JP2009540208A - Method of operating an exhaust gas purification system disposed in an exhaust gas region of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の燃料消費を増加させること無しに、フィルタの再生を可能にする、内燃機関の排気ガス領域内に配置された排気ガス浄化システムの作動方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気ガス領域内に配置され、酸化反応をもたらす触媒層(130)と微粒子フィルタ(140)とを備え、内燃機関の運転の間に少なくとも一つの排気ガス成分が付着され、予め定めておくことのできる運転段階の間にそれ等の排気ガス成分から再生される、排気ガス浄化システムの作動方法において、微粒子フィルタ(140)の再生の予め定めておくことのできる作動段階の間に、内燃機関の少なくとも一つの燃焼室(100)を通る空気流量が引き下げられ。
【選択図】図1A method of operating an exhaust gas purification system disposed in an exhaust gas region of an internal combustion engine that enables regeneration of a filter without increasing fuel consumption of the internal combustion engine.
A catalyst layer (130) arranged in an exhaust gas region of an internal combustion engine and causing an oxidation reaction and a particulate filter (140) are provided, and at least one exhaust gas component is adhered during operation of the internal combustion engine. In a method of operating an exhaust gas purification system, which is regenerated from their exhaust gas components during a pre-determined operating phase, a pre-determined operating phase of regeneration of the particulate filter (140) In between, the air flow rate through the at least one combustion chamber (100) of the internal combustion engine is reduced.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、独立の請求項1の上位概念に基づく、酸化反応をもたらす触媒層と微粒子フィルタとを含む、内燃機関の排気ガス領域内に配置された排気ガス浄化システムの作動方法に関する。 The present invention relates to a method for operating an exhaust gas purification system arranged in an exhaust gas region of an internal combustion engine, which includes a catalyst layer for causing an oxidation reaction and a particulate filter, based on the superordinate concept of independent claim 1.
DE 199 06 287 A1 から、内燃機関の排気ガス領域内に配置された微粒子フィルタの再生のための方法が知られているが、その方法では、最後に存在している運転状態に応じて、また微粒子フィルタの状態に応じて、異なる運転状態の間で交替が行われる。その際、付着された微粒子からの微粒子フィルタの再生は、一つの運転状態の中で行われる。この再生は、微粒子、主としてすす微粒子と灰微粒子が酸化反応によって焼却される、高い温度の下で行われる。 From DE 199 06 287 A1, a method for the regeneration of a particulate filter arranged in the exhaust gas region of an internal combustion engine is known, depending on the last existing operating condition and Depending on the state of the particulate filter, alternating between different operating states is performed. At that time, the regeneration of the particulate filter from the adhered particulates is performed in one operating state. This regeneration is performed at a high temperature at which the fine particles, mainly soot fine particles and ash fine particles, are incinerated by an oxidation reaction.
DE 103 23 561 A1 には、内燃機関の排気ガス領域の中に配置された構成部品、とりわけ微粒子フィルタの作動のための方法、及びこの方法の実施のための装置が記載されており、その装置では、再生段階が内燃機関の運転状態に応じておよび/または構成部品の作動状態、とりわけ微粒子フィルタの付着度に応じてスタートされる。その際、再生段階は任意に外部のスタート信号を用いてスタートされる。このようにすることによって、構成部品の再生状態を操作者によって作り出すことができるようになり、例えば当該の内燃機関が搭載されている自動車がサービス工場に持ち込まれた際に、内燃機関及びそのコンポーネントの診断を行うことができる。 DE 103 23 561 A1 describes a component arranged in the exhaust gas region of an internal combustion engine, in particular a method for the operation of a particulate filter, and a device for the implementation of this method. In this case, the regeneration phase is started according to the operating state of the internal combustion engine and / or according to the operating state of the components, in particular the degree of adhesion of the particulate filter. In this case, the reproduction stage is arbitrarily started using an external start signal. By doing so, it becomes possible for the operator to create a regenerated state of the component parts. For example, when an automobile equipped with the internal combustion engine is brought into a service factory, the internal combustion engine and its components Can be diagnosed.
ディーゼル微粒子フィルタの再生は、その際、例えば排気ガス背圧の関数として、断続的に行われる。フィルタの再生のための酸化プロセスに必要な排気ガス温度及びフィルタ温度は、十分な酸化速度という前提の下で、一般に約600℃以上である。このような温度は、追加措置無しでは、内燃機関の上方の‘平均圧力/回転数特性マップ’の中でしか期待できないので、燃焼室内への或いは排気ガス管の中へのディーゼル燃料のポスト噴射を行い、その際に発生される反応熱を利用して、フィルタの再生のために必要な排気ガス温度の引き上げが行われる。この手法は、燃料消費量の上昇という欠点と結び付いている。 The regeneration of the diesel particulate filter is then carried out intermittently, for example as a function of the exhaust gas back pressure. The exhaust gas temperature and the filter temperature required for the oxidation process for filter regeneration are generally about 600 ° C. or higher under the assumption of a sufficient oxidation rate. Such a temperature can only be expected in the 'average pressure / rotational speed characteristic map' above the internal combustion engine without additional measures, so the post-injection of diesel fuel into the combustion chamber or into the exhaust gas pipe The exhaust gas temperature required for regeneration of the filter is raised using the reaction heat generated at that time. This approach is associated with the drawback of increased fuel consumption.
ディーゼル微粒子フィルタの再生は、ポスト噴射による他にも、排気ガスの主流路或いは側流路内の追加バーナー、温度上昇をもたらすようなエンジン行程への介入によって、電気的追加エネルギー或いは燃料添加を通じて行うことができる。燃料添加による再生は、ディーゼル微粒子フィルタの耐久性の観点からは問題がある。何故なら、この場合にはディーゼル微粒子フィルタの耐用期間の短縮をもたらす金属灰の取り込みが行われるからである。 In addition to post-injection, the diesel particulate filter can be regenerated through additional electrical energy or fuel addition by means of additional burners in the main or side flow of exhaust gas, or intervention in the engine stroke that results in temperature rise. be able to. Regeneration by adding fuel is problematic from the viewpoint of durability of the diesel particulate filter. This is because, in this case, metal ash is taken in, which shortens the service life of the diesel particulate filter.
本発明に基づく方法は、それに対して、内燃機関の燃料消費を増加させること無しに、フィルタの再生を可能にする、内燃機関の排気ガス領域内に配置された排気ガス浄化システムの作動方法を提供する。 The method according to the invention, on the other hand, provides a method for operating an exhaust gas purification system arranged in the exhaust gas region of an internal combustion engine, which enables regeneration of the filter without increasing the fuel consumption of the internal combustion engine. provide.
本発明によれば、内燃機関の少なくとも一つの燃焼室を通る空気流量の引き下げによって、燃料消費量をほとんど同じに保ちながら混合気の発熱量の顕著な引き上げと、それに伴うフィルタの再生のために必要な排気ガス温度の引き上げが達成される。 According to the present invention, by reducing the air flow rate through at least one combustion chamber of an internal combustion engine, the heat generation amount of the air-fuel mixture is significantly increased while maintaining the fuel consumption almost the same, and the filter regeneration associated therewith is reduced. The required increase in exhaust gas temperature is achieved.
内燃機関の少なくとも一つの燃焼室を通る空気流量の引き下げは、予め定められた全ての運転段階の間に連続的に行われることが好ましい。空気流量のこの連続的な引き下げによって定められた範囲内でのフィルタの連続的再生が或る程度可能である。その際、例えフィルタの完全な再生ができなくても、例えば燃焼室内への或いは排気ガス管内へのディーゼル燃料のポスト噴射という形での追加措置による、或いは例えば燃料添加による、フィルタの断続的再生の間隔が引き延ばされる。 The reduction of the air flow rate through at least one combustion chamber of the internal combustion engine is preferably carried out continuously during all predetermined operating phases. To some extent, continuous regeneration of the filter within the range defined by this continuous reduction in air flow is possible. In this case, even if the filter cannot be completely regenerated, it can be regenerated intermittently, for example by additional measures in the form of post-injection of diesel fuel into the combustion chamber or into the exhaust gas pipe, or by fuel addition, for example. The interval of is extended.
フィルタの再生が行われる、予め定めておくことのできる運転段階は内燃機関の部分負荷領域とすることが好ましい。
内燃機関の少なくとも一つの燃焼室を通る空気流量の引き下げは、純粋に原理的には様々な手法で実現することができる。一つの有利な実施態様によれば、内燃機関の少なくとも一つの燃焼室を通る空気流量の引き下げを、少なくとも一つの燃焼室の少なくとも一つの吸気弁の早期方向へ移動された閉弁によって、ミラーの方法(Miller-Verfahren)と同様にして実現するということが考えられている。少なくとも一つの吸気弁の閉弁というのは、本発明では、燃焼室当たりそれぞれ一つの吸気弁を備えている内燃機関の場合には、その吸気弁の早期方向へ移動された閉弁と理解される。これは内燃機関の一つ又は複数の燃焼室で、シリンダの数とそれ等のシリンダの作動行程に応じて行われる。燃焼室当たり、例えば二つの吸気弁を備えている内燃機関の場合には、一つの又は複数の燃焼室の両方の吸気弁のミラーの方法と同様の早期方向へ移動された閉弁と理解される。
The predetermined operating stage in which the filter is regenerated is preferably a partial load region of the internal combustion engine.
The reduction of the air flow rate through the at least one combustion chamber of the internal combustion engine can be realized in various ways purely in principle. According to one advantageous embodiment, the reduction of the air flow rate through the at least one combustion chamber of the internal combustion engine is caused by the closing of the mirror moved by the early closing of the at least one intake valve of the at least one combustion chamber. It is considered to be realized in the same way as the method (Miller-Verfahren). In the present invention, the closing of at least one intake valve is understood to be the closing of the intake valve that is moved in the early direction in the case of an internal combustion engine having one intake valve per combustion chamber. The This is done in one or more combustion chambers of the internal combustion engine, depending on the number of cylinders and their operating strokes. In the case of an internal combustion engine with two intake valves per combustion chamber, for example, it is understood that the valve is moved in an early direction similar to the mirror method of both intake valves of one or more combustion chambers. The
代わりの手法として或いは追加として、一つ又は複数の吸気弁の早期の閉弁に加えて、一つ又は複数の排気弁の早期閉弁を考えることもでき、それによれば残留ガス量が引き上げられ且つ内燃機関の燃焼室を通る空気流量が引き下げられる。この場合にも、また燃焼室当たり一つの排気弁を備えている内燃機関の場合には、少なくとも一つの燃焼室のその排気弁が早期に閉弁される。燃焼室当たり二つ以上、特に燃焼室当たり二つの排気弁を備えている内燃機関の場合には、少なくとも一つの燃焼室のそれ等の二つの排気弁が早期に閉弁される。 As an alternative or in addition, in addition to the early closing of one or more intake valves, one can also consider the early closing of one or more exhaust valves, which increases the residual gas volume. In addition, the air flow rate through the combustion chamber of the internal combustion engine is reduced. Also in this case, in the case of an internal combustion engine with one exhaust valve per combustion chamber, the exhaust valve of at least one combustion chamber is closed early. In the case of an internal combustion engine with two or more exhaust valves per combustion chamber, in particular two exhaust valves per combustion chamber, these two exhaust valves of at least one combustion chamber are closed early.
これ等の実施態様は可変弁駆動を前提としている。この設計の基本的考え方は、従来、例えば船舶用エンジン等の大型ディーゼルエンジンでのみ用いられていたいわゆるミラー法であり、これを自動車のための直接噴射式のディーゼルエンジンに用いて、その原理に応じた高い空気過剰の部分負荷領域内で混合気発熱量とそれに伴う排気ガス温度の顕著な引き上げをもたらすというものである。この方法の利点は、一つ又は複数の吸気弁の閉弁の早期方向への移動および/または一つ又は複数の排気弁の閉弁の早期方向への移動に基づいて、一つにはわずかな燃料消費量の増加しか生じない上に、この方法によれば未処理の排気ガスの悪化が生じないということにある。 These embodiments are based on variable valve drive. The basic idea of this design is the so-called Miller method, which has been used only in large diesel engines such as marine engines, and is used in direct injection diesel engines for automobiles. Accordingly, the heat generation amount of the air-fuel mixture and the accompanying increase in the exhaust gas temperature are brought about within the corresponding high air-excess partial load region. The advantages of this method are, in part, based on the early movement of the closing of one or more intake valves and / or the early movement of the closing of one or more exhaust valves. In addition to a significant increase in fuel consumption, this method does not cause deterioration of untreated exhaust gas.
この方法の別の実施態様によれば、空気流量の引き下げは、インテークマニホルドの中に配置された少なくとも一つのスロットルバルブによってもたらされる。
その際、排気ガス浄化システムは様々な手法で作ることができる。ある設計によれば、酸化反応をもたらす触媒層が酸化触媒によって作られ、その後方にディーゼル微粒子フィルタが接続されている。
According to another embodiment of the method, the reduction in air flow is provided by at least one throttle valve located in the intake manifold.
At that time, the exhaust gas purification system can be made by various methods. According to one design, a catalyst layer that brings about an oxidation reaction is made by an oxidation catalyst, behind which a diesel particulate filter is connected.
別の実施態様では、一体化された触媒コーティングを持つディーゼル微粒子フィルタ、いわゆる触媒すすフィルタ(Catalytic Soot Filter)が備えられている。
酸化反応をもたらす触媒層と微粒子フィルタから成る組み合わせは、ここで述べられている方法のために絶対に必要である。何故なら、先ず触媒層によって酸化窒素からに酸化窒素への酸化が行われるが、この酸化が微粒子フィルタ、特にディーゼル微粒子フィルタの連続的再生のために必要だからである。そのような連続的な再生は、炭素Cに対するに酸化窒素NO2の割合が8よりも大きいか又は等しいときにしか行われない。
In another embodiment, a diesel particulate filter with an integrated catalyst coating, a so-called catalytic soot filter, is provided.
A combination of a catalyst layer and a particulate filter that provides an oxidation reaction is absolutely necessary for the method described herein. This is because the catalyst layer first oxidizes from nitric oxide to nitric oxide because this oxidation is necessary for the continuous regeneration of the particulate filter, in particular the diesel particulate filter. Such continuous regeneration occurs only when the ratio of nitric oxide NO 2 to carbon C is greater than or equal to 8.
図1には、内燃機関の燃焼室100が例として略示されており、この燃焼室の中でピストン105が既に知られている方法で上下運動をする。燃焼室100は、インレットダクト110とアウトレットダクト120とを備えている。アウトレットダクト120は、排気ガス系160中に口を開いており、この排気ガス系の中に酸化触媒130と微粒子フィルタ140とを含む排気ガス浄化システムが配置されている。酸化反応をもたらす触媒層130と微粒子フィルタ140を配置する代わりにそれ自体既知のCSF(Catalytic Soot Filter:触媒すすフィルタ)、即ち、コーティングされた微粒子フィルタで、その触媒層が酸化反応、とりわけ酸化窒素NOから二酸化窒素NO2への酸化をもたらすフィルタを備えることもできる。
FIG. 1 schematically shows a
インレットダクト110は、燃焼室100と吸気弁112によって接続されることができる。アウトレットダクト120は、燃焼室と排気弁122によって接続されることができる。吸気弁112も排気弁122も可変弁駆動装置によって制御され、それによって吸気時間及び排気時間を定められた限度内で変化させることができる。吸気弁112と排気弁122は、例えば電気油圧式の弁駆動装置又はそれと同等のものによって制御することができる。その際、この制御はエンジン制御装置150を介して行うことができる。
The
微粒子フィルタ140の微粒子付着はそれ自体既知の手法で、例えば排気ガスの流れの方向に見てフィルタ140の前方と後方の排気ガスの圧力差を測定する差圧センサ145によって測定される。この差圧センサ145の出力信号もまた、制御装置150へ送られる。内燃機関の様々な運転状態は、適当なセンサ類によって、例えば回転数の測定のためのセンサ、燃焼温度の測定のためのセンサ等によって、測定される。これ等の多数のセンサ類の代表として、図1にはセンサ160が示されており、このセンサの出力信号は制御装置150へ送られる。
Particulate adhesion on the
インレットダクト110の中は更にスロットルバルブ170が配置されており、このバルブの位置は制御装置150で決定され且つ電気的に制御可能である。
微粒子フィルタ140の再生のための方法が次に図2を参照しながら説明される。
A
A method for regeneration of the
本発明の基本的考え方は、予め定めておくことのできる運転段階、即ち特に内燃機関の部分負荷領域の中で、内燃機関の燃焼室100を通る空気流量を引き下げるというものである。この考え方は、高い空気過剰率の部分負荷領域内での燃焼室100を通る空気流量の引き下げによって、混合気発熱量の又それに伴って排気ガス温度の顕著な引き上げをもたらすことができるというアイディアに基づいている。その際、排気ガス温度は、微粒子フィルタ140の受動的で、連続的な再生が可能となる程高められることができる。そのために、第一のステップ210で、再生のために必要な運転段階、即ち部分負荷領域になっているか否かがチェックされる。部分負荷領域になっている場合(肯定:yの場合)には、ステップ220で、後でなお詳しく説明される再生のための限界条件、特に炭素Cに対するに酸化窒素NO2の望ましい割合が存在しているか否かがチェックされる。再生のための限界条件が存在している場合(肯定:yの場合)には、ステップ230で、燃焼室を通る空気流量が引き下げられる。これは、例えば吸気弁112を早期に閉弁すること、即ち‘吸気弁112の閉弁時点のより早いクランクシャフト角度の方への移動’(即ち、吸気弁112の閉弁時点を、より早期のクランクシャフト角度の方へ移動させること)によって行われる。
The basic idea of the present invention is to reduce the air flow rate through the
この“より早期”方向への閉弁時点の移動はミラー法と同様にして行われる。しかしながらミラー法とは違って、ここでは、吸気弁の早期閉弁によって引き下げられた空気流量が排気ガスターボチャージャー、コンプレッサー等を用いて生成された吸気ダクト110内のより高い圧力によって均衡化されることはない。本発明によれば、正に吸気弁112の早期閉弁によって、ここで検討の対象とされている、いずれにせよ既に高い空気過剰率が存在している部分負荷領域にある燃焼室100内へのバラスト空気を減らすことが可能となり、それによって混合気発熱量及びそれに伴う再生のために必要な排気ガス温度の顕著な引き上げがもたらされる。
The movement at the valve closing time in the “earlier” direction is performed in the same manner as in the mirror method. However, unlike the Miller method, here the air flow reduced by the early closing of the intake valve is balanced by the higher pressure in the
純粋に原理的にいえば、燃焼室100を通る空気流量の引き下げはまた、ミラー法と同様の排気弁122の早期閉弁によって残留ガスの圧縮によって達成することができる。
燃焼室100を通る空気流量の引き下げは更に、代わりの手法として或いは追加としてスロットルバルブ170の対応する制御によっても行うことができる。
Purely in principle, a reduction in the air flow rate through the
The reduction of the air flow rate through the
上に述べられた方法の利点は、熱力学的限界条件に基づいて、新規ガス量の絞込みの場合には僅かな燃料消費量の増加しか発生せず、また排気ガス温度の引き上げによって微粒子フィルタ140の連続的で、受動的な再生がもたらされるということにある。更に、排気ガスダクト120内の未処理排気ガスの品質も改善される。これによって、低い温度領域内でも微粒子フィルタ140の完全な再生を達成する可能性が生まれる。
The advantages of the method described above are that, based on the thermodynamic limit conditions, only a slight increase in fuel consumption occurs when the new gas amount is narrowed down, and the
その際、この再生は好ましいことに全運転段階の間に、連続的に、即ち全部分領域内で行われる。その際、この連続的再生は次に説明される方法で行われる。酸化触媒130の中で排気ガス内に存在している一酸化窒素NOが二酸化窒素NO2へ酸化される。何故なら、一酸化炭素CO或いは二酸化炭素CO2へのすす、即ち炭素Cの酸化は、二酸化窒素NO2によれば、分子状の酸素O2によるときよりもはるかに低く且つ先に述べられた方法で実現可能な温度で行われるからである。それ故、酸化触媒130が常に、同時に発生するすすが酸化され且つ望ましくないすすの堆積とそれに伴う微粒子フィルタ140の中での圧力損失ができるだけ発生しないようにするだけの、多量の二酸化窒素NO2を生成すことが必要である。すすの酸化は、その際主として二酸化窒素NO2に対する炭素(すす)の割合によって決定される。完全な再生は、炭素Cに対する二酸化窒素NO2の割合が8よりも大きい時にのみ可能となる。
This regeneration is then preferably carried out continuously during the entire operating phase, i.e. in the entire subregion. In this case, this continuous reproduction is performed by the method described below. Nitric oxide NO present in the exhaust gas in the
排気ガス領域内に配置された微粒子フィルタ140の連続的再生のための上に説明された方法は、再生段階の間に僅かな燃料消費量の増加しか要求しない。何故なら微粒子フィルタ140で高い圧力損失は発生せず又、例えばポスト噴射によって行われる強制的再生に至るまでの時間間隔がはっきりと延長され且つそれによって燃料消費量の増加が顕著に抑制されるからである。また吸気弁の早期閉弁によって、燃焼開始前の充填温度を抑制しながら、同時により良い混合気均質化を実現することができるということも非常に有利である。このようにすることによって、未処理排気ガスの中のすすの排出を顕著に引き下げることができる。
The method described above for the continuous regeneration of the
その上更に、コールドスタート時の排出、とりわけ炭化水素と一酸化炭素の排出の改善が実現可能となり、この排出は、混合気発熱量の引き上げとそれに伴う平均ガス温度の引き上げによってはっきりと抑制される。 In addition, it is possible to improve cold start emissions, especially hydrocarbon and carbon monoxide emissions, and this emission is clearly suppressed by raising the heating value of the mixture and the associated average gas temperature. .
ここに説明された方法は、定められた運転段階の中で強制的再生が行われる、微粒子フィルタの再生のための従来技術から知られている方法と平行して採用することができるということが指摘されるべきである。その場合には、例えばポスト噴射によって強制再生が行われる二回の再生間隔の間の追加の間隔がはっきりと延長される。 The method described here can be adopted in parallel with the methods known from the prior art for the regeneration of particulate filters, in which a forced regeneration takes place in a defined operating phase. Should be pointed out. In that case, the additional interval between the two regeneration intervals in which forced regeneration is performed, for example by post injection, is clearly extended.
Claims (10)
微粒子フィルタ(140)の再生の予め定めておくことのできる作動段階の間に、内燃機関の少なくとも一つの燃焼室(100)を通る空気流量が引き下げられること、
を特徴とする排気ガス浄化システムの作動方法。 A catalyst layer (130) that is disposed in the exhaust gas region of the internal combustion engine and brings about an oxidation reaction and a particulate filter (140). At least one exhaust gas component is deposited during the operation of the internal combustion engine, and is predetermined. In a method of operating an exhaust gas purification system, which is regenerated from their exhaust gas components during a possible operating phase,
The air flow rate through the at least one combustion chamber (100) of the internal combustion engine is reduced during a pre-determinable operating phase of the regeneration of the particulate filter (140);
A method for operating an exhaust gas purification system.
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