JP4907026B2 - Ｎｏｘ貯蔵触媒の再生の必要性を決定するための装置及び方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
本発明は少なくとも一時的に希薄燃焼運転される自動車用内燃機関の排気ガス管に配設されたＮＯＸ貯蔵触媒の再生の必要性を決定するための装置及び方法に関する。
【０００２】
近代的内燃機関は燃費の最適化のためにとりわけリーンな条件で運転される。このような条件で燃料消費は一般に最小を通る。この最小は例えばオットーエンジンの場合は約λ＝１．１の空気過剰率にある（オットー直噴式エンジンではλ＝４．５に及ぶラムダ値、ジーゼルエンジンではλ＝８に及ぶ値をとることがある）。運転状況によっては、自動車の運転は内燃機関の最大トルクを必要とする（例えばキックダウン、加速過程）。経験によれば内燃機関はλ＝０．９５ないし０．９８の範囲の空気過剰率で最大トルクを与えるが、それとともに燃費最適化の運転領域を出なければならないのが欠点である。
【０００３】
内燃機関が放出する有害物質の割合はおおむね燃焼過程で支配する空気過剰率に依存する。空燃混合気がリッチな条件（λ＜１）で燃焼されるならば、当然のことながら還元性の有害物質成分、例えば一酸化炭素ＣＯ及び未燃焼の炭化水素ＨＣが著しく増加する。他方、リーンな雰囲気に交替すると窒素酸化物ＮＯXの生成が強められる。その場合ＮＯX生成は最大を通る。この最大は内燃機関のほぼ燃費最適化領域にある。従って燃費を引き下げるために内燃機関を少なくとも一時的に希薄燃焼運転するとき、同時に高いＮＯＸ放出を我慢しなければならない。
【０００４】
また燃焼過程で発生する排気ガスを浄化し、内燃機関の排気ガス管に配設された触媒に通すことは周知である。その場合リッチな条件で少なくとも一時的に還元剤ＨＣ、ＣＯをなお存在する残留酸素又は貯蔵酸素によりいわゆる酸化触媒でほぼ完全に変換することができる。さらにＮＯＸの還元を促進する触媒成分を有するいわゆる三元触媒を使用すれば、化学量論条件下で有害物質放出の大幅な減少が可能である。その場合ＮＯＸは還元剤ＨＣ、ＣＯによって変換される。
【０００５】
リーンな条件、特にλ＝１．１あたりの燃費最適化領域では、ＮＯＸ放出の完全な還元を可能にするのに必要な還元剤質量流量（ＨＣ及びＣＯ質量流量）が少なすぎる。そこで還元剤が再び十分に供給されるまでＮＯＸを貯蔵するＮＯＸ吸収剤を還元触媒に配属することが知られている（ＮＯＸ貯蔵触媒）。もちろんこのようなＮＯＸ貯蔵触媒の貯蔵容量は有限である。即ち規則的間隔でリッチな又は化学量論の排気ガスを作用させることにより、再生を開始しなければならない。その場合一方では貯蔵容量の消尽によるＮＯＸ漏出放出がなるべく少なく、他方ではリッチ又は化学量論条件下の燃費に不利な運転が不要に頻繁に強制されないように、上記の過程を制御しなければならない。
【０００６】
そこで再生の制御のために、例えばＮＯＸ貯蔵触媒の下流で測定されたＮＯＸ漏出放出に基づき再生の必要性を確定することが知られている。例えばこの放出が所定の閾値を超えると、上記の処置が開始される。ところが運転状況によっては、再生の必要性のこのように硬直的な確定によって全体として不要な燃費増加が生じる可能性がある。例えばリーンな燃費最適化条件のもとでも加速操作を行うことが可能である。その後のほぼ定速の又は低い負荷の運転段階で初めて再生を行うのはあまり得策でない。なぜならこの場合は比較的低い還元剤質量流量が再生を長引かせるからである。また原則として低い負荷では高い負荷の場合よりも、希薄燃焼運転の燃費と対応する化学量論又はリッチ燃焼運転の燃費の差が大きい。
【０００７】
そこで本発明の課題は、内燃機関のエンジン出力を考慮して再生の必要性を適応させることが可能な装置及び方法を提供することである。結局、再生の必要性の適応は燃費を引き下げるのである。
【０００８】
独立請求項に挙げた特徴を有する、ＮＯＸ貯蔵触媒の再生の必要性の決定のための装置及び方法によって、先行技術の上述の欠点を克服することができる。内燃機関のエンジン出力及びＮＯＸ貯蔵触媒の残存するＮＯＸ貯蔵容量に応じて再生の必要性を決定することにより、例えば在来の制御ではなおリーンな条件で行なわれた自動車の加速段階で、再生運転への切換えを強制することができる。
【０００９】
そのために装置は、再生の必要性のこのような決定を可能にする手段を具備する。この手段は、再生の必要性の決定手順をデジタル形式で格納した制御装置からなる。その場合制御装置を既存のエンジン制御装置に組込むことができる。
【００１０】
決定のために必要なエンジン出力は、公知のモデルを使って決定することができる。その場合一方では瞬間エンジン出力を、また所定の期間の後に現われる予測エンジン出力及びこの期間に現われるエンジン出力勾配を考慮することができる。後者の２つの大きさは特に運転状況、加速勾配、アクセルペダル位置及び実際変速比のようなパラメータを使用して計算する。
【００１１】
また決定の際にさらに所定の期間中の加速勾配とアクセルペダル位置を考慮することが好ましい。同様にこの場合も実際変速比と運転状況を含めることが好ましい。このようにして所定の運転状況に対して、又は加速勾配の増加又はアクセルペダル押下位置の増加とともに、再生の必要性の確率が大きくなる。同様に実際又は予測エンジン出力が増加するにつれて、再生を行わねばならない確率が増大する。
【００１２】
ＮＯＸ貯蔵容量は例えば標準負荷数の形で決定に関与することができる。全体として決定は、ある特性値を与える形で行うことができる。そしてこの特性値が所定の閾値と比較される。特性値が閾値を超えるときは、化学量論又はリッチ運転に切換えることによって再生が開始される。特性値は上記の大きさに関係するから、在来の硬直的な設定の代わりに状況に応じて再生の必要性の決定を行うことが可能である。
【００１３】
従属請求項に挙げたその他の特徴により発明のその他の好ましい実施形態が明らかである。
【００１４】
次に本発明の実施例を添付の図面に基づき詳述する。
【００１５】
図１は排気ガス管１２に排気浄化装置１４を備えた内燃機関１０を示す。排気ガス浄化装置１４は前置触媒１６及びＮＯＸ貯蔵触媒１８等の部品からなる。また排気ガス管１４には、特定の有害物質成分の割合及び／又は空気過剰率λ及び／又は温度の検出を可能にするセンサが配設されている。ガスセンサ２０、２２として例えばＮＯＸセンサ又はラムダゾンデが考えられる。本実施例によれば温度センサ２４、２６はＮＯＸ貯蔵触媒１８の上流及び下流の排気ガス温度を送出する。センサ２０、２２、２４、２６の信号は周知のようにエンジン制御装置２８へ伝送される。
【００１６】
エンジン制御装置２８はさらに制御装置３０を内蔵する。改めて詳述するように、制御装置３０によってＮＯＸ貯蔵触媒１８の再生の必要性を決定することができる。そのために対応する手順がデジタル形式で制御装置３０に格納されている。もちろん制御装置３０を独立のユニットとして実現することもできる。
【００１７】
また周知のようにエンジン制御装置２８によって内燃機関１０の運転パラメータが調節される。そのために対応するモデルがエンジン制御装置２８に格納されている。このモデルは内燃機関１０に配属された調整装置に対して適当な操作量を設定する。ここでは排気ガス再循環装置３２が例示されている。排気ガス再循環装置３２の排気ガス再循環弁３４によって排気ガス再循環率を調整することができる。また吸気管３６にスロットル弁３８があり、これでスロットル弁角度を設定して吸入体積流量を調整することができる。周知のように特に燃焼される空燃混合気の空気過剰率λは、排気ガス再循環装置３２、スロットル弁３８及びここに図示しない噴射装置により調整される。
【００１８】
図２は内燃機関１０のトルクＭ、特定の燃料消費率ｂ及び選択された有害物質成分の生成に対する空気過剰率λの影響を明らかにする。約１．１の燃費最適化条件で内燃機関１０の最大トルクＭは発生しないが、しかし大抵の運転状況には現存するトルクＭで十分である（経験によればオットーエンジンでは最適燃費のλが約１．１であるが、直噴式エンジン及びジーゼルエンジンでは４．５又は８に及ぶ値となる）。激しい負荷（例えば登坂走行、高い積載量）や極めて激しい加速過程（例えばキックダウン）の場合は約λ＝０．９５ないし０．９８の駆動最適化領域へ切換えることが必要である。その結果、希薄燃焼運転の条件で内燃機関１０を運転するときは窒素酸化物ＮＯＸの放出が大幅に増加するが、還元作用のある有害物質成分例えば一酸化炭素ＣＯ及び未燃焼炭化水素ＨＣの放出は比較的低い。このような条件で前置触媒１６又はＮＯＸ貯蔵触媒１８でＮＯＸを完全に変換することは不可能であり、ＮＯＸはもっぱらＮＯＸ貯蔵触媒１８の貯蔵成分に貯蔵される。ＮＯＸ貯蔵触媒１８には限られた貯蔵容量しかないから、十分な還元剤質量流量（ＨＣ及びＣＯ質量流量）を供給するために、規則的間隔で化学量論又はリッチ燃焼運転に切換えなければならない。
【００１９】
その場合図３に示す流れ図に従って再生の必要性を決定することができる。基本的には内燃機関１０のエンジン出力Ｐ及びＮＯＸ貯蔵触媒１８の残存するＮＯＸ貯蔵容量に依存する。しかしその他のパラメータを決定に関与させれば有利であることが判明した。
【００２０】
エンジン出力Ｐは瞬間エンジン出力Ｐmの形で考慮することができる。そのために周知の、ここで詳しく説明しないモデルを援用することができる。
【００２１】
段階Ｓ１では予測モデルにより所定の期間Ｔpの予測エンジン出力Ｐp又は予測エンジン出力勾配δＰpを計算する。上記のモデルにはトルク履歴のほかに別のパラメータを含めることができる。このようなパラメータは例えば運転状況ＦＳである。これによって例えばとりわけ停止状態からの自動車の加速段階が特徴づけられる。またアクセルペダル位置αｆ p、実際変速比ｕ及び経過した期間Ｔa中の加速勾配δaがモデルに含まれる。
【００２２】
上記のパラメータ即ち運転状況ＦＳ、アクセルペダル位置αｆp、変速比ｕ、加速勾配λa、瞬間エンジン出力Ｐm、予測エンジン出力Ｐp及び予測エンジン出力勾配δＰpが特性図表ＫＦに含まれており、特性図表ＫＦから特性値ＫＷaが読み出される。従って特性値ＫＷaは駆動側のすべてのパラメータを包括する量である。
【００２３】
ＫＷaの値はエンジン出力Ｐの増加、アクセルペダル押下位置α fp の増加及び加速勾配δaの増大とともに増加し、次の段階で決定される再生の必要性の確率が大きくなるように確定することが好ましい。
【００２４】
駆動側のパラメータのほかに、ＮＯＸ貯蔵触媒１８の残存ＮＯＸ貯蔵容量を決定することが必要である。そのためにやはりＮＯＸ貯蔵触媒１８の公知のモデルを援用することができる。その入力量はセンサ２０、２２、２４、２６が送る信号である。ＮＯＸ貯蔵容量は例えば新しいＮＯＸ貯蔵触媒１８について標準化した負荷数ＢＺの形で、その後の決定のために利用することができる。
【００２５】
負荷数ＢＺ及び特性値ＫＷaの特性曲線４０により再生のための特性値ＫＷRが決定される。負荷数ＢＺの増加及び／又は特性値ＫＷaの増加とともに特性値ＫＷRの値が増加することが好ましい。
【００２６】
次の質問で特性値ＫＷRと所定の閾値ＳＷRが比較される。特性値ＫＷRが閾値ＳＷRを超えるときは、次の段階Ｓ２で空燃混合気の燃焼のために化学量論又はリッチ条件が調整されるように、例えばスロットル弁位置又は排気ガス再循環率を変えることによって、再生処置が行なわれる。特性値ＫＷRが閾値ＳＷRに等しいか又はこれより低ければ、再生処置が行われない（段階Ｓ３）。
【００２７】
上記の処置により再生の必要性を運転状況に基づき調節できることを、ここで改めて指摘しておこう。例えばリーンな加速段階で特性値ＫＷRに比較的高い値を確定することが可能である。その結果再生の必要性が生じる確率が増加する。加速過程の排気ガス質量流量がその後のほぼ定常な運転段階より大きい限り、このような手順が有利である。こうして化学量論又はリッチ運転への切換えが、定常な運転段階と比較して高い還元剤質量流量をもたらすから、全体としてより短い再生時間が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気ガス管に排気ガス浄化装置を有する内燃機関の原理図である。
【図２】オットーエンジンの場合の特定の有害物質成分、トルク及び燃料消費率と空気過剰率の関係の曲線図である。
【図３】再生の必要を決定するための流れ図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ 排気ガス管
１８ ＮＯＸ貯蔵触媒
Ｐ エンジン出力

Claims (11)

  1. 少なくとも一時的に希薄燃焼運転される自動車用内燃機関（１０）の排気ガス管（１２）に配設されたＮＯＸ貯蔵触媒（１８）の再生開始の必要性を決定する方法であって、再生開始の必要性を、ＮＯＸ貯蔵触媒（１８）の残存するＮＯＸ貯蔵容量、内燃機関（１０）の瞬間エンジン出力（Ｐm）、並びに所定の期間（Ｔｐ）に現れる予測エンジン出力勾配（δＰｐ）及び所定の期間（Ｔｐ）の終了時に現れる予測エンジン出力（Ｐｐ）の少なくとも一つ、の関数として決定し、及び
    ＮＯｘ貯蔵触媒（１８）の再生開始の必要性が、エンジン出力（Ｐ m ）の増加、所定の期間（Ｔ ｐ ）の終了時に現れる予測エンジン出力（Ｐ ｐ ）の増加、又は所定の期間（Ｔ ｐ ）に現れる予測エンジン出力勾配（δＰ ｐ ）の増加、とともに増加することを特徴とする方法。
  2. 決定に際して、さらに所定の期間の間（Ｔa）の加速勾配（δa）を考慮する、請求項１記載の方法。
  3. 決定に際して、さらにアクセルペダル位置（αfp）を考慮する、請求項１又は２記載の方法。
  4. 決定に際して、さらに変速機の変速比（ｕ）を考慮する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
  5. 決定に際して、さらに自動車の運転状況（ＦＳ）を考慮し、運転状況（ＦＳ）が、希薄燃焼加速段階である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
  6. 予測エンジン出力（Ｐp）及び予測エンジン出力勾配（δＰp）の少なくとも一つを、トルク履歴、運転状況（ＦＳ）、加速勾配（δa）、アクセルペダル位置（αfp）及び実際の変速比（ｕ）を考慮するモデルを用いて計算する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
  7. 特性値（ＫＷR）を、ＮＯＸ貯蔵触媒（１８）の再生開始の必要性の手段として決定し、特性値（ＫＷR）が、エンジン出力（Ｐm）、予測エンジン出力（Ｐp）又は予測エンジン出力勾配（δＰp）の増加とともに増加する、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
  8. 特性値（ＫＷR）を、ＮＯＸ貯蔵触媒（１８）の再生開始の必要性の手段として決定し、特性値（ＫＷR）が、加速勾配（δa）の増加又はアクセルペダル押下位置（δfp）の増加とともに増加する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
  9. 少なくとも一時的に希薄燃焼運転される自動車用内燃機関（１０）の排気ガス管（１２）に配設されたＮＯＸ貯蔵触媒（１８）の再生開始の必要性を決定するための装置であって、制御装置（３０）を備え、制御装置中、内燃機関（１０）のエンジン出力（Ｐ）、ＮＯＸ貯蔵触媒（１８）の残存ＮＯＸ貯蔵容量、並びに所定の期間（Ｔｐ）に現れる予測エンジン出力勾配（δＰｐ）及び所定の期間（Ｔｐ）の終了時に現れる予測エンジン出力（Ｐｐ）の少なくとも一つ、の関数として、再生開始の必要性を決定する手順がデジタル形式で格納されており、及び
    ＮＯｘ貯蔵触媒（１８）の再生開始の必要性が、エンジン出力（Ｐ m ）の増加、所定の期間（Ｔ ｐ ）の終了時に現れる予測エンジン出力（Ｐ ｐ ）の増加、又は所定の期間（Ｔ ｐ ）に現れる予測エンジン出力勾配（δＰ ｐ ）の増加、とともに増加することを特徴とする装置。
  10. 制御装置（３０）がエンジン制御装置（２８）の一部である、請求項９に記載の装置。
  11. 希薄燃焼加速段階が停止状態からの開始である、請求項５に記載の方法。
JP2001559988A 2000-02-17 2001-01-12 Ｎｏｘ貯蔵触媒の再生の必要性を決定するための装置及び方法 Expired - Fee Related JP4907026B2 (ja)

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