JP2020533522A - 内燃機関の触媒装置を作動させる方法および触媒装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、内燃機関の触媒装置(100)を作動させる方法および触媒装置(100)に関する。触媒装置(100)は、センサ素子(132)とセンサ素子(132)を加熱するセンサ加熱装置(134)とを有する排ガスセンサ(130)と、触媒(110)を加熱する触媒加熱装置(120)を有する触媒(110)とを備えている。方法は、触媒加熱装置(120)の温度を決定し(304)、決定した触媒(110)の温度が所定の触媒作動温度閾値を下回る場合には、触媒(110)を加熱するために触媒加熱装置(120)を作動させ(304)、触媒(110)の温度が所定の触媒作動温度閾値を上回る場合には、センサ素子(132)を加熱するためにセンサ加熱装置(134)を作動させることを含む。

Description

本発明は、内燃機関の触媒装置を作動させる方法、および内燃機関用の触媒装置に関する。
内燃機関は、有毒成分または環境に優しくない成分を含む排ガスを排出する。よって、排ガス中の有毒成分または環境に優しくない成分を少なくとも部分的に減少させるように排ガスを処理するために、触媒装置が設けられている。さらに、排ガスの特性を検出して触媒装置を制御するために、様々な種類の排ガスセンサが設けられていてよい。排ガスの特性を検出するために、内燃機関の排気系内にNOxセンサ、酸素センサ、空燃比センサおよび/または粒子状物質センサを使用することが周知である。
排ガスセンサは、特定の温度範囲内で作動するので、例えば加熱装置により少なくとも部分的に加熱されねばならないセンサ素子を有していてよい。しかしながら、センサ素子は、加熱時の水撃作用に起因して、排ガス内に含まれる水によって損傷される恐れがある。水撃作用はセンサ素子に熱応力を加える場合があり、これにより例えばセンサ素子に亀裂が生じる恐れがある。したがって、センサ素子が加熱されるとき、排ガスは実質的に水を含んでいない、すなわち排ガスがいわゆる露点に達していることが保証されるべきである。よって、センサ素子は、露点に到達した後にのみ、そのセンサ作動温度に加熱されることが好ましい。
従来技術のシステムでは、露点を測定するためにいくつかの努力が成されてきた。例えば、内燃機関のいくつかの作動パラメータを考慮するモデルを介して、露点到達時点を適切に推定することができる。
米国特許出願公開第20100132680号明細書には、排ガスセンサヒータ制御装置が開示されている。排ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータは、エンジン始動直後の極度に低い温度状態では作動されない。むしろ、ヒータは、エンジン冷却液温度が空燃比フィードバック制御開始水温付近の温度に到達したときに、作動される。
米国特許出願公開第20170074147号明細書は、排ガスセンサ用のヒータ制御装置に関する。
米国特許第5740675号明細書からは、内燃機関用の排気系周囲温度検出システムが公知である。
米国特許第8479494号明細書には、排ガスセンサ制御システムおよび制御方法が開示されている。
さらに、米国特許第9410466号明細書からは、排気湿度センサが公知である。
本発明の目的は、排ガス中の湿気に起因する排ガスセンサのセンサ素子に対する損傷の危険を低減し、触媒をエネルギ消費量に関して効率的に作動させ、かつ排ガスセンサの取付け位置に関して自由度を与えることができる、触媒装置を作動させる方法および触媒装置を提供することにある。
上記の目的は、独立請求項1記載の方法および独立請求項7記載の触媒装置によって達成することができる。本発明の利点および好適な発展および実施形態は、各従属請求項、ならびに以下の説明および添付図面に記載されている。
以下の発明は少なくとも部分的に、触媒と触媒加熱用の触媒加熱装置とを有する触媒装置内にNOxセンサ等の排ガスセンサを配置することにより、排ガスセンサのセンサ加熱装置を触媒の触媒加熱装置の温度に応じて作動させることができるという利点をもたらすことの実現に基づいている。特に、触媒の触媒加熱装置が所定の触媒作動温度閾値を超えると、触媒装置を通過する排ガスが露点に達し、この結果、排ガスから実質的に全ての湿気が除去されるとみなすことができる。次いで、排ガスセンサのセンサ加熱装置が作動されてよいが、なぜなら、傷つきやすいセンサ素子に対する、水撃作用に起因するあらゆる損傷の危険を大幅に低減できるからである。
本発明の第1の態様によると、内燃機関の触媒装置を作動させる方法が開示される。触媒装置は、センサ素子と所定のセンサ作動温度閾値を上回ってセンサ素子を加熱するように構成されたセンサ加熱装置とを有する少なくとも1つの排ガスセンサと、所定の触媒作動温度閾値を上回って触媒を加熱するように構成された触媒加熱装置を有する触媒とを備えている。センサ作動温度閾値は、触媒作動温度閾値よりも顕著に大きい。本発明の第1の態様による方法は、触媒の温度を決定し、決定した触媒の温度が所定の触媒作動温度閾値を下回る場合には、触媒を所定の触媒作動温度閾値を上回って加熱するために触媒加熱装置を作動させ、触媒の温度が所定の触媒作動温度閾値を上回る場合には、センサ素子を所定のセンサ作動温度閾値を上回って加熱するためにセンサ加熱装置を作動させることを含む。
上述したように、加熱される触媒中に排ガスセンサを組み込むことで、触媒温度が所定の触媒作動温度閾値を上回ると、排ガスからは実質的に如何なる湿気および/または水も除去されているとみなすことができ、この結果、センサ素子を加熱するためのセンサ加熱装置を、例えば水撃作用に起因する、センサ素子に対するあらゆる損傷の危険が大幅に低減された状態で作動させることができるという利点が得られる。加えて、主に触媒を加熱するように構成された触媒加熱装置の熱を、排ガスセンサのセンサ素子を部分的に予熱するためにさらに利用することができる。よって、センサ素子をそのセンサ作動温度に加熱するための温度差を顕著に減少させることができる。なぜなら、所定のセンサ作動温度閾値を超えるまでセンサ素子を加熱する必要がある開始温度が、排ガスセンサが触媒の下流側に配置されている装置における温度よりも大幅に高くなっているからである。したがって、センサ素子をその作動温度にまで加熱するための時間およびエネルギを削減することができる。
本発明の有利な実施形態では、センサ加熱装置は、温度依存の抵抗器を有している。よって、排ガスの温度を決定するステップは、センサ加熱装置が非作動状態にあると決定し、センサ加熱装置の温度依存の抵抗器の実際の電気抵抗を決定し、センサ加熱装置の決定された実際の電気抵抗に基づき触媒の温度を推定することを含む。センサ素子は、少なくとも部分的に触媒中に組み込まれているので、触媒加熱装置は、センサ素子を少なくとも部分的に加熱することになる。よって、触媒の温度は少なくとも部分的にセンサ素子の温度に類似していてよく、したがって、センサ素子の温度によって触媒の温度を少なくとも部分的に決定または推定することができる。
例えば、センサ加熱装置の電気抵抗は、センサ素子の対応する温度に関連付けられていてよい。例えばそれぞれがセンサ加熱装置の電気抵抗をセンサ素子の対応する温度に関連付けているルックアップテーブルまたは線図が、触媒装置の制御ユニットに提供されていてよい。よって、排ガスセンサは触媒の温度を検出または推定するための温度センサとして使用することができ、触媒温度が所定の触媒作動温度閾値を超えると、排ガスセンサのセンサ加熱装置が作動されてよい。
本発明の別の好適な実施形態によると、本方法はさらに、触媒の決定された温度が触媒作動温度閾値を上回っているとき、触媒装置を通流する排ガスからは実質的に全ての湿気が除去されていると判定することを含む。好適には、触媒作動温度閾値は、触媒のライトオフ温度を規定する。特に、好適な実施形態では、触媒作動温度閾値は、約150℃〜約500℃の範囲内である。
本発明の別の好適な実施形態では、センサ作動温度閾値は、約300℃〜約1000℃の範囲内である。特に、排ガスセンサはそれぞれセンサ作動温度閾値を上回って加熱されるように構成されたセンサ素子を有するNOxセンサ、酸素センサまたは粒子状物質センサであってよい。例えば、センサ素子は、電気的に作動させることができるセンサ加熱装置が内部に組み込まれかつ/または埋め込まれた基板から製造することができる。
本発明の別の態様によると、内燃機関用の触媒装置が開示される。触媒装置は、内燃機関の排ガスを処理するように構成された触媒と、所定の触媒作動温度閾値を上回って触媒を加熱するように構成された触媒加熱装置と、触媒に取り付けられており、触媒中に少なくとも部分的に突入するように構成されたセンサ素子と所定のセンサ作動温度閾値を上回ってセンサ素子を加熱するように構成されたセンサ加熱装置とを有する少なくとも1つの排ガスセンサと、触媒加熱装置と少なくとも1つの排ガスセンサとに接続されており、本発明による方法を実施するように構成された制御ユニットと、を備えている。センサ作動温度閾値は、触媒作動温度閾値よりも顕著に大きくてよい。
好適には、少なくとも1つの排ガスセンサは、触媒加熱装置の下流側に配置されている。特に、少なくとも1つの排ガスセンサは、触媒加熱装置の最も下流側の位置に配置されていることが好適であり得る。このことは、センサの検出位置が、少なくとも1つの排ガスセンサにより検出される排ガスパラメータの顕著な値をセンサ信号が示す位置にあることを保証することができる。
本発明による触媒装置の好適な実施形態では、触媒加熱装置は、電気加熱装置である。例えば、触媒加熱装置は抵抗加熱装置である。
代替的または追加的に、少なくとも1つの排ガスセンサは、NOxセンサ、空燃比センサ、酸素センサ、アンモニア(NH3)センサまたは粒子状物質センサである。
本発明の別の特徴および態様は、本開示の教示を研究して実施すると共に添付の図面を考慮することによって、当業者に明らかになるだろう。
本発明の例示的な触媒装置を示す概略図である。 図1に示した触媒装置および従来技術の触媒装置の温度のいくつかの時間的な推移を示す線図である。 図1に示した触媒装置を作動させる方法のフローチャートを示す図である。
以下に図面について説明する実施形態は、本発明の好適な実施形態である。ただし、これらの実施形態において説明する各実施形態のコンポーネントは、それぞれが本発明の個別の特徴を代表するものであって、互いに独立していると見なされ、またそれぞれが本発明を互いに独立的に発展させるものであり、したがって個別にまたは図示したものとは異なる組み合わせにおいて本発明の1つのコンポーネントであると見なすこともできる。さらに、説明する実施形態は、既に説明した本発明の別の特徴により補足されてもよい。
図1には、本発明による例示的な触媒装置100の概略図が示されている。図1に示す触媒装置100は、内燃機関(図示せず)の排気系10に配置された触媒110(図1には破線で図示)を有している。内燃機関の排ガスは、図1に示す矢印の方向に排気系10を通流し、ひいては触媒110を通流する。触媒110は、例えば三元触媒、選択還元触媒、NOx貯蔵変換器または酸化触媒といった、内燃機関の排ガスを処理するために適した如何なる触媒であってもよい。
触媒装置100はさらに、触媒110を加熱するように構成された触媒加熱装置120を有している。触媒加熱装置120は電気的な加熱装置であり、例えば触媒110をその触媒作動温度範囲に加熱するための抵抗ヒータとして設けられている。触媒作動温度範囲は、約150℃〜約500℃の範囲であってよい。
図1に示す触媒装置100はさらに、触媒110に取り付けられた排ガスセンサ130を有しており、排ガスセンサ130は、触媒110内に少なくとも部分的に突入するように構成されたセンサ素子132を有している。排ガスセンサ130はさらに、所定のセンサ作動温度閾値を上回ってセンサ素子132を加熱するように構成されたセンサ加熱装置134を有している。センサ加熱装置134は、例えば基板から製造されたセンサ素子132に、例えば組み込まれているかまたは埋め込まれている。具体的には、排ガスセンサ130は、触媒110を通流する排ガスの所定のパラメータを検出するように構成されている。例えば、排ガスセンサ130はNOxセンサ、空燃比センサ、酸素センサまたは粒子状物質センサである。
図1に示す触媒装置100はさらに、触媒加熱装置120と排ガスセンサ130の両方に接続された制御ユニット140を有している。特に、制御ユニット140は、触媒加熱装置120および排ガスセンサ130に対して信号を送受信して、両装置を少なくとも部分的に制御するように構成されている。例えば、制御ユニット140はCANバスを介して触媒加熱装置120および排ガスセンサ130に接続されている。図1には明示していないが、制御ユニット140と触媒加熱装置120との間には、触媒加熱装置制御器が介在していてよく、制御ユニット140と排ガスセンサ130との間には、センサ制御ユニットが介在していてよい。
さらに図1において看取できるように、排ガスセンサ130は、排ガスセンサ130の信号が可能な限り大きくなるように、触媒110の最も下流側の位置に配置されている。ただし代替的な実施形態では、排ガスセンサ130は触媒110内のあらゆる適切な位置に設けられている。
次に図2を参照すると、図1に示した触媒装置および従来技術の触媒装置の温度のいくつかの時間的な推移を示す線図が示されている。線Tinは、触媒110の入口における排ガス温度の時間的な推移を示す。線Tは、触媒110内の排ガスセンサ130の位置(図1参照)における排ガス温度の時間的な推移を示す。線Tは、触媒加熱装置120の位置(図1参照)における排ガス温度の時間的な推移を示す。
内燃機関がtにおいて冷間始動されると、触媒110の入口における排ガス温度Tinは周囲温度Tで始まり、次いでエンジン温度が上昇するにつれて連続的に上昇する。同じ時点tにおいて、触媒加熱装置120が触媒110を加熱するために作動される。よって、周囲温度Tで始まる線Tも、線Tinの上に位置している。排ガスセンサ130は、触媒加熱装置120により加熱されている排ガスによって少なくとも部分的に予熱されているので、周囲温度Tで始まる線Tも、線Tinの上に、ただし線Tの下に位置している。
図2から看取かつ導出できるように、触媒加熱装置120は、エンジン始動直後のtにおいて、触媒110をその触媒作動温度範囲に可能な限り迅速に加熱するために作動される。したがって、触媒加熱装置120における排ガス温度の線Tは大きな傾きでもって上昇しており、次いで所定の触媒作動温度閾値Tcotに到達した後に、線Tの傾きは小さくなっている。図2に示す温度Tdpは、いわゆる露点温度を表しており、露点温度において、触媒110を通流する排ガスからは実質的に全ての湿気が除去されているとみなすことができる。
排ガスセンサ130、特にセンサ素子132は、排ガスセンサ130の上流側に配置された触媒加熱装置120により予熱された排ガスによって加熱されてよい。したがって、センサ素子132における排ガス温度Tの時間的な推移は、触媒加熱装置120における排ガス温度Tの時間的な推移に実質的に追従する。
触媒110中に排ガスセンサが組み込まれていない従来技術のシステム(図2の線200参照)では、触媒の入口における排ガス温度Tinがt2において露点Tdpに達したときにのみ、排ガスセンサ130のセンサ加熱装置134が作動されてよい。この作動時点t2では、排ガス中の湿気に起因するセンサ素子132の損傷の危険がまだ若干存在している可能性がある。
本発明(図2の線210参照)によると、排ガスセンサ130のセンサ加熱装置134がt1において、すなわち排ガスセンサ130における排ガス温度Tが露点温度Tdpを超えるときに作動されてよい。触媒110の入口における排ガス温度Tinは触媒加熱装置120によって影響を受けないので、t1はt2よりも大幅に早くなっている。したがって、排ガスセンサ130は、従来技術のシステムよりも早期に、そのセンサ作動温度に到達することができる。
結論として、排ガスセンサ130が、触媒加熱装置120により加熱される触媒110の中に組み込まれているため、排ガスセンサ130は、加熱された環境において作動する。これにより排ガスセンサ130における排ガス温度Tがt1において露点温度Tdpを超えると直ちに、センサ加熱装置134の作動につなげることができる。排ガスセンサ130に到達したとき、排ガスは既に触媒加熱装置120を通過した後なので、排ガスセンサ130における排ガス温度Tは、従来技術のシステムにおけるよりも高くなっている。したがって、t1はt2よりも大幅に早くなっている。
さらに、触媒加熱装置120により予熱された排ガスは、センサ素子132を少なくとも部分的に予熱してよく、これにより、露点温度Tdpに到達した後に、センサ作動温度閾値を上回るようにセンサ加熱装置134を用いてセンサ素子132を加熱するための温度差を、より小さくすることができる。なぜなら、センサ素子132の始動温度は、排ガスによるその予熱に起因して、比較的高くなっているからである。これは、排ガスセンサ130の電気エネルギ消費量をより少なくするとともに、センサ素子132がそのセンサ作動温度に到達するまでの時間をより短くすることにつながる。
加えて、センサ加熱装置134の作動時に、排ガス中には水が実質的に全く存在しないことになるため、センサ素子132に対する損傷の危険を大幅に減らすことができるので、センサ取付け角度に関する制約も大幅に減少する。具体的には、従来技術の装置では、露点に達するまで排気ライン内に存在する水または湿気に起因して、センサ素子に亀裂が生じる危険がある。よって、潜在的な水または湿気が排ガスセンサ130のセンサ素子132に直接に当たることを防ぐために、排ガスセンサ130を所定の取付け角度で排気ライン10内に取り付けることが必要とされる。しかしながら、本発明では、センサ素子132は加熱された触媒装置100の所定の位置に取り付けられており、この位置における環境(すなわち排ガス)は、如何なる水または湿気も含むことがなく、その結果、センサ素子に亀裂が生じる危険が削減、または好適には排除されている。
次に図3を参照すると、図1に示した触媒装置100を作動させる方法の例示的なフローチャートが示されている。
この方法はステップ300において始まり、内燃機関が始動したか否かを判定するステップ302に進む。ステップ302において内燃機関がまだ始動していないと判定されると、方法は、ステップ302における状態を維持する。
ステップ302において内燃機関が始動したと判定されると、方法は、触媒加熱装置120を作動させるステップ304に進む。同時に、ステップ304では、センサ素子温度が決定される。このとき、センサ加熱装置134はまだ非作動状態(OFF状態)にある。センサ素子温度の決定は、センサ加熱装置134の電気抵抗器の、温度に依存する抵抗と、対応するセンサ素子温度とを関連付けることにより、行われてよい。
さらに、ステップ304では、センサ素子温度は実質的に、排ガスセンサ130における排ガス温度Tに相当するとみなすことができる。加えて、図2に示した線TおよびTを考慮すると、触媒加熱装置120における排ガス温度Tは、センサ素子温度に基づき決定することができる。なぜなら、TとTとは、実質的に同じであるとみなすことができるからである。ステップ304における主要過程は、触媒110の温度を決定することであり、触媒110の温度もまた実質的に、触媒加熱装置120における排ガス温度Tに相当する。さらに、前記各温度に基づくシステム校正の実施が考慮されてもよい。
次いでステップ306では、(触媒加熱装置120における排ガス温度Tに相当する)触媒温度が露点温度Tdpを超えたか否かが判定される。超えていない場合、方法は、触媒加熱装置120が引き続き触媒110を加熱するために作動状態を維持するステップ307に進む。その後、方法はステップ304に戻り、次いで再びステップ306に進む。
ステップ306において触媒温度が露点温度Tdpを超えたと判定されると、方法は、センサ加熱装置134が、センサ素子132のセンサ作動温度閾値を上回るようにセンサ素子132を加熱するために作動されるステップ308に進む。その後、方法はステップ310において終了する。センサ素子132が非作動の状態、すなわちセンサ素子132がセンサ加熱装置134により加熱されていない状態では、温度Tは、センサ加熱装置134の抵抗値に基づき決定することができる。温度Tは、触媒加熱装置120のフィードバック制御に用いられてよい。よって、このようなフィードバック制御が、効率的なエネルギ消費および安全な加熱管理を可能にする。

Claims (10)

  1. センサ素子(132)と、所定のセンサ作動温度閾値を上回って前記センサ素子(132)を加熱するように構成されたセンサ加熱装置(134)とを有する少なくとも1つの排ガスセンサ(130)と、所定の触媒作動温度閾値を上回って触媒(110)を加熱するように構成された触媒加熱装置(120)を有する触媒(110)とを備えており、前記センサ作動温度閾値は、前記触媒作動温度閾値よりも著しく大きい、内燃機関の触媒装置(100)を作動させる方法であって、該方法は、
    前記触媒加熱装置(120)の温度を決定し(304)、
    決定した前記触媒(110)の温度が前記所定の触媒作動温度閾値を下回る場合には、前記触媒(110)を前記所定の触媒作動温度閾値を上回って加熱するために前記触媒加熱装置(120)を作動させ(304)、
    前記触媒(110)の温度が前記所定の触媒作動温度閾値を上回る場合には、前記センサ素子(132)を前記所定のセンサ作動温度閾値を上回って加熱するために前記センサ加熱装置(134)を作動させる
    ことを含む、内燃機関の触媒装置(100)を作動させる方法。
  2. 前記センサ加熱装置(134)は、温度依存の抵抗器を有しており、前記触媒(110)の温度を決定するステップには、
    前記センサ加熱装置(134)は非作動状態にあると判定し、
    前記センサ加熱装置(134)の前記温度依存の抵抗器の電気抵抗を決定し、
    前記センサ加熱装置(134)の決定された前記電気抵抗に基づき前記触媒(110)の温度を決定する
    ことが含まれる、請求項1記載の方法。
  3. 決定された前記触媒温度が前記触媒作動温度閾値を上回っているとき、前記触媒装置(100)を通流する排ガスから実質的に全ての湿気が除去されていると判定することをさらに含む、請求項1または2記載の方法。
  4. 前記触媒作動温度閾値は、前記触媒のライトオフ温度を規定する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 前記触媒作動温度閾値は、約150℃〜約500℃の範囲内である、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 前記センサ作動温度閾値は、約700℃〜約1000℃の範囲内である、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 内燃機関用の触媒装置(100)であって、該触媒装置(100)は、
    前記内燃機関の排ガスを処理するように構成された触媒(110)と、
    所定の触媒作動温度閾値を上回って前記触媒(110)を加熱するように構成された触媒加熱装置(120)と、
    前記触媒(110)に取り付けられており、前記触媒(110)中に少なくとも部分的に突入するように構成されたセンサ素子(132)と、所定のセンサ作動温度閾値を上回って前記センサ素子(132)を加熱するように構成されたセンサ加熱装置(134)とを有し、前記センサ作動温度閾値は、前記触媒作動温度閾値よりも顕著に大きい、少なくとも1つの排ガスセンサ(130)と、
    前記触媒加熱装置(120)と、前記少なくとも1つの排ガスセンサ(130)とに接続されており、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法を実施するように構成された制御ユニット(140)と、
    を備えている、内燃機関用の触媒装置(100)。
  8. 前記センサ装置(130)は、前記触媒加熱装置(120)の下流側に配置されている、請求項7記載の触媒装置(100)。
  9. 前記触媒加熱装置(120)は電気加熱装置である、請求項7および8のいずれか1項記載の触媒装置(100)。
  10. 前記少なくとも1つの排ガスセンサ(130)は、NOxセンサ、空燃比センサ、酸素センサ、アンモニア(NH3)センサまたは粒子状物質センサである、請求項7から9までのいずれか1項記載の触媒装置(100)。
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