JP2014517216A - タンク内の還元剤の量を決定するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両の排気ガスのＮＯ_Ｘの量を減らすことを目的とするシステムのタンク（１０）内の還元剤の量を決定するための方法に関する。システムは：タンク（１０）内に配置され、時間の経過とともに変わり得る還元剤の要求にしたがって可逆的に還元剤を貯蔵及び放出できる、貯蔵材料（１１）；貯蔵材料（１１）から還元剤を放出するために熱を供給するように設計された加熱装置（１２）；及び還元剤を放出するように加熱装置（１２）を作動させるための制御装置（１３）；を有する。方法は次のステップを含む：ａ）車両が始動するとすぐに、タンク（１０）内の圧力が所定値に達するまで増加する初期フェーズとして知られるフェーズ中に、加熱装置（１２）が一定の出力を供給するように、加熱装置（１２）を作動させるステップであって、加熱装置（１２）を作動させるステップは、その後、圧力を基準値前後に調整するために適合される、ステップ；ｂ）初期フェーズの時間又はこの初期フェーズ中の時間に対する圧力の微分を測定するステップ；ｃ）タンク（１０）内の還元剤の量を決定するために、タンク（１０）内の還元剤の量にしたがって初期フェーズの様々な較正された値に対して、初期フェーズの測定された時間、時間に対する圧力の微分、又は測定された時間及び微分の両方の組み合わせを、比較するステップ。

Description

本発明は、タンク内に収容された還元剤のレベルを測定するための装置に関する。

輸送に関係している汚染物質の放出は、３０年近くにわたり産業の発達の大きな推進力であった。４つの規制汚染物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_Ｘ、粒子状物質）に関する放出限度の漸進的な引き締めは、特に大きな市街地において、大気質を著しく改善することを可能にした。

増え続ける自動車の使用は、これらの汚染物質の放出をさらに減らすための努力の継続を必要とする。したがって、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の削減は、ＥＵＲＯ６規制の効力発生が２０１５に予想される、より厳しいヨーロッパのエミッションレベルとの関連で、依然として複雑な問題である。全ての運転状態で高効率の浄化技術を利用可能にすることは、輸送産業のための大きな課題である。

第２に、ＣＯ２放出に直接関連している、燃料の消費が、大きな関心事になっている。したがって、規制が、自家用自動車からのＣＯ２の放出に関して２０１２からヨーロッパのレベルで導入される。この制限は、来る数十年にわたって定期的に下げられることが既に合意されている。ＣＯ２の削減はしたがって、明らかに全輸送産業に対して課される。

局地汚染（ＮＯ_Ｘ）の削減及び燃料消費（ＣＯ２）の削減のこの二重の問題は、ディーゼルエンジンに関して特に困難であり、このディーゼルエンジンの希薄燃焼はＮＯ_Ｘを伴い、扱うのが難しい。

装置は既に存在し、例えば特許文献１に記載されるように、タンク内に配置されたアルカリ土類塩化物タイプの貯蔵材料に貯蔵されたアンモニアを使用するＳＣＲ（選択触媒還元）触媒によるＮＯ_Ｘの量の削減を可能にする。排気ガスへのアンモニアの噴射は、可逆吸着／脱離アンモニア反応が貯蔵材料内の温度に直接結びついているので、この可逆吸着／脱離アンモニア反応を可能にするように貯蔵材料を加熱することを可能にする加熱装置を用いて駆動される。

実際には、アンモニアは、排気に連続的にＮＯ_Ｘ還元反応の化学量論比で噴射される。したがって、十分な量のアンモニアを車内に貯蔵できることが必要になる。貯蔵材料を収容するタンクのサイズを制限するために、自動車メーカは、例えばエンジンメンテナンス（オイル交換）中又は燃料タンクを充填するときに、定期的なタンクの充填又は交換を支持する。考慮される車両（自家用車、重量積載物車両等）に応じて、車両の寿命の間に、１０と１００との間のタンクの充填又は交換作業を提供することが必要である。

車両の寿命を通して効率的なＮＯ_Ｘの浄化を保証するために必要とされる、この周期的なメンテナンス作業は、ＳＣＲ技術が使用される異なる国での特定の規制の課題である。全てのこれらの規制に共通している点は、充填が実行されなければならないときにドライバに通知することができるように、タンクに残っているアンモニアの量を決定することができる必要性である。例えば、自家用自動車に関するヨーロッパの法律では、少なくとも２回の残りの動作範囲閾値を、２４００ｋｍ及び８００ｋｍ（それぞれおおよそ燃料の３回充填及び１回充填に対応する）で、測定できることが必要である
さらに、それぞれアンモニア貯蔵材料を有する幾つかのタンクが、車両内のアンモニア貯蔵システムを単純化するために、又はその動作を向上させるために（冷却ユニットの導入）車両に搭載される場合、エンジンコントロールユニットが、最適な方法で、これらの異なるタンクに収容されたアンモニアの噴射を駆動できるように、各タンクに残っているアンモニアの量を知ることが必要である。

ＥＰ１９７７８１７

したがって、本発明の目的は、タンクに収容された還元剤、好ましくはアンモニアの量を決定する手段を提案することである。

本発明によれば、この目的は、車両の排気ガスのＮＯ_Ｘの量を減らすことを目的とするシステムのタンク内の還元剤の量を決定する方法のおかげで達成される。システムは：
− タンク内に配置され、時間の経過とともに変わり得る還元剤の要求にしたがって可逆的に還元剤を貯蔵及び放出できる、貯蔵材料と；
− 貯蔵材料から還元剤を放出するために熱を供給するように設計された加熱装置と；
− 還元剤を放出するように加熱装置を作動させるための制御装置と；を含み、
本発明による方法は以下のステップを含む：
ａ） 車両し始動するとき、タンク内の圧力及び温度が安定化されているかどうかを決定するステップ、
ｂ） 肯定において、タンク内の圧力が、基準値前後の圧力の調整として知られるフェーズに切り替わる前に、所定値に達するまで増加するように、初期フェーズとして知られるフェーズ中に、加熱装置が一定の出力を供給するように、加熱装置を作動させるステップ、
ｃ） 初期フェーズの時間を測定するステップ；
ｄ） タンク内の還元剤の量を決定するためにタンクに特有の様々な較正された値に対して初期フェーズの時間を比較するステップ。

本発明の特徴は、例示として独自に与えられ、限定するものではない、優先的な形態の実施形態の記載を読むことで、及び概略図を参照することによって、明らかになるであろう。

図１は、アンモニア貯蔵及び供給システムの機能的な構成を示す。 図２は、システムの初期及び調整フェーズ中のタンクの圧力並びにアンモニアの流量の進展を示す。 図３は、還元剤でのタンクの充填の３つの割合に応じたタンク内の圧力の進展を示す。 図４は、還元剤でのタンクの充填の３つの割合に応じた図３によるタンク内の時間に対する圧力の微分を示す。 図５は、還元剤でのタンクの充填の３つの割合に関する周囲温度に応じた圧力上昇時間のマッピングを示す。 図６は、還元剤でのタンクの充填の３つの割合に関する周囲温度に応じた時間に対する圧力の微分のマッピングを示す。

本発明による方法の実現のためのシステムは、図１によれば貯蔵材料１１を収容するタンク１０を含み、この貯蔵材料には好ましくは車両の排気ガスのＮＯ_Ｘの還元のためのアンモニアが貯蔵される。加熱装置１２が、アンモニアが貯蔵材料から放出され、次に排気ガスに噴射され得るように、貯蔵材料に熱を供給するように設計される。加熱装置１２は、電気抵抗の形態であるが、エンジン冷却剤又は車両の排気ガス等、熱伝達流体によって供給される熱交換器の形態であり得る。

システムはさらに、制御装置１３を含み、図２によれば、この制御装置は、アンモニアがＮＯ_Ｘ還元反応の化学量論比で車両の排気ガスに連続的に噴射され得るように、一方では、基準値前後のタンク１０内の圧力の調整、そして他方では、アンモニアの計量を可能にする。

圧力設定点は、例えば、各瞬間に放出されるＮＯ_Ｘの濃度、エンジン潤滑剤の温度、エンジン冷却剤の温度、車両の速度、エンジン回転速度、エンジン負荷又はこれらのパラメータの組み合わせ等、ある数のエンジン及び車両パラメータの分析に応じて動的に決定される。

制御装置１３は好ましくは、タンク１０内の圧力を測定するように設計された圧力センサ１４及び電磁弁等アンモニアガスの計量ユニット１５を含む。圧力は計算によって決定されるので、温度センサは圧力センサと置換され得ることが指摘されるべきである。アンモニアの流量を測定するための流量計１６が、好ましくは、計量ユニット１５の出口に追加される。これはまた、その出口に、圧力振動を弱めることをできるようにする、音響スロート１７を含む。前の段落の少なくとも幾つかのパラメータが、エンジン制御ユニット１９に接続された電子制御ユニット１８に集約されるので、制御ユニット１８は、車両の運転状態を代表する基準圧力を得るために加熱装置１２を作動させることができる。

十分高く且つ十分安定した圧力がタンク１０内に発生するとき、流量計１６に結合して閉回路にされる計量ユニット１５は、制御ユニット１９によって計算された流量にしたがって、噴射モジュール２０を用いてアンモニアを車両の排気ガスに噴射することを可能にする。

本発明の優先的な形態によれば、加熱装置１２は、加熱装置がタンク１０内の圧力上昇を加速するよう最大出力を供給するように作動され、設定ポイント圧力前後のタンク１０内の圧力の調整として知られるフェーズに先行する初期フェーズとして知られるフェーズ中、状態が好ましく且つ一意的であるとき、車両が始動した後、そのようにする。この設定ポイント圧力の値は既に上で生じた幾つかのパラメータによって計算される。

タンク１０内の圧力が基準値に近づくとき、制御ユニット１９は、タンク１０内の圧力を計算された基準圧力前後に調整するように加熱装置１２の出力を駆動する。

車両が始動するとすぐに、タンク１０内の圧力が基準値に近づくために必要な時間は、幾つかのパラメータ、特に：
− 周囲温度及び車両の停止から費やされた時間に関連している、車両が始動するときのタンク１０内の初期圧力；
− 加熱装置１２の出力；
− 貯蔵材料１１の熱伝導率、
に依存する。

金属塩化物塩の熱伝導率は低いので、膨張天然黒鉛タイプの結合剤が塩に加えられる。

アンモニアで材料を充填する割合もまた、タンク１０内の圧力上昇に影響を与える。実際、貯蔵材料１１がアンモニアで完全に飽和されるとき、加熱装置１２によって伝達される熱は、すぐ近くに位置するアンモニア化合物複合体の温度を上昇させるために直ちに利用可能であり、これはタンク１０内の圧力の増加の結果をもたらす。貯蔵材料１１にアンモニアがないとき、熱は、加熱装置１２から最も遠いアンモニア化合物複合体に至るまで材料内に伝達されなければならない。圧力のより遅い発展は、材料１１にアンモニアがないとき、結果として起こる。加えて、アンモニア脱離中の前記材料１１の体積の収縮のために、その熱伝導率は、タンクにアンモニアが無くなるにつれて、漸進的に低下する。

先行することを考えると、アンモニアでのタンク１０の充填の割合は、それぞれのエンジンの始動において連続的に実行される３つの動作、すなわち：
− タンク内のアンモニアの量の評価に有利な状態を選択することにある動作；
− 一方ではタンク内の圧力上昇時間の測定、他方ではそこから生じる時間に対する圧力の微分を決定することにある動作；
− 圧力上昇時間及び時間に対する圧力の微分に応じたタンク内のアンモニアの量を決定することにある動作、
によって評価される。

有利な状態の選択
この動作の目的は、初期フェーズ中のタンク１０内の圧力上昇の測定のための代表的な場合を選択することである。２つの条件が満足できるとき、正の設定ポイントが伝達される。

第１の条件は、前の運転の後、タンク１０が安定した温度及び圧力状態に戻るように初期条件が安定化されることを確実にすることである（材料内に温度勾配が無い）。このようにするために、システムが始動されたときの圧力測定値（Ｐ０：初期圧力）が周囲温度での貯蔵容器内の予想される平衡圧力（Ｐ_ａｍｂ）と比較される。この予想される圧力は、以下のクラウジウス‐クラペイロンの関係によってエンジン制御ユニット１９で入手可能な周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）の測定値を使用して計算され、このクラウジウス‐クラペイロンの関係においてΔＨｒ及びΔＳｒは用いられる材料の特性であり、Ｒは理想気体定数である。

始動時に測定される初期圧力Ｐ０が予想される圧力Ｐ_ａｍｂとあまりに異なる場合、条件は関連する評価に関して好ましくなく、設定ポイントは役に立たない。実際、タンク１０内の圧力及び温度は、０．７×Ｐ_ａｍｂ＜Ｐ０＜１．３×Ｐ_ａｍｂの場合、安定しているとみなされる。より限定的な値は、およそ０．８×Ｐ_ａｍｂ＜Ｐ０＜１．２×Ｐ_ａｍｂと想定され得る。

第２の条件は、圧力上昇フェーズ（初期フェーズ）が正常に生じなければならないことである。この目的は、代表的な条件において、言い換えると、圧力上昇の全期間に渡る一定の最大出力に対して、圧力上昇フェーズが生じることができなかった場合を排除することである。これは例えば、圧力上昇中のエンジン停止の間の場合又は電気エネルギ（バッテリ残量）の利用可能性が不十分であるとき、である。

動作範囲の評価
基準値前後の圧力への調整のフェーズに先行する初期フェーズ中のタンク１０内の圧力の進展が、３つの異なる割合のアンモニアでの貯蔵材料の充填、したがって、この材料を組み入れるタンクに対して、図３のグラフに概略的に示される。より具体的には、初期フェーズ中のタンク内の圧力の進展が、それぞれ１００％、５０％、１０％であるアンモニアでのタンクの充填の割合に対して概略的に示される。図３により、貯蔵材料にアンモニアがないとき、初期フェーズ中の圧力上昇がより遅いことがわかる。

タンクの充填の３つの割合に応じた時間に対する圧力の微分の進展が示される、図４のグラフによれば、この時間に対する圧力の微分は、調整フェーズへの切り替えまで、漸進的に増加する。材料にアンモニアがないとき、熱伝導率は低下し、時間の値に対する微分は低下する。

動作範囲の評価は、２つのマッピングによって決定される。一方のマッピングは、周囲温度による及びアンモニアでのタンク１０の充填の割合に応じた、初期フェーズ中のタンク内の圧力上昇時間を示す（図５）。もう一方のマッピングは、圧力上昇時間ではないが、時間に対する圧力の微分を示す（図６）。

本発明では、好ましい条件が選択されるとき、初期フェーズ中に測定される値Δｔ及びｄｐ／ｄｔが、考慮されるシステムの及びエンジンが始動されるとくに測定される初期圧力に対するこれらの２つの特性マッピングによって、残りの動作範囲を評価することを可能にする。したがって、残りの動作範囲は、考慮されるタンクに対してタンク内のアンモニアの量を較正することによって定めることができる。

動作範囲情報の作成
本発明による方法の関心は、利用可能な多数の測定値である（実質的に、毎始動後に１つ）。マッピングによるこの評価の限界は、低精度のアンモニアの量の推定であり、特に初期圧力が基準圧力に近い（例えば、２０と３０℃との間の周囲温度に対して）場合である。

このため、タンク１０内のアンモニアのレベルの推定値は、２つのパラメータ「圧力上昇時間」及び「時間に対する圧力の微分」の通常の測定から決定される。本発明の好ましい構成では、異常な値、すなわち先行する測定値からあまりに離れている（例えば、５から１０先行する測定値）は、排除される。タンク内のアンモニアの量の情報は、全て周囲温度が低いほど大きい重み付けによって（低い周囲温度でのより正確な測定値）それぞれの測定値の平均を重み付けすることによって、２つの「圧力上昇時間」及び「時間に対する圧力の微分」の測定値のそれぞれに関する（５と５０の間を含む）Ｘ回の最終の測定値の移動平均として再計算される。

最終的に、システムの残りの部分に伝達されるタンク内のアンモニアの量の情報は、「圧力上昇時間」及び「時間に対する圧力の微分」の測定値からこれらの２つの情報アイテムの平均値として計算される。

本発明は、例示として上述された実施形態に限定されるものではなく、それどころか、すべての実施形態の変形を含むことは、言うまでもない。例えば、測定装置は、燃料電池の水素貯蔵システムの水素化合物の量の推定のためにも使用され得る。

Claims (5)

1. 車両の排気ガスのＮＯ_Ｘの量を減らすことを目的とするシステムのタンク内の還元剤の量を決定する方法であって、前記システムは：
   − 前記タンク内に配置され、時間の経過とともに変わり得る前記還元剤の要求にしたがって可逆的に前記還元剤を貯蔵及び放出できる、貯蔵材料；
   − 前記貯蔵材料から前記還元剤を放出するために熱を供給するように設計された加熱装置；及び
   − 前記還元剤を放出するように前記加熱装置を作動させるための制御装置；を含み、
   前記方法は：
   ａ） 前記車両が始動するとすぐに、前記タンク内の圧力が所定値に達するまで増加する初期フェーズとして知られるフェーズ中に、前記加熱装置が一定の出力を供給するように、前記加熱装置を作動させるステップであって、前記加熱装置を作動させるステップは、その後、前記圧力を基準値前後に調整するために適合される、ステップ；
   ｂ） 前記初期フェーズの時間又は前記初期フェーズ中の時間に対する前記圧力の微分を測定するステップ；
   ｃ） 前記タンク内の前記還元剤の量を決定するために、前記タンク内の前記還元剤の前記量にしたがって前記初期フェーズの様々な較正された値に対して、前記初期フェーズの測定された時間、前記時間に対する圧力の微分、又は前記測定された時間及び前記微分の両方の組み合わせを比較するステップ；
   を含む、方法。
   
2. 前記初期フェーズの前記測定された時間及び前記時間に対する圧力の微分の間で平均がとられ、前記平均は異なる前記較正された値と比較される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップａ）に先行する追加のステップを含み、前記追加のステップは、前記車両が始動するとき、前記タンク内の圧力及び温度が安定化されているかどうかを決定するステップがある、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記追加的なステップの間、前記タンク内の初期圧力（Ｐ_０）が測定され、次に平衡圧力（Ｐ_ａｍｂ）と比較され、
   前記タンク内の前記圧力及び前記温度は、
   ０．７×Ｐ_ａｍｂ＜Ｐ_０＜１．３×Ｐ_ａｍｂ
   の場合に、安定化されているとみなされる、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記平衡圧力（Ｐ_ａｍｂ）は、次の関係：
   
   

   

   によって計算され、
   ここで：ΔＨｒはエンタルピー、ΔＳｒは考慮される化学量論に対する前記還元剤／前記貯蔵材料の複合体の形成のエントロピー、
   Ｒは理想気体定数、
   Ｔ_ａｍｂは周囲温度、
   ｌｎＰ_ａｍｂはＰ_ａｍｂの自然対数である、
   請求項４に記載の方法。
   

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