JP2023551112A - 排出ガス後処理装置の少なくとも１つの構成要素に熱を導入するための方法、ソフトウェア、及び開ループ制御又は閉ループ制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（１５）の排出ガス後処理装置（１）の少なくとも１つの構成要素（１１、１２、１３）に熱を導入するための方法に関するものであり、当該方法においては、排出ガス流の部分流が、加熱触媒（２）内で燃料と少なくとも部分的に反応し、排出ガス流に再び供給され、加熱触媒（２）に供給される燃料の量及び／又は加熱触媒（２）に供給される部分流が、構成要素（１１、１２、１３）の上流及び／又は下流における排出ガス温度（Ｔｎ、Ｔｖ）に依存して開ループ制御又は閉ループ制御され、加熱触媒（２）に供給される燃料の量及び／又は加熱触媒（２）に供給される部分流は、少なくとも１つの加熱触媒特性マップ（３５）を用いて決定される。さらに、本発明は、記憶されたデータ及びデータを表しコンピュータネットワークを通じて伝送するために適した信号列を備えたデータキャリアと、当該方法を実行するための開ループ制御又は閉ループ制御装置と、に関する。

Description

本発明は、内燃機関の排出ガス後処理装置の少なくとも１つの構成要素に熱を導入するための方法に関するものであり、当該方法においては、排出ガス流の部分流が加熱触媒内で燃料と少なくとも部分的に反応し、排出ガス流に再び供給される。さらに、本発明は、当該方法を実行するための開ループ制御又は閉ループ制御装置及びコンピュータプログラムに関する。

内燃機関の排気管に、内燃機関の生の排出ガスを浄化する少なくとも１つの構成要素を配置することは、実践から知られていることである。この浄化には、しばしば、触媒によるポスト酸化、粒子のフィルタリング又は還元剤を用いた窒素酸化物の触媒反応が含まれる。場合によっては、排出ガス後処理又は排出ガス浄化の異なる方法ステップのための複数の構成要素を順次実行することも可能である。

当該構成要素が生の排出ガスの化学反応を可能にする限りにおいて、生の排出ガスを十分な効率で浄化するために、当該構成要素は通常、例えば２００℃以上又は３００℃以上のある一定の動作温度を必要とする。粒子フィルタは、既に周囲温度でも有効であり得る。しかしながら、粒子フィルタは、一定の負荷を加えられた場合に再生させる必要があり、これは通常、堆積した粒子を高温で酸化させ、燃焼生成物を気体として排出することによって行われる。

したがって、排出ガス後処理装置の全て又は少なくとも個々の構成要素を、熱エネルギーの供給によって、少なくとも部分的に加熱する必要性が存在する。これは、例えば、内燃機関の効率及び／又は汚染物質排出量に不利な影響を与えるものの、他方で、排出ガス後処理装置の構成要素に付加的な熱が導入されるように、生の排出ガスの排出ガス温度を上昇させる、エンジン内部における手段によって行われ得る。

さらに、特許文献１からは、内燃機関から排出される生の排出ガスの部分流が供給される加熱触媒を使用することが知られている。この生の排出ガスの部分流は、燃料と反応させられる。この際、一方では、内燃機関の運転管理とは無関係に、発熱反応によって熱を発生させ、排出ガス後処理装置に供給することができる。さらに、この既知の加熱触媒によって、供給された燃料から高引火性の合成ガスを生成することが可能になる。当該合成ガスを排出ガス触媒で発熱反応させ、排出ガス触媒内部で熱を直接発生させることが可能である。

しかしながら、この既知の装置は、内燃機関、特に自動車における内燃機関の動的なモードにおいて、排出ガスの質量流量及びその組成が変化するという欠点を有している。加熱触媒から排出ガス後処理装置の構成要素に放出される熱量は、供給される排出ガスの量、供給される燃料の量及び供給される排出ガスの組成に非線形に依存するので、加熱触媒によって放出される熱の大きな変動がもたらされる。さらに、排出ガス後処理装置の構成要素の温度制御は、無駄時間が長いため、より困難となる。

国際公開第２０２０／１９３５９５号

したがって、先行技術に基づいて、排出ガス後処理装置の少なくとも１つの構成要素への熱の導入をより確実に開ループ制御又は閉ループ制御し、一方では排出ガス後処理装置が後続のエミッションスリップによって冷却されることを防止し、他方では加熱のために不必要なエネルギーを使用しないようにするという必要性が存在する。

本発明によると、本課題は、請求項１に記載の方法と、請求項１２に記載の記憶されたデータ又はデータを表しコンピュータネットワークを通じて伝送するために適した信号列を備えたデータキャリアと、請求項１３に記載の開ループ又は閉ループ制御装置と、によって解決される。本発明の有利なさらなる発展形態は、従属請求項に見出すことができる。

本発明では、内燃機関の排出ガス後処理装置の少なくとも１つの構成要素に熱を導入するための方法が提案される。本発明のいくつかの実施形態において、内燃機関は、火花点火式内燃機関又はガソリンエンジンであってよい。本発明の別の実施形態では、内燃機関は、自己点火式内燃機関又はディーゼルエンジンであってよい。本発明に従って使用される内燃機関は、例えば乗用車又はトラック等の自動車の一部であってもよい。本発明の別の実施形態では、内燃機関は、建設機械又は船舶で使用され得る。本発明のさらに別の実施形態では、内燃機関は、定置式発電機又は圧縮機でも使用され得る。本発明に係る方法の利点は、特に動的モードにおいて、すなわち内燃機関の負荷要求が短時間に変化する場合に顕著である。これは、例えば、自動車、特に都市交通における自動車の場合である。

本発明に従って使用される排出ガス後処理装置の構成要素は、例えば、三元触媒であってもよい。本発明の別の実施形態では、構成要素は、酸化触媒、貯蔵触媒、ＳＣＲシステム及び／又は粒子フィルタから選択されていてよい。本発明のいくつかの実施形態では、複数の当該構成要素が排出ガス後処理装置内に存在していてもよく、内燃機関の生の排出ガスが、並行して、又は、順々に当該構成要素を貫流し得る。

本発明では、内燃機関の排出ガス流の部分流を、加熱触媒内で燃料と少なくとも部分的に反応させ、加熱触媒内で生成された生成物を排出ガス流に再び供給することが提案される。当該提案からは、熱を発生させるための装置が内燃機関から大幅に独立しているので、付加的な熱を発生させるために内燃機関を不利な動作条件下で動作させる必要がないという利点が明らかになっている。むしろ、内燃機関は常に、その時々で必要とされる機械力が、可能な限り少ない汚染物質及び／又は可能な限り低い燃料消費でもたらされるように動作し得る。

本発明に係る方法は、熱の導入のために設けられた排出ガス後処理装置の構成要素の流れ方向における上流及び／又は下流の排出ガス温度を決定し、加熱触媒から放出される熱量を、温度に依存して開ループ制御又は閉ループ制御することを目的としている。この際、加熱触媒から放出される熱は、参照変数である、供給される燃料の量及び／又は加熱触媒に供給される生の排出ガスの部分流の質量流量の影響を受け得る。したがって、本発明では、構成要素の上流及び／又は下流における排出ガス温度が、予め決定可能な目標値で一定に又は予め決定可能な変動幅の内に保たれるように、一方又は両方の影響変数を、少なくとも１つの排出ガス温度に依存して、加熱触媒から放出される時間単位当たりの熱に適応させることが提案される。本発明のいくつかの実施形態では、加熱触媒は、例えば、周囲空気供給装置や電熱装置等、さらなる参照変数を有することができる。これらは、同じ方法で制御することができる。この際、本発明のいくつかの実施形態では、加熱触媒に供給される燃料は、完全に又は少なくとも部分的に液体である。

排出ガス後処理装置の少なくとも１つの予め決定可能である位置において、このように制御される排出ガス温度の目標値は、内燃機関の運転中に変化し得る。例えば、差圧センサが粒子フィルタの許容できないほど高い負荷を検出し、粒子フィルタが粒子の酸化によって再生されるべき場合、粒子フィルタの上流の目標値を一時的に高めることが可能である。その後で、排出ガス温度の目標値は、時間に依存して、又は、粒子フィルタが再生された場合には測定値に依存して、再び低下させることができる。本発明の別の実施形態では、排出ガス温度は、例えば、動作のために最低温度を必要とする酸化触媒又はＳＣＲシステムの動作中に、特定の最小値を下回らないように制御され得る。例えば内燃機関の部分負荷運転によって、当該最低温度を下回る場合、本発明に従って使用される加熱触媒によって、付加的な熱を導入することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態では、排出ガス後処理装置の構成要素の上流及び／又は下流における排出ガス温度は、少なくとも１つの温度センサによって検出され得る。温度センサとしては、それ自体既知の方法で、温度に対応する電気信号を生成する熱電対又は抵抗温度計を使用することが可能である。このようにして検出された排出ガス温度の測定変数に依存して、加熱触媒の熱出力の操作変数を開ループ制御又は閉ループ制御するために、加熱触媒の参照変数に影響を与えることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、排出ガス後処理装置の構成要素の上流及び／又は下流における排出ガス温度は、内燃機関の運転状態から決定することができる。この特徴は、付加的なセンサを省くことを可能とし、これによって、運転の安全性を高めることを可能にする。例えば、触媒又は粒子フィルタの温度は、内燃機関で変換された熱出力、当該出力が排出ガスに放出された割合、及び、構成要素の上流における排気管の放熱から、外気温及び気流の流入速度に依存して計算又は表集計され得る。これによって、排出ガス流において温度センサを使用せずとも、構成要素の熱収支を作成し、生じている温度を導出することができる。

本発明のいくつかの実施形態では、排出ガス温度の一部を測定し、排出ガス温度の別の一部を計算することが可能である。例えば、酸化触媒の下流における測定温度及び内燃機関の運転状態から、酸化触媒の上流における温度を計算することが可能であり、その逆もまた然りである。本発明の別の実施形態では、酸化触媒の下流に位置するＳＣＲシステムの入口温度又は出口温度は、酸化触媒の下流における温度から決定され得る。

本発明のいくつかの実施形態では、排出ガス温度を決定するために用いられる内燃機関の運転状態は、内燃機関のエンジン制御部の現在適用されている特性マップ値又は特性マップ範囲から決定され得る。したがって、例えば、内燃機関の生の排出ガスの排出ガス質量流量を測定する必要性はもはや存在しない。その代わりに、排出ガス質量流量は、吸入空気量及び供給された燃料の量から、高精度で決定され得る。場合によっては、例えばラムダプローブの測定値、回転速度、アクセルペダル位置、ＥＧＲバルブの位置、冷却水温度、又はここで明示されていない他の値等の、さらなる特性マップを用いて、内燃機関の運転状態をより高い精度で決定することができる。

使用される種類の加熱触媒は、供給される燃料の量及び／又は加熱触媒に供給される生の排出ガスの部分流に依存して、熱放出の非線形の挙動を示す。したがって、本発明によると、加熱触媒に供給される燃料の量及び／又は加熱触媒に供給される生の排出ガスの部分流は、少なくとも１つの加熱触媒特性マップを用いて決定される。加熱触媒特性マップの入力変数は、例えば、内燃機関の排出ガス質量流量及び／又は生の排出ガスの酸素含有量及び／又は少なくとも１つの排出ガス温度及び／又は走行プロファイル及び／又はナビゲーション目的地及び／又は位置データ及び／又は少なくとも１つのバッテリの充電状態から選択され得る。この際、加熱触媒特性マップを用いた開ループ制御又は閉ループ制御は、特に、内燃機関の動作条件に適合している参照変数の目標値のみを制御機器に記憶された参照テーブルから読み出して、加熱触媒において設定する必要があるので、極めて動的なモードの場合であっても非常に迅速に制御を行うことができるという利点を有している。

本発明のいくつかの実施形態では、内燃機関の排出ガス質量流量及び／又は内燃機関の生の排出ガスの酸素含有量及び／又は少なくとも１つの排出ガス温度は、第１の基準制御型合成器を用いて決定され得る。本発明の目的に関して、このような基準制御型合成器は、内燃機関の既知の入力変数及び出力変数から測定不可能である変数を再構築するシステムを意味する。このために、合成器は内燃機関をモデルとして再現し、制御器を用いて、測定可能であり、したがって実際の内燃機関と比較可能である状態変数を更新する。このようにして、例えば、内燃機関の生の排出ガスの排出ガス質量流量は、排出ガス質量流量の測定に多大な技術的労力を要することなく、動作時間にわたってエラーの生成が増大することなく、吸入された空気質量及び供給された燃料の量から算出され得る。

本発明のいくつかの実施形態では、加熱触媒から放出される熱出力は、加熱触媒に供給される燃料の量及び／又は加熱触媒に供給される内燃機関の生の排出ガスの部分流及び／又は第２の基準制御型合成器を用いた生の排出ガス中の酸素含有量から決定することができる。したがって、熱出力又は加熱触媒から排出ガス後処理装置に導入される熱量の正確な測定値は、当該熱出力を大きな技術的労力で測定せずとも、温度制御のために常に利用可能である。

当該方法のいくつかの実施形態では、加熱触媒は、加熱触媒の空気比λが約０．７５と約３０との間である第２の動作状態を少なくとも有することができる。当該方法の別の実施形態では、加熱触媒は、加熱触媒の空気比λが約１．０と約１０との間である第２の動作状態を少なくとも有することができる。第１の動作状態は、バーナー運転とも呼ばれる。なぜなら、供給された量の燃料が、加熱触媒内で生の排出ガスの残留酸素と大部分又は完全に反応するからである。この第１の動作状態において、加熱触媒は高温ガスを放出し、当該高温ガスは、排気管を通じて排出ガス後処理装置の構成要素に供給可能であり、直接熱を導入することによって当該構成要素を加熱する。

本発明のいくつかの実施形態において、加熱触媒はさらに、加熱触媒の空気比λが約０．０５と約０．７との間である第４の動作状態を少なくとも有することができる。当該動作状態では、燃料の一部が発熱反応を行う。これによって放出された熱は、供給された燃料の別の部分を気化させ、排気管に気体状で排出するために用いられ得る。代替的又は付加的に、燃料は、加熱触媒での化学反応によって合成ガスに変換可能であり、当該合成ガスも同様に、排気管に排出される。合成ガス及び／又は燃料蒸気は、例えば排出ガス触媒で酸化可能であり、熱エネルギーを、排出ガス後処理装置の加熱されるべき構成要素に直接放出することが可能であり、これによって、当該構成要素は、より低い熱損失及び／又はより大きな熱出力で加熱される。

本発明のいくつかの実施形態において、加熱触媒は、少なくとも１つの電熱装置であって、第１の動作状態において、供給された燃料が加熱触媒において少なくとも部分的に反応し得る動作温度に加熱触媒をもたらすために使用される、電熱装置を含むことが可能である。これによって、加熱触媒は、コールドスタート後に動作温度までもたらされ得る。

本発明のいくつかの実施形態において、加熱触媒は、少なくとも１つの電熱装置であって、第８の動作状態において、加熱触媒に供給される内燃機関の生の排出ガスの部分流を加熱するために使用される、電熱装置を含むことが可能である。この実施形態では、利用可能な電気エネルギーに余剰がある場合、例えば内燃機関がオーバーランモードにあり、回復している場合に、燃料を供給せずとも、排出ガス後処理装置の少なくとも１つの構成要素に熱を導入することが可能になる。これらの実施形態のいくつかでは、加熱触媒に供給される電力は、少なくとも１つのバッテリの充電状態に依存させてよく、すなわち、電気エネルギーが充電電流として必要とされない場合、又は、走行の予測表示における位置データ及びナビゲーション目的地が、後の時点でのバッテリ充電を可能にする場合に初めて、加熱触媒が電気的に加熱される。バッテリは、スターターバッテリ及び／又はハイブリッド駆動の高電圧バッテリから選択可能である。

本発明のいくつかの実施形態では、加熱触媒に供給される内燃機関の生の排出ガスの部分流は、約３ｋｇ／ｈと約２００ｋｇ／ｈとの間であってよい。本発明の別の実施形態では、加熱触媒に供給される内燃機関の生の排出ガスの部分流は、約３ｋｇ／ｈと約１００ｋｇ／ｈとの間であってよい。本発明のさらに別の実施形態では、部分流は、約６ｋｇ／ｈと約８０ｋｇ／ｈとの間で選択されてよい。本発明のさらに別の実施形態では、部分流は、約６ｋｇ／ｈと約１５０ｋｇ／ｈとの間で選択されてよい。部分流は、生の排出ガスの酸素含有量に依存して、及び／又は、加熱触媒の所望の動作状態に依存して、及び／又は、加熱のための熱出力に依存して選択されてよい。

本発明によって提案された方法は、コンピュータプログラムがマイクロプロセッサ上で実行される場合に、本発明に係る方法を実行するコンピュータプログラムに実装され得る。コンピュータプログラムは、データが記憶されるデータキャリア上に存在してもよいし、又は、コンピュータネットワークを通じた伝送に適した、データを表す信号列の形で存在してもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、本発明は、本発明に係る方法を実行するために設定された開ループ制御又は閉ループ制御装置に関する。このために、開ループ制御又は閉ループ制御装置は、少なくとも１つのマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを有し得る。さらに、開ループ制御又は閉ループ制御装置は、コンピュータプログラムを記録するように設定されたメモリを含むことができる。開ループ制御又は閉ループ制御装置は、さらに、アナログ又はデジタルのインターフェースを含むことが可能であり、当該インターフェースは、例えば生の排出ガスの酸素含有量及び／又は排出ガス後処理装置の構成要素の上流及び／又は下流における排出ガス温度等のセンサデータを処理し得る。最後に、開ループ制御又は閉ループ制御装置は、デジタルのインターフェースを有することが可能であり、当該インターフェースは、内燃機関の現在の運転状態から加熱触媒の動作条件を導出するために、内燃機関のエンジン制御部からデータを受信するように設定されている。

以下において、一般的な発明思想を限定することなく、図及び実施例を用いて本発明を詳細に説明する。この際、以下が示される。

本発明に従って使用可能である排出ガス後処理装置の第１の実施例を示す図である。 本発明に従って使用可能である排出ガス後処理装置の第２の実施例を示す図である。 本発明に係る開ループ制御又は閉ループ制御装置のブロック図である。 第１の実施形態における、本発明に係る方法の構造チャートを示す図である。 第２の実施形態における、本発明に係る方法の構造チャートを示す図である。 第１の実施例における、本発明に係る方法の使用を示す図である。 第２の実施例における、本発明に係る方法の使用を示す図である。

図１を用いて、本発明に従って使用可能である排出ガス後処理装置１の第１の実施例について詳細に説明する。排出ガス後処理装置１は、排気管を通じて内燃機関１５に接続されている。内燃機関１５は、既知の設計の自己点火式内燃機関又は火花点火式内燃機関であってもよい。内燃機関１５は、周囲空気を吸い込み、供給された燃料と発熱反応を生じさせる。この際、内燃機関１５は機械力を放出する。内燃機関１５の運転中には、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏに加えて、ＣＨ_Ｘ、ＣＯ及び／又はＮＯ_Ｘのような汚染物質を含み得る生の排出ガスが発生する。

生の排出ガスは、排気管を通じて排出ガス後処理装置１に供給される。任意で、排気管にセンサ系、例えば生の排出ガスの酸素含有量を測定するためのラムダプローブを設置することができる。図示された第１の実施例では、排出ガス後処理装置１は、第１のＳＣＲシステム１３ａと第２のＳＣＲシステム１３ｂとを含んでいる。ＳＣＲシステムは、それぞれ、還元剤を添加することによって、生の排出ガス中の窒素酸化物を触媒によって還元するように設定されている。このためには、２２０℃以上、好ましくは２５０℃以上の温度が必要である。

流れ方向において、２つのＳＣＲシステム１３ａ及び１３ｂの間には、粒子フィルタ１２が配置されている。粒子フィルタ１２は、内燃機関１５の動作中に発生する細塵粒子又はスス粒子を留めるように設定されている。粒子フィルタ１２が使用量の増加に伴って目詰まりを起こした場合、粒子フィルタ１２を酸素供給下で一時的に高温に加熱し、堆積した粒子を酸化させて気体状で排出させることが可能である。

図１に示された第１の実施例では、第１のＳＣＲシステム１３ａ及び粒子フィルタ１２は、生の排出ガスの熱エネルギーがこれらの構成要素を動作温度に上昇させるか、又は、動作温度に維持するために十分であるように、エンジンの近くに取り付けられている。これに対して、第２のＳＣＲシステム１３ｂは、排気管のさらに下流に設置されているので、動作温度への到達は遅く、かつ／又は、内燃機関１５の部分負荷運転中に、その動作温度以下に冷却され得る。したがって、排出ガスの浄化は、部分負荷運転では十分には行われず、本明細書では、これをエミッションスリップと呼んでいる。

この問題を解決するために、第２のＳＣＲシステム１３ｂの上流には、加熱触媒２が配置されている。加熱触媒２には、排気管内を流れる生の排出ガスの部分流が供給される。さらに、加熱触媒には燃料が供給され、燃料は、排出ガス又は排出ガスに含まれる残留酸素と反応する。この際に発生する熱は、高温ガスの形で排気管に再び供給され、第２のＳＣＲシステム１３ｂ内にもたらされる。この付加的な熱の導入は、コールドスタート後と部分負荷運転中との両方で行うことが可能であり、したがって、一方では急速な加熱が可能になり、他方では運転中の冷却を防止することが可能になる。加熱触媒２は、内燃機関の全負荷又は全負荷に近い運転状態の際に、スイッチオフにすることができる。

図２を用いて、本発明に従って使用可能である排出ガス後処理装置の第２の実施例について詳細に説明する。同一の参照符号は本発明の同一の構成要素を示しているので、以下の説明は、重要な相違点に限定されている。図２は、酸化触媒１１を示しており、酸化触媒１１は、生の排出ガスの酸化可能な成分、例えばＣＯ及び／又はＣＨ_Ｘを後酸化するように設定されている。酸化触媒の下流には、上述したように、粒子フィルタ１２が配置されている。粒子フィルタ１２の下流には、特にＮＯ_Ｘの還元に用いられるＳＣＲシステムが配置されている。

図示された実施例においては、加熱触媒２は、酸化触媒１１の上流、かつ、内燃機関１５の下流に配置されている。したがって、運転中、加熱触媒２には、内燃機関１５からの予め浄化されていない生の排出ガスの部分流が供給される。

さらに、図２は、３つの温度センサ１１１、１１２及び１３２を示している。これらの温度センサは、酸化触媒の入口、酸化触媒の出口及びＳＣＲシステムの出口における排出ガス温度を測定する。これら３つの温度センサは、単なる例として理解されるべきものである。本発明の別の実施形態では、使用される温度センサの数は、より多くても少なくてもよい。場合によっては、図１を用いて上述したように、温度センサを全く使用しないことも可能である。この場合、温度は、例えば基準制御型合成器を用いて、内燃機関の運転状態から決定され得る。

図１及び図２に示した排出ガス後処理装置１は、単なる例として理解されるべきであることに留意されたい。本発明の別の実施形態では、例えば三元触媒や貯蔵触媒等、他の構成要素を使用することができる。同様に、個々の構成要素を省略することもできる。少なくとも１つの構成要素１１、１２、１３が排出ガス後処理装置１内に存在することのみが、本発明にとって重要である。

本発明の課題は、少なくとも１つの構成要素１１、１２、１３の動作温度に迅速に到達すること、及び／又は、特に下側部分負荷領域で生じ得る内燃機関１５の低い排出ガス温度において、少なくとも１つの構成要素１１、１２、１３の動作温度を維持することである。構成要素の上流及び／又は下流における排出ガス温度は、図２に示すように測定されるか、又は、内燃機関の運転状態から決定され得る。この第２の場合にも、例えば熱電対又は抵抗温度計によって直接測定していなくても、本明細書では当該温度を「測定値」と呼ぶ。

温度の測定値、当該測定値の予め決定可能な目標値からのずれ、排気管及び排出ガス後処理装置の上流側構成要素の熱容量、並びに、排出ガス後処理装置を通過する途中の生の排出ガスの熱損失又は熱利得から、操作変数として、加熱触媒２の必要とする熱出力が明らかになる。当該操作変数は、参照変数である加熱触媒２に供給される燃料の量と、加熱触媒に供給される排出ガスの量と、場合によっては加熱触媒２に供給される電気エネルギーと、による影響を受け得る。参照変数は、内燃機関１５の生の排出ガスの酸素含有量、排出ガス温度及び排出ガス質量流量に依存する。したがって、図３に示した開ループ制御又は閉ループ制御装置３の実施例は、加熱触媒特性マップ３５を使用している。加熱触媒特性マップ３５には、生の排出ガスの測定された温度、又は、第１の基準制御型合成器を通じてエンジン制御部１６のデータから決定された温度と、生の排出ガスの酸素含有量と、が供給される。同様に、開ループ制御又は閉ループ制御装置３には、任意で、エンジン制御部１６から読み出された測定値が、デジタルのデータリンク３５１を通じて供給される。それに続いて、開ループ制御又は閉ループ制御装置３は、加熱触媒特性マップ３５を用いて、参照変数を読み取り、設定することができる。

本発明のいくつかの実施形態では、エンジン制御部１６からのデータに加えて、さらなるデータが、開ループ制御又は閉ループ制御装置３に供給され、開ループ制御又は閉ループ制御装置３は、特性マップ制御又は計算によっても、加熱触媒２の参照変数をより迅速に又はより正確に制御することが可能である。これらのさらなるデータは、走行プロファイル及び／又はナビゲーション目的地及び／又は位置データ及び／又はバッテリの充電状態から選択され得る。例えば、車両が間もなく上り坂を走行し、これによって、内燃機関からの生の排出ガスの質量流量がより大きくかつ高温になることが分かっている場合、加熱触媒２の熱出力を既に先回りして低減することができる。同様に、下り坂を走行する際に内燃機関が部分負荷運転又はオーバーランモードでのみ動作することから生じる排出ガス後処理装置の構成要素の温度低下を回避又は低減するために、加熱触媒は、上り坂の勾配の終わりに既に先回りして作動し得る。同様に、例えば、高速道路を走行する場合よりも都市部では内燃機関１５の平均負荷が低くなることが予想されるので、位置データが、加熱触媒２の基本負荷範囲を決定するために用いられる。同様に、都市部での車両の運転は、より高い動態を示す可能性があるが、これに対して都市間走行では、より均等な負荷要求が内燃機関１５に課される。最後に、ナビゲーション目的地も、例えば、走行目的地に到達する直前に粒子フィルタ１２の再生を停止するか、又は、都市部の境界に到達するまで再生を延期することによって、加熱触媒２の制御に用いることができる。

図４は、本発明に係る方法の第１の実施形態の構造チャートを示している。第１の実施形態では、加熱触媒２は、参照符号５１～５７によって表される７つの異なる動作状態で動作可能である。図４に係るプロセス制御は、７つの動作状態が必ずしも順次実行されるという意味で理解されるべきでない。むしろ、少なくとも１つの温度が、測定によって直接的に、又は内燃機関の運転状態から間接的に、酸化触媒の下流で決定される。温度と、任意で他のパラメータ、例えば内燃機関の運転時間と、に依存して、加熱触媒２の図示された運転状態のうちの１つが選択される。酸化触媒の出口における温度が変化して、現在の動作状態がもはや適切ではなくなった場合、開ループ制御又は閉ループ制御装置は、温度に依存して、別の動作状態に変化する。この際、加熱触媒２の動作状態の頻繁な変化を回避するために、ヒステリシスを使用することができる。以下に、個々の動作状態についてより詳細に説明する。

第１の動作状態５１は、加熱触媒の始動を示している。このために、加熱触媒は、まず排出ガス質量流量の供給を受けて、任意の電熱装置を用いて、供給された燃料が加熱触媒で発熱反応を行い、加熱触媒をその動作温度までさらに加熱するまで予熱され得る。

第２の動作状態５２では、例えば約６０ｋｇ／ｈ～約１００ｋｇ／ｈの比較的大きな排出ガス質量流量が加熱触媒に供給される。加熱触媒は、約０．７５と約３．５との間、又は、約１．５と約２．５との間の空気比λで動作する。これによって、供給された燃料と、加熱触媒２に供給された排出ガスの残留酸素と、の略完全な反応がもたらされ、いくつかの実施形態では、加熱触媒は、高温ガスの形で、約５ｋＷ～約２０ｋＷの熱出力を放出できる。

第３の動作状態５３は、第１のサブステップ５３ａと第２のサブステップ５３ｂとの間で周期的に切り替えが行われる交互動作を示している。第１のサブステップ５３ａでは、動作条件は第２の方法ステップ５２における動作に略対応している。第２のサブステップ５３ｂでは、排出ガス質量流量が１０倍～２５倍、例えば約３ｋｇ／ｈ～約１０ｋｇ／ｈに減少し、加熱触媒は約０．０５～約０．５又は約０．１～約０．４の空気比λで動作する。第２のサブステップ５３ｂでは、供給された燃料は、完全に反応するのではなく、部分的に気化し、部分的に合成ガスに変換され、排気管を通じて酸化触媒に供給される。第１のサブステップ５３ａで供給された熱によって、合成ガスが酸化触媒で点火され、発熱反応が生じるので、約１３ｋＷ～約２０ｋＷの熱出力が酸化触媒で直接放出される。

第４の方法ステップ５４は、第３の方法ステップ５３の第２のサブステップ５３ｂと類似している。しかしながら、加熱触媒に供給される排出ガス部分流はより多く、約５ｋｇ／ｈから約２０ｋｇ／ｈの間であり得る。生の排出ガスの所定の割合が加熱触媒を通過するように制御を行うことが可能である。例えば、内燃機関の排出ガス流の約２％から約１０％の間、又は約３％から約８％の間が、部分流として、加熱触媒２に供給され得る。第４の動作状態５４では、加熱触媒は、約１０ｋＷ～約５０ｋＷ又は約１４ｋＷ～約３６ｋＷの熱出力を、引火性の合成ガスの形態で酸化触媒１１に導入することができる。したがって、第４の動作状態５４は、コールドスタート後、並びに、第１の方法ステップ５１において加熱触媒が始動し、第２の方法ステップ５２及び第３の方法ステップ５３において、排出ガス後処理装置のある程度の調整が行われた後での排出ガス後処理装置の急速加熱に特に適している。

排出ガス後処理装置が予め定められた目標温度まで加熱された後、加熱触媒２ａは、第５の方法ステップ５５において浄化され得る。このために、供給される部分流は再び増加し、例えば約５０ｋｇ／ｈ～約１００ｋｇ／ｈに増加する。供給される燃料の量は、第２の方法ステップ５２に対して減少させることが可能であり、加熱触媒２において放出される熱は、加熱触媒２における持続的な堆積及び汚染を防止するために、主に残留堆積物及び残留燃料を酸化させ気化させるために使用される。

第６の方法ステップ５６は、例えば、内燃機関１５が低部分負荷領域において低い排出ガス温度のみを生成するか、又は、オーバーランモードにおいて内燃機関に全く燃料が供給されない場合、保温モードに適している。第６の方法ステップ５６において、加熱触媒の熱出力は、約０ｋＷと約１０ｋＷとの間であり得る。このために、加熱触媒２には、約５ｋｇ／ｈ～約５０ｋｇ／ｈの生の排出ガスの比較的小さな部分流が供給され、加熱触媒は、約０．７５～約３．５又は約１．５～約２．５の空気比λで動作する。

加熱触媒２が高い排出ガス温度において持続的に必要とはされない場合、第７の方法ステップ５７においてスイッチオフすることも可能である。この場合、加熱触媒２には燃料が供給されないので、その設置状況ゆえに排出ガスの部分流が持続的に加熱触媒２を貫流する場合でさえも、加熱触媒２は熱を放出しない。

本発明のいくつかの実施形態では、方法ステップ５１、５２、５３及び５４は、コールドスタート後に循環的に実行され、予め決定され得る温度閾値に達した場合にそれぞれ、次の動作状態に切り替えられる。内燃機関の連続運転中に、排出ガス温度又は酸化触媒の温度目標値の実際値とのずれに依存して、動作状態５４、５５、５６及び５７の間で切り替えを行うことが可能である。個々の動作状態間の温度境界値には、動作状態の頻繁な望ましくない変化を回避するために、ヒステリシスを提供することが可能である。

図５を用いて、本発明に係る方法の第２の実施形態の構造チャートについて説明する。本発明の同じ構成要素又は同じ動作状態には同じ参照符号を付しているので、以下の説明は重要な相違点に限定される。内燃機関又は内燃機関を備えた車両のコールドスタート後、第１の方法ステップ５１において、加熱触媒が始動する。

加熱触媒２が動作が可能な状態になるとすぐに、開ループ制御又は閉ループ制御装置は、酸化触媒１１の上流及び下流における排出ガス温度が予め決定可能である境界値を超えているかどうかと、生の排出ガスの排出ガス質量流量が予め決定可能である最小値を超えているかどうかと、を調べる。酸化触媒１１の上流及び下流における排出ガス温度が予め決定可能である境界値を超え、生の排出ガスの排出ガス質量流量が予め決定可能である最小値を超えている場合、比較的少ない部分流と低い空気比とで、第４の動作状態を直ちに開始することが可能であり、これによって、酸化触媒を迅速に加熱することができる。酸化触媒１１の上流及び下流における排出ガス温度が予め決定可能である境界値を超えておらず、生の排出ガスの排出ガス質量流量が予め決定可能である最小値を超えていない場合、排出ガス後処理装置の構成要素は、まず、第２の動作状態５２に従って触媒を用いたバーナー運転で予熱される。

第４の方法ステップ５４で形成された熱フロントが、排出ガス後処理装置の全ての構成要素を貫通し、ＳＣＲシステムの出口における温度センサ１３２も、予め決定可能である境界値を超える値を検出するとすぐに、加熱触媒２は、上述の第６の動作状態５６に従って、保温モードに切り替えられる。

図５に係るプロセス制御は、加熱触媒２の開ループ制御又は閉ループ制御装置３が、内燃機関１５のエンジン制御部１６から動作データを読み取り、必要に応じて、残りの走行距離、地形及び道路等級等のさらなるデータを使用して、加熱触媒２の必要とされる熱出力を予め決定し、内燃機関の現在及び／又は将来の動作条件に基づいて、加熱触媒特性マップ３５を用いて、加熱触媒２の部分流及び燃料の量の各最適値を設定する点で、主に先行する制御とは異なる。このようにして、制御回路の無駄時間を除去することができるので、排出ガス後処理装置の構成要素の温度の目標値により早く到達することが可能であるか、又は、実際の温度の変動をより少なくすることができる。

図６は、図４に示した多段制御システムの第１の実施例における本発明に係る方法の適用を示している。図６ａ）では、左側の縦座標上に、曲線Ａで、生の排出ガスの排出ガス質量流量が、右側の縦座標上に、曲線Ｂで、排出ガスの酸素含有量が、秒単位の時間に対して示されている。図６ｂ）は、同じ時間軸上で、酸化触媒１１の下流における温度センサ１２の温度を、右側の縦座標上に曲線Ｃで、加熱触媒の出力を、曲線Ｄで、左側の縦座標上に示している。図６ｂ）には、目標値が４００℃の場合における測定値が示されている。図６ｃ）は、図６ｂ）と同様の測定値を示しているが、目標値は２８０℃である。

図６から明らかであるように、内燃機関１５の出力は、図示したＷＨＴＣサイクルの区間では時間的に一定ではなく、むしろ非常に動的である。そのため、排出ガス質量流量及び排出ガスの酸素含有量は、数秒のうちに変化する。図６ｂ）及び図６ｃ）がそれぞれ示すように、本発明に係る開ループ制御又は閉ループ制御装置を用いて、加熱触媒２を非常に迅速に制御することができるので、加熱触媒による熱の導入が、内燃機関による変動する熱の導入を概ね補償し、酸化触媒１１の下流における出口温度は小さな範囲で変動するのみである。したがって、内燃機関の部分負荷運転においても、酸化触媒１１をつねに使用することができる。エミッションスリップは発生しない。

図７を用いて、本発明に係る方法の適用を第２の実施例において、すなわち粒子フィルタ１２の再生について説明する。図７ａ）には、排出ガス質量流量が曲線Ａで示されている。図７ｂ）には、内燃機関の下流における生の排出ガスの排出ガス温度が、曲線Ｆで示されている。曲線Ｃには、酸化触媒の出口又は粒子フィルタの入口の温度が示されている。図７ｃ）は、生の排出ガスのＣＯ含有量を曲線Ｅで、ＣＨ_Ｘ含有量を曲線Ｇで示している。

粒子フィルタ１２の再生には、堆積した粒子を酸化して粒子フィルタ１２から気体状で排出するために、高い排出ガス温度が必要である。このために、先行技術では、エンジン内部における手段によって排出ガス温度が引き上げられるので、再生の間における消費量及びエミッションの値が悪化する。

図７が示すように、約６０秒後に加熱触媒２のスイッチを入れると、排出ガス温度が約２００℃から約６００℃まで急激に上昇する。排出ガス温度は、内燃機関に動的な負荷が要求され、それに伴って生の排出ガスの排出ガス質量流量が時間的に変動しても、加熱触媒によって、狭い温度領域内で一定に保たれる。曲線Ｅ、Ｆ、Ｇが示すように、再生のためのさらなるエンジン内部の手段は必要なく、すなわち生の排出ガスの温度はつねに２５０℃以下に留まっている。同様に、曲線Ｅ及びＧに示される汚染物質排出量は、先行技術に基づく場合とは異なり、粒子フィルタの再生中に増加することはない。

自明のことながら、本発明は、図示された実施形態に限定されるものではない。したがって、上記の説明は、限定的なものではなく、説明的なものとみなされるべきである。以下の特許請求の範囲は、言及された特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に存在していると理解されるべきである。これは、さらなる特徴の存在を排除するものではない。特許請求の範囲及び上述の説明が、「第１」及び「第２」の実施形態を特定している場合、この表記は、優先順位を決定するものではなく、２つの類似した実施形態を区別するために用いられる。

１ 排出ガス後処理装置
２、２ａ 加熱触媒
３ 開ループ制御又は閉ループ制御装置
１１ 構成要素、酸化触媒
１２ 構成要素、粒子フィルタ
１３ 構成要素、ＳＣＲ触媒
１３ａ 第１のＳＣＲシステム
１３ｂ 第２のＳＣＲシステム
１５ 内燃機関
１６ エンジン制御部
３５ 加熱触媒特性マップ
５１ 第１の動作状態、第１の方法ステップ
５２ 第２の動作状態、第２の方法ステップ
５３ 第３の動作状態、第３の方法ステップ
５３ａ 第１のサブステップ
５３ｂ 第２のサブステップ
５４ 第４の動作状態、第４の方法ステップ
５５ 動作状態、第５の方法ステップ
５６ 動作状態、第６の方法ステップ
５７ 動作状態、第７の方法ステップ
１１１、１１２、１３２ 温度センサ
３５１ デジタルのデータリンク、入力変数
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ 曲線
Ｔｎ、Ｔｖ 排出ガス温度
λ 空気比

Claims (13)

1. 内燃機関（１５）の排出ガス後処理装置（１）の少なくとも１つの構成要素（１１、１２、１３）に熱を導入するための方法であって、排出ガス流の部分流が、加熱触媒（２）内で燃料と少なくとも部分的に反応し、前記排出ガス流に再び供給される方法において、
   前記加熱触媒（２）に供給される燃料の量及び／又は前記加熱触媒（２）に供給される前記部分流が、前記構成要素（１１、１２、１３）の上流及び／又は下流における排出ガス温度に依存して開ループ制御又は閉ループ制御され、前記加熱触媒（２）に供給される燃料の量及び／又は前記加熱触媒（２）に供給される前記部分流は、少なくとも１つの加熱触媒特性マップ（３５）を用いて決定されることを特徴とする方法。
2. 前記構成要素（１１、１２、１３）の上流及び／又は下流における排出ガス温度が、少なくとも１つの温度センサ（１１１、１１２、１３２）を用いて検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記構成要素（１１、１２、１３）の上流及び／又は下流における排出ガス温度が、前記内燃機関（１５）の運転状態から決定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記内燃機関の運転状態が、エンジン制御部（１６）の現在適用されている特性マップ値又は特性マップ範囲から決定されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記加熱触媒特性マップ（３５）の入力変数（３５１）が、前記内燃機関の排出ガス質量流量、及び／又は、前記内燃機関の生の排出ガスの酸素含有量、及び／又は、少なくとも１つの排出ガス温度、及び／又は、走行プロファイル、及び／又は、ナビゲーション目的地、及び／又は、位置データ、及び／又は、少なくとも１つのバッテリの充電状態から選択されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記内燃機関（２）の排出ガス質量流量及び／又は前記内燃機関の生の排出ガスの酸素含有量及び／又は少なくとも１つの排出ガス温度が、第１の基準制御型合成器を用いて決定されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記加熱触媒（２）から放出される熱出力が、前記加熱触媒（２）に供給される燃料の量及び／又は前記加熱触媒（２）に供給される前記部分流から、第２の基準制御型合成器を用いて決定されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記加熱触媒（２）が、少なくとも第２の動作状態（５２）を有しており、前記第２の動作状態においては、前記加熱触媒（２）の空気比λは、約０．７５から約３０の間、又は、約１．０から約１０の間であり、かつ、
   前記加熱触媒（２）が、少なくとも第４の動作状態（５４）を有しており、前記第４の動作状態においては、前記加熱触媒（２）の空気比λは、約０．０５から約０．７の間であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記部分流が、約３ｋｇ／ｈから約１００ｋｇ／ｈの間、又は、約６ｋｇ／ｈから約８０ｋｇ／ｈの間で選択されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記加熱触媒（２）が、少なくとも１つの電熱装置であって、第１の動作状態において、供給された燃料が前記加熱触媒（２）において少なくとも部分的に反応し得る動作温度に前記加熱触媒をもたらすために用いられる、電熱装置を含み、かつ／又は、
    前記加熱触媒（２）が、少なくとも１つの電熱装置であって、第８の動作状態において、前記加熱触媒（２）に供給される前記内燃機関（１５）の生の排出ガスの部分流を加熱するために使用される、電熱装置を含んでいることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記構成要素（１１、１２、１３）が、酸化触媒（１１）及び／又は三元触媒及び／又はＳＣＲ触媒（１３）及び／又は粒子フィルタ（１２）から選択されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 記憶されたデータ、又は、データを表しコンピュータネットワークを通じて伝送するために適した信号列を備えたデータキャリアであって、前記データはコンピュータプログラムを表しており、前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムがマイクロプロセッサ上で実行される場合、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行するデータキャリア。
13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行するように設定されている開ループ制御又は閉ループ制御装置（３）。

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