(57)【要約】排気ライン燃料注入装置（１）ならびに運転および制御の関連する方法が開示されている。燃料は、圧縮された燃料供給源（２０）に接続されたインレット（６２，８１）および排気システム燃料供給ライン（１５）に接続されたアウトレット（６３，８２）を有する調節バルブ（１１，６０，７０，８０）を通過する。前記排気システム燃料供給ライン（１５）は、概してチェックバルブを含むと共に燃料を排気ライン（３０，１００）の中へ注入するように構成されたノズル（１２，４０，５０，６０）に接続される。圧力測定デバイス（１３）の使用により、排気システム燃料供給ライン圧力の表示が得られる。制御装置（１４，１１９）は、前記圧力表示からのフィードバック、および前記ノズル（１２，４０，５０，６０）を通過する流量と、前記排気システム燃料供給ライン圧力と前記ノズル（１２，４０，５０，６０）における圧力低下との１つとの間の予め決められた関係を利用して前記調節バルブ（１１，６０，７０，８０）を制御する。前記方法は、単一の圧力測定デバイス（１３）で実行することができる。同一の圧力測定値、特にそれらの周波数スペクトルは、装置の故障を検出するのに利用することができる。
2010516937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ライン（１００）を通して導かれる排気を生じるように作動するエンジン（１１１）と、
燃料タンク（２１）から導管（２３）へ燃料をポンプ送りするように作動する燃料ポンプ（２２）と、
燃料を前記導管（２３）から選択的に受け入れると共に前記燃料を排気システム燃料供給ライン（１５）へ放出するように構成される流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）と、
燃料を前記排気システム燃料供給ライン（１５）から排気ライン（３０，１００）へ導入するように構成されるノズル（１２，４０，５０）と、
前記排気システム燃料供給ライン（１５）から圧力測定値を得るように構成される圧力測定値デバイス（１３）と、
前記圧力測定値ならびに前記ノズル（１２，４０，５０）を通過する流量、それと
i ）前記排気システム燃料供給ライン（１５）内の圧力および
ii ）排気システム燃料供給ライン（１５０）の圧力と前記排気ライン（３０，１００）の圧力との差、の１つ
との間の予め決められた関係に基づき前記流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）を制御するように構成される制御装置（１４，１１９）と、
を含むことを特徴とする動力発生システム（１１０）。
【請求項２】
前記燃料ポンプ（２１）は、燃料を前記エンジン（１１１）へ供給することを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項３】
前記導管（２３）と前記流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）との間に設けられ、前記流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）に導入される燃料の圧力変動を改善するように機能する蓄圧装置（１６）をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の装置（１１０）。
【請求項４】
前記流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）は、パルス幅変調バルブ（６０，７０）であることを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項５】
前記パルス幅変調バルブ（６０，７０）は、約５０Ｈｚ以上の周波数で作動するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の装置（１１０）。
【請求項６】
前記パルス幅変調バルブ（６０，７０）は、約１０Ｈｚ以下の周波数で作動するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の装置（１１０）。
【請求項７】
前記制御装置（１４，１１９）は、前記流量調節バルブ（４０，７０）を制御するために、一連の前記圧力測定値が平均化あるいは積分された圧力あるいは流量を利用するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の装置（１１０）。
【請求項８】
燃料を前記排気システム燃料供給ライン（１５）から前記燃料タンク（２１）へ戻すことを許容するバルブ（１７）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項９】
前記排気ライン（３０，１００）内に構成される燃料改質装置（１１５）あるいはディーゼル酸化触媒（１１６）をさらに含み、
前記ノズル（１２，４０，５０）は、前記燃料を前記燃料改質装置（１１５）あるいは前記ディーゼル酸化触媒（１１６）の上流の前記排気ライン（３０，１００）の中へ注入するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項１０】
前記排気ライン（３０，１００）内に構成される低濃度NOxトラップ（１１７）あるいはディーゼル微粒子フィルタ（１１６）をさらに含み、
前記制御装置（１４，１１９）は、低濃度NOxトラップ（１１７）あるいはディーゼル微粒子フィルタ（１１６）を再生するために、前記ノズル（１２，４０，５０）を通過する燃料流れを断続的に開始するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項１１】
前記流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）は、比例流量制御バルブ（８０）であることを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項１２】
前記ノズル（１２，４０，５０）は、チェックバルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項１３】
前記制御装置（１４，１１９）は、排気システム燃料供給ライン圧力の周波数スペクトルを得ると共に排気ライン燃料注入装置の故障を確認するために前周波数スペクトルを解析するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の装置（１１０）。
【請求項１４】
前記排気ライン（３０，１００）内に構成されるディーゼル微粒子フィルタ（１１６）および前記排気ライン（３０，１００）の圧力の測定値を得るように構成される第２圧力測定デバイスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項１５】
第１燃料ライン（２３）に接続されるインレット（６２，８１）と排気システム燃料供給ライン（１５）に接続されるアウトレット（６３，８３）とを含み、燃料を前記インレット（６２，８１）と前記アウトレット（６３，８３）とを含む流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）を通して通過させるステップと、
燃料を前記排気システム燃料供給ライン（１５）から排気ライン（３０，１００）へノズル（１２，４０，５０，６０）を通して通過させるステップと、
前記排気システム燃料供給ライン（１５）と前記排気ライン（３０，１００）との間の圧力差の表示を得るステップと、
前記圧力差と前記ノズル（１２，４０，５０，６０）を通過する流量との間の予め決められた関係を提供するステップと、
前記流量調節バルブ（１１，６０，７０，８０）、前記予め決められた関係、および前記圧力差の前記表示からのフィードバックを利用して前記ノズル（１２，４０，５０，６０）を通過する前記流量を制御するステップと、
を含むことを特徴とする燃料を排気ガス後処理システムへ供給する方法。
【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および希薄燃焼ガソリンエンジン用排気ガス後処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出されるNOxおよび粒子状物質（煤煙）排出が環境問題になっている。米国を含む数カ国では、これらの排出を制限する規制が長い間未決定のままである。製造者および研究者らは、それら規制の対処に多大な努力を注いだ。ディーゼル微粒子フィルタ(DPFs)は、粒子状物質排出を制御するために提案されてきた。NOx排出を制御するための多くの異なる解決方法が提案されてきた。
【０００３】
理論混合気の燃焼を利用するガソリン車において、NOx排出は、三元触媒を使用して制御することができる。圧縮点火を利用するディーゼル車において、排気ガスは、概して、三元触媒を有効に作用させるには酸素を多く含み過ぎている。
【０００４】
ディーゼル車から排出されるNOxを制御する取り組みは、汚染物質産出を制限することを含む。例えば、NOx排出削減において排気ガスの再循環および混合気の部分的均一化等の技術は有効ではあるが、これらの技術だけでは十分ではない。他の取り組みは、車両の排気ガスからNOxを除去することを含む。これらの取り組みは、希薄燃焼NOx触媒、選択還元触媒(SRC)、および低濃度NOxトラップ(LNTs)を含む。
【０００５】
希薄燃焼NOx触媒は、酸素を多く含む状況下におけるNOxの還元を促進する。酸化雰囲気中におけるNOxの還元は困難である。希薄燃焼NOx触媒に要求される活性、耐久性および作用する温度領域を特定する挑戦への試みがなされてきた。希薄燃焼NOx触媒も熱水的に不安定な傾向がある。活性の顕著な減損は、比較的少ない使用の後で発生する。例えば、ディーゼル燃料等の還元剤の供給は、３％以上の燃料を浪費すると言われている。一般に、希薄燃焼NOx触媒のピークNOx転化効率は極めて低い。
【０００６】
概して、SCRはアンモニアによるNOxの選択還元触媒に言及する。その化学反応は酸化雰囲気中でさえ発生する。NOxは一時的に吸着剤に蓄積することができ、アンモニアは連続的に排気ガス中に供給することができる。SCRはハイレベルのNOx還元を成し遂げることができるが、アンモニアあるいは適当な先駆物質を分配するためのインフラの不足という不利がある。他の懸念は、雰囲気中へのアンモニアの放出の可能性に関わる。
【０００７】
排気ガス後処理技術において、かつての分類が不明瞭な状態を明確化するため、「SCR触媒」および「低濃度NOx触媒」の術語は、交互に使用されることがある。しばしば、厳密に言えば、アンモニア-SCR触媒はSCR/低濃度NOx触媒の一形態に過ぎないという事実に関わらず、術語「SCR」はまさにアンモニア−SCRに関連して使用される。一般に、アンモニア-SCR触媒および低濃度NOx触媒の双方がある言及について論議される場合、SCRはアンモニア-SCRに関して使用されるものであり、低濃度NOx触媒は、例えば、炭化水素を伴うSCR等のアンモニア以外の還元剤を伴うSCRに関して使用される。
【０００８】
LNTsは、低濃度排出状態下でNOxを吸着すると共にその吸着されたNOxを高濃度排出状態下で還元して放出する素子である。概して、LNTは、NOx吸着剤および触媒を含む。概して、吸着剤は、例えばBaCO3等のアルカリ土類混合物であり、概して、触媒は、例えばPtおよびRh等の貴金属の組み合わせである。低濃度排出において、触媒は、NOx吸着作用を引き起こす酸化反応を促進する。還元環境における触媒は、吸着されたNOxの還元反応および吸着剤からの脱着反応を活性化させる。典型的な作用プロトコルにおける還元環境は、蓄積されたNOxの除去およびそれによるLNTの再生（脱硝）のため、時々排気ガス中に作り出される。
【０００９】
脱硝中、吸着されたNOxの多くはN2に還元されるが、吸着されたNOxの一部は還元されることなく放出されると共に吸着されたNOxの他の部分はアンモニアに十分に還元された後に放出される。特許文献１には、脱硝中にアンモニアを放出するのに利用するために、SCR触媒がLNTの下流に形成された装置が記載されている。アンモニアは、LNTを通過するNOxを還元するのに利用され、これにより、独立型のLNTを上回る転化効率に向上させる。
【００１０】
NOxの蓄積に加え、LNTsはSOxを蓄積する。SOxは、通常の燃料に含まれる硫黄の燃焼生成物である。還元された硫黄燃料と同等に、燃焼により生成されたSOxの総量はとても多い。SOxは、NOxよりもより強力に吸着すると共に、頻度低下に関わらず、より厳密な再生を必要とする。脱硫酸化は、還元雰囲気と同様に昇温される。排気ガスは、エンジン程度まで昇温させることができ、希薄燃焼ガソリンエンジンの場合に顕著である。しかしながら、少なくともディーゼルエンジンの場合、しばしば追加的な加熱を必要とする。一度LNTは十分に加熱されると、LNT脱硝と同様の還元環境が作り出される。
【００１１】
エンジンがストイキで作動することができる場合、あるいはリッチで作動することができる場合を除いて、概して、LNT再生のための還元環境を作り出すことは、排気ガス中に還元剤を注入することを含む。還元剤の一部は、排気ガスから過剰な酸素を除去するために必要とされる。還元剤との化学反応により除去する酸素量は、例えば、エンジン吸気スロットルを絞る等、様々な方法で低減することができる。しかしながら、少なくともディーゼルエンジンの場合、概して、燃焼あるいは還元剤注入に伴う改質反応による排気ガスからかなりの量の酸素を除去することが必要である。一般に還元剤もまた、脱硫酸化のためにLNTを加熱するため、あるいは煤煙燃焼を発生させるためにDPFを加熱するため、排気ガス中へ注入される。
【００１２】
還元剤はエンジン燃料注入装置により排気ガス中へ注入することができる。例えば、エンジンは、排気ガスを排出するよりも前に１つ以上のシリンダ内の排気ガス中へ追加燃料を注入することができる。この取り組みの不利な点は、燃料がピストンリング周りを通過すると共にオイル通路に入り込むことにより、エンジンオイルが希釈されることである。シリンダ還元剤注入の付加的な不利な点は、LNT再生を維持するためのエンジンの後運転が必要なこと、還元剤の脈動の過剰な分散、およびターボチャージャおよびEGRバルブに設置して形成すること、を含む。エンジン燃料注入装置の使用に替わるものとして、分割された排気ラインの燃料注入装置を使用するエンジンの下流の排気ガス中に還元剤を注入することができる。排気ライン中への直接的な排気ガスの注入は、注入口を選択するに際して有利である。
【００１３】
酸化触媒あるいは改質装置は、汚染物質制御デバイスの上流で注入された還元剤を燃焼あるいは改質させるために排気ラインの内部で使用される。特許文献２には、LNTの上流の排気ラインに配置された燃料改質装置を備える排気ガス後処理システムが開示されている。改質装置は、酸素および改質触媒の両方を含む。改質装置は、排気ガスから過剰な酸素を除去するし、より反応性の改質油へディーゼル燃料還元剤を転化させる。特許文献２のインライン改質装置は、急激に加熱すると共に水蒸気改質に触媒作用を生じさせる。
【００１４】
水蒸気改質に向けて約５００℃から約７００℃の温度が必要となる。これらの温度は、典型的なディーゼル排気ガス温度よりも実質的に高い。LNT再生が要求された場合の十分な改質温度を得るために、特許文献２では、排気ガスが希薄な状態を維持する割合で第１燃料注入により加熱させ、これにより、注入された燃料が改質装置内で燃焼し、熱が放出される。暖機後、燃料注入率は、濃厚な排気ガスを得るために増加される。理想的には、特許文献２の改質装置は、発熱燃焼反応と平衡する吸熱水蒸気改質反応を伴い、自己熱的に作用することができる。しかしながら、実際には、排気ガス酸素濃度が高い状態で、改質装置は、改質油が連続して生成される場合、過剰に加熱することを回避できない。過熱を回避するため、特許文献２はパルス燃料注入を提案している。
【００１５】
特許文献３では、LNT構造および再生が起こる温度に依存して、長鎖炭化水素あるいは短鎖炭化水素のいずれかにより、より効果的に再生させることが提案されている。長鎖炭化水素と短鎖炭化水素との間の選択を制御することができるようにするため、特許文献３では、１つがターボチャージャの上流の排気マニホールド、１つが排気ラインにおけるLNTの直前の、２つの燃料噴射装置が提案されている。ターボチャージャーの上流の排気ガスの温度が高いことに起因して、マニホールド燃料噴射装置により注入された燃料は、より短い鎖状炭化水素を形成して実質的なクラッキングが発生すると考えられている。
【００１６】
ディーゼル微粒子フィルタもまた再生させる必要がある。DPFの再生は、蓄積された煤煙を除去するためである。２つの一般的な解決方法は、連続的および断続的な再生である。連続的再生では、触媒はDPFの上流でNOをNO2へ転化させる。NO2は典型的なディーゼル排気ガス温度で煤煙を酸化することができ、その結果、連続的再生を実現する。この解決方法の不利な点は、多くの高価な触媒を必要とすることである。
【００１７】
断続的な再生は、希薄な環境下で煤煙燃焼が自己継続する温度までDPFを加熱することを含む。一般的に、この温度は、約４００℃から約７００℃であり、触媒コーティングのタイプがより低い煤煙注入温度に至るまでDPFが適用されることに部分的に依存する。煤煙燃焼温度に到達させる一般的な方法は、DPFの上流の排気ガス中へ燃料を注入し、これにより、DPFあるいは上流デバイスで発熱燃焼させることである。
【００１８】
従来、LNT再生に向けたディーゼル燃料注入用の様々な排気ライン還元剤注入装置が提案されてきた。排気ラインの熱に関するこれらの装置により、共通の課題が取り組まれた。排気ラインからの熱は、ついには燃料注入を妨げる物質に分解するために、燃料注入装置間の燃料注入装置内で停滞した状態の燃料をもたらすことができる。
【００１９】
ある解決方法は、注入装置と排気ラインの中への入口部分との間の相対的に長いラインを設けることにより、注入装置を排気ラインから物理的に分離することである。この解決方法の障害は、概して、注入装置が、燃料を微細に散布された飛沫にするようにデザインされていることである。これらの飛沫は、入口部分に到達する前に相対的に長いライン内で再結合することができる。
【００２０】
他の解決方法は、クーリングジャケットを備えた排気ライン燃料注入装置をデザインすることである。水冷あるいは空冷を使用することができる。二者択一的に、注入装置は、注入装置によりもたらされる還元剤の過剰な流れで還元剤を注入すればよいとされる。過剰な流れはリザーバへ戻される。戻りの流れは熱を取り除く。
【００２１】
Robert Bosch GmbH は、独立した計量バルブおよび注入ユニットを備えた排気ライン燃料注入装置を提案している。該注入ユニットは、クーリングジャケットにより囲繞された単純なノズルである。パルス幅変調(PWM)バルブを含む計量バルブは、例えば電気絶縁体等の、バルブの温度感性部品を保護するため、排気ラインから所定距離を置いて配置されている。計量バルブは、エンジン燃料注入回路の低圧部分から、あるいはセパレートポンプおよび／または圧力調節装置から、燃料を取り出すようにデザインされている。流量は、計量バルブのデューティサイクルにより調節される。
【００２２】
ボッシュシステムは、一方がPWMバルブの上流で他方がPWMバルブの下流の２つの圧力測定デバイスを用いて構成されている。このシステムにより流れを制御する通常の方法は、流量に対するバルブのデューティサイクルと共に計量バルブにおける圧力低下に関する。デューティサイクル（バルブが開弁する時間の割合）は、望ましい流量に到達するまで増加あるいは低下させることができる。
【００２３】
進歩性があるにしても、耐久性があり、信頼性が高く、製造および運転コストが許容の範囲で、かつ、米国環境保護庁(EPA) の２０１０年規制および他の同様な規制に十分対応するディーゼルエンジンからのNOx排出を削減することができる排気ガス後処理システムが長年にわたり要求されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】米国特許第６，７３２，５０７号
【特許文献２】米国特許第７，０８２，７５３号
【特許文献３】米国特許第６，００６，５１５号
【発明の概要】
【００２５】
発明者のコンセプトの１つは、排気ライン燃料注入を伴う排気ガス後処理システムの操作方法に関する。その方法は、加圧燃料供給源から排気システム燃料供給ラインへ燃料を流通させることができる流量調節バルブの操作を含む。排気システム燃料供給ラインは、ノズルに接続されている。該ノズルは、概してチェックバルブを含み、それにより、ノズルにおける圧力低下がチェックバルブを開弁させるのに十分に高くなると、ノズルが排気ラインの中へ燃料を噴霧する。圧力測定デバイスの使用、排気システム燃料供給ライン圧力の表示が実行されている。排気システム燃料供給ライン圧力の表示は、調節バルブの制御のためのフィードバックに使用されている。
【００２６】
その方法は、ノズルを通過する流量と、排気システム燃料供給ライン圧力の表示と排気システム燃料供給ライン圧力の表示と排気ライン圧力との間の差とのいずれかと、の間の予め決められた関係を利用する。その関係は、圧力あるいはバルブが流量目標に到達する流量を発生するように制御されている場合の流量に対する圧力低下に関係することを利用することができる。同様に、予め決められた関係は、バルブが目標に到達するための圧力表示を発生するように制御されている場合に、目標流量（および任意で排気ライン圧力）から目標圧力表示が得られるように利用することができる。
【００２７】
１つの利点は、単一の圧力測定デバイスで実行することができることである。他の利点は、特に、排気ライン圧力が大きく変動しない場合に、高い精度の制御が可能であることである。さらなる利点は、制御に利用される同一の圧力表示から有用な分析のための情報を得ることができることである。具体的には、圧力表示の周波数スペクトルは、燃料注入装置が正確に機能することを示すことができる。
【００２８】
流量は、ノズルにおける圧力低下あるいは何か他の装置圧力と独立した排気システム燃料供給ライン圧力のいずれかと関する。排気ラインがDPFを含まない場合でさえ圧力低下を利用することができるが、圧力低下の利用は、特に望ましいことであると共に排気ラインがDPFを有する場合の手段として便利である。排気ラインにおける圧力変化は、DPFが閉塞される程度の圧力増加を伴い、排気ラインがDPFを含む場合により高くなる傾向にある。排気ライン圧力は、特にDPF制御のために測定される。ノズルにおける圧力低下は、排気システム燃料供給ラインの圧力と排気ラインとの圧力差である。圧力低下は、排気システム燃料供給ライン圧力よりさらに正確に流量を探知することができる。
【００２９】
発明者のコンセプトのもう１つの面は動力発生システムに関する。該動力発生システムは、燃料タンクから導管へ燃料を供給するための燃料ポンプ、導管から燃料を引き込むと共に排気システム燃料供給ラインへ燃料を逃がすように構成された流量調節バルブ、概してチェックバルブを含み、排気システム燃料供給ラインから排気ラインへの燃料の流通を許容するように形成されたノズル、排気システム燃料供給ラインの圧力を測定するように構成された圧力測定デバイス、および、測定された圧力からのフィードバックを利用する流量調節バルブを制御するように構成された制御装置を有する。１つの形態では、制御装置は、ノズルを通過する流量と排気システム燃料供給ラインの圧力との間の予め決められた関係を利用するように構成されている。もう１つの実施形態では、制御装置は、ノズルを通過する流量とノズルにおける圧力低下との間の予め決められた関係を利用するように構成されている。システムは、上述した方法を実行するために利用することができる。
【００３０】
発明者のコンセプトのもう１つは、排気ガス後処理システムへ燃料を注入する方法に関する。その方法によれば、燃料は調節バルブを通過して排気システム燃料供給ラインへ流通する。そこから、燃料は、概してチェックバルブを含むノズルにより排気ラインの中へ注入される。排気システム燃料供給ライン内の圧力は、圧力データを得るために測定される。前記関係は、排気システム燃料供給ライン圧力の機能としてのチェックバルブ、あるいはチェックバルブにおける圧力低下に抗して流量が与えられる。圧力データおよび前記関係を利用する積分は、一定期間にチェックバルブを通過する燃料の総量を得るために実行される。燃料注入は、前記総量に基づき制御することができる。例えば、注入は、正確な総量の燃料が注入された場合に、終わらせることができる。燃料注入がパルス送りである場合に、パルス間隔、周波数、あるいは振幅は、前記総量に基づき調整することができる。
【００３１】
この要約の第１の目的は、以下のより詳細な説明を容易に理解するための簡略化された形態中の発明者の概念において現在確定されたものである。この要約は、発明者の概念の全ての包括的説明あるいは発明者の考えられる発明の概念のあらゆる組合せではない。発明者の他の概念は、図と共に以下の詳細な説明により一当業者に示唆されるであろう。ここで開示された明細書の記載は、一般化、限定化および以下の請求項のために確保されたそれら発明としての発明者の請求項の最終的な明細書を伴う様々な方法の複合化となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】排気ライン炭化水素注入装置の一具体例の概略図である。
【図２】開位置におけるノズルの一例の概略図である。
【図３】閉位置における図２のノズルの一具体例の概略図である。
【図４】開位置におけるノズルのもう１つの例の概略図である。
【図５】閉位置における図４のノズルの一具体例の概略図である。
【図６】開位置におけるノズルのさらなる例の概略図である。
【図７】閉位置における図６のノズルの具体例の概略図である。
【図８】閉位置における２方向PWMパルス幅変調バルブの一例の概略図である。
【図９】開位置における図８のノズルの具体例の概略図である。
【図１０】閉位置における３方向PWMパルス幅変調バルブの一例の概略図である。
【図１１】開位置における図１０のノズルの具体例の概略図である。
【図１２】閉位置における比例制御スプールバルブの一例の概略図である。
【図１３】開位置における図１２のバルブの概略図である。
【図１４】動力発生システムの一具体例の概略図である。
【図１５】デューティサイクル、流量、排気システム燃料供給ライン圧力の関係を座標上に示す図である。
【図１６】排気ライン炭化水素注入装置の一具体例の概略図である。
【図１７】詰まりが除去されたノズルと１００％デューティサイクル（連続的に開弁する）でのPWM流量制御バルブに与えられる一連の排気システム燃料供給ライン圧力測定値のスペクトル周波数を座標上に示す図である。
【図１８】ノズルが人為的に部分的に詰まらされた場合を除いて、図１７において座標上に示された測定値を得るために利用される場合に、同一装置および同一条件が採用された一連の排気システム燃料供給ライン圧力測定値のスペクトル周波数を座標上に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、発明者のコンセプトのいくつかを具体化することが可能な動力発生システム１の要素である排気ライン炭化水素注入装置１０の一具体例の概略図である。炭化水素注入装置１０は、エンジン燃料供給装置２０から燃料を引き込むと共に排気ライン３０の中へ燃料を注入する。炭化水素注入装置１０は、流量制御バルブ１１、ノズル１２、圧力センサ１３、および制御装置１４を含む。圧力センサ１３は、流量制御バルブ１１からノズル１２へ燃料を運ぶ排気システム燃料供給ライン１５の圧力を検出する。
【００３４】
流量制御バルブ１１は、選択的に燃料を圧力供給源から取り入れるように構成されている。この例において、圧力供給源は、エンジン燃料供給装置２０の低圧部分である。エンジン燃料供給装置２０は、燃料をタンク２１から導管２３へ供給する低圧燃料ポンプ２２を有する。導管２３は、コモンレール２５へ高圧を供給する高圧燃料ポンプ２４へ接続される。燃料注入装置２６は、コモンレール２５から、排気ライン３０により運ばれた排気ガスを生成するように作用するディーゼルエンジン（図示せず）の各シリンダへ燃料を取り入れる。高圧リリーフバルブ２７は、燃料をコモンレール２５から燃料タンク２１へ戻すことができる。
【００３５】
この例において、流量調節バルブ１１は、燃料を導管２３から選択的に取り入れるように構成されている。排気ライン燃料注入に向けて導管２３から引き込まれる燃料は、エンジン燃料供給装置２０から切り離される追加的な燃料ポンプが不要であるという利点があるが、エンジンの通常運転時に導管２３内の圧力が大きく変化するという欠点がある。
【００３６】
燃料は、ノズル１２を通過して排気ライン３０に入る。ノズルは、燃料が通過する狭い通路を得るためのある構造物とすることができる。現在の前後関係において、排気システム燃料供給ライン１５に起因する圧力低下と比較して大きい圧力低下を燃料に引き起こすという意味において、通路が狭い。ノズル１２はチェックバルブを含み、それにより、ノズルにおける圧力低下が臨界値を超えた場合、燃料はノズル１２を通過して流れるだけである。臨界値は、約０．５から約３気圧であることが望ましく、より望ましくは、約１から約２気圧である。一般に、圧力低下は、概して排気ライン３０内の圧力が大気圧に近い時に、排気システム燃料供給ライン１５のゲージ圧におよそ等しい。
【００３７】
図２および図３は、ノズル１２として利用可能なノズル４０の一具体例を図示するものである。ノズル４０は、スプリング４４によりバルブシート４１に向けて付勢されるポペット４３を含む。ノズル４０における圧力低下が臨界量を超えた場合、図２に示されるようにポペット４３はシート４１から離れて、燃料がバルブボディ４５を通過してインレット４２から流通することを許容すると共にオリフィス４７を通過して噴霧として放出されることを許容する。ノズル４０における圧力低下が臨界値以下に低下した場合、図３に示されるように、ポペット４３はシート４１に着座して流れを阻止する。ノズル４０における圧力低下は、ポペット４３とシート４１との間の開口における初期の圧力低下であることが望ましい。
【００３８】
ノズル１２は、排気ライン３０の中への断続的な炭化水素注入のためにデザインされている。これにより、概してノズル１２は、ノズル１２内の燃料が排気ガスにより加熱されることから燃料注入の間に残ることを防ぐために冷却する必要がある。ノズル１２が燃料注入の間で加熱されることが許容される場合、ノズル１２内の停滞した燃料は、腐食してついには注入装置を詰まらせる可能性がある。過度に加熱されて燃料が停滞することを防ぐため、ノズル４０は、例えば、エンジンクーラントあるいはエア等の循環させることが可能な冷却流体を通す冷却ジャケット４６を備える。
【００３９】
別の方法として、ノズル１２は、過剰な燃料流れを利用して冷却することができる。過剰な燃料流れはノズルへ供給される燃料であるが、ノズル１２を通過して注入される燃料ではない。逆に、過剰な燃料は、その熱と共にノズル１２から取り除かれる。図４および図５は、過剰な燃料流れにより冷却されるように構成されたノズル５０を図示するものである。ノズル４０，５０，６８としての多くの同一の要素を有する。インレット５２は、冷却ジャケット５６へ開口を有する。燃料注入が要求されていない場合、バルブ５１は、図５に示されるように燃料がバルブボディ５５を冷却する冷却ジャケット５６を通じてインレット５２から流れることを許容する。燃料注入が要求されている場合、バルブ５１が閉弁し、これにより燃料がバルブボディ５５を通過して流れ、図４に示されるように、ポペット４３をそのシート４１から引き離すために十分な圧力で燃料が供給される。バルブ５１が再び開弁された場合、冷却ジャケット５６を通過する燃料流れは、ポペット４３がそのシート４１へ戻ることに起因し、また図５に示されるようにバルブボディ５５を通じた燃料流れを妨げ、インレット５２から圧力を逃がす。
【００４０】
図６および図７は、ノズル１４０のもう１つの具体例の概略図である。ノズル１４０は、スプリング１４４によりシート１４１に向けて付勢されるポペット１４３を含む。インレット１４２からの圧力が十分に大きい場合、ポペット１４３がシート１４１から離れ、図６に示されるように燃料がノズルボディ１４５を通過して流れる。圧力が低下した場合、ポペット１４３がシート１４１に接近し、燃料流れが停止する。ノズル１４１は、通路１４６を通過するクーラントの循環により冷却されるように構成されている。ノズルが冷却されるように構成されていない場合、燃料注入の間をエアで浄化することが望ましい。エアパージは、燃料が別に燃料注入の間のノズル詰まり物質を形成する可能性があるノズルから燃料を除去することができる。一例において、パージエアは、トラック用ブレーキ装置から引き出される。
【００４１】
流量調節バルブ１１は、適当なタイプとすることができる。適当なバルブのタイプの例は、比例制御バルブおよびパルス幅変調(PWM)バルブを含む。比例流量制御バルブは、開度により流量を調節するバルブである。PWMバルブは、急激な開弁および閉弁により流れを調節するバルブであって、バルブが開弁する時間の割合（デューティサイクル）ででバルブを通過する流量が調節される。PWMバルブはアクチュエータを含む。アクチュエータの例は、ソレノイドおよび液圧アクチュエータを含む。
【００４２】
図８および図９は、流量調節バルブ１１として利用可能な２ポートPWMパルス幅変調ソレノイドバルブ６０の一具体例の概略図である。バルブ６０は、インレット６２およびアウトレット６３を定義するバルブボディ６１を含む。閉弁位置において、図８に図示されるように、ポペット６４はシート６５に当接した状態にあり、インレット６２とアウトレット６３との間のバルブボディ６１を通過する流れを妨げる。図９に示されるように、ポペット６４をそのシート６５から引き離すためにソレノイドが励磁される。バルブ６０は、ポペット６４をバルブシート６５に向けて付勢するスプリング６６およびコイル６８が励磁された時にポペット６４をバルブシート６５から引き離す構成を含む。ポペット６４およびシート６５は、コイル６８が励磁されていない時に、バルブボディ６１内の供給流体の圧力がポペット６４をシート６５に向けて付勢するように構成されている。
【００４３】
図１０および図１１は、流量調節バルブ１１として利用することもできる３ポートPWMバルブ７０の一具体例を図解する。バルブ７０は、バルブ６０としての多くの同一の要素を含む。主な違いは、図１０に示されるバブル７０が閉位置にある場合、入口６２からの流体がバルブボディ７１を通過して戻りポート７２へ流れる点である。図１１に示されるバルブ７０が開位置にある場合、ポペット６４は、入口６２と戻り口７２との間の流れを阻止する第２シート７３に当接した状態である。
【００４４】
図１２および図１３は、流量調節バルブ１１として利用可能な比例制御バルブの１つのタイプであるスプールバルブ８０の一具体例を示す。スプールバルブ８０は、入口ポート８１、出口ポート、および制御通路８３を除いて円筒状に対称とすることができる。バルブ８０は、スプール８５がスライドする範囲のバルブボディ８４を含む。バルブボディ８６の範囲内のスプール８５の軸方向位置は、入口ポート８１と出口ポート８２との間の流れのための狭い通路である通路８７の開口の度合いを確定する。図１２は、完全に閉じられた位置のバルブ８０を示し、図１３は、部分的に開いた位置のバルブ８０を示す。出口ポート８２は、制御通路８３を通じてチャンバ８８に流体連結する。
【００４５】
作動中、スプール８５は、スプール８５に作用する多様な力が釣り合う平衡位置へ移動する。ソレノイド８９およびスプリング９０は、スプール８５に軸方向の力を作用させる。チャンバ８８内の流体もまたスプール８５に軸方向の力を作用させる。平衡位置においては、チャンバ８８からの押圧力、スプリング９０からのばね力、およびソレノイド８９からの力が釣り合う。望ましくは、スプリング９０およびソレノイド８９からの力は、スプール８５の軸方向位置から独立して主に生じさせる。バルブ８０は、ソレノイド８９へ作用する力によって予想通りに決まる安定した圧力を出口ポート８２で提供する。
【００４６】
排気ライン３０の内部には１つ以上の汚染物質制御デバイスが構成されている。図１４は、排気ライン３０とすることができる排気ライン１００を含む動力発生システム１１０の一具体例の概略を示す。動力発生システム１１０は、エンジン１１１、排気ガスをエンジン１１１から排気ライン１００へ案内するマニホールド１１２、および例えば温度センサ１１４からのデータ等のデータに基づき燃料注入装置１０を制御する制御装置１１９を含む。制御装置１１９は、制御装置１４としての同一ユニットあるいは制御装置１４へ指令を出す切り離されたユニットとすることができる。同様に、制御装置１１９は、エンジン制御ユニット(ECU)あるいはECUと通信する切り離されたデバイスとすることができる。
【００４７】
典型的な排気ライン１００は、酸化触媒１１３、燃料改質装置１１５、ディーゼル微粒子フィルタ１１６、LNT１１７、およびSCR触媒１１８を含む。燃料注入装置１０は、燃料改質装置１１５を暖機するため、DPF１１６を加熱するため、および排気ガスから酸素を除去すると共にLNT１１７を再生するための改質油を生成するために燃料改質装置１１５へ燃料を供給するように、断続的に利用される。燃料注入装置１０は、延長されたLNT１１７の脱硫酸化の期間を通して改質装置１１５の温度を調節するために燃料がパルス送りされる限り、燃料を延長された期間を通してパルス送りすることにも利用することができる。
【００４８】
一般に、燃料注入システム１０は、前述の機能の１つ以上を達成するために、燃料を広範囲の速度域で排気ライン３０へ正確に投入するようにデザインされている。一般に、広範囲とは２桁にわたる。大型車両用ディーゼルエンジンに対しては、典型的には、１分間当たり約２０から約１２００グラムおよび約４０から約１２００グラムである。中型車両用ディーゼルエンジンに対しては、１分間当たり約２０から約８００グラムである。自動車用エンジンでは、１分間当たり約２０から約４００グラムである。比較的低い燃料注入率は、改質装置１１４およびデバイスの下流を加熱するために利用される。比較的高い燃料注入率は、LNT再生のための排気ガスが濃厚な状態を作り出すために利用される。燃料注入率制御の精度は、望ましくは全範囲を通じたフルスケールの約±５％の範囲内であり、より望ましくは約±３％の範囲内、さらにより望ましくは、約±１％の範囲内である。
【００４９】
排気ガス配管温度が約１１０℃から約５５０℃の間で変化する時、燃料注入システム１０は作動を継続する。選択的に、燃料注入システム１０は、エンジン１１１の排気ガスマニホールド１１２の中へ燃料を注入するように構成されている。このような場合、燃料注入システムは、約６００℃の排気ガス配管温度に至るまで作動することが望ましい。これらの温度では、ノズル１２が無負荷状態で燃料注入の間の延長された期間を通じて燃料注入システムの特性が悪影響を及ぼすことはない。
を含む温度である。
【００５０】
簡単でかつ信頼性がある装置を使用して要求される範囲を通じて要求される精度を成し遂げるため、発明者は、ノズル１２における圧力低下に基づき流量を制御する方法を考えた。ノズル１２における圧力低下は、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力と排気ライン３０内の圧力との差である。ノズル１２を通過する流量は、主にノズル１２における圧力低下に依存する。したがって、流量は、流量とノズル１２における圧力低下との間の予め決められた関係から得ることができる。
【００５１】
発明者は、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力がノズル１２における圧力低下の主たる決定因子であると明確に理解した。１つの実施形態において、排気ライン３０内の圧力は一定と見做し、この場合、ノズル１２を通過する流量は、唯一測定された圧力である排気システム燃料供給ライン１５内の圧力を含む予め決められた関係から得ることができる。排気ライン３０の典型的な圧力変化は、±０．２気圧あるいはそれ以下である。ノズル１２のチェックバルブが開弁するために少なくとも２．０気圧の圧力低下が必要な場合、そして排気ライン圧力が一定であると仮定した場合、典型的に±１０％あるいはそれ以下であろう。
【００５２】
図１５は、排気システム燃料供給ライン１５内の３つの異なる圧力について、PWM流量調節バルブ１１のデューティサイクルとノズル１２を通過する流量との関係を座標上に示すものである。該座標は、流量が圧力に再現可能に関連付けられると共にデューティサイクルに対して直線的に変化することを示す。
【００５３】
もう１つの実施形態において、排気ライン３０内の圧力は測定あるいは予測され、この場合、ノズル１２における流量は、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力と排気ライン３０内の圧力との間の差を含む予め決められた関係から得ることができる。
【００５４】
排気ライン３０内の圧力は、必要とされる時に、直接測定することができる。センサは、排気ライン３０内の圧力を測定するように構成される。選択的に、排気ライン３０と排気システム燃料供給ライン１５との間の圧力差は、両方のラインに接続されたデバイスにより測定することができる。さらなる選択肢として、圧力低下は、排気ライン圧力の推定により算出することができる。排気ライン圧力は、動力発生システム１１０の運転状況に基づき推定することができる。例えば、圧力は、DPF１１６の最後の再生の時からDPF１１６内に蓄積されたエンジン１１１で生じた煤煙の推定量に順次基づく煤煙の量に基づき推定することができる。
【００５５】
DPF１１６が断続的な再生用にデザインされていると共に燃料注入ポイントの下流に構成されている場合、排気ライン圧力に最も大きい変化が発生する。DPF１１６が煤煙を蓄積する時、DPF１１６における圧力低下およびDPF１１６の上流の圧力は増加する。このような場合、DPF１１６の上流の圧力あるいはDPF１１６における圧力低下は、概してDPF１１６を再生させるタイミングで確定するために測定される。したがって、最大の圧力変化を伴う排気ラインにおいて、排気ライン圧力は、概してノズル１２における圧力低下を算出するために直ちに求められる。最小の圧力変化を伴う排気ラインにおいて、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力のみから十分な精度で推定することができる。
【００５６】
燃料注入の開始で、流量調節バルブ１１は、第１デューティサイクルあるいはフィードフォワード制御に基づく位置に向かうように設定することができる。１つの例では、フィードフォワード制御は、バルブ１１に向けた燃料供給の圧力における推定あるいは測定値に基づく。予め決められた関係、デューティサイクルあるいは開弁の程度は、流量を発生させるため、設計された流量に接近するように設定することができる。
【００５７】
一実施形態において、圧力情報および該圧力情報と累積燃料注入量を算出するための流量との間の関係を利用して積分が実行される。圧力情報は、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力あるいはノズル１２における圧力低下のいずれとも関連させることができる。
【００５８】
累積燃料注入量は、制御手段で利用することができる。１つの例では、累積燃料注入量が所定量の燃料供給を指す目標値に到達した場合、燃料注入が終了する。もう１つの例では、１つ以上の燃料パルス送りパラメータは、算出された量に基づき調整される。燃料パルス送りパラメータは、パルス幅、パルス周波数、およびパルス振幅を含む。調整は、パルス当たりの燃料注入量および／または単位時間当たりの燃料注入量の制御を利用することができる。
【００５９】
もう１つの実施形態では、圧力情報および流量との関係は、フィードバック制御ループで望ましい流量が得られるように流量調節バルブ１１を調整するために利用される。制御ループにおける設定点および誤差は、排気システム燃料供給ライン３０内の圧力、ノズル１２における圧力低下、あるいはノズル１２を通過する流量に関して表すことができる。誤差が圧力あるいは圧力低下に関して表されるのであれば、設定点は、目標流量、および流量と圧力あるいは圧力低下との間の予め決められた関係に基づき決定される。誤差が流量に関して表されるのであれば、予め決められた関係は、圧力あるいは圧力低下から流量を得ることに利用される。このようにして得られた流量は、誤差を算出するための目標流量と比較される。いくつかの適当な制御アルゴリズムを利用することができる。利用可能な適当な制御アルゴリズムの具体例としては、比例、比例積分、比例積分微分制御、および制御スキームに基づく状況を含む。
【００６０】
圧力測定デバイスにおける典型的なサンプリング周波数が１０００Ｈｚである場合、一実施形態の制御装置は４０Ｈｚで作動する。４０Ｈｚでは、制御アルゴリズムは、排気システム燃料供給ライン１５の圧力に顕著な振動を引き起こす傾向がある。それにも関わらず、発明者は、燃料注入装置がこれらの振動にも関わらず十分に作動することができることを見つけ出した。振動は、平滑圧力データ、あるいは時間平均推移を利用することにより、軽減させることができる。時間平均推移は、先の時間周期で得られた一連の測定値平均を含む。平均値は、単純な平均あるいは加重平均とすることができる。４０Ｈｚでの作動は、制御装置を標準エンジン制御ユニット(ECU) に組み込むことを可能とする利点を有する。標準ECUは、２５ｍｓのクロック速度を有する。
【００６１】
排気システム燃料供給ライン１５内の圧力は、圧力センサ１３により測定される。このセンサは、好都合に流量調節バルブ１１と統合することができる。このセンサからのデータは、制御アルゴリズムが利用される前にいくつかの方法で加工処理することができる。例えば、データは、標準化、条件付け、および／またはフィルタリングすることができる。特に、フィルタリングは、圧力データにおける高周波数成分を除去するために利用することができる。高周波数成分は、ノズル１２が、例えばノズル４０等の、スプリングとポペットとを有するチェックバルブを含む場合、しばしばデータに存在する。圧力振動は、バルブボディ４５を通過する流れがある時にはいつでも典型的にスプリング４４上で振動するポペット４３により引き起こされる。これらの振動は、検出可能な排気システム燃料供給ライン１５内の圧力の小さな変化の原因となる。
【００６２】
１つの実施形態において、流量調節バルブ１１は、比較的低い周波数で作動されるパルス幅変調バルブである。低周波数は、２０ヘルツ、より典型的には１０ヘルツ以下とすることができる。このような低周波数で、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力は、バルブ１１の脈動を伴い大きく変化する。このような場合、一連の圧力測定値に関する平均値あるいは積分値は、制御アルゴリズムにおける瞬時値の代わりに利用することができる。例えば、平均圧力は、先のn の圧力測定値の総和をn で除することにより得ることができる。
【００６３】
もう１つの実施形態において、パルス幅変調バルブは、この圧力に基づくフィードバック制御に影響を及ぼす可能性を有する排気システム燃料供給ライン１５内の圧力変化を軽減するために比較的高周波数で作動される。比較的高周波数は、約４０ヘルツ、より典型的には約５０ヘルツ以上である。
【００６４】
図１６は、発明者により考案された排気ライン炭化水素注入装置２００のもう１つの具体例の概略図を示す。排気ライン炭化水素注入装置２００は、炭化水素注入装置１０に対して多くの同一要素を含むが、圧力蓄積装置１６をも含む。該圧力蓄積装置１６は、流量調節バルブ１１への供給圧力の圧力変化を平滑化するが、流量に影響を及ぼす摂動を低減させる。蓄積装置１６は、周囲の配管の直径よりも十分に大きい直径の配管の長さと同じくらい簡単とすることができる。炭化水素注入装置２００は、流量調節バルブ１１の上流に圧力センサ１８も設けられている。この圧力センサは、故障診断として利用することができ、かつ流量調節バルブ１１の閉ループ制御が正確に機能しなくなる故障中の開ループ制御を提供するために利用することができる。
【００６５】
炭化水素注入装置２００は、過剰な燃料流れを伴う冷却用に構成されたノズル１２を含む。チェックバルブ１７は、冷却に利用される燃料流れを制御するために提供される。ノズル５０は、チェックバルブ１７の代わりにチェックバルブ５１を備えるノズル１２として利用することができる。
【００６６】
ここに開示された排気ライン炭化水素注入装置は、故障検出のいくつかの形態を含むことが望ましい。排気システム構成部品は、最も多くのシステムの故障の原因となりかねない状況下で長期間にわたって作動される。炭化水素注入装置の故障は、重大な結果をもたらす可能性がある。燃料の過剰注入は、オーバーヒートおよび高価な排気システム構成部品が損傷する原因となる可能性がある。注入不足は、汚染物質制御デバイスの性能低下を引き起こす原因となる可能性がある。改質装置１１４が自動サーマル運転用にデザインされている場合、発熱を伴う酸化反応の比率が本質的に一定である間、注入不足は、吸熱を伴う水蒸気改質反応の範囲が縮小されることによるオーバーヒートを引き起こす原因となる可能性がある。
【００６７】
燃料注入装置の甚大な故障は、通常の方法により検出することができる。例えば、リークは、燃料注入の端の後の排気システム燃料供給ライン１５における圧力の急激な低下により検出することができ、燃料は注入の間でノズル１２を冷却するために利用されることがない。流量調節バルブ１１がソレノイドを含む場合、ソレノイドが正確に機能していることは、例えば、ソレノイドへの電流の測定あるいはソレノイドの動作による誘導電流の測定等の、電気的手段により検出することができる。いくつかの技術は、ソレノイドがこのタイプの情報から命令された時に機能するかどうかを決定するために利用する。
【００６８】
故障のタイプを決定するのがより困難であることに、ノズル１２の局部的な詰まりおよび固着を含む。１つの実施形態において、故障検出は、ノズル１２における圧力低下から、あるいは排気システム燃料供給ライン１５内の圧力に基づき決定された流量と、異なる対象から決定された流量とを比較することで成し遂げられる。流量を決定することを利用することができる異なる対象の具体例は、バルブ１１がPWMバルブである場合、流量調節バルブ１１における圧力低下あるいはバルブ１１のデューティサイクルとの併用でバルブ１１の上流の圧力である。もう１つの異なる対象の具体例は流量計である。異なる対象から決定された２つの流量間の重大な不一致は故障の存在を示す。不一致は、故障修正処理を誘発するための信号を送信するおよび／または利用することができる。
【００６９】
排気ライン３０内の温度測定値は、熱的モデルを使用して流量を決定するのに利用することができる。例えば、熱的モデルは、流量の機能としての燃料改質装置１１５の温度を予想するのに利用することができる。モデルは、燃料注入率、排気ガス状態、および改質装置１１５に関する情報を考慮に入れることができる。熱的モデルを適用した結果が温度測定デバイス１１４により測定された温度と一致しない場合、真の燃料注入率とモデルへの入力として利用される燃料注入率との間の差が推測される。
【００７０】
もう１つの発明者のコンセプトは、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力の周波数スペクトルを通じて故障を検出することである。図１７および図１８は、完全に開弁させた流れ制御バルブ１１および４３psi 供給圧力を使用して得られた周波数スペクトルの具体例を座標上に示すものである。図１７は、規範事例であり、３８０Ｈｚでの大きいピークと２４５ヘルツでの相対的に小さいピークとを示す。図１８は、ノズルの局部的な閉塞をシミュレートすることにより得られた。閉塞があるにも関わらず、約１７０Ｈｚで単一のピークを伴い、スペクトルは大きく変化している。これらピークの正確な位置がこの実験で使用される装置の多くの特色に依存すると予測されると同時に、このような差は最も多くの装置において予測することができる。とりわけ、これらの周波数スペクトルにおける装置のバリエーションがノズル１２の詰まりを検出しない場合、異なるノズルを使用することが提案され、望ましくは、ポペットとシートとの間の開口の大きさをノズルを通過する流量に伴い連続的に変化させる。
【００７１】
１つの実施形態において、ノズル１２の固着は、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力に基づき決定される。例えば、ノズル４０におけるポペット４３の振動は、圧力の中の測定可能な周波振動の原因となりえる。これらの振動は、ポペット４３がそのシート４１から離れる時に始まり、ポペット４３がそのシート４１上に着座するために戻る時に終わる。これらの振動の開始時の圧力がこれらの振動の終了時の圧力よりも十分に大きい場合、固着を推測することができる。
【００７２】
周波数スペクトルに基づく故障検出は、流量調節バルブ１８用の比例制御バルブの使用により向上させることが可能である。比例制御バルブの使用は、PWMバルブに起因する圧力変動を除去し、このようにして周波数スペクトルにおける信号のノイズ比を増加させる。
【００７３】
故障の検出は、いくつかの適当な応答を引き起こすことができる。適当な応答は、照明を照らすことによるドライバの変更、電気的手段における故障コードの記憶、および故障修正処理の開始を含む。故障修正処理は、故障が解消するまでのフィードバック制御を無能にすることまでも含む。
【００７４】
１つの実施形態において、流量調節バルブ１１のフィードバック制御における故障の検出に関して、動力発生システム１は、フィードバック制御から開ループ制御（フィードフォワード制御）へ切替える。望ましくは、フィードフォワード制御は、流量調節バルブ１１の上流での圧力測定を含む。デューティサイクルは、流量調節バルブ１１のデューティサイクルとバルブを通過する流量との間の予め決められた関係に基づき、圧力の関数となる関係を設定することができる。
【００７５】
流量調節バルブ１１の上流で測定された圧力に基づくフィードフォワード制御用のシステム１を構成することの利点は、排気システム燃料供給ライン１５内の圧力を測定するデバイスが故障した場合の運転の可能性、始まりから終わりまで故障を検出するための上流および下流圧力表示の利用の可能性を含む。上流圧力の測定値を利用して予め決められた流量は、故障を検出するために読み取ることなく推測された流量と比較することができる。
【００７６】
エンジン１１１は望ましくは圧縮点火ディーゼルエンジンであり、同時に、発明者の種々のコンセプトは、希薄燃焼ガソリンエンジンあるいは他のタイプの豊富な酸素を多く含み、NOxを含む排気ガスを生じるエンジンを備える動力発生システムに適用可能である。本明細書の目的のため、NOxは、NOおよびNO2からなる。
【００７７】
動力発生システム１１０は、いくつかの適当なタイプのトランスミッションとすることができる。トランスミッションは、例えば、カウンタシャフト型機械式トランスミッション等の通常のトランスミッションとすることができるが、CVTが望ましい。CVTは、通常のトランスミッションよりもかなり広範囲の動作基点の選択を提供することができ、概して広範囲なトルク乗数をも提供する。利用可能な動作基点の範囲は、例えば、酸素流量および排気ガス炭化水素含有量等の排気ガス状態を制御するのに利用することができる。与えられた動力要求は、トルク乗数−エンジン速度の組み合わせの範囲により対処することができる。この範囲における基点は、例えば最小酸素流量等の制御目標の最良の対処を選択することができると同時に、満足なエンジン性能を与える。一般に、CVTは変速中の動力中断を阻止あるいは最小限にする。
【００７８】
CVTシステムの具体例は、流体圧トランスミッション、転がり接触摩擦駆動、オーバーランニングクラッチデザイン、電気式、滑りクラッチを備える多段変速ギアボックス、およびＶベルト摩擦駆動を含む。ＣＶＴは、動力滑りを含むことができ、また多段トランスミッションをも含むことができる。
【００７９】
望ましいCVTは、広範囲なトルク増幅率を提供し、通常のトランスミッションと比較して変速要求を低減し、またCVTをエンジンにより作り出されるごく僅かなピークレベルにさらす。これらの利点は、減速歯車対を使用してCVTを通過するトルクを低減することを達成する。CVTからのトルクは、トルクを復元させる増速歯車対を通過する。CVTはさらに、エンジンからのトルクを滑らせるおよび遊星歯車対におけるトルクを再結合させることにより保護されている。遊星歯車対は、例えばバンド式CVT等の、CVTのトルク要素を備える段階式自動トランスミッションを介してエンジンから伝達された直接なトルク要素を混合あるいは組み合わせる。組み合わせは、トルクの一部のみがバンド式CVTを通過するものを含む全てのCVTを提供する。
【００８０】
燃焼改質装置１１５は、燃料を十分に燃焼させることなく、重い燃料をより軽い化合物に転化させる装置である。燃料改質装置１１５は、触媒改質装置あるいはプラズマ改質装置とすることができる。望ましくは、改質装置１１５は、水蒸気改質触媒を含む部分酸化触媒である。改質触媒の例として、例えばPt, PdおよびRh等の貴金属、およびAl,MgおよびNiの酸化物、を含んでおり、後者のグループは、CaO, K2O、および、Ce等の希土類金属の１つ以上が組み合わされて活性が向上される。改質装置１１５は、望ましくは４５０℃以下の温度で作用するようにデザインされた酸化触媒を含む。概して、改質装置１１５は、約４５０から約１１００℃の範囲内の温度で作用する。
【００８１】
LNT１１７は、いかなる適当なNOx吸着剤を含むことができる。NOx吸着剤の具体例として、これらに限定しないが、酸化物、炭化物、および、例えばMg, Ca, SrおよびBa等のアルカリ土類金属、あるいはKあるいはCs等のアルカリ金属の水酸化物が挙げられる。概して、NOx吸着剤はアルカリ土類酸化物である。概して、吸着剤は、結合材と組み合わされて自己担体構造を形成するかまたは不活性基板上のコーティングとして適用される。
【００８２】
LNT１１７は、還元環境におけるNOx除去のための触媒を含む。該触媒は、例えば、Au,AgおよびCu等の１つ以上の遷移金属、Pt, Rh, Pd, Ru, Ni等のVlll族金属、および、Co, Cr、あるいは、Moとすることができる。典型的な触媒はPtおよびRhを含む。また、貴金属触媒は、アルカリ土類酸化吸着装置の吸着機能を促進する。
【００８３】
本発明に係る吸着剤および触媒は、概して、車両排気システムにおける使用に適用される。車両排気システムでは、重量、寸法および耐久性における制限が生じる。例えば、車両排気システムのためのNOx吸着床は、車両運転中に晒される振動下で適度に分解を妨げる必要がある。
【００８４】
アンモニアSCR触媒１１８は、低濃度排気ガスにおいてNOxをN2へ還元するためのNOxとNH3との間の触媒反応に対して機能する。SCR触媒の例として、CU, Zn, V, Cr, Al,Ti, Mn, Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Rh, Rd, Mo, WおよびCe等のいくつかの金属酸化物、ZSM-5あるいはZSM-11等のいくつかのゼオライト、Cu, Co, Ag, ZnあるいはPtのカチオンのような金属イオンへ置換したものが挙げられる。望ましくは、アンモニアSCR触媒１１８は、LNT１１７を脱硫酸化するために要求される温度に耐え得るようにデザインされる。
【００８５】
どの図面にも図示されていないが、浄化触媒は、他の後処理デバイスの下流に配置することができる。浄化触媒は、望ましくは、エンジン１１１、使用されない還元剤、および、LNT１１７から放出されると共にアンモニアSCR触媒１１８により酸化されていないH2Sからの不燃焼炭化水素を酸化するに向けて機能的である。いずれの適当な酸化触媒も使用することができる。高濃度状態下で機能する浄化触媒を可能にするための触媒は、例えばセリア等の酸素蓄積成分を含むことができる。H2Sの除去は、必要に応じて、例えばNiO, Fe2O3, MnO2, CoOおよびCrO2等の１つ以上の追加成分により促進することができる。
【００８６】
以下の請求項により描写された本発明は、いくつかの概念、構成要素および特徴的事項に関連して示されるおよび／または説明される。特定構成要素あるいは特徴が、いくつかの概念のうちの１つだけあるいは実例あるいは広いおよび狭い用語のいずれかについてここに開示されると同時に、それらの広いおよび狭い概念における構成要素あるいは特徴的事項は、それらの広いあるいは狭い概念における他の構成要素あるいは特徴的事項の１つ以上と組み合わせることができ、そのような組み合わせは、当業者により必然的に理解されるであろう。また、当該明細書は、単に一発明について説明しており、以下の請求項は、あらゆる概念、解釈、具体例あるいはここに説明した実行形態を必ずしも含むものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、ディーゼルおよび希薄燃焼ガソリンエンジンからの排出ガス制御に有用である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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