(57)【要約】【課題】内燃エンジンにおいて排気蒸気から粒子を濾過するために用いられる粒子フィルタを再生するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】内燃エンジンの粒子フィルタ再生システムは、複数の燃焼シリンダと、吸気マニフォルドと、排気マニフォルドとを含む。粒子フィルタ再生システムは、排気マニフォルドと連通するように構成された粒子フィルタと、吸気マニフォルドと連通するように構成された火炎ヒータと、排気マニフォルドと関連のある温度の指示を与える温度インディケータとを含む。温度インディケータおよび火炎ヒータにはコントローラが結合されている。コントローラは、粒子フィルタ再生インディケータ、および約３００℃未満の温度を示す温度インディケータに応じて、火炎ヒータを作動させる。【選択図】      図１
2008281004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンであって、
複数の燃焼シリンダと、
前記複数の燃焼シリンダの少なくとも１つと連通する吸気マニフォルドと、
前記複数の燃焼シリンダの少なくとも１つと連通する排気マニフォルドと、
前記排気マニフォルドと連通する粒子フィルタと、
前記吸気マニフォルドと連通する火炎ヒータと、
少なくとも１つの温度インディケータと、
各前記温度インディケータおよび前記火炎ヒータと結合されたコントローラであって、粒子フィルタ再生インディケータと少なくとも１つの前記温度インディケータからの信号とに応じて、前記火炎ヒータを作動させる、コントローラと、
を備えた、内燃エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の内燃エンジンであって、前記吸気マニフォルドと連通するターボチャージャおよびアフタークーラを含み、前記火炎ヒータが前記アフタークーラと前記吸気マニフォルドとの間に位置する、内燃エンジン。
【請求項３】
請求項１記載の内燃エンジンにおいて、前記火炎ヒータはグロー・プラグ・ヒータを含む、内燃エンジン。
【請求項４】
請求項１記載の内燃エンジンにおいて、前記火炎ヒータは、前記吸気マニフォルドへの吸気の温度を少なくとも１００℃上昇させる、内燃エンジン。
【請求項５】
請求項４記載の内燃エンジンにおいて、前記火炎ヒータは、前記吸気マニフォルドへの吸気の温度を約２００℃上昇させる、内燃エンジン。
【請求項６】
請求項１記載の内燃エンジンであって、前記排気マニフォルドと前記粒子フィルタとの間に位置するＤＯＣを含む、内燃エンジン。
【請求項７】
請求項６記載の内燃エンジンにおいて、前記火炎ヒータは、前記ＤＯＣへの入口における排気の温度を少なくとも３００℃に上昇させる、内燃エンジン。
【請求項８】
請求項６記載の内燃エンジンにおいて、前記温度インディケータの１つは、前記ＤＯＣの入口側と連通した、内燃エンジン。
【請求項９】
請求項８記載の内燃エンジンであって、前記排気マニフォルドと連通するタービンを有するターボチャージャを含み、前記温度インディケータの別の１つが前記タービンの入口側と連通した、内燃エンジン。
【請求項１０】
請求項１記載の内燃エンジンにおいて、前記温度インディケータの少なくとも１つはセンサを含み、該センサから温度を直接的にまたは間接的に判定可能である、内燃エンジン。
【請求項１１】
請求項１０記載の内燃エンジンにおいて、前記センサは、温度センサおよび圧力センサのうち一方を含む、内燃エンジン。
【請求項１２】
複数の燃焼シリンダと、吸気マニフォルドおよび排気マニフォルドと、前記排気マニフォルドと連通するように構成された粒子フィルタとを含む内燃エンジンの粒子フィルタ再生システムであって、
前記吸気マニフォルドと連通するように構成された火炎ヒータと、
前記排気マニフォルドと関連のある温度の指示を与える温度インディケータと、
前記温度インディケータおよび前記火炎ヒータと結合されたコントローラであって、粒子フィルタ再生インディケータと前記温度インディケータからの、約３００℃未満の温度を示す信号とに応じて、前記火炎ヒータを作動させる、コントローラと、
を備えた、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の粒子フィルタ再生システムにおいて、前記火炎ヒータは、グロー・プラグ・ヒータを含む、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の粒子フィルタ再生システムにおいて、前記火炎ヒータは、前記吸気マニフォルドへの吸気の温度を少なくとも１００℃上昇させるように構成された、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の粒子フィルタ再生システムにおいて、前記火炎ヒータは、前記吸気マニフォルドへの吸気の温度を約２００℃上昇させるように構成された、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１６】
請求項１２記載の粒子フィルタ再生システムであって、前記粒子フィルタよりも前に位置するＤＯＣを含み、前記火炎ヒータは、前記ＤＯＣへの入口における排気の温度を少なくとも３００℃に上昇させる、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の粒子フィルタ再生システムにおいて、前記温度インディケータの１つは、前記ＤＯＣの入口側と連通した、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１８】
請求項１２記載の粒子フィルタ再生システムにおいて、前記温度インディケータの少なくとも１つはセンサを含み、該センサから温度を直接的にまたは間接的に判定可能である、粒子フィルタ再生システム。
【請求項１９】
請求項１８記載の粒子フィルタ再生システムにおいて、前記センサは、温度センサおよび圧力センサのうち一方を含む、粒子フィルタ再生システム。
【請求項２０】
内燃エンジンにおいて粒子フィルタを再生する方法であって、
粒子フィルタ再生インディケータを設けるステップと、
排気温度が所定のしきい値未満であると判定するステップと、
前記粒子フィルタ再生インディケータおよび前記所定のしきい値よりも高い前記判定排気温度の各々に応じて、吸気マニフォルドと関連のある吸気を加熱するために、火炎ヒータを作動させるステップと、
を備えた、方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の粒子フィルタを再生する方法において、前記所定のしきい値は３００℃である、方法。
【請求項２２】
請求項２０記載の粒子フィルタを再生する方法において、前記火炎ヒータは、前記吸気マニフォルドへの吸気の温度を少なくとも１００℃上昇させる、方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の粒子フィルタを再生する方法において、前記火炎ヒータは、前記吸気マニフォルドへの吸気の温度を約２００℃上昇させる、方法。
【請求項２４】
請求項２０記載の粒子フィルタを再生する方法であって、前記排気マニフォルドと前記粒子フィルタとの間に位置するＤＯＣを含む、方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の粒子フィルタを再生する方法において、前記火炎ヒータは、前記ＤＯＣへの入口における排気の温度を少なくとも３００℃に上昇させる、方法。
【請求項２６】
請求項２０記載の粒子フィルタを再生する方法において、前記排気温度を判定する前記ステップは、少なくとも１つのセンサを用いて実行し、該センサから、温度を直接的または間接的に判定可能である、方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の粒子フィルタを再生する方法において、前記センサは温度センサおよび圧力センサのうち１つの含む、方法。
【請求項２８】
請求項２０記載の粒子フィルタを再生する方法であって、
ターボチャージャ・タービンの入口における排気温度を判定するステップと、
前記ターボチャージャ・タービンの前記入口における前記判定した排気温度が約７００℃よりも高い場合、前記火炎ヒータへの燃料流を停止するステップと、
を含む、方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の粒子フィルタを再生する方法であって、前記ターボチャージャ・タービンの前記入口における前記判定した排気温度が約３００℃未満に低下した場合、前記火炎ヒータへの前記燃料流を再開するステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンに関し、更に特定すれば、このような内燃エンジンにおいて排気蒸気から粒子を濾過するために用いられる粒子フィルタを再生するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃（ＩＣ）エンジン、特にディーゼル・エンジンに対する既存のおよび今後の粒子排出規格を満たすために、ディーゼル・エンジンの製造業者は粒子フィルタ（ＰＦ、粒子トラップとも呼ぶ）を用いている。このような粒子フィルタは、通例、ターボチャージャ・タービンの下流に配置され、個体粒状物が排気系から周囲環境に出る前に、これを除去する。粒子フィルタがある時間期間にわたって粒子を収集した後、排気温度を適したレベル（例えば、６００℃の最低値よりも高いレベル）まで上昇させることによりフィルタを浄化する（再生としても知られている）。これは、排気中の酸素が、フィルタ内に蓄積した炭素を燃焼させるからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ディーゼル・エンジン用の粒子フィルタは、通例、比較的大きくて効果であり、軽負荷条件下における再生には問題がある。何故なら、必要な排気温度に達するのが困難であるからである。この高排気温度に達するには、通例、ディーゼル・エンジンの排気に燃料を追加し、この混合物を流してディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を通過させる。しかしながら、ＤＯＣに入る混合物の温度は、追加した燃料の十分な酸化を確保するためには、最低約３００℃でなければならない。低負荷および低周囲温度において必要な３００℃の排気温度を得る種々の手段が提案され、生産に入っている。排気温度を上昇させる方法には、エンジンに余分な負荷を追加すること、噴射タイミングを遅らせること、燃焼プロセスにおいて追加の燃料を非常に遅く噴射すること、ターボチャージャ・コンプレッサ・バイパスのように空気系の変更によりエンジン空気流を減少させること、および可変外形ターボチャージャのベーン設定(vane settings)を変化させることが含まれる。
【０００４】
したがって、従来技術において必要とされているのは、軽負荷の下でのＰＦの効果的な再生のため、ＤＯＣに流入する排気温度を容易に上昇させることができるシステム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一形態において、本発明は、複数の燃焼シリンダと、複数の燃焼シリンダの少なくとも１つと連通する吸気マニフォルドと、複数の燃焼シリンダの少なくとも１つと連通する排気マニフォルドとを含む内燃エンジンを目的とする。粒子フィルタが排気マニフォルドと連通し、火炎ヒータが吸気マニフォルドと連通する。コントローラが、１つ以上の温度インディケータおよび火炎ヒータと結合されている。コントローラは、粒子フィルタ再生インディケータと少なくとも１つの温度インディケータからの信号とに応じて、火炎ヒータを作動させる。
【０００６】
別の形態では、本発明は、複数の燃焼シリンダと、吸気マニフォルドおよび排気マニフォルドとを含む内燃エンジンの粒子フィルタ再生システムを目的とする。粒子フィルタ再生システムは、排気マニフォルドと連通するように構成された粒子フィルタと、吸気マニフォルドと連通するように構成されている火炎ヒータと、排気マニフォルドと関連のある温度の指示を与える温度インディケータとを含む。コントローラが、温度インディケータおよび火炎ヒータと結合されている。コントローラは、粒子フィルタ再生インディケータと温度インディケータからの、約３００℃未満の温度を示す信号とに応じて、火炎ヒータを作動させる。
【０００７】
更に別の形態では、本発明は、内燃エンジンにおいて粒子フィルタを再生する方法を目的とし、粒子フィルタ再生インディケータを設けるステップと、排気温度が所定のしきい値未満であると判定するステップと、粒子フィルタ再生インディケータおよび所定のしきい値よりも高い判定排気温度の各々に応じて、吸気マニフォルドと関連のある吸気を加熱するために、火炎ヒータを作動させるステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
これより図面、具体的には図１を参照すると、選択した時点に粒子フィルタ１４を再生する本発明の粒子フィルタ再生システム１２の一実施形態を含むＩＣエンジン１０の一実施形態が示されている。また、ＩＣエンジンは、一般に、エンジン・ブロック１６、ターボチャージャ１８、ＤＯＣ２０、ＥＧＲシステム２２、およびエア・トゥ・エア・アフタークーラ（ＡＴＡＡＣ：air-to-air aftercooler）２４も含む。
【０００９】
エンジン・ブロック１６は、複数の燃焼シリンダ２６を含むが、図示の目的で、そのうちの４つを図１に示す。勿論、燃焼シリンダ２６の特定数は、用途に応じて変動する可能性がある。各燃焼シリンダ２６は、吸気マニフォルド２８および排気マニフォルド３０と流体結合されている。図示の実施形態では、吸気マニフォルド２８および排気マニフォルド３０が１つずつ設けられているが、特定の用途にはスプリット・マニフォルドも用いてよいことは言うまでもない。
【００１０】
排気マニフォルド３０は、ターボチャージャ１８と流体結合されている。ターボチャージャ１８は、駆動軸３６を通じてコンプレッサ３４を回転可能に駆動するタービン３２を含む。タービン３２を駆動するために用いられる排気の一部は、ＥＧＲシステム２２を用いて抜き取られ、再循環して吸気マニフォルド２８に環流させる。このために、ＥＧＲ弁３８を制御可能に作動させ、吸気マニフォルド２８に再循環させる排気量を制御する。
【００１１】
ＥＧＲシステム２２を用いて再循環されない排気の大部分は、タービン３２を通過してＤＯＣ２０に排出される。ＤＯＣ２０は、周知の設計でよく、したがってここではこれ以上説明しない。
【００１２】
粒子フィルタ１４は、粒状物が周囲環境から排出される前に、排気流からこれを濾過するために用いられ、同様に従来の設計でよい。粒子フィルタ１４は、用途に応じて、１つの粒子フィルタまたは多数の粒子フィルタとして構成することができる。
【００１３】
ターボチャージャ１８のコンプレッサ３４は、周囲環境から圧縮空気を受け取り、燃焼用空気を圧縮して、吸気マニフォルドに供給する。コンプレッサが圧縮空気に作用して、圧縮空気が加熱し、次いで吸気マニフォルド２８の上流にあるＡＴＡＡＣ２４を用いて冷却する。
【００１４】
粒子フィルタ再生システム１２は、一般に、火炎ヒータ４０と、１つ以上の温度インディケータ４２と、ＥＣＵ４４とを含む。ＥＣＵ４４は、用途に応じて、電子ハードウェアおよび／またはソフトウェアの所望の組み合わせであればいずれの形態をなすこともできる。図示の実施形態では、ＥＣＵ４４は、以下に記載する種々の機能性を実行するためのコンピュータに基づくＥＣＵであることが好ましい。
【００１５】
温度インディケータ４２は、排気マニフォルド３０と関連のある温度の指示を与える。このようなインディケータは、排気マニフォルド３０の上流または下流側に配置すればよく、排気の温度を直接または間接的に判定するために用いることができる。例えば、図示の実施形態では、１つの温度インディケータ４２ａを吸気マニフォルド２８の上流側に設け、別の温度インディケータ４２Ｂを排気マニフォルド３０とタービン３２への入口との間に設け、更に別の温度インディケータ４２Ｂを排気マニフォルド３０とタービン３２への入口との間に設け、もう１つ別の温度インディケータ４２Ｃをタービン３２とＤＯＣ３０の入口との間に設ける。温度インディケータ４２は、温度センサの形態とし、吸気マニフォルド２８の上流側における燃焼用空気、または排気マニフォルド３０の下流側における排気のような、通過する流体の温度を直接判定するために用いることができることが好ましい。あるいは、温度インディケータ４２は、別の形式のセンサの形態とし、燃焼用空気および／または排気の流通経路に沿って選択した地点における温度の直接指示を与えることができるようにしてもよい。例えば、温度インディケータ４２は、圧力センサの形態としてもよく、これから流体の対応する温度を計算すればよい。温度インディケータ４２は、対応する電線を介してＥＣＵ４４に結合され入力信号をこれに供給するが、ＥＣＵ４４とワイヤレスで結合することも可能である。
【００１６】
火炎ヒータ４０は、吸気マニフォルド２８の上流側で圧縮燃焼用空気と流体連通し、吸気を選択的に所望の温度まで加熱するために用いられ、これによってＤＯＣを通過する排気の温度を、粒子フィルタ１４の再生モード中に上昇させる。火炎ヒータ４０は、グロー・プラグ(glow plug)４６と、選択的に作動する弁４８とを含む。弁４８は、圧縮燃焼用空気を加熱するために裸火(open flame)を発生するために用いられる燃料の流量を制御する。弁４８は、車両搭載ディーゼル燃料タンクのような燃料源５０と流体結合され、これから燃料を受け取る。燃料源５０は、燃料を燃焼シリンダ２６に供給する燃料源とは別個であっても、または同一であってもよく、更に、燃焼シリンダ２６に供給される燃料と同じ種類または異なる種類であってもよい。弁４８も同様に、動作中における制御可能な作動のために、ＥＣＵ４４と電気的に結合されている。
【００１７】
グロー・プラグ４６は、通例、弁４８を開く前に最初に所定の時間期間だけオンになり、裸火のために燃料を噴射する。グロー・プラグ４６は、図示のように、ＥＣＵ４４に電気的に結合され、これによって制御可能に作動させられる。また、グロー・プラグ４６は、冷間周囲温度におけるエンジン起動中に、標準的なグロー・プラグとして用いられるように、制御可能に作動させることもできる。このような火炎ヒータは、エンジン起動時に用いて、吸気マニフォルドの温度を上昇させ、冷間周囲条件においてもディーゼル・エンジンの起動を可能にすることが知られている。例えば、Beru Aktiengesellshaft, Ludwigsburg, Germanyおよびその他の会社が、エンジン起動時に用いるための火炎ヒータを製作しており、本発明の粒子フィルタ再生システムと共に熱源として用いることができる。（例えば、http://www.beru.com/english/produkte/flammstartsysteme.phpを参照のこと）。
【００１８】
また、ＥＣＵ４４は、粒子フィルタ１４の再生サイクルを開始するための入力として用いられる粒子フィルタ再生インディケータ５２にも結合されている。ＰＦ再生インディケータ５２は、通例、粒子フィルタ１４の最後の再生以来のエンジン動作時間数に対応する、時間に基づくインディケータ・フラグを用いる等によって、別個に決定される機能である。あるいは、ＰＦ再生インディケータ５２は、ＥＣＵ４４のロジックに一体的に組み込むこともできる。
【００１９】
これより図２を参照すると、本発明の粒子フィルタ再生システム１２の制御ロジックを説明するために用いられるフロー・チャートが示されている。開始ブロック６０において、ＰＦ再生インディケータ５２を用いて、粒子フィルタ再生を開始する。判断ブロック６２において、ＤＯＣ２０における排気の入口温度が３５０℃よりも高い場合（ＮＯ）、温度は、既にＰＦフィルタ１４の再生のための炭化水素投与には十分高く、制御ロジックは直接ブロック６４に進む。逆に、ＤＯＣ２０に入る排気の温度が３５０℃未満である場合（ＹＥＳ）、火炎ヒータ４０のグロー・プラグ４６をオンにする（ブロック６６）。
【００２０】
判断ブロック６８において、センサ４２Ｂを用いてタービン３２への入口におけるオン痔を検知する。タービン３２への入口における排気温度が７００℃よりも高い場合、最大排気温度が既に存在しており、火炎ヒータ４０への燃料の流れをオフにするか、またはオフに維持する（ブロック７０）。逆に、タービン３２への入口における排気温度が７００℃以下である場合（判断ブロック６８においてＮＯ）、弁を開いて、燃料をグロー・プラグ４６における終端まで流入させ、その結果裸火が生じて、吸気マニフォルド２８への圧縮燃焼用空気を加熱する（ブロック７２）。火炎ヒータ４０は、吸気マニフォルド２８への吸気の温度を少なくとも１００℃、好ましくは約２００℃上昇させる。ＤＯＣ２０への排気入口温度が３００℃よりも高い場合（判断ブロック７４においてＹＥＳ）、粒子フィルタ１４の再生のために、ＤＯＣ２０において炭化水素の投与が行われる。逆に、ＤＯＣ２０への入口における排気の温度が３００℃未満である場合（ＮＯ）、制御は判断ブロック６８の入力側まで戻り、火炎ヒータ４０への燃料流をＯＮ位置に維持する。
【００２１】
粒子フィルタ１４の再生のためにＤＯＣ２０において炭化水素投与が行われた後、粒子フィルタ１４の再生が完了したか否かについて判断を行う（判断ブロック７６）。再生が完了していない場合、制御ロジックは判断ブロック６２の入力側に戻り、プロセスを繰り返す。逆に、粒子フィルタ１４の再生が完了している場合（ＹＥＳ）、ＥＣＵはグロー・プラグ４６をオフにし、更に弁４８を閉じて、再生制御ロジックを終了する（ブロック７８）。
【００２２】
以上、好適な実施形態について説明したが、添付した特許請求の範囲において定めた発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の粒子フィルタ再生システムの一実施形態を含むＩＣエンジンの模式図である。
【図２】図２は、図１に示した粒子フィルタ再生システムの制御ロジックの一実施形態を示すフロー・チャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１０    内燃エンジン
１２    粒子フィルタ再生システム
１４    粒子フィルタ
１６    エンジン・ブロック
１８    ターボチャージャ
２０    ＤＯＣ
２２    ＥＧＲシステム
２４    エア・トゥ・エア・アフタークーラ
２６    燃焼シリンダ
２８    吸気マニフォルド
３０    排気マニフォルド
３２    タービン
３４    コンプレッサ
３６    駆動軸
４０    火炎ヒータ
４２    温度インディケータ
４４    ＥＣＵ
４６    グロー・プラグ
４８    弁
５２    粒子フィルタ再生インディケータ
【図１】
2008281004.tif 000003
【図２】
2008281004.tif 000004
【外国語明細書】
2008281004000001.pdf