JP5124643B2 - Ｓｃｒ排ガス後処理システムの運転および診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載されている形式の、アンモニア蓄積性能を有するＳＣＲ触媒コンバータを有するＳＣＲ排ガス後処理システムの運転および診断方法に関する。

特許文献１から、アンモニア蓄積性能を有するＳＣＲ触媒コンバータを有するＳＣＲ排ガス後処理システムの運転および診断方法が公知となっている。この方法において、ＳＣＲ触媒コンバータの下流側で内燃機関の排ガス管に設けられている、酸化窒素およびアンモニアに対して感度を有する排ガスセンサの信号が検出される。ＳＣＲ排ガス後処理システムの診断のために、ＳＣＲ触媒コンバータに供給される還元剤の量が変更され、排ガスセンサの信号が期待していたように変化しない場合にはエラーが検出される。

当該方法は、ＳＣＲ排ガス処理システムの機能不良を確実に検出することができるが、原因を特定することは比較的できない。

独国特許出願公開第１０２５４８４３Ａ１号明細書

本発明の課題は、ＳＣＲ排ガス処理システムの安全な運転と改善されたエラー処理を可能とする運転および診断方法を提示することである。

上記課題は、請求項１の特徴を有する運転および診断方法によって達成される。本発明に係るアンモニア蓄積性能を有するＳＣＲ触媒コンバータを有するＳＣＲ排ガス後処理システムのための運転および診断方法において、ＳＣＲ触媒コンバータの下流で、酸化窒素およびアンモニアに対する感度を有する排ガスセンサが装着されている。通常の運転状態では、ＳＣＲ触媒コンバータに対して、尿素添加装置の作動によって、ＳＣＲ触媒コンバータに保存されているアンモニアのための充填レベルモデルに対応するアンモニアが供給され、それにより、ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニアレベルが少なくとも所定の目標値に近似するか、または、所定の目標値領域に保持される。酸化窒素およびアンモニアに対する感度を有する排ガスセンサによって、この場合、一方では、ＳＣＲ排ガス後処理システムの酸化窒素転化機能を検出することができ、他方では、酸化窒素転化率にとって重要なＳＣＲ触媒コンバータのアンモニアレベルを制御することができる。このようにして、ＳＣＲ排ガス後処理システムの最適な運転と、エラーの診断との両方が可能になる。不十分な酸化窒素濃度または尿素の添加不足は、高められた酸化窒素濃度によって検出することができ、場合によっては、尿素の添加の適合によって修正される。低減されたＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア蓄積性能または過剰添加は、高められたアンモニア濃度によって検出することができ、必要に応じて場合によっては尿素の添加によって修正される。

ＳＣＲ排ガス後処理システムの最適な運転のために、排ガスセンサ信号の一義的な解釈が有利であるが、このことは、場合によっては問題となり得る。所定の第１の限界値を超える排ガスセンサの信号が登録された場合に通常の運転モードを中断するという本発明に係るやり方によって、これらの問題に対処することができる。第１の限界値は、好適には、臨界酸化窒素またはアンモニア濃度に応じてあらかじめ設定され、好適には、５ｐｐｍ〜５０ｐｐｍの範囲にある。

通常の運転モードで第１の限界値を超えない場合、ＳＣＲ排ガス後処理システムは、通常通り作動し、一般に、通常の運転モードを中断するという機会は生じない。第１の限界値を超えた場合、本発明によるとさらに分析される異常が検出される。しかも、所定の第１の限界値を上回る排ガスセンサの信号が登録される場合には、通常の運転モードが中断されて、尿素添加装置によって調節された尿素添加率が、通常の運転モードで設定された値に対して所定の程度分増加する。それに続いて、排ガスセンサの信号が、調節された尿素添加率が増加した後で所定の期間において第１の限界値を上回る、所定の第２の限界値を超えた場合には、診断運転モードに変更される。増加した尿素添加率に対して反応する排ガスセンサの信号の時間経過は、これによって評価されて、この評価に基づいて、ここで検出された故障がどの程度さらなる診断を必要するかが決定される。排ガスセンサの信号とは、粗信号または通常の信号伝播によって伝播する排ガスセンサの出力信号のことであり得る。この出力信号は、いずれの場合も、排ガス中の酸化窒素またはアンモニア濃度に相関する。

本発明の構成では、排ガスセンサの信号が、調節された尿素添加率の増加後所定の期間において、第１の限界値を下回る所定の第３の限界値よりも低下する場合に、通常の運転モードに戻る。酸化窒素濃度に相関するように思われる排ガスセンサ信号が低下することは、機能通り作動しているＳＣＲ排ガス後処理システムの通常の反応として生じる。ここで、尿素またはアンモニアが増加して提供されることに起因して、改善された酸化窒素転化が起こる。ＳＣＲ排ガス後処理システムは、したがって、基本的に故障なく作動しているとみなされ、場合によっては行われる尿素添加の適合を除くと、一般的にはさらなるエラー処理を必要としない。

さらなる構成において、排ガスセンサの信号が所定の期間において第１の限界値に含まれる所定の値範囲にとどまる場合には、エラーが生じた状態で作動している尿素添加装置が診断される。好適には、この場合、これに関する警告メッセージが発信され、それによって尿素添加装置の保守を行うようになっている。これに関して重要な値範囲の大きさに関しては、本発明のさらなる構成においてこの値範囲が上方において第２の限界値に、下方において第３の限界値によって確定されていることが特に有利である。このようにして、排ガスセンサの期待される反応に関する一義的な区別は、増加して調節された尿素添加率を目的としている。

増加して調節された尿素添加率に対する反応としての第２の限界値を上回る排ガスセンサ信号の場合、さしあたって、実際に故障したということから出発する。その際、本発明によると、診断モードに変換される。診断運転モードにおいて、本発明によるさらなる構成では、実際の酸化窒素転化活性を特徴づける触媒コンバータ特徴値が検出される。好適には、検出すべき触媒コンバータ特徴値とは、酸化窒素転化率またはアンモニア蓄積率等の触媒特性である。

診断運転モードにおいて検出された触媒コンバータ特徴値が所定の参照値とは異なる場合、本発明にさらなる構成において、この相違が所定の相違値よりも大きい場合にはエラーメッセージが生成される。変更された触媒コンバータ特徴値に充填モデルを適合させることは、好適には、相違が所定の装置値よりも小さく、かつ／または、所定の第２の少ない相違値よりも大きい場合に行われる。参照値は、ここでは、合理的には、機能通りの状態にあるＳＣＲ触媒コンバータの触媒コンバータ特徴値に対応する。ここで、反対の場合もまた含まれているとみなされる。この場合において、参照値は、限界値から見るとエラーを有している触媒に対応する。ここでは、既に、機能通りの触媒コンバータ特徴値に対する決定的な相違が考慮されている。

本発明のさらなる構成において、診断運転モードにおいて、暫定的に、通常の内燃機関に対して増加した酸化窒素未処理排出を有する内燃機関が調節され、尿素添加率が、時間同期されて減少されるかまたはゼロになる。減少されたまたはスイッチオフされた尿素添加またはアンモニア供給および同時に行われる排ガスセンサ信号の監視の際の触媒に対する酸化窒素供給率の増加によって、触媒の転化活動を診断することができる。あらかじめ行われた尿素供給率の増加の結果、ここでは、ＳＣＲ触媒コンバータに対して増加した酸化窒素供給率の開始に当たってアンモニアが最適に供給されるとともに、これに関して最適な時点で運転されることが前提となる。これによって、酸化窒素転化活動に関するテストのために、ＳＣＲ触媒コンバータのための一義的な参照状態が与えられ、これによって特に安全な診断が可能となる。

さらなる構成において、増加した酸化窒素未処理排出を有する内燃機関の運転が終了し、酸化窒素未処理排出の増加後に排ガスセンサの信号が所定の第４の限界値を上回る場合に、通常の運転モードに戻る。同時に行うアンモニア供給の減少またはスイッチオフの際の増加された酸化窒素供給の結果、ＳＣＲ触媒コンバータは、予め保存されているアンモニアだけによって酸化窒素転化を達成する。この保存されているアンモニア予貯蔵の消費は、したがって、必然的に、しばらく時間がたつと、ＳＣＲ触媒コンバータを出た排ガス内の検出可能な増加された酸化窒素濃度につながる。診断のためには、この本発明に係るやり方と関連して、第４の限界値に達するまでの期間またはこの期間内に供給および／または反応した酸化窒素量を評価する場合に特に好適である。この期間内で反応した酸化窒素量は、ＳＣＲ触媒コンバータに保存された形態で提供されたアンモニアに比例する。そのため、ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア供給率も検出および評価することができる。

本発明の有利な実施形態が、図面中で明らかにされるとともに以下において説明される。ここで、冒頭に記載し以下でさらに説明される特徴は、それぞれ記載した特徴の組み合わせだけではなく、本発明の範囲を超えることなく別の組み合わせ、または独立して使用可能である。

ＳＣＲ排ガス後処理システムの例示的な一実施例を有する内燃機関の概略ブロック図である。 ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア蓄積性能を示す図である。 ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア蓄積性能の温度依存を示す図である。 ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア充填レベルに酸化窒素転化およびアンモニアスリップが依存していることを示す図である。 ＳＣＲ排ガス後処理システムに付属して設けられているＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア充填レベルを検出するための充填レベル検出ユニットの好適な一実施形態の概略ブロック図である。 ＳＣＲ排ガス後処理システムに付属して設けられている、酸化窒素およびアンモニアに対する感度を有する排ガスセンサの信号Ｓのための例示的な時間経過図である。 ＳＣＲ排ガス後処理システムの診断のための尿素転化率Ｄのための例示的な時間経過図である。 ＳＣＲ排ガス後処理システムの診断のための内燃機関のＮＯｘの未処理排出ＮＯｘ_rohのための例示的な時間経過図である。 ＳＣＲ排ガス後処理システムのＮＯｘ−転化Ｕ_NOxのための例示的な時間経過図である。

図１は、ＳＣＲ排ガス後処理システムを伴う内燃機関１の概略ブロック図を例示的に示す。内燃機関１は、好適には、空気圧縮内燃機関として構成されている。以下においては、簡略化してディーゼルエンジンと呼ぶ。ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、排ガス管２から排出されて、酸化触媒３、パティキュレートフィルタ４およびＳＣＲ触媒コンバータ５を流れる。酸化触媒３または排ガスの加熱のために、任意で、加熱要素２６を、排ガス管２内の酸化触媒３の入力側に設けることができる。代替的に、または、加熱要素２６に加えて、燃料供給装置を酸化触媒３の上流側に設けることもできる。加熱要素２６によって及び／または酸化触媒３による燃料の発熱酸化によって排ガスを加熱することは、特に、スス燃焼からパティキュレートフィルタ４を再生させる場合に考慮される。このような再生の必要性を決定するために、パティキュレートフィルタ４には、圧力差センサ２２が設けられている。この圧力差センサの出力信号によって、パティキュレートフィルタ４の決定的な粒子負荷を検出することができる。しかしながら、排ガスの加熱は、ディーゼルエンジン１の冷えた状態でのエンジンスタートまたは温めた状態でのエンジンスタートと組み合わせて、かつ／または、概ね、過度に低い排ガス温度レベルが特にＳＣＲ触媒コンバータ５の入力側で発見された場合に行われてもよい。酸化触媒３によって、さらに、排ガス内に含まれている酸化窒素から二酸化窒素分を増加させることができる。これによって、一方では、パティキュレートフィルタ４内に蓄積されていたススの酸化を５００℃以下で行うことができるとともに、ＳＣＲ触媒コンバータ５内の改善された酸化窒素転化も可能になる。

ディーゼルエンジン１には、さらに、排ガスターボチャージャ６が対応して設けられている。この排ガスターボチャージャのタービンは、排ガス流によって駆動され、かつ、排ガスターボチャージャのコンプレッサは、吸気管７を介して吸引された空気を空気供給管１１を介してディーゼルエンジン１に供給する。ディーゼルエンジン１に供給された空気量を調節するために、空気供給管１１内にスロットル１２が設けられている。吸気を浄化するために、または、吸気量を測定するために、空気フィルタ８または空気量測定器９が、吸気管７内に設けられている。空気供給管１１内に設けられている給気冷却器１０は、圧縮された吸気の冷却のために用いられる。

ＳＣＲ触媒コンバータ５の上流側には、還元剤を排ガス内に添加するための添加弁２７を備える添加場所が設けられている。添加ポンプを用いて容器から添加弁２７に還元剤を供給する。これについては詳細に説明しない。以下では、還元剤とは水性尿素溶液であるということを前提とする。しかしながら、別の還元剤を用いることもできる。たとえば特に、アンモニア（ＮＨ_３）が遊離または化学結合した状態で含まれている還元剤である。必要であれば、この尿素溶液は、ＳＣＲ触媒コンバータ５のために設けられている酸化窒素分離部を経て、添加弁２７を介して排ガスに添加される。熱い排ガスでは、熱分解および／または加水分解によってアンモニアが放出される。これは、排ガス内に含まれている酸化窒素の還元に関して選択的に機能する。

ＳＣＲ排ガス後処理システムおよびディーゼルエンジン１の運転を制御するために、図１には図示されていない制御装置が設けられている。所定の制御機能を満たすために、制御装置は、ディーゼルエンジン１の運転状態変数に関する情報を有している。このことは、たとえば、出力された回転モーメントまたは回転数に関する情報であり得る。制御装置は、好適には、計算ユニットと、格納ユニットと、入出力ユニットとを有する。これによって、制御装置は、複雑な信号処理ステップを行い、ディーゼルエンジン１およびＳＣＲ排ガス後処理システムの運転を検出して制御またはコントロールすることができるようになっている。このために必要なマップが、好適には制御装置に記憶されている。ここで、マップを順応させるために適合することも行い得る。マップは、主として、排ガスの決定的な状態値、たとえば、負荷、回転数、空気比等のディーゼルエンジン１の運転状態値に依存する容量流、未処理排出、温度等に関する。さらに、酸化触媒３、パティキュレートフィルタ４およびＳＣＲ触媒コンバータ５の決定的な状態値に関するマップがそれぞれ設けられている。ＳＣＲ触媒コンバータ５に関しては、このマップは、特に、関連する決定的な影響値に依存する酸化窒素転化率およびアンモニア蓄積性能に関する。

ディーゼルエンジン１およびＳＣＲ排ガス後処理システムおよび対応して設けられているユニットの運転状態の検出は、好適には、適切なセンサによって行われる。たとえば、図１では、ターボチャージャ６のコンプレッサの前の圧力およびタービンの前の圧力ための圧力センサ１３および１５、ならびに、それぞれ、給気冷却器１０の後の温度、タービンの前の温度、酸化触媒３の前の温度、パティキュレートフィルタ４の前と後の温度およびＳＣＲ触媒コンバータ５の前と後の温度のための温度センサ１４、１６、１８、１９、２１、２３および２４が設けられている。さらなるセンサ、特に、排ガス成分の検出のためのセンサが、同様に設けられ得る。たとえば、ラムダセンサ１７および排ガス内の酸化窒素量のための酸化窒素センサ２０が設けられている。特に、酸化窒素およびアンモニアに反応する排ガスセンサ２５が、ＳＣＲ触媒コンバータ５の排出側に設けられている。酸化窒素センサ２０は、パティキュレートフィルタ４の下流側に設けてもよいが、好適には添加弁２７の上流側であり、それによって、本質的な状態変数が常時存在しディーゼルエンジン１の運転点が必要であれば変更されて、ＳＣＲ排ガス後処理システムの最適な運転が可能になるようになっている。

ＳＣＲ排ガス処理システムの説明した実施形態は、特に、主な排ガス有害物質の除去に関して、とりわけ酸化窒素および粒子の除去に関して有利であるということが分かっている。しかしながら、さらなる排ガス浄化成分、たとえばＳＣＲ触媒コンバータ５の前の酸化窒素吸収触媒および／または加水分解触媒、または、さらなる酸化触媒を設けることもできる。同様に、センサの種類、数および配置に関するセンサ挙動を変更することも可能である。

以下、ＳＣＲ触媒コンバータ５の運転に関して、この触媒のいくつかの重要な特徴を図２ないし図４を参照して説明する。ここでは、ＳＣＲ触媒コンバータ５はアンモニア蓄積性能を有する典型的なＳＣＲ触媒コンバータであるということを前提とする。好適には、ＳＣＲ触媒コンバータ５は、セラミック担体によって担持されているゼオライト層を有する層触媒として構成されている。ＴｉＯ_２−、ＷＯ_３−、Ｖ_２Ｏ_５をベースとする完全押出触媒コンバータも可能である。

図２は、アンモニア蓄積性能に関する図である。この図において、ＳＣＲ触媒コンバータ５にアンモニアを供給した際のアンモニア濃度ｃ_NH3の典型的な時間経過ｃ_NH3（ｔ）が示されている。この図は、蓄積されたアンモニアを含まないＳＣＲ触媒コンバータ５に、等温条件下で時点ｔ１において、排ガス侵入流が、所定のかつ時間的に一定の値およびアンモニア濃度で供給されるということを前提としている。このことは、線２８で再現されている。ＳＣＲ触媒コンバータ５は、アンモニア蓄積性能に応じて、ｔ１およびｔ２間の時間範囲内で、時間がたつにつれて減少する量のアンモニアを蓄積する。これに対応して、ＳＣＲ触媒コンバータ５を出た排ガス流内のＮＨ₃濃度は、開始濃度以下に留まる。このことは、線２９によって再現されている。時点ｔ２において、ＳＣＲ触媒コンバータ５は飽和しているため、ＳＣＲ触媒コンバータ５はそれ以上アンモニアを蓄積することができず、線２９が線２８に合流する。アンモニア充填レベルは、この場合、最大値１００パーセントに達している。ここで、対応の条件下における絶対アンモニア蓄積性能であるＳＣＲ触媒コンバータ５によって蓄積されているアンモニア量は、線２８、２９の間の面３０の大きさによって示されている。

アンモニア蓄積性能は、まず第一に、温度依存する。このことは、図３に示されている図によって再現されている。ここで、線３１は、温度依存するアンモニア蓄積性能Ｓｐ_ＮＨ３（Ｔ）の典型的な経過を示している。アンモニア蓄積性能Ｓｐ_ＮＨ３（Ｔ）は、図３から分かるように、低い温度Ｔの場合比較的大きく、約３００℃以上の高い温度Ｔの場合減少する。さらに、ガス流量への依存もある。これについては詳細に説明しない。

ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア充填レベルは、絶対量の値としても、相対的な値としても示すことができる。これは、それぞれの条件下における最大で蓄積可能な絶対アンモニア量に関する、図示された割合で蓄積されたアンモニア量である。

典型的なＳＣＲ触媒コンバータ５の特徴に関する重要なアスペクトは、酸化窒素転化のアンモニア充填レベルへの依存である。図４には、線３２によってこの依存が概略的に示されている。これと比較して、線３３によって、アンモニア充填レベルへのアンモニア漏れ（アンモニアスリップ）Ｓ_ＮＨ３の依存が再現されている。充填レベルＦが増加するにつれて、酸化窒素転化Ｕ_ＮＯｘ（Ｆ）が、平坦になる傾斜とともに、最大値まで連続的に増加する。この最大値は、概ね、ガス流量および温度によって決定される。このことが意味するのは、酸化窒素転化Ｕ_ＮＯｘがアンモニア充填レベルＦの所定の値からは、アンモニアの触媒へのさらなる蓄積によって、それ以上、もしくは実質的にそれ以上増加しないということである。むしろ、線３３によって示されているように、アンモニアスリップＳ_ＮＨ３が増加する。アンモニア充填レベルＦに関する各条件に関して最適な値の調節において、この事実を考慮することは重要である。

図２ないし図４に概略的に示されるとともに場合によってはさらなる依存が、使用されるＳＣＲ触媒コンバータ５に関して合理的に、特徴線またはマップとして示されている。制御装置はこれらに干渉することができるので、その結果、ＳＣＲ触媒コンバータ５の状態が各運転状態に関して包括的に検出され得る。ここで、好適には、劣化していない新規の状態のマップセットおよび所定の劣化状態に関するさらなるマップセットが、好適には所定の限界劣化に対応して設けられている。特に有利なのは、劣化していない状態には、たとえばゼロの第１の劣化因数が対応し、限界劣化状態には、たとえば１の第２の劣化因数が対応していることである。ディーゼルエンジン１の運転中に、以下で説明する通り、診断ルーチンが行われる。この診断ルーチンによって、酸化窒素還元触媒５の実際の劣化状態が時間ごとに評価される。ここでは、好適には、実際の劣化状態に、実際の劣化因数が対応するようになっている。ここで、劣化因数は上記の定義にしたがってゼロと１の間である。マップデータに関する介入の際には、この場合、実際の劣化因数に、好適にはマップセットのデータ間で直線状に、新規の状態と限界劣化状態とが補間される。

ＳＣＲ触媒コンバータ５による酸化窒素の除去のために、ＳＣＲ触媒コンバータ５に対して対応して制御される添加弁２７の作動によって、ＳＣＲ触媒コンバータ５内に蓄積されているアンモニアの充填レベルモデルに従ってアンモニアが供給され、それによって、ＳＣＲ触媒コンバータ５のアンモニア充填Ｆが少なくとも近似的に所定の目標値にまたは所定の目標値範囲に保持されるようになっている。充填レベルモデルに関しては、好適には、上述の説明に対応する依存が考慮される。ここでは、一方では高い酸化窒素転化Ｕ_ＮＯｘが、他方では、可能な限り少ないまたは無視できる程度のアンモニアスリップＳ_ＮＨ３が目標とされるかまたは調節される。尿素添加率は、ここでは、詳しく説明しない尿素添加装置によって検出される。この尿素添加装置は、添加弁２７および充填レベル検出ユニットを有する。

図５には、ＳＣＲ触媒コンバータ５のアンモニア充填レベルＦの検出のための充填レベル検出ユニット３５の有利な一構成が概略的にブロック図の形態で示されている。充填レベル検出ユニット３５は、計算上の充填レベルモデルを、保存されている特徴線またはマップおよびセンサ信号を参照しながら、上記の説明に従って実施し、ＳＣＲ触媒コンバータ５の実際のアンモニア充填レベルＦおよび制御値、特に添加弁２７の制御のための制御値を検出する。充填レベル検出ユニット３５は、このためには、入力値Ｅを有している。この入力値は、実際の劣化因数に加えて、たとえば、センサによって検出された排ガス状態変数、たとえば排ガス温度、ＳＣＲ触媒コンバータ５の酸化窒素含有量、排ガス容量流に関する。さらなる関連する値、たとえば特に排ガスセンサ２５の出力信号は、説明を簡単にする目的で、完全にはリストアップされていない。充填レベル検出ユニット３５は、酸化窒素転化、アンモニアと酸素との直接反応、および、ＳＣＲ触媒コンバータ５内に蓄積されているアンモニアの脱着率（アンモニアスリップ）のためのマップセット３６、３７、３８を、また場合によってはさらなるマップを自由に使用する。ここで、実際の入力値に対応する重要なデータが求められる。アンモニア消費を特徴づける値、たとえば、酸化窒素との反応、酸素との直接反応およびアンモニアスリップＳ_ＮＨ３によって与えられる脱着率のための値が、触媒５に供給されるアンモニアの供給率Ｚとともに、合計要素３９に加えられる。この合計要素は、該当する値を適切に決められた通りに合計する。このようにして、変数を総計することが可能になる。この総計は、触媒コンバータ５に蓄積されているアンモニア量を実質的に決定するものである。ここでは、合計は、ミリ秒範囲の所定の時間間隔で随時行われることが好ましい。合計値は、積分要素４０に加えられる。この積分要素の出力値は、実際のデータに対してさらなる出力値Ａを検出する。これは、とりわけ、触媒から流れ出る排ガスの酸化窒素分、アンモニアスリップＳ_ＮＨ３および反応の結果かつ熱損失の結果場合によっては変更される排ガス温度に関する値である。

触媒コンバータ５に供給されるアンモニアの供給率Ｚは、とりわけ、添加弁２７を介して排出される尿素添加率から求められる。ここでは、壁面蓄積および壁面脱着の結果の影響を考慮するようになっていてもよい。さらに、排ガス状態値から導き出されたアンモニア遊離率または供給された尿素から遊離されたアンモニアの加水分解率を考慮してもよい。

上記の説明に対応して、ＳＣＲ触媒コンバータ５を、記述したアンモニア充填レベルモデルの仕様下で、少なくとも概ね、それぞれの条件に対して最適に適合されたアンモニア充填レベルで運転することが可能である。ここで、排ガスセンサ２５によって、反応していない酸化窒素またはアンモニアスリップがＳＣＲ触媒コンバータ５から出た排ガス内に存在しているか否か、またはどれだけの量で存在しているかが随時監視される。通常は、記載している通常の運転モードを実行する場合、ＳＣＲ排ガス後処理システムは、機能通りに作動するので、モデル内への介入またはモデルパラメータの適合の機会が生じることはない。しかしながら、たとえばドリフト現象または劣化に起因するＳＣＲ触媒コンバータ５の変化またはその他の差し当たり考慮していない故障によって通常の挙動からの逸脱が生じるという場合が起こり得る。

以下、図６ａないし図６ｄに示されている時間図を参照しながら、特にこのような場合に行われる診断のための好適なやり方を説明する。ここで、図６ａには、ＳＣＲ触媒コンバータ５の出力側に設けられている、酸化窒素およびアンモニアに対して感度を有する排ガスセンサ２５の信号Ｓの例示的な時間経過が概略的に示されている。図６ｂ、図６ｂおよび図６ｃには、尿素添加率Ｄ、ディーゼルエンジン１のＮＯｘの未処理排出量ＮＯｘ_roh、ＮＯｘの未処理排出量ＮＯｘ_rohに対するＳＣＲ触媒コンバータ５の酸化窒素転化率Ｕ_NOxに対応する時間経過が示されている。ここで、例示的に一定に記述されている経過は実際には変動し得るということが理解される。

実際に選択された時点ｔ_０から出発して、尿所添加装置によって尿素添加率Ｄのための目標値が、所定の範囲内のモデルに従ってＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア充填レベルＦが保持されるとともに少なくとも近似的に所定の値を取るように調節されるということが前提とされる。ここで、さらに、尿素添加率の目標値が、実際の値に概ね対応するので、簡略化して尿素添加率と呼ぶことができるということが前提とされる。ＳＣＲ触媒コンバータ５の出力側の排ガスの酸化窒素量の濃度信号として評価される、排ガスセンサ２５の信号Ｓ、および、酸化窒素センサ２０から供給される信号から得られるかたまたはエンジン運転マップから読み取られる酸化窒素濃度の検出によって、実際の酸化窒素転化Ｕ_ＮＯｘが検出される。ここで、好適には、検出された酸化窒素転化ＵＮＯｘが、図４に対応するモデルに従って、検出された実際のアンモニア充填レベルＦと相関するかどうかが制御される。充填レベルモデルのパラメータ同士の相殺もしくは相互合理化がおこなわれる限り、測定技法的に検出された値とよってＳＣＲ排ガス後処理システムの監視及び診断が、通常の運転中に行われる。あまりに相違する場合には、充填レベルモデルのモデルパラメータの適合または診断運転モードへの移行が行われてもよい。

本発明によると、信号Ｓが所定の第１の限界値Ｇ１以下である限り、これに関する通常の挙動がされていると推定される。しかしながら、曲線分岐によって描写されるように、信号Ｓが次第に増加し、その結果所定の第１の限界値Ｇ１が想定される時点ｔ₁において上回ることになる場合、ＳＣＲ排ガス後処理システムの異常が診断される。診断された異常の原因が差し当たり不明であるため、本発明によると、エラー処理ルーチンが開始される。このエラー処理ルーチンは、可能なエラー原因の限定または識別を可能にする。特に、さしあたって、排ガスセンサ２５の信号Ｓについての第１の限界値Ｇ１が、ＳＣＲ触媒コンバータ５の増加された酸化窒素濃度または増加されたアンモニアスリップによって引き起こされているか否かが試験される。この目的のために、調節された尿素添加率Ｄを所定の分だけ、たとえば２倍の増加が、第１の限界値Ｇ１の時点ｔ₁における超過の直後に、曲線分岐４６で描写される。

これに対する反応としてたとえば数秒間の所定の期間の間に信号Ｓが、図６ａに点線で示された曲線分岐４２から明らかなように、所定の第３の限界値Ｇ３以下に低下すると、これによって、アンモニアスリップが増加していなかったことが認証される。その理由は、このような場合、尿素添加率Ｄの増加が、それによって作動される、ＳＣＲ触媒コンバータ５への増加したアンモニア供給により、アンモニアスリップを増加させるはずだったからである。そうではなくて、信号Ｓの低下は、酸化窒素濃度が増加していたと評価される。このことは、アンモニア供給が増加されるＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア充填レベルＦの増加によって、また、これによって増加した酸化窒素転化率Ｕ_NOxによって、修正される。この場合、好適には、信号Ｓの低下に関するこのような意味での安全な評価が、第３の限界値Ｇ３を比較的低く、好適には２ｐｐｍ〜２０ｐｐｍの間にするようになっている。

第３の限界値Ｇ３以下の値に排ガスセンサ信号Ｓが低下することへの反応として、通常の運転モードに戻るようになっている。好適には、充填レベルモデルの１つまたは複数のパラメータおよび／またはＳＣＲ排ガス後処理システムの運転パラメータに適合される。たとえば、アンモニア充填レベルＦの実際に存在する値を対応して修正するようになっていてもよい。制御時間として予め定められているしばらくの時間の後で、再び上記の異常が生じた場合、このことは、添加システムのエラーとして、たとえば、エラーのある減少した添加率Ｄとして解釈される。この場合添加率はその後修正される。異常のさらなる繰り返しがたとえば添加弁２７のエラー機能として解釈されて、対応のメッセージが発信される場合もある。

充填レベルモデルのパラメータを適合させるのに続いて減少したＮＯｘ転化Ｕ_NOxおよび／または増加したアンモニアスリップが記録された場合、このことは、好適には、ＳＣＲ触媒コンバータ５の触媒活性の低下として解釈され、同様に、対応のエラーメッセージが発信されるようになっていてもよい。ここで、格納されているマップと比較することによって、実際の酸化窒素転化率Ｕ_NOxの値をいつでも評価することができ、たとえば劣化因数を適合させることができる。

図６ａないし図６ｄの図を参照して、以下、時点ｔ_１における尿素添加率（尿素ドージングレート）Ｄの増加の後で、所定の期間内に、排ガスセンサ２５の信号Ｓの第３の限界値Ｇ３以下への低下ではなくて所定の第２の限界値Ｇ２を上回る増加がおこなわれる場合に本発明に従って実行されるさらなるやり方を説明する。

この場合、時点ｔ_１において増加したセンサ信号Ｓがアンモニアスリップに起因するということが前提となっている。ＳＣＲ触媒コンバータは、したがって、実際の限界条件に対応する最大アンモニア充填レベルに達している。対応して増加したアンモニア供給を伴う、時点ｔ_１における尿素添加率Ｄの増加は、結果として、さらに増加したアンモニアスリップにつながり、したがって、アンモニアに起因するセンサ信号のさらなる増加につながる。このことは、曲線分岐４３によって例示的に描写されている。ここで、診断結果の特に信頼できる安全確認のために、第２の限界値Ｇ２が尿素添加率Ｄの増加の程度に依存して予め決定され得る。

第２の限界値Ｇ２の超過に対する反応として、特別な診断運転モードに変更するようになっている。この特別な診断運転モードは、たとえば１０秒という認証期間の経過後、図に示されている時点ｔ₂に対応して使用される。この診断運転モードにおいて、ディーゼルエンジン１の酸化窒素未処理排出ＮＯｘ_rohが迅速に増加され、少なくとも近似的に時間同期して尿素添加率Ｄが少なくとも減少される。好適には、未処理排出は急激に素速く増加される。たとえば、少なくとも２倍ないし５倍増加され、尿素添加を完全に停止させる。このことは、曲線分岐４７および４８によって明らかにされる。ディーゼルエンジン１の酸化窒素未処理排出ＮＯｘ_rohの増加のために、これに関して適切なすべての手段が考慮される。特に、排出ガスの戻りを劇的に減少させることまたは停止させることが行われる。

ｔ_１〜ｔ_２の間の時間範囲の予め増加された尿素添加率Ｄの結果、１００パーセントのアンモニア充填レベルＦおよびその他の条件で診断運転モード中に最大の酸化窒素転化Ｕ_ＮＯｘを有する診断運転モードになることが保証される。このようにして、一義的な参照状態を有する診断運転モードが開始する。尿素供給の停止は、ここでは、これに関して、同様に、エラー添加による誤動作が排除されている所定の状態が提供されるという利点を有する。ＳＣＲ触媒コンバータ５の酸化窒素負荷の増加も、それ自体超過しているアンモニア充填レベルＦを有する状態を迅速に終了させて短時間しか存在しないようにするという利点を有する。さらに、排ガスセンサ２５の信号Ｓが一義的に酸化窒素に起因するものと解釈され得るということが保証される。

診断運転モードの開始時に提供される限界条件の結果、典型的には、まず、高いアンモニア充填レベルＦに起因する触媒活性およびその結果としての差し当たり比較的低いＳＣＲ触媒コンバータ５を出る排ガス中の酸化窒素濃度によりセンサ信号Ｓの低下が発生する。ＳＣＲ触媒コンバータ内に保存されたアンモニアと供給される酸化窒素との公知の反応の結果、アンモニア充填レベルＦが減少され、よって、酸化窒素転化率Ｕ_NOxが必然的に減少され、ＳＣＲ触媒コンバータ５を出た排ガス中の酸化窒素濃度が再び増加する。これによって、センサ信号Ｓは、典型的には最小値を通過する。これは、図６ａの図に例示的に描写されている曲線分岐４４に示されている。

排ガスセンサ２５の出力信号Ｓは、第４の限界値Ｇ４に達する。これは、たとえば時点ｔ₃において当てはまるので、診断運転モードが終了されて、通常の運転モードに戻る。増加した酸化窒素未処理排出ＮＯｘ_rohを有するエンジン運転が終了されて、増加したアンモニア充填レベルＦを有する、対応するモデルベースの尿素添加率Ｄが調節される。この尿素添加率Ｄは、暫定的に比較的大きくてもよい。しかし、所与の割合に応じて多かれ少なかれ迅速に通常の値に近づく。これは、たとえば、曲線分岐４９の傾斜状の経過によって描写される。これに応じて、酸化窒素転化率Ｕ_NOxが多かれ少なかれ、再び目標とする高い値に近づき、信号Ｓは、曲線分岐４５によって示されるように減少する。時点ｔ₃を決定する第４の限界値Ｇ４は、ここでは、たとえば５０パーセントの所定の酸化窒素転化率Ｕ_NOxによって予め定められていてもよい。

特にＳＣＲ触媒コンバータ５の診断のために、さらにｔ₂からｔ₃への時間間隔の間に全体として反応した酸化窒素量を計算するようになっている。このことは、たとえば、排ガスセンサ２５によってＳＣＲ触媒コンバータ５の出力側で排ガス内に供給される酸化窒素濃度と、酸化窒素センサ２０によって供給される信号から得られるかまたはエンジン運転マップから読み取れる酸化窒素開始濃度との積分によって行われる。代替的にまたは追加で、ｔ₂〜ｔ₃の時間間隔内で反応しかつＳＣＲ触媒コンバータ５内に蓄積されているアンモニア量が計算される。得られた値は、劣化していないか限界値で劣化している触媒のためのマップまたは特徴線から検出された対応の参照データと比較される。本発明に係る方法の実行によって、酸化窒素転化率およびそれによって触媒活性に直接関係する触媒コンバータ特徴値も、当該アンモニア蓄積性能に関係する触媒コンバータ特徴値も、参照値と比較することができる。

比較の結果ＳＣＲ触媒コンバータ５が損害を受けていないかまたはほとんど損害を受けていないことが分かった場合、好適には、充填レベルモデルの１つまたは複数のパラメータおよび／またはＳＣＲ排ガス後処理システムの運転パラメータを適合させるようになっている。たとえば、尿素添加率Ｄを修正して、それにより、新しく起こる過度なアンモニアスリップの可能性を減少させるようになっていてもよい。さらに、積分要素４０内の修正因数は、充填レベル検出ユニット３５に対して変更することができる。このようにして、積分の時間的な「脱落（Weglaufen）」を防止することができる。

診断運転によって得られた触媒コンバータ特徴値と劣化していないか限界値で劣化している触媒の特徴値との比較によって酸化窒素活性またはアンモニア蓄積性能に関する悪化が分かった場合、好適には、上述したように、劣化を考慮するために設けられている劣化因数を対応して設定する。また、ＳＣＲ触媒コンバータを劣化していないかまたは限界値で劣化している触媒のための参照値に対して変化させる仮想の能動触媒容量または触媒長さを求めるようにしてもよい。

好適に設定されている制御時間内に対応の修正手段を行った後でさらに増加したアンモニアスリップが生じた場合、好適には、対応の修正手段を撤回してその他の可能なエラー原因に対処するために手段を行うようになっている。

以下、時点ｔ_１での尿素添加率Ｄの後で排ガスセンサ信号Ｓが第２の限界値Ｇ２を超えず第３の限界値Ｇ３より下に低下していないという場合について説明する。機能通りに作動している尿素添加装置は、尿素添加が顕著にかつ飛躍的に増加する場合、経過中の信号Ｓの対応する顕著な反応が予想される。尿素添加率Ｄの対応の調節値を印加した後でセンサ信号Ｓが第２の限界値Ｇ２および第３の限界値Ｇ３の間に留まる場合、これによって、いずれにせよ誤機能が生じることになる。本発明によると、最も確からしいエラーとして、添加システムの誤機能または尿素添加装置の誤機能が診断される。排ガスセンサ２５の変化した調節に対する適切な反応が行われないことに起因して、添加に関係する部材が欠損していることに起因してこの調節が完全に遂行されないということが前提とされる。欠損とは、添加弁２７または添加ポンプのつまりまたは誤動作であり得る。エラーの場所をさらに確定するために、後続の手段を行ってもよい。この後続の手段によって、これらの部材の運転状態が検査される。いずれの場合でも、添加システムまたは尿素添加装置の誤機能に関する警告メッセージの発信が行われ、それによって保守を行わせる。

エラー状態を識別する際には対応する警告メッセージを発信するようになっている。ここで、好適には、可能な限り識別されるエラーの原因を特定する。その際に、本発明に係る運転または診断方法の利点として、エラーの区別が少なくとも所定の範囲において車両の通常の使用の間にも行うことができるということがある。このことは、後続の保守を簡略化する。さらなる利点は、診断の結果可能となる触媒劣化の検出と、それに基づく充填レベルモデルの適合の結果得られる。このことは、長い運転時間にわたって、排ガスの浄化に関して信頼できるとともに効果的なＳＣＲ排ガス処理システムの運転を可能にする。

Claims (6)

1. アンモニア蓄積性能を有するＳＣＲ触媒コンバータ（５）を備える、内燃機関のＳＣＲ排ガス後処理システムの運転および診断方法であって、
   ＳＣＲ触媒コンバータ（５）の下流側に配置された、酸化窒素およびアンモニアを検知する排ガスセンサ（２５）の信号が検出され、
   通常の運転モードにおいて、ＳＣＲ触媒コンバータ（５）のアンモニア充填レベル（Ｆ）が少なくとも所定の目標値に近づくように、または、所定の目標値範囲内に保持されるように、ＳＣＲ触媒コンバータ（５）に対して、尿素添加装置を作動することによって、ＳＣＲ触媒コンバータ（５）内に蓄積されているアンモニアの充填レベルに対応するアンモニアが供給され、
   所定の第１の限界値（Ｇ１）を超過する排ガスセンサ（２５）の信号（Ｓ）が生成される場合、通常の運転モードが中断されて、尿素添加装置によって調節される尿素添加率（Ｄ）が通常の運転モード中に設定されている値に対して所定の分だけ増加され、調節された尿素添加率（Ｄ）の増加後所定の期間内で、排ガスセンサ（２５）の信号（Ｓ）が所定の第１の限界値（Ｇ１）を超過する第２の限界値を超える場合、診断運転モードに変更され、
   診断運転モードにおいて、内燃機関運転の酸化窒素未処理排出（ＮＯｘ _roh ）が、一時的に通常の内燃機関運転のときよりも増加されるように調節され、かつ、尿素添加率（Ｄ）が時間同期して減少されるかまたはゼロになるようにし、診断運転モードにおいて、現在の酸化窒素転化活性（Ｕ _NOx ）を特徴づける触媒コンバータ特徴値が検出されることを特徴とする、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   排ガスセンサ（２５）の信号（Ｓ）が所定の期間中に、調節された尿素添加率（Ｄ）の増加後、第１の限界値（Ｇ１）よりも下にある第３の限界値（Ｇ３）を下回る場合、通常の運転モードに戻ることを特徴とする、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   排ガスセンサ（２５）の信号（Ｓ）が所定の期間内で第１の限界値（Ｇ１）に含まれる所定の値範囲内に留まる場合、異常機能している尿素添加装置が診断されることを特徴とする、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   前記値範囲が、上方では第２の限界値（Ｇ２）によって、下方では第３の限界値（Ｇ３）によって画定されていることを特徴とする、方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
   診断運転モード中に検出された触媒コンバータ特徴値の所定の参照値からの逸脱が検出され、この逸脱が所定の逸脱値よりも大きい場合に、エラーメッセージが生成されることを特徴とする、方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
   排ガスセンサ（２５）の信号（Ｓ）が酸化窒素未処理排出（ＮＯｘ_roh）の増加後に所定の第４の限界値（Ｇ４）を超過する場合、酸化窒素未処理排出（ＮＯｘ_roh）が増加された内燃機関運転が終了されて、通常運転モードに戻ることを特徴とする、方法。

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