(57)【要約】【課題】加熱手段の効率が改善されて触媒内への高い入熱を有する触媒の加熱方法を提供する。【解決手段】火花点火および少なくとも１つの燃焼室（１６）の空気充填内への燃料の直接噴射により作動する内燃機関（１２）の排気ガス内の少なくとも１つの触媒（３６、３８）を、少なくとも１つの燃焼室（１６）内においてリーン燃焼室充填とリッチ燃焼室充填とを交互に形成することにより加熱する方法が開示される。この方法は、内燃機関（１２）が、第１の運転方式においては成層燃焼室充填で運転され、および第２の運転方式においては均質燃焼室充填で運転され、この場合、リーン燃焼室充填は第１の運転方式において形成され、およびリッチ燃焼室充填は第２の運転方式において形成されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火および少なくとも１つの燃焼室（１６）の空気充填内への燃料の直接噴射により作動する内燃機関（１２）の排気ガス内の少なくとも１つの触媒（３６、３８）を、少なくとも１つの燃焼室（１６）内においてリーン燃焼室充填とリッチ燃焼室充填とを交互に形成することにより加熱する方法において、
内燃機関（１２）が、第１の運転方式においては成層燃焼室充填で運転され、および第２の運転方式においては均質燃焼室充填で運転され、この場合、リーン燃焼室充填は第１の運転方式において形成され、およびリッチ燃焼室充填は第２の運転方式において形成されることを特徴とする直接噴射内燃機関の運転時における触媒の加熱方法。
【請求項２】
リッチ燃焼室充填の火花点火（６５）がリーン燃焼室充填の火花点火（６３）に比較して遅れて行われることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
火花点火（６５）の遅れは、リーン燃焼室充填およびリッチ燃焼室充填の燃焼から同じトルクが得られるように決定されていることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項４】
第１の運転方式におけるリーン燃焼室充填は、最大リーン燃焼室充填において、燃焼から得られるべき希望トルクが最適点火において達成されるように先行制御されることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
酸素過剰の第１の運転方式と第２の運転方式との間の切換はそれぞれの燃焼室充填が変化することなく行われることを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
本方法を実行するときの燃焼室充填は、両方の運転方式において均等に低減されることを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
吸蔵触媒（３８）の手前に配置されている前置触媒（３６）の酸素吸蔵体は酸素不足の過程において完全に空にされるが、吸蔵触媒（３８）の酸素吸蔵体は完全には空にされないように、リッチおよびリーン燃焼室充填間の切換が制御されることを特徴とする請求項１ないし６のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前置触媒（３６）の後方に配置されている吸蔵触媒（３８）の酸素吸蔵体は、酸素不足の過程において、吸蔵触媒（３８）の後方に酸素不足が発生するまで空にされるように、リッチおよびリーン燃焼室充填の切換が制御されることを特徴とする請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前置触媒（３６）の後方に配置されている吸蔵触媒（３８）の酸素吸蔵体は、酸素不足の過程において、吸蔵触媒（３８）の後方に酸素不足が発生する直前まで空にされるように、リッチおよびリーン燃焼室充填の切換が制御されることを特徴とする請求項１ないし６のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
火花点火および少なくとも１つの燃焼室（１６）の空気充填内への燃料の直接噴射により作動する内燃機関（１２）の排気ガス内の少なくとも１つの触媒（３６、３８）を、少なくとも１つの燃焼室（１６）内においてリーン燃焼室充填とリッチ燃焼室充填とを交互に形成することにより加熱する方法を制御するための制御装置（４２）において、
制御装置（４２）が請求項１ないし９の方法の少なくとも１つを制御することを特徴とする直接噴射内燃機関の運転時における触媒の加熱方法を制御するための制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火および少なくとも１つの燃焼室の空気充填内への燃料の直接噴射により作動する内燃機関の排気ガス内の少なくとも１つの触媒を、少なくとも１つの燃焼室内においてリーン燃焼室充填とリッチ燃焼室充填とを交互に形成することにより加熱する方法に関するものである。
【０００２】
さらに、本発明はこの方法を制御するための制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
このような方法およびこのような装置は国際特許出願第９４／４６８６８号から既知である。
使用される触媒は一般に制限された温度範囲内においてのみ作動する。温度が低すぎる場合、有害物質成分に対する希望転化率はきわめて小さい。極端な場合、転化は全く行われない。したがって、排気ガス規制値を満たすために、触媒系は運転時に特定温度範囲内に保持されなければならない。
【０００４】
特定運転状態において、例えばアイドリング中においては、エンジン運転から発生される熱が最適転化に必要な温度範囲を保持するために十分でないことがある。このことは、排気系内に１つの触媒が組み込まれている場合のみならず複数の触媒が組み込まれている場合に対してもいえる。このような場合、触媒は補助加熱されなければならない。ガソリン直接噴射内燃機関において通常見られるように複数の触媒が直列配置されている場合、使用される触媒は、前置触媒および後置吸蔵触媒に対して異なる作動温度範囲を有することがある。
【０００５】
三元前置触媒は有害物質成分を広い温度範囲内において還元および酸化可能である一方で、吸蔵触媒の作動温度範囲は一般により狭い範囲に制限されている。排気装置は、通常、２つの触媒が内燃機関の広い運転範囲内において対応する許容温度範囲内で作動するように構造的に設計されている。一方の触媒がその許容温度範囲を外れそうになったとき、加熱手段が使用される。この場合、加熱手段は一方の触媒に対してのみ必要なことがある。
【０００６】
即ち、特にＮＯｘ吸蔵触媒は周期的に脱硫されなければならない。吸蔵触媒は特に（空気過剰を有する）リーン・エンジン運転において多量に放出される窒素酸化物を吸蔵する。ＮＯｘ吸蔵触媒の活性中心は燃料の燃焼において発生する硫黄酸化物（ＳＯｘ）に対して大きな親和力を有することにより、活性中心は特にＳＯｘにより占有される。この場合に発生する硫酸塩は熱的にきわめて安定しているので、通常の吸蔵作動においては一般に硫酸塩は再放出されることはない。この結果、硫黄の蓄積の増加と共に窒素酸化物に対する触媒の吸蔵能力は低下する。
【０００７】
触媒温度が高く（Ｔ＞６００℃）且つ同時に還元条件（排気ガス内の未燃燃料に関して酸素不足）下においては、硫酸塩は熱力学的にもはや安定性がなく且つ硫化水素（Ｈ２Ｓ）および二酸化硫黄（ＳＯ２）として放出される。吸蔵能力を保持ないし再生するために、特定の状態において吸蔵触媒は短時間高温でリッチ運転されなければならない。このために、内燃機関の運転中に吸蔵触媒は６５０℃まで加熱されるべきである。この場合、前方配置の前置触媒の過熱は回避されるべきである。
【０００８】
前置触媒の後方に配置されている内燃機関の排気ガス内の吸蔵触媒を加熱するために、２つの異なる方法が既知である。第１の方法においては、例えば成層燃焼運転から均質燃焼運転に切り換えられることによる運転方式の切換により、排気弁において高温エンジン排気ガスが発生される。均質燃焼運転においては成層燃焼運転に比較して内燃機関の熱力学的効率が低下するので、より高い排気ガス温度が得られる。さらに、均質燃焼運転においては、高温排気ガスを発生するために遅れ点火角が設定されてもよい。エンジンによる上記の加熱手段は、化学的直接加熱手段に比較して、より多量の燃料を消費させることになる。さらに、高温エンジン排気ガスが最初に前置触媒を加熱し、これにより前置触媒が過熱される場合があることが欠点である。
【０００９】
化学的触媒加熱としても知られる第２の方法においては、触媒に、燃料のみならず未燃炭化水素またはＣＯの形の還元剤もまた供給される。この供給には３つの代替方法が既知である。
【００１０】
第１の方法はＹ排気装置を前提とする。Ｙ排気装置とは、種々のシリンダまたはシリンダ群からの排気ガスがシリンダ・ヘッドを離れたのちにそれぞれ他のシリンダまたはシリンダ群の排気ガスと混合する前に、はじめに別々の排気管内に導かれる排気装置と理解される。種々のシリンダまたはシリンダ群は異なる燃空比で運転され、これにより一方の排気管はリッチ燃焼室充填から排気ガスを導き、これに対して他方の排気管はリーン燃焼室充填から排気ガスを導く。
【００１１】
別々の排気管の後方において、混合がそこで行われる排気装置の共通部分内に吸蔵触媒が存在する場合、吸蔵触媒はリーンおよびリッチ排気ガスの発熱反応により加熱可能である。三元前置触媒はこのような配置においては通常個別の排気管内に配置されているので、三元前置触媒内にはリッチまたはリーンの排気ガスのいずれかのみが流動する。したがって、発熱反応は吸蔵触媒内においてのみ行われるが、三元前置触媒内においては行われない。この変更態様は一部の排気管が個別であることを前提とするので、この変更態様は複雑且つ高価となる。
【００１２】
第２の代替態様の範囲内においては、内燃機関は全体としてリッチ燃焼室充填で運転される。この場合に種々の炭化水素を含む排気ガスに、吸蔵触媒の手前において空気からの酸素が供給される。したがって、発熱反応は、三元前置触媒の後方に配置されている吸蔵触媒に限定される。この代替態様は確かに全てのシリンダまたは燃焼室の排気ガスの共通配管を有する排気装置においても使用可能であるが、空気からの酸素を吸蔵触媒に供給するための追加装置を必要とする。
【００１３】
第３の代替態様の範囲内においては、内燃機関はリッチおよびリーン排気ガスを交互に発生する。吸蔵触媒は内燃機関の近くに装着されている三元前置触媒に比較してたいていの場合より高い酸素吸蔵容量を有しているので、内燃機関の交互のリッチおよびリーン運転により供給される化学エネルギーの大部分は吸蔵触媒内に取り込むことが可能である。これにより、前置触媒の熱負荷は、吸蔵触媒の脱硫のために必要な加熱により確かに回避されないが、限界内に保持される。
【００１４】
冒頭記載の国際特許出願第９８／４６８６８号の方法はこの第３の代替態様に基づいて作動する。この文献はリーン燃焼モードで運転可能な内燃機関に関するものである。内燃機関の運転に関して、リーン燃焼モードは種々の方法で実行可能である。即ち、内燃機関は燃焼室内へのリーン燃空比の均質配分により運転可能である（均質燃焼運転）。
【００１５】
これの代替態様として、特にこのために構成された内燃機関は燃空比の成層配分でも運転可能である（成層燃焼運転）。火花点火およびガソリン直接噴射を備えた特定の内燃機関は、適切な制御において、いわゆる成層燃焼運転においてのみならずいわゆる均質燃焼運転においても運転可能である。
【００１６】
成層燃焼運転においては、できるだけ少ない燃料消費量を達成するために、著しく成層化されたシリンダ給気および高い空気過剰でエンジンは運転される。成層給気は遅れ燃料噴射により達成され、遅れ燃料噴射は理想的には燃焼室を分割するために２つのゾーンを形成する。即ち、第１のゾーンは点火プラグにおける可燃性空気／燃料混合物群を含む。第１のゾーンは、空気および残留ガスの絶縁層からなる第２のゾーンにより包囲される。給気切換損失を回避しながらほとんど絞られることなくエンジンを運転する方法から、消費量最適化の可能性が得られる。成層燃焼運転は比較的負荷が低いときに好んで行われる。
【００１７】
出力最適化が優先される負荷がより高い場合、エンジンは均質シリンダ充填で運転される。均質シリンダ充填は吸気行程の間における早期燃料噴射から得られる。この結果、燃焼までに混合物形成のためにより多くの時間が利用可能である。出力最適化のためのこの運転方式の可能性は、例えば可燃性混合物を充填するために全燃焼室容積を利用することから得られる。
【００１８】
ガソリン直接噴射エンジンにおいては、さらに、空気過剰運転において、即ち好ましくは成層燃焼運転において、エンジン燃焼後の膨張行程においてシリンダ内に目的とする燃料を噴射する方法が存在する。このとき、後噴射燃料から得られた還元剤（例えばＨＣ、ＣＯ）が触媒内においてエンジン燃焼の過剰空気と反応する。発熱反応において放出された熱が触媒を加熱する。
【００１９】
これは、三元触媒が前置されていないＮＯｘ吸蔵触媒を加熱するための文献、ドイツ特許公開第１００４３３６６号から既知である。この文献によれば、高い熱流を発生するために、後噴射を有する成層燃焼運転への切換が行われる。この場合、空気流れは、必要な温度において必要な熱流が達成される限り絞られるべきである。絞りは、所定の角だけまたは所定の開き角に絞り弁を制御して閉じることにより行われる。この文献によれば、最大熱放出のための混合物組成はλ＝１の付近にすべきである。トルク要求が切り換わる動的走行運転によるλ＜１への混合物の一時的なリッチ化（リッチ混合物）は、この文献によれば、これは排気ガス・エミッションを悪化させて好ましくないので回避されるべきである。
【００２０】
言い換えると、この文献によれば、個々の触媒の加熱のために、連続的に酸素のみならず未燃炭化水素をも有する排気ガスが提供されるべきである。
三元前置触媒と後置吸蔵触媒との直列配置においては、このようにして、吸蔵触媒のみならず前置触媒もまた化学的に連続加熱されることは回避できない。したがって、この方法は、前置触媒の加熱と、脱硫のために約６５０℃の温度に加熱されるべき後置吸蔵触媒の加熱とを十分に切り離すことはできない。
【００２１】
少なくとも一時的に燃料と空気とからの成層燃焼室充填で運転される内燃機関においては、成層燃焼運転の間の点火前の燃料噴射量は、燃焼から得られるトルクを決定する。したがって、国際特許出願第９８／４６８６８号に開示されたような加熱のために行われる燃空比の調節はトルクに好ましくない影響を与える。結果として得られたトルク変動は、この文献によれば、点火係合および／または充填係合により補償される。調節振幅が、例えばトルク要求が小さいときに許容できないほどの強いトルク変動が発生しないような値に制限された場合、三元触媒および後置吸蔵触媒の酸素吸蔵容量の比が好ましくないために、吸蔵触媒へのエネルギー流入は十分ではない。
【００２２】
吸蔵触媒を加熱すべき追加燃料の一部によって好ましくないトルク上昇が発生されるので、追加噴射される全燃料は、発熱化学反応により吸蔵触媒内において行われる直接加熱のために利用可能ではない。
【００２３】
言い換えると、触媒内で放出される熱は、追加噴射燃料の１００％変換により吸蔵触媒内において放出されるであろう熱より小さい。したがって調節の効率は最適ではない。
内燃機関の成層燃焼運転においては、好ましくないトルク上昇がきわめて大きいので、空気による燃焼室充填の補償低減が行われなければならない。これは多くの理由から好ましくない。即ち、絞り係合は、吸気管に容積があるために、遅れてはじめて作用する。その作用はさらに内燃機関の複数の吸気行程に分配されるので、絞り係合においてリッチおよびリーン燃焼室充填間の急激な移行によりリーンおよびリッチ燃焼室充填を充填ごとに形成することは困難である。
【００２４】
さらに、内燃機関の均質燃焼運転におけるリーン運転の可能性したがって可能な空気過剰は比較的小さい値に制限されている。これにより、触媒に対する加熱熱量の供給もまた制限されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
この背景から、加熱手段の効率が改善されて触媒内への高い入熱を有する触媒の加熱方法を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
この課題は、冒頭記載のタイプの方法において、内燃機関が、第１の運転方式においては成層燃焼室充填で運転され、および第２の運転方式においては均質燃焼室充填で運転され、この場合、リーン燃焼室充填は第１の運転方式において形成され、およびリッチ燃焼室充填は第２の運転方式において形成されることにより解決される。
【００２７】
さらに、この課題は、このような方法を制御する制御装置により解決される。
本発明による方法および本発明による制御装置は、三元触媒の加熱のみならず、三元触媒の後方に配置された吸蔵触媒の加熱もまた、加熱手段の効率の改善により吸蔵触媒内への高い入熱によって可能にする。加熱は内燃機関のトルク発生にほとんど影響を与えることなく実行可能であり且つリッチおよびリーン燃焼室充填間の急激な移行を可能にする。本発明により、成層燃焼運転（リーン）と均質燃焼運転（リッチ）との間の加熱熱量最適化切換が提供される。有効加熱熱量を低下させる充填上昇および低下は、最適化制御方式により十分に回避ないし低減される。
【００２８】
後置吸蔵触媒の酸素吸蔵容量は一般に本質的に三元触媒の酸素吸蔵容量より大きいので、成層燃焼運転が長時間十分に保持されるかぎり、成層燃焼運転において吸蔵触媒はより多量の酸素を吸蔵する。
【００２９】
本発明により、次に、均質燃焼運転において排気ガス内の酸素不足により少なくとも完全燃焼されなかった燃料から還元剤（例えばＨＣ、ＣＯ）が発生される。還元剤の第１のより少ない部分が前置触媒の酸素吸蔵量と反応している一方で、後噴射により追加供給された還元剤のより多くの部分は吸蔵触媒に到達し且つそこで吸蔵されている酸素と発熱反応可能である。
【００３０】
言い換えると、本発明は、放出された反応熱を、関係する触媒の異なる酸素吸蔵容量に応じて配分することを可能にする。
後置吸蔵触媒の酸素吸蔵容量はより大きいので、より多くの熱量が吸蔵触媒内において放出される。これにより、直列に配置された種々の触媒内において放出される熱量の分割が得られる。
【００３１】
リッチ燃焼室充填の火花点火がリーン燃焼室充填の火花点火に比較して遅れて行われることが好ましい。
この形態は、より多くのトルクを発生可能な均質燃焼運転への切換がトルクに影響を与えないという利点を有している。第１の運転方式から第２の運転方式への切換時に予想されるトルク上昇は、トルクを低下させる点火の遅れ調節により弱められる。
【００３２】
さらに、火花点火の遅れは、リーン燃焼室充填およびリッチ燃焼室充填の燃焼から同じトルクが得られるように決定されていることが好ましい。
これにより、混合物変化のトルク出力への影響の完全な補償が達成されることが有利である。
【００３３】
第１の運転方式におけるリーン燃焼室充填は、最大リーン燃焼室充填において、燃焼から得られるべき希望トルクが最適点火において達成されるように先行制御されることもまた好ましい。
【００３４】
このようにして、燃焼室内の最大空気過剰は要求された特定トルクにおいて達成可能である。このようにして、最大リーン燃焼室充填したがって内燃機関の排気行程ごとの最大空気流入量を達成可能である。結果として得られた空気過剰は後置触媒内において放出される最大熱量を決定するので、最大加熱熱量能力が得られることが有利である。さらに、リッチ燃焼室充填への移行において点火に対する他の遅れ調節範囲が得られ、これは加熱熱量を増大させるのみならず、運転方式間の切換におけるトルク変化の補償可能性をも増大させる。
【００３５】
本発明は、第１の運転方式から第２の運転方式へ、ある燃焼から次の燃焼へ急激な切換を行わせ、この場合、同時にリーン燃焼室充填からリッチ燃焼室充填へ切り換えられるので、直ちに、きわめて遅れて点火されてもよい。点火遅れシフトの最大値は第２の運転方式における理論組成燃焼室充填よりも明らかに遅い位置にある。したがって、内燃機関は第２の運転方式において通常よりも多い燃焼室充填で運転可能である。
【００３６】
このことから、酸素過剰の第１の運転方式と第２の運転方式との間の切換をそれぞれの燃焼室充填が変化することなく行わせる方法が得られる。
これにより、トルクを一定に保持するために充填係合が回避されることが有利である。燃焼方式の切換ごとに充填量を適合させることは、それが比較的緩慢に行われ且つ機械的係合例えば絞り弁位置の調節を必要とするので不利である。
【００３７】
さらに、本方法を実行するときの燃焼室充填は、両方の運転方式において均等に低減されることが好ましい。
このようにして、運転方式の切換が、均質燃焼運転における点火の遅れ調節によって補償可能ではないトルク差を導くようなトルク要求においても、トルクの急変なしに運転方式の切換を実行可能である。充填量の低減によるトルク損失は成層燃焼運転においては燃料供給量の上昇により、均質燃焼運転においては点火遅れ調節の制限により補償可能である。
【００３８】
吸蔵触媒の手前に配置されている前置触媒の酸素吸蔵体は酸素不足の過程において完全に空にされるが、吸蔵触媒の酸素吸蔵体は完全には空にされないように、リッチおよびリーン燃焼室充填間の切換が制御されることもまた好ましい。
【００３９】
このようにして、化学反応により放出された熱の放出が前置触媒に集中される。これにより、前置触媒は、制御されて、吸蔵触媒の加熱なしに加熱され、これは内燃機関の低温始動後の有害物質転化の早期開始を可能にする。
【００４０】
さらに、前置触媒の後方に配置されている吸蔵触媒の酸素吸蔵体は、酸素不足の過程において、吸蔵触媒の後方に酸素不足が発生するまで空にされるように、リッチおよびリーン燃焼室充填の切換が制御されることが好ましい。
【００４１】
これにより、吸蔵触媒の酸素吸蔵能力は完全に加熱のために利用可能である。前置触媒の酸素吸蔵能力は一般により小さいので、前置触媒内ではより少ない熱が放出される。したがって、吸蔵触媒は例えば脱硫に対して前置触媒を過熱することなく有効に加熱可能である。
【００４２】
さらに、前置触媒の後方に配置されている吸蔵触媒の酸素吸蔵体は、酸素不足の過程において、吸蔵触媒の後方に酸素不足が発生する直前まで空にされるように、リッチおよびリーン燃焼室充填の切換が制御されることが好ましい。
【００４３】
このようにして、排気ガスの性状悪化例えば触媒装置の後方における未燃炭化水素の発生が十分に回避される。
さらに、制御装置が上記の方法の少なくとも１つを制御することが好ましい。
【００４４】
他の利点が明細書および添付図面から得られる。
上記および下記の特徴は、それぞれ与えられた組み合わせにおいてのみならず他の組み合わせまたは単独においても、本発明の範囲を逸脱することなく使用可能であることは明らかである。
【００４５】
本発明の実施例が図面に示され且つ以下にこれを詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
図１において、符号１０は排気装置１４を備えた内燃機関１２の全体図を示す。内燃機関１２は少なくとも１つの燃焼室１６を有し、燃焼室１６はピストン１８により可動シールされる。燃焼室１６の充填切換は少なくとも１つの吸気弁２０および少なくとも１つの排気弁２２を介して制御される。吸気弁２０は吸気弁調節装置２４により操作され、および排気弁２２は排気弁調節装置２５により操作される。吸気弁調節装置２４のみならず排気弁調節装置２５もまた、機械式調節装置としてのカム軸により、または電気式、電気油圧式または電気空気式調節装置により形成可能である。
【００４７】
吸気弁２０が開かれたとき、ピストン１８は吸気管２８から空気を吸い込む。吸込行程および／またはそれに続く圧縮行程の間に、燃料は噴射弁３０を介して燃焼室１６内に直接供給される。その結果得られた燃焼室１６内の可燃性混合物は点火プラグ３２により点火される（火花点火）。
【００４８】
排気弁２２が開かれたとき、燃焼残留ガスは燃焼室１６から排気装置１４内に排出される。排気装置１４は排気管３４を有し、排気管３４内において内燃機関１２と吸蔵触媒３８との間に前置触媒３６が配置されている。前置触媒３６および吸蔵触媒３８は担体構造４０ないし４１を有し、担体構造４０ないし４１はそれらの触媒層において異なっている。前置触媒３６の担体構造４０には、通常、前置触媒３６をλ＝１制御において三元触媒として働かせる層が設けられている。
【００４９】
λ＝１制御においては、内燃機関１２は酸素過剰および酸素不足で交互に運転され、この場合、リッチ／リーン切換の周期は秒の範囲内にある。この場合、前置触媒３６は酸素過剰過程において酸素および窒素酸化物を吸蔵し、およびこれらを、酸素不足過程において、このとき排気ガス内に含まれている炭化水素および一酸化炭素と触媒反応させて二酸化炭素、水および窒素に転化する。これに対して、内燃機関が長時間リーン混合物で即ち酸素過剰で運転された場合、このとき著しく放出された窒素酸化物は吸蔵触媒３８内の担体構造４１の触媒層により吸収され且つ硝酸塩の窒素の形で吸蔵される。
【００５０】
この硝酸塩の窒素は、吸蔵触媒３８内に平行して吸蔵された酸素と同様に、内燃機関１２のリッチ混合物による短時間運転によって再び分解又は排出される。λ＝１制御とは異なり、吸蔵触媒３８がそれにより作動されるリーン過程およびリッチ過程はほとんど対称ではない。吸蔵触媒３８は、分のオーダーの時間区間内に酸素および窒素酸化物を吸蔵し且つこれを秒のオーダーの時間区間内に転化された形で再び放出可能である。これにより、エンジンは全体としてリーンで運転可能であり、このとき、リーン運転内に著しく放出された窒素酸化物は大気中に大量に放出されることはない。
【００５１】
内燃機関１２の制御は制御装置４２により行われ、制御装置４２は、少なくとも、空気質量流量計の信号、伝送車４７と協働する回転速度センサ４６の信号およびドライバ希望伝送器４８の信号を処理する。さらに、制御装置４２に、第１の排気ガス・センサ５０の信号、第２の排気ガス・センサ５１の信号、および内燃機関１２または排気装置１４の範囲内の圧力および／または温度に関する図示されていないその他のセンサの信号が供給されてもよい。これらの信号および場合によりその他の入力信号から制御装置４２は制御信号を形成し、この制御信号により、内燃機関１２は、ドライバの希望に対応して、および／または予めプログラミングされた要求に対応して運転可能である。
【００５２】
即ち、内燃機関の均質燃焼運転における燃焼室１６の充填は、絞り弁調節装置５３により操作される絞り弁５２の位置を介して調節可能である。均質燃焼運転においては、内燃機関１２から発生されるトルクは本質的に燃焼室充填質量および選択された点火時期により決定される。これに対して、成層燃焼運転においては、内燃機関１２は、絞り弁５２は開かれ且つ空気による燃焼室１６の最大燃焼室充填で、全く絞られることなく運転する。この場合、内燃機関１２により発生されるトルクは本質的に噴射燃料質量および点火時期により決定される。
【００５３】
図１には内燃機関１２の成層燃焼運転が定性的に示され、成層燃焼運転においては、噴射弁３０を介しての燃料質量の噴射により引火性混合物を有するゾーン５４が形成される。このゾーン５４は燃焼室１６の内部で空気により包囲され且つ点火プラグにより点火される。吸蔵触媒３８の加熱のために制御装置４２により制御される噴射および点火の位置が図２（ａ）および図２（ｂ）に異なる運転方式に対して示されている。この場合、ハッチング棒グラフの高さはそれぞれ燃料噴射量Ｑを表わす。噴射および点火の位置はそれぞれクランク軸角αに対して示されている。符号５６により表わされている線はそれぞれ吸気弁２０が開く角を表わす。符号５８により表わされている線はそれぞれ給気切換に対する上死点を表わす。同様に、符号６０で表わされている線はそれぞれ吸気弁２０が閉じる時点を表わし、および符号６２で表わされている線はそれぞれその付近で点火されるピストン１８の上死点（点火上死点）を表わす。
【００５４】
図２（ａ）に示すように、内燃機関１２の成層燃焼運転においては、吸気弁２０が閉じたのちの圧縮行程において比較的少ない第１の噴射量６４の噴射が行われる。圧縮行程内における噴射は引火性混合物を有するゾーン５４を形成するのに好適である。それに続いて、上死点６２の手前に存在する通常の点火が行われる。点火６３の位置は、通常、燃焼室充填の燃焼が最大トルクを発生するように決定される。噴射６４の量は、燃焼室１６の充填が全体としてリーンとなるように決定される。
【００５５】
図２（ｂ）のモデルに示すように、燃料噴射量７０は吸気弁２０が閉じる前に燃焼室１６内に噴射される。したがって、燃料噴射量は点火６５までの比較的長時間にわたり燃焼室１６内に滞留し、したがってほぼ均質に燃焼室１６内に分配可能である。この場合、燃料噴射量は、燃焼室１６内にリッチな混合物組成したがって酸素不足が得られるように決定されている。このリッチな燃焼室充填が最適トルクを提供するであろう時点に点火されたとき、好ましくないトルク急変が発生するであろう。これを阻止するために、図２（ｂ）のモデルにおいては、遅れ点火６５が行われ、遅れ点火６５の位置は、点火の遅れシフトからのトルク損失およびリッチ燃焼室充填の燃焼からのトルク利得が相互に補償するように決定される。言い換えると、点火６５は希望トルクが得られる時点において行われる。この場合、希望トルクは、できるだけ正確に、図２（ａ）に示す燃焼において発生されるトルクに対応すべきである。
【００５６】
吸蔵触媒３８を加熱するために、制御装置４２は、図２（ａ）および図２（ｂ）のモデルに対応して噴射および点火を交互に制御する。この場合、図２（ａ）のモデルは、吸蔵触媒３８を加熱するために、触媒３６および３８の酸素吸蔵体が完全に充填又は満たされるまで保持される。それに続いて、図２（ｂ）のモデルに対応して噴射および点火が行われる。このモデルは、吸蔵触媒の酸素吸蔵体がほぼ完全にまたは完全に空にされるまで保持される。
【００５７】
これは操作としてのみならず制御として行われてもよい。
操作として実行するために、図２（ｂ）のモデルは所定数の燃焼室充填に対して保持され、この数は吸蔵触媒３８の酸素吸蔵容量に対する期待値に適合される。この期待値は固定設定されていてもまたは内燃機関１２および排気装置１４の運転変数から制御装置４２においてモデル化されてもよい。制御としての実行においては、図２（ｂ）のモデルは、吸蔵触媒３８の後方に配置されている酸素センサ５１の信号が排気ガス内の酸素不足を指示するまで保持される。このような排気ガス・センサ５１の信号は、モデルにより形成された、吸蔵触媒３８の酸素吸蔵容量に対する期待値の補正に対しても使用可能である。これは、吸蔵触媒３８の加熱ごとに炭化水素およびＣＯが吸蔵触媒３８を通過して出現することが予期されてはならないので、全体として複数回の加熱過程を介して不必要なＨＣおよびＣＯエミッションが低減されるという利点を有している。
【００５８】
この方法においては、即ち図２（ａ）および図２（ｂ）のモデルに対応する噴射および点火の制御においては、前置触媒３６は図２（ａ）および図２（ｂ）のモデル間の切換においてそれぞれ完全に比較的少ない酸素量が充填され且つ酸素が空にされ、一方、排気系１４内に放出された酸素および還元剤の大部分は吸蔵触媒３８内において発熱反応する。
【００５９】
図２（ａ）および図２（ｂ）のモデル間の切換は、急激に、即ちある燃焼室充填から次の燃焼室充填へ行われることが好ましい。
したがって、本発明により、国際特許出願第９８／４６８６８号の方法のように連続的に均質燃焼運転が行われ且つ周期的にλが切り換えられて（リーンおよびリッチ間の切換）作動されるのではなく、酸素吸蔵体を最適に利用するために、さらに運転方式が成層燃焼運転（リーン）および均質燃焼運転（リッチ）間で特殊な制御方式により切り換えられる。
【００６０】
均質燃焼運転方式は、吸気行程内への噴射および点火前に行われる圧縮行程内への噴射が制御されるいわゆる均質スプリット運転で行われてもよい。リーン過程における成層燃焼運転により、均質燃焼運転中にリーン運転能力が制限されて化学エネルギーの供給を制限するという問題が緩和される。
【００６１】
きわめて簡単な考察によれば、成層燃焼運転および均質燃焼運転間の通常の切換において、成層燃焼運転中において均質燃焼運転に切り換える前に、充填量を低減するために最初に絞りが行われる。逆に均質燃焼運転から成層燃焼運転への切換においては、最初に均質燃焼運転中に充填量が上昇される一方で、点火角が遅れ方向にシフトされる。この充填量低下および充填量上昇は時間を要し、このことが有効な加熱熱量を損失させることになる。本出願に記載の制御方式により、この欠点は回避される。さらに、この制御方式により、個々の前置触媒のみならず前置触媒および吸蔵触媒からなる全体系または直列に配置された他の触媒もまた加熱することができる。加熱率は制御方式によるのみならず触媒の酸素吸蔵体によっても決定される。
【００６２】
この制御方式により、理想的には、リーン成層燃焼運転とリッチ均質燃焼運転との間において充填量の差が存在せず、これにより充填量低下ないし充填量上昇を必要としないことが可能となる。したがって、リーン成層燃焼運転とリッチ均質燃焼運転との間の切換は、遅れなしに行うことができる。これにより、内燃機関の排気弁においても直ちにリーンまたはリッチなλが存在し、これは触媒の酸素吸蔵体と組み合わされて加熱を可能にする。
【００６３】
運転状態が均質燃焼運転と成層燃焼運転との間の絶対同一充填量を許容しない場合、充填量をできるだけ同じにすることにより少なくとも切換時間を低減可能である。
リッチおよびリーン・サイクルの周期は排気ガス容積流量、リッチおよびリーンにおけるλ、触媒の酸素吸蔵能力および要求加熱熱量の関数である。
【００６４】
前置触媒のみを加熱したい場合、リッチおよびリーン・ガスの量は前置触媒の酸素吸蔵体に正確に適合される。前置触媒の後方にリーンおよびリッチ・ガスが出現したときにそれぞれ運転方式が切り換えられる。これは、純粋にモデルで操作されるのみならず制御されてもよい。制御においては、前置触媒３６の後方の第１の排気ガス・センサの信号を使用可能である。
【００６５】
吸蔵触媒を加熱するために一方のバンクがリッチで運転され且つ他方のバンクがリーンで運転されるＹ配置内に２つの前置触媒を有する系におけるλスプリットの代わりに、この系においても上記のタイプの加熱が使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】直接噴射と、および前置触媒およびその後方に配置された吸蔵触媒を有する排気装置とを備えた内燃機関の略全体図である。
【図２】図２（ａ）は、内燃機関の成層燃焼運転における噴射および点火の位置を示した定性線図である。
【００６７】
図２（ｂ）は、内燃機関の均質燃焼運転における噴射および点火の位置を示した定性線図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０    内燃機関全体図
１２    内燃機関
１４    排気装置（排気系）
１６    燃焼室
１８    ピストン
２０    吸気弁
２２    排気弁
２４    吸気弁調節装置
２５    排気弁調節装置
２８    吸気管
３０    噴射弁
３２    点火プラグ
３４    排気管
３６    前置触媒
３８    吸蔵触媒
４０、４１    担体構造
４２    制御装置
４４    空気質量流量計
４６    回転速度センサ
４７    伝送車
４８    ドライバ希望伝送器
５０、５１    排気ガス・センサ
５２    絞り弁
５３    絞り弁調節装置
５４    ゾーン
５６    吸気弁が開く角
５８    給気切換上死点
６０    吸気弁が閉じる角
６２    点火上死点
６３、６５    火花点火
６４、７０    燃料噴射
Ｑ    燃料噴射量
α    クランク軸角
【図１】
2004332740.tif 000003
【図２】
2004332740.tif 000004