JP2013535603A - ディーゼルエンジン及び排気後処理システム、並びにディーゼルエンジンの排気ガス処理方法 - Google Patents

Abstract

ディーゼルエンジン及び排気後処理システムにおいて、制御装置はエンジンの作動を制御して１組目の排気特性を得ると共に、燃料インジェクタを制御することによって、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料をＤＰＦの上流において第１の噴射率で噴射し、前記少なくとも１つの条件が達成された後、前記燃料インジェクタを制御して燃料噴射率を低下させると共に、前記エンジンの作動を制御して２組目の排気特性を得ることによって、前記ＤＰＦ再生を行うように構成される。前記第１及び２組目の特性のうち少なくとも１つの特性が異なる。ディーゼルエンジンの排気ガス処理方法も開示されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して排気後処理システム（ＥＡＴＳ）を有するディーゼルエンジン、並びにディーゼルエンジンの排気ガス処理方法に関し、特にこうしたエンジン及びＥＡＴＳ、並びに再生中に燃料噴射及びエンジン排気特性を変化させる方法に関する。

いずれも特に参照により本明細書に援用される、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１及び本発明の譲受人に譲渡された特許文献２に、ＮＯ_２再生によるＥＡＴＳ内のディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）の再生が開示されている。通常的に、従来の受動的ＮＯ_２再生温度範囲よりも高く且つ従来の能動的Ｏ_２再生温度範囲よりも低い４５０℃〜５５０℃の範囲内の温度でのいわゆる「能動的」ＮＯ_２再生は、従来の受動的ＮＯ_２又は従来の能動的Ｏ_２再生のいずれと比較しても有望な結果をもたらす。しかし、多くの条件下において、特にエンジン及びＥＡＴＳを車両の路上走行時の過渡動作で用いると、能動的ＮＯ_２再生に望ましい温度にＤＰＦを加熱するためにいわゆるセブンスインジェクタ（ｓｅｖｅｎｔｈ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）により噴射される燃料がＤＰＦの上流においてディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を介した炭化水素スリップを引き起こすことがあり、これは能動的ＮＯ_２再生にとって望ましいＮＯ_２再循環を阻害する可能性がある。

国際公開第２００９／１００４１２号 国際公開第２００９／１００４１３号

ＤＯＣ又はＤＰＦを通過する炭化水素スリップのリスクを低下させ得る条件下において、ＤＰＦ再生、特に能動的ＮＯ_２再生の実施を可能にする排気ガス処理方法、並びにエンジン及び排気後処理システムを提供することが望ましい。更にまた、ランナウェイ再生（ｒｕｎａｗａｙ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）又はＤＰＦ又はＳＣＲのその他の熱損傷のリスクが低くなる条件下において効果的なＤＰＦ再生の実施、特に能動的ＮＯ_２再生の実施を可能にする排気ガス処理方法とエンジン及び排気後処理システムとを提供することが望ましい。

本発明の一態様によると、ディーゼルエンジンの排気ガスを処理する方法は、エンジンを作動させて、ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を介して排気ガスを送るステップと、エンジンを作動させて１組目の排気特性を得ると共に、少なくとも１つの条件が達成されるまでＤＰＦの上流において燃料を第１の噴射率で噴射するステップと、この少なくとも１つの条件を達成した後、燃料噴射率を低下させて、エンジンを作動させ、２組目の排気特性を得ることによって、ＤＰＦ再生を行うステップとを含み、この第１組目及び２組目の特性のうち少なくとも１つの特性は異なる。

本発明の別の態様によると、ディーゼルエンジン及び排気後処理システムは、少なくとも２つの異なる組の排気特性を達成するべく作動するように適合されるディーゼルエンジンと、このエンジンの下流のディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）と、エンジンの下流且つＤＰＦの上流の燃料インジェクタと、エンジンの作動を制御して１組目の排気特性を得ると共に、燃料インジェクタを制御することによって、少なくとも１つの条件が達成されるまでＤＰＦの上流において燃料を第１の噴射率で噴射し、この少なくとも１つの条件が達成された後、燃料インジェクタを制御して燃料噴射率を低下させると共に、エンジンの作動を制御して２組目の排気特性を得ることによって、ＤＰＦを再生させるように構成される制御装置とを含み、この第１及び２組目の特性のうち少なくとも１つの特性は異なる。

以下の詳細な説明を、同様の符号が同様の要素を示す図面と共に読むことによって、本発明の特徴及び利点の理解が深まる。

本発明の一態様に従ったディーゼルエンジン及び排気後処理システムを含む車両の概略図である。 本発明の一態様に従った、ディーゼルエンジンの排気ガスを処理する方法のステップを示す流れ図である。

図１に、様々な用途、特にディーゼルエンジンを車両２５（破線で略示）を走行させるために用いる用途に使用可能な、本発明の一態様に従ったディーゼルエンジン２１及び排気後処理システム２３（ＥＡＴＳ）を示す。本発明は、トラック等の車両に特に有用であると考えられるが、その他の種類の車両や、車両以外の用途にも利用可能である。

ディーゼルエンジン２１は、少なくとも２つの異なる組の排気特性を達成するべく作動するように適合される。例えば、燃料噴射時期等のエンジン作動特性を調節することにより、エンジン排気のＮＯｘレベル及び／又は温度を変化させることが可能である。更に、エンジン作動特性を調節して、エンジンの速度又は負荷を変化させること又は流路可変過給機の流路を閉じること等により、異なる排気質量流量を得ることも可能である。エンジン排気特性を変更する様々な技術が周知であり、本発明は、いずれかの特定の技術を使用することに制限されるものではない。

ＥＡＴＳ２３は、エンジン２１の下流のディーゼル微粒子フィルタ２７（ＤＰＦ）を含む。ＥＡＴＳ２３は更に、エンジン２１の下流且つＤＰＦ２７の上流の燃料インジェクタ２９を含む。ディーゼル酸化触媒３１（ＤＯＣ）はＤＰＦ２７の上流に配設可能であり、選択触媒還元（ＳＣＲ）触媒３３はＤＰＦの下流に配設可能である。センサをＥＡＴＳ２３内の様々な点に配置して、ＥＡＴＳ内のこうした様々な点の１つ以上における排気質量流量、温度、ＮＯｘレベル、及び炭化水素レベルを含む様々な排気特性を監視できる。排気質量流量、温度、ＮＯｘレベル及び炭化水素レベルを含む１つ以上の排気特性を監視するセンサは、通常的に、エンジン２１とＤＯＣ３１（配設される場合）との間に配置される少なくとも１つのセンサ３５と、ＤＯＣとＤＰＦ２７との間のまた別のセンサ３７と、ＤＰＦとＳＣＲ触媒３３との間のまた別のセンサ３９と、ＳＣＲ触媒の下流のまた別のセンサ４１とを含む。更に、センサ４３をＤＰＦ内に設置してもよい。

ＥＡＴＳ２３は、この装置のこれらの特徴を含むと共に、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１に開示される、強化された効果的ＮＯ_２供給を用いた、ＮＯ_２ベースの能動的再生によるＤＰＦの再生方法に従って作動可能であり、且つ／又は、この装置のこれらの特徴を含むと共に、本発明の譲受人に譲渡された特許文献２に開示される、再循環ＮＯｘを用いるＤＰＦの再生方法に従って作動可能であり、これらのいずれの特許文献も特に参照により援用される。

コンピュータ又はＥＣＵ等の適切な形態の電子制御装置であり得る制御装置４５が配置されており、これによって、エンジン２１の作動を制御して１組目の排気特性を得ると共に、燃料インジェクタ２９を制御して、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料をＤＰＦ２７の上流において第１の噴射率で噴射することによって、この少なくとも１つの条件が達成された後、燃料噴射機を制御して燃料噴射率を低下させると共に、エンジンの作動を制御して２組目の排気特性を得て、ＤＰＦを再生させる。この第１及び２組目の特性の少なくとも１つの特性は異なる。燃料噴射が減ると、燃料噴射は第１の噴射率よりも低く且つ零以上のレベルに低減される。

１組目の排気特性は、質量流量、排気温度、及びＮＯｘレベルの１つ以上を含む様々な特性に関して２組目の排気特性とは異なり得る。通常的に、１組目の排気特性は、２組目の排気特性よりも高い質量流量と低いＮＯｘレベルのうち、１つ以上を有する。エンジンの定常作動中、ＮＯｘレベルは一般的に４００ｐｐｍ前後であるが、能動的ＮＯ_２再生中には、ＮＯｘレベルは１０００ｐｐｍ前後となることが多い。エンジンの定常作動中は、排気温度は３００℃前後となり得る一方で、排気温度が高くなると、温度が４００℃前後となることもある。定常作動中は、１３リットルのエンジンにおける排気質量流量は一般に０〜０．５ｋｇ／秒の範囲内である。再生中の排気質量流量を通常の質量流量よりも低くすると、ＤＰＦの冷却を緩慢にできるので、再生の有効性を高めることができる。

少なくとも１つの条件には、能動的ＮＯ_２再生が生じる所定の加熱温度以上ではあるがＤＰＦのランナウェイ再生が生じるか又はＳＣＲ触媒３３の損傷のリスクがある温度よりも低温にＤＰＦ２７を加熱することの１つ以上を含み得る。例えば、ＤＰＦ２７を、能動的Ｏ_２再生が生じ易い温度範囲の下限未満又は下限付近であるが能動的ＮＯ_２再生が生じ易い範囲である５５０℃に加熱する。加えて、ＤＰＦ２７が当該温度まで加熱される特定の温度は、ＤＰＦ内のすす負荷等の、別の要素の関数であってよく、すす負荷が高くなると目標温度を低くすることが必要になることが多い。少なくとも１つの条件には、これに加えて、又はその代わりに、ＤＰＦの上流のＤＯＣ３１を介した炭化水素スリップの量が、ＤＰＦ又はＳＣＲ触媒３３の作用が弱まるか、又はＤＰＦ又はＳＣＲ触媒の損傷が起こり得る所定のレベルを超えていることの検出を含み得る。ＳＣＲの上流のＤＰＦを介した一般的な最大許容可能炭化水素スリップは、現在のところ約３０ｐｐｍである。少なくとも１つの条件には、これに加えて、又はその代わりに、ＤＰＦの上流又は下流の温度が所定の温度以上であること、又は、モデリングに基づいてＤＰＦの温度又はＤＰＦの上流若しくは下流の温度が所定の温度以上であること、又は、所定の経過時間量にわたって、燃料インジェクタ２９が第１の率で燃料を噴射して第１の排気特性を得るべくエンジン２１が作動されたことの検出を含み得る。

通常的に、制御装置４５は、少なくとも１つの条件が達成された後、制御装置が燃料インジェクタを制御して燃料噴射率を低下させると共にエンジンの作動を制御して２組目の排気特性を得ることによって、強化されたＤＰＦのＮＯ_２再生が生じるように構成される。炭化水素は、ＮＯ_２によるすす再生又はすす酸化反応の阻害因子として作用することがあるので、第７のインジェクタからの燃料噴射率を、ＤＯＣを介した炭化水素スリップのレベルが許容可能なレベルの範囲内に保たれるようなレベルに低下させて、十分なすす再生率を確保する。ＤＰＦの上流のＤＯＣを介した一般的な最大許容可能炭化水素スリップは、現在のところ約３０ｐｐｍである。制御装置４５がエンジン２１の作動を制御して１組目の排気特性を得ると共に、少なくとも１つの条件が達成されるまで及び／又はその他の作動期間にわたって、燃料インジェクタ２９を制御してＤＰＦ２７の上流において第１の噴射率で燃料を噴射すると、再生が可能であるが、その必要はない。

制御装置４５は更に、燃料インジェクタ２９を制御して燃料噴射率を低下させるように構成されると共に、少なくとも１つの第２の条件が達成されるまでエンジン２１の作動を制御して２組目の排気特性を得る。この少なくとも１つの第２の条件には、ＤＰＦ２７（又はＤＰＦの上流又は下流の点）が所定の再生温度未満に冷却されること又は所定の時間量の経過の少なくとも１つを含み得る。少なくとも１つの第２の条件には、ＤＰＦ温度の実測値ではなくモデリングに基づくＤＰＦ２７の温度（又はＤＰＦの下流の温度）の所定の再生温度未満への低下を含み得る。ＤＰＦ温度という表現は、ＤＰＦそのものの内部で測定された温度と言うよりも、寧ろＤＰＦの入口又はＤＰＦの上流の温度を意味する場合があることは理解されるであろう。

ディーゼルエンジン２１の排気ガスを処理する方法は、図２に示されており、エンジン２１を作動させると共にＤＰＦ２７を介して排気ガスを送るステップ１０１を含む。更なるステップ１０３において、エンジン２１を作動させて１組目の排気特性を得て、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料が燃料インジェクタ２９によりＤＰＦ２７の上流において第１の噴射率で噴射される。ステップ１０３は、エンジン２１の作動中にＤＰＦ２７の温度上昇率を制御して１組目の排気特性を得ることとＤＰＦの上流における第１の噴射率での燃料噴射とを含む。このようにして、ＤＰＦの割れ及び／又は故障を引き起こしかねない、ＤＰＦ２７に対する熱応力を最小限に抑えることができる。一般的な温度上昇率の限度は、例えば３℃／秒であってよい。

更なるステップ１０５において、少なくとも１つの条件が達成された後、燃料インジェクタ２９による燃料噴射率を低下させ、エンジン２１を作動させて２組目の排気特性を得ることによって、ＤＰＦ２７を再生させる。この第１及び２組目の特性の少なくとも１つの特性は異なる。

更なるステップ１０７では、燃料噴射率を低下させると共にエンジン２１を作動させて２組目の排気特性を得るステップ１０５が、少なくとも１つの第２の条件が達成されるまで実施される。第２の条件が達成された後は、エンジン２１を作動させて１組目の排気特性を得ると共に、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料をＤＰＦ２７の上流において第１の噴射率で噴射するステップ１０３を繰り返すことができる。更なるステップ１０９では、エンジン２１を作動させて１組目の排気特性を得ると共に、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料をＤＰＦ２７の上流において第１の噴射率で噴射するステップ（ステップ１０３）と、少なくとも１つの条件が達成された後に、燃料噴射率を低下させると共に、少なくとも１つの第２の条件が達成されるまで、エンジンを作動させて２組目の排気特性を得ることによって、強化されたＤＰＦ再生を行うステップ（ステップ１０５）とを繰り返して、最終的にＤＰＦのすす負荷を所定のレベル未満に低下させることができる。

本出願において、「含む」等の用語の使用は限定的ではなく、「備える」等の用語と同じ意味を有することを意図するものであって、その他の構造、材料又は作用の存在を排除することを意図するものではない。同様に、「できる」又は「してよい」等の用語の使用は限定的ではなく、構造、材料又は作用が必須ではないことを表すものであるが、こうした用語が用いられていないことが、構造、材料、又は作用が不可欠であることを示すものではない。構造、材料、又は作用は、現時点で考えられる程度に不可欠であると認められる。

好適な実施形態に従って本発明を図示及び説明したが、特許請求の範囲に記載の本発明から逸脱することなく、改変及び変更可能であるとみなされる。

Claims (18)

1. ディーゼルエンジンの排気ガスを処理する方法であって、
   前記エンジンを作動させて、ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を介して排気ガスを送るステップと、
   前記エンジンを作動させて１組目の排気特性を得ると共に、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料を前記ＤＰＦの上流において第１の噴射率で噴射するステップと、
   前記少なくとも１つの条件を達成した後、燃料噴射率を低下させて前記エンジンを作動させ、２組目の排気特性を得ることによって、前記ＤＰＦ再生を行うステップであって、前記１組目及び２組目の特性のうち少なくとも１つの特性が異なるステップと、
   を含む方法。
2. 前記１組目の排気特性が、前記２組目の排気特性よりも高い排気質量流量を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記２組目の排気特性が、前記１組目の排気特性よりも高いＮＯｘを含む、請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの条件が、前記ＤＰＦを所定の加熱温度よりも高温に加熱することを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの条件が、前記ＤＰＦの上流におけるディーゼル酸化触媒を介した炭化水素スリップ量が所定のレベルを超えることを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記燃料噴射率を低下させて前記エンジンを作動させ、前記２組目の排気特性を得る前記ステップを、少なくとも１つの第２の条件が達成されるまで行う、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの第２の条件が、前記ＤＰＦを所定の再生温度未満に冷却することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの第２の条件が、モデリングされたＤＰＦ温度が所定の再生温度未満に低下することを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの第２の条件が、所定時間の経過を含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記第２の条件を達成した後、前記エンジンを作動させて前記１組目の排気特性を得ると共に、前記少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料を前記ＤＰＦの上流において前記第１の噴射率で噴射するステップを含む、請求項６に記載の方法。
11. 前記エンジンを作動させて前記１組目の排気特性を得ると共に、前記少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料を前記ＤＰＦの上流において前記第１の噴射率で噴射するステップと、前記少なくとも１つの条件を達成した後、前記少なくとも１つの第２の条件が達成されるまで、前記燃料噴射率を低下させて前記エンジンを作動させ、前記２組目の排気特性を得るステップとを、前記ＤＰＦのすす負荷が所定のレベル未満に低下するまで繰り返すこと含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記１組目の排気特性を得るための前記エンジンの作動中における前記ＤＰＦの温度上昇率と前記ＤＰＦの上流における前記第１の噴射率での燃料噴射とを制御するステップを含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの条件が達成された後に、前記燃料噴射率を低下させて前記エンジンを作動させて前記２組目の排気特性を得ることによって、強化された前記ＤＰＦのＮＯ_２再生を行う、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の方法を行うように構成されるディーゼルエンジン及び排気後処理システム。
15. 少なくとも２つの異なる組の排気特性を達成するべく作動するように適合されるディーゼルエンジンと、
    前記エンジンの下流のディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）と、
    前記エンジンの下流且つ前記ＤＰＦの上流の燃料インジェクタと、
    前記エンジンの作動を制御して１組目の排気特性を得ると共に、前記燃料インジェクタを制御することによって、少なくとも１つの条件が達成されるまで、燃料を前記ＤＰＦの上流において第１の噴射率で噴射し、前記少なくとも１つの条件が達成された後、前記燃料インジェクタを制御して燃料噴射率を低下させると共に、前記エンジンの作動を制御して２組目の排気特性を得ることによって、前記ＤＰＦ再生を行うように構成される制御装置であって、前記第１及び２組目の特性のうち少なくとも１つの特性が異なる制御装置と、
    を含むディーゼルエンジン及び排気後処理システム。
16. 前記制御装置は、少なくとも１つの第２の条件が達成されるまで、前記燃料インジェクタを制御して燃料噴射率を低下させると共に、前記エンジンの作動を制御して前記２組目の排気特性を得るように構成される、請求項１５に記載のディーゼルエンジン及び排気後処理システム。
17. 前記少なくとも１つの条件が達成された後、前記制御装置は、前記燃料インジェクタを制御して燃料噴射率を低下させると共に、前記エンジンの作動を制御して２組目の排気特性を得て、強化された前記ＤＰＦのＮＯ_２再生を行うように構成される、請求項１５〜１６のいずれかに記載のディーゼルエンジン及び排気後処理システム。
18. 請求項１５〜１７のいずれかに記載のディーゼルエンジン及び排気後処理システムを含む車両。

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