JP5499552B2 - 排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法に関し、更に詳しくは、排気管内への燃料の噴射の状態を把握することができ、その燃料流量を適切な値に導くことができる排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法に関する。

近年、大気環境保全の観点から、軽油やガソリンを燃料とする自動車においては、排気管に設置された後処理装置にＬＮＴ（Lean NOx Traps）触媒を用いることにより排出ガスの浄化作用を高めている。これは、ＬＮＴ触媒が、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を貴金属と共に担持しリーン状態で一酸化窒素（ＮＯ）を酸化し硝酸塩として触媒上に吸着させ還元雰囲気中で窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化できる、という優れた作用効果を有しているからである。

このＬＮＴ触媒を用いる場合、ＮＯｘ浄化中にＬＮＴ触媒上へのＮＯｘ吸着反応を必要としており、その反応を維持するために、燃料を排気ガス中に定期的に噴射、供給することによりＬＮＴ触媒上での還元反応を進めるようにしている。

また、燃料中の硫黄によりＮＯｘ吸着量が低下し浄化率が低下してしまう不具合を回避すべく、硫黄除去処理を行っているが、その硫黄除去のために必要な昇温・加熱処理も燃料を排気ガス中に噴射、供給することにより行っている。

ところで、排気管内への燃料の供給に際しては、インジェクタを用い、燃料を排気ガスより高い圧力で排気管内に噴射するが、インジェクタの噴射機構部品に燃料の潤滑作用を利用し、安定した動作を確保するために水循環による冷却構造を設けている。

しかし、そのインジェクタから断続的に噴射する際に、燃料の一部がインジェクタの先端部に残留し、高温の排気ガスに曝されると、インジェクタの内部に残留した燃料中の炭素を主成分とした固形物が生成されてしまう。この固形物が噴射を妨げるような作用を及ぼし、排気管内への燃料供給を阻害する場合がある（例えば特許文献１，２参照）。

また、ＬＮＴ触媒では、定期的に触媒温度を高温にした後に酸素濃度を下げるような還元型雰囲気を必要とする硫黄脱離処理において、排気管内への燃料供給が阻害され噴射燃料量が低減した場合は、必要な温度や空気過剰率（λ）の確保が困難となり、その結果、硫黄の除去処理が不十分となり、ＮＯｘ浄化性能を低下させる、という問題がある。

また、制御マップ上に設定した排気噴射量から触媒温度を推定したフィードバック（以下、Ｆ／Ｂという）制御において、実際の噴射量や触媒温度をＦ／Ｂ制御対象としていない場合には、排気管への噴射量が過少となる状態は実際の触媒温度が昇温不十分になり脱硫処理が不良となって性能が低下してしまう、という問題がある。

また、排気管内へ燃料を噴射するインジェクタ毎に噴射量のばらつきがあり、加えて圧力に対する噴射量変化も個々に異なる場合に、これらインジェクタによる噴射特性の違いは硫黄除去を不十分とさせる虞がある。例えば噴射燃料量が多い場合には、排気ガス中の酸素との適切な割合を超えた混合状態となり酸素不足が生じ、硫黄処理に必要な温度まで上昇しないので、硫黄除去が不十分となりＮＯｘ浄化性能が低下すると共に、燃料が触媒上で酸化されず未燃のまま排出されると白煙が発生する虞もある。一方、噴射燃料量が少ない場合には硫黄離脱処理の処理時の還元雰囲気生成処理に必要なλが１以下にならない状態や空燃比リッチが浅い状態になる虞がある。対策としてインジェクタをある特性範囲内に選別することも可能であるが、規格値を絞るとコスト高となり、商品性を低下させる、という問題がある。

特開２００８−２９７９７９号公報 特開２００９−３０５０９号公報

本発明の目的は、排気管内への燃料の噴射の状態を把握することができ、その燃料流量を適切な値に導くことができる排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の排気管内燃料直接噴射システムは、燃料供給ポンプから供給された燃料を排気管内に噴射する燃料噴射装置を有する排気管内燃料直接噴射システムにおいて、前記燃料供給ポンプと前記燃料噴射装置とを繋ぐ燃料供給経路に第１容器と前記第１容器よりも容量の小さい第２容器とを前記燃料の流れる方向に沿って順に直列に設けるとともに、前記第２容器に燃料圧力センサを設け、前記排気管内に噴射する前記燃料が、前記燃料供給経路を通じ、前記第１容器と前記第２容器とを通過したときに、前記燃料圧力センサにより前記第２容器内の燃料圧力の変動を検出し、その検出情報に基づいて前記排気管内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて前記排気管内に噴射される燃料の流量を修正する制御手段を設けたものである。

また、上記した排気管内燃料直接噴射システムにおいて、前記燃料圧力センサにより検出される前記第２容器内の燃料圧力の変動として、燃料圧力の変動幅の変化または周波数の変化を計測するものである。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の排気管内燃料直接噴射システムを備えたものである。

また、上記の目的を達成するための本発明の排気管内燃料直接噴射システムの制御方法は、燃料供給ポンプから供給された燃料を排気管内に噴射する燃料噴射装置を有する排気管内燃料直接噴射システムの制御方法において、前記燃料供給ポンプと前記燃料噴射装置とを繋ぐ燃料供給経路に第１容器と前記第１容器よりも容量の小さい第２容器とを前記燃料の流れる方向に沿って順に直列に設けるとともに、前記第２容器に燃料圧力センサを設け、前記排気管内に噴射する前記燃料が、前記燃料供給経路を通じ、前記第１容器と前記第２容器とを通過したときに、前記燃料圧力センサにより前記第２容器内の燃料圧力の変動を検出し、その検出情報に基づいて前記排気管内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて前記排気管内に噴射される燃料の流量を修正する制御を行うものである。

また、上記した排気管内燃料直接噴射システムの制御方法は、前記燃料圧力センサにより検出される前記第２容器内の燃料圧力の変動として、燃料圧力の変動幅の変化または周波数の変化を計測するものである。

また、上記した排気管内燃料直接噴射システムの制御方法は、前記燃料の流量の修正に際して、前記排気管内に噴射された燃料の流量の計測値が、予め設定された燃料の要求流量値より少ない場合は、前記排気管内に噴射される燃料の流量を増やすとともに、次回燃料噴射要求量を増やすように修正し、前記排気管内に噴射された燃料の流量の計測値が、予め設定された燃料の要求流量値より多い場合は、前記排気管内への燃料の噴射を停止または前記排気管内に噴射される燃料の流量を減らすとともに、次回燃料噴射要求量を減らすように修正するものである。

本発明によれば、燃料供給ポンプから排気管への燃料供給経路に直列に設けられた大小２つの容器のうちの小さい容器に設けられた燃料圧力センサにより燃料圧力の変動を検出し、その検出情報に基づいて排気管内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて排気管内に噴射される燃料の流量を修正することにより、燃料の実噴射量を計測することができるので、排気管内への燃料の噴射の状態を把握することができ、その燃料流量を適切な値に導くことができる。

このため、排気管内に燃料を噴射するインジェクタの個体差に起因する排気管内への燃料の噴射量のばらつき等を修正することができる。また、排気管内への燃料流量の計測値をＦ／Ｂ制御の補正項目に加えることにより、排気管に噴射される燃料の流量を状況に応じて最適な値に設定することができる。また、排気管内に燃料を噴射するインジェクタの詰まり等に起因する排気管内への燃料の噴射停止や噴射量低下等の不良を検知することができる。このため、不良発生の警告もできる。

したがって、上記の排気管内燃料直接噴射システムを内燃機関に備えることにより、排気管内でのＮＯｘのＬＮＴ触媒上への吸着反応を向上させることができ、また、硫黄離脱処理も向上させることができる。このため、ＬＮＴ触媒上でのＮＯｘの浄化性能を向上させることができるので、排気ガスの清浄化を推進することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の構成図である。 図１の内燃機関の燃料流量計測ユニットの拡大断面図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの燃料供給経路に設けた大小容量の容器での燃料圧力の変動の計測結果を示したグラフ図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの燃料供給経路に設けた大小容量の容器での燃料圧力の変動の計測結果を示したグラフ図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの燃料供給経路に設けた小容量の容器の燃料圧力の変動幅に対する燃料圧力の影響を示したグラフ図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの制御フローを示す図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの制御フローを示す図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの燃料供給経路に設けた小容量の容器での燃料圧力の周波数の変動を計測した結果を示すグラフ図である。 図１の内燃機関の排気管内燃料直接噴射システムの燃料供給経路に設けた小容量の容器での燃料圧力の周波数と出力電圧との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示す第１の実施の形態の内燃機関は、例えばコモンレール方式のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１であり、トラック等のような自動車両に搭載される。このエンジン１は、エンジン本体（内燃機関本体）２のシリンダ３の燃焼室内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給した時に起こる自己着火をもとにした膨張でシリンダ３内のピストンを押し出す構成を有している。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等にも適用することもできる。

まず、このエンジン１の吸排気系について説明する。エンジン本体２の複数のシリンダ３の各々の入口には吸気マニホールド４が接続されている。吸気マニホールド４には吸気管５ａが接続されている。

また、複数のシリンダ３の各々の出口には排気マニホールド６が接続されている。この排気マニホールド６には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システム７を介して吸気管５ａが接続されている。ＥＧＲシステム７は、排気ガス再循環システムであり、ＥＧＲ管７ａと、ＥＧＲクーラ７ｂと、ＥＧＲ弁７ｃとを有している。

また、排気マニホールド６には、過給機８のタービンの入口が接続されている。過給機８は、互いに一体的に形成されたタービンとコンプレッサ（圧縮機）とを有している。過給機８のコンプレッサの出口には吸気管５ｂを通じて上記の吸気管５ａが接続されている。これにより、過給機８のタービンが排気ガスの力によって回転すると、これに連動してコンプレッサが駆動し、そのコンプレッサの駆動により圧縮した吸気ガスをエンジン本体２のシリンダ３内に送り込むようになっている。

また、過給機８のタービンの出口には排気管９が接続されている。この排気管９の途中位置には後処理装置１０が接続されている。後処理装置１０には、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するＮＯｘ浄化用触媒部と、ＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するフィルターとが排気ガスの流れる方向に沿って順に直列に接続されている。ＮＯｘ浄化用触媒部には、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒（Lean NOx Trap：以下、ＬＮＴ触媒と略す）が使用されている。ＬＮＴ触媒は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を貴金属と共に担持しリーン状態で一酸化窒素（ＮＯ）を酸化し、硝酸塩として触媒上に吸着させ還元雰囲気中でＮＯｘを浄化することが可能な触媒である。なお、排気管９において後処理装置１０の前段には排気ガスの温度を検出する温度センサ１１が設置されている。

次に、エンジン１の燃料供給系について説明する。エンジン本体２の各シリンダ３には、燃焼室内に燃料を直接噴射する電磁式のインジェクタ１５が設置されている。各インジェクタ１５は、コモンレール１６を介してサプライポンプ（燃料ポンプ）１７に接続されている。サプライポンプ１７には、燃料供給管１８ａを通じて燃料タンク（図示せず）が接続されている。なお、矢印Ｆ１は燃料供給管１８ａ内において燃料が流れる方向を示している。

また、第１の実施の形態のエンジン１は、燃料を一定圧力で排気管９内に直接噴射する排気管内燃料直接噴射システムを有している。排気管内燃料直接噴射システムは、燃料供給管１８ｂと、インジェクタ（燃料噴射装置）１９と、制御ユニット２０と、燃料流量計測ユニット（以下、単に計測ユニットという）２１とを有している。

インジェクタ１９は、排気管９内に燃料を直接噴射する装置であり、排気管９において後処理装置１０の前段に設置されている。このインジェクタ１９には、燃料供給管１８ｂを通じてコモンレール１６が接続されており、コモンレール１６から燃料が供給される。

また、インジェクタ１９には制御ユニット（制御手段）２０が電気的に接続されており、その動作が制御されている。この制御ユニット２０は、インジェクタ１９の動作をデューティー制御することにより、燃料を排気管９内に断続的に供給するとともに、その燃料の流量および噴射時期等を制御する機能を有している。

また、制御ユニット２０は、計測ユニット２１に電気的に接続されており、計測ユニット２１から伝送された燃料圧力の変動に関する検出情報に基づいて、排気管９内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて、排気管９内に噴射される燃料の流量を修正することが可能になっている。

上記の計測ユニット２１は、排気管９内への燃料の噴射量を測定するのに必要な燃料圧力の変動に関する情報を検出するための検出部を有しており、燃料供給管１８ｂの途中位置に設置されている。計測ユニット２１は、検出された燃料圧力の変動に関する情報を制御ユニット２０に伝送する。

次に、計測ユニット２１の一例の拡大断面図を図２に示す。なお、矢印Ｆ２は燃料の流れる方向を示している。

計測ユニット２１は、大小容量の異なる第１容器２１ａおよび第２容器２１ｂを有している。すなわち、燃料供給管１８ｂには、相対的に大容量の第１容器２１ａと、相対的に小容量の第２容器２１ｂとが、燃料の流れる方向Ｆ２に沿って順に直列に接続されている。この第１容器２１ａは、例えば第２容器２１ｂの５〜１０倍、好ましくは１０倍の容量で形成される。

第１容器２１ａおよび第２容器２１ｂの各々には、燃料圧力センサ（以下、単に圧力センサという）２２ａ，２２ｂが設置されている。圧力センサ２２ａは、第１容器２１ａ内の燃料圧力を検出するためのセンサであり、センサ面が燃料に接する状態で第１容器２１ａの上部に設置されている。

また、圧力センサ２２ｂは、第２容器２１ｂ内の燃料圧力を検出するためのセンサであり、そのセンサ面が燃料に接する状態で第２容器２１ｂの底部に設置されている。圧力センサ２２ａ，２２ｂは、制御ユニット２０に電気的に接続されており、それぞれで検出された容器内の燃料圧力の情報を電気信号に変換して制御ユニット２０に伝送する。

ここで、一定の圧力で加圧された燃料がインジェクタ１９を通じて排気管９内に噴射・供給されると、第１容器２１ａ内および第２容器２１ｂ内において、燃料体積の減少と、サプライポンプ１７による加圧供給とにより、燃料圧力が変動する。この燃料圧力の変動の大きさは、燃料圧力を検出する容器の容積および燃料加圧圧力の大きさに加え、インジェクタ１９を通じて排気管９に噴射される燃料の流量によって変わる。

そこで、第１の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システムにおいては、計測ユニット２１の小容量の第２容器２１ｂの容積を適度な値（例えば５〜１０ｃｍ^３程度、好ましくは１０ｃｍ^３）に設定し、インジェクタ１９を通じて排気管９内に噴射する燃料の流量に応じて、第２容器２１ｂ内の燃料圧力を変動させて、これを圧力センサ２２ｂで検出する。制御ユニット２０は、圧力センサ２２ｂで検出された燃料圧力の情報に基づいて、燃料圧力の変動幅の変化を計測し、その計測結果に基づいて排気管９に噴射された実際の燃料噴射量（燃料流量）を計測する。そして、その計測結果に基づいて、排気管９への燃料噴射量が適切な範囲に入るように修正する。

小容量の第２容器２１ｂの圧力を検出している理由は、大容量の第１容器２１ａでは容積が大きいので流量が変化しても圧力の変化は小さいのに対し、小容量の第２容器２１ｂ内では容積が小さいので流量が変化すると圧力の変化が大きい（燃料圧力が検出可能な高い圧力の幅で変化する）からである。この圧力幅は、エンジン回転数に応じて燃料を加圧する値によっても変わるので、この値は、大容量の第１容器２１ａの圧力センサ２２ａで検出された燃料圧力値から取得する。なお、大容量の第１容器２１ａの圧力センサ２２ａからの燃料圧力値は、本発明者による実験結果から、排気管９への燃料噴射による影響が非常に少ないことが検証されている。

ここで、第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内での燃料圧力の変動が、排気管９内に噴射される燃料体積に依存すると考える。下記の式（１）−ａ，（１）−ｂ、式（２）−ａ，（２）−ｂは、それぞれ第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内の燃料体積が変化すると同時に、サプライポンプ１７により所期圧力に戻るが、第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内の燃料体積が変化するために、この体積に依存して燃料圧力（燃料流量）が変化することを示している。

まず、燃料減少時について考える。すなわち、燃料は加圧された状態で第１、第２容器２１ａ，２１ｂに流れる。断続的な流れのもとで第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内の燃料がそれぞれ排気管９内への噴射量だけ減少した場合を考える。

第１容器２１ａ：
Ｐａ１×Ｖａ＝Ｐａ１’×（Ｖａ−ΔＶ０）
Ｐａ１’＝（Ｖａ×Ｐａ１）／（Ｖａ−ΔＶ０）・・・・・・・・・（１）−ａ

なお、Ｖａ：第１容器２１ａの容積、Ｐａ１：排気管９への燃料噴射前の第１容器２１ａ内で計測した加圧された燃料の圧力値、Ｐａ１’：排気管９への燃料噴射後の第１容器２１ａ内で計測した加圧された燃料の圧力値、ΔＶ０：排気管９内への燃料の噴射により燃料供給管１８ｂ内で減少する燃料体積である。

第２容器２１ｂ：
Ｐｂ１×Ｖｂ＝Ｐｂ１’×（Ｖｂ−ΔＶ０）
Ｐｂ１’＝（Ｖｂ×Ｐｂ１）／（Ｖｂ−ΔＶ０）・・・・・・・・・（１）−ｂ

なお、Ｖｂ：第２容器２１ｂの容積、Ｐｂ１：排気管９への燃料噴射前の第２容器２１ｂ内で計測した加圧された燃料の圧力値、Ｐｂ１’：排気管９への燃料噴射後の第２容器２１ｂ内で計測した加圧された燃料の圧力値である。

次に、燃料状態回復時について考える。すなわち、排気管９への燃料噴射終了後、復元の早い圧力は第１、第２容器２１ａ，２１ｂにおいて噴射前状態に戻り、遅れて燃料が第１、第２容器２１ａ，２１ｂへ流入し元の量まで戻った場合を考える。

第１容器２１ａ：
Ｐａ２’×Ｖａ＝Ｐａ２×（Ｖａ−ΔＶ１）
Ｐａ２’＝（（Ｖａ−ΔＶ１）×Ｐａ２）／Ｖａ・・・・・・・・・（２）−ａ

なお、Ｐａ２：排気管９への燃料噴射後に第１容器２１ａ内で回復した燃料の圧力値、Ｐａ２’：第１容器２１ａ内で排気管９への燃料噴射により不足した燃料が供給された後の圧力値、ΔＶ１：排気管９内への燃料の噴射により減少し、第１容器２１ａ内に供給された燃料体積である。

第２容器２１ｂ：
Ｐｂ２’×Ｖｂ＝Ｐｂ２×（Ｖｂ−ΔＶ１）
Ｐｂ２’＝（（Ｖｂ−ΔＶ１）×Ｐｂ２）／Ｖｂ・・・・・・・・・（２）−ｂ

なお、Ｐｂ２：排気管９への燃料噴射後に第２容器２１ｂ内で回復した燃料の圧力値、Ｐｂ２’：第２容器２１ｂ内で排気管９への燃料噴射により不足した燃料が供給された後の圧力値である。

次に、第１の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システムによる圧力変動の計算結果を図３〜図５に示す。なお、例えば第１容器２１ａと第２容器２１ｂとの容積比（＝容量大／容量小）は１０、小容量の第２容器２１ｂの容積は１０ｃｃとした。

図３はエンジン回転数が１０００ｒｐｍ、図４はエンジン回転数が２０００ｒｐｍにおける第１、第２容器２１ａ，２１ｂでの燃料圧力の変動を計測した結果をそれぞれ示している。小容量の第２容器２１ｂの燃料圧力の変動の方が、大容量の第１容器２１ａの燃料圧力の変動よりも大きいことが分かる。

また、図５は第２容器２１ｂの燃料圧力の変動幅に対する燃料圧力の影響を示している。第２容器２１ｂの燃料圧力に依存して、燃料が流れて変動する圧力値の幅が変化していることが分かる。

次に、第１の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システムの制御方法について図６および図７を参照しながら説明する。なお、図６および図７は排気管内燃料直接噴射システムの制御フローを示している。

まず、燃料をサプライポンプ１７により加圧したことにより生じた燃料圧力の値を大容量の第１容器２１ａの圧力センサ２２ａからの電気信号により検出する（燃料圧力の検出）。

次に、排気管９内への燃料噴射の指示に従い、燃料ポンプ１７からコモンレール１６および燃料供給管１８ｂを通じ、インジェクタ１９から排気管９内に燃料を噴射する。この時、一定量の燃料が、燃料供給管１８ｂに設けられた大小容量の異なる第１、第２容器２１ａ，２１ｂを通過すると、各容器内の燃料圧力の変動幅が容器容量に応じて変化する。

ここで、制御ユニット２０は、小容量の第２容器２１ｂの圧力センサ２２ｂにより検出され電気信号に変換された燃料圧力の情報に基づいて、排気管９内に噴射された燃料の流量を推定（計測）する。続いて、制御ユニット２０は、図６のステップ１００Ａに示すように、計測された燃料流量Ｑｅ１と、制御ユニット２０に予め設定されている要求値Ｑ＋αとを比較し、計測された燃料流量Ｑｅ１が要求値Ｑ＋αより少ない場合は、図６のステップ１０１Ａに示すように、排気管９内への燃料噴射を停止し、その後、図６のステップ１０２Ａに示すように、排気噴射時間マップにおける排気管９内への燃料の噴射時間を増やして燃料流量を増量するとともに、図６のステップ１０３Ａに示すように、次回燃料噴射要求量を増やすように修正する。

一方、制御ユニット２０は、図７のステップ１００Ｂに示すように、計測された燃料流量Ｑｅ２と、制御ユニット２０に予め設定されている要求値Ｑ＋αとを比較し、計測された燃料流量Ｑｅ２が要求値Ｑ＋αより多い場合は、図７のステップ１０１Ｂに示すように、排気管９内への燃料噴射を停止し、その後、図７のステップ１０２Ｂに示すように、排気噴射時間マップにおける排気管９内への燃料の噴射時間を減らして燃料流量を減らすとともに、図７のステップ１０３Ｂに示すように、次回燃料噴射要求量を減らすように修正する。

なお、燃料噴射要求量の修正は、エンジン回転数とエンジン本体２の燃焼室への燃料噴射量とによるマップに対して行う。

このような第１の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システムによれば、排気管９内に供給される燃料の実噴射量を計測することができるので、排気管９内への燃料の噴射の状態を把握することができ、その燃料流量を適切な値に導くことができる。

このため、排気管９内に燃料を噴射するインジェクタ１９の個体差に起因する排気管９内への燃料の噴射量のばらつき等を修正することができる。また、排気管９内への燃料流量の計測値をＦ／Ｂ制御の補正項目に加えることにより、排気管９に噴射される燃料の流量を状況に応じて最適な値に設定することができる。また、排気管９内に燃料を噴射するインジェクタ１９の詰まり等に起因する排気管９内への燃料の噴射停止や噴射量低下等の不良を検知することができる。このため、不良発生の警告もできる。

したがって、上記の排気管内燃料直接噴射システムをエンジン１に備えることにより、排気管９内におけるＬＮＴ触媒上へのＮＯｘの吸着反応を向上させることができ、また、硫黄離脱処理性能を向上させることができる。このため、ＬＮＴ触媒上でのＮＯｘの還元反応（浄化性能）を向上させることができるので、排気ガスの清浄化を推進することができる。

また、排気管９内に燃料を噴射するインジェクタ１９の規格値を絞る必要もないのでコスト高を招くこともなく、商品性の低下を招くこともない。

また、排気管内燃料噴射量を空燃比センサで検出された空燃比に基づいて算出する場合、吸入空気もしくは排気ガス中の酸素（Ｏ₂）濃度で同じ燃料噴射量との計算を行うので、酸素（Ｏ ₂ ）によっても変動してしまうが、本実施の形態の場合は、そのようなことを回避できる。

また、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に基づいて、排気通路内燃料噴射弁の噴射口のつまり度合いを推定する場合、コモンレール内の圧力検出部と、排気管内燃料噴射弁とが離れており、時間的な遅れが生じるが、本実施の形態の場合は、そのようなことを回避できる。

次に、本発明の第２の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システムについて説明する。

第１の実施の形態で説明したように、排気管９に燃料が噴射され、一定流量の燃料が大小２つの第１、第２容器２１ａ，２１ｂを通過すると、第１、第２容器２１ａ，２１ｂの燃料圧力が変動する。この時、第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内の燃料圧力の周波数（すなわち、単位時間あたりの燃料圧力の変動回数）が変化するが、これは排気管９内に供給される燃料の流量に比例する。

そこで、第２の実施の形態においては、計測ユニット２１の小容量の第２容器２１ｂの容積を適度な値（前記第１の実施の形態と同じ）に設定し、インジェクタ１９を通じて排気管９内に噴射する燃料の流量に応じて、第２容器２１ｂ内の燃料圧力を変動させて、それを圧力センサ２２ｂで検出する。制御ユニット２０は、圧力センサ２２ｂで検出された燃料圧力の情報に基づいて、燃料圧力の変動として周波数の変化を計測し、その計測結果に基づいて排気管９に噴射された実際の燃料噴射量（燃料流量）を計測する。そして、その計測結果に基づいて、排気管９への燃料噴射量が適切な範囲に入るように修正する。これ以外の排気管内燃料直接噴射システムおよび内燃機関の構成や排気管内燃料直接噴射システムの制御方法は、前記第１の実施の形態と同じである。

ここでは、第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内の燃料体積の時間変化、すなわち、燃料流量に依存させた場合の変化について検討した。なお、圧力のサンプリングタイムは、例えば０．５秒間としている。

第２容器２１ｂの容積が１０ｃｍ^３の場合、燃料圧力の上昇が上記した式（２）−ａで与えられるとし、２０００ｒｐｍでは９３６ｋＰａから１１７０ｋＰａに至ったが、燃料体積は第１容器２１ａ内の燃料が１０ｃｍ^３から８ｃｍ^３へ、０．５秒間に２ｃｍ^３だけ減り、その流量は４ｃｍ^３／秒となる。この流量が低下し、２ｃｍ^３／秒となった場合を考える。０．５秒間に１ｃｍ^３だけ減ることになるが、この時の圧力は１０４０ｋＰａであり、さらに、０．５秒経過し２ｃｍ^３減少して１１７０ｋＰａに至る。

次に、燃料圧力が一度所期圧力に戻った後で低下し、圧力が上記した式（２）−ｂで与えられる場合を考える。その圧力は、２０００ｒｐｍで９３６ｋＰａから７４９ｋＰａに低下したが、この時の燃料流量は４ｃｍ^３／秒で、０．５秒間に第２容器２１ｂ内の燃料が１０ｃｍ^３から８ｃｍ^３へ２ｃｍ^３だけ減っている。これを０．５秒間に１ｃｍ^３だけ減少するように燃料流量が低下し２ｃｍ^３／秒になった場合を考える。０．５秒間に１ｃｍ^３だけ減ることになるが、この時の圧力は８４２ｋＰａであり、さらに０．５秒経過し２ｃｍ^３減少して７４９ｋＰａに至る。

サプライポンプ１７により発生した燃料圧力がエンジン回転に依存して一定圧力を保つ状態で上記現象が生じるとする。小容積の燃料圧力計測部（第２容器２１ｂ）内を燃料が一定流速で流れると、流出した燃料体積を補うように容器内燃料圧力が上昇し、上昇した圧力を下げるように燃料が流出し、さらに燃料の流れが継続する場合には、燃料の流出により容器内燃料圧力は低下する。燃料が数秒間流れる場合には、この現象が繰り返される。

したがって、燃料を断続的に排気管９へ噴射するシステムで、数秒間だけ連続して燃料を噴射する場合には、上記した第１、第２容器２１ａ，２１ｂ内で燃料圧力が変動するので、変動する圧力の幅とは別に、変動する圧力のサイクル、すなわち、周波数をカウントすればそのときの燃料流量を推定（計測）することが可能となる。

次に、第２の実施の形態の排気管内燃料直接噴射システムによる圧力変動の計算結果を図８および図９に示す。なお、第２容器２１ｂの容積は、１０ｃｍ^３とした。

図８はエンジン回転数が２０００ｒｐｍにおける第２容器２１ｂでの燃料圧力の周波数の変動を計測した結果を示している。燃料流量が４ｃｍ^３／秒の場合、１５秒間で１５回（１Ｈｚ）となり、燃料流量が８ｃｍ^３／秒の場合、１５秒間で７回（約０．５Ｈｚ）となる。

また、図９は燃料圧力の周波数と、圧力センサ２２ｂの出力電圧との関係を示している。ある周波数になると、出力電圧は飽和し一定値となってしまう。そこで、出力電圧が飽和していない範囲Ａの周波数を使用し、出力電圧が飽和してしまう周波数を使用しないように適当な勾配（出力電圧／周波数の値）を選ぶ。勾配は必要に応じて調整する。

このような第２の実施の形態においても前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法は、燃料供給ポンプから排気管内への燃料供給経路に直列に設けられた大小２つの容器のうちの小さい容器に設けられた燃料圧力センサにより燃料圧力の変動を検出し、その検出情報に基づいて排気管内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて排気管内に噴射される燃料の流量を修正することにより、排気管内への燃料の噴射の状態を把握することができ、その燃料流量を適切な値に導くことができるので、自動車等の排気管内燃料直接噴射システム、内燃機関および排気管内燃料直接噴射システムの制御方法に利用できる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ エンジン本体（内燃機関本体）
６ 排気マニホールド
８ 過給機
９ 排気管
１０ 後処理装置
１６ コモンレール
１７ サプライポンプ（燃料ポンプ）
１８ａ，１８ｂ 燃料供給管
１９ インジェクタ（燃料噴射装置）
２０ 制御ユニット（制御手段）
２１ 燃料流量計測ユニット
２１ａ 第１容器
２１ｂ 第２容器
２２ａ，２２ｂ 燃料圧力センサ

Claims (6)

1. 燃料供給ポンプから供給された燃料を排気管内に噴射する燃料噴射装置を有する排気管内燃料直接噴射システムにおいて、
   前記燃料供給ポンプと前記燃料噴射装置とを繋ぐ燃料供給経路に第１容器と前記第１容器よりも容量の小さい第２容器とを前記燃料の流れる方向に沿って順に直列に設けるとともに、前記第２容器に燃料圧力センサを設け、
   前記排気管内に噴射する前記燃料が、前記燃料供給経路を通じ、前記第１容器と前記第２容器とを通過したときに、前記燃料圧力センサにより前記第２容器内の燃料圧力の変動を検出し、その検出情報に基づいて前記排気管内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて前記排気管内に噴射される燃料の流量を修正する制御手段を設けた排気管内燃料直接噴射システム。
2. 前記燃料圧力センサにより検出される前記第２容器内の燃料圧力の変動として、燃料圧力の変動幅の変化または周波数の変化を計測する請求項１記載の排気管内燃料直接噴射システム。
3. 請求項１または２記載の排気管内燃料直接噴射システムを備えた内燃機関。
4. 燃料供給ポンプから供給された燃料を排気管内に噴射する燃料噴射装置を有する排気管内燃料直接噴射システムの制御方法において、
   前記燃料供給ポンプと前記燃料噴射装置とを繋ぐ燃料供給経路に第１容器と前記第１容器よりも容量の小さい第２容器とを前記燃料の流れる方向に沿って順に直列に設けるとともに、前記第２容器に燃料圧力センサを設け、
   前記排気管内に噴射する前記燃料が、前記燃料供給経路を通じ、前記第１容器と前記第２容器とを通過したときに、前記燃料圧力センサにより前記第２容器内の燃料圧力の変動を検出し、その検出情報に基づいて前記排気管内に噴射された燃料の流量を計測し、その計測値に基づいて前記排気管内に噴射される燃料の流量を修正する制御を行う排気管内燃料直接噴射システムの制御方法。
5. 前記燃料圧力センサにより検出される前記第２容器内の燃料圧力の変動として、燃料圧力の変動幅の変化または周波数の変化を計測する請求項４記載の排気管内燃料直接噴射システムの制御方法。
6. 前記燃料の流量の修正に際して、
   前記排気管内に噴射された燃料の流量の計測値が、予め設定された燃料の要求流量値より少ない場合は、前記排気管内に噴射される燃料の流量を増やすとともに、次回燃料噴射要求量を増やすように修正し、
   前記排気管内に噴射された燃料の流量の計測値が、予め設定された燃料の要求流量値より多い場合は、前記排気管内への燃料の噴射を停止または前記排気管内に噴射される燃料の流量を減らすとともに、次回燃料噴射要求量を減らすように修正する請求項４または５記載の排気管内燃料直接噴射システムの制御方法。

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