JP2016089639A

JP2016089639A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2016089639A
Application number: JP2014221161A
Authority: JP
Inventors: 雅里池本; Mari Ikemoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: DE102015118416A1; CN105569861B; CN105569861A; JP6098613B2; DE102015118416B4; US20160123265A1; US9840993B2

Abstract

【課題】ポスト噴射をより効果的に活用する。
【解決手段】ニードルを有し該ニードルを開弁したときに内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関において、メイン噴射の後にポスト噴射を実施する場合であって要求されるポスト噴射燃料量が噴射量閾値よりも多い場合において、燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも高くし、燃料の圧力が第一所定圧力よりも大きな圧力である第二所定圧力以上のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも低くする。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の気筒内への燃料噴射を複数に分けて実施することが知られている。ここで、メイン噴射の後にポスト噴射を実施することにより、排気通路へ未燃燃料を排出させることができる。ポスト噴射は、例えば膨張行程の終わり近くのピストンの位置が比較的低いときに行われる。このため、ポスト噴射による燃料は内燃機関のトルクにはほとんど寄与しない。そして、ポスト噴射後に排気通路に排出される未燃燃料を触媒で反応させることにより熱を発生させ、該熱を利用してフィルタの再生を行うことができる。また、未燃燃料を還元剤として触媒へ供給し、ＮＯｘの還元などを行うことができる。しかし、ポスト噴射はピストンの位置が比較的低いときに実施されるため、ポスト噴射による燃料が気筒壁面に到達してオイルを希釈する虞がある。

たとえば、内燃機関の負荷が低い場合には、メイン噴射による燃料が燃焼したときの気筒内の温度が低いために、燃料が蒸発し難くなる。また、内燃機関の負荷が低い場合には、燃料の圧力が低く設定されるため、このような場合には、噴射された燃料の粒径が大きくなり、燃料が蒸発し難くなる。さらに、内燃機関の負荷が低い場合には、気筒内から排出されるガスの温度が低いために、触媒の温度を上昇させるために必要となるポスト噴射時の燃料量も多くなる。このため、燃料が蒸発し難くなる。

一方、内燃機関の負荷が高い場合には、スモークを低減するために燃料の噴射圧が高く設定される。ポスト噴射は、例えば膨張行程の終わりに近い時期に行われるため、気筒内の圧力が低くなってから行われる。このような場合には、燃料の圧力が気筒内の圧力に対して相対的に高くなるために燃料の貫徹力が高くなる。このため、燃料が気筒壁面に到達するまでの時間が短くなるので、ポスト噴射による燃料が蒸発する前に気筒壁面に到達し易くなる。

ここで、ポスト噴射による燃料が液体の状態で気筒壁面に到達しないような噴射量と、触媒の温度から要求される噴射量と、で少ない方の噴射量を選択することで、オイルの希釈を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−１３２３７５号公報特開２００２−３１７７３４号公報特開２０１３−１９９９１６号公報

上記のような従来技術では、オイル希釈の可能性がある場合に、常に、触媒の温度から要求される噴射量よりも少ない噴射量が噴射されるため、触媒の温度を高くするのに時間を要する。

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、その目的は、ポスト噴射をより効果的に活用することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る内燃機関は、ニードルを有し該ニードルを開弁したときに内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関において、前記燃料噴射弁からの燃料のメイン噴射の後にポスト噴射を実施する場合であって、要求されるポスト噴射による燃料の噴射量が噴射量閾値よりも多い場合において、メイン噴射時の燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度をメイン噴射時の前記ニードルの開弁速度よりも高くし、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力よりも大きな圧力である第二所定圧力以上のときには、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度をメイン噴射時の前記ニードルの開弁速度よりも低くする制御装置を備える。

ポスト噴射は、メイン噴射の後に行われる燃料噴射であり、例えば、膨張行程の後期に行われる。ここで、燃料の圧力が低い運転時においては、ポスト噴射による燃料の粒径が大きいために燃料が蒸発し難くなるため、制御装置は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を高くすることにより、燃料噴射弁内の燃料の通路の断面積を速やかに増加させている。これにより、単位時間当たりの燃料の噴射量を速やかに上昇させることができるため、燃料の粒径を小さくすることができる。

一方、燃料の圧力が高い運転時においては、ポスト噴射による燃料の貫徹力が高いために、ポスト噴射による燃料が蒸発する前に、気筒の壁面に燃料が到達し易くなる。そこで、制御装置は、ニードルの開弁速度を低くすることにより、燃料噴射弁内の燃料の通路の断面積を緩やかに増加させている。これにより、単位時間当たりの燃料の噴射量を低減させることができるため、燃料の貫徹力を低くすることができる。

したがって、メイン噴射時の燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも高くし、メイン噴射時の燃料の圧力が第二所定圧力以上のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも低くすることで、気筒の壁面に燃料が到達することを抑制できる。これにより、燃料によってオイルが希釈されることを抑制できる。

ここで、ポスト噴射燃料量は、例えば、触媒の温度上昇に要求される燃料量に設定される。したがって、例えば内燃機関の負荷が低い場合には排気の温度が低いため、より多くのポスト噴射燃料量が要求される。ポスト噴射燃料量が多くなると、燃料が蒸発し難くなるため、気筒の壁面に燃料が到達しやすくなる。すなわち、オイルの希釈が起こるか否かの境となるポスト噴射燃料量が存在するため、その値を噴射量閾値としている。そして、要求されるポスト噴射による燃料の噴射量が噴射量閾値よりも多い場合を、ポスト噴射時にニードルの開弁速度を調整する前提条件としている。なお、噴射量閾値は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度と同じとしても気筒の壁面に燃料が到達しないポスト噴射燃料量の上限値、または、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度と同じとしたときに気筒の壁面に到達する燃料が許容範囲内のときのポスト噴射燃料量の上限値とすることができる。

また、燃料の圧力は内燃機関の運転状態によって変化する。そして、燃料の圧力が変化することで、燃料の粒径および燃料の貫徹力が変化する。ここで、第一所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度と、メイン噴射時のニードルの開弁速度と、を同じにした場合に、ポスト噴射の粒径が大きくなることによって燃料が気筒の壁面に到達する燃料の圧力の上限値とすることができる。また、第一所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも高くすることで、ポスト噴射による燃料が気筒の壁面に付着しなくなる又は付着が抑制される燃料の圧力の上限値とすることもできる。また、第二所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度と、メイン噴射時の
ニードルの開弁速度と、を同じにした場合に、燃料の貫徹力が大きいことにより燃料が気筒の壁面に到達する燃料の圧力の下限値とすることができる。また、第二所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも低くすることで、ポスト噴射による燃料が気筒の壁面に付着しなくなる又は付着が抑制される燃料の圧力の下限値とすることもできる。

また、前記制御装置は、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のとき、または、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第二所定圧力以上のときには、前記メイン噴射時の燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度を低くすることができる。

メイン噴射時の燃料の圧力が低くなるほど、ポスト噴射時の燃料の粒径が大きくなる。このため、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のときには、メイン噴射時の燃料の圧力が低くなるほど、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を高くすることにより、ポスト噴射時の燃料の粒径が大きくなることを抑制できる。これにより、気筒の壁面に燃料が到達することを抑制できる。これは、メイン噴射時の燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を低くしているといえる。一方、メイン噴射時の燃料の圧力が第二所定圧力以上のときには、メイン噴射時の燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を低くすることで、燃料の貫徹力が高くなることを抑制できるため、気筒の壁面に燃料が到達することを抑制できる。

また、前記制御装置は、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のとき、または、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第二所定圧力以上のときには、前記ポスト噴射時のニードルリフト量の最大値を、前記メイン噴射時のニードルリフト量の最大値よりも小さくすることができる。

ニードルリフト量の最大値が大きくなると、単位時間当たりの燃料噴射量が多くなる。メイン噴射時の燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度が高くされるが、これにより、単位時間当たりの燃料噴射量が増加し、燃料の貫徹力が大きくなり過ぎる虞がある。これに対して、ニードルリフト量の最大値を小さくすることで、燃料の貫徹力が大きくなることを抑制できる。一方、メイン噴射時の燃料の圧力が第二所定圧力以上のときには、メイン噴射時の燃料の圧力がもともと高いため、ニードルの開弁速度を低くしても、なお燃料の貫徹力が大きい場合もある。これに対し、ニードルリフト量の最大値を小さくすることで、燃料の貫徹力を低減することができる。

本発明によれば、ポスト噴射をより効果的に活用することができる。

実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。ポスト噴射燃料の圧力（燃料圧力）と、燃料噴霧の特性との関係を示した図である。燃料噴射量と、ポスト噴射燃料の要求量及びポスト噴射燃料の噴射可能量と、の関係を示した図である。ポスト噴射燃料の圧力と、燃料噴霧の特性と、ポスト噴射燃料が気筒の壁面に到達する範囲と、の関係を示した図である。（Ａ）は本実施例に係るニードルのリフト量の制御を実施しない場合の燃料噴射弁のニードルのリフト量の推移を示したタイムチャートであり、（Ｂ）は内燃機関の負荷が比較的低い場合であって燃料の圧力がＰ１以下の場合の燃料噴射弁のニードルのリフト量の推移を示したタイムチャートであり、（Ｃ）は内燃機関の負荷が比較的高い場合であって燃料の圧力がＰ２以上の場合燃料噴射弁のニードルのリフト量の推移を示したタイムチャートである。実施例１に係るポスト噴射時のニードルの開弁速度を決定するフローを示したフローチャートである。実施例２に係るポスト噴射時のニードルの開弁速度を決定するフローを示したフローチャートである。燃料の圧力が低い場合のポスト噴射時の燃料の噴射率、及び、ポスト噴射時のニードルのリフト量の推移を示したタイムチャートである。燃料の圧力が高い場合のポスト噴射時の燃料の噴射率、及び、ポスト噴射時のニードルのリフト量の推移を示したタイムチャートである。実施例３に係るポスト噴射時のニードルの開弁速度及びニードルの最大リフト量を決定するフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を示す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、ディーゼル機関である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。内燃機関１の気筒２には、ピストン３が備わる。ピストン３の上面には、ピストン内部に向かって凹むキャビティ３１が形成されている。

内燃機関１には、気筒２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁４が設けられている。燃料噴射弁４はコモンレール５に接続され、該コモンレール５は燃料供給管６を介して燃料ポンプ７と連通している。燃料噴射弁４には圧力調整機構８が設けられており、該圧力調整機構８により燃料の圧力が調整される。なお、本実施例においては燃料噴射弁４から噴射する燃料の圧力を調整できればよいため、圧力調整機構８により燃料の圧力を調整する代わりに、燃料ポンプ７における燃料の圧縮率を変化させることにより燃料の圧力を調整してもよい。また、コモンレール５に燃料の圧力を調整する機構を設け、該コモンレール５において燃料の圧力を調整してもよい。これら燃料の圧力を調整する構成は周知であるため説明は省略する。

燃料噴射弁４には、噴孔４１を開閉するニードル４２、及び、ニードル４２を上下させる動弁機構４３が備わる。燃料噴射弁４には、例えば直動式の燃料噴射弁を採用することができる。動弁機構４３は、例えばピエゾ素子を備えており、このピエゾ素子に通電することによりニードル４２が開弁される。なお、本実施例では、ニードル４２を上下させ、且つ、ニードル４２の開弁速度を変化させる機構が燃料噴射弁４に備わっていればよい。このようなニードル４２の開弁速度を変更可能な構成は周知のため説明は省略する。また、本実施例に係る燃料噴射弁４は、ニードル４２の開弁速度を少なくとも３段階に変化させることが可能なものとする。燃料噴射弁４は、ニードル４２の開弁速度を無段階に変更することができるものであってもよい。コモンレール５には、燃料の圧力を検出する燃圧センサ１１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ＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０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を制御する。ＥＣＵ１０には、運転者がアクセルペダ
ル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知するアクセル開度センサ１７、および機関回転速度を検知するクランクポジションセンサ１８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ＥＣＵ１０に入力される。一方、ＥＣＵ１０には、圧力調整機構８及び動弁機構４３が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。なお、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁４の動弁機構４３を制御しているが、以下では、ＥＣＵ１０が燃料噴射弁４を制御しているものとする。ＥＣＵ１０は、圧力調整機構８を操作することにより、燃料の圧力を調整する。さらに、ＥＣＵ１０は、動弁機構４３を操作することにより、ニードル４２の開弁速度を調整する。

ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転速度及びアクセル開度）に基づいて、燃料噴射弁４からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、燃料の圧力を決定する。なお、内燃機関１の運転状態と、燃料噴射量及び燃料噴射時期、燃料の圧力と、の関係は、予め実験等により求めてマップ化され、ＥＣＵ１０に記憶されている。このマップは、気筒内の空燃比が目標空燃比となるように設定されており、この目標空燃比は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転速度及びアクセル開度）に応じて設定される空燃比である。

本実施例に係る内燃機関１では、内燃機関１から未燃燃料を排出させるため、又は、内燃機関１から温度の高いガスを排出させるためにポスト噴射を実施している。ポスト噴射は、メイン噴射の後であって、トルクが発生しない時期に行われる。例えば、ポスト噴射は、噴射される燃料（以下、ポスト噴射燃料という。）が燃焼しない時期に噴射される燃料噴射である。したがって、ポスト噴射は、メイン噴射時に噴射される燃料（以下、メイン噴射燃料という。）が燃焼して高温高圧となった気筒２内で燃焼しないような時期に実施される。例えば、ポスト噴射は、触媒の温度を上昇させることにより、触媒よりも下流に設けられているフィルタの温度を上昇させるために行われる。また、例えば、ポスト噴射は、触媒へ還元剤として未燃燃料を供給するために行われる。

ポスト噴射は、ピストン３が比較的上死点から離れた位置にあるときに行われる。このため、ポスト噴射燃料はキャビティ３１内には噴射されず、気筒２の壁面へ向かって噴射される。したがって、ポスト噴射燃料が、気筒２の壁面に付着する虞がある。

図２は、ポスト噴射燃料の圧力（燃料圧力）と、燃料噴霧の特性との関係を示した図である。図２中の破線で示した「貫徹力」は、噴射された燃料の貫徹力を示しており、この燃料の貫徹力が大きくなるほど、燃料の噴霧が気筒２の壁面に到達し易くなる。すなわち、ポスト噴射燃料の圧力が大きいほど、燃料の貫徹力が大きくなり、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達し易くなる。また、図２中の実線で示した「粒径」は、噴孔４１から噴射された後の燃料の粒径を示しており、この燃料の粒径が大きくなるほど、燃料が蒸発し難くなるため、燃料の噴霧が気筒２の壁面に到達し易くなる。したがって、燃料の圧力が高くなるほど、燃料の貫徹力が大きくなり、気筒２の壁面に燃料が液体のまま到達し易くなるという観点からは、オイルの希釈を抑制するのには不利になる。一方、燃料の圧力が高くなるほど、燃料の粒径が小さくなり、気筒２の壁面に燃料が液体のまま到達し難くなるという観点からは、オイルの希釈を抑制するのには有利になる。この、２つの燃料噴霧の特性に基づいて、ポスト噴射燃料の噴射可能量を求めることができる。

図３は、内燃機関１の負荷と、ポスト噴射燃料の要求量及びポスト噴射燃料の噴射可能量と、の関係を示した図である。横軸の負荷は、内燃機関１でトルクを発生させるための燃料噴射量、または、燃料圧力と関連があるため、図３の横軸を、内燃機関１でトルクを発生させるための燃料噴射量、または、燃料圧力としてもよい。ここで、ポスト噴射燃料の要求量（以下、要求噴射量という。）は、例えば触媒の温度を要求される温度まで上昇させるために必要となるポスト噴射燃料量である。内燃機関１の負荷が高いほど、排気の温度が高くなるため、ポスト噴射における燃料噴射量は少なくて済む。したがって、内燃
機関１の負荷が高いほど、要求噴射量は小さい。ポスト噴射燃料の噴射可能量は、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達しない噴射量の上限値である。噴射可能量は、図２に示した、燃料の粒径および燃料の貫徹力、気筒２内の温度によって決まる。なお、本実施例においては噴射可能量が、本発明における噴射量閾値に相当する。

図３において負荷が高くなるほど、気筒２から温度の高いガスがより多く排出されるため、ポスト噴射燃料量は少なくてもよい。このため、負荷が高くなるほど、要求噴射量が少なくなる。一方、負荷が高くなるほど、気筒２内の温度が高くなるため、ポスト噴射燃料が蒸発し易くなるため、噴射可能量が多くなる。しかし、要求噴射量が噴射可能量よりも多い場合には、燃料の蒸発が間に合わなくなり、気筒２の壁面に液体の燃料が到達し得る。すなわち、図３において、噴射可能量よりも要求噴射量が多くなるような負荷のときには、気筒２の壁面に燃料が到達し得る。

ここで、内燃機関１の負荷が大きいほど、スモークが発生し易くなるために、メイン噴射燃料の圧力を増加させてスモークを低減させている。このため、内燃機関１の負荷が大きくなるほど、ポスト噴射燃料の貫徹力が高くなり、燃料が気筒２の壁面に到達し易くなる。ただし、内燃機関１の負荷が大きい場合には、要求噴射量自体が少なくなり、さらには、ポスト噴射燃料の圧力の増加により燃料の微粒化が促進されるため、全体としては、気筒２の壁面に到達するポスト噴射燃料量は少なくなる。

一方、内燃機関１の負荷が小さいほど、メイン噴射燃料の圧力が低くなる。そして、気筒２内の温度が低くなり、ポスト噴射燃料の粒径も大きくなるため、ポスト噴射燃料が蒸発し難くなる。また、温度が低いために要求噴射量が多くなる。このため、内燃機関１の負荷が小さくなるほど、気筒２の壁面に到達するポスト噴射燃料量は多くなる。

したがって、内燃機関１の負荷が低い場合、すなわち、燃料の圧力が低い場合には、ポスト噴射燃料の蒸発を促進させることで、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することを抑制できる。一方、内燃機関１の負荷が高い場合、すなわち、燃料の圧力が高い場合には、ポスト噴射燃料の貫徹力を低減することにより、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することを抑制できる。

そこで、本実施例では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を調整することにより、燃料の粒径及び燃料の貫徹力を調整している。燃料噴射弁４のニードル４２が閉じているときには、該ニードル４２が燃料噴射弁４の内壁面に接することで、燃料の通路を遮断している。このときには、ニードル４２と燃料噴射弁４の内壁面との間を燃料が通ることができない。一方、燃料噴射弁４のニードル４２が開いた初期の段階では、ニードル４２が燃料噴射弁４の内壁面から離れて、ニードル４２と燃料噴射弁４の内壁面との距離が徐々に増加していく。すなわち、ニードル４２の先端部が上昇するにしたがって、ニードル４２の先端部と燃料噴射弁４の内壁面との距離が大きくなる。このため、燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積が徐々に増加していく。燃料の通路の断面積が大きいほど、単位時間あたりに流通可能な燃料の量が多くなるため、単位時間当たりの燃料噴射量が多くなる。単位時間当たりの燃料噴射量が多いほど、燃料の貫徹力が高くなり、燃料の微粒化が促進される。したがって、ニードル４２の開弁速度を高くすることにより、燃料の微粒化が促進される。このため、燃料の圧力が低いときに、ニードル４２の開弁速度を高くすることにより、燃料の蒸発を促進させることができる。このときには、燃料の貫徹力が高くなるものの、燃料の圧力が低いために、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することが抑制される。

一方、ニードル４２の開弁速度を低くすることにより、燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積が緩やかに増加するので、単位時間当たりの燃料噴射量が少ない期間が長くなる。
すなわち、燃料の貫徹力が低い期間が長くなる。そして、貫徹力が低い燃料を噴射することで、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することを抑制できる。このため、燃料の圧力が高いときに、ニードル４２の開弁速度を低くすることにより、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達することを抑制できる。このときには、気筒２内の温度が高いために、燃料の貫徹力を低下させたとしても、ポスト噴射燃料は蒸発する。

なお、ニードル４２のリフト量がある程度大きくなった後では、単位時間当たりの燃料噴射量が一定となるため、ニードル４２の開弁速度によらず燃料の貫徹力は同じになる。すなわち、燃料の貫徹力は、ニードル４２のリフト量がある程度大きくなるまでの期間では、ニードル４２の開弁速度に応じて変化するが、ニードル４２のリフト量がある程度大きくなった後では、ニードル４２の開弁速度によらず一定となる。ポスト噴射では燃料の噴射量が比較的少ないために、ニードル４２のリフト量がある程度大きくなる前に、ニードル４２が閉じられる場合が多い。すなわち、ニードル４２の開弁速度と、燃料の貫徹力と、で相関がある範囲でニードル４２が上下する。したがって、ニードル４２の開弁速度を調整することにより、燃料の貫徹力を調整することができる。なお、ポスト噴射の途中で単位時間当たりの燃料噴射量が一定となったとしても、それまではニードル４２の開弁速度と燃料の貫徹力とに相関があるため、本実施例の効果を得ることができる。

図４は、ポスト噴射燃料の圧力と、燃料噴霧の特性と、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達する範囲と、の関係を示した図である。図４は、図２に対して、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達する範囲を追加した図である。なお、適合圧力とは、内燃機関１の運転状態に応じて設定される燃料の圧力であり、予め実験またはシミュレーション等により求めて設定されている燃料の圧力である。図４に示した適合圧力は、ある時点における適合圧力である。この適合圧力は、例えば、スモークを低減させるように設定されている。

図４において、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達する範囲の下限値となる燃料噴霧の特性を二点鎖線で示している。二点鎖線から上の範囲において、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達し得る。すなわち、燃料の圧力がＰ１以下の場合には、粒径が大きすぎて燃料が蒸発し難くなるため、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達する。一方、燃料の圧力がＰ２以上になると、ポスト噴射燃料の貫徹力が高くなりすぎて、燃料が蒸発する前に気筒２の壁面に到達する。図４に示した適合圧力は、Ｐ２以上の圧力であるため、このときの適合圧力では気筒２の壁面に燃料が到達することになる。これに対して、本実施例では、燃料の圧力がＰ１以下の場合にポスト噴射の粒径が小さくなるように、ニードル４２の開弁速度をメイン噴射時よりも高くしている。また、燃料の圧力がＰ２以上の場合には、燃料の貫徹力を低下させるように、ニードル４２の開弁速度をメイン噴射時よりも低くしている。なお、本実施例においてはＰ１が本発明における第一所定圧力に相当し、Ｐ２が本発明における第二所定圧力に相当する。

なお、燃料の圧力がＰ１よりも高く且つＰ２よりも低い場合であっても、噴射可能量よりも要求噴射量が多くなるような負荷の場合には、気筒２の壁面に燃料が到達し得る。このような場合にニードル４２の開弁速度を調整しても、気筒２の壁面に燃料が到達することを抑制することは困難である。このような場合には、周知の技術を用いて気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達することを抑制してもよい。このときには、例えば、ポスト噴射燃料を減量したり、ポスト噴射燃料を複数回に分けて噴射したりすることにより、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が付着することを抑制してもよい。

図５は、燃料噴射弁４のニードル４２のリフト量の推移を示したタイムチャートである。図５（Ａ）は本実施例に係るニードル４２のリフト量の制御を実施しない場合を示している。これは、通常制御時のリフト量の推移ともいえる。通常制御は、メイン噴射とポスト噴射とでニードル４２の開弁速度が同じになる制御であり、従来の制御としてもよい。
また、図５（Ａ）は、燃料の圧力がＰ１よりも高く且つＰ２よりも低い場合の図としてもよい。図５（Ｂ）は内燃機関１の負荷が比較的低い場合であって燃料の圧力がＰ１以下の場合を示し、図５（Ｃ）は内燃機関１の負荷が比較的高い場合であって燃料の圧力がＰ２以上の場合を示している。図５では、メイン噴射の前にパイロット噴射が行われ、メイン噴射の後にポスト噴射が行われている。ニードル４２の開弁速度が高いと、図５におけるリフト量の傾きが大きくなる。

すなわち、図５（Ｂ）に示されるように、燃料の圧力がＰ１以下の場合には、ポスト噴射時のニードル４２のリフト量の傾きが大きく、燃料の貫徹力が高い。このときのポスト噴射時のニードル４２のリフト量の傾きは、通常制御時およびメイン噴射時の傾きよりも大きい。一方、図５（Ｃ）に示されるように、燃料の圧力がＰ２以上の場合には、ポスト噴射時のニードル４２のリフト量の傾きが小さく、燃料の貫徹力が低い。このときのポスト噴射時のニードル４２の傾きは、通常制御時およびメイン噴射時の傾きよりも小さい。

次に、図６は、本実施例に係るポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を決定するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により燃焼サイクル毎に実行される。なお、本実施例において図６に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ステップＳ１０１では、ポスト噴射を実施する要求があるか否か判定される。すなわち、内燃機関１から未燃燃料を排出させる要求があるか否か判定される。本ステップでは、触媒の温度を上昇させる要求、フィルタの再生を行う要求、触媒の硫黄被毒を回復させる要求、触媒へ還元剤を供給する要求などがある場合に、ポスト噴射を実施する要求があると判定される。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０２では、内燃機関１の運転状態が検出される。本ステップでは、機関回転速度及び燃料噴射量が検出される。燃料噴射量は、アクセル開度と相関関係にあるため、燃料噴射量に代えてアクセル開度を検出してもよい。なお、燃料噴射量は、内燃機関１のトルクに関係する燃料噴射量でありパイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射を合わせた燃料の量である。ステップＳ１０２の処理が終了すると、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、要求噴射量ＱＰが算出される。例えば、触媒の温度を上昇させるためにポスト噴射を実施する場合には、触媒の温度を要求される温度まで上昇させるために必要となるポスト噴射燃料量として算出される。すなわち、要求噴射量ＱＰは、ステップＳ１０２で検出される機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて算出される。要求噴射量ＱＰと、機関回転速度及び燃料噴射量との関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておいてもよい。ステップＳ１０３の処理が終了すると、ステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、燃料圧力ＰＣＲが取得される。燃料圧力ＰＣＲは、燃圧センサ１１により検出される。なお、燃料圧力ＰＣＲは、内燃機関１の運転状態に応じて決定されるため、この決定された燃料圧力を用いてもよい。ステップＳ１０４の処理が終了すると、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、ポスト噴射の噴射可能量ＱＰＬが算出される。図３に示したように、噴射可能量ＱＰＬは、燃料噴射量（内燃機関１の負荷、または、内燃機関１のトルク）と関連しているため、噴射可能量ＱＰＬと、燃料噴射量と、の関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。ステップＳ１０５の処理が終了すると、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６では、要求噴射量ＱＰが噴射可能量ＱＰＬよりも多いか否か判定される。本ステップでは、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達し得るか否かを判定している。ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０７では、燃料圧力ＰＣＲが、図４に示したＰ１以下であるか否か判定される。本ステップでは、燃料圧力ＰＣＲが低いために、ポスト噴射の粒径が大きくなり、その結果、燃料が蒸発する前に気筒２の壁面に到達し得るか否か判定している。ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進んで、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度が、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くされる。これにより、ポスト噴射燃料の粒径が小さくなるので、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が付着することが抑制される。ステップＳ１０８の処理が終了すると、本フローチャートが終了される。

一方、ステップＳ１０７で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０９へ進む。ステップＳ１０９では、燃料圧力ＰＣＲが、図４に示したＰ２以上であるか否か判定される。本ステップでは、燃料圧力ＰＣＲが高いために、ポスト噴射燃料の貫徹力が高くなり、その結果、燃料が蒸発する前に気筒２の壁面に到達し得るか否か判定している。ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進んで、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度が、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも低くされる。これにより、ポスト噴射燃料の貫徹力が低くなるので、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が付着することが抑制される。ステップＳ１１０の処理が終了すると、本フローチャートが終了される。

また、ステップＳ１０９で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１１１へ進み、例えば周知の技術によりポスト噴射燃料が気筒２に到達することが抑制される。すなわち、ニードル４２の開弁速度を調整すること以外の方法により、気筒２に燃料が到達することを抑制する。ステップＳ１１１の処理が終了すると、本フローチャートが終了される。

なお、本実施例では、燃料圧力ＰＣＲが、Ｐ１よりも高く且つＰ２よりも低い範囲では、ニードル４２の開弁速度を変更していないが、これに代えて、このようなニードル４２の開弁速度を変更しない範囲を設けなくてもよい。すなわち、要求噴射量ＱＰが噴射可能量ＱＰＬよりも多い場合には、常に、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くするか又は遅くしてもよい。この場合、Ｐ１とＰ２とが同じ値と考えてもよい。例えば、図２において、「貫徹力」と「粒径」とが交差する圧力をＰ１及びＰ２としてもよい。このような場合には、Ｐ１とＰ２とが等しいと考えて、図６に示したフローチャートにおいて、ステップＳ１０９及びステップＳ１１１を行わない。そして、ステップＳ１０７で否定判定がなされた場合にステップＳ１１０へ進む。

また、本実施例では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも、高くする場合と低くする場合とについて説明している。すなわち、ニードル４２の開弁速度はメイン噴射を合わせて３通りあり、ニードル４２の開弁速度を３段階に変化させている。一方、ニードル４２の開弁速度を４段階以上、または、無段階に変化させることができる燃料噴射弁４を用いている場合には、ニードル４２の開弁速度を３段階に変化させることに代えて、ニードル４２の開弁速度を４以上の段階に変化させてもよいし、無段階に変化させてもよい。そして、燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射燃料の貫徹力を低下させるために、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を低くしてもよい。この場合、上記したように、Ｐ１とＰ２とが等しいと考えてもよい。

例えば、燃料の圧力がＰ１（Ｐ２としてもよい。）以下の場合には、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりもポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を高くし、且つ、燃料の圧力が高いほど、ニードル４２の開弁速度を低くする。さらに、機関回転速度がＰ１（Ｐ２としてもよい。）以上の場合には、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりもポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を低くし、且つ、燃料の圧力が高いほど、ニードル４２の開弁速度を低くする。さらに、Ｐ１及びＰ２とは関係なく、単に、燃料の圧力が高いほど、ニードル４２の開弁速度を低くしてもよい。以上のようにしても、気筒２の壁面に到達するポスト噴射燃料量を低減することができるため、オイルの希釈を抑制できる。

以上説明したように本実施例では、燃料の圧力に応じてニードル４２の開弁速度を変更することによって、燃料の粒径および燃料の貫徹力を調整している。そして、燃料の圧力が低いときには、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くすることにより、燃料の粒径を小さくすることができる。これにより、燃料の蒸発を促進させることができるため、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することを抑制できる。一方、燃料の圧力が高いときには、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも低くすることにより、燃料の貫徹力を低くすることができる。これにより、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することを抑制できる。このため、ポスト噴射を行う運転領域を広げることもできる。すなわち、フィルタの再生、Ｓ被毒再生、触媒の温度上昇などを行う運転領域を広げることができる。

なお、本実施例では、ポスト噴射を１回だけ行っているが、これに代えて、ポスト噴射を２回以上に分けて行うこともできる。ここで、ニードル４２の開弁速度を低くしても、開弁時間が長くなるとニードル４２のリフト量が大きくなるため、燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積が大きくなる。このため、燃料の貫徹力が高くなる。一方、燃料の貫徹力が高くなる前に１回目のポスト噴射を終わらせ、その後に、２回目のポスト噴射を行うことにより、２回目のポスト噴射において、再度、貫徹力の低い燃料を噴射することができる。したがって、全体として、貫徹力の低い燃料をより多く噴射することが可能となる。何れの領域であっても、ポスト噴射燃料量に応じてポスト噴射を２回以上に分けて行ってもよい。

＜実施例２＞
本実施例では、ポスト噴射時において、燃料の圧力に応じてニードル４２の開弁速度を無段階に変化させる場合の制御について説明する。その他の装置等は実施例１と同じため、説明を省略する。図７は、本実施例に係るポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を決定するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により燃焼サイクル毎に実行される。上記フローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。なお、本実施例において図７に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

図７に示したフローチャートでは、ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、燃料圧力ＰＣＲに応じてポスト噴射時の燃料噴射弁４のニードル４２の開弁速度が設定される。機関回転速度と、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度との関係は、気筒２の壁面に燃料が到達しないように予め実験またはシミュレーション等により求めておく。この関係は、予めマップ化しておいてもよい。ステップＳ２０１では、燃料圧力ＰＣＲが高くなるほど、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度が低くなるように設定される。また、燃料圧力ＰＣＲが低い側では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度がメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くなる
ようにし、燃料圧力ＰＣＲが高い側では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度がメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも低くなるようにする。ステップＳ２０１の処理が終了すると、本フローチャートを終了させる。このように、燃料の圧力に応じてニードル４２の開弁速度を無段階に変更することによっても、燃料の粒径および燃料の貫徹力を調整することができる。

＜実施例３＞
本実施例では、ポスト噴射時に目標となる噴射率を実現するために、ニードル４２のリフト量の最大値（以下、最大リフト量という。）を調整する。したがって、本実施例係る燃料噴射弁４は、動弁機構４３によりニードル４２の最大リフト量を任意に変えることができる。ニードル４２の開弁速度は、実施例１と同様に決定することができる。その他の装置等は上記実施例と同じため、説明を省略する。

ここで、上記したように、ニードル４２のリフト量が大きくなると、単位時間当たりの燃料噴射量（すなわち、噴射率）が大きくなり、燃料の貫徹力が高くなる。したがって、ポスト噴射燃料量が多くなると、燃料の貫徹力が大きくなりすぎて、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達する虞がある。これに対して本実施例では、ポスト噴射燃料の貫徹力が高くなりすぎないように、ポスト噴射時のニードル４２のリフト量を、メイン噴射時のニードル４２のリフト量よりも小さくする。このときに、実施例１と同様に、燃料の圧力が低いときには、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度をメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くし、一方、燃料の圧力が高いときには、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度をメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも低くしてもよい。

本実施例では、燃料の圧力に応じて、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達しないような噴射比率を算出し、該噴射比率となるようなニードル４２のリフト量を算出する。このため、本実施例では、燃料の圧力に応じて、ニードル４２の開弁速度及びニードル４２の最大リフト量を算出する。

図８は、燃料の圧力が低い場合のポスト噴射時の燃料の噴射率、及び、ポスト噴射時のニードル４２のリフト量の推移を示したタイムチャートである。また、図９は、燃料の圧力が高い場合のポスト噴射時の燃料の噴射率、及び、ポスト噴射時のニードル４２のリフト量の推移を示したタイムチャートである。実線は本実施例に係るニードル４２の制御を行った場合を示し、破線は通常制御の場合（本実施例に係るニードル４２の制御を行わなかった場合、または、従来制御の場合としてもよい。）を示している。通常制御時のニードル４２の開弁速度は、メイン噴射とポスト噴射とで同じである。

本実施例において、燃料の圧力が低い場合には、通常制御時よりもニードル４２の開弁速度を高くする。このため、本実施例に係るニードル４２のリフト量の傾きが、通常制御時のニードル４２のリフト量の傾きよりも大きくなる。これにより、通常制御時よりも噴射率の増加が急になる。このように、ニードル４２の開弁速度を高くすることにより、燃料の粒径を小さくすることができるため、ポスト噴射燃料の蒸発を促進させることができる。さらに、本実施例では、燃料の圧力が低い場合において、ポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量を通常制御よりも小さくしている。このときのニードル４２の最大リフト量は、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達しないように設定される。

一方、本実施例において、燃料の圧力が高い場合には、通常制御時よりもニードル４２の開弁速度を低くする。このため、本実施例に係るニードル４２のリフト量の傾きが、通常制御時のニードル４２のリフト量の傾きよりも小さくなる。これにより、通常制御時よりも噴射率の増加が緩やかになる。これは、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、ニードル４２の開弁速度を低くしているともいえる。また、燃料の圧力が
高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、噴射率の増加が緩やかであるともいえる。このように、ニードル４２の開弁速度を低くすることにより、燃料の圧力が高い場合であっても、燃料の貫徹力を低下させることができる。さらに、本実施例では、燃料の圧力が高い場合において、ニードル４２の最大リフト量を通常制御よりも小さくしている。このときのニードル４２の最大リフト量は、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達しないように設定される。ここで、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、燃料の貫徹力が高くなるため、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達し易い。このため、本実施例では、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、ポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量を小さくして、ポスト噴射燃料の貫徹力が大きくなることを抑制している。

ここで、燃料の圧力が低い場合には、ニードル４２の最大リフト量が比較的大きくても、燃料の噴射率があまり大きくならないため、ニードル４２の最大リフト量を比較的大きくできる。一方、燃料の圧力が高い場合には、ニードル４２の最大リフト量が比較的小さくても、燃料の噴射率が大きくなる。このため、ポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量は、燃料の圧力が低い場合よりも高い場合のほうが、小さい。このように、燃料の圧力が高い場合のポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量を小さくすることで、燃料の貫徹力が大きくなることを抑制している。

なお、ポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量を通常制御時よりも小さくすることによりポスト噴射燃料の噴射率が低下するため、通常制御よりも燃料噴射弁４の開弁時間を長くすることでポスト噴射燃料量が低下することを抑制している。

ここで、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸは、燃料噴射弁４の内壁面とニードル４２との間の燃料の通路の断面積Ａと相関関係にある。ポスト噴射時の目標最大噴射率ＤＱＭＡＸと、燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積Ａとには以下の関係がある。

ただし、ＣＤは流量係数であり予め求めておく。ＰＣＲは燃料圧力（Ｐａ）であり、内燃機関１の運転状態に応じて決定される。ＰＡはポスト噴射時の雰囲気圧力（燃焼室内圧力）（Ｐａ）であり、内燃機関１の運転状態に基づいて推定される。Ｄは燃料の密度（ｋｇ／ｍｍ^３）であり、想定される燃料の密度を予め求めておく。

そして、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸと、燃料噴射弁４の内壁面とニードル４２との間の燃料の通路の断面積Ａと、の関係は予め求めることができるため、上記数１に示した関係に基づいて得られる断面積Ａから、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸを求めることができる。このようにして求めた最大リフト量ＬＭＡＸをポスト噴射時に適用することで、ポスト噴射燃料の最大噴射率を目標最大噴射率ＤＱＭＡＸに合わせることができる。なお、目標最大噴射率ＤＱＭＡＸは、燃料の圧力と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。

図１０は、本実施例に係るポスト噴射時のニードル４２の開弁速度及びニードル４２の最大リフト量を決定するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により燃焼サイクル毎に実行される。上記フローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。なお、本実施例において図１０に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

図１０に示したフローチャートでは、ステップＳ１０４の処理が終了するとステップＳ３０１へ進み、目標最大噴射率ＤＱＭＡＸが決定される。目標最大噴射率ＤＱＭＡＸは、燃料圧力ＰＣＲに基づいて決定される。目標最大噴射率ＤＱＭＡＸと、燃料圧力ＰＣＲとの関係は、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達しないような関係として、予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。ステップＳ３０１の処理が終了すると、ステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２では、目標最大噴射率ＤＱＭＡＸから、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸが算出される。目標最大噴射率ＤＱＭＡＸから、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸを算出する式は、予めＥＣＵ１０に記憶させておく。ステップＳ３０２の処理が終了すると、ステップＳ１０６へ進む。

また、本実施例では、実施例１と同様に、ニードル４２の開弁速度を４段階以上、または、無段階に変化させることができる燃料噴射弁４を用いている場合には、ニードル４２の開弁速度を３段階に変化させることに代えて、ニードル４２の開弁速度を４以上の段階に変化させてもよいし、無段階に変化させてもよい。

なお、本実施例においては、ニードル４２の開弁速度およびニードル４２の最大リフト量を燃料の圧力に応じて調整しているが、ニードル４２の最大リフト量のみを燃料の圧力に応じて調整しても、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達することを抑制できる。

以上説明したように本実施例では、ニードル４２の最大リフト量を小さくすることで燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積を小さくしている。断面積が小さい箇所を燃料が通過することにより燃料の圧力が低下し、その結果、気筒２内に単位時間当たりに噴射される燃料の量が低減される。このようにして、ポスト噴射燃料の貫徹力を低減することができるため、気筒２に燃料が到達することを抑制できる。

１内燃機関
２気筒
３ピストン
４燃料噴射弁
５コモンレール
６燃料供給管
７燃料ポンプ
８圧力調整機構
１０ＥＣＵ
１１燃圧センサ
１７アクセル開度センサ
１８クランクポジションセンサ
３１キャビティ
４１噴孔
４２ニードル
４３動弁機構

本発明は、内燃機関に関する。

ここで、ポスト噴射による燃料が液体の状態で気筒壁面に到達しないような噴射量と、触媒の温度から要求される噴射量と、で少ない方の噴射量を選択することで、オイルの希
釈を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記課題を解決するために本発明に係る内燃機関は、ニードルを有し該ニードルを開弁したときに内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関において、前記燃料噴射弁からの燃料のメイン噴射の後にポスト噴射を実施する場合であって、要求されるポスト噴射による燃料の噴射量が噴射量閾値よりも多い場合において、燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度をメイン噴射時の前記ニードルの開弁速度よりも高くし、燃料の圧力が前記第一所定圧力よりも大きな圧力である第二所定圧力以上のときには、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度をメイン噴射時の前記ニードルの開弁速度よりも低くする制御装置を備える。

したがって、燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも高くし、燃料の圧力が第二所定圧力以上のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも低くすることで、気筒の壁面に燃料が到達することを抑制できる。これにより、燃料によってオイルが希釈されることを抑制できる。

ここで、ポスト噴射燃料量は、例えば、触媒の温度上昇に要求される燃料量に設定される。したがって、例えば内燃機関の負荷が低い場合には排気の温度が低いため、より多くのポスト噴射燃料量が要求される。ポスト噴射燃料量が多くなると、燃料が蒸発し難くなるため、気筒の壁面に燃料が到達しやすくなる。すなわち、オイルの希釈が起こるか否か
の境となるポスト噴射燃料量が存在するため、その値を噴射量閾値としている。そして、要求されるポスト噴射による燃料の噴射量が噴射量閾値よりも多い場合を、ポスト噴射時にニードルの開弁速度を調整する前提条件としている。なお、噴射量閾値は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度と同じとしても気筒の壁面に燃料が到達しないポスト噴射燃料量の上限値、または、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度と同じとしたときに気筒の壁面に到達する燃料が許容範囲内のときのポスト噴射燃料量の上限値とすることができる。

また、燃料の圧力は内燃機関の運転状態によって変化する。そして、燃料の圧力が変化することで、燃料の粒径および燃料の貫徹力が変化する。ここで、第一所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度と、メイン噴射時のニードルの開弁速度と、を同じにした場合に、ポスト噴射の粒径が大きくなることによって燃料が気筒の壁面に到達する燃料の圧力の上限値とすることができる。また、第一所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも高くすることで、ポスト噴射による燃料が気筒の壁面に付着しなくなる又は付着が抑制される燃料の圧力の上限値とすることもできる。また、第二所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度と、メイン噴射時のニードルの開弁速度と、を同じにした場合に、燃料の貫徹力が大きいことにより燃料が気筒の壁面に到達する燃料の圧力の下限値とすることができる。また、第二所定圧力は、ポスト噴射時のニードルの開弁速度をメイン噴射時のニードルの開弁速度よりも低くすることで、ポスト噴射による燃料が気筒の壁面に付着しなくなる又は付着が抑制される燃料の圧力の下限値とすることもできる。

また、前記制御装置は、燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のとき、または、燃料の圧力が前記第二所定圧力以上のときには、燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度を低くすることができる。

燃料の圧力が低くなるほど、ポスト噴射時の燃料の粒径が大きくなる。このため、燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のときには、燃料の圧力が低くなるほど、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を高くすることにより、ポスト噴射時の燃料の粒径が大きくなることを抑制できる。これにより、気筒の壁面に燃料が到達することを抑制できる。これは、燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を低くしているといえる。一方、燃料の圧力が第二所定圧力以上のときには、燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時のニードルの開弁速度を低くすることで、燃料の貫徹力が高くなることを抑制できるため、気筒の壁面に燃料が到達することを抑制できる。

また、前記制御装置は、燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のとき、または、燃料の圧力が前記第二所定圧力以上のときには、燃料の圧力が高い場合には燃料の圧力が低い場合よりもポスト噴射時の前記ニードルのリフト量の最大値を小さくすることができる。

ニードルリフト量の最大値が大きくなると、単位時間当たりの燃料噴射量が多くなる。燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時のニードルの開弁速度が高くされるが、これにより、単位時間当たりの燃料噴射量が増加し、燃料の貫徹力が大きくなり過ぎる虞がある。これに対して、ニードルリフト量の最大値を小さくすることで、燃料の貫徹力が大きくなることを抑制できる。一方、燃料の圧力が第二所定圧力以上のときには、燃料の圧力がもともと高いため、ニードルの開弁速度を低くしても、なお燃料の貫徹力が大きい場合もある。これに対し、ニードルリフト量の最大値を小さくすることで、燃料の貫徹力を低減することができる。

燃料噴射弁４には、噴孔４１を開閉するニードル４２、及び、ニードル４２を上下させ
る動弁機構４３が備わる。燃料噴射弁４には、例えば直動式の燃料噴射弁を採用することができる。動弁機構４３は、例えばピエゾ素子を備えており、このピエゾ素子に通電することによりニードル４２が開弁される。なお、本実施例では、ニードル４２を上下させ、且つ、ニードル４２の開弁速度を変化させる機構が燃料噴射弁４に備わっていればよい。このようなニードル４２の開弁速度を変更可能な構成は周知のため説明は省略する。また、本実施例に係る燃料噴射弁４は、ニードル４２の開弁速度を少なくとも３段階に変化させることが可能なものとする。燃料噴射弁４は、ニードル４２の開弁速度を無段階に変更することができるものであってもよい。コモンレール５には、燃料の圧力を検出する燃圧センサ１１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ＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０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を制御する。ＥＣＵ１０には、運転者がアクセルペダル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知するアクセル開度センサ１７、および機関回転速度を検知するクランクポジションセンサ１８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ＥＣＵ１０に入力される。一方、ＥＣＵ１０には、圧力調整機構８及び動弁機構４３が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。なお、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁４の動弁機構４３を制御しているが、以下では、ＥＣＵ１０が燃料噴射弁４を制御しているものとする。ＥＣＵ１０は、圧力調整機構８を操作することにより、燃料の圧力を調整する。さらに、ＥＣＵ１０は、動弁機構４３を操作することにより、ニードル４２の開弁速度を調整する。

図２は、ポスト噴射燃料の圧力（燃料圧力）と、燃料噴霧の特性との関係を示した図である。図２中の破線で示した「貫徹力」は、噴射された燃料の貫徹力を示しており、この燃料の貫徹力が大きくなるほど、燃料の噴霧が気筒２の壁面に到達し易くなる。すなわち、ポスト噴射燃料の圧力が大きいほど、燃料の貫徹力が大きくなり、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達し易くなる。また、図２中の実線で示した「粒径」は、噴孔４１から噴射された後の燃料の粒径を示しており、この燃料の粒径が大きくなるほど、燃料が蒸発し難くなるため、燃料の噴霧が気筒２の壁面に到達し易くなる。したがって、燃料の圧力が
高くなるほど、燃料の貫徹力が大きくなり、気筒２の壁面に燃料が液体のまま到達し易くなるという観点からは、オイルの希釈を抑制するのには不利になる。一方、燃料の圧力が高くなるほど、燃料の粒径が小さくなり、気筒２の壁面に燃料が液体のまま到達し難くなるという観点からは、オイルの希釈を抑制するのには有利になる。この、２つの燃料噴霧の特性に基づいて、ポスト噴射燃料の噴射可能量を求めることができる。

図３は、内燃機関１の負荷と、ポスト噴射燃料の要求量及びポスト噴射燃料の噴射可能量と、の関係を示した図である。横軸の負荷は、内燃機関１でトルクを発生させるための燃料噴射量、または、燃料圧力と関連があるため、図３の横軸を、内燃機関１でトルクを発生させるための燃料噴射量、または、燃料圧力としてもよい。ここで、ポスト噴射燃料の要求量（以下、要求噴射量という。）は、例えば触媒の温度を要求される温度まで上昇させるために必要となるポスト噴射燃料量である。内燃機関１の負荷が高いほど、排気の温度が高くなるため、ポスト噴射における燃料噴射量は少なくて済む。したがって、内燃機関１の負荷が高いほど、要求噴射量は小さい。ポスト噴射燃料の噴射可能量は、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達しない噴射量の上限値である。噴射可能量は、図２に示した、燃料の粒径および燃料の貫徹力、気筒２内の温度によって決まる。なお、本実施例においては噴射可能量が、本発明における噴射量閾値に相当する。

そこで、本実施例では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を調整することにより、燃料の粒径及び燃料の貫徹力を調整している。燃料噴射弁４のニードル４２が閉じているときには、該ニードル４２が燃料噴射弁４の内壁面に接することで、燃料の通路を遮断している。このときには、ニードル４２と燃料噴射弁４の内壁面との間を燃料が通ることができない。一方、燃料噴射弁４のニードル４２が開いた初期の段階では、ニードル４２が燃料噴射弁４の内壁面から離れて、ニードル４２と燃料噴射弁４の内壁面との距離が徐
々に増加していく。すなわち、ニードル４２の先端部が上昇するにしたがって、ニードル４２の先端部と燃料噴射弁４の内壁面との距離が大きくなる。このため、燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積が徐々に増加していく。燃料の通路の断面積が大きいほど、単位時間あたりに流通可能な燃料の量が多くなるため、単位時間当たりの燃料噴射量が多くなる。単位時間当たりの燃料噴射量が多いほど、燃料の貫徹力が高くなり、燃料の微粒化が促進される。したがって、ニードル４２の開弁速度を高くすることにより、燃料の微粒化が促進される。このため、燃料の圧力が低いときに、ニードル４２の開弁速度を高くすることにより、燃料の蒸発を促進させることができる。このときには、燃料の貫徹力が高くなるものの、燃料の圧力が低いために、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することが抑制される。

一方、ニードル４２の開弁速度を低くすることにより、燃料噴射弁４内の燃料の通路の断面積が緩やかに増加するので、単位時間当たりの燃料噴射量が少ない期間が長くなる。すなわち、燃料の貫徹力が低い期間が長くなる。そして、貫徹力が低い燃料を噴射することで、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達することを抑制できる。このため、燃料の圧力が高いときに、ニードル４２の開弁速度を低くすることにより、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達することを抑制できる。このときには、気筒２内の温度が高いために、燃料の貫徹力を低下させたとしても、ポスト噴射燃料は蒸発する。

図５は、燃料噴射弁４のニードル４２のリフト量の推移を示したタイムチャートである。図５（Ａ）は本実施例に係るニードル４２のリフト量の制御を実施しない場合を示している。これは、通常制御時のリフト量の推移ともいえる。通常制御は、メイン噴射とポスト噴射とでニードル４２の開弁速度が同じになる制御であり、従来の制御としてもよい。また、図５（Ａ）は、燃料の圧力がＰ１よりも高く且つＰ２よりも低い場合の図としてもよい。図５（Ｂ）は内燃機関１の負荷が比較的低い場合であって燃料の圧力がＰ１以下の場合を示し、図５（Ｃ）は内燃機関１の負荷が比較的高い場合であって燃料の圧力がＰ２以上の場合を示している。図５では、メイン噴射の前にパイロット噴射が行われ、メイン噴射の後にポスト噴射が行われている。ニードル４２の開弁速度が高いと、図５におけるリフト量の傾きが大きくなる。

ステップＳ１０３では、要求噴射量ＱＰが算出される。例えば、触媒の温度を上昇させるためにポスト噴射を実施する場合には、触媒の温度を要求される温度まで上昇させるために必要となるポスト噴射燃料量として算出される。すなわち、要求噴射量ＱＰは、ステップＳ１０２で検出される機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて算出される。要求噴射量ＱＰと、機関回転速度及び燃料噴射量との関係は、予め実験またはシミュレーション等
により求めてマップ化しておいてもよい。ステップＳ１０３の処理が終了すると、ステップＳ１０４へ進む。

なお、本実施例では、燃料圧力ＰＣＲが、Ｐ１よりも高く且つＰ２よりも低い範囲では、ニードル４２の開弁速度を変更していないが、これに代えて、このようなニードル４２の開弁速度を変更しない範囲を設けなくてもよい。すなわち、要求噴射量ＱＰが噴射可能量ＱＰＬよりも多い場合には、常に、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くするか又は遅くしてもよい。この場合、Ｐ１とＰ２とが同じ値と考えてもよい。例えば、図２において、「貫徹力」と「粒径」とが交差する圧力をＰ１及びＰ２としてもよい。このような場合には、Ｐ１とＰ２とが等しいと
考えて、図６に示したフローチャートにおいて、ステップＳ１０９及びステップＳ１１１を行わない。そして、ステップＳ１０７で否定判定がなされた場合にステップＳ１１０へ進む。

＜実施例２＞
実施例１では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも、高くする場合と低くする場合とについて説明している。すなわち、ニードル４２の開弁速度はメイン噴射を合わせて３通りあり、ニードル４２の開弁速度を３段階に変化させている。一方、ニードル４２の開弁速度を４段階以上、または、無段階に変化させることができる燃料噴射弁４を用いている場合には、ニードル４２の開弁速度を３段階に変化させることに代えて、ニードル４２の開弁速度を４以上の段階に変化させてもよいし、無段階に変化させてもよい。そして、燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射燃料の貫徹力を低下させるために、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を低くしてもよい。この場合、実施例１で説明したように、Ｐ１とＰ２とが等しいと考えてもよい。

例えば、燃料の圧力がＰ１（Ｐ２としてもよい。）以下の場合には、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりもポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を高くし、且つ、燃料の圧力が高いほど、ニードル４２の開弁速度を低くする。または、燃料の圧力がＰ１（Ｐ２としてもよい。）以上の場合には、メイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりもポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を低くし、且つ、燃料の圧力が高いほど、ニードル４２の開弁速度を低くする。さらに、燃料の圧力がＰ１（Ｐ２としてもよい）以下の場合および燃料の圧力がＰ１（Ｐ２としてもよい）以上の場合のいずれの場合にも、燃料の圧力が高いほど、ニードル４２の開弁速度を低くしてもよい。以上のようにしても、気筒２の壁面に到達するポスト噴射燃料量を低減することができるため、オイルの希釈を抑制できる。

そこで、本実施例では、ポスト噴射時において、燃料の圧力に応じてニードル４２の開弁速度を無段階に変化させる場合の制御について説明する。その他の装置等は実施例１と
同じため、説明を省略する。図７は、本実施例に係るポスト噴射時のニードル４２の開弁速度を決定するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により燃焼サイクル毎に実行される。上記フローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。なお、本実施例において図７に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

図７に示したフローチャートでは、ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、燃料圧力ＰＣＲに応じてポスト噴射時の燃料噴射弁４のニードル４２の開弁速度が設定される。燃料圧力ＰＣＲと、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度との関係は、気筒２の壁面に燃料が到達しないように予め実験またはシミュレーション等により求めておく。この関係は、予めマップ化しておいてもよい。ステップＳ２０１では、燃料圧力ＰＣＲが高くなるほど、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度が低くなるように設定される。また、燃料圧力ＰＣＲが低い側では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度がメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くなるようにし、燃料圧力ＰＣＲが高い側では、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度がメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも低くなるようにする。ステップＳ２０１の処理が終了すると、本フローチャートを終了させる。このように、燃料の圧力に応じてニードル４２の開弁速度を無段階に変更することによっても、燃料の粒径および燃料の貫徹力を調整することができる。

ここで、上記したように、ニードル４２のリフト量が大きくなると、単位時間当たりの燃料噴射量（すなわち、噴射率）が大きくなり、燃料の貫徹力が高くなる。したがって、ポスト噴射燃料量が多くなると、燃料の貫徹力が大きくなりすぎて、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達する虞がある。これに対して本実施例では、ポスト噴射燃料の貫徹力が高くなりすぎないように、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、ポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量を小さくする。このときに、実施例１と同様に、燃料の圧力が低いときには、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度をメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも高くし、一方、燃料の圧力が高いときには、ポスト噴射時のニードル４２の開弁速度をメイン噴射時のニードル４２の開弁速度よりも低くする。

一方、本実施例において、燃料の圧力が高い場合には、通常制御時よりもニードル４２の開弁速度を低くする。このため、本実施例に係るニードル４２のリフト量の傾きが、通常制御時のニードル４２のリフト量の傾きよりも小さくなる。これにより、通常制御時よりも噴射率の増加が緩やかになる。これは、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、ニードル４２の開弁速度を低くしているともいえる。また、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、噴射率の増加が緩やかであるともいえる。このように、ニードル４２の開弁速度を低くすることにより、燃料の圧力が高い場合であっても、燃料の貫徹力を低下させることができる。さらに、本実施例では、燃料の圧力が高い場合において、ニードル４２の最大リフト量を通常制御よりも小さくしている。このときのニードル４２の最大リフト量は、ポスト噴射燃料が気筒２の壁面に到達しないように設定される。ここで、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、燃料の貫徹力が高くなるため、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達し易い。このため、本実施例では、燃料の圧力が高い場合には、燃料の圧力が低い場合よりも、ポスト噴射時のニードル４２の最大リフト量を小さくして、ポスト噴射燃料の貫徹力が大きくなることを抑制している。

図１０に示したフローチャートでは、ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０１へ進み、目標最大噴射率ＤＱＭＡＸが決定される。目標最大噴射率ＤＱＭＡＸは、燃料圧力ＰＣＲに基づいて決定される。目標最大噴射率ＤＱＭＡＸと、燃料圧力ＰＣＲとの関係は、気筒２の壁面にポスト噴射燃料が到達しないような関係として、予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。ステップＳ３０１の処理が終了すると、ステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２では、目標最大噴射率ＤＱＭＡＸから、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸが算出される。目標最大噴射率ＤＱＭＡＸから、ニードル４２の最大リフト量ＬＭＡＸを算出する式は、予めＥＣＵ１０に記憶させておく。ステップＳ３０２の処理が終了すると、ステップＳ１０７へ進む。

Claims

ニードルを有し該ニードルを開弁したときに内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関において、
前記燃料噴射弁からの燃料のメイン噴射の後にポスト噴射を実施する場合であって、要求されるポスト噴射による燃料の噴射量が噴射量閾値よりも多い場合において、メイン噴射時の燃料の圧力が第一所定圧力以下のときには、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度をメイン噴射時の前記ニードルの開弁速度よりも高くし、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力よりも大きな圧力である第二所定圧力以上のときには、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度をメイン噴射時の前記ニードルの開弁速度よりも低くする制御装置を備える内燃機関。
前記制御装置は、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のとき、または、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第二所定圧力以上のときには、前記メイン噴射時の燃料の圧力が高くなるほど、ポスト噴射時の前記ニードルの開弁速度を低くする請求項１に記載の内燃機関。
前記制御装置は、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第一所定圧力以下のとき、または、メイン噴射時の燃料の圧力が前記第二所定圧力以上のときには、前記ポスト噴射時のニードルリフト量の最大値を、前記メイン噴射時のニードルリフト量の最大値よりも小さくする請求項１または２に記載の内燃機関。