JP6122629B2 - エンジンの排気管噴射装置 - Google Patents

Description

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。

従来から、ディーゼルエンジンにおいて、排気管内に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）が捕集した微粒子を除去してＤＰＦを再生させる再生処理が行われている。この再生処理として、ＤＰＦの上流側の排気管内に配置される酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）のさらに上流側において、燃料供給配管を介して噴射ノズルに供給された加圧燃料が噴口から排気管内に噴射され、噴射された燃料がＤＯＣにおいて酸化反応熱を生じさせることにより、ＤＰＦに捕集された微粒子を燃焼除去するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１２７２８７号公報

しかしながら、噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給配管の交換や、ディーゼルエンジンの生産工程において燃料供給配管の組み付けを行った後、燃料供給配管内に最初に燃料が導入されると、燃料供給配管内に残存する空気により、導入された燃料に空気が混入してしまう可能性がある。

このため、燃料供給配管内の燃料に空気が混入した状態で、ＤＰＦの再生処理を行うべく噴射ノズルから燃料を噴射すると、燃料供給配管内の燃料圧力は変動しやすくなる。そして、燃料供給配管内に混入した空気は、燃料圧力の変動に起因して圧縮・膨張を繰り返すポンピング作用を引き起こすため、噴射ノズルから噴射される燃料の実際の噴射量が、ＤＰＦの再生に必要な噴射量に対して過大になるおそれがある。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、噴射ノズルから排気管内に噴射される燃料の実際の噴射量が過大となることを抑制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。

このため、本発明に係るエンジンの排気管噴射装置は、エンジンの排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルと、噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給配管と、燃料供給配管に介装され噴射ノズルへの燃料供給を制御する燃料供給バルブと、燃料供給配管内の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサにより検出された圧力の変動に応じて、燃料供給バルブに出力する駆動信号を変化させるコントロールユニットと、を備え、コントロールユニットは、圧力の変動幅が所定値未満である場合、燃料供給バルブに第１駆動信号を出力し、圧力の変動幅が所定値以上である場合、燃料供給バルブに第１駆動信号よりも小さい第２駆動信号を出力する。

本発明のエンジンの排気管噴射装置によれば、噴射ノズルから排気管内に噴射される燃料の実際の噴射量が過大となることを抑制できる。

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を示す構成図である。 排気管噴射装置の詳細を示す回路図である。 排気管噴射装置の制御処理内容を示すフローチャートである。 目標噴射量の設定方法に係る制御処理内容を示すフローチャートである。 燃料供給管内における燃料圧力の時間変動を説明する説明図である。

以下、添付された図面を参照して本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、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）を示す。

ディーゼルエンジン１０は、吸気管１２及び吸気マニホールド１４を介して空気を吸引する。吸気管１２には、上流側から順に、空気中の塵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。

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（例えば、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２６、連続再生式ＤＰＦ装置２８、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３０、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３２、ＳＣＲ触媒３２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３４を設けてある。

連続再生式ＤＰＦ装置２８は、ＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ２８Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Material）を捕集・除去するＤＰＦ２８Ｂと、を備える。

なお、排気浄化フィルタとして、前記ＤＰＦ２８Ｂに代えて、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。
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３６を備えている。

ＥＧＲ装置３６は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１２に還流させるＥＧＲ管３６Ａと、ＥＧＲ管３６Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３６Ｂと、吸気管１２に還流させる排気量（ＥＧＲ率）を制御するＥＧＲ制御弁３６Ｃとを備える。

コンピュータを内蔵したコントロールユニット３８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４０、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４２の出力信号などを入力する。

ここで、負荷センサ４２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。

コントロールユニット３８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、ＤＰＦ２８Ｂの再生処理などを制御する。

コントロールユニット３８は、例えば、ディーゼルエンジン１０の積算運転時間や、ディーゼルエンジン１０の運転条件から推定した微粒子の排出量の積算や、ＤＰＦ２８Ｂの上下流間の差圧などから、ＤＰＦ２８Ｂの再生要求の有無を判断する。

そして、コントロールユニット３８は、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号に基づき、排気管噴射装置２６によって連続再生式ＤＰＦ装置２８の上流側の排気管２４内に燃料を噴射させる。排気管２４内に噴射された燃料がＤＯＣ２８Ａで酸化し、この酸化反応熱によって、ＤＰＦ２８Ｂに堆積した微粒子（煤）が燃焼して、ＤＰＦ２８Ｂが再生する。

なお、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号は、ＤＰＦ２８Ｂの再生要求が発生していることを運転者に警告し、こ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れる構成であってもよい。また、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号は、再生要求に基いてコントロールユニット３８により自動的に出力されたとみなされる構成であってもよい。

図２は、排気管噴射装置２６の詳細を示す回路図である。
排気管噴射装置２６は、燃料を排気管２４内に噴射する噴射ノズル１００と、この噴射ノズル１００に燃料を導く燃料供給配管１０２と、圧縮空気を燃料供給配管１０２内に導く空気供給配管１０４と、を備える。

噴射ノズル１００は、燃料供給配管１０２の下流端の管路断面積を縮小する墳口（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を噴霧状にして噴射する。噴射した燃料はＤＰＦ２８Ｂの再生に用いられる。

燃料供給配管１０２は、図示省略の燃料ポンプを介して燃料タンクに連通し、燃料供給配管１０２には、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、遮断バルブ１０６、圧力センサ１０８、及び燃料供給バルブ１１０が配置され、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０は噴射ノズル１００への加圧燃料の供給を制御する。

遮断バルブ１０６は、図示省略の燃料ポンプから燃料供給配管１０２を介して噴射ノズル１００へ運ばれる燃料の流れを閉弁により遮断する電磁式のバルブであり、コントロールユニット３８から出力される駆動信号に基いて開閉動作する。

燃料供給バルブ１１０は、噴射ノズル１００への燃料供給を制御する電磁式のバルブであり、コントロールユニット３８から出力される駆動信号に基いて開閉動作する。この駆動信号は、噴射ノズル１００から噴射する燃料の目標噴射量に応じた信号である。

圧力センサ１０８は、遮断バルブ１０６と燃料供給バルブ１１０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３８に出力する。

空気供給配管１０４は、噴射ノズル１００と燃料供給バルブ１１０との間で燃料供給配管１０２に合流する。空気供給配管１０４には、図示しないエアコンプレッサが吐出する圧縮空気、又はエアコンプレッサが吐出する圧縮空気を貯留するエアリザーバ（貯留容器）からの圧縮空気が供給される。

空気供給配管１０４には空気供給バルブ１１２が配置され、空気供給バルブ１１２は燃料供給配管１０２ひいては噴射ノズル１００に対する圧縮空気の供給を制御する。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３８から出力される駆動信号に基いて開閉動作する。

なお、圧力センサ１０８は、コントロールユニット３８が行う、遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０、及び空気供給バルブ１１２の故障診断にも用いられる。
具体的には、コントロールユニット３８は、遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０、及び空気供給バルブ１１２の開閉制御状態の組み合わせから想定される、遮断バルブ１０６と燃料供給バルブ１１０との間の圧力と、実際に圧力センサ１０８が検出した圧力とを比較することで、遮断バルブ１０６、燃料供給バルブ１１０、及び空気供給バルブ１１２の閉固着故障や開固着故障の有無を診断する。

図３は、ディーゼルエンジン１０の運転中繰り返し実行される、コントロールユニット３８による排気管噴射装置２６の制御処理内容を示す。
ステップ２０１（図では「Ｓ２０１」と略記する。以下同様）では、再生開始信号が出力されているか否かを判定する。

再生開始信号が出力されている場合にはステップ２０２へ進む（Ｙｅｓ）。一方、再生開始信号が出力されていない場合にはステップ２０３へ進む（Ｎｏ）。
ステップ２０２では、ＤＰＦ２８Ｂを再生させる再生処理モードを実施する。

具体的には、空気供給バルブ１１２を閉弁した状態に保持するとともに、遮断バルブ１０６を開弁した状態に保持する。また、燃料供給バルブ１１０に対して、噴射ノズル１００の目標噴射量に応じた駆動信号を出力し、この駆動信号に基いて燃料供給バルブ１１０に開閉動作を行わせる。なお、噴射ノズル１００の目標噴射量に関する設定方法の詳細は後述する。

本ステップにおける前述のバルブ駆動により、燃料ポンプ（図示省略）から吐出される加圧燃料は燃料供給配管１０２を介して噴射ノズル１００まで供給され、噴射ノズル１００の噴口から噴射された燃料が、排気管２４内を流れる排気中に噴霧状に噴射される。排気管２４内に噴射された燃料は、ＤＯＣ２８Ａで酸化し、この酸化反応熱によってＤＰＦ２８Ｂに堆積した微粒子（煤）が燃焼して、ＤＰＦ２８Ｂを再生する。再生処理モードは一定時間実施される。一定時間経過後、ＤＰＦ２８Ｂの再生開始信号の出力は自動的に停止し、コントロールユニット３８は、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０を閉弁させる。

ステップ２０３では、噴射ノズル１００から圧縮空気を噴射させる空気噴射モードを実施する。
具体的には、遮断バルブ１０６及び燃料供給バルブ１１０を閉弁した状態に保持するとともに、空気供給バルブ１１２を開弁させる。そして、エアコンプレッサ（図示省略）などが吐出する圧縮空気は、上流側から順に、空気供給配管１０４、空気供給配管１０４が合流した場所から下流の燃料供給配管１０２、及び噴射ノズル１００を介して排気管２４内に噴射される。これにより、燃料供給配管１０２及び噴射ノズル１００内に残留し得る燃料を排気管２４内に排出するとともに、噴射ノズル１００を冷却する。空気噴射モードは、噴射ノズル１００から噴射される圧縮空気の消費量を低減すべく、噴射ノズル１００の温度に応じて行われてもよい。

図４は、ステップ２０２における再生処理モードの実施中、噴射バルブ１００の目標噴射量を設定するために繰り返し実行される、コントロールユニット３８による制御処理内容を示す。

ステップ３０１では、燃料供給配管１０２内の燃料に混入し得る空気の影響により、噴射ノズル１００から実際に噴射される燃料が排気温度を異常に上昇させるか否かを判断すべく、燃料供給配管１０２内における燃料圧力の変動幅ΔＰと所定値Ａとの大小関係を判定する。

燃料圧力の変動幅ΔＰは、図５に示すように、燃料噴射時間に対して上昇と下降を繰り返す燃料圧力に交互に現れる上向きのピークと下向きのピークとを公知の方法により検出して、両ピーク間の燃料圧力の差分を絶対値化して算出される｛ΔＰ_k（ｋ＝０，１，２，３，…，ｎ−２，ｎ−１，ｎ，…）｝。別の方法として、燃料圧力の変動１周期分より僅かに長い所定時間内にサンプリングされた燃料圧力値のうち最大値と最小値との差分に基づいて燃料圧力の変動幅ΔＰを算出してもよい。

所定値Ａは、燃料供給配管１０２内における燃料圧力の変動幅のうち、噴射ノズル１００から燃料を噴射した場合に排気温度が異常に上昇して排気管２４内の各触媒に損傷を与える可能性のある変動幅の下限値（例えば、図５のΔＰ_n-2）であり、実験やシミュレーションなどの結果に基づいて予め設定されて、ＲＯＭなどに記憶される。

ここで、燃料供給配管１０２内の燃料に混入し得る空気の影響により排気温度が異常に上昇する現象を、燃料供給配管１０２内における燃料圧力の変動幅ΔＰを用いて判断可能な理由について説明する。

燃料供給配管１０２内の燃料に空気が混入した状態で、ＤＰＦ２８Ｂの再生処理を行うべく噴射ノズル１００から燃料を噴射した場合、燃料供給配管１０２内における燃料圧力は変動しやすくなる。そして、燃料供給配管１０２内の燃料に混入する空気は、燃料圧力の変動に起因して圧縮・膨張を繰り返すポンピング作用を引き起こすため、燃料圧力の変動をさらに増幅させると考えられる。

ところで、燃料圧力の変動幅ΔＰは、図５に示すように、燃料噴射時間の経過とともに燃料供給配管１０２内における燃料の抜気が進むため、空気を比較的多量に混入している場合の燃料圧力の変動幅ΔＰ₀から、概ね徐々に減少していき、空気を比較的少量しか混入していない、あるいは、殆ど混入していない場合の変動幅ΔＰ_nまで低下する。しかし、燃料供給配管１０２内の燃料に空気を比較的多量に混入している場合の燃料圧力の変動幅ΔＰ₀は、限定するものではないが、混入する空気量によっては、空気を殆ど混入していない場合の燃料圧力の変動幅ΔＰ_nと比較して２倍以上に達することがある。

したがって、燃料供給配管１０２内の燃料に空気を混入している場合には、変動する燃料圧力の上向きのピークにより、噴射ノズル１００から噴射される燃料の実際の噴射量がＤＰＦ２８Ｂの再生に必要な噴射量に対して過大となりやすいため、排気温度が異常に上昇して排気管２４内の各触媒を損傷させるおそれがある。このため、燃料供給配管１０２内における燃料圧力の変動幅ΔＰを監視すれば、燃料供給配管１０２内の燃料に混入し得る空気の影響により、噴射ノズル１００から実際に噴射される燃料が排気温度を異常に上昇させるか否かを判断できる。

そして、ステップ３０１において、燃料圧力の変動幅ΔＰが所定値Ａ未満であると判定された場合には、燃料供給配管１０２内の燃料に混入する空気の影響により、噴射ノズル１００から実際に噴射される燃料が排気温度を異常に上昇させないと判断されるため、ステップ３０２へ進む（Ｙｅｓ）。一方、燃料圧力の変動幅ΔＰが所定値Ａ以上であると判定された場合には、実際に噴射される燃料が排気温度を異常に上昇させると判断されるため、ステップ３０３へ進む（Ｎｏ）。

ステップ３０２では、目標噴射量を第１噴射量に設定する。
第１噴射量は、ステップ２０２の再生処理モードにおいて、ＤＰＦ２８Ｂの再生に必要な燃料噴射量である。コントロールユニット３８は、ステップ２０２の再生処理モードにおいて、燃料供給バルブ１１０に対し、第１噴射量に応じた第１駆動信号を出力する。

ステップ３０３では、目標噴射量を第２噴射量に設定する。
第２噴射量は、第１噴射量よりも少ない噴射量であり、また、第２噴射量に応じた第２駆動信号に基づいて燃料供給バルブ１１０が噴射ノズル１００への燃料供給を制御した場合、噴射ノズル１００から噴射される燃料の実際の噴射量が、混入空気の影響により変動する燃料圧力の上向きのピークにより増大しても、排気温度が異常に上昇して排気管２４内の各触媒が損傷するほど過大とならない噴射量である。

なお、第２噴射量は、排気温度の異常上昇による各触媒の損傷を確実に回避すべく、燃料圧力の変動幅ΔＰの大きさに応じて変更してもよい。例えば、変動幅ΔＰが大きくなるにつれて、第２噴射量を徐々に小さくなるように設定してもよい。

このような排気管噴射装置２６によれば、燃料圧力の変動幅ΔＰが、噴射ノズル１００から燃料を噴射した場合に排気温度が異常に上昇して排気管２４内の各触媒に損傷を与える可能性のある変動幅ΔＰの下限値である所定値Ａ以上であると判定された場合には、噴射ノズル１００の目標噴射量を、ＤＰＦ２８Ｂの再生に必要な燃料噴射量である第１噴射量よりも少ない第２噴射量に設定している。このため、第２噴射量に応じた第２駆動信号に基づいて燃料供給バルブ１１０が噴射ノズル１００への燃料供給を制御した場合、噴射ノズル１００から噴射される燃料の実際の噴射量が、混入空気の影響により変動する燃料圧力の上向きのピークにより増大しても、排気温度が異常に上昇して排気管２４内の各触媒が損傷するほど過大とならない。

なお、前述のステップ３０１において、燃料供給配管１０２内における燃料圧力の変動幅ΔＰと所定値Ａとの大小関係を複数回連続して判定し、判定の結果が複数回連続して同一となった場合に次のステップ３０２又はステップ３０３へ進むようにしてもよい。これにより、圧力センサ１０８から出力される燃料圧力の検出信号にノイズ成分が重畳する場合などを除外して、混入空気の影響により、噴射ノズル１００から実際に噴射される燃料が排気温度を異常に上昇させるか否かを精度良く判断できる。

また、前述の排気管噴射装置２６は、噴射ノズルから供給される還元剤を燃料とした場合の還元剤噴射装置３０として用いられてもよい。

１０ ディーゼルエンジン
２４ 排気管
２６ 排気管噴射装置
２８ 連続式再生式ＤＰＦ装置
２８Ａ ＤＯＣ（酸化触媒）
２８Ｂ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
３８ コントロールユニット
１００ 噴射ノズル
１０２ 燃料供給配管
１０４ 空気供給配管
１０８ 圧力センサ
１１０ 燃料供給バルブ

Claims (3)

1. エンジンの排気管内に燃料を噴射する噴射ノズルと、
   該噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給配管と、
   該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、
   前記燃料供給配管内のうち、前記燃料供給バルブの上流側の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサにより検出された圧力の変動に応じて、前記燃料供給バルブに出力する駆動信号を変化させるコントロールユニットと、
   を含んで構成され、
   前記コントロールユニットは、前記圧力の変動幅が所定値未満である場合、前記燃料供給バルブに第１駆動信号を出力し、前記圧力の変動幅が前記所定値以上である場合、前記燃料供給バルブに前記第１駆動信号よりも小さい第２駆動信号を出力することを特徴とするエンジンの排気管噴射装置。
2. 前記第２駆動信号は、前記圧力の変動幅の大きさに応じて、変更されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気管噴射装置。
3. 前記噴射ノズルは、前記排気管の内部に備えられたディーゼルパティキュレートフィルタに対し、その上流側に燃料を噴射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気管噴射装置。