JP2004517248A - 排気ガス後処理システムの制御方法および装置 - Google Patents

排気ガス後処理システムの制御方法および装置 Download PDF

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Abstract

例えば内燃機関の、排気ガス後処理システムを制御するための方法および装置が記述される。排気ガス後処理システムは少なくとも1つの触媒を有している。排気ガス後処理システムには還元剤が供給される。排気ガス質量流はセンサの電流消費から出発しておよび/または圧力量から出発して前以て決めることができる。

Description

【0001】
本発明は、排気ガス後処理システムを制御するための方法および装置に関する。
【0002】
排気ガス後処理システムを制御するための方法および装置がDE19903439から公知である。そこでは、排気ガス後処理システムは少なくとも1つの触媒を有しており、触媒で窒素酸化物が還元剤を用いて還元される、排気ガス後処理システムを制御するための方法および装置が示されている。このために排気ガス後処理システムおよび/または排気ガス後処理システムの前の排気ガスに還元剤が供給される。その際還元剤の量は窒素酸化物の質量流から出発して決定される。窒素酸化物質量流の方は回転数および/または噴射される燃料量から出発して計算される。
【0003】
発明の利点
排気ガス質量流をセンサの電流消費から出発しておよび/または圧力量から出発して前以て決めることができるようにすることで、排気ガス後処理システムの著しく正確な制御が可能であり、このために著しく低減された排気ガス放出しか生じないことになる。
【0004】
排気ガス質量流と、触媒の前の排気ガス中の窒素濃度を特徴付けている第2の量とから出発して前以て決めることができるようにすれば、触媒の前の排気ガス中の窒素酸化物質量流を特別正確かつ簡単に予め特定することができる。このことは、窒素酸化物質量流が排気ガス質量流と排気ガス中の窒素濃度とから出発して計算されることを意味してる。
【0005】
有利にはこの第2の量はセンサを用いて検出される。これにより、センサのコストを著しく低減することができる。すなわちセンサは排気ガス中の窒素濃度を検出するためにも排気ガス質量流を検出するためにも用いられる。排気ガス中の窒素濃度を検出するためのセンサは付加的に排気ガス質量流を求めるために使用される。その際このセンサは、通例はホットフィルム空気質量計または熱線空気質量計とも称される公知の空気質量計と類似の手法で動作する。
【0006】
少なくとも第1の量から出発して、排気ガス後処理システムに供給すべき還元剤の量が決定されるのであれば、還元剤の量の簡単かつコスト面で有利な算出が可能である。排気ガス質量流および排気ガス中の窒素酸化物濃度から出発して計算される窒素酸化物質量流は使用されるべき還元剤の量を突き止めるために特別申し分なく適している。というのは、この手法は公知の方法より著しく正確な値を送出するからである。
【0007】
第1の実施形態では、排気ガス質量流は、殊に触媒の前の、排気ガスの温度を特徴付けている第1の温度量と、センサの電流消費とから出発して決定される。
【0008】
第2の実施形態では、排気ガス質量流は少なくとも圧力量および/または第1の温度量から出発して決定される。
【0009】
更に、特に有意なのは、本発明がプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラムおよびプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム製品の形態で実現されることである。本発明のコンピュータプログラムは、コンピュータ上、例えば自動車の内燃機関の制御装置で実行される場合に本発明の方法のすべてのステップを行うプログラムコード手段を有している。ここでは、本発明は制御装置に記憶されたプログラムにより実現されるので、プログラムを備えた制御装置を当該のプログラムとして実行するのに適した本発明の方法と等価に見なすことができる。また本発明のコンピュータプログラム製品では、コンピュータ上、例えば内燃機関の制御装置で実行される際に本発明の方法を行うプログラムコード手段がコンピュータで読み取り可能なデータ担体上に記憶されている。この場合本発明は、プログラム製品ないしはデータ担体がとりわけ自動車の内燃機関のための制御装置内へ組み込まれた場合に本発明の方法を実施できるように、データ担体により実現される。データ担体またはコンピュータプログラム製品として例えば電子記憶媒体、例えば読み出し専用メモリROMやEPROMを使用することができ、またCD−ROMまたはDVDなどの他の持続的な電子メモリを使用することもできる。
【0010】
別の特別有利な形態は従属請求項に記載されている。
【0011】
図面
次に本発明を図面に図示の実施例に基づいて説明する。その際、図1は排気ガス後処理システムの概観を示すブロック線図であり、図2は排気ガス後処理システムに供給される還元剤の量を求めるための装置および方法のブロック線図でありかつ図3は排気ガス後処理システムにおける窒素酸化物質量流を求めるための方法および装置のブロック線図である。
【0012】
図1には、内燃機関の排気ガス後処理システムの基本的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100へ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を介して周囲へ達する。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。これは図示の実施例では触媒とすることができる。更に、異なる有害物質に対する複数の触媒、または少なくとも1つの触媒と1つの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。
【0013】
有利な実施形態では排気ガス後処理システム115は1つの触媒もしくは有利には3つの反応が行われる3つの触媒から成っている。第1の加水分解触媒115aでは、調整操作部材182によって供給された尿素水溶液がアンモニアNH3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る。すなわち、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化する反応が行われる。次の酸化触媒115cでは、未使用のアンモニアが酸化される。
【0014】
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。
【0015】
更に制御ユニット170が設けられており、この制御ユニット170は少なくとも1つの機関制御ユニット175および排気ガス後処理制御ユニット172を有する。機関制御ユニット175は、燃料調量システム180にドライブ信号を印加する。更に排気ガス後処理制御ユニットは排気ガス後処理システムの上流の排気ガス管路または排気ガス後処理システム内部に配置されている調整操作部材182にドライブ信号を印加する。更に排気ガス後処理制御ユニット172および機関制御ユニット175は情報ないしデータを交換する。
【0016】
また、排気ガス後処理制御ユニットおよび機関制御ユニットへ信号を供給する種々のセンサを設けることもできる。少なくとも、内燃機関に供給される空気の状態を特徴付ける信号を送出する第1のセンサ194が設けられているようにすることができる。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。
【0017】
センサ191は、第2の量とも称される窒素酸化物を検出する。第4のセンサ192は有利には、排気ガス後処理システムの上流側の温度とも称される温度量TVを検出する。第5のセンサ193は有利には、排気ガス後処理システムの下流側の温度とも称される温度量TNを検出する。別の形態において、排気ガス後処理システムの入口と出口との間の圧力差を特徴付けている圧力量を検出するいわゆる差圧センサが設けられているようにすることができる。
【0018】
第1のセンサ194と第3のセンサ191と第4のセンサ192と第5のセンサ193との出力信号によって、有利には排気ガス後処理制御ユニット172は制御される。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、ここには図示されていない別のセンサが設けられているようにしてもよい。これらのセンサは、運転者意思に関する信号または他の周辺状態または機関作動状態を表している。センサの結合は例示されているにすぎない。センサが制御ユニットのそれぞれと接続されているようにしれも翌、その場合相応のデータは制御ユニット間で交換される。
【0019】
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は構成上1つのユニットを形成する。しかしこれらを、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。
【0020】
以下に本発明による方法を、還元触媒を例として説明する。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、本発明はこのような適用に限定されることはなく、排気ガス後処理システムを備えた他の内燃機関においても使用することができる。とりわけ本発明は、触媒とパティキュレートフィルタが組み合わされている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。
【0021】
存在しているセンサ信号に基づいて、機関制御部175は燃料調量システム180に印加するためのドライブ信号を計算する。それから燃料調量システム180は内燃機関100の相応の燃料量を調量する。燃焼時に排気ガス中に窒素酸化物が発生することがある。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。更に、排気ガス後処理システムの下流の排気ガスに還元剤を添加しなければならない。
【0022】
図示された実施例では、この還元剤は調整操作部材182によって排気ガスに添加される。還元剤として有利にはアンモニアが使用され、これは加水分解触媒115a内で尿素溶液から形成される。
【0023】
別の還元剤を、アンモニアに対するベースとしておよび/またはアンモニアに対する代用として使用することもできる。このような場合には加水分解触媒は必要でない。
【0024】
更に還元剤は、通例は内燃機関に対して燃料を調量する調整操作部材180を用いて適当な組成によって排気ガス中に供給することができる。このことは有利には、本来の噴射の後所定の間隔をおいて行われるポスト噴射によって行われる。
【0025】
調整素子182は有利には、排気ガス管路110に配置されている。しかしこれは、排気ガス後処理システム115に、とりわけ加水分解触媒115aに取り付けることもできる。
【0026】
以下に説明する実施例では、調整操作部材182によって尿素水溶液が排気ガス後処理システムへ供給される。以下では、尿素水溶液を還元剤と称する。
【0027】
図2には、供給される還元剤MHの量の算出が詳細に示されている。図1で既に説明した要素には対応する参照番号が付されている。供給される還元剤の量に対する基本値MHOがファイルされている特性マップ200は、例えばNOx質量流予設定部30によって用意されるNOx質量流MNOxおよび温度差DTのような種々の信号が加えられる。温度差DTは排気ガス後処理システムの上流および下流の温度差を特徴付けかつ排気ガス後処理システムの平均温度に1次近似している。このために、排気ガス後処理システムの後ろの温度TNを検出するセンサ193の出力信号が結合点252に供給される。結合点252の第2入力側に、排気ガス後処理システムの前の温度に相応する温度TVが加わる。
【0028】
特性マップ200MHOの出力信号は第1の結合点230を介して第2の結合点240に達しかつそこから第3の結合点250に達する。結合点250の出力信号は調整操作部材182に対するドライブ信号MHとして用いられる。択一選択的に、この信号から出発して、調整操作部材182に対するドライブ信号が計算されるかまたは特性マップから読み出されるように設定することもできる。この信号MHは排気ガス後処理システムに供給される還元剤の量を特徴付けている。
【0029】
結合点230には付加的に、第1の補正235の出力信号が加わる。この補正は、センサ177を用いて検出される冷却水温度TWの影響を考慮する。
【0030】
第2の結合点240には作動時間補正部245が加わる。この補正部には、調整操作部材182ないし排気ガス後処理システムの作動時間に関する信号が供給される。この信号は有利には制御ユニット172ないし175に存在している。
【0031】
結合点250には安全性間隔補正部260の出力信号が加わる。
【0032】
単数ないし複数の特性マップ200において、必要な量の還元剤ないし調整操作部材182に対するドライブ信号は窒素酸化物質量流MNOxと、排気ガス後処理システムの前の温度TVおよび後の温度TNの温度差DTとに依存してファイルされている。
【0033】
このファイルされている基本値MHOは引き続いて、種々異なっている結合点において冷却水温度、調整操作部材182の作動時間および間隔補正260に依存して補正される。特性マップ200における還元剤量の算出は触媒の周知の効率に基づいた特性マップにおいて行われる。
【0034】
図3には、窒素酸化物質量流算出部300が詳細に示されている。第2の量とも称されかつ排気ガス中の窒素酸化物濃度を特徴付けている出力信号NOが窒素酸化物質量流算出部300に達する。更に、窒素酸化物質量算出部は信号MAを処理する。この信号は排気ガス質量流を特徴付けている。これは排気ガス質量流算出部310によって用意される。排気ガス質量流算出部310には一方において結合点320の出力信号および電流信号Iが供給される。電流信号Iに代わって、電流信号を特徴付けている信号を使用することもできる。
【0035】
結合点320の第1の入力側にセンサ192の出力信号が加わる。センサは排気ガス後処理システムの前の排気ガス温度TVを検出する。結合点320の第2の入力側に温度調整部の実際値TSが加わる。この結合点はこれら2つの信号の差を求める。窒素酸化物センサ191の温度を検出するためのセンサ330によって用意される信号TSは更に調整器340に達する。調整器の第2の入力側には信号TSSが加わる。窒素酸化物センサ191の温度の目標値に相応する信号TSSは目標値予設定部350によって用意される。調整器340は調整操作部材360を制御する。調整操作部材はセンサ191を流れる電流に影響を及ぼす。
【0036】
通例、窒素酸化物センサ191は内燃機関の窒素酸化物放出を検出する。通例このセンサは一定の温度に加熱される。このために調整部が設けられている。この調整部は図3には340で示されている。この調整器には目標値TSSおよび実際値TSが供給される。これら2つの値の比較から出発して、調整器340はドライブ信号、殊に電流値を計算して、相応の調整操作部材360がドライブされるようにする。その場合調整器の出力信号から出発して、センサを流れる相応の電流Iが調整設定される。その結果として、センサTSの温度が温度に対する目標値TSSSと一致するようになる。
【0037】
排気ガス質量流と、センサおよび排気ガス間の温度差とに依存して、センサから排気ガスへの熱移行が行われる。この熱移行によって、センサは冷却されることになるが、このことは温度調整によって妨げられる。熱移行に依存してセンサは多かれ少なかれ著しく加熱される。従ってセンサを流れる電流Iは熱移行に対する尺度である。本発明によれば、排気ガス質量流計算部310は、結合点320によって求められる、排気ガスの温度TVおよびセンサの温度TS間の温度差と、センサを所定の温度に加熱するために必要である電流Iとから出発して排気ガス質量流MAを突き止める。
【0038】
排気ガス質量流はセンサ191を冷却する。センサの温度調整は電流Iが高められるようにしてこの冷却が抑圧されるようにする。その際排気ガス流がセンサから取り出す熱量は、センサに付加的に供給されなければならないエネルギーに等しい。このことから排気ガス質量流MAに対して、これを計算することができる次式が生じる:
【0039】
【数1】
Figure 2004517248
【0040】
量K1は実質的に、排気ガスシステムのジオメトリーによって定められている定数である。
【0041】
このことは、排気ガス質量流を特徴付けている排気ガス量がセンサの電流消費から出発して前以て決めることができることを意味している。
【0042】
窒素酸化物質量流MNOXの計算は窒素酸化物質量流計算部300において排気ガス質量流MAと、センサ191によって検出された、排気ガス中の窒素酸化物の濃度NOXとから出発して行われる。その際次式が成り立つ:
MNOX=MA*NOX*K2
量K2は実質的に定数である。
【0043】
択一的に、排気ガス質量流MAが排気ガス後処理システムの入口と出口の間の圧力差DPから出発して決定されるようにすることもできる。その際排気ガス質量流は次式:
【0044】
【数2】
Figure 2004517248
【0045】
に基づいて計算される。
【0046】
量K3は実質的に定数である。値P1は排気ガス後処理システムの前の圧力である。値K4は、システムのジオメトリーによって定められている定数である。
【0047】
K3は排気ガスの温度に対する依存性を有している。排気ガス後処理システムの前の排気ガス温度を考慮することによって、計算の精度を高めることができる。
【0048】
排気ガス後処理システムの上流の排気ガス温度TVに代わって、排気ガス温度TVに依存している別の温度値を使用することもできる。更に、別の測定量から出発して、排気ガス後処理システムの前の排気ガス温度TVを計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
排気ガス後処理システムの概観を示すブロック線図である。
【図2】
排気ガス後処理システムに供給される還元剤の量を求めるための装置および方法のブロック線図である。
【図3】
排気ガス後処理システムにおける窒素酸化物質量流を求めるための方法および装置のブロック線図である。

Claims (10)

  1. 排気ガス後処理システムは少なくとも1つの触媒を有しておりかつ該排気ガス後処理システムには還元剤が供給される、例えば内燃機関の排気ガス後処理システムを制御するための方法において、
    排気ガス質量流をセンサの電流消費から出発しておよび/または圧力量から出発して前以て決めることができる
    ことを特徴とする方法。
  2. 触媒の上流の排気ガス中の窒素酸化物質量流を特徴付けている第1の量を、排気ガス質量流と、触媒の上流の排気ガス中の窒素濃度を特徴付けている第2の量とから出発して前以て決めることができる
    請求項1記載の方法。
  3. 第2の量をセンサを用いて検出する
    請求項1または2記載の方法。
  4. 少なくとも第1の量から出発して、排気ガス後処理システムに供給すべき還元剤の量を決定する
    請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 排気ガス質量流を、例えば触媒の前の、排気ガスの温度を特徴付けている第1の温度量と、センサの電流消費とから出発して決定する
    請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 排気ガス質量流を少なくとも圧力量および/または第1の温度量から出発して決定する
    請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 圧力量は触媒の入口および出口間の圧力差を特徴付ける
    請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 排気ガス後処理システムは少なくとも1つの触媒を有しておりかつ該排気ガス後処理システムには還元剤が供給される、例えば内燃機関の排気ガス後処理システムを制御する装置において、
    排気ガス質量流をセンサの電流消費から出発しておよび/または圧力量から出発して前以て決めることができる手段が設けられている
    ことを特徴とする装置。
  9. プログラムコード手段を有するコンピュータプログラムにおいて、
    該プログラムがコンピュータ上、例えば内燃機関のための制御装置で実行される場合、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法のすべてのステップを実施するために使用されることを特徴とするコンピュータプログラム。
  10. プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品であって、
    コンピュータによる読み取りが可能なデータ担体に記憶されている形式のものにおいて、
    該プログラム製品がコンピュータ上、例えば内燃機関のための制御装置で実行される場合、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法を実施するために使用されることを特徴とするコンピュータプログラム製品。
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