JP2014009598A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】排気中のＨＣとスモークの放出を抑制できる排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】実施形態のディーゼルエンジンは、メイン噴射とパイロット噴射とを行なう燃料噴射システム１４と、排気浄化装置１５とを備えている。パイロット噴射は、ピストンが圧縮上死点に達する前にメイン噴射よりも少ない量の燃料を噴射する。排気通路４１には、排気浄化装置１５の一部をなす酸化触媒５０とパティキュレートフィルタ５１とが配置されている。制御手段として機能する制御部１６は、温度センサ等の触媒温度獲得手段によって検出あるいは推定された酸化触媒５０の温度を所定温度と比較し、酸化触媒５０の温度が前記所定温度以下であればパイロット噴射の時期を所定値よりも遅角側の初期値に設定する。酸化触媒５０の温度が所定温度を越えると、パイロット噴射の時期を前記初期値から前記所定値まで進角させてパイロット噴射を行なう。
【選択図】図１

Description

この発明は、多段噴射可能な燃料噴射システムと排気浄化装置とを備えたディーゼルエンジンに関する。

ディーゼルエンジンにおいて、排気を浄化するための手段として、特許文献１あるいは特許文献２に記載されているように、排気系に酸化触媒とパティキュレートフィルタとを設けた排気浄化装置が知られている。この種の排気浄化装置は、排気中のＨＣを前記酸化触媒によってＨ_２ＯとＣ_２Ｏに変化させる。また排気中のＮＯｘを前記酸化触媒によって酸化させてＮＯ_２に変化させ、このＮＯ_２によってパティキュレートフィルタに付着している微粒子（主として炭素）を燃焼させることができる。さらに燃焼音の低減とスモークの排出を抑制するために、メイン噴射による主燃焼の前にパイロット噴射による予備燃焼を行なうことも知られている。

特開２００５−４８６７８号公報 特開２００１−２９５６３１号公報

前記パイロット噴射は、メイン噴射に先立って圧縮上死点の手前で行なわれるため、パイロット噴射からメイン噴射までの間隔が大きくなると、パイロット噴射によって噴射した燃料の一部がシリンダライナー等に付着することにより、未燃焼ガス（ＨＣ）が排気通路に排出される原因となる。排気通路に排出されたＨＣは、前記酸化触媒によってＨ_２ＯとＣ_２Ｏに変化させることが可能であるが、そのためには酸化触媒が活性化していることが必要である。

酸化触媒が活性温度に達していない場合、排気中のＨＣを減らす手段として、パイロット噴射の時期をメイン噴射に近付けることが考えられる。しかしパイロット噴射からメイン噴射が行なわれるまでの間隔が短いと、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼が活発な状態でメイン噴射が行なわれるため拡散燃焼割合が増加し、スモークが増える原因となる。

前記特許文献１に記載されている燃焼制御装置は、酸化触媒やパティキュレートフィルタの温度低下と過昇温を防ぐためにメイン噴射の時期を変更しており、特許文献２に記載されている排気浄化装置は、酸化触媒の温度に応じてメイン噴射の時期を変更している。いずれの場合もメイン噴射の時期を変えており、触媒温度に応じてパイロット噴射の時期を変更することは行なわれていない。

従って本発明が解決しようとする課題は、メイン噴射の時期を変更せずともＨＣとスモークの排出を抑制することが可能なディーゼルエンジンを提供することにある。

本発明は、燃料を噴射するメイン噴射と、該メイン噴射前でピストンが圧縮上死点に達する前に前記メイン噴射よりも少ない量の燃料を噴射するパイロット噴射と、を行なう燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンであって、排気通路内に配置された酸化触媒と、前記排気通路内で前記酸化触媒の下流側に設けられたパティキュレートフィルタと、前記酸化触媒の温度を検出または推定する触媒温度獲得手段と、前記触媒温度獲得手段によって得られた前記酸化触媒の温度を所定温度と比較し、前記酸化触媒の温度が前記所定温度以下であれば前記パイロット噴射の時期を所定値よりも遅角側の初期値に設定して前記パイロット噴射を行ない、前記酸化触媒の温度が前記所定温度を越えると前記パイロット噴射の時期を前記初期値から前記所定値まで進角させて１回以上の前記パイロット噴射を行なう制御手段とを具備している。

前記所定温度の一例は酸化触媒が活性化する温度である。前記制御手段は、該ディーゼルエンジンの負荷が大きいほど前記パイロット噴射の前記初期値と前記所定値とをそれぞれ進角側に設定してもよい。前記制御手段は、前記パイロット噴射の時期にかかわらず圧縮上死点を過ぎた一定の時期において前記メイン噴射を行ってもよい。また前記酸化触媒によって排気中のＮＯｘを酸化させてＮＯ_２に変化させ、このＮＯ_２によって前記パティキュレートフィルタに付着しているスモーク成分を燃焼させてもよい。

本発明によれば、メイン噴射とパイロット噴射を行なうことができる多段噴射可能な燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンにおいて、触媒温度に応じてパイロット噴射の時期を遅角側の初期値あるいは進角側の所定値に変化させることにより、ＨＣとスモークの排出を抑制することが可能である。

燃料噴射システムと排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの概略図。 １つの実施形態に係る制御部による処理の流れを示すフローチャート。 前記制御部によるメイン噴射とパイロット噴射の時期を模式的に示すタイムチャート。

以下に本発明の１つの実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、ディーゼルエンジン１０を模式的に示している。このディーゼルエンジン１０は、エンジン本体１１と、吸気系１２と、排気系１３と、コモンレール式燃料噴射システム１４と、排気浄化装置１５と、車載コンピュータ等を用いたコントロールユニット（ＥＣＵ）として機能する制御部１６などを備えている。

エンジン本体１１は、シリンダライナー２０と、ピストン２１と、燃焼室２２と、クランク２３などを含んでいる。吸気系１２は、吸気通路２５と、ターボチャージャ２６のコンプレッサと、吸気絞り弁２７と、吸気弁２８などを含んでいる。

コモンレール式燃料噴射システム１４は、加圧された燃料を蓄えるコモンレール３０と、エンジン本体１１の各気筒ごとに設けられた燃料噴射弁（インジェクタ）３１と、燃料を加圧してコモンレール３０に供給する燃料ポンプ３２などを備えている。コモンレール３０は、燃料ポンプ３２によって加圧された燃料を蓄える蓄圧機能を有している。コモンレール３０と燃料ポンプ３２は燃料供給管３３によってつながれている。

コモンレール３０には、各気筒の燃料噴射弁３１に燃料を供給するための複数の吐出ポート３０ａが形成されている。図１では吐出ポート３０ａと燃料噴射弁３１とがそれぞれ１つのみ示されているが、実際にはコモンレール３０の各吐出ポート３０ａのそれぞれに、燃料供給路３４を介して各気筒の燃料噴射弁３１が接続され、各燃料噴射弁３１に燃料が供給されるようになっている。

燃料噴射弁３１は、先端にノズル孔を有するボデー３１ａと、前記ノズル孔を開閉するニードル形の弁体３１ｂと、弁体３１ｂを駆動する弁体駆動部３１ｃなどを備えている。弁体駆動部３１ｃは制御部１６によって制御される。燃料ポンプ３２は、コモンレール３０の燃料圧力が所望の値となるように、制御部１６によって吐出量が制御される。

排気系１３は、排気弁４０と、排気通路４１と、前記ターボチャージャ２６のタービンと、排気浄化装置１５の一部をなす酸化触媒５０と、酸化触媒５０の下流側に配置されたパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：diesel particulate filter）５１を含んでいる。酸化触媒５０とパティキュレートフィルタ５１は、排気系１３の一部をなすＤＰＦハウジング５２内の排気通路４１ａに収容されている。パティキュレートフィルタ５１は排気中のスモーク成分である粒子状物質（パティキュレートマタ−）を捕集する機能を有している。

酸化触媒５０の上流側と下流側に、それぞれ排気温度センサ５５，５６が配置されている。前記制御部１６は、これら排気温度センサ５５，５６によって検出される酸化触媒５０の上流側温度と下流側温度に基いて、酸化触媒５０の温度を推定する。すなわち排気温度センサ５５，５６と制御部１６とは、酸化触媒５０の温度を推定するための触媒温度獲得手段を構成している。なお触媒温度獲得手段として、酸化触媒５０の温度を直接検出することが可能な温度センサを使用し、この温度センサの出力を制御部１６に入力してもよい。

酸化触媒５０は、例えばセラミック等の触媒担持体と、白金やバナジウム化合物等からなる触媒を有している。この触媒が活性化する温度（活性開始温度）の一例は２５０℃である。酸化触媒５０の温度が活性開始温度を越えていれば、排気中のＮＯが効率良く酸化されてＮＯ_２に変化する。このＮＯ_２によって、パティキュレートフィルタ５１に付着しているスートなどの粒子状物質を比較的低温度（例えば２５０〜３５０℃）で燃焼させることができる。

制御部１６は、エンジン１０の運転状態に応じて燃料噴射弁３１の噴射量および噴射時期を制御する機能を有し、メイン噴射と、少なくとも１回のパイロット噴射を行なうようになっている。ここで言うメイン噴射とは、ピストン２１の圧縮上死点付近または圧縮上死点後に主燃焼のための燃料を燃焼室２２に向けて噴射する燃料噴射動作であり、その噴射時期はクランクの上死点位置からの角度に対応している。パイロット噴射は、メイン噴射前でかつピストン２１が圧縮上死点に達する前に、メイン噴射よりも少ない量の燃料を予備燃焼のために噴射する燃料噴射動作であり、その噴射時期はクランクの上死点位置からの角度に対応している。なお、パイロット噴射が２回以上に分けて行なわれてもよい。

次に、排気浄化装置１５を備えたディーゼルエンジン１０の作用について説明する。
図２は、制御部１６によるパイロット噴射処理の一例を示すフローチャートである。制御手段として機能する制御部１６には、この処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit））のためのコンピュータプログラムが格納されている。図２に示されたパイロット噴射処理は、エンジンの始動後に開始される。

図２中のステップＳ１において、排気通路４１を通る排気の温度が排気温度センサ５５，５６によって検出され、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、排気温度センサ５５，５６によって検出された排気温度に基いて酸化触媒５０の温度が推定される。なお、酸化触媒５０の温度を直接検出可能な温度センサを使用する場合には、その検出温度が制御部１６に入力される。

図２のステップＳ３において、制御部１６は、前記ステップＳ２によって検出または推定された触媒温度を所定温度と比較する。ここで所定温度の一例は、酸化触媒５０の活性開始温度（触媒が活性を示し始める温度）である。触媒に白金やバナジウム化合物を用いる場合の所定温度の一例は２５０℃であるが、使用する触媒の性質に応じて所定温度が設定される。

ステップＳ３において、前記触媒温度が所定温度以下（ステップＳ３で“ＮＯ”）であると判断されれば、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、パイロット噴射時期が下記の初期値（例えば上死点前の２０°〜５０°）に設定される。すなわちこの初期値は、エンジン始動時や車両の走行と停止が頻繁に繰り返される場合のように酸化触媒５０が活性化していない状態においてパイロット噴射を行なう時期である。

前記ステップＳ３において、触媒温度が前記所定温度を越えている（ステップＳ３で“ＹＥＳ”）と判断されれば、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、パイロット噴射時期が前記初期値よりも進角されて下記の所定値に設定される。すなわちこの所定値は、酸化触媒５０が活性化している状態においてパイロット噴射を行なう時期である。

例えば図３に模式的に示すように、低負荷時にはパイロット噴射時期の前記初期値と前記所定値とは、それぞれ圧縮上死点前でかつメイン噴射に近くなるように設定され、高負荷になるほどメイン噴射に対して進角側に移動するように設定される。メイン噴射の時期（クランクの上死点位置からの角度）はパイロット噴射の時期にかかわらず一定であり、圧縮上死点後の一定の時期に設定される。なお、エンジンの運転状況に応じてメイン噴射の時期を変化させてもよい。

図３の例では、低負荷域（例えばトルクが０〜１００Ｎ・ｍ未満）において、パイロット噴射の初期値が上死点前の２０°、進角後の所定値が上死点前の４０°に設定される。負荷が上昇して中負荷域（例えば１００Ｎ・ｍ以上、１８０Ｎ・ｍ未満）になると、初期値が上死点前の４０°、進角後の所定値が上死点前の６０°に設定される。さらに高負荷域（例えば１８０Ｎ・ｍ以上）では、初期値が上死点前の５０°、進角後の所定値が上死点前の７０°に設定される。このように制御部１６は、エンジンの負荷が大きいほど、パイロット噴射の初期値と所定値の進角度の度合いがそれぞれ増加するように噴射時期を設定する。前記ステップＳ４またはステップＳ５が行なわれたのち、再びステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ４，Ｓ５までの一連の処理が繰返される。

前記したようにステップＳ４では、排気温度が低く酸化触媒５０の温度が低いときに、パイロット噴射時期を上死点寄りの初期値に設定する。この場合、パイロット噴射によって噴射された燃料がシリンダライナー２０に付着する量が少なくなるため、ＨＣの排出量はパイロット噴射が進角側の前記所定値で行なわれる場合よりも減少する。しかしその反面、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼が活発な状態でメイン噴射が行なわれるため拡散燃焼割合が増加し、スモークが増える傾向がある。

スモークに含まれる微粒子等のスモーク成分（主に炭素）は、パティキュレートフィルタ５１によって捕集される。エンジンの運転によって排気温度が上昇し、酸化触媒５０が活性化すると、排気中のＮＯｘが酸化触媒５０によって酸化されてＮＯ_２に変化する。パティキュレートフィルタ５１に付着していたスモーク成分がこのＮＯ_２によって比較的低温（例えば２５０℃〜３５０℃前後）で燃焼し、ＣＯ_２に変化する。酸化触媒５０の酸素の変換効率は、ある温度域（例えば２５０℃以上の活性温度域）で最大となるから、排気温度がこの温度域にあればＮＯ_２によって煤が燃焼し、パティキュレートフィルタ５１の連続再生が行なわれる。

一方、前記ステップＳ５では、酸化触媒５０の温度が前記所定温度を越えていることにより、パイロット噴射が進角側の所定値に設定される。このためパイロット噴射は前記初期値よりも進角側に移動した時期に行なわれる。この場合、パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔が大きくなるため、パイロット噴射によって噴射された燃料の一部がシリンダライナーに付着しやすく、その分、ＨＣの量が増える可能性がある。しかしこのＨＣは、酸化触媒５０が活性化していることにより、酸化触媒５０によってＨ_２ＯとＣＯ_２に変化させることができるため、大気中にＨＣが排出されてしまうことを抑制できる。

前記ステップＳ５では、パイロット噴射を行なう時期（前記所定値）とメイン噴射を行なう時期との間隔が大きくなっているため、パイロット噴射による予備燃焼後にメイン噴射による主燃焼が行なわれる。このため主燃焼のための着火遅れ時間が確保され、主燃焼の予混合燃焼割合が高くなることにより、燃焼が良好となってスモークの排出を少なくすることができる。このため、パイロット噴射を行なっても、パティキュレートフィルタ５１にスモーク成分が堆積する量が増加することを抑制できる。

なお本発明を実施するに当たって、メイン噴射やパイロット噴射を行なう燃料噴射システムや制御手段をはじめとして、酸化触媒やパティキュレートフィルタ、触媒温度獲得手段など排気浄化装置を構成する要素を適宜変更して実施できることは言うまでもない。またエンジンの運転状況に応じてメイン噴射の時期を変更してもよいし、パイロット噴射を２回以上に分けて行なってもよい。

１０…ディーゼルエンジン、１４…燃料噴射システム、１５…排気浄化装置、１６…制御部（制御手段）、３０…コモンレール、３１…燃料噴射弁、３２…燃料ポンプ、４１，４１ａ…排気通路、５０…酸化触媒、５１…パティキュレートフィルタ、５５，５６…排気温度センサ（触媒温度獲得手段）。

Claims (6)

1. 燃料を噴射するメイン噴射と、該メイン噴射前でピストンが圧縮上死点に達する前に前記メイン噴射よりも少ない量の燃料を噴射するパイロット噴射と、を行なう燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンであって、
   排気通路内に配置された酸化触媒と、
   前記排気通路内で前記酸化触媒の下流側に設けられたパティキュレートフィルタと、
   前記酸化触媒の温度を検出または推定する触媒温度獲得手段と、
   前記触媒温度獲得手段によって得られた前記酸化触媒の温度を所定温度と比較し、前記酸化触媒の温度が前記所定温度以下であれば前記パイロット噴射の時期を所定値よりも遅角側の初期値に設定して前記パイロット噴射を行ない、前記酸化触媒の温度が前記所定温度を越えると前記パイロット噴射の時期を前記初期値から前記所定値まで進角させて前記パイロット噴射を行なう制御手段と、
   を具備したことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記所定温度が前記酸化触媒が活性化する温度であることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記制御手段は、該ディーゼルエンジンの負荷が大きいほど前記パイロット噴射の前記初期値と前記所定値とをそれぞれ進角側に設定することを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記制御手段は、前記パイロット噴射の時期にかかわらず圧縮上死点を過ぎた一定の時期に前記メイン噴射を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記制御手段は、前記パイロット噴射を複数回に分けて行なうことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
6. 前記酸化触媒によって排気中のＮＯｘを酸化させてＮＯ_２に変化させ、このＮＯ_２によって前記パティキュレートフィルタに付着したスモーク成分を燃焼させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。

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