JP4908397B2 - 内燃機関の排気通路内への反応剤の注入方法およびその方法を実施する装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路内への反応剤の注入方法およびその方法を実施するための装置に関するものである。

ドイツ特許公開第１０１３９１４２号に、ＮＯｘエミッションを低減させるために、排気ガス内に含まれている窒素酸化物ＮＯおよびＮＯ_２を還元剤、即ちアンモニアにより窒素に還元するＳＣＲ触媒（選択還元触媒）が使用されている、内燃機関の排気ガス処理装置が開示されている。アンモニアはＳＣＲ触媒の上流側に配置されている加水分解触媒内において尿素水溶液から得られる。加水分解触媒は、尿素水溶液内に含まれている尿素を水によりアンモニアおよび二酸化炭素に転化する。正確な配量を確保するために、尿素水溶液の濃度を決定するように設計されている。

尿素水溶液はポンプにより所定の圧力に上昇される。配量弁は所定の流量を決定する。混合室内において尿素水溶液に圧縮空気が混入される。ＳＣＲ触媒への十分に均一な流入が達成されるように、尿素水溶液は混入空気と共に内燃機関の排気ガス内に噴霧される。

本出願人の未公開特許出願に、同様に、触媒手前の内燃機関の排気ガス内に加圧された反応剤が注入される、この種の方法およびこの種の装置が開示されている。反応剤圧力は、特性変数の関数として、所定の反応剤目標圧力に決定される。特性変数として、内燃機関の運転変数および／または内燃機関の排気ガスの特性変数が使用されてもよい。所定の反応剤圧力目標値は制御範囲内で制御され、制御において、反応剤の実際圧力は反応剤圧力センサにより測定される。反応剤に圧縮空気が混入されてもよい。圧縮空気は、同様に、特性変数の関数として、制御範囲内において所定の圧縮空気圧力目標値に制御可能であり、この場合、圧縮空気の実際圧力は圧縮空気圧力センサにより測定される。圧力センサの少なくとも１つの故障は、ＳＣＲ触媒の性能を低下させることがあり、この結果、浄化されない排気ガスが周囲に到達することになる。

少なくとも１つの所定の圧力の保持が保証される、内燃機関の排気通路内への反応剤の注入方法および方法を実行するための装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は独立請求項に記載の特徴によりそれぞれ解決される。
圧力を測定するための少なくとも１つの圧力センサが設けられている、本発明による内燃機関の排気通路内への反応剤の注入方法は、圧力センサの診断が行われるように設計されている。定常圧力状態が期待される少なくとも１つの第１の時間区間内において、圧力センサ信号が少なくとも近似的に定常圧力に対応しているかどうかが検査される。さらに、圧力変化が発生する少なくとも１つの第２の時間区間内において、圧力センサ信号が所定の検査圧力に少なくとも近似的に対応しおよび／または定常圧力に対する所定の変化を少なくとも近似的に有しているかどうかが検査される。条件の少なくとも１つが満たされていないとき、エラー信号が提供される。

本発明による方法は、圧力センサの正常な作動を保証する、少なくとも１つの圧力センサの総合診断を可能にする。圧力信号の関数として内燃機関の排気通路内に反応剤を注入することは、所定の反応剤圧力および／または所定の圧縮空気圧力の保持により最適に実行可能であり、これにより、例えばＳＣＲ触媒のような排気ガス処理装置は、できるだけ少ない反応剤消費量において最適浄化結果を達成可能である。

本発明による方法の有利な形態および変更態様が従属請求項から得られる。
一形態は、圧力信号が定常圧力に対応していないとき、および同時に圧力信号が検査圧力に対応していないかおよび／または所定の変化を有していないとき、エラー信号が提供されるように設計されている。この形態により、少なくとも１つの圧力センサの診断の信頼性が向上される。エラー信号を誤って提供することが回避可能である。例えば、圧力センサが正常であると思われているにもかかわらず、異常な周囲影響がエラー信号を提供させることがある。

一形態は、第１の時間区間内においては圧力のない状態が存在すべきであり、また圧力信号が少なくとも近似的に周囲空気圧力に対応しているかどうかが検査されるように設計されている。代替形態は、第１の時間区間内においては所定の作動圧力が存在すべきであるように設計されている。

一形態は、第２の時間区間内に存在する測定時点において、圧力信号が少なくとも近似的に検査圧力に対応しているかどうかが検査されるように設計されている。代替または追加形態は、第２の時間区間内において、圧力信号の時間線図の差商および／または微分商が決定され且つ評価されるように設計されている。

他の形態は、第２の時間区間が、その間に内燃機関が既に遮断されている、制御の終了過程内に存在するように設計されている。この形態は、内燃機関の運転時間の終了時に発生する、反応剤圧力および／または圧縮空気圧力の圧力降下を考慮することによる拡張された診断可能性を開示する。

本発明による方法の他の有利な変更態様および形態が他の従属請求項および以下の説明から得られる。

図１は内燃機関１０を示し、内燃機関１０の吸気領域内に空気センサ１１が、および内燃機関１０の排気領域内に反応剤注入装置１２並びに排気ガス処理装置１３が配置されている。空気センサ１１は、制御ユニット１５に空気信号１６を出力する。制御ユニット１５には、さらに、内燃機関１０から提供された回転速度Ｎと、トルク目標値１７と、内燃機関運転信号１８と、圧縮空気圧力センサ２０から提供された圧縮空気圧力信号２１と、反応剤圧力センサ２２から提供された反応剤圧力信号２３とが供給される。

制御ユニット１５は、内燃機関１０に付属されている燃料配量装置２５に燃料信号２６を、配量弁３０に配量弁操作信号３１を、圧縮空気制御弁３２に圧縮空気制御弁操作信号３３を、並びに反応剤ポンプ３４に反応剤ポンプ操作信号３５を出力する。

制御ユニット１５は、配量弁操作手段４０、圧縮空気制御弁操作手段４１、反応剤ポンプ操作手段４２、並びに圧力センサ診断ユニット４３を含む。
反応剤タンク４５内に貯蔵されている反応剤は、反応剤ポンプ３４を介しておよび配量弁３０を介して、混合室４６内に到達する。混合室４６には、さらに、圧力容器４７内において提供され且つ圧縮空気制御弁３２内を搬送された圧縮空気が供給される。混合室４６は反応剤注入装置１２と結合されている。

図２は制御ユニット１５内に含まれている圧力センサ診断ユニット４３を詳細に示す。以下において圧力信号２１、２３と呼ばれる、圧縮空気圧力信号２１および反応剤圧力信号２３は、第１の比較器５０および信号評価手段５１に供給される。タイマ５２は、第１の時間信号５３により第１の比較器５０を、および第２の時間信号５４により第２の比較器５５を操作する。タイマ５２に、配量弁操作信号３１および内燃機関運転信号１８が供給される。

第１の切換可能基準６０を含む第１の比較器５０は、第１のエラー信号６１を提供する。信号評価手段５１は評価圧力信号６４を第２の比較器５５に出力し、第２の比較器５５は第２の切換可能基準６２を含み且つ第２のエラー信号６３を提供する。

第１のエラー信号６１は、ＯＲ結合７０およびＡＮＤ結合７１に供給される。第２のエラー信号６３は、同様に、ＯＲ結合７０およびＡＮＤ結合７１に供給される。ＯＲ結合７０は第３のエラー信号７２を出力し、およびＡＮＤ結合７１は第４のエラー信号７３を出力する。

図３ａは、反応剤ポンプ操作信号３５を時間ｔの関数として示し、図３ｂは、配量弁操作信号３１を時間ｔの関数として示し、図３ｃは、圧力信号２１、２３を時間ｔの関数として示す。

第１の時点ｔ１において、圧力信号２１、２３は静止圧力１００を有し、静止圧力１００は第１の公差範囲１０１内に存在する。
第２の時点ｔ２において、反応剤ポンプ操作信号３５が遮断レベル１０２から投入レベル１０３に切り換わる。第２の時点ｔ２後に圧力信号２１、２３の上昇が開始する。

第３の時点ｔ３において、配量弁操作信号３１が遮断レベル１０２から投入レベル１０３に切り換わる。第３の時点において、圧力信号２１、２３は第１の検査圧力１０４を有し、第１の検査圧力１０４は第２の公差範囲１０５内に存在している。第３の時点ｔ３において、圧力信号２１、２３は静止圧力１００に対して第１の圧力変化１０６を有している。

第４の時点ｔ４において、圧力信号２１、２３は作動圧力１０７を有している。
第５の時点ｔ５において、反応剤ポンプ操作信号３５が投入レベル１０３から遮断レベル１０２に切り換わる。第５の時点ｔ５後に圧力信号２１、２３は低下する。

第６の時点ｔ６において、圧力信号２１、２３は第２の検査圧力１０８を有している。同時に、圧力信号２１、２３は作動圧力１０７に対して第２の圧力変化１０９を有している。

第７の時点ｔ７において、圧力信号２１、２３は静止圧力１００に低下されている。
第１および第２の時点ｔ１、ｔ２の間に、第１の時間区間ｔ８が存在する。第２および第４の時点ｔ２、ｔ４の間に、第２の時間区間ｔ９が存在する。第４および第５の時点ｔ４、ｔ５の間に、他の第１の時間区間ｔ１０が存在し、第５および第７の時点ｔ５、ｔ７の間に、他の第２の時間区間ｔ１１が存在する。

本発明による方法は次のように行われる。
例えば詳細には図示されていない自動車の点火キーから提供された内燃機関の運転信号１８による内燃機関１０の始動後に、制御ユニット１５は、少なくとも１つの入力信号の関数として、燃料信号２６を決定する。入力信号として、例えば空気センサ１１から提供された空気信号１６および／または内燃機関から提供された回転速度Ｎおよび／または詳細には図示されていない加速ペダルの位置から導かれたトルク目標値１７が使用される。

燃料信号２６は、例えば詳細には図示されていない燃料弁の噴射時間を決定し、燃料弁は燃料配量装置２５内に配置されている。
内燃機関１０の排気ガスは、排気ガス処理装置１３内において、その少なくとも１つの排気ガス成分が除去されることにより浄化される。排気ガス処理装置１３は、例えば触媒および／または粒子フィルタである。図示の実施例においては、それが特にＳＣＲ触媒（選択還元触媒）として形成されている触媒であると仮定される。ＳＣＲ触媒１３は、例えば排気ガス内に含まれている窒素酸化物を、アンモニアにより水および窒素に転化する。アンモニアは、ＳＣＲ触媒１３の上流側の排気領域内に直接注入されてもよい。図示の実施例においては、反応剤注入装置１２が設けられているものと仮定され、反応剤注入装置１２は、反応剤として尿素水溶液をＳＣＲ触媒１３の上流側の排気領域内に注入する。アンモニアは、ＳＣＲ触媒１３の上流側の排気ガス内において、および特にＳＣＲ触媒１３の内部において、加水分解により得られる。

反応剤として使用される尿素水溶液は反応剤タンク４５内に貯蔵され、反応剤ポンプ３４により少なくとも近似的に所定の反応剤目標圧力に上昇され、配量弁３０を介して混合室４６に供給される。反応剤に圧縮空気が混入されないとき、混合室４６は省略可能である。この場合、配量弁３０は反応剤注入装置１２と一致することになる。図示の実施例においては、混合室４６内において反応剤が圧縮空気と混合されるものと仮定され、圧縮空気は圧力容器４７内において提供される。圧縮空気圧力は、圧縮空気制御弁３２により少なくとも近似的に所定の圧縮空気目標圧力に上昇される。

反応剤圧力のみならず圧縮空気圧力もまた圧力センサ２０、２２により測定される。反応剤圧力センサ２２は反応剤圧力信号２３を、および圧縮空気圧力センサ２０は圧縮空気圧力信号２１を提供し、これらの圧力信号は以下において同様に圧力信号２１、２３と呼ばれる。内燃機関運転信号１８により内燃機関１０が始動したとき、反応剤ポンプ操作信号３５が反応剤ポンプ操作４２から提供されることが好ましい。反応剤ポンプ３４は、反応剤を、例えば４バールの所定の圧力に上昇させる。反応剤ポンプ操作手段４２は制御手段を含んでいてもよく、制御手段には実際値として反応剤圧力信号２３が供給される。反応剤量は配量弁３０により設定され、配量弁３０に配量弁操作４０が配量弁操作信号３１を供給し、配量弁操作信号３１は、例えば配量弁３０の所定の断面積を形成する。

場合により、混合室４６内において反応剤に混入される圧縮空気は、同様に、所定の圧縮空気目標圧力に制御されることが好ましい。このために、圧縮空気制御弁操作手段４１は、圧縮空気センサ圧力信号２１の関数として、圧縮空気制御弁操作信号３３を決定する。圧縮空気目標圧力は、例えば８バールの値を有している。圧力容器４７は、ブレーキ装置および／またはパワー・ステアリングおよび／またはその他の調節装置の作動のために、自動車内に存在し得る。必要ならば、圧縮機が使用されるべきである。圧縮空気圧力は、混合室４６の手前において、例えば詳細には図示されていない超臨界絞りにより、および／または詳細には図示されていない逆止弁の圧力損失により、例えば４バールに低下されることになる。

反応剤圧力センサ２２および／または場合により設けられている圧縮空気圧力センサ２０のエラー機能または完全な故障は、圧力がＳＣＲ触媒１３の上流側の排気通路内における反応剤量および空間分配を共に決定するので、排気ガス処理に影響を与える。過剰配量はアンモニアを溢流させることになる。不足配量は、排気ガス処理装置１３がその浄化機能をもはや完全には満たすことができない結果をもたらす。

したがって、反応剤圧力センサ２２および場合により設けられている圧縮空気圧力センサ２０の診断が行われる。診断は圧力信号２１、２３により圧力センサ診断ユニット４３内において実行され、圧力センサ診断ユニット４３の構成が図２に詳細に示されている。

本質的な方法は、第１に、静止圧力１００または作動圧力１０７の存在により定常圧力状態が期待される少なくとも１つの第１の時間区間ｔ８、ｔ１０内において、圧力信号２１、２３が少なくとも近似的に定常圧力１００、１０７に対応するかどうかが検査されることにより行われる。さらに、圧力変化が発生する少なくとも１つの第２の時間区間ｔ９、ｔ１１内において、圧力信号２１、２３が所定の検査圧力に少なくとも近似的に対応しおよび／または期待される圧力変化１０６、１０９が少なくとも近似的に発生したかどうかが検査される。条件の少なくとも１つが満たされていないとき、第３および／または第４のエラー信号７２、７３が提供される。

診断過程は、タイマ５２により、内燃機関運転信号１８および配量弁操作信号３１の関数として制御される。タイマ５２は、第１の時間区間ｔ８に対応する第１および第２の時点ｔ１、ｔ２の間に、第１の時間信号５３を第１の比較器５０に出力し、第１の比較器５０は、それに続いて、静止圧力１００が少なくとも近似的に存在するかどうかに関して圧力信号２１、２３を検査する。第１の比較器５０は、圧力信号２１、２３を、第１の切換可能基準６０から提供された、例えば周囲空気圧力に対応する基準値と比較する。第１の公差範囲１０１は、第１の基準値を超えても許容公差により第１の比較器５０が第１のエラー信号６１を提供することがないように決定される。

代替態様または追加態様として、タイマ５２が、第１の比較器５０を、他の第１の時間区間ｔ１０に対応する第４および第５の時点ｔ４、ｔ５の間に、第１の時間信号５３により操作するように設計されていてもよい。他の第１の時間区間ｔ１０内において、第１の比較器５０は、圧力信号２１、２３が少なくとも近似的に作動圧力１０７を有しているかどうかを検査する。この場合、第１の時間信号５３により、第１の切換可能基準６０が、作動圧力１０７に対する尺度である他の基準値を出力するように切り換えられる。

少なくとも１つの第１の時間区間ｔ８、ｔ１０内において、圧力信号２１、２３の、静止圧力１００または作動圧力１０７からの偏差が特定されたとき、第１のエラー信号６１が発生し、第１のエラー信号６１はＯＲ結合７０を介して直接第３のエラー信号７２として出力される。第３のエラー信号７２は、例えば指示されても、および／または詳細には図示されていないエラー・メモリ内に記憶されてもよい。

第２の時間区間ｔ９に対応する第２および第４の時点ｔ２、ｔ４の間において、および他の第２の時間区間ｔ１１に対応する第５および第７の時点ｔ５、ｔ７の間において、タイマ５２は第２の比較器５５を操作するために第２の時間信号５４を提供する。

第１の形態により、第２の比較器５５が、信号評価手段５１により評価された圧力信号６４を、第２の切換可能基準６２から提供された基準値と比較するように設計されている。信号評価手段５１は、例えば第２の時間区間ｔ９内においてまたは他の第２の時間区間ｔ１１内において発生した圧力信号２１、２３の微分商を形成する。技術的に実行可能な方法は、少なくとも圧力信号２１、２３の差商の決定を行う。差商の決定の基礎となる時間区間は、図３ｃに示されている圧力信号２１、２３の線図のように極大および極小が発生することがあるので、センサ信号の時間特性の期待特性に関して適合されるべきである。

代替態様または追加態様として、タイマ５２が、第２の時間区間ｔ９ないしは他の第２の時間区間ｔ１１内の特定の時点において、第２の時間信号５４を提供するように設計されていてもよい。図示の実施例においては、第２の時間信号５４は、第３の時点ｔ３および／または第６の時点ｔ６において提供される。第３の時点ｔ３において、配量弁操作信号３１は遮断レベル１０２から投入レベル１０３に切り換わる。したがって、第３の時点ｔ３において、作動圧力１０７が十分に達成されていることが推測される。実際に、第１の検査圧力１０４が存在している。

第１の形態により、第２の比較器５５が、第３の時点ｔ３において、所定の第１および／または第２の検査圧力１０４、１０８が存在するかどうかを検査するように設計されていてもよい。この形態においては、信号評価手段５１は省略され、その理由は、第２の比較器５５が、圧力信号２１、２３を、第２の切換可能基準６２から提供された、第３の時点ｔ３における第１の検査圧力１０４に対する尺度ないしは第６の時点ｔ６における第２の検査圧力１０８に対する尺度である基準値と直接比較するからである。第２の公差範囲１０５は、第３の時点ｔ３において期待される第１の検査圧力１０４に、および第６の時点ｔ６において期待される第２の検査圧力１０８に適合されるべきである。

他の形態により、第２の比較器５５が、第３の時点ｔ３において所定の第１の圧力変化１０６が存在するかどうか、および／または第６の時点ｔ６において第２の圧力変化１０９が存在するかどうかを検査するように設計されていてもよい。この形態においては、第３の時点ｔ３において実際に存在する圧力信号２１、２３と静止圧力１００との間の差を決定し、また第６の時点において、実際に存在する圧力信号２１、２３と第５の時点ｔ５において存在する作動圧力１０７との間の差を決定する信号評価手段５１が必要である。

第２の比較器５５から提供された、第２の時間区間ｔ９内においておよび／または他の第２の時間区間ｔ１１内において発生されたエラーを信号する第２のエラー信号６３は、ＯＲ結合７０を介して直接エラー信号７２として出力される。ＯＲ結合７０は、第１のエラー信号６１または第２のエラー信号６３または両方のエラー信号６１、６３が発生したとき、第３のエラー信号７２を出力する。第１のエラー信号６１のみならず第２のエラー信号６３もまた存在するとき、第４のエラー信号７３がＡＮＤ結合７１から出力される。個々の区間ｔ８、ｔ９、ｔ１０、ｔ１１の時間順序に従って、詳細には図示されていない、エラー信号６１、６３の記憶が行われるべきである。

図１は、本発明による方法が実行される技術的周辺図を示す。 図２は診断ユニットのブロック回路図を示す。 図３ａ−３ｃは時間の関数としての信号線図を示す。

Claims (5)

1. 少なくとも反応剤圧力を測定するために、圧力信号を提供する少なくとも１つの圧力センサが設けられている、内燃機関の排気通路内への反応剤の注入方法において、
   圧力センサの診断が行われること、前記診断が、
   タイマにより設定された、作動圧力が期待される少なくとも１つの第１の時間区間内において、圧力信号が少なくとも近似的に作動圧力に対応しているかどうかが検査されること、
   前記タイマにより、第１の時間区間に続いて設定された、圧力降下が期待される少なくとも１つの第２の時間区間であって、第２の時間区間が、その間に内燃機関が既に遮断されている、制御ユニットの終了過程内に存在する、前記第２の時間区間内において、圧力信号が所定の検査圧力に少なくとも近似的に対応しているかどうか、および作動圧力に対する所定の変化を少なくとも近似的に有しているかどうかの少なくともいずれかが検査されること、および
   前記第１の時間区間内において圧力信号が作動圧力に対応しておらず、かつ、前記第２の時間区間内において圧力信号が所定の検査圧力に対応していないか所定の変化を有していないかの少なくともいずれかのときに、エラー信号が提供されること、
   により実施されること、
   を特徴とする内燃機関の排気通路内への反応剤の注入方法。
2. 第２の時間区間内に存在する測定時点において、圧力信号が少なくとも近似的に検査圧力に対応しているかどうかが検査されることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
3. 第２の時間区間内において、圧力信号の時間線図の差商および微分商の少なくともいずれかが決定され且つ評価されることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
4. 圧力センサが、反応剤圧力および圧縮空気圧力を測定することを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の注入方法を実施する装置。

Images