JP4487912B2 - 内燃機関の燃料添加装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路等に対して燃料を添加するための燃料添加弁を備えた内燃機関の燃料添加装置に関する。

排気通路に燃料を添加するための内燃機関の燃料添加装置として、燃料添加弁から燃料を噴射した直後にその燃料添加弁内の燃料通路に圧縮空気を導入することにより、燃料通路に残留する燃料、あるいは噴射口に付着したパティキュレートを吹き飛ばす装置が提案されている（特許文献１参照）。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。
特開２００４−２６３６６１号公報 特開２００１−７３７４４号公報 特開２０００−５４８３３号公報

燃料添加弁の内部の燃料通路に残った燃料は、周囲の温度が概ね１５０℃以上になるとタール化又は炭化しデポジットとなる。燃料通路においてデポジットが発生すると燃料通路が目詰まりを起こし、排気通路に対して所定量の燃料を添加することが困難となる。一度発生したデポジットは除去され難く、除去するためには、例えば、デポジットの周囲の温度を高温（概ね６５０℃）に昇温してデポジットを燃焼させる必要がある。しかしながら、排気通路に燃料添加弁を設ける場合、その設置箇所は、付着した燃料の炭化を抑えるために排気通路内の比較的低温の位置に設定されることがある。この場合には、燃料通路の周囲の温度を高温にすることが難しく、燃料通路に発生したデポジットを十分に燃焼させることができないおそれがある。上述した先行技術文献に記載された技術は、燃料添加弁の燃料通路に残留した燃料、あるいは噴射口に付着したパティキュレートを除去してデポジットの発生を抑えることを目的としており、発生したデポジットの除去を狙ったものではない。

そこで、本発明は、燃料通路に発生したデポジットを効率よく除去できる内燃機関の燃料添加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添加装置は、内部の燃料通路に導かれた燃料を該燃料通路の先端の噴射口から添加する燃料添加弁と、前記燃料通路の内部にオゾンを供給するオゾン供給手段と、前記燃料通路のデポジットによる詰まり具合を判別する判別手段と、前記判別手段の判別結果に基づいて、前記オゾン供給手段から前記燃料通路へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の燃料添加装置によれば、燃料添加弁の燃料通路の内部にオゾンを供給することにより、オゾンの強い酸化作用を利用して燃料通路の内部、あるいは噴射口の周囲で発生したデポジットを燃焼させてこれを効率よく除去することができる。オゾンの酸化作用は１００°Ｃ程度、あるいはそれよりも低い温度域でも十分に発揮されるので、燃料添加弁が排気通路内の比較的低温の部分に配置されている場合でもデポジットを十分に除去することができる。また、本発明の燃料添加装置によれば、燃料通路のデポジットによる詰まり具合に応じてオゾンの供給を制御することにより、オゾンを過不足なく使用し、それによりオゾンの消費量を抑えつつ、デポジットによる目詰まりを確実に解消することができる。

本発明の一形態において、前記燃料添加弁には当該燃料添加弁の内部で前記燃料通路に合流するオゾン通路が設けられ、前記オゾン供給手段は、前記オゾン通路を介して前記燃料通路にオゾンを供給してもよい（請求項２）。

上記の形態によれば、オゾン供給手段から供給されるオゾンをオゾン通路を介して燃料通路に集中的に導入し、燃料通路から噴射口へと流すことができる。これにより、燃料通路の内部に形成されるデポジットを狙い撃ちするようにオゾンを供給して、噴射口から燃料通路の奥に侵入し、あるいは燃料通路の内部で炭化したオゾンを確実に燃焼させることができる。燃料通路の内部に集中的にオゾンを供給できるのでオゾンが無駄になり難く、少量のオゾンで高いデポジット除去作用を生じさせることができる。オゾンを燃料添加弁が設置された箇所の雰囲気に触れさせることなく燃料添加弁の内部の燃料通路に導くことができる。これにより、燃料添加弁の周囲のガスによるオゾンの希釈、あるいはＨＣ等の還元剤との反応によるオゾンの消費を抑え、オゾンの酸化作用を効率よく発揮させることができる。

本発明の一形態においては、前記燃料添加弁が排気通路に対して前記燃料を添加するように設けられてもよい（請求項３）。この形態によれば、特にデポジットが発生し易い排気通路内の燃料添加弁の目詰まりに対して有効な解消策を提供することができる。排気によるオゾンの希釈、排気中に含まれるＨＣ等の還元剤との反応によるオゾンの消費を抑えて少量のオゾンで効率よくデポジットを除去できる。

さらに、燃料添加弁が排気通路に対して燃料を添加する形態において、前記オゾン供給制御手段は、前記判別手段が判別した詰まり具合が所定の限度に達している場合、前記内燃機関がアイドル運転中、又は停止直後であることを条件として前記オゾン供給手段から前記燃料通路へオゾンを供給させるようにしてもよい（請求項４）。

内燃機関がアイドル運転中のとき、あるいは停止直後の状態にあるときは内燃機関の排気通路における排気流量及び圧力が小さいため、デポジットの除去のために必要とされるオゾンの量も減少する。このため、アイドル運転中又は停止直後のタイミングでオゾンを供給することによりオゾンの使用量をさらに削減することができる。また、アイドル運転中又は停止直後のタイミングでは排気によるオゾンの希釈、あるいは還元剤との反応によるオゾンの消費をさらに抑制し、それによりオゾンの酸化作用を一層効率よく発揮させることができる。

オゾン供給制御手段を備えた本発明の一形態において、判別手段は種々の手法によってデポジットによる詰まり具合を判定することができる。一例として、判別手段は、前記燃料添加弁から前記排気通路への燃料添加に相関して変化する物理量に基づいて前記詰まり具合を判別してもよい（請求項５）。例えば、排気通路へ燃料を添加する場合には、燃料添加に伴って排気の空燃比が変化するため、燃料添加弁に対して指示した燃料添加量とこれに対応する空燃比の変化との相関関係から、燃料添加弁から指示した量の燃料が添加されているか否かを把握し、燃料量が不足していれば目詰まりが進んでいると判定することができる。あるいは、燃料添加弁からの燃料添加によって排気通路の触媒あるいはフィルタを昇温させる場合には、燃料添加弁に対して指示した燃料添加量と触媒等の温度上昇との相関関係から、燃料添加弁から指示した量の燃料が添加されているか否かを把握し、燃料量が不足していれば目詰まりが進んでいると判定することができる。

詰まり具合を判定する他の一例として、前記判別手段は、前記内燃機関の運転状態を制御するためのパラメータのうち、前記燃料通路へのデポジットの堆積量と相関性を有する特定のパラメータに基づいて前記詰まり具合を判別してもよい（請求項６）。例えば、アクセルペダルの踏込み量及び機関回転数を特定パラメータとして、内燃機関がデポジットの発生し易い運転状態で運転されているか否かを判定し、デポジットが発生し易い状態で運転されているときの時間を積算し、その積算値から詰まり具合を推定することができる。

以上に説明したように、本発明の燃料添加装置によれば、燃料添加弁の燃料通路の内部に供給されたオゾンの強い酸化作用を利用して燃料通路の内部、あるいは噴射口の周囲で発生したデポジットを燃焼させて効率よく除去することができる。

図１は、本発明の燃料添加装置を内燃機関の一例としてのディーゼルエンジン（以下、エンジンと略称する。）１の排気系に適用した一形態を示している。エンジン１は車両に走行用動力源として搭載されるもので、そのシリンダ２には吸気通路３及び排気通路４が接続されている。吸気通路３には吸入空気量を調整するスロットルバルブ５、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、インタークーラ７が、排気通路４にはターボチャージャ６のタービン６ｂがそれぞれ設けられている。排気通路４のタービン６ｂよりも上流側には還元剤としての燃料を排気通路４に添加する燃料添加弁８が設けられ、排気通路４のタービン６ｂよりも下流側には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下触媒と略称する。）９を含んだ排気浄化ユニット１０が設けられている。さらに、排気通路４のタービン６ｂよりも下流側でかつ排気浄化ユニット１０よりも上流側には排気の空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ１１が設けられている。排気通路４と吸気通路３とはＥＧＲ通路１２で接続され、ＥＧＲ通路１２にはＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１４が設けられている。また、エンジン１は、シリンダ２に燃料を噴射するためのインジェクタ１５と、インジェクタ１５から噴射すべき高圧の燃料を蓄えるコモンレール１６と、不図示の燃料タンクからコモンレール１６及び燃料添加弁８に燃料を供給するサプライポンプ１７とを備えている。

燃料添加弁８にはオゾン供給装置（オゾン供給手段）１８が接続されている。オゾン供給装置１８は、オゾンを生成するオゾン生成器１９と、オゾン生成器１９に空気を供給するエアポンプ２０と、オゾン生成器１９にて生成されたオゾンを燃料添加弁８に導くオゾン供給管２１と、オゾン供給管２１を開閉する開閉弁２２とを備えている。オゾン生成器１９は、交流電源２２と複数の電極２４とを備え、エアポンプ２０から供給された空気中の酸素をコロナ放電、紫外線照射等の手段を利用してオゾンに変換する。オゾン供給装置１８からのオゾンの供給はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２５にて制御される。ＥＣＵ２５は、クランク軸の回転数に対応した信号を出力する不図示のクランク角センサ、吸入空気量を検出する不図示のエアフローメータ、排気通路に設けられたＡ／Ｆセンサ１１等の各種のセンサの出力を参照してエンジン１の運転状態を判別し、その判別結果に基づいて、燃料添加弁８、インジェクタ１５、コモンレール１６に対する不図示の圧力調整弁等の制御対象機器を操作するコンピュータユニットである。一例として、ＥＣＵ１５は燃料添加弁８から適宜のタイミングで燃料を短時間噴射させることにより、排気の空燃比を理論空燃比よりも燃料量が多いリッチスパイク状態を作り出し、排気浄化ユニット１０の触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出させる処理を実行する。これらの処理は公知の排気浄化装置と同様でよい。さらに、ＥＣＵ１５は、図３に示すルーチンを所定の周期で繰り返し実行することにより、本発明の判別手段、及びオゾン供給制御手段として機能する。このルーチンの詳細は後述する。

図２に示すように、燃料添加弁８は、中空円筒状の弁室２７を備えた弁本体２６と、弁室２７に挿入された弁体としてのニードル２８とを備えている。ニードル２８は、燃料添加弁８の上部に配置された不図示の電磁コイルが発生する電磁力により燃料添加弁８の上下方向（図２の上下方向）に往復駆動される。ニードル２８が弁本体２６の先端側（図２の下端側）に駆動されるとニードル２８の先端部２８ａが弁座２９と密着して弁室２７がその下流側に対して閉め切られ、ニードル２８が後退側（図２の上端側）に駆動されるとニードル２８の先端部２８ａが弁座２９から離れ、それにより弁室２７が下流側に対して開かれる。弁座２７の下流側には弁本体２６の先端に開口する燃料通路３０が設けられている。図２に矢印Ｆで示すように、弁室２７に流入する燃料は、弁室２７が下流側に対して開かれているときに燃料通路３０の先端の噴射口３０ａから排気通路４に噴射、あるいは添加される。

弁本体２６には、一端３１ａが弁本体２６の外面２６ａに開口し、他端３１ｂが燃料通路３０の途中、より具体的には、噴射口３０ａと弁座２９とに挟まれた区間（図２に太線で示す区間）で、さらに好ましくは当該区間の上流側（弁座２９側）に合流するオゾン通路３１が設けられている。噴射口３０ａと弁座２９との間は、デポジットが最も発生し易い箇所である。オゾン通路３１の一端３１ａはオゾン供給管２１と接続される。これにより、オゾン供給装置１８から供給されるオゾンは、矢印Ａ方向で示すように排気通路４の排気に触れることなく燃料通路３０の内部に導かれる。

次に、図３のオゾン供給制御ルーチンを説明する。このオゾン供給制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２５はまずステップＳ１１で燃料通路３０にオゾンを供給するオゾン供給条件が成立するか否かを判断する。オゾン供給条件は、燃料通路３０のデポジットによる詰まり具合が、オゾンの供給によるデポジットの除去を必要とする所定の限度を超えているか否かを判別するために設定された条件である。デポジットによる詰まり具合は、一例として、燃料添加弁８の添加動作の前後においてＡ／Ｆセンサ１１が検出する空燃比の変化に基づいて判別することができる。すなわち、燃料添加弁８から排気通路４に燃料が添加されると、その添加量に応じて排気通路４内の空燃比がリッチ側に変化する。しかし、燃料通路３０に目詰まりが生じている場合には燃料添加弁８に対する燃料添加量の指令値よりも少量の燃料しか添加されず、あるいは燃料が全く添加されないため、燃料添加後にＡ／Ｆセンサ１１にて検出される排気の空燃比は燃料添加時の目標空燃比よりもリーン側（燃料量が少ない側）に偏る。その偏りの程度から燃料通路３０の目詰まり具合を判別し、その程度が所定の限度を超えている場合にオゾン供給条件が成立すると判断することができる。

ステップＳ１１にてオゾン供給条件が成立していると判断された場合、ＥＣＵ２５はステップＳ１２に進み、エンジン１がアイドル運転中、又はエンジン１が停止した直後であるか否かを判断する。例えば、エンジン１の回転数が所定のアイドリング回転数域内で、かつアクセル開度が０％、すなわちアクセルペダルが踏み込まれていない状態のときにアイドル運転中と判断することができる。エンジン１の停止直後か否かは、エンジン１が停止したと判定された時点からの経過時間が所定の範囲内にある場合、あるいはエンジン水温が所定の温度域にある場合に停止直後と判定することができる。排気通路４に温度センサが設けられている場合には、その温度センサが検出する温度を利用してエンジン１が停止直後か否かを判断してもよい。なお、エンジン１の停止は、例えばクランク軸の回転数が０か否かによって判定することができる。あるいは、アイドルストップ制御においてエンジン１の停止条件が成立した場合にエンジン１が停止していると判断してもよい。

エンジン１がアイドル運転中、又はエンジン１が停止直後であると判断された場合、ＥＣＵ２５はステップＳ１３に進み、開閉弁２２を開いて燃料通路３０にオゾンを供給する。その後、今回のオゾン供給制御ルーチンを終了する。なお、ステップＳ１１にてオゾン供給条件が成立していないと判断された場合、あるいは、ステップＳ１２にてエンジン１がアイドル運転中、又は停止直後ではないと判断された場合、ＥＣＵ２５はステップＳ１４に進み、開閉弁２２を閉じて今回のオゾン供給制御ルーチンを終える。

以上の形態の燃料添加装置によれば、燃料通路３０のデポジットによる目詰まりの具合が所定の限度を超え、かつエンジン１がアイドル運転中又は停止直後の場合に、オゾン供給装置１８から燃料添加弁８のオゾン通路３１にオゾンが供給される。オゾンは１００°Ｃ以下の温度域でも強い酸化作用を有するため、燃料通路３０の内部、あるいは噴射口３０ａの付近に付着したデポジットをそのオゾンで燃焼させて燃料添加弁８の外部へ効率よく除去することができる。燃料添加弁８が排気通路４内の比較的低温の領域に配置されていてもデポジット除去作用は十分に発揮される。そして、燃料添加弁８の目詰まりを確実に解消することができるので、排気通路４への燃料添加によって実現される各種の処理、例えば触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出させる処理、触媒の硫黄被毒を回復させる再生処理、あるいはパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを燃焼させる処理等を確実に実施して排気浄化ユニット１０の排気浄化機能を維持することができる。

本形態の燃料添加装置では、燃料添加弁８の内部において燃料通路３０と合流するオゾン通路３１が弁本体２６に設けられ、このオゾン通路３１に対してオゾン供給装置１８からオゾンを供給しているので、オゾン供給装置１８で生成したオゾンを燃料通路３０の内部に集中的に導入してその燃料通路３０の上流側から噴射口３０ａへとオゾンを流すことができる。これにより、燃料通路３０の内部に形成されるデポジットを狙い撃ちするようにオゾンを供給して、噴射口３０ａから燃料通路３０の奥に侵入し、あるいは燃料通路３０の内部で炭化したオゾンを確実に燃焼させることができる。従って、少量のオゾンで高いデポジット除去作用を生じさせることができる。オゾンが燃料通路３０に供給されるよりも前の段階で排気に触れて希釈され、又は排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ等の還元剤によってオゾンが消費されるおそれがないため、オゾンの消費量をさらに削減することができる。燃料添加弁８を噴射口３０ａの付近にオゾンを供給する弁として兼用しているので、噴射口３０ａの付近にオゾンを供給するための添加弁を排気通路４に併設する場合と比較してコストを削減することができる。

また、本形態の燃料添加装置においては、燃料通路３０の詰まり具合が所定の限度を超えない場合には開閉弁２２を閉じてオゾンの供給を停止しているので、オゾンの無駄な消費を抑えることができる。また、燃料通路３０の詰まり具合が所定の限度を超えている場合には、排気流量及び圧力が小さいエンジン１のアイドル運転中又は停止直後のタイミングでオゾンを供給しているので、オゾンの使用量をさらに削減することができる。

以上の形態においては、ＥＣＵ２５が図３のステップＳ１１を実行することにより判別手段として機能し、ＥＣＵ２５がステップＳ１１の判別結果に応じてステップＳ１２及びＳ１３又はステップＳ１４を実行することによりオゾン供給制御手段として機能する。

本発明は上記の形態に限ることなく、種々の形態で実施してよい。例えば、デポジットによる燃料通路３０の目詰まり具合は、上記の形態に限らず、種々の手法にて判別することができる。一例として、燃料添加弁８から排気通路４への燃料添加に相関して変化する様々な物理量に基づいて詰まり具合を判別することができる。上述した空燃比はその物理量の一種であるが、空燃比以外の物理量を利用することもできる。例えば、排気浄化ユニット１０を昇温させてその機能を再生させるために燃料添加弁８から燃料を添加する場合には、燃料添加弁８に対する燃料添加量と排気浄化ユニット１０の温度上昇との間に相関関係が存在するため、そのユニット１０の温度を物理量として利用して燃料添加弁８から指令した値の燃料が添加されているか否かを把握し、燃料の添加量が不足していれば目詰まりが進んでいると判定することができる。さらには、燃料添加弁８が燃料添加動作を行う際の燃料圧力の変化等によっても燃料通路３０の目詰まり具合を判別することができる。

あるいは、エンジン１の運転状態を制御するためにＥＣＵ２５が取得し、又は監視するパラメータのうち、燃料通路３０へのデポジットの堆積量と相関性を有する特定のパラメータを利用して詰まり具合を判別することもできる。例えば、エンジン１がデポジットの発生し易い領域で運転されているか否かをエンジン１の特定の運転制御パラメータ（例えばアクセルペダルの踏込み量と機関回転数）から判定し、デポジットが発生し易い領域で運転されていると判定された時間を積算し、その積算値から詰まり具合を判別することができる。

上記の形態では、デポジットによる燃料通路３０の詰まり具合が所定の限度を超えた場合にのみオゾン供給条件が成立したと判定してオゾンの供給を許可しているが、オゾンの供給制御はこのような態様に限らない。例えば開閉弁２２に代えて流量調整弁を設け、デポジットによる詰まり具合に応じてオゾンの供給量を増減してもよい。

本発明はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関に適用してよい。燃料添加弁は上述した形態に限らず、種々の形態の燃料添加弁が設けられてもよい。上記の形態では燃料通路３０の弁座２９に近い位置にてオゾン通路３１を燃料通路３０と合流させているが、燃料通路３０の内部にて発生したデポジットの除去が可能であれば、オゾンの供給位置は適宜に変更してよい。さらに、燃料添加弁８の外部から噴射口３０ａに向けてオゾンを供給する態様であっても、燃料通路３０の内部にオゾンを導いてデポジットを除去することができる限りは本発明の範囲に含まれる。本発明は排気通路に対して燃料を添加する燃料添加装置に限定されることなく、燃料通路内にデポジットが発生し得る限りにおいて、燃料添加弁は排気通路以外の箇所に設けられてもよい。さらに、本発明において、燃料の添加の用語は燃料を加える限りにおいて各種の態様を含むものであり、燃料の噴射、噴霧、吹き付けといった態様を含む概念である。

本発明に係る燃料添加装置が排気系に組み込まれたディーゼルエンジンを示す図。 燃料添加装置に設けられた燃料添加弁の断面図。 図１のＥＣＵが実行するオゾン供給制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
４ 排気通路
８ 燃料添加弁
１８ オゾン供給装置（オゾン供給手段）
２５ ＥＣＵ（判定手段、オゾン供給制御手段）
３０ 燃料通路
３０ａ 噴射口

Claims (6)

1. 内部の燃料通路に導かれた燃料を該燃料通路の先端の噴射口から添加する燃料添加弁と、前記燃料通路の内部にオゾンを供給するオゾン供給手段と、前記燃料通路のデポジットによる詰まり具合を判別する判別手段と、前記判別手段の判別結果に基づいて、前記オゾン供給手段から前記燃料通路へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料添加装置。
2. 前記燃料添加弁には当該燃料添加弁の内部で前記燃料通路に合流するオゾン通路が設けられ、前記オゾン供給手段は、前記オゾン通路を介して前記燃料通路にオゾンを供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料添加装置。
3. 前記燃料添加弁が排気通路に対して前記燃料を添加するように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料添加装置。
4. 前記オゾン供給制御手段は、前記判別手段が判別した詰まり具合が所定の限度に達している場合、前記内燃機関がアイドル運転中、又は停止直後であることを条件として前記オゾン供給手段から前記燃料通路へオゾンを供給させることを特徴とする請求項３に記載の燃料添加装置。
5. 前記判別手段は、前記燃料添加弁からの燃料添加に相関して変化する物理量に基づいて前記詰まり具合を判別することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料添加装置。
6. 前記判別手段は、前記内燃機関の運転状態を制御するためのパラメータのうち、前記燃料通路へのデポジットの堆積量と相関性を有する特定のパラメータに基づいて前記詰まり具合を判別することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料添加装置。

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