JP2006515657A - 排出ガス後処理システムを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、排出ガス内の有害物質を低減させるための排出ガス後処理システム（３８）を有している内燃機関に関する。この排出ガス後処理システムは、作用物質（４３）を備えた貯蔵容器（４４）と、作用物質（４３）を供給するためのフィード装置（４９）と、作用物質（４３）を排出ガス内に噴射するための噴射装置（４２）とを有している。本発明によれば、排出ガス後処理システム（３８）が蓄圧器（５０）を有していて、該蓄圧器（５０）内に前記フィード装置（５０）が作用物質を供給して、該蓄圧器（５０）内に作用物質（４３）が圧力下で蓄えられるようになっており、前記蓄圧器（５０）に噴射装置（４２）が直接接続されているように提案されている。

Description

本発明は、特に燃料直接噴射装置を備えた内燃機関であって、排出ガス内の有害物質を低減させるための排出ガス後処理システムを有しており、該排出ガス後処理システムが、作用物質を備えた貯蔵容器と、作用物質を供給するためのフィード装置と、作用物質を排出ガス内に噴射するための噴射装置とを有している形式のものに関する。

特に将来的な法規制に関連して自動車の窒素酸化物排出を低減させる必要がある。例えばガソリン又はディーゼル直接噴射による内燃機関の窒素酸化物を低減させるために、いわゆる選択還元触媒（ＳＣＲ）が使用される。この選択還元触媒においては、排出ガス管路内に所定量の還元剤例えば尿素が供給される。尿素は、一般的な周囲条件においては固体であるので、尿素水溶液として提供され、排出ガス内に噴射される。尿素は、第１の反応段階で水と反応してアンモニア及び二酸化炭素が発生する。第２の反応段階で、アンモニアが排出ガス中に含有される窒素酸化物を窒素に還元し、この際に副産物として水を発生させる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０１３９１４２号明細書によれば、尿素水溶液をポンプによって貯蔵容器から混合室内に送り、この混合室内で圧縮空気によってエーロゾル（Aerosol）が生ぜしめられ、このエーロゾルが内燃機関の排出ガス内に噴射されるようになっている、内燃機関のための排出ガス後処理システムが公知である。

本発明の課題は、排出ガス後処理の効率を改善することである。

この課題は、冒頭に述べた形式の内燃機関において、排出ガス後処理システムが蓄圧器を有していて、該蓄圧器内に前記フィード装置が作用物質を供給して、該蓄圧器内に作用物質が圧力下で蓄えられるようになっており、前記蓄圧器に噴射装置が直接接続されている。

発明の利点
本発明の内燃機関の第１の利点は、作用物質が、蓄圧器（原理的に噴射装置内にも存在する）内の高められた圧力に基づいて、噴射装置によって特に良好に噴霧され、従ってこれによって発生するスプレーが良好な処理特性（Aufbereitungsqualitaet）を有しているという点にある。これによって排出ガス中での作用物質の変換率（Umsetzungsrate）が改善される。さらに、蓄圧器内に作用物質を中間貯蔵することによって、場合によっては、より小さいフィード能力を有するフィード装置を使用することが可能となる。何故ならば、相応のシステム構成において「消費のピーク」は高いフィード能力によってではなく、蓄圧器内に中間貯蔵された作用物質によってカバーされ得るからである。

本発明の有利な実施多様は従属請求項に記載されている。

まず第１に、フィード装置がプレフィードポンプと高圧ポンプとを有している構成が提案される。フィードポンプは例えばダイヤフラムポンプであってよく、また高圧ポンプはピストンポンプであってよい。これによって蓄圧器内で特に高い圧力が得られる。これによって、排出ガス中への噴射時に作用物質が特に良好に噴霧される。

また、蓄圧器が圧力調整器に接続されていれば、有利である。これによって、高い圧力一定性が保証されるか、又は調節可能な圧力調整装置において蓄圧器内の圧力の変動性が保証される。これによって蓄圧器内の圧力を、排出ガス後処理システム及び／又は内燃機関のその都度の運転状態に最適に適合させることが可能である。

本発明による内燃機関の特に有利な構成は制御及び／又は調整器を有していて、該制御及び／又は調整器が、フィード装置のフィード能力、蓄圧器内の圧力、作用物質の噴射時点、及び／又は作用物質の噴射継続時間を、内燃機関の運転状態に関連して制御若しくは調整するようになっていることを特徴としている。これによって、作用物質を特に節約して使用することができると同時に、排出ガス内における作用物質の最適な変換率が得られる。

フィード装置、蓄圧器、及び／又は噴射装置が、直接噴射式の燃料噴射システムにおいて使用されるものと同じ形式であれば、本発明による内燃機関のためのコストを削減することができる。この場合、特に、燃料収集管路（コモンレール）によって作業する燃料システムが使用される。場合によっては、フィード装置がフィードされた流体によって潤滑されないシステムが選択される。

本発明の別の実施態様は、作用物質として尿素を使用することを特徴としている。この場合、尿素は、一般的に水溶液内で結合されていて安全であるが、排出ガス中の窒素酸化物を効果的に低減させることができる。

別の実施態様によれば、蓄圧器が加熱可能である。一般的に使用される尿素水溶液は、−１１℃以下の温度において凍る、つまり、液体状態から固体状態に移行する特性を有している。蓄圧器の加熱可能性によって、排出ガス後処理システムの機能性は、このような形式の低い温度においても保証される。

本発明は、以上の形式の内燃機関を運転するための方法にも関するものである。本発明によれば、フィード装置のフィード能力、蓄圧器内の圧力、作用物質の噴射時点、及び／又は作用物質の噴射時間を、内燃機関の実際の運転パラメータに関連して制御若しくは調整することが提案されている。これによって排出ガス内の有害物質排出が特に効果的に低減されると同時に、作用物質の消費が少なくて済む。

本発明の実施態様によれば、前記運転パラメータとして、クランクシャフトの回転数、内燃機関のトルク、燃焼室内に噴射された燃料量、内燃機関の温度、外気の温度、外気の湿気、触媒の前及び／又は後の温度、排出ガス中のＮＯ_ｘ及び／又はＮＨ_３含有量、及び／又は燃焼室内の空燃比、又はそれぞれ同等の値を使用することが提案されている。これらの運転パラメータは、多くの内燃機関においていずれにしても検出されるので、これらの運転パラメータを使用するために付加的なセンサは必要ない。これによって内燃機関のコストが低減される。特に、排出ガス内のＮＯ_ｘ又はＮＨ_３含有量を用いることによって、作用物質を制御して調量することができ、場合によっては調量のために使用されたモデルに適応させることができる。

相応の制御若しくは調整アルゴリズムは一般的に既に存在している。何故ならば調量の計算のために必要な入力値及び出力値は、同様の形式で燃料直接噴射の枠内で使用することができるので、既に十分に存在しているからである。作用物質を噴射若しくは調量するために必要なデータの計算及び応用は、内燃機関の性能グラフによって検出される。これによって、付加的な制御装置を省くことができ、所定の作用物質量の修正を、内燃機関の制御時に算出される相応の修正係数をベースにして並行して実施することができる。

図面
以下に図面を用いて本発明の特に有利な実施例について詳しく説明する。

図１は、排出ガス後処理システムを備えた内燃機関の原理図を示し、
図２は、図１に示した排出ガス後処理システムを制御若しくは調整するための入力値及び出力値を示す図である。

実施例の説明
図１には、内燃機関が符号１０で示されている。この内燃機関１０は複数の燃焼室を有しており、図１には見易くするために、これらの燃焼室のうちの１つだけが符号１２で示されている。燃焼エアは吸気弁１４及び吸気管１６を介して燃焼室１２内に達する。吸い込まれた外気の温度ＴＡＮＳ及び湿気ＦＡＮＳは、センサ１５及び１７によって検出される。高温の燃焼排出ガスは、排気弁１８及び排気管２０を介して導出される。運転中には、クランクシャフト２１が回転せしめられる。燃料は燃料噴射装置２２によって燃焼室１２内に直接噴射される。

噴射される燃料は、図示の実施例ではディーゼル燃料である。燃料噴射装置２２は、燃料集合管路２４（レール）に接続されている。この燃料集合管路２４内に高圧の燃料が蓄えられている。高圧の燃料は、プレフィードポンプ２８によって供給される燃料高圧ポンプ２６によって燃料集合管路２４内に達する。燃料集合管路２４内の圧力はセンサ３２によって検出され、圧力調整器３４を介して調整される。燃料高圧ポンプ２６のフィード量を調節するために量制御弁３６が用いられる。以上の構成部材２２〜３６は燃料システム３７の一部である。

内燃機関１０の排出ガス内の有害物質排出を低減させるために、内燃機関１０は排出ガス後処理システム３８を有している。この排出ガス後処理システム３８は、排気管２０内に配置された、ＮＯをＮＯ_２に変換する酸化触媒コンバータ３９と、排出ガス内に含まれている有害物質を減少させる触媒４０とを有している。触媒４０の上流で排気管２０内に、排出ガスの温度ＴＳＣＲを検出するための温度センサ４１と噴射装置４２とが配置されている。この噴射装置４２によって、作用物質（図示の実施例では尿素４３）が、排気管２０内に流入する排出ガス中に噴射される。このために、尿素は水に溶かして提供される。つまり尿素水溶液が噴射される。触媒４０の後（下流）にラムダゾンデ４５とＮＯ_ｘセンサ４７とが設けられている。

尿素水溶液４３は尿素容器４４内に蓄えられている。プレフィードポンプ４６は尿素水溶液４３を尿素容器４４から高圧ポンプ４８に送る（２つのポンプ４６と４８とは一緒に１つのフィード装置４９を形成している）。この高圧ポンプ４８は、尿素水溶液４３を非常に高圧で圧縮し、尿素−蓄圧器５０に供給する。この尿素−蓄圧器５０は例えば管状又は球状に構成されている。この尿素−蓄圧器５０にも噴射装置４２が接続されている。

尿素−蓄圧器５０内の圧力は圧力センサ５２によって検出される。蓄圧器５０内の圧力は圧力調整器５４によって調整され、高圧尿素ポンプ４８の量制御弁５６によって調節される。触媒４０及び噴射装置４２以外の、排出ガス後処理システム３８のすべての構成部材は、電気式の加熱装置５８によって加熱される。

燃料システム３７を含む内燃機関１０の運転は、制御及び調整器６０によって制御若しくは調整される。この制御及び調整器６０は、複数のセンサ例えば２つの圧力センサ３２及び５２及びその他の図１に示されていないセンサから信号を受信して、相応の調節及び制御装置に送信する。この調節及び制御装置は、内燃機関１０ができるだけ少ない燃料消費及び最適なエミッション特性において所望の出力を発揮できるようにするためのものであって、例えば噴射装置２２，４２、量制御弁３６、５６及び圧力調整器３４，５４である。排出ガス後処理システム３８の運転も、制御及び調整器６０によって制御若しくは調整される。

図２に示されているように、このために処理ブロック６２内に種々異なる入力値がメモリーされている。この入力値は、クランクシャフト２１の回転数Ｎ、燃焼室１２内の相対的な空気充填量ＲＬ、燃焼室１２内に燃料噴射装置２２から噴射された相対的な燃料量ＲＫ、内燃機関１０の温度ＴＭＯＴ（例えば冷却水温度、又はシリンダヘッド温度）、並びに燃焼室１２内の空燃比（一般的に空気量ＬＡＭＤＡによって表される）である。その他の値は、触媒４０の温度ＴＳＣＲ、吸い込まれた空気の相対的な湿気ＦＡＮＳ、例えば外気の温度ＴＡＮＳ又はＮＯ_ｘ値である。

処理ブロック６２内で前記値から、排出ガス後処理システム３８の運転に必要な調節値が規定される。この調節値は、尿素−蓄圧器５０内の圧力ＰＲ＿ＨＤＳ、量制御弁５６のための制御電圧Ｕ＿ＨＤＳ（この制御電圧によってフィード装置４９のフィード量Ｍ＿ＨＤＳも調節される）、尿素４３の噴射装置４２の噴射時間ＴＩ＿ＨＤＳ、並びにビット（Ｂｉｔ）Ｂ＿ＨＥＩＴＺ（これによって加熱装置５８がスイッチオン若しくはスイッチオフされる）。

内燃機関１０においては、排出ガス後処理システム３８の運転が主に内燃機関１０の運転値によって制御される。尿素−蓄圧器５０内の圧力ＰＲ＿ＨＤＳ並びに尿素噴射装置４２の噴射時間ＴＩ＿ＨＤＳによって、一方では、噴射された量が、他方では尿素水溶液４３の噴霧率が、内燃機関１０の実際の運転条件に合わせられる。これによって一方では噴射された尿素水溶液４３の最適な変換が保証され（これによって有害物質排出が低減される）、他方では尿素水溶液４３を非常に節約して使用することができる。何故ならば、多量のアンモニアが生ぜしめられると同時にほぼ１００％の変換率が保証されるからである。

この場合、尿素−蓄圧器５０内の圧力は、燃料システム３７におけるのと同様に、非常に高く、５０バール（ｂａｒ）の範囲内であって、場合によっては数１００バールから１０００バール以上になる。排出ガス後処理システム３８のために使用される部材は、燃料システム３７の構成部材と同じである。場合によっては、少なくとも部分的に同じ構成部材を使用してもよい。処理ブロック６２内で使用された処理パターンも、燃料システム３７を制御若しくは調整するために使用されたものと類似しているか、又はこれと同じであってよい。一般的には、処理ブロック６２内において圧力ＰＲ＿ＨＤＳは特に、クランクシャフト２１の回転数Ｎ及び排出ガスの温度ＴＳＣＲに依存している。一定の回転数においては、圧力調整器５４及び量制御弁５６を介して尿素−蓄圧器５０内に一定の圧力が調節される。

図１に示した実施例において、尿素水溶液４３は、尿素噴射装置４２によって直接排気管２０内に噴射される。しかしながら、尿素噴射装置４２内に空気を供給して、この空気を尿素噴射装置４２内で又はこの尿素噴射装置４２から噴射される際に、尿素水溶液４３と混合するようにしてもよい。

図示の実施例では、作用物質として尿素４３が使用されているが、排出ガス後処理システム３８の上記構成において、排出ガス内に噴射され得るものであれば、作用物質としてその他の作用剤（Wirkmittel）を使用してもよい。例えばディーゼル燃料若しくは一般的なＨＣを噴射してもよいし、又はガス状の或いは粉末状の物質を噴射してもよい。

上記実施例においてはもちろん純粋な尿素ではなく、常に尿素水溶液が使用されるにも拘わらず、前記説明の範囲内で簡略化のために、種々異なる構成部材が「尿素−構成部材（例えば「尿素−蓄圧器）」として表されている。

排出ガス後処理システムを備えた内燃機関の原理図である。 図１に示した排出ガス後処理システムを制御若しくは調整するための入力値及び出力値を示す図である。

Claims (12)

1. 特に燃料直接噴射装置を備えた内燃機関（１０）であって、排出ガス内の有害物質を低減させるための排出ガス後処理システムを有しており、該排出ガス後処理システムが、作用物質（４３）を備えた貯蔵容器（４４）と、作用物質（４３）を供給するためのフィード装置（４９）と、作用物質（４３）を排出ガス内に噴射するための噴射装置（４２）とを有している形式のものにおいて、
   排出ガス後処理システム（３８）が蓄圧器（５０）を有していて、該蓄圧器（５０）内に前記フィード装置（５０）が作用物質を供給して、該蓄圧器（５０）内に作用物質（４３）が圧力下で蓄えられるようになっており、前記蓄圧器（５０）に噴射装置（４２）が直接接続されていることを特徴とする、排出ガス後処理システムを備えた内燃機関。
2. フィード装置が、プレフィードポンプ（４６）と高圧ポンプ（４８）とを有している、請求項１記載の内燃機関。
3. 蓄圧器（５０）が圧力調整器（５４）に接続されている、請求項１又は２記載の内燃機関。
4. 制御及び／又は調整器（６０）を有していて、該制御及び／又は調整器（６０）が、フィード装置（４９）のフィード能力（Ｍ＿ＨＤＳ）、蓄圧器（５０）内の圧力（ＰＲ＿ＨＤＳ）、作用物質の噴射時点、及び／又は作用物質の噴射継続時間（ＴＩ＿ＨＤＳ）を、内燃機関（１０）の運転状態（Ｎ，ＲＬ，ＲＫ，ＴＭＯＴ、ＬＡＭＢＤＡ）に関連して制御若しくは調整するようになっている、請求項１又は２記載の内燃機関。
5. フィード装置（４９）、蓄圧器（５０）、及び／又は噴射装置（４２）が、直接噴射式の燃料噴射システム（３７）において使用される形式のものと同じ形式である、請求項１から４までのいずれか１項記載の内燃機関。
6. 作用物質が尿素である、請求項１から５までのいずれか１項記載の内燃機関。
7. 蓄圧器（５０）が加熱可能である、請求項６記載の内燃機関。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の内燃機関の運転法において、
   フィード装置（４９）のフィード能力（Ｍ＿ＨＤＳ）、蓄圧器（５０）内の圧力（ＰＲ＿ＨＤＳ）、作用物質の噴射時点、及び／又は作用物質の噴射継続時間（ＴＩ＿ＨＤＳ）を、内燃機関（１０）の実際の運転パラメータ（Ｎ，ＲＬ，ＲＫ，ＴＭＯＴ、ＬＡＭＢＤＡ）に関連して制御若しくは調整することを特徴とする、内燃機関の運転法。
9. 前記運転パラメータとして、クランクシャフト（２１）の回転数（Ｎ）、内燃機関（１０）のトルク、燃焼室（１２）中に噴射された燃料量（ＲＫ）、内燃機関（１０）の温度（ＴＭＯＴ）、外気の温度（ＴＡＮＳ）、外気の湿気（ＦＡＮＳ）、触媒（４０）の前及び／又は後の温度（ＴＳＣＲ）、排出ガス中のＮＯ_ｘ及び／又はＮＨ_３含有量（ＮＯＸ）、及び／又は燃焼室（１２）内の空燃比（ＬＡＭＢＤＡ）、又はそれぞれ１つの等価の値（ＲＬ）を使用する、請求項８記載の方法。
10. 請求項８又は９記載の方法で使用するためにプログラミングされていることを特徴とする、コンピュータプログラム。
11. 内燃機関（１０）の制御及び／又は調整器（６０）のための電気記憶媒体において、
    該電気記憶媒体に、請求項８又は９記載の方法で使用するためのコンピュータプログラムがメモリーされていることを特徴とする、電気記憶媒体。
12. 内燃機関（１０）のための制御及び／又は調整器（６０）において、請求項８又は９に記載の方法で使用するためにプログラミングされていることを特徴とする、制御及び／又は調整器。

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