(57)【要約】  排気を制御するために排気システムの過渡的な流れ中に供給されるべき燃料を制御する方法である。排気システムに関する動作条件と、最適な結果を達成できる燃料供給量に基づく排気システムの数学的モデルが使用できる。この最適な結果によれば、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの温度を、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタを損傷する温度を超えない、再生に適した温度まで上昇させることができる。
2007505266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気システムにおける排気の過渡的な流れの中に燃料を注入する方法であって、
前記排気システム中の検査領域を選択し、
前記検査領域に対する過渡的なエネルギー均衡方程式から得られるモデルを使用して、前記排気中に供給されるべき燃料の供給量を決定することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記検査領域は、触媒コンバータを含み、前記触媒コンバータはディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置され、前記燃料は前記触媒コンバータの上流に供給され、供給される前記燃料の供給量は、前記触媒コンバータの下流の端での温度を得るように選択され、前記温度は、前記ディーゼルエンジンの前記煤塵フィルタがオーバーヒートせず、前記ディーゼルエンジンの前記煤塵フィルタの再生を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排気システムは、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置される触媒コンバータと、前記触媒コンバータの上流に配置される燃料供給ノズルとを含み、前記検査領域は、前記燃料供給ノズルの上流で始まり前記触媒コンバータの下流の端で終えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記排気システムの圧力、温度および質量流量の各データを得ることを含み、前記データを、前記モデルとともに用いて注入されるべき前記燃料の供給量を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記排気システムは、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に位置する触媒コンバータと、前記触媒コンバータの上流に位置する燃料噴射器とを含み、温度と圧力データが前記燃料噴射器の上流と前記触媒コンバータの下流で検出され、前記温度と圧力データが前記モデルとともに用いられて、前記触媒コンバータの下流の端での温度が、目標温度範囲内に到達する燃料噴射供給量を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記モデルは、前記燃料の蒸発効率を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記モデルは、前記触媒コンバータの燃料転換効率を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記モデルは、前記触媒コンバータの熱的エネルギー格納率を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記モデルは、前記検査領域を通しての質量流量を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
排気導管と、
前記排気導管に燃料を注入するための燃料噴射ノズルと、
空気を前記燃料噴射ノズルに供給するための空気流路と、
燃料を前記燃料噴射ノズルに供給するための燃料流路と、
排気導管内に注入されるべき燃料の供給量に決定する制御手段と、
を備えることを特徴とする排気システム。
【請求項１１】
さらに、前記燃料噴射ノズルに達する前に空気と燃料とを混合する予備混合領域を含むことを特徴とする請求項１０に記載の排気システム。
【請求項１２】
空気と燃料は、前記燃料噴射ノズルで混合されることを特徴とする請求項１０に記載の排気システム。
【請求項１３】
さらに、触媒コンバータと、排気導管の中に配置されるディーゼルエンジンの煤塵フィルタと、前記ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置される触媒コンバータと前記触媒コンバータの上流に配置される前記燃料噴射ノズルと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
【請求項１４】
前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンの煤塵フィルタが再生する適当な温度に達するように、前記燃料噴射ノズルから前記排気導管内に注入される燃料噴射の度合いを制御することを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１５】
前記燃料噴射ノズルは、低濃度NOx触媒の上流に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の排気システム。
【請求項１６】
前記燃料噴射ノズルは、NOx吸収装置の上流に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はディーゼルエンジンの排気システムに関連する。より詳細には、本発明はディーゼル排出物を制御するためのシステムと方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンを装備した車両は、排気の流れ中から粒子状物質を取り除くための煤塵フィルタを備えるため、所定の排気システムを通常含む。使用にあたり、煤または他の炭素ベースの粒子状物質がディーゼルエンジンの煤塵フィルタ上に蓄積する。粒子状物質がディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上に蓄積するに従って、フィルタの制限が増加し、 排気システムでの望ましくない背圧の蓄積を引き起こす。この高い背圧はエンジン効率を減少させる。したがって、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタに過度に負荷が加わることを防ぐために、フィルタ上に蓄積する煤塵を焼き尽くすことによって(即ち、酸化)、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタを定期的に再生する必要がある。ディーゼルエンジンの煤塵フィルタによって捕捉される粒子状物質は、主に炭素と炭化水素であるのでその化学的エネルギーはかなり高い。一旦発火すると粒子状物質は燃焼して、比較的に大きいカロリーを放出する。
【０００３】
ディーゼルエンジンの煤塵フィルタを再生するためのシステムが提案されている。あるシステムによれば、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置された燃料燃焼式バーナーを使用して再生を行っている（米国特許第4,167,852号を参照のこと）。また、他のシステムでは、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタを再生するために電熱器を使用している（米国特許第4,270, 936号; 4,276, 066号; 4,319, 896号; 4,851, 015号; そして英国公開特許第2,134,407号を参照のこと)。また、離調の技術も使用されており、選択されたタイミングで排ガスの温度を上げることでディーゼルエンジンの煤塵フィルタを再生している(米国特許第4,211, 075号および第3,499, 260号を参照のこと)。また、自己再生システムも提案されている。自己再生システムは、フィルタで捕捉される粒子状物質の発火温度を下げるためにディーゼルエンジンの煤塵フィルタの基板に触媒を使用している。この自己再生システムの事例は、米国特許第4,902, 487号に開示されている。
【０００４】
粒子状物質を取り除くための煤塵フィルタに加えて、排気システムに 一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)および窒素酸化物(NOx)などの望ましくない物質の放出を取り除く構造物を装備することができる。触媒コンバータは、COとHCを除去するために通常使用される。NOxは、低濃度NOx触媒、選択性接触還元(以下、SCRとも呼ぶ)触媒および低濃度NOx捕捉器により取り除くことができる。
【０００５】
低濃度NOx触媒は、低レベルの炭化水素の援助により酸素の多い環境下で、NOxを窒素と酸素に分解する触媒である。ディーゼルエンジンに関してみれば、排出物中の炭化水素の濃度は、適切なNOx変換を行うためには不十分である。この結果、炭化水素を低濃度NOx触媒の排気中の上流に供給する必要がある。また、SCR触媒は、NOxを窒素と酸素に分解することができる。しかし分解のために炭化水素を使用するのに比較して、SCR触媒では尿素やアンモニアなどの遅反応材を排気中の上流に注入する必要がある。また、NOxトラップによれば、運転状態でNOxを吸収するための酸化バリウムなどの材料を使用する。燃料がリッチな条件下での運転中において、NOxは吸収されてトラップ中の触媒(例えば、貴金属)によって窒素と酸素に変換されることとなる。
【特許文献１】米国特許第4,167,852号公報
【特許文献２】米国特許第4,270, 936号公報
【特許文献３】米国特許第4,276, 066号公報
【特許文献４】米国特許第4,319, 896号公報
【特許文献５】米国特許第4,851, 015号公報
【特許文献６】英国公開特許第2,134,407号公報
【特許文献７】米国特許第4,211, 075号公報
【特許文献８】米国特許第3,499, 260号公報
【特許文献９】米国特許第4,902, 487号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一つの特徴は、排気を制御するために排気システムの過渡的な流れ中に、燃料を供給するためのシステムまたはその方法が提供されることである。一つの実施形態によれば、排気システムの運転条件に基づいて必要な結果を得るために、最適な燃料供給の速度を決定する排気システムの数学的モデルが使用される。また、一例ではディーゼルエンジンの煤塵フィルタの温度が、損傷を与えずかつまた再生に適した温度まで増加させる結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の1つの特徴として、排気システムの過渡的な流れ中に供給／分配される燃料の度合いを変化させるための技術に関連している。この技術によれば、システムの運転条件を考慮に入れながら、必要な結果を獲得するために適当な燃料配送率をリアルタイムベースで測定する排気システムの数学的モデル代表を使用することが含まれる。この数学的モデルを使用することによって、厳密に実験的なモデルアプローチにおいて必要となる多量のテストが不要となり、排気システムの運転条件の変化に対応してすぐに燃料配送率を変更することができる。望ましくは、数学的モデルの高速化と自由度を高めるために、このモデルでは比較的わずかな入力点数(例えば、センサか他の入力手段から提供される)を使用して、最適な効果を排気システムの運転条件に与える条件が決定されることとなる。このモデルにはさらに他の変数の効果を組み入れることができる。この結果、システムはより少ない数の入力ソースにより有効に動作できる。
【０００８】
本発明の別の特徴として、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタを再生するためのシステムが提供される点が挙げられる。このシステムには、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタよりも上流側に配置される燃料供給装置が含まれる。コントローラは、燃料供給装置から分配される燃料の供給量を制御する。コントローラは、排気システムを通して伝達される排気ガスの特性データを提供する入力ソースと連結している。排ガスの特性に基づき、燃料供給装置から排気中に供給される燃料の速度がディーゼルエンジンの煤塵フィルタの再生が可能となるようにコントローラは、燃料の分配量を制御する。1つの実施形態によれば、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流側に配置される触媒コンバータ(DOC)より上流側に燃料供給装置が配置される。ディーゼルエンジンの煤塵フィルタは触媒を含む場合と含まない場合がある。触媒コンバータの中で燃料が燃焼し、触媒コンバータから排気された後にディーゼルエンジンの煤塵フィルタを出るときの排ガスの温度が500から700℃の範囲になるように最適の燃料噴射の供給量が決定される。さらに望ましい実施形態では、触媒コンバータを出る排ガスの温度は、550から650℃の範囲である。最も望ましい実施形態によれば、触媒コンバータを出る排ガス温度は約600℃である。
【０００９】
望ましい実施形態では、上記のコントローラはディーゼルエンジンの煤塵フィルタに損傷を与えず、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの再生を可能にする適当なディーゼルエンジンの煤塵フィルタの温度を得るために適切な燃料噴射の供給量を測定するために数学的モデルを使用している。例えば、コントローラは触媒コンバータ（DOC）を含む検査領域のために過渡的なエネルギー均衡方程式に基づくモデルを使用することができる。排気システム(例えば、検査領域に入る排気温度、検査領域を出る排気温度および検査領域を通る質量流量)にアクセスし、比較的に少量のデータを得ることによって、コントローラは燃料が必要な再生温度を得る適切な供給量を決定するモデルを使用することができる。望ましくは、モデルは燃料準備(例えば、燃料蒸発効率)、DOC性能(例えば、 DOC炭化水素変換効率)およびDOCの熱応答(例えば、DOCエネルギー転送供給量)の効果を夫々考慮に入れることができる。
【００１０】
代替の実施形態では、上流の触媒コンバータ中での燃焼による予熱過程を経ることなく、燃料噴射装置は直接ディーゼルエンジンの煤塵フィルタ中に燃料を供給する。このような実施形態では、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの触媒によって発火し、煤塵フィルタ上の粒子状物質を酸化させる。
【００１１】
I.システムの事例
図1は、本発明の原理に従う排気システム20の特徴を図示している。このシステムは、エンジン22(例えば、ディーゼルエンジン)を含んでおり、燃料(例えば、 ジィーゼル油)をエンジン22に供給する燃料タンク24と、排気ガスをエンジン22から離れた部位から排気する導管26とを備えている。また、システム20は触媒作用のコンバータ28(例えば、DOC)と導管に沿って配置されるディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30を含む。望ましくは、触媒作用のコンバータ28は、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30より上流側に配置される。このシステムは、さらに燃料供給装置32から排気の流れ中に燃料が分配される供給量(注入または噴射される)を制御するためのコントローラ34を含む。1つの実施形態では燃料供給装置は1個の燃料噴射器または1個以上のスプレーノズルを含むであろう。
【００１２】
望ましくは燃料供給装置32は、触媒コンバータ28とエンジン22の間の位置で燃料を供給する。望ましくは燃料供給装置32は触媒コンバータ28の直ぐ上流の位置で燃料を導管26中に供給する。1つの実施形態では燃料は触媒コンバータ28から36インチ以内の位置において、排気中に燃料を供給する。別の実施形態では燃料は触媒コンバータから12インチ以内の位置で供給される。
【００１３】
燃料供給装置32は、燃料タンク24から触媒コンバータ28の上流側の導管26を介して送られる排気中に燃料を噴射するために使用される。その結果、熱を発生させた状態で触媒コンバータ28中に燃料供給装置32から燃料供給される。望ましくは触媒コンバータ28中で燃料の燃焼で発生した熱は、触媒コンバータ28からの排ガスの温度を、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタに堆積した粒子状物質の発火温度以上に上げる。このように触媒コンバータ中で燃料を燃焼することで十分な熱が発生され、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの再生を可能にする。望ましくは排気中に注入される燃料の供給量は、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタが損傷される温度以上にならないように制御される。
【００１４】
触媒コンバータ28とディーゼルエンジンの煤塵フィルタは、導管26を通り抜ける排ガスを処理するために使用できることが分かる。排ガスの音を減衰する消音器、SCR触媒、低濃度NOx触媒コンバータおよびNOxトラップ/吸収装置などの他の構造物も導管26に沿って配置できる。
【００１５】
II.コントローラ
コントローラ34は、燃料供給装置32によって供給される燃料がディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30を再生するために必要となる時間分供給されるように機能する。コントローラ34は導管26を通って通過する排ガスのデータを提供するための多くの感知装置または他のデータ入力部と連結している。例えばコントローラ34は、触媒コンバータ28の上流に配置された第１の温度プローブ36と、触媒作用のコンバータ28とディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30の間に配置された第２の温度プローブ38と接続されている。またコントローラ34は第１、第２、第３、第４の圧力センサ40〜43と連結している。第２の圧力センサ41は導管26の中で触媒コンバータ28の上流に位置するベンチュリ管44の位置に配置される。第１の圧力センサ40と第１の温度プローブ36はベンチュリ管44の上流に配置される。第３の圧力センサ42は触媒作用のコンバータ28とディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30の間に配置される。また、第４の圧力センサ43はディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30の下流に配置される。
【００１６】
ベンチュリ管44は断面積Aeを有し、圧力センサ40、41は圧力を検出して導管26内を通過する質量流量を決定する。ベンチュリ管と圧力センサを除いた他のタイプの質量流量センサも採用できることが分かるであろう。エンジンの運転条件を示したエンジンコントローラからデータを取得するか、エンジン動作特性を測定するか、またはセンサのエンジンの空気取入口に配置されるセンサなどの他の方法によっても質量流量を測定することができる。エンジン動作特性例としては機関回転数(例えば、1分あたりの回転数)、多岐管の絶対圧および多岐管の温度が含まれる。他のエンジンの特性は、エンジンの体積効率とエンジン１回転あたりの排気量がある。エンジンの運転条件に基づいて質量流量を計算するかまたは予測することができる。
【００１７】
後述するようにコントローラ34は燃料による制御下でディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30を再生するために、排ガスの流れ中に供給される燃料の供給量を決定する。このために、圧力センサ40〜43、温度プローブ36、38または他の入力から提供される情報を使用する。１つの実施形態ではコントローラは圧力センサ40〜42を介してデータにアクセスするとともに、プローブ36、38からも温度データを得る。ベンチュリ管44はシステム内に質量流量が通過できるようにする。得られたデータはコントローラによって実際の排気システムの数学的モデルに入力される。数学的モデルを使用することによって、コントローラは燃料供給するための適切な供給量供給量がディーゼルエンジンの煤塵フィルタの許容温度超えず煤塵フィルタの再生に役立つレベルとなる排気温度になるように決定する。
【００１８】
ディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30の効率的な再生を促進するために触媒コンバータ28を出る排ガスを上述したように500〜700℃の範囲となる目標温度になるように制御することが望ましい。したがって触媒コンバータ28の上流の燃料供給量は、目標温度の範囲内となるように触媒コンバータ28中で燃焼され、触媒コンバータを排ガスとして出るように設定される。
【００１９】
またディーゼルエンジンの煤塵フィルタがいつ再生を必要としているのかを決定するためにコントローラ34を使用することができる。ディーゼルエンジンの煤塵フィルタがいつの時点で再生されるべきであるのかを決定するためには種々の方法を使用することができる。圧力センサによる背圧が予定されたレベルを超えたときに例えばコントローラはフィルタ30を再生することができる。また設定時限間隔を置いてコントローラ34はフィルタ30を再生することができる。また排気システムの状態が適当でない場合(例えば排気出水率か排気温度が再生に適していないとき)には、再生を遅らせるようにコントローラをプログラムすることができる。このような実施形態において排気システムの運転条件をモニターするようにコントローラをプログラムすることができ、再生に適した状態の条件を満たした場合のみ再生を開始しても良い。
【００２０】
III.ディーゼルエンジンの煤塵フィルター
ディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30は、さまざまな周知構成を備えることができる。一例の構成は閉塞通路を有する「蜂の巣」構成があり、アメリカ合衆国特許第4,851, 015号に記述されるモノリスのセラミックの基板が含まれるので全体構成を参照のために記載する。またワイヤメッシュ構成を使用することができる。ある実施形態では基板は触媒を含むことができる。模範的な触媒はプラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属と、卑金属やゼオライトなどおよび他のタイプの組成物が含まれる。
【００２１】
望ましくはディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30には煤塵質量の減少効率が75%以上あるものが良い。より望ましくはディーゼルエンジンの煤塵フィルタには煤塵質量の減少効率が85%以上あるものが良い。最も望ましくはディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30は、煤塵質量の減少効率が90%以上あると良い。この仕様の目的達成のために、フィルタを出る煤塵質量からフィルタに入る煤塵質量を引き算し、その差をフィルタに入る煤塵質量で割り算することで減少効率が測定される。
【００２２】
IV.触媒コンバータ
触媒作用のコンバータ28は、さまざまな周知構成を備えることができる。典型的な構成は、それを通して完全に広がる溝形鋼を定義する基板を含む。波形の金属とセラミックの基板の両方を持っている典型的的な触媒コンバータ構成はアメリカ合衆国特許第5,355, 973号に記述されているので参照のためにその全体を記載する。望ましくは基板は触媒を含むと良い。例えば基板を触媒自体から、触媒をインプリグネイテッドして作るかまたは触媒でコーティングして作ることができる。模範的な触媒はプラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属と卑金属やゼオライトおよび他のタイプの組成物が含まれる。
【００２３】
１つの非制限的な実施形態によれば触媒コンバータ28は１平方インチあたり少なくとも200セルまたは１平方インチあたり200〜400セルの範囲のセル密度を備えることができる。触媒コンバータ用の好ましい触媒は30グラム/立方フィート以上のプラチナが含まれる基板である。他の実施形態には30〜100グラム/立方フィートで貴金属を含む基板がある。別の実施形態では触媒コンバータは使用中において、150、000/時間以下か50、000〜150,000時間より少ないSV値(DOCを通る体積流量)を有する。
【００２４】
V.燃料供給量の決定
本発明の一つの特徴によると、燃料供給装置32によってシステムに供給されるべき燃料の供給量を決定する制御方程式は、所定検査領域の過渡的なエネルギー均衡方程式を使用することによって引き出すことができる。本発明では制御量CVは、ベンチュリ管44から上流に位置した上流端50と、触媒コンバータ38とディーゼルエンジンの煤塵フィルター30の間に位置した下流端51とから決定される。
【００２５】
過渡的なエネルギー均衡方程式は以下の検査領域に適用される。
【００２６】
【数１】
2007505266.tif 000003
【００２７】
ここで、Aは、1ユニット体積あたりの制御量CVの中のエネルギーの変化の時間変化率である。
【００２８】
Bは、制御量CVとなる質量流量によって運ばれる1ユニット量あたりの正味エネルギー流動である。
【００２９】
Cは、制御量CVの側壁53を通って入る伝導によって運ばれる1ユニット量あたりの正味エネルギー流動である。
【００３０】
Dは、燃料供給装置32によって注入され、触媒作用のコンバータ38で燃焼される燃料の1ユニット量あたりの熱発生率である。
【００３１】
そして、Eは、触媒コンバータ28の触媒コアと質量流量の間のユニット体積あたりの熱エネルギー転送供給量である。
【００３２】
この方程式を解くと、以下の数式となる。
【００３３】
【数２】
2007505266.tif 000004
【００３４】
【数３】
2007505266.tif 000005
【００３５】
【数４】
2007505266.tif 000006
【００３６】
上記の式（1）、（2）、（3）を加算して、式（1）1式のC値が比較的小さいと仮定して検査領域を積分すると式（5）になる。
ここで、この応用例ではC値が比較的小さいので無視できる。他の応用例ではC値を含めると良い。
【００３７】
【数５】
2007505266.tif 000007
【００３８】
【数６】
2007505266.tif 000008
【００３９】
であるので、必要な燃料の質量流量を得るための以下の式を得る。
【００４０】
【数７】
2007505266.tif 000009
【００４１】
さらに、式(3)および式(4)を解くと、
【００４２】
【数８】
2007505266.tif 000010
【００４３】
平均DOC温度を得る。
【００４４】
【数９】
2007505266.tif 000011
【００４５】
【数１０】
2007505266.tif 000012
【００４６】
【数１１】
2007505266.tif 000013
【００４７】
式(9)を使用することで、DOC(TDOCn)の現在の温度について計算することができる。他の検出されたデータと周知の定数とともにTDOCn値を式(8)に代入することによって、コントローラ34は触媒作用のコンバータ28を出る排ガスの温度が目標温度T2des2に等しくなるか、または目標温度の範囲内になるように燃料供給装置32を通して排気の流れの中に供給されるべき燃料供給量を予測することができる。また式(8)を使用することで、排ガスの特性に基づきセンサおよび他の入力があると、与えられた目標温度を達成するために必要となる燃料噴射供給量を決定するためにコントローラで使用されるデータマトリックスを組み立てることができる。
【００４８】
添付の表１は、一例の運転条件において計算された燃料質量流量を示す図である。先ず、最初に検査領域が開始の温度から目標再生温度で排気温度として出るように供給量の燃料流量が決定される。目標温度にいったん達すると燃料質量流量は目標再生温度を維持するように決定される。添付図表１に示されるように、コントローラによって使用される唯一の検出／可変データとしては、検査領域入口と出口の温度(プローブ36、38によって検出される)と、検査領域入口と出口の圧力(圧力センサ40と42で提供される)と、排気質量流量(ベンチュリ管44か他の方法で検出される)とが含まれる。またコントローラは可変データに加えて望ましくはメモリに格納される多くの一定の値を使用する。例えばメモリに検査領域(例えば、体積、質量、DOCの表面積)の数値を格納することができる。メモリに格納される他のデータとしては、適用入力、目標温度、排ガスのガス定数と、所定温度と所定圧力下における燃料/動作特性に関連する燃料蒸発効率とDOC変換効率およびDOC熱伝達係数などのマップ化されたルックアップテーブルとが含まれる。
【００４９】
VI.他のシステム
図2はディーゼルエンジン122の排気を扱うための代替の排気処理システム110を示す図である。システム110はエンジン122から離れるように排ガスを伝達するための排気導管126を含む。マフラ131は導管126に沿って配置される。マフラ131は入口管133と出口管135を含む。望ましくは入口管133は、アメリカ合衆国特許第6,550, 573号に記述されているように流れを分配する構造を含むので、参考のために全体をここに組み入れる。図示のように入口管133はエルボウ137に固定される。
【００５０】
排ガスを扱うための多くの構造物がマフラ131の中に配置される。例えばディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30は、図示のようにマフラ131の出口端に隣接して取り付けられる。また触媒コンバータ28はマフラの中で煤塵フィルタ30のすぐ上流に取り付けられる。これに加えて図示のように任意の低濃度NOxフィルタ137が触媒コンバータ28の上流においてマフラ中に取り付けられる。
【００５１】
また排気処理システムは触媒コンバータ28の上流の位置で排気導管126中に燃料を注入するための噴射装置を含む。図2で示されるように噴射装置はエルボウ137に配設されるノズル140を含む。ノズル140は排気の流れ中に燃料と空気の混合物を注入するために使用される。燃料と空気はプリミックス領域144(すなわち、混合室または混入位置)でノズル140に達する前に混合される。1つの実施形態では燃料圧は空気圧力よりも30平方インチ(psi)以上高い、または30〜50 psiの範囲で高く設定される。他の実施形態では燃料圧は空気圧力よりも少なくとも40psi以上高い。
【００５２】
空気はエアータンク146からプリミックス領域144に供給される。エアータンクは車両に塔載された空気圧縮機で提供することができ、または補助空気圧縮器(例えば、電動式空気圧縮機)によって提供することができることが分かるであろう。電磁弁147と空気圧力レギュレータ148はプリミックス領域144へ送られる気流を制御する。また空気圧力レギュレータ148はフィルタリング機能を提供することができる。特定の実施形態によれば、プリミックス領域144に提供される空気圧力は10〜50 psiまたは20〜40 psiの範囲になる。他の実施形態によれば、空気圧力は約30psiである。
【００５３】
燃料はエンジン122の燃料タンク150から予備混合領域144に提供される。燃料ポンプ152(例えば、容積式ポンプ)はタンク150から燃料を得る。フィルタ151がポンプ152とタンク150の間に配置され、そして燃料制圧機153がポンプ152の下流に配置される。燃料制圧機153は燃料を燃料噴射器154(例えば、ボッシュ280 150 945噴射器) に対して供給し、プリミックス領域144に噴射する。特定の実施形態によれば噴射器154に提供される燃料圧は40〜100 psiまたは60〜80 psiの範囲となる。他の実施形態では、燃料圧は約70psiである。燃料リザーバーとして機能するフィルタ151に燃料を戻すためのリリーフ回路156と制圧機153とは連通している。
【００５４】
またシステムは燃料噴射器154の燃料噴射供給量を制御するためのコントローラ170を含む。図示された実施形態によればコントローラは触媒コンバータ28とディーゼルエンジンの煤塵フィルタ30と間に位置する温度プローブ181から温度データを受け取る。特定の実施形態ではコントローラは排ガスの流れ中に注入される燃料の供給量を決定するためにプローブ181(触媒コンバータ28を出る排ガスの温度を測定する)から排他的に温度データを得る。他の実施形態ではコントローラは目標温度に達するために必要となる燃料噴射供給量を決定するために追加データを使用する場合がある。例えばコントローラ170は上述した図1の実施形態で図示された圧力センサおよび追加温度センサから提供されるデータまたは他の入力にアクセスすることができる。さらにエンジンコントローラからデータにアクセスして得られる質量流量データを使用したり、エンジンの動作特性を測定したり、またはエンジン取入口に配置される質量流量センサを使用できる。
【００５５】
上述の実施形態と同様に、コントローラ170は触媒コンバータからの目標再生温度出力を提供するためにシステム中に注入される燃料の供給量を決定するために過渡的なエネルギー均衡モデルとともに上記のデータを使用することができる。
【００５６】
コントローラ170は、電磁弁147とシステムによって供給／噴射されるべき燃料の供給量を制御する燃料ポンプ152および噴射器154に接続されている。望ましい実施形態によれば、バルブ147、空気圧力レギュレータ148、フィルタ151、燃料ポンプ152、燃料圧制圧機153、噴射器154および混合室144は燃料配管、空気配管および電気接続を有する単一のハウジング中に内蔵される。
【００５７】
図3〜図6は、上記の燃料噴射システムの燃料噴射器154と、燃料圧制圧機153およびプリミックス領域144の構成例を図示する。この構成は、燃料レギュレータ153と混入ハウジング191の間に取り付けられる噴射器154を含む。燃料圧制圧機153によって形成される開口193(図5を参照）を挿通するように設けられるボルト(不図示)などの締結部材を用いて各部品を結合させることができる。締結部材は混入ハウジング191によって形成されるテーパー開口194(図5を参照)の中で螺子部を形成することができる。また締結部材は噴射器154の反対側に位置決めされるスペーサーチューブ195を介して延設することができる。
【００５８】
図6を参照して噴射器154は制圧機153から燃料を受け、混入ハウジング191に形成されるプリミックス領域144に燃料を注入する。混入ハウジング191は、空気を予備混合領域144に空気を供給するための第１入口191bとノズル140に空気と燃料の混合物を送るための第２入口191aを形成する。依然として図6を参照して燃料制圧機153は燃料ポンプ152に接続される第１の入口153aと再循環配管に接続される第２の入口153bとを形成する。
【００５９】
図7は図2のシステムの構成と同様の他の排気処理システム210を図示しているが、排気の流れに注入される空気と燃料は予め混入されず、この代わりにノズル240で混合されて排気の流れに注入される構成を備える。燃料配管282は燃料をノズル240に供給し、別々の空気配管283は空気をノズル240に供給する。望ましくは図7の実施形態によれば燃料配管282からの燃料の浄化のための浄化空気配管280を含むと良い。
【００６０】
上記の実施形態では排気温度をディーゼルエンジンの煤塵フィルタを再生するのに適当な目標温度まで上げるために燃料が排気の流れに注入される。ここに開示される他の実施形態によれば、噴射装置から排気の流れ中に燃料を注入することを他の目的達成のために使用されることとなり、この目的としては低濃度NOx触媒でNOxの変換を促進するために炭化水素を供給する、炭化水素を供給する、NOxトラップを再生することがある。これらの代替のシステムによれば燃料噴射供給量を制御するために様々な制御モデルを使用することができる。また個別の噴射器で排気の流れ中に燃料を注入することが望ましいが、エンジン(例えば、遅いサイクル噴射)からの燃料噴射などの他の燃料供給技術も本発明の範疇に含まれる。
【００６１】
【表１】
2007505266.tif 000014
【００６２】
【表２】
2007505266.tif 000015
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】は、本発明の原理による特徴を備える排気システムの模式図である。
【図２】は、代替の排気システムの模式図である。
【図３】は、本発明の原理に従う特徴を備える燃料噴射構成を図示した図である。
【図４】は、図3の構成の端面図である。
【図５】は、図4の5-5線矢視断面図である。
【図６】は、図4の6-6線矢視断面図である。
【図７】は、代替の排気システムの模式図である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月1日(2006.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気システムにおける排気の過渡的な流れの中に燃料を注入する方法であって、
前記排気システム中の検査領域を選択し、
前記検査領域に対する過渡的なエネルギー均衡方程式から得られるモデルを使用して、前記排気中に供給されるべき燃料の供給量を決定することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記検査領域は、触媒コンバータを含み、前記触媒コンバータはディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置され、前記燃料は前記触媒コンバータの上流に供給され、供給される前記燃料の供給量は、前記触媒コンバータの下流の端での温度を得るように選択され、前記温度は、前記ディーゼルエンジンの前記煤塵フィルタがオーバーヒートせず、前記ディーゼルエンジンの前記煤塵フィルタの再生を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排気システムは、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置される触媒コンバータと、前記触媒コンバータの上流に配置される燃料供給ノズルとを含み、前記検査領域は、前記燃料供給ノズルの上流で始まり前記触媒コンバータの下流の端で終えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記排気システムの圧力、温度および質量流量の各データを得ることを含み、前記データを、前記モデルとともに用いて注入されるべき前記燃料の供給量を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記排気システムは、ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に位置する触媒コンバータと、前記触媒コンバータの上流に位置する燃料噴射器とを含み、温度と圧力データが前記燃料噴射器の上流と前記触媒コンバータの下流で検出され、前記温度と圧力データが前記モデルとともに用いられて、前記触媒コンバータの下流の端での温度が、目標温度範囲内に到達する燃料噴射供給量を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記モデルは、前記燃料の蒸発効率を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記モデルは、前記触媒コンバータの燃料転換効率を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記モデルは、前記触媒コンバータの熱的エネルギー格納率を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記モデルは、前記検査領域を通しての質量流量を考慮に入れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記エネルギー均衡方程式は、前記触媒コンバータの平均温度を計算するために使用され、前記触媒コンバータの平均温度は前記モデルにおける変数として使用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記触媒コンバータの燃料転換効率が前記モデルにおける変数として使用されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記モデルは、前記触媒コンバータの平均温度をパラメータとして使用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
排気導管と、
反応体噴射器、
前記反応体噴射ノズルを前記排気導管の外側で収容する位置に設けられるハウジングであって、前記ハウジングは、空気進行方向の出入口と反応体進行方向の出入口とを規定し、前記ハウジングはさらに前記反応体噴射器からの反応体が噴射される予備混合領域を規定し、
前記ハウジングの前記反応体進行方向の出入口に結合される反応体進行方向で、前記反応体噴射器に対して反応体を供給し、
前記ハウジングの前記空気進行方向の出入口に結合される空気進行方向で、圧縮空気を前記予備混合領域に供給し、前記反応体噴射器からの反応体と前記空気進行方向からの空気は前記予備混合領域で混合され反応体／空気混合体となり、
ノズルにより前記反応体／空気混合体を前記排気導管中に噴射し、混合後の反応体／空気混合体を前記ハウジングの予備混合領域から前記ノズルまで運ぶ混合後の反応体／空気混合体導管と、を備えることを特徴とする排気システム。
【請求項１４】
さらに、触媒コンバータと、前記排気導管中に配置されるディーゼルエンジンの煤塵フィルタと、前記ディーゼルエンジンの煤塵フィルタの上流に配置される触媒コンバータと、前記触媒コンバータの上流に配置される前記ノズルと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１５】
前記ノズルは、低濃度NOx触媒の上流に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１６】
前記ノズルは、NOx吸収装置の上流に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１７】
前記反応体噴射器に供給される前記反応体の圧力は、40から100ポンド／平方インチであることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１８】
前記予備混合領域に供給される前記空気の圧力は、10から50ポンド／平方インチであることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１９】
前記反応体噴射器に供給される前記反応体の圧力は、30から50ポンド／平方インチ分、前記予備混合領域に供給される前記空気の圧力より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項２０】
さらに、前記反応体進行方向に圧縮された反応体を供給するポンプ装置を備えることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項２１】
さらに、前記空気進行方向に対して流体的に連通した空気タンクを備えることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項２２】
さらに、前記空気進行方向内の空気圧を制圧するために前記空気進行方向に対して流体的に連通した空気圧制圧機を備えることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項２３】
さらに、前記空気進行方向内の空気流を制御するために前記空気進行方向に対して流体的に連通した電磁弁を備えることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。  
【請求項２４】
前記反応体は燃料であり、前記反応体噴射器は燃料噴射器であることを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項２５】
前記ハウジングは、前記反応体噴射器がそれらの間に取り付けられる第１ブロックと第２ブロックを含むことを特徴とする請求項１３に記載の排気システム。
【請求項２６】
反応体を車両排気システムの排気流中に導入する方法であって、前記車両排気システムは基材を含み、
前記方法は、前記基材の平均温度を決定する工程と、
前記基材の平均温度をパラメータとして用いて前記排気システム中に導入される前記反応体を制御する工程とを備えることを特徴とする方法。  
【請求項２７】
前記基材は、前記反応体の反応を前記基材において促進するために触媒化されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記反応体は、炭水化合物燃料を含み、前記炭水化合物燃料は前記基材の上流側の位置で前記排気流中に噴射されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記基材は、ディーゼルエンジンの酸化触媒を備えることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記基材は、低濃度NOx触媒であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記基材は、NOx吸収装置であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記反応体を前記車両排気システムの排気流中に噴射する制御を行うために数学モデルが使用され、前記数学モデルは前記基材の平均温度を変数として含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記反応体は、前記基材の上流側の位置で前記排気流中に噴射されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【国際調査報告】
2007505266.tif 000023
2007505266.tif 000024
2007505266.tif 000025