JP2017523335A - 触媒コンバータの経年劣化度の検出方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、触媒コンバータ（２）の経年劣化状態を判定する方法に関する。開示された方法は、ハウジング内に配置される触媒コンバータ（２）が、高周波電磁波とともに励起されるとき形成される共振を分析するように非接触式で機能する。
Description
本発明は、触媒コンバータの経年劣化度を判定する方法に関する。この客観的方法は、高振動数電磁波を備えたハウジング内に配置された触媒を励起するときに生じる共振を分析することにより非接触で機能する。
更に厳しくなる排ガス規制法と、燃料消費削減に対する圧力により、内燃機関及びその排気ガス処理双方に対する新しいアプローチが必要とされている。これはまた、排出制御システムの制御及びモニタリングに関する新しいアプローチを意味する。
例えば、（λ＝１のエンジンとして知られている）ガソリンエンジンにおいて、未処理の排気ガスの空燃比λ（空気比とも称される）は、第１λセンサにより検出される。公称値λ＝１からの制御偏差の事象では、空燃比が調整される。経時、平均してλ＝１に概ね維持されなければならない。第１λセンサの後に配置されている「三元触媒コンバータ」として知られる酸素貯蔵能を想定すると、触媒コンバータがまだ良好な状態である限り、最適な転換が常に行われる。触媒コンバータの品質が低下するにつれ（これは有害な排気ガスＨＣ、ＣＯ、及びＮＯの転換率の低下並びに始動温度の上昇によりとりわけ明らかになる）、触媒コンバータの酸素を貯蔵する能力もまた低下する。触媒コンバータの後に配置された第２λセンサが、これを検出することができる。酸素貯蔵触媒コンバータの状態を、２つのλセンサの信号から推測するこのような間接的方法では、かなり複雑なモデリングを必要とし、モデリングは、特にエンジンの運転状態モデルを必要とする（例えば、非特許文献１を参照）。
他の種類の触媒コンバータ、例えば、ディーゼルエンジン用（酸化触媒コンバータ）コーティング済粒子フィルター、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータ、及びＳＣＲ触媒コンバータでは、運転時間中、連続的にその転換効率を下げる経年劣化現象が起こる。したがって、排気ガスを十分に処理できない触媒コンバータを特定し、必要であれば、交換することを可能にするために、ＯＢＤ測定による適切なモニタリングが重要になる。
この点に関して、特に通常の運転時に触媒コンバータの運転状態及び品質を直接的に判定することができる方法により補助がもたらされる。触媒コンバータの機能性を引き続き利用できる度合い、例えば、非特許文献２において実施され得たものによって判定することができる。例えば、特許文献１〜３で開示される高振動数補助システムは、特に簡単な設計を有する。
特許文献３の明細書では、触媒コンバータ、特に、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータの状態を認識するための非接触法が提案されている。このために、空洞共振器として設計された触媒コンバータハウジングの内部において、電磁マイクロ波共振が励起され、共振振動数及び／又は品質の変化が認められる。共振振動数の低下は、貯蔵材料のＮＯｘ負荷量を増加する尺度として考えられる。いったん共振振動数の所定値に到達すると、再生が行われる。
特許文献２では、空洞共振器として設計された触媒コンバータハウジングの内部において、電磁マイクロ波共振が励起され、例えば、共振振動の位置が観測される。共振振動の変化は、例えば、触媒コンバータの貯蔵材料の酸素負荷量の尺度として考えられる。
Ｊ．Ｒｉｅｇｅｌ ｅｔ ａｌ．，「Ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ」，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ １５２−１５３（２００２）、７８３−８００
Ｒ．Ｍｏｏｓ、Ｍ．Ｗｅｄｅｍａｎｎ，Ｍ．Ｓｐｏｒｌ，Ｓ．Ｒｅｉβ，Ｇ．Ｆｉｓｃｈｅｒａｕｅｒ，「Ｄｉｒｅｃｔ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅａｎｓ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｎ Ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ Ｎｏｖｅｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ」，Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｃａｔａｌｙｓｉｓ，５２（２００９），２０３５−２０４０
可能な限り全ての自動車の排気ガスコンバータの品質又は転換効率を十分にかつ確実に判定可能である、一般的に適用可能で同様に簡易でありながらロバストな方法を有することが望ましい。
本発明の請求項１における特徴を有する方法によって、当業者にとって従来技術から自明なこの課題及び他の課題は達成される。請求項１に従属する従属クレームにおいては、本発明の方法のその他の好ましい実施形態が提示される。
＜２００℃の触媒コンバータ温度での共振特性を使用して、触媒表面の水の吸着を判定し、これにより、金属の触媒コンバータハウジングに充填された自動車の排気ガスコンバータの経年劣化を非侵襲的に検出する方法において、関連する目的の達成を成功しているにもかかわらず、非常に有利なやり方で、好ましくは、マイクロ波範囲内で交流電磁場を放出し、それを検出することにより、触媒コンバータの年齢を推測する。
自動車の排気ガスコンバータの表面は、熱応力又は混入により変化する。本プロセスにおいては、反応が生じ得る自由表面位置の数は減少する。混入の事象では、活性中心が遮断され、熱応力の事象では、微分散した貴金属類及びキャリア材料は一緒に焼結される。このように、経年に伴い表面が減少するため、表面において化学的かつ物理的に吸着する物質の能力も減少する。経年劣化により減少する自由表面位置の量により、表面で吸着することができる水の量は変化する。更に、表面で吸着することができる水の量は、一方では排気ガスにおける水の比率に依存し、他方では温度に依存する。キャリア材料を含む触媒コンバータの電磁材料のパラメーター（電気伝導率及び誘電率又は複素誘電率）は、水の収着により変化する。
したがって、対応する共振特性を、触媒コンバータの所定温度で判定するか、又は規定された温度範囲（例えば、ｄｆｒｅｓ／ｄＴ）にわたって追跡し、その後、自動車のＥＣＵに保存され得る、触媒コンバータのより若い又は初期の状態のデータと比較する。例えば、温度とともに共振振動数の変化の事象では、結果が低い値にシフトすると、触媒コンバータの経年劣化が想定される。これは、触媒コンバータがあまり水を吸着せず、同様に空洞共振振動数が変化するためである。しかし、２００℃より低い温度では、十分な分化しか起こらない。したがって、＞５０℃及び＜２００℃で、好ましくは６０℃〜１５０℃、特に好ましくは７０℃〜１２０℃で測定が行われることが好ましい。また、（ＤＥ１０２０１１１０７７８４（Ａ１）号の図４に示すように）この温度範囲内で酸素負荷量によって電気特性がほとんど変化しないことから、ＤＥ１０３５８４９５（Ａ１）号に記載の状態の特徴が、少なくとも三元触媒コンバータには該当しないので、この温度範囲は有利である。本発明に係わる方法では、可能であれば、排気系の加熱特性を使用することなどの、環境影響を除外又は補正するべきである。例えば、ＤＥ１０２０１１１０７７８４（Ａ１）号に記載されるような方法により、温度の影響を補正することができる。
前述したとおり、照射された空洞の共振特性は、そこに充填された触媒コンバータの収着能とともに自動車の運転時に変化する。そのため、これはその経年劣化度に依存する。好ましくは、吸着されるものは水であり、当然、燃料消費が生じるとき、水は排気ガス中に常に自然に存在する。更に、水は誘電率が高く、収着が増加又は低下すると、触媒コンバータの電磁材料のパラメーターを対応する程度まで変化させる。吸着される水の量は、経年劣化に加え、排気ガス中の含水量にも影響を受ける。有利なことに、排気ガス中の含水量はエンジン制御部によって計算され、共振信号から経年劣化度を決定する際に考慮される。排気ガス中の含水量が経時的に変化する場合、水の有限の収着速度を考慮することにより、評価を更に向上することができる。好ましくは、十分なかつ最適な一定量の水が排気ガス中に存在するとき、本発明に係わる方法が用いられる。特に好ましくは、体積当たり３〜２０部、好ましくは５〜１５部の水を含む排気ガス混合物が存在するとき、測定が行われる。
触媒コンバータの電気特性は、共振振動数を使用するだけでなく、他の共振特徴を考慮することによっても判定することができる。このような特徴は、好ましくは、共振器（Ｑ）の共振振動数、振幅、品質、損失、散乱マトリックスＳｉｊのパラメーター、透過率の大きさ、共振のピーク又は共振のトラフの幅、及びＳパラメーター由来の他の量からなる群から選択される（ＤＥ１０２００８０１２０５０（Ａ１）号参照）。共振振動数及び反射パラメーターＳ１１又は透過パラメーターＳ１２の大きさが本文脈中、特に好ましい。共振振動数を使用する評価が本文脈中、更に好ましい（図２参照）。各種共振モードも使用することができる。特に、温度などの異なる妨害変数とは別に反応するモードが好ましい。
自動車の触媒コンバータは、通常、Ｐｔ、Ｐｄ、又はＲｈなどの微分散した貴金属類によって、化学反応がより速く起こる大きな表面を付与するという特徴を有する。前述のように、本方法は、触媒コンバータの経年劣化の増加とともに共振特性が変化する事実に基づく。全ての触媒コンバータは、同じ原理にさらされるので、本明細書で考慮される触媒コンバータは、当業者に関連する全ての触媒コンバータである。これらの触媒コンバータは、三元触媒コンバータ、ディーゼル酸化触媒コンバータ（場合により、触媒によりコーティングされたディーゼル粒子フィルター）、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバータ、及びＳＣＲ触媒コンバータからなる群から選択されるのが好ましい。本文脈中では、酸素貯蔵材料を備える三元触媒コンバータが特に好ましい。
本発明の好ましい一実施態様では、触媒コンバータは、マイクロ波反射体（３、４）により取り囲まれている（ＤＥ１０２００８０１２０５０（Ａ１）号）。これには、最適の低逆圧で排気ガス流を中和するが、採用したマイクロ波を反射することができる全ての材料が好適である。当業者は、関連装置のことを知っている。分からない場合、単純な金属グリッドが有用である。これにより、高振動数について明確に定義され、接続パイプの形状に依存しない共振器が形成される。触媒コンバータハウジングと接続パイプとの間の、特にガス流入口における、円錐形の転移部は、例えば、ガスがセラミックハニカム体を通り均一に勢いよく流されるように、流れは考慮するが反射しないものが設計されるので、これは有利であり得る。しかしながら、原理的に触媒コンバータが通常設置される対応する金属の触媒コンバータハウジングは、本目的に好適である。したがって、反射グリッドを使用しない運転は可能であるが、所定の状況では、触媒コンバータの状態と測定されたＳパラメーターとの反転関係により、より多くの努力が必要となり得る。
有利にもマイクロ波範囲内である電磁放射線を送受信するための複数のアンテナ（５、６）（図１）が、触媒コンバータ（２）の前後に、配置されることが好ましい。しかしながら、本発明に係わる方法ではまた、金属の触媒コンバータハウジング内に配置されるアンテナを使用することも好ましい。これは、対応する信号を送受信する。アンテナは、当業者の裁量により選択され得る。このような装置並びに信号検出ユニット及び対応する分析ユニットは、当業者に十分既知である（例えば、Ｐ．Ｓ．Ｎｅｅｌａｋａｎｔａ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ ｅｔｃ．，１９９５ ａｎｄ Ｓ．Ｈ．Ｃｈａｏ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｒｒｏｒｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ３３（１９８５）５１９−５２６，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｃｉｔｅｄ ｔｈｅｒｅｉｎより）。
本発明は、特に有利な方法で、任意の種類の排気ガス触媒コンバータの経年劣化度を判定することに成功している。本優先権主張日以前に、特定の温度範囲内で、触媒コンバータの水の収着性能を調べることによって、触媒コンバータの品質に関する判断を行うことができるということは知られていなかった。関連する方法により、比較的簡単な方法で、通常の運転条件における自動車の排気ガスコンバータの経年劣化度合いを当業者が非侵襲的にかつ直接的に判定することができる手順が当業者に初めて示された。公知の先行技術を鑑みると、このことは自明ではなかった。
実施例：
図１は、触媒コンバータ（２）と、２個のアンテナ（５、６）（このうち１つは任意である）、制御部（７）及び評価電子機器（８）を有する測定システムと、任意の温度センサ（ＤＥ１０２００８０１２０５０（Ａ１）号参照）及び任意の反射体（３、４）とが設置されているハウジング部（１）を有する排気ガス処理システムの基本構造を示す。
図１は、触媒コンバータ（２）と、２個のアンテナ（５、６）（このうち１つは任意である）、制御部（７）及び評価電子機器（８）を有する測定システムと、任意の温度センサ（ＤＥ１０２００８０１２０５０（Ａ１）号参照）及び任意の反射体（３、４）とが設置されているハウジング部（１）を有する排気ガス処理システムの基本構造を示す。
図２は、１インチ×３インチ径ＴＷＣドリルコア用合成ガスプラントにおいて測定した共振振動数曲線を示す。ドリルコアを測定した。まず、新品を試験し、８５０℃で１２時間、燃料カット経年劣化後（経年劣化１）、及び１０５０℃で経年劣化後（経年劣化２）を試験した。３つの経年劣化段階全てにおいて、触媒コンバータをまず、抑制条件（λ＝０．９５）下で最高６００℃の温度傾斜（２０Ｋ／分）であらかじめ調整し、窒素雰囲気中で８０℃まで冷却した。実試験時、１０％Ｈ２Ｏを有する一定の合成したリーン排気ガス（λ＝１．０２）を設定した。最初に、温度を６００秒間、８０℃で維持し、２０Ｋ／分で最高６００℃まで上昇させた。３つの試験における触媒コンバータの測定した共振振動数及び温度を図２にプロットする。Ｎ２から含水雰囲気に切り替えると、これにより変化した触媒コンバータの経年劣化度及び収着特性に応じて、共振振動数において有意な変化が認識可能である。最高約２００℃までの温度を伴う共振振動数の変化も依存している。
図２の測定データから、例えば、８０〜１００℃の温度及び８０℃での共振振動数を用いて、共振振動数の変化を評価した（表１）。
１ ハウジング部
２ 触媒コンバータ
３、４ 反射体
５、６ アンテナ
７ 制御部
８ 評価電子機器
２ 触媒コンバータ
３、４ 反射体
５、６ アンテナ
７ 制御部
８ 評価電子機器
Claims (5)
- 交流電磁場の放出及び検出により、金属の触媒コンバータハウジング内に配置された自動車の排気ガスコンバータの経年劣化度を非侵襲的に検出する方法であって、＜２００℃の触媒温度での特定の共振特徴を使用して、触媒表面上の水の吸着を判定し、これにより、前記触媒コンバータの経年劣化度を推測する、方法。
- ＞５０℃の温度を使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 測定時、３〜２０体積％の水を含有する排気ガス混合物が提供されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
- 共振器（Ｑ）の共振振動数、振幅、品質、損失、散乱マトリックスＳｉｊのパラメーター、及びこれらに基づく量（異なる振動数範囲でも）からなる群から選択された共振特徴を使用することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 金属の触媒コンバータハウジング内に配置されるアンテナを使用することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
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