JP2011256842A - 排気管噴射制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＤＰＦ再生時のＥＧＲ開度を最適に制御できる排気管噴射制御装置を提供する。
【解決手段】ＤＰＦ再生時にＥＧＲ装置１２３のＥＧＲ開度を制御する再生時開度制御部１７３を備えた。例えば、あらかじめエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とに応じてＤＰＦ再生時におけるＥＧＲ装置１２３の最適なＥＧＲ開度が設定された再生時開度マップ１７２を備え、再生時開度制御部１７３は、再生時開度マップ１７２をエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とで参照してＥＧＲ装置１２３のＥＧＲ開度を制御して排気再循環を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＰＦ再生用の燃料を排気管に噴射する排気管噴射制御装置に係り、ＤＰＦ再生時のＥＧＲ開度を最適に制御できる排気管噴射制御装置に関する。
ディーゼルエンジンの排気ガスから粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を除去して排気ガスを浄化するために、排気管にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate FilterまたはDefuser；以下、ＤＰＦという）が設けられる。ＤＰＦは、多孔質のセラミックで構成したハニカム構造体にＰＭを捕集するものである。捕集されたＰＭが過剰に蓄積されると排気ガスの流通の障害となるが、ＤＰＦに蓄積されたＰＭは排気ガス温度を高めることで、焼却除去することができる。これをＤＰＦ再生という。
ＰＭが焼却できる温度まで排気ガス温度を高める方式として、従来は、ＤＰＦの上流に白金等からなる酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst；以下、ＤＯＣという）を設置し、エンジンの推進力を得るために複数回に分けて燃料噴射を行うマルチ噴射において、燃料噴射量を多くすることで排気ガス温度をＤＯＣの活性化温度まで高め、その後の適宜なクランク角でＤＰＦ再生用の燃料噴射（ポスト噴射）を行い、このポスト噴射によって炭化水素（Hydrocarbon；以下、ＨＣという）をＤＯＣに供給し、ＨＣの酸化熱で排気ガス温度をＰＭの焼却温度まで高める方式がある。
しかし、ポスト噴射を行うと、噴射された燃料がエンジンの潤滑油に混入して潤滑油が希釈されるオイルダイリューションが発生する。また、ポスト噴射による未燃燃料が排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下、ＥＧＲという）装置に混入すると、ＥＧＲクーラの性能低下やピストンリングの不具合の原因となる。
このため、従来は、ポスト噴射を行うＤＰＦ再生時にはＥＧＲ弁を全閉してＥＧＲ制御を停止している。
特開２０１０−１０６６９１号公報
前述のように、従来は、ＤＰＦ再生時にはＥＧＲを停止している。しかし、ＥＧＲ制御を停止すると排気ガス中に窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加する。
これに対し、本発明者らは、排気管のＥＧＲ配管接続箇所より下流で排気管内に燃料を噴射する排気管噴射を行ってＨＣをＤＯＣに供給し、ＨＣの酸化熱で排気ガス温度を高める方式を検討している。この方式によれば、エンジンではなく排気管内に燃料が噴射されるので、オイルダイリューションがなくなり、さらに、ＥＧＲ配管接続箇所より下流で燃料が噴射されるので、燃料がＥＧＲ装置に混入することもない。本発明者らは、この知見に基づき、排気管噴射によるＤＰＦ再生時に、ＥＧＲ制御を行うことを提案するものである。
ところで、ＥＧＲ装置では、エンジン状態に応じてＥＧＲ開度を調節するようになっている。ＥＧＲ開度とは、ＥＧＲ配管に設けられたＥＧＲ弁の開度のことであり、ＥＧＲ開度を大きくするとエンジンに循環される排気ガスが増え、ＥＧＲ開度を小さくするとエンジンに循環される排気ガスが減る。エンジン状態に応じてＥＧＲ開度を調節することができるように、ＥＧＲマップが設けられる。
ＥＧＲマップは、エンジン回転数とエンジンにおける燃料噴射量とに応じてＥＧＲ開度が設定されたマップであり、このＥＧＲマップをエンジン回転数とエンジンにおける燃料噴射量とで参照してＥＧＲ開度を制御することができる。ＥＧＲマップに設定されているＥＧＲ開度は、ＮＯｘ、ＰＭ等を総合して排気ガスが最も清浄となるかそれに近くなる最適値である。こうした排気ガス性能のみならず、出力トルクが大きく得られることや燃費が低減されることを加味した最適値でもよい。ＥＧＲマップに設定するＥＧＲ開度の最適値は、エンジンを多様なエンジン状態で運転しつつ排気ガス測定を行う膨大な実験の結果から得られる。
従来のポスト噴射によるＤＰＦ再生においては、ＥＧＲ制御を停止していた。これに対し、本発明者らが提案する排気管噴射では、ＤＰＦ再生時にＥＧＲ制御を行うのであるから、従来技術は利用できない。よって、ＤＰＦ再生時のＥＧＲ開度を最適に制御できる手段が新規に必要となる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦ再生時のＥＧＲ開度を最適に制御できる排気管噴射制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設置されて粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、前記エンジンの排気マニホールドから吸気マニホールドへ開度に応じて排気ガスを循環させる排気再循環装置と、前記排気再循環装置よりも下流で前記ディーゼルパティキュレートフィルタより上流の排気管に設置されて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時に前記排気管内に燃料を噴射する排気管インジェクタと、前記再生時に前記排気再循環装置の開度を制御して排気再循環を行う再生時開度制御部とを備えたものである。
あらかじめエンジン回転数と前記エンジンにおける燃料噴射量とに応じて前記再生時における前記排気再循環装置の開度が設定された再生時開度マップを備え、前記再生時開度制御部は、前記再生時開度マップをエンジン回転数と前記エンジンにおける燃料噴射量とで参照して前記排気再循環装置の開度を制御してもよい。
前記再生時開度マップは、開度が全閉となる領域を有してもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）ＤＰＦ再生時のＥＧＲ開度を最適に制御できる。
本発明の排気管噴射制御装置が適応される車両におけるエンジン、吸排気系統及び燃料噴射系統のシステム構成図である。 本発明において、ＤＰＦ再生時にＥＧＲ開度を制御する手段を回路イメージで示した図である。 本発明においてＤＰＦ再生時に用いる再生時ＥＧＲ開度マップの図である。 本発明においてＤＰＦ非再生時に用いる基本ＥＧＲ開度マップの図である。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１に、本発明の排気管噴射制御装置が適応される車両におけるエンジン、吸排気系統及び燃料噴射系統のシステム構成を示す。
まず、排気系統の構成を説明すると、エンジン１０１の排気マニホールド１０２には、エンジン１０１の排気ガスを大気に排出するための排気管１０３が接続され、排気管１０３の最上流には、排気マニホールド１０２から吸気マニホールド１０４へ排気ガスを循環させるためのＥＧＲ配管１０５が設けられている。ＥＧＲ配管１０５には、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１０６と、ＥＧＲ量（またはＥＧＲ率）を調整するためのＥＧＲ弁１０７が設けられている。ＥＧＲ配管１０５とＥＧＲクーラ１０６とＥＧＲ弁１０７を一括してＥＧＲ装置１２３と呼ぶ。
排気管１０３の下流には、高圧段ターボチャージャ１０８のタービン１０９が設けられ、さらに下流には、低圧段ターボチャージャ１１０のタービン１１１が設けられている。タービン１１１の下流には、排気管１０３を閉鎖する排気ブレーキ弁１１２が設けられ、さらに下流には、ＤＰＦユニット１１３が設けられている。ＤＰＦユニット１１３は、ＤＰＦ再生時に排気管１０３に噴射された燃料の酸化を促進するＤＯＣ１１４とＰＭを捕集するＤＰＦ１１５とからなる。ＤＰＦユニット１１３の下流に排気スロットル１１６が設けられ、排気スロットル１１６の下流にて排気管１０３が大気に開放されている。なお、排気管１０３には、図示しないがＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を設けてもよい。
次に、吸気系統の構成を説明すると、吸気マニホールド１０４には、大気からエンジン１０１に空気を取り込むための吸気管１１７が接続されている。吸気管１１７の最上流は大気に開放されており、その下流に塵埃等の異物を除去するエアクリーナ１１８が設けられている。エアクリーナ１１８の下流には、低圧段ターボチャージャ１１０のコンプレッサ１１９が設けられ、さらに下流には、高圧段ターボチャージャ１０８のコンプレッサ１２０が設けられている。コンプレッサ１２０の下流には、低圧段ターボチャージャ１１０と高圧段ターボチャージャ１０８で圧縮された吸気を冷却するインタークーラ１２１が設けられ、さらに下流には、吸気量を制限するための吸気スロットル（Intake Throttle；ＩＴＨ）１２２が設けられている。吸気スロットル１２２の下流で、吸気管１１７が吸気マニホールド１０４に接続されている。
次に、燃料噴射系統の構成を説明すると、エンジン１０１の一部を破断して示したシリンダ１３１内をピストンヘッド１３２がストロークするように構成されており、シリンダ１３１には、燃料を噴射するためのインジェクタ１３３が取り付けられ、ピストンヘッド１３２の上死点位置より上部に、インジェクタ１３３の噴射口が配置されている。図は簡略に示したが、エンジン１０１は、複数個のシリンダ１３１を有し、各シリンダ１３１にそれぞれインジェクタ１３３が設けられる。各インジェクタ１３３は、コモンレール１３４から高圧の燃料を供給される。インジェクタ１３３は、詳しくは図示しないがコイルの電磁力で駆動される弁体を有し、コイルに通電するパルス電流の時間幅（通電時間）に応じて噴射口が開放されるものである。
コモンレール１３４には、高圧ポンプ１３５から高圧（コモンレール燃圧）の燃料を供給する高圧燃料管１３６が接続される。高圧ポンプ１３５には、フィードポンプ１３７からコモンレール燃圧より低く大気圧より高い中間圧（排気管噴射燃圧）の燃料を供給する中間圧燃料管１３８が接続される。フィードポンプ１３７は、大気圧の燃料タンク１３９から低圧燃料管１４０を介して燃料を取り込むようになっている。フィードポンプ１３７は、図示しないクランクシャフトに連結されており、エンジン１０１に随伴して回転されエンジン回転数に応じた送り出し力で燃料を送り出すことにより、エンジン回転数に応じた排気管噴射燃圧の燃料を中間圧燃料管１３８に供給することができる。
本発明では、低圧段ターボチャージャ１１０のタービン１１１の下流で排気ブレーキ弁１１２より上流に、排気管１０３内に燃料を噴射するための排気管インジェクタ１４１が設けられている。排気管インジェクタ１４１には、中間圧燃料管１３８を介してフィードポンプ１３７からの燃料が供給されるようになっている。
高圧ポンプ１３５、コモンレール１３４、インジェクタ１３３のそれぞれには、燃料タンク１３９へ余剰の燃料を回収する回収燃料管１４２が接続されている。
次に、センサ類を説明する。
エンジン１０１には、冷却水温を検出する水温センサ１５１、図示しないクランクシャフト上の指標をクランク角の基準位置として検出するクランク角センサ１５２、エンジンオイルの残量を検出するオイルレベルセンサ１５３等が設けられる。排気マニホールド１０２には、エンジン排気温度センサ１５４が設けられる。吸気マニホールド１０４には、ブースト圧センサ１５５が設けられる。
ＤＰＦユニット１１３には、ＤＯＣ１１４の入口における排気ガス温度を検出するＤＯＣ入口排気ガス温度センサ１５６と、ＤＰＦ１１５の入口における排気ガス温度を検出するＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１５７と、ＤＰＦ１１５の入口と出口間の排気ガスの圧力差である差圧を検出する差圧センサ１５８が設けられる。ＤＰＦ１１５にＰＭが蓄積すると、その蓄積量の増加に伴って差圧が大きくなるので、差圧に基づいてＤＰＦ再生時期を判定することができる。ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１５７が検出するＤＰＦ入口排気ガス温度により、ＤＰＦ再生時等におけるＤＰＦ１１５の温度を確認することができる。
中間圧燃料管１３８には、排気管インジェクタ１４１に加わる燃料圧力である排気管噴射燃圧を検出する排気管噴射燃圧センサ１５９が設けられる。高圧ポンプ１３５の入口には、燃料の温度を検出する燃料温度センサ１６０が設けられる。コモンレール１３４には、各シリンダ１３１のインジェクタ１３３に加わる燃料圧力であるコモンレール燃圧を検出するコモンレール燃圧センサ１６１が設けられる。吸気管１１７のエアクリーナ１１８の下流には、吸気管１１７に吸い込まれた空気の流量を検出する空気流量センサ（Mass Airflow sensor；ＭＡＦセンサ）１６２が設けられる。
図示説明した以外にも、エンジン１０１、吸排気系統及び燃料噴射系統には、従来公知のあらゆるセンサが設けられているものとする。
次に、制御系統の構成を説明する。
高圧段ターボチャージャ１０８は、可変ノズル式ターボチャージャ（Variable Nozzle Turbocharger）であり、タービン１０９の上流にタービン１０９の開口面積を調節するノズルアクチュエータ１６４が設けられる。ターボコントローラ１６５は、ブースト圧センサ１５５が検出するブースト圧を参照して、ノズルアクチュエータ１６４を駆動することにより、過給量または過給圧を制御するものである。
エンジン１０１への燃料噴射を含む車両の各部を制御する手段は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）１７１にプログラムとして組み込まれている。ＥＣＵ１７１は、エンジン状態を表すエンジンパラメータとして、エンジン回転数、アクセル開度、負荷トルク、空気量などを常時検出して燃料噴射制御等の制御を行うようになっている。ＥＣＵ１７１は、エンジン１０１の推進力を得るべく、各シリンダ１３１の１燃焼サイクル内に、適宜なクランク角でインジェクタ１３３から複数回の燃料噴射を行うマルチ噴射制御を行うようになっている。ＥＣＵ１７１は、ＥＧＲ装置１２３のＥＧＲ開度を制御するようになっている。ＥＧＲ開度は、ＥＧＲ弁１０７の開度であり、これによりＥＧＲ量が調整される。
さらに、ＥＣＵ１７１では、車両の走行距離が所定距離に達するごとに、ＤＰＦ再生を行うようになっており、かつ、差圧センサ１５８が検出する差圧が所定値以上になったときＤＰＦ再生を行うようになっている。ＤＰＦ再生時には、ＥＣＵ１７１は、排気管インジェクタ１４１から１回に噴射する目標噴射量をエンジン回転数と排気ガス流量に応じて設定し、この目標噴射量に応じて排気管インジェクタ１４１を制御することになる。
本発明のＥＣＵ１７１には、あらかじめエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とに応じてＤＰＦ再生時におけるＥＧＲ装置１２３の最適なＥＧＲ開度が設定された再生時開度マップ１７２と、ＤＰＦ再生時に再生時開度マップ１７２をエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とで参照してＥＧＲ装置１２３のＥＧＲ開度を制御して排気再循環を行う再生時開度制御部１７３とが設けられている。
なお、ＥＣＵ１７１は、ＤＰＦ非再生時には、従来同様の基本ＥＧＲ開度マップを使用してＥＧＲ開度を制御する。
図２に示されるように、ＥＣＵ１７１においてＤＰＦ再生時にＥＧＲ開度を制御する手段を回路イメージで示すと、エンジン回転数とエンジンの燃料噴射量が再生時開度マップ１７２に入力され、再生時開度マップ１７２から再生時ＥＧＲ開度が出力されるようになっている。
図３に示されるように、再生時開度マップ１７２は、エンジン回転数が横軸に、エンジン１０１の燃料噴射量が縦軸にとられたＥＧＲ開度の等高線グラフで近似的に示すことができる。濃いハッチングは開度最大でありハッチングが淡くなるほど開度は小さいことを意味する。この再生時開度マップ１７２によれば、エンジン回転数が中程度よりやや高く（グラフの左右中央やや右）、エンジン１０１の燃料噴射量が中程度よりやや多い（グラフの上下中央やや上）あたりにＥＧＲ開度が最大の領域があり、その周囲にＥＧＲ開度が大、中の領域があり、さらにそのエンジン回転数低側と高側にＥＧＲ開度が小さい領域がある。これらの領域は、実験に基づき得られたＮＯｘ、ＰＭ等の排気ガス性能、出力トルク性能、燃費性能を最適とするＥＧＲ開度が設定されたものである。また、エンジン１０１の燃料噴射量が少ないところはエンジン回転数最低から最大までＥＧＲ全閉の領域となっている。すなわち、エンジン１０１の燃料噴射量が所定値以下のとき、エンジン回転数にかかわらず、ＥＧＲ全閉となる。この領域は、ＥＧＲクーラ１０６の保護と、排気管１０３から大気にＨＣが放出されるＨＣスリップ及び白煙の防止とを目的としている。
以下、本発明の排気管噴射制御装置の動作を説明する。
ＥＣＵ１７１は、ＤＰＦ再生時に、エンジン１０１におけるマルチ噴射においてインジェクタ１３３からの燃料噴射量を多くすることで排気ガス温度をＤＯＣ１１４の活性化温度まで高め、その後の適宜な噴射時期に排気管インジェクタ１４１から排気管１０３内に燃料を噴射することによってＨＣをＤＯＣ１１４に供給し、ＨＣの酸化熱で排気ガス温度をＰＭの焼却温度まで高める。さらに、ＥＣＵ１７１は、排気ガス温度を所望の温度まで高めるために、排気管インジェクタ１４１から１回に噴射する目標噴射量をエンジン回転数と排気ガス流量に応じて設定して排気管噴射を実行する。
このように排気管噴射が行われているＤＰＦ再生時に、再生時開度制御部１７３は、再生時開度マップ１７２をエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とで参照してＥＧＲ装置１２３のＥＧＲ開度を制御する。これにより、図３の再生時開度マップ１７２にしたがってＤＰＦ再生時のＥＧＲ制御が行われる。よって、ＤＰＦ再生時であっても、ＥＧＲ開度が最適に制御され、例えば、排気ガス中のＮＯｘが低減される。
ここで、従来からあるＤＰＦ非再生時のＥＧＲ制御と本発明によるＤＰＦ再生時のＥＧＲ制御とを比較する。
図４は、ＤＰＦ非再生時に用いる基本ＥＧＲ開度マップである。この基本ＥＧＲ開度マップによれば、エンジン１０１の燃料噴射量が少ないとき、エンジン回転数が最低から中程度よりやや高いところまでと、エンジン回転数が中程度よりやや高い（グラフの左右中央やや右）とき、エンジン１０１の燃料噴射量が最少からやや多い（グラフの上下中央やや上）ところまでは、ＥＧＲ開度が最大の領域である。その周辺では、エンジン１０１の燃料噴射量が多く、エンジン回転数が低くなるにつれてＥＧＲ開度が大、中、小の領域となり、エンジン回転数が高いところでは、エンジン回転数が高くなるにつれてＥＧＲ開度が大、中、小の領域となる。
このように、基本ＥＧＲ開度マップでは、エンジン１０１の燃料噴射量が少ないところでは、ＥＧＲ開度を大きくしている。これに対し、再生時開度マップ１７２では、エンジン１０１の燃料噴射量が所定値以下のところでは、エンジン回転数にかかわらず、ＥＧＲ開度を全閉としている。これは、エンジン１０１の燃料噴射量が少ないとき、エンジン１０１から出る排気ガス中にＨＣが多いため、ＥＧＲクーラ１０６にＨＣが入らないようにしてＥＧＲクーラ１０６を保護するためである。また、ＥＧＲ開度を全閉とすることで、エンジン１０１から出る排気ガス中のＨＣを低減させ、ＨＣスリップ及び白煙を防止する効果も得られる。
なお、図３、図４の２つのＥＧＲ開度マップは、ＥＧＲ開度を最大、大、中、小、全閉の４段階としたが、これより多段階とするのが好ましい。
以上説明したように、本発明の排気管噴射制御装置によれば、あらかじめエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とに応じてＤＰＦ再生時におけるＥＧＲ装置１２３の最適なＥＧＲ開度が設定された再生時開度マップ１７２と、ＤＰＦ再生時に再生時開度マップ１７２をエンジン回転数とエンジン１０１における燃料噴射量とで参照してＥＧＲ装置１２３のＥＧＲ開度を制御して排気再循環を行う再生時開度制御部１７３とを備えるので、ＤＰＦ再生時であっても、ＥＧＲ開度が最適に制御される。
本発明の排気管噴射制御装置によれば、再生時開度マップ１７２は、開度が全閉となる領域を有するので、例えば、エンジン１０１の燃料噴射量が少ないときにＥＧＲ開度を全閉とすることで、ＥＧＲクーラ１０６の保護とＨＣスリップ及び白煙の防止効果が得られる。
１０１ エンジン
１０２ 排気マニホールド
１０３ 排気管
１０４ 吸気マニホールド
１１５ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１２３ 排気再循環装置（ＥＧＲ装置）
１４１ 排気管インジェクタ
１７２ 再生時開度マップ
１７３ 再生時開度制御部

Claims (3)

  1. エンジンの排気管に設置されて粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
    前記エンジンの排気マニホールドから吸気マニホールドへ開度に応じて排気ガスを循環させる排気再循環装置と、
    前記排気再循環装置よりも下流で前記ディーゼルパティキュレートフィルタより上流の排気管に設置されて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時に前記排気管内に燃料を噴射する排気管インジェクタと、
    前記再生時に前記排気再循環装置の開度を制御して排気再循環を行う再生時開度制御部とを備えたことを特徴とする排気管噴射制御装置。
  2. あらかじめエンジン回転数と前記エンジンにおける燃料噴射量とに応じて前記再生時における前記排気再循環装置の開度が設定された再生時開度マップを備え、
    前記再生時開度制御部は、前記再生時開度マップをエンジン回転数と前記エンジンにおける燃料噴射量とで参照して前記排気再循環装置の開度を制御することを特徴とする請求項１記載の排気管噴射制御装置。
  3. 前記再生時開度マップは、開度が全閉となる領域を有することを特徴とする請求項２記載の排気管噴射制御装置。
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