JP2004525299A - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】環境に対して出来る限り少ない有害物質しか排出しない、内燃機関の運転方法および装置を提供する。
【解決手段】吸蔵型触媒(18)が酸化窒素を吸着し且つ脱離し、吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流が脱離の間に減少され、且つ脱離の間に吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流に燃料/空気混合気が添加される、内燃機関(10)、特に自動車の内燃機関の運転方法において、吸蔵型触媒(18)の脱離から吸着への切替えの際に、先ず排気ガス流への燃料/空気混合気の添加が終了され、その際、前もって与えられた掃気時間の後で、排気ガス流の減少が終了される。
【選択図】図1

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関、特に自動車の内燃機関の運転のための方法および装置に関する。本発明はまた、内燃機関、特に自動車のための内燃機関、並びに、その様な内燃機関のための制御装置または追加装置に関する。
【背景技術】
【0002】
発生する排気ガスの浄化のために酸化触媒と吸蔵型触媒を備えている内燃機関、例えばディーゼル内燃機関が知られている。ガソリン内燃機関、特に直接噴射式の内燃機関の場合にも、排気ガス浄化のために吸蔵型触媒を使用することが知られている。この様な吸蔵型触媒は二つの作動段階で作動される。吸着段階の間は、吸蔵型触媒は酸化窒素を吸着し、酸化窒素は吸蔵型触媒の中に一時吸蔵される。再生段階の間は、酸化窒素は再び吸蔵型触媒から吐き出され、これによって吸蔵型触媒が再生される。吸蔵型触媒の再生のためには、それ故脱離段階の間は、“過濃化された”排気ガス流、従って、燃料を加えられた排気ガス流が吸蔵型触媒に送り込まれる。吸着段階の間は、内燃機関は希薄燃焼で、それ故1よりも大きなラムダで運転されることができる。その際に発生する酸化窒素は、吸蔵型触媒の中に一時吸蔵され、これによって有害物質として環境中に送り出されることはない。吸蔵型触媒の再生の際には、一時吸蔵されていた酸化窒素が非有害物質へ変換されて外気中へ送り出される。
【0003】
特にディーゼル内燃機関の場合には、その排気管中に分岐路を設けて、この場所に弁を取り付けることが知られている。この弁によって、吸蔵型触媒への排気ガス流の量を変化させることができる。特に脱離段階の間は、吸蔵型触媒への排気ガス流を減少させ、これによって吸蔵型触媒に対する排気ガスの過度の負荷を避け、且つ排気ガス流の過濃化をし易くすることができる。
【0004】
更に、特にディーゼル内燃機関の場合には、脱離段階の間に、吸蔵型触媒に送られる排気ガス流に燃料/空気混合気を添加し、これによって、既に述べられた“過濃化された”、従って燃料を加えられた(ラムダが1よりも小さい)排気ガス流を実現することが知られている。
【0005】
上に説明された作動のやり方、特に吸蔵型触媒の吸着段階と脱離段階との間での切替えは、環境に対する有害物質の排出を出来る限り防止するためにはなお十分ではないということが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の課題は、環境に対して出来る限り少ない有害物質しか排出しない、内燃機関の運転方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この課題は請求項に記載の方法によって解決される。この課題はまた、対応する内燃機関によって、並びにこの内燃機関のための制御装置または追加装置によって解決される。
本発明の重要なメルクマールは、脱離段階から吸着段階への切替えの際に、排気ガス流に対する燃料/空気混合気の添加が、排気ガス流の削減と同時に終了されるのではなく、排気ガス流の削減は定められた時間長さの後で、即ち前もって与えられた掃気時間の後で、初めて行われるということから成り立っている。
【発明の効果】
【0008】
それ故、本発明によれば、先ず燃料/空気混合気が最早排気ガス流に添加されなくなり、その後(前もって与えられた掃気時間の経過後に)排気ガス流の削減が終了される。このことは、換言すれば、内燃機関の排気ガス管の中に取り付けられた弁は、掃気時間の経過後にはじめて吸蔵型触媒の吸着段階のために用意されている状態へ切替えられる、ということを意味している。
【0009】
排気ガス管内のこの弁の遅延切替えによって、脱離段階の間に最後に排気ガス流に添加された燃料/空気混合気が未だ削減された排気ガス流と共に吸蔵型触媒まで到達していないということが実現される。削減されたこの排気ガス流によって、燃料/空気混合気が好ましいやり方で吸蔵型触媒の再生のために貢献することができるということが保証される。これによって、炭化水素が浄化されないまま吸蔵型触媒を通って外気中へ達してしまうということがなくなる。このことは、環境に対して排出される有害物質がより少なくなるということを意味している。本発明に基づく方法を、制御装置または追加装置のために作成されたコンピュータプログラムの形で実現することは特別な意義がある。コンピュータ装置は、特に制御装置または追加装置のマイクロプロセッサ上で機能することができ、その際に、本発明に基づく方法を実行することができる。それ故、この場合本発明はコンピュータプログラムによって実現されるので、このコンピュータプログラムは、その実施のためにコンピュータプログラムが適している当該の方法と同じ様に、本発明を表現している。その際、このコンピュータプログラムが電気的記憶媒体、例えばフラッシュメモリーに格納されていれば、特に有利である。
【0010】
本発明のその他のメルクマール、適用可能性、及び利点は図面の諸図に示されている、本発明の実施例についての以下の説明から明らかとなる。その際、説明され或いは提示された全てのメルクマールは、請求項の中へのそれ等の取りまとめの仕方或いはそれ等の背後関係とは無関係に、或いは又明細書または図面の中でのそれ等の扱い方とは無関係に、それ自体として或いは任意の組み合わせの形で本発明の対象となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
図1は、本発明に基づく内燃機関の一実施例の概略ブロック図を示しており、また図2aおよび図2bは、図1の内燃機関の、技術技術による方法の場合と本発明の実施例による方法の場合との運転値の概略ダイヤグラムを示している。
【0012】
図1には内燃機関10が示されているが、この内燃機関は、特にディーゼル内燃機関とする。内燃機関10は、入力/出力信号を通じて制御装置11と結合されている。制御装置11は、マイクロプロセッサまたはそれと同様のものを備えており、該マイクロプロセッサに、内燃機関10の運転値の制御および/または調節のために必要な方法を実行するのに適したコンピュータプログラムが格納されている。
【0013】
内燃機関10は排気ガス管13を備えており、該排気ガス管には、燃料の燃焼の際に発生する排気ガスが送り込まれる。排気ガス管13には、二本またはそれ以上の排気ガス分岐路の接続された分岐管14が接続されている。
【0014】
第一の分岐路16の中では、排気ガス管13に酸化触媒17と吸蔵型触媒18とが相前後して接続されている。この吸蔵型触媒18には特に、いわゆるNOx吸蔵型触媒が用いられる。第二の分岐路20の中では、排気ガス管13に三元触媒21が接続されている。代わりのやり方として、第二の分岐路20の中で、三元触媒21の代わりに酸化触媒とその後に配置された吸蔵型触媒とを用いることも可能である。それ故、この代替策の場合には、両方の分岐路16及び20が同じ様に構成されることになる。
【0015】
吸蔵型触媒18と三元触媒21との後方では、二本の分岐路16及び20は再び一本の共通の排気管23へ合流される。排気ガス管13は、分岐管14の領域内に弁25を備えている。この弁25は、二つの最終位置の間で往復切り替えすることができる。弁25の第一の最終位置では、全ての排気ガス流が第一の分岐路16の中へ導かれるのに対して、第二の最終位置では、全ての排気ガス流が第二の分岐路20の中へ導かれる。図1には、後で述べられた第二の最終位置が示されている。
【0016】
弁25はまた、上述の二つの最終位置の間の任意の中間位置に調節することができる。この場合には、排気ガスは割合に応じて二つの分岐路16、20に対して分割される。その際に生まれる二つの排気ガス流の割合は、弁25の位置に依存している。
【0017】
弁25にはアクチュエータ26が配置されており、該アクチュエータによって、弁25は、二つの最終位置にも、任意の中間位置にも調節することができる。アクチュエータ26は、力を伝達することができるように弁15と結合された、例えば電動サーボモータ、油圧式アクチュエータ等とすることができる。
【0018】
第一の分岐路16内には、分岐管14の後方且つ酸化触媒17の手前に、噴霧器28が備えられている。噴霧器28の代わりに、噴射ノズル等が備えられていることもある。噴霧器28によって、燃料或いは燃料/空気混合気を第一の分岐路16内へ、第一の分岐路16の中に燃料をロードされたガス或いは燃料蒸気が存在しているように導入することが可能である。
【0019】
個々で説明されている実施例では、噴霧器28に蒸発器29が割り当てられているが、この蒸発器は、グローピン或いはその他の加熱装置とすることができる。蒸発器29と噴霧器28には、導管30を通して燃料が内燃機関10から供給される。この燃料は、次いで蒸発器29によって加熱され、燃料/空気混合気が発生する。燃料をロードされたこのガスが、次いで、既に説明されたように、噴霧器28によって第一の分岐路16に送り込まれる。
【0020】
噴霧器28によって、第一の分岐路16に送り込まれた燃料蒸気は、第一の分岐路16を通って流れてゆく排気ガスによって、先ず酸化触媒17に、またその後で吸蔵型触媒18に達する。
【0021】
アクチュエータ26、噴霧器28、及び蒸発器29は、追加装置32と結合されているが、該追加装置は、蒸発器28と噴霧器29とを制御し、および/または調節することのでき制御装置である。特に、該追加装置32によって、弁25がアクチュエータ26を介して調節される。同じく追加装置32によって、蒸発器28を開くことができるので、これによって、酸化触媒17及び吸蔵型触媒18への燃料をロードされたガスの供給を、オン/オフすることができる。
【0022】
追加装置32は、バスシステム34を通して制御装置11と結合されている。これによって、追加装置32が、アクチュエータ26、噴霧器28、及び蒸発器29の制御のために必要な内燃機関10の運転値を、該バスシステム34を通して制御装置11から受け取ることが可能となる。このようにすることによって、追加装置32は、バスシステム34を通して制御装置11に対して情報を伝達することも可能となる。
【0023】
内燃機関10の運転の際には、二つの運転段階、即ち吸着段階と脱離段階とが区別される。
吸着段階では、弁25が第一の最終位置へ切替えられるので、内燃機関10の全ての排気ガスが、第一の分岐路16の中へ、従って酸化触媒17と吸蔵型触媒18に送られる。酸化触媒17の中では、排気ガス中に含まれているNOがNO2へ変換される。このNO2は更にNO3となって、後の吸蔵型触媒18の中に蓄えられる。これが吸蔵型触媒18の吸着である。
【0024】
吸蔵型触媒18は、送られてきた酸化窒素に対して限られた吸着受け入れ能力しか持っていないから、前もって与えられた時間長さの後に、吸着段階から脱離段階へと切替えられなければならない。
【0025】
脱離段階では、弁25は二つの最終位置の間の中間位置へ調節される。その結果、内燃機関10の排気ガスは両方の分岐路16、20へ流れ込んでゆく。例えば、弁25は、排気ガスの10%が第一の分岐路16へ送られる一方、排気ガスの90%が第二の分岐路20へ送られるように調節することができる。
【0026】
脱離段階では、第一の分岐路16の中で、燃料/空気混合気が、噴霧器28と蒸発器29とを通じて該分岐路内の排気ガス流に添加される。その結果、既に説明されたように、燃料をロードされたガスが吸蔵型触媒18の中へ到達する。このガスは吸蔵型触媒18の中で還元剤として働き、その結果、吸蔵型触媒18は再生され或いは脱離される。
【0027】
この脱離段階は、引き続いて、前もって与えられた時間長さの間実行されなければならない。脱離段階が終わると、再び吸蔵段階へ切替えられる。
吸着段階に対する脱離段階の割合は、例えば、20秒毎に一方の段階からもう一方の段階へと切替えられるように選択することができる。この割合は、内燃機関10の運転値に応じて別のやり方で調節することもできる。
【0028】
図2aおよび図2bには、それぞれ時間tに対する内燃機関10の運転が示されている。
図2aおよび図2bでは、吸蔵段階から脱離段階へ切替えられる時点がそれぞれ参照番号36で示されている。この時点36で、排気ガスのラムダは1よりも大きい値から ラムダ=1 へジャンプする。
【0029】
時点36では、弁25と噴霧器28が同時に追加装置32によって制御される。このことは、吸蔵段階から脱離段階へ切替えられる時点36では、一方では弁25が二つの最終一の間の中間位置に切替えられるので、内燃機関10の排気ガスが両方の分岐路16、20に送られ、また他方では同時に燃料/空気混合気が噴霧器28を介して第一の分岐路16に、従って吸蔵型触媒18に送られる。脱離段階への弁25と噴霧器28とのこの同時切替えによって、吸蔵型触媒18がこの時点36から再生され、従って脱離されるということが達成される。
【0030】
脱離段階から吸着段階へ再び切替えて戻される時点は、図2aおよび図2bには、参照番号37で示されている。この時点37では、排気ガスのラムダは、ラムダ=1 から1よりも大きい値へジャンプする。
【0031】
図2aにおいて、弁25と噴霧器28は、時点37で同時に追加装置32によって制御される。このことは、時点37には、一方では弁25が、内燃機関10の全ての排気ガスが第一の分岐路16に、従って吸蔵型触媒18に送られる、弁の第一の最終位置へ切替えられ、また他方では噴霧器28がスイッチオフされ、これによって燃料/空気混合気が最早第一の分岐路16に送り込まれない、ということを意味している。時点37における脱離段階から吸着段階への弁25と噴霧器28とのこの同時切替えは、結果として排気ガス管23内に図2aに基づく排気ガスの組成をもたらす。
【0032】
図2aに示されているように、排気ガス管23内の炭化水素HCと窒素酸化物NOxの動きは、脱離段階と吸着段階との間での切替えに依存している。特に、脱離段階から吸着段階へ切替えられる時点37には、高い割合の炭化水素HCが排気ガス管23の排気ガス中に存在している。炭化水素HCのこのピークは、図2aでは参照番号39によって示されている。
【0033】
図2bから理解されるように、この図には、図2aと比較して、炭化水素HCのピークが最早存在していないか或いは少なくとも遥かに小さくなっている。残っているこのピークは、図2bでは参照番号40によって示されている。
【0034】
図2aの場合と異なり、図2bの場合は、時点37において脱離段階から吸着段階への弁25と噴霧器28との同時切り替えは行われない。その代わりに次の措置が追加装置32によって実行される。
【0035】
時点37では、先ず噴霧器28による燃料/空気混合気の供給が終了される。このことは、時点37には噴霧器28がスイッチオフされるということ意味している。しかしながら、弁25はこの時点37では変化を受けていない。時点37の後、前もって与えられた浄化時間(この時間は、例えば約0.5秒から約3秒までの範囲内にあり得る。)の経過後に初めて、弁25が切替えられる。このことは、時点37の後、この浄化時間が経過した後で初めて弁25がその第一の最終位置へ切替えられ、それ故この浄化時間の経過後に初めて全ての排気ガスが第一の分岐路16内へ、従って吸蔵型触媒18へ送られる、ということを意味している。上記の浄化時間の間、弁25は、脱離のために合わせられている弁の中間位置に留まっている。
【0036】
脱離段階から吸着段階への噴霧器28と弁25とのこの相前後した切替えによって、脱離段階の間に、噴霧器28を通じて供給された燃料/空気混合気が、弁25が未だ切替えられていない浄化時間の間は“小さい”排気ガス流によって吸蔵型触媒18へ送られ、これによって吸蔵型触媒18が燃料をロードされたこの“小さな”排気ガス流だけによって再生される、ということが達成される。かくして、未だ第一の分岐路16内に存在している燃料/空気混合気が弁25の切替えによって既に時点37において全ての排気ガス流によって吸蔵型触媒18へ送られ、これによって吸蔵型触媒18が燃料をロードされた全ての排気ガス流を負荷されてしまうということが回避される。
【0037】
吸着段階への噴霧器28と弁25との相前後した切替えによって、吸蔵型触媒18が、燃料蒸気が送られてきている間は“小さな”排気ガス流によって再生される、ということが達成される。脱離段階の間もなお送られている残留燃料蒸気が吸蔵型触媒18に到達して該吸蔵型触媒を再生した浄化時間がほゞ経過した後で初めて弁25が切替えられる。このようにすることによって、図2aの炭化水素HCのピーク39が図2bでは最早生じないか或いは少なくとも図2aの規模では生じない、ということが達成される。
【0038】
かくして、図2bでは、吸蔵型触媒18は“小さな”排気ガス流によって、供給された燃料蒸気を再生のために利用することができるので、炭化水素HCは、全く或いは少なくともほとんど全く排気ガス管23の中へは到達しない。図2aでは、時点37から全ての排気ガス流が送り込まれるために、吸蔵型触媒18は全ての燃料蒸気を再生のために利用することができず、炭化水素HCは、炭化水素HCが大量に(ピーク39の形で)排気ガス管23の中へ漏れ出してしまう。
【0039】
図1では、制御装置11と追加装置32とが区別されている。これによって、追加装置32を、弁25、アクチュエータ26、噴射器28、蒸発器29、および導管30と共に、後から内燃機関の中へ組み込むことができるということが明確化されている。追加装置32の結合は、この場合には、既に説明されたように、バスシステム34を通じて行われる。しかしながら代わりのやり方として、追加装置32の全ての機能を制御装置11に組み込んでしまうこともまた可能である。この場合には、独立の追加装置32は存在せず、またバスシステム34も存在しない。かくして、第一の可能性は後付け製品を表しており、これに対して第二の可能性の場合には、全ての機能が既に最初の製品の中に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明に基づく内燃機関の一実施例の概略ブロック図を示す。
【図2a】図1の内燃機関の、運転値の概略ダイヤグラム(従来技術による方法の場合)を示す。
【図2b】図1の内燃機関の、運転値の概略ダイヤグラム(本発明による方法の場合)を示す。

Claims (7)

  1. 吸蔵型触媒(18)が酸化窒素を吸着し且つ脱離し、吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流が脱離の間に減少され、且つ脱離の間に吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流に燃料/空気混合気が添加される、内燃機関(10)、特に自動車の内燃機関の運転方法において、
    吸蔵型触媒(18)の脱離から吸着への切替えの際に、先ず排気ガス流への燃料/空気混合気の添加が終了されること、および
    その際、前もって与えられた掃気時間の後で、排気ガス流の減少が終了されること、
    を特徴とする内燃機関の運転方法。
  2. 前記掃気時間が、約0.5秒から約3秒までの範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の運転方法。
  3. ディーゼル内燃機関に使用することを特徴とする請求項1または2に記載の運転方法。
  4. 制御装置(11)または追加装置(32)にロードされて実行されたときに、請求項1ないし3のいずれかに記載の運転方法を実施するのに適している、制御装置(11)または追加装置(32)のためのコンピュータプログラム。
  5. 電気的記憶媒体、例えばフラッシュメモリーに格納されていることを特徴とする請求項4に記載のコンピュータプログラム。
  6. 内燃機関(10)に酸化窒素を吸着し且つ脱離することのできる吸蔵型触媒(18)が備えられており、
    制御装置(11)または追加装置(32)によって、弁(25)を通じて、脱離の間に吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流を減少させることができ、且つ
    制御装置(11)または追加装置(32)によって、噴霧器(28)を通じて、脱離の間に吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流に燃料/空気混合気を添加することができる、
    内燃機関(10)、特に自動車の内燃機関のための制御装置または追加装置において、
    制御装置(11)または追加装置(32)によって、吸蔵型触媒(18)の脱離から吸着への切替えの際に、先ず排気ガス流への燃料/空気混合気の添加が終了されること、および
    その際、前もって与えられた掃気時間の後で、排気ガス流の減少が終了されること、
    を特徴とする制御装置又は追加装置。
  7. 内燃機関(10)に酸化窒素を吸着し且つ脱離することのできる吸蔵型触媒(18)が備えられており、
    制御装置(11)または追加装置(32)によって、弁(25)を通じて、脱離の間に吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流を減少させることができ、且つ
    制御装置(11)または追加装置(32)によって、噴霧器(28)を通じて、脱離の間に吸蔵型触媒(18)を通る排気ガス流に燃料/空気混合気を添加することができる、
    内燃機関(10)、特に自動車の内燃機関において、
    制御装置(11)または追加装置(32)によって、吸蔵型触媒(18)の脱離から吸着への切替えの際に、先ず排気ガス流への燃料/空気混合気の添加が終了されること、および
    その際、前もって与えられた掃気時間の後で、排気ガス流の減少が終了されること、
    を特徴とする内燃機関(10)、特に自動車の内燃機関。
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