JP2009533597A - 汚染防止システムの再生をモニタする方法および装置 - Google Patents

Abstract

システムの入口温度に応じての、エンジンのいくつかの燃焼室内への燃料の遅延噴射および／または排気燃料噴射器によるフィルタの上流側の排気系内への直接噴射による排気ガスへの燃料の投入に基く、汚染防止システム（８）の再生をモニタする方法であって、投入される燃料の流量（Ｑ_ｒｅｄ）が、排気系の隔壁温度（Ｔ_{ｐａｒｏｉ}）の値に応じて、排気系内への直接噴射および／またはエンジンのいくつかの燃焼室内への遅延噴射に割り当てられることを特徴とするモニタ方法。

Description

本発明は内燃機関の分野に関し、より詳細には、粒子を排出するディーゼルタイプのエンジンに関する。本発明は特に、粒子フィルタすなわちＰＦの管理に関する。

本発明は、粒子フィルタを具備するあらゆる車両に適用されるが、窒素酸化物トラップ（ＮｏｘＴｒａｐ）のパージまたはその脱硫酸化の戦略のために、追加の噴射器を使用する場合にも適用される。

これらのシステムは、従来の酸化触媒とは異なり、断続的または交互に動作する。すなわち、通常運転時には汚染物質をトラップし、再生段階でのみ、これらの物質を処理する。これらのフィルタ、すなわちトラップを再生するには、必要な熱レベルおよび／または濃度レベルを保証するための特有の燃焼モードが必要である。

粒子フィルタを再生するにあたっては、上死点（ＴＤＣ）後の膨張段階で、エンジンの燃焼室内に１回または複数回の遅延噴射を行うことができ、これらの噴射は、排気ガスの温度を上昇させる効果がある。ＴＤＣから長時間を経てから噴射されたディーゼル燃料は、燃焼室内ではなく排気系の触媒部分内で燃焼する。同じく、汚染物質の排出量を少なくするために、ＰＦの他にも、ＰＦの上流の排気系内に酸化触媒（ＯＣ）を設置するか、あるいはＰＦの内部に、（白金等の）触媒物質を直接設置することができる。これらの触媒により、遅延噴射のＨＣおよびＣＯが酸化して、ガスの温度を上昇させる。

遠隔での後噴射の流量を増加させると、この後噴射により、エンジンの出口においてＨＣおよびＣＯが多量に排出される。これらの還元性物質は、排気ガス中に存在する酸素と酸化触媒中で反応して熱を発生するので、粒子フィルタの入口側の排気ガス温度が上昇するという効果がある。

このように、粒子フィルタの再生を行う場合には、通常、粒子フィルタの上流側に設置される酸化触媒によって発生する熱、ならびに触媒粒子フィルタが受ける、触媒段階の熱を利用することができる。この触媒段階は、酸化触媒によって処理されなかった、炭化水素および一酸化炭素を酸化する役割を果たす。また、触媒段階では、触媒粒子フィルタの上流側に酸化触媒がないとき、触媒粒子フィルタの酸化段階で発生する熱も利用することができる。

種々の再生支援手段の作動開始は、通常、エンジン制御用コンピュータによって制御され、このコンピュータは、粒子フィルタのすすの堆積など複数のパラメータに応じて、再生のタイミング、継続時間ならびにその段階での噴射パラメータを決定する。

ところで、再生の効率を向上させるためには、エンジンの動作点の高低に関わらず、すすの酸化にとって好適であり、通常の排気温度よりも高い、フィルタ内部温度（５７０℃から６５０℃）を発生させることが必要である。同様に、汚染物質全体の処理を最適化するためには、これらのトラップのストック段階および再生段階を、最良に管理する必要がある。したがって、これらの作業のためには、再生段階時の粒子フィルタの入力部の温度、および後噴射による希釈をモニタする必要がある。

現状では、粒子のストック要素の再生に必要な熱は、シリンダの膨張段階中に、あるいは、排気系統内に直接、追加噴射を行うことにより発生される。通常、噴射の調節は、酸化触媒Ｔ_ＳＤＣの出口温度を調節するために算出された補正を適用する、ＰＩＤ（比例積分微分）を用いた温度ループにより行われる。

排気系の触媒段階において、所望の発熱を実現するために使用できる２つのアクチュエータは、潤滑油中の燃料の希釈という基準に関しては同等ではない。

シリンダ内で後噴射を利用すると、希釈に関して大きなコスト上昇が生じるが、排気への直接噴射を利用すると、この面に関するシステムの調節をより柔軟なものにすることができる。

本発明は、後噴射の実施に関連する希釈のコストを軽減するために、後噴射において、排気系内への還元性物質の噴射を優先させることにより、粒子フィルタの再生性能を最大にすることを目的とする。

この目的のため、本発明は、投入される燃料の流量を、排気系の隔壁温度の値に応じて、排気系内への直接噴射および／またはエンジンのいくつかの燃焼室内への遅延噴射に割り当てることを提案するものである。

好ましくは、排気系内への燃料の噴射は、エンジンの負荷が最も少ないゾーンおよび負荷が最も高いゾーンだけに限定され、排気系内に噴射される燃料の流量は、それより上では、噴射される燃料が排気系内で完全には酸化されない最大流量に制限される。

本発明は、タービンの上流側の第１温度センサと、酸化触媒と、汚染防止システムの入口温度を測定する第２温度センサと、汚染防止システムと、排気系の隔壁温度の判定手段を備える装置を提供する。

本発明のその他の特徴および長所は、例として示す、添付の図面を参照して行う詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。

図１は、車両のエンジンへの本発明の適用を非限定的に示したものである。図には、４気筒エンジン１、ターボコンプレッサのタービン２およびコンプレッサ３、ＥＧＲループおよびそのクーラ４が示してある。排気系には、酸化触媒（ＯＣ）７、次いで粒子フィルタ（ＰＦ）８がある。第５噴射器と呼ばれる排気燃料噴射器９が触媒７の上流側に設置されている。付随する種々のセンサは、タービン前温度センサ（Ｔ_ａｖｔ）１１、粒子フィルタ入口温度センサ（Ｔ_ｅｆａｐ）１３、粒子フィルタ出口温度センサ（Ｔ_{ｅｓｆａｐ}）１４、酸素センサ１６、およびフィルタの上流側と大気との間の差圧センサ１７すなわち相対圧力センサである。さらにこの略図は、エンジンの吸気スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ１９、および排気系統の隔離手段２１も記載している。付随するエンジン制御用コンピュータ２２が、上記センサから発信された信号、ならびに電気消費装置２３、電気ファンユニット２５、被制御サーモスタット２６、および温度センサ２７、大気圧センサ２８から送られてくるその他の情報を受信し処理する。

ただし、本発明の範囲内において、排気系内に置かれた追加の排気燃料噴射器９、すなわち第５噴射器は、タービンの上流にも下流にも設置することができ、提案する戦略に対し、この位置が影響を及ぼすことはない。よって、本発明に係る装置は、以下の要素、すなわち排気燃料噴射器９、タービンの上流側の第１温度センサ１１、酸化触媒７、汚染防止システム入口温度Ｔ_ｅｆａｐを測定する第２温度センサ１２、汚染防止システム８、および排気系の隔壁温度Ｔ_{ｐａｒｏｉ}の決定手段を備える。本発明によれば、隔壁温度決定手段は、コンピュータ内に組み込まれた計算モデルとしてもよく、あるいは隔壁温度センサ（図示せず）としてもよい。また汚染防止システム８は粒子フィルタとしてもよく、あるいは窒素酸化物トラップなど、別のシステムとしてもよく、排気燃料噴射器９は、タービンの上流側に置いても下流側に置いてもよい。

上述したように、本発明は、排気ガスの通路内に設置された追加の噴射器と、後噴射の間で、粒子フィルタの入口において所望の温度に達することができる燃料の量Ｑ_ｒｅｄを、分配するようになっている。

より詳細には、粒子フィルタの入口における温度制御戦略によって指令される、還元性物質の量Ｑ_ｒｅｄは、排気系の隔壁温度Ｔ_{ｐａｒｏｉ}の瞬間値に応じて、まず追加の噴射器Ｑ_５ｉｎｊおよび／または後噴射Ｑ_ｐｏｉに割り当てられる。

本発明は、排気燃料噴射器が、エンジンの全動作範囲にわたって使用可能ではないという原理に基いている。実際、排気におけるガス流量が少ないこと、および隔壁温度が低いことを特徴とするゾーンでは、噴射された燃料を充分に気化させることができない。また安全上の理由から、排気におけるガス流量が多いこと、および隔壁温度が高いことを特徴とするゾーン内では、排気燃料噴射器を使用しないことが好ましい。というのは、酸化触媒内での還元性物質の滞留時間があまりにも短くて、還元性物質の全てを酸化することができないからである。したがって、図２に従い、排気系内への燃料の噴射は、エンジンのある動作範囲内でしか用いられず、たとえば、エンジンの負荷が最も少ないゾーンおよび負荷が最も高いゾーンだけに限られる。

隔壁温度は、センサにより、またはエンジン制御用コンピュータに組み込まれたモデルにより、種々のパラメータに応じて求めることができる。隔壁温度Ｔ_{ｐａｒｏｉ}を求めるにあたっては、たとえば、Ｔ_{ｐａｒｏｉ}の瞬間値を与えることができるセンサ、またはコンピュータ内に組み込まれた計算モデルを使用することが可能である。この温度は、ターボコンプレッサのタービン前の排気ガス温度Ｔ_ａｖｔ、エンジンの水温Ｔ_ｅａｕ、排気ガス流量Ｑ_ｅｃｈおよび（たとえば吸気において測定された）空気流量Ｑ_ａｉｒを含めた、図３に記載された種々のパラメータの関数である。モデルは、エンジンの動作点に応じて、これらのパラメータを全て使用することも、そのうちの一部だけを使用することも可能である。

噴射すべき燃料の量Ｑ_ｒｅｄは、隔壁温度、酸化触媒ＯＣの出口温度、ＦＡＰの入口温度Ｔ_ｅｆａｐ、およびエンジン動作点（排気ガス流量）によって変わる。燃料の量Ｑ_ｒｅｄは、エンジン制御用コンピュータに組み込まれたモジュールによって計算される。図４に示すこのモジュールは、エンジンの回転速度／トルク動作点によってマッピングされる、噴射すべき還元性物質の（アクチュエータとは無関係と想定される）流量の基本的調節と、設定温度Ｔ_ｃｏｎｓにおける、粒子フィルタの入口温度の測定の偏差に依存するＰＩＤ（比例積分微分）型補正装置によって生成される補正とから構成される。

ＤＯＣの変換能力は、隔壁温度と、隔壁を通過するガスの流量とに依存し、それより上では、排気に噴射される還元性物質の一部が酸化されない、第５噴射器の最大流量を規定する。本発明は、この制約を考慮に入れるために、排気系内に噴射される燃料の流量Ｑ_５ｉｎｊが、それより上では、噴射される燃料が排気系内で完全には酸化されない最大流量Ｑ_{ｉｎｊｍａｘ}までに制限されるようにしている。より詳細には、噴射流量Ｑ_ｉｎｊが、排気系内で完全に酸化可能な最大流量より少ない限り、燃料は優先的に排気系内に噴射される。

図５は、様々な隔壁温度Ｔ_{ｐａｒｏｉ１}、Ｔ_{ｐａｒｏｉ２}、Ｔ_{ｐａｒｏｉ３}における、第５噴射器の流量の高飽和の原理を示している。この噴射器を使用できない２つのゾーンにおいては、ＦＡＰ入口温度の制御戦略が、ＤＯＣ内での発熱を必要とする場合に、後噴射が許可される。

第５噴射器の使用が許可される場合、この噴射器が最初に飽和し、その結果、指令された過剰分が、後噴射に割り振られ飽和するまで、第５噴射器の使用が優先される。すなわち、
Ｑ_ｒｅｄ＜最大Ｑ_５ｉｎｊであれば、Ｑ_５ｉｎｊ＝Ｑ_ｒｅｄ かつ Ｑ_ｐｏｉ1＝０
Ｑ_ｒｅｄ≧最大Ｑ_５ｉｎｊであれば、Ｑ_５ｉｎｊ＝最大Ｑ_５ｉｎｊ かつ Ｑ_ｐｏｉ1＝Ｑ_ｒｅｄ−最大Ｑ_５ｉｎｊ

したがって、排気系内で酸化可能な流量Ｑ_{ｉｎｊｍａｘ}に対して、過剰の燃料Ｑ_ｐｏｉが、遅延噴射によってエンジンの燃焼室内に噴射される。好ましくは、エンジン制御用コンピュータ２２は、酸化触媒７の飽和レベルまで排気燃料噴射器９内の燃料の流量Ｑ_ｒｅｄを指令した後に、粒子フィルタ８の再生によって指令される過剰分をエンジンの燃焼室内での燃料の遅延噴射に割り振る。

排気における噴射および後噴射を同時にアクティブにする場合、噴射された燃料全量が上り勾配に従って設定値に到達し、噴射された燃料の一部が、反応せずに触媒を通過することがないようにすることが好ましい。そのような噴射プロフィールを用いると、排気ガスの流量が多く、隔壁温度が高い場合、触媒を通過する還元性物質がより酸化されやすくなる。

本発明は、システムの動的特性を向上させるために、流量の全体的設定値の変化に応答して、排気燃料噴射器の流量を優先的に変化させることを提案する。こうすることにより、後噴射は設定値の変化の影響を受けなくなる。しかし、後噴射による希釈をできるだけ減らすことが好ましいので、本発明は、排気における還元性物質の流量を、次第に増加させることにより、平衡を再度確立する（すなわち、排気において可能な還元性物質の流量を最大にし、エンジンの燃焼室内で最小にする）ことを提案する。

排気系内への還元性物質噴射の戦略モデルは、車両のＥＣＵ内に組み込まれる。この戦略の主なステップは、以下の通りである。
・モデルがまずマッピングから、当該動作点の場合に噴射すべき燃料の追加量（Ｑ_ｒｅｄ）を求めるステップ
・ＤＯＣの出口（またはＦＡＰの入口）温度を測定することにより、この還元性物質の量を補正し、その結果、ＦＡＰの入口において、所望の温度（設定温度）に可能な限り近づくようにする（Ｔ_ＳＤＯＣ＝Ｔ_ＥＦＡＰ）ステップ
・次いで、排気ガスの特性（Ｔ_{ｐａｒｏｉ}およびＱ_ｅｃｈ）に従い、第５噴射器（Ｑ_５ｉｎｊ）と後噴射（Ｑ_ｐｏｉ1）の間での、追加燃料の分配を管理するステップ。ここで、第５噴射器のみ、あるいは遅延噴射のみが動作するようにすることが可能である。

最後に、隔壁温度計算モデルの精度により、提案された戦略の使用が制限されることがあることを明言しておかなければならない。実際、できるだけ広い回転速度負荷範囲で追加の噴射器を使用できるようにすることが重要であるが、隔壁温度が過度に低いときは、この噴射器を使用しないようにすることも重要である。Ｔ_{ｐａｒｏｉ}の値に対して設定される余裕が、利用可能な回転速度／負荷範囲に直接影響することになる。

本発明の適用例を示す図である。 排気条件の変化に伴う噴射の分布を示す図である。 隔壁の温度を求める方法を示す図である。 指令の略ブロック図である。 ３つの隔壁温度について、排気系内に噴射される（第５噴射器）燃料の量の飽和曲線を示す図である。

符号の説明

１ ４気筒エンジン
２ タービン
３ コンプレッサ
４ ＥＧＲループ
７ 酸化触媒
８ 粒子フィルタ（汚染防止システム）
９ 排気燃料噴射器
１１ 第１温度センサ
１２ 第２温度センサ
１３ 粒子フィルタ入口温度センサ
１４ 粒子フィルタ出口温度センサ
１６ 酸素センサ
１７ 差圧センサ
１８ 吸気スロットルバルブ
１９ ＥＧＲバルブ
２１ 隔離手段
２２ コンピュータ
２３ 電気消費装置
２５ 電気ファンユニット
２６ サーモスタット
２７ 温度センサ
２８ 大気圧センサ

Claims (20)

1. 酸化触媒と粒子フィルタ（８）とを備え、汚染防止システムの入口温度に応じて、エンジンのいくつかの燃焼室内への燃料の遅延噴射による、および／または排気燃料噴射器（９）による、粒子フィルタの上流側の排気系内への直接噴射による排気ガスへの燃料の投入量に基き、汚染防止システムの再生をモニタする方法であって、
   投入される燃料の流量（Ｑ_ｒｅｄ）を、排気系の隔壁温度（Ｔ_{ｐａｒｏｉ}）に応じて、排気系内への直接噴射、および／またはエンジンのいくつかの燃焼室内への遅延噴射に、割り当てることを特徴とする汚染防止システムの再生をモニタする方法。
2. 排気系内への燃料の噴射が、エンジンの所定の動作範囲内でのみ用いられることを特徴とする請求項１に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
3. 排気系内への燃料の噴射が、エンジンの負荷が最も少ないゾーンおよび負荷が最も高いゾーンに限定されることを特徴とする請求項１に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
4. センサによって、隔壁温度が求められることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
5. 隔壁温度（Ｔ_{ｐａｒｏｉ}）が、エンジン制御用コンピュータ内に組み込まれたモデルにより、ターボコンプレッサのタービン前の排気ガス温度（Ｔ_ａｖｔ）、水温（Ｔ_ｅａｕ）、排気ガス流量（Ｑ_ｅｃｈ）および空気流量（Ｑ_ａｉｒ）を含む種々のパラメータに応じて、求められることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
6. 排気系内に噴射される燃料の流量（Ｑ_ｉｎｊ）が、それより上では、噴射される燃料が排気系内で酸化触媒によって完全には酸化されない最大流量（Ｑ_{ｉｎｊｍａｘ}）までに制限されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
7. 噴射流量（Ｑ_ｉｎｊ）が、排気系内で完全に酸化可能な最大流量（Ｑ_{ｉｎｊｍａｘ}）より少ない限り、燃料が優先的に排気系内に噴射されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
8. 排気系内の酸化物流量（Ｑ_{ｉｎｊｍａｘ}）に対する燃料の過剰量（Ｑ_ｐｏｉ）が、遅延噴射によりエンジンの燃焼室内に噴射されることを特徴とする請求項７に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
9. 燃料の合計流量（Ｑ_ｒｅｄ）が、エンジンの各動作点において、粒子フィルタ入口温度（Ｔ_ｅｆａｐ）と再生設定温度（Ｔ_ｃｏｎｓ）の間の偏差に依存する係数で補正されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
10. エンジン制御用コンピュータ（２２）が、酸化触媒（７）の飽和レベルまで、排気燃料噴射器（９）内の燃料の流量（Ｑ_ｒｅｄ）を指令した後に、粒子フィルタ（８）の再生によって指令される過剰分を、エンジンの燃焼室内での燃料の遅延噴射に割り振ることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
11. 排気燃料噴射器の流量が、まず第１に全体的流量設定値の変化に応答して変化することを特徴とする請求項１０に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
12. 汚染防止システム（８）が、粒子フィルタであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする方法。
13. 排気燃料噴射器（９）と、ターボコンプレッサのタービンの上流側の第１温度センサ（１１）と、酸化触媒（７）と、汚染防止システムの入口温度（Ｔ_ｅｆａｐ）を測定する第２温度センサ（１２）と、汚染防止システム（８）と、排気系の隔壁温度（Ｔ_{ｐａｒｏｉ}）の判定手段とを備え、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法を実施することを特徴とする汚染防止システムの再生をモニタする装置。
14. 隔壁温度測定手段が、エンジン制御用コンピュータ（２２）内に組み込まれた計算モデルであることを特徴とする請求項１３に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。
15. 排気燃料噴射器（９）が、ターボコンプレッサ（２）のタービンの上流側に配置されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。
16. 排気燃料噴射器（９）が、ターボコンプレッサ（２）のタービンの下流側に配置されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。
17. 第１温度センサ（１１）が、ターボコンプレッサ（２）のタービンの上流側に配置されることを特徴とする請求項１３から１６のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。
18. 汚染防止システム（Ｔ_ｓｆａｐ）の出口に温度センサ（１４）を含むことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。
19. 汚染防止システム（８）が粒子フィルタであることを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。
20. 汚染防止システム（８）が窒素酸化物トラップであることを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の汚染防止システムの再生をモニタする装置。

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