JP2007170383A - 排気ガス後処理装置のモニタ方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の性能、特に触媒の還元剤吸蔵能力のモニタ方法および対装置を提供する。
【解決手段】エンジン・ブロック（１０）と、少なくとも１つの触媒（６０）を有する排気管（２０）とを備えた内燃機関（１）の排気ガス後処理装置であって、触媒（６０）内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が、注入装置（４０）により触媒（６０）上流側に注入される、前記排気ガス後処理装置のモニタ方法において、所定の基準運転点において、触媒（６０）の流れ方向後方における排気管（２０）内のアンモニア感知センサ（８０）によりアンモニアの溢流が検出されるまで、還元剤流量が増加される。これにより保証された最適な配量は、最小のアンモニアの溢流における高いＮＯｘ転化を可能にし、特に厳しい排ガス基準に関して有利である。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン・ブロックと、少なくとも１つの触媒を有する排気管とを備えた内燃機関の排気ガス後処理装置であって、触媒内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が注入装置により触媒上流側に注入される、排気ガス後処理装置のモニタ方法に関するものである。

本発明は、さらに、エンジン・ブロックと、排気ガス内のＮＯｘ含有量を決定するための少なくとも１つのＮＯｘセンサおよび少なくとも１つの触媒を有する少なくとも１つの排気管とを備えた内燃機関の排気ガス後処理装置であって、触媒内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が注入装置により触媒上流側に注入され、この場合、ＮＯｘセンサが、並びに触媒の温度測定および給気管内の空気測定のためのその他のセンサが、並びに触媒の流れ方向後方のアンモニア感知センサが、モニタ・ユニットと結合されている、排気ガス後処理装置のモニタ装置に関するものである。

自動車の窒素酸化物エミッションに関する将来の法規制基準値と関連して、対応の排気ガス処理が必要である。一時的に著しくリーンな、即ち酸素リッチな排気ガスにより内燃機関、特にディーゼル・エンジンからのＮＯｘエミッションを低減（脱窒）するために、特に、いわゆる選択接触還元（ＳＣＲ）法が使用可能である。この場合、排気ガスに、選択的に作用する還元剤の所定量が供給される。これは、例えばアンモニアの形であってもよく、アンモニアは気体として直接配量されるか、または尿素の形の先駆物質から、または尿素水溶液（ＨＷＬ）から得られてもよい。ＨＷＬは反応剤タンクから供給される。

ドイツ特許公開第１０１３９１４２号に、例えば、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を反応剤であるアンモニアにより窒素に還元する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開示されている。アンモニアは、ＳＣＲ触媒手前の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（ＨＷＬ）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アンモニアおよび二酸化炭素に変換する。第２のステップにおいて、アンモニアは窒素酸化物を窒素に還元し、この場合、副製品として水が発生される。正確なメカニズムは、専門文献に詳細に記載されている（ＷＥＩＳＳＷＥＬＬＥＲ著、ＣＩＴ（７２）、４４１−４４９頁、２０００年、参照）。

ドイツ特許公開第１９７３９８４８号に、内燃機関ＮＯｘ未処理エミッションが内燃機関の既知の運転変数から少なくとも近似的に計算可能な方法が開示されている。内燃機関の負荷および回転速度から求められる特性曲線群が出発点である。さらに、例えば空気数λの関数として補正が行われてもよい。

欧州特許出願第１０２４２５４号から、ＮＯｘエミッションを低減させるために、同様にＳＣＲ触媒が使用されている内燃機関の排気ガス処理装置が既知となっている。反応剤として同様に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（ＨＷＬ）から得られる。反応剤流量は、燃料噴射量および内燃機関の回転速度に基づき、並びに少なくとも排気ガスの特性変数、例えば排気温度に基づいて決定される。

欧州特許第６９７０６２号に、窒素酸化物含有排気ガス内への反応剤の注入制御方法および装置が開示されている。同様に反応剤としてアンモニアを必要とするＳＣＲ触媒が設けられ、アンモニアは、ＳＣＲ触媒の上流側の排気通路内に注入された反応剤から得られる。内燃機関ＮＯｘ未処理エミッションを決定するために、排気ガスの少なくとも１つの運転関連パラメータ、触媒の少なくとも１つの運転関連パラメータ、および場合により、内燃機関の少なくとも１つの運転関連パラメータが測定される。決定されたＮＯｘ未処理エミッションに対応して、設定されるべき反応剤流量に対する中間値が決定され、この中間値は、触媒から放出された反応剤流量だけ低減されるか、または触媒により吸着された反応剤流量だけ増加される。

ＮＯｘ転化率を最適化するために、触媒タイプおよび配量方式に応じてそれぞれ、アンモニアの少なくとも一部を吸蔵することができるＳＣＲ触媒のこの性質が利用されてもよく、または利用されなければならない。さらに、特に急激な温度上昇において発生することがあるようなアンモニアの溢流を回避するために、アンモニア吸蔵能力が既知でなければならない。これに対する背景は、触媒のアンモニア吸蔵能力が温度の上昇と共に低下することである。吸蔵されているアンモニアの放出が制御不能な場合、この結果として悪臭トラブルが発生する。アンモニアの溢流をモニタリングするために、ＳＣＲ触媒と関連してアンモニア・センサが使用されることが既知であり、アンモニア・センサは、ゼオライト層をベースとして、それを包囲するガス内のアンモニアの濃度と共にその導電率が変化する。

一般に、触媒のアンモニア吸蔵能力は、新しい状態においては既知であり且つ温度の関数としての充填レベル特性曲線内に記憶可能である。しかしながら、装置の使用時間と共に現われるアンモニア吸蔵能力の低下（経時変化）は既知ではない。

本発明の課題は、触媒の性能、特に触媒の還元剤吸蔵能力のモニタ方法を提供することである。
本発明の課題はさらに、対応の装置を提供することである。

本発明によれば、エンジン・ブロックと、少なくとも１つの触媒を有する排気管とを備えた内燃機関の排気ガス後処理装置であって、触媒内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が、注入装置により触媒上流側に注入される、前記排気ガス後処理装置のモニタ方法において、所定の基準運転点において、触媒の流れ方向後方における排気管内のアンモニア感知センサによりアンモニアの溢流が検出されるまで、還元剤流量が増加される。

また、本発明によれば、エンジン・ブロックと、排気ガス内のＮＯｘ含有量を決定するための少なくとも１つのＮＯｘセンサおよび少なくとも１つの触媒を有する少なくとも１つの排気管とを備えた内燃機関の排気ガス後処理装置であって、触媒内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が注入装置により触媒上流側に注入可能であり、この場合、ＮＯｘセンサが、並びに触媒の温度測定および給気管内の空気測定のためのその他のセンサが、並びに触媒の流れ方向後方のアンモニア感知センサが、モニタ・ユニットと結合されている、前記排気ガス後処理装置のモニタ装置において、モニタ・ユニットにおいて適切に反応剤の過剰配量が開始可能であり、アンモニアの溢流がアンモニア感知センサにより検出可能であり、また触媒に対するアンモニア吸蔵能力が決定可能である。

前述のように、方法に関する課題は、所定の基準運転点において、触媒の流れ方向後方における排気管内のアンモニア感知センサによりアンモニアの溢流が検出されるまで、還元剤流量が増加されることにより解決される。これにより、最適化された還元剤の配量方式を考慮して、触媒内において高いＮＯｘ転化が達成可能であり、その理由は、この方法により、触媒内のアンモニア吸蔵能力が同時に考慮可能であるからである。したがって、還元剤の消費が明らかに低減される。同時に、この方法によりアンモニアの溢流を最小にすることが保証され、このことは、新しい排ガス基準ＥＵＶへの適応に対して特に有利である。

アンモニアの溢流までの還元剤流量の増加量から、および排気ガス後処理装置のその他の作動パラメータを使用して、この運転点に対する瞬間最大アンモニア吸蔵能力が計算可能であることは特に有効である。

アンモニア吸蔵能力の計算のために、触媒の温度経過が、および／または空気質量およびＮＯｘ濃度から計算されたＮＯｘ量が、および／または触媒内におけるＮＯｘ転化が、および／または検査開始時のアンモニア充填レベルが、および／または注入装置に付属の測定装置により決定される、再生中に供給された還元剤量が、使用されるとき、アンモニア吸蔵能力が特に正確に計算可能である。

有利な方法の変更態様は、瞬間アンモニア吸蔵能力から、充填レベル特性曲線の補正が行われ、この補正が次の検査まで記憶されるように行われる。したがって、還元剤の配量方式は、常にアンモニア吸蔵能力の実際値に基づいている。

アンモニア吸蔵能力の検査の実行が、定期的間隔で、および／または好ましい運転点において行われるとき、これにより、常にアンモニア吸蔵能力に対する実際値が得られ、これが実際の配量方式に使用される。この値の経過から、さらに、装置のエラー機能が推測可能である。

前記方法の好ましい使用方法において、前記方法が、粒子フィルタによりさらに粒子すすのフィルタリングがその中で実行される、結合または統合排気ガス装置において使用される。一方で、これにより、最適化ＮＯｘ還元が達成可能であり、同時に周囲への微粒子の排出が明らかに低下可能である。このいわゆるＳＣＲ／ＤＰＦ装置により、ＥＵＶのような厳しい排ガス基準を達成することができる。ここで、用語「ＤＰＦ」はディーゼル粒子フィルタを表わす。

定期的間隔で必要な粒子フィルタの再生のために、はじめに、アンモニア吸蔵体が予め空にされ、再生の終了後に、アンモニア吸蔵体が再び充填される。これにより、粒子フィルタの再生のための排気管内の高い温度に基づく制御不能なアンモニアの溢流が回避され且つアンモニアからＮＯｘもまた形成されないことが保証されるが、アンモニア吸蔵体が予め空にされなかった場合には、この高い温度において、通常、アンモニアの溢流およびアンモニアからのＮＯｘ形成が行われることになる。

前述のように、装置に関する課題は、モニタ・ユニット内において適切に反応剤の過剰配量が開始可能であり、アンモニアの溢流がアンモニア感知センサにより検出可能であり、および触媒に対するアンモニア吸蔵能力が決定可能であることにより解決される。これにより、経時変化に基づく触媒内における吸蔵能力の変化が検出可能であり且つ反応剤の最適な配量のために評価可能であることが達成される。

排気管が触媒の流れ方向後方に粒子フィルタを有するとき、これにより、ＳＣＲ／ＤＰＦ装置の名称で既知のようなこの結合または統合排気ガス装置が形成可能である。
モニタ・ユニット内において、触媒の瞬間アンモニア吸蔵能力がモニタ・ユニットの特性曲線／特性曲線群ユニット内に記憶可能であるとき、これから、触媒のアンモニア吸蔵能力が排気ガス後処理と関連する他の制御および操作機能に対しても利用可能であるという利点が得られる。

好ましい実施形態において、触媒のアンモニア吸蔵能力の決定機能が、モニタ・ユニット内において、ソフトウェアおよび／またはハードウェアとして形成されても、また階層的に上位のエンジン制御の少なくとも一部の構成部品であってもよく、この場合、プログラムとして記憶されている、還元剤の配量制御のための機能および／またはアンモニア吸蔵能力のモニタリングのための機能を、特に簡単に、サブプログラムとして、全体エンジン制御ソフトウェア内に組み込むことができる。これはコスト的に好ましいソフトウェアの更新を可能にする。

図１は、本発明による方法が実行される技術的周辺図を概略図で示す。
エンジン・ブロック１０と、触媒６０および触媒６０手前における排気ガス内のＮＯｘ含有量を決定するためのＮＯｘセンサ３０を有する排気管２０とを備えた内燃機関１が示されている。ＮＯｘセンサ３０は、信号ライン３１によりモニタ・ユニット１１０と結合されている。触媒６０は、触媒６０における温度測定のための温度センサ５０を有し、温度センサ５０は、信号ライン５１により同様にモニタ・ユニット１１０と結合されている。図示の例においては、触媒６０の流れ方向後方の排気管２０の内部に他のＮＯｘセンサ７０が配置されている。ＮＯｘセンサ７０は他の信号ライン７１によりモニタ・ユニット１１０と結合されている。排気ガス内のアンモニアを検出するために、さらに、触媒６０後方にアンモニア感知センサ８０が設けられ、アンモニア感知センサ８０は、同様に信号ライン８１によりモニタ・ユニット１１０と結合されている。さらに、図示のように、給気管内に空気センサ１００が設けられていてもよく、空気センサ１００により、例えば空気量が決定可能である。空気量の評価のために、空気センサ１００は信号ライン１０１によりモニタ・ユニット１１０と結合されている。

排気ガス内のＮＯｘを還元するために、触媒６０上流側に還元剤のための注入装置４０が設けられている。還元剤は、通常、別のユニット内において尿素水溶液（ＨＷＬ）から形成可能な気体アンモニアであっても、または注入装置４０内に統合されている配量ユニット４１により直接排気管２０内に噴射可能なＨＷＬであってもよい。さらに、注入装置４０は流量計の形の測定装置４３を有し、測定装置４３は、信号ライン４４によりモニタ・ユニット１１０と結合されている。これにより、還元剤の配量数量を常に決定且つ評価することができる。

本発明により、モニタ・ユニット１１０において適切に反応剤の過剰配量が開始可能であり、アンモニアの溢流がアンモニア感知センサ８０により検出可能であり、また触媒６０に対するアンモニア吸蔵能力が決定可能なように設計されている。さらに、図示の実施例においては、モニタ・ユニット１１０に特性曲線／特性曲線群ユニット１１１が設けられ、特性曲線／特性曲線群ユニット１１１により、モニタ・ユニット１１０において、次の決定まで触媒６０の瞬間アンモニア吸蔵能力が記憶可能である。

触媒６０のアンモニア吸蔵能力の決定機能は、モニタ・ユニット１１０において、ソフトウェアおよび／またはハードウェアとして形成され、および上位のエンジン制御の少なくとも一部の構成部品であることが好ましく、且つそれに対応して、搭載ユニット（ＯＢＵ）内に統合されていてもよい。

好ましい使用方法においては、結合または統合排気ガス装置（統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置）において、さらに、触媒６０の流れ方向後方に粒子フィルタ９０が配置されている。このような排気ガス装置を用いて、一方で排気ガス内のＮＯｘ含有量が低減され、同時にすす粒子がフィルタリングされ、このことは、特に、ディーゼル車における厳しい排ガス基準の達成のために重要である。しかしながら、粒子フィルタ９０は、特定の間隔で再生されなければならない。このために、粒子フィルタ９０内のフィルタリングされたすすが燃焼可能なように、排気管２０内において、適切なエンジン内部手段により、および／または排気管２０内への燃料の噴射により、高い温度が発生されなければならない。

粒子フィルタ９０の再生においては、一方でアンモニアの溢流を回避し、他方でアンモニアからのＮＯｘの形成を阻止するように、フィルタの再生のために、触媒６０のアンモニア吸蔵体が空にされなければならないことに注意すべきであり、このアンモニアの溢流およびアンモニアからのＮＯｘの形成は、特に、再生において形成されるような高い温度において発生することがあるからである。再生過程の終了後に、触媒内のアンモニア吸蔵体は再び充填されなければならない。

この場合、アンモニア吸蔵能力の決定方法は、はじめに、適切に、所定の基準運転点において、触媒６０の流れ方向後方における排気管２０内のアンモニア感知センサ８０によりアンモニアの溢流が検出されるまで、還元剤流量が増加されることにより行われる。これは、定期的間隔で行われても、および／または日常の運転においてしばしば現われるような、基準運転点における好ましい運転条件において行われてもよい。

アンモニアの溢流までの反応剤流量の増加量から、および排気ガス後処理装置のその他の作動パラメータを使用して、この運転点に対する瞬間最大アンモニア吸蔵能力が計算される。さらに、アンモニア吸蔵能力の計算のために、
・触媒６０の温度経過が、
・空気質量およびＮＯｘ濃度から計算されたＮＯｘ量が、
・触媒６０内におけるＮＯｘ転化が、
・検査開始時のアンモニア充填レベルが、および／または
・再生中に供給された還元剤量が
使用されてもよい。さらに、計算のために、内燃機関１のその他の運転変数が使用されてもよい。

前記方法は、さらに、瞬間アンモニア吸蔵能力から、充填レベル特性曲線の補正が決定され、この補正が次の検査まで記憶されるように行われる。この記憶値は、実際配量方式のためのベースを提供する。

追加の粒子フィルタ９０を有する結合または統合排気ガス装置においては、アンモニア吸蔵能力の検査ないしは決定のために、粒子フィルタの再生の終了後に、アンモニア吸蔵はその最大限界値までできるだけ急速に再び充填される。充填レベル限界はアンモニア感知センサ８０により決定される。時間、測定装置４３により決定可能な配量還元剤量、温度ないしは温度経過のような既知の作動パラメータおよび配量パラメータから、触媒のアンモニア吸蔵能力が計算可能である。このようにして決定された値は、妥当性検査に従って、最初のアンモニア吸蔵能力の充填レベル特性曲線の補正のために使用される。

図示の装置および記載の方法により還元剤の最適配量を行うことができる。この場合、経時変化に基づく触媒６０のアンモニア吸蔵能力の変化がいつでも測定可能であり且つ配量のための補正に使用可能である。特に最新のディーゼル内燃機関のための統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置においては、このような設計により、厳しい排ガス基準を達成することができる。

内燃機関の排気ガス後処理装置の概略系統図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１０ エンジン・ブロック
２０ 排気管
３０、７０ ＮＯｘセンサ
３１、４２、４４、５１、７１、８１、１０１ 信号ライン
４０ 注入装置
４１ 配量ユニット
４３ 測定装置
５０ 温度センサ
６０ 触媒
８０ アンモニア感知センサ
９０ 粒子フィルタ
１００ 空気センサ
１１０ モニタ・ユニット
１１１ 特性曲線／特性曲線群ユニット

Claims (11)

1. エンジン・ブロック（１０）と、少なくとも１つの触媒（６０）を有する排気管（２０）とを備えた内燃機関（１）の排気ガス後処理装置であって、触媒（６０）内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が、注入装置（４０）により触媒（６０）上流側に注入される、前記排気ガス後処理装置のモニタ方法において、
   所定の基準運転点において、触媒（６０）の流れ方向後方における排気管（２０）内のアンモニア感知センサ（８０）によりアンモニアの溢流が検出されるまで、還元剤流量が増加されること、
   を特徴とする排気ガス後処理装置のモニタ方法。
2. アンモニアの溢流までの還元剤流量の増加量から、および排気ガス後処理装置のその他の作動パラメータを使用して、この運転点に対する瞬間最大アンモニア吸蔵能力が計算されることを特徴とする請求項１に記載のモニタ方法。
3. アンモニア吸蔵能力の計算のために、触媒（６０）の温度経過が、および／または空気質量およびＮＯｘ濃度から計算されたＮＯｘ量が、および／または触媒（６０）内におけるＮＯｘ転化が、および／または検査開始時のアンモニア充填レベルが、および／または注入装置（４０）に付属の測定装置（４３）により決定される、再生中に供給された還元剤量が、使用されることを特徴とする請求項２に記載のモニタ方法。
4. 瞬間アンモニア吸蔵能力から、充填レベル特性曲線の補正が行われ、この補正が次の検査まで記憶されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のモニタ方法。
5. アンモニア吸蔵能力の検査が、定期的間隔で、および／または好ましい運転点において、実行されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のモニタ方法。
6. 結合または統合排気ガス装置において使用され、その際、粒子フィルタ（９０）によりさらに粒子すすのフィルタリングが実行されることを特徴とする、触媒（６０）のアンモニア吸蔵能力を決定するために請求項１ないし５のいずれかに記載のモニタ方法を使用する方法。
7. 粒子フィルタ（９０）の再生のために、はじめに、アンモニア吸蔵体が予め空にされ、再生の終了後に、アンモニア吸蔵体が再び充填されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. エンジン・ブロック（１０）と、排気ガス内のＮＯｘ含有量を決定するための少なくとも１つのＮＯｘセンサ（３０）および少なくとも１つの触媒（６０）を有する少なくとも１つの排気管（２０）とを備えた内燃機関（１）の排気ガス後処理装置であって、触媒（６０）内においてＮＯｘの還元のために必要とされる反応剤が注入装置（４０）により触媒（６０）上流側に注入可能であり、この場合、ＮＯｘセンサ（３０）が、並びに触媒（６０）の温度測定および給気管内の空気測定のためのその他のセンサが、並びに触媒（６０）の流れ方向後方のアンモニア感知センサ（８０）が、モニタ・ユニット（１１０）と結合されている、前記排気ガス後処理装置のモニタ装置において、
   モニタ・ユニット（１１０）において適切に反応剤の過剰配量が開始可能であり、アンモニアの溢流がアンモニア感知センサ（８０）により検出可能であり、また触媒（６０）に対するアンモニア吸蔵能力が決定可能であること、
   を特徴とする排気ガス後処理装置のモニタ装置。
9. 排気管（２０）が、触媒（６０）の流れ方向後方に粒子フィルタ（９０）を有することを特徴とする請求項８に記載のモニタ装置。
10. モニタ・ユニット（１１０）において、触媒（６０）の瞬間アンモニア吸蔵能力がモニタ・ユニット（１１０）の特性曲線／特性曲線群ユニット（１１１）に記憶可能であることを特徴とする請求項８または９に記載のモニタ装置。
11. 触媒（６０）のアンモニア吸蔵能力の決定機能が、モニタ・ユニット（１１０）において、ソフトウェアおよび／またはハードウェアとして形成され、および上位のエンジン制御の少なくとも一部の構成部品であることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載のモニタ装置。

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