JP5598301B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ポスト燃料噴射を行うようにしたディーゼルエンジンに関するものである。

ディーゼルエンジンにあっては、排気ガス中の粒状物質を捕集するために、排気通路にＤＰＦ（Diesel Particulate Filter＝粒状物質捕集フィルタ）が配設される。大量の粒状物質を捕集したＤＰＦの再生のために、ＤＰＦ上流側の排気通路に酸化触媒が配設されることも一般的に行われている。すなわち、ＤＰＦ再生時には、膨張行程において、主燃料噴射から間隔をあけてポスト燃料噴射を行って、このポスト燃料噴射された燃料が酸化触媒で酸化（燃焼）されることにより発生する高熱を利用して、ＤＰＦの再生が行われる。

一方、ディーゼルエンジンにおいては、Ｒａｗ・ＮＯｘ（気筒内から排出された直後の排気ガス中のＮＯｘ）を抑制するために、排気ガスを吸気通路に還流するＥＧＲを行うことが一般的に行われている。そして、ＥＧＲガス（吸気通路に還流される排気ガス）を吸気通路に還流させるためのＥＧＲ通路にＥＧＲクーラを配設して、このＥＧＲクーラによってＥＧＲガスを冷却して新気充填量の低下を最小限に抑えている。

特許文献１には、ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路を設けて、ＤＰＦ再生のためにポスト燃料噴射を実行するときは、ＥＧＲガスをバイパス通路を通して吸気通路に還流させることが提案されている。すなわち、ポスト燃料噴射を実行したときは、排気ガス中に未燃成分が多量に含まれていて、この未燃成分を多量に含む排気ガスをＥＧＲクーラを通過させたときは、未燃成分がＥＧＲクーラの内壁面に多量に付着して（未燃成分が蒸し焼き状態となってカーボンとして堆積して）冷却効率が悪化したり、極端な場合にはＥＧＲクーラに詰まりを生じてしまうことになる。このため、ポスト燃料噴射の実行時には、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラをバイパスするようにしている。

特開２００６−２３３９４７号公報

特許文献１に記載のように、ポスト燃料噴射を実行するときに、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラをバイパスさせて流すときは、高温のＥＧＲガスがそのまま吸気通路に還流されてしまい、Ｒａｗ・ＮＯｘ抑制の上では好ましい反面、新気充填量が低下してしまうことになる。特に、トルクが要求される中負荷域以上の高負荷域において、新気充填量の低下に伴うトルク低下が問題となる。なお、ポスト燃料噴射の実行時にはＥＧＲを行わないことも考えられるが、この場合はＲａｗ・ＮＯｘが増大してしまうことになる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、ポスト燃料噴射の実行時において、Ｒａｗ・ＮＯｘの抑制と新気充填量の確保とを共に満足できるようにしたディーゼルエンジンを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
エンジンの排気通路に、ＤＰＦ（粒状物質捕集フィルタ）が配設されると共に該ＤＰＦの上流側において酸化触媒が配設され、
前記ＤＰＦの再生時に、膨張行程において、主燃料噴射から間隔をあけて前記酸化触媒で酸化反応させるためのポスト燃料噴射を行うようにした多気筒のディーゼルエンジンにおいて、
ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラが配設され、
前記ＥＧＲクーラ上流側のＥＧＲ通路が、互いに独立した第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路とから構成され、
前記第１ＥＧＲ通路の排気ガス取出し部が一部の気筒となる特定気筒の排気通路に設定されると共に、前記第２ＥＧＲ通路の排気ガス取出し部がその他の気筒の排気通路に設定され、
前記ポスト燃料噴射の実行領域において、前記第１ＥＧＲ通路が開かれると共に、前記第２ＥＧＲ通路が閉じられ、
前記ポスト燃料噴射の実行領域において、前記特定気筒に対する該ポスト燃料噴射量がその他の気筒に対するポスト燃料噴射量よりも少なくされる、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、ポスト燃料噴射の実行時には、特定気筒からの排気ガスがＥＧＲクーラを通して冷却された後に吸気通路に還流されることになり、Ｒａｗ・ＮＯｘが抑制されると共に、新気充填量の確保を図ることができる。また、特定気筒からの排気ガスは、その他の気筒からの排気ガスに比して、ポスト燃料噴射による噴射量が少なくされているので、ＥＧＲクーラの内壁面に多量の未燃成分が付着してしまう事態も防止あるいは抑制することができる。なお、特定気筒の気筒数は１あるいは複数に設定することができ、また特定気筒のポスト燃料噴射の噴射量を０にすることもできる。

以上に加えて、ポスト燃料噴射を実行しないときのＥＧＲを、第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路との両方を通して行うことが可能となり、多量ＥＧＲを行う上で好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路を有し、
中負荷以上の高負荷域における前記ポスト燃料噴射の実行時には、前記バイパス通路を閉じて、前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲが実行される、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、高負荷域において、Ｒａｗ・ＮＯｘを抑制しつつ、大きなトルクを確保することができる。

低負荷域での前記ポスト燃料噴射の実行時には、前記バイパス通路を通してＥＧＲが実行される、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、低負荷域では、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラをバイパスさせることにより、ＥＧＲクーラへの未燃成分の付着をより確実に防止することができる。また、低負荷域では、大きなトルクが要求されないために、ＥＧＲクーラをバイパスさせてもトルク確保の点でなんら問題のないものとなる。

エンジンの暖機促進時には、前記ポスト燃料噴射を実行すると共に、前記バイパス通路を通してＥＧＲが実行される、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、暖機促進のためにポスト燃料噴射を実行するときに、Ｒａｗ・ＮＯｘを抑制しつつ、ＥＧＲクーラへの未燃成分の付着を防止することができる。

本発明によれば、ポスト燃料噴射の実行時において、Ｒａｗ・ＮＯｘの抑制と新気充填量の確保とを共に満足させることができる。

本発明の一実施形態を示す全体系統図。 図１のうちＥＧＲ通路に関連した部分の参考例を詳細に示す簡略平面図。 その他の気筒における燃料噴射態様を示す図。 特定気筒における燃料噴射態様を示す図。 本発明の実施形態を示すもので、図２に対応した簡略平面図。

図１において、１はエンジン（エンジン本体）で、実施形態では直列４気筒の自動車用ディーゼルエンジンとされている。エンジン１は、既知のように、シリンダ２とシリンダヘッド３とピストン４とを有している。ピストン４の上方の形成される燃焼室５に対して、吸気ポート６および排気ポート７が開口されている。吸気ポート６は吸気弁８によって開閉され、排気ポート７は排気弁９によって開閉される。そして、シリンダヘッド３には、燃焼室５に臨ませて、燃料噴射弁１０が取付けられている。なお、実施形態では、コモンレール式の燃料噴射とされて、燃料噴射弁１０からは極めて高圧の燃料が噴射されるようになっている。

吸気ポート６に連なる吸気通路２０には、その上流側から下流側に向けて順次、エアクリーナ２１，第１排気ターボ式過給機２２のコンプレッサホイール２２ａ、第２排気ターボ式過給機２３のコンプレッサホイール２３ａ、インタークーラ２４，スロットル弁２５，サージタンク２６が配設されている。そして、サージタンク２６と各気筒（の吸気ポート６）とが個々独立して、分岐吸気通路２７によって接続されている。

吸気通路２０には、バイパス通路２８が設けられている。このバイパス通路２８は、その上流側端が、コンプレッサホイール２２ａと２３ａとの間の吸気通路２０に開口されている。また、バイパス通路２８の下流側端は、コンプレッサホイール２３ａとインタークーラ２４との間の吸気通路２０に開口されている。そして、バイパス通路２８には、制御弁２９が配設されている。

排気ポート７に連なる排気通路３０には、その上流側から下流側に向けて順次、第２排気ターボ式過給機２３のタービンホイール２３ｂ、第１排気ターボ式過給機２２のタービンホイール２２ｂ、酸化触媒３１，ＤＰＦ３２が接続されている。

排気通路３０は、バイパス通路３３とウエストゲート通路３４とを有する。バイパス通路３３は、その上流側端がタービンホイール２３ｂの上流側において排気通路３０に開口されている。このバイパス通路３３の下流側端は、タービンホイール２２ｂと２３ｂとの間の排気通路３０に開口されている。そして、バイパス通路３３には、制御弁３５が配設されている。

ウエストゲート通路３４は、その上流側端が、タービンホイール２２ｂと２３ｂとの間の排気通路３０に開口されている。このウエストゲート通路３４の下流側端は、タービンホイール２２ｂと酸化触媒３１との間の排気通路３０に開口されている。そして、ウエストゲート通路３４には、ウエストゲートバルブ３６が配設されている。

第１排気ターボ式過給機２２は大型のものとされ、第２排気ターボ式過給機２３は小型のものとされている。低回転、低負荷域では、主として小型の第２排気ターボ式過給機２３による過給が行われ、このときに、制御弁２９、３５は閉じられる。また、高負荷域では主として大型の排気ターボ式過給機２２による過給が行われ、このときは、制御弁２９、３５が開かれる。実施形態では、エンジン回転数とエンジン負荷(例えばアクセル開度）とをパラメータとして設定されたマップに基づいて、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラＵによって、各制御弁２８、３５が制御される。過給圧が所定の上限圧を超えたときは、ウエストゲートバルブ３６が開かれる。なお、主として小型の排気ターボ式過給機２３によって過給する状態から、主として大型の排気ターボ式過給機２２によって過給する状態へと移行する過渡期には、制御弁２９，３５が中間開度とされることもある。なお、このような過給制御そのものは本発明とは直接関係がないので、これ以上の説明は省略する。

吸気通路２０と排気通路３０とは、ＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０の上流側端は、タービンホイール２３ｂの上流側の排気通路３０に開口されている。また、ＥＧＲ通路５０の下流側端は、スロットル弁２５とサージタンク２６の間の吸気通路２０に開口されている。

ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲクーラ５１が接続されると共に、ＥＧＲクーラ５１の上流側においてＥＧＲ弁５２が配設されている。ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲクーラ５１をバイパスするバイパス通路５３が設けられている。このバイパス通路５３は、その上流側端がＥＧＲ弁５２の上流側においてＥＧＲ通路５０に開口され、その下流側端がＥＧＲクーラ５１の下流側においてＥＧＲ通路５０に開口されている。そして、バイパス通路５４には、制御弁５４が配設されている。

次に、図２を参照しつつ、ＥＧＲ通路５０に関連した部分についての参考例を説明し、その後、参考例に対応した本発明の実施形態について図５を参照しつつ説明する。まず、図２において、エンジン１の各気筒が、Ｃ１〜Ｃ４として示される。吸気ポート６，排気ポート７は、１つの気筒についてそれぞれ２個づつ設けられている。このため、排気通路３０の一部を構成する排気マニホールド６０は、各気筒Ｃ１〜Ｃ４毎に個々独立した４つの分岐通路６１Ａ〜６１Ｄを有し、各分岐通路６１Ａ〜６１Ｄはさらに２つに分岐されて２つの排気ポート７に連なっている。そして、各気筒毎に独立した４本の分岐通路６１Ａ〜６１Ｄの下流側は、それぞれ合流部６２で連なって、この合流部６２から下流側へと排気ガスが流れることになる。

ＥＧＲ通路５０の上流側端（つまり排気ガス取出し部）は、排気マニホールド６１のうち、特定気筒としての４番気筒Ｃ４用の分岐通路６１Ｄに開口されている。つまり、各気筒Ｃ１〜Ｃ４のうち、ＥＧＲ通路５０へ導入される排気ガスは、もっぱら４番気筒Ｃ４からの排気ガスとなり、その他の気筒Ｃ１〜Ｃ３からの排気ガスはＥＧＲ通路５０へ殆ど導入されない設定とされている。

ここで、燃料噴射弁１０からの燃料噴射制御は、コントローラＵ（図１参照）によって行われる。ＤＰＦ３２の再生時にはポスト燃料噴射が実行される。すなわち、図３において、圧縮上死点よりも前においてプレ燃料噴射が実行され、このプレ噴射が終了した後で、圧縮上死点付近となった時点から主燃料噴射が実行される。そして、主燃料噴射が終了した後、間隔をあけてポスト燃料噴射が２回に分けて行われる。実施形態では、図３のようなポスト燃料噴射は、特定気筒以外のその他の気筒Ｃ１〜Ｃ３についてのみ行われる。ＤＰＦ再生時であっても、特定気筒としての４弁気筒については、ポスト燃料噴射の噴射量が０とされる。

その他の気筒となるＣ１〜Ｃ３に対するポスト燃料噴射を行うことにより、多量の未燃成分が酸化触媒３１に導入されて、ここで酸化（燃焼）され、酸化触媒３１が高熱を発生することになる。そして、酸化触媒３１の高熱により、ＤＰＦ３２が再生されることになる。

ポスト燃料噴射が行われるＤＰＦ３２の再生時であっても、ＥＧＲ弁５２が開弁されると共に、制御弁５４が閉弁されて、排気ガスがＥＧＲクーラ５１を通って吸気通路２０へ還流される。このとき、特定気筒となる４番気筒Ｃ４にはポスト燃料噴射が行われていないので、ＥＧＲクーラ５１を通過する排気ガスは、未燃成分を殆ど含まないものとなる。これにより、ＥＧＲクーラ５１への未燃成分の付着が防止されることになる。そして、排気ガスがＥＧＲクーラ５１で冷却されて吸気通路へ還流されることにより、新気充填量を増大させることができ、またＲａｗ・ＮＯｘを抑制することができる。

その他の気筒としての１番気筒Ｃ１〜３番気筒Ｃ３に対してポスト燃料噴射を実行する一方、特定気筒としての４番気筒Ｃ４に対してはポスト燃料噴射を実行しない燃料噴射態様は、エンジンの全負荷域で採択することができるが、特に、新気充填量の確保が要求される中負荷以上の高負荷域において採択される。低負荷域でのＤＰＦ再生時には、新気充填量が要求されないので、ＥＧＲクーラ５１をバイパスするバイパス通路５３を通して排気ガスを吸気通路２０へ還流させるようにしてもよい（ＥＧＲ弁５２を閉弁とし、制御弁５４を開弁させる）。低負荷域において、ＥＧＲクーラ５１をバイパスしてＥＧＲを行う場合は、ＥＧＲクーラ５１への未燃成分の付着防止の上で好ましいものとなる。なお。低負荷域の場合は、大きなトルクが要求されないので、高温の排気ガスが吸気通路２０へ還流されても問題のないものである。なお、上記中負荷となるエンジン負荷しきい値の大きさはあらかじめ作成されてコントローラＵに記憶されているが、このしきい値は例えばエンジン回転数をパラメータとして変更することができる（例えば、エンジン回転数が高いほどしきい値を小さくする）。

エンジンの暖機促進のために、ポスト燃料噴射を行うこともできが、の場合は、バイパス通路５３を通して排気ガスを吸気通路へ還流するようにしてある（ＥＧＲ弁５２を閉弁とし、制御弁５４を開弁する）。エンジン暖機時は、大きなトルクが要求されないときなので、このときは、ＥＧＲクーラ５１への未燃成分付着防止のために、排気ガスをＥＧＲクーラ５１を通さないようにするのが好ましいものとなる。

図５は、本発明の実施形態を示すもので、図２に対応したものである。本実施形態では、特定気筒として、３番気筒Ｃ３と４番気筒Ｃ４としてある（１番気筒Ｃ１と２番気筒Ｃ２とがその他の気筒となる）。具体的には、排気マニホールド６０Ｂ（図２の６０に対応）は、２つの中間合流部６２，６３と、この中間合流部６２と６３とが合流される１つの最終合流部６４を有する。中間合流部６２は、１番気筒Ｃ１用の分岐通路６１Ａと２番気筒Ｃ２用の分岐通路６１Ｂとの合流部とされる。また、中間合流部６３は、３番気筒Ｃ３用の分岐通路６１Ｃと４番気筒Ｃ４用の分岐通路６１Ｄとの合流部とされる。

ＥＧＲクーラ５１への排気ガス導入経路として、第１ＥＧＲ通路７１と第２ＥＧＲ通路７２とが設けられてる。第１ＥＧＲ通路７１は、特定気筒用の中間合流部６３に開口されている。また、第２ＥＧＲ通路７２は、その他の気筒用の中間合流部６２に開口されている。そして、第１２ＥＧＲ通路７１には制御弁（ＥＧＲ弁）７３が配設され、第２ＥＧＲ通路７２には第２制御弁（ＥＧＲ弁）７４が配設されている。なお、バイパス通路５３の上流側は、各ＥＧＲ通路７１，７２に接続されている。

図５の実施形態においても、ＤＰＦ３２の再生のためのポスト燃料噴射は、その他の気筒となる１番気筒Ｃ１と２番気筒Ｃ２のみに対して行われて、特定気筒としての３番気筒Ｃ３、４番気筒Ｃ４に対しては実行されない。ＤＰＦ３２の再生時には、制御弁５４、７４が閉じられる一方、制御弁７３，ＥＧＲ弁５２が開弁されて、特定気筒としての３番気筒Ｃ３、４番気筒Ｃ４からの排気ガスがＥＧＲクーラ５１を通って吸気通路２０は還流される。なお、低負荷域やエンジンの暖機促進時においてポスト燃料噴射を行うときは、排気ガスはバイパス通路５３を通して吸気通路２０へ還流される（制御弁５４が開弁で、制御弁７３、７４が閉弁）。

ポスト燃料噴射を実行しないとき、特に高負荷域では、両制御弁７３、７４が開弁されて（ＥＧＲ弁５２も開弁される）、全気筒Ｃ１〜Ｃ４からの多量の排気ガスを吸気通路２０に還流させることができる（いわゆるヘビーＥＧＲが可能となる）。勿論、全気筒Ｃ１〜Ｃ４からの排気ガスを、バイパス通路５３を通して吸気通路２０に還流させることも可能である。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジンの気筒数は、多気筒（複数気筒）であれば、例えば６気筒等、適宜の気筒数とすることができる。特定気筒の数は、全気筒数よりも少ない数であれば、適宜の数を選択することができる。特定気筒に対するポスト燃料噴射の噴射量は、０にすることなく、その他の気筒に比して減量したものであってもよい。排気ターボ式過給機は、１つであってもよく、あるいは排気ターボ式過給機を有しないものであってもよい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、例えば自動車用ディーゼルエンジンに適用して好適である。

１：エンジン
５：燃焼室
６：吸気ポート
７：排気ポート
１０：燃料噴射弁
２０：吸気通路
３０：排気通路
３１：酸化触媒
３２：ＤＰＦ
５０：ＥＧＲ通路
５１：ＥＧＲクーラ
５２：ＥＧＲ弁
５３：バイパス通路
５４：制御弁
６０：排気マニホールド（図２）
６０Ｂ：排気マニホールド（図５）
６１Ａ〜６１Ｄ：分岐排気通路
７１：第１ＥＧＲ通路
７２：第２ＥＧＲ通路
７３，７４：制御弁
Ｃ１〜Ｃ４：気筒
Ｃ１〜Ｃ３：気筒（その他の気筒−図２）
Ｃ４：気筒（特定気筒−図２）
Ｃ１、Ｃ２：気筒（その他の気筒−図５）
Ｃ３，Ｃ４：気筒（特定気筒−図５）

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に、ＤＰＦ（粒状物質捕集フィルタ）が配設されると共に該ＤＰＦの上流側において酸化触媒が配設され、
   前記ＤＰＦの再生時に、膨張行程において、主燃料噴射から間隔をあけて前記酸化触媒で酸化反応させるためのポスト燃料噴射を行うようにした多気筒のディーゼルエンジンにおいて、
   ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラが配設され、
   前記ＥＧＲクーラ上流側のＥＧＲ通路が、互いに独立した第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路とから構成され、
   前記第１ＥＧＲ通路の排気ガス取出し部が一部の気筒となる特定気筒の排気通路に設定されると共に、前記第２ＥＧＲ通路の排気ガス取出し部がその他の気筒の排気通路に設定され、
   前記ポスト燃料噴射の実行領域において、前記第１ＥＧＲ通路が開かれると共に、前記第２ＥＧＲ通路が閉じられ、
   前記ポスト燃料噴射の実行領域において、前記特定気筒に対する該ポスト燃料噴射量がその他の気筒に対するポスト燃料噴射量よりも少なくされる、
   ことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 請求項１において、
   前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路を有し、
   中負荷以上の高負荷域における前記ポスト燃料噴射の実行時には、前記バイパス通路を閉じて、前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲが実行される、
   ことを特徴とするディーゼルエンジン。
3. 請求項２において、
   低負荷域での前記ポスト燃料噴射の実行時には、前記バイパス通路を通してＥＧＲが実行される、ことを特徴とするディーゼルエンジン。
4. 請求項２または請求項３において、
   エンジンの暖機促進時には、前記ポスト燃料噴射を実行すると共に、前記バイパス通路を通してＥＧＲが実行される、ことを特徴とするディーゼルエンジン。
   

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