JP2010196704A - 排気後処理装置を再生する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生燃焼モードの間、トルク要求の変更も考慮に入れて、主噴射タイミングの遅延可能量を決定する。
【解決手段】排気後処理装置を有した内燃機関における燃焼を制御する方法が提案され、そこでは、排気後処理装置の再生事象の要求が検出されると、パイロット噴射及び遅延主噴射からなる再生燃焼モードが行われる。遅延再生燃焼モードの間、主噴射の噴射タイミングは、その遅れが、所望のトルクを呈する最大タイミング遅延として決定される遅延閾値よりも遅くならず、噴射燃料量が、格納発煙限界マップにより与えられる最大燃料量を超えないように制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して内燃機関の分野に関し、具体的には、汚染除去を目的として、例えばディーゼル機関の排気管に使用される排気後処理装置の再生に関する。

最近の設計における機関モータ車両の排気管には、微粒子フィルター又はＮＯｘトラップのような排気後処理装置が備わっており、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）などの固体汚染物の排出を減らすようにしており、かかる排気後処理装置がそのような汚染物を蓄積するようにしている。

例えばディーゼル微粒子フィルター（ＤＰＦ）のような排気後処理装置は、究極的な蓄積容量を有しているわけではなく、集められた煤は、定期的に除去されるか、及び／又は、規則的に、例えば微粒子フィルター（ＰＦ）が目詰まりしないように防止して通常の効果を奏するように回復させる必要がある。更に、ＰＦが目詰まりすると、機関の動作を劣化させる背圧が次第に生じてくる。この煤の除去のことは、“微粒子フィルター再生”と称されており、流れる排気により、煤の燃焼温度（通常５５０℃近辺）よりも高い温度に、フィルターを過熱することにより、行うことができる。

標準の方法においては、機関出力側排気温度は、再生特別燃料噴射パターンを使用することにより、ＰＦ再生の目的で、上げることができる。かかる噴射パターンにおいては、主燃料噴射の実行タイミングは、圧縮行程上死点（ＴＤＣ）よりも遅れ、典型的には、ＴＤＣ近辺のパイロット（先立ち）噴射が先行している。

なお、酸化触媒がＰＦの上流に搭載され、その酸化触媒は、ＰＦの上流で熱を発するように調整され、それにより排気温度が上昇し、再生が助長される。排気内の有用な炭化水素の量を増加するために、後噴射も行われ、その炭化水素は、今度は、酸化触媒により発熱反応を介して変化し、排気を約５５０℃の温度まで加熱する。

周知されているように、従来の機関制御においては、機関は、主として、希薄混合気燃焼モードで動作し、そのモードでは、所望のパワーを達成するように意図されている。今日の機関においては、通常機関動作において、燃焼モードは、圧縮上死点（ＴＤＣ）近辺における主噴射が引き続く１つ又は２つのパイロット噴射からなるパターンに従って、燃料噴射を行う。噴射燃料の燃焼による生ずるエネルギーは、高効率で機関パワーに変換される。

そして、ＤＰＦの再生の必要性が判定されると、燃焼モードは、遅延多重噴射を伴う再生特別燃焼モードに切り替わり、排気温度を上昇させ、ＤＰＦの再生プロセスを支援する。典型的な再生パターンは、圧縮ＴＤＣ以降の、かなり遅らされた主噴射と、それに先行する１つ又は２つのパイロット噴射からなる。通常燃焼モードと比較すると、遅延再生特別多重噴射パターンは、任意の機関速度及び負荷条件において、同じ機関トルクを達成すべきであり、廃熱量の増加を同時に伴うので、それにより余計な燃料を必要とする。

それで、更に廃熱を増加させるために、再生燃焼モードにおける噴射パターンは、主噴射の後に後噴射を有しており、排気内の不燃焼ＨＣの量が増加し、それにより酸化触媒内で熱が発生する。

しかして、ＤＰＦ再生事象の間の機関燃焼の制御は、十分な噴射パラメータ、すなわち、サイクルごとの噴射事象の回数、噴射タイミング、燃料量、を見出して、放出レベルを考慮して機関安定性と操縦性を保証しつつ、所望のトルク及び廃熱を供給することにある。この最後の点について、通常燃焼から再生特別燃焼モードへの切り替えは、車両の操縦性を微妙に変えるものであってはならない。

本発明の目的は、排気後処理装置に対する支援を提供する別の方法を提供することにある。この目的は、請求項１で請求された方法により達成される。

ＤＰＦの再生を支援するための排気温度の上昇を提供するためになされる遅延多重噴射燃焼戦略の従来のアプローチにおいては、主噴射のタイミングを遅らせ、それに伴って燃料量を増加させる際に考慮されるべき重要な様相というのは、空気対燃料（Ａ／Ｆ）比であり、確かに噴射燃料量は大きくなく、すなわちいずれも発煙を起こすほど多量であってはならない。また、廃熱量の増加を呈するよう、主噴射タイミングの任意の遅れをもって動作させるとき、運転者のトルク要求に応じてトルクを増加させるために、噴射燃料量を増加させることは、操縦性の理由から、可能であるべきである。故に、ＤＰＦ再生のために行われる従来の多重噴射燃焼においては、主噴射の遅れの制御は、噴射燃料量に対して決定され、その噴射燃料量は、発煙を避け、かつ、燃料量の増加による加速を許容するように設定される（主噴射の同一遅延タイミングに対して、燃料噴射タイミングは、従来においては、負荷の関数としてマップされていることを思い描くであろう）。

しかして、タイミング遅れは、ある“燃料確保”を提供するため、すなわち、任意の遅延タイミングにおいて、噴射燃料量を増加させる可能性のために設定される。
これに対し、本発明は、排気後処理装置を有した内燃機関における燃焼を制御する方法を提案し、そこでは、再生事象の要求が検出されると、（通常の燃焼モードと比較して）遅れたパイロット及び主噴射からなる遅延再生燃焼が起こる燃焼モードとなる。

本発明の重要な様相によれば、遅延再生燃焼モードの間、主噴射の噴射タイミングは、その（遅延された）タイミングが、所望のトルクを呈する最大タイミング遅延として決定される遅延閾値よりも遅くならず、噴射燃料量が、格納発煙限界マップにより与えられる最大燃料量を超えないように制御される。知られているように、発煙限界曲線は、発煙を避けるように、また、速度、負荷、周囲の条件等のような機関動作条件に依存するように調整規定されたものである。

従って、一定トルクで動作するときは、発煙することなく、噴射タイミング遅れ及び廃熱を最大にできる。運転者がアクセルペダルを踏むと、トルク要求の遷移的増加により、主噴射遅れの減少が起きるが、主噴射は、トルク要求及び発煙限界を考慮に入れた最大に可能な遅れであるタイミングで、実行させるであろう。

それで、本発明の遅延閾値が、主噴射タイミングのタイミング限界を形成するのみならず、主噴射は、増加トルク要求があるときに特に、遅延閾値のタイミングでうまく実行できる。

しかしながら、実際は、その遅延閾値は、機関安定性、燃料消費、雑音等の事柄をも考慮に入れた機関動作条件に依存した１つ以上の主タイミングマップと共にうまく利用できる。かかる場合、しかしながら、主噴射を実行するための選択された動作タイミング値は、遅延閾値よりは遅くはならない。

本発明の方法の好適な各種態様は、添付の従属請求項に記述されている。
一実施形態においては、再生燃焼モードの噴射パターンは、排気後処理装置に関連した酸化触媒との反応により発熱するように後噴射を含んでおり、その後噴射パルスは、実行タイミング及び／又は燃料量の点で、主噴射にうまく依存している。

添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態が単なる例として以下記述される。
図１は、本発明の再生燃焼モードで行われる噴射パターンを示すタイミングチャートである。 図２は、主噴射タイミングの遅延閾値の判定を図示するフローチャートである。 図３は、通常燃焼及びＤＰＦ再生で従来使用される噴射パターンを示すタイミングチャートである。

本発明の方法は、内燃機関、とりわけディーゼル機関の排気ラインにおける排気後処理装置の再生を実行するのに適している。当該分野において知られているように、かかる装置は、ＮＯｘ及び煤をそれぞれ捕捉するために排気流内に配置されたＮＯｘトラップ又はディーゼル微粒子フィルター（ＤＰＦ）である。

例えばＤＰＦの場合、それは、耐火セラミックのハニカム構造をフィルター基板として備えている。ハニカム構造の各セルは、ガスが流れる通路を形成するものであり、交互に入口及び出口を形成するように構成されている。機関シリンダーから排出される排気は、ＤＰＦの多孔隔壁を通して下流に流れ、微粒子物質（ＰＭ）が隔壁に捉えられてそこに蓄積される。

有利な点として、酸化機能を有する触媒手段が、ＤＰＦに関連付けられており、ＤＰＦ再生プロセスにおける支援を目的として、過熱酸化反応により、排気温度が意図的に上昇される。触媒手段は、ＤＰＦの前部（上流）に置かれた分離直接酸化触媒（ＤＯＣ）の形態をとることができる。あるいは、酸化触媒材料を、ＤＰＦのセルの壁に塗布してもよい。かかる触媒手段は、当該分野においてよく知られているので、ここでは更なる議論はしない。

通常の方法においては、ディーゼル機関は、ほとんどの時間、図３に示した燃焼モードで動作している。この通常燃焼モードにおいては、噴射パターンは、所望の機関パワーを達成するように意図されており、すなわち、噴射パターン（図３の「通常」で示されたもの）は、圧縮行程上死点（ＣＴＤＣ）近辺の各噴射事象からなる。噴射燃料の燃焼により生成されたエネルギーは、高効率で機関パワーに変換される。

図３は、また、再生事象が必要であると判定されたときに行われる典型的多重噴射パターンを示しており、「再生」で示されている。燃料は、多重噴射段階で噴射されるものであり、遅延側のＣＴＤＣ近辺の点から始まり、そこで２つのパイロット噴射があり、それに引き続いて主噴射と後噴射がある。パイロット及び主噴射は、排気に熱エネルギーを与えつつ、所望の機関パワーを達成するように意図されている。後噴射により、排気内の不燃焼ＨＣの量が増加し、酸化触媒内で熱が発生する。その噴射タイミングに応じて、後噴射は、排気温度を更に高くするためにも使用できる。

周知されているように、機関制御は、従来、機関状態を反映する各種センサーからの信号を受け取り、格納マップを備えて、機関動作条件に応じて適切な制御パラメータを決定する電子制御ユニット（ＥＣＵ）により行われている。好ましくは、ＤＰＦの再生の必要性と適切な噴射パターンの選択の決定も、ＥＣＵにより行われる。

これに関連して、又はそれ自体として知られていることであるが、ＤＰＦの上流側と下流側の間の圧力差を感知する差分圧力センサーが設けられ、ＤＰＦに堆積した堆積ＰＭの量が判定される。この情報はＥＣＵに送られ、再生事象が必要か否かを判定するための基礎として供される。あるいは、再生事象の必要性は、運転者がダッシュボード上のボタンを押すことにより、ＥＣＵに手動で示される。

再生の必要性が判定されるか、要求されたときに行われるような、再生事象のための好適な多重噴射燃焼パターンが、図１を参照して、以下説明される。本発明の再生燃焼パターンは、遅延側のＣＴＤＣ近傍の１つのパイロット噴射と、好ましくは第２のパイロット噴射と、遅れた主噴射と、引き続く後噴射と、を備えている（薄い灰色のパルス）。

当該分野で知られているように、（各）パイロット及び主噴射は、所望の機関パワーを達成する一方で、排気の温度が上昇するように意図されている。後噴射は、排気内の不燃焼ＨＣの量を増加させる役割を果たす。

本発明の再生燃焼モードにおいては、主噴射のタイミング遅れは、主噴射の動作タイミング（すなわち、主噴射が実際に行われるタイミング）が、所望のトルクを与えるための最大限界タイミングとして決定される遅延閾値を超えず、しかし、噴射燃料量が、格納された発煙限界曲線により与えられる最大燃料量を超えないように、制御される。しかして、所望のトルクのために、燃料量は増加させられ、廃熱の比が増加するように遅延主噴射が供され、しかしながら、燃料量、すなわち対応する遅延タイミングは、格納される発煙限界マップにより与えられるような最大燃料量により制限される。

かかる発煙限界マップは、当該分野では知られており、従来からターボ過給ディーゼル機関で使用されている。それらは、発煙を避けるために、特定の機関が異なる条件でＡ／Ｆ比を超えないような調整曲線から成る。

遅延閾値は、高い排気温度を達成するためにとりわけ決定される一方、主噴射タイミング制御は、燃焼の安定性、燃料消費、操縦性、雑音等の他の事柄を考慮に入れるように精錬されたタイミングマップをも採用している。再生燃焼モードの間、１つ以上の主噴射タイミングマップが使用されるような場合には、これらのタイミングが、遅延閾値と比較され、主噴射の選択された動作タイミング（すなわち実際に行われるタイミング）は、遅延閾値よりも遅くならないようにする。
本発明の再生燃焼モードに応じて、遅延主噴射を制限する遅延閾値を算出するための好適な戦略が、図２に示されている。参照符号ＢＴＭは、最適トルク（最低廃熱）を呈する噴射タイミングに対応しており、一方、参照符号ＢＦＭは、最適タイミングＢＴＭで要求トルクを提供するのに必要な噴射燃料量を表している。ＢＴＭは、典型的には、機関速度及び負荷と同様、ＥＧＲレート又は冷却効率にも主として依存する格納値であり、最も効率的な燃焼、すなわち最少廃熱を呈するような値である。ＢＦＭは、所望の駆動トルクに基づいて算出される。

図面から分かるように、本実施形態においては、最適主噴射タイミングは、以下の記述のように決定される値により訂正され、図１の多重噴射再生燃焼パターンにおける遅延主噴射のための最大遅延限界として実際に使用される遅延閾値ＭＴＳを形成する。参照符号ＳＫＬは、発煙を避けるために現在の機関動作条件において超過されるべきでない限界空気対燃料比を示している（格納発煙限界マップから得られる）。ボックス２２０においては、従来において吸気ラインで測定される吸気量ＩＡＭは、空気／燃料比ＳＫＬにより除算され、それにより最大燃料量ＭＦＱが与えられる。次に、２３０において、ＭＦＱに対するＢＦＭの比が算出される。この比は、次にボックス２４０において、１と比較され、それら２つの値のうち最小値が保持される。ボックス２４０の出力は、発煙限界噴射（ＢＴＭが１の効率）のための最低許容効率である。ボックス２４０の出力は、その後、１から減算され、効率から効率欠損（ＢＴＭが０の効率欠損）に変換され、その結果値が、効率欠損曲線を備えるボックス２６０に入れられる。ボックス２６０内の効率欠損曲線が目盛り評定され、ボックス２５０の入力効率欠損比に対応するタイミング遅れが出力される。最後に、主噴射の遅延閾値ＭＴＳが、ボックス２７０において、ＢＴＭと、ボックス２６０の出力値との差として算出される。このように、ボックス２６０の出力値は、上死点に対してではなく、ＢＴＭタイミングに対する相対的遅延値を与えており、一方、ＭＴＳは、主噴射タイミングに対する最終的最大許容遅延である。

最大燃料量ＭＦＱが、最適燃料容量ＢＦＭ以下の場合、ボックス２３０の燃料比は、１より大きく、それにより、ＢＴＭタイミングは変化せず、従ってＭＴＳはＢＴＭに等しい。

しかしながら、任意の動作点において、理想燃料量ＢＦＭが、発煙限界の観点から、最大燃料量よりも少ないと判定された場合、最低許容効率は、１より小さい。つまり、例えば０．９である。かかる場合、ボックス２５０の出力は、０．１であり、相対的遅延値が、最大燃料量ＭＦＱに対応する全燃料量について、テーブル２６０から読み出される。

発煙限界での動作は、トルク要求が一定（又は減少）時には問題ではないが、トルク要求が増加している場合には、もはや更なる燃料の噴射は行えない。従来の方法では、燃料マージンは、発煙限界に対して見出されていたからである。

しかしながら、本方法においては、主噴射のタイミングは、可能な限り最も遅いタイミングとしてうまく決定され、それにより所望のトルクが得られ、発煙限界に応じた燃料量となる。このことは、更なるトルクが要求されると、同一の主噴射タイミングでは燃料量は増加されないが、本発明に従い、主噴射タイミングの遅れ量は、要求トルクを得るべく、可能な最も遅いタイミングに減らされる、ということを意味している。

図１に戻ると、本発明の方法においては、後噴射パルスは、主噴射パルスの調整可能な僅かな一部としてうまく算出され、それにより両タイミングと燃料量は、主噴射パルスに依存することとなることに注目すべきである。後噴射パルスを主パルスの一部として規定する利点というのは、主の量が変化すると、後１が常に最適機関出力温度のために算出される、ということである。図１を参照して、現在の噴射タイミングが、薄いグレーのパルスとして描かれているものと仮定すると、再生中におけるトルクの増加要求の場合には、主噴射タイミングの遅れは、本発明により減らされなければならず、従って主パルスは、矢印で示すように左へ移動し、より早い主パルス（斜線）となる。主パルスに依存することから、対応する後パルスも、より早く実行され、それにより、主と後との間で、同一又は類似の時間間隔が容易に維持できる。

Claims (8)

1. 排気後処理装置を有した内燃機関における燃焼を制御する方法であって、
   前記排気後処理装置の再生事象の要求が検出されると、パイロット噴射及び遅延主噴射からなる再生燃焼モードが行われ、
   前記再生燃焼モードの間、前記主噴射の噴射タイミングは、その遅れが、所望のトルクを呈する最大タイミング遅延として決定される遅延閾値よりも遅くならず、噴射燃料量が、格納発煙限界マップにより与えられる最大燃料量を超えないように制御されることを特徴とする方法。
2. いくつかの環境条件下で、主噴射は、前記遅延閾値のタイミングで行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記再生燃焼モードの間の燃焼制御は、少なくとも１つのタイミングマップと、前記遅延閾値とに基づいて行われ、前記主噴射の動作タイミングは、前記遅延閾値よりも遅くないことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 最大燃料量は、実際の吸気量から決定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記排気後処理装置は、触媒手段を備え、前記再生燃焼モードの噴射パターンは、前記主噴射の後に実行される後噴射を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記後噴射は、シリンダー内、又は排気管内で、効果を奏することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記後噴射に対応する燃料量は、主噴射の燃料量の僅かな一部であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記後噴射のタイミングは、前記主噴射のタイミングに依存することを特徴とする請求項５，６又は７に記載の方法。

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