(57)【要約】【課題】デポジットの堆積による燃料噴射弁の噴孔の詰まりを、燃料消費を抑えてより効率的に防止す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】残留燃料中の炭化水素の酸化重合の反応速度Ｋを演算する反応速度演算部２１と、添加弁１２の燃料噴射が最後に行われたときからの反応速度Ｋの時間積分値として重合度カウンタＸを演算する重合度演算部２２と、重合度カウンタＸの値が既定値αを上回ったときに、詰まり防止噴射の実施を添加弁制御部２４に要求する詰まり防止噴射実施部２３と、を設けるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁の噴孔における残留燃料のデポジット化による詰まりを防止するための燃料噴射である詰まり防止噴射を実施する内燃機関の制御装置において、
残留燃料中の炭化水素の酸化重合の反応速度を演算する反応速度演算部と、
前記燃料噴射弁の燃料噴射が最後に行われたときからの前記反応速度の時間積分値を演算する重合度演算部と、
前記時間積分値が既定値を上回ったときに、前記詰まり防止噴射を実施させる詰まり防止噴射実施部と、
を備える内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デポジットの堆積による燃料噴射弁の噴孔の詰まりを防止するための燃料噴射を実施する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気通路に設置されて排気への燃料添加を行う燃料噴射弁（以下、添加弁と記載する）では、噴孔周辺部分が高温の排気に曝されており、燃料噴射後の噴孔周辺部分に残留した燃料に排気中の微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が固着して生成されたデポジットが堆積して噴孔に詰まりが発生することがある。そこで、従来、特許文献１には、燃料噴射量、排気のＮＯｘ濃度、ノズル部の温度、排気圧等に基づき、噴孔周辺部分のデポジット堆積量を推定するとともに、その推定したデポジット堆積量が一定の値に達したときに、堆積したデポジットを除去するための燃料噴射を実施する内燃機関の制御装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３６８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一旦堆積したデポジットは簡単には剥がれ落ちないため、堆積したデポジットを確実に除去するには、ある程度よりも多い量の燃料を噴射する必要がある。そのため、デポジット堆積後の燃料噴射により噴孔の詰まりを防止する場合、その防止に必要な燃料の消費量が多くなってしまうという問題がある。
【０００５】
なお、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射弁と気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁との２種の燃料噴射弁を備える内燃機関が知られている。こうした内燃機関の筒内噴射弁へも、高温でＰＭを含んだ燃焼ガスに噴孔周辺部分が曝されるため、添加弁の場合と同様に、デポジットの堆積により噴孔に詰まりが発生することがある。そのため、こうした内燃機関の筒内噴射弁でも、噴孔の詰まり防止のための燃料噴射を行うことがあり、上記問題は共通したものとなっている。
【０００６】
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、デポジットの堆積による燃料噴射弁の噴孔の詰まりを、燃料消費を抑えてより効率的に防止す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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、燃料噴射弁の噴孔における残留燃料のデポジット化による詰まりを防止するための燃料噴射である詰まり防止噴射を実施する。そして、同内燃機関の制御装置は、残留燃料中の炭化水素の重合反応の反応速度を演算する反応速度演算部と、燃料噴射弁の燃料噴射が最後に行われたときからの上記反応速度の時間積分値を演算する重合度演算部と、同時間積分値が既定値を上回ったときに、上記詰まり防止噴射を実施させる詰まり防止噴射実施部と、を備えるようにしている。
【０００８】
燃料噴射弁の噴孔に堆積するデポジットは、下記の態様で生成される。すなわち、高温下で燃料噴射弁の噴孔周辺部分に燃料が残留した状態が続くと、燃料中の炭化水素の酸化重合が進行し、それによるＨＣの分子量の増加に応じて残留燃料の固着力（粘度）が増していく。そして、固着力を増した残留燃料に、既燃ガスに含まれる微粒子成分が固着することで、デポジットが生成されて、噴孔に堆積するようになる。
【０００９】
なお、燃料噴射直後の残留燃料には、分子量の大きいＨＣは殆ど存在しないため、ＨＣの酸化重合の殆どは、分子量の小さいＨＣ間で行われるため、残留燃料中のＨＣの平均分子量は徐々にしか増加しない。ただし、時間が経つと、重合を経て分子量が大きくなったＨＣ同士が重合するようになり、残留燃料中のＨＣの平均分子量が急増するようになる。そのため、残留燃料の固着力は、ＨＣの酸化重合がある段階を超えて進行した時点から急増するようになり、噴孔へのデポジットの堆積もその時点から急激に進むようになる。
【００１０】
デポジットの堆積量が急増するようになる前に、添加弁１２の燃料噴射を行えば、それまで残留していた燃料が洗い流されて、噴孔周辺部分の残留燃料が、ＨＣの酸化重合が進んでいない新規の燃料に置き換わるため、噴孔周辺部分のデポジットの堆積は暫くの間、生じないようになる。そのため、こうしたデポジット堆積の進行前の燃料噴射を繰り返し行えば、噴孔の詰まりを防止できる。このときの燃料噴射では、噴孔周辺部分にそれまで残留していた燃料を洗い流せればよいため、噴孔に堆積した燃料を剥がす場合よりも、必要な燃料噴射量は少なくて済む。ただし、１回当たりの燃料噴射量が少なくても、燃料噴射の実施頻度が高ければ、トータルの燃料消費量は多くなってしまう。
【００１１】
一方、上記内燃機関の制御装置における重合度演算部が演算する反応速度の時間積分値は、残留燃料におけるＨＣの酸化重合反応の回数を、すなわち同残留燃料におけるＨＣの酸化重合の進行度を表す。そのため、上記のようなデポジットの堆積量の急増が生じるときの反応速度の時間積分値の値はほぼ一義的に定まることになる。よって、そうした反応速度の時間積分値を用いれば、噴孔のデポジット堆積量が急増し始める直前のタイミングを見定めて詰まり防止噴射を実施することが可能となる。上記内燃機関の制御装置では、そうした反応速度の時間積分値を用いて、詰まり防止噴射の実施時期を定めているため、実施頻度が不要に高くならないようにしながら、デポジット堆積が進行し始める前の詰まり防止噴射を実施することが可能となる。したがって、上記内燃機関の制御装置によれば、デポジットの堆積による燃料噴射弁の噴孔の詰まりを、燃料消費を抑えてより効率的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】内燃機関の制御装置の一実施形態の構成を模式的に示す図。
【図２】同実施形態の制御装置が実施する詰まり防止噴射制御のフローチャート。
【図３】残留燃料の固着力、デポジット堆積量、重合度カウンタの推移を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、内燃機関の制御装置の一実施形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。
図１に示されるディーゼル機関１０は、ディーゼル燃料を使用する車載用の内燃機関であり、同ディーゼル機関１０の排気通路１１には、添加弁１２が設置されている。添加弁１２は、排気通路１１内に燃料を噴射して排気に燃料を添加する燃料噴射弁である。また、排気通路１１における添加弁１２よりも下流の部分には、排気中のＰＭを捕集するフィルターであるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１３が設置されている。なお、このディーゼル機関１０では、排気からの受熱による過熱を防ぐため、添加弁１２は水冷されている。
【００１４】
こうしたディーゼル機関１０の制御装置である電子制御ユニット２０は、ディーゼル機関１０の制御の一環として、添加弁１２の燃料噴射制御を行っている。そして、電子制御ユニット２０には、添加弁１２を制御するための添加弁制御部２４が設けられている。
【００１５】
なお、上記のように、ディーゼル機関１０では、燃焼により生じたＰＭをＤＰＦ１３にて捕集するようにしているが、ＤＰＦ１３に捕集されているＰＭの量（ＰＭ捕集量）がある程度を超えると、ＤＰＦ１３に目詰まりが発生してしまう。そこで、電子制御ユニット２０は、そうした目詰まりが生じる前に、ＤＰＦ１３が捕集したＰＭを燃焼浄化するようにしている。具体的には、電子制御ユニット２０は、ディーゼル機関１０の運転状態からＤＰＦ１３に捕集されているＰＭの量（ＰＭ捕集量）を演算し、同ＰＭ捕集量の演算値が一定の値を上回ったときに、ＤＰＦ１３を昇温するための添加弁１２の燃料噴射（ＤＰＦ昇温噴射）の実施を添加弁制御部２４に要求する。添加弁制御部２４は、ＤＰＦ昇温噴射の実施要求に対して、添加弁１２の燃料噴射を実施する。そしてこれにより、燃料中の還元成分（ＨＣなど）をＤＰＦ１３に供給し、その還元成分の酸化による発熱で、ＤＰＦ１３をＰＭの燃焼温度まで昇温するようにしている。
【００１６】
こうしたＤＰＦ昇温噴射は、ひとたび実施されると、ＤＰＦ１３のＰＭ捕集量が再び上記一定の値に増加するまで休止される。こうしたＤＰＦ昇温噴射の休止期間には、燃料噴射後の添加弁１２における噴孔やその周辺の部分（以下、噴孔周辺部分と記載する）にデポジットが堆積して、噴孔に詰まりを発生させることがある。そこで、電子制御ユニット２０は、ＤＰＦ昇温噴射の休止期間に、そうした噴孔の詰まりを防止するための燃料噴射（詰まり防止噴射）を実施している。
【００１７】
電子制御ユニット２０には、詰まり防止噴射の実施にかかる制御構造として、反応速度演算部２１、重合度演算部２２、及び詰まり防止噴射実施部２３が設けられている。反応速度演算部２１は、上記ＤＰＦ昇温噴射の休止期間において、添加弁１２の噴孔に残留した燃料中の炭化水素（ＨＣ）の酸化重合の反応速度Ｋを、既定の制御周期毎に演算する。重合度演算部２２は、添加弁１２の燃料噴射が最後に行われたときからの、上記反応速度演算部２１による反応速度Ｋの演算値を積算した値を、重合度カウンタＸとして演算する。詰まり防止噴射実施部２３は、重合度カウンタＸの値が既定値αを上回ったときに、添加弁制御部２４に詰まり防止噴射の実施を要求する。
【００１８】
反応速度演算部２１は、残留燃料におけるＨＣの酸化重合の反応速度Ｋを下記態様で演算している。ＨＣの酸化重合の反応速度Ｋは、化学反応の速度を表すアレニウスの式より、下式のように表せる。下式において、Ａは頻度因子を、［HC］、［O］は、酸化重合反応が生じる残留燃料と排気との界面における炭化水素及び酸素の濃度を、Ｅaは１モル当たりの活性化エネルギーを、Ｒは気体定数を、Ｔnは添加弁１２の噴孔周辺部分の絶対温度（以下、ノズル部温度と記載する）を、それぞれ表している。また、下式（１）における指数ｎ、ｍは、反応の次数と呼ばれ、それらの値は反応機構により定まるものとなっている。
【００１９】
【数１】
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同式（１）において、大括弧『｛  ｝』で括られた部分は、反応速度Ｋに影響する因子のうち、温度寄与度が小さい因子に関する部分であり、反応速度演算部２１は、これを一つの係数Ｂｘに纏めた下式（２）を用いて反応速度Ｋを演算している。なお、こうした反応速度Ｋの演算に用いられるノズル部温度Ｔｎは、電子制御ユニット２０が、排気からの受熱、冷却水への放熱、添加弁１２内の燃料への放熱、噴射時の燃料の気化潜熱などを考慮した添加弁１２の噴孔周辺部分の熱収支モデルを用いて演算している。
【００２０】
【数２】
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上式における係数Ｂｘの値は主に、酸化重合反応が生じる上記界面における残留燃料中のＨＣ分子と排気中の酸素分子との衝突頻度により定まる。そこで、反応速度演算部２１は、その衝突頻度に相関する、排気通路１１の排気流量、排気中のＰＭ量、及び、排気温から係数Ｂｘを演算している。この係数Ｂｘの演算は、電子制御ユニット２０に記憶されたマップを用いて行われ、そのマップには、予め実験で求められた排気流量、ＰＭ量、及び排気温と、係数Ｂｘとの関係が記憶されている。なお、排気流量はディーゼル機関１０の吸入空気量から、ＰＭ量はディーゼル機関１０の燃焼状態から、それぞれ求められている。また、排気温は、排気通路１１に設置した温度センサによる実測、又はディーゼル機関１０の運転状態からの推定により求められている。
【００２１】
図２に、上記反応速度演算部２１、重合度演算部２２、及び詰まり防止噴射実施部２３により実施される詰まり防止噴射制御ルーチンのフローチャートを示す。同ルーチンの処理は、ＤＰＦ昇温噴射の休止期間に、上記反応速度Ｋの制御周期毎に繰り返される。
【００２２】
本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、本ルーチンの前回の実施から今回の実施までの間に、添加弁１２の燃料噴射が実施されたか否かが判定される。ここで、燃料噴射が実施されていれば（ＮＯ）、ステップＳ１１０において、重合度カウンタＸの値が「０」にクリアされた後、今回の本ルーチンの処理が終了される。
【００２３】
一方、燃料噴射が実施されていなければ（Ｓ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１２０において、吸入空気量、ＰＭ排出量、排気温からの係数Ｂｘの演算が行われる。そして、続くステップＳ１３０において、演算した係数Ｂｘ、及びノズル部温度Ｔｎを用いて反応速度Ｋの演算が行われる。
【００２４】
次に、ステップＳ１４０において、演算した反応速度Ｋの重合度カウンタＸへの積算が行われる。具体的には、更新後の値が、ステップＳ１３０で演算した反応速度Ｋを更新前の値に加算した和となるように、重合度カウンタＸの値の更新が行われる。
【００２５】
その後、ステップＳ１５０において、重合度カウンタＸの値が既定値αを上回っているか否かが判定される。重合度カウンタＸの値が既定値α以下であれば（ＮＯ）、そのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。一方、重合度カウンタＸの値が既定値αを上回っていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１６０において、添加弁制御部２４への詰まり防止噴射の実施が要求された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。
【００２６】
こうした本ルーチンにおいて、ステップＳ１２０，Ｓ１３０は、反応速度演算部２１が行う処理となっている。また、ステップＳ１４０は、重合度演算部２２が行う処理、ステップＳ１５０，Ｓ１６０は、詰まり防止噴射実施部２３が行う処理となっている。
【００２７】
なお、本ルーチンの処理は、既定の制御周期毎に繰り返されており、ステップＳ１３０での反応速度Ｋの演算も同制御周期毎に行われることになる。よって、そうした制御周期毎の反応速度Ｋの演算値を積算した値である重合度カウンタＸの値は、同反応速度Ｋの時間積分値となる。また、本ルーチンにおいて、重合度カウンタＸの値は、添加弁１２の燃料噴射が行われる毎にクリアされ、更に同重合度カウンタＸの値が既定値αを上回ったときに、詰まり防止噴射の実施が要求される。そのため、本実施形態では、ＤＰＦ昇温噴射の休止期間において、添加弁１２の燃料噴射が最後に行われたときからの反応速度Ｋの時間積分値が既定値αを上回ったときに、詰まり防止噴射が実施されるようになる。
【００２８】
続いて、以上のように構成された本実施形態の内燃機関の制御装置の作用及び効果を説明する。
添加弁１２が燃料噴射を行うと、その噴孔の周辺部分に若干の燃料が残留する。こうした噴孔周辺部分の残留燃料をそのまま放置すると、排気から受熱により、残留燃料中のＨＣの酸化重合が進行する。具体的には、ＨＣの酸化重合では、まずカルボン酸が生成され、そのカルボン酸同士の重合により、熱可塑性を有した鎖状の高分子が生成される。そして、更にそうした鎖状の高分子同士の重合により熱硬化性を有した網目状構造の高分子が生成される。
【００２９】
こうした酸化重合の進行によるＨＣの分子量の増大に応じて、残留燃料の粘度が高くなり、噴孔に侵入した排気中のＰＭが残留燃料に固着するようになる。そして、そうした残留燃料へのＰＭの固着によりデポジットが生成されて、添加弁１２の噴孔周辺部分に堆積するようになる。
【００３０】
図３に、反応速度Ｋを一定として、残留燃料におけるＨＣの酸化重合反応が進行したときの残留燃料のＰＭ固着力、噴孔周辺部分のデポジット堆積量、及び重合度カウンタＸの推移を示す。燃料噴射直後の残留燃料中には分子量の大きいＨＣは殆ど存在せず、酸化重合の殆どは分子量の小さいＨＣの間で起きる。そのため、初期の段階における残留燃料中のＨＣの平均分子量の増加は緩やかとなる。これに対して、時間が経過すると、重合を経て分子量が大きくなったＨＣ同士も重合するようになるため、残留燃料中のＨＣの平均分子量が急増する。そして、ＨＣの平均分子量の増加に応じて残留燃料のＰＭ固着力も増加するようになる。
【００３１】
ＰＭ固着力が一定の値に達すると、噴孔に侵入した排気中のＰＭが残留燃料に固着して、デポジットが生成されるようになる。よって、添加弁１２の噴孔周辺部分のデポジット堆積量は、残留燃料のＰＭ固着力が一定の値に達するまで増加した時点から、増加するようになる。同図では、「Ａ」の時点からデポジット堆積量の増加が始まっている。
【００３２】
一方、重合度カウンタＸは、ＨＣの酸化重合反応の反応速度Ｋの時間積分値として演算されている。そのため、デポジット堆積量の増加が開始する「Ａ」の時点の重合度カウンタＸの値βは、ほぼ一義的に定まることになる。なお、本実施形態では、上述のように重合度カウンタＸの値が既定値αを上回ったときに詰まり防止噴射を実施するようにしているが、そうした既定値αの値として上記値βよりも若干小さい値を設定するようにしている。すなわち、本実施形態では、デポジットの堆積が進行し始めるようになる直前のタイミングに、詰まり防止噴射を実施するようにしている。
【００３３】
こうした詰まり防止噴射が実施されれば、それまで噴孔周辺部分に残留していた燃料が洗い流される。そしてその結果、噴孔周辺部分の残留燃料が、酸化重合が進行していない新規の燃料に置き換わるため、デポジットの堆積はしばらく生じないようになる。したがって、重合度カウンタＸが既定値αを上回る度に詰まり防止噴射を実施すれば、デポジットの堆積による添加弁１２の噴孔の詰まりを防止できる。
【００３４】
これに対して、噴孔のデポジット堆積量が、詰まりが生じる量よりも少ない一定の値に達したときに、燃料噴射を行って、噴孔周辺部分に堆積したデポジットを除去することでも、噴孔の詰まりは防止できる。ただし、このときの燃料噴射（以下、デポジット除去噴射と記載する）では、堆積したデポジットを剥がせるだけの、多量の燃料噴射が必要となる。これに対して、本実施形態で実施する詰まり防止噴射では、それまで噴孔周辺部分に残留していた燃料を洗い流せればよいため、デポジット除去噴射の場合よりも、少量の燃料噴射で目的を達成できる。
【００３５】
なお、本実施形態での詰まり防止噴射は、デポジットの堆積が進行し始める前に行う必要があるため、上記のようなデポジット除去噴射を行う場合よりも、噴射の実施頻度が多くなる。これに対して、本実施形態では、反応速度Ｋの時間積分値である重合度カウンタＸを用いて、デポジットの堆積が進行し始める直前のタイミングを見定めて詰まり防止噴射を実施するようにしている。一方、上述のように、デポジットの堆積が一旦進行し始めると、同デポジットの堆積量は急増するため、デポジット除去噴射を行う場合でも結局は、本実施形態での詰まり防止噴射の実施タイミングから然程遠くない時期に、噴射を行わなければならなくなる。よって、本実施形態の詰まり防止噴射制御の場合と、デポジット除去噴射を行う場合との噴射の実施頻度の差は限られたものとなる。そのため、本実施形態の詰まり防止噴射制御では、噴孔の詰まり防止に費やされる燃料の総量を、デポジット除去噴射を行う場合よりも少なくすることができる。したがって、本実施形態によれば、デポジットの堆積による燃料噴射弁の噴孔の詰まりを、燃料消費を抑えてより効率的に防止することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、残留燃料のデポジット化の進行状況を、残留燃料中のＨＣの酸化重合の反応速度Ｋの時間積分値から推定し、その推定結果に基づき、詰まり防止噴射の実施タイミングを決定している。こうした推定手法は、現実のデポジット生成のメカニズムに立脚したものとなっており、ディーゼル機関１０の運転条件（回転数や負荷など）が遷移する過渡運転時にも、デポジット化の進行状況を高精度に予測できる。そのため、詰まり防止噴射を行うべき時期を正確に見積もって、同詰まり防止噴射を過不足なく実施できる。
【００３７】
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。
・上記実施形態では、排気流量、排気のＰＭ量、及び排気温から係数Ｂｘを演算していたが、そうした係数Ｂｘの演算に用いるパラメータの種類や組み合わせを適宜変更してもよい。
【００３８】
・上記実施形態の詰まり防止噴射制御を、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射弁と気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁との２種の燃料噴射弁を備える内燃機関における筒内噴射弁に適用するようにしてもよい。こうした内燃機関の筒内噴射弁の噴孔周辺部分は、高温でＰＭを含む燃料ガスに曝される。そのため、筒内噴射弁の燃料噴射を休止してポート噴射弁のみが燃料噴射を行っての内燃機関の運転が継続すると、添加弁１２の場合と同様に、デポジットの堆積によって筒内噴射弁の噴孔に詰まりが発生することがある。こうした筒内噴射弁を対象として上記実施形態の詰まり防止噴射制御を行う場合にも、デポジットの堆積による噴孔の詰まりを、燃料消費を抑えてより効率的に防止することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…ディーゼル機関（内燃機関）、１１…排気通路、１２…添加弁（燃料噴射弁）、１３…ＤＰＦ、２０…電子制御ユニット（内燃機関の制御装置）、２１…反応速度演算部、２２…重合度演算部、２３…詰まり防止噴射実施部、２４…添加弁制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018062901.tif 000007