JP2000104536A - ＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法 - Google Patents

ＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼過程から排気ガスが供給されるＮＯｘ貯
蔵触媒の機能性の判定方法を提供する。 【解決手段】 ＮＯｘ貯蔵触媒の流れ方向後方に配置さ
れたＮＯｘセンサを使用する。排気ガスは第１の過程に
おいて第２の過程においてよりも多量のＮＯｘを含むよ
うに調節される。第２の過程においては、排気ガスは還
元剤を含むように調節される。両方の過程の間で反復切
換が行われる。ＮＯｘ触媒の劣化状態はＮＯｘセンサの
信号に基づいて判定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は触媒の流れ方向後方
に配置されたＮＯｘセンサによるＮＯｘ貯蔵触媒の診断
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＮＯｘ貯蔵触媒は、リーンな燃料／空気
混合物（λ＞１）の燃焼範囲内の燃焼過程における有害
物質転化のために使用される。この範囲においては、三
元触媒は、排気ガス品質に対する要求をもはや満たして
いない。この場合、ガソリン機関においてのみならずデ
ィーゼル機関においてもまたリーンな機関運転において
放出される窒素酸化物を貯蔵するＮＯｘ貯蔵触媒が使用
される。機関をリッチな範囲（λ＜１）において運転す
ることにより、貯蔵された硝酸塩が、放出されかつ窒素
に還元される。
【０００３】ＮＯｘ貯蔵触媒が満タンになるまで、すな
わちさらに窒素酸化物をもはや貯蔵できなくなるまで、
機関が第１の過程においてリーンで運転されることが理
想的である。それに続いて、ＮＯｘ貯蔵触媒の再生のた
めに必要とされる時間の間リッチな運転を有する第２の
過程が行われることが理想的である。
【０００４】ＮＯｘ貯蔵触媒の経時劣化により、活性貯
蔵場所は損傷される。したがって、ＮＯｘ触媒の貯蔵能
力は経時劣化の進行と共に連続的に低下する。ドイツ特
許公開第１９６３５９７７号は、そのときの充填度をモ
ニタリングしてＮＯｘ貯蔵触媒をモニタリングすること
を提案する。そのときの充填度、すなわちＮＯｘ貯蔵触
媒の窒素酸化物による充満度のデータが制御の目的に使
用される。そのときの貯蔵充填度の測定が貯蔵能力の満
タンを指示したとき、リッチ化パルスが発生され、すな
わち貯蔵触媒の再生のためのリッチ混合物を用いた機関
運転が開始される。
【０００５】ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ９６０３３４からほ
ぼ直線的な信号特性を有するＮＯｘセンサが既知であ
る。法規制による要求は、有害物質エミッションに関連
する触媒のような自動車構成部品のオンボード診断を規
定している。
【０００６】劣化したときＮＯｘ貯蔵触媒の活性貯蔵場
所が損傷され、これによりＮＯｘ触媒の貯蔵特性および
放出特性が低下される。熱による劣化のほかに、たとえ
ば硫黄の取込みによる被毒現象が発生する。このとき、
触媒は、フレッシュ状態においてよりも少ない硝酸塩を
貯蔵することになる。したがって、触媒後方エミッショ
ンは上昇し、同じ平均転化能力を維持するためには頻繁
に再生が行われなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ＮＯｘ貯蔵触媒の機能
性の判定方法を提供することが本発明の課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題は、排気ガスが
第１の過程において第２の過程においてよりも多量のＮ
Ｏｘを含むように調節され、排気ガスが第２の過程にお
いて還元剤を含むように調節され、第１の過程から第２
の過程への反復切換が行われる、ＮＯｘ貯蔵触媒の流れ
方向後方に配置されたＮＯｘセンサによる、燃焼過程か
ら排気ガスが供給されるＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定
方法において、ＮＯｘ触媒の機能性がＮＯｘセンサ信号
に基づいて判定されることを特徴とする本発明のＮＯｘ
貯蔵触媒の機能性の判定方法により解決される。
【０００９】本発明は、ＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の低下
が触媒後方において測定可能なＮＯｘ濃度の時間線図内
に表わされるという知見に基づいている。所定のＮＯｘ
供給質量取込量ｍｎｏ１において、劣化により機能性が
低下したとき、触媒後方窒素酸化物エミッションｍｎｏ
２が上昇する。この関係を診断に利用することができ
る。
【００１０】たとえば、貯蔵過程において、触媒後方の
測定可能なＮＯｘ濃度は、触媒の劣化の進行と共にます
ます急速に上昇する。再生過程においては、触媒後方の
測定可能なＮＯｘ濃度は、触媒の劣化の進行と共にます
ます急速に低下する。言い換えると、触媒後方において
測定されたＮＯｘ濃度の勾配は触媒の劣化の進行と共に
より急になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
より説明する。図１は詳細には触媒２、排気ガスセンサ
３、ＮＯｘセンサ４、制御装置５、燃料供給手段６、な
らびに負荷Ｌおよび回転速度ｎならびに場合により温
度、絞り弁位置等のような内燃機関の他の運転パラメー
タのための種々のセンサ７、８、９、ならびにたとえば
エラーの指示手段および／または記憶手段としてのエラ
ーランプ１０を備えた内燃機関１を示す。
【００１２】前記の入力信号場合によりその他の入力信
号から、制御装置５は、とくに燃料供給手段６を操作す
る燃料供給信号を形成する。燃料供給手段６は、いわゆ
る吸気管噴射としてのみでなく個々のシリンダの燃焼室
内へのガソリンまたはディーゼルの直接噴射として形成
されてもよい。混合物組成の変化は、燃料供給手段６を
操作する噴射パルス幅の変化により行ってもよい。
【００１３】本発明による方法の本質は、この環境にお
いてまず第１に、制御装置５と触媒の後方に配置された
ＮＯｘセンサ４との協働に関するものである。図２は、
触媒の後方に配置されたＮＯｘセンサ４の信号特性線図
（図２の（Ａ））と、触媒の前方に配置された排気ガス
センサ３により測定される付属の空燃比λ（図２の
（Ｂ））とによる過程の切換を示している。
【００１４】時点ｔ＝０においてＮＯｘ貯蔵触媒は空で
あると仮定する。それに続く第１の過程Ｐｈ１において
内燃機関はリーンな混合物（λ＞１）で運転される。こ
れが図３のステップ３．１に対応する。この場合に放出
される窒素酸化物は、貯蔵触媒内に貯蔵される。貯蔵過
程とも呼ばれる第１の過程（リーン過程）は貯蔵触媒２
ａが満タンになったときに終了されることが理想的であ
る。
【００１５】この場合、ＮＯｘセンサ信号がたとえば上
限しきい値ＵＬに到達したとき、貯蔵触媒は満タンであ
るとみなされる。図３のステップ３．２参照。この第１
の過程に第２の過程Ｐｈ２が続き、この第２の過程Ｐｈ
２において貯蔵触媒が再生され、これが図３のステップ
３．３により表わされる。第２の過程は再生過程とも呼
ばれる。この実施形態においては、再生は、過程Ｐｈ２
におけるλ値が１より小さいリッチな機関運転により行
われる。この場合、燃料がリッチな混合物で運転する内
燃機関は、還元剤として未燃のＨＣおよびＣＯを放出す
る。触媒の作用の下で、還元剤は、貯蔵されている窒素
酸化物と反応して水、ＣＯ2およびＮ2を生成し、水、Ｃ
Ｏ2およびＮ2は排気ガスと共に排出される。これにより
貯蔵触媒は新たに窒素酸化物を受入可能となり、すなわ
ち再生される。再生の間、貯蔵触媒後方の排気ガスのＮ
Ｏｘ含有量は次第に低下する。ＮＯｘセンサ信号が下限
しきい値ＬＬに到達すると直ちに、リーン運転への移行
および貯蔵触媒内へのＮＯｘの新たな貯蔵が行われる。
図３のステップ３．４参照。過程Ｐｈ１およびＰｈ２の
間で制御装置５により連続的に切換が行われる。
【００１６】劣化により、貯蔵時間および再生時間は短
くなる。これが図２において周期の短縮により略図で示
されている。実際にはこの短縮はきわめてゆっくり行わ
れる。これに対し、上限しきい値および下限しきい値の
位置は一定のままである。
【００１７】貯蔵触媒後方のＮＯｘ濃度の定常的な上昇
および低下は、既知のＮＯｘ貯蔵触媒の特性を表わして
いる。ＮＯｘの貯蔵速度は、充填度の増加と共に連続的
に低下するので、貯蔵触媒後方で測定可能な排気ガス中
のＮＯｘ濃度は充填度の増加と共に増大する。
【００１８】診断の考え方は、ＮＯｘセンサによる触媒
後方のＮＯｘエミッションの測定に基づいている。第１
の実施形態においては、フレッシュ状態における図２に
示す曲線線図の測定、この曲線線図の記憶、後の時点に
おける曲線線図の測定、および後に得られた曲線線図と
記憶されている曲線線図との比較が行われる。偏差が所
定の尺度を超えた場合、触媒は劣化しているとみなされ
る。
【００１９】図２に示す曲線線図は、たとえば所定の時
点におけるＮＯｘ濃度の一対の所定特性値から再構成す
ることができる。一対の特性値は、たとえば図２におけ
る信号線図の反転点Ｏ１，Ｏ２，…，Ｕ１，Ｕ２，…に
より表わされる。
【００２０】曲線の多数の個々の点の比較の代わりに、
たとえば曲線の勾配、すなわち２つのＮＯｘ値の差とこ
れらの値が測定された時間間隔との商が評価されてもよ
い。たとえば、放出過程すなわち再生過程における勾配
Ｇは、Ｇ＝（ＬＬ−ＵＬ）／（ｔ２−ｔ１）により計算
することができる。図４のステップ４．１および４．２
参照。
【００２１】ステップ４．３において、勾配が所定の限
界値Ｇ＿Ｓｃｈｗｅｌｌと比較される。この限界値を超
えた場合、ステップ４．４において場合により統計的検
定が行われた後に警報ランプＭＩＬ（図１の参照番号１
０）によりエラー指示が行われる。
【００２２】限界値はたとえば以下のように決定するこ
とができる。新しい触媒において初期勾配Ｇ０が決定さ
れる。限界値は、オフセット、またはたとえば初期勾配
の１．５倍という係数として決定される。
【００２３】初期の曲線線図を記憶する代わりに、曲線
線図がモデル化されてもよい。機能性を有する触媒を基
礎とする場合、負荷、回転速度、λ、触媒前方のλ値の
線図のような機関の運転パラメータから触媒後方のＮＯ
ｘ濃度に対する期待値を形成することができる。実際に
測定されたＮＯｘ濃度がモデル化された線図から許容で
きないほど大きく異なっている場合、これが劣化してい
る触媒に対する兆候として評価される。
【００２４】勾配は、貯蔵過程および再生過程に対し別
々に決定かつ評価されてもよく、または貯蔵および再生
の１つまたは複数の周期にわたる両方の過程における勾
配の平均値として決定されてもよい。
【００２５】同様に、勾配に対する尺度として、１つま
たは複数の貯蔵過程または再生過程の長さ、貯蔵／再生
サイクルの周期時間、または周期的なＮＯｘ濃度振動の
周波数が使用されてもよい。
【００２６】たとえば、再生過程の長さが貯蔵触媒の放
出可能性により共に決定される。この場合、λが１以下
の再生の間にＮＯｘ濃度が特性時間線図に従って低下す
ることから出発される。これにより、最大許容再生時間
を定義することができる。ＮＯｘ濃度がしきい値を下回
ることなく再生時間が所定の許容再生時間を超えたと
き、触媒は劣化しているとみなされる。
【００２７】他の実施形態は、触媒後方の瞬間ＮＯｘ質
量流量または積分ＮＯｘ質量流量の形成に基づいてい
る。触媒後方のＮＯｘ質量流量ｍｎｏ２は、場合により
吸気質量流量（センサ７）または負荷信号および／また
は回転速度信号を同時に使用することにより触媒後方に
おいて測定されたＮＯｘ濃度に基づいて評価することが
できる。
【００２８】触媒内への供給質量取込量ｍｎｏ１はモデ
ルにより評価することができる。したがって、ベンチテ
ストにより、１つのモデルシリーズの機関に対し排気ガ
ス後処理手段を用いることなく機関の窒素酸化物供給エ
ミッションを決定し、特性曲線群内に記憶しかつこのモ
デルシリーズの他の機関の後の運転においてモデル化の
ために使用することができる。
【００２９】商ｍｎｏ２／ｍｎｏ１ないしこれらの値の
積分の商が、劣化の関数である触媒の貯蔵能力に対する
尺度である。貯蔵触媒が健全なとき、この商は理想的に
は０に等しい。劣化が進行するにつれて、この商は値１
に近づき、この値１において入口エミッションおよび出
口エミッションは等しくなり、これが転化能力の完全な
低下を示している。法規制を満たすために決定された所
定の限界値により、健全な触媒と劣化した触媒とを区別
することができる。
【００３０】値の計算は成層運転においてのみ行われる
が、その他は運転点とは無関係である。成層運転とはシ
リンダ内に成層充填を有する運転である。これは、シリ
ンダ内の空間的に不均一な燃料／空気混合物組成と理解
される。たとえば、点火プラグの領域内の混合物は確実
な点火を保証するためにリッチであり、他の領域におい
ては燃料消費を低減するためにリーンである。平均とし
て、成層運転においては混合物はリーン（１＜λ＜約
３）である。たとえば高い出力を出す均質混合物分配を
有する運転はこれとは区別される。
【００３１】積分形成は、外乱たとえばセンサ信号変化
またはＮＯｘ供給質量変化に関して感度がきわめて小さ
いという利点を伴い、したがって外乱の影響を受けない
有利な方法を示している。さらに、ＮＯｘの触媒内への
供給質量取込量を制限することによりモデル形成が少な
くされ、これが同様にこの方法が外乱の影響を受けない
ようにしている。
【００３２】さらに、触媒が機能性を有することを前提
として、供給質量取込量から充填量すなわち充填度を計
算することができる。上記のように、貯蔵能力は充填量
の増大と共に低下する。したがって、触媒後方のＮＯｘ
エミッションは、充填量の増加と共に上昇する。計算さ
れた充填量と触媒後方の測定されたＮＯｘ濃度との間の
妥当性比較は同様に診断に使用可能である。
【００３３】ＮＯｘ濃度がたとえば計算された充填量に
関して妥当な尺度を超えたとき、触媒は劣化している。
すべての例において、診断のために触媒後方にＮＯｘセ
ンサが使用されることは共通である。ＮＯｘセンサの信
号から、触媒後方のＮＯｘ濃度の特性値が導かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を示す技術的周辺図である。
【図２】（Ａ）は触媒の種々の経時劣化状態における触
媒後方に配置されたＮＯｘセンサの信号時間線図であ
り、（Ｂ）は触媒の前方に配置された排気ガスセンサに
より測定される付属の空燃比λの時間線図である。
【図３】ＮＯｘ貯蔵触媒の機能に適合される混合物制御
方式の一例を示す流れ図である。
【図４】本発明による方法の過程を示す一実施形態の流
れ図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関 １ａ 燃焼室 ２ 触媒 ２ａ 触媒の第１の部分（ＮＯｘ貯蔵触媒） ２ｂ 触媒の第２の部分 ３ 排気ガスセンサ ４ ＮＯｘセンサ ５ 制御装置 ６ 燃料供給手段 ７、８、９ センサ １０ エラーランプ（警報ランプ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１４ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１４Ｚ Ｇ０１Ｎ 27/26 ３９１ Ｇ０１Ｎ 27/26 ３９１Ｂ 27/416 33/00 Ａ 33/00 27/46 ３３１ ３７１Ｇ (72)発明者 レネ・シェンク ドイツ連邦共和国 71732 タム，テュー ビンガー・シュトラーセ 56 (72)発明者 アンドレアス・ブルーメンシュトック ドイツ連邦共和国 71638 ルートヴィヒ スブルク，イェーガーホフアレー 79 (72)発明者 クラウス・ヴィンクラー ドイツ連邦共和国 71277 ルーテスハイ ム，シューバートシュトラーセ 34

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガスが第１の過程において第２の過
    程においてよりも多量のＮＯｘを含むように調節され、 排気ガスが第２の過程において還元剤を含むように調節
    され、 第１の過程から第２の過程への反復切換が行われる、Ｎ
    Ｏｘ貯蔵触媒の流れ方向後方に配置されたＮＯｘセンサ
    による、燃焼過程から排気ガスが供給されるＮＯｘ貯蔵
    触媒の機能性の判定方法において、 ＮＯｘ触媒の機能性がＮＯｘセンサ信号に基づいて判定
    されることを特徴とするＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定
    方法。
  2. 【請求項２】 新しい触媒におけるＮＯｘセンサ信号の
    時間線図を表わす少なくとも１つの値が測定されかつ記
    憶されることと、 少なくとも１つの値の測定が遅れた時点において反復さ
    れることと、 種々の時点において測定された値の間の偏差が決定され
    ることと、 少なくとも１つの偏差が所定のしきい値を超えたとき、
    触媒が劣化していると評価されることと、を特徴とする
    請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 ＮＯｘセンサ信号の時間線図を表わす値
    として前記信号の勾配が決定されることを特徴とする請
    求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 限界値が、新しい触媒におけるＮＯｘセ
    ンサ信号の時間線図を表わす少なくとも１つの値に対す
    るオフセット値の加算により決定されることと、または
    限界値が、係数と前記少なくとも１つの値との積として
    決定されることと、を特徴とする請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 基準触媒におけるＮＯｘセンサ信号の時
    間線図を表わす少なくとも１つの値が、機関の運転パラ
    メータから、オプションとして触媒の運転パラメータに
    より補足されてモデル化されることと、 前記少なくとも１つの値が機関の運転中に測定されるこ
    とと、 モデル化された値と測定値との間の偏差が形成されるこ
    とと、 少なくとも１つの偏差が所定のしきい値を超えたとき、
    触媒が劣化していると評価されることと、を特徴とする
    請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記勾配が貯蔵過程および再生過程に対
    し別々に決定され、または前記勾配が貯蔵および再生の
    １つまたは複数の周期にわたる両方の過程内の勾配の平
    均値として決定されかつ評価されることを特徴とする請
    求項３記載の方法。
  7. 【請求項７】 勾配に対する尺度として、１つまたは複
    数の貯蔵過程または再生過程の長さ、貯蔵／再生サイク
    ルの周期時間、または周期的なＮＯｘ濃度振動の周波数
    が使用されることを特徴とする請求項３記載の方法。
  8. 【請求項８】 再生過程の長さが測定され、しきい値と
    比較されることと、 しきい値を超えたとき、触媒が劣化していると評価され
    ることと、を特徴とする請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 機関の運転パラメータから、およびオプ
    ションとして触媒の運転パラメータから触媒の窒素酸化
    物による瞬間充填状態がモデル化されることと、 モデル化された充填状態から触媒後方のＮＯｘ濃度に対
    する期待値が形成され、かつ触媒後方において測定され
    たＮＯｘ濃度と比較されることと、 期待値と測定値との間の少なくとも１つの偏差がしきい
    値を超えたとき、触媒が劣化していると評価されること
    と、を特徴とする請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 触媒から流出するＮＯｘ質量流量（ｄ
    ｍＮＯ２／ｄｔ）が計算されることと、 触媒に流入するＮＯｘ質量流量（ｄｍＮＯ１／ｄｔ）が
    決定されることと、 両方の質量流量が相互に十分に異なっていないとき、触
    媒が劣化していると評価されることと、を特徴とする請
    求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 両方の質量流量の商が形成されること
    と、 この商が値１から所定の尺度より小さく異なっていると
    き、触媒が劣化しているとみなされることと、を特徴と
    する請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 質量流量の積分が形成されることと、 両方の質量流量の積分が相互に十分に異なっていないと
    き、触媒が劣化しているとみなされることと、を特徴と
    する請求項１０または１１記載の方法。
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