JP5312049B2 - 微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システム内の燃料噴射器をパージする方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システム内の燃料噴射器をパージする方法及び装置に関する。

欧州の排ガス規制基準がますます厳しくなっているため、自動車メーカがエンジンの汚染排気を減少させることが重要である。現在、規制は窒素酸化物（ＮＯｘ）のみならず、最近の医学研究によれば或る種の呼吸器病及び或る種の癌の原因になり得るブラックスモークと称される排出微粒子をもその対象範囲に含む。そこで、微粒子を捕集することによってこのブラックスモークの排出を減少させるために、微粒子フィルタ（ＦＡＰ）と称され自動車の排気管内に組み込むことが可能な種々のフィルタが、メーカによって研究され、開発されている。

しかし、解決すべき問題の１つは、微粒子の捕捉のみならず、フィルタの詰まりを防止するために微粒子を除去することである。例えば高いエンジン速度及び高い負荷でエンジンが運転している段階時の自然再生として知られる再生のような、種々の再生方法を用いることができる。他の方法は、エンジンの爆発行程（パワー・ストローク）中に遅延噴射又は後噴射を実行することによってフィルタの再生を開始することから構成される。しかし、後噴射の使用、特に低い負荷における後噴射の使用は、ピストンのセグメントとシリンダ壁との間を通過する未燃焼のディーゼル燃料によるエンジンオイルの希釈を生じさせる。このことは、エンジンの正しい運転に対して非常に悪影響を及ぼすことになり得る。

この欠点を克服するために、排気管内に設けた燃料噴射器を使用して排気ガス中に直接ある量のディーゼル燃料を噴射することから構成される別の方法の使用が知られている。文献、仏国特許出願第２８５３００６号明細書及び米国特許出願公開第２００４／０２２６２８８号明細書では、この種類のシステムについて述べている。

しかし、これらのシステムはいくつかの欠点を有する。
− 噴射回路中のディーゼル燃料の経年劣化が、燃料噴射器を閉塞させる微粒子又は残留物の形成に至ることがあり得る。
− 燃料噴射器の出口におけるディーゼル燃料の蒸発が、その中に不溶性物質が存在する場合に詰まりを生じさせることがあり得る。
− ディーゼル燃料の熱的経年劣化が、そのセタン価によって測定される自己着火能力に悪い影響を及ぼし、そしてその結果として微粒子フィルタの再生に悪い影響を及ぼす。
− 排気ガスに起因する堆積物の蓄積が、非使用時に燃料噴射器の先端部の下方に生じることがあり得る。

正確には、本発明の主題は、微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システム内の燃料噴射器をパージする方法であり、これが上記の欠点を克服する。

これらの目的は、次の事実、すなわち
− 燃料経年劣化値が求められ、この燃料経年劣化値が燃料経年劣化しきい値と比較され、そしてこの燃料経年劣化値が上記燃料経年劣化しきい値を超える場合にパージ要求が起動されることと、
− 上記パージ要求が起動されると、パージを起動するための条件が満たされるかが点検され、それが満たされる場合に、パージが起動されることと、
− パージされた燃料の量がパージされるべき燃料の量に到達するまで、上記条件が満たされる限り、パージが継続されることと
いう事実に起因して達成される。

好ましくは、Ｎ回目の修正後の燃料経年劣化カウンタ値が、経年劣化変数に基づく経年劣化ファクタに経年劣化時間を乗じ、得られた結果をＮ−１回目の修正後の燃料経年劣化カウンタ値に加えることによって、求められる。

経年劣化変数が、微粒子フィルタの上流に設置された触媒コンバータの入口における水の温度及び排気ガスの温度であるため、有利である。

好ましくは、パージを起動するための条件は、上記パージ要求が起動されたという事実に加えて、上記微粒子フィルタの再生モードが起動状態にないという事実、上記微粒子フィルタの入り口におけるガスの温度がしきい値（Ｔ１）よりも高いという事実、及び排気ガス中の空気量がしきい値（Ｑ１）よりも低いという事実である。

パージが微粒子フィルタ（１０）の再生によって中断される場合には、再生に使用される燃料の量（Ｑｒｅｇｅ）がパージに貢献すると考えられる。

その上、本発明は微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システムに関し、この燃料噴射システムは、
− エンジンと、
− 排気管であってその上に、上記エンジンから始まり、第１の酸化触媒コンバータ、第２の酸化触媒コンバータ、及び上記微粒子フィルタがこの順に設置される排気管と、
− 上記第１の酸化触媒コンバータと上記第２の酸化触媒コンバータとの間に設置されることを特徴とする、微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射器とを備える、微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システムである。

添付図面を参照して例として与えられる実施形態についての下記の記述の読後には、本発明の他の特長及び利点が更に明らかとなる。

図１において、参照番号１は、略図的に図示したディーゼルエンジンを特定する。図中左方でディーゼルエンジン１が、略図的に図示した空気取入手段２、例えば空気取入多岐管によって空気を供給される。図中右方でディーゼルエンジン１は排気管を有し、この排気管上にはターボチャージャ４、第１の酸化触媒コンバータ６、第２の酸化触媒コンバータ８、及び微粒子フィルタ１０がそれぞれそして順次に設置される。微粒子フィルタの後では、排気管は大気に開放される。

排気ガス再循環バイパス１２が排気管と空気取入手段２との間に取り付けられる。手段１４、例えば弁がエンジンの排気ガスをエンジン空気取入口へ再循環させる。

ディーゼルエンジンの燃焼室が、エンジンのシリンダの数に等しい数の燃料噴射器１６によって燃料を供給される。これらの燃料噴射器は共通の噴射レール１８から供給される。噴射レール１８は、高圧ポンプ２２により燃料タンク２０から燃料を供給される。微粒子フィルタ１０の再生に使用される燃料噴射器２４が排気管内、第１の酸化触媒コンバータ６と第２の酸化触媒コンバータ８との間に取り付けられる。燃料噴射器２４は、２つの仕方で燃料を供給されることが可能である。１つの仕方ではその供給回路が、共通の噴射レール１８内に高圧を生成する役を果たす高圧ポンプ２２の低圧部分に接続され、又は別の仕方では燃料噴射器の供給回路は、自動車の燃料タンク２０から直接に燃料を引き出す電動ポンプ２６に接続される。また、微粒子フィルタ１０の再生に使用される燃料噴射器２４は、エンジンの冷却水回路に接続される冷却システム（図示しない）を備える。

電気制御ユニット（ＥＣＵ）３０が、エンジンの運転を制御する。電気制御ユニット３０の別の機能は、エンジンに関連する種々の構成要素の状態及び微粒子フィルタ１０の再生の状態を示す受信した信号に基づき、燃料噴射器２４の起動の時点及び持続期間（噴射量）を定義することである。

電気制御ユニット３０によって取得された信号は、次に示すものなので有利である。すなわちこれらの信号は、
− 共通の噴射レール１８内の圧力３２、
− ターボチャージャ４の前の温度３４、
− 第１の酸化触媒コンバータ６の前の温度３６及び第２の酸化触媒コンバータ８の前の温度３８、
− 微粒子フィルタ１０の前の温度４０、
− 微粒子フィルタ１０の後の温度４２、
− 第２の酸化触媒コンバータ８の入口４４と微粒子フィルタ１０の出口４６との間の圧力差、及び
− エンジンによって取り込まれる空気の量及び温度４９
である。

電気制御ユニット３０は、空気取入手段２、排気ガス再循環手段３、及びターボチャージャ４の動作を制御する。電気制御ユニット３０はまた、高圧ポンプ２２及び燃料噴射器１６を制御する。この噴射手段は更に、爆発工程中にエンジンのシリンダ内に多数回の燃料噴射段階（フェーズ）を開始することにより、微粒子フィルタ１０内に取り込まれた微粒子の燃焼による微粒子フィルタ１０の再生段階を起動するように構成される。

比例センサ４８が、微粒子フィルタ１０の再生段階時における排気ガスの酸素内容量に基づいて排気ガスの再循環を調整するためにエンジン１の出口に設置される。

微粒子フィルタ１０の飽和度の推定が、第２の酸化触媒コンバータ８の入口４４と微粒子フィルタ１０の出口４６との間の圧力差の測定を通して実行される。予め設定されたしきい値に測定値が到達すると、再生を起動する要求がなされることになる。

燃料噴射器２４は再生段階中においてのみ、そしてエンジンのエンジン速度／負荷マップの或る区域においてのみ起動されるので、或る種のドライブ中には稀にしか使用されない。したがって、燃料噴射器２４の内部空間中に包含される残留燃料は、この燃料噴射器の内部の燃料の温度と、この燃料噴射器の起動されていない時間とに依存して劣化する。これが、燃料の経年劣化度の診断に基づく燃料噴射器２４の詰まりに対抗するパージのそして燃料の経年劣化に対抗する処理の方法を、本発明が提供する理由である。この方法は、追加センサの使用を必要としないという利点を有する。エンジン及び関連の構成要素の制御に使用されるセンサで十分である。その結果として本発明は、適用するのに費用が廉価ですむという利点を有する。

燃料噴射器２４内の燃料の経年劣化に主たる影響を及ぼすファクタは、燃料噴射器本体の温度及び燃料自体の温度である。燃料噴射器本体の温度は主として、表面温度、排気ガス温度、及びエンジン冷却回路内の水温に依存する。燃料の温度については主として、共通の噴射レール１８内の圧力、燃料タンク２０内の燃料の体積、及び低圧回路内の圧力に依存する。

図２に燃料の経年劣化時間の推定の流れ図を示す。

排気管の構成及び燃料噴射器２４の取付けにより、利用可能であり且つ燃料の経年劣化度の推定のために最も有益な信号が、エンジン冷却回路内の水の温度（Ｔｅａｕ）及び第２の酸化触媒コンバータ８の入口における排気ガスの温度（ＴｅＣＡＴＡ２）であることが示される。したがって、燃料の経年劣化を推定する方法は、Ｔｅａｕ及びＴｅＣＡＴＡ２に基づきマッピングされた経年劣化ファクタによって修正された時間（ＤＴ）を含む（次式参照）：
経年劣化カウンタ値（Ｎ）＝経年劣化ファクタ（Ｔｅａｕ、ＴｅＣＡＴＡ２）×ＤＴ＋経年劣化カウンタ値（Ｎ−１）
ここで、経年劣化カウンタ（Ｎ）は、Ｎ回目の修正後の経年劣化カウンタ値であり、経年劣化カウンタ値（Ｎ−１）は、Ｎ−１回目の修正後の経年劣化カウンタ値である。

予め設定された最大経年劣化時間後に、プログラムはパージ要求を行う：
もし
経年劣化カウンタ値（Ｎ）≧ 許可経年劣化しきい値
の場合には、
パージ要求を起動。

正しい条件が満たされると、パージが実行される。個々のパージが成功裡に行われた後に、燃料の経年劣化カウンタ値がリセットされることになる。

燃料の経年劣化が検証された後には、微粒子フィルタが再生モードにないこと及び第２の酸化触媒コンバータ８が着火状態に到達したこと、すなわちこの酸化触媒コンバータの入口における温度が少なくとも３５０℃であることを点検することもまた必要である。パージ、したがって燃料噴射器の実際の起動を認可する主たる条件は次の通りである：
− パージ要求が起動状態にある（燃料の経年劣化が認識されている）；
− 微粒子フィルタの再生モードが起動状態にない；
− ＴｅＣＡＴＡ２がフィルタ処理されている（微粒子フィルタの入口における温度がしきい値（Ｔ１）よりも高い）；そして
− フィルタ処理されたＱａｉｒ＿ｇａｚ（排気ガス中の空気の量）がしきい値（Ｑ１）よりも低い。

ＴｅＣＡＴＡ２及びＱａｉｒ＿ｇａｚに適用されるフィルタ処理は、周知の指数型の主フィルタ処理である。

また、パージ開始の条件がもはや満たされないときにはパージを直ぐに中止することが必要である。条件が再度満たされるときには、パージされた燃料の量のカウント処理が、パージが中止されたところから再度開始されることになる。

図３にパージ量及びパージ中止の計算の流れ図を示す。

前に述べたように、パージは、排気管に衝撃を与えないであろうことが確実なときに起動される。また、パージ量は、排気中で燃焼されたガスの通常の処理操作を妨げないために制御しそして制限する必要がある。この、排気中で燃焼されたガスの通常の処理操作が妨げられると、汚染物質の排出の増加、微粒子フィルタ又は触媒コンバータの破壊につながりやすい。

この問題を克服するために、本発明の方法は、エンジン速度と、エンジンを通る空気流量と、そして排気ガス中の空気量に基づいて定義される重量割合（ウェイト・フラクション）とに基づくパージ量（注入された燃料の量）の計算から構成される（次式参照）：
パージ量（Ｎ）＝ 空気量 × エンジン速度 × 重量割合（Ｎ）
ここで、パージ量（Ｎ）は、Ｎ回目のパージで注入される燃料の量であり、空気量 × エンジン速度 × 重量割合（Ｎ）は、Ｎ回目のパージにおける空気量とエンジン速度と重量割合との積である。

Ｎ回目のパージが終了するまでに実際に注入された燃料の総量は、次式で表わされる：
パージされた量（Ｎ）＝ パージ量（Ｎ）＋ パージされた量（Ｎ−１）
ここで、パージされた量（Ｎ）は、Ｎ回目のパージが終了するまでに注入された燃料の総量であり、パージされた量（Ｎ−１）は、Ｎ−１回目のパージが終了するまでに注入された燃料の総量である。

噴射燃料の総量が、実際にパージされるべく残留中の燃料の量に相当すると、パージの中止が要求されることになる：
もし
パージされた量（Ｎ）≧ パージされるべき燃料の量（Ｑｐｕｒｇｅ）
の場合には、パージを中止。

例えば、アイドル速度で約５０ｋｇ／ｈの空気流の場合、燃料噴射器内部に包含されるディーゼル燃料の更新時間は約１分である。空気流が増大するという、より悪くない条件下では、この時間は減少する。

他方、再生はパージよりも高い優先度を常に取ることになる。しかし、微粒子フィルタの再生の要件として排気管内に噴射される燃料の量（Ｑｒｅｇｅ）は、パージに貢献すると考慮される（次式参照）：
パージ量（Ｎ）＝ Ｑｒｅｇｅ（Ｎ）。

そして、Ｎ回目のパージが終了するまでに注入された燃料の総量は次式で与えられることになる：
パージされた量（Ｎ）＝ パージ量（Ｎ）＋ パージされた量（Ｎ−１） ＝ Ｑｒｅｇｅ（Ｎ）＋ パージされた量（Ｎ−１）

図４は、パージ管理の流れ図である。ステップ１００において、パージ管理の手順が開始される。ステップ１０２において、燃料の経年劣化が検証されたかどうかが点検される。もし検証された場合はステップ１０４において、パージ要求が起動される。もし検証されていない場合には、肯定的な応答が得られるまで点検がループで反復される。ステップ１０６において、微粒子フィルタの再生が起動状態にあるか又はないかが点検される。もし起動状態にある場合、パージは開始できない。しかし、再生燃料の量がパージ量に斟酌される。もし起動状態にない場合すなわち微粒子フィルタの再生が起動状態にない場合には、ステップ１０８において他の条件が満たされているかどうかを点検することが再度必要になる。これら他の条件とは例えば、第２の触媒コンバータが、ＴｅＣＡＴＡ２がＴ１（例えば３５０℃）よりも高い状態に相当する着火状態に到達したかどうかという条件、及び排気ガスに含まれる空気の量が制限値よりも低い、すなわちＱａｉｒ＿ｇａｚがＱ１よりも低い状態に相当する条件である。

これらの条件が満たされない場合、パージは開始できず、そしてステップ１０６において、微粒子フィルタの再生の起動状態が再度点検される。もし起動状態にある場合、条件は満たされ、パージ手順が開始できる。すると、ステップ１１０において、Ｎ回目のパージで注入される燃料の量が、次式を使用して計算される：
パージ量（Ｎ）＝ 空気量 × エンジン速度 × 重量割合（Ｎ）。

ステップ１１２において、Ｎ回目のパージが終了するまでに注入された燃料の総量が、Ｎ回目のパージで注入される量をＮ−１回目のパージが終了するまでに注入された燃料の総量だけ増加させた量と比較される。再生ステップ中にパージされた量が、Ｎ回目のパージが終了するまでに注入された燃料の総量に斟酌される。ステップ１１４において、パージされた量が、パージされるべき予め設定された量に到達したかどうかが点検される。到達していない場合、微粒子フィルタの再生の起動状態が、ステップ１０６において再度点検される。パージされるべき予め設定された量に到達した場合には、ステップ１１６においてパージが中止され、そして燃料の経年劣化の診断的点検がリセットされ、ステップ１１８においてパージ管理の手順が終了する。

本発明の方法が適用される、微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システムの全体慨略図である。 燃料経年劣化時間を推定する流れ図である。 本発明の方法における燃料パージ管理の流れ図である。 パージ量及びパージ中止の計算の流れ図である。

Claims (6)

1. 微粒子フィルタ（１０）の再生に使用される燃料噴射システムの燃料噴射器をパージする方法において、該方法が、
   − 燃料経年劣化値が求められ、該燃料経年劣化値が燃料経年劣化しきい値と比較され、該燃料経年劣化値が該燃料経年劣化しきい値を超える場合にパージ要求が起動されることと、
   − パージ要求が起動されると、パージを起動するための条件が満たされるかが点検され、それが満たされる場合、パージが起動されることと、
   − パージされた燃料の量がパージされるべき燃料の量（Ｑｐｕｒｇｅ）に到達するまで、該条件が満たされる限り、該パージが継続されることと
   を特徴とする、微粒子フィルタ（１０）の再生に使用される燃料噴射システムの燃料噴射器をパージする方法。
2. Ｎ回目の修正後の燃料経年劣化カウンタ値が、経年劣化変数に基づく経年劣化ファクタに経年劣化時間（ＤＴ）を乗じ、得られた結果をＮ−１回目の修正後の燃料経年劣化カウンタ値に加えることによっ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. 該経年劣化変数が、エンジン冷却回路内の水の温度（Ｔｅａｕ）及び該微粒子フィルタ（１０）の上流に設置された触媒コンバータ（８）の入口における排気ガスの温度（ＴｅＣＡＴＡ２）であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. パージを起動するための条件が、該パージ要求が起動されたという事実に加えて、該微粒子フィルタ（１０）の再生モードが起動状態にないという事実、該微粒子フィルタ（１０）の入り口におけるガスの温度がしきい値（Ｔ１）よりも高いという事実、及び排気ガス中の空気量がしきい値（Ｑ１）よりも低いという事実であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 該パージが微粒子フィルタ（１０）の再生によって中断される場合には、該再生に使用される燃料の量（Ｑｒｅｇｅ）が該パージに貢献すると考慮されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システムであって、
   該燃料噴射システムが、
   − エンジン（１）と、
   − 排気管であってその上に、該エンジン（１）から始まり、第１の酸化触媒コンバー
   タ（６）、第２の酸化触媒コンバータ（８）、及び該微粒子フィルタ（１０）がこの順に
   設置される排気管と、
   − 該第１の酸化触媒コンバータ（６）と該第２の酸化触媒コンバータ（８）との間に
   設置されることを特徴とする、該微粒子フィルタ（１０）の再生に使用される燃料噴射器（２４）と、
   該燃料噴射器（２４）をパージする手段と、
   燃料経年劣化値を求める手段と、
   該求められた燃料経年劣化値と燃料経年劣化しきい値とを比較する手段と、
   該求められた燃料経年劣化値が該燃料経年劣化しきい値を越える場合にパージ要求を起動する手段と、
   該パージ要求が起動されると、パージを起動するための条件が満たされているかを点検する手段と、
   を備え、
   該燃料噴射器（２４）をパージする手段は、
   該条件が満たされる場合に、該燃料噴射器（２４）をパージし、
   パージされた燃料の量がパージされるべき燃料の量（Ｑｐｕｒｇｅ）に到達するまで、該条件が満たされる限り、該パージが継続されることを特徴とする、微粒子フィルタの再生に使用される燃料噴射システム。

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