(57)【要約】【課題】ＤＰＦ再生中に減速となってもＤＰＦ再生が継続できる排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】ＤＰＦ再生時に、車両の減速が行われると、ＥＧＲ装置１２３及び吸気スロットル１２２の開度を制御し、かつ、高圧段ターボチャージャ１０８による過給量を調節することで、排気管１０３内の排気ガス流量を増加させる再生減速時吸排気制御部１７３とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に設置されて粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記エンジンの排気マニホールドから吸気マニホールドへ指示された排気再循環開度に応じて排気ガスを循環させる排気再循環装置と、
前記排気管に設置されたタービンと前記エンジンの吸気管に設置されたコンプレッサとが一体回転されることで過給を行い、アクチュエータによって過給量が調節可能な可変ノズル式ターボチャージャと、
前記ターボチャージャと前記吸気マニホールドの間に設置されて指示された吸気スロットル開度に応じて吸気量を制限する吸気スロットルと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時に、車両の減速が行われると、前記排気再循環装置の開度及び前記吸気スロットルの開度を制御し、かつ、前記可変ノズル式ターボチャージャによる過給量を調節することで、前記排気管内の排気ガス流量を増加させる再生減速時吸排気制御部とを備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＰＦ再生用の燃料を噴射する排気ガス浄化システムに係り、ＤＰＦ再生中に減速となってもＤＰＦ再生が継続できる排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスから粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を除去して排気ガスを浄化するために、排気管にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate FilterまたはDefuser；以下、ＤＰＦという）が設けられる。ＤＰＦは、多孔質のセラミックで構成したハニカム構造体にＰＭを捕集するものである。捕集されたＰＭが過剰に蓄積されると排気ガスの流通の障害となるが、ＤＰＦに蓄積されたＰＭは排気ガス温度を高めることで、焼却除去することができる。これをＤＰＦ再生という。
【０００３】
ＰＭが焼却できる温度まで排気ガス温度を高める方式として、従来は、ＤＰＦの上流に白金等からなる酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst；以下、ＤＯＣという）を設置し、エンジンの推進力を得るために複数回に分けて燃料噴射を行うマルチ噴射において、燃料噴射量を多くすることで排気ガス温度をＤＯＣの活性化温度まで高め、その後の適宜なクランク角でＤＰＦ再生用の燃料噴射（ポスト噴射）を行い、このポスト噴射によって炭化水素（Hydrocarbon；以下、ＨＣという）をＤＯＣに供給し、ＨＣの酸化熱で排気ガス温度を高める方式がある。しかし、ポスト噴射を行うと、噴射された燃料がエンジンの潤滑油に混入して潤滑油が希釈されるオイルダイリューションが発生する。また、ポスト噴射による未燃燃料が排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下、ＥＧＲという）に混入すると、ＥＧＲクーラの性能低下やピストンリングの不具合の原因となる。
【０００４】
そこで、近年では、排気管に新たな装置を設けて排気管内に燃料を噴射する排気管噴射を行ってＨＣをＤＯＣに供給し、ＨＣの酸化熱で排気ガス温度を高める方式が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
排気管噴射では、シリンダ内に燃料を噴射するポスト噴射と異なりクランク角に依存せずに噴射時期が決められると共に、燃料噴射量も任意に決められる。しかしながら、排気管噴射は新規な技術であり、燃料の無駄がなく効果的に排気ガス温度が高められる噴射時期及び燃料噴射量を見いだすには、実験に相当多くの時間を費やさなくてはならない。これに対し、ポスト噴射の技術は既に多くの実験を経て確立されており、適切な噴射時期及び燃料噴射量がマップ化されている。そこで、本発明者らは、排気管噴射における燃料噴射量の目標噴射量をポスト噴射における目標噴射量を基礎にして設定することを考えた。エンジンの１燃焼サイクルに各気筒でポスト噴射する燃料噴射量に見合う量の燃料を１燃焼サイクルに相当する所定時間内に排気管噴射するよう、排気管噴射における目標噴射量のマップを設定する。このように、既に確立されたポスト噴射の噴射時期と目標噴射量を排気管噴射に変換して使うことで、いわゆるゼロベースから始めるのに比べ、実験に費やされる時間を短縮することができる。
【０００７】
ところで、従来は、アクセルペダルが開放された（未踏となった）ことによる車両の減速時、すなわちエンジンブレーキ時には、ポスト噴射を禁止していた。これは、エンジンブレーキ時には、マルチ噴射における燃料噴射量が少ないことから排気ガス温度が低下し、この排気ガスによってＤＯＣが冷却されてＤＯＣの温度が活性化温度より低くなってしまうため、ポスト噴射した燃料がＤＯＣで酸化されずに、排気管から白煙となって放出されてしまうからである。このため、ＤＰＦ再生中にエンジンブレーキが作動するとＤＰＦ再生を中断せざるを得なかった。
【０００８】
これに対し、本発明者らは、エンジンブレーキ時に、ＤＰＦ及びＤＯＣを高温に保持する保温モードを提案している。保温モードとは、吸気スロットルの開度を小さくして新気の取り込みを少なくすると同時に、ＥＧＲ装置の開度を大きくして排気ガスを大きくエンジンに再循環させ、排気管に流れ出る排気ガスを減らすことで、ＤＰＦ及びＤＯＣの温度がエンジンブレーキ開始前の高温から下がらないようにするモードである。これにより、ＤＯＣを活性化温度に一定時間、保持することが可能となった。また、ＤＰＦがＰＭの焼却温度に保持されるので、エンジンブレーキ時でも再生温度の急激な低下を防ぐことを可能にしている。
【０００９】
ところが、保温モードを実行しつつ排気管噴射を行うと、新気の空気量不足により、再生温度が高温になり、ＤＰＦやその下流に設けられるＳＣＲ装置が溶損することが懸念される。ＤＰＦ及びＤＯＣの温度が高温になる一因は、排気管に流れ出る排気ガス量が少なく、排気ガスが排気管内で滞留している状態となり、噴射された燃料がＤＯＣの方へ流れていかず、排気管内で発火してしまうためと考えられる。また、ＤＰＦの入口温度を検出してＤＰＦが再生温度になるまで排気管噴射量を増加させるという制御を行う場合、排気ガスが流れないため、噴射した燃料がＤＯＣに届く時間が長くなり、燃料の噴射に対してＤＰＦの入口温度が上昇する応答が遅くなることから、排気管噴射量が極端に増加して、発火の要因となる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦ再生中に減速となってもＤＰＦ再生が継続できる排気ガス浄化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設置されて粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、前記エンジンの排気マニホールドから吸気マニホールドへ指示された排気再循環開度に応じて排気ガスを循環させる排気再循環装置と、前記排気管に設置されたタービンと前記エンジンの吸気管に設置されたコンプレッサとが一体回転されることで過給を行い、アクチュエータによって過給量が調節可能な可変ノズル式ターボチャージャと、前記ターボチャージャと前記吸気マニホールドの間に設置されて指示された吸気スロットル開度に応じて吸気量を制限する吸気スロットルと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時に、車両の減速が行われると、前記排気再循環装置の開度及び前記吸気スロットルの開度を制御し、かつ、前記可変ノズル式ターボチャージャによる過給量を調節することで、前記排気管内の排気ガス流量を増加させる再生減速時吸排気制御部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１３】
（１）ＤＰＦ再生中に減速となってもＤＰＦ再生が継続できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の排気ガス浄化システムが適応される車両におけるエンジン、吸排気系統及び燃料噴射系統のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１に、本発明の排気ガス浄化システムが適応される車両におけるエンジン、吸排気系統及び燃料噴射系統のシステム構成を示す。
【００１７】
まず、排気系統の構成を説明すると、エンジン１０１の排気マニホールド１０２には、エンジン１０１の排気ガスを大気に排出するための排気管１０３が接続され、排気管１０３の最上流には、排気マニホールド１０２から吸気マニホールド１０４へ排気ガスを循環させるためのＥＧＲ配管１０５が設けられている。ＥＧＲ配管１０５には、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１０６と、ＥＧＲ量（またはＥＧＲ率）を調整するためのＥＧＲ弁１０７が設けられている。ＥＧＲ配管１０５とＥＧＲクーラ１０６とＥＧＲ弁１０７を一括してＥＧＲ装置１２３と呼ぶ。ＥＧＲ装置１２３は、排気マニホールド１０２から吸気マニホールド１０４へ指示されたＥＧＲ開度に応じて排気ガスを循環させるものである。
【００１８】
排気管１０３の下流には、高圧段ターボチャージャ１０８のタービン１０９が設けられ、さらに下流には、低圧段ターボチャージャ１１０のタービン１１１が設けられている。タービン１１１の下流には、排気管１０３を閉鎖する排気ブレーキ弁１１２が設けられ、さらに下流には、ＤＰＦユニット１１３が設けられている。ＤＰＦユニット１１３は、ＤＰＦ再生時に排気管１０３に噴射された燃料の酸化を促進するＤＯＣ１１４とＰＭを捕集するＤＰＦ１１５とからなる。ＤＰＦユニット１１３の下流に排気スロットル１１６が設けられる場合もあり、排気スロットル１１６の下流にて排気管１０３が大気に開放されている。なお、排気管１０３には、図示しないがＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を設けてもよい。
【００１９】
次に、吸気系統の構成を説明すると、吸気マニホールド１０４には、大気からエンジン１０１に空気を取り込むための吸気管１１７が接続されている。吸気管１１７の最上流は大気に開放されており、その下流に塵埃等の異物を除去するエアクリーナ１１８が設けられている。エアクリーナ１１８の下流には、低圧段ターボチャージャ１１０のコンプレッサ１１９が設けられ、さらに下流には、高圧段ターボチャージャ１０８のコンプレッサ１２０が設けられている。コンプレッサ１２０の下流には、低圧段ターボチャージャ１１０と高圧段ターボチャージャ１０８で過給された吸気を冷却するインタークーラ１２１が設けられ、さらに下流には、指示された吸気スロットル開度に応じて吸気量を制限する吸気スロットル１２２が設けられている。吸気スロットル１２２の下流で、吸気管１１７が吸気マニホールド１０４に接続されている。
【００２０】
次に、燃料噴射系統の構成を説明すると、エンジン１０１の一部を破断して示したシリンダ１３１内をピストンヘッド１３２がストロークするように構成されており、シリンダ１３１には、燃料を噴射するためのインジェクタ１３３が取り付けられ、ピストンヘッド１３２の上死点位置より上部に、インジェクタ１３３の噴射口が配置されている。図は簡略に示したが、エンジン１０１は、複数個のシリンダ１３１を有し、各シリンダ１３１にそれぞれインジェクタ１３３が設けられる。各インジェクタ１３３は、コモンレール１３４から高圧の燃料を供給される。インジェクタ１３３は、詳しくは図示しないがコイルの電磁力で駆動される弁体を有し、コイルに通電するパルス電流の時間幅（通電時間）に応じて噴射口が開放されるものである。
【００２１】
コモンレール１３４には、高圧ポンプ１３５から高圧（コモンレール燃圧）の燃料を供給する高圧燃料管１３６が接続される。高圧ポンプ１３５には、フィードポンプ１３７からコモンレール燃圧より低く大気圧より高い中間圧（排気管噴射燃圧）の燃料を供給する中間圧燃料管１３８が接続される。フィードポンプ１３７は、大気圧の燃料タンク１３９から低圧燃料管１４０を介して燃料を取り込むようになっている。フィードポンプ１３７は、図示しないクランクシャフトに連結されており、エンジン１０１に随伴して回転されエンジン回転数に応じた送り出し力で燃料を送り出すことにより、エンジン回転数に応じた排気管噴射燃圧の燃料を中間圧燃料管１３８に供給することができる。
【００２２】
本発明では、低圧段ターボチャージャ１１０のタービン１１１の下流で排気ブレーキ弁１１２より上流に、排気管１０３内に燃料を噴射するための排気管インジェクタ１４１が設けられている。排気管インジェクタ１４１には、中間圧燃料管１３８を介してフィードポンプ１３７からの燃料が供給されるようになっている。
【００２３】
高圧ポンプ１３５、コモンレール１３４、インジェクタ１３３のそれぞれには、燃料タンク１３９へ余剰の燃料を回収する回収燃料管１４２が接続されている。
【００２４】
次に、センサ類を説明する。
【００２５】
エンジン１０１には、冷却水温を検出する水温センサ１５１、図示しないクランクシャフト上の指標をクランク角の基準位置として検出するクランク角センサ１５２、エンジンオイルの残量を検出するオイルレベルセンサ１５３等が設けられる。排気マニホールド１０２には、エンジン排気温度センサ１５４が設けられる。吸気マニホールド１０４には、ブースト圧センサ１５５が設けられる。
【００２６】
ＤＰＦユニット１１３には、ＤＯＣ１１４の入口における排気ガス温度を検出するＤＯＣ入口排気ガス温度センサ１５６と、ＤＰＦ１１５の入口における排気ガス温度を検出するＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１５７と、ＤＰＦ１１５の入口と出口間の排気ガスの圧力差である差圧を検出する差圧センサ１５８が設けられる。ＤＰＦ１１５にＰＭが蓄積すると、その蓄積量の増加に伴って差圧が大きくなるので、差圧に基づいてＤＰＦ再生時期を判定することができる。ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１５７が検出するＤＰＦ入口排気ガス温度により、ＤＰＦ再生時等におけるＤＰＦ１１５の温度を確認することができる。
【００２７】
中間圧燃料管１３８には、排気管インジェクタ１４１に加わる燃料圧力である排気管噴射燃圧を検出する排気管噴射燃圧センサ１５９が設けられる。高圧ポンプ１３５の入口には、燃料の温度を検出する燃料温度センサ１６０が設けられる。コモンレール１３４には、各シリンダ１３１のインジェクタ１３３に加わる燃料圧力であるコモンレール燃圧を検出するコモンレール燃圧センサ１６１が設けられる。吸気管１１７のエアクリーナ１１８の下流には、吸気管１１７に吸い込まれた空気の流量を検出する空気流量センサ（Mass Airflow sensor；ＭＡＦセンサ）１６２が設けられる。
【００２８】
高圧段ターボチャージャ１０８には、タービン１０９とコンプレッサ１２０を連結するシャフトの回転数を検出する高圧段ターボ回転数センサ１６３が設けられる。
【００２９】
図示説明した以外にも、エンジン１０１、吸排気系統及び燃料噴射系統には、従来公知のあらゆるセンサが設けられているものとする。
【００３０】
次に、制御系統の構成を説明する。
【００３１】
高圧段ターボチャージャ１０８は、可変ノズル式ターボチャージャ（Variable Nozzle Turbocharger；ＶＮＴ。可変容量ターボＶＧＴ、可変翼ターボＶＧＳとも言う）であり、排気管１０３に設置されたタービン１０９と吸気管１１７に設置されたコンプレッサ１２０とがシャフトで連結されて一体回転されることで過給を行うが、このときアクチュエータによって過給量が調節可能である。すなわち、タービン１０９の上流にタービン１０９の開口面積を調節するノズルアクチュエータ１６４が設けられる。ターボコントローラ１６５は、高圧段ターボ回転数センサ１６３が検出するシャフトの回転数を参照しつつ、ノズルアクチュエータ１６４を駆動することにより、過給量または過給圧を制御するものである。
【００３２】
エンジン１０１への燃料噴射を含む車両の各部を制御する手段は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）１７１にプログラムとして組み込まれている。ＥＣＵ１７１は、エンジン状態を表すエンジンパラメータとして、エンジン回転数、アクセル開度、負荷トルク、空気量などを常時検出して燃料噴射制御等の制御を行うようになっている。ＥＣＵ１７１は、エンジン１０１の推進力を得るべく、各シリンダ１３１の１燃焼サイクル内に、適宜なクランク角でインジェクタ１３３から複数回の燃料噴射を行うマルチ噴射制御を行うようになっている。このマルチ噴射制御は、排気ガス温度を高めるためにも利用される。
【００３３】
ＥＣＵ１７１には、排気管噴射を制御することでＤＰＦ再生を行う排気管噴射再生制御部１７２と、排気管噴射によるＤＰＦ再生時に、エンジンブレーキによる車両の減速が行われると、ＥＧＲ装置１２３の開度を全閉とし、かつ、吸気スロットル１２２の開度を全開し、かつ、高圧段ターボチャージャ１０８による過給量を増加させることで、排気管１０３内の排気ガス流量を増加させる再生減速時吸排気制御部１７３とが設けられている。
【００３４】
ＥＣＵ１７１では、車両の走行距離が所定距離に達するごとに、ＤＰＦ再生を行うようになっており、かつ、差圧センサ１５８が検出する差圧が所定値以上になったときＤＰＦ再生を行うようになっている。
【００３５】
以下、本発明の排気ガス浄化システムの動作を説明する。
【００３６】
ＥＣＵ１７１では、車両の走行距離が所定距離に達するか、または差圧センサ１５８が検出する差圧が所定値以上になるとＤＰＦ再生を開始する。
【００３７】
具体的には、ＥＣＵ１７１は、ＤＯＣ入口排気ガス温度センサ１５６が検出するＤＯＣ１１４の入口における排気ガス温度がＤＯＣ１１４の活性化温度よりも低いときは、マルチ噴射制御における燃料噴射量を多くすることで排気ガス温度をＤＯＣ１１４の活性化温度まで高める。
【００３８】
ＤＯＣ入口排気ガス温度センサ１５６が検出する排気ガス温度がＤＯＣ１１４の活性化温度に達すると、排気管噴射再生制御部１７２は、排気管噴射を制御する。すなわち、ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１５７が検出するＤＰＦ１１５の入口における排気ガス温度がＰＭの焼却温度よりも低いときは、排気管インジェクタ１４１からの燃料噴射量を多くし、ＤＰＦ１１５の入口における排気ガス温度がＰＭの焼却温度より十分に高ければ排気管インジェクタ１４１からの燃料噴射量を少なくする。これにより、ＤＰＦ１１５の温度がＰＭの焼却温度に保たれ、ＤＰＦ１１５が再生される。
【００３９】
ここで、アクセルペダルが開放され、エンジンブレーキが作動したとする。再生減速時吸排気制御部１７３は、排気管噴射によるＤＰＦ再生時に、エンジンブレーキによる車両の減速が行われたことから、ＥＧＲ装置１２３の開度を全閉とし、かつ、吸気スロットル１２２の開度を全開し、かつ、高圧段ターボチャージャ１０８による過給量をそれまでよりも増加させることで、排気管１０３内の排気ガス流量を増加させる。すなわち、ＥＧＲ装置１２３においてＥＧＲ弁１０７が全閉されたことで、排気マニホールド１０２から吸気マニホールド１０４に再循環する排気ガスがなくなり、エンジン１０１の排気ガスは全て排気管１０３を通って下流に流れる。また、吸気スロットル１２２の開度が全開されたことにより、高圧段ターボチャージャ１０８のコンプレッサ１２０からの過給された新気が全てエンジン１０１に供給される。さらに、高圧段ターボチャージャ１０８による過給量がそれまでよりも増加されたことで、エンジン１０１に供給される新気はいっそう多くなる。これにより、排気管１０３内の排気ガス流量がそれまでよりもＤＰＦ再生を考慮しながらも、増加することが可能になる。
【００４０】
本発明者らは、排気管１０３内の排気ガスを滞留させると、排気管インジェクタ１４１からの燃料が排気管１０３内で発火してしまい、ＤＰＦ１１５及びＤＯＣ１１４の温度が高温になることを究明したが、排気ガス流量を高めると燃料が排気管１０３内で発火しないことも確認した。したがって、前述した再生減速時吸排気制御部１７３の制御によって排気管１０３内の排気ガス流量が増加すると、排気管インジェクタ１４１からの燃料が排気管１０３内で発火することが防止される。よって、排気管噴射の継続が可能となる。
【００４１】
このように、本発明では、排気管噴射によるＤＰＦ再生時に、エンジンブレーキによる車両の減速が行われたとき、基本的には排気管１０３内の排気ガス流量を増加させる。このとき、エンジンブレーキ中はエンジン１０１から排出される排気ガスの温度が低いため、排気ガス流量を増加させるとＤＯＣ１１４の温度がそれだけ低下しやすい。そこで、高圧段ターボチャージャ１０８による過給量を増加させすぎないよう、過給量を所定値に制御することで、ＤＯＣ１１４の温度が早く低下するのを防止する。
【００４２】
エンジンブレーキが長く継続されると、結局は、排気ガスによってＤＯＣ１１４が冷却されて活性化温度未満となる。このときは、白煙防止のため、排気管噴射を停止し、既に述べた保温モードに移行する。このように、本発明では、ＤＯＣ１１４の温度が活性化温度を維持している期間のみ排気管噴射を続ける。例えば、エンジン１０１を全負荷運転して車両が走行していた後、アクセルペダルが開放されてエンジンブレーキが作動した場合、エンジンブレーキ作動開始からしばらくの間（車種によって異なるが、例えば、３０秒間程度）はＤＯＣ１１４の温度が活性化温度を維持することが分かっている。このようにＤＯＣ１１４の温度が活性化温度である間は、排気管噴射を継続できる。なお、全負荷運転とは、アクセル開度が大きく、エンジン回転数が高く、出力トルクが大きい状態での運転を言う。
【００４３】
したがって、例えば、車両が高速道路を加速走行中、登坂中などに排気管噴射によるＤＰＦ再生が開始され、その状態で下り坂にさしかかって、あるいは前車との車間が詰まって、アクセルペダルの開放によるエンジンブレーキが開始された場合に、ＤＰＦ再生が継続されることになる。
【００４４】
以上説明したように、本発明の排気ガス浄化システムによれば、排気管噴射によるＤＰＦ再生時に、エンジンブレーキによる車両の減速が行われると、ＥＧＲ装置１２３の開度を全閉とし、かつ、吸気スロットル１２２の開度を全開し、かつ、高圧段ターボチャージャ１０８による過給量を増加させることで、排気管１０３内の排気ガス流量を増加させるようにしたので、燃料が排気管１０３内で発火することが防止され、ＤＰＦ再生が継続できる。
【００４５】
なお、本実施形態では、エンジンブレーキのみの作動時について説明したが、フットブレーキ操作時においてもアクセルペダルが開放となるので、本発明は適用できる。しかし、排気ブレーキ使用時は、排気管インジェクタ１４１とＤＰＦユニット１１３との間を排気ブレーキ弁１１２が遮断してしまい、排気圧力が過大になるので、排気管噴射は行わない。
【符号の説明】
【００４６】
１０１  エンジン
１０２  排気マニホールド
１０３  排気管
１０４  吸気マニホールド
１０８  高圧段ターボチャージャ（可変ノズル式ターボチャージャ）
１１５  ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１２３  排気再循環装置（ＥＧＲ装置）
１４１  排気管インジェクタ
１７１  ＥＣＵ
１７２  排気管噴射再生制御部
１７３  再生減速時吸排気制御部
【図１】
2011256846.tif 000003