JP2017115632A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パージ開始直後での燃焼を安定化させる。【解決手段】エンジン１の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁３と、エンジン１の出力制御に係るメイン噴射の後の排気行程に、燃料噴射弁３によりポスト噴射をして排気温度を上昇させ、排気管３０に設けられた近接ＮＯx触媒３２の再生を行なうエンジンコントロールユニット５０と、を備えたエンジン１の燃料噴射制御装置であって、ポスト噴射の開始から所定サイクル経過するまで、主噴射とポスト噴射との間に燃料噴射弁３から燃料を噴射するアフター噴射を実行させ、ポスト噴射開始時における燃焼安定性を向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

エンジン（内燃機関）の排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が備えられている。例えばディーゼルエンジンの排気通路には、排気浄化装置として、ＮＯxを還元除去するＮＯxトラップ触媒等が設けられているものがある。ＮＯxトラップ触媒は、リーン雰囲気下において排気中のＮＯxを吸蔵し、リッチやストイキ雰囲気下において捕集したＮＯxを還元して、排気中のＮＯxを還元除去する。

例えば特許文献１には、排気通路にＮＯxトラップ触媒をフィルタを挟んで上流側と下流側に２つ有するディーゼルエンジンが記載されている。そして、これらのＮＯxトラップ触媒に対しては、筒内噴射弁によるポスト噴射によって排気温度を上昇させるとともに還元剤としてのＨＣやＣＯ等の未燃燃料を供給してリッチ雰囲気とするＮＯxパージが行なわれ、ＮＯxの吸蔵性能が回復（再生）される。

特開２０１５−１８７４０２号公報

ところで、上記特許文献１のようにポスト噴射によってＮＯｘパージを行なうエンジンにおいては、ＮＯxパージの開始時に通常運転であるリーン運転からポスト噴射を行なうリッチ運転に切換える際に、排気温度上昇とＨＣより強力な還元剤であるＣＯの供給を意図して早期ポスト噴射を行なった場合に、このリッチ運転の切換え直後では筒内温度が比較的低温であるため、比較的多量のポスト噴霧は、失火あるいは燃焼が不安定となる虞がある。したがって、ＮＯxパージの開始時において内燃機関の運転が不安定となり、トルクや騒音の変動を引き起こして、ドライバビリティが低下する虞があり、また未燃燃料によるエミッション悪化に繋がる虞もある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、パージを意図したリッチ運転開始直後において燃焼を安定化させる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の筒内へ燃料噴射する燃料噴射部と、前記内燃機関の出力制御に係る主噴射の後の膨張行程から排気工程にかけて前記燃料噴射部によりポスト噴射を実施し排気温度の上昇と還元剤の供給を行い、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化器の再生を行なう再生制御部と、を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置であって、前記ポスト噴射の開始から所定サイクル経過するまで、前記主噴射と前記ポスト噴射との間に前記燃料噴射部から燃料を噴射するアフター噴射を実行させる噴射制御部を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、前記燃料噴射制御装置は、前記内燃機関の温度を検出する温度検出部を備え、前記噴射制御部は、前記内燃機関の温度が低下するに伴って、前記アフター噴射の噴射時期を進角させるとよい。
また、好ましくは、前記噴射制御部は、更に、前記内燃機関の温度が低下するに伴って、前記アフター噴射の燃料噴射量を増加させるとよい。

また、好ましくは、前記噴射制御部は、更に、前記内燃機関の出力トルクまたは回転速度が低下するに伴って、前記ポスト噴射の噴射時期を遅角させるとよい。
また、好ましくは、前記噴射制御部は、前記内燃機関の出力トルク及び回転速度が所定値以下の範囲において、前記ポスト噴射の開始からの前記アフター噴射を実行させるとよい。

本発明によれば、排気浄化器を再生すべくパージ開始した際にポスト噴射の開始から所定サイクル経過するまでアフター噴射が行なわれるので、主噴射による燃焼に続いて筒内で燃焼が継続されて筒内温度、特に燃料の噴霧軌道での温度を上昇させ、その後に行なわれるポスト噴射（早期ポスト噴射）において拡散燃焼を促し燃焼性を向上させることができる。これにより、パージ開始直後での内燃機関の燃焼安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンの概略構成図である。 本実施形態における燃料噴射補正制御要領を示すフローチャートである。 水温補正係数演算用マップの一例である。 インマニ温度補正係数演算用マップの一例である。 エンジン回転速度に基づくポスト噴射遅角係数演算用マップの一例である。 エンジントルクに基づくポスト噴射遅角係数演算用マップの一例である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の燃料噴射制御装置が適用されたディーゼルエンジン（内燃機関、以下、エンジン１という）の概略構成図である。
エンジン１は、走行駆動源として車両に搭載されており、ターボチャージャ２３を備えた多気筒の筒内直接噴射式内燃機関（例えばコモンレール式ディーゼルエンジン）である。詳しくは、図示しないコモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒の燃料噴射弁３（燃料噴射部）に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射弁３から各気筒の燃焼室４内に噴射可能な構成を成している。

エンジン１の各気筒には、上下摺動可能なピストン５が設けられている。そして、当該ピストン５は、コンロッドを介してクランクシャフト６に連結されている。また、クランクシャフト６の一端部にはフライホイールが設けられている。
燃焼室４には、インテークポート７とエキゾーストポート８とが連通されている。
インテークポート７には、燃焼室４と当該インテークポート７との連通と遮断を行うインテークバルブ９が設けられている。また、エキゾーストポート８には、燃焼室４と当該エキゾーストポート８との連通と遮断とを行うエキゾーストバルブ１０が設けられている。

インテークポート７の上流には、吸入した空気を各気筒に分配するインテークマニフォールド１１が連通するように設けられている。そして、エキゾーストポート８の下流には、各気筒から排出される排気をまとめるエキゾーストマニフォールド１２が連通するように設けられている。
インテークマニフォールド１１とエキゾーストマニフォールド１２との間には、排気の一部を吸気へ戻す、即ち高温・高圧の排気を吸気に導入する高圧排気還流通路１５が設けられている。また、高圧排気還流通路１５には、高温・高圧の排気が吸気に戻る量を調整する排気還流バルブ１６が介装されている。また、高圧排気還流通路１５には、インテークマニフォールド１１に導入する排気を冷却する排気還流クーラ１７が設けられている。

インテークマニフォールド１１には、吸気通路である吸気管２０が接続され、吸気管２０には、上流側からインテークマニフォールド１１に向かって順番に、図示しない新気中のゴミを取り除くエアークリーナと、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２４と、コンプレッサ２４により圧縮され高温となった吸気を冷却するインタークーラ２５と、高圧排気還流通路１５より導入される排気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ２７が介装されている。

エキゾーストマニフォールド１２の下流の排気通路である排気管３０には、上流側より順番に、ターボチャージャ２３のタービン３１、近接ＮＯx触媒３２（排気浄化器）と、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資を捕集し燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ３３と、床下ＮＯx触媒３４とを備えている。
近接ＮＯx触媒３２及び床下ＮＯx触媒３４は、いずれも排気中のＮＯx（窒素酸化物）を吸蔵し還元浄化するＮＯxトラップ触媒（ＮＯx吸蔵還元触媒）である。近接ＮＯx触媒３２は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３と同一のケーシング３５内に収納され、車両のエンジンルームに配設されている。床下ＮＯx触媒３４は車両のフロア下に配置されている。

ケーシング３５には、近接ＮＯx触媒３２に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ４０が設けられている。インテークマニフォールド１１には、エンジン１の燃焼室４に流入する吸気の温度（インマニ温度Ｔi）を検出するインマニ温度センサ４１（温度検出部)が設けられている。また、エンジン１には、エンジン回転速度ｒを検出する回転速度センサ４２、及びエンジン水温Ｔwを検出する水温センサ４３（温度検出部）が設けられている。

そして、排気温度センサ４０、インマニ温度センサ４１、回転速度センサ４２、水温センサ４３や、排気の酸素濃度（空燃比）を検出する酸素濃度センサ等のその他各種センサと、燃料噴射弁３、電子制御スロットルバルブ２７、排気還流バルブ１６の各種機器は、エンジンコントロールユニット５０（噴射制御部、再生制御部）に電気的に接続されている。

エンジンコントロールユニット５０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、上記各センサからの検出情報及びアクセル操作量等のその他の情報を入力し、当該各種情報に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ２７及び排気還流バルブ１６の開度を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン１の運転制御を行う。

また、エンジンコントロールユニット５０は、燃料噴射弁３を制御して、筒内への燃料噴射の主噴射でありエンジン１の出力制御に係るメイン噴射を中心とした１サイクル中に、アフター噴射、ポスト噴射といった多段噴射が可能となっている。アフター噴射は、主にエンジン１の高回転高負荷時に行なわれ、メイン噴射によって燃え尽きなかった燃料を完全に燃焼させるために行なわれる。ポスト噴射は一般に、アフター噴射の後の膨張行程から排気行程にかけて行なわれる。本実施形態では、ポスト噴射をエンジン１の膨張行程中盤に行なう早期ポスト噴射によって、排気温度の上昇と強力な還元剤であるＣＯ（一酸化炭素）を排気通路に設けた近接ＮＯx触媒３２に供給するＮＯｘパージ運転が可能となっている。このＮＯｘパージ運転によって、近接ＮＯx触媒３２において吸蔵されているＮＯxが還元除去され、近接ＮＯx触媒３２が再生される。

更に、本実施形態では、エンジンコントロールユニット５０は、ＮＯxパージ運転の際に、アフター噴射及びポスト噴射の噴射時期及び噴射量を補正する燃料噴射補正制御を行なう。
図３はＮＯxパージ運転での燃料噴射補正制御要領を示すフローチャートである。
本制御は、エンジン運転時に所定時間毎に繰り返し実行される。

始めに、ステップＳ１０では、上記各種センサからの各種情報、詳しくはエンジン回転速度ｒ、エンジントルクＮ（出力トルク）、及び下記ステップＳ２０において判定するＮＯxパージ運転の開始判定用の情報を入力する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、ＮＯxパージ運転を開始するか否かを判別する。ＮＯxパージ運転は、近接ＮＯx触媒３２に吸蔵されるＮＯx吸蔵量が、許容吸蔵量の上限値近くまで増加したのち、もしくは回転−トルクマップなどで予め設定されたインターバル経過後で、かつ触媒温度、エンジン回転速度、負荷、筒内空燃比、吸入空気量などの条件が整えば開始する。ＮＯx吸蔵量は、公知技術により推定可能であり、例えばエンジン１の空燃比をリーンにして運転したリーン運転の積算時間に基づいて推定すればよい。ＮＯxパージ運転を開始すると判定した場合には、ステップＳ３０に進む。ＮＯxパージ運転を開始しないと判定した場合には、本ルーチンを終了（リターン）する。

ステップＳ３０では、所定サイクルcyのカウントを開始する。所定サイクルcyは、エンジン回転速度ｒとエンジントルクＮに基づいて設定される。所定サイクルcyは、例えば数サイクルに設定され、エンジン回転速度ｒが大きくなるに伴って小さく、エンジントルクＮが大きくなるに伴って小さくなるように設定される。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、上記各種センサからの各種情報、詳しくはエンジン回転速度ｒ、エンジン水温Ｔw、インマニ温度Ｔiを入力するとともに、エンジントルクＮを入力する。そして、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、燃料噴射補正制御の実施領域であるか否かを判別する。燃料噴射補正制御の実施領域は、エンジン回転速度ｒ、エンジントルクＮ、エンジン水温Ｔwに基づいて判定される。燃料噴射補正制御の実施領域は、例えばエンジン回転速度ｒ、エンジントルクＮが所定値以下となる所定の低回転低トルクの範囲であり、かつエンジン水温Ｔwが所定の範囲に設定すればよい。なお、ここでの所定の低回転低トルクの範囲、及びエンジン水温Ｔwの所定の範囲は、ＮＯxパージが可能な範囲であり、かつＮＯxパージ運転開始直後に燃焼安定性が低下するような範囲に適宜設定すればよい。燃料噴射補正制御の実施領域である場合には、ステップＳ６０に進む。燃料噴射補正制御の実施領域でない場合には、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ６０では、水温補正係数Ｃwとインマニ温度補正係数Ｃiとを乗算した値（Ｃw×Ｃi）が１より大きいか否かを判別する。水温補正係数Ｃwは、水温センサ４３により検出されたエンジン水温Ｔwに基づいて、図３に示すマップを用いて演算される。図３に示すように、水温補正係数Ｃwは、エンジン水温ＴwがＴ2（例えば摂氏９５度）以上で１であり、エンジン水温ＴwがＴ2より低下するに伴って増加するように設定される。また、インマニ温度補正係数Ｃiは、インマニ温度センサ４１により検出されたインマニ温度Ｔiに基づいて、図４に示すマップを用いて演算される。図４に示すように、インマニ温度補正係数Ｃiは、インマニ温度ＴiがＴ3（例えば摂氏８０度）以上で１であり、インマニ温度ＴiがＴ3より低下するに伴って増加するように設定される。水温補正係数Ｃwとインマニ温度補正係数Ｃiとの乗算値が１より大きい場合（Ｃw×Ｃi＞１）には、ステップＳ７０に進む。水温補正係数Ｃwとインマニ温度補正係数Ｃiとの乗算値が１以下の場合（Ｃw×Ｃi≦１）には、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ７０では、アフター噴射補正を行なう。アフター噴射補正は、アフター噴射を強制的に行なうとともに、ベースマップにより設定される基準アフター噴射時期Ａstd（deg ATDC）に対して、上記ステップＳ６０において演算した水温補正係数Ｃwとインマニ温度補正係数Ｃiを用いて行なわれる。下記式（１）に示すように、アフター噴射時期Ａ（deg ATDC）を演算し、このアフター噴射時期Ａ（deg ATDC）に基づいてアフター噴射の噴射時期を設定する。

なお、エンジン水温ＴwがＴ2未満またはインマニ温度ＴiがＴ3未満である場合には、Ｃw×Ｃiが１より大きくなり、アフター噴射時期Ａ（deg ATDC）を通常のアフター噴射時よりも進角する方向に変更する。
また、下記式（２）に示すようにアフター噴射量Ｑfaを演算し、アフター噴射の噴射量を、通常のアフター噴射時にベースマップにより設定される基準アフター噴射量Ｑfa std以上の値となるアフター噴射量Ｑfaとする。

Ａ（deg ATDC）＝Ａstd（deg ATDC）×Ｃw×Ｃi ・・・（１）
Ｑfa＝Ｑfa std×Ｃw×Ｃi ・・・（２）
そして、ステップＳ８０に進む。
ステップＳ８０では、ポスト噴射補正を行なう。ポスト噴射補正は、通常のポスト噴射時にベースマップにより設定される基準ポスト噴射時期Ｐstd（deg ATDC）に対して、エンジン回転速度ｒに基づくポスト噴射遅角係数Ｃmrと、エンジントルクＮに基づくポスト噴射遅角係数Ｃmtを用いて行なわれる。

ポスト噴射遅角係数Ｃmrは、図５に示すマップを用いて演算される。図５に示すように、ポスト噴射遅角係数Ｃmrは、エンジン回転速度ｒがｒ1（例えば１５００rpm）以上で１であり、ｒ1未満でエンジン回転速度ｒが低下するに伴って増加するように設定される。ポスト噴射遅角係数Ｃmtは、図６に示すマップを用いて演算される。ポスト噴射遅角係数Ｃmtは、エンジントルクＮがＮ1（例えば６０Ｎｍ）以上で１であり、Ｎ1未満でエンジントルクＮが低下するに伴って増加するように設定される。

そして、下記式（３）に示すように、ポスト噴射時期Ｐ（deg ATDC）を演算し、このポスト噴射時期Ｐ（deg ATDC）に基づいて、ポスト噴射の噴射時期を設定する。
なお、エンジン回転速度ｒがｒ1未満またはエンジントルクＮがＮ1未満で、Ｃmr×Ｃmtが１より大きくなり、ポスト噴射時期Ｐ（deg ATDC）を通常のポスト噴射時よりも遅角する方向に変更する。

Ｐ（deg ATDC）＝Ｐstd（deg ATDC）×Ｃmr×Ｃmt ・・・（３）
そして、ステップＳ９０に進む。
ステップＳ９０では、ＮＯxパージ運転が継続中であるか否かを判別する。ＮＯxパージ運転が継続中である場合には、ステップＳ１００に進む。ＮＯxパージ運転が継続中でない場合には、本ルーチンを終了（リターン）する。

ステップＳ１００では、ステップＳ３０において開始した所定サイクルcyのカウントが完了したか否かを判別する。所定サイクルcyのカウントが完了した場合には、本ルーチンを終了（リターン）する。所定サイクルcyのカウントが完了していない場合には、ステップＳ４０に戻る。
以上のように制御することで、本実施形態では、ポスト噴射を行なうＮＯxパージ運転が開始されてから所定サイクルcy経過するまで燃料噴射補正制御が行なわれる。

本実施形態の燃料噴射補正制御は、ポスト噴射の燃焼が不安定になりやすい低負荷、低回転時にアフター噴射を強制追加し、アフター噴射の噴射時期をベースマップのアフター噴射時よりも進角させるとともに、アフター噴射の噴射量をベースマップよりも増量させるものである。
ところで、通常のリーン運転からＮＯxパージ運転に切り換わった直後では、シリンダライナ温度や筒内温度が低く、早期ポスト噴射を行なってもその開始直後で燃料が十分に燃焼することができず、燃焼が不安定になってしまう虞がある。

これに対し、本実施形態では、アフター噴射を行なうことで、筒内温度、特に燃料噴霧軌道における温度を上昇させ、ＮＯxパージ運転切換直後でのポスト噴射（早期ポスト噴射）開始時において拡散燃焼を促し、失火を防止して、燃焼安定性を向上させることができる。
更に、アフター噴射の噴射時期を進角させることで、メイン噴射とアフター噴射との間隔を近づけて、筒内温度を上昇させ、ＮＯxパージ運転切換直後における早期ポスト噴射において燃焼安定性を向上させることができる。また、アフター噴射の噴射量を増量させることで、筒内温度を上昇させ、燃焼安定性を更に向上させることができる。

アフター噴射の噴射時期及びアフター噴射の噴射量は、エンジン水温Ｔw及びインマニ温度Ｔiから演算される補正係数（Ｃw、Ｃi）に基づいて補正され、エンジン温度の低下に伴って、アフター噴射の噴射時期がより大きく進角するとともに、アフター噴射の噴射量がより多く増量するので、筒内温度を更に上昇させ、燃焼安定性をより効果的に向上させることができる。

また、ＮＯxパージ運転に切り換わった際に、エンジン１の低回転低トルク時にポスト噴射を遅角させる制御も行なうので、アフター噴射の追加により筒内温度が上昇するに伴って、早期ポスト噴射による燃料の着火タイミングが早まる方向にずれることを解消し、早期ポスト噴射における着火タイミング、即ち熱発生タイミングを統一させることができる。

また、燃料噴射補正制御については、エンジン回転速度ｒ及びエンジントルクＮが所定の低回転及び低トルクの範囲のみ行なわれる。これにより、筒内温度が低く燃料噴射補正制御を必要とする場合のみ燃料噴射補正制御を行なうことができ、燃費の悪化を抑制することができる。
更に、ＮＯxパージ運転が開始されてから燃料噴射補正制御が行なわれる所定サイクルcyについては、エンジン回転速度ｒ及びエンジントルクＮに基づいて変更され、低回転及び低トルク時において所定サイクルcyが大きくなり、ＮＯxパージ運転開始から長く燃料噴射補正制御が行なわれる。低回転及び低トルク時においては、筒内温度が上昇し難いので、このように燃料噴射補正制御を長く行うことで、燃焼安定性を確保することができる。また、エンジン回転速度ｒ及びエンジントルクＮに基づいて燃料噴射補正制御を最小限行なうことで、燃費の悪化を更に抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定するものではない。例えばＮＯxパージ運転開始直後にアフター噴射を追加するよう制御するだけでもよい。このようにアフター噴射を追加するだけでも、アフター噴射なしと比較して、筒内温度を上昇させて早期ポスト噴射開始時における燃焼安定性を向上させることができる。また、ＮＯxパージ運転開始の際にアフター噴射時期、アフター噴射量、ポスト噴射時期の補正制御のいずれを行なうようにしてもよい。

また、本実施形態では、排気管に近接ＮＯxトラップ触媒と床下ＮＯxトラップ触媒の２つのＮＯxトラップ触媒を備え、近接ＮＯxトラップ触媒に対してＮＯxパージを行なう際に上記燃料噴射補正制御を行なうが、ＮＯxトラップ触媒以外の触媒やフィルタに対してパージ（再生）を行なう際でも本発明を適用することができる。

１ エンジン（内燃機関）
３ 燃料噴射弁（燃料噴射部）
４１ インマニ温度センサ（温度検出部）
４３ 水温センサ(温度検出部)
５０ エンジンコントロールユニット（噴射制御部、再生制御部）

Claims (5)

1. 内燃機関の筒内へ燃料噴射する燃料噴射部と、
   前記内燃機関の出力制御に係る主噴射の後の排気行程において前記燃料噴射部により燃料を噴射させるポスト噴射をして排気温度を上昇させ、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化器の再生を行なう再生制御部と、を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   前記ポスト噴射の開始から所定サイクル経過するまで、前記主噴射と前記ポスト噴射との間に前記燃料噴射部から燃料を噴射するアフター噴射を実行させる噴射制御部を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料噴射制御装置は、前記内燃機関の温度を検出する温度検出部を備え、
   前記噴射制御部は、前記内燃機関の温度が低下するに伴って、前記アフター噴射の噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記噴射制御部は、更に、前記内燃機関の温度が低下するに伴って、前記アフター噴射の燃料噴射量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記噴射制御部は、更に、前記内燃機関の出力トルクまたは回転速度が低下するに伴って、前記ポスト噴射の噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記噴射制御部は、前記内燃機関の出力トルク及び回転速度が所定の範囲において、前記ポスト噴射の開始から所定サイクル経過するまでの前記アフター噴射を実行させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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