JP2012521520A - 排気ガス温度を制御する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、エンジン（１０）への燃料供給の中断中に、車両（１００）のエンジン（１０）の排気ガス温度を制御する方法であって、該エンジン（１０）が前記車両（１００）の動力伝達系統（２２）を駆動する。前記方法は、２つ以上の動作モードを交互に繰り返し、これら動作モードの少なくとも１つは、１つ以上の他の動作モードより高い排気ガス温度を維持する。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、特にディーゼルエンジンを備える商用車両において、排気ガス温度を制御する方法に関する。
大型ディーゼルエンジンに関する今後の法律では、排出を削減するための排気ガス後処理システムが要求される。微粒子フィルター及びＮＯｘ低減システムはいずれも、ＮＯｘ変換及びすす除去の妥当な効率をもたらすために、約２５０℃〜３５０℃の高い排気ガス温度をそれぞれ必要とする。運転中及び軽いエンジンブレーキ中の排気ガス温度は非常に低いため、ＮＯｘ低減システムは、再度加熱されるまで作動しない。微粒子フィルターの再生は中断され、ＮＯ２を用いた微粒子フィルターの再生は、再度加熱されるまで作動しない。当分野では、特定の駆動条件下で、排気ガス温度を上げるいくつかの方法が知られており、例えば、追加燃料を燃焼することにより、排気ガス温度を上昇させるものがある。特許文献１では、排気ガス温度を上昇させるのに、排気スロットル弁の使用が開示されている。
特許文献２は、排気ガス後処理システムにおいて温度を維持する方法を開示する。この方法は、排気ガス再循環流ダクトを通じて排気ガス流を再循環させることにより、車両が惰行するとき、エンジンが排気ガス後処理システムに冷気を送り出さないようにする。例えば、車両の惰行中に、燃料供給が中断されると、エンジンを制動する排気ブレーキ又は可変形状のタービンを使用することが提案されている。
本発明の目的は、排気ガス後処理システムが好適な温度範囲で確実に作動できるレベルに排気ガス温度を維持するのを可能にする、改善された方法を提供することである。別の目的は、排出削減が改善された車両を提供することである。
上記の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。その他の請求項及び説明は、本発明の有利な実施形態を開示する。
エンジンへの燃料供給の中断中に該車両のエンジンの排気ガス温度を制御する方法であって、該エンジンが車両の動力伝達系統を駆動する、上記方法が提供される。エンジンの動作は、２つ以上の動作モードを交互に繰り返すものであり、これら動作モードの少なくとも１つは、１つ以上の他の動作モードより高い排気ガス温度を維持する。特に、エンジンが十分な熱を発生しないとき、排気ガス後処理システムにおける部品、例えば触媒コンバーター及び／又は微粒子フィルターのような部品が冷却するのを防ぐ。
好都合なことには、２つの異なる方法を低トルク領域、すなわち摩擦ブレーキ中に用いることができる。第１の方法では、エンジンをアイドリングに移行して、エンジン回転速度を低速に変える。この場合、機械式自動トランスミッション（ＡＭＴ）が好都合である。第２の方法では、不変のエンジン回転速度で、排気ガス再循環を用いることができる。後者の場合、機械式自動トランスミッションを必要としない。
好ましいことに、エンジンは燃焼によって活発に熱を伝達しないが、排気温度を所望の温度範囲に確立できる。触媒変換器及び微粒子フィルターは、動作温度範囲内で安定させることができる。燃料供給が再開されると、ＮＯｘの変換及びすす燃焼の準備が一度に整うことから、車両の排出全体が低減する。排気清浄効率が低下した部品を加熱するための加熱時間を回避できる。排気ガス後処理システム、特に触媒コンバーター及び微粒子フィルターの温度と、排気ガス自体の温度との間に差があることに留意されたい。本発明では、これら部品の温度は、部品が作動可能な温度範囲、すなわち選択還元触媒コンバーターが十分な効率で酸化窒素を変換し、かつ微粒子フィルターの再生が可能な温度範囲に維持できる。触媒コンバーターは、サーマルマスがかなり大きいために、上記のことは高価になり、しかもエンジンに対して低い平均負荷で加熱することが困難になる。
本発明の好ましい方法のステップでは、周波数及び／又は滞留時間は、所望のブレーキトルクに応じた動作モードの少なくとも１つにおいて調節できる。有利なことに、所望のブレーキトルクは、より高いブレーキトルクを有する動作モードと交互に繰り返されると、所望のものより低いブレーキトルクを有する動作モードでも確立できる。好ましくは、所望のブレーキトルクは、ＥＧＲ再循環での運転と、より高いエンジンブレーキレベルとを交互に繰り返すことによって形成できる。運転動作地点は、質量流量が極めて低いために、排気ガス後処理システムを冷却しない。より高いエンジンブレーキレベルは、十分に高い温度を有し、後処理システムを冷却しない。その結果、低エンジンブレーキより有意に高い平均温度が得られる。
エンジンへの燃料供給が中断されると、エンジンのエネルギー要求圧縮段階を用いて、エネルギーを散逸させ、車両を減速することによって、エンジンブレーキにより車両を減速させる。このブレーキモードは、圧縮ブレーキとも呼ばれる。大型トラックは、排気制圧器（ＥＰＧ）を用いてエンジンブレーキの効果を高めるために、排気ブレーキと呼ばれる装置も使用する。非ハイブリッド車両において、エンジンブレーキは、動力伝達系統におけるトランスミッションのタイプに関わらず作動状態であり、足が持ち上げられてアクセルから離れ、トランスミッションがニュートラル位置ではなく、クラッチがかけられており、かつフリーホイールがかけられていないときに、作動する。これは、エンジンドラグ（ｄｒａｇ）とも呼ばれる。エンジンブレーキ、すなわち、より低いギヤへのシフトの活発な使用は、非常に急で長いスロープを走行中に運転者が速度を制御したいとき有利である。これは、通常のディスク又はドラムブレーキを適用する前に適用でき、これらのブレーキは緊急停止を行うのに利用できるようになる。エンジンブレーキを用いて下り坂を走行中、重力による加速を抑制することによって、所望の速度を維持する。
本発明の好ましい方法のステップによると、特にエンジンブレーキトルクが必要なとき、第１ブレーキトルクを生成するエンジンブレーキ動作モードと、第１ブレーキトルクより低いブレーキトルクを生成する排気ガス再循環を有する動作モードとを交互に繰り返すことができる。排気ガス再循環は、排気ガス後処理システムを通過して流れる少量のガス流しかもたらさないため、温度を高く維持し、低温のガス流で触媒コンバーター又は微粒子フィルターが冷却するのを防ぐ。特に、第１ブレーキトルクは、エンジンブレーキ動作モード中、所望のブレーキトルクより高い値に確立でき、これにより、所望のブレーキトルクが、２つ以上の動作モードの平均されたトルクとして確立される。所望のトルクより高いトルクを有するエンジンブレーキ動作モードは、排気ガス再循環を有する動作モードを実施する前に最初に実施でき、これによって、排気ガスシステムの温度は、排気再循環がエンジン内での温排気の循環を維持する前の、高ブレーキトルク段階のエンジンブレーキにおいて最初は依然として高いレベルである。残留熱は、不要の冷却ガス流なしに、触媒コンバーター及び微粒子フィルター内に保存できる。
本発明の好ましい方法のステップによると、特にブレーキトルクがほとんど必要ないエンジンのアイドリング中に、ブレーキトルクを生成するエンジン圧縮ブレーキ動作モードと交互に繰り返す上記動作モードの１つにおいて、エンジンを動力伝達系統から切り離すことができる。このモードでは、排気ガス後処理システムを通じて冷気を送り出すのを回避できる。残留熱は、排気ガス後処理システム内に保持できる。特に、エンジンが動力伝達系統から切り離されている間、エンジンの吸気マニホールドへの空気流量を調整できる。本発明の別の発展形態において、有利には、エンジンの吸気マニホールド内の圧力を低下させることができる。好ましくは、排気ガス後処理システムを通過するガス流量を減少させることができ、これによって、排気ガス後処理システムは、システムの部品を冷却しうる少量のガスにしかさらされない。
本発明の別の形態では、エンジンの排気ガス温度は、前述したいずれかの方法の特徴を有する方法によって制御可能な車両が提案される。好都合なことに、上記車両は、通常の駆動動作中に、より低い排出を示すと同時に、排気ガス後処理システムを加熱するための追加燃料の燃焼を回避できるため、より低い燃料消費を示す。
本発明は、上記及びその他の目的並びに利点と共に、以下の実施形態の詳細な説明から理解できよう。しかし、本発明は、概略的に図示する実施形態に限定されるわけではない。
図面において、等しい又は類似の要素は同じ参照番号で示す。図面は、単に概略的に示すにすぎず、本発明の具体的パラメーターを描くことを意図するものではない。さらに、図面は、本発明の典型的な実施形態だけを描くことを意図するもので、従って本発明の範囲を制限するものとして考えるべきではない。
図１は、燃焼機関１０と、本発明の方法で作動させる排気ガス後処理システム４０とを備える装置の例示的実施形態を概略的に示す。図２は、該方法を使用する車両２００を示す。車両２００は、好ましくは小型、中型、又はトラック等の大型車両である。
エンジン１０は、ターボチャージャ５０のコンプレッサ５２により圧縮され、かつ空気管８０を通して給気される吸気マニホールド１２と、排気管３０を通してターボチャージャ５０のタービン５４に排気ガスを排出する排気マニホールド１４と排気ガス後処理システム４０を備える。タービン５４は、共通軸５６を介してコンプレッサ５２を駆動できる。
排気ガスの一部を、排気ガス冷却器６２を備える再循環管６０によって、排気マニホールド１４から吸気マニホールド１２に再循環させることができる。再循環排気ガスの量は、再循環管６０における排気ガス再循環弁６４と、排気ガス後処理システム４０の排気管４２における排気制圧弁４６とによって調節できる。
排気ガスは、当分野で一般に知られる例えばＮＯｘ触媒コンバーター（例えば選択触媒還元（ＳＣＲ）ユニット）、微粒子フィルター、酸化触媒コンバーターなどを備える、コンバーターセクション４４において清浄化される。
コンプレッサ５２は、バイパス管７２に取り付けられる排出再循環弁７４（ＤＲＶ）によって迂回でき、これにより、コンプレッサ５２の上流の吸気管７０からの空気は、コンプレッサ５２を少なくとも部分的に迂回でき、吸気マニホールド１２内の圧力を低下させる。
エンジン１０は、動力伝達系統２２を駆動するが、出力軸１６及び変速装置２０を介して動力伝達系統２２に連結されている。場合によっては、エンジン１０と変速装置２０との間に、クラッチ１８を設けることができる。エンジン１０は、変速装置２０又はクラッチ１８によって動力伝達系統２２に連結したり、又は該動力伝達系統から切り離したりできる。
弁４６、６４、７４、選択的クラッチ１８、変速装置２０及びエンジン１０の燃料供給を制御するために、ユニット９０を設ける。好ましくは、ユニット９０は、本発明の方法を実施するコンピュータープロセッサ及びメモリを備えてもよい。
本発明では、エンジン１０への燃料供給の中断中に、エンジン１０の排気ガス温度を制御する。例えば、運転者が、車両を前進させるためにで、アクセルペダル又は別のユニットを解放してエンジン１０からのトルクを要求すると、燃料供給が中断される。
２つ以上の動作モードを交互に繰り返すことによって、燃料供給が運転中に停止した場合には、動作モードの少なくとも１つが、１つ以上の他の動作モードより高い排気温度を維持する。
図３に示す第１の変形例では、本方法は、第１ブレーキトルクを生成するエンジンブレーキ動作モードと、第１ブレーキトルクより低いブレーキトルクを生成する排気ガス再循環を有する動作モードとを交互に繰り返している。
図３は、本発明に従い、高、低及び平均ブレーキトルクを有するエンジンモードにおけるエンジンブレーキトルクを示す回転速度の関数としてのトルクグラフを示す図である。
グラフＡは、車両が動いている、すなわちエンジンの摩擦ブレーキが存在する間、燃料供給がないエンジンのブレーキ力を表すエンジンの回転速度の関数としてエンジンの摩擦トルクを示す。グラフＢは、中間ブレーキトルクの一例を示す。高ブレーキトルクとは、高い負のトルク、例えば−１，５００Ｎｍの範囲のトルクを意味する。また、低ブレーキトルクとは、低い負のトルク、例えば−２００Ｎｍの範囲のトルクを意味する。
一般に、エンジンブレーキに関して言う場合、高ブレーキトルクは、高い負のトルク値を指す。
エンジンブレーキ動作モード中に第１ブレーキトルクＴ ｈｉを確立すると共に、より低いブレーキトルクＴ ｌｏを第２動作モードに確立するとき、結果として平均トルクＴ ａｖが得られる。あるトルク値を所望する場合には、ブレーキトルクＴ ｈｉ及びＴ ｌｏを選択して、所望のトルクに等しい平均トルクＴ ａｖを取得する。
低ブレーキトルクＴ ｌｏは、排気ガス再循環を有する動作モードによって供給できる。なぜなら、該トルクは、排気ガス後処理システムを通じて非常に低いガス流量で調節できるからであり、従って、ガス流の冷却が実質的に起こらないため、排気ガス後処理システムにおいて高温を維持する。これは、エンジンが、高い負のトルク又は正のトルクを生成しないことによって、エンジン及び排気ガス後処理システムを通過する冷気ガス流量を最小限にしながら、排気ガス後処理システムにおける温度を高く維持するための好ましい方法である。排気ガス温度は、エンジントルクが低いと、あまり高くはならない。典型的に、摩擦トルクでの排気ガス温度は約１００℃である。より高いエンジンブレーキトルク、例えば１，０００Ｎｍ超、特に１，５００Ｎｍ前後では、排気ガス温度はより高く、例えば２００℃〜４００℃であり、排気ガス後処理システムに関連する温度に及ぼすマイナスの影響はほぼないか、まったくない。
スロットルが解放されている、すなわち実質的に純粋なエンジン摩擦ブレーキで燃料供給が停止している間、排気ガス温度は非常に低く、排気ガス後処理システムを通過する質量流量はかなり高く、そのときブレーキトルクＴ ｈｉは高い。異なるトルクＴ ｈｉ、Ｔ ｌｏを有する２つの動作モードを交互に繰り返すことによって、所望のブレーキトルクＴ ａｖは、例えば、微粒子フィルター及び選択還元触媒コンバーターを排気ガス後処理システムで作動可能状態に維持するのに十分高い温度で確立できる。
本方法の上記実施形態に代わり、又はこれに加えて、別の変形例では、ブレーキトルクを生成するエンジン圧縮ブレーキ動作モードと交互に繰り返される第１動作モードにおいて、エンジンを動力伝達系統から切り離すことができる。図４及び図５は、この変形例に関するグラフを示し、図４は、エンジンブレーキ中の排気ガス温度管理を示す負のトルクのエンジンマップのグラフを示し、また、図５は、ブレーキ力の挙動と、排出再循環を用いた排気ガス温度とを示す排出再循環弁によるトルク制御のグラフを示す。
エンジン回転速度に対するエンジントルクの依存を図４のグラフＣ、Ｄ、Ｅによって示す。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、約１，０００ｒｐｍ、１，３００ｒｐｍ及び１，６００ｒｐｍでの一定のエンジン回転速度を示す。グラフＣは、エンジン摩擦ブレーキによるブレーキトルクを表す。該トルクは、回転速度が上昇するのに従って増加する。グラフＥは、最大排気圧縮ブレーキを有するブレーキトルクを示すが、これは、通常、排気ガス後処理システムにおける部品を作動可能状態に維持するのに十分高い排気温度をもたらすものである。グラフＤは、調整された排気圧縮ブレーキを示す。６００ｒｐｍでの地点Ｔ ｉｄは、例えば６００ｒｐｍでのゼロトルクを有するアイドリングエンジンを示す。
アイドリングの間、高ガス流量が排気ガス後処理システムを冷却するので、排気ガス後処理システムにおいて高温を維持するのは困難である。好都合なことには、例えば質量流量も減少させる吸気スロットルを用いることによって、温度をあるレベルまで上昇させるか、又は高いレベルに維持できる。これは、短いアイドリング動作モード又は中間アイドリング動作モードについて行うことができる。吸気スロットルを用いて排気ガス後処理システムの温度を維持する妥当な時間は、約数分、例えば０〜１０分である。特に、上記スロットルは、排気ガス温度をわずかに高める可能性があるが、主として排気ガス後処理システムを通過する質量流量を減少させる。
低温で、しかも高い排気ガス流量を伴うアイドリング中の純粋な摩擦モードを防止するために、アイドリング（又はシャットオフエンジン）動作モードと、特に最高ギヤ時に、低減排気圧縮ブレーキ動作モードとを交互に繰り返すことができる。この良い例として、例えば９０ｋｍ／時に一致する１，０００ｒｐｍでのトルクＴ Ｃが挙げられる。排気ガス後処理システムの温度は、アイドリング中に高すぎるブレーキトルクを供給することなく、微粒子フィルター及びＮＯｘ触媒コンバーターを作動可能状態にするのに十分高いレベルに維持できる。アイドリング時に、変速装置がニュートラル位置にあるか又は少なくとも惰性走行しているとき、動力伝達系統からエンジンを切り離すことができる。
エンジンが動力伝達系統から切り離されている間、エンジンの吸気マニホールドへの空気流量を調整するという別の方法を、排気圧縮ブレーキに代わって適用することもでき、且つ／又は、排出再循環弁（ＤＲＶ）を用いることにより、エンジンの吸気マニホールド内の圧力を低下させることもできる。
図５は、排出再循環弁を用いるときの、ブレーキ力及び排気ガスの温度を示す。ここでは、ブレーキ力を正の数として示している。
グラフＦは、排出再循環弁が作動していない状態でのベースラインを示し、Ｔｅｍｐ Ｆは、得られた温度グラフである。ブレーキ力は、排気ガスの温度が約２５０℃〜３５０℃の間を変動する間、エンジンの回転速度の関数として顕著に増加する。
グラフＧからわかるように、排出再循環弁が作動状態であるとき、ブレーキ力は、例えば、１，９００ｒｐｍでの２５０ｋＷ（グラフＦ）から、２００ｋＷ以下に低下するが、このとき、温度Ｔｅｍｐ Ｇは、作動停止排出再循環弁と比較してほとんど変わっていない。
Claims (18)
- エンジン（１０）への燃料供給の中断中に、車両（１００）のエンジン（１０）の排気ガス温度を制御する方法であって、該エンジン（１０）が前記車両（１００）の動力伝達系統（２２）を駆動する上記方法において、２つ以上の動作モードを交互に繰り返し、これら動作モードの少なくとも１つは、１つ以上の他の動作モードより高い排気ガス温度を維持する、ことを特徴とする前記方法。
- 所望のブレーキトルクに応じて動作モードの少なくとも１つにおいて、周波数及び／又は滞留時間を調節することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 第１ブレーキトルクを生成するエンジンブレーキ動作モードと、第１ブレーキトルクより低いブレーキトルクを生成する排気ガス再循環の動作モードとを交互に繰り返すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
- 所望のブレーキトルクが２つ以上の動作モードの平均トルクとして確立されるように、該所望のブレーキトルクを超える値に、エンジンブレーキ動作モード中の第１ブレーキトルクを確立することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
- 排気ガス再循環の動作モードを実施する前に、まずエンジンブレーキ動作モードを実施することを特徴とする、請求項３又は４に記載の方法。
- ブレーキトルクを生成するエンジン圧縮ブレーキ動作モードと交互に繰り返される動作モードの１つにおいて、前記エンジン（１０）を前記動力伝達系統（２２）から切り離すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
- 前記エンジン（１０）が前記動力伝達系統（２２）から切り離されている間、前記エンジン（１０）の吸気マニホールド（１２）への空気流量を調整することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
- 前記エンジン（１０）の前記吸気マニホールド（１２）における圧力を低下させることを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
- エンジン（１０）の排気ガス温度が、請求項１〜９のいずれかに記載の方法により制御可能である、車両（１００）。
- エンジンへの燃料供給の中断中に、車両のエンジンの排気ガス温度を制御する方法であって、該エンジンが前記車両の動力伝達系統を駆動する上記方法において、２つ以上の動作モードを交互に繰り返し、これら動作モードの少なくとも１つは、１つ以上の他の動作モードより高い排気ガス温度を維持する、ことを特徴とする前記方法。
- 所望のブレーキトルクに応じた動作モードの少なくとも１つにおいて、周波数及び／又は滞留時間を調節することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
- 第１ブレーキトルクを生成するエンジンブレーキ動作モードと、第１ブレーキトルクより低いブレーキトルクを生成する排気ガス再循環の動作モードとを交互に繰り返すことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
- 所望のブレーキトルクが２つ以上の動作モードの平均トルクとして確立されるように、該所望のブレーキトルクを超える値に、エンジンブレーキ動作モード中の第１ブレーキトルクを確立することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
- 排気ガス再循環の動作モードを実施する前に、まずエンジンブレーキ動作モードを実施することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
- ブレーキトルクを生成するエンジン圧縮ブレーキ動作モードと交互に繰り返される動作モードの１つにおいて、前記エンジンを前記動力伝達系統から切り離すことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
- 前記エンジンが前記動力伝達系統から切り離されている間、前記エンジンの吸気マニホールドへの空気流量を調整することを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
- 前記エンジンの前記吸気マニホールドにおける圧力を低下させることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
- エンジンの排気ガス温度が、請求項１０〜１７のいずれかに記載の方法により制御可能である、車両。
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