(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気系に、第１所定触媒温度を下回ると良好な排気ガス浄化性能を発揮できなくなる触媒と、可変ノズル式過給器のタービンとが配置された希薄燃焼内燃機関の制御装置において、機関運転状態毎に定まる目標過給圧を実現するための可変ノズル式過給器の目標ノズル開度を決定し、前記目標ノズル開度に基づき前記可変ノズル式過給器のノズル開度を制御するノズル開度制御手段と、前記触媒の温度が前記第１所定触媒温度を下回る時に、前記目標ノズル開度を開側に補正する第１目標ノズル開度補正手段と、前記触媒の温度が前記第１所定触媒温度以下の第２所定触媒温度を下回る時に、気筒内での排気行程の燃焼によって排気ガス温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段と、前記触媒の温度が前記第２所定触媒温度を下回る時に、前記目標ノズル開度を前記第１目標ノズル開度補正手段による補正に加えてさらに開側に補正する第２目標ノズル開度補正手段、とを具備し、前記第２目標ノズル開度補正手段による前記目標ノズル開度のさらなる開度補正量は、気筒内での排気行程の燃焼に使用される排気行程前半の燃料噴射量が多いほど大きく設定されることを特徴とする可変ノズル式過給器を備えた希薄燃焼内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関排気系に、第１所定触媒温度を下回ると良好な排気ガス浄化性能を発揮できなくなる触媒と、可変ノズル式過給器のタービンとが配置された希薄燃焼内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノズル面積を可変とする機構を有し、タービンへ提供する排気ガス圧力を変化させることにより、コンプレッサを介しての過給圧を制御する可変ノズル式過給器が公知である。特開昭６２−７９３３号公報には、このような可変ノズル式過給器をディーゼル機関に配置し、機関出力とラック位置とによって定まる必要過給圧が実現されるように可変ノズル式過給器のノズル面積を制御することが開示されている。それにより、必要以上に空気量が増加することはなく、排気ガス温度の低下を緩和して排気ガスエコノマイザの効率低下を防止することが意図されている。
【０００３】
ディーゼル機関は、通常、燃料を空気過剰状態で燃焼させるために、その排気ガス中には有害な窒素酸化物（以下、ＮＯx と称する）が比較的多く含まれている。従って、ディーゼル機関の排気系には、一般的に、このＮＯx を浄化するためのＮＯx 触媒が設けられている。このような排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒は、一般的に、良好な浄化性能を発揮する所定温度範囲を有しており、触媒温度がこの所定温度範囲の下限値を下回る時には、触媒を加熱する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、触媒温度は、機関出力及びラック位置に直接的な関係を有していないために、触媒温度が所定温度範囲の下限値を下回る時に排気ガス温度が確実に高められることはなく、触媒の浄化性能が悪化したままとなって排気エミッションが悪化する。また、この時に触媒を加熱するために、ヒータ等の加熱装置を設けることが考えられるが、大幅なコストアップとなる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、機関排気系に、所定触媒温度を下回ると良好な排気ガス浄化性能を発揮できなくなる触媒と、可変ノズル式過給器のタービンとが配置された希薄燃焼内燃機関において、触媒温度が所定触媒温度を下回る時の排気エミッションの悪化をコストアップを伴わずに改善することができる制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明による希薄燃焼内燃機関の制御装置は、機関排気系に、第１所定触媒温度を下回ると良好な排気ガス浄化性能を発揮できなくなる触媒と、可変ノズル式過給器のタービンとが配置された希薄燃焼内燃機関の制御装置において、機関運転状態毎に定まる目標過給圧を実現するための可変ノズル式過給器の目標ノズル開度を決定し、前記目標ノズル開度に基づき前記可変ノズル式過給器のノズル開度を制御するノズル開度制御手段と、前記触媒の温度が前記第１所定触媒温度を下回る時に、前記目標ノズル開度を開側に補正する第１目標ノズル開度補正手段と、前記触媒の温度が前記第１所定触媒温度以下の第２所定触媒温度を下回る時に、気筒内での排気行程の燃焼によって排気ガス温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段と、前記触媒の温度が前記第２所定触媒温度を下回る時に、前記目標ノズル開度を前記第１目標ノズル開度補正手段による補正に加えてさらに開側に補正する第２目標ノズル開度補正手段、とを具備し、前記第２目標ノズル開度補正手段による前記目標ノズル開度のさらなる開度補正量は、気筒内での排気行程の燃焼に使用される排気行程前半の燃料噴射量が多いほど大きく設定されることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による制御装置が取り付けられた可変ノズル式過給器を備えた希薄燃焼内燃機関を示す概略図である。同図において、１はディーゼル機関等の希薄燃焼内燃機関本体、２は機関吸気系、３は機関排気系である。機関吸気系２の各気筒への分岐部上流側には、可変ノズル過給器４のコンプレッサ４ａが配置されている。機関排気系３の各気筒からの合流部下流側には、可変ノズル過給器４のタービン４ｂが配置されている。
【０００９】
５は各気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁である。各燃料噴射弁５は、燃料ポンプによって常に高圧の燃料で満たされたコモンレール６に接続されている。希薄燃焼内燃機関１は、通常、燃料を空気過剰状態で燃焼させるために、その排気ガス中には有害なＮＯx が比較的多く含まれている。機関排気系３のタービン４ｂの下流側には、このＮＯx を浄化するためのＮＯx 触媒７が配置されている。
【００１０】
ＮＯx 触媒７は、例えば、ゼオライトＺＳＭ−５にＣｕ等の金属をイオン交換して担持させたＮＯx 選択還元触媒と呼ばれるものである。このＮＯx 選択還元触媒は、排気ガス中に混入させたＨＣ等の還元剤をゼオライトの細孔に吸着して保持し、この還元剤を用いて排気ガス中のＮＯx を還元浄化するものである。このようなＮＯx 選択還元触媒は、触媒温度が低過ぎても高過ぎても浄化性能が悪化し、良好な浄化性能を発揮する所定温度範囲（約３００°Ｃから５００°Ｃ）を有している。
【００１１】
可変ノズル過給器４は、ノズル面積を可変とする機構を有し、タービン４ｂへ提供する排気ガス圧力又は排気ガス流量を変化させることにより、コンプレッサ４ａを介しての過給圧を制御可能なものである。
【００１２】
２０は、可変ノズル式過給器４のノズル開度制御及び燃料噴射弁５の燃料噴射制御を担当する制御装置であり、機関運転状態を検出するための回転センサ（図示せず）及びアクセルペダルストロークセンサ（図示せず）等と、ＮＯx 触媒７へ流入する排気ガス温度を検出するための第１温度センサ２１と、ＮＯx 触媒７から流出する排気ガス温度を検出するための第２温度センサ２２と、コンプレッサ４ａ下流側の過給圧を検出するための圧力センサ２３とが接続されている。
【００１３】
制御装置２０による前述の制御は、図２に示すフローチャートに従って実行される。このフローチャートは、所定時間毎に繰り返されるものである。まず、ステップ１０１において、回転センサ及びアクセルペダルストロークセンサによって現在の機関回転数Ｎ及び機関負荷としてのアクセルペダルストロークＬが検出される。
【００１４】
次に、ステップ１０２において、機関回転数Ｎ及び機関負荷Ｌとに基づき定まる機関運転状態に最適な目標過給圧を実現するための可変ノズル過給器４の目標ノズル開度ＴＡｔが決定される。この決定には、機関回転数Ｎ及び機関負荷Ｌに対して目標ノズル開度ＴＡｔが予め設定されたマップ（図示せず）等が使用される。このマップにおいて、例えば、排気ガス量が比較的少なくて高い過給圧が必要とされる機関運転状態では、目標ノズル開度ＴＡｔは小さく設定されており、逆に排気ガス量が比較的多くて高い過給圧が必要とされない機関運転状態では、目標ノズル開度ＴＡｔは大きく設定されている。
【００１５】
次に、ステップ１０３において、第１温度センサ２１及び第２温度センサ２２によってＮＯx 触媒７へ流入する流入排気ガス温度Ｔｉｎ及びＮＯx 触媒７から流出する流出排気ガス温度Ｔｏｕｔが検出され、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、流出排気ガス温度Ｔｏｕｔが前述したＮＯx 触媒７の所定温度範囲内であるか否かが判断される。流出排気ガス温度Ｔｏｕｔは、ＮＯx 触媒温度と考えることができ、この判断が肯定される時には、ＮＯx 触媒７は良好な浄化性能を発揮するために、ステップ１０５において、現在の機関運転状態に基づく排気ガス量等を考慮して、還元剤としての燃料噴射量ＴＡＵ１が決定される。次に、ステップ１０６に進み、燃料噴射弁５によって、圧縮行程末期の主燃料噴射とは別に、排気行程後半において燃料噴射量ＴＡＵ１の燃料噴射が実施される。排気行程後半に噴射される燃料は、気筒内で燃焼することはなく、排気ガス中に還元剤としてのＨＣが混入され、ＮＯx 触媒７においてＮＯx の良好な還元浄化が実施される。
【００１６】
一方、ステップ１０４における判断が否定される時、すなわち、ＮＯx 触媒温度が所定温度範囲内にない時には、排気ガス中に還元剤としてのＨＣを混入させてもＮＯx 触媒７における還元が実施されず、大気中に有害なＨＣを放出することになるために、ステップ１０５及びステップ１０６の処理を実施することなくステップ１０７に進む。
【００１７】
ステップ１０７では、流入排気ガス温度ＴｉｎがＮＯx 触媒７の所定温度範囲の下限値である第１所定触媒温度Ｔ１Ｈより低いか否かが判断される。この判断が肯定される時には、現在のＮＯx 触媒温度が所定温度範囲内であるとしても、そのままでは直ぐに所定温度範囲を下回るようになる。本フローチャートは、この時には、ステップ１０８において、第１所定触媒温度Ｔ１Ｈと流入排気ガス温度Ｔｉｎとの差に基づき、ステップ１０２において決定した目標ノズル開度ＴＡｔの開側補正値ａが決定される。次に、ステップ１０９において、流入排気ガス温度Ｔｉｎが第２所定触媒温度Ｔ１Ｌより低いか否かが判断される。この第２所定触媒温度Ｔ１Ｌは前述の第１所定触媒温度Ｔ１Ｈよりかなり低い値である。この判断が否定される時には、ステップ１１０において、目標ノズル開度ＴＡｔに開側補正量ａを加算して実際のノズル開度ＴＡを算出し、このノズル開度ＴＡが実現されるように可変ノズル式過給器４のノズルを制御する。
【００１８】
このように、可変ノズル式過給器４のノズル開度が開側に補正されると、コンプレッサ４ａの過給圧が下がり、吸気量が減少するために、気筒内から排出される排気ガス温度が上昇する。それにより、ＮＯx 触媒温度が所定温度範囲を下回ることは防止され、又は、既にＮＯx 触媒温度が所定温度範囲を下回っている場合には早期にＮＯx 触媒温度を所定温度範囲内に昇温することができる。ＮＯx 触媒７の所定温度範囲の下限値Ｔ１と流入排気ガス温度Ｔｉｎとの差が大きいほど、目標ノズル開度の開側補正量ａは大きくされ、排気ガス温度を大きく上昇させるようになっている。
【００１９】
ディーゼル機関等の希薄燃焼内燃機関は、通常の運転状態においては、空気過剰状態であるために、前述のように過給圧を下げて多少吸気量を減少させても特に問題とはならない。しかしながら、各機関運転状態毎に最小吸気量は存在し、ノズル開度を大幅に開側に補正して最小吸気量を下回ることができない。最小吸気量を下回ることは、圧力センサ２３によって過給圧を監視することによって防止される。それにより、流入排気ガス温度Ｔｉｎが非常に低い時などは排気ガス温度を所望温度へ上昇させることができないことがある。本フローチャートでは、流入排気ガス温度Ｔｉｎが非常に低くて第２所定触媒温度Ｔ１Ｌを下回る時には、ステップ１１１に進み、現在の流入排気ガス温度Ｔｉｎに応じて排気行程前半の燃料噴射量ＴＡＵ２が決定され、ステップ１１２において、燃料噴射弁５によって、圧縮行程末期の主燃料噴射及び前述の排気行程後半の燃料噴射とは別に、排気行程前半の燃料噴射量ＴＡＵ２での燃料噴射が実施される。次いでステップ１１３において、目標ノズル開度ＴＡｔに前述の開側補正量ａ及びさらなる開側補正量ｂを加算して実際のノズル開度ＴＡを算出し、このノズル開度ＴＡが実現されるように可変ノズル式過給器４のノズルを制御する。さらなる開度補正量ｂは、燃料噴射量ＴＡＵ２が多いほど大きく設定されるものである。
【００２０】
このようにして排気行程前半に噴射される燃料は、気筒内で燃焼して排気ガス温度を上昇させるために、流入排気ガス温度Ｔｉｎが非常に低い時には吸気量を大幅に減少させることなく排気ガス温度を所望温度へ上昇させることができる。こうして排気行程の燃焼により排気ガス温度が上昇すると、同じノズル開度でもタービン４ｂでの仕事量が増大してコンプレッサの過給圧が上昇する。それにより、吸気量が増加して排気ガス温度を十分に上昇できないことを防止するために、実際のノズル開度ＴＡは、開側補正量ａ及びさらなる開側補正量ｂによって大きく開側に補正されるようになっている。また、機関加速時のように多量の吸気が必要な時には、排気行程前半の燃料噴射によって排気ガス温度を上昇させれば、吸気量を減少させることなく排気ガス温度を所望温度へ上昇させることもできる。
【００２１】
ステップ１０７における判断が否定される時には、ステップ１１４に進み、流入排気ガス温度ＴｉｎがＮＯx 触媒７の所定温度範囲における上限値Ｔ２より高いか否かが判断される。この判断が肯定される時には、現在のＮＯx 触媒温度が所定温度範囲内であるとしても、そのままでは直ぐに所定温度範囲を上回るようになる。本フローチャートは、この時には、ステップ１１５において、流入排気ガス温度Ｔｉｎと上限値Ｔ２との差に基づき、ステップ１０２において決定した目標ノズル開度ＴＡｔの閉側補正値ｃが決定される。次に、ステップ１１６において、目標ノズル開度ＴＡｔから閉側補正量ｃを減算して実際のノズル開度ＴＡを算出し、このノズル開度ＴＡが実現されるように可変ノズル式過給器４のノズルを制御する。
【００２２】
このように、可変ノズル式過給器４のノズル開度が閉側に補正されると、コンプレッサ４ａの過給圧が上がり、吸気量が増加するために、気筒内から排出される排気ガス温度が低下する。それにより、ＮＯx 触媒温度が所定温度範囲を上回ることは防止され、又は、既にＮＯx 触媒温度が所定温度範囲を上回っている場合には早期にＮＯx 触媒温度を所定温度範囲内に低下させることができる。流入排気ガス温度ＴｉｎとＮＯx 触媒７の所定温度範囲の上限値Ｔ２との差が大きいほど、目標ノズル開度の閉側補正量ｃは大きくされ、排気ガス温度を大きく低下させるようになっている。
【００２３】
ディーゼル機関等の希薄燃焼内燃機関は、通常の運転状態においては、空気過剰状態であるために、このように過給圧を上げて多少吸気量を増加させても特に問題とはならない。ステップ１１４における判断が否定される時には、現在の流入排気ガス温度ＴｉｎはＮＯx 触媒７の所定温度範囲内であり、排気ガス温度を変化させる必要はない。それにより、ステップ１１７において、実際のノズル開度ＴＡはステップ１０２において決定された目標ノズル開度ＴＡｔとされ、ノズルの開度補正は実施されない。
【００２４】
本発明の希薄燃焼内燃機関は、ディーゼル機関に限定されず、火花点火内燃機関でも良い。この場合において、排気ガス温度を上昇させるために、ステップ１１２及び１１３の排気行程前半の燃料噴射に代えて、点火時期を遅角して排気行程前半においても燃焼を持続させるようにしても良い。
【００２５】
本実施形態において、還元剤としての燃料噴射は、主燃料噴射と共通の燃料噴射弁５を使用したが、別の燃料噴射弁によって機関排気系に噴射するようにしても良い。また、本実施形態において、機関排気系の触媒は、所定温度範囲を有するＮＯx 触媒としたが、これは本発明を限定するものではなく、少なくとも所定温度以下で浄化性能が悪化する触媒であれば良い。
【００２６】
【発明の効果】
このように、請求項１に記載の本発明による希薄燃焼内燃機関の制御装置によれば、ノズル開度制御手段が、機関運転状態毎に定まる目標過給圧を実現するための可変ノズル式過給器の目標ノズル開度を決定し、この目標ノズル開度に基づき可変ノズル式過給器のノズル開度を制御し、第１目標ノズル開度補正手段が、機関排気系に配置された触媒の温度が第１所定触媒温度を下回り良好な排気ガス浄化性能を発揮できなくなる時には、目標ノズル開度を開側に補正するようになっている。それにより、過給圧が低下して吸気量が減少するために、この時の排気ガス温度を上昇させることができ、触媒温度を第１所定触媒温度以上に高め、良好な浄化性能を回復させて排気エミッションの悪化を改善することができる。
【００２７】
また、排気ガス温度上昇手段が、機関排気系に配置された触媒の温度が第１所定触媒温度以下の第２所定触媒温度を下回る時には、気筒内での排気行程の燃焼によって排気ガス温度を上昇させると共に、第１目標ノズル開度補正手段に加えて第２目標ノズル開度補正手段が、目標ノズル開度をさらに開側に補正するために、排気行程燃焼による排気ガス温度上昇に伴う可変ノズル式過給器タービンでの仕事量の増大が防止され、排気ガス温度が非常に低く触媒温度が第２所定触媒温度を下回る時に、吸気量を大幅に減少させることなく排気ガス温度を良好に上昇させることができ、触媒温度を第１所定触媒温度以上に高め、良好な浄化性能を回復させて排気エミッションの悪化を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御装置が取り付けられた可変ノズル式過給器を備えた希薄燃焼内燃機関を示す概略図である。
【図２】可変ノズル式過給器のノズル開度制御及び燃料噴射弁の燃料噴射制御のためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…希薄燃焼内燃機関
４…可変ノズル式過給器
５…燃料噴射弁
７…ＮＯx 触媒
２０…制御装置
【図１】
0003820659.tif 000002
【図２】
0003820659.tif 000003