JP2005140111A - ディーゼル・パティキュレート・フィルターの圧力モニター - Google Patents

Abstract

【課題】 パティキュレート・フィルターの圧力モニターのコストを低下させる。
【解決手段】 大気圧と、エンジンに接続された排出制御システム20よりも上流の絶対排気圧計測値19と、他の全ての排気後処理装置13,15のそれぞれの前後差圧と、に基いて、フィルター14の前後の差圧を推定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パティキュレート・フィルター（particulate filter: PF）をモニターするシステム及び方法に関し、より具体的には、エンジンの排気系に接続された排気浄化システムの上流における絶対圧の計測値に基いて、PF前後の差圧を推定する技術に関する。

ディーゼル・エンジンは、すす排出量を削減するためにパティキュレート・フィルター（PF）を用いることが出来る。このようなフィルターは、そこを通過する排気中に含まれる粒子状物質を捕捉する。フィルターがすすで一杯になると、すすが燃える温度まで排気温度を高めることにより、フィルターは周期的に再生される。このようにして、フィルターは再びすすを捕捉することができるようになり、全体としてすすの排出量が低減される。

フィルター再生は、フィルター前後で計測された差圧に基いて制御され得る。すすが収集されるほど、計測される差圧は大きくなる。例えば、特許文献１においては、パティキュレート・フィルターの上下流にそれぞれ配置された一対の圧力センサーの計測値に基き、フィルター前後の差圧が求められる。すす蓄積量が所定レベルに到達したときに、フィルター再生を開始することが出来る。フィルター再生は、新たなすす粒子の蓄積よりも速くすす粒子を燃焼させることになる温度（例えば400〜600℃）までフィルターを加熱することにより、なされる。
米国特許第６４０５５２８号明細書

本件発明者は、従来の取組みにおける不利な点を認識した。具体的には、パティキュレート・フィルター前後の差圧を判定するために、２つの絶対圧センサー又は２つの圧力タブ（tab）を持つ差圧センサーのいずれかをフィルター近くに配置する必要があり、それが結果として材料及び組み付けコストを高くする。更に、圧力センサーを車体下部に配置すると、センサーを外部気候条件、例えば、雨、雪そして低温などに晒し、それがセンサーの性能を劣化させる可能性がある。このセンサー劣化は、圧力計測値の誤差を招く可能性があり、結果として、パティキュレート・フィルターの再生頻度が多過ぎるか、少な過ぎるかになることがある。再生頻度が多過ぎる（誤って高い読み取り値による）と、排気温度を高めるためにエネルギーが不必要に消費されるので、燃料経済性の低下を招く可能性がある。同様に、再生頻度が低過ぎると（誤って高い読み取り値による）、運転性が損なわれる可能性がある。更に、劣化したセンサーの出力によって、パティキュレート・フィルター自体が劣化したという誤った判断をする可能性があり、それにより、不必要なフィルター交換コストが必要となる。

本発明の観点の一つによれば、従来技術の課題が、エンジン（内燃機関）の排気系に接続された排気後処理システムのための診断システムにより解消される。その排気後処理システムは、少なくとも一つのパティキュレート・フィルターを備える。また、上記診断システムは、上記排気後処理システム上流の排気圧力を表す信号を発生するセンサーと、コンピューター記憶媒体とを備え、このコンピューター記憶媒体の中には、上記センサーの信号に少なくとも基いて上記パティキュレート・フィルター前後の圧力降下を推定するためのコードを有するコンピューター・プログラムが符号化されて記憶されている。

本発明の別の観点によれば、上記排気後処理システムは、上記パティキュレート・フィルターの上流に接続された酸化触媒と、該パティキュレート・フィルターの下流に接続されたリーンNOxトラップと、を備えている。

本発明のまた別の観点によれば、上記パティキュレート・フィルター前後の差圧は、大気圧と、上記酸化触媒、上記リーンNOxトラップ及びマフラーのそれぞれの前後差圧のモデルと、に更に基いて推定される。

このようにして、センサー１つだけを用いれば済むので、組み付け及び材料コストが低下する。更に、そのセンサーは、排気後処理システム上流のエンジン・ルーム内に配置し得るので、厳しい気候条件から遮断することができる。それで、優れたシステム信頼性及び排気浄化性能をコスト低減と共に得ることが出来る。

複数の気筒を有する（そのうちの一つが図1Aに示されている）エンジン10が、電子制御器12により制御される。エンジン10は、燃焼室30及び気筒壁32を有し、その燃焼室内にはピストン36が位置して、クランクシャフト40に接続されている。燃焼室30が、吸気マニフォールド44及び排気マニフォールド48へそれぞれ吸気弁52及び排気弁54を介して連通するのが示されている。吸気マニフォールド44には燃料噴射弁80が接続されており、制御器12からのパルス幅信号FPWに比例して液体燃料を供給するようになっている。信号FPWにより制御される燃料量と噴射時期との両方が調整可能である。燃料は、燃料タンク、燃料ポンプ及び燃料レールを含む燃料システム（不図示）により供給される。このエンジン10では主に圧縮点火燃焼が用いられる。

制御器12は、図1Aにおいて通常のマイクロコンピューターとして示されており、これは、マイクロプロセッサー・ユニット102、入出力ポート104、読み出し専用メモリー106、ランダム・アクセス・メモリー108及び通常のデータ・バスを含んでいる。この制御器12は、エンジン10に接続されたセンサーからの各種信号を受けるようになっている。各種信号には、前述の信号に加えて、冷却スリーブ114に接続された温度センサー112からのエンジン冷媒温度（ECT）の信号、吸気マニフォールド44に接続された圧力センサー116からのマニフォールド圧力の計測値（MAP）の信号、温度センサー117からのマニフォールド温度の計測値（AT）の信号、及び、クランクシャフト40に接続されたエンジン速度センサー118からのエンジン速度信号（RPM）、が含まれる。加えて、制御器12は、後述のエミッション・コントロール・システム20（排気後処理システムのことであり、以下、排出制御システムという）の上流の排気マニフォールドに接続され、該排出制御システム20上流の排気圧を表示する信号を発生するセンサー19からの信号を受けるようになっている。この例において、センサー19は絶対圧センサーである。

排気マニフォールド48には排出制御システム20が接続されている。本発明による排出制御システムの実施形態の一例が特に図２を参照して後述される。

一方、図1Bには代替実施形態が示されており、そこでは、エンジン10は、気筒30内に直接燃料噴射するように燃料噴射弁が配置された直接噴射エンジンである。燃料は、燃料タンク、燃料ポンプ及び高圧コモン・レール・システムを含む、燃料システム（不図示）により、燃料噴射弁80へ供給される。

一例において、エンジン10は、酸素過剰雰囲気で燃料を拡散燃焼させるディーゼル・エンジンである。予混合圧縮着火燃焼とするために燃料噴射時期の調整と複数回の燃料噴射とを利用することも出来る。リーン運転が行われる一方で、理論空燃比又はリッチ空燃比での運転をするためにエンジンの運転制御を行うことも可能である。

別の代替実施形態において、吸気マニフォールド及び排気マニフォールドを介して、ターボチャージャーをエンジン10へ接続することも可能である。

ここで図２を参照すると、排出制御システム20は、酸化触媒13下流に接続されたパティキュレート・フィルター14を含む。触媒15（NOx後処理装置）がパティキュレート・フィルター14の下流に接続されている。この触媒15はリーンNOxトラップ（lean NOx trap: LNT）であり、酸素過剰雰囲気でNOxを吸蔵する一方、そうして吸蔵したNOxを所定の酸素過小雰囲気で放出／還元するNOx吸蔵形触媒である。代替実施形態（不図示）の一つにおいて、触媒15をパティキュレート・フィルター下流ではなく、上流に配置することも出来る。また、触媒15は、上記のようにLNTとすることも、或いは選択還元形（selective catalytic reduction: SCR）触媒とすることも出来る。

酸化触媒13は、エンジン排気中の炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）及び窒素酸化物（NOx）の迅速な変換のために、白金含有の貴金属触媒とするのが好ましい。酸化触媒13は、パティキュレート・フィルターの迅速な昇温のための熱を供給するために用いられ、その加熱は、酸化触媒へ入る排気中のHC濃度を増加させることによりなされ、酸化触媒で過剰なHCが酸化されると、発熱反応が生じる。これは、例えば、（直噴エンジンにおいて）エンジンの膨張又は排気行程のいずれか又は両方の間の気筒内噴射によりなされ得るが、これはまた、噴射時期の遅角、EGR増大及び吸気絞り、そして排気中のHC濃度を高めるために当業者に公知の他のいかなる手段によってもなされ得る。また、当業者に公知の手段を用いて、酸化触媒へ入る排気流の中へ直接炭化水素を噴射しても良い。

一例においてディーゼル・パティキュレート・フィルター（diesel particulate filter: DPF）14であるパティキュレート・フィルター（PF）が、酸化触媒13下流に接続され、車両の運転サイクルの間に粒子状物質（すす）を捕捉するために用いられる。PFは、コーディライト、シリコン・カーバイド、及び他の高温酸化物セラミックを含む各種の材料から製造することが出来る。PFは、排気流が壁を通過する際のフィルタリング過程を通じてすすを収集する。PF前後の圧力降下をモニターすることにより、PF内のすす量をモニターすることができる。圧力降下は、排気の収縮膨張損失、壁に沿っての流れの摩擦損失及び、多孔質媒体を通過する流れによる圧力損失、からなる。すすの蓄積量が所定レベルに到達すると、フィルターの再生を開始することが出来る。フィルター再生は、新たなすすの堆積よりも速くすす粒子を燃焼させることになる温度（例えば、400〜600℃）までフィルターを加熱することにより、なされる。

本件発明者は、絶対圧センサー19が発生する排出制御システム20上流の排気圧計測値に基き、パティキュレート・フィルター前後の圧力降下を推定することが出来る、ということを認識した。すなわち、排気圧計測値P_absoluteは、大気圧計測値P_atmと差圧ΔP_totalとの和として表され、
P_absolute = P_atm +ΔP_total となる。

ここで、大気圧計測値P_atmは、例えば車両始動中のMAPセンサー読取値に基き独立して求めることが出来、そして、ΔP_totalは、排出制御システム20の一部である全ての排気後処理装置（例えば、酸化触媒、パティキュレート・フィルター、LNT及びマフラー）のそれぞれの前後での圧力降下の蓄積である。つまり、
ΔP_total = ΔP_ox__cat + ΔP_PF + ΔP_LNT + ΔP_muffler となる。

また、排気後処理装置のうちパティキュレート・フィルター以外のものは何れも圧力特性を変化させないので、これら装置の前後の圧力降下は、体積流量（F）の関数として以下の式の様にモデル化することが出来る。すなわち、
ΔP_device = c_{0_dev} + c₁__dev × F + c₂__dev × F² である。

排気後処理装置の前後の圧力降下をモデル化するのに、この分野の当業者に公知の別のモデルを用いることも出来る。例えばパティキュレート・フィルター前後の圧力降下は、以下の様に表すことが出来る。つまり、
ΔP_PF = P_absolute - P_atm - ΔP_{ox_cat} - ΔP_LNT - ΔP_muffler である。

それで、本発明によれば、パティキュレート・フィルター前後の差圧を直接計測しなくても済み、その代わりに、パティキュレート・フィルター前後の差圧を、排出制御システム中の最上流の排気後処理装置よりも上流での絶対圧計測値と、当該排出制御システム中の残りの排気後処理装置のそれぞれの前後の圧力降下の推定値と、大気圧と、に基づいて推定することが出来る。

これで、詳細な説明を終える。これを読んだ当業者であれば、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、多くの変更及び改良を想到するであろう。従って、本発明の範囲は、請求項の記載により規定されることが意図されている。

本発明が適用されるエンジンの概略図である。 本発明が適用される別のエンジンの概略図である。 本発明による排出制御システムの実施形態の概略図である。

符号の説明

10 エンジン（内燃機関）
12 コンピューター
14 パティキュレート・フィルター
15 触媒（NOx後処理装置）
19 センサー
20 排出制御システム（排気後処理システム）

Claims (24)

1. 内燃機関の排気系に接続され、少なくとも一つのパティキュレート・フィルターを有する排気後処理システムと、
   上記排気後処理システムよりも上流の排気圧を示す信号を発生するセンサーと、
   上記センサーの信号に少なくとも基いて上記パティキュレート・フィルター前後の圧力降下を推定するコード、を有するコンピューター・プログラムが、符号化されて記憶されているコンピューター記憶媒体と、
   を備える、診断システム。
2. 上記内燃機関がディーゼル・エンジンである、請求項１に記載の診断システム。
3. 上記センサーが絶対圧センサーである、請求項１又は２のいずれかに記載の診断システム。
4. 上記排気後処理システムが更に、上記パティキュレート・フィルターの上流に接続された酸化触媒を備える、前記請求項１乃至３のいずれか１つに記載の診断システム。
5. 上記排気後処理システムが更にNOx後処理装置を備える、請求項４に記載の診断システム。
6. 上記NOx後処理装置がリーンNOxトラップである、請求項５に記載の診断システム。
7. 上記リーンNOxトラップが上記パティキュレート・フィルターの下流に接続されている、請求項６に記載の診断システム。
8. 上記リーンNOxトラップが上記パティキュレート・フィルターの上流に接続されている、請求項６に記載の診断システム。
9. 上記NOx後処理装置が尿素系選択還元触媒である、請求項５に記載の診断システム。
10. 上記コンピューター記憶媒体に記憶されているコンピューター・プログラムが更に、上記パティキュレート・フィルター前後の上記推定圧力降下に基き、パティキュレート・フィルター再生が必要とされていることを示すためのコード、を有する、前記請求項１乃至９のいずれか１つに記載の診断システム。
11. 上記フィルター前後の圧力降下の上記推定が更に大気圧に基く、前記請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の診断システム。
12. 上記フィルター前後の圧力降下の上記推定が更に上記酸化触媒前後の圧力降下のモデルに基く、前記請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の診断システム。
13. 上記フィルター前後の圧力降下の上記推定が更に上記リーンNOxトラップ前後の圧力降下のモデルに基く、前記請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のシステム。
14. 上記フィルター前後の圧力降下の上記推定が更にマフラー前後の圧力降下のモデルに基く前記請求項１乃至１３のいずれか１つに記載のシステム。
15. 内燃機関の排気系に接続された少なくともパティキュレート・フィルターを有する排気後処理システムのための診断方法であって、
    上記排気後処理システムの上流の排気圧力を計測する工程と、
    上記計測された上流排気圧力に少なくとも基いて上記パティキュレート・フィルター前後の圧力降下を推定する工程と、
    を含む方法。
16. 上記内燃機関がディーゼル・エンジンである、請求項15に記載の方法。
17. 上記排気後処理システムが更に、上記パティキュレート・フィルター上流に接続された酸化触媒を備えている、請求項16に記載の方法。
18. 上記排気後処理システムが更に、NOx後処理装置を備えている、請求項15乃至17のいずれか１つに記載の方法。
19. 上記圧力降下の推定が更に大気圧に基く、請求項15乃至18のいずれか１つに記載の方法。
20. 上記圧力降下の推定が更に質量空気量に基く、請求項15乃至19のいずれか１つに記載の方法。
21. 上記圧力降下の推定が更に上記酸化触媒前後の圧力降下に基く、請求項15乃至20のいずれか１つに記載の方法。
22. 上記圧力降下の推定が更にリーンNOxトラップ前後の圧力降下に基く、請求項15乃至21のいずれか１つに記載の方法。
23. 上記圧力降下の推定が更にマフラー前後の圧力降下に基く、請求項15乃至22のいずれか１つに記載の方法。
24. ディーゼル・エンジンの排気系に接続された酸化触媒と、
    上記化触媒の下流に接続されたパティキュレート・フィルターと、
    上記パティキュレート・フィルターの下流に接続されたリーンNOxトラップと、
    上記酸化触媒上流の排気圧力の計測値に少なくとも基いて、上記パティキュレート・フィルターの再生が必要であることを判定し、この判定に応じて上記パティキュレート・フィルターを再生するコンピューター装置と、
    を備えている、ディーゼル・エンジンの排気後処理システム。
    

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