JP4544806B2 - リーン吸気運転中の内燃機関のための排気ガス再循環装置の排気ガス再循環率を制御するための装置と方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の特徴を有する、リーン吸気運転中の内燃機関のための排気ガス再循環装置（ＡＧＲ装置）の排気ガス再循環率（ＡＧＲ率）を制御するための装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リーン吸気運転する内燃機関の進歩する燃焼消費量の最適化が継続している中で、いわゆる成層吸気運転をできるだけ長く維持することが有利であることが分かっている。成層吸気運転中、燃焼すべき混合気は点火プラグの領域でのみ点火可能でなければならない。そのとき、燃焼室の残りの部分には、主たる新気と残留ガスが未燃燃料なしで存在する。この全部で非常に希薄な混合物はなるほど燃料消費量を減らすことはできるが、使用がアイドリング運転領域と部分負荷領域に制限される。
【０００３】
内燃機関の負荷の要求が全負荷の領域に近づくや否や、噴射システムを介して均一吸気運転が行われる。均一吸気運転中、燃焼室全体に均一な混合物が存在する。それとともに、燃焼室全体で自由になる新気が燃焼過程に加わる。均一吸気運転もリーン吸気条件の下で実施することができる。これには、噴射量、点火時間および噴射圧力のような、噴射システムにより調整可能な変数と並んで、空気−燃料構成物の制御のために空気質量流れが影響を及ぼす。そのとき、例えば吸気量を内燃機関の吸気管のスロットル弁により増加させるかまたは下げることができる。そのほか、空気質量流れとその構成物にＡＧＲ装置により影響を与えることが分かっている。
【０００４】
ＡＧＲ装置は排気ガス再循環ラインに配置された制御手段を有し、この制御手段には、最終的に所望のＡＧＲ率の調整または維持を実現する補正変数が制御装置を経て設定される。制御手段としては、例えば調整弁またはスロットル弁が問題になるが、そのとき補正変数は相応して調整弁の開口横断面であるかまたはスロットル弁の開放角である。
【０００５】
燃焼過程の間に、種々の割合で、一酸化炭素ＣＯ、未燃焼の炭化水素ＨＣまたは窒素酸化物ＮＯ_Ｘのような有害物質が形成される。リーン吸気条件の下では、ＣＯとＨＣの割合が比較的少なくかつ適当な酸化触媒の使用によりさらに低下させることができる。内燃機関のＮＯ_Ｘ原エミッションがリーン吸気条件の下で当然増加する。なるほど、ＮＯ_Ｘもいわゆる還元触媒についてはＨＣまたはＣＯのような還元媒体の助けでさらに分解することができるが、一般にそのために必要な還元媒体マスがリーン吸気運転では存在しない。
【０００６】
除去対策のために、一方では、リーン吸気運転中のＮＯ_Ｘ原エミッションを低下させようと試みることができるかまたは検出されたＮＯ_Ｘを吸収器にリーン吸気条件の下で収納するように試みることができる。そのとき、第一の方法は、リーン雰囲気におけるＮＯ_Ｘの形成が線状に増加しないで、λ約１，１の空燃比のときに極大に延びることを利用する。もちろん、このラムダ範囲は均一吸気運転中の燃料消費量の最適化を考慮すれば好都合である。ＮＯ_Ｘ原エミッションがＡＧＲ率の上昇とともに低下することは知られている。しかしながら、不利なことは、ＮＯ_Ｘ原エミッションがＡＧＲ率に非常に鋭敏に反応するので、例えば±３％の高さの予調整の偏差が−５０から＋１００％までの範囲のＮＯ_Ｘ原エミッションの偏差になり得ることである。
【０００７】
排気ガス路に追加して、場合によっては還元触媒でＮＯ_Ｘ貯蔵触媒にまとめることができるＮＯ_Ｘ吸収器を配置すれば、なるほど発生するＮＯ_Ｘ原エミッションを収納できるが、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒の再生の調整が妨げられる。再生のために、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒が少なくとも短期間にリッチな排気ガスで作用されなければならず、しかもＮＯ_Ｘ貯蔵触媒が使い果たされる前に作用されなければならない（再生の必要）。再生の必要は、通例ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒のためのもしくは燃焼過程中に発生するＮＯ_Ｘ（ＮＯ_Ｘ原エミッション）のためのモデルをもとにして決定される。ＮＯ_Ｘ原エミッションで高い偏差になり得る、ＡＧＲ率の予調整の上記の不正確さの故に、周知のモデルでは再生の調整のために高い公差を受け入れなければならない。このことが原因して、再生周波数が不必要に高くなり、その結果として燃料消費量も不必要に高くなる。さらに、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒のＮＯ_Ｘ濃度のコントロールが困難になる。なぜなら、前述の大きさの規模においてモデルが不正確である場合には、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒の不活性化に関して不正確に述べることしかできないからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
それ故、本発明は、リーン吸気運転中ＡＧＲ率のきわめて遙に正確な制御が可能であることにより、それと平行して、内燃機関のＮＯ_Ｘ原エミッションを検出するためのきわめて遙に正確なモデルを準備することができる、装置と方法を自由に使えるようにすることを課題の基礎とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明により、この課題は、独立請求項に記載された特徴を有する内燃機関のためのＡＧＲ−装置のＡＧＲ率を制御するための装置と方法により解決される。内燃機関の排気ガス路で測定されたエミッションからの、計算されたエミッションの偏差を検出しかつその偏差の高さに依存して排気ガス再循環装置の制御手段の補正変数のための補正値を決定する手段を設けることにより、リーン吸気運転中のＡＧＲ率の特別正確な調整を確保することができる。その方法は、リーン吸気条件および均一吸気条件の下で、特に１，００１から１，６までのラムダ範囲での内燃機関の運転に特に有利であることが分かっている。
【００１０】
そのために、その装置の手段は、ＡＧＲ装置をデジタル化された形で制御するためのプロセスが遅れて行われる制御装置を有する。制御装置は独立した制御ユニットとして実現することができるかまたは少なくとも既に存在するエンジン制御装置の部分であることもできる。
【００１１】
さらに、有害物質センサとして、ＮＯ_Ｘエミッションを測定するＮＯ_Ｘセンサを使用することが有利であることが分かっている。そのとき、ＮＯ_ＸセンサをＮＯ_Ｘ貯蔵触媒の下流に配置しかつそこで測定されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションを、計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションと比較することが有利である。そのとき、ＮＯ_Ｘセンサは、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒に関連する他の調整概念にも利用することもできる。
【００１２】
有利には、計算されたエミッションからの、測定されたエミッション（原エミッションと貫通エミッション）の偏差を、設定可能な測定間隔で決定することができ、その際測定間隔の継続時間が、計算されたＮＯ_Ｘ原エミッションおよび／または計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションに依存して決定される。その場合、検出された補正値の有効性を、付加的に、測定間隔の間、負荷状況に依存させることができる。このようにして、例えば、測定間隔の間負荷状況の切り換えにより生じ得る不正確さを考慮することができかつ場合によっては補正値の検出を中断することができる。
【００１３】
有利には、ＮＯ_Ｘ貫通エミッションは、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒の、モデルを作ったＮＯ_Ｘ濃度に基づいてまたは予め決定可能な、導入された時間間隔で検出されたＮＯ_Ｘ触媒のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて計算することができる。そのとき、ＮＯ_Ｘ濃度の検出は内燃機関のリーン成層吸気運転中に、特にλ＞１，８を有するラムダ範囲で行うのが好ましい。その時間間隔は高くても３０分であるのが好ましい。
【００１４】
さらに、補正値をエミッションの偏差のための特性曲線をもとにして決定するのが有利である。このようにして、例えば補正値のための最大値を設定することができる。同様に、補正値は、それが最小値を越えるときにのみ考慮できることとが考えられる。
【００１５】
本発明のさらに好ましい構成は、従属請求項に記載された残りの特徴から得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施の形態において付図により詳細に説明する。
【００１７】
図１は、排気ガス再循環装置１２が付設されている内燃機関１０の基本的回路を示す。燃焼過程中発生する排気ガスが排気ガス路１４を経て供給されかつ浄化のためにＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６を通って導かれる。ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の下流に、ＮＯ_Ｘセンサ１８が排気ガス路１４の領域に配置されている。さらに、内燃機関１０の吸気管２２に存在するスロットル弁２０を経て吸気量を調整することができる。そのような調整部はデジタル化した形でエンジン制御装置２４に後置することができる。さらに、エンジン制御装置２４を介して、内燃機関１０に付設されたその他の構成要素の制御装置を考えることができる。それ故、例えばここに示されていない噴射システムを介して噴射量または噴射時間を調整することができる。
【００１８】
排気ガス再循環装置（ＡＧＲ装置）１２は排気ガス再循環ライン２６に配置された制御手段２８を有し、この制御手段で排気ガス再循環率を調整できる。制御手段２８として、例えば調整弁またはスロットル弁が問題になる。そのために、エンジン制御装置２４を経て制御手段２８には、ＡＧＲ率のための目標値を調整するために導かなければならない補正変数が設定される。さらに、ＮＯ_Ｘセンサ１８により任意に処理された信号に依存した制御手段２８の制御は、明細書のその他の対象である。これに適したプロセスは、制御装置３０に、デジタル化された形で遅れて行われる。ここでは、制御装置３０はエンジン制御装置２４に一体化されているが、独立のユニットとしても実現することができる。
【００１９】
図２と３はそれぞれ、オットーエンジンまたはディーゼルエンジンにおいて、選び出された有害物質成分の延び具合を空気比ラムダに関して示す。明らかに、ここに示した、エンジン検査台で検出された個々の有害物質成分のエミッションが、使用されたエンジンの構造特有の特徴に依存しているので、最大、最小の位置およびその延び具合が相違し得る。しかしながら、原理的には、ディーゼルエンジンもしくはオットーエンジンにおける個々の有害物質成分のスケッチされた延び具合は、示された仕方で予期することができる。成層吸気運転から均一吸気運転に切り換えるときに−例えば増大した負荷の要求の結果として−、両方の運転様式について原理的に同様な延び具合を予期することができる。変曲点の位置も絶対的なエミッションももちろん互いに異なり得る。一般に、最大ほぼλ＝１，５までの均一吸気運転中のエミッションの高さは成層吸気運転よりも明らかに一層高いので、ＡＧＲ率の小さな偏差でも、ＮＯ_Ｘ原エミッションの偏差が実質的に一層高くなる。
【００２０】
通例、空気比ラムダは、オットーエンジンの場合きわめてはるかに狭い作動範囲で調整される。燃焼すべき気燃混合物の酸素割分の上昇とともに、一酸化炭素ＣＯや未燃焼の炭化水素のような有害物質成分の割合が低下する。他方の面では、窒素酸化物ＮＯ_Ｘのエミッションがラムダの増大とともに増加する。もちろん、この増加は安定しないで、ラムダλ＝１，１の空気比のときに最大になる。正に、この運転範囲はオットーエンジンの場合燃料消費量の最適化に関して好ましい。
【００２１】
一般に、ディーゼルエンジンは消費値の最適化の目的で明らかに一層高い空気比のときに運転されるが、定められた運転状況では、明らかに一層低いラムダ値以下の、特にλ＝１，５以下の運転が必要であり得る。粒子状物質エミッションの増加と並んで、ディーゼルエンジンのＮＯ_Ｘ原エミッションが著しく増加し、もちろんオットーエンジンの場合も、安定しないで延びる。
【００２２】
この実施の形態のように、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６は内燃機関１０の排気ガス路１４に配置されると、リーン吸気条件の下で、形成されたＮＯ_Ｘの吸収が行われる。吸収成分は有限の貯蔵容量しか有しないので、規則的な間隔を置いて再生をリッチな雰囲気に切り換えることにより行わなければならない。そのとき、リッチな雰囲気の下で、再生のために必要な還元媒体質量流れ（ＣＯおよびＨＣ質量流れ）が自由になる。必然的に、ＮＯ_Ｘ貫通エミッション（ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の下流のＮＯ_Ｘエミッション）をできるだけ少なく保つために、再生をできるだけ早く調整しなければならない。その場合、費用の理由から、なるほどＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の上流の第二のＮＯ_Ｘセンサの使用を考えられるが、費用がかかりすぎる。それ故、内燃機関１０のＮＯ_Ｘ原エミッションを計算できるモデルが引っ張り出される。そのようなモデルは周知でありかつこの箇所で詳細に説明する必要がない。言えることは、入力変数として空気比ラムダを考慮することがこれらのモデルに共通であることだけである。しかしながら、制御手段２８を介して調整されたＡＧＲ率が実際のＡＧＲ率と相違しているのが通例である。内燃機関１０をλ＝１〜１，５までの空気比の範囲で運転すると、その結果目標基準値からの、実際のＡＧＲ率のそれ自体少ない偏差がＮＯ_Ｘ原エミッションの高い偏差になり得る。それとともに、同様にＮＯ_Ｘ原エミッションを計算するためのモデルがひどく誤差にとりつかれており、かつ実際の再生周波数と、モデルを作ったＮＯ_Ｘ原エミッションに基づいて予期すべき再生周波数との間に大きな偏差が生じる。
【００２３】
図４は、ＡＧＲ率の制御を明らかに正確に行うことができるフローチャートを示す。まず、ステップＳ１で内燃機関１０の仮のＮＯ_Ｘ原エミッションが計算され、次にＮＯ_Ｘ貫通エミッションがＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の下流で検出される。上記の計算のために、新鮮なＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６のＮＯ_Ｘ濃度のために、知られたモデルを引き出すことができる。しかしながら、同様に、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の現在の実際の状況に基づいてＮＯ_Ｘ貫通を検出することができる。ＮＯ_Ｘセンサ１８を用いて、ＮＯ_Ｘ貫通がＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の下流で測定される。例えばλ＞２を有しかつ小さいエンジン負荷（＜３バール）を有する成層リーン吸気運転中の、少ないＮＯ_Ｘ原エミッションを有する内燃機関１０の運転状況では、実際のエミッションからの、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の前の計算されたＮＯ_Ｘエミッションの絶対偏差が非常にわずかであるので、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の実際の状況を充分正確につかむことができる。予め決定可能な、次の時間で例えば３０分の時間で、内燃機関１０がリーン吸気運転中高いＮＯ_Ｘ原エミッションで運転されると、ＮＯ_Ｘ濃度がこの時間でいずれにせよ微々たる変化をし、それ故ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒１６の下流のＮＯ_Ｘ貫通エミッションの計算のために実際のＮＯ_Ｘ濃度に基づくことができる。この方法で、予期すべきＮＯ_Ｘ貫通エミッションを上記の高温負荷または硫黄の害による触媒損傷に適合させること、ならびに触媒製造における一連の制御に適合させることが可能になる。それ故、この方法はＮＯ_Ｘ濃度の純粋なモデルを作ることよりも実質的に一層正確である。
【００２４】
引き続くステップＳ２では、下流でＮＯ_Ｘセンサ１８により検知された実際のＮＯ_Ｘ貫通エミッションからの、計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションの偏差が決定される。測定は設定可能な測定間隔で行われ、その継続時間は例えばＮＯ_Ｘ原エミッションおよび／または計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションをもとにして確定することができる。偏差が設定されたしきい値を越えるかどうかが検査される。これが当てはまらない場合には、その方法がこの位置で中断される。
【００２５】
ステップ３では、エミッションの偏差に依存して、ＡＧＲ率のための補正値が検出される。このことは、例えば、補正値をエミッションの偏差のための特性曲線から読みとるように行うことができる。そのような特性曲線を確定するために、少なくとも荷重状況を付加的に考慮することができる。このようにして、例えば均一吸気運転または成層吸気運転について種々の特性曲線を選択することができる。その上、場合によっては、例えば測定間隔内で夥しい負荷の切り換えが検出される場合に、これにより基礎になっているモデルに著しい不正確さが生じるので、既存の方法による制御を中断することができる。
【００２６】
取り分け、検出されたＡＧＲ率のための補正値は、次のステップＳ４でなお最大値により制限することができる。また、補正値が設定可能な最小値を越えるときにのみ、ＡＧＲ率の制御が確定されることも考えられる。最小値或いは最大値は走行挙動または走行状況に依存して決定することができる。場合によっては制限された補正値は、ステップＳ５で排気ガス再循環装置１２の制御手段２８のための補正変数を確定するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排気ガス路に排気ガス再循環装置およびＮＯ_Ｘ貯蔵触媒ならびにＮＯ_Ｘセンサを有する内燃機関の基礎的回路図である。
【図２】 オットーエンジン或いはディーゼルエンジンにおける空気比に関しての選び出された有害物質成分の延び具合を示す図である。
【図３】 図２と同様な図である。
【図４】 排気ガス再循環装置の排気ガス再循環率を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ ＡＧＲ装置
１４ 排気ガス路
１６ 貯蔵触媒
１８ ＮＯ_Ｘセンサ
２８ 制御手段
３０ 制御装置

Claims (17)

1. リーン吸気運転中の内燃機関のための排気ガス再循環装置（１２）（ＡＧＲ装置）の排気ガス再循環率（ＡＧＲ率）を制御するための方法であって、排気ガス再循環ライン（２６）に配置されたＡＧＲ装置（１２）の制御手段（２８）に、排気ガス再循環率の調整または維持を実現する補正変数が設定され、内燃機関（１０）の排気ガス路（１４）におけるＮＯ_Ｘ貯蔵触媒（１６）の下流で測定されたエミッションからの、計算されたエミッションの偏差が検出されかつ偏差の高さに依存してＡＧＲ装置（１２）の制御手段（２８）の補正変数のための補正値が決定される方法において、
   ＮＯ_Ｘセンサ（１８）により測定されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションが、ＮＯ _Ｘ 貯蔵触媒を貫通する計算されたＮＯ _Ｘ エミッションと比較されることと、
   計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションの検出が、内燃機関（１０）の成層リーン吸気運転で検出された、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒（１６）のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて行われることを特徴とする方法。
2. ＮＯ_Ｘ貫通エミッションの計算が、新鮮なＮＯ_Ｘ貯蔵触媒（１６）の、モデルを作ったＮＯ_Ｘ濃度に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ＮＯ_Ｘ貫通エミッションの計算が、予め決定可能な、制御のために予め導入された時間間隔で検出されたＮＯ_Ｘ貯蔵触媒（１６）のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて行われることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 予め決定可能な、制御のために予め導入された時間間隔が最大３０分になることを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか一つに記載の方法。
5. 内燃機関（１０）の均一吸気運転の間ＡＧＲ率の制御がリーン吸気条件の下で行われることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか一つに記載の方法。
6. ＡＧＲ率の制御が行われる前に、計算されたエミッションからの、測定されたエミッションの偏差が、設定されたしきい値を越えなければならないことを特徴とする請求項１から５までのうちのいずれか一つに記載の方法。
7. 前記エミッションの偏差が設定可能な測定間隔で決定され、その際測定間隔の継続時間が内燃機関（１０）のＮＯ_Ｘ原エミッションに依存しておよび／または計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションに依存して決定されることを特徴とする請求項１から６までのうちのいずれか一つに記載の方法。
8. 補正値がエミッションの偏差のための特性曲線をもとにして決定されることを特徴とする請求項１から７までのうちのいずれか一つに記載の方法。
9. 補正値が負荷状況に依存して付加的に確定されることを特徴とする請求項１から８までのうちのいずれか一つに記載の方法。
10. 補正値は、それが最小値を越えるときにのみ考慮されることを特徴とする請求項１から９までのうちのいずれか一つに記載の方法。
11. 補正値が最大値により制限されることを特徴とする請求項１から１０までのうちのいずれか一つに記載の方法。
12. 最小値および／または最大値が走行状況および／または走行挙動に依存して確定されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. リーン吸気運転中の内燃機関のための排気ガス再循環装置（ＡＧＲ装置）の排気ガス再循環率（ＡＧＲ率）を制御するための装置であって、排気ガス再循環ラインに配置されたＡＧＲ装置の制御手段に、排気ガス再循環率の調整または維持を実現する補正変数が設定され、内燃機関（１０）の排気ガス路（１４）のＮＯ_Ｘセンサ（１８）により測定されたエミッションからの、計算されたエミッションの偏差を検出しかつ偏差の高さに依存して、ＡＧＲ装置（１２）の制御手段（２８）の補正変数のための補正値を決定する手段が設けられている装置において、
    ＮＯ_Ｘセンサ（１８）により測定されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションが、ＮＯ _Ｘ 貯蔵触媒を貫通する計算されたＮＯ _Ｘ エミッションと比較されることと、
    計算されたＮＯ_Ｘ貫通エミッションの検出が、内燃機関（１０）の成層リーン吸気運転で検出された、ＮＯ_Ｘ貯蔵触媒（１６）のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて行われることを特徴とする装置。
14. この手段は、デジタル化された形でＡＧＲ装置（１２）を制御するためのプロセスが遅れて行われる制御装置（３０）を有することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 制御装置（３０）はエンジン制御装置（２４）の部分であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 制御手段（２８）が調整弁でありかつ補正変数は調整弁の開口横断面であるかまたは調整距離であることを特徴とする請求項１３から１５までのうちのいずれか一つに記載の装置。
17. 制御手段（２８）としてはスロットル弁でありかつ補正変数がスロットル弁の開放角であることを特徴とする請求項１３から１６までのうちのいずれか一つに記載の装置。

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