JPH06501532A - 触媒反応を起こす流体により貫流される触媒の機能監視方法 - Google Patents

触媒反応を起こす流体により貫流される触媒の機能監視方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒反応を起こす流体により貫流される触媒の機能監視方法この発明は、触媒反 応を起こす流体により貫流される触媒例久ば内燃機関の排気ガス系中の触媒の状 態監視方法、並びにこの発明に基づく方法による監視に特に適し相応の用途をも った触媒に関する。
多くの国々でますます厳しくなる環境保護規定に応じて、内燃機関特に自動車の エンジンは排気ガス中の宵宮物質を無害な物質へ変換するための触媒を備^る排 気ガス系を装備することが多くなってきている。「触媒」としては一般に、金属 又はセラミックから成り排気ガス又は触媒反応を起こす成分を含む流体により貫 流可能な多数の流路を有するハニカム体が考えられる。その際各流路は触媒活性 材料から成る被膜すなわち本来の意味での触媒により覆われた壁を有する。金属 製触媒は一般に成形された板から積層され、螺旋形に巻き付けられるか又は別の 方法で絡み合わセられる。この種の触媒は例えば欧州特許第0223058号、 同第0245737号又は同第0245738号明細書に記載されている。
内WS磯関の排気ガス中で触媒の機能を保証するために、触媒に温度監視用セン サなどを設け、得られた測定値から内燃機関の運転の際の触媒の機能を逆探知で きることが知られている。相応の提案がドイツ連邦共和国特許出願公開第264 3739号、同第371.0268号及び欧州特許出願公開第0236659号 明細書に記載されている。最初に述べた両明細書では、排気ガスの流れ方向へ見 て相前後して触媒の異なる個所に配置されている少なくとも二つの温度センサを 触媒に装備することが検案されている。その際センサは両者とも触媒の外部に、 第1のセンサは触媒の流入面の前方にまた第2のセユノサは触媒の流出面の後方 に配置することができる。またドイツ連邦共和国特許出願公開第2643739 号明細書は少なくともm−)のセンサを触媒内部に設けることを述べている。両 明細書は更に、センサの111定13号からセンサにより測定された温度の差に 相応する信号を形成し、この信号を触媒の機能の評価のために利用することを提 案している。欧州特許出願公開第0236659号明細書ではセンサの信号のた めの解析装置が紹介されている。解析装置は温度差が成る第1の限界値を超える 場合に警報信号を出し、また温度差が明らかに第1の限界値を超えて存在する第 2の限界値を上回る場合に永続的損傷を示す信号を出す。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第2643739号明細書には更に、二つの温度 センサを触媒の流出側の領域中に完接して並列2宜することが提案され、その際 第】のセンサは触媒活性表面を有するが第2のセンサは触媒不活性表面を有する 。こ 。
の種の測定装置により、センサのそばを通過する排気ガスがなおも変換すべき有 害物質を含むかどうかを確かめることができる。もし含めば両センサは異なる温 度の信号を出すということになる。
劣化及び被毒の経過に関する触媒の確実かつ信頼性の高い機能監視の実現のため には従来技術は僅かな示唆しか与久ない。特に公知の装置によっては、全体とし てまだ十分機能している触媒の(劣化及び/又は被毒に関する)状態についての 判定を下すことができない。その場合常に非常に間接的な測定値、例えば触媒へ の到達前の又は触媒を貫流後の触媒反応を起こさせるべき流体の温度をも参考に しなければならない。また常に、個々に触媒で得られた測定値、従って触媒反応 を起こさせるべき流体の触媒への常に橿めて不均一な供給に基づき極めて限られ た場合しか判定に役立たない測定値が評価を受けるにすぎない、また通常得られ た測定値は触媒のそれぞれの負荷に著しく関係する。触媒の状態についての確実 な判定を得るために、測定値は必然的に別のデータにより解析しなければならな い。例えばこの種のデータは温度、流速及び触媒反応を起こす成分の含有量のよ うな触媒を貫流する流体の状態を知らせる情報である。
従ってこの発明は、できるだけ直接的にかつ別のデータを考慮することなく触媒 の能力についての確実な判定を可能にするような、温度測定による触媒の監視方 法を提供するという課題に基づいている。またこの発明に基づく方法の実施のた めに特に適した触媒を提供しようとするものである。
この発明に基づき、触媒反応を起こす流体特に内燃機関からの排気ガスにより流 れ方向に沿って流入側から流出側へ貫流される触媒の状態監視のため、a)触媒 の温度が流れ方向に沿って連続的に又は複数の測定個所で温度平均値を形成しな がら測定され、 b)触媒の温度が少なくとも一つの測定個所で従属する温度局部値を形成しなが ら測定され、 C)触媒の状態についての判定を導出するために温度平均値が温度局部値と比較 される方法が提案される。
この発明により初めて触媒内部の温度分布の形の広範囲な評価が可能となり、触 媒の作動状態又は触媒を備える内燃機関のそのつどの運転状態に前記のように強 く関係する絶対的な温度測定量を参照する必要がない、このために複数の可能性 が存在する。例えば温度局部値を触媒の流入面のそばで測定することができる。
この局部値を温度平均値と比較することにより、触媒のどの範囲で触媒変換が実 際に行わわているかが判定される。触媒反応が主として流出面のそばで行われる ならば、平均値は局部値とほぼ同じである。変換が既に流入面のそばで行われろ ならば局部値と平均値とは明らかに相互に異なる。また例えば局部値を触媒の流 出面のそばで測定することもできる。主として流出面のそばで行われる触媒反応 の場合には平均値と局部値とは相互に著しく異なる。既に流入面のそばでの触媒 反応の場合には両値はほぼ一致する。それによっても触媒の能力についての信頼 できる判定が得られる0例えば温度局部値を流入側の領域ばかりでなく流出側の 領域においても形成することが特に有利である。そのときはまず上述の評価を相 互に組み合わせることができる。更に温度平均値と局部値の平均値との比較を行 うこともできる。触媒反応が既に流入面のそばで行われるならば、温度平均値は 温度局部値の平均値より明らかに高い、触媒がその機能をほぼ喪失しているなら ば、弱い触媒反応だけがほぼ均一に触媒の全長にわたって進行し、それに応じて 温度平均値が温度局部値の平均値に等しくなる。従って温度平均価と温度局部値 の平均値との商は、触媒の能力の評価のための少なくとも第1近似で運転に関係 しない注目すべき暴虐を示す。
触媒の能力の評価のためのほぼ運転に関係しない基準を得るために、温度センサ の18号がかなりの大きさの測定間隔例えば約1時間又は数時間の測定間隔にわ たり積分されるという方法で実施することもできる。こうして例えば触媒反応を 起こす流体の化学的組成、流速又は温度に関する変動の際に生じるような、触媒 中の時間的に不安定な状態の期間中に受け取られた測定信号に由来する測定障害 を抑制することができる。
この発明に基づ(方法は、すべての温度測定が流れ方向に対し垂直に厳しく限定 された領域内ではな(て触媒の流れ方向に対し垂直に延び拡大された部分にわた り行われるという方法で構成することができるので有利である。こうして触媒の 不均一な貫流を成る範囲で考慮することができ、触媒のガス供給の具体的な方式 とは無関係で従って触媒ごとに確実に再現可能である測定値が生じる。
この発明による方法の有利な実施態様の枠内で、例えば内燃機関の変動負荷の際 に生じるような状態検査の障害を回避することができる。変動負荷の場合には触 媒反応を起こす流体の化学的組成、流速及び温度のようなパラメータが変化する 。触媒は成る程度熱慣性を有するので、触媒中の温度分布が変化した運転条件に 適合し終わるまで場合によっては数秒が経過する。それに応じて変動負荷の場合 の測定は場合によっては触媒の機能に関する不正確な判定を招くおそれがある。
このことを防止するために、温度平均値ばかりでなく温度局部値もそれぞれ成る 時間間隔にわたり測定され、測定値の時間的経過が記録される。触媒の状態につ いての判定の導出は、温度平均値及び温度局部値の時間的変化が両方とも所定の 限界値以下でない限り行われない。
常に触媒の状態についての判定の現実性を保証するために、各温度測定を連続的 に又は通常の電子式信号処理に適合させて準連続的に行うことが推奨される。
この発明は前記方法の枠内での監視のために特に適した触媒にも関する。触媒反 応を起こす流体の流れ方向に沿って流入面から流出面へ貫流されるこの発明に基 づくこの種の触媒は、 a)温度依存性電気抵抗を有する線材片から成り流れ方向に沿って触媒に結合さ れた第1の温度センサと、 b)一つの測定個所で触媒に結合された少なくとも一つの第2の温度センサとを 備λる。
この種の触媒は例えば、第1の温度センサを形成する線材片を触媒を形成するハ ニカム体の流路中へ通し、第2の温度センサを同様にハニカム体の流路内に固定 することにより、特に容易に製造可能である。ハニカム体を巻き付は又は絡み合 わせにより金属板から加工するならば、温度センサは製造の際に触媒の中へ組み 込むことができる。
第1の温度センサを形成する線材片は、第1の温度センサのインダクタンスを小 さく保つことができかつ触媒に接続される測定製雪の万一の損傷を防止するため に、ベヤビン形ループとなるように成形されるのが有利である。
第1の温度センサは触媒内部において、流線に対しほぼ平行である中心線を有す る触媒の場合に、中心線にほぼ平行に整列させて配置されるか、又は流れ方向に 対し垂直な触媒の部分にわたる成る程度の平均化を得るために中心線の周囲にほ ぼ螺旋形に配置されるのが有利である。第1のセンサが巻き付は又は絡み合わせ の際に触媒中に組み込まれることにより、このことは金属板から成る前記触媒の 場合には特に容易に行うことができる。
この発明に基づく触媒の別の有利な実施態様は、第1の温度センサが流入側を流 出側と結合する触媒の外被面上に、又は外被面のすぐそばで触媒内部に配置され ることを特徴とする。一般に用いられている円筒形触媒の場合には外被面はまさ に円筒面である。図面により詳述するように外被面の上に又はそのすぐそばに温 度センサを配置することにより、触媒反応が大部分行われる触媒部分の位置確認 が成る範囲で可能となる。征って外被面での温度測定、特に外被面上の又は外被 面のすぐそばの触媒内部の第1の温度センサ及び第2の温度センサによる温度測 定により、触媒状態の運転にほぼ無関係な評価が可能となる。触媒反応が流入面 のそばで行われるならば触媒は無条件で能力を有し、触媒反応が流出面のそばへ 移動するならば触媒の損耗を心配すべきである。
第2の温度セ〕ノサの有利な構成は、はぼ円形に曲げられるか又は螺旋形に巻き 付iツられ望ましくはベヤビン形ループとして構成され温度依存性電気抵抗を有 する線材片である。それにより第1の温度センサ及び第2の温度センサが同一に 構成され、センサの異なる特性により引き起こされる体系的に誤差の無い測定が 可能となる。
既に述べたように第2の温度センサは流入面のそばにまた流出面のそばに配置す ることができ、その際流入側の第2の温度センサばかっでなく流出側の第2の温 度センサを設けるのが特に有利である。いずれの場合にも第2の温度センサの位 置を第1の温度センサにより与えられる測定経路の始端又は終端に定めることが 推奨され、この測定経路自体は触媒の全長とするのが有利である。触媒全体にわ たる測定の場合に触媒全体の状態の評価が広い範囲で可能である。
この発明の詳細な説明を図面により行う0図示の実施例は説明に用いられるにす ぎず、この発明に対し請求される保護の制限を実施例と結び付けようとするもの ではない。詳細には、 第1図は内燃機関、排気ガス系及び触媒を備える装置を示し、第2図及び第3図 は温度センサにより監視される触媒をこの発明に基づきどのようにして実現でき るかという例を示し、第4図は運転中の触媒内部の温度分布の線図を示し、第5 図は運転中の触媒の外被面上の温度分布の線図な示す。
説明を簡単にするためにすべての図面において同じ作用をする部品はそれぞれ同 じ符号を付けられている。
第1図は触媒1を含む排気ガス系2を備える内燃機関3を略示する。触媒1は温 度センサ4.5を備え、これらの温度センサは例えば熱電対又は温度依存性電気 抵抗とすることができる。温度センサ4.5は機関監視装置7例えば相応に拡張 されたエンジン制御電子回路と結合され、この監視装置は内燃機関3の運転のた めに必要なすべての測定データを受け取って処理する1機関監視装置7中には、 内燃機関3の運転の際に排気ガスにより貫流される触媒1のこの発明に基づく状 態監視方法を実施する装置が設けられている0例えば触媒1の不十分な例語ば著 しく劣化した状態の場合に機関監視装@7から出されるべき警報は、一般に表示 装置8例えばパイロットランプの作動により行われる。警報を別の方法で更に行 うこと、例えば擺端な場合には内燃機関3の以後の運転を完全に中断することも もちろん考えることができる。内燃機関3の運転制御のために機関監視装置7は 内燃機関3内の相応のセンサから必要なデータを受け取る。第1図では例えば、 内燃機関3へ未燃焼の空気を供給するための吸気装置lOが空気流量計11を備 え、空気流量計が内燃機関3へ流れる空気の流量を測定し機関監視装置7に通報 する。別のセンサは簡単化のために図示されていないが、特に一般に内燃機関3 の運転周波数(又は回転速度)を測定する装置などが設けられている。111間 監神装置7の制@機能は例えば燃料配分にある。それに応じて燃料ポンプ9が機 関監視装置7により制御される。分かりやすくするために内燃機関3の点火装置 は図示されていない0点火装置のそれぞれの必要性は明白であるのでこのための 詳細な説明は不要である。第4図では触媒1が第2の温度センサ4を備え、第2 の温度センサは内燃機関3から流出する排気ガスが触媒1中へ流入する流入面1 2の前方に配置されている3第1の温度センサ5は触媒1の内部にこの実施例で は中央に設けられている。第2の温度センサ4の機能を著しく損なうことなく、 この温度センサをまた触媒lの内部に望ましくは涜入端12のそばに配置するこ ともできる。第1のセンサ5は触媒1を貫いて流入面12から流出面13へ延び ている。その際このセンサの構造設計及び触媒1中へのその組み込みにはあまり 問題はない、第1のセンサ5は必ずしも触ll11の中央に置く必要はなく、ま た直線状にする必要はない(例えば触媒1の構造に応じて螺旋上構造も考えられ る)0図示の場合のように、温度センサ4.5は排気ガスの流れ方向に対し垂直 に成る程廣空間的に拡張していると有利である。一般に排気ガスの触媒への供給 はり1気ガスの流れ方向に対し垂直に明らかに不均一であり、「拡張された」温 度センサ4.5の利用により触媒1の成る領域にわたり平均化された状態につい ての判定が得られ、この判定は空間的に厳しく限定された状態についての判定よ り良好に再現可能かつ伝送可能である。排気ガスの流れ方向に対し垂直に拡張さ れた温度センサ4.5は、周知の方法で金属板から巻き付けられるか又は絡み合 わせられたハニカム形担体を備える触媒1中に容易に実現可能である。すなわち 温度センサ4.5の形成のための抵抗線材は上述の巻き付は又は絡み合わせの前 に単に板の間に置くだけで良い。
第2図は第1図に略示された触媒1の特殊な構成を示す0両温度センサ4.5は 電気抵抗がそれぞれ温度依存性であるループ形の抵抗線材として構成されている 。′IJ42の温度センサ4は触媒1の流入面12上に載せてそこに取り付けら れるか、又は別の方法で流入面12のすぐそばに取り付けられている。第1の温 度センサ5は触媒1の内部に延びる。
温度センサ4.5.6を有する触媒1の第1図及び第2図に示す構成に原理的に 似ている構造が第3図に示されている。しかし第1の温度センサ5は触媒1の内 部に設けられるのではなく外被筒14上に取り付けられている。流入面12のそ ばに取り付けられた第2の温度センサ4及び流出面13のそばに配置された第2 の温度センサ6に対しても同じことが成り立つ、第3図に示す構造は触媒lの内 部の変更を必要としないので特に有利である。この構造は金属製担体を有する触 媒1の場合に特17′有利である。金属製担体は通常もともと強固な外被筒を有 し、その外面は外被面14を形成する。この種の触媒1上には抵抗線材を容易に 取り付りることかでき、損傷した場合には容易に交換できる。第2の温度センサ 4.6ばそれぞれ触媒1の一方の端部のそばで外被面14上に巻き付けられてい る。すべての三つの温度センサ4.5.6のために抵抗線材の簡単なベヤビン形 ループが示されている。ベヤビン形ループは特に比較的大きい線材長が必要であ るどきに、自明のように機能に影響を及ぼすことなく別の巻線により置き替える ことができる。
第4図には定常運転の場合の触媒1内部の温度分布が示されている。横軸上には 流入面12から流出面13へ触媒1を貫いて延びる経路が示され、縦軸に沿って はそれぞれの温度が記入されている。触媒1中へ流入する排気ガスの温度は触媒 1の作動のために必要な最低温度を超える値を有しなければならない。実線のグ ラフは比較的新しい触媒1に対する温度経過を示す、温度は流入面12(線図の 原点に相応)のすぐ後方で非常に速やかに上昇して直ちに最大値に到達し、この 最大値は触媒1の熱伝導度及び排気ガスの流れにより仲介される熱輸送に応じて 流出面13までほぼ一定にとどまる。破線のグラフは著しく劣化した触媒1に対 する温度経過を示す、流入面12から離れても温度は徐々にしか上昇しない。
流入面12のすぐ後方の触媒1の領域の活性度は著しく低下しているがただし完 全に消滅してはいない、流出面13のそばの領域で初めて、まだ存在する活性度 に基づき明らかな温度上昇が始まる。第1図又は第2図に示す抵抗線材の形の温 度センサの装置の枠内では、第2の温度センサ4は流入面12のそばの触媒の温 度を測定するものである。第1のセンサ5は、第4図に示すグラフの積分に相応 して、触媒1の全長にわたり平均化された温度に対する値を測定する。触媒1が 完全に機能しているならば、第2の温度センサ4と第1の温度センサ5は明らか に相互に異なる温度を測定する。触媒1の劣化が進行すると、第1の温度センサ 5は第2のセンサ4とほぼ同じ温度を測定する。こうして生じる温度差が触媒l の劣化に対する尺度である。温度差は最初は高く、そして触媒1がその全長にわ たり活性度を失うときに低下し、触媒1がその活性度を完全に喪失する極端な場 合には温度差はもはや存在しない。場合により内燃機関の特殊な運転状態による 影響に基づき修正した温度差が設定された限界値を下回ったときに触媒1の状態 は直ちに不十分であると見なさなければならない、流出面13のそばに配置され た第2の温度センサ6により、触媒lの機能検査が同様に実施可能である。触媒 1がほぼ完全に機能するならば、この種の第2の温度センサ6と第1の温度セン サ5とはほぼ同じ温度を測定する。触媒lの劣化の進行と共に第1のセンサ5は 流出面13に設けられた第2のセンサ6より明らかに低い温度を測定する。こう して生じる温度差は同様に触媒1の劣化及び/又は被毒に対する尺度である。温 度差は最初は小さく、fII用の増加と共に上昇し、そして触媒工がその全長に わたり活性度を失うときに再び低下し、最後に活性度の完全喪失の際に温度差は もはや生じない。それに応じて、場合によっては運転に関係する影響に基づき修 正された温度差がその最大値を通過したときに、直ちに触媒lの状態は不十分で あると見なすべきである。
第5図は触媒1の外被面上の温度経過を示し、その際図示の方式は第4図におけ るものと同じである0図示のように、温度はその最大値に到達した後にほぼ一定 にとどまらず、触媒反応が主として行われる触媒1の領域の後方で再び低下する 。このことは第」に放射による熱損失に起因し、活性領域の後方では一発生がも はや起こらないので、そこで放射された熱を再び補うことはできない。それに応 じて監視は、外被面上の又は外被のそばの触媒1内部の最高温度の領域の位置が 測定されるという方法でも行うことができる。このことは例えばこの発明の枠内 で第3図に示す装置により行われる。
この発明により触媒反応を起こす流体により貫流される触媒を温度測定を介して 監視する可能性が提供され、これらの温度測定により簡単な方法で温度分布の評 価が可能となり、温度分布は局部的な温度測定値より著しく小゛さい度合いで触 媒の具体的な運転条件と関係するにすぎず、従って測定の評価のための高価な対 策が不必要となる。
IG 1 国際調査報告 フロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、 ES、 FR,GB、 GR,IT、 LU、 NL、 SE)、 B R,C3,JP、X(R,SO,US(72)発明者 スワルス、ヘルムートド イツ連邦共和国 デー−5060ベルギツシュ グラ−ドパツバ 1 リートヴ 工−り11 (72)発明者 ブリュツク、ロルフ ドイツ連邦共和国 デー−5060ベルギツシュ グラ−ドパツバ 1 フレー ベルシュトラーセ 12

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.触媒反応を起こす流体特に内燃機関(3)からの排気ガスにより流れ方向に 沿って流入面(12)から流出面(13)へ貫流される触媒(1)の状態を監視 する方法において、 a)触媒(1)の温度が流れ方向に沿って連続的に又は複数の測定個所で温度平 均値を形成しながら測定され、 b)触媒の温度が少なくとも一つの測定個所で従属する温度局部値を形成しなが ら測定され、 c)触媒(1)の状態についての判定を導出するために温度平均値が温度局部値 と比較される ことを特徴とする触媒の機能監視方法。 2.各温度測定が平均値を形成しながら、流れ方向に対し垂直に延びる触媒(1 )の薄い部分にわたり行われることを特徴とする請求の範囲1記載の方法。 3.a)温度平均値及び温度局部値が或る時間間隔にわたり測定され、b)温度 平均値及び温度局部値の時間的変化が監視され、c)温度平均値及び温度局部値 の時間的変化が設定された限界値以下であるときだけ、触媒(1)の機能につい ての判定が導出されることを特徴とする請求の範囲1又は2記載の方法。 4.各温度測定が連続的に又は準連続的に行われることを特徴とする請求の範囲 3記載の方法。 5.触媒反応を起こす流体により流れ方向に沿って流入面(12)から流出面( 13)へ貫流される触媒(1)において、a)温度依存性電気抵抗を有する線材 片から成り流れ方向に沿って触媒(1)に結合された第1の温度センサ(5)と 、b)一つの測定個所で触媒(1)に結合された少なくとも一つの第2の温度セ ンサ(4、6)と を備えることを特徴とする請求の範囲1ないし4のいずれか一つに記載の方法に より監視される触媒(1)。 6.第1の温度センサ(5)の線材片がヘヤピン形ループとなるように成形され ていることを特徴とする請求の範囲5記載の触媒(1)。 7.第1の温度センサ(5)が触媒(1)中に配置されていることを特徴とする 請求の範囲5又は6記載の触媒(1)。 8.流れ方向にほぼ平行である中心線を有し、第1の温度センサ(5)が中心線 にほぼ平行に又は中心線の周囲にほぼ螺旋形に配置されていることを特徴と検る 請求の範囲7記載の触媒(1)。 9.流入面(12)を流出面(13)と結合する外被面(14)を備え、第1の 温度センサ(5)が外被面(14)上か又は外被面のすぐそばで触媒(1)の内 部に配置されていることを特徴とする請求の範囲5又は6記載の触媒(1)。 10.第2の温度センサ(4、6)が外被面(14)上か又は外被面のすぐそば で触媒(1)の内部に配置されていることを特徴とする請求の範囲9記載の触媒 (1)。 11.第2の温度センサ(4、6)が、ほぼ螺旋形的巻き付けられ望ましくはヘ ヤピン形ループとなるように曲げられ温度依存性電気抵抗を有する線材片から成 ることを特徴とする請求の範囲5ないし10の一つに記載の触媒(1)。 12.流入側の第2の温度センサ(4)が流入面(12)のそばに配置されてい ることを特徴とする請求の範囲5ないし11の一つに記載の触媒(1)。 13.流出側の第2の温度センサ(6)が流出面(13)のそばに配置されてい ることを特徴とする請求の範囲5ないし12の一つに記載の触媒(1)。 14.第1の温度センサ(5)がほぼ流入面(12)から流出面(13)まで延 びていることを特徴とする請求の範囲5ないし13の一つに記載の触媒(1)。
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