(57)【要約】【課題】ガソリン直接噴射装置を備えた内燃機関において、触媒加熱操作の効率を改善する触媒の加熱方法および装置を提供する。【解決手段】内燃機関における触媒の加熱方法において、排気ガスシステムの温度に関する尺度が形成され、排気ガスシステムが前もって定められた温度の下方にある時に、排気ガスの温度が引き上げられる第一の加熱操作が行われ、および、前もって定められた温度の上方にある時に、前記第一の加熱操作の代わりとして或いはその補足として、排気ガスの他に触媒に対して反応可能な混合気が送られて、該混合気の触媒内での反応が触媒内で熱を発生させる第二の加熱操作が行われる。【選択図】図２
2004507653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における触媒の加熱方法において、
排気ガスシステムの温度に関する尺度が形成されること、
排気ガスシステムが前もって定められた温度の下方にある時に、排気ガスの温度が引き上げられる第一の加熱操作が行われること、および
前もって定められた温度の上方にある時に、前記第一の加熱操作の代わりとして或いはその補足として、排気ガスの他に触媒に対して反応可能な混合気が送られ、該混合気の触媒内での反応が触媒内で熱を発生させる第二の加熱操作が行われること、
を特徴とする内燃機関における触媒の加熱方法。
【請求項２】
第一の操作として、点火角の変化を通して、エンジン燃焼の効率の低下が生じ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】
第二の操作として、ガソリン直接噴射装置を備えたエンジンの場合に、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、要求された高い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３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、化学量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、ガソリン直接噴射装置を備えた内燃機関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〕
エンジン燃焼の効率の低下の結果として、触媒を加熱することが、既に知られている。エンジン燃焼の効率の低下は、例えば点火時点を最適の時点からずらすことによってもたらすことが出来、その際最適の時点は最高の効率によって定められる。効率の低下によって、排気ガスは、効率の低下を伴わない運転の場合と比べて熱くなる。従って、触媒内ではより強い加熱効果が発揮される。
【０００３】
ガソリン直接噴射エンジンの場合には更に、空気過剰状態での運転の際に、意図的に燃料をエンジン燃焼後の膨張行程にあるシリンダ内へ噴射するということが出来る。この場合、後噴射された燃料は、一部は燃焼室内で、又一部は排気ガスシステム内で、エンジン燃焼の過剰空気と反応する。この発熱反応の際に発生する熱は触媒を加熱する。
【０００４】
触媒加熱操作にも効率が割り当てられる。後噴射の効率は、燃料／空気混合気として、触媒内に追加として送り込まれた化学エネルギーが触媒内で完全に熱に変換される時に最高となる。これまでは、上述の両方の操作のどちらか一方が採用されていた。その際には、加熱効果の低下が観察されたが、この低下とは、触媒加熱操作の最高の効率が達成される加熱効果と対比して言われる。
【０００５】
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は触媒加熱操作の効率の改善を目的としている。
【０００６】
〔課題を解決するための手段〕
この改善は請求項１のメルクマールによって達成される。
【０００７】
詳述すれば、本発明に基づく方法は、内燃機関において次の諸ステップによる触媒の加熱に係わっている。
【０００８】
排気ガスシステムの温度に関する尺度を形成するステップ、
排気ガスシステムが前もって定められた温度の下方にある時に、排気ガスの温度が引き上げられる第一の加熱操作を起動するステップ、
前もって定められた温度の上方にある時に、第一の加熱操作の代わりとして或いはその補足として、排気ガスの他に触媒に対して反応可能な混合気が送られ、該混合気の触媒内での反応が触媒内で熱を発生させる第二の加熱操作を起動するステップ。
【０００９】
本発明の一つの拡張例では、第一の操作として、点火角の変化を通してエンジン燃焼の効率の低下が生じることが考えられている。
【００１０】
もう一つの別の拡張例では、第二の操作として、ガソリン直接噴射装置を備えたエンジンの場合に、燃焼の後に、燃料後噴射を行うことが考えられている。
【００１１】
また、別の拡張例では、上記の後噴射を成層運転と組み合わせることが考えられている。
【００１２】
また、別の拡張例では、内燃機関によって吸入された空気量を、必要な熱流が要求された高い温度の下で達成されるまで絞り込むことが考えられている。その様な絞り込みは、触媒内での後反応を改善し、ほんのわずかに希薄なラムダが触媒内での変換を改善して排気ガスの温度をより高くし、又排気ガスの空間速度をより低くし、このことが触媒内での排気ガスのより長い滞留時間をもたらす。
【００１３】
また、別の拡張例では、均質運転の際に、ＮＯｘ吸蔵型触媒の加熱のために、排気ガスの組成を、化学量論的な排気ガス組成から外れた組成に調節することが考えられている。
【００１４】
本発明はまた、上記の方法を実施するための電子制御装置にも係わっている。
【００１５】
一つの実施例の枠の中で、第一の操作として、点火角の変化を介したエンジン燃焼の効率の低下が行われる。
【００１６】
第二の操作として、ガソリン直接噴射装置を備えたエンジンの場合には、燃焼の後に、燃料後噴射を行うことが出来る。
【００１７】
上記の後噴射は、特に成層運転と組み合わせることが出来る。
【００１８】
ＤＥ １９８ ５０ ５８６ から、成層運転と均質運転との間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。
【００１９】
成層運転の際に、エンジンは、出来るだけ低い燃料消費率を達成するために、高度に成層化されたシリンダ給気と高い空気過剰率で運転される。成層給気は、理想的なケースでは、燃焼室の次の二つのゾーンへの分割をもたらす遅延燃料噴射によって達成される。第一のゾーンは、点火栓の上の燃焼可能な空気／燃料混合気の霧を含んでいる。このゾーンは、空気と残留ガスの分離層からなる第二のゾーンによって取り囲まれている。燃料消費率を最適化するための潜在的可能性は、給気交替損失を避けながらエンジンを出来る限り絞らずに運転するということから生まれる。成層運転は、比較的低負荷の場合が好ましい。
【００２０】
出力の最適化が重要となる、より高い負荷の場合には、エンジンは均一シリンダ充填で運転される。均一シリンダ充填は、給気行程の間における早期燃料噴射から生まれる。その結果、燃焼まで混合気の形成のためにより長い時間を取ることが出来る。出力の最適化のためのこの運転様式の潜在的可能性は、例えば燃焼可能な混合気の充填のために全燃焼室を十分に利用することから生まれる。
【００２１】
本発明の別の実施例では、後噴射は、空気過剰で行われる燃焼の後で内燃機関によって吸入された空気量の絞込みと組み合わせて行われる。その際、後噴射された燃料量は、発生されるべき熱量を決定する。空気供給の絞り込みは、そのために適した空気量の配分をもたらす。空気量の配分は、例えば、正規に噴射される燃料と後噴射された排気ガス内の燃料との和によって、三元触媒による排気ガスの浄化を可能にする化学量論的な燃料／空気比が得られる様に調整することが出来る。これによって空気供給は、必要な熱流が要求される温度の下で達成されるまで絞り込まれる。
【００２２】
均質運転の際にＮＯｘ吸蔵型触媒を加熱するために、化学量論的な排気ガス組成から外れた排気ガス組成を調節することが出来る。
【００２３】
本発明は、後噴射された燃料の反応が燃焼室内に空気過剰を要求するということを基礎としている。燃焼室内の空気過剰は、ガソリン直接噴射装置を備えた内燃機関の場合には、本質的に成層運転の際に発生する。その際に、生ガスの排出が高まる。何故なら、追加として噴射された燃料が燃焼室内で完全には燃焼されないからである。成層運転の際には更に排気ガス温度はむしろより低くなるから、排出は高められても、冷た過ぎる触媒の中で発熱変換は出来ない。これによって、燃焼室の中で燃焼されなかった燃料の加熱エネルギーは失われてしまう。
【００２４】
本発明に基づく方法によれば、先ず均質運転の際には遅延点火によって熱い排気ガスが生成される。これによって触媒の温度は、明らかに少ない生ガスの排出で、引き上げられる。触媒のための最低温度が達成されると、後噴射の際に発生した触媒内へのより高い生ガスの排出がより良く変換される。これによって排気の顕著な低減という利点と触媒内における熱発生の効率の上昇という利点が達成される。
【００２５】
追加の燃料噴射の間の絞込みによって、λ＝１ に近い排気ガスの組成が達成される。更に排気ガスは、燃料変換が同じであれば、より高い温度とより低い空間速度とを持つ。これによって排出は更に低減される。何故なら、触媒の変換率が更に改善されるからである。
【００２６】
均質運転の際のＮＯｘ吸蔵型触媒の加熱の場合には、化学量論的な排気ガス組成から外れた排気ガス組成が調節される。
【００２７】
これによって、過濃排気ガスの場合には吸蔵されたＮＯｘを減らすことが出来る。
【００２８】
希薄排気ガスの場合には、λ＝１ で且つ温度を高められた排気ガスの場合に発生するＮＯｘの排出が妨げられる。これによって、排気ガス中にＮＯｘのピークが出来る。
【００２９】
以下に本発明の実施例が図面を参照しながら説明される。
【００３０】
〔実施例〕
図１において、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弁４を介して変化させることが出来る。この制御装置５はここに示されている方法と共に本発明に基づく電子制御装置の一つの実施例を示している。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に関する信号、空気量計８による吸入された空気量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及び／又は排気ガス温度に関する信号Ｕｓが送り込まれる。追加として、独立の排気ガス温度センサ或いは触媒温度センサが備えられていることもある。しかしながら排気ガス温度及び／又は触媒温度は、他の諸運転パラメータから算出することも出来る。このことは、例えばＵＳＰ５，５９０，５２１ から知られている。排気ガスセンサ（ゾンデ）１２は、例えばラムダセンサとすることが出来、その場合に、この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、又その内壁抵抗がゾンデ温度、排気ガス温度、及び／又は触媒温度に関する尺度として援用される。排気ガスは少なくとも一つの触媒１５を通して送られ、その間に排気ガスからの有害物質が変換され（例えば、三元触媒）及び／又は一時的に吸蔵される（ＮＯｘ吸蔵型触媒）。
【００３１】
この技術的環境の中では、触媒温度は測定され（センサ１６及び／又は１７）或いはエンジンの運転パラメータからモデル化されることが出来る。内燃機関の排気系内の温度のモデル化は、例えばＵＳＰ５，５９０，５２１ から知られている。ＢＤＥシステムのためには、触媒の中又は手前の位置よりもむしろ前置触媒の後、しかしながらＮＯｘ吸蔵型触媒の手前の位置が好ましい。従って温度センサの位置は、図に示されている様な触媒の中或いは手前の位置に限られる訳ではない。それ故触媒の後ろの位置も考えられる。
【００３２】
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エレメント９によるスロットル弁角度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作り出す。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。
【００３３】
スロットル弁角度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、及び排気ガス温度の実現のために互いに相手に合わせて調整されるべき調節大きさである。これ等の大きさに対して影響を与えるためのもう一つの重要な調節大きさ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大きさの確定は、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。
【００３４】
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及び／又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。
【００３５】
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。後噴射による加熱のために、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。該最低温度が到達されるまで、例えば第一の操作として、遅延点火を伴う均質運転が要求され且つ調節される。これは、例えば上位に置かれたエンジン制御プログラムによって達成される、図２のステップ系列２．１、２．２、及び２．３によって実現される。必要な温度が到達されると、後噴射が可能な代替策（即ち、第二の操作）として許される。より高い熱流を生み出すために後噴射と共に成層運転への切換えが行われる。この切換えは、図２のステップ系列２．１、２．２、及び２．４によって実現される。その際空気の流れは、必要な熱流が要求された温度の下で達成されるまで絞り込まれる。
【００３６】
絞り込みは第一の実施例では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弁開角度へのスロットル弁の制御された絞り込みによって行われる。換言すれば、この例では、絞り込みは調節されずに行われる。混合気の組成は、最大の熱発生のために“ラムダ＝１”の近くにあるべきであろう。トルクに対する要求が変化するダイナミックな走行運転によって、１よりも小さいラムダ値への一時的な混合気の過濃化が行われることがある。それによって排気ガスによる大気汚染は望ましくない方向に悪化されることがある。
【００３７】
排気ガスの悪化を避けるために、後噴射は、備えられている排気ガスゾンデによって制御されるのが好ましい。これによって過濃排気ガスの発生を防止することが出来る。この発生とは、触媒の後方でのＨＣ排出の発生を意味している。別の利点として、発熱性のエネルギー発生がラムダ＝１の場合には最大限に利用される。
【００３８】
詳しく言えば、加熱の要求に基づいて後噴射のために必要な燃料量が最大可能絞り込みの下で求められる。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。上記の最後の温度上昇は、排気ガス系内の構成部品のオーバーヒート（過熱）を避けるために、特に重要である。
【００３９】
測定された排気ガスのラムダを介して行われる後噴射燃料量の制御に対する代替策として、測定された排気ガスのラムダを介してスロットル弁の絞り込みを制御することが出来る。
【００４０】
安全上の理由から、上記の制御は、制御の介入が、後噴射される燃料量を増大させる方向にではなく、減少させる方向にのみ作用する様に行われる。これを支援するものとして、排気ガスが持続的に希薄過ぎる場合には、後噴射される燃料量を増大させる代わりに、スロットル弁の絞り込みが更に強められる。その際には構成部品の保護という理由から最低値を割り込んでしまってはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の技術的環境を示す。
【図２】
本発明に基づく方法の実施例の流れ図を示す。
【図２】
2004507653.tif 000003
【国際公開パンフレット】
2004507653.tif 000004
2004507653.tif 000005
2004507653.tif 000006
2004507653.tif 000007
2004507653.tif 000008
2004507653.tif 000009
2004507653.tif 000010
2004507653.tif 000011
2004507653.tif 000012
2004507653.tif 000013
2004507653.tif 000014
2004507653.tif 000015
2004507653.tif 000016
2004507653.tif 000017
2004507653.tif 000018
2004507653.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成14年7月25日(2002.7.25)
【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】
排気ガスシステムの温度に関する尺度が形成されること、
排気ガスシステムが前もって定められた温度の下方にある時に、排気ガスの温度が引き上げられる第一の加熱操作が行われること、
排気ガスシステムが前もって定められた温度の上方にある時に、前記第一の加熱操作の代わりとして或いはその補足として、排気ガスの他に触媒（１５）に対して反応可能な混合気が送られ、該混合気の反応が触媒（１５）内で熱を発生させる第二の操作が行われること、
成層運転で運転されているガソリン直接噴射装置を備えた内燃機関（１）の場合に、前記第二の操作が備えられており、その際に燃焼の後にガソリン後噴射が行われること、
を含む、内燃機関（１）における触媒（１５）の加熱方法において、
内燃機関（１）によって吸入された空気量が、要求された高い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、
を特徴とする内燃機関における触媒の加熱方法。
【請求項２】
第一の操作として、点火角の変化を通して、エンジン燃焼の効率の低下が生じ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】
直接噴射式の内燃機関（１）の均質運転の際には、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が調節されることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱方法。
【請求項４】
請求項１ないし３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】
2004507653.tif 000020
2004507653.tif 000021
2004507653.tif 000022
2004507653.tif 000023
2004507653.tif 000024
2004507653.tif 000025