JP4663397B2 - 内燃機関の少なくとも１つの排気通路内への燃料の配量方法およびその方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路内への燃料の配量方法、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。

欧州特許公開第１１３０２２７号から、ディーゼル内燃機関の排気通路内に配置されている粒子フィルタの再生支援装置が既知であり、この装置においては、粒子フィルタ再生のスタート時および保持時において、排気通路内への炭化水素の注入により排気温度が上昇される。排気温度は、酸化触媒手前において、触媒に隣接して配置されているディーゼル粒子フィルタ後方において、並びに触媒と粒子フィルタとの間において、測定される。設定排気目標温度が出発点であり、ディーゼル粒子フィルタは、再生を開始するために、この設定排気目標温度に上昇されなければならない。排気目標温度の上昇は、本質的にディーゼル燃料の後噴射により行われ、ディーゼル燃料の後噴射は、排気ガス内のＨＣ（炭化水素）成分を上昇させ、ＨＣ成分は酸化触媒内において発熱反応する。後噴射は、少なくとも、設定排気目標温度が測定されるまで保持される。

ドイツ特許公開第４４２６０２０号から、内燃機関の排気通路内に配置されている触媒の機能性のモニタ方法が既知であり、この方法は２つの温度信号に基づいている。第１の温度信号は触媒の下流側において測定される。第２の温度信号は、触媒内における炭化水素の発熱反応による温度上昇をシミュレートするモデルにより決定される。それに続いて、内燃機関の所定の運転状態において、２つの温度信号の比較が行われる。内燃機関のそれに続く運転において、２つの温度信号の比較により触媒の診断が行われる。

本発明の課題は、できるだけ正確な配量を可能にする、内燃機関の排気通路内への燃料の配量方法、およびその方法を実施するための装置を提供することである。

本発明によれば、加熱されるべき構成要素の温度を上昇させるために、燃料が発熱反応において変換され、加熱されるべき構成要素の目標温度または加熱されるべき構成要素手前の排気ガスの目標温度が設定される、内燃機関の少なくとも１つの排気通路内への燃料の配量方法において、設定される目標温度を達成するために、燃料の配量数量が、発熱反応モデルを使用して計算される。

本発明は、内燃機関の少なくとも１つの排気通路内へ燃料が配量され、加熱されるべき構成要素の温度を上昇させるために、燃料が発熱反応において変換されることから出発する。構成要素の目標温度または加熱されるべき構成要素手前の排気ガスの目標温度を達成するために必要な配量数量が、発熱反応モデルを使用して計算される。

本発明による方法は、燃料の最小配量数量により、加熱されるべき構成要素の設定目標温度が直接達成されるか、または少なくとも加熱されるべき構成要素手前の排気ガスの設定目標温度が達成されるという本質的な利点を有している。従来技術に比較して達成される燃料の節約は、配量数量の計算において、予め、モデルにより決定可能な温度上昇が発熱反応によって考慮されることによって達成される。これにより、燃料の過剰配量が回避される。

例えば、触媒および／または粒子フィルタである構成要素の加熱は、構成要素の必要な作動温度の急速設定を可能にする。構成要素が触媒である場合、最適転化が実行可能な温度レベルが最小燃料量により達成可能である。場合により、温度レベルの保持を保証するために触媒の加熱が必要である。他の利用は、再生の間においては、場合により吸蔵作動よりも高い温度に上昇されなければならない吸蔵触媒、特にＮＯｘ吸蔵触媒の加熱である。吸蔵触媒は、特に脱硫のために高い温度を必要とする。加熱されるべき構成要素の他の例として、堆積された粒子が燃焼する再生を開始し且つそれに続いて再生を保持するために、粒子フィルタの加熱が必要である。

発熱反応は、加熱されるべき構成要素自身内において行われてもよい。発熱反応は、構成要素の触媒作用コーティングにより支援される。代替態様または追加態様として、加熱されるべき構成要素手前の排気ガスが設定目標温度に加熱されてもよい。この場合、本質的に、加熱された排気ガスが加熱されるべき構成要素を加熱する。

本発明の基礎とされる発熱反応モデルは、それぞれの運転点においていかなる温度上昇が期待できるかを与える。
本発明による方法の更に有利な変更態様および形態が得られる。

本発明の一形態は、配量数量が、排気ガス質量流量に対する少なくとも１つの尺度の関数として計算されるように設計されている。
必要な燃料の配量数量は、必要な温度上昇、燃料の発熱量、排気ガス質量流量に対する尺度、排気ガス質量流量の比熱容量から、並びにモデルにより計算可能である。

本発明の他の形態は、配量数量が、加熱されるべき構成要素手前における排気温度の尺度の関数として計算されるように設計されている。必要な燃料配量数量は、加熱されるべき構成要素手前における排気温度の尺度を知ることにより、さらにより正確に計算可能である。

排気ガス質量流量は内燃機関の既知の運転変数から計算されることが好ましい。排気温度は、同様に内燃機関の既知の運転変数から計算されても、または排気温度センサにより測定されてもよい。

本発明の一形態は、配量数量の計算において、加熱されるべき構成要素の温度または加熱されるべき構成要素手前の排気温度の設定時間変化の特性変数が考慮されるように設計されている。設定時間変化の特性変数として、例えば、温度の設定時間変化の勾配および／または曲率が与えられ、これらは時間による一次ないし二次導関数に対応する。この手法により、温度変化を目的に合わせて設定することが可能となる。特に、この手法は、定常状態に続く目的に合わせて設定された変化の達成を可能にする。負荷切換においてないし非定常過程において、この手法により、加熱されるべき構成要素の設定目標温度または加熱されるべき構成要素手前の排気ガスの設定目標温度をできるだけ急速且つ正確に達成するために、注入されるべき燃料量の目的に合わせた適合が可能である。

本発明の一形態は、発熱反応モデルが、反応地点に隣接する排気通路領域を共に考慮するように設計されている。この手法は、加熱されるべき構成要素手前の排気ガスが設定目標温度に加熱されるべきであり且つ発熱反応が加熱されるべき構成要素手前のより長い区間において行われるとき、特に有利である。

本発明による装置は本質的に制御装置に対応し、この制御装置内にモデルが記憶され且つ制御装置内おいて計算が行われる。本発明による装置はさらにデータ媒体に対応し、データ媒体はコーディングされたモデルおよび計算を含む。データ媒体は、メーカーにおいて書き込まれても、または例えばインターネットを介してデータ伝送により書き込まれてもよい。

図１は内燃機関１０を示し、内燃機関１０の吸気通路１１内に空気センサ１２が配置され、内燃機関１０の排気通路２０内に、燃料注入装置２１、第１の排気温度センサ２２、触媒２３、第２の排気温度センサ２４、並びに粒子フィルタ２５が配置されている。触媒２３と粒子フィルタ２５との間に、触媒２３に隣接する所定の排気領域２６が存在する。排気通路２０内に、排気ガス質量流量ｍｓａｂｇが発生する。

内燃機関１０に燃料供給装置３０が付属され、制御装置３１は、燃料供給装置３０に燃料信号ｍＥを供給する。制御装置３１は、燃料注入装置２１に制御信号Ｓを出力する。
空気センサ１２は制御装置３１に空気信号ｍｓｌを出力し、内燃機関１０は回転速度Ｎを出力し、第１の排気温度センサ２２は第１の排気実際温度ＴａｂｇｖＫを出力し、第２の排気温度センサ２４は第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＰＦを出力する。制御装置３１にはトルク目標信号Ｍｆａが供給される。

図２に示されている方法のフローは、ステップ５０における目標温度ＴＳＷの決定から開始する。第２のステップ５１において、第１および第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＫ、ＴａｂｇｖＰＦが決定される。第３のステップ５２において、排気ガス質量流量ｍｓａｂｇが決定される。第４のステップ５３において、配量数量ｍｓＨＣが計算される。第５のステップ５４において、配量数量ｍｓＨＣが１回修正され、第６のステップ５５において再度修正される。それに続く問い合わせ５６において、目標温度ＴＳＷが保持されるべきかまたは変化されるべきかが検査される。

本発明による方法は次のように行われる。
制御装置３１は、はじめに、例えば図示されていない自動車の加速ペダルの位置の関数であるトルク目標値Ｍｆａの関数として、燃料信号ｍＥを決定する。燃料信号ｍＥは、内燃機関１０の燃料供給装置３０に、少なくとも１つの所定の時点において所定の燃料量を供給するように指示する。燃料信号ｍＥの決定において、制御装置３１は、場合によりさらに、空気センサ１２から供給される空気信号ｍｓｌおよび／または内燃機関１０から供給される回転速度Ｎを考慮してもよい。

内燃機関１０の排気ガスは、少なくとも１つの排気通路２０内に供給される。図示の実施例においては、排気通路２０内に触媒２３および粒子フィルタ２５が配置されている。触媒２３は、特定の排気ガス成分を吸蔵および／または転化し、一方、粒子フィルタ２５は、排気ガス内に含まれている粒子を堆積させる。

触媒２３内において行われる触媒反応は、既知の温度範囲内において最適に進行する。吸蔵触媒、特にＮＯｘ吸蔵触媒が使用される場合、再生のために、吸蔵作動よりも高い温度範囲が必要となることがある。

粒子フィルタ２５は蓄積状態の関数として再生を必要とし、再生は粒子の燃焼により行われる。再生を開始させるために特定のスタート温度が必要である。再生を保持するために、一般に同様に、特定の温度レベルが保持されなければならず、この温度レベルは、再生の間に発熱酸化反応により確実に保持されるとはかぎらない。触媒２３および粒子フィルタ２５は、加熱されるべき構成要素の例である。

加熱は、内燃機関１０の排気通路２０内への燃料の注入により行われ、この注入は、発熱反応において、加熱されるべき構成要素２３、２５の温度を設定目標温度ＴＳＷに上昇させるように働く。発熱反応は、加熱されるべき構成要素２３、２５内において直接行われてもよい。加熱されるべき構成要素２３、２５が触媒２３として形成されている場合、触媒作用表面が既に存在している。加熱されるべき構成要素２３、２５が、通常のように、例えば粒子フィルタ２５の場合のように触媒作用表面を有していない場合、対応の触媒作用コーティングが設けられてもよい。

他の方法は、排気ガスが、加熱されるべき構成要素２３、２５手前において、発熱反応により目標温度ＴＳＷに加熱されることによって与えられている。この場合、発熱反応は、例えば加熱されるべき構成要素２３、２５手前に配置されている触媒作用面において行われる。加熱されるべき構成要素２３、２５の加熱は、この場合、加熱された排気ガスを介して間接的に行われる。

図示の実施例においては、触媒作用面は、例えば酸化触媒である触媒２３により供給可能である。この場合、加熱されるべき構成要素２３、２５は、触媒２３後方に配置されている粒子フィルタ２５である。

排気温度の上昇は、触媒面による支援がなくても、燃料と、排気通路２０内に注入される図示されていない二次空気との反応により可能であり、二次空気は、加熱されるべき構成要素２３、２５手前に発熱反応領域を形成するように供給される。

モデルは、発熱反応が、加熱されるべき構成要素２３、２５手前に配置されている触媒内で行われるか、加熱されるべき構成要素２３、２５内において直接行われるか、または排気通路２０内においてのみ行われるかとは無関係に、発熱反応をモデル化する。場合により、モデル形成において、一般に熱伝導および熱放射により温度低下を形成させる所定の排気領域２６が使用されるべきである。

図示の実施例においては、第１の排気温度センサ２２により測定される第１の排気実際温度ＴａｂｇｖＫが、必要な温度上昇に対する出発点として使用されてもよい。このとき、第２の排気温度センサ２４により測定される第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＰＦが設定されるべき目標温度ＴＳＷであってもよく、第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＰＦは、加熱されるべき構成要素２３、２５後方において、理想的には加熱されるべき構成要素２３、２５内において直接測定される。

燃料として、例えば炭化水素、動力燃料または可燃性ガスが使用される。燃料はエンジン内部において発生されても、または燃料注入装置２１により排気通路２０内に注入されてもよい。エンジン内部における燃料注入は、燃料供給装置３０が主燃焼後において少なくとも１つの未燃焼燃料噴射を実行することにより行われてもよい。実施例に示されている燃料注入装置２１は、排気通路２０内への燃料の注入をエンジン外部から実行する可能性に対する一例を示す。この場合においてもまた、制御装置３１は制御信号Ｓにより時期および量を決定する。

方法のフローは、第１のステップ５０における目標温度ＴＳＷの決定から開始する。本発明による方法の簡単な実施においては、第１のステップ５０の直後に、排気ガス質量流量ｍｓａｂｇに対する尺度が決定される第３のステップ５２が行われてもよい。

場合により、加熱されるべき構成要素２３、２５手前の排気温度の決定を行う第２のステップ５１が設けられている。図示の実施例においては、第１の排気実際温度ＴａｂｇｖＫおよび／または第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＰＦが測定される。

第４のステップ５３において、配量数量ｍｓＨＣが、少なくとも、第１のステップ５０において決定された目標温度ＴＳＷ、第３のステップ５２において決定された排気ガス質量流量ｍｓａｂｇに対する尺度の関数として、並びに発熱反応モデルの関数として決定される。この場合、特に、モデルの関数としての配量数量ｍｓＨＣの決定が重要である。従来から既知となっている方法に比較して、手法の決定において、該当する手法の影響が予め考慮可能であることにより利点が得られる。

第４のステップ５３において、配量数量ｍｓＨＣが、さらに第１の排気実際温度ＴａｂｇｖＫおよび／または第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＰＦの関数として決定されることが有利である。

本発明による方法の有利な形態は、配量数量ｍｓＨＣが、目標温度ＴＳＷ変化の特性変数の関数として決定されるように設計されている。この手法により、発熱反応の間および発熱反応後に発生する温度変化を、目的に合わせて目標温度ＴＳＷの設定時間変化に適合させることが可能となる。

第５のステップ５４において、目標温度ＴＳＷの設定時間変化の一次導関数の関数として、配量数量ｍｓＨＣの修正が行われている。第６のステップ５５において、場合により、目標温度ＴＳＷの設定時間変化の二次導関数の関数として、他の修正が行われている。一次導関数は目標温度ＴＳＷの設定されるべき時間変化の勾配に対応し、二次導関数は目標温度ＴＳＷの設定されるべき時間変化の曲率に対応する。導関数形成の実行は、例えば差商の計算により可能であり、この場合、目標温度ＴＳＷの設定されるべき時間変化が比較的大きな領域においては、変化が比較的小さな領域においてよりもより多くの区間分割点が設けられてもよい。

第６のステップ５５の後に、設定目標温度ＴＳＷが既に到達されたかどうかの検査が行われてもよい。さらに、目標温度ＴＳＷが、所定の時間の間、または設定目標温度ＴＳＷにおける１つの現象が発生するまで保持されるように設計されていてもよい。このような現象は、例えば、加熱されるべき構成要素２３、２５としての、吸蔵触媒として形成されている触媒２３または粒子フィルタ２５の再生終了を通知する信号である。

したがって、図示の実施例においては、問い合わせ５６において、設定されるべき目標温度ＴＳＷの変化が行われるべきかどうかの検査が実行される。これが否定（ｎｏ）の場合、目標温度ＴＳＷは保持される。これが肯定（ｙｅｓ）の場合、新たな目標温度ＴＳＷが設定される。その後に、フローは再び第１のステップ５０に戻される。方法のフロー全体は常に周期的に実行される。

目標温度ＴＳＷは純操作により設定されてもよく、この場合、内燃機関１０の運転状態の変化により発生された排気通路２０内の変化が、操作変数の計算において考慮される。設定目標温度ＴＳＷへの制御が行われてもよいことは明らかである。制御においては、実際温度を希望目標温度ＴＳＷと比較可能にするために、加熱されるべき構成要素２３、２５の温度が測定されることが目的に適っている。加熱されるべき構成要素２３、２５後方における排気温度が測定され、且つそれが加熱されるべき構成要素２３、２５の実際温度に対する尺度として評価されてもよく、このことは有効である。

修正においては、加熱されるべき構成要素２３、２５の質量および構成要素２３、２５の比熱容量が考慮されてもよい。さらに、構成要素２３、２５と周囲との間の熱伝達がモデル化されてもよい。

必要な燃料の配量数量ｍｓＨＣは、必要な温度上昇、燃料の発熱量、排気ガス質量流量ｍｓａｂｇに対する尺度、排気ガス質量流量の比熱容量から、並びに記憶モデルにより計算可能である。

排気ガス質量流量ｍｓａｂｇに対する尺度は、簡単な形態においては、内燃機関１０の吸気通路１１内に配置されている空気センサ１２が供給する空気信号ｍｓｌから予め決定されてもよい。場合により、さらに燃料信号ｍＥが考慮されてもよい。発熱反応手前の第１の排気ガス温度ＴａｂｇｖＫおよび発熱反応が加熱されるべき構成要素２３、２５手前で発生する場合における第２の排気実際温度ＴａｂｇｖＰＦは、同様に、空気信号ｍｓｌから、および燃料信号ｍＥおよび／または排気ガス再循環率および／または周囲空気温度を使用して計算されてもよい。したがって、排気温度センサ２２、２４は省略されてもよい。

本発明による方法がその中で実行される技術的周辺図である。 本発明による方法の流れ図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ 吸気通路
１２ 空気センサ
２０ 排気通路
２１ 燃料注入装置
２２、２４ 排気温度センサ
２３ 触媒
２５ 粒子フィルタ
２６ 排気領域
３０ 燃料供給装置
３１ 制御装置
Ｍｆａ トルク目標信号
ｍＥ 燃料信号
ｍｓａｂｇ 排気ガス質量流量
ｍｓＨＣ 配量数量
ｍｓｌ 空気信号
Ｎ 回転速度
Ｓ 制御信号
ＴａｂｇｖＫ 第１の排気実際温度
ＴａｂｇｖＰＦ 第２の排気実際温度
ＴＳＷ 目標温度

Claims (10)

1. 加熱されるべき構成要素（２３、２５）の温度を上昇させるために、燃料が発熱反応において変換され、加熱されるべき構成要素（２３、２５）の目標温度（ＴＳＷ）または加熱されるべき構成要素（２３、２５）手前の排気ガスの目標温度（ＴＳＷ）が設定される、内燃機関（１０）の少なくとも１つの排気通路（２０）内への燃料の配量方法において、
   設定される目標温度（ＴＳＷ）を達成するために、燃料の配量数量（ｍｓＨＣ）が、発熱反応モデルを使用して計算されること、
   を特徴とする内燃機関の少なくとも１つの排気通路内への燃料の配量方法。
2. 配量数量（ｍｓＨＣ）が、排気ガス質量流量（ｍｓａｂｇ）に対する尺度の関数として計算されることを特徴とする請求項１に記載の配量方法。
3. 配量数量（ｍｓＨＣ）が、加熱されるべき構成要素（２３、２５）手前において発生する排気温度（ＴａｂｇｖＫ、ＴａｂｇｖＰＦ）の関数として計算されることを特徴とする請求項２に記載の配量方法。
4. 配量数量（ｍｓＨＣ）の計算において、目標温度（ＴＳＷ）変化の少なくとも１つの特性変数が使用されることを特徴とする請求項１に記載の配量方法。
5. 目標温度（ＴＳＷ）変化の特性変数として、目標温度（ＴＳＷ）変化の勾配および曲率の少なくともいずれかが計算されることを特徴とする請求項４に記載の配量方法。
6. 排気実際温度（ＴａｂｇｖＫ、ＴａｂｇｖＰＦ）および加熱されるべき構成要素（２３、２５）の実際温度の少なくともいずれかが、少なくとも１つの温度センサ（２２、２４）により測定されることを特徴とする請求項３に記載の配量方法。
7. 前記発熱反応が触媒（２３）内で行われること、および
   モデルが触媒（２３）を考慮すること、
   を特徴とする請求項１に記載の配量方法。
8. 前記モデルが、触媒（２３）に隣接する所定の排気領域（２６）を考慮することを特徴とする請求項７に記載の配量方法。
9. 前記発熱反応が粒子フィルタ（２５）内で行われること、および
   前記モデルが粒子フィルタ（２５）を考慮すること、
   を特徴とする請求項１に記載の配量方法。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の方法を実施するための装置。

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