JP2004509274A - 排ガスから窒素酸化物を除去するための還元剤を調量する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、還元剤を調量する方法及び装置であって、排ガス特にディーゼル機関の排ガスを後処理するために、還元剤、特に尿素もしくは尿素水溶液を、質量調整して調量するための方法及び装置に関する。装置は、触媒コンバータに送り込まれる還元剤質量流を測定するための質量センサを有している。

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は、請求項１及び請求項１１の上位概念部に記載された形式の、触媒による排ガス後処理の領域において使用される、還元剤、特に尿素もしくは尿素・水溶液を調量する方法もしくは装置に関する。
【０００２】
排ガス中におけるＮＯ_Ｘ成分の減少を達成するために、特にディーゼル機関のためには還元型触媒コンバータが開発されており、この還元型触媒コンバータは通常、いわゆるＳＣＲ触媒コンバータ（英語「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ」）とアキュムレータ触媒コンバータ（Ｓｐｅｉｃｈｅｒｋａｔａｌｙｓａｔｏｒｅｎ）とに分けられる。いわゆるＳＣＲ触媒コンバータは、尿素及び／又はアンモニア還元剤供給によって再生され、これに対していわゆるアキュムレータ触媒コンバータは、いわゆる排ガスリッチ相（Ａｂｇａｓｆｅｔｔｐｈａｓｅｎ）において連行される内燃機関燃料の炭化水素によって再生される。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願第１９９４６９００．８号明細書に開示された装置は、例えばディーゼル機関からの排ガス中における窒素酸化物を除去するために、尿素を還元剤として調量添加する。調量は、尿素容器を開放する弁を介して行われ、この調量は調量弁の電気的な制御、調量弁の絞り横断面、及び絞り弁における圧力差によって規定される。そして弁の前における圧力が測定され、これによって当該圧力は許容範囲内において一定に保たれる。
【０００４】
発明の利点
請求項１もしくは請求項１１の特徴部に記載された本発明による方法もしくは調量装置には、公知のものに比べて次のような利点がある。すなわち本発明では、調量誤差を、＋／−１０％以下の値に、例えば＋／−５％の値に下げることができる。特に、孔直径並びに流入縁部及び流出縁部の製作誤差に基づいて生じる、絞り横断面の品質のばらつきを、補償することができ、また、温度に関連した流体の粘度又は温度変化に起因する構成部材の長さ変化によって生じる、例えば−１０〜＋１００℃の温度範囲における調量量の温度依存性をも、補償することができる。さらにまた、（１００００運転時間を上回るような）調量装置の全耐用寿命にわたる時間ずれ（Ｚｅｉｔｄｒｉｆｔｅｎ）をも補償することが可能である。質量測定を用いて、調量質量流の検出による調量、制御装置による測定値の検出から、調量弁又は調量ポンプの修正された制御に到るまでの、閉じられた調整回路もしくは閉じられた調整回路方法を、準備することが可能である。これによって目標値に合わせるために質量流における実際値を修正することができ、その結果調量精度が改善される。さらに、時間に関連して影響を受ける変化を検出し、かつこれを修正することが可能である。この場合調量誤差は単に質量センサの測定誤差によってしか影響されないので、このことは、誤差に影響を与える部材数の著しい減少を意味する。
【０００５】
従属請求項に記載された構成によって、独立請求項に記載された方法もしくは調量装置の別の有利な構成が得られる。自体公知の質量センサ、つまり質量流のみならず、貫流する媒体の密度をも付加的に測定する質量センサを使用すると、特に有利であり、このような質量センサを使用すると、使用される運転物質のみならず、この運転物質の物質状態をも認識することができる。つまり尿素水溶液を使用した場合には、密度を介して尿素の濃度を測定することが可能である。これによって濃度の変化を、一定の範囲内において、調量弁の制御を変化させることによって補償することができる。その結果調量精度はさらに改善され、通常生じる濃度の変化が許容誤差値を越えたような場合には、選択的に制御装置と接続されら警告表示装置を介して、エラー検知を発することができる。例えば尿素成分を含まない水又はメタノール又は燃料のような誤った運転物質を使用した場合の、アプリケーションエラーをも、認識することができ、このような情報をシステム緊急遮断もしくはエラー報知のために使用することができる。例えば脱ガス状態後における蒸気泡、凍結後における氷形成及び気泡形成のような相変化をも、認識することが可能である。制御装置は相応に空気抜き動作もしくは加熱動作を導入することができ、そしてタンクもしくは別体の空気抜き弁への戻し管路を省くことができる。調量された還元剤供給を行う装置は、相応に電気的に制御可能な調量ポンプによって特に簡単に構成することができる。それというのはポンプユニットはいずれにせよ尿素を搬送するために必要だからである。
【０００６】
別の有利な構成では、電気的に制御可能な調量弁が設けられており、この調量弁は制御装置を介して電気的に制御されることができ、この場合この制御装置は、単独で又は調量ポンプの相応な制御との組合せで、質量調整された調量を保証する。
【０００７】
本発明の別の有利な構成は、その他の従属請求項に記載されている。
【０００８】
図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【０００９】
図１は、水タンクと尿素タンクと触媒コンバータとを備えた調量装置を示す図である。
【００１０】
図２は、本発明による調量装置の別の実施例を示す図である。
【００１１】
実施例の記載
図１には符号１で尿素タンクが示されており、この尿素タンク１からは尿素・水溶液が、逆止弁２とフィルタシブとして形成されたフィルタ３とを備えた尿素管路１ａを介して、調量ポンプ４によって吸い込まれ、そして混合室８の調量弁７に圧送される。ポンプ４は過剰流量を最少にするために制御モータ４ａを介して回転数制御されている。圧送された過剰量は圧力制限弁１１を介してポンプの吸込み側に戻される。圧力空気タンク２０からは圧力空気が、フィルタシブ２１、２ポート２位置方向切換え弁２２、絞り２３及び逆止弁２４を備えた圧力空気管路２ａを介して、混合室８にもたらされる。混合室８からはエーロゾル管路２５が触媒コンバータ３０に通じており、この触媒コンバータ３０は一方の側に排ガス供給部２９を有し、かつ反対側に排ガス出口３１を有している。尿素タンク１はレベルセンサ５２と温度センサ５１とを備えている。調量ポンプ４と調量弁７との間には、質量センサ５０が配置されている。温度センサ５３，５４は触媒コンバータ３０の入口もしくは出口における排ガスの温度を測定する。さらに２ポート２位置方向切換え弁２２と絞り２３との間には、圧力センサ５５が設けられている。温度センサ５６は金属製のケーシングブロック４１の温度を測定し、このケーシングブロック４１には、符号４１で示された２点鎖線で囲まれた構成成分が配置もしくは組み込まれている。ケーシングブロック４１にはさらに制御装置４０が設けられており、この制御装置４０はセンサ５０〜５６及び制御モータ４ａ並びに調量弁７と電気接続されている。ケーシングブロック４１はアース接続されていて、制御装置４０は、ケーシングブロック４１の電位を基準電位として受け取っている。ＣＡＮデータライン（ＣＡＮは英語表現の「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ」の略である）３９を介して制御装置４０は、自動車における電圧供給部及びその他の電子的な構成成分、特に機関制御装置と接続されている。
【００１２】
調量弁７は、必要な尿素水溶液を混合室８内に調量供給する。混合室８内において、尿素水溶液に圧力空気が加えられて、エーロゾル及び壁膜が生ぜしめられ、このエーロゾルもしくは壁膜はエーロゾル管路２５を介して触媒コンバータ３０内にもたらされる。制御装置４０は、上位の機関制御装置からＣＡＮデータライン３９を介して送られる信号と、自体公知でありゆえにここでは詳説しない圧力センサ、温度センサもしくはレベルセンサ５１〜５６からの信号とを得る。さらに制御装置４０は質量センサ５０からも電気信号を受信し、この信号から、調量ポンプ４と調量弁７との間における、時間に関連した還元剤の質量流量が得られる。制御装置４０はセンサ情報から、触媒コンバータ３０を貫流する排ガスに加えるべき尿素調量量を算出する。質量センサ５０は、公知の誘導式及び／又は機械式の方法の使用下で、規定された流過横断面にわたる還元剤の流速度を測定し、質量流量に比例した電気信号を発する。制御装置４０は、調量弁７及び弁２２を用いて、尿素・水溶液圧もしくは圧力空気管路内における圧力を調整する。制御装置はそのために、機関制御装置からデータライン３９を介して供給された機関運転状態のデータと、調量装置及び触媒コンバータからのセンサデータとを使用する。質量センサ５０は、尿素・水溶液の貫流質量を認識し、測定値を同様に制御装置へとさらに送り、その結果、閉じられた調整回路を介して実際質量流を検出し、調量弁７の制御を介して目標質量流と比較することができる。
【００１３】
択一的に調量装置は、圧力空気の助成なしに、つまり部材２０〜２４を用いることなしに、使用することも可能である。質量センサはまた、この質量センサが質量流量のみならず測定セルを貫流する媒体の密度を測定するように、構成されていてもよい。このような質量センサもまた自体公知である。尿素水溶液を流動媒体として使用する場合に、このような測定エレメントを用いて密度を介して濃度を測定することができる。濃度の変化は、所定の範囲内において、調量弁の制御を変化させることによって補償することができ、この場合制御装置４０内には相応な濃度・修正ラインが記憶されている。これによって調量精度がさらに改善され、例えば基準値を超えた濃度低下及び濃度上昇時には、エラー検知器を作動させることができる。さらに制御装置は、劣悪な運転物質が使用されると、これを認識することができ、かつこのような情報をシステム緊急遮断及びエラー検知のために利用することができる。媒体の密度に関する情報は、制御装置によってさらに、例えば脱ガス状態後における蒸気泡、凍結後における氷形成及び気泡形成時における空気のような相変化を認識するために、利用することができる。相応に制御装置は空気抜き動作及び／又は加熱動作を導入することができる。空気抜き動作は調量弁７を介して実施することができ、加熱は、ケーシングブロック４１と熱接触している加熱エレメント（図示せず）を介して行うことができる。
【００１４】
規定された流過横断面を用いた容積流測定の代わりに、コリオリの原理に基づいて作動する市販の質量センサを使用することも可能である。別の択一的な構成では、規定された容積を量る自体公知の燃料計量装置のような計量装置を使用することも可能である。さらに、加熱ワイヤ・空気質量センサのような質量センサを構成することも可能であり、このようなセンサは、加熱されたワイヤが流れる液体によって誘導された冷却を用いて質量流を測定する。さらにまた、質量センサの具体的な構成とは無関係に、質量センサ内に温度センサを組み込むことも可能であり、この温度センサは運転物質の温度を測定して制御装置に伝え、その結果制御装置は、液体の運動学的な粘度の温度関連性を考慮するために、質量流センサの温度比較を実施することができる。
【００１５】
図２に示された択一的な構成では、図１に示されたのと同じ部材には同一符号が付けられている。図１との比較から分かるように、図２の実施例では圧力制限弁１１が省かれており、調量弁７の代わりに逆止弁１１０が配置されている。
【００１６】
この図２に示された配置形式は、図１に示された配置形式に比べて簡単化された構成であり、調量は単に調量ポンプを用いて行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
水タンクと尿素タンクと触媒コンバータとを備えた調量装置を示す図である。
【図２】
本発明による調量装置の別の実施例を示す図である。

Claims (20)

1. 還元剤、特に尿素もしくは尿素・水溶液を調量する方法であって、還元剤を、排ガス特にディーゼル機関の排ガスから窒素酸化物を除去するための触媒コンバータ（３０）に、供給する形式の方法において、還元剤の質量流を測定し、還元剤を、質量流の大きさに関連して調量することを特徴とする、排ガスから窒素酸化物を除去するための還元剤を調量する方法。
2. 還元剤の密度を、触媒コンバータへの供給の前に測定する、請求項１記載の方法。
3. 還元剤を、測定された密度に関連して調量する、請求項２記載の方法。
4. 測定された密度が所定の許容範囲外にある場合に、還元剤供給のエラー検知又は緊急遮断を実施する、請求項２又は３記載の方法。
5. 測定された密度から、還元剤の物質状態を検出し、気相又は固相が存在する場合には、還元剤をガス抜きもしくは加熱する、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 調量された還元剤からエーロゾルを形成し、次いでエーロゾルを触媒コンバータ（３０）に導入する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. エーロゾルを形成するために、還元剤に空気を調量供給する、請求項２記載の方法。
8. 質量流をコリオリ効果を使用して測定する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 規定された流過横断面を用いて還元剤の流速度を測定することによって、質量流を規定する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
10. 質量流を重量測定を用いて規定する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
11. 還元剤、特に尿素もしくは尿素・水溶液を調量する装置であって、排ガス特にディーゼル機関の排ガスから窒素酸化物を除去するための触媒コンバータ（３０）に、還元剤を供給するための手段（２，３，４）が設けられている形式のものにおいて、還元剤供給のための手段に、触媒コンバータ（３０）への還元剤質量流を測定するための質量センサ（５０）が後置されており、少なくとも１つのアクチュエータ（４，４ａ；７）を介して、質量センサの電気信号に関連して、還元剤の質量調整された調量が実施可能であることを特徴とする、排ガスから窒素酸化物を除去するための還元剤を調量する装置。
12. 質量センサが、質量流の測定のみならず、密度測定をも実施可能である、請求項１１記載の装置。
13. 前記手段が、アクチュエータとして質量調整された調量のために働く、特に電気的に制御可能な（４ａ）調量ポンプ（４）を有している、請求項１１又は１２記載の装置。
14. 質量センサ（５０）に、電気的に制御可能な調量弁（７）が後置されている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 混合室（８）への調量された還元剤供給がエーロゾルを形成するために行われ、これによってエーロゾル管路（２５）を介してエーロゾルが触媒コンバータ（３０）に導入可能である、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 混合室（８）に調量された空気供給を行うための手段（２０，２１，２２，２３，２４，５５）が設けられている、請求項１５記載の装置。
17. 質量センサがコリオリの原理に基づいて作動する、請求項１１から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. 質量センサが規定された流過横断面を介して、還元剤の流速度を測定する、請求項１１から１６までのいずれか１項記載の装置。
19. 質量センサが重量測定を行う、請求項１１から１６までのいずれか１項記載の装置。
20. 質量センサ（５０）が、ＣＡＮデータライン（３９）に接続可能な制御装置（４０）に接続されており、その結果制御装置が、電気信号を評価しながら少なくとも１つのアクチュエータ（４，４ａ；７）を制御可能である、請求項１１から１９までのいずれか１項記載の装置。