JP5187156B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御に関し、特に、排気温度を昇温させるための燃料噴射制御に関する。

内燃機関の排気浄化触媒を活性化、再生等のために昇温するために、メイン噴射のあとにポスト噴射を行う燃料噴射制御が知られている。

例えば、触媒温度を検知し、触媒が活性温度以上の場合にはポスト噴射時期を遅角させてＨＣ排出量を増加させ、活性温度以下の場合にはポスト噴射時期を進角させることで排気温度を上昇させる制御が特許文献１に開示されている。
特開２００４−１６９５９５号公報

しかしながら、ポスト噴射時期を変更すると、まず排気温度が変化し、この排気温度の変化によって触媒温度が変化する。つまりポスト噴射量を変化させてから触媒温度が変化するまでに遅れが生じる。このため、触媒温度に基づいてポスト噴射時期を制御する特許文献１の制御方法では、触媒温度が変化する過渡時において、触媒の昇温について改善の余地があった。

そこで、本発明では、触媒の昇温に優れる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、機関出力に寄与するメイン噴射の後に、排気昇温に寄与するポスト噴射を行い得る内燃機関の燃料噴射制御装置において、排気温度の上昇要求を発する排気温度上昇要求発生手段と、排気弁開時期における筒内温度または排気浄化触媒より上流側の排気通路内の排気温度を推定する温度推定手段と、メイン噴射及びポスト噴射の噴射時期及び噴射量を設定する噴射制御手段と、少なくとも排気弁の開時期を変更可能な可変動弁手段と、を備え、排気温度上昇要求があるときに、噴射制御手段は、排気弁開時期における筒内温度または排気通路内の排気温度によって、ポスト噴射の噴射量及び噴射時期を設定し、前記排気温度上昇要求があり、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度が、筒内または排気浄化触媒より上流側の排気通路内で、前記ポスト噴射により噴射された燃料が部分酸化可能な温度である第１温度より低い場合には、前記可変動弁手段は排気弁開時期を進角側に変化させ、前記噴射制御手段は前記ポスト噴射の噴射時期を排気弁開時期より後に設定する。

本発明によれば、排気弁開時期における筒内温度または排気浄化触媒より上流側の排気通路内の排気温度を推定し、触媒の昇温に優れたポスト噴射制御を行うことができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するディーゼルエンジンのシステム構成図である。

１はディーゼルエンジン本体、２は各気筒の燃料噴射弁、３は高圧の燃料を蓄えるコモンレール、４は吸気コレクタ、５は吸気通路、１１は排気通路、１０は種々の制御を行うコントロールユニット、１４はディーゼルエンジン本体１の駆動力を駆動軸に伝達する変速機である。なお、変速機１４は有段変速機、無段変速機のいずれであっても構わない。

本システムの燃料噴射装置は、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置である。すなわち、高圧ポンプ９により高圧化された燃料がコモンレール３に蓄えられ、各燃料噴射弁２がコントロールユニット（ＥＣＵ）１０からの噴射信号に応じて開閉動作することで、コモンレール３内の燃料を気筒内に噴射する。

ディーゼルエンジン本体１の各吸気ポートに接続する吸気コレクタ４には、吸気通路５が接続し、吸気通路５には、上流側から吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１５、吸気を加圧するためのターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、加圧されて高温となった空気を冷却するインタークーラ７が設置される。

排気通路１１には、その上流側から、ターボチャージャ６のタービン６ｂ、排気中のＮＯｘを吸着するＮＯｘ触媒１２、排気中のパティキュレート（ＰＭ）を補集する排気トラップ（ＤＰＦ）１３が配置される。

筒内と排気通路１１との連通を断接する排気バルブは、少なくとも開閉時期を可変制御可能な可変動弁機構により駆動される。

なお、排気通路１１の前記タービン６ｂの上流から分岐して吸気コレクタ４に接続するＥＧＲ通路２１が設けられ、このＥＧＲ通路２１にはＥＧＲ弁２２が設置され、運転条件に応じて吸気中に還流される排気量を制御する。

ＥＣＵ１０には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１６、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ１７からの各検出信号が入力される。そして、これらに基づいて、燃料噴射制御、ＥＧＲ弁２２の開度制御、吸気絞弁８の開度制御、ＤＰＦ１３内のＰＭ堆積量の推定等を行う。また、排気温度の昇温要求の要否を判断し、排気温度昇温要求がある場合には、後述するようにポスト噴射時期及び排気弁開弁時期を変更する制御を行う。

次に、燃料噴射制御について説明する。図２はＥＣＵ１０が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。本フローチャートは、例えば１０ｍｓ程度の短時間毎に繰り返し実行する。

ステップＳ１０では、エンジン回転数センサ１６で検出するエンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度センサ１７で検出するアクセル開度Ｖｎを読み込む。

ステップＳ２０では、アクセル開度Ｖｎから算出した要求トルクとエンジン回転数ＮＥに基づいて、マップ検索により要求噴射量Ｑを算出する。ここでは、例えば図３に示すように縦軸に要求トルク、横軸にエンジン回転数ＮＥをとり、メイン噴射量が低負荷低回転ほど少なく、高負荷高回転ほど多くなるよう設定したマップを用いる。

ステップＳ３０では、排気昇温要求があるか否かを判定し、排気昇温要求がある場合はステップＳ４０に進み、ない場合はステップＳ１４０に進む。例えば、ＤＰＦ再生時期である場合や被毒解除時期である場合等に、排気昇温要求有りと判断する。ＤＰＦ再生時期か否か、被毒解除時期であるか否か、については、一般に知られた方法と同様の方法で判断する。

ステップＳ４０では、要求噴射量Ｑと排気昇温要求に応じた噴射量とから目標メイン噴射量及び目標メイン噴射時期を決定する。排気昇温要求に応じた噴射量は、排気温度が低い低負荷低回転から排気温度が高い高負荷高回転になるほど少なくなる。

ステップＳ５０では、メイン噴射量、メイン噴射時期、燃料噴射圧及びエアフローメータ１５で検出した実際の空気量に基づいて、以下に説明するように簡易的な方法で排気弁開時期（ＥＶＯ時）の筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌを算出する。

まず、空気量に基づいてサイクル中の筒内圧履歴を求め、目標メイン噴射量、目標メイン噴射時期及び燃料噴射圧等に基づいて熱発生率を求める。

なお、熱発生率とは、クランク角の変化に対して燃料がどのような割合で燃焼したか、を示す値である。

図４は、筒内圧履歴と熱発生率について示した図であり、横軸はクランク角[ｄｅｇ．ＡＴＤＣ]、縦軸は筒内圧［ＭＰａ］及び熱発生率［Ｊ／ｄｅｇ］である。

図４示すように、吸気弁が閉じた後はピストンの上昇により筒内圧が高まる。そして燃料が噴射されると、さらに燃料が燃焼することによる熱が発生する。熱発生率が立ち上がっている位置が、燃焼の開始位置に相当する。燃焼が終了すると、熱発生率はゼロになり、ピストンの降下とともに筒内圧は低下する。

次に、筒内圧履歴及び熱発生率と、気体の状態方程式とから、図５に示すようにクランク角に対する筒内温度履歴を求め、ＥＶＯ時における筒内温度を算出する。

上記の筒内圧履歴及び熱発生率、及びこれらに基づくＥＶＯ時における筒内温度の算出には、公知の方法、例えば特開２００７−２４７４８７号公報に開示された方法を適用できる。

ステップＳ６０では、ＥＶＯ時の筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌが、所定の温度Ｔ１（第１温度）より低いか否かを判定し、低い場合はステップＳ７０に進み、高い場合はステップＳ１００に進む。

所定の温度Ｔ１は、ポスト噴射した燃料が筒内で部分酸化可能な温度を設定する。すなわち、部分酸化が不可能な温度であればステップＳ７０に進み、可能であればステップＳ１００に進む。

ステップＳ７０では、ＥＶＯ進角可能範囲を算出する。ＥＶＯ進角可能範囲とは、通常運転時のＥＶＯよりも進角側で、かつ運転状態から定まる要求機関負荷を確保できるＥＶＯの範囲をいう。例えば図６中のＥＶＯ〜ＥＶＯIの範囲である。

ステップＳ８０では、ＥＶＯ進角可能範囲の最進角位置までＥＶＯを進角し、ステップＳ９０では、ポスト噴射時期をＥＶＯよりも後の、排気バルブが開いている状態に設定する。これにより、ポスト噴射された燃料が高温の排気とともにＮＯｘ触媒１２及びＤＰＦ１３に送り込まれる。

ステップＳ１００では、筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌが所定の温度Ｔ２（第２温度）より低いか否かを判定し、低い場合はステップＳ１１０に進み、高い場合はステップＳ１３０に進む。ここで、所定の温度Ｔ２は、所定温度Ｔ１より高温の、例えばＮＯｘ触媒１２の活性温度とする。

ステップＳ１１０では、ポスト噴射時期を主燃焼（メイン噴射した燃料の燃焼）が終わった直後に設定する。これにより、ポスト噴射した燃料の部分酸化が行われる。

ステップＳ１２０では、ＥＶＯをポスト噴射時期またはポスト噴射中に設定する。
これにより、ポスト噴射した燃料によるオイル希釈を防止でき、また排気温度がある程度上昇しているため、ＮＯｘ触媒１２までの排気通路１１内でも燃料の部分酸化が行われる。このため、排気昇温に要する時間を短縮することができる。また、冷機始動時等にはＮＯｘ触媒１２、ＤＰＦ１３の活性化が促進され、未燃ＨＣ発生を抑制することができる。

ステップＳ１３０では、ポスト噴射時期をＥＶＯより後の時期に設定する。これにより、ポスト噴射が排気バルブ開弁中に行われることとなり、ポスト噴射により噴射された燃料が効果的にＮＯｘ触媒１２、ＤＰＦ１３に送り込まれ、排気昇温が促進される。なお、吸気弁と排気弁のいずれもが開弁している、いわゆるバルブオーバーラップ中にポスト噴射を行うように設定しても、同様の効果が得られる。

ステップＳ１４０では、一般的なエンジンと同様に目標メイン噴射量、目標メイン噴射時期を設定して運転する。

上記の制御における筒内温度領域、バルブタイミング、及びポスト噴射時期についてまとめると、図６、図７のようになる。図６に示すように、筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌを所定温度Ｔ１以下の領域I、所定温度Ｔ１より高温かつ所定温度Ｔ２以下の領域II、所定温度Ｔ２より高温の領域IIIの３つの領域に分けられる。

図７は、領域I〜IIIのＥＶＯ及びポスト噴射時期の一例を示す図である。

領域Iでは、ＥＶＯ時期を通常ＥＶＯからＥＶＯ進角可能範囲で最も進角したＥＶＯIまで進角し、ＥＶＯI後のクランク角領域ＩＴiでポスト噴射を行う。

領域IIでは、主燃焼終了後のクランク角領域ＩＴiiでポスト噴射を行い、ＥＶＯもこの範囲内に設定する。

領域IIIでは、ポスト噴射を行うのは通常ＥＶＯ後のクランク角領域ＩＴiii、またはバルブオーバーラップ期間中とする。

ポスト噴射量は、昇温要求に応じて決まるものである。したがって、温度が相対的に高い領域IIIでは領域I、領域IIに比べて少なくなる。一方、領域Ｉは領域IIよりＥＶＯ時の筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌが低いが、ポスト噴射量は少なくなる。これは、相対的にＥＶＯ時の筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌが低い領域Ｉでは、燃料が部分酸化しにくく、またＮＯｘ触媒１２が活性化していないので、ポスト噴射量を制限することで、未燃ＨＣ排出量の増大を防止するためである。

なお、ＥＶＯ時の筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌの代わりに、ＮＯｘ触媒１２より上流側の排気通路１１内の排気温度Ｔｅｘｈを算出するようにしてもよい。

以上により本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

（１）メイン噴射の後に排気昇温のためのポスト噴射を行うことができる内燃機関の燃料噴射制御装置において、排気昇温要求があるときに、ＥＶＯ時における筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌまたはＮＯｘ触媒１２より上流側の排気通路１１内の排気温度Ｔｅｘｈが予め複数に区分された温度領域I〜IIIのいずれに属するかによって、ポスト噴射の噴射量及び噴射時期を設定するので、応答性に優れたポスト噴射の制御を行うことができる。

（２）筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌまたは排気温度Ｔｅｘｈを、実際の吸入空気量、メイン噴射時期及びメイン噴射量、並びにＥＶＯ時期に基づいて算出するので、応答性に優れたポスト噴射制御を行うために必要な温度を正確に推定することができる。

（３）排気昇温要求がある場合に、筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌまたは排気温度Ｔｅｘｈが領域Iに属するときには、ＥＶＯを進角させ、ポスト噴射時期をＥＶＯより後に設定するので、高温の排気ガスを排出しつつポスト噴射を行うこととなり、排気昇温及びＮＯｘ触媒１２の活性化を促進することができ、かつ未燃ＨＣの排出を抑制することができる。

（４）排気昇温要求がある場合に、筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌまたは排気温度Ｔｅｘｈが領域Iに属するときには、膨張行程中の予め設定したクランク角から通常運転時のＥＶＯに相当するクランク角までの間でポスト噴射を行うので、ポスト噴射により噴射された燃料が筒内または排気通路１１内で部分酸化される。これにより排気昇温及びＮＯｘ触媒１２の活性化を促進することができ、かつ未燃ＨＣの排出を抑制することができる。

（５）さらに、ＥＶＯをポスト噴射開始時期またはポスト噴射中のいずれかの時期まで進角させるので、ポスト噴射によるオイル希釈を抑制することができる。

（６）排気昇温要求がある場合に、内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌまたは排気温度Ｔｅｘｈが領域IIIに属するときには、ＥＶＯ以降またはバルブオーバーラップ期間中にポスト噴射を行う、すなわち、ＮＯｘ触媒が活性化した状態では、排気弁が開弁して排気流速が大きい状態でポスト噴射を行うので、燃料がＮＯｘ触媒１２、ＤＰＦ１３に効率よく導かれ、排気昇温が促進される。

（７）温度Ｔ１を、筒内またはＮＯｘ触媒１２より上流側の排気通路１１内で燃料が部分酸化可能な温度に設定するので、Ｔ１より低温では排気通路１１の昇温を優先的に行い、Ｔ１以上では排気通路１１での燃料の部分酸化が可能となる。

（８）温度Ｔ２を、ＮＯｘ触媒１２の活性温度に設定するので、Ｔ２より低温ではＮＯｘ触媒１２の昇温を優先的に行い、Ｔ２以上ではＮＯｘ触媒１２における燃焼による排気昇温の促進が可能となる。

第２実施形態について説明する。

本実施形態は、システムの構成は第１実施形態と同様であるが、ポスト噴射制御の一部が異なる。

図８は本実施形態のポスト噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２のフローチャートと異なるのはステップＳ２７０〜Ｓ２９０なので、この部分についてのみ説明する。

ステップＳ２７０では、メイン噴射時期の遅角可能範囲を算出する。メイン噴射遅角可能範囲とは、通常運転時のメイン噴射時期よりも遅角側で、かつ運転状態から定まる要求機関負荷を確保できるメイン噴射時期の範囲をいう。

ステップＳ２８０では、ステップＳ２７０で算出した遅角可能範囲内でメイン噴射時期を設定する。

ステップＳ２９０では、ポスト噴射時期及び噴射量を設定する。ここでは、予め設定した所定の噴射時期及び噴射量よりも早いタイミング、少ない噴射量を設定する。予め設定した所定の噴射時期は、例えばポスト噴射による燃焼で失火が生じてしまう噴射時期とする。一方、予め設定した所定の噴射量は、例えばポスト噴射した場合に失火が生じてしまう噴射量とする。

すなわち、ポスト噴射を行った場合に、ポスト噴射により噴射された燃料が筒内で燃焼しきるような噴射時期及び噴射量に設定する。なお、ポスト噴射を禁止するようにしてもよい。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

排気昇温要求がある場合に、筒内温度Ｔｉｎ−ｃｙｌまたは排気温度Ｔｅｘｈが領域Iに属するときには、メイン噴射を遅角させ、ポスト噴射を禁止または失火が生じない噴射時期及び噴射量で行うので、排気通路１１内の排気温度を上昇させて排気昇温及びＮＯｘ触媒１２の活性化を促進するとともに、未燃ＨＣの排出を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

第１実施形態を適用するシステムの構成図である。 第１実施形態のポスト噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 要求噴射量マップである。 筒内圧及び熱発生率のクランク角に対する履歴を示す図である。 排気温度のクランク角に対する履歴を示す図である。 筒内温度領域を示す図である。 ポスト噴射時期及び排気弁開時期を示す図である。 第２実施形態のポスト噴射制御の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 ディーゼルエンジン本体
２ 燃料噴射弁
３ コモンレール
４ 吸気コレクタ
５ 吸気通路
６ ターボチャージャ
７ インタークーラ
８ 吸気絞り弁
９ 高圧ポンプ
１０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１１ 排気通路
１２ ＮＯｘ触媒
１３ ＤＰＦ
１４ 変速機
１５ エアフローメータ
１６ エンジン回転数センサ
１７ アクセル開度センサ
２１ ＥＧＲ通路
２２ ＥＧＲ弁

Claims (6)

1. 機関出力に寄与するメイン噴射の後に、排気昇温に寄与するポスト噴射を行い得る内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   排気温度の上昇要求を発する排気温度上昇要求発生手段と、
   排気弁開時期における筒内温度または排気浄化触媒より上流側の排気通路内の排気温度を推定する温度推定手段と、
   前記メイン噴射及び前記ポスト噴射の噴射時期及び噴射量を設定する噴射制御手段と、
   少なくとも排気弁の開時期を変更可能な可変動弁手段と、
   を備え、
   排気温度上昇要求があるときに、前記噴射制御手段は、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度によって、前記ポスト噴射の噴射量及び噴射時期を設定し、
   前記排気温度上昇要求があり、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度が、筒内または排気浄化触媒より上流側の排気通路内で前記ポスト噴射により噴射された燃料が部分酸化可能な温度である第１温度より低い場合には、前記可変動弁手段は排気弁開時期を進角側に変化させ、前記噴射制御手段は前記ポスト噴射の噴射時期を排気弁開時期より後に設定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 機関出力に寄与するメイン噴射の後に、排気昇温に寄与するポスト噴射を行い得る内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   排気温度の上昇要求を発する排気温度上昇要求発生手段と、
   排気弁開時期における筒内温度または排気浄化触媒より上流側の排気通路内の排気温度を推定する温度推定手段と、
   前記メイン噴射及び前記ポスト噴射の噴射時期及び噴射量を設定する噴射制御手段と、
   少なくとも排気弁の開時期を変更可能な可変動弁手段と、
   を備え、
   排気温度上昇要求があるときに、前記噴射制御手段は、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度によって、前記ポスト噴射の噴射量及び噴射時期を設定し、
   前記排気温度上昇要求があり、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度が、筒内または排気浄化触媒より上流側の排気通路内で前記ポスト噴射により噴射された燃料が部分酸化可能な温度である第１温度より低い場合には、前記噴射制御手段により前記メイン噴射時期を遅角側に変化させ、または前記可変動弁手段により排気弁開時期を進角側に変化させ、かつ前記噴射制御手段により前記ポスト噴射を禁止、または前記ポスト噴射をポスト噴射による燃焼で失火が生じる噴射時期よりも早いタイミングでポスト噴射した場合に失火が生じる噴射量よりも少ない噴射量で行うことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記噴射制御手段は、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度を、実際の吸入空気量、前記メイン噴射の時期及び噴射量、並びに排気弁開弁時期に基づいて算出する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燃料噴射制御装置。
4. 前記排気温度上昇要求があるときに、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度が、前記第１温度以上かつ前記排気浄化触媒の活性温度である第２温度より低い領域に属する場合には、前記噴射制御手段は膨張行程中の、前記メイン噴射した燃料の燃焼が終わった直後から前記排気温度上昇要求がない場合の排気弁開時期までの間で前記ポスト噴射を行うよう前記ポスト噴射時期を設定する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燃料噴射制御装置。
5. 前記可変動弁手段は、排気弁開時期をポスト噴射開始時期またはポスト噴射中のいずれかの時期まで進角させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 前記排気温度上昇要求があるときに、前記排気弁開時期における筒内温度または前記排気通路内の排気温度が前記第２温度以上の場合には、前記噴射制御手段は排気弁開弁時期以降またはバルブオーバーラップ期間中にポスト噴射を行うよう前記ポスト噴射時期を設定することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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