JP6740806B2

JP6740806B2 - 昇温システム

Info

Publication number: JP6740806B2
Application number: JP2016163671A
Authority: JP
Inventors: 石川　崇; 崇石川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2036-08-24
Also published as: WO2018037990A1; JP2018031285A

Description

本開示は、内燃機関の排気バルブの開タイミングを進角させて、後処理装置内の触媒を昇温する昇温システムに関する。

車両の内燃機関で生じた排ガスは、車両から大気中へと排出される前に、排気系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（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）や、尿素ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）が例示される。

ＤＰＦは、排ガス温度が自己再生温度以上であれば、排ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集し燃焼させる（所謂、自己再生）。しかし、排ガス温度が自己再生温度よりも低い場合、フィルタの前段に置かれた酸化触媒の温度が低下して活性化しないため、ＤＰＦは自己再生することが難しい。

また、尿素ＳＣＲは、ＳＣＲ触媒の入口側の排ガスの温度が一定以上になると、尿素水を排ガスに吹きかけて生成したアンモニアと、排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を反応させて、ＮＯｘを無害化する。

内燃機関の低温始動時、上記触媒のそれぞれが低温であるため、後処理装置は十分に機能しない。そこで、特許文献１等では、内燃機関の低温始動時に触媒温度をいち早く上昇させるため、内燃機関の排気バルブの開タイミングを進角させる技術が開示されている。

特開平１０−６８３３２号公報

車両が一時的に停止すると、後処理装置における触媒の温度が低下し始める。従って、このような停車を経て車両が再び走行し始めた時、触媒の温度が不十分な場合があり、その結果、後処理装置が十分に機能しないことがある。

本開示は、停車中にも触媒の温度を昇温可能な昇温システムを提供することを目的とする。

本開示は、車両に搭載される昇温システムに向けられる。本昇温システムは、排気バルブを有する内燃機関と、前記内燃機関からの排ガスを導く排気系と、前記排気系内に設けられ、前記内燃機関で生じた排ガスを、触媒を用いて処理する後処理装置と、前記車両が停止中に、前記排気系内の温度が予め定められた基準温度を下回ると、前記排気バルブの開タイミングを進角させる制御部と、を備え、前記後処理装置は、酸化触媒、粒子状物質捕集フィルタ、および選択還元型触媒を含み、前記基準温度は、前記酸化触媒の活性温度、前記粒子状物質捕集フィルタの自己再生温度、および前記選択還元型触媒の活性温度のうち、最も高い温度に基づき設定される。

本開示によれば、停車中であっても触媒の温度を昇温可能な昇温システムを提供することが出来る。

本開示の昇温システムの構成を示すブロック図図１に示す制御部による触媒昇温制御のフロー図車両の速度変化、排気系内の温度変化および進角制御のタイミングを示す図

以下、上記図面を参照して、本開示に係る昇温システム１を詳説する。

＜１．昇温システム１の概略構成＞
図１において、昇温システム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、車速パルス出力部Ｓｅ１と、温度センサＳｅ２と、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）３００と、を備えている。なお、本説明では、車両はアイドリング車であるとして説明する。

内燃機関１００は、典型的にはディーゼルエンジンであって、燃焼室１０２と、インジェクタ１０４と、吸気バルブ１０６と、排気バルブ１０８と、可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ機構という）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１１４およびシリンダヘッド１１６等で囲まれた空間である。

インジェクタ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１０４は、吸気ポートに燃料を噴射しても構わない。

吸気バルブ１０６および排気バルブ１０８のそれぞれは開閉可能に構成される。吸気バルブ１０６が開くことで、吸気流路１１８からの新気が燃焼室１０２に吸入される。また、排気バルブ１０８が開くことで、燃焼室１０２で燃料が燃焼して生じた排ガスが排気系２００（具体的には、排気流路２０２）に送り出される。

ＶＶＴ機構１１０は、油圧、電制その他周知の方式によりベーンを駆動することで、上記排気バルブ１０８を開閉させるための排気カムシャフト（図示せず）を進角側または遅角側に回転させる。これによって、排気バルブ１０８の開閉タイミングを進角させたり、遅角させたりする。なお、ＶＶＴ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、内燃機関１００で生じた排ガスを大気中（車外）に導く排気流路２０２を有する。また、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（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）２０８と、ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）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、自身に流入した排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の一部を二酸化窒素にして、排ガス（ＮＯｘ）における二酸化窒素の比率を高める。

ＤＰＦ２０８は、排気流路２０２において酸化触媒２０６の下流側に設けられ、自身に流入した排ガス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、排ガスの温度が自己再生温度以上であれば、捕集したＰＭを燃焼させて除去する（所謂、自己再生）。ここで、ＤＰＦ２０８における自己再生（即ち、ＰＭの燃焼）には、排ガス中での二酸化窒素の重量比が重要である。よって、自己再生は、酸化触媒２０６とＤＰＦ２０８とが有機的に組み合わさって実施されることになる。この観点で、酸化触媒２０６とＤＰＦ２０８とを一つの後処理装置２０４とみなすことが出来る。

なお、ＤＰＦ２０８自体に、所定の触媒が付加されていても構わない。この場合、ＤＰＦ２０８単体を一つの後処理装置２０４とみなすことが出来る。

ＳＣＲ触媒２１０は、排気流路２０２においてＤＰＦ２０８の下流側に配置される。また、排気流路２０２においてＳＣＲ触媒２１０の直ぐ上流には、その位置に尿素水を添加する尿素水添加弁２１２が設けられる。これにより、ＳＣＲ触媒２１０には、排ガスだけでなく、尿素水を排ガスに吹きかけることで生成されたアンモニアも供給される。ＳＣＲ触媒２１０は、自身の入口側の排ガスの温度が一定以上になると、アンモニアと、排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を反応させて、ＮＯｘを無害化する。上記ＳＣＲ触媒２１０と尿素水添加弁２１２とは、尿素ＳＣＲシステムを構成する。

上記後処理装置２０４で処理された排ガスは、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

なお、本説明では、好ましい構成として、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、各後処理装置２０４が必要とする排ガスの温度やコスト等に基づき適宜適切に定められる。

また、本説明では、好ましい構成として、各後処理装置２０４は、排気流路２０２において内燃機関１００に近接配置される。ここで、内燃機関１００から各後処理装置２０４までの距離は、各後処理装置２０４が必要とする排ガスの温度等に基づき適宜適切に定められる。

車速パルス出力部Ｓｅ１は、車両の走行速度を表すパルス信号（以下、車速パルスという）をＥＣＵ３００に出力する。本説明では、車速パルスを用いて、ＥＣＵ３００は、車両の状態（即ち、停車中か走行中か）を判断する。しかし、これに限らず、他の周知の方法で車両の状態は判断されても構わない。例えば、ＧＰＳ受信機による時系列の測位結果に基づき、車両の状態を判断することも可能である。

温度センサＳｅ２は、例えば熱電対等からなり、排気流路２０２内の温度を示す信号を生成してＥＣＵ３００に出力する。

温度センサＳｅ２は、好ましくは、排気流路２０２内の後処理装置２０４の内部、または、排気流路２０２内の後処理装置２０４のすぐ近傍に設けられる。これにより、ＥＣＵ３００は、後処理装置２０４における排ガスの温度を直接的に測定することが出来る。

温度センサＳｅ２は、上記に限らず、排気流路２０２内であれば、どこに設けられても構わない。しかし、後処理装置２０４から離れた場所に設けられると、温度センサＳｅ２の出力信号は、後処理装置２０４における実際の排ガス温度を正確に示さないこともあるため、ＥＣＵ３００は、温度センサＳｅ２の出力信号が示す温度を補正する必要がある。

また、温度センサＳｅ２は、酸化触媒２０６やＳＣＲ触媒２１０の内部に挿通されて、これらの温度を検出しても構わない。

ＥＣＵ３００は、回路基板上に実装された、コネクタ、ＣＰＵ、プログラムメモリ、ワーキングメモリおよび各種電子部品を有する。ＣＰＵは、プログラムメモリに格納されたプログラムをワーキングメモリを使って実行して、内燃機関１００（特に、ＶＶＴ機構１１０）を制御する。このようなＣＰＵの制御の下、ＶＶＴ機構１１０は、排気バルブ１０８の開タイミングを進角させたり、かかる進角制御を終了したりする。

＜２．ＥＣＵ３００の処理＞
次に、図２を参照して、ＥＣＵ３００による、各後処理装置２０４の昇温制御の処理手順を説明する。ＥＣＵ３００は、例えば、運転者が内燃機関１００を始動させてから停止させるまでの間、他の車両制御（ＶＶＴ機構１１０による排気バルブ１０８の通常の進角制御等）と並行して、図２の処理を継続的に行う。

具体的には、図２において、ＥＣＵ３００のＣＰＵは、車速パルス出力部Ｓｅ１から車速パルスを取得して、取得した車速パルスに基づき現在の車速を導出する（ステップＳ００１）。

次に、ＣＰＵは、ステップＳ００１で導出した現在の車速に基づき、現在の車両の状態（以下、現状という）を認識する（ステップＳ００３）。本説明では、車両の状態としては、「走行」と「停車」の二通りが定義される。ＣＰＵは、現在の車速がゼロを超えている場合には、現状が「走行」であると認識する。それに対し、現在の車速がゼロである場合には、現状は「停車」と認識される。

次に、ＣＰＵは、ステップＳ００５において、現状が「走行」であると判断すれば（即ち、ＹＥＳと判断すれば）、後述のステップＳ００７を行う。

それに対し、ＣＰＵは、ステップＳ００５においてＮＯと判断すれば（即ち、現状が「走行」でなく「停車」であれば）、温度センサＳｅ２の出力信号を取得して、現在の排気系２００内の温度の一例として現在の排ガスの温度を導出する（ステップＳ０１１）。

なお、温度センサＳｅ２が、上記の通り酸化触媒２０６やＳＣＲ触媒２１０の温度を検出するのであれば、ＣＰＵは、ステップＳ０１１において、現在の排気系２００内の温度の他の例として現在の触媒の温度を導出しても構わない。

次に、ＣＰＵは、ステップＳ０１１で導出した現在の排ガスの温度が、予め定められた基準温度を下回っているか否かを判断する（ステップＳ０１３）。ここで、基準温度は、ＤＦＰ２０８の自己再生温度に所定のマージンを加算した温度に予め設定される。基準温度は、他にも、酸化触媒２０６またはＳＣＲ触媒２１０の活性温度に所定のマージンを加算した温度に予め設定されても良い。また、本説明のように、複数の後処理装置２０４が排気系２００に設けられる場合、ＤＦＰ２０８の自己再生温度、酸化触媒２０６の活性温度およびＳＣＲ触媒２１０の活性温度のうち、最も高い温度に所定のマージンを加算した温度に予め設定されることが好ましい。なお、所定のマージンは、各後処理装置２０４の具体的な仕様（例えば熱時定数等）等を考慮して適宜適切に定められるが、場合によってはゼロでも構わない。

ＣＰＵは、ステップＳ０１３において現在の排ガス温度が基準温度を下回っていないと判断した場合、ステップＳ０１５以降を行う必要が無いとして、ステップＳ００１に戻る。なお、この時、既に排気バルブ１０８の開タイミングが進角させられていることがある。このような場合であっても、本説明では、排気バルブ１０８の開タイミングは基準位置（後述）に戻されない。

上記に対し、ステップＳ０１３において現在の排ガス温度が基準温度を下回ったと判断した場合、ＣＰＵは、停車中の後処理装置２０４の昇温制御のために排気バルブ１０８の開タイミングが既に進角させられているか否かを判断する（ステップＳ０１５）。

ＣＰＵは、ステップＳ０１５でＮＯと判断すれば、必要に応じて、内燃機関１００の動作（即ち、アイドリング）を再開させると共に、ＶＶＴ機構１１０の油圧を制御して、内燃機関１００の排気カムシャフト（図示せず）を進角側に回転させる。これにより、ＶＶＴ機構１１０は、排気バルブ１０８の開タイミングを進角させる（ステップＳ０１７）。かかる進角制御により、排気バルブ１０８は、内燃機関１００の燃焼・膨張行程においてピストン１１２の頂部が下死点に下がり切らないうちに開けられる。より具体的には、下死点からストロークの１／３程度上死点側の位置にピストン１１２の頂部が達した時に、排気バルブ１０８が開けられる。その結果、燃焼室１０２内の排ガスは、膨張しきった状態（即ち、相対的に低温低圧の状態）で排気バルブ１０８から排気流路２０２に送り出されるのでは無く、ある程度圧縮された状態（即ち、相対的に高温高圧の状態）で排気流路２０２に送り出される。このような高温の排ガスが各後処理装置２０４に供給されるため、排気バルブ１０８を開いた後暫くすると、各後処理装置２０４（即ち、触媒）が昇温し始める。なお、停車中、排気バルブ１０８の開タイミングの進角させる前後で、内燃機関１００の回転数や燃料噴射量を変更しても良い。このようなステップＳ０１７が終了すると、ＣＰＵはステップＳ００１に戻る。

それに対し、ＣＰＵは、ステップＳ０１５でＹＥＳと判断すれば、ステップＳ００１に戻る。即ち、ＣＰＵは、内燃機関１００の排気カムシャフト（図示せず）を進角側に回転させた状態を維持したまま、ステップＳ００１に戻る。

また、ＣＰＵは、ステップＳ００５でＹＥＳと判断すれば、停車中の後処理装置２０４の昇温制御のために、各排気バルブ１０８の開タイミングが既に進角させられているか否かを判断する（ステップＳ００７）。

ＣＰＵは、ステップＳ００７でＮＯと判断すれば、ステップＳ００１に戻る。
それに対し、ＣＰＵは、ステップＳ００７でＹＥＳと判断すると、ＶＶＴ機構１１０の油圧を制御して、内燃機関１００の排気カムシャフト（図示せず）を進角側とは逆側に回転させて、ＶＶＴ機構１１０は、排気バルブ１０８の開タイミングを基準位置に戻す（ステップＳ００９）。その後、ＣＰＵはステップＳ００１に戻る。ここで、基準位置に戻された後、下死点または下死点直前の位置にピストン１１２の頂部が達した時に、排気バルブ１０８が開けられる。

なお、本説明では、ステップＳ００９により、排気バルブ１０８の開タイミングが基準位置に戻される。この処理は、各後処理装置２０４の昇温制御の終了を意味する。従って、ステップＳ００９の終了後、ＶＶＴ機構１１０は、通常の目的で（効率的な吸排気のために）排気バルブ１０８の開閉タイミングを進角させたり遅角させたりする。

＜３．車速、排ガスの温度および開タイミングの関係（昇温システム１の作用・効果）＞
第２欄で説明した処理により、ＥＣＵ３００は、図３に示すように、車両が一時停止している間に、排気系２００内の排ガス温度が基準温度を下回ると、内燃機関１００の動作を再開させると共に、必要に応じて、尿素水添加弁２１２から尿素水の添加を開始する。さらに、ＥＣＵ３００は、排気バルブ１０８の開タイミングを進角させる。これにより、燃焼室１０２内の排ガスは、膨張しきった状態（即ち、相対的に低温低圧の状態）で排気バルブ１０８から排気流路２０２に送り出されるのでは無く、ある程度圧縮された状態（即ち、相対的に高温高圧の状態）で排気流路２０２に送り出される。このような高温の排ガスが各後処理装置２０４に供給されるため、排気バルブ１０８を開いた後暫くすると、各後処理装置２０４（即ち、触媒）が昇温し始める。上記のような排気バルブ１０８の開タイミングは、車両が再発進するまで維持されるので、車両の再発進時、各後処理装置２０４（即ち、触媒）の温度は十分に昇温している。このように、本昇温システム１によれば、停車中にも触媒の温度を昇温可能となる。

＜４．燃費について（昇温システム１の作用・効果）＞
本昇温システム１では、停車中に燃料が消費されることになる。しかし、発車時点で各後処理装置２０４が適切に昇温されているため、車両の再発進後すぐに、後処理装置２０４の一つであるＳＣＲ触媒２１０は排ガス中のＮＯｘを浄化することが出来る。従って、本昇温システム１は、車両の走行再開後、燃費の良い時間を多く確保でき、燃費向上が見込めるという作用・効果を奏することが出来る。

＜５．昇温システム１の作用・効果（その他）＞
また、本昇温システム１では、排気流路２０２が断熱材２１４で覆われたり、各後処理装置２０４が内燃機関１００に近接配置されたりするため、排ガスの温度低下を抑制することが出来る。これらによっても燃費向上が見込める。

また、本昇温システム１では、基準温度は、ＤＦＰ２０８の自己再生温度、酸化触媒２０６の活性温度およびＳＣＲ触媒２１０の活性温度のうち、最も高い温度に基づき設定される。この設定により、発車時には、全ての後処理装置２０４を十分に昇温させることが出来るというより好ましい作用・効果を奏することが出来る。

＜６．付記＞
なお、上記では、車両は停止中、アイドリングストップを行わないとして説明した。しかし、これに限らず、車両は、停止中に、アイドリングストップを行っても構わない。この場合も、本昇温システム１は第３欄乃至第５欄に記載の作用・効果を奏する。なお、この形態の場合、ステップＳ００５でＮＯと判断されると、内燃機関１００の動作が停止するため（アイドリングストップ）、ステップＳ０１７において、内燃機関１００の動作を開始させたうえで、排気バルブ１０８の開タイミングを進角させる必要がある。

また、上記説明において、ＤＦＰ２０８の自己再生温度、酸化触媒２０６およびＳＣＲ触媒２１０の活性温度および基準温度等は、本昇温システム１で用いられる各構成の具体的な仕様に基づき適宜適切に設定されるべきものである。

また、上記では、内燃機関１００はディーゼルエンジンであると説明した。しかし、これに限らず、内燃機関１００はガソリンエンジンでも構わない。

また、上記説明では、ＥＣＵ３００は、温度センサＳｅ２の検出結果に基づき排気系２００内の温度を導出していた。しかし、これに限らず、ＥＣＵ３００は、排気系２００内の温度を周知の手法で間接測定しても良い。他にも、ＥＣＵ３００は、燃料噴射量、エンジン回転数または排気ガス流量等に基づく計算で求めた推定の温度でも良い。

本開示の昇温システムは、停車中にも触媒の温度を昇温可能であり、ディーゼルエンジン等を備えた車両に有用である。

１昇温システム
１００内燃機関
１０８排気バルブ
２００排気系
２０４後処理装置
２１４断熱材
３００ＥＣＵ（制御部）
Ｓｅ２温度センサ

Claims

車両に搭載される、昇温システムであって、
排気バルブを有する内燃機関と、
前記内燃機関からの排ガスを導く排気系と、
前記排気系内に設けられ、前記内燃機関で生じた排ガスを、触媒を用いて処理する後処理装置と、
前記車両が停止中に、前記排気系内の温度が予め定められた基準温度を下回ると、前記排気バルブの開タイミングを進角させる制御部と、を備え、
前記後処理装置は、
酸化触媒、粒子状物質捕集フィルタ、および選択還元型触媒を含み、
前記基準温度は、
前記酸化触媒の活性温度、前記粒子状物質捕集フィルタの自己再生温度、および前記選択還元型触媒の活性温度のうち、最も高い温度に基づき設定される、
昇温システム。
前記制御部は、前記車両が走行を開始すると、前記排気バルブの開タイミングを進角させることを終了する、請求項１に記載の昇温システム。
前記排気系の外周を覆う断熱材をさらに備えた、請求項１に記載の昇温システム。
前記後処理装置は、前記排気系において前記内燃機関に近接配置される、請求項１に記載の昇温システム。
前記後処理装置内、または前記排気系において前記後処理装置の近傍に配置された温度センサをさらに備え、
前記制御部は、前記温度センサの出力信号が示す温度が前記基準温度を下回ると、前記排気バルブの開タイミングを進角させる、請求項１に記載の昇温システム。