JP2011526983A - 燃焼エンジンの排気システムにおいて用いるための投入システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、好ましくは第1の流路（5）内を流れる第1の流体を好ましくは第2の流路（9）内を流れる第2の流体の流れに投入するための投入システムに関する。本システムは、例えば、燃焼エンジン（1）からの排ガス中に還元剤を投入するために使用されてもよい。システムは、バルブ（6）と、バルブ（6）の下流に配置された、出口を有するノズル（3）と、第1の流体がリザーバ（4）からバルブ（6）を介してノズル出口へと流れることが可能な流路（5）と、一つまたは複数のセンサ（8）から入力を受け、かつその入力に基づいて要求値を決定するように適合された制御システムであって、その要求値に基づいてバルブ開放期間が決定される、制御システム（7）とを備える。バルブ開放期間は、ゼロとは異なり、かつ要求値が所定の閾値を下回る場合には要求値に依存しない。さらに、本発明は、そのような投入システムを備える排気システムおよびそのような投入システムを用いて第1の流体を第2の流体の流れに投入する方法に関する。

Description

発明の分野
本発明は、第1の流体を第2の流体の流れに投入するための投入システムに関し、特に、還元剤を燃焼エンジンの排気管中に投入するための投入システムに関する。
発明の背景
燃焼エンジンの排ガスからの窒素酸化物などの汚染物質の放出を低下させるために、例えば液化尿素などの還元剤がしばしば排気システム中に導入される。これは、一般に、還元剤の噴霧を確保するノズルを用いて行なわれる。幾つかの投入システムでは、例えば燃料消費に依存する現在需要量に相関するように還元剤の現在量が決定される。還元剤の導入は、しばしば、還元剤を供給するために使用されるノズルに蓄積する結晶構造または非結晶構造の形態をなす堆積物をもたらす。これらの堆積物は経時的にサイズが増大し、それにより、霧化が低下して、供給量の制御が不良となり、最終的に、ノズル出口が完全に詰まる。したがって、堆積物を時々除去しなければならず、そのため、システムの一部を分解する必要がある。
したがって、堆積物を蓄積することなく排ガスから窒素酸化物を除去するための改良されたシステムおよび方法は有益である。
発明の目的
本発明によれば、排ガスおよび排気管がまだ熱い状態であり、ノズルを通じた流体の流れが存在しない場合に、特に堆積物の形成が起こることが分かった。これは、以下を含む多くの状況において当てはまり得る:
・実需要量が主に実燃料消費の測定値から決定され、かつ燃料消費が非常に低いとき、例えば、乗り物のモータが制動するとき。
・乗り物と投入システムとの間の通信にエラーがあるときであって、これらのエラーが「非投入」信号をもたらすとき。
・乗り物が、排気管の温度の増大をもたらす微粒子フィルタを再生するとき。温度の増大により、ノズルに存在する還元剤から堆積物が形成される場合がある。
・乗り物のエンジンがオフに切り換えられているが排気管が堆積物の形成をもたらすのに十分なほどまだ暖かいとき。臨界温度は還元剤に依存する。
上記の認識に基づいて、本発明の目的は、ノズルの詰まりを回避できる投入システムを提供することである。
本発明の更なる目的は、先行技術に代わる手段を提供することである。
発明の概要
したがって、前述した目的および幾つかの他の目的は、以下の投入システムを提供することにより、本発明の第1の局面において達成されるように意図されている：
バルブと、
バルブの下流に配置された、出口を有するノズルと、
第1の流体がリザーバからバルブを介してノズル出口へと流れることが可能な流路と、
一つまたは複数のセンサから入力を受け、かつその入力に基づいて要求値を決定するように適合された制御システムであって、その要求値に基づいてバルブ開放期間が決定される、制御システムと
を備える、第1の流体を第2の流体の流れに投入するための投入システムであって、
バルブ開放期間は、ゼロとは異なり、かつ要求値が所定の閾値を下回る場合には要求値に依存しない、投入システム。
バルブは、第1の流体がバルブを通じて流れることができない閉状態と、第1の流体がバルブを通じて流れることができる少なくとも一つの開状態とを有することが好ましく、後者は「バルブ開放期間」と呼ぶ。使用される実際の制御パラメータは、バルブ開放期間ではなく、バルブが開かれる時間およびバルブが閉じられる時間であってもよい。これらの時間の差が開放期間である。
バルブ開放期間に加えて、バルブを通じる流体の流れが、圧力などの他のパラメータを変えることにより制御されてもよい。更なる可能性は、圧力波を有する第1の流体を供給することである。制御システムは、要求値の決定時にセンサにより測定されるパラメータ以外の更なるパラメータを使用してもよい。決定は、要求値と更なるパラメータとの間の所定の関係に基づいてもよく、関係は例えば実験またはコンピュータシミュレーションから決定される。
投入システムは、第1の流体を投入システムを通じてポンピングするためのポンプ手段を更に備えてもよい。あるいは、第1の流体を内部に蓄えるリザーバが加圧され、それにより、バルブが開かれ、ノズルへ向かう第1の流体の流れがもたらされる。
第1の流体は、少なくとも要求値が閾値を下回る場合にノズル出口から断続的に流出されうる。断続的とは、好ましくは、バルブが一定期間開かれた後にバルブが閉じられる期間があることを意味する。開放時間および閉鎖時間が等しい長さであってもよくまたは異なる長さであってもよい。断続的な流れにより、少ない投入量の第1の流体であっても、第1の流体を無駄に使用することなくノズルを通じて高圧下で流れることができる。高圧は、ノズルを洗い流し、それにより、ノズルに形成される可能性のある堆積物を除去するために使用される。
本発明の幾つかの態様では、ノズルがバルブを備える。それにより、小型で流体密（fluid-tight）な解決策を得ることができる。あるいは、ノズルおよびバルブは、好ましくは漏れない接続を確保しつつ任意の適した手段により接続されるようになっている別個のユニットである。
好ましい態様では、ノズルが噴霧装置を備えてもよい。そのような装置は第1の流体の霧化を行なうために使用され、そのような霧化は、一般に、第1の流体と第2の流体との間の効率的な反応をもたらす。
そのような噴霧装置は、少なくとも2つの集中ノズルチャンネルを備えてもよい。この結果、ノズルチャンネルを通じて流れる流体噴流を互いに衝突させることにより、霧化を得ることができる。
一つまたは複数のセンサからの入力は、第2の流体の温度の測定値および/または第2の流体が流れるパイプの壁の温度の測定値を含んでもよい。投入システムが燃焼エンジン式の乗り物に配置される場合、一つまたは複数のセンサからの入力は、一つまたは複数の以下のパラメータの測定値を含んでもよい：エンジンの実燃料消費、1分間当たりの回転数、および負荷（loading）。具体的に言及された入力に加えて、他の入力が使用されてもよい。
本発明のある態様では、第1の液体が液化尿素などの還元剤であり、かつ第2の流体が燃焼エンジンからの排ガスである。そのような態様の詳細な説明が以下に与えられる。
本発明の第2の局面は、
前述した投入システムと、
第2の流体が流れる排気管と
を備える排気システムであって、
ノズル出口が、第1の流体を第2の流体へ供給するように配置されている、
排気システムに関する。
本発明の第3の局面は、バルブと、バルブの下流に配置された、出口を有するノズルと、第1の流体がリザーバからバルブを介してノズル出口へと流れることが可能な流路と、制御システムとを備える投入システムを用いて、第1の流体を第2の流体の流れに投入する方法であって、
一つまたは複数のセンサを用いて一つまたは複数のパラメータ値を測定する工程、
測定された値を制御システムへの入力として使用する工程、
入力に基づいて要求値を決定する工程、
要求値と所定の閾値とを比較する工程、および
要求値が所定の閾値を下回る場合に、要求値に依存しないバルブ開放期間を決定し、要求値が所定の閾値と等しいかまたはそれを上回る場合に、要求値に依存するバルブ開放期間を決定する工程
を含む方法に関する。
バルブ開放期間および場合により第1の流体の圧力などの他のパラメータも、第1の流体の要求量が第2の流体に供給されるように決定される。「要求量」は、例えば実験またはコンピュータシミュレーションから予め決定される。
本発明のこれらの局面および他の局面は、後述する態様から明らかであり、該態様に関連して解明される。
ここで、添付図面に関して本発明に係る投入システムを更に詳しく説明する。図面は、本発明を実施する一つの方法を示しており、添付の特許請求の範囲内に入る他の可能性のある態様に限定するものとして解釈されるべきではない。
燃焼エンジンと組み合わせて配置された本発明に係る投入システムを概略的に示す。 本発明の基となる思想全体を概略的に示す。 本発明に係る方法のフロー図である。 本発明に係る投入システムを備えた乗り物における走行シナリオの例を示す。
態様の詳細な説明
本発明の好ましい態様の以下の説明は、本発明に係る投入システムを有する燃焼システムに関する。そのような燃焼システムの概略図が図1に与えられる。この態様では、前述した第1の流体が還元剤であり、かつ第2の流体が燃焼エンジンからの排ガスである。
燃焼エンジン式の乗り物において、エンジン1から出る排ガスは、それが触媒システム2に入る前には窒素酸化物を含んでいる。排ガスが触媒システム2を通過した後、ガスは、一般に環境へと排出される窒素および水を含む。このプロセスは、排ガスが触媒システム2に入る前に液化尿素などの還元剤がノズル3を用いて排ガス中に吹き込まれた場合に有意に改善されることが知られている。還元剤は、タンク4内に蓄えられ、かつパイプ5およびバルブ6を介してノズル3へ導かれる。内部に還元剤を蓄えたタンク4が加圧されてもよく、または、還元剤がポンプ（図示せず）によりノズル3へとポンピングされてもよい。
投入システムはバルブ6を備えており、該バルブは、還元剤がバルブ6を通じて流れることができない閉状態と、還元剤がバルブ6を通じて流れることができる開状態とを有する。図1では、バルブ6およびノズル3が別個のユニットとして示されているが、バルブ6がノズル3内に備えられてもよい。ノズル3およびバルブ6が別個のユニットである態様では、バルブ6がタンク4とノズル3との間のいかなる場所に配置されてもよい。1つより多いバルブ6が使用されてもよい。還元剤の投入は、多数のセンサ8からの入力を受ける制御システム7によって制御される。図1に示される態様は、エンジン1の一つまたは複数の特性、排気管9の壁の温度、および、排ガスの温度をそれぞれ測定できるように配置されたセンサ8を備える。エンジン1の特性は、エンジンの燃料消費、1分間当たりの回転数、および、負荷を含んでもよい。エンジン特性の監視が一つのセンサ8のみによって概略的に示されているが、実際には、異なる特性が異なるセンサによって監視されてもよい。図示のセンサに加えてまたは代えて他のセンサが使用されてもよい。センサ8からの入力に基づいて、制御システム7は要求値とも呼ばれる還元剤についての現在需要量Q需要量を決定し、また、バルブ6は、それに応じて、決定された量の還元剤が排ガス中に吹き込まれるように制御される。バルブ6は一般にパルス幅変調（PMW）様式で制御され、それにより、比較的少ない需要量であっても還元剤の十分な噴霧を確保できる。
排気管9の壁の温度および/または排ガスの温度に基づいて還元剤の量を決定する第1の理由は、大抵の還元剤とNOxとの間の反応は、特定の温度を十分に大きく上回ってしか生じないためである。以下、排気管9の温度、排ガスの温度、または、最初に述べた2つの測定値から決定される理論値であってもよい臨界温度Tcrについて言及する。そのような理論値は例えば加重平均であってもよく、重み因子は例えば検査またはシミュレーションから決定される。本発明の好ましい態様では、排ガスの温度が、触媒システムを通過する前後で決定され、それらのうちでTcrが最も低い。Tcrを決定するこの方法は、触媒システム2の前後の両方で温度がTcrを上回る場合には触媒システム2の内側でも温度がTcrを上回るという仮定に基づいている。これに代えてまたは加えて、触媒システム2の内側に配置されたセンサによって温度を測定することができる。この場合、還元剤の必要とされる量の決定は、Tcrへの公知の依存度に基づく。Tcrへの依存度は、例えば物理試験および/またはコンピュータシミュレーションから決定されてもよい。
還元剤を排ガスに投入するための公知のシステムにおいて、還元剤の量は、主に、エンジン1の燃料消費、回転数、および負荷の測定値から決定される。しかしながら、本発明に関連して、これらのパラメータから決定される還元剤における需要量が非常に低いまたはゼロのときに還元剤からの堆積物がノズル3内にも形成されることが分かった。これは、特に、バルブ6が漏れて、それにより、非常に低い圧力の流れがノズル3を通じて垂れる場合に当てはまる。非常に僅かな流れを伴うまたは流れがないという状況は、排気管が依然として高い温度を有する間に乗り物のモータが制動するかまたは更にはオフに切り換わるときに起こりうる。
したがって、排ガスの温度に基づいて還元剤の量を決定する第2の理由は、Q需要量がゼロの場合であっても還元剤を排気管内に吹き込むことが有益であることが分かったからである。この還元剤が高圧で供給されると、ノズル3は洗い流され、それにより、ノズル3内に形成された堆積物がノズル3から除去される。
一般に、還元剤を断続的に供給することによって、還元剤の不必要な使用を伴わない高圧が得られる。断続的とは、好ましくは、バルブ6が短時間開かれた後にバルブが閉じられる期間があることを意味する。バルブ開放期間は例えば30msであってもよく、投入と投入の間の期間は例えば30sであってもよい。圧力は一般に5〜20bar程度である。典型的なノズル寸法および圧力が排気システムで使用される場合には、30msのバルブ開放期間は、1回の投入あたり0.033〜0.05mlの投入をもたらす。
以下、2つの動作モード、すなわち、投入およびパージについて言及する。「投入」は、センサからの入力により決定される要求値Q需要量が所定の閾値Qcrであるかまたはそれを上回っている期間を指定するために使用されるのが好ましい。このモードでは、還元剤の現在供給量が一般に燃料消費などのパラメータに応じて変化する。「パージ」は、センサ8からの入力により決定される要求値Q需要量がQcrを下回っている期間を指定するために使用されるのが好ましい。このモードでは、所定量の還元剤が典型的には前述したように断続的に供給されるが、1パルスをカバーする期間中に実質的に一定の量が供給される。図2は、公知のシステムと本発明に係るシステムとの間の全体的な相違を概略的に示している。図2aは、需要量Q需要量とノズルを通じて供給される量Q流出量との間に直線関係を有する公知のシステムを示している。図2bは、Q需要量が閾値Qcrを下回る場合に一定量の還元剤が排ガスに加えられるという本発明の思想を対応する方法で示している。前述したように、「一定」とは、必ずしもバルブ6が絶えず開かれているかのように理解されるべきではない。乗り物が走行していて、かつ排ガスおよび/または排気管の決定された温度T（それがどのように決定され得るかについての前述した詳細を参照）が臨界温度Tcrを上回っている場合には、Q需要量は、主にまたは完全に燃料消費などのエンジンパラメータに依存する。実際の関係は、線形であってもよく、または、当業者に周知の任意の特徴を有してもよい。
液化尿素が還元剤として使用される排気システムにおいて試験が行なわれた。エンジン1がオフに切り換えられたが排気管9内の温度が依然として約200℃を上回っていた場合には尿素堆積物がノズル6内に形成されていたことが分かった。したがって、この場合、Tcrが200℃に設定されてもよい。
しかしながら、堆積物形成が170〜180℃で開始する場合もあり、したがって、実際のTcrを特定の用途に合わせて調整すべきである。
本発明に係る方法の適用に関与するステップが図3のフロー図に示されている。図は、エンジン1がオンまたはオフに切り換えられる度に、また、アイドリングと走行との間で変化がある度に左上角から再読されるように理解されるべきである。左上角には、エンジン1がオンに切り換えられるか否かの決定が示されている。堆積物が形成され得る間にわたって堆積物をノズル3から除去し続けるために、エンジン1がオフに切り換えられた後であっても、決定された温度TがTcrを上回っている間にわたってパージモードで還元剤を供給し続けることが必要な場合がある。エンジン1がアイドリング状態のときには、TがTcrと比較され、それにより、T≧Tcrの場合にパージがなされる。エンジンがアイドリング状態のときおよびエンジンがアイドリング状態でないとき（すなわち、乗り物が走行しているとき）のいずれにおいても、TとTcrとの間の比較が規則正しい時間間隔でまたは絶えず繰り返されなければならない。これは、排ガスおよび/または排気管9の加熱または冷却に起因してエンジン1がアイドリング状態のときにTが経時的に変化する可能性が高いからである。乗り物が走行しているとき、最初のステップは、先と同様に、T≧Tcrかどうかを決定することであり、かつT≧Tcrである場合にはセンサ8からの入力に応じて還元剤の添加を開始することである。T＜Tcrの場合に還元剤を決して添加しないことが好ましい理由は、大抵の還元剤とNOxとの間の反応は、特定の温度を決定的に上回ってしか生じないためである。乗り物が走行していてT≧Tcrである場合には、現在の燃料消費および場合により他のパラメータに基づいて需要量Q需要量が決定される。図2に関連して説明したように、投入システムは、Q需要量≧Qcrの場合には投入モードで作動し、Q需要量＜Qcrの場合にはパージモードで作動する。
図4は、本発明に係る投入システムを備えた乗り物における可能性のある走行シナリオを示している。破線は要求投入量Q需要量を表しており、この要求投入量は、図では、右側のy軸に示されるようにml/時の単位で与えられる。二点鎖線は、左側のy軸に示されるように排ガスの温度を表しており、また、実線はパージを表している。エンジンはゼロに等しい時間にオンに切り換えられるように想定されており、また、Tcrは200℃に設定される。温度がTcrに達すると、投入システムは、供給還元剤の量が前述したように決定される投入モードで作動する。41分付近でQ需要量がQcrを下回り、Tが依然として200℃を上回っていると、システムがパージモードに切り換わる。これは、一般に、エンジンがアイドリング状態の場合である。70分付近で、Q需要量がQcrを超えて増大し、システムが投入モードに切り換わる。115分付近では、システムはパージモードであり、Tが200℃を下回ると、その結果、投入もパージもない状況となる。
要求値が所定の閾値を下回る場合であっても、ノズルを通じた還元剤の流れは、
・高圧の還元剤を用いたフラッシングによりノズル中に形成される任意の堆積物をノズルから除去する、
・ノズル内の還元剤を新しくする（ノズル内の濃度の低下をもたらすことになる）、
・ノズルの冷却
といったことを含む幾つかの理由によりノズルの詰まりを防止する場合がある。
前述した態様では、投入システムが一つのノズルだけを備える。しかしながら、システムは、例えば排気管の壁に円周方向に配置されてもよい2つ以上のノズルを備えてもよい。還元剤が一つのバルブを介して全てのノズルへ供給されてもよく、ノズルごとに一つのバルブが存在してもよく、または、2つ以上のノズルへの還元剤の流れを制御するために多数のバルブがそれぞれ使用されてもよい。
先に与えられた例に加えて、Q需要量が非常に低いかまたはゼロである状況は、センサからの信号の送信エラーなどのシステムのエラーに起因している場合であって、それにより、誤ったQ需要量が決定される。公知のシステムでは、これにより、ノズルを通じた還元剤の供給がなされなくなる。本発明に係る投入システムでは、そのような状況は、システムのパージモードでの作動をもたらす。このことは、汚染物質の不十分な還元を意味することもあるが、少なくともノズルは詰まらない。
本発明を特定の態様に関連して説明してきたが、本発明は、決して与えられた実施例に限定されるように解釈されるべきではない。本発明を特許請求の範囲に係る投入システムを有する燃焼システムに関して説明してきた。しかしながら、本発明はまた、第1の流体を第2の流体の流れに投入する一方で、Q需要量＜Qcrの場合にセンサからの入力とは無関係に一定量の第1の流体が投入されるようにすることに関連する他のシステムで用途を見出してもよい。更なる用途の例は、炭素堆積物を燃焼させるための、ディーゼル微粒子フィルタに注入される発熱媒体に関するものである。
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。特許請求の範囲との関連で、用語「備えること」または「備える」は、他の可能性のある要素またはステップを除外しない。また、「a」または「an」などの参照の言及は、複数を除外するものと解釈されるべきではない。図面に示される要素に関する特許請求の範囲中の参照符号の使用は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。また、異なる請求項で言及される個々の特徴は、場合により組み合わせられるのが有益である場合があるが、異なる請求項におけるこれらの特徴の言及は、特徴の組み合わせが可能ではないことおよび有益ではないことを除外しない。

Claims (18)

  1. バルブと、
    バルブの下流に配置された、出口を有するノズルと、
    第1の流体がリザーバからバルブを介してノズル出口へと流れることが可能な流路と、
    一つまたは複数のセンサから入力を受け、かつその入力に基づいて要求値を決定するように適合された制御システムであって、その要求値に基づいてバルブ開放期間が決定される、制御システムと
    を備える、第1の流体を第2の流体の流れに投入するための投入システムであって、
    バルブ開放期間は、ゼロとは異なり、かつ要求値が所定の閾値を下回る場合には要求値に依存しない、投入システム。
  2. 第1の流体を投入システムを通じてポンピングするためのポンプ手段を更に備える、請求項1記載の投入システム。
  3. 第1の流体が、少なくとも要求値が閾値を下回る場合にノズル出口から断続的に流出する、請求項1または2記載の投入システム。
  4. ノズルがバルブを備える、前記請求項のいずれか一項記載の投入システム。
  5. ノズルが噴霧装置を備える、前記請求項のいずれか一項記載の投入システム。
  6. 噴霧装置が、少なくとも2つの集中ノズルチャンネルを備える、請求項5記載の投入システム。
  7. 一つまたは複数のセンサからの入力が、第2の流体の温度の測定値を含む、前記請求項のいずれか一項記載の投入システム。
  8. 一つまたは複数のセンサからの入力が、第2の流体が流れるパイプの壁の温度の測定値を含む、前記請求項のいずれか一項記載の投入システム。
  9. 投入システムが燃焼エンジン式の乗り物に配置され、かつ一つまたは複数のセンサからの入力が、エンジンの実燃料消費、1分間当たりの回転数、および負荷（loading）のうちの一つまたは複数のパラメータの測定値を含む、前記請求項のいずれか一項記載の投入システム。
  10. 第1の液体が液化尿素などの還元剤であり、かつ第2の流体が燃焼エンジンからの排ガスである、前記請求項のいずれか一項記載の投入システム。
  11. 前記請求項のいずれか一項記載の投入システムと、
    第2の流体が流れる排気管と
    を備える排気システムであって、
    ノズル出口が、第1の流体を第2の流体へ供給するように配置されている、排気システム。
  12. バルブと、バルブの下流に配置された、出口を有するノズルと、第1の流体がリザーバからバルブを介してノズル出口へと流れることが可能な流路と、制御システムとを備える投入システムを用いて、第1の流体を第2の流体の流れに投入する方法であって、
    一つまたは複数のセンサを用いて一つまたは複数のパラメータ値を測定する工程、
    測定された値を制御システムへの入力として使用する工程、
    入力に基づいて要求値を決定する工程、
    要求値と所定の閾値とを比較する工程、および
    要求値が所定の閾値を下回る場合に、要求値に依存しないバルブ開放期間を決定し、要求値が所定の閾値と等しいかまたはそれを上回る場合に、要求値に依存するバルブ開放期間を決定する工程
    を含む方法。
  13. 第1の流体を投入システムを通じてポンピングすることを更に含む、請求項12記載の方法。
  14. 第1の流体が、少なくとも要求値が閾値を下回る場合に出口から断続的に流出する、請求項12または13記載の方法。
  15. 一つまたは複数のセンサからの入力が、第2の流体の温度の測定値を含む、請求項12〜14のいずれか一項記載の方法。
  16. 一つまたは複数のセンサからの入力が、第2の流体が流れるパイプの壁の温度の測定値を含む、請求項12〜15のいずれか一項記載の方法。
  17. 投入システムが燃焼エンジン式の乗り物に配置され、かつ一つまたは複数のセンサからの入力が、エンジンの実燃料消費、1分間当たりの回転数、および負荷のうちの一つまたは複数のパラメータの測定値を含む、請求項12〜16のいずれか一項記載の方法。
  18. 第1の液体が液化尿素などの還元剤であり、かつ第2の流体が燃焼エンジンからの排ガスである、請求項12〜17のいずれか一項記載の方法。
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