JP5844486B2 - 改造キットおよび排気処理方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、概略的には排気処理システムに関する。より具体的には、ディーゼル粒子フィルタの上流側に配置された再生ユニットの動作を管理するための、エアポンプと速度センサとを含む二次空気システムに関するものである。

〔背景技術〕
この項目では、本開示に関連する背景技術情報について説明するが、それらは必ずしも公知技術であることを示すものではない。

個人用および商用の乗物の多くは、駆動力を当該乗物のホイールに伝達するための内燃機関を有している。古い乗物の中には、現在の法的規格の水準あるいは今後採用される規格の水準を満たしていないものがある。それらの乗物は、新品の時には排出抑制規格を満たしていたかもしれないが、将来の法的規制を満たすために改造が要求される可能性がある。

一例として、バスなどの商用車には、ディーゼル内燃機関の排気システムにディーゼル粒子フィルタあるいはディーゼル粒子フィルタに関連する再生ユニットを備えていないものがある。また、同様の乗物の多くは、電子エンジンコントローラが備えられていない比較的単純なエンジンおよび動力伝達経路構成を備えている。

このため、ディーゼル粒子フィルタおよび再生ユニットを有する排気システムを備えた乗物に改造する技術が望まれている。排気制御システムの中には、適切な再生ユニットの管理を行うためにエンジンの動作速度をリアルタイムで示すことが要求されるものがある。また、再生ユニットを動作させるために外部エアポンプによって供給される二次酸素供給が要求されるものもある。このため、（ｉ）ディーゼル粒子フィルタと、（ｉｉ）再生ユニットと、（ｉｉｉ）内燃機関の速度を示す信号を出力するセンサを備えたエアポンプを有する二次空気供給部とを備えた排気システムが望まれている。

〔概要〕
この項目では、本開示の概略的な概要を示すが、全ての概念を包括的に示すものでも本発明の特徴の全てを示すものでもない。

内燃機関の排気処理システムにおいて、ディーゼル粒子フィルタの上流側に配置された、燃料を燃焼させて上記ディーゼル粒子フィルタに流入する排気を加熱する再生ユニットと、上記内燃機関によって駆動されて上記再生ユニットに圧縮空気からなる二次空気を供給するエアポンプと、上記エアポンプに接続され、上記エアポンプの部材の回転速度を示す信号を出力する速度センサと、上記信号に基づいて上記内燃機関の動作速度を特定し、上記内燃機関の動作速度に基づいて上記再生ユニットを制御する制御部とを備える。

内燃機関の排気処理方法において、上記内燃機関によって駆動されるエアポンプの部材の回転速度を示す信号を取得する工程と、上記信号に基づいてエンジン速度を特定する工程と、上記エンジン速度に基づいて排気流量を見積る工程と、二次空気の流量および燃料流量を上記排気流量の見積り結果に基づいて決定する工程と、上記見積り結果に応じた量の二次空気および燃料を上記再生ユニットに供給する工程と、上記ディーゼル粒子フィルタを通る排気の温度を上昇させて上記ディーゼル粒子フィルタを再生させるために、上記再生ユニット内で上記燃料に点火する工程とを含める。

適用可能な更なる領域は、本明細書で開示する説明によって明らかになるであろう。この欄に示した説明および特定の実施例は、説明のためのものであり、本発明の概念を制限することを意図したものではない。

〔図面〕
本明細書に添付する図面は、選択的な実施例を示すものにすぎず、全ての利用可能な実装例を示すものではなく、本発明の概念を制限するものでもない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる排気処理システムを備えた乗物の典型例を模式的に示した図である。

図２は、図１に示した排気処理システムの制御方法を示すフローチャートである。

これら各図を通して、同じ符号は同じ部材を示している。

〔詳細な説明〕
具体例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、乗物１０は、エンジン１２と排気システム１６とを備えている。
排気システム１６は、排気マニホールド１８、ディーゼル粒子フィルタ２０、および再生ユニット２２を備えている。排気マニホールド１８と再生ユニット２２とは排気導管２４によって接続されている。排気管２６は、ディーゼル粒子フィルタ２０を通ったガスを受け取る一端側と、処理された排気を排気処理システム１６から排出する他端側の開口端とを備えている。

また、排気システム１６は、再生ユニット２２の吸入部３２に二次空気を供給するためのエアポンプ３０を備えている。エアポンプ３０は、ベルトあるいはチェーンなどの柔軟性駆動部材３４によってエンジン１２に接続されて駆動される。あるいは、エアポンプ３０は、歯車列などの他の動力伝達装置を用いてエンジン１２により駆動されてもよい。速度センサ３６はエアポンプ３０に接続されており、エンジン１２の回転速度を示す信号３８を出力する。

タンク４２はディーゼル燃料などの炭化水素を収容する。燃料フィルタ４６および燃料ポンプ４８は燃料タンク４２から燃料ブロック５０に炭化水素を移送する。燃料ブロック５０は、再生ユニット２２の吸入部３２まで延びる燃料ライン５４に燃料を選択的に供給する。

第１点火部６２および第２点火部６４は、燃料に点火して再生ユニット２２を通る排気の温度を上昇させるように再生ユニット２２に設けられている。より具体的には、第１点火部６２は、燃料ライン５４によって供給された燃料をエアポンプ３０によって供給された二次空気で燃焼させるための初期点火部である。第２点火部６４は、第１点火部６２よりも下流側の排気中に存在する炭化水素を燃焼させるために用いられる。なお、再生ユニットが点火部を１つだけ備える構成としても本発明の概念から逸脱しない。

第１圧力センサ６６は、ディーゼル粒子フィルタ２０の上流側の位置における排気システム１６を通る排気流と交わるように配置されている。第２圧力センサ６８は、ディーゼル粒子フィルタ２０の下流側の位置で排気と交わるように配置されている。第１圧力センサ６６および第２圧力センサ６８は、それぞれの位置における排気の圧力を示す信号を出力する。

第１温度センサ７０は排気システム１６内の再生ユニット２２の上流側の位置に配置されている。第２温度センサ７２は、再生ユニット２２の下流側かつディーゼル粒子フィルタ２０の上流側の位置の排気温度を示す信号を出力する。第３温度センサ７４は、ディーゼル粒子フィルタ２０の下流側の位置における排気温度を示す信号を出力する。制御部８０は、第１温度センサ７０、第２温度センサ７２、第３温度センサ７４からの信号、およびエンジン１２の回転速度を示す信号３８を受け取る。また、第１圧力センサ６６および第２圧力センサ６８は、それぞれの位置における排気圧力を示す信号を制御部８０に出力する。

制御部８０は、燃料ブロック５０と通信して燃料ライン５４に燃料を選択的に供給させる。エアバルブ８４は、再生ユニット２２への外気の供給を制御する。制御部８０は、エアバルブ８４を選択的に開閉させて再生ユニット２２に供給する二次空気の流量を調節する。エアバルブ８４は、この機能を実行するために、エアポンプ３０の上流側または下流側に配置される。

再生の持続は、エンジン速度、１または複数の圧力差、あるいは制御部８０によって実行される他の演算に基づいて行われる。例えば、ディーゼル粒子フィルタ２０の再生は、ディーゼル粒子フィルタ２０を通る排気流が、所定時間の間、所定温度よりも高くなった場合に完了すると決めることができる。

速度センサ３６は、エアポンプ３０に接続されているか、あるいはエアポンプ３０と一定的に形成されている。速度センサ３６としては、ホール効果型のセンサあるいは可変抵抗型のセンサなどを用いることができる。一例として、上記センサの検出対象がエアポンプ３０の回転部材に固定された歯車であってもよい。上記センサの検出対象は、エアポンプ３０にもともと備えられている歯車の歯であってもよい。他の実施例として、上記センサの検出対象がパターン化されたシャフトである構成も本発明の概念に含まれる。

エアポンプ３０は柔軟性駆動部材３４によって駆動される入力軸９０を備えている。制御部８０には、エンジン１２のクランクシャフト９２およびエアポンプ３０の入力軸９０の回転速度の関係が提供される。上記関係は、単純に、クランクシャフト９２に固定された出力プーリー９４の直径と、入力軸９０に固定された入力プーリー９６の直径との比であってもよい。機械的な配置にかかわらず、センサ３６が、クランクシャフト９２の回転速度を示す信号を出力するようにしてもよい。

入力軸９０は、発電機プーリー、ウォーターポンププーリー、パワーステアリングポンププーリーなどの他の中間のプーリーによって駆動されてもよい。他の中間のプーリーの速度とクランクシャフト９２の速度との関係を考慮に入れた信号３８を制御部８０に供給するようにしてもよい。エアポンプ３０は、入力軸９０をエアポンプ３０内のポンプ部材（図示せず）に対して駆動可能に接続したり、接続を解除したりするクラッチ９８と組み合わせされるか、あるいはクラッチ９８を備えていてもよい。上記ポンプ部材は、二次空気が不要な場合に、エネルギ節約および摩耗低減のためにエンジン１２から切り離される。

図１に示す排気システム１６は、現存の乗物を改造することによって構成された改造型の排気システムを示している。具体的には、再生ユニット２２、ディーゼル粒子フィルタ２０、エアポンプ３０、速度センサ３６、エアバルブ８４、圧力センサ６６，６８、温度センサ７０，７２，７４、点火部６２，６４、燃料ブロック５０、および制御部８０を含む保守改造キットを、当初は排気後処理システムが搭載されていない乗物を改造するために用いる。複雑かつ高価なエンジン制御部は、オリジナルの乗物にも提案している排気保守改造キットにも含まれる必要はない。再生ユニット２２およびディーゼル粒子フィルタ２０の動作を適切に管理するのに十分なデータが速度センサ３６から制御部８０に供給される。

図２は、排気システム１６の動作に関連するフローチャートである。ブロック１２０において、制御部はエンジン１２が可動中であるか否かを判断する。エンジンが稼働中である場合、制御部は、ブロック１２２でディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）２０の両端の圧力差を検出する。制御部８０は、第１圧力センサ６６からの信号と第２圧力センサ６８からの信号を比較して圧力差を算出する。ブロック１２４では、制御部は、ＤＰＦ再生を前回行った時からのエンジン稼働量、すなわちＤＰＦ再生を前回行った時からの経過時間を検出する。エンジン稼働時間を速度センサ３６からの出力に基づいて決定してもよい。

ブロック１２６において、制御部は、ディーゼル粒子フィルタ２０の再生が必要か否かを判断する。このとき、制御部８０は、前回再生処理を行ってからの時間が所定時間間隔よりも長いか否かを判断する。そして、所定時間間隔よりも長い場合に必要であると判断する。制御部８０は、また、ディーゼル粒子フィルタ２０の圧力差の直近の検出値と圧力差閾値とを比較する。そして、制御部８０は、直近の検出値が圧力差閾値よりも大きい場合、再生が必要であると判断する。ディーゼル粒子フィルタ２０に煤やその他の汚染粒子が充満すると、ディーゼル粒子フィルタ２０の両端の圧力差が増加し、それによって再生が必要であることが示される。

ブロック１２８では、制御部は、センサ３６からの信号３８に基づいてエンジン１２のクランクシャフト９２の回転速度を決定する。ブロック１３０では、予め設定されたエンジン速度との関係に基づいて再生ユニット２２に供給する排気流量が算出される。ブロック１３２では、制御部は、予め設定された排気流量との関係に基づいて二次空気流量および燃料ライン５４に供給する燃料流量を決定する。

ブロック１３４では、制御部８０は、接続クラッチ９８を制御して決定された空気流量を供給し、再生ユニット２２の吸入部３２に対する好ましい二次空気流量を供給するようにバルブ８４を制御する。制御部８０は、燃料ライン５４および再生ユニット２２の吸入部３２に決定された量の燃料および空気を供給するようにポンプ４８および燃料ブロック５０を制御する。ブロック１３６では、制御部８０は、点火部６２および点火部６４に電圧を印加する。

ブロック１３７では、制御部は、ディーゼル粒子フィルタ２０を流れる排気流の平均温度を検出する。第３温度センサ７４からの出力信号と第２温度センサ７２からの出力信号とを組み合わせて平均化することによりＤＰＦ２０を流れる排気流の平均動作温度を検出するようにしてもよい。

上記の処理に加えて、あるいは上記の処理に代えて、制御部８０が、センサ７０，７２，７４によって供給される温度信号および速度センサ信号３８を評価することにより、エンジンの負荷状態を検出するようにしてもよい。また、再生処理期間を、エンジン負荷に基づいて変化させてもよい。

ブロック１３８では、制御部は、十分な温度で所定時間の再生処理が完了したか否かを判断する。閾値温度より高い平均温度で所定時間の再生処理が行われた場合、制御部は、再生ユニット２２への燃料および二次空気の供給を停止させ。また、制御部は、第１点火部６２および第２点火部６４への電圧印加を停止する。これにより、デジタル粒子フィルタ２０の再生処理が完了する。

再生処理工程の途中でエンジン速度の変化が生じた場合、制御部は、再生処理工程の修正を行う。ブロック１４２において、制御部は、速度センサ３６からの信号３８を評価することにより、再生処理工程中にエンジン速度の変化が生じたか否かを判断する。エンジン速度が変化した場合、制御部は、ブロック１４４において、エンジン速度信号に基づいて排気流量の修正値を決定する。また、ブロック１４６において、制御部は、排気流量の修正値に基づいて、二次空気流量および燃料供給量の修正値を決定する。ブロック１４８では、制御部は、再生ユニット２２に対して修正値に応じた二次空気および燃料を供給するようにバルブ８４および燃料ブロック５０への入力を変化させる。その後、制御部は、再生処理工程を完了させるためにブロック１３８および１４０に戻る。

なお、速度センサ３６を、信号３８を用いてエアポンプ３０の入力軸９０などの回転部材が回転していることを確認する診断システムに用いてもよい。この技術を用いてポンプの動作を簡単に確認することができる。クランクシャフト９２の回転速度が他の情報源からわかる場合、適切なポンプ動作速度および適切なクラッチ９８の動作を確認するための追加の分析を行ってもよい。分析確認を行う際、制御部が、信号３８に基づくクランクシャフトの動作速度と、第２情報源から供給されるエンジン動作速度とを比較するようにしてもよい。

上述した実施形態の説明は、図示および説明のためのものである。本発明の全てを開示したものではなく、本発明はそれに制限されるものでもない。具体的な実施例の個々の要素および特徴は、一般にその特定の実施例に制限されるものではなく、たとえ具体的に示していない要素であっても利用可能な他の要素に置換したり用いたりすることができる。方法についても同様に変更可能である。それらの変更は本発明から逸脱するものではなく、それらの変更の全てが本発明の概念に含まれる。

本発明の一実施形態にかかる排気処理システムを備えた乗物の典型例を模式的に示した図である。 図１に示した排気処理システムの制御方法を示すフローチャートである。

Claims (24)

1. ディーゼル粒子フィルタと、再生ユニットと、速度センサが接続されたエアポンプと、制御部とを備え、上記ディーゼル粒子フィルタが内燃機関の排気を受け取る排気処理システムを改造するための改造キットであって、
   上記再生ユニットは、上記ディーゼル粒子フィルタの上流側に配置され、燃料を燃焼させて上記ディーゼル粒子フィルタに流入する排気を加熱し、
   上記エアポンプは、上記内燃機関によって駆動されて上記再生ユニットに圧縮空気からなる二次空気を供給し、
   上記速度センサは、上記エアポンプに接続され、上記エアポンプの部材の回転速度を示す信号を出力し、
   上記制御部は、上記速度センサから受け取った上記信号に基づいて、エンジン制御部とは独立して上記内燃機関の動作速度を特定し、特定した上記内燃機関の動作速度に基づいて上記再生ユニットを制御することを特徴とする改造キット。
2. 上記制御部は、上記エアポンプの動作速度を特定することを特徴とする請求項１に記載の改造キット。
3. 上記再生ユニットは、軸方向に沿って互いに離間して配置された第１点火部と第２点火部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の改造キット。
4. 上記エアポンプに接続され、上記制御部によって上記再生ユニットに所望する二次空気流量を供給するように制御されるエアバルブを備えていることを特徴とする請求項１に記載の改造キット。
5. 上記内燃機関の駆動力を上記エアポンプに伝達する駆動システムを備えていることを特徴とする請求項４に記載の改造キット。
6. 上記駆動システムは、上記エアポンプの入力軸に固定されたプーリーを駆動する柔軟性駆動部材を備えていることを特徴とする請求項５に記載の改造キット。
7. 上記速度センサは、上記入力軸の回転速度を示す信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の改造キット。
8. 上記エアポンプを上記内燃機関に対して駆動可能に接続した状態と接続を解除した状態とに切り替えるクラッチを備え、上記クラッチは上記制御部によって制御されることを特徴とする請求項１に記載の改造キット。
9. 上記ディーゼル粒子フィルタの上流側に配置された第１圧力センサと、上記ディーゼル粒子フィルタの下流側に配置された第２圧力センサとを備え、
   上記制御部は、上記ディーゼル粒子フィルタでの圧力降下が閾値を超えたか否かを判断するために上記第１圧力センサおよび上記第２圧力センサからの信号を受け取り、上記ディーゼル粒子フィルタでの圧力降下に基づいて上記再生ユニット内での燃焼を開始させることを特徴とする請求項１に記載の改造キット。
10. 内燃機関の排気処理方法であって、
    現存の排気処理システムを再生ユニットおよびエアポンプを含むように改造する工程と、
    上記内燃機関によって駆動される上記エアポンプの回転部材の回転速度を示す信号を取得するために上記エアポンプにセンサを取り付ける工程と、
    上記信号に基づいてエンジン制御部とは独立してエンジン速度を特定する工程と、
    特定した上記エンジン速度に基づいて排気流量を見積る工程と、
    ディーゼル粒子フィルタの上流側に配置された再生ユニットに供給する二次空気の流量および燃料流量を上記排気流量の見積り結果に基づいて決定する工程と、
    上記見積り結果に応じた量の二次空気および燃料を上記再生ユニットに供給する工程と、
    上記ディーゼル粒子フィルタを通る排気の温度を上昇させて上記ディーゼル粒子フィルタを再生させるために、上記再生ユニット内で上記燃料に点火する工程とを含む方法。
11. 上記ディーゼル粒子フィルタでの圧力降下を検出し、上記圧力降下が所定の閾値を超えているか否かの判断結果に応じて上記ディーゼル粒子フィルタの再生を開始させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 上記燃料に点火している期間中に上記エンジン速度が変化したか否かを決定するために上記信号を評価する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 上記エンジン速度の変化に基づいて排気流量の修正値を特定する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 上記排気流量の修正値に基づいて、上記再生ユニットに供給する二次空気流量および燃料流量の修正値を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 上記再生ユニットに上記修正値に応じた二次空気および燃料を供給し、上記燃料に点火する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 上記ディーゼル粒子フィルタの再生処理を前回行った時からの上記内燃機関の駆動時間を特定し、上記駆動時間が所定時間に達した場合に上記再生ユニットの再生処理を再実行することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
17. 上記エアポンプに接続された速度センサが上記信号を出力することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
18. 上記エアポンプの上記回転部材に入力軸が含まれていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 上記エアポンプの上記回転部材に内部ギアが含まれていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 上記速度センサにホール効果センサが含まれていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 上記速度センサに可変抵抗型センサが含まれていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 上記速度センサの信号に基づいて上記エアポンプが回転しているか否かを確認する工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. クラッチが上記内燃機関と上記エアポンプとを駆動力を伝達可能に接続しているか否かを上記速度センサの信号に基づいて確認する工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 上記エアポンプの診断のために、上記エンジン速度と、他の情報源に基づいて特定したエンジン速度とを比較する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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