JP2007170388A - 粒子フィルタの作動方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】悪臭の発生なしに統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置の再生を可能にする、粒子フィルタの作動方法および制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関（１０）の排気ガス流れ内に配置され、排気ガスから粒子を捕集し、および選択触媒還元が還元剤の供給により行われる窒素酸化物の選択触媒還元のための能力を有する粒子フィルタ（２０）の作動方法が提供される。この方法は、還元剤の供給が粒子フィルタ（２０）の熱再生において一時的に低減されることを特徴とする。さらに、本方法の経過を制御する制御装置（１８）が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は独立請求項の上位概念に記載の方法および制御装置に関するものである。

このような方法およびこのような制御装置はそれぞれドイツ特許公開第１０３２３６０７号から既知である。この文献は、その図２に、粒子フィルタを備えた統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置（ＳＣＲ＝選択触媒還元、ＤＰＦ＝ディーゼル粒子フィルタ）を示し、粒子フィルタは触媒中心（中心部に触媒を備えた構造）を備え、触媒中心は選択触媒還元のための能力を有している。

粒子フィルタは多数のチャネルをもつ構造を有し、チャネルはその側部が交互に閉鎖されているので、粒子を含む排気ガスは蜂の巣本体の多孔壁を通過して流れなければならない。このとき、細孔内に粒子が堆積する。セラミック蜂の巣本体の多孔性に応じてそれぞれ、フィルタ効率は７０−９０％の間で変動する。粒子残渣による許容できないほどに高い排気背圧を回避するために、粒子フィルタは再生されなければならない。

ＳＣＲ触媒は窒素酸化物の分子窒素への選択触媒還元を支援し、この場合、還元剤としてアンモニアが使用され、アンモニアは、既知のように、ＳＣＲ触媒手前に配置された加水分解触媒内において尿素水溶液から得ることができる。尿素水溶液の転化はＳＣＲ触媒において行われてもよく、これにより、別個の加水分解触媒が必ずしも存在する必要はない。

「選択触媒還元」は、ＳＣＲ触媒の構造と共に、Ｄ．Ｓｃｈｏｅｐｐｅほか著、「ディーゼル・エンジンにおける将来のエミッション限界値を満たすための制御された排気ガス後処理装置」、Ｆｏｒｔｓｈｒｉｔｔｓ−Ｂｅｒｉｃｈｔｅ（技術進歩報告）、ＶＤＩ、第１２分冊、Ｎｏ．２６７、第１巻（１９９６年）、第１７回国際ウィーン・エンジン・シンポジウム、３３２−３５３頁に記載されている。ＳＣＲ触媒は還元剤をアンモニア（ＮＨ_３）に転化し、次に、アンモニアにより、窒素酸化物が選択的に且つ触媒作用で窒素および水に転化される。

ドイツ特許公開第１０３２３６０７号から既知の統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置において、粒子フィルタの構造はＳＣＲ活性触媒中心を含む。意図する粒子低減を連続的に且つ確実な作動で保証するために、粒子フィルタ内に堆積されたすすは時々除去されるべきである。これは、一般に、高い粒子フィルタ温度におけるすす粒子の燃焼により行われ、これは熱再生とも呼ばれる。ディーゼル・エンジンおよび粒子フィルタを有する自動車においては、このような熱再生は、典型的には数百ｋｍの走行距離後に、排気温度の上昇により開始される。この場合、排気温度は、例えば、エンジンの燃焼効率を適切に低下することにより行われてもよい。

統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置のこのような再生においては、悪臭が発生される。

この背景から、悪臭の発生なしに統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置の再生を可能にする、冒頭記載のタイプの方法および制御装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は、冒頭記載のタイプの方法および制御装置において、付属の独立請求項に記載の特徴によりそれぞれ解決される。悪臭問題の解析において、悪臭は、装置温度を上昇させたときに発生するアンモニアの放出が原因であることがわかった。熱再生の前に還元剤の供給を低減することにより、ＳＣＲ活性触媒物質において燃焼されるアンモニアは、もはや補充されないか、またはきわめて僅かな量が補充されるにすぎない。粒子フィルタの熱再生において、このとき、きわめて僅かなアンモニアが放出されるにすぎないか、またはアンモニアはもはや放出されない。

この場合、還元剤の供給が熱再生の前に既に低減されていることが好ましい。これにより、触媒中心に場合により吸蔵されているアンモニアは、熱的条件によってアンモニアが放出される前に、継続中のＳＣＲ反応によって燃焼される。

粒子フィルタが堆積すすの燃焼温度に到達する前に、粒子フィルタ内に吸蔵されているアンモニアの質量が第１の質量値から第２の質量値に低減されることもまた好ましい。この場合、第２の質量値は、温度が上昇されても本質的なアンモニア量が放出されない低いアンモニア充填レベルに対応していることが好ましい。この場合、放出アンモニア量は、正常状態下でその臭いが検出されないときにはもはや問題とはならない。

悪臭トラブルを回避するために、さらに、還元剤の供給が熱再生の間においても低減されたままであることが好ましい。
他の好ましい形態は、還元剤の供給が熱再生後に再び上昇されるように行われる。還元剤供給の低減により、窒素酸化物転化能力は低下される。還元剤供給の上昇はこの能力低下を回復させる。これにより、窒素酸化物エミッションは、比較的まれに行われるにすぎない熱再生の間においてのみ、一時的に悪化されるにすぎない。この悪化の期間は、統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置のアンモニア吸蔵体が急速に再び充填されるように反応剤供給の上昇が行われることにより、さらに短縮することができる。これは、短時間の過剰な還元剤供給により行われてもよい。

窒素酸化物転化の能力低下をさらに減少させ且つ統合ＳＣＲ／ＤＰＦ装置の熱再生と関連する燃料過剰消費を最小にするために、粒子フィルタの流れ抵抗に対する尺度の関数として再生の開始が制御されることが好ましい。流れ抵抗に対する尺度がしきい値を超えたとき、熱再生が開始されるかまたは開始の準備が行われる。このような必要に応じた開始は、この尺度が、粒子フィルタ前後の圧力差を測定する差圧センサの信号から決定されることによって行われることが好ましい。代替態様または補足態様として、流れ抵抗に対する尺度が、粒子フィルタの作動特性変数の関数として、計算モデルにより形成されてもよい。

その他の利点が説明および添付図面から得られる。
上記の特徴および以下にさらに説明される特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、与えられたそれぞれの組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせまたは単独でもまた使用可能であることは明らかである。

本発明の実施例を図面に示し且つ以下に詳細に説明する。

図１は内燃機関１０を排気ガス浄化装置と共に示している。内燃機関１０に吸気管１４から空気が供給される。供給された空気に、燃料配量装置（又は燃料噴射装置）１６を介して燃料が配量（又は噴射）される。このようにして形成された燃料および空気混合物は、内燃機関１０の燃焼室内において、自己点火によりまたは外部点火によって燃焼される。この場合、内燃機関１０および噴射装置１６は、制御装置１８により制御される。制御装置１８に、内燃機関１０および噴射装置１６の制御のための基本として、内燃機関１０の運転パラメータ並びに場合によりドライバのトルク希望に関するセンサ装置２１の信号が供給される。運転パラメータの取得はこの位置に限らないこと、および最新の内燃機関１０は一般に多数の他のセンサを有していることは明らかである。

排気ガス浄化のために、図１の既知の排気ガス浄化装置は、少なくとも１つの統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０を含む。統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０においては、粒子フィルタおよびＳＣＲ触媒が１つの構造ユニットに統合されている。この構造ユニットは、ＳＣＲ触媒および／または粒子フィルタを破壊することなしには分離可能ではない。したがって、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０は、内燃機関１０の排気ガス流れ内に配置され、排気ガスから粒子を捕集し、および還元剤の供給により行われる窒素酸化物の選択触媒還元のための能力を有する粒子フィルタ２０を示す。

統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０は構造２２を有している。構造２２内において、その側部が交互に閉鎖されているチャネルは、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の入口側が開放されているチャネルは反対の出口側が閉鎖され、その逆に、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の入口側が閉鎖されているチャネルは反対の出口側が開放されているように形成されている。したがって、図１の排気ガス浄化装置１２において、内燃機関１０の排気ガスは、構造２２の多孔壁内を通過して拡散しなければならない。拡散において、すす粒子は構造２２の多孔壁内において分離する。

統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０は、貫流する排気ガスが触媒中心と接触するように形成されている。この場合、触媒中心の材料は、ＳＣＲ能力が得られるように選択されている。この能力は、例えば、その側部が交互に閉鎖されている構造２２のチャネルの表面がガス透過性触媒層により被覆されることによって形成されてもよい。構造２２は、この場合、ＳＣＲ活性コーティングのための担体構造としてのみならず、すす粒子がその中で分離される粒子フィルタとしても働く。代替態様および／または補足態様として、触媒層がチャネルの多孔壁内に存在していてもよい。

ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の構造２２のチャネルおよび／または細孔の触媒コーティングは、窒素酸化物の分子窒素への選択触媒還元を支援し、この場合、還元剤としてアンモニアが使用される。還元剤としてのアンモニアは、一形態においては、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内における加水分解反応により尿素水溶液から得られ、尿素水溶液は、還元剤配量装置２４から、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０または構造２２の手前において排気ガスに配量される。反応剤配量装置２４は、本質的に、還元剤タンク２６、配量弁２８およびノズル３０を有している。配量弁２８は、内燃機関１０の運転パラメータの関数として、制御装置１８により制御される。しかしながら、本発明は特定の還元剤発生タイプに限定されないことは明らかである。

この関係において、内燃機関１０の運転パラメータに、特に排気ガス浄化装置１２またはその構成要素の温度Ｔが付属する。この温度Ｔの測定のために、図１において温度センサ３２が設けられ、温度センサ３２はＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の温度を測定する。しかしながら、このような温度センサ３２は排気ガス処理装置１２内の他の位置に設けられていてもよい。他の代替態様として、内燃機関１０および配量弁２８の制御のために使用される温度Ｔは、モデル化により、燃焼室の空気充填量、配量されるべき燃料量等のような内燃機関１０の他の運転パラメータから形成されてもよい。

堆積すす粒子の質量の増加と共に、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の流れ抵抗したがって排気背圧が上昇する。粒子残渣による内燃機関１０の運転のために許容できないほどに高い排気背圧を回避するために、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０は再生されなければならない。

図１の形態においては、差圧センサ３４が、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０前後の圧力差ｄｐを測定し且つ測定されたｄｐ値を制御装置１８に伝送する。制御装置１８は、差圧ｄｐまたは差圧ｄｐから導かれたＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の流れ抵抗に対する値を、しきい値と比較し、しきい値を超えたときにＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の熱再生を開始する。代替態様または補足態様として、再生は、走行距離の関数として、または対応する多くの運転状況に関する内燃機関１０の運転パラメータからモデル化された統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０のすす蓄積量の関数として開始されてもよい。

図２は、本発明による方法の一実施例を実行したときの、熱再生前、熱再生の間および熱再生後における統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の種々の作動パラメータの時間線図を示す。

曲線３６は排気ガス流れの特定の値における差圧値ｄｐの線図を示し、一方、曲線３８はＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の温度の線図を示す。この関係において、図２の線図は単に定性的であるにすぎないことを明確に指摘しておく。典型的な再生期間は数分の範囲内にある。再生期間は、曲線３８において、上昇された温度を有する平坦部の幅で表わされる。

これに対して、自動車の場合、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０のすす蓄積量は、場合により、熱再生が開始される前における、数百ｋｍの走行距離にわたって、したがってかなり長い運転時間にわたって増加する。ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０のすす蓄積量の増加を表わす差圧ｄｐ（曲線３６）の上昇は、図２においては、図を見やすくするために、実際の装置において期待されるものよりも急な勾配で示されている。

はじめに、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０は内燃機関１０の排気ガスからすす粒子をフィルタリングする。時間的にそれに平行して、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内において、内燃機関１０の排気ガス内の窒素酸化物が分子窒素に還元される。選択触媒反応を保持するために、排気ガスに、はじめは連続的に、還元剤が供給される。還元剤の配量は、図１内の弁２８およびノズル３０を介して行われる。図２内の曲線４０は、内燃機関１０の排気ガスへの還元剤質量流量を示す。還元剤は排気ガス内および／またはＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内においてアンモニアを放出する。アンモニアの連続放出およびこれと時間的に平行して行われる窒素酸化物の選択触媒還元によるアンモニアの消費において、アンモニアのある程度の質量がＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内に吸蔵される。アンモニアの吸蔵質量が図２において曲線４２によって表わされる。

時点ｔ１において、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の流れ抵抗に対する尺度が、しきい値に到達したとする。この尺度は、差圧センサ３４の信号ｄｐから形成されても、および／またはＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の作動特性変数および／または内燃機関１０の運転特性変数の関数として計算モデルにより形成されてもよい。制御装置１８は、しきい値超過を記録し且つＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の入口における排気温度Ｔの上昇によってＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の熱再生を開始する。温度上昇期間は再生期間ｔＲを決定する。さらに、制御装置１８は熱再生の間における還元剤の供給を低減する。したがって、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内に吸蔵され且つ選択触媒還元において消費されるアンモニアは、一時的に、還元剤の後供給によってもはや置き換えられない。これにより、窒素酸化物の還元において消費されずにＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０の後方に発生して悪臭の原因となることがある放出アンモニアの量は低減する。

好ましい形態においては、還元剤の供給は熱再生の前に既に低減される。この形態においては、流れ抵抗に対する尺度がしきい値を超えたことが、はじめに、熱再生の準備を開始させる。次に、本来の熱再生が遅れて開始される。

これにより、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内に吸蔵されているアンモニアは、温度上昇が開始される前に窒素酸化物の還元のために消費される。図２の線図においては、差圧ｄｐがしきい値に到達した時点ｔ１において、はじめに、還元剤供給の低減が行われる（曲線４０）。この場合、しきい値は、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０がさらにすす粒子を捕集可能であるが、それに続いて再生されるべきであるように予め決定されている。時点ｔ１以降において、内燃機関１０は、はじめは低い排気温度Ｔで運転される。ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０のすす粒子蓄積量ははじめはさらに上昇するが、一方、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内に吸蔵されているアンモニアは選択触媒窒素酸化物還元によって消費される。ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール２０内に吸蔵されているアンモニア質量が、遅れた時点ｔ２において第１の質量値ｗ１から第２の質量値ｗ２に低減したときにはじめて、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュールの温度は蓄積すすの点火温度以上に上昇される。

それに続いて、熱再生の間においても還元剤の供給は低減されたままである。この場合、この低減は還元剤供給が完全に遮断されるまで行われてもよい。しかしながら、僅かな還元剤流れが保持されたままであることが好ましい。これにより、熱再生において遊離炭素の転化により発生した一酸化窒素が分子窒素および水に転化可能である。燃料の転化において発生する一酸化窒素のほかに、内燃機関１０から放出された窒素酸化物もまた選択触媒還元により多孔触媒構造２２内において転化されることは明らかである。

時点ｔ３において終了する熱再生後に、窒素酸化物の還元を再び上昇させるために、還元剤の供給が再び上昇される。この場合、還元剤の供給は、ＳＣＲ／ＤＰＦモジュールのアンモニア吸蔵体を急速に充填するために、短時間の間、定常状態に対して必要とされる量以上に上昇されてもよい。これが、図２において、破線４０．１により表わされている。

図１は、統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュールを有する内燃機関の略系統図である。 図２は、統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュールの種々の作動パラメータの略時間線図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 排気ガス浄化装置
１４ 吸気管
１６ 燃料配量装置（噴射装置）
１８ 制御装置
２０ 粒子フィルタ（統合ＳＣＲ／ＤＰＦモジュール）
２１ センサ装置
２２ 構造
２４ 還元剤配量装置
２６ 還元剤タンク
２８ 配量弁
３０ ノズル
３２ 温度センサ
３４ 差圧センサ
３６ 差圧値
３８ ＳＣＲ／ＤＰＦモジュールの温度
４０ 還元剤質量流量
４０．１ 還元剤の一時的な過剰供給
４２ アンモニア吸蔵質量
ｄｐ 圧力差（差圧値）
Ｔ 排気ガス浄化装置の温度
ｔ 時間
ｔＲ 再生期間
ｗ１、ｗ２ 質量値

Claims (10)

1. 内燃機関（１０）の排気ガス流れ内に配置され、排気ガスから粒子を捕集し、および選択触媒還元が還元剤の供給により行われる窒素酸化物の選択触媒還元のための能力を有する粒子フィルタ（２０）の作動方法において、
   還元剤の供給が粒子フィルタ（２０）の熱再生において一時的に低減されることを特徴とする粒子フィルタ（２０）の作動方法。
2. 還元剤の供給が熱再生の前に低減されることを特徴とする請求項１の方法。
3. 粒子フィルタ（２０）が堆積すすの燃焼温度に到達する前に、粒子フィルタ（２０）内に吸蔵されている質量が第１の質量値（ｗ１）から第２の質量値（ｗ２）に低減されることを特徴とする請求項２の方法。
4. 還元剤の供給が熱再生の間においても低減されたままであることを特徴とする請求項３の方法。
5. 還元剤の供給が熱再生後に再び上昇されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 粒子フィルタ（２０）の流れ抵抗に対する尺度（ｄｐ）の関数として再生の開始が行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 流れ抵抗に対する尺度（ｄｐ）が、粒子フィルタ（２０）前後の圧力差を測定する差圧センサ（３４）の信号から決定されることを特徴とする請求項６の方法。
8. 流れ抵抗に対する尺度（ｄｐ）が、粒子フィルタ（２０）の作動特性変数の関数として、計算モデルにより形成されることを特徴とする請求項６の方法。
9. 内燃機関（１０）の排気ガス流れ内に配置され、排気ガスから粒子を捕集し、および還元剤の供給により行われる窒素酸化物の選択触媒還元のための能力を有する粒子フィルタ（２０）への還元剤の供給を制御する制御装置（１８）において、
   制御装置（１８）が粒子フィルタ（２０）の熱再生において還元剤の供給を一時的に低減することを特徴とする制御装置（１８）。
10. 請求項２ないし８の方法のいずれかの経過を制御することを特徴とする請求項９の制御装置。

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