JP4008810B2 - 内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物含有量の算出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物含有量の算出方法に関する。
【０００２】
内燃機関の運転中には、種々の汚染物質を含む排気ガスが、形成され、これらの汚染物質のレベルは、実質的に、燃料油／空気混合気の組成に依存する。特に、希薄燃料油／空気混合気、すなわち、ラムダ＞１、による運転の場合には、窒素酸化物（ＮＯｘ）レベルは高い。排気エミッションの規制は、極めて厳しい国もあるが、これを確実に順守するために、ＮＯｘ蓄積触媒コンバーターを用いることが知られている。しかし、所定の運転条件中に再生されるにもかかわらず、これらのＮＯｘ蓄積触媒コンバーターは、限られた蓄積能力しかもたない。したがって、生成される窒素酸化物を十分な量蓄積することは、必ずしも可能ではない。
【０００３】
この問題に対抗するために、ＤＥ １９８ ０１ ６２６Ａ１では、既に、内燃機関からの排気ガス中の触媒コンバーター（酸素および窒素酸化物の両方を蓄積する能力を有する）の診断方法が提案された。この方法においては、酸素濃度の減少、およびこれに続くセンサーの反応の間の第一の移相、ならびに引続く酸素濃度の増大、およびこれに続くセンサーの反応の間の第二の移相が記録されることが定められる。この方法においては、移相差が測定され、その差が予め定められた閾値に達しない場合には、誤り信号が蓄積および／または発信される。この方法により、内燃機関の運転、および燃焼中に形成される排気ガス中の窒素酸化物のレベルが影響されることはない。
【０００４】
ＥＰ ０ ７８３ ９１８Ａ１には、内燃機関（特に自動車用のディーゼル機関および直噴型火花点火機関）からの酸素含有排気ガス中の窒素酸化物含有量を低減する方法が開示された。この方法においては、窒素酸化物は、運転パラメーターの関数として排気ガスに計量される還元剤によって、触媒コンバーターで還元される。用いられる還元剤は、水素および／または炭化水素であり、内燃機関の第一の運転モードでは水素のみが触媒コンバーターの上流で排気ガスに供給され、第二の運転モードでは水素および炭化水素の両方が触媒コンバーターの上流で排気ガスに供給され、さらに第三の運転モードでは炭化水素のみが触媒コンバーターの上流で排気ガスに供給される。この場合には、また、内燃機関が作動する状態が、窒素酸化物留分の形成に関して影響されることはない。
【０００５】
したがって、本発明は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物含有量を算出する方法を提供するという目的に基づく。それによって、窒素酸化物エミッションが、実際に影響力を有する変数に基づいて算出される。
【０００６】
この目的は、請求項１の特徴を有する、内燃機関からの酸素含有排気ガス中の窒素酸化物含有量の算出方法によって達成される。
【０００７】
燃料油噴射を伴う内燃機関の開発においては、既に長い間、窒素酸化物エミッション（ＮＯｘエミッション）を計算で求めることが試みられた。これを達成することは、例えば、ＮＯｘエミッションを予め計算すること、試験計画、さらにまた指数化データおよびＮＯｘ値などの測定値の信頼性の確認に役立つであろう。しかし、ＮＯｘエミッションを計算で求めるのに用いられる現行のシミュレーションモデルは、不適当である。さらに、計算時間に対する極めて厳しい要求から、これらの計算モデルは、自動車で用いるための制御アルゴリズムを形成することが出来ない。
【０００８】
この問題は、また、ＳＣＲ触媒コンバーターを用いることに関連して、特に重要である。このタイプの触媒コンバーターに噴射される尿素の量は、ＮＯｘエミッションに対して固定比率にある。このことから、対応して正確な尿素の計量は、ＮＯｘエミッションが測定される精度の関数として実行されるものと、結論付けられるであろう。したがって、触媒コンバーターの効率は、増大される。
【０００９】
本発明により、この計算がＮＯｘエミッションに対する影響力を実際に有する変数からの数値に基づくことから、ＮＯｘエミッションを正確に計算することが可能になる。内燃機関からのＮＯｘエミッションのレベルは、主として局部温度、酸素濃度、および燃焼室におけるシリンダー装入物の滞留時間に依存する。後者の二変数は、用いられる空気、さらにまた燃料油の量に対するエンジンスピードを測定することによって、比較的容易に記録されるであろう。一方、燃焼室内のガス温度を測定することは、ずっとより困難である。
【００１０】
したがって、本発明により、窒素酸化物の形成に関連するガス温度に直接繋がる異種変数を用いることが提案される。ガス温度は、燃焼の重心（すなわち、燃料油の５０％が、ピストンの上死点（ＴＤＣ）に関して変換される位置）に正確に依存することから、ＮＯｘエミッションに対する参照変数として、重心または同様の変数（例えば、最大のエネルギー変換率の位置）を選択することが有利である。である。ＮＯｘエミッションのレベルは、燃焼の重心の値、ならびに記録された燃料油の量および空気の質量の値から、例えばニューラルネットワークによって計算される。
【００１１】
燃焼の重心を決定することは、好ましくは、燃焼室の圧力プロフィールを測定することによって達成される。この目的のため、圧力センサーが、燃焼室領域に備えられる。燃焼の重心を測定するこの方法は、極めて正確である。代わりに、重心を噴射の開始から計算して、燃焼の重心を決定するための専用モデルを用いることも、また可能である。
【００１２】
燃焼の重心を決定するために圧力センサーがある場合には、特に誤りを検知するために最大圧力を監視することに関して、運転モードなどを確立するために、またさらなる利点がある。
【００１３】
本発明のさらなる形態においては、再循環排気ガスの量が、センサーによって記録されて、対応する信号が電気回路に送られ、この信号がＮＯｘエミッションのレベルの計算に含まれる場合に、それは利点である。さらに、排気ガス中の酸素濃度が記録されて、対応する信号が電気回路に送られ、この信号がＮＯｘミッションのレベルの計算に含まれる場合に、それは利点である。全てのシリンダーを監視するために、また対応する圧力プロフィールを比較して、誤りを検知するために、圧力センサーが、各シリンダーに配置され、それにより燃焼室内の圧力プロフィールが、各シリンダーで記録され、さらにＮＯｘエミッションについて個々の計算が、各シリンダーに対して行われることが有利である。
【００１４】
さらに、高速運転の内燃機関の場合には、内燃機関の回転速度が記録され、対応する信号が電気回路に送られ、この信号がＮＯｘエミッションのレベルの計算に含まれることが好都合である。さらに、排気ガスストリーム中のＮＯｘ含有量を記録するＮＯｘセンサーを備えることが好都合である。得られた測定値は、計算されたＮＯｘエミッションのレベルと比較される。
【００１５】
本発明は、図面を引用して、以下により詳細に説明される。
【００１６】
図１は、四つのシリンダー２からなるシリンダーブロック１を示す。各シリンダーには、燃焼室領域に配置された圧力センサー３が割当てられる。これらの圧力センサー３は、接続ライン４によって、信号準備手段５の入力に接続される。信号準備手段５は、電子回路６の一部分であり、これには、また、エンジン電子回路７が含まれる。円盤８は、例として同時にフライホイールを構成するであろうが、内燃機関のクランクシャフト（図示せず）に取付けられる。この円盤８には、アングルマークトタランスミッター９が割当てられる。このアングルマークトタランスミッター９は、ライン１０を経て信号準備手段５の入力に接続される。
【００１７】
図２には、シリンダーブロック１が、シリンダー２の縦断面として図式で示される。ピストン１２は、シリンダー２内で置換可能に案内され、ピストン１２のトップサイドは、燃焼室１１の範囲を定める。トップサイドにおいては、シリンダー２は、シリンダーヘッド１３により閉めきられ、吸気バルブ１４および排気バルブ１７は、シリンダーヘッド１３に配置される。所望の燃焼空気は、吸気管１５から吸気バルブ１４を通ってシリンダー２中に流れるであろう。対応する空気の質量は、空気質量流量計１６で記録される。空気質量流量計１６は、ライン２２を経て電子回路６に接続される。
【００１８】
燃焼ガスは、排気バルブ１７を通って、触媒コンバーター配置（図示せず）に繋がる排気管１８中に送られる。排気ガス再循環ライン１９は、排気管１８から枝分かれし、空気質量流量計１６の下流で吸気管１５中に開いて備えられる。この排気ガス再循環ライン１９には、再循環ガス量センサー２０がある。これは、再循環される排気ガスの質量を記録し、対応する信号をセンサーライン２１を経て電子回路６に伝達する。
【００１９】
圧力センサー３（既に、図１に関連して説明された）は、シリンダーへッド１３内に配置され、接続ライン４を経て電子回路６に接続される。さらに、シリンダーへッド１３の周りには、噴射バルブ２５がある。これは、噴射ライン２６を経て噴射ポンプ２３に接続される。噴射ポンプ２３および噴射バルブ２５の間には、燃料油の質量を測定するための測定装置２４がある。この測定装置２４は、電気ライン２７を経て回路６に接続される。噴射ポンプ２３には、制御ライン２８が準備され、その他端は回路６にある。
【００２０】
図１および２に示される装置により、圧力センサー３を用いて燃焼室１１内の圧力プロフィールを測定することが可能となる。燃焼の重心Ｓは、圧力プロフィールから決定されるであろう。重心の位置は燃料油の変換率（縦軸）が５０％にあるクランク角である。この関係は、熱力学第一則 ｄＱ＝ｄＵ＋ｄＷに対応する。すなわち、供給されるエネルギーは、内部エネルギー＋ピストン仕事に等しい。重心Ｓの位置は、図３に示されるように、燃焼プロフィールが変化した際にクランク角（°ＫＷ：横軸）に関して変化する。重心Ｓは、供給されるエネルギーの５０％が変換されたところにある。図３の破線は、燃焼プロフィールの変化（例えばより遅い噴射の開始の結果である）と共に、重心の位置は、図３のＳ１で示されるように、また変化することを示す。
【００２１】
燃焼の重心Ｓの位置が、窒素酸化物エミッションＮＯ_ｘに直接影響を及ぼすという事実は、図４によって明瞭に示される。これから、単位燃料あたりのＮＯ_ｘエミッション（ｇ／ｋｇ：縦軸）が、重心Ｓが達するクランク角（横軸）が減少するにつれて、増大することが理解されるであろう。したがって、結果は、より遅いクランク角である重心Ｓ２の方が、重心Ｓ１よりも低いＮＯ_ｘ値である。
【００２２】
本発明は、ピーク圧力Ｐ_ｍａｘおよびその位置を、クランク角基準で監視するのに用いられるであろう。さらに、指標化されたシリンダーにおける燃焼の均一性に関して、監視を行うことが可能である。さらに、系の冗長性のために、さらなるＮＯｘセンサーを用いることが可能である。その場合には、測定値は、ＮＯｘの計算値と比較されるであろう。ＮＯｘの測定された値は、排気ガスの後処理系を制御調整するのに用いられるであろう。本発明は、試験台で試験を行うことに対してのみならず、特に自動車での使用に対しても適切である。すなわち、ＮＯｘエミッションの定常的な計算および監視が可能である車載診断法として知られるものに対しても適切である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、圧力センサーおよびエンジン電子回路を有するエンジンブロックを図式で示す。
【図２】 図２は、燃料油および空気が供給される内燃機関の縦断面を図式で示す。
【図３】 図３は、クランク角基準で、燃焼のプロフィールおよび重心の位置を示す。
【図４】 図４は、窒素酸化物エミッションが、クランク角基準で、重心の位置に依存する状態を示す。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物含有量を算出する方法であって、
   前記内燃機関を制御する電子回路（６）を設け、
   シリンダー（２）に供給される燃料油の量、および吸気管（１５）を流れる空気の質量が測定され、前記電子回路（６）に送られて記録され、
   燃焼の重心（Ｓ）が、エンジン運転の少なくとも一つの最新の測定値から決定され、
   前記決定された燃焼の重心（Ｓ）の値と、前記測定された空気の質量の値、及び、記録された該燃料油の量を用いて、窒素酸化物エミッションのレベルが前記電子回路（６）により算出されることを特徴とする排気ガス中の窒素酸化物含有量の算出方法。
2. 前記燃焼室（１１）の圧力プロフィールが、センサー（３）によって測定され、対応する信号が、前記電子回路（６）に送られ、
   前記燃焼の重心（Ｓ）が、前記圧力プロフィールを用いて決定されることを特徴とする、請求項１に記載の算出方法。
3. 前記電気回路（６）は、計算モデルが記録されたエンジン電子回路（７）を含み、該計算モデルによって、前記燃焼の重心（Ｓ）が、燃料の噴射の開始時間（Ａ）から計算されることを特徴とする、請求項１に記載の算出方法。
4. 前記燃焼室（１１）内の前記圧力プロフィールは、各シリンダー（２）ごとに記録され、窒素酸化物エミッションの別々の計算は、各シリンダー（２）ごとに行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の算出方法。

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