JP2014114786A - エンジンの排気管噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射ノズルへ供給する空気量を低減する。
【解決手段】ＤＰＦの再生処理を行わない場合、噴射ノズルの温度Ｔが噴射ノズル内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性がある所定温度Ｔａ以上であるときには（Ｓ２０１）、噴射ノズルから排気管内に圧縮空気を噴射する空気噴射モードを実施し（Ｓ２０２）、噴射ノズル内に残留し得る残留燃料を排出するとともに噴射ノズルを冷却して、残留燃料の炭化に起因する噴射ノズルの詰まりを抑制する。噴射ノズルの温度Ｔが所定温度Ｔａ以上である場合には（Ｓ２０３）、空気噴射モードを繰り返し実施し、噴射ノズルの温度Ｔが所定温度Ｔａ未満まで低下したとき（Ｓ２０３）、空気噴射モードを停止する（Ｓ２０４）。一方、ＤＰＦの再生処理を行わない場合、噴射ノズルの温度Ｔが所定温度Ｔａより低いときには（Ｓ２０１）、噴射ノズルから排気管内に圧縮空気を噴射しない（Ｓ２０４）。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンの排気管内に燃料を噴射する排気管噴射装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンにおいて、排気管内に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）が捕集した微粒子を除去してＤＰＦを再生させる再生処理が行われている。この再生処理は、ＤＰＦの上流側の排気管内に配置される酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）に対して更に上流側に設けた噴射ノズルが排気管内に燃料を噴射し、噴射された燃料がＤＯＣにおいて酸化反応熱を生じさせることにより、ＤＯＣの下流側のＤＰＦに捕集された微粒子を燃焼除去して行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５０９４１号公報

ところで、噴射ノズルから燃料噴射を行った後に噴射ノズル中に燃料が残留していると、この残留燃料が噴射ノズル周囲の排気熱などを受けて炭化し、噴射ノズルが詰まる可能性がある。このため、噴射ノズルが燃料を噴射しない場合、噴射ノズル内に空気を通すことにより、残留燃料を排気管内に排出するとともに噴射ノズルを冷却して、残留燃料の炭化に起因する噴射ノズルの詰まりを抑制することが考えられる。

しかしながら、噴射ノズルが燃料を噴射しない場合に噴射ノズルに対して空気を常時供給すると、圧縮空気を貯留する貯留容器から噴射ノズルへ供給される空気量の割合が増大してしまう。したがって、貯留容器に対する圧縮空気の充填が遅れると、貯留容器を空気供給源とする他の空圧機器の作動などに影響を及ぼすおそれがある。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、噴射ノズルへ供給する空気量を低減できるエンジンの排気管噴射装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るエンジンの排気管噴射装置は、エンジンの排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルを備え、噴射ノズルが燃料を噴射していない場合に、噴射ノズルの温度に応じて、噴射ノズルへ空気を供給することを特徴とする。

本発明のエンジンの排気管噴射装置によれば、噴射ノズルへ供給する空気量を低減することができる。

排気管噴射装置を適用する、車両用のディーゼルエンジンを示す構成図である。 排気管噴射装置の詳細を示す回路図である。 排気管噴射装置の制御処理内容を示すフローチャートである。

以下、添付された図面を参照して本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、排気管噴射装置を適用する、車両用のディーゼルエンジン（内燃機関）を示す。

ディーゼルエンジン１０は、吸気管１２及び吸気マニホールド１４を介して空気を吸引する。吸気管１２には、上流側から順に、空気中の塵埃などをろ過するエアクリーナ１６、吸気過給を行うターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ、コンプレッサ１８Ａを通過して高温になった吸気を冷却するインタークーラ２０を設けてある。

一方、ディーゼルエンジン１０は、排気マニホールド２２及び排気管２４を介して排気を放出する。排気管２４には、上流側から順に、ターボチャージャ１８の排気タービン１８Ｂ、燃料（例えば、軽油）を排気管２４内に噴射する噴射ノズルを有する排気管噴射装置２６、連続再生式ＤＰＦ装置２８、還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルを有する還元剤噴射装置３０、尿素水溶液から生成されるアンモニア（還元剤）を用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３２、ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３４を設けてある。

連続再生式ＤＰＦ装置２８は、ＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ２８Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Material）を捕集・除去するＤＰＦ２８Ｂと、を備える。

なお、排気浄化フィルタとして、前記ＤＰＦ２８Ｂに代えて、フィルタ表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用できる。
また、ディーゼルエンジン１０は、排気の一部を吸気側に還流させることで燃焼温度を低下させ、排気中のＮＯｘ濃度を低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３６を備えている。

ＥＧＲ装置３６は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１２に還流させるＥＧＲ管３６Ａと、ＥＧＲ管３６Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３６Ｂと、吸気管１２に還流させる排気量（ＥＧＲ率）を制御するＥＧＲ制御弁３６Ｃとを備える。

コンピュータを内蔵したコントロールユニット３８は、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ４０、及び、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑを検出する負荷センサ４２の出力信号などを入力する。

ここで、負荷センサ４２は、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑを示す状態量として、吸気流量、吸気圧力、過給圧力、アクセル開度、吸気絞り弁の開度など、ディーゼルエンジン１０のトルクと密接に関連する状態量を検出する。

コントロールユニット３８は、内蔵するＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに記憶した制御プログラムを実行することで、各種センサからの信号に基づいて、ＤＰＦ２８Ｂの再生処理などを制御する。

コントロールユニット３８は、例えば、ディーゼルエンジン１０の積算運転時間や、ディーゼルエンジン１０の運転条件から推定した微粒子の排出量の積算や、ＤＰＦ２８Ｂの上下流間の差圧などから、ＤＰＦ２８Ｂの再生要求の有無を判断する。

そして、コントロールユニット３８は、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号に基づき、排気管噴射装置２６によって連続再生式ＤＰＦ装置２８の上流側の排気管２４内に燃料を噴射させる。

なお、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号は、ＤＰＦ２８Ｂの再生要求が発生していることを運転者に警告し、この警告に基づいて運転者がボタン操作を行うことにより手動で出力させる構成であってもよく、また、コントロールユニット３８が再生要求に基づき自動的に出力されたとみなす構成であってもよい。

図２は、排気管噴射装置２６の詳細を示す回路図である。
排気管噴射装置２６は、燃料を排気管２４内に噴射する噴射ノズル１００と、この噴射ノズル１００に加圧燃料を導く燃料供給配管１０２と、圧縮空気を燃料供給配管１０２内に導く空気供給配管１０４と、を備える。

噴射ノズル１００は、燃料供給配管１０２の下流端の管路断面積を縮小する墳口（絞り）を有し、この噴口が排気管２４内に臨み、排気管２４内を流れる排気中に燃料を噴霧状にして噴射する。

燃料供給配管１０２は、図示しない燃料ポンプを介して燃料タンクに連通し、燃料供給配管１０２には、燃料ポンプが吐出する加圧燃料が供給される。
燃料供給配管１０２には、上流側から順に、遮断バルブ１０６、圧力センサ１０８、及び燃料供給バルブ１１０が配置され、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０は噴射ノズル１００への加圧燃料の供給を制御する。

遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０は、電磁式のバルブであって、コントロールユニット３８の駆動信号に基づいて開閉動作する。
圧力センサ１０８は、遮断バルブ１０６と燃料供給バルブ１１０との間の燃料供給配管１０２における燃料圧力を検出し、その検出信号をコントロールユニット３８に出力する。

空気供給配管１０４は、噴射ノズル１００と燃料供給バルブ１１０との間で燃料供給配管１０２に合流する。空気供給配管１０４には、図示しないエアコンプレッサが吐出する圧縮空気、又はエアコンプレッサが吐出する圧縮空気を貯留するエアリザーバ（貯留容器）からの圧縮空気が供給される。

空気供給配管１０４には空気供給バルブ１１２が配置され、燃料供給配管１０２ひいては噴射ノズル１００に対する圧縮空気の供給を制御する。空気供給バルブ１１２は、電磁式のバルブであって、コントロールユニット３８の駆動信号に基づいて開閉動作する。

以上のような排気管噴射装置２６の構成において、コントロールユニット３８は、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号の出力を契機として、空気供給バルブ１１２を閉弁した状態に保持させるとともに、遮断バルブ１０６を開弁した状態に保持させ、燃料供給バルブ１１０を断続的又は連続的に開弁させる制御を一定時間行う。これにより、加圧燃料が燃料供給配管１０２を介して噴射ノズル１００まで供給され、噴射ノズル１００の噴口から噴射された燃料が、排気管２４内を流れる排気中に噴霧状に噴射される。そして、排気管２４内に噴射された燃料は、ＤＯＣ２８Ａで酸化し、この酸化反応熱によってＤＰＦ２８Ｂに堆積した微粒子（煤）が燃焼して、ＤＰＦ２８Ｂを再生する再生処理が一定時間行われる。

一定時間経過後、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号の出力が自動的に停止され、コントロールユニット３８は、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０を閉弁する制御を行う。
なお、圧力センサ１０８は、コントロールユニット３８が行う、遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０、及び空気供給バルブ１１２の故障診断に用いられる。

具体的には、コントロールユニット３８は、遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０、及び空気供給バルブ１１２の開閉制御状態の組み合わせから想定される、遮断バルブ１０６と燃料供給バルブ１１０との間の圧力と、実際に圧力センサ１０８が検出した圧力とを比較することで、遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０、及び空気供給バルブ１１２の閉固着故障や開固着故障の有無を診断する。

図３は、ディーゼルエンジン１０の運転中、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号が出力されていない場合に繰り返し実行される、コントロールユニット３８による排気管噴射装置２６の制御処理内容を示す。

ステップ２０１（図では「Ｓ２０１」と略記する。以下同様）では、噴射ノズル１００内に燃料が残留していると仮定した場合に、この残留燃料に炭化する可能性があるか否かを判断すべく、噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度Ｔａ以上であるか否かを判定する。

所定温度Ｔａは、後述するステップ２０２の空気噴射モードにおいて、噴射ノズル１００への空気供給に対して、噴射ノズル１００の温度が応答する時間に遅れが生じることを考慮して、燃料が炭化する炭化温度Ｔｃ未満かつ近傍の温度として規定され、予めコントロールユニット３８のＲＯＭなどに記憶されている既定の温度である。

噴射ノズル１００の温度Ｔは、噴射ノズル１００近傍の排気管２４に設けた排気温度センサ（図示省略）により検出される排気管２４内の排気温度Ｔｅ、あるいは、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ、及びディーゼルエンジン１０の負荷Ｑなど、ディーゼルエンジン１０の運転状態に基づいて公知の方法により演算される排気管２４内の排気温度Ｔｅ＊から推定される。排気温度Ｔｅ及び排気温度Ｔｅ＊は、噴射ノズル１００による排気管２４内への空気噴射が与える影響を回避すべく、排気管２４内のうち、噴射ノズル１００の上流側における温度であってもよい。

排気温度Ｔｅ又は排気温度Ｔｅ＊による噴射ノズル１００の温度Ｔの推定は、排気温度Ｔｅ又は排気温度Ｔｅ＊が噴射ノズル１００の温度Ｔ＊に予め対応付けられた温度マップを参照するなどして行われる。温度マップは、コントロールユニット３８のＲＯＭなどに記憶されている。

このような温度マップにおいて、排気温度Ｔｅ又は排気温度Ｔｅ＊が対応付けられる噴射ノズル１００の温度Ｔ＊は、炭化が発生する可能性の判断をより確実にすべく、噴射ノズル１００内において、残留燃料の炭化が最初に発生すると考えられる最高温度部分、例えば、噴射ノズル１００の先端（噴口など）における温度として設定してもよい。

なお、噴射ノズル１００の温度Ｔは、噴射ノズル１００に取り付けた温度センサ（図示省略）から検出した温度検出値を直接用いてもよく、この場合、温度センサは、炭化が発生する可能性の判断をより確実にすべく、噴射ノズル１００の先端に近接して取り付けられてもよい。

ステップ２０１において、噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度Ｔａ以上であると判定された場合には、噴射ノズル１００内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性があるので、ステップ２０２へ進む（Ｙｅｓ）。一方、噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度Ｔａ未満であると判定された場合には、噴射ノズル１００内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性がないので、後述の空気噴射モードに関するステップ２０２及びステップ２０３を実施せずにステップ２０４へ進む（Ｎｏ）。

ステップ２０２では、噴射ノズル１００に残留し得る残留燃料の炭化を抑制すべく、噴射ノズル１００から圧縮空気を噴射させる空気噴射モードを実施する。
具体的には、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０を閉弁した状態に保持するとともに、空気供給バルブ１１２を開弁する制御を行うことにより、上流側から順に、空気供給配管１０４、空気供給配管１０４が合流した場所から下流の燃料供給配管１０２、及び噴射ノズル１００を介して排気管２４内に圧縮空気を噴射させる。

噴射ノズル１００から噴射させる圧縮空気の噴射量は、噴射ノズル１００の温度Ｔが炭化温度Ｔｃ以上とならないように、噴射ノズル１００を冷却できる量に設定すればよい。圧縮空気の噴射量は、空気供給バルブ１１２の開弁と閉弁とを繰り返すことにより制御される。空気供給バルブ１１２の開弁時間と閉弁時間との比率は圧縮空気の噴射量に応じて設定される。

このように噴射ノズル１００から圧縮空気を噴射させることにより、噴射ノズル１００内に残留し得る残留燃料を排出するとともに噴射ノズル１００を冷却して、残留燃料の炭化に起因する噴射ノズル１００の詰まりを抑制する。

なお、噴射ノズル１００から噴射させる圧縮空気の噴射量は、噴射ノズル１００の温度Ｔが変化する程度に応じて可変としてもよい。例えば、ステップ２０２の空気噴射モード開始時における噴射ノズル１００の温度Ｔの時間変化率が増大するに従って、圧縮空気の噴射量を増大させるように設定してもよい。このようにすることで、噴射ノズル１００内における残留燃料の炭化抑制を確保しつつ、さらに空気消費量を低減することができる。

ステップ２０３では、空気噴射モードを継続するか否かを判断すべく、噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度Ｔａ未満となっているか否かを判定する。
噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度Ｔａ未満であると判定された場合、噴射ノズル１０内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性がないと判断されるので、空気噴射モードを終了すべく、ステップ２０４へ進む（Ｙｅｓ）。一方、噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度Ｔａ以上であると判定された場合、噴射ノズル１０内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性が依然として残っているので、空気噴射モードを継続すべくステップ２０２へ戻る（Ｎｏ）。

なお、ステップ２０３において、空気噴射の有無により、所定温度Ｔａに対して噴射ノズル１００の温度Ｔが頻繁に前後するハンチング現象を防止するために、空気噴射モードを継続するか否かの閾値として、所定温度Ｔａに対してヒステリシスαをもたせた、所定温度（Ｔａ−α）を用いてもよい。すなわち、噴射ノズル１００の温度Ｔが所定温度（Ｔａ−α）未満と判定された場合、空気噴射モードを終了すべくステップ２０４へ進み、所定温度（Ｔａ−α）以上であると判定された場合、空気噴射モードを継続すべくステップ２０２へ戻る。

ステップ２０４では、噴射ノズル１００からの圧縮空気の噴射を停止する空気噴射停止モードを実施する。
具体的には、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０を閉弁した状態に保持するとともに、空気供給バルブ１１２を閉弁した状態に保持する制御を行う。

このような排気管噴射装置２６によれば、ＤＰＦ２８Ｂの再生処理を行わない場合、噴射ノズル１００の温度Ｔが、噴射ノズル１００内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性があると判断される所定温度Ｔａ未満であるときには、噴射ノズル１００から排気管２４内に圧縮空気を噴射しない。このため、ＤＰＦ２８Ｂの再生処理を行わない場合に噴射ノズル１００から圧縮空気を常時噴射させる場合と比較すると、噴射ノズル１００へ供給する圧縮空気の供給量を低減することができる。したがって、空気供給配管１０４に対して圧縮空気を供給するエアリザーバ又はエアコンプレッサの供給能力に余裕が生まれ、エアリザーバ又はエアコンプレッサを空気供給源とする他の空圧機器の作動などに影響を与えにくくなる。

一方、排気管噴射装置２６は、ＤＰＦ２８Ｂの再生処理を行わない場合、噴射ノズル１００の温度Ｔが、噴射ノズル１００内に残留し得る残留燃料に炭化の可能性があると判断される所定温度Ｔａ以上であるときには、噴射ノズル１００から排気管２４内に圧縮空気を噴射させている。このため、噴射ノズル１００内に残留し得る残留燃料を排出するとともに噴射ノズル１００を冷却して、残留燃料の炭化に起因する噴射ノズル１００の詰まりを抑制することも可能である。

要するに、排気管噴射装置２６によれば、噴射ノズル１００が燃料を噴射していない場合に、噴射ノズル１００の温度に応じて、噴射ノズル１００へ空気を供給しているので、残留燃料の炭化に起因する噴射ノズル１００の詰まりを抑制しつつ、噴射ノズル１００へ供給する圧縮空気の供給量を低減することができる。

前述の実施形態において、空気供給配管１０４は、噴射ノズル１００と燃料供給バルブ１１０との間の燃料供給配管１０２内に残留した燃料を圧縮空気により噴射ノズル１００から排出すべく、燃料供給バルブ１１０に近接した位置において燃料供給配管１０２に合流するようにしてもよい。

１０ ディーゼルエンジン
２４ 排気管
２６ 排気管噴射装置
２８ 連続式再生式ＤＰＦ装置
２８Ａ ＤＯＣ（酸化触媒）
２８Ｂ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
３８ コントロールユニット
４０ 回転速度センサ
４２ 負荷センサ
１００ 噴射ノズル
１０２ 燃料供給配管
１０４ 空気供給配管

Claims (7)

1. エンジンの排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルを備えたエンジンの排気管噴射装置において、
   前記噴射ノズルが燃料を噴射していない場合に、前記噴射ノズルの温度に応じて、前記噴射ノズルへ空気を供給することを特徴とするエンジンの排気管噴射装置。
2. 前記噴射ノズルの温度が所定温度以上である場合、前記噴射ノズルへ空気を供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気管噴射装置。
3. 前記所定温度は、前記噴射ノズルへの空気供給に対して、前記噴射ノズルの温度が応答する時間に遅れが生じることを考慮して、前記噴射ノズル内にある燃料の炭化温度より低い温度であることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気管噴射装置。
4. 前記噴射ノズルの温度は、前記噴射ノズルの先端における温度であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの排気管噴射装置。
5. 前記噴射ノズルの温度は、前記エンジンの運転状態に基づいて推定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの排気管噴射装置。
6. 前記エンジンの運転状態は、前記排気管内のうち、前記噴射ノズルの上流側における排気温度であることを特徴とする請求項５に記載のエンジンの排気管噴射装置。
7. 前記噴射ノズルは、前記排気管の内部に備えられたディーゼルパティキュレートフィルタに対し、その上流側に燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの排気管噴射装置。