JP6674226B2 - 内燃機関を運転するための方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関を運転するための方法に関連する。本発明は、更に、内燃機関を運転するための制御装置に関連する。

実践から知られている内燃機関は、内燃機関の汚染物質排出を減らすために、排ガス後処理システムを備えている。従って、内燃機関の排ガス後処理システムは、触媒コンバータ、例えば内燃機関の窒素酸化物の排出を減らすための触媒コンバータ、を備えることができることが実践から知られている。これらは例えば所謂ＳＣＲ触媒コンバータまたは酸化触媒コンバータであり得る。更に、それらの触媒コンバータは、炭化水素が触媒コンバータ中で結果として酸化され得るように炭化水素の酸化活性を有することも実践から知られている。炭化水素の酸化は特定の温度から生じ、この温度は炭化水素の酸化のためのライトオフ温度（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）とも呼ばれる。特に比較的長時間かかる内燃機関のコールドスタートが起きる際には、大量の未だに燃焼されておらず、それぞれ酸化されていない炭化水素が触媒コンバータ内に蓄積され得り、その後、ライトオフ温度に到達するとすぐに触媒コンバータ内で酸化する。炭化水素の酸化は発熱反応を構成するので、プロセス中に触媒コンバータ内に温度の非常に大きな上昇がもたらされる可能性があり、その結果、触媒コンバータが熱的に損傷され得る。これは不都合である。

独国特許出願公開第１０２００９００７７６４号

ＤＥ １０ ２００９ ００７ ７６４ Ａ１から、触媒コンバータ中に堆積された炭化水素の量がモデルによって見積もられる方法が知られている。この先行技術から知られている方法は比較的不正確である。

ここから出発して、本発明は内燃機関を運転するための新しいタイプの方法及び制御装置を創造するという目的に基づいている。

この目的は請求項１に記載の内燃機関を運転するための方法を通して解決される。本発明に係る方法は、少なくとも以下のステップを備える：炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータの下流の排ガス中の酸素量及び／または窒素酸化物量が少なくとも１つのセンサーを用いた測定によって決定されるステップ；炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータの上流の排ガス中の酸素量及び／または窒素酸化物量が少なくとも一つのセンサーを用いた測定または代替的に計算によって決定されるステップ；触媒コンバータの上流の排ガス中の酸素量と、触媒コンバータの下流の排ガス中の酸素量との酸素量の差、及び／または、触媒コンバータの上流の排ガス中の窒素酸化物量と、触媒コンバータの下流の排ガス中の窒素酸化物量との窒素酸化物量の差が決定されるステップ；酸素量の差、及び／または窒素酸化物量の差から、少なくとも一つの特性変数が決定され、この特性変数の関数として、炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータの損傷を回避するような方法で内燃機関が運転される。

触媒コンバータの下流の排ガスの測定によって決定された酸素量、及び／または測定によって決定された窒素酸化物量に基づいて決定された、酸素量の差及び／または窒素酸化物量の差に基づく本発明に係る方法によって、少なくとも一つの特性変数を正確に決定することができ、触媒コンバータ中に蓄積された炭化水素の発熱的な酸化の結果として触媒コンバータが損傷するのを安全かつ確実に回避するために、この特性変数の関数として内燃機関が運転される。

更なる開発の利点によると、内燃機関の運転は、特に特性変数が下限値よりも小さい場合、この特性変数に依存して変化せず、一方で、特に各特徴量が下限値よりも大きく、上限値よりも小さい場合、内燃機関の運転は第一の挙動でこの特性変数に依存して変化し、そして、特に各特性変数が上限値よりも大きい場合、内燃機関の運転はこの特性変数に依存して第二の挙動で変化する。これにより、各特性変数と独立に規定された方法で内燃機関の動作に影響を与えるための、内燃機関の特に有利な運転が可能となる。

有利な更なる開発によると、少なくとも触媒コンバータの下流の排ガス中の窒素酸化物量がＮＯ_ｘセンサーによる測定によって決定され、触媒コンバータの上流の排ガス中の窒素酸化物量が更なるＮＯ_ｘセンサーによる測定または計算によって決定される。少なくとも一つのＮＯ_ｘセンサーを使用する利点は、酸素によって触媒コンバータ中に堆積された炭化水素の点火が可能でない比較的低温であっても炭化水素のおかげで触媒コンバータ中の窒素酸化物は触媒的に転換されてしまうことにある。この理由により、燃焼機関の運転が十分早くに影響され得るように、酸素を介して触媒コンバータ中で炭化水素が酸化する前に、炭化水素を有する触媒コンバータの負荷の程度に関する情報が利用可能である。

優先的に、触媒コンバータの上流の排ガス中の酸素量は、ラムダセンサーによる測定で追加的に決定され、触媒コンバータの上流の排ガス中の酸素量は、更なるラムダセンサーまたは空気質量センサーを用いた測定によって、または計算によって決定される。少なくとも一つのＮＯ_ｘセンサーと少なくとも一つのラムダセンサーとを組み合わせて使用するのが好ましい。なぜならば、それによって炭化水素を伴う触媒コンバータの負荷の程度を、より広い温度範囲で観察することが可能だからである。

内燃機関を運転するための制御装置が請求項８に規定されている。

本発明の好ましい更なる開発は、従属請求項及び以下の記載から得られる。本発明の例示的な実施形態が図面の助けとともにより詳細に説明されるが、これに制限はされない。

内燃機関を運転するための本発明に係る方法を記述するための、排ガス後処理システムを備えた内燃機関の概略図である。

本発明は、排ガス後処理システムを備えている内燃機関を運転する方法に関連し、特に、内燃機関は、燃料の燃焼のために、過剰酸素とともに運転される。更に、本発明はこの方法を実行するための制御装置に関連する。

図１は複数のシリンダー１１を有し、内燃機関１０の排ガス後処理システム１２を有する内燃機関１０を高度に模式的に示し、図１において排ガス後処理システム１２の触媒コンバータ１３が典型的に示されており、内燃機関１０を離れる排ガス１４を供給されることができ、清浄化された排ガス１４’が触媒コンバータ１３を離れる。触媒コンバータ１３は炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータであり、最終的に炭化水素は転換されるか、またはその酸化を通して燃焼されることができ、例えばそのような触媒コンバータは、窒素酸化物排出の還元用にはＶ_２Ｏ_５系ＳＣＲ触媒コンバータ、または窒素酸化物の酸化用には貴金属を含有する酸化触媒コンバータであり得る。

触媒コンバータ１３の領域に蓄積する炭化水素の酸化は、特に触媒コンバータ１３内で、規定されたライトオフ温度に到達したときにのみ生じる。

特に、燃焼機関１０のコールドスタートが失敗する場合、または長時間かかる場合、比較的大量の燃焼されていない、または未だに酸化されていない炭化水素が、内燃機関１０のエンジン起動中に触媒コンバータ１３内に蓄積され得、その後、ライトオフ温度に到達すると急激に酸化し、触媒コンバータ１３内の非常に急激な温度上昇が起きる。しかし、これによって触媒コンバータ１３を熱的に損傷する危険性がもたらされるので、これは不都合である。

本発明によると、触媒コンバータ１３の下流の排ガス１４’中の酸素量及び／または窒素酸化物量が少なくとも一つのセンサーを用いた測定によって決定されることが提案されている。図１の例示的な実施形態では、触媒コンバータ１３の下流の排ガス１４’中の酸素量及び窒素酸化物量を両方とも測定によって決定するために、一方にＮＯ_ｘセンサーが、他方にはラムダセンサー１６が、炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータ１３の下流に直接提供されている。本発明によると、触媒コンバータ１３の上流の排ガス１４中の酸素量及び／または窒素酸化物量が決定されることが更に提供される。即ち、少なくとも一つのセンサーによる測定によって、または代替的に計算によって決定される。図１の例示的な実施形態では、触媒コンバータ１３の上流の排ガス１４中の酸素量及び窒素酸素量を測定によって決定するために、炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータ１３のすぐ上流にセンサーが、即ち、更なるＮＯ_ｘセンサー１７及び更なるラムダセンサー１８が提供されている。ここですぐとは各センサー１５、１６、１７、１８、及び損傷から保護されるべき炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータ１３間に、排ガス後処理システムの触媒的に活性なアセンブリ及び／または粒子フィルター等がさらに配置されていないことを意味する。

触媒コンバータ１３の上流の排ガス１４中の酸素量は、代替的に、燃焼された燃料量と組み合わされた空気質量センサーによっても決定され得る。

更に、触媒コンバータ１３のすぐ上流の排ガス１４中の酸素量と、触媒コンバータのすぐ下流の排ガス１４’中の酸素量との酸素量の差、並びに／または触媒コンバータ１３のすぐ上流の排ガス１４中の窒素酸化物量と、触媒コンバータ１３のすぐ下流の排ガス１４’中の窒素酸化物量との窒素酸化物量の差が決定されることが提供される。図１の示された例示的な実施形態において、酸素量の差も、窒素酸化物量の差も、両方とも決定される。

酸素量の差及び／または窒素酸化物量の差から、少なくとも一つの特性変数が決定され、その関数として、触媒コンバータ１３の損傷を避けるように内燃機関１０が運転される。酸素量の差及び／または窒素酸化物量の差から、触媒コンバータ１３の炭化水素負荷、及び／または触媒コンバータ１３内に蓄積された炭化水素の酸化中に生じる触媒コンバータ１３の温度上昇、及び／または触媒コンバータ１３中の炭化水素の焼失レート（ｂｕｒｎ−ｏｆｆ ｒａｔｅ）が特性変数として決定される。これらの特徴量のうちの少なくとも一つに基づいて、内燃機関の運転はその後、開または閉ループ制御され、つまり触媒コンバータ１３が損傷するのを回避ように制御される。

特に、少なくとも一つの特性変数、例えば触媒コンバータ１３の炭化水素負荷が限界値よりも小さい場合には、内燃機関の運転はこの特性変数に依存して変化することはない。対照的に、特に各特性変数、例えば触媒コンバータ１３の炭化水素負荷が限界値よりも大きい場合には、内燃機関１０の運転はこの特性変数に依存して変化する。

特に、各特性変数、例えば触媒コンバータ１３の炭化水素負荷が下限値よりも小さい場合には、この特性変数に依存する内燃機関１０の運転は変化せず、特に、各特性変数が下限値よりも大きく上限値よりも小さい場合には、内燃機関の運転はこの特性変数に依存して第一の挙動で変化し、特に、各特性変数が上限値よりも大きい場合には、内燃機関の運転がこの特性変数に依存して第二の挙動で変化するように、各特性変数、例えば触媒コンバータ１３の炭化水素負荷が上限値及び下限値と比較される場合に、特に有利な運転が結果として生じる。

この点について、特に、触媒コンバータ１３の炭化水素負荷が下限値よりも大きく上限値よりも小さい場合に、内燃機関１０への燃料噴射量が削減され、特に、触媒コンバータ１３の炭化水素負荷が上限値よりも大きい場合に、内燃機関１０内の燃焼用空気量が例えば内燃機関１０のスロットルバルブ位置に影響を与えることによって削減され、優先的に、内燃機関１０への燃料噴射量もまた追加的に削減されることが提供され得る。

酸素量の差、窒素酸化物量の差、触媒コンバータ１３の炭化水素量の差のそれぞれから、ｎ―デカンで例示的に示されたＣ_１０Ｈ_２２が以下の反応式に従って決定され得る：
Ｃ_１０Ｈ_２２ ＋ １５．５Ｏ_２ → １０ＣＯ_２ ＋ １１Ｈ_２Ｏ
Ｃ_１０Ｈ_２２ ＋ ３１ＮＯ → １５．５Ｎ_２ ＋ １０ＣＯ_２ ＋ １１Ｈ_２Ｏ

触媒コンバータ１３内の炭化水素の酸化中に生じる温度上昇ΔＴは以下の関係に従って決定され得る：
ΔＴ＝ｍ_Ｃ×Ｍ_{ＡＢＧＡＳ}×α_{ＡＢＧＡＳ}×ＨＵ_Ｃ／Δｔ_ＡＵＦ
式中、ｍ_Ｃは触媒コンバータ１３内の炭素質量であり、Ｍ_{ＡＢＧＡＳ}は触媒コンバータ１３を通る排ガス質量流量であり、α_{ＡＢＧＡＳ}は排ガス熱容量であり、ＨＵ_Ｃは炭素の発熱量であり、Δｔ_ＡＵＦは触媒コンバータ１３の昇温期間である。

触媒コンバータ１３の昇温期間Δｔ_ＡＵＦ、炭化水素の焼失レートはそれぞれ酸素量の差の勾配から決定することができる。

本発明は、更に、本方法を実行するための制御装置に関連し、この制御装置は優先的に内燃機関１０の電子的エンジン制御装置である。これは本発明に係る方法を実行するための手段を備える。これらの手段は、本発明に係る方法を実行するのに関連したアセンブリ、データ処理のためのプロセッサ、及びデータの蓄積のための蓄積ユニットとのデータ交換のためのデータインターフェースである。

１０ 内燃機関
１１ シリンダー
１２ 排ガス後処理システム
１３ 触媒コンバータ
１４、１４’ 排ガス
１５ ＮＯ_ｘセンサー
１６ ラムダセンサー
１７ ＮＯ_ｘセンサー
１８ ラムダセンサー

Claims (6)

1. 排ガス後処理システムを備える内燃機関を運転するための方法であって、前記排ガス後処理システムは炭化水素の酸化活性を有する触媒コンバータを備え、
   炭化水素の酸化活性を有する前記触媒コンバータの下流の排ガス中の酸素量及び／または窒素酸化物量が、少なくとも一つのセンサーを用いた測定によって決定され、
   炭化水素の酸化活性を有する前記触媒コンバータの上流の排ガス中の酸素量及び／または窒素酸化物量が、センサーを用いた測定によって、または代替的に計算によって決定され、
   前記触媒コンバータの上流の前記排ガス中の前記酸素量と前記触媒コンバータの下流の前記排ガス中の前記酸素量との酸素量の差、及び／または、前記触媒コンバータの上流の前記排ガス中の前記窒素酸化物量と前記触媒コンバータの下流の前記排ガス中の前記窒素酸化物量との窒素酸化物量の差が決定され、
   前記酸素量の差及び／または前記窒素酸化物量の差から少なくとも一つの特性変数が決定され、その関数として、炭化水素の酸化活性を有する前記触媒コンバータの損傷が回避されるように前記内燃機関が運転され、
   前記特性変数が下限値よりも小さい場合に前記内燃機関の運転はこの特性変数に依存して変化せず、各特性変数が前記下限値よりも大きく上限値よりも小さい場合に前記内燃機関の運転はこの特性変数に依存して第一の挙動で変化し、各特性変数が前記上限値よりも大きい場合に前記内燃機関の運転はこの特性変数に依存して第二の挙動で変化することを特徴とする方法。
2. 特性変数としての前記酸素量の差及び／または前記窒素酸化物量の差から、前記触媒コンバータの炭化水素負荷、及び／または前記炭化水素の酸化中に生じる前記触媒コンバータの温度上昇、及び／または前記炭化水素の焼失レートが決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 特に前記各特性変数が前記下限値よりも大きく、かつ前記上限値よりも小さい場合に燃料噴射量が削減され、特に前記各特性変数が前記上限値よりも大きい場合に燃焼用空気量及び優先的に燃料噴射量が追加的に削減されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも前記触媒コンバータの下流の前記排ガス中の前記窒素酸化物量がＮＯ_ｘセンサーを用いた測定によって決定され、前記触媒コンバータの上流の前記排ガス中の前記窒素酸化物量は更なるＮＯ_ｘセンサーを用いた測定または計算によって決定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 追加的に、前記触媒コンバータの下流の前記排ガス中の前記酸素量がラムダセンサーを用いた測定によって決定され、前記触媒コンバータの上流の前記排ガス中の前記酸素量が更なるラムダセンサー若しくは空気質量センサーを用いた測定または計算によって決定されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 排ガス後処理システムを備える内燃機関を運転するための制御装置であって、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を実行するための手段を備えていることを特徴とする制御装置。

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