JP2006037964A - 再起動時のＮＯｘ排出量を制御するシステム - Google Patents

再起動時のＮＯｘ排出量を制御するシステム Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の再起動中の窒素酸化物の排出を制御する。
【解決手段】システム100は、触媒コンバーター110上流の位置における排気酸素の第1レベルを判定する第1センサー120、触媒コンバーター110のミッド・ベッド位置における排気酸素の第2レベルを判定する第2センサー122、及び、排気酸素の第1レベルと第2レベルとの差が所定値を越えるときに、NOx排出量を削減するための処理を少なくとも一つ実行する制御器106、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、概略的には、エンジンNOx排出量を監視そして制御するシステムに関し、より具体的には、ハイブリッド及び通常の車両の再起動中のNOx排出量を監視及び制御するシステムに関する。
ハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehicle: HEV）が、内燃機関（internal combustion engine: ICE）を電気モーターと組み合わせて使用する。通常の車両（つまり内燃機関のみを持つ車両）と比較して、燃料経済性を向上するために、車両を推進するのに必要な動力を供給する（つまり車両の駆動輪へ動力を供給する）ための電気エネルギーが、バッテリーから電気モーターに供給される。ハイブリッド自動車において、特にICEが非効率的に動作するとき、エンジンを停止し（つまり切り）、そして車両を推進するのに必要とされる動力の全てを供給するのに電気モーターを用いることにより、燃料経済性を向上させ、そして排出量を低減することが出来る。そのため、通常の走行状態の間、HEVは、頻繁にエンジン停止と再起動の動作を実行するのが普通である。
しかしながら、ユーザー（例えば車両のドライバー）が、電気モーターが提供できるよりも大きな動力を望むとき、又はバッテリーが消耗してきたとき、必要とされる余分な動力を供給するために、エンジンを再起動するのが一般的である。エンジンの停止及び再起動中、エンジンにより排気システムへ空気が圧送される。排気システム触媒コンバーターが、空気から酸素を吸着する。吸着された酸素の量は、触媒の酸素吸蔵能力を飽和させるのに充分である場合が多い。酸素吸蔵能力を飽和させたか殆ど飽和させた触媒は、NOx変換能力が低くなる。燃焼を再開するとき（つまり、エンジンを再起動するとき）、触媒コンバーターの酸素吸蔵レベルが飽和レベルから低下するまで、エンジンからのNOx排出量は、触媒コンバーターによって効率的に削減又は消失することはない。
通常の非ハイブリッド車両（つまり、内燃機関によってのみ動力を与えられる車両）が、減速燃料カット中に同様の状況のもとで動作する。そのため、通常の車両が、減速燃料カット中にNOx変換能力を喪失している可能性がある。
ICEの排出制御に対する通常の取組みの例の一つが、特許文献１に開示されている。その排出制御システムは、窒素酸化物除去装置の上流と下流にそれぞれ設けられ、排気中の酸素濃度を検出するための、第1及び第2の酸素濃度センサーを含む。エンジンへ供給されるべき空気燃料混合気の空燃比は、化学量論的比率に対してリーン領域からリッチ領域へと変更される。空燃比をリッチ化した後で第1酸素濃度センサーの出力がリッチ空燃比を示す値へ変化した時点から、窒素酸化物除去装置へ流入する還元成分の量が計算される。窒素酸化物除去装置の劣化は、計算された還元成分量と、第2酸素濃度センサーからの出力に従い、求められる。しかしながら、そのような従来の取組みは、HEV及び通常ICE車両の再起動時の排出性能の有効性を監視し予測することは行なっておらず、また救済処理を行なってもいない。
米国特許第６６２９４０８号明細書
そこで、ICEの排出制御を効率的かつ有効に行なうために、ハイブリッド電気自動車及び通常車両の再起動中にNOx排出量を監視するための改良されたシステムが必要となる。
本発明のシステムは、停止−始動イベント中の車両のNOx変換性能に関する情報を提供する。本発明は、ハイブリッド電気自動車（HEV）と関連させて、そして通常動力（つまり内燃機関のみ）の車両と関連させて、有利に実施される。一例において、本発明は、通常のヒーターつき排気酸素（heated exhaust gas oxygen: HEGO）センサーを用いることが出来る。別の例において、本発明は、広帯域（ユニバーサル）排気酸素（universal exhaust gas oxygen: UEGO）センサーを用いることが出来る。また別の例において、本発明は、HEGO及びUEGOセンサーを組み合わせて用いることも出来る。
本発明のシステムは、エンジン停止−始動イベント中のNOx性能の車載診断（on-board diagnosis: OBD）を提供する。本発明のシステムは、車両の排出物変換性能上のフィードバックを排出制御に対し行なう。そのフィードバックは、排出制御システムの向上又は最適化された性能を提供する。
通常の排出制御システムの限界及び欠点を実質的に解消するシステムが開示されている。本発明の実施形態の一つにおいて、内燃機関（ICE）の再起動中の窒素酸化物の排出を制御するシステムが開示される。このシステムは、触媒コンバーター上流の位置において排気酸素の第1レベルを判定する第1センサー、触媒コンバーターのミッド・ベッド位置において排気酸素の第2レベルを判定する第2センサー、及び、第1排気酸素レベルと第2排気酸素レベルとの差が所定量を越えるときに、NOx排出量を削減するために少なくとも一つの処理を実行する制御器、を含む。
更に、内燃機関（ICE）の再起動中の窒素酸化物の排出を制御するシステムが開示される。このシステムは、触媒コンバーターのミッド・ベッド位置において排気酸素の第1レベルを判定する第1センサー、触媒コンバーター下流の位置において排気酸素の第2レベルを判定する第2センサー、及び、第1排気酸素レベルと第2排気酸素レベルとの差が所定量を越えるときに、NOx排出量を削減するために少なくとも一つの処理を実行する制御器、を含む。
更にまた、内燃機関（ICE）の再起動中の窒素酸化物の排出を制御するシステムが開示される。このシステムは、三元触媒コンバーター（three-way catalytic converter: TWC）上流の位置において排気酸素の第1レベルを判定する第1センサー、TWCのミッド・ベッド位置において排気酸素の第2レベルを判定する第2センサー、TWC下流の位置において排気酸素の第3レベルを判定する第3センサー、及び、排気システム内の排気酸素レベルを動的に監視し、そして、排気酸素レベルの間の差が所定値を越えるときに、NOx排出量を削減するために少なくとも一つの処理を実行する制御器、を含む。
本発明の更なる目的、構成及び効果は、本発明の実施形態を開示する以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかとなる。
以上説明したように、本発明によれば、エンジン再起動時のNOx排出量を制御できる。
内燃機関再起動時の排気浄化性能は、排気酸素（exhaust gas oxygen: EGO）センサー（例えば、ヒーター付排気酸素（heated exhaust gas oxygen: HEGO）センサー及びユニバーサル又は広帯域排気酸素（universal exhaust gas oxygen: UEGO）センサー）の応答を監視することにより、監視そして予測することが出来る。
停止中、排気がエンジン外の排気酸素センサー（例えば、EGO, HEGO又はUEGO）に到達するように、内燃機関（ICE, エンジン）がある量の酸素を排気中に圧送するのが普通である。エンジン停止が予定通り（つまり意図されたように）実行されるとき、酸素リッチの排気は、ミッド・ベッド排気酸素センサー又は触媒下流排気酸素センサーに到達しないのが普通である。ミッド・ベッド排気酸素センサー又は触媒下流排気酸素センサーのいずれかにおける過剰にリーンな排気の存在は、システム故障に起因するのが一般的である。システム故障が表示されるとき、本発明のシステムは、排気浄化性能を向上させる（つまり排出レベルを削減する）、具体的には、排気の窒素酸化物（NOx）浄化性能を向上させるための救済処理又は動作を少なくとも一つ行なう。
エンジン停止及び再起動中、エンジンにより空気が排気システム中に吸引される。排気システムの触媒は、空気から酸素を吸着する。吸着された酸素は、触媒の酸素吸蔵能力を飽和させるのに充分な量である場合が多い。酸素吸蔵能力を飽和させた又は殆ど飽和させた三元触媒は、NOx変換能力が低く（つまりリーン空燃比（air-fuel ratio: AFR）への移行を緩衝する能力が低い）、そしていわゆるNOxの通り抜け（breakthrough）が起こる。燃焼を再開するとき（つまり、エンジンを再起動するとき）、その吸蔵レベルが飽和レベルから低下するまで、エンジンからのNOx排出量は触媒コンバーターにより効率的に削減又は消失することはない。
本発明の車両パワートレイン排出制御システムは、概略的には、より空燃比リッチなエンジン再起動状態を提供する一つ又は複数の救済処理（つまり制御、動作、ルーチン、ステップ、ブロック、アルゴリズムなど）を実行することにより、通常その処理を実行しなければ起こることになるNOx通り抜けを、動的に制御することが出来る。そのような救済処理は、これに限定されず、概略的には、圧送される酸素を最小化する（例えば、停止中にスロットル（不図示）を閉じ、そしてエンジン再起動のための燃料供給をより早く開始する）処理、触媒を修整するためにエンジン再起動状態の間リッチ燃料を供給する処理、選択された期間再起動回数を所定回数に制限する処理、そして特定の用途の設計基準を満たすのに適切ないかなる他の処理、を含む。
図１を参照すると、本発明のパワートレイン・システム100の図が示されている。システム100は全体として、ICE102、エンジン排気システム104及び、制御器（例えば、パワートレイン・コントロール・モジュール（PCM）、エンジン・コントロール・モジュール（ECM）など）106を有する。ICE102は、ガソリン、ディーゼル、メタン、プロパン、アルコールなどを燃料とするエンジンとすることが出来る。一例において、システム100は、ハイブリッド電気自動車推進システムと関連させて有利に実装される。別の例において、システム100は、通常（つまりICEのみ）の車両推進システムと関連させて有利に実装される。
排気システム104は概略的には、排気パイプ部分108a、排気パイプ部分108b、そして触媒コンバーター（つまり触媒）110、を有する。排気システム104は概略的には、エンジン102からの排気を受け、エンジン排気を大気へ放出する。パイプ108aの第1端をエンジン102（例えば排気マニフォールド）へ結合することが出来、そしてパイプ108aの第2端を触媒110の入口へ結合することが出来る。触媒110の出口を、パイプ108bの第1端へ結合することが出来、そしてパイプ108bの第2端が排気を大気へ放出することが出来る（つまりパイプ108bはテールパイプとされる）。
触媒110は、三元触媒（three-way catalyst: TWC, エンジン排気からCO, NOx及びHCの汚染物質を同時に取り除き、入口端に第1若しくは前方触媒112aを、出口端に第2若しくは後方触媒112bを持つ、触媒コンバーター）として実装される。エンジン排気酸素（EGO）センサーが、各取付位置における排気酸素レベルを動的に判定するために、排気システム104内の様々な位置に、組み込まれる。エンジン外排気酸素センサー120をパイプ108a内に組み込み、ミッド・ベッド酸素センサー122を触媒110内のミッド・ベッド位置（つまり、TWC 110内の前方触媒112aと後方触媒112bの間の位置）に組み込み、そして下流（若しくは触媒下流）酸素センサー124をパイプ108b内に組み込むことが出来る。概略的には、本発明のシステムは、一例においてセンサー120と124の組み合わせを用いて、別の例ではセンサー122と124の組み合わせを用いて、そして更に別の例ではセンサー120, 122及び124の組み合わせを用いて、実施することが出来る。
一例において、センサー120, 122及び124は、UEGOセンサーとすることが出来る。別の例において、センサー120, 122及び124は、HEGOセンサーとすることが出来る。更に別の例において、ー120, 122及び124は、UEGOセンサーとHEGOセンサーの組み合わせとすることも出来る。
本発明のエンジン排出を動的に制御するための改良されたシステムは、制御器106の中に、プロセッサー130及び少なくとも一つのメモリー（例えば、ランダム・アクセス・メモリー（RAM）、読み出し専用メモリー（ROM）、EPROM, EEPROM, フラッシュ等）132を伴って、実施されるのが普通である。エンジン102とセンサー120, 122及び124は、制御器106と電気的に接続（結合）され、それと通信する。
パワートレイン制御器106は概略的には、不適切（又は適切）なエンジン再起動が起こった時点を判定（つまり検出）し、そして、不適切なエンジン再起動が起こったときに一つ又は複数の修正（つまり救済）処理を開始するために、処理（例えば、フィルター処理、比較、論理演算、解析等）される複数の信号を提供／受信する。制御器106を用いて実行される処理は、NOx性能の車載診断（on-board diagnosis: OBD）と関連させて実行される。
本発明の不適切なエンジン再起動の検出と一つ又は複数の修正処理は、特定の用途の設計基準を満たすように、ハードウェア（例えば論理回路）、ソフトウェア、ファームウェア及びそれらの適切な組み合わせに実装される。エンジン102は制御器106との間で信号（例えばENG）を供給／受信し、EGOセンサー120は制御器106との間で信号（例えばS＿U）を供給／受信し、EGOセンサー122が制御器106との間で信号（S＿MB）を供給／受信し、EGOセンサー124は制御器106との間で信号（例えばS＿P）を供給／受信する。信号ENGは概略的には、エンジン102の動作状態に関する情報（例えば、エンジン速度、クランクシャフト位置、部品温度など）を提供する。信号S＿U, S＿MB及びS＿Pは概略的には、エンジンの空燃比（AFR）に関する。
エンジン102の再起動中、余分な酸素がいくらか排気システム104内に圧送される。ここで、非常に迅速にエンジン102は燃焼を開始するのが好ましい。EGOセンサー120, 122及び124がUEGOセンサーとされるとき、エンジン外酸素センサー120は概略的には、排気の酸素レベルを読み出す（判定する）（例えば、信号S＿Uを発生供給する）。エンジン102の再起動は、信号S＿Uを通じて、酸素センサー120により示される。つまり、信号S＿Uは、第1所定レベル（つまり、量など）を越えることがある。
適切な排気NOx浄化性能をもたらすには、わずかにリッチな排気が望ましいのが、普通である。わずかにリッチな排気はセンサー120により検出され、信号S＿Uを通じて表示される（つまり、信号S-Uは、第1所定レベルよりも高い第2所定レベルを越えることがある）。
一例において、システム100がエンジン外酸素センサー120と関連してミッド・ベッド酸素センサー122を用いて実装されるとき、センサー122（つまり信号S＿MB）は概略的には、エンジン外センサー120（つまり信号S＿U）と比較して、リーン応答を殆ど又は全く表示しない。つまり、信号S＿MBは、第3所定レベルよりも低いことがあり、そして第3所定レベルは概略的に、第1所定レベル及び第2所定レベルよりも低い。
触媒110が、排気104中に圧送された酸素の大部分を酸素吸蔵能力が飽和することなしに吸着したとき、センサー122は概略的に、低レベルのリーン応答を示すことになる（つまり信号S＿MBが第3所定レベルよりも低くなる）。しかしながら、触媒110が酸素で飽和したとき、酸素は概略的に触媒110を通り抜け、ミッド・ベッド・センサー122中にリーン読み取り値を発生する（つまり、信号S＿MBが第3所定レベルを越えることがある）。
エンジン102の再起動動作中に飽和していない触媒110は概略的に、システム100によるNOx浄化性能が良好なことの直接の表示である。しかしながら、エンジン102の再起動動作中に飽和した触媒110は概略的にシステム100によるNOx浄化性能の喪失の表示となる。
（例えば信号S＿Uが第2所定レベルを越えかつ信号S＿MBが第3所定レベルを越えることを計算、判定、比較等するための制御器106を用いた信号S＿U及びS＿MBの解析を通して）NOx浄化性能の喪失が判定されたとき、制御器106は概略的に、低いNOx浄化性能に応答してシステム100の少なくとも一つの救済動作（つまり、処理、応答、方法、アルゴリズム、ステップ、ブロック、ルーチンなど）を開始し、そして制御する。つまり、排気酸素の第1レベル（例えば信号S＿U）と第2レベル（例えば信号S＿MB）との間の差が第4所定量を越えるとき、制御器106は概略的に、NOx排出量を削減する処理を開始し、そして制御する。
別の例において、システム100を、ミッド・ベッド酸素センサー122と組み合わせて触媒下流酸素センサー（若しくは下流酸素センサー）124を用いて、実装することが出来る。ミッド・ベッド酸素センサー122が排気がリーンであることを示す信号S＿MBを発信し（つまり、信号S＿MBが第3レベルを越えている）、下流酸素センサー124が排気がリーンであることを表示していない（つまり信号S＿Pが第3所定レベルを越えていない）とき、TWC110内の第1触媒はほぼ飽和しているが、TWC110内の後方触媒はほぼ飽和しておらず、NOx浄化性能は許容範囲内であり、制御器106による救済動作が開始そして制御されることはない。
言い換えると、排気酸素の第1レベル（例えば信号S＿MB）と第2レベル（信号S＿P）との間の差が第4所定量を越えるとき、概略的には制御器106がNOx排出量を削減するための処理を開始そして制御する。
別の例において、EGOセンサー120, 122及び124は、HEGOセンサーとすることも、UEGOセンサーとHEGOセンサーの組み合わせとすることも出来る。HEGOセンサー（例えばセンサー120, 122及び124）は概略的に、空燃比のリーンからリッチの切換わり又はリッチからリーンへの切換わりの表示を行う。信号S＿U, S＿MB及びS＿Pに関連する所定レベルと所定の差は、二進レベルとすることが出来る（つまり、信号及びレベルを、デジタルの真、ハイ若しくは1の状態としての「オン（つまり肯定）」と、デジタルの偽、ロー若しくは1の状態としての「オフ（つまり否定）」として、示すことが出来る）。
センサーの切り換わりと停止−起動処理に関連する他のイベント（例えばパワートレイン構成部の速度とトルクのパラメーターに基づくエンジン再起動の検出）との間の時間が、本発明の解析及び修正処理に含まれる再起動処理についての更なる情報を提供する。HEGOセンサーは通常、UEGOセンサーと比べて、コストが低く、容易に入手可能である。
更に別の例において、センサー120, 122及び124によりそれぞれ出力される信号は全て、TWC 110がNOx浄化性能を喪失した時点を判定するために、設けられる。信号S＿U, S＿MB及びS＿Pが上述のようなNOx浄化性能の喪失を表示するとき、制御器106は概略的には、NOx排出量を削減するための処理を少なくとも一つ開始そして制御する。
図2(a)及び2(b)を参照すると、通常の取組みによるNOx変換効率が低いエンジン再起動についての図200と、本発明によるNOx変換効率が良好なエンジン再起動についての図300が、示されている。グラフ202及び302はそれぞれの信号S＿Uを示し、グラフ204及び304がそれぞれの信号S＿MBを示し、そしてグラフ206及び306がそれぞれの信号S＿Pを示す。
本発明のシステムは概略的には、停止−起動イベント中の車両のNOx変換性能についての情報を提供する。本発明は、ハイブリッド電気自動車（HEV）と関連させてそして通常動力（つまり内燃機関のみ）の車両と関連させて、有利に実施することが出来る。一例において、本発明は、通常のヒーター付排気酸素センサー（HEGO）を用いることが出来る。別の例において、本発明は、広帯域（ユニバーサル）排気酸素センサーを用いることも出来る。更にまた別の例において、本発明は、HEGO及びUEGOセンサーを組み合わせて用いることも出来る。
本発明のシステムは概略的には、エンジン停止−起動イベント中のNOx性能の車載診断（OBD）を提供する。本発明のシステムは概略的には、車両の排出物変換性能に関するフィールドバックを排出制御へ提供する。フィードバックは概略的には、通常の取組みと比較して、排出制御システムの性能を向上又は最適化する。
本発明を実施するための最良の態様を詳細に述べてきたものの、本発明が関連する分野の当業者は、請求項により規定される発明を実施するための、様々な代替構成及び実施形態を想到するであろう。
本発明のパワートレイン・システムを示す図である。 （ａ）は、従来のパワートレイン・システムについての空燃比のグラフである。（ｂ）は、本発明によるパワートレイン・システムについての空燃比のグラフである。
符号の説明
100 システム
102 内燃機関
106 制御器
110 触媒コンバーター
120 第1センサー
122 第2センサー

Claims (9)

  1. 内燃機関の再起動中の窒素酸化物の排出を制御するためのシステムであって、
    触媒コンバーター上流の位置において排気酸素の第1レベルを判定する第1センサー、
    上記触媒コンバーターのミッド・ベッド位置において排気酸素の第2レベルを判定する第2センサー、及び、
    第1排気酸素レベルと第2排気酸素レベルとの差が所定量を越えるときに、NOx排出量を削減するために少なくとも一つの処理を実行する制御器、
    を含むシステム。
  2. NOx排出量を削減する上記少なくとも一つの処理が、エンジン再起動を所定期間遅らせる請求項１に記載のシステム。
  3. NOx 排出量を削減する上記少なくとも一つの処理が、選択された期間、再起動回数を所定回数に制限する請求項１または２に記載のシステム。
  4. NOx排出量を削減する上記少なくとも一つの処理が、圧送される酸素量を最小化する請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
  5. 圧送される酸素量の上記最小化を、停止中にスロットルを閉じることにより行う、請求項４に記載のシステム。
  6. NOx 排出量を削減する上記少なくとも一つの処理が、触媒コンバーターを修整するためにエンジン再起動状態の間リッチ燃料供給を行なう、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
  7. 上記第1及び第2の排気酸素レベルの少なくとも一つが、ヒーター付排気酸素センサーを用いて判定される、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
  8. 上記第1及び第2の排気酸素レベルの少なくとも一つが、ユニバーサル排気酸素センサーを用いて判定される、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
  9. 上記触媒コンバーターが三元触媒コンバーターである、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
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