JP5909028B2 - Apparatus and method for operating an injector of an exhaust gas aftertreatment device - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気ガス後処理装置及びそれらの作動方法を対象としている。より詳しくは、本発明は、後処理システムにおける後処理インジェクタノズルのコークス付着を防止する装置及び方法を対象としている。 The present invention is directed to exhaust gas aftertreatment devices for internal combustion engines and methods for operating them. More particularly, the present invention is directed to an apparatus and method for preventing coke deposits on a post-processing injector nozzle in a post-processing system.
自動車の排気ガス後処理装置は、排気ガスから目標物質を転換しあるいは取り除くために使用されている。この後処理装置は、例えば、排気ガス内の粒子状物質を取り除くとともに一酸化炭素及び未燃炭化水素を酸化させることができるディーゼル酸化触媒(DOC)、排気ガスから粒子状物質を取り除くディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)、及び触媒の存在下でアンモニアベースの還元剤を噴射して窒素酸化物(NOx)を窒素ガス及び水に転換する選択触媒還元(SCR)システムを備える。後処理装置、例えばSCR装置は、閾値温度においてあるいはそれ以上でのみ作動する。他の装置、例えばDPFは、捕集した粒子状物質のフィルタ本体からの定期的な除去を必要とする。そのような1つのプロセスは再生として知られているが、捕集した粒子状物質の酸化によって生じ、フィルタ本体が典型的に600℃を上回る高い温度にあることを必要とする。 Automotive exhaust aftertreatment devices are used to convert or remove target substances from exhaust gases. This post-treatment device, for example, removes particulate matter in exhaust gas and oxidizes carbon monoxide and unburned hydrocarbons. Diesel particulates remove particulate matter from exhaust gas. A filter (DPF) and a selective catalytic reduction (SCR) system that injects ammonia-based reducing agent in the presence of a catalyst to convert nitrogen oxides (NOx) into nitrogen gas and water. Post-processing devices, such as SCR devices, operate only at or above a threshold temperature. Other devices, such as DPF, require periodic removal of collected particulate matter from the filter body. One such process, known as regeneration, occurs by oxidation of collected particulate matter and requires that the filter body be at a high temperature, typically above 600 ° C.
エンジンを始動するときに、後処理部品は外気温度あるいはその近傍にあり得るが、その温度はそれらの装置の運転にとっては低すぎる。加えて、自動車の排気ガス、特にディーゼルエンジンの排気ガスは、車載されている特定の排気後処理システムの運転、特にDPFの再生にとって十分に高い温度に常にあるわけではない。したがって、必要に応じて排気ガスの温度を上昇させるためのいくつかの装置あるいは方法が設けられる。排気を加熱する方法及び装置には、排気ガスの温度を制御するためのエンジン制御、排気管内に配置された電気抵抗加熱コイル、及びバーナが含まれる。そのような装置は、炭化水素、典型的にはディーゼル燃料を排気ガスに噴射するシステムであって、排気ガスの流れに燃料を噴射するように配置されたインジェクタノズルを含んでいる。 When starting the engine, the aftertreatment components can be at or near ambient temperature, but that temperature is too low for the operation of these devices. In addition, automobile exhaust gases, particularly diesel engine exhaust gases, are not always at a sufficiently high temperature for operation of certain on-board exhaust aftertreatment systems, particularly for regeneration of the DPF. Accordingly, several devices or methods are provided for raising the temperature of the exhaust gas as needed. Methods and apparatus for heating the exhaust include engine control for controlling the temperature of the exhaust gas, an electrical resistance heating coil disposed in the exhaust pipe, and a burner. Such an apparatus is a system for injecting hydrocarbons, typically diesel fuel, into an exhaust gas, and includes an injector nozzle arranged to inject the fuel into the exhaust gas stream.
炭化水素インジェクタに関する一つの問題は、「コーキング」と呼ばれる、分解した液化炭化水素、粒子状物質、及びノズル上に集まる他の残留物のインジェクタノズルへの付着である。 One problem with hydrocarbon injectors is the deposition of decomposed liquefied hydrocarbons, particulate matter, and other residues that collect on the nozzle, called “coking”, onto the injector nozzle.
本発明は、これらの問題を解消するための装置及び方法を提案する。 The present invention proposes an apparatus and method for solving these problems.
本発明によると、炭化水素インジェクタを備える排気ガス後処理装置は、触媒材料でコーティングされたインジェクタノズルを含む。この触媒コーティングは、ノズル上に集まる炭化水素が、非触媒作用による酸化よりも低い温度において酸化されるようにする。 According to the invention, an exhaust gas aftertreatment device comprising a hydrocarbon injector includes an injector nozzle coated with a catalytic material. This catalytic coating allows hydrocarbons that collect on the nozzle to be oxidized at a lower temperature than non-catalytic oxidation.
本発明による装置は、排気ガスの温度に応じ、インジェクタを介して空気流を供給しかつ制御する装置を更に備える。 The device according to the invention further comprises a device for supplying and controlling the air flow via the injector according to the temperature of the exhaust gas.
インジェクタを作動させる本発明の方法は、(1)後処理装置を加熱するために燃料を噴射する状態(2)燃料噴射の後、排気ガスの温度が低いときに、ノズルを通る空気の流れが残りの燃料をパージし及び/又はノズルを冷却して炭素の付着を防止する状態及び(3)排気温度が酸化を維持するのに十分に高いときに、堆積したあらゆる炭素を酸化させるべく排気ガスによるノズルの受動的な加熱を可能にするために空気の流れが無い(あるいは少ない)状態、の3つの状態を含む。状態(3)の直後に、この方法は、灰を取り除く追加のエアパージを含むことができる。 The method of the present invention for operating the injector includes (1) a state in which fuel is injected to heat the aftertreatment device, and (2) after the fuel injection, when the temperature of the exhaust gas is low, the flow of air through the nozzle Conditions to purge remaining fuel and / or cool nozzle to prevent carbon deposition and (3) exhaust gas to oxidize any deposited carbon when exhaust temperature is high enough to maintain oxidation In order to enable passive heating of the nozzle, the three states include no air flow (or less). Immediately after state (3), the method can include an additional air purge to remove ash.
コークスの付着を回避するために排気ガス後処理装置のインジェクタを作動させる方法は、そのインジェクタのノズルが触媒コーティングを有しており、選択された期間にわたって排気ガスの流れ内に炭化水素の流体を噴射する段階、排気ガスの温度が閾値温度より低いときにインジェクタのノズルを通って空気が流れるようにする段階、及び排気ガスの温度が閾値温度より高いときにインジェクタのノズルを通る空気の流れを実質的に停止させる段階、を含む。 A method for operating an injector of an exhaust gas aftertreatment device to avoid coke deposition is that the injector nozzle has a catalytic coating and a hydrocarbon fluid is introduced into the exhaust gas stream for a selected period of time. Injecting, allowing the air to flow through the injector nozzle when the exhaust gas temperature is below a threshold temperature, and the air flow through the injector nozzle when the exhaust gas temperature is above a threshold temperature. Substantially stopping.
本発明の別の態様では、この方法は、後処理装置の状態を監視する段階、排気ガスの温度を監視する段階、及び後処理装置の状態に応じてかつ排気ガスの温度に応じて排気ガスの流れ内への炭化水素の噴射を制御する段階、を含む。 In another aspect of the present invention, the method includes the steps of monitoring the state of the aftertreatment device, monitoring the temperature of the exhaust gas, and depending on the state of the aftertreatment device and the temperature of the exhaust gas. Controlling the injection of hydrocarbons into the stream.
本発明の別の態様では、空気の流れが好ましくはパルス化され、空気の流れのパラメータ、体積、周波数及び期間は排気ガスの温度に応じて制御される。 In another aspect of the invention, the air flow is preferably pulsed, and the air flow parameters, volume, frequency and duration are controlled as a function of the exhaust gas temperature.
本発明は、添付の図面と関連づけて以下の詳細な説明を読むことにより、さらに理解される。 The present invention will be further understood by reading the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings.
図1は、本発明による排気ガス後処理システム12を具備した内燃機関10を備える装置を図示している。内燃機関10は、エンジンからの排気ガスを受け入れる排気ガスの管路14に接続されている。排気ガスは管路によって後処理装置16に運ばれるが、その後処理システムは、ディーゼル酸化触媒(DOC)、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)、及び例えば選択触媒反応装置(SCR)あるいはリーンNOx触媒(LNC)といった窒素酸化物を処理する装置を含むことができる。排気ガスは処理された後に、排気筒あるいはパイプ18を通って外界に放出される。
FIG. 1 illustrates an apparatus comprising an internal combustion engine 10 with an exhaust
DPFは排気ガスを濾過して煤及び他の粒子状物質を捕集するが、それらは間隔を置いてあるいはDPFが詰まったときに取り除かなければならない。主に炭素ベースの粒子状物質を取り除く一つの一般的な方法は、粒子状物質を酸化させるのに十分な温度にDPFフィルタ本体の温度を上昇させることである。DPFフィルタ本体の温度は、周知のように様々な方法で高めることができる。一つの方法は炭化水素(あるいは燃料)を排気ガスに加えることであり、それは酸化して熱エネルギを放出する。炭化水素の供給源22に接続されているインジェクタ20は、そのような目的のために図1に示されている。インジェクタ20は、排気ガスの流れ内に炭化水素を導入するノズル24を含んでいる。例示の実施形態のインジェクタ20はまた、空気の供給源26に接続されている。制御装置28は、以下により詳しく説明するように、インジェクタ20を通る炭化水素及び空気の流れを制御するようにプログラムされている。温度センサ30、34は、装置に出入りする排気ガスの温度を監視するべく、後処理装置16の入口及び出口にそれぞれ配置されている。それに代えて、DOC及びDPFを含む後処理装置においては、温度センサをDOCの上流、DOCの下流、DPFの上流、DPFの下流に配置することができる。加えて、DPFを通過する排気ガスの圧力変化を監視するべく、圧力センサ32、36が後処理装置16の入口及び出口にそれぞれ配置されている。入力と出口の間の排気圧の差は、DPFにおける煤の堆積を決定するために有用である。
DPF filters the exhaust gas to collect soot and other particulate matter, which must be removed at intervals or when the DPF is clogged. One common method of removing primarily carbon-based particulate matter is to raise the temperature of the DPF filter body to a temperature sufficient to oxidize the particulate matter. As is well known, the temperature of the DPF filter body can be raised by various methods. One way is to add hydrocarbon (or fuel) to the exhaust gas, which oxidizes and releases thermal energy. An
インジェクタ20は、後処理装置16の上流にあることにより、粒子状物質を運ぶ排気ガスに曝されている。加えて、インジェクタのノズル24、及びインジェクタのノズル24にあってかつそこから出る炭化水素の液体は、排気ガスの熱に曝されている。このことは、炭化水素の液体及び粒子状物質の付着物がノズル上で形を成すに連れてノズルのコーキングに帰着し得る。
The
ノズルを相対的に低い温度に維持することは、コーキングを排除することはできないが、防止を助けることはできる。コークスの付着物は、炭素を酸化させるべく十分に高い温度にノズルを加熱することによって取り除くことができ、かつノズルを加熱する装置は知られている。しかしながら、これらはインジェクタのシステムにコスト及び複雑さを付け加える。 Maintaining the nozzle at a relatively low temperature does not eliminate coking, but can help prevent it. Coke deposits can be removed by heating the nozzle to a sufficiently high temperature to oxidize the carbon, and devices for heating the nozzle are known. However, these add cost and complexity to the injector system.
本発明によると、インジェクタのノズル24には、比較的低い温度でのコークス付着物の酸化を可能にする触媒材料のコーティングが設けられる。適切な触媒材料には、例えば白金及びパラジウムといった貴金属触媒が含まれる。図2を参照すると、インジェクタのノズル24は、液体燃料のための流路42を有したノズルパイプ40を含んでいる。この流路42は先端44内で終了しているが、先端44は、例えば流量を制御し又は渦あるいは噴霧角度を誘発する流体分配装置を含むことができる。インジェクタ20は、任意の適切な流体インジェクタとすることができるとともに、噴射流体のための内部通路52を有するインジェクタ本体50と、ノズルの流路42内への及び先端44への流れを制御するべくばね56とアクチュエータ装置(図示せず)によって作動可能な、内部通路52内で可動なニードル54とを含むことができる。
In accordance with the present invention, the
触媒コーティングは、好ましくは、排気ガスの熱及びノズル24によって噴射される燃料に曝される表面に付加される。そのような表面には、ノズル24の外側表面46、先端44、及び流路42を定める表面48が含まれる。
The catalyst coating is preferably applied to the surface exposed to the heat of the exhaust gas and the fuel injected by the
これらの表面上の触媒コーティングは、それらの表面上の炭素付着物を酸化させるために必要な温度を低下させる。図3は、インジェクタのコークス付着を防止する本発明の方法の流れ図である。この方法によると、排気ガスの流入と流出との間の圧力差を監視することによって及び/又は装置の温度を監視することによって、後処理(AT)装置の運転状態が監視される(S100)。また、AT装置に流入する排気ガスの温度もまた監視される(S102)。 The catalytic coating on these surfaces reduces the temperature required to oxidize the carbon deposits on those surfaces. FIG. 3 is a flow diagram of the method of the present invention for preventing injector coke deposition. According to this method, the operating condition of the aftertreatment (AT) device is monitored by monitoring the pressure difference between the inflow and outflow of exhaust gas and / or by monitoring the temperature of the device (S100). . Further, the temperature of the exhaust gas flowing into the AT device is also monitored (S102).
この方法は、付着した炭素を酸化させるのに充分な温度へと排気ガスが触媒コーティングノズルを加熱できる温度閾値よりも排気ガスが高いかどうかを判定する(S104)。触媒として貴金属を使用することにより、ノズルを約240℃あるいはそれより高く加熱することは、酸化を促進する。 This method determines whether the exhaust gas is above a temperature threshold at which the exhaust gas can heat the catalyst coating nozzle to a temperature sufficient to oxidize the deposited carbon (S104). By using a noble metal as a catalyst, heating the nozzle to about 240 ° C. or higher promotes oxidation.
連続するやり方で説明してきたが、ここで理解されるべきことは、本発明の方法の全体を連続させて実行するのではなく、AT装置を監視する段階、排気ガス温度を監視する段階、排気ガス温度が閾値より高いかどうかを判定する段階が、この方法の残りの部分を実行するときに絶えずあるいは反復する順序で実行されることである。 Although described in a continuous manner, it should be understood that rather than performing the entire method of the present invention continuously, the steps of monitoring the AT device, monitoring the exhaust gas temperature, The step of determining whether the gas temperature is above a threshold is to be performed continuously or in an iterative order when performing the rest of the method.
排気ガス温度がステップS104の閾値より高い場合、この方法はステップS106においてインジェクタを通る空気の流れを停止させ、又は、例えば排気ガスのノズル内への侵入は防止するが事実上ノズルを冷却しないように空気の流れを最小とすべく空気の流れを実質的に停止させる。空気の流れが無いことあるいは低流量の空気の流れは、あらゆる炭素付着物を酸化させるのに充分な温度へのノズルの加熱を可能にする。ノズルが加熱されて酸化が生じる期間を測定するために、タイマを始動させることができる。それに代えて、この方法によると、ステップS104において判定される閾値より排気ガスの温度が高い間は、空気の流れを停止させあるいは最小のままとする。 If the exhaust gas temperature is higher than the threshold in step S104, the method stops the air flow through the injector in step S106, or prevents, for example, exhaust gas from entering the nozzle but does not effectively cool the nozzle. The air flow is substantially stopped to minimize the air flow. The absence of air flow or the low flow rate of air allows the nozzle to be heated to a temperature sufficient to oxidize any carbon deposits. A timer can be started to measure the period during which the nozzle is heated and oxidation occurs. Instead, according to this method, the air flow is stopped or kept at a minimum while the temperature of the exhaust gas is higher than the threshold value determined in step S104.
加熱/酸化の期間が経過したとき(ステップS108)あるいは排気ガス温度が閾値温度より低下したときに、この方法は、コーキングを防止する冷却のためにノズルを通る空気の流れを増加させる(S110)。 When the heating / oxidation period has elapsed (step S108) or when the exhaust gas temperature falls below a threshold temperature, the method increases the flow of air through the nozzle for cooling to prevent coking (S110). .
ステップS104に戻って、排気ガス温度が閾値温度より低い場合は、排気ガスの温度を高める必要があるかどうかを判定するためにAT装置の状態が評価される(ステップS112)。例えば、DPF装置は捕集した粒子状物質を取り除くために再生の手順を必要とし得る。 Returning to step S104, if the exhaust gas temperature is lower than the threshold temperature, the state of the AT device is evaluated to determine whether the temperature of the exhaust gas needs to be increased (step S112). For example, a DPF device may require a regeneration procedure to remove the collected particulate matter.
AT装置が加熱を必要としない場合、この方法はノズルを通って空気が流れるようにする(ステップS114)。空気の流れはノズルの冷却を助けてコークス付着を防止しあるいは妨げる。 If the AT device does not require heating, the method allows air to flow through the nozzle (step S114). The air flow helps cool the nozzle and prevents or hinders coke deposition.
AT装置が加熱を必要とする場合は、排気ガスの温度を監視しつつインジェクタを通して炭化水素を噴射する(ステップS116)。炭化水素の量及び噴射の頻度は、DPF装置を目標温度に加熱するとともにDPFを再生させるのに充分な期間にわたってその温度を維持する排気ガス温度に対して制御される。これに代えて、DPFは、入口と出口の間の排気ガスの圧力差が閾値より低くなるまで加熱することができる。 When the AT device needs to be heated, hydrocarbons are injected through the injector while monitoring the temperature of the exhaust gas (step S116). The amount of hydrocarbons and the frequency of injection are controlled relative to the exhaust gas temperature which maintains the temperature for a period of time sufficient to heat the DPF device to the target temperature and regenerate the DPF. Alternatively, the DPF can be heated until the pressure difference of the exhaust gas between the inlet and the outlet is below a threshold value.
再生プロセスが完了したときに、炭化水素の噴射を停止させるとともにノズルを通って空気が流れるようにする(ステップS114)。炭化水素を噴射した後の空気の流れは残りの炭化水素のノズルからの除去を助け、連続する空気の流れはノズルの冷却を助けてコークス付着の阻止あるいは防止を助ける。 When the regeneration process is completed, the injection of hydrocarbons is stopped and air is allowed to flow through the nozzle (step S114). The air flow after injecting the hydrocarbons helps remove the remaining hydrocarbons from the nozzles, and the continuous air flow helps cool the nozzles and helps prevent or prevent coke deposition.
ここで留意されるべきことは、本発明によると、炭素を酸化させるためには温度が十分に高くない低い排気温度において、空気がノズルを通って連続して流れて、炭素の付着を減速させるべくノズルの温度をできるだけ低く維持することである。ノズルに付着した炭素の酸化を維持するのに十分に高い排気温度においては、ノズルを通る空気の流れは完全に停止されあるいは実質的に完全に停止され、ノズルの冷却を回避してあらゆるコーキングを酸化できるようにする。 It should be noted here that, according to the present invention, air flows continuously through the nozzle at a low exhaust temperature that is not high enough to oxidize the carbon, slowing the carbon deposition. Therefore, the nozzle temperature should be kept as low as possible. At an exhaust temperature high enough to maintain the oxidation of the carbon adhering to the nozzle, the air flow through the nozzle is completely or substantially completely stopped, avoiding nozzle cooling and any coking. Be able to oxidize.
本出願においては、例えば「含む」といった用語の使用は開放的なものであって例えば「備える」といった用語と同じ意味を有し、他の構造、材料あるいは作為の存在を排除しないことが意図されている。同様に、例えば「することができる」あるいは「し得る」といった用語の使用は開放的なものであって構造、材料又は作為が必ずしも不可欠ではないことを表すものと意図されているが、そのような用語の使用の欠落が構造、材料あるいは作為が不可欠であることを表すものとは意図されていない。構造、材料あるいは作為が目下のところは不可欠であるとみなされる限りにおいて、それらはそのようなものと認識される。 In this application, the use of the term “including”, for example, is open and has the same meaning as the term “comprising”, and is not intended to exclude the presence of other structures, materials or acts. ing. Similarly, for example, use of the term “can do” or “can do” is intended to be open and imply that a structure, material, or act is not necessarily indispensable. The lack of use of simple terms is not intended to indicate that structure, material, or work is essential. To the extent that structure, material, or work is currently considered essential, they are perceived as such.
この発明を好ましい実施形態に基づいて図示しかつ説明してきたが、請求の範囲に記載される発明を逸脱することなくその変形及び変更をなし得ることは認められるところである。 While the invention has been illustrated and described based on preferred embodiments, it will be appreciated that modifications and changes can be made without departing from the invention as set forth in the appended claims.
10 内燃機関
12 排気ガス後処理システム
14 管路
16 後処理装置
18 パイプ
20 インジェクタ
22 炭化水素供給源
24 ノズル
26 空気供給源
28 制御装置
30 温度センサ
32 圧力センサ
34 温度センサ
36 圧力センサ
40 ノズルパイプ
42 流路
44 先端
46 外側表面
48 表面
50 インジェクタ本体
52 内部通路
54 ニードル
56 ばね
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Claims (5)
前記インジェクタノズルは触媒コーティングを有しており、
排気ガスの流れ内に炭化水素の流体を選択的に噴射して前記排気ガスの流れの温度を上昇させる段階;
炭化水素を噴射していないときであり、排気ガスの温度が閾値温度より低いときに、前記インジェクタノズルを通って空気が流れるようにする段階;及び、
炭化水素を噴射していないときであり、前記排気ガスの温度が前記閾値温度より高いときに、前記インジェクタノズルを通る前記空気の流れを実質的に停止させる段階、
を含む方法。 A method of operating an injector of an exhaust gas aftertreatment device to prevent adhesion of coke,
The injector nozzle has a catalyst coating;
Selectively injecting a hydrocarbon fluid into the exhaust gas stream to raise the temperature of the exhaust gas stream;
Allowing air to flow through the injector nozzle when no hydrocarbons are being injected and the temperature of the exhaust gas is below a threshold temperature; and
Substantially stopping the flow of air through the injector nozzle when no hydrocarbons are being injected and when the temperature of the exhaust gas is higher than the threshold temperature;
Including methods.
排気ガスの温度を監視すること;及び、
前記後処理装置の状態に応じて及び前記排気ガスの温度に応じて前記排気ガスの流れへの前記炭化水素の噴射を制御すること、を更に含む請求項1に記載の方法。 Monitoring the condition of the aftertreatment device;
Monitoring the temperature of the exhaust gas; and
The method of claim 1, further comprising controlling injection of the hydrocarbons into the exhaust gas stream in response to a state of the aftertreatment device and in response to the temperature of the exhaust gas.
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