JP2012519790A - 加熱装置を有する排ガスクリーニング装置を作動する方法 - Google Patents

Abstract

過剰空気とともに作動される内燃機関（２）の排ガスの浄化のための装置（１）を作動する方法であって、前記装置（１）は、少なくとも部分的に排ガスと接触して、電気エネルギーによって活性化されることができて、少なくとも部分的に酸化コーティング（４）を有して形成される、少なくとも１つの加熱装置（３）を含み：ａ）前記少なくとも１つの加熱装置（３）が、あらかじめ決められた第１のセットポイント温度（１９）を上回って加熱されるステップ、ｂ）その後、前記少なくとも１つの加熱装置（３）または排ガスの少なくとも温度が監視されるステップ、および、ｃ）少なくとも、前記加熱装置（３）または排ガスの温度が、閾値温度（２１）に到達したか、または、前記内燃機関（２）の低負荷位相（２４）が存在する場合、排ガスの炭化水素留分の増加が始動されるステップ、を含む方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、過剰空気とともに作動される内燃機関の排ガスの浄化のための装置を作動する方法に関する。装置は、少なくとも１つの加熱装置を含む。そして、それは、少なくとも部分的に排ガスと接触して、かつ、電気エネルギーによって活性化されることができて、かつ、少なくとも部分的に酸化コーティングを有して形成される。この方法は、乗物、特に乗用自動車のディーゼルエンジンの排気システムにおいて、特に用いられる。

酸化コーティングのためのいわゆる点火温度（例えば、内燃機関のコールドスタートおよび／またはリスタート後の短時間ですでに２００℃を上回る温度）を達成するために、電気的に加熱可能なハニカムボディを使用することは、知られている。前記温度から始動して、排ガスの温度が、急速にさらに上昇することができて、そして、下流の排ガス処理装置も、触媒転換にとって必要な温度に急速に達するように、排ガスに含まれる汚染物質の転換の触媒支援は、酸化コーティング（発熱反応を引き起こす）の助力で行われることができる。この点で、前記加熱装置が、特にコールドスタートまたはリスタート後に、あらかじめ決められた時間間隔の間活性化されて、そしてその後に不活性化されることも、知られていると考慮される。その後、特に、増加した炭化水素留分を有する燃料の場合、排ガス浄化装置の活動は、前記発熱反応の理由で維持され得る状況にある。

具体的には、過剰空気とともに作動される内燃機関（例えばディーゼルエンジン）の場合、排ガスの組成として炭化水素留分がより少ないことがしばしばある。さらに、前記内燃機関の場合、高い窒素酸化物留分を回避するために特に、排ガスは、通常、より低い温度で排気システム内に導入されることが、考慮されなければならない。さらにまた、前記タイプの内燃機関は、特に低負荷範囲において、比較的多い量の冷めた排ガス量を、排気システムを通って導くことも認識された。前記状況の下で、酸化コーティングの点火温度が、かなり届かず、したがって、排気システムの活動がすべての作動ポイントに対して確実でない、という課題が起こり得る。

これを出発点として、本発明の目的は、従来技術に関して強調される課題を少なくとも部分的に解決することである。特に、過剰空気とともに作動される内燃機関の排ガスの浄化のための前記タイプの装置を作動する方法を特徴づけることが探求される。その作動方法において、エネルギーの消費ができる限り少ない状態で、機能性は、内燃機関の作動に関して維持されなければならない。

前記目的は、請求項１の特徴による方法によって、そしてまた、請求項７の特徴による自動車によって、達成される。本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項において特徴づけられる。請求項に個々に挙げられる特徴は、任意の所望される技術的に好都合な方法において、互いに組み合わされることができ、そして、本発明の別の実施形態を強調することができる点に留意する必要がある。特に図に関連した既述は、本発明を提示して、この場合、追加的な例示的実施形態を特徴づける。

過剰空気とともに作動される内燃機関の排ガスの浄化のための装置を作動する本発明による方法であって、装置は、少なくとも部分的に排ガスと接触して、電気エネルギーによって活性化されることができて、少なくとも部分的に酸化コーティングを有して形成される、少なくとも１つの加熱装置を含む、方法は、少なくとも以下のステップを含む：
ａ）前記少なくとも１つの加熱装置が、あらかじめ決められた第１のセットポイント温度を上回って加熱されるステップ、
ｂ）その後、前記少なくとも１つの加熱装置または排ガスの少なくとも温度が監視されるステップ、および、
ｃ）少なくとも、前記加熱装置または排ガスの温度が、閾値温度に達したか、または、前記内燃機関の低負荷フェーズが存在する場合、排ガスの炭化水素留分の増加が始動されるステップ。

過剰空気とともに作動される内燃機関の排ガスの浄化のための装置に関して、本発明は、ディーゼルエンジンおよび／または希薄混合気燃焼エンジンに接続される排気システムに特に由来する。この場合、装置は、一般に、少なくとも１つの加熱装置が内部に一体化される排気ラインを含む。加熱装置は、要求にしたがって、電気エネルギーにより活性化されてよい。例えば、電流が加熱装置を通って流れて、加熱装置は、オームの抵抗加熱の理由で加熱される。この目的のために、加熱装置は、対応するオンボード電気システム（例えば１２Ｖまたは２４Ｖ）に接続されてよい。この種の加熱装置は、一般に、排ガスが流れる比較的大きい表面積を形成する。前記表面積は、酸化コーティングをともなって部分的に形成されてよい。実施形態は、排ガスと接触する全表面積が、酸化コーティングをともなって形成されることが好ましい。酸化コーティングは、それ自体別々の形態をとってよい。それは一般に、貴金属（例えばプラチナ、ロジウムなど）によってドープした薄め塗装（ｗａｓｈｃｏａｔ）コーティングを有する。加熱装置は、排ガスが触媒転換のために接触する内燃機関の下流における、第１の排ガス後処理装置であることもまた、好ましい。

この種の装置の場合、ステップａ）にしたがって、加熱装置は、あらかじめ決められた第１のセットポイント温度を達成するために利用されることが、第１に提案される。第１のセットポイント温度は、酸化コーティングが、排ガスに含まれる汚染物質の転換に関して十分な活動または効果を有するように、選択されなければならない。この点で、ステップａ）は、内燃機関の特に始動の間、実行される。この目的のために、加熱装置は、例えば自動車のバッテリから、または同様の装置から抽出される電気エネルギーを、最大２０秒間、例えば供給されてよい。

その後、すなわち装置のさらなるオペレーションの間、少なくとも１つの加熱装置の、または排ガスの少なくとも温度は、監視される。両方の温度が監視されることもまた、明らかに可能である。この目的のために、温度が、例えばデータモデルに基づいて、少なくとも部分的に算出されるかまたは推定されることも可能であるにもかかわらず、排ガスおよび／または加熱装置と接触するセンサは、提供されてよい。監視は、連続的に、および／またはあらかじめ決められた時間間隔後のあらかじめ決められた時間で、または内燃機関の特定の状態に対する反応において、実行されてよい。

前記監視に基づいて、加熱装置および／または排ガスのあらかじめ決められた閾値温度との比較を実行することは、可能である。前記閾値温度に達したかまたは届かない場合、炭化水素留分が増加するように、排ガス成分が変化することがこの場合に提案される。この点で、閾値温度は、酸化コーティングのいわゆる点火温度を上回っていることが好ましい。追加的な炭化水素は、酸化コーティング上の炭化水素の発熱反応の結果として提供される、より多くの熱エネルギーの効果を有する。したがって、加熱装置または酸化コーティングの温度のさらなる低下は、防止される。それに代えて、または、それに加えて、内燃機関の低負荷フェーズが識別されておよび／または始動されるときに、排ガスにおける炭化水素留分の増加が始動されることも、一般に可能である。「低負荷フェーズ（Ｌｏｗ−ｌｏａｄ ｐｈａｓｅ）」は、低回転速度および／または低負荷（すなわち、例えばアイドリング、オーバーランなど）で、内燃機関の特にオペレーションモードに関連する。特にディーゼルエンジンの場合、この種の低負荷フェーズの間、低温の空気のかなりの留分は、排ガスの浄化のための装置を通って導かれる。そして、それは排ガス処理装置の冷却に至ることができる。これは、発生する排ガスの炭化水素留分によって反対に作用されて、化学発熱反応が大きい強さで起こる。

このようにして、本発明は、加熱装置のみが、効果を維持するために、または排気システムの転換能力を維持するために役立つという概念から、分離される。事実、加熱装置が、２、３の作動フェーズにおいてのみ、例えば内燃機関の始動フェーズの間のみ、使用されることが、この場合に提案される。次のオペレーションの間、転換能力の維持が確実にされて、そして、ステップｃ）のみによって、電気エネルギーによる加熱装置のさらなる活性化が回避されることは、したがってこの場合に好ましい。自動車の給電システムが負荷を取り除かれることは、特にこのことにより可能である。そうすると、自動車の他の構成要素のための十分なエネルギーは、この場合に提供されることができる。

方法の一実施形態において、酸化コーティング上の排ガスの炭化水素の転換が、少なくとも１つの加熱装置を、第２のセットポイント温度以下まで冷却することを妨げるように、排ガスの炭化水素留分の増加が実行されることが提案される。この点で、炭化水素留分の増加は、加熱装置および／または排ガスの現在または予想される温度、生成された排ガスの反応度、酸化コーティングによって提供される表面積、低負荷フェーズのタイプなどが、例えば考慮に入れられる。第２のセットポイント温度は、第１のセットポイント温度以下に好ましくは位置する。前記第２のセットポイント温度は、酸化コーティングのいわゆる点火温度よりも高く選定されることが、しかしながら望ましい。

さらにまた、内燃機関の複数のシリンダは、燃料注入手段とともに形成されることが有利であると考えられる。ステップｃ）において、あらかじめ決められた量の燃料が、少なくとも１つの燃料注入手段によって、少なくとも１つの加熱装置に提供される。特にディーゼルエンジンは、一般に、４、６、８または１２のシリンダを有する。これらのシリンダを介して、内燃機関に供給される燃料／空気混合気が供給されて、燃焼する。燃料注入手段は、例えば、噴射ノズルによって実現される。そして、それは燃料供給システムに接続されて、調整された方法で活性化されることができる。すなわち、換言すれば、燃料が、排ガスの浄化のための装置に導入（燃焼しない）されて、その結果、最終的に加熱装置に到達するように、前記燃料注入は行われる。燃料の炭化水素留分を有する発熱反応が、加熱装置の酸化コーティング上に最初に起こることは、探求される。そうすると、この場合、熱エネルギーは、点火温度を上回る加熱装置の作動温度を達成するために発生する。燃料の必要な量が、全体として、または分配する方法で、いずれの場合も１つの（別々の）燃料注入手段によって、排ガスの浄化のための装置に導入されることは、基本的には可能である。

内燃機関のすべてのシリンダのすべての燃料注入手段が、燃料のあらかじめ決められた量の部分的な量をつねに提供することは、しかしながらこの場合に好ましい。すなわち、例えば、排気システムに所望の作動条件をセットするために、どのくらいの量の燃料が必要であるかが、第１に識別される。燃料の前記量は、利用可能な燃料注入手段の個数に一様に分配されることが好ましい。そうすると、これらは各々それらの部分的な量（特に時間をずらした方法で）を噴射する。このことは、すべてのシリンダおよび同様に下流の排気ラインが、等しく利用される効果を有する。排気システムの特定の領域が、他よりも強く燃料と接触しないことも、このことにより確実にされる。そして、それは特に、排気ラインのおよび／または排ガス浄化装置の、そして特に加熱装置上の酸化コーティングの、ありうるエージングを防止する。

方法の一実施形態において、排ガスの炭化水素留分の増加は、内燃機関のオーバーランフェーズにおいて行われることも提案される。オーバーランフェーズは、ドライビングオペレーション中（例えば、自動車の減速が起こるとき、または、前記自動車が下り勾配上に位置しているとき）に発生する。そこにおいて、ドライバによってあらかじめ決められたドライバ要求トルクは、自動車の現在のスラストトルクよりも小さい。オーバーランフェーズにおいて、燃料供給は、従来は止められる。そうすると、内燃機関は、点火されないモード（オーバーラン燃料遮断）で作動される。特に少ない炭化水素留分は、したがって、排ガスにおいて遭遇される。この場合、対応する前提条件がある場合は、本発明による方法は逸脱される。

さらにまた、ステップｃ）において、少なくとも１つの加熱装置が、第２のセットポイント温度以下まで冷却することを妨げられるかどうか、決定されることもこの場合に提案される。そこにおいて負の評価の場合に、少なくとも１つの加熱装置は、電気エネルギーによって追加的に断続的に活性化される。換言すれば、これは、ステップｃ）の前および／またはその間にすでに、第２のセットポイント温度を上回る加熱装置の温度が、炭化水素留分の増加によってのみ達成され得るかどうか、調べられることを意味する。例えば、とても大きい温度降下が予想されるので、および／または、この目的のために必要な燃料の量がとても多いので、これが可能でない場合、加熱装置は、一種の「緊急措置」として電気エネルギーによって再活性化される。これは、しかしながら、連続した方法においてではなく、むしろ断続的に、すなわち、特に時間を記録した方法において、行われなければならない。この目的のために、加熱装置は、１秒未満の期間を通じて例えば１０回または２０回以上の複数回の電気エネルギーを供給される。そこにおいて、１秒未満の休止は、同様に観察される。例えば、加熱装置は、１０〜５０ｍｓ（ミリ秒）の間、電流を供給されてよい。そして、その後、新しい電流衝撃が発生する前に、同様の時間長さの間、休止によって不活性化されてよい。この断続的なオペレーションモードにともない、電気エネルギーの利用は減少する。そして、オンボード電気システムは、負荷を取り除かれる。

本発明のさらに別の態様によれば、自動車もまた、特徴づけられる。前記自動車は、過剰空気とともに作動され、かつ、各々燃料注入手段をともなう複数のシリンダを有する内燃機関を有し、および、内燃機関において発生する排ガスの浄化のための装置を有する。装置は、電圧源および制御装置に接続される電気的に加熱可能なハニカムボディの形態の少なくとも１つの加熱装置を有する。自動車および制御装置は、本発明によるここで記述される方法を実行するために準備されている。

自動車は、ディーゼルエンジンを備える特に乗用自動車である。１つの加熱装置のみが、全ての排ガスフローを処理するために提供されることで基本的に十分な場合であっても、それにもかかわらず、例えば、排ガスの別々の、別個のフローパスにおいて、複数の加熱装置が提供されることも可能である。電気的に加熱可能なハニカムボディの形態の加熱装置の構造は、排ガスとの特に近い接触がこの場合に可能になる効果がある。前記タイプの電気的に加熱可能なハニカムボディの実施例として、国際公開第ＷＯ ８９／１０４７１ Ａ１号が参照される。電気的に加熱可能なハニカムボディは、したがって、金属のハニカム構造を含むことが好ましい。そして、それは多数の少なくとも部分的に構造金属箔によって構成される。そして、それは排ガスが流れることのできるチャネルを形成する。この場合、ハニカム構造を通って１つ以上のフローパスが形成されるように、ハニカムボディは、互いに関して部分的に電気的に絶縁されて、電圧源に接続される。電圧源として、例えば、電圧発生器および／またはバッテリが考えられる。制御装置は、エンジンコントローラの一部でもよい。そうすると、この場合、所定時間での電気エネルギーの供給は、自動車の多様な作動パラメータを考慮に入れて、可能になる。制御装置は、したがって、対応するデータモデルおよび／またはソフトウェアの対応する品目を含んでもよい。そして、それは本発明による対応する作動モードを実現する。

本発明および技術分野は、図に基づいて以下で説明される。図は、特に好適な構造異型を示す。本発明は、しかしながらそれに制限されない。
図１は、排ガス後処理装置を有する自動車を示す概略図である。 図２は、電気的に加熱可能なハニカムボディを示す概略図である。 図３は、温度プロファイルの図表を示す概略図である。

図１は、特にディーゼルエンジンの形態における内燃機関２を有する自動車７を図式的に示す。この場合、内燃機関２は、各々別個の、独立して作動可能な燃料注入手段６を有する４つのシリンダ５を含む。シリンダ５において発生する排ガスは、それから、例えばターボチャージャ１２が一体化されてよい排気ライン１３に統合される。ターボチャージャ１２は、例えば排ガスターボチャージャの形態で構成されてよい。そして、それは同時に、内燃機関の燃焼プロセスにとって必要な、圧縮形態の空気を供給するのに役立つ。シリンダ５とターボチャージャ１２との間に、さらに酸化触媒コンバータが提供されることは、絶対に必要ではないけれども、基本的には可能である。したがって、指示された流れ方向１２において排気ライン１３を通して伝導される排ガスが、酸化コーティングを有する加熱装置３に最初に影響を与えることも可能である。複数の追加的な排ガス処理装置１４（例えば、粒子トラップ、吸着器、還元触媒コンバータ、３方触媒コンバータなど）は、さらに下流に提供されてよい。前記装置１のオペレーションのために、そして、内燃機関２の排ガスの浄化のために、特に内燃機関２および加熱装置３と相互に作用する制御装置１０が、提供される。さらにまた、制御装置１０は、例えば排ガスの温度を測定するセンサ１５と相互に作用してよい。

図２は、加熱装置３の好適な構造異型としての電気的に加熱可能なハニカムボディ８の構造異型の端面図を図式的に示す。ハニカムボディ８は、多数の滑らかでかつ波形の金属箔１８を有する。そして、それらは互いに巻かれて、そして、互いに交互に支えて、そして、排ガスの流通のためのチャネル１７を提供する。すべての金属箔１８は、酸化コーティング４を有して提供される。この場合、金属箔１８の個々のパックは、互いに関して電気的に絶縁される。そうすると、電流は、１つの電極から必要に応じて供給されることができて、ハニカムボディ８を通って流れて、他の電極を介して再び集められる。前記金属箔１８は、ハウジング１６内に、電気的に絶縁されるようにしてさらに取り付けられる。そして、前記金属箔を通って導かれる電極は、同様に、電気的に絶縁される。ハニカムボディ８のオペレーション用に、必要に応じて加熱装置３に電気エネルギーを供給するために、制御装置１０と相互に作用する電圧源９が、提供される。

図３は、排ガスの浄化のための装置が作動される時間中にわたって、監視される温度プロファイル２５を図式的に示す。図３の左側では、最初に、第１の時間において、排ガスまたは加熱装置が、コールドスタート後に、できるだけ急速に第１のセットポイント温度１９に達したかまたはそれを上回るように、電気エネルギー２３が加熱装置に供給されることが、図示される。第１のセットポイント温度１９は、酸化コーティングの点火温度よりも好ましくはかなり高い。（例えば、点火温度よりも１００℃高い。）ドライビングサイクルの理由で、電気エネルギー２３の遮断後、監視される温度プロファイル２５は、内燃機関の負荷に対応して変化する。しかしながら、監視される温度が閾値温度２１以下に低下することが識別される場合、加熱装置の酸化コーティング上で発熱反応が起こって、温度が再び上昇するように、炭化水素２２が供給される。このようにして、監視される温度プロファイル２５が、再び閾値温度２１よりも上昇することは、特に達成される。閾値温度２１を低下するたびに、炭化水素２２の前記注入が好ましくは行われる。閾値温度２１は、同様に、酸化コーティングの点火温度よりも（例えば、少なくとも３０℃）高い。

図３の右側では、極端な低負荷フェーズ２４において、特にオーバーラン燃料遮断の比較的長い期間中に、発生可能な起こり得るシナリオを図示する。この場合、温度プロファイル２５は、閾値温度２１以下にかなり低下する。そうするとこの場合、適切な複数の炭化水素２２の増加する注入に加えて、電気エネルギー２３が、加熱装置によって断続的に追加的に供給される。前記組み合わされた測定については、監視される温度プロファイルが閾値温度２１を上回って動作することは、同様に急速に達成されることができる。

測定の範囲は、本発明による概念から逸脱することなく修正されてよいと指摘される。これは、加熱装置、排ガスにおけるその位置、センサ測定手段などの、別々の実施形態に特に関連する。方法は、適切な場合、他の内燃機関において有利に好都合でも明らかによい。

１…装置
２…内燃機関
３…加熱装置
４…酸化コーティング
５…シリンダ
６…燃料注入手段
７…自動車
８…ハニカムボディ
９…電圧源
１０…制御装置
１１…流れ方向
１２…ターボチャージャ
１３…排気ライン
１４…排ガス処理装置
１５…センサ
１６…ハウジング
１７…チャネル
１８…金属箔
１９…第１のセットポイント温度
２０…第２のセットポイント温度
２１…閾値温度
２２…炭化水素
２３…電気エネルギー
２４…低負荷フェーズ
２５…監視される温度プロファイル

Claims (7)

1. 過剰空気とともに作動される内燃機関（２）の排ガスの浄化のための装置（１）を作動する方法であって、前記装置（１）は、少なくとも部分的に排ガスと接触して、かつ、電気エネルギーによって活性化されることができて、かつ、少なくとも部分的に酸化コーティング（４）を有して形成される、少なくとも１つの加熱装置（３）を含み：
   ａ）前記少なくとも１つの加熱装置（３）が、あらかじめ決められた第１のセットポイント温度（１９）を上回って加熱されるステップ、
   ｂ）その後、前記少なくとも１つの加熱装置（３）または排ガスの少なくとも温度が監視されるステップ、および、
   ｃ）少なくとも、前記加熱装置（３）または排ガスの温度が、閾値温度（２１）に達したか、または、前記内燃機関（２）の低負荷フェーズ（２４）が存在する場合、排ガスの炭化水素留分の増加が始動されるステップ、
   を含む方法。
2. 前記酸化コーティング（４）上の排ガスの炭化水素の転換が、前記少なくとも１つの加熱装置（３）を、第２のセットポイント温度（２０）以下まで冷却することを妨げるように、排ガスの炭化水素留分の増加が実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記内燃機関（２）の複数のシリンダ（５）が、燃料注入手段（６）とともに提供され、ステップｃ）において、あらかじめ決められた量の燃料が、少なくとも１つの燃料注入手段（６）によって、前記少なくとも１つの加熱装置（３）に提供される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記内燃機関（２）のすべての前記シリンダ（５）のすべての前記燃料注入手段（６）は、燃料の前記あらかじめ決められた量の部分的な量をつねに提供する、請求項３に記載の方法。
5. 排ガスの炭化水素留分の前記増加は、前記内燃機関（２）のオーバーランフェーズにおいて行われる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ステップｃ）が、前記少なくとも１つの加熱装置（３）を、第２のセットポイント温度（２０）以下まで冷却することを妨げるかどうか決定して、そこにおいて負の評価の場合に、前記少なくとも１つの加熱装置（３）は、電気エネルギーによって追加的に断続的に活性化される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 過剰空気とともに作動され、かつ、各々燃料注入手段（６）をともなう複数のシリンダ（５）を有する内燃機関（２）を有し、および、前記内燃機関（２）において発生する排ガスの浄化のための装置（１）を有する自動車（７）であって、前記装置（１）は、電圧源（９）および制御装置（１０）に接続される電気的に加熱可能なハニカムボディ（８）の形態の少なくとも１つの加熱装置（３）を有し、前記自動車（７）および前記制御装置（１０）は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を実行するために準備されている、自動車（７）。

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