JP4937877B2

JP4937877B2 - ディーゼルエンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4937877B2
Application number: JP2007266901A
Authority: JP
Inventors: 陽一斎藤
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP2009097346A

Description

本発明は、複数の気筒群を有するディーゼルエンジンの制御装置に関する。

一般に、水平対向型やＶ型等の複数の気筒群を有するエンジンにおいては、各気筒群毎の排気通路を一つに集合させて触媒コンバータ等の排気後処理装置に排ガスを供給するようにしているが、エンジンルーム内の艤装上の関係等から、排気通路の触媒コンバータまでの管路長が各気筒群毎に異なってしまう。

このため、触媒コンバータまでの管路長が長い気筒群では、管路壁への排気熱の放出が大きくなり、結果として、集合部から触媒コンバータに流入する排気の温度が低下し、始動時の触媒コンバータの活性に時間がかかったり、低負荷運転を継続すると触媒コンバータの活性が維持できなくなるといった可能性がある。その対策として、排気管の断熱性能を向上したり、触媒コンバータの貴金属担持量を増加させる等の方法があるが、コスト増加等の弊害をもたらす。

これに対処するに、特許文献１には、第１の気筒群に接続した第１の排気通路と、第２の気筒群に接続した第２の排気通路とをクランクシャフト軸線に対して第２の排気通路側へ偏奇した位置で集合排気通路に連結し、この集合排気通路に触媒コンバータを備えたエンジンにおいて、第１の気筒群から排気される排気ガスの温度が第２の気筒群から排気される排気ガスの温度より高くなるようにエンジンの燃焼状態を制御することで、触媒コンバータの活性化を高めるために必要な排気ガス温度を確保する技術が開示されている。

また、特許文献２には、少なくとも二つの気筒群に触媒コンバータまでの長さが互いに異なる排気管が接続されたエンジンにおいて、二つの気筒群の一方から排出される排気ガスを他方から排出される排気ガスより高温度にすると共に、二つの気筒群の出力を均一化する技術が開示されている。
特開昭５９−２０００１０号公報特開平９−３１７５０６号公報

特許文献１や特許文献２に開示の技術は、何れもガソリンエンジン等の火花着火式エンジンを対象として、点火時期の遅角化や排気バルブの開弁時期の早期化を実施することで排気温度を上昇させるようにしている。このため、複数の気筒群を有するディーゼルエンジンにおいて、上述の触媒コンバータまでの排気通路の距離が各気筒群毎に異なることに起因する排気温度の低下に対処しようとする場合、適用は困難である。

しかも、特許文献１に開示の技術では、触媒コンバータまでの距離が長い気筒群から排出される排気の温度を上昇させることで触媒コンバータの温度を高めるようにしており、排気ポートでの排気ガス温度は高まるが、排気管への熱の放出量も大きくなり、触媒コンバータに流入する排気の温度を向上させる上では効率的とは言えない。

また、特許文献２に開示の技術では、排気バルブの開弁時期の早期化を実施することで排気温度を上昇させるようにしており、可変バルブタイミング機構等を必要とし、制御が複雑化するばかりでなく、コスト上昇の要因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複数の気筒群を有するディーゼルエンジンの排気後処理装置に流入する排気の温度を、複雑な制御を要することなく効果的に上昇させることのできるディーゼルエンジンの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるディーゼルエンジンの制御装置は、複数の気筒群を有し、各気筒群に接続される各排気枝管をクランク軸の軸線に対してオフセットした位置で合流させて共通の１つの排気管に接続し、該共通の排気管に排気後処理装置を配設したディーゼルエンジンにおいて、前記排気後処理装置に流入する排気の温度を上昇させるべき制御条件が成立したとき、前記排気後処理装置までの管路長が相対的に短い排気枝管へ連通する気筒群に対する燃料噴射量を増量し、前記排気後処理装置までの管路長が相対的に短い排気枝管を流通する排気の温度が他の排気枝管を流通する排気の温度より高くなるよう制御すると共に、前記他の排気枝管へ連通する気筒群に対して空気量を制限する制御部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の気筒群を有するディーセルエンジンの排気後処理装置に流入する排気の温度を、複雑な制御を要することなく効果的に上昇させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の第１形態に係り、図１はエンジン系の概略構成図、図２は排気温度制御のメインルーチンを示すフローチャート、図３はバンク別排気温度制御ルーチンのフローチャート、図４は燃料噴射量増量の説明図、図５は燃料噴射時期リタードを伴うバンク別排気温度制御ルーチンのフローチャート、図６は燃料噴射時期リタードを示す説明図である。

図１において、符号１は、水平対向型或いはＶ型等の複数の気筒群を有するディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」と記載）であり、本実施の形態においては、水平対向型エンジンである。このエンジン１は、クランク軸２を中心としてシリンダブロックが左右のバンクＢ１，Ｂ２の２つの気筒群に分離され、各バンクＢ１，Ｂ２の各シリンダヘッドに、各気筒の吸気ポートに連通するインテークマニホルド２ａ，２ｂが取り付けられている。

各バンクのインテークマニホルド２ａ，２ｂは、吸気チャンバ３を経て共通の吸気管に連通され、また、各気筒の吸気ポートの直上流側には、インジェクタ４が気筒毎に配設されている。インジェクタ４は、本実施の形態においては、駆動信号によって先端の噴孔を間欠的に開閉する電磁式バルブであり、図示しない高圧ポンプや燃料畜圧用のコモンレール等の燃料供給系から供給される高圧燃料を所定の噴射タイミングで各気筒の燃焼室内に噴射する。

また、エンジン１の各バンクＢ１，Ｂ２の各シリンダヘッドには、各気筒の排気ポートに連通するエキゾーストマニホルド（排気枝管）５ａ，５ｂが取り付けられている。各バンクのエキゾーストマニホルド５ａ，５ｂは、エンジンルーム内の艤装上の理由等からクランク軸２の軸線に対してバンクＢ１側にオフセットした位置で合流され、共通の排気管６に連通されている。

バンクＢ１側にオフセットした共通の排気管６には、ターボ過給機７が介装され、このターボ過給機７の下流側に、排気後処理装置としての触媒コンバータ８が介装されている。触媒コンバータ８は、例えば、上流側に酸化触媒等の前段触媒を備え、下流側に粒子状物質（PM;Particulate Matter）を濾過、捕集するＰＭフィルタを備えるものである。

以上のエンジン１は、マイクロコンピュータを中心として構成される制御部としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって制御される。ＥＣＵ５０には、クランク軸２の回転位置を検出するクランク角センサ９やアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１０を初めとして、その他、エンジン１の運転状態を検出する各種センサ・スイッチ類が入力側に接続され、また、インジェクタ４を初めとする各種アクチュエータ類が出力側に接続されている。

ＥＣＵ５０は、メモリに記憶されている制御プログラムに従い、センサ類からの信号を処理してエンジン運転状態を検出し、グロープラグ（図示せず）の通電制御、インジェクタ４を介した燃料噴射制御等のエンジン制御を行う。このエンジン制御においては、始動直後や低負荷運転が連続する運転状態のとき、或いは、触媒コンバータ８のＰＭフィルタを再生するための周期的な再生制御運転において、触媒コンバータ８に近いバンクＢ１の気筒からの排気ガスの温度を、触媒コンバータ８に遠いバンクＢ２の気筒からの排気ガスの温度に比較して高くなるように制御する。

すなわち、各エキゾーストマニホルド５ａ，５ｂは、集合部までの排気通路の管路長が異なっており、バンクＢ１側よりバンクＢ２側の方が触媒コンバータ８までの排気通路の管路長及び管路容積が大きいことから、バンクＢ２側の排気温度を昇温させても、管路壁への熱の放出量が大きくなってしまい、触媒コンバータ８に流入する排気の温度を上昇させる上で効率的とは言えない。従って、触媒コンバータ８までの排気通路の管路長が相対的に短いバンクＢ１側からの排気の温度をバンクＢ２側からの排気の温度よりも高くなるように制御することで、熱放散による損失を抑制して熱エネルギーの伝達効率を向上させ、触媒コンバータ８を効率的に昇温することができる。

バンクＢ１側の排気ガス温度を上昇させる制御は、バンク別の燃料噴射量制御を基本として実施し、バンクＢ１の気筒に対する燃料噴射量を、バンクＢ２の気筒に対する燃料噴射量よりも増加させることで、触媒コンバータ８に近いバンクＢ１側の排気温度を上昇させる。また、このバンク別の燃料噴射量制御に対して、燃料噴射時期の遅角制御を付加的に実施することで、バンク毎の燃料噴射量に差をつけたことによる気筒間のトルクバラツキを補正することができる。

次に、ＥＣＵ５０による排気温度制御について、図２，図３，図５に示すフローチャートを用いて説明する。

図２のフローチャートは、排気温度制御のメインルーチンを示し、先ず、最初のステップＳ１で触媒コンバータ８の排気温度制御条件が成立するか否かを判断する。この排気温度制御条件の判断は、エンジン始動時や低負荷運転時に触媒コンバータ８の触媒不活性、或いはＰＭフィルタの再生運転時を条件として判断する。

触媒コンバータが活性化しているか否かは、例えば、エンジン始動後、設定時間内のとき、或いはアイドル運転時等の低負荷運転が設定時間以上継続する運転状態のとき、触媒不活性と判断して排気温度制御条件成立とする。また、ＰＭフィルタ再生の排気温度制御条件は、全気筒でＰＭフィルタ再生のための燃料増量を実施する必要のある排気温度の低い領域、再生運転を実施できない極低負荷領域、或いは再生運転の必要が無い高負荷領域を除く運転領域であり、且つ所定の再生周期に達したときを排気温度制御条件成立とする。

そして、ステップＳ１において、排気温度制御条件が成立しない場合には、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで通常制御を実行する。この通常制御では、始動に必要な燃料噴射量やアイドル回転を維持可能な燃料噴射量が確保され、また、ＰＭフィルタの再生運転時であれば、必要な燃料分が増量される。

一方、ステップＳ１において排気温度制御条件が成立する場合には、ステップＳ１からステップＳ３へ進み、図３に示すバンク別排気温度制御ルーチンを実行する。そして、触媒コンバータ８までの排気通路の距離及び容積が相対的に小さいバンクＢ１側の排気温度を、触媒コンバータ８までの排気通路の距離及び容積が相対的に大きいバンクＢ２側の排気温度よりも高くなるように制御する。

図３のバンク別排気温度制御ルーチンについて説明する。このバンク別排気温度制御ルーチンでは、最初のステップＳ１１において、クランク角センサ９からの信号に基づいて気筒判別を行い、現在の燃料噴射対象気筒がバンクＢ１，Ｂ２の何れであるかを判別する。その結果、現在の燃料噴射対象気筒がバンクＢ２の気筒である場合には、ステップＳ１２で通常の燃料噴射量での制御を実行し、バンクＢ１の気筒である場合、ステップＳ１３で燃料噴射量を増量する制御を行う。

この燃料噴射量の増量は、具体的には、インジェクタ４を介した燃料の多段噴射におけるバンクＢ１側の気筒に対するメイン噴射やポスト噴射を変更することで実施する。例えば、図４に示すように、多段噴射が、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射、ポスト噴射の５段階噴射である場合、トルクに寄与しない下死点近辺のポスト噴射の噴射時間を増加することで、トルク変動を防止しつつ排気温度を上昇させることができ、エンジン始動時や低負荷運転が連続する場合においても、触媒コンバータを迅速に活性化することができる。

また、ＰＭフィルタの再生運転時においては、周知のように、下死点近傍でのポスト噴射により、エンジンから意図的に不完全燃焼成分を含むガスを排出させて前段触媒で燃焼（酸化）させ、その発生熱によってＰＭフィルタに捕集されている粒子状物質を焼却するようしている。その場合においても、一方のバンクＢ１側のみのポスト噴射時間を増加して排気温度を効果的に上昇させることで、燃費悪化を最小限に抑制しつつＰＭフィルタを迅速に再生することが可能となる。

一方、メイン噴射を変更する場合には、図５のバンク別排気温度制御ルーチンを実行し、燃料噴射量を増量すると共に噴射時期をリタード（遅角）する。図５に示すバンク別排気温度制御ルーチンは、図３に示すバンク別排気温度制御ルーチンに対して、燃料噴射時期リタードのステップＳ１４を追加するものであり、ステップＳ１１での気筒判別によりバンクＢ１の気筒であるとき、ステップＳ１３で燃料噴射量を増量し、更に、ステップＳ１４で燃料噴射時期をリタードさせる。

具体的には、図６に示すように、上死点近辺のメイン噴射の時間を延長すると共に、このメイン噴射のタイミングをリタードすることで、トルクバランスを崩すことなく排気温度を上昇させる。すなわち、一方のバンクＢ１側のみでメイン噴射を延長して燃料噴射量を増量すると、一方のバンクＢ１側の気筒のトルクが増加して他方のバンクＢ２の気筒とのトルクバランスが崩れる虞があるが、同時にメイン噴射をリタードすることで燃料増量によるトルク増加を相殺し、トルクバラツキの発生を防止しつつ一方のバンクＢ１の排気温度を上昇させることができる。

この場合、メイン噴射の時間延長及びメイン噴射時期のリタードに、ポスト噴射の時間延長を組合せることで、メイン噴射による燃料増量を必要最小限に止め、トルクバラツキの影響を低減することも可能である。

このように、本実施の形態においては、触媒コンバータまでの排気通路の管路長が短い側のバンクの排気温度が高くなるように制御し、熱放散による損失を抑制して熱エネルギーの伝達効率を向上させるようにしている。その際、触媒コンバータまでの排気通路の管路長が短い側のバンクの気筒に対する燃料噴射量を増量するのみの制御で効果的に排気温度を上昇させることができ、処理の高速化を図ることができる。

これにより、始動時の触媒コンバータを効果的に促進することができ、また、アイドル運転時等の低負荷運転が連続した場合においても触媒コンバータの活性を維持することができる。更には、ＰＭフィルタを再生させるための周期的な再生運転時においても、ＰＭフィルタに捕集されている粒子状物質の焼却を促進して迅速にＰＭフィルタを再生することが可能となる。

特に、燃料噴射量の増量を下死点近辺のポスト噴射の増量によって実施する場合には、バンク間のトルクバラツキを生じることなく排気温度を上昇させることができ、簡素な制御でありながら大きな効果を得ることができる。また、上死点近辺のメイン噴射を増量する場合であっても、メイン噴射の噴射時期を遅角することで、同様にバンク間のトルクバラツキを防止することでき、いたずらに制御の複雑化を招くことがない。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図７及び図８は本発明の実施の第２形態に係り、図７はエンジン系の概略構成図、図８はバンク別排気温度制御ルーチンのフローチャートである。

第２形態は、前述の第１形態に対して、触媒コンバータ８に近いバンクＢ１の燃料増量及び噴射時期をリタードする一方、触媒コンバータ８から遠いバンクＢ２の吸気量を制限するものである。

一般に、ディーゼルエンジンでは、過給等によって筒内に空気を充填・圧縮し、燃料に着火することから、筒内全体ではリーン燃焼であると言える。従って、バンク別の排気温度制御に際して、燃料噴射量の増量（噴射時期リタード）を実施しないバンクＢ２側の過剰な空気を制限することで、トルクを減少させることなく排気温度を昇温させることができる。

このため、図７に示すように、第２形態におけるエンジン１Ａは、第１の形態のエンジン１に対して、吸気量制御のための装置を備えている。第１形態のエンジン１との相違について説明すると、エンジン１Ａは、各バンクのインテークマニホルド２ａ，２ｂが集合する吸気チャンバ３の下流側に、各バンクＢ１，Ｂ２毎の吸気量を制御する吸気制御弁（ＳＣＶ）２０ａ，２０ｂがぞれぞれ介装されている。

各ＳＣＶ２０ａ，２０ｂには、アクチュエータ２１ａ，２１ｂがそれぞれ連設され、このアクチュエータ２１ａ，２１ｂを介してＳＣＶ２０ａ，２０ｂの開度が制御される。これらのアクチュエータ２１ａ，２１ｂは、ＥＣＵ５０（或いはＥＣＵ５０と通信ラインを介して接続される吸気制御ユニット）によって駆動制御される。

第２形態におけるバンク別排気温度制御は、図８のフローチャートに示すルーチンに従って実行される。このルーチンでは、最初のステップＳ２１での気筒判別を経てバンクＢ１の気筒に対しては、ステップＳ２４，Ｓ２５で、第１形態と同様、燃料噴射量の増量、燃料噴射時期の遅角化を実施し、一方、バンクＢ２の気筒に対しては、ステップＳ２２で、通常の燃料噴射量での噴射を実施し、ステップＳ２３で、バンクＢ２側のＳＣＶ２０ｂの開度を絞り、バンクＢ２側の吸気量を制限する。

第２形態では、燃料噴射量増量（噴射時期リタード）によって触媒コンバータ８に近いバンクＢ１側の排気温度を昇温すると共に、触媒コンバータ８から遠いバンクＢ２側の吸気量を制限することで、バンクＢ２側の排気温度を昇温させるため、第１形態に比較して、より効果的に触媒コンバータ８に流入する排気の温度を高めることができる。

本発明の実施の第１形態に係り、エンジン系の概略構成図同上、排気温度制御のメインルーチンを示すフローチャート同上、バンク別排気温度制御ルーチンのフローチャート同上、燃料噴射量増量の説明図同上、燃料噴射時期リタードを伴うバンク別排気温度制御ルーチンのフローチャート同上、燃料噴射時期リタードを示す説明図本発明の実施の第２形態に係り、エンジン系の概略構成図同上、バンク別排気温度制御ルーチンのフローチャート

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２クランク軸
４インジェクタ
５ａ，５ｂエキゾーストマニホルド（排気枝管）
６排気管
８触媒コンバータ（排気後処理装置）
５０電子制御ユニット（制御部）
Ｂ１，Ｂ２バンク（気筒群）

Claims

複数の気筒群を有し、各気筒群に接続される各排気枝管をクランク軸の軸線に対してオフセットした位置で合流させて共通の１つの排気管に接続し、該共通の排気管に排気後処理装置を配設したディーゼルエンジンにおいて、
前記排気後処理装置に流入する排気の温度を上昇させるべき制御条件が成立したとき、前記排気後処理装置までの管路長が相対的に短い排気枝管へ連通する気筒群に対する燃料噴射量を増量し、前記排気後処理装置までの管路長が相対的に短い排気枝管を流通する排気の温度が他の排気枝管を流通する排気の温度より高くなるよう制御すると共に、前記他の排気枝管へ連通する気筒群に対して空気量を制限する制御部を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
前記制御部は、前記制御条件が成立したとき、前記排気後処理装置までの管路長が相対的に短い排気枝管へ連通する気筒群に対して、多段噴射における下死点近辺のポスト噴射を増量することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。
前記制御部は、前記制御条件が成立したとき、前記排気後処理装置までの管路長が相対的に短い排気枝管へ連通する気筒群に対して、多段噴射における上死点近辺のメイン噴射を増量すると共に、該メイン噴射の噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。