JP4096834B2 - エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの燃料噴射制御装置に関し、特に主噴射に先行するパイロット噴射を行うようにした燃料噴射装置の改良に関する。

パイロット噴射の機能を備えた燃料噴射装置は、特許文献１に示されるようにディーゼルエンジンの燃料噴射装置の一形式としてよく知られている。パイロット噴射は、主噴射に先行して少量の燃料を噴射供給することにより主燃焼の予混合燃焼割合を減らし、これにより燃焼騒音及び排気エミッション性能を改善できる利点がある。
特開2002-155783号公報

パイロット噴射を奏効させる最適な燃料噴射時期は燃料性状やエンジン運転状態によって異なり、特に変動幅の大きい空気過剰率は最適パイロット噴射時期に影響する。例えば加速時には空気過剰率が急減するためパイロット噴射時期も急速に変化する。パイロット噴射時期の変化は一般にトルク変動の原因となるが、特にコモンレール式燃料噴射装置ではコモンレール内の燃料脈動の影響も加わって、パイロット噴射時期の変化が主噴射の燃料量に影響しトルク変動を助長することがある。
加速時であれば前述のようなトルク変動が運転者に感知されるおそれは少なく、運転性が損なわれるようなこともない。しかしながら、ＮＯｘトラップ触媒や排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を再生するためのエンジン制御に伴って空気過剰率をリッチ化させる場合には、このようなエンジン制御は運転者の意思によらずエンジン側の要求によって定常的な運転条件下でも実施されることから、パイロット噴射時期の変化によるトルク変動が感知されやすい。

本発明では、目標空気過剰率の変化量が大であるときに、実空気過剰率が変化後の目標空気過剰率へ収束していくときの実空気過剰率の変化に応じてパイロット噴射時期が変化するように、変化前後の目標空気過剰率と実空気過剰率とに基づき、補間計算等によりパイロット噴射時期（主噴射の噴射時期に対する相対的な噴射時期であるパイロット噴射間隔を含む。以下同様。）を補正する。

本発明によれば、目標空気過剰率へと収束してゆくときの実空気過剰率の変化に従ってパイロット噴射時期が変化するので、実空気過剰率に応じて適切なパイロット噴射時期を設定できると共に、パイロット噴射時期が空気過剰率変化前後の目標値間でステップ状に急変する作用を抑制して、トルク変動を緩和することができる。

図１は、本発明を適用可能な過給機付ディーゼルエンジンの一例を示した概略構成図である。図に示すように、エンジン本体１には、コモンレール２、燃料噴射弁３および図示しない燃料ポンプを構成要素とするコモンレール燃料噴射系が設けられており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。前記燃料噴射弁３は、燃焼室に燃料を直接噴射し、かつメイン噴射の前にパイロット噴射が可能であり、またコモンレール２内の設定燃料圧力を変更することにより、燃料噴射圧力を可変制御できる。

過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に介装されており、排気タービン４ｂにより駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。排気タービン４ｂは排気通路６に介装されており、エンジン本体１からの排気により回転して前記コンプレッサ４ａを駆動する。なお、本実施形態においては、過給機４として可変容量型のものを用いており、低速域においてはタービン４ｂ側に設けられた可変ノズルを絞ってタービン効率を高め、高速域においては前記可変ノズルを開いてタービン容量を拡大させることにより、広い運転領域で高い過給効果を得ることができる。

吸気通路５には、前記コンプレッサ４ａの上流側にエアフローメータ７、下流側に吸気絞り弁８がそれぞれ介装されている。吸気絞り弁８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてエンジン本体１に吸入される吸入空気量を制御する。

排気通路６には、エンジン本体１と排気タービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９が設けられ、このＥＧＲ通路９にはＥＧＲ弁１０が介装されている。前記ＥＧＲ弁１０は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体１に吸入されるＥＧＲ量を制御する。排気通路６には、排気タービン４ｂの下流側にＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２および排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）１３が順に設けられている。

前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１は低温時に吸着した排気中のＨＣを高温時に放出する特性を有する。活性状態ではＨＣ、ＣＯを酸化処理する。ＮＯｘトラップ触媒１２は、希薄空燃比運転状態で吸着した排気中のNOxを、濃空燃比運転状態で放出する特性を有する。活性状態ではNOｘを還元浄化する。ＤＰＦ１３は排気中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集する。捕集したＰＭは排気温度を高温化する再生制御により燃焼処理される。前記ＮＯｘトラップ触媒およびＤＰＦ１３は、酸化触媒としての機能を併有するものもある。

各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａを検出する前記エアフローメータ７の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、前記コモンレール２内の燃料圧力（すなわち、燃料噴射圧）を検出するレール圧センサ１７等が設けられる。また、それぞれ前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２およびＤＰＦ１３の出口排気温度を検出する温度センサ２１、２２、２３が設けられている。排気通路６の酸化触媒１１よりも上流側には排気空燃比を検出する空燃比センサ、又は排気酸素濃度を検出する酸素センサ（Ｏ₂センサ）２４が設けられている。

２０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されたコントロールユニットであり、前記各種センサからの検出信号に基づいて燃料噴射量Ｑｆ、噴射時期ＩＴを設定して前記燃料噴射弁３の駆動を制御すると共に、前記吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。本発明との関係では、コントロールユニット２０は、目標空気過剰率制御手段、パイロット噴射時期制御手段、実空気過剰率演算手段の各手段の機能に対応している。

図２〜図４はコントロールユニット２０により実行される空気過剰率制御及びパイロット噴射時期制御の制御ルーチンを示している。前記空気過剰率制御は、リーン燃焼運転の間にＮＯｘトラップ触媒１２に吸着したＮＯｘを一時的な空気過剰率のリッチ化により脱離及び還元処理するためのリッチスパイク制御の例である。これらの制御ルーチンはエンジン運転中に予め定められた所定の条件、例えばアイドルを含む低負荷低速運転状態であることを条件に一定時間間隔で周期的に実行される。なお図２以下の各流れ図および以下の説明において符号Sは処理ステップ番号を、符号λは空気過剰率をそれぞれ表している。

図２において、まずS21にて図１に示した各種センサ類からの信号を読みとり、次いでこれらの信号を用いてS22にてＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘ堆積量を計算する。ＮＯｘ堆積量の計算手法は各種知られており、例えばエンジン回転速度Ne、燃料噴射量Qf、冷却水温Tw等の運転状態信号から推定したＮＯｘ量を運転履歴に応じて積算してゆくことでＮＯｘ堆積量を求める。

S23では前記計算により求めたＮＯｘ堆積量を基準値NOx1と比較し、ＮＯｘ堆積量がNOx1以下であれば何もせずに今回のルーチンは終了する。ＮＯｘ堆積量がNOx1を超えたときは、次いでS24にてリッチスパイク制御のルーチンへと移行する。

リッチスパイク制御では、図３に示したようにまずS31にてリッチ燃焼状態に移行したことを示すＬ−Ｒフラグを１にセットすると共に、リッチスパイクを実行する時間を管理するためのカウンタCounter1を初期化する。前記Ｌ−Ｒフラグの初期値は0である。

次いで、S32にて排気λを理論空燃比以下にまでリッチ化するエンジン制御として、吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度を減じる制御を実施する。目標λを達成する必要上から、燃焼行程後期から排気行程の間にポスト噴射を実施して燃料を追加する等の操作を加える場合もある。λが大きいリーン燃焼運転状態にてＮＯｘトラップ触媒１２に堆積していたＮＯｘは、前記リッチスパイク制御によるλの濃化によりＮＯｘ吸収剤から脱離し、触媒での還元処理により浄化される。

Ｓ３３では前記Ｃｏｕｎｔｅｒ１を加算し、Ｓ３４ではその加算結果が基準値Ｃ１を超えたか否かを判定する。前記基準値Ｃ１は、図２の処理において演算されたＮＯｘ堆積量に基づいて設定されている。この処理により、Ｃｏｕｎｔｅｒ１≧Ｃ１となるまでリッチスパイク制御が継続される。Ｃｏｕｎｔｅｒ１≧Ｃ１となったときはＳ３５にてリッチ運転を終了させると共に、Ｌ−Ｒフラグのリセット、ＮＯｘ堆積量の初期化等の終了処理を行ったうえで図２のルーチンに戻る。

次に、パイロット噴射時期制御につき図４に沿って説明する。この制御では、まずS41にてリーン時つまり前記リッチスパイク制御のようなλリッチ化制御が行われていない通常運転時の目標パイロット噴射時期PITLをエンジン運転状態に基づいて設定する。これは例えば燃料噴射量Qfとエンジン回転速度Neに応じてリーン時目標パイロット噴射時期PITLを付与するように予め形成されたマップを検索することにより設定する。なお前記マップ上の目標パイロット噴射時期値は、クランク角度センサ（図１では回転速度センサ１４）の基準クランク位置信号を基準とした絶対クランク角度、またはパイロット噴射間隔つまり主燃料噴射の噴射時期を基準とした相対クランク角度である。

次いで、S42にてリッチスパイクによるリッチ運転状態であるか否かを前述したＬ−Ｒフラグの状態により判定する。Ｌ−Ｒフラグ＝０のときは通常のリーン運転状態であるので、S43以降の処理を迂回し、S47にて前記リーン時目標パイロット噴射時期PITLをそのまま出力する。

エンジンがリッチスパイク制御状態に入ると、Ｌ−Ｒフラグ＝１となる。このときλ＝２〜３のリーン状態からλ＝０．８程度のリッチ状態へと空気過剰率が急変する。この場合、S43にてリッチ時の目標パイロット噴射時期PITRをエンジン運転状態に基づいて設定する。この設定手法は、前記PITLと同様にマップ検索による。なお、前記マップにおいて、リッチ時のパイロット噴射間隔はリーン時に比べて着火性を良くするために全体的に噴射間隔が狭められる特性に設定されている。

次いでS44にてλ変化前後の目標λと現在の実λを読み込む。目標λは、空気過剰率制御のためにリーン時とリッチ時のそれぞれについて前記パイロット噴射時期と同様にエンジン運転状態に応じて予め形成されたマップを検索することにより得られる。実λは、空燃比センサ２４による検出のほか、エンジンの吸入ガス流量と燃料噴射量とに基づいて演算により求めることもできる。

S45〜S46では、前述のようにして読み込んだリッチまたはリーン時目標λと実λとからλ偏差R＿Lambdaを求め、このλ偏差R＿Lambda及び前記目標パイロット噴射時期PITL,PITRを用いてパイロット噴射時期の指令値PITを演算する。

前記PITの演算手法の一例につき、図５を用いて説明する。ここでは、リーン時目標λをL1、リッチ時目標λをL2、実λをLaとするとき、L1及びL2に対するLaの比をR＿Lambdaとして求め、この比により、リーン時パイロット噴射時期PITLとリッチ時パイロット噴射時期との間の補間値としてPITを得る。前記手法を演算式として表すと次の通りである。
λ偏差：
R＿lambda=(La - L2)/(L1 - L2)
パイロット噴射時期指令値：
PIT=(PITL - PITR)R＿Lambda + PITR
前記パイロット噴射時期の補間補正により、λがリーン時目標値からリッチ時目標値へと大きく変化するときの実λの変化に従ってパイロット噴射時期の指令値PITが変化する。これにより、λの目標値変動時の吸気輸送遅れに原因する実λの応答遅れに応じて適切なパイロット噴射時期を設定できると共に、パイロット噴射時期の急変を抑制して、トルク変動を緩和することができる。

前記実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒を再生するためのリッチスパイク制御に伴う空気過剰率変化に対応してパイロット噴射時期を補正する例を示したが、本発明はこれに限られず、例えばＤＰＦを再生するための排気昇温制御時など、空気過剰率が急速に変化する運転状態一般に有効である。

本発明を適用可能なディーゼルエンジンの一例を示す概略構成図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第１の流れ図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第２の流れ図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第３の流れ図。 空気過剰率急変時のパイロット噴射時期の補正手法を表した説明図。

符号の説明

１ エンジン本体
２ コモンレール
３ 燃料噴射弁
４ ターボ過給器
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ エアフローメータ
８ 吸気絞り弁
９ ＥＧＲ通路
１０ ＥＧＲ弁
１１ 酸化触媒
１２ ＮＯｘトラップ触媒
１３ ＤＰＦ（排気微粒子フィルタ）
１４ 回転速度センサ
１５ アクセル開度センサ
１６ 水温センサ
１７ レール圧センサ
２０ コントロールユニット
２１，２２，２３ 温度センサ
２４ 酸素センサ

Claims (8)

1. 主噴射に先行するパイロット噴射が可能な燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、
   エンジン運転状態に基づいて定めた目標空気過剰率に空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、
   エンジン運転状態に基づいて定めた目標パイロット噴射時期に前記パイロット噴射時期を制御するパイロット噴射時期制御手段と、
   実空気過剰率を演算する実空気過剰率演算手段と、を備え
   前記パイロット噴射時期制御手段は、前記目標空気過剰率の変化量が大であるときに、実空気過剰率が変化後の目標空気過剰率へ収束していくときの実空気過剰率の変化に応じてパイロット噴射時期が変化するように、変化前後の目標空気過剰率と実空気過剰率とに基づいてパイロット噴射時期を補正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。
2. 前記空気過剰率制御手段は、エンジン運転状態としてエンジンの回転速度と燃料噴射量を検出し、該検出値に応じて目標空気過剰率を付与するように形成されたマップを検索して目標空気過剰率を設定する請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
3. 前記パイロット噴射時期制御手段は、変化前後の目標空気過剰率の差に対する、実空気過剰率と変化後の目標空気過剰率との差に応じてパイロット噴射時期を補間補正する請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
4. 前記パイロット噴射時期制御手段は、エンジン排気系に備えられたＮＯｘトラップ触媒を再生するためのリッチスパイク制御時に前記パイロット噴射時期の補正を行う請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
5. 前記パイロット噴射時期制御手段は、エンジン排気系に備えられた排気微粒子フィルタを再生するための排気昇温制御時に前記パイロット噴射時期の補正を行う請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
6. 前記空気過剰率制御手段は、吸気通路に介装された絞り弁の開度に応じて吸入空気量を加減することで空気過剰率を制御する請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
7. 前記空気過剰率とパイロット噴射時期は、それぞれリーン運転時とリッチ運転時につきエンジン運転状態に応じて目標値を付与するように形成されたマップを検索することにより設定される請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
8. 前記燃料噴射装置は、高圧燃料ポンプによる加圧燃料を分配するコモンレールと、該コモンレールに接続され、その開弁時期及び開弁時間に応じて燃料の噴射時期及び噴射量を設定する燃料噴射弁とを備えたコモンレール式燃料噴射装置である請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。

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