JP2001513866A - ＮＯｘ貯蔵触媒と結合された内燃機関の運転 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも一時的にリーンな燃料／空気混合物で運転される内燃機関のＮＯｘ貯蔵触媒に対する還元剤の供給制御であって、ＮＯｘ貯蔵触媒の流れ方向の後方に配置された排気ガス・センサを備え還元剤の供給が相互に分離された時間内で反復され、それぞれの時間内に供給される還元剤の量が、先行する供給過程において排気ガス・センサの応答が発生したときの量よりも低減される、内燃機関のＮＯｘ貯蔵触媒に対する還元剤の供給制御が提案される。

Description

【発明の詳細な説明】 ＮＯｘ貯蔵触媒と結合された内燃機関の運転 本発明は、ＮＯｘ貯蔵触媒と結合された内燃機関の運転に関するものである。 リーンな燃料／空気混合物（λ＞１）の燃焼範囲においては、三元触媒は排気ガ ス品質に対する要求をもはや満たしていない。この場合、リーンな機関運転にお いて放出される窒素酸化物を貯蔵するＮＯｘ貯蔵触媒が使用される。機関をリッ チな範囲（λ＜１）において運転することにより貯蔵された硝酸塩が放出されか つ窒素に還元される。ＮＯｘ貯蔵触媒が満タンになるまで、すなわちさらに窒素 酸化物をもはや貯蔵できなくなるまで、機関が第１の過程（フェーズ）において リーンで運転されることが理想的である。それに続いて、ＮＯｘ貯蔵触媒の再生 のために必要とされる時間の間、リッチな運転を有する第２の過程が行われるこ とが理想的である。リーンな運転範囲におけるＮＯｘ貯蔵触媒の貯蔵能力は充填 量の関数であり、したがって連続的に低下する。第１の過程があまりに長すぎる 場合、好ましくない窒素酸化物エミッションが発生する。第２の過程が長く続き すぎると、ＨＣエミッションおよびＣＯエミッションを上昇させる。ＮＯｘエミ ッションまたはＨＣエミッションのいずれの上昇も発生しないように両方の過程 の間で切換を行うことが重要である。 これに関して、欧州特許第５６０９９１号から、第１の過程において貯蔵され たＮＯｘ量を加算された機関回転数により評価し、加算された機関回転数が所定 のしきい値を超えたときに第２の過程に切り換えることが既知である。ＮＯｘ量 の実際の値は測定されない。モデル化は、実際に貯蔵された量を完全にはシミュ レートすることができない。したがって、第１の過程が長すぎたりまたは短すぎ たりして排気ガス品質に対して上記のような不利な結果を形成することになる。 未公開ドイツ特許第１９７３９８４８号は、リッチな機関運転すなわち排気ガ ス内の酸素が不足する第２の過程の終了を特定する方法を記載している。このた めに、貯蔵触媒の後方の排気ガス内で酸素測定センサが使用される。このセンサ がリーンな混合物からリッチな混合物への切換を検出した場合、これは、貯蔵触 媒が炭化水素および一酸化炭素の酸化のために十分な酸素をもはや提供せず、か つ酸素を含むＮＯｘが放出されている（Ｏ₂貯蔵触媒およびＮＯｘ貯蔵触媒が空 にされている）ことを意味する。それに続いて酸素不足の第２の過程が終了され かつ再びリーンな混合物（酸素過剰）の第１の過程に切り換えられる。これによ り、それぞれの貯蔵期間に応じて、再生過程の終了時にＣＯおよびＨＣが流出さ れる。したがって、それぞれの過程切換において好ましくないＣＯおよびＨＣエ ミッションが発生し、このエミッションが多数の切換過程にわたり集積されて有 害物質限界値の維持において問題を提供することがある。さらに、各過程切換に おいて装置の酸素貯蔵触媒が空にされ、したがって燃料消費量が不必要に上昇さ れる。 この背景から、貯蔵触媒をそれぞれ完全に充填しかつ完全に放出し同時に好ま しくないＨＣエミッションおよびＣＯエミッションを低減するという理想に近い 貯蔵触媒の再生制御を提供することが本発明の課題である。 全体として既知の方法よりも排気ガスの品質が改善されるように、内燃機関の 混合物組成の制御により貯蔵触媒の再生制御を行うことが他の課題である。 これらの課題は独立請求項の特徴により解決される。本発明の有利な変更態様 が従属請求項に記載されている。 詳細には、本発明の一実施態様において、触媒と、この触媒の流れ方向後方に 配置された排気ガス・センサとを備えた内燃機関の運転における燃料／空気比の 制御が、内燃機関のリーンな運転およびリッチな運転が交互に制御されるように 行われ、この場合、リッチ化の程度および／またはリッチ過程の時間長さが先行 のリッチ過程における前記排気ガス・センサの信号特性の関数として変化される 。 この場合、機関は、時間平均としてリーンな混合物で運転される。 本発明により、還元剤の供給は、機関の運転パラメータにサポートされたモデ ルにより制御されて行われるのではなく、触媒の後方に配置された排気ガス・セ ンサにより適合される。 前記排気ガス・センサがリッチ過程における還元剤の過剰を示した場合、供給 すべき還元剤の量は、次のリッチ過程に対しては低減される。これは、たとえば リッチ過程の短縮によりまたはリッチ化の程度の低減により行われてもよい。 十分に低減したとき、前記排気ガス・センサは、次のリッチ過程の終了時にお いて還元剤の過剰をもはや示さない。次に、触媒の後方に配置された排気ガス・ センサの応答が新たに発生するまで、それに続くリッチ過程において供給すべき 還元剤の量は順次に増大される。したがって、本発明による方法においては、還 元剤の好ましくない放出が行われることは稀である。これにより、排気ガス品質 が改善されることが有利である。本発明は供給すべき還元剤の量を閉ループ・チ ェーン内である程度適合させる。 触媒の後方に配置されたセンサとして、酸素を感知する通常のλセンサまたは たとえばＨＣセンサが使用される。 本発明は、還元剤として排気ガス中にＨＣおよびＣＯを形成するための機関の リッチ化制御に制限されるものではない。還元剤は、他の供給源から、たとえば 貯蔵タンクから制御されて尿素として供給されてもよい。 以下に一実施態様を図面により説明する。 図１は、本発明がその作用を表わす技術的周辺図である。図２は本発明による 方法の一実施態様を示し、および図３は、本発明による方法を実行するときのＮ Ｏｘ貯蔵触媒の充填度の線図表示により、本発明を示している。 図１は、詳細には触媒２、排気ガス・センサ３および４、制御装置５、燃料供 給手段６、ならびに負荷Ｌおよび回転速度ｎ、場合により温度、絞り弁位置等の ような内燃機関の他の運転パラメータに対する種々のセンサ７、８、９、を備え た内燃機関１を示す。触媒は、第１の部分２ａおよび第２の部分２ｂを有してい る。部分２ａは、ＮＯｘ貯蔵触媒を示す。部分２ｂは、複合された酸素貯蔵触媒 または後方に配置された酸素貯蔵触媒を示している。 前記の信号、場合によりその他の信号から、制御装置は、とくに燃料供給手段 ６を操作するための燃料供給信号を形成する。燃料供給手段６は、いわゆる吸気 管噴射としてのみでなく、個々のシリンダの燃焼室内へのガソリン直接噴射とし て形成してもよい。混合物組成の変化は、燃料供給手段を操作する噴射パルス幅 の変化により行ってもよい。本発明による方法の本質は、この関係においてまず 第１に、制御装置５および触媒の後方に配置された排気ガス・センサ４に関する ものである。本発明による装置は、装置に関する請求項の特徴によりこれらの構 成部品から形成される。 内燃機関は、第１の過程においては量論混合物組成（λ＝１）に対して燃料が 少ない（リーンな）混合物で、および第２の過程においては燃料が多い（リッチ な）混合物で、交互に運転される。第１の過程において、ＮＯｘ触媒は、機関の ＮＯｘエミッションを貯蔵する。第２の過程において、所定のリッチ化が貯蔵触 媒を再生する。この再生は、貯蔵された硝酸塩を窒素（Ｎ₂）に還元することに より行われる。ＮＯｘ貯蔵触媒の高い貯蔵率および転化率を達成するために、貯 蔵触媒２ａはほぼ完全に空にされなければならず、したがって還元剤が十分に供 給されなければならない。 図２は、貯蔵ＮＯｘ量の線図（図２ａ）、触媒の前方に配置された排気ガス・ センサ３により測定される関連の空燃比λ（図２ｂ）、およびＮＯｘ貯蔵触媒が 完全に充填されかつ完全に空になるという目標とすべき理想ケースに対する触媒 の後方に配置された排気ガス・センサ４の信号線図（図２ｃ）、を組み合わせて 過程の切換を示している。 時点ｔ＝０において、ＮＯｘ貯蔵触媒は空であると仮定する。それに続く第１ の過程Ｐｈ１において、内燃機関はリーンな混合物（λ＞１）で運転される。こ の場合に放出される窒素酸化物は、貯蔵触媒内に貯蔵される。第１の過程（リー ン過程）は貯蔵触媒２ａが完全に充満された状態で終了されることが理想的であ る。この第１の過程に第２の過程Ｐｈ２が続き、この第２の過程Ｐｈ２において 、貯蔵触媒が再生される。この実施態様において、再生は、過程Ｐｈ２における リッチな機関運転により行われる。この場合、燃料がリッチな混合物で運転され る内燃機関は、還元剤として未燃のＨＣおよびＣＯを放出する。触媒の作用のも とで、還元剤は貯蔵されている窒素酸化物と反応して水、ＣＯ₂およびＮ₂を生成 し、水、ＣＯ₂およびＮ₂は排気ガスと共に排出される。これにより、貯蔵触媒は 新たに窒素酸化物を受入可能となり、すなわち再生される。過程Ｐｈ１とＰｈ２ との間で、制御装置５により以下に示すように切換が行われる。 再生（過程２）は、貯蔵触媒２ａが完全に空になるまで行われ、かつ触媒の後 方に過剰な還元剤が発生する前に終了するのが理想的である。過剰な還元剤の発 生は酸素不足を伴い、したがって酸素を感知する排気ガス・センサ４によりこれ を検出することができる。この代替態様として、たとえば酸素を感知する排気ガ ス・センサ４の代わりに、またはそれに補足してＨＣセンサにより、過剰炭化水 素を直接検出してもよい。図２ａに示すように、貯蔵触媒は、それぞれリッチ過 程Ｐｈ２の終了時に完全に空になり、かつ図２ｃに示すように、この場合、触媒 の後方に配置された排気ガス・センサ４の信号線図は変化しない。この場合、図 示のようなセンサ信号の低いレベルは酸素過剰を示し、したがって時間的に平均 して燃焼がほぼ最適な内燃機関のリーン運転を示している。 機関運転における還元剤の必要量の正確な計算は不可能であるので、触媒２は 、緩衝の働きをする複合酸素貯蔵触媒、または後方に配置された酸素貯蔵触媒２ ｂを有することが有利である。還元剤ＣＯおよびＨＣの許容範囲を超えた高い供 給量は、酸素貯蔵触媒２ｂ内に貯蔵された酸素と反応される。後方に配置された 酸素貯蔵触媒は、過剰還元剤により半分だけ空にされることが理想的である。後 方に配置された酸素貯蔵触媒は、貯蔵触媒２ａを完全に空にするために有利な還 元剤のある程度の過剰供給を可能にする。酸素貯蔵触媒をあえて半分まで空にす ることは、実際運転において回避できない供給量の不正確さの補償を可能にする 。 図３は、図２の線図とは異なる本発明の実施態様を示している。 図３ｂから明らかなように、内燃機関の制御はまず、触媒の後方に配置された センサ４がその信号特性を変化せずかつリーンな混合物を示すレベルを維持する ように行われる。これは、リッチな過程の長さが既に最適であることを意味して いる。すなわち、酸素貯蔵触媒２ｂにより緩衝される供給量の不正確な点までは 、この長さが需要に対応し、したがって貯蔵触媒２ａは完全に再生される。しか しながら、リッチ過程の長さが貯蔵触媒の完全な再生に対して十分でない場合も ある。したがって、リッチ過程の長さは、ある程度テスト的に順次に増大される 。３回目に示したリッチ過程Ｐｈ２．３の終了時に、触媒装置２内の還元剤消費 量が再生要求（２ａ）と緩衝量（２ｂ）との和により与えられる値を超えた場合 、その結果として、触媒の後方においてＣＯおよびＨＣのような還元剤の過剰と 組み合わされて酸素不足が発生する。 図３ｃは、その結果として得られた排気ガス・センサ４の信号特性の変化を示 し、この変化は、たとえばしきい値との比較により検出可能である。 したがって、信号変化を発生させるための関連のリッチ過程Ｐｈ２．３は、触 媒装置２により緩衝させるには長すぎるものであり、一方、それに先行するリッ チ過程Ｐｈ２．２は、応答を発生するための十分な長さをまだ有していない。し たがって、実際の還元剤要求は、ステップごとに逐次延長することにより決定さ れる精度で求めることが可能である。 その次のリッチ過程Ｐｈ２．４等は短くされ、この場合、短くする大きさは、 貯蔵触媒２ａは常に完全に再生されるが酸素貯蔵触媒２ｂは半分だけ空にされる ように決定されている。それに続いて、リッチ過程が再び順次に延長される方法 が反復される。しかしながら、この延長は、必ずしも直ちにスタートされる必要 はない。実際の運転点に対して最適とみなされる値を記憶しかつ所定の条件が発 生した後にはじめて、ほぼある時間の経過後に新たな適応過程を開始することも また考えられる。 リッチ過程の順次延長の代わりに、リッチ化の程度を順次に上昇させてもよい 。両方の代替態様を組み合わせてもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．触媒と、該触媒の流れ方向の後方に配置された排気ガス・センサとを備え た内燃機関の運転における空燃比の制御方法において、 内燃機関が、第１の過程において量論混合物組成に対して燃料が少ない混合物 で、第２の過程において燃料が多い混合物で、交互に運転され、 燃料のリッチ化の程度および／または後続する第２の過程の時間長さが、先行 する第２の過程における前記排気ガス・センサの信号特性の関数として変化され る、 内燃機関の運転における空燃比の制御方法。 ２．前記内燃機関が、複数の前記第１および第２の過程にわたり平均して燃料 が少ない混合物で運転されることを特徴とする請求項１の方法。 ３．前記燃料のリッチ化の程度が、低減されることを特徴とする請求項１また は２の方法。 ４．後続する第２の過程の長さが、短縮されることを特徴とする請求項１また は２の方法。 ５．最初の後続する第２の過程が短縮され、それに続く他の第２の過程が順次 に延長されることを特徴とする請求項４の方法。 ６．前記排気ガス・センサの応答が酸素不足および／または炭化水素の発生を 信号で指示するまで、後続する第２の過程が順次に延長されることを特徴とする 請求項５の方法。 ７．触媒と、該触媒の流れ方向の後方に配置された排気ガス・センサとを備え た内燃機関の空燃比の制御装置において、 内燃機関を、第１の過程において量論混合物組成に対して燃料が少ない混合物 で、第２の過程において燃料が多い混合物で、交互に運転し、 燃料のリッチ化の程度および／または後続する第２の過程の時間長さを、先行 する第２の過程における前記排気ガス・センサの信号特性の関数として変化させ る、 内燃機関の空燃比の制御装置。 ８．酸素検知の排気ガス・センサおよび／または炭化水素検知の排気ガス・セ ンサを使用することを特徴とする請求項７の装置。 ９．少なくとも一時的にリーンな燃料／空気混合物で運転される内燃機関のＮ Ｏｘ貯蔵触媒に対する還元剤の供給方法であって、ＮＯｘ貯蔵触媒の流れ方向の 後方に配置された排気ガス・センサを備え、前記還元剤の供給が相互に分離され た時間内で反復される、還元剤の供給方法において、 それぞれの時間内に供給される還元剤の量が、先行する供給過程において前記 排気ガス・センサの応答が発生したときの量よりも低減されることを特徴とする 内燃機関のＮＯｘ貯蔵触媒に対する還元剤の供給方法。 １０．少なくとも一時的にリーンな燃料／空気混合物で運転され、ＮＯｘ貯蔵 触媒の流れ方向の後方に配置された排気ガス・センサを備えた、内燃機関のＮＯ ｘ貯蔵触媒に対する還元剤の供給装置であって、前記還元剤を相互に分離された 過程内で反復して供給する、還元剤の供給装置において、 それぞれ１つの過程内に供給される還元剤の量を、先行する供給過程において 前記排気ガス・センサの応答が発生したときの量よりも低減させることを特徴と する内燃機関のＮＯｘ貯蔵触媒に対する還元剤の供給装置。