JP2010248922A - 再生処理中の排ガス温度上昇方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生処理中におけるローアイドル時に、排ガスの温度を確実に上昇させること。
【解決手段】内燃機関の複数の気筒から、負荷発生気筒を選択する。負荷発生気筒は、圧縮仕事により内燃機関に負荷を生じさせる。一方負荷発生気筒以外の他の気筒には、負荷発生気筒が生じさせた負荷に対応する駆動量を生じさせる。これにより、内燃機関から排出される排ガスの温度を上昇させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置の再生処理において、排ガス温度を上昇させる排ガス温度上昇方法に関する。

車両には、排ガスを浄化するため、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）装置と呼ばれる排ガス浄化装置が具えられている。ＤＰＦ装置は、排ガス中に含まれる微粒子を濾過し捕捉する濾過装置や、ＮＯｘやＨＣを処理しそれらの濃度を低減させる触媒装置等を適宜内部に具えている。

濾過装置は、排ガスを濾過すると、煤分が堆積し、目詰まりにより濾過機能が低下する。そのため濾過装置の目詰まりを解消する方法の一つとして、煤分をＤＰＦ装置の内部で燃焼させる再生処理が行われる。

この再生処理を行っている間は、煤分の燃焼を継続させるために濾過装置を所定温度に保持する必要がある。車両の排ガス温度が高ければ、車両走行中に排ガスを濾過装置に通して煤分を燃焼させることができる。ところが、車両が低速、かつ低負荷で走行している場合などでは排ガスの温度は低く、そのため、レイトポスト噴射を行って、排ガス温度を上昇させていた。

レイトポスト噴射は、エンジンの膨張行程から排気行程にかけて筒内に燃料を噴射し、排ガス浄化装置に未燃焼ガスを供給し、濾過装置の上流に設けられた触媒で未燃焼ガスを反応させ、その際に生じる反応熱で排ガス温度を上昇させる処理である。

ところが、ディーゼルエンジンを搭載した車両の場合、ローアイドル状態、例えば暖気が終了し、補機類の作動がなく、低い回転数でのアイドリング状態では、触媒が活性化する温度まで排ガス温度が上昇しないことがある。そのため従来は、例えば内燃機関のエキゾーストブレーキを作動させ、吸気スロットル弁を適度な開度に絞り、可変容量型ターボ（ＶＧターボ）のノズル間隔を広げ、エンジンブレーキ補助機能を作動させない状態とした操作を行い、排ガス温度を触媒が活性化される温度まで上昇させるようにしていた。

特許第３８７６８８１号

しかしながら、上述した排ガス温度の上昇方法では、排ガス流量が少ないことから触媒を加熱するに必要な熱容量が十分に得られず、触媒加熱及び再生処理に長い時間を要していた。また、同様に排ガス流量が少ないことから、温度制御が難しく、制御性が良好でなかった。

また、従来の排ガス温度の上昇方法では、吸入空気量を低下させていることから、燃料噴射量を増加させると、排ガス中に含まれる黒煙量が増加するという問題があった。そのため、燃料噴射量を増加させて効率よく排ガス温度を上昇させることができなかった。

本発明は上記課題を解決し、ディーゼルエンジンを搭載した車両において、排ガス浄化装置の再生処理実行中に排ガス温度を上昇させる温度上昇方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、再生処理中の排ガス温度上昇方法を次のように構成した。
内燃機関は、内燃機関に具えられた複数の気筒から、所定の気筒を負荷発生気筒に設定可能に構成する。排ガス温度を上昇させる際には、設定された負荷発生気筒では、エンジンブレーキ補助機能を作動させる。一方負荷発生気筒以外の気筒は、負荷発生気筒で発生した負荷に対応し、内燃機関が安定したアイドリング状態を維持するに充分な駆動力で駆動させる。

本発明にかかる再生処理中の排ガス温度の上昇方法は、次の効果を有している。

内燃機関の一部の気筒に設定された負荷発生気筒が、負荷を生じさせるので、負荷発生気筒が生じさせた負荷に対応するため、負荷発生気筒以外の気筒での駆動力が増大される。

かかる負荷発生気筒以外の気筒で生じる駆動力の増大により、内燃機関に供給される吸入空気量、および燃料噴射量が増大し、それに伴い排ガス流量および排ガス温度が上昇される。

また負荷発生気筒が生じさせた負荷に対応して負荷発生気筒以外の気筒の駆動力を増大させているので、内燃機関のクランクシャフトの回転状態に大きな変動を生じさせることがなく、運転者に大きな違和感を感じさせない。

吸入空気量の増大に応じて燃料噴射量を増加させるので、燃料過多とならず、排ガス中に含まれる黒煙の増加を防止できる。排ガス流量が増加するので、排ガスの熱容量が増大し、ＤＰＦ装置、つまり触媒の温度を早期に上昇させることができる。

本発明にかかる排ガス温度上昇方法を実施する機能を具えた内燃機関の一実施形態を示す構成図である。 再生処理中において排ガス温度を上昇させる手順を示すフローチャートである。

本発明にかかる、排ガス温度の上昇方法の一実施形態について説明する。
図１に、車両用駆動装置１０の全体構成を示す。車両用駆動装置１０は、内燃機関としてのエンジン１２と、過給器１４と、排ガス浄化装置としてのＤＰＦ装置１６と、燃料噴射装置１８と、制御装置２０などを具えて構成されている。

エンジン１２は、圧縮点火式の内燃機関で、いわゆるディーゼルエンジンである。エンジン１２は、直列６気筒エンジンで、各気筒１３に後述するエンジンブレーキ補助機構２２が設けられている。

エンジン１２には、吸気通路としての吸気管２４と排気通路としての排気管２６が連結している。吸気管２４は、吸気弁を介して気筒１３に連通し、排気管２６は、排気弁（いずれも図示せず。）を介して気筒１３に連通している。

過給器１４は、吸気管２４と排気管２６とに接続した、いわゆるターボチャージャであり、排気圧を利用してタービン（図示せず。）を回転させ、エアクリーナ３０から導入された外気を加圧してエンジン１２に送り込む。

また過給器１４は、内部に可動ベーン（図示せず。）を具えた可変容量型ターボチャージャー（ＶＧターボ）であり、可動ベーンを駆動する可動ベーンアクチュエータ３２が取り付けられている。可動ベーンアクチュエータ３２には、制御装置２０から延びる信号線３６が可動ベーン駆動ユニット３４を介して接続している。

可動ベーンアクチュエータ３２が制御装置２０からの指示に従い作動すると、可動ベーンが過給器１４の内部で回動し、ターボハウジング内部のスクロール（渦室）からタービン（いずれも図示せず。）へ吹き込まれる排ガスの流速や方向を変更させる。尚、過給器１４は、可変容量型でなくともよい。

燃料噴射装置１８は、気筒内燃料噴射装置であり、各気筒１３毎の燃料噴射筒２８を有している。燃料噴射筒２８は、エンジン１２の各気筒１３に個別に、先端を気筒１３に臨ませて取り付けてある。燃料噴射筒２８には、燃料タンク（図示せず。）からの燃料パイプ４２が加圧機構４４を介して接続されている。また、燃料噴射筒２８には、噴射制御ユニット４８を介して制御装置２０から延びる信号線４６が接続されている。制御装置２０からの指示に従い噴射制御ユニット４８から作動信号が燃料噴射筒２８に送られると、燃料噴射筒２８は、所定の時期に所定量の燃料を各気筒１３内に噴射する。

吸気管２４には、吸気通路弁５０が設けられている。吸気通路弁５０は、吸気通路弁アクチュエータ５２が連結し、吸気通路弁アクチュエータ５２には、吸気通路弁制御ユニット５４を介して制御装置２０から延びる信号線５６が接続されている。これにより制御装置２０からの指示に従い吸気通路弁アクチュエータ５２が作動し、吸気通路弁５０が吸気管２４の開口面積を適宜調整する。

排気管２６には、排気通路弁６０が設けられている。排気通路弁６０は、排気ブレーキ用の作動弁であり、排気通路弁アクチュエータ６２が連結し、排気通路弁アクチュエータ６２には、排気通路弁制御ユニット６４を介して制御装置２０から延びる信号線６６が接続されている。これにより制御装置２０からの指示に従い排気通路弁アクチュエータ６２が作動し、排気管２６の開口面積が排気通路弁６０により適宜開閉される。

ＤＰＦ装置１６は、濾過装置としてのフィルタ７０と、フィルタ７０の上流（排ガスの流通方向に従う。）に前段触媒７２を具えている。ＤＰＦ装置１６の上流は、過給器１４につながり、下流は排気口７４に連通している。

フィルタ７０は、多孔質セラミックなどからなる濾過装置であり、表面に微細な孔（図示せず。）を有している。孔は、気体は通過するが、排ガスに含まれている微粒子、主に被濾過物としての煤分は通過しない大きさに形成されている。

前段触媒７２は、例えば酸化触媒であり、排ガス中に含まれるＮＯｘ、ＣＯを酸化し、また排ガスやレイトポスト噴射による未燃焼ガス中のＨＣを酸化し、同時に反応熱を発生する。フィルタ７０の下流に、ＨＣ等を処理する後段触媒を設けてもよい。

またＤＰＦ装置１６には、排ガス温度センサ７８とフィルタ温度センサ８０が設けられている。排ガス温度センサ７８は、ＤＰＦ装置１６に流入する排ガスの温度を検出し、その検出結果を制御装置２０に送る。フィルタ温度センサ８０は、フィルタ７０の上流に感知部を有し、フィルタ７０に流入する排ガスの温度を検出し、その検出結果を制御装置２０に送る。

制御装置２０には、クラッチ操作を検出するクラッチ検出センサ８２や変速機（図示せず。）のニュートラル状態を検出するニュートラルセンサ８４等がそれぞれ信号線８６、８８を介して接続している。

制御装置２０は、上記センサの他、各種センサ、およびアクチュエータ等が接続し、車両用駆動装置１０を駆動させて車両を走行させる。更に制御装置２０は、ＤＰＦ装置１６の再生処理を行う。ＤＰＦ装置１６の再生処理方法は、基本的に従来と同様の方法である。すなわち、排ガス温度が、煤分が燃焼する温度まで上昇しない場合には、レイトポスト噴射を行い、排ガス温度を上昇させる。

レイトポスト噴射とは、エンジン１２が膨張行程から排気行程である期間に燃料噴射装置１８から燃料を適宜噴射する燃料噴射である。かかるレイトポスト噴射を行うと、燃焼室内に噴射された燃料の一部が燃焼されることなく排気管２６に送り出され、その未燃焼ガスが前段触媒７２で反応し、その際発生する反応熱により排ガスが加熱され、煤分が燃焼を開始する温度まで排ガス温度が上昇することとなる。

次に、エンジンブレーキ補助機構２２について説明する。
エンジンブレーキ補助機構２２は、排気管２６を気筒１３に対して開閉させる排気弁（図示せず。）に設けられている。エンジンブレーキ補助機構２２は、通常にエンジン１２を作動させている時の弁作動機構とは独立し、排気弁を適宜開閉させる機構である。具体的には、エンジンブレーキ補助機構２２は、圧縮工程でピストンが上死点近傍に達すると排気弁を開放し、ピストンが上死点を越えて膨張行程に移行しても、ピストンがほぼ下死点に達するまで排気弁を開放する。エンジンブレーキ補助機構２２としては、例えば油圧を用いた機構が知られている。またエンジンブレーキ補助機構２２は、各気筒１３ごと設けられ、それぞれ独立して機能する構成となっている。

次に、エンジンブレーキ補助機構２２の作用について説明する。エンジンブレーキ補助機能を作用させる気筒１３には、基本的に燃料噴射装置１８からの燃料噴射は行わない。エンジンブレーキ補助機構２２を機能させた気筒１３では、圧縮工程で、気筒１３内の気体を圧縮したことによる仕事量が、ピストンが上死点近傍に達するまで生じる。そして圧縮行程に続く膨張行程では、ピストンの上死点近傍で排気弁から圧縮空気が排気管２６に放出されるので、圧縮行程で生じた圧縮空気による反発力がピストンに加えられない。したがって、圧縮工程で発生した圧縮の仕事量だけが、クランク軸に負荷としてかかる。

尚、いわゆるエンジンブレーキ補助機構としては、かかる構成に限るものではない。例えば吸排気弁とは異なる第３弁を用いた方式、吸気弁を用いた方式、更にはそれ以外の方式であっても、ピストンのポンピング作用を負荷として用いたものであればよい。また、全気筒を個別に負荷発生気筒として選択可能でなく、いくつかの気筒１３をまとめて群とし、負荷発生気筒を群を単位に選択してもよい。

次に、車両用駆動装置１０においてＤＰＦ装置１６を再生処理するときにおける、排ガスの温度上昇について図２のフローチャートを用いて説明する。

車両（図示せず。）は、車両用駆動装置１０により通常走行している（ステップ１００）。走行している最中に、制御装置２０は、フィルタ７０の再生処理が必要か否か適宜判断する（ステップ１０１）。フィルタ７０の再生処理は、フィルタ７０に堆積した煤の量が所定量に達したときに実施する。

具体的には制御装置２０が、フィルタ７０の前後に生じる圧力差等に基づいてフィルタ７０における煤の堆積量が閾値を超えたと判断したり、あるいは前回実施した再生処理からの車両の走行距離数やエンジン回転数の累積値が閾値を超えたことなどを検出して判断する。再生処理が必要ないと判断されれば、車両は通常に走行を続ける。

一方ステップ１０１で、再生処理の開始が必要と判断されたら、フィルタ７０の再生処理を実行する（ステップ１０２）。すなわち従来の再生処理と同様の処理方法を用い、フィルタ７０に堆積された煤分の温度を上昇させ、ＤＰＦ装置１６の内部で煤分を焼却する。煤分の焼却が終了したか否か判断し（ステップ１０３）、再生処理が終了すれば、ステップ１００に戻り、車両は通常走行を行う。

一方ステップ１０３で再生処理が終了していないと判断されれば、車両がローアイドル等の状態か否か判定する（ステップ１０４）。車両がローアイドルなどの状態でなければ、ステップ１０２に戻り、フィルタ７０の再生処理を継続させる。ローアイドル等の状態とは、エンジン１２にかかる負荷が小さく、かつ低いエンジン回転数でアイドリング駆動している状態をいう。

ステップ１０４で、車両がローアイドル等の状態であると判断されると、排ガス温度センサ７８が検出した排ガス温度と閾値Ａとを比較する（ステップ１０５）。ステップ１０５で、排ガス温度が閾値Ａを超えていると判定されればステップ１０４に戻る。一方、排ガス温度が閾値Ａを超えていなければ、排ガス温度を上昇させる処理を開始する（ステップ１０６）。閾値Ａは、前段触媒７２が活性化する温度である。

ここから、再生処理中における排ガスの温度上昇方法を実行する。
排ガスの温度を上昇させる行程に移行すると、まず、エンジン１２の各気筒１３から負荷発生気筒となる気筒を設定する（ステップ１０７）。負荷発生気筒の設定（すなわち、エンジンブレーキ「Ｅ／Ｂ」を作用させる。）は、予め設定しても、排ガス温度等に応じて、数やエンジン１２における位置などを設定してもよい。負荷発生気筒の設定数は、エンジン１２の全気筒数とならないようにしてある。

負荷発生気筒に設定された気筒１３（以下「負荷発生気筒」とする。）は、それぞれに設けられたエンジンブレーキ補助機構２２が作動する。すなわち、負荷発生気筒では、燃料噴射装置１８による燃料噴射が停止し、排気弁がエンジンブレーキ補助機構２２により適宜開閉され、負荷発生気筒でのポンピングによる負荷を発生させる。

更に、可動ベーンアクチュエータ３２が作動し（ステップ１０８）、過給器１４の可動ベーンがタービンへのノズル間隔を狭くする。また、吸気通路弁アクチュエータ５２が作動し（ステップ１０９）、吸気通路弁５０を開放し、排気通路弁アクチュエータ６２が作動し、排気通路弁６０を開放する。排気通路弁６０の開放により、排気ブレーキが解除される。

すると、負荷発生気筒では、燃料の噴射がなく、ピストンの上昇による圧縮作用で負荷が発生し、ピストンが上死点近傍に達すると排気弁が開放されるので、ピストンが下降するときは、圧縮エネルギーによる反発力が作用せず、圧縮による負荷だけが仕事量として残る。

一方、負荷発生気筒以外の気筒１３（以下「通常気筒」とする。）では、燃料噴射が行なわれ、通常通り内燃機関の気筒として作動する。ところが、負荷発生気筒が負荷を生じさせていることから、負荷発生気筒の設定がない状態で必要とされる燃料よりも多くの燃料が、通常気筒に供給され、これによりエンジン１２のアイドリング状態を継続させる。

更に、過給器１４のノズル口が絞られているので、タービンの回転数が高くなり、過給器１４からの過給吸気量が増加する。すると、それに応じて通常気筒への燃料噴射量が増加される。燃料噴射の増加は、供給吸気量の増加に対応しているので、燃料過多による黒煙発生が防止され、排ガスを清浄に保持できる。

このように、エンジン１２をアイドリングに保持した状態であっても、燃料噴射量が増加されるので、エンジン１２からの排ガス温度が上昇する。したがって、ＤＰＦ装置１６に設けられている前段触媒７２が加熱され、活性化温度まで上昇される。

ステップ１１０では、車両のローアイドル状態が終了したか否か判定され、車両のローアイドル状態が終了するまで、負荷発生気筒を設けて、排ガス温度を上昇させる。そしてステップ１１０で車両のローアイドル状態が終了したと判断されたなら、排ガス温度の上昇処理を終了させる（ステップ１１１）。つまり、負荷発生気筒の設定を解除し（ステップ１１２）、負荷発生気筒でのエンジンブレーキ補助機構２２の作動を停止させる。また、過給器１４の可動ベーンを作動させ、ノズル口を広くさせる。そしてステップ１０２に戻り、通常の再生処理に移行させる。

ステップ１１３で再生処理が終了したと判断されたら、ステップ１００に戻り通常走行に復帰する。あるいは再生処理が継続しているときに、再度車両がローアイドル状態になったら、上述したと同様の処理を行う。

以上説明したように、本発明にかかる排ガス温度上昇方法によれば、エンジン１２内に負荷を発生させ、それにより、エンジン１２のアイドリング状態を大きく変化させることなく燃料消費量を増加させることができる。したがって、ＤＰＦ装置１６の再生処理中に、車両がローアイドル状態となった場合でも、運転者に違和感等を与えることなく排ガスの温度を上昇させることができる。また、供給空気量に対して燃料過多を生じさせないので、排ガス中に含まれる黒煙の増加を抑制できる。また本発明の温度上昇は、エンジンブレーキ補助機構２２を具えたエンジンであれば、簡易に実施することができる。

尚、本発明にかかる排ガス温度上昇方法は、排ガス浄化装置の再生処理中に実施するものに限るものではない。

本発明は、車両用の排ガス浄化装置における、フィルタの再生処理に用いられる。

１０…車両用駆動装置
１２…エンジン
１３…気筒（負荷発生気筒、通常気筒）
１４…過給器
１６…ＤＰＦ装置
１８…燃料噴射装置
２０…制御装置
２２…エンジンブレーキ補助機構
２６…排気管
２８…燃料噴射筒
３２…可動ベーンアクチュエータ
４８…噴射制御ユニット
６０…排気通路弁
７０…フィルタ
７２…前段触媒
Ａ…閾値

Claims (3)

1. 車両用排ガス浄化装置の濾過装置に堆積した被濾過物を、内燃機関からの排ガスで加熱して燃焼させ、前記濾過装置を再生させる再生処理方法であって、
   前記内燃機関の複数の気筒から少なくとも１つの気筒を負荷発生気筒に設定し、該負荷発生気筒に、ピストンの上昇により該気筒内に生じた圧縮空気を、該ピストンの上死点近傍で該気筒内から放逸させるエンジンブレーキ補助機能を作用させるとともに、前記負荷発生気筒以外の他の気筒に、前記エンジンブレーキ補助機能により前記負荷発生気筒が生じさせた負荷に対応した駆動力を発生させ、前記内燃機関からの排ガス温度を上昇させることを特徴とした再生処理中の排ガス温度上昇方法。
2. 車両用排ガス浄化装置の濾過装置に堆積した被濾過物を、内燃機関からの排ガスで加熱して燃焼させ、前記濾過装置を再生させる再生処理方法であって、
   前記内燃機関は、ピストンが上昇する時には開閉弁を閉鎖、あるいは適度に開放し、ピストンが下降する時には該開閉弁を開放させ、該ピストンが上昇する際生成された圧縮空気の反発力を、該ピストン下降時に作用させず、負荷を生じさせるエンジンブレーキ補助機能を備え、
   前記再生処理中に前記内燃機関が低負荷、かつ低回転数アイドル運転状態と判断されたとき、前記内燃機関の気筒から選択した負荷発生気筒に、前記エンジンブレーキ補助機能を作用させるとともに、前記負荷発生気筒以外の他の気筒に、前記負荷発生気筒が生じさせた負荷に対応した駆動力を付与し、前記再生処理中の前記排ガス温度を上昇させることを特徴とした再生処理中の排ガス温度上昇方法。
3. 前記駆動力は、前記内燃機関の排気通路に接続された可変容量型ターボのノズル開度を閉鎖し、吸入空気量の増加に対応して燃料噴射量を増大させ、更に排気ブレーキ弁、および吸気通路弁を開放させて付与することを特徴とした請求項１または２に記載の再生処理中の排ガス温度上昇方法。

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