JP2007162585A

JP2007162585A - エンジンの燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御方法

Info

Publication number: JP2007162585A
Application number: JP2005360463A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Kondo; 光徳近藤; Hitoshi Yokoyama; 仁横山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US20070137179A1; US7779622B2; CN1982684B; EP1798404A1; CN1982684A

Abstract

【課題】ポスト噴射量を増量しても、その燃料がシリンダライナ(燃焼室壁面)へ付着することを防止できるエンジンの燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】燃料を複数回に分けて噴射するエンジンの燃料噴射制御装置であって、メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中にポスト噴射を開始するポスト噴射制御手段（１２，７０）を備える。
【選択図】図５

Description

この発明は、エンジンの燃料噴射を制御する装置及び方法に関する。

従来から、ディーゼルエンジンは、排ガスの浄化対策として排気通路に粒子状物質(Particulate Matter；以下「ＰＭ」という)を捕捉するディーゼルパーティキュレートフィルタ(Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」という)を装着している。ＤＰＦがＰＭを捕捉し続けると、やがて目詰まりを生じてしまう。そこでＰＭがある程度堆積したら排ガス温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去してＤＰＦを再生する。

特許文献１では、燃料をメイン噴射した後の排気行程後半(排気上死点前４５〜２０degCA)でポスト噴射することで後燃えさせ、それによって発生した熱によってＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去している。
特開２００２−３７１９００号公報

しかし、前述した従来の方法では、ポスト噴射量を増量すると、その燃料がシリンダライナ(燃焼室壁面)に付着しやすかった。燃料がシリンダライナに付着すると、その燃料によってエンジンオイルが希釈されてしまう。

またポスト噴射を排気行程後半で行っている。排気行程後半はシリンダ内の温度・圧力が低下しているので、シリンダライナに付着した燃料は蒸発することなく次サイクルまで残留する。そして次サイクルで燃焼すると異常加速(unexpected acceleration)を生じる可能性がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ポスト噴射量を増量しても、その燃料がシリンダライナ(燃焼室壁面)へ付着することを防止できるエンジンの燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御方法を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、燃料を複数回に分けて噴射するエンジンの燃料噴射制御装置であって、メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中にポスト噴射を開始するポスト噴射制御手段（１２，７０）を備えることを特徴とする。

本発明によれば、メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中にポスト噴射を開始するようにしたので、インジェクタから噴射された燃料が、シリンダ軸方向のガス流に乗って排気ポートから燃焼室の外に流出していき、シリンダライナ(燃焼室壁面)に付着しにくい。そのためオイル希釈を低減することができるのである。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
まず初めに、本発明の理解を容易にするために、図１を参照して発明者らの知見について説明する。なお図１はエンジンのシリンダ内部を示す模式図である。

メイン噴射時期に噴射される燃料（以下「メイン燃料」という）は、ピストン１０ａが上死点近傍に上昇している圧縮行程で噴射される。そのためメイン燃料は、ピストン冠面に形成されたキャビティ１０ｂに噴射される。ところが、ポスト噴射時期に噴射される燃料（以下「ポスト燃料」という）は、メイン噴射後に噴射される。このとき、ピストン１０ａは上死点から下降中であり、インジェクタから離れている。そこでポスト燃料は、シリンダライナ(燃焼室壁面)１０ｃに向かう。上述した従来の方法では、メイン噴射後の排気行程後半(排気上死点前４５〜２０degCA)でポスト噴射しているが、この方法では、ポスト噴射量を増量したときに燃料がシリンダライナ１０ｃに付着しやすかった。

この理由について図２を参照して説明する。インジェクタから噴射された燃料は、噴孔１２ａの近傍では直進しているが（図２のＡ部）、次第に空気との摩擦（空気抵抗）によって波状になり（図２のＢ部）、やがて霧化する（図２のＣ部）。

噴孔１２ａから噴射し霧化するまでの液柱長さ（すなわちＡ部＋Ｂ部）は、分裂長さと呼ばれる。分裂長さＬは以下の式で表すことができる。なお速度係数はあらかじめ実験によって求めておく既知の係数である。

この式から分かるように、噴射時間ｔが一定であれば、分裂長さＬは、噴孔前後差圧ΔＰの平方根に比例する。噴射弁の燃料圧力（以下「燃圧」という）が一定であるとすると、気筒内の圧力が大きいほど噴孔前後差圧ΔＰが小さくなり、気筒内の圧力が小さいほど噴孔前後差圧ΔＰが大きくなる。したがって、気筒内の圧力が大きいと分裂長さＬは短くなり、気筒内の圧力が小さいと分裂長さＬは長くなる。

ところで燃料は霧化するとその後は拡散するのでシリンダライナ１０ｃに付着しにくい。しかし霧化するまでの液柱状態でシリンダライナ１０ｃに達するとシリンダライナ１０ｃに付着する。したがって、分裂長さＬが、噴孔１２ａからシリンダライナ１０ｃまでの距離よりも短ければ、噴射された燃料がシリンダライナ１０ｃに付着しないが、長いとシリンダライナ１０ｃに付着する。

上述の従来技術では、排気行程後半でポスト噴射する。排気行程後半は、シリンダ内の温度・圧力が低下しているので、ポスト燃料の分裂長さＬが長くなり、燃料がシリンダライナに付着しやすいのである。

図３はシリンダ内のガス挙動の解析結果を示す図である。

また発明者らはシリンダ内のガス挙動を解析することで、シリンダ内の気流の軸方向速度が、排気バルブの開弁タイミングで急増するとの知見を得た。これは排気バルブが開弁すると燃焼室から排気ポートに排ガスが流出するからである。例えばシリンダ内の気流の軸方向速度は排気バルブに近いシリンダヘッド寄りのシリンダ内の気流の軸方向速度を採用することができる。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

図４は、本発明の第１実施形態によるエンジンの燃料噴射制御装置を示す全体システム図である。

エンジンの燃料噴射制御装置１は、ディーゼルエンジン１０と、吸気通路２１と、スロットルバルブ２２と、排気通路２３と、排ガス再循環装置(Exhaust Gas Recirculation；以下「ＥＧＲ装置」という)３０と、ディーゼル酸化触媒(Diesel Oxidative Catalyst；以下「ＤＯＣ」という)４０と、ＤＰＦアッセンブリ５０と、センサ類６１〜６４と、コントローラ７０とを有する。

ディーゼルエンジン１０には、高圧ポンプ１４で高圧化されコモンレール１３に一旦蓄圧された燃料がインジェクタ１２から噴射タイミングに応じて噴射される。

ディーゼルエンジン１０から排出された排ガスの一部がＥＧＲ装置３０を介して吸気通路２１に還流する。ＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３１にＥＧＲクーラ３２とＥＧＲバルブ３３とを有する。ＥＧＲクーラ３２は排気通路２３から還流する排ガスを冷却する。ＥＧＲバルブ３３は開閉してＥＧＲ量を調整する。ＥＧＲバルブ３３は、コントローラ７０によってデューティ制御される。

ＤＯＣ４０は、ディーゼルエンジン１０の排気通路２３に設けられ、パラジウム、白金などの触媒による酸化作用で粒子状物質を減少させる。ＤＯＣ４０に未燃成分(炭化水素ＨＣ)が流入すると、触媒反応によって高温になった排ガスがＤＯＣ４０から流出する。

ＤＰＦアッセンブリ５０は、ＤＯＣ４０のさらに下流に設けられる。ＤＰＦアッセンブリ５０は、ＤＰＦハウジング５１にＤＰＦ５２を内蔵する。ＤＰＦ５２は、例えばコージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造である。ＤＰＦ５２には、多孔質薄壁によって格子状に流路が区画される。各流路の入口は、交互に目封じされる。入口が目封じされない流路は、出口が目封じされる。ＤＰＦ５２に流入した排ガスは、各流路を区画する多孔質薄壁を透過して下流へ排出される。排ガスに含まれるＰＭは多孔質薄壁の内側表面で捕捉されて堆積する。捕捉されたＰＭの一部はＤＰＦで燃焼するものの、ＤＰＦの温度(ＢＥＤ温度)が高温でなければ燃焼量は少なく、ＰＭの燃焼量よりも堆積量のほうが多いこととなる。この状態が継続しＤＰＦがＰＭを捕捉し続けると、やがて目詰まりを生じてしまう。そこでＰＭがある程度堆積したら排ガス温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去する。

差圧センサ６１は、ＤＰＦハウジング５１の上流室５１ａ(ＤＰＦ５２の入口)及び下流室５１ｂ(ＤＰＦ５２の出口)の差圧を検出し、差圧信号をコントローラ７０に出力する。

ＤＰＦ入口温度センサ６２は、ＤＰＦ５２の入口温度Ｔinを検出し、入口温度信号をコントローラ７０に出力する。

ＤＰＦ出口温度センサ６３は、ＤＰＦ５２の出口温度Ｔoutを検出し、出口温度信号をコントローラ７０に出力する。

クランク角センサ６４は、ディーゼルエンジン１０のクランクシャフト１１の回転速度を検出する。

コントローラ７０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ７０は、差圧センサ６１の差圧信号を入力し、この差圧の大小に基づいてＤＰＦ５２のＰＭ堆積量ＰＭa1を推定する。またエンジンの運転状態(例えば回転速度と燃料噴射量)毎のＰＭ排出量マップに基づいてＰＭ排出量を積算することでＤＰＦ５２へのＰＭ堆積量ＰＭa21を求める。またＤＰＦの状態(前回推定されたＰＭ堆積量、ＢＥＤ温度及び入口温度)を、あらかじめＲＯＭに格納された特性マップに適用してＤＰＦのＰＭ燃焼量ＰＭa22を求める。そしてＰＭ堆積量ＰＭa21からＰＭ燃焼量ＰＭa22を減算してＰＭ堆積量ＰＭa2を推定する。コントローラ７０は、ＰＭ堆積量ＰＭa1，ＰＭa2に基づいてＤＰＦ再生時期を判定する。コントローラ７０は、ＤＰＦ入口温度センサ６２の入口温度信号及びＤＰＦ出口温度センサ６３の出口温度信号を入力し、これらに基づきＤＰＦ５２のＢＥＤ温度を算出する。コントローラ７０は、エンジンの運転状態から最適な変速段(ギヤ比)を決定し、クランク角センサ６４の信号とあわせて、走行距離を算出する。

またコントローラ７０は、入力信号に基づいてインジェクタ１２及び高圧ポンプ１４を制御して燃料噴射量、噴射時期を調整する。コントローラ７０は、入力信号に基づいてスロットルバルブ２２の開度を調整する。コントローラ７０は、ＥＧＲバルブ３３をデューティ制御する。コントローラ７０は、これらをコントロールすることで空気過剰率（空燃比）を調整（λコントロール）して排ガス中に含まれる未燃成分(炭化水素ＨＣ)を調整し、ＤＯＣ４０から流出する排ガス温度を上昇させてＤＰＦ再生を実行する。

図５は、本発明の第１実施形態のポスト噴射タイミングを示す図である。

排気バルブの開時期（以下「ＥＶＯ」という）の後、シリンダ軸方向のガス流速が最大になるタイミングに合わせてポスト燃料を噴射するようにした。これは排気バルブの開弁タイミングから30degCA以内である。またエンジンの回転速度にかかわらず、排気バルブの開弁タイミングから一定のクランク角度で噴射するとよい。また噴射期間ｔは、以下の式（２）を満たすようにした。

このようにすることで、インジェクタから噴射された燃料は、シリンダライナ(燃焼室壁面)に燃料が到達する前に分裂して霧化し、シリンダライナに付着しにくくなる。さらにその霧化した燃料が、シリンダ軸方向流に乗って排気ポートから燃焼室の外に流出する。

図６は、本発明の第１実施形態の効果を示す図である。

ピストンが上死点近傍にあるときにポスト噴射すれば、燃料はシリンダ冠面のキャビティ内に噴射されるためシリンダライナに付着しにくくオイル希釈を生じない（例えば０〜６０deg ATDC）。ところがそのようなタイミングでポスト噴射してもＤＰＦ再生できない。ポスト噴射の時期を遅らせると、燃料はシリンダライナに付着しやすくなりオイル希釈率が上昇してしまう（例えば１２０deg ATDC）。

本実施形態によれば、ＥＶＯの直後にポスト噴射するようにするようにした。このようにすることで、インジェクタから噴射された燃料が、シリンダ軸方向流に乗って排気ポートから燃焼室の外に流出していき、図６に示すようにオイル希釈を低減できるのである。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態のポスト噴射タイミングを示す図である。

本実施形態は、ポスト噴射の燃料量を増量する場合の方法である。ポスト噴射量を増量するには、ポスト噴射を複数回行う。

ところでシリンダ内のガス流速は、上述の通り、排気バルブの開弁直後に最大となりその後減少する。ガス流速が遅いときは、排気ポートから流出する燃料量が少なくなる。そこでポスト燃料を複数回に分けてポスト噴射する場合には、ガス流速の大きさに応じてポスト噴射するとよい。すなわち、排気バルブの開弁直後の第１ポスト噴射では多めの燃料を噴射し（噴射量Ｑ１）、それに続く第２ポスト噴射では少なめ燃料を噴射する（噴射量Ｑ２；Ｑ２＜Ｑ１）。

本実施形態によれば、第２ポスト噴射で噴射されたポスト燃料も、シリンダ軸方向流に乗って排気ポートから燃焼室の外に流出する。したがって、本実施形態によれば、ポスト燃料がシリンダライナに付着することを防止でき、オイル希釈を生じさせることなく、第１実施形態に比べて多くの燃料をポスト噴射することができるのである。

（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態のポスト噴射タイミングを示す図である。図９は、ポスト噴射を連続して繰り返す場合に分裂長さが長くなることについて説明する図である。

インジェクタから噴出し、分裂して霧化するまでの液柱長さである分裂長さＬは、上述の式（１）で表される。ところが、ポスト噴射を連続して繰り返すときは、分裂長さが式（１）で求められる長さＬよりも長くなることが分かった。この点について図９を参照して説明する。

インジェクタから燃料が噴射されると、噴射された燃料の周りには気流が生じる。インジェクタからポスト噴射を連続して繰り返すときは、２回目以降のポスト噴射が、前回のポスト噴射によって生じた気流に乗って、分裂長さが長くなっていたのである。

そこでインジェクタからポスト噴射を連続して繰り返すときは、できるだけ各噴射間隔がひらくようにし、具体的には、図８に示すように、第１ポスト噴射はＥＶＯで行い、第３ポスト噴射はＥＶＣで行い、第２ポスト噴射はその排気バルブ開弁期間Ｄのちょうど真中のタイミングで行うようにしたのである。

本実施形態によれば、第２ポスト噴射、第３ポスト噴射で噴射されたポスト燃料の分裂長さが延びることを防止でき、ポスト燃料がシリンダライナに付着することを防止でき、オイル希釈を生じさせることなく、第１実施形態に比べて多くの燃料をポスト噴射することができるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記実施形態においては、エンジンとしてディーゼルエンジンを一例に挙げて説明してるが、ガソリンエンジンであってもよい。

エンジンのシリンダ内部を示す模式図である。インジェクタから噴射された燃料の様子を示す図である。シリンダ内のガス挙動の解析結果を示す図である。本発明の第１実施形態によるエンジンの燃料噴射制御装置を示す全体システム図である。本発明の第１実施形態のポスト噴射タイミングを示す図である。本発明の第１実施形態の効果を示す図である。本発明の第２実施形態のポスト噴射タイミングを示す図である。本発明の第３実施形態のポスト噴射タイミングを示す図である。ポスト噴射を連続して繰り返す場合に分裂長さが長くなることについて説明する図である。

符号の説明

１エンジンの燃料噴射制御装置
１０ディーゼルエンジン
１０ａピストン
１０ｂキャビティ
１０ｃシリンダライナ（燃焼室壁面）
１２インジェクタ（ポスト噴射制御手段）
１３コモンレール
１４高圧ポンプ
４０ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）
５０ＤＰＦアッセンブリ
５２ＤＰＦ(ディーゼルパティキュレートフィルタ)
６１差圧センサ
６２ＤＰＦ入口温度センサ
６３ＤＰＦ出口温度センサ
７０コントローラ（ポスト噴射制御手段）

Claims

燃料を複数回に分けて噴射するエンジンの燃料噴射制御装置であって、
メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中にポスト噴射を開始するポスト噴射制御手段を備える、
ことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
エンジンの排ガス通路に設けられ、排ガス成分を酸化して浄化する酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流の排ガス通路に設けられ、排ガス中に含まれる排気微粒子を捕捉して大気への排出を防止する排ガスフィルタと、
前記排ガスフィルタが再生の必要な時期であるか否かを判定するフィルタ再生判定手段と、
を備え、
前記ポスト噴射制御手段は、前記排ガスフィルタの再生時期を判定したら、排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中にポスト噴射を開始して、未燃燃料の前記酸化触媒での触媒反応によって排ガスを高温化して、その排ガスフィルタを高温化して再生する、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、排気バルブの開弁から30degCA以内にポスト噴射を開始する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、エンジンの回転速度にかかわらず排気バルブの開弁から一定のクランク角度でポスト噴射を開始する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中に最初のポスト噴射を開始するとともに、次第にポスト噴射量が少なくなるように追加ポスト噴射を行う、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中に最初のポスト噴射を開始するとともに、シリンダ軸方向のガス流速が小さくなるにつれてポスト噴射量が少なくなるように追加ポスト噴射を行う、
ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項５に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、メイン噴射の後であって排気バルブの開弁時に最初のポスト噴射を開始し、排気バルブの閉弁時に最後のポスト噴射を開始し、排気バルブの開弁と閉弁との真中のタイミングで中間ポスト噴射を開始する、
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５又は請求項６に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、排気バルブの開弁から30degCA以内に、前記最初のポスト噴射を開始する、
ことを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、エンジンの回転速度にかかわらず排気バルブの開弁から一定のクランク角度で、前記最初のポスト噴射を開始する、
ことを特徴とする請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
前記ポスト噴射制御手段は、下記の式に基づいて噴射期間ｔを設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
燃料を複数回に分けて噴射するエンジンの燃料噴射制御方法であって、
メイン噴射の後であって排気バルブを開弁後のシリンダ軸方向のガス流速が増加中にポスト噴射を開始するポスト噴射工程を備える、
ことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御方法。