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JP4574610B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排出ガス中の窒素酸化物を浄化するＮＯｘ浄化触媒の再生処理を行うための制御装置に関するものである。
例えばディーゼル内燃機関の排気系には、通常の希薄燃焼中に多く発生する排出ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記す）を還元浄化するためのリーンＮＯｘ触媒（以下、ＬＮＣと記す）が設けられることがある。
このＬＮＣにおいては、排気空燃比が所定値よりも高い（以下、リーンと記す）酸化雰囲気の時に捕捉したＮＯｘを、排気空燃比が所定値よりも低い（以下、リッチと記す）還元雰囲気の時に還元して無害化する処理を行っている。またＬＮＣは、ＮＯｘ捕捉量の増大に連れてその浄化性能が低下するので、ＬＮＣのＮＯｘ捕捉量が飽和しないように、適時、排気空燃比を強制的にリッチ状態にするリッチスパイク制御を実行することにより、ＬＮＣに捕捉されたＮＯｘを還元する再生処理を行うようにしている。
このリッチスパイク制御は、通常運転時よりも吸気制御弁を絞ったりＥＧＲ量を増加させたりするなどして吸入空気量を減少させる一方、燃料噴射量を増加させることによって排気系を還元雰囲気にしているが、このときの燃料噴射量は、Ｏ２センサなどで検知した実際の排気空燃比の値が所定の目標値となるようにフィードバック制御されることが一般的である。
このリッチスパイク制御時に、制御開始から所定の目標値に収束するまでの時間短縮を図るために、目標値と実値との偏差に基づいてフィードバック制御される燃料増量分（フィードバック項）とは別に、実際の吸入空気量に基づいて一律増量される燃料増量分（フィードフォワード項）を加算することがある。
しかしながら、実吸入空気量を計測するエアフローメータや燃料噴射弁の個体差および経年変化などにより、当初に設定したフィードフォワード項の値が不適切となり、その結果、所期の制御精度並びに応答性が得られなくなる場合がある。これは排出ガスのエミッションの悪化や燃費の悪化を招くことに繋がるので好ましいことではない。
このような不都合に対処してリッチスパイク制御時の応答性を高めるために、定期的にストイキ燃焼を行ってフィードバック制御時に用いる補正値を学習する技術が提案されている（特許文献１を参照されたい）。
特開２００２−２０１９８５号公報
しかるに、文献１に記載の技術によると、補正値の学習だけのためにストイキ燃焼を行う必要があり、そのために運転性および燃費の悪化を招く惧れがある。また、いつでも学習可能というわけではなく、ある程度の定常運転を継続し得ることが精度維持のために要求されるので、学習の機会が限られてしまうという不都合もある。
本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、学習のためだけに燃焼状態を強制的に変える必要のない制御補正値の学習手段を備えた内燃機関の制御装置を提供することにある。
このような目的を果たすために、本発明による内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するために排気系が所定の還元雰囲気となるように排気空燃比をフィードバック制御すべく、目標空燃比と実空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を算出するリッチ化制御手段を備えた内燃機関の制御装置であって、前記リッチ化制御手段は、燃焼前に燃料を噴射するメイン燃料噴射に加えて、燃焼後に燃料を噴射するポスト燃料噴射量を制御するポストリッチモードを備え、前記ポストリッチモードにおいては、排気空燃比のフィードバック制御に加えて、前回のポストリッチモード時における前記フィードバック制御の燃料噴射量の実制御量に基づいて更新されたフィードフォワード補正値によってフィードフォワード制御を行い、前記フィードバック制御は、前記ポスト燃料噴射量についてのみ行い、前記フィードフォワード制御は、前記メイン燃料噴射量とポスト燃料噴射量の双方に対して行い、かつ前記メイン燃料噴射量に対する前記フィードフォワード制御は、前記フィードフォワード補正値に（重み付け係数ａ）を乗算して得られる値により行い、前記ポスト燃料噴射量に対する前記フィードフォワード制御は、前記フィードフォワード補正値に（１−重み付け係数ａ）を乗算して得られる値により行う。
本発明による内燃機関の制御装置は、好ましくは、前記リッチ化制御手段は、前記目標空燃比を運転状態に対応して予め設定した上で格納する目標空燃比格納手段を備え、前記学習手段は、運転状態に対応した前記フィードフォワード補正値を格納する補正値格納手段を備え、前記目標空燃比格納手段と前記補正値格納手段とにおいて、前記目標空燃比と前記フィードフォワード補正値との運転状態に対応したデータ格納ポイントが互いに対応している。
本発明によれば、リッチスパイク制御を行うたびに燃料増量制御の補正値（フィードフォワード項）が学習されるので、エアフローメータや燃料噴射弁の個体差あるいは経年変化があっても、それに応じてフィードフォワード項が常に最適値に更新される。従って、リッチスパイク制御時の排気空燃比の目標値への収束性が劣化せず、排気エミッションの悪化および燃費の悪化が軽減される。
また、本発明によれば、燃焼リッチモードとポストリッチモードとでは、同一空燃比であっても運転状態によって目標吸入空気量および目標燃料噴射量の設定値が異なり、特にポストリッチモードの場合は未燃燃料のまま排気系に流れるのに対して燃焼リッチモードの場合は燃料の増量が煤の発生に影響するので、これらの違いも考慮して各フィードフォワード補正値を設定する必要がある。それが、各運転モードの特性に応じて個々にフィードフォワード補正値を持たせられるので、両モードについて燃料噴射量を最適制御することができる。
また、本発明によれば、制御すべき目標空燃比毎に各フィードフォワード補正値を対応させるので、選択された目標空燃比に最適な補正を加えて空燃比の収束性をより一層向上させることができる。
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明が適用される内燃機関Ｅの基本的な構成図である。この内燃機関（ディーゼルエンジン）Ｅは、その機械的な構成自体は周知のものと何ら変わるところはなく、過給圧可変機構付きターボチャージャ１を備えるものであり、ターボチャージャ１のコンプレッサ側に吸気通路２が連結され、ターボチャージャ１のタービン側に排気通路３が連結されている。そして吸気通路２の上流端にエアクリーナ４が接続され、吸気通路２の適所に燃焼室に流入する新気の流量を調節するための吸気制御弁５と、低回転速度・低負荷運転域で流路断面積を絞って吸気流速を高めるためのスワールコントロール弁６とが設けられている。また排気通路３の下流端には、三元触媒（以下、ＴＷＣと記す）７と、煤などの粒子状物質を除去するフィルタ（ＤＰＦ）８と、前記したＬＮＣ９とを、排気の流れに沿ってこの順に連設してなる排気浄化装置１０が接続されている。
スワールコントロール弁６と排気通路３における燃焼室の直後との間は、排出ガス再循環（以下、ＥＧＲと略称す）通路１１を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路１１は、切換弁１２を介して分岐されたクーラー通路１１ａとバイパス通路１１ｂとからなり、その合流部に、燃焼室に流入するＥＧＲ量を調節するＥＧＲ制御弁１３が設けられている。
内燃機関Ｅのシリンダヘッドには、その先端を燃焼室に臨ませた燃料噴射弁１４が設けられている。この燃料噴射弁１４は、燃料を所定の高圧状態で蓄えるコモンレール１５に連結され、コモンレール１５には、クランク軸にて駆動されて燃料タンク１６から燃料を汲み上げる燃料ポンプ１７が接続されている。
これらのターボチャージャ１の過給圧可変機構１９、吸気制御弁５、ＥＧＲ通路切換弁１２およびＥＧＲ制御弁１３、燃料噴射弁１４、燃料ポンプ１７・・・等は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）１８からの制御信号によって作動するように構成されている（図２参照）。
一方、ＥＣＵ１８には、図２に示すように、内燃機関Ｅの所定箇所に配置された吸気弁開度センサ２０、クランク軸回転速度センサ２１、吸気流量センサ２２、過給圧センサ２３、ＥＧＲ弁開度センサ２４、コモンレール圧センサ２５、アクセルペダル操作量センサ２６、Ｏ２センサ２７、ＴＷＣ温度センサ２８、ＬＮＣ温度センサ２９・・・等からの出力信号が入力されている。
ＥＣＵ１８のメモリには、要求トルク（アクセルペダル操作量）並びにクランク軸回転速度に応じてベンチテストなどによって予め求めた最適燃料噴射量をはじめとする各制御対象の制御目標値を設定したマップが格納されており、要求トルク並びにクランク軸回転速度で規定されるその時の内燃機関Ｅの運転状態に応じて最適な燃焼状態が得られるように、各部の制御が行われる。
この内燃機関Ｅにおいては、ＬＮＣ９に捕捉されたＮＯｘを還元する再生処理を適時行うことにより、ＬＮＣ９のＮＯｘ浄化性能が低下することを防止している。この再生処理を行うに際しては、排気空燃比の一時的なリッチ化制御（リッチスパイク制御）が行われる。そしてこのリッチスパイク制御の実行に当たっては、内燃機関Ｅの運転状態に応じて設定されたリッチモード領域判別マップ（図３参照）を参照し、メイン燃料を増量する燃焼リッチモードと、膨張または排気行程、つまり燃焼後に補助燃料を噴射するポストリッチモードとが、その時の運転状態に応じて切り替えられる。
次に燃料噴射量のフィードバック制御について図４を参照して説明する。先ず、例えば所定のフラグを参照し、現状がリッチスパイク制御の実行中であるか否かを判断する（ステップ１）。このフラグとしては、リーン運転からストイキ運転への移行時にリッチ化するときに１になるフラグ、或いはリーン運転中にＬＮＣ９に捕捉されたＮＯｘの推定量と、還元リッチ制御中に捕捉されるはずのＮＯｘの合計値が所定の飽和判定値を超えたときに１になるフラグ等を用いるようにすればよい。
現状がリッチスパイク制御中ではない、即ち通常運転中（ステップ１：否定）と判定された時には、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとする通常運転時用の吸気量マップを検索し、そのときの運転状態に適合した制御目標値としての目標吸気量Ｑair_desを取得する（ステップ２）。
これと共に、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとする通常運転時用の燃料噴射量マップを検索し、その時の運転状態に適合した制御目標値としての目標燃料噴射量Ｑinj_leanを取得する（ステップ３）。
これら吸気量および燃料噴射量の目標値を実現するように、吸気制御弁５並びに燃料噴射弁１４などが制御される。
他方、ステップ１にて現状がリッチスパイク制御の実行中（ステップ１：肯定）と判定された時には、上述のリッチモード領域判別マップ（図３）を検索し、現在の運転状態がポストリッチモード領域か否かを判断する（ステップ４）。
ここで現状がポストリッチモード領域ではない（ステップ４：否定）、即ち燃焼リッチモード領域であると判定された場合は、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとする燃焼リッチモード用の吸気量マップを検索し、そのときの運転状態に適合した目標吸気量Ｑair_desを取得する（ステップ５）。
次に、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとする燃焼リッチモード用のメイン燃料噴射量マップを検索し、そのときの運転状態に適合した目標メイン燃料噴射量Ｑinj_mainを取得する（ステップ６）。
次に、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとする燃焼リッチモード用の排気空燃比マップを検索し、そのときの運転状態に適合した制御目標値としての目標排気空燃比ＡＦ_desを取得する（ステップ７）。
次に、燃料噴射増量フィードバック補正係数Ｑinj_fbを算出する（ステップ８）。このステップ８においては、先ず、実排気空燃比ＡＦ_actと目標排気空燃比ＡＦ_desとの偏差ΔＡＦを取得する（ΔＡＦ＝ＡＦ_act−ＡＦ_des）。これと並行して、前回の燃料噴射量のフィードバック補正比例項Ｑinj_fbpに、偏差ΔＡＦに適宜な補正係数kpを乗じた値を加えて新たなフィードバック補正比例項Ｑinj_fbpを取得する（Ｑinj_fbp＝Ｑinj_fbp＋ΔＡＦ＊kp）。さらに燃料噴射量のフィードバック補正積分項Ｑinj_fbiに、偏差ΔＡＦに適宜な補正係数kiを乗じた値を加えて新たなフィードバック補正積分項Ｑinj_fbiを取得する（Ｑinj_fbi＝Ｑinj_fbi＋ΔＡＦ＊ki）。さらに前回の燃料噴射量のフィードバック補正微分項Ｑinj_fbdに、偏差ΔＡＦの変化量に適宜な補正係数kdを乗じた値を加えて新たなフィードバック補正微分項Ｑinj_fbdを取得する（Ｑinj_fbd＝Ｑinj_fbd＋［ΔＡＦ（i）−ΔＡＦ（i−1）］＊kd）。
このようにして得たフィードバック補正比例項Ｑinj_fbpと、フィードバック補正積分項Ｑinj_fbiと、フィードバック補正微分項Ｑinj_fbdとを加算して燃料噴射増量フィードバック補正係数Ｑinj_fbを取得する（Ｑinj_fb＝Ｑinj_fbp＋Ｑinj_fbi＋Ｑinj_fbd）。
次いで、実吸気量Ｑair_actと目標吸気量Ｑair_desとの偏差ΔＱairが所定値以下（ステップ９：肯定）となり、且つ実排気空燃比ＡＦ_actと目標排気空燃比ＡＦ_desとの偏差ΔＡＦが所定値以下（ステップ１０：肯定）となった、つまり実値が目標値に収束したならば、この時の実際の燃料噴射量の制御量から適正なフィードフォワード補正値を算出し、要求トルク並びにクランク軸回転速度に対応した燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffを設定し且つ格納した補正値マップ（図５）における現在運転中の要求トルク並びにクランク軸回転速度に対応するデータ格納ポイントの値を適正値に更新する（ステップ１１）。これにより、制御補正値としての燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffが常に最適化される学習手段が構成されている。なお、ステップ１１の学習ルーチンは後述する。
このときの運転状態に適合した燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffを制御補正値の格納手段である補正値マップ（図５）から取得する（ステップ１２）。
ステップ９或いはステップ１０でのいずれか一方の判定が否定、即ち実値が目標値に収束しない間は、燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffの値を更新せずに、そのときの運転状態に適合した燃料噴射量増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffを更新前のマップから取得する。
そしてステップ６で得た燃焼リッチモード用の目標メイン噴射量Ｑinj_mainにステップ１１で得た燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffを加算した値に、ステップ８で得た燃料噴射増量フィードバック補正係数Ｑinj_fbを乗算し、燃焼リッチモード時の最終メイン噴射量Ｑinj_mainfを取得する（ステップ１３）。
他方、ステップ４でポストリッチモード領域（肯定）と判定された場合は、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとするポストリッチモード用の吸気量マップを検索し、そのときの運転状態に適合したポストリッチモード時の目標吸気量Ｑair_desを取得する（ステップ１４）。
次に、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとするポストリッチモード用のメイン燃料噴射量マップを検索し、そのときの運転状態に適合したポストリッチモード時の目標メイン燃料噴射量Ｑinj_mainを取得すると共に、ポスト燃料噴射量マップを検索し、そのときの運転状態に適合したポストリッチモード時の目標ポスト燃料噴射量Ｑinj_postを取得する（ステップ１５）。
次に、要求トルク並びにクランク軸回転速度をアドレスとするポストリッチモード用の排気空燃比マップを検索し、そのときの運転状態に適合した目標排気空燃比ＡＦ_desを取得する（ステップ１６）。
次に、ステップ８と同様の要領で燃料噴射増量フィードバック補正係数Ｑinj_fbを算出する（ステップ１７）。
次いで、実吸気量Ｑair_actと目標吸気量Ｑair_desとの偏差ΔＱairが所定値以下（ステップ１８：肯定）となり、且つ実排気空燃比ＡＦ_actと目標排気空燃比ＡＦ_desとの偏差ΔＡＦが所定値以下（ステップ１９：肯定）となった、つまり実値が目標値に収束したならば、この時の実際の燃料噴射量の制御量から適正なフィードフォワード補正値を算出し、要求トルク並びにクランク軸回転速度に対応した燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffを設定し且つ格納したマップ（図５）の現在運転中の要求トルク並びにクランク軸回転速度に対応するデータ格納ポイントの値を適正値に更新する（ステップ２０）と共に、そのときの運転状態に適合したポスト燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffをそのマップから取得する（ステップ２１）。なお、ステップ２０の学習ルーチンは、メイン燃料噴射用マップの学習ルーチン（ステップ１１）と同様である。
ステップ１８或いはステップ１９でのいずれか一方の判定が否定、即ち実値が目標値に収束しない間は、ポスト燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffの値を更新せずに、そのときの運転状態に適合した更新前のポスト燃料噴射量増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffをマップから取得する。
そしてステップ１５で得たポストリッチモード時の目標メイン燃料噴射量Ｑinj_mainと、ステップ２１で得た燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffにベンチテストなどで予め求めておいた重み付け係数ａ（０〜１の値）を乗算した値との加算値にて、ポストリッチモード時の最終メイン燃料噴射量Ｑinj_mainfを取得すると共に、ステップ１５で得たポストリッチモード用の目標ポスト燃料噴射量Ｑinj_postとステップ２１で得た燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffに、（１−ａ）を乗算した値との加算値に、ステップ１７で得た燃料噴射増量フィードバック補正係数Ｑinj_fbを乗算し、ポストリッチモード時の最終ポスト燃料噴射量Ｑinj_postfを取得する（ステップ２２）。これにより、メイン燃料噴射量に対するポスト燃料噴射量の上乗せ分を決定する。一般的には、低回転速度／低負荷域ではメイン燃料噴射量を変化させるとトルク変動が大きくなるので、ポスト燃料噴射量のみで排気空燃比の増減を制御する。
なお、リッチスパイク制御時の目標排気空燃比は、運転状態に対応した適正値をベンチテストなどによって予め求め、これをデータマップに格納しているが、このマップは、図６に示すように、高速かつ高負荷になるほどリーン方向となる特性となっている。これは高速・高負荷ほど煤の発生が多くなるので、その抑制を図るためである。
また、燃焼リッチモードとポストリッチモードとでは、同一負荷領域ではポストリッチモードの方が燃焼リッチモードよりもリーン傾向としてある。これはポストリッチモードの方が燃費が悪化することに鑑み、ポストリッチモードの燃料量を若干減らしているからである。
次に燃料噴射増量フィードフォワード補正値マップの学習ルーチンについて図７を参照して説明する。
先ず、前回の燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffに最新のフィードバック補正積分項Ｑinj_fbiに所定のなまし係数zを乗じた値を加え、これを新たな燃料噴射増量フィードフォワード補正値Ｑinj_ffとする（ステップ２３）。そしてこの新たな燃料噴射増量フィードフォワード補正値をもって、燃料噴射増量フィードフォワード補正値マップにおける現在運転中の要求トルク並びにクランク軸回転速度に対応するデータ格納ポイントの値を更新する（ステップ２４）。
本発明においては、フィードフォワード補正値を格納したマップ（図５）と目標空燃比を格納したマップ（図６）とは、要求トルク並びにクランク軸回転速度に対応したデータの格納ポイントの分割数を互いに等しくしている。従って、各運転状態の違いに応じた目標空燃比と補正値との関係が１：１で互いに対応しており、両者の分解能が等しくなっている。このように、各運転状態における目標空燃比と補正値との関係を完全に対応させることにより、各運転状態の違いに応じて目標空燃比を細かく設定した際にも、その時の目標空燃比に最も適した補正値が用いられることとなるため、あるデータ格納ポイントの目標空燃比に対応して用いられる補正値のデータ格納ポイントが常に一定となり、制御精度にばらつきを生ずることがない。
このようにして本発明によれば、前回のフィードバック制御時の収束に至るまでの燃料噴射量の制御量（補正積分項）に基づいて今回のフィードフォワード制御補正値を更新し、この最新の制御補正値をもって燃料噴射量の制御目標値を算出するので、エアフローメータや燃料噴射弁の個体差および経年変化などがあっても、フィードフォワード制御量が常に適正な値となる。従って、所期の制御精度並びに応答性が損なわれずに済み、排出ガスのエミッションの悪化や燃費の悪化を招かずに済む。
本発明が適用される内燃機関の全体構成図である。 本発明が適用される制御装置のブロック図である。 モード切り換え領域判定マップの概念図である。 本発明制御のメインルーチンのフロー図である。 フィードフォワード補正値格納マップの概念図である。 空燃比目標値格納マップの概念図である。 本発明制御のサブルーチンのフロー図である。
符号の説明
９ ＬＮＣ
１８ ＥＣＵ

Claims (2)

  1. ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するために排気系が所定の還元雰囲気となるように排気空燃比をフィードバック制御すべく、目標空燃比と実空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を算出するリッチ化制御手段を備えた内燃機関の制御装置であって、
    前記リッチ化制御手段は、燃焼前に燃料を噴射するメイン燃料噴射に加えて、燃焼後に燃料を噴射するポスト燃料噴射量を制御するポストリッチモードを備え、
    前記ポストリッチモードにおいては、排気空燃比のフィードバック制御に加えて、前回のポストリッチモード時における前記フィードバック制御の燃料噴射量の実制御量に基づいて更新されたフィードフォワード補正値によってフィードフォワード制御を行い、
    前記フィードバック制御は、前記ポスト燃料噴射量についてのみ行い、
    前記フィードフォワード制御は、前記メイン燃料噴射量とポスト燃料噴射量の双方に対して行い、かつ
    前記メイン燃料噴射量に対する前記フィードフォワード制御は、前記フィードフォワード補正値に（重み付け係数ａ）を乗算して得られる値により行い、前記ポスト燃料噴射量に対する前記フィードフォワード制御は、前記フィードフォワード補正値に（１−重み付け係数ａ）を乗算して得られる値により行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記リッチ化制御手段は、前記目標空燃比を運転状態に対応して予め設定した上で格納する目標空燃比格納手段を備え、
    前記学習手段は、運転状態に対応した前記フィードフォワード補正値を格納する補正値格納手段を備え、
    前記目標空燃比格納手段と前記補正値格納手段とにおいて、前記目標空燃比と前記フィードフォワード補正値との運転状態に対応したデータ格納ポイントを互いに対応させ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。
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