JP5324879B2 - ディーゼルエンジンを有する自動車の排気後処理装置の再生方法、及び、排気後処理装置を備えたディーゼルエンジンを有する自動車 - Google Patents

ディーゼルエンジンを有する自動車の排気後処理装置の再生方法、及び、排気後処理装置を備えたディーゼルエンジンを有する自動車 Download PDF

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Description

本発明は、概して、ディーゼル内燃機関を有する自動車に関連し、特に、ディーゼル内燃機関を有するハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicles: HEV）に関連する。
最近、内燃機関（Internal Combustion Engine :ICE）によって動力供給される自動車及び他の車両による化石燃料の消費の低減、及び、排出物の低減の必要性が良く知られている。電気モーターによって動力供給される車両はこれらの必要性に取り組むことを企図している。しかしながら、電気自動車は、航続距離（走行可能距離）が制限され、パワー能力が制限され、さらに、バッテリを再充電するのに時間が掛かる。代替案が、ICEと電気トラクションモーターとの両方を一つの車両に組み合わせることである。そのような車両は一般的に、ハイブリッド電気自動車（HEV）と呼ばれる。HEVは種々の構成によって配置され、運転者に電気運転と内燃運転との間の選択を要求するものもあれば、エンジン駆動と電気駆動との間の移行が自動的に行われるものもある。
最も一般的な構成は以下の通りである。
a)シリーズ式ハイブリッド電気自動車(Series Hybrid Electric Vehicle: SHEV)：内燃機関がジェネレータと呼ばれる電気モーターに接続される。ジェネレータは、バッテリと、トラクションモーターと呼ばれる他のモーターとへ電気を供給する。SHEVにおいて、トラクションモーターは車輪トルクの唯一の駆動源である。エンジンと駆動輪との間に機械的な接続は存在しない。
b)パラレル式ハイブリッド電気自動車（Parallel Hybrid Electrical Vehicle: PHEV）：内燃機関と電気モーターとが共に、車両を駆動するのに必要なトルクを供給する。PHEV構成において、電気モーターは、ICEによって生成された動力からバッテリを充電するためのジェネレータとして使用され得る。
c)パラレル−シリーズ式ハイブリッド電気自動車（Parallel/Series Hybrid Electric Vehicle: PSHEV）：この構成はPHEV構成とSHEV構成の両方の特徴を持つので、一般的に「パワースプリット（powersplit）」構成として知られている。PSHEVにおいて、内燃機関は遊星歯車式トランスアクスルを介して二つの電気モーターに機械的に結合される。第一電気モーター即ちジェネレータはサンギアに接続され、内燃機関はキャリアに接続され、第二電気モーターはトラクションモーターの形式でトランスアクスル内の追加の歯車機構を介してリングギア（出力ギア）に接続される。内燃機関からのトルクは、ジェネレータを駆動してバッテリを充電する。ジェネレータもまた、必要な車輪トルク（出力軸トルク）に寄与する。トラクションモーターは車輪トルクに寄与するように使用され、そして、回生ブレーキシステムが使用される場合にブレーキエネルギーを回生してバッテリを充電する。
内燃機関を電気モーターと組み合わせることが望ましいことは明らかであり、車両の動力性能及び航続距離を感知できるほどに損なうことなく、燃料消費と内燃機関からの排出物とが低減される。
全てのハイブリッド電気自動車に共通の特徴が、排出物及び燃料消費を低減すべく、可能なときにはいつでもエンジンを停止することであり、これは、内燃機関が頻繁にその最適な動作温度より低い状態で動作するという不利点を持つ。
これは、ディーゼルエンジンの場合に特別な問題を提起する。なぜなら、ディーゼルエンジンにおいては、ディーゼル微粒子トラップ、NOxトラップ、或いは、触媒コンバーターのような排気後処理装置の再生のために燃焼サイクルの遅い時期に燃料を噴射するポスト噴射と呼ばれる処理が一般的に行われているからである。このポスト噴射燃料の噴射タイミングは、その噴射がサイクルの中で遅い時期に行われて燃料が燃焼せずに排気ガスと共に気筒内に残り、その結果、排気後処理装置を再生すべくそこに運ばれるようなタイミングに選択される。ある場合には、具体的には排気ガス温度が低い場合には、二つの燃料ポスト噴射が行われる。第一の噴射は、燃料が気筒内で部分的に燃焼してエンジンから出て行く排気ガスの温度を上昇させるように調整され、第二の噴射は、上述のように燃焼サイクルの極めて遅いタイミングで行われる。
ポスト噴射は、排気ガス処理システムの効率と動作を改善するという観点では好ましい結果をもたらすが、さもなければ必要とされない燃料を使用する点で不利である。したがって、再生に使用される燃料の量を最小限に減らすことが望ましい。
本発明の目的は、少ない燃料使用量でディーゼルエンジンを備えた自動車の排気後処理装置を再生する方法を提供することである。
本発明の第一の観点によれば、電気ジェネレータに駆動接続されたディーゼルエンジンを持つディーゼル・ハイブリッド電気自動車の排気後処理装置の再生方法において、排気後処理装置の再生開始前に、ディーゼルエンジンからの排気ガスの温度及びディーゼルエンジン内を循環するオイルの温度を上昇すべくディーゼルエンジン内を循環するオイルを加熱するために設けられた電気式オイルヒーターのスイッチを入れることにより、電気ジェネレータに電気負荷を与える工程、排気後処理装置を再生する工程、及び、排気ガス温度及びオイル温度が通常のレベルに戻ることが出来るように電気式オイルヒーターのスイッチを切ることにより電気ジェネレータから電気負荷を除去する工程を有し、排気後処理装置を再生する工程が、再生が必要と判定されたときに排気後処理装置を再生すべくディーゼルエンジンの中に燃料の遅延噴射を開始する工程、及び、再生が完了したと判定されたときに燃料の遅延噴射を終了する工程を有し、ディーゼルエンジンは、可変流量オイルポンプを持ち、その方法は、排気後処理装置の再生の間にディーゼルエンジンを通るオイルの流量を増加する工程を更に備える方法が提供される。
電気ジェネレータの電気負荷としてバッテリを更に備え、上記方法は、再生が必要とされていることが判ったときにバッテリの充電状態が低いレベルに低下するのを可能とする工程、排気後処理装置の再生の開始に先立ってバッテリの再充電を開始する工程、及び、排気後処理装置の再生の間バッテリの充電を継続する工程、を更に備える。
上記の方法において、電気ジェネレータは、ジェネレータ/モーターであり得る。
本発明の第二の観点によると、電気ジェネレータに駆動接続されたディーゼルエンジン、電気ジェネレータに選択的に接続可能な少なくとも一つの電気負荷、ディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するための排気後処理装置、及び、排気後処理装置の再生と、電気ジェネレータへの電気負荷の適用を制御するための制御器を有し、上記電気負荷がディーゼルエンジンを通って流れるオイルを加熱するために使用される電気式オイルヒーターであり、上記制御器が、上記排気後処理装置の再生に先立って、上記ディーゼルエンジンを通って流れるオイルの温度を上昇させるべく電気式オイルヒーターのスイッチをオンにし、それにより、上記排気後処理装置の再生の間、上記ディーゼルエンジンから流れてくる排気ガスの温度を上昇させ、そして、上記排気後処理装置の再生が完了したときに、上記ディーゼルエンジンから上記排気後処理装置に流れる排気ガスの温度と上記オイルの温度とが通常のレベルに戻るのを可能とすべく、上記電気式オイルヒーターのスイッチを切るとともに、上記排気後処理装置の再生が必要と判定されたときに上記排気後処理装置を再生すべく上記ディーゼルエンジンの中に燃料の遅延噴射を開始し、そして、上記排気後処理装置の再生が完了したと判定されたときに上記燃料の遅延噴射を終了することが可能に構成され、ディーゼルエンジンは、ディーゼルエンジン内にオイルを循環させるための可変流量オイルポンプを持ち、制御器は更に、排気後処理装置の再生の間に可変流量オイルポンプを用いてディーゼルエンジンを通るオイルの流量を増加する、ディーゼル・ハイブリッド電気自動車が提供される。
電気負荷として更にバッテリを備えても良く、その場合、制御器は、排気後処理装置の再生が必要とされていることが判ったときにバッテリの充電状態が低いレベルに低下するのを可能とし、そして、排気後処理装置の再生の前と再生中に、バッテリを再充電し且つオイルヒーターに使用するオイルを加熱するために電気式ジェネレータを使用することが出来る。
上記のディーゼル・ハイブリッド電気自動車において、電気ジェネレータは、ジェネレータ/モーターであり得る。
これより、本発明を添付の図面を参照しながら実施形態例を用いて説明する。
図1を参照すると、この実施形態においてはパラレル-シリーズ（パワースプリット）式ハイブリッド電気自動車（Parallel/Series Hybrid Electric Vehicle）構成である、ディーゼル・ハイブリッド電気自動車5が示される。
ディーゼル・ハイブリッド自動車5は、ディーゼルエンジン20を持ち、そのエンジンからの排気流は、この実施形態においてはディーゼル微粒子トラップ50である排気後処理装置内を通る。
センサーアレイ51が、排気ガス温度や排気ガス組成のような沢山の信号を制御器36に供給するために設けられる。ディーゼル微粒子トラップ50の下流に更にセンサーが配置される場合もあることは理解されるであろう。
電気式オイルヒーター52は、この実施形態においてはディーゼルエンジン20のオイル溜の中に蓄えられたオイルを選択的に加熱すべく配置されているが、ディーゼルエンジン20のオイル潤滑開路内の都合のよいところであれば如何なる位置にも配設され得る。
電気式オイルヒーター52は、ディーゼルエンジン20によって駆動されるジェネレータ/モーター24に電気的に接続される。
ポンプ（不図示）が、ディーゼルエンジン20のオイル潤滑開路を通ってオイルを循環させるために使用される。そのポンプは、流量がディーゼルエンジン20の回転速度に関連しない形式のものが望ましい。即ち、オイルポンプは可変流量タイプであり、ディーゼルエンジン20を通るオイル流量は制御器36によって制御可能である。
遊星歯車装置26が、キャリア歯車をディーゼルエンジン20にワンウェイクラッチ44を介して機械的に結合し、サンギアをジェネレータ/モーター24にそして、リングギア（出力ギア）をトラクションモーター30に機械的に結合する。
ジェネレータモーター24はまた、ブレーキ22に機械的に接続し、そして、バッテリ28に電気的に接続される。
トラクションモーター30は、遊星歯車装置26のリングギアに、第二歯車装置32を介して機械的に結合され、そして、バッテリ28に電気的に接続される。遊星歯車装置26のリングギアは、出力シャフト33を介して自動車5の駆動輪34に機械的に結合される。
トラクションモーター30は、第二歯車装置32を通る平行経路上で、ディーゼルエンジン20から駆動輪34への動力を増大するために使用され得る。
全体的なシステムの制御は、自動車システム制御器（Vehicle System Controller）と呼ばれることが多い制御器36によって実行される。
制御器36は、夫々の構成部品の制御器と接続することによって全ての主だった自動車構成部品を動作させ、そして、この実施形態の場合は、パワートレイン制御モジュール（Powertrain Control Module: PCM）を収容する。しかしながら、PCMが独立したユニットの中に収容される場合もある。
制御器36はハードウエア・インターフェイスを介してディーゼルエンジン20に接続され、そして、通信ネットワーク（Communication Network）を介して、バッテリ制御ユニット（battery control unit: "BCU"）38及び変速機管理ユニット（transmission management unit: "TMU）40にも接続される。
バッテリ制御ユニット38は、ハードウエア・インターフェイスを介してバッテリ28に接続され、変速機管理ユニット40は、ハードウエア・インターフェイスを介してジェネレータ/モーター24とトラクションモーター30を制御する。
制御器36は、自動車5に牽引力を供給するため、或いは、バッテリ28を再充電すべくジェネレータ/モーター24を駆動するために、いつディーゼルエンジン20を動かすかを判断する。
制御器36はまた、センサーアレイ51から、いつ排気後処理装置であるディーゼル微粒子トラップ50が再生を要求するかの指示を受け、実施形態の一つを以下に図2を参照して説明する本発明に従った方法を実行することが出来る。
その方法は、ディーゼルエンジン20が始動したときであるステップ100において開始する。そのステップは、「キーオン」ステップと呼ばれることがある。
その後、本方法は、そこにおいて後処理装置50の再生が要求されているかどうかを判定するステップ110に進む。もし再生が要求されていないならば、方法は、再生が要求されて方法が先に進むまで、ステップ110を繰り返し実行する。再生が要求されていることが判定されたとき、もし可変流量オイルポンプがディーゼルエンジン20で使用されているならば、本方法はステップ120に進むが、そうでなければ、ステップ130に進む。
ステップ120において、ディーゼルエンジン20を通って循環するオイルの流量が増加する。電気式オイルヒーター52がジェネレータ/モーター24の電気負荷として使用されるため、ディーゼルエンジン20を通るオイル流量の増加が、電気式オイルヒーター52との接触面において生じるオイルの局所劣化のリスクを低減する。
ステップ130において、制御器36はジェネレータ/モーター24に接続された電機負荷のスイッチを入れて作動させることが出来、この場合において制御器36は電気式オイルヒーター52のスイッチを入れて作動させることが出来る。電気式オイルヒーター52は、オイルの温度が再生の間にオイルの中に入ってくる燃料を低減するのに十分な温度に上昇するのを許容するために十分な時間間隔を再生の前に確保するタイミングで、スイッチを入れられることになる。このオイルの予加熱期間は、エンジンによって、過熱されるオイルの体積と電気式オイルヒーター52の電力消費に応じて変化するが、その長さは、数秒よりむしろ数分のオーダーである。電気式オイルヒーター52の形式の電気負荷の早期スイッチオンはまた、排気ガス温度を上昇させて排気後処理装置50を加熱するのに十分な時間を提供する。
電気式オイルヒーター52の使用に加えて、一つ以上の追加の電気負荷がディーゼルエンジン20の負荷を更に上昇させるためにスイッチを入れて作動させられ得ることは理解されるであろう。
例えば、再生が要求されたことが判ったとき、バッテリ28の充電状態が制御器36によって、BCU 38を介して低レベルになることが可能とされる。この実施形態の場合、バッテリ28の再充電がジェネレータ/モーター24の追加の電気負荷を形成することになる。
その後、ステップ140において、後処理装置50の再生が、ディーゼルエンジン20への燃料の遅延噴射、即ち、ポスト噴射によって開始される。これは、再生が完了したと判定されるまで継続する。そして、排気ガスの温度が上昇しているため、そうでない場合に比べて少ない量の燃料がポスト噴射されることになる。
排気後処理装置50の再生の間に電気負荷を付与することは二つの有利な効果を奏する。一つ目は、電気式オイルヒーター52が大量の電力を消費し、そして、それがジェネレータ/モーター24に接続されているため、ディーゼルエンジン20の負荷が、ジェネレータ/モーター24による電力生成要求によって増加され、このディーゼルエンジン20に与えられる負荷の増加が、ディーゼルエンジン20の排気ガス温度の上昇をもたらし、それにより、再生のために必要とされる燃料の量を低減し、その結果、全体として燃料経済性を改善することである。二つ目は、必要とされる燃料が少ないため、燃料がオイルの中に移動するリスクが少なくなることである。加えて、オイル温度の上昇は、後処理装置50の再生の間にオイルに移動する燃料の量を低減する。
排気後処理装置50の再生が完了したと判断されたとき、ステップ150に示すようにポスト噴射は終了される。この再生完了は、例えば、排気後処理装置の前後の排気管の差圧が所定値以下になったことによって判断することが出来、或いは、再生開始からの時間経過が所定時間を超えたことによって判断（推定）することが出来る。
その後、ステップ160で示すように電気負荷（電気式オイルヒーター）52のスイッチをオフすることにより、排気ガスの温度は、通常に戻ることが可能となる。なお、電気負荷の低減は、この実施形態のように再生完了の判断が行われた後に行うのが好ましいが、場合によって、再生の途中に電気負荷の低減が行われることがある。
もしディーゼルエンジン20に可変流量オイルポンプが使用されるならば、本実施形態の方法は、ステップ160から、そこにおいてディーゼルエンジン20を通るオイル流量が通常レベルに戻るステップ170に進む。一方、そうでなければ方法はステップ180に進む。
ステップ180において、ディーゼルエンジン20が未だ動作しているかどうかを判定する。もしディーゼルエンジン20が未だ動作しているならば（キーオン？＝イエス）、方法はステップ110に戻るが、もしディーゼルエンジン20が動作していないならば（キーオン？＝ノー）、終了ステップ200へ進む。
記述された方法が、本発明に従った方法の一例に過ぎず、本発明が記述されたステップ、或いは、それらのステップの順序に限定されないことは理解されるであろう。
従って要約すると、本発明は、ポスト噴射の期間が開始する前にディーゼルエンジン20からの排気ガスの温度が上昇され、そして、ポスト噴射が終了した後も所定期間の間は高い温度に維持され、それにより、排気後処理装置50の再生の間のディーゼルエンジン20による燃料消費の低減と燃料のオイル内への移動の最小化を行う。なお、上述の実施形態においてはディーゼル・ハイブリッド電気自動車に関して説明したが、本発明は、ハイブリッド電気自動車に限らず、電気ジェネレータを有する、ディーゼルエンジンを備えた自動車にも適用可能である。
本発明を排気後処理装置50の再生前と再生中にオイルヒーター52の形式の単一の電気負荷がジェネレータ/モーター24に加えられる実施形態を参照にして記述したが、電気式オイルヒーター52を含む複数の電気負荷が加えられ得ることは理解されるであろう。
本発明が一つ或いはそれ以上の数の実施形態を参照にして例示の方法で説明されたが、本発明が記述された実施形態に限定されないこと、及び、記述された実施形態に対して一つ或いはそれ以上の修正実施形態、若しくは、代替実施形態が、本発明の範囲を逸脱することなく構成され得ることは、本技術分野の当業者によって理解されるであろう。
本発明に従うディーゼル・ハイブリッド電気自動車の概略図である。 本発明に従う方法の実施形態の一つを示すフローチャートである。
5. ディーゼル・ハイブリッド電気自動車
20. ディーゼルエンジン
24．ジェネレータ/モーター
28. バッテリ
36. 制御器
50. ディーゼル微粒子トラップ
52. 電気式オイルヒーター

Claims (6)

  1. 電気ジェネレータに駆動接続されたディーゼルエンジンを持つディーゼル・ハイブリッド電気自動車の排気後処理装置の再生方法において、
    上記排気後処理装置の再生開始前に、上記ディーゼルエンジンからの排気ガスの温度及び上記ディーゼルエンジン内を循環するオイルの温度を上昇すべく上記ディーゼルエンジン内を循環するオイルを加熱するために設けられた電気式オイルヒーターのスイッチを入れることにより、上記電気ジェネレータに電気負荷を与える工程、
    上記排気後処理装置を再生する工程、及び、
    排気ガス温度及びオイル温度が通常のレベルに戻ることが出来るように上記電気式オイルヒーターのスイッチを切ることにより上記電気ジェネレータから電気負荷を除去する工程、を有し、
    上記排気後処理装置を再生する工程が、再生が必要と判定されたときに上記排気後処理装置を再生すべく上記ディーゼルエンジンの中に燃料の遅延噴射を開始する工程、及び、上記排気後処理装置の再生が完了したと判定されたときに上記燃料の遅延噴射を終了する工程、を有し、
    上記ディーゼルエンジンは、可変流量オイルポンプを備え、
    上記方法が、上記排気後処理装置の再生の間に上記可変流量オイルポンプを用いて上記ディーゼルエンジンを通るオイルの流量を増加する工程を更に備える方法。
  2. 上記電気ジェネレータの電気負荷としてバッテリを更に備え、
    上記方法は、上記排気後処理装置の再生が必要とされていることが判ったときに上記バッテリの充電状態が低いレベルに低下するのを可能とする工程、
    上記排気後処理装置の再生の開始に先立ってバッテリの再充電を開始する工程、及び、
    上記排気後処理装置の再生の間バッテリの充電を継続する工程、を更に有する、請求項1に記載の方法。
  3. 上記電気ジェネレータが、ジェネレータ/モーターである、請求項1または2に記載の方法。
  4. 電気ジェネレータに駆動接続されたディーゼルエンジン、
    電気ジェネレータに選択的に接続可能な少なくとも一つの電気負荷、
    上記ディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するための排気後処理装置、及び、
    上記排気後処理装置の再生と、上記電気ジェネレータへの電気負荷の適用を制御するための制御器を有し、
    上記電気負荷が上記ディーゼルエンジンを通って流れるオイルを加熱するために使用される電気式オイルヒーターであり、
    上記制御器が、上記排気後処理装置の再生に先立って、上記ディーゼルエンジンを通って流れるオイルの温度を上昇させるべく電気式オイルヒーターのスイッチをオンにし、それにより、上記排気後処理装置の再生の間、上記ディーゼルエンジンから流れてくる排気ガスの温度を上昇させ、そして、上記排気後処理装置の再生が完了したときに、上記ディーゼルエンジンから上記排気後処理装置に流れる排気ガスの温度と上記オイルの温度とが通常のレベルに戻るのを可能とすべく、上記電気式オイルヒーターのスイッチを切るとともに、上記排気後処理装置の再生が必要と判定されたときに上記排気後処理装置を再生すべく上記ディーゼルエンジンの中に燃料の遅延噴射を開始し、そして、上記排気後処理装置の再生が完了したと判定されたときに上記燃料の遅延噴射を終了するように構成され、 上記ディーゼルエンジンが、該ディーゼルエンジン内にオイルを循環させるための可変流量オイルポンプを持ち、
    上記制御器は、上記排気後処理装置の再生の間に上記可変流量オイルポンプを用いて上記ディーゼルエンジンを通るオイルの流量を増加するように構成された、ディーゼル・ハイブリッド電気自動車。
  5. 上記電気負荷としてバッテリを更に備え、
    上記制御器が、上記排気後処理装置の再生が必要とされていることが判ったときに上記バッテリの充電状態が低いレベルに低下するのを可能とし、そして、上記排気後処理装置の再生の前と再生中に、上記バッテリを再充電し且つ上記電気式オイルヒーターに使用するオイルを加熱するために上記電気式ジェネレータを使用するように構成された、請求項4に記載のディーゼル・ハイブリッド電気自動車。
  6. 上記電気ジェネレータが、ジェネレータ/モーターである、請求項4または5に記載のディーゼル・ハイブリッド電気自動車。
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