JP3876778B2 - エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの燃料噴射制御装置、特に、パティキュレートフィルタを強制再生するための燃料の後噴射を実行するように構成されたエンジンの燃料噴射制御装置に関し、内燃機関の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ディーゼルエンジン等の排ガス中にはパティキュレートと称される排気微粒子が含まれている。そのため、これを除去するフィルタが排気通路に備えられる。このパティキュレートフィルタは、代表的にはアルミナ等のセラミック繊維の不織布でなり、燃焼室から排出される排気微粒子を捕獲する。しかし時間の経過と共に排気微粒子の堆積量が増え、フィルタが目詰まりを起こすので、その対策が講じられる。すなわち、フィルタの上流及び下流に圧力センサを配置し、フィルタの前後差圧あるいは前後圧力比が所定値以上となったときに、堆積量が所定量以上となり、フィルタが目詰まり状態になったと判定して、パティキュレートフィルタを加熱するのである。フィルタを加熱すると、捕獲した排気微粒子が焼却除去され、パティキュレートフィルタが強制再生される。ここで、従来、フィルタはヒータ等の熱源を用いて加熱するのが通例である。しかし、他の方策として、燃料を主噴射よりも遅いタイミングで後噴射し、未燃成分を酸化触媒によって排気通路内で燃焼させることによりフィルタを加熱することも提案される。
【０００３】
つまり、ディーゼルエンジンでは、インジェクタは気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する。このインジェクタの開弁時間及び開弁時期を制御することにより、また併せてコモンレール内の燃料圧力を制御することにより、燃料噴射量及び燃料噴射時期が制御可能である。通常は、圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、自己着火した燃料の爆発エネルギで走行のための出力を得る（主噴射）。これに対し、主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射すると（後噴射）、未燃の炭化水素成分が排気通路に吐き出され、該排気通路でパティキュレートフィルタの上流に配置されている酸化触媒によって酸化除去つまり燃焼される。その結果、排気温度が上昇し、高温の排ガスがパティキュレートフィルタに流れ込んで該フィルタが昇温され、排気微粒子が燃焼除去されるというわけである。このような技術を開示するものに、例えば特開２０００−１７９３２６号公報がある。すなわち、同公報は、膨張行程中に燃料噴射を行ってパティキュレートフィルタの再生処理を行う技術を教示する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、後噴射した燃料は排気行程でその全量が燃焼室から排気通路に吐き出されるわけではなく、どうしても一部が残留ガスとして燃焼室に残ったり戻ったりする。あるいは、膨張行程のピストン降下により露出した気筒壁面に後噴射した燃料の一部が付着する。これらは排気通路で燃焼されず、排気温度の上昇に寄与しないから、その分、フィルタの過熱が不足して、パティキュレートフィルタの強制再生が思惑通りにいかなくなる。そこで、本発明は、後噴射した燃料の一部が上記のように排気温度の上昇に寄与せず、よってパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しないことを考慮することにより、該フィルタの強制再生の実効を図ることを主たる課題とする。以下、その他の課題を含め本発明を詳しく説明する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、エンジンの排気通路に備えられて排気微粒子を捕獲するパティキュレートフィルタと、上記フィルタに堆積する排気微粒子の堆積量を検出する堆積量検出手段と、上記エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、上記堆積量検出手段により所定量以上の堆積量が検出されたとき、上記燃料噴射手段を制御することにより、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射する後噴射を実行し、上記フィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタ強制再生手段とを有するエンジンの燃料噴射制御装置であって、上記フィルタの温度に関連する値を検出する温度関連値検出手段と、上記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、上記エンジンの負荷を検出する負荷検出手段と、これらの検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、上記フィルタの強制再生に必要な後噴射量を算出する第１の算出手段と、同じく上記検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、上記後噴射を実行したときの上記フィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合として後噴射を実行したときに気筒内燃焼室に残留する残留ガス率及び気筒壁面に付着する壁面付着率を算出する第２の算出手段と、上記第１の算出手段で算出された必要後噴射量と上記第２の算出手段で算出された残留ガス率及び壁面付着率とに基づいて、後噴射された燃料の一部が上記残留及び付着によりロスすることを見越して、第１の噴射手段で算出された必要後噴射量よりも増量した量を実際に噴射すべき後噴射量として算出する第３の算出手段とを備え、上記強制再生手段は、上記第３の算出手段で算出された後噴射量で後噴射を実行するように構成されており、かつ、上記温度関連値検出手段、回転数検出手段及び負荷検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射する前噴射を実行するか否かを判定し、前噴射を実行する場合は、燃料噴射手段を制御することにより、上記前噴射を実行する前噴射実行手段と、上記第２の算出手段で算出された残留ガス率に基づいて、前噴射量を減量補正する前噴射量補正手段とを備え、上記前噴射実行手段は、上記補正手段で減量補正された前噴射量で前噴射を実行するように構成されていることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、まず第１算出手段で、パティキュレートフィルタの強制再生に必要な後噴射量を算出する。しかし、この量（再生必要量）をそのまま後噴射するのではない。のみならず、第２算出手段で、パティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合を算出する。そして、第３算出手段で、この強制再生に寄与しない後噴射量の割合（後噴射したうちの排気温度の上昇に寄与しない燃料の割合）と、いったん算出した上記の必要後噴射量とから、実際に噴射すべき後噴射量を算出する。そして、この算出した量（噴射要求量）を後噴射する。このように、後噴射した燃料の一部が排気温度の上昇に寄与せず、よってパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しないことが勘案されて実際に噴射すべき後噴射量が設定されるので、パティキュレートフィルタの強制再生の精度が上がり、その実効が図られる。つまり、パティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合を考慮して実際に噴射すべき後噴射量を決定するので、該フィルタの再生処理が確実に行える。より具体的には、第３算出手段が算出する噴射要求量は、一部がロスすることを見越して、第１算出手段が算出する再生必要量より増量されるであろう。その結果、排気温度が所望通りに上昇し、排気微粒子が確実に燃焼除去され、パティキュレートフィルタが良好・円滑に強制再生される。
【０００７】
しかも、再生必要量や、強制再生に寄与しない後噴射量の割合を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて算出するので、この点からも、後噴射の目的、つまりパティキュレートフィルタの強制再生が、精度よく、効果的に達成される。
【０００９】
また、この発明によれば、第２算出手段が算出する、強制再生に寄与しない後噴射量の割合の内容が具体化される。それによれば、気筒内燃焼室に残留する残留ガス率や気筒壁面に付着する壁面付着率が採用されている。これらの値（率）は、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といった運転状態の変化に鋭敏に反応し、またそれぞれ特有の変化態様を有する。よって、これらのパラメータを運転状態に基づいて算出し、最終的な噴射要求量の設定に反映させることによって、運転状態の変化に影響されることなく、確実にパティキュレートフィルタの再生処理が行える。しかも、強制再生に寄与しない因子として、残留ガスと壁面付着の複数（２つ）を考慮しているから、例えば１つしか考慮していない場合と比べて、パティキュレートフィルタの強制再生の精度がより向上する。
【００１１】
また、この発明は、主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射する前噴射を専らの関心事とする。すなわち、燃料を主噴射よりも早いタイミングで前噴射すると、燃料と空気とが予混合され、徐々に火種ができて予備熱が生成し、主噴射で噴射された燃料が燃え易い環境が得られる。その結果、専らノッキングに起因する騒音が抑制されると共に、燃焼温度が過度に高くならず、ＮＯｘの低減も図られる。そのような場合に、この発明によれば、前噴射を実行するか否かの判定を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて行うので、前噴射の目的、つまり騒音抑制とＮＯｘ低減とが、精度よく、効果的に達成される。
【００１５】
また、この発明では、後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留したり気筒壁面に付着したりしてパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない（負の影響を与える）ことだけでなく、そのようにしてロスされた後噴射の燃料の一部が次のサイクルの前噴射に対して影響を及ぼすことについても問題としている。すなわち、気筒壁面に付着した燃料はともかく、燃焼室に残ったり戻ったりした後噴射の残留ガスは、次のサイクルの前噴射に持ち越されて燃焼される。その結果、前噴射で必要以上に燃料を噴射したと同様の状況となり、燃費が低下すると共に、前噴射の目的である騒音抑制及びエミッション向上が思惑通りに果たせなくなる（騒音が悪化し、ＮＯｘが増加する）。そこで、この発明では、残留ガス率に基づいて、すなわち前回サイクルの後噴射から今回サイクルの前噴射に持ち越される燃料の割合に基いて（換言すれば前回サイクルからの持ち越し分を見越して）、前噴射量を減量補正し、そして、この減量補正した量（実際に噴射すべき前噴射量：前噴射の噴射要求量）を前噴射するようにしたのである。このように、前回サイクルで後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留して今回サイクルの前噴射で燃焼されることが勘案されるので、前噴射の精度が上がり、その目的の実効が図られる。その結果、騒音抑制とＮＯｘ低減とが良好・円滑に達成される。また、必要以上に前噴射量を多くしなくても済むので、燃費改善を図ることができる。以下、実施の形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施形態においては、本発明は、図１に示すディーゼルエンジン１に適用されている。このエンジン１は、例えば４気筒エンジンであって、エンジン本体２のシリンダボア内を上下動するピストン３が４つ備えられている（図１には１つのみ図示）。エンジン本体２のシリンダヘッドには気筒毎にインジェクタ４が備えられている。インジェクタ４はピストン３が画成する気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する。図外の燃料タンクとインジェクタ４との間の燃料供給経路上に高圧燃料ポンプ５及びコモンレール６が配置されている（同経路上の矢印は燃料の流れを示す）。ポンプ５は燃料タンクからコモンレール６に燃料を圧送し、コモンレール６は圧送された燃料を蓄積する。インジェクタ４が開弁すると、コモンレール６に蓄積された燃料がインジェクタ４の噴口から高圧で噴射される。このとき、インジェクタ４の開弁時間とコモンレール６内の燃圧を制御することにより（高圧ポンプ５を制御することにより）燃料噴射量が制御可能である。また、インジェクタ４の開弁時期を制御することにより燃料噴射時期（噴射タイミング）が制御可能である。
【００１７】
吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナ１１、エアフロメータ１２、過給機のコンプレッサ１３、インタークーラ１４、吸気量を調節するスロットル弁１５、吸気温センサ１６、吸気圧センサ１７、そして吸気弁１８が備えられている。排気通路２０には、上流側から順に、排気弁２１、過給機のタービン２２、第１排気温センサ２３（第２、第３排気温センサ２５，２９とともに温度関連値検出手段）、酸化触媒２４、第２排気温センサ２５、上流側圧力センサ２６（下流側圧力センサ２８とともに堆積量検出手段）、排ガス中の排気微粒子を捕獲するパティキュレートフィルタ２７、下流側圧力センサ２８、そして第３排気温センサ２９が備えられている。排気通路２０の比較的上流部と吸気通路１０の比較的下流部との間にＥＧＲ通路３０が配設され、該通路３０上に排気還流量を調節するＥＧＲ弁３１が備えられている。その他、エンジン本体２のクランクケースにはエンジン回転数センサ（回転数検出手段）４１が、またシリンダブロックには水温センサ４２が設けられている。コモンレール６には燃料の蓄圧を検出するコモンレール圧センサ４３が設けられている。車室にはアクセルペダル４４の踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ（負荷検出手段）４５が設けられている。
【００１８】
このエンジン１のコントロールユニット（ＥＣＵ）５０は、上記各センサで検出される吸気量、吸気温、吸気圧、酸化触媒２４に流入する排気温、パティキュレートフィルタ２７に流入する排気温、パティキュレートフィルタ２７から出た後の排気温、パティキュレートフィルタ２７を挟む上流側圧力及び下流側圧力、エンジン回転数、冷却水温、コモンレール６内の燃料蓄圧、並びにエンジン負荷等に基づいて、インジェクタ４及び高圧燃料ポンプ５に制御信号を出力する。
【００１９】
ＥＣＵ５０による通常の燃料噴射制御（走行出力を得るための燃料噴射制御）はおよそ次のようである。ＥＣＵ５０はエンジン負荷とエンジン回転数とから求められる基本燃料噴射量を冷却水温や吸気温等で補正して目標燃料噴射量Ｑを算出する。一方、図２に示すような特性（ＥＣＵ５０のメモリに予め格納されている）を参照し、排気温度、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて、前噴射を実行するか否かを判定する。ここで、前噴射とは、周知のように、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射することをいう。前噴射の目的は、専らノッキングに起因する騒音の抑制、及び過度に高い燃焼温度に起因するＮＯｘ発生の低減である。またＥＣＵ５０は、前噴射を実行する場合は、同じく図２に示すような特性を参照し、排気温度、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて、前噴射の回数を設定する。
【００２０】
ここで、図２に示したように、高負荷・高回転領域では前噴射は実行されない。すなわち、上記算出した目標燃料噴射量Ｑの全量が１度に主噴射で噴射される。これは、高負荷・高回転領域では騒音問題よりも出力確保が重要だからである。これに対し、低負荷・低回転領域ほど前噴射回数（分割噴射数）が増加する。前噴射回数が増加するに従い、目標燃料噴射量Ｑのうちの主噴射で噴射される燃料噴射量が低減し、また火種がより早い時期からできて、これにより前噴射の目的がよりよく達成される。これは、低負荷・低回転領域ほど静粛性が増し、騒音問題が目立ってくるからである。
【００２１】
このように、前噴射を実行するか否かの判定、及び実行するとすれば何回に分けて前噴射を行うか（分割噴射数）の設定を、排気温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といった実際のエンジン１の運転状態に応じて行うので、前噴射の目的、つまり騒音抑制とＮＯｘ低減とが、広範囲の運転領域に亘って、精度よく、効果的に達成される。
【００２２】
参考までに、図３に前噴射の代表的な噴射パターンを示した。横軸はクランク角であって圧縮上死点を０°とした。図３（ａ）に示すように、１段噴射では圧縮上死点前６０°以内に１度だけ前噴射される。これに対し、図３（ｂ）に示すように、２段噴射では圧縮上死点前６０°以前にも１度前噴射される。さらに、図３（ｃ）に示すように、３段噴射では圧縮上死点前６０°付近においても１度前噴射される。
【００２３】
なお、排気温度は、第１〜第３排気温センサ２３，２５，２９のいずれか１あるいは２以上の検出結果を利用することができる。これらの排気温センサ２３，２５，２９で検出される排気温度はパティキュレートフィルタ２７の温度に関連する。ただし、パティキュレートフィルタ２７の直上流にあり、該フィルタ２７に流入する排気温を検出する第２排気温センサ２５の検出結果が最も該フィルタ２７の温度に近似する。
【００２４】
ＥＣＵ５０は、上記通常の燃料噴射制御の他、本発明の特徴部分である後噴射を実行する。ここで、後噴射とは、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射することをいう。後噴射の目的は、後噴射で生成した未燃の炭化水素成分を酸化触媒２４によって排気通路２０内で燃焼させることにより、パティキュレートフィルタ２７を加熱・昇温し、該フィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去して、該フィルタ２７を強制再生することである。その場合、ＥＣＵ５０は、図４に示すような特性（ＥＣＵ５０のメモリに予め格納されている）を参照し、排気温度（前述したようにパティキュレートフィルタ２７の温度関連値である）、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて、後噴射を実行するか否かを判定する。
【００２５】
ここで、図４に示したように、高負荷・高回転領域及び低負荷・低回転領域ではいずれも後噴射は実行されない。これは、およそ次のような理由による。すなわち、堆積した排気微粒子を燃焼除去するためには、パティキュレートフィルタ２７ないし排ガスを６００℃以上に昇温させなければならないといわれている。高負荷・高回転領域では主噴射を行うだけで排気温度が６００℃以上に到達し、後噴射する必要がないのである。一方、低負荷・低回転領域では主噴射を行うだけでは排気温度は２００℃程度しかない。このようにもともとの排気温度が低過ぎるから、たとえ酸化触媒２４で未燃成分を燃焼しても、パティキュレートフィルタ２７に流れ込む排ガスの温度が６００℃以上に上昇することがない。すなわち、低負荷・低回転領域ではいくら後噴射を実行してもその目的が達成されないのである。
【００２６】
ＥＣＵ５０は、パティキュレートフィルタ２７に堆積する排気微粒子の堆積量が所定量以上となったときに、該フィルタ２７が目詰まり状態になったと判定して、該フィルタ２７を加熱するための後噴射を実行する。ただし、上記のように、運転状態が図４に示す後噴射実行領域にあることを条件とする。また、排気微粒子の堆積量は、パティキュレートフィルタ２７を挟む上流側圧力と下流側圧力との差圧あるいは圧力比で代用する。すなわち該差圧や圧力比が所定値以上となったときに堆積量が所定量以上となったと判断する。
【００２７】
図５に、３段の前噴射（符号ア）、主噴射（同イ）、及び後噴射（同ウ）を行う場合の各噴射タイミング及び噴射量の典型例を示した。横軸は図３と同様クランク角であって圧縮上死点が０°である。図５（ａ）に符号Ａで示すように、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に必要な後噴射量をそのまま後噴射した場合を考える。後噴射した燃料の全量Ａが続く排気行程で燃焼室から排気通路２０に排出されるわけではなく、どうしても一部（符号Ｂ）が残留ガスとして燃焼室に残ったり戻ったりする。あるいは、後噴射した燃料の一部（符号Ｃ）が膨張行程のピストン３の降下によって露出した気筒壁面に付着したりする。これらＢ，Ｃは排気通路２０で燃焼されず、排気温度の上昇、及びパティキュレートフィルタ２７の強制再生に寄与しない。結局、その分Ｂ，Ｃだけ再生必要量Ａより少ない量Ｘの燃料が排気通路２０に排出され、酸化触媒２４で燃焼され、排ガスの昇温に用いられる。よって、パティキュレートフィルタ２７の過熱が不足して、該フィルタ２７の強制再生が予想通りの結果にならない。
【００２８】
また、気筒壁面に付着した燃料Ｃはともかく、燃焼室に残ったり戻ったりした残留ガスＢは、次のサイクルの前噴射アに持ち越されて燃焼される。その結果、前噴射アで必要以上に燃料を噴射したと同様の状況が発生し、燃費が低下すると共に、前噴射アの目的である騒音の抑制及びエミッションの向上がやはり予想通りの結果にならない。
【００２９】
そこで、ＥＣＵ５０は、まず１つ目の後噴射に関する問題に対処するため、図５（ｂ）に示すように、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に必要な後噴射量Ａを算出するが、この再生必要量Ａをそのまま後噴射せず、一部がロスすることを見越して、上記再生必要量Ａより増量した量Ｄの燃料を後噴射する。その場合、ＥＣＵ５０は、後噴射を実行したときに燃焼室に残留する残留ガス率Ｂ（０＜Ｂ＜１）と気筒壁面に付着する壁面付着率Ｃ（０＝＜Ｃ＜１）とを算出する。そして、これらの残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃ、すなわち排気温度の上昇に寄与せず、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に寄与しない燃料の割合と、いったん算出した上記再生必要量Ａとから、実際にインジェクタ４から噴射すべき後噴射量Ｄを算出する。そして、この噴射要求量Ｄを後噴射することにより、結果的に、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に必要な量Ａの燃料が燃焼室から排気通路２０に排出されることになる。その結果、排気温度が所望通りに上昇し、排気微粒子が確実に燃焼除去され、パティキュレートフィルタ２７が良好・円滑に強制再生される。このように、後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留したり気筒壁面に付着したりして排気温度の上昇に寄与しないことを勘案して後噴射を実行するので、パティキュレートフィルタ２７の強制再生の精度が上がり、その実効が図られる。より具体的には、噴射要求量Ｄは、例えば下記数１に従い、必要後噴射量Ａ、残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃから算出される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
また、ＥＣＵ５０は、２つ目の前噴射に関する問題に対処するため、図５（ｂ）に示すように、前述した通常の燃料噴射制御において前噴射量Ｅを算出するが、この前噴射量Ｅをそのまま前噴射せず、前回サイクルにおける後噴射からの持ち越し分Ｆを見越して、上記前噴射量Ｅより減量した量Ｇの燃料を前噴射する。その場合、ＥＣＵ５０は、上記残留ガス率Ｂ、すなわち前回サイクルの後噴射から今回サイクルの前噴射に持ち越される燃料の割合に基いて、いったん算出した上記前噴射量Ｅを減量補正する。そして、この減量補正した量Ｇを、実際にインジェクタ４から噴射すべき前噴射量として前噴射することにより、上記持ち越し分Ｆと合わせて、結果的に、上記前噴射量Ｅに相当する量の燃料が圧縮行程において燃焼室内に存在することになる。その結果、騒音抑制とＮＯｘ低減とが良好・円滑に達成される。また、必要以上に前噴射量を多くすることが避けられるので、燃費の改善を図ることができる。このように、前回サイクルで後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留して今回サイクルの前噴射で燃焼されることを勘案して前噴射を実行するので、前噴射の精度が上がり、その実効が図られる。より具体的には、前噴射の噴射要求量Ｇは、例えば下記数２に従い、前噴射量Ｅ、噴射要求量Ｄ及び残留ガス率Ｂ（いずれも前回サイクルの値）から算出される。
【００３２】
【数２】
【００３３】
図６は上記後噴射の制御の具体的１例を示すフローチャート、及び図７は上記前噴射の制御の具体的１例を示すフローチャートである。ただし、それぞれ、運転状態が図４に示す後噴射実行領域にあること、及び図２に示す前噴射実行領域にあることを前提としている。まず、後噴射については、図６において、ステップＳ１で、パティキュレートフィルタ２７に堆積する排気微粒子の堆積量を検出し（前述したように例えば該フィルタ２７の上流側圧力と下流側圧力との差圧や圧力比から検出する）、ステップＳ２で、該堆積量が所定量α以上であると判定されたら、ステップＳ３で、強制再生実行フラグを１にセットしたうえで、ステップＳ４〜Ｓ７で、強制再生必要後噴射量Ａ、後噴射タイミング、残留ガス率Ｂ、及び壁面付着率Ｃをそれぞれ算出する。
【００３４】
ここで、各値は、図８〜図１１に示すような特性（ＥＣＵ５０のメモリに予め格納されている）を参照し、排気温度（前述したようにパティキュレートフィルタ２７の温度関連値である）、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて合理的に算出される。ただし、壁面付着率Ｃに関しては、図１１に示す特性上は、強制再生必要後噴射量Ａ及び後噴射タイミングの少なくとも１つに基づいて算出されている。しかし、該必要後噴射量Ａ及び後噴射タイミングが、排気温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷に基づいて算出されるから、壁面付着率Ｃもまた、排気温度、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて（間接的に）算出されているといえる。
【００３５】
このように、再生必要量Ａや残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃを、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といった実際のエンジン１の運転状態に応じて算出するので、この点からも、後噴射の目的、つまりパティキュレートフィルタ２７の強制再生が、精度よく、効果的に達成される。
【００３６】
特に、強制再生に寄与しない後噴射量の割合として、残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃを採用している。これらのパラメータＢ，Ｃは、図１０及び図１１に示したように、フィルタ２７の温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といったエンジン１の運転状態の変化に鋭敏に反応し、またそれぞれ固有独立した態様・特性で変化する。よって、これらのパラメータＢ，Ｃを運転状態に基づいて算出し、最終的な噴射要求量Ｄの設定に反映させることによって、運転状態の変化に影響されることなく、確実にパティキュレートフィルタ２７の再生処理が行える。しかも、強制再生に寄与しない因子として、残留ガスＢと壁面付着Ｃの２つを考慮しているから、いずれか１つしか考慮していない場合等と比べて、パティキュレートフィルタ２７の強制再生の精度がより向上する。
【００３７】
次いで、ステップＳ８で、噴射すべき後噴射量Ｄを例えば前述した数１に従い算出する。そして、ステップＳ９で、その最終的に算出した後噴射量（噴射要求量）Ｄで後噴射を実行する。すなわちパティキュレートフィルタ２７の強制再生を実行する。
【００３８】
また、前噴射については、図７において、ステップＳ１１で、前噴射量Ｅを算出し（前述したように通常の燃料噴射制御の一環として算出する）、ステップＳ１２で、強制再生実行フラグが１か否かをみて（このフラグは図６のステップＳ３で後噴射が実行される場合に１にセットされる）、０のとき（後噴射が実行されないとき）は、前回サイクルからの持ち越し分Ｆの影響がないから、ステップＳ１５に飛んで、上記前噴射量Ｅをそのまま採用して前噴射を実行する。一方、強制再生実行フラグが１のとき（後噴射が実行されるとき）は、前回サイクルからの持ち越し分Ｆの影響があるから、ステップＳ１３で、その持ち越し分（前噴射減量値）Ｆを例えば前述した数２に従い算出し、そして、ステップＳ１４で、噴射すべき前噴射量Ｇを同じく例えば前述した数２に従い算出する。そして、ステップＳ１５で、その最終的に算出した前噴射量（噴射要求量）Ｇで前噴射を実行する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタを強制再生するために燃料を後噴射するように構成されたエンジンにおいて、後噴射した燃料の一部が排気温度の上昇に寄与せず、よってパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しないことを考慮して実際に噴射すべき後噴射量を決定するので、パティキュレートフィルタの強制再生の精度が上がり、その実効が図られ、パティキュレートフィルタの再生処理が確実に行える。しかも、再生必要量や、強制再生に寄与しない後噴射量の割合を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて算出するので、この点からも、後噴射の目的、つまりパティキュレートフィルタの強制再生が、精度よく、効果的に達成される。
【００４０】
また、この発明によれば、パティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合として、エンジンの運転状態の変化に鋭敏に反応し、またそれぞれ特有の態様で変化する、気筒内燃焼室に残留する残留ガス率及び気筒壁面に付着する壁面付着率を採用するから、これらのパラメータを運転状態に基づいて算出し、最終的な噴射要求量の設定に反映させることによって、運転状態の変化に影響されることなく、確実にパティキュレートフィルタの再生処理が行える。しかも、強制再生に寄与しない因子として、残留ガスと壁面付着の２つの因子を考慮しているから、例えば１つの因子しか考慮していない場合と比べて、パティキュレートフィルタの強制再生の精度がより向上する。
【００４１】
また、この発明によれば、前噴射を実行するか否かの判定を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて行うので、前噴射の目的、つまり騒音抑制とＮＯｘ低減とが、精度よく、効果的に達成される。
【００４３】
また、この発明によれば、残留ガス率に基づいて、すなわち前回サイクルの後噴射から今回サイクルの前噴射に持ち越される燃料の割合に基いて、前噴射量を減量補正し、そして、この減量補正した量を、実際に噴射すべき前噴射量として前噴射するようにしたから、前回サイクルで後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留して今回サイクルの前噴射で燃焼されることが勘案されることになり、その結果、前噴射の精度が上がり、その目的の実効が図られ、騒音抑制とＮＯｘ低減とが良好・円滑に達成される。また、必要以上に前噴射量を多くすることが避けられるので、燃費改善を図ることができる。
【００４４】
以上のように、本発明は、ディーゼルエンジンを始め、パティキュレートフィルタを強制再生するために燃料を後噴射するように構成されたエンジン一般への幅広い産業上の利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るエンジンのシステム構成図である。
【図２】 上記エンジンの燃料噴射制御（特に前噴射を実行するか否かの判定）で用いる特性図である。
【図３】 上記前噴射の代表的な噴射パターンを示すタイムチャートであって、（ａ）は１段噴射、（ｂ）は２段噴射、（ｃ）は３段噴射を示す。
【図４】 上記エンジンの燃料噴射制御（特に後噴射を実行するか否かの判定）で用いる特性図である。
【図５】 前噴射、主噴射及び後噴射の噴射タイミング及び噴射量を示すタイムチャートであって、（ａ）は本発明が解決しようとする課題の説明図、（ｂ）は該課題を解決する本発明の説明図である。
【図６】 上記後噴射の制御の具体的１例を示すフローチャートである。
【図７】 上記前噴射の制御の具体的１例を示すフローチャートである。
【図８】 上記後噴射の制御において、パティキュレートフィルタの強制再生に必要な後噴射量の算出に用いる特性図である。
【図９】 同じく、後噴射タイミングの設定に用いる特性図である。
【図１０】 同じく、気筒内燃焼室に残留する残留ガス率の算出に用いる特性図である。
【図１１】 同じく、気筒壁面に付着する壁面付着率の算出に用いる特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン
４ インジェクタ（燃料噴射手段）
１０ 吸気通路
２０ 排気通路
２３，２５，２９ 排気温センサ（温度関連値検出手段）
２４ 酸化触媒
２６，２８ 圧力センサ（堆積量検出手段）
２７ パティキュレートフィルタ
４１ エンジン回転数センサ（回転数検出手段）
４５ アクセル開度センサ（負荷検出手段）
５０ コントロールユニット（強制再生手段、第１〜第３算出手段、前噴射条件設定手段、前噴射実行手段、前噴射量補正手段）
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの燃料噴射制御装置、特に、パティキュレートフィルタを強制再生するための燃料の後噴射を実行するように構成されたエンジンの燃料噴射制御装置に関し、内燃機関の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ディーゼルエンジン等の排ガス中にはパティキュレートと称される排気微粒子が含まれている。そのため、これを除去するフィルタが排気通路に備えられる。このパティキュレートフィルタは、代表的にはアルミナ等のセラミック繊維の不織布でなり、燃焼室から排出される排気微粒子を捕獲する。しかし時間の経過と共に排気微粒子の堆積量が増え、フィルタが目詰まりを起こすので、その対策が講じられる。すなわち、フィルタの上流及び下流に圧力センサを配置し、フィルタの前後差圧あるいは前後圧力比が所定値以上となったときに、堆積量が所定量以上となり、フィルタが目詰まり状態になったと判定して、パティキュレートフィルタを加熱するのである。フィルタを加熱すると、捕獲した排気微粒子が焼却除去され、パティキュレートフィルタが強制再生される。ここで、従来、フィルタはヒータ等の熱源を用いて加熱するのが通例である。しかし、他の方策として、燃料を主噴射よりも遅いタイミングで後噴射し、未燃成分を酸化触媒によって排気通路内で燃焼させることによりフィルタを加熱することも提案される。
【０００３】
つまり、ディーゼルエンジンでは、インジェクタは気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する。このインジェクタの開弁時間及び開弁時期を制御することにより、また併せてコモンレール内の燃料圧力を制御することにより、燃料噴射量及び燃料噴射時期が制御可能である。通常は、圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、自己着火した燃料の爆発エネルギで走行のための出力を得る（主噴射）。これに対し、主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射すると（後噴射）、未燃の炭化水素成分が排気通路に吐き出され、該排気通路でパティキュレートフィルタの上流に配置されている酸化触媒によって酸化除去つまり燃焼される。その結果、排気温度が上昇し、高温の排ガスがパティキュレートフィルタに流れ込んで該フィルタが昇温され、排気微粒子が燃焼除去されるというわけである。このような技術を開示するものに、例えば特開２０００−１７９３２６号公報がある。すなわち、同公報は、膨張行程中に燃料噴射を行ってパティキュレートフィルタの再生処理を行う技術を教示する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、後噴射した燃料は排気行程でその全量が燃焼室から排気通路に吐き出されるわけではなく、どうしても一部が残留ガスとして燃焼室に残ったり戻ったりする。あるいは、膨張行程のピストン降下により露出した気筒壁面に後噴射した燃料の一部が付着する。これらは排気通路で燃焼されず、排気温度の上昇に寄与しないから、その分、フィルタの過熱が不足して、パティキュレートフィルタの強制再生が思惑通りにいかなくなる。そこで、本発明は、後噴射した燃料の一部が上記のように排気温度の上昇に寄与せず、よってパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しないことを考慮することにより、該フィルタの強制再生の実効を図ることを主たる課題とする。以下、その他の課題を含め本発明を詳しく説明する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、エンジンの排気通路に備えられて排気微粒子を捕獲するパティキュレートフィルタと、上記フィルタに堆積する排気微粒子の堆積量を検出する堆積量検出手段と、上記エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、上記堆積量検出手段により所定量以上の堆積量が検出されたとき、上記燃料噴射手段を制御することにより、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射する後噴射を実行し、上記フィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタ強制再生手段とを有するエンジンの燃料噴射制御装置であって、上記フィルタの温度に関連する値を検出する温度関連値検出手段と、上記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、上記エンジンの負荷を検出する負荷検出手段と、これらの検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、上記フィルタの強制再生に必要な後噴射量を算出する第１の算出手段と、同じく上記検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、上記後噴射を実行したときの上記フィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合として後噴射を実行したときに気筒内燃焼室に残留する残留ガス率及び気筒壁面に付着する壁面付着率を算出する第２の算出手段と、上記第１の算出手段で算出された必要後噴射量と上記第２の算出手段で算出された残留ガス率及び壁面付着率とに基づいて、後噴射された燃料の一部が上記残留及び付着によりロスすることを見越して、第１の噴射手段で算出された必要後噴射量よりも増量した量を実際に噴射すべき後噴射量として算出する第３の算出手段とを備え、上記強制再生手段は、上記第３の算出手段で算出された後噴射量で後噴射を実行するように構成されており、かつ、上記温度関連値検出手段、回転数検出手段及び負荷検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射する前噴射を実行するか否かを判定し、前噴射を実行する場合は、燃料噴射手段を制御することにより、上記前噴射を実行する前噴射実行手段と、上記第２の算出手段で算出された残留ガス率に基づいて、前噴射量を減量補正する前噴射量補正手段とを備え、上記前噴射実行手段は、上記補正手段で減量補正された前噴射量で前噴射を実行するように構成されていることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、まず第１算出手段で、パティキュレートフィルタの強制再生に必要な後噴射量を算出する。しかし、この量（再生必要量）をそのまま後噴射するのではない。のみならず、第２算出手段で、パティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合を算出する。そして、第３算出手段で、この強制再生に寄与しない後噴射量の割合（後噴射したうちの排気温度の上昇に寄与しない燃料の割合）と、いったん算出した上記の必要後噴射量とから、実際に噴射すべき後噴射量を算出する。そして、この算出した量（噴射要求量）を後噴射する。このように、後噴射した燃料の一部が排気温度の上昇に寄与せず、よってパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しないことが勘案されて実際に噴射すべき後噴射量が設定されるので、パティキュレートフィルタの強制再生の精度が上がり、その実効が図られる。つまり、パティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合を考慮して実際に噴射すべき後噴射量を決定するので、該フィルタの再生処理が確実に行える。より具体的には、第３算出手段が算出する噴射要求量は、一部がロスすることを見越して、第１算出手段が算出する再生必要量より増量されるであろう。その結果、排気温度が所望通りに上昇し、排気微粒子が確実に燃焼除去され、パティキュレートフィルタが良好・円滑に強制再生される。
【０００７】
しかも、再生必要量や、強制再生に寄与しない後噴射量の割合を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて算出するので、この点からも、後噴射の目的、つまりパティキュレートフィルタの強制再生が、精度よく、効果的に達成される。
【０００９】
また、この発明によれば、第２算出手段が算出する、強制再生に寄与しない後噴射量の割合の内容が具体化される。それによれば、気筒内燃焼室に残留する残留ガス率や気筒壁面に付着する壁面付着率が採用されている。これらの値（率）は、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といった運転状態の変化に鋭敏に反応し、またそれぞれ特有の変化態様を有する。よって、これらのパラメータを運転状態に基づいて算出し、最終的な噴射要求量の設定に反映させることによって、運転状態の変化に影響されることなく、確実にパティキュレートフィルタの再生処理が行える。しかも、強制再生に寄与しない因子として、残留ガスと壁面付着の複数（２つ）を考慮しているから、例えば１つしか考慮していない場合と比べて、パティキュレートフィルタの強制再生の精度がより向上する。
【００１１】
また、この発明は、主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射する前噴射を専らの関心事とする。すなわち、燃料を主噴射よりも早いタイミングで前噴射すると、燃料と空気とが予混合され、徐々に火種ができて予備熱が生成し、主噴射で噴射された燃料が燃え易い環境が得られる。その結果、専らノッキングに起因する騒音が抑制されると共に、燃焼温度が過度に高くならず、ＮＯｘの低減も図られる。そのような場合に、この発明によれば、前噴射を実行するか否かの判定を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて行うので、前噴射の目的、つまり騒音抑制とＮＯｘ低減とが、精度よく、効果的に達成される。
【００１５】
また、この発明では、後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留したり気筒壁面に付着したりしてパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない（負の影響を与える）ことだけでなく、そのようにしてロスされた後噴射の燃料の一部が次のサイクルの前噴射に対して影響を及ぼすことについても問題としている。すなわち、気筒壁面に付着した燃料はともかく、燃焼室に残ったり戻ったりした後噴射の残留ガスは、次のサイクルの前噴射に持ち越されて燃焼される。その結果、前噴射で必要以上に燃料を噴射したと同様の状況となり、燃費が低下すると共に、前噴射の目的である騒音抑制及びエミッション向上が思惑通りに果たせなくなる（騒音が悪化し、ＮＯｘが増加する）。そこで、この発明では、残留ガス率に基づいて、すなわち前回サイクルの後噴射から今回サイクルの前噴射に持ち越される燃料の割合に基いて（換言すれば前回サイクルからの持ち越し分を見越して）、前噴射量を減量補正し、そして、この減量補正した量（実際に噴射すべき前噴射量：前噴射の噴射要求量）を前噴射するようにしたのである。このように、前回サイクルで後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留して今回サイクルの前噴射で燃焼されることが勘案されるので、前噴射の精度が上がり、その目的の実効が図られる。その結果、騒音抑制とＮＯｘ低減とが良好・円滑に達成される。また、必要以上に前噴射量を多くしなくても済むので、燃費改善を図ることができる。以下、実施の形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施形態においては、本発明は、図１に示すディーゼルエンジン１に適用されている。このエンジン１は、例えば４気筒エンジンであって、エンジン本体２のシリンダボア内を上下動するピストン３が４つ備えられている（図１には１つのみ図示）。エンジン本体２のシリンダヘッドには気筒毎にインジェクタ４が備えられている。インジェクタ４はピストン３が画成する気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する。図外の燃料タンクとインジェクタ４との間の燃料供給経路上に高圧燃料ポンプ５及びコモンレール６が配置されている（同経路上の矢印は燃料の流れを示す）。ポンプ５は燃料タンクからコモンレール６に燃料を圧送し、コモンレール６は圧送された燃料を蓄積する。インジェクタ４が開弁すると、コモンレール６に蓄積された燃料がインジェクタ４の噴口から高圧で噴射される。このとき、インジェクタ４の開弁時間とコモンレール６内の燃圧を制御することにより（高圧ポンプ５を制御することにより）燃料噴射量が制御可能である。また、インジェクタ４の開弁時期を制御することにより燃料噴射時期（噴射タイミング）が制御可能である。
【００１７】
吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナ１１、エアフロメータ１２、過給機のコンプレッサ１３、インタークーラ１４、吸気量を調節するスロットル弁１５、吸気温センサ１６、吸気圧センサ１７、そして吸気弁１８が備えられている。排気通路２０には、上流側から順に、排気弁２１、過給機のタービン２２、第１排気温センサ２３（第２、第３排気温センサ２５，２９とともに温度関連値検出手段）、酸化触媒２４、第２排気温センサ２５、上流側圧力センサ２６（下流側圧力センサ２８とともに堆積量検出手段）、排ガス中の排気微粒子を捕獲するパティキュレートフィルタ２７、下流側圧力センサ２８、そして第３排気温センサ２９が備えられている。排気通路２０の比較的上流部と吸気通路１０の比較的下流部との間にＥＧＲ通路３０が配設され、該通路３０上に排気還流量を調節するＥＧＲ弁３１が備えられている。その他、エンジン本体２のクランクケースにはエンジン回転数センサ（回転数検出手段）４１が、またシリンダブロックには水温センサ４２が設けられている。コモンレール６には燃料の蓄圧を検出するコモンレール圧センサ４３が設けられている。車室にはアクセルペダル４４の踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ（負荷検出手段）４５が設けられている。
【００１８】
このエンジン１のコントロールユニット（ＥＣＵ）５０は、上記各センサで検出される吸気量、吸気温、吸気圧、酸化触媒２４に流入する排気温、パティキュレートフィルタ２７に流入する排気温、パティキュレートフィルタ２７から出た後の排気温、パティキュレートフィルタ２７を挟む上流側圧力及び下流側圧力、エンジン回転数、冷却水温、コモンレール６内の燃料蓄圧、並びにエンジン負荷等に基づいて、インジェクタ４及び高圧燃料ポンプ５に制御信号を出力する。
【００１９】
ＥＣＵ５０による通常の燃料噴射制御（走行出力を得るための燃料噴射制御）はおよそ次のようである。ＥＣＵ５０はエンジン負荷とエンジン回転数とから求められる基本燃料噴射量を冷却水温や吸気温等で補正して目標燃料噴射量Ｑを算出する。一方、図２に示すような特性（ＥＣＵ５０のメモリに予め格納されている）を参照し、排気温度、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて、前噴射を実行するか否かを判定する。ここで、前噴射とは、周知のように、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射することをいう。前噴射の目的は、専らノッキングに起因する騒音の抑制、及び過度に高い燃焼温度に起因するＮＯｘ発生の低減である。またＥＣＵ５０は、前噴射を実行する場合は、同じく図２に示すような特性を参照し、排気温度、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて、前噴射の回数を設定する。
【００２０】
ここで、図２に示したように、高負荷・高回転領域では前噴射は実行されない。すなわち、上記算出した目標燃料噴射量Ｑの全量が１度に主噴射で噴射される。これは、高負荷・高回転領域では騒音問題よりも出力確保が重要だからである。これに対し、低負荷・低回転領域ほど前噴射回数（分割噴射数）が増加する。前噴射回数が増加するに従い、目標燃料噴射量Ｑのうちの主噴射で噴射される燃料噴射量が低減し、また火種がより早い時期からできて、これにより前噴射の目的がよりよく達成される。これは、低負荷・低回転領域ほど静粛性が増し、騒音問題が目立ってくるからである。
【００２１】
このように、前噴射を実行するか否かの判定、及び実行するとすれば何回に分けて前噴射を行うか（分割噴射数）の設定を、排気温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といった実際のエンジン１の運転状態に応じて行うので、前噴射の目的、つまり騒音抑制とＮＯｘ低減とが、広範囲の運転領域に亘って、精度よく、効果的に達成される。
【００２２】
参考までに、図３に前噴射の代表的な噴射パターンを示した。横軸はクランク角であって圧縮上死点を０°とした。図３（ａ）に示すように、１段噴射では圧縮上死点前６０°以内に１度だけ前噴射される。これに対し、図３（ｂ）に示すように、２段噴射では圧縮上死点前６０°以前にも１度前噴射される。さらに、図３（ｃ）に示すように、３段噴射では圧縮上死点前６０°付近においても１度前噴射される。
【００２３】
なお、排気温度は、第１〜第３排気温センサ２３，２５，２９のいずれか１あるいは２以上の検出結果を利用することができる。これらの排気温センサ２３，２５，２９で検出される排気温度はパティキュレートフィルタ２７の温度に関連する。ただし、パティキュレートフィルタ２７の直上流にあり、該フィルタ２７に流入する排気温を検出する第２排気温センサ２５の検出結果が最も該フィルタ２７の温度に近似する。
【００２４】
ＥＣＵ５０は、上記通常の燃料噴射制御の他、本発明の特徴部分である後噴射を実行する。ここで、後噴射とは、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射することをいう。後噴射の目的は、後噴射で生成した未燃の炭化水素成分を酸化触媒２４によって排気通路２０内で燃焼させることにより、パティキュレートフィルタ２７を加熱・昇温し、該フィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去して、該フィルタ２７を強制再生することである。その場合、ＥＣＵ５０は、図４に示すような特性（ＥＣＵ５０のメモリに予め格納されている）を参照し、排気温度（前述したようにパティキュレートフィルタ２７の温度関連値である）、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて、後噴射を実行するか否かを判定する。
【００２５】
ここで、図４に示したように、高負荷・高回転領域及び低負荷・低回転領域ではいずれも後噴射は実行されない。これは、およそ次のような理由による。すなわち、堆積した排気微粒子を燃焼除去するためには、パティキュレートフィルタ２７ないし排ガスを６００℃以上に昇温させなければならないといわれている。高負荷・高回転領域では主噴射を行うだけで排気温度が６００℃以上に到達し、後噴射する必要がないのである。一方、低負荷・低回転領域では主噴射を行うだけでは排気温度は２００℃程度しかない。このようにもともとの排気温度が低過ぎるから、たとえ酸化触媒２４で未燃成分を燃焼しても、パティキュレートフィルタ２７に流れ込む排ガスの温度が６００℃以上に上昇することがない。すなわち、低負荷・低回転領域ではいくら後噴射を実行してもその目的が達成されないのである。
【００２６】
ＥＣＵ５０は、パティキュレートフィルタ２７に堆積する排気微粒子の堆積量が所定量以上となったときに、該フィルタ２７が目詰まり状態になったと判定して、該フィルタ２７を加熱するための後噴射を実行する。ただし、上記のように、運転状態が図４に示す後噴射実行領域にあることを条件とする。また、排気微粒子の堆積量は、パティキュレートフィルタ２７を挟む上流側圧力と下流側圧力との差圧あるいは圧力比で代用する。すなわち該差圧や圧力比が所定値以上となったときに堆積量が所定量以上となったと判断する。
【００２７】
図５に、３段の前噴射（符号ア）、主噴射（同イ）、及び後噴射（同ウ）を行う場合の各噴射タイミング及び噴射量の典型例を示した。横軸は図３と同様クランク角であって圧縮上死点が０°である。図５（ａ）に符号Ａで示すように、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に必要な後噴射量をそのまま後噴射した場合を考える。後噴射した燃料の全量Ａが続く排気行程で燃焼室から排気通路２０に排出されるわけではなく、どうしても一部（符号Ｂ）が残留ガスとして燃焼室に残ったり戻ったりする。あるいは、後噴射した燃料の一部（符号Ｃ）が膨張行程のピストン３の降下によって露出した気筒壁面に付着したりする。これらＢ，Ｃは排気通路２０で燃焼されず、排気温度の上昇、及びパティキュレートフィルタ２７の強制再生に寄与しない。結局、その分Ｂ，Ｃだけ再生必要量Ａより少ない量Ｘの燃料が排気通路２０に排出され、酸化触媒２４で燃焼され、排ガスの昇温に用いられる。よって、パティキュレートフィルタ２７の過熱が不足して、該フィルタ２７の強制再生が予想通りの結果にならない。
【００２８】
また、気筒壁面に付着した燃料Ｃはともかく、燃焼室に残ったり戻ったりした残留ガスＢは、次のサイクルの前噴射アに持ち越されて燃焼される。その結果、前噴射アで必要以上に燃料を噴射したと同様の状況が発生し、燃費が低下すると共に、前噴射アの目的である騒音の抑制及びエミッションの向上がやはり予想通りの結果にならない。
【００２９】
そこで、ＥＣＵ５０は、まず１つ目の後噴射に関する問題に対処するため、図５（ｂ）に示すように、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に必要な後噴射量Ａを算出するが、この再生必要量Ａをそのまま後噴射せず、一部がロスすることを見越して、上記再生必要量Ａより増量した量Ｄの燃料を後噴射する。その場合、ＥＣＵ５０は、後噴射を実行したときに燃焼室に残留する残留ガス率Ｂ（０＜Ｂ＜１）と気筒壁面に付着する壁面付着率Ｃ（０＝＜Ｃ＜１）とを算出する。そして、これらの残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃ、すなわち排気温度の上昇に寄与せず、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に寄与しない燃料の割合と、いったん算出した上記再生必要量Ａとから、実際にインジェクタ４から噴射すべき後噴射量Ｄを算出する。そして、この噴射要求量Ｄを後噴射することにより、結果的に、パティキュレートフィルタ２７の強制再生に必要な量Ａの燃料が燃焼室から排気通路２０に排出されることになる。その結果、排気温度が所望通りに上昇し、排気微粒子が確実に燃焼除去され、パティキュレートフィルタ２７が良好・円滑に強制再生される。このように、後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留したり気筒壁面に付着したりして排気温度の上昇に寄与しないことを勘案して後噴射を実行するので、パティキュレートフィルタ２７の強制再生の精度が上がり、その実効が図られる。より具体的には、噴射要求量Ｄは、例えば下記数１に従い、必要後噴射量Ａ、残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃから算出される。
【００３０】
【数１】
また、ＥＣＵ５０は、２つ目の前噴射に関する問題に対処するため、図５（ｂ）に示すように、前述した通常の燃料噴射制御において前噴射量Ｅを算出するが、この前噴射量Ｅをそのまま前噴射せず、前回サイクルにおける後噴射からの持ち越し分Ｆを見越して、上記前噴射量Ｅより減量した量Ｇの燃料を前噴射する。その場合、ＥＣＵ５０は、上記残留ガス率Ｂ、すなわち前回サイクルの後噴射から今回サイクルの前噴射に持ち越される燃料の割合に基いて、いったん算出した上記前噴射量Ｅを減量補正する。そして、この減量補正した量Ｇを、実際にインジェクタ４から噴射すべき前噴射量として前噴射することにより、上記持ち越し分Ｆと合わせて、結果的に、上記前噴射量Ｅに相当する量の燃料が圧縮行程において燃焼室内に存在することになる。その結果、騒音抑制とＮＯｘ低減とが良好・円滑に達成される。また、必要以上に前噴射量を多くすることが避けられるので、燃費の改善を図ることができる。このように、前回サイクルで後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留して今回サイクルの前噴射で燃焼されることを勘案して前噴射を実行するので、前噴射の精度が上がり、その実効が図られる。より具体的には、前噴射の噴射要求量Ｇは、例えば下記数２に従い、前噴射量Ｅ、噴射要求量Ｄ及び残留ガス率Ｂ（いずれも前回サイクルの値）から算出される。
【００３２】
【数２】
図６は上記後噴射の制御の具体的１例を示すフローチャート、及び図７は上記前噴射の制御の具体的１例を示すフローチャートである。ただし、それぞれ、運転状態が図４に示す後噴射実行領域にあること、及び図２に示す前噴射実行領域にあることを前提としている。まず、後噴射については、図６において、ステップＳ１で、パティキュレートフィルタ２７に堆積する排気微粒子の堆積量を検出し（前述したように例えば該フィルタ２７の上流側圧力と下流側圧力との差圧や圧力比から検出する）、ステップＳ２で、該堆積量が所定量α以上であると判定されたら、ステップＳ３で、強制再生実行フラグを１にセットしたうえで、ステップＳ４〜Ｓ７で、強制再生必要後噴射量Ａ、後噴射タイミング、残留ガス率Ｂ、及び壁面付着率Ｃをそれぞれ算出する。
【００３４】
ここで、各値は、図８〜図１１に示すような特性（ＥＣＵ５０のメモリに予め格納されている）を参照し、排気温度（前述したようにパティキュレートフィルタ２７の温度関連値である）、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて合理的に算出される。ただし、壁面付着率Ｃに関しては、図１１に示す特性上は、強制再生必要後噴射量Ａ及び後噴射タイミングの少なくとも１つに基づいて算出されている。しかし、該必要後噴射量Ａ及び後噴射タイミングが、排気温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷に基づいて算出されるから、壁面付着率Ｃもまた、排気温度、エンジン回転数及びエンジン負荷の少なくとも１つに基づいて（間接的に）算出されているといえる。
【００３５】
このように、再生必要量Ａや残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃを、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といった実際のエンジン１の運転状態に応じて算出するので、この点からも、後噴射の目的、つまりパティキュレートフィルタ２７の強制再生が、精度よく、効果的に達成される。
【００３６】
特に、強制再生に寄与しない後噴射量の割合として、残留ガス率Ｂ及び壁面付着率Ｃを採用している。これらのパラメータＢ，Ｃは、図１０及び図１１に示したように、フィルタ２７の温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷といったエンジン１の運転状態の変化に鋭敏に反応し、またそれぞれ固有独立した態様・特性で変化する。よって、これらのパラメータＢ，Ｃを運転状態に基づいて算出し、最終的な噴射要求量Ｄの設定に反映させることによって、運転状態の変化に影響されることなく、確実にパティキュレートフィルタ２７の再生処理が行える。しかも、強制再生に寄与しない因子として、残留ガスＢと壁面付着Ｃの２つを考慮しているから、いずれか１つしか考慮していない場合等と比べて、パティキュレートフィルタ２７の強制再生の精度がより向上する。
【００３７】
次いで、ステップＳ８で、噴射すべき後噴射量Ｄを例えば前述した数１に従い算出する。そして、ステップＳ９で、その最終的に算出した後噴射量（噴射要求量）Ｄで後噴射を実行する。すなわちパティキュレートフィルタ２７の強制再生を実行する。
【００３８】
また、前噴射については、図７において、ステップＳ１１で、前噴射量Ｅを算出し（前述したように通常の燃料噴射制御の一環として算出する）、ステップＳ１２で、強制再生実行フラグが１か否かをみて（このフラグは図６のステップＳ３で後噴射が実行される場合に１にセットされる）、０のとき（後噴射が実行されないとき）は、前回サイクルからの持ち越し分Ｆの影響がないから、ステップＳ１５に飛んで、上記前噴射量Ｅをそのまま採用して前噴射を実行する。一方、強制再生実行フラグが１のとき（後噴射が実行されるとき）は、前回サイクルからの持ち越し分Ｆの影響があるから、ステップＳ１３で、その持ち越し分（前噴射減量値）Ｆを例えば前述した数２に従い算出し、そして、ステップＳ１４で、噴射すべき前噴射量Ｇを同じく例えば前述した数２に従い算出する。そして、ステップＳ１５で、その最終的に算出した前噴射量（噴射要求量）Ｇで前噴射を実行する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタを強制再生するために燃料を後噴射するように構成されたエンジンにおいて、後噴射した燃料の一部が排気温度の上昇に寄与せず、よってパティキュレートフィルタの強制再生に寄与しないことを考慮して実際に噴射すべき後噴射量を決定するので、パティキュレートフィルタの強制再生の精度が上がり、その実効が図られ、パティキュレートフィルタの再生処理が確実に行える。しかも、再生必要量や、強制再生に寄与しない後噴射量の割合を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて算出するので、この点からも、後噴射の目的、つまりパティキュレートフィルタの強制再生が、精度よく、効果的に達成される。
【００４０】
また、この発明によれば、パティキュレートフィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合として、エンジンの運転状態の変化に鋭敏に反応し、またそれぞれ特有の態様で変化する、気筒内燃焼室に残留する残留ガス率及び気筒壁面に付着する壁面付着率を採用するから、これらのパラメータを運転状態に基づいて算出し、最終的な噴射要求量の設定に反映させることによって、運転状態の変化に影響されることなく、確実にパティキュレートフィルタの再生処理が行える。しかも、強制再生に寄与しない因子として、残留ガスと壁面付着の２つの因子を考慮しているから、例えば１つの因子しか考慮していない場合と比べて、パティキュレートフィルタの強制再生の精度がより向上する。
【００４１】
また、この発明によれば、前噴射を実行するか否かの判定を、フィルタ温度やエンジン回転数あるいはエンジン負荷、すなわち実際のエンジンの運転状態に応じて行うので、前噴射の目的、つまり騒音抑制とＮＯｘ低減とが、精度よく、効果的に達成される。
【００４３】
また、この発明によれば、残留ガス率に基づいて、すなわち前回サイクルの後噴射から今回サイクルの前噴射に持ち越される燃料の割合に基いて、前噴射量を減量補正し、そして、この減量補正した量を、実際に噴射すべき前噴射量として前噴射するようにしたから、前回サイクルで後噴射した燃料の一部が燃焼室に残留して今回サイクルの前噴射で燃焼されることが勘案されることになり、その結果、前噴射の精度が上がり、その目的の実効が図られ、騒音抑制とＮＯｘ低減とが良好・円滑に達成される。また、必要以上に前噴射量を多くすることが避けられるので、燃費改善を図ることができる。
【００４４】
以上のように、本発明は、ディーゼルエンジンを始め、パティキュレートフィルタを強制再生するために燃料を後噴射するように構成されたエンジン一般への幅広い産業上の利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るエンジンのシステム構成図である。
【図２】 上記エンジンの燃料噴射制御（特に前噴射を実行するか否かの判定）で用いる特性図である。
【図３】 上記前噴射の代表的な噴射パターンを示すタイムチャートであって、（ａ）は１段噴射、（ｂ）は２段噴射、（ｃ）は３段噴射を示す。
【図４】 上記エンジンの燃料噴射制御（特に後噴射を実行するか否かの判定）で用いる特性図である。
【図５】 前噴射、主噴射及び後噴射の噴射タイミング及び噴射量を示すタイムチャートであって、（ａ）は本発明が解決しようとする課題の説明図、（ｂ）は該課題を解決する本発明の説明図である。
【図６】 上記後噴射の制御の具体的１例を示すフローチャートである。
【図７】 上記前噴射の制御の具体的１例を示すフローチャートである。
【図８】 上記後噴射の制御において、パティキュレートフィルタの強制再生に必要な後噴射量の算出に用いる特性図である。
【図９】 同じく、後噴射タイミングの設定に用いる特性図である。
【図１０】 同じく、気筒内燃焼室に残留する残留ガス率の算出に用いる特性図である。
【図１１】 同じく、気筒壁面に付着する壁面付着率の算出に用いる特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン
４ インジェクタ（燃料噴射手段）
１０ 吸気通路
２０ 排気通路
２３，２５，２９ 排気温センサ（温度関連値検出手段）
２４ 酸化触媒
２６，２８ 圧力センサ（堆積量検出手段）
２７ パティキュレートフィルタ
４１ エンジン回転数センサ（回転数検出手段）
４５ アクセル開度センサ（負荷検出手段）
５０ コントロールユニット（強制再生手段、第１〜第３算出手段、前噴射条件設定手段、前噴射実行手段、前噴射量補正手段）
Claims (1)
- エンジンの排気通路に備えられて排気微粒子を捕獲するパティキュレートフィルタと、上記フィルタに堆積する排気微粒子の堆積量を検出する堆積量検出手段と、上記エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、上記堆積量検出手段により所定量以上の堆積量が検出されたとき、上記燃料噴射手段を制御することにより、圧縮上死点近傍で燃料を噴射する主噴射より後の膨張行程中に燃料を噴射する後噴射を実行し、上記フィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタ強制再生手段とを有するエンジンの燃料噴射制御装置であって、上記フィルタの温度に関連する値を検出する温度関連値検出手段と、上記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、上記エンジンの負荷を検出する負荷検出手段と、これらの検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、上記フィルタの強制再生に必要な後噴射量を算出する第１の算出手段と、同じく上記検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、上記後噴射を実行したときの上記フィルタの強制再生に寄与しない後噴射量の割合として後噴射を実行したときに気筒内燃焼室に残留する残留ガス率及び気筒壁面に付着する壁面付着率を算出する第２の算出手段と、上記第１の算出手段で算出された必要後噴射量と上記第２の算出手段で算出された残留ガス率及び壁面付着率とに基づいて、後噴射された燃料の一部が上記残留及び付着によりロスすることを見越して、第１の噴射手段で算出された必要後噴射量よりも増量した量を実際に噴射すべき後噴射量として算出する第３の算出手段とを備え、上記強制再生手段は、上記第３の算出手段で算出された後噴射量で後噴射を実行するように構成されており、かつ、上記温度関連値検出手段、回転数検出手段及び負荷検出手段の少なくとも１の検出結果に基づいて、主噴射に先立って圧縮行程中に燃料を噴射する前噴射を実行するか否かを判定し、前噴射を実行する場合は、燃料噴射手段を制御することにより、上記前噴射を実行する前噴射実行手段と、上記第２の算出手段で算出された残留ガス率に基づいて、前噴射量を減量補正する前噴射量補正手段とを備え、上記前噴射実行手段は、上記補正手段で減量補正された前噴射量で前噴射を実行するように構成されていることを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
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