JP4619603B2 - 内燃機関の排気ガス通路に配設されたnox貯蔵触媒の脱硫の制御のための方法及び装置 - Google Patents

内燃機関の排気ガス通路に配設されたnox貯蔵触媒の脱硫の制御のための方法及び装置 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は独立請求項1及び13で挙げた特徴を有する、内燃機関の排気ガス通路に配設されたNO貯蔵触媒の脱硫の制御のための方法及び装置に関する。
【0002】
少なくとも一時的に希薄燃焼運転モードで運転される内燃機関の排気ガスをNO貯蔵触媒の助けにより運転する後処理が知られている。その際、希薄燃焼運転モード時に、この段階で窒素酸化物NOxは、還元性排気ガス成分例えば一酸化炭素又は未燃焼炭化水素に比して排気ガス中に過量で存在し、従って、NO貯蔵触媒は、完全に転化されない窒素酸化物NOXを硝酸塩の形で貯蔵する。NOx貯蔵能力が低下した場合には、規則的間隔で、貯蔵触媒にNOX再生が行われる。そのために貯蔵触媒にリッチな排気ガス雰囲気を送り込み、最低触媒温度を調整する。
【0003】
NO貯蔵触媒ではNOXの吸収のほかに、硫黄酸化物の望ましくない蓄積が起こる。硫黄の蓄積はNOX再生の条件下で不可逆的であるから、貯蔵触媒の硫化が増加し、NO貯蔵能力が低下する。したがって、硫黄の凝集が硫酸塩粒子の形成を招き、NO貯蔵触媒の触媒活性を不可逆的に劣化する恐れがある。このような硫酸塩粒子の除去は粒子の大きさが増すにつれてますます難しくなる。そこで規則的間隔でNO貯蔵触媒の脱硫を行い、その際650℃を超える触媒温度でリッチな排気ガス雰囲気を送り込んで、蓄積された硫黄を主として二酸化硫黄SO2及び硫化水素H2Sの形で排出することが知られている。
【0004】
硫酸塩粒子の形成による不可逆的な劣化のほかに、触媒の貯蔵能力の低下を招くその他の恒久的な種類の劣化が知られている。この場合第一に重要なのは熱的劣化である。
【0005】
本発明の根底にあるのは、NO貯蔵触媒の不可逆的劣化を識別し、追跡することができるNO貯蔵触媒の脱硫の制御方法を提案するという課題である。
【0006】
本発明に基づきこの課題は独立請求項に挙げた特徴を有する、NO貯蔵触媒の脱硫の制御のための方法及び装置によって解決される。本発明方法によればNO貯蔵触媒の下流で測定されたNO濃度からNO貯蔵触媒のNOX貯蔵活性を決定し、NO貯蔵触媒のNO活性が所定の閾値を下回るときは、所定の脱硫パラメータにより脱硫を開始する。また脱硫成績に基づきNO貯蔵触媒の不可逆的劣化を追跡し、所定の劣化限界値を超えるときは強力な脱硫を開始し、その際高い脱硫効果に相当する少なくとも1つの脱硫パラメータが選定され、内燃機関の以後の運転を強力脱硫の後に回復したNO活性の高さに依存させる。たとえ、先行する標準脱硫が不完全に終わった場合でも、強力脱硫の実施は定量的硫黄排出を可能にする。こうして強力脱硫の後に回復したNOX貯蔵活性を、NO貯蔵触媒の現在の不可逆的劣化に直接相関させることができる。その結果NO貯蔵触媒のもはや許容されない恒久的な劣化を識別することができる。
【0007】
本発明によれば劣化限界値の設定のための種々の変法が可能である。好ましい実施形態では、閾値は脱硫の終了後に回復したNO貯蔵触媒のNO初期活性に比例するように、脱硫のつど設定され、これを下回ると脱硫が起動される。この場合劣化限界値はNOX貯蔵活性の下回ってはならない最低限界値であり、閾値は劣化限界値より大きい。代替実施形態によれば、下回ると脱硫を起動する閾値は不変である。この変法では触媒の不可逆的劣化が増すにつれて脱硫頻度が増加するから、劣化限界値として所定の最大脱硫頻度が利用される。閾値も同じく一定である別の代替実施形態では、劣化限界値は脱硫後に回復したNO初期活性の下限とされる。
【0008】
脱硫、特に強力脱硫の実施は高い燃料消費を伴い、場合によっては車両の運転挙動に影響することがある。従っていかなる運転状況でも脱硫の開始が望ましいという訳ではない。そこで本方法の有利な実施形態は、劣化限界値を超えたときにまず内燃機関の希薄燃焼運転を禁止し、適当な所定の周辺条件が存在するときに初めて強力脱硫を開始する。この周辺条件は例えばNO貯蔵触媒の最低温度及び/又は最小時間のあいだ順守する最低車速である。
【0009】
本発明に係る方法は、強力脱硫の後に内燃機関のさらなる運転を脱硫成績、即ち脱硫後に回復したNOX初期活性の高さに依存させるものである。好ましい実施形態は、強力脱硫の終了後に回復したNO初期活性がほぼ完全に又は少なくとも硫黄とNOXのない無傷のNO貯蔵触媒の所定の範囲で適合するならば、内燃機関の希薄燃焼運転が引き続き許容されるように構成されている。この場合、つまり強力脱硫の前に観察されたNOX貯蔵活性の損失が硫黄の蓄積即ち不完全に終わった先行の脱硫に原因し、NO貯蔵触媒の不可逆的劣化によるものでないからである。従って有効な強力脱硫処理の後は、さらに後続の脱硫が効果的に行われるように脱硫パラメータを適応させることが好ましい。
【0010】
これに対して強力脱硫がほとんど効果がなく、回復したNOX初期活性が最後の脱硫の後のNO初期活性よりさほど高くないならば、NO貯蔵触媒の激しい不可逆的劣化が推定され、NOX放出を少なくするために、内燃機関の希薄燃焼運転が制限又は遮断される。また警報表示器により車両運転者に触媒の保守の必要性を知らせることも考えられる。
【0011】
また装置はNO貯蔵触媒の脱硫処理の制御手順がデジタル形式で保存された手段、例えば制御ユニットを具備するように構成することが好ましい。このような制御ユニットはたいてい現存するエンジン制御装置に組込むことが好ましい。
【0012】
本発明のその他の好適な実施形態は従属請求項に挙げたその他の特徴で明らかである。
【0013】
次に本発明の実施例を付属する図面に基づき詳述する。
【0014】
図1は内燃機関10及び後置された排気ガス系統12の概要を示す。排気ガス系統12の排気ガス通路14に予備触媒16とNO貯蔵触媒18が配設されている。また排気ガス通路14は選択された運転パラメータの検出のための種々の計器を内蔵する。例えばガスゾンデ20、22は排気ガス中のガス成分の濃度を検出する。本例ではラムダゾンデとして設計されたガスゾンデ20が内燃機関10の後方かつ触媒部品16、18の手前の酸素分の検出のために使用され、一方、NOXゾンデ22はNO貯蔵触媒18の後方のNO濃度を測定する。NO貯蔵触媒18の前後に配設された温度ゾンデ24、26は触媒温度の検出のために使用される。代案として一方又は両方の温度ゾンデ24、26を廃止し、NO貯蔵触媒の温度を経験的に導き出すこともできる。ガスゾンデ20、22及び温度ゾンデ24、26が検出したすべての信号は、エンジン制御装置28に入力され、そこでまずデジタル化され、その上で内燃機関10の運転モードの制御のためにさらに処理される。このためにエンジン制御装置28は例えば吸気管32のスロットル弁30の位置及び/又は排気ガス返送装置34を調節することによって、内燃機関10に供給される空燃混合気を調整する。例示した操作部30、34によって例えば内燃機関10のリーン又はリッチモードを調整することができる。
【0015】
また下記で詳述するNO貯蔵触媒の脱硫の制御手順を格納した制御ユニット36がエンジン制御装置28に組込まれている。代わりに、制御ユニット36をエンジン制御装置28から独立に実現することもできる。
【0016】
図2はNO貯蔵触媒18の相対NO活性NOArelの時間的経過を示す。その際、相対NO活性NOArelはこのNO貯蔵触媒18のNO活性NOAと、NOXと硫黄のない無傷のNO貯蔵触媒のNO活性との比を表す。この場合NO活性NOA自体はNO貯蔵触媒18の後方でNOXゾンデ22が測定したNO濃度とNO貯蔵触媒18の前方のNO濃度の比と定義される。NO貯蔵触媒18の前方のNO濃度即ちNOX粗放出は、とりわけエンジン制御装置28により内燃機関10の実際運転パラメータに基づいて算定される。代わりに、NO貯蔵触媒18の前方の排気ガス系統14に配設されたNOゾンデで測定することもできる。NO活性NOA又は相対NO活性NOArelの計算はエンジン制御装置28で行なわれる。エンジン制御装置28にはNO及び硫黄を含まない無傷のNO貯蔵触媒のNO活性NOAも記憶されている。車両運転の初めにNO貯蔵触媒18は新鮮な触媒と同様なNO活性NOAを有するから、相対NO活性NOArelは差当り“1”に近い値をとる。その後の過程で触媒18の硫化が増加するから、相対NO活性NOArelが次第に低下する。相対NO活性の最初の閾値SWを下回ると、時点t1でNO貯蔵触媒18の最初の脱硫が起動される。所定の脱硫パラメータに従って脱硫に必要な最低触媒温度が調整され、内燃機関10は所定の又は調整された脱硫時間のあいだ空気過剰率リッチ設定に相当するリッチ運転モードで運転される。H2S放出を抑制するために、脱硫をリッチ・リーン・インターバルで操作することが知られている。この場合補助脱硫パラメータとして例えば各インターバルのリッチ・リーン空気過剰率設定、切換え頻度又はNO貯蔵触媒18の後方のリッチ・リーン切換え状態を設定することができる。脱硫40の終了後に回復した相対NO初期活性NOAMXに従って、閾値SWの位置を新たに制御ユニット36によって確定する。その場合閾値SWは回復したNO初期活性NOAMXに比例することが好ましい。脱硫終了後のNO初期活性NOAMXは、運転時間tの進行につれて新鮮なNO貯蔵触媒に次第に対応しなくなり、触媒の老化とともに低下する。その原因は例えばNO貯蔵触媒18の不完全な脱硫及び/又は不可逆的な熱的劣化である。NO初期活性NOAMXの低下の結果、それを下回れば脱硫が開始される閾値SWがますます低下する。時点t5にNOX活性NOAが、下回ってはならない下限値、劣化限界値SWIRに到達するまで、硫化38と脱硫40のサイクルが繰返される。劣化限界値SWIRを下回ると、NO放出を少なくするために、まず内燃機関10がリーン運転モードから化学量論的又はリッチ運転モードに切換えられる。所定の周辺条件、例えばNO貯蔵触媒18の最低温度及び/又は最小時間のあいだ順守する最低車速が現われたときに、初めて強力脱硫を開始することが好ましい。エネルギー的に極めて問題が多い強力脱硫のための燃料消費をこうして比較的少なくすることができる。強力脱硫42は先行する脱硫40と比較して、上記の脱硫パラメータ(例えば触媒温度、空気過剰率、時間設定)の少なくとも1つが高い脱硫効果に対応するように選定されることが相違する。例えば強力脱硫42のために長い脱硫時間及び/又は低い空気過剰率リッチ設定を指定することができる。
【0017】
NO貯蔵触媒18のこの不可逆的劣化に依存して強力脱硫の後に様々な高さのNO初期活性NOAMXが回復される。44で示すシナリオでは、回復されたNO活性NOAMXは硫黄を含まない無傷の触媒にほぼ相当する。この場合触媒18は事実上恒久的劣化がなく、先行する活性損失は不完全な先行する脱硫40に原因すると想定することができる。シナリオ46では強力脱硫42によって初期のNOX活性が完全にではなく、かなりの程度回復される。このことは触媒の不可逆的な劣化があり、脱硫40が不完全であったことを示唆する。いずれのシナリオ44、46でも内燃機関10の希薄燃焼運転が引き続き許容され、回復されるNO初期活性NOAMXに対しより下の閾値を設定することができる。いずれの場合44、46も以後の脱硫成績の改善が期待されるように、後続の脱硫のための脱硫パラメータを適応修正することが好ましい。NO貯蔵触媒18の不可逆的劣化が少なく、強力脱硫42の後の回復したNOX活性NOAが高ければ、それだけ脱硫パラメータの修正が重要である。シナリオ48によれば、強力脱硫42は実際上効果がなかった。従ってこの場合は貯蔵触媒18の広範な不可逆的劣化を推定しなければならない。以後のNO放出を制止するために、この場合は内燃機関10の希薄燃焼運転が最終的に遮断される。車両運転者に触媒の状態を知らせ、又は必要な保守を指示する警報表示器をオプションとして設けることもできる。
【0018】
本発明の別の好適な実施形態に相当する相対NO活性NOArelの経過を図3に示す。この場合は全車両運転中にNOX活性NOAの閾値SWが一定に保たれる。NO貯蔵触媒18の老化が増すにつれて、脱硫40の後に回復するNO初期活性NOAMXが低下する。その結果内燃機関10のリーンモードでNO貯蔵触媒18が閾値SWに到達するまで硫黄を蓄積する期間τがますます短くなる。換言すれば、脱硫40が必要になる頻度が増加する。強力脱硫42の必要性の認識の基準は、所定の最大脱硫頻度又は脱硫後に回復されたNO初期活性NOAMXの下限値である。本発明のこの実施形態のその他の方法上の特徴はすべて図2に示した特徴に相当するから、ここで改めて説明しない。
【0019】
図4は図2に示した本方法の実施形態の説明のための流れ図を示す。手順は段階S1で始まる。ここで内燃機関10にリーン大気、即ちラムダ値>1が送り込まれる。段階S2では、NO貯蔵触媒18の後方でNOゾンデ22が測定したNO濃度に基づきNOX活性NOAの計算が行われる。段階S3でNO貯蔵活性NOAが閾値SWと比較される。NO活性NOAが閾値SWより高ければ、プロセスは段階S1に移行し、内燃機関10は引き続きリーンモードで運転される。これに対して閾値SWに到達したか又はそれを下回ったことが段階S3で確認されれば、段階4でNO活性NOAと劣化限界値SWIRの比較が行なわれる。劣化限界値SWIRにまだ到達していないか又は下回るならば、段階S5で所定の脱硫パラメータにより脱硫が開始される。脱硫の終了後、回復したNO活性NOAMXが段階S6で決定され、決定された初期活性NOAMXに応じて閾値SWが新たに計算される。他方、段階S4でNO活性NOAが劣化限界値SWIRに到達したか又はそれを下回ったことが確認されると、段階S7で強力脱硫が開始される。強力脱硫の終了後段階S8で、回復したNO活性NOAMXが所定の閾値SWMXより小さいか否かが問われる。この問いが否定されるならば、段階S6でNO初期活性NOAMXに関連して新たな閾値SWの計算が行われ、それに基づいて段階S1で希薄燃焼運転が再び許容される。ところが段階S8で脱硫の成果が確認できなければ、段階S9で希薄燃焼運転が最終的に遮断される。
【図面の簡単な説明】
【図1】NO貯蔵触媒の脱硫の制御のための手段および排気ガス浄化設備の原理図である。
【図2】本発明の好適な実施形態に基づくNO貯蔵触媒のNO貯蔵活性の時間的経過の図である。
【図3】本発明の別の好適な実施形態に基づくNO貯蔵触媒のNO貯蔵活性の時間的経過の図である。
【図4】図2に示した実施例に基づく本発明に係る手順の流れ図である。
【符号の説明】
10 内燃機関
18 NO貯蔵触媒
NOA NO活性
NOAMX NO初期活性
SW 閾値
SWIR 劣化限界値

Claims (15)

  1. NO貯蔵触媒の下流に配設され、排気ガス中のNO濃度に従って信号を送る少なくとも1個のNOゾンデを使用して、内燃機関の排気ガス通路に配設されたNO貯蔵触媒の脱硫を制御するための方法において、
    a)NO貯蔵触媒(18)の下流で測定されたNO濃度からNO貯蔵触媒(18)のNO活性(NOA)を決定し、
    b)NO貯蔵触媒(18)のNO活性(NOA)が所定の閾値(SW)を下回るときは、所定の脱硫パラメータにより脱硫を開始し、
    c)脱硫成績に基づきNO貯蔵触媒(18)の不可逆的劣化を決定し、所定の劣化限界値(SWIR)を超えるときは、強力脱硫を開始し、これにより高い脱硫効果に相当する少なくとも1つの脱硫パラメータが選択され、
    d)内燃機関のその後の運転を、強力脱硫の後に回復したNO初期活性(NOAMX)の高さに依存させることを特徴とする方法。
  2. 閾値(SW)が脱硫の終了後に回復したNO貯蔵触媒(18)のNO初期活性(NOAMX)に比例するように、脱硫のつど閾値(SW)を設定し、劣化限界値(SWIR)がNO活性(NOA)の下回ってはならない最小限界値であって、閾値(SW)が劣化限界値(SWIR)より大きいことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 閾値(SW)が不変であるとき、劣化限界値(SWIR)が所定の最大脱硫頻度であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 閾値(SW)が不変であるとき、劣化限界値(SWIR)が脱硫後に回復したNO初期活性(NOAMX)の所定の下限であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 劣化限界値(SWIR)を超えたとき、まず内燃機関(10)の希薄燃焼運転を制限又は禁止し、所定の周辺条件が成立するときに初めて強力脱硫を開始することを特徴とする上記請求項1〜4のいずれか1つに記載の方法。
  6. 強力脱硫の終了後に回復したNO初期活性(NOAMX)がほぼ完全に又は少なくとも所定の範囲で、硫黄とNOのない無傷のNO貯蔵触媒(18)に相当するならば、内燃機関(10)の希薄燃焼運転が引き続き許容されることを特徴とする上記請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
  7. 強力脱硫の終了後に回復したNO初期活性(NOAMX)がほぼ完全に又は少なくとも所定の範囲で、硫黄とNOのない無傷のNO貯蔵触媒(18)に相当するならば、後続の脱硫が効果的に行われるように、脱硫パラメータを調整することを特徴とする上記請求項1〜6のいずれか1つに記載の方法。
  8. 強力脱硫の終了後に回復したNO初期活性(NOAMX)が直接先行する脱硫の後より著しく高くなければ、NO貯蔵触媒(18)の激しい不可逆的劣化を推定し、内燃機関(10)の希薄燃焼運転を制限又は遮断することを特徴とする上記請求項1〜7のいずれか1つに記載の方法。
  9. NO貯蔵触媒(18)のNO活性(NOA)がNO貯蔵触媒(18)の下流で測定したNO濃度と、測定した又は内燃機関(10)の実際の運転パラメータに基づいて計算したNO貯蔵触媒(18)上流のNO濃度との比に相当することを特徴とする上記請求項1〜8のいずれか1つに記載の方法。
  10. NO活性(NOA)がNO貯蔵触媒(18)の後方で測定したNO濃度と、硫黄のない無傷のNO貯蔵触媒(18)に基づきモデル化したNO濃度の比であることを特徴とする上記請求項1〜8のいずれか1つに記載の方法。
  11. 脱硫パラメータがNO貯蔵触媒(18)の脱硫温度、空気過剰率リッチ設定(Lambda−Fettvorgabe)及び脱硫時間であることを特徴とする上記請求項1〜10のいずれか1つに記載の方法。
  12. 制御されたリッチ・リーン脱硫(Fett−Mager−Entschwefelung)の場合は、リッチ・リーン空気過剰率設定(Fett−Mager−Lambdavorgaben)、切換え頻度及びNO貯蔵触媒(18)の後方のリッチ・リーン切換え限界(Fett−Mager−Umschaltschwellen)の状態が補助脱硫パラメータであることを特徴とする上記請求項1〜11のいずれか1つに記載の方法。
  13. NO貯蔵触媒の下流に配設され、排気ガス中のNO濃度に従って信号を送る少なくとも1個のNOゾンデを使用して、内燃機関の排気ガス通路に配設されたNO貯蔵触媒の脱硫を制御するための装置において、下記の手順、即ち
    (a)NO貯蔵触媒(18)の下流で測定されたNO濃度からNO貯蔵触媒(18)のNO活性(NOA)を決定し、
    (b)NO貯蔵触媒(18)のNO活性(NOA)の所定の閾値(SW)を下回るときは、所定の脱硫パラメータにより脱硫を開始し、
    (c)脱硫成績に基づきNO貯蔵触媒(18)の不可逆的劣化を決定し、所定の劣化限界値(SWIR)を超えるときは強力な脱硫を開始し、その際高い脱硫効果に相当する少なくとも1つの脱硫パラメータが選択され、
    (d)強力脱硫の後に回復したNO活性(NOAMX)のレベルに従って内燃機関のその後の運転に関して決定することを遂行し得る手段が設けられていることを特徴とする装置。
  14. 上記の手段がNO貯蔵触媒(18)の脱硫処理の制御手順をデジタル形式で格納した制御ユニット(36)を具備することを特徴とする請求項13に記載の装置。
  15. 制御ユニット(36)がエンジン制御装置(28)に組込まれていることを特徴とする請求項14に記載の方法。
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