JP2007531843A - 内燃機関の運転方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応剤のできるだけ正確な配量および触媒の高利用を可能にする、内燃機関排気通路内への反応剤の注入方法および方法を実行するための装置を提供する
【解決手段】内燃機関（１０）の排気領域内に少なくとも１つの触媒（１５）が配置され、排気領域において触媒（１５）手前で排気ガス内に加圧された反応剤が注入される、内燃機関（１０）の運転方法において、反応剤の圧力が、特性変数（Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫ、ｖａｂｇ、ｐａｂｇ、ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗ、ＴＲｅａ）の関数として、所定の反応剤目標圧力（ｐＲｅａＳｗ）に決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路内へ反応剤を注入する方法およびその方法を実施するための装置に関するものである。

ドイツ特許公開第１０１３９１４２号に、ＮＯｘエミッションを低減させるために、排気ガス内に含まれている窒素酸化物ＮＯおよびＮＯ_２を還元剤、即ちアンモニアにより窒素に還元するＳＣＲ触媒（選択還元触媒）が使用されている、内燃機関の排気ガス後処理装置が開示されている。アンモニアは、ＳＣＲ触媒手前上流側に配置されている加水分解触媒内において尿素水溶液から得られる。加水分解触媒は、尿素水溶液内に含まれている尿素を水によりアンモニアおよび二酸化炭素に転化する。正確な配量を確保するために、尿素水溶液の濃度を決定するように設計されている。

尿素水溶液はポンプにより所定の圧力に上昇される。配量弁は所定の流量を決定する。混合室内において反応剤に圧縮空気が混入される。ＳＣＲ触媒への十分に均一な流入が達成されるように、尿素水溶液は混入空気と共に排気ガス内に噴霧される。場合により、バッフル・プレートのような流動要素が設けられてもよい。

欧州特許公開第１０２４２５４号から、ＮＯｘエミッションを低減させるためにＳＣＲ触媒が使用されている、内燃機関の排気ガス後処理装置が既知となっている。還元剤としてアンモニアが使用され、アンモニアは排気通路内において尿素水溶液から得られる。配量されるべき尿素水溶液の量は、内燃機関の運転変数、例えば燃料噴射量および／または回転速度および排気ガスの少なくとも１つの特性変数、例えば排気温度から決定される。

ドイツ特許公開第１００６５１２５号に、内燃機関の排気温度のモデル化を行う方法が開示されている。排気温度は、空気センサが提供する空気信号の関数として、および回転速度の関数として計算される。

専門書「オットー・サイクル・エンジン・マネジメント／ＢＯＳＣＨ」第１版、Ｖｉｅｗｅｇ出版社、ブラウンシュヴァイク、１９９８年、３３３−３３５頁から、内燃機関を運転するためのトルク構成が既知となっている。

反応剤のできるだけ正確な配量および触媒の高利用を可能にする、内燃機関排気通路内への反応剤の注入方法および方法を実行するための装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は独立請求項に記載の特徴によりそれぞれ解決される。
本発明により、少なくとも１つの触媒手前上流側において内燃機関排気ガス内に注入される反応剤の圧力を、特性変数の関数として、所定の反応剤圧力目標値に決定するように設計されている。

本発明による方法は、少なくとも１つの触媒手前の排気ガス流れ内への反応剤の良好な噴霧および均等な分配の達成を可能にする。反応剤は、触媒が排気ガスの流れ方向に有する全表面と衝当する。したがって、反応剤は触媒内部において利用可能な全触媒表面に到達可能である。したがって、本発明による方法は、触媒から利用可能な触媒表面の最善の利用を可能にする。触媒の効率のよい利用により、反応剤のできるだけ少ない量による排気ガスの希望の浄化が達成される。

本発明による方法の有利な形態および変更態様が従属請求項から得られる。
一形態は、特性変数として、内燃機関の少なくとも１つの運転変数が使用されるように設計されている。内燃機関の運転変数として、例えば空気信号が適している。追加態様または代替態様として、トルクおよび／または燃料信号がそれぞれ回転速度と組み合わされて使用されてもよい。この１つまたは複数の運転変数は制御内において既知である。追加センサは必要ではない。

一形態は、特性変数として、排気ガスの特性変数が使用されるように設計されている。排気ガスの特性変数として、例えば排気ガス容積流量ないしは排気速度および／または排気圧力および／または排気温度が適している。排気ガス質量流量が既知であるとき、排気温度がわかっているだけで十分である。排気ガスのこの１つまたは複数の特性変数は内燃機関の既知の運転変数から決定されてもよい。この場合もまた、追加センサは必要ではない。場合により、排気温度を測定するための排気温度センサが設けられていてもよい。測定排気温度はさらに計算排気温度の妥当性検査のために使用されてもよい。

一形態は、特性変数として、反応剤温度が使用されるように設計されている。反応剤温度は、例えば空気温度を測定する既存の温度センサの温度信号により評価されてもよい。反応剤温度センサが使用されることが好ましい。

本発明による方法の他の有利な変更態様および形態が他の従属請求項および以下の説明から得られる。

図１は内燃機関１０を示し、内燃機関１０の吸気領域内に空気センサ１１が配置され、内燃機関１０の排気通路１２内に、噴霧装置１３、排気温度センサ１４、触媒１５が配置されている。

制御ユニット２０は、空気センサ１１から提供された空気信号ｍＬと、内燃機関１０から提供された回転速度Ｎと、排気温度センサ１４により測定された排気温度ＴａｂｇＩｗと、反応剤圧力センサ２１から提供された反応剤圧力実際値ｐＲｅａＩｗと、圧縮空気圧力センサ２２から提供された圧縮空気圧力実際値ｐＤＬＩｗと、反応剤温度センサ２３から提供された反応剤温度ＴＲｅａと、提供されたトルク目標値ｍｉｆａとを受け取る。

制御ユニット２０は、燃料信号ｍＫを内燃機関１０に、配量弁操作信号ｑＲｅａを配量弁３０に、反応剤ポンプ操作信号３１を反応剤ポンプ３２に、圧縮空気制御弁操作信号３３を圧縮空気制御弁３４に出力する。

制御ユニット２０は、排気速度ｖａｂｇを決定するための第１の機能ブロック４１と、排気圧力ｐａｂｇを決定するための第２の機能ブロック４２と、計算排気温度ＴａｂｇＲを決定するための第３の機能ブロック４３と、トルクＭｄを決定するための第４の機能ブロック４４とを含む。

制御ユニット２０は、さらに、反応剤圧力目標値設定手段５０および圧縮空気圧力目標値設定手段５２を含み、反応剤圧力目標値設定手段５０は、反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗを反応剤ポンプ操作手段５１に出力し、反応剤ポンプ操作手段５１は反応剤ポンプ操作信号３１を提供し、圧縮空気圧力目標値設定手段５２は圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗを圧縮空気制御弁操作手段５３に出力し、圧縮空気制御弁操作手段５３は圧縮空気制御弁操作信号３３を提供する。

反応剤温度センサ２３は、反応剤容器６０内に貯蔵されている反応剤の温度を測定する。圧縮空気制御弁３４は、圧縮空気容器６１内において利用可能な圧縮空気の圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗを設定する。

圧縮空気は超臨界絞り６２および逆止弁６３内を流動し、その後にミキサ６４内に到達し、ミキサ６４は、圧縮空気を、配量弁３０から注入された反応剤と混合する。ミキサ６４は噴霧装置１３と結合されている。

本発明による方法は次のように行われる。
内燃機関１０の排気領域内に配置されている触媒１５は、ＳＣＲ触媒であることが好ましく、ＳＣＲ触媒は、内燃機関１０の排気ガス内に含まれている窒素酸化物ＮＯおよびＮＯ_２を窒素に還元する。ＳＣＲ触媒１５は、還元反応のためにアンモニアを必要とする。アンモニアは、ＳＣＲ触媒１５の手前上流側に配置されている、詳細には図示されていない加水分解触媒内において、尿素水溶液から得られ、尿素水溶液は噴霧装置１３により排気ガス流れ内に注入される。尿素水溶液は反応剤に対する一例である。

反応剤容器（タンク）６０内に貯蔵されている反応剤は、反応剤ポンプ３２により、例えば４バールの反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗに上昇され、それに続いて配量弁３０に供給される。反応剤量／単位時間は、配量弁操作信号ｑＲｅａにより設定される。配量弁操作信号ｑＲｅａは、制御ユニット２０が、回転速度Ｎおよび燃料信号ｍＫの関数として、または回転速度ＮおよびトルクＭｄの関数として求められる所定の特性曲線群から決定してもよい。配量弁操作信号ｑＲｅａは、配量弁３０を、例えば反応剤に対する所定の開口断面積に開放させる。ミキサ６４内において反応剤は圧縮空気と混合される。

圧縮空気は、圧縮空気制御弁３４内において、例えば８バールの圧力に制限される。超臨界絞り６２後方の圧力は、ミキサ６４の手前の逆止弁６３が開放され且つ圧縮空気がミキサ６４内に流入するのに十分な値に決定されるべきである。超臨界絞り６２内を流動したのちに、例えば４．６バールの圧力が発生する。逆止弁６３における、例えば０．６バールの圧力降下を考慮して、ミキサ６４内の圧縮空気圧力は最終的に４バールの値を有している。

トルクＭｄは、トルク目標値ｍｉｆａの関数として、および内燃機関１０の他の既知の変数の関数として、冒頭記載の従来技術により決定される。
本発明により、反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗおよび場合により圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗを設定するように設計されている。所定の反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗおよび場合により所定の圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗは、実験により、噴霧装置１３の後方において排気通路１２の全断面にわたり反応剤の良好な噴霧および均等な分配が達成されるように決定される。ここで、反応剤液滴サイズが重要であることは明らかである。

この手段は、ＳＣＲ触媒１５から利用可能な触媒表面が完全に利用可能なようにする。ここで、反応剤がＳＣＲ触媒１５内に流入したのちにおいては、排気ガスとさらに混合し且つ触媒表面に分配させる可能性はもはや存在しないことが考慮されるべきである。本発明による方法は、さらに、ＳＣＲ触媒１５内における実際需要への適合により、必要な還元剤量の低下を可能にする。

反応剤容器６０内に貯蔵されている反応剤の圧力は、反応剤ポンプ操作手段５１内における反応剤ポンプ操作信号３１の対応の設定により、例えば４バールの値を有する所定の反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗへ上昇可能である。所定の反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗへの制御を実行するために、反応剤圧力実際値ｐＲｅａＩｗが反応剤圧力センサ２１により測定され且つ制御を実行するために反応剤ポンプ操作手段５１に供給されてもよい。

場合により、追加態様として、圧縮空気容器６１内に貯蔵されている圧縮空気の圧縮空気圧力が、ミキサ６４内に注入される前に、所定の圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗに決定されてもよい。圧縮空気圧力を決定するために圧縮空気制御弁３４が設けられ、圧縮空気制御弁３４は、圧縮空気圧力操作手段５３から提供された圧縮空気制御弁操作信号３３により操作される。所定の圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗへの制御を実行するために、圧縮空気圧力実際値ｐＤＬＩｗが圧縮空気圧力センサ２２により測定され且つ制御を実行するために圧縮空気圧力操作手段５３に供給されてもよい。

反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗを決定し且つ場合により圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗを決定するための特性変数として、内燃機関１０の少なくとも１つの運転変数が適している。空気信号ｍＬのみは予め使用可能である。さらに、回転速度Ｎと組み合わされた、トルクＭｄ並びに燃料信号ｍＫがそれぞれ適している。最後に挙げた、少なくとも２つの運転変数ｍＬ、ｍＫの組み合わせは特に適している。

詳細には図示されていない特性曲線群において、個々の運転変数Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫと、設定されるべき反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗおよび場合により設定されるべき圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗとの間の一次元または多次元関係が形成される。

上記の運転変数Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫは、排気ガスの特性変数に影響を与える。排気ガスの特性変数は、排気速度ｖａｂｇないしは排気ガス容積流量、排気圧力ｐａｂｇ、および例えば排気温度ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗである。排気ガスの特性変数ｖａｂｇ、ｐａｂｇ、ＴａｂｇＲは、内燃機関１０の既知の運転変数Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫから、制御ユニット２０の内部に含まれている機能ブロック４１、４２、４３において決定可能である。

排気速度ｖａｂｇは、第１の機能ブロック４１において、空気信号ｍＬのみから予め決定可能である。場合により、燃料信号ｍＫが考慮されてもよい。
排気装置の形状が既知であり且つ触媒１５の流動抵抗が既知であるとき、第２の機能ブロック４２において、排気圧力ｐａｂｇが排気速度ｖａｂｇから決定可能である。排気速度ｖａｂｇおよび／または排気背圧ｐａｂｇは、二次元特性曲線群により決定されることが好ましく、二次元特性曲線群は、回転速度Ｎおよび燃料信号ｍＫの関数として、または回転速度Ｎおよび空気信号ｍＬの関数として求められる。

ターボチャージャが設けられている場合、内燃機関１０の他の特性変数として給気圧力および／または給気温度が考慮されてもよい。
さらに、第３の機能ブロック４３において決定される排気温度ＴａｂｇＲは、反応剤の噴霧に影響を与える。排気温度ＴａｂｇＲは、特に反応剤液滴サイズに影響を与えるであろう。この決定は、例えば冒頭記載のドイツ特許公開第１００６５１２５号により実行可能であり、これにより、排気温度ＴａｂｇＲは、回転速度Ｎおよび空気信号ｍＬからモデル化される。

排気ガスの上記の特性変数は、機能ブロック４１、４２、４３において、内燃機関１０の運転変数Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫから決定される。代替態様または追加態様として、排気ガスの特性変数がセンサにより測定されてもよい。排気温度を測定するために排気温度センサ１４が使用され、排気温度センサ１４は、排気温度実際値ＴａｂｇＩｗを制御ユニット２０に伝送する。さらに、排気圧力が詳細には図示されていない排気圧力センサにより測定されてもよい。

代替態様または追加態様として、反応剤圧力目標値ｐＲｅａＳｗの決定および場合により圧縮空気圧力目標値ｐＤＬＳｗの決定において反応剤温度ＴＲｅａが考慮され、反応剤温度ＴＲｅａは反応剤温度センサ２３が測定し、反応剤温度センサ２３は、例えば反応剤容器６０上または反応剤タンク６０内に配置されていてもよい。

反応剤温度ＴＲｅａは一般に周囲温度に対応し、周囲温度は詳細には図示されていない既存の温度センサにより測定されてもよい。この場合、追加反応剤温度センサ２３は省略可能である。

図示の実施例においては、反応剤は、排気通路１２内に注入される前に、ミキサ６４内において圧縮空気と混合されるものと仮定されている。本発明による方法は、圧縮空気支援のない装置においても使用可能であることは明らかである。このような装置においては、配量弁３０が直接排気通路１２内に装着されてもよく、これにより、配量弁３０は噴霧装置１３と同一となる。

図１は、本発明による方法がその周辺内で実行される内燃機関を示す。

Claims (12)

1. 内燃機関（１０）の排気領域内に少なくとも１つの触媒（１５）が配置され、排気領域において触媒（１５）手前で排気ガス内に加圧された反応剤が注入される、内燃機関（１０）の運転方法において、
   反応剤の圧力が、特性変数（Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫ、ｖａｂｇ、ｐａｂｇ、ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗ、ＴＲｅａ）の関数として、所定の反応剤目標圧力（ｐＲｅａＳｗ）に決定されること、
   を特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 特性変数として、内燃機関（１０）の少なくとも１つの運転変数（Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫ）が使用されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 内燃機関（１０）の運転変数として、空気信号（ｍＬ）が使用されることを特徴とする請求項２に記載の運転方法。
4. 内燃機関（１０）の運転変数として、回転速度（Ｎ）およびトルク（Ｍｄ）が、または回転速度（Ｎ）および燃料信号（ｍＫ）が使用されることを特徴とする請求項２に記載の運転方法。
5. 特性変数として、内燃機関（１０）の排気ガスの少なくとも１つの特性変数（ｖａｂｇ、ｐａｂｇ、ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗ）が使用されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
6. 排気ガスの特性変数として、排気速度（ｖａｂｇ）が使用されることを特徴とする請求項５に記載の運転方法。
7. 排気ガスの特性変数として、排気圧力（ｐａｂｇ）が使用されることを特徴とする請求項５に記載の運転方法。
8. 排気ガスの特性変数として、排気温度（ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗ）が使用されることを特徴とする請求項５に記載の運転方法。
9. 排気ガスの特性変数（ｖａｂｇ、ｐａｂｇ、ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗ）が、内燃機関（１０）の少なくとも１つの運転変数（Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫ）から導かれることを特徴とする請求項５に記載の運転方法。
10. 特性変数として、反応剤温度（ＴＲｅａ）が使用されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
11. ミキサ（６４）内において反応剤に混入される圧縮空気の圧力が、特性変数（Ｎ、ｍＬ、Ｍｄ、ｍＫ、ｖａｂｇ、ｐａｂｇ、ＴａｂｇＲ、ＴａｂｇＩｗ、ＴＲｅａ）の関数として、所定の圧縮空気圧力目標値（ｐＤＬＳｗ）に決定されることを特徴とする請求項１の方法。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の運転方法を実施するための装置。

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