(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス浄化装置の窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータを周期的に脱硫するための方法であって、
それぞれの脱硫期間中に、窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータには二次空気供給手段によって二次空気が送られ、濃厚エンジン空気比を設定することによって還元剤を含むエンジン排気ガスが供給され、
少なくとも脱硫期間の一部（ＩＩＩ）の間に、所定の脱硫温度に達した後に、アキュムレータ空気比（λＳ）が平均して濃厚範囲に留まるように、アキュムレータ空気比（λＳ）が、一方の酸化性または化学量論雰囲気と他方の還元性雰囲気との間で振動するように、供給される二次空気量（Ｌ）および／またはエンジン空気比（λＭ）を変化させることによって設定されることを特徴とする方法。
【請求項２】
酸化性または化学量論雰囲気と還元性雰囲気との間におけるアキュムレータ空気比（λＳ）の振動の振幅および／または振動数が、動作条件にしたがって可変的に設定されることをさらに特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
アキュムレータ空気比（λＳ）が、窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータの上流または下流に置かれたラムダプローブによって記録され、一方の酸化性または化学量論雰囲気と他方の還元性雰囲気との間で振動する所望の値に設定されることをさらに特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
それぞれの脱硫期間の初期アキュムレータ加熱段階（Ｉ）中に、アキュムレータ空気比（λＳ）が濃厚範囲に一定に保たれ、その過程中に濃厚エンジン空気比（λＭ）が設定され、二次空気が供給されることをさらに特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置の窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータを周期的に脱硫するための請求項１の前提部分による方法に関するものであり、この場合における内燃機関という用語はあらゆる形式の燃焼機械の同義語として使用する。
【０００２】
ＮＯｘ吸着触媒コンバータなどの窒素酸化物（ＮＯｘ）アキュムレータ、および随意に窒素酸化物アキュムレータの上流に連結されたいわゆるＳＯｘトラップなどの硫黄酸化物（ＳＯｘ）アキュムレータを有する排気ガス浄化装置が、特に自動車両において、自動車両の内燃機関からの窒素酸化物の排出を最小限に抑えるために使用されている。この目的のために、希薄燃焼モードにおけるような高レベルの窒素酸化物が形成されるエンジン動作段階では、窒素酸化物を一時的に例えば吸着過程によってＮＯｘアキュムレータの中に蓄積し、こうして適当な次の動作段階では例えば濃厚燃焼モードで、例えば対応する脱着過程と窒素を形成する次の還元によって再び放出して変換できることが知られている。この文脈では、希薄燃焼モードおよび濃厚燃焼モードという用語は、通例のように、希薄または濃厚なエンジン空気比、すなわち、それぞれ化学量論値以上または以下にあるエンジン内で燃焼される空気／燃料混合気の空燃比を伴うエンジン動作段階を意味するものとして理解すべきである。
【０００３】
このようなシステムの知られた１つの困難性は、特にエンジンの希薄燃焼モードでは、排気ガスが標準燃料とエンジンオイルの中に含有される硫黄が理由で二酸化硫黄を含み、この硫黄酸化物が硫酸塩形成の結果としてＮＯｘアキュムレータの硫黄による被毒を引き起こすことがあり、これがアキュムレータのＮＯｘ蓄積容量を低下させることである。したがって、ＮＯｘアキュムレータのＮＯｘ蓄積容量に大きな低下が観察されるときにはいつでも、ＮＯｘアキュムレータから硫酸塩の付着を除去するために、ＮＯｘアキュムレータの脱硫作業をすることが知られている。代替案として、ＳＯｘトラップをＮＯｘアキュムレータの上流に連結し、それから同様な方法で周期的に脱硫する。
【０００４】
窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータを効果的に脱硫するために、例えば６００℃以上の高い排気ガス温度と濃厚なアキュムレータ空気比、すなわち化学量論レベル以下の比を設定することが知られており、アキュムレータ空気比という用語は、アキュムレータに送られる排気ガス中の燃料または未燃炭化水素に対する酸素または空気の比を意味するものと理解される。このような条件の設定は、例えばＷ．Ｓｔｒｅｈｌａｕ他の「ヨーロッパにおけるガソリン燃料乗用車のための希薄ＮＯｘ触媒における新しい開発」（Ｎｅｗ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｌｅａｎ  ＮＯｘ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  ｆｏｒ  Ｇａｓｏｌｉｎｅ  Ｆｕｅｌｅｄ  Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ  Ｃａｒｓ  ｉｎ  Ｅｕｒｏｐｅ）、ＳＡＥ９６２０４７、１９９６年、に開示されている。
【０００５】
ＥＰ０６３６７７０Ａｌには、ＮＯｘ吸着触媒コンバータを脱硫するために、内燃機関を希薄エンジン空気比から濃厚エンジン空気比に切替え、必要な場合には追加的に、ＮＯｘ吸着器につながる電気加熱器を作動させることが提案されている。脱硫段階は各回に約１０分間の特定期間だけ維持される。
【０００６】
序文に述べた形式の様々な方法も、脱硫を実施するためにすでに提案されている。これらの方法では、濃厚エンジンモードは窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータへの二次空気の供給と組み合わされる。ＤＥ１９５２２１６５Ａ１に開示されているこの形式の方法では、その他の形式の手順に加えて、この方法が、点火時期を所望の増加所要値に遅延調節することと組み合わせて、エンジン空気比と二次空気量を適当に設定することによってＮＯｘアキュムレータ触媒コンバータの温度を調整して達成される。古いドイツ特許出願１９７４７２２０．２に記載の方法では、エンジン空気比と二次空気供給量は少なくとも、脱硫すべきＮＯｘアキュムレータ触媒コンバータの下流に配置されたラムダプローブからの出力信号の関数として、すなわちアキュムレータ空気比の関数として設定される。古いドイツ特許出願１９８０２６３１．５に記載のさらに別の方法では、ＮＯｘ吸着触媒コンバータの上流に連結されたＳＯｘトラップが、二次空気供給と濃厚エンジンモードによって周期的に脱硫され、ＳＯｘアキュムレータ空気比とＳＯｘアキュムレータ温度は、特に供給される二次空気量および／またはエンジン空気比を適当に変えることによって所定の所要値に保持される。
【０００７】
本発明は、二次空気供給と濃厚エンジン空気比の設定によって内燃機関の排気ガス浄化装置の窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータを効果的に脱硫するために使用できる、序文に記載した形式の方法を提供する技術的課題に基づくものである。
【０００８】
本発明は、請求項１の特徴を有する方法を提供することによってこの課題を解決する。この方法では、所定の脱硫温度に達した後に、少なくとも次に起こる脱硫期間の一部分において、脱硫すべきＮＯｘまたはＳＯｘアキュムレータのアキュムレータ空気比、すなわち酸素／還元剤比は、供給される二次空気量および／またはエンジン空気比、すなわち内燃機関の中で燃焼される空気／燃料混合気の空燃比を適当に変えて、酸化性雰囲気と還元性雰囲気との間で振動させることによって設定される。
【０００９】
この手順は、還元性雰囲気において、すなわち濃厚アキュムレータ空気比によって、窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータの中に存在する硫酸塩が分解されて硫化物になり、これがアキュムレータ本体の中に通常存在する触媒活性を有する貴金属材料を覆い、その触媒活性を低下させてさらに硫酸塩の分解をさらに困難にして遅くする可能性があるという発見を利用している。少なくとも化学量論および好ましくは希薄アキュムレータ空気比、すなわち化学量論または酸化性雰囲気による脱硫段階の本発明による介入は、二酸化硫黄（ＳＯ２）を放出してその後に、脱硫動作の次の還元段階に硫酸塩の分解が有効に再度継続可能であるように、形成された硫化物の分解を可能にする。濃厚から化学量論組成または希薄へ、およびその反対のアキュムレータ空気比の振動変化は、二次空気の量およびしたがって供給される酸素を適当に変化させることによって、および／またはエンジン空気比およびしたがって還元剤の量を変化させることによって成し遂げられる。アキュムレータ空気比の振動変調は、窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータのＮＯｘまたはＳＯｘ貯蔵容量がもう一度十分に高くなるように蓄積された硫酸塩の大部分が分解されて脱着されるまで、維持されることが好ましい。
【００１０】
請求項２によって改善される方法では、振動するアキュムレータ空気比の振幅および／または振動数を、対応する動作状況において窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータの脱硫ができるだけ急速であるように、動作条件にしたがって可変的に設定することができる。
【００１１】
請求項３によって改善される方法では、アキュムレータ空気比は、酸化性または化学量論雰囲気と還元性雰囲気との間で振動様式により調整されることによって変えられ、すなわち対応して振動する所望の値に調整され、実際の値は窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータの上流または下流に適当に置かれたラムダプローブによって記録される。
【００１２】
請求項４によって改善される方法では、脱硫過程の開始時に、予め決定可能な脱硫温度に達するまで、アキュムレータ空気比は、二次空気の供給が作動されているにもかかわらず濃厚エンジン空気比を適当に設定することによって、常に少なくとも僅かに濃厚範囲に保持され、このために、還元剤の酸化によってアキュムレータを所望の脱硫温度に比較的速く持ってくることができる。
【００１３】
本発明の有利な実施形態を図面に示し、次に説明する。
【００１４】
１つだけの図で３つの線図を示すが、脱硫過程におけるエンジン空気比と、供給される二次空気量と、およびアキュムレータ空気比との時間的プロファイルを図示して、３つの線図が同期するように上下に合せて配置されている。
【００１５】
添付の線図に基づいて図に示した脱硫過程は、この過程の周期的適用によって、たとえば自動車両における内燃機関の排気ガス浄化装置の窒素酸化物または硫黄酸化物アキュムレータを繰返し脱硫するために使用される。アキュムレータは特にＮＯｘ吸着器またはＳＯｘトラップにすることができる。脱硫過程は、窒素酸化物アキュムレータのＮＯｘ貯蔵容量または硫黄酸化物トラップのＳＯｘ貯蔵容量が顕著に低下したときはいつでも実施される。脱硫過程によって、通常は硫酸塩の形である付着した硫黄は対応するアキュムレータから拭き取られて、その結果アキュムレータはできる限りその初期のＮＯｘまたはＳＯｘ貯蔵容量に回復される。
【００１６】
図示した脱硫過程は３つの連続した段階を含む。第１脱硫段階Ｉは、アキュムレータを脱硫に望ましい高い温度にできるだけ急速に持ってくるために使用され、この温度は、アキュムレータがその正規のＮＯｘまたはＳＯｘ貯蔵機能を果たす、その前の動作段階におけるよりも高い。この目的のために、脱硫段階の開始時ｔ０において、ＮＯｘまたはＳＯｘへの二次空気の供給が、時間ｔの関数として二次空気供給流量Ｌを示す中央の図に示すように、所定の供給流量Ｌ１で開始される。この時点で、エンジン空気比λＭ、すなわちエンジンの中で燃焼される空気／燃料混合気の空燃比は、濃厚範囲にある値λＭ１に設定されるが、その前は、図においてエンジン空気比λＭの時間的プロファイルを示す最上図に示すように、例えば化学量論レベル１にあった。
【００１７】
第１脱硫段階Ｉ中では、エンジン空気比λＭと二次空気供給流量Ｌは、結果的に得られるアキュムレータ空気比λＳ、すなわち供給された二次空気によって濃厚になって、脱硫すべきアキュムレータに送られるエンジン排気ガスの酸素／還元剤比が、０．７０〜０．９９であることが好ましい濃厚範囲に保持されるように、互いに適合される。アキュムレータ空気比λＳの時間的プロファイルを図示する図における最下図に示す例では、アキュムレータ空気比は僅かに濃厚範囲にあり、すなわち化学量論値１の僅か下にある。未燃焼の炭化水素などの濃厚燃焼エンジンモードである理由のためにエンジン排気ガスの中に含有されている還元剤は、ＮＯｘまたはＳＯｘアキュムレータの中で、供給された二次空気の中に含まれる酸素と共に燃焼し、その結果、アキュムレータの急速な加熱を可能にする。これに加えて、またはこの処置の代替案として、他の形式のアキュムレータ加熱手段、例えば電気加熱装置を準備することも可能である。
【００１８】
したがって、４００℃〜６５０℃の間にあることが好ましい所望の脱硫温度になんとかして達するとすぐに、温度をさらに上げる必要はなく単に維持しておくことが必要である。したがって、対応する時点ｔ１において第１段階に続いて比較的短い遷移段階を形成する第２脱硫段階ＩＩでは、さらなるエネルギー供給は、アキュムレータ温度が最適の脱硫範囲内に留まるような程度に減少される。この目的のために、一方では、計量供給される二次空気の量が供給流量Ｌを第１脱硫段階Ｉ中の値Ｌ１からより低い値Ｌ２に低下させることによって減少され、他方では、エンジン空気比λＭが先の化学量論値以下の値λＭ１から僅かに程度の小さな化学量論値以下の値λＭ２に上昇する。
【００１９】
二次空気の供給流量Ｌとエンジン空気比λＭに対する変化は、結果として得られるアキュムレータ空気比λＳが第２脱硫段階ＩＩにおいても濃厚範囲に留まるように、すなわち第１脱硫段階Ｉのレベルに変化せずに留まるように、互いに適合される。エンジンから放出される還元剤の量と、第１脱硫段階から第２脱硫段階への遷移において引き起こされる二次空気の計量供給量との両方における低下のために、エンジンの中に噴射すべき燃料および二次空気を供給するために使用される二次空気ポンプの動力使用量は最小限に抑えられ、不必要なエネルギー消費を省き、さらに、脱硫すべきアキュムレータの過熱が防止される。
【００２０】
所望の脱硫温度を維持するために必要な二次空気の量と還元剤の量が安定した方式に設定された後に、対応する時点ｔ２で第２脱硫段階から第３脱硫段階ＩＩＩへの遷移が起こり、この第３脱硫段階で図示するようにアキュムレータ空気比λＳは酸化性雰囲気と還元性雰囲気との間を繰り返し振動し、すなわち例えば方形波パルスの形に設定され、１より高いレベルすなわち化学量論レベル以上または希薄混合気レベルと、１より低いレベルすなわち化学量論レベル以下または濃厚混合気レベルとの間を交番する。図示する例では、化学量論レベル以上のレベルλＳ１にあるアキュムレータ空気比λＳの比較的短い間隔が、化学量論レベル以下のレベルλＳ２にあるアキュムレータ空気比λＳの多少長い間隔と交番する。全体的にみて、間隔の長さとアキュムレータ空気比λＳ１、λＳ２は、アキュムレータ空気比λＳが平均して濃厚範囲に、好ましくは１より僅かに低い値に留まるように、互いに適合される。
【００２１】
図示の例では、アキュムレータ空気比λＳの振動変調が２つのエンジン空気比の値λＭ３、λＭ４の間における対応する振動変化によって起こされ、これらの値は両方とも濃厚範囲内にあり、このうちの１つは先の第２脱硫段階ＩＩ中のエンジン空気比λＭ２より低く、他の１つはλＭ２より高い。同時に、第２脱硫段階ＩＩのために設定された二次空気送り流量Ｌ２は第３脱硫段階ＩＩＩのために維持される。
【００２２】
したがって、図示の例では、第３脱硫段階ＩＩＩにおけるアキュムレータ空気比λＳの変調は、二次空気送り流量Ｌが一定に保たれている間のエンジン空気比λＭの対応する変調のみによって達成されるが、代替案として、アキュムレータ空気比λＳの所望の振動変化は、エンジン空気比λＭが一定に保たれている間に、二次空気送り流量Ｌだけが対応する変調によって、またはエンジン空気比λＭと二次空気送り流量Ｌの両方を互いに適合された変調によって同時に設定することができる。各場合に計量供給される二次空気量は、脱硫すべきアキュムレータの中で利用可能な酸素の量を決定するが、エンジン空気比は、アキュムレータの中で利用可能な還元剤の量を設定する。
【００２３】
第３脱硫段階ＩＩＩ中の振動アキュムレータ空気比λＳの設定は、所定の対応して振動する所望の値によって調整システムの形態で行われることが好ましい。この場合には、アキュムレータ空気比λＳの実際の値を監視するために、ＮＯｘまたはＳＯｘアキュムレータの上流または下流にラムダプローブが置かれ、このプローブからの出力信号は、アキュムレータ空気比λＳの所望の振動プロファイルが生成されるように、エンジン空気比λＭおよび／または二次空気送り流量Ｌを望むために使用される。
【００２４】
連続する間隔に酸化性雰囲気と還元性雰囲気とを備えることによって、非常に効果的な脱硫がＮＯｘまたはＳＯｘアキュムレータの中で達成できることがわかった。濃厚アキュムレータ空気比すなわち還元性雰囲気を有する期間では、付着した硫酸塩は、好ましくはアキュムレータ本体のために使用される貴金属触媒材料の触媒作用の下で分解される。この硫酸塩分解の間に硫化物が形成され、硫化物が貴金属材料を覆い始めるので、この触媒活性が低下する恐れがある。形成された硫化物によりこうして貴金属材料が顕著に被毒して、こうしてその触媒作用が低下し始める前に、その過程は、酸化性または化学量論雰囲気を有する、すなわち化学量論以上または化学量論アキュムレータ空気比を有する間隔に切り替えられる。これは、先に形成された硫化物が多分過剰に現に存在する酸素によって容易に酸化されてＳＯ２を形成することができ、この形態でアキュムレータから排出され得るという発見を利用している。この結果、形成された硫化物を貴金属材料から一掃することができ、硫酸塩の分解速度が著しく低下する前にＳＯ２は放出される。そして、その過程は、硫酸塩の分解を継続するために、還元性雰囲気を有する間隔に戻される。
【００２５】
この手順は、ＮＯｘまたはＳＯｘアキュムレータから付着した硫酸塩を比較的急速に片付けるために使用することができる。酸化性または化学量論雰囲気と還元性雰囲気との間におけるアキュムレータ空気比λＳの振動変化は、アキュムレータの中に付着した硫酸塩が、窒素酸化物または硫黄酸化物それぞれのためのＮＯｘまたはＳＯｘアキュムレータの貯蔵能力が十分に再び大きくなる程度に脱着して分解するまで継続する。それから第３脱硫段階ＩＩＩと、したがって全体としての脱硫過程とは適切な時点ｔ３で終了し、この目的のために、図示の例では、エンジン空気比λＭは１の化学量論レベルに戻され、二次空気供給が終了する。
【００２６】
第３脱硫段階ＩＩＩにおけるアキュムレータ空気比λＳの振動変調中に、振幅、すなわち少なくとも化学量論アキュムレータ空気比の値λＳ１と化学量論値以下の値λＳ２との差、および／または振動数、すなわち一方の酸化性または化学量論雰囲気と他方の還元性雰囲気との間における切替えが存在する規則性を、硫酸塩の分解ができる限り速くなるために必要な条件に適合させることができ、この場合には特に、システムの動作状態の関数として、詳しくは脱硫過程内と、また周期的に実施される異なる脱硫過程の間との両方において設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ３つの線図、すなわち脱硫過程におけるエンジン空気比と、供給される二次空気量と、およびアキュムレータ空気比との時間的プロファイルを示し、３つの線図が同期するように上下に合せて配置されている図である。
【図１】
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