JP4707292B2

JP4707292B2 - 内燃機関の運転モード制御方法

Info

Publication number: JP4707292B2
Application number: JP2001506361A
Authority: JP
Inventors: ポット，エッケハルト
Original assignee: フォルクスワーゲン・アクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP2003503622A; CN1358254A; DE19929292A1; DE50006166D1; EP1194683A1; WO2001000972A1; CN1185407C; EP1194683B1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は請求項１の上位概念に挙げた特徴を有する内燃機関の運転モードの制御方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
内燃機関の運転モードの制御のために、内燃機関の少なくとも一つの運転パラメータを少なくとも一時的に調節することにより、運転モードの調整を行わせる手段を内燃機関に設けることが知られている。また、排気管に配設された適当な触媒により、内燃機関の排出ガスを浄化することが知られている。このような触媒には、とりわけＮＯｘ吸着触媒が含まれている。
【０００３】
内燃機関の空気と燃料との混合気の燃焼過程にて、不定の割合のガス状有害物質が発生する。この有害物質は、一方では還元剤として、他方では酸化剤として作用する。ＣＯ、ＨＣ又はＨ２のような還元剤は、酸素と燃料との比が理論空燃比以下又は理論空燃比である条件の下で多量に発生する（λ≦１；再生運転）。
これに対して、空気と燃料との混合気中の酸素が優勢であれば、内燃機関は希薄燃焼運転にあり（λ＞１）、排出ガスの還元剤の割合が低下する。ところが、内燃機関のダイナミックな運転中には、還元剤を触媒で酸素により十分に酸化させることがたいてい可能である。
【０００４】
そのほか、燃焼過程では酸化剤、例えばＮＯｘ及びＳＯｘが生成される。これらは、再生運転時に吸着触媒で還元剤により還元される。
希薄燃焼運転では、還元はもはや十分に行われないが、このような条件の下で酸化剤が吸着触媒に貯蔵される。その場合には、ＮＯｘ脱着温度に到達するか又は吸着触媒のＮＯｘ吸着容量が消尽されるまでＮＯｘの吸収が行われる。従って、吸着容量が消尽される時点の前に、吸着触媒の下流のＮＯｘ放出を減少させるための再生運転に切り換えなければならない。
【０００５】
そこで、触媒の平均温度に基づいて運転モードを制御することが知られている。その場合には、触媒の温度は、排気管に付設されたセンサによって検出するか又は周知のように適当なモデルによって計算することができる。
ところが、前記触媒の温度が所定の限界温度を超えるときは、同時に、還元されずにＮＯｘが脱離することを防止するための再生運転への切り換えが開始される。他方では、十分なＮＯｘ吸着容量を保証するために、吸着触媒を最低使用温度まで加熱しなければならない。そこで、所定の最低温度に達するまで内燃機関を再生運転で操作することが知られている。その場合には、このような運転での排出ガス温度は一般に希薄燃焼運転の場合より高くなる。
しかし、その場合には、燃料消費の増加を我慢しなければならない。従って、燃料消費を減少させるためには、再生運転の持続時間をなるべく小さくすることが必要である。
【０００６】
また、吸着触媒は、必要に応じて所定の間隔で脱硫することが知られている（ＳＯｘ再生）。このために、内燃機関の再生運転がセットされる。
ところが、脱硫するには、はるかに高い最低脱硫温度が必要である。従来の方法では、この場合にも最低脱硫の平均温度だけが基礎になっており、この温度から再生運転への切り換えが行われている。
しかし、場合によっては吸着触媒の一部の領域だけが最低脱硫温度を超えたときには、すでに脱硫を開始させるのが適切である。
【０００７】
本発明の根底にあるのは、内燃機関の運転モードの制御において吸着触媒の内部における不均質な温度経過を、特に簡単、かつ、柔軟に考慮することを可能にする方法を提供するものである。
そして、これに伴って燃料消費の減少を図るものである。
【０００８】
（発明の概要）
本発明によればこの課題は請求項１で挙げた特徴を有する内燃機関の運転モードの制御方法によって解決される。
（ａ）吸着触媒を所定のマトリックスに従って複数の触媒セルに分割し、
（ｂ）各触媒セル毎にセル温度を決定し、
（ｃ）少なくとも一つの触媒セルのセル温度に従って内燃機関の運転モードを決定することによって、内燃機関の運転モードを実際の触媒状態に適応させることが可能となる。
【０００９】
その場合には、少なくとも一つの触媒セルにおいて、セル温度が所定の下限温度と所定の上限温度との間にあるときは、λ＞１にして内燃機関の希薄燃焼運転モードをセットすることが好ましい。なお、この下限温度は、最低運転温度を超え、かつ、吸着触媒の全体として十分なＮＯｘ吸着容量が得られるように選定される。また、上限温度は、ＮＯｘ脱離温度（NOx-Desorptionstemperatur）よりも低くされる。
従って、前記触媒の平均温度がすでに上限温度を超えたが、それでもなお、少なくとも一つの触媒セルが所定の上限温度よりも低い場合には、内燃機関の希薄燃焼運転モードを依然として維持させることができる。また、少なくとも一つの触媒セルにおいて、前記最低運転温度を超えた後には、前記触媒の平均温度が前記最低使用温度よりも低くても、すでに内燃機関を希薄燃焼運転モードに切り換えることができる。
【００１０】
各触媒セルのＮＯｘ吸着容量は、ＮＯｘ及びＳＯｘの堆積状態（NOx- und SOx-Beladungszustand）、並びにセル温度に従って決定するのが好都合であることが判明した。ＮＯｘ吸着容量は、希薄燃焼運転モードの維持のためのもう一つの基準として利用することができる。そのために、一方では、ＮＯｘ吸着容量の限界値を設定し、この限界値を超えたときに内燃機関の再生運転モードを開始することが考えられる。他方では、所定の期間中における内燃機関に累積されたＮＯｘ自体の放出量（kumulierte NOx-Rohemission）と、同じ期間の各触媒セルのＮＯｘ脱離量とを計算する。続いて、ＮＯｘ吸着容量、ＮＯｘ脱離及び各触媒セルの空間的位置、並びに累積されたＮＯｘ自体の放出量に従って、吸着触媒の下流におけるＮＯｘ累積放出量を計算する。計算された累積ＮＯｘ累積放出量が、所定の限界値を超えたならば、同じく内燃機関の再生運転モードがセットされる。
【００１１】
また、少なくとも一つの触媒セルのセル温度が最低脱硫温度を超えたならば、脱硫を開始することが好ましい。もちろん、その場合には、脱硫をさらにＳＯｘ堆積状態の所定の限界値に依存させることもできる。このようにして、前記最低脱硫の平均温度を超える前にすでに脱硫を開始し、温度上昇段階を短縮化させることが可能である。
【００１２】
なお、上流側に配置された触媒セルにて、その余熱（セル温度と最低脱硫温度の差）は、脱硫時に下流側に伝達されるので、下流側に配置された触媒セルにて最低脱硫温度に到達するまでの温度上昇に要する時間は、上流側に配置された触媒セルのセル温度に従って計算することができる。これにより、脱硫時間が短縮化され、脱硫に原因する過剰消費が減少される。
【００１３】
吸着触媒の区分のために必要なマトリックスは、空間的広がり、温度経過、再生速度の経過、ＮＯｘ吸着容量の経過、ＮＯｘ、ＳＯｘ又はＯ_２堆積状態の経過もしくはこれらの組み合わせに関する吸着触媒モデルに基づいて確定するのが好都合であることが判明した。
【００１４】
本発明のその他の有利な実施態様は、従属請求項に挙げられたその他の特徴で明らかである。
【００１５】
（実施例）
次に本発明の実施例を所属の図面に基づき詳述する。
【００１６】
図１は、内燃機関１６の排気管１４にＮＯｘ吸着触媒１２を有する配置１０の概略図を示す。
もちろん配置１０は、ごく簡素化された実施例にすぎず、排気管１４の区域には、補助ＮＯｘ吸着触媒又は前置触媒を配設することもできる。このような配置は周知であり、ここでは詳しく説明しない。
【００１７】
排気管には、さらにセンサが配設されている。センサは、例えば、排出ガス中のガス成分の含有量又は温度を検出することによって、実際の触媒状態を推定することを可能にする。そのため、配置１０には、ガスセンサ１８及び温度センサ２０が例示されている。これらは、ＮＯｘ吸着触媒１２の下流に設けられている。センサ１８、２０は信号を出力し、これをエンジン制御装置２２の内部にて解析することができる。また、内燃機関１６の少なくとも一つの運転パラメータを少なくとも一時的に調節することを可能にする運転パラメータ調節手段２４が、内燃機関１６に備えられている。これによって、内燃機関１６の排出ガス温度、運転モード及び／又は排出ガス中の個々のガス成分の割合を変えることができる。内燃機関１６の運転パラメータのこのような調節は周知であり、この点に関しては詳しく説明しない。
【００１８】
内燃機関１６の空気と燃料との混合気の燃焼過程にて、不定の割合の還元剤、例えば、ＣＯ、ＨＣ及びＨ２と、酸化剤、例えば、ＮＯｘ及びＳＯｘとが発生する。λ≦１（リッチな又は理論空燃比の雰囲気、再生運転）による運転モードでは、空気と燃料との混合気中の燃料分が酸素分よりも優勢であり、又はこれらが理論空燃比をなす。その結果、還元剤が大量に生成される。運転モードがλ＞１の領域（リーンな雰囲気、希薄燃焼運転）に交替されると、排出ガスの還元剤の割合が低下する。ＮＯｘ吸着触媒１２にて還元剤が酸素により酸化される。従って、ＮＯｘ吸着触媒１２の酸素濃度が適宜に高ければ、還元剤の放出を十分に減少させることが常に可能である。
【００１９】
これに対して酸化剤は、ＮＯｘ吸着触媒１２にて還元剤により転化される。これが十分に行われるのはλ≦１の運転モードのときだけである。つまり、リーンな雰囲気では、ＮＯｘ脱離温度に到達するか又はＮＯｘ吸着容量が消尽されるまで、ＮＯｘは硝酸塩として、ＳＯｘは硫酸塩として吸着される。従って、この消尽される時点からは少なくともＮＯｘの再生を行わなければならない。
【００２０】
ＳＯｘの脱離温度は高いので、一般に、ＮＯｘの再生の際には、ＳＯｘの再生（脱硫）は起こらない。しかし、全体として再生（ＮＯｘ及びＳＯｘ再生）のためには、λ≦１の運転モードと再生温度（ＮＯｘ又はＳＯｘ脱着温度に関係する）とが必要であり、これらは一括して再生パラメータをなす。周知のように、内燃機関１６の運転パラメータを調節することにより、再生パラメータを調整することができる。同様に、ＮＯｘ吸着触媒１２の再生の必要性を判定することが知られている。この点に関して詳しい説明はしない。
【００２１】
所定のマトリックスに基づく任意の数の触媒セルへの吸着触媒１２の分割を図２に概略図で示す。
吸着触媒１２を触媒セルのように分割するためのマトリックスは、吸着触媒モデルに基づいて確定させることができる。このモデルは、例えば、吸着触媒１２の空間的広がり、吸着触媒１２の内部の温度経過又は再生速度の経過が該当する。また、吸着触媒１２の内部におけるＮＯｘ吸着容量の経過、及びＮＯｘ、ＳＯｘ又はＯ２の堆積状態の経過を利用することも考えられる。その場合には、堆積状態は触媒セルに吸収されたＮＯｘ、ＳＯｘ又はＯ２質量の尺度でみる。もちろん、上記のパラメータの組み合わせをマトリックスの計算に含めることが可能である。図示の例では、吸着触媒１２が合計６個の触媒セルＺ１からＺ６（ゾーン）に分割され、その際セルＺ１は、内燃機関１６に近い側に配置されている。単一の触媒セルＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ５又はＺ６内における空間的広がり、温度経過、再生速度の経過、ＮＯｘ吸着容量の経過、又はＮＯｘ、ＳＯｘ若しくはＯ _２堆積状態の経過がほぼ均一となるように、マトリックスを確定する。
【００２２】
図３は、吸着触媒１２の再生時のラムダ値の経過（破線）を示す。
説明のために、従来の方法によるラムダ値の経過（実線）も示す。従来の場合には、内燃機関１６は、まずフェーズｔ_ｍ１では希薄燃焼運転モードである。吸着触媒１２の触媒の平均温度における所定の限界温度を超えた後に再生運転モードがセットされ、フェーズｔ_ｆ１で少なくとも限界温度を再び下回るまで再生運転モードでセットされる。続いて、再びフェーズｔ_ｍ２で希薄燃焼運転モードが開始される。
【００２３】
しかし、本発明に係る方法では、ラムダ値の経過（破線）が明らかに異なる。
つまり、フェーズｔ_ｆ１’での再生運転は、一方では遅れて開始され、他方では早く終了するのである。希薄燃焼フェーズｔ_ｍ１’及びｔ_ｍ２’の触媒の平均温度は、従来の方法によって設定される限界温度よりも一時的に高いことがあるが、選択された触媒セルの温度（セル温度）は、十分なＮＯｘ吸着容量を保証するのに、なお十分に低い。制御の方法を以下でさらに詳しく説明する。
【００２４】
図４には、吸着触媒１２の温度上昇段階でのラムダ値の経過を示す（破線）。また、実線は、従来の方法によるラムダ値の経過を示す。
内燃機関１６の始動の直後には、吸着触媒１２を必要な使用温度にするために、一般的に排出ガス温度が著しく高い。よって、従来の方法では、まず、フェーズｔｆ２で吸着触媒にリッチな又は理論空燃比の排出ガス（λ≦１）が送り込まれる。そして、触媒の平均温度が最低温度を超えるまで、再生運転モードが維持されている。
これに対して、本発明に係る方法では、フェーズｔｆ２’が短縮され、選択された触媒セルが前記最低温度を超えたときには、すでに希薄燃焼運転モードが開始されている。
【００２５】
図５には、内燃機関１６の運転モードの制御のためのフローチャートを示す。
まず、ステップＳ１では、吸着触媒１２が所定のマトリックスに従って任意の数の触媒セルに分割される。次に、ステップＳ２では、各触媒セルのセル温度が検出される。セル温度は、例えば、配設された温度センサによって直接測定されるか、又は公知のモデルに基づいて計算される。
【００２６】
ステップＳ３では、排出ガス質量流量、ラムダ値及びＮＯｘガス自体の放出量に関係する、選択された数の触媒セルのセル温度が所定の下限温度Ｇ_１と所定の上限温度Ｇ_２との間にあるか否かが判定される。なお、下限温度Ｇ_１とは、一般に、十分なＮＯｘ吸着容量を保証するために必要な吸着触媒１２の最低使用温度である。また、上限温度Ｇ_２とは、吸着触媒１２の下流でＮＯｘ放出を回避するために、ＮＯｘ脱離温度よりも低く選定される。選択された触媒セルのセル温度が下限温度Ｇ_１よりも低ければ、場合によってはステップＳ４にて、例えば再生運転への切り換えにより加熱対策を開始することができる。選択された触媒セルのセル温度が上限温度Ｇ_２より高ければ、場合によってはステップＳ４にて内燃機関１６の使用温度を、周知のように調節することによって冷却対策を行うことができる。
【００２７】
ステップＳ５では、選択された触媒セルのＮＯｘ吸着容量が確かめられる。これは、やはりＮＯｘ、ＳＯｘ及びＯ_２堆積状態に関する周知の吸着触媒モデルに基づいて行うことができる。ＮＯｘ吸着容量が所定の限界値Ｓ_１に到達する場合には（ステップＳ６）、ステップＳ７にて再生運転が開始される。
【００２８】
ステップＳ８では、ＮＯｘ吸着容量、ＮＯｘ脱離及び各触媒セルの空間的位置並びに所定の期間中の内燃機関１６のＮＯｘ自体のガス放出に従って、吸着触媒の下流の累積ＮＯｘ放出量が計算される。
図２に示す触媒セルＺ_４からＺ_６は、排気管１４の下流側に配設されており、場合によっては、内燃機関１６によって生じるＮＯｘ自体の放出のほかに、前方に存在する触媒セル（Ｚ_１からＺ_３）でのＮＯｘの脱離によって放出されるＮＯｘをも吸収しなければならない。吸着触媒１２の下流側にて計算された累積ＮＯｘ放出量が所定の限界値Ｓ_２を超えると、再び、再生運転モード（ステップＳ７）が開始される。そうでない場合には、内燃機関１６は希薄燃焼運転にとどまり、又は希薄燃焼運転モードに調整される（ステップＳ１０）。
【００２９】
図６は、脱硫時の内燃機関１６の運転モードの制御のためのフローチャートを示す。
ステップＳ１及びＳ２では、−前述のように−、まず、吸着触媒１２が個別の触媒セルに分割され、選択された触媒セルのセル温度が検出される。選択された触媒セルのセル温度が最低脱硫温度より低ければ（ステップＳ１１）、別に対策はとられない（ステップＳ１２）。一方、そうでなければ、ステップＳ１３にて、ＳＯｘ堆積状態が所定の限界値Ｓ３を超えるか否かが判定される。ＳＯｘ堆積状態が所定の限界値Ｓ３を超えた場合は、次にステップＳ１４にて脱硫のための温度上昇に要する時間が確定される。
下流側に配置された触媒セル（例えば図２の触媒セルＺ４からＺ６）にて最低脱硫温度に到達するための温度上昇に要する時間は、上流側に配置された触媒セル（例えば図２の触媒セルＺ１からＺ３）のセル温度に従って決定することができる。これは、排出ガスによる熱流のほかに、吸着触媒１２の内部の個々の触媒セルの間の熱流も起こるからである。一般に、上流側に存在する触媒セルは、高いセル温度を有する。このようにして、全体として脱硫時の再生時間を著しく短縮することができる。最後にステップＳ１５にて脱硫が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の排気管のＮＯｘ吸着触媒等の配置図。
【図２】マトリックスに基づく吸着触媒の分割の概略図。
【図３】ＮＯｘ再生時のラムダ値の経過の概略図。
【図４】内燃機関の始動の直後の温度上昇段階でのラムダ値の経過の概略図。
【図５】内燃機関の運転モードの制御のための本発明方法における一実施例のフローチャート。
【図６】脱硫時の内燃機関の運転モードの制御のための本発明方法における一実施例のフローチャート。
【符号の説明】
１２吸着触媒
１６内燃機関

Claims

内燃機関（１６）の運転モードを制御するために、排気管に配設された少なくとも一個の吸着触媒（１２）における計算又は測定された触媒温度に基づいて、内燃機関（１６）の少なくとも一つの運転パラメータを少なくとも一時的に調整する手段を備え、λ＞１による希薄燃焼運転モード、又はλ≦１によるリッチないし理論空燃比運転モードのいずれも選択的に運転されることができる内燃機関（１６）の運転モード制御方法において、
（ａ）吸着触媒（１２）が、複数の触媒セルに分割され、
（ｂ）各触媒セルのセル温度が測定され、
（ｃ）少なくとも一個の触媒セルのセル温度に基づいて内燃機関（１６）の運転モードが決定され、この場合において、下記（ｉ）〜（iii）の手段の少なくとも１つが行われることを特徴とする内燃機関の運転モード制御方法。
（ｉ）少なくとも一個の触媒セルのセル温度が、所定の下限温度（Ｇ_１）と所定の上限温度（Ｇ_２）との間にある場合には、λ＞１による希薄燃焼運転モードが設定される。
（ii）少なくとも一個の触媒セルのＮＯｘ吸着容量に基づいて、λ≦１による内燃機関（１６）の再生運転モードが設定され、この場合において、ＮＯｘ及びＳＯｘの堆積状態とセル温度とに基づいて各触媒セルのＮＯｘ吸着容量を決定する。
（iii）少なくとも一個の触媒セルのセル温度が、最低脱硫温度を超える場合には、脱硫が開始される。
上記（ii）の手段において、少なくとも一個の触媒セルのＮＯｘ吸着容量が、所定の限界値（Ｓ_１）を超えるときには、λ≦１による前記内燃機関（１６）の再生運転モードが設定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の運転モード制御方法。
上記（ii）の手段において、吸着触媒（１２）の下流におけるＮＯｘの累積放出量が、所定の限界値（Ｓ_２）を超えるときには、λ≦１による内燃機関（１６）の再生運転モードが設定され、
この場合において、吸着触媒（１２）の下流におけるＮＯｘの累積放出量が、ＮＯｘ吸着容量、ＮＯｘ脱離及び各触媒セル（Ｚ _１・・・Ｚ _６）の空間的位置並びに所定の期間中の内燃機関１６のＮＯｘ自体のガス放出に従って計算される、ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の運転モード制御方法。
上記（iii）の手段において、ＳＯｘ堆積状態に対する所定の限界値（Ｓ３）に基づいて、脱硫が開始されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の運転モード制御方法。
排気管の下流側に配置された触媒セルが最低脱硫温度に到達するまでの温度上昇に要する時間は、排気管の上流側に配置された触媒セルのセル温度に基づいて決定されていることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の運転モード制御方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載した方法において、
複数の触媒セル（Ｚ_１・・・Ｚ_６）への吸着触媒（１２）の分割が、所定のマトリックスに従って行われ、マトリックスは、空間的広がり、温度経過、再生速度の経過、ＮＯｘ吸着容量の経過、又はＮＯｘ、ＳＯｘ若しくはＯ_２堆積状態の経過、又はこれらの組み合わせに関する吸着触媒モデルに基づいて確定され、
単一の触媒セル内における空間的広がり、温度経過、再生速度の経過、ＮＯｘ吸着容量の経過、又はＮＯｘ、ＳＯｘ若しくはＯ _２堆積状態の経過がほぼ均一となるように、マトリックスを確定する、
ことを特徴とする内燃機関の運転モード制御方法。