JP4174685B1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】故障に対する信頼性や推定精度を確保した上で、コストの上昇を抑制しつつ排気通路内燃料噴射弁の噴射口の詰まり度合を推定可能とする。
【解決手段】排気通路内燃料噴射弁からの燃料の噴射時におけるコモンレール内の圧力とエンジンの回転速度の変動状況とに基づいて、排気通路内燃料噴射弁の噴射口の詰まり度合を推定する(S12)。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気通路に設けられた燃料噴射弁の噴射口の詰まりに対する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する装置として、ＮＯx（窒素酸化物）吸蔵触媒やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が知られている。
ＤＰＦは、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する。また、ＤＰＦに捕集されて堆積したＰＭを除去するために、ＤＰＦの上流に酸化触媒を備え、この酸化触媒に燃料を流入させて排気温度を上昇させることにより、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させ、ＤＰＦを再生させる方法が知られている。

一方、ＮＯx吸蔵触媒は、リーン雰囲気において排気中のＮＯxを吸蔵する。そして、ＮＯx吸蔵触媒に燃料等の還元剤を供給することで、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯxを還元、無害化して放出させるＮＯx吸蔵触媒の再生方法が知られている。
酸化触媒やＮＯx吸蔵触媒に燃料を供給する手段として、これらの触媒の上流側に燃料噴射弁（排気通路内燃料噴射弁）を設け、排気通路内に燃料を噴射する方法が知られている。

上記方法では、排気通路内燃料噴射弁による燃料噴射量は、例えばエンジンの回転速度等の運転状態に基づいて最適量に設定される。しかしながら、上記のように排気通路に燃料噴射弁が配置されたものでは、排気中のすすが排気通路内燃料噴射弁の噴射口に詰まり、燃料の設定噴射量に対して実噴射量に誤差が生じる場合がある。そこで、排気通路内燃料噴射弁への燃料供給路に圧力センサを設け、この圧力センサにより検出された圧力に基づいて噴射口が許容を超えて詰まった状態（以下、弁プラグ状態という）であるか否かを推定する装置が開発されている（特許文献１）。
特許第３５１４２３０号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、弁プラグ状態の推定のために新たに圧力センサを設けなければならず、部品点数の増加及びコストの上昇を招いてしまう。また、この圧力センサが故障した場合には、弁プラグ状態の推定が不能となってしまう。
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、その目的とするところは、故障に対する信頼性や推定精度を確保した上で、部品点数やコストの上昇を抑制しつつ排気通路内燃料噴射弁の弁プラグ状態の推定を可能とする内燃機関の排気浄化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、燃料供給系にコモンレールを有する内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、コモンレールに燃料を供給する燃料ポンプと、触媒の上流側の排気通路に設けられ、燃料ポンプから供給される燃料を排気通路内に噴射する排気通路内燃料噴射弁と、コモンレール内の圧力を検出するコモンレール圧検出手段と、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、排気通路内燃料噴射弁による燃料噴射時において、コモンレール圧検出手段により検出されたコモンレール内の圧力と回転速度検出手段により検出された内燃機関の回転速度の変動状況とに基づいて、排気通路内燃料噴射弁の噴射口の詰まり度合を推定する推定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、推定手段は、排気通路内燃料噴射弁による燃料噴射時において、コモンレール圧検出手段により検出されたコモンレール内の圧力の最低値が第１の所定値以上であるか、または回転速度検出手段により検出された回転速度の最大変動量が第２の所定値以下である場合に、噴射口の詰り度合が許容を超えた状態であると推定する一方、コモンレール内の圧力の最低値が第１の所定値未満であり、かつ回転速度の最大変動量が第２の所定値より大きい場合に、噴射口の詰まり度合は許容を超えていない状態であると推定することを特徴とする。

また、請求項３の発明では、請求項１または２において、推定手段により推定した噴射口の詰り度合に基づいて排気通路内燃料噴射弁からの燃料の設定噴射量を増量補正する補正手段を、更に備えたことを特徴とする。
また、請求項４の発明で、請求項３において、補正手段は、排気通路内燃料噴射弁の噴射時間を増加させることで、設定噴射量を増量補正することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えばディーゼルエンジンのような内燃機関に広く用いられるコモンレール圧検出手段とクランク角センサのような回転速度検出手段を流用することで、あらたに検出手段を追加することなく、排気通路内燃料噴射弁の噴射口の詰まり度合を推定することができる。更に、噴射口の詰まり度合を推定する際に、コモンレール圧検出手段と回転速度検出手段の２つを併用するので、検出手段の故障に対する信頼性や推定精度を確保することができる。

また、本発明の請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、コモンレールに燃料を供給する燃料ポンプから排気通路内燃料噴射弁に燃料が供給されるので、排気通路内燃料噴射弁による燃料噴射時にコモンレール内の圧力が低下するともに内燃機関の回転速度が変動することから、コモンレール内の圧力及び内燃機関の回転速度の変動状況に基づいて、噴射口の詰まり度合を容易に推定することができる。

また、本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、噴射口の詰り度合に基づいて排気通路内燃料噴射弁からの燃料の設定噴射量を増量補正するので、排気通路内燃料噴射弁の噴射口で詰りが発生したとしても、排気通路内に燃料を適正量噴射することができる。
また、本発明の請求項４の内燃機関によれば、噴射口の詰りにより燃料の実噴射量が設定噴射量に対して不足する場合に、噴射時間を増加させることで実噴射量を設定噴射量に一致させることができる。

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、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジン１（内燃機関）の燃料系及び排気系の概略構成図である。
本実施形態のエンジン１は、コモンレール２を備えた多気筒ディーゼルエンジンである。エンジン１のシリンダヘッド３には、燃焼室４に臨んで電磁式の筒内燃料噴射弁５が気筒毎に設けられている。各筒内燃料噴射弁５は高圧パイプ６によりコモンレール２に接続されるとともに、コモンレール２は高圧パイプ７を介して燃料ポンプ８に接続されている。燃料ポンプ８はエンジン１により駆動され、燃料タンク９に貯留された燃料をコモンレール２に供給する機能を有している。コモンレール２に供給された燃料は高圧の状態で蓄えられ、エンジン１の運転時に各筒内燃料噴射弁５から燃焼室４内に噴射される。

一方、エンジン１の排気管１１には、上流側から順番に、酸化触媒１２、ＮＯx吸蔵触媒１３、ＤＰＦ１４が介装されている。酸化触媒１２は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

ＮＯx吸蔵触媒１３は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ＤＰＦ１４は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。
酸化触媒１２の上流側には、排気管内燃料噴射弁（排気通路内燃料噴射弁)１５が設置されている。排気管内燃料噴射弁１５は、高圧パイプ１６を介して燃料ポンプ８に接続されており、燃料ポンプ８から燃料が供給される。排気管内燃料噴射弁１５は、供給された燃料を噴射口から排気管１１内に噴射する機能を有している。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ２０の入力側には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ３０（回転速度検出手段）、コモンレール２内の圧力を検出するコモンレール圧センサ３１（コモンレール圧検出手段）、図示しない吸気流量を検出するエアフローセンサ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ、排気温度を検出する排気温度センサ等の各種センサが接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ２０の出力側には、上述した筒内燃料噴射弁５の他に、図示しない吸気絞り弁等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて燃料噴射量、燃料噴射時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、適正なタイミングで筒内燃料噴射弁５や吸気絞り弁等の出力デバイスを制御する。

ところで、以上のようにＤＰＦ１４の上流に酸化触媒１２を配置することにより、通常運転時すなわちリーン空燃比雰囲気下では、酸化触媒１２からＮＯ_２が排出され、ＮＯx吸蔵触媒１３を通過してＤＰＦ１４に流入し、ＤＰＦ１４に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応してこれを酸化させる。酸化したすすはＣＯ_２となり、ＤＰＦ１４から除去され、ＤＰＦ１４が連続的に再生される（連続再生）。

上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ１４の再生が行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ２０は、例えばＤＰＦ１４の前後の差圧及び排気流量に基づいてＤＰＦ１４でのＰＭの堆積量を推定し、この推定量が許容量以上となったときに、強制再生を実施させる機能を有している。強制再生は、排気管内燃料噴射弁１５を制御して排気管１１内に燃料を噴射させることで、燃料を酸化触媒１２に供給し、酸化触媒１２で酸化することで、排気温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ１４に堆積したＰＭを燃焼させ、ＤＰＦ１４を再生させる。

更に、エンジン１には、ＮＯx吸蔵触媒１３に吸蔵されたＮＯxを排出させるＮＯxパージ機能が備えられている。ＮＯxパージは、ＥＣＵ２０により、上述する各種センサ類からの検出情報、即ちエンジン１の運転状態に基づいて排気管内燃料噴射弁１５を制御して排気管１１内に燃料を噴射させ、ＮＯx吸蔵触媒１３に流入する排気の空燃比をリッチ化させることで実行される。

特に、本実施形態では、排気管内燃料噴射弁１５の噴射口の詰まり度合いを推定する弁プラグ推定機能と、推定した噴射口の詰まり度合いに応じて排気管内燃料噴射弁１５からの燃料の設定噴射量を補正する補正機能とを備えている。以下、図２を用いて弁プラグ推定機能及び補正機能を実現する弁プラグ推定制御及び補正制御を詳細に説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態でのＥＣＵ２０における弁プラグ推定制御及び補正制御を示すフローチャートである。

図２に示すルーチンは、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射とともに実行される。
先ず、ステップＳ１０では、コモンレール圧センサ３１からコモンレール圧Ｐcを入力し、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射に伴って一時的に低下したコモンレール圧Ｐcの最低値Ｐcminを求める。また、クランク角センサ３０から入力したクランク角θkの推移からクランク角速度ωkを演算し、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射に伴って変動したクランク角速度ωkの最大変動幅であるクランク角速度変動量Δωkを求める。そして、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、排気管内燃料噴射弁１５が弁プラグ状態であるか否かを判別する（推定手段）。詳しくは、ステップＳ１０で求めたコモンレール圧の最低値Ｐcminが許容値Ｐc1（第１の所定値）以上であるか否かを判別するとともに、クランク角速度変動量Δωkが許容値ωk1（第２の所定値）以下であるか否かを判別する。そして、これらの条件のうち少なくとも一方が満たされている場合には弁プラグ状態、即ち噴射口が許容を超えて詰まった状態であると判定する一方、双方が満たされていない場合には、弁プラグ状態でないと判定する。弁プラグ状態でない場合には、本ルーチンをリターンする。弁プラグ状態である場合にはステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、噴射量補正実施可能か否かを判別する。詳しくは、例えば排気管内燃料噴射弁１５に対する燃料噴射制御時に、コモンレール圧Ｐcが全く低下しなかった場合あるいはクランク角速度変動量Δωkが略０の場合に噴射量補正実施不能であると判定する。このような場合は、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射が不可能である状態が想定される。噴射量補正実施可能である場合は、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、後述するチェックランプを消灯状態にする。そして、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、排気管内燃料噴射弁１５の設定噴射量の補正を実施する（補正手段）。詳しくは、コモンレール圧の最低値Ｐcminに対応する燃料噴射時間補正係数Ｃft1を、あらかじめ実験等により確認し記憶しておいたマップから読み出す。また、クランク角速度変動量Δωkに対応する燃料噴射時間補正係数Ｃft2も同様にマップから読み出す。そして、燃料噴射時間補正係数Ｃft1及び燃料噴射時間補正係数Ｃft2のうち大きい方の値を設定燃料噴射時間Ｔfに乗じることで、設定燃料噴射時間Ｔfを補正燃料噴射時間Ｔf´に補正する。そして、図５に示すように、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射時に補正燃料噴射時間Ｔf´で排気管１１内への燃料噴射を実施する。その後、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１８における設定噴射量の補正を所定期間実行する。この所定期間は、例えばエンジン１の運転時間や排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射回数等で適宜設定すればよい。そして、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、ステップＳ１８において実施した設定噴射量の補正を解除する。そして、本ルーチンをリターンする。

一方、ステップＳ１４において、噴射量補正実施不能であると判定されたときには、ステップＳ２４に進む。
ステップＳ２４では、チェックランプを点灯させる。このチェックランプは、噴射量補正実施不能であることを運転者に報知する機能を有する。そして、本ルーチンをリターンする。

以上のように、本実施形態では、排気管内燃料噴射弁１５による燃料噴射時においてコモンレール圧Ｐcの最低値Ｐcminが許容値Ｐc1以上である場合、またはクランク角速度変動量Δωkが許容値ωk1以下である場合は、弁プラグ状態であると判定する。以下、この弁プラグ状態の判定に関し、図３及び図４を用いて詳述する。図３は、排気管内燃料噴射時でのコモンレール圧Ｐcの推移の一例を示すタイムチャートである。図４は、排気管内燃料噴射時でのクランク角速度ωkの推移の一例を示すタイムチャートである。

弁プラグ状態であるときには、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料の実噴射量が設定噴射量より少なくなる。これにより、燃料ポンプ８から排気管内燃料噴射弁１５への燃料供給量が低下するため、排気管内燃料噴射弁１５と同じ燃料ポンプ８によって燃料が供給されるコモンレール２への燃料供給量がより多く確保される。したがって、図３に示すように、弁プラグ状態であるときには、排気管内燃料噴射時におけるコモンレール２内の圧力の低下が抑えられる。また、コモンレール２内の圧力の低下が抑えられることから、排気管内燃料噴射時でも筒内燃料噴射弁５への燃料供給量の変動が抑制される。したがって、図４に示すように、弁プラグ状態であるときには、エンジン回転速度の変動量が少なくなる。以上のことから、許容値Ｐc1、許容値ωk1を適宜設定することで、排気管内燃料噴射時におけるコモンレール圧Ｐcの最低値Ｐcminまたはクランク角速度変動量Δωkに基づいて弁プラグ状態であるか否かを推定することができる。

そして、本実施形態では、ディーゼルエンジンに広く用いられているコモンレール圧センサ３１及びクランク角センサ３０を流用することで、あらたに圧力センサを追加することなく、コストの増加を抑制しつつ、排気管内燃料噴射弁１５の噴射口の詰まり度合を推定することができる。また、本実施形態では、弁プラグ状態を、コモンレール圧センサ３１とクランク角センサ３０の２つを併用して推定するので、いずれか一方のセンサのみでも推定可能であることから、センサの故障等に対する信頼性を確保することができるとともに、推定精度を向上させることもできる。

更に、本実施形態では、コモンレール圧の最低値Ｐcmin及びクランク角速度変動量Δωkに基づく排気管内燃料噴射弁１５の噴射口の詰まり度合に応じて、図５に示すように燃料噴射時間を増加補正するので、燃料噴射量が確保され、排気管内燃料噴射弁１５からの燃料噴射不足を防止することができる。したがって、強制再生やパージ処理等における排気管１１内への燃料噴射制御を精度良く実行させることができる。

次に、図６を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態でのＥＣＵ２０における弁プラグ推定及び燃料噴射補正制御を示すフローチャートである。以下、図２に示す第１の実施形態との相違点のみ説明する。
第２の実施形態では、図６に示すように、ステップＳ１８の後に本ルーチンをリターンするように制御する。

このように制御することで、第２の実施形態では、第１の実施形態のように燃料噴射補正制御を所定期間実施するのではなく、排気管内燃料噴射毎に噴射量の補正量を演算して補正することとなる。したがって、第２の実施形態では、弁プラグ状態時に迅速な推定及び補正が行われ、燃料噴射量の補正精度をより向上させることができる。
なお、以上の実施形態では、強制再生及びＮＯxパージの両方に排気管内燃料噴射弁１５を使用するエンジン１に対して本発明を適用しているが、これに限定するものではなく、例えばこれらのいずれか一方、あるいはＳパージ等のような他の用途で排気管内に燃料を噴射するエンジンでも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、、燃料ポンプ８から排気管内燃料噴射弁１５へ直接燃料を供給しているが、コモンレール２と排気管内燃料噴射弁１５を接続し燃料を供給しても良い。

本発明に係るディーゼルエンジンの燃料系及び排気系の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態でのＥＣＵにおける弁プラグ推定及び燃料噴射補正制御を示すフローチャートである。 排気管内燃料噴射時でのコモンレール圧の推移の一例を示すタイムチャートである。 排気管内燃料噴射時でのクランク角速度の推移の一例を示すタイムチャートである。 燃料噴射補正制御時における実噴射量の推移を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態でのＥＣＵにおける弁プラグ推定及び燃料噴射補正制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ コモンレール
１１ 排気管
１２ 酸化触媒
１３ ＮＯx吸蔵触媒
１５ 排気管内燃料噴射弁
２０ ＥＣＵ
３１ コモンレール圧センサ
３０ クランク角センサ

Claims (4)

1. 燃料供給系にコモンレールを有する内燃機関の排気浄化装置において、
   前記内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、
   前記コモンレールに燃料を供給する燃料ポンプと、
   前記触媒の上流側の排気通路に設けられ、前記燃料ポンプから供給される燃料を前記排気通路内に噴射する排気通路内燃料噴射弁と、
   前記コモンレール内の圧力を検出するコモンレール圧検出手段と、
   前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記排気通路内燃料噴射弁による燃料噴射時において、前記コモンレール圧検出手段により検出されたコモンレール内の圧力と前記回転速度検出手段により検出された内燃機関の回転速度の変動状況とに基づいて、前記排気通路内燃料噴射弁の噴射口の詰まり度合を推定する推定手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記推定手段は、前記排気通路内燃料噴射弁による燃料噴射時において、前記コモンレール圧検出手段により検出されたコモンレール内の圧力の最低値が第１の所定値以上であるか、または前記回転速度検出手段により検出された回転速度の最大変動量が第２の所定値以下である場合に、前記噴射口の詰り度合が許容を超えた状態であると推定する一方、前記コモンレール内の圧力の最低値が前記第１の所定値未満であり、かつ前記回転速度の最大変動量が前記第２の所定値より大きい場合に、前記噴射口の詰まり度合は許容を超えていない状態であると推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記推定手段により推定した前記噴射口の詰り度合に基づいて前記排気通路内燃料噴射弁からの燃料の設定噴射量を増量補正する補正手段を、更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記補正手段は、前記排気通路内燃料噴射弁の噴射時間を増加させることで、前記設定噴射量を増量補正することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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