JP4008075B2 - 微粒子フィルターの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル車両の排気装置で放出されるガスの後処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
欧州では最近、微粒子放出基準が施行されるようになった。その基準は、今後さらに厳しくなると考えられる。その時までに、酸化触媒マフラーがあったとしても、エンジンおよび燃料に関係する改善が不十分な可能性がある。
【０００３】
微粒子フィルターは、公知の排気ガス後処理法である。それによって、８０％を超える濾過効率を得ることが可能である。今日までに、多くのフィルター技術が開発されてきた。その例としては、コーニング（Corning）社が販売するセラミックモノリスまたは特許出願ＷＯ−９５／２７８４３に記載の方法によるコイル状セラミック繊維を有するカートリッジなどがある。
【０００４】
そのようなシステムを開発する上で遭遇する技術的問題は、堆積した煤を燃焼させることによって、フィルターを定期的に再生しなければならないという点にある。ガスの温度がそれ自体で、微粒子状物の酸化開始に必要なレベルに到達する場合には、その燃焼が自然に生じることがある。しかしながら、平均的な運転条件で生じる温度は低すぎるために、微粒子の燃焼が自然に開始することはできないのが普通である。これによりフィルターの目詰まりが生じ、それがエンジン効率に悪影響を与える。そこで、フィルターの人為的再生を行う必要がある。
【０００５】
そのために多くの方法が開発されてきた。それらは本質的に、エンジン運転の変化に基づく機械的なものと言うことができる。すなわち、排気取込口のスロットリング、排気装置のスロットリング、最新式噴射遅れまたは排気ガスでのもしくはフィルターレベルでの局所エネルギー供給（抵抗器、バーナー、マイクロ波など）などである。そこで、これらの各種装置を、コンピュータ駆動の外部制御装置によって制御することが必要である。最も多くの場合、再生開始において考慮される基準は、排気管系における背圧である。
【０００６】
微粒子フィルターの再生を容易にするため、化学的性質を持つ別の方途では、例えば有機金属添加物などの添加物を燃料に加える。それが堆積した煤に存在して発火点が低下することで、再生頻度が高くなる。
【０００７】
添加物として最も一般的に使用される物の例としては、銅、鉄、セリウム、ナトリウムなどがある。研究の結果、そのような添加物が存在すると、部分的再生が比較的低い排気ガス温度（約２００℃）で自然に生じることが明らかになっている。
【０００８】
さらに、公知のシステムにおいては、背圧および／または消費エネルギーに関係する問題が生じる場合が多い。
【０００９】
実際、フィルターにおける微粒子状物の蓄積によって、背圧が非常に上昇するためにエンジンの効率が低下する場合がある。例として、特許出願ＷＯ−９５／１８２９２号を引用することができる。
【００１０】
エネルギー消費に関しては、公知のシステムのほとんどが、触媒要素全体の加熱を行う。このためにエネルギー消費が高いものとなるが、それは多少制御される。特許ＥＰ−Ｂ１−０４８５１７９号には、この原理に基づくシステムについての説明がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
さらに、再生条件はフィルターの汚れ状態によって決まる部分がかなりある。公知の手段では、フィルターの汚れに対して措置を施すことはできない。本発明は、車両のあらゆる運転条件に対して濾過段階の調整を行うことができるという利点を有する。さらに本発明によって、上記の先行技術の問題を克服することが可能である。
【００１２】
すなわち本発明の全体的効果は、排気装置での平均背圧をより良好に抑制し、従ってエンジン効率の低下を抑制することにある。さらに本発明は、前記フィルターの再生に必要なエネルギー供給を低下させることができるものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１態様によれば、本発明は、必要なエネルギー量が少ない、微粒子の後処理のためにディーゼルエンジンの排気装置に設けられた微粒子フィルターを制御する方法に関するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明によれば前記方法においては、前記エンジンの運転に関連する所定の戦略に応じて排気装置に設けられたフィルター手段の幾何形状を変えて、平均背圧を抑制し、従ってエンジン効率低下を抑制することができる。
【００１５】
本発明の１実施態様によれば、本発明の方法においては、排気ガスを濾過する体積を、濾過手段に入るガスの体積流量に対して調節する。
【００１６】
本発明の別の実施態様によれば、本発明の方法においては、濾過手段の各種ゾーンにおいて煤濃度を不均一とする。
【００１７】
本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて、本発明の方法は、ある種の煤用に濾過手段の一定のゾーンを確保することができる。
【００１８】
より詳細には、濾過手段を形成する各種ゾーンを分離する仕切配列を用いる。
【００１９】
仕切には、ゾーン間で燃焼の連鎖を可能とするような配置で開口を設けることが有利である。
【００２０】
さらに、本発明による方法は、フィルターの汚れが所定の閾値を超える場合に、再生に必要なガスの加熱を起こせるようにすることができる。すなわち、該方法においては、濾過手段の汚れが所定の閾値を超える場合に、該濾過手段における排気ガス流部分を一時的に制限することで、ガスの温度を上昇させて再生を誘発する。
【００２１】
本発明はさらに、微粒子フィルターの濾過および再生の制御装置において、
−２以上の濾過ゾーンに分けられた濾過手段
−各種濾過ゾーン間のガス流分布を調節可能な、前記濾過ゾーンの１以上に連結したスロットリング手段
を有してなる装置をも目的とするものである。
【００２２】
より詳細には、本発明の装置はさらに、
−フィルターより上流に配置された１以上の圧力検出装置
−フィルターでのガスの体積流量を評価するための１以上の手段
−エンジンの運転に関係する所定の戦略に応じて１以上のスロットリング手段を制御する手段
を有してなるものである。
【００２３】
本発明による装置は、濾過手段を形成する各種ゾーンを分離するための仕切配列を有していても良い。
【００２４】
さらに仕切には、ゾーン間での燃焼の連鎖が可能となるような配置で開口を設けることができる。
【００２５】
さらに制御手段は、排気ガスの体積流量に応じて反応するものである。
【００２６】
さらに制御手段は、濾過手段より上流で測定される圧力に応じて反応するものである。
【００２７】
より詳細には、本発明による装置は、ガスの質量流量から体積流量を評価するための温度検出器を有してなるものである。
【００２８】
有利には、該制御手段を、各スロットリング手段の開口角度を決めることができるものとする。
【００２９】
【実施例】
本発明の他の特徴、利点および詳細は、添付の図面を参照しながら、実施例によって提供される以下の説明から明らかになる。ただし、本発明はそれら実施例によって制限されるものではない。
【００３０】
図１は、本発明による装置の系統図である。
【００３１】
図２は、排気ガスの体積流量に応じた各種バルブの制御を説明する曲線である。
【００３２】
図３は、本発明の１実施態様の実施の簡略フローチャートである。
【００３３】
図４Ａおよび図４Ｂは、フィルターの各種汚れレベルに関して、体積流量に応じた各種バルブの制御を示す曲線である。
【００３４】
図５は、図４Ａおよび４Ｂによる本発明の実施態様の実施の簡略フローチャートである。
【００３５】
図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、各種バルブの制御による煤の性質に応じた不均一の形成を示す曲線である。
【００３６】
図１は、本発明によって実行される手段を示す図である。これらの手段は必須要素として、いくつかのゾーン１１、１２および１３に分けられた微粒子フィルター１を有してなる。各ゾーンには、例えば濾過カートリッジ１２などの濾過要素が設けられている。
【００３７】
各ゾーンには、スロットリング手段３１、３２および３３が連結されている。スロットリング手段３１、３２および３３は、所定の戦略に応じて、互いに独立に１以上のアクチュエータ４によって制御される。そのために、コンピュータ５が、各種パラメータおよび各種戦略に応じて各スロットリング手段の位置を計算することによって各アクチュエータを制御する。
【００３８】
スロットリング手段３１、３２および３３は、排気ガス流の方向に関してフィルターから上流または下流に設けることができる。それらがフィルター１の流動部分を完全に閉じることは決してない。
【００３９】
図１に示したような仕切６の配列を用いて、濾過ゾーン１１、１２および１３を互いに分離することができる。この図では、その仕切によってフィルター１が３個の同形状の直方体に分けられ、それらの各部分には濾過要素２が設けられている。さらに、配列を形成する仕切６に開口を設けて、濾過要素２の一つで局所的に燃焼が開始した場合に、フィルター１内で燃焼の連鎖を可能とすることができる。
【００４０】
この場合、フィルター１は上記の特性を有する３個の実質的に同等の部分に分けられていると仮定している。
【００４１】
当然のことながら、仕切６の数および配置は、使用するフィルターの種類および大きさに応じて変わり得るものである。
【００４２】
コンピュータ５の入力データ獲得は、いくつかの検出器によって行われ、特には、フィルターの上流に設けられた１以上の圧力検出器および１以上の温度検出器によって行われる。
【００４３】
さらに、本発明のこの実施態様によれば、フィルター１の両側に２個の圧力検出器が設けられており、フィルター上でのガスの質量流量を評価するための手段も必要である。
【００４４】
図２には、フィルターに連結しているスロットリング手段を制御するための戦略の一つを示してある。この場合、スロットリング手段３１、３２および３３は、フィルター１を通過するガスの体積流量に応じて制御される。体積流量は、フィルター上流の温度と質量流量の両方から推定される。
【００４５】
フィルター１内のガスの速度を調節することによって、濾過の改善や（全体的効率、極度の堆積）、システムの音響の改善を試みることができる。
【００４６】
フィルターを通過するガス流の体積に対して、フィルターの体積を調節することが可能であることから、至適濾過条件を得て、背圧をできるだけ抑制することができる。
【００４７】
各種バルブの可能な開放／閉鎖の戦略を図２に示してある。
【００４８】
図２の曲線の縦座標は、上記の各直方体部分に連結された３個の各バルブの開口角度α（％）を示すものである。
【００４９】
その曲線の横座標は、フィルター１を通過する排気ガス流の体積流量Ｑ（ｍ３/ｈ）を示している。
【００５０】
３個のバルブのうちの１個の挙動は実線の曲線Ａによって示してあり、第２のバルブは点線の曲線Ｂに従って駆動され、第３のバルブは一点鎖線の曲線Ｃに従って開く。
【００５１】
図２の戦略によれば、バルブＡは流量に関係なく常に開放されており、バルブＢは平均体積流量に関して徐々に開放される（２００〜４００ｍ３/ｈの範囲で）。バルブＢは高流量の場合には開放されたままである。第３のバルブＣは、高流量の場合、すなわち５００ｍ３/ｈを超える流量の場合にのみ開く。
【００５２】
そうして、ガス濾過の総体積に応じて、ガスの体積流量は連続的に変わっていく。
【００５３】
体積流量Ｑは、質量流量と温度測定値から評価することができる。質量流量は、直接測定によって、例えば熱フィルム流量計による直接測定によって得ることができるか、あるいはエンジンマップから推定することができる。さらに、熱フィルム流量計を、エンジン制御の他の特定ニーズに使用することも可能である。ガスの温度は好ましくは、フィルター上流で測定する。
【００５４】
図３には、コンピュータ５の主要機能を示す簡略フローチャートを示してある。入力データは質量流量（ｋｇ／ｈ）および排気ガス温度である。これらのデータから、コンピュータは排気ガスの体積流量（ｍ３/ｈ）を求める。前記コンピュータ５に組み込まれた所定の戦略に従って、コンピュータは各種バルブの個々の位置を決定する。次にコンピュータは、バルブに連結された各種アクチュエータの制御を開始して、バルブが図２の曲線に従って応答するようにする。
【００５５】
図２および３との関連で示した戦略により、エンジンの長期にわたる低負荷運転または部分負荷運転時に、フィルター内に汚れの不均一を発生させることも可能である。自己再生現象の研究（特には、添加物の存在下に）により、そのような不均一形成によって、捕捉物の濃度に応じて局所発火条件を整えやすくすることが可能であることが明らかになっている。さらに、可燃物を層化することが、良好な燃焼連鎖に役立つ。
【００５６】
さらに、フィルター内のよごれ分布の制御により、微粒子の所定の総重量について背圧を低下させることができる。
【００５７】
上記のバルブ開放戦略は、エンジンの運転が低負荷で続く場合には、カートリッジＡにかなりの汚れがあり、他の２個のカートリッジＢおよびＣは清浄なままであることを示している。そのような低速および低トルク条件下では（かなりの渋滞時）、排気ガス温度が低いために他の方法では行うことが困難な再生を行う上で、汚れ層化が役に立つ。高負荷への移行（加速時）の場合であっても、そうして形成された汚れの不均一によって、より好ましい再生条件が得られる。そこで本発明によって、汚れの調整を行い、それを抑制し、結果的にフィルターの再生を調整することができる。
【００５８】
図４Ａおよび４Ｂは、フィルターの汚れのレベルを考慮した戦略に相当するものである。
【００５９】
この場合、ガスの体積流量に応じた各種バルブの開放閾値も、フィルター上流で測定される圧力に応じて変わる。汚れレベルが低い場合（図４に示した例）、例えば４００ｍ３/ｈを超える高体積流量にはバルブＢおよびＣが開く。
【００６０】
汚れがひどくなると（図４Ｂ）、比較的低ガス体積流量についてバルブＢおよびＣを開けて、好ましくない背圧となるのを回避することが有効である。すなわち、流量が２００ｍ３/ｈに達したら直ちに開放する。
【００６１】
図５には、コンピュータ５の作業の簡略フローチャートが示してある。この場合の入力データは、フィルター１の上流の１ヶ所以上で測定された質量流量、温度および圧力である。
【００６２】
これらのデータから、コンピュータが排気ガスの体積流量を求める。次に、上流圧力を考慮して、コンピュータは汚れレベルを求め、図４Ａおよび４Ｂの曲線に従って各種バルブクラッパの位置を計算する。次に、各クラッパに連結されたアクチュエータが制御される。
【００６３】
フィルターの汚れが低レベル（低背圧）である限り、バルブのうちの１個のみが開放し、他は閉じたままであって、それらは高流量でのみ開く（図４Ａ）ことがわかる。
【００６４】
フィルターが汚れたら（図４Ｂ）、低流量（低速）では１個のバルブのみが開いているが、平均速度に達したら第２のバルブが徐々に開き、次に第３のバルブが開いて、高流量（高負荷）に対して最大開度となるようにする。
【００６５】
図２に関連して述べた戦略に関して、汚れがこの場合に考慮する追加パラメータとなり、それによって図４Ａおよび４Ｂに示した曲線となる。
【００６６】
図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、フィルターを形成する各種ゾーンに関係する各種クラッパの別の駆動戦略に関するものである。
【００６７】
この場合、フィルターのゾーンは、炭化水素豊富の煤堆積用に確保されており、煤は通常低負荷で生成し、（その性質上）比較的容易に燃焼する。このゾーンでは専ら、アイドリング速度付近でのみ堆積が起こる。図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃの重ね合わせてみれば、アイドリング速度時（低流量）は１個のバルブのみが開き、他のバルブは閉じていることがわかる。そこでアイドリング速度付近では、開放バルブに連絡しているフィルター１のゾーンのみで優先的に堆積が起こる。
【００６８】
中間的な負荷および速度では、アイドリング速度時に捕捉された煤が燃焼開始に好ましい性質を保持するようにするために、問題のゾーンを閉じ、フィルターの他の部分を開放する。図６Ｂに示したように、バルブ２を完全かつ瞬間的に開くことができ、図６Ｃに示したように、第３のバルブを徐々に開くことができる。
【００６９】
高速・高負荷（高体積流量）時には、バルブを全て開放する。これによって一方で排気ガス背圧を抑制し、他方で低負荷時に堆積するカートリッジ（すなわち、炭化水素豊富な煤を含む）での再生を誘発することができる。この特定ゾーンでの燃焼誘発により、フィルターの残りの部分で後燃焼を起こすこともできる。フィルターホルダーの仕切６が好適な開口を有する場合には、この効果が高くなる。
【００７０】
そうしてこの戦略によって、煤の性質に応じてフィルター内に意図的に不均一を形成することができる。それとの関係で、フィルターの幾何形状を調整して、走行状況に合わせる。炭化水素豊富ゾーンは長期にわたるアイドリング速度時にのみ生じることがわかる。安定した高速道路走行の場合には、フィルターは全く正常に機能する。
【００７１】
フィルター１に堆積した粒子状物の再生を制御する別の戦略では、フィルター全体の一時的スロットリングを行うことができる。それによって、排気ガスが加熱され、その加熱排気ガス自体が再生を誘発する。
【００７２】
より正確には、本発明による戦略では、例えば背圧を測定することによって、フィルター汚れをモニタリングし、次に背圧が一定の閾値に達したら、バルブ３１、３２および３３のいずれか１つまたはそれ以外のものを同時もしくは別個に動作させて、ガス流動の部分を制限し、従ってその温度を上昇させる。コンピュータ５は、３１、３２および３３の各バルブの開口度を正確に測定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
興味深いことに、本発明によれば、特にはフィルターの汚れ条件を維持することを目的として、上記の戦略実施によって生じる汚れのレベルおよび分布に対して、所定時間でスロットリングを行う戦略を用いることができる。直接の利点は、排気装置で生じる背圧が比較的低くなり、それがエンジン性能の向上に寄与するという点にある。さらに、本発明によって、高性能の自己着火を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の系統図である。
【図２】排気ガスの体積流量に応じた各種バルブの制御を説明する曲線である。
【図３】本発明の１実施態様の実施の簡略フローチャートである。
【図４】フィルターの各種汚れレベルに関して、体積流量に応じた各種バルブの制御を示す曲線である。
【図５】図４による本発明の実施態様の実施の簡略フローチャートである。
【図６】各種バルブの制御による煤の性質に応じた不均一の形成を示す曲線である。
【符号の説明】
１ 微粒子フィルター
２ 濾過要素
４ アクチュエータ
５ コンピュータ
６ 仕切
１１，１２，１３ ゾーン
３１，３２，３３ スロットリング手段

Claims (13)

1. 微粒子の後処理のためにエンジンの排気流中に置かれた微粒子フィルターを少ない必要エネルギーで制御する方法であって、
   前記エンジンの運転状態に関連してあらかじめ定められた制御方法に従い、前記排気流中に置かれた微粒子フィルター（１）の構成を変えることと、
   前記微粒子フィルター（１）に入る排気ガスの体積流量に応じて、該排気ガスが濾過される該微粒子フィルターの体積を調整することによって、エンジン効率の低下を招く平均背圧の増加を抑制することと、
   を含み、
   前記体積の調整は、断面で見たときに互いに隣接して設けられた、前記微粒子フィルターの複数のフィルターゾーンであって、該フィルターゾーンの少なくとも１つにおける前記排気ガスの流れを規制する少なくとも１つの排気ガス規制装置との相互作用によって、前記排気ガスが、該排気ガスの流れと直交する面内において、該フィルターゾーンの少なくとも２つ以上を並列して同時に流れることができるフィルターゾーンによっておこなわれる、
   微粒子フィルターの制御方法。
2. 前記微粒子フィルター（１）の各フィルターゾーンに不均一な濃度の煤が形成される、請求項１に記載の方法。
3. 炭化水素豊富の煤用に前記微粒子フィルター（１）の一定のゾーンが確保される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記微粒子フィルター（１）を形成する前記フィルターゾーンを互いに分離する一組の仕切（６）が用いられている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記仕切に、前記フィルターゾーン間での燃焼の連鎖を可能とする開口が設けられている、請求項４に記載の方法。
6. 前記微粒子フィルターの汚れが所定の閾値を超える場合に、該微粒子フィルター内の前記排気ガスの流路断面を一時的に制限して、排気ガス温度を上昇させることによって、再生を促すことを含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. エンジンの排気流中に置かれた微粒子フィルターに堆積する可能性のある微粒子を燃焼させ、該微粒子フィルターの再生を制御する装置であって、
   断面で見たときに互いに隣接して設けられ、前記排気ガスが該排気ガスの流れと直交する面内で並列して流れることのできる、前記微粒子フィルターを分割する少なくとも２つのフィルターゾーンと、
   前記フィルターゾーンの少なくとも１つと組み合わせられ、前記少なくとも２つのフィルターゾーンを通る排気ガス流の分布を同時に調節可能な少なくとも１つのスロットリング装置（３１、３２、３３）と、
   前記排気流中の、前記微粒子フィルター（１）の上流に置かれた少なくとも１つの圧力検出装置と、
   前記微粒子フィルター（１）に流入する前記排気ガスの体積流量を評価する少なくとも１つの装置と、
   前記エンジンの運転状態と前記排気ガスの体積流量とに関連してあらかじめ定められた制御方法に従い、前記少なくとも１つのスロットリング装置（３１、３２、３３）を制御する制御部（５）と、
   を有する、微粒子フィルターの再生制御装置。
8. 前記微粒子フィルターを形成する前記フィルターゾーン（１１、１２、１３）を互いに分離する一組の仕切（６）を有している、請求項７に記載の再生制御装置。
9. 前記仕切（６）に、前記フィルターゾーン間での燃焼の連鎖を可能とする開口が設けられている、請求項８に記載の再生制御装置。
10. 前記制御部（５）は、前記微粒子フィルター（１）の上流で測定される圧力にも応じて前記スロットリング装置を制御する、請求項７ないし９のいずれか１項に記載の再生制御装置。
11. 前記排気ガスの質量流量から該排気ガスの体積流量を評価するための温度検出器を有している、請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の再生制御装置。
12. 前記制御部（５）は、各スロットリング装置（３１、３２、３３）の開き角度を決定することができる、請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の再生制御装置。
13. 前記スロットリング装置（３１，３２，３３）は前記フィルターゾーン（１１、１２，１３）のそれぞれと組み合わされている、請求項１２に記載の再生制御装置。

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