JP2008038818A

JP2008038818A - 燃料添加装置

Info

Publication number: JP2008038818A
Application number: JP2006216375A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Tauchi; 豊田内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】燃料添加装置において、実際の燃料噴射量をより正確に求めることにより、正確に燃料噴射量を補正することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路９に燃料を噴射する燃料添加弁１１と、燃料添加弁１１に接続され燃料が流通する燃料流通路１３と、燃料流通路１３を閉塞する閉塞手段１４，１７と、閉塞手段１４，１７よりも燃料添加弁１１側の燃料流通路１３において燃料の圧力を検出する燃料圧力検出手段１８と、閉塞手段１４，１７により燃料流通路１３が閉塞されているときに燃料添加弁１１から燃料を噴射させ、燃料添加弁１１から燃料を噴射する前の燃料の圧力と燃料を噴射した後の燃料の圧力との差に基づいて燃料添加弁１１から噴射された燃料量を推定する燃料噴射量推定手段１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料添加装置に関する。

内燃機関の排気通路に上流側から燃料添加弁と、ＮＯx触媒とを備え、該ＮＯx触媒に対して燃料添加弁から燃料を添加することにより、排気中のＮＯxを浄化することができる
。

ここで、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁へ高圧の燃料を供給するコモンレールと、排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、を接続し、該コモンレールから燃料添加弁へ燃料を供給するとともに、余った燃料をリターン通路にて燃料タンクへ戻し、該リターン通路に圧力制御弁を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、燃料添加弁は排気通路に備えられているため排気に常に晒されている。そのため、該燃料添加弁の先端に排気中の煤等のパティキュレートマター（以下、ＰＭという。）が付着する。そして、燃料添加弁の温度が高くなると、該燃料添加弁の先端に付着したＰＭが固化し、該燃料添加弁から噴射される燃料量が少なくなってしまう。

ここで、内燃機関に燃料を供給するための燃料噴射弁であれば、燃料噴射が非常に短い間隔で繰り返し行なわれているため、ＰＭが付着しても噴射される燃料により吹き飛ばされる。しかし、排気通路に備えられる燃料添加弁は、ＮＯxを還元するとき等に燃料を噴
射するため、燃料を噴射していない時間が長く続くことがあるので、付着した煤等が固化し易い。

そして、燃料添加弁にＰＭが付着していると、燃料添加弁の開弁時間と燃料噴射量との関係が変わるので、燃料噴射量の制御が困難となる。
特表２００４−５１４８２９号公報特開２００５−２０１１５８号公報特開２００５−５４７２３号公報特開２００５−３４４６８２号公報

これに対し、燃料噴射量の補正を行うことが考えられる。例えばパティキュレートフィルタからＰＭを除去するときに燃料添加が行われるが、このときに該フィルタの温度が上昇するため、該フィルタの温度上昇値に基づいて実際の燃料噴射量を推定することができる。そして、この推定された燃料噴射量と基準値とを比較することにより補正を行い得る。しかし、フィルタの温度は内燃機関の運転状態によっても変わるため、正確な燃料噴射量を求めようとすると、内燃機関の定常運転時にフィルタの温度を検出しなくてはならない。また、触媒が劣化していると燃料の噴射量に対する触媒の温度上昇値が変わるため、この変化分を燃料噴射量の変化分として誤って検出する虞がある。

また、排気通路に空燃比センサを取り付けて、該空燃比センサにより得られる排気の空燃比に基づいて実際の燃料噴射量を推定することも考えられる。しかし、空燃比センサにより得られる排気の空燃比は、内燃機関から排出される排気の空燃比の影響を受けるため、燃料添加弁からの燃料噴射量の変化だけを検出することは困難である。また、空燃比センサには応答遅れがあるため、燃料噴射量の補正を行い得るのは定常状態が長く続く場合
等に限られる。

さらに、燃料噴射量の補正をしたとしても、ＮＯx触媒にてＮＯxの還元効率が高くなるとは限らない。例えば、燃料添加弁からの燃料噴射量を増加させる場合に燃料添加弁の開弁時間を長くすると、燃料噴射量の総量は多くなるため目標値に合わせることができるが、単位時間当たりの燃料噴射量は変わらないため、排気の空燃比はあまり低くならない。つまり、燃料添加弁の開弁時間が長くなっても、それだけ多くの排気が流れるため、燃料添加弁から噴射される燃料に対する空気の量はあまり変わらない。そのため、燃料噴射量の補正をしても、適正な空燃比を得られないことがあるため、ＮＯx浄化率が低下する虞
がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、燃料添加装置において、実際の燃料噴射量をより正確に求めることにより、正確に燃料噴射量を補正することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による燃料添加装置は、
内燃機関の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁に接続され燃料が流通する燃料流通路と、
前記燃料流通路に燃料を供給する燃料供給源と、
前記燃料流通路を閉塞する閉塞手段と、
前記燃料流通路の前記閉塞手段よりも燃料添加弁側において燃料の圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
前記閉塞手段により前記燃料流通路が閉塞されているときに前記燃料添加弁から燃料を噴射させ、該燃料添加弁から燃料を噴射する前の前記燃料の圧力と燃料を噴射した後の前記燃料の圧力との差に基づいて該燃料添加弁から噴射された燃料量を推定する燃料噴射量推定手段と
を備えることを特徴とする。

燃料流通路は、燃料供給源と燃料添加弁とを接続している。そのため、燃料流通路内に燃料が流通する。このままでは、燃料添加弁から燃料を噴射させても直ぐに新たな燃料が燃料供給源から供給される。そのため、燃料添加弁から燃料を噴射する前の燃料の圧力と燃料を噴射した後の燃料の圧力との差は、燃料噴射弁からの燃料噴射量の他に燃料供給源からの燃料の供給量にも影響を受ける。

ここで、閉塞手段により燃料流通路が閉塞され且つ燃料添加弁からの燃料の噴射が停止されると、該閉塞手段よりも燃料添加弁側（燃料添加弁を含み以下、閉通路という。）の燃料の流通が停止する。このときには、閉通路内の燃料の圧力は一定となる。その後、閉塞手段により燃料流通路を閉塞したまま燃料添加弁から燃料を噴射させると、閉通路内の燃料の圧力が低下する。このときの圧力の低下量は、燃料添加弁から噴射される燃料噴射量と相関しているため、この圧力の低下量に基づいて燃料噴射量を推定することができる。

つまり、閉塞手段により燃料流通路が閉塞されている場合には、燃料添加弁から燃料を噴射する前と燃料を噴射した後との圧力差に基づいて燃料噴射量を推定することができる。

なお、燃料流通路には、余剰の燃料を燃料タンク等に戻すリターン通路も接続されていることがある。このリターン通路から燃料が流出すると、前記燃料の圧力の差が、燃料添加弁からの燃料噴射によるものなのか、リターン通路へ燃料が流出することによるものな
のか区別することができない。そのため、閉塞手段は燃料流通路から燃料が流出する通路も閉塞する。これにより、閉通路からの燃料の流出は燃料添加弁から噴射されるものに限ることができる。

本発明においては、前記燃料噴射量推定手段は、前記燃料添加弁から燃料を噴射する前の前記燃料の圧力と燃料を噴射した後の前記燃料の圧力との差に、燃料の体積弾性係数を乗じた値から、前記閉塞手段よりも前記燃料添加弁側の部分の容積を除することにより、前記燃料添加弁から噴射された燃料量を推定することができる。

つまり、閉塞手段により燃料流通路が閉塞されている場合には、燃料添加弁からの燃料の噴射量は、燃料の体積弾性係数および燃料噴射前後の圧力差に比例し、閉通路内の容積に反比例するため、これらの関係から燃料噴射量を推定することができる。

本発明においては、前記燃料噴射量推定手段により推定される燃料量と、基準とされる燃料量と、の差が小さくなるように燃料圧力を変更することができる。

ここで、燃料噴射量が減少した場合であっても、燃料の圧力を上昇させることにより、単位時間当たりの燃料噴射量を増加させることができる。したがって、燃料添加弁の開弁時間を変更しなくても、燃料噴射量を変更することができる。これにより、燃料添加弁の開弁時間を変えることなく燃料噴射量の補正を行うことができる。つまり、排気の空燃比を目標値に合わせることができる。

本発明によれば、燃料添加装置において、実際の燃料噴射量をより正確に求めることにより、正確に燃料噴射量を補正することができる。

以下、本発明に係る燃料添加装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

本実施例では、本発明に係る燃料添加装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る燃料添加弁１１を適用する内燃機関１とその排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は、４つの気筒２を有する４サイクル・ディーゼル機関である。

内燃機関１は、各気筒２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。

前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して高圧燃料ポンプ６と接続されている。この高圧燃料ポンプ６は、内燃機関１のクランクシャフトの回転トルクを駆動源として作動するポンプである。

また、内燃機関１には、燃料を貯留するための燃料タンク７が併設され、該燃料タンク７内には低圧で燃料を吐出する低圧燃料ポンプ８が設けられている。この低圧燃料ポンプ８は燃料供給管５を介して高圧燃料ポンプ６と接続されている。

そして、燃料タンク７内に貯留されている燃料が低圧燃料ポンプ８により燃料供給管５へ吐出され、該燃料供給管５を流通する。燃料供給管５の途中で燃料が高圧燃料ポンプ６を通過することにより、該高圧燃料ポンプ６よりも下流の燃料の圧力が上昇する。そして
、高圧燃料ポンプ６から吐出された燃料は、コモンレール４に流入する。このコモンレール４内の燃料の圧力も、高圧燃料ポンプ６により高められている。そして、この高圧の燃料が燃料噴射弁３に供給され、該燃料噴射弁３が開弁することにより気筒２内へ燃料が噴射される。

また、内燃機関１には、排気通路９が接続されている。この排気通路９の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒１０（以下、ＮＯx触媒１０という。）が設けられている。ＮＯx触媒
１０は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の
酸素濃度が低く且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する
。

このＮＯx触媒１０に還元剤を供給するために、本実施例では燃料添加装置３０を備え
ている。燃料添加装置３０は、燃料添加弁１１、添加燃料供給管１３、流量調節弁１４、燃料添加用コモンレール１５、圧力制御弁１７、添加燃料圧力センサ１８を備えて構成されている。

ＮＯx触媒１０よりも上流の排気通路９には、該排気通路９を流通する排気中に還元剤
たる燃料（軽油）を噴射する燃料添加弁１１が備えられている。燃料添加弁１１とコモンレール４とは、添加燃料供給管１３を介して接続されている。添加燃料供給管１３の途中には、コモンレール４側から順に流量調節弁１４と燃料添加用コモンレール１５とが設けられている。流量調節弁１４は、添加燃料供給管１３を流れる燃料の量を調節することにより、燃料添加弁１１へ供給される燃料の量を調節する。燃料添加用コモンレール１５では、燃料が所定の圧力に蓄圧される。なお、本実施例においては添加燃料供給管１３が、本発明における燃料流通路に相当する。

一方、燃料添加用コモンレール１５には、添加燃料リターン管１６の一端が接続されている。この添加燃料リターン管１６の他端は燃料タンク７に接続されている。この添加燃料リターン管１６の途中には、該添加燃料リターン管１６を流通する燃料の量を調節することにより、燃料添加弁１１から噴射される燃料の圧力を調節する圧力制御弁１７が設けられている。なお、本実施例においては流量調節弁１４および圧力制御弁１７が、本発明における閉塞手段に相当する。

すなわち、コモンレール４から高圧の燃料が添加燃料供給管１３に流れ込み、燃料添加用コモンレール１５で一旦貯留される。その後、燃料添加用コモンレール１５から燃料添加弁１１へ燃料が供給される。そして、燃料添加弁１１が開弁すると、排気中に燃料が噴射される。また、燃料添加弁１１に供給されなかった燃料は、添加燃料リターン管１６を流通して燃料タンク７へ戻される。

なお、燃料添加用コモンレール１５には、該燃料添加用コモンレール１５内の燃料の圧力を検出する添加燃料圧力センサ１８が取り付けられている。そして、本実施例においては添加燃料圧力センサ１８が、本発明における燃料圧力検出手段に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１２が併設されている。このＥＣＵ１２は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１２には、添加燃料圧力センサ１８の他、運転者がアクセルペダル２１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ２２、及び機関回転数を検出するクランクポジションセンサ２３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１２に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１２には、燃料噴射弁３、燃料添加弁１１、流量調節弁１４、圧力制御弁１７等が電気配線を介して接続され、これらの弁の開閉が該ＥＣＵ１２により制御される。

そして、本実施例では、燃料添加弁１１から燃料を噴射する前と後との燃料添加用コモンレール１５内の圧力差に基づいて、燃料添加弁１１からの燃料噴射量を推定する。さらに次回の燃料噴射以降は、燃料噴射量の低下に合わせて燃料噴射時の燃料圧力を上昇させることにより、燃料噴射時間が基準値から変化しないようにする。つまり、燃料添加弁１１の開弁時間は変更せずに、燃料圧力を変更することにより燃料噴射量を変更する。

まず、燃料添加弁１１からの燃料噴射量を推定するときには、流量調節弁１４及び圧力制御弁１７が全閉とされる。これにより、燃料添加用コモンレール１５、燃料添加用コモンレール１５から燃料添加弁１１に至る間の添加燃料供給管１３、および燃料添加弁１１内の燃料の流通が停止される。以下、流量調節弁１４及び圧力制御弁１７が全閉とされたときの、燃料添加用コモンレール１５、燃料添加用コモンレール１５から燃料添加弁１１に至る間の添加燃料供給管１３、および燃料添加弁１１をまとめて閉通路という。つまり、本実施例においては閉通路が、本発明における「閉塞手段よりも燃料添加弁側の部分」に相当する。

閉通路内には燃料が貯留されるため、燃料添加弁１１から燃料を噴射させない限りは該閉通路内の圧力は一定となる。このときに燃料添加弁１１から燃料を噴射させると、噴射された燃料の分だけ該閉通路内の圧力が低下する。

ここで、図２は、燃料添加弁１１の開閉状態と燃料添加用コモンレール１５内の圧力との推移を示したタイムチャートである。燃料添加弁１１が閉弁状態のとき（Ｔ１以前およびＴ２以降）には燃料圧力は一定となり、燃料添加弁１１が開弁状態のとき（Ｔ１からＴ２まで）には燃料圧力は低下する。

ここで、燃料添加弁１１から噴射された燃料量は、燃料の体積弾性係数Ｋ及び燃料噴射前後の圧力差ｄＰに比例し、閉通路の容積Ｖに反比例する。すなわち、燃料噴射量Ｑｅは以下の式で求めることができる。
Ｑｅ＝Ｋ×ｄＰ／Ｖ
なお、燃料の体積弾性係数Ｋ及び閉通路の容積Ｖは、予め実験等により求めておく。そして、本実施例においてはこのようにして燃料噴射量Ｑｅを算出するＥＣＵ１２が、本発明における燃料噴射量推定手段に相当する。

そして本実施例では、このようにして得られた燃料噴射量Ｑｅに基づいて、燃料の噴射圧力を調節する。このときに、基準となる燃料量を噴射するのに要する時間（以下、基準噴射時間）と、燃料噴射量Ｑｅに基づいて補正された後の燃料噴射量を噴射するのに要する時間と、が等しくなるように燃料噴射圧力を調節する。

ここで、燃料噴射量の補正値Ｃは、推定燃料噴射量Ｑｅと燃料噴射量の指令値（つまり基準とされる燃料量）Ｑｃとの比として求めることができる。燃料噴射量の指令値Ｑｃは実験等により求められてＥＣＵ１２に記憶されている。すなわち、燃料噴射量の補正値Ｃ以下の式で求めることができる。
Ｃ＝Ｑｅ／Ｑｃ

そして、燃料圧力を以下の式により補正する。
Ｐｋ＝Ｐｂ／Ｃ^２・・・（１）
ただし、Ｐｋは補正後の燃料圧力、Ｐｂは補正前の燃料圧力であって燃料圧力の基準値である。

ここで、燃料添加弁１１からの燃料の噴射は、燃料がオリフィスを通過するのに等しいと仮定して計算している。そして、オリフィス流れの流量Ｑは、圧力Ｐの２分の１乗に比例する関係にあるため、以下の関係が成り立つ。
Ｑｃ＝Ａ×Ｐｂ^{（１／２）}・・・（２）
ただし、Ａはオリフィス径等から定まる比例定数である。

そして、燃料添加弁１１の劣化やＰＭの付着等により燃料添加弁１１からの単位時間当たりの噴射量が変化した場合には、以下の関係が成り立つ。
Ｑｅ＝Ｂ×Ｐｂ^{（１／２）}・・・（３）
ただし、Ｂは劣化等が生じたときのオリフィス径等から定まる比例定数である。

上記（２）および（３）式により、劣化等が生じた後も流量Ｑｃを維持するためには、圧力Ｐｋを以下のようにしなければならない。
Ｐｋ^{（１／２）}＝Ｑｃ／Ｂ＝Ｑｃ／（Ｑｅ／Ｐｂ^{（１／２）}）

すなわち、
Ｐｋ＝（Ｑｃ／Ｑｅ）^２×Ｐｂ＝Ｐｂ／Ｃ^２
となり、上記（１）式を得ることができる。

このようにして得られた補正後の燃料圧力Ｐｋとなるように、圧力制御弁１７が制御される。すなわち、流量調節弁１４を例えば全開として燃料添加用コモンレール１５内に燃料を供給し、該燃料添加用コモンレール１５及びそれよりも下流の燃料の圧力を補正後の燃料圧力Ｐｋ以上に高める。そして、燃料添加用コモンレール１５及びそれよりも下流の燃料の圧力が、補正後の燃料圧力Ｐｋとなるように圧力制御弁１７の開弁量を調節する。つまり、燃料添加用コモンレール１５に流入する燃料量と、該燃料添加用コモンレール１５から流出する燃料量とを調節することにより、燃料の圧力を目標値に合わせる。

なお、圧力制御弁１７の開度は、添加燃料圧力センサ１８により得られる圧力が補正後の燃料圧力Ｐｋとなるようにフィードバック制御される。

このようにして、燃料圧力を調節することにより、燃料噴射時間を基準値とすることができるので、単位時間当たりの燃料噴射量を基準値と等しくすることができる。したがって、排気の空燃比を目標空燃比に容易に合わせることができるため、ＮＯxの浄化率を向
上させることができる。

また、燃料圧力の変化に基づいて燃料噴射量の補正値を求めることができるので、内燃機関１の運転状態やＮＯx触媒１０の状態、さらには空燃比センサの出力信号によらず補
正値を正確に求めることができる。そのため、より正確に燃料噴射量の補正値を求めることができる。

そして、燃料噴射量の補正値の算出及び燃料噴射量の補正をするときには、既存のハードウェアを用いることができるので、新たな装置を設置する必要もない。

実施例に係る燃料添加弁を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。燃料添加弁の開閉状態と燃料添加用コモンレール内の圧力との推移を示したタイムチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
３燃料噴射弁
４コモンレール
５燃料供給管
６高圧燃料ポンプ
７燃料タンク
８低圧燃料ポンプ
９排気通路
１０吸蔵還元型ＮＯx触媒
１１燃料添加弁
１２ＥＣＵ
１３添加燃料供給管
１４流量調節弁
１５燃料添加用コモンレール
１６添加燃料リターン管
１７圧力制御弁
１８添加燃料圧力センサ
２１アクセルペダル
２２アクセル開度センサ
２３クランクポジションセンサ
３０燃料添加装置

Claims

内燃機関の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁に接続され燃料が流通する燃料流通路と、
前記燃料流通路に燃料を供給する燃料供給源と、
前記燃料流通路を閉塞する閉塞手段と、
前記燃料流通路の前記閉塞手段よりも燃料添加弁側において燃料の圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
前記閉塞手段により前記燃料流通路が閉塞されているときに前記燃料添加弁から燃料を噴射させ、該燃料添加弁から燃料を噴射する前の前記燃料の圧力と燃料を噴射した後の前記燃料の圧力との差に基づいて該燃料添加弁から噴射された燃料量を推定する燃料噴射量推定手段と
を備えることを特徴とする燃料添加装置。
前記燃料噴射量推定手段は、前記燃料添加弁から燃料を噴射する前の前記燃料の圧力と燃料を噴射した後の前記燃料の圧力との差に、燃料の体積弾性係数を乗じた値から、前記閉塞手段よりも前記燃料添加弁側の部分の容積を除することにより、前記燃料添加弁から噴射された燃料量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料添加装置。
前記燃料噴射量推定手段により推定される燃料量と、基準とされる燃料量と、の差が小さくなるように燃料圧力を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料添加装置。