JP5491532B2 - Ｓｃｒ触媒コンバータを備える排気ガス浄化装置付き内燃機関の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく、ＳＣＲ触媒コンバータを備える排気ガス浄化装置付き内燃機関の作動方法に関する。

ＳＣＲ触媒コンバータを備える排気ガス浄化装置付き内燃機関の場合、一般的に、できる限り早急に、窒素酸化物削減に必要な作動温度に達する必要がある。このために、特許文献１では、ＳＣＲ触媒コンバータの効率を規定し、規定された内燃機関作動パラメータが、例えば、内燃機関の暖機時に規定の値を下回った場合、未処理の排気ガス中の窒素酸化物濃度が減じられ、排気ガス温度及びＳＣＲ触媒コンバータの温度が上昇するように、規定された内燃機関作動パラメータを変更することが提案されている。しかしながら、特に、内燃機関のコールドスタート又は暖機運転と関連して、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱により、窒素酸化物（ＮＯｘ）の総排出量が許容される値であっても、とりわけ有害な二酸化窒素（ＮＯ_２）の排出が不適切に高くなるおそれがある。

独国特許出願公開第１９７４９４００Ａ１明細書

本発明の課題は、ＮＯ_２の周辺への排出が、特にコールドスタート又は暖機運転と関連して、確実に許容可能な低い値に限定される、ＳＣＲ触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置付き内燃機関の作動方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を備える方法によって解決される。

本発明に基づく、ＳＣＲ触媒コンバータを備える排気ガス浄化装置付き内燃機関の作動方法では、ＳＣＲ触媒コンバータに貯蔵されている窒素酸化物の窒素酸化物貯蔵量の評価が行われ、設定可能な窒素酸化物貯蔵量限界値を窒素酸化物貯蔵量が超過していると評価された場合、設定可能な内燃機関作動パラメータの設定可能な値によって、内燃機関がコールドスタートエンジン作動プロセスで駆動される。ＳＣＲ触媒コンバータ内の窒素酸化物貯蔵量が窒素酸化物貯蔵量限界値を超過した場合に設定されている特殊なコールドスタートエンジン作動プロセスは、窒素酸化物貯蔵量限界値を下回っている場合又はその限りにおいては、逆に、好適には全く適用されないか、もしくは万一の場合には変更された形で適用される。このことにより、特に危険と見なされるＮＯ_２排出の視点から、コールドスタートエンジン作動プロセスが必要ないときは、固有のコールドスタートエンジン作動プロセスが設けられている場合に一般的に生じる燃費の上昇を防止することができる。

本発明者は、不適切に高いＮＯ_２の排出が、主として、ＳＣＲ触媒コンバータに貯蔵された窒素酸化物（ＮＯｘ）量の超過によって引き起こされていることを確認した。貯蔵されているＮＯｘは、物理吸着又は化学吸着の形で、もしくは化学的に結合した形で、例えば亜硝酸として存在し得る。意外にも、ＳＣＲ触媒コンバータに貯蔵されているＮＯｘは、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱時に、主にＮＯ_２として脱離し、これに対して、脱離したＮＯｘのＮＯ割合はより低くなることが確認された。従って、ＮＯに対して増加したＮＯ_２の有害性により、ＮＯ_２排出を制限することは特に好ましいことである。本発明に基づいて行われる窒素酸化物貯蔵量の評価により、内燃機関のコールドスタート又は暖機運転と関連して、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱による、不適切に強いＮＯ_２脱離の危険が同様に予測可能となる。窒素酸化物貯蔵量が、危険な窒素酸化物貯蔵量限界値を上回った場合、本発明に基づくコールドスタートエンジン作動プロセスが作動することによって、一方では、ＮＯ_２排出が設定可能な値に制限された状態に留まっているように、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱が早期に行われる。他方で、本発明に基づくコールドスタートエンジン作動プロセスは、ＮＯ_２排出が設定可能な値に制限された状態に留まっているように、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱速度を適切に調整することができる。

本発明の実施形態では、コールドスタートエンジン作動プロセスが作動している場合、内燃機関作動パラメータ値が設定され、少なくとも１つの排気ガス浄化コンポーネントが、内燃機関から排出される排気ガスによって加熱されるが、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱によってＳＣＲ触媒コンバータから脱離する窒素酸化物の設定可能な脱離速度、又は周辺に排出される排気ガス中に含まれるＮＯ_２の設定可能な最大濃度が超過されないように加熱される。貯蔵されている窒素酸化物で満たされているＳＣＲ触媒コンバータの急速な加熱は、ＮＯ_２脱離の急増、すなわち、高い脱離速度を結果として生じるおそれがあることが確認された。このことは、特に、加熱の際に、典型的には＋１０
℃〜＋６０ ℃の脱離温度範囲に到達した場合、又はその範囲を通り抜けた場合に該当する。その結果、窒素酸化物貯蔵量の値に応じて、多少の違いはあるものの、周辺に排出される排気ガス中のＮＯ_２最大濃度が高くなる。従って、本発明のもう１つの実施形態では、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱時に、ＳＣＲ触媒コンバータの加熱勾配が設定可能な加熱勾配最大値を下回っている場合が、特に好ましい。窒素酸化物貯蔵量及び／又はＳＣＲ触媒コンバータの温度に応じて調整される内燃機関作動パラメータ値により、加熱勾配及びそれに伴う脱離速度又はＮＯ_２最大濃度が適切に制御され、設定された限界値又は設定可能な限界値を確実に下回ることが可能となる。例えば、相応に調整された内燃機関作動パラメータ値により、特に−２０℃〜＋４０℃の温度インターバルにおける毎分約１０℃よりも少ない比較的ゆっくりとした加熱は、弱いＮＯ_２脱離が可能であり、この場合は、危険なＮＯ_２ピーク濃度が回避される。加熱勾配を低く調整することは、ＳＣＲ触媒コンバータの温度が、脱離温度範囲よりも僅かに低いか、もしくはその範囲内である場合に、特に有利である。低い温度、すなわち０℃より低く、特に−２０℃よりも低い温度から出発して、第１の加熱工程において、まず、約２０℃／分以上の加熱勾配を設定することが、特に有利である。これによって、ＮＯｘ貯蔵にとって危険な温度領域におけるＳＣＲ触媒コンバータの暴露時間が短縮され、さらなるＮＯｘ貯蔵がほぼ防止されることによって、窒素酸化物貯蔵量が制限される。ＳＣＲ触媒コンバータが、脱離温度範囲よりも僅かに低い温度、すなわち、約１０℃近くの温度まで上昇すると、加熱勾配最大値を下回る低い加熱勾配が設定される。この場合、温度に応じて、特に温度の上昇に伴って、加熱勾配を減少させるように設定することが有利である。

本発明のもう１つの実施形態では、ＳＣＲ触媒コンバータに対して、窒素酸化物貯蔵量の評価が、特に、設定可能な第１の限界温度を常に下回っている温度を有する内燃機関の作動時間に基づいている。低温度における特別に長い軽負荷作動時間は、危険であることが判明した。例えば、通常、約３０℃の触媒固有の限界温度より低い温度で、内燃機関が長時間アイドリングで作動した場合、排出される窒素酸化物が、ＳＣＲ触媒コンバータの中で増加しながら蓄積する。コールドスタート及び／又は暖機プロセスが何度も連続し、このＳＣＲ触媒コンバータが、ＮＯｘの貯蔵を起こし得る温度を常に有している場合、貯蔵されるＮＯｘ量は累積していく。その後に続いて、内燃機関の負荷の上昇により、特に急速な加熱が行われると、不適切に強いＮＯ_２脱離が生じるおそれがある。本発明に基づき、ＮＯｘ貯蔵量は、ＮＯｘ貯蔵と作動時間とを統合した上で評価される。これによって、全体の窒素酸化物貯蔵量が危険値に達する前に、コールドスタートエンジン作動プロセスが作動し、排気ガス浄化装置の適切な加熱を開始することができる。窒素酸化物貯蔵量を評価するため、好ましくは、保存されている内燃機関の排出ガス特性曲線と該当する吸着特性曲線とが用いられる。ＳＣＲ触媒コンバータの吸着及び脱離モデルに基づく、オンライン算出も行うことができる。

本発明のもう１つの実施形態では、ＳＣＲ触媒コンバータの窒素酸化物貯蔵容量の一部が、窒素酸化物貯蔵限界値として設定される。ＳＣＲ触媒コンバータによって貯蔵可能な最大の窒素酸化物量である窒素酸化物貯蔵容量は、通常、温度の他に、ＳＣＲ触媒コンバータの種類及び／又は劣化状態に強く左右される。窒素酸化物貯蔵容量は、あらかじめ経験的に適切に調査され、制御装置に保存される。この場合、温度依存性の他に、劣化依存性を考慮することもできる。好適に設けられている、鉄−ゼオライト又は銅−ゼオライトタイプのＳＣＲ触媒コンバータについては、０℃以下の低温の場合、窒素酸化物貯蔵容量が、一般的に、Ｉ触媒容量につき１ｇ〜３０ｇの範囲にある。このように特定されている窒素酸化物貯蔵容量に対して、本発明に基づき設定されている窒素酸化物貯蔵限界値の位置付けによって、ＳＣＲ触媒コンバータの不適切に高い負荷が防止される。この場合、窒素酸化物貯蔵容量の一部が、温度に応じて、特に、ＳＣＲ触媒コンバータの温度低下に伴って減少するように設定される場合は、とりわけ有利である。

本発明のもう１つの実施形態では、ＳＣＲ触媒コンバータの、特に、設定可能な第２の限界温度にまで温度が上昇すると、コールドスタートエンジン作動プロセスが作動停止になる。本発明者は、通常、触媒特有の限界温度より高い温度においては、ＳＣＲ触媒コンバータの窒素酸化物貯蔵は僅かであるか、もしくは無視できる量であり、場合によって、すでにこの温度よりも低い温度で貯蔵された窒素酸化物は、少なくともほぼ完全に脱離できることを認めた。この限界温度に達した後、コールドスタートエンジン作動プロセスをできるだけ早く作動停止にすれば、燃費上昇が防止されるか、もしくは少なくとも制限される。ユーザによって要求されるエンジン負荷が設定可能な最低値を超え、さらに加熱が行われるか、もしくは少なくとも冷却されないことが確実である場合は、限界温度に達した直後に、コールドスタートエンジン作動プロセスを作動停止にするのが好ましい。その他の場合には、このプロセスがしばらく続行するように設定することもできる。これに関連して、特に、作動停止の正確な時点をエンジン負荷に応じて適用することは有利である。もちろん、ＮＯ_２脱離がセンサによって検知され、ＮＯ_２脱離最大値を超過したことが検出されると、作動中のコールドスタートエンジン作動プロセスが、その際に講じられていた幾つかの措置、もしくは全ての措置を終了することによって作動停止するように設定することも可能である。

本発明のもう１つの実施形態では、コールドスタートエンジン作動プロセスが作動している場合、１つ又は複数の燃焼シリンダへの燃料の多点噴射が行われ、この多点噴射は、それぞれのシリンダの作動工程の範囲内に、第１のパイロット噴射、第１のパイロット噴射に続く第２のパイロット噴射、第２のパイロット噴射に続くメイン噴射を含んでいる。この場合、第１及び／又は第２のパイロット噴射が、連続する２つの短い個々の噴射に分割されるように設定することができる。メイン噴射に先立って少なくとも２つのパイロット噴射が行われることにより、噴射された燃料の燃焼は、凍結点より低いエンジン温度でも可能となる。メイン噴射量の約２０％以下の比較的少量の燃料が、第１又は第２のパイロット噴射で噴射されるのが好ましい。この方法で、マイナス２０℃以下の非常に低い周辺温度又はエンジン温度でも、点火を行うことができる。パイロット噴射量が少ないため、蒸発による温度低下が少なくとも抑制され、均質化されたパイロット噴射量の燃焼が改善される。

本発明のもう１つの実施形態において、第１のパイロット噴射が、それぞれのシリンダの圧縮行程の中で、上死点前２０度より大きいクランク角度範囲で行われる場合は特に好ましい。通常、温度がマイナス２０℃以下の場合、シリンダ内の温度は従来の拡散燃焼には低温すぎる。本発明に基づく早期のパイロット噴射の場合、混合気の均質化が可能なことから、点火性が改善される。噴射後の該当する着火遅れを伴って第１のパイロット噴射の燃焼が行われ、このことがシリンダ内の温度レベルを上昇させる。従って、第２のパイロット噴射で持ち込まれる燃料は急速に気化し、同様に燃焼することができる。通常、均質な、もしくは部分的に均質な燃焼を伴うＨＣ排出は、この場合、窒素酸化物貯蔵量及びＮＯ_２脱離量の削減に関して有利であることが判明した。この関係は完全には明らかではないが、ＮＯｘに付随しながら排気ガス内に存在するＨＣにより、脱離スペースがブロックされ、ＮＯｘ貯蔵が軽減されていることが前提とされている。他方では、気化状態の、及び／又は貯蔵されているＮＯ_２及び／又はＮＯの減少は、ＮＯ_２脱離量が同様に軽減されることによって生じると考えられる。従って、コールドスタートエンジン作動プロセスの作動と同時に、及び／又はＮＯ_２脱離の開始に伴って、排気ガスのＨＣ増進が適切に行われるように設定することが可能である。この場合、特に、設定可能なＨＣ目標濃度の設定を、８０ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍの範囲で、特に好ましくは、２００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲で設定することができる。このために、好ましくは、第１及び／又は第２のパイロット噴射の噴射量が相応に引き上げられる。ＨＣの排気ガスへのエンジン以外からの添加を、例えば燃料添加ユニットによっても、当然、同様に準備することができる。

本発明のもう１つの実施形態では、第１のパイロット噴射によって噴射される燃料の放熱開始後の時点で、第２のパイロット噴射が行われる。本発明に基づいて、第２のパイロット噴射の時点が選択されることにより、第２のパイロット噴射及びそれに続くメイン噴射の燃料の燃焼プロセスが改善される。

本発明のもう１つの実施形態では、第２のパイロット噴射によって噴射される燃料の放熱開始後の時点で、メイン噴射が行われ、燃焼プロセスをさらに改善することが可能となる。これにより、非常に低い温度でも、確実な点火が保証され、排気ガス浄化装置の適切な加熱が可能になる。通常、メイン噴射は、圧縮行程の上死点後、特に上死点後約１０度のクランク角後に行われる。これにより、後期の燃焼位置又は後期の燃焼重心位置が結果として生じる。このことにより、点火が確実に行われ、排気ガス浄化装置及びＳＣＲ触媒コンバータの適切かつ急速な加熱が可能となる。さらに、燃焼によるＮＯ形成が防止される。

本発明のもう１つの実施形態では、コールドスタートエンジン作動プロセスの実施が、内燃機関の設定可能な軽負荷領域において行われ、コールドスタートエンジン作動プロセスは、軽負荷領域の上方の内燃機関負荷で作動停止する。コールドスタートエンジン作動プロセスの作動停止後、好ましくは、主要な拡散燃焼による燃焼プロセスが設定される。

本発明の有利な実施形態を図に示し、以下に説明する。この場合、ここで示された特徴及び以下に説明する特徴は、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から出ることなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能である。

ＳＣＲ触媒コンバータを備える排気ガス浄化装置付き内燃機関の図である。 一般的なゼオライトＳＣＲ触媒コンバータのＮＯｘ貯蔵容量の温度依存性を示すグラフである。 異なるＮＯｘ貯蔵量を載荷した図２による触媒コンバータのＮＯ_２脱離特性曲線を示すグラフである。 様々な加熱勾配によって達成されている、ＮＯｘを載荷した図２による触媒コンバータのＮＯ_２脱離特性曲線を示すもう１つのグラフである。 ディーゼルエンジンのシリンダ内における放熱及び該当する燃料インジェクタの時間に応じた制御パルスＩ_{ｉｎｊｅｋ}を示すグラフである。

図１は、図示されていない車両用内燃機関１及び排気ガス浄化装置２のシステムの有利な実施形態の図である。この内燃機関１は、レシプロ原理による直接噴射式の空気圧縮式内燃機関として実施されており、以下、簡略化してディーゼルエンジンと呼ぶ。図示されていない燃料噴射システムは、好ましくは、調整可能なレール圧又は燃料噴射圧を備えるいわゆるコモン・レール・システムとして実施されている。

ディーゼルエンジン１のシリンダには、それぞれ、１つ又は２つのインレットバルブ及びアウトレットバルブ、グロープラグ及びフューエルインジェクタを備える燃焼室、並びに１又は複数の燃焼エア用インレットダクトが割当てられており、これらのものは詳細に図示されていない。フューエルインジェクタは、この場合、噴射量の調整可能な多点噴射を実施できるようになっている。インレットバルブ及びアウトレットバルブは、好ましくは、調整可能なバルブタイミング及び開放ストロークによって作動することができる。

このディーゼルエンジン１は、図に示されていないエアマスセンサが配置されているエア供給ライン３を介して燃焼エアを受け取る。同様に図示されていない調整可能なスロットルエレメントによって、ディーゼルエンジン１に供給されるエア流量を調整可能な量まで絞ることができる。燃焼エアは、エグゾーストターボチャージャ１５によって圧縮され、冷却するためにインタクーラ１６に送られる。好ましくは、特にコールドスタート又は暖機運転と関連して、ディーゼルエンジン１に供給される燃焼エアの温度レベルを上げる手段（図示されていない）が設けられている。必要に応じて、インタクーラ１６の迂回可能性も設けられているのが好ましい。燃焼エア温度をアクティブに上げるため、エア供給システムにヒータ装置を設けることができる。好適にはエア供給ライン３への合流地点前の排気ガス再循環ライン１３に配置されている、いわゆるグリッドヒータによるアクティブな加熱が好ましい。このエグゾーストターボチャージャ１５は、好ましくは、調整可能なチャージ圧を備える、いわゆるＶＴＧターボチャージャ又はウェストゲート式ターボチャージャとして実施されている。

ディーゼルエンジン１のシリンダの燃焼室では排気ガスが発生し、排気ガスライン４を介して排出される。この場合、排気再循環ライン１３によって燃焼エアに排気ガスが混ぜ合わされ、それによって燃焼エアをディーゼルエンジン１に戻すことができる。戻された排気ガスの割合（ＡＧＲ率）は、ＡＧＲバルブ１４によって調整することができる。好ましくは、ディーゼルエンジン１に戻される排気ガスは、図示されていないＡＧＲラジエタによって冷却され、このＡＧＲラジエタのために、必要に応じて調整可能なバイパスを設けることができる。これにより、冷却された排気ガス又は熱い排気ガス、もしくは加熱された排気ガスを、選択的に燃焼エアに混ぜ合わせることができる。再循環されなかった排気ガスは、エグゾーストターボチャージャ１５を介して排気ガス浄化装置２に送られる。さらに、好ましいのは、図示されていない調整可能なスロットルエレメントが、エグゾーストターボチャージャ１５の下流の排気ガスライン４に設けられていることである。

説明されている好ましい実施形態により、例えばエア流量、多点燃料噴射の噴射時間、噴射量、噴射圧及び噴射時点、ＡＧＲ率、チャージエア圧、シリンダ充填及び様々な燃焼プロセスなど、重要なエンジン作動パラメータの様々な値を、必要に応じて表示することができる。変動性のさらなる拡大は、調整可能な圧縮比の形で設定することができる。

ディーゼルエンジン１に割り当てられている排気ガス浄化装置２の好ましい実施形態は、排気ガスの流れる方向に見て、順番に、第１の酸化触媒コンバータ５、第２の酸化触媒コンバータ６、微粒子フィルタ７及びＳＣＲ触媒コンバータ８を有している。微粒子フィルタ７として、好ましくは、ＳｉＣベース、コーディエライトベース又はアルミニウムベースの、いわゆる壁流フィルタが使用される。しかし、微粒子フィルタ７は、焼結合金フィルタとして又は開かれたフィルタ構造をもつフィルタユニットとしても形成することができる。触媒コンバータ５、６、８は、触媒層ダクトが通っているハニカムボディモノリスとして実施されており、供給される排気ガスはこのダクトを通って流れることができる。ＳＣＲ触媒コンバータ８は、好ましくは、銅又は鉄を含むゼオライトコーティングを備える担持触媒として実施されている。この実施形態により、ＳＣＲ触媒コンバータ８は、特にＨＣ、ＮＯｘ及びＮＨ_３などの排気ガス成分を貯蔵できる特性を有している。しかし、重要な特性は、酸化条件の下で、ＮＯｘからＮ_２への選択的還元を、貯蔵又は供給されるＮＨ_３を反応物として用いることによって触媒することができることにある。ＮＨ_３の供給は、好ましくは、図示されていない配合装置によって行い、この配合装置によって、尿素を含む溶液を、ＳＣＲ触媒コンバータ８の上流で排気ガスに噴射することができる。排気ガスに噴射された尿素は、その際、ＮＨ_３を解放しながら分解する。

第１の酸化触媒コンバータ５及び／又は第２の酸化触媒コンバータのインプット側には、燃料追加ユニットを設けることができ、このユニットによって、例えば燃料を排気ガスに送ることができる。このことによって、排気ガスに燃料又はＨＣを添加することができる。このことにより、必要に応じ排気ガスに送られる燃料の発熱酸化の結果、熱による煤の燃焼による微粒子フィルタ７のアクティブな再生と関連して、排気ガスの適切な加熱が可能となる。

排気ガス後処理装置２には、排気ガスと構成部品の温度並びに重要な排気ガス成分濃度を検知するための様々な温度センサ及び排気ガスセンサが設けられている。例えば、図１では、第２の酸化触媒コンバータ６のインプット側及び微粒子フィルタ７のアウトプット側に、それぞれ温度センサ１０、１１が排気ガス浄化装置２内に配置されている。第２の酸化触媒コンバータ６及びＳＣＲ触媒コンバータ８のアウトプット側には、ＮＯｘ及び／又はＮＨ_３感受性のガスセンサ９、１２が設けられている。微粒子フィルタ７への煤及び／又は灰の付着を検知するため、さらに、微粒子フィルタ７のインプット側とアウトプット側とに圧力センサ又は差圧センサを設けることが有利であるが、これらは図１には特に示されていない。これらのセンサ及び必要に応じてその他のセンサを用いて、排気ガス浄化装置２の作動状態が包括的に調査され、その作動状態をディーゼルエンジン１の作動に適合させることができる。

エンジンモードを設定又は検知するために、エンジン電子制御装置１７が設けられている。このエンジン制御装置１７は、一方で、例えば、回転数、エンジン負荷、温度、圧力などの標準的なエンジン作動値に関するインフォメーションを該当するセンサから入手し、他方では、例えば、ＡＧＲバルブ１４、エア供給ライン３のエグゾーストターボチャージャ１５又はスロットルエレメントなどのアクチュエータに設定値としての制御信号を送信することができる。ガス供給側と燃料供給側の作動値又は状態値の調整機能が準備されている。特に、エンジン制御装置１７は、多点噴射を実施するために燃料インジェクタを制御し、必要に応じて燃料噴射圧を適切に調整することができる。さらに、このエンジン制御装置１７は、調整及び制御プロセスを実施するために取り付けられており、これによってエンジン作動値は、調整又は制御された状態で設定される。このために、エンジン制御装置１７は、保存されている特性曲線又は算出ルーティン又は調整／制御ルーティンを用いることができる。そのために設けられているサブシステム、例えばコンピュータ、メモリ又は入力／出力ユニットなどは、特に図示されていない。

同様の方法で、排気ガス後処理装置２の作動及び状態値の検知と設定のために、第２の制御装置１８が設けられている。エンジン制御装置と第２の制御装置とは、双方向のデータライン１９によって相互に接続されている。この方法により、それぞれの制御装置で使用可能なデータが相互に交換可能となる。制御装置１７、１８は、唯一の一体型の測定値検知及び制御ユニットにまとめることも可能である。

図示されている好ましい実施形態では、ディーゼルエンジン１の最適な作動と、このエンジンから排出される排気ガスの広範囲の浄化が、最大限可能になっている。しかし、必要な範囲の排気ガス浄化は、排気ガス触媒コンバータ５、６、８が、それらの作動温度を有している場合にのみ可能である。いわゆる作動開始温度より低い温度では、触媒作用が制限されるか、もしくは失われるので、周辺への好ましくない有害物質の排出を防止する、もしくは少なくとも削減するためには、特にコールドスタート又は暖機運転と関連して、特別な措置が必要である。続いて、ＳＣＲ触媒コンバータ８の作動開始温度を下回る温度での、特に、窒素酸化物（ＮＯ_２）の排出抑制について説明する。以下に説明される措置は、周辺温度が凍結点より低いか、凍結点に近い場合、もしくはＳＣＲ触媒コンバータ８の温度が、ＮＯｘの吸着又はＮＯ_２の吸収に対する固有の限界温度を下回っている場合の、ＮＯ_２の排出抑制に関し、この限界温度は、好適に使用される実施形態に対し、通常は１０℃〜５０℃の範囲にある。

好ましくないＮＯ_２排出を回避するための好適な措置について説明する前に、まず、図２〜４に関して、基本になっている現象について説明する。

図２のグラフには、ゼオライトベースの一般的なＳＣＲ触媒コンバータのＮＯｘ貯蔵容量κの温度依存性が示されている。グラフで分かるように、温度Ｔ_ＳＣＲが低下すると、ＮＯｘ貯蔵容量κ、すなわちＳＣＲ触媒コンバータに貯蔵され得るＮＯｘ量は増加する。この場合、温度が低下すると、飽和性が増加することを確認することができる。触媒作用のあるゼオライトコーティングの種類及び範囲に応じて、ＮＯｘ貯蔵容量κの温度依存性は、様々に特徴付けることができるが、１リットルの触媒容量に対して０．５〜３０グラムのＮＯ_２量、特に、＋２０℃〜−２０℃の温度範囲においては１〜２０ｇ/ｌのＮＯｘ貯蔵容量が一般的であると見なすことができる。特に、温度Ｔ_ＳＣＲ＜−１５℃における最大値が約２０ｇ／ｌであることが、一般の触媒仕様には特徴的である。約＋１０℃〜＋５０
℃、特に約＋３０℃の触媒コンバータ固有の限界温度を上回ると、ＮＯｘ貯蔵容量κは、一般的に、無視できるほど小さい。

本発明者によって確認されたＮＯｘ貯蔵容量κは、エンジン作動中にＳＣＲ触媒コンバータ８が限界温度を下回ると、排気ガスに含まれる窒素酸化物が、程度の差はあるものの、かなりの範囲で貯蔵されるという結果となった。該当するエンジン作動状態は、例えば１つ又は複数の連続するコールドスタートプロセスを含み、このプロセスの後に、それぞれ軽負荷段階又は暖機段階が続けられる。ディーゼルエンジン１のこのようなエンジン作動状態に続いて、高負荷が要求された場合、急激に加熱される排気ガスにより、ＳＣＲ触媒コンバータ８の加熱が生じ、このことが、すでに貯蔵されていた窒素酸化物の好ましくない脱離を引き起こすおそれがある。この場合、窒素酸化物は、主にＮＯ_２として脱離し、周辺に排出される。本発明者は、ＮＯ_２脱離の範囲は、確実に、ＳＣＲ触媒コンバータ８に貯蔵されている窒素酸化物量及びＳＣＲ触媒コンバータ８の加熱速度に左右されることを確認し、このことを、図３及び４を用いて以下に説明する。

図３のグラフには、異なるＮＯｘ貯蔵量を載荷した図２による触媒コンバータのＮＯ_２脱離特性曲線が示されている。この場合、ＳＣＲ触媒コンバータのアウトプット側から排気ガス中で測定されるＮＯ_２濃度ｃ_ＮＯ２の変化が、ＳＣＲ触媒コンバータの温度Ｔ_ＳＣＲに応じて記録されている。該当する試験において、ＳＣＲ触媒コンバータは、ＮＯｘ吸着に標準的な限界温度より低い温度において、異なる量のＮＯｘが載荷され、続いて、ほぼ一定の加熱率で加熱された。図に示されているように、特徴的な脱離温度範囲において、ＮＯｘ貯蔵量が増加するに従って高さが上昇するＮＯ_２脱離ピークが生じる。この脱離温度範囲は、触媒作用のあるゼオライトコーティングの種類に左右されるが、ＮＯ_２の最大脱離が発生するのは、特に＋１０℃〜＋６０℃、特に＋２０℃〜＋５０℃の温度範囲が一般的と見なされる。

さらに、ＮＯ_２脱離速度又はＮＯ_２脱離ピークの高さ及び幅は、図４に示されるように、加熱速度、すなわち加熱勾配の大きさに左右されることが確かめられた。図４のグラフには、図３のグラフと同様に、それぞれ同じＮＯｘ貯蔵量を載荷した図２によるＳＣＲ触媒コンバータのＮＯ_２脱離特性曲線が示されている。この場合、ＳＣＲ触媒コンバータの載荷後の加熱は、ほぼ一定だが、異なる加熱率ｄＴ_ＳＣＲ/ｄｔによって行われた。図３に示されている曲線と同じく、特徴的な脱離温度範囲において、加熱勾配ｄＴ_ＳＣＲ／ｄｔが増加するに従って高さが上昇し、幅が縮小するＮＯ_２脱離ピークが生じる。

図２〜４のグラフに示された該当する基礎試験の結果により、ディーゼルエンジンのコールドスタート及び／又は暖機時の不適切に強いＮＯ_２解放を防止する方法が開発され、この方法は、本発明に基づき、一方では、ＳＣＲ触媒コンバータ８におけるＮＯｘの貯蔵を量的に制限することを目的としている。このことは、ＳＣＲ触媒コンバータ８に貯蔵されているＮＯｘの量が評価され、設定可能なＮＯｘ貯蔵量限界値をＮＯｘ貯蔵量が超過していると評価された場合、相応に加熱された排気ガスによって、ＳＣＲ触媒コンバータ８の加熱が適切に行われることによって達成される。この方法により、危険な量のＮＯｘ貯蔵が回避され、後で行われる加熱により高いＮＯ_２脱離ピークが発生しかねない危険なレベルまでＮＯｘ貯蔵量が増加する前に、ＳＣＲ触媒コンバータ８に貯蔵されているＮＯｘの脱離が強制的に行われる。他方では、以下に詳しく説明するが、ＳＣＲ触媒コンバータ８の加熱の結果、ＳＣＲ触媒コンバータ８から脱離するＮＯ_２の発生率に対する設定可能な脱離速度、又は周辺に排出される排気ガス中に含まれるＮＯ_２の設定可能な最大濃度を下回るような加熱措置が講じられる。

ＳＣＲ触媒コンバータ８内のＮＯｘ貯蔵量を評価するため、本発明に基づき、常に又は少なくともほとんどの場合にＳＣＲ触媒コンバータ８の設定可能な限界温度を下回っている、連続するコールドスタート及び暖機プロセスの回数が検知されるように設定されている。この場合、ディーゼルエンジン１によって排出され、ＳＣＲ触媒コンバータ８に貯蔵されるＮＯｘ量が、同様に検出される。このために、好ましくは、標準的なエンジン作動パラメータに応じてＮＯｘ未処理排出物質の値が保存されている、ディーゼルエンジン１の排出特性曲線が用いられる。同様に保存されている吸着及び脱離特性曲線と関連して、図２〜４に示されているグラフに従って、コールドスタート及び暖機プロセスによりＳＣＲ触媒コンバータ８に貯蔵されたＮＯｘ量の合計を割り出すことができる。特にＳＣＲ触媒コンバータ８の温度及び／又は排気ガス流速に応じて設定可能な、ＳＣＲ触媒コンバータ８のＮＯｘ貯蔵容量κの一部を上回っているＮＯｘ貯蔵限界値を、ＮＯｘ貯蔵量が超過したと評価されると、加熱措置が作動し、好ましくは、ＳＣＲ触媒コンバータ８の加熱勾配の設定可能な加熱勾配最大値が、特に、脱離温度の範囲内にあるように、もしくはその範囲をほぼ下回っているように制御される。この加熱勾配最大値は、好ましくはＮＯｘ貯蔵容量及び／又はＳＣＲ触媒コンバータ８の温度に応じて、周辺に排出される排気ガス中のＮＯ_２最大濃度が、設定可能な値を下回るように決定される。好ましくは、この値がＮＯ_２の視認境界であるＮＯ_２最大濃度に該当している。ＮＯｘ貯蔵量限界値の一般的な値は、ＳＣＲ触媒コンバータのＮＯｘ貯蔵容量の約１０％〜３０％である。加熱勾配最大値の一般的な値は、約５〜２０℃／分である。

本発明に基づき、コールドスタート及び／又はそれに続く暖機又は冷間始動時においては、ＳＣＲ触媒コンバータ８を適切に加熱するため、ノーマルモードに比べ強く加熱された排気ガスが生じるように、標準的に設定されている複数のエンジン作動パラメータが変更される。好ましいのは、以下にコールドスタートエンジン作動プロセスと呼ばれる方法において、次のような１つ又は複数の措置が講じられることである。
・特に負荷に応じて、すなわち、軽負荷の場合はスロットルの調整を強くする方法で、開いている通過断面積を１０％〜９５％まで縮小することに従って、排気ガスライン４に配置されているスロットルエレメントを閉じる。特に好ましいのは、動圧が１ｂａｒ〜４ｂａｒ、特に２ｂａｒ〜３ｂａｒになるようにスロットルエレメントを閉じることである。
・開いている通過断面積を１０％〜９５％、好ましくは３０％〜７０％まで縮小することに従って、エア供給ライン３に配置されているスロットルエレメントを閉じる。
・必要に応じ、作動限界又は設定可能な煙制限に達するまで、好ましくは１以上のボッシュスモークメータの値に対応して、エグゾーストターボチャージャから送られるチャージ圧を削減する。
・ＡＧＲラインのグリッドヒータを作動する。
・クランク角上死点後１０°〜クランク角上死点後７５°、好ましくはクランク角上死点後４０°〜クランク角上死点後６５°の範囲で開くように、ディーゼルエンジン１の１つ以上のシリンダのアウトレットバルブの制御を変更する。
・ＡＧＲバルブ１４を、好ましくは少なくとも一時的に完全に閉めるが、必要に応じて、ノーマルモードに適用される開度まで一時的に又は徐々に開く。
・第１のパイロット噴射を実施し、第１のパイロット噴射に続いて第２のパイロット噴射を行い、第２のパイロット噴射に続いてメイン噴射を実施し、圧縮行程の上死点後に燃料燃焼の重心位置が生じるように、ディーゼルエンジンのシリンダに燃料を噴射する。

図５に示されているグラフに関して以下に詳しく説明されるように、とりわけ−１０℃以下の低い外気温度では、コールドスタート及びそれに続く暖機又は冷間段階のために、先に述べたポイントに沿って、燃料噴射パラメータの特別な設定が行われるのが特に好ましい。

図５のグラフの上部には、ディーゼルエンジン１のシリンダ内における放熱ｄＱが示され、該当する燃料インジェクタの時間に応じた制御パルスＩ_{ｉｎｊｅｋ}が、クランク角度ＫＷに繰り込まれた形で下部に示されている。

相応に選択された噴射パラメータによる、本発明に基づくコールドスタートエンジン作動プロセスは、ディーゼルエンジンの燃焼室への燃料の噴射が、少なくとも２つのパイロット噴射ＰＥ１、ＰＥ２と、少なくとも１つのメイン噴射ＨＥと、によって行われる、部分的に均質な燃焼プロセスとして設計されている。この場合、好ましくは、圧縮行程の次の経過において一時的に均質で、点火可能な混合気が生じ、一定の点火遅れ後に、放熱（Ｖ_ＰＥ１の付された矢印によって示す）を伴う均質な混合気の均質な燃焼が生じるように、圧縮行程の早い時点で第１のパイロット噴射ＰＥ１が行われる。

第２のパイロット噴射ＰＥ２は、好適に、圧縮行程のほぼ上死点において、先に噴射された第１のパイロット噴射ＰＥ１の燃料の燃焼により、燃焼室の明らかな温度上昇が生じた時点で行われる。メイン噴射ＨＥは、第２のパイロット噴射ＰＥ２に遅れて、同様に、先に噴射された第２のパイロット噴射ＰＥ２の燃焼により、次の明らかな放熱（Ｖ_ＰＥ２を付された矢印で示す）が燃焼室内に生じた時点で行われる。この方法によって、噴射された燃料の燃焼は、−２０℃以下の非常に低い温度でも確実に行われる。

メイン噴射ＨＥの燃焼は、従来の拡散燃焼で行われるのが好ましい。この場合、メイン噴射ＨＥは、段階的な燃焼になるように、複数の部分噴射に分割されるように設定することができる。その際、メイン噴射ＨＥのそれぞれの部分噴射の噴射量が、前に行われた部分噴射の噴射量よりも大きく設定される場合は特に好ましい。

第１のパイロット噴射ＰＥ１は、クランク角上死点前２０°〜クランク角上死点前４０°の範囲で行われるのが好ましい。この場合、第１のパイロット噴射ＰＥ１の噴射量は、メイン噴射ＨＥの噴射量の約５％〜２５％の範囲で選択されるのが好ましい。第２のパイロット噴射ＰＥ２は、クランク角上死点前５°〜クランク角上死点後５°の範囲だが、早くとも第１のパイロット噴射ＰＥ１によって噴射された燃焼の点火後に行われるのが好ましい。この場合、第２のパイロット噴射ＰＥ２の噴射量は、メイン噴射ＨＥの噴射量の約２％〜１５％の範囲で選択されるのが好ましい。

図５によって示されたグラフとは異なり、メイン噴射ＨＥの噴射開始は、通常、クランク角上死点後５°〜クランク角上死点後２０°のクランク角度範囲で選択されるため、比較的後期の燃焼位置が生じる。この場合、燃料インジェクタの制御開始時点を用いて、排気ガス加熱を適切に調整することができるため、ＳＣＲ触媒コンバータ８の目標加熱速度を確実に達成することができる。必要に応じて、メイン噴射ＨＥを２つの部分噴射に分割する場合、第１の部分噴射に加えて、第２の部分噴射は、クランク角上死点後２５°〜クランク角上死点後６０°のクランク角度範囲で行われる。このことから、クランク角上死点後約２０°による比較的後期の燃焼重心位置が生じるため、排気ガス浄化装置２及びＳＣＲ触媒コンバータ８の適切な加熱が可能となる。エンジン負荷の上昇に伴って、さらに燃焼重心が後にずれるように設定されているのが好ましい。

本発明に基づくコールドスタートエンジン始動プロセスにより、排気ガス浄化装置２及びＳＣＲ触媒コンバータ８の適切な加熱は、温度が非常に低く、エンジン負荷が低い場合でも可能となる。従って、不適切に高いＮＯ_２脱離ピークを回避するための加熱は、特定の車両状態の設定とは無関係に行うこともできる。本発明に基づき、ＳＣＲ触媒コンバータ８の設定可能な限界温度まで温度が上昇すると、コールドスタートエンジン作動プロセスが作動停止になるように設定されている。この場合、作動停止とは、上述した対策の少なくとも一部が終了することを意味している。従って、コールドスタートエンジン作動プロセスにより生じる燃費上昇を制限することが可能である。エンジン負荷が、設定された、もしくは設定可能な定格負荷の約３０％の限界値を超過した場合にも、コールドスタートエンジン作動プロセスの作動停止が設定されている。いずれにしてもこの場合、大抵は排気ガス浄化装置２及びＳＣＲ触媒コンバータ８の加熱が当然行われる。

１ ディーゼルエンジン
２ 排気ガス浄化装置
３ エア供給ライン
４ 排気ガスライン
５ 第１の酸化触媒コンバータ
６ 第２の酸化触媒コンバータ
７ 微粒子フィルタ
８ ＳＣＲ触媒コンバータ
９、１２ ガスセンサ
１０、１１ 温度センサ
１３ 排気ガス再循環ライン
１４ ＡＧＲバルブ
１５ エグゾーストターボチャージャ
１６ インタクーラ
１７ エンジン電子制御装置
１８ 第２の制御装置
１９ 双方向のデータライン
Ｔ_ＳＣＲ ＳＣＲ触媒コンバータの温度
κ ＨＣ貯蔵容量
ｃ_ＮＯ２ ＮＯ_２濃度
ｄＴ_ＳＣＲ/ｄｔ 加熱率（加熱勾配）
ｄＱ 放熱
ＰＥ１ 第１のパイロット噴射
ＰＥ２ 第２のパイロット噴射
ＨＥ メイン噴射
Ｖ_ＰＥ１ ＰＥ１の放熱
Ｖ_ＰＥ２ ＰＥ２の放熱
Ｖ_ＨＥ ＨＥの放熱
Ｉ_{ｉｎｊｅｋ} インジェクタ制御パルス
ＫＷ クランク角

Claims (14)

1. 酸化条件の下で、アンモニアにより窒素酸化物の選択的還元を触媒することのできる触媒作用のあるゼオライトコーティングのＳＣＲ触媒コンバータを備える排気ガス浄化装置付き内燃機関の作動方法であって、コールドスタート又は暖機運転と関連して、前記内燃機関（１）が、設定可能な内燃機関作動パラメータの設定可能な値によるコールドスタートエンジン作動プロセスで駆動される、作動方法において、
   前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の触媒作用のある前記ゼオライトコーティングに貯蔵されている窒素酸化物の窒素酸化物貯蔵量の評価が行われ、設定可能な窒素酸化物貯蔵量限界値を前記窒素酸化物貯蔵量が超過していると評価された場合、前記コールドスタートエンジン作動プロセスが作動し、
   前記窒素酸化物貯蔵量限界値を下回っている場合、前記コールドスタートエンジン作動プロセスは全く適用されないか、もしくは変更された形で適用され、
   前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）について、前記窒素酸化物貯蔵量の評価が、設定可能な第１の限界温度を常に下回っている温度を有する前記内燃機関（１）の作動時間に基づいていることを特徴とする方法。
2. 前記コールドスタートエンジン作動プロセスが作動している場合、前記内燃機関作動パラメータ値が設定され、前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）が、前記内燃機関（１）から排出される排気ガスによって加熱されるが、前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の前記加熱によって前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の触媒作用のある前記ゼオライトコーティングから脱離する窒素酸化物の設定可能な脱離速度、又は周辺に排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物の設定可能な最大濃度が超過されないように加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 窒素酸化物の視認境界が超過されないように、前記最大濃度が選択されていることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の加熱時に、前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の加熱勾配が設定可能な加熱勾配最大値を下回っていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 加熱時に、摂氏０度を下回る温度から出発して、前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の触媒作用のあるゼオライトコーティングからの窒素酸化物の脱離が行われる温度範囲内において、設定可能な加熱勾配最大値が超過されないことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. １０℃〜６０℃の脱離温度範囲内において、２０℃／分の加熱勾配最大値が超過されないことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の触媒作用のあるゼオライトコーティングの窒素酸化物貯蔵容量（κ）の３０％以下の値が、窒素酸化物貯蔵限界値として設定されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ＳＣＲ触媒コンバータ（８）の、設定可能な第２の限界温度にまで温度が上昇すると、前記コールドスタートエンジン作動プロセスが作動停止になることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記コールドスタートエンジン作動プロセスが実施されている場合、前記内燃機関（１）の１つ又は複数の燃焼シリンダへの燃料の多点噴射が行われ、該多点噴射は、それぞれの前記シリンダの作動工程の範囲内に、第１のパイロット噴射（ＰＥ１）、該第１のパイロット噴射に続く第２のパイロット噴射（ＰＥ２）、該第２のパイロット噴射（ＰＥ２）に続くメイン噴射（ＨＥ）を含み、
   前記第１のパイロット噴射（ＰＥ１）が、それぞれの前記シリンダの圧縮行程の中で、上死点前２０度より大きいクランク角度範囲で行われ、
   前記第１のパイロット噴射（ＰＥ１）によって噴射される燃料の放熱開始後の時点で、前記第２のパイロット噴射（ＰＥ２）が行われ、
   前記第２のパイロット噴射（ＰＥ２）によって噴射される燃料の放熱開始後の時点で、前記メイン噴射（ＨＥ）が行われることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第２のパイロット噴射（ＰＥ２）の噴射量が、前記第１のパイロット噴射（ＰＥ１）の噴射量よりも少なく選択されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２のパイロット噴射（ＰＥ２）が、前記圧縮行程の上死点前５度〜上死点後５度のクランクシャフト角度範囲において行われることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記メイン噴射（ＨＥ）が、前記圧縮行程の上死点後５度〜上死点後２０度のクランクシャフト角度範囲において行われることを特徴とする、請求項９又は１１に記載の方法。
13. 前記コールドスタートエンジン作動プロセスの実施が、前記内燃機関（１）の設定可能な軽負荷領域において行われ、前記コールドスタートエンジン作動プロセスは、軽負荷領域の上方の内燃機関負荷で作動停止することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記排気ガス浄化装置の中で微粒子フィルタの下流に配置されているＳＣＲ触媒コンバータ（８）において、前記窒素酸化物貯蔵量の前記評価が行われることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。

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