JP3999267B2 - 燃焼設備の排気ガス或いは排気流への還元剤の供給量の調量方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１の上位概念の特徴を有する方法および請求項１７の上位概念の特徴を有する装置に関する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３１５２７８号明細書には内燃機関の窒素を含む排気ガスに供給される還元剤を調量する方法並びにそのための装置が記載されている。これにおいては排気ガス流に供給される還元剤の量は運転に関連するパラメータに関係して制御ユニットを介して設定される。これにより還元剤の最適な調量が行われ、これにより触媒において窒素酸化物が完全に触媒件用により変換されると共に還元剤の余剰状態を回避しようとする。
例えば、制御ロッドの道程、給気圧或いはエンジン速度のような内燃機関の運転に関連するパラメータは、その場合、制御ユニットによって所定のそして制御ユニットに具現された特性曲線マップの形の関数関係を使って還元剤の率に換算される。触媒活性或いは蓄積容量のような触媒の運転に関連するパラメータも同様に制御ユニットに具現され、付加的に還元剤率の計算に利用される。触媒の劣化は、内燃機関の運転時間に応じて触媒の運転に関連するパラメータも実験室でのテストにより求められた劣化曲線に応じて変化することとして考慮している。劣化、消耗或いは運転条件の変化による内燃機関の関数関係の変化は上述の方法においては考慮されていない。
ドイツ連邦共和国特許第３３３７７９３号明細書においても内燃機関の窒素を含む排気ガスに供給される還元剤を調量する方法が記載されている。窒素酸化物を分解するために使用される触媒の劣化は、この場合、窒素酸化物の濃度と還元剤の濃度との間の関係を表す化学量論的特性曲線がそれに応じて移動されることにより対処される。
上述の両方法においては、しかしながら、運転に関連するパラメータと還元剤の供給量との間の関数関係を求めるために利用される触媒を含む内燃機関もしくは燃焼設備の特性量が予測できないように変化する場合には、還元剤の最適供給量が保証されない。
この発明の課題は、有害物質の分解のための燃焼設備の固有量がその劣化或いは消耗によって予測できない程度に変化する場合でも還元剤の最適供給量の調量が確実に行われるようにした、還元剤の供給量の調量方法並びにそのための装置を提供する。
方法に関するこの発明の課題は、この発明によれば、請求項１の上位概念における方法において、請求項１の特徴事項により解決される。この方法の有利な実施態様は請求項２乃至１６により実現される。装置に関してこの課題は、この発明によれば、請求項１７による上位概念の装置において請求項１７の特徴事項により解決される。この装置の有利な実施態様は請求項１８に記載されている。
従来公知の技術と異なりこの発明による方法は、還元剤の最適供給量を確定する際に運転に関連するパラメータを越える量の検出及び考慮を行っている。この付加的な量には、特に、劣化状態、消耗状態並びにその他の異常な運転条件が挙げられる。還元剤の最適量を求めるために使用された運転に関連するパラメータと還元剤の供給量との間の例えば特性曲線或いは特性曲線マップの形の関数関係は、静的に或いは前もって実験室でのテストにおいて求められるのではなく、むしろ燃焼設備の実際の運転において動的にかつ規則的に検討されそして再び新たに確定されるものであることを考慮するものである。
この発明による方法は、それ故、燃焼設備の実際のそして長期の運転において現実的なかつ実際の運転条件に大幅に適合したかつ自動的に適合する燃焼設備の運転方法であり、これにより還元剤の最適量に基づき還元剤の有利な消費及び燃焼設備の最適な運転動作点が設定される。
関数関係の検討及び適合は一つには手動によりかつ必要に応じて行われる（例えば燃焼設備の配置換えの際）か或いは（周期的）自動的に燃焼設備のシステムに組み込まれた追加ユユットにより実施される。
既に通常考慮されている運転に関連するパラメータの他に燃焼設備の現実の状態量及び現実の運転条件も考慮されることにより、燃焼設備は、還元剤の最適供給量を求める際に燃焼設備の運転のために考慮されるべき全ての要因を考慮している全体システムとして描写される。
この発明による方法は規則的な検討と適合自体によりその背景を問うものであり、従って特定のそして一般的な或いは燃焼設備の運転時間に応じて要請される仮定の状態に対してのみ当てはまる関数関係に固執するものではない。
この発明によれば関数関係の適合は一つには修正係数により行われる。特定の入力量によって及び出力量によって還元剤の量を表す特性曲線の最も簡単な場合には、修正係数を導入することにより各入力量に割当られる出力値が一貫してには、修正係数で向上されるか低下される。
より複雑な関数関係においては個々のパラメータ及び特性曲線の関数式の重みも個々に或いは累積して変えることができる。同じような方法で特性曲線マップの適合の際には個々の入力量と関連する関係或いは全方程式系の関数成分を別々に或いは累積して適合させることが行われる。
ただ１つの入力量だけを含む関数関係の最も簡単な場合には、修正係数を加算或いは減算的追加の形で導入することにより例えば関数闘係を表す特性曲線の移動が行われる。
この発明によれば、さらに関数関係の適合を数値方法により行うことが提案される。唯一の入力量を含む特性曲線の最も簡単な場合には、例えば特性曲線の放物線状の範囲の始点及び終点が新たに修正された特性曲線に対しても使用され、一方最初の特性曲線の始点と終点との間に新たな関数中間値の検出が（例えば内挿により）行われる。同様な方法で多次元特性曲線（特性曲線マップ）の場合に適当な数値方法或いは多重内挿法を行うことができる。
この発明による方法により関数関係を適合させるために、さらに、多数の数学的方法（即ち例えば数値方法と簡単な修正係数決定との組み合わせ）を使用することが有利である。
関数関係をこの発明による方法により適合させるためには、第一の変形例では燃焼設備の排気ガス或いは排気流における有害物質の濃度の検出から始めるのがよい。その後、センサによって有害物質の濃度が有害物質の許容範囲の中にあるか外にあるかが確定される。万一有害物質の許容範囲を越えていれば、供給される還元剤の量が一定の修正係数によって自動的に増大され、有害物質の許容範囲を下回っていれば、供給される還元剤の量が一定の修正係数によって自動的に低下される。有害物質濃度を高すぎることがないようにするために、例えば還元剤の量は１．１倍だけ増大される。
この具体的な修正係数は供給された還元剤の量を求めるための関数関係を適合させるためにも使用されるので、それにより有害物質濃度が高すぎる原因となる関数関係の誤った状態が取り除かれる。
最後にもう一度排気ガス或いは排気流における有害物質濃度が確定され、有害物質の値が高すぎたり或いは減少されたりすることが再び生じたときには、還元剤の供給量を新たな修正係数によりもう一度修正し、これに続いて再び修正係数による関数関係の適合が行われる。
以上の方法は、排気ガス或いは排気流における有害物質濃度が許容有害物質範囲の中にあるまで、自己整合的に繰り返される。これに修正係数の一回或いは多数回の適用による関数関係の前述の恒常的な適合が関係する。
これにより、還元剤の最適供給量並びに新たなそして実際の条件に相当して適合された関数関係状態が生ずる。
この発明による方法の第二の変形例では還元剤の供給量が実際に必要とする還元剤の量を越えて増大され、これにより、適当なセンサ、例えアンモニアセンサによって検出され制御される一定の還元剤の余剰が設定される。
この還元剤の余剰状態に基づいて還元剤の余剰量、現実の状態量及び運転に関連するパラメータを使用することにより燃焼設備の最適動作点が算出される。この算出された動作点が燃焼設備の実際の動作点（還元剤の余剰を作る前）からずれているならば、関数関係の適合が、還元剤の余剰を取り除いた後にも燃焼設備の最適動作点に達するために行われる。
この発明による方法の提案された変形例に無関係に、前述のような関数関係の適合は種々の方法により或いはそれらの方法の組み合わせにより行うことができる。
一般には、燃焼設備の全体の運転挙動の安全及び監視機能による関数関係の適合は安全及び監視機能により伴われるのが、これは、適合中でも安定したかつ調節された燃焼設備の運転状況を実現するためにも、好ましい。
既に述べたように、この発明による方法は、現実の状態量（例えば劣化或いは消耗）或いは現実の運転条件（例えば異常な負荷状況）の他に従来の運転に関連するパラメータをも検出する。例えば内燃機関の運転に関連するパラメータとして、就中、空気流量、スロットルバルブ位置、給気圧及びエンジン速度が考慮される。
排気ガスの運転に関連するパラメータに関しては、就中、その温度、圧力、質量流量及び有害物質濃度が入れられる。有害物質の削減に使用される触媒の運転に関連するパラメータとしては、特に、その温度、触媒活性、触媒活性物質の重量、配置状況、還元剤に対する熱伝達及び固有の温度依存の蓄積容量がこの発明による方法に取り入れられる。
触媒を備えた燃焼設備の運転開始前に一定の初期状態を作るための触媒は、好ましくは、還元剤の青炎燃焼器の排気ガスを導入することにより洗浄される。
燃焼設備の誹気ガス或いは排気流への還元剤の供給量を調量するための特にこの発明による方法を実施するためのこの発明による装置は、就中、（通常のように求められる運転に関連するパラメータの弛に）燃焼設備全体の特に内燃機関の排気ガス及び触媒の現実の状態及び現実の運転条件をも検出するセンサ素子を備えることを特徴とする。
付加的にこの発明による装置は、各センサ素子に接続され、還元剤の供給量を関数関係により計算して決定する中央制御ユニットを備える。特に、この中央制御ユニットにより関数関係を各センサ素子によって検知された測定値に関係して適合させ検討することも可能であり、これにより各センサ素子から報知された消耗パラメータ或いは劣化パラメータが前述の方法で考慮される。
付加的に、この中央制御ユニットは、好ましくは、内燃機関、触媒、還元剤供給装置並びにその地の燃焼設備に属する機器の全体制御及び監視に使用され、関数関係を適合する際にも考慮に入れられるべき安全及び監視機能を含む。
この発明を図面の実施例を参照して詳細に説明する。図面において
図１はこの発明による装置全体の概略構成図、
図２はこの発明による方法の第一の変形例を明らかにする図表、
図３は移動による特性曲線の適合例、
図４はこの発明による方法の第二の変形例、そして
図５は内挿による特性曲線の適合例を示す。
図１は内燃機関１を備え、その排気ガス６が触媒２に洗浄のため導かれている燃焼設備の一般的な全体システムを示す。触媒２には付加的に還元剤タンク３に貯蔵されている還元剤４並びに必要に応じて青炎燃焼装置５の排気ガスが導入される。全体設備の所々の位置にセンサ素子Ｓ₁〜Ｓ₅が運転に関連するパラメータを検出するため並びに全体設備の現実の状態及び現実の運転条件を決定するために設置されている。関数関係の適合は、制御のため全てのシステム機器と接統し、特にセンサ素子Ｓ１〜Ｓ５によって求められた測定値を検知し、これを処理する中央制御ユニット７を介して行われる。
図２を参照してこの発明による方法の第一の変形例を説明する。横座標の唯一のパラメータ２１により有害物質濃度２０を簡単にかつモデル的に求めることにより先ず有害物質濃度２０の濃度値Ｋが確定される。先ず許容有害物質範囲の公差範囲８の上にある濃度値Ｋ１が求められる。これにより、還元剤の供給が少なすぎたことが確定される。
次の工程として還元剤の量２２を修正係数（例えば、１．２）で変更し、それにより還元剤の量を増大する（図３参照）。選択された修正係数に関連して還元剤の最適量２２を求めるための特性曲線の移動が行われ、その結果、図３のように、元は破線で示された初期特性曲線９に基づいて、修正係数だけ移動して適合された特性曲線１０が生ずる。
その後再び有害物質濃度２０が測定され、その濃度値Ｋ２が公差範囲８の中にあることを確定する。燃焼設備のその後の運転は図３による適合された特性曲線１０から始められる。
図２及び３において行われたこの発明による第一の変形例の簡単な説明は唯一の量からなる簡単な特性曲線を基にしている。上述の修正係数による適合化は同様な方法で多次元特性曲線（多次元特性マップ）にも適用可能である。
この発明による方法の第二の変形例は図４及び５に示されている。先ず燃焼設備は図４による動作点Ａ₁で運転される。
還元剤の量２２を適当なセンサ素子（例えばアンモニアセンサ）で監視してこれを増大することにより、そして還元剤の余剰状態２３を有害物質濃度２０を同時に低下させながら作ることにより動件点Ａ_sが求められる。この動作点Ａ_sを基にして還元剤の余剰状態２３、運転に関連するパラメータ、現実の状態量及び現実の運転条件により計算が行われ、還元剤の最適量、従って修正前の最適動作点Ａ₂が生ずる。
最も簡単な場合には余剰状態にある還元剤の量２２が経験的な係数で修正され、これにより修正前の運転状態に対する還元剤の最適量２２が求められる。これは還元剤の量２２に関して還元剤の僅かな余剰の仮定の下に行われる。
この例示の場合には最適動作点Ａ₂は元の動作点Ａ₁と異なっている。それ故、元の動作点Ａ₁で運転に使用された特性曲線９’は図５のように適合されることが必要である。これは図５の場合には特性曲線９’の始点１１及び終点１２を借用し、そして動作点Ａ₂を通る新たに適合された特性曲線１０’を計算する（例えば内挿法を使用して始点１１、動作点Ａ₂及び終点１２の間の中間値を求める）ことによって行われる。
その後は燃焼設備は動作点Ａ₂で運転され、適合された特性曲線１０’により、燃焼設備の現実の状態量及び現実の運転条件を考慮した還元剤の量の決定が行われる。

Claims (18)

1. 燃焼設備の排気ガス或いは排気流へ導入される還元剤（４）の供給量を調量する方法であって、この還元剤の供給量が、特性曲線或いは特性曲線マップに基づいて、燃焼設備、排気ガス（６）の運転に関連するパラメータから決められる方法において、
   前記特性曲線或いは特性曲線マップが運転中に検討され、さらに特性曲線或いは特性曲線マップが、前記運転に関連するパラメータに関して下記手順に基づいて変更されることによって、燃焼設備の現実の状態並びに現実の運転条件に適合されることを特徴とする燃焼設備の排気ガス或いは排気流への還元剤の供給量の調量方法。
   ａ）供給される還元剤の量を増大し、一定の還元剤の余剰状態を作る手順。
   ｂ）燃焼設備の還元剤供給量が最適となる動作点を、一定の還元剤の余剰状態、現実の状態量及び運転に関連するパラメータを使用して算出する手順。
   ｃ）この算出された動作点が元の特性曲線或いは特性曲線マップによって定められた時点の動作点からずれている場合には、供給される還元剤の供給量を決定するために前記特性曲線或いは特性曲線マップを適合させる手順。
2. 燃焼設備の排気ガス或いは排気流へ導入される還元剤（４）の供給量を調量する方法であって、この還元剤の供給量が、特性曲線或いは特性曲線マップに基づいて、燃焼設備、排気ガス（６）の運転に関連するパラメータから決められ、かつ有害物質削減のために触媒（２）が使用され、前記特性曲線或いは特性曲線マップが触媒（２）の現実の状態に採用される方法において、
   前記特性曲線或いは特性曲線マップが運転中に検討され、さらに特性曲線或いは特性曲線マップが、前記運転に関連するパラメータに関して下記手順に基づいて変更されることによって、燃焼設備の現実の状態並びに現実の運転条件に適合されることを特徴とする燃焼設備の排気ガス或いは排気流への還元剤の供給量の調量方法。
   ａ）供給される還元剤の量を増大し、一定の還元剤の余剰状態を作る手順。
   ｂ）燃焼設備の還元剤供給量が最適となる動作点を、一定の還元剤の余剰状態、現実の状態量及び運転に関連するパラメータを使用して算出する手順。
   ｃ）この算出された動作点が元の特性曲線或いは特性曲線マップによって定められた時点の動作点からずれている場合には、供給される還元剤の供給量を決定するために前記特性曲線或いは特性曲線マップを適合させる手順。
3. 特性曲線或いは特性曲線マップの検討及び適合が必要に応じて行われることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 特性曲線或いは特性曲線マップの検討及び適合が自動的に行われることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 特性曲線或いは特性曲線マップが自動的かつ周期的に検討され、適合されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 特性曲線或いは特性曲線マップの適合が修正係数により行われることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 修正係数が運転に関連するパラメータに対する加算或いは減算的追加であることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 特性曲線或いは特性曲線マップの適合が数値的方法により行われることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 特性曲線或いは特性曲線マップの適合が内挿により行われることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 還元剤の余剰状態はセンサ素子によって検知され監視されることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 特性曲線或いは特性曲線マップの適合が安全及び／又は監視機能によって可能とされるもしくは阻止されることを特徴とする請求項１乃至１０記載の方法。
12. 燃焼設備が内燃機関（１）であり、内燃機関（１）の運転に関連するパラメータとして空気流量及び／又はスロットルバルブの位置及び／又は給気圧及び／又はエンジン速度が使用されることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
13. 排気ガス（６）の運転に関連するパラメータとしてその温度及び／又は圧力及び／又は質量流量及び／又は有害物質濃度が使用されることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
14. 触媒（２）の運転に関連するパラメータとしてその温度及び／又は触媒活性及び／又は触媒活性物質の重量及び／又は配置状態及び／又は還元剤（４）に対する熱伝達及び／又は触媒活性物質固有の温度依存の蓄積容量が使用されることを特徴とする請求項２乃至１３の１つに記載の方法。
15. 触媒（２）が燃焼設備の起動の前に還元剤の青炎燃焼により洗浄されることを特徴とする請求項２乃至１４の１つに記載の方法。
16. 燃焼設備の排気ガス或いは排気流へ導入する還元剤（４）の供給を調量する請求項１の方法を実施する装置であって、還元剤の供給量が、特性曲線或いは特性曲線マップに基づいて、燃焼設備、排気ガス（６）の運転に関連するパラメータから決められるものにおいて、
    燃焼設備（１）、排気ガス（６）の現実の状態並びに現実の運転条件を決めるため及び還元剤の余剰状態を決めるためのセンサ素子（Ｓ）と、これらのセンサ素子（Ｓ）と接続された中央制御ユニット（７）とを備えることを特徴とする燃焼設備の排気ガス或いは排気流への還元剤の供給量の調量装置。
17. 燃焼設備の排気ガス或いは排気流へ導入する還元剤（４）の供給を調量する請求項２の方法を実施する装置であって、還元剤の供給量が、特性曲線或いは特性曲線マップに基づいて、燃焼設備、排気ガス（６）の運転に関連するパラメータから決められ、かつ有害物質削減のために触媒（２）が使用され、前記特性曲線或いは特性曲線マップが触媒（２）の現実の状態に採用されるものにおいて、
    燃焼設備（１）、排気ガス（６）、触媒（２）の現実の状態並びに現実の運転条件を決めるため及び還元剤の余剰状態を決めるためのセンサ素子（Ｓ）と、これらのセンサ素子（Ｓ）と接続された中央制御ユニット（７）とを備えることを特徴とする燃焼設備の排気ガス或いは排気流への還元剤の供給量の調量装置。
18. 中央制御ユニット（７）が燃焼設備、触媒（２）、還元剤供給装置並びにその他の燃焼設備に属する機器の全体制御及び監視に使用されることを特徴とする請求項１６または１７記載の装置。

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