も遅れを生じる。結果としてこれらの吸気相関パラメータは、あたかもＮＯx排出量の算出値に対する実際のＮＯx排出量の遅れと同様の特性で、吸気相関パラメータの算出値に対して実吸気相関パラメータが所定の遅れをもって緩やかに変化する。

従って、吸気相関パラメータと実吸気相関パラメータとに基づくＮＯx排出量の補正により、実吸気相関パラメータの変化を模擬してＮＯx排出量が算出されることから、過渡時においても実際のＮＯx排出量に近似するＮＯx排出量を算出可能となる。
請求項２の発明は、請求項１において、吸気相関パラメータをブースト圧としたものである。従って、ＮＯx排出量との相関性が高いブースト圧によりＮＯx排出量を補正することにより、より正確にＮＯx排出量を算出することができる。

以上説明したように請求項１の発明の内燃機関のＮＯx排出量算出装置によれば、吸気相関パラメータと実吸気相関パラメータとに基づく補正により、実吸気相関パラメータの変化を模擬してＮＯx排出量が算出されることから、過渡時においても正確なＮＯx排出量を算出することができる。
請求項２の発明の内燃機関のＮＯx排出量算出装置によれば、請求項１に加えて、吸気相関パラメータとしてブースト圧を用いることにより、より正確なＮＯx排出量を算出することができる。

以下、本発明をディーゼル式内燃機関のＮＯx排出量算出装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼル式内燃機関のＮＯx排出量算出装置を示す全体構成図であり、内燃機関１は直列６気筒機関として構成されている。内燃機関１の各気筒には燃料噴射弁２が設けられ、各燃料噴射弁２は共通のコモンレール３から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。

内燃機関１の吸気側には吸気マニホールド４が装着され、吸気マニホールド４に接続された吸気通路５には、上流側よりエアクリーナ６、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、インタクーラ８、アクチュエータ９ａにより開閉駆動される吸気絞り弁９が設けられている。又、内燃機関１の排気側には排気マニホールド１０が装着され、排気マニホールド１０には上記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたターボチャージャ７のタービン７ｂが接続されている。タービン７ｂには排気通路１１が接続され、排気通路１１には上流側からアクチュエータ１２ａにより開閉駆動される排気絞り弁１２、前段酸化触媒１３、排気通路１１内に還元剤として尿素水溶液を供給する噴射ノズル１４、加水分解触媒１５、ＳＣＲ触媒１６（アンモニア添加式ＮＯx触媒）、及び図示しない消音器が設けられている。

尚、排気通路１１の構成はこれに限らず、例えば排ガス中のパティキュレートを捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）や後段酸化触媒等を追加してもよい。
内燃機関１の運転中においてエアクリーナ６を経て吸気通路５内に導入された吸気はターボチャージャ７のコンプレッサ７ａにより加圧された後にインタクーラ８、吸気絞り弁９、吸気マニホールド４を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁２から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド１０を経てタービン７ｂを回転駆動した後に排気絞り弁１２、前段酸化触媒１３、噴射ノズル１４、加水分解触媒１５、ＳＣＲ触媒１６、消音器を経て外部に排出される。

そして、噴射ノズル１４から供給された尿素水溶液は排ガスと混合された状態で加水分解触媒１５に到達し、当該触媒１５上で次式(1)に示すように排ガス中のＨ₂Ｏと反応してＮＨ₃（アンモニア）に分解される。
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂………(1)
アンモニアは排ガスと共に下流側のＳＣＲ触媒１６に到達し、ＳＣＲ触媒１６上では例えば次式(2)に示すように排ガス中のＮＯxがアンモニアと反応して無害なＮ₂に還元され、以上のようにしてＮＯxの浄化が図られる。

４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ………(2)
一方、吸気マニホールド４と排気マニホールド１０とはＥＧＲ通路１７により接続され、ＥＧＲ通路１７にはアクチュエータ１８ａにより開閉駆動されるＥＧＲ弁１８及びＥＧＲクーラ１９が設けられている。内燃機関１の運転中にはＥＧＲ弁１８の開度に応じて排気マニホールド１０側から吸気マニホールド４側に排ガスの一部がＥＧＲガスとして還流される。

上記吸気絞り弁９、排気絞り弁１２、ＥＧＲ弁１８の各アクチュエータ９ａ，１２ａ，１８ａ、燃料噴射弁２、燃料ノズル１４等の各種デバイス類はＥＣＵ３１（電子コントロールユニット）の出力側に接続され、ＥＣＵ３１の入力側には内燃機関１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２、ブースト圧Ｐ（ターボチャージャ７により加圧された吸気圧）を検出するブースト圧センサ３３（実吸気相関パラメータ検出手段）等の各種センサ類が接続されている。例えばＥＣＵ３１は各種センサからの検出情報に基づいて燃料噴射弁２の噴射量、噴射圧、噴射時期を制御して内燃機関１を運転すると共に、各アクチュエータ９ａ，１２ａ，１８ａにより吸気絞り弁９、排気絞り弁１２、ＥＧＲ弁１８の開度を制御する。

更に、ＥＣＵ３１は排ガス中のＮＯx量に対応した過不足のないアンモニアを上記ＳＣＲ触媒１６に供給すべく、噴射ノズル１４による尿素水溶液の供給量を制御しており、以下、当該制御について詳述する。
図２は尿素水溶液の供給量Ｓureaを決定するためのＥＣＵ３１の処理を示すブロック図である。

まず、回転速度センサ３２により検出された機関回転速度Ｎe及び燃料噴射制御で適用している燃料噴射量ｑ（即ち、機関負荷）がＮＯx量算出部４１に入力され、ＮＯx量算出部４１では所定のマップに従って内燃機関１から排出さるＮＯx量（以下、ＮＯx量マップ値Ｎmapと称する）が求められる（ＮＯx排出量算出手段）。当該マップは実際に内燃機関１を運転して、機関回転速度Ｎe及び燃料噴射量ｑ毎に排ガス中のＮＯx量を測定した試験結果に基づいて設定されたものであり、このマップから得られるＮＯx量マップ値Ｎmapは定常運転時の値と見なすことができる。

一方、機関回転速度Ｎe及び燃料噴射量ｑはブースト圧算出部４２にも入力され、ブースト圧算出部４２では所定のマップからブースト圧（以下、ブースト圧マップ値Ｐmapと称する）が求められる（吸気相関パラメータ算出手段）。当該マップも実際に内燃機関１を運転して、機関回転速度Ｎe及び燃料噴射量ｑ毎にブースト圧を測定した試験結果に基づいて設定されたものであり、ブースト圧マップ値Ｐmapは上記ＮＯx量マップ値Ｎmapと同じく定常運転時の値と見なすことができる。

算出したブースト圧マップ値Ｐmap及びブースト圧センサ３３により検出された実際のブースト圧Ｐは補正係数算出部４３に入力され、補正係数算出部４３では次式(3)に従って補正係数Ｋが算出される。
Ｋ＝１−α（Ｐmap−Ｐ）／Ｐmap………(3)
ここに、αはブースト圧をＮＯx量に換算するための定数である。

算出された補正係数Ｋは選択部４４に入力され、選択部４４ではブースト圧マップ値Ｐmapと実ブースト圧Ｐとの差が正（Ｐmap−Ｐ＞０）のときには上式(3)から算出した補正係数Ｋを補正部４５に出力し、一方、ブースト圧マップ値Ｐmapと実ブースト圧Ｐとの差が０又は負（Ｐmap−Ｐ≦０）のときには補正係数Ｋとして１を補正部４５に出力する。補正部４５ではＮＯx量算出部から入力されたＮＯx量マップ値Ｎmapに補正係数Ｋを乗算して最終的なＮＯx量Ｎが求められ（ＮＯx排出量補正手段）、ＮＯx量Ｎは尿素供給量算出部４６に入力される。

尿素供給量算出部４６では所定のマップに従ってＮＯx量Ｎから尿素の供給量Ｓureaが算出される。当該マップはＮＯx量ＮのＮＯxを還元するための過不足のない尿素供給量Ｓureaを算出可能なように設定されており、具体的には、尿素水溶液から生成されるアンモニアが加水分解触媒１５上でＮＯxの還元作用を奏することから、ＮＯx量ＮのＮＯxを還元可能なアンモニアを加水分解触媒１５上で生成できるだけの過不足のない尿素水溶液の量が尿素供給量Ｓureaとして算出される。

そして、算出された尿素供給量Ｓureaに基づいてＥＣＵ３１により噴射ノズル１４が制御されて、実際の尿素水溶液の供給量が調整される。
次に、以上のＥＣＵ３１の処理による尿素水溶液の供給について説明する。
まず、説明に先立って機関負荷が増加（即ち、燃料噴射量ｑが増加）したときの実ブースト圧Ｐ及び実ＮＯx量の変化状況を図３のタイムチャートに従って説明する。当該タイムチャートでは平地から登坂路に移行して機関負荷が急増し、一定車速を保つべくアクセルが踏込まれて燃料噴射量ｑが増加した場合を示しており、ポイントａの時点でアクセル操作量と共に燃料噴射量がステップ的に急増する一方、車速と共に機関回転速度Ｎeは僅かな変動に抑制されている。

燃料噴射量ｑの急増によりマップから求められるＮＯx量マップ値Ｎmap及びブースト圧マップ値Ｐmapも同様のステップ的な特性で急増するが、実ＮＯx量は加速初期に急増するものの、直後のポイントｂからはＮＯx量マップ値Ｎmapに対して所定の遅れをもって追従しながら緩やかに増加し、ポイントｃの時点でＮＯx量マップ値Ｎmapと略一致する。従って、ポイントｂ〜ｃの過渡期間ではＮＯx量マップ値Ｎmapと実ＮＯx量との間に食い違いが生じる。

尚、ここでは燃料噴射量の増加時について述べたが、機関回転速度Ｎeの増加時にも同様に実ＮＯx量の遅れが生じる。
このような実ＮＯx量の増加特性に対して実ブースト圧Ｐの増加特性が極めて近似することに本発明者は着目した。即ち、アクセル操作量が増加すると、吸入空気の慣性及びターボラグ等の要因により実ブースト圧Ｐの増加は遅れを生じ、あたかも上記したＮＯx量マップ値Ｎmapに対する実ＮＯx量Ｎの遅れと同様の特性で、ブースト圧マップ値Ｐmapに対して実ブースト圧Ｐが所定の遅れをもって緩やかに増加する。図２にブロック図に基づく補正部４５でのＮＯx量マップ値Ｎmapに対する補正処理は、この現象を利用したものであり、以下、定常時、加速時、減速時に場合分けして実ＮＯx量Ｎの設定状況を説明する。

定常時においては上記ブースト圧マップ値Ｐmapと実ブースト圧Ｐとの食い違いは発生していないことから、双方Ｐmap，Ｐの差は略０となる。このときには補正係数Ｋとして１が設定されるため、ＮＯx量マップ値ＮmapがそのままＮＯx量Ｎとして設定されるが、ブースト圧Ｐmap，Ｐと同様にＮＯx量マップ値Ｎmapと実ＮＯx量との間にも食い違いは生じていないと推測されるため、ＮＯx量マップ値Ｎmapから適切な尿素供給量Ｓureaが算出される。

又、加速時（即ち、機関回転速度Ｎeや燃料噴射量ｑの増加時）においては、図３に示したようにブースト圧マップ値Ｐmapの増加に対して実ブースト圧Ｐが遅れることから、双方Ｐmap，Ｐの差は正となり、上式(3)に従って算出された補正係数Ｋが設定される。端的に表現すると上式(3)では、ブースト圧マップ値Ｐmapと実ブースト圧Ｐとの差に基づきブースト圧マップ値Ｐmapに対する実ブースト圧Ｐの変化率を反映した値として補正係数Ｋが求められ、ＮＯx量マップ値Ｎmapに対する補正係数Ｋの乗算により実ブースト圧Ｐの変化を模擬した値としてＮＯx量Ｎが算出される。結果としてポイントｂ〜ｃの渡期間においても、実際のＮＯx量に極めて近似する値にＮＯx量Ｎが算出され、このＮＯx量Ｎから適切な尿素供給量Ｓureaが算出される。

一方、減速時（即ち、機関回転速度Ｎeや燃料噴射量ｑの減少時）においては、図３とは逆にブースト圧マップ値Ｐmapの減少に対して実ブースト圧Ｐが遅れることから、双方Ｐmap，Ｐの差は負となるため、補正係数Ｋとして１が設定されてＮＯx量マップ値ＮmapがそのままＮＯx量Ｎとして設定される。ここで、本発明者は、機関回転速度Ｎeや燃料噴射量ｑの増加時に比較してこれらの値の減少時には、ＮＯx量マップ値Ｎmapに対する実ＮＯx量の追従性が良好であることを確認している。従って、この減速時にはＮＯx量マップ値Ｎmapと実ＮＯx量との間に支障が生じるほどの大きな食い違いは発生せず、ＮＯx量マップ値Ｎmapから適切な尿素供給量Ｓureaが算出される。

従って、何れの運転状態でも常に適切な量の尿素水溶液を供給できる。図４は車両加速時においてＮＯx排出量の積算値を比較した結果を示す図であり、実際のＮＯx排出量積算値に対して補正処理を実行しなかった場合（例えば特許文献１の技術）には、ステップ的に急増したＮＯx量マップ値Ｎmapの適用により大きな積算値が算出されてしまう。これに対して本実施形態の補正処理では実際のＮＯx量に近似するＮＯx量Ｎが適用されるため、実際のＮＯx排出量積算値に近い値が得られることが判る。

その結果、例えば尿素水溶液の供給量が過多な場合にはＳＣＲ触媒１６から一部のアンモニアが離脱してそのまま排出される現象、所謂アンモニアスリップが発生し、逆に尿素水溶液の供給量が過少な場合にはＳＣＲ触媒１６でのＮＯxの還元が不十分で一部のＮＯxが排出される現象が生じ、共に排ガス特性の悪化の要因となるが、本実施形態ではこのような不具合を未然に回避することができる。

加えて、上記のように補正係数Ｋによる補正処理が不要となる減速時には補正処理を中止しているためＥＣＵ３１の負荷が軽減され、並行して実行されている他の処理の効率化を達成できるという利点も得られる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ＳＣＲ触媒１６に適切な量のアンモニアを供給可能な尿素供給量Ｓureaの算出処理にＮＯx量Ｎを適用したが、ＮＯx量Ｎの用途はこれに限ることはなく種々の用途に利用可能であり、例えば吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯx量を推定するためにＮＯx量Ｎを適用してもよい。

又、上記実施形態では、車両減速時に補正係数Ｋに基づくＮＯx量マップ値Ｎmapの補正処理を中止したが、必ずしも補正処理を中止する必要はなく、車両加速時と同様に補正処理を実行してもよい。
更に、上記実施形態では実ＮＯx量の増加特性に対して実ブースト圧Ｐの増加特性が近似するとの着想から、実ブースト圧Ｐの変化を模擬した値としてＮＯx量Ｎを算出したが、実ＮＯx量と同様の特性のパラメータであれば実ブースト圧Ｐに限ることはなく種々に変更可能である。具体的には内燃機関１の吸気流に関する吸気相関パラメータであれば実ＮＯx量と同様の遅れ特性を有し、例えばブースト温度はブースト圧Ｐの影響を受けて同様の特性で変化することから、ブースト圧Ｐに代えてブースト温度を適用してもよいし、吸入空気量も吸気流の慣性によりブースト圧Ｐと同様の遅れを有することから、ブースト圧Ｐに代えて吸入空気量を適用してもよい。

実施形態のディーゼル式内燃機関のＮＯx排出量算出装置を示す全体構成図である。 尿素水溶液の供給量を決定するためのＥＣＵの処理を示すブロック図である。 燃料噴射量が増加したときの実ブースト圧と実ＮＯx量との遅れ特性を示すタイムチャートである。 車両加速時におけるＮＯx排出量の積算値を比較した結果を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
３３ ブースト圧センサ（実吸気相関パラメータ検出手段）
４１ ＮＯx量算出部（ＮＯx排出量算出手段）
４２ ブースト圧算出部（吸気相関パラメータ算出手段）
４３ 補正係数算出部（ＮＯx排出量補正手段）
４５ 補正部（ＮＯx排出量補正手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の運転状態に基づいてＮＯx排出量を算出するＮＯx排出量算出手段と、
   上記内燃機関の運転状態に基づいて該内燃機関の吸気流に関する吸気相関パラメータを算出する吸気相関パラメータ算出手段と、
   上記吸気相関パラメータの実測値を検出する実吸気相関パラメータ検出手段と、
   上記吸気相関パラメータ算出手段により算出された吸気相関パラメータと上記実吸気相関パラメータ検出手段により検出された実吸気相関パラメータとに基づき、上記ＮＯx排出量算出手段により算出されたＮＯx排出量を補正するＮＯx排出量補正手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関のＮＯx排出量算出装置。
2. 上記吸気相関パラメータがブースト圧であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＮＯx排出量算出装置。

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