JP6711214B2 - 車両用の後処理システムおよび車両の後処理方法 - Google Patents

車両用の後処理システムおよび車両の後処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、車両用の後処理システムおよび車両の後処理方法に関する。
車両の内燃機関で生じた排気は、車両から大気中へと排出される前に、排気流路の途中に設けられた後処理装置で処理される。
後処理装置としては、内燃機関がディーゼルエンジンの場合、DPF(Diesel Particulate Filter)や、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)が例示される。
DPF(以下、ここでは、フィルターという)は、排気中に含まれる粒子状物質(以下、PMという)を捕集する。例えば、高速走行時のように内燃機関の運転状態が高負荷領域にあって、排気温度がPMの燃焼温度以上である場合、フィルターに堆積したPMが燃焼して除去される(いわゆる、自己再生)。
しかし、例えば、中速以下での走行時のように内燃機関の運転状態が中負荷領域や低負荷領域にあって、排気温度がPMの燃焼温度未満である場合、自己再生されず、フィルターにPMが堆積していく。
フィルターにPMが堆積しすぎると、フィルターが目詰まりを起こして、浄化機能が低下するため、PMの堆積状態に基づいて、フィルターに堆積したPMを燃焼させ、フィルターを再生する必要がある。
そこで、内燃機関の運転状態に基づいてフィルターに堆積したPM堆積量を推定し、推定PM堆積量が所定量に達した場合、燃焼後にシリンダー内に燃料を噴射するポスト噴射を行ったり、排気流路内に燃料を噴射する排気管内噴射を行ったりして、燃料を燃焼させることにより得られた熱で、フィルターに堆積したPMを燃焼させて除去する(いわゆる、強制再生)技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2013−160056号公報
しかしながら、上記特許文献に記載された技術では、強制再生を行う際に燃料が使われるため、燃費低減を実現する上で支障になるという問題点がある。
本発明の目的は、燃費低減を実現することが可能な車両用の後処理システムおよび車両の後処理方法を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明における車両用の後処理システムは、
気筒に設けられた排気口を開閉する排気弁に通じる排気系に設けられ、前記排気口から排出された排気中の粒子状物質を捕集するフィルターと、
前記排気弁の開時期を最大進角開時期と最大遅角開時期との間で調整する可変動弁機構と、
前記排気系における排気温度を検出する温度検出部と、
前記排気弁の開時期が最大進角開時期に調整された場合における排気温度としての第1温度を算出する第1温度算出部と、
前記検出された前記排気温度が前記粒子状物質の燃焼温度未満である場合に、前記第1温度が前記燃焼温度以上であるか否かを判断し、前記第1温度が前記燃焼温度以上であるときに、前記排気弁の開時期を最大進角開時期に調整させるように前記可変動弁機構を制御する制御部と、
を備える。
また、本発明における車両の後処理方法は、
気筒に設けられた排気口を開閉する排気弁に通じる排気系に前記排気口から排出された排気中の粒子状物質を捕集するフィルターが設けられ、前記排気弁の開時期を最大進角開時期と最大遅角開時期との間で調整する可変動弁機構が設けられた車両の後処理方法において、
前記排気系における排気温度を検出し、
前記排気弁の開時期が最大進角開時期に調整された場合における排気温度としての第1温度を算出し、
前記検出された前記排気温度が前記粒子状物質の燃焼温度未満である場合に、前記第1温度が前記燃焼温度以上であるか否かを判断し、
前記第1温度が前記燃焼温度以上であるときに、前記排気弁の開時期を最大進角開時期に調整させるように前記可変動弁機構を制御する。
本発明に係る車両用の後処理システムによれば、燃費低減を実現することができる。
本発明の実施の形態における車両用の後処理システムの全体構成を示す図である。 後処理システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例における後処理システムの動作を示すフローチャートである。 変形例における後処理システムの動作を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の形態における車両用の後処理システム1の全体構成を示す図である。
図1において、後処理システム1は、車両に搭載され、制御対象としての内燃機関100と、排気系200と、吸気系300と、エンジンコントロールユニット(以下、ECUという)400(本発明の「制御部」に対応)と、を備えている。
内燃機関100は、例えば、吸気行程、圧縮行程、膨張行程(燃焼行程)、および、排気行程の4ストロークサイクルのディーゼルエンジンであって、燃焼室102と、インジェクター104と、吸気弁106と、排気弁108と、可変動弁機構110と、を備えている。
燃焼室102は、ピストン112の頂部、シリンダー(気筒)114およびシリンダーヘッド116等で囲まれた空間である。
インジェクター104は、本説明では、燃焼室102内に燃料を噴射する。しかし、これに限らず、インジェクター104は、吸気ポートに燃料を噴射しても構わない。
吸気弁106および排気弁108のそれぞれは開閉可能に構成される。吸気行程において、吸気弁106が開き、ピストン112が上死点から下死点に移動すると、吸気系300(具体的には、吸気流路302)からの新気が燃焼室102に吸入される。
排気行程において、排気弁108が開き、ピストン112が下死点から上死点に移動すると、燃焼室102で生じた排気が、排気系200(具体的には、排気流路202)に送り出される。
可変動弁機構110は、本説明では、油圧によりベーンを駆動することで、上記排気弁108を開閉させるための排気カムシャフト(図示略)を進角側または遅角側に回転させる。可変動弁機構110は、これによって、排気弁108の開時期を最大進角開時期と最大遅角開時期との間で調整したり、排気弁108の閉時期を最大進角閉時期と最大遅角閉時期との間で調整したりする。なお、可変動弁機構110は、上記のような位相変化型に限らず、カム切り替え型等であっても構わない。
排気系200は、燃焼室102で生じた排気を大気中(車外)に導く排気流路202を有する。本説明では、排気流路202の中には、後処理装置204の例示として、酸化触媒206と、DPF(Diesel Particulate Filter)208と、SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒210とが、設けられる。また、SCR触媒210の直前(即ち、すぐ上流側)に尿素水添加弁212が設けられている。
酸化触媒206は、自身に流入した排気中の窒素酸化物(以下、NOxという)の一部を二酸化窒素にして、排気(NOx)における二酸化窒素の比率を高める。
DPF208は、排気流路202に設けられ、自身に流入した排気中に含まれる粒子状物質(以下、PMという)を捕集する。また、DPF208は、PMの燃焼温度以上の排気温度を有する排気熱を用いてPMを燃焼させて、除去する(いわゆる、自己再生)。
排気流路202には、温度センサー203(本発明の「温度検出部」に対応)が設けられている。温度センサー203は、排気流路202内の排気温度を検出する。
排気流路202におけるDPF208の排気上流側には、排気管内噴射装置220(本発明の「再生用燃料噴射部」に対応)、および、排気スロットル230が設けられている。
排気管内噴射装置220は、ECU400から入力される指示信号に応じて、排気流路202内に未燃燃料(主にHC)を噴射し(排気管内噴射)、噴射した未燃燃料で排気流路202内の排気を加熱し、DPF208に堆積したPMを燃焼させて除去する(強制再生)。
なお、強制再生用の装置としては、上記排気管内噴射装置220の他に、インジェクター104(本発明の「再生用燃料噴射部」に対応)が用いられる。インジェクター104は、通常の燃焼噴射(メイン噴射)の他に、燃焼室102内における燃料が燃焼された後に、ECU400から入力される指示信号に応じて、燃焼室102内に未燃燃料(主にHC)を噴射する(ポスト噴射)機能を有する。ポスト噴射により、燃焼室102から排気流路202に送られた未燃燃料で排気温度を上昇させ、DPF208に堆積したPMを燃焼させて除去する。
排気スロットル230は、燃焼室102から排出される排気の流量を調整するためのものであって、排気流路202を開閉するスロットル弁(図示略)と、そのスロットル弁を駆動するステッピングモーターなどのアクチュエーター(図示略)とを有する。
上記後処理装置204で処理された排気は、マフラー(図示略)等を介して、大気中に排出される。
排気流路202の外周(より具体的には、内燃機関100から後処理装置204に至るまでの排気流路202の区間)は断熱材214で覆われている。断熱材214の断熱性能は、後処理装置204が必要とする排気温度やコスト等に基づき適宜適切に定められる。段熱材214で覆われた区間を、図1にハッチングで表す。
吸気系300は、燃焼室102に新気を導く吸気流路302を有する。吸気流路302には、燃焼室102に吸入される新気量を調整するための吸気スロットル330が設けられている。吸気スロットル330は、吸気通路302を開閉するスロットル弁(図示略)と、そのスロットル弁を駆動するステッピングモーターなどのアクチュエーター(図示略)とを有する。
次に、排気弁108の開時期について説明する。
排気弁108の開時期は、通常、ピストン112が膨張行程(燃焼行程)の下死点に達する前である。膨張行程後の排気行程において、ピストン112が下死点から上死点に移動すると、シリンダー114内の排気が排気系200(排気流路202)に排出される。
ところで、排気弁108の開時期を膨張行程の上死点と下死点との中間位置まで進角させた場合、上死点近傍における燃料の燃焼によって発生した熱エネルギーの一部が排気とともに排気流路202に排出されるため、排気温度が上昇する。
排気弁108の開時期を進角させることによる排気の上昇温度は、上記の排気管内噴射やポスト噴射を行う強制再生用の装置による排気の上昇温度より低いため、内燃機関100の運転状態によって、排気温度をPMの燃焼温度以上に上昇させることができる場合と、上昇させることができない場合がある。しかしながら、DPF208を再生させる場合に、強制再生用の装置のように多量の未燃燃料を噴射しないため、燃費低減の実現化には有効である。
排気流路202には、排気流路202におけるDPF208の上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧を検出するための差圧センサ(図示略)が設けられている。
ECU400は、上記検出された差圧に基づいて、DPF208に堆積したPMの堆積量を推定する。ECU400は、推定PM堆積量に基づいて、DPF208を再生させるか否かを判断する。なお、ECU400は、PMの発生量やPMの燃焼量にから推定されたPMの堆積量に基づいて、DPF208を再生させるか否かを判断してもよい。
ECU400は、エンジン回転数、燃料噴射量と排気の上昇温度との対応関係を表した関係テーブルを有する。ここで、排気の上昇温度とは、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させた場合における排気の上昇分の温度をいう。
ECU400は、排気弁108の開時期が最大進角開時期に調整された場合における排気温度としての第1温度を算出する第1温度算出部としての機能を有する。ここで、第1温度とは、排気弁108の開時期を進角させた場合における排気の上昇温度(上昇分の温度)を、温度センサー203により検出された排気温度に加算したものである。
ECU400は、温度センサー203により検出された排気温度がPMの燃焼温度未満であって、DPF208を再生させる場合(推定PM堆積量が閾値を超えた場合)、エンジン回転数および燃料噴射量に基づいて、上記の関係テーブルを参照して、排気の上昇温度を算出し、算出した上昇温度を、温度センサー203により検出された排気温度に加算して、第1温度を算出する。なお、ECU400は、エンジン回転数および燃料噴射量に基づいて、予め定められた計算式により、排気の上昇温度を算出するようにしてもよい。
ECU400は、上記算出した第1温度がPMの燃焼温度以上であるか否かを判断し、第1温度が燃焼温度以上である場合に、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させるように可変動弁機構110を制御する。
次に、図2のフローチャートを参照して、車両用の後処理システム1の動作について説明する。本動作は、エンジン始動時(例えばキーオン時)に開始される。
ECU400は、推定PM堆積量に基づいて、DPF208を再生させるか否かを判断する(ステップS100)。
ECU400は、DPF208を再生させる場合(ステップS100:YES)、温度センサー203により検出された排気流路202における排気温度を取得し(ステップS110)、処理をステップS120に進め、DPF208を再生させない場合(ステップS100:NO)、所定時間を経過した後に、処理をステップS100に戻す。
ステップS120において、ECU400は、排気温度がPMの燃焼温度未満であるか否かを判断する。排気温度がPMの燃焼温度以上である場合(ステップS120:NO)、本処理を終了する。この場合は、排気温度がPMの燃焼温度以上であるため、DPF208に堆積したPMは燃焼する。これにより、PMをDPF208から除去することができる。
排気温度がPMの燃焼温度未満である場合(ステップS120:YES)、ECU400は、処理をステップS130に進める。
ステップS130において、ECU400は、燃料噴射量およびエンジンの回転数に基づいて、関係テーブルを参照して、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整した場合における排気温度としての第1温度を算出する。
次に、ECU400は、算出した第1温度がPMの燃焼温度以上であるか否かを判断する(ステップS140)。ECU400は、第1温度がPMの燃焼温度以上である場合(ステップS140:YES)、処理をステップS150に進め、第1温度がPMの燃焼温度未満である場合(ステップS140:NO)、処理をステップS160に進める。
ステップS150において、ECU400は、排気弁108の開時期を最大進角時期に調整させるように可変動弁機構110を制御する。これにより、排気温度がPMの燃焼温度以上になるため、DPF208に堆積したPMを燃焼させ、DPF208から除去する。
ステップS160において、ECU400は、排気流路202内に未燃燃料を噴射させるように排気管内噴射装置220(もしくはポスト噴射)を制御する。これにより、排気流路202内の排気温度をPMの燃焼温度以上に上昇させ、DPF208に堆積したPMを燃焼させ、DPF208から除去する(強制再生)。
上記実施の形態における車両用の後処理システム1によれば、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整した場合における排気温度としての第1温度がPMの燃焼温度以上となる場合に、ECU400が排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させるように可変動弁機構110を制御することで、DPF208に堆積したPMを燃焼させ、DPF208から除去して、DPF208を再生させることができる。これにより、排気管内噴射やポスト噴射などによるDPF208の強制再生を行わずに済むため、燃費低減を実現することができる。
例えば、中速走行時のように内燃機関100の運転状態が中負荷領域にあって、DPF208を再生させる場合に、従来では、一律に排気管内噴射などの強制再生を行うため、燃費低減の実現化が困難であったが、上記実施の形態では、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整することで、排気温度をPMの燃焼温度以上に上昇させて、DPF208を再生することができるため、中負荷領域における燃費低減を実現することができる。
(変形例)
次に、変形例における車両用の後処理システム1について図3を参照して説明する。図3は、後処理システム1の部分構成を示す図である。
上記実施の形態では、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整した場合における排気温度としての第1温度がPMの燃焼温度以上の場合、ECU400が排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させるように可変動弁機構110を制御するようにした。しかし、例えば、内燃機関100の運転状態が低負荷領域であって、第1温度がPMの燃焼温度未満の場合、ECU400が排気弁108の開時期を最大進角開時期にせずに、ECU400が排気流路202内に未燃燃料を噴射させるように排気管内噴射装置220(もしくはポスト噴射)を制御するものであった。
これに対して、変形例では、第1温度がPMの燃焼温度未満である場合に、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整し、かつ、燃焼室102に吸入される新気量を最少にした場合における排気温度としての第2温度がPMの燃焼温度以上である場合に、ECU400が、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させるように可変動弁機構110を制御し、かつ、燃焼室102に吸入される新気量を最少にさせるように吸気スロットル330を制御する。
燃焼室102に吸入される新気量を減少させることで、内燃機関100の負荷増大下で所定回転速度を維持するための燃焼室102への燃料噴射量を増加させ、排気弁108の開時期を進角させるだけでは、PMの燃焼温度以上に上昇できなかった排気温度を、PMの燃焼温度以上に上昇させる。これにより、DPF208に堆積したPMを燃焼させて、DPF208を再生させることができる。
なお、吸気スロットル330が本発明の「流量調整部」に対応する。また、ECU400は、燃料噴射量およびエンジン回転数に基づいて、第2温度を算出する第2温度算出部としての機能を有する。
次に、図4のフローチャートを参照して、変形例における車両用の後処理システム1の動作について説明する。なお、図4に示すステップS100からステップS160は、上記実施の形態における各ステップを同じであるため、その説明を省略する。
図4に示すステップS140において、第1温度がPMの燃焼温度以上でない場合(ステップS140:NO)、ECU400は、燃料噴射量およびエンジン回転数に基づいて、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整し、かつ、燃焼室102に吸入される新気量を最少にした場合における排気温度としての第2温度を算出し、算出した第2温度がPMの燃焼温度以上であるか否かを判断する(ステップS170)。
ECU400は、第2温度がPMの燃焼温度以上である場合(ステップS170:YES)、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させるように可変動弁機構110を制御するとともに、燃焼室102に吸入される新気量を最少にさせるように吸気スロットル330を制御する(ステップS180)。
ECU400は、第2温度がPMの燃焼温度未満である場合(ステップS170:NO)、強制再生させる(ステップS160)。
変形例における車両用の後処理システム1によれば、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整し、かつ、新気量を最少にするこれにより、DPF208を再生させることができ、排気管内噴射やポスト噴射などによるDPF208の強制再生を行わずに済むため、燃費低減を実現することができる。
例えば、低速走行時のように内燃機関100の運転状態が低負荷領域にあって、DPF208を再生させる場合に、従来では、一律に排気管内噴射などの強制再生を行うため、燃費低減の実現化が困難であったが、上記実施の形態では、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整し、かつ、新気量を最少にすることで、DPF208を再生するできるため、低負荷領域における燃費低減を実現することができる。
上記の変形例では、第1温度がPMの燃焼温度未満である場合に、燃焼室102に吸入される新気量を最少にさせるように吸気スロットル330を制御することで、排気温度を上昇させたが、本発明は、これに限らない。例えば、ECU400は、第1温度がPMの燃焼温度未満であり、かつ、第2温度がPMの燃焼温度以上である場合に、燃焼室102から排出される排気量を最少にさせるように排気スロットル230を制御する。これによって、排気流路202の通路断面積を狭めて、排気圧力を高め、排気温度を上昇させる。
排気スロットル230を所定開度まで閉弁させることで、排気流路202の通路断面積を減少させ、排気圧力を上げて、排気温度を上昇させるように排気スロットル230を制御する(図3参照)。
なお、ECU400は、第1温度がPMの燃焼温度未満であり、かつ、第2温度がPMの燃焼温度以上である場合に、吸気スロットル330および排気スロットル230の少なくとも1つを制御してもよく、両方を制御してもよい。なお、両方を制御する場合、第2温度は、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整し、かつ、両方を制御した場合における排気温度となる。
なお、上記実施の形態における後処理システム1では、ECU400が排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させるように可変動弁機構110を制御することで、排気温度をPMの燃焼温度以上に上昇させ、DPF208に堆積したPMを燃焼させて除去する構成を説明したが、本発明は、これに限らず、ECU400が排気弁108の閉時期を最大進角閉時期に調整させるように可変動弁機構110を制御することで、排気温度を上昇させ、PMを燃焼させて除去する構成であってもよい。可変動弁機構110が排気弁108の閉時期を最大進角閉時期に調整すると、大量の残留ガスがシリンダー114内に閉じ込められ、そこに、新気と燃料が吸入されることで、高温混合気が形成される可能性があり、高温混合気が形成されると、それに応じて燃焼温度が高められ、シリンダー114から排出される排気の温度を高めることが可能となる。
また、ECU400は、排気弁108の開時期を最大進角開時期に調整させる場合、燃インジェクター104によるシリンダー114内への燃料噴射量が、排気弁104の開時期を最大進角開時期以外の開時期に調整させる場合より多くなるようにインジェクター104を制御するようにしてもよい。これにより、エンジン回転数の変動を抑えることができる。
また、上記実施の形態では、強制再生の場合、ECU400が排気管内噴射をさせるように排気管内噴射装置220を制御したが、本発明はこれに限らず、ECU400がポスト噴射をさせるようにインジェクター104を制御してもよい。
本発明における車両用の後処理システムおよび車両の後処理方法は、燃費低減を実現することが要求されるディーゼルエンジン等を備えた車両に有用である。
1 後処理システム
100 内燃機関
102 燃焼室
104 インジェクター
106 吸気弁
108 排気弁
110 可変動弁機構
112 ピストン
114 シリンダー
116 シリンダーヘッド
200 排気系
202 排気流路
203 温度センサー
204 後処理装置
206 酸化触媒
208 DPF
210 SCR触媒
212 尿素水添加弁
214 断熱材
220 排気管内噴射装置
230 排気スロットル
300 吸気系
302 吸気流路
330 吸気スロットル
400 ECU

Claims (7)

  1. 気筒に設けられた排気口を開閉する排気弁に通じる排気系に設けられ、前記排気口から排出された排気中の粒子状物質を捕集するフィルターと、
    前記排気弁の開時期を最大進角開時期と最大遅角開時期との間で調整する可変動弁機構と、
    前記排気系における排気温度を検出する温度検出部と、
    前記排気弁の開時期が最大進角開時期に調整された場合における排気温度としての第1温度を算出する第1温度算出部と、
    前記検出された前記排気温度が前記粒子状物質の燃焼温度未満である場合に、前記第1温度が前記燃焼温度以上であるか否かを判断し、前記第1温度が前記燃焼温度以上であるときに、前記排気弁の開時期を最大進角開時期に調整させるように前記可変動弁機構を制御する制御部と、
    を備える、車両用の後処理システム。
  2. 前記フィルターに堆積した前記粒子状物質を強制的に燃焼させるための燃料を噴射する再生用燃料噴射部をさらに備え、
    前記制御部は、前記第1温度が前記燃焼温度未満である場合、前記燃料を噴射させるように前記再生用燃料噴射部を制御する、
    請求項1に記載の車両用の後処理システム。
  3. 前記気筒内に吸引される新気、または、前記気筒内から排出される排気のうちの少なくとも1つの流量を調整するための流量調整部と、前記排気弁の開時期が最大進角開時期に調整され、かつ、前記流量が最少にされた場合における排気温度としての第2温度を算出する第2温度算出部と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、前記第1温度が前記燃焼温度未満であり、かつ、前記第2温度が前記燃焼温度以上である場合に、前記可変動弁機構の制御に加えて、前記流量を最少にするように前記流量調整部を制御する、
    請求項1に記載の車両用の後処理システム。
  4. 前記流量調整部は、前記新気の流量を調整するための吸気スロットルである、
    請求項3に記載の車両用の後処理システム。
  5. 前記流量調整部は、前記排気の流量を調整するための排気スロットルである、
    請求項3に記載の車両用の後処理システム。
  6. 前記フィルターに堆積した前記粒子状物質を強制的に燃焼させるための燃料を噴射する再生用燃料噴射部をさらに備え、
    前記制御部は、前記第2温度が前記燃焼温度未満である場合、前記燃料を噴射させるように前記再生用燃料噴射部を制御する、
    請求項3から5のいずれかに記載の車両用の後処理システム。
  7. 気筒に設けられた排気口を開閉する排気弁に通じる排気系に前記排気口から排出された排気中の粒子状物質を捕集するフィルターが設けられ、前記排気弁の開時期を最大進角開時期と最大遅角開時期との間で調整する可変動弁機構が設けられた車両の後処理方法において、
    前記排気系における排気温度を検出し、
    前記排気弁の開時期が最大進角開時期に調整された場合における排気温度としての第1温度を算出し、
    前記検出された前記排気温度が前記粒子状物質の燃焼温度未満である場合に、前記第1温度が前記燃焼温度以上であるか否かを判断し、
    前記第1温度が前記燃焼温度以上であるときに、前記排気弁の開時期を最大進角開時期に調整させるように前記可変動弁機構を制御する、
    車両の後処理方法。
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