JP5213954B2 - 排出ガス加熱装置を有する自動車の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、排出ガスと接触して配置することができる、少なくとも一つの制御可能な加熱装置を有する排気システムと駆動部とを備えた自動車を動作させる方法に関する。

自動車のエンジンによって生成される排出ガスを加熱装置と接触させて、排出ガスの温度に影響を与えることは既に公知と考えられる。さらに、この種の加熱装置を、例えば、排気システム、又はエンジンの低温始動（ｃｏｌｄ ｓｔａｒｔ）又は再始動の直後に用いて、排出ガス又は、触媒活性被膜を有する排出ガス浄化部を反応温度、具体的には、排出ガスの汚染物質と触媒コンバータとが相互作用する温度まで迅速に加熱することも既に公知と考えられる。

既に提案されている加熱装置は、具体的には、電気抵抗加熱により加熱するものである。導電体に所望の時間に電流を流して、その抵抗により熱を発生させて、その部位に設けられた触媒活性物質、及び／又は排出ガスを加熱することができる。この種の加熱装置には様々な構成のものがあり、特に、金網構造、ハニカム構造、板構造のものなどについては既に開示されている。

上述の種類の加熱装置の動作については、特に、車両から十分なエネルギーが供給することができると考えた場合、限られた期間における低温始動挙動を改善するために、かかる加熱装置は、エンジンの始動前又は始動中、場合によっては、エンジンの始動直後に作動させておくことも同様に知られている。さらに、この種の加熱装置を粒子フィルタと組み合わせて使用し、封入した粒子の熱再生を可能とするものも知られている。この目的のため、所定の動作期間の経過した、あるいは、フィルタに付着した粒子が所定の値に到達した時点で加熱装置を作動することが知られている。

公知の適用、及び／又は使用するための戦略は、部分的にのみ所望の結果をもたらすにすぎなかった。加熱装置を使用する場合、一方では、所望としない多くのエネルギーを必要とする、他方では、作動サイクルが極めて長期間にわたるなどの結果をもたらすことも認められている。

このため、本発明は、従来技術に関して浮き出た問題を少なくとも部分的に解決することを目的とする。特に、車両の内燃エンジンの排気システムに上述の種類の加熱装置を省エネで効率的に用いることができる方法を提供することを目的とする。

かかる目的を、特許請求項１の特徴による方法によって達成する。本発明のさらなる有利な実施の形態と用途を、従属の特許請求項に記す。特許請求項に記載する個別の特徴は、技術的に好適なその他の所望の如何なる手法と組み合わせてもよく、本発明のさらなる実施の形態を強調するものであることに留意されたい。以下、本発明についてより詳細に、具体的には、特定の好ましい実施の形態の変形態様も示しながら、図面を参照して説明する。

排出ガスと接触して配置することができる、少なくとも一つの制御可能な加熱装置を有する排気システムと駆動部とを備えた自動車を動作する、本発明の方法は、少なくとも一つの以下のステップを含む。
（ａ）前記排気システムの少なくとも一つの動作パラメータを検出するステップと、
（ｂ）前記加熱装置の少なくとも一つの影響変数を決定するステップと、
（ｃ）前記排気システムの目標パラメータと前記少なくとも一つの影響変数とを比較するステップと、
（ｄ）前記動作パラメータが前記目標パラメータに到達するように前記加熱装置を作動するステップと、を含む。

したがって、本発明の方法は、特に、排気システム又はその構成部の所望の目標パラメータに信頼性をもって到達させる、自動車エンジンの排出ガスに接触する加熱装置の調整に関する。

「駆動部」は、公知のディーゼルエンジン又はガソリンエンジンに加えて、汚染物質を含む排出ガス、又は温度処理を行う必要のある排出ガスを最終的に生成する、その他の同様の駆動部も含むことができる。「排気システム」は、しばしば管（又は複数の管（ｔｒａｃｔ））による管路として形成される。排出ガスを好ましい方向に導く、かかる排気システムには、特に、排気システムの内部断面に少なくとも部分的に延在する、少なくとも一つの加熱装置が備えられている。ここで、加熱装置は、排出ガスが貫流する、経路、ダクトなどを形成する。また、加熱装置は、その加熱機能に加えて、排出ガス成分の触媒変換、蓄積又は方向転換（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を行う機能も有してもよい。

ステップ（ａ）では、排気システムの少なくとも一つの動作パラメータを、予め設定可能な時間（自動車の運転モード時）に最初に検出する。動作パラメータの測定は、少なくとも一つの測定センサ、様々なセンサ、及び／又は数学モデルによって行うことができる。排気システムの一以上の位置における排出ガスの温度、排気システム内部の排出ガス処理部の温度、排出ガスの組成、排出ガスの質量流量などを、特に動作パラメータとして考慮する。ここで、考慮した動作パラメータに関して重要な測定値又は算出値は、記録、又は記憶することが好ましい。

ステップ（ｂ）において、加熱装置の少なくとも一つの影響変数を決定する。ステップ（ｂ）は基本的に、ステップ（ａ）の前、及び／又は、ステップ（ａ）と同時に行うこともできる。このため、最初に加熱装置の特徴値（例えば、熱質量、幾何学的表面、電流源、電気抵抗など）を用いることが好ましい。また、ステップ（ａ）で測定した動作パラメータ、又は、測定した動作パラメータの中の一つも追加的に考慮する。ここで、特に、加熱装置の影響変数が排気システムの少なくとも一つの動作パラメータに依存するという知識を用いる。換言すると、加熱装置は、例えば、所定の排出ガス流量に対して所定の範囲のみ温度を上昇させることができる。かかる温度上昇の可能性を、影響変数として考慮することができる。

ステップ（ｃ）では、加熱装置の少なくとも一つの影響変数を排気システムの目標パラメータと比較する。ステップ（ｃ）はステップ（ａ）と（ｂ）の後に実行することが好ましい。目標パラメータは、例えば、備えられたデータ記憶部から読み取る、及び／又は、（必要に応じて継続的に）算出する。排気システムのかかる目標パラメータは、排気システムの１以上の動作パラメータの所定の値としてもよい。本発明の方法の場合、基本的に、ステップ（ａ）からの測定した動作パラメータの値が目標パラメータに対して既に好ましい関係にある場合、すなわち、追加的な手法が必要ない場合は、中断してもよい。ステップ（ａ）の前、及び／又は、ステップ（ａ）の間、又は後にこのような種類の照会をしてもよい。しかしながら、測定した動作パラメータが目標パラメータに対して好ましい関係にないと判定された場合には、比較に基づいて、加熱装置を作動した時に、現在の動作パラメータを排気システムの目標パラメータに対して、十分な確率で確実に所望の関係にもたらすことができる影響変数の範囲を判定する。

ステップ（ｄ）では、動作パラメータが目標パラメータに到達する場合のみ、加熱装置の作動を行うように推奨する。例えば、排気システムの測定した動作温度が低く、加熱装置を作動させても目標温度に到達することがない程度にしか温度を上昇させることができない場合には、加熱装置を作動しない。この時、加熱装置の作動が適当となるまで、本発明の方法を繰り返すか否かを直接決定することもできるが、最初に他の手法を実施して、エネルギーの観点で好まし手法で、最終的にその後に続けて加熱装置を使用することもできる。

これによって、特に、加熱装置の使用の可能性を常時チェックすることを実現できる。ここで、他の如何なる（追加的に、必要な場合は同時に又は事前に）処置が加熱装置の所望の効果を促進する前に、加熱装置の作動を適当でないとする状況に関する停止基準を規定しておく。このようにして、自動車の動作時に、特に、エネルギーの観点で効率的な、特に、経済的な加熱装置の使用を確実にすることができる。

一つの改良実施例によると、本方法を駆動部の作動と非作動の間の少なくとも主要な（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ）時間期間の間に実行することを提案する。本方法を駆動部の作動によって開始して、継続して実行し、駆動部の非作動によって終了することが特に好ましい。換言すると、本方法は、必要な場合、固定の所定のサイクル、及び／又は、動的なサイクルで、排気システムの少なくとも一つの動作パラメータと加熱装置の影響変数との比較を実行して、必要に応じて、加熱装置の作動を実行する。

さらに、前記ステップ（ａ）において、動作パラメータを、排出ガス温度、排出ガス流量の少なくとも一つのパラメータに対応するように考慮することも有利である。さらに、具体的には、排出ガスの組成、排出ガスの所定の比率の濃度含有量、などのパラメータも考慮する。

かかる動作パラメータは、（少なくとも）一つの測定センサ、プローブ、又は同様の装置によって継続して測定することができるが、動作パラメータを、例えば、駆動部の動作データ、及びさらなる特徴変数から算出することもできる。

ステップ（ｂ）において、加熱装置の加熱力を影響変数として考慮することが好ましい。加熱力は、特に、加熱装置が所与の排出ガス流量に対して温度上昇を可能とする値に関する。このため、加熱力（Ｈ）は、例えば、作動時の加熱装置に接触した後の排出ガスの平均温度（Ｔ_ＩＩ）と加熱装置に接触する前の排出ガスの平均温度（Ｔ_Ｉ）との差、Ｈ＝Ｔ_ＩＩ−Ｔ_Ｉとして表すことができる。ハニカム形状の加熱装置で、特に少なくとも部分的に板状の金属箔の構造を有し、電源が１２〜１４ボルトの場合、以下の加熱力を（特に低い方の）影響変数として表すことができる。
Ｈ（排出ガス流量：０．０１７ｋｇ／ｓ）：４６−５２ケルビン；
Ｈ（排出ガス流量：０．０２３ｋｇ／ｓ）：４０−４４ケルビン；
Ｈ（排出ガス流量：０．０２７ｋｇ／ｓ）：３１−３５ケルビン；
Ｈ（排出ガス流量：０．０３０ｋｇ／ｓ）：２４−２８ケルビン；
Ｈ（排出ガス流量：０．０３５ｋｇ／ｓ）：２２−２４ケルビン；
Ｈ（排出ガス流量：０．０４０ｋｇ／ｓ）：１８−２２ケルビン．

上記の値は、特に、１０〜１５ｍｍにわたる加熱経路（排出ガスの流れ方向のダクト長）で記載された加熱力を実現する、複数のダクト（３００〜６００ｃｐｓｉ）を含む板状の金属箔構成を有する加熱装置に関する。変動の範囲は、例えば、動作中に加熱される板状の金属箔構成（熱容量）、動的温度プロファイルの平均などから生じる。

本方法の一つの改良実施例では、ステップ（ｃ）における排気システムの目標パラメータは、排出ガス温度、排気ガスに含まれる粒子の反応能力、触媒反応の確率、添加剤又は排出ガスの集合状態の変換能力（ｃａｐａｃｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）などの少なくとも一つに対応する。排気ガスに含まれる粒子の反応能力については、加熱装置によって、例えば、粒子がガス状成分に変換される環境条件を生成することができることを留意されたい。例えば、排出ガス成分の触媒活性化化学反応が開始する、流れ方向の下流に配設された排出ガス処理部、及び／又は、加熱装置で生成される環境条件によって、触媒反応の確率を増加させることができる。さらに、目標パラメータを、添加剤（還元剤、水など）、又は排出ガスの集合状態の変換能力に対応させることもできる。

さらに、本方法において、ステップ（ｄ）を目標パラメータの関数として所定の作動時間期間にわたって実行させ、加熱装置を続いて非作動とさせることが有利と考えられる。作動時間期間を目標パラメータの種類に応じて変化させることがとても好ましい。例えば、排出ガスの温度増加を、粒子の変換よりも短い作動時間期間にわたって実現することができる。試験によって判明した、それぞれ上述の加熱装置を用いた場合に、有利なパラメータ、境界条件、作動時間について以下に列挙する。
１．加熱装置の下流に接続し、一酸化炭素を酸化変換させる触媒被膜を有する触媒コンバータの場合、作動時の加熱装置に接触した後の排出ガスの平均温度（Ｔ_ＩＩ）が、触媒コンバータに入る際の排出ガス温度を確実に１５０℃とするものであること。
２．加熱装置の下流に接続し、炭化水素を酸化変換させる触媒被膜を有する触媒コンバータの場合、作動時の加熱装置に接触した後の排出ガスの平均温度（Ｔ_ＩＩ）が、触媒コンバータに入る際の排出ガス温度を確実に１７０℃とするものであること。
３．加熱装置の下流に接続し、窒素酸化物を選択的触媒還元させる触媒被膜を有する触媒コンバータの場合、作動時の加熱装置に接触した後の排出ガスの平均温度（Ｔ_ＩＩ）が確実に、（ａ）バナジウムを含む被膜を有する触媒コンバータに入る際の排出ガス温度を２００℃、（ｂ）鉄−ゼオライト（Ｆｅ−ＣＳＭ系）を含む被膜を有する触媒コンバータに入る際の排出ガス温度を２５０℃〜６００℃とするもの（必要な場合、排出ガス流のＮＯ_ｘ組成の関数として変化する）。

加熱部は、特に、下流の触媒コンバータ又は粒子フィルタの作動が（例えば、触媒コンバータ又は粒子フィルタの温度差監視によって）確認されると、非作動となるようにすることができる。その後、この監視によって、ここで推奨する方法を再び実行することもできる。

特に本方法の効果のレベルを確実に高めるため、ステップ（ｄ）を少なくとも一つの電熱型のハニカム構造体によって実行することも推奨する。この種のハニカム構造体によって、排出ガスが導かれるダクトを比較的に小さく実現することができる。同時に、ハニカム構造体は結果として排出ガスとの接触面積が大きくなるので、ここで熱源と排出ガスとを集中的に接触させることができる。このように、ハニカム構造体のコンパクトな構成によって、測定した様々な動作状態の中で、所望の目標パラメータを短い作動サイクルで効果的に用いることができる。この電熱型のハニカム構造体の構造と特徴については特許出願公報、特に、本明細書に参照によって組み込まれる、特許出願公報第ＷＯ−Ａ−９６／１０１２７号に記載されている。

さらに、ステップ（ｂ）における加熱装置の少なくとも一つの影響変数がステップ（ｄ）からの条件を満たすには十分でない場合には、加熱装置の外的な作動要求を拒否するようにすることも推奨される。換言すると、加熱装置の作動を、自動車のその他の構成部によって、例えば、要求できるようにすることができる。例えば、プローブが、粒子トラップの圧力低下が大きすぎることを確認すると、再生（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）が必要となる。駆動部の負荷動作ポイントの監視がまた、排出ガスの現在の温度が低すぎると通知した場合も同様である。ここでもエンジン制御システムは、加熱装置の作動を求めることができる。しかしながら、かかる状況が正確には、加熱装置が追加のエネルギーを要求しても、所望の目的を最終的には達成することなく消費するのみであることが明確であることが判明する場合がある。このため、かかる外的作動は、ステップ（ｄ）からの条件を満たせる場合に限り実行するようにすることも補足的に推奨する。

さらに、排気システムの動作パラメータ、加熱装置の影響変数、排気システムの目標パラメータの少なくとも一つの変数を算出することが好ましいことに留意されたい。かかる（一つ以上の）変数の算出は、ここで説明したその他の一つ以上の変数に基づいて行うことができる。少なくとも一つの変数を測定技術によって、特に、一つ以上の測定センサを用いて測定することが好ましい。

本発明は、特に、排出ガスと接触して配置することができる、少なくとも一つの制御可能な加熱装置を有する排気システムと駆動部とを備えた自動車であって、少なくとも一つの加熱装置は、ここで説明した本発明に係わる方法を実行するように設定された制御ユニットに接続された、自動車で使用することが特に有利である。

本発明と技術的分野について図面を参照してより詳細に説明する。図面は、本発明の特に好ましい様々な実施の形態を表すものであるが、本発明を限定するものではないことに留意されたい。図面では各々の場合について概略的に示している。

本発明の方法の動作の一つの可能なモードを説明する図である。 本書で説明する方法に従って自動車を動作する排気システムの可能な構造を示す図である。

図１は、排気システムの動作パラメータ６（この場合、温度２１）を、時間１９の経過に従って描いた図である。左から進むと、動作パラメータ６はほぼ固定値にとどまっていることが見てとれる。この時間、例えば、ステップ（ａ）を実行することができ、現在の動作パラメータ６を検出することができる。続いて、加熱装置の影響変数７を決定する（ステップ（ｂ））。ここで、影響変数７を点線で示している。影響変数７と目標パラメータ８（点線で示す）とを比較すると、目標パラメータ８に信頼性をもって到達できる程度に影響が大きいことが検出される。このため、加熱装置を作動時間期間１７にわたって作動する。ここに図示したケースでは、かかる作動時間期間１７は、信頼性をもって所望の結果を得られるように、動作パラメータ６を目標パラメータ８を上回るように上昇させるには十分である。

さらに図の右に進むと、いわゆる、続く（任意の）時間における、一例として、異なる状況を示す。ここでは、排気システムの部分システムにおいて、目標パラメータへ温度を上昇させることが必要となる。図示の時間で、エンジン制御システムが作動要求１８を開始する。ここで、作動要求１８の時間に、本発明の方法が再び実行され、影響変数７と目標パラメータ８との比較により、目標パラメータ８に加熱装置の作動によって到達できないことが検出される。したがって、加熱装置は作動させず、むしろその他の手法（駆動部の燃焼処理への影響、添加剤（ａｄｄｉｔｉｖｅ）の使用など）が最初に実行される。

図２に、駆動部２と排気システム３を備えた自動車１の構造の概要を示す。駆動部２で生成された排出ガス９は、排気システム３を通って流れ方向２０に流れる。かかる排出ガス９は、複数の排出ガス浄化構成部を貫流する。排出ガス９は、例えば、粒子１０を含むことができる。添加剤１１（空気、水、還元剤（ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｇｅｎｔ）、燃料など）の供給部１６も設けることもできる。排出ガス９は、加熱装置４に衝突する。この場合、加熱装置４は、電熱型のハニカム構造体１２により構成することができる。制御可能な加熱装置４の流れ方向２０に対して下流には触媒コンバータ１４とアキュムレータ１５（例えば、吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）、粒子トラップなど）を設ける。例えば、排気システム３のその他の可能な複数の位置に、ここではコンバータ１４に内部測定センサ５を設ける。

ここで記載の方法を実行するために、加熱装置４はまた、制御ユニット１３とも接続する。制御ユニット１３は、例えば、エンジン制御部、及び／又は、駆動部２、及び／又は測定センサ５、及び／又は、添加剤１１の供給部１６に接続する。本発明の方法を実行するために、制御ユニット１３は、対応するソフトウェア及びデータ処理手段を備えてもおい。

１ 自動車
２ 駆動部
３ 排気システム
４ 加熱装置
５ 測定センサ
６ 排気システムの動作パラメータ
７ 加熱装置の影響変数
８ 排気システムの目標パラメータ
９ 排出ガス
１０ 粒子
１１ 添加剤
１２ 電熱型のハニカム構造体
１３ 制御ユニット
１４ コンバータ
１５ アキュムレータ
１６ 供給
１７ 作動時間期間
１８ 作動要求
１９ 時間
２０ 流れ方向
２１ 温度

Claims (6)

1. 排出ガスと接触して配置することができる、少なくとも一つの制御可能な加熱装置（４）を有する排気システム（３）と駆動部（２）とを備えた自動車（１）を動作させる方法であって、
   （ａ）前記排気システム（３）の少なくとも一つの動作パラメータ（６）であって排出ガス温度又は排出ガス処理部の温度を含む前記動作パラメータを検出するステップと、
   （ｂ）前記加熱装置（４）の少なくとも一つの影響変数（７）であって所定の排出ガス流量に対する加熱力による温度上昇の値を含む前記影響変数（７）を決定するステップと、
   （ｃ）前記排気システム（３）の目標パラメータ（８）であって前記排気システム（３）の前記動作パラメータ（６）の所定の値を含む前記目標パラメータ（８）と、前記少なくとも一つの影響変数（７）とを比較するステップと、
   （ｄ）前記動作パラメータ（６）が前記目標パラメータ（８）に到達するように作動させる前記加熱装置（４）を、前記動作パラメータ（６）が前記目標パラメータ（８）に到達することが可能なときという条件に限り作動させ、ステップ（ｂ）における前記加熱装置（４）の前記少なくとも一つの影響変数がステップ（ｄ）からの条件を満たすには十分でない場合には、前記加熱装置（４）への外的な作動要求（１８）を拒否するステップと、
   を少なくとも含み、
   前記方法は、前記駆動部（２）の作動によって開始し、継続して実行し、前記駆動部（２）の非作動によって終了する方法。
2. 前記ステップ（ｃ）における前記排気システム（３）の前記目標パラメータ（８）が、排出ガス温度、排出ガス処理部の温度の少なくとも一つに対応する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップ（ｄ）が所定の作動時間期間（１７）にわたる前記目標パラメータ（８）の関数として実行され、
   前記加熱装置（４）が続いて非作動となる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ステップ（ｄ）が少なくとも一つの電熱型のハニカム構造体（１２）によって実行される、請求項１から３迄の何れか１項に記載の方法。
5. 前記排気システム（３）の動作パラメータ（６）、前記加熱装置（４）の影響変数（７）、前記排気システム（３）の目標パラメータ（８）の少なくとも一つの変数を算出する、請求項１から４迄の何れか１項に記載の方法。
6. 排出ガスと接触して配置することができる、少なくとも一つの制御可能な加熱装置（４）を有する排気システム（３）と駆動部（２）とを備えた自動車（１）であって、
   少なくとも一つの加熱装置（４）は、請求項１から５迄の何れか１項に記載の方法を実行するように設定された制御ユニット（１３）に接続された、自動車（１）。

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