JP2007032366A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関が低負荷の状態にある場合でも、排気の温度を上昇させつつ、排気浄化装置へ未燃燃料を供給することのできる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 ディーゼルエンジン１の排気浄化装置は、気筒＃１〜＃４を備える多気筒ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料噴射弁４ａ〜４ｄを備え、排気通路１８、１９の下流に設けられた排気浄化部材２５にこれら燃料噴射弁により未燃燃料を供給する。ディーゼルエンジン１の排気浄化装置は、気筒＃４から未燃燃料を供給し且つその発生トルクを低下させるように燃料噴射を行うとともに、気筒＃４における発生トルクの低下を補うように気筒＃１〜＃３における燃料噴射量を増加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、排気中に含まれる粒子状物質を排気通路途中の捕集器によって捕集するとともに、捕集された粒子状物質を燃焼除去して捕集器を再生する再生制御を行うものが知られている。この再生制御に際しては、捕集器に捕集された粒子状物質の量が運転状態に基づいて推定される。そして、推定された粒子状物質の量が所定値以上となった場合に排気通路に未燃燃料が供給される。この未燃燃料が捕集器において燃焼されることによって捕集器の温度が粒子状物質の除去可能温度（６００℃程度）まで上昇し、粒子状物質が排気中の酸素によって燃焼除去されて捕集器が再生される。

ところで、アイドル運転時のように内燃機関が低負荷の状態にある場合には、高負荷の状態に比べて排気の温度が低くなる。このため、捕集器の温度も高負荷の状態に比べて低くなり、供給された未燃燃料が燃焼されず、そのまま捕集器に付着するおそれがある。このような未燃燃料の付着が生じると、捕集器に目詰まりを生じさせ、粒子状物質を捕集する機能を低下させることとなる。

したがって、未燃燃料による捕集器の再生を行うためには、同捕集器に供給される未燃燃料が燃焼する温度まで捕集器の温度を上昇させる必要がある。しかしながら、この捕集器の温度は、上述のように内燃機関の負荷の状態に左右されるため、内燃機関が低負荷の状態にあり排気の温度が低い場合には未燃燃料の供給を行うことができず、捕集器の再生を行うことができないという問題がある。

なお、他の排気浄化装置としてＮＯｘ吸蔵還元触媒もあるが、これに吸蔵されたＮＯｘを還元するための添加剤としても未燃燃料の供給が行われる。そして、このＮＯｘの還元を効果的に行うためには、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が所定温度以上である必要がある。したがって、内燃機関が低負荷の状態にあり排気の温度が低い場合にはＮＯｘの還元を効果的に行うことができず、上記粒子状物質の排気浄化装置と同様の問題が生じることとなる。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関が低負荷の状態にある場合でも、排気の温度を上昇させつつ、排気浄化装置へ未燃燃料を供給することのできる排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、多気筒ディーゼルエンジンの各気筒に燃料噴射弁を備え、排気通路に設けられた排気浄化部材に前記燃料噴射弁により未燃燃料を供給するディーゼルエンジンの排気浄化装置において、特定の気筒から未燃燃料を供給し且つその発生トルクを低下させるように燃料噴射を行うとともに、前記特定の気筒における発生トルクの低下を補うように同特定の気筒以外の気筒における燃料噴射量を増加させることを要旨としている。

上記構成によれば、特定の気筒の発生トルクを低下させるとともに、同発生トルクの低下を補うように特定の気筒以外の気筒における燃料噴射量を増加させるため、ディーゼルエンジン全体が発生するトルクを維持しつつ、特定気筒以外の気筒における燃焼温度を上昇させることができる。その結果、排気の温度を上昇させつつ、排気浄化部材へ未燃燃料を供給することができる。

請求項２に記載の発明は、前記特定の気筒における燃料噴射時期を同気筒に供給される燃料の少なくとも一部が燃焼しない時期まで遅角させることを要旨としている。
上記構成によれば、特定の気筒における燃料噴射時期を燃料の少なくとも一部が燃焼しない時期まで遅角させるため、特定の気筒からの未燃燃料の供給とその発生トルクの低下とを同時に実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記特定の気筒に設定される期間が全気筒略同一となるように、前記特定の気筒とそれ以外の気筒との設定を変更することを要旨としている。

上記構成によれば、特定の気筒に設定される期間が全気筒略同一となるように、特定の気筒とそれ以外の気筒との設定を変更するため、特定の気筒とそれ以外の気筒とで動弁系の部品の摩耗状態が異なることを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、前記特定の気筒と前記排気浄化部材とを接続する第１の排気通路と、前記特定の気筒以外の気筒と前記排気浄化部材とを過給機を介して接続する第２の排気通路とを備えることを要旨としている。

一般的に、排気に含まれる未燃燃料は、排気通路に配置された過給機のタービンに付着してデポジットの原因となる。
この点、上記構成によれば、特定の気筒以外の気筒は過給機を介して排気浄化部材に接続される一方、未燃燃料を供給する特定の気筒は排気浄化部材に直接接続される。その結果、未燃燃料が過給機に流入することが抑制されるため、タービンへの未燃燃料の付着に起因したデポジットを抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とを接続する通路を開閉する第１のバルブを更に備えることを要旨としている。

上記構成によれば、第１の排気通路と第２の排気通路とを接続する通路を開閉する第１のバルブを更に備えるため、第１の排気通路から第２の排気通路へ流入する排気を確実に遮断することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記接続する通路よりも下流において前記第１の排気通路を開閉する第２のバルブを更に備え、前記特定の気筒における未燃燃料の供給および発生トルクの低下並びに前記特定の気筒以外の気筒における燃料噴射量の増加を実行しないとき、前記第１のバルブを閉じるとともに前記第２のバルブを開くことを要旨としている。

上記構成によれば、排気の温度を上昇させ且つ排気浄化部材へ未燃燃料を供給する制御を実行しない場合には、全ての排気を過給機に供給することができる。その結果、過給機に供給される排気の圧力を高めることができる。

本発明の一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１には、複数の気筒＃１〜＃４が設けられている。シリンダヘッド２には複数の燃料噴射弁４ａ〜４ｄが取り付けられている。これら燃料噴射弁４ａ〜４ｄは各気筒＃１〜＃４の燃焼室に燃料を噴射する。燃料噴射弁４ａ〜４ｄは、高圧燃料を蓄えるコモンレール７に接続されている。コモンレール７はサプライポンプ８に接続されている。サプライポンプ８は燃料タンク内の燃料を吸入するとともにコモンレール７に高圧燃料を供給する。

また、シリンダヘッド２には外気を気筒内に導入するための吸気ポートと、燃焼後の排気を気筒外へ排出するための排気ポート５ａ〜５ｄとが各気筒＃１〜＃４に対応して設けられている。吸気ポートにはインテークマニホールド６が接続されている。インテークマニホールド６は吸気通路３に接続されている。この吸気通路３内には吸入空気量を調整するためのスロットル弁１２が設けられている。排気ポート５ａ〜５ｄにはエギゾーストマニホールド１０が接続されている。エギゾーストマニホールド１０は排気ポート５ｄ近傍において第１の排気通路１８と接続されており、また排気ポート５ａ近傍において第２の排気通路１９と接続されている。さらに、第２の排気通路１９は過給機９を介して排気浄化部材２５に接続されている一方、第１の排気通路１８は過給機９の下流側において第２の排気通路１９に接続されている。エギゾーストマニホールド１０における排気ポート５ｃと排気ポート５ｄとを接続する通路には第１の排気切り替えバルブ２０が設けられている。また、第１の排気通路１８の上記接続する通路よりも下流においては、エギゾーストマニホールド１０と接続している部分近傍に第２の排気切り替えバルブ２１が設けられている。

第２の排気通路１９には、排気圧を利用して気筒に導入される吸入空気を過給する過給機９が設けられている。過給機９は、吸気側にコンプレッサ９ａ、排気側にタービン９ｂを備えている。コンプレッサ９ａとスロットル弁１２との間の吸気通路３にはインタークーラ２２が設けられている。このインタークーラ２２によって、過給機９の過給により温度上昇した吸入空気の冷却が図られる。

第２の排気通路１９の途中にあって、過給機９のタービン９ｂ及び第１の排気通路１８と第２の排気通路１９とが接続する部分の下流側には、排気成分を浄化する排気浄化部材２５が設けられている。この排気浄化部材２５は、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と称されるものであり、排気中の粒子状物質等を捕集するフィルタとして機能する。

また、ディーゼルエンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えばエアフロメータ１３は吸気通路３内の吸入空気量ＧＡを検出する。スロットル開度センサ１４はスロットル弁１２の開度（スロットル開度ＴＡ）を検出する。排気浄化部材２５の排気上流側に設けられた第１の排気温度センサ２３は、排気浄化部材２５を通過する直前の排気の温度である第１の排気温度Ｔａを検出する。排気浄化部材２５の排気下流側に設けられた第２の排気温度センサ２４は、排気浄化部材２５を通過した直後の排気の温度である第２の排気温度Ｔｂを検出する。機関回転速度センサ１５はクランクシャフトの回転速度、すなわち機関回転速度ＮＥを検出する。アクセルセンサ１６はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。

これらの各種センサの出力は制御装置１７に入力される。この制御装置１７は、演算装置、駆動回路他、各種制御の演算結果やその演算に用いられる関数マップ等で記載する記憶装置等を備えている。そして，制御装置１７は、燃料噴射弁４ａ〜４ｄの燃料噴射量制御や燃料噴射時期制御、スロットル弁１２を開閉するアクチュエータ１１の駆動量制御、第１の排気切り替えバルブ２０を開閉する第１のアクチュエータ２６の駆動量制御、第２の排気切り替えバルブ２１を開閉する第２のアクチュエータ２７の駆動量制御等の各種制御を行う。

以下では、このディーゼルエンジン１の排気浄化装置における燃料噴射弁４ａ〜４ｄの燃料噴射量の制御、第１のアクチュエータ２６及び第２のアクチュエータ２７における動作の制御について説明する。図２は、排気浄化装置における制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートに示される一連の処理は制御装置１７により所定の周期をもって繰り返し実行される。

図２に示される一連の処理では、まず、排気の温度が検出される（ステップ１０）。具体的には、排気浄化部材２５に設けられた第１の排気温度センサ２３から検出される第１の排気温度Ｔａと、第２の排気温度センサ２４から検出される第２の排気温度Ｔｂとが検出される。次に、排気浄化部材の温度が算出される（ステップ２０）。具体的には、上記第１の排気温度Ｔａと第２の排気温度Ｔｂとの温度差から排気浄化部材２５の温度Ｔｃが推定される。次に、排気浄化部材２５の温度が目標温度以下か否かが判定される（ステップ３０）。具体的には、排気浄化部材２５の上記推定された温度Ｔｃが目標温度Ｔｏ以下であるか否かが判定される。ここで、この目標温度Ｔｏは、その温度よりも上記推定された温度Ｔｃが低い場合には、上記排気浄化部材２５に未燃燃料を添加しても燃焼されずに排気浄化部材２５に付着するおそれがある温度として設定される。このため、推定された温度Ｔｃが目標温度Ｔｏ以下である場合には、以下の排気浄化部材２５の温度を上昇させる制御が行われる。

上記判定処理を通じて、排気浄化部材の温度が目標温度以下である旨判定された場合には（ステップ３０：ＹＥＳ）、各気筒の燃料噴射量及び燃料噴射時期が算出される（ステップ４０）。具体的には、まず、上記排気浄化部材２５の推定された温度Ｔｃと目標温度Ｔｏとの温度差に基づいて、上記排気浄化部材２５に供給する未燃燃料の量が算出される。そして、その算出された未燃燃料が気筒＃４からの排気中に含まれるように、燃料噴射時期が排気行程中に噴射を行う時期へと遅角される。さらに、このような気筒＃４の燃料噴射時期の変更による発生トルクの低下を補うため、気筒＃１〜＃３の燃料噴射量が増加される。

次に、未燃燃料を含んだ排気を過給機と接続していない排気通路へと流すようにバルブを開閉する（ステップ５０）。具体的には、第１の排気切り替えバルブ２０を閉じるとともに、第２の排気切り替えバルブ２１を開ける。その後、気筒＃１〜＃４において、上記ステップ４０で算出された燃料噴射量及び燃料噴射時期で燃料噴射が実行される（ステップ６０）。

一方、上記判定処理を通じて、排気浄化部材の温度が目標温度以上である旨判定された場合には（ステップ３０：ＮＯ）、機関運転状態に基づいて各気筒の燃料噴射量及び燃料噴射時期が算出される（ステップ７０）。具体的には、吸入空気量ＧＡ、スロットル開度ＴＡ、機関回転速度ＮＥ、及びアクセル操作量ＡＣＣＰ等に基づいて気筒＃１〜＃４の燃料噴射量及び燃料噴射時期が算出される。ここでは、全気筒＃１〜＃４の燃料噴射量及び燃料噴射時期が一律に算出される。次に、全ての気筒の排気を過給機と接続している排気通路へと流すようにバルブを開閉する（ステップ８０）。具体的には、第１の排気切り替えバルブ２０を開けるとともに、第２の排気切り替えバルブ２１を閉じる。その後、気筒＃１〜＃４において、上記ステップ７０で算出された燃料噴射量及び燃料噴射時期で燃料噴射が実行される（ステップ６０）。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に列記する作用効果が得られる。
（１）気筒＃４における燃料噴射時期が排気行程中に噴射を行う時期へと遅角されることにより、図３に示すように、気筒＃４における発生トルクを低下させるとともに、同発生トルクの低下を補うように気筒＃１〜＃３における燃料噴射量を増加させるため、ディーゼルディーゼルエンジン全体が発生するトルクを維持することができる。また、このように気筒＃１〜＃３の燃料噴射量を増加させることにより、これら気筒からの排気の燃焼温度を上昇させることができる。その結果、排気の温度を上昇させつつ、排気浄化部材２５へ未燃燃料を供給することができる。
（２）気筒＃４における燃料噴射時期をこの気筒に噴射される燃料の少なくとも一部が燃焼しない時期まで遅角させるため、この気筒＃４からの未燃燃料の供給とその発生トルクの低下とを同時に実現することができる。
（３）気筒＃１〜＃３は過給機を介して排気浄化部材２５に接続される一方、未燃燃料を供給する気筒＃４は排気浄化部材２５に直接接続される。その結果、未燃燃料が過給機９に流入することが抑制されるため、過給機９におけるタービン９ｂへの未燃燃料の付着に起因したデポジットを抑制することができる。
（４）エギゾーストマニホールド１０における第１の排気通路１８と第２の排気通路１９とを接続する通路に第１の排気切り替えバルブ２０を備えるため、第１の排気通路１８から第２の排気通路１９へ流入する排気を確実に遮断することができる。
（５）排気の温度を上昇させ、且つ排気浄化部材２５へ未燃燃料を供給する制御を実行しない場合には、全ての排気を過給機９に供給することができる。その結果、過給機９に供給される排気の圧力を高めることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した、例えば次のような形態として実施することもできる。
・上記実施形態では、第１の排気切り替えバルブ２０と第２の排気切り替えバルブ２１とを用いて気筒＃４からの排気の流れを制御していたが、これら排気切り替えバルブを省略してもよい。また、その場合には、第１の排気通路１８を省略してもよい。

・上記実施形態では、排気浄化部材としてＤＰＦを用いているが、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）触媒を用いてもよい。このＤＰＮＲ触媒は多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気中の粒子状物質は多孔質の壁を通過する際に捕集される。さらに、排気の空燃比がリーンの場合、排気中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると吸蔵されたＮＯｘはＨＣやＣＯ等によって還元・放出されるといった特性を有する。このＤＰＮＲ触媒の浄化機能が低下した場合には、粒子状物質に対しては未燃燃料を同触媒に供給して燃焼除去することにより粒子状物質を浄化する機能を再生することができる。また、ＮＯｘを吸蔵還元する機能については、吸蔵されたＮＯｘを還元するための添加剤として未燃燃料を供給することによりＮＯｘ吸蔵還元の機能を再生することができる。なお、このＮＯｘの還元を効果的に行うためには、ＤＰＮＲ触媒が所定温度以上であることが要求される。このように、ＤＰＮＲ触媒の粒子状物質の捕集機能及びＮＯｘ吸蔵還元機能の低下に関しては、ＤＰＮＲ触媒への未燃燃料及び所定温度以上の排気の供給が必要である。本実施形態によれば、ＤＰＮＲ触媒への未燃燃料の供給と排気の温度上昇とを行うことができるため、このＤＰＮＲ触媒の機能の再生を効果的に行うことができる。

・上記実施形態では、排気浄化部材２５の温度が目標温度Ｔｏよりも低い場合に、気筒＃４において燃料噴射時期の変更を行っているが、燃料噴射時期の変更と併せて燃料噴射量の変更を行ってもよい。

・上記実施形態では、排気浄化部材２５の温度が目標温度Ｔｏよりも低い場合に、気筒＃４において燃料噴射時期の変更を行っているが、この燃料噴射とは別に排気行程中にさらに燃料を噴射するようにしてもよい。このような燃料噴射を行うことにより、排気に含まれる未燃燃料の量を更に増加させることができる。

・上記実施形態では、排気浄化部材２５の温度が目標温度Ｔｏよりも低い場合に、気筒＃４においてのみ燃料噴射時期を遅角させていたが、更に気筒＃１〜＃３のいずれかの燃料噴射時期を遅角させてもよい。このように燃料噴射時期を遅角させる気筒を増やすことにより、排気浄化部材２５へ供給される未燃燃料の量を更に増加させることができるとともに、遅角させる気筒以外の気筒における燃料噴射量を更に増加させることにより排気の温度を一層上昇させることができる。また、その場合には、燃料噴射時期を遅角させる気筒ごとに排気通路を備えるような構成としてもよい。

・上記実施形態では、第１の排気通路１８及び第２の排気通路１９はエギゾーストマニホールド１０を介して気筒＃１〜＃４と接続しているが、気筒＃１〜＃３にのみ接続するエギゾーストマニホールドと、気筒＃４にのみ接続する排気通路とを備えるような構成としてもよい。このような構成によっても、未燃燃料を含む気筒＃４からの排気が過給機９のタービン９ｂへと流入することを確実に遮断することができる。

・上記実施形態では、気筒＃４においてのみ燃料噴射時期を遅角させていたが、このような燃料噴射時期の変更を気筒＃１〜＃３のいずれかにおいても行い、且つこのように変更されている期間が気筒＃１〜＃４の各気筒において略同一となるようにしてもよい。このように燃料噴射時期が変更されている期間が全気筒略同一となるようにすることにより、変更されている気筒とそれ以外の気筒とで動弁系の部品の摩耗状態が異なることを抑制することができる。

本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化装置の一実施形態についての構成を示すブロック図。 図１の排気浄化装置における制御の処理手順を示すフローチャート。 各気筒の発生トルクについて燃料噴射時期の変更前と変更後の関係を示す概念図。

符号の説明

１…ディーゼルエンジン、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４ａ〜４ｄ…燃料噴射弁、５ａ〜５ｄ…排気ポート、６…インテークマニホールド、７…コモンレール、８…サプライポンプ、９…過給機、９ａ…コンプレッサ、９ｂ…タービン、１０…エギゾーストマニホールド、１１，２６，２７…アクチュエータ、１２…スロットル弁、１３…エアフロメータ、１４…スロット開度センサ、１５…機関回転速度センサ、１６…アクセルセンサ、１７…制御装置、１８，１９…排気通路、２０，２１…排気切り替えバルブ、２２…インタークーラ、２３，２４…排気温度センサ、２５…排気浄化部材。

Claims (6)

1. 多気筒ディーゼルエンジンの各気筒に燃料噴射弁を備え、排気通路に設けられた排気浄化部材に前記燃料噴射弁により未燃燃料を供給するディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   特定の気筒から未燃燃料を供給し且つその発生トルクを低下させるように燃料噴射を行うとともに、前記特定の気筒における発生トルクの低下を補うように同特定の気筒以外の気筒における燃料噴射量を増加させる
   ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. 前記特定の気筒における燃料噴射時期を同気筒に供給される燃料の少なくとも一部が燃焼しない時期まで遅角させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
3. 請求項１又は２に記載されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   前記特定の気筒に設定される期間が全気筒略同一となるように、前記特定の気筒とそれ以外の気筒との設定を変更する
   ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
4. 前記特定の気筒と前記排気浄化部材とを接続する第１の排気通路と、前記特定の気筒以外の気筒と前記排気浄化部材とを過給機を介して接続する第２の排気通路とを備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載されたディーゼルエンジンの排気浄化装置。
5. 請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とを接続する通路を開閉する第１のバルブを更に備える
   ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
6. 請求項５に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   前記接続する通路よりも下流において前記第１の排気通路を開閉する第２のバルブを更に備え、前記特定の気筒における未燃燃料の供給および発生トルクの低下並びに前記特定の気筒以外の気筒における燃料噴射量の増加を実行しないとき、前記第１のバルブを閉じるとともに前記第２のバルブを開く
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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