JP2019127877A

JP2019127877A - 排気昇温方法

Info

Publication number: JP2019127877A
Application number: JP2018009523A
Authority: JP
Inventors: 祐輔足立; Yusuke Adachi
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-08-01

Abstract

【課題】新たなデバイスを追加せずに効果的な排気昇温を図ることが可能な排気昇温方法を提供する。【解決手段】気筒内に噴射燃料の着火を補助するグロープラグ１０を備えたディーゼルエンジン１に適用する排気昇温方法に関し、燃料のメイン噴射に先立ち通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで複数回に小分けして過早多段パイロット噴射を実施し且つその噴射燃料を前記グロープラグ１０により着火することでピストン１１が圧縮上死点を超える前に膨張力を発生させてディーゼルエンジン１に負荷抵抗を与え、該負荷抵抗によるトルク低下を補償し得るよう燃料噴射量を増加させて燃料噴射を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、追加のデバイス無しで燃料噴射制御を変更するだけで効果的な排気昇温を図り得るようにした排気昇温方法に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯx（窒素酸化物）を還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが提案されている。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂

ただし、この種の選択還元型触媒では、その床温度が所定の活性温度まで上昇していないと排気ガス中のＮＯxをアンモニアにより良好に還元浄化させることができないため、冷間始動時にアイドル停車しながらエンジンを暖機しているような状況では、未だ選択還元型触媒の床温度が低すぎて尿素水の添加を開始することができず、この間にＮＯxの排出量が増えてしまうという問題があった。

このため、従来においては、排気絞りや吸気絞り、或いは、ＶＶＡ（可変バルブ機構）等によりディーゼルエンジンの吸排気抵抗（ポンピングロス）を増大させ、この吸排気抵抗の増大に伴うトルク低下を補償し得るよう燃料噴射量を増加させて燃料噴射を行うことで排気昇温を図り、これにより選択還元型触媒の床温度を極力早く活性温度まで上昇させるようにしている。

また、以上は選択還元型触媒を早期に活性温度まで上昇させることを目的としてディーゼルエンジンの暖機促進を図るべく排気昇温を実行する場合について述べているが、この種の排気昇温は、アイドル停車中にパティキュレートフィルタの強制再生を実施する場合にも用いられている。

尚、この種の排気昇温に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１〜３等がある。

特開２００３−１９３８２４号公報特開２００５−１６４２１号公報特開２００７−２３９６５５号公報

しかしながら、前述した如き従来手段では、ディーゼルエンジンの運転モードにより昇温効果が不十分な場合も多く、新たな昇温手段を併用して昇温効果の更なる向上を図ることが求められているが、従来手段の何れの場合も排気絞り装置や吸気絞り装置、ＶＶＡ等といった追加のデバイスが必要となり、既に大幅なコスト増を招いてしまっている状況にあるので、これ以上の新たなデバイスを追加することなく昇温効果の更なる向上を図り得るようにすることが求められている。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、新たなデバイスを追加せずに効果的な排気昇温を図ることが可能な排気昇温方法を提供することを目的とする。

本発明は、気筒内に噴射燃料の着火を補助するグロープラグを備えたディーゼルエンジンに適用する排気昇温方法であって、燃料のメイン噴射に先立ち通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで複数回に小分けして過早多段パイロット噴射を実施し且つその噴射燃料を前記グロープラグにより着火することでピストンが圧縮上死点を超える前に膨張力を発生させてディーゼルエンジンに負荷抵抗を与え、該負荷抵抗によるトルク低下を補償し得るよう燃料噴射量を増加させて燃料噴射を行うことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、燃料のメイン噴射に先立ち通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで複数回に小分けされて過早多段パイロット噴射が実施され、その噴射燃料がグロープラグにより着火されて膨張力が発生し、この膨張力が圧縮行程におけるピストンの上昇を抑え込む負荷抵抗となり、この負荷抵抗によるトルク低下が燃料噴射量の増加により補償され、これにより燃費が大幅に悪化することで効果的な排気昇温が図られる。

この際、もし多量のパイロット噴射を一回で実施してしまうと、過大な筒内圧力の上昇を招いて燃焼騒音を著しく悪化したり、パイロット噴射がライナ壁を直撃してオイル希釈を招いたりする虞れがあるが、パイロット噴射を複数回に小分けして実施しているので、これらの不具合が未然に回避されることになる。

また、冷間始動時にディーゼルエンジンが未だ冷えている状態で通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで過早多段パイロット噴射を実施しても自然着火させることが難しいが、グロープラグにより適切なタイミングで確実に着火させることが可能であるので、通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングでの過早多段パイロット噴射が安定して実現されることになる。

また、本発明をより具体的に実施するにあたっては、過早多段パイロット噴射を圧縮上死点前３０〜２０°のクランク角の範囲で行うことが好ましく、このようにすれば、圧縮上死点前２５〜１５°のクランク角の範囲で着火させることが可能となり、より確実に効果的な排気昇温を図ることが可能となる。

上記した本発明の排気昇温方法によれば、新たなデバイスを追加せずに効果的な排気昇温を図ることができるので、大幅なコスト増を招くことなく既存の排気昇温手段に併用して昇温効果の更なる向上を実現することができ、しかも、昇温効果の更なる向上を実現するにあたり、パイロット噴射が複数回に小分けして実施されることで燃焼騒音の悪化やオイル希釈といった不具合を未然に回避することもでき、また、トルク低下が補償されることでドライバビリティー（運転者の意志にかなった応答性や円滑性が得られるかどうかのフィーリング）の悪化も回避することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。シリンダ容積に対するシリンダ圧力の変化を示すＰＶ線図である。クランク角に対する熱発生率の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に図示しているディーゼルエンジン１においては、排気ガス２が流通する排気管３の途中に、排気ガス２中のＮＯxと還元剤との反応選択性を高めた選択還元型触媒４がケーシング５に抱持されて装備されており、この選択還元型触媒４の上流側には、図示しない還元剤添加装置により適宜に還元剤が添加されるようになっている。

そして、前記ディーゼルエンジン１の各気筒の頂部には、燃料（軽油）を気筒内に噴射するインジェクタ６が装備されており、該インジェクタ６の噴射作動については、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置７からの燃料噴射指令７ａにより制御されるようになっている。

また、この制御装置７には、アクセル開度を検出するアクセルセンサ８からのアクセル開度信号８ａや、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ９からの回転数信号９ａが入力されており、これらアクセル開度信号８ａ及び回転数信号９ａに基づき通常モードの燃料噴射指令７ａが決定されるようになっている。

ただし、排気昇温を行う必要が生じた際には、通常モードから昇温モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に先立ち通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングでパイロット噴射を複数回に小分けして実施する燃料噴射指令７ａが決定されるようになっている。

尚、各気筒の頂部におけるインジェクタ６の近傍には、該インジェクタ６からの噴射燃料に着火し得るグロープラグ１０が備えられており、該グロープラグ１０で前記各パイロット噴射による噴射燃料を着火し得るようにしてある。

ここで、従来周知となっている通常のパイロット噴射は、圧縮上死点前１５〜１０°のクランク角の範囲で行われるもので、メイン噴射の前に少量の燃料を単発で噴いて先行着火させることにより火種を作り、これに続くメイン噴射が急峻な燃焼になるのを防いで燃焼騒音を抑制するようにしたものである。

これに対し、本形態例における過早多段パイロット噴射は、圧縮上死点前３０〜２０°のクランク角の範囲で行われるもので、グロープラグ１０により圧縮上死点前２５〜１５°のクランク角の範囲で着火されてピストン１１が圧縮上死点を超える前に膨張力が発生するようにしたものである。

即ち、このようにピストン１１が圧縮上死点を超える前に膨張力が発生すると、ディーゼルエンジン１に負荷抵抗が与えられ、該負荷抵抗によるトルク低下を補償し得るよう昇温モードの制御装置７からの燃料噴射指令７ａにより燃料噴射量が増加される結果、通常モードでのアクセル開度と同じアクセル開度で必要なトルクが変わりなく発生するように制御が成され、これにより燃費が大幅に悪化することで排気ガス２の温度が上昇されることになる。

例えば、通常のパイロット噴射を用いた燃料噴射の場合と、過早多段パイロット噴射を用いた燃料噴射の場合とを比較すると、シリンダ容積に対するシリンダ圧力の変化は図２のＰＶ線図のようになり、クランク角に対する熱発生率の変化は図３のグラフのようになる（図２及び図３中で通常のパイロット噴射を用いた燃料噴射の場合を鎖線で示し、過早多段パイロット噴射を用いた燃料噴射の場合を実線で示している）。

尚、図１中１２は燃焼室、１３は排気ポート、１４は排気弁、１５は吸気ポート、１６は吸気弁、１７は吸気管、１８は吸気を夫々示しており、前記吸気弁１６及び前記排気弁１４は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに備えたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒毎の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。

而して、このようにすれば、燃料のメイン噴射に先立ち通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで複数回に小分けされて過早多段パイロット噴射が実施され、その噴射燃料がグロープラグ１０により着火されて膨張力が発生し、この膨張力が圧縮行程におけるピストン１１の上昇を抑え込む負荷抵抗となり、この負荷抵抗によるトルク低下が燃料噴射量の増加により補償され、これにより燃費が大幅に悪化することで効果的な排気昇温が図られる。また、トルク低下が燃料噴射量の増加により補償されることでドライバビリティーも通常モードの場合と同様に維持されることになる。

また、冷間始動時にディーゼルエンジン１が未だ冷えている状態で通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで過早多段パイロット噴射を実施しても自然着火させることが難しいが、グロープラグ１０により適切なタイミングで確実に着火させることが可能であるので、通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングでの過早多段パイロット噴射が安定して実現されることになる。

従って、上記形態例によれば、新たなデバイスを追加せずに効果的な排気昇温を図ることができるので、大幅なコスト増を招くことなく既存の排気昇温手段に併用して昇温効果の更なる向上を実現することができ、しかも、昇温効果の更なる向上を実現するにあたり、パイロット噴射が複数回に小分けして実施されることで燃焼騒音の悪化やオイル希釈といった不具合を未然に回避することもでき、また、トルク低下が補償されることでドライバビリティーの悪化も回避することができる。

尚、本発明の排気昇温方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示例ではグロープラグが予め備えられているディーゼルエンジンについて適用した例を説明しているが、グロープラグを備えていないディーゼルエンジンについても、気筒内にグロープラグを装備させるだけで本発明を支障なく適用できることは勿論であり、これ以外にも本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ディーゼルエンジン
１０グロープラグ
１１ピストン

Claims

気筒内に噴射燃料の着火を補助するグロープラグを備えたディーゼルエンジンに適用する排気昇温方法であって、燃料のメイン噴射に先立ち通常のパイロット噴射の噴射時期より早いタイミングで複数回に小分けして過早多段パイロット噴射を実施し且つその噴射燃料を前記グロープラグにより着火することでピストンが圧縮上死点を超える前に膨張力を発生させてディーゼルエンジンに負荷抵抗を与え、該負荷抵抗によるトルク低下を補償し得るよう燃料噴射量を増加させて燃料噴射を行うことを特徴とする排気昇温方法。
過早多段パイロット噴射を圧縮上死点前３０〜２０°のクランク角の範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の排気昇温方法。