JP4892980B2

JP4892980B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP4892980B2
Application number: JP2006004173A
Authority: JP
Inventors: 博幸西村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: JP2007187029A

Description

本発明は、フィルタに捕集された排気ガス中のパティキュレート（Particulate Matter(PM)、粒子状物質）を酸化反応熱により焼却させてフィルタを再生する技術に関する。

従来のディーゼルエンジンでは、排気ガス中に含まれるパティキュレートをフィルタにより捕集することで大気中への排出を抑制している。ここで、フィルタは捕集できるパティキュレート量が決まっているため、フィルタの許容量を超える前にフィルタに捕集されたパティキュレートを焼却させてフィルタを再生する処理が必要となる。

そして、上記フィルタの再生技術に関連して、例えば、特許文献１（段落０００７）には、フィルタに所定量以上のパティキュレートが捕集されると、酸化触媒に未燃燃料を供給しその酸化反応熱により高温となった排気ガスをフィルタに流入させてパティキュレートを焼却する技術が記載されている。
特開平８−０４２３２６号公報

しかしながら、上記特許文献１では、車両の運転状態（例えば、低車速）によってはエンジンから排出される排気ガス温度が低いために、酸化触媒に未燃燃料を供給しも排気ガス温度をパティキュレートを焼却できるだけの高温に維持できず、パティキュレートの焼却に時間を要してしまうという課題がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、車両の運転状態が変化してもフィルタに流入する排気ガス温度を高温に維持し、パティキュレートを焼却するフィルタの再生時間を短縮する技術を実現することである。

上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る第１の形態は、エンジンから排出される排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを有すると共に、排気ガスの酸化反応を促すことで前記フィルタを酸化反応熱で加熱する酸化触媒機能を持つフィルタ手段と、燃料噴射弁によってエンジンの気筒内の燃焼室に噴射される燃料の噴射量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、前記フィルタに捕集されるパティキュレートの量に関連するパラメータ値を検出する第１パラメータ値検出手段と、前記パティキュレートの量が所定量以上になると圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射に続いて膨張行程若しくは排気行程で燃料を追加噴射する後噴射を実行することで前記フィルタに捕集されたパティキュレートを焼却させるフィルタ再生手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、車両速度に関連するパラメータ値を検出する第２パラメータ値検出手段と、エンジンに駆動されて車両用電気負荷及びバッテリに電力を供給する発電機と、該発電機の出力電圧を制御する電圧制御手段とを備え、前記電圧制御手段は、車両運転状態が定常若しくは加速状態であり、且つ前記車両速度が所定速度以下の時に限り、前記フィルタ再生手段が実行されている時には実行されていない時に比べて前記発電機の出力電圧が高くなるように制御する。

この形態によれば、フィルタ再生が実行されている時には実行されていない時に比べて、発電機の出力電圧を高くすることにより、エンジン負荷が増加して排気ガス温度が上昇するため、フィルタの再生時間が短縮できる。更に、再生時間が短縮されるということは後噴射の総噴射量が低減されることになるため、後噴射される未燃燃料がシリンダ壁表面に付着することによるシリンダ壁表面に形成されたオイル被膜が希釈される弊害を抑制できる。しかも、所定車速以下の時に限り発電機の出力電圧が高くなるように制御を行うから、燃費悪化を抑制できる。つまり、高車速であれば排気ガス温度は高いためパティキュレートの焼却は容易に進行するが、低車速では排気ガス温度は低いためパティキュレートの焼却はほとんど進行しない。従って、低車速で発電機の出力電圧を高くして排気ガス温度の上昇を促し、不必要に発電機の出力電圧を高めることなく燃費悪化を抑制できる。

また、第２の形態では、前記電圧制御手段は、車両運転状態が定常若しくは加速状態ではなく減速状態であり、且つ前記フィルタ再生手段が実行されている時の発電機の出力電圧を、実行されていない時に比べて低くなるように制御する。この形態によれば、フィルタ再生中の減速時に発電機の出力電圧を低下させバッテリを放電状態としておくことで、次に定常或いは加速運転に移行して発電機の出力電圧を高くした時に、バッテリへの充電量を高くすることができる。即ち、バッテリは、バッテリ残容量が少ない方がバッテリへの充電電流が上昇するという特有の特性を有する。このため発電機からバッテリへの充電量、換言すれば発電機の発電量が更に高くなることが期待でき、エンジン負荷増加に伴い排気ガス温度を上昇させることが可能になる。

また、第３の形態では、バッテリの残容量を検出する残容量検出手段を備え、前記電圧制御手段は、前記バッテリの残容量が所定量以下の時には、前記車両運転状態が減速状態であり、且つ前記フィルタ再生手段が実行されている時であっても発電機の出力電圧を、実行されていない時に比べて低くなるように制御するのを禁止する。この形態によれば、バッテリ残容量が少ない時のバッテリ過放電を抑制し、バッテリ寿命の低下やバッテリ上がりを回避できる。

本発明によれば、車両の運転状態が変化してもフィルタに流入する排気ガス温度を高温に維持し、パティキュレートを焼却するフィルタの再生時間を短縮することができる。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。

［エンジンの全体構成］
図１は、本発明に係る実施形態として例示するディーゼルエンジン及びその周辺の構成を示す図である。

図１に示すように、１は車両に内燃機関として搭載されたディーゼルエンジンである。このエンジン１は複数のシリンダ２を有し、各シリンダ２内に往復動可能にピストン３が嵌挿されていて、このピストン３が圧縮行程上死点にある時にトロイダル形の燃焼室４が形成される。また、各シリンダ２の燃焼室４の上面には、電磁開閉式の燃料噴射ノズル５がその噴口を燃焼室４に臨むように配設され、所定のタイミングで各燃焼室４に燃料（軽油）を直接噴射する。

各シリンダ２の周囲には冷却水を循環させるウォータジャケット６が形成されている。ウォータジャケット６には冷却水の温度を検出する水温センサ７が設けられている。

燃料噴射ノズル５は高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール８に接続されている。コモンレール８には、内部の燃圧（コモンレール圧）を検出する燃圧センサ９が配設されていると共に、クランク軸１０により駆動される高圧供給ポンプ（不図示）が接続されている。この高圧供給ポンプは、燃圧センサ９により検出されるコモンレール８内の燃圧が所定値以上に保持されるように作動される。また、クランク軸１０には、クランク軸１０の回転角度を検出するクランク角センサ１１が設けられている。

また、１２は各シリンダ２の燃焼室４に対しエアクリーナ１３で濾過した吸入空気を供給する吸気通路である。エアクリーナ１３の下流側の吸気通路１２には吸入空気量を検出する吸気量センサ１４が設けられている。吸気通路１２には上流側から下流側に向かって順に、ターボ過給器の吸気側のコンプレッサ１５、コンプレッサ１５により圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ１６、吸気通路１２の断面積を絞る電磁開閉式のスロットル弁１７が夫々設けられている。また、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１８（図２参照）が設けられている。

吸気通路１２の下流端は、サージタンク１９から各シリンダ２に夫々分岐した吸気ポート２１を介して各シリンダ２の燃焼室４に接続されている。吸気ポート２１は吸気弁２２により所定のタイミングで開閉される。

スロットル弁１７の下流側の吸気通路１２には吸入空気の温度を検出する吸気温度センサ２３及び吸入空気圧を検出する吸気圧センサ２４が設けられている。

また、２５は各シリンダ２の燃焼室４から排気ガスを排出する排気通路である。排気通路２５の上流端は、各シリンダ２に夫々分岐した排気ポート２６により各シリンダ２の燃焼室４に接続されている。排気ポート２６は排気弁２７により所定のタイミングで開閉される。

排気通路２５には、上流側から下流側に向かって順に、ターボ過給器の排気タービン２８、後述する未燃燃料を燃焼させて酸化反応熱を発生する酸化触媒２９、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ３０が夫々設けられている。酸化触媒２９は上記未燃燃料を燃焼させて発生する酸化反応熱によりフィルタ３０の温度を上昇させてフィルタ３０に捕集されたパティキュレートを焼却する作用を有する。尚、排気タービン２８は電磁式アクチュエータ３９により流量が可変となっている。

酸化触媒２９の上流側及び下流側には排気ガス温度を検出する排気温度センサ３１及び３２が夫々設けられている。また、フィルタ３０の上流側及び下流側には排気ガス圧力を検出する排気圧センサ３３及び３４が設けられている。更に、フィルタ３０の下流側には排気ガス温度を検出する排気温度センサ３５が設けられている。

更に、排気通路２５には、排気タービン２８の上流側で分岐して吸気通路１２に連通し排気ガスを還流させるＥＧＲ通路３６が形成されている。ＥＧＲ通路３６にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３８が設けられている。ＥＧＲ通路３６は電磁開閉式のＥＧＲ弁３７により所定のタイミングで開閉される。

図２は本実施形態のディーゼルエンジンの制御ブロック図である。

図２において、本実施形態のディーゼルエンジン１は、コントロールユニット（Electronic Control Unit；以下、「ＥＣＵ」という）５０により空燃比制御やＥＧＲ制御等が実行される。また、ＥＣＵ５０は、図３で後述するフィルタの再生制御を実行する。

ＥＣＵ５０は、発電機４２及びバッテリ４３に電気的に接続されている。発電機４２はエンジン１により駆動されて発電し、車両用電気負荷やバッテリ４３に電力を供給する。車両用電気負荷としては、例えば、ランプ類、カーナビゲーション等の電子機器、エアコン機器その他の車両用電装品が挙げられる。

ＥＣＵ５０には、上記水温センサ７からの水温検出信号、燃圧センサ９からの燃圧検出信号、クランク角センサ１１からのクランク角検出信号、吸気量センサ１４からの吸気量検出信号、アクセル開度センサ１８からのアクセル開度検出信号、吸気温度センサ２３からの吸気温度検出信号、吸気圧センサ２４からの吸気圧検出信号、車速センサ４１からの車速検出信号、排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ（不図示）からの酸素濃度検出信号が夫々入力される。

そして、ＥＣＵ５０は、上記クランク角検出信号からエンジン回転数、アクセル開度検出信号からアクセル開度を演算すると共に、これらの演算結果とそれ以外の各検出信号とに基づいて、燃料噴射ノズル５、スロットル弁１７、ＥＧＲ弁３７を制御して、ＥＧＲ制御及び空燃比制御を実行する。

更に、ＥＣＵ５０は、バッテリ４３の充放電電流値及びバッテリ電圧値、排気温度センサ３１，３２，３５からの排気ガス温度検出信号、排気圧センサ３３，３４からの排気ガス圧力検出信号を夫々入力し、バッテリ電圧値及び充放電電流値からバッテリ４３の残容量、排気圧センサ３３，３４からフィルタ３０の上流側と下流側の排気ガス圧力差を演算すると共に、これらの演算結果と車速及びアクセル開度の各検出信号に基づいて、燃料噴射ノズル５による噴射量及び噴射タイミング、発電機４２の出力電圧を制御して、フィルタ再生制御を実行する。尚、車速センサ４１を各車輪に設けた車輪速センサで構成し、各車輪速センサからの車輪速検出信号をパラメータ値としてそれらの平均値を車速（車体速）として演算してもよい。

尚、ＥＣＵ５０は、上記各検出信号を用いた演算処理を行うＣＰＵ，後述するエンジン制御を実行するプログラムを格納するＲＯＭ，演算結果等を保持するＲＡＭ等を有し、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することで空燃比制御、ＥＧＲ制御、フィルタ再生制御等を実現する。

［フィルタ再生制御］
図３は本実施形態のフィルタ再生制御を示すフローチャート、図４は車両運転状態に応じた発電機の出力電圧を示すマップである。

本実施形態のフィルタ再生制御は、ＥＣＵ５０が図２に示すフィルタ再生部５１、燃料噴射制御部５２、電圧制御部５３、残容量検出部５４として図３のフローに示す各機能を実行することで実現される。尚、発電機４２の出力電圧は、発電機４２のフィールドコイル電流を制御することで変更可能であり、このフィールドコイル電流を増加すると出力電圧は上昇する。

図３において、ＥＣＵ５０は、車速センサ４１からの車速検出信号、アクセル開度センサ１８からのアクセル開度検出信号、バッテリ４３の充放電電流値及びバッテリ電圧値、排気圧センサ３３，３４からの排気ガス圧力検出信号を夫々入力し、バッテリ４３の充放電電流値及びバッテリ電圧値からバッテリ４３の残容量、排気圧センサ３３，３４からフィルタ３０の上流側と下流側の排気ガス圧力差を演算する（Ｓ１）。

次に、ＥＣＵ５０は、Ｓ１で演算された排気ガス圧力差をパティキュレート量Ｍに関連するパラメータ値として、当該パラメータ値に基づきフィルタ３０に捕集されたパティキュレート量Ｍを推定演算する（Ｓ２）。ここで、パティキュレート量Ｍは、フィルタ上下流の圧力降下（排気ガス圧力差）が大きいほどパティキュレート量Ｍが多くなるようなマップを予め実験等で算出しておき、このマップに基づいて算出される。

次に、ＥＣＵ５０は、Ｓ２で算出したパティキュレート量Ｍが、フィルタ再生制御の開始条件となる第１所定量以上であるか判定する（Ｓ３）。そして、パティキュレート量Ｍが第１所定量以上ならば、再生実行フラグをＯＮし（Ｓ４）、フィルタ再生制御を実行する（Ｓ５）。

上記Ｓ５のフィルタ再生制御では、ＥＣＵ５０はフィルタ再生部５１及び燃料噴射制御部５２として燃料噴射ノズル５を制御し、圧縮行程上死点付近の主噴射に続いて膨張行程或いは排気行程での後噴射を追加する。このフィルタ再生制御では、後噴射を行うことで酸化触媒２９へ未燃燃料を供給し、酸化触媒２９での酸化反応熱を利用してフィルタ３０に流入する排気ガス温度を上昇させて、フィルタ３０に捕集されているパティキュレートを焼却する。

次に、ＥＣＵ５０は、車両の運転状態が定常若しくは加速状態であるか判定する（Ｓ６）。車両の運転状態は、上記Ｓ１で入力した車速やアクセル開度から判定する。そして、車両の運転状態が定常若しくは加速状態ならば、車速が所定車速（例えば、４０ｋｍ／ｈ）以下であるか判定する（Ｓ７）。

上記Ｓ７で車速が所定車速以下の低速走行時には、ＥＣＵ５０は電圧制御部５３として、発電機４２の出力電圧を、フィルタ再生制御を実行していない場合のＭｉｄ（例えば、１３．５Ｖ）に比べて高いＨｉ（例えば、１４Ｖ）になるように制御する（Ｓ８）。

また、上記Ｓ６で車両の運転状態が定常若しくは加速状態ではないならば、減速状態であるか判定する（Ｓ９）。車両の運転状態は、上記Ｓ１で入力した車速やアクセル開度から判定する。そして、車両の運転状態が減速状態ならば、ＥＣＵ５０は残容量検出部５４として、バッテリ４３の残容量が所定容量以下であるか判定する（Ｓ１０）。ここで、バッテリ４３の残容量は、バッテリ４３の初期容量と経過容量との和から算出される（バッテリ残容量＝バッテリ初期容量＋経過容量）。尚、バッテリ初期容量は、例えばエンジン始動時のバッテリ電圧及び放電電流とから推定演算される。また、経過容量はバッテリの充放電電流値を積算することにより算出される。

上記Ｓ１０でバッテリ４３の残容量が所定容量を超えているならば、ＥＣＵ５０は電圧制御部５３として、発電機４２の出力電圧を、再生制御を実行している場合のＨｉ（例えば、１４Ｖ）に比べて低いＬｏｗ（例えば、１２．５Ｖ）になるように制御する（Ｓ１１）。

一方、上記Ｓ３でパティキュレート量Ｍが第１所定量に満たないならば、ＥＣＵ５０は、Ｓ２で算出したパティキュレート量Ｍが、フィルタ再生制御の終了条件となる第２所定量以下であるか判定する（Ｓ１２）。そして、パティキュレート量Ｍが第２所定量以下ならば、再生実行フラグをＯＦＦし（Ｓ１３）、フィルタ再生制御（つまり、後噴射）を終了する（Ｓ１４）。尚、第１所定量＞第２所定量に設定される。

そして、ＥＣＵ５０は電圧制御部５３として、発電機４２の出力電圧を、フィルタ再生制御を実行していない場合のＭｉｄ（例えば、１３．５Ｖ）になるように制御する（Ｓ１５）。

また、上記Ｓ７で所定車速を超えた高速走行時の場合、上記Ｓ９で定常、加速、減速状態のいずれでもないアイドル状態の場合や、上記Ｓ１０でバッテリ４３の残容量が所定容量以下の場合にも発電機４２の出力電圧を、フィルタ再生制御を実行していない場合のＭｉｄ（例えば、１３．５Ｖ）になるように制御する（Ｓ１５）。

また、上記Ｓ１２でパティキュレート量Ｍが第２所定量を超えているならば（第２所定量＜Ｍ＜第１所定量）、ＥＣＵ５０は再生実行フラグがＯＮされているか判定し（Ｓ１６）する。上記Ｓ１６で再生実行フラグがＯＮならば上記Ｓ６に移行し、再生実行フラグがＯＦＦならば上記Ｓ１４に移行する。

［効果の説明］
上記実施形態によれば、フィルタ再生制御が実行されている時には実行されていない時（Ｓ１３→Ｓ１５、図４の非再生時のＭｉｄ）に比べて外部負荷トルクとしての発電機４２の出力電圧を高く設定する（Ｓ４→Ｓ８、図４の再生時のＨｉ）。即ち、発電機４２の出力電圧を高くするとエンジン出力が低下することから、スロットル開度等の制御若しくは乗員によるアクセル操作によって出力低下を補い同一出力を維持しようとする。これにより排気ガス温度が上昇するためフィルタ３０の再生時間が短縮できる。更に、再生時間が短縮されるということは後噴射を追加することによる総噴射量が低減されることになるため、後噴射される未燃燃料がシリンダ壁表面に付着することによるシリンダ壁表面に形成されたオイル被膜が希釈される弊害を抑制できる。

また、フィルタ再生制御において車速が所定車速以下の時に限り発電機４２の出力電圧が高くなるように制御を行う（Ｓ７→Ｓ８、図４の再生時のＨｉ）。つまり、高車速であれば（Ｓ７→Ｓ１５）排気ガス温度は高いためパティキュレートの焼却は容易に進行するが、低車速では排気ガス温度は低いためパティキュレートの焼却はほとんど進行しない。従って、低車速で発電機４２の出力電圧を高くして排気ガス温度の上昇を促し、不必要に発電機４２の出力電圧を高めることなく燃費悪化を抑制できる。

また、フィルタ再生制御中（Ｓ４，Ｓ５）における減速時に発電機４２の出力電圧を低下させ（Ｓ９→Ｓ１１、図４の再生時のＬｏｗ）バッテリ４３を放電状態としておくことで（Ｓ９→Ｓ１１）、次に定常或いは加速運転に移行して発電機４２の出力電圧を高くした時に（Ｓ６→Ｓ８，Ｓ１５、図４の再生時のＨｉ，Ｍｉｄ若しくは非再生時のＭｉｄ）、バッテリ４３への充電量を高くすることができる。即ち、バッテリ４３は、バッテリ残容量が少ない方が発電機４２からバッテリ４３への充電電流が上昇するという特有の特性を有する。このため発電機４２からバッテリ４３への充電量、換言すれば発電機４２の発電量が更に高くなることが期待でき、エンジン負荷増加に伴い排気ガス温度を上昇させることが可能になる。

また、バッテリ残容量が少ない時はフィルタ再生制御中（Ｓ４，Ｓ５）における減速時であっても発電機４２の出力電圧を低下させない（Ｓ１０→Ｓ１５、図４の非再生時のＭｉｄ）ので、バッテリ残容量が少ない時には車両用電気負荷への出力電流を発電機４２で補ってバッテリ４３の過放電を抑制し、バッテリ寿命の低下やバッテリ上がりを回避できる。

本発明に係る実施形態として例示するディーゼルエンジン及びその周辺の構成を示す図である。本実施形態のディーゼルエンジンの制御ブロック図である。本実施形態のフィルタ再生制御を示すフローチャートである。車両運転状態に応じた発電機の出力電圧を示すマップである。

１ディーゼルエンジン
２シリンダ
３ピストン
４燃焼室
５燃料噴射ノズル
６ウォータジャケット
７水温センサ
８コモンレール
９燃圧センサ
１０クランク軸
１１クランク角センサ
１２吸気通路
１３エアクリーナ
１４吸気量センサ
１５コンプレッサ
１６インタークーラ
１７スロットル弁
１８アクセル開度センサ
１９サージタンク
２１吸気ポート
２２吸気弁
２３吸気温度センサ
２４吸気圧センサ
２５排気通路
２６排気ポート
２７排気弁
２８排気側タービン
２９酸化触媒
３０フィルタ
３１，３２，３５排気温度センサ
３３，３４排気圧センサ
３６ＥＧＲ通路
３７ＥＧＲ弁
３８ＥＧＲクーラ
３９電磁式アクチュエータ
４１車速センサ
４２発電機
４３バッテリ
５０ＥＣＵ
５１フィルタ再生部
５２燃料噴射制御部
５３電圧制御部
５４残容量検出部

Claims

エンジンから排出される排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを有すると共に、排気ガスの酸化反応を促すことで前記フィルタを酸化反応熱で加熱する酸化触媒機能を持つフィルタ手段と、燃料噴射弁によってエンジンの気筒内の燃焼室に噴射される燃料の噴射量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、前記フィルタに捕集されるパティキュレートの量に関連するパラメータ値を検出する第１パラメータ値検出手段と、前記パティキュレートの量が所定量以上になると圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射に続いて膨張行程若しくは排気行程で燃料を追加噴射する後噴射を実行することで前記フィルタに捕集されたパティキュレートを焼却させるフィルタ再生手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
車両速度に関連するパラメータ値を検出する第２パラメータ値検出手段と、
エンジンに駆動されて車両用電気負荷及びバッテリに電力を供給する発電機と、
前記発電機の出力電圧を制御する電圧制御手段とを備え、
前記電圧制御手段は、車両運転状態が定常若しくは加速状態であり、且つ前記車両速度が所定速度以下の時に限り、前記フィルタ再生手段が実行されている時には実行されていない時に比べて前記発電機の出力電圧が高くなるように制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記電圧制御手段は、車両運転状態が定常若しくは加速状態ではなく減速状態であり、且つ前記フィルタ再生手段が実行されている時の発電機の出力電圧を、実行されていない時に比べて低くなるように制御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浄化装置。
バッテリの残容量を検出する残容量検出手段を備え、
前記電圧制御手段は、前記バッテリの残容量が所定量以下の時には、前記車両運転状態が減速状態であり、且つ前記フィルタ再生手段が実行されている時であっても発電機の出力電圧を、実行されていない時に比べて低くなるように制御するのを禁止することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。