JP4663461B2 - 内燃機関の運転方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気領域内に少なくとも１つの触媒および１つのＮＯｘセンサが配置されている、内燃機関の運転方法およびその方法を実施するための運転装置に関するものである。

ドイツ特許公開第１９９０３４３９号に、内燃機関の排気領域内にＳＣＲ触媒（選択還元触媒）が配置され、ＳＣＲ触媒は内燃機関の排気ガス内に含まれている窒素酸化物を反応剤により窒素に還元する、内燃機関の運転方法および装置が開示されている。反応剤配量は、例えば回転速度および噴射燃料量のような内燃機関の運転特性変数の関数として行われることが好ましい。さらに、配量は、例えば排気温度またはＳＣＲ触媒の作動温度のような排気ガス運転特性変数の関数として行われることが好ましい。

反応剤として、例えば還元剤、即ちアンモニアが使用され、アンモニアは尿素水溶液から得ることができる。反応剤または反応剤原料の配量は、正確に決定されなければならない。配量が少なすぎると、その結果、ＳＣＲ触媒内において窒素酸化物はもはや完全には還元可能ではない。配量が多すぎると、溢流反応剤流量を形成し、溢流反応剤流量は、一方で不必要に高い反応剤消費量を形成し、他方で、反応剤の性質の関数として、不快な臭気トラブルを発生させることがある。さらに、アンモニアは有毒であることが考慮されなければならない。

ドイツ特許公開第１９７３９８４８号に、内燃機関のＮＯｘ未処理エミッションが内燃機関の既知の運転特性変数から少なくとも近似的に計算可能な方法が開示されている。出発点は特性曲線群であり、この特性曲線群は、内燃機関の回転速度およびトルクの関数として求められる。さらに、例えば空燃比（空気数）λの関数として補正が行われてもよい。

ドイツ特許出願第１０２００４０３１６２４号に、ＳＣＲ触媒内の反応剤充填レベルの設定吸蔵目標値への操作または制御が行われる、内燃機関の排気ガスを浄化するために使用されるＳＣＲ触媒の作動方法が開示されている。吸蔵目標値の適切な設定は、一方で、内燃機関の非定常状態において内燃機関のＮＯｘ未処理エミッションをできるだけ完全に除去するために十分な反応剤量が供給されること、および他方で溢流反応剤流量が回避されることを保証する。

ＳＣＲ触媒の反応剤充填レベルは触媒モデルにより決定され、触媒モデルは、ＳＣＲ触媒内に流入するＮＯｘ質量流量と、ＳＣＲ触媒から流出するＮＯｘ質量流量と、触媒温度と、並びに場合により溢流反応剤流量とを考慮する。ＳＣＲ触媒の最大可能反応剤充填レベルは、特にＳＣＲ触媒の作動温度の関数である。最大可能反応剤充填レベルは、作動温度が低いときに最高であり、作動温度の上昇と共により小さい値に低下する。ＳＣＲ触媒効率は触媒活性の関数であり、触媒活性は、作動温度が低いときに同様に小さく、作動温度の上昇と共に最大値を通過し、作動温度がさらに上昇すると共に再び低下する。

ドイツ特許第１９９６０７３１号に、内燃機関の排気ガス流内に存在するＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘセンサが開示されている。ＮＯｘセンサを作動させるために設けられている回路装置は、相互に相対的にきわめて小さいオフセットで電位設定を可能にする。

ドイツ特許第１９９６２９１２号に、同様に、排気ガス流内に存在するＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘセンサが開示されている。回路装置は、電極フィード・ライン内または電極間を流れる電流の関数として、センサ内部の電極に印加されている電圧が所定の目標値を有するように、供給される電圧を変化させる。

開示されているＮＯｘセンサは、拡散隔壁を介して相互に結合されている複数の室を有している。第１の室内において、第１の電解酸素ポンピング・セルにより、Ｏ_２濃度は所定の値に低下される。温度、電極材料の触媒作用並びにポンピング電圧のような第１の室内の条件は、この場合、ＮＯｘのＮ_２およびＯ_２への分解が発生しないように選択される。第２の室内において同様にＯ_２がポンピング排出される。第２の室内の第２のポンピング電極において、きわめて僅かなＯ_２濃度に至るまでさらにＯ_２がポンピング排出される。これにより、ＮＯｘの還元反応が促進される。このとき、第３のポンピング電極において電気化学的に還元が行われる。したがって、第２の室内の第３の電極におけるポンピング電流強度は、排気ガス内のＮＯｘ濃度に対する尺度として使用可能である。第３の室は周囲空気と結合され且つ空気基準電極を含む。既知の電流測定式二重室ＮＯｘセンサは、測定原理に基づき、アンモニア（ＮＨ_３）に対しても相互感度を有している。排気ガス内に含まれている、反応剤の例としてのアンモニアは、反応 ４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ によりセンサ信号に誤差を与える。

本発明の課題は、触媒内において必要とされる反応剤の溢流反応剤流量の発生ができるだけ少ない、内燃機関の排気領域内に少なくとも１つの触媒および１つのＮＯｘセンサが配置されている内燃機関の運転方法および装置を提供することである。

内燃機関の排気領域内に少なくとも１つの触媒が配置され、且つ触媒下流側に１つのＮＯｘセンサが配置されている、内燃機関の運転方法であって、触媒内において必要とされる反応剤が、反応剤に対しても相互感度を有するＮＯｘセンサにより測定される、内燃機関の運転方法において、内燃機関の所定の運転状態において選択信号が供給され、選択信号が発生したとき、ＮＯｘセンサから供給されたセンサ信号が、少なくとも溢流反応剤流量に対する尺度として評価される。

本発明による方法は、内燃機関排気領域内に配置されている少なくとも１つの触媒および触媒下流側に配置されている少なくとも１つのＮＯｘセンサから出発する。ＮＯｘセンサは、触媒内において必要とされる反応剤に対しても相互感度を有している。本発明により、内燃機関の所定の運転状態において選択信号が供給され、選択信号が発生したとき、ＮＯｘセンサから供給されたセンサ信号が、少なくとも触媒後方に発生する反応剤濃度に対する尺度として評価され、反応剤濃度は以下においては溢流反応剤流量と呼ばれる。

本発明による方法は、それ自身は好ましくないＮＯｘセンサの相互感度を利用することを可能にする。内燃機関の所定の運転状態の選択は、内燃機関がこのときできるだけ少ないＮＯｘ未処理エミッションを有するかまたはＮＯｘ未処理エミッションを全く有しいてないので、ＮＯｘセンサから供給されたセンサ信号は少なくとも近似的に相互感度に基づいてのみ発生し、したがって少なくとも近似的に溢流反応剤流量に対する尺度を表わすという観点から行われる。

更に、本発明による方法の有利な形態および変更態様が得られる。
本発明による方法の一形態は、内燃機関の所定の運転状態としてアイドリングが提供されるように設計されている。アイドリングは、内燃機関回転速度が設定可能な回転速度範囲内にあり、内燃機関に供給される燃料量が所定の燃料量しきい値以下または所定の範囲内にあることにより検出されることが好ましい。

本発明による方法の一形態は、内燃機関の所定の運転状態として惰性運転が提供されるように設計されている。惰性運転は、内燃機関回転速度が所定の回転速度しきい値以上にあること、および内燃機関に燃料が供給されないことにより検出されることが好ましい。

内燃機関回転速度および燃料信号はいずれにせよ供給されるので、追加のセンサは必要ではない。
触媒は、内燃機関のＮＯｘ未処理エミッションを反応剤で有害性のより少ない化合物に転化するＳＣＲ触媒として形成されていることが好ましい。反応剤として、例えばアンモニアが提供されている。反応剤は、触媒上流側において排気管内に直接注入されても、またはエンジン内部に供給されてもよい。例として提供された反応剤、即ちアンモニアは、例えば尿素水溶液または炭酸アンモニウムのような原料から得ることができる。

本発明の方法を実施するための装置は、第１に、該方法を実行するために設けられている制御装置に関するものである。
制御装置は特に、運転状態検出手段を含み、運転状態検出手段は、内燃機関の所定の運転状態が存在したときに選択信号を供給し、選択信号が発生したとき、ＮＯｘセンサにより測定されたセンサ信号が少なくとも溢流反応剤流量に対する尺度として評価される。

制御装置は、方法ステップをコンピュータ・プログラムとして記憶する電気メモリを含むことが好ましい。

図１は内燃機関１０を示し、内燃機関１０の吸気領域内に空気センサ１１が配置され、内燃機関１０の排気領域２０内に反応剤注入装置２１、触媒２２、ＮＯｘセンサ２３が配置されている。

触媒２２の手前に、内燃機関１０のＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫおよび反応剤流量ｄｍＲｅａｖＫが発生する。触媒２２の下流側に、触媒２２後方のＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫおよび溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫが発生する。

制御装置３０に、空気センサ１１は空気信号ｍｌを供給し、内燃機関１０は回転速度Ｎを供給し、触媒２２に付属する温度センサ３１は触媒温度ＴＫａｔを供給し、ＮＯｘセンサ２３はセンサ信号ＳｈＫを供給し、詳細には示されていない自動車の同様に詳細には示されていない加速ペダルはトルク目標値ＭＦａを供給する。

制御装置３０は、内燃機関１０に付属する燃料供給装置４０に燃料信号ｍＫを出力し、反応剤注入装置２１に付属する配量弁４１に反応剤信号ｍＲｅａを出力する。
制御装置３０は運転状態検出手段５０を含み、運転状態検出手段５０に回転速度Ｎおよび燃料信号ｍＫが供給される。惰性運転検出手段５２およびアイドリング検出手段５３を含む運転状態検出手段５０は選択信号５１を供給する。

選択信号５１はスイッチ６０のみならずメモリ６１にも出力される。スイッチ６０はセンサ信号ＳｈＫをメモリ６１と結合し、メモリ６１は溢流反応剤流量信号ＳＲｅａを供給し、溢流反応剤流量信号ＳＲｅａは加算器６２に供給される。

加算器６２は、溢流反応剤流量信号ＳＲｅａをセンサ信号ＳｈＫから減算し且つＮＯｘ信号ＳＮＯｘを供給する。
図１に示されている運転装置は次のように作動する。

制御装置３０は、トルク目標値ＭＦａの関数として、また好ましくはさらに空気信号ｍｌおよび／または回転速度Ｎの関数として、燃料信号ｍＫを特定する。トルク目標値ＭＦａは、本質的に詳細には示されていない自動車のドライバの希望に対応し、自動車内に内燃機関１０が駆動エンジンとして使用される。

内燃機関１０の運転状態の関数として多少の差はあるが高いＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫが発生し、触媒２２はＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫをできるだけ完全に除去すべきである。触媒２２はＳＣＲ触媒として形成されていることが好ましく、ＳＣＲ触媒はＮＯｘと反応剤との反応を支援し、反応剤は反応剤注入装置２１により排気領域２０内に配量注入されるかまたは場合によりエンジン内部に供給される。触媒２２のほかに、図示されていない他の触媒および／または粒子フィルタが排気領域２０内に配置されていてもよい。

反応剤の代わりにその原料が使用されてもよい。反応剤がアンモニアの場合、アンモニアの代わりにその原料として、例えば尿素水溶液が使用されても、または例えば炭酸アンモニウムが使用されてもよい。

反応剤量ないし反応剤流量は、排気領域２０内への注入において配量弁４１により決定され、配量弁４１は詳細には示されていない貯蔵容器と結合されている。制御装置３０は、配量信号ｍＲｅａにより、例えば配量弁４１の開口断面積を決定する。

配量信号ｍＲｅａによる反応剤配量は、例えば内燃機関１０のＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫに基づき、また場合によりＳＣＲ触媒２２の温度の関数として決定される。内燃機関１０のＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫは内燃機関１０の運転点の関数であり、内燃機関１０の運転点は少なくとも内燃機関１０のトルクにより与えられ、内燃機関１０のトルクは本質的に燃料信号ｍＫに対応する。この場合、さらに回転速度Ｎが考慮されることが好ましい。触媒温度ＴＫａｔを組み合わせることは、温度の関数としてのＳＣＲ触媒２２の反応剤吸蔵能力を考慮する。

温度測定のために温度センサ３１が設けられ、温度センサ３１は、ＳＣＲ触媒２２の手前上流側に配置されていても、直接ＳＣＲ触媒２２に配置されていても、またはＳＣＲ触媒２２の後方下流側に配置されていてもよい。この場合、温度センサ３１から供給された信号が触媒温度ＴＫａｔの少なくとも１つの尺度を表わしていることが重要である。温度測定の代わりに触媒温度ＴＫａｔの評価が行われてもよい。

ＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫ、ＳＣＲ触媒２２の手前の反応剤流量ｄｍＲｅａｖＫ並びにＳＣＲ触媒２２の作動条件の関数として、ＳＣＲ触媒２２の後方にＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫ並びに溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫが発生することがある。両方の排気ガス成分は好ましくないものである。高い反応剤配量は、ＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫを低下させる。この場合、与えられたＳＣＲ触媒２２の作動点において実際に存在する反応剤吸蔵能力の関数として、溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫが完全には排除されないことがある。溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫの測定に基づき、反応剤配量が最適に設定可能である。

溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫの測定は、原理的に特殊な反応剤センサにより可能である。大量生産におけるコストを低く維持するために、追加のセンサは好ましくないものである。本発明による方法は、冒頭記載の背景技術において開示されているＮＯｘセンサが反応剤に対しても相互感度を有することを利用する。相互感度を利用する理由は冒頭記載のとおりである。相互感度は、貴金属電極の触媒活性表面を加熱することにより上昇された温度において、ＮＯｘセンサ２３の作動によって支援される。アンモニアの一酸化窒素および水への転化はＮＯｘセンサ２３内のＮＯｘ部分を上昇させるので、ＮＯｘセンサ２３のＮＯｘ信号ＳｈＫは、ＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫおよび溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫの和を表わしている。

本発明による方法は、内燃機関１０ができるだけ少ないＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫを有する内燃機関１０の運転状態の決定を行う。この運転状態においては、ＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫが存在しないことにより、センサ信号ＳｈＫは、本質的に溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫを表わしている。

内燃機関１０の特定運転状態を決定するために運転状態検出手段５０が設けられ、運転状態検出手段５０に、例えば回転速度Ｎおよび燃料信号ｍＫが供給される。少ないＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫが発生しているかまたはＮＯｘ未処理エミッションｄｍＮＯｘｖＫが全く発生していない適切な運転条件は、内燃機関１０のアイドリング並びに特に惰性運転である。

惰性運転を検出するために惰性運転検出手段５２が設けられ、惰性運転検出手段５２は、回転速度Ｎが所定の回転速度下限値を超え且つ燃料信号ｍＫが０に等しいときに、内燃機関１０の惰性運転を検出する。内燃機関１０のアイドリングを検出するためにアイドリング検出手段５３が設けられ、アイドリング検出手段５３は、例えば回転速度Ｎが所定の範囲内にあり且つ燃料信号ｍＫが所定の燃料信号しきい値以下にあることによって、アイドリングを検出する。燃料信号ｍＫが所定の範囲内にあるかどうかが検査されてもよい。

運転状態検出手段５０が内燃機関１０の選択運転状態を検出した場合、運転状態検出手段５０は選択信号５１を供給し、選択信号５１は、ＮＯｘセンサ２３のセンサ信号ＳｈＫが少なくとも近似的に溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫのみを表わしていることを信号する。

選択信号５１はスイッチ６０に供給され、スイッチ６０は、センサ信号ＳｈＫをその出力において供給し且つメモリ６１に伝送する。メモリ６１は、溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫを表わす信号を、少なくとも、記憶されている値が更新可能となる適切な運転条件が存在するまで記憶するように設計されていることが好ましい。

図示の実施例においては、選択信号５１がスイッチ６０を閉じているかぎり、メモリ６１は、スイッチ６０の出力において既に発生している溢流反応剤流量信号ＳＲｅａを供給する。溢流反応剤流量信号ＳＲｅａは、配量信号ｍＲｅａを特定するために使用可能である。

溢流反応剤流量信号ＳＲｅａは、さらに、ＳＣＲ触媒２２後方のＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫを少なくとも近似的に決定するために使用されてもよい。内燃機関１０の運転条件が適合条件外にある場合、センサ信号ＳｈＫは、ＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫおよび溢流反応剤流量ｄｍＲｅａｈＫの和を表わしている。溢流反応剤流量信号ＳＲｅａをセンサ信号ＳｈＫから減算する加算器６２内における差の形成により、内燃機関１０の全運転の間におけるＮＯｘ濃度ｄｍＮＯｘｈＫを少なくとも近似的に表わしているＮＯｘ信号ＳＮＯｘが得られる。

ＮＯｘ信号ＳＮＯｘは、同様に、配量信号ｍＲｅａの特定に追加して、例えばＳＣＲ触媒２２内の反応剤充填レベルを制御する範囲内で使用されてもよく、ＳＣＲ触媒２２内の反応剤充填レベルの制御は、冒頭記載の背景技術において詳細に開示されている。

本発明による方法が実行される技術的周辺図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ 空気センサ
２０ 排気領域
２１ 反応剤注入装置
２２ 触媒（ＳＣＲ触媒）
２３ ＮＯｘセンサ
３０ 制御装置
３１ 温度センサ
４０ 燃料供給装置
４１ 配量弁
５０ 運転状態検出手段
５１ 選択信号
５２ 惰性運転検出手段
５３ アイドリング検出手段
６０ スイッチ
６１ メモリ
６２ 加算器
ｄｍＮＯｘｈＫ 触媒後方ＮＯｘ濃度
ｄｍＮＯｘｖＫ ＮＯｘ未処理エミッション
ｄｍＲｅａｈＫ 溢流反応剤流量
ｄｍＲｅａｖＫ 触媒手前反応剤流量
ＭＦａ トルク目標値
ｍＫ 燃料信号
ｍｌ 空気信号
ｍＲｅａ 反応剤信号（配量信号）
Ｎ 回転速度
ＳｈＫ センサ信号
ＳＮＯｘ ＮＯｘ信号
ＳＲｅａ 溢流反応剤流量信号
ＴＫａｔ 触媒温度

Claims (8)

1. 内燃機関（１０）の排気領域（２０）内に、内燃機関（１０）のＮＯｘ未処理エミッション（ｄｍＮＯｘｖＫ）を反応剤により有害性のより少ない化合物に転化する少なくとも１つの触媒（２２）が配置され、且つ触媒（２２）の下流側に、反応剤に対しても相互感度を有する１つのＮＯｘセンサ（２３）が配置されている、内燃機関（１０）の運転方法において、
   内燃機関（１０）のＮＯｘ未処理エミッション（ｄｍＮＯｘｖＫ）の発生が最少か、あるいはその発生がない内燃機関（１０）の運転状態において、運転状態検出手段（５０）から選択信号（５１）が供給されたとき、ＮＯｘセンサ（２３）から供給されたセンサ信号（ＳｈＫ）が、少なくとも溢流反応剤流量（ｄｍＲｅａｈＫ）を示す値として評価されることを特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 内燃機関（１０）の前記運転状態として、アイドリングが提供されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 内燃機関（１０）の前記運転状態として、内燃機関（１０）の惰性運転が提供されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
4. 選択信号（５１）が存在したとき、溢流反応剤流量（ｄｍＲｅａｈＫ）を表わすセンサ信号（ＳｈＫ）がメモリ（６１）に記憶されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
5. 触媒（２２）後方の測定されたＮＯｘ濃度（ｄｍＮＯｘｈＫ）を表す信号を得るために、溢流反応剤流量（ｄｍＲｅａｈＫ）を表す信号がセンサ信号（ＳｈＫ）から減算されることを特徴とする請求項４に記載の運転方法。
6. 前記反応剤として、アンモニアが提供されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の運転方法を実施するために少なくとも一つの制御装置（３０）が設けられていることを特徴とする内燃機関の運転装置。
8. 制御装置（３０）が、内燃機関（１０）のＮＯｘ未処理エミッション（ｄｍＮＯｘｖＫ）の発生が最少か、あるいはその発生がない内燃機関（１０）の運転状態において、選択信号（５１）を供給する運転状態検出手段（５０）を含み、運転状態検出手段（５０）から選択信号（５１）が供給されたとき、ＮＯｘセンサ（２３）から供給されたセンサ信号（ＳｈＫ）が、少なくとも溢流反応剤流量（ｄｍＲｅａｈＫ）を示す値として評価されることを特徴とする請求項７に記載の運転装置。

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