(57)【要約】  排気流の温度を制御するシステムは、エンジンから排気流を受け取るように適合した主排気路を含む。側路は、主排気路と連通する、吸気口および排気口を含む。排気口は、吸気口から下流に位置する。バーナーは、側路を通り抜ける排気を処理するために、側路の内部に位置している。弁は、吸気口から下流、かつ、排気口から上流の、主排気路の内部に位置している。弁は、バーナーを通る排気流を変化させるために動作可能である。コントローラーは、排気口の下流の所望の排気温度を維持するために、バーナーを選択的に動作させる。
2013520614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気後処理装置から上流の位置で、エンジンからの排気流の温度を制御するシステムであって、
上記エンジンから排気流を受け取るように適合した主排気路と、
上記主排気路と連通する吸気口、および、上記吸気口から下流の位置で、上記主排気路と連通する排気口を有する側路と、
上記側路を通り抜ける排気を処理するために、上記側路の内部に位置するバーナーと、
上記吸気口から下流、かつ、上記排気口から上流の上記主排気路の内部に位置する弁であって、上記バーナーを通る排気流を変化させるために動作可能である弁と、
上記排気口の下流の所望の排気温度を維持するために、上記バーナーを選択的に動作させるコントローラーとを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
上記側路を通り抜ける排気の中に燃料を注入する燃料注入器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記側路を通り抜ける排気の中に酸素を注入する酸素供給器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
上記排気口の下流に位置し、排気の温度を示す信号を上記コントローラーに出力するために動作可能である温度センサーをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
上記側路の内部に位置し、上記側路における排気の温度を示す信号を上記コントローラーに供給する温度センサーをさらに含み、上記コントローラーは、上記温度の信号に基づいて、上記バーナーを作動および停止させるために動作可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記側路への上記吸気口は、ターボチャージャーの下流に位置するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
上記コントローラーは、上記排気口の下流の排気の温度を、実質的に３００度またはそれ以上に維持するために、上記バーナーを作動および停止させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
上記主排気路は、２０，０００Ｋｇ／ｈｒで排気を転送させる規模であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
上記弁は、上記主排気路の内部に位置する弁フラップであって、上記弁フラップの第１の末梢部が上記主排気路の内面と接触する完全な閉鎖位置と、上記弁フラップの平面が上記主排気路の縦軸にほぼ平行であり、上記弁フラップの第２の末梢部が上記主排気路の内面と接触する完全な開放位置との間で回転する弁フラップを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
上記弁を含む上記主排気路の一部が管を含み、上記弁フラップは、回転の軸となって上記管に繋がれている車軸に固定されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
完全な閉鎖位置にある上記弁フラップは、上記管の縦軸と鋭角で交差することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
上記弁フラップを完全な閉鎖位置の方向へと押すバイアス要素をさらに含み、上記バイアス要素は、上記管の外部に取り付けられていることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
排気圧が、バイアス要素の力に打ち勝つのに十分に大きいときはいつでも、上記管の排気圧が上記弁フラップを完全な開放位置へと押すことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
上記主排気路とほぼ平行に、上記側路が伸びていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
エンジンからの排気の温度を制御するシステムであって、
上記エンジンから排気流を受け取るように適合した主排気路と、
上記主排気路と連通する吸気口、および、上記吸気口から下流の位置で、上記主排気路と連通する排気口を有する側路と、
上記側路を通り抜ける排気を熱するために、上記側路の内部に位置するバーナーと、
上記吸気口から下流、かつ、上記排気口から上流の上記主排気路の内部に位置する弁であって、上記バーナーを通る排気流を変化させるために動作可能である弁と、
上記排気口の下流に位置し、上記側路および上記主排気路から供給された混合した排気を受け取る排気後処理装置とを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
所望の排気温度を維持するために、上記バーナーを選択的に動作させるコントローラーをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
上記コントローラーは、排気ガスの温度を示す信号を受け取り、上記信号に基づいて、所定の温度未満で上記バーナーを作動させることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
排気流が流れていないとき、上記コントローラーは、上記バーナーを作動させるために動作可能であることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
上記エンジンがエンジンブレーキモードで動作しているとき、上記コントローラーは、上記バーナーを作動させるために動作可能であることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
上記後処理装置が、ディーゼル用酸化触媒であることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
上記後処理装置が、微粒子捕集フィルターであることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
上記後処理装置が、選択的触媒還元システムであることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔分野〕
本明細書は、一般的に、排気ガスを処理するためのシステムに関する。特に、排気ガスの温度を上昇させるための、分流器およびバーナーの配置が議論される。
【０００２】
〔背景〕
内部の燃焼エンジンの動作中に、空気中に排出されるＮＯＸおよび粒子状物質の量を抑制させようとして、多くの排気後処理装置が開発されてきた。ディーゼル燃焼処理が実行されるとき、排気後処理システムの必要性が、特に生じている。ディーゼルエンジンの排気のための典型的な後処理システムは、１つ以上のディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム、炭化水素（ＨＣ）噴射器、および、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）を含み得る。
【０００３】
エンジンの動作中、ＤＰＦはエンジンによって排出された煤を捕え、粒子状物質（ＰＭ）の排出を抑制する。やがて、ＤＰＦは一杯になり、詰まり始める。適切な動作のために、定期的に、ＤＰＦで捕えた煤の生成または酸化が必要となる。ＤＰＦを再生するために、排気流において十分な量の酸素と組み合わせた比較的高い排気温度が、フィルターに捕えた煤を酸化するために必要となる。
【０００４】
ＤＯＣは、典型的に、熱を生成して、煤が溜まったＤＰＦを再生するために用いられる。特定のライトオフ温度（a specific light-off temperature）かそれ以上で、炭化水素（ＨＣ）がＤＯＣ一面に吹き掛けられるとき、ＨＣは酸化する。この反応は非常に発熱し、ライトオフの間、排気ガスは熱される。熱された排気ガスは、ＤＰＦを再生するために用いられる。
【０００５】
しかしながら、多くのエンジン動作状況下において、排気ガスは、約３００度のＤＯＣのライトオフ温度に達するほどには熱くない。そのため、ＤＰＦの再生は受動的には生じない。さらに、ＮＯＸ吸収装置および選択的触媒還元システムは、適切に動作させるために、典型的に、最低の排気温度を必要とする。
【０００６】
各種の後処理装置の上流で排気流を熱するために、バーナーが提供されていてもよい。周知のバーナーは、うまく、自動車用の比較的小さな排気量の内部燃焼エンジンの排気温度を上昇させてきた。しかしながら、ディーゼル機関車、定置の発電所、船舶などを含む他の適用は、比較的大きなディーゼル圧縮エンジンを備え得る。より大きなエンジンからの排気質量流速（The exhaust mass flow rate）は、バーナーに典型的に提供される最大流速の１０倍以上になり得る。上昇した排気質量流速のためにバーナーのサイズを大きくすることは可能であるが、この解決法に関連する費用、重量、および実装関係は、容認できないものになり得る。それゆえ、排気システムの費用、重量、サイズ、および性能への影響を最低限にすると同時に、大きなディーゼルエンジンから排出される排気の温度を上昇させるための配置技術が必要となる。また、バーナーの使用に関連して、圧力低下および／または背圧（back pressure）への影響を最低限にすることが望ましい。
【０００７】
〔要約〕
この項は、本明細書の全般的な要約を提供し、そして、その全範囲またはその特徴の全ての網羅的な開示ではない。
【０００８】
排気流の温度を制御するシステムは、エンジンから排気流を受け取るように適合した主排気路を含む。側路は、主排気路と連通する、吸気口および排気口を含む。排気口は、吸気口から下流に位置する。バーナーは、側路を通り抜ける排気を処理するために、側路の内部に位置している。弁は、吸気口から下流、かつ、排気口から上流の、主排気路の内部に位置している。弁は、バーナーを通る排気流を変化させるために動作可能である。コントローラーは、排気口の下流において、所望の排気温度を維持するために、バーナーを選択的に動作させる。
【０００９】
エンジンからの排気の温度を制御するシステムは、エンジンから排気流を受け取るように主排気路と連通する、吸気口を有する側路を含む。側路はまた、吸気口から下流の位置で主排気路と連通する排気口を含む。バーナーは、側路を通り抜ける排気を熱するために、側路の内部に位置している。弁は、吸気口から下流、かつ、排気口から上流の、主排気路の内部に位置している。弁は、バーナーを通る排気流を変化させるために動作可能である。排気後処理装置は、側路および主排気路から供給された混合した排気を受け取るように、排気口の下流に位置している。
【００１０】
さらなる適用の範囲は、ここに提供される記述から明らかになるだろう。この要約における記述および具体例は、説明の目的のみを意図しており、本明細書の範囲を限定することを意図していない。
【００１１】
〔図面〕
ここに説明される図面は、選択された実施形態のみであって、全ての可能な実行ではない、実例となる目的のためのものであり、また、本明細書の範囲を限定することを意図していない。
【００１２】
図１は、エンジンからの排気の温度を制御するためのシステムの概要を示す図である。
【００１３】
図２は、閉鎖位置における、温度制御システムからの弁の側面図である。
【００１４】
図３は、閉鎖位置における、図２の弁の端面図である。
【００１５】
図４は、完全な開放位置における、図２の弁の側面図である。
【００１６】
図５は、完全な開放位置における、図２の弁の端面図である。
【００１７】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図に渡って、対応する部材を示す。
【００１８】
〔詳細な説明〕
例示の実施形態は、これから、添付の図面を参照して、より十分に説明される。
【００１９】
図１は、エンジン１２によって主排気路１４に排出される排気を処理するためのディーゼル排気ガス後処理システム１０を示す。吸い込み路（An intake passage）１６は、エンジン１２と連結し、そこへ燃焼用空気（combustion air）を与える。ターボチャージャー１８は、主排気路１４を通って流れる排気流に位置する駆動部２０、および、吸い込み路１６の内部に位置し、吸気と連通する駆動部２２を含む。エンジンの動作中、排気流は駆動部２０を回転させる。駆動部２２は、駆動部２０と共に回転するために固定されているため、吸気は、エンジン１２に入る前に、吸い込み路１６の内部で圧縮される。
【００２０】
排気後処理システム１０はまた、ターボチャージャー１８から下流、かつ、多くの排気後処理装置から上流に位置する、弁およびバーナーの配置２６を含む。図１に示す例示的な後処理システムにおいて、後処理装置は、炭化水素噴射器２８、ディーゼル用酸化触媒３０、ディーゼル微粒子捕集フィルター３２、尿素噴射器３４、および、選択的触媒還元システム３６を含む。
【００２１】
エンジン１２は、エンジンの動作速度にもよるが、毎時３０００から２００００ｋｇの範囲の排気質量流速を有する、比較的大きな排気量のディーゼル圧縮エンジンとして構成されていることが想定されている。この質量流速の範囲は単なる例示であり、本明細書で示すものは、異なる排気質量流速を有する他のエンジンに適用可能であるということを理解すべきである。エンジン１２は、典型的には、通常排気温度が３００度未満であるリーンバーンエンジン（a lean-burn engine）として動作するということがさらに想定されている。前述のように、後処理装置に入る排気ガスの温度が３００度を超えるとき、多くの排気後処理装置の適切な動作は生じる。したがって、バーナーおよび弁の配置２６が、排気後処理装置の上流に提供されている。
【００２２】
バーナーおよび弁の配置２６は、システム１０の平行部の中に位置するバーナー４０および弁４２を含む。特に、バーナー４０は、弁４２の上流に位置し、かつ、主排気路１４に繋がる吸気口４６を有する側路４４の中に位置する。側排気口４８は、弁４２の下流に位置しており、主排気路１４に繋がっている。側排気口４８は、各々の排気後処理装置２８、３０、３２、３４、および３６から上流にある。そのため、バーナー４０は、ＤＯＣ３０およびＳＣＲシステム３６の効率が高くなる高温にまで排気を加熱するために用いることが可能である。
【００２３】
バーナー４０は、１つ以上の酸素供給器５４に加えて、燃料を注入するための１つ以上の注入器５２を含んでもよい。１つ以上の点火装置５５は、注入された燃料および酸素を、排気中に既に運ばれた未燃焼燃料と共に点火するために機能する。もう１つの方法として、各々の注入器５２は、燃料および酸素の両方を注入する一体となった注入器であってもよい。コントローラー５６は、点火装置５５の動作に加えて、注入器５２、５４による燃料および／または酸素の流れを監視および制御するために提供されている。
【００２４】
弁４２は、側吸気口４６の下流かつ側排気口４８の上流にある主排気路１４の管状部６０の内部に位置する受動的なスナップ作用弁（a passive snap-action valve）である。弁４２は、図２および図３に示すように、バネアンカー（a spring anchor）６４、弁バネ（a valve spring）６６、外部のレバーアーム（an external lever arm）６８、弁フラップ（a valve flap）７０、弁支持軸または車軸（a valve support shaft or axle）７２、および、車軸７２から突き出た付着点（an attachment point）７４を含む。
【００２５】
弁フラップ７０は、管６０の弓形の内面に実質的に適合する第１および第２の弓形端部を有する。フラップ７０は、さらに、図２および３に示されるようにフラップが閉鎖位置にあるとき、フラップ７０と管６０の内面との間の隙間８０、８２を規定する直線状側端部７６および７８を有する。バイアス要素（Bias element）またはバネ６６は、管６０上のバネいかり６４と、外部のレバーアーム６８の付着点７４との間で伸びている。図２に示されるように、バネ６６は、閉鎖位置の方向へフラップ７０にバイアスをかける。完全な閉鎖状態にあるとき、フラップ７０は、管６０の縦軸に垂直に広がる平面に対し、９０度以外の角度で備わっている（resides）。管６０の断面の垂直面に対するフラップの上記角度は、Ａで指定される。
【００２６】
動作中、図２〜５の左から、排気圧がフラップ７０に作用する。排気圧がバネ６６のバイアスの力に十分に打ち勝つとき、フラップ７０は車軸７２の周囲で（about）回転し始める。弁フラップ７０におけるトルクは、距離ｄを乗算したバネのバイアスの力によって決定される。距離ｄは、バネ６６の軸と車軸７２との間の距離である。バネの力は、弁フラップが開きバネ６６が伸びるにつれて大きくなる。しかしながら、弁が開き続けるにつれてｄは短くなり、その結果、バネの縦軸が“オーバーセンター（over-center）”の位置に近づくと、トルクは０に近づく。バネの軸が車軸７２の縦軸との交点に近づくにつれて、距離ｄは減少する。完全な開放位置にあるとき、図４および図５に示すように、弁フラップ７０のこのほとんどオーバーセンターの位置は、完全な開放位置である場合、フラップを実質的に水平位置にする。弁が完全な開放位置にあるとき、この位置は、順に、管の背圧を最小化する。さらに、管自身は、完全な閉鎖位置および完全な開放位置の両方における、弁フラップのための停止機構を提供するということに留意すべきである。完全な閉鎖位置において、フラップ７０の弓形端部は、管６０の内面に接し、その位置を規定する。逆に、図４および５に示されるように、完全な開放位置にあるとき、フラップ７０は、その側面の直線状側端部（図３の７６および７８）を利用して、管６０の内面に接触した状態になり、それによって、フラップ７０の完全な開放位置のための停止位置を提供する。
【００２７】
バネがオーバーセンター状態に近づくように弁フラップを回転することは、また、完全な開放位置における、弁のより容易な維持をもたらす。弁フラップ７０の形態は単なる例示であって、バーナーおよび弁の配置２６内において、他のスナップ作用弁の使用が想定されるということを理解すべきである。特に、米国特許第７、４３４、５７０号および米国特許出願公開第２００８−０２２３０２５号および第２００８−０２４５０６３号は、代わりの適した弁をここに言及、表現することにより盛り込んでいる。
【００２８】
コントローラー５６は、また、後処理システム１０およびエンジン１２に関連する各種センサー８４から信号を受け取る。例えば、センサー８４は、特定のデータを収集するための個々のセンサーを含むか、または、ＣＡＮバスにおいて利用可能なデータを広く参照してもよい。車両においてエンジン１２および後処理システム１０が使用されるとき、コントローラー５６に提供される情報は、バッテリー電圧および点火スイッチ位置のデータを含んでもよい。質量気流センサー、注入器５２に関連する気流および燃料流センサー、燃料圧力センサー、気圧センサー、バーナー吸気口温度センサー、バーナー排気口温度センサー、並びに／または、側排気口４８の下流の排気ガス温度センサーを含む追加のセンサーは、後処理システム１０と関連し、コントローラー５６と連通してもよい。
【００２９】
排気後処理システム１０は多くの異なるモードで動作するということを理解すべきである。第１の動作モードにおいて、コントローラー５６は、バーナー４０をアクティブモードで動作させる命令を受け取ってもよい。車両の点火装置がオンになり、他のセンサーデータが、エンジン１２が燃料を燃焼していることを示すとき、この動作モードに入ってもよい。エンジン１２の動作中、コントローラー５６は、バーナー４０に対し、所望の排気ガス温度を維持するように命令する。制御温度データは、バーナーの排気口におけるセンサー８６（図１）によって提供されてもよい。代わりに、または追加として、排気ガス温度センサー８８は、ＤＯＣ３０に入る混合した排気ガスの温度を決定するために、側排気口４８と主排気路１４との交点からさらに下流に配置してもよい。コントローラー５６は、センサー８８によって示される所望の混合排気温度を維持するために、バーナー４０を動作させてもよい。エンジン１２が動作を停止および／または点火装置のスイッチがオフの位置にあるということをコントローラー５６が示すまで、バーナー制御は継続する。
【００３０】
弁４２が受動的に動作し、フラップ７０に加えられる排気流体圧力に基づいてフラップ７０の位置が変化するということに留意すべきである。車軸７２の位置と同様に、閉鎖位置におけるフラップ７０の角度、初期の予荷重（the initial preload）、およびバネ６６の割合（rate of spring）は、排気の適切な流れが側路４４およびバーナー４０の中にそらされるということを保証するように決定され、定義される。コントローラー５６は、注入器５２、５４および点火装置５５を選択的に作動させて、目標温度を維持するために側排気口４８を通って流れる排気ガスを熱してもよい。
【００３１】
もう１つの動作モードでは、エンジン１２が停止した後、ＤＰＦ３２のアクティブ再生を実行するために、バーナー４０を使用してもよい。ある動作条件では、ＤＰＦ３２の継続的な受動的再生が所望される場合、エンジン１２は、所望の速さよりも急速に冷却する。それに応じて、コントローラー５６は、主排気路１４内で排気ガスを熱するためのバーナー４０を作動させて、エンジン１２が停止した後にＤＰＦ３２を再生させてもよい。排気流が効率的に停止したとき、バーナー４０は排気ガスを熱する。
【００３２】
排気後処理システム１０を動作させるもう１つのモードは、エンジン１２の燃焼プロセスによって熱されない空気であって、エンジン１２、または、排気後処理システム１０へ投入される新鮮な空気の使用を監視することを含む。車両を遅らせようとして燃焼が生じないとき、そのようなシステムは、比較的冷たい外気がエンジン１２を通って送り込まれるダイナミック・ブレーキを含んでもよい。そのとき、冷気は、ＤＯＣ３０、ＤＰＦ３２および／またはＳＣＲシステム３６に提供される。エンジンのダイナミック・ブレーキ中のような熱衝撃にさらされるとき、排気後処理装置３０、３２および３６の内部にあるいくつかの構成要素は、逆に作用してもよい。それに応じて、後処理装置に入る排気ガスが最低温度またはそれ以上にあるということを保証するために、エンジンのブレーキの間、バーナー４０を動作させることが望ましい。
【００３３】
比較的高い負荷および／または動作速度でエンジン１２が動作している間に、弁４２が実質的に開放状態であり、排気後処理装置３０、３２および３６の適切な動作のために、主排気路１４の内部の排気の温度が、所定の最低温度を超えるということが想定される。それに応じて、コントローラー５６は、注入器５２を通して燃料が投入されず、そして点火装置５５が活性化していないアイドル状態で、バーナー４０を維持する。エンジン１２がより低い負荷、およびより遅い動作速度で動作するとき、排気ガス温度は減少し得る。一旦、コントローラー５６が、ＤＯＣ３０から上流の排気ガス温度が、所定の閾値かそれ以下であるということを決定すると、所望のバーナー排気口温度、または、排気後処理装置から上流の混合したガス温度を維持するために、バーナー４０はアクティブモードで動作する。
【００３４】
本実施形態の上述の説明は、図解および説明のために提供される。網羅的であったり、本明細書に限定されるということは意図されない。一般的に、特定の実施形態の個々の要素または特徴は、その特定の実施形態に限定されず、例え明確に図示または説明がなかったとしても、適切である場合、交換可能であり、選択された実施形態において使用可能である。同じものは、また、様々な点で変形してもよい。そのような変形は、本明細書からの逸脱とはみなされず、すべてのそのような修正が本明細書の範囲内に含まれるように意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】エンジンからの排気の温度を制御するためのシステムの概要を示す図である。
【図２】閉鎖位置における、温度制御システムからの弁の側面図である。
【図３】閉鎖位置における、図２の弁の端面図である。
【図４】完全な開放位置における、図２の弁の側面図である。
【図５】完全な開放位置における、図２の弁の端面図である。
【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】
2013520614.tif 000007
【国際調査報告】
2013520614.tif 000008
2013520614.tif 000009