JP4172382B2

JP4172382B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP4172382B2
Application number: JP2003395740A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 佳宜橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP2005155472A

Description

本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

圧縮上死点付近において主燃料を噴射すると共に、機関排気通路内に配置された触媒の温度を上昇させるために吸気上死点付近において補助燃料を噴射するようにした内燃機関が公知である（特許文献１，２参照）。詳しくは後述するが、このように吸気上死点付近で補助燃料を噴射すると排気ガス温をかなり高くすることができ、斯くして触媒の温度をかなり高くすることができる。

特許第３２２５９５７公報特開２００１−１７３４９８号公報特開２００１−３２９９００号公報特開２００２−００４９０２号公報

ところで、圧縮上死点付近における筒内圧はかなり高いのでこのとき主燃料を確実に噴射できるようにコモンレール内の燃料圧はかなり高く設定されている。ところが、吸気上死点付近における筒内圧はほぼ大気圧になっており、すなわち圧縮上死点付近における筒内圧よりもかなり低く、このためコモンレール内の燃料圧と筒内圧との差圧はかなり大きくなっているので、吸気上死点付近で噴射される補助燃料の貫徹力は極めて大きくなる。この貫徹力の極めて大きな補助燃料がピストンとりわけ凹溝のリップ部に衝突すると、このリップ部に亀裂が生ずるおそれがあるという問題点がある。

そこで本発明は、ピストンの耐久性を確保することができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために１番目の発明によれば、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を具備し、機関排気通路内に配置された触媒を昇温するために圧縮上死点付近において主燃料を噴射すると共に吸気上死点付近において補助燃料を追加的に噴射するようにした内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記補助燃料を吸気上死点付近において複数回に分けて噴射するようにしている。
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、前記補助燃料の一部又は全部を吸気上死点前に噴射するようにしている。

また、３番目の発明によれば１又は２番目の発明において、前記内燃機関が多気筒内燃機関から構成されると共に各気筒の燃料噴射弁に共通の燃料蓄圧室が接続されており、他の気筒の噴射時期と重ならないように、かつ補助燃料がピストン頂面に形成される凹溝内に噴射されるように、補助燃料の各噴射時期を設定している。

なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、および吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。

ピストンの耐久性を確保することができる。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、火花点火式内燃機関に本発明を適用することもできる。

図１を参照すると、機関本体１はたとえば４つの気筒１ａを有する。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気枝管２を介して共通のサージタンク３に連結され、サージタンク３は吸気ダクト４を介して可変ノズル式排気ターボチャージャ５のコンプレッサ６に連結される。吸気ダクト４内には電気制御式又は負圧制御式のアクチュエータ７により駆動されるスロットル弁８が配置され、更に吸気ダクト４周りには吸気ダクト４内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置（インタクーラ）９が配置される。コンプレッサ６の出口には吸気管４ａが連結される。

また、各気筒１ａは排気マニホルド１０および排気管１１を介して排気ターボチャージャ５の排気タービン１２に連結され、排気タービン１２の出口は排気管１３を介して触媒コンバータ１４に連結される。更に、触媒コンバータ１４の出口には排気管１５が連結される。

触媒コンバータ１４はたとえばパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタ上に担持されたＮＯ_Ｘ吸収剤とを具備する。パティキュレートフィルタは排気ガス中に含まれる主として固体炭素からなる微粒子を捕集するためのものである。一方、ＮＯ_Ｘ吸収剤は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量を減少させるＮＯ_Ｘ蓄積還元作用を行い、たとえばアルミナ担体上に担持されたバリウムＢａおよび白金Ｐｔからなる。

各気筒１ａの筒内には燃料噴射弁１６が配置され、これら燃料噴射弁１６は共通の燃料蓄圧室すなわちコモンレール１７を介して電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１８に連結される。コモンレール１７にはコモンレール１７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ（図示しない）が取り付けられており、燃料圧センサの出力信号に基づいてコモンレール１７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ１８の吐出量が制御される。

更に図１を参照すると、排気マニホルド１０とサージタンク３とは再循環排気ガス（以下、ＥＧＲと称す）通路１９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１９内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２０が配置される。また、ＥＧＲ通路１９周りにはＥＧＲ通路１９内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置（ＥＧＲクーラ）２１が配置され、冷却装置２１上流のＥＧＲ通路１９内には酸化触媒２２が配置される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、バックアップＲＡＭ（Ｂ−ＲＡＭ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管４ａには吸入空気量Ｇａを検出するためのエアフローメータ４０が取り付けられる。また、触媒コンバータ１４下流の排気管１５には触媒コンバータ１４から排出された排気ガスの温度を検出するための温度センサ４１が取り付けられる。この排気ガスの温度は触媒コンバータ１４の温度を表している。更に、アクセルペダル（図示しない）にはアクセルペダルの踏み込み量に比例した出力電圧を発生する踏み込み量センサ４２が接続される。これらセンサ４０，４１，４２の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６にそれぞれ入力される。更に、入力ポート３６にはクランクシャフトがたとえば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４３が接続される。ＣＰＵ３４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介してスロットル弁駆動用アクチュエータ７、燃料噴射弁１６、燃料ポンプ１８、およびＥＧＲ制御弁２０にそれぞれ接続される。

図２は各気筒１ａの拡大縦断面図を示している。図２を参照すると、５１はシリンダブロック、５２はシリンダヘッド、５３はピストン、５４はピストン５３の頂面に形成された凹溝（キャビティ）、５４ａは凹溝のリップ部、５５は燃焼室、５６は吸気ポート、５７は吸気弁、５８は排気ポート、５９は排気弁をそれぞれ示す。

各気筒では図３に示されるように、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近において主燃料Ｑｍが噴射される。図３に示される例では、噴射順序は＃１−＃３−＃４−＃２である。この場合、各気筒の吸気ＴＤＣ付近において他の気筒の主燃料Ｑｍが噴射される。たとえば１番気筒＃１の吸気ＴＤＣ付近において４番気筒＃４の主燃料Ｑｍが噴射される。

さて、機関運転が継続されると触媒コンバータ１４のＮＯ_Ｘ吸収剤内に蓄えられているイオウの量が次第に増大し、あるいはパティキュレートフィルタ上に堆積している微粒子の量が増大する場合がある。

一方、リッチ空燃比のもとでＮＯ_Ｘ吸収剤の温度をたとえば６００℃まで上昇させるとＮＯ_Ｘ吸収剤からイオウが放出され、リーン空燃比のもとでパティキュレートフィルタの温度をたとえば６００℃まで上昇させるとパティキュレートフィルタ上の微粒子が酸化除去される。

そこで本発明による実施例では、触媒コンバータ１４からたとえばイオウまたは微粒子を除去すべきときには触媒コンバータ１４の温度を上昇させるために昇温制御を行うようにしている。

本発明による実施例の昇温制御では、図４に示されるように、主燃料Ｑｍに加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑｖが噴射される。このように補助燃料Ｑｖを追加的に噴射すると補助燃料Ｑｖ分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために内燃機関から排出される排気ガスの温度が上昇する。また、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑｖを噴射すると、圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑｖからアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑｍの反応が加速される。したがってこの場合には主燃料Ｑｍの噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。すなわち、主燃料Ｑｍの噴射時期を大巾に遅らせることができるので内燃機関から排出される排気ガスの温度をかなり高くすることができる。

このように昇温制御では内燃機関から排出される排気ガスの温度が高くされ、それにより触媒コンバータ１４の温度が高められる。

さらに図４を参照すると、補助燃料Ｑｖは吸気ＴＤＣ付近において複数回たとえば２回に分けて噴射される。このようにすると、噴射１回当たりに噴射される補助燃料Ｑｖの量を少なくすることができ、したがって補助燃料Ｑｖの貫徹力を弱めることができる。その結果、補助燃料Ｑｖがピストン５３のリップ部５４ａに衝突してもピストン５３のリップ部５４ａが破損するのが阻止される。

補助燃料Ｑｖの噴射回数はどのように設定してもよい。たとえば噴射１回当たりの補助燃料Ｑｖの量が上限値を越えないように補助燃料Ｑｖの噴射回数を設定することができる。また、噴射１回当たりの補助燃料Ｑｖの量は互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。

また、図４に示されるように、補助燃料Ｑｖは吸気ＴＤＣ付近に設定された噴射許容範囲ＡＬＷ内において噴射される。この噴射許容範囲ＡＬＷは補助燃料Ｑｖがピストン５３の凹溝５４内に噴射されるように予め設定されており、たとえば吸気ＴＤＣ±２０°クランク角程度である。補助燃料Ｑｖが凹溝５４外に噴射されてシリンダボア内壁面に到達すると、シリンダボア内壁面上の潤滑油膜が補助燃料Ｑｖによって洗い流される、いわゆるボアフラッシングが生ずるおそれがある。そこで本発明による実施例では、補助燃料Ｑｖが凹溝５４内に噴射される噴射許容範囲ＡＬＷ内に各補助燃料Ｑｖの噴射時期を設定している。

一方、図３を参照して上述したように、たとえば１番気筒＃１の吸気ＴＤＣ付近において４番気筒＃４の主燃料Ｑｍが噴射される。この場合、１番気筒＃１の補助燃料Ｑｖの噴射時期が４番気筒＃４の主燃料Ｑｍの噴射時期と重なると、コモンレール１７内の燃料圧が低下して良好な燃料噴霧を形成するのが困難になる。また、各気筒でたとえば排気下死点（ＢＤＣ）において別の補助燃料を噴射するようにした場合には１番気筒＃１の補助燃料Ｑｖの噴射時期（吸気ＴＤＣ付近）が３番気筒＃３の別の補助燃料の噴射時期（排気ＢＤＣ付近）と重なるおそれがあり、たとえば吸気ＢＤＣにおいてさらに別の補助燃料を噴射するようにした場合には１番気筒＃１の補助燃料Ｑｖの噴射時期（吸気ＴＤＣ付近）が２番気筒＃２のさらに別の補助燃料の噴射時期（吸気ＢＤＣ付近）と重なるおそれがある。

そこで本発明による実施例では、図５に示されるように、他の気筒において燃料噴射が行われうるクランク角範囲である噴射禁止範囲ＰＲＨでは補助燃料Ｑｖを噴射しないようにしている。したがって、本発明による実施例において補助燃料Ｑｖが実際に噴射されうるのは噴射許容範囲ＡＬＷのうち噴射禁止範囲ＰＲＨ以外の部分であるということになる。

図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は補助燃料Ｑｖが２回だけ噴射される場合における補助燃料Ｑｖの噴射パターンを示している。

図５（Ａ）に示される例では、噴射禁止範囲ＰＲＨの前に補助燃料Ｑｖが２回噴射される。この場合、排気弁が開弁しているので補助燃料Ｑｖの一部が排気弁を介し触媒コンバータ１４に到り、触媒コンバータ１４内で燃焼し、それによっても触媒コンバータ１４の温度が上昇される。図５（Ｂ）に示される例では、噴射禁止範囲ＰＲＨの後に補助燃料Ｑｖが２回噴射される。この場合、排気弁が閉弁しているので補助燃料Ｑｖが排気弁を介し流出するのが阻止される。図５（Ｃ）に示される例では、噴射禁止範囲ＰＲＨの前に補助燃料Ｑｖが１回だけ噴射され、噴射禁止範囲ＰＲＨの後に補助燃料Ｑｖが１回だけ噴射される。このようにすると、先の補助燃料Ｑｖが噴射されてから次の補助燃料Ｑｖが噴射されるまでの時間間隔を大きくすることができる。

図６（Ａ），（Ｂ）は補助燃料Ｑｖが３回だけ噴射される場合における補助燃料Ｑｖの噴射パターンを示している。

図６（Ａ）に示される例では、噴射禁止範囲ＰＲＨの前に補助燃料Ｑｖが２回だけ噴射され、噴射禁止範囲ＰＲＨの後に補助燃料Ｑｖが１回だけ噴射される。このようにすると排気弁を介し流出する補助燃料Ｑｖの量を増大することができる。図６（Ｂ）に示される例では、噴射禁止範囲ＰＲＨの前に補助燃料Ｑｖが１回だけ噴射され、噴射禁止範囲ＰＲＨの後に補助燃料Ｑｖが２回だけ噴射される。このようにすると排気弁を介し流出する補助燃料Ｑｖの量を低減することができる。

補助燃料Ｑｖの噴射パターンはたとえば機関運転状態のほか、触媒コンバータ１４の実際の温度や目標温度などに基づいて決定することができる。

図７は本発明による実施例の昇温制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。

図７を参照すると、まずステップ１００では昇温制御を行うべきか否かが判別される。昇温制御を行うべきでないときには処理サイクルを終了し、昇温制御を行うべきときには次いでステップ１０１に進み、補助燃料Ｑｖの噴射パターンが決定される。続くステップ１０２ではステップ１０１で決定された噴射パターンに応じて補助燃料Ｑｖが噴射される。

内燃機関の概略全体図である。気筒の部分拡大縦断面図である。主噴射Ｑｍの噴射時期を説明するための図である。補助燃料Ｑｖを説明するための図である。補助燃料Ｑｖの噴射パターンを示す図である。補助燃料Ｑｖの別の噴射パターンを示す図である。昇温制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１…機関本体
３…コモンレール
１４…触媒コンバータ
１６…燃料噴射弁
５３…ピストン
５４…凹溝
Ｑｍ…主燃料
Ｑｖ…補助燃料
ＡＬＷ…噴射許容範囲
ＰＲＨ…噴射禁止範囲

Claims

筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を具備し、機関排気通路内に配置された触媒を昇温するために圧縮上死点付近において主燃料を噴射すると共に吸気上死点付近において補助燃料を追加的に噴射するようにした内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記補助燃料を吸気上死点付近において複数回に分けて噴射するようにした内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記補助燃料の一部又は全部を吸気上死点前に噴射するようにした請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記内燃機関が多気筒内燃機関から構成されると共に各気筒の燃料噴射弁に共通の燃料蓄圧室が接続されており、他の気筒の噴射時期と重ならないように、かつ補助燃料がピストン頂面に形成される凹溝内に噴射されるように、補助燃料の各噴射時期を設定した請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。