JP4586702B2 - オイル希釈防止装置を備えた内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、排気系に粒子状物質捕集フィルタを備えた内燃機関においてオイル希釈を防止する技術に関する。

最近の、特にディーゼルエンジンは、エミッションの改善を図るため、排気系に粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタとしてＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を備えている。このＤＰＦは、内部に堆積する“スス（Soot）”を、走行距離や走行時間に応じて定期的に燃焼させ、再生を図る必要がある。そのススを燃焼させる手法として、再生時期になると、主噴射に対し進角又は遅角させて燃焼室内へ燃料を噴射する副噴射（パイロット噴射、ポスト噴射）を行って、排気中にＨＣやＣＯを含ませる方式が採られている。これら未燃成分が酸化触媒において燃焼することで排気温度が上昇し、該酸化触媒の下流に設置されたＤＰＦにおいて６００℃ほどの燃焼温度が得られ、当該燃焼温度によりススを燃焼させることで、ＤＰＦの再生が図られる。

このＤＰＦ再生のための副噴射は、ピストンが上死点（ＴＤＣ）から離れた低い位置にあるタイミングで行われるため、気筒内壁面に燃料が直接当たって付着する現象を生じる。この付着した燃料は、ピストンの動作でオイルパンへそぎ落とされ、オイル（エンジンオイル）に混入して希釈させてしまう。許容希釈率以上にオイルが希釈されると潤滑性能に影響するので、副噴射に起因したオイル希釈を防止するため、特許文献１のような希釈防止装置が提案されている。この特許文献１に開示された希釈防止装置は、オイルを加熱することにより、混入した燃料を蒸発させて希釈率を回復させようというものである。
特開２００４−２９３３９４号公報

上記のオイル加熱式希釈防止装置では、副噴射を実行しつつオイルを加熱するので、副噴射の燃料によるオイル希釈量（オイルへの燃料混入量）が、加熱による混入燃料の蒸発量を上回ると、希釈防止の機能を果たすことができない。したがって、加熱による蒸発量を推察し、オイル希釈が許容範囲を超えない程度に抑えて、１回の再生における副噴射の燃料量や再生時間（副噴射を継続する時間）等の再生パラメータを設定しなければならない。このため場合によっては、ＤＰＦの再生に十分な副噴射燃料量や再生時間が確保されず、ススの過堆積が発生する可能性がある。

本発明はこの点に着目し、ＤＰＦ等のＰＭ捕集フィルタの再生に十分な再生パラメータを設定可能なオイル希釈防止装置を提案するものである。

本発明は、主噴射に対し進角又は遅角させて燃料を噴射する副噴射により、排気系のＰＭ捕集フィルタを再生するようにした内燃機関において、少なくとも副噴射の燃料量に基づいてオイルの希釈量を推定する推定手段と、該推定した希釈量が、予め決められた噴射禁止判定値に達すると、副噴射を禁止にする副噴射禁止判定手段と、を含み、前記推定手段が、前記粒子状物質捕集フィルタの再生終了時に、前記推定した希釈量をリセットするように構成されるオイル希釈防止装置を備えたことを特徴とする。

本発明のオイル希釈防止装置によれば、再生中の副噴射により生じるオイルの希釈量を推定し、オイルの許容希釈率などに従い予め決定される噴射禁止判定値に達する場合には、それ以上の希釈を防止するために、再生中であっても副噴射を禁止するように制御が行われる。すなわち、オイル希釈が許容範囲を超える場合には自動的に副噴射が中断されて希釈率を回復させる制御ロジックが実現されるので、従来技術のようにオイル希釈の許容範囲を考慮した抑制的な再生パラメータを設定する必要が無くなり、ＰＭ捕集フィルタの再生に十分な再生パラメータを設定することができる。

図１に、本発明に係るオイル希釈防止装置を備えた車両用直噴ディーゼルエンジンの概略構成を示す。
エンジン１の吸気通路２の導入部には、エアクリーナ（図示せず）が取り付けられており、このエアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。エアクリーナの下流には、可変ノズルターボチャージャ３のコンプレッサ部３ａが設置されており、吸入空気を圧縮して送り出す。コンプレッサ部３ａの下流にはインタークーラ４が設置され、コンプレッサ部３ａから圧送された吸入空気を冷却する。このインタークーラ４で冷却された吸入空気は、絞り弁５を通過してサージタンク６に流入し、該サージタンク５からマニホールド部を介して各気筒に分配される。

エンジン１の各気筒には、その燃焼室上部の略中央にインジェクタ７が固定されている。そして、エンジン１の燃料系はコモンレール８を含んで構成され、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料が、コモンレール８を介して各インジェクタ７に供給される。インジェクタ７は、ＥＣＵ（エンジンコンロトールユニット）９からの燃料噴射制御信号により作動する。

インジェクタ７による燃料噴射は多段噴射式とされ、エンジン１のトルクを制御するための主噴射以外に、該主噴射に対し進角又は遅角させた副噴射を実行可能である。主噴射の前に行う副噴射がパイロット噴射、主噴射の後に行う副噴射がポスト噴射である。
エンジン１の排気通路１０には、ターボチャージャ３のタービン部３ｂが設置され、このタービン部３ｂの下流に、酸化触媒１１及びＰＭ捕集フィルタであるＤＰＦ１２が順に設置されている。

また、排気通路１０と吸気通路２（サージタンク５）との間には排気還流管１３が接続され、この排気還流管１３の途中に排気還流制御弁１４が介装されている。当該排気還流制御弁１４がＥＣＵ９からの排気還流制御信号により作動することで、排気還流制御弁１４の開度に応じた適量の排気が吸気通路２に還流される。
ＥＣＵ９に入力される信号には、ＤＰＦ１２の入口部及び出口部における排気温度を検出するための温度センサ１５，１６、ＤＰＦ１２の前後差圧を検出するための差圧センサ１７、エンジン１の吸入空気流量を検出するエアフローメータ１８、クランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ１９、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２０、エンジン１によって駆動される車両の走行速度を検出する車速センサ２１、温度センサ１５近傍における排気圧力を検出するための排気圧力センサ２２、エンジン１の冷却水温度を検出する水温センサ２３、からの各信号が含まれる。

ＥＣＵ９は、これらの信号に基づいてＤＰＦ１２におけるススの堆積量を推定し、該推定結果に基づいて再生時期を判断する。そして、再生が必要であると判断すると、所定の再生許可運転条件において排気温度を昇温させてススを燃焼させる再生制御を行う。
ＤＰＦ１２の再生時には、インジェクタ７の副噴射、本実施形態の場合はポスト噴射を実行して排気中にＨＣやＣＯを含ませ、これら未燃成分が酸化触媒１１において燃焼することで排気温度を上昇させる。これにより、酸化触媒１１の下流に設置されたＤＰＦ１２において６００℃ほどの燃焼温度が得られ、当該燃焼温度によりススを燃焼させる。この他に、ターボチャージャ３のベーン角、排気還流制御弁１４の開度、吸気絞り弁６の開度の調整を組み合わせて排気温度の昇温を図ることも可能である。

図２に、本発明に係るオイル希釈防止装置の実施形態を概略的に示している。
この例のオイル希釈防止装置は、希釈量算出手段３０、蒸発量算出手段４０、及び再生中希釈総量算出手段５０を有する推定手段と、副噴射禁止判定手段６０と、を含んで構成される。このようなオイル希釈防止装置は、プログラムに従ってＥＣＵ９を各手段として動作させることにより構成される。なお、ポスト噴射を例としているが、パイロット噴射であっても同様にして適用可能である。

希釈量算出手段３０は、ＤＰＦ１２の再生開始でＥＣＵ９の指示するポスト噴射量（副噴射の燃料量）に基づいて、単位時間あたりのオイル希釈量を逐次算出する。具体的には、希釈量算出手段３０は、まず、クランク角センサ１９により検出されるエンジン（機関）回転速度と、運転条件に従いＥＣＵ９が現在指示している燃料の主噴射量（主噴射の燃料量）と、に基づいて、希釈量感度マップ３１から希釈量感度を算出する。そして、算出された希釈量感度と前記のポスト噴射量とを乗算部３２で乗算し、単位時間あたりのオイル希釈量を算出する。また、ポスト噴射量と希釈開始判定値とを比較部３３で比較し、その結果に従い選択部３４をスイッチして、ポスト噴射量が希釈開始判定値以下の時には初期値“０”を出力させ、希釈開始判定値を超えていれば（Ａ＞Ｂ）乗算部３２によるオイル希釈量を出力させる。

ＤＰＦ１２の再生時間は１回あたり数十分程に設定されるので、その中でオイル希釈量を算出する単位時間としては、数秒から数十秒、あるいは分単位で決めることができる。また、希釈開始判定値は、ポスト噴射量がオイルの希釈を発生させない程度の微量であれば無視して累積を行わないようにするための判定値である。希釈量感度マップ３１は、横軸にエンジン回転速度、縦軸に希釈量感度をとり、主噴射量毎にグラフを形成したもので、実機毎に異なり、運転試験等の結果から予め得られるデータである。

蒸発量算出手段４０は、水温センサ２３により検出される冷却水温度に基づいて、上記オイル希釈量と同じ単位時間あたりの燃料蒸発量を逐次算出する。具体的には、蒸発量算出手段４０は、現在の冷却水温度に従って水温別蒸発量マップ４１から燃料蒸発量を算出する。水温別蒸発量マップ４１は、たとえば０℃、１０℃、２０℃、・・・というように水温別にあり、それぞれ、横軸にエンジン回転速度、縦軸に燃料蒸発量をとり、主噴射量毎にグラフを形成したものとなっている。そして、検出された現在の冷却水温度に従い水温選択部４２をスイッチすることで該当値が算出される。

また、蒸発量算出手段４０は、燃料が蒸発し得る運転領域でない時には初期値“０”を出力するように、選択部４３により、水温選択部４２による燃料蒸発量と初期値とをスイッチする。その燃料が蒸発し得る運転領域かどうかは、冷却水温度、エンジン回転速度、主噴射量により判断される。すなわち、現在の冷却水温度、エンジン回転速度、主噴射量をそれぞれ比較部４４，４５，４６で専用の蒸発開始判定値と比較することで、燃料の蒸発が起こる条件に達しているか否かが判断される。各比較部４４，４５，４６の比較結果はＡＮＤ論理部４７でＡＮＤ演算され、全比較結果が蒸発開始判定値を上回っていれば（Ａ＞Ｂ）、選択部４３は、水温選択部４２からの燃料蒸発量を出力する。反対に、いずれか一つでも蒸発開始判定値以下の比較結果があれば、選択部４３は初期値を出力する。このような蒸発開始判定値は、実験結果等に基づき予め決定した所定の値で良い。

再生中希釈総量算出手段５０は、希釈量算出手段３０によるオイル希釈量と、蒸発量算出手段４０による燃料蒸発量と、を減算部５１で減算し（Ａ−Ｂ）、単位時間毎に実質希釈量を算出する。そして、累積部５２において、その単位時間毎に算出される実質希釈量を累積し（Ａ＋Ｂ：Ｂは前の値）、累積希釈量を算出する。
この累積希釈量について、再生開始初期の減算部５１での減算結果によっては（オイル希釈量より燃料蒸発量の方が多い時がある）負の値をとることがあり得るが、オイル中に混入する燃料の量が負の値となることはあり得ない。したがって、累積希釈量が最初に負の値をとると誤差が発生する。この誤算を防止するため、比較部５３において、累積希釈量と初期値“０”とを比較するようにしている。この比較により累積希釈量が初期値以下（Ａ＜Ｂ）と判断された場合には、選択部５４をスイッチして、初期値“０”を出力する。

選択部５４による累積希釈量は、選択部５５を経て副噴射禁止判定手段６０へ入力される。選択部５５は、再生の活性／非活性を示すＤＰＦ再生フラグに従いスイッチし、ＤＰＦ再生フラグが非活性を示す時には、リセットのため初期値“０”を出力する。ＤＰＦ再生フラグに従って、ＤＰＦ１２の再生が終わる度に累積希釈量を初期値へリセットすることにより、一回の再生で発生した累積希釈量の誤差はその回のみでリセットされ、誤差の積み上げを防止することができる。

副噴射禁止判定手段６０は、累積希釈量が噴射禁止判定値に達した時にポスト噴射を禁止にするためのポスト噴射禁止フラグを活性化させる。また、これによるポスト噴射禁止中に、累積希釈量が噴射再開判定値まで低下すると、ポスト噴射禁止フラグを非活性とし、ポスト噴射を再開させる。図示の判定マップ６１では、横軸が累積希釈量、縦軸がフラグの「１」（活性）／「０」（非活性）、つまり信号電圧の高低を示す。「Ｈ」で示す噴射禁止判定値に累積希釈量が到達するとポスト噴射禁止フラグを「１」にし、この後、「Ｌ」で示す噴射再開判定値に累積希釈量が低下するとポスト噴射禁止フラグを「０」にする。

ポスト噴射禁止フラグが「１」になると、再生実行中であってもポスト噴射は中断される。したがって、ポスト噴射に起因して新たに気筒内壁面に付着する燃料が無くなるので、これ以降においてオイル希釈は抑制される。この後、時間の経過と共にオイル中の燃料が蒸発していき且つ新たに混入する燃料が無くなるので、オイルの希釈率が回復していく。この時に、上述の特許文献１のようなオイルの加熱装置を設けてあっても良い。

このポスト噴射禁止フラグの活性によりポスト噴射が禁止されると、希釈量算出手段３０では、比較部３３においてポスト噴射量が希釈開始判定値以下になるので、選択部３４から初期値がオイル希釈量として出力される。一方、蒸発量算出手段４０からは、その時の運転条件に従った燃料蒸発量が出力される。これらオイル希釈量と燃料蒸発量とが再生中希釈総量算出手段５０の減算部５１に入力されると、実質希釈量は負の値で算出されることになる（Ａ−ＢのＡが“０”）。したがって、累積部５２において前の値から今の値を減算することになり（Ａ＋ＢのＡが負）、累積希釈量は次第に減っていく。ＤＰＦ再生フラグは活性状態にあるので、その暫減する累積希釈量が選択部５５から副噴射禁止判定手段６０へ出力される。

このようにして、ポスト噴射禁止フラグの活性化後に累積希釈量が次第に低下していき、噴射再開判定値まで低下した時には、副噴射禁止判定手段６０においてポスト噴射禁止フラグが非活性とされ、ポスト噴射が再開される。
副噴射禁止判定手段６０において設定される噴射禁止判定値は、一例として次のようにして決定することができる。まず、ＤＰＦ１２の容量が４リットルあって、ススの堆積許容量が１０ｇ／リットルであるとすると、当該ＤＰＦ１２は、１０（ｇ／リットル）×４（リットル）＝４０ｇのスス堆積許容量があることになる。一方、エンジン１の特性として、ススの排出量が０．１ｇ／ｋｍであるとすると、ＤＰＦ１２に４０ｇのススが堆積するまで４０（ｇ）／０．１（ｇ／ｋｍ）＝４００ｋｍの走行が可能であることになる。そして、当該エンジン１のオイル交換インターバルが２０００ｋｍ毎であるとすると、このオイル交換インターバル中に実行すべき再生回数は、２０００（ｋｍ）／４００（ｋｍ）＝５０回ということになる。このオイルの許容希釈率が１０％（つまり、オイル交換までに１０％まで希釈されることが許容される）であれば、一回の再生中に許容される希釈率は、１０（％）／５０＝０．２％になる。この０．２％に、当該エンジン１のオイル容量を乗算すれば、一回再生中の許容希釈量が算出される。この許容希釈量を噴射禁止判定値として設定すれば、累積希釈量が許容希釈量に達するとポスト噴射を中断する制御を実行することができる。

一方、副噴射禁止判定手段６０における噴射再開判定値は、実機の特性に応じて所定の値を予め設定しておけば良い。
以上の構成をもつオイル希釈防止装置による制御フローにつき、図２に一例を示している。
まず、制御開始後の初期化で初期値がセットされた後（Ｓ１）、ＤＰＦ再生フラグが活性（「１」）かどうか確認される（Ｓ２）。ＤＰＦ再生フラグが非活性（「０」）であれば、再生中希釈総量算出手段５０の選択部５５から初期値が副噴射禁止判定手段６０へ提供され、リセットされる。

ＤＰＦ再生フラグが活性であれば、再生実行なので、希釈量算出手段３０でポスト噴射量が希釈開始判定値を上回るか否かが確認される（Ｓ３）。希釈開始判定値以下の場合は初期値が出力され、希釈開始判定値を上回っていれば乗算部３２で算出される単位時間あたりのオイ希釈量が出力される（Ｓ４）。さらに、蒸発量算出手段４０において、オイル中に混入した燃料の蒸発が起こる運転領域かどうかが確認される（Ｓ５）。すなわち、比較部４４，４５，４６で、冷却水温度、エンジン回転速度、主噴射量がそれぞれ蒸発開始判定値と比較される。そして、いずれか一つでも蒸発開始判定値以下であれば初期値が出力され、いずれも蒸発開始判定値を上回っていれば、水温選択部４２から算出される単位時間あたりの燃料蒸発量が出力される（Ｓ６）。

これら単位時間あたりのオイル希釈量と燃料蒸発量とから再生中希釈総量算出手段５０で実質希釈量が算出され、それまでの累積値に加算されて累積希釈量が算出される（Ｓ７）。算出された累積希釈量は、副噴射禁止判定手段６０にて噴射再開判定値及び噴射禁止判定値と比較される（Ｓ８，Ｓ９）。比較の結果、噴射禁止判定値以下であるうちは、単位時間毎に累積希釈量の算出過程が繰り返される。そして、再生中の累積希釈量が噴射禁止判定値に達すると、副噴射禁止判定手段６０においてポスト噴射禁止フラグが「１」に活性化され、それ以降のポスト噴射が禁止される（Ｓ１０）。

ポスト噴射を禁止にした後、単位時間毎に累積希釈量の算出過程を繰り返し、累積希釈量が低下して噴射再開判定値に達すると、副噴射禁止判定手段６０においてポスト噴射禁止フラグが「０」に非活性化され、ポスト噴射が再開される（Ｓ１１）。そして、単位時間毎に累積希釈量の算出過程が繰り返されて、再び噴射禁止判定値に達すると、再度、ポスト噴射禁止フラグが活性化されてポスト噴射が中断される。以降、再生を実行している間、噴射再開判定値と噴射禁止判定値との比較及び比較結果によるポスト噴射の禁止と再開が繰り返される。

上記制御フローはあくまでも一例であり、たとえば、ステップＳ８とステップＳ９の順序を入れ替えたり、ステップＳ９が「Ｎｏ」のときにステップＳ８を実施したりする等、他にも多数の例が考えられる。
以上のようなオイル希釈防止装置によれば、再生実行中のオイル希釈量を経時的に推定し、オイルの許容希釈率を超えると判断される場合には、それ以上の希釈を防止するために、再生中であってもポスト噴射を中断する制御が行われる。すなわち、オイル希釈が許容範囲を超える場合には自動的にポスト噴射が中断されて希釈率を回復させる制御ロジックが実現されるので、ＤＰＦの再生に十分なポスト噴射量、再生時間といった再生パラメータをオイル希釈率を考慮せずに設定することができる。

本発明に係るオイル希釈防止装置を備えるエンジンの概略図。 本発明に係るオイル希釈防止装置を説明するブロック図。 本発明に係るオイル希釈防止装置の制御フローを示したフローチャート。

符号の説明

３０ 希釈量算出手段
４０ 蒸発量算出手段
５０ 再生中希釈総量算出手段
６０ 副噴射禁止判定手段

Claims (10)

1. 主噴射に対し進角又は遅角させて燃料を噴射する副噴射により、排気系の粒子状物質捕集フィルタを再生するようにした内燃機関において、
   少なくとも前記副噴射の燃料量に基づいてオイルの希釈量を推定する推定手段と、
   該推定した希釈量が、予め決められた噴射禁止判定値に達すると、前記副噴射を禁止にする副噴射禁止判定手段と、を含み、
   前記推定手段が、前記粒子状物質捕集フィルタの再生終了時に、前記推定した希釈量をリセットするように構成されるオイル希釈防止装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記副噴射禁止判定手段は、前記副噴射を禁止した後、前記希釈量が、予め決められた噴射再開判定値まで低下すると、前記副噴射を再開させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記推定手段は、前記副噴射の燃料量と燃料の蒸発量とに基づいて前記希釈量を推定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記推定手段は、単位時間あたりのオイル希釈量を前記副噴射の燃料量に基づいて逐次算出する希釈量算出手段と、
   前記単位時間あたりの燃料蒸発量を冷却水温度に基づいて逐次算出する蒸発量算出手段と、
   前記オイル希釈量と前記燃料蒸発量とから前記単位時間毎の実質希釈量を算出し、該実質希釈量を累積して累積希釈量を算出する再生中希釈総量算出手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
5. 前記希釈量算出手段は、機関回転速度と主噴射の燃料量とに基づいて希釈量感度を算出し、該希釈量感度を前記副噴射の燃料量に乗算して前記単位時間あたりのオイル希釈量を算出することを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
6. 前記希釈量算出手段は、前記副噴射の燃料量が希釈開始判定値以下の時には初期値を出力することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の内燃機関。
7. 前記蒸発量算出手段は、燃料が蒸発し得る運転領域でない時には初期値を出力することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。
8. 前記蒸発量算出手段は、冷却水温度が蒸発開始判定値以下の時に初期値を出力することを特徴とする請求項７記載の内燃機関。
9. 前記蒸発量算出手段は、機関回転速度が蒸発開始判定値以下の時に初期値を出力することを特徴とする請求項７記載の内燃機関。
10. 前記蒸発量算出手段は、主噴射の燃料量が蒸発開始判定値以下の時に初期値を出力することを特徴とする請求項７記載の内燃機関。

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