JP5468263B2 - 後処理を伴う空気処理システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２００５年１１月１８日に出願された米国仮特許出願第６０／７３８，１５８号明細書の利益を主張する。

本発明は、一般に、ターボ過給機が設けられた車両、より詳しくは、車両の排気システムの二次燃焼用の装置に関する。この装置の意図された目的は、触媒を再生させ及び／又は粒子トラップにおける堆積物を焼却するための熱を供給することである。本発明の装置は、エンジン運転とは完全に独立して作動させることができ、ターボ過給機が設けられたディーゼル車に特に適している。

ターボ過給機は、一般に、車両の内燃機関又はディーゼルエンジンの動力を著しく増加させるために使用される。ターボ過給機の使用について存在する典型的な問題は、粒子状物質（ＰＭ）と炭化水素（ＨＣ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを含む排気エミッションが増加することである。ＰＭ、ＨＣ及びＮＯｘのエミッションを低減するための後処理システムを有する多くのディーゼルエンジンが開発されている。

多くの場合、これらのシステムは、再生サイクルを開始できるまで、燃焼の望ましくない副産物を蓄積するための、下流側フィルタと下流側トラップとを含む。再生サイクルは、ＰＭ、ＨＣ及びＮＯｘの余分なエミッションが「バーンオフされる」工程である。再生サイクルは、典型的に、有効な特定の温度範囲及び／又は排気ガスの酸素濃度を必要とし、長期間作動する。典型的に、通常運転状態中に、すなわち、エンジンが、十分な熱を発生させるように作動し、十分に高速で作動しているときに、余分な排気エミッションを燃焼させるのに必要な熱量及び酸素量が供給されて、余分な排気エミッションが自動的に燃焼するか又はバーンオフする。ＰＭ、ＨＣ及びＮＯｘが蓄積することによって、排気ガスの流れが阻止されることがあり、このようにして、排気ライン内の圧力が増加しエンジン性能が影響を受けるので、上記の余分な排気エミッションを燃焼させることが重要である。

車両が始動している間に、例えば、エンジンがその通常運転温度に達していなかった場合に、特定の温度範囲及び酸素濃度の要求に関する１つの問題が発生し、そして低速運転中に、例えば、車両が赤信号の前にあった場合に、システムを通って流れる空気が、余分なエミッションを自動的に燃焼させるのに適切な酸素量が存在することを可能にするには不十分であった場合に、他の問題が発生する。これらの種類の状態中に、余分なエミッションがフィルタ又はトラップに蓄積することがある。

したがって、車両のターボ過給機システム用の新規な改良された空気処理システムが必要である。

本発明は、ターボ過給機用の空気処理システム、及び後処理再生用の排気ガスフィルタを制御するための方法に基づく制御システムである。

本発明のターボ過給機に基づく再生システムは、可変タービン形状（ＶＴＧ）とコンプレッサの流量制御弁とを使用して、加圧された吸気を排気管に押し込む。次に、酸素リッチ排気ガスと燃料とを混合して燃焼させることができ、その温度は、フィルタが再生し、さらにＰＭが燃焼される程度まで上昇する。可変タービン形状は、任意のエンジン速度状態及びエンジン負荷状態でコンプレッサの吐出圧力を増加させるために使用される。コンプレッサの余分な圧力及び流れはパティキュレートフィルタの上流の排気ガスシステム内に迂回される。コンプレッサの吐出側の可変オリフィスは、体積流を調整し、エンジンの吸気マニホルドの必要な状態を維持する。再生中のエンジンの過渡運転は、エンジン負荷及び排気ガス温度を維持するためのＶＴＧ機構及びコンプレッサ吐出オリフィスの閉ループ制御によって実現される。

本発明は、余分な粒子状物質を除去するための排気ガスターボ過給機に関する後処理を伴う空気処理システムであって、エンジンに空気を導入するための吸気マニホルドと、エンジンから排気ガスを除去するための排気マニホルドと、排気マニホルドからの排気ガスを受け入れるタービンと、空気を受け入れ、圧縮し、そして吸気ラインに押し込むためのコンプレッサとを有する空気処理システムである。さらに、本発明は、排気ガスの余分な排気ガス粒子状物質を捕捉するために排気ガス導管に配置されたフィルタと、燃料ラインを使用することによって燃料ポンプに接続される燃料源と、点火源が、燃料源から排気ガス導管に導入された燃料を点火できるように燃料源に関連して配置された点火源とを含む。ブリード弁は、吸気導管内に取り付けられ、燃料源によって導入された燃料と混合するための新気を吸気導管から排気ガス導管に導入する排気ガス導管に接続される。新気と燃料とが排気ガス導管内で混合されると、点火源が火花を発生させて、燃焼火炎を発生させ、フィルタに蓄積した排気ガス粒子状物質をバーンオフする。

本発明の別の適用分野は、以下に示す詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施態様を示しているが、あくまで例示のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本発明は、詳細な説明と添付図面とによってより完全に理解される。

好ましい実施態様の以下の説明は、本質的に一例に過ぎず、決して、本発明、その用途、又は使用方法を限定するものではない。

図面を参照すると、内燃機関で使用するための排気ガスターボ過給機のために後処理を伴う空気処理システム１０が概して示されている。エンジン１２は、吸気マニホルド１４と、エンジン１２から排気ガスエミッションを導くための排気マニホルド１６とを含む。排気マニホルド１６は、アクチュエータ１９と、排気マニホルド１６からの排気ガスを受け入れるタービン２０とを有する概して１８で示されているターボ過給機と作動可能に協働する。タービン２０は、リンク２１によってタービン２０に接続されたアクチュエータ１９を有する可変タービン形状（ＶＴＧ）のタービンである。可変タービン形状を有するタービン２０は、任意のタイプのものであることができる。ＶＴＧタービン２０は、アクチュエータ１９とリンク２０とによって制御される。タービン２０が、排気ガスの流れによって回転したときに、タービン２０がコンプレッサ２２を作動させる。コンプレッサ２２は、ブリード弁２４を通して新気を受け入れ、圧縮し、そして押し出す。

さらに、本発明は、この場合火花を発生させるための点火装置２６である点火源を含む。点火装置２６は、燃料源又は燃料インジェクタ２８の近傍に配置される。点火装置２６及び燃料インジェクタ２８の両方がフィルタ３０と作動可能に協働する。フィルタ３０は、エンジン１２の通常運転中にバーンオフされなかった粒子状物質（ＰＭ）等の余分な排気ガスエミッションを捕捉する。フィルタ３０は消音装置３２内に配置される。消音装置３２は排気ガスを大気に排出する。

その上、本発明は、燃料インジェクタ２８に燃料を供給するための燃料ポンプ３４を含み、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３６によって制御される。ブリード弁２４は、吸気導管３８に配置され、圧縮された新気のいくらか又は全てをコンプレッサ２２から吸気マニホルド１４に迂回させることができる。燃料インジェクタ２８と燃料ポンプ３４とが、燃料ライン４０によって接続され、この燃料ラインにおいて、燃料ポンプ３４は、ＥＣＵ３６によって燃料インジェクタ２８に燃料を供給するように命令されたときに燃料インジェクタ２８に燃料を供給する。点火装置２６及び燃料インジェクタ２８は排気ガス導管４２内に配置される。排気ガスは、エンジン１２から流出し、排気マニホルド１６によって集められ、タービン２０を通して排気ガス導管４２に送り込まれる。次に、排気ガスは、消音装置３２に流入し、ここで、フィルタ３０は、エンジン１２の燃焼時にバーンオフしなかった何らかの排気ガスＰＭを集める。

エンジン１２の通常運転状態において、燃料ポンプ３４によりエンジン内に燃料が噴射される。燃料ポンプ３４は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３６によって制御される。さらに、ＥＣＵ３６は、消音装置３２、フィルタ３０及び燃料インジェクタ２８の状態を監視することによって後処理システムを制御する。エンジン１０又はインジェクタ２８に入ってくる正確な燃料圧力を監視するための燃料圧力調整器（図示せず）を使用することによって、燃料インジェクタ２８の監視を実現できる。

点火装置２６は、スパークプラグ、又は燃焼室内の空気−燃料混合物を点火するのに必要な火花を発生させることができるある他のタイプの装置であることができる。燃料が排気ガス導管４２内に噴射されたときに、タービン２０から出た高温の排気ガスの乱流が、排気ガス導管４２内の燃料を分散させる。ブリード弁２４によって、排気ガス導管４２に新気が導入される。ブリード弁２４は導管３８に関連して配置される。導管３８は、圧縮された空気をコンプレッサ２２から吸気マニホルド１４に供給する。ブリード弁２４が開かれたときに、新気が導管３８内に迂回されて排気ガス導管４２に入る。渦巻き状の空気−燃料混合物は排気ガス導管４２内で点火され、これによって、燃焼火炎が発生する。その結果、燃焼火炎が、消音装置３２内に配置されたフィルタ３０に向かって流れる排気ガスの温度を上昇させ、余分な排気エミッションを燃焼させる。

フィルタ３０は、排気ガスの激しい熱に耐えるためにセラミック材料を含んでなるか、又は排気ガスに含まれているＰＭを集められるある他の耐高温材料を含んでなり得る。

また、ＥＣＵ３６は、後処理システムの再生サイクルの運転にわたって制御を行うことが好ましい。フィルタ３０の各側の差圧を読み取ることによって、余分な排気エミッション量を決定し得る。例えば、圧力センサをフィルタ３０の上流及びフィルタ３０の下流に配置でき、２つのセンサの差圧を測定できる。排気エミッション量がエンジン１２の性能に影響を与え始めるように、差圧が一定の所定値に達した場合、ＥＣＵ３６は燃料インジェクタ２８と点火装置２６とを作動させて、燃焼火炎を発生させ、このようにして、フィルタ３０に蓄積したＰＭ等の余分な排気エミッションを燃焼させてバーンオフする。余分なエミッションがバーンオフされると、ＥＣＵ３６は、フィルタ３０を横切る圧力変化が許容可能であることを読み取って、燃料インジェクタ２８と点火装置２６とを停止させる。フィルタ３０を横切る圧力低下を読み取る代わりに、熱電対又はある他の温度読み取り装置を使用して、フィルタ３０を横切る温度変化を検出することが可能であることに留意されたい。燃焼火炎は排気ガス温度を上昇させるので、フィルタ３０の両側で温度が同じくらいになると、排気ガスは、フィルタ３０に蓄積しているであろう余分な排気エミッションをバーンオフする程度に十分に高温となる。

運転時、排気ガスはエンジン１２から排気マニホルド１６に流入する。次に、排気ガス圧力により、タービン２０の作動が開始され、次に、このタービンがコンプレッサ２２を駆動する。排気ガスは、タービン２０から流出した後に、排気ガス導管４２を通り、その次に、消音装置３２に流入する。排気ガスが消音装置３２を通って流れたときに、フィルタ３０は、エンジン１２の燃焼時にバーンオフしなかったＰＭ等の余分な排気エミッションを捕捉する。

通常運転状態では、排気ガスが十分に高温であった場合、ＰＭは、排気ガスからの熱によってバーンオフし、すなわち燃焼する。排気ガス温度が、余分なＰＭをバーンオフする程度に十分に高温でなかった場合、ＰＭはフィルタ３０に蓄積する。この蓄積により、排気ガス導管４２内の排気ガス流の圧力上昇又は背圧が生じる。ＥＣＵ３６は、フィルタ３０を横切る圧力変化を読み取る。圧力が一定の所定値に達した場合、ＥＣＵ３６は燃料インジェクタ２８及び点火装置２６の作動を引き起こす。排気ガス導管２８内に燃料を噴射する燃料インジェクタ２８によって、ＰＭがバーンオフされる。このことが行われたときに、ブリード弁２４が開き、新気が排気ガス導管４２に流入することが可能になる。排気ガス導管４２内の空気と燃料を使用して、点火装置２６が火花を発生させ、この火花により、空気−燃料混合物が点火され、フィルタ３０に蓄積した余分なＰＭがバーンオフされ、消音装置３２内におけるＰＭの蓄積から発生した何らかの背圧が除去される。ＥＣＵ３６で読み取った圧力はエンジンの運転状態とは無関係であり得る。さらに、ＥＣＵ３６をプログラムして、特定の時間間隔で後処理システムを作動させることができ、ここで、特定の時間間隔は、作動間の許容可能な最大時間間隔である。

点火装置２６は、典型的に１２ボルトである車両用バッテリによって作動されることができるか、又は点火装置２６に電流を供給できるある他の装置、例えば別個のバッテリによって作動されることができる。後処理サイクルが開始されると、点火装置２６を停止させることができ、燃料インジェクタ２８が排気ガス導管４２内に燃料を供給し続ける限り、燃焼火炎が継続的に滞留する。後処理サイクルが完了すると、燃料インジェクタ２８が停止され、新気の全てが吸気マニホルド１４内に導かれるようにブリード弁２４が閉じられる。

本発明の説明は本質的に一例に過ぎず、したがって、本発明の要旨から逸脱しない別形態が本発明の範囲内に包含されることが意図される。このような別形態は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱していないものとみなすことができる。

本発明による排気ガス後処理システムの図である。

Claims (20)

1. エンジンと吸気導管に接続された吸気マニホルドと、
   前記吸気導管を通して前記吸気マニホルドに空気を圧縮して押し込んで、前記エンジンに空気を導入するコンプレッサと、
   前記コンプレッサを作動するタービンと、
   前記エンジンから排気ガスを除去し、前記排気ガスを前記タービンに送るための排気マニホルドと、
   前記排気ガスを大気に排出するために前記タービンに接続された排気ガス導管と、
   前記排気ガス導管から余分な排気ガスエミッションを捕捉するために前記排気ガス導管に配置されたフィルタと、
   前記フィルタと協働し、前記排気ガス導管内にある点火源と、
   前記点火源の近傍に配置され、前記排気ガス導管内にある燃料源と、
   前記吸気導管内に取り付けられかつ前記排気ガス導管と前記吸気導管との間を流体連通するブリード弁と、
   を備える空気処理システムであって、
   前記ブリード弁が空気を前記吸気導管から前記排気ガス導管に選択的に導いて前記排気ガスを酸素リッチにしたときに、前記燃料源が前記排気ガス導管に燃料を導入し、前記点火源が火花を発生させて、前記酸素リッチ排気ガスと前記燃料とを点火し、前記フィルタに向かって流れる前記排気ガスの温度を上昇させ、余分な排気エミッションを燃焼させる空気処理システム。
2. 燃料ポンプに接続された燃料ラインをさらに備え、
   前記燃料ポンプが、前記排気ガス導管内の前記点火源の近傍で燃焼させるための燃料を前記燃料源に供給する請求項１に記載の空気処理システム。
3. 前記余分な排気ガスエミッションが、前記エンジンの運転によって自然燃焼しなかった場合に、前記燃料源が燃料を噴射し、前記ブリード弁が、前記点火源の近傍で前記排気ガス導管に空気を導入し、前記点火源が前記燃料を点火して、前記余分な排気ガスエミッションを燃焼させる請求項２に記載の空気処理システム。
4. 前記ブリード弁が、前記余分な排気ガスエミッションを燃焼させるのに要求される必要な空気量を導入する請求項１に記載の空気処理システム。
5. 前記余分な排気ガスエミッションが、粒子状物質、炭化水素、窒素酸化物、及びそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項１に記載の空気処理システム。
6. エンジンに使用される排気ガスタービンからの空気を処理するための後処理システムであって、
   空気を吸気し、加圧された排気ガスを放出するエンジンと、
   前記加圧された排気ガスからの流れによって回転するタービンと、
   前記タービンによって作動され、空気を圧縮して前記エンジンの吸気マニホルドに前記空気を押し込むコンプレッサと、
   前記吸気マニホルドに流体連通するように前記コンプレッサを配置するための吸気導管と、
   前記エンジンからの前記加圧された排気ガスを導くための排気ガス導管と、
   前記加圧された排気ガスの余分な排気ガスエミッションを集めるためのフィルタと、
   前記フィルタの近傍で前記排気ガス導管内に取り付けられた点火源と、
   空気流を前記吸気導管から前記排気ガス導管に選択的に導いて前記加圧された排気ガスを酸素リッチにするためのブリード弁と、
   前記点火源と協働する、前記排気ガス導管に燃料を導入する燃料インジェクタであって、前記排気ガス導管内にある燃料インジェクタと、
   燃料ラインを通して前記エンジンに燃料を導入するための及び前記燃料インジェクタに燃料を供給するための燃料ポンプと、
   を備える後処理システムにおいて、
   前記燃料が前記排気ガス導管に導入されたときに、前記点火源が前記燃料と前記酸素リッチの加圧された排気ガスを点火して、前記余分な排気ガスエミッションを燃焼させる後処理システム。
7. 作動時、前記ブリード弁が、前記点火源によって点火される前記加圧された排気ガス及び前記燃料と混合するための酸素リッチ空気を前記排気ガス導管に導入するように、前記ブリード弁が、前記コンプレッサから下流に取り付けられ、前記排気ガス導管に接続される請求項６に記載の後処理システム。
8. 前記タービンが動力を前記コンプレッサに伝達して前記コンプレッサを駆動する請求項６に記載の後処理システム。
9. 前記燃料ラインが前記エンジンの燃料ポンプに接続される請求項６に記載の後処理システム。
10. 前記燃料ラインが前記燃料インジェクタに接続される請求項６に記載の後処理システム。
11. 前記エンジンの速度が増加することにより、前記タービン及び前記コンプレッサの速度が増加し、このことによって、前記排気ガス導管を通る空気流も増加し、その結果、前記ブリード弁が前記排気ガス導管に空気を導いたときに前記ブリード弁からの空気流が増加する請求項６に記載の後処理システム。
12. 前記余分な排気ガスエミッションが、粒子状物質、炭化水素、窒素酸化物、及びそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項６に記載の後処理システム。
13. エンジンに使用されるターボ過給機からの余分な排気ガスエミッションを除去するための空気処理システムであって、
    エンジンからの排気ガスを受け入れるための排気マニホルドと、
    前記排気マニホルドから前記排気ガスを集め、排気ガス導管に前記排気ガスを導入するためのタービンと、
    空気を圧縮して前記エンジンの吸気マニホルドに押し込むためのコンプレッサと、
    前記排気ガス導管から流れてくる余分な排気ガスエミッションを止めるためのフィルタと、
    前記フィルタの近傍に配置されかつ前記排気ガス導管内に配置された点火源と、
    前記コンプレッサから下流に配置されたブリード弁と、
    前記点火源の近傍に配置されかつ前記排気ガス導管内に配置された燃料源と、
    を備える空気処理システムにおいて、
    燃料が前記燃料源から前記排気ガス導管に噴射されたときに、前記ブリード弁が前記排気ガス導管に空気を導入して前記排気ガスを酸素リッチにして、電流が前記点火源に供給されて火花が前記排気ガス導管内に発生され、前記燃料が点火されて、燃焼火炎を発生させ、前記余分な排気ガスエミッションを燃焼させる空気処理システム。
14. 前記排気ガスを大気に導くための消音装置をさらに備え、前記消音装置が前記排気ガス導管の下流に配置される請求項１３に記載の空気処理システム。
15. 前記フィルタが前記消音装置内に配置される請求項１４に記載の空気処理システム。
16. 前記エンジンに燃料を導入するために、及び前記燃料源に燃料を供給するために、前記エンジンに接続された燃料ポンプをさらに備える請求項１３に記載の空気処理システム。
17. 第１の端部で前記燃料源に接続され、第２の端部で前記エンジンの前記燃料ポンプに接続された燃料ラインを設けるステップをさらに含む請求項１６に記載の空気処理システム。
18. 前記フィルタが前記点火源及び前記燃料源と協働するように、前記フィルタが配置される請求項１３に記載の空気処理システム。
19. 前記ブリード弁が前記排気ガス導管に接続され、前記ブリード弁が、前記コンプレッサから前記排気ガス導管及び前記吸気マニホルドへの空気流を制御するために使用される請求項１３に記載の空気処理システム。
20. 前記排気ガスを大気に導くための消音装置をさらに備え、前記フィルタに蓄積した余分な排気ガスエミッション量が、前記消音装置の排気ガス圧力量を読み取ることによって決定される請求項１３に記載の空気処理システム。

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