JP6805021B2 - 燃料添加装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料添加装置に関する。

従来、ＮＯｘ吸蔵還元触媒又は酸化触媒のような排気浄化触媒を内燃機関の排気通路に設け、還元剤として燃料を排気浄化触媒に供給することが知られている。例えば、燃料の供給は、排気浄化触媒よりも上流側の排気通路に配置された燃料添加弁によって行われる。

排気浄化触媒における酸化還元反応を促進するためには、燃料添加弁から噴射された燃料を排気通路内で気化又は微粒化させて燃料の拡散性を高めることが望ましい。排気通路内の温度が低い場合であっても燃料を気化又は微粒化させるためには、燃料添加弁から排気通路に噴射される燃料の温度を高温にする必要がある。また、排気浄化触媒における酸化還元反応を促進するためには、排気浄化触媒の温度を活性温度以上に維持する必要がある。しかしながら、低温の燃料が燃料添加弁から排気通路に噴射されると、燃料の気化潜熱によって排気ガスの温度が低下し、排気浄化触媒が冷却される。

したがって、排気浄化触媒における酸化還元反応を促進するためには、燃料添加弁から排気通路に噴射される燃料の温度を高温にする必要がある。これに対して、特許文献１に記載の燃料添加装置では、内燃機関の熱によって加熱された燃料を燃料タンク内の保持容器内に戻し、保持容器内の燃料を燃料添加弁に供給することが記載されている。

特開２０１０−０３１６７５号公報 特開２００８−０３８８１８号公報

しかしながら、斯かる燃料添加装置では、保持容器内の燃料が燃料添加弁に直接供給される。このため、燃料添加弁から排気通路に噴射される燃料の温度を昇温するためには、保持容器内の燃料全体を昇温する必要があり、多くの熱量が必要とされる。また、冷間始動時等において内燃機関の温度が低い場合、内燃機関の熱によって燃料が加熱されないため、保持容器内の燃料が昇温されない。このため、燃料添加弁から排気通路に噴射される燃料を昇温する更なる方法が望まれている。

そこで、本発明の目的は、燃料添加弁から排気通路に噴射される燃料の昇温を促進することができる燃料添加装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記内燃機関の各気筒に設けられた燃料噴射弁に供給される燃料を蓄える第一蓄圧室と、前記燃料タンク内の燃料を昇圧して前記第一蓄圧室に供給するサプライポンプと、前記第一蓄圧室に蓄えられた燃料を排出することにより該第一蓄圧室の圧力を低下させる減圧弁と、前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出された燃料を前記燃料添加弁に供給する減圧燃料通路と、前記燃料添加弁及び前記減圧弁を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料添加弁に供給される燃料の温度を検出又は推定し、前記燃料添加弁から燃料を噴射する場合、前記燃料の温度が基準温度以上となるように、前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出される燃料の量を制御する、燃料添加装置。

（２）前記制御装置は、前記燃料の温度が前記基準温度よりも低い場合、該燃料の温度が該基準温度以上である場合と比べて前記燃料の量を増加させる、上記（１）に記載の燃料添加装置。

（３）前記減圧燃料通路に配置されると共に、前記燃料添加弁に供給される燃料を蓄える第二蓄圧室を更に備える、上記（１）又は（２）に記載の燃料添加装置。

（４）前記燃料タンク内の燃料を前記燃料添加弁に供給するフィードポンプを更に備える、上記（１）又は（２）に記載の燃料添加装置。

（５）前記制御装置は、前記燃料の温度が前記基準温度よりも低い場合、該燃料の温度が該基準温度以上である場合と比べて前記燃料の量を増加させると共に、前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出される燃料の圧力脈動を算出し、前記燃料添加弁の噴射時期を前記圧力脈動に同期させる、上記（４）に記載の燃料添加装置。

（６）前記第一蓄圧室から前記減圧弁を通して前記燃料添加弁に供給される燃料の逆流を防ぐ第一チェック弁と、前記フィードポンプによって前記燃料添加弁に供給される燃料の逆流を防ぐ第二チェック弁とを更に備える、上記（４）又は（５）に記載の燃料添加装置。

（７）前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出された燃料を前記燃料タンクに戻すリターン通路と、前記第一蓄圧室から前記燃料添加弁に供給される燃料の圧力を所定値以下に維持するように該リターン通路に配置されたリリーフ弁とを更に備える、上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の燃料添加装置。

（８）前記制御装置は、前記排気通路内の排気温度を検出又は推定し、該排気温度に基づいて前記基準温度を算出する、上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の燃料添加装置。

本発明によれば、燃料添加弁から排気通路に噴射される燃料の昇温を促進することができる燃料添加装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料添加装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、燃料の添加要求の有無等のタイムチャートである。 図３は、燃料の添加要求の有無等のタイムチャートである。 図４は、本発明の第一実施形態における燃料添加処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５は、本発明の第二実施形態における燃料添加処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、本発明の第三実施形態に係る燃料添加装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図７は、燃料の添加要求の有無等のタイムチャートである。 図８は、本発明の第三実施形態における燃料添加処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
以下、図１〜図４を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料添加装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１００は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１００は車両に搭載される。

内燃機関１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む機関本体を備える。シリンダブロック２の内部には、複数の気筒１０が形成されている。気筒１０の数は例えば４つである。各気筒１０には、気筒１０の軸線方向に往復運動するピストン３が配置されている。燃焼室５がピストン３とシリンダヘッド４との間に形成されている。内燃機関１００は、燃焼室５に燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁１１は燃焼室５内に燃料を噴射する。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されている。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気弁６が、吸気ポート７の端部に配置され、吸気ポート７を開閉可能に形成されている。排気弁８が、排気ポート９の端部に配置され、排気ポート９を開閉可能に形成されている。

内燃機関１００は、過給機であるターボチャージャ２１を備える。ターボチャージャ２１は、排気通路に配置されたタービン２２と、吸気通路に配置されたコンプレッサ２３とを含む。排気の流れによってタービン２２が回転すると、コンプレッサ２３も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ２１は、排気ガスのエネルギを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。

各吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介して吸気管１５に連結されている。吸気管１５はターボチャージャ２１のコンプレッサ２３に連結されている。吸気管１５の内部には、吸気通路の開口面積を変更可能なスロットル弁１８が配置されている。また、コンプレッサ２３とスロットル弁１８との間の吸気管１５には、ターボチャージャ２１によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却器（インタークーラ）２６が配置されている。吸気ポート７、吸気枝管１３、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。

各排気ポート９は排気マニホルド１９に連結されている。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部はタービン２２に連結されている。タービン２２は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２９を内蔵するケーシング２８に連結されている。排気ポート９、排気マニホルド１９、排気管２７等は、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室５から排出する排気通路を形成する。

排気浄化触媒２９は例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）である。ＮＳＲ触媒は、触媒担体と、触媒担体上に担持された貴金属及び吸蔵物質とを含む。ＮＳＲ触媒では、排気ガス中の酸素濃度が高いとき、すなわち排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなときには、排気ガスに含まれる窒素酸化物成分（ＮＯ）が貴金属上で酸化されてＮＯｘとして吸蔵物質に吸蔵される。一方、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すなわち排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなときには、吸蔵物質に吸蔵されていたＮＯｘが放出され、放出されたＮＯｘが、排気ガス中の水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の還元成分によって貴金属上で還元浄化される。このため、還元剤である燃料をＮＳＲ触媒に定期的に供給することによって排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。なお、排気浄化触媒２９は酸化触媒のような他の触媒であってもよい。

内燃機関１００は電子制御ユニット６０（ＥＣＵ）を備える。ＥＣＵ６０は、双方向性バスによって相互に接続された中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入力ポート及び出力ポートを備えたマイクロコンピュータである。ＥＣＵ６０は、内燃機関１００に設けられた各種センサの出力に基づいて内燃機関１００の各種制御を実行する。例えば、ＥＣＵ６０は、クランク角センサによって検出される機関回転数、負荷センサによって検出される機関負荷等に基づいて燃料噴射弁１１の噴射時期及び噴射時間（噴射量）を制御する。ＥＣＵ６０は燃料噴射弁１１に電気的に接続されており、ＥＣＵ６０の出力信号は燃料噴射弁１１に送信される。本実施形態では、一つのＥＣＵ６０が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

なお、内燃機関１００は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関、特に希薄混合気燃焼（リーンバーン）方式のガソリンエンジンであってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１００の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、吸気通路と排気通路とを互いに連結する排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路が内燃機関１００に設けられてもよい。

＜燃料添加装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る燃料添加装置の構成について説明する。燃料添加装置は、燃料タンク３０、フィードポンプ３１、サプライポンプ３２、第一蓄圧室３３、第二蓄圧室３４及び燃料添加弁３５を備える。また、燃料添加装置は、燃料タンク３０と第一蓄圧室３３とを接続する燃料配管３６と、第一蓄圧室３３と燃料添加弁３５とを接続する減圧燃料通路３７と、第二蓄圧室３４と燃料タンク３０とを接続するリターン通路３８とを備える。燃料配管３６は燃料タンク３０内の燃料を第一蓄圧室３３に供給する。減圧燃料通路３７は、後述する減圧弁３９を通して第一蓄圧室３３から排出された燃料を燃料添加弁３５に供給する。リターン通路３８は、減圧弁３９を通して第一蓄圧室３３から排出された燃料を燃料タンク３０に戻す。

燃料タンク３０は燃料を貯蔵する。燃料は例えば軽油である。フィードポンプ３１は燃料タンク３０内の燃料を汲み上げてサプライポンプ３２に供給する。サプライポンプ３２は、フィードポンプ３１から供給された燃料、すなわち燃料タンク３０内の燃料を昇圧して第一蓄圧室３３に供給する。フィードポンプ３１及びサプライポンプ３２は燃料配管３６に配置される。サプライポンプ３２から吐出される燃料の圧力は、フィードポンプ３１から吐出される燃料の圧力よりも高い。このため、フィードポンプ３１を低圧ポンプと称し、サプライポンプ３２を高圧ポンプと称する場合がある。なお、フィードポンプ３１は、燃料タンク３０内に配置されてもよい。また、フィードポンプ３１は省略されてもよい。この場合、サプライポンプ３２は燃料タンク３０内の燃料を汲み上げて昇圧する。

サプライポンプ３２から第一蓄圧室３３に供給された燃料は、第一蓄圧室３３に蓄えられ、高圧状態で保持される。第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料は、第一蓄圧室３３と各燃料噴射弁１１とを接続する高圧燃料通路５５を通して各燃料噴射弁１１に供給される。したがって、第一蓄圧室３３は、内燃機関１００の各気筒１０に設けられた燃料噴射弁１１に供給される燃料を蓄える。第一蓄圧室３３はいわゆるコモンレールである。

また、燃料添加装置は、第一蓄圧室３３に取り付けられた減圧弁３９と、リターン通路３８に配置されたリリーフ弁４０とを備える。減圧弁３９は第一蓄圧室３３の一方の端部に配置される。減圧弁３９は、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料を排出することにより第一蓄圧室３３の圧力を低下させる。第一蓄圧室３３内の燃料は減圧弁３９を通して減圧燃料通路３７に排出される。減圧燃料通路３７に排出された燃料は燃料添加弁３５に供給される。このため、本実施形態では、燃料タンク３０と燃料添加弁３５とを接続する通路を別途設ける必要がないため、燃料噴射弁１１及び燃料添加弁３５に燃料を供給するための構成をシンプルにすることができる。

燃料添加弁３５は、電子制御式の噴射弁であり、排気浄化触媒２９よりも排気流れ方向上流側の排気通路に燃料を噴射する。この結果、排気通路内の排気ガスを介して燃料添加弁３５から排気浄化触媒２９に燃料が供給される。燃料添加弁３５は排気浄化触媒２９よりも排気流れ方向上流側の排気通路に配置される。具体的には、燃料添加弁３５はタービン２２よりも排気流れ方向上流側の排気管２７に配置される。なお、燃料添加弁３５はタービン２２と排気浄化触媒２９との間の排気管２７に配置されてもよい。

第二蓄圧室３４は、減圧燃料通路３７に配置され、燃料添加弁３５に供給される燃料を蓄える。リリーフ弁４０は、第二蓄圧室３４から燃料タンク３０への燃料の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁である。リリーフ弁４０は、第二蓄圧室３４の圧力が所定値よりも高くなると、開弁して第二蓄圧室３４内の燃料をリターン通路３８を通して燃料タンク３０に戻す。また、減圧燃料通路３７、第二蓄圧室３４及び燃料添加弁３５内の燃料の圧力は同一である。したがって、リリーフ弁４０は、第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給される燃料の圧力を所定値以下に維持することができる。なお、リリーフ弁４０が開弁する圧力、すなわち減圧燃料通路３７から燃料添加弁３５に供給される燃料の最大圧力は、第一蓄圧室３３に蓄えられる燃料の圧力よりも低い値に設定される。

リターン通路３８には、リーク燃料配管４１が接続されている。リーク燃料配管４１は燃料噴射弁１１とリターン通路３８とを接続する。リーク燃料配管４１は、燃料噴射弁１１から燃焼室５内に噴射されなかった燃料をリターン通路３８に供給する。リターン通路３８に供給された燃料は燃料タンク３０に戻される。

また、燃料添加装置は、サプライポンプ３２、減圧弁３９及び燃料添加弁３５を制御する制御装置を備える。本実施形態では、ＥＣＵ６０が制御装置に相当する。ＥＣＵ６０は、サプライポンプ３２、減圧弁３９及び燃料添加弁３５に電気的に接続され、ＥＣＵ６０の出力信号は、サプライポンプ３２、減圧弁３９及び燃料添加弁３５に送信される。

また、燃料添加装置は、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料の圧力（コモンレール圧）を検出するコモンレール圧センサ４２を備える。コモンレール圧センサ４２は、第一蓄圧室３３の他方の端部、すなわち減圧弁３９とは反対側の端部に配置されている。コモンレール圧センサ４２の出力はＥＣＵ６０に送信される。ＥＣＵ６０は、コモンレール圧センサ４２によって検出されたコモンレール圧が所定圧力になるように、サプライポンプ３２の吐出量と、減圧弁３９を通して第一蓄圧室３３から排出される燃料の量（以下、「減圧弁３９の排出量」という）とを制御する。また、ＥＣＵ６０は燃料添加弁３５の噴射時期及び噴射時間（噴射量）を制御する。

また、ＥＣＵ６０は、排気浄化触媒２９における酸化還元反応を促進すべく、以下に説明する制御によって、燃料添加弁３５から排気通路に噴射される燃料を昇温する。通常、燃料が減圧弁３９を通過するとき、減圧弁３９内で燃料の流れ方向が大きく変化する箇所において、渦が発生する。また、減圧弁３９の絞り部では、燃料の流速が速くなるため、燃料と流路との摩擦が大きくなる。このため、燃料が減圧弁３９を通過するときには、燃料の流体エネルギの損失が発生し、流体エネルギが熱エネルギに変換される。この結果、燃料が減圧弁３９を通過すると、燃料の温度が上昇する。このため、減圧弁３９を通して減圧燃料通路３７に燃料が供給されると、減圧燃料通路３７内の燃料の温度、すなわち燃料添加弁３５から噴射される燃料の温度が高くなる。燃料添加弁３５への燃料の供給経路周辺の温度が同一である場合、減圧弁３９の排出量が多いほど、燃料添加弁３５から噴射される燃料の温度は高くなる。

このため、ＥＣＵ６０は、燃料添加弁３５に供給される燃料の温度（以下、「供給燃料温度」という）を検出又は推定し、燃料添加弁３５から燃料を噴射する場合、供給燃料温度が基準温度以上となるように、減圧弁３９の排出量を制御する。この制御によって、燃料添加装置は、燃料添加弁３５から排気通路に噴射される燃料の昇温を促進することができる。

ＥＣＵ６０は、供給燃料温度が基準温度よりも低い場合、供給燃料温度が基準温度以上である場合と比べて減圧弁３９の排出量を増加させる。例えば、ＥＣＵ６０は、減圧弁３９の開弁時間を長くすることによって、減圧弁３９の排出量を増加させる。この場合、ＥＣＵ６０は、供給燃料温度が基準温度よりも低い場合、供給燃料温度が基準温度以上である場合と比べて減圧弁３９の開弁時間を長くする。ＥＣＵ６０は、減圧弁３９が開弁されている間、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料の圧力低下を抑制すべく、減圧弁３９が閉弁されているときと比べて、サプライポンプ３２の吐出量を増加させる。なお、減圧弁３９の開度が変更可能である場合、ＥＣＵ６０は、減圧弁３９の開度を大きくすることによって、減圧弁３９の排出量を増加させてもよい。この場合、ＥＣＵ６０は、供給燃料温度が基準温度よりも低い場合、供給燃料温度が基準温度以上である場合と比べて減圧弁３９の開度を大きくする。

また、燃料添加装置は、供給燃料温度を検出する燃温センサ４３を備える。燃温センサ４３は減圧燃料通路３７に配置される。燃温センサ４３はＥＣＵ６０に電気的に接続され、燃温センサ４３の出力はＥＣＵ６０に送信される。ＥＣＵ６０は燃温センサ４３を用いて供給燃料温度を検出する。なお、燃温センサ４３は、燃料添加弁３５の内部又は第二蓄圧室３４に配置されてもよい。また、ＥＣＵ６０は、内燃機関１００の外気温を検出する外気温センサの出力、内燃機関１００の冷却水の温度を検出する水温センサの出力、減圧弁３９の排出量等に基づいて、供給燃料温度を推定してもよい。この場合、燃温センサ４３は省略されてもよい。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図２及び図３のタイムチャートを参照して、燃料添加装置の制御について具体的に説明する。図２及び図３は、燃料の添加要求の有無、供給燃料温度、減圧弁３９の開閉、サプライポンプ３２の吐出量及び燃料添加弁３５の開閉の概略的なタイムチャートである。図２は、燃料の添加が要求されたときに供給燃料温度が基準温度Ｔｒｅｆ以上である場合を示す。一方、図３は、燃料の添加が要求されたときに供給燃料温度が基準温度Ｔｒｅｆよりも低い場合を示す。

最初に、図２のタイムチャートについて説明する。図２に示した例では、時刻ｔ１において、燃料の添加、すなわち燃料添加弁３５の燃料噴射が要求されている。このため、燃料噴射に必要な量の燃料を第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給すべく、減圧弁３９が開弁される。減圧弁３９の開弁時には、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料の圧力低下を抑制すべく、サプライポンプ３２の吐出量が増加される。なお、燃料の添加要求が生じる前であっても、コモンレール圧を低下させるために減圧弁３９が開弁されている間には、第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に燃料が供給される。

また、時刻ｔ１において、供給燃料温度は基準温度Ｔｒｅｆ以上である。このため、時刻ｔ１において、燃料添加弁３５が開弁されて、燃料添加弁３５の燃料噴射が開始される。所定量の燃料が燃料添加弁３５から排気管２７内に噴射されると、時刻ｔ２において、燃料添加弁３５が閉弁されて、燃料添加弁３５の燃料噴射が停止される。これに伴い、時刻ｔ２において、減圧弁３９が閉弁され、サプライポンプ３２の吐出量が減少される。

次に、図３のタイムチャートについて説明する。図２に示した例と同様に、時刻ｔ１において、燃料の添加が要求されている。このため、燃料噴射に必要な量の燃料を第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給すべく、減圧弁３９が開弁される。減圧弁３９の開弁時には、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料の圧力低下を抑制すべく、サプライポンプ３２の吐出量が増加される。

また、時刻ｔ１において、供給燃料温度は基準温度Ｔｒｅｆよりも低い。このため、時刻ｔ１では、燃料添加弁３５の燃料噴射が開始されない。時刻ｔ１の後、供給燃料温度を上昇させるために減圧弁３９が開弁状態に維持される。時刻ｔ２において供給燃料温度が基準温度Ｔｒｅｆに到達する。このため、時刻ｔ２において、燃料添加弁３５が開弁されて、燃料添加弁３５の燃料噴射が開始される。所定量の燃料が燃料添加弁３５から排気管２７内に噴射されると、時刻ｔ３において、燃料添加弁３５が閉弁されて、燃料添加弁３５の燃料噴射が停止される。これに伴い、時刻ｔ３において、減圧弁３９が閉弁され、サプライポンプ３２の吐出量が減少される。図３の例では、図２の例に比べて、減圧弁３９の開弁時間が長くされるため、減圧弁３９の排出量が増加されている。

＜燃料添加処理＞
以下、図４のフローチャートを参照して、燃料添加装置を用いて排気通路に燃料を添加するときの制御について説明する。図４は、本発明の第一実施形態における燃料添加処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１００の始動後、ＥＣＵ６０によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、燃料の添加要求、すなわち燃料添加弁３５の燃料噴射要求が有るか否かが判定される。排気浄化触媒２９がＮＳＲ触媒である場合には、ＮＳＲ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化するために排気管２７内に燃料が添加される。このため、例えば、機関回転数、燃料噴射弁１１の燃料噴射量等に基づいて推定されたＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上である場合に、燃料添加弁３５の燃料噴射が要求される。また、排気浄化触媒２９が酸化触媒である場合には、酸化触媒よりも排気流れ方向下流側に配置されたフィルタに捕集された粒子状物質（ＰＭ）を酸化触媒における反応熱によって燃料除去するために排気管２７内に燃料が添加される。このため、例えば、フィルタの前後差圧等から推定されたフィルタのＰＭ捕集量が所定値以上である場合に、燃料添加弁３５の燃料噴射が要求される。

ステップＳ１０１において燃料の添加要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において燃料の添加要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、燃料噴射に必要な量の燃料を第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給すべく、減圧弁３９が開弁される。また、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料の圧力低下を抑制すべく、サプライポンプ３２の吐出量が増加される。

次いで、ステップＳ１０３において、供給燃料温度Ｔｆが上述したいずれかの方法によって検出又は推定される。次いで、ステップＳ１０４において、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆよりも低いか否かが判定される。基準温度Ｔｒｅｆは、燃料添加弁３５から噴射された燃料の気化及び微粒化が促進されるように計算又は実験によって予め定められた値である。

ステップＳ１０４において燃料供給温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、燃料添加弁３５から所定量の燃料が噴射される。次いで、ステップＳ１０６において、減圧弁３９が閉弁される。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０４において供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆよりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に戻る。したがって、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上になるまで、減圧弁３９が開弁され且つサプライポンプ３２の吐出量が増加された状態が維持される。このため、燃料の添加要求が生じたときに供給燃料温度Ｔｆが所定温度Ｔｒｅｆよりも低い場合には、減圧弁３９の開弁時間が長くされて減圧弁３９の排出量が増加される。

なお、ステップＳ１０２において減圧弁３９の開弁のみが実行されてもよい。また、減圧弁３９の開度が変更可能である場合、ステップＳ１０４からステップＳ１０３に戻るときに減圧弁３９の開度が大きくされ、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上になるまでその開度が維持されてもよい。この場合、ステップＳ１０２において減圧弁３９が開弁されるとき、減圧弁３９の開度は最大値よりも小さくされる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る燃料添加装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る燃料添加装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃料添加弁３５から噴射される燃料の気化及び微粒化は、供給燃料温度だけでなく、排気通路内の排気温度の影響も受ける。排気温度が高いほど、排気ガスから燃料に与えられる熱エネルギが大きくなるため、燃料添加弁３５噴射された燃料の気化及び微粒化が促進される。このため、燃料の気化及び微粒化を促進するのに必要な供給燃料温度は、排気通路内の排気温度に基づいて設定されることが好ましい。

そこで、第二実施形態では、ＥＣＵ６０は、排気通路内の排気温度を検出又は推定し、排気温度に基づいて基準温度を算出し、供給燃料温度が基準温度以上となるように、減圧弁の排出量を制御する。このことによって、供給燃料温度が、排気温度を考慮したより適切な温度に制御されるため、燃料添加弁３５から噴射される燃料の気化及び微粒化がより一層促進される。

第二実施形態では、燃料添加装置は、排気通路内の排気温度を検出する排気温センサ４４を備える。排気温センサ４４は排気浄化触媒２９よりも排気流れ方向上流側の排気通路に配置される。例えば、図１に示すように、排気温センサ４４は燃料添加弁３５とタービン２２との間の排気管２７内に配置される。排気温センサ４４はＥＣＵ６０に電気的に接続され、排気温センサ４４の出力はＥＣＵ６０に送信される。ＥＣＵ６０は排気温センサ４４を用いて排気通路内の排気温度を検出する。なお、ＥＣＵ６０は、機関回転数、燃料噴射弁１１の燃料噴射量等に基づいて排気通路内の排気温度を推定してもよい。この場合、排気温センサ４４は省略されてもよい。

＜燃料添加処理＞
以下、図５のフローチャートを参照して、第二実施形態において燃料添加装置を用いて排気通路に燃料を添加するときの制御について説明する。図５は、本発明の第二実施形態における燃料添加処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１００の始動後、ＥＣＵ６０によって繰り返し実行される。

ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３は、図４におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様であることから説明を省略する。ステップＳ２０３の後、ステップＳ２０４において、上述したいずれかの方法によって排気通路内の排気温度が推定又は検出される。次いで、ステップＳ２０５において、ステップＳ２０４において推定又は検出された排気温度に基づいて、基準温度Ｔｒｅｆが算出される。このとき、基準温度Ｔｒｅｆは、排気温度が高いほど低くされる。

次いで、ステップＳ２０６において、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆよりも低いか否かが判定される。供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。一方、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆよりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に戻る。ステップＳ２０７及びステップＳ２０８は、図４におけるステップＳ１０５及びステップＳ１０６と同様であることから説明を省略する。

なお、図４の制御ルーチンと同様に、ステップＳ２０２において減圧弁３９の開弁のみが実行されてもよい。また、減圧弁３９の開度が変更可能である場合、ステップＳ２０６からステップＳ２０３に戻るときに減圧弁３９の開度が大きくされ、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上になるまでその開度が維持されてもよい。この場合、ステップＳ２０２において減圧弁３９が開弁されるとき、減圧弁３９の開度は最大値よりも小さくされる。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る燃料添加装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る燃料添加装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図６は、本発明の第三実施形態に係る燃料添加装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図６に示される内燃機関１００’は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１００’は車両に搭載される。

なお、第一実施形態と同様に、内燃機関１００’は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関、特に希薄混合気燃焼（リーンバーン）方式のガソリンエンジンであってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１００’の具体的な構成は、図６に示した構成と異なっていてもよい。

＜燃料添加装置＞
以下、本発明の第三実施形態に係る燃料添加装置の構成について説明する。燃料添加装置は、燃料タンク３０、フィードポンプ３１、サプライポンプ３２、第一蓄圧室３３及び燃料添加弁３５を備える。第三実施形態では、第一実施形態と異なり、燃料添加装置は、燃料添加弁３５に供給される燃料を蓄える第二蓄圧室を備えていない。

また、燃料添加装置は、燃料タンク３０と第一蓄圧室３３とを接続する燃料配管３６と、第一蓄圧室３３と燃料添加弁３５とを接続する減圧燃料通路３７と、減圧燃料通路３７と燃料タンク３０とを接続するリターン通路３８と、燃料配管３６と減圧燃料通路３７とを接続する低圧燃料通路４５とを備える。低圧燃料通路４５は、リターン通路３８よりも燃料添加弁３５側で減圧燃料通路３７に接続され、フィードポンプ３１とサプライポンプ３２との間で燃料配管３６に接続される。また、第一実施形態と同様に、リターン通路３８には、リーク燃料配管４１が接続されている。

フィードポンプ３１は燃料タンク３０内の燃料を汲み上げてサプライポンプ３２及び燃料添加弁３５に供給する。フィードポンプ３１は燃料タンク３０内の燃料を低圧燃料通路４５を通して燃料添加弁３５に供給する。このため、減圧弁３９を閉弁しているときであっても、フィードポンプ３１によって燃料タンク３０内の燃料を燃料添加弁３５に供給することができる。フィードポンプ３１によって燃料添加弁３５に供給される燃料の圧力は、減圧弁３９を通して第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給される燃料の圧力よりも低い。なお、フィードポンプ３１は、燃料配管３６とは別の通路に配置され、燃料タンク３０内の燃料を燃料添加弁３５のみに供給してもよい。この場合、サプライポンプ３２は燃料タンク３０内の燃料を汲み上げて昇圧する。

また、燃料添加装置は、減圧燃料通路３７に配置された第一チェック弁４６と、低圧燃料通路４５に配置された第二チェック弁４７と、リターン通路３８に配置されたリリーフ弁４０とを備える。第一チェック弁４６は、リターン通路３８との接続部よりも燃料添加弁３５側の減圧燃料通路３７に配置される。第一チェック弁４６は、第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５への燃料の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁である。このため、第一チェック弁４６は、第一蓄圧室３３から減圧弁３９を通して燃料添加弁３５に供給される燃料の逆流を防ぐ。また、第一チェック弁４６は、フィードポンプ３１によって燃料添加弁３５に供給された燃料が減圧燃料通路３７を通して減圧弁３９に向かって流れることも防止する。

第二チェック弁４７は、フィードポンプ３１から燃料添加弁３５への燃料の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁である。このため、第二チェック弁４７は、フィードポンプ３１によって燃料添加弁３５に供給される燃料の逆流を防ぐ。また、第二チェック弁４７は、第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給された燃料が低圧燃料通路４５を通してフィードポンプ３１に向かって流れることも防止する。

リリーフ弁４０は、リーク燃料配管４１との接続部よりも減圧燃料通路３７側のリターン通路３８に配置される。リリーフ弁４０は、減圧燃料通路３７から燃料タンク３０への燃料の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁である。このため、リリーフ弁４０は、燃料噴射弁１１から燃料タンク３０に戻される燃料がリターン通路３８を通して減圧燃料通路３７に向かって流れることを防止する。リリーフ弁４０は、減圧燃料通路３７の圧力が所定値よりも高くなると、開弁して減圧燃料通路３７内の燃料をリターン通路３８を通して燃料タンク３０に戻す。したがって、リリーフ弁４０は、第一蓄圧室３３から燃料添加弁３５に供給される燃料の圧力を所定値以下に維持することができる。なお、リリーフ弁４０が開弁する圧力、すなわち減圧燃料通路３７から燃料添加弁３５に供給される燃料の最大圧力は、第一蓄圧室３３に蓄えられる燃料の圧力よりも低い値に設定される。また、リリーフ弁４０が開弁する圧力は、第一チェック弁４６が開弁する圧力よりも高い。

また、燃料添加装置は、第一実施形態と同様に、サプライポンプ３２、減圧弁３９及び燃料添加弁３５を制御する制御装置を備える。本実施形態では、ＥＣＵ６０が制御装置に相当する。ＥＣＵ６０は、供給燃料温度を検出又は推定し、燃料添加弁３５から燃料を噴射する場合、燃料の温度が基準温度以上となるように、減圧弁３９の排出量を制御する。この制御によって、燃料添加装置は、燃料添加弁３５から排気通路に噴射される燃料の昇温を促進することができる。第二実施形態では、供給燃料温度を検出する燃温センサ４３は、第一チェック弁４６と燃料添加弁３５との間の減圧燃料通路３７に配置される。なお、燃温センサ４３は燃料添加弁３５の内部に配置されてもよい。

ＥＣＵ６０は、供給燃料温度が基準温度よりも低い場合、供給燃料温度が基準温度以上である場合と比べて減圧弁３９の排出量を増加させる。例えば、ＥＣＵ６０は、供給燃料温度が基準温度よりも低い場合には減圧弁３９を開弁し、供給燃料温度が基準温度以上である場合には減圧弁３９を閉弁する。減圧弁３９を閉弁する場合、フィードポンプ３１によって燃料添加弁３５に供給された燃料が燃料添加弁３５から排気管２７内に噴射される。このため、供給燃料温度が基準温度以上である場合に減圧弁３９を閉弁することによって、サプライポンプ３２の負荷を低減することができる。

また、ＥＣＵ６０は、供給燃料温度が基準温度よりも低い場合、供給燃料温度が基準温度以上である場合と比べて減圧弁３９の排出量を増加させると共に、減圧弁３９を通して第一蓄圧室３３から排出される燃料の圧力脈動を算出し、燃料添加弁３５の噴射時期を圧力脈動に同期させてもよい。具体的には、ＥＣＵ６０は、圧力脈動における圧力のピークが燃料添加弁３５に到達する時間を推定し、圧力のピークと燃料添加弁３５の噴射時期とが一致するように燃料添加弁３５から燃料を噴射する。このことによって、高圧状態の燃料が排気管２７内に噴射されるため、燃料の減圧沸騰、ひいては燃料の気化及び微粒化を促進することができる。

例えば、ＥＣＵ６０は、減圧燃料通路３７に排出された燃料の温度及び圧力並びに減圧燃料通路３７の長さに基づいて、圧力脈動における圧力のピークが燃料添加弁３５に到達する時間を算出する。減圧燃料通路３７に排出された燃料の温度は、減圧弁３９を制御するために供給燃料温度を検出する燃温センサ４３を用いて検出される。また、ＥＣＵ６０は、内燃機関１００の外気温を検出する外気温センサの出力、内燃機関１００の冷却水の温度を検出する水温センサの出力、減圧弁３９の排出量等に基づいて、供給燃料温度を推定してもよい。この場合、燃温センサ４３は省略されてもよい。

また、燃料添加装置は、減圧燃料通路３７に排出された燃料の圧力を検出する燃圧センサ４８を備える。燃圧センサ４８は減圧燃料通路３７に配置される。燃圧センサ４８はＥＣＵ６０に電気的に接続され、燃圧センサ４８の出力はＥＣＵ６０に送信される。ＥＣＵ６０は、燃圧センサ４８を用いて、減圧燃料通路３７に排出された燃料の圧力を検出する。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図７は、燃料の添加要求の有無、供給燃料温度、減圧弁３９の開閉、サプライポンプ３２の吐出量及び燃料添加弁３５の開閉の概略的なタイムチャートである。図７は、燃料の添加が要求されたときに供給燃料温度が基準温度Ｔｒｅｆ以上である場合を示す。

図７に示した例では、時刻ｔ１において、燃料の添加、すなわち燃料添加弁３５の燃料噴射が要求されている。このときの供給燃料温度は基準温度Ｔｒｅｆ以上である。このため、時刻ｔ１において、減圧弁３９が開弁されることなく、燃料添加弁３５が開弁されて、燃料添加弁３５の燃料噴射が開始される。この場合、フィードポンプ３１によって燃料添加弁３５に供給された燃料が燃料添加弁３５から噴射される。また、減圧弁３９が開弁されないため、時刻ｔ１においてサプライポンプ３２の吐出量も増加されない。

所定量の燃料が燃料添加弁３５から排気管２７内に噴射されると、時刻ｔ２において、燃料添加弁３５が閉弁されて、燃料添加弁３５の燃料噴射が停止される。また、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の燃料噴射期間には、燃料の圧力のピークと燃料添加弁３５の噴射時期が一致するように燃料添加弁３５から燃料が噴射される。なお、図７の例では減圧弁３９が常に閉弁しているが、コモンレール圧を低下させるために、減圧弁３９が一時的に開弁されてもよい。

一方、燃料の添加が要求されたときに供給燃料温度が基準温度Ｔｒｅｆよりも低い場合には、図３のタイムチャートと同様の制御が実行される。この場合、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の燃料噴射期間には、燃料の圧力のピークと燃料添加弁３５の噴射時期が一致するように燃料添加弁３５から燃料が噴射される。

＜燃料添加処理＞
以下、図８のフローチャートを参照して、第三実施形態において燃料添加装置を用いて排気通路に燃料を添加するときの制御について説明する。図８は、本発明の第三実施形態における燃料添加処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１００の始動後、ＥＣＵ６０によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ３０１において、図４のステップＳ１０１と同様に、燃料の添加要求、すなわち燃料添加弁３５の燃料噴射要求が有るか否かが判定される。燃料の添加要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、燃料の添加要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、図４のステップＳ１０３と同様に、供給燃料温度Ｔｆが検出又は推定される。次いで、ステップＳ３０３において、図４のステップＳ１０４と同様に、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆよりも低いか否かが判定される。ステップＳ３０３において燃料供給温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０４では、開弁フラグＦｏｖがゼロであるか否かが判定される。開弁フラグＦｏｖは、減圧弁３９の開閉状態を示すフラグである。開弁フラグＦｏｖは、本制御ルーチンにおいて、減圧弁３９が開弁されたときに１に設定され、減圧弁３９が閉弁されたときにゼロに設定される。開弁フラグＦｏｖの初期値はゼロである。

ステップＳ３０４において開弁フラグＦｏｖがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、燃料添加弁３５から所定量の燃料が噴射される。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ３０３において供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆよりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、供給燃料温度を上昇させるべく、減圧弁３９が開弁される。また、第一蓄圧室３３に蓄えられた燃料の圧力低下を抑制すべく、サプライポンプ３２の吐出量が増加される。次いで、ステップＳ３０７において、開弁フラグＦｏｖが１に設定される。

ステップＳ３０７の後、本制御ルーチンはステップＳ３０２に戻る。したがって、供給燃料温度Ｔｆが基準温度Ｔｒｅｆ以上になるまで、減圧弁３９が開弁され且つサプライポンプ３２の吐出量が増加された状態が維持される。このため、燃料の添加要求が生じたときに供給燃料温度Ｔｆが所定温度Ｔｒｅｆよりも低い場合には、減圧弁３９の開弁時間が長くされて減圧弁３９の排出量が増加される。

また、ステップＳ３０４において開弁フラグＦｏｖが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０８に進む。ステップＳ３０８では、上述した方法によって、減圧弁３９を通して第一蓄圧室３３から排出される燃料の脈動が算出される。次いで、ステップＳ３０９では、燃料の圧力のピークと燃料添加弁３５の噴射時期とが一致するように燃料添加弁３５から燃料が噴射される。次いで、ステップＳ３１０では、減圧弁３９が閉弁され、開弁フラグＦｏｖがゼロに設定される。ステップＳ３１０の後、本制御ルーチンは終了する。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、燃料添加弁３５から排気通路に噴射される燃料としてバイオディーゼル燃料のような燃料が用いられてもよい。また、燃料添加弁３５から排気通路に噴射される燃料を昇温するために、ヒータ等の昇温手段が併用されてもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図５におけるステップＳ２０４及びステップＳ２０５が、図８におけるステップＳ３０２とステップＳ３０３との間に実行される。

１０ 気筒
１１ 燃料噴射弁
２７ 排気管
３０ 燃料タンク
３２ サプライポンプ
３３ 第一蓄圧室
３５ 燃料添加弁
３７ 減圧燃料通路
３９ 減圧弁
６０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１００、１００’ 内燃機関

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に燃料を噴射する燃料添加弁と、
   燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記内燃機関の各気筒に設けられた燃料噴射弁に供給される燃料を蓄える第一蓄圧室と、
   前記燃料タンク内の燃料を前記燃料添加弁に供給するフィードポンプと、
   前記燃料タンク内の燃料を昇圧して前記第一蓄圧室に供給するサプライポンプと、
   前記第一蓄圧室に蓄えられた燃料を排出することにより該第一蓄圧室の圧力を低下させる減圧弁と、
   前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出された燃料を前記燃料添加弁に供給する減圧燃料通路と、
   前記燃料添加弁及び前記減圧弁を制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記燃料添加弁に供給される燃料の温度を検出又は推定し、前記燃料添加弁から燃料を噴射する場合、前記燃料の温度が基準温度以上となるように、前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出される燃料の量を制御する、燃料添加装置。
2. 前記制御装置は、前記燃料の温度が前記基準温度よりも低い場合、該燃料の温度が該基準温度以上である場合と比べて前記燃料の量を増加させる、請求項１に記載の燃料添加装置。
3. 前記制御装置は、前記燃料の温度が前記基準温度よりも低い場合、該燃料の温度が該基準温度以上である場合と比べて前記燃料の量を増加させると共に、前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出される燃料の圧力脈動を算出し、前記燃料添加弁の噴射時期を前記圧力脈動に同期させる、請求項１又は２に記載の燃料添加装置。
4. 前記第一蓄圧室から前記減圧弁を通して前記燃料添加弁に供給される燃料の逆流を防ぐ第一チェック弁と、前記フィードポンプによって前記燃料添加弁に供給される燃料の逆流を防ぐ第二チェック弁とを更に備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料添加装置。
5. 前記減圧弁を通して前記第一蓄圧室から排出された燃料を前記燃料タンクに戻すリターン通路と、前記第一蓄圧室から前記燃料添加弁に供給される燃料の圧力を所定値以下に維持するように該リターン通路に配置されたリリーフ弁とを更に備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料添加装置。
6. 前記制御装置は、前記排気通路内の排気温度を検出又は推定し、該排気温度に基づいて前記基準温度を算出する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料添加装置。

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