JP2008050988A - 燃料添加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料添加装置において、筒内への燃料噴射量および排気中への燃料添加量をより正確に制御することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の気筒２内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁３と、燃料を排出するポンプ６と、筒内燃料噴射弁３とポンプ６とを接続し燃料の通路となる筒内燃料流通路４，５と、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と筒内燃料流通路４，５とを接続し燃料の通路となる添加燃料流通路１３，１５と、ポンプ６から燃料が排出されるときに添加燃料流通路１３，１５へ燃料を流す燃料流通手段１２，１４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筒内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。）。

このように構成された燃料添加装置では、燃料添加弁から燃料を噴射させると、コモンレール内の圧力が一時低下するため、筒内燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が変動する。そのため、筒内燃料噴射弁から噴射される燃料量が変動し、所望の空燃比を得られなくなる虞がある。

逆に、燃料添加弁から噴射される燃料量もコモンレール内の圧力の影響を受けるため、該コモンレール内で圧力変動があると、排気中への燃料添加量が変動する虞がある。
特表２００４−５１４８２９号公報 特開２００５−２０１１５８号公報

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、筒内への燃料噴射量および排気中への燃料添加量をより正確に制御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、
内燃機関の気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
燃料を排出するポンプと、
前記筒内燃料噴射弁と前記ポンプとを接続し燃料の通路となる筒内燃料流通路と、
前記内燃機関の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁と前記筒内燃料流通路とを接続し燃料の通路となる添加燃料流通路と、
前記ポンプから燃料が排出されるときに前記添加燃料流通路へ燃料を流す燃料流通手段と、
を備えることを特徴とする。

前記ポンプは燃料を常に排出しているのではなく、例えば周期的に燃料を排出している。例えばポンプが１回転する毎、またはポンプが１回作動する毎に燃料を排出している。

ポンプから排出された燃料は、筒内燃料通路を流れて筒内燃料噴射弁へ到達する。また、筒内燃料通路を流れる燃料の一部は、添加燃料流通路を流れて燃料添加弁へ到達する。

ここで、添加燃料流通路に燃料が流通すると、筒内燃料流通路内の圧力が低下する虞が
ある。これに対し、ポンプから燃料が排出されるときに添加燃料流通路に燃料を流すことにより、筒内燃料流通路から該添加燃料流通路に流れた分の燃料がポンプから補充される。これにより、筒内燃料流通路内の圧力低下を抑制することができる。

「前記ポンプから燃料が排出されているときに前記添加燃料流通路へ燃料を流す」とは、ポンプから燃料が排出されるのと、添加燃料通路へ燃料を流すのと、が同時に開始されることが含まれる。また、筒内燃料流通路から添加燃料通路へ燃料を流すのを停止させるのは、ポンプから燃料が排出されている最中である。

なお、添加燃料流通路には、燃料添加弁の他、該添加燃料流通路を閉塞する手段や、該添加燃料流通路から燃料を排出する手段等を備えていても良い。そして、燃料添加弁を開弁したり、添加燃料流通路の閉塞を解除したり、添加燃料流通路から燃料を排出したりすることにより、添加燃料流通路へ燃料が流される。

また、本発明においては、前記燃料流通手段は、前記添加燃料流通路で開閉する流量調節弁を含んで構成され、前記ポンプから燃料が排出されるときに前記流量調節弁を開弁させて前記添加燃料通路に燃料を流すことができる。

流量調節弁は、全開または全閉とすることにより、添加燃料流通路に燃料を流したり、燃料の流れを遮断したりすることができる。また、任意の開度に維持することにより燃料の流量を調節できるようにしてもよい。

流量調節弁を開くことにより筒内燃料流通路から添加燃料通路へ燃料が流れ、燃料添加弁を全閉とすることにより添加燃料通路への燃料の流れが停止される。そして、ポンプから燃料排出されているときに限り流量調節弁を開弁させて添加燃料通路に燃料を流すことにより、該燃料添加通路へ流れた分の燃料が常に筒内燃料流通路へ補充されることになるので、該筒内燃料流通路内の圧力低下を抑制することができる。

本発明においては、前記ポンプが１回に排出する燃料量は、該ポンプが次回に燃料の排出を開始するまでの間に前記筒内燃料噴射弁及び前記燃料添加弁から噴射される燃料量であってもよい。

これにより、燃料を過不足無く筒内燃料噴射弁及び燃料添加弁へ供給することができるので、燃料圧力が目標値よりも高くなったり低くなったりすることを抑制できる。

さらに、本発明においては、前記流量調節弁が開弁しているときには、前記燃料添加弁から燃料を噴射させないことができる。

流量調節弁を開弁させたとしても、開弁している間に燃料添加弁から燃料を噴射させなければ、添加燃料流通路内および筒内燃料流通路内の圧力低下は抑制される。これにより、燃料圧力の変動を抑制することができる。

本発明によれば、燃料添加装置において、筒内への燃料噴射量および排気中への燃料添加量をより正確に制御することができる。

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筒内燃料噴射弁３を備えている。各筒内燃料噴射弁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。なお、本実施例では高圧燃料ポンプ６が、本発明におけるポンプに相当する。また、本実施例ではコモンレール４及び燃料供給管５が、本発明における筒内燃料流通路に相当する。

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、この高圧の燃料が筒内燃料噴射弁３に供給され、該筒内燃料噴射弁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及び燃料添加用コモンレール１５が、本発明における添加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。

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。また、コモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力を検出する筒内燃料圧力センサ１９が取り付けられている。

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、上記センサの他、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、筒内燃料噴射弁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。

ところで、筒内燃料噴射弁３は高圧の気筒２内に燃料を噴射するため、コモンレール４内の圧力は例えば２００ＭＰａと比較的高い圧力に維持されている。一方、燃料添加弁１１は低圧の排気通路９内に燃料を噴射するため、燃料添加用コモンレール１５内の圧力は例えば１０ＭＰａと比較的低い圧力に維持されている。つまり、コモンレール４内と燃料添加用コモンレール１５内とでは、燃料の圧力が大きく異なるため、コモンレール４から燃料添加用コモンレール１５へ燃料が流れると、該コモンレール４内の圧力が急激に低下する虞がある。そして、筒内燃料噴射弁３の開弁時間は燃料添加弁１１の開弁時間と比較して短いため、一瞬の圧力低下でも筒内燃料噴射弁３から噴射される燃料量は大きな影響を受ける。逆に、燃料添加用コモンレール１５内の圧力が高くなりすぎて、燃料添加弁１１からの燃料噴射量が過剰となる虞もある。

これに対し本実施例では、高圧燃料ポンプ６から排出される燃料量を調節しつつ該高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されると同時に流量調節弁１４を開弁させることにより、コモンレール４内の燃料圧力の変動を抑制する。そのため、本実施例では高圧燃料ポンプ６から排出される燃料量がＥＣＵ１２により制御される。

図２は、クランク角度に対する、高圧燃料ポンプ６の状態と、流量調節弁１４の状態と、の推移を示した図である。「排出」の状態では高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されている。また、「停止」の状態では、高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されていない。さらに、「開弁」の状態では、流量調節弁１４が全開とされており、「閉弁」の状態では、流量調節弁１４が全閉とされている。

高圧燃料ポンプ６からの燃料の排出が「停止」されている場合には、流量調節弁１４は「閉弁」されている。つまり、コモンレール４から添加燃料供給管１３へは燃料が流れない。

一方、高圧燃料ポンプ６から燃料が「排出」されると同時に、流量調節弁１４は「開弁」される。つまり、コモンレール４から添加燃料供給管１３へ燃料が流れる。

高圧燃料ポンプ６から排出される燃料量、すなわち図２において高圧燃料ポンプ６が「排出」となる期間（ＡからＣの期間）は、ＡからＤの期間で筒内燃料噴射弁３及び燃料添加弁１１から噴射される燃料量に応じて決定される。つまり、ＡからＤの期間で高圧燃料ポンプ６から排出される燃料量が、この期間において筒内燃料噴射弁３及び燃料添加弁１１から噴射される燃料量となるようにＣの時期が決定される。

また、流量調節弁１４が「開弁」される期間（ＡからＢの期間）は、ＡからＤの期間で燃料添加弁１１から噴射される燃料量に応じて決定される。つまり、ＡからＤの期間で流量調節弁１４を通過する燃料量が、この期間において燃料添加弁１１から噴射される燃料量となるようにＢの時期が決定される。

次に、本実施例に係る流量調節弁１４の開閉制御のフローについて説明する。図３は、本実施例に係る流量調節弁１４の開閉制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、高圧燃料ポンプ６から燃料が排出される毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、燃料添加弁１１から噴射させる燃料量（以下、燃料添加量Ｑａｄという。）が算出される。これは、流量調節弁１４の開弁期間（ＡからＢの期間）を求めるために算出される。そして、燃料添加量Ｑａｄは、高圧燃料ポンプ６から次回に燃料の排出が開始されるまでの期間（ＡからＤの期間）において排気中に添加する燃料量である。

この燃料添加量Ｑａｄは、添加燃料圧力センサ１８により得られる燃料の圧力と、燃料添加弁１１が開弁している期間（例えばＡからＤの期間）に基づいて算出される。ここで、燃料添加弁１１の開弁時間は、高圧燃料ポンプ６が燃料を排出する周期と比較して非常に長いため、ＡからＤの期間中は燃料添加弁１１から燃料が添加され続けるとして燃料添加量Ｑａｄを算出する。例えば、燃料圧力と燃料添加弁１１の開弁期間と燃料添加量Ｑａｄとの関係を予め実験等により求めておいても良い。

ステップＳ１０２では、筒内燃料噴射弁３から噴射させる燃料量（以下、筒内燃料噴射量Ｑｉｎｊという。）が算出される。筒内燃料噴射量Ｑｉｎｊは、次回の高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されるまでの期間（ＡからＤの期間）において気筒２内に噴射する燃料量であり、内燃機関１の負荷、すなわちアクセル開度センサ２２の出力信号に基づいて決定される。この関係は、予め実験等により求めてマップ化しておいても良い。

ステップＳ１０３では、高圧燃料ポンプ６の排出量の指示値（以下、必要排出量Ｑｐｕｍｐという。）が算出される。必要排出量Ｑｐｕｍｐは、燃料添加量Ｑａｄと筒内燃料噴射量Ｑｉｎｊとを合計した値である。

ステップＳ１０４では、流量調節弁１４の開弁時間Ｔａｄが算出される。開弁時間Ｔａｄは、燃料添加量Ｑａｄと、筒内燃料圧力センサ１９及び添加燃料圧力センサ１８の出力信号と、に基づいて決定される。このときに、開弁時間Ｔａで流量調節弁１４を通過する燃料量が、燃料添加量Ｑａｄとなるように、開弁時間Ｔａが算出される。

ここで、コモンレール４内の燃料圧力と燃料添加用コモンレール１５内の燃料の圧力との差と、流量調節弁１４の開弁時に該流量調節弁１４を通過する単位時間当たりの燃料量と、には相関関係がある。そのため、この関係を予め実験等により求めておけば、流量調節弁１４をどれだけ開弁させれば、該流量調節弁１４を通過する燃料量が燃料添加量Ｑａｄとなるか算出することができる。

ステップＳ１０５では、高圧燃料ポンプ６からの燃料の排出が開始されるのと同時に流量調節弁１４が開弁時間Ｔａｄだけ開弁される。なお、本実施例においてはステップＳ１０５を実行するＥＣＵ１２が、本発明における燃料流通手段に相当する。

このようにして、高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されているときに限り流量調節弁１４が開弁されるので、コモンレール４内の燃料の圧力が燃料添加弁１１の開弁により変動することを抑制できる。また、高圧燃料ポンプ６から１回当たりに排出される燃料量は、筒内燃料噴射弁３及び燃料添加弁１１から噴射される燃料量と等しいため、燃料の過不足による燃料圧力の過不足が生じるのを抑制できる。

なお、流量調節弁１４が開弁しているときには、燃料添加弁１１からの燃料噴射を行なわないようにすれば、コモンレール４内の圧力変動をさらに抑制することができる。つまり、流量調節弁１４が開弁している場合には、燃料添加弁１１とコモンレール４とが連通しているため、燃料添加弁１１を開弁することにより、コモンレール４内の圧力が低下してしまう。一方、流量調節弁１４が閉弁しているときは、燃料添加弁１１とコモンレール４とは連通していないため、燃料添加弁１１から燃料を噴射しても、そのときにコモンレール４内の圧力が低下することはない。同様に、流量調節弁１４が開弁しているときには圧力制御弁１７を全閉としてもよい。

さらに、高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されているか否かに関わらず流量調節弁１４が開弁されている場合には、高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されると同時に、燃料添加弁１１から燃料を噴射させたり、圧力制御弁１７で圧力を調節したりしてもよい。流量調節弁１４が全開の場合には、燃料添加弁１１から燃料を噴射させたり、圧力制御弁１７で圧力を調節させたりすると、そのときにコモンレール４内の圧力が低下する。しかし、高圧燃料ポンプ６から燃料が排出されると同時にこれらを行なうことにより、該コモンレール４内の圧力低下が抑制されるので、筒内燃料噴射弁３からの燃料噴射量の変動を抑制することができる。

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。 クランク角度に対する、高圧燃料ポンプの状態と、流量調節弁の状態と、の推移を示した図である。 実施例に係る流量調節弁の開閉制御のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 筒内燃料噴射弁
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
１２ ＥＣＵ
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
１９ 筒内燃料圧力センサ
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 (4)

1. 内燃機関の気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
   燃料を排出するポンプと、
   前記筒内燃料噴射弁と前記ポンプとを接続し燃料の通路となる筒内燃料流通路と、
   前記内燃機関の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、
   前記燃料添加弁と前記筒内燃料流通路とを接続し燃料の通路となる添加燃料流通路と、
   前記ポンプから燃料が排出されるときに前記添加燃料流通路へ燃料を流す燃料流通手段と、
   を備えることを特徴とする燃料添加装置。
2. 前記燃料流通手段は、前記添加燃料流通路で開閉する流量調節弁を含んで構成され、前記ポンプから燃料が排出されるときに前記流量調節弁を開弁させて前記添加燃料通路に燃料を流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料添加装置。
3. 前記ポンプが１回に排出する燃料量は、該ポンプが次回に燃料の排出を開始するまでの間に前記筒内燃料噴射弁及び前記燃料添加弁から噴射される燃料量であ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。
4. 前記流量調節弁が開弁しているときには、前記燃料添加弁から燃料を噴射させないことを特徴とする請求項２に記載の燃料添加装置。

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