(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルへ燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料供給配管に介装され前記噴射ノズルへの燃料供給を制御する燃料供給バルブと、前記噴射ノズルと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管に設けたアキュムレータと、前記噴射ノズルと前記アキュムレータとの間の前記燃料供給配管に設けた遮断バルブと、前記遮断バルブと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管内に空気を送り込む空気供給手段とを備え、
前記噴射ノズルによる燃料噴射後に、前記燃料供給バルブ及び遮断バルブを閉じ、前記空気供給手段により前記遮断バルブと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管内に空気を送り込むことで、前記遮断バルブと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管内に残存する燃料を、前記アキュムレータ内に押し込むことを特徴とするエンジンの排気管噴射装置。
【請求項２】
前記空気供給手段による空気の供給開始から遅れて前記アキュムレータを開放させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気管噴射装置。
【請求項３】
前記噴射ノズルから燃料を噴射させるときに、前記アキュムレータ内の燃料を放出させてから、前記燃料供給バルブを開いて前記噴射ノズルに対する燃料の供給を開始させることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの排気管噴射装置。
【請求項４】
前記噴射ノズルから燃料を噴射しない期間において、定期的に前記空気供給手段によって空気を前記燃料供給配管内に送り込んで、前記噴射ノズルから空気を噴射させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの排気管噴射装置。
【請求項５】
前記エンジンの排気管に排気浄化フィルタを備え、前記噴射ノズルが前記排気浄化フィルタの上流側の排気管に配設され、
前記排気浄化フィルタの再生開始信号に基づき、前記噴射ノズルから燃料を噴射させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの排気管噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気管内に燃料を噴射する排気管噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ディーゼルエンジンにおいて、排気中の微粒子を捕集する排気浄化フィルタ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ：ＤＰＦ）を排気管途中に配置すると共に、排気浄化フィルタの上流側の排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルを設け、この噴射ノズルから噴射した燃料の酸化反応熱によって、排気浄化フィルタに捕集された微粒子を燃焼除去して、排気浄化フィルタを再生させる再生処理が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５０９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、噴射ノズルからの燃料噴射の後に、噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給配管中に燃料が残っていると、この残留燃料の炭化などによって燃料供給配管が詰まる可能性がある。
ここで、燃料供給配管内の残留燃料を空気で押し出して噴射ノズルから噴射させ、燃料供給配管内に残留する燃料を減らせば、燃料供給配管の詰まりを防止することができるが、係る構成とした場合、以下のような問題が生じる。
【０００５】
即ち、残留燃料を一度に排気管内に噴射することで、排気浄化フィルタの下流に配置される触媒（例えば、ＳＣＲ(Selective catalytic reduction)触媒）の触媒性能が、燃料軽油中の硫黄分（Ｓ）により一時的に低下し、また、再生処理後に燃料供給配管中の残留燃料を噴射させることは余分な燃料を無駄に消費することになり、また、噴射ノズルからの燃料噴射を開始しようとしたときに、燃料供給配管内が空になっていることで、燃料噴射開始までに遅れが生じるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、触媒性能の一時的低下、燃料の無駄な消費、及び、噴射開始の遅れを抑制しつつ、残量燃料の炭化などによる燃料配管の詰まりを防止できるエンジンの排気管噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明では、エンジンの排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルへ燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料供給配管に介装され前記噴射ノズルへの燃料供給を制御する燃料供給バルブと、前記噴射ノズルと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管に設けたアキュムレータと、前記噴射ノズルと前記アキュムレータとの間の前記燃料供給配管に設けた遮断バルブと、前記遮断バルブと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管内に空気を送り込む空気供給手段とを備え、前記噴射ノズルによる燃料噴射後に、前記燃料供給バルブ及び遮断バルブを閉じ、前記空気供給手段により前記遮断バルブと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管内に空気を送り込むことで、前記遮断バルブと前記燃料供給バルブとの間の前記燃料供給配管内に残存する燃料を、前記アキュムレータ内に押し込むようにした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、噴射ノズルからの燃料噴射後に、燃料供給配管内の残留燃料をアキュムレータ内に蓄積し、残留燃料を排気管内に噴射させないので、残留燃料による燃料配管の詰まりを防止できると共に、触媒性能の一時的低下、燃料の無駄な消費を抑制でき、また、アキュムレータ内に蓄積した燃料を用いることで噴射開始の遅れを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンのシステム構成図
【図２】実施形態における排気管噴射装置の構造を示す回路図
【図３】実施形態における排気管噴射装置の制御を示すフローチャート
【図４】実施形態における排気管噴射装置におけるバルブの開閉特性を示すタイミングチャート
【図５】実施形態におけるアキュムレータの作用を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
図１は、本願発明に係る排気管噴射装置を適用する、車両用のディーゼルエンジン（内燃機関）１０を示す。
【００１１】
ディーゼルエンジン１０は、吸気管１４及び吸気マニホールド１２を介して空気を吸引する。吸気管１４には、上流側から順に、空気中の埃などをろ過するエアクリーナ１６、吸気過給を行うターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ、コンプレッサ１８Ａを通過して高温になった吸気を冷却するインタークーラ２０を設けてある。
【００１２】
一方、ディーゼルエンジン１０は、排気マニホールド２２及び排気管２４を介して排気を放出する。排気管２４には、上流側から順に、ターボチャージャ１８の排気タービン１８Ｂ、燃料軽油を排気管２４内に噴射する噴射ノズルを有する排気管噴射装置２５、連続再生式ＤＰＦ装置２６、還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルを有する還元剤噴射装置２８、尿素水溶液から生成されるアンモニア（還元剤）を用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３０、ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３２を設けてある。
【００１３】
連続再生式ＤＰＦ装置２６は、ＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２６Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２６Ｂとを備える。
尚、排気浄化フィルタとして、前記ＤＰＦ２６Ｂの代わりに、フィルタ表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用できる。
【００１４】
また、ディーゼルエンジン１０は、排気の一部を吸気側に還流させることで燃焼温度を低下させ、排気中のＮＯｘ濃度を低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３４を備えている。
ＥＧＲ装置３４は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４に還流させるＥＧＲ管３４Ａと、ＥＧＲ管３４Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３４Ｂと、吸気管１４に還流させる排気量（ＥＧＲ率）を制御するＥＧＲ制御弁３４Ｃとを備える。
【００１５】
コンピュータを内蔵したコントロールユニット４２は、ディーゼルエンジン１０の回転速度ＮＥを検出する回転速度センサ４４、及び、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑを検出する負荷センサ４６の出力信号などを入力する。
ここで、負荷センサ４６は、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑを示す状態量として、吸気流量、吸気圧力、過給圧力、アクセル開度、吸気絞り弁の開度など、ディーゼルエンジン１０のトルクと密接に関連する状態量を検出する。
【００１６】
コントロールユニット４２は、内蔵するＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに記憶した制御プログラムを実行することで、各種センサからの信号に基づいて、ＤＰＦ２６Ｂの再生処理などを制御する。
コントロールユニット４２は、例えば、エンジンの積算運転時間や、エンジン運転条件から推定した微粒子の排出量の積算値や、ＤＰＦ２６Ｂの上下流間の差圧などから、ＤＰＦ２６Ｂの再生要求の有無を判断する。
【００１７】
そして、コントロールユニット４２は、ＤＰＦ２６Ｂの再生開始信号に基づき、排気管噴射装置２５によって連続再生式ＤＰＦ装置２６の上流側の排気管２４内に燃料軽油を噴射させる。排気管２４に噴射された燃料軽油がＤＯＣ２６Ａ（酸化触媒）で酸化し、この酸化反応熱によって、ＤＰＦ２６Ｂに堆積した微粒子（煤）が燃焼して、ＤＰＦ２６Ｂが再生する。
【００１８】
図２は、排気管噴射装置２５の詳細を示す回路図である。
排気管噴射装置２５は、燃料軽油を排気管２４内に噴射する噴射ノズル１０１と、該噴射ノズル１０１に加圧燃料を導く燃料供給配管１０２と、燃料供給配管１０２の途中に合流し、加圧空気を燃料供給配管１０２内に導く空気供給配管１０３とを備える。
【００１９】
燃料供給配管１０２は、図示しない燃料ポンプを介して燃料タンクに連通し、燃料ポンプが吐出する加圧燃料が供給される。
燃料供給配管１０２には、上流側から順に、上流側燃料供給バルブ１０５、チェックバルブ１０６、圧力センサ１０７、下流側燃料供給バルブ１０８が配置され、下流側燃料供給バルブ１０８をバイパスするバイパス配管１０９にチェックバルブ１１０を配置してあり、これらのバルブは噴射ノズル１０１への加圧燃料の供給を制御する。
【００２０】
また、噴射ノズル１０１の直前の燃料供給配管１０２には、遮断バルブ１１１を配置してある。
上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８及び遮断バルブ１１１は、電磁式のバルブであって、コントロールユニット４２から送られる駆動電流によって開閉作動する。
【００２１】
チェックバルブ１０６及びチェックバルブ１１０は、燃料供給配管２１及びバイパス配管１０９における燃料の逆流を遮断する。
圧力センサ１０７は、チェックバルブ１０６と下流側燃料供給バルブ１０８との間の燃料供給配管１０２における燃料圧力を検出し、その検出信号をコントロールユニット４２に出力する。
【００２２】
空気供給配管１０３には、図示しない空気ポンプが吐出する加圧空気又はエアリザーバに蓄えられている加圧空気が供給される。
空気供給配管１０３には、空気供給バルブ１１２が介装される。尚、空気供給バルブ１１２の下流側に、加圧空気の逆流を止めるチェックバルブを備えることができる。
空気供給バルブ１１２は、電磁式のバルブであって、コントロールユニット４２から送られる駆動電流によって開閉作動する。
【００２３】
尚、圧力センサ１０７は、コントロールユニット４２が行う、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８及び空気供給バルブ１１２の故障診断に用いられる。
具体的には、コントロールユニット４２は、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８、空気供給バルブ１１２の開閉制御状態の組み合わせから想定される、上流側燃料供給バルブ１０５と下流側燃料供給バルブ１０８との間の圧力と、実際に圧力センサ１０７が検出した圧力とを比較することで、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８、空気供給バルブ１１２の閉固着故障や開固着故障の有無を診断する。
【００２４】
噴射ノズル１０１は、燃料供給配管２１の下流端の通路断面積を縮小する噴口（絞り）を有し、この噴口が排気管２４内に臨み、排気管２４内を流れる排気中に燃料軽油を噴霧状にして噴射する。
また、遮断バルブ１１１の直前の燃料供給配管２１には、蓄圧バルブ１１３を介してアキュムレータ（蓄圧器）１１４を接続してある。
【００２５】
アキュムレータ１１４は、燃料の圧力エネルギーを、圧縮性流体である気体（窒素ガス）の圧力エネルギーに変換して蓄える装置であり、容器の中に燃料を押し込むと、隔壁を介して気体が圧縮して、燃料の圧力に相当する量の燃料が容器内に入り込み、その後、蓄圧バルブ１１３を開くことで燃料を押し込む力を開放すると、容器内に入っていた燃料が、気体が膨張する力によって容器外部に噴出する。
蓄圧バルブ１１３は、電磁式のバルブであって、コントロールユニット４２から送られる駆動電流によって開閉作動する。
【００２６】
次に、コントロールユニット４２による排気管噴射装置２５の制御を、図４のタイミングチャートを参照しつつ、図３のフローチャートに従って説明する。
尚、図３のフローチャートに示すルーチンは、ディーゼルエンジン１０の運転中に実行される制御プログラムを示す。
まず、ステップＳ８１では、通常モードで排気管噴射装置２５を制御する。
【００２７】
通常モードとは、ＤＰＦの再生要求がなく、噴射ノズル１０１から燃料を噴射しない期間において、定期的（例えば、一定時間毎）に、噴射ノズル１０１から空気を噴射させることで、噴射ノズル１０１の詰まりを防止するモードである。
通常モードにおいては、図４に示すように、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８及び蓄圧バルブ１１３を閉状態に保持する一方、遮断バルブ１１１を開状態に保持し、定期的に一定時間だけ空気供給バルブ１１２を開弁させることで、空気供給配管１０３及び空気供給配管１０３が合流した後の燃料供給配管２１、更に、噴射ノズル１０１を介して排気管２４内に空気を間欠的に噴射する。
【００２８】
上記のように、定期的に噴射ノズル１０１から空気を噴射させることで、燃料噴射直後であれば、燃料供給配管２１（遮断バルブ１１１と噴射ノズル１０１との間の燃料供給配管２１）に残存する燃料軽油を排出させることができ、その後は、排気微粒子などが噴射ノズル１０１に付着して詰まりが生じることを防止できる。
上記の通常モードで排気管噴射装置２５を制御している状態で、ステップＳ８２では、ＤＰＦ２６Ｂの再生開始信号が発生したか否かを判断する。
【００２９】
再生開始信号は、ＤＰＦ２６Ｂにおける再生要求の警告に基づいて運転者がボタン操作を行うことにより手動で出力させる構成あってもよく、また、コントロールユニット４２が再生要求に基づき自動的に出力する構成であってもよい。
再生開始信号が出力されると、噴射ノズル１０１から燃料軽油を噴射させることでＤＰＦ２６Ｂを再生する、再生処理モードに移行する。
【００３０】
まず、ステップＳ８３では、再生処理モードの第１段階として、図４に示すように、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８及び空気供給バルブ１１２を閉状態、遮断バルブ１１１を開状態に保持した状態で、蓄圧バルブ１１３を一定時間だけ開弁させる。
後述するように、ＤＰＦ再生のための燃料噴射を終了させた直後に、燃料供給配管２１に残存する燃料軽油をアキュムレータ１１４内に押し込む処理がなされ、通常モードにおいては、蓄圧バルブ１１３を閉状態に保持することで、アキュムレータ１１４内に燃料軽油が押し込まれている状態を保持するようになっている。
【００３１】
従って、ステップＳ８３で、蓄圧バルブ１１３を開弁させると、アキュムレータ１１４内の気体（窒素）が膨張することで、アキュムレータ１１４内に押し込まれていた燃料軽油がアキュムレータ１１４の外部に噴出し、アキュムレータ１１４内に蓄積していた燃料が、燃料供給配管２１及び噴射ノズル１０１を介して排気管２４内に噴射される。
【００３２】
アキュムレータ１１４内に押し込まれていた燃料軽油の噴射を終了すると、ステップＳ８４へ進み、再生処理モードの第２段階に移行する。
具体的には、図４に示すように、空気供給バルブ１１２及び蓄圧バルブ１１３を閉状態に保持する一方、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８及び遮断バルブ１１１を開状態に保持することで、加圧燃料を、燃料供給配管２１及び噴射ノズル１０１を介して排気管２４内に噴射させる。
【００３３】
排気管２４内に噴射された燃料軽油は、ＤＯＣ２６Ａ（酸化触媒）で酸化し、この酸化反応熱によってＤＰＦ２６Ｂに堆積した微粒子（煤）が燃焼して、ＤＰＦ２６Ｂが再生する。
燃料軽油の噴射を一定時間継続させ、ＤＰＦ再生処理が完了すると、ステップＳ８５へ進み、燃料供給配管２１内に残留する燃料を処理する残留燃料処理モードに移行する。
【００３４】
残留燃料処理モードにおいては、図４に示すように、まず、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８、遮断バルブ１１１及び蓄圧バルブ１１３を閉状態に保持し、空気供給バルブ１１２を開いた状態に保持する状態を一定時間だけ継続させることで、燃料供給配管２１内の圧力を高める。
上記のようにして予め燃料供給配管２１内の圧力を高めておけば、蓄圧バルブ１１３を遅れて開いたときに、アキュムレータ１１４内の残圧でアキュムレータ１１４から燃料が放出されることを阻止できる。
【００３５】
その後、上流側燃料供給バルブ１０５、下流側燃料供給バルブ１０８及び遮断バルブ１１１を閉状態に保持し、空気供給バルブ１１２及び蓄圧バルブ１１３を開状態に保持する状態に切り替えることで、加圧空気の圧力で、燃料供給配管２１内、詳しくは、下流側燃料供給バルブ１０８と遮断バルブ１１１との間の燃料供給配管２１内に残留する燃料をアキュムレータ１１４内に押し込む処理を一定時間実施する。
これにより、燃料供給配管２１内の残留燃料は、加圧空気に押されてアキュムレータ１１４内に押し込まれ、燃料がアキュムレータ１１４内に押し込まれると、アキュムレータ１１４内の気体（窒素）が圧縮し、気体が圧縮して空いた容積部分に燃料が流入する。
【００３６】
ここで、空気供給配管１０３は、遮断バルブ１１１と下流側燃料供給バルブ１０８との間の燃料供給配管１０２の上流側に接続され、残留燃料処理モードにおいて、空気供給配管１０３を介して供給される加圧空気が、空気供給配管１０３が合流する部分から下流側に残留している燃料をアキュムレータ１１４に押し込むことで、大部分の残留燃料をアキュムレータ１１４内に押し込むことができるようにしてある。
アキュムレータ１１４内に燃料を押し込む処理を一定時間実施すると、通常モードに復帰させる。
【００３７】
通常モードでは、蓄圧バルブ１１３は閉状態に保持されるので、燃料がアキュムレータ１１４内に押し込まれた状態を保持することになり、前述のＤＰＦ再生モードの第１段階で、蓄圧バルブ１１３を開放することで、アキュムレータ１１４内に押し込まれていた燃料が気体の膨張に伴って噴出し、排気管２４内に噴射されることになる。
【００３８】
図５は、各モードにおけるアキュムレータ１１４内での気体（窒素）及び燃料の状態、更に、蓄圧バルブ１１３の開閉状態を示す。
まず、通常モードでは、アキュムレータ１１４内に燃料が押し込まれて気体が圧縮された状態を保持し、再生処理モードの第１段階で蓄圧バルブ１１３を開くと、圧縮されていた気体（窒素）が膨張することで、燃料は、アキュムレータ１１４の外部に噴出し、噴射ノズル１０１を介して排気管２４内に噴射される。
【００３９】
再生処理モードの第２段階では蓄圧バルブ１１３を閉じるので、アキュムレータ１１４内の気体（窒素）は、膨張した状態を保持する。
残留燃料処理モードでは、蓄圧バルブ１１３を開き、燃料がアキュムレータ１１４内に押し込まれると、気体（窒素）が圧縮され、この状態で蓄圧バルブ１１３を閉じる通常モードに復帰することで、次回のＤＰＦ再生処理において、アキュムレータ１１４内に閉じ込めておいた燃料を排気管２４内に噴射させることができる状態で待機する。
【００４０】
上記の排気管噴射装置２５によると、ＤＰＦ再生のための燃料噴射の後に、燃料供給配管２１内の燃料をアキュムレータ１１４内に押し込むので、燃料供給配管２１内に残留する燃料量を充分に減らして、残留燃料の炭化などによる噴射ノズル１０１の詰まりを防止できる。
また、燃料供給配管２１内に残った燃料をアキュムレータ１１４内に移すので、燃料供給配管２１内に残留する燃料量を減らすために、排気管２４内に多量の燃料が一度に噴射されることがなく、多量の燃料が噴射されることで、ＳＣＲ触媒３０の触媒性能が一時的に低下することを回避できる。
【００４１】
また、ＤＰＦ再生が終了した後に、ＤＰＦ再生に寄与しない燃料が排気管２４内に噴射され、燃料が無駄に消費されることを抑制できる。
また、ＤＰＦ再生の開始時（排気管２４に対する燃料噴射の開始時）において、燃料供給配管２１内に燃料が残留していないものの、噴射ノズル１０１近傍の燃料供給配管２１に接続させたアキュムレータ１１４が蓄えていた燃料を噴射させるので、排気管２４内に対する燃料の噴射が遅れることを抑制できる。
【００４２】
尚、上記実施形態では、噴射ノズル１０１と遮断バルブ１１１とを別体としたが、噴射ノズル１０１と遮断バルブ１１１とを一体的に備える噴射バルブを用いることができる。
また、ＤＰＦ再生モードにおいて、燃料と空気とを混合させて噴射ノズル１０１から噴射させる構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ディーゼルエンジン
２４  排気管
２５  排気管噴射装置
２６  連続再生式ＤＰＦ装置
２６Ａ  ＤＯＣ
２６Ｂ  ＤＰＦ
２８  還元剤噴射装置
３０  ＳＣＲ触媒
３２  アンモニア酸化触媒
４２  コントロールユニット
１０１  噴射ノズル
１０２  燃料供給配管
１０３  空気供給配管
１０５  上流側燃料供給バルブ
１０８  下流側燃料供給バルブ
１１１  遮断バルブ
１１２  空気供給バルブ
１１３  蓄圧バルブ
１１４  アキュムレータ
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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