JP2011510202A - ディーゼルエンジン排出物質削減方法とディーゼルエンジンの背景および要約 - Google Patents

Abstract

低負荷ディーゼルエンジン動作中に排出物質を制御するための方法が提供される。前記エンジンは、上死点および下死点位置の間においてシリンダ内で移動可能な少なくとも一つのピストンと、前記シリンダへ燃料を噴射するための燃料噴射器と、エンジン排気が流れるのに適した可変形状タービンと、を含む。本方法によれば、前記エンジンは低負荷で動作し、ＮＯｘ排出物質は前記エンジンの排出口で測定され、そして、可変形状タービン流入部開口サイズは、ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるようにＮＯｘ排出物質測定を受けて制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概ね、ディーゼル排出物質削減のための方法およびエンジンに関連する。

米国および欧州の監督省庁により課せられる厳しい排出物質規制のため、ディーゼルエンジンの排気ガスに認められる排出物質の量は徐々に減少している。規制機関からの最近の提案では、長時間のアイドリング条件中に毎時３０ｇの最大ＮＯｘ排出物質を維持することがエンジンメーカーに要求されている。

現在周知の排出物質制御戦略では、エンジン部品へのダメージを伴わずにこの目標を達成することは不可能である。例えば、アイドリング時に排気ガス再循環（ＥＧＲ）を実行する最新の方法は、ＥＧＲ冷却器の付着物、エンジンスラッジ、ニス状物質を発生させる傾向がある。その間接的影響は、部品の交換からエンジン全体の故障までいろいろである。またエンジンアイドリング中には、後処理システムのダメージの危険性がある。冷却器排気温度および高炭化水素環境により、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）の詰まりが生じ、長時間アイドリング期間中には、ＤＯＣおよびディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）の両方に、粒子状物質と炭化水素と水との混合物が蓄積されることがある。この蓄積は、エンジンのダメージまたは後処理のダメージにつながる極端な背圧を発生させることがあり、システムに充分な炭化水素が存在している場合には、排気ガス温度が充分に高いレベルまで上昇すると、未燃焼燃料が発火して、後処理システムを溶解させるか亀裂を生じさせてこれを破壊することがある。

また、ディーゼルエンジンの燃焼温度は、吸気温度および空燃比に強い影響を受ける。低熱状態では、不完全燃焼および潤滑油の通過つまり「スロバリング」から生じる炭化水素排出物質は、表面が低温であって炭化水素は高温燃焼でよく見られるものよりも分子重量が高いため、凝縮傾向が強くなる。低熱状態は通常、化学動力学による低い燃焼温度と、熱エネルギーを高い割合で吸収して燃焼温度をさらに低下させる結果となる低い「中心」温度（コアメタル温度）の両方につながる高い空燃比、低い周囲温度、低い燃料補給速度に関連する。この条件はエンジンにとって機械的なストレスが高いものではないが、不完全燃焼および炭化水素排出物質の増加を招く。エンジンの低熱状態は、すべての燃焼の副産物である水の凝縮を促進する。水は硫黄と窒素の化合物を溶解することで、酸性溶液を生成する。炭素質の煤煙の層が液状炭化水素および酸性物で被覆されると、伝熱効率の低下の結果としてＥＧＲ冷却器を非効率的にし（付着）、またＥＧＲガス流エリアを縮小する詰まりを生じさせる。

運転者が、何らかの状況において、エンジンをアイドリングさせるのでなく、外部または補助の動力源に車両を接続する際には、そうするには、外部または補助の動力源の付近に車両があることが必要である。これらの方法は本質的に排出物質を削減するが、これを実行する主な目的は、車両の燃費を下げることである。

エンジンが低負荷またはアイドリング状態で作動する時にエンジン排気物質を削減する技術を提供することが望ましい。大部分のディーゼル使用例では「スロットル」がないので、アイドリングは、エンジンおよびシャシシステムからの摩擦トルクおよび補助的負荷を超えるのに必要な負荷でエンジンが作動するという条件であると考えられる。

本発明の一態様によれば、低負荷ディーゼルエンジン動作中に排出物質を制御するための方法が提供され、エンジンは、上死点および下死点位置の間においてシリンダ内で移動可能な少なくとも一つのピストンと、シリンダへ燃料を噴射するための燃料噴射器と、エンジンからの排気が流れるのに適した可変形状タービンとを包含する。この方法によれば、エンジンは低負荷で作動し、エンジンが低負荷で作動する間にＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように、可変形状タービン流入部開口サイズが制御される。

本発明の別の態様によれば、ディーゼルエンジンは、上死点および下死点位置の間においてシリンダ内で移動可能な少なくとも一つのピストンと、シリンダへ燃料を噴射するための燃料噴射器と、エンジン排気ガスが流れるのに適した可変形状タービンと、エンジンの排出口でＮＯｘ排出物質を測定するためのセンサと、ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるようにＮＯｘ排出物質の測定を受けてエンジンの低負荷動作中に可変形状タービン流入部開口サイズを制御するように構成された制御装置とを包含する。

本発明の特徴および長所は、同様の数字が同様の要素を表している図面とともに以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解できる。
本発明の一面によるエンジンの概略図である。

本発明の一態様によるディーゼルエンジン２１が図１に見られ、上死点（ＴＤＣ）および下死点（ＢＤＣ）位置の間においてシリンダ２５内で移動可能な少なくとも一つのピストン２３を包含する。普通はＴＤＣの近くでシリンダへ燃料を噴射するために燃料噴射器２７が設けられ、温度と圧力の組合せによって燃料が燃焼して、ピストンをＢＤＣ位置へ押圧する。ピストン２３は普通、ピストンが往復する際に回転するクランクシャフト（不図示）に連結されている。

シリンダ２５からの排気が流れるのに適したエンジン２１の排出口３１の下流には、可変形状タービン（ＶＧＴ）２９が設けられている。ＶＧＴ２９は一般的に、エンジン吸気圧をブーストするため流入口３５の上流に配設されたコンプレッサ３３を含むターボチャージャ機構の一部である。ＶＧＴ２９は、ＶＧＴの流入部開口サイズを変化させるための従来のＶＧＴベーン（不図示）を有する。ＶＧＴの流入部開口サイズを変化させるため、ベーンの位置はＥＣＵなどの制御装置３７によって制御可能である。

エンジン２１の排出口でＮＯｘ排出物質を測定するために、センサ３９が設けられるとよい。エンジン２１の排出口で温度を測定するため、センサ４１が設けられるとよい。

エンジン２１は、エンジンの流入口３５と排出口３１との間に配置されたＥＧＲバルブ４５を備えるＥＧＲシステム４３も包含する。ＥＧＲシステム４３は普通、ＥＧＲ冷却器４７も含む。

普通はＮＯｘレベルを削減する目的でＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように、ＮＯｘ排出物質の測定を受けてエンジン２１の低負荷動作中にＶＧＴ２９の流入部開口サイズを制御するように制御装置３７が構成されている。ここで「低負荷」は、アクセルペダルが不要である使用例を意味するものと定義される。大部分のディーゼルエンジンでは、これらの不要使用例は、５００〜２０００ｒｐｍの間の速度でクランクシャフトが回転するエンジン速度を必要とし、正常なエンジンアイドリング速度は通常、６５０〜１２００ｒｐｍの範囲である。

制御装置３７は、普通はＮＯｘレベルを削減する目的でＮＯｘ排出物質レベルが制御されるようにＥＧＲバルブ４５を開口するように構成されてもよい。制御装置は普通、ＮＯｘ排出物質を削減するため、ＥＧＲバルブ４５の開度とともにＶＧＴ２９の流入部開口のサイズを制御する。ＶＧＴ２９の流入部開口サイズが縮小されてＥＧＲバルブ４５が開口した低負荷でのエンジン２１の動作は、低負荷閉ループＮＯｘ制御モードと呼ばれることがあり、ループは必ずしも実際に閉じている必要はなく、このモードの動作がＮＯｘの制御に限定されないことは言うまでもない。

低負荷ディーゼルエンジン２１の動作中に排出物質を制御するための方法では、エンジンは低負荷で作動し、エンジンの排出口でＮＯｘセンサ３９によりＮＯｘ排出物質が測定される。普通はＮＯｘレベルを削減する目的でＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように、制御装置３７は、ＮＯｘ排出物質の測定を受けてＶＧＴ２９の流入部開口サイズを制御する。普通は、ＮＯｘ排出物質を削減するため、ＶＧＴ２９の流入部開口サイズは、少なくとも閉口タービンノズル間隙に近似するまで、通常は最大タービンノズル間隙の約０〜７．５％まで縮小される。ＮＯｘ排出物質を削減するため、通常はＥＧＲバルブの最大位置の約２５〜６０％までＶＧＴ２９の流入部開口サイズが縮小されるのと同時に、普通は制御装置３７がＥＧＲバルブ４５も開口する。

普通は、ＥＧＲバルブ４５を開口してＶＧＴ２９の流入部開口サイズを閉じることにより排気ガス流の再循環を増加させると、炭化水素および粒子状物質の排出物質が多くなる。従来の機構では、燃料噴射のタイミングを早める、および／または燃料噴射器２７のノズル開口部での燃料噴射圧力を上昇させることにより、炭化水素および粒子状物質の排出物質が削減される。燃料噴射タイミングを早めることと燃料噴射圧力を上昇させることは、ともに、より完全な燃焼事象が発生するように燃料の霧化および圧縮をさらに向上させる効果が得られる傾向がある。しかし、従来の機構では、この炭化水素および粒子状物質の排出物質の削減は、ＮＯｘの著しい増加を犠牲にして初めて達成される。本発明の一態様では、燃焼に先立って比較的高濃度の不活性ガスがシリンダに存在するように、かなりのＥＧＲ流量が用意されて、結果的に燃焼温度の低下が生じる傾向がある。燃料噴射タイミングおよび／または圧力とＥＧＲ流量との適切なバランスに保つことにより、ＮＯｘが制御されて、炭化水素および粒子状物質の発生が最小化される。本発明の一態様では、ピストン２３の上死点の前において燃料噴射器２７により燃料が少なくとも５度で噴射される。

エンジン排気の温度が上昇するように、ＶＧＴ２９の流入部開口サイズとＥＧＲバルブ４５の開口も制御されるとよい。エンジン排気温度を上昇させることにより、ＥＧＲ冷却器４７とバルブ列部品（不図示）などの部品での炭化水素および水の凝結による部品ダメージの危険が低下する。そのうえ、ディーゼル粒子フィルタ５３などの排気後処理システムの部品が低負荷またはアイドリング速度で再生するように、エンジン排気の温度は、ＶＧＴの下流のディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）５１の境界温度まで上昇する。既存のシステムでは、対照的に、長時間の低負荷運転が後処理部品のダメージを発生させることがある。選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム使用例は、触媒活性のため目標となる熱的操作ゾーンも有し、本発明の一態様により促進される熱制御は、低負荷でのＮＯｘ変換を可能にする。

ＶＧＴ２９の流入部開口サイズおよびＥＧＲバルブ４５の開口は、エンジン２１の温度および圧力が上昇傾向となるように制御されてもよい。エンジン２１の温度および圧力の上昇は、エンジンのオイル「スロバリング」、つまりピストンリングの周囲、最終的には排気マニホルドおよびターボチャージャへオイルが漏れて深刻なエンジンダメージを引き起こすことに関連する問題を軽減する傾向がある。特に圧力上昇は、再びピストンリングのバランスを保ってシリンダの摩擦を促進し、燃焼室、ひいては排気からオイルを除去するため、スロバリングの軽減に有益である。温度上昇は、オイルがピストンリングを通過する場合に、溜まりに残留するのではなく燃焼する傾向を持つことを保証するのに役立つ。

エンジンの温度が上昇するようにＶＧＴ２９の流入部開口サイズ、ＥＧＲバルブ４５の開口、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧力のうち一つ以上が制御されると、エンジンを暖機して、加熱目的で車両乗員室の温暖条件を維持するために、エンジン冷却液へのシステムの排熱が増加して使用される。こうして車両で使用される時に、エンジン２１を暖機するか温暖条件を維持するため、エンジンが低いアイドリング速度および／または低い負荷で回転することにより、燃料を節約して、排出物質全体を制御、普通は削減する。そのうえ、ＶＧＴ２９のホイール速度の低下およびエンジン２１における質量流量の減少は、結果的にノイズの少ない動作を生じる傾向がある。

多くのＮＯｘセンサ３９にとって、水凝縮の危険性および低い動作温度に関連するセンサのダメージにより、低負荷状態でのＮＯｘセンサの動作が不可能となる。エンジンの温度が上昇するように、ＶＧＴ２９の流入部開口サイズ、ＥＧＲバルブ４５の開口、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧力のうち一つ以上が制御されると、大部分の低負荷条件では排気の温度上昇によりＮＯｘセンサ３９の起動が可能となる。そのため、エンジン２１の閉ループ制御にＮＯｘセンサ３９が有効である。

普通は、ＮＯｘセンサ３９により測定されるＮＯｘ濃度が、エンジン質量流量と組み合わされると毎時３０ｇより低いかこれに等しいといった所望の排出物質レベルをもたらす目標ＮＯｘ濃度を表す制御装置３７のテーブルと、比較される。ＮＯｘの排出物質がこの範囲よりも増加した場合には、排出物質を制御しようとして、普通はこれを削減するために、ＥＧＲバルブ４５が開口する。ＮＯｘを制御する、普通はＮＯｘを削減するために、ＶＧＴ２９の流入部開口サイズも（すでにゼロ間隙でない場合には）縮小される。この排出物質制御モードは、エンジンによる変動性が存在する中で排出物質規制の遵守を保証するのに有益である。

閉ループＮＯｘ制御は、炭化水素および粒子状物質の排出物質の削減にも役立つ。低過ぎると考えられるレベルにＮＯｘが達した場合には、システムの温度が低過ぎて部品ダメージの危険を増大させることを意味する。燃料噴射器２７での燃料噴射タイミングを早めるか燃料噴射圧力を上昇させることに加えて、またはこれに代わって、低ＮＯｘを発生させる燃焼方式による炭化水素および粒子状物質の排出物質と戦うために、ＥＧＲバルブ４５が閉口し、必要であればＶＧＴ２９の流入部開口サイズが増大する。

低負荷閉ループＮＯｘ制御モードから高負荷での正常エンジン動作へのスムーズな移行は、一つ以上のシャシパラメータを監視することによって容易となる。これは、つまづいたりためらうようなエンジン動作を回避して、低負荷閉ループＮＯｘ制御モードから出る際のＶＧＴ圧力バランスによりベーンが閉じたままになり、ベーンを開くのに充分なほどアクチュエータが強力でないという危険を最小にするのに有益である。例えば、トランスミッションギヤ、パーキングブレーキ、スロットル、トルクレベルおよび変化速度を検知するためのトルクセンサ、そしてエンジン速度センサなどのシャシ部品５５からの出力信号が、制御装置３７によって監視されるとよい。これらの部品の一つ以上の変化が検出された場合には、高負荷条件への移行が近づいており、低負荷閉ループＮＯｘ制御モードからの移行が開始可能であることを表している。検出された出力信号が単なる一時的なものでないことを保証するため、移行の開始を所定長さの時間だけ遅らせることができる。

本発明のさらなる態様によれば、多数のシリンダ２５，２５ａなどを有するエンジン２１では、所与のエンジン回転中に燃焼状態で作動しているエンジンシリンダの総数を減少させることにより、エンジン排出物質を削減する傾向がある。このようにして、エンジンの質量流量全体が減少し、温度が低下して、ＮＯｘ生成量の減少という結果を生じる傾向がある。低負荷、高エンジン速度動作中には、この解決法が特に有益であると予想される。

本発明のさらなる態様によれば、制御装置３７によってコンプレッサの下流の迂回バルブ５７を作動させることなどにより、コンプレッサ３３から吐出される空気を方向転換することができる。このようにして、エンジンを通る空気の流れが減少することで排出物質の毎時ｇ数を減少させる。また、コンプレッサ３３の空気の方向転換は温度を上昇させることがある。エンジン２１からの空気の流れを減少させることも可能で、バルブ５９などの可変絞り装置を設けて排気の背圧を上昇させることにより、温度を上昇させることができる。

本発明のさらなる態様によれば、より正確な燃焼制御を行って熱条件および排出物質レベルをより良く制御するため、多数の燃料噴射事象が実行されるとよい。

本発明のさらなる態様によれば、制御装置３７が異なるシリンダ２５，２５ａなどの燃料噴射器２７，２７ａなどを制御できる可変燃焼技術が採用されるため、いくつかのシリンダでは高ＮＯｘのタイミングが早くなるのに対して、他のシリンダでは低ＮＯｘのタイミングが遅くなる。言い換えると、シリンダごとに異なるピストン２３，２３ａなどの位置で、シリンダに燃料が噴射されるのである。タイミングのバランスを適切にすると、一つのシリンダにおける炭化水素または粒子状物質の量を別のシリンダよりも減少させ、ＥＧＲを介してエンジンへ戻る空気のＮＯｘを高く、炭化水素および粒子状物質を低くすることができ、これは、テールパイプ排出物質に直接の影響を与えることなく、部品にとって有益である。

本出願では、“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（を含む）”の語は非限定的で、“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（を包含する）”などの語と同じ意味を有して、他の構造、材料、行為の存在を除外しないものとする。同様に、“ｃａｎ”、“ｍａｙ”などの語の使用は非限定的であって、構造、材料、行為が必須ではないことを表すものとするが、このような語の不使用は、構造、材料、行為が不可欠であることを表すものではない。構造、材料、行為が現時点で不可欠であると考えられる限り、そのように記される。

好適な実施形態に従って本発明を図示および説明したが、クレームに記載された発明を逸脱することなく変形および変更が可能であることは言うまでもない。

２１ ディーゼルエンジン
２３，２３ａ ピストン
２５，２５ａ シリンダ
２７，２７ａ 燃料噴射器
２９ 可変形状タービン
３１ 排出口
３３ コンプレッサ
３５ 流入口
３７ 制御装置
３９，４１ センサ
４３ ＥＧＲシステム
４５ ＥＧＲバルブ
４７ ＥＧＲ冷却器
５１ ディーゼル酸化触媒
５３ ディーゼル微粒子フィルタ
５５ シャシ部品
５７ 迂回バルブ
５９ 可変絞り装置

Claims (25)

1. 低負荷ディーゼルエンジン動作中に排出物質を制御するための方法であって、前記エンジンが、上死点および下死点位置の間においてシリンダ内で移動可能な少なくとも一つのピストンと、前記シリンダに燃料を噴射するための燃料噴射器と、前記エンジンからの排気が流れるのに適した可変形状タービンとを包含し、
   前記エンジンを低負荷で作動させることと、
   前記エンジンが低負荷で作動している状態でＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように、可変形状タービン流入部開口サイズを制御することと、
   を包含する方法。
2. 低負荷において、前記ピストンにより駆動されるクランクシャフトが５００〜２０００ｒｐｍで運動する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
3. 可変形状タービン流入部開口サイズが、閉口タービンノズル間隙に少なくとも近似するまで縮小される、請求項１に記載の排出物質制御方法。
4. 可変形状タービン流入部開口サイズが、最大タービンノズル間隙の０〜７．５％まで縮小される、請求項１に記載の排出物質制御方法。
5. 前記エンジンの流入口および排出口の間に配置されたＥＧＲバルブを備えるＥＧＲシステムを前記エンジンが包含し、前記方法が、ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように前記ＥＧＲバルブを開口することを包含する、請求項４に記載の排出物質制御方法。
6. 前記ＥＧＲバルブの最大位置の２５〜６０％まで前記ＥＧＲバルブを開口することを包含する、請求項５に記載の排出物質制御方法。
7. 前記ピストンの上死点の前で燃料を噴射することを包含する、請求項６に記載の排出物質制御方法。
8. 前記シリンダの燃料噴射ノズル開口部での燃料噴射圧力を上昇させることを包含する、請求項７に記載の排出物質制御方法。
9. 前記エンジンの流入口および排出口の間に配置されたＥＧＲバルブを備えるＥＧＲシステムを前記エンジンが包含し、前記方法が、ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように前記ＥＧＲバルブを開口することを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
10. エンジン排気の温度が上昇するように、可変形状タービン流入部開口サイズとＥＧＲバルブ開口とを制御することを包含する、請求項９に記載の排出物質制御方法。
11. 前記可変形状タービンの下流のディーゼル酸化触媒の境界温度までエンジン排気の温度が上昇するように、可変形状タービン流入部開口サイズとＥＧＲバルブ開口とを制御する、請求項１０に記載の排出物質制御方法。
12. 前記ピストンの上死点の前で燃料を噴射することを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
13. 前記エンジンの少なくとも一つのピストンの上死点の前において燃料を少なくとも５度で噴射することを包含する、請求項１２に記載の排出物質制御方法。
14. 前記シリンダの燃料噴射ノズル開口部における燃料噴射圧力を上昇させることを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
15. 前記ピストンの上死点の前の位置から燃料噴射を早めることにより炭化水素および粒子状物質の排出物質を削減することを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
16. 前記ピストンの上死点の前において燃料を少なくとも５度で噴射することを包含する、請求項１５に記載の排出物質制御方法。
17. 前記シリンダの燃料噴射ノズル開口部における燃料噴射圧力を上昇させることにより炭化水素および粒子状物質の排出物質を削減することを包含する、請求項１５に記載の排出物質制御方法。
18. 前記シリンダの燃料噴射ノズル開口部における燃料噴射圧力を上昇させることにより炭化水素および粒子状物質の排出物質を削減することを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
19. 少なくとも一つのシャシパラメータを監視することと、前記シャシパラメータの変化の検出後に、前記可変形状タービン流入部開口サイズを高負荷動作用に調節することを含む、前記エンジンの高負荷動作への移行を開始することとを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
20. 前記エンジンが多数のシリンダを有し、前記方法が、前記多数のシリンダのうち全部より少ないシリンダで燃焼が発生するように前記エンジンを作動させることを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
21. エンジン流入口へ空気を吐出するための前記エンジン流入口の上流のコンプレッサを前記エンジンが包含し、前記方法が、前記コンプレッサから吐出された空気を前記エンジン流入口から方向転換することを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
22. 前記エンジンが多数のシリンダを包含し、前記方法が、シリンダごとに異なるピストン位置で前記シリンダに燃料を噴射することを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
23. 前記エンジンの排出口でＮＯｘ排出物質を測定することと、ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるようにＮＯｘ排出物質測定を受けて前記可変形状タービン流入部開口サイズを制御することとを包含する、請求項１に記載の排出物質制御方法。
24. 上死点および下死点位置の間においてシリンダ内で移動可能な少なくとも一つのピストンと、
    前記シリンダへ燃料を噴射するための燃料噴射器と、
    エンジン排気が流れるのに適した可変形状タービンと、
    前記エンジンの排出口でＮＯｘ排出物質を測定するためのセンサと、
    ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるようにＮＯｘ排出物質の測定を受けて前記エンジンの低負荷動作中に可変形状タービン流入部開口サイズを制御するように構成された制御装置と、
    を包含するディーゼルエンジン。
25. 前記エンジンの流入口および排出口の間に配置されたＥＧＲバルブを備えるＥＧＲシステムを包含し、前記制御装置が、ＮＯｘ排出物質レベルが制御されるように前記ＥＧＲバルブを開口するように構成される、請求項２４に記載のディーゼルエンジン。

Images