(57)【要約】【課題】ＮＯｘ吸蔵触媒に対してリッチ運転を行うにあたり、黒煙の悪化を確実に防止することができる内燃機関の燃料噴射時期制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の気筒に連通する排気通路（２０）と、排気通路に設けられ、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともにリッチ運転を行うことで吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒（２２）と、リッチ運転にて内燃機関の負荷に応じて気筒内に噴射される燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御部（３２）とを備えるよう構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒に連通する排気通路と、
該排気通路に設けられ、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともにリッチ運転を行うことで該吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記リッチ運転にて前記内燃機関の負荷に応じて前記気筒内に噴射される燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御部と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
【請求項２】
前記噴射時期制御部は、前記内燃機関の負荷が低負荷のとき、前記噴射時期の進角量を大きくすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
【請求項３】
前記噴射時期制御部は、前記内燃機関の負荷が中負荷のとき、前記噴射時期の進角量を小さくすることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
【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時期制御装置に係り、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒に対してリッチ運転を行う内燃機関に適用される内燃機関の燃料噴射時期制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する吸蔵型のＮＯｘ触媒である。
具体的には、酸素過剰状態（酸化雰囲気）において排ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素過剰状態（還元雰囲気）で窒素に還元させる特性を有している。そして、内燃機関は、ＮＯｘ吸蔵量が飽和する前に排気空燃比を理論空燃比又はその近傍値に制御する如くの空気過剰率が低い（λ＜１）状態のリッチ運転へ定期的に切り換えるリッチスパイクを行い、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る。これにより、排ガスの浄化が良好に行われる。
【０００３】
また、ＮＯｘ吸蔵触媒には、燃料中のＳ成分（硫黄成分）の酸化によるＳＯｘ（硫黄酸化物）も硫酸塩として堆積されるため、当該堆積したＳ成分の放出（Ｓパージ）を行うべく、上記と同様にリッチ運転を定期的に実施してＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る。
ここで、前記リッチ運転の条件は、排ガス再循環（ＥＧＲ）バルブや給気量を調整する給気スロットルを用い、大量ＥＧＲを実施することにより作り出されることがある。そして、上記の如きＮＯｘ吸蔵触媒におけるＮＯｘの効果的な除去を図る排気浄化装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
当該装置では、リッチ運転時には、燃料の噴射開始から着火までの時間に予混合気を形成する燃料量を増大させている。これにより、リッチ運転時の燃焼室内の燃焼は予混合燃焼が主体になり、黒煙の悪化を防止することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０７９９３３号公報（段落番号０００５〜００３２、図１４等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の排気浄化装置では、リッチ運転時には燃料の噴射時期を進角させて燃焼開始前の燃料量の増加を図っている。このように、リッチ運転時に噴射時期を進角させることは一般に知られている。このリッチ運転時には、失火を避けるために燃料の噴射時期を進角させる必要があるからである。
【０００７】
しかし、内燃機関の負荷の増加に伴って燃料の噴射時期の進角量を低負荷での進角最適値と同様に大きくさせると、リッチ運転において黒煙が悪化してしまうとの問題がある。換言すれば、上記従来の技術の如くリッチ運転時において、燃料の噴射時期を一律に進角させるのみでは、着火時期が早期化し、燃料噴霧が空気と混合する前に燃料過剰の状態で燃焼することとなり、燃焼されない燃料が増加してリッチ運転時の黒煙及びリーン運転とリッチ運転との移行期間の黒煙がともに悪化し、黒煙の悪化を確実に防止することができず、この点については依然として課題が残されている。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ吸蔵触媒に対してリッチ運転を行うにあたり、黒煙の悪化を確実に防止することができる内燃機関の燃料噴射時期制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置は、内燃機関の気筒に連通する排気通路と、排気通路に設けられ、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともにリッチ運転を行うことで吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、リッチ運転時にて内燃機関の負荷に応じて気筒内に噴射される燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御部とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
このように、請求項１記載の発明は、リッチスパイクを行うにあたり、リッチ運転時の黒煙の挙動のみならず、リーン運転とリッチ運転との移行期間の黒煙の挙動をも考慮する必要があることを鑑みてなされたものである。具体的には、内燃機関の負荷が小さい場合に燃料の噴射時期の進角量を小さくさせると、燃焼されない燃料が増加してリッチ運転時にて黒煙が悪化するとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間に黒煙のピーク値が現れ、一方、内燃機関の負荷が大きい場合に燃料の噴射時期の進角量を大きくさせると、着火が早期化することでやはり燃焼されない燃料が増加してリッチ運転時にて黒煙が悪化するとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間に黒煙のピーク値が現れる。つまり、リッチ運転への切り換え時に噴射時期の進角量を一律に大きくさせるのみでは、依然として黒煙の悪化を確実に防止することはできないのである。これは、特に、内燃機関の負荷が大きい場合に顕著になる。
【００１１】
したがって、請求項１記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置では、噴射時期制御部が、リッチ運転時においては内燃機関の負荷に応じて噴射時期を制御する、つまり、負荷に応じて噴射時期の緻密な制御を行うので、燃焼されない燃料を減少させて黒煙の悪化が確実に防止される。
また、請求項２記載の発明では、噴射時期制御部は、内燃機関の負荷が低負荷のとき、噴射時期の進角量を大きくすることを特徴としている。
【００１２】
このように、噴射時期制御部は、低負荷のとき、換言すれば、燃料噴射量が小さい（ＥＧＲ率が大きい）ときには、噴射時期の進角量を大きくさせることから、燃焼されない燃料を減少させ、リッチ運転時における黒煙の悪化の防止が可能になるとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間における黒煙のピーク値の抑制が可能になる。そして、安定したＮＯｘ浄化率で維持される。
【００１３】
さらに、請求項３記載の発明では、噴射時期制御部は、内燃機関の負荷が中負荷のとき、噴射時期の進角量を小さくすることを特徴としている。
このように、噴射時期制御部は、中負荷のとき、換言すれば、燃料噴射量が大きい（ＥＧＲ率が小さい）ときには、噴射時期の進角量を小さくさせることで燃焼開始前の燃料量を増加することができ、燃焼されない燃料を減少させ、リッチ運転時における黒煙の悪化の防止が可能になるとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間における黒煙のピーク値の抑制が可能になる。そして、安定したＮＯｘ浄化率で維持される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射時期制御装置が適用される４気筒のディーゼル機関（以下、単にエンジンという）１を備えたエンジンシステム構成図を示しており、以下図１に基づき本発明に係る内燃機関の燃料噴射時期制御装置の構成を説明する。
【００１５】
同図に示すように、エンジン１のシリンダブロック２には、コモンレール型等の燃料噴射装置を有した燃料供給系（図示せず）の他に各気筒４に新気（吸入空気）を導くインテークマニホールド６と、各気筒４からの排出された排ガスを集合させるエキゾーストマニホールド１８とが接続されている。
インテークマニホールド６からは吸気通路８が延びており、この吸気通路８の上流側には過給機１４が介装され、吸気通路の８の先端部にはエアクリーナ１６が接続されている。また、吸気通路８には、給気スロットル１０が配設され、さらにインタークーラ１２が介装されている。
【００１６】
一方、エキゾーストマニホールド１８からは排気通路２０が延びており、この排気通路２０の下流側にはＮＯｘ吸蔵触媒２２が接続されている。このＮＯｘ吸蔵触媒２２は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ等で排ガス中にＨＣやＣＯが存在するときに、吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する機能を有しており、このＮＯｘ吸蔵触媒は公知の構成のものである。
【００１７】
また、エキゾーストマニホールド１８からは排気循環通路（ＥＧＲ通路）２４が分岐して延びており、このＥＧＲ通路２４の先端は、吸気通路８の給気スロットル１０の配設位置よりも下流側にて吸気通路８に接続されている。このＥＧＲ通路２４は、排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路８内に再循環させてＮＯｘの排出を抑制させる。ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスの冷却を図るＥＧＲクーラ２６と、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）３０に電気的に接続されたＥＧＲバルブ２８とが設けられ、ＥＧＲバルブ２８によってＥＧＲ通路２４の流路面積が調節される。なお、給気スロットル１０もまたＥＣＵ３０に電気的に接続されており、吸気通路８の流路面積が調節されることにより、筒内リッチの際のＥＧＲガス量を調整し、ＥＧＲ通路２４と吸気通路８との合流後の給気量を調整する。
【００１８】
エアクリーナ１６からの新気は、過給機１４を介してインタークーラ１２に達し、給気スロットル１０で調整された後、ＥＧＲガスと合流して給気となってインテークマニホールド６に至り、各気筒４内に導かれる。そして、燃料供給系から供給される燃料の燃焼により、クランク軸及びフライホイール（ともに図示せず）を作動させる。燃焼が終了すると、排ガスはエキゾーストマニホールド１８に排出され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に送られる。
【００１９】
ＥＣＵ３０の入力側には、エンジン１の運転状態を検出する各種センサが電気的に接続され、ＥＣＵ３０の出力側には、上述の給気スロットル１０及びＥＧＲバルブ２８等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。
上述したように、ＮＯｘ吸蔵触媒２２には、ＮＯｘとともに燃料中のＳ成分の酸化によるＳＯｘも堆積されるため、ＮＯｘパージとともにＳパージを行うべく、リッチスパイクを定期的に実施してＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る必要がある。
【００２０】
そこで、ＥＣＵ３０は、酸化雰囲気にて排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵する一方、リッチ燃焼を行わせるべく空燃比制御を実施する。すなわち、定期的にエンジン１に対して低λ状態とし、ＮＯｘパージを行わせる或いはＳパージをも行わせてＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生を図っている。
本実施形態におけるリッチ燃焼としては、大量ＥＧＲを実施、つまり、ＥＧＲバルブ２８及び給気スロットル１０を用い、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を利用する筒内リッチによってリッチ燃焼の条件を作り、この条件が成立すればＮＯｘパージやＳパージを行う。
【００２１】
ここで、特にＥＣＵ３０には、本発明に係る噴射時期制御部３２が設けられている。この噴射時期制御部３２では、リッチスパイクを行うにあたり、リッチ運転時の黒煙の挙動のみならず、リーン運転とリッチ運転との移行期間の黒煙の挙動をも考慮する必要があることを鑑み、エンジン１の負荷に応じて気筒４内に噴射される燃料の噴射時期を制御すべく各種アクチュエータに信号を出力している。
【００２２】
図２は、上記燃料噴射時期制御装置による噴射時期制御を説明する図であり、空気過剰率λをリッチ側（λ＝約１．１）で一定にした状態を示したものである。
図示のように、エンジン１の負荷が小さい（燃料噴射量が小さい）場合には、ＥＧＲ率が大きくなる。この場合において、図中一点鎖線で示される如く、燃料の噴射時期の進角量を小さくさせたままでは、燃焼されない燃料が増加し、このリッチ状態にて黒煙が悪化することが分かる。一方、噴射時期の進角量を小さくさせたまま、エンジン１の負荷が大きく（燃料噴射量が大きく）なれば、黒煙の悪化が徐々に防止されることも分かる。
【００２３】
これに対し、エンジン１の負荷が大きい（燃料噴射量が大きい）場合には、ＥＧＲ率が小さくなる。この場合において、図中破線で示される如く、燃料の噴射時期の進角量を大きくさせたままでは、燃焼されない燃料が右肩上がりに増加し、このリッチ状態にて黒煙の悪化も右肩上がりになって、黒煙が非常に悪化することが分かる。一方、噴射時期の進角量を大きくさせたまま、エンジン１の負荷が小さく（燃料噴射量が小さく）なれば、黒煙の悪化が徐々に防止されることも分かる。
【００２４】
つまり、リッチ運転時においては、燃料の噴射時期の進角量を小さくすればエンジン１の負荷が大きい場合における黒煙の悪化が防止されること、及び噴射時期の進角量を大きくすればエンジン１の負荷が小さい場合における黒煙の悪化が防止されることを導出できる。
なお、本実施形態におけるエンジン１の負荷が小さい場合とは、高負荷の約２０〜３０％に相当する低程度の負荷（低負荷）を意味し、エンジン１の負荷が大きい場合とは高負荷の約３０〜４０％に相当する中程度の負荷（中負荷）を意味する。また、噴射時期制御部３２による噴射時期の進角量が小さくされる程度は、失火限界を考慮して設定されている。
【００２５】
次に、図３は、上記燃料噴射時期制御装置による噴射時期制御を説明する図であり、リーン運転とリッチ運転との移行期間について示したものである。
同図（ａ）に示すように、エンジン１の負荷が小さい（燃料噴射量が小さい）場合には、リッチ側になるに連れてＥＧＲ率がより大きくなる。そして、この場合において、図中一点鎖線で示される如く、燃料の噴射時期の進角量を小さくさせたままでは、燃焼されない燃料が増加し、リーン運転とリッチ運転との移行期間、特にλが約１．１となる地点を横切ると、黒煙の大きなピーク値が現れることが分かる。
【００２６】
これに対し、同図（ｂ）に示すように、エンジン１の負荷が大きい（燃料噴射量が大きい）場合には、リッチ側になるに連れてＥＧＲ率が大きくなる。そして、この場合において、図中破線で示される如く、燃料の噴射時期の進角量を大きくさせたままでは、リーン運転とリッチ運転との移行期間、特にλが約１．１となる地点を横切ると、やはり燃焼されない燃料が増加し、黒煙の非常に大きなピーク値が現れることが分かる。
【００２７】
つまり、リーン運転とリッチ運転との移行期間においては、エンジン１の負荷が小さい場合に燃料の噴射時期の進角量を小さくしたままでは、黒煙のピーク値が現れてしまうこと、及びエンジン１の負荷が大きい場合に噴射時期の進角量を大きくしたままでは、黒煙の大きなピーク値が現れてしまうことが導出できる。
したがって、本実施形態の噴射時期制御部３２は、上述の考察に基づいて、リッチスパイクを行うにあたっては、エンジン１の負荷に応じて噴射時期の進角の度合を変化させている。すなわち、エンジン１の負荷が小さい（低負荷）場合には燃料の噴射時期の進角量を大きくし、エンジン１の負荷が大きい（中負荷）場合には燃料の噴射時期の進角量を小さくしている。
【００２８】
より具体的には、噴射時期制御部３２では、図２にて実線で示される如く、エンジン１の負荷が小さい（燃料噴射量が小さい）場合には、まず噴射時期の進角量を大きく設定して一定とし、次いで、エンジン１の負荷が大きく（燃料噴射量が大きく）なるに連れて噴射時期の進角量を徐々に小さくなるよう設定している。
【００２９】
これにより、噴射時期制御部３２では、図２にて実線で示されるように、エンジン１の負荷が小さい（燃料噴射量が小さい）場合からエンジン１の負荷が大きい（燃料噴射量が大きい）場合に亘ってリッチ運転時における黒煙の悪化を確実に防止することができる。
また、噴射時期制御部３２では、図３（ａ）にて実線で示されるように、エンジン１の負荷が小さい（燃料噴射量が小さい）場合には、燃料の噴射時期の進角量を大きくしているので、リーン運転とリッチ運転との移行期間における黒煙のピーク値を確実に抑制することができるとともに、図３（ｂ）にて実線で示されるように、エンジン１の負荷が大きい（燃料噴射量が大きい）場合には、燃料の噴射時期の進角量を小さくしているので、リーン運転とリッチ運転との移行期間おける黒煙のピーク値も確実に抑制することができる。このエンジン１の負荷が大きい場合に抑制された黒煙のピーク値の大きさは、同図にて破線で示す如くの噴射時期の進角量を一律に大きくさせた場合に比して特に小さくされていることが分かる。
【００３０】
そして、噴射時期制御部３２によって、燃焼されない燃料を減少させ、リッチスパイクを行う場合の黒煙の悪化防止が確実に図られていることから、ＮＯｘ吸蔵触媒２２によるＮＯｘ浄化率が安定し、かつ、その浄化率が維持される。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
【００３１】
例えば、エンジンとしてはディーゼル機関が好ましいが、これに限定されるものではなく、本発明の内燃機関の燃料噴射時期制御装置は、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を備え、リッチ運転可能な全てのエンジンシステムに適用させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明の内燃機関の燃料噴射時期制御装置によれば、リッチスパイクを行うにあたり、リッチ運転時の黒煙の挙動のみならず、リーン運転とリッチ運転との移行期間の黒煙の挙動をも考慮する必要があることを鑑み、すなわち、内燃機関の負荷が小さい場合には燃料の噴射時期の進角量を小さくさせると、燃焼されない燃料が増加してリッチ運転時にて黒煙が悪化するとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間に黒煙のピーク値が現れ、一方、内燃機関の負荷が大きい場合には燃料の噴射時期の進角量を大きくさせると、着火が早期化することでやはり燃焼されない燃料が増加してリッチ運転時にて黒煙が悪化するとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間に黒煙のピーク値が現れることから、リッチ運転への切り換え時に噴射時期の進角量を一律に大きくさせるのみでは、依然として黒煙の悪化を確実に防止することはできず、特に、内燃機関の負荷が大きい場合に顕著になる問題を解決している。
【００３３】
すなわち、噴射時期制御部では、リッチ運転時においては内燃機関の負荷に応じて噴射時期を制御する、つまり、負荷に応じて噴射時期の緻密な制御を行うので、燃焼されない燃料を減少させて黒煙の悪化を確実に防止することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、噴射時期制御部は、低負荷のとき、換言すれば、燃料噴射量が小さい（ＥＧＲ率が大きい）ときには、噴射時期の進角量を大きくさせることから、燃焼されない燃料を減少させ、リッチ運転時における黒煙の悪化を防止することができるとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間における黒煙のピーク値を抑制することができる。そして、安定したＮＯｘ浄化率を維持することができる。
【００３４】
さらに、請求項３記載の発明によれば、噴射時期制御部は、中負荷のとき、換言すれば、燃料噴射量が大きい（ＥＧＲ率が小さい）ときには、噴射時期の進角量を小さくさせることで燃焼開始前の燃料量を増加することができ、燃焼されない燃料を減少させ、リッチ運転時における黒煙の悪化を防止することができるとともに、リーン運転とリッチ運転との移行期間における黒煙のピーク値を抑制することができる。そして、安定したＮＯｘ浄化率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射時期制御装置が適用されるエンジンの構成図である。
【図２】図１の燃料噴射時期制御装置による噴射時期制御を説明する図であって、空気過剰率λをリッチ側（λ＝約１．１）で一定にした状態を示す図である。
【図３】図１の燃料噴射時期制御装置による噴射時期制御を説明する図であって、リーン運転とリッチ運転との移行期間を示す図である。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  気筒
２０  排気通路
２２  ＮＯｘ吸蔵触媒
３０  電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
３２  噴射時期制御部
【図１】
2004340004.tif 000003
【図２】
2004340004.tif 000004
【図３】
2004340004.tif 000005