JP5508546B2 - 排気システムを有する圧縮点火エンジン - Google Patents

Description

[0001]本発明は、一般に車両用圧縮点火エンジン向けの排気ガス処理に関する。

[0002]化学反応と、内燃機関の燃焼室内の燃料の不完全燃焼のために、エンジンの排気システムから放出されるガスは複数の有害物質を含む可能性があり、これらの有害物質は、健康および環境に有害であり得る大気汚染問題をもたらす恐れがある。内燃機関の排気システムから放出されるガスの心配される主要な汚染物質は、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）および微粒子（すなわち、すす）である。

[0003]増加の一途をたどる車両により、特に市街地で大気汚染が拡大している。したがって、これらの公害問題を緩和するために、より厳しい一連の排気ガス規格が課されている。

[0004]ガソリン燃料の火花点火エンジン車両から、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯ_ｘの排気ガスを低減するために、三元触媒コンバータが広く実装されており、このような三元触媒デバイスは、ＮＯ_ｘをＮ_２とＯ_２とに還元するために還元触媒を内蔵し、ＣＯをＣＯ_２に酸化させ、ＨＣをＨ_２ＯとＣＯ_２とに酸化させるために酸化触媒を内蔵する。しかし、三元触媒の最適動作のためには、車両のエンジンが、化学量論的に動作するように、すなわち、燃焼室に供給される酸素の量が、供給される量の燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量に相当するように、制御されなければならない。ガソリンについては、これは、１４．７対１の空気／燃料の質量比に相当する。

[0005]必要以上の空気が存在する、したがって必要以上の酸素が存在すると、システムは、希薄運転と称され、酸化する状態になる。その場合、コンバータの２つの酸化反応（ＣＯおよびＨＣの酸化）は好ましいものであるが、還元反応を犠牲にする。燃料が過剰にあると、エンジンは濃厚運転になる。ＮＯ_ｘの還元は好ましいものであるが、ＣＯおよびＨＣの酸化を犠牲にする。使用される燃料に対して厳密な化学量論的ポイントにエンジンを保持することができたとすると、理論上は１００％の変換効率に到達することができる。

[0006]火花点火のガソリンエンジンとは異なり、ディーゼル圧縮点火エンジンは、普通には過剰空気（λ＞１）の希薄状態で作動される。したがって、ＣＯをＣＯ_２に酸化させ、ＨＣをＨ_２ＯとＣＯ_２とに酸化させるのに酸化触媒が用いられ得るが、希薄燃焼状態による排気ガスの中の過剰酸素が、通常、ＮＯ_ｘのＮ_２とＯ_２への還元を妨げる。

[0007] ＮＯ_ｘを還元するのに、排気ガス流れに対して気体または液体の還元剤（最も一般的にはアンモニアまたは尿素）が付加されて触媒に吸着される選択接触還元（ＳＣＲ）が用いられ得る。この還元剤は、排気ガスの中のＮＯ_ｘと反応して、Ｈ_２Ｏ（水蒸気）およびＮ_２（窒素ガス）を形成する。しかし、ＳＣＲは、燃料汚染物質の影響を非常に受けやすく、限られた（高い）温度域で動作する。

[0008]ＣＯおよびＨＣの酸化ならびに高ΝＯ_ｘ変換を必要とするディーゼルエンジン用途では、現在は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）デバイス、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）、および尿素（一般に、例えば「Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｘａｕｓｔ Ｆｌｕｉｄ」または「ＡｄＢｌｕｅ」として入手可能な水溶液から蒸発される）またはアンモニアの噴射を伴うＳＣＲデバイスの組合せを用いる。これは、一般に、米国排気ガスサイクルおよび重い自動車に対する用途の場合である。

[0009]今日の最高技術水準では、ＳＣＲシステムが一旦その動作温度に達すると、ＮＯ_ｘ変換効率は９５％を上回る。
[0010]ＳＣＲ触媒は、通常、エンジン排気弁またはタービン出口から、かなり長い距離だけ離れて配置される。一般に、ＤＯＣデバイスと微粒子フィルタは密結合の位置（close-coupled position）に配置され、ＳＣＲ触媒はアンダーフロア(underfloor)に配置される。これは、排気ガスと尿素の混合物がＳＣＲ触媒に入る前に、尿素またはアンモニアと排気ガスの混合を可能にするために、尿素噴射器、混合器要素およびいくらかの管長さを収容するように、微粒子フィルタ出口とＳＣＲ触媒入口の間に最小限の距離が必要であるという事実によるものである。

[0011]ＳＣＲ触媒は、およそ２２０℃で活性化する。しかし、排気系統の距離が長いために、排気ガスサイクルの非常に早い時期にＳＣＲシステムを動作させるのは困難である。

[0012]従来、エンジン管理では、ＳＣＲ触媒を、できるだけ速やかにその動作温度に至らせるために、特別な暖気運転の方策を適用していた。
[0013]これらの暖気運転方策は、燃費に対して負の影響を及ぼし、最善の暖気運転方策を用いてさえ、ほとんどの用途で、コールドスタート（換言すれば、冷始動）の直後に起こる激しい加速段階中に、または発動機が最適動作のための温度範囲に達していないときに、優れたＮＯ_ｘ変換効率を達成するのが困難である。ＦＴＰ−７５サイクル（連邦試験手順）に続く試験が、現在の最高技術水準の後処理システムを用いて、それぞれ「コールドスタート段階」および「ホットスタート段階」の開始の約２００秒後に起こる激しい加速中に、全体の排気管ＮＯ_ｘ排出の約５０％もが生成されることを示した。

[0014]文献ＤＥ １０ ２００５ ０２２ ４２０ Ａ１は、三元触媒およびＳＣＲデバイスを有するディーゼル機関用の排気システムを開示する。この文献は、暖気運転の段階中に化学量論的モードでエンジンを運転することを提案する。排気ガスは、化学量論的動作中に三元触媒材料によって処理される。

[0015]本発明の目的は、圧縮点火エンジンからＮＯ_ｘの排出を低減するための改善された手法を提案することである。この目的は、請求項１で特許請求される圧縮点火エンジンまたは請求項１４で特許請求される方法によって達成される。

[0016]本発明による圧縮点火エンジンは、排気ガス後処理組立体を有する排気システムを備え、後処理組立体が三元触媒デバイスおよびＳＣＲデバイスを備え、三元触媒デバイスが、ＳＣＲデバイスの上流に、エンジンに対して密結合の位置に配置される。エンジン動作の制御のためにエンジン制御ユニットが設けられる。エンジン制御ユニットは、ＳＣＲデバイスの温度を監視し、ＳＣＲデバイスの温度が温度閾値（例えば２００℃）未満に低下するのに応答して、エンジンを、希薄な空燃混合物を用いる動作から、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いる動作へと切り換える制御をするように構成される。エンジン制御ユニットは、有利には、エンジンが依然として希薄燃焼モードであっても、エンジン出力のＮＯ_ｘ排出が特定の閾値、例えば法的なＮＯ_ｘ放出限度未満にとどまることになると判断した場合、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物への切換えを一時的に防止するかまたは遅延させるように構成されてよい。エンジン制御ユニットは、次いで、ＮＯ_ｘ排出があらかじめ設定された閾値を超過することになると推定したら、直ちに切換えを開始してよい。

[0017]したがって、本発明は、ＳＣＲデバイスが、一般にエンジンから比較的遠く離れた位置に配置されて、エンジンとＳＣＲデバイスの間でかなりの熱量が失われる難点があるという問題に対処する。遠隔位置のもう一つの問題に、ＳＣＲデバイスが最終的に熱くなる前に、排気系統の重要な部分が加熱されなければならないということがある。最新のディーゼル機関が相対的に高効率であって、このようなエンジンが生成する熱がより少ないという事実から別の問題が生じる。例えば発動機が無負荷または低負荷で動作しているといった特定の運転状況では、ＳＣＲデバイスが必要な温度閾値を上回る温度を維持するのに、ＳＣＲデバイスに到達する熱が不十分になるといったことが起こり得る。したがって、燃料効率に関する成功が、逆説的に、より高いＮＯ_ｘ排出をもたらす恐れがある。本発明は、三元触媒を用い、ＳＣＲデバイスの（推定または測定された）温度が必要な最低温度を下回るとき、希薄モードの動作（λ＞１）から化学量論燃焼（λ＝１）または濃厚燃焼（λ＞１）へと切り換えることによって、ＳＣＲデバイスが冷たすぎて優れたＮＯ_ｘ還元性能を有することができない状況におけるＮＯ_ｘ排出の無制御の増加を防止する。

[0018]三元触媒は、その密結合の位置のために（能動加熱の方策がなくても）いちはやく動作温度に到達し、また低負荷状況での十分な温度を維持する。したがって、三元触媒は、コールドスタートの直後の、またはＳＣＲデバイスが拡張された低負荷動作のために冷める期間の後の、加速段階を通じて、優れたＮＯ_ｘ変換をもたらすことができる。三元触媒の優れたＮＯ_ｘ変換は、エンジンをλ＝１の動作に切り換えることによって達成される。したがって、全体の排気管ＮＯ_ｘ排出量は、ＳＣＲデバイスおよびディーゼル酸化触媒を有する従来型の排気システムと比較して、かなり低減され得る。一時的なλ＝１の動作がわずかに劣る（瞬時の）燃料効率をもたらすとしても、（試験サイクル全体にわたる）全体のＣＯ_２排出は、ＳＣＲシステムをより高速に暖気運転するかまたはＳＣＲデバイスを最適温度に保つために加熱方策が適用される従来型のシステムより少ない。

[0019]好ましくは、触媒デバイスは、排気ガスからディーゼル粒子状物質またはすすを除去するために、ディーゼル微粒子除去装置を備える。
[0020]ＳＣＲデバイスは、還元剤噴射器と、ＳＣＲ触媒と、注入された還元剤が排気ガスと混合するのを可能にするための、還元剤噴射器とＳＣＲ触媒の間に配置される混合区域とを備えることができる。

[0021]好ましくは、ＳＣＲデバイスは、アンモニアの放出を防止するためのスリップ触媒を備える。
[0022]ＳＣＲデバイスは、車両の中の任意の適切な位置に配置されてよい。しかし、ほとんどの場合、空間の制約のために、また、排気ガスと尿素またはアンモニアの優れた混合を可能にするために、ＳＣＲデバイスはアンダーフロアの位置に配置されることになる。

[0023]好ましくは、エンジン制御ユニットは、エンジンを、コールドスタート後のＳＣＲデバイスの暖気運転段階を通じて、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いて動作させる制御をするようにも構成される。

[0024]排気システムは、エンジン制御ユニットと動作可能に結合された温度センサを備えることができる。温度センサは、例えばＳＣＲデバイスの尿素もしくはアンモニア噴射器の上流、ＳＣＲ触媒材料の内部、またはＳＣＲデバイスの下流といった、例えば排気系統内のいかなる場所にも配置され得る。この場合、エンジン制御ユニットは、用いる燃焼モードを判断するために、温度センサによって測定された温度を直接用いることができる。温度センサが、ＳＣＲ触媒材料の中に直接配置されない場合、エンジン制御ユニットまたは分離した温度推定器は、温度センサからの温度測定値を、排気システムの熱的特性を記述する数学モデルの入力パラメータとして用いて、ＳＣＲデバイスの監視されるべき温度を計算することになる。このモデルは、例えば排気系統の材料の熱容量、排気ガスの質量流量、外部の温度などを考慮に入れることができる。

[0025]本発明の好ましい一実施形態によれば、エンジン制御ユニットは、例えば注入される燃料の量、質量空気流れ、ＥＧＲ率、エンジン効率などといったエンジンパラメータを、ＳＣＲデバイスの温度の変遷をエンジンパラメータの関数としてもたらす数学モデルの入力パラメータとして用いて、ＳＣＲデバイスの監視されるべき温度を計算するように構成される。この実施形態では、排気システムの温度センサは不要になり得る。排気システムの熱特性を記述する、かつ／またはＳＣＲデバイスの温度に対するエンジンパラメータをマッピングする数学モデルは、好ましくは、ソフトウェアで（プログラムコードおよび記憶されたデータとして）、または、例えば特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、デジタル信号プロセッサなどの専用電子回路によって実施される。

[0026]エンジン制御ユニットまたはエンジン制御ユニットに動作可能に接続されている分離した温度推定器は、好ましくは、場合によってはＳＣＲデバイスの温度次第でＳＣＲデバイスの動作を制御するように構成される。次いで、気体または液体の還元剤（例えばアンモニアまたは尿素）の噴射は、ＳＣＲデバイスの温度が低すぎるとき止められ、温度が十分に高いとオンに切り換わる。

[0027]好ましくは、圧縮点火エンジンは、エンジン制御ユニットが、前述の状況において化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を実現するために（または希薄燃焼への切換えに）排気ガス再循環デバイスを制御することができるように、エンジン制御ユニットに動作可能に結合された排気ガス再循環デバイスを備える。

[0028]本発明の一態様は、排気ガス後処理組立体を有する排気システムを備える圧縮点火エンジンを作動させる方法であって、後処理組立体が、三元触媒デバイスおよびＳＣＲデバイスを備え、ＳＣＲデバイスの上流でエンジンに対して密結合される位置に配置される方法に関するものがある。この方法によれば、ＳＣＲデバイスの（直接測定するかまたは推定された）温度が監視され、エンジンは、ＳＣＲデバイスの温度が温度閾値を下回ったとき、希薄な空燃混合物を用いる動作から化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いる動作へと切り換わるように制御される。有利には、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物への切換えは、切り換えなければ、エンジン出力のＮＯ_ｘ排気ガスが、特定の閾値（例えば法的なΝＯ_ｘ放出限度）を上回って上昇することになるのを条件として行なわれてよい。したがって、ＳＣＲデバイスの温度が温度閾値を下回るもののＮＯ_ｘ排気ガスが少ない（例えば下り坂の期間中といった一般に非常に低い負荷状態の）状況では、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いるエンジン動作への切換えは、好ましくは（一時的に）抑制される。次いで、ＮＯ_ｘ排出が、対応する閾値を超過すると推定されると、直ちに切換えが行なわれてよい。エンジンの燃焼モードは、好ましくはＥＧＲデバイスによって制御される。

[0029]本発明のさらなる詳細および利点が、限定的でない実施形態の、添付図面の参照を伴う以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

排気システムを装備したディーゼルエンジンの概略図である。 ＦＴＰ−７５試験サイクル中に放出されるＮＯ_ｘの還元およびＳＣＲ触媒の温度変遷を示す図である。

[0030]図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態によるディーゼル圧縮点火エンジン１０が示される。エンジン１０には、上流で空気取入れ流路１４に接続されて、下流で排気ガス後処理組立体を有する排気システム１６に接続される、シリンダブロック１２が備わっている。

[0031]空気取入れ流路１４は、外部からエンジンに引き込む空気をろ過するための空気フィルタ１８、質量空気流量センサ２０、ターボチャージャ２２、中間冷却器２４、および吸気マニホールド１２ａの上流に接続された絞り弁２６を備える。

[0032]排気システム１６は、エンジンの排気マニホールド１２ｂの下流に接続されたターボチャージャ２２のタービン２８と、三元触媒デバイス３０と、排気管３５の上流に配置されたディーゼル微粒子除去装置３２およびＳＣＲデバイス３４とを備える。ＳＣＲデバイス３４は、尿素またはアンモニアの噴射器３６、分解（尿素噴射の場合）および／または混合室３８、分解および／または混合室３８の下流に接続されたＳＣＲ触媒４０、ならびに、尿素またはアンモニアの噴射器３６の制御用フィードバック信号を供給するためにＳＣＲ触媒の下流でＮＨ_３および／またはＮＯ_ｘを検知するＮＨ_３および／またはＮＯ_ｘのセンサ４１を含む。

[0033]三元触媒デバイス３０は、シリンダブロック１２に対して密結合の位置(close-coupled position)に配置される。三元触媒デバイス３０は、排気マニホールド１２ｂで放出される排気ガスに含まれるＣＯおよび不完全燃焼の炭化水素（ＨＣ）を、それぞれＣＯ_２とＨ_２Ｏ＋ＣＯ_２とに酸化させる。さらに、ＮＯ_ｘをＮ_２とＯ_２とに還元するために三元触媒デバイス３０が装備される。しかし、ディーゼルエンジン１２が希薄な条件で動作するとき、排気ガスの中の過剰酸素が、酸化反応に対して不利なＮＯ_ｘの還元をもたらす。

[0034]ＳＣＲデバイス３４は、排気ガス流れに気体または液体の還元剤（アンモニアまたは尿素）を注入することにより、三元触媒を通るＮＯ_ｘを除去し、触媒の存在下でＮＯ_ｘを還元して水蒸気および窒素ガスを形成する。ＳＣＲデバイス３４は、尿素またはアンモニアの噴射器３６、分解および／または混合室３８およびＳＣＲ触媒４０を収容するためのいくらかの空間を必要とするので、一般に、微粒子フィルタ出口の下流のアンダーフロア（underfloor）に配置される。上記で述べたように、ＳＣＲデバイス３４は、（通常２２０℃を上回る）高温域で動作する必要がある。例えば触媒温度が反応のための最適な範囲にないとき、または過剰な尿素／アンモニアが分解および／または混合室３８に注入されたときに起こる、反応しなかったアンモニアの大気中への放出（いわゆるアンモニアスリップ）を回避するために、ＳＣＲ触媒４０は、さらなる酸化触媒（スリップ触媒）を装備することができる。

[0035]図１の排気システム１６は、関連する排気ガスパラメータを検出するためのいくつかのセンサを装備している。第１の温度センサ４８は、ターボチャージャのタービン２８の出口で排気ガス温度を測定する。第２の温度センサ５０は、三元触媒３０の出口で温度を測定する。第３の温度センサ５２は、分解および／または混合室３８の中、すなわちＳＣＲ触媒４０のすぐ上流の温度を測定する。

[0036]エンジン１０は、ＥＧＲ弁４４およびＥＧＲ冷却器４６を備える排気ガス再循環（ＥＧＲ）デバイス４２をさらに装備している。ディーゼルエンジンは、通常、過剰空気を用いて動作するので、特に低負荷では（そうでなければ非常に大量の過剰空気がある）、非常に高いＥＧＲ率で動作することができる。ＥＧＲは、排気ガスの一部分をシリンダブロック１２の燃焼室の中へ戻して再循環させることにより機能する。入来空気を再循環された排気ガスと混合することにより、混合ガスが不活性ガスで希釈され、断熱火炎温度が低下して過剰酸素の量が低減する。排気ガスはまた、混合ガスの比熱を上昇させ、その結果として、ピーク燃焼温度を低下させる。高温では、ＮＯ_ｘ形成が非常に速く進行するので、ＥＧＲはＮＯ_ｘの生成を制限するように働く。

[0037]エンジンは、例えばマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイなどの、エンジン１０の様々な構成要素、具体的には燃料噴射器（図示せず）、絞り弁２６、ＥＧＲデバイス４２、およびＳＣＲデバイス３４の動作を制御するエンジン制御ユニット４７を含む。エンジン制御ユニット４７は、例えば質量空気流量センサ２０、温度センサ４８、５０、５２、ならびにＮＨ_３および／またはＮＯ_ｘのセンサ４１といった様々なセンサに接続される。エンジン制御ユニット４７が接続され得るセンサのすべてが図示されているわけではない。

[0038]エンジン制御ユニット４７は、温度センサ５２によって測定されるＳＣＲデバイス３４の温度を監視する。エンジン制御ユニット４７は、ＳＣＲデバイスの温度が所定の温度閾値（例えば２００℃）を下回ったとき、および、エンジンが希薄燃焼モードで動作し続ければ、ＮＯ_ｘ排出が特定の閾値（例えば法定限度）を上回って上昇するはずであるということをエンジン制御ユニット４７が検出したとき、エンジンを、希薄な空燃混合物を用いる動作から化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いる動作へと切り換えるように制御する。ＳＣＲ温度が温度閾値を上回って上昇したとき、エンジン制御ユニット４７は、（エンジンに対して要求されるトルクおよび負荷が許す場合）希薄な空燃混合物に戻してよい。エンジン制御ユニット４７は、例えばコールドスタート後のＳＣＲデバイスの暖気運転段階の間、エンジンに化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いる動作をさせる制御をするようにも構成される。また、エンジン制御ユニットは、分解および／または混合室３８および／またはＳＣＲ触媒４０の中の温度が特定の範囲の外にある限り、ＳＣＲデバイス３４が受動的であり続ける（すなわちアンモニアまたは尿素を注入しない）ように、ＳＣＲデバイス３４を制御する。

[0039]エンジン制御ユニットは、燃焼室内の空燃混合物を制御するために、好ましくは吸気絞り弁ではなくＥＧＲ弁４４によってＥＧＲ率を制御することによって新規の吸気流れを制御するが、その理由は、こうすれば、エンジンの排気口と吸気口の間の圧力差が最低になってポンプ損失が最小限になり、したがってＣＯ_２損失が低下するからである。

[0040]所与の空燃比（λ）でエンジンを運転することが望まれるとき、エンジン制御ユニット４７は、内蔵のエンジン管理ソフトウェアを用いて、エンジンが運転者によって要求されたトルクを所望のλで生成するのに過不足のない新規の空気が残るようにＥＧＲ率を計算する。次いで、利用可能な空気に基づいて、目標の空燃比を達成するように、注入されるべき燃料の量が制御され得る。

[0041]しかし、エンジンの空気流量を制御するのに、可変バルブタイミング、吸気弁および／または排気弁の絞り、または可変圧力のターボチャージャまたはスーパーチャージャなど、他の方法が用いられ得ることに留意されたい。吸気流量を制御するのに、このような方法の組合せが用いられ得る。

[0042]図１に示された本発明の実施形態では、ＥＧＲプロセスはいわゆる高圧タイプであり、すなわちターボチャージャのタービン２８の上流の排気から排気ガスが移動されて圧縮機の下流の吸気口に戻される。代替形態として、ＥＧＲプロセスは低圧タイプとして実施され得て、排気ガスは、微粒子フィルタ３２の排気の下流（または少なくともターボチャージャのタービン２８の下流）から取り出されてターボチャージャの圧縮機の上流に戻される。このような低圧ＥＧＲシステムでは、排気ガスがＥＧＲのバイパス流路に流れ込むのを助長するために、一般にＥＧＲ取出し排気の下流に絞り弁が設けられる。その絞り弁は、燃焼室内の利用可能な空気をさらに制御するように制御されてよい。

[0043]図１の実施形態では、温度センサ５２に依存してＳＣＲ触媒４０の温度を直接測定する一方、本発明の他の実施形態では、ＳＣＲデバイス３４から遠く離れた排気システムの温度測定、またはＳＣＲデバイス３４の中の温度変遷のシミュレーションに依存し、エンジンもしくは排気系統においていかなる直接の温度測定もしない。

[0044]例えば、温度センサ５０および５２が省略され得る。このような場合、エンジン制御ユニット４７は、排気システムの熱伝導特性を記述する数学モデルの入力パラメータとして第１の温度センサ４８からの温度測定値を用いて、ＳＣＲデバイス３４の温度を計算することができる。用いられるモデルは、好ましくは、排気系統の材料の熱容量、排気ガスの質量流量、外部の温度などを考慮に入れる。このような実施形態の利点は、温度センサの数が、図１の実施形態より少ないことである。

[0045]図１に示された温度センサがすべて省略されたとしても、エンジン制御ユニット４７は、エンジンパラメータ、具体的には注入される燃料の量、質量空気流れ、ＥＧＲ率、エンジン効率などを、ＳＣＲデバイスの温度の変遷をエンジンパラメータの関数としてもたらす数学モデルの入力パラメータとして用いることにより、依然としてＳＣＲの温度を監視することができる。その数学モデルは、基本的に、エンジンに（燃料および空気として）供給されるエネルギーの量、エンジンによって行なわれる仕事、および熱の形で「失われる」エネルギーを求めるものである。また、このモデルは、排気系統に沿ってＳＣＲデバイス３４までの様々な位置における温度を求め、その結果、エンジン制御ユニット４７は、ＳＣＲデバイス３４をオンにするべきかオフにするべきか判断することができる。

[0046]本発明によるエンジンは、ほとんどの従来型のエンジンより大気中へのＮＯ_ｘ放出が少ないという利点を有することが理解されよう。図２は、ＦＴＰ−７５試験サイクルを通じて、特定のエンジンパラメータの時間の変遷を示す。ＦＴＰ−７５サイクルは、
・コールドスタート段階（０〜５０５秒）と、
・移行段階（５０５〜１３６９秒）と、
・ホットスタート段階（０〜５０５秒）と、
の区分を含む。

[0047]第２段階と第３段階の間に約１０分の休止（「吸収時間（soak time）」）があるが、これは、図２には、相当する時間長では示されていない。曲線５４（目盛は示されていない）は、試験サイクルの速度プロファイルを表す。曲線５６は、ＳＣＲ触媒４０の温度を示す。曲線５８（目盛は示されていない）は、排気マニホールドにおける統合された（蓄積された）ＮＯ_ｘ排気、すなわち、いかなる後処理も施されていない排気ガスに対応する。曲線６４（示されていないが曲線５８と同一の目盛である）は、三元触媒３０およびＳＣＲデバイス３４を用いる後処理システムの統合された排気管ＮＯ_ｘ排気に対応し、エンジンおよびＳＣＲデバイスは本発明に従って制御される。

[0048]曲線６２は、時間区分を示し、エンジン制御ユニット４７が、その時間区分の間、λ＝１でのエンジン動作を可能にする（そうしないとＮＯ_ｘ排気が増加しすぎる場合）。これらの時間区分では曲線６２は高レベルになり、エンジン制御ユニットがその間希薄燃焼のみを許す時間区分では、曲線６２は低レベルになる。エンジン制御ユニット４７がλ＝１におけるエンジン動作を許す時間区分は、ＳＣＲ触媒の温度が特定の閾値（ここでは曲線６０によって示される２００℃）を下回る時間区分に相当する。これらの時間区分では、ＳＣＲデバイスの中のＮＯ_ｘの変換が相対的に非効率であるため、尿素またはアンモニアが注入されないように、噴射器３６は、好ましくはこれらの期間中はオフにされる。ＳＣＲ温度が閾値を上回るとき、噴射器３６がオンにされる。三元触媒がその動作温度に達したとき（ターボチャージャのタービン２８の出口における三元触媒の密結合の位置のために、ＦＴＰ−７５サイクルの開始直後に生じる）の後に、（そのとき、エンジンがλ＝１で作動されるので）統合された排気管ＮＯ_ｘ排気の曲線６４が水平になるのが観測される。次いで、三元触媒またはＳＣＲ触媒によってＮＯ_ｘ還元が実現されるので、還元がより効率的な所与の時間ならいつでも、曲線６４は平坦なままである（すなわちＮＯ_ｘ排出率が非常に低レベルで安定する）。高加速段階の間、排気管のＮＯ_ｘ排出量は、三元触媒コンバータ３０を使用することにより、従来型の後処理システムと比較してかなり低減される。三元触媒は、その密結合された位置によって、アンダーフロアのＳＣＲデバイスより、かなり早く動作温度に達する。エンジンが冷たいとき、またはＳＣＲ温度が閾値未満にあるかもしくは下回るとき（すなわち曲線６２が高いとき）、エンジンは、化学量論的空燃混合物（λ＝１）を用いて動作するように制御される。したがって、三元触媒は、特にこれらの段階で優れたＮＯ_ｘ変換を実現する。本発明を用いることによって、ＦＴＰ−７５試験サイクルにおけるＮＯ_ｘ排気の顕著な低減が実現可能である。

[0049]三元触媒３０は、任意選択で、欧州特許出願第２ ０７２ ７７４ Ａ１号で説明された、上流の三元触媒デバイスおよび少なくとも酸化機能を有する下流の触媒デバイスを備えるタイプでよく、下流の触媒デバイスに入る排気ガスをより希薄にして酸化反応を助けるために、上流の三元触媒デバイスと下流の触媒デバイスの間に空気注入デバイスが配置される。

[0050]三元触媒デバイス３０とディーゼル微粒子除去装置は、好ましくは同一の構成単位に一体化される。
[0051]本発明の説明された実施形態に対する、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することのない様々な変更形態および変形形態が、当業者には明らかであろう。本発明が、特定の好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、特許請求された本発明が、このような特定の実施形態に不当に限定されるべきでないことを理解されたい。

１０ ディーゼル圧縮点火エンジン
１２ シリンダブロック
１２ａ 吸気マニホールド
１２ｂ 排気マニホールド
１４ 空気取入れ流路
１６ 排気システム
１８ 空気フィルタ
２０ 質量空気流量センサ
２２ ターボチャージャ
２４ 中間冷却器
２６ 絞り弁
２８ ターボチャージャのタービン
３０ 三元触媒デバイス
３２ ディーゼル微粒子除去装置
３４ ＳＣＲデバイス
３６ 尿素またはアンモニアの噴射器
３８ 分解および／または混合室
４０ ＳＣＲ触媒
４１ ＮＨ_３および／またはＮＯ_ｘのセンサ
４２ ＥＧＲデバイス
４４ ＥＧＲ弁
４６ ＥＧＲ冷却器
４７ エンジン制御ユニット
４８ 第１の温度センサ
５０ 第２の温度センサ
５２ 第３の温度センサ
５４ 速度
５６ ＳＣＲ触媒の温度
５８ 排気マニホールドで統合されたＮＯ_ｘ排気
６０ ＮＯ_ｘの効率的な変換のための温度閾値
６２ エンジン制御ユニットが、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いるエンジン動作を許す時間区分
６４ 本発明の好ましい実施形態による後処理システムの統合された排気管のＮＯ_ｘ排気

Claims (14)

1. 圧縮点火エンジン（１０）であって、
   排気ガス後処理組立体を有する排気システム（１６）と、前記エンジンの動作を制御するためのエンジン制御ユニット（４７）とを備え、前記後処理組立体が三元触媒デバイス（３０）およびＳＣＲデバイス（３４）を備え、前記三元触媒デバイス（３０）が、前記ＳＣＲデバイス（３４）の上流で前記エンジンに対して密結合される位置に配置され、
   前記エンジン制御ユニット（４７）が、前記ＳＣＲデバイス（３４）の温度を監視し、前記ＳＣＲデバイス（３４）の温度が温度閾値を下回ったとき、前記エンジンを、希薄な空燃混合物を用いる動作から化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いる動作へと切り換わるように制御し、
   前記エンジン制御ユニットは、前記エンジンが希薄な空燃混合物を用いて動作し続けたとしてもエンジン出力ＮＯ _ｘ 排気が特定の閾値未満であり続けるであろうと前記エンジン制御ユニットが判断した場合、前記化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物への切換えを、一時的に防止するかまたは遅延させるように構成されることを特徴とする圧縮点火エンジン（１０）。
2. 前記三元触媒デバイスがディーゼル微粒子除去装置（３２）を備える請求項１に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
3. 前記ＳＣＲデバイス（３４）が、還元剤噴射器（３６）と、ＳＣＲ触媒（４０）と、注入された還元剤が排気ガスと混合するのを可能にするために前記還元剤噴射器と前記ＳＣＲ触媒の間に配置された混合区域（３８）とを備える請求項１または２に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
4. 前記ＳＣＲデバイス（３４）が、アンモニアの放出を防止するためにスリップ触媒を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
5. 前記ＳＣＲデバイス（３４）がアンダーフロアに配置される請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
6. 前記エンジン制御ユニットが、前記エンジンを、前記ＳＣＲデバイス（３４）のコールドスタート後の暖気運転段階の間、化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いて動作するように制御する請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
7. 前記排気システムが、前記エンジン制御ユニットに動作可能に結合された温度センサを備える請求項１から６のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
8. 前記温度センサ（５２）が、前記ＳＣＲデバイス（３４）の混合区域（３８）またはＳＣＲ触媒（４０）に配置される請求項７に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
9. 前記温度センサが、前記排気システムの中で前記ＳＣＲ触媒の上流または下流に配置され、前記エンジン制御ユニットまたは別個の温度推定器が、前記温度センサからの測定値を前記排気システムの熱伝導特性を記述する数学モデルの入力パラメータとして用いて、前記ＳＣＲデバイスの監視されるべき温度を計算するように構成される請求項７または８に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
10. 前記エンジン制御ユニットが、エンジンパラメータを、前記ＳＣＲデバイスの温度の変遷を前記エンジンパラメータの関数としてシミュレートする数学モデルの入力パラメータとして用いて、前記ＳＣＲデバイスの監視されるべき温度を計算するように構成される請求項１から９のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
11. 前記エンジン制御ユニットが、前記ＳＣＲデバイスの前記温度に応じて前記ＳＣＲデバイス（３４）の動作を制御するように構成される請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
12. 前記エンジン制御ユニットに動作可能に結合された排気ガス再循環デバイス（４２）を備え、前記エンジン制御ユニットが、前記化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を実現するように前記排気ガス再循環デバイス（４２）を制御する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧縮点火エンジン（１０）。
13. 排気ガス後処理組立体を有する排気システム（１６）を備える圧縮点火エンジン（１０）を運転する方法であって、前記後処理組立体が三元触媒デバイス（３０）およびＳＣＲデバイス（３４）を備え、前記三元触媒デバイス（３０）が、前記ＳＣＲデバイス（３４）の上流で前記エンジンに対して密結合される位置に配置され、前記方法は、前記ＳＣＲデバイス（３４）の温度を監視するステップと、前記ＳＣＲデバイス（３４）の温度が温度閾値を下回ったとき、前記エンジン（１０）を、希薄な空燃混合物を用いる動作から化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を用いる動作へと切り換わるように制御するステップとを備え、
    前記エンジンが希薄な空燃混合物を用いて動作し続けたとしてもエンジン出力ＮＯ _ｘ 排気が特定の閾値未満であり続けるであろうと判断された場合、前記化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物への切換えが、一時的に防止されるかまたは遅延させられる、方法。
14. 前記圧縮点火エンジン（１０）が排気ガス再循環デバイス（４２）を備え、前記方法が、前記化学量論的空燃混合物または濃厚な空燃混合物を実現するように前記排気ガス再循環デバイス（４２）を制御するステップを含む請求項１３に記載の方法。

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