JP4551895B2 - 粒子フィルタの再生管理方法及び再生管理装置並びに内燃エンジン - Google Patents

Description

本発明は、粒子フィルタの再生管理方法及び再生管理装置並びに内燃エンジンに関する。

特にトラックに装備された内燃エンジンの汚染と燃料消費に関する規定は、工業国家の全体で、益々厳しくなっている。自動車産業においては、エンジンの性能を損なうことなく、また価格を上昇させることなく、これらの義務に応じるための技術的な解決策が探求されている。

内燃エンジン、特にディーゼルエンジンから発生される煤の粒子を除去するための既知の装置の中で、エンジンの排気ラインの中に挿入される粒子フィルタを挙げることができる。これらのフィルタは、排気ガスの中に含まれる煤の粒子を捕捉するように適合化されている。操作される再生装置は、フィルタの中に捕捉された粒子を定期的に燃焼し、フィルタが詰まることを回避することを可能にする。

実際、煤の粒子は、約５５０℃〜６００℃の温度で燃焼する。しかし、この温度が、自動車のディーゼルエンジンの排気ガスによって達成されるのはまれである。例えば、市街地における排気ガスの温度は、１５０℃〜２５０℃の間に含まれる。従って、このような粒子フィルタの再生を望むときに、ガスの温度を上昇させるための、適当な手段を設けることが必要である。

種々の装置が今までに提案されている。電気抵抗による加熱、特に加熱格子は、排気ガスの温度を、フィルタの中の粒子の燃焼を引き起こすために充分な値に保つことを可能にする。

他の装置においては、追加の燃料量を、後噴射の形で、少なくとも１つの燃焼室へ噴射することによって、排気ガスの温度を増大させることが提案されている。この場合、エンジンの従来の動作に必要な燃料量を噴射し終わった後で、２番目の追加の燃料量が噴射される。この追加の燃料量の一部は、排気ガスの温度の増加をもたらしながら燃焼し、その他は、一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣのような部分酸化生成物に変換される。

一酸化炭素と炭化水素も、粒子フィルタの中へ到達する前の発熱反応によって、排気ガスの温度増加に寄与することができる。この発熱反応は、粒子フィルタの上流に設けられた酸化触媒を通過する際に得られる。他方では、煤の粒子の燃焼に必要なエネルギの消費を最小化するために、適当な触媒を使用することによって煤の燃焼温度を低下させることも知られている。このために、燃料の中に、有機半金属化合物の混合物のような添加剤を付加することが知られている。この添加剤は、煤の粒子の中に存在し、このことがこの添加剤に煤の粒子の燃焼の際の触媒の役割を果たすことを可能にし、煤の燃焼温度を低下させる。

種々の再生支援装置の実行は、幾つかのパラメータ、特に粒子フィルタの煤の充填状態に応じて再生の瞬間を決定する電子制御装置によって操作される。

文献ＦＲ ２ ７７４ ４２１には、ディーゼルエンジンに関連する粒子フィルタの動作の管理装置が開示されており、フィルタ内の煤の質量が閾値以上の時に実行される再生支援手段の起動について記載されている。この煤の質量は、粒子フィルタの両端における圧力損失の測定とエンジンの動作状態から決められる。

捕捉された煤の質量は、再生支援手段の制御のための重要なデータである。煤の量が極めて少ないときには、煤を燃焼させることは困難であり、煤の質量が極めて大きいときには、煤の強い発熱反応を伴う燃焼によってフィルタが破損される危険がある。

文献ＦＲ ２ ８０２ ９７２には、粒子フィルタの煤の充填のような、所定の基準によるフィルタの再生支援手段の実行による燃料消費への影響を制限するために、再生支援手段の実行持続時間の最小化が提案されている。持続時間や追加燃料量のような、再生支援手段の動作パラメータは、フィルタの再生の経過に応じて調整される。燃焼の開始は、フィルタから生じるエネルギの推定または測定から決めることができる。燃焼の開始は、フィルタの中で燃焼が無いと仮定し、この温度を実際の温度と比較することによって、フィルタの出口におけるガスの温度を推定することからも決めることもできる。燃焼の消滅も類似の方法で決めることができる。粒子の燃焼の開始のための排気ガスの温度の上昇は、噴射器の簡単な制御、例えばエンジンの与えられたサイクル数の間の膨張過程の際に追加の燃料量を噴射することによって実行される。このような方法によって満足な結果が得られる。

しかしながら、内燃エンジンにおける燃焼の安定性を維持することと、粒子フィルタの温度の比較的微細な操作を実行することが必要であることは明らかである。触媒粒子フィルタの再生を操作するのに必要な温度範囲は比較的狭く、約８０℃である。この範囲の下側では燃焼は行われず、この範囲の上側では、粒子フィルタの触媒成分の劣化のリスクが存在する。さらに、煤の燃焼速度は、この範囲内で激しく変化する。従って、ターボチャージャ付きの場合は、タービンの上流における最高温度を充分尊重しながら、約２０℃の精度で粒子フィルタの温度を操作することが必要であることは明らかである。ところで、回転数と負荷で定義される、エンジンの同一の動作点について、排気の背圧、吸入空気の温度、あるいはエンジンの製造上のバラツキ等の大きさによって、同じ噴射パラメータの調整に対して、フィルタの上流における温度に約８０℃のバラツキがもたらされることがあり得る。
ＦＲ ２ ７７４ ４２１ ＦＲ ２ ８０２ ９７２

本発明の目的は、必要な温度の範囲を尊重しながら、温度に影響する可能性があるパラメータとできるだけ無関係に、在来型または触媒付きの粒子フィルタの再生を可能にすることにある。

上記課題を達成するため、本発明は、内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生管理方法において、
燃料の前噴射と、燃料の主噴射を実行し、上記粒子フィルタの粒子の燃焼温度またはタービンの上流の温度に応じて、燃料量が上記前噴射と上記主噴射との間に配分され、
上記粒子フィルタの上流のガスの温度を推定または測定し、上記タービンの上流のガスの温度を測定し、
上記主噴射は、対応するピストンの上死点に対して角度ψだけ遅延され、
上記前噴射は、２つの噴射過程からなり、
第１番目の上記噴射過程は、上記対応するピストンの上死点の前で行われ、第２番目の上記噴射過程は、上記対応するピストンの上死点の後で行われ、
トルクを一定に維持しながら排気ガスの出口の温度を増加し、上記粒子フィルタ（６）の粒子の燃焼を開始または持続するために、上記第２番目の前噴射の燃料量を減少させながら、上記主噴射の燃料量を増加するか、または、
トルクを一定に維持しながら排気ガスの出口の温度を減少するために、上記第２番目の前噴射の燃料量を増加させながら、上記主噴射の燃料量を減少することを特徴とする。

また、１つの上記噴射過程は、上記対応するピストンの上死点の直後に行われることを特徴とする。

また、内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生管理方法を実施する内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生装置において、
上記粒子フィルタの粒子の燃焼温度に応じて、燃料の前噴射と燃料の主噴射との間に燃料を配分する手段と、
上記粒子フィルタの上流のガスの温度測定センサまたは上記粒子フィルタの上流のガスの温度推定装置とを有し、
上記粒子フィルタの再生装置は、上記燃料の前噴射と上記燃料の主噴射との間の燃料の配分指令を送出することが可能な、上記エンジンの制御装置へ連結されることを特徴とする。

さらに、給気系統と、燃料の噴射装置と、上記噴射装置を制御することが可能な操作装置と、排気ガスの出口に設けられた粒子フィルタとを含んでなる内燃エンジンにおいて、上記粒子フィルタの再生管理装置を有することを特徴とする。

一定の動作条件における、前噴射と主噴射との間の燃料量の配分は、粒子フィルタに流入する排気ガスの温度を増加または減少させることを可能にする。主噴射の燃料量の変化は、温度変化に対して卓越した影響を有し、一方、前噴射の燃料量の変化は、主噴射の燃料量の変化によってもたらされるトルク変化の補償に対して卓越した影響を有する。従って、トルクを一定に保つことが可能であり、このことは、運転者が車両の動作条件の変化を感知することなしに、粒子フィルタの再生を実行することを可能にする。

本発明の望ましい１実施の形態においては、上記前噴射の燃料量の変化量と、上記主噴射の燃料量の変化量は異なるが、例えば、ソフトウエアの関数によって実行される、各噴射に固有の燃焼効率に基づいてトルクの指令値を維持することを可能にするモデルを介して、互いに関係付けられる。例えば、上記粒子フィルタにおける温度の増加を妨げることを望むときには、上記主噴射の燃料量を量Ｑ_ｐだけ減らし、上記前噴射の第２噴射過程の燃料量は、Ｑ_１＜Ｑ_ｐで、トルクを一定に保つために計算された量Ｑ_１だけ増加する。

従って、本発明は、エンジンから供給されるトルクを維持するとともに、粒子フィルタの中の温度を充分正確に操作することを可能にし、従って、特に有効であるが狭い燃焼温度範囲を必要とする触媒粒子フィルタを使用することを可能にする。

本発明は、非限定的な例であり、添付図面によって例示される、幾つかの実施の形態の詳細な説明を検討することによって、よりよく理解されるであろう。これらの図において：
−図１は、本発明による方法の１つを実行する、粒子フィルタを備えた内燃エンジンの模式図であり；
−図２は、噴射過程を示すグラフであり；
−図３、４は、噴射過程の様々なタイプを示すグラフである。

図１に、本発明の理解に必要な部品のみを示した。内燃エンジン１は、自動車のような車両に装備されるためのものである。エンジン１は、ターボコンプレッサによって過給される、直列４シリンダの、燃料直接噴射のディーゼルエンジンであることができる。エンジン１は、空気の供給を実行する吸気回路２と、エンジン制御計算機３と、コモンレールタイプの高圧燃料回路４と、排気ライン５を有する。シリンダの中への燃料の噴射は、高圧燃料回路４から、燃焼室の中へ通じ、計算機３によって操作される図示しない電磁噴射器によって実行される。

エンジン１の出口から、排気ライン５の中へ排出される排気ガスは、粒子フィルタ６を通り抜ける。圧力センサや温度センサのような様々なセンサ７が粒子フィルタ６の上流及び下流に配置され、対応する情報を計算機３へ供給する。空気の流量計８が吸気回路２に設けられ、エンジン１へ供給される吸入空気の流量の情報を計算機３へ供給する。圧力と温度のセンサ９も設けることができる。排気ライン５に、燃焼すべき炭化水素ＨＣと一酸化炭素ＣＯを処理する酸化触媒ポット１０も設けることができる。

また、エンジン１は、計算機３によって操作される弁１２が設けられた、排気ガス再循環回路１１も有する。このようにして、排気ガスを吸気回路２の中へ再導入することができる。計算機３は、マイクロプロセッサまたは中央ユニットと、ランダムアクセスメモリと、読み取り専用メモリと、アナログ／デジタル コンバータと、入出力の様々なインターフェースを有する。

計算機３のマイクロプロセッサは、電子回路と、様々なセンサから来る信号を処理し、そこからエンジンの状態を推定し、特に噴射器のような様々な操作アクチュエータのために適した制御信号を発生するのに適した、ソフトウエアを有する。

従って、計算機３は、様々なセンサから伝達される情報、特に吸入空気の質量、エンジン回転数、及び所望の燃料消費と性能のレベルに達することを可能にするメモリされた基準値から、高圧燃料回路４の中の燃料の圧力と、噴射器の開口を制御する。噴射器の開口は、特に噴射開始の瞬間と噴射器の開口持続時間によって定義される。開口持続時間は、与えられた供給圧力における噴射燃料量、従って燃焼室内を満たす空気／燃料混合物のリッチネスに対応する。

また、計算機３は、排気系統、特に粒子フィルタ６の管理を実行するように適合化されている。特に、計算機３は、圧力センサ７から特に供給される情報から、粒子フィルタ６の中の煤の充填の程度を推定する。次いで、計算機３は、粒子フィルタ６の煤の充填の値に応じて、適用される方法に従った再生過程を始動する。

再生過程は、捕捉された粒子の燃焼が実行されるように、粒子フィルタ６を通過する排気ガスの温度を増加させることから主としてなる。温度の増加は、適当な再生支援手段の実行、特に噴射条件の変更によって開始される。

勿論、フィルタまたは煤を直接加熱することによって機能する、その他のフィルタ再生装置を利用することができる。

図２に、前噴射と、それに引き続く噴射が実施されない期間と、最後の主噴射からなる通常の噴射の場合を示す。主噴射の持続時間は、前噴射の持続時間の２〜３倍で、シリンダの上死点の近傍に位置する。クランクシャフトの角度がゼロであるときを慣例的に上死点と呼び、ＰＭＨと記す。

図３に、２噴射過程を有する前噴射の場合を示す。前噴射の２噴射過程の第１噴射過程は上死点よりも明確に前にあり、第２噴射過程は上死点において開始し、これらの２つの噴射過程は、非噴射過程によって分離されている。主噴射は遅延され、上死点後の角度ψにおいて開始する。

図４に、排気ガスの温度の増加を妨げることを希望する場合を示す。前噴射の第１噴射過程の持続時間は維持される。前噴射の第２噴射過程の持続時間は増加され、主噴射の持続時間は減少される。燃料噴射のためのコモンレール内の圧力は一定であることを考慮に入れると、噴射される燃料量は、噴射持続時間にほぼ比例する。エンジンの排気温度を減少させるために、主噴射における燃料量を、量Ｑ_ｐだけ減らしたことが分かる。前噴射の第２噴射過程の燃料量は、Ｑ_１＜Ｑ_ｐで、エンジンから供給されるトルクを一定に保つために計算された量Ｑ_１だけ増加する。

これと反対に、排気ガスの温度の減少を妨げることを希望する場合には、排気ガスの出口の温度、従って粒子フィルタの温度を増加させるために、主噴射における燃料量を、量Ｑ_ｐだけ増加し、前噴射の第２過程の燃料量は、Ｑ_１＜Ｑ_ｐで、同じくエンジンから供給されるトルクを一定に保つために計算された量Ｑ_１だけ減少させる。量Ｑ_ｐと量Ｑ_１の間の関係は、あらかじめ決定して表の中に記録するか、計算機３によって実行されるソフトウエアの関数によって決定することができる。勿論、クランクシャフトの角度範囲と時間的な間隔、従って噴射される燃料量との関係を変更させる、エンジンの回転数を考慮に入れる。

本発明によれば、粒子フィルタのタイプが変わっても、粒子フィルタの充填状態、環境条件、エンジンのバラツキに係わり無く、過度に高められた温度による粒子フィルタの破壊を回避しながら、粒子フィルタの再生を確保することができる。従って、本発明は、フィルタの再生の信頼性の向上と、フィルタの破壊のリスクの低減と、噴射される燃料量の増加によって得られる極度に高い温度を回避することによる燃料消費の低減を可能にする。

Claims (4)

1. 内燃エンジン（１）に取り付けられた粒子フィルタ（６）の再生管理方法において、
   燃料の前噴射と、燃料の主噴射を実行し、上記粒子フィルタ（６）の粒子の燃焼温度またはタービンの上流の温度に応じて、燃料量が上記前噴射と上記主噴射との間に配分され、
   上記粒子フィルタ（６）の上流のガスの温度を推定または測定し、上記タービンの上流のガスの温度を測定し、
   上記主噴射は、対応するピストンの上死点に対して角度ψだけ遅延され、
   上記前噴射は、２つの噴射過程からなり、
   第１番目の上記噴射過程は、上記対応するピストンの上死点の前で行われ、第２番目の上記噴射過程は、上記対応するピストンの上死点の後で行われ、
   トルクを一定に維持しながら排気ガスの出口の温度を増加し、上記粒子フィルタ（６）の粒子の燃焼を開始または持続するために、上記第２番目の前噴射の燃料量を減少させながら、上記主噴射の燃料量を増加するか、または、
   トルクを一定に維持しながら排気ガスの出口の温度を減少するために、上記第２番目の前噴射の燃料量を増加させながら、上記主噴射の燃料量を減少することを特徴とする、内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生管理方法。
2. １つの上記噴射過程は、上記対応するピストンの上死点の直後に行われることを特徴とする、請求項１に記載の内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生管理方法。
3. 請求項１または２に記載の内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生管理方法を実施する内燃エンジン（１）に取り付けられた粒子フィルタ（６）の再生装置において、
   上記粒子フィルタ（６）の粒子の燃焼温度に応じて、燃料の前噴射と燃料の主噴射との間に燃料を配分する手段と、
   上記粒子フィルタ（６）の上流のガスの温度測定センサ（７）または上記粒子フィルタ（６）の上流のガスの温度推定装置とを有し、
   上記粒子フィルタ（６）の再生装置は、上記燃料の前噴射と上記燃料の主噴射との間の燃料の配分指令を送出することが可能な、上記エンジン（１）の制御装置へ連結されることを特徴とする、内燃エンジンに取り付けられた粒子フィルタの再生管理装置。
4. 給気系統（２）と、燃料の噴射装置と、上記噴射装置を制御することが可能な操作装置（３）と、排気ガスの出口に設けられた粒子フィルタ（６）とを含んでなる内燃エンジン（１）において、請求項３に記載の粒子フィルタの再生管理装置を有することを特徴とする内燃エンジン。

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