JP4399355B2 - 詰まっている微粒子フィルタを再生するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前提部に記載した、灰及び煤で詰まっている、排出ガス装置の微粒子フィルタを再生するための方法に関する。

ディーゼルエンジン駆動部を有する現代車両は、通常、ディーゼル・微粒子フィルタを備えている。このディーゼル・微粒子フィルタは、不完全なエンジン燃焼により生じる煤を抑制するために、排出ガス路内でディーゼルエンジンに対して後置されている。煤によるディーゼル・微粒子フィルタの完全な詰まりを防止するためにはフィルタが時折「再生（リジェネレーション）」されなくてはならない。噴射条件の変更により、ディーゼル・微粒子フィルタ前の排出ガス温度は、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている煤の発火温度の上方に位置する温度レベルへと目標を定めて増加され得る。その後、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている煤は、触媒による援助を伴わず、排出ガス内に自由酸素が十分である場合にはほぼ６５０℃においてほぼ完全に焼失する。ディーゼル燃料内に添加剤或いは金属含有物質を混合することにより、煤の発火温度をほぼ４５０℃〜５５０℃に低下させることが達成される。その添加剤は車両の各燃料供給時に取り入れられる。

周知のディーゼル・微粒子フィルタは９９％以上の分離度を有する。つまり、煤及び不燃性の灰はほぼ完全に排出ガスから濾過される。ディーゼル・微粒子フィルタ内には燃焼不能な灰残留物として次の物質が溜まることになる：
− 摩損／摩耗により発生する全物質
− 微量で共に燃焼されたエンジンオイルから結果として生じる金属含有エンジンオイル灰
− 例えば、冷間始動加速剤、バルブ洗浄剤などのような燃料付加剤を混合することにより燃焼時に発生する残留物
− フィルタ焼失温度を低下させるために燃料添加剤を燃焼する際に発生するセリウム含有灰／鉄含有灰

増加する車両の走行距離性能に伴い、ディーゼル・微粒子フィルタ内にはより多くの灰が益々集まり、この灰は、煤のように、ディーゼル・微粒子フィルタを益々詰まらせ、それにより排出ガス背圧が増加される。このことは、ディーゼル・微粒子フィルタがある特定の「走行距離」の後に交換されるか又は灰から洗浄されなくてはならないという結果を伴う。

ディーゼル・微粒子フィルタ内の灰量は、例えば、オイル消費量、燃料添加剤の混合量などのような複数のパラメータに依存する。これらのパラメータは測定され得ない又は多大な手間と費用を用いてのみ測定され得るものである。ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている灰量の査定は、本出願人内部の従来技術では、エンジン制御装置を介して煤焼失温度の低下のために付加配分されている添加剤量を合計することより近似的に行われ得る。灰量の近似的な査定のために、添加剤消費量と生じる灰量との間に直線的な相関関係が作成され得る。灰量の査定は、ディーゼル・微粒子フィルタ内にある煤量を査定し得るために必要である。

ディーゼル・微粒子フィルタの「流れ抵抗」は直接的にその詰まり度に関連している。この詰まり度の方は、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている灰の関与分と、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている煤の関与分とに依存する。ディーゼル・微粒子フィルタ前の排出ガス背圧を測定することにより確かに「全ての詰まり」が測定され得るが「原因となっているもの」である煤或いは灰との間で区別は成されない。

再生パラメータ、特に再生期間及び再生温度を最適な状態で制御するためには、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている煤量のできるだけ正確な認識が必要である。それ故、溜まっている灰により引き起こされている流れ抵抗が「算出」されなくてはならない。つまり、煤質量は再生過程を制御するための主パラメータの１つである。

オイル消費量のばらつきに起因するエンジンの過度の摩耗、又は、金属含有燃料付加剤の管理されていない混合は、灰量を大きな範囲でばらつかせてしまう。それ故、添加剤消費量に依存する灰質量の上述の査定は、計算される煤量に関して明白であるほどに誤った結果を導くことになる。特にフィルタ交換インターバルが極めて長く且つエンジン走行性能（走行距離）が大きい場合、オイル消費量は明らかに増加されることになり、このことは煤量計算を極めて不正確なものとする。またこのことはディーゼル・微粒子フィルタの耐久性にマイナスの作用を及ぼす。

本発明の課題は、ディーゼル・微粒子フィルタのできるだけ良好な即ちできるだけ完全な再生を可能とする方法を提示することである。

前記課題は、特許請求項１に記載した措置により解決される。本発明の有利な構成並びに更なる構成は下位請求項に記載されている。

本発明の出発点は、ディーゼル・微粒子フィルタの再生後には当該ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている煤の大部分（９０％以上）が燃焼により当該ディーゼル・微粒子フィルタから除去され、それにより当該ディーゼル・微粒子フィルタの流れ抵抗が再び減少されるという認識である。つまりフィルタは「再生」される。

ディーゼル・微粒子フィルタの構造上の特徴は別として、再生後のディーゼル・微粒子フィルタの流れ抵抗は、灰により生じている詰まり度に主に依存し、この際、灰は再生後にも当該ディーゼル・微粒子フィルタ内に残留している。

灰を伴わないディーゼル・微粒子フィルタの場合には「排出ガス圧力値」を測定することにより、より正確に言うと、排出ガス圧力（排出ガス背圧）と排出ガス体積流とからの商を測定することにより、ディーゼル・微粒子フィルタの流れ抵抗が決定され得る。従って灰を伴わないディーゼル・微粒子フィルタの場合には、流れ抵抗から、フィルタ内に集められている煤量が推測され得る。

従って本発明の基礎を成す基本原理は、フィルタの再生後に「排出ガス圧力値」を測定するということにある。この関連で「排出ガス圧力値」とは、ディーゼル・微粒子フィルタ前の圧力、或いは、排出ガス体積流に関するディーゼル・微粒子フィルタ前の圧力と理解され得る。その際、再生直後に測定された「排出ガス圧力値」は、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている灰量のための尺度である。

灰量が認識されると、灰量により生じている、ディーゼル・微粒子フィルタの流れ抵抗も認識される。従って、ディーゼル・微粒子フィルタの全流れ抵抗と、溜まっている灰により生じている流れ抵抗とから、溜まっている煤により生じている流れ抵抗、或いは、溜まっている煤量が推測され得る。

好ましくは、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている灰量は、例えば５０００ｋｍごとの各再生過程の完了後、新たに求められ、又は「排出ガス圧力値」が予め定められた「危険な」値を超過する場合に新たに求められる。実際にディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている煤量がより正確に認識されるほど、特に再生期間及び再生温度である「再生パラメータ」がより正確に選択され得て、このことはディーゼル・微粒子フィルタの寿命の延長を可能とする。

本発明の更なる構成により、溜まっている灰量、或いは、溜まっている灰量により生じている詰まり度関与分は、各再生後、異なって重み付けられ得る次の値を合計することにより、重複的に求められる：
− 先行した再生時に有効であると見なされた灰量、或いは、最後に有効であると見なされた、灰に起因する詰まり度関与分、
− 再生の終了後に排出ガス圧力値から導出された、灰量のための修正値、或いは、それにより生じている詰まり度関与分、及び、
− 灰に起因する詰まり度関与分のための、走行性能（走行距離）に依存する予め定められた目標値。

次に、図面と関連して本発明を更に詳細に説明する。

図１では、エンジン１の後に直接的に触媒２とディーゼル・微粒子フィルタ即ち「煤フィルタ」３とが配設されている。矢印４は排出ガスの流れ方向を示している。排出ガスの流れ方向４で見て、ディーゼル・微粒子フィルタ３内への入口の前にはセンサ５が配設されていて、このセンサ５は、ディーゼル・微粒子フィルタ３内に流入する排出ガスの圧力測定及び／又は温度測定を可能とする。

ディーゼル・微粒子フィルタ３は、溜まっている灰と溜まっている煤により徐々に詰まってゆく。溜まっている煤は、目標を定めて排出ガス温度を増加することにより「焼失」或いは酸化され得る。ディーゼル・微粒子フィルタ３のこの種の「再生（リジェネレーション）」により、溜まっている煤の９０％以上は除去され得る。再生によりディーゼル・微粒子フィルタ３の流れ抵抗或いは詰まり度は減少され、それにより、センサ５により測定される背圧が低下する。

再生後に実際に測定される背圧は、一方ではディーゼル・微粒子フィルタ３の予め定められた構成に依存し、他方ではディーゼル・微粒子フィルタ３内に溜まっている灰量に依存し、この灰量は再生では除去不能である。それ故、溜まっている灰量の増加に基づき、背圧も再生から再生にかけて増加するということは避けられない。

再生パラメータ、特に再生期間及び再生温度を最適な状態で制御するためには、ディーゼル・微粒子フィルタ３内に溜まっている煤量のできるだけ正確な認識が必要である。

再生は、期間に関しても、平均的なフィルタ入口温度と、出口温度とに関しても、「再現可能」でディーゼル・微粒子フィルタ３が再生後には完全に煤から解放されているように「制御」されなくてはならない。ここで「完全に」とは９０％以上の値として理解され、以降「煤のない」と表現されるものとする。

ディーゼル・微粒子フィルタ３が煤のない状態にある場合、排出ガス体積流に依存してある特定の流れ抵抗が生じる。ディーゼル・微粒子フィルタ３の流れ抵抗は、ディーゼル・微粒子フィルタ３内に溜まっている灰量とディーゼル・微粒子フィルタ３内に溜まっている煤量との関数である。「煤のない」状態では、以降αを用いて表現される灰量が極めて正確に査定される。灰量αは各再生後に計算により新たに求められる。形式上、ｎ回目の再生とｎ＋１回目の再生との間の「差灰量α_diff」は、以下の式で得られる：

（数２）
α_diff＝α_istneu−α_korralt
ここで、α_istneuはｎ＋１回目の再生後の灰量であり、α_korraltはｎ回目の再生後の灰量である。

以下（図２参照）では、次の他の変数が使用される：
α_diffmax 灰量のための調整ごとの最大許容修正値
α_difftotmax 最大許容修正値（全体）
α_soll 「走行距離」に依存する、フィルタ設計に従う目標灰量

図２には、エンジンの「走行距離」或いは「走行性能」に依存し、計算により求められた、ディーゼル・微粒子フィルタ内に溜まっている灰量の経過が示されている。いちばん最初の「調整」前、即ち灰量の最初の査定或いは計算の前に、値α_korraltが初期化され、この際、値α_sollと同じに設定される。その後、即ち最初の再生後、α_korraltは、灰量のための値であって、有効であると見なされた最後の値であり流れ抵抗を介して測定され且つ既に修正されている値を示す。この値は電子的にエンジン制御装置内に記憶される。

灰量は、障害の場合を除き、飛躍的には増加しないので、修正計算時、即ち灰量の調整時には大きすぎるジャンプが許容されてはならない。計算による灰量の「修正」或いは「調整」には、図２において、灰量曲線における両方の「段差」が対応する。図２から見てとれるように、各再生時には、再生後に測定された流れ抵抗に割り当てられている値α_istneuが求められる。しかしながらこの値α_istneuは、計算により存在する灰量と同じであると簡単には見なされない。むしろその灰量は他の値を考慮して求められる。

灰量の「修正」時、次の値が合計され、その際、異なって重み付けられる：
− 測定された古い値α_korralt
− 目標値α_soll
− 再生直後に測定された流れ抵抗から求められる値α_istneu

調整された灰量（図２参照）は、次の式により計算される：

（数３）
α_korr＝（Ａ×α_istneu＋Ｂ×α_korralt＋Ｃ×α_soll）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）

関数Ａ、Ｂ、Ｃは例えば定数又は走行性能（走行距離）の関数であり得る。求められた灰量α_korrは車両の停止時にエンジン制御装置の記憶部内に記憶され、次回のエンジンスタート時にα_korraltとして読み込まれる。α_istneuと、元々最初に査定された量α_sollとからの差が値α_difftotmaxを超過する場合、調整は「凍結」され、エラー或いは障害が存在するものとされる。

α_istneuが値α_diffmaxを超過すると、調整は同様に凍結され、エラーが存在するものとされる。このことは、ディーゼル・微粒子フィルタが極めて迅速に灰で詰まったことを示唆し、このことは、エンジンの障害、フィルタの障害、及び／又は、燃料の障害を示唆する。

「灰調整」の実施時には次の条件が満たされるべきである：
− 車両が、成功した最後の調整以来、ある特定の走行距離を進行しているべきである。
− 予め定められた稼動状態、例えば高速道路走行が存在すべきである。この稼動状態の存在は、調整の確実な終了を保証するために、全再生期間の間、提供されているべきである。この稼動状態が存在するか否かのチェックは、例えば排出ガス温度及び／又は車両速度のような種々の走行状態パラメータを監視することにより行われる。
− ディーゼル・微粒子フィルタの流れ抵抗がエラーを伴わずに計算され得るべきである。
− エンジン制御装置の記憶部から値α_korraltを読み出す際に読取エラーが存在してはならない。
− 車両の稼動状態が問題なく求められ得なくてはならない。
− ディーゼル・微粒子フィルタ前の排出ガス温度が、予め定められた時間の間、所定の高さにある必要があり、その結果、十分な煤焼失が保証されている。

排出ガス装置内のディーゼル・微粒子フィルタの配置構成を示す図である。 エンジンの走行性能（走行距離）に依存して求められた排出ガス質量のグラフを示す図である。

符号の説明

１ エンジン（機関）
２ 触媒（触媒コンバータ）
３ ディーゼル・微粒子フィルタ
４ 排出ガスの流れ方向
５ センサ
αの添え字：
ｄｉｆｆ 差
ｄｉｆｆｍａｘ 差・最大
ｄｉｆｆｔｏｔ 差・全体
ｄｉｆｆｔｏｔｍａｘ 差・全体・最大
ｉｓｔｎｅｕ 実際・新
ｋｏｒｒ 修正
ｋｏｒｒａｌｔ 修正・旧
ｓｏｌｌ 目標

Claims (8)

1. 灰及び煤で詰まっている、排出ガス装置の微粒子フィルタ（３）を再生するための方法であって、
   溜まっている煤により生じている、微粒子フィルタ（３）の詰まり度関与分が、時折、溜まっている煤量の大部分を燃焼することにより減少され、更に、
   再生過程のための燃焼パラメータが、微粒子フィルタ（３）内に溜まっている灰量により生じている詰まり度関与分に依存して選択され、更に、
   溜まっている灰量により生じている詰まり度関与分が、微粒子フィルタ（３）前に発生する排出ガス圧力値を測定することにより求められる、
   前記方法において、
   溜まっている灰量（α _korr ）或いはそれにより生じている詰まり度関与分が、次の値、即ち、
   − 最後に有効であると見なされた灰量（α _korralt ）、或いは、最後に有効であると見なされた詰まり度関与分、
   − 最後の再生直後に測定された排出ガス圧力値から求められる、最後の再生後に査定された灰量（α _istneu ）、及び、
   − 走行性能に依存して予め定められている灰量・目標値（α _soll ）
   を重み付けて合計することにより求められること、及び、
   溜まっている灰量（α _korr ）が、次の式、即ち、
   α _korr ＝（Ａ×α _istneu ＋Ｂ×α _korralt ＋Ｃ×α _soll ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
   により求められること
   を特徴とする方法。
2. 溜まっている灰量或いはそれにより生じている詰まり度関与分が、再生過程の完了直後に微粒子フィルタ（３）前で発生する排出ガス圧力値を基礎にして求められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 排出ガス圧力値が、排出ガス体積流に関する排出ガス圧力であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. Ａ、Ｂ、Ｃが定数であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. Ａ、Ｂ、Ｃが走行性能の関数であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 最後に有効であると見なされた灰量（α_korralt）が、微粒子フィルタ（３）の最初の再生の実施前に、対応する目標値（α_soll ）と同じに設定されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 再生期間が、再生中に支配的である排出ガス温度と、灰により生じている、微粒子フィルタ（３）の詰まり度関与分とに依存して選択されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 再生期間が、微粒子フィルタ（３）内に溜まっている煤の少なくとも９０％が燃焼されるように選択されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

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