JP2005226646A - 内燃機関の有害排気ガスの低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関およびＮＯｘ吸蔵触媒のできるだけ良好な運転条件において排気ガス内の有害物質排出量をできるだけ少なくする、内燃機関の有害排気ガスの低減方法を提供する。
【解決手段】 再生過程において、ＮＯｘ吸蔵体を空にするために還元剤が時間的に可変に供給される、ＮＯｘ吸蔵触媒を有する内燃機関の有害排気ガスの低減方法において、前記還元剤が、少なくとも２つの別々の部分流れに時間的に交互に供給される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、再生過程において、ＮＯｘ吸蔵体を空にするために還元剤が時間的に可変に供給される、ＮＯｘ吸蔵触媒を有する内燃機関の有害排気ガスの低減方法に関するものである。

このような方法は、ドイツ特許公開第１９９１５７９３号に開示されている。この既知の方法においては、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵体を空にするために、いわゆる脱着作業過程において、はじめに最小初期リッチ値が設定され、この時点から、脱着作業過程の経過中に、脱着作業過程の終了付近の最も遅い時点に存在する設定可能な最終リッチ値まで上昇される。はじめに比較的リッチな排気ガス空気比を設定することは、吸着作業から再生作業へ切り換えるときにできるだけ急速に多量の還元剤が供給され、これにより、ＮＯｘ吸蔵体が窒素酸化物の充満蓄積状態に到達したときに十分な還元剤をきわめてゆっくり供給することによる窒素酸化物通過現象、即ち好ましくない窒素酸化物エミッションが、軽減または完全に回避可能である。脱着作業過程の終了付近においてリッチ度の少ない排気ガス空気比に移行することは、次の吸着作業過程に移行するときにおける好ましくない還元剤通過が、軽減または完全に回避可能であるという利点を有している。初期リッチ値を内燃機関の運転状態の関数として、可変に設定することもまた開示されている。しかしながら、一般に、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵体を空にすることはまだ完全に解決されていない問題を提示し、この場合、例えば、内燃機関の運転への最適な同調を得ることまたはできるだけ少ない燃料を消費することは困難である。

しかしながら、ＮＯｘ吸蔵触媒を使用することは、リーン排気ガスを有する駆動装置の設計、例えばガソリン直接噴射、ディーゼルないしリーン設計において、将来のＮＯｘ排ガス限界値を満たすための有望な方法を提示する。競合アプローチは、例えば尿素ＳＣＲ（選択触媒還元）またはアンモニアＳＣＲシステムである。

リーンな排気ガスにおいては、ＮＯｘ未処理エミッションは、ＮＯ_２に酸化され且つＮＯｘ吸蔵体（例えば炭酸バリウム）の吸蔵基質内に硝酸塩として吸蔵される。
吸蔵体の再生のために、排気ガス内にリッチな雰囲気が設定される。硝酸塩は分解し、且つ放出された窒素酸化物は窒素分子Ｎ_２に還元される。リッチな雰囲気は、エンジン内部におけるリッチなエンジン運転により、またはエンジン後方における排気系内のＮＯｘ吸蔵触媒の手前への燃料の噴射により、形成可能である。エンジン後方における再生のために、さらに、排気ガス全流れのリッチ化と排気ガス部分流れのリッチ化との間では区別可能である。部分流れ系においては、ドイツ特許公開第１０１５０１７０号に示されているように、排気ガス流れは、弁等により２つの同じＮＯｘ触媒に分割される。２つの触媒の一方の再生のために、弁により排気ガスのより小さい部分（典型的には、５…２０％）のみが流れるように弁が設定される。このとき、このより小さい部分流れをリッチ化するためには、きわめて少ない還元剤が必要とされるにすぎない。

本発明の課題は、内燃機関およびＮＯｘ吸蔵触媒のできるだけ良好な運転条件において排気ガス内の有害物質排出量をできるだけ少なくする、内燃機関の有害排気ガスの低減方法を提供することである。

前述の課題を解決するために、再生過程において、ＮＯｘ吸蔵体を空にするために還元剤が時間的に可変に供給される、ＮＯｘ吸蔵触媒を有する内燃機関の有害排気ガスの低減方法において、還元剤が、少なくとも２つの別々の部分流れに時間的に交互に供給される。

本発明によれば、ＮＯｘ吸蔵体の再生は、個々の部分流れ内においてそれぞれ、内燃機関および触媒の状態に正確に同調されて実行可能であり、この場合、排気ガスは、個々の部分流れ内において、したがって全体としても本質的に還元可能であり、且つ少ない還元剤が必要とされるにすぎない。

ＳＣＲ触媒と異なり、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いる設計は追加燃料を必要としない。エンジン後方において、例えば部分流れ系内に蒸発または噴霧燃料を注入することにより再生が行われた場合、全流れ再生に比較して、さらに、ＮＯｘ触媒再生に対してより少ない還元剤が必要とされるにすぎないという利点が得られる。エンジン後方に還元剤を注入することは、さらに、再生過程の間における還元剤流量の時間的変化ないし形状と組み合わせて、ＮＯｘ吸蔵触媒の最適操作ないし最適制御のための、時間的な還元剤需要のより簡単な適合を可能にする。還元剤流量は吸蔵システムに最適に適合される。この場合、例えば次の過程、即ち、リッチな雰囲気の形成による再生の初期化過程、吸蔵された酸素Ｏ_２をいわゆる空にする過程、放出された窒素酸化物ＮＯ_２の還元過程、および最適触媒温度を確保するための目的とされる温度上昇過程が考慮される。さらに、例えば熱的脱着においても還元剤を有効に使用するために、相前後して続く再生過程に対する還元剤の配量流量が変化されてもよい。特にディーゼル・エンジンにおいては、これは、エンジン内部のリッチ化による再生設計の場合のように、前噴射、主噴射および後噴射の単一適合によってはこれは解決が困難である。

本発明によればさらに、例えば、少なくとも２つの部分流れへの還元剤の供給が、直接相前後して続くように制御されることにより、存在するエンジン運転パラメータを考慮した好ましい制御可能性が得られる。

再生過程およびより低い排ガス値の保持のために、さらに、再生サイクル過程が、はじめは比較的高い値で開始し、次第に低くなってより低い値で終了するという手段が有利である。

再生サイクル過程が、内燃機関の運転点の関数として変化されることにより、内燃機関の運転への再生の正確な同調が容易となる。この場合、例えば、前記変化が、内燃機関温度、触媒温度、排気ガス質量流量、回転速度、ＮＯｘ吸蔵体の蓄積状態または触媒の劣化の関数として、またはこれらの変数の少なくとも２つの組み合わせから行われるように設計されていることが有利である。

できるだけ良好な再生の達成および排ガス値の保持に対する他の調節可能性は、前記変化および／または再生サイクルから再生サイクルまでの時間間隔がそれぞれの条件に対応して適合されることにある。

さらに、ＮＯｘ吸蔵体の過剰蓄積を排除するために、一時的に、１つまたは複数の再生サイクルの変化がより高い還元剤供給により実行されることにより、有効な再生が支援される。

前記再生サイクルの変化が、リッチ化量および／またはリッチ化過程の変化により行われることによって、他の調節可能性が得られる。
前記再生サイクルの変化が、ＮＯｘ吸蔵体の所定のまたは設定可能な温度が得られるように実行されることにより、再生作業が容易となる。

さらに、前記再生サイクルが、測定触媒温度の関数として、その経過特性においておよび／またはその頻度において変化されることにより、内燃機関および触媒の運転への再生の同調が容易となる。

図１は、相前後して続く２つの部分流れの再生サイクルの時間線図を示し、この場合、再生サイクルは、時間軸ｔに対して鏡像関係で示され、それぞれの再生質量流量ＭＳまたは再生の間におけるリッチ化を示す。再生サイクルは、量の大幅上昇を示すある値ａへの急上昇を有している。目的は、触媒内に吸蔵された酸素Ｏ_２を空にするためのリッチな排ガス雰囲気の急速な形成、硝酸塩の分解の開始、および脱着を支援するための局部的な温度上昇である。一定の再生期間ＲＴＫ後にはじめに値ｂへの急低下が始まり、それに続いて再生質量流量ないしリッチ化が次第に減少し、そのとき、はじめは配量過程ＴＤが勾配を有しているが次第に０に近づき、この場合、値ｂおよびａからの商は設定可能な低減係数を示す。還元剤の配量低減は、ＮＯ_２還元のための硝酸塩の放出および炭酸塩の低減の関数である。再生期間ＲＴは、それぞれのエンジン運転点と、ＮＯｘ未処理質量流量と、触媒変数、劣化状態および触媒温度のような触媒の特性ないし状態との関数として適合される。それに続いて、第２の部分系内のＮＯｘ吸蔵触媒の再生のために、同じ線図形状または異なる線図形状が使用される。再生質量流量ないしリッチ化が次第に低下するはじめの配量過程ＴＤの勾配は、この場合、状況に適合されてもよい。

図２に、２つの部分系に対するこのような再生サイクルＲ１、Ｒ２の２つのグループが示され、２つのグループは吸蔵触媒の蓄積過程ＢＰＨにより分割されている。
提示された線図形状は、基本的に、全流れのリッチ化に対してのみならず部分流れのリッチ化に対しても同様に適しているが、この場合、部分流れリッチ化により、前記のように再生のより好ましい適合可能性が得られ、例えば再生サイクルの異なる線図もまた選択可能である。

さらに、例えば先行再生において形成された発熱による熱的脱着に基づくより少ない還元剤需要または先行過剰蓄積を考慮するために、相前後して続く再生サイクルないし再生過程に対する再生質量流量ＭＳの線図が変化されてもよい。これにより、例えば平均吸蔵体温度への操作ないし制御もまた可能である。

部分流れ系、例えば、冒頭記載のドイツ特許公開第１０１５０１７０号に開示されているような制御可能性を利用した部分流れ系により、さらに、２つの部分系に対する特定線図または部分系公差および投入特性における相違を補償するための部分系の交互再生順序が考慮されてもよい。さらに、例えば配量ユニット７（図３参照）の投入頻度を低減させるために、２つの部分系を相前後して続いて再生することが可能である。エンジン後方におけるＮＯｘ吸蔵体の再生は、エンジン内部におけるＮＯｘ吸蔵体再生に比較して、実際にエンジン・トルクへの影響なしに変換可能であるという利点を有している。

線図形状は、例えば再生サイクルから再生サイクルまでの再生期間ＲＴの適合を含んでもよい。
図３に示されているように、本方法を実行するための装置において、エンジン制御装置１から、エンジン回転速度ｎ、実際噴射量ｍ＿ｅ、吸蔵触媒の運転時間数Ｔ＿Ｋａｔ、および最終脱硫からの時間Ｔ＿Ｓｕｌｆが読み取られる。第１の特性曲線群２において、内燃機関ないしエンジンの実際ＮＯｘエミッションｍｓＮＯｘがエンジン運転点の関数として記憶されている。代替態様として、ＮＯｘセンサが使用されてもよい。例えば総和要素（∫ｄｔ）４内におけるＮＯｘエミッションの時間積分から、吸蔵触媒内の実際ＮＯｘ質量ｍｓＮＯｘ，Ｓｐがわかる。この実際ＮＯｘ質量が第２の特性曲線群３を介して設定されるしきい値ｍｓＮＯｘ，Ｇｒを超えているとき、炭化水素ないし還元剤例えば軽油の配量が開始されることにより、再生が開始され、および配量時間ＴＤｏｓ後に配量が再び遮断される。配量時間ＴＤｏｓ内において配量質量流量が一定に保持されても、または例えば図１に示すように時間的に変化されてもよい。

必要な再生質量流量ＭＳは、２つの部分、即ち、排気ガスから酸素を除去するための、ないし値λを希望の値（典型的には、０．８…１）に設定するための部分ｍｓＲｅｇ，λと、化学反応のために必要とされる第２の部分ｍｓＲｅｇ，ｃｈとから構成されている。配量流量ｍｓＲｅｇ，λは、エンジン運転点から、より正確には排気ガス内の値λおよび排気ガス質量流量から得られる。これらの２つの変数は明らかに回転速度ｎおよび噴射量ｍ＿ｅと相関を有しているので、第３の特性曲線群８はこれらの２つの変数の関数として形成される。化学反応のために必要とされる部分を決定するために、総和要素４の後方に配置されている第４の特性曲線群９の代わりに、理論計算が使用されてもよい。

即ち、この形態においては、蓄積過程ＢＰＨ内の蓄積期間、即ち２つの再生の間の時間のみならず、再生中の配量質量流量ＭＳもまたエンジン運転点から制御される。
図３がさらに示すように、運転時間数Ｔ＿Ｋａｔおよび最終脱硫からの時間Ｔ＿Ｓｕｌｆのしきい値ｍｓＮＯｘ，Ｇｒへの割当のために第２の特性曲線群３が設けられている。実際ＮＯｘ質量と所定のしきい値ｍｓＮＯｘ，Ｇｒとの比較は比較段５内において行われ、比較段５の出力信号は、配量ユニット７の開始ないし遮断のために接続装置６に伝送される。この場合、吸蔵触媒内の実際質量ｍｓＮＯｘ，Ｓｐが所定のしきい値ｍｓＮＯｘ，Ｇｒより大きいかまたは等しいとき、再生開始信号が接続装置６に与えられる。第３および第４の特性曲線群８、９のデータは、結合段１０を介して、配量ユニット７に伝送するための接続装置６に供給される。

上記の手段により、吸蔵触媒の再生必要性への、再生の正確な同調、およびできるだけ十分な排気ガス内の有害物質低減を考慮した内燃機関の運転の同調が達成される。

還元剤の供給による２つの部分流れの相前後して続く２つの再生サイクルの時間線図である。 相前後して続く図１に示す再生サイクルの時間線図である。 再生サイクルを制御するためのブロック系統図である。

符号の説明

１ エンジン制御装置
２、３、８、９ 特性曲線群
４ 総和要素
５ 比較段
６ 接続装置
７ 配量ユニット
１０ 結合段
ａ、ｂ 値
ＢＰＨ 蓄積過程
ｍ＿ｅ 実際噴射量
ｍｓＮＯｘ 実際ＮＯｘエミッション
ｍｓＮＯｘ，Ｇｒ しきい値
ｍｓＮＯｘ，Ｓｐ 吸蔵触媒内の実際ＮＯｘ質量
ｍｓＲｅｇ，ｃｈ 再生質量流量の、化学反応のために必要な部分
ｍｓＲｅｇ，λ 再生質量流量の、λを希望値に設定するための部分
ＭＳ 再生質量流量（配量質量流量）
ｎ エンジン回転速度
ＲＴ、ＲＴＫ 再生期間
Ｒ１、Ｒ２ 再生サイクル
ＴＤ 配量経過
Ｔ＿Ｋａｔ 吸蔵触媒の運転時間数
Ｔ＿Ｓｕｌｆ 最終脱硫からの時間

Claims (11)

1. 再生過程において、ＮＯｘ吸蔵体を空にするために還元剤が時間的に可変に供給される、ＮＯｘ吸蔵触媒を有する内燃機関の有害排気ガスの低減方法において、
   前記還元剤が、少なくとも２つの別々の部分流れに時間的に交互に供給されることを特徴とする内燃機関の有害排気ガスの低減方法。
2. 前記還元剤が、エンジン後方に供給されることを特徴とする請求項１に記載の低減方法。
3. 前記少なくとも２つの部分流れへの前記還元剤の供給が、直接相前後して続くように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の低減方法。
4. 再生サイクル過程が、はじめは比較的高い値で開始し、次第に低下してより低い値で終了す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低減方法。
5. 再生サイクル過程が、前記内燃機関の運転点の関数として変化されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の低減方法。
6. 前記変化が、内燃機関温度、触媒温度、回転速度、排気ガス質量流量、ＮＯｘ吸蔵体の蓄積状態または触媒の劣化の関数として、またはこれらの変数の少なくとも２つの組み合わせから行われることを特徴とする請求項５に記載の低減方法。
7. 前記変化および再生サイクルから再生サイクルまでの時間間隔の少なくともいずれかがそれぞれの条件に対応して適合されることを特徴とする請求項５または６に記載の低減方法。
8. ＮＯｘ吸蔵体の過剰蓄積を排除するために、一時的に、１つまたは複数の再生サイクルの変化が、より高い還元剤の供給により実行されることを特徴とする請求項７に記載の低減方法。
9. 前記再生サイクルの変化が、リッチ化量およびリッチ化過程の少なくともいずれかの変化により行われることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の低減方法。
10. 前記再生サイクルの変化が、ＮＯｘ吸蔵体の所定のまたは設定可能な温度が得られるように実行されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の低減方法。
11. 前記再生サイクルが、測定触媒温度の関数として、その経過特性およびその頻度の少なくともいずれかにおいて変化されることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれかに記載の低減方法。

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