JP4892980B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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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
36 EGR通路
37 EGR弁
38 EGR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
50 ECU
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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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