JP2007512466A - 自動車両のエンジンのためのＮＯｘトラップから硫酸塩を除去するシステム - Google Patents

Abstract

本発明のシステムは、自動車両のディーゼル・エンジンの排気ライン（３）に組み込まれ、酸化触媒形成手段（２）と関連するＮＯｘトラップ（１）を備える。エンジンは、燃料供給用のコモン・マニホールドを備え且つエンジンの動作制御パラメータを変更することによりエンジンの動作をリーン混合での動作とリッチ混合での動作との間で切り替える供給手段（７、８）と結合する。システムは、エンジンのリーン混合を用いての動作を制御するための３つの戦略（９、１１、１２、１３）を供給手段（７、８）により定めるようにされ、トラップ（１）が最大の熱効率の範囲内に維持されるように、エンジンの動作戦略を３つの戦略の間で切り替える。

Description

本発明は、自動車両のエンジンの排気ラインに組み込まれる、酸化触媒形成手段と関連ＮＯｘトラップから硫酸塩を除去するシステムに関する。

より特定的には、本発明は、エンジンが、シリンダへ燃料を供給するためのコモン・マニホールド又は「レール（rail）」燃料供給手段と結合しており、かつ、エンジンの動作を、エンジン動作制御パラメータを変更することにより、稀混合（リーン混合、lean mixture）での動作と濃混合（リッチ混合、rich mixture）での動作との間で切り替えるようにしたシステムに関連する。

規則に従って汚染放出に対処するには、特にディーゼル・エンジンを用いる車両では、種々の機能を必要とすることが知られており、それらの機能は、特には、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）に対処するための酸化機能、窒素酸化物を低減するための機能、粒子燃焼機能と関連するフィルタ機能などである。

窒素酸化物を低減ための手段の１つは、ＮＯｘトラップを用いることである。

トラップの含浸は、例えばバリウムなどの蓄積エレメントを含み、その上に、窒素酸化物が硝酸塩の形で固定される。

トラップが、燃料およびエンジンの潤滑油に含まれる硫黄から形成される二酸化硫黄（ＳＯ_２）にさらされると、硫酸塩、例えばバリウム硫酸塩が形成される。これらは化合物であり、硝酸塩よりも安定している。

ＮＯｘトラップを再生することにより窒素酸化物を転化するが、硫黄は除去しない。トラップでは、硫酸塩が漸進的に飽和へと向かい、それにより、トラップの触媒性能（ＮＯｘの転化、およびＣＯおよびＨＣの転化）を低下させる影響を及ぼす。

従って、トラップに蓄積された硫酸塩を取り除くために、硫酸塩をトラップから定期的に除去する必要である。

ＮＯｘトラップからの硫酸塩の除去は、温度およびガス組成の正確な条件の下でのみ、効果的に行うことができる。

硫酸塩が熱力学的に非常に安定した化合物であると、媒体が還元エージェントに多く含まれる必要があり、そのため、エンジンはリッチ・モードおよび高温で動作させる必要がある。

硫酸塩を効果的に除去するためには２つの問題がある。

第１に、温度が高いほど効率的に除去が行われるが、その速度を速めるほどトラップが老化し、それにより触媒効果が低減される。

従って、トラップの性能を車両の寿命まで維持するように、トラップを過剰に加熱することを避ける必要がある。

更に、硫酸塩は、本質的に硫化水素Ｈ_２ＳまたはＳＯ_２の形で放出され、ＣＯＳなどのような放出される他の化合物の量はかなり少ない。

硫酸塩は、媒体に酸素が不足する場合にＨ_２Ｓ（悪臭のするガス）の形で好適に除去される。これは、通常、エンジンがリッチ・モードで動作しているときの場合である。

しかしながら、ＮＯｘトラップの調合物が、酸素貯蔵能（ＯＳＣ）をもつエレメントを含み得、そのエレメントは、媒体中に酸化化学種が乏しいときに酸素を放出する。

従って、エンジンの動作がリッチなモードから乏しいモードへ切り替わると、ＯＳＣが酸素を放出する。

不都合なことに、ＯＳＣは酸素を無限に供給するものではなく、一定時間後には使い切ってしまう。従って、硫酸塩を除去しているときに、硫酸塩を放出させるのに十分なほど温度が高いときには、硫酸塩は、最初はＳＯ_２の形で除去され、ガス中に十分な酸素がなくなった時（例えば、ＯＳＣ貯蔵部が空になった場合）にはＨ_２Ｓの形で除去される。

従って、本発明の目的は、ＮＯｘトラップの温度を最大の効果を得られる温度領域に維持することを可能にし、含浸された触媒が老化するリスクを最小化し、硫酸塩除去動作の間にＨ_２Ｓガスの放出を可能な限り制限するシステムを提供することである。

その目的のために、本発明は、自動車両のディーゼル・エンジンの排気ラインに組み込まれ、酸化触媒形成手段と関連するＮＯｘトラップから硫酸塩を除去するシステムを提供し、このシステムにおいて、エンジンは、シリンダへ燃料を供給するためのコモン・マニホールド又は「レール」燃料供給手段と結合しており、かつ、エンジン動作制御パラメータを変更することにより、エンジンの動作を、リーン混合での動作とリッチ混合での動作との間で切り替えるようにしており、このシステムは、排気ラインにおいて異なる温度レベルを得るために、リーン混合を用いてのエンジンの動作を制御するために、燃料供給手段が３つの戦略を定義するようにされることを特徴とし、第１の戦略は通常戦略と呼ばれ、エンジンの通常動作に対応し、第２の戦略はレベル１戦略と呼ばれ、第３の戦略はレベル２戦略と呼ばれ、第３の戦略（レベル２戦略）を適用して得られる温度レベルは、第２の戦略（レベル１戦略）を用いて得られる温度レベルよりも高く、レベル１戦略を適用して得られる温度レベルは、第１の戦略（通常戦略）を用いて得られる温度レベルよりも高く、燃料供給手段は下記の手段に結合される。

・硫酸塩を除去する要求を検出し、供給手段を制御するよにし、エンジンの動作を第２の戦略（レベル１戦略）に従うようにさせる手段。

・触媒形成手段の活動状態を監視し、第３の戦略（レベル２戦略）に従うようにさせる手段。

・排気ラインの温度レベルを捕捉し、所定の第１期間（第１時間）の間にその温度レベルが所定の目標温度を超える場合には、エンジンの動作をリッチ混合での動作とし、また、所定の第２期間（最大期間）が経過する前にこの温度が到達しない場合には、硫酸塩除去動作を停止する手段。

・エンジンのリッチ混合での動作を監視する手段。

本発明のシステムは、
・第３の期間（所定期間）の終わりにおいてエンジンが第３の戦略（レベル２戦略）でリーン混合で動作するようにし、
・第４の期間の間、排気ラインの温度レベルが所定の低温度スレッショルドより下に落ちる場合には、エンジンが第３の戦略（レベル２戦略）でリーン混合で動作するようにし、
・第５の期間の間、排気ラインの温度レベルが所定の高温度スレッショルドを超える場合には、エンジンが第２の戦略（レベル１戦略）でリーン混合で動作するようにし、
・所定の強制的な第６の期間の間、または、第７の期間の間に排気ラインの温度レベルが高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ低下する時まで、エンジンが第２の戦略（レベル１戦略）で動作することを維持し、
・最大冷却期間である第８の期間の終わりに、排気ラインの温度レベルが高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ低下していないときに、第７の期間の間に排気ラインの温度レベルが高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ低下する時まで、エンジンが第１の戦略（通常戦略）でリーン混合で動作するようにし、
・第９の期間の間、エンジンが、上述のレベル２戦略、レベル１戦略、通常戦略のうちの１つの戦略で、リーン混合で動作することを維持し、
・第９の期間の終わりにおいて、排気ラインの温度レベルが所定の目標温度と高温度スレッショルドとの間にある場合、硫酸塩除去の停止の要求を検出する手段により、その停止の要求が検出されるまで、エンジンの制御を、リッチ混合での動作から始めるようにループして戻る。

本発明の他の特徴は、
・スレッショルド温度が校正可能であること、
・期間（時間）が校正可能であること、
・硫酸塩除去の要求および硫酸塩除去停止の要求を発する手段を含むこと、
・触媒形成手段の活動状態を監視する手段および排気ラインにおける温度レベル捕捉手段が温度センサを備えること、
・燃料供給手段がトラップの老化を考慮するようにされること
である。

本発明は、例として示す下記の説明を読み、添付の図面を参照することにより、より良く理解できる。

図１は、参照符号１で示すＮＯｘトラップのための硫酸塩除去システムを示し、ＮＯｘトラップは、参照符号２で示す酸化触媒形成手段と結合され、これらは、自動車両のディーゼル・エンジンの排気ライン３に組み込まれている。

エンジンは参照符号４で示され、例えば、排気ラインに配置されるタービン部分５およびエンジンの上流側に配置されるコンプレッサ部分６を有するターボ・チャージャーを備え得る。

エンジンは、そのシリンダへ燃料を供給するためのコモン・マニホールドまたは「レール」燃料供給手段７と結合されており、そして、エンジン動作制御パラメータを変更することにより、リーン混合での動作とリッチ混合での動作との間で切り替えるようにされている。

これは、参照符号８で示される管理装置の制御の下で、参照符号９および１０でそれぞれ示されるリーン混合動作戦略部およびリッチ混合動作戦略部の戦略に基づいて、従来の様式で行われる。

燃料供給手段および管理装置は、リーン混合を用いてのエンジンの動作を制御するための３つの戦略を定義するようにされる。第１の戦略１１は、「通常」戦略と呼ばれ、エンジンの通常動作に対応する。第２の戦略１２は「レベル１」戦略と呼ばれ、第３の戦略１３は「レベル２」戦略と呼ばれる。

これにより、エンジンの動作を制御することにより、排気ラインにおいて異なる温度レベルを得ることが可能になる。第３の戦略（レベル２戦略）１３を適用して得られる温度レベルは、第２の戦略（レベル１戦略）１２を用いて得られる温度レベルよりも高く、レベル１戦略１２を適用して得られる温度レベルは、第１の戦略（通常戦略）１１を用いて得られる温度レベルよりも高い。

管理装置８は、ＮＯｘトラップからの硫酸塩除去の要求および硫酸塩除去停止の要求を発する手段（参照符号１５で示す）と接続され、また、排気ラインの温度レベルを捕捉するために排気ラインに沿って分散して配置される種々の温度センサ、例えば１６、１７、１８と接続される。これらについては後述する。

温度センサ１６は、排気ラインの温度レベルを捕捉するためのものであり、センサ１７および１８は、触媒形成手段の一側およびその反対側に配置され、その活動状態を従来の様式で判断する。

このシステムの動作を図２に示す。動作は、ステップ２０で、管理装置８が燃料供給手段から硫酸塩除去要求を受信することから開始する。

ステップ２１において、この硫酸塩除去要求を検出すると、燃料供給手段７と８とは、エンジン動作に第２の戦略（レベル１戦略）を適用する。

ステップ２２において、管理装置は触媒形成手段の活動状態を監視し、ステップ２３において、触媒形成手段がアクティブである場合には第３の戦略（レベル２戦略）を指示する。

その後、ステップ２４において、管理装置は、エンジンの排気ライン３の温度レベルを監視し、所定の第１期間の間にその温度レベルが所定の目標温度を超える場合には、ステップ２５において、エンジン動作をリッチ・モードとする。

また、第２期間（所定の最大期間）が満了する前に目標温度に到達していない場合に、ステップ２４ａにおいて、管理装置８は、硫酸塩除去を停止するようにする。

ステップ２４において、温度レベルが所定の目標温度を超える場合には、管理装置８は、エンジンのリッチ・モード動作を監視し、状態を検出し、その状態の下で３つのテスト２６、２７、２８を行う。

エンジンの動作はリッチ・モードから開始し、エンジンの動作を監視する手段は、ステップ２６におけるテストから、所定の第３期間の終わりに、ステップ２９において、レベル２戦略を用いてリーン混合でエンジンを動作させるように制御するものであり、また、ステップ２８で行われるテストから、第４期間の間に、排気ラインの温度レベルが所定の低温度スレッショルドより下に落ちた場合、ステップ２９において、レベル２戦略を用いてリーン混合でエンジンを動作させるように制御するものであり、また、ステップ２７で行われるテストから、第５期間の間に、排気ラインの温度レベルが所定の低温度スレッショルドを超えた場合、ステップ３１において、レベル１戦略を用いてリーン混合でエンジンを動作させるように制御するものである。

次に、管理装置８は、ステップ３２において、所定の強制期間である第６期間の間、ステップ３１でのレベル１戦略を用いてのエンジン動作を維持し、また、ステップ３３において、第７期間の間に排気ラインの温度レベルが、高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下に落ちるまで、ステップ３１でのレベル１戦略を用いてのエンジン動作を維持する。

上記のようでなく、最大冷却期間である第８期間の終わりまでに、排気ラインの温度レベルが、高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下に落ちない場合に、管理装置は、ステップ３４において、通常戦略を用いてリーン混合でエンジンを動作させるが、これは、ステップ３５に示すように、第７期間に関して排気ラインの温度レベルが高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ戻るまで行われる。

管理装置は、ステップ３６において、第９期間に関して、上述のステップ２９におけるレベル２戦略か、ステップ３１におけるレベル１戦略か、ステップ３４における通常戦略かの何れか１つの戦略を用いて、エンジンのリッチ・モード動作を維持する。第９期間が満了したときに、排気ラインの温度レベルが所定の目標温度と高温度スレッショルドとの間にある場合、エンジンの制御は、ステップ２５のリッチ混合での動作から行うようにループして戻り、管理装置８がステップ３７において硫酸塩除去中止の要求を検出するまで動作を続ける。

このような状況では、動作がリーン・モードへ入ると直ちにタイマがトリガされ、このタイマとの比較対象としては、レベル２で使われる時間が考慮されるが、オプションとしては、それにレベル１の時間を加算した時間や、通常のリーン・モードの時間を加算した時間も考慮される。

もちろん、上述の種々のスレッショルド温度および時間期間を校正することができる。

即ち、例えば、高温度スレッショルドおよび低温度スレッショルドは、安全な幅（マージン）であり、高温度スレッショルドについては、トラップを熱で老化させることを避けるために用いられる。そのような老化は、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転化の有効性を低下させる原因となる。低温度スレッショルドは、その温度より下になると硫酸塩除去処理が遅くなりすぎるという最小温度を表す。

トラップの老化の現象は、その触媒活動において還元に導くものであり、これもまた、リッチ・モードでのエンジン動作におけるターゲットの濃厚度を適合させることにより、考慮に入れられる。

例えば、新しいトラップでは、１．１１（λ＝０．９）の濃厚度（リッチネス、richness）を用いることが可能であり、トラップの加齢に応じて漸進的に低減する。

典型的に、１０００００キロメートル走行したトラップに関して、濃厚度は１．０４（λ＝０．９６）である。
更に、硫酸塩除去の期間は漸進的に長くなる。

走行したキロメートルの関数として、トラップで見られる硫酸塩の計算された量の関数として、トラップの上流および下流に配置されたＮＯｘセンサにより測定されたＮＯｘ転化の有効性の関数として、トラップで見られる温度レベルおよびトラップ内又はトラップ下流で測定される温度レベルの関数として、そのような加齢を考慮した幾つかの解決法が構想される。

このようにエンジンの動作を監視することにより、トラップを最大の熱効率の範囲内に維持することが可能となり、有害な放出を最小化し、トラップの加齢の関数として動作戦略を適合させることが可能となる。
もちろん、他の実施形態も構想できる。

即ち、例えば、酸化触媒形成手段およびＮＯｘトラップは、共通の基板上に単一エレメントとして一体化することができる。
更に、酸化機能を含む粒子フィルタも構想できる。

同様に、そのような酸化機能を組み込んだＮＯｘトラップも構想でき、トラップが添加剤を含むようにすることも、そうでないようにすることもできる。
この酸化機能および／またはＮＯｘトラップ機能は、例えば、燃料と混合される添加剤により行うことができる。

図１は、本発明のシステムの全体的構造を示すブロック図である。 図２は、本発明のシステムの動作を示すフローチャートである。

Claims (6)

1. 自動車両のディーゼル・エンジンの排気ラインに組み込まれ、酸化触媒形成手段と関連するＮＯｘトラップから硫酸塩を除去するシステムであって、前記エンジンは、シリンダへ燃料を供給するためのコモン・マニホールド又は「レール」燃料供給手段と結合しており、かつ、前記エンジンの動作制御パラメータを変更することにより、前記エンジンの動作を、リーン混合での動作とリッチ混合での動作との間で切り替えるようにしており、前記システムは、前記排気ラインにおいて異なる温度レベルを得るために、リーン混合を用いての前記エンジンの動作を制御するために、前記燃料供給手段が３つの戦略を定義するようにされることを特徴とし、第１の戦略は通常戦略と呼ばれ、前記エンジンの通常動作に対応し、第２の戦略はレベル１戦略と呼ばれ、第３の戦略はレベル２戦略と呼ばれ、前記第３の戦略であるレベル２戦略を適用して得られる温度レベルは、前記第２の戦略であるレベル１戦略を用いて得られる温度レベルよりも高く、前記レベル１戦略を適用して得られる温度レベルは、第１の戦略である通常戦略を用いて得られる温度レベルよりも高く、前記燃料供給手段は、
   ・硫酸塩を除去する要求を検出し、前記供給手段を制御するよにし、前記エンジンの動作を前記第２の戦略であるレベル１戦略に従うようにさせる手段と、
   ・前記触媒形成手段の活動状態を監視し、前記第３の戦略であるレベル２戦略に従うようにさせる手段と、
   ・前記排気ラインの温度レベルを捕捉し、所定の第１期間の間に前記温度レベルが所定の目標温度を超える場合に、前記エンジンの動作をリッチ混合での動作に従うようにさせ、また、所定の第２期間が満了する前に前記温度レベルが到達しない場合に、硫酸塩除去動作を停止する手段と、
   ・前記エンジンのリッチ混合での動作を監視する手段と
   に結合され、前記システムは、
   ・所定の第３の期間の終わりにおいて前記エンジンが前記第３の戦略であるレベル２戦略でリーン混合で動作するようにし、
   ・第４の期間の間に前記排気ラインの温度レベルが所定の低温度スレッショルドより下に落ちる場合には、前記エンジンが前記第３の戦略であるレベル２戦略でリーン混合で動作するようにし、
   ・第５の期間の間に前記排気ラインの温度レベルが所定の高温度スレッショルドを超える場合には、前記エンジンが前記第２の戦略であるレベル１戦略でリーン混合で動作するようにし、
   ・所定の強制的な第６の期間の間、または、第７の期間の間に前記排気ラインの温度レベルが前記高温度スレッショルドからヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ低下する時まで、前記エンジンが前記第２の戦略であるレベル１戦略で動作することを維持し、
   ・最大冷却期間である第８の期間の終わりに、前記排気ラインの温度レベルが前記高温度スレッショルドから前記ヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ低下していないときに、前記第７の期間の間に前記排気ラインの温度レベルが前記高温度スレッショルドから前記ヒステリシス・オフセットを減算した値より下へ低下する時まで、前記エンジンが前記第１の戦略である通常戦略でリーン混合で動作するようにし、
   ・第９の期間の間に、前記エンジンが、前記レベル２戦略、前記レベル１戦略、前記通常戦略のうちの１つの戦略で、リーン・モードで動作することを維持し、
   ・前記第９の期間の終わりにおいて、前記排気ラインの温度レベルが所定の目標温度と前記高温度スレッショルドとの間にある場合、硫酸塩除去の停止の要求を検出する手段により停止の要求が検出されるまで、前記エンジンの制御を、リッチ混合での動作から始めるようにループして戻る、
   ことを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記のスレッショルド温度が校正可能であることを特徴とするシステム。
3. 請求項１または２に記載のシステムであって、前記の期間が校正可能であることを特徴とするシステム。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載のシステムであって、硫酸塩除去の要求および硫酸塩除去停止の要求を発する手段を含むことを特徴とするシステム。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載のシステムであって、前記触媒形成手段の活動状態を監視する前記手段および前記排気ラインにおける温度レベルを捕捉する前記手段が温度センサを備えることを特徴とするシステム。
6. 請求項１ないし５の何れかに記載のシステムであって、前記燃料供給手段がトラップの加齢を考慮するようにされることを特徴とするシステム。

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