JP2004211680A - 温度に敏感なディーゼルエンジン部品および後処理装置を保護するために再生時に排出ガス温度および空間速度を制御する方法 - Google Patents

温度に敏感なディーゼルエンジン部品および後処理装置を保護するために再生時に排出ガス温度および空間速度を制御する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 後処理装置再生モード運転時、ディーゼルエンジンの排出ガス温度を制御する方法において、エンジン部品および後処理装置の熱的損傷が発生しない最大排出ガス温度を設定し、この排出ガス温度を検出する方法を提供する。
【解決手段】 排出ガスの温度および/または空間速度を制御し、これによって排出ガスの最大温度を制御し、後処理装置の再生時に、ディーゼルエンジン部品や対応する後処理装置の熱的損傷を防止する。また、吸気弁および/または排気弁の開放タイミングおよび開放時間を制御する。この制御は検出されたエンジン運転パラメータに応じて、単独で行なってもよく、あるいは選択的な個々のシリンダ遮断と併用して行なってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変弁作動システムを使用して、ディーゼルエンジンの後処理システムに送られる排出ガスの温度および空間速度を制御する方法、特に可変弁作動システムを使用して、派出ガス後処理装置の再生時に排出ガス温度を制御する方法に関する。
次の５〜１０年間に導入される予定の世界的な排気ガス規制の場合、ディーゼルエンジンにある形態の排出ガス後処理装置を搭載する必要があり、ディーゼルエンジンには今まであまり利用されていなかった触媒および排気ガス“トラップ”技術を採用せざるを得ない状況になっている。効率を最適化するために、希薄ＮＯｘ触媒、希薄ＮＯｘトラップや粒子トラップなどのこれら技術では、ディーゼルエンジン作動範囲の実質的な部分に対して利用できる温度範囲外の温度で運転する必要がある。
火花点火エンジンでは、排出ガス温度を制御するためにいくつかの方法が既に提案されている。例えば、Ｃｌａｕｓ Ｂｒｕｅｓｔｌｅを発明者とし、発明の名称を“ＵＬＥＶ ＣＯＮＣＥＰＴ ＦＯＲ ＨＩＧＨ−ＰＥＲＦＯＭＲＡＮＣＥ ＥＮＧＩＮＥＳ”とし、２０００年２月２９日に付与された米国特許第６，０２９，６２６号には、未燃焼炭化水素系排気ガスを抑制するために、可変弁タイミングが開示されている。未燃焼炭化水素系排気ガスは、火花点火エンジンに通常みられる汚染源である。また、渡辺健三を発明者とし、“内燃機関用を対象とする弁機構の制御システム”を発明の名称とし、１９９５年３月２１に付与された米国特許第５，３９８，５０２号には、火花点火エンジンを対象とする排出ガス温度制御が開示されている。詳しくいえば、この米国特許第５，３９８，５０２号には、可変弁タイミングを使用して、エンジンの低温始動時に排出ガス温度を高くし、触媒コンバータを素早くライトオフする方法として、排出ガス温度を制御することが開示されている。この公報には、さらに、過熱により触媒が損傷したと考えられる時点で排出ガス温度を制御することも開示されている。
米国特許第６，０２９，６２６号 米国特許第５，３９８，５０２号
上述したように、排気ガス規制が世界的に厳しくなってきているため、将来のディーゼルエンジン駆動車両の場合、粒子フィルター、希薄ＮＯｘ吸収装置またはトラップ、酸化触媒および/または他の触媒を始めとする一つかそれ以上の形式の排出ガス後処理装置を搭載する必要ある。これらの後処理装置のいくつかは、汚染物質転換効率を維持するために再生する必要がある。この再生は、例えば、後処理装置の温度を一時的に高くするか、あるいは後処理装置に流れる排出ガスの組成を変えることによって後処理装置を再生する排出ガス条件を設定するモードでディーゼルエンジンを運転することによって行なう。ところが、あるエンジン運転条件下（例えば、非常に高い負荷条件下）で再生が必要な場合、排出ガス温度が高くなり、エンジン部品の一部、例えば排気弁や過給機、あるいは後処理装置それ自体が損傷する恐れがでてくる。
本発明の目的は、再生時に、温度に敏感なエンジン部品や後処理装置を保護するさいにみられる問題を解決することである。このためには、一つかそれ以上の後処理装置を再生するために必要な一時的な運転時に排出ガスの温度および/または質量流量を制御する方法を利用できることが望ましい。さらに、有利には、可変弁作動を利用して、排出ガス流れに導入される排出ガスの温度および質量流量を制御することが望ましい。
すなわち、本発明は、後処理装置再生モード運転時、ディーゼルエンジンの排出ガス温度を制御する方法において、エンジン部品および後処理装置の熱的損傷が発生しない最大排出ガス温度を設定し、この排出ガス温度を検出する方法を提供するものである。排出ガス温度の検出値に応じて、吸気弁、排気弁および燃料噴射器の少なくとも一つの作動を制御する。この本発明の方法では、さらに、後処理装置の再生時、エンジン部品および後処理装置の熱的損傷が発生しない設定最大温度より低い値にエンジン排出ガスの温度を維持する。
また、本発明は、排出ガス後処理装置の再生時、この装置に流れる排出ガスの空間速度を制御する方法において、後処理装置が有利に再生される、後処理装置に流れる排出ガスに対して望ましい空間速度を設定し、エンジンに流れる空気の質量空気流量と相関する少なくとも一つのエンジン運転パラメータを検出する方法である。この方法では、さらに、エンジンに流れる空気の質量空気流量と相関する検出エンジン運転パラメータに応じて、吸気弁、排気弁および燃料噴射器の少なくとも一つの作動を制御自在に停止することによって、エンジンの再生モード運転時、所望の質量空気流量を維持する。
本発明は、排出流れから汚染源を有効に除去できる能力を維持するために再生できるか、あるいは再生する必要のある排出ガス後処理装置を搭載したディーゼルエンジンを対象とする発明である。特に、希薄燃焼ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンの場合、希薄ＮＯｘトラップまたは希薄ＮＯｘアブソーバが有効である。例えば、ウオッシュコートに組み込んだアブソーバは、希薄エンジン運転時に窒素酸化物を化学的に結合する。アブソーバ能力が飽和したならば、システムを再生し、エンジン運転時に放出されたＮＯｘを接触還元する。粒子トラップの場合、例えば、拡散付着作用、慣性付着作用やフローライン（ｆｌｏｗ−ｌｉｎｅ）捕獲作用などの表面ろ過作用/内部ろ過作用によって排出粒子を補足する。すす発火温度を下げる触媒を連続的に作用させるか、あるいは定期的に熱再生を行なう状態で、補足された粒子をフィルターから除去する。ディーゼル用粒子フィルターは、排出粒子（ＰＭ）の固形部分を制御するために極めて有効である。
説明を目的として、後処理装置再生時の排出ガス温度および排出ガス空間速度を制御する本発明の方法を、ディーゼルエンジン１０の概略図である添付図面について説明する。ディーゼルエンジン１０は、燃焼室１２を備え、吸気弁１６により吸気システム１４をこの燃焼室１２と制御された状態で流体連絡し、排気弁２０により排出ガスシステム１８を燃焼室１２と制御された状態で流体連絡する。例えば上述したような希薄ＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）や粒子トラップなどの排出ガス後処理装置２２を排出ガスシステム１８の排気弁２０下流の位置に設ける。希薄ＮＯｘトラップや粒子トラップの場合、図示しないが、他の後処理装置を併用することが多い。なお、併用装置としては、選択的還元酸化三方向触媒装置および/または他の触媒装置がある。
吸気弁１６の作動および排気弁２０の作動については、よく知られているいくつかの可変弁作動（ＶＶＡ）システム５０、５２のいずれか一つによって個々に行なう。燃料を燃焼室１２に制御しながら導入する手段は、燃料導管３０によって燃料源２８と流体連絡する燃料噴射器２６である。望む場合には、吸気システム１４内の、吸気弁１６の上流位置に質量空気流量センサ３２を配設する。図示の本発明方法の実施態様では、排出ガス後処理装置２２の温度を検出するのに好適な位置で排出ガス後処理装置２２内に温度センサ３４を配設する。あるいは、排出ガス後処理装置２２の上流位置で排出システム１８内に温度センサ３４を配設することもできる。
電子エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３６が、後処理装置温度センサ３４からの信号３８を受け取り、また本発明のある実施態様では、質量空気流量センサ３２からの質量空気流量信号２４を受け取る。さらに、クランクシャフト位置センサ４６が、クランクシャフト位置を示す信号４８をＥＣＵ３６に送る。以下に詳しく説明する本発明の好適な実施態様では、ＥＣＵ３６が制御信号４０をＶＶＡシステム５０に送り、吸気弁１６の作動を制御し、制御信号４２をＶＶＡシステム５２に送って排気弁２０の作動を制御するとともに、制御信号４４を送って燃料噴射器２６の作動を制御する。
図示の実施態様では、ディーゼルエンジン１０に過給機６０を配設し、そのタービン６２を排出システム１８から排出される排出ガスによって駆動する。このタービン６２は、吸気システム１４内に配設したコンプレッサ６６にシャフト６４によって接続する。
本発明の好適な実施態様では、希薄ＮＯｘトラップまたはアブソーバや粒子フィルターまたはトラップを始めとするある種の後処理装置２２を定期的に再生するために必要な一時的な異常作動時に排出ガスの温度制御を行なう。既に説明したように、このような装置の場合、排出ガスの温度あるいは排出流れの組成またはこれら両者を一時的に変更するようにディーゼルエンジン１０を運転する必要がある。あるエンジン運転条件、特に負荷が非常に高い条件下では、再生を行なうと、排出温度が極めて高くなり、具体的には説明図示しないが、排気弁２０、過給機６０、後処理装置２２やその他の排出ガス後処理装置（や構成成分）が損傷する恐れが出てくる。
本発明の、異常に高い排出温度を制御する方法では、可変燃焼タイミングと可変排気弁の開放タイミングを併用して、ディーゼルエンジン１０からの排出ガスの温度を制御する。燃料噴射タイミングや混合気点火タイミングを変更すると、エンジンサイクルの燃焼時期をシリンダ内で制御できる。噴射タイミングや点火タイミングを遅らせると、エンジンの膨張行程で遅れたタイミングでガス温度が高くなり、噴射タイミングや点火タイミングを早めると、膨張行程で遅れたタイミングでガス温度が低くなる。
このように、排気弁２０の開放タイミングで、エンジンの排出ガスが排出システム１８に流入する温度を調節する。エンジンの膨張行程時、ピストンの運動によってシリンダ内の排出ガスから仕事量が引き出される。排気弁２０が開放すると、今までピストンが利用してきたエネルギーが、排出ガス質量流れが負担する熱エネルギーの形で排出システム１８に移行する。従って、排気弁２０の開放タイミングを変更することによって、排出ガス１８が利用できるエネルギーを変更することができる。本発明の場合、所望ならば、燃焼タイミングと排気弁２０の開放タイミングを組み合わせて制御することによって、排出ガスの温度を制御し、後処理装置２２の再生には好適ではあるが、エンジン部品や後処理装置の熱的損傷が発生しない最大温度より低い温度に供給ガス温度を制御する。
本発明の好適な実施態様では、可変弁作動（ＶＶＡ）を単独で使用するか、あるいは可変燃焼タイミング（ＶＣＴ）および/または個々のシリンダの遮断 (ｃｕｔｏｕｔ）と併用することによって排出ガス温度および空間速度を設定する。図示の実施態様では、エンジン電子制御ユニット３６が、後処理装置温度センサ３４から温度信号３８を受け取る。所望ならば、クランクシャフト位置センサ４６からクランクシャフト位置信号４８を受け取るように構成してもよく、さらに望むならば、質量空気流量センサ３２から質量空気流量信号２４を受け取るように構成してもよい。予めプログラムされたスキームに従って、ＥＣＵ３６はそれぞれ制御信号４０、４２を通じて吸気弁１６および排気弁２０の開放、開放時間および閉鎖を制御する。
ディーゼルエンジンの空気流量を小さくするためにＶＶＡを使用することが望ましい。というのは、吸気弁または排気弁によって“スロットル”作用が得られるからである。吸気弁間および排気弁間のスロットル損失は常に存在するが、多くの場合、これを使用して、燃焼改善に必要なバルク流れまたは乱流を発生している。従って、ＶＶＡのみによって空気流れを制御すると、二次的あるいは追加的なスロットルを必要とする他の空気流量制御方法と比較した場合、スロットル損失を最小限に抑えることができる。重要な点は、上述したように、吸気弁１６および/または排気弁２０の開放タイミングを変更することによって、排出システム１８が利用できるエネルギーを変更できることである。
同様に、ＥＣＵ３６が、燃料噴射器２６と電気的に接続する制御信号４４によって燃料噴射タイミングおよび噴射時間を制御する。燃料噴射タイミングを変更すると、エンジンサイクル時の燃焼時間をシリンダ内で制御でき、またこれは、可変弁作動を併用すると、排ガス後処理装置２２における供給ガス温度を最適化できるので有利である。
また、可変弁作動を使用して、個々のシリンダを遮断し、エンジン１０に流れる空気の質量流量を制御することによって、後処理装置２２に流れる排出ガスの温度および空間速度を広い範囲にわたって制御することができる。質量空気流量センサ３２によって検出され、エンジン制御ユニット３６に送られる質量流量を信号２４によって制御すると、最適な空間速度を設定でき、排ガス後処理装置の作動を効率化できる。現在のところ、多くの場合、個々のシリンダの遮断は、スロットル式火花点火エンジンで採用されている。スロットル式火花点火エンジンでは、シリンダの遮断を通じて得られる有利な作用の多くは、大半のシリンダが作動不良で、残りのシリンダがエンジンパワーの全部を維持するために高い負荷で作動している場合にこのエンジンがスロットルなしで作動する能力によるものである。
ディーゼルエンジンの場合、シリンダの遮断はいくつかの方法によって行なうことができる。一部のシリンダへの燃料供給を単に遮断するだけで、所定のシリンダからのパワー発生を停止することができるが、弁の作動を停止しないと、燃料の供給されていないシリンダが、仕事量を消費するエアポンプとして作用することになる。加えて、燃料の供給されていないシリンダは、シリンダに空気が新たに流れるたびにすぐに冷却されるため、次の再点火時に問題が発生することになる。本発明によれば、弁停止は、燃料が供給されていないシリンダに流れる空気流れを削減又は除去するために用いられる。各種停止は、吸気弁停止、排気弁停止、又はその両方、その他を選択することができる。
以上具体的に説明したセンサおよびセンサ配設構成以外にも、後処理装置２２の温度環境およびエンジン１０に流れる質量空気流量を設定する別な手段も、本発明方法を実施するさいに採用することは容易である。例えば、温度センサについては、排出システム１８内の、後処理装置２２の上流および/または下流に配設することも可能であり、これによって後処理装置の作動温度を推測することができる。また、特定のエンジンに関するエンジン負荷、エンジン速度および周囲空気温度の関数として予測される排出ガス温度マップを作成し、エンジン負荷、エンジン速度および周囲温度の測定値を入力信号として使用し、これによって定期的な再生時に排出ガス後処理装置２２の温度を制御することも実施可能である。さらに、質量流量の他の指標だけでなく、エンジン負荷およびエンジン速度の関数として作成した所定の質量空気流量マップを使用し、これによってエンジン１０の排出システム１８内に配設した排出ガス後処理装置２２に流れる排出ガスの空間速度を調整することも可能である。
好適な具体的な実施態様について本発明を説明してきたが、当業者ならば、上記の温度/質量流量検出/制御構成は、代表的なディーゼルエンジン１０および再生式後処理装置２２を対象としていることを理解できるはずである。実際のシステム構成は、具体的なエンジンおよび後処理装置の構成および作動特性に依存するものである。また、任意のエンジンにおいてパワー出力が同じ場合、排ガス後処理装置に対して排出ガス温度および空間速度を設定するために、シリンダの遮断、個々のシリンダ噴射タイミング、および吸気/排気弁タイミングを各種組み合わせることができる。さらに、シリンダの伝熱特性だけでなくリング配設設計およびシリンダ設計に応じて、各種エンジンに対するシリンダ遮断スキームを最適化することができる。加えて、希薄ＮＯｘおよび/または粒子トラップを流れるガスの温度および空間速度を制御する本発明方法は、他の排出ガス処理装置にも適用可能である。本発明方法のこのような応用は、特許請求の範囲に含まれるものである。
本発明の他の実施態様、特徴および作用効果は、特許請求の範囲はいうまでもなく、明細書の開示および図面から理解できるはずである。
本発明方法によって排出ガス温度および空間速度を制御するディーゼルエンジンを示す概略図である。なお、図１を参照して以上の詳細な説明を読めば、ディーゼルエンジンの後処理システムに送られる排出ガスの温度および空間速度を制御する本発明方法をより完全に理解できるはずである。
符号の説明
１０：ディーゼルエンジン
１２：燃焼室
１４：吸気システム
１６：吸気弁
１８：排出ガスシステム
２０：排気弁
２２：後処理装置
２６：燃料噴射器
３２：センサ

Claims (8)

  1. 少なくとも一つの燃焼室を有するディーゼルエンジンであって、このエンジンの排出システム内に少なくとも一つの再生式排出ガス後処理装置を配設し、上記エンジンの吸気システムと上記燃焼室との間に少なくとも一つの吸気弁を配設し、上記燃焼室と上記再生式排出ガス後処理装置との間に少なくとも一つの排気弁を配設し、上記燃焼室に燃料を制御自在に燃料を導入する手段を設けたディーゼルエンジンの温度に敏感な部品および対応する排出ガス後処理装置を保護するために排出ガス温度を制御する方法において、
    上記排気弁および上記再生式排出ガス後処理装置の熱的損傷が発生しない最大排出ガス温度を設定し、
    上記排出ガス温度を検出し、
    上記排出ガス温度の検出値に応じて、上記吸気弁、上記排気弁および上記燃焼室に燃料を制御自在に導入する上記手段の少なくとも一つの作動を制御し、そして上記排気弁および上記再生式排出ガス後処理装置の熱的損傷が発生しない上記最大排出ガス温度より低い値に上記排出ガスの温度を維持することからなることを特徴とする排出ガス温度の制御方法。
  2. 上記再生式排出ガス後処理装置が粒子フィルターおよび希薄ＮＯｘトラップの少なくとも一つを有し、上記制御方法が熱的再生モードおよび燃料リッチ再生モードの少なくとも一つのモードで上記エンジンを運転する工程を有し、そして上記排出ガス温度を検出する上記工程が、上記熱的再生モードおよび上記燃料リッチ運転モードの少なくとも一つのモードでの上記エンジン運転時に、排出ガス温度を検出する請求項１記載の制御方法。
  3. 上記熱的再生モードおよび上記燃料リッチモードの少なくとも一つのモード運転時、上記の少なくとも一つの再生式排出ガス後処理装置に流れる排出ガスを処理するために望ましい質量空気流量を設定し、
    上記エンジンに流れる質量空気流れに相関する少なくとも一つのエンジン運転パラメータの値を検出し、そして
    上記熱的再生モードおよび上記燃料リッチモードの少なくとも一つのモード時に、上記エンジン運転パラメータの上記検出値に応じて、上記吸気弁、上記排気弁および上記燃焼室に燃料を制御自在に導入する上記手段の少なくとも一つの作動を制御自在に停止することによって上記の望ましい質量空気流量を上記の望ましい質量空気流量に維持する請求項２記載の制御方法。
  4. 上記エンジンに流れる質量空気流れに相関する少なくとも一つのエンジン運転パラメータを検出するさいに、上記エンジンの上記吸気システムに流れる空気の質量流量を検出する請求項３記載の制御方法。
  5. 上記エンジンが、上記排出システムと流体連絡する過給機を有し、上記制御方法において、上記過給機の熱的損傷が発生しない最大排出ガス温度を設定し、そして上記過給機の熱的損傷が発生しない上記最大排出ガス温度より低い値に上記排出ガスの温度を維持する請求項１記載の制御方法。
  6. ディーゼルエンジンの排出ガス後処理装置の再生時に、この排出ガス後処理装置に流れる排出ガスの空間速度を制御する方法において、
    上記排出ガス後処理装置の再生を有効に行なえる、上記排出ガス後処理装置に流れる排出ガスの所望の空間速度を設定し、
    上記エンジンに流れる質量空気流れに相関する少なくとも一つのエンジン運転パラメータを検出し、そして、
    上記吸気弁、上記排気弁および上記エンジンの上記燃焼室に燃料を制御自在に導入する上記手段の少なくとも一つの作動を制御自在に停止することによってエンジンの再生運転モード時に上記の所望の設定質量流量を維持することを特徴とする制御方法。
  7. 上記エンジンに流れる質量空気流れに相関する少なくとも一つのエンジン運転パラメータを検出するさいに、上記エンジンの吸気システムに流れる空気の質量流量を検出する請求項６記載の制御方法。
  8. 上記排出ガス後処理装置の熱的損傷が発生しない最大排出ガス温度を設定し、
    エンジン速度、エンジン負荷および排出ガス温度に相関する少なくとも一つのエンジン運転パラメータの値を検出し、
    上記の検出エンジン運転パラメータの値に応じて、上記吸気弁、上記排気弁および上記エンジンの燃焼室に燃料を制御自在に導入する上記手段の少なくとも一つの作動を制御し、そして
    上記の少なくとも一つのエンジン運転パラメータの検出値に応じて、エンジンの再生運転モード時に、上記排出ガス後処理装置の熱的損傷が発生しない上記所定の最大排出ガス温度より低い値に、上記排出ガス後処理装置に導入されるエンジン排出ガスの温度を維持する請求項６記載の制御方法。
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