JP7477277B2

JP7477277B2 - 第１の排ガス浄化コンポーネントと第２の排ガス浄化コンポーネントとを有する内燃機関を作動させる方法および制御装置

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Publication number: JP7477277B2
Application number: JP2019185636A
Authority: JP
Inventors: ミヒャエル，ファイ; アレクサンドレ，ワーグナー; マルティン，クノップ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
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Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2024-05-01
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Description

本発明は、請求項１の前提項に記載されている方法に関し、および独立請求項８の前提項に記載されている制御装置に関する。さらに本発明は、コンピュータプログラム製品およびコンピュータ可読の媒体に関する。

これらの対象物は特許文献１から公知である。この公知の方法は、第１の排ガス浄化コンポーネントと、第１の排ガス浄化コンポーネントの下流側に第２の排ガス浄化コンポーネントとが配置された排ガス設備を有する内燃機関を対象としている。第１の排ガス浄化コンポーネントと第２の排ガス浄化コンポーネントの間に、公知の対象物においては連通部が配置されていて、これを介して二次空気を排ガス設備に吹込み可能である。第２の排ガス浄化コンポーネントは、少なくとも１つの排ガス成分のための蓄積器を有している。

内燃機関を制御するためにラムダプローブが利用され、これによって排ガス中の酸素濃度が検出される。空気過剰率ラムダは、内燃機関が作動する燃料／空気比率を表す目安である。このときワイドバンド・ラムダプローブとジャンプ・ラムダプローブが利用される。ワイドバンド・ラムダプローブによって、排ガスラムダを幅広いラムダ領域で連続的に制御することができる。その信号がラムダ値の幅広い範囲にわたって比較的低い勾配を有しているからである。プローブ特性曲線を線形化することで、制約されたラムダ範囲内でではあるが、さらに低コストなジャンプ・ラムダプローブによっても連続的なラムダ制御が可能である。ワイドバンド・ラムダプローブに比べて、ジャンプ・ラムダプローブはその飛躍的なプローブ特性曲線のゆえにラムダ＝１周辺の狭い領域では明らかに高い精度を有する。化学量論的な燃料／空気比率を特徴づける空気過剰率ラムダ＝１周辺のこの狭い範囲の外部では、ジャンプ・ラムダプローブの精度はリッチなラムダ（１以下）またはリーンなラムダ（１以上）において、通常、許容差や経年劣化の現象のゆえにワイドバンド・ラムダプローブよりも低くなる。

したがって、通常、エンジン制御システムでは、リッチもしくはリーンなラムダ値が厳密に測定されるべきところでは、またはラムダ＝１を中心とする領域での測定が制約された精度で足りるところでは、ワイドバンド・ラムダプローブが使用される。ジャンプ・ラムダプローブは、ラムダ＝１を中心とする領域での排ガスラムダがいっそう高い精度で測定されるべきところで使用される。典型的な用途は、ワイドバンド・ラムダプローブについては触媒の前でのラムダ制御や、たとえば触媒を診断するときの酸素注入・排出のバランシングである。ジャンプ・ラムダプローブの典型的な用途は、触媒の後での正確なラムダ＝１制御や、触媒を診断するときのリッチまたはリーンな排ガスの出現の認識である。

今日の厳しいエミッション・診断要求事項（たとえばＳＵＬＥＶ）のための燃料システムの典型的な排ガス設備は、ワイドバンド・ラムダプローブと、第１の排ガス浄化コンポーネントとしての第１の三元触媒と、ジャンプ・ラムダプローブと、第２の排ガス浄化コンポーネントとしての監視されない第２の三元触媒とで構成される。

将来的にさらに厳しくなるエミッション・診断要求事項（たとえばＣｈｉｎａ６）は、第２の触媒が同じく監視されるだけでなく、排ガス中の粒子数も制限される排ガス設備を必要とする。したがって、第２の三元触媒が粒子フィルタと組み合わされるか、または、四元触媒とも呼ばれるコーティングされた粒子フィルタによって置き換えられなければならない。以下において四元触媒と言うとき、それによって、三元触媒の直列の施工形態と、触媒コーティングされた粒子フィルタとがいずれもそのつど意味されるものとする。

四元触媒の最善の動作のためには、少なくともこの触媒の前で排ガス中の酸素濃度をできる限り正確に知ることが必要である。三元触媒の場合にこの情報が必要なのは、いわゆる触媒ウィンドウで、すなわち化学量論的な動作点（ラムダ＝１）を中心とする狭いラムダ領域で、触媒を作動させるためである。そのようにしてのみ、同時に高い転換率をＨＣ、ＣＯ、およびＮＯ_Ｘについて実現することができる。粒子フィルタの場合、フィルタの前の酸素濃度を知ることは、動作温度への迅速な到達のために、および、許容されない高いエミッションや粒子フィルタの損傷なしでの再生のために必要である。

第２の触媒の前の排ガス中の酸素濃度は、通常、ジャンプ・ラムダプローブによって判定される。あるいは、第２の触媒の前でのワイドバンド・ラムダプローブの使用も考えられる。

いずれのケースでも、これらのラムダプローブの取付位置での酸素濃度と、ラムダプローブの信号との間に一義的な関係があることが前提条件になる。そうでない場合、このような信号を基礎とする制御またはパイロット制御の精度が十分ではなく、許容されない高いエミッションや粒子フィルタ成分の損傷が四元触媒で起こり得るからである。

三元触媒と四元触媒の間の排ガス組成に依存して、三元触媒と四元触媒の間に配置されるラムダプローブは、同じ排ガスラムダにもかかわらず異なる出力信号を有し得る。考えられる原因の例には次のようなものがある。

三元触媒の後では、一定のリッチなラムダのとき、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）の間で時間的に変化する比率が生じる。その理由は、触媒を（恒常的に）平衡状態にすることができない水性ガスシフト反応にある。ラムダ＝１またはこれよりもリーンなラムダから一定のリッチなラムダへの転換後、最初に触媒は、平衡状態にほぼ相当するＨ_２量を供給する。しかし時間とともに触媒は、Ｈ_２との比率で明らかに多すぎるＣＯを供給するようになる。Ｈ_２とＣＯについて横感度が相違するため、三元触媒の後に配置されたラムダプローブは、プローブ位置でのラムダが一定であるにもかかわらず、時間的に強く変化する信号を示す。

能動的な二次空気吹込みの場合、Ｈ_２、ＣＯ、およびＯ_２についてのラムダプローブの相違する横感度に加えて、プローブ中でのＯ_２とＨ_２とのプレ触媒作用が生じる。わずかな量しか存在しないＯ_２がプローブ中で反応する可能性があるため、その割合は存在するＯ_２の量に強く依存する。この場合にも排ガス組成に依存して、プローブ位置でのラムダが一定であるにもかかわらず、異なるプローブ信号が発生する。

プローブ信号は、通常、異なる排ガス成分（たとえばＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＨＣ、ＮＯ_Ｘ）に対するプローブの相違する横感度によって影響を受け、排ガス組成は動作条件が相違していれば同じ排ガスラムダにもかかわらず相違し得るので、前述の前提条件は、ワイドバンド・ラムダプローブでもジャンプ・ラムダプローブでも通常は満たされない。したがってこのようなコンセプトは、第２の触媒を最善に作動させることができないという欠点を有する。

ドイツ特許出願公開第１０２０１７２０１７４２Ａ１号明細書

このような従来技術に対して、本発明はそれぞれ独立請求項の特徴部の構成要件によって区別される。方法態様の観点から、本発明は、第１の排ガス浄化コンポーネントの出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の出力濃度が出力エミッションモデルによって計算され、第２の排ガス浄化コンポーネントの入力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度が計算された出力濃度に依存して決定され、こうして決定された少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度に依存して内燃機関が作動することを特徴とする。

これらの構成要件によって本発明は、排ガスの流動方向で見て第１の排ガス浄化コンポーネントの下流側に配置された第２の排ガス浄化コンポーネントの作用にとって最善である方式で、複数の排ガス浄化コンポーネントを有する排ガス設備を有する内燃機関の作動を可能にする。

流動方向で見て前の（第１の）排ガス浄化コンポーネントの後の、たとえば酸素などの少なくとも１つの排ガス成分の濃度が計算モデルを用いてモデル化されて、流動方向で見て後の（第２の）排ガス浄化コンポーネントの前に配置されるラムダプローブの信号の代替として、またはこの信号に追加して、第２の排ガス浄化コンポーネントの作用を最適化するために利用される。

潜在的に誤りを含んでいるラムダプローブもしくはその他の排ガスセンサの信号に代えて、またはこのような信号に加えて、モデル化された排ガス濃度を利用することは、特に、相応のラムダプローブまたはその他の排ガスセンサがまだ動作準備が整っていないときや故障しているときにも、第２の排ガス浄化コンポーネントの最善の動作を可能にする。このことはいっそう少ないエミッションをもたらし、その結果、いっそう厳しい法律の要求事項を、排ガス浄化コンポーネントのいっそう低いコストで（たとえば触媒における少ない貴金属で）満たすことができる。さらに、排ガス浄化コンポーネントの（たとえば過熱による）損傷のリスクが低減される。必要なロバスト性は、プラントモデルに取り入れられる測定量やモデル量の不確実性を補正することを可能にする、プラントモデルのアダプションによって実現される。

１つの好ましい実施形態は、内燃機関が、第２の排ガス浄化コンポーネントの蓄積器の充填レベルの制御のために、第１の排ガス浄化コンポーネントの計算された出力濃度と同一になるように決定される第２の排ガス浄化コンポーネントの入力濃度に依存して作動することを特徴とする。

充填レベルの制御によって、最善の有害物質変換を促進する（平均）レベルに充填レベルを保つことができる。排ガス中の酸素欠乏が生じているとき、第２の排ガス浄化コンポーネントが排ガスに酸素を放出することができる。排ガス中で酸素過剰が生じているとき、第２の排ガス浄化コンポーネントが排ガスから酸素を取り込むことができる。

第２の排ガス浄化コンポーネントの入力エミッションモデルによって決定される入力濃度に依存して内燃機関が作動するのも好ましい。この決定は、第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）と第２の排ガス浄化コンポーネントの間に二次空気を排ガス設備へ吹込み可能である連通部が配置された排ガス設備を有する内燃機関では、第１の排ガス浄化コンポーネントの出力エミッションモデルによって計算される、少なくとも１つの排ガス成分および導入された二次空気量の出力濃度に依存して行われる。

両方の排ガス浄化コンポーネントの間で吹き込まれる二次空気量が考慮されることで、第２の排ガス浄化コンポーネントをほぼ第１の排ガス浄化コンポーネントに関わりなく化学的に加熱および／または再生することができる。

さらに内燃機関は、第１の排ガス浄化コンポーネントの出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の濃度について出力エミッションモデルが空気過剰率ラムダ＜０．９２、特にたとえば空気過剰率ラムダ＝０．９に相当する値を計算し、第２の排ガス浄化コンポーネントの入力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の濃度について入力エミッションモデルが１に等しい空気過剰率ラムダに相当する値を計算する程度の量の二次空気が吹き込まれるように作動するのが好ましい。その場合に必然的にリッチとなる燃焼室ラムダとの関連で、触媒作用のある第２の排ガス浄化コンポーネントで発熱反応し、それに伴って第２の排ガス浄化コンポーネントを第１の排ガス浄化コンポーネントに関わりなく加熱する、反応能力のある排ガス雰囲気がもたらされる。

別の好ましい実施形態は、第１の排ガス浄化コンポーネントの出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の濃度について出力エミッションモデルが空気過剰率ラムダ０．９８＜ラムダ１以下に相当する値を計算し、第２の排ガス浄化コンポーネントの入力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の濃度について入力エミッションモデルが１．０８よりも大きいラムダ値、特にたとえばラムダ＝１．１に相当する値を計算する程度の量の二次空気が吹き込まれるように内燃機関が作動することを特徴とする。

この実施形態により、好ましくはすでに加熱されている第２の排ガス浄化コンポーネントが酸素を提供し、この酸素によって、たとえば堆積したすす粒子が燃焼されることにより、第２の排ガス浄化コンポーネントの粒子フィルタコンポーネントを再生することができる。

全体として、モデル化された濃度を用いるこれらの実施形態は、第２の排ガス浄化コンポーネントの動作温度への迅速な加熱と、この排ガス浄化コンポーネントの再生の制御とを可能にする。

第１の排ガス浄化コンポーネントの出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の濃度について出力エミッションモデルにより計算された濃度が、第２の排ガス浄化コンポーネントのすす負荷のモデル化のために利用されるのも好ましい。それにより、必要に即した再生プロセスの始動が促進される。

制御装置の実施形態の観点から、制御装置は、本方法の好ましい実施形態のうちの１つに基づく方法の進行を制御するためにセットアップされるのが好ましい。

その他の利点は、発明の詳細な説明と添付の図面から明らかとなる。

当然ながら、上に挙げた構成要件および以下にこれから説明する構成要件は、それぞれ記載されている組み合わせだけでなく、それ以外の組み合わせでも、あるいは単独でも、本発明の枠組みから逸脱することなく適用可能である。

本発明の実施例が図面に示されており、以下の記述において詳しく説明する。ここでは異なる図面の同じ符号は、同じ部材または少なくともその機能の点からして同等の部材を表す。図面はそれぞれ模式的な形態で次のものを示す。

本発明の技術的な周辺分野としての排ガスシステムを有する内燃機関である。プラントモデルの機能ブロック図である。本発明による方法の実施例の機能ブロック図である。第２の排ガス浄化コンポーネントの充填レベルを判定するための実施例としてのフローチャートである。第２の排ガス浄化コンポーネントの加熱をもたらす動作形態の実施例としてのフローチャートである。第２の排ガス浄化コンポーネントの再生をもたらす動作形態の実施例としてのフローチャートである。

次に、第１の排ガス浄化コンポーネントとしての三元触媒を有する内燃機関、四元触媒、および排ガス成分としての酸素を例にして本発明を説明する。しかしながら本発明は、これ以外の排ガス浄化コンポーネント（触媒とフィルタ）や、窒素酸化物および炭化水素などのこれ以外の排ガス成分にも内容に即して転用可能である。

具体的には、図１は、空気供給システム１２と、排ガス設備１４と、制御装置１６とを有する内燃機関１０を示している。空気供給システム１２には、エアマス測定器１８と、エアマス測定器１８の下流側に配置されたスロットルバルブ１９がある。空気供給システム１２を通じて内燃機関１０に流れ込む空気は、噴射弁２２を通じて燃焼室２０へ直接噴射される燃料と、または燃焼室の取込弁の前で噴射される燃料と、内燃機関１０の燃焼室２０で混合される。結果として生じる燃焼室充填物が点火装置２４によって、たとえば点火プラグによって点火されて燃焼される。回転角センサ２５が内燃機関１０のシャフトの回転角を検出し、それにより、シャフトの事前設定された角度位置での点火の始動を制御装置１６に可能にする。運転者希望検出器３８が、走行ペダル位置およびそれに伴って運転者のトルク要求を検出して、トルク要求を反映する信号を制御装置１６に送る。

制御装置１６は、例としてのみ前述した信号とは別の信号も含まれる入力信号から、特に、内燃機関１０が要求されるトルクを生成することにつながる、内燃機関１０のアクチュエータに対する制御信号を形成する。燃焼の結果として生じる排ガスは、排ガス設備１４を通して運び出される。制御装置１６はコンピュータ可読の媒体１６．１、たとえばメモリチップを有していて、これに本発明に基づくコンピュータプログラム製品１６．２が機械可読の形態で格納されている。

排ガス設備１４は、第１の排ガス浄化コンポーネント３１としての三元触媒３０と、排ガス流で見て三元触媒３０の下流側に配置された第２の排ガス浄化コンポーネント２７としての粒子フィルタまたは四元触媒２６とを有している。四元触媒２６は、多孔性のフィルタ材料からなる内部のハニカム構造を有していて、これが排ガス２８によって貫流されて、排ガス２８に含まれる粒子が留められる。

四元触媒２６は、たとえばフィルタ材料が触媒でコーティングされ、それにより粒子フィルタ作用に追加して三元触媒の作用もさらに有する粒子フィルタを基礎とする。三元触媒は周知のとおり３つの反応経路で窒素酸化物、炭化水素、および一酸化炭素の３つの排ガス成分を変換する。粒子フィルタ作用は第４の経路をなしていて、それが四元触媒２６という呼び名の根拠となっている。第２の排ガス浄化コンポーネント３１は、第２の三元触媒と、第２の三元触媒の下流側に配置された（触媒でコーティングされていない）粒子フィルタとの組み合わせとして具体化されていてもよい。

粒子による四元触媒２６の負荷は排ガス２８にとっての流動抵抗を高め、それに伴って、四元触媒２６で生じる圧力差を高める。この圧力差がたとえば圧力差センサ２９で測定されて、その出力信号が制御装置１６に送られ、または、制御装置１６に存在する情報（測定値および／または調節量）から、粒子による負荷をモデル化した計算モデルによって計算される。制御装置１６で判明している排ガス質量流量と圧力差から、計算または特性曲線処理によって流動抵抗が求められる。三元触媒３０の上流側に、排ガスに暴露される前側のラムダプローブ３２が、三元触媒３０のすぐ手前に配置されている。

三元触媒３０と四元触媒２６の間に、同じく排ガスに暴露される別のラムダプローブ３４が配置されている。

四元触媒２６の下流側に、同じく排ガスに暴露される後側のラムダプローブ３５が、四元触媒２６のすぐ後に配置されている。前側のラムダプローブ３２は、幅広い空気過剰率範囲にわたって空気過剰率ラムダの測定を可能にするワイドバンド・ラムダプローブであるのが好ましい。別のラムダプローブ３４および後側のラムダプローブ３５は、空気過剰率ラムダの値１を特別に正確に測定することができる、いわゆるジャンプ・ラムダプローブであるのが好ましい。このラムダプローブの信号は、この値で飛躍的に変化するからである。ボッシュ「自動車ハンドブック」第２３版、５２４頁を参照。

制御装置１６により制御される二次空気を供給する装置５０が、たとえば二次空気ポンプと二次空気弁との組み合わせが、三元触媒３０と四元触媒２６の間に配置された連通部５２を介して空気を排ガス設備１４へ吹き込み、それにより、四元触媒２６をその動作準備完了温度（たとえば触媒コーティングのライトオフ温度）まで迅速に加熱するために、および四元触媒の粒子フィルタ成分の効率的な再生のために十分な空気酸素を提供し、そのために内燃機関１０を三元触媒３０での有害物質変換にとって不都合な過剰空気で作動させなくてもすむようにセットアップ、配置されている。

制御装置１６は、エアマス測定器１８、回転角センサ２５、圧力差センサ２９、前側のラムダプローブ３２、別のラムダプローブ３４、後側のラムダプローブ３５、および任意選択で存在する、四元触媒２６の温度を検出する温度センサ３６の信号を処理し、それをもとにスロットルバルブ１８の角度位置を調整するため、点火装置２０による点火を始動させるため、噴射弁２２によって燃料を噴射するため、および二次空気を供給する装置５０を制御するための制御信号を形成する。その代替または補足として制御装置１６は、上述したアクチュエータまたは他のアクチュエータもしくは別のアクチュエータを制御するための運転者希望検出器３８の信号など、他のセンサまたは別のセンサの信号も処理する。

図２は、本発明の実施例のプラントモデル１００およびその他の機能の機能ブロック図を示している。ここでプラントモデルとは、プラントモデルにより模倣される実際の対象物に作用する入力量を組み合わせて出力量にし、計算された出力量が実際の対象物の出力量に正確に呼応するようにするアルゴリズムを意味する。

実際の対象物は、着目しているケースでは、入力量と出力量の間に位置するすべての物理的なプラントである。プラントモデル１００は、三元触媒３０についての触媒モデル１０２と出力ラムダモデル１０６とで成り立っている。触媒モデル１０２は、入力エミッションモデル１０８と充填レベル・出力エミッションモデル１１０とを有している。これに加えて触媒モデル１０２は、三元触媒３０の平均の充填レベルバーθ_ｍｏｄを計算するためのアルゴリズム１１２を有している。これらのモデルは、制御装置１６で実行されて、計算モデルにより模倣される実際の対象物に作用する入力量を組み合わせて出力量にし、計算された出力量が実際の対象物の出力量にできる限り正確に呼応するようにするアルゴリズムである。

入力エミッションモデル１０８は、三元触媒３０の前に配置された前側の排ガスプローブ３２の信号λ_{ｉｎ，ｍｅａｓ}を入力量として、後続する充填レベルモデル１１０のために必要な入力量ｗ_{ｉｎ，ｍｏｄ}に変換するようにセットアップされている。たとえば、入力エミッションモデル１０８を用いた三元触媒３０の前におけるラムダが、Ｏ_２，ＣＯ，Ｈ_２およびＨＣの濃度に換算されるのが好ましい。

入力エミッションモデル１０８によって計算される量ｗ_{ｉｎ，ｍｏｄ}、および場合により追加の入力量（たとえば排ガス温度や触媒温度、排ガス質量流量、および三元触媒３０の現在最大の酸素蓄積能力）により、充填レベル・出力エミッションモデル１１０で、三元触媒３０の充填レベルθ_ｍｏｄと、三元触媒３０の出力部における個々の排ガス成分の濃度ｗ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}とがモデル化される。このようなモデル化は、出力エミッションモデル１１０による、第１の排ガス浄化コンポーネント３１の出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の出力濃度の計算の一例である。

第２の排ガス浄化コンポーネント２７について入力エミッションモデル２１０で、上述した出力濃度から、および二次空気を供給する装置５０の影響を反映する信号から、第２の排ガス浄化コンポーネント２７の入力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度が決定される。それに伴ってこの入力濃度は、特に、第１の排ガス浄化コンポーネント３１の出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の計算された出力濃度に依存して決定される。二次空気を供給する装置５０は、制御装置１６の最終段５１によって操作される。

二次空気供給がオフになっているとき、第２の排ガス浄化コンポーネントの入力濃度は、第１の排ガス浄化コンポーネントの計算された出力濃度と同一である。

内燃機関１０は、特に、こうして決定される少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度に依存して作動する。少なくとも１つの排ガス成分は、たとえば酸素である。入力エミッションモデル２１０は、これにより計算された、第２の排ガス浄化コンポーネントの入力部で生じる入力濃度の値を換算ユニット２１２に送り、これをもとに換算ユニットがたとえばラムダ実際値を生成する。二次空気供給の影響を反映する信号は、二次空気を供給する装置５０の制御信号であってよい。

出力ラムダモデル１０６のアルゴリズムは、触媒モデル１０２により計算される、触媒３０の出力部における個々の排ガス成分の濃度ｗ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}を、プラントモデル１００のアダプションのために、三元触媒３０と四元触媒２６の間に配置された別のラムダプローブ３４の信号λ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}と比較することができる信号λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}へと変換する。ラムダ値すなわち酸素濃度がモデル化されるのが好ましい。

それに伴ってプラントモデル１００は、一方では、確実に触媒ウィンドウの内部にある目標充填レベルに合わせて制御される、三元触媒３０の少なくとも１つの平均の充填レベルバーθ_ｍｏｄのモデル化のための役目を果たす。他方ではプラントモデル１００は、三元触媒３０の後に配置された別のラムダプローブ３４のモデル化された信号λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}を提供する。このモデル化された別のラムダプローブ３４の信号λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}がプラントモデル１００のアダプションのためにどのように好ましく利用されるかは、さらに後で詳しく説明する。

図３は、本発明による方法の一実施例の機能ブロック図を、この機能ブロックに作用する、または機能ブロックにより影響を受ける装置要素とともに示している。

具体的には図３は、出力ラムダモデル１０６によりモデル化される別の排ガスプローブ３４の信号λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}が、別の排ガスプローブ３４の実際の出力信号λ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}とどのように照合されるかを示している。そのために、両方の信号λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}およびλ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}がアダプションブロック１１４に供給される。アダプションブロック１１４は、両方の信号λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}およびλ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}を相互に比較する。たとえば三元触媒３０の後に配置されたジャンプ・ラムダプローブ３４は、三元触媒３０がいつ酸素で完全に充填されたか、または完全に酸素がなくなったかを一義的に表示する。このことは、リーン段階またはリッチ段階の後に、モデル化された酸素充填レベルを実際の酸素充填レベルと一致させて、またはモデル化された出力ラムダλ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}を三元触媒３０の後で測定されるラムダλ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}と一致させて、誤差がある場合にプラントモデル１００をアダプトするために活用することができる。このアダプションは、たとえばアダプションブロック１１４が、破線で示されているアダプション経路１１６を通じてプラントモデル１００のアルゴリズムのパラメータを連続的に変更し、三元触媒３０から流出する排ガスについて、モデル化されたラムダ値λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}がそこで測定されるラムダ値λ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}に相当するようになるまでこれを行うことによって行われる。

それにより、プラントモジュール１００に取り込まれる測定量またはモデル量の不正確性を補正することができる。モデル化された値λ_{ｏｕｔ，ｍｏｄ}が測定されたラムダ値λ_{ｏｕｔ，ｍｅａｓ}に呼応しているという状況から、プラントモデル１００または第１の触媒モデル１０２によりモデル化された充填レベルバーθ_ｍｏｄが、オンボード手段によって測定可能でない三元触媒３０の充填レベルに呼応していると推定することができる。そしてさらに、第１の触媒モデル１０２のアルゴリズムから数学的な変形によって得られる、第１の触媒モデル１０２に対して反転した第２の触媒モデル１０４も、モデル化されたプラントの挙動を正しく記述していると推定することができる。

このことは本発明では、反転した第２の触媒モデル１０４によってベース・ラムダ目標値ＢＬＳＷを計算するために利用される。そのために、反転した第２の触媒モデル１０４に、任意選択のフィルタリング１２０によりフィルタリングされた充填レベル目標値バーθ_{ｓｅｔ，ｆｌｔ}が入力量として供給される。フィルタリング１２０は、制御プラントが全体として追従することができる、反転した第２の触媒モデル１０４の入力量の変化だけを許容する目的のために行われる。このときまだフィルタリングされていない目標値バーθ_ｓｅｔが、制御装置１６のメモリ１１８から読み出される。そのためにメモリ１１８は、内燃機関１０の最新の動作特性量でアドレシングされるのが好ましい。この動作特性量は、一例であって絶対にではないが、回転数センサ２５で検出される回転数や、エアマス測定器１８で検出される内燃機関１０の負荷である。フィルタリングされた充填レベル目標値バーθ_{ｓｅｔ，ｆｌｔ}が、反転した第２の触媒モデル１０４により、ベース・ラムダ目標値ＢＬＳＷとなるように処理される。

入力エミッションモデル２１０では、触媒モデル１０２の出力エミッションモデル１０６の出力信号に依存して、および場合により二次空気の供給が反映される信号に依存して、四元触媒２６について入力エミッション濃度が決定される。二次空気の供給が反映される信号は、たとえば二次空気を供給する装置５０が制御される制御信号である。こうして決定された入力エミッションから、ブロック２１２で四元触媒２６について入力ラムダ値が決定される。ブロック２１４で、酸素欠乏と酸素過剰を分ける値１に対する入力ラムダ値の誤差が決定されて、排ガス質量流量と乗算される。排ガス質量流量は、たとえば回転数センサ２５で検出される回転数と、エアマス測定器１８で検出される内燃機関１０の負荷から求められる。その値はいずれの場合にも制御装置１６に存在する。乗算の結果は酸素欠乏または酸素過剰の質量流量であり、これが積分器２１６で充填レベル実際値となるように積分される。

１つの好ましい実施形態では、このとき四元触媒についても図２に準ずる触媒モデルを適用することができる。

後側のラムダプローブの信号により、四元触媒２６の計算された充填レベル実際値を特定の状況で、たとえば惰性走行段階の後に酸素蓄積器が完全に充填されたときに、四元触媒２６の実際の充填レベルと照合することができる。

フィルタリングされた充填レベル目標値バーθ_{ｓｅｔ，ｆｌｔ}が反転された第２の触媒モデル１０４によってベース・ラムダ目標値ＢＬＳＷとなるように処理されるのと並行して、演算部１２２で、プラントモデル１００または第１の触媒モデル１０２によりモデル化された充填レベルバーθ_ｍｏｄとフィルタリングされた充填レベル目標値バーθ_{ｓｅｔ，ｆｌｔ}との誤差としての充填レベル制御誤差ＦＳＲＡが形成される。この充填レベル制御誤差ＦＳＲＡが充填レベル制御アルゴリズム１２４に供給されて、そこからこれがラムダ目標値修正値ＬＳＫＷを形成する。このラムダ目標値修正値ＬＳＫＷが演算部１２６で、反転したプラントモデル１０４により計算されたベース・ラムダ目標値ＢＬＳＷに加算される。

好ましい実施形態では、こうして形成された合計が、従来式のラムダ制御の目標値λ_{ｉｎ，ｓｅｔ}として利用される。このラムダ目標値λ_{ｉｎ，ｓｅｔ}から、第１の排ガスプローブ３２により提供されるラムダ実際値λ_{ｉｎ，ｍｅａｓ}が演算部１２８で減算される。こうして形成された制御誤差ＲＡが、通常の制御アルゴリズム１３０によって調節量ＳＧへと変換され、これが演算部１３２でたとえば内燃機関１０の動作パラメータに依存して事前設定された噴射パルス幅ｔ_ｉｎｊのベース値ＢＷと乗算により組み合わされる。ベース値ＢＷは制御装置１６のメモリ１３４に保存されている。動作パラメータはここでも好ましくは、ただし絶対にではないが、内燃機関１０の負荷と回転数である。積の導き出される噴射パルス幅ｔ_ｉｎｊによって、噴射弁２２を介して燃料が内燃機関１０の燃焼室２０に噴射される。

このようにして従来式のラムダ制御に、三元触媒３０の酸素充填レベルの制御が重ね合わされる。適切な目標値設定により、このような構造を用いて四元触媒の充填レベルも制御することができる。このことは、図４を参照しながら後でまた説明する。このときプラントモデル１００を用いて、または第１の触媒モデル１０２を用いてモデル化される平均の酸素充填レベルバーθ_ｍｏｄは、たとえば、リーンおよびリッチが突発する確率を最低限に抑え、そのようにして最低限のエミッションをもたらす目標値バーθ_{ｓｅｔ，ｆｌｔ}に合わせて制御される。このときベース・ラムダ目標値ＢＬＳＷは反転された第２のプラントモデル１０４によって形成されるので、モデル化された平均の充填レベルバーθ_ｍｏｄが予備フィルタリングされた目標充填レベルバーθ_{ｓｅｔ，ｆｌｔ}と同一であるとき、充填レベル制御の制御誤差はゼロに等しくなる。充填レベル制御アルゴリズム１２４が介入をするのは、それが成立していない場合に限られる。ある意味で充填レベル制御のパイロット制御として作用するベース・ラムダ目標値の形成は、第１の触媒モデル１０２の反転された第２の触媒モデル１０４として具体化されるので、このパイロット制御は、三元触媒３０の後に配置された第２の排ガスプローブ３４の信号λ_{ｉｎ，ｍｅａｓ}をベースとする第１の触媒モデル１０２のアダプションとの類推でアダプトすることができる。このことは図３では、反転されたプラントモデル１０４へと通じるアダプション経路１１６の分路によって図示されている。

排ガスシステム１４、排ガスプローブ３２，３４，３５、エアマス測定器１８、回転角センサ２５、および噴射弁２２を例外として、図３に示すすべての部材が本発明による制御装置１６の構成要素である。このとき蓄積器１１８，１３４を例外として、図３のその他すべての部材は、制御装置１６に格納されてその内部で進行するエンジン制御プログラム１６．１の一部である。

部材２２，３２，１２８，１３０および１３２が第１の制御回路を形成し、その中で、第１の排ガスプローブ（３２）の信号λ_{ｉｎ，ｍｅａｓ}がラムダ実際値として処理されるラムダ制御が行われる。第１の制御回路のラムダ目標値λ_{ｉｎ，ｓｅｔ}は、部材２２，３２，１００，２１０，２１２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３２を有する第２の制御回路で形成される。

次に図４を参照しながら、四元触媒の酸素蓄積器についての充填レベル制御の実施例を説明する。図４は、排ガス成分の例としての酸素による四元触媒の充填レベルを判定するための実施例を示している。

ブロック４００は、所望のトルクが生じるようにたとえばスロットルバルブ１９、点火装置２０、および噴射弁２２が制御される、内燃機関１０を制御するためのメインプログラムを表している。
四元触媒２６の充填レベルは直接には測定可能でないため、図１の制御装置１６で計算されるべき計算モデル１６．１を用いてモデル化される。計算モデル１６．１は、制御装置１６で実行されるサブプログラムである。

触媒の充填レベルを測定することはできないので、本発明は、三元触媒３０と四元触媒２６における充填レベル－好ましくは酸素充填レベル－を、計算モデル１６．１を用いてモデル化することを意図する。計算モデル１６．１は、制御装置１６で実行されるサブプログラムである。

ステップ４０２で、四元触媒２６の入力部における酸素過剰と酸素欠乏の最新の質量流量が決定される。このような過剰または欠乏は、化学量論的な排ガス組成のときに形成される酸素濃度と、四元触媒の入力部について入力エミッションモデル２１０により決定される酸素濃度との差異として求められる。その限りにおいてステップ４０２は、図３のブロック２１４の機能に相当する。

ステップ４０４でこの差異が積分される。積分の結果が酸素充填レベルである。その限りにおいてステップ４０４は、図３のブロック２１６の機能に相当する。ステップ４０６で、四元触媒２６の下流側に配置された第３のラムダプローブ３５が、完全に充填された、または完全に空になった酸素蓄積器を表示しているか否か照会される。完全に充填された酸素蓄積器が生じるのは、たとえば燃料供給がオフになっている比較的長い惰性走行段階の後である。このようなケースでは、積分の結果が定義された最大値にセットされてから、プログラムが一時的にメインプログラムへ戻るように分岐することによって、ステップ４０８での積分が初期化される。このようにして、第３のラムダプローブ３５の信号が確実で正確である状況のときにモデル化が較正される。それに対して、ラムダプローブの信号がたとえば上に挙げた横感度のゆえに損なわれている別の状況では、酸素濃度についての信頼できる値がモデル化によって得られる。第３のラムダプローブ３５がステップ４０６で定義された充填状態（完全に一杯または完全に空）を表示していないとき、プログラムは初期化をせずにメインプログラムへと戻る。

充填レベル制御のために、メインプログラムではたとえば充填レベル制御目標値ＦＳＲＡが変更される。四元触媒での充填レベルを上昇させるために、まず、三元触媒がいわば暫定的に（酸素で）オーバーフローされるように目標値が引き上げられる。そして、四元触媒の充填レベルがその目標値に達すると、三元触媒で所望の充填が調整される程度まで、充填レベル制御目標値ＦＳＲＡが引き下げられる。引き続き、充填レベルが理想的なケースではそれ以上変化しないニュートラルな値に合わせて充填レベル制御目標値が調整される。

それに伴って四元触媒２６の充填レベルの制御は、好ましくは三元触媒３０の充填レベルの制御に準じてモデルベースで行われるが、ただし、四元触媒の入力濃度は四元触媒の前のラムダプローブの信号から入力エミッションモデルを用いて取得されるのではなく、三元触媒３０のモデル化された出力エミッションに直接的に呼応するという相違がある。両方の触媒の間に配置されたラムダプローブ３４の（たとえば水素に対する）横感度や動作条件（たとえばプローブ温度）への依存性が、四元触媒の充填レベル制御の精度に対して、またはプローブ信号へのこのような影響の修正に対して及ぼすマイナスの影響が、それによって回避される。充填プロセスと放出プロセスを現実的に反映できるようにするために、触媒３０，２６が複数の（軸方向の）ゾーンに下位区分され、これらの各々のゾーンについての反応動力学を利用して、個々の排ガス成分の濃度が判定される。

図５は、内燃機関１０および二次空気を供給する装置５０の、四元触媒２６の加熱につながる動作形態の実施例としてのフローチャートを示している。そのためにメインプログラム４００からステップ４１０へと分岐がなされ、そこで、四元触媒２６の出力部で生じている酸素の濃度について出力エミッションモデル１１０が空気過剰率ラムダ＜０．９２に相当する値を計算するように、内燃機関１０が作動する。ステップ４１２で、四元触媒の入力部で生じている酸素の濃度について入力エミッションモデル２１０が１に等しい空気過剰率ラムダに相当する値を計算するように、二次空気を供給する装置５０が制御される。

図６は、内燃機関１０および二次空気を供給する装置５０の、四元触媒の再生につながる動作形態の実施例としてのフローチャートを示している。そのためにメインプログラム４００からステップ４１４へと分岐がなされ、そこで、四元触媒２６の出力部で生じている酸素の濃度について出力エミッションモデル１１０が空気過剰率ラムダ０．９８＜ラムダ１以下に相当する値を計算するように、内燃機関１０が作動する。ステップ４１６で、四元触媒２６の入力部で生じている酸素の濃度について入力エミッションモデル２１０が１．０８よりも大きい空気過剰率ラムダに相当する値を計算するように、二次空気を供給する装置５０が制御される。このような酸素過剰によって、四元触媒２６で蓄積されたすすが高い温度で燃焼される。この高い温度は、たとえば図５との関連で説明したように、動作による先行する加熱によって実現される。

図４～図６の対象物は、第１の排ガス浄化コンポーネント３１の出力エミッションモデルにより計算される少なくとも１つの排ガス成分の出力濃度と導入される二次空気量とに依存して第２の排ガス浄化コンポーネント２７の入力エミッションモデルにより決定される入力濃度に依存して内燃機関が作動する方法の実施例である。

それに伴い、四元触媒２６の前でのその加熱および再生のためのラムダの制御または調節は、三元触媒３０のモデル化された出力濃度を利用したうえで行われる。この場合、付加的に、導入される二次空気が考慮される。そのために、三元触媒３０の出力濃度と導入される二次空気とが四元触媒２６についての入力エミッションへと変換される入力エミッションモデルが意図される。三元触媒３０のモデル化された出力濃度は、これに加えて、四元触媒２６のすす負荷の改善されたモデル化のために利用することができる。それにより、四元触媒２６のいっそう的確な再生が可能である。（たとえば水素に対する）横感度、プローブでの水素と酸素のプレ触媒作用、および四元触媒２６の前でのプローブの動作条件（たとえばプローブ温度）への依存性などが四元触媒２６の動作に対して、またはこれらの影響の修正に対して及ぼすマイナスの影響が、それによって回避される。

１０内燃機関
１４排ガス設備
１６制御装置
１６．１コンピュータ可読の媒体
１６．２コンピュータプログラム製品
２７第２の排ガス浄化コンポーネント
３１第１の排ガス浄化コンポーネント
５２連通部
１１０出力エミッションモデル
２１０入力エミッションモデル

Claims

第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）と、前記第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）の下流側に第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）とが配置された排ガス設備（１４）を有する内燃機関（１０）を作動させる方法であって、前記第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）は少なくとも１つの排ガス成分のための蓄積器を有している、そのような方法において、前記第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）の出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の出力濃度が出力エミッションモデル（１１０）によって計算され、前記第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）の入力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度が計算された前記出力濃度に依存して決定され、こうして決定された少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度に依存して前記内燃機関（１０）が作動し、
前記内燃機関（１０）は、前記第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）の蓄積器の充填レベルの制御のために、前記第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）の計算された出力濃度と同一になるように決定される前記第２の排ガス浄化コンポーネントの入力濃度に依存して作動することを特徴とする方法。
第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）と、前記第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）の下流側に第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）とが配置された排ガス設備（１４）を有する内燃機関（１０）のための制御装置（１６）であって、前記第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）は少なくとも１つの排ガス成分のための蓄積器を有している、そのような制御装置において、前記制御装置（１６）は、前記第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）の出力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の出力濃度を出力エミッションモデル（１１０）によって計算し、前記第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）の入力部で生じる少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度を計算された前記出力濃度に依存して決定し、少なくとも１つの排ガス成分の入力濃度に依存して前記内燃機関（１０）を作動させるためにセットアップされ、かつ、前記制御装置（１６）は、前記第２の排ガス浄化コンポーネント（２７）の蓄積器の充填レベルの制御のために、前記第１の排ガス浄化コンポーネント（３１）の計算された出力濃度と同一になるように決定される前記第２の排ガス浄化コンポーネントの入力濃度に依存して前記内燃機関（１０）を作動させるためにセットアップされることを特徴とする制御装置。
請求項１に記載の方法の各ステップを実行するように請求項２に記載の制御装置（１６）に指図する命令を有しているコンピュータプログラム（１６．２）。
請求項３の前記コンピュータプログラム製品（１６．２）が機械可読の形式で格納されているコンピュータ可読媒体（１６．１）。