JP2005534855A - 過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法及び管理装置 - Google Patents

Abstract

この方法によれば、窒素酸化物トラップ（１８）の下流の排気配管に第１酸素センサ（２１）を設け、第１酸素センサから供給される信号（３、４）を表す有意な信号の変化を観察し、内燃エンジンの過薄混合気での動作から、過濃混合気での動作への移行の結果として生じた変化の後に得られる、高さが概ね一定の第１水平部（３２、４２）からの、上記の有意な信号の顕著な増加（３４、４４）を、パージの終了を指令する指標として用いる。この方法は、ディーゼルエンジンに適用される。

Description

本発明は、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法及び管理装置に関する。

本発明は、比較的薄いリッチネスを有する排気ガスを排出する運転状態で動作する、ディーゼルエンジンまたは一般的なエンジンを特に対象とする。

一般に「Ｎｏｘトラップ」とも呼ばれる、窒素酸化物トラップ型の触媒をディーゼルエンジンに対して使用することは、既に知られている。それは、排気ガスの中の窒素酸化物の排出を回避するという要望に応えるものである。何故なら、現今においては、エンジンを過薄混合気、すなわち燃料に対して酸素が過剰、従って空気が過剰な状態において動作させることが探求されているので、エンジンの出口における窒素酸化物の排出量はますます大きくなるからである。換言すれば、過薄混合気で動作するこのタイプにおいては、吸気される混合気のリッチネスは、化学量論的な混合気のリッチネスに相当する１を下回る。

エンジンの動作中に、窒素酸化物トラップは、そのエンジンによって作られた排気ガスの中に含まれる窒素酸化物を連続して捕捉する。従って、窒素酸化物を除去するために、窒素酸化物トラップを定期的に再生することが必要であり、このことはパージ（ｐｕｒｇｅ；排出）と呼ばれる操作によって実行され、この操作中に窒素酸化物は還元される。パージは、エンジンへ供給される混合気のリッチネスを一時的に増大させる操作をして実行することが知られている。これは、窒素酸化物トラップの上流における排気ガスのリッチネスが１を超え、酸素濃度が低くなるように、すなわち、次の反応：
ＮＯ_２＋２Ｈ_２→１/２ Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ
ＮＯ_２＋２ＣＯ→１/２ Ｎ_２＋２ＣＯ_２
（m/４＋n）ＮＯ_２＋ＣnＨm→（m/８＋n/２）Ｎ_２＋nＣＯ_２＋m/２ Ｈ_２Ｏ
によって、窒素酸化物トラップの基層上に蓄積された窒素酸化物を還元させ得るＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２のような還元剤をエンジンが生成するようにするためである。

パージの終了は、例えば、エンジンが過濃混合気での動作へ移行してから、所定の時間が経過したときに指令される。しかし、この場合には、窒素酸化物トラップの実際の充填状況は考慮されず、パージが不完全であったり、過濃混合気での動作過程が不必要に長くなったりするというリスクがある。

本発明は上記問題を解決して、特に、通常は過薄混合気で動作する内燃エンジンの排気ラインに設けられた窒素酸化物トラップ型の触媒のパージの停止を、最適に制御することを可能にする、方法と手段を提供することを目的とする。

これらの目的を目指して、本発明は、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法を提供することを目的とする。この管理方法により、上記窒素酸化物トラップのパージを定期的に操作する。

本発明によれば、この管理方法は、上記窒素酸化物トラップの下流の排気配管に第１酸素センサを設け、上記第１酸素センサから供給される信号を表す有意な信号の変化を観察し、上記内燃エンジンの過薄混合気での動作から、過濃混合気での動作への移行の結果として生じた変化の後に得られる、高さが概ね一定の第１水平部からの、上記有意な信号の顕著な増加を、上記パージの終了を指令する指標として用いることを特徴とする。

本発明による管理方法においては、従って、窒素酸化物トラップのパージの終了の指令は、窒素酸化物トラップの下流に設けられた酸素センサの状態を表す有意な信号の顕著な変化に応じて実施される。この信号の顕著な変化は、実際上パージの開始直後に到達し、そこでは信号が先行して概ね安定する第１水平部からの、顕著な増大からなる。本願の発明者等は、パージ実行中の窒素酸化物トラップの上流における状態が略一定である時に、窒素酸化物トラップの下流に設けられた酸素センサから供給される信号は、窒素酸化物トラップの中に蓄積された全ての窒素酸化物が充分還元された時に、再び有意な変化を受けることに実際に気付いた。

例えばディーゼルエンジンのような、過薄混合気で動作するエンジンの場合には、窒素酸化物トラップの下流に設けられた酸素センサの信号が、パージの開始のほぼ直後に大きく変化し、この過早な変化は、勿論、窒素酸化物トラップの中に蓄積された窒素酸化物の還元の終了を示すために利用することは出来ないという問題がある。

ここで、ラムダ型センサは、通常は酸素が検出されるか否かに応じて実際上２進的な信号を供給することが想起される。比例型センサは、段階的な濃度または漸進的な変化を測定するのに、確かにより適しているが、酸素濃度の変化が強くて急速な場合には、比例型センサが供給する信号は、突然変化する。

過薄混合気で動作するエンジンに関しては、蓄積された窒素酸化物と反応し易い還元要素を供給するために、かなり過濃な混合気で動作するモードへの移行によって実行されるパージの開始が、窒素酸化物トラップの中を通り抜けて直ちに下流の酸素センサへ到達するガスの中へ、大きく過剰なＨＣをもたらす。ＨＣ自身は、概ね直ちに反応して飽和状態に到達する。

過薄混合気で動作するエンジンの場合に、センサの信号の大きな変化が、窒素酸化物トラップの出口における酸素の消失を示し、このことは、パージの終了として解釈することができる。換言すれば、エンジンから来る還元剤は、パージ中には、パージのために用いられる還元反応によって消費されていたのに、還元剤混合気がセンサへも到着するようになったことを示す。実際、この場合には、ＣＯの還元能力はＨＣの還元能力よりも強いのに、排気ガス中におけるＣＯのＨＣに対する比率は比較的大であり、窒素酸化物トラップのパージのためにエンジンから供給される全ての還元剤の概ね均等な酸化へ導く上記の還元反応の間の一種の均衡が生じる。従って、その結果、これらの反応を生じる限りは、窒素酸化物トラップの出口におけるガス状混合気はセンサに影響を及ぼすことはなく、還元剤が窒素酸化物トラップの出口に過剰に再現して、パージの終了時を実際に表わすセンサの信号の大きな変化をもたらすのは、還元反応の終了時のみであるということになる。

これと反対に、本発明が対象とするエンジンにおいては、リッチネスが１〜１．１のオーダで動作すると、窒素酸化物トラップの下流に設けられたセンサ上への比較的大量のＨＣの到着に続く、信号の大きな変化がパージ開始のはぼ直後に生じることが、本発明者等にとっては明らかである。例えば１．２〜１．４の、より大きなリッチネスでは生じることのないこの現象の解釈は、より小さいリッチネスで動作する場合には、排気ガスの中で、比ＨＣ／ＣＯがより高められるという事実に存するように思われる。実際、リッチネスの関数としてのＨＣ濃度の変化は直線的であるのに対し、ＣＯ濃度の変化は指数的である。ところで、Ｈ_２とＣＯの還元能力はＨＣの還元能力よりも大きいので、パージの反応は、Ｈ_２とＣＯの還元剤によって優先的に実施されるようになるが、ＨＣの相対的な過剰のために、上述の反応の平衡はもはや起こらず、このことは、パージ開始のはぼ直後における、窒素酸化物トラップの出口における、反応することのない、ＨＣの存在をもたらす。センサから供給される信号の変化は、窒素酸化物トラップの中に含有される窒素酸化物全体の還元をもはや明示することはなく、その反対にパージの開始直後に現われる。

このため、発明者等は、このパージの終了を検出する他の一つの手段を探求し、酸素センサによって供給される信号は、パージ開始直後にＨＣの到着によってもたらされた信号の大きな変化の後の、ほぼ一定の水平部から、新たに変化されることを発見した。これは、ラムダ型センサは、準−２進の信号を供給するとみなされるので、意外なことであった。

この現象を分析することによって、信号が第１水平部の高さに達し、上述の還元反応が、窒素酸化物トラップの触媒基層上に蓄積された窒素酸化物の大部分を処理し終わらない限りは、パージの間中そこに維持された後で、この信号は、上記の還元反応の終了の概ね瞬間に、高さがより高い第２水平部へ移行し、次に、エンジンを過濃混合気で動作させることを継続する限りは、この高さにとどまるということを確認することができた。そこで、発明者等は、信号が第１水平部から第２水平部へ移行するこの変化を、パージの終了の指標として利用して、通常の混合気、すなわち過薄混合気でのエンジンの動作へ戻すことを自動的に指令することを考えついた。

この現象の説明は、パージの過程の際に、先に示したようにＨ_２の還元能力は優勢であり、上流の水素はほぼ全て触媒反応によって消費されるので、窒素酸化物トラップの下流の水素の量はゼロに近いということである。窒素酸化物トラップの中に蓄積された窒素酸化物の残留量が少なくなったことによって還元反応が終わったときには、還元剤ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２は、増加した濃度で、窒素酸化物トラップの下流に再現されるようになり、時を同じくして、窒素酸化物トラップの中における、様々なメカニズム、就中：
Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
によって、Ｈ_２の形成が助長される。

このＨ_２の形成は、ガスクロマトグラフィーと連続質量分析によって測定された。

窒素酸化物トラップの下流における還元剤の濃度のこの変化は、ラムダ型センサのようなオール オア ナッシング型の酸素センサ、またはＵＥＧＯ（登録商標）の名で知られたような比例型センサの信号に影響を及ぼし、第１水平部を超える高さの上記の第２水平部の形の信号を呈示する。ラムダ型の酸素センサと、比例型の酸素センサは、排気ガスの中に存在している水素に対して特に敏感であり、排気ガスの中のＨ_２の濃度が変化する際、従って第１水平部から第２水平部への移行の際の、信号の大きな変化を示す。

従ってこの特性は、第１水平部からの信号の変化を、パージの終了を検出し、その結果として、過薄混合気でのエンジンの動作へ戻すことを指令するために利用することを可能にする。場合によっては、この指令は、本来の意味における変化の検出に、幾らかの時間的遅延を付加して実行する。

本発明に特有の配置によれば、上記窒素酸化物トラップの上流に設けられた第２酸素センサを補足的に使用して参照信号を供給し、上記第１酸素センサから供給される信号の変化を上記参照信号と比較して、上記有意な信号を供給する。この参照信号は、本来の意味におけるパージの操作のためにプログラムされたエンジンの動作状態の変化とは無関係な、エンジンの動作状態の変化の影響を受けることができ、この参照信号を使用して、第１酸素センサから供給される信号の変化をこの参照信号と比較することにより、窒素酸化物トラップの中における還元反応の終了を明示する変化を確実に検出することが可能になる。

他方では、感知素子が温度に応じて調節される、あるいは信号が感知素子の温度に応じて修正される、同じ型の酸素センサ、例えば２つのラムダ型センサまたは２つの比例型の酸素センサを、窒素酸化物トラップの上流と下流に使用すると、蓄積された窒素酸化物の還元が充分進んだときに、窒素酸化物トラップの上流のガスにおけるよりも下流におけるガスにおいてＨ_２濃度がより高いことが、上流に設けられた酸素センサの信号よりも下流に設けられた酸素センサの信号がより高いことによって表現される。

２つのラムダ型センサが用いられた場合には、上流のＨ_２の濃度の応じて、上流のラムダ型センサの信号が、下流のラムダ型センサの第２水平部上の信号と同じ高さになり得る。

１または複数の上記酸素センサは、従来行われているように、ラムダ型センサ、出力が酸素濃度に比例する比例型センサ、その酸素濃度測定機能を利用する窒素酸化物センサのうちから選ばれる。

窒素酸化物トラップの上流と下流に酸素センサを使用する場合には、２つのセンサの型は異なっていてもよく、特に、他の機能を確保するために排気ラインに場合によっては予め設置されているセンサを、本発明のために利用してもよい。特に、下表に示すような種々の組合せを使用することができる。

ここに、「窒素酸化物センサのＯ_２機能」は、前に述べた窒素酸化物センサの酸素濃度測定機能の利用を意味する。

性質が異なる２つの酸素センサを使用するときには、センサ間の変換関数（場合によっては、異なる応答時間を考慮に入れた）を導入するか、ラムダ型センサの素子と同等の素子を使用する必要がある。

第１の実施の形態によれば、上記有意な信号の一次微分値のフィルタを実行し、フィルタされた上記一次微分値を所定の閾値と比較して、上記有意な信号の顕著な増加を検出する。

第２の実施の形態によれば、上記有意な信号の二次微分値のフィルタを実行し、フィルタされた上記二次微分値が減少閾値であるゼロを通過することを観察して、上記有意な信号の顕著な増加を検出する。

第３の実施の形態によれば、上記有意な信号の瞬時の値と、上記有意な信号のスライド平均値との差を求め、上記差を閾値と比較して、上記有意な信号の顕著な増加を検出する。

第４の実施の形態によれば、ラムダ型センサについての上記有意な信号の顕著な増加を、上記ラムダ型センサから発生される電圧の値を所定の閾値と比較して検出する。

本発明をディーゼルエンジンに適用する例を説明する。
以下に参照する添付図面において：
図１は、エンジンのガスの回路の図式的で部分的な図であり、
図２は、窒素酸化物トラップの上流と下流に設けられた種々のセンサの信号を表わし、パージの終了の指標として用いられる信号の変化を明らかにする曲線を示すグラフである。

図１に、ガスが通過するエンジンの要素を示す。この図において、ガスが循環する向きに順次：
エアフィルタから来る空気の入り口１１、
ターボコンプレッサの吸い込み部１２、
吸気コレクタ１３、
燃料噴射器１５が設けられたシリンダ上部１４、
排気配管１６及びターボコンプレッサの排気部１７、
窒素酸化物トラップ１８、
粒子フィルタ１９が設けられた排気ライン
が見られる。

第１酸素センサ２１が窒素酸化物トラップの下流に設けられ、第２酸素センサ２２が窒素酸化物トラップの上流に設けられ、両センサは計算装置２３へ連結され、計算装置２３はエンジン制御装置２４へ連結されている。

第１酸素センサ２１、第２酸素センサ２２は、例えば比例型センサまたはラムダ型センサである。

図２は、様々なタイプのセンサを用いて実行された実験の測定結果を、パージの始動からの時間の関数として示す。縦座標の左の目盛は、センサから供給される信号の値を表わし、縦座標の右の目盛は、窒素酸化物トラップの下流におけるＣＯの量を表わす（線６について）。

線３は、窒素酸化物トラップの下流に設けられたラムダ型センサから供給される信号を表わす。この線上には、パージ開始直後のセンサの信号の大変動３１と、パージの間中概ね安定な第１水平部３２と、信号が第２水平部３３上に新たに安定する前の、第１水平部３２に続く信号の顕著な変化３４とが明示されている。この信号の顕著な変化３４は、センサ上へのＨ_２の到着を表わし、従ってパージの終了を明示する。

線４は、窒素酸化物トラップの下流に設けられた比例型センサから供給される信号を表わす。この線上には、パージ開始直後のセンサの信号の大変動４１と、パージの間中概ね安定な第１水平部４２と、信号が第２水平部４３上に新たに安定する前の、第１水平部４２に続く信号の顕著な変化４４とが明示されている。この信号の顕著な変化４４は、センサ上へのＨ_２の到着を表わし、従ってパージの終了を明示する。

比較のために、線５は、窒素酸化物トラップの上流に設けられた比例型センサから供給される信号を表わす。この信号には、同じくパージ開始の瞬間に、排気ガスの中への還元剤の大量の流入に起因する、上昇する大変動５１を受けることが明示されている。それに反して、その後、エンジンが過濃混合気で動作する一定の運転状態に維持される限りは、信号は水平部５２上に一定のままに留まる。パージ中における運転状態に何らかの乱れがある場合には、この乱れは、窒素酸化物トラップの上流に設けられたセンサにも下流に設けられたセンサにも、同じように対応して影響を及ぼす。したがって、上流のセンサから供給されるこの信号は、パージの終了を実際に明示する下流のセンサの信号を、比較によって評価するための一つの準拠を構成することができよう。

また、第１水平部４２の高さは、水平部５２の下に位置することにも気付くであろう。第１水平部４２と水平部５２の高さの差は、フィルタの中に蓄積された窒素酸化物を還元するために用いられた還元剤の部分に相当する。これとは反対に、パージが終了されたときには、下流のセンサの信号は、上流のセンサの信号の上へ移行する。このことは、先に言及した反応のメカニズムにしたがって窒素酸化物トラップの中に形成された水素の下流のセンサへの到着を明示する。

このグラフ上に、実験的に測定された窒素酸化物トラップの下流におけるＣＯ濃度の変化を表わす線６も示した。センサの信号の第１水平部から第２水平部への移行の瞬間における、急激な増大６１によって示されたＣＯ濃度の変化は、窒素酸化物トラップの中に蓄積された窒素酸化物の還元のためのＣＯの使用の終了、従って、窒素酸化物の消滅の確証を明瞭に与える。

センサから発生する信号処理の例として、このグラフ上に、フィルタされた信号の一次微分値を表わし、この信号を所定の閾値と比較することによって、パージの終了を検出できる可能性を示す、線７も示した。この閾値は、センサから発生する信号の勾配の増加に対応する一次微分値の急激な増加７１の際に、一次微分値によって超越される。

同様に、二次微分値を表わす線８も示した。二次微分値が、減少閾値８１であるゼロを通過することも、パージの終了を信号化する情報として利用可能である。

本発明は、上述の例に限定されるものではない。本発明は、ディーゼルエンジンを特に対象とするが、通常は過薄混合気で動作するあらゆるエンジンに一般的に適用可能である。

エンジンのガスの回路の図式的で部分的な図である。 窒素酸化物トラップの上流と下流に設けられた種々のセンサの信号を表わし、パージの終了の指標として用いられる信号の変化を明らかにする曲線を示すグラフである。

Claims (10)

1. 過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップ（１８）の機能の管理方法であって、上記管理方法に従って上記窒素酸化物トラップのパージを定期的に指令する、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップ（１８）の機能の管理方法において、上記窒素酸化物トラップ（１８）の下流の排気配管に第１酸素センサ（２１）を設け、上記第１酸素センサから供給される信号（３、４）を表す有意な信号の変化を観察し、上記内燃エンジンの過薄混合気での動作から、過濃混合気での動作への移行の結果として生じた変化（３１、４１）の後に得られる、高さが概ね一定の第１水平部（３２、４２）からの、上記有意な信号の顕著な増加（３４、４４）を、上記パージの終了を指令する指標として用いることを特徴とする、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
2. 上記窒素酸化物トラップ（１８）の上流に設けられた第２酸素センサ（２２）を補足的に使用して参照信号（５）を供給し、上記第１酸素センサから供給される信号の変化を上記参照信号と比較して、上記有意な信号を供給することを特徴とする、請求項１に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
3. 上記有意な信号の一次微分値（７）のフィルタを実行し、フィルタされた上記一次微分値を所定の閾値と比較して、上記有意な信号の顕著な増加を検出することを特徴とする、請求項１または２に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
4. 上記有意な信号の二次微分値（８）のフィルタを実行し、フィルタされた上記二次微分値が減少閾値であるゼロを通過することを観察して、上記有意な信号の顕著な増加を検出することを特徴とする、請求項１または２に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
5. 上記有意な信号の瞬時の値と、上記有意な信号のスライド平均値との差を求め、上記差を閾値と比較して、上記有意な信号の顕著な増加を検出することを特徴とする、請求項１または２に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
6. ラムダ型センサについての上記有意な信号の顕著な増加を、上記ラムダ型センサから発生される電圧の値を所定の閾値と比較して検出することを特徴とする、請求項１または２に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
7. １または複数の上記酸素センサ（２１、２２）は、ラムダ型センサ、出力が酸素濃度に比例する比例型センサ、その酸素濃度測定機能を利用する窒素酸化物センサのうちから選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
8. 請求項２に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法において、上記第１酸素センサ（２１）と上記第２酸素センサ（２２）は、ラムダ型センサ、出力が酸素濃度に比例する比例型センサ、その酸素濃度測定機能を利用する窒素酸化物センサのうちから選ばれ、上記第１酸素センサ（２１）と上記第２酸素センサ（２２）は、センサの型が異なることを特徴とする、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理方法。
9. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の管理方法を実行するための、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップ（１８）の機能の管理装置であって、上記内燃エンジンは上記窒素酸化物トラップ（１８）が設けられた排気配管（１６）を有する過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップ（１８）の機能の管理装置において、上記窒素酸化物トラップの下流の上記排気配管に設けられた第１酸素センサ（２１）と、上記パージの操作の開始の後に得られる、高さが概ね一定の第１水平部（３２、４２）からの、上記第１酸素センサから供給される信号（３、４）を表す有意な信号の顕著な増加を決定するための計算手段（２３）とを有し、上記有意な信号の顕著な増加を上記パージの終了を指令する指標として用いることを特徴とする、過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理装置。
10. 上記窒素酸化物トラップ（１８）の上流に設けられ、上記計算手段（２３）へ参照信号を供給するために上記計算手段（２３）へ接続された第２酸素センサ（２２）を有することを特徴とする、請求項９に記載の過薄混合気で動作する内燃エンジン用の窒素酸化物トラップの機能の管理装置。

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