(57)【要約】【課題】異なる運転方式の下で、内燃機関の排気ガスの中での触媒の最適な加熱を選択する加熱方法および装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気ガスの中における触媒の加熱方法において、内燃機関が異なる運転方式で運転可能でり、且つ内燃機関では、異なる加熱操作の中から少なくとも一つを選択可能である。その際、異なる加熱操作について、一つの個別の加熱操作が希望される加熱効果をもたらすことが可能か否かが評価され、および一つの個別の加熱操作が、排気ガス値と当該加熱操作の実施のために必要な内燃機関の運転方式との観点から、実際の運転状態（排気ガスシステム内の温度、車の速度、実際の負荷）で実施可能であるか否かが評価され、および要求を最も良く満たすことが可能な運転方式が要求され、および実際の運転方式に応じて、それぞれ少なくとも一つの可能な加熱操作が起動される。【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の中における触媒の加熱方法において、
前記内燃機関が異なる運転方式で運転可能であること、および
前記内燃機関では、異なる加熱操作の中から少なくとも一つを選択可能であること、
その際、異なる加熱操作について、一つの個別の加熱操作が希望される加熱効果をもたらすことが可能か否かが評価されること、および
その際、一つの個別の加熱操作が、排気ガス値と当該加熱操作の実施のために必要な内燃機関の運転方式との観点から、実際の運転状態（排気ガスシステム内の温度、車の速度、実際の負荷）で実施可能であるか否かが評価されること、および
その際、要求を最も良く満たすことが可能な運転方式が要求されること、および
その際、前記実際の運転方式に応じて、それぞれ少なくとも一つの可能な加熱操作が起動されること、
を含む、内燃機関の排気ガスの中における触媒の加熱方法。
【請求項２】
一つの操作として、点火角度の変化を通して、エンジンの燃焼の効率の引き下げが行われることを特徴とする請求項１に記載の加熱方法。
【請求項３】
別の一つの操作として、ガソリン直接噴射式エンジンの場合には、燃焼の後に燃料後噴射が行われることを特徴とする請求項１に記載の加熱方法。
【請求項４】
前記後噴射が、成層運転と組み合わされることを特徴とする請求項３に記載の加熱方法。
【請求項５】
内燃機関によって吸入された空気量が、要求された温度の下で必要な熱流が達成されるまで絞り込まれることを特徴とする請求項４に記載の加熱方法。
【請求項６】
ＮＯｘ吸蔵型触媒の加熱のために、均質運転の際には、化学両論的な排気ガス組成から外れた排気ガス組成が調節されることを特徴とする請求項１に記載の加熱方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の加熱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
本発明は、内燃機関の排気ガスの中における触媒の加熱方法および装置に関する。
【０００２】
従来の技術
内燃機関の排気ガス中の触媒は、その有害物質変換作用を発揮するためには、一定の最低温度（ライトオフ温度）を必要とする。この温度は、触媒の種類に応じて可能な限り迅速に達成されるべきである。希薄燃料／空気混合気で運転されるエンジン、例えばガソリン直接噴射装置と窒素酸化物吸蔵型触媒とを備えたエンジンの場合には、例えば走行運転中に必要な吸蔵型触媒の脱硫酸塩処理の故に更に別の又一部は交替的な要求が生まれる。脱硫酸塩処理は、例えば一時的に、酸化窒素の吸蔵のための通常運転よりもより高い触媒温度を必要とする。
【０００３】
触媒の加熱のためには既に種々の操作が知られている。例えば、排気ガスがまだ燃焼していない燃料を含んでいる程過濃な混合気を用いて、エンジン燃焼を行うことが出来る。排気ガスに対する二次空気の供給は、触媒を発熱反応によって加熱する反応性の混合気を発生させる。
【０００４】
更に排気ガスがまだ未使用の酸素を含んでいる程希薄な混合気を用いて、エンジン燃焼を行うことができる。この場合には、反応性の混合気は排気ガスに対して燃料を供給することによって生み出される。
【０００５】
更に、触媒をエンジン燃焼の効率の引き下げの結果によって加熱することが知られている。エンジン燃焼の効率の引き下げは、例えば点火時点を最適時点からずらすことによってもたらすことができ、その際、最適時点は最大効率によって確定される。効率の悪化によって、排気ガスは、効率の悪化を伴わない運転の場合に比べて、より熱くなる。その結果、触媒の中でより強い加熱作用が発揮される。
【０００６】
ガソリン直接噴射式のエンジンの場合には、エンジンの異なる運転方式が触媒の加熱のために異なる操作を可能にする。
ＤＥ １９８ ５０ ５８６ から、成層運転と均質運転との間での切換えを制御するエンジン制御プログラムが知られている。
【０００７】
成層運転では、エンジンは、可能な限り低い燃料消費率を達成するために、強く層状化されたシリンダ給気と高い空気過剰率で運転される。層状化された給気は遅い燃料噴射によって達成され、この遅い噴射は、理想的なケースでは燃焼室を次の二つのゾーンに分割する。第一のゾーンは、点火栓付近の燃焼可能な空気／燃料混合気の霧を含んでいる。このゾーンは、空気と残留ガスとで作られた隔離層から成る第二のゾーンによって取り囲まれる。燃料消費率を最適化するための潜在的可能性は、エンジンを給気交替損失を避けながら、どこまでスロットルバルブを絞らずに運転することができるかという可能性から生まれる。成層運転は、比較的低い負荷の時が好ましい。
【０００８】
出力の最適化が重要となるより高い負荷の時には、エンジンは、均質なシリンダ充填で運転される。均質なシリンダ充填は、給気過程の間における早期燃料噴射から生まれる。その結果として、燃焼までより長い時間を混合気形成のために使うことができる。出力を最適化するためのこの運転方式の潜在的可能性は、例えば、燃焼可能な混合気による充填のための全燃焼室容積の活用から生まれる。
【０００９】
均質運転の際におけるＮＯｘ吸蔵型触媒の加熱のために、化学量論的な排気ガス組成から外れた排気ガス組成を採用することができる。
ガソリン直接噴射式エンジンの場合には更に、空気過剰による運転、従って好ましくは成層運転の際に、意図的に燃料をエンジンの燃焼後の膨脹過程にあるシリンダの中へ噴射するという可能性がある。この場合、後噴射された燃料は、エンジン燃焼の過剰空気と、一部は既に燃焼室の中で又一部は排気ガスシステムの中で反応する。発熱反応の際に発生された熱が触媒を加熱する。
【００１０】
発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、各々の運転状態の下で最適な加熱方策を選択することである。
【００１１】
課題を解決するための手段
上記の課題は請求項１のメルクマールによって解決される。
詳述すれば、本発明に基づく、内燃機関の排気ガスの中における触媒の加熱方法において、該内燃機関は異なる運転方式で運転されることができ、又異なる加熱操作の中から少なくとも一つを選ぶことができるので、先ず異なる加熱操作について、一つの個別の加熱操作が希望される加熱効果をもたらすことが可能か否かが評価され、又更に一つの個別の加熱操作が、排気ガス値と当該の加熱操作の実施のために必要な内燃機関の運転方式との観点から、実際の運転状態で実施可能であるか否かが評価され、又更に、要求を最も良く満たすことのできる運転方式が要求され、又実際の運転様態に応じてそれぞれ少なくとも一つの可能な加熱操作が起動される。その際、実際の運転状態は、例えば触媒温度、車両速度、及び実際の負荷に関する値によって特徴付けられる。
【００１２】
一つの実施例は、一つの操作として、点火角度の変化を通して、エンジンの燃焼の効率の引き下げが行われるということを特徴としている。
別の一つの操作は、別の一つの操作として、ガソリン直接噴射式エンジンの場合には、燃焼の後に燃料後噴射が行われるということを見込んでいる。
【００１３】
別の一つの操作は、上記の後噴射が成層運転と組み合わされるということを見込んでいる。
別の一つの操作は、内燃機関によって吸入された空気量が、要求された温度の下で必要な熱流が達成されるまで絞り込まれるということを見込んでいる。
【００１４】
別の一つの操作は、ＮＯｘ吸蔵型触媒の加熱のために、均質運転の際には、化学量論的な排気ガス組成から外れた排気ガス組成が採用されるということを見込んでいる。
【００１５】
本発明はまた、上記の諸操作及び方法のステップを実施する電子制御装置にも係わっている。
ガソリン直接噴射式の内燃機関の異なる運転方式は、触媒の加熱のための異なる操作を可能にする。本発明に基づく加熱操作の装置と運転方式は、例えば、触媒温度、車両速度、及びトルク要求等のパラメータによって定められる車両の運転状態を考慮した、加熱方策の最適化を可能にする。
【００１６】
好ましくは、異なる触媒加熱操作の可能な加熱作用が評価されてから、熱作用の必要量と比較される。触媒の加熱のための加熱作用の必要量は、例えば当該の加熱操作によって用意されなければならない排気ガス流の量と温度に対する物理的要求に行き着く。
【００１７】
更に個々の運転方式のための運転限界が考慮される。これによって、それぞれの運転状態において、最適の加熱方策を選択することが可能となる。
能動的な加熱操作に対する全ての要求は、排気ガス中の熱流要求及び温度要求として定式化される。これによって、全ての要求を単一的に扱うことができる。
【００１８】
実施例の説明
以下に本発明の一つの実施例が図面を参照しながら説明される。
図１の中の参照符号１は、内燃機関のシリンダの燃焼室を示している。吸気弁２を通して燃焼室への空気の流入が制御される。空気は吸入管３を通して吸入される。吸入空気量は、制御装置５によって制御されるスロットルバルブ４を介して変化させることができる。この制御装置には、例えばアクセルペダル６の位置を介したドライバーのトルク要求に関する信号、回転数センサ７によるエンジン回転数ｎに関する信号、空気量計８による吸入された空気の量ｍｌに関する信号、及び排気ガスセンサ１２による排気ガス組成および／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、例えばラムダセンサとすることができ、その場合には、センサのネルンスト電圧（Ｎｅｒｎｓｔｓｐａｎｎｕｎｇ）が排気ガス中の酸素含有率を示し、その内部抵抗が、センサ温度、排気ガス温度、および／または触媒温度に関する尺度として援用される。排気ガスは、排気ガスシステム１６の一部としての少なくとも一つの触媒１５を通して送られ、その間に排気ガスからの有害物質が変換されおよび／または一時的に吸蔵される。
【００１９】
制御装置５は、これ等の入力信号、及び場合によっては、給気温度及び冷却材温度等の、内燃機関のその他のパラメータに関するその他の入力信号から、調節器９によるスロットルバルブ角度αの調節のための及び燃料をエンジンの燃焼室へ送り込む燃料噴射弁１０の制御のための出力信号を生成する。更に上記の制御装置は点火装置１１による点火の開始を制御する。
【００２０】
スロットルバルブ角度αと噴射パルス幅ｔｉは、本質的に、希望されたトルク、排気ガス組成、及び排気ガス温度、またこれに伴って触媒の温度を実現するために、互いに相手に合わせて調整されるべき調節量である。これ等の量に対して影響を与えるためのもう一つの重要な調節量が、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調節量の確定は、ＤＥ １ ９８ ５１ ９９０ の目的であり、該特許はその限りにおいて本開示の中へ含められるべきである。
【００２１】
上記の制御装置は更に、内燃機関内の燃料／空気混合気の効率的な燃焼を達成する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／または燃料タンク排気を制御する。燃焼から生じたガス力は、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。
【００２２】
この技術的環境の中で触媒温度を測定したり或いはエンジンの運転量からモデル化したりすることができる。内燃機関の排気ガス系内における温度のモデル化は、例えば、ＵＳＰ ５ ５９０ ５２１ から知られている。
【００２３】
後噴射を手段とした加熱のために、本発明に基づくエンジン制御装置は排気ガスシステム内の最低温度を必要とする。これが達成されるまで、例えば第一の操作として、遅延点火付きの均質運転が要求され、また採用される。必要な温度に到達すると、後噴射が可能な代替策として許される。より高温の熱流を生成するために、後噴射付きの成層運転への切換えが行われる。その際には、空気の流れは、要求されている温度の下でも必要な熱流が到達されるまで、スロットルバルブによって絞り込まれる。
【００２４】
スロットルバルブの絞り込みは、最初の実施例では、スロットルバルブの、前もって定められた角度だけの或いは前もって定められた開弁角度への、制御された閉弁によって行われる。換言すれば、スロットルバルブの絞り込みが、この例の場合には調節されずに行われる。混合気の組成は、最大熱発生のためには λ＝１ の近くにあるべきであろう。交替的トルク要求を持つ動的な走行運転によって、一時的に１よりも小さいλ値に対する混合気の過濃化が行われることがある。これによって、排気ガスの排出物質は望ましくない程悪化することがある。
【００２５】
排気ガスの悪化を避けるために、後噴射は、用意された排気ガスゾンデの助けを借りて調節されるのが好ましい。これによって、過濃排気ガスの突発を防止することができる。ここで、この突発とは、触媒の後方におけるＨＣ排出の出現のことである。もう一つの利点として、発熱性のエネルギー発生が、λ＝１ で最大限に利用される。
【００２６】
詳述すれば、加熱要求に基づいて最大可能なスロットルバルブ絞り込みの下で、後噴射のために必要な燃料量が求められる。その際には、加熱要求の他に後噴射のための空気必要量と絞り込みによる温度上昇も考慮されなければならない。絞り込みによる温度上昇は、排気ガス系内の構成部品の過熱を防止するために、とりわけ重要である。
【００２７】
測定された排気ガスのラムダ値を介した、後噴射される燃料量の制御に対する代替策として、スロットルバルブの絞り込みは、測定された排気ガスのラムダ値を介して調節することができる。
【００２８】
図２は、本発明に基づく方法の実施例として一つの流れ図を示している。
ステップ２．１では、触媒加熱操作に対する要求があるか否かがチェックされる。もしその要求があれば、ステップ２．２で、少なくとも一つの加熱操作Ｘについて、その操作が望まれている加熱効果をもたらすことができるか否か、またその加熱操作が排気ガス値及び加熱操作の実施のために必要な内燃機関の運転方式という観点から、実際の運転状態（排気ガスシステム温度および／または触媒温度、車両速度、実際の負荷）の下で許されるか否かという評価が行われる。
【００２９】
その際、幾つかの加熱操作が物理的要求（熱流及び温度）に基づいて計算され且つ評価される。更に、個々の運転形式についての運転の限界が考慮される。これによって、いずれの運転状態の下でも最適の加熱方策を選択することが可能となる。更に個々の加熱操作について、その操作が、排気ガス値、及び実際の走行状態、即ち実際の触媒温度、車両速度、及び負荷の下で必要な運転方式という観点から可能であるか否かがチェックされる。
【００３０】
この情報を用いて、個々の加熱操作が運転状態に応じて評価され、最良の操作に関する決定が行われる。加熱操作の判定は、要求があると全ての加熱操作について低速の時間ラスタで行われる。計算時間を節約するために、起動される加熱操作についてのみ必要な介入が高速の時間ラスタで計算される。
【００３１】
場合によっては、ステップ２．３で、必要な最適運転方式の要求が行われる。例えば、排気ガスシステムが未だ冷たい場合には、成層運転の下での後噴射は最適ではないことがある。何故なら、排気ガスシステムが冷たい場合には、排気ガス内の残留混合気の必要な後反応が行われないことがあるからである。とりわけ、排気ガスシステム内の触媒が冷た過ぎる場合には、後反応は支持されないことがある。この場合には、遅延点火による効率の引き下げは、排気ガス温度の引き上げをもたらすかもしれない。これは、均質運転による運転方式の下で行われることが望ましい。かくして、ここではステップ２．３で均質運転への切換えが行われる。
【００３２】
次いでステップ２．４で、選択された加熱操作の起動が行われる。
これに対してステップ２．１で、触媒加熱操作に対する要求がないということが分かった場合には、加熱操作に対する要求は行われず、また場合によっては既に起動されている加熱操作が停止される。
【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、本発明の一つの実施例の流れ図を示す。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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