JP4404531B2 - コモンレール式噴射システムを用いた直接噴射ディーゼルエンジンのための微粒子フィルターの再生開始の方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コモンレール式噴射システムを用いた直接噴射ディーゼルエンジンのための微粒子フィルターの再生開始の方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
多くの国で知られているように、内燃機関の排ガスの組成に関して、大気汚染を抑制する規制がますます厳しくなってきている。
【0003】
特にディーゼルエンジンの場合、一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)によるよりも、窒素酸化物(NOx)や排ガス中の微粒子による主要な問題が提起されている。
【0004】
大気中に放出された排ガスの微粒子の量を最少化するための多数の方法が提案されてきている。微粒子フィルターを有する排気パイプを取付けることが、ディーゼルエンジンの微粒子放出の問題に対する最終的な解決策としてエンジン技術において疑いもなく長い間認知されてきた。
【0005】
微粒子トラップ(煤煙捕集器又はベアトラップ)としても知られているディーゼル微粒子フィルター(DPF)は、一般に、互い違いの多孔性隔壁を有する多数の平行チャンネルを備える。
【0006】
具体的には、該隔壁は、排ガスを、該チャンネルの側壁を通して流すため、微粒子を構成する燃焼していない粒子は、まず、該側壁の孔内に保持され、そしてついに該穴が詰まった場合には、該粒子は蓄積してチャンネル隔壁の内側表面上に多孔性層を形成する。
【0007】
微粒子がチャンネル壁部内側表面上に蓄積するにつれて、フィルターを介した圧力低下及び該フィルターによって生成された背圧は増加する。
【0008】
従って、蓄積した微粒子が除去されない場合、過剰な微粒子の蓄積は以下のことを生じる。
【0009】
・エンジンがエンストするまで、性能の低下、乗り心地及びエンジンの消耗を生じ、かつ
・自己焼成の場合フィルター自体の破壊、及び制御されていない微粒子の燃焼を生じる。すなわち、特に駆動状態においては、微粒子の大量の蓄積は、不安定な再生現象を生じさせ、急激な制御されていない微粒子の燃焼及びフィルターのセラミック基盤の加熱も生じ、そのためフィルター自体に対する損傷を生じる。
【0010】
そのため捕捉された微粒子は、エンジン技術において、排ガス中において酸素と接触してCO及びCO2に変換される蓄積した微粒子(実質的に炭素C)を燃焼させることを意味する、微粒子フィルターを「再生」することによって定期的に除去しなければならない。
【0011】
しかし、この反応は、通常のエンジン運転状態におけるフィルターの入口における温度よりもかなり高い、約600℃以上の温度で自然と(例えば添加剤を用いることなく)発生する。
【0012】
従って、ある状態において、例えばフィルター内で所定の微粒子の蓄積を検知した時、フィルターの入口における排ガスの温度を、微粒子の燃焼を開始するために600℃まで人為的に上げなければならない。
【0013】
微粒子フィルターの再生は、自動車産業におけるこの種のフィルターの使用によって引き起こされる主要な問題である。
【0014】
微粒子の燃焼を開始するためにフィルターの入口における排ガスの温度を人為的に上げる多数の方法が提案され、かつ実際に実装されてきている。
【0015】
これらは主に2つのタイプに分けられ、第1のタイプは、約100〜約150℃に再生開始温度を低くする触媒として作用する燃料添加剤の使用をベースとするものであり、第2のタイプは、燃料添加剤を含まないものである。
【0016】
微粒子の燃焼を開始する、添加剤をベースとした方法は、
・触媒と、単一の密閉容器に一体化された微粒子フィルターとを備える排気システムと、
・一般に、エンジンの排気容量の2倍に等しい、大容量の微粒子フィルターと、
・再生開始温度を100〜150℃に減少させる(セリウムをベースとした)燃料添加剤と、
・非常に複雑な車載用自動添加剤供給及び調節システムと、
・通常のエンジン運転状態において不可能な要求温度のために、フィルターの入口における温度を上げるためのエンジン制御方法とを要する。このタイプの装置は実際に、中間負荷エンジン運転状態において正しく運転するのに対して、(例えば、市内運転における)長時間低負荷運転および/または(冬の)低すぎる温度の場合、排ガスは、しばしば開始温度に達しない。
【0017】
添加剤をベースとした微粒子燃焼開始方法は、フィルターによって生成される低背圧を用いて約450〜約500℃で微粒子フィルターの再生を開始することを実現できるが、該方法は、利点を十分に使うことができない重大な欠点を有する。すなわち、
・該方法は、特に、自動添加剤供給及び調節システムに関して複雑であり、
・徐々に増えていく粉塵の堆積をフィルター内に留めておく燃料中の添加剤のために、大容量の微粒子フィルターを設けなければならず、
・大容量の微粒子フィルターにもかかわらず、粉塵は、約80,000kmごとに除去しなければならず、セリウムは、実際に、フィルターの内側に微粒子と共に蓄積し、かつ再生によって除去できない大量の粉塵を生じ、その結果、フィルターの背圧は、走行マイル数と共に徐々に増加し、そのためフィルターは、蓄積した粉塵を除去するために定期的に取り外して清掃しなければならなず、
・自動添加剤供給及び調節システム、及び大容量微粒子フィルターは共に高コストである。
【0018】
上記の欠点のために、現在は、非添加剤をベースとした微粒子燃焼開始方法が、多くの自動車製造者にとって好ましい。
【0019】
捕捉した微粒子の燃焼を開始する温度までフィルターを加熱するために定期的に起動される加熱要素に、微粒子フィルターを取付けることを含む添加剤によることなく、微粒子フィルター内の排ガス温度を人為的に上昇させるための一つの解決法が提案され、実施されている。
【0020】
しかし、最近では、微粒子フィルターの入口における排ガスの温度がエンジン制御法によって上昇するという解決法が提案されている。
【0021】
微粒子フィルターの入口における温度を上昇させるために共通して用いられる方法は、
・燃焼を遅らせる主噴射に影響を及ぼすことと、
・後噴射と、あるいは、
・(例えば、過給を減らすかまたは吸気を抑えることによって)吸気を減らすこととを含む。
【0022】
遅延した主噴射をベースとする方法は、燃焼が不安定になり、不点火、白/青煙及び運転問題、特に徐々に減衰していく現象を引き起こすあるポイントまで遅延可能な主噴射によって制限される。低エンジン回転数及び低負荷状態においては、特に、この方法ではフィルターの入口において高温を達成することができない。
【0023】
一方、本出願人によって提出された欧州特許第WO96/03571号においては、微粒子フィルターの入口における排ガスの温度が、主噴射に加えて、膨張行程において後噴射を行うことによって上昇される方法が提案されている。
【0024】
主噴射に対する後噴射のタイミング及び噴射される燃料の量は、膨張行程における燃料燃焼が、排ガスの温度を、微粒子フィルターの再生を開始するのに十分なように上昇させるように決定される。
【0025】
本出願人によって提出された欧州特許第WO96/03572号においては、微粒子フィルターの入口における排ガスの温度が、主噴射に加えて、排気行程において後噴射を行うことによって上昇される方法が提案されている。
【0026】
具体的には、微粒子フィルターは、一般に、DeNOx触媒と共に単一の密閉容器内に、該微粒子フィルターから上流に組み込まれているので、排気行程において主に行われる後噴射は、燃焼上の効果がない、あるいはわずかしかなく、燃焼されないで触媒に直接供給される噴射燃料という結果を生じる。
【0027】
従って、触媒内に導入された燃焼していない炭化水素は、触媒の出口、すなわち微粒子フィルターの入口における排ガスの温度を上昇させる発熱を伴う酸化反応を開始する。
【0028】
添加剤をベースとした方法とは違って、非添加剤をベースとした微粒子燃焼開始方法は、
・エンジンの排気容量とほぼ同じ容量、例えば、添加剤をベースとした微粒子燃焼開始方法で要する容量の半分の微粒子フィルターと、
・添加剤をベースとした微粒子燃焼開始方法で要するのと同じ構成、例えば、触媒と、単一の密閉容器内に組み込まれた微粒子フィルターとを備える構成を有するか、あるいは、触媒の酸化要素及び開始温度低下金属(Ce+Pt)(触媒作用が及ぼされた煤煙フィルター)上に配置される一つのフィルターを備える排気システムとを要し、
・燃料添加剤と、
・車載用自動添加剤供給及び調節システムとを要さず、
・微粒子フィルターの入口における温度を上昇させるエンジン制御方法を要する。
【0029】
触媒と、単一の密閉容器に組み込まれた微粒子フィルターとを備える排気システムを用いて、再生は約600℃で開始され、該微粒子フィルターは低背圧を発生し、一方、触媒の酸化成分及び開始温度低減金属が配置される一つのフィルターを備える排気システムを用いて、再生は約450℃で開始されるが、微粒子フィルターは高背圧を発生し、再生効率は、セシウム微粒子の接触により悪くなり、かつずれて、例えば、再生開始温度の上昇を招く。
【0030】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の方法の欠点をなくすように設計された、例えば、燃料添加剤を要しない、全てのエンジン運転状態において、微粒子フィルターの入口における600℃を越える排ガス温度を保障し、再生中に安定した燃焼を実現でき、「徐々に減衰していく」現象及び不点火により生じる排気における白/青煙を伴わない良好な運転状態を確保する、改善された、微粒子フィルターの再生開始方法を提供することである。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、請求項1に記載の、コモンレール式噴射システムを有するディーゼルエンジンのための再生フィルタの再生開始方法が提供される。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な非限定的な実施形態を、実施例によって、添付図面を参照して説明する。
【0033】
図1の符号1は、多数のシリンダー2と、ドライブシャフト3と、電子制御式アクチュエータ(圧力調整器)5を有する可変ジオメトリーターボスーパーチャージャー4と、コモンレール式噴射システム6と、燃焼ガス排気システム7と、排ガス再循環(EGR)システム8と、噴射を制御し、噴射システム内の漏れ診断のための電子装置9とを備える過給直接噴射ディーゼルエンジンを示す。
【0034】
噴射システム6は、実質的に、定比電子スロットルバルブ11に取付けられた吸気マニホールド10と、高圧燃料をエンジン1のシリンダー2に供給する、それぞれエンジン1の各シリンダー2のための多数のインジェクタ12と、それぞれシリンダー2のための、多数の予熱プラグ13と、高圧燃料をインジェクタ12へ送給する高圧送給回路14と、低圧燃料を高圧燃料送給回路14へ送給する低圧燃料送給回路15とを備える。
【0035】
低圧送給回路15は、燃料タンク16と、例えば、タンク16内に沈められた電子式の(図では簡単のためタンク16の外部に示している)送給ポンプ17と、送給ポンプ17を高圧送給回路14の高圧ポンプ19に接続する低圧送給ライン18と、送給ポンプ17と高圧ポンプ19との間で、低圧ライン16に沿って配置された燃料フィルター20とを備える。
【0036】
高圧送給回路14は、高圧ポンプ19に加えて、高圧送給ライン22によって高圧ポンプ19に接続され、かつ各高圧送給導管23によってインジェクタ12に接続され、さらに各再循環導管24によって、燃料の一部をタンク16へ戻すためにタンク16に接続され、インジェクタ12を作動させるために公知の方法で用いられるドレーンライン25にも接続された公知のコモンレール21を備える。
【0037】
ドレーンライン25はまた、再循環導管26によって高圧ポンプ19にも接続され、さらに各再循環導管27及び各超過圧力バルブ28によってそれぞれ送給ポンプ17及び燃料フィルター20に接続されている。
【0038】
高圧ポンプ19は、低圧送給ライン18と再循環導管26との間に圧力差が存在する場合に、高圧ポンプ19のポンプ要素(図示せず)を送給するオンオフ又は締め切りバルブ29(概略的に示す)を備える。
【0039】
高圧送給回路14はまた、詳細には記載しない公知の方法で、高圧ポンプ19によって供給される燃料の圧力、すなわちコモンレール21内の燃料圧力及び噴射圧力を調整するために、高圧ポンプ19によりコモンレール21へ供給される燃料の一部をタンク16へ戻す、再循環導管31によって高圧送給ライン22とドレーンライン25との間に接続された圧力調整器30を備える。
【0040】
高圧送給回路14はまた、再循環導管33によって一方がコモンレール21に、他方がドレーンライン25に接続され、コモンレール21内の燃料が所定の最大圧力を越えるのを防ぐ過圧防止安全装置32を備える。
【0041】
排気システム7は、それに沿ってターボスーパーチャージャー4と、DeNOx前触媒35と、実際のDeNOx触媒36と、微粒子フィルター37とが直列に配置されている燃焼ガス排気マニホールド34を備え、触媒36と微粒子フィルター37とは単一の密閉容器38内に組み込まれている。
【0042】
別法として、触媒36及び微粒子フィルター37の機能は、触媒作用を及ぼす煤煙フィルター(図示せず)として知られる一つの部品によって実行されても良い。
【0043】
微粒子燃焼温度を低下させる化学的要素は、触媒36と分離されているか又は触媒36と一体化されているかにかかわらず、微粒子フィルター37に付加することができる。
【0044】
排気再循環システム8は、燃焼温度及び窒素酸化物(NOx)の形成を減少させるために、エンジン1の排気マニホールド34内の排ガスの一部を吸気マニホールド10に戻すものであり、排気マニホールド34を、ターボスーパーチャージャー4から上流の地点において、かつスロットルバルブ11から下流の地点において、吸気マニホールド10への接続点において排ガス再循環導管39に沿って配置された調整又はいわゆるEGRバルブ40によって、吸気マニホールド10に接続する排ガス再循環導管39によって概略的に示されている。
【0045】
電子制御システム9は、吸気マニホールド10に沿ってスロットルバルブ11の上流に配置され、吸気マニホールド10内のエアフローを示すエアフロー信号を生成するエアフローメータ41と、それぞれ触媒36の入口及び微粒子フィルター37の出口に接続された第1及び第2の入力と、微粒子フィルター37内に蓄積された微粒子の量を示す、微粒子フィルター37の入口及び出口間の圧力低下を示す圧力信号を供給する出力とを有する差圧センサ42と、微粒子フィルター37の出口に配置され、微粒子フィルター37の出口における排ガス温度を示す第1の温度信号を供給する第1の温度センサ43と、微粒子フィルター37の入口に配置され、微粒子フィルター37の入口における排ガス温度を示す第2の温度信号を供給する第2の温度センサ44とを備える。
【0046】
別法として、第2の温度センサ44は、触媒36の入口に接続されても良い。
【0047】
電子制御システム9はまた、EGRバルブ40の下流に吸気マニホールド10に沿って配置され、EGRバルブ40から下流の吸気マニホールド内のエア圧力、すなわちエンジン1のブーストプレッシャを示す第1の圧力信号を生成する第1の圧力センサ45と、コモンレール21上に配置され、コモンレール21内の燃料圧力、すなわち燃料噴射圧力を示す第2の圧力信号を生成する第2の圧力センサ46と、ドライブシャフト3に取付けられた公知のパルスホイール48を備える、ドライブシャフト角速度及び位置測定装置47と、パルスホイール48と対向し、パルスホイール48の角速度及び位置、すなわちドライブシャフト3の角速度及び位置を示す位置及び速度信号を生成する電磁センサ49と、例えば温度センサ43、44、圧力センサ45、46、エアフローメータ41及びドライブシャフト角速度及び位置測定装置47に接続され、インジェクタ12、予熱プラグ13、スロットルバルブ11、EGRバルブ40、ターボスーパーチャージャー4の圧力調整器5、圧力調整器30及び送給ポンプ17に駆動信号を供給する、エンジン制御ユニットによって定義される電子制御システム(ECU)50とを備える。
【0048】
本発明は、本願出願による徹底的な研究の結果、各エンジンサイクル及び各エンジンシリンダーにおける連続的な複数噴射によって微粒子フィルターの再生開始の進歩の可能性に結びついた。
【0049】
具体的には、本出願人により2000年3月3日に提出され、その内容が本願明細書に全て含まれると考えられる欧州特許第出願EP1035314号は、最大6連続の複数噴射から成る噴射方法について記載しており、本発明は、本出願人の研究による結果、微粒子フィルターの再生を開始するためにこのような複数の噴射を利用するという可能性に結びついた。
【0050】
本発明の理解を容易にするために、上記の欧州特許出願に記載された発明の主な特徴のいくつかの概要を示すが、これは、6重噴射のタイミング及び可能な組合わせ、エンジン性能に関する効果、各噴射において噴射された燃料の量、及び噴射方法、例えば、速度、トルク及び運転状態、例えばエンジンの温度によって定義される、エンジンの運転点の関数として可能な噴射の回数及びタイプに関する詳細のために読者が参照する。
【0051】
図2は、各エンジンサイクル及び各エンジンシリンダーにおいて、コモンレール式噴射システム6によって連続的に行われる6重噴射を示す。
【0052】
具体的には、この6重噴射は、MAIN1及びMAIN2で示す、2つの近接した間隔の主噴射と、PILOT及びPREで示す、主噴射に先立つ2つの予噴射と、AFTER及びPOSTで示す、主噴射に続く2つの後噴射から成る。
【0053】
より具体的には、
・2つの主噴射MAIN1及びMAIN2は、圧縮上死点の近辺、例えば、圧縮行程の終点と膨張行程の間のエンジン角で行われる。
【0054】
・予噴射PREは、実際の燃料燃焼において、主噴射と関係するように、主噴射MAIN1、MAIN2に十分近接して行われる一方、予噴射PILOTは、主噴射MAIN1、MAIN2からかなり離れており、圧縮行程において行われる。
【0055】
・後噴射AFTERは、実際の燃料燃焼において、主噴射及び第1の予噴射PREと関係するように、主噴射MAIN1、MAIN2に十分近接して行われる一方、後噴射POSTは、主噴射MAIN1、MAIN2からかなり離れており、排気行程又は膨張行程の終点においてにおいて行われる。
【0056】
具体的には、第1の主噴射MAIN1は、100から4000μs持続し、圧縮上死点の30°前から10°後のエンジン角で始まり、主に、エンジン回転数、負荷及び冷却水温度の関数である。
【0057】
第2の主噴射MAIN2は、100から2000μs持続し、第1の主噴射MAIN1の後に、以下のタイミング特徴と共に行われる。
【0058】
・圧縮上死点の30°前から10°後の範囲のエンジン角で始まる。
【0059】
・第1の主噴射MAIN1が終了した後の少なくとも80μsに始まる。
【0060】
第1の後噴射AFTERは、100〜1000μs持続し、第2の主噴射MAIN2の後に、以下のタイミング特徴と共に行われる。
【0061】
・圧縮上死点の0°(例えば、圧縮上死点)から100°後の範囲のエンジン角で始まる。
【0062】
・第2の主噴射MAIN2が終了した後の少なくとも80μsに始まる。
【0063】
第2の後噴射POSTは、100〜500μs持続し、第1の後噴射AFTERの後に、以下のタイミング特徴と共に行われる。
【0064】
・圧縮上死点の20°前から210°後の範囲、又は圧縮上死点後の270°および360°の間のエンジン角で始まる。
【0065】
・第1の後噴射AFTERが終了した後の少なくとも280μsに始まる。
【0066】
第1の予噴射PILOTは、100から1000μs持続し、第2の予噴射PREの後に、以下のタイミング特徴と共に行われる。
【0067】
・圧縮上死点の60°前と0°(例えば、圧縮上死点)の間の範囲のエンジン角で始まる。
【0068】
・第2の予噴射PREが始まる前の少なくとも280μsに終了する。
【0069】
第2の予噴射PREは、100〜1000μs持続し、第1の予噴射PILOTの後で、第1の主噴射MAIN1の前に、以下のタイミング特徴と共に行われる。
【0070】
・圧縮上死点の60°前と0°(例えば、圧縮上死点)の間の範囲のエンジン角で始まる。
【0071】
・第1の主噴射MAIN1が始まる前の少なくとも80μsに終了する。
【0072】
上述の噴射タイミングは制御ユニット50に記憶され、該制御ユニットは、上記多重噴射を行うために、まず、第1の主噴射MAIN1の始動及び終了エンジン角の値を、エンジンの速度と、負荷及び冷却水温度の関数として計算した後、記憶したタイミングを用いて、他の噴射の各々の始動及び終了エンジン角の値を決定する。
【0073】
上述の噴射の各々は、特定の目的のためのエンジン運転に関する特定の効果に対応する。
【0074】
すなわち、
・従来の単一の主噴射とは対照的に、2つの主噴射MAIN2、MAIN2を行うことは、燃焼によって生じるピーク温度を低くし、それにより燃焼中に生成される窒素酸化物NOxの量を減少させる。
【0075】
・上述したように実際の燃焼と関係する後噴射AFTERは、シリンダー内の排ガスの後酸化を生じて、燃焼中に生成される微粒子の量を減少させる。
【0076】
・後噴射POSTは、排気行程において一定量の燃料を噴射し、該燃料は、実際の燃焼が終わっているので燃焼されず、かつ変化しない排気に達し、触媒36の効率を活性化及び改善する、排気における炭化水素HCを増加させる。
【0077】
・上述したように実際の燃焼と関係する予噴射PREは、着火遅れ、例えば、主噴射MAIN1におけるシリンダ内への燃料噴射と、シリンダ内における実際の燃焼の始動との間の時間の経過を減少させ、着火遅れを少なくしてエンジンの燃焼ノイズを低減する。
【0078】
・予噴射PILOTは、圧縮行程の終点におけるシリンダ内の圧力を増加させ、エンジン始動時間を減少させ、エンジン暖気運転ノイズ及び煙のレベルを低減し、低速時のエンジントルクを増加させる。
【0079】
各エンジンサイクル及び各エンジンシリンダー内において、上述のタイミングでの上述の6つ全ての噴射、あるいはそれらのうちの一部の何れかを、噴射方法の目標によって実行することができる。
【0080】
6つ全ての噴射が行われない場合、実行された噴射が始動されるエンジン角の値に関連するタイミング条件は上述と同じであるのに対して、先行する噴射に対する遅れ又は進みに関連する実行された噴射のタイミング条件は以下の通りである。
【0081】
・第2の予噴射PREがない場合、上述した第1の予噴射PILOTの進みは、第1の主噴射MAIN1を参照するためにとられ、例えば、第1の後噴射AFTERは、第1の主噴射MAIN1が終了する前の少なくとも280μに始まり、第1の後噴射AFTERに対する第2の後噴射POSTの遅れは、上述と同じである。
【0082】
・第2の主噴射MAIN2がない場合、上述の第1の後噴射AFTERの遅れは、第1の主噴射MAIN1を参照するためにとられ、例えば、第1の後噴射AFTERは、第1の主噴射MAIN1が終了した後の少なくとも80μsに始まり、第1の後噴射AFTERに関する第2の後噴射POSTの遅れは、上述と同様である。
【0083】
・第1の後噴射AFTERがない場合、上述の第2の後噴射POSTの遅れは、第2の主噴射MAIN2を参照するためにとられ、例えば、第2の後噴射POSTは、第2の主噴射MAIN2が終了した後の少なくとも80μsに始まる。
【0084】
・第2の主噴射MAIN2及び第1の後噴射AFTERがない場合、上述の第2の後噴射POSTの遅れは、第1の主噴射MAIN1を参照するためにとられ、例えば、第2の後噴射POSTは、第1の主噴射MAIN1が終了した後の少なくとも280μsに始まる。
【0085】
上述したように、実行される噴射の各群のために、各多重噴射において噴射される燃料の量は調節することができ、異なる噴射方法を、エンジンの運転点の関数として行うことができる。詳細については、読者は上述の欧州特許出願を参照されたい。
【0086】
本出願人による、各エンジンサイクル及び各エンジンシリンダーにおける連続多重噴射による微粒子フィルターの再生開始に関する徹底的な研究により、エンジンの各運転点に対する、特定の燃焼の識別及びそれにより微粒子フィルターの再生が開始される、上述の多重噴射のタイミングがもたらされた。
【0087】
本出願による研究はまた、このような多重噴射の組合せの効果及び微粒子フィルターに関するタイミングが、他のエンジンおよび/または吸気エアフロー、噴射圧力、再循環される排ガスの量等のガス噴射システム量に作用させることによりどのように改善することができるかということを示している。
【0088】
簡単に言えば、本出願人によって決定される再生方法は、微粒子フィルターの入口における排ガス温度を上昇させるための以下の工程を備える。
【0089】
・微粒子フィルターの非再生状態のタイミングに対して、燃焼プロセスに関係し、(微粒子フィルターの再生に関して、第2の主噴射MAIN2及び第1の後噴射AFTERが選択肢として考えられる)排ガス温度を上昇させることによって遅延し安定した燃焼を実現できる、PILOT、PRE、MAIN1及びAFTERのうちの3つ又は4つの適切に遅延された噴射を行う工程。
【0090】
・触媒36にHCを供給し、結果として生じる発熱を伴う反応を利用して触媒36の出口、すなわち微粒子フィルター37の入口における排ガス温度をさらに増加させるための後噴射を行う工程であって、温度センサ44が取付けられた場合、この噴射が、微粒子フィルター37の入口における排ガス温度、あるいは温度センサ44が取付けられた場合、触媒36の入口における排ガス温度の関数として、および/または触媒作用を及ぼす煤煙フィルターが使用された場合、微粒子フィルターの出口における排ガス温度の関数としても行われる工程。
【0091】
・スロットルバルブ11によって吸気を絞ることによりエアフローを減少させ、および/またはターボスーパーチャージャー4の閉ループ制御アクチュエータ5によってブーストプレッシャを減少させる工程。
【0092】
・燃料噴射圧力を減少させる工程。
【0093】
・EGRバルブ40によって再循環排ガスの量を調節する工程。
【0094】
・予熱プラグ13を起動するまたは起動しない工程。
【0095】
このようにして、および特に多重噴射を行うことにより、600℃(微粒子燃焼開始しきい値)を越える高温の排ガス温度を、エンジンの各運転状態において微粒子フィルター37の入口において達成することができ、十分に機能を果たさない運転状態及び青煙を生ずる不点火を伴わずに、微粒子フィルター37を再生する。
【0096】
本発明の第1の態様によれば、再生方法は、以下に述べる可能な状態においてのみ行われる。特に、
・所定量の蓄積微粒子が、微粒子フィルター37を介した圧力低下および/または微粒子フィルター37自体の温度に基づいて決定される場合に行われ、このような方法が、単に燃費に基づいて行われ、あるいは情報種目に基づいて、あるいは変化する期間に基づいて行われる。
【0097】
・再生方法は、冷却流体が所定のしきい値(40℃〜60℃、温度制御エンジン)を越えた場合にのみ行われる。
【0098】
・再生方法は、微粒子フィルター37の入口における排ガス温度が所定のしきい値を越える(温度がどのくらいの間所定のしきい値より上にあるかを時計が計時する)固定された期間の間行われる。該温度がしきい値よりも低い場合、上記期間は無効であると考えられるが、再生方法は可能なままである。具体的には、可能時間は、1〜60分の範囲で、温度のしきい値は400から650℃の範囲であれば良い。換言すれば、微粒子フィルター37の入口における(または触媒作用を及ぼす煤煙フィルターの場合は出口における)排ガス温度は、設定された期間の全体にわたって該しきい値以上であることが保障されなければならない。
【0099】
本発明の別の態様によれば、エンジン回転数及びサイクル当たりの噴射された燃料の量で定義される、異なるエンジン運転状態に対して、異なる再生方法が行われる。
【0100】
具体的には、エンジン回転数対正味平均有効圧(BMEP)のエンジングラフにおいて、異なる方法が行われる、異なるエンジン運転状態に対応して種々の領域が認められる。
【0101】
種々のエンジン運転状態とは、
・全負荷:800〜5000rpmのエンジン回転数で、最大負荷の90〜100%のエンジン負荷;
・通常運転:1000〜5000rpmのエンジン回転数で、最大負荷の5〜90%のエンジン負荷;
・アイドリング:800〜1000rpmのエンジン回転数で、最大負荷の0〜5%のエンジン負荷;
・カットオフ:1000〜5000rpmのエンジン回転数で、最大負荷の0〜5%のエンジン負荷である。
【0102】
通常運転状態は、さらに以下のものに分けることができる。
【0103】
・都市交通状態:3000rpm未満のエンジン回転数で、最大負荷の30%以下のエンジン負荷;
・一般道路状態:3000rpm未満のエンジン回転数で、最大負荷の30%以下のエンジン負荷、あるいは、3000以上のエンジン回転数で最大負荷の5〜90%のエンジン負荷。
【0104】
以下は、上記のエンジン運転状態において行われる再生方法の説明である。
【0105】
1.アイドリング
このエンジン運転状態においては、燃焼に関係する、PILOT、PRE、MAIN1、AFTER及びPOSTの5つの噴射が行われる。
【0106】
具体的には、POST噴射は、触媒36の温度が、生成されたHCを酸化させるのに十分高い(200℃以上)場合、圧縮上死点後の約180°又は315°で行われる。そうでない場合、POST噴射は、エンジン排気バルブが今なお十分閉まっている場合、圧縮上死点後の例えば120°で行われる。
【0107】
POST噴射において噴射される燃料の量は、以下のように触媒36の出口における排ガス温度の関数として比例的に調節される。
【0108】
・200℃まで0%;
・200から400℃まで比例的に0〜100%;
・400℃以上で100%。
【0109】
PILOT噴射は、微粒子フィルター非再生状態におけるタイミングに対しておよそ15°遅延されるため、PRE噴射は、それによって噴射された燃料が実質的に圧縮上死点で燃焼するようなタイミングで行うことができる。
【0110】
これらのPILOT及びPREの2つの噴射は、微粒子フィルター非再生状態におけるタイミングに対して、MAIN1噴射を35°まで遅延する。
【0111】
その結果、AFTER噴射は、圧縮上死点後の80°ほどで行われる。
【0112】
噴射の進みは、噴射された燃料の酸化を完全に確実にするように選択され、各噴射は、正確に燃焼して安定な燃焼を達成する次の噴射に対して、燃焼チャンバにおける最良の可能な状態を形成しなければならない。
【0113】
噴射圧力は、燃焼を延長するために、微粒子フィルター非再生状態に対して減少される。
【0114】
アイドリング状態においては、エンジンへの新鮮な吸気も抑えられ、吸気における酸素の割合を減少させることを避けるために、排ガスは再循環されず、エンジン予熱プラグが、エンジン負荷を上昇させるために起動される。
【0115】
2.通常運転
上述したように、これは、さらに、都市交通及び一般道路運転状態に分けることができる。
【0116】
2.1 都市交通
都市交通状態(3000rpm未満のエンジン回転数で、最大負荷の30%以下のエンジン負荷)では、PILOT、PRE、MAIN1、AFTER及びPOSTの5つの噴射が行われる。
【0117】
PILOT噴射は、微粒子フィルター非再生状態のタイミングに対して、概して2°から15°まで遅延されるため、PRE噴射において噴射された燃料は、圧縮上死点後の約10°から15°で燃焼され、圧縮上死点に対して15°から35°までMAIN1噴射を遅らせる状態を形成する。
【0118】
都市交通状態においては、AFTER噴射の進みは、圧縮上死点に対して、およそ45°から75°遅らせることができ、一方、POST噴射は、膨張下死点(例えば、排気バルブが全開している場合)に近接して、あるいは、油希釈溶液を削減するために、圧縮上死点後のおよそ315°から360°で行われる。
【0119】
噴射圧力は、噴射される燃料の所定量に対する噴射を延長するために、50〜200バールまで低減され、燃焼を延長させ、高温の排ガスを得る。
【0120】
この状態においては、予熱プラグが起動され、新鮮な吸気が抑えられる(該予熱プラグは、エンジン運転点、例えばエンジン回転数及び負荷の関数として作動される)。
【0121】
3000rpmで、PILOT噴射は、MAIN1噴射がパワー状態において正しく燃焼することができるようにする全負荷エンジン状態まで維持されことを認識すべきである。
【0122】
2.2 一般道路
エンジン回転数が3000以下で、エンジン負荷が最大負荷の30〜90%の場合の一般道路状態においては、PILOT、MAIN1、AFTER及びPOST噴射が行われ、エンジン回転数が3000以上で、エンジン負荷が最大負荷の5〜90%の場合には、MAIN1、AFTER及びPOST噴射が行われる。
【0123】
実行された場合、PILOT噴射は、微粒子フィルター非再生状態に対して遅延されない。
【0124】
しかし、MAIN1噴射は、微粒子フィルター非再生状態におけるタイミングに対して約5°から15°遅延され、AFTER噴射の進みは、圧縮上死点位置に対して35°から50°遅延される。
【0125】
POST噴射は、圧縮上死点位置後の180°又は315°において行われる。
【0126】
これらの状態において、排ガスは、エンジンによって生成された窒素酸化物を減らすために、及びエンジン吸気温度を上昇させるために、再循環される。
【0127】
噴射圧力は微粒子フィルター非再生状態におけるのと同じであり、あるいは、噴射された燃料の蒸発を改善してHC生成物を削減するために、わずかに(20〜50バール)増加される。
【0128】
都市交通及び一般道路の両状態においては、POST噴射における噴射燃料の量は、上述したように、触媒36の出口における排ガス温度の関数として比例的に調節される。
【0129】
3.全負荷
全負荷状態は、所定のエンジン回転数における最大トルクの90〜100%のエンジン運転点である。この場合、エンジンの性能は、PILOT、MAIN及びPOST噴射が約3000rpm未満のエンジン回転数で行われ、エンジン回転数が約3000rpm以上の場合にはMAIN1及びPOST噴射が行われるように保障されなければならない。
【0130】
エンジン性能を保つために、PILOT及びMAIN1噴射の進みは、通常の微粒子フィルター非再生状態におけるのと同じである。
【0131】
同じ理由で、エンジン負荷が増加するにつれて、微粒子フィルター非再生状態に対する上記進みにおける遅れは減らされなければならず、結局、全負荷時にゼロに達する。
【0132】
POST噴射は、微粒子フィルター37の入口における温度を微粒子燃料開始しきい値に上昇させるのに要するHCを生成するために、圧縮上死点後の約180°又は315°で行われる。
【0133】
POST噴射において噴射される燃料の量は、上述したように、触媒36の出口における排ガス温度の関数として比例的に調節される。
【0134】
噴射圧力は、パワー曲線におけるのと同じである。
【0135】
4.カットオフ
カットオフエンジン状態においては、延長カットオフとショートカットオフとの間に区別が、例えば、ギアをシフトするときに、なされる。
【0136】
4.1 延長カットオフ
延長カットオフ状態においては、エンジンへの新鮮な吸気が、触媒を冷やすのを避けるために絞られ、排ガスは再循環されず、触媒36内での発熱を伴うHC酸化反応を利用するために、POST噴射が圧縮上死点後の180°又は315°で行われる。
【0137】
POST噴射において噴射される燃料の量は、上述したように、触媒36の出口における排ガス温度の関数として比例的に調節される。
【0138】
4.2 ショートカットオフ
ショートカットオフ状態においては、例えばギアをシフトするときには、微粒子方法は採用されない。
【0139】
本発明の利点は、上記の説明により明らかになったであろう。
【0140】
特に、燃料添加剤を要しない状態で、本発明は、微粒子フィルター37の入口における600℃以上の排ガス温度を保障するので、全てのエンジン運転状態、特に、都市交通及びアイドリング時のような低負荷、低エンジン回転数状態において、微粒子フィルター37の再生を開始し、また徐々に減衰する現象を伴わずに、あるいは不点火によって生じる排ガスにおける白/青煙を伴わずに、良好な自動車運転状態を保障するための再生中の安定した燃焼を実現できる。
【0141】
微粒子の燃焼の問題を解決するのに加えて、本発明は、2005年欧州排出ガス規制に適合したガス排出の削減を、燃費及び全負荷性能によって非常に低コストで実現できる。
【0142】
本出願人よるテストでは、実際に、10分間の微粒子フィルター37の再生で燃費が200%増加し、500kmごとに微粒子フィルター37を再生すると、平均で1.2%以上の燃費の増加が見られた。
【0143】
明らかに、特許請求の範囲に定義した本発明の範囲を逸脱することなく、本願明細書に記載及び図示した方法に対して種々の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】エンジンと、関連する吸気、噴射、排気及び排ガス再循環システムの概略図を示す。
【図2】公知のコモンレール式噴射システムによって各エンジンサイクル及び各エンジンシリンダーにおいて連続的に行われる6重噴射を示す。
【符号の説明】
1…エンジン,2…シリンダー,6…コモンレール式噴射システム,7…燃焼ガス排気システム,8…燃料燃焼排ガス再循環システム,10…吸気システム,11…吸気調節手段,13…予熱プラグ,35…触媒作用手段,37…微粒子フィルター。
Claims (31)
- コモンレール式噴射システム(6)を用いたディーゼルエンジン(1)のための微粒子フィルター(37)の再生開始の方法であって、前記コモンレール式噴射システム(6)が、各エンジンサイクルで及びエンジン(1)の各シリンダ(2)内において、次の噴射、即ち、主噴射(MAIN1)、前記主噴射(MAIN1)に先行し、かつ圧縮行程中に実行される第1の予噴射(PILOT)、前記主噴射(MAIN1)に先行し、かつ前記第1の予噴射の後に続く第2の予噴射(PRE)、前記主噴射(MAIN1)の後に続く第1の後噴射(MAIN2、AFTER)及び前記第1の後噴射(MAIN2、AFTER)の後に続き、かつ排気行程中に実行される第2の後噴射(POST)のうちの一つ又はそれ以上の実行を含む燃料噴射方法を可能にし、前記第2の予噴射(PRE)及び第1の後噴射(MAIN2、AFTER)が、実際の燃料燃焼段階において、前記主噴射と関係するように前記主噴射に十分接近して実行される再生開始方法であって、前記方法が、
各エンジンサイクルで及びエンジン(1)の各シリンダ(2)内において、前記第1及び第2の予噴射(PILOT、PRE)、前記主噴射(MAIN1)、及び前記第1及び第2の後噴射(MAIN2、AFTER、POST)のうちの一つ又はそれ以上が実行され、かつ実行された噴射のうちの一つ又はそれ以上のタイミングが、エンジン速度と負荷の関数として、微粒子フィルター非再生状態における前記噴射のタイミングに対して変化する点と、
前記微粒子フィルターの再生を開始するために実行される噴射の数及びタイプが、エンジン運転状態の関数として変化する点と、
前記微粒子フィルターの再生を開始するために実行される噴射のタイミングの変化が、エンジン負荷の増加と並行して減少し、最終的に全負荷状態においてゼロになる点と、
前記微粒子フィルターの再生を開始するために前記第2の後噴射(POST)において噴射される燃料の量が、排ガス温度の関数として調節される点と、
を特徴とする方法。 - 前記微粒子フィルターの再生を開始するために前記第2の後噴射(POST)において噴射される燃料の量が、排ガス温度に比例して調節される点を特徴とする請求項1記載の方法。
- アイドリングエンジン運転状態において、前記微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、前記第1及び第2の予噴射(PILOT、PRE)、前記主噴射(MAIN1)、及び前記第1及び第2の後噴射(MAIN2、AFTER、POST)を実行することから成る点を特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 触媒作用手段(35)を備える燃焼ガス排気システム(7)を有するエンジン(1)の場合、アイドリングエンジン運転状態において、前記触媒作用手段(35)の温度が、該触媒作用手段内で炭化水素を酸化するのに十分高いときに、前記第2の後噴射(POST)が、圧縮上死点位置後の約180°又は約315°で、あるいは逆に圧縮上死点位置後の約120°で実行される点を特徴とする請求項3記載の方法。
- 前記アイドリングエンジン運転状態において、前記第1の予噴射(PILOT)のタイミングが、微粒子フィルター非再生状態における前記第1の予噴射(PILOT)のタイミングに対して約15°遅れている点を特徴とする請求項3または4記載の方法。
- 前記アイドリングエンジン運転状態において、前記第2の予噴射(PRE)が、それによって噴射された燃料が圧縮上死点位置で燃焼するようにタイミングが設定されている点を特徴とする請求項3〜5のいずれか1記載の方法。
- 前記アイドリングエンジン運転状態において、前記主噴射(MAIN1)のタイミングが、微粒子フィルター非再生状態における主噴射(MAIN1)のタイミングに対して35°まで遅らせることができる点を特徴とする請求項3〜6のいずれか1記載の方法。
- 前記アイドリングエンジン運転状態において、前記第1の後噴射(MAIN2、AFTER)が、圧縮上死点位置後の80°まで実行される点を特徴とする請求項3〜7のいずれか1記載の方法。
- 都市交通におけるエンジン運転状態において、微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、前記第1及び第2の予噴射(PILOT、PRE)、前記主噴射(MAIN1)、及び前記第1及び第2の後噴射(MAIN2、AFTER、POST)を実行することから成る点を特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記都市交通におけるエンジン運転状態において、前記第1の予噴射(PILOT)のタイミングが、微粒子フィルター非再生状態における前記第1の予噴射(PILOT)のタイミングに対して平均して2°〜15°遅れている点を特徴とする請求項9記載の方法。
- 前記都市交通におけるエンジン運転状態において、前記第2の予噴射(PRE)が、それによって噴射された燃料が圧縮上死点位置後の10°〜15°で燃焼するようにタイミングが設定されている点を特徴とする請求項9または10記載の方法。
- 前記都市交通におけるエンジン運転状態において、前記主噴射(MAIN1)のタイミングが、圧縮上死点位置に対して約15°〜約35°まで遅らせることができる点を特徴とする請求項9〜11のいずれか1記載の方法。
- 前記都市交通におけるエンジン運転状態において、前記第1の後噴射(MAIN2、AFTER)が、圧縮上死点位置の後に約45°〜約75°で実行される点を特徴とする請求項9〜12のいずれか1記載の方法。
- 前記都市交通におけるエンジン運転状態において、前記第2の後噴射(POST)が、膨張下死点位置の付近で、あるいは圧縮上死点位置後の約315°〜約360°で実行される点を特徴とする請求項9〜13のいずれか1記載の方法。
- 一般道路におけるエンジン運転状態において、微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、少なくとも前記主噴射(MAIN1)、及び前記第1及び第2の後噴射(MAIN2、AFTER、POST)を実行することから成る点を特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記一般道路におけるエンジン運転状態において、微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、前記第1の予噴射(PILOT)を、第1の所定のしきい値以下のエンジン回転数で実行することから成る点を特徴とする請求項15記載の方法。
- 前記一般道路におけるエンジン運転状態において、前記主噴射(MAIN1)のタイミングが、微粒子フィルター非再生状態における主噴射(MAIN1)のタイミングに対して約5°〜約15°遅れている点を特徴とする請求項15または16記載の方法。
- 前記一般道路におけるエンジン運転状態において、前記第1の後噴射(MAIN2、AFTER)が、圧縮上死点位置後の約35°〜約50°で実行される点を特徴とする請求項15〜17のいずれか1記載の方法。
- 前記一般道路におけるエンジン運転状態において、前記第2の後噴射(POST)が、圧縮上死点位置の後に約180°〜約315°で実行される点を特徴とする請求項15〜18のいずれか1記載の方法。
- 全負荷におけるエンジン運転状態において、微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、少なくとも前記主噴射(MAIN1)及び前記第2の後噴射(POST)を実行することから成る点を特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記全負荷におけるエンジン運転状態において、微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、前記第1の予噴射(PILOT)を、第2の所定のしきい値以下のエンジン回転数で実行される点を特徴とする請求項20記載の方法。
- 前記全負荷におけるエンジン運転状態において、前記第1の予噴射(PILOT)及び前記主噴射(MAIN1)のタイミングが、微粒子フィルター非再生状態におけるタイミングと同じである点を特徴とする請求項20または21記載の方法。
- 前記全負荷におけるエンジン運転状態において、前記第2の後噴射(POST)が、圧縮上死点位置後の約180°〜約315°で実行される点を特徴とする請求項20〜22のいずれか1記載の方法。
- 延長カットオフにおけるエンジン運転状態において、微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、前記第2の後噴射(POST)のみを実行することから成る点を特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記延長カットオフにおけるエンジン運転状態において、前記第2の後噴射(POST)が、圧縮上死点位置後の約180°〜約315°で実行される点を特徴とする請求項24記載の方法。
- 吸気調節手段(11)と、燃料燃焼排ガス再循環システム(8)と、予熱プラグ(13)とを有する吸気システム(10)を備えるエンジン(1)の場合、以下の(i)〜(iv)の工程の1つまたは複数を更に含む請求項1〜25のいずれか1記載の方法。
(i)吸気を絞る工程
(ii)燃料噴射圧力を減少させる工程
(iii)再循環される排ガスの量を変化させる工程
(iv)前記予熱プラグ(13)を作動/非作動にする工程 - 前記吸気を絞る工程が、前記吸気調節手段を制御することから成る点を特徴とする請求項26記載の方法。
- 過給手段を備えるエンジンの場合、前記吸気を絞る工程が、エンジンのブーストプレッシャを減少させることから成る点を特徴とする請求項26記載の方法。
- 微粒子フィルター再生可能状態の存在を決定すること、および、微粒子フィルターの再生を開始するための前記燃料噴射方法を、前記再生可能状態を決定するときに実行すること、を更に備える請求項1記載の方法。
- 前記微粒子フィルターの再生を開始するための前記燃料噴射方法が、以下の(i)〜(iv)のうちの少なくとも1つに基づいて実行される点を特徴とする請求項29記載の方法。
(i)微粒子フィルター(37)を介した圧力低下および/または微粒子フィルター(37)の温度の測定から生じる情報が、所定量の微粒子の蓄積を示す
(ii)燃費
(iii)変動する期間
(iv)エンジン冷却流体の温度が所定のしきい値を越える - 微粒子フィルターの再生を開始するための燃料噴射方法が、微粒子フィルター(37)の吸気口における排ガス温度が所定のしきい値を越える時間と等しい、一定の持続期間から成る点を特徴とする請求項29または30記載の方法。
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