JP2011174467A - ディーゼルパティキュレートフィルタ再生用排気弁作動システム - Google Patents

Abstract

【課題】効果的なディーゼルパティキュレートフィルタの再生を可能にする。
【解決手段】ディーゼルパティキュレートフィルタ（２４）のところでの再生を開始させる排気弁作動システム（３０）がエンジン（１４）と関連したエンジン制御モジュール（４２）を有する。複数の排気弁（３２）が複数のエンジンシリンダ（Ｃ１〜Ｃ６）に対応している。所定の大きさの背圧と温度とのうちの一方又は両方がエンジン制御モジュールに伝えられると、エンジン制御モジュールは少なくとも１つの排気弁（３２）を作動させてこれが開くようにする。気体又は気体・燃料混合気が開放状態の排気弁に対応したシリンダ（Ｃ１）内で圧縮されて加熱される。少なくとも１つの排気弁は、エンジン制御モジュールによって開放されず、それにより対応のシリンダ（Ｃ２）内での燃焼が可能である。
【選択図】図１

Description

本明細書において説明する実施形態は、排気ガスを加熱するシステム及び方法に関する。特に、本明細書において説明する実施例は、ディーゼルパティキュレートフィルタを再生させるよう排気ガスを加熱するシステム及び方法に関する。

ディーゼル車両の排気ガス後処理システムは、エンジンから放出された排気ガスを処理するためにエンジンの下流側に配置される。後処理システムは、典型的には、ディーゼルエンジン用酸化触媒（ＤＯＣ）及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を含む。排気ガスからのパティキュレート（粒状物質）は、ディーゼルパティキュレートフィルタ上に堆積し、未チェック状態のままであれば、後処理システム及びディーゼルエンジン中に背圧を生じさせる場合がある。再生を行わない場合、ＤＰＦは、スート（すす状物質）で詰まった状態になる場合があり、エンジンは、正しく作動しない場合がある。

再生は、通常のディーゼルエンジン作動中における後処理システム中の捕集されたパティキュレートの定期的酸化である。排気系統のディーゼルパティキュレートフィルタにパティキュレートが堆積すると、パティキュレートは、フィルタを「再生」するよう酸化される。再生は、典型的には、エンジン負荷を増大させ、排気流中へのディーゼル燃料の後噴射を作動させることによって開始される。エンジン負荷の増大と後噴射の組み合わせにより、ディーゼルパティキュレートフィルタ内の捕集されたパティキュレートを酸化するのに十分な熱が得られる。

アイドリング又は部分負荷作動条件の間、燃焼サイクル中に噴射される燃料は、ＤＰＦ再生サイクルを開始させるのに十分な排気ガス温度を維持するのに十分であるとはいえない。したがって、エンジンの負荷は、ディーゼルパティキュレートフィルタのところの下流側の再生を開始するのに十分に加熱された状態の排気ガスを提供するよう増大されなければならない。しかしながら、多くの車両は、「ストップ・アンド・ドライブ（のろのろ運転）」又はしばしばアイドリング方式で作動し、その結果生じる排気ガスは、再生を生じさせるのに十分に高い温度を持つことがない。

ディーゼルパティキュレートフィルタのところでの再生を開始させる排気弁作動システムは、エンジンと関連したエンジン制御モジュールを有する。複数個の排気弁が複数個のエンジンシリンダに対応している。所定の大きさの背圧又は所定の温度のうちのいずれか一方又はこれら両方がエンジン制御モジュールに伝えられると、エンジン制御モジュールは、少なくとも１つの排気弁を作動させてこれが開くようにする。開かれた状態の排気弁に対応したシリンダ内でガスを圧縮すると共に加熱する。少なくとも１つの排気弁は、エンジン制御モジュールによって開かれることはなく、それにより、対応のシリンダ内での燃焼が可能になる。

エンジンの排気ガス後処理システムを再生する方法は、エンジンからディーゼルパティキュレートフィルタに至る流体通路を用意するステップを有する。この方法は、後処理システムの背圧若しくは後処理システムの温度又はこれら両方を検出してこれらをエンジン制御モジュールに伝えるステップを更に有する。エンジン制御モジュールは、背圧若しくは温度又は両方を所定の背圧若しくは所定の温度又はこれら両方と比較する。比較結果に基づいて、エンジン制御モジュールは、シリンダの少なくとも１つの排気弁を作動させ、排気弁は、シリンダ内のガスを圧縮するよう開かれる。シリンダからの加熱圧縮状態のガスは、流体連通によりディーゼルパティキュレートフィルタに導かれる。燃焼が残りのシリンダのところで送り続けることができるようにするために、全ての排気弁がエンジン制御モジュールによって開かれるわけではない。残りのシリンダからの加熱状態の排気も又、流体連通によりディーゼルパティキュレートフィルタに導かれる。

ディーゼルパティキュレートフィルタのところでの再生を開始させる排気弁作動システムがエンジンと関連したエンジン制御モジュールを有する。このシステムは、後処理システムのところの温度を検出する温度センサか後処理システムのところの圧力を検出する背圧センサかのいずれか一方又はこれら両方を有する。温度若しくは背圧又は両方は、エンジン制御モジュールに伝えられる。複数個の排気弁がエンジンの複数個のシリンダに対応している。高圧油マニホルドがエンジンと関連しており、高圧油マニホルドは、噴射装置油ギャラリからの油が排気弁ギャラリに流れるのを選択的に阻止する遮断弁を有する。所定の大きさの背圧か所定の温度かのいずれか一方又は両方がエンジン制御モジュールに伝えられると、エンジン制御モジュールは、遮断弁を作動停止させる。遮断弁の作動停止により、噴射装置油ギャラリからの油が排気弁ギャラリに流れて少なくとも１つの排気弁を開くことができる。排気弁のうちの少なくとも１つは、エンジン制御モジュールによって開くように作動されることはなく、それにより対応のシリンダ内での燃焼が可能になる、排気弁作動システム。

排気ガス後処理システムを備えたエンジンの略図であり、ディーゼルパティキュレートフィルタがエンジンの下流側に配置されている状態を示す図である。 エンジンから加熱状態のガスを提供する排気弁作動システムの略図である。 排気弁作動システムが作動されていないときの排気弁作動システムの高圧油マニホルドの断面図である。 排気弁作動システムが作動されていないときの排気弁作動システムの高圧油マニホルドの横断面図である。 排気弁作動システムが作動されているときの排気弁作動システムの高圧油マニホルドの断面図である。 排気弁作動システムが作動されているときの排気弁作動システムの高圧油マニホルドの横断面図である。

図１を参照すると、車両の排気ガス後処理システムが全体を符号１０で示されており、この排気ガス後処理システムは、エンジン１４から出口１６、例えば周囲１８への出口まで延びる排気管組立体１２を有している。排気管組立体１２は、排気ガスＦがエンジン１４から周囲１８に流れることができるようにする流体通路２０を形成している。

排気管組立体１２の第１の部分２２が、エンジン１４からディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２４まで延びている。ＤＰＦ２４は、非常に高い温度に耐える材料で構成されたフィルタである。ＤＰＦ２４は、排気ガス後処理システム１０中に排出された排気ガス内に同伴されているパティキュレート（粒状物質）を捕捉してこれを保持する。ＤＰＦ２４は、排気ガス後処理システム１０の背圧の増大を制限すると共にエンジン１４の効率を維持するために定期的に再生される。ディーゼルエンジン用酸化触媒（ＤＯＣ）２６がＤＰＦ２４の上流側に配置されるのが良い。排気管組立体１２の第２の部分２８は、ＤＰＦ２４から出口１６まで延びている。後処理システム１０に他のコンポーネントを設けても良い。

次に図１〜図４Ｂを参照すると、排気弁作動システム３０がエンジン１４の少なくとも１つのシリンダＣ１を、燃料噴射及び燃焼を止めるよう作動停止させる。シリンダＣ１は、作動停止されたシリンダに対応した排気弁３２を開き、圧縮力を用いて作動停止されるシリンダ内のガスの温度を上げることによって、作動停止される。

作動停止状態のシリンダＣ１では、シリンダシステム３４が空気取り入れ口３６によって受け入れられた空気を圧縮し、それにより空気の温度を高める。加熱された空気は、部分的に開かれた排気弁３２を通ってシリンダＣ１から放出され又は抽出されて排気マニホルド３８に送られ、そしてＤＰＦ２４に導かれる。シリンダＣ１内での圧縮によって生じた高い圧力は、エンジン１４のクランクシャフト（図示せず）の回転に抵抗する傾向のある制動力でもある。

図１のエンジン１４が６つのシリンダＣ１〜Ｃ６を備えているが、排気弁作動システム３０を少なくとも２つのシリンダを備えた任意のエンジンに使用できるということに問題はない。さらに、排気弁作動システム３０が少なくとも１つシリンダＣ１を作動停止させるが、このシステムは、作動状態のシリンダの数と同数のシリンダを作動停止させるのが良く、或いは、変形例としてこれとは等しくない数のシリンダを作動停止させることができる。以下の説明する排気弁作動システム３０は、エンジン１４の複数個のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５の排気弁３２を開く。

少なくとも１つのシリンダＣ２は、排気弁作動システム３０によって作動停止されることはない。作動状態のままである残りのシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６は、燃料噴射装置４０のところで噴射燃料を引き続き受け入れて引き続き燃料を燃焼させてエンジン速度を維持する。燃料を燃焼させていない非作動状態のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５を補償すると共にエンジン１４のクランクシャフトに対する非作動状態のシリンダの抵抗に打ち勝つため、作動状態のシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６は、燃料噴射装置４０のところで増量した燃料を受け入れるのが良い。作動状態のシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６から結果として生じる排気ガスは、温度が上昇している。

作動停止状態のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５からの加熱圧縮状態のガスと作動状態のシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６からの加熱状態の排気ガスの組み合わせにより、ＤＰＦ２４のところでの再生を開始させるのに十分な熱が排気ガスに与えられる。排気弁作動システム３０により、エンジン１４は、エンジン１４が低アイドリング及び低エンジン負荷条件で作動している間、作動停止状態のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５からの加熱圧縮状態のガスを提供すると共に作動状態のシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６からの加熱状態の排気ガスを提供する。

排気弁作動システム３０は、高圧マニホルド４６に取り付けられた排気ガス遮断弁４４を制御するエンジン制御モジュール（ＥＣＭ）４２を有する。ブレーキ制御圧力センサ４８及び噴射圧力センサ５０を高圧マニホルド３８に設けて排気弁ギャラリ５２内の油圧及び高圧マニホルドの噴射装置油ギャラリ５４内の油圧をモニタしてこれらをＥＣＭ４２に伝えるようにするのが良い。

排気ガス背圧センサ５６が例えば排気マニホルド３８又はＤＰＦ２４のところの後処理システム１０内の背圧をモニタし、背圧をＥＣＭ４２に伝える。背圧は、後処理システム１０の２つの場所、例えば、ＤＰＦ２４の上流側の場所と下流側の場所との間の圧力の変化分であるといえる。

温度センサ５８がＤＰＦ２４、排気マニホルド３８又はシリンダＣ１〜Ｃ６とＤＰＦとの間のどこかの場所の温度を検出し、この温度をＥＣＭ４２に伝える。この温度は、後処理システム１０の２つの場所、例えばＤＰＦ２４の上流側の場所と下流側の場所との間の温度の変化分であるといえる。

ＥＣＭ４２は、所定の背圧値、排気弁ギャラリ圧力値、噴射装置油ギャラリ圧力値及び温度値を有し、これらの値は、センサ４８，５０，５６，５８によりＥＣＭに伝えられる値と比較される。センサ５８のところの後処理システム１０の所定の温度値よりも低い場合又はセンサ５６のところでの後処理システム１０内の背圧の所定の圧力値よりも高い場合、ＤＰＦ２４は、スート又は他のパティキュレートで詰まっている場合があり、排気弁作動システム３０を作動させるのが良い。

図２及び図３Ａ〜図３Ｂを参照すると、エンジン１４の通常の作動中、高圧マニホルド４６内の油は、燃料噴射装置油ギャラリ５４に流れるが、排気ガス遮断弁４４は、油が排気弁ギャラリ５２に流入するのを選択的に阻止する。通常の作動中、シリンダＣ１〜Ｃ６は全て、燃料噴射装置４０から燃料を受け入れ、燃焼のために作動される。

所定の大きさの排気ガス背圧が排気ガス背圧センサ５６によってモニタされた場合又は所定の温度が温度センサ５８によってモニタされた場合、これらの値は、ＥＣＭ４２に伝えられ、ＥＣＭ４２は、排気弁作動システム３０の作動を指令する。ＥＣＭ４２は、遮断弁４４を作動停止させることにより排気弁作動システム３０を作動させ、それにより排気弁ギャラリ５２への油の流れを可能にする。

次に図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、排気弁作動システム３０を作動させると、シリンダのうちの少なくとも１つＣ１は、高圧油を用いて排気弁３２を少なくとも部分的に開き状態にすることにより作動停止される。遮断弁４４が作動停止され、それにより噴射装置油ギャラリ５４からの油が排気弁ギャラリ５２に流れることができ、それにより油を作動停止されるべきシリンダＣ１（又はシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５）に対応したピストン組立体６０に分配することができる。ピストン組立体６０内の油により、ピストン６２は、引っ込み位置（図３Ｂ）から配備位置（図４Ｂ）に変位し、それにより排気弁ブリッジ６４を変位させる。排気弁ブリッジ６４の変位により、排気弁受座とエンジンシリンダＣ１の排気弁３２との間に開口部６６が生じる。

排気弁３２が開かれている状態では、加熱圧縮状態の空気は、開口部６６から流れ出て排気マニホルド３８に至り、そして流体連通によりＤＰＦ２４に導かれる。排気マニホルド３８のところで、作動停止状態のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５からの加熱圧縮状態の空気は作動状態のシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６からの加熱状態の排気ガスと組み合わされ、そして、両方の源からのガスは、流体連通によりＤＰＦ２４に導かれる。

排気弁３２の開放と同時に又はその直後に、ＥＣＭ４２は、作動停止状態のシリンダの噴射装置４０を作動停止させて作動停止状態のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５内への燃料噴射を阻止する。しかしながら、作動状態のシリンダＣ２，Ｃ４，Ｃ６内の燃料噴射装置４０は、作動状態のままである。

作動停止状態のシリンダＣ１，Ｃ３，Ｃ５では、排気弁作動システムの作動中にこれらシリンダのところで燃焼が起こっていない場合であっても、燃料噴射装置４０は、燃料を噴射してこれを流体連通により排気マニホルド３８を通ってＤＰＦ２４まで下流側に導くようにするのが良い。燃料をＤＯＣ２６のところで又はＤＯＣの上流側で燃焼させることができ、その結果、再生のための追加の熱がＤＰＦのところで得られる。

再生が起こった後、排気ガス背圧センサ５６により背圧が所定値を下回っていることがＥＣＭ４２に示されると、ＥＣＭは、排気弁作動システム３０をオフにする。排気弁作動システム３０をオフにすると、圧力逃がし弁６８（図２）が開かれると共に遮断弁４４が作動され、それにより噴射装置油ギャラリ５４からの油が排気弁ギャラリ５２に流入するのが阻止される。排気弁ギャラリ５２内の油が油受け（図示せず）に抜け、排気弁３２が少なくとも１つのばね７０の力を受けて引っ込み位置（図３Ｂ）に引っ込められる。通常の燃料噴射は、先に作動停止状態であったシリンダＣ１内で再開し、このシリンダＣ１は、再び、燃焼のための作動状態のシリンダになる。

後処理システム１０により、エンジン速度又は負荷をそれほど増大させないでＤＰＦ２４の再生が可能である。後処理システム１０により、車両は、エンジン１４を低速で且つ低負荷で稼働させることができ、それと同時にＤＰＦ２４のところでの再生を開始させるのに十分に高い温度を排気ガスの流れＦに与えることができる「ストップ・アンド・ドライブ」方式で走行することができる。

１０ 排気ガス後処理システム
１２ 排気管組立体
１４ エンジン
１６ 出口
２０ 流体通路
２４ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２６ ディーゼルエンジン用酸化触媒（ＤＯＣ）
３０ 排気弁作動システム
３２ 排気弁
３８ 排気マニホルド
４０ 燃料噴射装置
４２ エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）
４４ 遮断弁
５２ 排気弁ギャラリ
５４ 燃料噴射装置油ギャラリ
５６ 排気ガス背圧センサ
５８ 温度センサ
６０ ピストン組立体
Ｃ１〜Ｃ６ シリンダ

Claims (20)

1. 排気ガス後処理システムのディーゼルパティキュレートフィルタのところでの再生を開始させる、複数個のシリンダを備えたエンジンの排気弁作動システムであって、前記排気弁作動システムは、
   前記エンジンと関連したエンジン制御モジュールと、
   前記複数個のエンジンシリンダに対応した複数個の排気弁とを有し、
   所定の大きさの背圧及び所定の温度のうちの少なくとも一方が前記エンジン制御モジュールに伝えられると、前記エンジン制御モジュールは、前記複数個の排気弁のうちの少なくとも１つを、開くように作動させ、それにより対応の前記シリンダ内での気体又は気体・燃料混合気の圧縮を可能にし、
   前記複数個の排気弁のうちの少なくとも１つは、開くように作動されず、それにより該排気弁に対応する前記シリンダ内での燃焼が可能になる、
   ことを特徴とする排気弁作動システム。
2. 前記排気弁は、前記エンジンと関連した高圧油マニホルドからの高圧油を用いて開かれる、
   請求項１記載の排気弁作動システム。
3. 前記高圧油マニホルドは、噴射装置油ギャラリ及び排気弁ギャラリを有する、
   請求項２記載の排気弁作動システム。
4. 前記噴射油ギャラリから前記排気弁ギャラリへの油の流体連通を選択的に阻止したり可能にしたりするよう動作可能な遮断弁を更に有する、
   請求項３記載の排気弁作動システム。
5. 油が前記排気弁ギャラリに導かれると、ピストンが引っ込み位置から伸長位置に変位する、
   請求項４記載の排気弁作動システム。
6. 前記伸長位置への前記ピストンの変位により、前記排気弁が開かれる、
   請求項５記載の排気弁作動システム。
7. 開いた状態の前記少なくとも１つの排気弁に対応した前記シリンダは、気体又は気体・燃料混合気を圧縮し、その結果、加熱圧縮された状態の気体又は気体・燃料混合気が生じ、前記加熱圧縮された状態の気体又は気体・燃料混合気は、流体連通により前記排気弁から送り出されて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに送り込まれる、
   請求項１記載の排気弁作動システム。
8. 開いていない前記複数個の排気弁のうちの少なくとも１つに対応した前記シリンダは、増量した燃料を受け入れ、その結果、加熱状態の排気ガスが生じ、該加熱状態の排気ガスは、流体連通により前記排気弁から送り出されて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに送り込まれる、
   請求項１記載の排気弁作動システム。
9. 前記エンジン制御モジュールは、前記少なくとも１つの排気弁を開かず、対応した前記シリンダは、燃焼のために用いられる、
   請求項１記載の排気弁作動システム。
10. 前記後処理システムのところの温度を検出する温度センサ及び前記後処理システムのところの圧力を検出する背圧センサのうちの少なくとも一方を更に有し、前記温度センサ及び前記背圧センサのうちの少なくとも一方は、前記温度及び前記背圧のうちの少なくとも一方を前記エンジン制御モジュールに伝える、
    請求項１記載の排気弁作動システム。
11. ディーゼルパティキュレートフィルタを備えたエンジンの排気ガス後処理システムを再生する方法であって、
    前記エンジンから前記ディーゼルパティキュレートフィルタに至る流体通路を用意するステップと、
    前記後処理システムの背圧及び前記後処理システムの温度のうちの少なくとも一方を検出すると共にこれをエンジン制御モジュールに伝え、前記背圧及び前記温度のうちの少なくとも一方を所定の背圧及び所定の温度と比較するステップであって、前記比較結果に基づいて、前記エンジン制御モジュールは、シリンダの少なくとも１つの排気弁を作動させるステップと、
    前記エンジン制御モジュールの指令に応じて前記少なくとも１つの排気弁を開いて前記シリンダ内の気体又は気体・燃料混合気を圧縮するステップであって、燃焼が残りのシリンダで起こり続けることができるよう前記エンジン制御モジュールによって排気弁の全てが開かれないステップと、
    前記圧縮加熱状態の気体又は気体・燃料混合気を開かれた状態の前記排気弁に対応した前記シリンダから前記ディーゼルパティキュレートフィルタに流体連通させて再生を開始させるステップと、
    燃焼済み排気ガスを前記残りのシリンダから前記ディーゼルパティキュレートフィルタに流体連通させて再生を開始するステップとを備えている、
    ことを特徴とする方法。
12. 前記エンジン制御モジュールが遮断弁を作動停止させ、噴射装置油ギャラリからの油が排気弁ギャラリに流れることができるようにするステップを更に有する、
    請求項１１記載の方法。
13. 油を開かれるべき排気弁を有する前記シリンダに対応したピストン組立体に分配することができるようにするステップを更に有する、
    請求項１２記載の方法。
14. 前記ピストン組立体のピストンを引っ込み位置から配備位置に油圧下で変位させるステップを更に有する、
    請求項１３記載の方法。
15. 増量した燃料を燃焼のために前記残りのシリンダ内に噴射するステップを更に有する、
    請求項１１記載の方法。
16. ３つのシリンダの排気弁を開き、３つのシリンダの排気弁を開かないようにするステップを更に有する、
    請求項１１記載の方法。
17. 開かれた状態の排気弁に対応した前記シリンダ内に燃料を噴射し、噴射された前記燃料を流体連通により前記後処理システムに導くステップを更に有する、
    請求項１１記載の方法。
18. 排気ガス後処理システムのディーゼルパティキュレートフィルタの再生を開始させる、複数個のシリンダを備えたエンジンの排気弁作動システムであって、
    前記エンジンと関連したエンジン制御モジュールを有し、
    前記後処理システムの温度を検出する温度センサ及び前記後処理システムの圧力を検出する背圧センサの少なくとも一方を有し、前記温度センサ及び前記背圧センサの少なくとも一方は、前記温度及び前記背圧の少なくとも一方を前記エンジン制御モジュールに伝え、さらに
    前記エンジンの前記複数個のシリンダに対応した複数個の排気弁と、
    前記エンジンと関連した高圧油マニホルドであって、噴射装置油ギャラリからの油が排気弁ギャラリに流れるのを選択的に阻止する遮断弁を有する高圧油マニホルドと、を備え、
    所定の大きさの背圧及び所定の温度のうちの少なくとも一方が前記エンジン制御モジュールに伝えられると、前記エンジン制御モジュールは、前記遮断弁を作動停止させ、前記噴射装置油ギャラリからの油が前記排気弁ギャラリに流れて少なくとも１つの排気弁を開くことができるようにし、前記複数個の排気弁のうちの少なくとも１つは、前記エンジン制御モジュールによって開くように作動されることはなく、それにより対応の前記シリンダ内での燃焼が可能になる、
    ことを特徴とする排気弁作動システム。
19. 前記排気弁ギャラリ内の油は、ピストンを引っ込み位置から伸長位置に変位させる、
    請求項１８記載の排気弁作動システム。
20. 前記伸長位置への前記変位により、前記排気弁が開かれる、
    請求項１９記載の排気弁作動システム。

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