JP2004176719A - 排気ガス後処理システムを監視するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、排気ガス後処理システムの監視方法であって、排気ガス後処理のために排気ガスに還元剤を供給する形式の方法において、欠陥を確実に識別できるようにすることである。
【解決手段】前記課題は、供給される還元剤の量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が所期のように変化しない場合、欠陥が存在すると判定することを特徴とする方法によって解決される。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス後処理システムを監視するための方法および装置に関する。

排気ガス内の窒素酸化物の割合を低減するため、排気ガスに還元剤が供給される排気ガス後処理システムが公知である。このことは、還元剤または中間生成物を排気ガスに直接供給することによって行われるか、ないしは通常の噴射弁を介して炭化水素の形態の還元剤を、適切な時点ないしは内燃機関のクランクシャフトおよび／またはカムシャフトの適切な位置で供給し、炭化水素が排気ガスにおいて還元剤として作用することによって行われる。

通常、排気ガス関連の構成要素ひいては排気ガス後処理システムをも監視することが、立法機関によって要求されている。とりわけ、重大な欠陥を識別しなければならない。このような重大な欠陥として、たとえば触媒等の非電気的な構成要素の欠落も当てはまる。

それゆえ本発明の課題は、排気ガス後処理システムにおいて、欠陥を確実に識別できるようにすることである。

前記課題は、供給される還元剤の量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が所期のように変化しない場合、欠陥が存在すると判定することによって解決される。

供給される還元剤の量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が所期のように変化しない場合、欠陥が存在すると判定することにより、欠陥を確実に識別することができる。簡単な実施形態では、供給される還元剤の量が変更された結果としてセンサの信号が相応に変化したか否かが検査されるだけである。こうすることにより、重大な欠陥を簡単かつ確実に識別することができる。このような欠陥はたとえば、触媒が分解されるか、または著しく、とりわけ機械的に損傷された場合に発生する。

したがってたとえば、還元剤量が増加しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が上昇しない場合、および／または、排気ガス内の有害物質の含有量を示す信号が低下しない場合、欠陥が識別される。さらにたとえば、還元剤量が減少しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が低下しない場合、および／または、排気ガス内の有害物質の含有量を示す信号が上昇しない場合、欠陥が識別される。

改善された実施形態では、還元剤量が所定の値だけ変更され、センサの信号が所期の値だけ変化したか否かが検査される。この手段により、たとえば尿素水溶液の品質にエラーが存在すること等の比較的小さな欠陥も識別することができる。したがって、この機能により、還元剤のための品質センサを省略することができる。

このような欠陥はたとえば、還元剤量が上昇しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が所期の値だけ上昇しない場合、および／または排気ガス内の有害物質の含有量が所期の値だけ減少しない場合に識別される。または、還元剤量が所定の値だけ減少しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が所定の値だけ減少しない場合、および／または、排気ガス内の有害物質の含有量を示す信号が所期の値だけ上昇しない場合、前記のような欠陥が識別される。

これらの手段によってたとえば、触媒が存在しないか否か、ないしは著しい欠陥を有するか否かを識別することができる。

図１には、内燃機関の排気ガス後処理システムの重要な構成要素が示されている。内燃機関は１００によって示されている。この内燃機関には、フレッシュエア管路１０５を介してフレッシュエアが供給される。内燃機関１００の排気ガスは、排気ガス管路１１０を介して周辺部へ到達する。この排気ガス管路には、排気ガス後処理システム１１５が配置されている。この排気ガス後処理システム１１５は、触媒および／またはパティキュレートフィルタとすることができる。さらに、異なる有害物質に対して複数の触媒、または少なくとも１つの触媒とパティキュレートフィルタとの組み合わせを設けることもできる。

この図示された実施形態では、排気ガス後処理システム１１５は１つないしは３つの触媒を有している。この触媒では、有利には３つの反応が行われる。第１の加水分解触媒１１５ａでは、調整エレメント１８２によって供給された尿素水溶液がアンモニアＮＨ_３に変換される。後続のいわゆるＳＣＲ触媒１１５ｂでは本来の反応が行われ、窒素酸化物およびアンモニアが反応して窒素および水に変換される。次の酸化触媒１１５ｃでは、使用されなかったアンモニアが酸化される。

別の還元剤が使用される択一的な実施形態では、別の触媒を使用することもできる。

さらに制御ユニット１７０が設けられており、この制御ユニット１７０には少なくとも１つの機関制御ユニット１７５および１つの排気ガス後処理制御ユニット１７２が設けられている。機関制御ユニット１７５は燃料調量システム１８０に制御信号を印加する。排気ガス後処理制御ユニット１７２は１つの実施形態では、排気ガス後処理システムの前方の排気ガス管路または排気ガス後処理システム内に配置されている調整エレメント１８２に制御信号を印加する。さらに、機関制御ユニット１７５および排気ガス後処理制御ユニット１７２は信号を交換する。

さらに、排気ガス後処理制御ユニットおよび機関制御ユニットに信号を供給するための異なるセンサを設けることができる。このようにして、内燃機関に供給される空気の状態を表す信号を供給するための少なくとも１つの第１のセンサ１９４が設けられる。第２のセンサ１７７は、燃料調量システム１８０の状態を表す信号を供給する。

センサ１９１は、有利には窒素酸化物濃度を検出する。この窒素酸化物濃度は第２の量とも称される。第４のセンサ１９２は、有利には温度量ＴＶを検出する。この温度量ＴＶは、排気ガス後処理システム前方の温度とも称される。第５のセンサ１９３は、還元剤または還元剤から生成される中間生成物を表す信号Ｎおよび／または分解すべき有害物質を直接表す信号Ｎを供給する。したがって、有利にはアンモニアセンサおよび／または窒素酸化物センサが使用される。

第１センサ１９４、第３センサ１９１、第４センサ１９２および第５センサ１９３の出力信号は、有利には排気ガス後処理制御ユニット１７２に印加される。第２センサ１７７の出力信号は、有利には機関制御ユニット１７５に印加される。また、図示されていない別のセンサも設けることができ、このセンサによって、運転者の希望または別の周辺状況または別の機関運転状態に関連する信号が供給される。

特に有利には、機関制御ユニットおよび排気ガス後処理制御ユニットが１つの構造的なユニットを形成する。しかし前記２つの制御ユニットを、空間的に相互に別個の２つの制御ユニットとして構成することもできる。

以下では、本発明による方法が還元触媒の例で説明される。この還元触媒は、とりわけ直接噴射型内燃機関において使用される。しかし、本発明による方法はこの適用にのみ制限されることはなく、排気ガス後処理システムを有する別の内燃機関においても使用することができる。とりわけ本発明による方法は、触媒およびパティキュレートフィルタが組み合わされた排気ガス後処理システムにおいて使用することができる。

前記センサ信号に基づき機関制御部１７５は、燃料調量システム１８０に印加すべき制御信号を計算する。次にこの燃料調量システム１８０は、適切な燃料量を内燃機関１００に調量する。燃焼時には、排気ガス中に窒素酸化物が発生する。この窒素酸化物は、排気ガス後処理システム１１５内の還元触媒１１５ｂによって、窒素および水に変換される。こうするため、排気ガス後処理システム前方の排気ガスに還元剤を添加しなければならない。図示された実施形態では、この還元剤は調整エレメント１８２によって排気ガスに添加される。有利には還元剤としてアンモニアが使用され、このアンモニアは加水分解触媒１１５ａで尿素水溶液から生成される。択一的には、調整エレメント１８２によって還元剤を排気ガスに直接供給することができる。こうするためには、とりわけ炭化水素が適している。さらに還元剤は、通常は内燃機関に燃料を調量する調整エレメント１８０によって適切に調量することにより、排気ガス中に注入することができる。このことは有利には、所定の間隔で本来の噴射後に行われる後噴射によって実施される。この後噴射は、燃料がもはや燃焼されない時点で実施される。

調整エレメント１８２は、有利には排気ガス管路１１０に配置される。しかしこの調整エレメント１８２は、排気ガス後処理システムの内部または近接部に、とりわけ加水分解触媒１１５ａに取り付けることもできる。

他に欠陥が存在しないという前提、とりわけ排気ガスセンサおよび還元剤の添加部が欠陥なしで作動しており、かつ還元剤の品質が正常であるという前提のもとでは、以下のように経過する。

特定の作動状態が存在する場合、供給される還元剤が短時間にわたって変化される。供給される還元剤をこのように変化することにより、排気ガスにおいて相応する作用が生じなければならない。排気ガスにおけるこの作用は、適切なセンサによって検出される。

それ自体に一定の条件で、供給される還元剤量が変更されると、排気ガス系統に配置されたセンサの相応の信号は相応に変化しなければならない。有利にはセンサとして、還元剤または還元剤から生成された中間生成物を検出するための信号および／または分解すべき有害物質を直接検出するための信号を供給するセンサが使用される。したがって有利には、アンモニアセンサおよび／または窒素酸化物センサが使用される。還元剤を変化しても、相応する信号が変化しない場合、著しい欠陥が推定される。

有利には、所定の作動状態において測定が実施される。前記所定の作動状態は、別の作動状態が検査中に変化しない定常状態であると有利である。有利には、この検査はアイドリング中に実施される。

還元剤として有利には、尿素水溶液が使用される。この尿素水溶液は添加装置１８２を介して、内燃機関後方の排気ガス中に直接注入される。還元剤量を増加させた場合、排気ガス中のアンモニア含有量は増加して、窒素酸化物値は低下しなければならない。尿素量を減少させた場合、アンモニア値は低下し、窒素酸化物量は増加しなければならない。この場合、排気ガス後処理システムに欠陥が存在しないことが推定される。１つまたは両方の条件が満たされない場合、著しい欠陥、とりわけ触媒の欠落が推定される。

本発明による方法の有利な実施形態は、図２にフローチャートして示されている。

この実施形態では、還元剤量Ｒを所定の時間ＳＷ１にわたって変更した場合、排気ガス系統にあるセンサのセンサ信号が所定の変化ＳＷ２を起こしたか否かということのみが検査される。もしそうでない場合、欠陥が推定される。

第１のステップ２００では、検査可能な状態であるか否かが検査される。とりわけ、内燃機関がアイドリング状態にあるか否かが検査される。もしそうであれば、ステップ２１０でタイムカウンタＴが０にセットされ、排気ガスセンサ１９３の瞬時値Ｎ０がステップ２２０で検出される。有利には、排気ガス中の窒素酸化物濃度および／またはアンモニア含有量に関連する信号Ｎが検出される。こうするためには、排気ガス中の有害物質成分を表す信号、および／または、還元剤および／または還元剤の分解生成物の成分を表す信号を供給するのであれば、すべてのセンサが適している。

続いてステップ２３０では、還元剤量Ｒが所定の値Ｄだけ変更される。ここでは、還元剤は増加されるかまたは減少されるように構成されている。有利には、還元剤量は増加される。次にステップ２４０では、タイムカウンタが１だけ上昇される。問い合わせ２５０により、時間が閾値ＳＷ１より長いか否かが検査される。もしそうでなければ、再度ステップ２３０が実行される。もしそうであれば、ステップ２６０において排気ガスセンサの瞬時値ＮＡが検出される。後続のステップ２７０では、瞬時値ＮＡと還元剤の変化前に存在していた値Ｎ０との差の絶対値ＮＤが求められる。問い合わせ２８０により、値ＮＤが閾値ＳＷ２より大きいか否かが検査され、もしそうであればステップ２９５において、欠陥のない状態であると判定され、もしそうでなければステップ２９０において、欠陥が存在する状態であると判定される。

改善された実施形態では、還元剤量は所定の値だけ変更され、センサの信号が所期の値だけ変化したか否かが検査される。

つまり、たとえば図２で説明された方法では、閾値ＳＷ２は異なる作動特性量から設定される。

別の実施形態では、センサの信号が実質的に変化しない場合、著しい欠陥が存在すると判定され、該信号が所期の値をとらない場合、比較的小さな欠陥が存在すると判定されるように構成されている。

さらに、変化の絶対値が第１の閾値より小さい場合、著しい欠陥が存在すると判定されるように構成することができる。変化の絶対値が第１の閾値より大きいが第２の値より小さい場合、小さな欠陥が存在すると判定される。ここでは、第２の閾値は第１の閾値より大きい。

図３には例として、センサの出力信号Ｎが時間Ｔの上にプロットされている。時点Ｔ０までは、信号Ｎは一定の値をとっている。時点Ｔ０で還元剤量が変更される。こうすることにより、図示された実施例では、欠陥が存在しなければ信号Ｎは値Ｎｎｅｕまで上昇する。Ｗ１により、著しい欠陥が存在すると判定される閾値が設定される。信号が値−Ｗ２と値＋Ｗ２との間の値をとるのであれば、欠陥は存在しない。信号Ｎが、値Ｗ１を超え、かつ値−Ｗ２を下回る値をとるか、または値Ｗ１を超え、かつ値＋Ｗ２を下回る値をとる場合、小さな欠陥が存在する。

適切な欠陥領域は、還元剤量が変更された場合に信号Ｎが低下するケースに対しても設定される。

信号の変化が小さすぎる場合、著しい欠陥が存在すると判定される。信号Ｎが変化しても、この変化が所期の値に相応しない場合、小さな欠陥が存在する。

有利には、２つの欠陥が運転者に表示され、および／または、格納されて診断の枠内で運転者への警告時に読み出されるように構成される。ここで有利には、２つの欠陥は区別される。

排気ガス後処理システムのブロック回路図である。

本発明の方法のフローチャートである。

時間Ｔの上にプロットされた信号経過を示している。

符号の説明

１００ 内燃機関
１０５，１１０ 排気ガス管路
１１５ 排気ガス後処理システム
１１５ａ 加水分解触媒
１１５ｂ ＳＣＲ触媒
１１５ｃ 酸化触媒
１７０ 制御ユニット
１７２ 排気ガス後処理制御ユニット
１７５ 機関制御ユニット
１７７ 第２のセンサ（燃料調量システム１８０の状態を検出する）
１８０ 燃料調量システム
１９１ 第３のセンサ（窒素酸化物濃度を検出する）
１９２ 第４のセンサ
１９３ 第５のセンサ
１９４ 第１のセンサ（内燃機関に供給される空気の状態を検出する）
Ｎ 還元剤または還元剤から生成される中間生成物を表す信号、または分解すべき有害物質を表す信号
ＴＶ 温度量
Ｔ 時間
Ｎ０ 排気ガスセンサ１９３の瞬時値
Ｒ 還元剤量
Ｄ 所定の値
ＳＷ１、ＳＷ２ 閾値
ＮＤ 瞬時値ＮＡと還元剤の変化前に存在していた値Ｎ０との差の絶対値

Claims (10)

1. 排気ガス後処理システムを監視するための方法であって、
   排気ガス後処理のために、排気ガスに還元剤を供給する形式の方法において、
   供給される還元剤の量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が所期のように変化しない場合、欠陥が存在すると判定することを特徴とする方法。
2. 排気ガスには、還元剤として尿素水溶液を供給する、請求項１記載の方法。
3. 該センサは、排気ガス中の有害物質の含有量および／または還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を表す信号を供給する、請求項１または２記載の方法。
4. 供給される還元剤の量を、特定の作動状態において変更する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 供給される還元剤の量を、静的な作動状態および／またはアイドリング状態において変更する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 還元剤量を増加しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が上昇しない場合、および／または排気ガス中の有害物質の含有量を示す信号が低下しない場合、欠陥を識別する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 還元剤量を減少しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が低下しない場合、および／または排気ガス中の有害物質の含有量を示す信号が上昇しない場合、欠陥を識別する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 還元剤量を増加しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が所期の値だけ増加しない場合、および／または排気ガス中の有害物質の含有量を示す信号所期の値だけ低下しない場合、欠陥を識別する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 所定の値だけ還元剤量を減少しても、還元剤の含有量および／または還元剤の分解生成物の含有量を示す信号が所期の値だけ低下しない場合、および／または排気ガス中の有害物質の含有量を示す信号が所期の値だけ上昇しない場合、欠陥を識別する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 排気ガス後処理システムを監視するための装置であって、
    排気ガス後処理のために、排気ガスに還元剤が供給される形式のものにおいて、
    供給される還元剤の量を変更する手段が設けられており、
    排気ガス系統に配置されたセンサの信号が相応に変化しない場合、欠陥が存在すると判定することを特徴とする装置。

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