(57)【要約】【課題】内燃機関の排気ガス中において、触媒の入口におけるＮＯｘ原質量流量のモデリングを改良する。【解決手段】内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ吸蔵触媒（１５）の入口で、内燃機関の運転パラメータからＮＯｘ質量流量（ｍｓｎｏｖｋ）を決定する方法において、その決定の際に吸気温度とエンジンオイル温度とが考慮される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ吸蔵触媒の入口で、内燃機関の運転パラメータからＮＯｘ質量流量を決定する方法において、
該決定の際に吸気温度とエンジンオイル温度とが考慮されることを特徴とするＮＯｘ質量流量を決定する方法。
【請求項２】
前記触媒の手前のＮＯｘ質量流量（ｍｓｎｏｖｋ）が、温度に依存していない基本値（ｍｓｎｏｖｋ０）と温度に依存している係数（ｅｘｐ（ＦＮＯＸＢＡＫＴ・ｄｅｌＴｅｍｖ）との積として計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記温度に依存している係数が、空気温度とエンジン温度とから組み合わされた取入れ温度値（Ｔｅｉｎ）の変化の結果としての燃焼温度の変化（ｄｅｌＴｅｍｖ）に比例していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記触媒の手前のＮＯｘ質量流量（ｍｓｎｏｖｋ）の計算の際に、追加として吸気の中の水蒸気成分の割合が考慮されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃焼室内の成層化された混合気分布による第一の運転方式（成層運転）と燃焼室内の均質化された混合気分布による第二の運転方式（均質運転）とで運転可能な内燃機関において、前記触媒の手前のＮＯｘ質量流量の計算が、成層運転の際に、均質運転の際とは異なって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
均質運転の際には、追加として、ラムダに依存するＮＯｘ形成活性化のための係数が考慮されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記計算の際に、吸気中の水蒸気成分の割合の上昇が、前記触媒の手前のＮＯｘ質量流量に対して減少するように作用することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法を実施するための電子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
内燃機関の運転パラメータから内燃機関のＮＯｘ質量流量を決定する方法および装置に関する。
【０００２】
従来の技術
ＤＥ １ ９７ ３９ ８４８．０ から、ＮＯｘ吸蔵触媒のモデル作成と、吸蔵運転と回収運転との間の交替の制御及び調節並びに触媒診断を企図した、ＮＯｘ吸蔵触媒を備えたガソリン直接噴射式内燃機関（ＢＤＥ）のためのエンジン制御方法が既に知られている。一つの重要な要素は、入力値（エンジン回転数、（フル負荷に対する）相対燃料質量取入れ、排気ガス再循環割合、及び基準ラムダ）に関する特性マップデータから、触媒入口でのＮＯｘ原質量流量の計算である。
【０００３】
吸気温度の違い（例えば、スカンジナビアの冬は−２０℃、また熱帯或いは亜熱帯の夏は＋４０℃）とエンジン温度の違い（例えば、コールドスタートの際は外気温度に相当し、また連続的フル負荷運転時には最高許容エンジン温度の閾まで上昇することがある）は、上記の既知の計算では考慮されていない。
【０００４】
ガソリン直接噴射式エンジンのための既知の制御装置では、吸気温度とエンジン温度から圧縮の始めの閉じ込められた混合気についての特徴的な温度が求められる（Ｔｅｉｎ）。
【０００５】
発明が解決しようとする課題
以上のことを背景として本発明の課題は触媒の入口におけるＮＯｘ＝原質量流量のモデリングの改良にある。
【０００６】
課題を解決するための手段
この課題は、モデリングの際に吸気温度とエンジンオイル温度とを考慮することによって解決される。
【０００７】
吸気温度とエンジンオイル温度は、現代のエンジン制御装置では測定信号として利用可能である。
本発明によれば、これ等のデータを利用し、且つＮＯｘ排出ガス特性マップを利用して、エンジン回転数、相対燃料質量、排気ガス再循環率、及び触媒の入口におけるＮＯｘ質量流量の基準ラムダ値について、従来よりもより正確に計算される。好ましい実施例では、精度の更なる向上が吸気の水蒸気含有量を考慮することによって可能となる。
【０００８】
本発明の一つの実施例では、触媒の手前のＮＯｘ質量流量（ｍｓｎｏｖｋ）が、定められた基準状態に関連付けられた基本値（ｍｓｎｏｖｋｏ）と温度に依存している係数（ｅｘｐ（ＦＮＯＸＢＡＫＴ・ｄｅｌＴｅｍｖ）との積として計算されるということが見込まれている。
【０００９】
別の実施例では、上記の温度に依存している係数が、空気温度とエンジン温度とから組み合わされた取入れ温度値（Ｔｅｉｎ）の変化の結果としての燃焼温度の変化（ｄｅｌＴｅｍｖ）に比例しているということが見込まれている。
【００１０】
別の実施例では、燃焼室内の成層化された混合気分布による第一の運転様態（成層運転）と燃焼室内の均質化された混合気分布による第二の運転様態（均質運転）で運転可能な内燃機関において、触媒の手前のＮＯｘ質量流量の計算が、成層運転の際に、均質運転の際とは異なって行われるということが見込まれている。
【００１１】
別の実施例によれば、均質運転の際には、追加として、ラムダに依存するＮＯｘ形成活性化のための係数が考慮される。
別の実施例では、吸気中の水蒸気成分の割合の上昇が、計算の際には、触媒の手前のＮＯｘ質量流量に対して減少するように作用するということが見込まれている。
【００１２】
本発明は、上述の方法を実施するための電子制御装置にも関している。
本発明は、既存のＮＯｘ排出ガス特性マップを吸気温度及びエンジン温度のズレのために追加として補足する必要なしに、何らの大きな問題なしにエンジン制御装置の中へ組み込むことが出来る程簡単に構成されている。換言すれば、基準状態及び／又は排気ガステスト条件と関係付けられた基本特性マップを更に利用することが出来る。基準状態からの実状態のズレが特性マップの値と修正値との結合によって、とりわけ乗算的な結合によって考慮される。
【００１３】
これによって、ＮＯｘ質量流量の計算がより速く且つより少ない記憶スペースの消費で、希望する追加情報を送り出すことが出来る。
実施例の説明
図１の参照記号１は、内燃機関のシリンダの燃焼室を示している。吸入弁２を介して燃焼室へ向かう空気の流れが制御される。空気は、吸入管３を通して吸入される。吸気量は、制御装置５によって制御されるスロットルバルブ４によって変えられる。該制御装置には、ドライバのトルク要求に関する或いはアクセルペダル６の位置に関する信号、回転数センサ７からのエンジン回転数に関する信号ｎ、空気量計８からの吸入された空気の量に関する信号ｍｌ、及び排気ガスセンサ１２からの排気ガスの組成および／または排気ガス温度に関する信号Ｕｓが送り込まれる。排気ガスセンサ１２は、例えば、そのネルンスト電圧が排気ガス中の酸素含有率を示し、又その内部抵抗がソンデ温度、排気ガス温度、および／または触媒温度のための尺度として援用されるラムダゾンデとすることが出来る。排気ガスは、少なくとも一つの触媒１５を通して送られ、その中で排気ガスからの有害物質が変換され、および／または一時的に貯蔵される。
【００１４】
これ等の入力信号、また場合によっては、吸気温度や冷却剤温度等の内燃機関のその他のパラメータに関する入力信号から、制御装置５は調節器９によるスロットルバルブ角度αの調節のための、また燃料をエンジンの燃焼室の中へ供給する燃料噴射弁１０の制御のための出力信号を形成する。更に該制御装置によって、点火装置１１を介して点火操作が制御される。
【００１５】
スロットルバルブαと噴射パルス幅ｔｉは、希望するトルク、排気ガス組成、及び排気ガス温度の実現のために互いに相手に合わせて調整されるべき重要な調節量である。これ等の量に影響を与えるためのもう一つの重要な調節量は、ピストン運動に対する点火の角度位置である。トルクの調節のためのこれ等の調節量の決定は、その限りにおいて本開示の中に取り入れられるべきＤＥ １ ９８ ５１ ９９０ の対象となっている。
【００１６】
更に上記の制御装置は、燃焼室内での燃料／空気混合気の効率的な燃焼の達成のためのその他の機能、例えば、図中には示されていない排気ガス再循環および／またはタンク排気を制御する。燃焼の結果として生じるガス力は、ピストン１３及びクランク機構１４によってトルクへ変換される。
【００１７】
触媒の中へのＮＯｘ取り込みのモデリングのために、制御装置は、排気ガス中の酸素過剰の際には、触媒ヘの窒素酸化物の質量流量ｍＮＯｘを内燃機関の運転パラメータから算出する。この計算は、例えば、瞬間ＮＯｘ排出ガスが運転ポイントに依存しながら記憶されている特性マップへアドレスすることによって行われる。この点に関連する重要な運転パラメータとしては、エンジン回転数、相対燃料質量、排気ガス再循環率、及び基準ラムダ値が挙げられる。希薄運転段階で求められる窒素酸化物の総量は、そこから積分によって得られる。
【００１８】
燃焼の結果として生じるＮＯｘ質量流量のモデリングの詳細は、その限りにおいて本開示の中へ一緒に取り入れられるべきＤＥ １ ９７ ３９ ８４８ の中で説明されている。
【００１９】
本発明の枠組みの中で利用されている追加の調節値である吸気温度Ｔａｎｓ及びエンジンオイル温度Ｔｍｏｔｏｒは、希薄運転の際のＮＯｘ形成について決定を下す燃料／空気混合気の燃焼温度に影響を与える。このような条件の下で、ツェルドヴィッチ機構（Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ−Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｕｓ）に基づくＮＯ（サーマルＮＯ）が形成される。この機構の既知の活性化エネルギーを用いて、その他の条件が同じであれば、アレニウスの式の温度に依存している指数の項は、通常の吸気温度の場合には直線化されるということが見積もられる（式１）。例えば、空気湿度が高い場合の様に強い効果を考慮するためには、上記の指数関数を基礎とした特性曲線の使用が推奨される。この式の中で、様々な温度の場合のＮＯｘ質量流量に対する効果に関する影響係数ＦＮＯＸＢＡＫＴは、各々の車両のタイプに対して適合させることが出来る。これによって、この形式はまた、ＮＯｘ形成機構と係わりが無くなり、例えば、（好ましくは過濃運転の下で）ツェルドヴィッチＮＯよりも明らかに小さい活性化エネルギーを用いて形成されるプロンプトＮＯに対しても当てはまる。
【００２０】
触媒の手前のＮＯｘ質量流量ｍｓｎｏｖｋを計算するために、次式が提案される。
【００２１】
【数１】
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その際、ｍｓｎｏｖｋｏは、上記の特性マップからの、触媒の手前のＮＯｘ質量流量であり、またＦＮＯＸＢＡＫＴは、温度依存のＮＯｘ形成活性化を表している係数である。例：ＦＮＯＸＢＡＫＴ＝０．００３／Ｋｅｌｖｉｎ。
【００２２】
【数２】
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その際、ｄｅｌＴｅｍｖは、吸気効果による燃焼温度の変化を意味している。Ｔｅｉｎは、空気温度及びエンジン温度と組み合わされた吸気温度値を表している。ＴＢＥＺＵＧは、特性マップが記録された時の温度Ｔｅｉｎに対応している。ＴＢＥＺＵＧが特性マップに対して一定でない場合には、平均値の形成が行われ、また必要な場合には、個々の特性マップのポイントを、エンジン制御装置の中への特性マップの読み込み前の、これ等の平均値へ戻すための逆戻し計算が行われる。ＦＴ０＿ＴＶは、燃焼温度に対するＴｅｉｎ変化の作用のための増幅係数を表している。例：ＦＴ０＿ＴＶ＝２．１。値ａｎｔｗａｓｄａは、吸気の中の水蒸気成分割合を体積パーセント（絶対）で表している。その際、この値は測定値とすることが出来る。係数ＦＴＷＡＳＤＡは、燃焼温度に対する水蒸気成分の割合の影響を示している。提案：ＦＴＷＡＳＤＡ＝２６．２。値Ｔａｎｓは、内燃機関の吸気の測定された温度であり、またＴｍｏｔｏｒは、測定されたエンジンオイル温度である。
【００２３】
数値データは大まかな見積もり値である。それ等の値はケースバイケースで具体的な車両の条件に合わせられるべきである。
成層運転の際には、ＮＯｘの大部分が化学量論的ポイント（λ＝１）周囲の局所的ラムダ領域内で形成されるということが前提となる。何故なら、そこには最高温度が現れるからである。その様な領域は、成層給気の際には平均ラムダとは係わり無く常に発生する。平均ラムダによれば、既にその影響が特性マップの中で考慮されている空間的広がりだけは変化するが、ＮＯｘ形成の温度依存性の特性は、λ＝１ 近傍の局所的領域に対する割り当ての故に、本質的に無変化のままである。それ故、パラメータとしてのＦＮＯＸＢＡＫＴは、成層運転の際の特定のエンジンのために、エンジン制御のデータを定めた後は一定のままに留まっているはずである（式１）。
【００２４】
均質燃焼の場合に、局所的噴射温度は、空気過剰率λによって特徴付けられる燃料／空気比に大きく依存している。このケースでは、式１は活性化係数の温度依存性の故に次の様に変形される（式１ａ）。
【００２５】
【数３】
2004508488.tif 000005
但し、ＦＮＯＸＢＡＫＴＬは、λに依存しているＮＯｘ形成活性化の係数を表している。例：ＦＮＯＸＢＡＫＴＬ＝０．００３／Ｋ。
【００２６】
この式は、特性マップのＮＯｘ質量流量ｍｓｎｏｖｋｏを出発点とし、測定値の吸気温度Ｔａｎｓ、エンジンオイル温度Ｔｍｏｔｏｒ、及び水蒸気成分の割合ａｎｔｗａｓｄａを、読み取られた特性マップ値の修正のために利用している。既存の特性マップの利点は保持されたまま（式１）でありながら、上記の諸測定値の影響の簡単に組み立てられた表現によって補完されている。この方法の場合に特徴的なのは、全ての測定値を、燃焼ピーク温度を高めるための尺度として役立つ補助値ｄｅｌＴｅｍｖにまとめていることである（式２）。吸気の水蒸気成分の割合ａｎｔｗａｓｄａはヒートシンクとして働き、空気過剰率が一定の場合、乾燥した空気の場合と比べて燃焼温度を低下させる。水蒸気成分の割合が測定されないケースでは、次の様な考え方によって水蒸気成分割合の明示的な組み込みを不要とすることが出来る。−３０℃から＋５０℃までの吸気温度領域内では、最大の絶対空気湿度は空気温度と強く結び付いている。平均相対湿度を選ぶことによって、残されたパラメータの適合の問題を減らすことが出来る。計算された値の吸気温度Ｔｅｉｎ（この中に、吸気温度Ｔａｎｓとエンジン温度Ｔｍｏｔｏｒとの作用が含められている）のズレは、特性マップが記録された時の温度ＴＢＥＺＵＺによって、圧縮と燃焼の過程の中で係数ＦＴ０＿ＴＶだけ大きくなる（式２）。
【００２７】
図２を参照すると、式（式１、２）に対する代替策として、吸気温度Ｔｅｉｎと吸気の水蒸気含有量に関する特性マップを、ＮＯｘ特性マップデータを掛けるための係数のために使用すること、或いは、一つはＴｅｉｎのため、また一つは吸気の水蒸気含有量のための二つの特性曲線を掛けることが考えられる。ブロック２．１は、負荷及び回転数などのエンジン運転変数についてアドレスされ且つ、触媒の手前のＮＯｘ質量流量のための第一の値をもたらす特性曲線を表している。ブロック２．２及び２．３は、温度の影響による修正のための特性曲線（エンジンオイル温度と吸気温度に関する値を利用して形成される）と吸気の水蒸気含有量（絶対湿度）の修正のための特性曲線を示しており、これ等の特性曲線はブロック２．４で互いに結合され、またブロック２．５で特性マップ２．１の出力値と結合される。
【００２８】
図３を参照すると、水蒸気含有量が測定されないケースでは、Ｔａｎｓに関する特性曲線を利用し（該特性曲線を求める際には相対湿度の値は、例えば平均０．５と想定された。）、またエンジン温度の影響を簡単に組み立てられた係数（式３）（この式を導き出す際には、式１の直線化可能性が利用される）を掛けることによって考慮することが出来る（図３）。
【００２９】
【数４】
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図３は、この計算を機能ブロック表現によって示している。Ｔｅｉｎの関数としての特性曲線の利用は、ここでは、エンジン温度が全く空気湿度の作用に対して影響を与えないという理由で、奨められない。係数ＦＴＭＯＴは、Ｔｅｉｎに対するエンジン温度の、その持分に応じた影響（この影響は、圧縮の段階で強まる。）とＮＯｘ形成活性化のための係数ＦＮＯＸＢＡＫＴとを含んでいる（提案：ＦＴＭＯＴ＝０．００１／Ｋ）。特性マップの中における図３の影響の大きさのまとめが図４に再録されている。
【００３０】
既存のＮＯｘ排出ガス特性マップを更に、２次元又は３次元と拡張することは確かに可能ではあるが、メモリスペースと計算時間の問題の故に、検討されていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の技術的環境を示す。
【図２】
図２は、機能ブロックの形による本発明の実施例を示す。
【図３】
図３もまた、機能ブロックの形による本発明の実施例を示す。
【図４】
図４もまた、機能ブロックの形による本発明の実施例を示す。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年11月19日(2002.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス中の触媒（１５）の入口で、吸気温度とエンジン温度とを含む運転パラメータから、ＮＯｘ質量流量（ｍｓｎｏｖｋ）を決定する方法において、
吸気の水蒸気成分の割合が考慮され、前記水蒸気成分の割合が前記吸気温度から求められることを特徴とするＮＯｘ質量流量を決定する方法。
【請求項２】
触媒（１５）の手前のＮＯｘ質量流量（ｍｓｎｏｖｋ）が、温度に依存している基本値（ｍｓｎｏｖｋｏ）と温度に依存している係数（ｅｘｐ（ＦＮＯＸＢＡＫＴ・ｄｅｌＴｅｍｖ））との積として計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記温度に依存している係数が、空気温度とエンジン温度とから組み合わされた取入れ温度値（Ｔｅｉｎ）の変化の結果としての燃焼温度の変化（ｄｅｌＴｅｍｖ）に比例していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
燃焼室内の成層化された混合気分布による第一の運転方式（成層運転）と燃焼室内の均質化された混合気分布による第二の運転方式（均質運転）とで運転可能な内燃機関において、触媒（１５）の手前のＮＯｘ質量流量の決定が、成層運転の際に、均質運転の際とは異なって行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
均質運転の際には、追加として、ラムダに依存するＮＯｘ形成活性化のための係数が考慮されることを特徴とする請求項４に基づく方法。
【請求項６】
前記計算の際に、吸気の水蒸気成分の割合の上昇が、触媒（１５）の手前のＮＯｘ質量流量に対して減少するように作用することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法を実施するための電子制御装置。
【国際調査報告】
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