JP2011530029A - ラムダコントロールを有する排気ガスシステムを操作するための方法 - Google Patents

Abstract

内燃エンジン（２）の排気システム（１）を操作するための方法であって、前記排気システム（１）は、少なくとも１つの粒子分離器（３）および１つの触媒コンバータ（４）に配置され、前記方法は、少なくとも以下の工程、ａ）コントロールバルブ（５）によるラムダ調節を用いて内燃エンジン（２）におけるプロセスを操作する工程と、ｂ）前記粒子分離器（３）の再生プロセスを確認する工程と、ｃ）前記粒子分離器（３）の再生プロセスについての酸素要求量を決定する工程と、ｄ）前記粒子分離器（３）の再生プロセスの間、規定された前記酸素要求量によって前記ラムダ調節を適合させる工程と、を含む、方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃エンジンの排気システムを操作するための方法に関し、排気システムは少なくとも１つの粒子分離器および１つの触媒コンバータに配置される。また、この方法を実施するのに適切な自動車が特定される。本発明は特に、内燃エンジンの操作の間の粒子分離器の再生と併せて使用される。

特に火花点火内燃エンジンからの排気ガスの処理に関して、固形の燃焼残渣を除去することに関する問題が生じ得る。これまで、火花点火エンジンの排気ガス処理において、ディーゼルエンジンの場合より、塊の点でかなり小さい粒子が排気ガスに生成されることが見出されている。このすすの粒子を除去するために、例えば粒子が保持される粒子分離器（壁流フィルター、部分的流れフィルターなど）が使用されている。粒子分離器の閉塞を防ぐため、および／または粒子分離器の効果を再度増加させるために、すすは、例えば５５０℃〜６００℃の温度で熱により変換され、この目的のために酸素が必要とされる。

火花点火エンジンに関して、使用は、通常、いわゆるラムダコントロールからなる。このようなラムダコントロールは、特に、動力および特定の燃費に関して内燃エンジンに燃焼プロセスを適合させるのに役立つ。ラムダ（λ）は、化学量論混合物に関して空気／燃料比を指す。化学量論混合物は、燃料を完全に燃焼させるための空気量を正確に含む。これによりλ＝１．０とみなされる。ここで、ガソリンの場合、質量比は１４．７：１である。十分な燃料が存在する場合、リッチな混合物（λ＜１）とみなされ、過剰な空気の場合、不十分な混合物（λ＞１）とみなされる。ラムダコントロールにおいて、実際のラムダ値は適切なセンサによって測定され、燃料量または空気量は、ラムダコントロール値が設定されるように変化する。

３方向触媒コンバータを備えて形成される排気システムにおいて、ラムダコントロールはコントロール値１．０を正確に順守するように設定される。２つの異なる変形がこの目的のために知られており、特に第１に、ラムダ値が正確に１．０で一定を保持する変形、およびラムダ平均値約１．０の実際のラムダ値の一定の振動が実施される。この方法において、排気ガスは、可能な限り効果的な組成で提供され、中にまだ含まれる汚染物質の変換が、３方向触媒コンバータとの接触時に得られる。

このことを出発点とすると、本発明の目的は、従来技術に関して明らかにされた問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、操作の間の内燃エンジンの廃棄ガス流からの汚染物質および／または粒子のより効果的な変換が得られ得る方法を特定することを目的とする。さらに、粒子フィルターの再生の制御された調節が実現可能である、排気システムを有する自動車を特定することを目的とし、気体の構成が同様に、信頼性があり、効果的に変換される。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の工程による方法および請求項７の特徴を有する自動車によって達成される。本発明のさらなる有利な実施形態は、従属の請求項でそれぞれ特定される。特許請求の範囲の請求項で個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に有意な方法で互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成することは留意されるべきである。特に図面と併せた詳細は、より詳細に本発明を説明し、本発明のさらなる例示的な実施形態を特定する。

本発明による方法は、内燃エンジンの排気システムを操作するための方法であって、排気システムは、少なくとも１つの粒子分離器および１つの触媒コンバータに配置され、前記方法は、少なくとも以下の工程、
ａ）コントロールバルブ付近のラムダコントロールを用いて内燃エンジンにおけるプロセスを実行する工程と、
ｂ）粒子分離器の再生プロセスを確認する工程と、
ｃ）粒子分離器の再生プロセスについての酸素要求量を決定する工程と、
ｄ）粒子分離器の再生プロセスの間、決定された酸素要求量によってラムダコントロールを適合させる工程と、
を含む、方法である。

工程ａ）は、特に、内燃エンジンへの空気および燃料の供給が、ラムダ値の関数として起こることを意味する。ここで、主に一定のコントロール値は、通常、内燃エンジンの操作のために予め規定される。

工程ｂ）による粒子分離器の再生プロセスの確認は、測定および／または計算によって決定され得る。例えば、粒子分離器にわたる圧力降下が測定および／または計算されることが可能である。与えられる数学的モデルから、粒子の保存量を、内燃エンジンにおける圧力の関数として測定または計算することも可能である。いずれの場合においても、限界値がここで考慮され、その限界値に到達すると、粒子分離器の再生が開始される。前記限界値は固定され得るが、ここで、排気システムにおける内燃エンジンおよび／または温度の負荷状況によって変化可能である限界値を提供することも可能である。

次いで、工程ｃ）において、粒子分離器において粒子を酸化するために、排気ガス中のみで酸素がいくら必要かが決定される。この目的のために、特に、例えば排気ガスの温度、排気ガスの流速、粒子分離器の温度、粒子分離器中の粒子の質量および／または大きさおよび／または分配など様々な限度条件に対する考慮が与えられる。ここで、要求される酸素は、具体的に測定された値および／または適切な場合、適切なモデルを用いて計算された値に基づいて決定される。

次いで、ラムダコントロールは、酸素要求量の関数として適合され、それによって、（可能な場合、正確に必要とされるのみの）決定された酸素要求量を排気ガスに添加するために、特により十分な空気（各酸素）が供給されるように、決定される。従って、粒子分離器の再生の間、最初に粒子分離器の再生が所望の変換率で起こるが、次に触媒コンバータが、効果的である排気ガス環境中で変換を実施するように、追加する酸素の量が供給される。

これに関して、工程ａ）におけるコントロール値が１．０のラムダ値であることが好ましい。この点で、この方法は、特に、火花点火エンジンにおける燃焼プロセスを制御するのに適切であり、それによって、排気システムに配置される３方向触媒コンバータが、粒子分離器の再生プロセスの間でさえ、その最適環境中で作動する。

１つの改変において、工程ｄ）におけるコントロール値が、１．０２〜１．０５の範囲のラムダ値であることも提案される。ここで提案されるラムダ値の範囲は、粒子分離器の再生プロセスについての酸素要求量に正確に向けられ、好ましくは、再生プロセスの全期間の間、順守されるべきである。これに関して、ここで、（平均）ラムダ値が、駆動力および測定された温度の関数として傾斜方向にシフトされることが提案される。

粒子分離器の再生プロセスの期間のラムダ値の平均値の増加に加えて、工程ａ）におけるコントロール値が、第１の振幅を有する１．０のラムダ値付近で変化され、工程ｄ）において、第１の振幅より大きい第２の振幅が設定されることも提案される。このように、高い酸素分画が、再生プロセスの期間、少なくとも定期的に排気ガスに提供されるので、ここでも、煤が確実に変換され得る。振幅の差は、好ましくは２〜１０％、特に３〜６％である。

本発明の１つの改変において、酸素要求量の決定が、粒子分離器の再生モデルに基づいて計算されることも提案される。これは特に、燃焼プロセス、温度などを考慮するか、またはそれらとは独立して粒子分離器の再生プロセスが再生モデルから起こることを意味する。再生モデルは、経験値および／またはパラメーターを含んでもよく、それらから、粒子分離器の再生プロセスについての必要が確認され得る。

この方法は、工程ｄ）の間、少なくとも５００℃の温度が粒子分離器の領域内に存在する場合に特に実施される。粒子分離器の領域内の温度は、粒子分離器自体の温度ならびに上流および／または下流に配置される排気システムの部分、あるいは流入または流出する排気ガスの温度を指してもよい。この目的のために、特に、温度の数学的決定のために温度センサおよび／または温度モデルが利用されてもよい。

火花点火エンジンを有する自動車も提案され、同様に排気システムが火花点火エンジンに接続され、その排気システムを通して、火花点火エンジンで生成された排気ガスが流れ方向に流れ得る。排気システムはまた、少なくとも１つのセンサを有する。さらに、少なくとも１つの粒子分離器および１つの３方向触媒コンバータが、排気システムにおいて流れ方向に連続して配置され、その排気システムは、排気システムの少なくとも１つのセンサと相互作用し、本明細書に記載する本発明の方法を実施するように設定される火花点火エンジンのための制御装置を有する。

完全性のために、排気ガス処理後のためのさらなる構成要素もまた、粒子分離器および３方向触媒コンバータに提供されてもよいことが指摘される。ここで、粒子分離器は、３方向触媒コンバータの上流に配置されることが関係する。つまり、排気ガスはまず、３方向触媒コンバータを通過する前に粒子分離器と接触する。従って、さらなる排気ガス処理ユニットもまた、粒子分離器と３方向触媒コンバータとの間に提供されてもよい。制御装置は特に、自動車のエンジン制御装置であってもよく、このエンジン制御装置はまた、自動車の搭載システムに一体化されてもよい。いずれの場合においても、センサからのシグナルまたはデータが処理され得、適切な場合、制御装置において数学的モデルと比較されるか、または制御されてもよい。

このタイプの自動車において、第１のラムダプローブが流れ方向において粒子分離器の上流に配置され、少なくとも１つの第２のラムダプローブが粒子分離器の下流または３方向触媒コンバータの下流に配置されることが有益であるとみなされる。適切な場合、本明細書に記載されるラムダプローブのうちの少なくとも１つが粒子分離器または３方向触媒コンバータに一体化されることも可能である。ここで、ラムダプローブは排気システムのセンサである。ラムダプローブは特に、粒子分離器の再生プロセスが実質的に終わる場合、粒子分離器の下流に配置されるラムダプローブがこの目的のために使用されることを規定するために使用され得る。これに関して、このように、粒子分離器の再生プロセスの期間を決定し、それによって、工程ｄ）の終了を開始することが可能である。

さらに、自動車は、粒子分離器が金属箔および不織ワイヤによって規定される開口チャネルを有するハニカム体を備えて形成されることが好ましい。従って、本明細書に提案される粒子分離器は、いわゆる、交互に閉じたチャネルを有する壁面流（ｗａｌｌ−ｆｌｏｗ）フィルターではないが、開口構造であり、出願人による他の出願において、「部分流（ｐａｒｔｉａｌ ｆｌｏｗ）フィルター」とも称される。このタイプの粒子分離器において、ハニカム体は複数のチャネルを有し、それらは、排気ガスの流れによって基本的に順々に旋回する。チャネルに、不織ワイヤを有する壁部分に対して粒子を偏向させる案内羽根、隆起部なども提供され、チャネルを流れる排気ガスの少なくとも一部が、案内羽根、隆起部などを流れ去ることができ、その結果としてチャネル内に残ることも常に確保される。この目的のために、金属箔は、好ましくは、波形構造を有して形成され、この目的のために、不織金属ワイヤは、互いに対して配置され、互いに焼結および／または溶接される超微細なワイヤの１つ以上の層を含む。適切な場合、箔および／または不織は（触媒活性）コーティングを有して形成されてもよい。

本発明およびこの技術分野は、図面に基づいて以下により詳細に説明される。図面は、本発明の特に好ましい構成の変形例を示すが、本発明はそれに限定されるわけではない。

図１は本発明による方法の第１の形態である。 図２は本発明による方法の第２の構成の変形例である。 図３は本方法を実施するための自動車である。 図４は開口粒子分離器である。 図５はさらなる開口粒子分離器の詳細である。

図１は、排気システムの操作の間、ラムダコントロールのコントロールバルブ５が、ｙ軸にプロットされている図を示す。ここで、ラムダバルブのプロファイルはコントロールバルブ５対時間２１としてプロットされる。左から進んで、内燃エンジンにおけるプロセスが、まず、一定のコントロールバルブ５（例えば１．０のラムダ値）で実施されることが見られ得る。ここで、粒子フィルターの再生プロセスが確認される場合、必要とされる酸素要求量が決定される。次いで、ラムダコントロールは、特定の酸素要求量２０によって適合され、その結果、ここで、コントロールバルブ５は、再生時間１９にわたって段階的に増加する。この再生時間１９において、コントロールバルブ５は、１．０２〜１．０５の値を有する。粒子分離器の再生プロセスの終わりが検出される場合、コントロールバルブ５はその元のコントロールバルブに戻る。

図２は同様の状況を示し、ここで、内燃エンジンは、動的ラムダ振幅コントロールで作動される。ここでも同様に、コントロールバルブ５は時間２１に対してプロットされる。左から進んで、コントロールバルブ５は、ここで、第１の振幅６とともに、点鎖線として示される平均値であることが見られ得る。再生時間１９に関して、ラムダコントロールは、ここで、第２の振幅７が第１の振幅６より大きいように適合される。以前に決定した酸素要求量は、このように追加的に提供される。粒子分離器の再生時間の終わりの後、振幅は第１の振幅６の値に戻る。

図３は、火花点火エンジン９の形態の内燃エンジン２を有する自動車８を概略的に示す。排気システム１は火花点火エンジン９に接続される。火花点火エンジンで生成される排気ガスは、流れ方向において、最初に粒子分離器３を通り、続いて３方向触媒コンバータ４を通って流れる。流れ方向１０において粒子分離器３の上流に第１のラムダプローブ１３が設けられる。第２のラムダプローブ１４は、粒子分離器３の下流に直接的に設けられる。しかしながら、図３はまた、流れ方向１０に見られるように、３方向触媒コンバータ４の下流の第２のラムダプローブ１４の位置を示す。自動車８はまた、制御装置１２を有する。制御装置１２は、データ伝送および信号伝送様式で、ならびに／またはライン２２による制御に関連して、内燃エンジン２の一部およびセンサ１１にそれぞれ接続される。特に、センサ１１によって測定される排気ガス特性値は、制御装置１２によって内燃エンジン２におけるプロセスに作用を及ぼすために使用され得る。

図４は、長手方向断面において、開口チャネル１６を備える部分的な流れフィルターの形態の粒子分離器３の可能な構成の変形例を示す。チャネル１６は、各々の場合、金属箔によって一方の側、および不織ワイヤ１８によって他方の側で画定される。流れ方向１０に粒子分離器３を通って流れる場合、粒子を含む排気ガスは、ガイド面２４および／または開口部２６のために不織ワイヤ１８の方へ転換され、それによって、排気ガスは、不織ワイヤ１８に沿って、および／または不織ワイヤ１８を通って部分的に流れる。これによって粒子は保持される。このタイプの開口粒子分離器３において、個々のチャネル１６が遮断される危険性は存在しない。なぜなら、チャネル１０のガイド面２４を通るバイパスの流れまたは部分的な流れが常に可能であるからである。この理由のために、再生の必要性は、比較的まれに実施されるだけである。このタイプの粒子分離器３の構成要素の全ては、通常、金属からなるので、粒子分離器は、金属ハウジング２５および完全に金属性のハニカム体１５を備えて形成される。

図５は、ガイド面２４を有する構造化された金属箔１７の結果として生じる個々の排気ガスの流れ１３の偏向の詳細を概略的に示す。このガイド面２４の結果として、排気ガスの少なくとも一部は金属性の不織ワイヤ１８の方へ導かれ、この流れは特に、隣接するチャネル内の圧力差のためにさらに支援される。

１ 排気システム
２ 内燃エンジン
３ 粒子分離器
４ 触媒コンバータ
５ コントロールバルブ
６ 第１の振幅
７ 第２の振幅
８ 自動車
９ 火花点火エンジン
１０ 流れ方向
１１ センサ
１２ 制御装置
１３ 第１のラムダプローブ
１４ 第２のラムダプローブ
１５ ハニカム体
１６ チャネル
１７ 金属箔
１８ 不織ワイヤ
１９ 再生時間
２０ 酸素要求量
２１ 時間
２２ ライン
２３ 排気ガスの流れ
２４ ガイド面
２５ ハウジング
２６ 開口

Claims (9)

1. 内燃エンジン（２）の排気システム（１）を操作するための方法であって、前記排気システム（１）は、少なくとも１つの粒子分離器（３）および１つの触媒コンバータ（４）に配置され、前記方法は、少なくとも以下の工程、
   ａ）コントロールバルブ（５）付近のラムダコントロールを用いて前記内燃エンジン（２）におけるプロセスを実行する工程と、
   ｂ）前記粒子分離器（３）の再生プロセスを確認する工程と、
   ｃ）前記粒子分離器（３）の再生プロセスについての酸素要求量を決定する工程と、
   ｄ）前記粒子分離器（３）の再生プロセスの間、決定された前記酸素要求量によって前記ラムダコントロールを適合させる工程と、
   を含む、方法。
2. 工程ａ）において、前記コントロールバルブが１．０のラムダ値である、請求項１に記載の方法。
3. 工程ｄ）において、前記コントロールバルブ（５）が１．０２〜１．０５の範囲のラムダ値である、請求項１または２に記載の方法。
4. 工程ａ）において、前記コントロールバルブ（５）が、第１の振幅（６）を有して約１．０のラムダ値に変化し、工程ｄ）において、第２の振幅（７）が前記第１の振幅（６）より大きく設定される、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記酸素要求量の決定は、前記粒子分離器（３）の再生モデルに基づいて計算される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 工程ｄ）の間、少なくとも５００℃の温度が、前記粒子分離器（３）の領域に存在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 火花点火エンジン（９）およびまた、排気システム（１）を有する自動車（８）であって、前記排気システム（１）は、前記火花点火エンジン（９）に接続され、前記火花点火エンジン（９）で生成された排気ガスは、流れ方向（１０）に流れることができ、前記排気システム（１）少なくとも１つのセンサ（１１）を有し、前記排気システム（１）において、少なくとも１つの粒子分離器（３）および１つの３方向触媒コンバータ（４）が流れ方向（１０）に連続して配置され、前記火花点火エンジン（９）についての制御装置（１２）が、前記排気システム（１）の少なくとも１つのセンサ（１１）と相互作用し、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法を実施するように設定される、自動車（８）。
8. 第１のラムダプローブ（１３）が、前記流れ方向（１０）における前記粒子分離器（３）の上流に配置され、少なくとも１つの第２のラムダプローブ（１４）が、前記粒子分離器（３）の下流または前記３方向触媒コンバータ（４）の下流に配置される、請求項７に記載の自動車（８）。
9. 前記粒子分離器（３）は、金属箔（１７）および不織ワイヤ（１８）によって規定される開口チャネル（１６）を有するハニカム体（１５）を備えて形成される、請求項７または８に記載の自動車（８）

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