(57)【要約】  フィルタ（２０）内で発熱反応を起発させて吸着粒子状物質を焼尽させることによってフィルタ（２０）が再生される排気フィルタ再生過程が説明される。適切な再生温度を達成するため、燃料が排気流中に噴射され、触媒コンバータ（１８）と接触して酸化される。制御過程は、エンジンデューティサイクルに依存しないフレキシブルな制御過程を与えるため、排気流温度に依存する燃料噴射の計量を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気流温度を高めるために排気流に燃料が噴射される、触媒処理素子と協働する排気フィルタ再生過程を制御する方法において、前記排気流温度に依存して燃料噴射を計量する工程を有してなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記燃料噴射が、燃料噴射レート、燃料噴射パルス持続時間、燃料噴射量、燃料噴射圧変化及び噴射される燃料のタイプの変化の内の１つを制御することによって計量されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排気流温度が、前記触媒処理素子の流出口における前記排気流の温度を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料噴射が、エンジンからでてくる排気ガスの温度及び前記触媒処理素子の流入口における温度に依存してさらに計量されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記フィルタの吸着粒子状物質量が開始値を超えたときに前記排気流への燃料噴射を開始する工程を含むことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記フィルタの粒子吸着量が所定の判定閾値まで減少したとき、前記触媒処理素子の温度が停止閾値より下がるかまたは前記停止閾値より上がったとき、あるいは再生過程時間が時間閾値を過ぎたときのいずれかに際して停止されることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の方法。
【請求項７】
再生過程履歴を記録する工程及び前記記録された履歴に基づいて前記再生過程を修正する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の方法。
【請求項８】
噴射される燃料を車両の廃熱によって予備加熱する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
排気流内への噴射に先立ち、噴射ヘッドにおいて燃料が圧縮空気と混合されることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
圧縮空気の供給の停止に先立つ所定の時点に前記噴射ヘッドへの燃料の供給が停止されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
排気フィルタ再生過程を起発する方法において、フィルタ圧及び排気質量流の関数としてフィルタ吸着粒子状物質量の値を得る工程及び前記フィルタ吸着粒子状物質量が所定の値を超えたときに再生過程を起発する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記排気フィルタ再生過程の起発時に排気流内への燃料噴射を開始する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
排気フィルタ再生過程を起発する方法において、フィルタ圧ピーク値を測定する工程及び前記測定されたピーク値からフィルタ吸着粒子状物質量が所定の値を超えた時点を識別する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
排気流温度を高めるために排気流に燃料が噴射される、触媒処理素子と協働する、排気フィルタ再生過程を起発する方法において、前記触媒処理素子の温度の値を得る工程及び前記得られた温度値が所定の値を超えたときに前記再生過程を起発する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
フィルタ圧及び排気質量流の関数としてフィルタ吸着粒子状物質量の値を得る工程及び前記フィルタ吸着粒子状物質量値が所定の値を超えたときに前記再生過程を起発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。
【請求項１６】
排気フィルタ再生過程を制御する方法において、排気流温度制御方式を実施する工程、排気流温度の変化及び少なくとも１つの制御パラメータを監視する工程、前記排気流温度の変化と前記制御パラメータの間の相関を得る工程、及び前記得られた相関に基づいて前記温度制御方式を調節する工程を有してなることを特徴とする方法。
【請求項１７】
排気フィルタ再生装置において、排気流コンジットに取り付けられるように構成された燃料インジェクタ及び請求項１から１６いずれか１項記載の方法を実施するために前記燃料インジェクタを制御するためのコントローラを備えることを特徴とする装置。
【請求項１８】
排気フィルタ再生装置において、排気流コンジット及び、前記排気流コンジットに取り付けられ、排気流方向に燃料を噴射するように構成された、燃料インジェクタを備えることを特徴とする装置。
【請求項１９】
前記燃料インジェクタが燃料吸入チャネル及び空気吸入チャネルを有し、前記燃料吸入チャネル及び前記空気吸入チャネルのそれぞれが流出端を有し、前記空気吸入チャネルの前記流出端及び前記燃料吸入チャネルの前記流出端が燃料噴射口において互いに隣接して配されることを特徴とする請求項１８に記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２０】
前記燃料吸入チャネルが燃料ポンプに接続され、前記空気吸入チャネルが圧縮機に接続されることを特徴とする請求項１９に記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２１】
前記燃料ポンプが蠕動ポンプであることを特徴とする請求項２０に記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２２】
前記圧縮機が２〜２００バール（２×１０５〜２×１０７Ｐａ）の圧力範囲で動作するように構成されることを特徴とする請求項２０に記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２３】
前記触媒処理素子の排気ガス流入面の前に電気ヒーターが配置されていることを特徴とする請求項１７から２２いずれか１項記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２４】
前記電気ヒーターが触媒処理素子で形成されることを特徴とする請求項２３に記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２５】
前記燃料インジェクタが車両の燃料槽または燃料配管から直接に燃料を引き込むことを特徴とする請求項１７から２４いずれか１項記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２６】
排気フィルタコンポーネント及び前記排気フィルタコンポーネント内で径方向に延びるセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１７から２５いずれか１項記載の排気フィルタ装置。
【請求項２７】
前記燃料インジェクタに燃料を供給するための燃料コンジットをさらに備え、前記燃料コンジットがいずれかの廃熱によって予備加熱されることを特徴とする請求項１７から２６いずれか１項記載の排気フィルタ再生装置。
【請求項２８】
請求項１７から２７いずれか１項記載の装置を備えることを特徴とするエンジンまたは車両。
【請求項２９】
請求項１から１６いずれか１項記載の方法を実施するように構成された命令セットを有することを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項３０】
請求項２９に記載のコンピュータプログラムの前記命令の下で動作するように構成されていることを特徴とするコンピュータ。
【請求項３１】
請求項１から１６いずれか１項記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とするエンジン制御ユニット。
【請求項３２】
請求項１から１６いずれか１項記載の方法を実施するための命令セットを格納していることを特徴とするコンピュータ読出可能媒体。
【請求項３３】
実質的に、図面を参照して本特許出願明細書に説明されていることを特徴とする方法または装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディーゼルエンジンの排気流に用いるための、排気フィルタ再生過程、方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような排気フィルタは排気システムで生成される、一酸化炭素、炭化水素及びＮＯＸ汚染物質及び粒子状物質の除去に用いられる。
【０００３】
既知のシステムにおいて、煤塵の除去は通常、フィルタの使用によって最も効果的に達成される。ＣＲＴ（連続再生トラップ）などの再生型トラップは、フィルタのハニカム構造体の多孔質壁体内に煤塵粒子を集める、ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）と称されることが多いセラミックまたは炭化ケイ素のフィルタ内に煤塵粒子を保持するという原理にしたがって作用する。フィルタ表面内でのそのような煤塵の蓄積はフィルタの背圧を高め、したがってフィルタの再生が必要になる。
【０００４】
再生は排気温度が、その温度では排気ガス流の成分が煤塵と反応して、発熱反応を生じさせる約６００℃以上に達したときに達成され、この発熱反応により、煤塵が酸化され、燃尽されることからトラップ温度が高まる。触媒が存在すると再生はより低い温度でおこる。
【０００５】
排気ガス及びフィルタの温度は再生プロセスにとって重大であり、技術にともなう様々な問題を生じさせる。例えば、自主再生を可能にする排気ガス温度を達成することができないエンジンデューティサイクルがある。
【０００６】
フィルタの上流の排気ガスと反応してＮＯ２が増えた雰囲気を生成する触媒成分をフィルタの上流に導入することにより再生温度を低めることが知られている。これは再生焼尽プロセスを促進して、再生温度を約３８０℃まで下げることを可能にする。しかし、エンジンデューティサイクルによっては排気流温度が３８０℃の再生目標温度を決してこえず、したがって再生を補助するための別の手法が必要とされる場合がある。
【０００７】
これに対する既知の解決策の１つは非特許文献１に説明され、非特許文献１では、排気ガスが粒子トラップに入る前にトラップ温度を高めるために対流区画及びこれに続く放熱区画を有する加熱モジュールを流過する。あるいは、接近温度を高めて再生を可能にするためにフィルタに補助的な局所加熱を与えるか、または燃料起源触媒に依存することが知られている。補助加熱には、車両搭載電力システムへのより複雑な連結が必要となり、このシステムは追加の負荷を処理するのに十分な大きさにつくられない場合もあるであろうし、費用及び保守の困難さも高めるから、欠点がある。他方で、燃料起源触媒では同じ結果が得られるが、この再生プロセス中につくられる別の放出物に関して懸念が強まっている。
【０００８】
また別の既知の解決策が非特許文献２に説明されている。非特許文献２によれば、排気流内に燃料を噴射して触媒の再生成を可能にすることができる。しかし、燃料噴射レートが高すぎると、燃料が反応せずに触媒コンバータをすり抜けて白煙のような望ましくない放出物がつくられるであろう。
【０００９】
既知のシステムではさらに問題がおこり得る。再生過程が温度に、したがって車両のタイプ及び用法、例えば車両のデューティサイクルに強く依存する。したがって、排気ガスにより、実際にフィルタを確実に再生するための排気ガスの温度プロファイルモデルをつくるためにエンジンのデューティサイクルを理解してからでなければ、煤塵フィルタリングシステムを適用することはできない。これは、例えば、バス用途において、バスは正しい再生温度に達することがわかっている車両専用道路ルート上で蓄積される温度トレンドを有することができるが、バスは続いて排気温度が再生には不十分な市内ルートに割り当てられ得るから、さらに問題が加わる。特に、触媒コンバータにかかる最善の温度はアイドリング期間が後続する高エンジン負荷期間後に達成され得る。そのような条件下においては、排気成分が既に高温であり、燃料の酸化に利用できる酸素がある。しかし、アイドリング期間が長くなり、エンジンが冷却しはじめると、触媒コンバータの前部の温度を維持することはさらに困難である。特に、低デューティサイクル動作のような、エンジンが冷えた条件の下では、燃料を蒸気化するための熱が触媒コンバータの前部からとられる。蒸気化された燃料はさらに触媒コンバータに進入し、そこで酸化される。得られた熱は触媒コンバータの前部に伝導され、さらに燃料を蒸気化するために用いられる。しかし、噴射される燃料が多すぎると、触媒コンバータの前部が急冷されて温度上昇の瓦解に至るから、問題が生じる。
【非特許文献１】ジコリドセ（Zikoridse）等，「新しい再生方式による軽デューティ車両のための粒子トラップ技術（Particulates Trap Technology for Light Duty Vehicles with a New Regeneration Strategy）」，SAE Technical Papers Series No. 2000-01-1921
【非特許文献２】マクギル（McGill）等，Oakridge National Laboratory，「軽デューティディーゼル車に関するＮＯＸ吸収体及び粒子フィルタシステムの有効性の実証（Demonstration of the effectiveness of a NOX absorber and particle filter system on a light-duty diesel vehicle）」，Windsor Workshop 2001 （於カナダ国オンタリオ州ウィンザー）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
車両の排気フィルタにおいて汎用性の高いフィルタ再生制手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は特許請求の範囲に述べられる。
【００１２】
結果として、複数の用法及びデューティサイクルに適用可能な制御方式の実施が本発明により可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態を、例として、図面を参照して説明する。
【００１４】
概略的に、図１を参照すれば、図１は本発明にしたがうシステムを組み込んでいるエンジンの主要コンポーネントをブロック図で示す。吸気マニホールド１０からエンジン１２に空気が供給され、エンジン１２から排気マニホールド１４に排気が供給されることがわかるであろう。排気流は次いで排気コンジット１６ａを通過し、ＣＯ及びＨＣを低減するための触媒コンバータ１８に向かう。ＣＯ及びＨＣが低減された排気流は次いで排気コンジット１６ｂを通過してディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）に向かい、そこで煤塵のような粒子状物質が排気流から除去され、排気流は排気コンジット１６ｃを通過する。
【００１５】
排気マニホールド１４に近接して燃料インジェクタ２２が排気コンジット１６ａに取り付けられる。あるいは、燃料インジェクタ２２を排気マニホールド１４に直接取り付けて、最高排気流温度を活用することができる。燃料インジェクタ２２によって排気流内に計量供給された燃料は触媒コンバータ１８によって酸化され、よって熱を供給する。この熱は以降の酸素との燃焼を可能にするに適切なレベルまでのＤＰＦ２０の温度上昇を補助する。以下でさらに詳細に論じるように、必要なほぼ５５０℃まで、但しさらに好ましくは６５０〜７００℃も温度までのかなりの温度上昇がこの手法によって得られる。この範囲より高い温度には、触媒コンバータを損傷する効果があり得る。
【００１６】
本システムは、以下でさらに詳細に説明するように、燃料インジェクタ２２を制御し、またセンサ２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８及び４０から信号を受け取る、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２４とは独立させることができ、あるいはＥＣＵ２４の一部とすることができる再生コントローラをさらに備える。検知される信号に基づき、ＥＣＵ２４はＤＰＦ２０の所望の再生レベルを得るために燃料インジェクタ２２によって燃料噴射方式を実施する。特に、検知される信号は燃料インジェクタのオンオフの切換え、したがって再生の開始及び停止をいつ行うかを決定するために用いられる。燃料噴射開始は、ＤＰＦの吸着粒子状物質量が所定の吸着粒子状物質量をこえたことが検出され、触媒コンバータ１８における噴射された燃料との触媒反応の開始に適する温度条件が検出されたときに起発される。同様に、吸着粒子状物質量が所定の閾値以下に低下したことが検出されるかまたは再生を支援するには不十分な温度条件が検出されたときに燃料噴射は停止される。吸着粒子状物質量はＤＰＦ２０にかかる圧力降下及びエンジンを通る質量流量及び触媒コンバータ１８において検出される温度の関数として決定される。ＥＣＵ２４は、適切な再生レベルが確実に達成されるようにするために、燃料インジェクタ２２を介して燃料噴射過程も制御する。特に、燃料噴射は、過剰に噴射された燃料から生じる未燃焼燃料が触媒コンバータをすり抜けて白煙の形態の望ましくない放出物を生じることを回避するために、触媒コンバータ１８の温度の関数として制御される。
【００１７】
本手法の結果として、オペレータの関与を全く必要としないオンボードコンポーネントによって完全に制御され、車両のいかなるデューティサイクル動作に対しても達成され得る、再生方法が提供される。特に、本再生方法は、高圧燃料噴射方式により煤塵が焼尽されて触媒コンバータ１８の下流で高められた排気ガス温度を確実に与えるためにシステム動作温度を約５５０℃まで人為的に高めることによって達成される。以下でさらに詳細に説明するように、燃料はエンジンの動作条件に依存して高圧（１００バール（１０７Ｐａ））または低圧（２バール（２×１０５Ｐａ））で噴射することができる。
【００１８】
特定の構成及び方式はさらなる最適化とともに以下で論じられる。
【００１９】
図１をさらに詳細に参照すれば、触媒コンバータ１８は、ＣＯ及びＨＣを９５％までは低減することがわかっている、鉱物薄め塗膜をもつコージェライト金属または炭化ケイ素材料の高白金添加金属触媒を有する。ＤＰＦ２０は、粒子状物質を９５％低減し、目に見える黒煙をほとんど除去することがわかっている炭化ケイ素フィルタである。センサには吸入マニホールド１０に備えられた吸入マニホールド絶対圧力（ＩＭＰＡ）センサ２６及び吸入マニホールド絶対温度（ＩＭＴＡ）センサ２８がある。エンジン１２に、あるいはシリンダポートが開くたびに変動し、したがってエンジン速度を表す、シリンダ吸入マニホールド圧力変化を測定するために吸入マニホールドに、エンジン速度（ＥＳ）センサ３０が備えられる。エンジン排気マニホールド１４に入る排気ガスの温度（Ｔ１）を検知するために温度センサ３１が燃料インジェクタ２２の前に備えられ、別の温度（ＴＣＩ）センサ３２が触媒コンバータの吸入面に備えられる。センサ３４は触媒コンバータ１８の排出面におけるガスの温度（ＴＣＯ）を検知する。センサ３６はＤＰＦ２０への吸気口における圧力を検知し、大気圧（すなわちＤＰＦ排出口の圧力）に対する、ＤＰＦにかかる圧力降下（ＰＤＰＦ）の測定を可能にする。センサ４０はＤＰＦ２０をでるガスの温度（ＴＤＯ）を検知する。センサは温度が検知されるそれぞれのコンポーネントの本体に延び込む細長いプローブを有する。センサは、センサの軸方向位置を正確に決定できるように、コンポーネントに径方向に延び込む。このことは、例えば、コンポーネントのそれぞれの軸方向端における温度を得ることが必要な場合に、重要である。
【００２０】
本構成及び特定のセンサの値が本発明の制御方式の実施に用いられる態様は、図２を参照してさらに深く理解することができる。
【００２１】
ブロック２００において、ＥＣＵはＤＰＦ２０の吸着粒子状物質量Ｆ負荷が所定の閾値を超えているか否かを監視する。Ｆ負荷の値は式１：
【数１】
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【００２２】
から求めることができる。ここでｃは、システムの開発中に設定するかあるいはルックアップテーブルから得ることができる定数である。
【００２３】
式１は、フィルタにかかる圧力降下ＰＤＰＦ、質量流量及び吸着粒子状物質量の間の関係を表す。ＰＤＰＦは炭素がフィルタに吸着されるにつれて、炭素を除去するためにフィルタの再生を行う必要が生じるまで、高くなる。しかし、ＰＤＰＦはフィルタを通るガスの質量流量にも比例するから、排気質量流量に対してＰＤＰＦを規格化する必要がある。
【００２４】
排気質量流量はエンジンストローク毎に取り込まれる空気の量で決定され、これは吸入マニホールドにおける空気の温度（ＩＭＴＡ）及びその絶対圧力（ＩＭＰＡ）並びにエンジン速度（ＥＳ）で決定される。取り込まれる空気の量はＩＭＴＡが高くなるとそれに比例して低下し、ＩＭＰＡ及びＥＳが高くなるとそれに比例して増大するであろう。このことが上式１に表されている。再生を起発するためにＦ負荷がこえなければならない閾値は、フィルタの可能吸着粒子状物質量の総量またはフィルタの可能吸着粒子状物質量の一部を表すことができ、制御ソフトウエアに定数として格納するかあるいは開発または設置中に設定することができる。
【００２５】
Ｆ負荷を監視できる別の態様が可能であることは理解されるであろう。例えば、有意なトレンドを識別するためにＰＤＰＦのピーク値を監視することができる。例えば、ピーク値が概ね増大していけば、これを吸着粒子状物質量閾値に達している結果として識別することができる。そのような認識を可能にする適切な挙動を設定することができる。この場合、エンジンシリンダの排気弁の開閉の結果生じるＰＤＰＦの短期変動は、最大値だけが求められるから、無視することができる。断続する最大値の間で内挿を行うことによって最大値曲線をつくることができる。この結果、エンジン速度を参照せずに吸着粒子状物質量を決定することができる。
【００２６】
ブロック２０２において、ＥＣＵ２４はさらに排気流に噴射された燃料の燃焼がおこるのに適する温度に触媒コンバータ１８があるか否かを判定する。特に、触媒コンバータはほぼ２３０℃以上の高温において燃料の酸化を促進するだけであろうから、システムは吸気温度ＴＣＩ及び排気温度ＴＣＯのいずれもが閾温度をこえていることをチェックする。吸着粒子状物質量及び触媒コンバータ温度のいずれもがそれぞれの閾値を超えていれば、ブロック２０４において、ＥＣＵは燃料噴射過程を開始する。システムは次いで再生プロセスを停止させることになるであろう起発事象を監視する。ブロック２０６において、システムは、上式１で与えられるようなＦ負荷が吸着粒子状物質量の適切な減少を表すより低い閾値以下に落ちるかどうかを監視する。Ｆ負荷が閾値以下に落ちれば、ブロック２０８において、燃料噴射が停止される。システムはさらにブロック２１０において、燃料噴射が起発されないことの結果として噴射燃料の燃焼がもはやおこらないであろうような、触媒コンバータ１８の温度の低下を監視する。特に、システムはＴＣＩ及びＴＣＯを監視して、ブロック２０２における燃料噴射を起発するためと同じ２３０℃閾値とすることがこの場合はできる、より低い温度閾値以下にＴＣＩ及びＴＣＯが下がったか否かを確認する。下がれば、ブロック２１２において同じく燃料噴射が停止される。燃料噴射停止の結果として、必要な温度上昇は達成され得ない。燃料噴射後に触媒コンバータが高温になってしまえば、ＴＣＩが下がったとしても所要のＴＣＯを維持することが可能であり、よって望ましくは単にＴＣＯを監視してＴＣＯが閾値以下に下がったか否かを確認するだけでよいことに注意されたい。あるいは、触媒コンバータ内の温度経過の正確な反映を与える、触媒コンバータにわたる温度差に依存して燃料噴射過程が変わり得ることがわかるであろう。
【００２７】
触媒コンバータの温度低下は様々な理由で、例えば車両のデューティサイクルのために、おこり得る。特定の例の１つは、車両のエンジン負荷が低下した場合の排気温度の低下であろう。さらに、触媒コンバータ温度が損傷閾値を超えたときを識別するために温度ＴＣＯを監視することができる。
【００２８】
代替手法として、（以下でさらに詳細に論じるように）システムが燃料噴射によって達成しようとするＴＣＯ設定温度からのＴＣＯの、例えば１０秒より長い時間にわたる３０℃より大きい、偏差が生じた場合に再生を停止することができる。
【００２９】
ブロック２１４において、システムはさらに、タイムアウト条件が成立したか否かを確認するための監視を行う。したがって、ブロック２０４における再生プロセスの開始時にタイマーが始動され、タイマーが閾値、例えば５分をこえると、ブロック２１６において燃料噴射が同じく停止される。
【００３０】
システムはさらに、ブロック２１８において、ＤＰＦ２０の温度ＴＤＯを監視して、ＴＤＯが自己維持閾値を超えているか否かを確認する。再生が起発されると、ＤＰＦの温度の急激な上昇が起発され、そのような高いＴＤＯは再生が開始されていて燃料噴射を停止できることを示す。再生は自己維持発熱反応であるから、以降の燃料噴射は必要ではないが、再生を維持するのに必要な燃料噴射レベル、例えば再生を開始するのに必要なレベルよりは低いが排気流温度を所望のレベルに維持するのには十分なレベルの導入が望ましいことであろう。
【００３１】
システムはさらに、ブロック２２２において、ＤＰＦ２０の温度ＴＤＯを監視して、ＴＤＯが安全動作閾値、例えば１０００℃をこえているか否かを確認する。ＴＤＯがこの動作閾値を超えていれば、燃料噴射及び／または再生が停止され、ブロック２２４において警告状態が示される。
【００３２】
ブロック２０４における燃料噴射過程は、最適な効率及び放出物低減を達成するように制御されることが好ましいことは理解されるであろう。特に、加えられる燃料が多すぎると、燃料が酸化されずに触媒コンバータ１８をただ通過して白煙を生じること及び、触媒コンバータへの冷却効果も有し、その温度を下げることがわかっている。例えば、２３０℃の開始温度において加えられるべき燃料は少量に過ぎないが、温度が上昇するにつれて高燃料噴射レートが許容され得る。表１及び図３を参照すれば、適切な制御方式をさらに見ることができる。
【表１】
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【００３３】
ブロック３００において、燃料噴射過程の開始にあたり、ＴＣＯ設定温度が測定値（２３０℃に達する）として設定される。表１に対応するルックアップテーブルから、上記ＴＣＯ設定温度に対応するランプレートを１℃/秒と求めることができる。この結果、燃料噴射はこのレートでのＴＣＯ上昇を与えるように制御される。これは、例えば燃料噴射の量または頻度を変えることによって、行うことができる。インジェクタが２０ミリ秒毎に短時間オンに切り換えられる場合、インジェクタがオンのままでいる時間は排気に入る燃料の所要量を満たすように変えることができる。この時間は、例えばシステムの開発時に決定された別のルックアップテーブルから決定することができ、あるいは、結果として燃料噴射の計量供給が所望の値に温度レートを収束させるように迅速に調整されることになろうＰＩＤ（比例／積分／微分）制御アルゴリズムのようなフィードバック手法を用いて決定することができる。エンジン速度及び負荷が高い状況に対しては燃料噴射量を減少させ、よって望ましくない燃料通過を防止することができる。したがって、表１の数値はエンジン速度及び／または負荷によって別の値に変わり得る。
【００３４】
システムはＴＣＯを測定し続け、ブロック３０２において、測定されたＴＣＯが次の設定温度（表１からまず第１に２７０℃）に達したか否かを確認する。達していれば、ブロック３０４においてＴＣＯ設定温度が次の設定温度（すなわち２７０℃）に設定され、それに応じて設定温度ランプレートが決定される。図示される例において、設定温度ランプレートは２℃/秒に高められ、それに応じて燃料噴射過程はこれを達成するように計量される。この結果、ランプレートは初めは緩やかであるが、触媒コンバータ温度が上がり、より多くの燃料が酸化されるようになるにつれて、高くなる。ブロック３０２において、システムは燃料噴射がランプレートにしたがって計量されている時間が、表１に示されているような、また次の設定温度に達するにかかると推定される時間または若干それより長い時間に設定される、各設定温度値に対して個別に決定することができるタイムアウト時間をこえないことを保証するためのチェックも行う。タイムアウト時間をこえれば、所望の温度ランプレート増大が再生を開始するために持続され得ないので、再生は打ち切られる。
【００３５】
その温度で再生が起発されるべき上限温度レベル、例えば５５０℃にＴＣＯが達するまで上記プロセスが反復される。オーバーシュートが回避され、未燃焼燃料による白煙発生のリスクが確実に低減されるようにするために、ＴＣＯが上限に近づくにつれて設定温度ランプレートが再び下げられていることが見られるであろう。ＴＣＯ設定温度が５５０℃に達すると、設定温度値を超えないように、燃料噴射が打ちきられる。これは、再生が自己維持発熱反応としておこっている状況において適切であろう。しかし再生が自己維持型ではなく、したがって５５０℃設定温度を維持するために、すなわち０℃/秒ランプレートで燃料を噴射する必要があるであろう状況がおこり得る。この場合も、燃料噴射レートはエンジン速度及び負荷及び温度ＴＣＯのいずれによっても規定される。高温度値に対するタイムアウト時間が、同じく燃料の過剰噴射を避け、個々のステップのそれぞれについての最大許容時間の総和を燃料噴射過程に対する最大時間に制限するために、かなり短縮されていることがわかるであろう。
【００３６】
この結果、開始されると、触媒コンバータ１８にかけて迅速な温度上昇が達成されて再生成功の確率を高めるように燃料が噴射される。白煙として現れる望ましくない燃料放出を生じる、燃料の触媒コンバータすり抜けの可能性は、燃料が高すぎるレートで確実に噴射されないようにすることによって回避され、これは温度上昇（したがって燃料噴射）のレートと触媒コンバータ温度の間の関係を求めることによって達成される。上で論じたように、ランプレートを決定するためにさらにパラメータが導入され得ることは理解されるであろう。例えば、エンジン速度を高めると高速では触媒コンバータ内での燃料持続時間が短縮されるから燃料噴射レートを下げることが必要となり得る。触媒コンバータ温度は燃料噴射レートの最適化を可能にするためにコンバータの長さに沿って１つより多くの点で測定することもできる。
【００３７】
既知の最大噴射レートに基づく、別の燃料噴射レート方式を実施することができる。燃料すり抜けが生じないように、あるいは最高温度をこえないように、燃料噴射レートが設定される。燃料噴射の最大レートは下式２：
【数２】
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【００３８】
によって与えられる。ＦＲは、ミリリットル/秒を単位とする、特定のエンジン動作条件における最終燃料噴射レートである。ＦＲＥＳは測定されたエンジン速度に関する燃料噴射レートである。ＦＲＴ１はエンジン排気マニホールド温度に関する燃料噴射レートである。ＦＲＴＣＩはＴＣＩに関する燃料噴射レートである。ＦＲＴＣＯはＴＣＯに関する燃料噴射レートである。
【００３９】
したがって、噴射される燃料の最終量は、エンジン排気マニホールドにおける動作温度、触媒コンバータにわたる温度及びエンジン速度に依存する。最終燃料噴射レートは触媒コンバータ温度が最高動作温度に近づくと徐々に下げられる。この結果、エンジンが使用されているときにエンジン状態が急速に変化している間であっても、所望の制御された温度上昇レートが得られる。
【００４０】
これらのパラメータのそれぞれに関する燃料噴射レートは車両のタイプ及び車両の用途に適するようにＥＣＵ２４に入れられたルックアップテーブルから決定される。ルックアップテーブルの例は以下の通りであり、ここでテーブルのそれぞれのパラメータは、車両のタイプ及び用途、エンジンの大きさまたはその他のいずれかの適切なパラメータに依存して求められる。
【表２】
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【００４１】
上式２から、表２のパラメータの内の１つまたはそれより多くがゼロの場合に最終燃料噴射レートがゼロになることが理解されるであろう。これによりシステムフェールセーフが与えられ、条件が再生に最適ではないときには燃料が全く噴射されない。
【００４２】
表２からわかるように、最大燃料噴射レートは一般に、エンジンが激しく作動しており、エンジンコア温度が高いが、次いでエンジンがアイドリング状態に入る場合に最高になるように設計される。アイドリング時には排気の酸素含有量が大きく、より多くの量の燃料の燃焼が可能になる。触媒コンバータの前部及び後部の温度ＴＣＩ及びＴＣＯのいずれもが最適温度であるときに、最大燃料噴射プロファイルはピークを迎え、触媒コンバータ温度が高すぎると触媒コンバータの損傷を防止するために燃料噴射量が低減される。さらに、上で論じたように、燃料噴射はフィルタ背圧Ｆ負荷が閾値より高いときに限り可能になる。このＦ負荷パラメータは２進値１または０の積項として式２に入れることができ、よってさらなるフェールセーフ機構が与えられる。
【００４３】
高圧、例えばゲージ圧１００バール（１０７Ｐａ）の燃料噴射が、排気マニホールド及び排気流内での噴射された燃料の最も有効な分散及び霧化を生じさせるから、有効であることがわかっている。５０ヘルツの噴射反復レートにより、適切な度合いの制御が可能になる。一般的状況において排気ガスの酸素含有量は再生を可能にするのに十分であるが、必要であれば触媒において、十分な酸素が確実に存在するようにするために追加の工程がとられ得ることはもちろんである。
【００４４】
あるいは、図５ａの側断面図及び図５ｂの端面図に示される、インジェクタヘッド２２の吸気口７０に、一般に２バール（２×１０５Ｐａ）の圧力で、空気を送り込むために圧縮機（図示せず）が用いられる。インジェクタヘッドはセンサ３２と触媒コンバータの吸入面の間でコンジット１６ａの排気ガス流内に径方向に取り付けられ、コンジット内の排気ガス流方向に揃えられて、排気ガス流方向と同じ方向で、軸方向に燃料を導く。燃料は、例えばRietschle Thomas UK Ltdによって供給されるタイプの蠕動ポンプ（図示せず）または出気開口５４に隣接する出燃料点５２に定ミリリットル/分での計量供給をオンデマンドで可能にするいずれかの適切なポンプによって、計量供給される。蠕動ポンプは、燃料噴射レートが微細に制御され得るように、ステップ分解能が高いステップモーターによって駆動される。
【００４５】
動作において、圧縮空気は吸気口７０を通ってインジェクタヘッド２２に入り、燃料は燃料吸入口７２を通ってインジェクタヘッドに入る。空気及び燃料はそれぞれの出口５４，５２に別々の通路７４，７６を通って進む。空気及び燃料は出口点の結合部で混合する。好ましい実施形態において、燃料流の終結後も、残燃料の全てが確実に消費されるようにするため、空気流は短時間、例えば５秒間維持される。そのような構成により、出気開口を通る空気流によって生じる高速の乱気流によって燃料が効果的に霧化及び分散され、同時に触媒コンバータへの燃料のミリリットル配送が可能になる。さらに、空気は燃料を推進するのではなく燃料を分散させる手段としてしか作用しない。相当する低圧動作により、圧縮空気に引き込まれてコンジット内で混合された燃料が、例えば、コンバータを通して高速で噴射されず、よって、もちろんかなりの危害をもたらすであろう高温のＴＰＦに燃料が当たるということはない。さらに、既存の燃料配管または既存の燃料槽から燃料を直接噴射することができ、補助貯留槽は必要ではない。
【００４６】
車両の動作及び再生過程の履歴を維持することによって本システムの動作がさらに改善され得ることが理解されるであろう。これは、例えば、様々な態様で制御方式を改善するために用いられ得る。例えば、再生効率が、妥当な起発点を適宜に調整し得るように、より高いかまたは低い触媒コンバータ温度において高くなることを見ることができる。あるいは、より高いかまたは低いＤＰＦ圧力降下が、燃料噴射過程を適宜に修正し得るように、再生の完了または開始に対応することを見ることができる。さらにまた、表１及び表２を参照して上で論じた特定の燃料噴射レート方式は、例えば、設定温度ステップ値、所望の燃焼レートまたは燃料噴射量を調節することによって調節することができる。さらに、本システムは、所望のランプレートがより迅速に達成され得るように、燃料噴射レベル、触媒コンバータ温度及び温度上昇の間の関係を識別することができる。さらにまた、格納された動作履歴からさらなる情報を得ることができる。例えば、１つまたはそれより多くの特定のデューティサイクルが頻繁に適用されると、本システムはこれらのデューティサイクルの内の１つが入力されていることを車両の動作環境から認識し、適宜に制御方式を調節することができる。例えば、あるデューティサイクルがかなりの排気温度上昇をともなえば、燃料噴射過程を弱めることができる。
【００４７】
さらに全般的には、ランプレートが、温度設定点と、上限設定点と加減設定点の中間の温度中間点との差とは逆に変化することを見ることができる。したがって、例えば、上限温度設定点と下限温度設定点の間の正確な中心にとらないことができる「中間点」を選択し、適切な定数を導入することにより、さらに複雑なランプレート過程を得ることができる。これは、記録された再生過程履歴データに基づいてサイクル毎に調節することができる。あるいは、同じく動的に調節することができる、より複雑なルックアップテーブルを与えることができる。
【００４８】
他の図と同様の参照数字は同様の部品を指す図４を参照すれば、本構成へのさらなる改善が示される。特に、燃料インジェクタ２２に向かう燃料配管４００が放熱器またはエンジンルームから再循環される熱水を有する領域を覆うかまたは通過するチャンバ部を備えることが見られるであろう。この結果燃料インジェクタ２２への燃料が廃熱を用いて予備加熱され、したがって高温がさらに容易に達成される。
【００４９】
別の改善が図６に示され、図６では触媒コンバータ１８の前面６２の直前に電気ヒーター６０が配置されている。ヒーター６０から触媒コンバータ１８への主たる伝熱手段は輻射である。これは、排気ガスのかなりの温度上昇を得るには大量の電力が必要であるから、排気ガスを用いて対流により熱を伝達するより効率が高い。
【００５０】
これはヒーター６０の表面を触媒化することでさらに強化される。比較的低電力（５００Ｗ）のヒーターで排気温度よりかなり高く温度を上げることができる。したがって、ヒーター表面上の触媒材料をエンジンがアイドリング中であっても活性な温度にすることが可能である。この熱は次いで触媒コンバータ１８の前部に与えられ、したがって主たる温度上昇を達成する。温度センサ６４がヒーターに隣接して追加配置され、ヒーターへの電力の制御及び／または、式２にしたがう、噴射される燃料量の制御を可能にし、よって過剰加熱による触媒被覆の損傷を防止するために用いられる。
【００５１】
本発明を実施するために用いられる様々な素子及びコンポーネントは当業者にはよく知られており、ここでの詳細な議論は必要ではない。例えば、いずれか適切な圧力センサ、温度センサ及びエンジン速度センサを適用でき、いずれか適切な燃料インジェクタを排気マニホールドに後付けできる。本システムは、上で論じたような制御手法及びアルゴリズムをソフトウエアまたはハードウエアで実装した、新規設計の、または既存のエンジン制御ユニットによって制御することができる。制御アルゴリズムは、Ａ／Ｄコンバータへの適切なアナログ入力によりマイクロコントローラ及びデジタルロジックを用いて実施される。車両の動作履歴が維持される場合、動作履歴はいずれか適切な形態でＥＣＵのメモリまたはどこか他に格納することができる。
【００５２】
上述した構成の結果、導入される車両のタイプまたはデューティサイクルにかかわらず有効でフレキシブルな排気フィルタ再生過程制御を実施することができ、放出物を最小まで低減しながら、迅速で高効率な再生が可能になる。さらに、再生は、所定の期間中ではなく、必要なときに、オンデマンドで実施される。
【００５３】
いずれか適切なエンジンまたは燃料タイプに本発明を適用でき、排気流のいずれか適切な部分に燃料噴射を行い得ることは理解されるであろう。上述したような手法はいずれか適切な温度依存排気処理過程またはその他の燃料噴射に依存する温度上昇機構に合せることができる。燃料噴射は、燃料噴射タイミング、燃料噴射レートまたは燃料噴射パルス持続時間、燃料噴射圧変化または燃料タイプ変化を調節することによって計量することができる。さらに、エンジン動作の検知される適切なパラメータ及び排気流成分を用い、いずれか適切なセンサ及びインジェクタを用いて、制御を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明にしたがう排気フィルタ再生過程を実施するエンジンを示す簡略なブロック図である
【図２】再生過程制御方式において実施される工程を示す流れ図である
【図３】実施される工程を示す流れ図である
【図４】再生過程の強化へのさらに改善された手法を示す簡略なブロック図である
【図５ａ】本発明のインジェクタヘッドの図である
【図５ｂ】本発明のインジェクタヘッドの図である
【図６】触媒電気加熱素子の略図である
【符号の説明】
【００５５】
１０    吸気マニホールド
１２    エンジン
１４    排気マニホールド
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ    排気コンジット
１８    触媒コンバータ
２０    ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）
２２    燃料インジェクタ
２４    エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８，４０    センサ
３１    温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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