JP2016176365A - 内燃機関及び捕集装置の強制再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気管に配置された燃料噴射弁からの燃料漏れを防止して、漏れ出した燃料が結晶化して燃料噴射弁の噴口に詰まることを回避できる内燃機関及び捕集装置の強制再生方法を提供する。
【解決手順】エンジン１０は、燃料噴射弁３２と圧送ポンプ３４との間の燃料供給管３５に介設された開閉弁４０を備え、制御装置３１を、燃料噴射弁３２の噴射開始時刻ｔ２よりも前に開閉弁４０を開いて燃料供給管３５を開放し、燃料噴射弁３２の噴射停止時刻ｔ４よりも前に開閉弁４０を閉じて燃料供給管３５を遮断する制御を行うに構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関及び捕集装置の強制再生方法に関し、より詳細には、内燃機関の排気管に配置された燃料噴射弁からの燃料漏れを防止して、漏れ出した燃料が結晶化して燃料噴射弁の噴口に詰まることを回避できる内燃機関及び捕集装置の強制再生方法に関する。

ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが通過する排気管に配置した捕集装置により、排気ガスに含有されるＰＭ（粒子状物質）を捕集している。この捕集装置は、多孔質のハニカム構造を有しており、排気ガスが多孔質の壁を透過した際に、排気ガスに含有したＰＭがその多孔質の壁に捕集されて堆積する。この多孔質の壁に所定値以上のＰＭが堆積して目詰りすると、排気抵抗が増加する。

そこで、捕集装置を通過する排気ガスの温度を上昇させて、捕集装置に堆積したＰＭを燃焼除去する強制再生制御を行う装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この捕集装置の再生制御における排気ガスの温度を上昇させる手段としては、排気管に配置された燃料噴射弁からの直接噴射により、排気ガスへ未燃燃料を供給して、その未燃燃料を捕集装置の上流に配置された酸化触媒で酸化して発生する熱を利用した手段を例示できる。

しかし、排気管に配置された燃料噴射弁においては、圧送ポンプにより圧力が高くなった燃料が供給されており、燃料を噴射しない場合にも、この燃料圧力により燃料噴射弁の噴口から燃料が漏れ出るという問題が生じている。そして、燃料噴射弁の噴口から漏れ出た燃料が結晶化して噴口が詰まる現象（コーキング現象）により、燃料を噴射できなくなる事態に陥るおそれがある。

特許文献１に記載の装置には、圧送ポンプ（サプライポンプ）と燃料噴射弁との間に開閉弁を介設しており、その開閉弁が燃料を噴射するときに開き、燃料の噴射を停止するときに閉じるように構成されている。

しかし、燃料を噴射しないときに開閉弁を閉じても、開閉弁と燃料噴射弁との間に残留した圧力の高い燃料によって燃料噴射弁内の燃料には圧力が掛かり、燃料噴射弁の噴口から燃料が漏れ出てしまう。

特開２０１０−１０６６８０号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、内燃機関の排気管に配置された燃料噴射弁からの燃料漏れを防止して、漏れ出した燃料が結晶化して燃料噴射弁の噴口に詰まることを回避できる内燃機関及び捕集装置の強制再生方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の内燃機関は、筒内から排出される排気ガスが通過
する排気管に配置された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射される燃料を貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンク及び該燃料噴射弁を接続する燃料供給管と、該燃料噴射弁へ燃料を圧送する圧送ポンプと、該燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備えた内燃機関において、前記燃料噴射弁と前記圧送ポンプとの間の前記燃料供給管に介設された開閉弁を備え、前記制御装置を、前記燃料噴射弁の噴射開始時刻よりも前に前記開閉弁を開いて前記燃料供給管を開放し、前記燃料噴射弁の噴射停止時刻よりも前に前記開閉弁を閉じて前記燃料供給管を遮断する制御を行う構成にしたことを特徴とするものである。

また、上記の課題を解決するための本発明の捕集装置の強制再生方法は、内燃機関の筒内から排出される排気ガスが通過する排気管に配置された燃料噴射弁から燃料を該排気管に噴射し、該燃料噴射弁よりも下流に配置された捕集装置に堆積された粒子状物質を燃焼除去して強制再生する捕集装置の強制再生方法において、強制再生の開始時に、前記燃料噴射弁と、貯蔵タンクから燃料供給管を経由して該燃料噴射弁へ燃料を圧送する圧送ポンプとの間に介設された開閉弁を開いて該燃料供給管を開放し、燃料を該貯蔵タンクから該燃料供給管を経由して該燃料噴射弁に供給するステップと、前記開閉弁を開いた後に、前記燃料噴射弁から燃料を噴射して前記排気管に燃料を供給するステップと、を含み、強制再生の停止時に、前記開閉弁を閉じて前記燃料供給管を遮断して、前記燃料噴射弁への燃料の供給を停止するステップと、前記開閉弁を閉じた後に、前記燃料噴射弁から燃料を噴射して、前記開閉弁と前記燃料噴射弁との間の前記燃料供給管の圧力を抜くステップと、前記燃料供給管の圧力を抜いた後に、前記燃料噴射弁の噴射を停止するステップと、を含むことを特徴とする方法である。

本発明の内燃機関及び捕集装置の強制再生方法によれば、排気管に配置された燃料噴射弁からの燃料の噴射を停止するよりも前に開閉弁を閉じることで、言い換えれば、開閉弁を閉じた後でも燃料噴射弁を開弁している期間を設けることで、開閉弁と燃料噴射弁との間に圧力の高い燃料を残留させることがない、すなわち燃料噴射弁に掛かる圧力をゼロにする、あるいは圧力をゼロに近づけることができるので、残留した燃料の圧力によって燃料噴射弁の噴口から燃料が漏れ出ることを防ぐことができる。これにより、排気管に配置された燃料噴射弁の噴口に漏れ出た燃料が結晶化して噴口が詰まる現象（コーキング現象）を回避できるので、燃料噴射弁から燃料を噴射できない不具合やコーキング現象による燃料噴射弁の交換や整備の頻度を抑制できる。

本発明の内燃機関の第一実施形態を例示する説明図である。 図１の燃料噴射弁の動作、開閉弁の動作、並びに、燃料噴射弁及び開閉弁の間の燃料供給管の圧力の関係を例示する説明図である。 本発明の捕集装置の強制再生方法を例示するフローチャートである。 本発明の内燃機関の第二実施形態を例示する説明図である。

以下、本発明の内燃機関及び捕集装置の強制再生方法について説明する。図１は、本発明のエンジン１０の第一実施形態の構成を例示している。このエンジン１０は、排気管２３に配置された燃料噴射弁３２から排気管２３の内部に直接燃料を噴射して、捕集装置２６の強制再生を行うものである。

このエンジン１０においては、運転中に吸気バルブ１１からピストン１２が往復する筒内１３に吸入された吸入空気と、インジェクタ１４から筒内１３に噴射された燃料とが混合されて燃焼して、排気ガスとなって排気バルブ１５から排気されている。

吸入空気は、外部から吸気管１６へ吸入されて、ターボチャージャ１７のコンプレッサ１８により圧縮されて高温になり、インタークーラー１９で冷却されている。その後に、吸気スロットル２０により流量が調節されて、吸気多岐管２１を経て吸気バルブ１１から筒内１３に吸入されている。

排気ガスは、筒内１３から排気バルブ１５を経由して排気多岐管２２から排気管２３へ排気されて、ターボチャージャ１７のタービン２４を駆動させている。その後に、タービン２４の下流から順に配置された酸化触媒２５及び捕集装置２６、並びに図示しないＳＣＲ触媒で浄化されて大気へと放出されている。また、排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路２７に設けられたＥＧＲクーラー２８で冷却された後に、ＥＧＲバルブ２９により吸気管１６に供給されて吸入空気に混合されている。

排気ガスを浄化していくと捕集装置２６には、粒子状物質（以下、ＰＭという）が堆積し、そのＰＭの堆積量が所定量を超えると排気抵抗が増加してしまう。そこで、このエンジン１０においては、エンジン１０の運転状態に応じて温度の高い排気ガスで自然発生的に捕集装置２６に堆積したＰＭを酸化除去する連続再生と、捕集装置２６を通過する排気ガスの温度を強制的に昇温して捕集装置２６に堆積したＰＭを燃焼除去する強制再生とを行っている。

この連続再生は、エンジン１０の運転状態により排気ガスの温度が２５０度以上になった場合に生じており、酸化触媒２５で生成された二酸化窒素の酸化作用により捕集装置２６に堆積したＰＭが酸化除去されており、特別な制御を必要としない。

また、強制再生においては、差圧センサ３０で検出された差圧ΔＰ１が予め設定された開始判定値Ｐａ以上になったときに、制御装置３１により、排気管２３に配置された燃料噴射弁３２から燃料を噴射する制御が行われて、捕集装置２６を通過する排気ガスの温度を強制的に昇温することで、捕集装置２６に堆積したＰＭが燃焼除去される。

この強制再生では、燃料が、貯蔵タンク３３から圧送ポンプ３４により汲み上げられ、燃料供給管３５を経由して、排気管２３に配置された燃料噴射弁３２から排気管２３に直接噴射され、その未燃燃料が酸化触媒２５で酸化することによって、排気ガスの温度を昇温している。なお、ＰＭの着火温度は６００度と高温であることから、強制再生時に捕集装置２６を通過する排気ガスの温度を６００度以上の高温に昇温している。また、このとき、酸化触媒２５と捕集装置２６との間に介設された温度センサ３６により捕集装置２６の耐熱性の上限値を超えないように排気ガスの温度は気筒内における燃料噴射制御などにより調節されている。

圧送ポンプ３４は、エンジン１０の図示しないクランク軸に連結されてエンジン１０の動力によって駆動しているため、エンジン１０の運転時には常時駆動している。そのため、燃料噴射弁３２には、圧送された燃料の圧力が常時掛かることに起因して燃料噴射弁３２の噴口から燃料が漏れ出て、その漏れ出た燃料が結晶化してしまうと燃料噴射弁３２の噴口が詰まる現象（コーキング現象）が生じるおそれがある。

そこで、本発明のエンジン１０においては、燃料噴射弁３２と圧送ポンプ３４との間の燃料供給管３５に介設された開閉弁４０を備えて構成されると共に、制御装置３１が、燃料噴射弁３２の噴射開始時刻ｔ２よりも前に開閉弁４０を開いて燃料供給管３５を開放し、燃料噴射弁３２の噴射停止時刻ｔ４よりも前に開閉弁４０を閉じて燃料供給管３５を遮断する制御を行うように構成される。

開閉弁４０は、制御装置３１によって通電されると開いて燃料供給管３５を開放し、通
電が停止されると閉じて燃料供給管３５を遮断する電磁弁で構成される。なお、この開閉弁４０は油圧弁で構成してもよい。また、開閉弁４０は、燃料噴射弁３２と圧送ポンプ３４との間の燃料供給管３５に配置されればよい。

制御装置３１は、上記に記載した強制再生における燃料噴射弁３２の噴射を制御する他、筒内１３に噴口が配置されたインジェクタ１４の噴射制御なども行っている制御装置である。なお、開閉弁４０を制御する制御装置を別体の制御装置としてもよい。

図２は、排気管２３に配置された燃料噴射弁３２の動作と、開閉弁４０の動作と、燃料噴射弁３２及び開閉弁４０の間の燃料供給管３５の圧力との関係を示している。

開閉弁４０は、燃料噴射弁３２から燃料が噴射される（オンになる）噴射開始時刻ｔ２よりも前に設定された開弁時刻ｔ１に通電されて開く（オンになる）。

このように、開閉弁４０が噴射開始時刻ｔ２よりも前に設定された開弁時刻ｔ１に開かれると、貯蔵タンク３３から圧送ポンプ３４により汲み上げられた燃料が燃料供給管３５を経由して燃料噴射弁３２に供給され、燃料噴射弁３２及び開閉弁４０の間の燃料供給管３５の圧力を圧力Ｐ１まで上昇する。これにより、燃料噴射弁３２からの燃料噴射を可能にする。従って、開弁時刻ｔ１と噴射開始時刻ｔ２との間の充填時間Δｔ１は、燃料噴射弁３２と開閉弁４０との間の燃料供給管３５に燃料が充填される時間に設定されることが好ましい。

燃料噴射弁３２から燃料を噴射する強制再生により捕集装置２６に堆積したＰＭが燃焼除去された後に、開閉弁４０は、燃料噴射弁３２の燃料噴射が停止される（オフになる）噴射停止時刻ｔ４よりも前に設定された閉弁時刻ｔ３に通電が停止されて閉じる（オフになる）。

このように、開閉弁４０が噴射停止時刻ｔ４よりも前に設定された閉弁時刻ｔ３に閉じると、圧送ポンプ３４により汲み上げられた燃料が開閉弁４０により堰止される。そして、閉弁時刻ｔ３から噴射停止時刻ｔ４までの間の圧力開放時間Δｔ２が経過するまで、燃料噴射弁３２から燃料が噴射されるので、燃料噴射弁３２と開閉弁４０との間の燃料供給管３５に充填されていた燃料の充填量がゼロになることに伴って、燃料供給管３５の圧力が圧力Ｐ１からゼロになる。これにより、燃料噴射弁３２は、燃料噴射が停止された後には燃料の圧力が掛からない状態となる。

従って、閉弁時刻ｔ３から噴射停止時刻ｔ４までの間の圧力開放時間Δｔ２は、開閉弁４０と燃料噴射弁３２との間の燃料供給管３５の圧力がゼロになる時間に設定されることが望ましい。

充填時間Δｔ１及び圧力開放時間Δｔ２は、燃料の噴射時に開閉弁４０から燃料噴射弁３２までの間の燃料供給管３５に充填される燃料の充填量に基づいて設定され、開閉弁４０から燃料噴射弁３２までの間の燃料供給管３５の距離Ｌ１に比例する。そのため、距離Ｌ１が長いほど充填時間Δｔ１及び圧力開放時間Δｔ２は長くなる。なお、充填時間Δｔ１及び圧力開放時間Δｔ２は同等の時間になる場合もある。

次に、このエンジン１０における捕集装置２６の再生方法のうちの強制的に排気ガスの温度を昇温する強制再生方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

この強制再生方法は、強制再生を開始する際に、開閉弁４０を開いて燃料供給管３５を開放し、燃料を燃料噴射弁３２に供給するステップと、開閉弁４０を開いた後に、燃料噴
射弁３２から燃料を噴射するステップと、を含む。そして、強制再生を停止する際に、開閉弁４０を閉じて燃料供給管３５を遮断して、燃料噴射弁３２への燃料の供給を停止するステップと、開閉弁４０を閉じた後に、燃料噴射弁３２から燃料を噴射して、開閉弁４０と燃料噴射弁３２との間の燃料供給管３５の圧力を抜くステップと、燃料供給管３５の圧力を抜いた後に、燃料噴射弁３２の噴射を停止するステップと、を含む方法である。

まず、ステップＳ１０では、制御装置３１が、差圧センサ３０で検出した差圧ΔＰ１が開始判定値Ｐａ以上か否かを判定する。このステップＳ１０で差圧ΔＰ１が開始判定値Ｐａ未満の場合には、捕集装置２６に堆積したＰＭの堆積量は少なく、強制再生を行う必要がないため、この強制再生方法は完了する。一方、ステップＳ１０で差圧ΔＰ１が開始判定値Ｐａ以上の場合には、ステップＳ２０へ進む。

次いで、ステップＳ２０では、制御装置３１が開閉弁４０に通電して、開閉弁４０を開く制御を行う。次いで、ステップＳ３０及びステップＳ４０では、制御装置３１が、開閉弁４０が開いてからの経過時間ｔをカウントして、経過時間ｔが充填時間Δｔ１に達したときにステップＳ５０へ進む。このステップＳ２０〜ステップＳ４０を実施する、すなわち、充填時間Δｔ１だけ燃料噴射弁３２よりも先に開閉弁４０を開くことで、開閉弁４０から燃料噴射弁３２までの燃料供給管３５に燃料を充填する。

次いで、ステップＳ５０では、制御装置３１が燃料噴射弁３２に通電して、燃料噴射弁３２の噴射を開始する制御を行う。このステップＳ５０によって、排気ガスに未燃燃料を供給し、その未燃燃料を酸化触媒２５で酸化することによって、排気ガスの温度を昇温する。そして、その排気ガスの温度を６００度まで昇温して、捕集装置２６に堆積したＰＭを燃焼除去する。

なお、ステップＳ１００で噴射を停止するまでは、燃料噴射弁３２から連続的に燃料を噴射するが、温度センサ３６で検出した温度Ｔ１が上限値Ｔｍａｘを超えるか否かを判定し、温度Ｔ１が上限値Ｔｍａｘを超えるようであれば、燃料噴射弁３２からの燃料の噴射を停止する制御を行うとよい。

次いで、ステップＳ６０では、制御装置３１が差圧センサ３０で検出した差圧ΔＰ２が終了判定値Ｐｂ未満か否かを判定する。このステップＳ６０で差圧ΔＰ２が終了判定値Ｐｂ以上の場合には、ステップＳ５０へと戻り、燃料噴射弁３２からの燃料の噴射を継続する。一方、ステップＳ６０で差圧ΔＰ２が終了判定値Ｐｂ未満の場合には、ステップＳ７０へ進む。

次いで、ステップＳ７０では、制御装置３１が開閉弁４０への通電を停止して、開閉弁４０を閉じる制御を行う。次いで、ステップＳ８０及びステップＳ９０では、制御装置３１が開閉弁４０を閉じてからの経過時間ｔをカウントして、経過時間ｔが圧力開放時間Δｔ２に達したときにステップＳ１００へ進む。

このステップＳ７０〜ステップＳ９０を実施する、すなわち、圧力開放時間Δｔ２だけ燃料噴射弁３２よりも先に開閉弁４０を閉じることで、開閉弁４０で燃料を堰止して、開閉弁４０から燃料噴射弁３２までの燃料供給管３５への燃料の供給を停止すると共に、開閉弁４０から燃料噴射弁３２までの燃料供給管３５に充填された燃料を燃料噴射弁３２から噴射して、開閉弁４０から燃料噴射弁３２までの燃料供給管３５の圧力を抜いて、ゼロにする。

次いで、ステップＳ１００では、制御装置３１が燃料噴射弁３２への通電を停止して、燃料噴射弁３２からの燃料の噴射を停止する制御を行って、この強制再生方法は完了する
。なお、ステップＳ６０で差圧ΔＰ１を判定する代わりに、予め設定された再生時間Δｔ３が経過するまで、燃料噴射弁３２から燃料を噴射する制御としてもよい。この場合には、再生時間Δｔ３に達したときに、ステップＳ１００が行われるように、圧力開放時間Δｔ２を逆算してステップＳ７０を行うようにすることが好ましい。

上記の第一実施形態のエンジン１０及び捕集装置２６の強制再生方法によれば、排気管２３に配置された燃料噴射弁３２からの燃料の噴射を停止するよりも前に開閉弁４０を閉じることで、開閉弁４０と燃料噴射弁３２との間に圧力の高い燃料を残留させることがない、すなわち燃料噴射弁３２に掛かる燃料の圧力をゼロにすることができるので、燃料圧力によって燃料噴射弁３２の噴口から燃料が漏れ出ることを防ぐことができる。

これにより、燃料噴射弁３２の噴口に漏れ出た燃料が結晶化して噴口が詰まる現象（コーキング現象）を回避できるので、燃料噴射弁３２から燃料を噴射できない不具合やコーキング現象による燃料噴射弁３２の交換や整備の頻度を抑制できる。

なお、この第一実施形態のエンジン１０においては、圧力開放時間Δｔ２が、開閉弁４０と燃料噴射弁３２との間の燃料供給管３５の圧力がゼロになる時間に設定された例を説明したが、必ずしも圧力がゼロになる必要はなく、開閉弁４０と燃料噴射弁３２との間の燃料供給管３５の圧力が、燃料噴射弁３２の噴口から燃料が漏れ出ない圧力になればよく、圧力開放時間Δｔ２を、燃料供給管３５の圧力がゼロに近づく時間に設定してもよい。

図４は、本発明のエンジン１０の第二実施形態の構成を例示している。このエンジン１０においては、開閉弁４０が燃料噴射弁３２の近傍の燃料供給管３５に配置されて構成される。この構成によれば、開閉弁４０と燃料噴射弁３２との間の燃料供給管３５の距離Ｌ１を第一実施形態よりも短くして、より圧力開放時間Δｔ２を短縮できる。

１０ エンジン
１３ 筒内
２３ 排気管
２６ 捕集装置
３１ 制御装置
３２ 燃料噴射弁
３３ 貯蔵タンク
３４ 圧送ポンプ
３５ 燃料供給管
４０ 開閉弁
ｔ１ 開弁時刻
ｔ２ 噴射開始時刻
ｔ３ 閉弁時刻
ｔ４ 噴射停止時刻
Δｔ１ 充填時間
Δｔ２ 圧力開放時間

Claims (4)

1. 筒内から排出される排気ガスが通過する排気管に配置された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射される燃料を貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンク及び該燃料噴射弁を接続する燃料供給管と、該燃料噴射弁へ燃料を圧送する圧送ポンプと、該燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備えた内燃機関において、
   前記燃料噴射弁と前記圧送ポンプとの間の前記燃料供給管に介設された開閉弁を備え、
   前記制御装置を、前記燃料噴射弁の噴射開始時刻よりも前に前記開閉弁を開いて前記燃料供給管を開放し、前記燃料噴射弁の噴射停止時刻よりも前に前記開閉弁を閉じて前記燃料供給管を遮断する制御を行う構成にしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記開閉弁を閉じる閉弁時刻から前記噴射停止時刻までの間の圧力開放時間を、前記開閉弁と前記燃料噴射弁との間の前記燃料供給管の燃料圧力がゼロになる時間、又はゼロに近づく時間に設定した請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記開閉弁を、前記燃料噴射弁の近傍の前記燃料供給管に配置した請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 内燃機関の筒内から排出される排気ガスが通過する排気管に配置された燃料噴射弁から燃料を該排気管に噴射し、該燃料噴射弁よりも下流に配置された捕集装置に堆積された粒子状物質を燃焼除去して強制再生する捕集装置の強制再生方法において、
   強制再生の開始時に、前記燃料噴射弁と、貯蔵タンクから燃料供給管を経由して該燃料噴射弁へ燃料を圧送する圧送ポンプとの間に介設された開閉弁を開いて該燃料供給管を開放し、燃料を該貯蔵タンクから該燃料供給管を経由して該燃料噴射弁に供給するステップと、
   前記開閉弁を開いた後に、前記燃料噴射弁から燃料を噴射するステップと、を含み、
   強制再生の停止時に、前記開閉弁を閉じて前記燃料供給管を遮断して、前記燃料噴射弁への燃料の供給を停止するステップと、
   前記開閉弁を閉じた後に、前記燃料噴射弁から燃料を噴射して、前記開閉弁と前記燃料噴射弁との間の前記燃料供給管の圧力を抜くステップと、
   前記燃料供給管の圧力を抜いた後に、前記燃料噴射弁の噴射を停止するステップと、を含むことを特徴とする捕集装置の強制再生方法。