JP5689807B2 - 開口粒子分離器を再生するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、開口粒子分離器を再生するための方法に関する。

粒子分離器は、自動車の内燃エンジン、好ましくはディーゼルエンジンの排ガスを浄化するために使用される。ここ数年、ディーゼル内燃エンジンの排ガスを浄化するための粒子分離器の重要性が、細塵排出の観点でかなり高まってきている。まず、現在広まっている自動車分野における粒子分離器は閉じた粒子フィルタであった。通常、セラミック、一部の場合には金属からなる、それらのフィルタにおいて、浄化される排ガスは、フィルタ材料を通して強制的に誘導され、そのフィルタ材料に混入した煤または炭素粒子が堆積する。その粒子は、高い排ガス温度および場合によっては、粒子フィルタにおけるフィルタ材料の触媒的に活性なコーティングによって熱的に変換され、ここで、触媒コーティングは、変換に必要とされる排ガス温度を低下させる。粒子フィルタは、典型的に、交互に閉じたチャネルを備えるハニカム体として構成される。従って、１つのチャネルを通して入口側において粒子フィルタに侵入する排ガスは、チャネル壁を通過して、その後、再び、その反対側において粒子フィルタから排出できなければならない。

閉じた粒子フィルタの１つの問題は、それらが、その中に堆積した煤または炭素粒子の不十分な変換の事象において閉塞されるということである。これは特に、低い排ガス温度で生じる。特に、典型的なディーゼルエンジンの排ガスの温度は、多くの場合、粒子フィルタの適切な触媒コーティングを用いてでさえも炭素粒子の変換が得られないほど低い。再生できない閉塞した粒子フィルタにおいて、圧力勾配が粒子フィルタにわたって生じ、内燃エンジンの挙動に悪影響を及ぼすので、望ましくなくなる。この理由のために、粒子フィルタは再生されなければならない。これは、通常、排ガス温度を増加させることによって行われる。様々な方法がこの目的のために公知である。排ガス温度は、内燃エンジンに供給される燃料／空気混合物の変化により変更してもよいか、または内燃エンジンの注入もしくは点火時間の特別の調整により変更しもよい。代替的に、または付加的に、排ガス温度は、例えば燃料もしくは酸素の排気ラインへの注入および／または排ガスの電気加熱によって排気システム自体において高くなる場合がある。

ここ数年、開口粒子分離器が、閉じた粒子分離器に対する代替物として開発されている。その開口粒子分離器は透過性である。すなわち、開口流路が粒子分離器に存在し、また、その流路を粒子が通過できる。開口粒子分離器の透過性は、通常、粒子、好ましくはそれらを通して流れ出るボールの直径に基づいて記載されている。特許文献１において、０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上、特に０．３ｍｍ以上の直径を有するボールが粒子フィルタを流れ出ることができる場合、粒子フィルタは、開口として記載されている。

適切な場合、流れのための様々な偏向要素もまた、開口粒子分離器のチャネルに設けられ、その偏向要素が組み込まれたフィルタ表面上で、流れが偏向する。多くの場合、例えば金属製の超微細ワイヤ、および二次構造として偏向している表面を有する波形の金属箔から構成される、交互の平滑なフィルタ層が、コイル状にされるか、巻かれるか、または積み重ねられて、ハニカム体を形成する。従って、乱流が、定期的に、粒子分離器において生じ、粒子分離器における粒子の固着および／または拡散を促進する。

開口粒子分離器は、粒子が十分に負荷された場合でさえ、排ガスが粒子分離器を通過できるという利点を有する。従って、粒子分離器は閉塞されることはない。開口粒子分離器の再生は、多くの場合、触媒コーティングおよび流れ方向において粒子分離器の上流の排気ラインに設けられる酸化触媒コンバータにおいて生成される二酸化窒素によって実現される。これは、ＣＲＴ（連続再生トラップ）プロセスと呼ばれる。

しかしながら、このタイプの開口粒子フィルタでさえ、特に低い排ガス温度において時間とともに炭素または煤粒子が負荷されると、場合によっては、粒子がそれらの機能に望ましくない悪影響を与えることが見出された。

欧州特許第１４４０２２６Ｂ１号明細書

従って、本発明の基本的な目的は、従来技術に関する上記の問題を少なくとも部分的に解決することであり、特に開口粒子フィルタの適切な再生を簡単に実施する方法を開示することである。さらに、本発明による方法を実施するための装置を提案することを目的とする。

この目的は請求項１の特徴による方法によって達成される。この方法のさらなる有益な実施形態は、従属の請求項において特定される。請求項において個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に有意義な方法において互いに組み合わされてもよく、発明の詳細な説明からの事実から補足されてもよく、本発明のさらなる構造的変形例が提示される。

開口粒子分離器を再生するための本発明による方法は、少なくとも以下の工程：
ａ）開口粒子分離器の再生能力のための特徴的変数として少なくとも１つのパラメータを測定する工程と、
ｂ）少なくとも１つのパラメータと、第１の閾値とを比較する工程と、
ｃ）パラメータが第１の閾値に到達している間、比較時間の少なくとも１つの比率を測定する工程と、
ｄ）比率と、比較時間における最小再生時間に対応する第１の最小比率とを比較する工程と、
ｅ）パラメータに影響を与えるための手段を開始し、それによって、前記パラメータが、第１の最小比率に少なくとも対応して存在し、かつ、第１の閾値に到達し、および／または開口粒子分離器が再生される工程と、
を含む。

本発明による方法は、特定の最小条件（その条件の下で、開口粒子分離器（部分流深さフィルタ（ｐａｒｔｉａｌ−ｆｌｏｗ ｄｅｐｔｈ ｆｉｌｔｅｒ）とも呼ばれる）が適切に再生される）が、作動時間の特定の比率で存在する場合、開口粒子分離器の完全な機能が確保されるという実現に基づく。例えば、２５０℃以上の温度が作動時間の４０％で存在する場合、典型的な開口粒子分離器の完全な機能が確保される。

従って、工程ａ）において、本発明の開口粒子分離器の再生能力を反映するパラメータが最初に測定される。これは、例えば粒子フィルタにわたる温度であってもよい。

工程ｂ）において、前記パラメータは、ここで、第１の閾値と比較される。温度の場合、ここで、例えば、比較温度（例えば２５０℃）より高いか、低いかをチェックする。

工程ｃ）において、その後、工程ｂ）において測定された条件がどれほどの時間存在するかをチェックする。これは常に比較時間において行われる。前記比較時間は必要な場合、規定されてもよく、場合により、内燃エンジンの作動の直近の８０分であってもよい。ここでは、例えば、直近の８０分の作動時間のうちの５０％の比率の間、粒子分離器において２５０℃以上の温度が存在すると定める。

工程ｄ）において、工程ｃ）において測定された比率は、ここで、再生のために適切な第１の最小比率時間と比較され、それによって、必要な再生条件が存在するか否かを定める。例えば、直近の８０分の作動時間のうちの５０％の比率で、必要な最小比率が４０％の場合、必要な再生能力が適切な長さの時間存在するので、さらなる手段が開始される必要はないと定められる。

しかしながら、工程ｄ）において必要な第１の最小比率に到達しなかった場合、工程ｅ）においてパラメータに影響を与えるための手段が開始されることが定められる。これは、工程ｄ）において要求される第１の最小比率に再び到達させることを目的とする。パラメータが温度の場合、例えば、開口粒子分離器のための加熱手段が開始される。

開口粒子分離器の再生能力に関する特徴的変数としての「パラメータ」は、例えば、排ガスおよび／または開口粒子分離器の温度、排気システムにおける排ガスの圧力差、排ガスの体積流量率、酸化窒素濃度（Ｎｏ_ｘ濃度）または加重した組み合わせパラメータであってもよい。これは、工程ｂ）における閾値に対応して適用される。工程ｃ）およびｄ）における比率および第１の最小比率として、通常、比較時間の比率の割合が利用される。しかしながら、絶対時間が互いに比較されてもよい。

開口粒子分離器の温度がパラメータとして使用される場合、特に２００〜３００℃の温度、好ましくは約２５０℃が、従来の触媒的に活性なコーティングおよび場合により、排気システム（ＣＲＴプロセス）の上流に設けられる酸化触媒コンバータを有する現在の公知の開口粒子分離器の第１の閾値として考慮される。閾値に到達しなければならない間の必要な最小の比率として、特に３０〜５０％の比率時間、好ましくは約４０％の比較時間が考慮される。

このようなパラメータ、第１の閾値および比率の選択を用いて公知の開口粒子分離器の適切な再生を、本発明の範囲内の試験によって確立した。将来の開口粒子分離器に関して、適切な場合、前記値は、再生の必要性およびその再生能力に適合されなければならない。

典型的な比較時間は、例えば５分〜５時間の長さであってもよい。一定の長さの比較時間が考慮されるだけではない。例えば、接続される内燃エンジンの直近の作動開始からの全作動時間が本発明による方法の範囲内で考慮されてもよい。開始後すぐに比較時間として直近の開始後からの作動時間が考慮されてもよく、内燃エンジンの特定の作動時間後、一定の長さに設定された比較時間が考慮されてもよい。開口粒子分離器の再生後、比較時間は再度、修正されてもよい。

工程ｅ）において開始される手段は２つの異なる目的を有し得る。第１の予定される目的は、工程ｂ）およびｄ）において要求される条件（第１の最小比率に関する閾値）が満たされるようにパラメータに影響を与えることである。別のアプローチは、短時間で非常に集中的にパラメーに影響を与えることによって達成される開口粒子フィルタの即座の再生である。必要な場合、工程ｅ）の両方の変数を互いに組み合わせることも可能である。

考慮される比較時間の間の開口粒子フィルタのそのような短時間の再生により、比較時間の測定された比率について補正間隔が指定されてもよく、その補正間隔によって、前記比率は、本発明による方法の信頼性のある作動を確保し続けるために、工程ｃ）と工程ｄ）との間で補正される。

この方法の範囲内で開示されている工程ａ）〜ｅ）は、典型的に、ループ形式で一定間隔、繰り返し実施される。

内燃エンジンの未処理の排出がさらに、本発明による方法の範囲内でモニターされてもよい。これは特に、内燃エンジンの排出口において直接、排ガスの汚染物質含有量（粒子負荷、一酸化炭素含有量および／またはＮＯ_ｘ濃度）をモニターすることを意味する。例えば、排ガス中の粒子の量が既に許容可能であると検出されている場合、工程ｅ）におけるパラメータへの影響は、適切な場合、一時的に停止されてもよい。同様に、ＮＯ_２濃度が比較的高く存在する場合、遅延させた再生が、適切な場合、実施されてもよい。

工程ａ）において測定されるパラメータまたは工程ｃ）において測定される比率がバッファーに保存される場合、本発明による方法は特に利点がある。適切な場合、両方の値をバッファーに保存することも可能である。これは、一体化した回路で行われ得、この方法の工程ｄ）において必要とされる比較の簡単な実施を可能にする。

工程ｅ）における手段が、電気エネルギーの供給によって、炭化水素の注入によって、または内燃エンジンの点火挙動の変化よって、少なくともパラメータに影響を与える場合、本発明による方法はまた、特に利点がある。適切な場合、その手段はまた、任意の所望の方法で互いに組み合わされてもよい。

パラメータが温度の場合、前記温度は、記載した手段によって容易に高くされてもよい。例えば、粒子分離器自体および／または上流の加熱触媒コンバータの形態における電気加熱ユニットにより、温度を容易に増加させることができる。あるいは、炭化水素（燃料）の注入が、定期的な注入システムによって、排気ラインまたは内燃エンジンのいずれかにおいて開口粒子分離器の上流で行われてもよい。内燃エンジンの点火挙動を変化させることによって、未燃焼の炭化水素が、内燃エンジンから排気システム内、それによって開口粒子分離器内へ入り、それによって、排ガスは、前記粒子分離器または上流の酸化触媒コンバータにおいて発熱的に変換され、所望の反応熱が生成される状態を実現することが可能である。

通常、工程ｅ）においてパラメータに影響を与えるために、接続されている内燃エンジンの効率を低下させる手段がまた実施されてもよい。例えば、排ガスの流れの少なくとも部分的なスロットルが行われてもよい。内燃エンジンに供給される吸気のスロットルもまた、パラメータに影響を与えるのに適切である。

工程ｂ）におけるパラメータがさらに、第２の閾値と比較される場合、この方法はまた、利点があり、パラメータに影響を与えるための第１の手段によって第１の閾値に到達し得るか否かがチェックされ、第１の閾値に到達し得る場合のみ工程ｅ）において前記第１の手段が開始される。

この背景には、前記手段によって、前記パラメータが到達すべき第１の閾値に到達できない場合、パラメータに影響を与えるための手段を開始することが非経済的である場合があるからである。例えば、電気加熱ユニットは、内燃エンジンの排ガスの温度を約１０℃増加できる。開口粒子分離器内の温度が再生に必要とされる温度より低く、１０℃より高い状態にしなければならならない場合、記載される電気加熱ユニットによる加熱は成功しない。この理由のために、第２の閾値との比較によって、手段によって所望される目的に到達する可能性がチェックされ、それが確認された場合にのみ、その手段が工程ｅ）において開始される。

工程ｂ）において導入される第２の閾値は固定値に対応してもよい。第１の閾値が２５０℃で、電気加熱装置が１０℃まで排ガスの温度を増加させる能力がある場合、前記第２の閾値は２４０℃である。しかしながら、第２の閾値を動的に規定することも可能である。排ガス質量流量率に依存して、加熱ユニットの温度増加能力を変化させてもよい。従って、第２の閾値は、例えば、粒子分離器を通過する排ガス質量流量率に依存して決められてもよい。

本発明による方法のさらなる変形例において、第２の閾値との比較はまた、工程ｅ）における手段の開始が目的にかなっているか否かを定めるために、さらなるパラメータを用いて実施されてもよい。例えば、排ガスのＮＯ_ｘ濃度がモニターされてもよい。排ガスのＮＯ_ｘ濃度が、開口粒子フィルタを再生するのに十分でないと定められる場合、パラメータに影響を与えるためのエネルギー集約型の手段が工程ｅ）において開始されるべきではない。

また、工程ｂ）において、パラメータに影響を与えるための第１の手段によって第１の閾値に到達できないと定められる場合、工程ｅ）において、パラメータに影響を与えるための第２の手段が開始される場合、利点がある。

例えば、電気加熱装置が、開口粒子分離器において所望の温度を達成できないことが定められる場合、排ガス温度に影響を与えるための異なるおよび／または追加の手段が開始されてもよい。ここで、炭化水素の注入を含む手段が特に好都合である。なぜなら、典型的に、そのような手段により、排ガスの高い温度増加を達成することが可能だからである。

また、工程ｄ）において、第２の最小比率との比較がさらに実施され、それによって、すぐに第１の最小比率に到達できないことが決定される場合、工程ｅ）において、パラメータに影響を与えるための手段が、第１の最小比率に到達する前に、既に開始されることも利点がある。

例えば、第１の閾値に到達すべき第１の最小比率が少なくとも４０％と規定される場合、第２の最小比率の４５％によって、例えば４０％の必要とされる第１の最小比率が、例えば内燃エンジンのその時の負荷を考慮して、すぐに目標に到達しないかどうかをチェックすることが可能である。この場合、工程ｅ）において、第１の最小比率が全く目標に到達しないことを防ぐために、パラメータに影響を与えるための手段が、目標に到達しない第２の最小比率の事象において既に開始されることが好都合である。パラメータに影響を与えるための特定の有効な可能性もまた、この方法で利用されてもよく、例えば、開口粒子分離器の温度は、必要とされる閾値の温度よりわずかに低い場合、予防的に増加させてもよい。

少なくとも１つの内燃エンジンと、少なくとも１つの排気システムと、少なくとも１つの開口粒子分離器と、さらにパラメータを測定するための少なくとも１つのセンサと、パラメータに影響を与えるための少なくとも１つの再生手段と、センサによって測定されたデータを処理し、少なくとも１つの再生手段を制御するための少なくとも１つの制御装置とを備え、その制御装置は記載される方法を実施するように構成される、自動車も本発明の範囲内で特定される。

センサは、例えば、温度センサ、圧力センサ、またはラムダプローブであってもよい。パラメータに影響を与えるための再生手段は、電気加熱ユニット、または排気システムにおける炭化水素についての注入装置であってもよい。制御装置は、典型的に、集積回路として具現化される。

従って、本明細書で提案されるのは、特に、開口粒子分離器を再生するための装置および方法であり、少なくとも以下を適用する。
ａ）開口粒子分離器の再生能力（その時の周囲条件下での粒子変換能力）のための特徴的変数として少なくとも１つのパラメータ（例えば、温度および／または排ガス中の二酸化窒素画分など）を測定する工程、
ｂ）少なくとも１つのパラメータと、第１の閾値（例えば、限界温度および／または排ガス中の窒素酸化物画分など）とを比較する工程、
ｃ）パラメータが第１の閾値に到達する（特に閾値に到達しないか、または閾値を越える）間、比較時間（例えば、内燃エンジンの開始からの時間間隔および／または粒子分離器の直前の再生からの時間間隔および／またはその時点に基づいた一定の時間間隔など）の少なくとも１つの比率を測定する工程、
ｄ）前記比率と、比較時間における最小再生時間（例えば、（連続的な）時間間隔における少なくとも１つのパラメータに関して存在する連続再生に好適な周囲条件）に対応する第１の最小比率とを比較する工程、
ｅ）パラメータに影響を与えるための手段を開始し（例えば、排ガス、粒子トラップ中に熱を導入および／または生成し、ならびに／あるいは例えば、二酸化窒素画分を増加させることによって排ガス組成を変化させ）、それによって、前記パラメータは、第１の最小比率に少なくとも対応して存在し、第１の閾値に到達し（すなわち、特に比較時間の比率を増加させる）、および／または（例えば、予め規定した最小値に到達する粒子分離器にわたる圧力降下によって）開口粒子分離器が再生される。

本発明および技術分野を、図面に基づいて以下により詳細に説明する。図面は、本発明の特定の好ましい変形例を示すことは留意されるべきであり、本発明を限定するものではない。

図１は、時間とともにプロットした、開口粒子分離器における温度のグラフである。 図２は、本発明による方法を実施するのに適切な排気システムを有する自動車である。 図３は、開口粒子分離器の構造である。

図１に示したグラフにおいて、グラフの縦軸は開口粒子分離器１における温度を示す。グラフの横軸は時間を表す。第１の閾値４および第２の閾値８は、破線としてグラフにプロットする。第１の閾値４および第２の閾値８は各々、限界温度を特定しており、それを上回る値または下回る値を記録している。時間にわたるパラメータ７のプロファイルを、グラフにプロットする。ここで、比較時間２において、パラメータ７が第１の閾値４に到達している間の比率３を記録する。かかるグラフの評価は、本発明の工程ａ）〜ｄ）による方法で実施し、それによって、パラメータ７に影響を与えるための手段を開始するか否かを推定する。

図２は、内燃エンジン１０および本発明による方法を実施するように構成される排気システム１１を有する自動車１２を示す。この目的のために、排気システム１１は、開口粒子分離器１と、さらに、パラメータ７に影響を与えるための再生手段６と、センサ９と、制御装置５とを有する。ここで、センサ９は、開口粒子分離器１におけるパラメータを測定するように示される。あるいは、開口粒子分離器１の上流または下流のパラメータ７を測定することも可能であるか、または種々の他の測定された特徴的変数から前記パラメータを計算することも可能である。ここで、再生手段６は、排ガスの流れ方向において開口粒子分離器１の上流に示される。

図３は、本発明による方法によって再生され得る開口粒子分離器１の構造を示す。このタイプの開口粒子分離器１は、典型的に、波形の金属箔１４およびフィルタ層１３から構成される。波形の金属箔１４およびフィルタ層１３は、曲げられるか、層状にされて、排ガスが通過できるチャネルを有するハニカム体を形成する。波形の金属箔１４は、典型的に、排ガスの流れ１６をフィルタ層１３の方へ少なくとも部分的に偏向させるのに適切な偏向要素１５を有し、それによって、流れが通過できるチャネルが完全に密閉することはない。ここで、乱流もまた、排ガスの流れ１６において生じ得る。混入した粒子は、フィルタ層１３に対して衝突する。開口粒子分離器１の触媒的に活性なコーティングによって、および／または上流の酸化触媒コンバータにおいて生成される二酸化窒素の使用によって、部分的に、前記粒子は熱的に変換される。開口粒子分離器の詳細な説明は、例えば、ドイツ国特許第２０１１７８７３Ｕ１号または国際公開第２００４／０５０２１９Ａ１号に見出され得、それらは本明細書中の詳細な定義および説明のために（個々または一緒に）考慮され得る。かかる開口粒子分離器は、「部分流フィルタ（ｐａｒｔｉａｌ−ｆｌｏｗ ｆｉｌｔｅｒ）」と呼ばれる場合もある。

開口粒子分離器を再生するための本発明による方法は、特に、単純かつ確実な方法で実施され得、内燃エンジンのための高度な排ガス浄化の信頼性と均一な作動条件との組み合わせを可能にする。なぜなら、第１に、機能的に高性能の吸収性粒子分離器が確保され、第２に、その粒子分離器の閉塞が起こらないからである。

１ 開口粒子分離器
２ 比較時間
３ 比率
４ 第１の閾値
５ 制御装置
６ 再生手段
７ パラメータ
８ 第２の閾値
９ センサ
１０ 内燃エンジン
１１ 排気システム
１２ 自動車
１３ フィルタ層
１４ 波形の金属箔
１５ 偏向要素
１６ 排ガスの流れ

Claims (6)

1. 開口粒子分離器（１）を再生するための方法であって、少なくとも以下の工程：
   ａ）前記開口粒子分離器（１）の再生能力のための特徴的変数として少なくとも１つのパラメータ（７）を測定する工程と、
   ｂ）前記少なくとも１つのパラメータ（７）と、第１の閾値（４）とを比較する工程と、
   ｃ）前記パラメータ（７）が前記第１の閾値（４）に到達している時間の、基準時間（２）に対する少なくとも１つの比率（３）を決定する、工程と、
   ｄ）前記比率（３）と、前記基準時間（２）における最小再生時間に対応する第１の最小比率とを比較する工程と、
   ｅ）前記比率（３）が第１の最小比率に到達しない場合に、前記パラメータ（７）に影響を与えるための手段を開始し、それによって、前記パラメータが前記第１の最小比率に少なくとも対応し、かつ、前記第１の閾値（４）に到達し、および／または前記開口粒子分離器（１）が再生される、工程と、
   を含み、
   前記工程ｂ）において、前記パラメータはさらに、第２の閾値（８）と比較され、この比較により、前記パラメータ（７）に影響を与えるための第１の手段によって第１の閾値（４）に到達し得るかがチェックされ、前記第１の手段は、第１の閾値（４）に到達し得る場合のみ前記工程ｅ）において開始される、方法。
2. 前記工程ａ）において測定されるパラメータ（７）および／または前記工程ｃ）において測定される比率（３）は、バッファー保存される、請求項１に記載の方法。
3. 前記工程ｅ）における手段は、電気エネルギーの供給によって、炭化水素の注入によって、または内燃エンジン（１０）の点火挙動の変化によって、少なくとも前記パラメータ（７）に影響を与える、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記工程ｂ）において、前記パラメータ（７）に影響を与えるための前記第１の手段によって前記第１の閾値（４）に到達できていないと定められた場合、前記工程ｅ）において、前記パラメータ（７）に影響を与えるための第２の手段が開始される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記工程ｄ）において、第１の最小比率より大きい第２の最小比率との比較がさらに実施され、それによって、前記第１の最小比率にすぐに到達できない場合、前記工程ｅ）において、前記パラメータ（７）に影響を与えるための手段が、前記第１の最小比率に到達する前に既に開始される、請求項４に記載の方法。
6. 少なくとも１つの内燃エンジン（１０）と、少なくとも１つの排気システム（１１）と、少なくとも１つの開口粒子分離器（１）と、パラメータ（７）を測定するための少なくとも１つのセンサ（９）と、前記パラメータ（７）に影響を与えるための少なくとも１つの再生手段（６）と、前記センサ（９）によって測定されたデータを処理し、前記少なくとも１つの再生手段（６）を制御するための少なくとも１つの制御装置（５）とを備え、前記制御装置（５）は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成される、自動車（１２）。

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