JP2007525611A

JP2007525611A - ディーゼルパーティキュレートフィルタによって捕捉されるすすを燃焼させるために排気背圧を用いる方法

Info

Publication number: JP2007525611A
Application number: JP2006503895A
Authority: JP
Inventors: シンクンガイ; グオキンザン
Original assignee: インターナショナルエンジンインテレクチュアルプロパティーカンパニーリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2007-09-06
Also published as: EP1654450A2; CN1977093A; ATE465334T1; MXPA05007815A; CA2516394C; KR20050103228A; WO2004074658A2; BRPI0407626A; US8434299B2; CA2516394A1; EP1654450B1; DE602004026734D1; CN1977093B; WO2004074658A3; US20040159098A1; EP1654450A4

Abstract

排気ガスを処理するためのディーゼルパーティキュレートフィルタ（１８）を有するディーゼルエンジン（１０）の排気システム（１６）である。捕捉されたすすが、フィルタの性能に影響を及ぼす程度まで蓄積したときには、エンジン制御システム（１２）が、可変の幾何学的形状のターボチャージャの背圧制御弁又は羽根のような制御デバイス（２０）を用いて排気背圧を増加させることによって、捕捉されたすすの燃焼を強制する。

Description

本発明は、概略的には、排気システムを通る排気ガスを処理するためのディーゼルパーティキュレートフィルタを有するディーゼルエンジンに関する。より詳細には、本発明は、こうしたフィルタによって捕捉される燃焼すすのために排気背圧を用いるエンジン・システム及び方法に関する。

ディーゼルパーティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を含むディーゼルエンジンの排気システムは、エンジンから排気システムを通る排気ガス中のディーゼルパーティキュレートマター（ＤＰＭ）を物理的に捕捉することができる。これは、大量のＤＰＭが大気中に出るのを防止する。すすは、ＤＰＭの一構成成分である。他の構成成分は、可溶性有機留分（ＳＯＦ）及び灰（すなわち潤滑油添加剤など）を含む。ＤＰＦによってすすを捕捉することにより、時にはそれが車両の排気管から吹き出す黒煙のように見えるのを防止する。

公知のＤＰＦの１つのタイプは、「ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＴｒａｐ」すなわち（ＣＲＴ（登録商標））という商標名でＪｏｈｎｓｏｎＭａｔｔｈｅｙＣｏｍｐａｎｙによって市販されている。公知のＤＰＦの別のタイプは、ＤＰＸ（登録商標）という商標名でＥｎｇｌｅｈａｒｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって市販されている。

ＤＰＦは、これまで、強制的な再生なしで温暖な気候で用いられてきた。ＤＰＦを強制的に再生するための１つの可能な方法は、排気ガス温度を十分に高い温度まで上げて、ＤＰＦによって捕捉された物質を燃焼させるような形でエンジンヘルメットの燃料供給を調節するために、エンジン制御システムを用いることに関係する。こうした方法が、車両のドライバーにとって、できる限りトランスペアレントとなる場合には、それは通常、排気ガス温度を高めるのに必要とされる余分の燃料供給に適合でき、かつそれによって実質的に影響されないような形で、車両が作動されることが必要である。成功する方法は、エンジン制御システムに一定の量の複雑さを導入することになると言えるであろう。

したがって、特定の自動車の特定のエンジンのためのエンジン制御システムにそれほど多くの複雑さを導入しない方法が有利となる。
本発明は、排気背圧（ＥＢＰ）を用いて適切な排気ガス温度を生じさせ、ＤＰＦが捕捉したすすを強制燃焼させるためのエンジン及び方法に関する。強制燃焼プロセスは、それ自体は、排気背圧を制御するために特定のデータを処理するアルゴリズムに従って処理される。

したがって、本発明の１つの一般的な態様は、ディーゼルエンジンの排気システムを通る排気ガスを処理するディーゼルパーティキュレートフィルタに捕捉されたすすの燃焼を強制する方法に関する。エンジンの稼動と共に、ディーゼルパーティキュレートフィルタを横切る圧力低下を示すデータと、エンジンを通る質量流量を示すデータ、及び圧力低下と質量流量の種々の組み合わせを、捕捉されたすすの強制燃焼の要・不要を区別する状態と互いに関係付けるデータとを繰り返し処理して、それにより捕捉されたすすを強制燃焼する要求とこうした要求なしとを区別する結果データをもたらす。結果データが強制燃焼要求を示すときには、エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始させるのに十分な温度まで上昇させるデバイスが作動される。

別の一般的態様は、エンジンからの排気ガスを処理するディーゼルパーティキュレートフィルタと、エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、ディーゼルパーティキュレートフィルタによって捕捉されたすすの燃焼を開始させるのに十分な温度まで上昇させる排気背圧制御デバイスと、ディーゼルパーティキュレートフィルタに捕捉されたすすを強制燃焼させるための制御システムとを含む排気システムを備えるディーゼルエンジンに関する。制御システムは、エンジンの稼動と共に、ａ）ディーゼルパーティキュレートフィルタを横切る圧力低下を示すデータと、エンジンを通る質量流量を示すデータと、及び圧力低下と質量流量との種々の組み合わせを、強制燃焼の必要性とこうした必要性なしとを区別する状態と互いに関係付けるデータと、を繰り返し処理して、それにより強制燃焼の要求とこうした要求なしとを区別する結果データをもたらし、ｂ）結果データが強制燃焼の要求を示すときには、排気背圧制御デバイスに、ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、ディーゼルパーティキュレートフィルタによって捕捉されたすすの燃焼を開始させるのに十分な温度まで上昇させるのに十分なだけエンジン上の排気背圧を増加させる、プロセッサを含む。

上記のことと、本発明のさらなる特徴及び利点は、現時点で本発明を実施するために考えられる最良モードを示す本発明の好ましい実施形態の以下の開示で分かる。本明細書は、後で簡単に説明される図面を含む。

図１は、自動車用の典型的なディーゼルエンジン１０の概略図である。エンジン１０は、エンジン作動の種々の態様を制御するために、種々のソースからのデータを処理して種々の制御データを生み出す、プロセッサベースのエンジン制御システム１２を有する。制御システム１２によって処理されたデータは、センサのような外部ソースに起因して生成され、及び／又は内部的に生成される。

エンジン１０は吸気システム１４を備え、該吸気システムを通って吸気がエンジンに入る。燃料は、制御システム１２の制御の下でエンジン１０のシリンダに注入され、燃焼してエンジンに動力を与える混合物を形成する。エンジン・シリンダ内での燃焼により生じた排気ガスは、排気管１９を通って大気中に出る前に、排気ガスを処理するためのＤＰＦ１８を含む排気システム１６を通る。ＤＰＦ１８に到達する前に、排気ガスは、ＥＰＢ制御デバイス２０を通過しなければならず、その一例は、制御システム１２で制御される電気制御されたバタフライ弁である。ＥＰＢ制御デバイスの別の例は、可変幾何学的形状の羽根、又は可変式ノズル、ターボチャージャである。

ＥＢＰ制御デバイス２０が最大限に開放されたときには、それは排気ガスの流れに最小限の制約を課す。ＥＢＰ制御デバイス２０が最大限に閉鎖されたときには、それは排気ガスの流れに最大限の制約を課す。最大限の開放と最大限の閉鎖との間の範囲内で、デバイス２０は、制御システム１２によって行われる特定の処理の結果として適用される制御信号に従って閉鎖される度合いに対応する制約を課す。

図２は、ＤＰＦ１８による圧力低下（ΔＰ）を、エンジン１０を通る質量流量と互いに関係付ける幾つかのプロットを示す。計測され又は計算された、エンジンを通る質量流量は、質量流量のための適切な概算である。ＥＢＰ制御デバイス２０が最大限に開放され、ＤＰＦ１８が捕捉したすすが比較的ないときには、大きな質量流量がＤＰＦ１８にわたってもたらすΔＰは比較的小さい。これは、ΔＰの下限値に対する質量流量を表すプロット３２の下にある作動領域３０によって例示される。「クリーン」ＤＰＦの例がプロット３３によって示される。

さらに、ΔＰの上限値に対する質量流量を表すプロット３４は、その下方境界がプロット３２である別の作動流域３６に関する上方境界を形成する。領域３６内にあるΔＰの値によってもたらされる質量流量の値は、ＤＰＦ１８において捕捉されたすすの蓄積量がより多いことを示す。プロット３４上の領域３８内にあるΔＰの値によってもたらされる質量流量の値は、ＤＰＦ１８において捕捉されたすすの蓄積量がさらに多いことを示す。

簡単に言えば、ＤＰＦ１８が作動する領域が、捕捉されたすすの強制燃焼が求められるかどうかを決定する。特に、１）計測され又は推定されたデータが、ＤＰＦ１８が領域３０内で作動していると示すときには、制御システム１２は、ＤＰＦ１８におけるすすの蓄積量が強制燃焼を求める量より低いと認識し、２）計測され又は推定されたデータが、ＤＰＦ１８が領域３６内で作動していることを示すときには、制御システム１２は、排気ガス温度も或る閾値を超えていれば、ＤＰＦ１８におけるすすの蓄積量が強制燃焼に適していると認識し、３）計測され又は推定されたデータが、ＤＰＦ１８が領域３８内で作動していると示すときには、制御システム１２は、排気ガス温度に関係なしに、ＤＰＦ１８におけるすすの蓄積量が強制燃焼に適していると認識する。燃焼が強制されていないときには、ＥＢＰ制御デバイス２０は、本発明とは関係のない方法によって或る程度まで閉鎖されていない限り、典型的には最大限に開放されることになる。

本発明の方法は、エンジンが作動する際に繰り返し実行されるアルゴリズムとして、制御システム１２において実施される。図３は、こうしたアルゴリズム４０の例を示す。１つの最初のステップ４２は、実際の圧力感知によるなどのあらゆる適切な方法でΔＰのデータ値を求めることを含む。別の最初のステップ４４は、エンジンを通る質量流量についてのデータ値をあらゆる適切な方法で求めることを含む。

これらの２つのデータ値が得られると、ステップ４６は、ΔＰについてのデータ値が質量流量データ値に対応する下限値を超えるかどうかを判断する。質量流量データ値に対応する下限値を超えないΔＰについてのデータ値は、領域３０における作動を示し、したがって強制燃焼の必要はなく、その場合、アルゴリズム・ループは、始まりに戻って次の処理を待つ。質量流量データ値に対応する下限値を超えるΔＰについてのデータ値は、領域３６又は領域３８における作動を示し、したがって強制燃焼を開始する可能性があり、その場合、アルゴリズムは処理を続ける。

次に、ステップ４８が、ΔＰについてのデータ値は、質量流量データ値に対応する上限値より小さいかどうかを判断する。質量流量データ値に対応する上限値より小さいΔＰについてのデータ値は、領域３６における作動を示し、排気ガス温度が上述の閾値より高い場合には、強制燃焼を開始する可能性がある。質量流量データ値に対応する上限値に等しいか又はそれを超えるΔＰについてのデータ値は、領域３８における作動を示し、この結果、排気ガス温度に関係なしに、強制燃焼が開始される。

したがって、ΔＰについてのデータ値が、質量流量データ値に対応する上限値より小さい場合には、排気ガス温度を判断するためにステップ５０が実行される。排気ガス温度を表すデータは、あらゆる適切な方法で得ることができる。ステップ５０が、排気ガス温度は２００℃の閾値より高くないと判断する場合には、例えば、ＥＢＰ制御デバイス２０が最大限に開放されたままにされ、アルゴリズム・ループが始まりに戻って、次の実行を待つ。ステップ５０が、排気ガス温度は閾値より高いと判断する場合には、制御システム１２は、ステップ５２によって示されるように、ＥＢＰ制御デバイス２０を或る閉鎖度合いまで作動させる。閉鎖の度合いは、種々の閉鎖度合いをエンジン速度値とエンジン負荷値との種々の組み合わせと互いに関係付けるルック・アップ・テーブルの使用を通じて判断される。エンジン速度とエンジン負荷とのデータ値は、あらゆる適切な方法で得ることができる。例えば、エンジン速度データは、典型的には、データ・バス上で発生され、一方、制御システム１２における継続中の処理によって計算されたエンジン燃料データは、エンジン負荷を示す。

デバイス２０の閉鎖度の増加によってもたらされる制約の増加は、ＤＰＦ１８に入って通過する排気ガスの温度を、ＤＰＦによって捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで高めるように働く。アルゴリズムの実行の繰り返しは、デバイス２０を或る程度まで閉鎖された状態に保ち続けて、捕捉されたすすの燃焼が強制され続けるようにする。燃焼したすすは、排気管１９を通って本質的には二酸化炭素として大気中に出て行く。

すすが燃え尽きると、ＤＰＦ１８が排気ガスの流れに課す制約が減少し、結局は、ＤＰＦ作動は領域３０に戻ることになり、そのときすすの強制燃焼が終わり、開始された強制燃焼がもはや行き渡った状態であるため、デバイス１８が最大限に開放された状態に戻る。

ステップ４８の実行は、ΔＰについてのデータ値が質量流量データ値に対応する上限値に等しいか又はそれを超えると判断し、制御システム１２は、ステップ５４によって示されるようにＥＢＰ制御デバイス２０を或る閉鎖度合いまで作動させることによって、排気ガス温度に関係なく強制燃焼を開始することになる。閉鎖度合いは、閉鎖度合いと、エンジン速度値とエンジン負荷値の種々の組み合わせとの相関を含むルック・アップ・テーブルの使用を通じて判断される。

デバイス２０の閉鎖度の増加によってもたらされる制約の増加は、ＤＰＦ１８を通る排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼が始まるのに十分な温度まで高めるように働く。アルゴリズムの実行の繰り返しは、デバイス２０を或る程度まで閉鎖された状態に保ち続けて、捕捉されたすすの燃焼が強制され続けるようにする。すすが燃え尽きると、ＤＰＦが排気ガスの流れに課す制約が減らされ、結局は、ＤＰＦ作動は領域３０に戻ることになり、そのときすすの強制燃焼が終わり、開始された強制燃焼がもはや行き渡った状態であるため、デバイス１８が最大限に開放された状態に戻る。領域３８から領域３０に向けられた作動は、本質的に領域３６を通るが、排気ガス温度が閾値レベルより下に低下することはなく、その結果、領域３０に到達することなく領域３６において作動し続ける可能性が最も高い。

本発明の方法は、既存のエンジン制御方法とのあらゆる大きな相互作用を避けると考えられ、そのため、本発明の方法は、こうした既存の方法を複雑にすることなく既存の制御システムにおいて実施可能である。この利点は、いわゆる「受動ＤＰＦ」としてエンジンが既に装備されている既存の自動車を改造する機会である。既存の車両がまたＥＢＰ制御デバイスを有する限り、こうしたデバイスは、必ずしも車両に付加される必要はなく、それは本発明の方法のさらなる利点である。

本発明の現在好ましい実施形態が示され、説明されたが、本発明の原理は、特許請求の範囲の請求項の範囲内にある全ての実施形態に適用されることを認識されたい。

本発明の原理に係る排気システムのＤＰＦによって捕捉されたすすの燃焼を強制する制御システムを有する例示的なディーゼルエンジンの概略図である。本発明の特定の原理を説明するのに有用なグラフ・プロットである。図１の制御システムによって実行されるアルゴリズムの流れ図である。

Claims

ディーゼルエンジンの排気システムを通る排気ガスを処理するディーゼルパーティキュレートフィルタに捕捉されたすすの燃焼を強制する方法であって、
ディーゼルパーティキュレートフィルタによる圧力低下を示すデータと、エンジンを通る質量流量を示すデータと、圧力低下と質量流量との種々の組み合わせとを、捕捉されたすすを強制燃焼する必要性をその必要性のない状態から区別する条件とを互いに関係付けるデータと、をエンジンの作動中に繰り返し処理し、これによって捕捉されたすすの強制燃焼の必要および不必要を区別する結果データを生成し、
前記結果データが、強制燃焼の要求を示すときに、前記エンジンの排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入ってこれを通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始させるのに十分な温度まで上昇させるデバイスを作動させる、ことを含む、
ことを特徴とする方法。
閾値を超える排気ガス温度に対する前記デバイスの作動を、排気ガス温度が閾値を超えない限り、該デバイスが排気背圧を増加させるように作動しないように調整するさらに別のステップを、含む、
請求項１に記載の方法。
前記さらに別のステップが、排気ガス温度が閾値を超えたことを示した後において、
前記エンジンの排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるデバイスを作動させる前記ステップが、
現在のエンジン速度を示すデータと、現在のエンジン負荷を示すデータと、前記エンジン速度データと前記エンジン負荷データを前記デバイスの種々の作動度合いと互いに関係付けるデータとを処理して、前記デバイスが作動される特定の度合いを定めるデータを生成し、次いで前記デバイスをその特定の度合いまで作動させること、を含む、
請求項２に記載の方法。
前記エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるデバイスを作動させる前記ステップが、
現在のエンジン速度を示すデータと、現在のエンジン負荷を示すデータと、前記エンジン速度データと前記エンジン負荷データを前記デバイスの種々の作動度合いと互いに関係付けるデータとを処理して、前記デバイスが作動される特定の度合いを定めるデータを生成し、次いで前記デバイスをその特定の度合いまで作動させること、を含む、
請求項１に記載の方法。
前記エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるようにデバイスを作動させる前記ステップが、
前記エンジンの燃焼シリンダから来る排気ガスに対する制約を増加させるために、ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された弁を作動させること、を含む、
請求項４に記載の方法。
前記エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるようにデバイスを作動させる前記ステップが、
前記エンジンの燃焼シリンダから来る排気ガスに対する制約を増加させるために、ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された可変幾何学的形状ターボチャージャの羽根を作動させること、を含む、
請求項４に記載の方法。
前記エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるようにデバイスを作動させる前記ステップが、
前記エンジンの燃焼シリンダから来る排気ガスに対する制約を増加させるために、ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された弁を作動させること、を含む、
請求項１に記載の方法。
前記エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるようにデバイスを作動させる前記ステップが、
前記エンジンの燃焼シリンダから来る排気ガスに対する制約を増加させるために、ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された可変幾何学的形状ターボチャージャの羽根を作動させること、を含む、
請求項１に記載の方法。
ディーゼルエンジンであって、
前記エンジンからの排気ガスを処理するディーゼルパーティキュレートフィルタを含む排気システムと、
前記エンジン上の排気背圧を十分に増加させて、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入って通過する排気ガスの温度を、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタによって捕捉されたすすの燃焼を開始するのに十分な温度まで上昇させるための排気背圧制御デバイスと、
前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに捕捉されたすすの燃焼を強制するための制御システムと、を備え、
前記制御システムが、前記エンジンの稼動中に、
ａ）ディーゼルパーティキュレートフィルタを横切る圧力低下を示すデータと、エンジンを通る質量流量を示すデータと、圧力低下と質量流量の種々の組み合わせと、捕捉されたすすを強制燃焼する必要性をその必要性のない状態から区別する条件とを互いに関係付けるデータとを繰り返し処理して、それにより捕捉されたすすの強制燃焼の要求および不必要を区別する結果データを生成し、
ｂ）前記結果データが強制燃焼の要求を示すときに、前記排気背圧制御デバイスに、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタに入ってこれを通過する排気ガスの温度を、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタによって捕捉されたすすの燃焼を開始させるのに十分な温度まで上昇させるのに十分なだけ前記エンジン上の排気背圧を増加させる、プロセッサを含む、
ことを特徴とするディーゼルエンジン。
前記プロセッサがまた、排気ガス温度を示すデータを処理して、閾値を超える排気ガス温度に対する前記排気背圧制御デバイスの作動を、排気ガス温度が閾値を超えない限り、該デバイスが排気背圧を増加させるように作動しないように調整する、
請求項９に記載のエンジン。
排気ガス温度が閾値を超えたことを示す排気ガス温度を示すデータを処理した後に、プロセッサが、現在のエンジン速度を示すデータと、現在のエンジン負荷を示すデータと、前記エンジン速度データと前記エンジン負荷データを前記デバイスの種々の作動度合いと互いに関係付けるデータとを処理して、前記デバイスが作動される特定の度合いを定めるデータを生成し、次いで前記デバイスをその特定の度合いまで作動させること、を含む、請求項１０に記載のエンジン。
前記プロセッサが、現在のエンジン速度を示すデータと、現在のエンジン負荷を示すデータと、前記エンジン速度データと前記エンジン負荷データを前記デバイスの種々の作動度合いと互いに関係付けるデータとを処理して、前記デバイスが作動される特定の度合いを定めるデータを生成し、次いで前記デバイスをその特定の度合いまで作動させること、を含む、
請求項９に記載のエンジン。
前記排気背圧制御デバイスが、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された弁を含む、
請求項１２に記載のエンジン。
前記排気背圧制御デバイスが、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された可変幾何学的形状ターボチャージャの羽根を含む、
請求項１２に記載のエンジン。
前記排気背圧制御デバイスが、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された弁を含む、
請求項９に記載のエンジン。
前記排気背圧制御デバイスが、前記ディーゼルパーティキュレートフィルタの上流の前記排気システムに配置された可変幾何学的形状ターボチャージャの羽根を含む、
請求項９に記載のエンジン。