JP2013181424A

JP2013181424A - エンジンシステム

Info

Publication number: JP2013181424A
Application number: JP2012044437A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamashita; 晃山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-12

Abstract

【課題】燃費の悪化を抑制しつつ排気ガスの浄化効率を維持するエンジンシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】本実施例のエンジンシステムは、エンジンと、前記エンジンの動力により発電するオルタネータと、前記オルタネータにより充電されるバッテリと、前記エンジンの排気ガスを浄化する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側に設けられた還元触媒と、前記バッテリからの電力に基づいて前記還元触媒を加熱するヒータと、前記排気ガスを前記エンジンに再循環させるＥＧＲ機構とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

特許文献１には、酸化触媒と、酸化触媒の下流に配置された還元触媒とを利用した内燃機関の排気ガス浄化装置が開示されている。

特開２０１１−８９４３４号公報

このような装置には、還元触媒を再生させるためのヒータが設けられている。ヒータはバッテリにより駆動するが、バッテリの充電状態が十分でない場合には、オルタネータにより発電された電力に基づいてヒータが駆動される。しかしながら、オルタネータが発電している間はエンジンへの負荷が増大しエンジンの燃費が悪化するおそれがある。

また、排気ガスをエンジンに再循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）機構が知られている。エンジンに再循環される排気ガスの量（以下、ＥＧＲ量と称する）を増大させることにより、還元触媒の浄化効率を向上させることができる。ＥＧＲ量を増大させることにより、排気ガス中のＨＣが増量し酸化触媒でのＨＣの反応熱によって酸化触媒の温度が上昇する。酸化触媒の温度が上昇することにより、酸化触媒で生成されるＮＯ_２の量が増大する。これにより、還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯ_２／ＮＯｘの比率が、還元触媒での浄化効率が高くなる比率に近づく。従って、ＥＧＲ量を増大することによっても、還元触媒の浄化効率を維持することができる。しかしながら、エンジンの運転状態が既にＥＧＲ量が多い運転領域にある場合にＥＧＲ量を更に増大させると、ポンピングロスが生じて燃費が悪化するおそれがある。

このように、還元触媒の浄化効率を維持するためにオルタネータを駆動する場合もＥＧＲ量を増大する場合も、燃費が悪化するおそれがある。

そこで、燃費の悪化を抑制しつつ排気ガスの浄化効率を維持するエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記目的は、エンジンと、前記エンジンの動力により発電するオルタネータと、前記オルタネータにより充電されるバッテリと、前記エンジンの排気ガスを浄化する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側に設けられた還元触媒と、前記バッテリからの電力に基づいて前記還元触媒を加熱するヒータと、前記排気ガスを前記エンジンに再循環させるＥＧＲ機構と、前記バッテリの充電量が所定値以下であり前記ヒータへの通電要求がある場合に、前記オルタネータを駆動させることに起因した燃費の第１悪化率、及び前記ＥＧＲ機構が前記排気ガスの再循環量を増大させることに起因した燃費の第２悪化率、を算出する算出部と、前記第１悪化率が前記第２悪化率より小さい場合には前記オルタネータを駆動し前記ヒータを通電し、前記第２悪化率が前記第１悪化率より小さい場合には前記ＥＧＲ機構を駆動して前記排気ガスの再循環量を増大させる制御部と、を備えたエンジンシステムによって達成できる。

燃費の第１及び第２悪化率を比較することにより、悪化効率が少ない方の制御を選択することにより、燃費の悪化を抑制しつつ還元触媒での排気ガスの浄化効率の低下を抑制できる。

燃費の悪化を抑制しつつ排気ガスの浄化効率を維持するエンジンシステムを提供できる。

図１は、本実施例のエンジンシステムの構成図である。図２は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。図３は、ＳＣＲ触媒の温度とＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化率との関係を示したグラフである。図４Ａは、オルタネータＧに要求される発電量と燃費の悪化率との関係を規定したマップであり、図４Ｂは、ＥＧＲ量と燃費の悪化率との関係を規定したマップである。図５Ａは、ＤＯＣの温度とＥＧＲ量との関係を示したグラフであり、図５Ｂは、ＤＯＣの温度とＮＯ_２／ＮＯｘ比率との関係を示したグラフである。

以下、実施例に係るエンジンシステム１０を図１に基づいて説明する。ディーゼルエンジン（略して、エンジン）１１は吸気マニホールド１２及び排気マニホールド１３を備えている。吸気マニホールド１２は吸気通路１４を介してターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口に連結され、コンプレッサ１６の入口は図示しないエアクリーナに連結されている。吸気通路１４には、エンジン１１への吸入空気量を調整するバルブＶが配置されている。排気マニホールド１３は排気通路１７を介してターボチャージャ１５の排気タービン１８の入口に連結され、排気タービン１８の出口は排気経路１９に連結されている。エンジン１１からの排気ガスは、排気タービン１８を通って排気経路１９に排出される。

吸気通路１４と排気通路１７とにはＥＧＲ通路１４ａが接続されている。ＥＧＲ通路１４ａには、ＥＧＲバルブＶａが設けられている。ＥＧＲバルブＶａの開度に応じて、エンジン１１からの排気ガスの一部がＥＧＲ通路１４ａを介して再びエンジン１１に導入される。エンジン１１へのＥＧＲ量は、ＥＧＲバルブＶａの開度に応じて制御される。ＥＧＲ通路１４ａ、ＥＧＲバルブＶａは、前記排気ガスを前記エンジンに再循環させるＥＧＲ機構の一例に相当する。

排気経路１９にはＤＯＣ（酸化触媒）２０が設けられ、ＤＯＣ２０は排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用と排気ガス中に含まれるＮＯを酸化させる作用を有する。ＤＯＣ２０としては、白金などの貴金属触媒が用いられている。このＤＯＣ２０の下流に排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２１が配置されている。

ＤＰＦ２１の下流には排気ガス中に含まれるＮＯｘの選択還元を行うＳＣＲ触媒（選択還元触媒）２２が配置されている。ＳＣＲ触媒２２としては、低温で高いＮＯｘ浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトを用いている。ＳＣＲ触媒２２の上流の排気管２３内には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を検出するためのＮＯｘセンサ２４が配置されており、ＳＣＲ触媒２２の下流側の排気管３２内には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を検出するためのＮＯｘセンサ３３が配置されている。ＳＣＲ触媒２２は、ＤＯＣ２０の下流側に配置されている。

排気管２３内には、尿素水添加弁２５が配置され、この尿素水添加弁２５は供給管２６、供給ポンプ２７を介して尿素水溶液タンク２８に連結されている。なお、尿素水添加弁２５は尿素水添加手段に相当する。尿素水溶液タンク２８内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ２７によって汲み上げられ尿素水添加弁２５から排気管２３内を流れる排気ガス中に噴射される。尿素の加水分解により発生したアンモニアはＳＣＲ触媒２２に吸着され、吸着されたアンモニアによって排気ガス中に含まれるＮＯｘの選択還元が行われる。

ＳＣＲ触媒２２には、ＳＣＲ触媒２２を加熱して再生するためのヒータＨが設けられている。ヒータＨは、バッテリＢから供給される電力に基づいて駆動する。バッテリＢには、バッテリＢの充電量を検出するためのバッテリセンサｂｓが設けられている。バッテリＢの充電量が所定値以下の場合には、オルタネータＧが駆動されてオルタネータＧによって発電された電力によりバッテリＢが充電される。オルタネータＧは、エンジン１１のクランク軸に連結されてクランク軸の回転に伴って発電可能である。

排気管２３にはＳＣＲ触媒２２の温度を検出するための温度センサ２９が配置されている。エンジンシステム１０の全体制御を行うＥＣＵ３０が設けられている。ＥＣＵ３０は、図示せぬＲＯＭ（E Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されるコンピュータである。ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２４、温度センサ２９、尿素水添加弁２５、供給ポンプ２７、バルブＶ、ＥＧＲバルブＶａなどと接続されている。ＥＣＵ３０は、尿素水添加弁２５から排気経路１９に添加される尿素水の添加量を制御する。

ＥＣＵ３０は、オルタネータＧに供給するフィールド電流の大きさを調整することにより、オルタネータＧの発電量を制御する。オルタネータＧに大きなフィールド電流が供給されて発電量が大きいほど、エンジン１１に作用する外部負荷は大きくなる。このようにしてＥＣＵ３０はオルタネータＧを駆動させる。尚、エンジン１１のクランクとオルタネータＧとの間にクラッチを備え、ＥＣＵ３０がそのクラッチの接続状態を制御することにより、オルタネータＧの駆動を制御してもよい。

次に、ＥＣＵ３０が実行する制御の一例を説明する。図２は、ＥＣＵ３０が実行する制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ３０は、エンジン１１の運転状態を検出する（ステップＳ１）。具体的には、不図示のエアーフローメータやクランク角センサ等からの出力に基づいて、エンジン１１の負荷状態、回転数を把握する。

次に、ＥＣＵ３０は、バッテリＢの充電量が所定値以下であり、かつヒータＨへの通電要求があるか否かを判定する（ステップＳ２）。バッテリＢの充電量はバッテリセンサｂｓからの出力値に基づいて判定される。尚、ヒータＨへの通電要求は、温度センサ２９からの出力値が所定値よりも低い場合、即ちＳＣＲ触媒２２の温度が低い場合になされる。ＳＣＲ触媒２２の温度が低い場合には、ＳＣＲ触媒２２を活性化させる必要があると判断されるからである。図３は、ＳＣＲ触媒２２の温度とＳＣＲ触媒２２によるＮＯｘの浄化率との関係を示したグラフである。図３に示すように、ＳＣＲ触媒２２の温度が低いほどＮＯｘの浄化効率は低減する。このため、ＳＣＲ触媒２２の温度が所定値よりも低い場合に、ヒータＨへの通電要求がなされる。ステップＳ２において否定判定の場合には、ＥＣＵ３０はこの制御を終了する。

ステップＳ２で肯定判定の場合には、ＥＣＵ３０は、オルタネータＧを駆動してヒータＨを駆動したことに起因する燃費の悪化率Ｇｆａと、ＥＧＲバルブバルブＶａの開度を調整してＥＧＲ量を増大させたことに起因する燃費の悪化率Ｇｆｅ、を算出する（ステップＳ３）。ＥＣＵ３０は、前記バッテリの充電量が所定値以下であり前記ヒータへの通電要求がある場合に、前記オルタネータを駆動させることに起因した燃費の第１悪化率、及び前記ＥＧＲ機構が前記排気ガスの再循環量を増大させることに起因した燃費の第２悪化率、を算出する算出部の一例である。

ここで、オルタネータＧを駆動することと燃費の悪化との関係について説明する。オルタネータＧを駆動することにより、エンジン１１が出力する運動エネルギーの一部が、車両走行以外のオルタネータＧによる電気エネルギーへの変換に使用される。また、バッテリＢへの充電効率、バッテリＢの放電効率、オルタネータＧの発電効率をそれぞれ８５パーセントと仮定すると、全体の効率は８５パーセントを三乗して６１パーセントとなる。ヒータＨでの消費電力を１００ｋＪと仮定すると、エンジン１１は、１００÷０．６１＝１６４ｋＪの仕事をする必要がある。このため、オルタネータＧを駆動することによりエンジン１１の燃費が悪化する。図４Ａは、オルタネータＧに要求される発電量と燃費の悪化率との関係を規定したマップである。このマップは、予め実験などにより定められ、ＥＣＵ３０のＲＡＭに予め記録されている。図４Ａに示すように、オルタネータＧに要求される発電量が増大するほど、燃費の悪化率が増大している。尚、オルタネータＧに要求される発電量は、バッテリＢの充電量よって変化する。バッテリＢの充電量が少ないほど、オルタネータＧに要求される発電量は増大する。

ＥＧＲ量を増量することと燃費の悪化との関係について説明する。例えば、現状のＥＧＲ量が比較的多い場合には、更にＥＧＲ量を増量することにより、ポンピングロスが発生する。これにより、エンジン１１の燃費が悪化する。図４Ｂは、ＥＧＲ量と燃費の悪化率との関係を規定したマップである。このマップは、予め実験などにより定められ、ＥＣＵ３０のＲＡＭに予め記録されている。図４Ｂに示すように、ＥＧＲ量が比較的少ない状態から更にＥＧＲ量を増大しても、燃費の悪化効率はあまり変化しない。しかしながら、ＥＧＲ量が比較的多い状態から更にＥＧＲ量を増大させると、ポンピングロスが増大して燃費の悪化率が増大する。

尚、現状のＥＧＲ量は、吸気マニホールド１２に設置される圧力センサの計測値を基に算出された総吸気量から、エアーフローメータの出力値に基づいた新気量を減算することにより求められる。尚、増量分のＥＧＲ量は、現状のＥＧＲ量によらずに一律に規定してもよいし、ポンピングロスを抑制するように現状のＥＧＲ量が増大するにつれて増量分のＥＧＲ量が少なくなるようにしてもよい。

尚、図４Ａ、４Ｂに示したマップは、エンジンの運転状態毎に設定されている。例えば、高負荷高回転時用のマップ、低負荷高回転時用のマップ、高負荷低回転時用のマップ、低負荷低回転時用のマップ等がＥＣＵ３０のＲＡＭに記録されている。ＥＣＵ３０は、ステップＳ１で検出したエンジン１１の運転状態に対応するマップを選択して、燃費の悪化率Ｇｆａ、Ｇｆｅを算出する。

次に、ＥＣＵ３０は、悪化率Ｇｆａが、悪化率Ｇｆｅよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。肯定判定の場合、ＥＣＵ３０はＥＧＲ量を増量しヒータＨへの通電はＯＦＦにする（ステップＳ５）。ＥＧＲ量が増量することにより、排気ガス中のＨＣが増量してＤＯＣ２０でのＨＣの反応熱によりＤＯＣ２０の温度が上昇する。図５Ａは、ＤＯＣ２０の温度とＥＧＲ量との関係を示したグラフである。前述したように、ＳＣＲ触媒２２の温度が低い場合にヒータＨへの通電要求がなされる。この場合、ＤＯＣ２０の温度も比較的低いものと推定される。従って、ＤＯＣ２０が比較的低温から高温となることにより、ＤＯＣ２０で生成されるＮＯ_２の量が増大する。図５Ｂは、ＤＯＣ２０の温度とＮＯ_２／ＮＯｘ比率との関係を示したグラフである。

ＳＣＲ触媒２２は、流入する排気ガス中のＮＯの量とＮＯ_２の量とがほぼ等しい状態で、最も効率よくＮＯ、ＮＯ_２を還元すること（ＮＯｘの浄化）できる。しかしながら、ＤＯＣ２０におけるＮＯ_２の生成量が少ないときは、ＮＯの割合が大きくなり、ＳＣＲ触媒２２のＮＯｘ浄化能力が低下する。

しかしながら、上述したようにＥＧＲ量を増大させてＤＯＣ２０の温度を上昇させることにより、ＮＯ_２量を確保してＳＣＲ触媒２２の浄化効率を維持することができる。

ステップＳ４で否定判定の場合には、ＥＣＵ３０はオルタネータＧを駆動してヒータＨを駆動する（ステップＳ６）。これにより、ヒータＨはバッテリＢから供給される電力によってＳＣＲ触媒２２を加熱しながら、オルタネータＧは発電してバッテリＢが充電される。これにより、ＳＣＲ触媒２２を強制再生させてＳＣＲ触媒２２の浄化効率を維持することができる。ＥＣＵ３０は、前記第１悪化率が前記第２悪化率より小さい場合には前記オルタネータを駆動し前記ヒータを通電し、前記第２悪化率が前記第１悪化率より小さい場合には前記ＥＧＲ機構を駆動して前記排気ガスの再循環量を増大させる制御部の一例である。

以上のように、燃費の悪化効率に基づいて、ＥＧＲ量を増量するか、またはオルタネータＧを駆動してヒータＨを駆動させるかを判断する。これにより、燃費の悪化を抑制しつつ、排気ガスの浄化効率を維持することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ＤＯＣ２０の温度を検出する温度センサを設けて、ＤＯＣ２０の温度が所定値以下でありＳＣＲ触媒２２の温度も所定値以下である場合に、ヒータＨへの通電要求がなさるものであってもよい。

本発明は、或いは、エンジンとモータとの双方を有するハイブリッドシステムにも適用できる。この場合、モータを上記実施例でのオルタネータＧとして用いてもよいし、また、モータとは別にオルタネータＧを設けてもよい。

ＤＰＦ等の温度センサの出力値に基づいてＳＣＲ触媒２２の温度を推定してもよい。燃料噴射量、回転数、吸入空気量、ＥＧＲ量等からエンジン１１の燃焼状態を推定して、これに基づいてＳＣＲ触媒２２の温度を推定してもよい。

１０エンジンシステム
１１エンジン
１４ａＥＧＲ通路
ＶａＥＧＲバルブ
２０ＤＯＣ（酸化触媒）
２２ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）
Ｂバッテリ
Ｇオルタネータ
Ｈヒータ

Claims

エンジンと、
前記エンジンの動力により発電するオルタネータと、
前記オルタネータにより充電されるバッテリと、
前記エンジンの排気ガスを浄化する酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側に設けられた還元触媒と、
前記バッテリからの電力に基づいて前記還元触媒を加熱するヒータと、
前記排気ガスを前記エンジンに再循環させるＥＧＲ機構と、
前記バッテリの充電量が所定値以下であり前記ヒータへの通電要求がある場合に、前記オルタネータを駆動させることに起因した燃費の第１悪化率、及び前記ＥＧＲ機構が前記排気ガスの再循環量を増大させることに起因した燃費の第２悪化率、を算出する算出部と、
前記第１悪化率が前記第２悪化率より小さい場合には前記オルタネータを駆動し前記ヒータを通電し、前記第２悪化率が前記第１悪化率より小さい場合には前記ＥＧＲ機構を駆動して前記排気ガスの再循環量を増大させる制御部と、を備えたエンジンシステム。
前記還元触媒は、アンモニアを還元剤として前記排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する尿素選択還元触媒である、請求項１のエンジンシステム。