JP4840515B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、燃料噴射弁からの主噴射が行われた後に、気筒内の熱エネルギによって着火する燃料として触媒昇温に特化した燃料の噴射(触媒昇温用噴射)を行うようにする。そして、この触媒昇温用噴射で噴射された燃料の燃焼により発生するエネルギの大部分が熱エネルギとして排気系に供給されるようにすることで、触媒の迅速な昇温を図っている。
具体的に、本発明は、内燃機関の1サイクル中に、燃料噴射弁から、トルク発生のための燃料噴射である主噴射を含む複数回の燃料噴射が可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を前提とする。この燃料噴射制御装置に対し、上記主噴射の実行後に、この主噴射で噴射された燃料の燃焼によって発生した気筒内の熱エネルギを利用して着火する触媒昇温用噴射を実行することにより、この触媒昇温用噴射で噴射された燃料の燃焼ガスのエネルギの大部分を排気系の触媒昇温用の熱エネルギとして排気系に送る触媒昇温用噴射実行手段を備えさせ、この触媒昇温用噴射実行手段は、気筒内温度が、燃料の自着火温度以上であって且つ触媒昇温用噴射を実行した際における燃料の燃焼速度が所定速度以下である触媒昇温用噴射可能期間内に、触媒昇温用噴射を実行するよう構成されている。
また、上記触媒昇温用噴射可能期間中に触媒昇温用噴射を実行することにより、この噴射された燃料を確実に着火させることができ、且つ、その際の燃焼速度は比較的低くなるため、内燃機関のトルクが大幅に増大するといった状況を招くこともない。つまり、ドライバビリティの悪化を防止しながら、触媒温度を活性温度まで急速に上昇させることが可能となる。
12 シリンダボア
19 グロープラグ
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
77 マニバータ(触媒)
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1およびその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3およびその周辺部を示す断面図である。
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103およびバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
パイロット噴射(副噴射)とは、インジェクタ23からのメイン噴射(主噴射)に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度(気筒内温度)を十分に高めて燃料の自着火温度に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するための噴射動作(予熱用燃料の供給動作)である。つまり、本実施形態におけるパイロット噴射の機能は、気筒内の予熱に特化したものとなっている。
(N:パイロット噴射の噴射回数、Ca:気筒内に導入された空気の熱容量、ΔT:自着火温度の未達分の温度、Kc:EGR率による熱容量補正係数、Kv:燃焼寄与の対象空間、J:1.5mm3の理論発熱量、η:燃料効率)
ここで、自着火温度の未達分の温度ΔTとは、メイン噴射時における燃料の目標着火時期(例えばピストン13が圧縮上死点に達した時期)での圧縮ガス温度と、燃料の自着火温度との差であって、この目標着火時期での圧縮ガス温度を燃料の自着火温度に到達させるのに必要な熱量に相当する。尚、上記式(1)は、1回当たりのパイロット噴射量を固定値(例えば1.5mm3)とし、噴射回数を設定することで必要な総パイロット噴射量を確保するようにしたものである。このパイロット噴射量の固定値は上記値に限定されるものではない。
ここで、パイロット燃焼終了角度は、プレ噴射の開始前にパイロット噴射による燃焼を完了するために設定される角度である。また、着火遅れ時間は、パイロット噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、先行して実行されるパイロット噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるパイロット噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間(2つの燃焼が同時に行われている時間)および最終のパイロット噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。
プレ噴射は、メイン噴射による初期燃焼速度を抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。具体的に、本実施形態では、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定される要求トルクを得るための総噴射量(プレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和)に対して10%としてプレ噴射量が設定される。
ここで、着火遅れ時間は、プレ噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、複数回のプレ噴射が行われる場合において、先行して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間(2つの燃焼が同時に行われている時間)、および、最終のプレ噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるメイン噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間、並びに、最終のパイロット噴射による燃料の燃焼期間と、プレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。
メイン噴射は、エンジン1のトルク発生のための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。具体的に、本実施形態では、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定される要求トルクを得るための上記総噴射量から上記プレ噴射での噴射量を減算した噴射量として設定される。
ここで、着火遅れ時間は、メイン噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、上記プレ噴射による燃料の燃焼期間とメイン噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間、および、メイン噴射による燃料の燃焼期間と、アフタ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。
本実施形態では、従来の噴射形態(パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射)とは異なる噴射形態として触媒昇温用噴射(以下、エキゾーストヒート噴射と呼ぶ)を実行することを特徴としている。このエキゾーストヒート噴射は、排気系に備えられた上記マニバータ77の温度を上昇させるための噴射動作である。このエキゾーストヒート噴射の具体的な噴射制御動作については後述する。
ポスト噴射は、排気系7に燃料を直接的に導入して上記マニバータ77の昇温を図るための噴射動作である。例えば、DPNR触媒76に捕集されているPMの堆積量が所定量を超えた場合(例えばマニバータ77の前後の差圧を検出することにより検知)、ポスト噴射が実行されるようになっている。
本実施形態の特徴とする噴射動作である上記エキゾーストヒート噴射の制御動作について以下に具体的に説明する。
本実施形態では、噴霧の分配や局所濃度の適正化を図るために、エキゾーストヒート分割噴射の噴射率としては、最小噴射率(例えば1回当たりの噴射量1.5mm3)とし、複数回数のエキゾーストヒート分割噴射を実行することで、エキゾーストヒート噴射で必要な総エキゾーストヒート噴射量を確保するようにしている。
また、上記総エキゾーストヒート噴射量は、上記マニバータ77の温度とその活性温度とに基づいて算出される。つまり、マニバータ77の温度がその活性温度よりも低いほど総エキゾーストヒート噴射量としては多く設定されるようになっている(総触媒昇温用噴射量算出手段による総触媒昇温用噴射量の算出動作)。具体的には、マニバータ77の温度を検出するための温度センサからのセンシング値と、予め記憶された触媒活性温度とを比較することにより総エキゾーストヒート噴射量を算出する。
更に、複数回のエキゾーストヒート分割噴射を行う場合、各エキゾーストヒート分割噴射同士の間の時間間隔である噴射インターバルは以下のようにして求められる。つまり、この各エキゾーストヒート分割噴射のインターバルとしては、インジェクタ23の応答性(開閉動作の速さ)によって決定する。例えば、インジェクタ23の性能によって決定される最短開閉期間として例えば200μsに設定される。このエキゾーストヒート分割噴射のインターバルは上記値に限定されるものではない。
エキゾーストヒート噴射の噴射期間としては、以下の2つの条件が共に成立している期間に設定される。
(1)気筒内温度が、燃料の自着火温度以上となっていること。
(2)エキゾーストヒート噴射を実行した際における燃料の燃焼速度が所定速度以下であること。
次に、エキゾーストヒート噴射の噴射期間の変形例について説明する。上述した実施形態では、エキゾーストヒート噴射の噴射期間としては、(1)気筒内温度が、燃料の自着火温度以上となっていること、(2)エキゾーストヒート噴射を実行した際における燃料の燃焼速度が所定速度以下であること、といった2つの条件が共に成立している期間に設定していた。本変形例では、それに代えて以下に述べるようにエキゾーストヒート噴射の噴射期間を設定している。
図6(a)〜図6(c)は、上述したエキゾーストヒート噴射の噴射期間の更なる変形例におけるエキゾーストヒート噴射の噴射パターンを示している。何れの噴射パターンにおいても、上述の場合と同様に、メイン噴射の実行後であって、燃料噴射を行った場合にその燃料の燃焼が可能な領域(図中の一点鎖線よりも下側の領域)であって、且つエキゾーストヒート噴射で噴射された燃料の燃焼がエンジン1のトルクに変換されない領域(図中の破線よりも下側の領域)の範囲内でエキゾーストヒート分割噴射を実行するようにしている。
次に、変形例3について説明する。上述した実施形態および変形例の如くエキゾーストヒート分割噴射の1回当たりにおけるエキゾーストヒート分割噴射量をインジェクタ23の最小限界噴射量に設定したり、エキゾーストヒート分割噴射の1回当たりにおけるインジェクタ23の開弁期間を最短開弁期間に設定したりする場合に、上記触媒昇温用噴射可能期間内では必要回数のエキゾーストヒート分割噴射が実行できなくなる可能性がある。特に、この触媒昇温用噴射可能期間が短い場合である。この場合の対策として、エキゾーストヒート分割噴射の1回当たりにおけるエキゾーストヒート噴射量をインジェクタ23の最小限界噴射量よりも多く設定したり、エキゾーストヒート分割噴射の1回当たりにおけるインジェクタ23の開弁期間を最短開弁期間よりも長く設定したりする必要がある。
次に、変形例4について説明する。本変形例は、上記エキゾーストヒート噴射を実行した際、このエキゾーストヒート噴射に起因するエンジントルクが発生し、総エンジントルクが上記要求トルク(上述した如く、本来、プレ噴射とメイン噴射とで得られるべきトルク)よりも増大してしまう場合の対策に関する。
次に、変形例5について説明する。本変形例も、上記エキゾーストヒート噴射を実行した際、このエキゾーストヒート噴射に起因するエンジントルクが発生し、総エンジントルクが上記要求トルクよりも増大してしまう場合の対策に関する。
以上説明した実施形態および変形例は、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
Claims (9)
- 内燃機関の1サイクル中に、燃料噴射弁から、トルク発生のための燃料噴射である主噴射を含む複数回の燃料噴射が可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記主噴射の実行後に、この主噴射で噴射された燃料の燃焼によって発生した気筒内の熱エネルギを利用して着火する触媒昇温用噴射を実行することにより、この触媒昇温用噴射で噴射された燃料の燃焼ガスのエネルギの大部分を排気系の触媒昇温用の熱エネルギとして排気系に送る触媒昇温用噴射実行手段を備えており、
上記触媒昇温用噴射実行手段は、気筒内温度が、燃料の自着火温度以上であって且つ触媒昇温用噴射を実行した際における燃料の燃焼速度が所定速度以下である触媒昇温用噴射可能期間内に、触媒昇温用噴射を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記触媒昇温用噴射で要求される総触媒昇温用噴射量を求める総触媒昇温用噴射量算出手段を備え、
上記触媒昇温用噴射実行手段は、上記総触媒昇温用噴射量算出手段によって求められた総触媒昇温用噴射量を、複数回の触媒昇温用分割噴射によって分割することで間欠的に上記燃料噴射弁から噴射させるよう構成されており、
上記触媒昇温用分割噴射の1回当たりにおける触媒昇温用分割噴射量は、燃料噴射弁の最小限界噴射量に設定されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記触媒昇温用噴射で要求される総触媒昇温用噴射量を求める総触媒昇温用噴射量算出手段を備え、
上記触媒昇温用噴射実行手段は、上記総触媒昇温用噴射量算出手段によって求められた総触媒昇温用噴射量を、複数回の触媒昇温用分割噴射によって分割することで間欠的に上記燃料噴射弁から噴射させるよう構成されており、
上記触媒昇温用分割噴射の1回当たりにおける燃料噴射弁の開弁期間は、燃料噴射弁の最短開弁期間に設定されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項2記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記総触媒昇温用噴射量算出手段は、上記触媒の温度が、その活性温度よりも低いほど総触媒昇温用噴射量を多く設定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
燃焼室に噴射される燃料を加熱して着火を補助するグロープラグが備えられ、
上記触媒昇温用噴射可能期間内で複数回の触媒昇温用分割噴射を実行する場合の触媒昇温用分割噴射の1回当たりにおける触媒昇温用分割噴射量が、燃料噴射弁の最小限界噴射量よりも多く設定されている場合、上記グロープラグによる燃料加熱動作を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
燃焼室に噴射される燃料を加熱して着火を補助するグロープラグが備えられ、
上記触媒昇温用噴射可能期間内で複数回の触媒昇温用分割噴射を実行する場合の触媒昇温用分割噴射の1回当たりにおける燃料噴射弁の開弁期間が、燃料噴射弁の最短開弁期間よりも長く設定されている場合、上記グロープラグによる燃料加熱動作を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記内燃機関の発生トルクとして上記触媒昇温用噴射に起因する余剰トルクが生じる場合、この触媒昇温用噴射に起因する余剰トルクと略同等のトルクが主噴射に起因するトルクから減じられるように主噴射の噴射量を減量補正する噴射量補正手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項7記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記噴射量補正手段は、触媒昇温用噴射の実行に伴って、予め設定された減量補正量だけ主噴射の噴射量を減量補正すると共に、この減量補正を行っても上記触媒昇温用噴射に起因する余剰トルクが残存する場合、この残存している余剰トルクの大きさに応じた追加減量補正量を求め、この追加減量補正量だけ主噴射の噴射量を更に減量補正する一方、上記予め設定された減量補正量だけ主噴射の噴射量を減量補正した場合に、この減量補正を行ったことでトルク不足が生じた場合、このトルクの不足量に応じた増量補正量を求め、この増量補正量だけ主噴射の噴射量を増量補正するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項8記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記噴射量補正手段は、内燃機関の各気筒毎に上記触媒昇温用噴射に起因する余剰トルクが生じているか否かを判定し、この余剰トルクが生じている気筒に対してのみ主噴射の減量補正を実行する一方、この減量補正を行ったことでトルク不足が生じた場合、このトルクの不足量に応じた増量補正量を求め、この増量補正量だけ主噴射の噴射量を増量補正するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
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