JP4099272B2 - 内燃機関の排気系の窒素酸化物用トラップの再生方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子エンジン制御ユニットを有する内燃機関の排気系の窒素酸化物用トラップを再生する方法に関する。ここで、この電子エンジン制御ユニットを用い、多くのエンジン運転状態に応じて、内燃機関に対してリーン又は略理論空燃比の空気／燃料混合気のいずれが供給されているかが判断され、そして、これを用いて、所定の第１開始条件のもとでは、窒素酸化物用トラップの基本再生サイクルが開始される。
【０００２】
【従来の技術】
リーン・バーン作動中には特に起こる窒素酸化物の排出を減らすために、リーン・バーン作動用に設計された内燃機関（リーン・バーン・エンジン）を備える自動車においては、上述の窒素酸化物用トラップを、一般的な三元触媒と組み合わせて用いるのが好ましい。窒素酸化物の分子はトラップの被覆に沈殿し、排気からは除去される。窒素酸化物用トラップの長期間の使用を可能とするために、ある程度飽和した時点で、再生サイクルが必要となる。この目的のために、エンジンはリッチ空気／燃料空燃比（例えばラムダλ＝０．７５）で短時間運転されるのが普通である。この様な状態において、沈殿した窒素酸化物が、触媒の影響のもとで、窒素と酸素に分離し、酸素が余剰水素又は一酸化炭素と共に燃焼して、水または二酸化炭素となる。
【０００３】
公知の窒素酸化物用トラップの問題点は、所定の運転状態において、既に固着した窒素酸化物が、変換することなく、窒素酸化物用トラップから再度遊離するということである。内燃機関が高回転／高負荷領域においてリーン・バーン運転から理論空燃比運転へと移行する時に特に、上述の問題が起こる。この移行時において窒素酸化物用トラップがかなり大量の窒素酸化物を既に貯えている場合には、未変換の窒素酸化物の遊離が起こりやすい。窒素酸化物のこの様に自由な遊離により、定常運転における排気値が満足出来るものであったとしても、厳格な排気試験に不合格となる可能性がある。
【０００４】
この様な排出ピークを避けるため、内燃機関がリーン混合気で運転される回転速度／負荷のウインドウを小さくし、先に述べた問題が起きない程度に低い負荷と回転速度においてリーン・バーンから理論空燃比への移行が起こる程度の大きさとするという提案が知られている。しかしながら一方で、燃料節約の可能性を最大にするために、エンジンを、出来るだけ大きな回転速度／負荷においてリーン空燃比で運転することが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、リーン・バーンから理論空燃比への移行時の排出ピークを避けることが出来、出来るだけ大きな回転速度／負荷領域でリーン・バーン運転が行なえることが確実である、上述の種類の方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明によれば、リーン・バーンから理論空燃比への移行が起こり、所定の第２開始条件が得られると、窒素酸化物用トラップの追加再生サイクルが開始される。すなわち、窒素酸化物用トラップによりトラップされた窒素酸化物の量に対応する窒素酸化物量値が求められ、窒素酸化物量値が所定の第１閾値を越えた第１状態において基本再生サイクルが開始され、窒素酸化物量値が第１閾値よりも低い第２閾値を越えた第２状態においては追加再生サイクルが開始される。この追加再生サイクルにより、窒素酸化物用トラップは理論空燃比への移行前に再生され、貯えられた窒素酸化物の自由な遊離はもはや起こらない。
【０００７】
この様にして、窒素酸化物用トラップの追加再生はリーン・バーンと理論空燃比の全ての移行時で行われるのでなく、窒素酸化物のある最小量が窒素酸化物用トラップに貯えられた時にのみ行われる。燃料消費量を増大させる不必要な再生サイクルがこの様にして避けられる。
【０００８】
上記基本再生サイクルに必要な基本再生時間は、窒素酸化物用トラップ近傍の排気温度と排気の質量流量とに応じた関数関係を用いて決定する。
【０００９】
上記追加生成サイクルを実行するのに必要とされる追加再生時間は、現時点での窒素酸化物量値の第１閾値に対する比によって基本再生時間を乗算することによって計算される 。追加再生サイクルが実行される時に、窒素酸化物用トラップが貯えている窒素酸化物の量は、基本再生サイクルの場合よりも少ないのが一般的であることを考慮すると、それに対応して、追加の燃料消費を最小にするために、再生時間を短くすることが出来る。本発明おいては、固定のオフセット値を上述の方法により決定された再生時間に加算する。これは、内燃機関からのリッチ・ピークが三元触媒を通って窒素酸化物用トラップへと到達するのに要する時間を考慮している。
【００１０】
本発明の好ましい実施例によれば、リッチな空気／燃料混合気が再生サイクル中にエンジンに供給される。
【００１１】
本発明の更に効果的な実施例によれば、窒素酸化物用トラップのその時点での窒素酸化物トラップ率と、上記窒素酸化物量値とが、エンジン制御ユニットにより時間微分を用いて近似的に求められ、基本又は追加の再生サイクルの各実行後に窒素酸化物量値が初期化される。
【００１２】
費用面での許容範囲内で窒素酸化物の実際のトラップ率の計測を行なうことは殆ど不可能であるので、エンジン回転速度、エンジン負荷、空燃比及び窒素酸化物用トラップ近傍の排気の温度と質量流量に応じて、関数関係を用いて、窒素酸化物の現時点でのトラップ率を近似的に決定する方が、より効果的である。その様な関数関係は、関数形態又はルックアップ・テーブルとしてメモリーに組み込むことが出来、試験台でのデータを用いて決定するのが好ましい。
【００１３】
窒素酸化物の自由な遊離は基本的にある回転速度／負荷領域からのリーン・バーン／理論空燃比の移行時にのみ起こるので、更に別の実施例においては、所定の回転速度／負荷領域において内燃機関が作動している時に、リーン・バーンの回転速度／負荷領域の所定の小領域から理論空燃比運転領域への移行が、追加再生サイクルの開始のための条件とされる。リーン・バーン運転領域の小領域は、高回転又は高負荷領域にあるのが好ましい。この追加（第２）開始条件の結果、不必要な再生サイクルが避けられる。
【００１４】
更に、窒素酸化物用トラップの再生に必要なリッチ再生空燃比は、窒素酸化物用トラップの領域内の排気温度と排気質量流量とに応じた関数関係を用いて決定出来る。この様にして決定された再生空燃比は、基本及び追加再生サイクルの両方において用いられるのが好ましい。
【００１５】
以下に本発明を、図面を参照し、例を用いて、より詳細に説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
最初に図１を参照すると、多気筒内燃機関１０は電子エンジン制御ユニット１２により制御され、電子エンジン制御ユニット１２は現在のエンジン現在回転速度、吸入通路中の空気質量流量センサー３０からの信号又はドライバーのアクセル・ペダルの現在位置などの複数の入力信号２４を受信する。エンジン制御ユニットは、電子スロットル弁２０、点火システム１８及び噴射システム２６を制御するアルゴリズムを実行する。電子スロットル弁２０と噴射システム１８によって、シリンダーへと供給される混合気の空燃比ラムダを広い範囲にわたって変化させることが出来、特にある運転状態においては、リーンな空燃比を設定することが出来る。エンジンからの排気は、排気処理システムへと供給される。これは、三元触媒コンバーター１４と窒素酸化物用トラップ１６とからなる。温度センサー２２を用いて、排気処理システムの空間的近傍における排気温度が計測される。
【００１７】
図２は、窒素酸化物用トラップによりトラップされた窒素酸化物の量値Ｘ、設定された空気／燃料比率ラムダ（λ）及び窒素酸化物排出量を表す値ＮＯｘの時間的変化を質的に示している。図２に示されたシーケンスの開始時に、内燃機関は空燃比ラムダが１．５であるリーン・バーン・モードで運転されている。エンジン制御ユニットは時間間隔毎に、窒素酸化物の現在のトラップ率を、エンジン回転速度、エンジン負荷、空燃比、排気温度及び排気質量流量に応じた関数関係を用いて計算し、この比率を微分して窒素酸化物量値Ｘを与える。この値が閾値Ｓ１（６０）を越えた場合には、期間ＴＲ１の間、再生用空燃比が０．７５で基本再生サイクルが実行され、窒素酸化物量値Ｘはゼロに初期化される。
【００１８】
図２に示す例において、リーン・バーンから理論空燃比運転モードへの移行は時点ｔｓにおいて起こる。この時点において、窒素酸化物量値Ｘは第２閾値Ｓ２よりも上にあるので、ＴＲ１よりも短い期間ＴＲ２の間、再生用空燃比が０．７５である追加再生サイクルが実行され、値Ｘはゼロへと初期化される。この追加再生サイクルの後でのみ、理論空燃比つまりλ＝１．０に設定される。
【００１９】
追加再生サイクルの無い従来技術の方法においては、図２における破断曲線により示される様に、本発明の方法と対比して、望ましくない窒素酸化物の排出ピーク６６が起こる。
【００２０】
図３において、エンジンの回転速度／負荷の概略図が示されている。各エンジン回転速度ｎにおける最大エンジン・トルクＭＤが、全負荷曲線４６により与えられる。領域４２において、エンジン制御ユニットにより内燃機関のリーン・バーン運転が許可され、この領域の上又は右側においては、符号４８において示された領域においてエンジンが理論空燃比で運転される。リーン・バーン領域４２の小領域５０からの移行（例えば５２、５４）においてのみ、未変換の窒素酸化物の自由な遊離が起こる。それで、エンジン制御ユニットが小領域５０から領域４８への移行を検出した時にのみ、追加再生サイクルが開始される。
【００２１】
図４に示される様に、本発明の方法によりエンジンの運転中に継続的に実行される監視ループの遂行は、ステップ８２における窒素酸化物量値Ｘの決定により始まる。ステップ８４において、Ｘは第１閾値Ｓ１と比較される。この値を超えると、基本再生サイクルが開始される。この目的のために、ステップ８６において、窒素酸化物用トラップ近傍の排気温度と質量流量に応じて、再生に必要とされる空燃比λ_Ｒと必要な基本再生時間ＴＲ１とが各々、計算される。これらのパラメータを用いて、基本再生サイクルがステップ８８において実行され、窒素酸化物量値Ｘはゼロへと初期化される。ステップ８４においてＳ１を越えていない場合に、Ｘは更にステップ９０において第２の低い閾値Ｓ２と比較される。エンジン制御ユニットが図２に示す小領域５０から領域４８への移行を検出し更にＸが閾値Ｓ２を越えた場合には、エンジン制御ユニットは追加再生サイクルを開始する。追加再生時間ＴＲ２はＴＲ１と比較して、ステップ９４に示す様に、現在の窒素酸化物量値Ｘの閾値Ｓ１に対する比率だけ小さい。尚、内燃機関からのリッチ・ピークが三元触媒を通って窒素酸化物用トラップへと到達するのに要する時間を考慮して、Ｘの第１閾値Ｓ１に対する比によって基本再生時間を乗算した値に固定のオフセット値を加算する。そしてステップ９６において、追加再生サイクルが開始され、窒素酸化物量値Ｘはゼロへと初期化される。
【００２２】
【発明の効果】
窒素酸化物用トラップは理論空燃比への移行前に再生され、貯えられた窒素酸化物の自由な遊離は起こらない。また、追加再生時間を短くして、追加の燃料消費を最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関及び本発明による方法を実行するエンジン制御システムの概略図である。
【図２】 エンジン特性の時間的変化を示す概略図である。
【図３】 本発明による方法を説明するための回転速度／負荷特性の概略マップである。
【図４】 本発明による方法の概略的なフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ エンジン制御ユニット
１６ 窒素酸化物用トラップ

Claims (7)

1. エンジン制御ユニット（１２）を有する内燃機関（１０）の排気系の窒素酸化物用トラップ（１６）を再生する方法であって、
   上記エンジン制御ユニットを用いて、多くのエンジン運転パラメーターに応じて、上記内燃機関に対してリーン又は略理論空燃比の空気／燃料混合気のいずれかが供給されているかが判断され、
   上記窒素酸化物用トラップ（１６）によりトラップされた窒素酸化物の量に対応する窒素酸化物量値（Ｘ）が求められ、
   上記窒素酸化物量値が所定の第１閾値（Ｓ１）を越えた状態において上記窒素酸化物用トラップの基本再生サイクルが開始され、
   リーン・バーン運転モードから理論空燃比運転モードへの移行があり上記窒素酸化物量値が上記第１閾値よりも低い第２閾値を越えた状態において窒素酸化物用トラップの追加再生サイクルが開始され、
   上記基本再生サイクルに必要とされる基本再生時間（ＴＲ１）が、上記窒素酸化物用トラップ近傍の排気温度及び排気質量流量に基づいた関数関係を用いて決定され、
   上記追加再生サイクルを実行するのに必要な追加再生時間（ＴＲ２）は、上記現時点の窒素酸化物量値（Ｘ）の上記第１閾値（Ｓ１）に対する比によって上記基本再生時間を乗算しその積に所定のオフセット時間を加算することによって決定されることを特徴とする方法。
2. 上記両方の再生サイクル中において、リッチな空気／燃料混合気が内燃機関（１０）に供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記窒素酸化物用トラップ（１６）のその時点での窒素酸化物トラップ率と、上記窒素酸化物量値（Ｘ）とが、上記エンジン制御ユニットにより時間微分を用いて近似的に求められ、
   上記基本又は追加再生サイクルの各実行後に上記窒素酸化物量値（Ｘ）が初期化されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 上記窒素酸化物の現時点のトラップ率の近似的な決定は、現時点のエンジン回転速度、エンジン負荷、空燃比及び上記窒素酸化物用トラップ（１６）の近傍における排気の温度と質量流量に応じた関数関係を用いて実行されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
5. 上記内燃機関がリーン混合気で所定の回転速度／負荷領域（４２）において運転される時には、リーン・バーンの回転速度／負荷領域（４２）の所定の小領域（５０）から理論空燃比での運転領域（４８）への移行状態において追加再生サイクルが開始されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法。
6. 上記リーン・バーン運転領域（４２）の上記小領域（５０）は、回転速度及び／又は負荷が高い領域にあることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 上記窒素酸化物用トラップの再生に必要なリッチ再生空燃比が、窒素酸化物用トラップ近傍の排気温度と排気質量流量とに応じた関数関係を用いて決定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の方法。

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