JP2004517249A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

たとえば内燃機関のための排気ガス後処理システムを制御するための装置および方法が記載されている。該排気ガス後処理システムは、少なくとも１つの触媒を有する。該排気ガス後処理システムへは、内燃機関および／または排気ガス後処理システムの状態に依存して設定された還元剤量が供給される。供給される還元剤の量は適合される。

Description

【０００１】
従来の技術
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。そこには、少なくとも１つの触媒が設けられており、かつ排気ガス後処理システムへ内燃機関および／または排気ガス後処理システムの状態に依存して設定された量の還元剤が供給される、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記載されている。有利には供給される還元剤量は、内燃機関の運転特性量に基づいて、たとえば回転数および噴射された燃料量、ならびに排気ガス後処理システムの状態を表す量に基づいて決定される。排気ガス後処理システムの状態を表す量は、たとえば該排気ガス後処理システムの上流、内部および／または下流の排気ガス温度である。
【０００３】
とりわけ尿素を還元剤として使用する場合、還元剤の配量が問題である。排気ガス後処理システムへ供給される還元剤の量が少なすぎると、窒素酸化物が十分に変換されず、周囲へ達してしまう。供給される還元剤の量が多すぎると、とりわけ尿素溶液が配量される際に、たとえばアンモニア等の不所望の物質が周囲へ達してしまう。アンモニアのこのような流出は、確実に回避しなければならない。それゆえ通常、傾向的に少なすぎる還元剤量が配量されるように構成されている。このことは、内燃機関、排気ガス後処理システムまたは還元剤配量のための配量システムの領域内の公差によってアンモニアが排気ガス内に発生しないように、還元剤量が設定されることを意味する。
【０００４】
本発明の利点
供給される還元剤の量が適合されるように構成することによって、最小の窒素酸化物排出量しか発生されず、アンモニアの流出を確実に阻止することができるように、供給される還元剤量を調整することができる。
【０００５】
特に有利なのは、排気ガス後処理システムの作用を表す測定量に基づいて適合する場合である。このような測定量は、たとえば窒素酸化物排出量を検出するセンサによって供給されるか、ないしはアンモニア排出量を検出するセンサによって供給される。別の還元剤によって動作するシステムでは、相応に別のセンサが使用される。
【０００６】
有利には、排気ガス後処理システムの作用を表す測定量を検出するセンサが使用される。この測定量は、種々の物質の濃度に依存する。前記種々の物質は、排気ガス後処理システム内で変換されなかった物質または部分的にしか変換されなかった物質、変換に必要な物質および／または変換によって生成された中間生成物である。有利には、排気ガス系統で排気ガス後処理システムの下流に発生する物質を検出するセンサが使用される。前記物質は、排気ガス後処理システムにおける変換に必要とされるか、または変換中に中間生成物として発生する物質である。特に有利には、窒素酸化物センサが使用される。この窒素酸化物センサは、排気ガス後処理のための異なるコンセプトにおいても使用することができる。さらにこの窒素酸化物センサは、内燃機関および／または排気ガス後処理システムの制御領域における別のタスクのために使用することもできる。尿素を還元剤として使用するシステムでは、アンモニアセンサが有利である。
【０００７】
特に有利なのは、適合が内燃機関および／または排気ガス後処理システムの所定の運転状態でのみ実行されることである。この特別な運転状態では、測定量が期待値と比較され、この比較に基づいて還元剤の量が補正される。
【０００８】
第１の実施形態では、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内のアンモニア量を表す第１の量が検出される。この第１の量が上方の閾値を超えると還元剤の量が減少され、および／または、第１の量が下方の閾値を下回ると還元剤の量が増加される。
【０００９】
第２の実施形態では、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内の窒素酸化物の量を表す第２の量が検出される。この第２の量が下方の閾値を下回ると還元剤の量が減少され、および／または、第２の量が上方の閾値を超えると還元剤の量が増加される。
【００１０】
特に精確な制御を達成するため、１つの実施形態では、第１の量が上方の閾値を超えると還元剤の量が減少され、および／または、第２の量が上方の閾値を超えると還元剤の量が増加されるように構成されている。
【００１１】
さらに、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全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。
【００１２】
有利でありかつ目的に適った本発明の構成および発展形態は、従属請求項に記載されている。
【００１３】
図面
以下で本発明を、図面に示された実施形態に基づいて説明する。図１は本発明による装置のブロック回路図を示しており、図２は、本発明による装置をブロック回路図として詳細に示した図である。図３は、本発明による方法を図示したフローチャートである。
【００１４】
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。この排気ガス後処理システム１１５は、有利には触媒である。さらに、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。
【００１５】
有利な実施形態では排気ガス後処理システム１１５は、１つないしは有利には３つの反応が行われる３つの触媒を有する。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。
【００１６】
別の還元剤が使用される択一的な実施形態では、別の触媒も使用することができ、および／または個々の触媒を省略することができる。とりわけ、還元剤が直接供給される場合、加水分解触媒を省略することができる。
【００１７】
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に制御信号を印加する。排気ガス後処理制御ユニット１７２は、機関制御ユニット１７５と信号を交換する。さらに排気ガス後処理制御ユニット１７２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た調整エレメント１８２に制御信号を印加する。
【００１８】
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。少なくとも第１のセンサ１９４が設けられており、このセンサ１９４は、内燃機関の状態を表す信号を供給する。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。
【００１９】
温度センサ１９１は、排気ガス後処理システムの温度を表す温度量Ｔを検出する。有利にはこの温度センサ１９１は、触媒１１５の下流に配置されている。センサ１９３は有利には、排気ガス後処理システム下流において排気ガス内の窒素酸化物濃度を検出する。有害物質センサ１９２は、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内のアンモニア量を表す信号ＮＨ３を検出する。この有害物質センサは、ＳＣＲ触媒１１５ｂと酸化触媒１１５ｃとの間に配置されていると特に有利である。有利には有害物質センサ１９２か、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内の窒素酸化物濃度を検出するセンサ１９３のいずれかが設けられる。
【００２０】
センサ１９１、１９２および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、ここには図示されていない別のセンサも設けることができる。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運転状態を表す。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
前記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に印加するための制御信号を計算する。その後、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。燃焼時には、排気ガス内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。さらに、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。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。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内で尿素溶液から生成される。
【００２４】
有利には、調整エレメント１８２は排気ガス管路１１０に配置されている。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外側に、とりわけ加水分解触媒１１５ａに取り付けることもできる。
【００２５】
以下に説明する実施形態では、調整エレメント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。
【００２６】
図２には、排気ガス後処理制御ユニット１７２がより詳細に示されている。すでに図１に示された構成要素は、相応の参照番号によって示されている。基本的に排気ガス後処理制御ユニット１７２は、信号設定部２００および補正値検出部２２０を有している。信号設定部の出力信号Ｈ０は、補正値設定部の出力信号Ｋと同様に結合点２１０に到達する。結合点２１０の出力信号Ｈによって調整エレメント１８２が制御される。
【００２７】
補正値検出部２２０は、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内の窒素酸化物濃度を検出するセンサ１９３の出力信号、および／または、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内のアンモニア量を表す信号ＮＨ３を形成する有害物質センサ１９２の出力信号を処理する。さらに補正値検出部２２０には、たとえば回転数Ｎ、内燃機関内へ噴射された燃料量ＱＫ等の運転特性量が供給される。
【００２８】
信号設定部２００には、たとえば回転数Ｎ、内燃機関内へ噴射された燃料量ＱＫ等の種々の運転特性量および種々の温度量Ｔが供給される。この温度量Ｔはとりわけ、排気ガス後処理システム１１５の内部および／または下流の排気ガス温度を表す温度量である。
【００２９】
これらの量に基づいて信号処理部は制御信号Ｈ０を計算し、この制御信号Ｈ０に基づいて調整エレメント１８２が制御される。有利には、調整エレメント１８２に対する制御信号を決定する値Ｈ０は、１つまたは複数の特性マップ内に入力量に依存して格納されている。ここでは、特性マップに格納された量が種々の運転特性量に基づいて補正されるように構成することができる。
【００３０】
制御信号Ｈ０を設定するための方法は、たとえばＤＥ１９９０３４３９に記載されている。しかし本発明による方法は、調整エレメント１８２に対する制御信号のこの検出形式に限定されない。本発明は、この制御信号を求めるための他の方法、またはこの制御信号を決定する別の量を検出するための他の方法においても、相応に適用することができる。重要なのは、信号設定部２００が調整エレメント１８２に対する制御信号、ないしは排気ガス後処理システムへ供給すべき還元剤の量を決定する量を設定することである。
【００３１】
通常、内燃機関および／または排気ガス後処理システムは公差を有するので、信号設定部２００に格納された値は非常に不正確であるか、ないしは同様に大きな公差を有する。つまり、アンモニアおよび／または窒素酸化物の排出に関して妥協が必要である。
【００３２】
有害物質および／または不所望の排気ガス構成成分をさらに減少できるようにするため、本発明では各内燃機関ないしは各排気ガス後処理システムに対して配量システムの特別な適合が実行される。この適合のため、排気ガス後処理システムの下流ないしは内部に配置されたセンサ１９２が使用され、このセンサ１９２によって窒素酸化物排出量またはアンモニア排出量が検出される。
【００３３】
検出された排出量は、達すべき相応の目標値と比較される。個々の排出量に対する限界値を超える場合および／または下回る場合、信号設定部に格納された値が補正される。この補正は補正値設定部２２０によって実行され、図示された実施例では、この補正値設定部２２０は補正値Ｋを設定する。補正値Ｋは信号設定部Ｈ０の出力信号と結合され、制御信号Ｈが形成される。有利には、加算または乗算によって補正が行われるように構成されている。
【００３４】
有利にはこの調整は、車両の最初の始動時、その後規則的な間隔で、ないしは内燃機関および／または排気ガス後処理システムが所定の状態にある場合に行われる。
【００３５】
図３には、補正値検出部２２０の動作形式がより詳細に示されている。第１のステップ３１０では、内燃機関および／または排気ガス後処理システムの運転点が検出される。たとえば、回転数Ｎおよび内燃機関の噴射された燃料量ＱＫが評価される。また、走行出力の落ち込みを検出する走行距離計および／または稼動時間カウンタのカウンタ状態が読み出されるように構成することもできる。
【００３６】
続いてステップ３２０では、適合が可能でありかつ合理的である適した状態が存在するか否かが検査される。このような運転状態はとりわけ、検出される値がある程度の時間にわたって一定である定常運転状態である。排気ガス後処理システムの無駄時間が比較的長いので、このことは必要である。つまり、運転状態が変化すると、この変化はある程度の遅延時間後に初めて作用する。
【００３７】
適合は、システムが定常状態にある運転状態でのみ実行される。すなわち、運転特性量が最後に変化してから一定の時間が経過しなければならない。さらに、内燃機関および／または排気ガス後処理システムが所定の運転点にある場合のみ適合が行われるように構成することもできる。この運転点は、たとえば内燃機関の回転数Ｎ、噴射された燃料量ＱＫ等の種々の運転特性量および／または所定の温度値Ｔによって定義される。この所定の温度値Ｔは、とりわけ排気ガス温度に対する温度値である。
【００３８】
さらに、最後の適合から所定の時間が経過したか否か、および／または内燃機関および／または排気ガス後処理システムの所定の走行出力が出力されたか否かが検査される。
【００３９】
問い合わせ３２０によって、適した運転状態が存在しないことが識別されると、プログラムはステップ３２５で終了する。適した運転状態が存在する場合、ステップ３３０で適切なセンサの出力信号が評価される。有利には、排気ガス後処理システムの作用を表す測定量が検出される。したがって、たとえば尿素が供給される場合、排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内のアンモニア含有量が評価される。このアンモニア含有量は、とりわけ還元触媒の下流の排気ガス内のアンモニア含有量である。さらに、窒素酸化物濃度、つまり排気ガス後処理システムによって除去しなければならない不所望の物質の濃度をセンサによって検出することもできる。
【００４０】
ステップ３４０では、下方の閾値ＵＳが内燃機関および／または排気ガス後処理システムの運転状態に依存して設定される。相応に上方の閾値が、同様にこれらの量に依存して設定される。有利には状態量として、回転数、噴射された燃料量ＱＫ、場合によっては排気ガス温度を表す温度値Ｔ等の別の量も使用される。
【００４１】
簡略化された実施形態では、固定的な値が設けられ、信号ＮＨ３およびＮＯＸが期待値をとる所定の運転点においてのみ実施されるように構成することができる。
【００４２】
続いてステップ３５０では、アンモニアセンサの出力信号が上方の閾値より大きいか否かが検査される。もしそうであれば、ステップ３６０で補正値が設定される。この補正値によって、配量される還元剤が減少される。たとえば、負の補正値が加算されるか、ないしは信号設定部の出力値が１より小さい値によって乗算されるように構成することができる。その後、プログラムは同様にステップ３２５で終了する。
【００４３】
問い合わせ３５０によって、アンモニアセンサ１９２の出力信号が上方の閾値より小さいことが識別された場合、後続の問い合わせ３７０によって、該センサの出力信号が下方の閾値ＵＳより小さいか否かが検査される。もしそうであればステップ３８０で、配量される還元剤の増加を引き起こす補正値が設定される。
【００４４】
択一的な実施形態では、ステップ３７０において、窒素酸化物センサ１９３の出力信号ＮＯＸが閾値ＵＳより大きいか否かが検査されるように構成することができる。もしそうであれば、同様に還元剤量を増加する補正が実行される。相応に問い合わせ３５０では、ＮＯＸセンサの出力信号が閾値より小さいか否かということに関して該出力信号が検査され、もしそうであれば還元剤量が減少されるように構成することもできる。
【００４５】
本発明では、内燃機関および／または排気ガス後処理システムが所定の状態になると、排気ガス後処理システムの作用を表す測定量が期待値と比較され、この比較に基づいて還元剤の量が補正されるように構成されている。
【００４６】
ここでは、信号設定部の出力信号が補正されるか、または信号設定部自体が変更されるように、すなわち、たとえば特性マップに格納された値が相応に変更されるように構成することができる。
【００４７】
とりわけ、アンモニア量が上方の閾値を超えた場合、還元剤量が減少されるように構成され、および／または窒素酸化物量が上方の閾値を超えた場合、還元剤量が増加されるように構成されている。
【００４８】
本発明では、それぞれアンモニアセンサまたは窒素酸化物センサのみを有するシステムが使用されるか、または択一的に、システムにアンモニアセンサおよび窒素酸化物センサを設けることもできる。特に有利なのは、内燃機関および／または排気ガス後処理システムの制御の領域内の別のタスクのために使用することができる窒素酸化物センサを使用することである。
【００４９】
本発明による方法は、とりわけ窒素酸化物センサを使用する場合、尿素または類似の化合物を還元剤として使用するシステムに限定されない。そうではなく、本発明は、別の還元剤を使用する別のシステムにおいても使用することができる。とりわけ、炭化水素が還元剤として排気ガスに添加されるように構成することもできる。このことは、とりわけ調整エレメント１８２によって可能である。択一的に、炭化水素を測定してとりわけ燃料が、内燃機関に対する噴射燃料量を調量するために使用される通常の調整エレメント１８０を介して調量されるように構成することもできる。たとえば、相応の炭化水素が排気ガス内へ流入されるような後噴射が行われるように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による装置のブロック回路図を示した図である。
【図２】
ブロック回路図として示された本発明による装置を詳細に示した図である。
【図３】
本発明による方法を図示したフローチャートである。

Claims (10)

  1. たとえば内燃機関のための排気ガス後処理システムを制御するための方法であって、
    該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、
    該排気ガス後処理システムへ、内燃機関および／または排気ガス後処理システムの状態に依存して設定された還元剤量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適合することを特徴とする方法。
  2. 該排気ガス後処理システムの作用を表す測定量を検出する、請求項１記載の方法。
  3. 前記検出された測定量は、該排気ガス後処理システム内で変換されなかった物質または部分的にのみ変換された物質の濃度、変換に必要な物質の濃度、および／または発生した不所望の中間生成物の濃度に依存する、請求項１または２記載の方法。
  4. 内燃機関および／または排気ガス後処理システムが所定の状態にある場合、測定量を期待値と比較し、
    前記比較に基づいて還元剤の量を補正する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
  5. 該排気ガス後処理システムの下流の排気ガス内のアンモニア量を表す第１の量を検出し、
    前記第１の量が上方の閾値を超えた場合、還元剤の量を減少し、および／または、前記第１の量が下方の閾値を下回った場合、還元剤の量を増加する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
  6. 該排気ガス後処理システムの下流の窒素酸化物量を表す第２の量を検出し、
    前記第２の量が下方の閾値を下回った場合、還元剤の量を減少し、および／または、前記第２の量が上方の閾値を超えた場合、還元剤の量を増加する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 前記第１の量が上方の閾値を超えた場合、還元剤の量を減少し、および／または、前記第２の量が上方の閾値を超えた場合、還元剤の量を増加する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
  8. たとえば内燃機関のための排気ガス後処理システムを制御するための装置であって、
    該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、
    該排気ガス後処理システムへ、内燃機関および／または排気ガス後処理システムの状態に依存して、設定された還元剤量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適合す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、たと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７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、たと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７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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