JP4556800B2 - エンジンの背圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを排気通路に備えたエンジンの背圧制御装置に関する。

特許文献１には、パティキュレートフィルタを備えたエンジンにおいて、フィルタ再生時に、排気絞り弁により背圧を上昇させて昇温促進を図る技術が開示されている。
また、特許文献２には、パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの捕集量が許容値を超えている場合に、フィルタ上流側から吸気側に還流させる排気量を増量することで、フィルタ上流の排気圧力の上昇を抑制する技術が開示されている。
特開２００３−３４３２８７号公報 特開２００２−１３８８１４号公報

ところで、パティキュレートフィルタを備えたエンジンにおいては、フィルタにパティキュレートやアッシュが堆積し、フィルタ圧損が大きくなった状態でエンジンが全開運転されると、エンジンの背圧が許容限界を超えて上昇し、排気バルブの開弁，ターボオイルシールからのオイル漏れ，タービンブレードの応力過大などの機能的不具合が発生する可能性がある。

また、パティキュレートフィルタの再生には、通常数分から数十分の時間を要するため、フィルタ再生の開始後であってもエンジンが全開運転されることで、背圧が限界圧を越え、前記機能的不具合が発生する可能性があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、パティキュレートフィルタを備えたエンジンにおいて、フィルタ圧損による背圧の上昇により、オイル漏れや応力過大などの機能的不具合が発生することを防止できる背圧制御装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明に係るエンジンの背圧制御装置は、パティキュレートフィルタの前後差圧とそのときのエンジン回転速度から全開運転を想定したときのエンジン背圧を求め、前記エンジンの背圧が限界圧を超えるときにエンジンの吸入空気量を制限することを特徴とする。

本発明に係るエンジンの背圧制御装置によると、エンジンの背圧が限界圧を超えるときに、吸入空気量を通常よりも少なく制限して背圧を強制的に低下させるので、背圧が限界圧を超える状態に放置されて、オイル漏れや応力過大などの機能的不具合が発生することを防止できる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用直噴ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成図である。
図１に示すエンジン１において、エアクリーナ２により粉塵が除去された吸気は、可変ノズルターボチャージャ３（過給機）のコンプレッサ部３ａにより圧縮されて吸気通路４に送り出される。

前記コンプレッサ部３ａの下流には、インタークーラ５が設置されており、前記コンプレッサ部３ａから圧送された吸入空気は、このインタークーラ５で冷却される。
更に、サージタンク６の直前に吸気絞り弁７が設置されており、前記インタークーラ５で冷却された吸入空気は、この吸気絞り弁７を通過してサージタンク６に流入し、前記サージタンク６からマニホールド部８を介して各気筒に分配される。

前記エンジン１の本体において、インジェクタ９は、気筒毎に燃焼室上部の略中央に設置されている。
前記インジェクタ９には、燃料ポンプ１０により圧送された燃料が、コモンレール１１を介して供給される。
前記インジェクタ９は、マイクロコンピュータを内蔵する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２１からの燃料噴射制御信号により開弁作動する。

前記インジェクタ９による燃料噴射は、複数回に分けて行われ、インジェクタ９は、エンジン１のトルクを制御するためのメイン噴射以外に、発生するパティキュレートを減少させるためのパイロット噴射、及び、後述するパティキュレートフィルタ１２の再生時に排気温度を上昇させるためのポスト噴射を行う。
前記パイロット噴射は、メイン噴射よりも進角させて行われ、ポスト噴射は、メイン噴射から遅角させて行われる。

一方、排気通路１３には、前記ターボチャージャ３のタービン部３ｂが設置され、このタービン部３ｂの下流には、排気の後処理のため、触媒コンバータ１４及びパティキュレートフィルタ１２が設置されている。
排気中のパティキュレートは、前記パティキュレートフィルタ１２を通過する際に排気中から除去される。

また、タービン部３ｂ上流の排気通路１３と吸気絞り弁７下流の吸気通路４（サージタンク５）との間に、排気還流管１５が接続され、この排気還流管１５の途中には排気還流制御弁１６が介装されている。
そして、前記排気還流制御弁１６が、前記ＥＣＵ２１からの排気還流制御信号により作動することで、排気還流制御弁１６の開度に応じた量の排気が吸気通路４（サージタンク５）に還流される。

前記ＥＣＵ２１に入力される信号には、パティキュレートフィルタ１２の入口部及び出口部における排気温度Ｔexhin，Ｔexhoutを検出する温度センサ３１，３２、パティキュレートフィルタ１２の前後差圧ΔＰtotalを検出する差圧センサ３３、エンジン１の吸入空気流量を検出するエアフローメータ３４、クランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ３５、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３６、前記インタークーラ５下流側で過給圧を検出する過給圧センサ３７、エンジン１の冷却水温度を検出する水温センサ３８からの信号が含まれる。

前記ＥＣＵ２１は、上記の各種検出信号に基づき、可変ノズルターボチャージャ３のベーン角による過給圧制御、グロープラグ１７による予熱制御、燃料ポンプ１０及びインジェクタ９による噴射量制御、排気還流制御弁１６による排気還流制御、吸気絞り弁７による吸気絞り制御を行う。
更に、前記ＥＣＵ２１は、パティキュレートフィルタ１２におけるパティキュレート堆積量を、例えば前記差圧センサ３３の検出結果に基づいて推定し、該推定結果に基づいてフィルタ再生要求を判断する。

そして、フィルタ再生が必要であると判断すると、所定の再生許可運転条件において排気温度を昇温させて、パティキュレートフィルタ１２に捕集されたパティキュレートを燃焼させるフィルタ再生制御を行う。
前記再生制御において排気温度を昇温させる手段としては、インジェクタ９、可変ノズルターボチャージャ３、排気還流制御弁１６及び吸気絞り弁７が含まれ、フィルタ再生時には、インジェクタ９のメイン噴射時期，ポスト噴射時期及びポスト噴射量、可変ノズルターボチャージャ３のベーン角、排気還流制御弁１６の開度、吸気絞り弁７の開度のうちの少なくとも１つを調整することで、排気温度を昇温させてパティキュレートフィルタ１２に堆積したパティキュレートを燃焼させる。

ところで、前記パティキュレートフィルタ１２の再生処理は、再生許可運転条件を満たす場合に行われ、また、再生処理が開始されても急激に再生処理が進むものではないため、前記パティキュレートフィルタ１２に対するパティキュレートの堆積により、エンジン全開運転時の背圧が過剰に高くなってしまう可能性がある。
そこで、本実施形態では、パティキュレートフィルタ１２の圧損に因りエンジン全開運転時の背圧が限界圧を越えることを防止する処理を、前記ＥＣＵ２１が行うようになっている。

図２のフローチャートは、前記背圧上昇防止処理の第１実施形態を示す。
図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１１では、エンジン回転速度・燃料噴射量・過給圧などのエンジン運転条件を計測すると共に、差圧センサ３３からの検出信号に基づいてパティキュレートフィルタ１２の前後差圧を計測する。
そして、次のステップＳ１２では、ステップＳ１１での計測結果に基づいて排気マニホールド圧（背圧）を算出する。

図３に示すように、パティキュレートフィルタ１２の圧損を示すパティキュレートフィルタ１２の前後差圧と排気マニホールド圧（背圧）との間には一定の相関があり、パティキュレート・アッシュの堆積による前後差圧の増大に応じて排気マニホールド圧（背圧）が増大すると共に、同じ前後差圧に対しては、エンジン回転数（rpm）が高くなるほど排気マニホールド圧（背圧）が高くなる。

従って、図３に示すような相関（マップ）を予め記憶しておき、パティキュレートフィルタ１２の前後差圧とエンジン回転数（rpm）とから排気マニホールド圧（背圧）を算出できる。
尚、図３に示す前後差圧と排気マニホールド圧（背圧）との相関は、エンジン１の全開運転時における特性を示す。

また、前記図３に示すような相関を予め設定する代わりに、ステップＳ１１における計測結果に基づく熱力学的計算によって排気マニホールド圧（背圧）を求めることもできる。
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した排気マニホールド圧（背圧）が限界圧以下であるか否かを判別する。

前記限界圧は、排気バルブの開弁，ターボオイルシールからのオイル漏れ，タービンブレードの応力過大などの機能的不具合が発生しない圧力範囲の最大値として予め設定・記憶されている。
ここで、ステップＳ１２で算出した排気マニホールド圧（背圧）が限界圧以下であれば、上記の機能的不具合が発生せず、背圧を低下させる処理が不要であるので、ステップＳ１１での計測処理に戻る。

一方、ステップＳ１２で算出した排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を越えていると判断された場合、即ち、フィルタ圧損が大きく然もエンジン１が全開付近で運転されたため、排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超えるようになった場合には、機能的不具合が発生する可能性があるので、背圧を限界圧以下に低下させるべく、ステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、前記可変ノズルターボチャージャ３のベーン角の制御によって過給圧を低下させることで、エンジン１の吸入空気量（排気流量）を通常よりも少ない量に制限し、排気マニホールド圧（背圧）を限界圧以下に低下させる処理を実行する。また、同時に、インジェクタ９による燃料噴射量を通常よりも少ない量に制限することで、吸入空気量の制限による排気温度の過上昇及びスモークの発生を防止する。

図４に示すように、パティキュレートの堆積によりパティキュレートフィルタ１２の前後差圧（圧損）が大きくなったときに、吸入空気量（過給圧）が初期設定のままであると、エンジン１の全開運転時に排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超えてしまう可能性があるが、吸入空気量（過給圧）を前記前後差圧（圧損）が大きくなるほどより低く制限することで、排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超えないようにすることができる。

従って、パティキュレートフィルタ１２に対するパティキュレートの堆積量が飽和量付近に達していてフィルタ圧損が大きく、エンジン１が全開運転されることで排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超えるような状態になっても、排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を大きく超えることを回避でき、排気バルブの開弁，ターボオイルシールからのオイル漏れ，タービンブレードの応力過大などの機能的不具合が発生することを未然に防止できる。

また、排気マニホールド圧（背圧）を、エンジン回転速度・燃料噴射量・過給圧・フィルタ前後差圧などの、排気マニホールド圧（背圧）の推定以外にも用いられる検出信号に基づいて算出し、可変ノズルターボチャージャ３のベーン角の制御によって排気マニホールド圧（背圧）を抑制するので、排気マニホールド圧（背圧）を限界圧以下に抑制する処理を実現するために新たなデバイスを追加する必要がない。

尚、吸入空気量を制限する手段としては、過給圧を低下させる他、吸気絞りを行わせるようにしても良い。
また、ステップＳ１４における過給圧（吸入空気量）の制限処理においては、実際の排気マニホールド圧（背圧）と限界圧との偏差に応じた制御量で過給圧を低下させても良いし、予め設定された所定値ずつ過給圧を徐々に低下させるようにしても良い。

図５のフローチャートは、前記差圧センサ３３を用いない背圧上昇防止処理である第２実施形態を示す。
図５のフローチャートにおいて、ステップＳ２１では、エンジン回転速度・燃料噴射量・過給圧などのエンジン運転条件を計測すると共に、パティキュレート（ＰＭ）・アッシュ堆積量の推定を行う。

パティキュレート・アッシュ堆積量は、例えば車両の走行距離から推定できるが、この他、エンジン運転条件に応じたパティキュレートの推定量を積算しても良く、推定方法を限定するものではない。
また、ステップＳ２１では、フィルタ再生の要求判断のために別ルーチンで算出されるパティキュレート・アッシュ堆積量を読み込む処理を行わせても良い。

ステップＳ２２では、パティキュレート・アッシュ堆積量から、パティキュレートフィルタ１２の圧損（前後差圧）を算出し、次のステップＳ２３では、前記フィルタ圧損とエンジン運転条件とに基づいてそのときの排気マニホールド圧（背圧）を算出する。
ステップＳ２４では、ステップＳ２３で算出した排気マニホールド圧（背圧）が限界圧以下であるか否かを判別する。

そして、排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超える場合には、ステップＳ２５へ進み、前記ステップＳ１４と同様に、前記可変ノズルターボチャージャ３のベーン角の制御によって過給圧を低下させることで、エンジン１の吸入空気量を制限し、排気マニホールド圧（背圧）を限界圧以下に低下させる処理を実行し、同時に、インジェクタ９による燃料噴射量を制限することで、吸入空気量の制限による排気温度の過上昇及びスモークの発生を防止する。

上記第２実施形態によると、差圧センサ３３を備えない場合であっても、排気マニホールド圧（背圧）を検出する専用のセンサを設けることなく、フィルタ圧損、更に、排気マニホールド圧（背圧）を求めることができる。
また、パティキュレート・アッシュ堆積量の推定は、フィルタ再生処理に必要とされる処理であるから、背圧制御機能を追加するに当たって、堆積量推定処理のマッチングを新たに行う必要はない。

図６のフローチャートは、前記差圧センサ３３で検出されるフィルタ前後差圧（フィルタ圧損）が限界値以下であるか否かを判断させることで、排気マニホールド圧（背圧）を算出させることなく、排気マニホールド圧（背圧）を限界圧以下に抑制する第３実施形態を示す。
図６のフローチャートにおいて、ステップＳ３１では、エンジン回転速度・燃料噴射量・過給圧などのエンジン運転条件を計測すると共に、差圧センサ３３からの検出信号に基づいてパティキュレートフィルタ１２の前後差圧を計測する。

ステップＳ３２では、前記フィルタ前後差圧（即ち、フィルタ圧損）が、限界値以下であるか否かを判別する。
前記限界値は、エンジン１が全開付近で運転されたときに、排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超えることになる前後差圧に基づき、予め設定・記憶されている。
そして、前記フィルタ前後差圧（フィルタ圧損）が限界値を超える場合に、ステップＳ３３へ進んで、前記可変ノズルターボチャージャ３の最大過給圧を通常よりも小さく制限する設定を行い、エンジン１の吸入空気量（最大吸入空気量）を制限することで、エンジン１が全開運転されても排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を越えないようにすると同時に、インジェクタ９による燃料噴射量（最大噴射量）を吸入空気量の制限に合わせて制限する設定を行って、吸入空気量の制限による排気温度の過上昇及びスモークの発生を防止する。

上記第３実施形態によると、フィルタ前後差圧と排気マニホールド圧（背圧）との相関を用いて排気マニホールド圧（背圧）を算出することなく、排気マニホールド圧（背圧）を限界圧以下に制限することができる。
尚、上記第１〜第３実施形態において、吸入空気量（過給圧）を制限する処理を行っているときに、車両の運転者に対して、排気マニホールド圧（背圧）の上昇により吸入空気量（過給圧）を制限していることを警告すると良い。

また、フィルタ前後差圧（圧損）からエンジンが全開運転されたときに排気マニホールド圧（背圧）が限界圧を超えるか否かを予測し、全開運転がなされたときに吸入空気量が制限されることを予め警告することも可能である。
更に、吸入空気量（過給圧）を制限する処理を行った場合には、フィルタ再生のタイミングを初期値よりも早める処理を行って、パティキュレートが堆積する毎に吸入空気量（過給圧）を制限する処理が繰り返されることがないようにすることもできる。

また、ターボチャージャ３における過給圧の制御を、タービン部３ｂを迂回する排気量の制御によって行うことができる。

実施形態における車両用エンジンのシステム図。 背圧上昇防止処理の第１実施形態を示すフローチャート。 フィルタ前後差圧と排気マニホールド圧（背圧）との相関を示す線図。 吸入空気量（過給圧）と排気マニホールド圧（背圧）との相関を示す線図。 背圧上昇防止処理の第２実施形態を示すフローチャート。 背圧上昇防止処理の第３実施形態を示すフローチャート。

符号の説明

１…エンジン、３…可変ノズルターボチャージャ、４…吸気通路、５…インタークーラ、６…サージタンク、７…吸気絞り弁、９…インジェクタ、１０…燃料ポンプ、１１…コモンレール、１２…パティキュレートフィルタ、１３…排気通路、１４…触媒コンバータ、２１…電子制御ユニット（ＥＣＵ）、３１，３２…温度センサ、３３…差圧センサ、３４…エアフローメータ、３５…クランク角センサ、３６…アクセル開度センサ、３７…過給圧センサ、３８…水温センサ

Claims (3)

1. 排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを排気通路に備えたエンジンにおいて、
   パティキュレートフィルタの前後差圧とそのときのエンジン回転速度から全開運転を想定したときのエンジン背圧を求め、
   前記エンジンの背圧が限界圧を超えるときにエンジンの吸入空気量を制限することを特徴とするエンジンの背圧制御装置。
2. 前記エンジンが過給機を備え、該過給機の過給圧を制限することで前記エンジンの吸入空気量を制限することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの背圧制御装置。
3. 前記エンジンの吸入空気量を制限すると共に、燃料噴射量を制限することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの背圧制御装置。