JP2020045825A - 制御装置及び圧力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開度の制御が可能なバルブ以外のデバイスを制御することにより排気管内の圧力を制御する。【解決手段】車両の排気管７内の圧力又は排気流量を検出する検出部２１１と、排気管７上に設けられたターボチャージャー１０と、排気内の粒子状物質を除去するためのフィルタ９の再生処理中に検出部２１１が検出した圧力又は排気流量に基づいて、ターボチャージャー１０のタービン１０１が有する可動ベーンの開度を制御する開度制御部２１２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の排気管の圧力を制御するための制御装置及び圧力制御方法に関する。

ディーゼル車両においては、排気に含まれる粒子状物質を除去するためのフィルタが設けられている。フィルタに付着した有害物質が蓄積し過ぎないように、有害物質を燃焼させて除去する再生処理技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−２４７１４４号公報

アイドル時等のエンジン負荷が低い再生処理を行う間は、排気管に設けられたバルブを閉じることにより排気管を閉空間にした状態で温度を上昇させる。その結果、排気管内の圧力が上昇する。ところが、排気管内の圧力が上昇し過ぎると、排気管の接合部等から排気が漏れてしまったり、煤によりバルブが閉塞してしまったりするという問題が生じるおそれがある。

排気管内の圧力を適正な圧力に維持するために、バルブの開度を制御するという方法も考えられる。しかしながら、開度の制御が可能なバルブは閉塞圧力のコントロールの微調整が困難であり、排気管に設けられたバルブを制御する方法以外の方法で排気管内の圧力を制御することが求められている。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、開度の制御が可能なバルブ以外のデバイスを制御することにより排気管内の圧力を制御する制御装置及び圧力制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の制御装置は、車両の排気管内の圧力又は排気流量を検出する検出部と、前記排気管上に設けられたターボチャージャーと、排気内の粒子状物質を除去するためのフィルタの再生処理中に前記検出部が検出した圧力又は排気流量に基づいて、前記ターボチャージャーのタービンが有する可動ベーンの開度を制御する制御部と、を有する。

前記制御部は、前記検出部が検出した圧力が大きいほど又は排気流量が少ないほど前記可動ベーンの開度を大きくしてもよい。前記制御部は、前記車両のエンジンがアイドル状態であることを条件として、前記検出部が検出した圧力又は排気流量に基づいて、前記可動ベーンの開度を制御してもよい。

前記制御部は、前記車両のエンジンが駆動状態に変化した場合に、前記検出部が検出した圧力又は排気流量に基づく前記可動ベーンの開度の制御を停止してもよい。

前記制御部は、前記検出部が検出した圧力が第１閾値以上であることを条件として前記可動ベーンの開度を制御してもよい。

前記制御装置は、排気圧を調整するための排気ブレーキバルブをさらに有し、前記制御部は、前記検出部が検出した圧力が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である場合に、前記排気ブレーキバルブを一時的に開いた後に閉じてもよい。

前記検出部は、排気マニホールドにおける排気の圧力又は排気流量を前記排気管内の圧力又は前記排気流量として検出してもよい。前記検出部は、エンジンの回転数の低下に基づいて、前記排気管内の圧力が上昇したことを検出してもよい。前記検出部は、燃料噴射量の増大に基づいて、前記排気管内の圧力が上昇したことを検出してもよい。

本発明の第２の態様の圧力制御方法は、コンピュータが実行する、排気管内の圧力を検出するステップと、排気内の粒子状物質を除去するためのフィルタの再生処理中に検出した前記排気管内の圧力又は排気流量に基づいて、前記排気管上に設けられたターボチャージャーのタービンが有する可動ベーンの開度を制御するステップと、を有する。

本発明によれば、開度の制御が可能なバルブ以外のデバイスを制御することにより排気管内の圧力を制御することができるという効果を奏する。

車両の吸排気系の模式図である。 ＥＣＵが実行する排気圧力を制御する動作のフローチャートである。

［吸排気系１の概要］
図１は、本実施形態に係る車両の吸排気系１の模式図である。吸排気系１は、エンジン２と、吸気管３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５と、センサ６と、排気管７と、排気ブレーキバルブ８と、フィルタ９（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）と、ターボチャージャー１０と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）２０とを有する。ターボチャージャー１０は、タービン１０１とコンプレッサー１０２とを有する。

エンジン２は、ディーゼルエンジンである。吸気管３は、エンジン２が燃焼に用いる空気を供給するための管であり、吸気流量を測定するためのＭＡＦセンサ(Mass Air Flow sensor)１１が取り付けられている。吸気マニホールド４は、吸気用のインテークマニホールドである。排気マニホールド５は、排気用のエキゾーストマニホールドである。

排気管７は、エンジン２の排気を外部に出力するための管である。
センサ６は、排気マニホールド５における排気圧力を検出する。センサ６は、検出した排気圧力をＥＣＵ２０に通知する。

排気ブレーキバルブ８は、排気管７に設けられており、ＥＣＵ２０の制御に基づいて開閉することによりエンジン２からの排気量を調整する。排気ブレーキバルブ８が閉じた状態になると、エンジン２の排気圧力が上昇することによりエンジン回転への制動力が生じ、エンジン負荷が増大する。その結果、排気温度及び排気圧力が増大する。

フィルタ９は、排気に含まれるＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）及び煤煙などの粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集する。フィルタ９は、主としてセラミックから構成される細孔を有しており、ＰＭを一時的に捕集する。

フィルタ９に捕集されたＰＭの堆積量が増加すると排気が流れにくくなり、エンジン２の排圧が上昇してエンジン２の特性が低下する。そこで、フィルタ９に堆積したＰＭを燃焼により除去するＤＰＦ再生を実行する必要がある。ＤＰＦ再生時には、排気温度を上昇させるための燃料噴射によって排気温度を上昇させてＤＰＦを昇温させることで、ＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼させる。

ＤＰＦ再生は、車両が停止してエンジン２がアイドリング状態に自動的に行われる自動再生と、運転手の操作によって行われる手動再生とがある。いずれの場合においても、再生を行っている間は排気ブレーキバルブ８が閉じられるので、排気管７の内部圧力が上昇する。排気ブレーキバルブ８の煤詰まり及び排気ブレーキバルブ８の閉り過ぎ等により排気管７の内部圧力が上昇し過ぎると、排気管７に存在する空隙から排気が漏洩してしまう。または、排圧の上昇により通常運転よりも多く煤が発生する。そこで、本実施の形態に係る吸排気系１は、ターボチャージャー１０が有するタービン１０１の可動ベーン（羽根）の開度をＥＣＵ２０が制御することにより、排気管７の内部圧力が適切な範囲に収まるように構成されている。

ターボチャージャー１０は、排気管７に設けられており、排気の圧力を利用してエンジン２に圧縮空気を供給する。具体的には、ターボチャージャー１０は、タービン１０１及びコンプレッサー１０２を有しており、排気の圧力によりタービン１０１が回転して生じる回転力によりコンプレッサー１０２を動作させることで、流入する空気を圧縮することにより圧縮空気を生成する。

タービン１０１には、扇状に複数のベーンが設けられている。タービン１０１の複数のベーンは角度が調整可能に構成された可動ベーンであり、ＥＣＵ２０の制御により角度を変化させることができる。

ＥＣＵ２０は、吸排気系１を始めとする車両の各部を制御する装置である。ＥＣＵ２０は、センサ６、ＭＡＦセンサ１１、タービン１０１及び排気ブレーキバルブ８の少なくともいずれかと連動することにより、排気管内の圧力を制御する制御装置を構成する。ＥＣＵ２０は、プログラムを実行することにより動作するＣＰＵ２１（Central Processing Unit）及び各種のデータを記憶する記憶部２２を有している。記憶部２２は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体を有している。

ＣＰＵ２１は、プログラムを実行することにより、検出部２１１、開度制御部２１２及びバルブ制御部２１３として機能し、検出部２１１が検出した排気圧力に基づいてタービン１０１の可動ベーンの開度及び排気ブレーキバルブ８の開閉状態を制御する。検出部２１１は、ＤＰＦ再生処理中にセンサ６が出力した圧力信号を取得することにより、排気圧力を検出する。検出部２１１は、検出した排気圧力を開度制御部２１２及びバルブ制御部２１３に通知する。検出部２１１は、センサ６の代替として、ＭＡＦセンサ１１により検出される吸気流量、又はエンジン２の回転数を、排気圧力とともに、又は排気圧力の代わりに開度制御部２１２及びバルブ制御部２１３に通知してもよい。

開度制御部２１２は、フィルタ９の再生処理中に検出部２１１が検出した排気圧力、排気流量又はエンジン２の回転数に基づいて、タービン１０１が有する可動ベーンの開度を制御する。例えば、検出部２１１は、排気圧力が大きければ大きいほど可動ベーンの開度を大きくする。また、検出部２１１は、排気流量が少ないほど可動ベーンの開度を大きくする。開度制御部２１２は、車両のエンジン２がアイドル状態であることを条件として、検出部２１１が検出した排気圧力、排気流量又はエンジン２の回転数に基づいて、可動ベーンの開度を制御する。

開度制御部２１２は、車両のエンジン２が駆動状態に変化した場合に、検出部２１１が検出した排気圧力に基づく可動ベーンの開度の制御を停止する。このようにすることで、車両が停止した状態から動き始めた場合に、ターボチャージャー１０を最適な状態で動作させ、ターボチャージャー１０が、車両の加速に必要な圧縮空気をエンジン２に供給することが可能になる。

開度制御部２１２は、検出部２１１が検出した排気圧力が、排気圧力を下げる必要がある第１閾値以上であり、かつ可動ベーンの開度の制御によって排気圧力を下げる余地がある値である第２閾値未満であることを条件として可動ベーンの開度を制御してもよい。開度制御部２１２は、排気圧力が、再生に必要以上になっており、タービン１０１の可動ベーンの開度を制御するだけでは排気管７内の圧力を十分に下げることができない第２閾値以上であると判定した場合、バルブ制御部２１３により排気ブレーキバルブ８を制御させる。

バルブ制御部２１３は、検出部２１１から通知された排気圧力に基づいて、排気ブレーキバルブ８に付着した煤等で閉塞している可能性があることを示す所定の条件を満たす場合に、排気ブレーキバルブ８を一時的に開いた後に閉じることにより、排気圧力を解放する。バルブ制御部２１３は、例えば、検出部２１１が検出した排気圧力が第１閾値よりも大きい第２閾値以上である場合に、排気ブレーキバルブ８を一時的に開いた後に、排気ブレーキバルブ８を閉じる。バルブ制御部２１３がこのように動作することで、排気管７内の圧力が過度に大きくなった場合に、排気管７に溜まった排気を解放することで圧力を下げることができる。また、排気ブレーキバルブ８が開く際の排気圧力解放時に排気ブレーキバルブ８に付着する煤も吹き飛ばすことができるので、再度排気ブレーキバルブ８が閉じた時の排気圧力が下がる。その結果として、排気管７からガスが漏洩すること及び排気ブレーキバルブ８に付着した煤による排気ブレーキバルブ８が閉塞することを予防・抑制することができる。

記憶部２２は、例えばＣＰＵ２１が実行するプログラムを記憶している。また、記憶部２２は、ＣＰＵ２１が各種の制御を行うために必要なデータを記憶している。記憶部２２は、例えば排気圧力と開度との関係を示すテーブルを記憶している。この場合、開度制御部２１２は、排気圧力の大きさに対応する開度になるように可動ベーンを制御してもよい。開度制御部２１２は、例えば記憶部２２に予め記憶された、排気圧力と開度との関係を示すテーブルを参照することにより、可動ベーンの開度を制御する。開度制御部２１２は、可動ベーン開閉による排気圧力等をフィードバック制御してもよい。

また、記憶部２２は、バルブ制御部２１３が排気ブレーキバルブ８を開く動作が行われた回数を記憶している。ＣＰＵ２１は、記憶部２２に記憶された排気ブレーキバルブ８を開く動作が行われた回数が所定の閾値以上になった場合に、排気ブレーキバルブ８の点検が必要であると判定し、例えばインスツルメントパネルに警告情報を出力する。

［排気圧力制御動作］
図２は、ＥＣＵ２０が実行する排気圧力を制御する動作のフローチャートである。図２においては、一例として、排気圧力に基づいて開度制御部２１２が可動ベーンの開度を制御する場合を示すが、開度制御部２１２は、排気流量又はエンジン２の回転数に基づいて可動ベーンの開度を制御する場合も同様の流れで処理することができる。

開度制御部２１２は、エンジン２が起動している間、ＤＰＦ再生処理中か否かを判定する（Ｓ１１）。具体的には、開度制御部２１２は、手動再生中であるか、エンジン２がアイドル停止状態の自動再生中であるかを判定する。開度制御部２１２は、ＤＰＦ再生処理中であると判定した場合（Ｓ１１においてＹＥＳ）、検出部２１１からの通知に基づいて、排気圧力を特定する（Ｓ１２）。

続いて、開度制御部２１２は、排気圧力が第１閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ１３）。開度制御部２１２は、排気圧力が第１閾値未満であると判定した場合（Ｓ１３においてＮＯ）、Ｓ１１に処理を戻す。開度制御部２１２は、排気圧力が第１閾値以上であると判定した場合（Ｓ１３においてＹＥＳ）、排気圧力が第２閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ１４）。

開度制御部２１２は、排気圧力が第２閾値未満であると判定した場合（Ｓ１４においてＮＯ）、開度制御部２１２は、タービン１０１の可動ベーンの開度を大きくする（Ｓ１５）。ここで、開度制御部２１２は、排気圧力の大きさに対応する開度に可動ベーンの開度を制御してもよい。

続いて、開度制御部２１２は、エンジン２が停止したか否か、又は再生中断指令があったか否かを確認する（Ｓ１６）。開度制御部２１２は、エンジン２が停止していない場合、また再生中断指令等をＥＣＵ２０が受領していない場合（Ｓ１６においてＮＯ）、Ｓ１１に戻って、再び排気圧力に基づく可動ベーンの開度を制御する。開度制御部２１２が、このような制御を繰り返すことで、排気圧力を第１閾値未満の大きさにすることができる。なお、再生中断指令を受領することには、ＥＣＵ２０において内部演算した内容の結果が再生禁止事項に抵触するような場合も含む。

開度制御部２１２は、Ｓ１４において、排気圧力が第２閾値以上であると判定した場合（Ｓ１４においてＹＥＳ）、その旨をバルブ制御部２１３に通知する。バルブ制御部２１３は、排気ブレーキバルブ８を開くことにより排気を解放する（Ｓ１７）。その後、バルブ制御部２１３は、所定の時間が経過すると（Ｓ１８においてＹＥＳ）、排気ブレーキバルブ８を閉じて再生処理を再開できるようにする（Ｓ１９）。

（変形例）
上記の説明においては、センサ６が排気圧力を検出する圧力センサである場合を例示したが、センサ６は、排気流量を検出する流量センサであってもよい。また、ＭＡＦセンサ１１が検出した吸気流量を排気流量として用いてもよい。この場合、検出部２１１は、センサ６又はＭＡＦセンサ１１から入力される流量信号に基づいて、排気流量を検出し、排気流量を開度制御部２１２及びバルブ制御部２１３に通知する。

この場合、開度制御部２１２は、排気圧力の代わりに排気流量を用いて可動ベーンを制御する。具体的には、開度制御部２１２は、検出部２１１が検出した排気流量が少なければ排気圧力が高いと判断し、可動ベーンの開度を大きくする。なお、センサ６又はＭＡＦセンサ１１が圧力センサ及び流量センサを有しており、開度制御部２１２は、排気圧力及び排気流量の両方に基づいて可動ベーンを制御してもよい。

また、検出部２１１は、エンジン２の回転数の低下に基づいて、排気管７内の圧力が上昇したことを検出し、エンジン２の回転数が、排気圧力を下げる必要があると想定される回転数以下になった場合に、可動ベーンの開度を制御してもよい。また、検出部２１１は、エンジン２への燃料噴射量の増大に基づいて、排気管７内の圧力が上昇したことを検出し、燃料噴射量が、排気圧力を下げる必要があると想定される量以上になった場合に、可動ベーンの開度を制御してもよい。

［本実施形態の圧力制御装置による効果］
本実施形態の圧力制御装置が有する開度制御部２１２は、フィルタ９の再生処理中に検出部２１１が検出した圧力又は排気流量に基づいて、タービン１０１が有する可動ベーンの開度を制御する。このように、開度制御部２１２がタービン１０１の可動ベーンの開度を制御することにより、高価な電子制御バルブを用いることなく排気管７内の排気圧力を適正な範囲に維持することができるので、排気漏れを防止できるとともに、適切な圧力下で再生処理を継続することが可能になる。

再生処理中には、排気ブレーキバルブ８が閉まり、排気が抑え込まれるため、ターボチャージャー１０がほとんど圧縮空気をエンジン２に供給しない。したがって、開度制御部２１２は、再生処理中はタービン１０１の可動ベーンを自由に制御できるので、再生処理中の排気圧力を調整するために可動ベーンの開度を制御することは好適である。

また、開度制御部２１２が可動ベーンの開度を制御することにより、排気ブレーキバルブ８のばらつきに起因して排気圧力が設計値から乖離した場合にも、排気圧力を微調整することができる。

また、バルブ制御部２１３は、検出部２１１が検出した排気圧力が第１閾値よりも大きい第２閾値以上である場合に、排気ブレーキバルブ８を一時的に開いた後に、再び閉じる。バルブ制御部２１３がこのように構成されていることで、開度制御部２１２が可動ベーンの開度を制御しても排気管７内の圧力が十分に下がらない場合であっても排気ブレーキバルブ８を開き、排気ブレーキバルブ８に付着し、排気圧力を上げる原因となる煤を吹き飛ばし、煤を除去することができる。また、一定時間のバルブ解放により排気圧力自体も下がる。その結果、排気が漏れたり、エンジン２に過度な負荷がかかったりすることを抑制・防止できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

１ 吸排気系
２ エンジン
３ 吸気管
４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
６ センサ
７ 排気管
８ 排気ブレーキバルブ
９ フィルタ
１０ ターボチャージャー
１１ ＭＡＦセンサ
２０ ＥＣＵ
２１ ＣＰＵ
２２ 記憶部
１０１ タービン
１０２ コンプレッサー
２１１ 検出部
２１２ 開度制御部
２１３ バルブ制御部

Claims (10)

1. 車両の排気管内の圧力又は排気流量を検出する検出部と、
   前記排気管上に設けられたターボチャージャーと、
   排気内の粒子状物質を除去するためのフィルタの再生処理中に前記検出部が検出した圧力又は排気流量に基づいて、前記ターボチャージャーのタービンが有する可動ベーンの開度を制御する制御部と、
   を有する制御装置。
2. 前記制御部は、前記検出部が検出した圧力が大きいほど又は排気流量が少ないほど前記可動ベーンの開度を大きくする、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御部は、前記車両のエンジンがアイドル状態であることを条件として、前記検出部が検出した圧力又は排気流量に基づいて、前記可動ベーンの開度を制御する、
   請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記制御部は、前記車両のエンジンが駆動状態に変化した場合に、前記検出部が検出した圧力又は排気流量に基づく前記可動ベーンの開度の制御を停止する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 前記制御部は、前記検出部が検出した圧力が第１閾値以上であることを条件として前記可動ベーンの開度を制御する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 排気圧を調整するための排気ブレーキバルブをさらに有し、
   前記制御部は、前記検出部が検出した圧力が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である場合に、前記排気ブレーキバルブを一時的に開いた後に閉じる、
   請求項５に記載の制御装置。
7. 前記検出部は、排気マニホールドにおける排気の圧力又は排気流量を前記排気管内の圧力又は前記排気流量として検出する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記検出部は、エンジンの回転数の低下に基づいて、前記排気管内の圧力が上昇したことを検出する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 前記検出部は、燃料噴射量の増大に基づいて、前記排気管内の圧力が上昇したことを検出する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
10. コンピュータが実行する、
    排気管内の圧力を検出するステップと、
    排気内の粒子状物質を除去するためのフィルタの再生処理中に検出した前記排気管内の圧力又は排気流量に基づいて、前記排気管上に設けられたターボチャージャーのタービンが有する可動ベーンの開度を制御するステップと、
    を有する圧力制御方法。
    
    

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