JP2017125458A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管に設けられた機能部材への燃料付着を抑えることのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１０は、排気管１４に設けられた過給機１８と、過給機１８よりも下流側の排気管１４に設けられて排気管１４内の排気の流れ方向に対向する方向に向かって燃料を噴射することにより排気に燃料を添加する燃料添加弁２９と、燃料添加弁２９よりも下流側の排気管１４に設けられたＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置３０とを備えている。この内燃機関１０の電子制御ユニット３７は、燃料添加弁２９から噴射された燃料噴霧が過給機１８に到達するか否かを判定する判定部３７Ａと、判定部３７Ａにて燃料噴霧が過給機１８に到達すると判定されるときには燃料噴霧の貫徹力を低下させる処理を行う低下処理部３７Ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気を浄化する装置として、内燃機関の燃料を排気に添加する燃料添加弁や、この燃料添加弁よりも下流側の排気管に設けられて添加された燃料が供給される排気浄化部材などを備えるものが知られており、燃料添加弁から添加された燃料を排気中で微粒化させる技術が種々提案されている。

例えば特許文献１に記載の装置では、燃料添加弁の燃料噴射方向を排気管内の排気の流れ方向に対向させるようにしている。こうした装置によれば、燃料添加弁から噴射された燃料が排気と強く衝突するようになるため、燃料の微粒化が促されるようになる。

特開２００６−７７６９１号公報

ところで、排気管には、過給機や、過給機の過給圧を抑えるウエストゲートバルブ、あるいは排気の温度を高めるべく排気管内に設置されるヒータなどといった機能部材が設けられることがある。

ここで、燃料添加弁の燃料噴射方向を排気管内の排気の流れ方向に対向させるようにした場合において、そうした燃料添加弁を上述した機能部材よりも下流側の排気管に設けると、燃料添加弁から噴射された燃料噴霧が機能部材に到達してしまう可能性があり、燃料噴霧が機能部材に到達してしまうと、機能部材には燃料が付着してしまう。このようにして機能部材に燃料が付着すると、例えば付着燃料がデポジット化して機能部材の動作に悪影響を与えたり、排気浄化部材に到達する燃料の量が少なくなるために排気浄化性能が低下するなどの不都合が起きやすい。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、排気管に設けられた機能部材への燃料付着を抑えることのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気管に設けられた機能部材と、前記機能部材よりも下流側の排気管に設けられて排気管内の排気の流れ方向に対向する方向に向かって燃料を噴射することにより排気に燃料を添加する燃料添加弁と、前記燃料添加弁よりも下流側の排気管に設けられた排気浄化部材と、を備える内燃機関に適用される制御装置である。そしてこの制御装置は、前記燃料添加弁から噴射された燃料噴霧が前記機能部材に到達するか否かを判定する判定部と、前記判定部にて前記燃料噴霧が前記機能部材に到達すると判定されるときには、前記燃料噴霧の貫徹力を低下させる処理を行う低下処理部と、を備えている。

同構成によれば、燃料添加弁から噴射された燃料噴霧が機能部材に到達すると判定されるときには、燃料噴霧の貫徹力が低下するようになるため、燃料噴霧が機能部材に到達しにくくなる。従って、機能部材への燃料付着を抑えることができるようになる。

内燃機関の制御装置の一実施形態が適用される内燃機関の構成を示す模式図。 同実施形態において燃料添加を行うときに実施される一連の処理手順を示すフローチャート。

以下、内燃機関の制御装置の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態の制御装置は、車載用のディーゼル機関（以下、内燃機関という）に適用される。

図１に示すように、本実施形態の制御装置が適用される内燃機関１０は、混合気の燃焼が行われる複数の気筒１１を有している。
内燃機関１０は、各気筒１１に導入する吸気が流れる吸気管１３や、各気筒１１から排出された排気が流れる排気管１４を備えている。さらに、内燃機関１０は、吸気管１３に接続されたコンプレッサ１６と排気管１４に接続されたタービン１７とを有した機能部材としての排気タービン式の過給機１８を備えている。

タービン１７内には、排気管１４内を流れる排気によって回転するタービンホイールが設けられており、コンプレッサ１６内にはタービンホイールと一体回転するコンプレッサホイールが設けられている。また、タービン１７の出口近傍には、過給機１８の過給圧を抑える機能部材としてのウエストゲートバルブ４０も設けられている。

各気筒１１には、気筒１１内に燃料を噴射する燃料噴射弁１９がそれぞれ設けられている。各気筒１１の燃料噴射弁１９は、コモンレール２０にそれぞれ連結されている。コモンレール２０は、吐出量を変更可能な電子制御式の燃料ポンプ２１を介して燃料タンク２２に連結されている。燃料ポンプ２１は、燃料タンク２２内の燃料を吸引及び加圧してコモンレール２０に供給する。そして、各燃料噴射弁１９には、コモンレール２０から燃料が分配供給される。

吸気管１３における上記コンプレッサ１６よりも上流側の部分には、吸気中の異物を濾過するエアクリーナ２３と、吸気管１３を流れる吸気の流量（吸入空気量ＧＡ）を検出するためのエアフロメータ２４とが設けられている。また、吸気管１３におけるコンプレッサ１６の下流側の部分には、コンプレッサ１６による圧縮によって高温となった吸気を冷却するインタークーラ２５と、吸入空気量ＧＡを調整するスロットルバルブ２６とが設けられている。そして、内燃機関１０のシリンダヘッドに形成された吸気ポートには、吸気管１３の一部を構成する吸気マニホールド２７が接続されており、この吸気マニホールド２７によって吸気管１３を流れる吸気が各気筒１１に分配される。

内燃機関１０のシリンダヘッドに形成された排気ポートには、排気管１４の一部を構成する排気マニホールド２８が接続されており、この排気マニホールド２８によって各気筒１１から排出された排気が合流する。そして、排気マニホールド２８の下流側の部分に上記タービン１７の入口が接続されている。

内燃機関１０の排気浄化装置は、排気管１４内を流れる排気に内燃機関１０の燃料を添加する燃料添加弁２９と、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための排気浄化部材として機能するＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置３０（以下、ＮＳＲ触媒装置という）と、排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集する排気浄化部材として機能するＰＭフィルタ３１とを備えている。

燃料添加弁２９は、排気管１４におけるタービン１７の下流側の部分に設置されている。この燃料添加弁２９には、燃料ポンプ２１において加圧される前の燃料が同燃料ポンプ２１から供給される。燃料添加弁２９に供給される燃料の圧力は、燃料ポンプ２１の回転速度を変化させることにより変化する。また、燃料添加弁２９の燃料噴射方向は、排気管１４内の排気の流れ方向に対向する方向に向かって燃料が噴射されるように設定されている。こうした方向に燃料噴射方向を設定することにより、タービン１７から流出した排気の流れ方向に対して対向する方向に燃料が噴射される。ここで、過給機１８のタービン１７から流出する排気は、排気管１４内において比較的流速の速い排気となっているため、燃料添加弁２９から噴射された燃料噴霧と排気との相対速度は速くなり、その結果、燃料添加弁２９から噴射された燃料の微粒化が促進される。

ＮＳＲ触媒装置３０は、排気管１４における燃料添加弁２９よりも下流側の部分に設置されている。そして、ＰＭフィルタ３１は、排気管１４におけるＮＳＲ触媒装置３０よりも下流側の部分に設置されている。

さらに、排気管１４には、ＮＳＲ触媒装置３０を通過した直後の排気の温度である排気温度ＴＨＥを検出するための排気温センサ３２や、ＰＭフィルタ３１の通過前後の排気の差圧を検出するための差圧センサ３３などが設置されている。また、排気マニホールド２８には、各気筒１１で燃焼された混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３４が取り付けられている。

また、内燃機関１０には、排気マニホールド２８と吸気マニホールド２７とを連結する再循環排気通路（ＥＧＲ通路）１５が設けられている。ＥＧＲ通路１５には、排気系から吸気系に再循環される排気（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ３５と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ３６とが設けられている。

内燃機関１０は電子制御ユニット３７を備えている。この電子制御ユニット３７は、機関運転制御や排気浄化制御のための各種演算処理を行う中央演算処理装置、制御用のプログラムやデータが記憶された読出専用メモリ、中央演算処理装置の演算結果やセンサの検出結果などを一時的に記憶するメモリ、入力ポート及び出力ポートなどを備えている。また、電子制御ユニット３７は、燃料添加弁２９から噴射された燃料噴霧が過給機１８やウエストゲートバルブ４０といった機能部材に到達するか否かを判定する判定部３７Ａや、この判定部３７Ａにて燃料噴霧が機能部材に到達すると判定されるときには燃料噴霧の貫徹力を低下させる処理を行う低下処理部３７Ｂを有している。

電子制御ユニット３７の入力ポートには、上述のエアフロメータ２４、排気温センサ３２、差圧センサ３３、空燃比センサ３４の出力信号が入力されている。また、電子制御ユニット３７の入力ポートには、燃料添加弁２９に供給される燃料の圧力である燃圧ＰＦを検出するための燃圧センサ３８の出力信号や、燃料添加弁２９内の燃料の温度である燃温ＴＨＦを検出するための燃温センサ３９の出力信号が入力されている。一方、電子制御ユニット３７の出力ポートには、燃料噴射弁１９や燃料ポンプ２１、スロットルバルブ２６、燃料添加弁２９、ＥＧＲバルブ３６の駆動回路が接続されている。

電子制御ユニット３７は、排気浄化制御の１つとして、ＮＳＲ触媒装置３０に流入する排気中のＨＣ（炭化水素）の濃度を規定範囲内の振幅及び規定範囲内の周期にて振動させることにより、排気温度が高く且つリーン空燃比で混合気の燃焼が行われる機関運転状態においてもＮＯｘの連続浄化が可能となるＮＯｘ連続浄化制御を行う。こうしたＮＯｘ連続浄化制御を実行するときには、ＮＳＲ触媒装置３０に流入する排気中のＨＣの濃度が上記規定範囲内の振幅及び上記規定範囲内の周期にて振動するように、燃料添加弁２９から排気に対してパルス状に燃料を添加する間欠添加が電子制御ユニット３７によって実行される。

また、電子制御ユニット３７は、排気浄化制御の１つとして、上記差圧センサ３３の検出値などからＰＭフィルタ３１に堆積した粒子状物質の量を推定する。そして、その推定した粒子状物質の堆積量が規定量に達したときには、燃料添加弁２９から排気に対してパルス状に燃料を添加する間欠添加を行って排気温度を高め、そうした排気温度の高温化によってＰＭフィルタ３１に堆積した粒子状物質を消失させる、いわゆるフィルタ再生制御を実行する。

なお、上述した間欠添加では、燃料噴射と噴射休止とが交互に繰り返されるのであるが、そうした繰り返し周期は、ＮＯｘ連続浄化制御やフィルタ再生制御の実行時においてそれぞれ最適な周期が設定されている。また、ＮＯｘ連続浄化制御やフィルタ再生制御の実行時における燃圧ＰＦは、通常、予め定められた規定圧ＰＦｂとなるように調整される。

ところで、上述したように、本実施形態では、上述した機能部材（過給機１８やウエストゲートバルブ４０）よりも下流側の排気管１４に燃料添加弁２９を設けており、その燃料添加弁２９の燃料噴射方向を排気管１４内の排気の流れ方向に対向させるようにしている。そのため、燃料添加弁２９から噴射された燃料噴霧が機能部材に付着しやすい構造になっている。そこで、電子制御ユニット３７は燃料添加を行うときに、以下に説明する一連の処理を行うことにより、そうした機能部材への燃料噴霧の付着を抑えるようにしている。

図２に、上記一連の処理手順を示す。この処理では、まずはじめに、現在、燃料添加弁２９による燃料の添加要求があるか否かが判定される（Ｓ１００）。このステップＳ１００では、例えば、上記ＮＯｘ連続浄化制御や上記フィルタ再生制御の実行要求がある場合に、添加要求があると判定される。そして、添加要求が無い場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、本処理は終了される。

一方、添加要求がある場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、上記判定部３７Ａによって、燃料添加弁２９から噴射する燃料噴霧が上記機能部材（過給機１８やウエストゲートバルブ４０）に到達するか否かが判定される（Ｓ１１０）。このステップＳ１１０では、以下のようにして燃料噴霧の到達に関する判定が行われる。

すなわち、燃圧ＰＦが高いときほど燃料噴霧の貫徹力は大きくなるため、燃料噴霧が上記機能部材に到達しやすくなる。また、燃温ＴＨＦが低いときほど燃料の粘度は高くなり燃料噴霧の粒径は大きくなるため、燃料噴霧の貫徹力は大きくなり、燃料噴霧が上記機能部材に到達しやすくなる。また、上記繰り返し周期１回における燃料の噴射時間が長いときほど、燃料噴霧の貫徹力は大きくなるため、燃料噴霧が上記機能部材に到達しやすくなる。また、排気温度ＴＨＥが低いときほど、ＮＳＲ触媒装置３０を通過する前の排気温度も低い状態にあり、この通過前の排気温度が低いときほど、燃料添加弁２９から噴射された直後の燃料噴霧の蒸発が起きにくくなるため、燃料噴霧の貫徹力は大きくなり、燃料噴霧が上記機能部材に到達しやすくなる。また、本実施形態では、排気の流速が遅いときほど、燃料添加弁２９から噴射された燃料噴霧を排気が押し戻す力が弱くなるため、噴射された燃料噴霧の速度は速くなり、燃料噴霧の貫徹力は大きくなるため、燃料噴霧が上記機能部材に到達しやすくなる。

このように、燃料噴霧が上記機能部材に到達するか否かは、燃圧ＰＦ、燃温ＴＨＦ、燃料の噴射時間、排気温度ＴＨＥ、及び排気流速に基づいて判定することができる。そこで、ステップＳ１１０において、上記判定部３７Ａは、燃圧ＰＦ、燃温ＴＨＦ、排気温度ＴＨＥ、及び排気流速の代用値としての吸入空気量ＧＡについてそれら各値の現状値を読み込むとともに、現在算出されている燃料の噴射時間を読み込む。そして、読み込んだそれら各値に基づいて燃料噴霧が上記機能部材に到達するか否かを判定する。

ステップＳ１１０にて、燃料噴霧が上記機能部材に到達すると判定されるときには（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、上記低下処理部３７Ｂによって、燃料噴霧の貫徹力を低下させる貫徹力低下処理が実行される（Ｓ１２０）。このステップＳ１２０では、貫徹力低下処理の一例として、燃圧ＰＦを上記規定圧ＰＦｂよりも所定圧Ｐだけ低下させる燃圧低下処理が実行される。なお、所定圧Ｐには、燃料噴霧が上記機能部材に到達しない程度に燃料噴霧の貫徹力を低下させるのに適した値が設定されている。また、所定圧Ｐは固定値にしたり、燃料噴霧の貫徹力の大きさに応じて可変設定される値にしてもよい。また、燃圧ＰＦの低下は、燃料ポンプ２１の回転速度を低下させることにより行われるが、その他方法で行ってもよい。例えば燃料添加弁２９から燃料をリークさせるリーク弁などを設け、そのリーク弁から燃料を漏らすことにより燃圧ＰＦを低下させてもよい。

そして、ステップＳ１２０にて貫徹力低下処理が行われると、次のステップＳ１３０では、燃料添加弁２９による燃料の添加が開始される。
他方、上記ステップＳ１１０にて、燃料噴霧が上記機能部材に到達しないと判定されるときには（Ｓ１１０：ＮＯ）、上記低下処理部３７Ｂによる貫徹力低下処理を実行することなく、上記規定圧ＰＦｂによる燃料の添加が開始される（Ｓ１４０）。

上記ステップＳ１３０またはステップＳ１４０にて、燃料の添加が開始されると、次に添加を開始してから所定時間ＴＤが経過したか否かが判定される（Ｓ１５０）。この所定時間ＴＤとしては、例えば以下のような時間が設定されている。すなわち、機関運転中には燃料噴霧の貫徹力が種々変化するのであるが、上記ステップＳ１３０または上記ステップＳ１４０にて燃料の添加を開始してから、それほど時間が経過していなければ、燃料噴霧の貫徹力はそれほど大きく変化しておらず、現状の添加状態を維持しても燃料噴霧は上記機能部材に到達しないと考えられる。逆に、上記ステップＳ１３０または上記ステップＳ１４０にて燃料の添加を開始してから、ある程度時間が経過していると、燃料噴霧の貫徹力が変化しており、現状の添加状態では燃料噴霧を上記機能部材に到達してしまう可能性もある。そこで、上記ステップＳ１３０または上記ステップＳ１４０にて燃料の添加を開始してから燃料噴霧の貫徹力はそれほど変化しておらず、現状の添加状態を維持しても燃料噴霧が上記機能部材に到達しないと考えることのできる程度の時間（例えば数秒程度）が上記所定時間ＴＤに設定されている。

そして、添加を開始してから所定時間ＴＤが経過していないときには（Ｓ１５０：ＮＯ）、添加を開始してから所定時間ＴＤが経過するまでステップＳ１５０での判定が繰り返し行われる。

一方、添加を開始してから所定時間ＴＤが経過しているときには（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、燃料添加弁２９による燃料の添加要求が無くなったか否かが判定される（ステップＳ１６０）。このステップＳ１６０では、例えば、上記ＮＯｘ連続浄化制御や上記フィルタ再生制御の実行要求が無くなった場合に、添加要求が無くなったと判定される。そして、ステップＳ１６０にて、添加要求があると判定されるときには（Ｓ１６０：ＮＯ）、上記ステップＳ１１０以降の処理が再び実行されることにより、燃料の添加が継続される。

一方、ステップＳ１６０にて、添加要求が無いと判定されるときには（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、上記ステップＳ１３０または上記ステップＳ１４０にて開始した燃料の添加が終了されて（Ｓ１７０）、本処理は終了される。

次に、このように構成される本実施形態の制御装置の作用、並びにその効果について説明する。
燃料添加弁２９から噴射される燃料噴霧が上述の機能部材（過給機１８やウエストゲートバルブ４０）に到達するか否かの判定が、燃圧ＰＦ、燃温ＴＨＦ、燃料の噴射時間、排気温度ＴＨＥ、及び排気流速に基づいて適切に行われる。

そして、燃料噴霧が上述の機能部材（過給機１８やウエストゲートバルブ４０）に到達すると判定される場合には、上記貫徹力低下処理が実行されることにより、燃料添加弁２９に供給される燃料の燃圧ＰＦが低下されて燃料噴霧の貫徹力が低下される。そのため、燃料噴霧が機能部材に到達しにくくなり、機能部材への燃料付着を抑えることができるようになる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記貫徹力低下処理では、燃料噴霧の貫徹力を低下させるために燃圧ＰＦを低下させるようにしたが、他の方法で燃料噴霧の貫徹力を低下させてもよい。例えば、上記繰り返し周期１回における燃料の噴射時間を短くすることにより、繰り返し周期の１回において噴射される燃料量を減らし、これによって燃料噴霧の貫徹力を低下させてもよい。なお、このようにして燃料の噴射時間を短くすると、所定時間内における燃料噴射量が少なくなってしまうため、これを避けるべく、繰り返し周期を短くして単位時間当たりの燃料噴射回数を増やすことが好ましい。また、燃料噴射弁１９によるアフター噴射等を行うことで排気温度を高めることにより燃料噴霧の貫徹力を低下させてもよい。また、吸入空気量ＧＡを増やす（例えば機関回転速度を高める、過給機１８の過給圧を高めるなど）ことで排気流速を高めることにより燃料噴霧の貫徹力を低下させてもよい。

・排気管１４に設けられた上記機能部材は、過給機１８及びウエストゲートバルブ４０であったが、燃料付着に起因する各種動作不良が起きるおそれのある他の部材でもよい。例えば、上記機能部材としては、排気の温度を高めるべく排気管内に設置されるヒータでもよい。

・上記実施形態では、排気浄化部材として、ＨＣを供給することによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置３０を備えていた。この他、排気浄化部材として、ＨＣを供給することによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ還元触媒装置や、燃料添加により排気の温度を高める酸化触媒装置などを備える排気浄化装置に対しても、上記実施形態で説明した構造を適用することができる。

１０…内燃機関、１１…気筒、１３…吸気管、１４…排気管、１５…再循環排気通路（ＥＧＲ通路）、１６…コンプレッサ、１７…タービン、１８…過給機、１９…燃料噴射弁、２０…コモンレール、２１…燃料ポンプ、２２…燃料タンク、２３…エアクリーナ、２４…エアフロメータ、２５…インタークーラ、２６…スロットルバルブ、２７…吸気マニホールド、２８…排気マニホールド、２９…燃料添加弁、３０…ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＮＳＲ触媒装置）、３１…ＰＭフィルタ、３２…排気温センサ、３３…差圧センサ、３４…空燃比センサ、３５…ＥＧＲクーラ、３６…ＥＧＲバルブ、３８…燃圧センサ、３９…燃温センサ、３７…電子制御ユニット、４０…ウエストゲートバルブ。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気管に設けられた機能部材と、前記機能部材よりも下流側の排気管に設けられて排気管内の排気の流れ方向に対向する方向に向かって燃料を噴射することにより排気に燃料を添加する燃料添加弁と、前記燃料添加弁よりも下流側の排気管に設けられた排気浄化部材と、を備える内燃機関に適用される制御装置であって、
   前記燃料添加弁から噴射された燃料噴霧が前記機能部材に到達するか否かを判定する判定部と、
   前記判定部にて前記燃料噴霧が前記機能部材に到達すると判定されるときには、前記燃料噴霧の貫徹力を低下させる処理を行う低下処理部と、を備える内燃機関の制御装置。

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