JP4909482B2 - Nox貯蔵触媒のnox貯蔵容量の決定のための方法及び装置 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は請求項1及び14の上位概念に挙げた特徴を有するNO貯蔵触媒のNO貯蔵容量の決定のための方法及び装置に関する。
【0002】
内燃機関の排気ガス通路に配設された触媒系により内燃機関の排気ガスの後処理を行うことは周知である。また希薄燃焼運転が可能な内燃機関の場合はNO貯蔵を触媒系に組込むのが普通である(NO貯蔵触媒)。その場合NO貯蔵触媒は通常一酸化炭素(CO)及び未燃焼又は部分燃焼の炭化水素(HC)を大気酸素で酸化して二酸化炭素と水に変えるとともに、同時に還元剤CO及びHCの作用で窒素酸化物(NOX)からの窒素(N2)への還元を促進することによって、三元触媒の役割を果たす。こうしていわゆる化学量論的排気ガス中で有害物質を環境にとってより問題のない化合物に事実上完全に変えることができる。ところが内燃機関を燃費に有利なリーンモードで、即ち空気過剰で運転すれば、排気ガス中のNOは還元剤CO及びHCに比して化学量論的に過剰であるから、完全に転化することができない。NO貯蔵装置は過剰のNOを硝酸塩の形で吸収する。NO貯蔵装置へのNOの貯蔵は吸収剤のNO貯蔵容量によって制限される。従って繰返し間隔をおきながらNO再生を行わなければならない。その場合NO貯蔵触媒に化学量論的又はリッチな排気ガス(λ1)が送り込まれる。
【0003】
ところがNO貯蔵触媒のNO貯蔵容量は連続的なNO貯蔵だけでなく、望ましくない並行的な硫黄貯蔵によっても低下する。しかも硫酸塩の形で貯蔵された硫黄はいわゆる硫酸塩粒の形成により貯蔵と触媒の不可逆的劣化を引き起こす可能性がある。そこでNO貯蔵触媒に周期的間隔で脱硫処理を施すことが必要である。この処理はリッチな排気ガス雰囲気を送り込むことと、600℃を超える触媒温度からなる。
【0004】
また排気ガスのNO濃度を検出する後置のNOセンサによりNO貯蔵触媒の操作、特にその再生を制御することが知られている。公知の方法の欠点は、排気ガス中の瞬時NO濃度に基づいてNO貯蔵触媒の実際のNO貯蔵容量がまったく又は不正確にしか説明できないことである。触媒のNO貯蔵容量の正確な知識が欠けるため、脱硫が必要な時期を正確に決定し、触媒の不可逆的劣化を認識し、又は触媒の高いNO貯蔵容量が頼りのその他のプロセスを制止することはこれまで不可能であった。
【0005】
そこで本発明の課題は、NO貯蔵触媒のNO貯蔵容量を高い精度で決定することができる方法及び装置を提案することである。
【0006】
本発明によればこの課題は独立請求項1及び14に挙げた特徴によって解決される。NO貯蔵触媒の下流で測定されるNO濃度を積分してNO貯蔵触媒のNO貯蔵容量に特徴的な少なくとも1つの実際特性値を計算することにより、貯蔵触媒の後方で測定された瞬時NO濃度のみに基づく場合に比べ、より高い精度で触媒の現在のNO貯蔵容量を推定することができる。またNO貯蔵触媒に特徴的な特性値と、無硫無劣化の理論的NO貯蔵触媒についてモデル化される、対応する目標特性値との比較を行う。これによってNO貯蔵触媒の状態の評価の尺度が与えられる。本発明に係る装置は、上記の方法のプロセスを遂行する手段を設けている。この手段は、NO貯蔵触媒のNO貯蔵容量の決定のための手順をデジタル形式で格納した制御ユニットからなることが好ましい。制御ユニットはエンジン制御装置に組込むことが好ましい。
【0007】
本発明の有利な実施形態によれば、NO貯蔵触媒の実際特性値とモデル化した目標特性値の比からNO貯蔵触媒の品質係数を計算する。またこうして決定された品質係数(GFSK)が所定の閾値を超えたならば、脱硫を起動するように構成されている。閾値を適当に指定すれば、脱硫のほかに他の処置、例えば希薄燃焼運転の制止又は触媒欠陥の記録も同様に設定することができる。
【0008】
本発明の好ましい実施形態によれば、NO貯蔵触媒の後方のNO濃度の積分は希薄運転段階の開始とともに、とりわけNO再生又は脱硫が有効に完了した後に開始される。こうした状況でNOのない触媒から出発することができる。
【0009】
またNO貯蔵触媒の品質係数を内燃機関の希薄燃焼運転段階の終りに、特に触媒のNO再生の前に決定し、閾値と比較することが好ましい。極めてダイナミックな運転の場合は負荷モデルが不正確になるから、品質係数の決定及び閾値との比較を内燃機関の先行するリーン段階中の順調なNO貯蔵に関連させることができる。例えば先行するリーン段階で短時間のあいだ化学量論的運転に切換えられ、推力の遮断が起こり、又は極端な負荷変化が生じた場合は、品質係数の決定と評価を中止することができる。また十分なNO貯蔵が可能な触媒の温度範囲を設定するのが適当である。
【0010】
好ましい実施形態によればNO貯蔵触媒の下流で測定されるNO濃度を例えばリーン段階中に積分することによって、第1の実際特性値が積分NO漏出量として決定される。従ってNO漏出量は当該の測定期間に触媒を通過したNO量を示す。第2の実際特性値として、NO貯蔵触媒のNO負荷を内燃機関のNO粗放出即ちNO入力量と積分NO漏出量の差から計算する。NO粗放出はNO貯蔵触媒の前方で第2のNOセンサにより測定されたNO濃度を積分して決定するか、又は内燃機関の実際の運転パラメータに基づき良好な精度で計算することができる。
【0011】
また目標特性値として、理論負荷モデルに基づきモデル化したNO負荷を内燃機関のNO粗放出に関連して計算する。その場合負荷モデルは無硫無劣化のNO貯蔵触媒を前提とする。こうしてモデル化NO負荷は、理想NO貯蔵触媒に理論的に貯蔵されるNO量に相当する。さらに別の目標特性値としてのモデル化NO漏出量の計算が、内燃機関の上記のNO粗放出と理論負荷モデルによりモデル化したNO負荷との差から行われる。
【0012】
NO貯蔵触媒の上記の実際特性値と理想貯蔵触媒の目標特性値から品質係数を決定するために様々な可能性がある。好ましい実施形態によれば第1の品質係数は、NO貯蔵触媒の決定されたNO負荷とモデル化したNO負荷の比から計算される。別の有利な実施形態によれば、第2の品質係数はモデル化したNO漏出量と測定されたNO漏出量の比である。
【0013】
別の有利な実施形態がその他の従属請求項の主題である。
【0014】
次に添付の図面に基づき発明の実施例を詳述する。
【0015】
図1に内燃機関10及びこれに配属された排気ガス通路12の概要が示されている。内燃機関10を出る排気ガスの流れ方向に見て、まずオプションの前置触媒14と続いてNO貯蔵触媒16が排気ガス通路12に配設されている。NO貯蔵触媒16の下流に、NOセンサ18として構成された測定装置がある。測定装置はNO貯蔵触媒16の後方の排気ガス中のNO濃度に応じて信号を制御ユニット20へ転送する。排気ガス通路12はここに図示しない別の測定装置を内蔵することができ、その信号も同じく制御ユニット20に入力される。これは例えばラムダゾンデ、別のNOセンサ、圧力又は温度アンテナである。また内燃機関10の実際の運転パラメータ、例えば回転数及びエンジン負荷が制御ユニット20へ伝送される。制御ユニット20は入力されるすべての信号をデジタル化し、格納されたアルゴリズムに基づきこれを解析する。また制御ユニット20は以下に詳しく示すように、検出又は計算されたパラメータに従って内燃機関10を制御する。
【0016】
図2は内燃機関10のリーン段階の期間中の本発明に基づく積分実際及び目標特性値の経過を簡単に示す。もちろん内燃機関10の可変運転モードに相当する実運転時の粗放出REは、図示したものより複雑な経過を示す。積分値が取り上げられるから、その勾配が負になることはありえない。内燃機関10の粗放出REはNO貯蔵触媒16に前置したNOゾンデによって検出することができ、こうして決定されたNO濃度を制御ユニット20が連続的に積分する。また内燃機関の実際の運転パラメータ(空燃混合気、回転数、エンジン負荷等)に基づいて制御ユニット20が十分な精度で計算することもできる。ここでは内燃機関10のNO粗放出REが簡単に直線として示されている。測定NO漏出量EHKMESも、NO貯蔵触媒16の後方でNOセンサ18により測定されたNO濃度を制御ユニット20が連続的に積分して計算する。NO貯蔵触媒16の「測定」NO負荷FSKMESは、式FSKMES=RE−EHKMESにより粗放出REと測定NO漏出量の差から得られる。時期t0の内燃機関10のリーン段階の初めに、すべての特性値は値0をとる。NO貯蔵触媒16のNO負荷FSKMESは粗放出REの時期t1にほぼ相当する。この時期までNO貯蔵触媒16は検出された全NO量REをほぼ完全に貯蔵することができる。従って、時期t1までにNO貯蔵触媒16の後方でNO漏出量EMKMESが事実上記録されないから、この特性値は0の近くに停滞する。おおむね時期t1にNO貯蔵触媒16のNO貯蔵活性が低落し始める。負荷FSKMESの上昇が次第になだらかになり、飽和値に近づく。同時にNO貯蔵触媒16の後方のNO放出EHKMESが上昇する。
【0017】
前述のようにNO貯蔵触媒16のこれらの実際特性値EHKMES、FSKMESは無硫無劣化の貯蔵触媒の理論目標特性値と比較される。このために制御ユニット20はNOx粗放出REに関連して、理論NO負荷FSKMODを記憶された負荷モデルにより計算する。一方、式EHKMOD=RE−FSKMODにより粗放出REと理論的NO負荷FSKMODの差から、再びNO貯蔵触媒16の後方のモデル化NO漏出量EHKMODの目標特性値が得られる。目標特性値FSKMOD及びEHKMODの経過は定性的に実際特性値FSKMES及びEHKMESに類似する。モデル化NO負荷FSKMODは当初は内燃機関10の粗放出REに相当し、ほぼ時期t2に徐々になだらかになり、最大負荷限界値に近づく。無硫無劣化のNO触媒の最大NO負荷FSKMODは触媒18の最大負荷FSKMESより大きい。両者の差は触媒16の硫黄中毒及び/又は不可逆的劣化、例えば熱劣化に原因する。理論触媒の高い貯蔵容量に対応して、触媒の後方のモデル化NO漏出量EHKMODも実際のNO貯蔵触媒16と比較して遅い時期t2に現われる。
【0018】
時期t3のリーン段階の終りにNO貯蔵触媒16の少なくとも1つの実際特性値と少なくとも1つの目標特性値から品質係数GFSKを計算し、閾値SWと比較することによって、NO貯蔵触媒16のNO貯蔵容量の評価が行なわれる。例えば
GFSK1=FSKMES/FSKMOD
により実際負荷FSKMESを目標負荷FSKMODに関連させることによって品質係数1GFSK1を計算することができる。同様にNO目標及び実際漏出量EHKMOD及びEHKMES
GFSK2=EHKMOD/EHKMES
により評価のために利用することができる。オプションとして、決定されたNOX量EHKをそれぞれ貯蔵されたNO量FSKに関連させることによって、NO貯蔵触媒16を評価することも可能である。例えば
GFSK3=(1−EHKMES/FSKMES)/(1−EHKMOD/FSKMOD
及び
GFSK4=(1−(EHKMES+1)/(FSKMES+1))/(1−EHKMOD/FSKMOD
により品質係数GFSK3及びGFSK4を形成することができる。この場合はNO貯蔵の実際効率の評価が正確であり、計算される係数の分解範囲が大きいことが有利である。なお品質係数GFSK4はGFSK3に比して、極端な場合にNO貯蔵触媒16の負荷が行われないとき、ゼロで割り算することを避ける利点がある。
【0019】
図3は複数のリーン段階Mと複数の再生段階RにわたるNO貯蔵触媒16のモデル化NO負荷FSKMOD(破線)及び測定NO負荷FSKMES(実線)の時間的経過を示す。第1のリーン段階M1では、まだ比較的新鮮なNO貯蔵触媒16の実際負荷FSKMESの経過は目標負荷FSKMODの経過に近い。第1のリーン段階M1の終りに第1のNOX再生R1が行われるから、2つの値がゼロまで低下する。その後のリーン及び再生サイクルでモデル化NO負荷FSKMODは事実上常に同じ経過を示すが、実際の触媒16のNO負荷FSKMESは次第に低い負荷値になる。この活性低下はNO貯蔵触媒16の硫黄中毒の増加及び/又は熱劣化によるものである。本発明によれば各リーン段階Mの終りに例えば品質係数GFSK1を計算し、所定の閾値と比較することによって、触媒状態の評価が行なわれる。第4のリーン段階M4の終りに実際負荷FSKMESが目標負荷FSKMODから大幅に偏り、このため品質係数GFSK1が閾値を下回る。その結果制御ユニット20が内燃機関10の少なくとも1つの運転パラメータを調節することによって、脱硫DSが開始される。例えば制御ユニット20はリッチな空燃混合気をセットし、NO貯蔵触媒16の温度を高く調整する。脱硫DSの終了後、実際負荷FSKMESの経過は再びほぼ理論値FSKMODに達する。ここで2つの値の差はNO貯蔵触媒16の不可逆的劣化によるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】NO貯蔵触媒を有する内燃機関の配列の概略図である。
【図2】内燃機関のリーン段階中の積分実際及び目標特性値の時間的経過の図である。
【図3】複数のリーン段階を含む期間のあいだのモデル化NO負荷及び測定NO負荷の時間的経過の図である。
【符号の説明】
16 NO貯蔵触媒
18 NO感知測定装置(NOセンサ)

Claims (15)

  1. NO貯蔵触媒の下流に配設されたNO感知測定装置による内燃機関の排気ガス通路に配設されたNO貯蔵触媒のNO貯蔵容量の決定方法において、
    NO貯蔵触媒(16)の下流で測定されたNO濃度をリーン段階中に積分し、
    前記積分されたNO濃度および/または前記積分されたNO濃度から得た値である、NO貯蔵触媒(16)のNO貯蔵容量に特徴的な少なくとも1つの実際特性値と、無硫無劣化のNO貯蔵触媒についてモデル化した少なくとも1つの対応する目標特性値とを比較し、前記比較は、前記NO 貯蔵触媒(16)の実際特性値と、前記目標特性値の比から、NO 貯蔵触媒(16)の品質係数(GFSK)を計算することを含み、前記品質係数(GFSK)が所定の閾値に到達したならば、脱硫を実行することを特徴とする方法。
  2. 内燃機関(10)のリーン運転段階の開始とともに、NO貯蔵触媒(16)の後方のNO濃度の積分が開始されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 内燃機関(10)のリーン運転段階の終了時に品質係数(GFSK)の決定及び閾値(SW)との比較を行なうことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 先行するリーン段階で順調なNO貯蔵が行われた場合に限り、内燃機関(10)のリーン運転段階の終了時に品質係数(GFSK)の決定及び閾値との比較を行うことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. NO貯蔵触媒(16)の第1の実際特性値として積分NO漏出量(EHKMES)を、NO貯蔵触媒(16)の下流で測定されたNO濃度の積分により計算することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 第2の実際特性値として、NO貯蔵触媒(16)のNO負荷(FSKMES)を内燃機関(10)のNO粗放出(RE)と積分NO漏出量(EHKMES)の差から計算することを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 目標特性値として、理論負荷モデルにより無硫無劣化のNO貯蔵触媒についてモデル化したNO負荷(FSKMOD)を内燃機関(10)のNO粗放出(RE)に関連して計算することを特徴とする請求項1またはに記載の方法。
  8. 目標特性値として、無硫無劣化のNO貯蔵触媒についてモデル化したNO漏出量(EHKMOD)をNO粗放出(RE)とモデル化NO負荷(FSKMOD)の差から計算することを特徴とする請求項に記載の方法。
  9. NO貯蔵触媒(16)の測定NO負荷(FSKMES)と、モデル化NO負荷(FSKMOD)の比から、NO貯蔵触媒(16)の第1の品質係数(GFSK)を計算することを特徴とする請求項を引用する請求項に記載の方法。
  10. NO貯蔵触媒(16)の第2の品質係数(GFSK)がモデル化NO漏出量(EHKMOD)と測定NO漏出量(EHKMES)の比であることを特徴とする請求項を引用する請求項に記載の方法。
  11. 測定されたNO漏出量(EHKMES)及びNO負荷(FSKMES)の商と、モデル化したNO漏出量(EHKMOD)及びNO負荷(FSKMOD)の商との比から、NO貯蔵触媒(16)の品質係数を計算することを特徴とする請求項を引用した請求項を引用する請求項に記載の方法。
  12. 内燃機関(10)の実際の運転パラメータに基づいてNO粗放出(RE)を計算又は測定することを特徴とする請求項6、7および8のいずれか1つに記載の方法。
  13. NO貯蔵触媒(16)の下流に配設されたNO感知測定装置(18)による内燃機関の排気ガス通路に配設されたNO貯蔵触媒(16)のNO貯蔵容量の決定のための装置において、
    NO貯蔵触媒(16)の下流で測定されるNO濃度をリーン段階中に積分し、
    前記積分されたNO濃度および/または前記積分されたNO濃度から得た値である、NO貯蔵触媒(16)のNO貯蔵容量に特徴的な少なくとも1つの実際特性値と、無硫無劣化のNO貯蔵触媒についてモデル化した少なくとも1つの対応する目標特性値とを比較し、前記比較は、前記NO 貯蔵触媒(16)の実際特性値と、前記目標特性値の比から、NO 貯蔵触媒(16)の品質係数(GFSK)を計算することを含み、前記品質係数(GFSK)が所定の閾値に到達したならば、脱硫を実行する
    というプロセス段階を遂行す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(16)のNO貯蔵容量の決定のための手順をデジタル形式で格納した制御ユニット(20)からな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(20)がエンジン制御装置に組込まれていることを特徴とする請求項14に記載の装置。
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