JP3553557B2 - 内燃機関における排ガス後処理のための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における排ガス後処理のための方法及び装置に関する。
【０００２】
放出に関して米国及びヨーロッパにおいて益々厳しくなる排ガス規制を満たさなくてはならない、今日の内燃機関では、オットー機関を備えた自動車において、電気運転式の切換え可能な二次空気ポンプが使用される。二次空気ポンプは排ガス後処理のために使用され、内燃機関の始動直後、３０〜６０秒の間作動させられる。始動段階中に、空気を排ガスに添加混合することによって、熱的な後燃焼が惹起され、この後燃焼は、排ガス系における触媒を素早く加熱するため及びそのコンバート率を高めるために役立つ。
【０００３】
【従来の技術】
ボッシュ社の刊行物「Otto-Motoren-Management, Grundlagen und Komponenten」イエローシリーズ、２００１年出版、技術報告（Technische Unterrichtung）第８２頁に基づいて、熱的な後燃焼によって空気・燃料混合物の、排ガス中になお残っている未燃焼の成分を、後燃焼させることが、公知である。希薄な混合物組成の場合、そのために必要な酸素はなお排ガス中に残留酸素として存在している。それというのは、このような残留酸素は燃焼中にコンバートされなかったからである。これに対して、冷機時始動における内燃機関においてしばしば必要な濃い混合物では、付加的に排ガス通路内に入れられる空気（二次空気）が触媒の加熱を加速する。発生する排気熱反応（exotherme Reaktion）は、未燃焼の炭化水素と一酸化炭素とを減じ、かつ他方では後燃焼が排ガス触媒を暖めて、排ガス触媒を素早く、その最適なコンバートを可能にする運転温度にもたらす。これによって内燃機関の暖機運転段階における最適なコンバート率を迅速に得ることができ、その結果触媒の運転準備が極めて早く生ぜしめられる。
【０００４】
しかしながら、自然吸気エンジンでは、排ガス中における未燃焼の炭化水素（ＨＣ）のかなりの部分が、内燃機関の先行する機関運転から発生し、弁特に弁皿のガス放出によって膜として吸気管の壁に沈着するか、又は触媒の前においてＨＣ負荷された残留ガスとして残ることになる。このような炭化水素分子は、機関の新たな始動時に触媒に向かって移動させられるまで、長い間、排気マニホルドの前に留まる。冷機時始動に際しては、機関がスタートするまで、シリンダは数回行程を行うので、このＨＣ負荷された残留ガスは低温の触媒に達してしまう。そしてそこでＨＣ負荷された残留ガスは中間滞在し、触媒がなお作動していないことに基づいて、一部はそのまま直接外部環境へと放出されてしまう。
【０００５】
また触媒における温度が露点にまで上昇すると、触媒内に中間滞在しているＨＣ負荷された残留ガスは、未燃焼のまま、外部環境へと放出されてしまう。内燃機関の始動段階中における二次空気ポンプの作動は、上記のような状況に対してはまったく影響を与えない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ゆえに本発明の課題は、ＨＣ負荷された残留ガスを触媒において十分に処理することができる、内燃機関における排ガス後処理のための方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明による、機関停止後に内燃機関のガスを処理する方法では、内燃機関が吸気マニホルドと排ガス触媒を備えた排ガス処理系と弁制御装置とを有しており、排ガス処理系に第１の二次空気供給部において、空気源の二次空気が供給可能であり、この場合下記の方法ステップを用いて行う：すなわち機関停止後に排ガス触媒がなお運転温度を有している時に、吸気マニホルドを外部に対して閉鎖し、クランク軸とは無関係な独立した弁制御装置を用いて、内燃機関のすべての燃焼室における吸気弁及び排気弁が、機関停止後に開放位置を占めるようにし、機関停止後に空気源を用いて空気流を生ぜしめ、該空気流を、第２の空気供給箇所において内燃機関の吸気マニホルド内に導き、さらに内燃機関の構成成分を通してもしくは該構成成分の周囲を、運転温度にある排ガス触媒に向かって貫流させるようにした。
【０００８】
また前記課題を解決するために本発明による、内燃機関における排ガス後処理のための装置では、内燃機関に、多方向弁に空気を供給する空気源が配属されており、多方向弁に二次空気供給導管が開口していて、該多方向弁から第１の二次空気供給部が排ガス処理系に分岐し、かつ第２の二次空気供給部が内燃機関の吸気マニホルドに開口しているようにした。
【０００９】
【発明の効果】
本発明において提案された方法によって内燃機関を運転すると、排ガス中におけるＨＣ残留物が機関停止後におけるなお高温の触媒において、供給された二次空気によって燃焼させられることに基づいて、排ガス中の未燃焼の炭化水素を著しく減じることができる。従って、触媒の残留熱を、排ガス中における未燃焼の炭化水素の後燃焼のために利用することができる。
【００１０】
そして生ぜしめられる空気流は、吸気管、弁皿、シリンダ壁などに固着するスロットルバルブの前のＨＣ分子を、機関を通して高温の触媒にまで運ぶ。この空気流を生ぜしめるために、二次空気ポンプと２方向弁とを使用することができる。空気流はスロットルバルブの後ろで吸気弁に向かって吸気管に導入され、この場合スロットルバルブは閉鎖ポジションを占めており、これによって生じた二次空気流が空気フィルタに向かって逃げることを回避することができる。内燃機関においてシリンダのすべての吸気弁及び排気弁が開放されていると、最良である。内燃機関における汎用の弁制御系では、シリンダのうちの少なくとも１つにおいて、吸気弁及び排気弁を開放位置にしておくことができ、これによって空気は触媒に向かって流れて、未燃焼のＨＣをため込む。
【００１１】
内燃機関における二次空気ポンプの使用の他に、空気流を生ぜしめる別の形態としては、内燃機関をスタータもしくはスタータジェネレータによって単に回転させ、これによってシリンダを貫流する空気流を発生させることが挙げられる。またトラックでは、触媒に向かって流れる空気流を、ブレーキ系の圧力空気レベルを利用することによって生ぜしめることが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１には、二次空気ポンプと内燃機関におけるその他の構成成分の配置形式が示されている。
【００１４】
内燃機関には吸気マニホルド１が配属されており、この吸気マニホルド１は吸気開口２を有しており、この吸気開口２を通して、燃焼のために必要な周囲空気が吸い込まれる。吸気マニホルド１に設けられた２つのスリーブ３；５の間には、空気質量測定装置４が受容されている。この空気質量測定装置４に後置されたスリーブ５の後ろには絞り装置６が設けられており、この絞り装置６は、吸気マニホルド１の自由に貫流可能な横断面を開閉するスロットルバルブ７を有している。このスロットルバルブ７は例えば電気的に制御され、多方向のデータバス４１，４７との接続部を介して、内燃機関に配属された、ここでは詳説しない制御装置４０と接続されている。内燃機関の吸気マニホルド１における絞り装置６には、吸気管圧力センサ８が後置されている。この吸気管圧力センサ８は吸気マニホルド１の拡大された横断面領域に受容されている。この領域には、排ガス戻し弁３５の後ろから分岐している供給導管（Einspeiseleitung）が開口している。排ガス戻し弁３５は同様にデータバスを介して制御装置４０と接続されている。
【００１５】
内燃機関１０はそのシリンダヘッド１１の領域に弁制御装置１２を有しており、この弁制御装置１２によって、内燃機関１０の各燃焼室２０に配属された吸気弁及び排気弁１９が制御される。図１に示された吸気弁は、タペット１３と該タペット１３に受容された弁皿１５と弁ばね１４とを有している。シリンダヘッド領域１１には吸気弁と排気弁１９との間に、点火コイル１８が配置されており、この点火コイル１８は、その下に配置されていた点火プラグ１７と接続されていて、この点火プラグ１７の点火電極は燃焼室２０に突入している。タペット１３と弁皿１５とから成る吸気弁の下には、燃料分配器もしくは噴射弁９が受容されており、この噴射弁９は供給導管を介して燃料タンクモジュール３３と接続されている。噴射弁もしくは燃料分配器９から流出する噴射コーンは、符号１６で示されている。
【００１６】
内燃機関１０の燃焼室２０内部において、連接棒２２を受容するピストン２１が昇降運動し、この場合連接棒２２を介して、燃焼室２０におけるピストン２１の鉛直方向における行程運動は、フライホイール２９の回転運動に変換される。フライホイール２９の位相位置を検出するためにフライホイール２９は、その外周面に歯パターンを備えており、この歯パターンは、回転数発信器２８によって検出される。ノックセンサ３１を用いて、燃焼室２０内における燃焼が監視される。ノックセンサ３１は同様にデータバスを介して、内燃機関の制御装置４０と接続されている。
【００１７】
内燃機関１０の燃焼室２０にはさらに温度センサ３０が配属されており、この温度センサ３０によって内燃機関１０の冷却媒体の温度が監視される。
【００１８】
内燃機関１０のシリンダヘッド領域１１にはさらにまた、位相発信器２３が受容されており、この位相発信器２３によって内燃機関の回転位置が監視され、この位相発信器２３もまた同様に、データバスを介して制御装置４０と接続されている。内燃機関１０の検出された位相位置に相応して、内燃機関１０の始動時には制御装置４０を介して、点火順序が決定され、かつこの点火順序に応じて噴射順序が決定される。位相発信器２３の下には、燃焼室２０の排気弁１９が示されており、この排気弁１９を介して、燃焼室２０内において燃焼した排ガスは排ガス処理系２４に流入する。排ガス処理系２４は、排ガスを浄化するために働く触媒２７を有している。排ガス触媒２７の前に排ガス処理系２４内には、第１ラムダセンサ２５が受容されている。排ガス処理系２４において排ガス触媒２７にはさらに第２ラムダセンサ２６が後置されている。両ラムダセンサは接続ラインを介して同様に、内燃機関に配属されたデータバス４１，４７と接続されている。両ラムダセンサ２５，２６によって、排ガス中になお存在する酸素分が検出されて、制御装置４０に送られ、その結果吸気マニホルド１におけるもしくは燃焼室２０内への噴射時における相応な混合気調整を行うことができる。排ガス処理系２４からは、排ガス戻し弁３５に排ガスを戻すための戻し導管が分岐しており、排ガス戻し弁３５を介して排ガスは、内燃機関の吸気マニホルド１に戻すことができる。
【００１９】
図１に略示された内燃機関にはさらに、二次空気ポンプ３７の形の空気源が配属されている。二次空気ポンプ３７は二次空気弁３８と共働し、この二次空気弁３８を介して空気は排ガス処理系２４に導かれる。二次空気供給部の開口箇所は符号３９で示されており、内燃機関１０のシリンダヘッド領域１１において排気弁１９の直ぐ後ろに位置している。従来技術に基づいて公知であるこのような二次空気源（Zusatzluftquelle）の配置によって、その都度の機関運転の開始の前に、空気の付加混合（Hinzumischung）によって、熱的な後燃焼が行われ、この後燃焼は、排ガス触媒２７をより迅速に加熱するため、ひいてはより迅速な準備及び排ガス触媒２７における十分なコンバート率（Konvertierungsrate）を保証するために役立つ。
【００２０】
図２には、内燃機関のシリンダヘッド領域において吸気弁の直前において吸気マニホルド内で二次空気流を生ぜしめることが示されている。
【００２１】
図１に示された実施例とは異なり、内燃機関１０とは無関係に配置された電気式駆動装置を備えた二次空気ポンプ３７の形をした付加的な空気源が、第１の二次空気供給導管４３を介して、２方向弁４２と接続されている。この２方向弁４２からは第１の二次空気供給導管４４が分岐しており、この二次空気供給導管４４は排ガス処理系２４において、内燃機関１０のシリンダヘッド領域１１の排気弁１９の直ぐ後ろで開口している。２方向弁４２からはさらに第２の二次空気供給導管４５が分岐しており、この二次空気供給導管４５の開口は、内燃機関の吸気マニホルド１に位置している。図２に示された実施例では第２の二次空気供給導管４５の開口は直接、燃料分配器もしくは噴射弁９の領域に位置している。二次空気ポンプ３７及び２方向弁４２は、接続ラインを介して内燃機関１０の制御装置と接続されている。データバス４１，４７を介して、内燃機関の個々の構成成分と制御装置４０との間においてデータを交換することができ、この場合データ流れは双方向で行われる。制御装置４０は特に診断インターフェース４６を有しており、さらに、権限のない者による内燃機関１０の始動を阻止するための、略示されたエンジン始動ロック（Wegfahrsperre）４８への接続部を有している。データバス４１，４７は例えばＣＡＮとして形成されており、内燃機関１０の構成成分と制御装置４０との間における摩擦のないデータ交換のために働く。
【００２２】
図２に示されている内燃機関１０は、カム軸案内された弁制御装置１２を備えていてもよい。変化実施例としては、内燃機関１０のシリンダヘッド領域１１における吸気弁及び排気弁のための弁制御装置１２を、クランク軸とは無関係に設計することが挙げられる。
【００２３】
内燃機関１０の停止後に、排ガス処理系２４に受容されている排ガス触媒２７は、ほぼその運転温度を有している。制御装置４０によって吸気マニホルド１内に受容された絞り装置６が制御され、その結果スロットルバルブ７は閉鎖位置に回動させられ、吸気マニホルド１を周囲に対して閉鎖する。さらに内燃機関１０は停止後に、その位相位置に関して次のような優先位置（Vorzugslage）を、すなわちカム軸制御される弁制御装置１２では内燃機関１０の少なくとも１つの少なくとも吸気弁１３，１５及び排気弁１９が開放されているような優先位置を、占める。その後で、例えば二次空気ポンプとして構成された付加的な空気源が制御され、その結果第１の二次空気供給導管４４及び第２の二次空気供給導管４５を介して、空気流が生ぜしめられ、この空気流は、吸気マニホルド１における開口に応じて、吸気管の壁に沈着した炭化水素（ＨＣ）、弁皿１５のガス抜きによって生じるＨＣ分子濃縮物、及び内燃機関１０の停止後に排ガス触媒２７の前に存在するＨＣ負荷された残留排ガスを、引き離して連行し、吸気マニホルド１から内燃機関１０の列挙された構成成分を通して排ガス処理系２４に搬送し、そしてなお運転温度にある排ガス触媒２７へと運ぶ。先行する機関運転の後で３０〜６０秒の時間、付加的な空気源が作動することによって、ＨＣ負荷された残留排ガスを燃焼し、これによってコンバートすることができる。
【００２４】
第２の二次空気供給導管４５において機関運転の後で内燃機関１０の吸気マニホルド１に供給される空気流は、例えばトラックにおいて所定の許容重量以上において使用されるように、車両ブレーキ系の圧力空気リザーバの開放もしくは接続によっても行うことができる。本発明による方法では、内燃機関１０の可能な限り多くの吸気弁及び排気弁がその開放位置を占めていると、特に有利である。このようになっていると、生ぜしめられた空気流はＨＣをガス抜きする構成成分の周りを流れることができ、ひいてはＨＣ分子を、なお運転温度にある排ガス触媒２７に向かって運ぶことができる。
【００２５】
クランク運転とは無関係な弁制御装置１２を有している内燃機関では、内燃機関１０のシリンダヘッド領域１１における吸気弁及び排気弁１９の適宜な制御によって、内燃機関１０の燃焼室２０のすべての吸気弁及び排気弁を、簡単に開放状態にすることができ、これによってすべての吸気弁及び排気弁が、生ぜしめられた空気流によって貫流され、ＨＣ負荷された残留ガスを排ガス触媒２７に運ぶことができる。カム軸案内される汎用の弁制御装置１２では、少なくとも１つの燃焼室２０において吸気弁もしくは排気弁１９が開放されている優先位置を、位相発信器２３によって検出し、そして制御装置４０に記憶することができる。この優先された位相位置を内燃機関は機関停止時に、制御装置４０によって付加空気源３７（車両ブレーキ系の圧力空気リザーバであれ、電気的に駆動される二次空気ポンプであれ）が制御される前に、占める。
【００２６】
機関停止後に内燃機関の構成成分を貫流するもしくはその周囲を流れる空気流を生ぜしめる別の可能性としては、次のこと、すなわち内燃機関の回転（Durchdrehen）をスタータもしくはスタータジェネレータを介して、点火出力をロックしかつ燃料供給を遮断して行うことが、挙げられる。このようにすると、空気流が吸気弁１３，１５もしくは排気弁１９の開閉によって内燃機関の個々の燃焼室２０を通して生ぜしめられ、これによってＨＣ負荷された残留排ガスを、排ガス処理系２４におけるなお運転温度にある排ガス触媒２７に供給することができる。そしてこの排ガス処理系２４もしくは排ガス触媒２７において、運ばれたＨＣ分子はコンバートされ、さらに、排ガス触媒の前に存在しているＨＣ負荷された残留排ガスが、排ガス触媒２７内において後燃焼させられる。
【００２７】
図示の実施例は本発明の基礎となる思想を示す実施例であり、第２の二次空気供給導管４５の位置は吸気マニホルド１において自由に選択可能である。第２の二次空気供給導管４５の開口が、吸気マニホルド１において絞り装置６の直ぐ後ろに位置している場合には、最大に可能な容積例えば吸気管における壁膜を、吸気マニホルド、燃焼室及び、空気流が周囲を流れる構成成分から排ガス処理系２４に搬送することができ、その結果、先行する機関運転の後でなお運転温度にある排ガス触媒２７において、ＨＣ分子濃縮物を最大可能にコンバートすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二次空気ポンプと内燃機関における他の構成成分との配置形式を示す図である。
【図２】内燃機関のシリンダヘッド領域において吸気弁の直前において吸気マニホルドに二次空気流を吹き込む形式を示す図である。
【符号の説明】
１ 吸気マニホルド、 ２ 吸気開口、 ３，５ スリーブ、 ６ 絞り装置、 ７ スロットルバルブ、 ８ 吸気管圧力センサ、 １０ 内燃機関、 １１ シリンダヘッド、 １２ 弁制御装置、 １３ タペット、 １４ 弁ばね、 １５ 弁皿、 １６ 噴射コーン、 １８ 点火コイル、 １９ 吸気弁もしくは排気弁、 ２０ 燃焼室、 ２１ ピストン、 ２２ 連接棒、 ２３ 位相発信器、 ２４ 排ガス処理系、 ２５，２６ ラムダセンサ、 ２７ 排ガス触媒、 ２８ 回転数発信器、 ２９ フライホイール、 ３１ ノックセンサ、 ３３ 燃料タンクモジュール、 ３５ 排ガス戻し弁、 ３７ 二次空気ポンプ、 ３８ 二次空気弁、 ３９ 開口箇所、 ４０ 制御装置、 ４１，４７ データバス、 ４２ ２方向弁、 ４３，４４，４５ 二次空気供給導管、 ４６ 診断インターフェース、 ４８ エンジン始動ロック

Claims (8)

1. 機関停止後に内燃機関のガスを処理する方法であって、内燃機関（１０）が吸気マニホルド（１）と排ガス触媒（２７）を備えた排ガス処理系（２４）と弁制御装置（１２）とを有しており、排ガス処理系（２４）に第１の二次空気供給部（３９）において、空気源（３７）の二次空気が供給可能であり、この場合下記の方法ステップを用いて行う：すなわち
   機関停止後に排ガス触媒（２７）がなお運転温度を有している時に、吸気マニホルド（１）を外部に対して閉鎖し、
   クランク軸とは無関係な独立した弁制御装置（１２）を用いて、内燃機関（１０）のすべての燃焼室（２０）における吸気弁（１３，１５）及び排気弁（１９）が、機関停止後に開放位置を占めるようにし、
   機関停止後に空気源（３７）を用いて空気流を生ぜしめ、該空気流を、第２の空気供給箇所（４５）において内燃機関（１０）の吸気マニホルド（１）内に導き、さらに内燃機関の構成成分（１，１３，１５，２０，１９，２４）を通してもしくは該構成成分の周囲を、運転温度にある排ガス触媒（２７）に向かって貫流させる
   ことを特徴とする、内燃機関における排ガス後処理のための方法。
2. 空気流を吸気マニホルド（１）において絞り装置（６）と内燃機関（１０）のシリンダヘッド領域（１１）との間において導入する、請求項１記載の方法。
3. 空気源として二次空気ポンプ（３７）を使用する、請求項１記載の方法。
4. 空気源として、車両ブレーキ系の圧力空気リザーバが働く、請求項１記載の方法。
5. 空気流を、スタータ／スタータジェネレータを用いて回転させられる内燃機関によって、点火出力をロックしかつ燃料供給を遮断した状態において生ぜしめる、請求項１記載の方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法を実施する装置であって、内燃機関（１０）に、多方向弁（４２）に空気を供給する空気源（３７）が配属されており、多方向弁（４２）に二次空気供給導管（４３）が開口していて、該多方向弁（４２）から第１の二次空気供給部（４４）が排ガス処理系（２４）に分岐し、かつ第２の二次空気供給部（４５）が内燃機関（１０）の吸気マニホルド（１）に開口していることを特徴とする、内燃機関における排ガス後処理のための装置。
7. 空気源が二次空気ポンプ（３７）である、請求項６記載の装置。
8. 空気源（３７）が車両ブレーキ系の圧力空気リザーバである、請求項６記載の装置。

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