JP4479340B2

JP4479340B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP4479340B2
Application number: JP2004146767A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 太郎青山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-05-17
Also published as: JP2005325817A

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膨張行程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１参照）。この補助燃料は排気ガスと共に触媒に到って触媒で酸化され、その結果触媒の温度が上昇される。

特開２００３−１７２１８５号公報特開平１１−０８１９９２号公報特開平１１−１５３０２１号公報特開２００２−３７１９００号公報特開平１０−１４１１４７号公報

上述した補助燃料を触媒温度上昇のために有効に利用するためには、触媒に到るまでに補助燃料を十分に気化させまたは軽質化させる必要がある。これを達成するには、補助燃料の噴射時期をできるだけ早くして補助燃料が高温の燃焼ガスから受熱する時間をできるだけ長くすることが必要である。ところが、補助燃料の噴射時期を過度に早くすると、このときの筒内温度が燃料の筒内引火温度よりも高いために補助燃料が筒内で引火するおそれがある。しかしながら、補助燃料は主燃料が燃焼した後の燃焼ガス中に噴射されるので、補助燃料周りには補助燃料が完全に燃焼するのに十分な量の酸素が存在していない。その結果、補助燃料が筒内で引火すると多量の煤が発生するおそれがあるという問題点がある。煤の発生を抑制するために補助燃料の噴射時期を遅くすると、補助燃料を十分に気化ないし軽質化させることができない。

そこで本発明は、煤の発生を抑制しつつ補助燃料を触媒温度上昇のために有効に利用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、圧縮上死点付近において主燃料を噴射し次いで膨張行程において補助燃料を噴射するようにした内燃機関において、筒内圧を検出するための筒内圧センサを具備し、主燃料が燃焼した後の筒内圧を該筒内圧センサにより逐次検出し、主燃料が燃焼した後の筒内温度を該検出された筒内圧に基づいて逐次推定し、該推定された筒内温度が噴射禁止温度を越えて低下する時期を推定し、該推定された時期において補助燃料を噴射するようにした燃料噴射制御装置であって、前記噴射禁止温度を燃料の筒内引火温度に設定し、主燃料が燃焼した後の筒内ガス中の残留酸素濃度を推定し、該推定された残留酸素濃度に基づいて前記噴射禁止温度を補正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、前記推定された残留酸素濃度が低いときには高いときに比べて高くなるように前記噴射禁止温度を補正している。

また、前記課題を解決するために３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、圧縮上死点付近において主燃料を噴射し次いで膨張行程において補助燃料を噴射するようにした内燃機関において、筒内圧を検出するための筒内圧センサを具備し、主燃料が燃焼した後の筒内圧を該筒内圧センサにより逐次検出し、主燃料が燃焼した後の筒内温度を該検出された筒内圧に基づいて逐次推定し、主燃料が燃焼した後の筒内ガス中の残留酸素濃度を推定し、該推定された残留酸素濃度に基づいて噴射禁止温度を設定し、該推定された筒内温度が該噴射禁止温度を越えて低下する時期を推定し、該推定された時期において補助燃料を噴射するようにしている。
また、４番目の発明によれば３番目の発明において、前記推定された残留酸素濃度が低いときには高いときに比べて高くなるように前記噴射禁止温度を設定している。

煤の発生を抑制しつつ補助燃料を触媒温度上昇のために有効に利用することができる。

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内には電気制御式また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、さらに吸気ダクト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。さらに、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。

さらに図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には新気量を検出するためのエアフローメータ４０と、新気温度を検出するための新気温度センサ４１とが取り付けられる。また、スロットル弁８下流のたとえばサージタンク３には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気圧を検出するための吸気圧センサ４２と、サージタンク３内における吸気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ４３とが取り付けられる。さらに、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を検出するための踏み込み量センサ４４が接続され、たとえば１番気筒の筒内には筒内圧を検出するための筒内圧センサ４５が取り付けられる。排気管１５には触媒コンバータ１４から排出される排気ガスの温度を検出するための排気温度センサ４６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。これらセンサ４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６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。さらに、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４７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。

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。

本発明による各実施例の昇温制御では、図２に示されるように、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近において噴射される主燃料Ｑｍに加え、膨張行程において補助燃料Ｑｖが噴射される。この補助燃料Ｑｖは排気ガスと共に触媒コンバータ１４に到って触媒コンバータ１４で酸化され、その結果触媒コンバータ１４の温度が上昇される。なお、この補助燃料Ｑｖは機関出力にほとんど寄与しない。

さらに、本発明による各実施例の昇温制御では、主燃料が燃焼した後の筒内温度ＴＣＹＬが噴射禁止温度Ｔｘを越えて低下する時期θｘが推定され、この時期θｘに補助燃料Ｑｖが噴射される。

すなわち、図３に実線で示されるように、主燃料Ｑｍが燃焼した後の筒内温度ＴＣＹＬはクランク角θが大きくなるにつれて低下し、次いでクランク角θがθｘになると筒内温度ＴＣＹＬが噴射禁止温度Ｔｘよりも低くなる。なお、図３において筒内圧ＰＣＹＬが破線で示されている。

本発明による各実施例では、このように筒内温度ＴＣＹＬが噴射禁止温度Ｔｘよりも低くなる時期θｘが推定され、補助燃料Ｑｖの噴射時期θｖがこの時期θｘに設定される。言い換えると、筒内温度ＴＣＹＬが噴射禁止温度Ｔｘよりも低くなっているクランク角範囲のうち筒内温度ＴＣＹＬが最も高い時期に補助燃料Ｑｖが噴射される。

その上で、本発明による第１実施例では、噴射禁止温度Ｔｘが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭに設定される。このようにすると、主燃料が燃焼した後の筒内温度ＴＣＹＬが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭを越えて低下する時期に補助燃料Ｑｖが噴射され、したがって補助燃料Ｑｖが筒内で引火しないクランク角範囲のうち筒内温度ＴＣＹＬが最も高い時期に補助燃料Ｑｖを噴射することができる。その結果、煤の発生を抑制しつつ補助燃料Ｑｖを触媒温度上昇のために有効に利用することができる。

一方、本発明による各実施例では、筒内温度ＴＣＹＬが次のようにして推定される。すなわち、筒内圧ＰＣＹＬが筒内圧センサ４５によりたとえば設定クランク角毎に検出され、筒内温度ＴＣＹＬが筒内の燃焼ガスについての状態方程式に基づいて設定クランク角毎に推定される。

この場合の状態方程式は次のように表される。

ＰＣＹＬ（θ）・ＶＣＹＬ（θ）＝Ｍ・Ｒ・ＴＣＹＬ（θ）
ここで、ＰＣＹＬ（θ），ＶＣＹＬ（θ），ＴＣＹＬ（θ）はクランク角がθのときの筒内圧、筒内容積、筒内温度を、Ｍは筒内に存在する燃焼ガス量を、Ｒはガス定数をそれぞれ表している。

筒内圧ＰＣＹＬ（θ）は筒内圧センサ４５により検出される。筒内容積ＶＣＹＬ（θ）はクランク角θの関数として予め求められており、ＲＯＭ３２内に記憶されている。また、燃焼ガス量Ｍは筒内に吸入された新気およびＥＧＲガスの総量すなわち吸気ガス量と考えることができ、この吸気ガス量はたとえばエアフローメータ４０により検出される新気量、新気温度センサ４１により検出される新気温度、および吸気圧センサ４２により検出される吸気圧とに基づいて決定することができる。

一般に筒内圧センサは温度センサに比べて応答性がよいので、このように筒内圧に基づき筒内温度を推定するようにすると、筒内温度を正確に求めることができる。なお、筒内圧ＰＣＹＬ（θ）の検出および筒内温度ＴＣＹＬ（θ）の推定はたとえば１番気筒において圧縮上死点になる毎にまたは主燃料Ｑｍが噴射される毎に開始される。

図４は本発明による第１実施例の補助燃料噴射時期θｖの算出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クランク角毎の割り込みによって実行される。

図４を参照すると、まずステップ１１０では補助燃料噴射時期θｖの算出条件が成立しているか否かが判別される。たとえば、昇温制御を行うべきでかつ１番気筒の圧縮上死点になったときに算出条件が成立していると判断され、それ以外は算出条件が不成立であると判断することができる。続くステップ１２０では噴射禁止温度Ｔｘが設定されているか否かが判別される。噴射禁止温度Ｔｘがいまだ設定されていないときには次いでステップ１３０に進み、噴射禁止温度Ｔｘの設定ルーチンが実行される。本発明による第１実施例の噴射禁止温度Ｔｘの設定ルーチンは図５に示されている。

図５を参照すると、ステップ１３１では噴射禁止温度Ｔｘが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭに設定される。

再び図４を参照すると、噴射禁止温度Ｔｘが設定されているときにはステップ１２０からステップ１４０に進み、筒内圧センサ４５により検出された筒内圧ＰＣＹＬ（θ）が読み込まれる。続くステップ１５０では状態方程式に基づき筒内温度ＴＣＹＬ（θ）が算出される。続くステップ１６０では筒内温度ＴＣＹＬ（θ）が噴射禁止温度Ｔｘよりも低いか否かが判別される。ＴＣＹＬ（θ）≧Ｔｘのときには処理サイクルを終了し、ＴＣＹＬ（θ）＜Ｔｘになると次いでステップ１７０に進んで補助燃料噴射時期θｖがこのときのクランク角θに設定される。

次に、本発明による第２実施例を説明する。

補助燃料Ｑｖが筒内で実際に引火するか否かは筒内温度ＴＣＹＬだけではなく、主燃料Ｑｍが燃焼した後の筒内ガス中の残留酸素濃度にも依存する。すなわち、残留酸素濃度が低いときには筒内温度ＴＣＹＬが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭよりもわずかに高くても補助燃料Ｑｖは引火しない。逆に、残留酸素濃度が高いときには筒内温度ＴＣＹＬが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭよりもわずかに低くても補助燃料Ｑｖは引火する場合がある。

そうすると、残留酸素濃度が低いときには上述した噴射禁止温度Ｔｘを高温側に変更しても補助燃料Ｑｖは引火せず、残留酸素濃度が高いときには補助燃料Ｑｖが引火しないように噴射禁止温度Ｔｘを低温側に変更しなければならないということになる。

そこで本発明による第２実施例では、主燃料が燃焼した後の筒内ガス中の残留酸素濃度を推定し、推定された残留酸素濃度に基づいて噴射禁止温度Ｔｘを設定するようにしている。

具体的には、残留酸素濃度ＣＯＸが予め定められた設定値Ｃ１よりも低いときには噴射禁止温度Ｔｘを燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭにたとえば一定値Δだけ加算したものに設定し（Ｔｘ＝ＴＦＬＭ＋Δ）、残留酸素濃度ＣＯＸが設定値Ｃ１よりも高いときには噴射禁止温度Ｔｘを燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭから一定値Δだけ減算したものに設定している（Ｔｘ＝ＴＦＬＭ−Δ）。

その結果、図６に示されるように、残留酸素濃度ＣＯＸが低いときには筒内温度ＴＣＹＬがＴＦＬＭ＋Δを越えて低下する時期θＬに補助燃料Ｑｖが噴射され、残留酸素濃度ＣＯＸが高いときには筒内温度ＴＣＹＬがＴＦＬＭ−Δを越えて低下する時期θＨに補助燃料Ｑｖが噴射される。

上述したように本発明による第２実施例では、残留酸素濃度ＣＯＸに基づいて噴射禁止温度Ｔｘが設定される。しかしながら、残留酸素濃度ＣＯＸに基づいて噴射禁止温度Ｔｘを補正しているという見方もできる。この場合、残留酸素濃度ＣＯＸが低いときには高いときに比べて高くなるように噴射禁止温度Ｔｘを補正しているということになる。

残留酸素濃度ＣＯＸの推定方法にはさまざまなものがある。本発明による第２実施例では、酸素濃度センサ４３により検出される吸気ガス中の酸素濃度と、主燃料Ｑｍの燃焼により消費される酸素量とに基づいて残留酸素濃度ＣＯＸが推定される。ここで、主燃料Ｑｍの燃焼により消費される酸素量は主燃料Ｑｍの量に応じて求めることができる。

図７は本発明による第２実施例の噴射禁止温度Ｔｘの設定ルーチンを示している。このルーチンは図４に示される補助燃料噴射時期θｖの算出ルーチンのステップ１３０において実行される。

図７を参照すると、ステップ１３２では残留酸素濃度ＣＯＸが算出される。続くステップ１３３では残留酸素濃度ＣＯＸが設定値Ｃ１よりも低いか否かが判別される。ＣＯＸ＜Ｃ１のときには次いでステップ１３４に進み、噴射禁止温度Ｔｘが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭに一定値Δだけ加算したものとされる（Ｔｘ＝ＴＦＬＭ＋Δ）。これに対し、ＣＯＸ≧Ｃ１のときには次いでステップ１３５に進み、噴射禁止温度Ｔｘが燃料の筒内引火温度ＴＦＬＭから一定値Δだけ減算したものとされる（Ｔｘ＝ＴＦＬＭ−Δ）。

内燃機関の全体図である。主噴射Ｑｍおよび補助燃料Ｑｖを説明するための図である。噴射禁止温度Ｔｘを説明するための図である。本発明による第１実施例の補助燃料噴射時期θｖの算出ルーチンを示すフローチャートである。本発明による第１実施例の噴射禁止温度Ｔｘの設定ルーチンを示すフローチャートである。本発明による第２実施例を説明するための図である。本発明による第２実施例の噴射禁止温度Ｔｘの設定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
４５…筒内圧センサ
Ｑｍ…主燃料
Ｑｖ…補助燃料
ＴＦＬＭ…燃料の筒内引火温度
Ｔｘ…噴射禁止温度
θｖ…補助燃料噴射時期

Claims

筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮上死点付近において主燃料を噴射し次いで膨張行程において補助燃料を噴射するようにした内燃機関において、筒内圧を検出するための筒内圧センサを具備し、主燃料が燃焼した後の筒内圧を該筒内圧センサにより逐次検出し、主燃料が燃焼した後の筒内温度を該検出された筒内圧に基づいて逐次推定し、該推定された筒内温度が噴射禁止温度を越えて低下する時期を推定し、該推定された時期において補助燃料を噴射するようにした燃料噴射制御装置であって、前記噴射禁止温度を燃料の筒内引火温度に設定し、主燃料が燃焼した後の筒内ガス中の残留酸素濃度を推定し、該推定された残留酸素濃度に基づいて前記噴射禁止温度を補正するようにした燃料噴射制御装置。
前記推定された残留酸素濃度が低いときには高いときに比べて高くなるように前記噴射禁止温度を補正する請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮上死点付近において主燃料を噴射し次いで膨張行程において補助燃料を噴射するようにした内燃機関において、筒内圧を検出するための筒内圧センサを具備し、主燃料が燃焼した後の筒内圧を該筒内圧センサにより逐次検出し、主燃料が燃焼した後の筒内温度を該検出された筒内圧に基づいて逐次推定し、主燃料が燃焼した後の筒内ガス中の残留酸素濃度を推定し、該推定された残留酸素濃度に基づいて噴射禁止温度を設定し、該推定された筒内温度が該噴射禁止温度を越えて低下する時期を推定し、該推定された時期において補助燃料を噴射するようにした燃料噴射制御装置。
前記推定された残留酸素濃度が低いときには高いときに比べて高くなるように前記噴射禁止温度を設定する請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。