JP2001507103A - 燃料直接噴射型ピストン式内燃機関の排気後処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はピストン式内燃機関の運転方法に関する。この方法の場合、その都度の作動サイクルに必要な燃料量が、負荷要求に依存して、エンジン制御装置（５）を介して、それぞれ噴射ノズル（７）によって調節されて個々のシリンダ（Ｉ，ＩＩ）に直接噴射される。更に、作動サイクルのために調節された燃料量が噴射ノズルから噴射され、燃焼相が終了した後で、ピストンがその都度その膨張行程で下死点位置の範囲にあるときに、付加的な燃料が噴射され、シリンダから出る排気が、有害物質成分を除去するために、機械的、化学的およびまたは触媒的に作用する少なくとも１個の排気処理装置（１０，１１）を通って案内される。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料直接噴射型ピストン式内燃機関の排気後処理方法 燃料直接噴射型ピストン式内燃機関、更に詳しく言えば直接噴射型ディーゼル エンジンと直接噴射型オットーエンジンは、空気過剰範囲内で、すなわち希薄混 合気範囲内で運転される。従って、還元剤が不足しているので、排気中の窒素酸 化物（Ｎ０_x）を減らすことができない。 三元触媒技術は、空燃比λ＝１の前後の狭い範囲において、排気中の炭化水素 （ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物の濃度が次のような比で存在するこ とに基づいている。すなわち、窒素酸化物が既存の炭化水素と一酸化炭素によっ て還元され同時に、すべての成分の変換率が約９０％以上になるように、炭化水 素または一酸化炭素が酸化されるような比で存在することに基づいている。 この技術は、希薄混合気で運転されるエンジン、特に直接噴射型ピストン式内 燃機関の場合には、排気中の空気が過剰であるので、窒素酸化物成分を低減する ことができない。 この場合、排気中の窒素酸化物を低減するためには、ＳＣＲ触媒（選択触媒還 元型触媒）が使用される。この触媒は排気中に注入される還元剤によって、窒素 酸化物を選択的に低減する。この場合、還元剤としては、例えば尿素、アンモニ アまたは炭化水素あるいは炭化水素混合物が使用される。この還元剤は従来は、 排気系の特別なノズルによって触媒の手前で排気に混合された。特に直接噴射型 内燃機関の場合、１５％以上のＮＯ_x還元率を達成するためには、炭化水素を外 部から排気に混合しなければならなかった。 窒素酸化物の他の低減方法は、窒素酸化物貯蔵型触媒による方法である。この 場合、窒素酸化物は貯蔵相で触媒内に集められ、再生相でλ＜0.95の範囲の濃い 混合気によって再生される。この濃い混合気によって、排気中の高い濃度の炭化 水素、一酸化炭素および水素が再生される。均質型オットーエンジンの場合、い わゆる濃い混合気は、燃焼室内の燃料と空気の混合気を濃くすることによって行 われる。しかし、この技術は、燃焼室内に常に不均質な混合気が存在する直接噴 射型内燃機関の場合には、許容できないほど煤を放出することになる。 ディーゼルエンジンの煤エミッションは煤フィルタによって９０％まで減らす ことができる。しかし、ディーゼル煤フィルタは周期的に再生しなければならな い。これは追加バーナーによって排気中で熱的に行われるかあるいは煤フィルタ で捕らえられた煤を電気的に着火させることによって行われる。更に、適当な燃 料添加物によって再生を行うこともできる。しかし、煤フィルタで捕らえられた 煤を着火および燃焼させるためには、煤が充分な量の炭化水素を有することが重 要である。この炭化水素は、フィルタ内の燃焼する煤の着火を簡単にしかつ炎の 安定性を改善するために必要である。 要約すると、いわゆる希薄混合気型エンジンの排気中の窒素酸化物を低減する ために、およびディーゼルエンジンにおけるパティキュレートを低減するために は、後処理装置を間欠的にまたは連続的に再生しなければならず、そのためには 排気中に所定の炭化水素の含有量が必要であり、それため炭化水素を排気に供給 しなければならない。上記のように、付加的な燃料を排気ポートに噴射すると、 付加的な炭化水素量を排気に供給することができる。しかし、高温の排気流内に ある噴射ノズルがコーキングする傾向があり、付加的なノズルのほかに、この噴 射ノズルを付加的に制御する必要があるいう欠点がある。 ＡＶＬ会議での安藤ヒロミツ等の刊行物“エンジンと環境”１９９７年第５５ 〜６９頁には、作動サイクルのために必要な燃料を噴射させた後で、付加的な燃 料を噴射する方法が記載されている。この場合、排気温度を高めるため、および 、スタート相において後続配置の排気処理装置を迅速に暖めるために、膨張行程 中に噴射燃料がシリンダ室内で燃焼するように、噴射が早く行われる。しかし、 この追加燃料は、燃焼するので、後続配置の排気処理装置に還元剤として供され ない。従って、この方法の使用は、有害物質を低減する目的を有する持続運転に は適していない。この公知の技術は、低温スタート時の実際に行われる触媒加熱 に由来している。この低温スタートの場合、燃焼室または排気系の後酸化（遅い 点火）は、短時間で触媒温度を触媒作用開始温度まで上昇させる。その目的は、 エンジンの低温スタート時にのみすべての有害物質（ＮＯ_x＋ＨＣ＋ＣＯ）を低 減することである。 本発明では、その都度の作動サイクルに必要な燃料量が、負荷要求に依存して 、エンジン制御装置を介して、それぞれ噴射ノズルによって調節されて個々のシ リンダに直接噴射され、更に作動サイクルのために調節された燃料量が噴射ノズ ルから噴射され、燃焼相が終了した後で、ピストンがその都度その膨張行程で下 死点位置の範囲にあるときに、付加的な燃料が噴射され、シリンダから出る排気 が、有害物質成分を除去するために、機械的、化学的およびまたは触媒的に作用 する少なくとも１個の排気処理装置を通って案内される、ピストン式内燃機関の 運転方法によって、上記の問題が解決される。 この方法の利点は、排気後処理のための付加的な炭化水素の導入が、付加的な 噴射ノズルによってではなく、既存の噴射ノズルを介してかつ既存のエンジン制 御装置によって適切に制御して行われることにある。他の利点は、付加的な燃料 流がサイクル的に、すなわちシリンダの排気サイクルで排気に供給されるので、 噴射すべき付加的な燃料をその都度作動サイクルでの運転のために配量される燃 料量に適合させることができ、それによって非常に正確な配量が可能であるとい うことにある。本発明による方法の他の利点は、付加的に供給すべき燃料量が燃 焼相の後で初めて供給されることにある。この相は運転条件に応じて膨張行程の 終わりに達成される。制御および運転条件に応じて、排気行程内まで付加的な燃 料量を供給することができる。シリンダ内の全体温度はこの範囲において煤形成 温度１３００°Ｋよりも低い。付加的な燃料量は、この温度を上回らないように 、しかもシリンダにおいても排気通路においてもこの温度を上回らないように調 節しなければならない。この場合、付加的に噴射される燃料量は、高温排気内で 分解および調製されるので、窒素酸化物触媒またはパティキュレートフィルタの 再生のために必要とされるような適当な量および形態の炭化水素が排気中に供さ れる。膨張相と排気相に関する噴射時期の調節と、噴射時間の調節によって、炭 化水素と水素の組成および量を、その都度の要求に適合させることができる。他 の利点は、噴射ノズルがコーキングしないことにある。なぜなら、噴射ノズルが 後噴射の前に、その都度多量の燃料をエンジン負荷調節のために噴射し、それに よって作動サイクルの度に、場合によって生じるコークス残渣が多量の燃料によ ってノズルから除去されるからである。 付加的な燃料を供給するために、各々のシリンダのために既に存在する噴射ノ ズルが使用され、作動サイクルのために必要な燃料量がエンジン制御装置によっ て設定されるので、本発明では、付加的に供給される燃料量をその都度の作動サ イクルに当てはまる運転状態に適合させることができる。この場合、酸化触媒の ために、数百ｐｐｍの付加的な炭化水素だけしか必要としない。 貯蔵型触媒の再生のためには、多量の付加的な燃料を噴射することにより、全 体のλを0.95よりも小さくなるように調節しなければならない。しかし、限界条 件では、ガス／排気温度が１３００Ｋよりも低くなるように、後噴射量が制御さ れる。炭化水素によってＮＯ_xを連続的に還元する脱ＮＯ_x触媒の場合には、炭化 水素とＮＯ_xの比が全体の炭化水素のｃ₁当量で表すときに２以上であるように、 後噴射量が調節される。ディーゼルフィルタ再生のためには、フィルタの手前の 排気温度が９００℃を超えないように、後噴射量を調節すべきである。 その都度必要な後噴射量は、適当な排気センサによって調節可能である。しか し、特性マップ制御も可能である。この場合、排気後処理装置に依存してあらゆ ある負荷／回転数の個所について後噴射量がエンジン制御装置に記憶されている 。 ディーゼルエンジンの場合には、付加的な燃料が膨張相で排出過程中に燃焼し 、それによって煤フィルタの熱的な再生のために必要な温度を生じるように、付 加的な燃料の噴射が行われる。これにより、付加的な燃料がシリンダ内で燃焼す ることが回避される。この付加的な燃料量はクラッキングだけを行い、それによ って炭化水素と水素が排気流と共に排気処理装置内に達する。噴射時期をこのよ うに選択することにより、シリンダに導入された付加的な燃料量全部が排気と共 に排気ポートに達し、それによって排気処理装置まで運ばれる。 本発明による方法は、膨張相の終わりに付加的な燃料を排気相内まで噴射する ことにより、いろいろな実施形で、排気中の炭化水素／水素混合気を調製するこ とができる。それによって、排気中のこの混合気は異なる形式の排気処理装置の ために使用可能である。例えば、窒素酸化物貯蔵型触媒の間欠的な再生のため、 ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒における窒素酸化物の連続的な還元のため、パティ キュレートの熱的およびまたは触媒的な再生のため、外部エネルギーによるパテ ィキュレートフィルタの再生を補助するために使用可能である。 図に基づいて本発明を詳しく説明する。 図には、火花点火式のシリンダ−４サイクル−ピストン型内燃機関の２個のシ リンダＩ，ＩＩが示してある。従って、シリンダはそれぞれ、少なくとも１つの 吸気ポート１と少なくとも１つの排気ポート２を備えている。この場合、吸気ポ ート１は吸気弁３によって閉鎖可能であり、排気ポート２は排気弁４によって閉 鎖可能である。各シリンダの吸気弁３と排気弁４は制御可能な駆動装置、例えば カム軸または電磁アクチュエータに連結されている。個々の弁の開閉時間は、こ の電磁アクチュエータを介してエンジン制御装置５によって自由に変えることが できるように制御可能である。 更に、各々のシリンダは点火装置６と、開閉制御可能な弁として形成された噴 射ノズル７を備えている。この噴射ノズルのアクチュエータはエンジン制御装置 ５に接続されている。 その都度の運転に必要な燃料は、（例えばアクセルペダル８によって）設定さ れた希望的負荷に相応して、電子式エンジン制御装置５を介して、噴射弁７を適 切に操作することにより供給される。エンジン制御装置では、アクセルペダル８ による希望的負荷のほかに、通常は、運転に必要な他の情報、例えばクランク軸 回転数、エンジン温度等が考慮される。この情報は、噴射弁７による燃料調節時 に、アクセルペダル８の負荷設定に加えて、一緒に考慮される。個々のシリンダ の点火装置６は同様に、エンジン制御装置５を介して制御される。 個々のシリンダの排気ポート２は、他のシリンダにも設けられていることを示 唆している。この排気ポートは排気通路９にまとめられている。この排気通路に は少なくとも１個の排気処理装置１０が付設されている。ディーゼルエンジンの 場合、この排気処理装置は例えばパティキュレートフィルタである。オットーエ ンジンの場合、排気処理装置は貯蔵型触媒またはＳＣＲ触媒と、場合によっては それに付加して後続配置された酸化触媒１１である。 排気処理装置の運転のために排気中に必要とされる炭化水素量を供するために 、各々のシリンダまたは選択された個々のシリンダの個々の噴射弁７は、それぞ れの作動サイクルに続いてあるいは１回おき、２回おきまたはｎ−１回おきの作 動サイクルに続いて、エンジン制御装置５を介して付加的に制御され、それによ って付加的な燃料量がそれぞれのシリンダに噴射される。この付加的な燃料量は 前述のように、ピストンが膨張行程のほぼ終端に達したときあるいは既に排気行 程を開始したときに初めて、それぞれのシリンダに噴射される。それによって、 各々のシリンダの各作動行程の後でエンジン制御装置５によって設定された噴射 サイクルに相応して、あるいは適当な他の分配方法で、設定可能な量の炭化水素 ／水素／一酸化炭素が、排気ポートを経て排気通路に達し、後続配置の排気処理 装置１０を再生するために供される。 それぞれの作動サイクルでシリンダに供給される、作動行程のために必要な燃 料量に対する、付加的に噴射すべき燃料量の比は、エンジン制御装置を介して一 定に設定可能である。しかし、排気処理装置１０の手前において窒素酸化物プロ ーブ１２を排気通路９に配置することにより、排気中の窒素酸化物の実際の含有 量を検出することができるので、エンジン制御装置５を介して、運転にとって必 要な燃料量に依存して、噴射時期と噴射時間ひいては噴射量が付加的に制御され るのではなく、検出された排気中の窒素酸化物に依存して後続配置の排気処理装 置１０を再生するために必要な付加的な燃料量を噴射することができる。この方 法は特に、排気処理装置として連続作動のＳＣＲ触媒が使用されるときに有利で ある。 いわゆる自己着火エンジンとしてのディーゼルエンジンの場合、点火装置が不 要であり、エンジン制御装置と場合によって必要な特性マップがディーゼルプロ セスに適合させられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．その都度の作動サイクルに必要な燃料量が、負荷要求に依存して、エンジン 制御装置を介して、それぞれ噴射ノズルによって調節されて個々のシリンダに 直接噴射され、更に作動サイクルのために調節された燃料量が噴射ノズルから 噴射され、燃焼相が終了した後で、ピストンがその都度その膨張行程で下死点 位置の範囲にあるときに、付加的な燃料が噴射され、シリンダから出る排気が 、有害物質成分を除去するために、機械的、化学的およびまたは触媒的に作用 する少なくとも１個の排気処理装置を通って案内されることを特徴とするピス トン式内燃機関の運転方法。 ２．シリンダ内の平均ガス温度が１３００Ｋの煤形成温度よりも低いときに、付 加的な燃料量が噴射されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．シリンダ内のガスまたはシリンダの後の排気が１３００Ｋの煤形成温度に達 しないように、付加的な燃料量が一時的に調節されることを特徴とする請求項 １または２記載の方法。 ４．遅くとも、ピストンが下死点の後の最高１１０°のクランク角度に相当する 位置に達したときに、付加的な燃料が噴射されることを特徴とする請求項１ま たは２記載の方法。 ５．付加的な燃料量が、ｃ₁当量に関して少なくとも２倍の排気中ＮＯ_x濃度に一 致するように調節されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載 の方法。 ６．排気中の燃料と空気の比λの平均値が0.95よりも小さくなるように、付加的 な燃料量が調節されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の 方法。 ７．排気温度が煤フィルタの手前で８５０℃を上回らないように、付加的な燃料 量が調節されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。 ８．排気流に含まれる有害物質のうち、少なくとも窒素酸化物の含有量が排気処 理装置の手前で検出され、この窒素酸化物の含有量に依存して、付加的に噴射 すべき燃料量がエンジン制御装置を介して調節されることを特徴とする請求項 １〜７のいずれか一つに記載の方法。 ９．付加的に噴射すべき燃料量が、あらゆる負荷／回転数の個所のための排気処 理装置の関数としてマトリクスでエンジン制御装置に格納されることを特徴と する請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。