JP2011069362A - 内燃機関の運転方法および内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関から排出される窒素酸化物の量が、特に排気ガス浄化装置が窒素酸化物の完全な変換のために必要な要求される作動パラメータを有していないときでも、低減される内燃機関の運転方法および内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関（１）の運転方法は、内燃機関（１）が内燃機関（１）の排気ガスの浄化のための排気ガス浄化装置（７）を備えており、通常運転の際には第一の点火角度で運転される。その際、排気ガス浄化装置（７）がその負荷状態の故に排気ガス中に存在している排気ガス成分のうちの少なくとも一つ、とりわけ窒素酸化物を変換できないか或いは部分的にしか変換できないときに、排気ガス中の窒素酸化物含有量が、第二の、遅角の点火角度による内燃機関の少なくとも一時的な運転によって低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置を備えており、通常運転の際には、第一の点火角度で運転される内燃機関の運転方法に関している。本発明は更に内燃機関に関している。

内燃機関を運転するための方法は従来技術から知られている。その際、内燃機関は、内燃機関の様々な運転パラメータ、例えばトルク要求或いは望ましい排気ガス温度に依存している第一の点火角度で運転される。内燃機関の中での燃焼プロセスによって生じる排気ガスは、様々な成分から構成されており有害物質の他に酸素も含んでいる。

内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガスの中に含まれている一酸化炭素、炭化水素、及び窒素酸化物などの様々な有害物質の変換に用いられる。その際、一方では希薄な燃料・空気混合気による内燃機関の運転の際の排気ガス中に含まれている酸素は、排気ガス浄化装置の中で一酸化炭素と炭化水素を酸化するために用いられ、そのために二酸化炭素と水が生じる。更に、一酸化炭素と炭化水素は窒素酸化物と反応し、そのために酸化窒素は窒素に還元される。それ故、二酸化炭素、水、及び窒素への有害物質の完全な変換が可能であるためには、常に一定の割合の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物、及び酸素が必要である。排気ガス浄化装置の後では、排気ガスは浄化された形で存在しているが、その際なお一定の量の有害物質は浄化された排気ガスの中に含まれていることがある。この浄化された排気ガスの組成に対する要求はますます高くなって行くので、エミッション（排気放出物）を減らすために更なる努力が行われている。内燃機関における幾つかの運転状態の下では、排気ガス浄化装置が、有害物質を変換するために必要な運転パラメータを持っていない、例えば温度が低過ぎる、ということが起こり得る。その結果、有害物質が変換されずに環境中へ排出されてしまうことがある。

本発明は、内燃機関から排出される窒素酸化物の量が、特に排気ガス浄化装置が窒素酸化物の完全な変換のために必要な要求される作動パラメータを有していないときでも、低減される内燃機関の運転方法および内燃機関を提供する。

これは、窒素酸化物含有量が第二の、遅角の点火角度による内燃機関の少なくとも一時的な運転によって低減されることによって達成される。内燃機関は、通常運転の際には、様々な運転パラメータに依存している第一の点火角度で運転される。この点火角度は、内燃機関の燃料消費ができるだけ少なく保持されるように選ばれる。但し、同時に、要求されているトルクは生成されなければならないのは勿論であるが。第二の、遅角の点火角度の場合には、燃料消費が最適ではなく、また或る要求されているトルクが完全には生成されないということが甘受される。第二の点火角度は、第一の点火角度をベースとして、排気ガス中の有害物質の組成が変化され、その際に特に窒素酸化物が削減されるように選ばれる。従来は、この目的のために、排気ガス中の望ましい有害物質組成を得るために燃料・空気混合気の組成を変化させるか、或いは調節することだけが行われ、内燃機関は、第一の点火角度で運転されていたのが普通であった。更に、従来は、内燃機関の運転パラメータを、排気ガス浄化装置ができるだけ迅速にその作動温度に加温されるように選ぶことが普通であった。これに対して、排気ガス浄化装置の負荷状態に応じて、本発明に基づく方法の場合には、第一の点火角度をベースとして第二の遅角の点火角度、それ故内燃機関から排出される有害物質、とりわけ窒素酸化物を削減するために後に遅角された点火角度、が選ばれる。排気ガス浄化装置の負荷状態というのは、内燃機関の先行する運転から生じた、有害物質も酸素も含めた、排気ガス成分による排気ガス浄化装置の負荷をいう。希薄な燃料・空気混合気による内燃機関の運転は、とりわけ排気ガス中の高い窒素酸化物含有量割合をもたらし、また過濃な燃料・空気混合気による内燃機関の運転は、とりわけ高い一酸化炭素と炭化水素の成分割合をもたらす。希薄な燃料・空気混合気から生じる排気ガス成分による高い負荷とそれと比べて過濃な燃料・空気混合気からの排気ガス成分による明らかに低い負荷によって際立っている負荷状態は、高い酸素負荷であるといわれる。排気ガス浄化装置がその様に高い酸素負荷状態にある時には、排気ガス中に存在している少なくとも一つの有害物質、とりわけ窒素酸化物は変換されないか、或いは一部しか変換されず、それによってこの排気ガス成分は、排気ガスが浄化される排気ガス浄化装置の下流側になお存在している。第二の、遅角の点火角度による内燃機関の運転によって、内燃機関の排気ガスの窒素酸化物濃度は低減され、それによって排気ガス浄化装置の下流側での排気ガス中の窒素酸化物の濃度も低減される。それによって、例え全ての有害物質が排気ガス浄化装置の中で変換できない時でも、浄化された排気ガス中の有害物質、とりわけ窒素酸化物の割合は削減されるか、或いは少なくとも例えば立法機関によって定められている限界値が守られる。

本発明の一拡張例では、排気ガス浄化装置の負荷状態が希薄な或いは過濃な燃料・空気混合気による内燃機関の運転によって変化されるということが考えられている。燃料・空気混合気と点火角度との同時変更によって内燃機関の運転に関して多数の組合せが開かれ、それによって一方では内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物含有量が、また他方では排気ガス浄化装置の負荷状態が、浄化された排気ガス中に含まれている少なくとも一つの有害物質、とりわけ窒素酸化物が定められた限界値よりも低くなるまで変化される。

本発明の一拡張例では、内燃機関が第二の点火角度で運転されるということが考えられているが、それによると、内燃機関は、内燃機関の中への燃料噴射無しに運転される。内燃機関の回転が正しく保持され且つその際に車での山下り走行の際に行われるように燃料噴射が中断されると、内燃機関はコースティング運転状態となる。その様な際には、空気だけが内燃機関の中へ送り込まれる。空気の中に含まれている酸素は燃やされずに排気ガスシステムの中へ、従って排気ガス浄化装置の中へ送り込まれる。この未燃焼の酸素は、排気ガス浄化装置の中で、希薄な燃料・空気混合気による内燃機関の運転から生じる窒素酸化物と反応するので、この排気ガス成分は、排気ガス浄化装置の中での排気ガス中の窒素酸化物の削減のためには最早利用できない。仮にそれから生じる排気ガス浄化装置内での酸素負荷が高過ぎると、燃料噴射無しでの内燃機関の運転の後の内燃機関の中での燃焼プロセスの再開の際に生じる有害物質、とりわけ窒素酸化物が変換されないか、或いは一部だけしか変換されないということが起こり得る。この様なことは、コースティング運転の後の再開の際に酸素負荷が高い時に予測されることであるから、内燃機関は再開の時から一時的に第二の、遅角の点火角度で運転され、それによって排気ガスシステム内の、また排気ガス浄化装置の下流での、窒素酸化物濃度が低減される。

本発明の一拡張例では、内燃機関の中へ送り込まれた燃料・空気混合気が希薄であり、従って、燃焼のために利用できる空気質量が少なくとも内燃機関の完全な燃焼のために必要となる理論的空気質量よりも大きい時には、内燃機関が第二の点火角度で運転されるということが考えられている。内燃機関の中へ送り込まれた空気の中に含まれている酸素は希薄な混合気の場合には全て燃料と反応してしまう訳ではないので、未燃焼の酸素が排気ガス中に存在している。この未燃焼の酸素が、排気ガス浄化装置の中で、希薄な燃料・空気混合気内燃機関の運転から生じる有害物質と反応し、それによってこの排気ガス成分は最早窒素酸化物を窒素に還元するために利用することができなくなる。その結果として、生じる排気ガス浄化装置内での酸素充填レベルが高過ぎると、最早全ての有害物質、とりわけ窒素酸化物を変換することはできなくなる。この様な予測可能な排気ガス浄化装置のより少ない変換能力にも係わらず、排気ガス浄化装置の後方での窒素酸化物の濃度が低く保たれるようにするために、内燃機関の中へ送り込まれる燃料・空気混合気が希薄な場合には、点火角度が遅角方向へ調整され、従って、内燃機関は、第二の、遅角の点火角度で運転される。これによって、排気ガス中の窒素酸化物の濃度は低減され、従って排気ガス浄化装置の下流での窒素酸化物の濃度も低減される。

本発明の一拡張例では、排気ガス浄化装置の負荷状態が、とりわけ燃料・空気混合気の組成に基づいて、計算され及び／または排気ガス浄化装置のとりわけ下流側に配置された少なくとも一つのセンサを用いて確定される。上記の負荷状態は酸素負荷であることもある。それ故、排気ガス浄化装置で高い酸素負荷が予想されないような運転状態の下でも、高い酸素負荷を確定することがあり得る。かくして、有害物質排出を、排気ガス浄化装置の予想されないような高い酸素負荷の下でも、定められた限界値の下に保持することが可能となる。

本発明の一拡張例では、内燃機関が、希薄な燃料・空気混合気を用いて排気ガス浄化装置の及び／または排気ガスシステムに割り当てられた一つ又は複数のセンサの診断の実施のために運転される。希薄な燃料・空気混合気を用い、その際、本発明によれば、内燃機関が、第二の、遅角の点火角度で運転される内燃機関の運転によって、排気ガス浄化装置の診断を、例えば変換特性に関して、及び／または排気ガスシステムに割り当てられた一つ又は複数のセンサの診断を、例えば酸素測定に関して行うことができる。

本発明の一拡張例では、内燃機関が、定められた時間長さの間、第二の点火角度で運転される。第二の、遅角の点火角度は、例えば燃料の消費が高められ、また或る発生可能な最大トルクが引き下げられるということをもたらすことがあるので、内燃機関は、定められた時間長さの間だけ、この第二の、遅角の点火角度で運転される。この時間長さは、内燃機関の運転状態及び／または排気ガス浄化装置の動作パラメータに依存し且つ好ましくはできるだけ短くなるように選ばれる。内燃機関の運転状態及び／または排気ガス浄化装置の動作パラメータの故に、排気ガス浄化装置の後方で定められた有害物質の値或いは限界値を達成するために、内燃機関の排気ガス中の有害物質を低減させることが必要ではないという場合には、内燃機関は、再び第一の、早期の点火角度で運転される。

本発明の一拡張例では、排気ガス中の窒素酸化物含有量の低減のために、追加として燃料・空気混合気の組成が調節される。燃料・空気混合気が過濃に調節されていて、従って全ての燃料を燃焼させるためにより少ない酸素しか使用できない時には、排気ガス中の有害物質組成が変化され、とりわけ排気ガス中の窒素酸化物の割合が低減され、それによって、排気ガス浄化装置の下流での窒素酸化物の割合も低減される。その際には、排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素の濃度が増加するが、これ等の物質は、例え窒素酸化物を変換することができない時でも、状況によっては排気ガス浄化装置によって変換することができる。

本発明は更に、とりわけ上述の実施例の方法を実施するための内燃機関に関しており、その際、内燃機関は、内燃機関の排気ガスの浄化のための排気ガス浄化装置を備えており且つ通常運転の際には、第一の点火角度で運転される。この内燃機関は、排気ガス浄化装置が、排気ガス中に存在している少なくとも一つの排気ガス成分、とりわけ窒素酸化物を変換できないか或いは一部しか変換できない負荷状態である時には、排気ガス中の窒素酸化物含有量の低減のために、少なくとも一時的に第二の、遅角の点火角度に合わせられる開ループ制御装置及び／または閉ループ制御装置を特徴としている。第二の、遅角の点火角度に合わせることによって、この方法に関して述べられている利点を実現させることができる。

本発明が以下に図面に示されている実施例に基づいて詳しく説明されるが、但し本発明はこの実施例に限定される訳ではない。

図１は、本発明の内燃機関の運転方法および内燃機関の原理図を示す。

図１には、制御装置３によって制御される、例えば図示されていない車両の、内燃機関１が示されている。内燃機関１は、制御装置３によって、制御されるか或いは内燃機関１の様々な運転パラメータが調節される。内燃機関１には、排気ガス系５と、下流側に配置された少なくとも一つの排気ガス浄化装置７が割り当てられている。排気ガス系５に、排気ガス中に含まれている、好ましくは異なる有害物質を変換するか或いはろ過する、複数の排気ガス浄化装置７を備えることも可能である。制御装置３は、センサ９及び１１から信号、例えばアクセルペダルによるドライバのトルク要求或いは排気ガスの酸素含有量を受け取る。本実施例では、一つのセンサ１１だけが排気ガス浄化装置７の下流側に備えられている。この配置は純粋に例示として示されているものであり、何らかの制限を意味している訳ではない。制御装置３は、センサ９及び１１の信号を用いて、内燃機関１を、例えば点火角度及び／または燃料・空気混合気に関して、制御することができる。

その際には、内燃機関１がその運転状態に応じて少なくとも一時的に第二の、遅角の点火角度で運転される。内燃機関１が第二の、遅角の点火角度で運転される運転状態の時には、内燃機関１の排気ガス中の窒素酸化物の割合は低減されるとされている。この第二の、遅角の点火角度での運転は、センサ９及び１１の信号に基づいて、内燃機関の運転状態が、例えば高い酸素負荷によって引き起こされる排気ガス浄化装置７の変換能力が低い状態にあるということが検出された時に行われる。そのために、制御装置３は、センサ９及び１１の信号の評価の後、内燃機関１を作動し、その結果、内燃機関１が第二の、遅角の点火角度で運転される。それによって、排気ガス系５へ送り込まれる内燃機関１の排気ガス中に存在している窒素酸化物の割合を低減させることができる。かくして、排気ガス浄化装置７の変換能力が制限されているにも拘わらず、排気ガス浄化装置７の下流側での窒素酸化物の割合も低減される。

１ 内燃機関
３ 制御装置
５ 排気ガス系
７ 排気ガス浄化装置
９、１１ センサ

Claims (9)

1. 内燃機関（１）が内燃機関（１）の排気ガスの浄化のための排気ガス浄化装置（７）を備えており、通常運転の際には第一の点火角度で運転される内燃機関（１）の運転方法にして、
   排気ガス浄化装置（７）が、その負荷状態により排気ガス中に存在している排気ガス成分のうちの少なくとも一つである窒素酸化物を変換できないか或いは部分的にしか変換できないときに、窒素酸化物含有量が、第二の、遅角の点火角度による内燃機関の少なくとも一時的な運転によって低減されることを特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 排気ガス浄化装置（７）の負荷状態が、希薄な或いは過濃な燃料・空気混合気による内燃機関（１）の運転によって変化されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 燃料噴射無しでの内燃機関（１）の運転の後、内燃機関（１）が前記第二の点火角度で運転され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. 希薄な燃料・空気混合気による内燃機関（１）の運転の後、内燃機関（１）が前記第二の点火角度で運転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. 排気ガス浄化装置（７）の負荷状態が、燃料・空気混合気の組成に基づいて計算され、及び／または排気ガス浄化装置（７）の下流側に配置された少なくとも一つのセンサ（１１）を用いて確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. 内燃機関（１）が、希薄な燃料・空気混合気を用いて、排気ガス浄化装置（７）及び／またはセンサ（１１）の診断を実施するために運転されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の運転方法。
7. 内燃機関（１）が、定められた時間の間、前記第二の点火角度で運転される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. 排気ガス中の窒素酸化物含有量を削減するために、追加として燃料・空気混合気の組成が調節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. 内燃機関（１）が内燃機関（１）の排気ガスの浄化のための排気ガス浄化装置（７）を備えており、通常運転の際には第一の点火角度で運転される、請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法を実施のための内燃機関（１）において、
   排気ガス浄化装置（７）がその負荷状態により、排気ガス中に存在している排気ガス成分のうちの少なくとも一つである窒素酸化物を変換できないか或いは部分的にしか変換できないときに、排気ガスの窒素酸化物含有量を、第二の、遅角の点火角度の少なくとも一時的な調節によって低減する制御装置（３）を備えたことを特徴とする内燃機関。

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