JP3209516B2 - 窒素酸化物蓄積触媒を含む内燃エンジン装置およびその運転法 - Google Patents

窒素酸化物蓄積触媒を含む内燃エンジン装置およびその運転法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、−関連のエンジン
排ガス・ラインを有する内燃エンジンと、−エンジン排
気ガス・ラインに設けたNOx蓄積触媒を含む排気ガス
浄化装置と、−エンジン・空気比を検知するλゾンデ
と、−脱硫制御系と、NOx蓄積触媒に2次空気を供給
する2次空気供給手段とを含み、高温において且つ濃厚
な触媒・空気比においてNOx蓄積触媒を周期的に脱硫
する手段と、を含む形式の内燃エンジン装置およびこの
種の装置の運転法に関する。この種の装置は、特に、自
動車に使用される。この種の装置は、窒素酸化物の排出
量を最少とするため、場合による他の排気ガス浄化コン
ポーネント以外に窒素酸化物(NOx)蓄積触媒を含む
排気ガス浄化装置を有する。この場合、よく知られてい
るように、窒素酸化物生成が増加するエンジン運転段
階、例えば、エンジン・空気比の希薄な、即ち、空気・
燃料比が化学量論的数値よりも大きい、運転段階におい
て、例えば、吸着操作によって、窒素酸化物を触媒中に
中間的に蓄積し、かくして、適切な以降の運転段階にお
いて、例えば、濃厚なエンジン・空気比において、即
ち、化学量論的数値よりも小さい空気/燃料比におい
て、例えば、対応する脱着操作によって、窒素酸化物を
再び遊離し、次いで、還元によって窒素に変換できる。
還元反応は、上記触媒または排気ガス路の他の触媒中で
または脱着プロセス中にエンジンの燃焼室に排気ガスを
もどして実施できる。
【0002】
【従来の技術】この種の装置の既知の問題点は、エンジ
ンの希薄運転の場合、硫酸塩生成によってNOx蓄積触
媒の硫黄中毒を招く二酸化硫黄が排気ガス中に含まれる
という点にある。この場合、硫黄は、燃料および/また
はエンジンオイルに起因する。このような硫黄中毒の結
果として、触媒のNOx蓄積容量が減少する。
【0003】W.Strehlauらの報告、“New
Developments inLean NOx
Catalysis for Gasoline Fu
eled Passenger Cars in Eu
rope”,SAE 962047,1996には、こ
のように硫黄で劣化されたNOx蓄積触媒を脱硫する方
式、即ち、中毒作用を有する硫酸塩を触媒から除去する
方式が記載されている。この場合、適切な条件は、60
0℃を越える高い排気ガス温度および濃厚な排気ガス組
成、即ち、触媒を通過する排気ガス中の化学量論的数値
以下の酸素または空気/燃料または未燃焼炭化水素比
(以下では、触媒・空気比と呼ぶ)である。
【0004】公開公報EP0636770A1には、運
転中に、存在するNOx蓄積触媒に対して脱硫操作を周
期的に実施する内燃エンジン装置が記載されている。こ
の場合、当該の脱硫操作の必要性は、当該のNOx再生
処理、即ち、触媒脱着処理の時間の把握から確認され
る。上記時間は、NOx蓄積触媒の下流に設けたλゾン
デの測定信号にもとづき求める。λゾンデは、ゾンデ設
置箇所の空気/燃料比を測定し、かくして、触媒の出口
側の触媒・空気比を求める。この比は、脱着操作におい
て窒素酸化物がもはや遊離されなくると直ちに、減少
する。なぜならば、この場合、排気ガス中に含まれる未
燃焼の炭化水素は、もはや、脱着された窒素酸化物の反
応のための還元剤として消費されることはないからであ
る。一定の運転点では、再生時間は、蓄積されたNOx
量に比例するので、蓄積されたNOx量を直ちに結論づ
けることができる。他方、希薄段階において蓄積された
NOx量は、例えば、触媒モデルにもとづき計算でき、
これから、関連の理論的な再生時間を計算できる。測定
した再生時間が、計算値よりも短い場合は、硫黄中毒に
よる触媒のNOx蓄積容量の減少が結論づけられ、従っ
て、脱硫操作の必要性が結論づけられる。他方、触媒の
下流のNOxセンサによって、硫黄によるNOx蓄積触
媒の劣化を確認することができる。吸着操作中に上記セ
ンサにおいてNOx濃度が急激に上昇した場合は、NO
x蓄積容量の減少を意味する。脱硫実施に関して、上記
公報EP0636770A1には、内燃エンジンを希薄
のエンジン・空気比から濃厚なエンジン・空気比に切換
え、必要に応じて、更に、このためにNOx蓄積触媒に
配した電気加熱装置を賦活することが提案されている。
なぜならば、よく知られているように、エンジン排気ガ
スの温度が高ければ高い程、エンジンに供給される空気
/燃料混合物がより濃厚になるからである。脱硫操作
は、約10分間続行される。
【0005】冒頭に述べた種類の内燃エンジン装置は、
ドイツ特許公開第19522165A1号に開示されて
いる。この場合、脱硫操作の実施のため、当該のエンジ
ンシリンダについてより濃厚なエンジン・空気比および
より遅い点火時点を設定し、更に、NOx蓄積触媒の上
流で排気ガスに2次空気を供給する。脱硫操作は、エン
ジン調節装置によって制御する。この場合、対応する温
度センサによって検知された触媒温度が、エンジン・空
気比および点火時点の適切な調節によって、所望の高い
目標値に調節されるよう、制御を行うのが好ましい。こ
の場合、一部のシリンダを濃厚状態で運転し、残余のシ
リンダを希薄状態で運転する。この場合、シリンダの吸
気量は、濃厚な燃焼運転とともに適切に増量される。こ
の場合、エンジン出力の低下を避けるべきである。脱硫
操作は、それぞれ、所与の時間にわたって維持する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、エンジンの連続運転時にエンジンの運転状態にでき
る限り影響を与えることなくNOx蓄積触媒の周期的脱
硫処理が可能である、冒頭に述べた種類の内燃エンジン
装置およびその運転法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明にも
とづき、−触媒・空気比を検知するλゾンデがNOx蓄
積触媒の下流に配設してあり、そして−脱硫制御系が少
なくとも上記λゾンデの出力信号に依存して脱硫プロセ
スを調節することを特徴とする内燃エンジン装置、およ
び高温において且つ濃厚な触媒・空気比においてNOx
蓄積触媒の脱硫プロセスを周期的に実施し、脱硫プロセ
ス中、内燃エンジンを濃厚なエンジン・空気比で運転
し、2次空気供給手段を介してNOx蓄積触媒に2次空
気を配量し、少なくともNOx蓄積触媒の下流に設けた
λゾンデの出力信号に依存して、脱硫制御系によってエ
ンジン・空気比および2次空気供給率を調節することを
特徴とするその運転法を提供することによって解決され
る。
【0008】上記の内燃エンジン装置の場合、脱硫手段
は、NOx蓄積触媒の2次空気供給手段を含む。2次空
気に含まれる酸素は、排気ガスに含まれる還元剤(例え
ば、未燃焼炭化水素、水素および一酸化炭素)の一部と
発熱反応し、かくして、電気加熱装置などによって外部
から補足加熱する必要なくまたはエンジン自体によって
対応して高い排気ガス温度を提供する必要なく、脱硫、
即ち、硫酸塩再生に最適な高温に触媒を昇温できる。更
に、内燃エンジン装置は、NOx蓄積触媒の下流に設置
され触媒・空気比を検知するλゾンデを含む。対応し
て、上記の運転法にもとづき、脱硫操作中、排気ガス中
に対応する量の還元剤を提供するため、内燃エンジンを
濃厚なエンジン・空気比で運転し、同時に、NOx蓄積
触媒に2次空気を配量し、少なくとも、NOx蓄積触媒
の下流に設けたλゾンデの情報をエンジン・空気比およ
び2次空気供給率の調節に利用する。
【0009】NOx蓄積触媒の温度を検知する温度セン
サを、エンジン排気ガス・ラインのNOx蓄積触媒にま
たは上記触媒の下流に設けた装置の場合、NOx蓄積触
媒の温度またはこの触媒を通過する排気ガスの温度を検
知する温度センサが設けてある。この温度情報は、設定
すべきエンジン・空気比および/または設定すべき2次
空気供給率の決定に、かくして、触媒・空気比の決定
に、必要に応じて異なる態様で、例えば、触媒の過熱の
単なる防止方策として、または脱硫プロセス中、内燃エ
ンジン装置が、当該脱硫プロセスのために選択したエン
ジン・空気比とは無関係に、所要のトルクを伝達するよ
う、エンジン吸引路・絞り弁をトリガするように構成し
た方法の実施例にもとづきエンジン・空気比および/ま
たは2次空気供給率の対応する調節による所与の温度目
標値の調節に利用できる。
【0010】NOx蓄積触媒の下流のλゾンデによる触
媒・空気比の実際値の連続的監視方式は、エンジン・空
気比、触媒・空気比および/または触媒温度をセンサで
検知し、エンジン・空気比および/または2次空気供給
率の適切な調節によって所定の目標値に調節するように
構成した方法において、エンジン・空気比および/また
は2次空気供給率の適切な調節によって触媒・空気比を
触媒脱硫に最適な所定の目標値に調節するのに利用され
る。
【0011】脱硫制御系によって電気的にトリガされる
エンジン吸引路・絞り弁を更に特徴とする装置は、エン
ジン吸引路に、脱硫制御系によってトリガされる電気的
にトリガ可能な絞り弁を含む。この場合、上記脱硫制御
系は、例えば、中央のエンジン制御装置に組込むことが
できる。この方策は、脱硫プロセス中、内燃エンジン装
置が、当該脱硫プロセスのために選択したエンジン・空
気比とは無関係に、所要のトルクを伝達するよう、エン
ジン吸引路・絞り弁をトリガするように構成した方法に
おいて、脱硫段階中、内燃エンジンが、脱硫操作の推移
とは無関係に、所要のトルクを形成するよう、絞り弁を
適切に調節するのに利用される。かくして、エンジン出
力は保持され、かくして、自動車に使用した場合、車の
走行状態は、脱硫操作の実施および推移に影響されな
い。
【0012】本発明の有利な実施例を図面に示し、以下
に説明する。
【0013】
【発明の実施の形態】図示の内燃エンジン装置は、吸引
路2と、すべてのシリンダに共通の吸引路2の吸引管路
部分2aに設けた電気的にトリガ可能な絞り弁3とを有
する多気筒内燃エンジン1を含む。内燃エンジン1の
側には、排気ガス・ライン4が接続され、この排気ガ
ス・ラインにおいて、各シリンダから出る排気ガス排出
管路が、共通の排気ガス主管路4aに接続する。排気ガ
ス・ライン4には、排気ガス主管路4aに設けた窒素酸
化物(NOx)蓄積触媒5および本事例には関係のな
い、従って、図示してない1つまたは複数の触媒を含む
排気ガス浄化装置が配してある。NOx蓄積触媒5は、
公知の構造であり、排気ガスに含まれる窒素酸化物を周
期的に吸着し、変換のために再び脱着するのに役立つ。
排気ガス主管路4aには、NOx蓄積触媒5の上流に、
ゾンデ設置箇所の空気/燃料比を測定し、かくして、エ
ンジン・空気比を検知する第1λゾンデ6が設置してあ
る。第1λゾンデ6の出力信号は、特に絞り弁3をトリ
ガするエンジン制御装置7に供給される。更に、詳細に
は示してないが、上記出力信号は、内燃エンジン1への
燃料噴射を制御し、かくして、第1λゾンデ6で検知さ
れたエンジン・空気比の実際値を所望の目標値に調節で
きる。
【0014】必要に応じて間欠的に、中毒作用を有する
硫酸塩をNOx蓄積触媒5から除去できるよう、内燃エ
ンジン装置は、対応する脱硫手段を含む。上記脱硫手段
は、2次空気管路8および関連の2次空気ポンプ9の形
の2次空気供給手段と、エンジン制御装置7に組込まれ
た脱硫制御系とからなり、即ち、エンジン制御装置(脱
硫制御系)7は、NOx蓄積触媒5の脱硫プロセスも制
御する。この場合、特に、エンジン制御装置7は、2次
空気ポンプ9もトリガする。2次空気管路8は、第1λ
ゾンデ6とNOx蓄積触媒5との間で排気ガス主管路4
aに接続する。更に、NOx蓄積触媒の下流において、
温度センサ10が、排気ガス主管路4aに設置してあ
り、この設置箇所の排気ガス温度を測定し、かくして、
NOx蓄積触媒5の温度を検知する。温度センサ10の
出力信号は、同じく、エンジン制御装置7に供給され
る。図面に破線で示した如く、NOx蓄積触媒の下流
において、第2λゾンデ11が排気ガス主管路4aに設
置してあり、このゾンデの出力信号は、同じく、エンジ
ン制御装置7に供給される。このように設置した第2λ
ゾンデによって、ゾンデ設置箇所の空気/燃料比を測定
でき、かくして、NOx蓄積触媒5の空気/燃料比、即
ち、触媒・空気比を検知できる。
【0015】このように構成された内燃エンジン装置
は、以下に詳細に説明する如く、特殊な周期的脱硫操作
を特徴とする方法によって運転され、他方、装置の残余
の運転は、通常の態様で行われ、従って、ここでは詳細
に説明しない。特に、NOx蓄積触媒は、吸着運転方式
および脱着運転方式で交互に運転され、かくして、エン
ジンの希薄運転において窒素酸化物を吸着し、濃厚混合
気を使用するエンジン運転段階において窒素酸化物を再
び脱着し、従って、窒素酸化物は、触媒5自体において
または他の態様で(例えば、排気ガスを吸引路にもどす
ことによって)変換できる。さて、NOx蓄積触媒5
が、排気ガスに含まれる二酸化硫黄に起因する硫酸塩生
成によって、顕著な硫黄劣化、即ち、硫黄中毒を受けた
場合、上記触媒のNOx蓄積容量が減少され、その結
果、吸着操作中、触媒5の下流のNOx濃度が、比較的
急激に上昇し、この上昇は、上記箇所に設けたNOxセ
ンサによって図示してない態様で検知される。更に、N
Ox蓄積触媒5の再生時間、即ち、脱着操作時間が短縮
され、これは、既述の如く、例えば、NOx蓄積触媒5
の下流に設けたλゾンデ(例えば、図示の第2λゾン
デ)によって検知される。
【0016】さて、脱硫制御系、即ち、エンジン制御装
置7が、何れにせよ適切な態様で、NOx蓄積触媒5が
顕著な硫黄中毒を示すことを検知すると直ちに、脱硫操
作が誘起される。この場合、エンジン制御装置7は、第
1λゾンデ6の出力信号を介して対応する燃料噴射およ
びエンジン・空気比の実際値の帰還を行うことによっ
て、エンジン1のために十分に濃厚な空気/燃料混合物
を調節する。同時に、上記λゾンデは、電子絞り弁3を
対応してトリガすることによって、脱硫プロセスによっ
て決定されるエンジン・空気比とは無関係に、エンジン
の出力トルクを当該の所要目標値に適合させる。同時
に、エンジン制御装置7は、2次空気ポンプ9を賦活す
ることによって、2次空気管路8を介する排気ガス主管
路4aへの2次空気の配量を誘起する。このため、2次
空気管路8の排気口には、適切な配量装置が設けてあ
る。
【0017】かくして、NOx蓄積触媒5には、一方で
は、濃厚状態で運転されたエンジン1の排気ガスに含ま
れる還元剤、特に、未燃焼の炭化水素、水素および/ま
たは一酸化炭素が達し、他方では、2次空気に含まれる
空気中酸素が達して、触媒表面の還元剤の一部と反応す
る。この反応によって、多量の熱量が、遊離されてNO
x蓄積触媒を所望の如く加熱し、かくして、エンジンの
濃厚運転への切換えにより、排気ガス温度の低下が補
れる。この場合、触媒・空気比は、エンジン・空気比
および2次空気ポンプ9から配量される空気量から得ら
れる。NOx蓄積触媒5のこの空気比は、第2λゾンデ
11で測定する。
【0018】脱硫プロセスの最適な推移のために、脱硫
制御系としてのエンジン制御装置7は、NOx蓄積触媒
5に濃厚な空気比および十分な高温が存在するよう、第
2λゾンデ及び温度センサ10の出力信号に依存してエ
ンジン・空気比および2次空気流量を調節する。この場
合、2次空気量を一定とし、エンジン・空気比を2次空
気量に適合させ、かくして、脱硫プロセスに望ましい触
媒・空気比を形成できる。第2の可能性として、2次空
気量は可変であり、即ち、2次空気流量は調節自在であ
る。この場合、配量された2次空気量は、エンジン・空
気比に適合され、かくして、同じく、NOx蓄積触媒5
に所望の濃厚空気比が生ずる。
【0019】第2λゾンデ11を設置したことによっ
て、触媒・空気比を直接に求め、かくして達成される帰
還によって、硫酸塩分解に最適な数値、好ましくは、約
0,75〜0,99の数値に調節できる。同時に、温度
センサ10によって、硫酸塩分解に最適な温度を調節で
きる。この場合、550℃よりも高い温度を選択するの
が好ましい。更に、脱硫プロセス中、温度センサ10に
よって、触媒の有害な過熱を防止できる。即ち、当該の
脱硫操作中にNOx蓄積触媒の硫酸塩分解条件が最適と
なるよう、エンジン・空気比の関数である還元剤導入量
および2次空気を介して導入される酸素量を脱硫制御系
7によって調節できる。
【0020】NOx蓄積触媒5内の硫酸塩が、脱硫プロ
セスによって本質的に完全に分解されたならば直ちにー
これは、分解反応に関与する反応パートナのセンサ検知
によって確認できるか、十分に長時間の脱硫処理によっ
て保証できるー、NOx蓄積触媒5が吸着運転および脱
着運転で交互に操作される通常の運転条件に内燃エンジ
ン装置を再び切換える。ここで注意するが、自動車に内
燃エンジン装置を使用する場合、脱硫操作の周期的実施
は、車の走行状態に不利な影響を与えない。なぜなら
ば、エンジン制御装置7は、上述の如く、選択したエン
ジン・空気比とは無関係に電子絞り弁3を対応してトリ
ガすることによってエンジントルクを運転者の当該の要
望に適合させるからである。従って、連続の走行運転に
おいて、走行快適性を損なうことなく、脱硫操作を実施
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】NOx蓄積触媒および関連の脱硫手段を備えた
排気ガス浄化装置を含む内燃エンジン装置の方式構成図
である。
【符号の説明】
1 内燃エンジン 2 吸引路 2a 吸引管路部分 3 絞り弁 4気ガス・ライン 4a 排気ガス主管路 5 NOx蓄積触媒 6 第1λゾンデ 7 エンジン制御装置(脱硫制御系 8 2次空気管路 9 2次空気ポンプ 10 温度センサ 11 第2λゾンデ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F01N 3/24 F01N 3/24 R F02D 9/02 F02D 9/02 Q 41/04 305 41/04 305Z 41/14 310 41/14 310P 43/00 301 43/00 301E 301K 301T 45/00 312 45/00 312R (72)発明者 ベルント クルツチユ ドイツ連邦共和国 73770 デンケンド ルフ アイヒエンドルフシユトラーセ 8 (72)発明者 クリストフ シエーン ドイツ連邦共和国 73630 レムスハル デン ヴイルヘルム−エンスレ−シユト ラーセ 163 (72)発明者 デイルク フオイクトレンダー ドイツ連邦共和国 70825 コルンター ル−ミユンヒンゲン ヴアイリムドルフ ァー シユトラーセ 7 (72)発明者 ギユンター ヴエニンガー ドイツ連邦共和国 70599 シユツツト ガルト アルテ ドルフシユトラーセ 36A (56)参考文献 特開 平11−6422(JP,A) 特開 平6−288229(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/00 - 3/02 F01N 3/04 - 3/38 F01N 9/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 特に自動車のための、内燃エンジン装置
    であって、 −吸引路(2)およびガス・ライン(4)を有する
    内燃エンジン(1)と、−排 気ガス・ライン(4)に設けたNOx蓄積触媒
    (5)を含む排気ガス浄化装置と、 −エンジン・空気比を検知する第1λゾンデ(6)と、 −脱硫制御系(7)と、NOx蓄積触媒(5)に2次空
    気を供給する2次空気供給手段(8,9)とを含み、高
    温において且つ濃厚な触媒・空気比においてNOx蓄積
    触媒を周期的に脱硫する手段と、 を含む形式のものにおいて、−第1λゾンデ(6)が、NOx蓄積触媒(5)より上
    流で排気ガス・ライン(4)に設けられ、 −2次空気供給手段(8,9)が、第1λゾンデ(6)
    とNOx蓄積触媒(5)との間で排気ガス・ライン
    (4)に開口し、 −触媒・空気比を検知する第2λゾンデ(11)が、N
    Ox蓄積触媒(5)の下流に配設してあり、そして −脱硫制御系(7)が、少なくとも第2λゾンデ(1
    1)の出力信号に依存して脱硫プロセスを調節する、 ことを特徴とする内燃エンジン装置。
  2. 【請求項2】 NOx蓄積触媒の温度を検知する温度セ
    ンサ(10)を、排気ガス・ライン(4)のNOx蓄積
    触媒(5)にまたは上記触媒(5)の下流に設けたこと
    を特徴とする請求項1の内燃エンジン装置。
  3. 【請求項3】 脱硫制御系(7)によって電気的にトリ
    ガされる絞り弁(3)を吸引路(2)に設けたことを
    徴とする請求項1たは2の内燃エンジン装置。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
    内燃エンジン装置の運転法において、高温において且つ
    濃厚な触媒・空気比においてNOx蓄積触媒(5)の脱
    硫プロセスを周期的に実施し、脱硫プロセス中、内燃エ
    ンジン(1)を濃厚なエンジン・空気比で運転し、2次
    空気供給手段(8,9)を介してNOx蓄積触媒に2次
    空気を配量し、少なくとも第2λゾンデ(11)の出力
    信号に依存して、脱硫制御系(7)によってエンジン・
    空気比および2次空気供給率を調節することを特徴とす
    る方法。
  5. 【請求項5】 エンジン・空気比、触媒・空気比および
    /または触媒温度をセンサ(6、10、11)で検知
    し、エンジン・空気比および/または2次空気供給率の
    適切な調節によって所定の目標値に調節することを特徴
    とする請求項4の方法。
  6. 【請求項6】 脱硫プロセス中、内燃エンジン(1)
    が、当該脱硫プロセスのために選択したエンジン・空気
    比とは無関係に、所要のトルクを伝達するよう、吸引路
    (2)の絞り弁(3)をトリガすることを特徴とする請
    求項4または5の方法。
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