JP2007529678A - Exhaust filter regeneration process, method and apparatus - Google Patents
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Abstract
フィルタ(20)内で発熱反応を起発させて吸着粒子状物質を焼尽させることによってフィルタ(20)が再生される排気フィルタ再生過程が説明される。適切な再生温度を達成するため、燃料が排気流中に噴射され、触媒コンバータ(18)と接触して酸化される。制御過程は、エンジンデューティサイクルに依存しないフレキシブルな制御過程を与えるため、排気流温度に依存する燃料噴射の計量を含む。 An exhaust filter regeneration process in which the filter (20) is regenerated by initiating an exothermic reaction in the filter (20) to burn out the adsorbed particulate matter will be described. To achieve the proper regeneration temperature, fuel is injected into the exhaust stream and oxidized in contact with the catalytic converter (18). The control process includes fuel injection metering that depends on the exhaust stream temperature to provide a flexible control process that is independent of the engine duty cycle.
Description
本発明は、例えばディーゼルエンジンの排気流に用いるための、排気フィルタ再生過程、方法及び装置に関する。 The present invention relates to an exhaust filter regeneration process, method and apparatus for use, for example, in the exhaust flow of a diesel engine.
上記のような排気フィルタは排気システムで生成される、一酸化炭素、炭化水素及びNOX汚染物質及び粒子状物質の除去に用いられる。 Such exhaust filters are used to remove carbon monoxide, hydrocarbons and NOx contaminants and particulates produced in the exhaust system.
既知のシステムにおいて、煤塵の除去は通常、フィルタの使用によって最も効果的に達成される。CRT(連続再生トラップ)などの再生型トラップは、フィルタのハニカム構造体の多孔質壁体内に煤塵粒子を集める、ディーゼル粒子フィルタ(DPF)と称されることが多いセラミックまたは炭化ケイ素のフィルタ内に煤塵粒子を保持するという原理にしたがって作用する。フィルタ表面内でのそのような煤塵の蓄積はフィルタの背圧を高め、したがってフィルタの再生が必要になる。 In known systems, dust removal is usually most effectively achieved by the use of filters. Regenerative traps such as CRT (Continuous Regeneration Trap) are found in ceramic or silicon carbide filters, often referred to as diesel particulate filters (DPF), that collect dust particles in the porous walls of the filter honeycomb structure. It works according to the principle of retaining dust particles. Such accumulation of soot within the filter surface increases the back pressure of the filter, thus necessitating regeneration of the filter.
再生は排気温度が、その温度では排気ガス流の成分が煤塵と反応して、発熱反応を生じさせる約600℃以上に達したときに達成され、この発熱反応により、煤塵が酸化され、燃尽されることからトラップ温度が高まる。触媒が存在すると再生はより低い温度でおこる。 Regeneration is achieved when the exhaust temperature reaches about 600 ° C, at which temperature, the components of the exhaust gas stream react with soot and cause an exothermic reaction. The exothermic reaction oxidizes soot and burns out. As a result, the trap temperature increases. In the presence of a catalyst, regeneration occurs at a lower temperature.
排気ガス及びフィルタの温度は再生プロセスにとって重大であり、技術にともなう様々な問題を生じさせる。例えば、自主再生を可能にする排気ガス温度を達成することができないエンジンデューティサイクルがある。 Exhaust gas and filter temperatures are critical to the regeneration process and cause various problems with the technology. For example, there are engine duty cycles that cannot achieve exhaust gas temperatures that allow for self-regeneration.
フィルタの上流の排気ガスと反応してNO2が増えた雰囲気を生成する触媒成分をフィルタの上流に導入することにより再生温度を低めることが知られている。これは再生焼尽プロセスを促進して、再生温度を約380℃まで下げることを可能にする。しかし、エンジンデューティサイクルによっては排気流温度が380℃の再生目標温度を決してこえず、したがって再生を補助するための別の手法が必要とされる場合がある。 It is known to reduce the regeneration temperature by introducing a catalyst component that reacts with the exhaust gas upstream of the filter to generate an atmosphere with increased NO 2 upstream of the filter. This facilitates the regeneration burnout process and allows the regeneration temperature to be reduced to about 380 ° C. However, depending on the engine duty cycle, the exhaust flow temperature may never exceed the regeneration target temperature of 380 ° C., so another approach to assist regeneration may be required.
これに対する既知の解決策の1つは非特許文献1に説明され、非特許文献1では、排気ガスが粒子トラップに入る前にトラップ温度を高めるために対流区画及びこれに続く放熱区画を有する加熱モジュールを流過する。あるいは、接近温度を高めて再生を可能にするためにフィルタに補助的な局所加熱を与えるか、または燃料起源触媒に依存することが知られている。補助加熱には、車両搭載電力システムへのより複雑な連結が必要となり、このシステムは追加の負荷を処理するのに十分な大きさにつくられない場合もあるであろうし、費用及び保守の困難さも高めるから、欠点がある。他方で、燃料起源触媒では同じ結果が得られるが、この再生プロセス中につくられる別の放出物に関して懸念が強まっている。 One known solution to this is described in Non-Patent Document 1, where heating with a convection section and a subsequent heat-dissipation section to raise the trap temperature before the exhaust gas enters the particle trap. Run through the module. Alternatively, it is known to provide auxiliary local heating to the filter to increase the approach temperature and allow regeneration, or to rely on fuel-derived catalysts. Auxiliary heating requires a more complex connection to the onboard power system, which may not be made large enough to handle the additional load, and is costly and difficult to maintain It also has a drawback because it increases. On the other hand, the same results can be obtained with fuel-derived catalysts, but concerns are growing about other emissions produced during this regeneration process.
また別の既知の解決策が非特許文献2に説明されている。非特許文献2によれば、排気流内に燃料を噴射して触媒の再生成を可能にすることができる。しかし、燃料噴射レートが高すぎると、燃料が反応せずに触媒コンバータをすり抜けて白煙のような望ましくない放出物がつくられるであろう。 Another known solution is described in Non-Patent Document 2. According to Non-Patent Document 2, it is possible to regenerate the catalyst by injecting fuel into the exhaust stream. However, if the fuel injection rate is too high, the fuel will not react and will slip through the catalytic converter and create undesirable emissions such as white smoke.
既知のシステムではさらに問題がおこり得る。再生過程が温度に、したがって車両のタイプ及び用法、例えば車両のデューティサイクルに強く依存する。したがって、排気ガスにより、実際にフィルタを確実に再生するための排気ガスの温度プロファイルモデルをつくるためにエンジンのデューティサイクルを理解してからでなければ、煤塵フィルタリングシステムを適用することはできない。これは、例えば、バス用途において、バスは正しい再生温度に達することがわかっている車両専用道路ルート上で蓄積される温度トレンドを有することができるが、バスは続いて排気温度が再生には不十分な市内ルートに割り当てられ得るから、さらに問題が加わる。特に、触媒コンバータにかかる最善の温度はアイドリング期間が後続する高エンジン負荷期間後に達成され得る。そのような条件下においては、排気成分が既に高温であり、燃料の酸化に利用できる酸素がある。しかし、アイドリング期間が長くなり、エンジンが冷却しはじめると、触媒コンバータの前部の温度を維持することはさらに困難である。特に、低デューティサイクル動作のような、エンジンが冷えた条件の下では、燃料を蒸気化するための熱が触媒コンバータの前部からとられる。蒸気化された燃料はさらに触媒コンバータに進入し、そこで酸化される。得られた熱は触媒コンバータの前部に伝導され、さらに燃料を蒸気化するために用いられる。しかし、噴射される燃料が多すぎると、触媒コンバータの前部が急冷されて温度上昇の瓦解に至るから、問題が生じる。
車両の排気フィルタにおいて汎用性の高いフィルタ再生制手段を提供する。 Provided is a highly versatile filter regeneration control means for an exhaust filter of a vehicle.
本発明は特許請求の範囲に述べられる。 The invention is set out in the claims.
結果として、複数の用法及びデューティサイクルに適用可能な制御方式の実施が本発明により可能になる。 As a result, the present invention allows implementation of a control scheme applicable to multiple usages and duty cycles.
本発明の実施形態を、例として、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described by way of example with reference to the drawings.
概略的に、図1を参照すれば、図1は本発明にしたがうシステムを組み込んでいるエンジンの主要コンポーネントをブロック図で示す。吸気マニホールド10からエンジン12に空気が供給され、エンジン12から排気マニホールド14に排気が供給されることがわかるであろう。排気流は次いで排気コンジット16aを通過し、CO及びHCを低減するための触媒コンバータ18に向かう。CO及びHCが低減された排気流は次いで排気コンジット16bを通過してディーゼル粒子フィルタ(DPF)に向かい、そこで煤塵のような粒子状物質が排気流から除去され、排気流は排気コンジット16cを通過する。
Referring generally to FIG. 1, FIG. 1 illustrates in block diagram the major components of an engine incorporating a system according to the present invention. It will be appreciated that air is supplied from the
排気マニホールド14に近接して燃料インジェクタ22が排気コンジット16aに取り付けられる。あるいは、燃料インジェクタ22を排気マニホールド14に直接取り付けて、最高排気流温度を活用することができる。燃料インジェクタ22によって排気流内に計量供給された燃料は触媒コンバータ18によって酸化され、よって熱を供給する。この熱は以降の酸素との燃焼を可能にするに適切なレベルまでのDPF20の温度上昇を補助する。以下でさらに詳細に論じるように、必要なほぼ550℃まで、但しさらに好ましくは650〜700℃も温度までのかなりの温度上昇がこの手法によって得られる。この範囲より高い温度には、触媒コンバータを損傷する効果があり得る。
A
本システムは、以下でさらに詳細に説明するように、燃料インジェクタ22を制御し、またセンサ26,28,30,32,34,36,38及び40から信号を受け取る、エンジン制御ユニット(ECU)24とは独立させることができ、あるいはECU24の一部とすることができる再生コントローラをさらに備える。検知される信号に基づき、ECU24はDPF20の所望の再生レベルを得るために燃料インジェクタ22によって燃料噴射方式を実施する。特に、検知される信号は燃料インジェクタのオンオフの切換え、したがって再生の開始及び停止をいつ行うかを決定するために用いられる。燃料噴射開始は、DPFの吸着粒子状物質量が所定の吸着粒子状物質量をこえたことが検出され、触媒コンバータ18における噴射された燃料との触媒反応の開始に適する温度条件が検出されたときに起発される。同様に、吸着粒子状物質量が所定の閾値以下に低下したことが検出されるかまたは再生を支援するには不十分な温度条件が検出されたときに燃料噴射は停止される。吸着粒子状物質量はDPF20にかかる圧力降下及びエンジンを通る質量流量及び触媒コンバータ18において検出される温度の関数として決定される。ECU24は、適切な再生レベルが確実に達成されるようにするために、燃料インジェクタ22を介して燃料噴射過程も制御する。特に、燃料噴射は、過剰に噴射された燃料から生じる未燃焼燃料が触媒コンバータをすり抜けて白煙の形態の望ましくない放出物を生じることを回避するために、触媒コンバータ18の温度の関数として制御される。
The system controls the
本手法の結果として、オペレータの関与を全く必要としないオンボードコンポーネントによって完全に制御され、車両のいかなるデューティサイクル動作に対しても達成され得る、再生方法が提供される。特に、本再生方法は、高圧燃料噴射方式により煤塵が焼尽されて触媒コンバータ18の下流で高められた排気ガス温度を確実に与えるためにシステム動作温度を約550℃まで人為的に高めることによって達成される。以下でさらに詳細に説明するように、燃料はエンジンの動作条件に依存して高圧(100バール(107Pa))または低圧(2バール(2×105Pa))で噴射することができる。
As a result of this approach, a regeneration method is provided that is fully controlled by on-board components that do not require any operator involvement and can be achieved for any duty cycle operation of the vehicle. In particular, this regeneration method is accomplished by artificially raising the system operating temperature to about 550 ° C. to ensure that exhaust gas is burned out by the high pressure fuel injection system and that the exhaust gas temperature is increased downstream of the
特定の構成及び方式はさらなる最適化とともに以下で論じられる。 Specific configurations and schemes are discussed below along with further optimization.
図1をさらに詳細に参照すれば、触媒コンバータ18は、CO及びHCを95%までは低減することがわかっている、鉱物薄め塗膜をもつコージェライト金属または炭化ケイ素材料の高白金添加金属触媒を有する。DPF20は、粒子状物質を95%低減し、目に見える黒煙をほとんど除去することがわかっている炭化ケイ素フィルタである。センサには吸入マニホールド10に備えられた吸入マニホールド絶対圧力(IMPA)センサ26及び吸入マニホールド絶対温度(IMTA)センサ28がある。エンジン12に、あるいはシリンダポートが開くたびに変動し、したがってエンジン速度を表す、シリンダ吸入マニホールド圧力変化を測定するために吸入マニホールドに、エンジン速度(ES)センサ30が備えられる。エンジン排気マニホールド14に入る排気ガスの温度(T1)を検知するために温度センサ31が燃料インジェクタ22の前に備えられ、別の温度(TCI)センサ32が触媒コンバータの吸入面に備えられる。センサ34は触媒コンバータ18の排出面におけるガスの温度(TCO)を検知する。センサ36はDPF20への吸気口における圧力を検知し、大気圧(すなわちDPF排出口の圧力)に対する、DPFにかかる圧力降下(PDPF)の測定を可能にする。センサ40はDPF20をでるガスの温度(TDO)を検知する。センサは温度が検知されるそれぞれのコンポーネントの本体に延び込む細長いプローブを有する。センサは、センサの軸方向位置を正確に決定できるように、コンポーネントに径方向に延び込む。このことは、例えば、コンポーネントのそれぞれの軸方向端における温度を得ることが必要な場合に、重要である。
Referring to FIG. 1 in more detail, the
本構成及び特定のセンサの値が本発明の制御方式の実施に用いられる態様は、図2を参照してさらに深く理解することができる。 The manner in which this configuration and the value of a particular sensor are used to implement the control scheme of the present invention can be better understood with reference to FIG.
ブロック200において、ECUはDPF20の吸着粒子状物質量F負荷が所定の閾値を超えているか否かを監視する。F負荷の値は式1:
から求めることができる。ここでcは、システムの開発中に設定するかあるいはルックアップテーブルから得ることができる定数である。 Can be obtained from Where c is a constant that can be set during system development or obtained from a lookup table.
式1は、フィルタにかかる圧力降下PDPF、質量流量及び吸着粒子状物質量の間の関係を表す。PDPFは炭素がフィルタに吸着されるにつれて、炭素を除去するためにフィルタの再生を行う必要が生じるまで、高くなる。しかし、PDPFはフィルタを通るガスの質量流量にも比例するから、排気質量流量に対してPDPFを規格化する必要がある。 Equation 1 represents the relationship between the pressure drop P DPF across the filter, the mass flow rate and the amount of adsorbed particulate matter. The P DPF becomes higher as the carbon is adsorbed on the filter until the filter needs to be regenerated to remove the carbon. However, since P DPF is proportional to the mass flow rate of the gas passing through the filter, it is necessary to normalize P DPF with respect to the exhaust mass flow rate.
排気質量流量はエンジンストローク毎に取り込まれる空気の量で決定され、これは吸入マニホールドにおける空気の温度(IMTA)及びその絶対圧力(IMPA)並びにエンジン速度(ES)で決定される。取り込まれる空気の量はIMTAが高くなるとそれに比例して低下し、IMPA及びESが高くなるとそれに比例して増大するであろう。このことが上式1に表されている。再生を起発するためにF負荷がこえなければならない閾値は、フィルタの可能吸着粒子状物質量の総量またはフィルタの可能吸着粒子状物質量の一部を表すことができ、制御ソフトウエアに定数として格納するかあるいは開発または設置中に設定することができる。 The exhaust mass flow is determined by the amount of air taken in each engine stroke, which is determined by the temperature of the air in the intake manifold (IM TA ) and its absolute pressure (IM PA ) and the engine speed (ES). The amount of air taken in will decrease proportionally as IM TA increases, and increase proportionally as IM PA and ES increase. This is expressed in Equation 1 above. The threshold that the F load must exceed in order to initiate regeneration can represent the total amount of adsorbable particulate matter in the filter or a portion of the amount of adsorbable particulate matter in the filter, as a constant in the control software. Can be stored or set during development or installation.
F負荷を監視できる別の態様が可能であることは理解されるであろう。例えば、有意なトレンドを識別するためにPDPFのピーク値を監視することができる。例えば、ピーク値が概ね増大していけば、これを吸着粒子状物質量閾値に達している結果として識別することができる。そのような認識を可能にする適切な挙動を設定することができる。この場合、エンジンシリンダの排気弁の開閉の結果生じるPDPFの短期変動は、最大値だけが求められるから、無視することができる。断続する最大値の間で内挿を行うことによって最大値曲線をつくることができる。この結果、エンジン速度を参照せずに吸着粒子状物質量を決定することができる。 It will be appreciated that other ways in which the F load can be monitored are possible. For example, the peak value of PDPF can be monitored to identify significant trends. For example, if the peak value increases substantially, it can be identified as a result of reaching the adsorbed particulate matter amount threshold. Appropriate behavior that allows such recognition can be set. In this case, the short-term fluctuation of the PDPF resulting from the opening and closing of the exhaust valve of the engine cylinder can be ignored because only the maximum value is obtained. A maximum value curve can be created by interpolating between intermittent maximum values. As a result, the amount of adsorbed particulate matter can be determined without referring to the engine speed.
ブロック202において、ECU24はさらに排気流に噴射された燃料の燃焼がおこるのに適する温度に触媒コンバータ18があるか否かを判定する。特に、触媒コンバータはほぼ230℃以上の高温において燃料の酸化を促進するだけであろうから、システムは吸気温度TCI及び排気温度TCOのいずれもが閾温度をこえていることをチェックする。吸着粒子状物質量及び触媒コンバータ温度のいずれもがそれぞれの閾値を超えていれば、ブロック204において、ECUは燃料噴射過程を開始する。システムは次いで再生プロセスを停止させることになるであろう起発事象を監視する。ブロック206において、システムは、上式1で与えられるようなF負荷が吸着粒子状物質量の適切な減少を表すより低い閾値以下に落ちるかどうかを監視する。F負荷が閾値以下に落ちれば、ブロック208において、燃料噴射が停止される。システムはさらにブロック210において、燃料噴射が起発されないことの結果として噴射燃料の燃焼がもはやおこらないであろうような、触媒コンバータ18の温度の低下を監視する。特に、システムはTCI及びTCOを監視して、ブロック202における燃料噴射を起発するためと同じ230℃閾値とすることがこの場合はできる、より低い温度閾値以下にTCI及びTCOが下がったか否かを確認する。下がれば、ブロック212において同じく燃料噴射が停止される。燃料噴射停止の結果として、必要な温度上昇は達成され得ない。燃料噴射後に触媒コンバータが高温になってしまえば、TCIが下がったとしても所要のTCOを維持することが可能であり、よって望ましくは単にTCOを監視してTCOが閾値以下に下がったか否かを確認するだけでよいことに注意されたい。あるいは、触媒コンバータ内の温度経過の正確な反映を与える、触媒コンバータにわたる温度差に依存して燃料噴射過程が変わり得ることがわかるであろう。
In
触媒コンバータの温度低下は様々な理由で、例えば車両のデューティサイクルのために、おこり得る。特定の例の1つは、車両のエンジン負荷が低下した場合の排気温度の低下であろう。さらに、触媒コンバータ温度が損傷閾値を超えたときを識別するために温度TCOを監視することができる。 Catalytic converter temperature drops can occur for a variety of reasons, for example, due to vehicle duty cycles. One particular example would be a reduction in exhaust temperature when the vehicle engine load is reduced. In addition, the temperature TCO can be monitored to identify when the catalytic converter temperature exceeds the damage threshold.
代替手法として、(以下でさらに詳細に論じるように)システムが燃料噴射によって達成しようとするTCO設定温度からのTCOの、例えば10秒より長い時間にわたる30℃より大きい、偏差が生じた場合に再生を停止することができる。 As an alternative, the T CO from T CO set temperature to be achieved by the system fuel injection (as further discussed in detail below), when, for example, a long time over a larger 30 ° C. than 10 seconds, the deviation occurs You can stop playback.
ブロック214において、システムはさらに、タイムアウト条件が成立したか否かを確認するための監視を行う。したがって、ブロック204における再生プロセスの開始時にタイマーが始動され、タイマーが閾値、例えば5分をこえると、ブロック216において燃料噴射が同じく停止される。
In
システムはさらに、ブロック218において、DPF20の温度TDOを監視して、TDOが自己維持閾値を超えているか否かを確認する。再生が起発されると、DPFの温度の急激な上昇が起発され、そのような高いTDOは再生が開始されていて燃料噴射を停止できることを示す。再生は自己維持発熱反応であるから、以降の燃料噴射は必要ではないが、再生を維持するのに必要な燃料噴射レベル、例えば再生を開始するのに必要なレベルよりは低いが排気流温度を所望のレベルに維持するのには十分なレベルの導入が望ましいことであろう。
The system further, at
システムはさらに、ブロック222において、DPF20の温度TDOを監視して、TDOが安全動作閾値、例えば1000℃をこえているか否かを確認する。TDOがこの動作閾値を超えていれば、燃料噴射及び/または再生が停止され、ブロック224において警告状態が示される。
The system further at
ブロック204における燃料噴射過程は、最適な効率及び放出物低減を達成するように制御されることが好ましいことは理解されるであろう。特に、加えられる燃料が多すぎると、燃料が酸化されずに触媒コンバータ18をただ通過して白煙を生じること及び、触媒コンバータへの冷却効果も有し、その温度を下げることがわかっている。例えば、230℃の開始温度において加えられるべき燃料は少量に過ぎないが、温度が上昇するにつれて高燃料噴射レートが許容され得る。表1及び図3を参照すれば、適切な制御方式をさらに見ることができる。
ブロック300において、燃料噴射過程の開始にあたり、TCO設定温度が測定値(230℃に達する)として設定される。表1に対応するルックアップテーブルから、上記TCO設定温度に対応するランプレートを1℃/秒と求めることができる。この結果、燃料噴射はこのレートでのTCO上昇を与えるように制御される。これは、例えば燃料噴射の量または頻度を変えることによって、行うことができる。インジェクタが20ミリ秒毎に短時間オンに切り換えられる場合、インジェクタがオンのままでいる時間は排気に入る燃料の所要量を満たすように変えることができる。この時間は、例えばシステムの開発時に決定された別のルックアップテーブルから決定することができ、あるいは、結果として燃料噴射の計量供給が所望の値に温度レートを収束させるように迅速に調整されることになろうPID(比例/積分/微分)制御アルゴリズムのようなフィードバック手法を用いて決定することができる。エンジン速度及び負荷が高い状況に対しては燃料噴射量を減少させ、よって望ましくない燃料通過を防止することができる。したがって、表1の数値はエンジン速度及び/または負荷によって別の値に変わり得る。
At
システムはTCOを測定し続け、ブロック302において、測定されたTCOが次の設定温度(表1からまず第1に270℃)に達したか否かを確認する。達していれば、ブロック304においてTCO設定温度が次の設定温度(すなわち270℃)に設定され、それに応じて設定温度ランプレートが決定される。図示される例において、設定温度ランプレートは2℃/秒に高められ、それに応じて燃料噴射過程はこれを達成するように計量される。この結果、ランプレートは初めは緩やかであるが、触媒コンバータ温度が上がり、より多くの燃料が酸化されるようになるにつれて、高くなる。ブロック302において、システムは燃料噴射がランプレートにしたがって計量されている時間が、表1に示されているような、また次の設定温度に達するにかかると推定される時間または若干それより長い時間に設定される、各設定温度値に対して個別に決定することができるタイムアウト時間をこえないことを保証するためのチェックも行う。タイムアウト時間をこえれば、所望の温度ランプレート増大が再生を開始するために持続され得ないので、再生は打ち切られる。
The system continues to measure T CO, at
その温度で再生が起発されるべき上限温度レベル、例えば550℃にTCOが達するまで上記プロセスが反復される。オーバーシュートが回避され、未燃焼燃料による白煙発生のリスクが確実に低減されるようにするために、TCOが上限に近づくにつれて設定温度ランプレートが再び下げられていることが見られるであろう。TCO設定温度が550℃に達すると、設定温度値を超えないように、燃料噴射が打ちきられる。これは、再生が自己維持発熱反応としておこっている状況において適切であろう。しかし再生が自己維持型ではなく、したがって550℃設定温度を維持するために、すなわち0℃/秒ランプレートで燃料を噴射する必要があるであろう状況がおこり得る。この場合も、燃料噴射レートはエンジン速度及び負荷及び温度TCOのいずれによっても規定される。高温度値に対するタイムアウト時間が、同じく燃料の過剰噴射を避け、個々のステップのそれぞれについての最大許容時間の総和を燃料噴射過程に対する最大時間に制限するために、かなり短縮されていることがわかるであろう。 Maximum temperature level to play at that temperature is Okoshihatsu, the process is repeated until T CO reaches for example 550 ° C.. Overshoot is avoided, der in order to ensure that the risk of white smoke caused by unburnt fuel is reliably reduced, the set temperature ramp as T CO approaches the upper limit can be seen that has been lowered again Let's go. When the TCO set temperature reaches 550 ° C., fuel injection is stopped so as not to exceed the set temperature value. This may be appropriate in situations where regeneration is occurring as a self-sustaining exothermic reaction. However, there may be situations where regeneration is not self-sustaining and therefore it may be necessary to inject fuel at a set temperature of 550 ° C., ie at 0 ° C./sec ramp rate. Again, the fuel injection rate is defined by both engine speed and load and temperature TCO . It can be seen that the timeout time for high temperature values is also considerably shortened to avoid excessive fuel injection and limit the sum of the maximum allowable times for each individual step to the maximum time for the fuel injection process. I will.
この結果、開始されると、触媒コンバータ18にかけて迅速な温度上昇が達成されて再生成功の確率を高めるように燃料が噴射される。白煙として現れる望ましくない燃料放出を生じる、燃料の触媒コンバータすり抜けの可能性は、燃料が高すぎるレートで確実に噴射されないようにすることによって回避され、これは温度上昇(したがって燃料噴射)のレートと触媒コンバータ温度の間の関係を求めることによって達成される。上で論じたように、ランプレートを決定するためにさらにパラメータが導入され得ることは理解されるであろう。例えば、エンジン速度を高めると高速では触媒コンバータ内での燃料持続時間が短縮されるから燃料噴射レートを下げることが必要となり得る。触媒コンバータ温度は燃料噴射レートの最適化を可能にするためにコンバータの長さに沿って1つより多くの点で測定することもできる。
As a result, when started, fuel is injected to achieve a rapid temperature rise over the
既知の最大噴射レートに基づく、別の燃料噴射レート方式を実施することができる。燃料すり抜けが生じないように、あるいは最高温度をこえないように、燃料噴射レートが設定される。燃料噴射の最大レートは下式2:
によって与えられる。FRは、ミリリットル/秒を単位とする、特定のエンジン動作条件における最終燃料噴射レートである。FRESは測定されたエンジン速度に関する燃料噴射レートである。FRT1はエンジン排気マニホールド温度に関する燃料噴射レートである。FRTCIはTCIに関する燃料噴射レートである。FRTCOはTCOに関する燃料噴射レートである。 Given by. FR is the final fuel injection rate at a specific engine operating condition in milliliters / second. FRES is the fuel injection rate with respect to the measured engine speed. FRT1 is a fuel injection rate related to the engine exhaust manifold temperature. FRT CI is a fuel injection rate on T CI. FRT CO is a fuel injection rate for T CO.
したがって、噴射される燃料の最終量は、エンジン排気マニホールドにおける動作温度、触媒コンバータにわたる温度及びエンジン速度に依存する。最終燃料噴射レートは触媒コンバータ温度が最高動作温度に近づくと徐々に下げられる。この結果、エンジンが使用されているときにエンジン状態が急速に変化している間であっても、所望の制御された温度上昇レートが得られる。 Thus, the final amount of fuel injected depends on the operating temperature in the engine exhaust manifold, the temperature across the catalytic converter, and the engine speed. The final fuel injection rate is gradually reduced as the catalytic converter temperature approaches the maximum operating temperature. This results in the desired controlled temperature rise rate even while the engine conditions are changing rapidly when the engine is in use.
これらのパラメータのそれぞれに関する燃料噴射レートは車両のタイプ及び車両の用途に適するようにECU24に入れられたルックアップテーブルから決定される。ルックアップテーブルの例は以下の通りであり、ここでテーブルのそれぞれのパラメータは、車両のタイプ及び用途、エンジンの大きさまたはその他のいずれかの適切なパラメータに依存して求められる。
上式2から、表2のパラメータの内の1つまたはそれより多くがゼロの場合に最終燃料噴射レートがゼロになることが理解されるであろう。これによりシステムフェールセーフが与えられ、条件が再生に最適ではないときには燃料が全く噴射されない。 It will be appreciated from Equation 2 that the final fuel injection rate is zero when one or more of the parameters in Table 2 is zero. This provides system failsafe and no fuel is injected when conditions are not optimal for regeneration.
表2からわかるように、最大燃料噴射レートは一般に、エンジンが激しく作動しており、エンジンコア温度が高いが、次いでエンジンがアイドリング状態に入る場合に最高になるように設計される。アイドリング時には排気の酸素含有量が大きく、より多くの量の燃料の燃焼が可能になる。触媒コンバータの前部及び後部の温度TCI及びTCOのいずれもが最適温度であるときに、最大燃料噴射プロファイルはピークを迎え、触媒コンバータ温度が高すぎると触媒コンバータの損傷を防止するために燃料噴射量が低減される。さらに、上で論じたように、燃料噴射はフィルタ背圧F負荷が閾値より高いときに限り可能になる。このF負荷パラメータは2進値1または0の積項として式2に入れることができ、よってさらなるフェールセーフ機構が与えられる。 As can be seen from Table 2, the maximum fuel injection rate is generally designed to be highest when the engine is operating hard and the engine core temperature is high, but then the engine enters idling. During idling, the oxygen content of the exhaust is large, and a larger amount of fuel can be burned. When all the temperature T CI and T CO of the front and rear of the catalytic converter is the optimum temperature, the maximum fuel injection profile peaked, in order to prevent the catalytic converter temperature is too high damage to the catalytic converter The fuel injection amount is reduced. Furthermore, as discussed above, fuel injection is only possible when the filter back pressure F load is above a threshold. This F load parameter can be put into Equation 2 as a product term with a binary value of 1 or 0, thus providing an additional failsafe mechanism.
高圧、例えばゲージ圧100バール(107Pa)の燃料噴射が、排気マニホールド及び排気流内での噴射された燃料の最も有効な分散及び霧化を生じさせるから、有効であることがわかっている。50ヘルツの噴射反復レートにより、適切な度合いの制御が可能になる。一般的状況において排気ガスの酸素含有量は再生を可能にするのに十分であるが、必要であれば触媒において、十分な酸素が確実に存在するようにするために追加の工程がとられ得ることはもちろんである。 Fuel injection at high pressure, eg, 100 bar (10 7 Pa), has been found to be effective because it produces the most effective dispersion and atomization of the injected fuel in the exhaust manifold and exhaust stream. . An injection repetition rate of 50 Hertz allows an appropriate degree of control. In general situations, the oxygen content of the exhaust gas is sufficient to allow regeneration, but if necessary, additional steps can be taken to ensure that sufficient oxygen is present in the catalyst. Of course.
あるいは、図5aの側断面図及び図5bの端面図に示される、インジェクタヘッド22の吸気口70に、一般に2バール(2×105Pa)の圧力で、空気を送り込むために圧縮機(図示せず)が用いられる。インジェクタヘッドはセンサ32と触媒コンバータの吸入面の間でコンジット16aの排気ガス流内に径方向に取り付けられ、コンジット内の排気ガス流方向に揃えられて、排気ガス流方向と同じ方向で、軸方向に燃料を導く。燃料は、例えばRietschle Thomas UK Ltdによって供給されるタイプの蠕動ポンプ(図示せず)または出気開口54に隣接する出燃料点52に定ミリリットル/分での計量供給をオンデマンドで可能にするいずれかの適切なポンプによって、計量供給される。蠕動ポンプは、燃料噴射レートが微細に制御され得るように、ステップ分解能が高いステップモーターによって駆動される。
Alternatively, as shown in the side cross-sectional view of FIG. 5a and the end view of FIG. 5b, a compressor (see FIG. 5 ) for feeding air into the
動作において、圧縮空気は吸気口70を通ってインジェクタヘッド22に入り、燃料は燃料吸入口72を通ってインジェクタヘッドに入る。空気及び燃料はそれぞれの出口54,52に別々の通路74,76を通って進む。空気及び燃料は出口点の結合部で混合する。好ましい実施形態において、燃料流の終結後も、残燃料の全てが確実に消費されるようにするため、空気流は短時間、例えば5秒間維持される。そのような構成により、出気開口を通る空気流によって生じる高速の乱気流によって燃料が効果的に霧化及び分散され、同時に触媒コンバータへの燃料のミリリットル配送が可能になる。さらに、空気は燃料を推進するのではなく燃料を分散させる手段としてしか作用しない。相当する低圧動作により、圧縮空気に引き込まれてコンジット内で混合された燃料が、例えば、コンバータを通して高速で噴射されず、よって、もちろんかなりの危害をもたらすであろう高温のTPFに燃料が当たるということはない。さらに、既存の燃料配管または既存の燃料槽から燃料を直接噴射することができ、補助貯留槽は必要ではない。
In operation, compressed air enters the
車両の動作及び再生過程の履歴を維持することによって本システムの動作がさらに改善され得ることが理解されるであろう。これは、例えば、様々な態様で制御方式を改善するために用いられ得る。例えば、再生効率が、妥当な起発点を適宜に調整し得るように、より高いかまたは低い触媒コンバータ温度において高くなることを見ることができる。あるいは、より高いかまたは低いDPF圧力降下が、燃料噴射過程を適宜に修正し得るように、再生の完了または開始に対応することを見ることができる。さらにまた、表1及び表2を参照して上で論じた特定の燃料噴射レート方式は、例えば、設定温度ステップ値、所望の燃焼レートまたは燃料噴射量を調節することによって調節することができる。さらに、本システムは、所望のランプレートがより迅速に達成され得るように、燃料噴射レベル、触媒コンバータ温度及び温度上昇の間の関係を識別することができる。さらにまた、格納された動作履歴からさらなる情報を得ることができる。例えば、1つまたはそれより多くの特定のデューティサイクルが頻繁に適用されると、本システムはこれらのデューティサイクルの内の1つが入力されていることを車両の動作環境から認識し、適宜に制御方式を調節することができる。例えば、あるデューティサイクルがかなりの排気温度上昇をともなえば、燃料噴射過程を弱めることができる。 It will be appreciated that the operation of the system can be further improved by maintaining a history of vehicle operation and regeneration processes. This can be used, for example, to improve the control strategy in various ways. For example, it can be seen that the regeneration efficiency increases at higher or lower catalytic converter temperatures so that a reasonable starting point can be adjusted accordingly. Alternatively, it can be seen that a higher or lower DPF pressure drop corresponds to the completion or start of regeneration so that the fuel injection process can be modified accordingly. Furthermore, the particular fuel injection rate scheme discussed above with reference to Tables 1 and 2 can be adjusted, for example, by adjusting a set temperature step value, a desired combustion rate, or a fuel injection amount. Furthermore, the system can identify the relationship between fuel injection level, catalytic converter temperature and temperature rise so that the desired ramp rate can be achieved more quickly. Furthermore, further information can be obtained from the stored operation history. For example, if one or more specific duty cycles are frequently applied, the system will recognize from the vehicle operating environment that one of these duty cycles has been input and control accordingly. You can adjust the formula. For example, if a duty cycle is accompanied by a significant exhaust temperature rise, the fuel injection process can be weakened.
さらに全般的には、ランプレートが、温度設定点と、上限設定点と加減設定点の中間の温度中間点との差とは逆に変化することを見ることができる。したがって、例えば、上限温度設定点と下限温度設定点の間の正確な中心にとらないことができる「中間点」を選択し、適切な定数を導入することにより、さらに複雑なランプレート過程を得ることができる。これは、記録された再生過程履歴データに基づいてサイクル毎に調節することができる。あるいは、同じく動的に調節することができる、より複雑なルックアップテーブルを与えることができる。 More generally, it can be seen that the ramp rate changes inversely with the difference between the temperature set point and the temperature mid-point between the upper limit set point and the adjustable set point. Thus, for example, by selecting an “intermediate point” that can not be accurately centered between the upper and lower temperature set points and introducing appropriate constants, a more complex ramp rate process is obtained. be able to. This can be adjusted for each cycle based on the recorded playback process history data. Alternatively, a more complex look-up table can be provided that can also be dynamically adjusted.
他の図と同様の参照数字は同様の部品を指す図4を参照すれば、本構成へのさらなる改善が示される。特に、燃料インジェクタ22に向かう燃料配管400が放熱器またはエンジンルームから再循環される熱水を有する領域を覆うかまたは通過するチャンバ部を備えることが見られるであろう。この結果燃料インジェクタ22への燃料が廃熱を用いて予備加熱され、したがって高温がさらに容易に達成される。
Referring to FIG. 4 where like reference numerals in the other figures refer to like parts, further improvements to this configuration are shown. In particular, it will be seen that the fuel piping 400 towards the
別の改善が図6に示され、図6では触媒コンバータ18の前面62の直前に電気ヒーター60が配置されている。ヒーター60から触媒コンバータ18への主たる伝熱手段は輻射である。これは、排気ガスのかなりの温度上昇を得るには大量の電力が必要であるから、排気ガスを用いて対流により熱を伝達するより効率が高い。
Another improvement is shown in FIG. 6 in which an
これはヒーター60の表面を触媒化することでさらに強化される。比較的低電力(500W)のヒーターで排気温度よりかなり高く温度を上げることができる。したがって、ヒーター表面上の触媒材料をエンジンがアイドリング中であっても活性な温度にすることが可能である。この熱は次いで触媒コンバータ18の前部に与えられ、したがって主たる温度上昇を達成する。温度センサ64がヒーターに隣接して追加配置され、ヒーターへの電力の制御及び/または、式2にしたがう、噴射される燃料量の制御を可能にし、よって過剰加熱による触媒被覆の損傷を防止するために用いられる。
This is further enhanced by catalyzing the surface of the
本発明を実施するために用いられる様々な素子及びコンポーネントは当業者にはよく知られており、ここでの詳細な議論は必要ではない。例えば、いずれか適切な圧力センサ、温度センサ及びエンジン速度センサを適用でき、いずれか適切な燃料インジェクタを排気マニホールドに後付けできる。本システムは、上で論じたような制御手法及びアルゴリズムをソフトウエアまたはハードウエアで実装した、新規設計の、または既存のエンジン制御ユニットによって制御することができる。制御アルゴリズムは、A/Dコンバータへの適切なアナログ入力によりマイクロコントローラ及びデジタルロジックを用いて実施される。車両の動作履歴が維持される場合、動作履歴はいずれか適切な形態でECUのメモリまたはどこか他に格納することができる。 The various elements and components used to implement the invention are well known to those skilled in the art and need not be discussed at length here. For example, any suitable pressure sensor, temperature sensor, and engine speed sensor can be applied, and any suitable fuel injector can be retrofitted to the exhaust manifold. The system can be controlled by a newly designed or existing engine control unit that implements control techniques and algorithms as discussed above in software or hardware. The control algorithm is implemented using a microcontroller and digital logic with appropriate analog inputs to the A / D converter. If the vehicle's operational history is maintained, the operational history can be stored in any suitable form in the ECU's memory or elsewhere.
上述した構成の結果、導入される車両のタイプまたはデューティサイクルにかかわらず有効でフレキシブルな排気フィルタ再生過程制御を実施することができ、放出物を最小まで低減しながら、迅速で高効率な再生が可能になる。さらに、再生は、所定の期間中ではなく、必要なときに、オンデマンドで実施される。 As a result of the above-described configuration, it is possible to implement an effective and flexible exhaust filter regeneration process control regardless of the type of vehicle or duty cycle to be introduced, and to quickly and efficiently regenerate while reducing emissions to a minimum. It becomes possible. Furthermore, playback is performed on demand when needed, not during a predetermined period.
いずれか適切なエンジンまたは燃料タイプに本発明を適用でき、排気流のいずれか適切な部分に燃料噴射を行い得ることは理解されるであろう。上述したような手法はいずれか適切な温度依存排気処理過程またはその他の燃料噴射に依存する温度上昇機構に合せることができる。燃料噴射は、燃料噴射タイミング、燃料噴射レートまたは燃料噴射パルス持続時間、燃料噴射圧変化または燃料タイプ変化を調節することによって計量することができる。さらに、エンジン動作の検知される適切なパラメータ及び排気流成分を用い、いずれか適切なセンサ及びインジェクタを用いて、制御を実施することができる。 It will be appreciated that the invention can be applied to any suitable engine or fuel type, and fuel injection can be performed to any suitable portion of the exhaust stream. The approach as described above can be adapted to any suitable temperature dependent exhaust treatment process or other temperature raising mechanism that relies on fuel injection. Fuel injection can be metered by adjusting fuel injection timing, fuel injection rate or fuel injection pulse duration, fuel injection pressure change or fuel type change. Furthermore, control can be implemented using any suitable sensors and injectors using appropriate parameters and exhaust flow components that are detected for engine operation.
10 吸気マニホールド
12 エンジン
14 排気マニホールド
16a,16b,16c 排気コンジット
18 触媒コンバータ
20 ディーゼル粒子フィルタ(DPF)
22 燃料インジェクタ
24 エンジン制御ユニット(ECU)
26,28,30,32,34,36,38,40 センサ
31 温度センサ
10
22
26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40
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