JP4505330B2 - 排気浄化設備の第１と第２の触媒を再生するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１、３及び５の前提部分の特徴による、内燃機関用排気浄化設備の第１と第２の触媒を再生するための方法に関する。

本発明は特許文献１から出発している。この特許文献には、２つの排気ラインを有する自動車用多気筒内燃機関の複流式排気設備が記載されている。この排気ラインにはそれぞれ１個または複数のシリンダが接続している。各排気ラインには、上流および下流に各々１個のセンサを備えた触媒が設けられている。センサの下流において、２つの排気ラインは１つの共通の排気管に案内されている。この共通の排気管内にはＮＯx吸収器が組み込まれている。ＮＯx吸収器の背後において、他のセンサが共通の排気管に組み込まれている。更に、再生燃料を制御するための方法が記載されている。この再生燃料は希薄燃料−空気−混合気で作動する内燃機関に供給される。この方法の目的は最小の燃料消費で最適なエミッションコントロールを行うことである。内燃機関用燃料−空気−混合気がいつ過剰に希薄または濃い範囲内にあるかを検出するために、方法は、再生中ＮＯx吸収器から流出する排気を監視する。検出された排気が過剰に希薄な燃料−空気−混合気を含んでいると、内燃機関用の燃料の量が増大させられる。検出された排気が過剰に濃い燃料−空気−混合気を含んでいると、燃料の量が低減される。再生の時間または燃料−空気−比を調節することにより、燃料の量が増大または低減させられる。

排気浄化設備の上記構造の場合、ＮＯx吸収器の再生の際、内燃機関のすべてのシリンダを濃い混合気で運転しなければならないという欠点がある。

独国特許出願公開第10012839号公報

本発明の課題は、シリンダグループ毎に選択してＮＯx吸収器を再生することができ、同時に必要なセンサの数を最小限に抑えることができる排気浄化設備を提供することである。

この課題は請求項１、３及び５に記載の特徴によって解決される。
排気浄化設備の本発明による構造によって、シリンダグループ毎に選択してＮＯx吸収器を再生することができる。更に、ＮＯx吸収器の再生のために必要なセンサの必要数が最小である。更に、ＮＯx吸収器をエンジン近くに配置すると、迅速に始動し、ひいては内燃機関のコールドスタート後に有害物質を早く貯蔵することになる。

センサのための低コストの同一部品原理が用いられる場合、センサ、すなわちＮＯxセンサまたはＯ2センサの形成に応じて、つまり線形の形成であるかまたはステップ応答形成であるかによって、最適な脱硫酸化方式、すなわちＮＯx吸収器の再生が可能である。

最新の内燃機関にとって制御機器による制御が普通であるので、ＮＯx吸収器の脱硫酸化を制御機器の制御戦略に一緒に含めると有利である。この統合は別個の制御機器または部品を節約し、従って製作コストを低減する。

ＮＯx吸収器が排気からすべての有害物質を除去することができないので、他の触媒式浄化装置を排気浄化装置に組み込むと有利である。この場合、他の触媒式浄化装置は三元触媒である。

請求項１及び２に記載のＮＯx吸収器の再生方法の場合、シリンダグループ毎に選択して制御が行なわれ、それによって個々のＮＯx吸収器の負荷状態を検出し、触媒毎に選択して制御を行うことができる。この方法の使用の際、燃料−空気−混合気制御が再生サイクルの終了時に一層正確であるから、残留有害物質量はより低減される。この方法の場合にも、２個のＮＯx吸収器の再生スタートが同時に行われる。この場合、再生時間はセンサ信号を介して決定され、センサは線形センサである。ＮＯx吸収器の実際の再生時間よりも短い推定再生時間は、内燃機関の未処理エミッションから計算されるかあるいは制御機器内の特性マップから読み出される。従って、推定再生時間は実際の再生時間を少なくとも２つの個々の相に分割する。それによって、個々のＮＯx吸収器の負荷を別々に確認し、シリンダグループ毎に選択して再生サイクルの時間を決めることができる。

請求項３及び４に記載のＮＯx吸収器の再生方法は、制御戦略がきわめて簡単であるという利点がある。この方法のためにステップ応答センサが使用される。このステップ応答センサはデジタル信号を制御機器に供給する。この方法の場合、再生のスタートは各々のシリンダグループについて異なる時点で開始される。第１のシリンダグループのための再生サイクルのスタートは、第２のシリンダグループの再生サイクルのためのスタート信号よりも時間的に遅れる。各シリンダグループは順々にその再生サイクルを実行する。第２のシリンダグループのための再生サイクルのスタートは、第１のシリンダグループのための再生サイクルの終了前に開始される。しかし、遅くとも第１の再生サイクルの終了時点で開始される。

請求項５に記載のＮＯx吸収器の再生方法は、その利点が請求項３及び４に記載の方法に充分に一致している。請求項３及び４に記載の方法と異なり、線形のセンサが使用される。このセンサによって許容範囲を良好に定めることができ、かつ維持することができる。

請求項６に記載の推定再生時間は、再生サイクルを適当な方法で実施可能である時間範囲内にある。その際、内燃機関の運転に影響を及ぼしたり、運転者が内燃機関を介してフィードバックを受け取る必要がない。

第１と第２の再生時間ｔ1，ｔ2を請求項７に記載の値にセットすることは同様に、内燃機関の運転特性に影響を与えずに再生サイクルを可能にする、実際の走行運転にとって有効な時間である。
請求項８及び９に記載の推定された再生時間ｔの決定により、内燃機関の寿命にわたって、エミッション形成に関する内燃機関の運転の際の内燃機関の変更を決定し、補正することができる。

請求項８及び１０に記載の推定再生時間ｔｎｏ決定は、内燃機関の寿命全体の間、排気エミッションに関して狭い許容限界内に保たれる簡単な排気浄化を行うために、簡単かつ低コストの方法である。

次に、１つの図を参照して本発明による排気浄化設備の好ましい実施の形態を詳しく説明する。

内燃機関２には、第１の吸気管グループ１０′と第２の吸気管グループ１０″からなる吸気マニホルド１０が固定されている。各吸気管グループ１０′，１０″を代表して１本の吸気管が示してある。第１の吸気管グループ１０′は第１の燃焼室グループ５に接続され、第２の吸気管グループ１０″は第２の燃焼室グループ５′に接続されている。同様に、各燃焼室グループは１つの燃焼室によって示してある。第１の燃焼室グループ５はガスを案内するように第１の排気管３に接続され、第２の燃焼室グループ５′は排気を案内するように第２の排気管３′に接続されている。第１の排気管３には第１の触媒式浄化装置４、すなわちＮＯx吸収器が組み込まれ、第２の排気管３′には第２の触媒式浄化装置４′、すなわち同様にＮＯx吸収器が組み込まれている。このＮＯx吸収器は好ましくはＮＯx貯蔵触媒である。２個の触媒式浄化装置４，４′の下流において２本の排気管３，３′が共通の１本の排気管６に接続している。この排気管６には、第３の触媒式浄化装置９、ここでは三元触媒が組み込まれている。第１の触媒式浄化装置４の上流において第１のセンサ７が排気管３内に配置され、第２の触媒式浄化装置４′の上流において第２のセンサ７′が排気管３′内に配置されている。第３の触媒式浄化装置９の上流において第３のセンサ８が共通の排気管６内に配置されている。センサ７，７′，８の作用要素は排気に接触している。３個のすべてのセンサ７，７′，８は酸素センサであるがしかし、ＮＯxセンサでもよい。本例では、線形センサであるがしかし、ＮＯx吸収器の他の再生法のためにステップ応答センサであってもよい。３個のすべてのセンサ７，７′，８は制御機器２′に電気的に接続されている。この制御機器は同時に内燃機関用制御機器でもある。排気浄化設備１と内燃機関２のために別個の制御機器を設けてもよい。他の実施の形態では、第１と第２のセンサ７，７′の下流および／または第３のセンサ８の下流に、少なくとも１個の触媒式浄化装置を設けることができる。

次に、排気浄化設備１内の第１と第２の触媒式浄化装置４，４′を再生するための有利な３つの方法を詳しく説明する。

３つのすべての方法にとって、内燃機関１が少なくとも２つの燃焼室グループ５，５′を備え、各燃焼室グループ５，５′が排気を案内するように排気管３，３′に接続されている点が共通している。更に、別々の混合比制御、すなわち各燃焼室グループ５，５′のための異なる空気過剰率λが可能である。第１の燃焼室グループ５の混合気のための空気過剰率λはλZ1で示され、第２の燃焼室グループ５′の混合気のための空気過剰率λはλZ2で示されている。λNKとは共通の排気管内の空気過剰率であると理解される。理論混合気はλ＝１を意味し、濃い混合気（燃料過剰）は０．５＜λ＜１であり、希薄混合気（空気過剰）は３０＞λ＞１である。使用されるセンサ７，７′，８、すなわちＮＯxセンサまたはＯ2センサに依存して、排気から、ＮＯxまたはＯ2またはＨＣのような異なる排気成分が測定される。再生サイクルのスタートは少なくとも１つの燃焼室グループ５，５′の濃厚混合気運転の開始である。触媒式浄化装置４，４′、すなわちＮＯx吸収器のＮＯx吸収能力が許容しうる限界値よりも低下するときに、再生サイクルが必要である。再生サイクルとは、すべてのＮＯx吸収器を再生する時間であると理解される。再生時間はＮＯx吸収器に関連している。

第１の方法の場合、各センサ７，７′，８は線形センサであり、各燃焼室グループ５，５′の再生サイクルの開始は時間的に同じである。次の方法ステップは再生サイクルのスタート後行われる。
− 濃い混合気λZ1＝λF1，λZ2＝λF1による第１と第２のシリンダグループ５，５′の運転（この場合再生サイクルのスタート後、λF1＝λF2は好ましくは０．５＜λ＜０．９５である）と、第１のセンサ７によるλZ1、第２のセンサ７′によるλZ2および第３のセンサ８によるλNKの連続的な検出と、計算または特性マップからの読み取りによる、制御機器２′を用いた推定再生時間ｔの決定。
− 推定再生時間ｔの終了前に、第１のシリンダグループ５が空気過剰率λZ1＝（λF1＋ｘ）＜１で運転され、第２のシリンダグループ５′が空気過剰率λZ2＝（λF2−ｘ）＜λZ1で運転される。
− 第１の条件λNK＝（（λF1＋ｘ）×ｍ1＋λreg×ｍ2））／（ｍ1＋ｍ2）または第２の条件λNK＝（（λF2−ｘ）×ｍ2＋λz1×ｍ1））／（ｍ1＋ｍ2）を満足するかどうかが、制御機器２′によって連続して検査される。
− 第１の条件を満足すると、第１の燃焼室グループ５が理論混合気λz1＝１で運転され、第２の燃焼室グループ５′の混合気λF2が次の再生サイクルのために制御機器２′によってλF2neu＜λF2となる。
− 第２の条件を満足すると、第２の燃焼室グループ５′が理論混合気λz2＝１で運転され、第１の燃焼室グループ５の混合気λF1が次の再生サイクルのために制御機器２′によってλF1neu＜λF1となる。続いて
− （λz1＋λZ2）／２＝λNKであるかどうかが、制御機器２′によって連続して検査される。
− 条件λNK＝（λz1＋λZ2）／２を満足すると、再生サイクルを終了する。

第２の方法の場合、各センサ（７，７′，８）はステップ応答センサであり、燃焼室グループ５，５′の再生サイクルの開始は時間的にずらされる。再生サイクルのスタートの後で、次の方法ステップが行われる。
− 濃い混合気（λZ1＝λF1）＜１、好ましくは０．７＜λ＜０．９５での第１のシリンダグループ５の運転と、理論混合気の空気過剰率または希薄混合気の空気過剰率λZ2≧１での第２のシリンダグループ５′の運転と、経過した第１の再生時間ｔ1を決定するための時間測定のスタートと、制御機器２′による全体の再生時間ｔの決定。
− 求められた全体の再生時間ｔが経過する前の、濃い混合気（λZ2＝λF2）＜１、好ましくは０．７＜λ＜０．９５での第２のシリンダグループ５′の運転。
− そして、λNKが閾値を上回るまでのλNKの連続測定、第１の再生時間ｔ1の時間測定停止。そして
− 理論混合気λZ1＝１での第１のシリンダグループ５の運転および濃い混合気λZ2＝λF2での第２のシリンダグループ５′の更なる運転および第２の再生時間ｔ2のための第２の時間測定のスタート。
− 閾値を上回るまでのλNKの連続測定。
− 閾値を上回ると、再生サイクルが終了させられ、第２の再生時間ｔ2が検出される。次の再生サイクルのために、測定された第１および第２の再生時間ｔ1，ｔ2に依存して、濃い混合気λF1，λF2を適合させることができる。この場合、ｔ2＞ｔ1が当てはまるときに、次の再生サイクのために、λF2は制御機器２′によってλF2neu＜λF2に変更され、λF1は制御機器２′によってλF1neu＜λF1に変更される。

第３の方法の場合、各センサ７，７′，８は線形のセンサであり、燃焼室グループ５，５′の再生サイクルの開始は時間的にずらしてある。再生のスタートの後で、次の方法ステップが行われる。
− 濃い混合気λZ1＜１、好ましくは０．７＜λ＜０．９５での第１のシリンダグループ５の運転と、第２の混合気λZ2≧１での第２のシリンダグループ５′の運転。
− λNK＝（λZ2×ｍ2＋λz1×ｍ1）／（ｍ1＋ｍ2）までのλNKの連続測定。
− 希薄混合気λZ1≧１での第１のシリンダグループの運転および濃い混合気λZ2＜１、好ましくは０．７＜λ＜０．９５でのでの第２のシリンダグループ５′の運転。
− λNK＝（λZ1×ｍ1＋λz2×ｍ2）／（ｍ1＋ｍ2）までのλNKの連続測定。
− λNK＝（λZ1×ｍ1＋λz2×ｍ2）／（ｍ1＋ｍ2）であるときに、再生サイクルの終了。

すべての方法にとって、全体の再生時間ｔは少なくとも０．２秒である。全体の再生時間の検出は、制御機器によって、内燃機関のＮＯx未処理排出物質の計算によってあるいは制御機器２′に格納された特性マップの読み出しによって行われる。第１と第２の再生時間ｔ1，ｔ2は全体の再生時間ｔの０．５〜０．９９倍である。

略示した内燃機関２の排気浄化設備１を概略的に示す図である。

１ 排気浄化設備
２ 内燃機関
２′ 制御機器
３ 第１の排気管
３′ 第２の排気管
４ 第１の触媒式浄化装置
４′ 第２の触媒式浄化装置
５ 第１の燃焼室グループ
５′ 第２の燃焼室グループ
６ 共通の排気管
７ 第１のセンサ
７′ 第２のセンサ
８ 第３のセンサ
９ 第３の触媒式浄化装置
１０ 吸気装置
１０′ 第１の吸気管グループ
１０″ 第２の吸気管グループ

Claims (10)

1. 第１の触媒式浄化装置（４）を有する第１の排気管（３）と、第２の触媒式浄化装置（４′）を有する第２の排気管（３′）とを備えるＮＯｘ吸収装置を備え、第１と第２の排気管が第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）の下流で共通の１本の排気管（６）に案内され、上記各触媒式浄化装置（４，４′）にそれぞれの排気管（３，３′）内で上流側にそれぞれ唯一の第一の或いは唯一の第二のセンサ（７，７′）が割り当てられており、上記触媒式浄化装置（４，４′）がＮＯｘ吸収器であり、少なくとも触媒式浄化装置（４，４′）の再生のための唯一の共通の第３のセンサ（８）が共通の排気管（６）内に設けられている内燃機関（２）用排気浄化設備（１）の第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）を再生するための方法であって、
   内燃機関が少なくとも２つの燃焼室グループ（５，５′）を備え、各々の排気管（３，３′）が排気を案内するように燃焼室グループ（５，５′）に接続され、各燃焼室グループ（５，５′）のための混合比制御が別々に行われる、排気浄化設備（１）の第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）を再生するための方法において、
   再生サイクルのスタートの後で次の方法ステップ
   − 内燃機関（２）を第１の過剰燃料で運転し、
   − 第１、第２および共通の排気管（３，３′，６）内の排気成分の割合を連続して測定し、
   − 推定された再生時間ｔの経過前に、第１の燃焼室グループ（５）を第２の過剰燃料で運転し、かつ第２の燃焼室グループ（５′）を第３の過剰燃料で運転し、
   − 各々の触媒式浄化装置（４，４′）のための負荷状態を決定し、かつ各々の燃焼室グループ（５，５′）のために過剰燃料を適合させ、
   − 共通の排気管（６）内の排気成分の割合が限界値に近づくときに、再生サイクルを終了すること
   を特徴とする方法。
2. 第１と第２の排気管（３，３′）の平均と同じ、許容限界内の排気成分の割合が、共通の排気管（６）内で測定されるときに、再生サイクルを終了することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 第１の触媒式浄化装置（４）を有する第１の排気管（３）と、第２の触媒式浄化装置（４′）を有する第２の排気管（３′）とを備えるＮＯｘ吸収装置を備え、第１と第２の排気管が第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）の下流で共通の１本の排気管（６）に案内され、上記各触媒式浄化装置（４，４′）にそれぞれの排気管（３，３′）内で上流側にそれぞれ唯一の第一の或いは唯一の第二のセンサ（７，７′）が割り当てられており、上記触媒式浄化装置（４，４′）がＮＯｘ吸収器であり、少なくとも触媒式浄化装置（４，４′）の再生のための唯一の共通の第３のセンサ（８）が共通の排気管（６）内に設けられている内燃機関（２）用排気浄化設備（１）の第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）を再生するための方法であって、
   内燃機関が少なくとも２つの燃焼室グループ（５，５′）を備え、各々の排気管（３，３′）が排気を案内するように燃焼室グループ（５，５′）に接続され、各燃焼室グループ（５，５′）のための混合比制御が別々に行われる、排気浄化設備（１）の第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）を再生するための方法において、
   再生サイクルのスタートの後で次の方法ステップ
   − 第１の燃焼室グループ（５）を過剰燃料で運転し、第２の燃焼室グループを理論混合気で運転し、第１の再生時間ｔ１のための測定をスタートし、
   − 第１、第２および共通の排気管（３，３′，６）内の排気成分の割合を連続して測定し、
   − 推定された再生時間ｔの経過前に、第２の燃焼室グループ（５′）を過剰燃料で運転し、かつ第２の再生時間ｔ２のための測定をスタートし、
   − 第１の燃焼室グループ（５）を理論混合気で運転し、共通の排気管（６）内の排気成分の割合が限界値に近づくときに、第１の再生時間ｔ１を決定し、
   − 第２の再生時間ｔ２を決定し、共通の排気管（６）内の排気成分の割合が限界値に近づくときに、再生サイクルを終了すること
   を特徴とする方法。
4. 次の方法ステップ
   − 第２の再生時間ｔ２が第１の再生時間ｔ１よりも長いときに、次の再生サイクル用の第２の燃焼室グループ（５′）のための混合気を、一層過剰の燃料を有するように変更し、
   − 第２の再生時間ｔ２が第１の再生時間ｔ１よりも短いときに、次の再生サイクル用の第１の燃焼室グループ（５）のための混合気を、一層過剰の燃料を有するように変更すること
   を特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 第１の触媒式浄化装置（４）を有する第１の排気管（３）と、第２の触媒式浄化装置（４′）を有する第２の排気管（３′）とを備えるＮＯｘ吸収装置を備え、第１と第２の排気管が第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）の下流で共通の１本の排気管（６）に案内され、上記各触媒式浄化装置（４，４′）にそれぞれの排気管（３，３′）内で上流側にそれぞれ唯一の第一の或いは唯一の第二のセンサ（７，７′）が割り当てられており、上記触媒式浄化装置（４，４′）がＮＯｘ吸収器であり、少なくとも触媒式浄化装置（４，４′）の再生のための唯一の共通の第３のセンサ（８）が共通の排気管（６）内に設けられている内燃機関（２）用排気浄化設備（１）の第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）を再生するための方法であって、
   内燃機関が少なくとも２つの燃焼室グループ（５，５′）を備え、各々の排気管（３，３′）が排気を案内するように燃焼室グループ（５，５′）に接続され、各燃焼室グループ（５，５′）のための混合比制御が別々に行われる、排気浄化設備（１）の第１と第２の触媒式浄化装置（４，４′）を再生するための方法において、
   再生サイクルのスタートの後で次の方法ステップ
   − 第１の燃焼室グループ（５）を過剰燃料で運転し、第２の燃焼室グループ（５′）を理論空気／燃料−混合気または過剰空気で運転し、
   − 第１、第２および共通の排気管（３，３′，６）内の排気成分の割合を連続して測定し、
   − 共通の排気管（６）内の排気成分の割合が、許容範囲内の、第１と第２の排気管（３，３′）からの排気成分の平均割合に達するときに、第１の燃焼室グループ（５）を理論空気／燃料−混合気または過剰空気で運転し、第２の燃焼室グループ（５′）を過剰燃料で運転し、
   − 共通の排気管（６）内の排気成分の割合が、許容範囲内の、第１と第２の排気管（３，３′）からの排気成分の平均割合に達するときに、再生サイクルを終了すること
   を特徴とする方法。
6. 推定再生時間ｔが少なくとも０．２秒であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
7. 第１の再生時間ｔ１と第２の再生時間ｔ２が全体の再生時間の０．５〜０．９９倍であることを特徴とする、請求項３または４記載の方法。
8. 推定再生時間ｔが制御機器（２′）によって決定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
9. 推定再生時間ｔが制御機器（２′）によって計算されることを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 推定再生時間ｔが制御機器（２′）によって特性マップから読み取られることを特徴とする、請求項８記載の方法。

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