JP2010071108A - エンジンの排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ再生時であってもエンジンに排気を還流することによって十分なＮＯｘ低減効果を得て、さらにＥＧＲ通路に設けられているＥＧＲバルブの故障を抑制することができるエンジンの排気還流装置を提供する。
【解決手段】エンジン１の排気還流装置は、第２酸化触媒６３、ＥＧＲクーラー５１、及びＥＧＲバルブ５３を経由してエンジン１の吸気通路３に排気を還流するようになっている高温時ＥＧＲ通路５９と、ＥＧＲバルブ５３の温度を検出するガス温度センサ５５と、フィルタ４１の再生制御が実行されているときに、ガス温度センサ５５により検出されたＥＧＲバルブ５３の温度が所定温度未満である場合には低温時ＥＧＲ通路５７から排気を還流し、所定温度以上である場合に高温時ＥＧＲ通路５７から排気を還流するように低温時ＥＧＲ通路５７と高温時ＥＧＲ通路５９を切り替える第１、第２切替バルブ６１，６５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気還流装置に係わり、特に、エンジンの排気微粒子を捕集するフィルタを再生しているときにエンジンの排気を還流する排気還流装置に関する。

エンジンの排気の一部をエンジンの吸気通路に還流して、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を低減させる排気還流（ＥＧＲ）装置が知られている。また、エンジンの排気通路に酸化触媒及びエンジンの排気微粒子を捕集するフィルタを備えた排気システムも知られている。このシステムでは、フィルタに捕集されている排気微粒子が所定量を超えると、エンジンに燃料を噴射する燃料噴射装置によって酸化触媒に未燃燃料を供給して未燃燃料を酸化し、未燃燃料の酸化熱によってフィルタに捕集されている排気微粒子を燃焼させることによって、フィルタを再生するようになっている。そしてＥＧＲ装置が設けられた排気システムとしては特許文献１に記載されたものがある。

特開２００６−２３３９４７

この特許文献１に記載されたＥＧＲ装置は、エンジンの排気を還流するためのＥＧＲ通路上にも酸化触媒を設けることにより、排気中に未燃燃料が混ざっていたとしても酸化触媒によって未燃燃料を酸化させ、エンジンに未燃燃料が供給されることを防止するようにしている。

しかしながら、ＥＧＲ通路上に酸化触媒を設けると、ＥＧＲ通路内の温度が急上昇してエンジンに還流される排気の量を調整するためのＥＧＲバルブの故障を招くおそれがあった。

そこで本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、フィルタ再生時であってもエンジンに排気を還流することによって十分なＮＯｘ低減効果を得て、さらにＥＧＲ通路に設けられているＥＧＲバルブの故障を抑制することができるエンジンの排気還流装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、エンジンの排気微粒子を捕集するフィルタを再生しているときにエンジンの排気を還流する排気還流装置であって、所定条件下でエンジンの排気通路に設けられた第１酸化触媒に未燃燃料を供給することによりフィルタに捕集されている排気微粒子を燃焼させてフィルタを再生する再生手段と、第１酸化触媒よりも排気通路上流側でこの排気通路から分岐しエンジンに排気を還流するための第１ＥＧＲ通路であって、第２酸化触媒及びＥＧＲバルブを経由してエンジンの吸気通路に排気を還流するようになっている第１ＥＧＲ通路と、第２酸化触媒、ＥＧＲクーラー、及びＥＧＲバルブを経由してエンジンの吸気通路に排気を還流するようになっている第２ＥＧＲ通路と、ＥＧＲバルブの温度に関連するパラメータ値を検出するパラメータ値検出手段と、再生手段によりフィルタが再生されているときに、パラメータ値検出手段により検出されたＥＧＲバルブの温度が所定温度未満である場合には第１ＥＧＲ通路から排気を還流し、所定温度以上である場合には第２ＥＧＲ通路から排気を還流するように第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路を切り替える切替手段とを有することを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、再生手段によってフィルタが再生されているときに、ＥＧＲバルブの温度が所定温度未満である場合には第１ＥＧＲ通路から排気を還流し、ＥＧＲバルブの温度が所定温度以上である場合には第２ＥＧＲ通路から排気を還流するように還流通路を切り替えることができる。そしてＥＧＲバルブの温度が所定温度以上である場合に、第２酸化触媒、ＥＧＲクーラー、及びＥＧＲバルブを経由して排気を還流することによって、再生手段の実行により排気に混合されている未燃燃料を酸化させて、さらにＥＧＲクーラーによって排気の温度を低下させることができるため、ＥＧＲバルブが高温に曝されるのを防止し、ＥＧＲバルブの故障を抑制することができる。

また、本発明において、好ましくは、更に、エンジンの冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段と、ＥＧＲクーラー及びＥＧＲバルブとを経由してエンジンの吸気通路に排気を還流するようになっている第３ＥＧＲ通路とを備え、切替手段は、再生手段によりフィルタが再生されていないときに、冷却水温度検出手段により検出されたエンジンの冷却水温度が所定温度未満である場合には第１ＥＧＲ通路から排気を還流し、所定温度以上である場合には第３ＥＧＲ通路から排気を還流するように第１ＥＧＲ通路と第３ＥＧＲ通路を切り替えるようになっている。

このように構成された本発明によれば、再生手段によってフィルタが再生されていないときに、エンジンの冷却水温度が所定温度未満である場合には第１ＥＧＲ通路から排気を還流し、冷却水温度が所定温度以上である場合には第３ＥＧＲ通路から排気を還流するように還流通路を切り替えることができる。そしてエンジンの冷却水温度が所定の温度未満である場合には第２酸化触媒及びＥＧＲバルブを経由させることで排気の温度を上昇させてエンジンに還流することができる。そしてこれにより、再生手段を実行していないときでもエンジンを暖機させることができる。

このように本発明にかかるエンジンの排気還流装置によれば、フィルタ再生時であってもエンジンに排気を還流することによって十分なＮＯｘ低減効果を得て、さらにＥＧＲ通路に設けられているＥＧＲバルブの故障を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの排気還流装置について説明する。図１は、本実施形態による車両のエンジン及びその排気還流装置を示すブロック図である。図１に示すように、車両は、エンジン１を備え、このエンジン１には、吸気通路３及び排気通路５が設けられている。

エンジン１は、多気筒ディーゼルエンジンであり、シリンダヘッド７に設けられた燃料噴射弁９を備えており、燃料噴射弁９は、エンジン１の燃焼室１１内に燃料を噴射するようになっている。また、エンジン１は、吸気通路３から吸気された空気を燃焼室１１内に導入し燃料噴射弁９が噴射した燃料を燃焼させて駆動するようになっている。そしてエンジン１の排気は、排気通路５を通って車両外部に排気される。またエンジン１は、エンジン１内の水温を検出する冷却水温度センサ１３と、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ１５を備えている。これら燃料噴射弁９、冷却水温度センサ１３、及び回転速度センサ１５は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１７と接続されている。そして燃料噴射弁９は、ＥＣＵ１７によって燃料の噴射量、噴射のタイミング等が制御されるようになっている。また、冷却水温度センサ１３及び回転速度センサ１５の検出結果は、ＥＣＵ１７によって読み取れるようになっている。

吸気通路３には、その上流から、エアクリーナー１９、吸気量を検出する吸気量センサ２１、ターボ過給機２３のコンプレッサ２５、空気を冷却するインタークーラー２７、及び吸気量を制御するための吸気制御弁２９が配設されている。そしてエアクリーナー１９を通って吸気通路３に供給された空気は、コンプレッサ２５によって加圧され、インタークーラー２７によって冷却された後、サージタンク３１に供給される。サージタンク３１内には、吸気温度センサ３３、及び吸気圧センサ３５が配設されており、サージタンク３１内に供給された空気の温度及び圧力を検出するようになっている。

また、排気通路５には、その上流から、エンジン１からの排気によって回転させられるターボ過給機２３のタービン３７、第１酸化触媒３９、及び排気中の微粒子を捕集するためのフィルタ４１が配設されている。また、第１酸化触媒３９の排気通路上流側及び排気通路下流側には、それぞれ排気温度センサ４３，４５が配設されている。また、フィルタ４１の排気通路上流側及び排気通路下流側は、フィルタ４１を介さずに連結されており、その内部には、フィルタ４１の上流側の圧力及び下流側圧力の差圧を検出する差圧センサ４７が配設されている。

燃料噴射弁９は、エンジン１が出力を発生させるように燃料を噴射する主噴射制御と、噴射した燃料が燃焼されずに排気通路５に排出されるように燃料を噴射する副噴射制御を行えるようになっている。

フィルタ４１は、第１酸化触媒３９の排気通路下流側に設けられており、排気中に含まれる微粒子を捕集する。そしてフィルタ４１によって排気中の微粒子が捕集されると、その後エンジン１からの排気はマフラー（図示せず）、エキゾーストパイプ（図示せず）等を通じて車両外部に排出される。

このような車両は、このフィルタ４１に所定量以上の微粒子が捕捉されると、フィルタ４１を再生制御するようになっている。フィルタ４１の再生制御は、燃料噴射弁９がエンジン１の膨張行程で燃料を噴射して未燃燃料を第１酸化触媒３９に供給し、第１酸化触媒３９によって未燃燃料を酸化して、第１酸化触媒３９の排気通路下流側の温度を急上昇させることで実行される。そしてこれにより、フィルタ４１が捕捉した排気微粒子は燃焼され、フィルタ４１が再生される。そしてこのフィルタ４１の再生制御は、ＥＣＵ１７が差圧センサ４７の検出結果に基づいてフィルタ４１に捕集されている微粒子の量を算出して、フィルタ４１に捕集されている微粒子の量が所定量以上となったときに行われる。

また、排気通路５には、エンジン１の排気をエンジン１に還流する主ＥＧＲ通路４９が連結されている。この主ＥＧＲ通路４９は、排気通路５におけるエンジン１とターボ過給機２３のタービン３７との間から、吸気通路３のサージタンク３１まで延びている。そして主ＥＧＲ通路４９は、矢印Ａで示すような経路でエンジン１の排気をエンジン１に還流するようになっており、この主ＥＧＲ通路４９は、本発明の第３ＥＧＲ通路に相当する。また、主ＥＧＲ通路４９には、排気を冷却するＥＧＲクーラー５１及び排気の還流量を調節するＥＧＲバルブ５３が配設されている。そしてこの主ＥＧＲ通路４９は、フィルタ４１の再生制御を行っていない場合に、エンジン１の排気を還流するための通路である。さらにＥＧＲバルブ５３近傍には、ＥＧＲバルブ５３の温度に関するパラメータを取得するためのガス温度センサ５５が設けられている。

また、エンジンの排気還流装置は、上述のフィルタ４１の再生制御を行っていないときに使用される主ＥＧＲ通路４９の他に、フィルタ４１の再生制御時に使用され、ＥＧＲバルブ５３の温度に応じて切り替えられる２つのＥＧＲ通路を備える。具体的には排気還流装置は、ＥＧＲバルブ５３の温度が比較的低い場合に使用する低温時ＥＧＲ通路５７と、ＥＧＲバルブ５３の温度が比較的高い場合に使用する高温時ＥＧＲ通路５９を備える。

低温時ＥＧＲ通路５７は、ＥＧＲクーラー５１の主ＥＧＲ通路上流側に設けられた第１切替バルブ６１から、ＥＧＲクーラー５１を迂回してＥＧＲバルブ５３まで延びる。また、低温時ＥＧＲ通路５７には、第２酸化触媒６３が配設されており、低温時ＥＧＲ通路５７を通った排気を酸化するようになっている。そして低温時ＥＧＲ通路５７を通る排気は、矢印Ｂによって示すように、第２酸化触媒６３によって酸化されＥＧＲクーラー５１を通らずにそのままＥＧＲバルブ５３に到達するようになっており、この低温時ＥＧＲ通路５７は、本発明の第１ＥＧＲ通路に相当する。

高温時ＥＧＲ通路５９は、第２酸化触媒６３の低温時ＥＧＲ通路下流側に設けられた第２切替バルブ６５から、主ＥＧＲ通路４９の第１切替バルブ６１とＥＧＲクーラー５１の間まで延びる。そして高温時ＥＧＲ通路５９を通る排気は、矢印Ｃによって示すように、第２酸化触媒６３によって酸化されて、次いでＥＧＲクーラー５１を通ってＥＧＲバルブ５３に到達するようになっており、この高温時ＥＧＲ通路５９は、本発明の第２ＥＧＲ通路に相当する。

次に、図２及び図３を参照して排気還流装置１の動作を説明する。図２は、ＥＣＵ１７の動作を示すフロー図であり、図３は、エンジンの要求トルクＴとエンジンの回転速度Ｎｅの関係を示すグラフである。

エンジン１が始動すると、ＥＣＵ１７は一連の処理を開始する。そして、Ｓ１においてＥＣＵ１７は、エンジン１の回転速度Ｎｅ、アクセル開度θａ、フィルタ４１の上下の差圧Ｐ、エンジン１の冷却水温度Ｔｗ、還流ガス温度Ｔｅ等に関する各種パラメータを取得する。この処理は、ＥＣＵ１７が、回転速度センサ１５、差圧センサ４７、冷却水温度センサ１３、ガス温度センサ５５等の検出値を読み込むことで実行される。

次いでＳ２においてＥＣＵ１７は、エンジン１の回転速度Ｎｅとアクセル開度θａに基づいて要求トルクＴを算出する。これによりＥＣＵ１７は、エンジン１の負荷を得ることができる。次いでＳ３においてＥＣＵ１７は、差圧Ｐに基づいてフィルタ４１に捕捉されている排気微粒子量Ｍを算出する。これによりＥＣＵ１７は、フィルタ再生制御の要否を判断するためのパラメータを取得する。そしてこれらの処理は、ＥＣＵ１７が、Ｓ１で読み込んだパラメータに基づいて行う。

次いでＳ４においてＥＣＵ１７は、フィルタ４１に捕捉されている排気微粒子量Ｍが、予め設定されたフィルタ再生終了判定閾値Ｍｅ以下であるか否かを判断する。フィルタ再生終了判定閾値Ｍｅは、フィルタ再生制御によりフィルタ４１に捕捉されている微粒子の量が所定量以下に減少しフィルタ再生制御を終了させるときの閾値である。そして、フィルタ４１に捕捉されている排気微粒子量Ｍがフィルタ再生終了判定閾値Ｍｅ以下である場合にはフィルタ再生制御を行う必要がない、又はフィルタ再生制御中であれば、フィルタ４１に捕捉されている微粒子が減少したためフィルタ再生制御を終了させてもよいこととなる。一方、排気微粒子量Ｍがフィルタ再生終了判定閾値Ｍｅよりも大きい場合には、ＥＣＵ１７はＳ５以降の処理を実行する。

Ｓ５においてＥＣＵ１７は、排気微粒子量Ｍがフィルタ再生開始判定閾値Ｍｓ（Ｍｓ＞Ｍｅ）以上であるか否かを判断する。フィルタ再生開始判定閾値Ｍｓは、フィルタ再生制御を開始する必要があることを示す閾値であり、排気微粒子量Ｍがフィルタ再生開始判定閾値Ｍｓ以上である場合には、フィルタ再生制御を開始する必要があると判断する。そして、フィルタ再生制御を実行する必要があると判断した場合には、ＥＣＵ１７は、Ｓ６以降の処理を実行する。

Ｓ６においてＥＣＵ１７は、フィルタ再生制御を実行中であることを示すために再生実行フラグとして値１を立て、次いでＳ７においてフィルタ再生制御を開始する。フィルタ再生制御は、上述のようにＥＣＵ１７が燃料噴射弁９を制御して、エンジン１の膨張行程において燃料噴射弁９から燃料を噴射する副噴射制御によって実行される。そして副噴射制御が行われると、エンジン１から第１酸化触媒３９に未燃燃料が供給される。その後、未燃燃料は第１酸化触媒３９によって酸化され、これによりフィルタ４１に捕捉されている微粒子を燃焼させる。

次いで、Ｓ８においてＥＣＵ１７は、要求トルクＴ及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいてＥＧＲ率を設定する。

図３に示すようにエンジンの要求トルクＴと回転速度Ｎｅが所定値よりも低いような領域Ａ１では、ＥＧＲ制御を行い、一方で高回転高負荷時（領域Ａ１以外）には、ＥＧＲ制御を行わない。そして、領域Ａ１内において、要求トルクＴが比較的少なく、エンジン１の回転速度Ｎｅが比較的遅いような低回転低負荷時にはＥＧＲ率は低くなり、中回転中負荷時には、ＥＧＲ率は高く設定される。

次いで、Ｓ９においてＥＣＵ１７は、還流ガス温度Ｔｅが、還流ガス温度判定閾値Ｘよりも低いか否かを判断する。還流ガス温度判定閾値Ｘは、還流したガスによってＥＧＲバルブ５３が損傷しないような温度に関する閾値である。そして還流ガス温度Ｔｅが、還流ガス温度判定閾値Ｘよりも高い場合には、ＥＣＵ１７は、Ｓ１０以降の処理を実行する。

Ｓ１０においてＥＣＵ１７は、排気の還流通路を高温時ＥＧＲ通路５９（矢印Ｃ）に設定する。これにより、排気が第２酸化触媒６３及びＥＧＲクーラー５１を介してエンジン１に還流されるようになる。次いでＳ１１においてＥＣＵ１７は、設定されたＥＧＲ通路に応じて第１切替バルブ６１、及び第２切替バルブ６５を制御する。次いでＳ１２においてＥＣＵ１７は、ＥＧＲ率に応じてＥＧＲバルブ５３を制御する。そしてＳ１０において高温時ＥＧＲ通路５９が設定されて排気が高温時ＥＧＲ通路５９を通って還流されることにより、フィルタ再生制御によって排気中に混合している未燃燃料を第２酸化触媒６３で酸化させ、未燃燃料が還流されることによるエンジン１の異常燃焼を防止することができ、さらに第２酸化触媒６３で上昇した排気の温度をＥＧＲクーラー５１によって低下させてＥＧＲバルブ５３が損傷するのを防止することができる。

また、Ｓ９において還流ガス温度Ｔｅが、還流ガス温度判定閾値Ｘよりも低いと判断された場合、Ｓ１３においてＥＣＵ１７は、ＥＧＲ通路を低温時ＥＧＲ通路５７（矢印Ｂ）に設定し、次いでＳ１１以降の処理を実行する。そして低温時ＥＧＲ通路５７が設定されると、排気は、第２酸化触媒６３を通って、ＥＧＲクーラー５１を迂回してＥＧＲバルブ５３の方向に流れるようになる。排気が低温時ＥＧＲ通路５７を通ることにより、排気中に含まれる未燃燃料を第２酸化触媒６３で酸化させ、未燃燃料が供給されることによるエンジン１の異常燃焼を防止することができ、さらに第２酸化触媒６３によって排気の温度を上昇させることによりエンジン１を暖機させることができる。

一方、Ｓ４においてフィルタ３３に捕捉されている排気微粒子量Ｍが、予め設定されたフィルタ再生終了判定閾値Ｍｅ以下であると判断され、フィルタ再生制御を行う必要がないと判断された場合について説明する。この場合、Ｓ１４においてＥＣＵ１７は、フィルタ再生制御を実行中でないことを示すために再生実行フラグとして値０を立てた後、副噴射制御を行うことなく、Ｓ１５においてＥＧＲ率を設定する。Ｓ１５における処理は、Ｓ８における処理と同様であり、高負荷高回転時を除いてエンジンの負荷に応じたＥＧＲ率が設定される。次いで、Ｓ１６においてＥＣＵ１７は、冷却水温度Ｔｗが、低水温判定閾値Ｙよりも低いか否かを判断する。冷却水温度Ｔｗが、低水温判定閾値Ｙよりも低い場合には、エンジン１を暖機すべく、Ｓ１３以降の処理を実行する。一方で、冷却水温度Ｔｗが、低水温判定閾値Ｙよりも高い場合には、エンジン１を暖機する必要がないため、ＥＣＵ１７は、ＥＧＲ通路を主ＥＧＲ通路４９（矢印Ａ）に設定する。これにより排気が第２酸化触媒６３を通らずにエンジン１に還流されるようになる。その後、ＥＣＵ１７は、Ｓ１１以降の処理を実行する。

さらに上述のＳ５において排気微粒子量Ｍがフィルタ再生開始判定閾値Ｍｓ以上でなく、フィルタ再生制御を開始する必要がないと判断された場合、Ｓ１８においてＥＣＵ１７は、再生実行フラグが値１を示しているか否かを判断する。これにより、フィルタ再生制御を実行中であるか否かを判断することができる。そして再生実行フラグが値１を示している場合には、フィルタ再生制御を実行中であるとして、Ｓ６以降の処理を実行する。一方で、再生実行フラグが値１を示していないと判断した場合には、フィルタ再生制御を実行中でないとして、Ｓ１４以降の処理を実行する。

このように本発明の実施形態によれば、フィルタ４１の再生制御時にもエンジンの排気を還流させることができ、さらにＥＧＲバルブ５３近傍の温度に応じて排気のＥＧＲ通路を切り替えることで、ＥＧＲバルブ５３の故障を抑制することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの排気還流装置及びその周辺を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンの排気還流装置の動作を示すフロー図である。 本発明の実施形態によるエンジンの要求トルクＴとエンジンの回転速度Ｎｅの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
５ 排気通路
９ 燃料噴射弁
１３ 冷却水温度センサ
１７ ＥＣＵ
４９ 主ＥＧＲ通路（第３ＥＧＲ通路）
５１ ＥＧＲクーラー
５３ ＥＧＲバルブ
５７ 低温時ＥＧＲ通路（第１ＥＧＲ通路）
５９ 高温時ＥＧＲ通路（第２ＥＧＲ通路）
６１ 第１切替バルブ
６３ 第２酸化触媒
６５ 第２切替バルブ

Claims (2)

1. エンジンの排気微粒子を捕集するフィルタを再生しているときにエンジンの排気を還流する排気還流装置であって、
   所定条件下で前記エンジンの排気通路に設けられた第１酸化触媒に未燃燃料を供給することにより前記フィルタに捕集されている排気微粒子を燃焼させて前記フィルタを再生する再生手段と、
   前記第１酸化触媒よりも排気通路上流側でこの排気通路から分岐し前記エンジンに排気を還流するための第１ＥＧＲ通路であって、第２酸化触媒及びＥＧＲバルブを経由して前記エンジンの吸気通路に排気を還流するようになっている第１ＥＧＲ通路と、
   前記第２酸化触媒、ＥＧＲクーラー、及び前記ＥＧＲバルブを経由して前記エンジンの吸気通路に排気を還流するようになっている第２ＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲバルブの温度に関連するパラメータ値を検出するパラメータ値検出手段と、
   前記再生手段により前記フィルタが再生されているときに、前記パラメータ値検出手段により検出された前記ＥＧＲバルブの温度が所定温度未満である場合には前記第１ＥＧＲ通路から排気を還流し、所定温度以上である場合には前記第２ＥＧＲ通路から排気を還流するように前記第１ＥＧＲ通路と前記第２ＥＧＲ通路を切り替える切替手段と、
   を有することを特徴とするエンジンの排気還流装置。
2. 更に、前記エンジンの冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段と、
   前記ＥＧＲクーラー及び前記ＥＧＲバルブとを経由して前記エンジンの吸気通路に排気を還流するようになっている第３ＥＧＲ通路とを備え、
   前記切替手段は、前記再生手段により前記フィルタが再生されていないときに、前記冷却水温度検出手段により検出された前記エンジンの冷却水温度が所定温度未満である場合には前記第１ＥＧＲ通路から排気を還流し、所定温度以上である場合には前記第３ＥＧＲ通路から排気を還流するように前記第１ＥＧＲ通路と前記第３ＥＧＲ通路を切り替えるようになっている請求項１に記載のエンジンの排気還流装置。

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