JP2010526250A - 窒素酸化物の選択的触媒還元のためのアンモニアを供給する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排気システムにおける窒素酸化物の選択的触媒還元のためのアンモニアを供給する、本発明の方法は、ａ）内燃機関の状態に影響を与える少なくとも一つの作動変数を記録するステップと、ｂ）少なくとも一つの測定した変数の評価に基づいて内燃機関の可能な窒素酸化物の排出を算出するステップと、ｃ）可能な窒素酸化物の排出に対応するアンモニアの量を算出するステップと、ｄ）対応するアンモニアの量の供給を開始するステップと、を含み、ステップｄ）におけるアンモニアの量の供給は、排出ガスの外部で、尿素―水溶液を蒸発器で蒸発させ、排出ガスの外部で加水分解することを、ａ）蒸発器の発熱力と、ｂ）蒸発器に供給される尿素―水溶液の量との少なくとも一つの変数をステップｃ）で算出したアンモニアの量に基づいて制御することによって行われることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気システムにおける窒素酸化物の選択的触媒還元のためのアンモニアを供給する方法及び当該方法を実行する装置に関する。

内燃機関の排出ガスに含まれる非常に多くの成分が、多くの国々で望ましくないものとされている。これらの排出ガス構成成分の排出を可能な限り低く保つため、内燃機関の排出ガスの多くには遵守することが義務づけられた、法律で規制された上限値がある。望ましくない構成成分の一つとして窒素酸化物（ＮＯ_x）がある。窒素酸化物の排出量は第一に、エンジン内部の対策によって還元することができる。第二に、追加の、或いは代替の排出ガス後処理によってこの還元を行うことも可能である。内燃機関の排出ガス後処理の一つの選択肢として、窒素酸化物の選択的触媒還元がある。かかる方法では、窒素酸化物を、窒素酸化物に選択的に作用する、例えば、アンモニアなどの還元剤によって還元する。

特に、自動車などの動的な用途では、内燃機関の負荷の状態が急速に、部分的には大幅に変化するため、窒素酸化物の排出も極めて動的になる。内燃機関の排出ガスへの還元剤の計測を行う従来の制御部は、このようなダイナミズムのためしばしば問題が発生することがあり、内燃機関の排出ガスの窒素酸化物の変換がしばしば不十分なものになることもある。

これらの課題を糸口として、本発明は、従来技術で知られている課題を少なくとも緩和し、特に、内燃機関の排出ガスの窒素酸化物濃度が極めて動的に変化する場合であっても、窒素酸化物の変換を可能な限り最適に効率よく行うことができる、アンモニアを供給する方法を提供することを目的とする。また、対応する装置も提案する。

かかる目的は、独立請求項の特徴を有する方法及び装置によって実現される。それぞれの従属請求項は有利な特徴を定義する。

内燃機関の排気システムにおける窒素酸化物の選択的触媒還元のためのアンモニアを供給する、本発明の方法は、
ａ）前記内燃機関の状態に影響を与える少なくとも一つの作動変数を記録するステップと、
ｂ）少なくとも一つの測定した変数の評価に基づいて前記内燃機関の可能な窒素酸化物の排出を算出するステップと、
ｃ）前記可能な窒素酸化物の排出に対応するアンモニアの量を算出するステップと、
ｄ）前記対応するアンモニアの量の供給を開始するステップと、を含み、
前記ステップｄ）における前記アンモニアの量の供給は、排出ガスの外部で、尿素―水溶液を蒸発器で蒸発させ、排出ガスの外部で加水分解することを、
ａ）前記蒸発器の発熱力と、ｂ）前記蒸発器に供給される尿素―水溶液の量との少なくとも一つの変数を前記ステップｃ）で算出した前記アンモニアの量に基づいて制御することによって行われることを特徴とする。

前記ステップａ）の作動変数を記録するステップは、特に、かかる作動変数の測定を意味する。ここで、代替として、或いは追加的に、保存したデータを参照する、又は対応する計算を行うこともできる。内燃機関の現在の実際の状態は、測定した変数として理解することが好ましい。内燃機関の現在の実際の状態は、特に、内燃機関の特性マップの現在の動作ポイントとして理解してもよい。内燃機関の状態に影響を与える作動変数とは、内燃機関の動作状態に影響を与えうる任意の変数として理解してもよい。これは、具体的には、スロットルペダルのペダルトランスデューサを意味すると理解することもできる。内燃機関の可能な窒素酸化物排出の算出は、ステップｂ）で行うことができる。具体的には、ここで、測定した変数から得られる内燃機関の実際の状態の変化が考慮される。例えば、加速を行った後の内燃機関の可能な標準状態が、内燃機関の現在の動作状態とペダルトランスデューサの作動角度の変化に基づいて導かれ、加速した後の現在の排出ガスの窒素酸化物の含有量が算出される。この窒素酸化物の排出に基づいて、完全な変換のために必要なアンモニアの量が算出され、続けて、こうして決定したアンモニアの量の供給が開始される。ステップｂ）において、少なくとも一つの測定した変数の少なくとも一つの少なくとも一つの前回の値を考慮することが好ましい。

本発明によると、アンモニアを生成するための尿素−水溶液の蒸発と加水分解は、排出ガスの外部、すなわち、通常、排出ガスが流れることのない構成部で行う。好ましくは、電熱式の蒸発器を備えておく。排出ガスの外部で蒸発と加水分解を行うことによって、必要なアンモニアの量を正確に供給することができ、このため、加水分解触媒コンバータを通すガスの量を削減できるので、特に、加水分解触媒コンバータの排気ラインの内部に設けた実施の形態より小型に設計することができる。

本発明の方法は、排気ガスの窒素酸化物含有量の極めて動的な変化に合わせてアンモニアの投入を行うことができるので、動力車両などの移動体の用途であっても、内燃機関の排出ガスの中の窒素酸化物の変換効率を可能な限り最適化できると同時に、排出ガスの外部で尿素―水溶液からアンモニアを生成するという利点も排除する必要はない。

本発明の方法の更なる利点によると、前記ステップｃ）において、貯蔵した還元剤の量と、それによって発生し得る変換とが考慮される。

具体的には、ＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒コンバータを用いてＳＣＲ反応を実行する。このＳＣＲコンバータは、特に、アンモニアに対して所定の貯蔵機能を有する触媒活性被膜を含む。発生し得る変換を考慮して、特に、反応条件と排出ガス及び／又はＳＣＲコンバータの温度とを考慮して、放出するアンモニアの量を外挿法によって求め、これによって供給するアンモニアの量を削減することができる。

本発明の方法の更なる利点によると、ステップｂ）が、将来の窒素酸化物の排出を外挿法によって求めるステップを含む。

換言すると、内燃機関の少なくとも一つの過去の状態に対する内燃機関の現在の実際の状態、及び／又は、内燃機関の状態に影響を与える少なくとも一つの作動変数に基づいて、内燃機関の状態がどのように変化するかを算出する。これによって、予測される窒素酸化物の排出を算出し、適当な量のアンモニアを供給することができる。ここで、運転者に固有の値を用いてもよい。具体的には、一つの更なる利点によると、ステップｂ）において、将来の窒素酸化物排出を運転者に応じて判定するステップを含むことができる。ここで、運転者の運転行為、具体的には、加速及び／又は減速行為を、離散的に又は連続的に監視し、こうして得た運転者のプロファイルを用いて、特に、ペダルトランスデューサの値を考慮して、窒素酸化物の排出を予想することができる。

本発明の更なる利点によると、内燃機関の状態の変化を少なくとも一つの作動変数の変化に基づいて算出する。

このため、例えば、測定したスロットルペダルのペダルトランスデューサの作動角度の変化に基づいて、作動したことによって開始する加速処理又は制動処理と、加速処理又は制動処理終了時の内燃機関の標準状態を推定することができる。これにより、具体的には、エンジン特性マップにおける実際の状態から標準状態への経路を考慮して、アンモニアを必要とする時間を特定し、対応するアンモニアを供給することができる。内燃機関の状態の変化が予測された経路に従うか否か、或いは、更なる補正が必要か否かを常時チェックすることが好ましい。更に、例えば、勾配を超えるなど、傾斜などの環境変数に変化があった場合は、一定の作動変数について補正を行ってもよい。

本発明の方法の更なる利点の一つによると、ステップｂ）において、内燃機関の状態の実際の状態から可能な標準状態への様々な可能な変化の確率を考慮する。

ここで、所与の実際の状態と所与の標準状態に対して確率の高い又は低い様々な経路が存在することを考慮する。これは、時間が経過するといくつかの回転速度プロファイルの確率が他の回転速度プロファイルよりも高くなるためである。このため、例えば、個別の回転速度で発生する可能性の確率によって重み付けをして、可能性のある窒素酸化物の排出を算出する際に、対応する重みを考慮することが好ましい。

本発明の方法の更なる利点によると、ステップｂ）において、ユーザ別のデータを使用する。

例えば、移動体の用途では、内燃機関の場合、これは、運転者の行為、特に、加速及び／又は減速行為の分析を含み、かかるデータは、予想される窒素酸化物の予測及び算出のためのユーザ別のデータとして利用することが好ましい。ユーザ別のデータとは、特に、ユーザの運転行為に関するデータである。

本発明の更なる態様によると、本発明の方法を実行する装置を提案する。該装置は、
（ｉ）前記内燃機関の現在の実際の状態と、（ｉｉ）前記内燃機関の状態に影響を与える少なくとも一つの作動変数と、の少なくとも一つを判定する手段と、
少なくとも一つの測定した変数の少なくとも一つの少なくとも一つの前回の値を考慮して、前記少なくとも一つの測定した変数の評価に基づいて前記内燃機関の可能な窒素酸化物の排出を算出し、
前記可能な窒素酸化物の排出に対応するアンモニアの量を算出する制御手段と、
尿素―水溶液を蒸発させる、排出ガスの外部にある蒸発器と、排出ガスの外部にある加水分解触媒コンバータと、を含む、前記アンモニアの量を供給する手段と、
尿素―水溶液を前記蒸発器に供給する手段と、を備える。

制御手段は、具体的には、電子部品の形態、好ましくは、エンジン制御部の一部であってもよく、或いは、対応する構成のソフトウェアの形態、すなわち、コンピュータプログラム製品であってもよい。

本発明の方法の詳細及び利点を利用して、本発明の装置に転用することも、又、その逆も可能である。

本発明の方法を用いた排気システムを有する内燃機関を示す図である。 エンジン特性マップの一例を示す図である。 エンジン特性マップの確率分布の一例を示す図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の詳細を説明するが、ここに説明する代表的な実施の形態に限定されるものではない。図面は何れも概略図である。

図１は、排気システム２を有する内燃機関１の概要を示す図である。内燃機関の実際の状態を判定する手段３が設けられている。特に、内燃機関１の回転速度及び／又は負荷状態は手段３によって判定することができる。スロットルペダル４も設けられており、スロットルペダル４にはスロットルペダル４の位置を判定するための手段５が取り付けられている。特に、回転速度及び／又は負荷に関する内燃機関１の動作状態は、スロットルペダル４の位置に応じて変化するため、スロットルペダル４の位置を判定するための手段５は、具体的には、内燃機関１の状態に影響を与える作動変数を供給する。また、制御手段６とアンモニアを供給するための手段７も設けられている。制御手段６は、データ回線８を介して、各種構成部、特に、内燃機関１の実際の状態を判定するための手段３、スロットルペダル４の位置を判定するための手段５、いわゆるペダルトランスデューサと、アンモニアを供給するための手段７の部分に接続している。

アンモニアを供給するための手段７は、図１に示すように、排出ガスの外部に形成されている。すなわち、アンモニアを供給するための手段７は、通常、排出ガスが流れることのないように設計されている。代表的な本実施の形態では、アンモニアと結合する、又は反応してアンモニアを生成することができる還元剤の溶剤、すなわち還元剤の前駆物質を蒸発器９で蒸発させて、蒸発した還元剤前駆物質を加水分解触媒コンバータ１０で加水分解させて実現することができる。ここでは、加水分解触媒コンバータ１０は、触媒活性層、又は尿素の反応を触媒してアンモニアを生成することができる被覆を含む。蒸発器９は、貯蔵槽１１と接続することができる。尿素−水溶液を貯蔵槽１１に貯蔵する。尿素−水溶液は、例えば、蒸発器９に尿素−水溶液を供給するための手段１２、例えば、ポンプによって蒸発器９に供給することができる。例えば、特に蒸発器９の加熱、適当であれば、加水分解触媒コンバータ１０の加熱も制御する制御手段６を用いて加水分解触媒コンバータ１０と蒸発器９とを加熱することができる。このために、構成部９、１０もデータ回線８を介して制御手段６と接続されていることが好ましい。同様に、手段１２も、適当に設計されたデータ回線８を介して制御手段６と接続することができる。動作時は、アンモニアを含む混合気が加水分解触媒コンバータ１０から流れ出る。この混合気は、排気システム２の吸気ポイント１３に導かれる。内燃機関１の排気ガスの窒素酸化物の選択的触媒還元のためのＳＣＲ触媒コンバータ１４を吸気ポイント１３の下流に設ける。加水分解触媒コンバータ１０とＳＣＲ触媒コンバータ１４は各々、少なくとも一つのハニカム体を含むことができる。ハニカム体は金属層から構成してもよいし、又は、セラミックモノリスを含んでもよい。ここでは、それぞれ適当に設計された触媒活性被膜をハニカム体に塗布する。或いは、触媒活性の中心をハニカム体に形成する。

本発明の方法の実行時、最初に内燃機関１の現在の実際の状態が、特に、判定された燃機関１の回転速度及び／又はトルクとともに、適当に設計された手段によって記録される。スロットルペダル４の現在の位置もまた、適当に設計された手段５によって判定される。このようにして生成されたデータが、データ回線８を介して制御手段６に送信され、処理される。データ回線８は、有線でもよく、無線で構成してもよい。この実際の状態、及び／又はスロットルペダル４の対応する角度などの対応する作動変数の少なくとも一つの前回の値から、内燃機関１の窒素酸化物の排出の可能性を算出することができる。換言すると、具体的には、現在の実際の状態を前回の実際の状態と比較し、必要な場合、エンジン特性マップにおいて可能性のある方向を示す差分ベクトルを判定する。ここでは、作動変数の変化、特に、スロットルペダル４の位置も考慮に入れてよい。これによって、対応するスロットルペダル４の位置の変化から、内燃機関１によって駆動する動力車両で起こる、最新の加速又は減速を推定することができる。このようにして、将来の窒素酸化物の排出を算出し、還元剤を供給するための手段７を適切に作動して、窒素酸化物を含む排出ガスがＳＣＲ触媒コンバータ１４に到達した時に、対応する必要な量のアンモニアが正確に供給されるようにすることができる。こうして、本発明の利点の一つが実現する。具体的には、窒素酸化物の排出を検知してから変換を実行するまでの間により多くの時間が得られるので、特に還元剤を供給するシステムが比較的不活性な場合において窒素酸化物の変換率を向上するために用いることができる。

図２は、いわゆるエンジン特性マップ１５の概要を示す図である。代表的な本実施の形態では、エンジン特性マップ１５は、窒素酸化物の排出量を回転速度ΩとトルクＭの関数として表す。回転速度ΩとトルクＭは何れも、任意の単位とする。対応する窒素酸化物の排出を、窒素酸化物の排出がそれぞれ同等である値を結んだ曲線群で表している。例えば、第１の線１６は、窒素酸化物の排出が１００ｐｐｍ（百万分の一）の値を全て結ぶ線であり、第２の線１７は、窒素酸化物の排出が２００ｐｐｍの値を全て結び、第３の線１８は、窒素酸化物の排出が３００ｐｐｍの値を全て結ぶなどして描かれている。現在の実際の状態１９を、該当する回転速度Ωと該当するトルクＭで定義する。図２は、一般的な加速度プロファイル２０も示している。この一般的な加速度プロファイル２０は、内燃機関１の回転速度Ωの増加又は減少への反応を示し、通常、適用されるトルクＭの変化を反映する。この加速度プロファイル２０のプロファイルは、特に、路面、勾配、速度、空気抵抗、摩擦抵抗など外的な条件の関数として変化することができる。可能な加速度プロファイル２０は、スロットルペダル４の位置の変化から推定できる。ここで、パラメータ適用（ｐａｒａｍｅｔｅｒ−ａｄａｐｔｉｖｅ）調整法を用いることもできる。

図３に、対応する確率分布を示す。図３は、内燃機関１の実際の状態１９から開始して、内燃機関１が到達しうる所定の標準状態の確率を示す。第１の線２１は、現在の実際の状態１９から開始して９０％の確率で到達しうるポイントを結んでいる。第２の線２２は、８５％の確率で到達しうるポイントを結び、第３の線２３は、８０％の確率で到達しうるポイントを結んでいる。例えば、スロットルペダル３の位置など、少なくとも一つの作動変数の変化とともに、これらの確率データに基づいて、行われた作動変数の変化の結果として到達しうる標準状態を極めて正確に算出することができる。エンジン特性マップ１５に基づいて、かかる標準状態の窒素酸化物の排出が求められるので、対応する量のアンモニアの供給を開始することができる。

本発明の方法及び本発明の装置は、内燃機関１の排出ガスの中の窒素酸化物を選択的触媒還元するための還元剤として、対応する量のアンモニアを供給するための時間の余裕を増大する。この時間的な利点は、例えば、内燃機関１の実際の状態１９から開始した窒素酸化物の排出の外挿値と、スロットルペダル４の位置の変化などの、少なくとも一つの作動変数の変化とに基づき、内燃機関１の排気システム２からの排出ガスの伝播時間を考慮して得られている。このため、特に、還元剤を供給するシステムが不活性な場合であっても、内燃機関１の排出ガスの中の窒素酸化物の変換率を向上させて効率的に利用することができる。

１ 内燃機関
２ 排気システム
３ 内燃機関の実際の状態を判定するための手段
４ スロットルペダル
５ スロットルペダルの位置を判定するための手段
６ 制御手段
７ 還元剤を供給するための手段
８ データ回線
９ 蒸発器
１０ 加水分解触媒コンバータ
１１ 貯蔵槽
１２ 蒸発器に尿素−水溶液を供給するための手段
１３ 吸気ポイント
１４ ＳＣＲ触媒コンバータ
１５ エンジン特性マップ
１６ 第１の線
１７ 第２の線
１８ 第３の線
１９ 内燃機関の現在の実際の状態
２０ 加速度プロファイル
２１ 第１の線
２２ 第２の線
２３ 第３の線
Ω 回転速度
Ｍ トルク

Claims (10)

1. 内燃機関の排気システムにおける窒素酸化物の選択的触媒還元のためのアンモニアを供給する方法であって、
   ａ）前記内燃機関の状態に影響を与える少なくとも一つの作動変数を記録するステップと、
   ｂ）少なくとも一つの測定した変数の評価に基づいて前記内燃機関の可能な窒素酸化物の排出を算出するステップと、
   ｃ）前記可能な窒素酸化物の排出に対応するアンモニアの量を算出するステップと、
   ｄ）前記対応するアンモニアの量の供給を開始するステップと、を含み、
   前記ステップｄ）における前記アンモニアの量の供給は、排出ガスの外部で、尿素―水溶液を蒸発器で蒸発させ、排出ガスの外部で加水分解することを、
   ａ）前記蒸発器の発熱力と、ｂ）前記蒸発器に供給される尿素―水溶液の量との少なくとも一つの変数を前記ステップｃ）で算出した前記アンモニアの量に基づいて制御することによって行われることを特徴とする、方法。
2. 前記内燃機関の現在の実際の状態も測定した変数として供給する、請求項１記載の方法。
3. 前記ステップｂ）において、前記少なくとも一つの測定した変数の少なくとも一つの少なくとも一つの前回の値が考慮される、請求項１又は２の何れか１項に記載の方法。
4. 前記ステップｃ）において、貯蔵した還元剤の量と、それにより発生し得る変換とが考慮される、請求項１から３迄の何れか１項に記載の方法。
5. ステップｂ）が、将来の窒素酸化物の排出を外挿法によって求めるステップを含む、請求項１から４迄の何れか１項に記載の方法。
6. 前記内燃機関の状態の変化が前記少なくとも一つの作動変数の変化に基づいて算出される、請求項１から５迄の何れか１項に記載の方法。
7. 前記ステップｂ）において、前記内燃機関の状態の実際の状態から可能な標準状態への様々な可能な変化の確率を考慮する、請求項１から６迄の何れか１項に記載の方法。
8. 前記ステップｂ）が、パラメータ適用推定法（ｐａｒａｍｅｔｅｒ−ａｄａｐｔｉｖｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）を含む、請求項１から７迄の何れか１項に記載の方法。
9. 前記ステップｂ）において、ユーザ別のデータを使用する、請求項１から８迄の何れか１項に記載の方法。
10. （ｉ）前記内燃機関（１）の現在の実際の状態と、（ｉｉ）前記内燃機関（１）の状態に影響を与える少なくとも一つの作動変数と、の少なくとも一つを判定する手段と、
    少なくとも一つの測定した変数の少なくとも一つの少なくとも一つの前回の値を考慮して、前記少なくとも一つの測定した変数の評価に基づいて前記内燃機関の可能な窒素酸化物の排出を算出し、
    前記可能な窒素酸化物の排出に対応するアンモニアの量を算出する制御手段（６）と、
    尿素―水溶液を蒸発させる、排出ガスの外部にある蒸発器（９）と、排出ガスの外部にある加水分解触媒コンバータ（１０）と、を含む、前記アンモニアの量を供給する手段と、
    尿素―水溶液を前記蒸発器（９）に供給する手段（１２）と、を備える、請求項１から９迄の何れか１項に記載の方法を実行する装置。

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