JP4804629B2

JP4804629B2 - 脱硫方法

Info

Publication number: JP4804629B2
Application number: JP2000618597A
Authority: JP
Inventors: ポット・エッケハルト
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: EP1179124A1; DE19921972A1; WO2000070203A1; DE50003545D1; JP2002544435A; EP1179124B1

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した特徴を有する、燃焼機関の排気通路内に配置された少なくとも１個のＮＯ_Ｘ吸収触媒を脱硫するための方法に関する。
【０００２】
ＮＯ_Ｘ吸収触媒（貯蔵触媒）を脱硫するための方法は公知である。このようなＮＯ_Ｘ吸収触媒は燃焼機関の排ガス中のＮＯ_Ｘ成分を低減するために使用される。この排ガス成分に関する法律規定が厳しくなってきているために、ＮＯ_Ｘ成分を更に低減することが望まれる。そのために、燃焼機関の所定の動作モードの下で、ＣＯ，ＨＣまたはＨ_２のような還元ガス成分によってＮＯ_Ｘが触媒で転換される。
【０００３】
燃焼機関の動作モードは特に、燃料混合気濃度に対する酸素濃度の比によって表すことができる。その際、いわゆるλ値（空気過剰率）はこの両成分の理論混合比を示す。λ値が１よりも小さい場合、燃料混合気の濃度は酸素の濃度を上回り、その結果排ガス中の還元成分の割合が高められる（λ＜１はリッチ動作モードに相当する）。これに対して、酸素の濃度が燃料混合気の濃度よりも大きいと、λ＞１（リーン動作モード）となる。
【０００４】
触媒によるＮＯ_Ｘの転換はλ≦１の動作モードでのみ行うことができ、λ＞１の場合にはＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ吸収触媒によって吸収される。従って、ＮＯ_ＸについてのＮＯ_Ｘ吸収触媒の最大容量に達する前に、燃焼機関はλ≦１で運転しなければならない。しかし、触媒の長時間の活性にとって、充分な脱硫が重要である。硫黄は多くの燃料の構成成分である。燃焼機関の燃焼プロセス中に、ＳＯ_２を発生する。このＳＯ_２はリーン雰囲気（λ＞１）では酸素によって酸化されてＳＯ_３ ⁻になり、続いて硫酸塩としてＮＯ_Ｘ吸収触媒に貯蔵される。これは一方では例えば煤形成によって老化プロセスを強めることになり、他方ではそれによって触媒活性表面積とＮＯ_Ｘ吸収触媒の容量が低減される。従って、ＮＯ_Ｘ吸収触媒を周期的に脱硫する必要がある。
【０００５】
ＮＯ_Ｘ吸収触媒の上流と下流のＮＯ_Ｘ濃度の比を表す予め設定可能な限界値に達した後で脱硫を開始することが知られている。そのために、少なくともＮＯ_Ｘ吸収触媒の下流でＮＯ_Ｘ濃度を検出するセンサが排気通路内に配置される。ＮＯ_Ｘ吸収触媒の上流のＮＯ_Ｘ濃度は他のセンサによって検出されるかまたは公知のごとくエンジン運転パラメータから経験値によって調節される。従って、ＮＯ_Ｘ濃度の比はＮＯ_Ｘの転換反応に関するＮＯ_Ｘ吸収触媒の効率を示し、それによって硫化の程度を表す。
【０００６】
脱硫するために、ＮＯ_Ｘ吸収触媒は最低温度まで加熱しなければならず、燃焼機関の動作モードはλ≦１でなければならない（再生パラメータ）。λ値が非常に低い場合（０．６５〜０．９）、硫酸塩は主としてＨ_２Ｓに還元され、λ値がほぼ１であるかまたはかろうじて１であるときには主としてＳＯ_２が形成される。従って、両還元プロセスのうちの有利な還元プロセスは、λ値の調節によって制御可能である。
【０００７】
脱硫のために必要な条件、最低温度およびλ≦１は、燃料機関の少なくとも１つの運転パラメータに少なくとも一時的に影響を与えることによって生じることができる。手段として、例えば遅延点火、燃焼プロセス中または燃焼プロセスの終了後の再噴射、燃焼機関のシリンダ選択的なトリミングまたはリーン動作モードからリッチ動作モードへの交代が行われる。その際、排ガス温度は、増強されたまたはずらされた燃焼によってあるいは一次触媒で発熱反応によって転換される還元ガス成分の増大したエミッションによって得られる。
【０００８】
しかし、どんな場合でも例示的に挙げた手段によって燃料消費が増大する。燃焼機関のダイナミックな運転において短い時間だけ遅れて最低温度を上回ったときには、後になって考えてみて、排気温度の人為的な上昇は不要であった。
【０００９】
本発明の根底をなす課題は、ＮＯ_Ｘ吸収触媒の脱硫を燃焼機関のダイナミックな運転に適合させることである。その際特に、再生パラエータを達成するための燃料消費が不必要に増大しないようにすべきである。
【００１０】
本発明による方法によって、燃焼機関の運転パラメータが適切に選択され、その調節が連続的に行われる。限界値に達した際に、排ガス温度を高め、かつ燃焼機関のλ≦１の動作モードをもたらす燃焼機関の少なくとも１つの第１の運転パラメータを調節し、予め設定可能な時間の経過後、最低温度に達しないときに、排ガス温度を高め、かつλ≦１の燃焼機関の動作モードをもたらす燃焼機関の少なくとも１つの他の運転パラメータを調節することによって、脱硫のための燃焼消費が簡単に低減される。
【００１１】
それぞれの運転パラメータが任意の方法で互いに組み合わせ可能であり、それによって燃焼機関の所定の規定に依存して脱硫をきわめて適切に制御可能であるという利点がある。
【００１２】
多数の手段の中からの具体的な手段の選択は好ましくは、排ガス温度、燃料消費、車速等のような選択された運転パラメータによって行なわれる。同様に、１つまたは複数の具体的な手段を講じる時間の長さは、このパラメータを用いて定めることができる。
【００１３】
本発明の他の有利な実施形は、従属請求項に記載されたその他の特徴から明らかである。
【００１４】
次に、図に基づいて本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００１５】
図１は、燃焼機関１２の排ガスを浄化するための触媒システム１０の配置構造を示している。その際、触媒システム１０は排気通路１４内に配置されている。触媒システム１０はＮＯ_Ｘ吸収触媒（貯蔵触媒）１６と、一次触媒（プレ触媒）１８を含んでいる。一次触媒１８は三元触媒として設計可能である。すなわち、一次触媒は一方では排ガスの還元ガス成分の酸化を可能にし、他方ではＮＯ_Ｘの還元触媒反応を可能にする。このような一次触媒１８の機能は公知であり、本明細書の範囲ではこれ以上説明しない。
【００１６】
燃焼機関１２は燃料混合物の濃度に対する酸素濃度の比に関して、全部で３つの異なる動作モードで運転可能である。それぞれの動作モードは空気過剰率（ラムダ値）によって表すことができる。酸素が理論混合比よりも過剰であると、λ＞１である。これに対して還元ガス成分が多いと、λ＜１であり、理論混合比であると、λ＝１である。
【００１７】
燃焼機関１２のこのような動作モードは公知のごとくエンジン制御装置２０によって制御可能である。その際、要求される動作モードに相応して、燃焼前の吸気管２２内の酸素濃度が調節される。この調節は例えば、排ガス戻し弁２４を介して排ガスを吸気管２２内に案内し、スロットル弁２６によって流量を制御することによって行われる。排ガスの組成はガスセンサ要素２８によって検出可能である。更に、ガスセンサ要素３０がＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の背後に配置されている。更に、現在の温度または平均温度を検出するために、温度センサ３２を排気通路１４の選択された範囲に配置することができる。
【００１８】
希薄動作モード、すなわちλ＞１で燃焼機関１２を運転する間、ＮＯ_Ｘが多く発生する。ＮＯ_Ｘがλ≦１でのみ触媒で転換することができるので、希薄雰囲気ではＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸収触媒内に吸収される。ＮＯ_Ｘの吸収のほかに、ＳＯ_２も吸収することができる。このプロセスはＮＯ_Ｘの吸収と異なり、ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６内で部分的な非均質を生じることになる。この非均質は最終的に、ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６内に煤を形成し得る。同時に、ＮＯ_Ｘ貯蔵容量と、λ≦１のときに触媒によってＮＯ_Ｘを転換する触媒作用表面積が低減される。従って、ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の長時間の活性のためには、充分な脱硫が重要である。
【００１９】
脱硫が開始される時点は、ＮＯ_Ｘ吸収触媒内に貯蔵されたＮＯ_Ｘ物質に依存した、ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の上流と下流のＮＯ_Ｘ濃度の比で表わされる限界値によって設定可能である。そのためには往々にして、ガスセンサ要素３０によって、ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の下流のＮＯ_Ｘ濃度を検出し、経験値によってＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の効率、ひいては脱硫程度を検出することで充分である。
【００２０】
脱硫を可能にするためには、少なくとも２つの条件を満足しなければならない。一方では、ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の範囲において最低温度を達成しなければならず、他方では燃焼機関１２の動作モードがλ≦１でなければならない（再生温度）。空気過剰率λが１よりも非常に小さいと、硫酸塩の還元時に主としてＨ_２Ｓが形成され、ほぼλ＝１の動作モードの際には主としてＳＯ_２が形成される。
【００２１】
燃焼機関１２のダイナミックな運転中しばしば最低温度よりも低い温度になるので、適当な手段によってＮＯ_Ｘ吸収触媒１６を加熱しなければならない。図２には、限界値を上回った後の温度の変化が、講じられた手段に依存して示してある。個々の手段は燃焼機関１２の少なくとも１つの運転パラメータに対して少なくとも一時的に影響を与えることを含んでいる。
【００２２】
そのために、特に排気温度に作用する次の手段について例示的に説明する。
ａ）λ＞１からλ≦１に燃焼機関の動作モードを交代させると一般的に排ガス温度が上昇する。
ｂ）燃料混合物を遅らせて点火すると、要求される出力が同じである場合、燃料の消費が多くなり、それによって温度が上昇する。
ｃ）燃焼プロセス中または燃料プロセスの終わった後で再噴射すると、排気通路１４の方への燃焼場所の部分的な移動、ひいてはＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の範囲での排ガスの温度上昇が生じる。
ｄ）燃焼機関１２のシリンダ選択的なトリミングにより、還元ガス成分のエミッションが増大する。通常のごとく、一次触媒１８が燃焼機関１２とＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の間にあると、還元ガス成分は少なくとも一部がそこで転換される。
【００２３】
この転換が発熱反応であるので、排ガス温度が再び上昇する。
【００２４】
時点Ｚ_１で限界値に達すると、図２では時間ｔ_１が経過した後で、第１の手段ＭＳ１が講じられる。この第１の手段は時間ｔ_２にわたって時点Ｚ_３まで維持される。どのような判断基準に従って手段の選択が行われるのかおよびどのようにして時間が定められるのかについは、後で詳しく説明する。手段ＭＳ１がＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の温度の必要な上昇をもたらさないと、時点Ｚ_３以降、手段ＭＳ２が時間ｔ_３にわたって講じられる。時点Ｚ_４でまだ最低温度Ｔ_ｍに達していないと、この時点以降同じようなことが行われる。それによって全体として、手段Ｍ_Ｓｉが時間ｔ_ｉにわたって開始される。図示した例では、時点Ｚ_５以降最低温度Ｔ_ｍを上回り、従ってこの時点Ｚ_５以降ＮＯ_Ｘ吸収触媒１６の脱硫が行われる。
【００２５】
図３には具体的な手段Ｍ_Ｓｉとそれに関連する時間ｔ_ｉの決定の経過が概略的なブロック図で示してある。先ず最初に、運転パラメータＰ_ｉに基づいてパラメータセットＰ_Ｓが決定される。その際、例えば次のデータの中からパラメータＰ_ｉを用いることが重要である。
ａ）排気通路１４の任意の範囲の排ガスの温度、ＮＯ _Ｘ吸収触媒１６の温度または燃焼機関１２の冷却媒体の温度。その際、現在の温度または平均温度を用いることができる。
ｂ）最後の脱硫の後または燃焼機関１２のスタート以降進んだ走行距離。
ｃ）現在の燃料消費または平均燃料消費。
ｄ）現在の車両速度または平均車両速度。
ｅ）排気通路１４の任意の範囲の現在の空気過剰率または平均空気過剰率。
【００２６】
パラメータセットＰ_Ｓを決定した後で、手段Ｍ_ｉの総数から、１つまたは複数の個々の手段Ｍ_Ｓｉが選び出される。
【００２７】
選び出された手段Ｍ_Ｓｉのための時間ｔ_ｉを決定するために更に、パラメータセットＰ_Ｓが使用され、パラメータ特有の時間インターバルが定められる。これに、定められた手段全体についての予め設定可能な時間インターバルを加算すると、時間ｔ_ｉが計算される。
【００２８】
本発明による方法を、明らかにするために具体的な例でもう一度説明する。
【００２９】
車両Ｂは幹線道路上を約７５ｋｍ／ｈおよび５００℃の排ガス温度で走行している。脱硫の必要性を認識した後で、１０分の最長時間にわたってあるいは１０ｋｍの最大走行距離にわたって、希薄燃焼（リーン）運転が抑制される。排ガス温度が都市交通の温度よりもはるかに高いので、この手段だけによる“自然の”脱硫の確率は都市交通の場合よりもはるかに高い。それでもなおこの時間イタンーバル内で最低温度に達しない場合には、続いて最長１０分間または最大１０ｋｍの走行距離の間、付加的な遅延点火が行われる。しかし、２分後に、最後の６０秒における変動する平均速度が７５ｋｍ／ｈから３０ｋｍ／ｈに低下し、排ガス温度が４００℃に低下した。それによって恐らく幹線道路が都市交通と交代するので、遅延点火の代わりに再噴射が行われる前に、遅延点火の時間が新たに３分に短縮される。なぜなら、純粋な都市交通が継続すると、遅延点火単独では恐らく、最低温度を上回るには不充分であるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼機関のためのＮＯ_Ｘ吸収触媒システムの概略的な断面図である。
【図２】選択された手段に依存してＮＯ_Ｘ吸収触媒温度の変化を示す図である。
【図３】具体的な手段とその時間を決定するための概略的なブロック図である。

Claims

燃焼機関の排気通路内に配置された少なくとも１個のＮＯ_Ｘ吸収触媒を脱硫するための方法であって、ＮＯ_Ｘ吸収触媒の上流と下流の、ＮＯ_Ｘ吸収触媒内に貯蔵されたＮＯ_Ｘ質量に依存したＮＯ_Ｘ濃度の比で表される、脱硫が可能となる予め設定された限界値に達した後で、脱硫が開始され、脱硫のためにＮＯ_Ｘ吸収触媒の最低温度が調節され、かつ燃焼機関の動作モードがλ≦１に調節され、そしてこの動作モードおよび／またはＮＯ _Ｘ吸収触媒の脱硫が可能である最低温度を達成するために、燃焼機関の少なくとも１つの運転パラメータに一時的に影響を及ぼす手段が実行される方法において、限界値に達した際に、排ガス温度を高め、かつ燃焼機関（１２）のλ≦１の動作モードをもたらす手段を実行し、予め設定可能な時間の経過後、ＮＯ _Ｘ吸収触媒の脱硫が可能である最低温度に達しないときに、排ガス温度を高め、かつλ≦１の燃焼機関（１２）の動作モードをもたらす他の手段を実行すること、
ＮＯ_Ｘ吸収触媒の温度、排気通路の任意の範囲の排ガスの温度、燃焼機関の冷却媒体の温度、最後の脱硫後の走行距離、燃焼機関の始動以降の走行距離、燃料消費、現在のまたは平均の車両速度、排気通路の任意の範囲の空気過剰率の中の一つ以上を用いて、脱硫のためにＮＯ _Ｘ吸収触媒の最低温度を調節し、かつ燃焼機関の動作モードをλ≦１に調節するための手段の選択が行われること、および
予め設定可能な時間の長さが、ＮＯ _Ｘ吸収触媒の温度、排気通路の任意の範囲の排ガスの温度、燃焼機関の冷却媒体の温度、最後の脱硫後の走行距離、燃焼機関の始動以降の走行距離、燃料消費、現在のまたは平均の車両速度、排気通路の任意の範囲の現在の空気過剰率または平均空気過剰率の中の一つ以上、
および脱硫のためにＮＯ _Ｘ吸収触媒の最低温度を調節し、かつ燃焼機関の動作モードをλ≦１に調節するための選択された手段を用いて定められることを特徴とする方法。