JP2003524106A - 粒子を保持するフィルタの燃焼による再生を制御する方法および装置 - Google Patents

粒子を保持するフィルタの燃焼による再生を制御する方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガス流れによって運ばれた、例えば、内燃エンジン（３）の排気ガス内に運ばれ排気箱（１）内に保持される、炭素を含有している粒子のような、酸化可能な粒子を、定期的に燃焼させることによって濾過する要素の再生を制御する方法および装置に関する。内燃エンジンに適用される場合には、本方法は、例えばエンジン（３）の動作状態に作用する制御部材（６）によって引き起こされる、濾過要素内に蓄積された粒子の燃焼の反応に起因する、ガス流れを受け取る濾過要素（１）の方向に関して上流側の少なくとも第１の点と第１の点の下流側の少なくとも第２の点の間の、ガス流れの酸素濃度の、濃度プローブ（４，５）で測定される変化を検出することからなり、それにより、制御部材（６）は濾過要素の再生段階を正確に調整することができ、したがって、過剰消費を最大限に抑えることができる。本発明は、例えば自動車産業に適用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の技術分野 本発明は、濾過要素の複数の境界部におけるガスの燃料／空気比の差を測定す
ることによって、例えば内燃エンジン内のガス流れシステムに取り付けられた粒
子フィルタのような、炭素含有要素を回収する装置の再生を制御する方法および
装置に関する。
【０００２】 発明の背景 濾過手段は、内燃エンジンの排気部で排出される粒子を８０％のオーダーの高
い濾過効率で回収することが可能である。コーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ ｃｏ
ｍｐａｎｙ）が市販しているコーディエライト系セラミックモノリス、イビデン
社（Ｉｂｉｄｅｎ ｃｏｍｐａｎｙ）が市販している炭化けい素系セラミックモ
ノリス、または巻き付けられたセラミック繊維を備えたカートリッジを例として
あげることができる。
【０００３】 粒子フィルタの開発時および取り付け時に行き当たる技術的な問題は、エンジ
ン効率を下げ、エンジンの動作状態に支障をきたす濾過要素の目詰まりを防止す
るために、すす沈着物を燃焼させることによってフィルタを定期的に再生しなけ
ればならないことである。この燃焼は、フィルタを流れるガスの温度が粒子の酸
化を開始するのに十分なレベルに達すると自然に発生することがある。しかしな
がら、例えばディーゼルエンジンの排気ガスの温度レベルは、きわめて広範囲の
動作範囲内において、すすの燃焼を開始させるのを可能にするには依然として低
すぎる。したがって、フィルタの再生を開始させることを可能にする処置を実施
する必要がある。
【０００４】 この目的のために多くの技術が開発されてきた。これらの技術は、ＥＧＲ比、
過給、噴射遅れ、排気絞り、吸気絞りなどのエンジン動作パラメータの変化に基
づくことができ、後段噴射と結び付けられた濾過要素の上流に配置されている酸
化触媒の使用と結びついたものであってもよいし、または、抵抗器、バーナ、マ
イクロ波、プラズマ等による、排気ガスまたはフィルタ内への外部エネルギーの
供給を含むこともできる。したがって、コンピュータによって作動する外部制御
装置によって、これらの各種の装置を動作させる必要がある。
【０００５】 濾過要素の再生を開始させるための基準は、例えば、本願出願人によって出願
されたフランス特許第２，７５５，６２３号に記載されているような、すすによ
る自身の詰まり度と相関関係にあることが可能な、濾過要素の複数の境界部で測
定される背圧の変化、すなわち圧力低下にすることもできる。この検出方法は、
安定した動作状態のときに行うのが非常に好都合である。背圧は安定した動作状
態のときに炭素含有沈着物の燃焼によって降下するので、背圧を測定することに
よっても、濾過要素に蓄積されたすすの燃焼を検出することができる。しかしな
がら、排気部における背圧は、エンジンの状態（温度、空気流量等）が安定して
いないと大きく変動する。これは、通常の交通状態では一時的な条件（加速、減
速）で動作することがきわめて多い、乗物のエンジンの場合にあてはまる。濾過
要素の詰まり度を、この種の測定で制御することは、実際上困難である。
【０００６】 濾過要素の再生の開始は、濾過要素に沿って間隔をおいて配置された点間で測
定される抵抗の変化、例えば本願出願人によって出願されたフランス特許第２，
７６０，５３１号に記載されているような、濾過要素の詰まり度と直接関連する
変化を測定することによっても制御することができる。
【０００７】 フィルタの再生は、例えば、すす沈着物中に存在し、すすの酸化について触媒
作用を及ぼす、有機金属または希土類元素をベースとする添加物を燃料内に用い
ることによって促進させることができ、この結果、炭素含有沈着物の燃焼開始温
度が下がる。最も一般的に用いられている製品の例として、セリウム、ストロン
チウム、鉄等をあげることができる。これらの元素を使用すると、すす沈着物の
性質によって、２００℃〜４５０℃の範囲の温度での再生が可能となる。しかし
ながら、都市交通などのある種の使用では、例えば過給機付きディーゼルエンジ
ンの排気ガスの温度は、すすの燃焼を開始させるには依然として不十分である。
システムを適切に働かせるためには、前述のさまざまな要素を含む特定の方策を
実行することが必要不可欠となる。これらの種々の技術の種々の使用例は、欧州
特許明細書第９１３，５５９号、特開平１０−１４１１１３号公報、ドイツ特許
発明明細書第２，２６１，６１３号、欧州特許明細書第４８８，３８６号、また
はドイツ特許発明明細書第３５，３８，１０９号に記載されている。
【０００８】 濾過要素の再生を開始させるためにどのような手段を使用しても、そのような
手段はエネルギーを消費する。装置を良好に制御するには、再生段階を制御する
必要がある。特に、フィルタの再生開始を検出することにより、ガスの温度を上
昇させるために使用される手段を停止させることができる瞬間を定めることが可
能となる。すすの酸化反応は高熱を発生するため、その後、すすは自己持続的に
燃焼することができる。これは特に、濾過要素を再生する方策の実行に関わって
エンジンが過剰消費するのが抑えられるのにつながる。
【０００９】 発明の概要 本発明は、濾過要素の再生の段階および濾過要素から汚れを除去するのに必要
な作業の段階をきわめて効率よく制御することを可能にするものである。
【００１０】 本発明による方法は、ガス流れと一緒に運ばれた粒子を濾過する要素の、これ
らの粒子の燃焼による定期的な再生を制御することを可能にする。本発明による
方法は、燃焼の開始に必要なウォームアップ時間を正確に調整し、それにより、
必要とされるエネルギーをできる限り抑えるために、濾過要素内に蓄積された粒
子の燃焼の開始された反応に起因する、ガスの流れを受け取る濾過要素の、流れ
方向に関して上流側に位置する少なくとも第１の点と第１の第１の点の下流側に
位置する少なくとも第２の点の間の、ガス流れの酸素濃度の変化を検出すること
を含むことを特徴とする。
【００１１】 一実施態様によれば、本方法は、例えば、エンジンから流出するガス流れと一
緒に運ばれた粒子、すなわちすすを保持するようになっている、排気消音器のよ
うな濾過要素の、これらの粒子の燃焼による定期的な再生を制御することを可能
にする。本方法は、燃焼開始に必要なウォームアップ時間を正確に調整するため
に、検出された燃料／空気比変化を感知する制御要素によって開始された、濾過
要素内に蓄積した粒子の燃焼の反応に起因する、濾過要素の、流れ方向に関して
上流側に位置する少なくとも第１の点と第１の点の下流側に位置する少なくとも
第２の点の間の、排気ガスの燃料／空気比の変化を検出することを含むことを特
徴とする。
【００１２】 場合によって、本方法は、濾過要素の自然発生的な再生を制御すること、また
は、排気ガスの温度が十分に上昇するようにエンジン動作パラメータへの操作を
開始すること、すなわち濾過要素と組み合わされた加熱手段を動作させることを
含むことが可能である。
【００１３】 本発明による装置は、ガスの流れと一緒に運ばれた粒子を保持する濾過要素の
、これらの粒子の燃焼による定期的な再生を制御することを可能にする。本装置
は、ガスの流れを受け取る濾過要素の、ガス流れの流れ方向に関して上流側に位
置する少なくとも第１の点と、第１の点の下流側（好ましくは濾過要素の下流側
）に位置する少なくとも第２の点の間の、ガス流れの酸素含有量の変化を検出す
る手段と、粒子を十分に燃焼させるように濾過要素の温度を上昇させるようにな
っている加熱手段と、加熱手段に作用することによって、燃焼を開始させるのに
必要なウォームアップ時間を調整するために検出手段に接続された制御手段とを
有することを特徴とする。
【００１４】 熱機関から流出するガス流れと一緒に運ばれた酸化可能な粒子、すなわちすす
を保持する濾過要素の、これらの粒子の燃焼による定期的な再生を制御する用途
では、本装置は、流れ方向に関して濾過要素の上流に位置する第１の点に配置さ
れた第１の燃料／空気比検出器と、ガスの流れ方向に関して第１の点の下流側（
好ましくは濾過要素の下流側）に位置する第２の点に配置された第２の燃料／空
気比検出器と、粒子を十分に燃焼させるように濾過要素の温度を上昇させるよう
になっている加熱手段と、第１の検出器と第２の検出器の間での排気ガスの燃料
／空気比の変化に基づいて、加熱手段に作用することによって、燃焼を開始させ
るのに必要なウォームアップ時間を調整するために検出手段に接続されたコンピ
ュータとを有することを特徴とする。
【００１５】 加熱手段は、例えばエンジンからなり、コンピュータは排気ガスの温度を上昇
させるようにエンジンの動作パラメータを変更するようにプログラムされていて
もよく、また、加熱手段は濾過要素と組み合わされていてもよい。
【００１６】 本発明による方法および装置の他の特徴と利点は、ガスの流れが熱機関から出
て来る特別の用途における、非限定的な実施形態の例に関する以下の説明を添付
図面を参照しながら読むことによって明らかになるであろう。
【００１７】 詳細な説明 本装置は、前述の用途において、濾過要素に蓄積した炭素を含有する汚染粒子
（すす）の燃焼による、熱機関３の排気回路２に置かれた濾過要素１の定期的な
再生を、濾過要素の上流側と下流側との間での、この燃焼による燃料／空気比の
変化を検出することによって制御するのに適している。
【００１８】 燃料／空気比という用語は、本明細書では、エンジン技術者が使用するその特
別の意味に解釈され、次の関係式で表される。
【００１９】 燃料／空気比＝（ｍ＿ｆｕｅｌ／ｍ＿ａｉｒ）／（ｍ＿ｆｕｅｌ／ｍ＿ａｉ
ｒ）ｓｔｏｉｃｈ ここで、「ｍ＿ｆｕｅｌ」は、エンジンに噴射される燃料の量（ｋｇ／時）、 「ｍ＿ａｉｒ」は、エンジンに吸入される空気の量（ｋｇ／時）、 「（ｍ＿ｆｕｅｌ／ｍ＿ａｉｒ）ｓｔｏｉｃｈ」は、燃焼反応化学量論における
燃料流量と空気流量との比率に対応している。この比率は燃料の性質によって異
なるが、１／１４．５に近い。
【００２０】 燃料／空気比の、この変化を測定するために、本装置は、例えば、排気ガスの
流れ方向に関して本例では濾過要素１の上流に配置されている、エンジンの排気
回路内に一般に配置されているような、周知のタイプの第１の燃料／空気比検出
器４を有している。本装置は、例えば、第１の検出器４の下流側に配置され、濾
過要素１の出口の近傍に位置する同じタイプの第２の燃料／空気比検出器５も少
なくとも含んでいる。燃料／空気比検出器４，５は、共に、それぞれの測定値間
の燃料／空気比の差の変化を検出するのに適した、プログラムされたプロセッサ
などの演算処理要素６に接続されている。
【００２１】 濾過要素１に蓄積するすすは、主に、酸素と反応して、主として酸素とともに
ＣＯ2およびＣＯを生成する炭素含有成分から構成されている。濾過要素に入る
酸素の一部は、このように、沈着物中の炭素によって使い果たされる。したがっ
て、濾過要素内のすすの燃焼により、すすの燃焼の開始以降、濾過要素内の流れ
の方向に関して上流側で測定された燃料／空気比に対して、下流側が酸素欠乏状
態になる。
【００２２】 いずれのエンジンパラメータも変えることなく、フィルタの再生を開始させる
のに十分な温度レベルに到達することができる、特定のエンジン動作状態（通常
は、高負荷動作状態）が存在する。したがって、コンピュータは、濾過要素の自
然に起こる再生プロセスを検出できる。
【００２３】 このような自然発生的な再生の場合は別として、濾過要素が再生を必要すると
き、コンピュータ６は、何らかの適切な手段によって排気ガスの温度の実質的な
上昇を制御することによって、すすの燃焼を開始させることができる。それは、
エンジン自体の動作パラメータに対する操作であっても、ある場合には、または
考慮される用途に従って、エンジン本体とは無関係な要素（加熱要素など）に対
する操作であってもよい。本装置により、再生処理手順を停止すべき時を正確に
定め、それによって、所要のエネルギー消費を抑えることが可能となる。
【００２４】 本装置は、最初に、フィルタ内のすす燃焼動作の周期性を決めるように較正さ
れる必要がある。沈着したすすの量は、エンジンの粒子排出マップに基づいて、
または、周知のタイプのフィルタ詰まり検出器を使用することによって予測でき
る。
【００２５】 すす燃焼段階の間の燃料／空気比の差を積分することによっても、濾過要素内
に蓄積されるすすの量を求めることができる。次に、この値を、フィルタ上で燃
焼されたすすの量と比較して、フィルタの再生が完了したか、あるいは途中であ
るかどうかがわかる。
【００２６】 図２および図３は、自動車のエンジン上で行われた試験の結果を示している。
曲線ＲAおよびＲBは、それぞれ、フィルタの上流側および下流側に位置する検出
器４および５によって測定された燃料／空気比の変化を示し、一方曲線ＣＰは、
排気における背圧の変化を示している。曲線ＲAおよびＲBは、蓄積したすすが漸
次酸化することによって両燃料／空気比間の差が大きくなる点Ｓまでは同程度に
変化する。背圧ＣＰの降下前の最大値Ｄは、信号ＲAおよびＲB間の著しい差が現
われたかなり後に生じることが観察できる。
【００２７】 以上、熱機関の排気回路における濾過要素の詰まりを抑える方法の応用例を説
明した。しかしながら、この方法は、粒子が燃焼可能で、ガスの流れの酸素含有
量を変える限り、ある酸素濃度を有するガス流れと一緒に運ばれる粒子を蓄積す
る濾過要素の再生に適用できることは明らかである。この場合、この濃度の変化
を検出するために、酸素濃度を測定するようになっている検出器が使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エンジンの出口における濾過要素の詰まりの測定に適用された制御装置を概略
的に示す図である。
【図２】 濾過要素の上流側と下流側との間の燃料／空気比差ΔＲの、すすの燃焼が開始
する設定された閾値Ｓまで差が漸次増加する経時的変化の例を示す図である。
【図３】 濾過要素の上流側の燃料／空気比ＲA、下流側の燃料／空気比ＲB、および排気
部における背圧ＣＰの、時間の関数としての変化の比較を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 AA01 BA24 DA02 DA04 DA27 EB16 FA28 FA30 3G090 AA02 AA03 BA01 CA02 DB02 EA04 4D058 JA32 JB06 MA41 MA51 MA54 SA08

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスの流れと一緒に運ばれた粒子を保持するようになってい
    る濾過要素の、前記粒子の燃焼による定期的な再生を制御する方法において、 燃焼の開始に必要なウォームアップ時間を正確に調整し、それにより、必要と
    されるエネルギーをできる限り抑えるために、前記濾過要素内に蓄積された粒子
    の燃焼の開始された反応に起因する、ガス流れを受け取る前記濾過要素の、ガス
    の流れ方向に関して上流側に位置する少なくとも第１の点と前記第１の点の下流
    側に位置する少なくとも第２の点の間のガス流れの酸素濃度の変化を検出するこ
    とを含むことを特徴とする、濾過要素の定期的な再生を制御する方法。
  2. 【請求項２】 エンジン（３）から流出するガス流れと一緒に運ばれた粒子
    、すなわちすすを保持するようになっている、排気消音器のような濾過要素（１
    ）の、これらの粒子の燃焼による定期的な再生を制御する方法において、 燃焼開始に必要なウォームアップ時間を正確に調整し、それにより、必要とさ
    れるエネルギーをできる限り抑えるために、検出された燃料／空気比変化を感知
    する制御要素（６）によって開始された、前記濾過要素内に蓄積した粒子の燃焼
    の反応に起因する、前記濾過要素（１）の、流れ方向に関して上流側に位置する
    少なくとも第１の点と前記第１の点の下流側に位置する少なくとも第２の点の間
    の、排気ガスの燃料／空気比の変化を検出することを含むことを特徴とする、濾
    過要素の定期的な再生を制御する方法。
  3. 【請求項３】 前記濾過要素の自然に起こる再生のプロセスを検出すること
    を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記排気ガスの温度が十分に上昇するように、前記エンジン
    （３）の動作パラメータを操作することを含むことを特徴とする、請求項２に記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 前記粒子の燃焼を制御できるように前記濾過要素に組み合わ
    された加熱手段を用いることを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 ガス流れと一緒に運ばれた粒子を保持する濾過要素（１）の
    、前記粒子の燃焼による定期的な再生を制御する装置において、 ガスの流れを受け取る前記濾過要素の、ガス流れの流れ方向に関して上流側に
    位置する少なくとも第１の点と、前記濾過要素の下流側に位置する少なくとも第
    ２の点の間のガス流れの酸素含有量の変化を検出する手段（４，５）と、前記粒
    子を十分に燃焼させるように前記濾過要素の温度を上昇させるようになっている
    加熱手段と、前記加熱手段に作用することによって、燃焼を開始させるのに必要
    なウォームアップ時間を調整するために前記検出手段（４，５）に接続された制
    御手段（６）とを有することを特徴とする、濾過要素の定期的な再生を制御する
    装置。
  7. 【請求項７】 エンジン（３）から流出するガス流れと一緒に運ばれた酸化
    可能な粒子、すなわちすすを保持する濾過要素（１）の、前記粒子の燃焼による
    定期的な再生を制御する装置において、 流れ方向に関して濾過要素（１）の上流に位置する第１の点に配置された第１
    の燃料／空気比検出器（４）と、ガスの流れ方向に関して前記第１の点の下流側
    に位置する第２の点に配置された第２の燃料／空気比検出器（５）と、前記粒子
    を十分に燃焼させるように前記濾過要素の温度を上昇させるようになっている加
    熱手段と、前記第１の検出器と前記第２の検出器の間での、排気ガスの燃料／空
    気比の変化に基づいて、前記加熱手段に作用することによって、燃焼を開始させ
    るのに必要なウォームアップ時間を調整するために前記検出手段（４，５）に接
    続されたコンピュータ（６）とを有することを特徴とする、濾過要素の定期的な
    再生を制御する装置。
  8. 【請求項８】 前記加熱手段はエンジン（３）からなり、コンピュータ（６
    ）は、前記排気ガスの温度を上昇させるようにエンジン（３）の動作パラメータ
    を変更するようにプログラムされていることを特徴とする、請求項６または７に
    記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記加熱手段は前記濾過要素と組み合わされている、請求項
    ６または７に記載の装置。
JP2001561897A 2000-02-22 2001-02-21 粒子を保持するフィルタの燃焼による再生を制御する方法および装置 Expired - Fee Related JP4364473B2 (ja)

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