JP2008180133A

JP2008180133A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008180133A
Application number: JP2007013820A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nishimura; 博幸西村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: JP4894535B2

Abstract

【課題】フィルタの再生機会を増大させる。
【解決手段】エンジンＥの排気通路２１に、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタ２４およびフィルタ２４の温度を上昇させるための酸化触媒２２とが配設される。フィルタ２４に捕集された微粒子が所定量以上となったときに、エンジン冷却水温度が第１所定温度（再生実行温度）以上であることを条件として、燃料噴射弁９からポスト噴射を行うことにより酸化触媒２２に未燃燃料を供給して、フィルタ２４の再生が行われる。イグニッションスイッチ４６のＯＮからＯＦＦまでの間の走行時間が所定値以下の場合には、前記第１所定温度が低い温度に変更される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の微粒子（パティキュレート）が大気に放出されるのを防止するために、排気通路に微粒子を捕集するためのフィルタを設けることが一般的となっている。そして、フィルタに捕集された微粒子が所定量以上になると、フィルタの目詰まり防止のために、この微粒子を燃焼させてフィルタを再生させる必要がある。このフィルタの再生のため、フィルタに酸化触媒を担持させたりフィルタの上流の排気通路に酸化触媒を配設して、排気通路に供給した未燃燃料を酸化触媒で燃焼させることによって発生する高温を利用して、フィルタに捕集された微粒子を燃焼させることも行われている（例えば、特許文献１参照）。フィルタ再生のための未燃燃料の排気通路への供給は、例えば、エンジン燃焼室での燃焼を意図したメイン噴射の噴射時期よりも遅れた時期に、酸化触媒での燃焼を意図したポスト噴射によって行なうことができる。

なお、特許文献２には、エンジンの減速時には、酸化触媒を冷却することになる排気ガスの流量が低下することに起因して酸化触媒が高温になり過ぎる事態を防止するために、減速時に排気流量を増量補正することが開示されているが、この特許文献１に開示の技術は、フィルタの再生機会を増大させるという技術とは相違するものである。
特開平８−４２３２６号公報特開２００４−１９０６６８号公報

ところで、フィルタの再生のためには、エンジンが暖機状態、つまり酸化触媒やフィルタがある程度以上高温であることが効果的な再生を行う上で好ましく、このため、エンジン冷却水温度が所定温度（例えば８０度Ｃ）以上であることを条件として、フィルタの再生を実行しているというのが実情である。したがって、短時間走行を繰り返すのみで、長時間走行を行わないときは、酸化触媒の温度は勿論のこと、エンジンの温度そのものも十分上昇しない状態が継続され、フィルタの再生を行う機会が極めて限定されることとなって、フィルタの目詰まりという問題が深刻になる。特に、タクシー仕様車において往々にして見られるように、短時間走行した後にエンジン停止状態での長時間の客待ちを行う、というような運転態様を繰り返すようなときは、フィルタの再生を行う機会が全くない場合すらあり、フィルタの目詰まりという問題が極めて顕著になる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、フィルタの再生機会を増大できるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタおよび該フィルタの温度を上昇させるための酸化触媒と、
前記フィルタに捕集された微粒子が所定量以上となったときに、エンジン冷却水温度が第１所定温度以上であることを条件として、前記酸化触媒に未燃燃料を供給して前記フィルタの再生を行わせる再生手段と、
イグニッションスイッチのＯＮからＯＦＦまでの間の走行時間に関連するパラメータを検出する走行時間検出手段と、
前記走行時間検出手段によって検出される走行時間が所定値以下の場合には、前記第１所定温度を低い温度に変更する温度変更手段と、
を備えているようにしてある。
上記解決手法によれば、走行時間が短いときは、再生実行条件として第１所定温度が低下されるので、この分再生を行う機会が増大されることになる。なお、エンジン冷却水温度が低い分再生効率は悪くなるが、フィルタの目詰まりによる走行不能という事態を避ける上ではやむを得ないものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記温度変更手段は、前記走行時間検出手段で検出される走行時間に加えて走行開始時のエンジン冷却水温度をもパラメータとして、前記第１所定温度を変更する、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、走行開始時のエンジン冷却水温度度をも加味して第１所定温度が変更されるので、例えば走行時間が同じであっても、走行開始時の冷却水温度が高いほど第１所定温度を高くすることにより、再生機会を増大させつつも、再生効率を極力悪化させないようにする上で好ましいものとなる。

前記再生手段による再生実行時に、エンジンの吸気通路に設けた吸気絞り弁を閉じ方向に駆動すると共に、該吸気絞り弁の閉じ量をエンジン回転数、エンジン負荷が小さいほど大きくする絞り弁制御手段を備え、
前記温度変更手段は、前記吸気絞り弁の閉じ量が大きいほど前記第１所定温度の低下度合を小さくする、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、再生時には、吸気を絞ることによって排気系の温度上昇を図って再生効率を高めることができ、しかも吸気絞り弁の閉じ量を、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとして最適に設定することができる。また、吸気を絞るほど（閉じ量大ほど）第１所定温度を相対的に高い温度に設定して、燃焼性の悪化を抑制することができる。

前記走行時間検出手段によって検出される走行時間が所定時間以下となる頻度が所定頻度以上のとき、運転者に再生を促すための報知手段が設けられている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、第１所定温度の変更のみでは再生が実行されない場合でも、運転者に再生を促して、フィルタの目詰まりを防止する上で好ましいものとなる。

本発明によれば、フィルタの再生機会を増大させて、フィルタの目詰まり防止の上で好ましいものとなる。

図１において、Ｅは、多気筒ディーゼルエンジン（エンジン本体）で、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はピストン、４は燃焼室である。シリンダヘッド２には、吸気ポート５および排気ポート６が形成され、吸気ポート５は吸気弁７によって開閉され、排気ポート６は排気弁８によって開閉される。また、シリンダヘッド２には、燃焼室４に臨ませて、燃料噴射弁９が配設されている。

吸気ポート５に連なる吸気通路１１は、その途中にサージタンク１２を有する。サージタンク１２の上流側の吸気通路は１本の共通吸気通路１１Ａとされて、この共通吸気通路１１Ａには、上流側から下流側へ順次、エアクリーナ１３、吸気量センサ１４，排気ターボ式過給機１５のコンプレッサホイール１５ａ、インタークーラ１６，吸気絞り弁１７，吸気温度センサ１８，吸気圧力センサ１９が配設されている。また、サージタンク１２よりも下流側の吸気通路は、各気筒に対して個々独立して連なる独立吸気通路１１Ｂとされている。

排気ポート６に連なる排気通路２１（各気筒からの独立排気通路が合流された共通排気通路）には、その上流側から下流側へ順次、排気ターボ式過給機１５のタービンホイール１５ｂ、酸化触媒２２，圧力センサ２３，微粒子を捕集するためのフィルタ２４，圧力センサ２５，温度センサ２６，酸素濃度センサ２７が配設されている。

前記燃料噴射弁９は、高圧で燃料噴射を行うもので、このため、燃料ポンプ３１からの高圧燃料を貯溜したコモンレール３２が設けられて、このコモンレール３２に対して、燃料配管３３を介して燃料噴射弁９が接続されている。なお、図１中、３４はエンジン回転数センサ、３５はクランク角センサ、３６はエンジン冷却水温度センサである。

吸気通路１１と排気通路２１とは、ＥＧＲ通路４１を介して接続されている。ＥＧＲ通路４１の吸気通路１１への接続部位は、吸気圧力センサ１９とサージタンク１２との間に設定されている。また、ＥＧＲ通路４１の排気通路２１への接続部位は、タービンホイール１５ｂの上流側（排気ポート６側）に設定されている。このＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲクーラ４２とＥＧＲ弁４３とが接続されている。

図２は、フィルタ２４の再生に関連した制御を行うための制御系統をブロック図的に示すもので、Ｕはマイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）である。このコントローラＵには、前述した各種センサ等２３，２５，２６，３４〜３６からの信号の他、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４５からの信号およびイグニッションスイッチ４６のＯＮ、ＯＦＦ信号が入力される。また、コントローラＵは、燃料噴射弁９および吸気絞り弁１７を制御する他、運転者に対して再生を促すためのブザー、ランプ等の報知手段４７を制御する。なお、図２では、フィルタ２４の再生に直接的には関係しない部分の入出力関係は省略してある。

コントローラＵは、フィルタ２４での微粒子捕集量を、排気圧力センサ２３での検出圧力と排気圧力センサ２５での検出圧力との差圧に基づいて決定するものとなっている。

コントローラＵによる燃料噴射制御は、例えば次のように実行される。まず、フィルタ２４での微粒子捕集量が所定量（例えば最大捕集量の７０％）未満のときは、メイン噴射のみを行って、排気通路２１への未燃燃料を積極的に供給するためのポスト噴射は実行されないものとなる。メイン噴射の燃料噴射時期は、燃焼室４で噴射燃料が燃焼されるタイミングとされる。また、メイン噴射での燃料噴射量は、基本的にアクセル開度とエンジン回転数とによって決定された後、冷却水温度や吸気温度等による補正が行われて最終噴射量とされ、この最終噴射量でもって燃料噴射弁９から燃料噴射される。なお、実施形態では、図３に示すように、メイン噴射の前に少量のパイロット噴射を実行するようにしてあり、図３におけるパイロット噴射とメイン噴射との合計した噴射量が、上記最終噴射量となるように設定されている（パイロット噴射なしのときは、最終噴射量が全てメイン噴射量とされる）。

フィルタ２４での捕集量が所定量以上になると、フィルタ２４を再生させるために、酸化触媒２２に対して未燃燃料を供給するためのポスト噴射が実行されるが、再生実行条件として、例えばエンジン冷却水温度が第１所定温度以上というように条件設定され、しかもこの第１所定温度が変更されるようになっている（第１所定温度の変更の点については後述する）。ポスト噴射の一態様が、図３に示される。ポスト噴射は、膨張行程（つまり燃焼室４での燃焼に関与しないタイミング）に実行されて、図３に示す態様では、ポスト噴射１からポスト噴射３までの３回に分けての分割噴射とされている。このポスト噴射によって噴射された燃料は、燃焼室４では燃焼されずに、全てそのまま排気通路２１へ供給されて、酸化触媒２２で燃焼されることになる。そして、酸化触媒２２での燃焼によって、フィルタ２４に導入される排気ガス温度が十分に高温となって、フィルタ２４に捕集されていた微粒子が燃焼され、フィルタ２４の再生が行われることになる。ポスト噴射での噴射量は、例えばアクセル開度とエンジン回転数とに基づいてオープン制御するようにしてもよく、あるいは酸素濃度センサ２７で検出される酸素濃度が目標酸素濃度となるようにフィードバック制御するようにしてもく、このようなオープン制御とフィードバック制御とを温度センサ２６で検出される温度に応じて選択的に使い分けるようにしてもよい（温度センサ２６で検出される温度が所定温度以上のときフィードバック制御を選択）。

再生実行条件としての前記第１所定温度は、イグニッションスイッチ４６のＯＮからＯＦＦまでの間の走行時間（走行１回当たりの走行時間）に応じて変更される。より具体的には、例えば、図４に示すように、イグニッションスイッチ４６がＯＮされてからＯＦＦされたとき１回当たりの走行時間が短いほど、第１所定温度が低く設定される。この場合、第１所定温度には上限値と下限値とを設定して、この上限値と下限値との間でもって、走行時間が短いほど第１所定温度が低くなるように連続可変的に変化されるようにしてある。なお、図４に示す１回当たりの走行時間は、平均走行時間としてある。すなわち、イグニッションスイッチ４６のＯＮからＯＦＦへの変化を１回の走行（ドライビング）とカウウントして、このカウウント数が所定回数（例えば１０回）となったときに、１回の走行についての平均走行時間を求めるようにしてある。なお、実施形態では、走行時間には、アイドル運転を行っている時間は含まれないものとされている。

図７は、前述したフィルタ２４の再生を行う制御例を示すフローチャートであり、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＳはステップを示す。まず、Ｓ１でデータ入力された後、Ｓ２において、イグニッションスイッチ４６がＯＮされているか否かが判別される。このＳ２の判別でＹＥＳのときは、Ｓ３において、今回の走行時間がカウントされる（走行している限り、走行時間がカウントアップされる）。

上記Ｓ３の後、Ｓ４において、メイン噴射量が決定されると共に、メイン噴射が実行される。Ｓ４の後、Ｓ５において、２つの圧力センサ２３と２５との検出値の差圧に基づいて、フィルタ２４での微粒子の捕集量が決定（推定）される。

上記Ｓ５の後、Ｓ６において、Ｓ５で決定された微粒子の捕集量が、第１所定量β（実施形態ではほぼ０に近い値に設定）未満であるか否かが判別される。このＳ６の判別でＹＥＳのときは、Ｓ７において、再生フラグが０にリセットされた後、Ｓ８において、ポスト噴射量が０に設定される（再生不実行）。

前記Ｓ６の判別でＮＯのときは、Ｓ９において、Ｓ３で決定された捕集量が第２所定量α（例えば最大捕集量の７０％）以上であるか否かが判別される。このＳ９の判別でＹＥＳのときは、フィルタ２４の再生を実行すべき１つの条件が満足されたときであり、このときは、まずＳ１０において、図４に示すマップから、走行時間（平均走行時間）に応じて、第１所定温度となる再生実行水温が決定される。この後、Ｓ１１において、水温センサ３６で検出される実際のエンジン冷却水温度が、Ｓ１０で決定された再生実行水温以上であるか否かが判別される。このＳ１１の判別でＮＯのときは、再生を行わないときであり、このときは、図１２に移行して、ポスト噴射の噴射量が０に設定される（再生不実行）。

前記Ｓ１１の判別でＹＥＳのときは、Ｓ１３において、再生が開始されたことを示すべく、再生フラグが１にセットされる。この後、Ｓ１４において、再生を行うべく、ポスト噴射が実行される。この後、Ｓ１５において、再生中に極力排気系の温度を上昇させるべく、吸気絞り弁１７の開度が閉方向に制御される。この、吸気絞り弁１７の閉じ量は、例えば、図６に示すように、エンジン回転数とエンジン負荷としてのアクセル開度とをパラメータとして設定することができ、エンジン回転数が小さいほど、あるいはエンジン負荷が小さいほど、吸気絞り弁１７の閉じ量が大きくされる（開度が小さくされる）。なお、図６では、エンジン回転数とアクセル開度とをパラメータとする領域がε１〜ε５の５つの領域に分けられているが、吸気絞り弁１７の開度は、例えば、領域ε１では０〜２０％、領域ε２では２０〜４０％、領域ε３では４０〜６０％、領域ε４では６０〜８０％、領域ε５では８０〜１００％とされる。なお、各領域ε１〜ε５において、吸気絞り弁１７の開度を連続可変的に変更することもできる。

前記Ｓ９の判別でＮＯのときは、Ｓ１６において、再生フラグが１であるか否かが判別される。このＳ１６の判別でＹＥＳのときはＳ１４へ移行され、Ｓ１６の判別でＮＯのときはＳ７へ移行される。

前記Ｓ２の判別でＮＯのとき、つまりイグニッションスイッチ４６がＯＦＦされたときは、Ｓ１７において、１回の走行当たりの平均値となる平均走行時間が算出される。この後、Ｓ１８において、再生が終了しているか否かが判別される（再生フラグが０である場合に再生終了となる）。このＳ１８の判別でＮＯのときは、Ｓ１９において、平均走行時間が記憶される。勿論、この記憶されている平均走行時間が、図４の走行時間として用いられるものである。上記Ｓ１８の判別でＮＯのときは、Ｓ２０において、平均走行時間の記憶値がクリアされる。

図５は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、第１所定温度としての再生実行水温を、走行時間（平均走行時間）に加えて、再生開始時の実際のエンジン冷却水温度をもパラメータとして決定するようにしたものであり、走行時間が短いほど、また再生開始時の冷却水温度が低いほど、第１所定温度が低くなるように設定してある。より具体的には、図５において、領域δ１〜δ５の５つの領域に分けられているが、第１所定温度としての再生実行水温は、例えば、領域δ１では４０〜５０度Ｃ、領域δ２では５０〜６０度Ｃ、領域δ３では６０〜７０度Ｃ、領域δ４では７０〜８０度Ｃ、領域δ５では８０〜９０度Ｃとされる。なお、各領域δ１〜δ５において、再生実行水温を連続可変的に変更することもできる。図５の実施形態においては、図７のＳ１０において、図５に示すマップにしたがって再生実行水温を決定すればよい。

図８は、本発明の第３の実施形態を示すものであり、走行時間が、短い走行時間として設定された所定時間Ｔ１（例えば１０分）以下となる走行回数が所定回数（例えば１０回）となったときに、車室内に設けたブザー、ランプ等の報知手段４７を作動させて、運転者に対して再生を促すようにしたものである。この図８のフローチャートは、例えば、図７のフローチャートに対する割り込み処理、あるいは図７のＳ９の直後、あるいはＳ１２の後に実行される処理として実行される。

まず、図８のＳ２１においてデータ入力された後、Ｓ２２において、前回の走行時間が所定時間Ｔ１以下であるか否かが判別される。このＳ２２の判別でＹＥＳのときは、所定時間Ｔ１以下となる走行回数Ｃがカウントアップされる。この後、Ｓ２４において、上記走行回数Ｃが所定回数以上であるか否かが判別される。このＳ２４の判別でＹＥＳのときは、Ｓ２５において、運転者に対して再生を促すための報知手段４７が作動される。

図８のフローチャートの変形として、前回の走行時間が再生を十分に行える長い所定時間以上である場合には、Ｓ２３でのカウント回数をクリアするようにしてもよい。また、Ｓ２５での報知の前提として、フィルタ２４での微粒子の捕集量が相当に多くなっていることを確認する処理を行うようにしてもよい。さらに、所定回数（例えば２０回）の走行回数を設定して、この所定回数に対して走行時間が短い所定時間Ｔ１以下となる回数の割合が所定割合（例えば４０％以上）であるときに、Ｓ２５での報知を行うようにしてもよい。

図９は、本発明の第４の実施形態を示すものである。本実施形態では、再生を促すための報知領域を、再生実行温度とフィルタ２４の微粒子捕集量とをパラメータとして設定してある。すなわち、図９において、左方側の領域が報知を行う領域であり、右方側の領域が報知をしない領域である。この図９において、パラメータとしての再生実行温度は、例えば、図４あるいは図５のマップに基づいて得られたものが用いられる。図９から明かなように、再生実行水温が低いほどフィルタ堆積量が小さくなるまで報知を行って、再生のための運転を促すようになっている。なお、この報知は、フィルタ堆積量が所定値以上に多くなったときに行われる通常の報知とは別のものである。

ここで、運転者に再生を促すための報知を行う時期としては、例えば図４において、走行時間（平均行時間）が例えば１２分以下のとき、あるいは下限値温度になる１０分以下のとき、というように設定することもできる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。ポスト噴射は、１回のみの噴射としてもよく、また分割噴射するときは分割回数を適宜変更できる。酸化触媒２２は、フィルタ２４と別個に設けることなく、フィルタ２４に担持させることによってフィルタ２４と一体的に設けるようにしてもよい。なお、フィルタ２４の再生実行条件として、酸化触媒２２の温度（温度センサ２６の検出温度）が所定温度（例えば２６０度Ｃ）以上という条件設定することもできる。

走行時間に応じた再生実行水温の変更に際して、再生時の吸気絞り弁１７の開度が小さいほど（閉じ量が大きいほど）、再生実行水温が高くなるように補正するようにしてもよい（燃焼性悪化を抑制）。すなわち、例えば、走行時間に応じて基本の再生実行水温を例えば図４のマップから決定して、この決定された再生実行水温を、吸気絞り弁１７の開度に応じて補正すればよい。なお、再生時の吸気絞り弁１７の開度は、例えば図６に示すマップのように決定すればよい。フローチャートに示す各ステップあるいはステップ群は、その機能内容を示す名称に手段の文字を付して表現できるものである。イグニッションスイッチ４６のＯＮからＯＦＦまでの走行時間を検出するためのパラメータとしては、走行時間に関連してくるパラメータであれば適宜のものを採択することができ、例えば走行距離を用いることもできる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明が適用されたエンジンの全体系統図。本発明による制御系統例を示すブロック図。排気系に未燃燃料を供給するためのポスト噴射の一例をメイン噴射と共に示す特性図。走行時間に応じて再生実行温度を変更する一例を示す図。本発明の第２の実施形態を示すもので、走行時間と再生開始時の冷却水温度度とに応じて再生実行温度を変更する一例を示す図。再生時における吸気絞り弁の開度変更例を示す図。本発明の制御例を示すフローチャート。本発明の第３の実施形態を示すフローチャート。本発明の第４の実施形態を示す図。

符号の説明

Ｅ：エンジン本体
Ｕ：コントローラ
４：燃焼室
９：燃料噴射弁
１１：吸気通路
２１：排気通路
２２：酸化触媒
２３：排気圧力センサ
２４：フィルタ
２５：排気圧力センサ
２６：排気温度センサ
４６：イグニッションスイッチ
４７：報知手段

Claims

エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタおよび該フィルタの温度を上昇させるための酸化触媒と、
前記フィルタに捕集された微粒子が所定量以上となったときに、エンジン冷却水温度が第１所定温度以上であることを条件として、前記酸化触媒に未燃燃料を供給して前記フィルタの再生を行わせる再生手段と、
イグニッションスイッチのＯＮからＯＦＦまでの間の走行時間に関連するパラメータを検出する走行時間検出手段と、
前記走行時間検出手段によって検出される走行時間が所定値以下の場合には、前記第１所定温度を低い温度に変更する温度変更手段と、
を備えてい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。
請求項１において、
前記温度変更手段は、前記走行時間検出手段で検出される走行時間に加えて走行開始時のエンジン冷却水温度をもパラメータとして、前記第１所定温度を変更する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
請求項１において、
前記再生手段による再生実行時に、エンジンの吸気通路に設けた吸気絞り弁を閉じ方向に駆動すると共に、該吸気絞り弁の閉じ量をエンジン回転数、エンジン負荷が小さいほど大きくする絞り弁制御手段を備え、
前記温度変更手段は、前記吸気絞り弁の閉じ量が大きいほど前記第１所定温度の低下度合を小さくする、
ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
請求項１において、
前記走行時間検出手段によって検出される走行時間が所定時間以下となる頻度が所定頻度以上のとき、運転者に再生を促すための報知手段が設けられている、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。