JP3358552B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
射制御装置に関するものである。
態で燃焼させる内燃機関、例えば、ディーゼルエンジン
やリーンバーンガソリンエンジンから排出される排気ガ
スのNOx浄化に多用されている。リーンNOx触媒に
は、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒があ
る。
気で炭化水素(HC)の存在下でNOxを還元または分
解する触媒であり、ゼオライトにCu等の遷移金属をイ
オン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナ
に貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
るためには触媒周囲に適量のHC成分が必要とされる。
ところが、前記内燃機関の通常運転時の排気中のHC成
分の量は極めて少なく、そのため、通常運転時にNOx
を浄化するためには、選択還元型NOx触媒にHC成分
を供給する必要がある。
ガスの空燃比がリーンのときはNOxを吸収し、流入排
気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出
する触媒であり、例えばアルミナを担体とし、この担体
上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムL
i、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムB
a、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンL
a、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なく
とも一つと、白金Ptのような貴金属とが担持されて、
構成されている。
の排気系にこの吸蔵還元型NOx触媒を配置すると、こ
の内燃機関では通常運転時の排気ガスの空燃比がリーン
であるため、排気ガス中のNOxがNOx触媒に吸収され
ることとなる。しかしながら、リーン空燃比の排気ガス
をNOx触媒に供給し続けると、NOx触媒のNOx吸収
能力が飽和に達し、それ以上、NOxを吸収できなくな
り、NOxをリークさせることとなる。そこで、吸蔵還
元型NOx触媒では、NOx吸収能力が飽和する前に所定
のタイミングで流入排気ガスの空燃比をリッチにするこ
とによって酸素濃度を極度に低下させ、NOx触媒に吸
収されているNOxをNO2に還元して放出し、NOx触
媒のNOx吸収能力を回復させる必要がある。
を供給する方法の一つとして、あるいは、吸蔵還元型N
Ox触媒に空燃比リッチの排気ガスを供給する方法の一
つとして、燃料のポスト噴射がある。これは、内燃機関
の所定の気筒内に燃料噴射弁から燃料をメイン噴射(主
噴射)した後、当該気筒の膨張行程あるいは排気行程に
おいて前記燃料噴射弁から筒内に燃料を噴射(ポスト噴
射)して排気ガスの空燃比をリッチにし、このポスト噴
射燃料のHC成分を気筒内の爆発時の熱によって軽質な
HCに改質し、これを排気ガスと共に、選択還元型NO
x触媒あるいは吸蔵還元型NOx触媒に供給する方法であ
る。
る目的としては、これら排気系に配置したリーンNOx
触媒のNOx浄化性能を維持せしめるためではなく、タ
ーボチャージャの過給圧を上げるためや、触媒の暖機性
向上のためなどにポスト噴射を行う場合もある。
6号公報には、選択還元型NOx触媒の触媒温度が高く
なるにしたがってポスト噴射の噴射タイミングを次第に
遅らせることにより、ポスト噴射燃料のHC成分の改質
を最適にする技術が開示されている。
が低いと、ポスト噴射燃料のHC成分を軽質なHCに改
質することができず、重質成分のまま選択還元型NOx
触媒に供給するようになってNOx浄化率が低下してし
まい、また、ポスト噴射燃料の噴霧がボア壁面に到達し
易くなり、エンジンオイルの希釈という問題が生じる虞
れがある。一方、ポスト噴射の時に筒内温度が高いと、
ポスト噴射燃料が焼失してしまい、選択還元型NOx触
媒にHC成分を供給することができなくなり、NOx浄
化率が低下するという問題が生じる虞れがある。
スト噴射燃料の焼失については、排気系に吸蔵還元型N
Ox触媒を配置した場合にも問題となる。また、エンジ
ンオイルの希釈に関しては、いかなる目的でポスト噴射
を行う場合にも生じる虞れがある問題である。
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、最適な筒内温度でポスト噴射が実行されるよう
にポスト噴射時期を制御することにより、エンジンオイ
ルの希釈等、ポスト噴射に起因する問題が生じないよう
にすることにある。
するために、以下の手段を採用した。本願の第1の発明
は、圧縮上死点近傍で燃料噴射手段から気筒内に燃料を
主噴射した後に、膨張行程で前記燃料噴射手段から気筒
内に燃料をポスト噴射する内燃機関の燃料噴射制御装置
において、主噴射終了時期を基点として、少なくとも該
内燃機関における燃料の燃焼量、クランク角、及び冷却
水損失より気筒内の温度が目標温度となるポスト噴射時
期を算出するポスト噴射時期決定手段、を備え、前記ポ
スト噴射時期決定手段により決定されたポスト噴射時期
にポスト噴射を実行することを特徴とする内燃機関の燃
料噴射制御装置。
では、ポスト噴射時期決定手段により、少なくとも該内
燃機関における燃料の燃焼量、クランク角、及び冷却水
損失に応じて主噴射終了時期を基点にしたポスト噴射時
期が決定される。決定されたポスト噴射時期において筒
内温度は目標温度になるので、ポスト噴射は筒内温度が
目標温度になったときに実行されることになる。
う目的としては、排気系に配置したリーンNOx触媒の
NOx浄化性能の維持あるいは回復、ターボチャージャ
の過給圧の昇圧、触媒の暖機性向上などを例示すること
ができるが、これらに限定されるものではない。本発明
は、いかなる目的でポスト噴射が行われる場合にも、適
用可能である。
直噴式ディーゼルエンジンや直噴式ガソリンエンジンを
例示することができる。
ポスト噴射された燃料が燃焼せず且つ噴霧が気筒のボア
壁面に到達しない筒内温度とすることができる。目標温
度をこのようにした場合には、ポスト噴射された燃料の
噴霧が気筒のボア壁面に到達しなくなり、また、ポスト
噴射された燃料は燃焼せずに排気系に供給される。
料噴射制御装置の実施の形態を図1及び図2の図面に基
いて説明する。尚、以下に記載する実施の形態は、本発
明に係る燃料噴射制御装置を内燃機関としての車両用デ
ィーゼルエンジンに適用した態様である。
装備された直噴式ディーゼルエンジンの全体構成を示す
図である。エンジン1は4気筒ディーゼルエンジンであ
り、1番気筒(#1)から4番気筒(#4)の各気筒1
1,12,13,14の燃焼室には、吸気管2、吸気マ
ニホールド20、及び吸気マニホールド20から分岐さ
れた吸気枝管21,22,,23,24を介して新気が
導入される。吸気管2の途中には、エアフロメータ3、
ターボチャージャ4のコンプレッサ5と、インタークー
ラ6と、吸気絞り弁7が設けられている。吸気絞り弁7
は、エンジン1の運転状態に応じてエンジンコントロー
ル用電子制御ユニット(ECU)100によって制御さ
れる。
に対応した出力信号をECU100に出力するエンジン
水温センサ57が取り付けられている。吸気マニホール
ド20には、吸気マニホールド20内の吸気温度に対応
した出力信号をECU100に出力するインマニ温セン
サ51が取り付けられている。インマニ温センサ51
は、吸気絞り弁7の下流に配置されており、また、新気
とEGRガスが十分に混合された状態で吸気の温度を計
測できるように、EGR管47との連結部から十分に距
離のある位置に配置されている。
を噴射する燃料噴射弁(燃料噴射手段)31,32,3
3,34が設けられている。燃料供給装置52から送油
された燃料は、所定の圧力でコモンレール53に一旦貯
留され、コモンレール53から各燃料噴射弁31〜34
に供給される。
内の燃料圧力(コモンレール圧力)に対応した出力信号
をECU100に出力するコモンレール圧力センサ54
が取り付けられている。
において対応する気筒に燃料をメイン噴射(主噴射)
し、所定の気筒の膨張行程において対応する気筒の前記
燃料噴射弁から燃料をポスト噴射するように、ECU1
00によって制御されている。ポスト噴射された燃料の
HC成分は、後述する選択還元型NOx触媒10aに供
給される。
料噴射弁31〜34の開弁時期及び開弁期間は、エンジ
ン1の運転状態に応じてECU100により制御され、
1番気筒11から4番気筒14のうちのいずれの気筒に
対してポスト噴射を実行するかはエンジン1の運転状態
に応じてECU100が決定する。
スは、各気筒11〜14に対応して設けられた排気枝管
41,42,43,44を介して排気マニホールド40
に排出される。
は、集合排気管8を介して大気に排出される。集合排気
管8の途中には、ターボチャージャ4のタービン9と、
触媒コンバータ10が設けられている。排気ガスはター
ビン9を駆動し、タービン9に連結されたコンプレッサ
5を駆動して、吸気を過給する。
触媒10aが収容されている。選択還元型NOx触媒1
0aは、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOx
を還元または分解する触媒であり、選択還元型NOx触
媒には、ゼオライトにCu等の遷移金属をイオン交換し
て担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を
担持した触媒、等が含まれる。
の入口近傍と出口近傍には、触媒コンバータ10に流入
する排気ガスの温度あるいは触媒コンバータ10から流
出する排気ガスの温度に対応した出力信号をECU10
0に出力する入ガス温センサ55と出ガス温センサ56
が取り付けられている。これら入ガス温センサ55と出
ガス温センサ56の出力信号に基づいて、ECU100
は触媒コンバータ10の触媒温度を演算する。
スの一部はEGRガス(還流ガス)として、排気枝管4
4からEGR管47を介して吸気マニホールド20に再
循環可能になっている。EGR管47の途中には負圧式
のEGR弁49が設置されている。EGR弁49のダイ
アフラム室には図示しない導圧管を介して吸気管負圧が
導入され、EGR弁49は、エンジン1の運転状態に応
じて開度制御され、EGRガスの還流量を制御する。
なり、双方向バスによって相互に接続されたROM(リ
ードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモ
リ)、CPU(セントラルプロセッサユニット)、入力
ポート、出力ポートを具備し、エンジン1の燃料噴射量
制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、触
媒コンバータ10にHCを供給するためのポスト噴射制
御を行っている。
ポートには、アクセル開度センサ71からの入力信号
と、クランク角センサ72からの入力信号が入力され
る。アクセル開度センサ71はアクセル開度に比例した
出力電圧をECU100に出力し、ECU100はアク
セル開度センサ71の出力信号に基づいてエンジン負荷
を演算する。クランク角センサ72はクランクシャフト
が一定角度回転する毎に出力パルスをECU100に出
力し、ECU100はこの出力パルスに基づいてエンジ
ン回転数を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回
転数によってエンジン運転状態が判別される。
御装置の作用について説明する。ECU100は、エン
ジン1の運転状態に応じて、各燃料噴射弁31〜34を
所定の開弁時期に所定期間開弁して各気筒11〜14内
に所定量の燃料をメイン噴射する。各気筒11〜14内
にメイン噴射された燃料は、爆発・燃焼した後、排気ガ
スとして、各排気枝管41〜44、排気マニホールド4
0、集合排気管8、触媒コンバータ10を通って大気に
排気される。
状態に応じて、前記メイン噴射された燃料の爆発・燃焼
により生じた排気ガス中のNOxを触媒コンバータ10
で浄化するのに必要な還元剤量に相当する燃料のポスト
噴射量を演算し、このポスト噴射量の燃料をポスト噴射
するべく、所定の気筒の燃料噴射弁を、当該気筒の膨張
行程における所定の開弁時期に所定期間開弁する。ポス
ト噴射された燃料のHC成分は、爆発行程の熱により軽
質なHCに改質されて、排気ガスと共に前記排気経路を
通って触媒コンバータ10に供給される。その結果、排
気ガス中のNOxは触媒コンバータ10の選択還元型N
Ox触媒10aにおいて還元され、N2、H2O、CO2と
なって大気に放出される。
温度が高すぎると、ポスト噴射された燃料が焼失してし
まい、触媒コンバータ10に必要量のHCを供給するこ
とができなくなって、NOxの浄化率が低下するという
問題が生じ、一方、燃料をポスト噴射する時に筒内温度
が低すぎると、ポスト噴射された燃料のHC成分を軽質
なHCに改質することができず、重質成分のまま触媒コ
ンバータ10に供給することになってNOxの浄化率が
低下してしまい、また、ポスト噴射された燃料の貫徹力
が大きくなるため、噴霧が気筒のボア壁面に到達して、
エンジンオイルを希釈するという問題が生じる虞れがあ
ることは前述した通りである。
料の噴霧がボア壁面に到達することがなく、しかもポス
ト噴射燃料のHC成分を軽質なHC成分に改質すること
ができる筒内温度の時に、実行する必要がある。
温度がポスト噴射に最適な温度になったときにポスト噴
射が実行されるように、ECU100がエンジン1の運
転状態に応じてポスト噴射の時期を演算し、ポスト噴射
の制御を行っている。尚、この実施の形態においてポス
ト噴射に最適な筒内温度、即ち、ポスト噴射燃料の噴霧
がボア壁面に到達することがなく且つポスト噴射燃料の
HC成分を軽質なHC成分に改質することができる筒内
温度、がいかなる温度であるかは、予めこのエンジン1
に対して実験を行って決定する。
る前に、筒内温度とピストン位置(クランク角)との関
係について解析する。今、エンジンの運転状態が、エン
ジン回転数ene、主燃料噴射量eqfin、エンジン水温gth
w、インマニ温度gthi、吸入空気量ega であるとする。
このときの供給熱量Qinj は次式のようになる。 Qinj=eqfin ×燃料比重×燃料熱発生率
Tpoは数1で示される。
oはポスト噴射時の筒内容積、Vtdcは圧縮上死点(TD
C)の筒内容積である。
があるために、Tpoは上式で求めた値よりも低くなる。
燃焼が完全な定容燃焼と仮定すると、圧縮上死点(TD
C)の筒内温度Ttdcは数2のようになる。
hw)に比例し、エンジン回転数eneに反比例する。した
がって、冷却水損失Qwは数3の一次元マップより求め
ることができる。
筒内温度Tpoは、数4のようになる。
る。
噴射時のクランク角eainjpoは次式で示される。 eainjpo=cos-1(1+2/(ε−1)−Vpo/(π×R
2×L)) ここで、Rは気筒のボア径、Lはストロークである。こ
れにより、予め最適な筒内温度Tpoを設定しておけば、
エンジンの運転状態に応じて最適なポスト噴射時期を決
定することができることとなる。
することが可能であるが、実際のエンジンでは完全な等
容燃焼ではないため、時間損失が生じる。時間損失の影
響をなくすためには、上述のように直接、ポスト噴射時
期を求めるのではなく、メイン噴射終了とポスト噴射開
始のインターバルeaintpoで制御すればよい。このポス
ト噴射インターバルeaintpoも、ポスト噴射時の前記ク
ランク角eainjpoと同様に、数6との相関がある。
(2)式の値との一次元マップより求めることができ
る。
射時のクランク角eainjpoは、メイン噴射時期を基準に
して次式により求める。 eainjpo=eainj+etqf+eaintpo ここで、eainj はメイン噴射時期であり、etqfはメイン
噴射期間である。
グの制御手順の一例を説明する。まず、ECU100
は、ステップ101において、エンジン回転数ene、メ
イン噴射燃料量eqfin、エンジン水温gthw、インマニ温
度gthi、吸入空気量egaを読み込む。
おいて、エンジン1の運転状態に応じて、目標コモンレ
ール圧力epcr、メイン噴射時期eainj、メイン噴射期間e
tqfを求める。
おいて、次式から供給熱量Qinjを演算する。 Qinj=eqfin ×燃料比重×燃料熱発生率 次に、ECU100は、ステップ104において、前記
(1)式を演算し、その演算結果に対応する冷却水損失
Qwを冷却水損失マップから求める。尚、冷却水損失マ
ップは、予めこのエンジン1に対して実験を行い、冷却
水損失Qwと前記(1)式の値との関係を求めて一次元
マップとしたものであり、冷却水損失マップは予めEC
U100のROMに記憶しておく。
おいて、前記(2)式を演算し、その演算結果に対応す
るポスト噴射インターバルeaintpoをインターバルマッ
プから求める。尚、インターバルマップは、予めこのエ
ンジン1に対して実験を行い、ポスト噴射インターバル
eaintpoと前記(2)式の値との関係を求めて一次元マ
ップとしたものであり、インターバルマップは予めEC
U100のROMに記憶しておく。
おいて、次式からポスト噴射時期eainjpoを演算する。 eainjpo=eainj+etqf+eaintpo 次に、ECU100は、ステップ107において、触媒
コンバータ10の触媒温度Tcatと吸入空気量egaに基づ
いてポスト噴射量マップからポスト噴射量を求める。
尚、ポスト噴射量マップは、触媒温度Tcat及び吸入空
気量egaとポスト噴射量との関係を二次元マップ化した
ものであり、予めECU100のROMに記憶してお
く。
おいて、ステップ106で求めたポスト噴射時期とステ
ップ107で求めたポスト噴射量によるポスト噴射を実
行する。
ポスト噴射時期を制御することにより、この燃料噴射制
御装置では、ポスト噴射に最適な筒内温度の時にポスト
噴射を実行することができることとなる。そして、その
結果、ポスト噴射された燃料のHC成分を軽質なHCに
改質して選択還元型NOx触媒10aに供給することが
でき、NOx浄化率が向上する。また、ポスト噴射され
た燃料が気筒のボア壁面に到達することがなく、したが
って、ポスト噴射に起因するエンジンオイル希釈を未然
に防止することができる。尚、この実施の形態におい
て、ECU100はポスト噴射時期決定手段を構成す
る。
御装置によれば、気筒内の温度が目標温度となるポスト
噴射時期を、主噴射終了時期を基点として少なくとも該
内燃機関における燃料の燃焼量、クランク角、及び冷却
水損失より算出するポスト噴射時期決定手段、を備えて
いるので、前記ポスト噴射時期決定手段により決定され
たポスト噴射時期にポスト噴射を実行することにより、
筒内温度が所望の目標温度になったときにポスト噴射を
実行することができるという優れた効果が奏される。更
に、前記ポスト噴射時期決定手段により算出されるポス
ト噴射時期は、主噴射終了時期を基点とするため、ポス
ト噴射の実行時期を主噴射による主燃焼が終了した後に
することが可能となる。従って、ポスト噴射燃料が焼失
するおそれが低減される。
温度を、ポスト噴射された燃料が燃焼せず且つ噴霧が気
筒のボア壁面に到達しない筒内温度とした場合には、ポ
スト噴射された燃料の噴霧が気筒のボア壁面に到達しな
くなり、その結果、ポスト噴射に起因してエンジンオイ
ルが希釈するのを防止することができる。また、ポスト
噴射された燃料を燃焼させずに排気系に供給することが
できる。
一実施の形態における概略構成を示すシステム図であ
る。
おけるポスト噴射時期制御手順の一例を示すフローチャ
ートである。
Claims (2)
- 【請求項1】圧縮上死点近傍で燃料噴射手段から気筒内
に燃料を主噴射した後に、膨張行程で前記燃料噴射手段
から気筒内に燃料をポスト噴射する内燃機関の燃料噴射
制御装置において、主噴射終了時期を基点として、少なくとも該内燃機関に
おける燃料の燃焼量、クランク角、及び冷却水損失より
気筒内の温度が目標温度となるポスト噴射時期を算出す
るポスト噴射時期決定手段、 を備え、前記ポスト噴射時期決定手段により決定された
ポスト噴射時期にポスト噴射を実行することを特徴とす
る内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 【請求項2】前記目標温度は、ポスト噴射された燃料が
燃焼せず且つ噴霧が気筒のボア壁面に到達しない筒内温
度であ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。
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