排気加熱方法
【課題】従来の排気加熱装置は、燃料の燃焼率を常に高く維持することが困難なため、排気温を迅速に昇温させることに関してさらに改善すべき点があった。
【解決手段】排気浄化装置２６よりも上流側の排気通路２３ａに燃料を供給し、この排気通路２３ａに供給された燃料を加熱して着火させることにより、エンジン１０から排気浄化装置２６に導かれる排気を加熱する本発明の方法は、燃料を第１の供給割合にて排気通路２３ａに供給するステップＳ２０と、排気通路２３ａに供給された燃料の着火状態を判定するステップＳ２２と、燃料の着火状態を判定するステップＳ２２での判定結果に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給するステップＳ２４とを具える。
【解決手段】排気浄化装置２６よりも上流側の排気通路２３ａに燃料を供給し、この排気通路２３ａに供給された燃料を加熱して着火させることにより、エンジン１０から排気浄化装置２６に導かれる排気を加熱する本発明の方法は、燃料を第１の供給割合にて排気通路２３ａに供給するステップＳ２０と、排気通路２３ａに供給された燃料の着火状態を判定するステップＳ２２と、燃料の着火状態を判定するステップＳ２２での判定結果に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給するステップＳ２４とを具える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置が設けられた内燃機関において、排気浄化装置を活性化および活性状態の維持のために排気の温度を高める排気加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関に対する厳しい排気規制に対処するため、内燃機関の始動時に排気浄化装置の活性化を促進させたり、内燃機関の運転中にその活性状態を維持したりすることが必要となっている。このため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献１などで提案されている。この排気加熱装置は、排気中に加熱ガスを生成し、この生成された加熱ガスを下流側の排気浄化装置に供給することにより、排気浄化装置の活性化を促進させたり、活性状態を維持するものである。このため、排気加熱装置は、燃料を排気通路に供給する燃料添加弁と、この燃料を加熱して着火させることにより、加熱ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。また、この特許文献１に開示された従来の排気加熱装置においては、燃料添加弁から排気通路に供給される燃料の拡散および霧化を推進させるための衝突板が燃料添加弁に対向するように排気通路に配されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８４７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排気加熱装置は、その使用目的から排気を迅速に昇温できるものであることが好ましい。この点において、特許文献１に記載された排気加熱装置は、燃料添加弁から排気通路に供給された燃料の着火性能や燃料の燃焼安定性が比較的良好ではあるものの、その使用条件が高酸素かつ低排気流速の場合に限定される。また、燃料添加弁からパルス状に供給される燃料の１回あたりの供給量と、その供給周期とによっては、燃焼率が著しく低くなることが判明している。例えば、１回あたりの燃料の供給量が多く、かつその供給周期が長い場合には、燃料の着火遅れが発生して燃料の大部分が未燃状態となる。より具体的には、排気温が１００℃の場合には燃焼率が２０％程度しか得られない場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、燃料添加弁から排気通路に添加される燃料の燃焼率を常に高く維持し得るようにした排気加熱方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料を供給し、この排気通路に供給された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱する方法であって、燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給するステップと、排気通路に供給された燃料の着火状態を判定するステップと、燃料の着火状態を判定する前記ステップでの判定結果に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路に供給するステップとを具える。
【０００７】
本発明による排気加熱方法において、燃料を排気通路に供給する前記ステップは、空燃比および吸入空気量の少なくとも一方を求めるステップを含み、求めた空燃比および吸入空気量の少なくとも一方に基づいて燃料の供給割合が設定されるものであってよい。
【０００８】
燃料の着火状態を判定する前記ステップが燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップの開始からの経過時間を積算するステップを含み、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた場合、燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【０００９】
あるいは、燃料の着火状態を判定する前記ステップが排気浄化装置に流入する排気温を検出するステップを含み、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた場合、燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【００１０】
あるいは、燃料の着火状態を判定する前記ステップが第１の供給割合にて排気通路に供給された燃料の積算供給量を算出するステップを含み、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた場合、燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【００１１】
内燃機関の燃焼室への燃料の供給の有無を判定するステップをさらに具え、このステップでの判定結果に基づき、燃料を排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の排気加熱方法によると、燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給し、燃料の着火状態に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路に供給するようにしたので、従来のものよりも燃焼率を改善することができる。しかも、排気温を従来のものよりも迅速に昇温させることが可能である。
【００１３】
燃料を排気通路に供給するステップが空燃比および吸入空気量の少なくとも一方を求めるステップを含む場合、求めた空燃比および吸入空気量の少なくとも一方に基づいて燃料の供給割合を最適に設定することができる。
【００１４】
燃料の着火状態を判定するステップが第１の供給割合にて排気通路に対する燃料の供給開始からの経過時間を積算するステップを含む場合、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた時点で燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給することができる。これにより、排気温をより迅速に昇温させることができる。
【００１５】
燃料の着火状態を判定するステップが排気浄化装置に流入する排気温を検出するステップを含む場合、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた時点で燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給することができる。これにより、排気温をより迅速に昇温させることが可能である。
【００１６】
燃料の着火状態を判定するステップが第１の供給割合にて排気通路に供給された燃料の積算供給量を算出するステップを含む場合、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた時点で燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給することができる。これにより、排気温をより迅速に昇温させることが可能である。
【００１７】
内燃機関の燃焼室への燃料の供給の有無を判定するステップをさらに具えることができ、このステップでの判定結果に基づいて燃料を排気通路に供給するステップを実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に搭載された車両に応用した一実施形態におけるエンジンシステムの概念図である。
【図２】図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。
【図３】吸入空気量と燃料添加量との関係を模式的に表すグラフである。
【図４】空燃比と燃料添加量との関係を模式的に表すグラフである。
【図５】燃料添加周期とその燃料の燃焼率との関係を模式的に表すグラフである。
【図６】燃料の添加開始から初期火炎が形成されるまでの時間と燃料の添加量との関係を模式的に表すグラフである。
【図７】本実施形態における燃料添加手順を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による排気加熱方法を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に応用した実施形態について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火式内燃機関に対しても本発明は有効である。
【００２０】
本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その主要部の制御ブロックを概略的に図２に示す。なお、図１にはエンジン１０の吸排気のための動弁機構や消音器の他に、このエンジン１０の補機として一般的な排気ターボ式過給機やＥＧＲ装置なども省略されている。また、エンジン１０の円滑な運転のために必要とされる各種センサー類もその一部が便宜的に省略されていることに注意されたい。
【００２１】
本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の多気筒内燃機関である。しかしながら、本発明の特性上、単気筒の内燃機関であってもかまわない。
【００２２】
燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１２ａおよび排気ポート１２ｂが形成されたシリンダーヘッド１２には、吸気ポート１２ａを開閉する吸気弁１３ａおよび排気ポート１２ｂを開閉する排気弁１３ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。燃焼室１０ａの上端中央に臨む先の燃料噴射弁１１もまた、これら吸気弁１３ａおよび排気弁１３ｂに挟まれるようにシリンダーヘッド１２に組み付けられている。燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の量および噴射時期は、運転者によるアクセルペダル１４の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１５により制御される。アクセルペダル１４の踏み込み量は、アクセル開度センサー１６により検出され、その検出情報がＥＣＵ１５に出力される。
【００２３】
ＥＣＵ１５は、このアクセル開度センサー１６や後述する各種センサー類などからの情報に基づき、車両の運転状態を判定する運転状態判定部１５ａと、燃料噴射設定部１５ｂと、燃料噴射弁駆動部１５ｃとを有する。燃料噴射設定部１５ｂは、運転状態判定部１５ａでの判定結果に基づいて燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量や噴射時期を設定する。燃料噴射弁駆動部１５ｃは、燃料噴射設定部１５ｂにて設定された量の燃料が設定された時期に燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１の作動を制御する。
【００２４】
吸気ポート１２ａに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結されて吸気ポート１２ａと共に吸気通路１７ａを画成する吸気管１７の途中には、サージタンク１８が形成されている。このサージタンク１８よりも上流側の吸気管１７には、スロットルアクチュエーター１９を介して吸気通路１７ａの開度を調整するためのスロットル弁２０が組み込まれている。また、スロットル弁２０よりも上流側の吸気管１７には、吸気通路１７ａを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するエアーフローメーター２１が取り付けられている。なお、このエアーフローメーター２１に代えて同じ構成の排気流量センサーを後述する排気加熱装置２２とシリンダーヘッド１２の排気ポート１２ｂとの間に位置する排気管２３の部分に取り付けるようにしてもよい。
【００２５】
先のＥＣＵ１５は、スロットル開度設定部１５ｄと、スロットル弁駆動部１５ｅとをさらに有する。スロットル開度設定部１５ｄは、アクセルペダル１４の踏み込み量に加え、先の運転状態判定部１５ａでの判定結果に基づいてスロットル弁２０の開度を設定する。スロットル弁駆動部１５ｅは、スロットル弁２０がスロットル開度設定部１５ｄにて設定された開度となるように、スロットルアクチュエーター１９の作動を制御する。
【００２６】
ピストン２４ａが往復動するシリンダーブロック２４には、連接棒２４ｂを介してピストン２４ａが連結されるクランク軸２４ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するクランク角センサー２５が取り付けられている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、このクランク角センサー２５からの情報に基づき、クランク軸２４ｃの回転位相やエンジン回転数の他に車両の走行速度などを実時間で把握する。
【００２７】
排気ポート１２ｂに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結される排気管２３は、排気ポート１２ｂと共に排気通路２３ａを画成する。下流端側に取り付けられた図示しない消音器よりも上流側の排気管２３の途中には、燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２６が取り付けられている。本実施形態における排気浄化装置２６は、少なくとも酸化触媒２６ａを含むが、この他にＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)やＮＯX吸蔵触媒などを組み込むことも可能である。酸化触媒２６ａは、主として排気に含まれる未燃ガスを酸化、つまり燃焼させるためのものである。この酸化触媒２６ａの出口側の排気通路２３ａには、酸化触媒２６ａを出た排気の温度（以下、これを触媒温度と記述する）ＴOを検出してこれをＥＣＵ１５に出力する触媒温度センサー２７が組み込まれている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、この触媒温度センサー２７からの情報に基づき、酸化触媒２６ａが活性状態にあるか否かも把握する。
【００２８】
この排気浄化装置２６よりも上流側の排気管２３の途中には、加熱ガスを生成してこれを下流側に配された排気浄化装置２６に供給し、その活性化および活性状態を維持するための排気加熱装置２２が配されている。本実施形態における排気加熱装置２２は、燃料添加弁２８と、グロープラグ２９と、酸化触媒（排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａと区別するため、以下、便宜的に補助酸化触媒と記述する）３０とを具えている。この他、燃料供給弁２６から供給される燃料を受けてその霧化およびグロープラグ２９側への飛散を促進させるための特許文献１に開示されたような衝突板を配することも有効である。
【００２９】
燃料添加弁２８は、基本的な構成が通常の燃料噴射弁１１と同じものであり、通電時間を制御することによって、任意の量の燃料を任意の時間間隔で排気通路２３ａにパルス状に供給することができるようになっている。
【００３０】
燃料添加弁２８から排気通路２３ａに供給される１回あたりの燃料の量は、エアーフローメーター２１によって検出される吸入空気量および空燃比を含む車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ１５の燃料添加設定部１５ｆにより設定される。このため、燃料添加設定部１５ｆには図３，図４に示すようなマップが記憶されており、これらのマップに基づいて１回あたりの燃料の添加量が設定される。燃料添加設定部１５ｆはまた、目標とすべき触媒温度ＴLと触媒温度センサー２７によって検出される現在の触媒温度ＴOとの差に基づき、燃料添加量ＦTも併せて算出する。目標とすべき触媒温度ＴLは、酸化触媒２６ａが活性状態となる最低温度（以下、これを触媒活性最低温度と記述する）が一般的に選択される。
【００３１】
なお、本実施形態では空燃比を吸入空気量と燃料添加弁２８からの燃料の添加量とによってＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａにて算出するようにしている。しかしながら、空燃比センサーを排気通路２３ａの途中に組み込み、この空燃比センサーからの検出信号から読み出すようにしてもよい。
【００３２】
ＥＣＵ１５の燃料添加弁駆動部１５ｇは、燃料添加設定部１５ｆにて設定された量の燃料が設定された周期で燃料添加弁２８から噴射されるように、燃料添加弁２８の作動を制御する。この場合、燃料添加弁２８の作動は、燃料添加を開始してから積算される燃料添加量ＦNが燃料添加設定部１５ｆにて設定された燃料添加量ＦTに達するまで、基本的に行われる。
【００３３】
燃料添加の開始直後は、排気通路２３ａを流れる排気の温度が低下しているため、１回あたりの添加量、すなわち単位時間あたりの燃料添加量の平均値を少なくし、グロープラグ２９によって確実に燃料を着火できるようにすることが好ましい。しかしながら、１回あたりの燃料添加量を少なくしたままでは、排気温の迅速な昇温を損なうこととなる。一方、燃料の着火が安定して排気温が上昇して来ると、１回あたりの燃料添加量を多くしても、燃料の着火性が損なわれず、排気温の迅速な昇温が可能となる。従って、燃料添加の開始直後は、単位時間あたりの燃料添加量の平均値を少なく設定して燃料を確実に着火させるようにし、燃料の着火が安定して排気温がある程度上昇した時点で、単位時間あたりの燃料添加量の平均値を多くすることが有効である。
【００３４】
ここで、燃料添加弁２８から排気通路２３ａへの単位時間あたりの燃料添加量の平均値を一定に保持しつつ、燃料の添加周期を変更した場合における添加燃料の燃焼率の変化を模式的に図５に示す。この図５から明らかなように、燃料の添加周期を長くするほど燃焼率が低下し、図５においては添加周期が６０ミリ秒以上になると燃焼率がほぼ２５％で一定となる。逆に、燃料の添加周期が５０ミリ秒よりも短い場合、その添加周期が短くなるに従って燃焼率が急激に向上する傾向を持つ。従って、燃料添加弁２８から排気通路２３ａに供給される燃料の燃焼率を向上させるためには、燃料の添加周期を短くするほど好ましいことが理解されよう。しかしながら、排気浄化装置２６における酸化触媒２６ａの安定した動作を確保するためには、排気通路２３ａを流れる排気の空燃比をほぼ一定に保つ必要性がある。従って、燃料の添加周期を短くした場合には、１回あたりの燃料の添加量を逆に少なくしなければならない。つまり、排気通路２３ａを流れる排気の空燃比を考慮しつつ、１回あたりの燃料の添加量に基づいて燃料の添加周期を適切に設定する必要がある。
【００３５】
一方、燃料の添加開始から初期火炎が形成されるまでの時間と、燃料の添加量との関係を図６に示すが、図中の一点鎖線は燃料の添加完了時期を表している。この図６から明らかなように、燃料添加量と初期火炎の形成時間とは比例関係にあり、燃料の添加を終えてからほぼ一定時間後に初期火炎が形成され、この初期火炎の形成後に次の燃料を添加することが好ましいと言える。
【００３６】
このような観点に基づき、本実施形態における燃料添加設定部１５ｆは、上述したように１回あたりの燃料添加量を図３，図４から求め、これに対応する図６に示す初期火炎形成時期から、上述したような空燃比を考慮に入れた添加周期を算出する。第２の供給割合は、第１の供給割合よりも大きい傾向を持つ。
【００３７】
なお、本実施形態において第１の供給割合である燃料添加弁２８からの初発の燃料添加量は、燃料添加弁２８と補助酸化触媒３０との間の着火空間の等量比となる程度に設定され、初期火炎の形成を主目的とする。本実施形態において第２の供給割合である２発目の燃料添加は、初発の燃料添加での初期火炎が形成され、これが燃え広がった頃に実行される。これは実験などであらかじめ設定しておくことができる。一例として、内径が６０mmの排気管２３にて排気温が１００℃かつ排気流速が毎秒３ｍ程度の場合、初発燃料添加量を１５mm3，２発目の燃料添加開始を初発の燃料添加を完了してから２５ミリ秒後程度に設定することが好ましい。
【００３８】
２発目以降の燃料噴射に関しては添加周期を優先した制御とし、燃料添加中における燃料の供給割合は、１回あたりの燃料添加量を変更することによって調整する。この場合、排気系における排気脈動に留意し、前回の燃料添加による火炎滞留が燃料添加弁２８の噴霧範囲にあるような時間内にて設定する。一例として内径が６０mmの排気管２３にて排気温が１００℃かつ排気流速が毎秒３ｍ程度の場合、添加周期を３０ミリ秒以下に設定することが好ましい。
【００３９】
このように、初発での燃料添加による排気管２３の内壁への燃料の付着を最小限に抑え、２発目以降の燃料の着火を安定化させて補助酸化触媒３０よりも上流側での排気通路２３ａでの燃料の燃焼率を高めることが有効である。これにより、補助酸化触媒３０による燃料の消炎を防ぐことができる。また、補助酸化触媒３０よりも下流側の排気通路２３ａでの燃料の燃焼も安定化し、排気浄化装置２６における酸化触媒２６ａの活性状態を安定的に維持することが可能となる。なお、第１の供給割合を初発に限定することなく、着火状態が安定するまで２発目以降も第１の供給割合に設定することも可能であることに注意されたい。
【００４０】
第１の供給割合での燃料の供給を第２の供給割合に切り換えるタイミングは、図６に示す初期着火時期、つまり初期火炎の形成時期に基づいて行われる。本実施形態では、燃料を第１の供給割合にて排気通路２３ａに供給してからの経過時間を積算し、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給するようにしている。
【００４１】
しかしながら、排気浄化装置２６に流入する排気温を検出し、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給するようにしてもよい。あるいは、第１の供給割合にて排気通路２３ａに供給された燃料の積算供給量を算出し、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給することも可能である。
【００４２】
本発明における着火手段としてのグロープラグ２９は、車載の図示しない電源にオン／オフスイッチとしてのＥＣＵ１５のグロープラグ駆動部１５ｈを介して接続している。従って、グロープラグ２９に対する通電および非通電の切り替えは、予め設定されたプログラムに従ってＥＣＵ１５のグロープラグ駆動部１５ｈにより制御される。
【００４３】
補助酸化触媒３０は、燃料供給弁２５による燃料の供給位置よりも下流側かつ排気浄化装置２６よりも上流側の排気通路２３ａに配されている。この補助酸化触媒３０は、排気通路２３ａの断面積よりも小さな断面積を有し、従って排気の一部がこの補助酸化触媒３０を通らずに通過することを可能にする。つまり、補助酸化触媒３０を通る排気の流速は、ここを通らない排気の流速よりも低速となり、補助酸化触媒３０を通る排気をさらに昇温させることが可能となる。補助酸化触媒３０が充分に高温、つまり活性化した状態では、グロープラグ２９に対する通電を遮断し、補助酸化触媒３０内で混合気を直接燃焼させることも可能である。しかしながら、エンジン１０の冷態始動時など、補助酸化触媒３０が活性化していない場合には、グロープラグ２９に対して通電を行うことが必要である。なお、補助酸化触媒３０が高温になると、未燃混合気中の炭素数の多い炭化水素が分解し、炭素数の少ない反応性の高い炭化水素に改質される。換言すれば、この補助酸化触媒３０は、一方ではそれ自体が急速に発熱する急速発熱体として機能し、他方では改質された燃料を生成させる燃料改質触媒としても機能する。
【００４４】
本実施形態においては、エンジン１０がモータリング状態、すなわちエンジン１０の運転中にアクセルペダル１４の開度が０となり、燃料噴射弁１１から燃料が噴射されない燃料カット状態になった場合、上述した燃料添加弁２８からの燃料の添加処理が実行される。
【００４５】
従って、吸気通路１７ａから燃焼室１０ａ内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン２４ａの圧縮上死点近傍にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気が排気浄化装置２６を通って排気管２３から大気中に排出される。エンジン１０が燃料カット状態になると、燃料添加弁２８から燃料が排気通路２３ａに供給され、これによって排気通路２３ａを流れる排気の昇温を図り、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａの活性状態を維持する。
【００４６】
このような本実施形態における燃料の添加手順について図７を参照しながら説明する。すなわち、まずＳ１１のステップにてエンジン１０の運転中にアクセルペダル１４の開度が０となって、燃料噴射弁１１から燃料が噴射されない燃料カット状態であるか否かを判定する。ここで燃料カット状態である、すなわち排気浄化装置２６の温度が低下して酸化触媒２６ａが不活性状態となる可能性があると判断した場合には、Ｓ１２のステップに移行する。そして、酸化触媒２６ａを通過した触媒温度ＴOが触媒活性最低温度ＴLよりも低いか否かを判定する。このＳ１２のステップにて触媒温度ＴOが触媒活性最低温度ＴL未満である、すなわち燃料添加弁２８から排気通路２３ａに燃料を添加して酸化触媒２６ａを活性化させる必要があると判断した場合には、Ｓ１３のステップに移行して燃料添加量ＦTを算出する。次いでＳ１４のステップにて第１フラグがセットされているか否かを判定するが、最初は第１フラグがセットされていないので、Ｓ１５のステップに移行し、 グロープラグ２９に対する通電を開始する。次に、Ｓ１６のステップにてタイマーのカウントアップを開始し、さらにＳ１７のステップにて第１フラグをセットした後、Ｓ１８のステップに移行してタイマーのカウント値ＣNがあらかじめ設定した第１の閾値ＣA以上か否かを判定する。最初は、タイマーのカウント値ＣNは第１の閾値ＣAよりも小さいので何もせずに戻り、Ｓ１１以降のステップを繰り返す。
【００４７】
先のＳ１５のステップにてグロープラグ２９に対する通電を開始した後は、第１フラグがセットされるので、Ｓ１１〜Ｓ１４のステップが続いた場合、Ｓ１４のステップからはＳ１９のステップに移行し、ここで第２フラグがセットされているか否かを判定する。最初は第２フラグがセットされていないので、Ｓ１８のステップに移行する。このようにして、Ｓ１８のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第１の閾値ＣA以上となるまで、通常はＳ１１〜Ｓ１９のステップが繰り返される。
【００４８】
Ｓ１８のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第１の閾値ＣA以上である、すなわちグロープラグ２９による燃料の着火が可能と判断した場合には、Ｓ２０のステップに移行して燃料添加弁２８から第１周期にて排気通路２３ａへの燃料の添加を開始する。次に、Ｓ２１のステップにて第２フラグをセットした後、Ｓ２２のステップに移行してタイマーのカウント値ＣNがあらかじめ設定した第２の閾値ＣB以上か否かを判定する。この時点では、タイマーのカウント値ＣNは第２の閾値ＣBよりも小さいので何もせずに戻り、Ｓ１１以降のステップを繰り返す。
【００４９】
Ｓ２０のステップにて燃料の添加を開始した後は、第２フラグがセットされるので、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ１９の処理が続いた場合、Ｓ１９のステップからはＳ２３のステップに移行し、ここで第３フラグがセットされているか否かを判定する。最初は第３フラグがセットされていないので、Ｓ２２のステップに移行する。このようにして、Ｓ２２のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第２の閾値ＣB以上となるまで、通常はＳ１１〜Ｓ２３のステップが繰り返される。
【００５０】
Ｓ２２のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第２の閾値ＣB以上である、すなわち燃料の増量添加が可能と判断した場合には、Ｓ２４のステップに移行して燃料添加弁２８から第２周期にて排気通路２３ａへの燃料の添加を行う。次に、Ｓ２５のステップにて第３フラグをセットした後、Ｓ２６のステップに移行して燃料添加積算量ＦNがＳ１３のステップにて算出された燃料添加量ＦTに達したか否かを判定する。最初は燃料添加積算量ＦNが燃料添加量ＦTに達していないのが一般的であるので 何もせずに戻り、Ｓ１１以降のステップを繰り返す。
【００５１】
なお、Ｓ２２のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第２の閾値ＣB以上であると判断した場合、酸化触媒２６ａに流入する排気の空燃比が所定値以上かつその酸素濃度が所定値未満の場合にのみ、Ｓ２４以降のステップを実行することがより好ましい。すなわち、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａに流入する排気の空燃比が所定値未満の場合、第２周期にて燃料を添加した瞬間に空燃比がリッチとなってしまい、排気の昇温性が低下すると共にスモークの増大など、排気の性状が悪化してしまう。また、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａに流入する排気の酸素濃度が所定値以上の場合、第２周期にて燃料を添加すると、燃焼が激しく進行して排気温が過剰に昇温してしまう可能性がある。従って、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａに流入する排気の空燃比が所定値未満かつ酸素濃度が所定値以上の場合には、Ｓ２２のステップからＳ２４，Ｓ２５のステップを介さずにＳ２６のステップに移行させ、第１周期での燃料添加を継続することが好ましい。酸素濃度は、吸入空気量と燃料添加弁２８からの燃料の添加量とによってＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａにて算出することも可能であるが、Ｏ2センサーを排気管２３に組み込むことによって、より正確に検出することができる。
【００５２】
Ｓ２４のステップにて第２周期での燃料の添加を開始した後は、第３フラグがセットされるので、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ１９，Ｓ２３の処理が続いた場合、Ｓ２３のステップからはＳ２６のステップに移行する。そして、燃料添加積算量ＦNが燃料添加量ＦTに達するまで、通常はＳ１１〜Ｓ２６のステップが繰り返される。
【００５３】
このようにして、Ｓ２６のステップにて燃料添加積算量ＦNが燃料添加量ＦT以上である、すなわち酸化触媒２６ａが活性状態にあると判断した場合には、Ｓ２７のステップに移行する。そして、グロープラグ２９に対する通電を止め、タイマーのカウント値ＣNを０にリセットし、さらに燃料添加弁２８から排気通路２３ａへの燃料の添加を停止すると共に第１〜第３フラグをリセットして再びＳ１１のステップに戻る。
【００５４】
一方、Ｓ１１のステップにてエンジン１０が燃料カット状態ではない、すなわちエンジン１０の燃焼室１０ａからの高温の排気によって酸化触媒２６ａが活性状態に保たれると判断した場合には、Ｓ２８のステップに移行する。このＳ２８のステップでは、第２フラグがセットされているか否かを判定する。同様に、Ｓ１２のステップにて触媒温度ＴOが触媒活性最低温度ＴL以上である、すなわち燃料添加弁２８から排気通路２３ａに燃料を添加する必要がないと判断した場合にもＳ２８のステップに移行する。そして、このＳ２８のステップにて第２フラグがセットされていないと判断した場合には、Ｓ２９のステップに移行して第１フラグがセットされているか否かを判定する。ここで第１フラグがセットされていないと判断した場合には、何もせずに戻ってＳ１１以降のステップを繰り返す。
【００５５】
Ｓ２９のステップにて第１フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ３０のステップに移行してグロープラグ２９に対する通電を停止し、さらにタイマーのカウント値ＣNを０にリセットする。しかる後、Ｓ３１のステップに移行して第１フラグをリセットし、Ｓ１１のステップに戻る。
【００５６】
また、Ｓ２８のステップにて第２フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ３２のステップに移行してグロープラグ２９に対する通電を止め、タイマーのカウント値ＣNを０にリセットする。さらに、燃料添加弁２８から排気通路２３ａへの燃料の添加を停止した後、Ｓ３３のステップに移行して第３フラグがセットされているか否かを判定する。ここで第３フラグがセットされていないと判断した場合にはＳ３４のステップに移行して第１フラグおよび第２フラグをリセットした後、Ｓ１１のステップに戻る。逆に、Ｓ３３のステップにて第３フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ３５のステップに移行して第１〜第３フラグをリセットした後、Ｓ１１のステップに戻る。
【００５７】
このように、燃料添加弁２８による燃料の添加中であっても、Ｓ１１のステップにて燃料カット状態が解除されたり、Ｓ１２のステップにて触媒温度ＴOが何らかの原因で触媒活性最低温度ＴL以上になった場合には、燃料添加弁２８からの燃料の添加を中止する。これにより、燃料の無駄な添加処理を確実に防止することができる。
【００５８】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【００５９】
１０ エンジン
１０ａ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
１２ シリンダーヘッド
１２ａ 吸気ポート
１２ｂ 排気ポート
１３ａ 吸気弁
１３ｂ 排気弁
１４ アクセルペダル
１５ ＥＣＵ
１５ａ 運転状態判定部
１５ｂ 燃料噴射設定部
１５ｃ 燃料噴射弁駆動部
１５ｄ スロットル開度設定部
１５ｅ スロットル弁駆動部
１５ｆ 燃料添加設定部
１５ｇ 燃料添加弁駆動部
１５ｈ グロープラグ駆動部
１６ アクセル開度センサー
１７ 吸気管
１７ａ 吸気通路
１８ サージタンク
１９ スロットルアクチュエーター
２０ スロットル弁
２１ エアーフローメーター
２２ 排気加熱装置
２３ 排気管
２３ａ 排気通路
２４ シリンダーブロック
２４ａ ピストン
２４ｂ 連接棒
２４ｃ クランク軸
２５ クランク角センサー
２６ 排気浄化装置
２６ａ 酸化触媒
２７ 触媒温度センサー
２８ 燃料添加弁
２９ グロープラグ
３０ 補助酸化触媒
ＴO 触媒温度
ＴL 触媒活性最低温度
ＦT 燃料添加量
ＦN 積算燃料添加量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置が設けられた内燃機関において、排気浄化装置を活性化および活性状態の維持のために排気の温度を高める排気加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関に対する厳しい排気規制に対処するため、内燃機関の始動時に排気浄化装置の活性化を促進させたり、内燃機関の運転中にその活性状態を維持したりすることが必要となっている。このため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献１などで提案されている。この排気加熱装置は、排気中に加熱ガスを生成し、この生成された加熱ガスを下流側の排気浄化装置に供給することにより、排気浄化装置の活性化を促進させたり、活性状態を維持するものである。このため、排気加熱装置は、燃料を排気通路に供給する燃料添加弁と、この燃料を加熱して着火させることにより、加熱ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。また、この特許文献１に開示された従来の排気加熱装置においては、燃料添加弁から排気通路に供給される燃料の拡散および霧化を推進させるための衝突板が燃料添加弁に対向するように排気通路に配されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８４７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排気加熱装置は、その使用目的から排気を迅速に昇温できるものであることが好ましい。この点において、特許文献１に記載された排気加熱装置は、燃料添加弁から排気通路に供給された燃料の着火性能や燃料の燃焼安定性が比較的良好ではあるものの、その使用条件が高酸素かつ低排気流速の場合に限定される。また、燃料添加弁からパルス状に供給される燃料の１回あたりの供給量と、その供給周期とによっては、燃焼率が著しく低くなることが判明している。例えば、１回あたりの燃料の供給量が多く、かつその供給周期が長い場合には、燃料の着火遅れが発生して燃料の大部分が未燃状態となる。より具体的には、排気温が１００℃の場合には燃焼率が２０％程度しか得られない場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、燃料添加弁から排気通路に添加される燃料の燃焼率を常に高く維持し得るようにした排気加熱方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料を供給し、この排気通路に供給された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱する方法であって、燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給するステップと、排気通路に供給された燃料の着火状態を判定するステップと、燃料の着火状態を判定する前記ステップでの判定結果に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路に供給するステップとを具える。
【０００７】
本発明による排気加熱方法において、燃料を排気通路に供給する前記ステップは、空燃比および吸入空気量の少なくとも一方を求めるステップを含み、求めた空燃比および吸入空気量の少なくとも一方に基づいて燃料の供給割合が設定されるものであってよい。
【０００８】
燃料の着火状態を判定する前記ステップが燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップの開始からの経過時間を積算するステップを含み、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた場合、燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【０００９】
あるいは、燃料の着火状態を判定する前記ステップが排気浄化装置に流入する排気温を検出するステップを含み、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた場合、燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【００１０】
あるいは、燃料の着火状態を判定する前記ステップが第１の供給割合にて排気通路に供給された燃料の積算供給量を算出するステップを含み、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた場合、燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【００１１】
内燃機関の燃焼室への燃料の供給の有無を判定するステップをさらに具え、このステップでの判定結果に基づき、燃料を排気通路に供給する前記ステップが実行されるものであってよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の排気加熱方法によると、燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給し、燃料の着火状態に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路に供給するようにしたので、従来のものよりも燃焼率を改善することができる。しかも、排気温を従来のものよりも迅速に昇温させることが可能である。
【００１３】
燃料を排気通路に供給するステップが空燃比および吸入空気量の少なくとも一方を求めるステップを含む場合、求めた空燃比および吸入空気量の少なくとも一方に基づいて燃料の供給割合を最適に設定することができる。
【００１４】
燃料の着火状態を判定するステップが第１の供給割合にて排気通路に対する燃料の供給開始からの経過時間を積算するステップを含む場合、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた時点で燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給することができる。これにより、排気温をより迅速に昇温させることができる。
【００１５】
燃料の着火状態を判定するステップが排気浄化装置に流入する排気温を検出するステップを含む場合、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた時点で燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給することができる。これにより、排気温をより迅速に昇温させることが可能である。
【００１６】
燃料の着火状態を判定するステップが第１の供給割合にて排気通路に供給された燃料の積算供給量を算出するステップを含む場合、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた時点で燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給することができる。これにより、排気温をより迅速に昇温させることが可能である。
【００１７】
内燃機関の燃焼室への燃料の供給の有無を判定するステップをさらに具えることができ、このステップでの判定結果に基づいて燃料を排気通路に供給するステップを実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に搭載された車両に応用した一実施形態におけるエンジンシステムの概念図である。
【図２】図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。
【図３】吸入空気量と燃料添加量との関係を模式的に表すグラフである。
【図４】空燃比と燃料添加量との関係を模式的に表すグラフである。
【図５】燃料添加周期とその燃料の燃焼率との関係を模式的に表すグラフである。
【図６】燃料の添加開始から初期火炎が形成されるまでの時間と燃料の添加量との関係を模式的に表すグラフである。
【図７】本実施形態における燃料添加手順を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による排気加熱方法を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に応用した実施形態について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火式内燃機関に対しても本発明は有効である。
【００２０】
本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その主要部の制御ブロックを概略的に図２に示す。なお、図１にはエンジン１０の吸排気のための動弁機構や消音器の他に、このエンジン１０の補機として一般的な排気ターボ式過給機やＥＧＲ装置なども省略されている。また、エンジン１０の円滑な運転のために必要とされる各種センサー類もその一部が便宜的に省略されていることに注意されたい。
【００２１】
本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の多気筒内燃機関である。しかしながら、本発明の特性上、単気筒の内燃機関であってもかまわない。
【００２２】
燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１２ａおよび排気ポート１２ｂが形成されたシリンダーヘッド１２には、吸気ポート１２ａを開閉する吸気弁１３ａおよび排気ポート１２ｂを開閉する排気弁１３ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。燃焼室１０ａの上端中央に臨む先の燃料噴射弁１１もまた、これら吸気弁１３ａおよび排気弁１３ｂに挟まれるようにシリンダーヘッド１２に組み付けられている。燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の量および噴射時期は、運転者によるアクセルペダル１４の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１５により制御される。アクセルペダル１４の踏み込み量は、アクセル開度センサー１６により検出され、その検出情報がＥＣＵ１５に出力される。
【００２３】
ＥＣＵ１５は、このアクセル開度センサー１６や後述する各種センサー類などからの情報に基づき、車両の運転状態を判定する運転状態判定部１５ａと、燃料噴射設定部１５ｂと、燃料噴射弁駆動部１５ｃとを有する。燃料噴射設定部１５ｂは、運転状態判定部１５ａでの判定結果に基づいて燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量や噴射時期を設定する。燃料噴射弁駆動部１５ｃは、燃料噴射設定部１５ｂにて設定された量の燃料が設定された時期に燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１の作動を制御する。
【００２４】
吸気ポート１２ａに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結されて吸気ポート１２ａと共に吸気通路１７ａを画成する吸気管１７の途中には、サージタンク１８が形成されている。このサージタンク１８よりも上流側の吸気管１７には、スロットルアクチュエーター１９を介して吸気通路１７ａの開度を調整するためのスロットル弁２０が組み込まれている。また、スロットル弁２０よりも上流側の吸気管１７には、吸気通路１７ａを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するエアーフローメーター２１が取り付けられている。なお、このエアーフローメーター２１に代えて同じ構成の排気流量センサーを後述する排気加熱装置２２とシリンダーヘッド１２の排気ポート１２ｂとの間に位置する排気管２３の部分に取り付けるようにしてもよい。
【００２５】
先のＥＣＵ１５は、スロットル開度設定部１５ｄと、スロットル弁駆動部１５ｅとをさらに有する。スロットル開度設定部１５ｄは、アクセルペダル１４の踏み込み量に加え、先の運転状態判定部１５ａでの判定結果に基づいてスロットル弁２０の開度を設定する。スロットル弁駆動部１５ｅは、スロットル弁２０がスロットル開度設定部１５ｄにて設定された開度となるように、スロットルアクチュエーター１９の作動を制御する。
【００２６】
ピストン２４ａが往復動するシリンダーブロック２４には、連接棒２４ｂを介してピストン２４ａが連結されるクランク軸２４ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するクランク角センサー２５が取り付けられている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、このクランク角センサー２５からの情報に基づき、クランク軸２４ｃの回転位相やエンジン回転数の他に車両の走行速度などを実時間で把握する。
【００２７】
排気ポート１２ｂに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結される排気管２３は、排気ポート１２ｂと共に排気通路２３ａを画成する。下流端側に取り付けられた図示しない消音器よりも上流側の排気管２３の途中には、燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２６が取り付けられている。本実施形態における排気浄化装置２６は、少なくとも酸化触媒２６ａを含むが、この他にＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)やＮＯX吸蔵触媒などを組み込むことも可能である。酸化触媒２６ａは、主として排気に含まれる未燃ガスを酸化、つまり燃焼させるためのものである。この酸化触媒２６ａの出口側の排気通路２３ａには、酸化触媒２６ａを出た排気の温度（以下、これを触媒温度と記述する）ＴOを検出してこれをＥＣＵ１５に出力する触媒温度センサー２７が組み込まれている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、この触媒温度センサー２７からの情報に基づき、酸化触媒２６ａが活性状態にあるか否かも把握する。
【００２８】
この排気浄化装置２６よりも上流側の排気管２３の途中には、加熱ガスを生成してこれを下流側に配された排気浄化装置２６に供給し、その活性化および活性状態を維持するための排気加熱装置２２が配されている。本実施形態における排気加熱装置２２は、燃料添加弁２８と、グロープラグ２９と、酸化触媒（排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａと区別するため、以下、便宜的に補助酸化触媒と記述する）３０とを具えている。この他、燃料供給弁２６から供給される燃料を受けてその霧化およびグロープラグ２９側への飛散を促進させるための特許文献１に開示されたような衝突板を配することも有効である。
【００２９】
燃料添加弁２８は、基本的な構成が通常の燃料噴射弁１１と同じものであり、通電時間を制御することによって、任意の量の燃料を任意の時間間隔で排気通路２３ａにパルス状に供給することができるようになっている。
【００３０】
燃料添加弁２８から排気通路２３ａに供給される１回あたりの燃料の量は、エアーフローメーター２１によって検出される吸入空気量および空燃比を含む車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ１５の燃料添加設定部１５ｆにより設定される。このため、燃料添加設定部１５ｆには図３，図４に示すようなマップが記憶されており、これらのマップに基づいて１回あたりの燃料の添加量が設定される。燃料添加設定部１５ｆはまた、目標とすべき触媒温度ＴLと触媒温度センサー２７によって検出される現在の触媒温度ＴOとの差に基づき、燃料添加量ＦTも併せて算出する。目標とすべき触媒温度ＴLは、酸化触媒２６ａが活性状態となる最低温度（以下、これを触媒活性最低温度と記述する）が一般的に選択される。
【００３１】
なお、本実施形態では空燃比を吸入空気量と燃料添加弁２８からの燃料の添加量とによってＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａにて算出するようにしている。しかしながら、空燃比センサーを排気通路２３ａの途中に組み込み、この空燃比センサーからの検出信号から読み出すようにしてもよい。
【００３２】
ＥＣＵ１５の燃料添加弁駆動部１５ｇは、燃料添加設定部１５ｆにて設定された量の燃料が設定された周期で燃料添加弁２８から噴射されるように、燃料添加弁２８の作動を制御する。この場合、燃料添加弁２８の作動は、燃料添加を開始してから積算される燃料添加量ＦNが燃料添加設定部１５ｆにて設定された燃料添加量ＦTに達するまで、基本的に行われる。
【００３３】
燃料添加の開始直後は、排気通路２３ａを流れる排気の温度が低下しているため、１回あたりの添加量、すなわち単位時間あたりの燃料添加量の平均値を少なくし、グロープラグ２９によって確実に燃料を着火できるようにすることが好ましい。しかしながら、１回あたりの燃料添加量を少なくしたままでは、排気温の迅速な昇温を損なうこととなる。一方、燃料の着火が安定して排気温が上昇して来ると、１回あたりの燃料添加量を多くしても、燃料の着火性が損なわれず、排気温の迅速な昇温が可能となる。従って、燃料添加の開始直後は、単位時間あたりの燃料添加量の平均値を少なく設定して燃料を確実に着火させるようにし、燃料の着火が安定して排気温がある程度上昇した時点で、単位時間あたりの燃料添加量の平均値を多くすることが有効である。
【００３４】
ここで、燃料添加弁２８から排気通路２３ａへの単位時間あたりの燃料添加量の平均値を一定に保持しつつ、燃料の添加周期を変更した場合における添加燃料の燃焼率の変化を模式的に図５に示す。この図５から明らかなように、燃料の添加周期を長くするほど燃焼率が低下し、図５においては添加周期が６０ミリ秒以上になると燃焼率がほぼ２５％で一定となる。逆に、燃料の添加周期が５０ミリ秒よりも短い場合、その添加周期が短くなるに従って燃焼率が急激に向上する傾向を持つ。従って、燃料添加弁２８から排気通路２３ａに供給される燃料の燃焼率を向上させるためには、燃料の添加周期を短くするほど好ましいことが理解されよう。しかしながら、排気浄化装置２６における酸化触媒２６ａの安定した動作を確保するためには、排気通路２３ａを流れる排気の空燃比をほぼ一定に保つ必要性がある。従って、燃料の添加周期を短くした場合には、１回あたりの燃料の添加量を逆に少なくしなければならない。つまり、排気通路２３ａを流れる排気の空燃比を考慮しつつ、１回あたりの燃料の添加量に基づいて燃料の添加周期を適切に設定する必要がある。
【００３５】
一方、燃料の添加開始から初期火炎が形成されるまでの時間と、燃料の添加量との関係を図６に示すが、図中の一点鎖線は燃料の添加完了時期を表している。この図６から明らかなように、燃料添加量と初期火炎の形成時間とは比例関係にあり、燃料の添加を終えてからほぼ一定時間後に初期火炎が形成され、この初期火炎の形成後に次の燃料を添加することが好ましいと言える。
【００３６】
このような観点に基づき、本実施形態における燃料添加設定部１５ｆは、上述したように１回あたりの燃料添加量を図３，図４から求め、これに対応する図６に示す初期火炎形成時期から、上述したような空燃比を考慮に入れた添加周期を算出する。第２の供給割合は、第１の供給割合よりも大きい傾向を持つ。
【００３７】
なお、本実施形態において第１の供給割合である燃料添加弁２８からの初発の燃料添加量は、燃料添加弁２８と補助酸化触媒３０との間の着火空間の等量比となる程度に設定され、初期火炎の形成を主目的とする。本実施形態において第２の供給割合である２発目の燃料添加は、初発の燃料添加での初期火炎が形成され、これが燃え広がった頃に実行される。これは実験などであらかじめ設定しておくことができる。一例として、内径が６０mmの排気管２３にて排気温が１００℃かつ排気流速が毎秒３ｍ程度の場合、初発燃料添加量を１５mm3，２発目の燃料添加開始を初発の燃料添加を完了してから２５ミリ秒後程度に設定することが好ましい。
【００３８】
２発目以降の燃料噴射に関しては添加周期を優先した制御とし、燃料添加中における燃料の供給割合は、１回あたりの燃料添加量を変更することによって調整する。この場合、排気系における排気脈動に留意し、前回の燃料添加による火炎滞留が燃料添加弁２８の噴霧範囲にあるような時間内にて設定する。一例として内径が６０mmの排気管２３にて排気温が１００℃かつ排気流速が毎秒３ｍ程度の場合、添加周期を３０ミリ秒以下に設定することが好ましい。
【００３９】
このように、初発での燃料添加による排気管２３の内壁への燃料の付着を最小限に抑え、２発目以降の燃料の着火を安定化させて補助酸化触媒３０よりも上流側での排気通路２３ａでの燃料の燃焼率を高めることが有効である。これにより、補助酸化触媒３０による燃料の消炎を防ぐことができる。また、補助酸化触媒３０よりも下流側の排気通路２３ａでの燃料の燃焼も安定化し、排気浄化装置２６における酸化触媒２６ａの活性状態を安定的に維持することが可能となる。なお、第１の供給割合を初発に限定することなく、着火状態が安定するまで２発目以降も第１の供給割合に設定することも可能であることに注意されたい。
【００４０】
第１の供給割合での燃料の供給を第２の供給割合に切り換えるタイミングは、図６に示す初期着火時期、つまり初期火炎の形成時期に基づいて行われる。本実施形態では、燃料を第１の供給割合にて排気通路２３ａに供給してからの経過時間を積算し、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給するようにしている。
【００４１】
しかしながら、排気浄化装置２６に流入する排気温を検出し、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給するようにしてもよい。あるいは、第１の供給割合にて排気通路２３ａに供給された燃料の積算供給量を算出し、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路２３ａに供給することも可能である。
【００４２】
本発明における着火手段としてのグロープラグ２９は、車載の図示しない電源にオン／オフスイッチとしてのＥＣＵ１５のグロープラグ駆動部１５ｈを介して接続している。従って、グロープラグ２９に対する通電および非通電の切り替えは、予め設定されたプログラムに従ってＥＣＵ１５のグロープラグ駆動部１５ｈにより制御される。
【００４３】
補助酸化触媒３０は、燃料供給弁２５による燃料の供給位置よりも下流側かつ排気浄化装置２６よりも上流側の排気通路２３ａに配されている。この補助酸化触媒３０は、排気通路２３ａの断面積よりも小さな断面積を有し、従って排気の一部がこの補助酸化触媒３０を通らずに通過することを可能にする。つまり、補助酸化触媒３０を通る排気の流速は、ここを通らない排気の流速よりも低速となり、補助酸化触媒３０を通る排気をさらに昇温させることが可能となる。補助酸化触媒３０が充分に高温、つまり活性化した状態では、グロープラグ２９に対する通電を遮断し、補助酸化触媒３０内で混合気を直接燃焼させることも可能である。しかしながら、エンジン１０の冷態始動時など、補助酸化触媒３０が活性化していない場合には、グロープラグ２９に対して通電を行うことが必要である。なお、補助酸化触媒３０が高温になると、未燃混合気中の炭素数の多い炭化水素が分解し、炭素数の少ない反応性の高い炭化水素に改質される。換言すれば、この補助酸化触媒３０は、一方ではそれ自体が急速に発熱する急速発熱体として機能し、他方では改質された燃料を生成させる燃料改質触媒としても機能する。
【００４４】
本実施形態においては、エンジン１０がモータリング状態、すなわちエンジン１０の運転中にアクセルペダル１４の開度が０となり、燃料噴射弁１１から燃料が噴射されない燃料カット状態になった場合、上述した燃料添加弁２８からの燃料の添加処理が実行される。
【００４５】
従って、吸気通路１７ａから燃焼室１０ａ内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン２４ａの圧縮上死点近傍にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気が排気浄化装置２６を通って排気管２３から大気中に排出される。エンジン１０が燃料カット状態になると、燃料添加弁２８から燃料が排気通路２３ａに供給され、これによって排気通路２３ａを流れる排気の昇温を図り、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａの活性状態を維持する。
【００４６】
このような本実施形態における燃料の添加手順について図７を参照しながら説明する。すなわち、まずＳ１１のステップにてエンジン１０の運転中にアクセルペダル１４の開度が０となって、燃料噴射弁１１から燃料が噴射されない燃料カット状態であるか否かを判定する。ここで燃料カット状態である、すなわち排気浄化装置２６の温度が低下して酸化触媒２６ａが不活性状態となる可能性があると判断した場合には、Ｓ１２のステップに移行する。そして、酸化触媒２６ａを通過した触媒温度ＴOが触媒活性最低温度ＴLよりも低いか否かを判定する。このＳ１２のステップにて触媒温度ＴOが触媒活性最低温度ＴL未満である、すなわち燃料添加弁２８から排気通路２３ａに燃料を添加して酸化触媒２６ａを活性化させる必要があると判断した場合には、Ｓ１３のステップに移行して燃料添加量ＦTを算出する。次いでＳ１４のステップにて第１フラグがセットされているか否かを判定するが、最初は第１フラグがセットされていないので、Ｓ１５のステップに移行し、 グロープラグ２９に対する通電を開始する。次に、Ｓ１６のステップにてタイマーのカウントアップを開始し、さらにＳ１７のステップにて第１フラグをセットした後、Ｓ１８のステップに移行してタイマーのカウント値ＣNがあらかじめ設定した第１の閾値ＣA以上か否かを判定する。最初は、タイマーのカウント値ＣNは第１の閾値ＣAよりも小さいので何もせずに戻り、Ｓ１１以降のステップを繰り返す。
【００４７】
先のＳ１５のステップにてグロープラグ２９に対する通電を開始した後は、第１フラグがセットされるので、Ｓ１１〜Ｓ１４のステップが続いた場合、Ｓ１４のステップからはＳ１９のステップに移行し、ここで第２フラグがセットされているか否かを判定する。最初は第２フラグがセットされていないので、Ｓ１８のステップに移行する。このようにして、Ｓ１８のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第１の閾値ＣA以上となるまで、通常はＳ１１〜Ｓ１９のステップが繰り返される。
【００４８】
Ｓ１８のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第１の閾値ＣA以上である、すなわちグロープラグ２９による燃料の着火が可能と判断した場合には、Ｓ２０のステップに移行して燃料添加弁２８から第１周期にて排気通路２３ａへの燃料の添加を開始する。次に、Ｓ２１のステップにて第２フラグをセットした後、Ｓ２２のステップに移行してタイマーのカウント値ＣNがあらかじめ設定した第２の閾値ＣB以上か否かを判定する。この時点では、タイマーのカウント値ＣNは第２の閾値ＣBよりも小さいので何もせずに戻り、Ｓ１１以降のステップを繰り返す。
【００４９】
Ｓ２０のステップにて燃料の添加を開始した後は、第２フラグがセットされるので、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ１９の処理が続いた場合、Ｓ１９のステップからはＳ２３のステップに移行し、ここで第３フラグがセットされているか否かを判定する。最初は第３フラグがセットされていないので、Ｓ２２のステップに移行する。このようにして、Ｓ２２のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第２の閾値ＣB以上となるまで、通常はＳ１１〜Ｓ２３のステップが繰り返される。
【００５０】
Ｓ２２のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第２の閾値ＣB以上である、すなわち燃料の増量添加が可能と判断した場合には、Ｓ２４のステップに移行して燃料添加弁２８から第２周期にて排気通路２３ａへの燃料の添加を行う。次に、Ｓ２５のステップにて第３フラグをセットした後、Ｓ２６のステップに移行して燃料添加積算量ＦNがＳ１３のステップにて算出された燃料添加量ＦTに達したか否かを判定する。最初は燃料添加積算量ＦNが燃料添加量ＦTに達していないのが一般的であるので 何もせずに戻り、Ｓ１１以降のステップを繰り返す。
【００５１】
なお、Ｓ２２のステップにてタイマーのカウント値ＣNが第２の閾値ＣB以上であると判断した場合、酸化触媒２６ａに流入する排気の空燃比が所定値以上かつその酸素濃度が所定値未満の場合にのみ、Ｓ２４以降のステップを実行することがより好ましい。すなわち、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａに流入する排気の空燃比が所定値未満の場合、第２周期にて燃料を添加した瞬間に空燃比がリッチとなってしまい、排気の昇温性が低下すると共にスモークの増大など、排気の性状が悪化してしまう。また、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａに流入する排気の酸素濃度が所定値以上の場合、第２周期にて燃料を添加すると、燃焼が激しく進行して排気温が過剰に昇温してしまう可能性がある。従って、排気浄化装置２６の酸化触媒２６ａに流入する排気の空燃比が所定値未満かつ酸素濃度が所定値以上の場合には、Ｓ２２のステップからＳ２４，Ｓ２５のステップを介さずにＳ２６のステップに移行させ、第１周期での燃料添加を継続することが好ましい。酸素濃度は、吸入空気量と燃料添加弁２８からの燃料の添加量とによってＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａにて算出することも可能であるが、Ｏ2センサーを排気管２３に組み込むことによって、より正確に検出することができる。
【００５２】
Ｓ２４のステップにて第２周期での燃料の添加を開始した後は、第３フラグがセットされるので、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ１９，Ｓ２３の処理が続いた場合、Ｓ２３のステップからはＳ２６のステップに移行する。そして、燃料添加積算量ＦNが燃料添加量ＦTに達するまで、通常はＳ１１〜Ｓ２６のステップが繰り返される。
【００５３】
このようにして、Ｓ２６のステップにて燃料添加積算量ＦNが燃料添加量ＦT以上である、すなわち酸化触媒２６ａが活性状態にあると判断した場合には、Ｓ２７のステップに移行する。そして、グロープラグ２９に対する通電を止め、タイマーのカウント値ＣNを０にリセットし、さらに燃料添加弁２８から排気通路２３ａへの燃料の添加を停止すると共に第１〜第３フラグをリセットして再びＳ１１のステップに戻る。
【００５４】
一方、Ｓ１１のステップにてエンジン１０が燃料カット状態ではない、すなわちエンジン１０の燃焼室１０ａからの高温の排気によって酸化触媒２６ａが活性状態に保たれると判断した場合には、Ｓ２８のステップに移行する。このＳ２８のステップでは、第２フラグがセットされているか否かを判定する。同様に、Ｓ１２のステップにて触媒温度ＴOが触媒活性最低温度ＴL以上である、すなわち燃料添加弁２８から排気通路２３ａに燃料を添加する必要がないと判断した場合にもＳ２８のステップに移行する。そして、このＳ２８のステップにて第２フラグがセットされていないと判断した場合には、Ｓ２９のステップに移行して第１フラグがセットされているか否かを判定する。ここで第１フラグがセットされていないと判断した場合には、何もせずに戻ってＳ１１以降のステップを繰り返す。
【００５５】
Ｓ２９のステップにて第１フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ３０のステップに移行してグロープラグ２９に対する通電を停止し、さらにタイマーのカウント値ＣNを０にリセットする。しかる後、Ｓ３１のステップに移行して第１フラグをリセットし、Ｓ１１のステップに戻る。
【００５６】
また、Ｓ２８のステップにて第２フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ３２のステップに移行してグロープラグ２９に対する通電を止め、タイマーのカウント値ＣNを０にリセットする。さらに、燃料添加弁２８から排気通路２３ａへの燃料の添加を停止した後、Ｓ３３のステップに移行して第３フラグがセットされているか否かを判定する。ここで第３フラグがセットされていないと判断した場合にはＳ３４のステップに移行して第１フラグおよび第２フラグをリセットした後、Ｓ１１のステップに戻る。逆に、Ｓ３３のステップにて第３フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ３５のステップに移行して第１〜第３フラグをリセットした後、Ｓ１１のステップに戻る。
【００５７】
このように、燃料添加弁２８による燃料の添加中であっても、Ｓ１１のステップにて燃料カット状態が解除されたり、Ｓ１２のステップにて触媒温度ＴOが何らかの原因で触媒活性最低温度ＴL以上になった場合には、燃料添加弁２８からの燃料の添加を中止する。これにより、燃料の無駄な添加処理を確実に防止することができる。
【００５８】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【００５９】
１０ エンジン
１０ａ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
１２ シリンダーヘッド
１２ａ 吸気ポート
１２ｂ 排気ポート
１３ａ 吸気弁
１３ｂ 排気弁
１４ アクセルペダル
１５ ＥＣＵ
１５ａ 運転状態判定部
１５ｂ 燃料噴射設定部
１５ｃ 燃料噴射弁駆動部
１５ｄ スロットル開度設定部
１５ｅ スロットル弁駆動部
１５ｆ 燃料添加設定部
１５ｇ 燃料添加弁駆動部
１５ｈ グロープラグ駆動部
１６ アクセル開度センサー
１７ 吸気管
１７ａ 吸気通路
１８ サージタンク
１９ スロットルアクチュエーター
２０ スロットル弁
２１ エアーフローメーター
２２ 排気加熱装置
２３ 排気管
２３ａ 排気通路
２４ シリンダーブロック
２４ａ ピストン
２４ｂ 連接棒
２４ｃ クランク軸
２５ クランク角センサー
２６ 排気浄化装置
２６ａ 酸化触媒
２７ 触媒温度センサー
２８ 燃料添加弁
２９ グロープラグ
３０ 補助酸化触媒
ＴO 触媒温度
ＴL 触媒活性最低温度
ＦT 燃料添加量
ＦN 積算燃料添加量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料を供給し、この排気通路に供給された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱する方法であって、
燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給するステップと、
排気通路に供給された燃料の着火状態を判定するステップと、
燃料の着火状態を判定する前記ステップでの判定結果に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路に供給するステップと
を具えたことを特徴とする排気加熱方法。
【請求項２】
燃料を排気通路に供給する前記ステップは、空燃比および吸入空気量の少なくとも一方を求めるステップを含み、求めた空燃比および吸入空気量の少なくとも一方に基づいて燃料の供給割合が設定されることを特徴とする請求項１に記載の排気加熱方法。
【請求項３】
燃料の着火状態を判定する前記ステップは、燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップの開始からの経過時間を積算するステップを含み、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気加熱方法。
【請求項４】
燃料の着火状態を判定する前記ステップは、排気浄化装置に流入する排気温を検出するステップを含み、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気加熱方法。
【請求項５】
燃料の着火状態を判定する前記ステップは、第１の供給割合にて排気通路に供給された燃料の積算供給量を算出するステップを含み、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気加熱方法。
【請求項６】
内燃機関の燃焼室への燃料の供給の有無を判定するステップをさらに具え、このステップでの判定結果に基づき、燃料を排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の排気加熱方法。
【請求項１】
排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料を供給し、この排気通路に供給された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱する方法であって、
燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給するステップと、
排気通路に供給された燃料の着火状態を判定するステップと、
燃料の着火状態を判定する前記ステップでの判定結果に基づき、燃料を第１の供給割合よりも多い第２の供給割合にて排気通路に供給するステップと
を具えたことを特徴とする排気加熱方法。
【請求項２】
燃料を排気通路に供給する前記ステップは、空燃比および吸入空気量の少なくとも一方を求めるステップを含み、求めた空燃比および吸入空気量の少なくとも一方に基づいて燃料の供給割合が設定されることを特徴とする請求項１に記載の排気加熱方法。
【請求項３】
燃料の着火状態を判定する前記ステップは、燃料を第１の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップの開始からの経過時間を積算するステップを含み、この積算経過時間があらかじめ設定した時間を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気加熱方法。
【請求項４】
燃料の着火状態を判定する前記ステップは、排気浄化装置に流入する排気温を検出するステップを含み、この排気温があらかじめ設定した温度を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気加熱方法。
【請求項５】
燃料の着火状態を判定する前記ステップは、第１の供給割合にて排気通路に供給された燃料の積算供給量を算出するステップを含み、この積算供給量があらかじめ設定した量を越えた場合に燃料を第２の供給割合にて排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気加熱方法。
【請求項６】
内燃機関の燃焼室への燃料の供給の有無を判定するステップをさらに具え、このステップでの判定結果に基づき、燃料を排気通路に供給する前記ステップが実行されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の排気加熱方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７２３８１（Ｐ２０１３−７２３８１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２６７６（Ｐ２０１１−２１２６７６）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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