JP2010156294A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、後噴射を行ったときにＨＣの増加を確実に抑制することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、内燃機関の気筒内に、１サイクル中に燃料を複数回噴射可能な燃料インジェクタと、内燃機関の排気通路に設置された排気浄化装置と、排気浄化装置へ還元剤を供給することが要求されている場合に、排気浄化装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にする還元剤供給制御を実行する還元剤供給手段と、を備える。還元剤供給手段は、還元剤供給制御において、主燃料噴射の後に、後噴射と、後噴射の前であって後噴射より噴射量の少ない後噴射前微少量噴射とを燃料インジェクタに実行させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

理論空燃比よりリーンな空燃比で運転される内燃機関（ディーゼルエンジン等）では、通常、排気ガス中に酸素が多量に含まれているため、ＮＯｘを三元触媒で浄化することができない。そこで、このような内燃機関の排気浄化装置として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が用いられている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンなときには、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵することができる。

上記のＮＯｘ触媒を用いたシステムでは、吸蔵されたＮＯｘを還元浄化するために、ＮＯｘ触媒へ周期的に還元剤を供給する制御が行われる。還元剤の供給は、通常、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下とすることで行われる。排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にする方法としては、気筒における主燃料噴射の後に後噴射を行う方法と、排気系に設けた排気燃料添加弁から排気ガス中に燃料を添加する方法とが挙げられる。この両者を比べた場合、後噴射の方が排気燃料添加よりもＮＯｘを効率良く還元することができ、より高いＮＯｘ浄化率が得られる。

特開２００２−２１３２８７号公報 特開２００４−１０８３２０号公報 ＷＯ２００２／０６６８１３号公報

しかしながら、筒内温度が低い場合（例えば、ＥＧＲが大量に行われている場合）などには、後噴射された燃料が十分に酸化されない場合がある。そのような場合には、後噴射された燃料が未燃ＨＣとなってしまうので、排気ガス中のＨＣが急増し易いという問題がある。排気ガス中のＨＣが急増すると、触媒床温の急上昇を招く。触媒床温が急上昇すると、排気浄化性能が低下したり、触媒が溶損したりするおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、後噴射を行ったときにＨＣの増加を確実に抑制することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
内燃機関の気筒内に、１サイクル中に燃料を複数回噴射可能な燃料インジェクタと、
前記内燃機関の排気通路に設置された排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へ還元剤を供給することが要求されている場合に、前記排気浄化装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にする還元剤供給制御を実行する還元剤供給手段と、
を備え、
前記還元剤供給手段は、前記還元剤供給制御において、主燃料噴射の後に、後噴射と、前記後噴射の前であって前記後噴射より噴射量の少ない後噴射前微少量噴射とを前記燃料インジェクタに実行させることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であり、
前記還元剤供給手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの量に応じて、前記後噴射の噴射量を制御する手段を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記排気浄化装置に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を検出するＨＣ濃度検出手段を備え、
前記還元剤供給手段は、前記ＨＣ濃度検出手段により検出されたＨＣ濃度に基づいて、前記後噴射前微少量噴射の噴射量を制御する手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、排気浄化装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にする還元剤供給制御において、主燃料噴射より後に後噴射を行う場合に、この後噴射の前であって後噴射より噴射量の少ない後噴射前微少量噴射を実行する。この後噴射前微少量噴射の燃料が燃焼することにより、後噴射がなされるときの筒内温度を高めることができる。これにより、後噴射された燃料の酸化が促進される。すなわち、後噴射された燃料がＣＯへ転換されるので、ＨＣの増加を確実に抑制することができる。よって、排気浄化装置の床温の過上昇を確実に抑制することができ、排気浄化性能の低下や、排気浄化装置の溶損を確実に回避することができる。

第２の発明によれば、排気浄化装置としての吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの量に応じて、後噴射の噴射量を最適な量に制御することができる。このため、高いＮＯｘ浄化率が得られるとともに、燃費を改善することができる。

第３の発明によれば、排気浄化装置に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を検出し、その検出されたＨＣ濃度に基づいて、後噴射前微少量噴射の噴射量を制御することができる。このため、排気浄化装置に流入するＨＣ量をより確実に抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、ディーゼルエンジン（圧縮着火内燃機関）１０を備えている。ディーゼルエンジン１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる。図１に示すディーゼルエンジン１０は、直列４気筒型であるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

ディーゼルエンジン１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射する燃料インジェクタ１２が設置されている。各気筒の燃料インジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各燃料インジェクタ１２に供給される。

燃料インジェクタ１２は、１サイクル中に複数回、燃料を筒内に噴射することができる。すなわち、燃料インジェクタ１２は、主たる燃料噴射（以下、「メイン噴射」と称する）に加えて、メイン噴射より前のパイロット噴射や、メイン噴射より後の後噴射などを１サイクル中に実行可能になっている。

ディーゼルエンジン１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド２０により集合されて排気通路１８に流入する。本実施形態のディーゼルエンジン１０は、排気ガスのエネルギーによって過給を行うターボチャージャ２４を備えている。ターボチャージャ２４は、排気ガスのエネルギーによって回転する排気タービン２４ａと、この排気タービン２４ａに駆動されて回転する吸気コンプレッサ２４ｂとを有している。排気タービン２４ａは、排気通路１８の途中に配置されており、吸気コンプレッサ２４ｂは、吸気通路２８の途中に配置されている。

排気タービン２４ａより下流側の排気通路１８には、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒２６が設置されている。ディーゼルエンジン１０の通常運転時には、ＮＯｘ触媒２６に流入する排気ガスの空燃比は、理論空燃比よりリーンになる。このときには、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒２６によって捕捉し、吸蔵することができる。

これに対し、後述する還元剤供給制御時には、ＮＯｘ触媒２６に流入する排気ガスの空燃比は、理論空燃比以下のリッチとされる。還元剤供給制御を行うことにより、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されていたＮＯｘを脱離させ、Ｎ₂へと還元浄化することができる。

なお、ＮＯｘ触媒２６は、粒子状物質ＰＭ(Particulate Matter)を同時に低減可能なＤＰＮＲ(Diesel Particulate-NOx Reduction system)で構成されていてもよい。

ディーゼルエンジン１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボチャージャ２４の吸気コンプレッサ２４ｂで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４を通って、各気筒内に流入する。

吸気通路２８の、インタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。吸気絞り弁３６は、その開度がモータによって調整される電子制御式スロットル弁で構成されている。また、吸気通路２８の、エアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３８が設置されている。

また、本実施形態のディーゼルエンジン１０は、排気ガスの一部を吸気通路２８に還流させるＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うための外部ＥＧＲ装置を備えている。この外部ＥＧＲ装置は、排気マニホールド２０と吸気通路２８とを接続するＥＧＲ通路４０と、ＥＧＲ通路４０の途中に設置されたＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲクーラ４２の下流側に設置されたＥＧＲ弁４４とを有している。

また、本実施形態のディーゼルエンジン１０は、排気ガス中に燃料を添加するための排気燃料添加弁４６を備えている。

本実施形態のシステムは、車両の運転席に設けられたアクセルペダルの位置（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４８と、ディーゼルエンジン１０のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４７と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、ディーゼルエンジン１０の運転状態を制御する。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４７の出力に基づいて、エンジン回転数を算出することができる。

図２は、ディーゼルエンジン１０における燃料噴射パターンを示す図である。ディーゼルエンジン１０の通常運転時には、図２（Ａ）に示すように、パイロット噴射と、メイン噴射とが行われる。

これに対し、還元剤供給制御時には、パイロット噴射およびメイン噴射に加えて、後噴射を実行する。図２（Ｂ）は、後噴射を行う場合の燃料噴射パターンを示している。後噴射によって燃料を追加することにより、筒内の空燃比を理論空燃比以下とし、ＮＯｘ触媒２６に効率良く還元剤を供給することができる。また、後噴射によれば、還元剤を反応性の高い状態でＮＯｘ触媒２６に供給することができる。このため、排気燃料添加と比べ、優れたＮＯｘ浄化率が得られる。

前述したように、ディーゼルエンジン１０では、外部ＥＧＲ装置により、ＥＧＲが実行される。ＥＧＲが実行されると、筒内温度が低くなる。筒内温度が低くなると、後噴射された燃料が十分に酸化されにくくなる。このため、図２（Ｂ）のような燃料噴射パターンとした場合には、後噴射された燃料が未燃ＨＣとなり、排気ガス中のＨＣが急増し易い。排気ガス中のＨＣが急増すると、ＮＯｘ触媒２６の床温の急上昇を招くので、排気浄化性能が低下したり、ＮＯｘ触媒２６が溶損したりするおそれがある。

そこで、本実施形態では、後噴射された燃料の酸化を促進するため、後噴射の前に微少量の燃料噴射を実行することとした。この燃料噴射を以下「後噴射前微少量噴射」と称する。図２（Ｃ）は、後噴射前微少量噴射を行う場合の燃料噴射パターンを示している。この図に示すように、後噴射前微少量噴射は、後噴射の噴射量よりも少ない噴射量で、後噴射の前（好ましくは直前）に実行される。

図２（Ｃ）に示すような燃料噴射パターンとした場合には、後噴射前微少量噴射の燃料が燃焼することにより、後噴射がなされるときの筒内温度を高めることができる。これにより、後噴射された燃料の酸化が促進される。このため、後噴射された燃料がＣＯ（一酸化炭素）へ転換されるので、ＨＣの増加を確実に抑制することができる。よって、ＮＯｘ触媒２６の床温の過上昇を確実に抑制することができ、排気浄化性能の低下や、ＮＯｘ触媒２６の溶損を確実に回避することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されたＮＯｘの量NOx_estが推定される（ステップ１００）。ＮＯｘ吸蔵量NOx_estを推定する方法は、特に限定されないが、例えば次の方法によって推定することができる。ＥＣＵ５０には、ディーゼルエンジン１０の運転状態（エンジン回転数および負荷）とＮＯｘ排出量との関係を予め調べて作成されたマップが記憶されている。このマップによれば、ＮＯｘ触媒２６に流入するＮＯｘの量を運転状態に基づいて逐次算出することができる。よって、前回の還元剤供給制御実行後から現在までにＮＯｘ触媒２６に流入したＮＯｘの量を積算することにより、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estを算出することができる。

次いで、上記ステップ１００で算出されたＮＯｘ吸蔵量NOx_estが、所定の閾値NOx_maxを超えたか否か判定される（ステップ１０２）。このステップ１０２で、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estが閾値NOx_max以下であった場合には、吸蔵されたＮＯｘを還元させる必要はまだないと判断できる。この場合には、還元剤供給制御を実行することなく、本ルーチンがここで終了される。

これに対し、上記ステップ１０２で、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estが閾値NOx_maxを超えていた場合には、吸蔵されたＮＯｘを還元させる必要があると判断できる。この場合には、ＮＯｘ触媒２６に還元剤を供給するべく、還元剤供給制御モードとされる（ステップ１０４）。還元剤供給制御モードに入っている場合には、後噴射および後噴射前微少量噴射が実行される（ステップ１０６）。これにより、筒内の空燃比が理論空燃比以下のリッチとなり、ＮＯｘ触媒２６に還元剤を供給することができる。

ＮＯｘ触媒２６に還元剤が流入すると、吸蔵されていたＮＯｘが脱離して還元浄化されるので、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estが減少していく。その減少量は、ＮＯｘ触媒２６に流入した還元剤の量に基づいて算出することができる。これを利用して、ＥＣＵ５０は、還元剤供給制御の実行中、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estを逐次算出し、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estが所定の閾値NOx_min以下まで減少したか否かを判定する（ステップ１０８）。

上記ステップ１０８で、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estが閾値NOx_minより大きいと判定された場合には、還元剤供給制御をまだ継続する必要があると判断できる。そこで、この場合には、上記ステップ１０４以下の処理が再度実行される。

一方、上記ステップ１０８で、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estが閾値NOx_min以下であると判定された場合には、還元剤供給制御を終了してよいと判断できる。この場合には、本ルーチンが終了され、還元剤供給制御が終了される。

以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されたＮＯｘを還元させる必要があるときに、後噴射を実行して筒内の空燃比を理論空燃比以下のリッチとすることにより、還元剤をＮＯｘ触媒２６に供給することができる。このため、排気燃料添加によって還元剤を供給する場合と比べて、優れたＮＯｘ浄化率が得られる。更に、後噴射に先立って、後噴射前微少量噴射を行うことにより、後噴射された燃料の酸化を促進することができる。このため、ＮＯｘ触媒２６に流入するＨＣが多くなり過ぎることを確実に防止することができる。

また、図２に示すルーチンによれば、ＮＯｘ吸蔵量NOx_estに基づいて、還元剤供給制御の実行期間を制御することにより、後噴射の噴射量（総噴射量）を制御することができる。このため、後噴射の総噴射量をＮＯｘ吸蔵量NOx_estに応じて最適な量に制御することができる。

また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘ触媒２６が前記第１の発明における「排気浄化装置」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、図３に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「還元剤供給手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図４および図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

図４は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。図４に示すように、本実施形態のシステムでは、ＮＯｘ触媒２６の上流側の排気通路１８に、ＨＣセンサ５２が設置されている。このＨＣセンサ５２は、例えば水素炎イオン化式センサ（ＦＩＤセンサ）で構成されており、ＨＣ量（ＨＣ濃度）を検出する機能を有している。本実施形態のシステムでは、このＨＣセンサ５２により、ＮＯｘ触媒２６の入口のＨＣ濃度（ＮＯｘ触媒２６に流入する排気ガス中のＨＣ濃度）を検出することができる。

本実施形態では、還元剤供給制御の実行中に、ＨＣセンサ５２により検出されるＮＯｘ触媒２６の入口のＨＣ濃度が所定の閾値を超えた場合には、後噴射前微少量噴射の噴射量を増量することとした。後噴射前微少量噴射の噴射量を増量すると、後噴射が行われる際の筒内温度をより高くすることができる。このため、後噴射された燃料の酸化を更に促進させることができ、ＨＣの発生をより確実に抑制することができる。

［実施の形態２における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図５において、図３に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

図５に示すルーチンは、図３に示すルーチンと比べて、ステップ１０６とステップ１０８との間にステップ１１０，１１２および１１４が挿入されていること以外は同様である。

図５に示すルーチンによれば、ステップ１０６によって後噴射および後噴射前微少量噴射が実行された場合、次に、ＮＯｘ触媒２６の入口のＨＣ濃度HC_meがＨＣセンサ５２によって測定される（ステップ１１０）。続いて、その測定されたＨＣ濃度HC_meが、所定の閾値HC_maxを超えているか否かが判定される（ステップ１１２）。

上記ステップ１１２で、ＮＯｘ触媒２６の入口のＨＣ濃度HC_meが閾値HC_max以下であった場合には、ＮＯｘ触媒２６に流入するＨＣ量は少ないので、ＮＯｘ触媒２６の床温が上昇し過ぎるおそれはないと判断できる。この場合には、後噴射前微少量噴射の噴射量を増量する必要はない。そこで、この場合には、そのまま、ステップ１０８以下の処理が実行される。

一方、上記ステップ１１２で、ＮＯｘ触媒２６の入口のＨＣ濃度HC_meが閾値HC_maxを超えていた場合には、ＮＯｘ触媒２６の床温の過上昇を確実に抑制するためには、ＮＯｘ触媒２６に流入するＨＣ量を更に低減させることが好ましいと判断できる。そこで、この場合には、後噴射前微少量噴射の噴射量を増量する処理が実行され（ステップ１１４）、その後、ステップ１１０以下の処理が再度実行される。

後噴射前微少量噴射の噴射量を増量すると、後噴射の直前に燃焼する燃料の量が増えるので、後噴射がなされるときの筒内温度を更に高くすることができる。このため、後噴射された燃料の酸化が更に促進されるので、ＨＣの排出を更に抑制することができる。この場合、本実施形態によれば、ＮＯｘ触媒２６の入口のＨＣ濃度HC_meが閾値HCがHC_max以下になるまで、後噴射前微少量噴射の噴射量が増量される。これにより、ＨＣ濃度HC_meを、安全な閾値HC_max以下にまで、確実に低下させることができる。このため、ＮＯｘ触媒２６の床温の過上昇をより確実に抑制することができる。

なお、上述した実施の形態２においては、ＨＣセンサ５２が前記第３の発明における「ＨＣ濃度検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、図５に示すルーチンの処理を実行することにより前記第３の発明における「還元剤供給手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 ディーゼルエンジンにおける燃料噴射パターンを示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１２ 燃料インジェクタ
１４ コモンレール
１８ 排気通路
２０ 排気マニホールド
２４ ターボチャージャ
２４ａ 排気タービン
２４ｂ 吸気コンプレッサ
２６ ＮＯｘ触媒
２８ 吸気通路
３４ 吸気マニホールド
３６ 吸気絞り弁
３８ エアフローメータ
４０ ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ
５２ ＨＣセンサ

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒内に、１サイクル中に燃料を複数回噴射可能な燃料インジェクタと、
   前記内燃機関の排気通路に設置された排気浄化装置と、
   前記排気浄化装置へ還元剤を供給することが要求されている場合に、前記排気浄化装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にする還元剤供給制御を実行する還元剤供給手段と、
   を備え、
   前記還元剤供給手段は、前記還元剤供給制御において、主燃料噴射の後に、後噴射と、前記後噴射の前であって前記後噴射より噴射量の少ない後噴射前微少量噴射とを前記燃料インジェクタに実行させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であり、
   前記還元剤供給手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの量に応じて、前記後噴射の噴射量を制御する手段を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記排気浄化装置に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を検出するＨＣ濃度検出手段を備え、
   前記還元剤供給手段は、前記ＨＣ濃度検出手段により検出されたＨＣ濃度に基づいて、前記後噴射前微少量噴射の噴射量を制御する手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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