JP5304402B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、特定気筒における排気弁近傍の排気通路に排気燃料添加弁を備える内燃機関の排気燃料添加制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、排気燃料添加弁の詰まりを抑制するための所定の詰まり抑制制御を行うようにしている。そのうえで、バイオ燃料濃度が所定値以上である場合には、詰まり抑制制御までの添加なしの期間を短く設定するようにしている。

特開２００９−１３８４７号公報 特開２００６−１７７３１３号公報

バイオ燃料と軽油等の炭化水素燃料との混合燃料を使用する場合、混合燃料中のバイオ燃料濃度が変わると、混合燃料の性状が変化する。具体的には、バイオ燃料濃度が高くなると、例えば、燃料の蒸留特性が悪化するので排気通路に添加される燃料の噴霧の蒸発性が悪化する。その結果、排気燃料添加弁による燃料添加を利用した触媒制御（ＮＯｘ還元、触媒昇温等）に支障が生ずる可能性がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高バイオ燃料濃度の燃料使用時において排気通路に添加される燃料の蒸発性を良好に改善することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
特定気筒における排気弁近傍の排気通路に配置され、当該排気通路に燃料を添加する排気燃料添加弁と、
前記排気燃料添加弁により添加される燃料中のバイオ燃料濃度を検出するバイオ燃料濃度検出手段と、
バイオ燃料濃度に応じて、前記排気燃料添加弁による燃料添加期間を設定する燃料添加期間設定手段と、を備え、
前記排気燃料添加弁は、当該排気燃料添加弁から噴射された噴霧が前記特定気筒に隣接する気筒からの排気ガスの流れを受けた際に、前記特定気筒の前記排気弁に向かう方向への当該噴霧の吹き返しが生ずる距離関係において、前記特定気筒における前記排気弁近傍に配置されており、
前記燃料添加期間設定手段は、バイオ燃料濃度が高くなるほど、前記特定気筒に隣接する気筒の排気行程中の燃料添加期間を長くすることを特徴とする。

第１の発明によれば、バイオ燃料濃度が高くなるほど、排気燃料添加弁の近傍に位置する排気弁の所属気筒に隣接する気筒の排気行程中の燃料添加期間を長くされる。これにより、低バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、上記隣接気筒から排出される排気ガスの影響による噴霧の吹き返しを避けつつ、高バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、上記隣接気筒から排出される排気ガスの熱によって排気通路に添加される燃料の蒸発性を良好に改善することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 排気燃料添加弁によって添加された燃料が排気ガスから受ける影響を説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるバイオ燃料濃度に応じた燃料添加期間の設定を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、自動車に搭載されたディーゼルエンジン１０を備えている。ここでは、ディーゼルエンジン１０は、＃１〜＃４の４つの気筒を有する直列４気筒型エンジンであるものとし、ディーゼルエンジン１０の爆発順序は、＃１→＃３→＃４→＃２であるものとする。

ディーゼルエンジン１０の燃料は、燃料タンク１２に貯留されている。燃料タンク１２には、軽油１００％の燃料、或いは、軽油とバイオ燃料との混合燃料が給油されるものとする。燃料タンク１２内の燃料は、燃料パイプ１４を通ってディーゼルエンジン１０側へ移送される。

燃料パイプ１４の途中には、燃料ポンプ１６が設置されている。燃料ポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、コモンレール１８内に貯留され、このコモンレール１８から、各気筒の燃料噴射弁２０へ分配される。

また、燃料ポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、排気通路２２に配置される排気燃料添加弁２４にも供給される。排気燃料添加弁２４は、図１に示す構成では、＃４気筒における排気弁（図示省略）近傍の排気通路２２に配置されている。

また、燃料タンク１２には、燃料タンク１２内の混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出するためのバイオ燃料濃度センサ２６が取り付けられている。このようなバイオ燃料濃度センサ２６としては、例えば、光学式のセンサや、炭化水素燃料とバイオ燃料との誘電率が異なる性質を利用した方式のセンサ等を用いることができる。

ディーゼルエンジン１０の排気通路２２におけるターボ過給機２８の下流側には、上流側から順に、ＮＯｘを浄化するためのＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒３０、ＮＯｘの浄化のための触媒とともに粒子状物質ＰＭを除去するためのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３２ａを含むＤＰＮＲ（Diesel Particulate NOx Reduction）触媒３２、および、酸化触媒３４が配置されている。

また、排気通路２２には、吸気側に排気ガスを還流させるためのＥＧＲ通路３６の一端が接続されており、ＥＧＲ通路３６の途中には、その内部を通るガスを冷却するためのＥＧＲクーラー３８が配置されている。

本実施形態のシステムは、更に、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を更に備えている。ＥＣＵ４０には、バイオ燃料濃度センサ２６とともに、ディーゼルエンジン１０の運転状態を制御するための各種のセンサが接続されている。また、ＥＣＵ４０には、燃料ポンプ１６、燃料噴射弁２０、および排気燃料添加弁２４とともに、ディーゼルエンジン１０の運転状態を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。

以上のように構成された本実施形態のシステムでは、ディーゼルエンジン１０の運転中に、ＰＭが捕集されたパティキュレートフィルタ３２ａの再生や硫黄被毒した触媒３２等の再生を行うために、当該フィルタ３２ａや触媒３２等を昇温させる昇温制御が行われる。本実施形態では、このような昇温制御のために、或いは、ＮＳＲ触媒３０への還元剤としての燃料の供給のために、排気燃料添加弁２４によって、排気通路２２内に必要に応じて燃料の添加が実施される。

上述した本実施形態のシステムのようにバイオ燃料と軽油との混合燃料を使用する場合、混合燃料中のバイオ燃料濃度が変わると、混合燃料の性状が変化する。具体的には、バイオディーゼル燃料は、酸素を含む重質成分（炭素数Ｃが１６以上の成分）のみで構成されているので、単位噴射量当たりの発熱量が少なく、噴霧の蒸発性が良くない。

このため、バイオ燃料濃度が高くなると、混合燃料の蒸留特性が悪化するので、排気通路に添加される燃料の噴霧の蒸発性が悪化する。また、バイオ燃料濃度が高くなると、混合燃料の発熱量が下がるので、軽油使用時と同等の発熱量を得るためにはより多くの燃料を添加する必要が生ずる。更に、バイオ燃料濃度が高くなると、燃料中の酸素割合が多くなるので、上記昇温制御やＮＯｘ還元等のために排気通路２２内をリッチ状態とする際に、より多くの燃料を添加する必要が生ずる。

以上のように、バイオ燃料濃度が高くなると、燃料添加量（燃料噴射量）が増え、かつ、燃料の噴霧の蒸発性が悪くなるので、排気燃料添加弁による燃料添加を利用した上記触媒制御（ＮＯｘ還元、昇温制御等）に支障が生ずる可能性がある。

図２は、排気燃料添加弁２４によって添加された燃料が排気ガスから受ける影響を説明するための図である。
図２に示すように、各気筒から排出される排気ガスが向かう先としては、触媒（ＮＳＲ３０等）側とＥＧＲクーラー３８側とがある。このため、ＥＧＲ制御の実行中であれば、各気筒から排出される排気ガスは、図２中に矢印で示すように、触媒側とＥＧＲクーラー３８側の双方に向かって流れるようになる。

排気燃料添加弁２４は、上述したように、排気通路２２における＃４気筒に近接した部位に配置されている。また、ディーゼルエンジン１０の上記爆発順序によれば、＃４気筒の排気弁が開くタイミング（つまり、＃４気筒の膨張行程の途中）においては、＃３気筒は排気行程となる。

図２の説明では、排気通路２２に添加される燃料は、軽油１００％の燃料（Ｂ０）であるものとする。上記のようなタイミングで軽油（Ｂ０）を用いて燃料添加を行うこととすると、＃３気筒から排出された排気ガスの影響で、図２に示すように、添加された燃料の噴霧の吹き返しが生じ易くなる。また、このような噴霧の吹き返しが生ずると、燃料が排気通路２２の壁面等に付着してデポジットが生成し易くなる。その結果、上記触媒制御（ＮＯｘ還元、昇温制御等）を目的とした排気系燃料添加の本来の効果が得にくくなる。

図３は、本発明の実施の形態１におけるバイオ燃料濃度に応じた燃料添加期間の設定を説明するための図である。
排気燃料添加弁２４による燃料添加は、＃４気筒から排出される排気ガスの流れを利用して、燃料を下流（触媒側）に導くものである。このため、図３に示すように、バイオ燃料濃度に依らず、燃料添加弁配置気筒である＃４気筒の排気行程では必ず燃料添加が行われるように、燃料添加期間が設定されている。

また、既述した理由により、バイオ燃料濃度が高くなるほど、燃料添加量を増やす必要がある。このため、図３に示すように、燃料添加期間は、バイオ燃料濃度が高くなるほど長くなるように設定されている。

また、図３に示す設定では、軽油１００％の燃料（Ｂ０）やバイオ燃料濃度２０％の燃料（Ｂ２０）のように低バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、燃料添加弁配置気筒（＃４）に隣接する＃３気筒が排気行程にある期間中に、燃料添加を行うことが禁止されている。その理由は、低バイオ燃料濃度の燃料は、噴霧の蒸発性が比較的良いため、＃３気筒からの排気ガスの流れによって図２に示す吹き返しが生じ易くなるので、そのような吹き返しを避けるためである。

その一方で、Ｂ５０やＢ１００といった高バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、図３に示すように、排気燃料添加弁配置気筒（＃４）に隣接する＃３気筒が排気行程にある期間中に、燃料添加を開始するようにしている。

そのうえで、バイオ燃料濃度が高くなるほど、隣接気筒（＃３）の排気行程中の燃料添加期間が長くなるように設定されている。言い換えれば、バイオ燃料濃度が高くなるほど、＃３気筒の排気行程中に添加する燃料量の割合が増えるように、燃料添加期間が決定されている。

Ｂ５０やＢ１００といった高バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、燃料添加期間が増える（制御上増やす）という点と、燃料の蒸留特性の悪化により蒸発しにくくなる点とによって、添加された燃料の噴霧の貫徹力が増加する。その結果、＃３気筒が排気行程にある際に燃料添加が行われた場合であっても、低バイオ燃料濃度の燃料の使用時よりも、隣接気筒（＃３）からの排気ガスの影響による吹き返しが緩和されるようになる。更に、高バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、上記のように噴霧の蒸発性が悪化することになるが、＃３気筒からの高温の排気ガスの熱によって、噴霧の蒸発性を改善することもできる。

以上説明したように、低バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、＃３気筒が排気行程にある際に燃料添加を行うこととすると、吹き返しによる悪影響が大きいが、高バイオ燃料濃度の燃料の使用時には、バイオ燃料濃度が高くなることで悪くなった燃料の蒸留特性を払拭するメリットの方が大きくなる。つまり、本実施形態の制御によれば、高バイオ燃料濃度の燃料の使用時において、排気通路２２に添加される燃料の蒸発性を良好に改善することができる。

尚、図３に示す燃料添加期間に基づく排気燃料添加制御は、例えば、次のような手順の制御をＥＣＵ４０が実機上で行うことにより実現することができる。すなわち、ＥＣＵ４０がバイオ燃料濃度センサ２６にて燃料中のバイオ燃料濃度を検知した後に、バイオ燃料濃度に応じた燃料添加期間および燃料添加時期のマップ（例えば、図３に示されるような燃料添加期間および燃料添加時期の設定を予め記憶したマップ）に基づいた燃料添加を実施することで実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、＃４気筒の排気弁近傍の排気通路２２に排気燃料添加弁２４を配置するようにしている。しかしながら、本発明における排気燃料添加弁の配置部位は、これに限定されるものではなく、特定気筒における排気弁近傍の排気通路であってもよい。尚、排気燃料添加弁が近接して配置される気筒が異なれば、それに伴い、排気熱を利用するための隣接気筒も異なるものとなる。例えば、＃１気筒の排気弁近傍の排気通路に排気燃料添加弁を配置する場合には、排気熱を利用するための隣接気筒は、＃２気筒となる。

尚、上述した実施の形態１においては、＃４気筒が前記第１の発明における「特定気筒」に、バイオ燃料濃度センサ２６が前記第１の発明における「バイオ燃料濃度検出手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ４０が上記図３に示すような燃料添加期間の設定に従ってバイオ燃料濃度に応じて燃料添加期間を調整することにより前記第１の発明における「燃料添加期間設定手段」が実現されている。

１０ ディーゼルエンジン
１２ 燃料タンク
１４ 燃料パイプ
１６ 燃料ポンプ
１８ コモンレール
２０ 燃料噴射弁
２２ 排気通路
２４ 排気燃料添加弁
２６ バイオ燃料濃度センサ
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (1)

1. 特定気筒における排気弁近傍の排気通路に配置され、当該排気通路に燃料を添加する排気燃料添加弁と、
   前記排気燃料添加弁により添加される燃料中のバイオ燃料濃度を検出するバイオ燃料濃度検出手段と、
   バイオ燃料濃度に応じて、前記排気燃料添加弁による燃料添加期間を設定する燃料添加期間設定手段と、を備え、
   前記排気燃料添加弁は、当該排気燃料添加弁から噴射された噴霧が前記特定気筒に隣接する気筒からの排気ガスの流れを受けた際に、前記特定気筒の前記排気弁に向かう方向への当該噴霧の吹き返しが生ずる距離関係において、前記特定気筒における前記排気弁近傍に配置されており、
   前記燃料添加期間設定手段は、バイオ燃料濃度が高くなるほど、前記特定気筒に隣接する気筒の排気行程中の燃料添加期間を長くすることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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