JP2004176722A - 触媒再生方法および触媒再生用の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費効率および放出物質量を最適化できる触媒再生方法および触媒再生用の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の駆動特性量から計算された吸蔵容積の充填率に依存して酸素欠乏状態を緩和する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス管路に配置されており、内燃機関の酸素過剰駆動時に酸素および窒素酸化物を排気ガス中から収容して吸蔵し、酸素欠乏駆動時に酸素および窒素を排気ガス中に放出する触媒を再生するために、触媒の前方で第１の酸素欠乏状態を形成することにより再生をトリガし、再生の期間が経過するにつれて当該の酸素欠乏状態を緩和する触媒再生方法および触媒再生用の制御装置に関する。

上述の触媒再生方法および触媒再生用の制御装置は独国特許出願公開第１９８４４０８２号明細書から知られる。

この刊行物はリーン混合気で駆動される内燃機関に関しており、法上の放出物質量制限を遵守するためにＮＯｘ吸蔵触媒を使用している。このＮＯｘ吸蔵触媒はその積層構造に基づいて、吸蔵フェーズではリーンバーンで生じた排気ガス中のＮＯｘ化合物を吸収し、再生フェーズではこうして吸蔵されたＮＯｘ化合物に還元剤を添加して無害な化合物へ変換するように構成されている。リーンバーン駆動される内燃機関用の還元剤としては一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ_２および炭化水素ＨＣが使用される。これらの物質は内燃機関をリッチ混合気で短時間だけ駆動することにより形成され、ＮＯｘ吸蔵触媒へ排気ガス成分として供給される。これにより吸蔵されていたＮＯｘ化合物は触媒内で分解される。

還元剤または再生物質はＮＯｘ吸蔵容積の再生によりもたらされるが、このときの燃費効率および放出物質量を最適化するために、走行条件のもと許容される範囲で最大限リッチな混合気（例えばλ値０．７〜０．８）を選定しなければならない。さらに再生時に発生するＮＯｘの放出ピークについても環境へ排出されるＮＯｘ量ができる限り小さくなるようにしなくてはならない。さらに還元剤のブレークスルーの際にＮＯｘ吸蔵触媒から発生する還元剤の量もできる限り小さくする必要がある。

前掲の独国特許出願公開第１９８４４０８２号明細書によれば、還元剤は燃費効率および放出物質量が最適化されるように制御されて供給される。これは、触媒の後方に配置された酸素センサの信号に依存して、再生フェーズでの排気ガス中の酸素欠乏状態により還元剤の供給を制御するようにして行われる。ここでこの制御は触媒前方の酸素欠乏状態が触媒後方の酸素濃度の低下につれて緩和されるように行われる。

独国特許出願公開第１９８４４０８２号明細書から公知のモデルベースの制御では、放出物質量の限界値の遵守は保証されない。これについては独国特許出願公開第１９５１７１６８号明細書および欧州特許出願公開第０５９７１０６号明細書にも触媒充填率のモデリング方法および吸蔵および再生の制御手段の例が記載されている。センサ信号を用いて得られた排気ガス中の酸素量に依存して再生物質量を制御するために還元剤のドーズの精度が高められ、実際のＮＯｘ充填率について発生した全てのばらつきや誤差が補償される。独国特許出願公開第１９８４４０８２号明細書では、リッチ駆動が行われ、再生物質は触媒に吸蔵されるＮＯｘ量の低下にアクティブに関与するあいだだけ供給される。

ただし排気ガス分析用の排気ガスセンサをＮＯｘ吸蔵触媒の後方に配置し、再生フェーズの終了時に検出を行うと煩雑でコストがかかる。
独国特許出願公開第１９８４４０８２号明細書 独国特許出願公開第１９５１７１６８号明細書 欧州特許出願公開第０５９７１０６号明細書 米国特許第５５９０５２１号明細書

こうした従来技術から、本発明の課題は、燃費効率および放出物質量を最適化できる触媒再生方法および触媒再生用の制御装置を提供することである。これは高価な排気ガスセンサを触媒の後方に設けることなく達成できることが望ましい。

この課題は、内燃機関の駆動特性量から計算された吸蔵容積の充填率に依存して酸素欠乏状態を緩和することにより解決される。

利用されている計算モデルが実際の条件に良好に適合している充填率が得られれば、排気ガスニュートラルな再生、つまり燃費のうえでも放出量のうえでも最適な再生が達成されることがわかっている。

有利には再生の開始時に後の再生過程よりも酸素欠乏状態を大きくする。この実施形態では、排気ガス中の酸素欠乏状態が大きくなることにより触媒の酸素吸蔵容積が迅速に空になる。その後、緩和された酸素欠乏状態でのＮＯｘ充填率に依存して再生がさらに行われるか、または終了される。これにより触媒に関わる酸素欠乏駆動の中断が回避されるか、少なくとも低減される。

さらに有利には、酸素欠乏状態を酸素吸蔵容積の充填率に依存して緩和する。この実施形態は、触媒の酸素吸蔵容積が有利には空になるという知識に基づいている。これは例えば主としてＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵容積に主として酸素を吸蔵する通常の３元触媒を前置接続して達成される。こうすればいずれの場合にも迅速に大きな酸素欠乏状態が得られ、排気ガスを再生することができる。これにより全体で、すなわち全再生過程で見て燃費および放出量がともに最適化される。

さらに有利には、酸素欠乏状態を窒素吸蔵容積の充填率に依存して緩和する。この実施形態によれば、有利には、少なくとも酸素吸蔵触媒ですでに再生が行われている場合に、ＮＯｘ充填率により燃費および放出量のバランスが最適化される。

さらに有利には、内燃機関の駆動特性量から充填率を計算する際に排気ガス流量を考慮する。このようにすれば、吸蔵量を計算でシミュレートする際の精度が向上する。

同様に、別の有利な実施形態によれば、内燃機関の駆動特性量から充填率を計算する際に排気ガス温度および／または触媒温度を考慮する。

さらに有利には、充填率を計算する際に酸素充填率および窒素酸化物充填率の双方を形成する。酸素充填率は窒素酸化物充填率よりも迅速に低下する。放出フェーズでの２つの充填率を別個にモデリングすることにより、酸素欠乏状態の規模を設定する際にこれらの特性を考慮することができる。

さらに有利には、再生開始時の大きな酸素欠乏状態を触媒の酸素充填率が予め定められた閾値を下回るまで維持する。

この実施形態により、酸素が触媒に吸蔵されている場合に初期的に２つの酸素放出プロセスがアクティブとなることが考慮される。酸素は当該のフェーズ中、一方では吸蔵容積の低下により放出され、また他方では還元剤（排気ガス中のＨＣ、ＣＯ）との反応の結果として窒素酸化物から分離して生じる。このため初期的には酸素がきわめて欠乏した状態で再生が行われ、これにより再生全体に必要な時間が短縮される。これは、複数の吸蔵フェーズおよび放出フェーズにわたって平均された値で見て、内燃機関が燃費に関して有利な吸蔵フェーズで長く駆動されることになるので好ましい。

本発明はさらに上述の方法およびその有利な態様のうち少なくとも１つを実行する制御装置に関する。

他の利点は以下の実施例の説明および添付図から得られる。

前述した特徴および以下に述べる特徴は個別でもまた種々に組み合わせても使用可能である。本発明の範囲を外れないかぎりにおいての変更または修正は当該の技術分野の技術者であれば任意に可能である。

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

図１には内燃機関１２のシリンダの燃焼室１０が示されている。吸入弁１４を介して燃焼室１０への空気供給が制御される。排気ガスは排出弁１５を介して排出される。空気は吸気管１６から吸入される。吸入空気量は制御装置２０によって駆動されるスロットルバルブ１８を介して変更される。制御装置２０にはドライバーのトルク要求に関する信号またはアクセルペダル２２の位置に関する信号、回転数センサ２４からの機関回転数信号ｎ、エアマスフローセンサ２６からの吸入空気量ｍｌ、排気ガスセンサ２８からの排気ガス組成の信号および／または排気ガス温度の信号Ｕｓが供給される。排気ガスセンサ２８は例えばラムダセンサであり、このセンサのネルンスト電圧によって排気ガス中の酸素量が表され、内部抵抗によってセンサ温度、排気ガス温度および／または触媒温度の尺度が得られる。排気ガスは少なくとも１つの触媒３０を介して案内され、排気ガスの障害物質は変換および／または吸蔵される。

内燃機関１２のこれらの入力信号および別のパラメータ、例えば吸入空気温度および冷却剤温度などの特性から、制御装置２０はアクチュエータ３２を介してスロットルバルブ角度を調整する出力信号αを形成する。また制御装置２０は噴射パルス幅ｔｉによって燃料噴射弁３４が駆動され、燃料が内燃機関１２の燃焼室１０へ調量される。さらに制御装置２０により点火装置３６を介して点火がトリガされる。

スロットルバルブ角度αおよび噴射パルス幅ｔｉは相互に調整しあう重要な制御量であり、これらによって所望のトルク、所望の排気ガス組成（排気ガス中の酸素欠乏状態および酸素過剰状態）、所望の排気ガス温度が実現される。

さらに制御装置２０は燃焼室内の燃料空気混合気の効率的な燃焼を達成するための機能として、例えば図示しない排気ガス再循環管路および／またはタンク放流管路を制御する。燃焼によって得られたガス圧力はピストン３８およびクランク４０によりトルクへ変換される。当該の技術分野では触媒温度は測定から得ることもできるし、また内燃機関１２の駆動パラメータからのモデリングで得ることもできる。内燃機関の排気管内の温度のモデリングについては例えば米国特許第５５９０５２１号明細書から周知である。

このような直接噴射型内燃機関は通常、層状給気モードおよび均一給気モードで駆動される。

層状給気モードでは高い空気過剰率でシリンダ内に層が生じるように駆動され、できる限り低い燃費が達成されるようにする。層状給気は遅れ方向の燃料噴射により行われ、理想的には燃焼室を２つのゾーンに分割することになる。第１のゾーンはスパークプラグ近傍の燃焼しやすい燃料空気混合気の雲の部分である。第２のゾーンはこれを取り巻くように生じる空気および残余ガスの絶縁層である。燃焼を最適化するために機関はチャージ交換損失を回避しながらスロットルを絞らずに駆動される。層状給気モードは負荷が小さいときに有利である。

負荷が大きくて出力の最適化が優先される場合には、機関は均一給気モードで駆動される。均一給気モードは吸入過程中の早め方向の燃焼噴射から得られる。その結果燃焼までのあいだに混合気形成に用いられる時間が長くなる。この駆動モードの利点は出力を最適化できることであり、例えば燃焼室の全容積に燃焼しやすい混合気を充填して利用することができる。

リーンバーンモードでは燃焼の際に窒素酸化物放出量が高くなり、後置接続された触媒３０にこれが蓄積される（吸蔵フェーズ）。再生フェーズまたは放出フェーズではＮＯｘ吸蔵容積から放出が起こり、続く層状給気モードで新たに窒素酸化物ＮＯｘまたは酸素Ｏ_２を吸蔵することができる。

再生フェーズ中は触媒３０の前方で酸素欠乏状態を形成する。これは還元剤を供給することによって行われる。還元剤として例えば炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯまたは尿素が使用される。炭化水素および一酸化炭素はリッチ駆動（内燃機関１２の均一給気モード）された排気ガス中で得られる。尿素はタンクから排気ガスへ制御された状態で調量することができる。

触媒３０の再生中、還元剤は吸蔵された窒素酸化物を窒素Ｎと二酸化炭素ＣＯ_２へ還元する。これらの物質は触媒から放出され、これにより内燃機関１２はリッチ混合気で駆動されるが、後方では再生中の所定の酸素過剰状態が得られる。

図２にはＮＯｘ吸蔵容積の充填率を表す曲線４２と酸素吸蔵容積の充填率を表す曲線４４とが時間に関して示されている。これは吸蔵フェーズ（ｔ＿０からｔ＿１まで）および再生フェーズ（ｔ＿１からｔ＿３まで）を表している。

図３には、本発明の方法を実行した場合の触媒前方での酸素濃度と時間との相関特性の曲線４６が定量的に示されている。その際に当該の曲線４６の高いレベルＩは吸蔵フェーズの触媒３０に対する酸素過剰状態に相応し、低いレベルＩＩは酸素吸蔵容積を空にするために再生を開始したときの大きな酸素欠乏状態に相応し、レベルＩＩよりも少しだけ高いレベルＩＩＩはＮＯｘ吸蔵容積を再生する状態に相応する。

図４には酸素吸蔵容積の充填率およびＮＯｘ吸蔵容積の充填率の計算モデルの実施例が示されている。これは制御装置２０内で計算され、内燃機関１２の制御に使用される。

このために制御装置２０ではマイクロプロセッサ上に制御装置２０の構成要素として動作するプログラムが格納されている。このプログラムはモデリングプロセスまたは制御プロセスを実行するのに適している。

モデリングの結果は例えば制御装置２０が計算されたフロー４２、４４の所定の閾値に達したときに行われる開制御および／または閉ループ制御に利用される。触媒前方の酸素濃度は内燃機関の可変制御、例えば噴射パルス幅を変更することによる制御を介して変更される。周知のように噴射燃料量を増大することによっても排気ガス中の酸素欠乏状態を形成することができる。

放出のモデルを以下に詳細に説明する。第１の機能ブロック４８ではＮＯｘ吸蔵容積へ再生フェーズｔ＿１〜ｔ＿３中に供給される全還元剤量ｍｓｒｇが求められる。全還元剤量ｍｓｒｇは式
ｍｓｒｇ＝ｍｓａｂ＊（１．０／λ−１．０）
ここでｍｓａｂは排気ガス流量であり、λは燃料空気混合気の組成比である
から得られる。

排気ガス流量ｍｓａｂは燃焼のために内燃機関へ供給される空気流量ｍｓｌから求められる。排気ガス流量ｍｓａｂは、時間遅延され、温度に強く依存するために濃度の補正された空気流量ｍｓｌである。

機能ブロック５０では効率ｅｔａｒｅｄが求められる。これは動作中に全還元剤量ｍｓｒｇと乗算され、吸蔵された成分ＮＯｘ、Ｏ_２の変換に実際に寄与した有効還元剤量ｍｓｒｅが得られる。効率ｅｔａｒｅｄにより全還元剤量ｍｓｒｇが再生フェーズ中に触媒で還元すべき全てのＮＯｘまたはＯ_２に相当せず、その一部が反応せずに残っている状況を考慮することができる。効率ｅｔａｒｅｄは排気ガス流量ｍｓａｂから適応化された特性曲線ＥＴＡＲＥＤを用いて求められる。特性曲線ＥＴＡＲＥＤはモデリングのフォアグラウンドで経験的に求められる。

有効還元剤量ｍｓｒｅは機能ブロック５２で分割係数ｆａｔｍｓｒｅと乗算され、触媒３０中でＮＯｘと反応した有効還元剤量の成分ｍｓｎｏｓｐａが得られる。同様に有効還元剤量ｍｓｒｅは機能ブロック５４で１．０から分割係数ｆａｔｍｓｒｅを差し引いた差と乗算され、触媒中でＯ_２と反応した有効還元剤量の成分ｍｓｏ２ｓｐａが得られる。分割係数ｆａｔｍｓｒｅにより有効還元剤量ｍｓｒｅはＮＯｘ吸蔵容積とＯ_２吸蔵容積とに分割される。この分割係数ｆａｔｍｓｒｅはＮＯｘ吸蔵容積またはＯ_２吸蔵容積の充填状態に依存している。分割係数ｆａｔｍｓｒｅは計算モデルの主成分となっている。分割係数の求めかたおよびこの実施例で用いているモデリングは独国特許出願公開第１００３９７０８号明細書から周知のプロセスに相応するので、ここでは詳細には説明しない。

ＮＯｘ吸蔵容積およびＯ_２吸蔵容積は放出の計算モデルにおいてはそれぞれ固有の積分器によって表される。機能ブロック５６では有効還元剤量の成分ｍｓｎｏｓｐａがＮＯｘ積分器へ供給され、ＮＯｘ吸蔵容積の充填率ｍｎｏｓｐが求められる。同様に有効還元剤量の成分ｍｓｏ２ｓｐａはＯ_２積分器へ供給され、Ｏ_２吸蔵容積の充填率ｍｏ２ｓｐが求められる。触媒３０のＯ_２吸蔵能力は温度に強く依存しているので、Ｏ_２吸蔵容積の充填率を計算する際には触媒温度ｔｋｉｈｋｍも考慮される。この温度は測定してもよいし、モデリングによって求めてもよい。

ＮＯｘ吸蔵容積の充填率ｍｎｏｓｐおよびＯ_２吸蔵容積の充填率ｍｏ２ｓｐは分割係数ｆａｔｍｓｒｅを求める際に利用される。Ｏ_２吸蔵容積の充填率ｍｏ２ｓｐが０（０．０）である場合、つまりＯ_２吸蔵容積が完全に空になっている場合、分割係数ｆａｔｍｓｒｅは１（１．０）に選定される。分割係数ｆａｔｍｓｒｅはこの場合図４の機能ブロック５２、５４へ供給される。これは有効還元剤量ｍｓｒｅが機能ブロック５２を介して機能ブロック５６へ供給され、そこでＮＯｘの還元に関与することを意味している。

Ｏ_２吸蔵容積の充填率ｍｏ２ｓｐが０でない場合、ＮＯｘ吸蔵容積の充填率ｍｎｏｓｐが０（０．０）となるか否か、すなわちＮＯｘ吸蔵容積がすでに完全に空になっているか否かが検査される。ＮＯｘ吸蔵容積が空になっている場合、分割係数ｆａｔｍｓｒｅは０（０．０）に選定される。これは図４では有効還元剤量ｍｓｒｅが機能ブロック５４を介して機能ブロック５８へ供給され、そこでＯ_２の低下に関与することを意味している。

ＮＯｘ吸蔵容積の充填率ｍｎｏｓｐが０（０．０）でない場合には、分割係数ｆａｔｍｓｒｅは０〜１のあいだで任意のＰＡＲＡＭＥＴＥＲに等しくなるように選定される。このＰＡＲＡＭＥＴＥＲはモデリングのフォアグラウンドでシミュレーションによって求められるか、または内燃機関１の駆動中経験的に設定される。ＰＡＲＡＭＥＴＥＲはＮＯｘ吸蔵容積の充填状態またはＯ_２吸蔵容積の充填状態を変化させる。これは充填状態に応じて線形に変化することもあるし、また任意に変化することもある。

本発明の装置の概略図である。

吸蔵フェーズおよび再生フェーズ中の酸素吸蔵器およびＮＯｘ吸蔵器の充填率を時間に対して示したグラフである。

本発明の方法を実行する際の吸蔵容積に対する酸素濃度を図２のグラフに時間相関して示した特性図である。

触媒のＮＯｘ吸蔵容積の充填率を計算する計算モデルを示す図である。

符号の説明

１０ 燃焼室
１２ 内燃機関
１４ 吸入弁
１５ 排出弁
１６ 吸気管
１８ スロットルバルブ
２０ 制御装置
２２ アクセルペダル
２４ 回転数センサ
２６ エアマスフローセンサ
２８ 排気ガスセンサ
３０ 触媒
３２ アクチュエータ
３４ 燃料噴射弁
３６ 点火装置
３８ ピストン
４０ クランク

Claims (10)

1. 内燃機関（１２）の排気ガス管路に配置されており、内燃機関の酸素過剰駆動時に酸素および窒素酸化物を排気ガス中から収容して吸蔵し、かつ酸素欠乏駆動時に酸素および窒素を排気ガス中へ放出する触媒（３０）を再生するために、
   触媒（３０）の前方で第１の酸素欠乏状態を形成することにより再生をトリガし、再生の期間が経過するにつれて当該の酸素欠乏状態を緩和する
   触媒再生方法において、
   内燃機関（１２）の駆動特性量から計算された触媒（３０）の充填率に依存して酸素欠乏状態の緩和を行う
   ことを特徴とする触媒再生方法。
2. 再生の開始時には後の再生過程よりも大きな酸素欠乏状態を形成する、請求項１記載の方法。
3. 酸素欠乏状態を酸素吸蔵容積の充填率に依存して緩和する、請求項２記載のシステム。
4. 酸素欠乏状態を窒素酸化物吸蔵容積の充填率に依存して緩和する、請求項２または３記載のシステム。
5. 内燃機関（１２）の駆動特性量から充填率を計算する際に排気ガス流量を考慮する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 内燃機関（１２）の駆動特性量から充填率を計算する際に排気ガス温度および／または触媒温度を考慮する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 充填率を計算する際に酸素充填率および窒素酸化物充填率の双方を形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 再生開始時の大きな酸素欠乏状態を触媒吸蔵容積の充填率が予め定められた閾値を下回るまで維持する、請求項２から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 内燃機関（１２）の排気ガス管路に配置されており、内燃機関の酸素過剰駆動時に酸素および窒素酸化物を排気ガス中から収容して吸蔵し、酸素欠乏駆動時に酸素および窒素を排気ガス中へ放出する触媒（３０）を再生するために、
   触媒（３０）の前方で第１の酸素欠乏状態を形成することにより再生をトリガし、再生の期間が経過するにつれて当該の酸素欠乏状態を緩和する、
   触媒再生用の制御装置（２０）において、
   内燃機関（１２）の駆動特性量から計算された触媒（３０）の充填率に依存して酸素欠乏状態の緩和を行う
   ことを特徴とする触媒再生用の制御装置。
10. 請求項２から８までのいずれか１項記載の触媒再生方法を実行する制御手段（２０）を備えている、請求項９記載の制御装置。

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