JP5974755B2

JP5974755B2 - 内燃機関の燃料噴射時期制御装置および燃料噴射時期制御方法

Info

Publication number: JP5974755B2
Application number: JP2012202486A
Authority: JP
Inventors: 訓己金山; 道博畠
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP2014055581A

Description

本発明は、複数の気筒を有し、それぞれの気筒において順次燃料の主噴射および主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関の燃料噴射時期制御装置および燃料噴射時期制御方法に関する。

従来、ディーゼルエンジンなど、気筒内に直接燃料を噴射する直噴エンジン（筒内噴射エンジン）では、機関出力を得るためにおこなう燃料の主噴射（メイン噴射）の他、排気ガスの後処理の効率を高めるための後噴射（ポスト噴射）がおこなわれている。

このような後噴射に関する技術として、たとえば、下記特許文献１では、排気系に酸素過剰雰囲気にてＮＯｘの浄化が行なえるリーンＮＯｘ触媒が設けられ、該リーンＮＯｘ触媒への還元剤の供給を、機関膨張、排気行程での筒内燃料噴射により行なうものにおいて、筒内噴射の装置が、全気筒共通の燃料蓄圧管と、それに連結される燃料噴射弁と、燃料噴射弁の開閉を制御する電子制御ユニットと、から構成されていることによって、リーンＮＯｘ触媒に供給するＨＣ（炭化水素）量を筒内噴射で得るものにおいて、ＨＣ量を高精度で制御可能にすることとした技術が開示されている。

また、下記特許文献２では、直噴エンジンの触媒早期暖機制御中には、成層燃焼モードに切り換えて圧縮行程でエンジン出力を発生させるための主噴射を行った後に膨張行程で後噴射を行い、この際、先の気筒の後噴射と次の気筒の主噴射との噴射間隔が、燃料噴射弁を駆動するのに必要なコンデンサ充電時間よりも短いか否かを判断し、もし、噴射間隔がコンデンサ充電時間よりも短いと判断したときには、圧縮行程での主噴射時期を補正してコンデンサの充電時間を確保する。これにより、後噴射時期を十分な排気昇温効果が得られる適正なタイミングに設定しながら、噴射間隔がコンデンサ充電時間よりも短くなることを防止できるようにした技術が開示されている。

また、下記特許文献３では、排気管に２個のＮＯｘ触媒を直列に設置し、両ＮＯｘ触媒の間に排気温度センサを設置し、ＥＣＵは、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、パイロット噴射、主噴射、後噴射の噴射量と噴射時期を演算すると共に、排気温度センサで検出した上流側ＮＯｘ触媒の温度（上流側触媒温度）が高いほど後噴射時期を遅角補正する。後噴射時期の補正により、後噴射時のシリンダ内の温度が変化して後噴射燃料の改質度合が変化するため、上流側触媒温度に応じて後噴射時期を補正して後噴射燃料の改質度合を調整することで、上流側ＮＯｘ触媒で反応するＨＣ量を制御し、後噴射により供給したＨＣを下流側ＮＯｘ触媒まで到達させることにより、排気管に直列に配置した複数個の全てのＮＯｘ触媒に後噴射燃料（ＨＣ）を供給できるようにした技術が開示されている。

特開平０６−１１７２２５号公報特開２００２−０１３４３０号公報特開平１１−１５３０２１号公報

ある気筒（第１の気筒とする）における後噴射の時期（タイミング）が、他の気筒（第２の気筒とする）の主噴射時期と近い場合、第１の気筒における後噴射の時期によって第２の気筒における主噴射量が変化し、エンジンの出力トルクに影響を与える場合がある。特に、第１の気筒における後噴射を第２の気筒における主噴射よりも前に実施する場合、第１の気筒の後噴射時期によって出力トルクは目標値から大きく変動する。このような出力トルクの変動は、燃料の噴射、特に燃料噴射弁の閉弁によって燃料配管（コモンレールなど）内に発生する燃圧脈動によるものと推測される。すなわち、第１の気筒における噴射の直後に第２の気筒の噴射を実施する場合、第２の気筒の燃料噴射弁付近の燃圧は第１の気筒の噴射の時期によって変化する。このため、第１の気筒の噴射時期によって第２の気筒の燃料噴射量が変動し、第２の気筒の噴射が主噴射であった場合は出力トルクも同様に変動する。言い換えると、第１の気筒の後噴射による燃圧脈動によって第２の気筒の燃料噴射弁付近の燃圧が高くなったときは第２の気筒の主噴射量は意図した値よりも大きくなり出力トルクも目標値より大きくなるが、燃圧が低くなったときは逆に主噴射量は小さくなり出力トルクも目標値より小さくなる。エンジン出力はＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）で制御されているが、このような後噴射の影響によって意図したエンジン出力から大きく変動することは好ましくなく、後噴射の影響は最小限に留めることが望ましい。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、複数の気筒を有し、それぞれの気筒において順次燃料の主噴射および主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関において、後噴射の内燃機関出力への影響を低減させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる内燃機関の燃料噴射時期制御装置は、複数の気筒を有し、それぞれの前記気筒において順次燃料噴射弁からの燃料の主噴射および前記主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関の燃料噴射時期制御装置であって、制御対象気筒で後噴射が行われる時期近傍に主噴射が行われる後続気筒において前記主噴射の開始時期を示す主噴射時期情報を取得する主噴射時期情報取得手段と、前記主噴射時期情報取得手段によって取得された前記主噴射時期情報に基づいて、前記制御対象気筒の後噴射時期を決定する後噴射時期決定手段と、を備え、前記後噴射時期決定手段は、前記制御対象気筒における前記後噴射の終了時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期以降の時期として決定するとともに、前記制御対象気筒における前記後噴射の開始時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期と同じ時期として決定することを特徴とする。
また、本発明にかかる内燃機関の燃料噴射時期制御方法は、複数の気筒を有し、それぞれの前記気筒において順次燃料噴射弁からの燃料の主噴射および前記主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関の燃料噴射時期制御方法であって、制御対象気筒で後噴射が行われる時期近傍に主噴射が行われる後続気筒において前記主噴射がおこなわれる時期を示す主噴射時期情報を取得する主噴射時期情報取得工程と、前記主噴射時期情報取得工程で取得された前記主噴射時期情報に基づいて、前記制御対象気筒の後噴射時期を決定する後噴射時期決定工程と、を含み、前記後噴射時期決定工程では、前記制御対象気筒における前記後噴射の終了時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期以降の時期として決定するとともに、前記制御対象気筒における前記後噴射の開始時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期と同じ時期として決定することを特徴とする。

本発明によれば、制御対象気筒における後噴射の終了時期を、後続気筒の主噴射の開始時期以降とする。これにより、制御対象気筒における後噴射が後続気筒の主噴射に与える影響を低減し、出力トルクの変動を小さくすることができる。
本発明によれば、制御対象気筒における後噴射開始時期を、後続気筒の主噴射開始時期と同時にするので、制御対象気筒における後噴射の時期が遅くなることによる次サイクルへの持ち越し燃料の増加を回避して、制御対象気筒における出力を安定させることができる。

実施の形態にかかる内燃機関制御システム１０の構成を示す図である。ディーゼルエンジン１０における燃料噴射タイミングの一例を示すグラフである。後噴射時期決定手段２０４による後噴射時期の決定方法を示す説明図である。４気筒エンジンにおける燃料噴射時期の一例を示す説明図である。制御対象気筒の後噴射時期とエンジン出力との関係を示すグラフである。燃料噴射時期制御装置による処理の手順を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる内燃機関の燃料噴射時期制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態では、本発明をディーゼルエンジンに適用した例について説明する。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる内燃機関制御システム１０の構成を示す図である。実施の形態にかかる内燃機関制御システム１０は、内燃機関であるディーゼルエンジン１０２を制御対象とする。ディーゼルエンジン１０２は直列４気筒エンジンであり、各気筒１０４を第１気筒１０４ａ、第２気筒１０４ｂ、第３気筒１０４ｃおよび第４気筒１０４ｄとする。

各気筒１０４には、吸気管１０６を通して吸入される吸入空気が吸気マニホールド１０８を通して供給される。また、各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１１０を通して１本の排気管１１２（排気通路）に排出される。この排気管１１２の途中には、３個のＮＯｘ触媒１１４（１１４ａ〜１１４ｃ）が直列に配設されている。ＮＯｘ触媒１１４は、セラミックや金属等の担体の表面に、酸素過剰雰囲気中でも還元剤（ＨＣ）の存在下でＮＯｘを還元浄化可能な触媒成分（たとえばＣｕ−ゼオライトやＰｔ−ゼオライト等）を担持したものである。

各気筒１０４には、電磁弁式の燃料噴射弁１１６（１１６ａ〜１１６ｄ））が設けられている。各燃料噴射弁１１６には、燃料ポンプ１１８から高圧に蓄圧された燃料がコモンレール１２０を通して分配され、気筒１０４内の燃焼室に燃料が噴射される。燃料噴射弁１１６からの燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量は、ＥＣＵ２０によって制御されている。

図２は、ディーゼルエンジン１０２における燃料噴射タイミングの一例を示すグラフである。図２のグラフにおいて、横軸は時刻、縦軸は燃料噴射量を示す。図２に示すように、ディーゼルエンジン１０２では、エンジン出力を得るためのメイン噴射（主噴射）を中心とした１サイクル中に、メイン噴射の他、プレ噴射、アフター噴射、ポスト噴射（後噴射）がおこなわれる。プレ噴射は、燃焼室内に火種を作るための噴射である。アフター噴射は、メイン噴射による燃焼によっても燃え尽きなかった燃料を完全に燃料させるための噴射である。そして、ポスト噴射は、排気ガスの後処理効率を高めるために、ＮＯｘ触媒１１４にＨＣを供給するための噴射である。図２に示すように、それぞれの燃焼噴射は一定の時間をもっておこなわれる。噴射の開始時期とは燃料噴射弁の開弁時期、噴射の終了時期とは燃料噴射弁の閉弁時期である。

以下、本実施の形態では、特にメイン噴射（主噴射）とポスト噴射（後噴射）との関係について説明する。上述のように、燃料噴射弁１１６からの燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量は、ＥＣＵ２０によって制御されているが、ＥＣＵ２０は、複数の気筒を有し、それぞれの気筒において順次燃料の主噴射および主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関の燃料噴射時期制御装置として機能する。

なお、ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成され、以下に説明する内燃機関の燃料噴射時期制御装置としての機能は、前記ＣＰＵにより前記制御プログラムを実行することによって実現する。

燃料噴射時期制御装置としてのＥＣＵ２０は、主噴射時期情報取得手段２０２、後噴射時期決定手段２０４および制御手段２０６によって構成される。制御手段２０６は、後述する後噴射時期決定手段２０４によって決定された後噴射時期に、後述する制御対象気筒の燃料噴射弁１１６から後噴射をおこなうよう制御する。

主噴射時期情報取得手段２０２は、制御対象気筒で後噴射が行われる時期近傍に主噴射が行われる後続気筒において主噴射がおこなわれる時期を示す主噴射時期情報を取得する。ここで、ディーゼルエンジン１０２は、たとえば、第１気筒１０４ａ、第２気筒１０４ｂ、第３気筒１０４ｃ、第４気筒１０４ｄ、第１気筒１０４ａ、第２気筒１０４ｂ・・の順に順次主噴射をおこなうものとする。この場合、制御対象気筒が第１気筒１０４ａの場合は後続気筒は第２気筒１０４ｂ、制御対象気筒が第２気筒１０４ｂの場合は後続気筒は第３気筒１０４ｃ、制御対象気筒が第３気筒１０４ｃの場合は後続気筒は第４気筒１０４ｄ、制御対象気筒が第４気筒１０４ｄの場合は後続気筒は第１気筒１０４ａとなる。

ＥＣＵ２０では、たとえばディーゼルエンジン１０２に要求される出力トルクなどから各気筒１０４における主噴射のタイミングを決定している。主噴射時期情報取得手段２０２は、このタイミング情報を取得することによって、主噴射時期情報を取得する。

後噴射時期決定手段２０４は、主噴射時期情報取得手段２０２によって取得された主噴射時期情報に基づいて、制御対象気筒において後噴射をおこなう後噴射時期を決定する。後噴射時期決定手段２０４は、制御対象気筒における後噴射の終了時期を、後続気筒の主噴射の開始時期以降の時期として決定する。

図３は、後噴射時期決定手段２０４による後噴射時期の決定方法を示す説明図である。図３において、横軸はいずれかの気筒におけるクランク角であり、ピストンが上死点（０°）に到達する時刻からの相対時刻を示している。図３に示すように、後噴射時期決定手段２０４は、制御対象気筒のポスト噴射終了時期を後続気筒の主噴射開始時期以降にする。これにより、ポスト噴射が後続気筒におけるメイン噴射に与える影響を低減して、エンジン出力の変化を小さくすることができる。

なお、後噴射時期決定手段２０４は、制御対象気筒における後噴射の開始時期を、後続気筒の主噴射の開始時期以降の時期としてもよい。これにより、これにより、制御対象気筒における後噴射の終了時期を、確実に後続気筒の主噴射の開始時期以降とすることができる。また、後噴射時期決定手段２０４は、制御対象気筒における後噴射開始時期を、後続気筒の主噴射開始時期と同時にするようにしてもよい。これは、ポスト噴射の時期が遅くなると、制御対象気筒が次にメイン噴射をする際（すなわち制御対象気筒における次サイクル時）までに残存する燃料（持ち越し燃料）が多くなる傾向にあるため、出力トルクが大きくなってしまうためである。制御対象気筒における後噴射開始時期を後続気筒の主噴射開始時期と同時にすることによって、制御対象気筒におけるポスト噴射が後続気筒におけるメイン噴射に与える影響を低減することができるとともに、制御対象気筒における出力を安定させることができる。

図４は、４気筒エンジンにおける燃料噴射時期の一例を示す説明図である。図４においても、横軸はいずれかの気筒におけるクランク角によって示した時刻を示している。また、図４では主噴射およびポスト噴射のみ名称を記載しているが、主噴射の前後の噴射はそれぞれプレ噴射およびアフター噴射である。図４に示すように、複数の気筒で順次プレ噴射、主噴射、アフター噴射および後噴射をおこなう内燃機関においては、各気筒が順次制御対象気筒および後続気筒となる。主噴射時期情報取得手段２０２は各気筒の主噴射時期情報を順次取得するとともに、後噴射時期決定手段２０４は主噴射時期情報に基づいて各気筒の後噴射時期を決定する。

なお、図４では各気筒の主噴射時期がクランク角が１８０°変化するごとに行われているが、実際には主噴射時期が等間隔となるとは限らず（たとえば内燃機関に要求される出力トルクが変化した場合など）、ＥＣＵ２０（燃料噴射時期制御装置）によって、逐次後噴射時期を決定する必要がある。

図５は、制御対象気筒の後噴射時期とエンジン出力との関係を示すグラフである。図５のグラフにおいて、縦軸は制御対象の内燃機関（エンジン）のトルク、横軸はいずれかの気筒におけるクランク角によって示した時刻であり、クランク角Ｔ０は後続気筒のメイン噴射が開始された時刻を示す。図５における各プロットの白丸（○）は、ポスト噴射の開始時刻および当該開始時刻において制御対象気筒のポスト噴射を開始した場合のトルクを示している。また、図５における黒丸（●）は、ポスト噴射の終了時刻を示し、白丸と黒丸とを結ぶ線分は、ポスト噴射の継続期間を示す。

図５に示すように、クランク角Ｔ０より前に制御対象気筒のポスト噴射が終了するようにした場合（領域Ａ）では、エンジンの出力トルクがプロット毎に大きく変動している（変動幅β）。一方、クランク角Ｔ０以降に制御対象気筒のポスト噴射が終了するようにした場合（領域Ｂ）、すなわち本発明を適用した場合では、出力トルクの変動幅が大幅に小さくなっている（変動幅α（＜β））。このように、制御対象気筒のポスト噴射の終了時期を後続気筒のメイン噴射の開始時期以降にすることによって、エンジン出力を安定させることができる。

図６は、燃料噴射時期制御装置による処理の手順を示すフローチャートである。図６のフローチャートにおいて、燃料噴射時期制御装置は、ポスト噴射時期の制御をおこなうか否かを判断する（ステップＳ６０１）。ポスト噴射時期の制御をおこなわない場合は（ステップＳ６０１：Ｎｏ）、あらかじめ定められたタイミング（たとえばメイン噴射から所定時間後など）にポスト噴射をおこなうように燃料噴射弁１１６を制御する（ステップＳ６０２）。

一方、ポスト噴射時期の制御をおこなう場合（ステップＳ６０１：Ｙｅｓ）、主噴射時期情報取得手段２０２は、後続気筒の主噴射時期情報を取得する（ステップＳ６０３）。次に、後噴射時期決定手段２０４は、ステップＳ６０３で取得された後続気筒の主噴射時期情報に基づいて、制御対象気筒の後噴射時期を決定する（ステップＳ６０４）。そして、制御手段２０６は、ステップＳ６０４で決定された後噴射時期に、制御対象気筒の燃料噴射弁１１６から後噴射をおこなうよう燃料噴射弁１１６を制御して（ステップＳ６０５）、本フローチャートによる処理を終了する。

以上説明したように、実施の形態にかかる内燃機関制御システム１０によれば、制御対象気筒の後噴射（ポスト噴射）の終了時期を後続気筒の主噴射（メイン噴射）の開始時期以降にする。これにより、制御対象気筒における後噴射が後続気筒における主噴射に与える影響を低減して、エンジン出力の変化を小さくすることができる。

また、内燃機関制御システム１０において、制御対象気筒の後噴射開始時期を後続気筒の主噴射開始時期以降にすれば、制御対象気筒における後噴射の終了時期を、確実に後続気筒の主噴射の開始時期以降とすることができる。また、内燃機関制御システム１０において、制御対象気筒における後噴射時期を、後続気筒の主噴射時期と同時にするようにすれば、制御対象気筒における後噴射の時期が遅くなることによる次サイクルへの持ち越し燃料の増加を回避して、制御対象気筒における出力を安定させることができる。

なお、本実施の形態では、制御対象気筒の後噴射（ポスト噴射）の終了時期を後続気筒の主噴射（メイン噴射）の開始時期以降とする制御について説明したが、後噴射による燃圧脈動が主噴射に影響を与え始める圧力伝播の遅れ時間程度であれば、後噴射の終了時期を主噴射の開始時期よりも早い設定とするよう制御しても同様の効果を得ることができる。また、内燃機関としてディーゼルエンジンを例にして説明したが、本発明は直接噴射型のガソリンエンジンにも適用することができる。また、本実施の形態では、内燃機関の気筒数を４気筒として説明したが、本発明はこれ以外の気筒数の内燃機関、たとえば８気筒エンジンや直列６気筒エンジンなどにも適用することができる。

１０……内燃機関制御システム、２０……ＥＣＵ、１０２……ディーゼルエンジン（内燃機関）、１０４（１０４ａ〜１０４ｄ）……気筒、１０６……吸気管、１０８……吸気マニホールド、１１０……排気マニホールド、１１２……排気管、１１４（１１４ａ〜１１４ｃ）……ＮＯｘ触媒、１１６（１０６ａ〜１０６ｄ）……燃料噴射弁、１１８（１０４ａ〜１０４ｄ）……燃料ポンプ、１２０……コモンレール、２０２……主噴射時期情報取得手段、２０４……後噴射時期決定手段、２０６……制御手段。

Claims

複数の気筒を有し、それぞれの前記気筒において順次燃料噴射弁からの燃料の主噴射および前記主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関の燃料噴射時期制御装置であって、
制御対象気筒で後噴射が行われる時期近傍に主噴射が行われる後続気筒において前記主噴射の開始時期を示す主噴射時期情報を取得する主噴射時期情報取得手段と、
前記主噴射時期情報取得手段によって取得された前記主噴射時期情報に基づいて、前記制御対象気筒の後噴射時期を決定する後噴射時期決定手段と、を備え、
前記後噴射時期決定手段は、前記制御対象気筒における前記後噴射の終了時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期以降の時期として決定するとともに、前記制御対象気筒における前記後噴射の開始時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期と同じ時期として決定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
複数の気筒を有し、それぞれの前記気筒において順次燃料噴射弁からの燃料の主噴射および前記主噴射に続く後噴射をおこなう内燃機関の燃料噴射時期制御方法であって、
制御対象気筒で後噴射が行われる時期近傍に主噴射が行われる後続気筒において前記主噴射がおこなわれる時期を示す主噴射時期情報を取得する主噴射時期情報取得工程と、
前記主噴射時期情報取得工程で取得された前記主噴射時期情報に基づいて、前記制御対象気筒の後噴射時期を決定する後噴射時期決定工程と、を含み、
前記後噴射時期決定工程では、前記制御対象気筒における前記後噴射の終了時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期以降の時期として決定するとともに、前記制御対象気筒における前記後噴射の開始時期を、前記後続気筒の前記主噴射の開始時期と同じ時期として決定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射時期制御方法。