JP6183170B2 - エンジンの除熱量制御システム - Google Patents

Description

本発明は、排気系にＤＰＦやＳＣＲ等からなる後処理装置を接続したエンジンの除熱量制御システムに係り、特に、エンジンの除熱量を制御して排気ガス温度を上昇させるエンジンの除熱量制御システムに関するものである。

ディーゼルエンジンの排気系には、ＰＭ（粒状物質）除去用のＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）や、ＮＯｘ除去用のＳＣＲ（選択還元触媒）などからなる後処理装置が接続されている。

この後処理装置では、ＳＣＲの上流側で尿素水を加水分解するためには、排気ガス温度が１７０℃以上必要であり、またＤＰＦで堆積したＰＭを燃焼させるには、排気ガス温度が２５０〜５００℃程度が必要である。

ディーゼルエンジンにおける排気ガス温度を上昇させる手段として、以下の２つに大別されると考えられる。

（１）筒内ガス熱容量を小さくして排気ガス温度を上昇させる。

（２）投入エネルギ量を増加させて排気エネルギを増加させ、排気ガス温度を上昇させる。

（１）については、従来から吸気バルブ絞りや吸気バルブの開弁時期の制御により排気ガス温度を上昇させることが行われており、（２）についても、アフター噴射やポスト噴射、或いは排気管燃料噴射によって排気ガス温度の昇温が試みられてきた。

しかし、両手段とも燃費悪化が避けられない問題がある。

特に、（２）については、余分に投入したエネルギは主に排気エネルギの増加に費やされているだけであり、機関の軸出力にはほとんどが転換されていない。したがって投入エネルギの増加による排気ガス昇温は燃費の大幅な悪化を伴うのが現状である。

特開平０９−２８７５２８号公報 特開平１０−２５２５７８号公報 特開２０１１−２１４５６６号公報 特開２０１２−０４１９０４号公報

このように従来は、排気ガス昇温のために、アフター噴射やポスト噴射、或いは排気管噴射によって、投入エネルギを増加させる手段が行われている。これらの投入エネルギは、排気エネルギを増加することを目的としているため、機関の軸出力にはほとんどが転換されていない。したがって投入エネルギの増加による排気ガス昇温は燃費の大幅な悪化を伴う。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃費を悪化させることなく排気ガス温度を上昇させることができるエンジンの除熱量制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気系にＳＣＲとＤＰＦを備えた後処理装置を接続し、排気ガスを後処理装置に適した温度に上昇させるに際し、エンジンを冷却すべく第１ラジエターと第１ポンプを備えたエンジン冷却水回路とＥＧＲクーラを冷却すべく第２ラジエターと第２ポンプとを備えたＥＧＲ冷却水回路とを、別系統で形成し、前記後処理装置に至る排気系に排気ガス温度センサを設けると共に前記後処理装置にＳＣＲ入口温度センサを設け、前記排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値未満のとき前記第１ポンプと第２ポンプを停止、或いは独立に作動させて、それぞれの除熱量を制御して、燃費の悪化を最小限に抑えた上で、排気ガス温度を上昇させることを特徴とするエンジンの除熱量制御システムである。

前記排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値以上になったとき第１ポンプと第２ポンプを駆動するのが好ましい。

前記エンジン冷却水回路には、インタークーラが接続され、排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値未満のときインタークーラへの冷却水供給を停止し、前記排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値以上になったとき、前記インタークーラに冷却水を流すようにするのが好ましい。

本発明は、後処理装置に流すに適した排気ガスの温度に上昇させる際に、エンジンの除熱量を制御することで、燃費の悪化を招くことなく排気ガスの温度を上昇させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明のエンジンの除熱量制御システムにおけるエンジンの冷却水回路を示す図である。 本発明のエンジンの吸排気系とエンジン冷却水回路とＥＧＲ冷却水回路とからなるエンジン除熱量制御のシステム構成を示した図である。 従来制御と本発明の除熱量制御における排気ガス温度と、それらの燃費を説明する図である。 図４（ａ）は、キースイッチＯＮからＳＣＲでＮＯｘ除去（尿素水噴射）するまでの排気ガス温度の経時変化を示し、実線ａは本発明の制御、点線ｂは従来の制御なしの排気ガス温度の経時変化を示し、図４（ｂ）は、従来の制御なしのときのエンジンの各機器のエネルギ量（仕事量）、図４（ｃ）は、本発明の制御でのエンジンの各機器のエネルギ量（仕事量）を示した図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず図１により、冷却水回路を説明する。

図１において、エンジン１０には、エンジン冷却水回路１１が設けられる。このエンジン冷却水回路１１は、第１ポンプ１２からの冷却水が、オイルクーラ１３、シリンダブロック１４、シリンダヘッド１５を通り、サーモスタット弁ＴＶを介して第１ラジエター１７に流れ、そこで大気で冷却された後、第１ポンプに戻るようにされ、また、シリンダブロック１４からの冷却水の一部が分岐路１１ａにてタービン１６Ｔとコンプレッサ１６Ｃからなるターボチャージャ１６の軸受け部１６Ｂに流れ、シリンダヘッド１５の出口側に戻るようにされる。また図２で説明するがエンジン冷却水回路１１の冷却水はインタークーラ２６にも供給されるようになっている。

ＥＧＲクーラ２７を冷却するＥＧＲ冷却水回路１８は、第２ポンプ１９からの冷却水が循環路２０にてＥＧＲクーラ２７に流れてＥＧＲクーラ２７内のＥＧＲガスを冷却した後、第２ラジエター２１に流れ、そこで大気で冷却された後、第２ポンプ１９に戻るようにされる。

第１ポンプ１２と第２ポンプ１９は、それぞれ電磁クラッチ２２、２３を介してエンジン１０のクランク軸とプーリ＆ベルト（図示せず）で駆動されるようになっている。

電磁クラッチ２２、２３はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２４にて断接される。ＥＣＵ２４は、ターボチャージャ１６のタービン１６Ｔの排気通路に設けた排気ガス温度センサ２５等の検出値に基づいて電磁クラッチ２２、２３を断接して、第１ポンプ１２と第２ポンプ１９をＯＮ・ＯＦＦ制御するようになっている。

図２は、エンジン１０の吸排気系と、エンジン冷却水回路１１と、ＥＧＲ冷却水回路１８とからなるエンジン除熱量制御のシステム構成図を示したものである。

先ず、吸気は、ターボチャージャ１６のコンプレッサ１６Ｃで圧縮されインタークーラ２６で冷却され、吸気マニホールド２８からエンジン１０内の各気筒に吸気され、各気筒からの排気ガスが排気マニホールド２９からターボチャージャ１６のタービン１６Ｔに流れ、排気系に接続した後処理装置３０に流れて、排気ガス中のＮＯｘが除去されると共にＰＭが捕集されて大気に排出される。

後処理装置３０は、詳細は図示していないが、未燃ＨＣを酸化して排気ガス温度を上昇させるＤＯＣ（酸化触媒）、ＰＭを捕集するＤＰＦ、ＮＯｘを、尿素の加水分解で発生したアンモニアで脱硝するＳＣＲ、アンモニアスリップを防止するＲＤＯＣ（後段酸化触媒）が順次配置されて構成される。

排気マニホールド２９と吸気マニホールド２８とにはＥＧＲ（排気再循環）管３１が接続され、そのＥＧＲ管３１にＥＧＲクーラ２７が接続されると共にＥＧＲバルブ３２が接続される。

エンジン冷却水回路１１は、第１ラジエター１７で冷却した冷却水を、第１ポンプ１２にて、図１で説明したエンジン１０のオイルクーラ１３、シリンダブロック１４、シリンダヘッド１５に流す他に、インタークーラバルブ３３を介してインタークーラ２６に流せるようになっている。

また、ＥＧＲ冷却水回路１８は、エンジン冷却水回路１１と別系統で形成され、第２ラジエター２１で冷却した冷却水を、第２ポンプ１９でＥＧＲクーラ２７に流せるようになっている。

第１ポンプ１２と第２ポンプ１９とは、それぞれ電磁クラッチ２２、２３の接により、エンジン１０のクランク軸からの回転がプーリ＆ベルトで伝達されて駆動され、電磁クラッチ２２、２３の断で、第１ポンプ１２と第２ポンプ１９がそれぞれ停止できるようになっている。

この電磁クラッチ２２、２３の断接はＥＣＵ２４にて制御される。ＥＣＵ２４は、排気マニホールド２９に設けた排気ガス温度センサ２５の検出値と、後処理装置３０に設けたＳＣＲ入口温度センサ３５の検出値を基に、設定した閾値未満のときには、電磁クラッチ２２、２３を断として、第１ポンプ１２と第２ポンプ１９を停止とし、閾値以上のときには電磁クラッチ２２、２３を接として第１ポンプ１２と第２ポンプ１９を駆動するようになっている。また、ＥＣＵ２４は、運転状況に応じてＥＧＲバルブ３２のＯＮ／ＯＦＦ制御をし、またインタークーラバルブ３３のＯＮ／ＯＦＦ制御するようになっている。

なお、排気ガス温度センサ２５は、図１では、タービン１６Ｔの下流に設けた例を、図２では排気マニホールド２９に設けた例を示しているが、後処理装置３０に至る排気系であれば、いずれの位置に設けてもよい。

次に、本発明のエンジンの除熱量制御システムを説明する。

本発明においては、エンジン１０のヒートバランスに着目し、冷却水に放熱しているエネルギを、排気エンタルピの増加に寄与させるようにしたものである。

すなわち、ＤＰＦ再生時に排気ガス温度を３００℃以上に上昇させる場合には、従来は排気管噴射やアフター噴射を行う必要があるが、本発明では、ＥＣＵ２４が電磁クラッチ２３を断として、第２ポンプ１９を停止することで、ＥＧＲクーラ２７での除熱量に相当するエンタルピが排気ガスに加わり、排気ガスの温度を上昇させることが可能となり、またインタークーラバルブ３３をＯＦＦとすることで、インタークーラ２６での除熱量に相当するエンタルピを、排気ガスに加えることが可能となる。

この従来制御と本発明の除熱量制御を図３により説明する。

図３に示すようにヒートバランス解析を実施した結果によれば、ＤＰＦ再生で排気ガス温度を上昇させる場合、排気管噴射では、ベースに対して、排気ガス温度が＋６６℃上昇し、燃費は８．１％悪化し、アフター噴射では、排気ガス温度が＋６９℃上昇し、燃費は１１．２％悪化するが、本発明の除熱量制御を行うことで、排気ガス温度を＋１００℃昇温し、燃費の悪化を３．５％程度まで抑えることが可能となる。

図４（ａ）は、キースイッチＯＮからＳＣＲでＮＯｘ除去（尿素水噴射）するまでの排気ガス温度の経時変化を示し、実線ａは本発明の制御、点線ｂは従来の制御なしの排気ガス温度の経時変化を示し、図４（ｂ）は、排気ガス温度の経時変化における、従来の制御なしのときのエンジンの各機器のエネルギ量（仕事量）を積算して示し、図４（ｃ）は、同様に本発明の制御でのエンジンの各機器のエネルギ量（仕事量）を積算して示したものである。

上述したように、ＳＣＲは尿素水が加水分解できる温度（１７０℃）未満では、尿素水噴射を行ってもアンモニアが発生せずＮＯｘを除去できないため、キースイッチオンから排気ガス温度をいち早く立ち上げる必要がある。

図４（ｂ）に示した従来制御では、気筒で燃焼されて発生したエネルギは、エンジン軸仕事、インタークーラ除熱量、ＥＧＲクーラ除熱量、エンジン除熱量、機械損失で消費され、排気ガスに加わる排気損失（排気エネルギ＝触媒昇温熱量）は、燃料噴射量が一定であれば変化がなく、排気ガス温度は、図４（ａ）に点線ｂで示したような昇温特性となる。

これに対して、本発明では、ＳＣＲ入口温度センサ３５にて排気ガス温度を検出し、閾値である１７０℃未満のときには、ＥＣＵ２４が、図１、図２に示した電磁クラッチ２３、２２を断として第２ポンプ１９と第１ポンプ１２を停止し、またインタークーラバルブ３３、２２を閉とすることで、インタークーラ２６への冷却水供給を停止する制御を行う。

これにより、排気ガス温度が１７０℃に達するまでは、排気損失（排気エネルギ＝触媒昇温熱量）に、ＥＧＲクーラ除熱量とインタークーラ除熱量、さらにはエンジン冷却量のエンタルピが加わるため、図４（ａ）に実線ａで示したような昇温特性となり、従来の点線ｂと違っていち早く排気ガス温度を立ち上げることができると共に、その間の燃費も向上できる。

また排気ガス温度が１７０℃以上となったときには、電磁クラッチ２３、２２を接として第２ポンプ１９と第１ポンプ１２を駆動し、またインタークーラバルブ３３を開として、ＥＧＲクーラ２７とインタークーラ２６への冷却水供給を行い、従来と同様にインタークーラ除熱量、ＥＧＲクーラ除熱量のためのエネルギ消費に切り替える。

このように本発明は、ＥＧＲクーラ２７のＥＧＲ冷却水回路１８をエンジン冷却水回路１１と別系統とし、冷却水への放熱量を制御し、ＥＧＲクーラ２７の除熱とエンジン熱損失を低下させて排ガスエネルギを高めることで、燃費悪化を招くことなく排気ガス温度を上昇させることができる。

１０ エンジン
１１ エンジン冷却水回路
１２ 第１ポンプ
１７ 第１ラジエター
１８ ＥＧＲ冷却水回路
１９ 第２ポンプ
２５ 排気ガス温度センサ
３０ 後処理装置
３５ ＳＣＲ入口温度センサ

Claims (3)

1. エンジンの排気系にＳＣＲとＤＰＦを備えた後処理装置を接続し、排気ガスを後処理装置に適した温度に上昇させるに際し、エンジンを冷却すべく第１ラジエターと第１ポンプを備えたエンジン冷却水回路とＥＧＲクーラを冷却すべく第２ラジエターと第２ポンプとを備えたＥＧＲ冷却水回路とを、別系統で形成し、前記後処理装置に至る排気系に排気ガス温度センサを設けると共に前記後処理装置にＳＣＲ入口温度センサを設け、前記排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値未満のとき前記第１ポンプと第２ポンプを停止、或いは独立に作動させて、それぞれの除熱量を制御して、燃費の悪化を最小限に抑えた上で、排気ガス温度を上昇させることを特徴とするエンジンの除熱量制御システム。
2. 前記排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値以上になったとき第１ポンプと第２ポンプを駆動する請求項１記載のエンジンの除熱量制御システム。
3. 前記エンジン冷却水回路には、インタークーラが接続され、排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値未満のときインタークーラへの冷却水供給を停止し、前記排気ガス温度センサとＳＣＲ入口温度センサの温度が、それぞれ閾値以上になったとき、前記インタークーラに冷却水を流すようにした請求項１または２記載のエンジンの除熱量制御システム。