(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１燃焼サイクル内において主噴射に続けて、機関から排出されるすす量が低減されるようにするために後噴射を行うようにした内燃機関の燃料噴射装置において、後噴射の燃料噴射量が主噴射の燃料噴射量よりも少なくなっており、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比を求めて該空燃比に基づき後噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を求めるようにした内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比が大きいときには小さいときに比べて後噴射の燃料噴射量を多くするようにした請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】
主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比が大きいときには小さいときに比べて、主噴射が完了してから後噴射が開始されるまでの時期的間隔を長くするようにした請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項４】
１燃焼サイクル内において主噴射に続けて、機関から排出されるすす量が低減されるようにするために後噴射を行うようにした内燃機関の燃料噴射装置において、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比を求めて該空燃比が予め定められたしきい値よりも大きいときには後噴射を禁止するようにした内燃機関の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の気筒にそれぞれ燃料噴射弁を設け、これら燃料噴射弁を共通の燃料用蓄圧室又はコモンレールに接続してコモンレールから各燃料噴射弁に燃料を供給するようにしたディーゼル機関の燃料噴射装置が公知である（特開平６−１２９２９６号公報参照）。このようにすると各気筒の１燃焼サイクル内に各燃料噴射弁から燃料を複数回噴射することが可能である。
【０００３】
そこで、従来より、各気筒の１燃焼サイクル内において主噴射に続けて後噴射を行うようにしたディーゼル機関の燃料噴射装置が知られている。後噴射による燃料が燃焼室内で燃焼することにより、燃焼ガス又は既燃ガスに含まれるすすが燃焼せしめられ、斯くして機関から排出されるすす量を低減することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ただ単に後噴射を行っても機関から排出されるすす量を十分に低減できない恐れがある。即ち、概略的に言うと、後噴射の燃料噴射量が少なすぎるとすすを十分に燃焼させることができず、多すぎるとかえって機関から排出されるすす量が増大する恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は機関から排出されるすす量を低減することができる内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明によれば、１燃焼サイクル内において主噴射に続けて、機関から排出されるすす量が低減されるようにするために後噴射を行うようにした内燃機関の燃料噴射装置において、後噴射の燃料噴射量が主噴射の燃料噴射量よりも少なくなっており、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比を求めて該空燃比に基づき後噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を求めるようにしている。即ち、本願発明者によれば、機関から排出されるすす量を低減するのに最適な後噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期は主噴射が完了した時点での空燃比に依存することが確認されている。そこで１番目の発明では、この空燃比又はこれを表す空燃比に基づき後噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を求めるようにしている。
【０００７】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比が大きいときには小さいときに比べて後噴射の燃料噴射量を多くするようにしている。即ち、本願発明者によれば、後噴射が完了した時点での空燃比が大きすぎると即ち過度にリーンであると燃焼ガス内のすすを十分に燃焼させることができず、小さすぎると即ち過度にリッチであると機関から排出されるすす量が増大することが確認されている。そこで２番目の発明では、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比が小さいときには後噴射の燃料噴射量を少なくし、大きいときには多くし、それにより後噴射が完了した時点での空燃比が最適に維持されるようにしている。
【０００８】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比が大きいときには小さいときに比べて、主噴射が完了してから後噴射が開始されるまでの時期的間隔を長くするようにしている。即ち、すすを十分に燃焼させるためには主噴射が完了した後できるだけ速やかに後噴射を開始するのが好ましい。ところが後噴射で多量の燃料が噴射されると機関から排出されるすすが増大する恐れがある。そこで３番目の発明では、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比が大きく後噴射の燃料噴射量が多いときには主噴射が完了してから長い時期的間隔を隔てた後に後噴射を開始するようにしている。
【０００９】
また、上記課題を解決するために４番目の発明によれば、１燃焼サイクル内において主噴射に続けて、機関から排出されるすす量が低減されるようにするために後噴射を行うようにした内燃機関の燃料噴射装置において、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比を求めて該空燃比が予め定められたしきい値よりも大きいときには後噴射を禁止するようにしている。即ち、主噴射が完了した時点での空燃比が過度に大きいときには後噴射が完了した時点での空燃比を最適にするのに必要な燃料噴射量が過度に多くなり、その結果機関から排出されるすす量がかえって増大する恐れがある。そこで４番目の発明では、主噴射が完了した時点での空燃比又はこれを表す空燃比がしきい値よりも大きいときには後噴射を禁止するようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明を火花点火式機関に適用することもできる。
図１を参照すると、機関本体１は例えば４つの気筒＃１，＃２，＃３，＃４を具備する。各気筒はそれぞれ対応する吸気枝管２を介して共通のサージタンク３に接続され、サージタンク３は吸気ダクト４及びインタークーラ５を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ６のコンプレッサ６ｃの出口部に接続される。コンプレッサ６ｃの入口部は空気吸い込み管７を介してエアクリーナ８に接続される。サージタンク３とインタークーラ５間の吸気ダクト４内にはアクチュエータ９により駆動されるスロットル弁１０が配置される。なお、排気タービン６ｔの排気流入口にはその開口面積を変更可能な可変ノズル機構６ｖが取り付けられている。可変ノズル機構６ｖにより排気タービン６ｔの排気流入口面積を小さくすれば排気圧力が低い機関低回転運転時にも過給圧を高めることができる。
【００１１】
一方、各気筒は排気マニホルド１１及び排気管１２を介して排気ターボチャージャ６の排気タービン６ｔの入口部に接続され、排気タービン６ｔの出口部は排気管１３を介してＮＯX 還元触媒１４を収容したケーシング１５に接続され、ケーシング１５は排気管１６に接続される排気管１３内にはアクチュエータ１７により駆動される排気絞り弁１８が配置される。ＮＯX 還元触媒１４は例えば銅を担持したゼオライトを具備する。このＮＯX 還元触媒１４は流入する排気中にＨＣ，ＣＯのような還元剤が含まれていると酸化雰囲気でもＮＯX を還元することができる。なお、機関１の燃焼順序は＃１−＃３−＃４−＃２である。
【００１２】
各気筒は筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２０を具備する。各燃料噴射弁２０は共通の燃料用蓄圧室又はコモンレール２１を介し吐出量を制御可能な燃料ポンプ２２に接続される。燃料ポンプ２２は低圧ポンプ（図示しない）を介して燃料タンク（図示しない）に接続されており、燃料ポンプ２２から吐出された燃料はコモンレール２１に供給され、次いで各燃料噴射弁２０に供給される。燃料ポンプ２２はコモンレール２１内の燃料圧が予め定められた目標燃料圧になるように吐出量が制御される。なお、この目標燃料圧は例えば機関運転状態に応じて定めることができる。
【００１３】
さらに図１を参照すると、排気マニホルド１１とスロットル弁１０下流の吸気ダクト４とが排気再循環（以下ＥＧＲと称す）通路２３を介して互いに接続され、ＥＧＲ通路２３内にはアクチュエータ２４により駆動されるＥＧＲ制御弁２５が配置される。
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５、入力ポート３６、及び出力ポート３７を具備する。機関本体１には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８が取り付けられる。スロットル弁１０下流の吸気ダクト４内には吸気ダクト４内の圧力に比例した出力電圧を発生する吸気圧力センサ３９と、吸気ダクト４内の吸入空気温度に比例した出力電圧を発生する吸気温センサ４０とが配置される。排気管１６には空燃比を表す出力電圧を発生する空燃比センサ４１が配置される。コモンレール２１にはコモンレール２１内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４２が取り付けられる。また、踏み込み量センサ４３はアクセルペダル（図示しない）の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する。これらセンサ３８，３９，４０，４１，４２，４３の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器４４を介して入力ポート３６に入力される。また、入力ポート３６にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４５が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４５の出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出され、吸気圧力センサ３９の出力電圧に基づいて吸入空気量Ｇａが算出される。
【００１４】
一方、出力ポート３７はそれぞれ対応する駆動回路４６を介して可変ノズル機構６ｖ、各アクチュエータ９，１７，２４、各燃料噴射弁２０、及び燃料ポンプ２２にそれぞれ接続される。
ところで、コモンレール２１を設けると各気筒の１燃焼サイクル内に燃料を複数回噴射することが可能になる。そこで本実施態様では、いわゆるパイロット噴射を行うようにしている。即ち、機関出力トルクを発生させるべく概ね圧縮上死点周りで行われる主噴射に先立って少量の燃料を噴射する前噴射又はパイロット噴射が行われる。このパイロット噴射は例えば主噴射よりも前の圧縮行程、即ち例えば圧縮上死点前（以下ＢＴＤＣと称する）７０から０°クランク角（以下ＣＡと称する）程度で行われ、主噴射に対する時期的間隔が大きいときには予混合気を形成し、小さいときは主噴射による燃料を着火燃焼させるための着火源を形成する。また、複数回のパイロット噴射を行うことも可能であり、従って予混合気形成用のパイロット噴射と着火源形成用のパイロット噴射との両方を行うこともできるし、予混合気形成用のパイロット噴射を複数回行うこともできる。本実施態様では２回のパイロット噴射を行うことが可能であり、先に行われるパイロット噴射を第１のパイロット噴射、後に行われるパイロット噴射を第２のパイロット噴射と称する。
【００１５】
さらに、燃焼ガス又は排気ガス中のＨＣを完全燃焼させるために主噴射が完了した後に後噴射が行われる。この後噴射は例えば主噴射完了後のＢＴＤＣ０から−３０°ＣＡ（圧縮上死点後０から３０°ＣＡ）程度に行われる。さらに、ＮＯX 還元触媒１４に還元剤としてＨＣ（炭化水素）を供給するためのＨＣ供給用噴射も行われる。このＨＣ供給用噴射は例えば主噴射又は後噴射完了後のＢＴＤＣ−１５０から−２１０°ＣＡ程度に行われる。ＨＣ供給用噴射による燃料は完全燃焼することなくＮＯX 還元触媒１４に到り、流入するＮＯX を還元する。
【００１６】
図２（Ａ）には各燃料噴射作用の燃料噴射時期が矢印でもって概略的に示されている。ここでｊは各気筒の１燃焼サイクルで行われうる燃料噴射の順番又は種類を表しており、即ちｊ＝１は第１のパイロット噴射を、ｊ＝２は第２のパイロット噴射を、ｊ＝３は主噴射を、ｊ＝４は後噴射を、ｊ＝５はＨＣ供給用噴射をそれぞれ表している。
【００１７】
各気筒の１燃焼サイクルにおいて主噴射が必ず行われるのに対し、パイロット噴射、後噴射、及びＨＣ供給用噴射が行われるか否かはそれぞれ機関運転状態により定められる。従って、各気筒の１燃焼サイクルに行われる燃料噴射回数は１回から５回の間で変更されうることになる。例えば図２（Ｂ）に示す例では各気筒の１燃焼サイクルに燃料噴射が４回だけ行われ、図２（Ｃ）に示す例では３回だけ行われる。
【００１８】
ところで、後噴射は上述したように、燃焼ガス又は排気ガス中のＨＣを完全燃焼させるためのものである。具体的に説明すると、後噴射による燃料が燃焼室内の燃焼火炎によって燃焼せしめられ、それにより燃焼ガス又は既燃ガスに含まれるすすが燃焼せしめられる。その結果、機関から排出されるすす量が低減される。従って、燃焼室内に燃焼火炎が残存している間に後噴射を行うことが必要となる。これに対し、ＨＣ供給用噴射による燃料は完全燃焼することなくＮＯX 還元触媒１４に到達する必要があるので、燃焼室内の燃焼火炎が消失してからＨＣ供給用噴射を行うべきであり、この点で後噴射と性質を異にしている。
【００１９】
次に、図３を参照して後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び燃料噴射開始時期ＩＳＴＰＯの算出方法について説明する。本実施態様において、後噴射の燃料噴射開始時期ＩＳＴＰＯは主噴射の燃料噴射終了時期ＩＥＴＭに時期的間隔又は時間間隔ＩＮＴＰＯを加算することにより求められる。従って、主噴射が終了してから時期的間隔ＩＮＴＰＯが経過すると後噴射が開始されることになる。
【００２０】
さて、本実施態様では図３に示されるように、機関回転数Ｎと、後噴射を行うべきとき即ち主噴射が終了した後で後噴射が行われる前の空燃比ＡＦとにより定められる機関運転状態が３つの領域に分割されており、各領域毎に後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び時期的間隔ＩＮＴＰＯが定められている。即ち、領域Ｉでは燃料噴射時間ＴＡＵＰＯが許容最小時間ＴＡＵＭＩＮとされ、時期的間隔ＩＮＴＰＯが許容最小間隔ＩＮＴＭＩＮとされる。領域ＩＩでは燃料噴射時間ＴＡＵＰＯが許容最小時間ＴＡＵＭＩＮに一定値ａ（＞０）が加算されたＴＡＵＭＩＮ＋ａとされ、時期的間隔ＩＮＴＰＯが許容最小間隔ＩＮＴＭＩＮに一定値ｂ（＞０）が加算されたＩＮＴＭＩＮ＋ｂとされる。領域ＩＩＩでは燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び時期的間隔ＩＮＴＰＯが共に零とされ、即ち後噴射が行われない。
【００２１】
領域Ｉと領域ＩＩとを比べると、主噴射が完了した時点での空燃比が大きいときには小さいときに比べて後噴射の燃料噴射量を多くしているということになる。これは次の理由による。即ち、後噴射が完了した時点での空燃比が大きすぎると後噴射による燃料が拡散してしまうために燃焼ガス内のすすを十分に燃焼させることができない。一方、後噴射が完了した時点での空燃比が小さすぎると燃焼室内に過濃な燃料噴霧が形成されるので機関から排出されるすす量が増大する恐れがある。とすれば、主噴射が完了した時点での空燃比が小さいときに後噴射の燃料噴射量を少なくし、大きいときに多くすれば、後噴射が完了した時点での空燃比をすす燃焼のために最適に維持できることになる。
【００２２】
また、領域Ｉと領域ＩＩとを比べると、機関回転数Ｎが高いときには低いときに比べて後噴射の燃料噴射量を多くしているということになる。機関回転数Ｎが高いときには低いときに比べて吸入空気量Ｇａが多くなり、それに見合うだけの燃料を増量する必要があるからである。
さらに、領域Ｉと領域ＩＩとを比べると、後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯが長いときには短いときに比べて時期的間隔ＩＮＴＰＯを長くしているということになる。すすを十分に燃焼させるためには主噴射が完了した後できるだけ速やかに後噴射を開始するのが好ましい。ところが、主噴射が完了した直後には燃焼室内の燃焼火炎が大きく、この大きな燃焼火炎に対し多量の燃料が噴射されると、燃焼室内に過濃な燃料噴霧が形成されるために燃焼室から排出されるすすが増大する恐れがある。そこで、後噴射の燃料噴射量が多いときには時期的間隔ＩＮＴＰＯを長くし、後噴射の燃料噴射量が少ないときには時期的間隔ＩＮＴＰＯを短くするようにしている。
【００２３】
この点について、主噴射が完了した時点での空燃比が大きいときには小さいときに比べて、又は機関回転数Ｎが高いときには低いときに比べて時期的間隔ＩＮＴＰＯを長くしているという見方もできる。
一方、領域Ｉ及び領域ＩＩと領域ＩＩＩとを比較すると、主噴射が完了した時点での空燃比が予め定められたしきい値よりも大きいときには後噴射を禁止するようにしているということになる。即ち、主噴射が完了した時点での空燃比が過度に大きいときには後噴射が完了した時点での空燃比を最適にするのに極めて多量の燃料が必要になり、その結果機関から排出されるすす量がかえって増大する恐れがある。そこで、主噴射が完了した時点での空燃比がしきい値よりも大きいときには後噴射を禁止するようにしている。なお、この場合のしきい値は領域Ｉ及び領域ＩＩと領域ＩＩＩとの間の境界線でもって表される（図３参照）。
【００２４】
この点について、機関回転数Ｎが予め定められたしきい値よりも高いときには後噴射を禁止するようにしているという見方もできる。
ところで、主噴射が完了した時点での空燃比ＡＦを直接求めるのは困難である。そこで本実施態様では、空燃比センサ４１により検出された空燃比を主噴射が完了した時点での空燃比としている。厳密に言えば、空燃比センサ４１により検出された空燃比は主噴射が完了した時点での空燃比と一致していない場合もある。しかしながら、これら間の差異は後噴射及びＨＣ供給用噴射の燃料噴射量に基づくものであり、後噴射及びＨＣ供給用噴射の燃料噴射量は主噴射の燃料噴射量に比べてかなり小さい。即ち、空燃比センサ４１により検出された空燃比は主噴射が完了した時点での空燃比を表していると言える。そこで空燃比センサ４１により検出された空燃比を用いるようにしている。
【００２５】
一方で、吸気圧力センサ３９により検出された吸入空気量Ｇａと、算出された第１及び第２パイロット噴射並びに主噴射の燃料噴射時間とから主噴射が完了した時点での空燃比を計算することも可能である。しかしながら、特に燃料噴射弁２０に経年変化のある場合には、実際の燃料噴射時間が算出された燃料噴射時間と一致しない恐れがあり、このとき計算された空燃比は実際の空燃比と一致しない。これに対し、空燃比センサ４１は実際の空燃比を検出しており、この点で計算により空燃比を求める方法よりも有利である。
【００２６】
図４は後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び燃料噴射開始時期ＩＳＴＰＯの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
図４を参照すると、まずステップ１００では図３のマップから現在の領域が決定される。続くステップ１０１では現在の領域に従って後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び時期的間隔ＩＮＴＰＯが算出される。続くステップ１０２では図示しないルーチンで算出された主噴射の燃料噴射完了時期ＩＥＴＭが読み込まれる。続くステップ１０３では後噴射の燃料噴射開始時期ＩＳＴＰＯが算出される（ＩＳＴＰＯ＝ＩＥＴＭ＋ＩＮＴＰＯ）。従って、燃料噴射開始時期ＩＳＴＰＯになるとＴＡＵＰＯだけ各燃料噴射弁２０から後噴射として燃料が噴射される。
【００２７】
図３の領域Ｉと領域IIとを再び比較すると、後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び時期的間隔ＩＮＴＰＯがステップ状に変化されていることになる。しかしながら、運転領域を細分化してこれらＴＡＵＰＯ及びＩＮＴＰＯが連続的に変化するようにすることもできる。このようにすればＴＡＵＰＯ及びＩＮＴＰＯを正確に最適化することができる。しかしながら、ＴＡＵＰＯ及びＩＮＴＰＯの精密な制御は困難であり、実用的でない面もある。そこで本実施態様では、運転領域を三つに分割している。
【００２８】
【発明の効果】
機関から排出されるすす量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】燃料噴射時期及び気筒の１燃焼サイクルで行われる燃料噴射の数を説明するための図である。
【図３】領域を表す線図である。
【図４】後噴射の燃料噴射時間ＴＡＵＰＯ及び燃料噴射開始時期ＩＳＴＰＯの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２０…燃料噴射弁
４１…空燃比センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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