JP2004124939A - 内燃機関の運転方法および運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　過濃段階および希薄段階が、エージング、温度等に関するNOx吸蔵型触媒内の実際の条件に適合されて、触媒を介する燃焼段階での通過を良好に回避する加熱方法を含む、燃料噴射システムを備えた内燃機関の運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】　燃料噴射システムを備えた内燃機関の運転方法において、過濃燃焼段階および／または希薄燃焼段階が触媒による加熱の間に循環的に生成され、過濃燃焼段階および／または希薄燃焼段階の長さおよび／または強さが、触媒の後方の排気ガス流中で、排気ガス流中において触媒の後方および／または触媒間に配置されている酸素センサによって確定され、且つ諸段階の時間的長さの適合、空気／燃料比の振幅の調節、および／または諸段階の分離制御によって、時間平均として一定のλが調節される。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、燃料噴射システムと、排気ガスを浄化するための少なくとも一つの触媒を備えた内燃機関の運転方法に関する。ここでは特に、ガソリン直接噴射装置と、三元触媒並びにNOx吸蔵型触媒を備えた排気ガスシステムとを備えた内燃機関について述べられる。

　少なくとも一つのNOx吸蔵型触媒を加熱するために、内燃機関を、触媒の酸素吸蔵材を充填するためのλ＞１の希薄燃焼運転と、未燃焼の燃料成分と触媒内の酸素との反応の反応熱によって触媒を加熱するためのλ＜１の過濃燃焼運転とで循環的に運転するということが工夫されている。

　燃料直接噴射装置を備えたエンジン、特にガソリン直接噴射式のオットー（火花点火）エンジン（機関）は、燃料消費を最低限に抑えるために、またこれによってＣＯ₂排出を最低限に抑えるために、しばしばλ＞１の希薄燃焼運転で運転される。即ち、空気／燃料混合気は、ラムダ１、即ち化学量論的燃焼比率に対応している、理論的に必要な質量比約 １４．７：１ からずれている。

　そのようなエンジンが層状給気で運転されると、そこで支配的な燃焼比と、混合気が点火栓の領域で点火可能であるようにするための混合気の過濃化によって、部分負荷領域内で、空気過剰率は、λ＝４ までに達することがある。

　その際、特にアイドリング運転或いは部分負荷運転では、エンジンは成層運転で運転される。何故なら、この場合にはエンジンの効率が化学量論的エンジン運転の場合よりも高くなるからである。

　希薄燃焼運転の場合には、常に酸素過剰が排気ガスシステム内に存在している。この理由から、排気ガス中に含まれている酸化窒素（NOx）を、内燃機関の希薄燃焼運転の間は三元触媒の中で減らすことができない。そのような酸化窒素の周囲の大気中への排出を防止するために、酸化窒素をNOx吸蔵型触媒の中で捕捉して、定期的に還元剤によって還元することが工夫されている。このプロセスは、以下NOx吸蔵型触媒の再生と呼ばれる。エンジンの近くの三元触媒と排気ガスの流れの下流のNOx吸蔵型触媒とを用いるそのような排気ガスシステムは、従来技術として知られている。

　エンジン技術において用いられる触媒は、触媒が働くラムダ領域が限られている上に、しばしば作動温度ウィンドウ（領域）が限られている。この作動ウィンドウは更に、三元触媒の場合とNOx吸蔵型触媒の場合とでは異なっている。三元触媒が有害成分を大きな温度ウィンドウにわたって低減し且つ酸化することができるのに対して、この温度領域はNOx吸蔵型触媒の場合には大幅に制限されている。従って、排気ガス浄化設備は通常、両方の触媒が広いエンジン作動領域に対して作動温度ウィンドウ内にあるように設計される。触媒がその下側の作動限界温度を割り込んでしまう恐れがある場合には、加熱処理が必要となる。その場合、加熱処理は二つの触媒の中の一方の触媒に対してのみ必要となることがある。

　一般的には、三元触媒の作動ウィンドウは、NOx吸蔵型触媒のそれよりも高い温度にある。排気ガスシステムは通常、三元触媒とNOx吸蔵型触媒との間における熱損失によって両者の作動ウィンドウが確実に調節されるように設計される。

　更に、NOx吸蔵型触媒は定期的に脱硫されなければならない。NOx吸蔵型触媒の活性中心は、NOxに対する親和性と共に、酸化硫黄（SOx）に対しても高い親和性を持っている。酸化硫黄は、燃料の燃焼時にも発生し、吸蔵型触媒の主として活性中心を覆う。その際に生じる硫酸塩は熱に対して非常に安定なので、この硫酸塩は、NOx吸蔵型触媒の通常の作動温度では遊離させることができない。その結果、硫黄の負担が進むにつれて酸化窒素に対する触媒の吸蔵能力が低下する。触媒内の温度を６００℃超に高め、且つ同時に還元的条件（λ＜１）としたときにはじめて、この硫酸塩は熱力学的に安定ではなくなり、硫化水素（H₂Ｓ）として遊離される。NOx吸蔵能力を得て或いは回復して触媒を再生させるためには、定められた時間的間隔で吸蔵型触媒を短時間過濃で高められた温度で作動しなければならない。そのためには、吸蔵型触媒は走行運転時におよそ６５０℃まで加熱されなければならない。

　これまでに、触媒を加熱するための一連のコンセプトが存在している。
　そこで、例えば欧州特許公開第１ ００４ ７６２号に記載されているように、熱いエンジン排気ガスを、排気弁で、例えば遅延点火或いは希薄燃焼の際の後噴射によって、生成することが知られている。排気ガス流の下流に配置されているNOx吸蔵型触媒だけが加熱される場合には、排気ガス流の上流に配置されている三元触媒は不必要に加熱されることはない。この方法は燃料消費の増加をもたらす。更に、排気システムの設計によっては、NOx吸蔵型触媒までの経路上での熱損失が非常に大きくなる。脱硫の極端なケースでは、前置されている三元触媒の最高許容温度の故に、NOx吸蔵型触媒内で必要な温度に到達することさえ不可能となることがある。

　代替策として、未燃焼の炭化水素並びに一酸化炭素と水素とを過濃燃焼のエンジン運転によって生成することが可能である。これ等の酸化可能な排気ガス成分は、NOx吸蔵型触媒の中で、そこに蓄えられている酸素によって熱を放出しながら変換される。これに対応する一つの加熱方法が、例えば国際公開ＷＯ第９８／４６８６８号に記載されている。これによって、非常に効率的な加熱が可能となる。何故なら、この加熱処理は、NOx吸蔵型触媒の中で前もって大きな熱損失もなく行われる上に、排気ガス流の上流にある排気ガスを導く構成部品、例えば排気弁、エキゾーストマニホルド、および一次触媒に対して、熱的に全く或いはわずかしか負荷を掛けないからである。

　その際、NOx吸蔵型触媒の効率的な化学的加熱のためには、本質的に次の３つの方法が考えられる。
（１）　Ｙ形排気装置の場合には個々のシリンダをバンク毎に過濃燃焼或いは希薄燃焼で運転することができる。NOx吸蔵型触媒がＹ形集合管の後方に置かれており且つ両方の排気ガス流の良好な混合が確保されている場合には、触媒はこの方法で加熱することができる。このようような方法の一つが、例えばドイツ特許第１９５ ２２ １６５号から知られている。
（２）　更に、エンジンを全体として過濃燃焼で運転する一方、NOx吸蔵型触媒の手前で追加として空気を導入することを考えることができる。このような方法の一つが、例えばドイツ特許第１９７ ４７ ２２２号から知られている。
（３）　最後に、交替的に過濃と希薄な排気を生成することができ、これは例えば、国際公開ＷＯ第９８／４６８６８号によって開示されている。その際に、触媒の酸素吸蔵能力が活用される。希薄段階（相）では酸素吸蔵材が満たされる一方、過濃段階（相）では触媒の酸素吸蔵材が蓄えを放出する。排気ガス成分の炭化水素、一酸化炭素、および水素との反応によってこれ等の物質の発熱量が放出され、NOx吸蔵型触媒が加熱される。この最後の方法は、例えばポンプによる追加の空気の給送等の、構造形態或いは追加の構成要素とは無関係である。

　本発明は、上記の最後の方法に基づいている。
　国際公開ＷＯ第９８／４６８６８号には、触媒を変化するラムダで加熱する原理が記載されている。そこでは、過濃段階／希薄段階を、NOx吸蔵型触媒の後方で過濃段階／希薄段階の通過が起こらないように調節するということが提案される。

　本発明は、過濃段階（相）および希薄段階（相）が、例えばエージング、温度等に関するNOx吸蔵型触媒内の実際の条件に適合されており、それ故、触媒を介する燃焼段階の通過（Ｄｕｒｃｈｂｒuｃｈｅ）を更に良好に回避可能な改善された加熱方法を準備する、燃料噴射システムを備えた内燃機関の運転方法を提供することを課題としている。

　本発明は、上記の課題を、過濃段階および／または希薄段階が触媒による加熱の間に循環的に生成されること、過濃段階および／または希薄段階の長さおよび／または強さが、触媒の後方の排気ガス流中で、排気ガス流中において触媒の後方および／または触媒間に配置されている酸素センサによって確定されること、且つ諸段階の時間的長さの適合、空気／燃料比の振幅の調節、および／または諸段階の分離制御によって、時間平均として一定のλが調節されること、からなる方法並びに内燃機関によって解決する。

　本発明によれば、上述のような調節操作と、例えば触媒の酸素吸蔵能力のエージングに対する実際の適合とに基づいて、排出ガスの悪化を防止することができる。更に、このような方法によって、加熱方法での過濃段階および／または希薄段階の通過を大幅に回避することができる。その際、触媒の加熱は、例えば燃料の品質に応じて、走行キロ数５００キロ超、一般に走行キロ数１，０００から１０，０００キロの間、のオーダーで行われる。加熱プロセス（該プロセスは約４分を要するが、場合によってはもっと早く終わることもある）の間の加熱の補助調節によって、通常の加熱作動の間の過濃段階および／または希薄段階での通過を大幅に回避することができる。

　その際、過濃段階および／または希薄段階の時間的長さは、化学反応の場所に対して影響を与える。例えば、その時間が非常に短い場合には、全てのエネルギーが触媒の前側のゾーン内で解放される。その時間が非常に長い場合には全ての反応が最早触媒内では終わることができず、過濃段階および／または希薄段階の通過に至る。更に、触媒内に非常に様々な温度プロフィルが作り出される。

　誤った制御によって反応が前側ゾーン内だけで行われると、触媒損傷の危険性が非常に高くなる。過濃段階と希薄段階との間の非常に早い交替によって同じ化学エネルギーが蓄えられることがあり、これ等のエネルギーは触媒の前側の領域内でのみ解放されるので、触媒の過熱が起こり、触媒が熱的に損傷される。この場合、事前制御は、反応が触媒の全体積に及んだ場合に生じる温度上昇に基づいて行われている。しかし触媒の前側部分での反応はこの領域内により大きな温度上昇をもたらすであろう。

　全作動長さにわたる反応は、単純に上昇して行く温度プロフィルをもたらす。しかしながらむしろコンスタントな温度プロフィルの方が有効であるから、反応ゾーンの位置は過剰酸素と燃焼可能な排気ガス成分を通じて段階毎に調節されなければならない。

　運転の際に、内燃機関は本質的に次の３つの運転様態で運転可能である。その際、内燃機関は、燃料を節約するために希薄燃焼運転で作動することができる。この運転ウィンドウ内では、酸化窒素はNOx吸蔵型触媒内に吸蔵される。内燃機関は更に、三元触媒の最適作動のために化学量論的領域内で、それ故 λ＝１ で運転することができ、また過濃運転領域内で作動することができ、該領域内ではNOx吸蔵型触媒が吸蔵されているNOx酸化窒素から浄化され、エンジンの最大出力を達成することができる。

　更に本発明によって、内燃機関を希薄運転段階と過濃運転段階とが互いに交替する循環的モードで運転することを考えることができる。この運転モードによって、NOx吸蔵型触媒および／または三元触媒を硫黄の被毒から再生するための触媒の加熱が達成される。

　希薄運転時には、エンジン制御によって燃焼燃料量が化学量論的燃焼のために必要な量よりも少なくなるように引下げられる。三元触媒は酸化触媒として働き、酸素の一部を未燃焼燃料成分と反応させる。三元触媒の中に吸蔵されない酸素の更に残りの部分は、三元触媒を通過してNOx吸蔵型触媒へ流れ、そこで同じく吸蔵材に吸蔵される。NOx吸蔵型触媒に蓄えられている酸化窒素は規則的な時間間隔で還元されるが、その際に、内燃機関は、未燃焼の燃料成分が三元触媒を通過してNOx吸蔵型触媒へ到達し、これによってNOx吸蔵型触媒の再生が行われるように制御される。

　化学量論的運転の際にも、三元触媒の確実な機能を確保するために、λ比が時々調節される、即ち化学量論的比率が一方の或いは反対の方向へ移動される。これによって、既に三元触媒のわずかな加熱を生成することができる。化学量論的運転の際には、基本的に、NOx吸蔵型触媒を再生させることは必要ではない。何故なら、酸化窒素は本質的に既に三元触媒の中で還元されるからである。

　例えば全負荷運転時に生じるような、過濃運転の際には、未燃焼成分（ＨＣ／ＣＯ）は、三元触媒にもNOx吸蔵型触媒にも到達する。これによって、NOx吸蔵型触媒は酸化窒素から浄化される、即ち酸化窒素は吸蔵型触媒の中で還元される。純粋な過濃運転の際には温度上昇は起こらない。何故なら、吸蔵型触媒の中には不十分な酸素しかなく、また新たなフレッシュガスも排気ガスによっては供給されないからである。

　そこで、NOx吸蔵型触媒を硫黄による被毒から浄化するために、およそ６５０℃への触媒内の温度の大幅な引き上げが必要である。このために、内燃機関は循環的に短い時間間隔で希薄ラムダと過濃ラムダで交替運転されるが、その際の調節幅は、化学量論的比率での運転の際の調節幅よりも１００倍も大きくすることができる。

　加熱の際に、NOx吸蔵型触媒の後方に過度に過濃な或いは過度に希薄な排気ガスを通過させることはできる限り避けるべきである。何故なら、排出ガスはこれによって明らかに悪化されるからである。

　本発明による方法によれば、従来技術による場合と同様に、NOx吸蔵型触媒の加熱の間に、酸素過剰で高NOx成分を含むゾーン（希薄段階）と、未燃焼の一酸化炭素、炭化水素、及び水素を含むゾーン（過濃段階）とが、排気システムを通って交互に流れる。その際、希薄段階で生じた酸素は触媒の中に吸蔵される。次いで、この酸素を用いて次の過濃段階では、一部酸化された或いは酸化されていない排気ガス成分が酸化され、その際に熱が解放される。

　ここでラムダの調節幅の事前制御を、必要な加熱出力に応じて行うというように工夫することができる。希薄段階の間に触媒は冷却されるから、この段階は、どの運転時点においてもできるだけ最大ラムダで且つ最短時間で行われなければならない。ここで、最大ラムダというのは、内燃機関の確実な運転を確保しながら、可能な限り希薄なラムダという意味に理解される。このためには、例えば過濃段階のための均質運転から希薄段階のための成層運転への運転様態の交替が必要となることがある。その際には、過濃段階の間のラムダは必要な加熱出力に応じて調節される。過濃段階或いは希薄段階の時間的事前制御は、理想的には、希薄段階の絶対酸素過剰と過濃段階の絶対酸素必要量とが互いに一定の比率となるように行われる。この比率が個々の段階の全ての成分の反応後の排気ガスラムダを決定する。

　特に時間的事前制御のためには、相対酸素過剰量或いは酸素必要量に、実際の排気ガス質量流量が掛け合わされ、この積が時間積分される。このようにして形成された値が閾値に達すると、その段階は交替されなければならない。

　上記の閾値は、触媒の実際の酸素吸蔵能力に応じて決定される。この実際の酸素吸蔵能力は、エージング及び温度等の個々のパラメータに応じてモデル化し、および／または酸素或いは過濃ガスの強制発生によって測定することができる。

　本発明に基づいて行われる酸素吸蔵能力の調節測定（該測定は、加熱過程の間に約２００サイクル行われる）のためには、過濃ガスおよび／または希薄ガスの通過が触媒の後方で測定可能であることが必要である。その際、過濃段階或いは希薄段階の終わり頃の事前制御が、過濃段階或いは希薄段階の始めよりも、化学量論的比率に近いラムダ値を調節するように工夫することができる。これによって、過濃段階或いは希薄段階の時間的長さが排出ガスに対して与える影響がより少なくなる。車両のドライバーが触媒の加熱過程を車両の走行挙動から感じ取ることがないようにするということが、是非とも守られるべき基準であると考えられるから、出力に対する悪影響が感じられないようにするために、最適ではない時点に過濃と希薄との間の切換えを行うということも可能である。そのような出力に対する悪影響は、点火時点の変更によっても対処することができる。

　それ故、切換え時点を、走行上の要求の観点からより有利な瞬間が来るまで待つことが必要となることもあり得る。この待ち時間の間に排出ガスを悪化させないために、上に述べられたエンジンラムダの制御を行うことができる。しかしながら、これに対応する酸素センサによるラムダの結果測定がこれによって悪化されることは無い。

　即ち、例えば必要な運転様態の交替のために、過濃段階或いは希薄段階の時間的長さが正確に調節できないときでも、排出ガスを最少化するために制御が役立つことがある。このケースでは、第二のより強力な制御を考えることができる。理想的な場合には、切換えまで排出ガスを少なくするために、上記の調節によって化学量論的ラムダがもたらされる。

　過濃段階或いは希薄段階の調節は、その際、互いに無関係に行われる。過濃段階及び希薄段階の強さに関する測定は、両方の触媒の後方の酸素センサを通じて行われる。
　その際、実際に触媒内に存在している酸素吸蔵能力は、事前制御のために受け入れられた能力よりも少ない。触媒内に実際に存在している酸素吸蔵能力は触媒のエージングによって更に減少する。この不一致によって、酸素センサは触媒の後方の短い過濃ゾーン或いは希薄ゾーンを指示する。調節操作は、過濃段階及び希薄段階の時間的制御が触媒の後方の非常に短い過濃段階或いは希薄段階だけを測定可能に適合されるように定められる。その際には、触媒の後方のパケットの長さ或いは強さから直接、段階の適合を推定することができる。その際には、本来ならば避けられるべき過濃段階或いは希薄段階が、調節信号を生成するために、触媒の後方に現れることが必要である。しかしながら、この通過はできるだけ短く抑えることが望ましい。何故なら、この通過は排出ガス全体を悪化させるからである。けれどもこの通過は、調節できない状況とは異なり、不要な安全上の余計な計算を行う必要無しに、その全寿命の間にわたって減少させることができる。

　その際、この調節は、対応する段階の時間的長さが延長されるか又は短縮されるまで、或いは段階の幅、即ち空気／燃料比が適合されるまで行うことができる。更に、ラムダの事前制御については、一つの段階の終わり付近で制御可能であり、その際に、この制御によって調節も影響を受ける。これは、例えばより早めの或いはより強い制御によって行うことができる。

　調節操作を適切に適合させることによって、過濃排気ガス或いは希薄排気ガスの通過を最少化させることができる。その際、この操作は、危険な排気ガス成分、即ち過濃排気ガスの通過の際の炭化水素と一酸化炭素、或いは希薄排気ガスの通過の際の酸化窒素に合わせて定められる。その際、排気ガスシステムの構造によって調節操作は変更されることがある。

　その際、希薄段階も過濃段階も調節のために考慮するというように工夫することができる。しかしながら、この調節は、代替策として希薄段階又は過濃段階のいずれか一方だけに関して行うこともできる。その際には、吸蔵能力を測定するために、過濃ガスの通過のみ或いは酸素の通過のみが強要される。

　その際、希薄段階の時間的調節は、触媒の後方で測定された希薄パケットに応じて行われる。これによって、取り込まれた酸素は一つ又は複数の触媒の実際の酸素吸蔵能力に正確に対応する。過濃段階の時間的制御は、同じ様に、その時々の取り込まれた酸素に対して適合される。それ故、触媒の後方の過濃パケットは調節のために最早必要ではなくなり、従って避けることができる。

　過濃段階について時間的に調節が行われると、調節は一つ又は複数の触媒の後方で測定された過濃パケットに応じて行われる。これによって、還元された酸素について推定をすることができる。希薄段階でのこの時間的制御は、この酸素量だけが再び置き換えられるように定められる。これによって、触媒後方の希薄パケットは最早調節のために必要ではなくなり、従って回避することができる。

　上記の調節に加えて、触媒のための酸素吸蔵モデルを適合させることを考えることができる。過濃段階或いは希薄段階の事前制御は、モデル化された酸素吸蔵能力をベースとして行われる。その場合、調節装置のストロークを実際のモデルの修正のために援用することを考えることができる。その際には、例えばNOx吸蔵型触媒の全寿命期間にわたる、エージングに起因する酸素吸蔵能力の減少を考慮することができる。

　更に、もう一つの酸素センサを触媒と触媒との間に使用し、第一の触媒の酸素吸蔵能力を測定し、それと共に段階の時間的長さを調節することを考えることができる。最後に、サイクルの間の排気ガスラムダを、排気系統内の酸素センサによって調節することができる。

　要するに、過濃排気ガスおよび／または希薄排気ガスの通過に対する調節によっても、各々の過濃パケットの吸蔵型触媒の中で化学的反応は吸蔵型触媒の一部の中だけに起因しているということを確認することができる。その際、損傷を受けていない触媒の場合には、その部分領域全体にわたって常に上り勾配の温度上昇が与えられているということを確認することができる。とりわけ、触媒の最も熱い領域はこの部分領域の終端部にあるから、ここでは温度センサを用いて、簡単なやり方で温度を測定することができ、またこれによって、触媒内の最高温度を確定することができる。追加としてもう、一つの温度センサを使用すれば、高過ぎる温度による触媒の損傷を簡単なやり方で回避できる。

　本発明は更に、コンピュータで実行されたときに、上に説明された方法の実施のためのコンピュータプログラムに関している。その際、そのコンピュータプログラムを、記憶装置、即ち読出し専用メモリー或いはフラッシュメモリーに格納することができる。

　更に本発明は、上に説明されたコンピュータプログラムを格納した記憶装置を含んでいる、燃料直接噴射式の内燃機関を運転する制御（調節）装置に関している。
　最後に、本発明は、燃焼室と、燃料を燃焼室内へ送り込む燃料直接噴射装置と、制御装置、並びに三元触媒と排気ガス流の下流に配置されたNOx吸蔵型触媒とを備えた内燃機関であって、少なくともNOx吸蔵型触媒を加熱するために内燃機関が循環的に過濃段階と希薄段階で運転可能であること、過濃段階および／または希薄段階の長さおよび／または強さを確定するために触媒の後方および／または触媒の間に酸素センサが備えられていること、またその際制御装置を介して、各段階の長さ、空気／燃料比の振幅の調節、および／または各段階の分離制御によって、平均として化学量論的なラムダを調節可能であること、からなる内燃機関を含んでいる。

　上記の内燃機関は、とりわけオットー機関とすることができる。その際、制御装置は上に説明された方法の実施のためのコンピュータプログラムを備えた、上に説明された制御装置とすることができる。

　更に内燃機関は、加熱処理の監視及びその調節のために、NOx吸蔵型触媒の特に出口側に温度センサを含むことができる。その際、調節および／または監視は、次の様に行うことができる。
−　加熱処理の導入の前に、触媒が十分な温度、即ちいわゆる“ライトオフ温度”、に達しているということを確認することができる。このライトオフ温度が未だ到達されていない場合には、この温度には熱による加熱処理、例えば遅延点火によって到達させることができる。
−　加熱処理の導入にもかかわらず温度上昇が確認されない場合には、ライトオフ温度が、例えば排気ガスの速度が速すぎるために、未だ到達されていないか、或いは触媒或いは温度センサに欠陥がある。この場合には、排出ガス上の理由から更なる加熱処理は引下げられるか阻止される。
−　更に、温度測定によって触媒内へ送り込まれた熱流を確定することができる。これによって、触媒内の温度をより精確に監視することができ、また触媒の過熱を回避することができる。これによって、より短い時間のうちにより多くの化学エネルギーによって加熱することができる様になり、且つこれと共により少ない熱損失が、また同時により少ない燃料消費が可能となる。

　本発明が以下に一つの実施例に基づいて詳しく説明される。
　図１は内燃機関の排気システムの略図を示しており、このシステムには、エンジン１２、三元触媒１４、NOx吸蔵型触媒１６が含まれ、NOx吸蔵型触媒１６は、エンジン１２と三元触媒１４の後方の、排気ガス流の下流に配置されている。三元触媒１４の後方並びにNOx吸蔵型触媒１６の後方には、酸素センサ（ＬＳＦ）１８、２０が配置されており、これ等の酸素センサを用いて、三元触媒１４、NOx吸蔵型触媒１６を通過した過濃段階或いは希薄段階の発現を測定することができる。三元触媒１４及びNOx吸蔵型触媒１６による運転モードのこの過濃段階或いは希薄段階の通過の測定を通して、NOx吸蔵型触媒１６の循環的加熱の間の過濃段階および／または希薄段階の長さ並びに強さを、通常の加熱作動の際には過濃段階および／または希薄段階の通過が回避されるように調節することができる。このことが望ましいのは、過濃段階および／または希薄段階の通過によって排出が悪化されるからである。もう一つのセンサ（ＬＳＵ）２２がエンジンの排気口の直ぐ上にある。調節は上に説明されたのと同様のやり方で行われる。更に、温度センサＴｖＡＤＳ及びＴｉＡＤＳが備えられており、これ等の温度センサは、NOx吸蔵型触媒１６の始めと終わりの温度を測定する。この温度測定を通して、一つにはNOx吸蔵型触媒１６が単にその前側の領域だけでなく、全体が加熱されることを確認することができる。更に、最も熱いポイント、即ち希望する反応領域の終端部が、NOx吸蔵型触媒１６の始めにあり、またこれによって脱硫のためにできるだけ均一な温度プロフィルを達成可能であるということを確認することができる。更に、温度センサによって得られたデータを、制御モデルを温度依存性に対してより良く適合させるために利用することがえきる。従って、運転中にモデルに適合させることが可能である。

　最後に、温度の測定によって加熱をより迅速に行うことができる、何故なら、より短い時間内に短く交替を行うことによって、同じ化学エネルギーを導入することができるからである。しかも、このようにすることによって触媒の過熱を確実に回避することができる。

　そこで、およそ １，０００キロメートル毎から １０，０００キロメートル毎に一回のNOx吸蔵型触媒１６の脱硫が行われるとすると、エンジン１２は、エンジン制御装置（図中には示されていない）を介して、比較的短い交替で過濃運転段階および希薄運転段階で運転される。その際、これ等の運転段階は、それ等が三元触媒１４を通り抜けるように調節されている。三元触媒１４を通り抜けてNOx吸蔵型触媒１６に到達する希薄段階は、酸素過剰のために、NOx吸蔵型触媒１６の酸素吸蔵材を充填する。この場合、希薄段階は、短い時間でNOx吸蔵型触媒１６の酸素吸蔵材の充填が達成されるために、短く実行され、且つできるだけ大きな酸素過剰で運転されることが重要である。何故なら、希薄段階が長く続くと、触媒が冷却されてしまう虞れがあるからである。

　その後、エンジン１２は、過濃段階で、即ちλ＜１、それ故酸素不足状態で運転される。この過濃段階も、三元触媒１４を通り抜けてNOx吸蔵型触媒１６に到達する。存在している未燃焼の有害成分（炭化水素、一酸化炭素、及び水素）のために、それ等の成分とNOx吸蔵型触媒１６内に蓄えられている酸素との反応が行われるが、この反応は発熱的に行われ、これによってNOx吸蔵型触媒１６が加熱される。

　理想的には、酸素のための自由吸蔵材の全てが、NOx吸蔵型触媒１６の希薄段階の間に酸素で覆われ、また過濃段階の間に希望する割合まで酸素を放出する。その際には、これ等の段階は、触媒の下流の排気ガス値を悪化させないようにするために、NOx吸蔵型触媒１６を通り抜けないことが望ましい。

　理論的モデルに従って、過濃段階および希薄段階が事前制御される。追加として、例えばエージングの過程にある三元触媒１４およびNOx吸蔵型触媒１６の悪化された酸素吸蔵能力に対して適合させるために、本発明に従って、過濃段階および／または希薄段階を調節することが考えられている。このために、NOx吸蔵型触媒の後方の下流側に酸素濃度のためのセンサ（ＬＳＦ）２０が備えられ、およそ２００サイクル毎に加熱の間に部分的調節が行われる。即ち、過濃段階または希薄段階、或いは両方の段階が、それ等の段階がNOx吸蔵型触媒１６を通り抜けて該触媒の終端部で測定できるように調節される。

　希薄段階が対応する触媒を通り抜けると、通り抜けた希薄パケットに基づいて、三元触媒１４、NOx吸蔵型触媒１６の実際の酸素吸蔵能力を精確に確定することができる。同様にこのことは、三元触媒１４とNOx吸蔵型触媒１６の間に配置されている酸素センサ１８に対しても当てはまり、三元触媒１４の酸素吸蔵能力についても確定することができる。実際の酸素吸蔵能力に基づいて、過濃段階について推定をすることができる。

　過濃段階が通り抜けると、これによって、還元された酸素を確定することができ、また希薄段階の時間的制御を、その酸素量だけ、或いはその酸素量のうちの定められた部分だけが再び置き換えられるように設計することができる。可能な最善の調節は、過濃段階も希薄段階も通り抜けるようにすることによって行われる。何故なら、こうすることによって両者の間でお互いに比較をすることができるからである。

　同様に上と同じことは、触媒と触媒との間に配置され且つ三元触媒１４についてのみ上と同じ測定値をもたらす酸素ゾンデ（ＬＳＦ）１８によっても達成することができる。
　要するに、過濃段階および希薄段階の調節は互いに独立に行われ、その際に、排気ガス値を必要且つ望ましい領域内にするために、パケットをできるだけ最小に保つように努められる。

　過濃段階と希薄段階との間で、任意に、希望する或いは最適な時点で切換えをすることは、走行運転の際にドライバーに切り替えを感じ取られないようにするために、必ずしも常に可能ではないから、ある段階を本来望ましく且つ排出ガスのために有利な長さよりも長く保つことが必要となることがある。このことは特に、希薄段階のためには、例えば成層運転への切り替えが必要となる場合であるにも拘わらず、過濃段階でエンジンが均質運転で運転される場合に当てはまる。切り替えによってトルク段差が感取されるが、このトルク段差は、対応する調節操作、例えば点火タイミング並びに噴射角度等の移動によって対処することができる。更に、過濃段階および／または希薄段階の分離制御を考えることができる。これは図２に示されており、この図のλと時間ｔとの関係を示したグラフの中に、過濃段階が振幅Ａｆで示されている。希薄段階は振幅Ａｍで示されている。時間ＴｆとＴｍは、それぞれ過濃パケットおよび希薄パケットの時間的長さを表している。更に、調節段階Ｔ１またはＴ２を考えることができ、これ等の段階でラムダが再び λ=１ の化学量論的値の近くへ戻される。過濃段階と希薄段階との間の切り替えが望ましい時点よりも遅く行われても、わずかな排出しか生じない。何故なら、λが既に化学量論的値近くになっているからである。基本的に、化学量論的値までの制御が可能である。この制御によって、過濃段階または希薄段階の時間的長さは排出ガスに対してより少ない影響しか与えない。しかしながら、この調節は触媒の加熱或いは調節値の確定に対して何らの影響も与えないか或いはわずかな影響しか与えない。更に、この制御によって、時間Ｔｆへの時間Ｔ１の変化或いは時間Ｔｍへの時間Ｔ２への変化によるもう一つの調節を行うことができる。更に、調節値（ｍ_O2）と時間ｔとの関係がそれぞれの段階に対応させて示されており、この調節値によって酸素吸蔵材の酸素放出と吸蔵を知ることができる。

　その他の基本的な調節は、過濃振幅Ａｆおよび／または希薄振幅Ａｍの変化、並びに時間Ｔｆ及びＴｍの変化によって行われる。
　この調節操作によって、触媒の化学的加熱の間における過濃排気ガスおよび希薄排気ガスの通り抜けを自動車の全運転期間にわたって大幅に防止することができる。

内燃機関の排気システムの概略図を示す。 過濃段階および希薄段階の時間的変化、並びにこの時間的変化を調節する補助パラメータｍ_o2の時間的変化を示す。

符号の説明

１２…エンジン
１４…三元触媒
１６…NOx＝吸蔵型触媒
１８、２０…酸素センサ（ＬＳＦ）
２２…その他のセンサ（ＬＳＵ）
ＴｖＡＤＳ、ＴｉＡＤＳ…吸蔵型触媒の入口と出口の温度センサ
Ａｆ…過濃段階の振幅
Ａｍ…希薄段階の振幅
Ｔｆ…過濃段階の時間的長さ
Ｔｍ…希薄段階の時間的長さ
Ｔ１、Ｔ２…λ＝１に近づけられる制御段階
ｍ_O2…調節値

Claims (21)

1. 　少なくとも一つの酸素吸蔵能力を有する触媒を備えた排気ガスシステムを含み、少なくとも一つの触媒の加熱のために、内燃機関を循環的に、触媒の酸素吸蔵材を充填するために空気／燃料比λについてλ＞１の希薄燃焼運転で運転し、且つ、未燃焼の燃料成分と触媒内の酸素との反応の反応熱によって触媒を加熱するためにλ＜１の過濃燃焼運転で運転するように構成された、燃料噴射システムを備えた内燃機関の運転方法において、
   　希薄燃焼段階の間に取り込まれた酸素および過濃燃焼段階で消費された酸素の少なくともいずれかが、一つまたは二つの触媒の後方でゾンデを介して測定されること、且つ
   　触媒の後方の酸素量を通して、並びに触媒の手前のλと排気ガス質量流量とから、酸素吸蔵能力が確定されること、且つ
   　別の段階がλを通して、また排気ガス質量流量が、酸素吸蔵材が充填され或いは消費されるように制御され、その際循環的段階の時間的長さが、実際の排気ガス質量流量に応じて、絶対過剰酸素量と燃料の未燃焼成分の絶対空気要求量とが各循環的段階毎に一定の比率となるように適合されること、
   を特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 　前記希薄燃焼段階の前記絶対過剰酸素量が、触媒の加熱のために望ましい温度プロフィルを達成するために、少なくとも一つの触媒の酸素吸蔵能力に応じて事前制御されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 　前記過濃燃焼段階の前記絶対酸素要求量が、触媒の加熱のために望ましい温度プロフィルを達成するために、少なくとも一つの触媒の酸素吸蔵能力に応じて事前制御されることを特徴とする請求項２に記載の運転方法。
4. 　前記酸素吸蔵能力が、希薄燃焼段階の間における酸素の通過によって、触媒の後方の少なくとも一つの酸素センサで測定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の運転方法。
5. 　前記酸素吸蔵能力が、過濃燃焼段階の間における未燃焼燃料の通過によって、触媒の後方の少なくとも一つの酸素センサで測定されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の運転方法。
6. 　前記酸素吸蔵能力の測定のために、各々の段階においてではなく、それぞれ前記通過を伴わない複数の段階の経過後に、通過が生じることを特徴とする請求項４または５に記載の運転方法。
7. 　両方の前記燃焼段階の酸素過剰量と酸素要求量の比が１である（λ＝１）ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の運転方法。
8. 　前記希薄燃焼段階の相対酸素過剰量（ラムダ値）が、同時に運転中のより確実な希薄燃焼作動能力を維持して触媒の冷え過ぎを防止するために、可能な限り希薄となるように選択されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の運転方法。
9. 　時間的な前記事前制御が、過濃段階および希薄段階の少なくともいずれかの分離制御を行うことであり、その際、その時々の段階の通過を最少化するために、過濃段階および希薄段階の少なくともいずれかの段階の振幅の値よりも化学量論的比率に近いラムダ値が調節されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法。
10. 　触媒間の酸素濃度が測定され且つ酸素吸蔵能力の確定のために用いられることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の運転方法。
11. 　排気ガス流中の酸素濃度が測定され、且つこの値を考慮して前記燃焼段階での前記ラムダ値が調節されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の運転方法。
12. 　加熱処理を監視し且つ調節するために、一つ又は複数の加熱すべき触媒の温度が測定されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の運転方法。
13. 　前記希薄燃焼段階では内燃機関が層状給気で運転され、且つ前記過濃燃焼段階では均一な混合気分布で運転されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の運転方法。
14. 　内燃機関が常に層状給気で運転され、且つ前記過濃燃焼段階が、点火後の追加の燃料噴射によって生成されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の運転方法。
15. 　コンピュータ上で実行されると、請求項１ないし１４のいずれかに記載の運転方法を実行するのに適しているコンピュータプログラム。
16. 　読出し専用メモリーまたはフラッシュメモリーのような記憶装置に格納されている請求項１５に記載のコンピュータプログラム。
17. 　請求項１５または１６に記載のコンピュータプログラムを格納している記憶装置を含む、燃料噴射装置を備えた内燃機関の運転制御装置。
18. 　燃焼室と、燃料を前記燃焼室へ送り込む燃料噴射装置と、制御装置と、少なくとも一つの触媒（１４、１６）とを備えた内燃機関（１２）であって、
    　少なくとも一つの触媒（１４、１６）を加熱するために、循環的に過濃燃焼段階と希薄燃焼段階とで運転可能であり、
    　前記過濃燃焼段階および前記希薄燃焼段階の少なくともいずれかの段階の長さおよび強さの少なくともいずれかを確定するために、前記触媒の後方およびその間の少なくともいずれかの位置に酸素センサ（ＬＳＦ）が備えられており、
    　前記制御装置を介して、特に前記燃焼段階の長さ、空気／燃料比の振幅の調節、および前記燃焼段階の分離制御のいずれかによって、平均として一定のラムダ値を調節することが可能である、
    ことからなる内燃機関。
19. 　オットー機関であることを特徴とする請求項１８に記載の内燃機関。
20. 　複数の触媒（１４、１６）が相前後して接続されており、且つそれ等の触媒の少なくとも一つがNOx吸蔵型触媒（１６）であることを特徴とする請求項１８または１９に記載の内燃機関。
21. 　請求項１７に記載の制御装置を含む請求項１８ないし２０のいずれかに記載の内燃機関。

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