JP6022552B2 - 容器内に収容された還元剤好ましくはｎｈ３を測定する装置 - Google Patents

Description

本提案発明は容器内に収容された還元剤のレベル又は量を測定する装置に関する。さらに本発明は自動車の排ガス中への還元剤注入を制御する方法に関する。

輸送関連の汚染物質排出は、３０年近く前から産業の主たる発展の原動力であった。４種の規制汚染物質（CO、HC、NOx、粒子状物質）に関してますます厳格になる放出制限が、特に大都市における空気の質を顕著な改善を許してきた。
自動車の絶えず増え続ける使用は、これら汚染物質排出をさらに削減しようとする絶え間ない努力を要求する。ユーロ6基準が施行される２０１５年に期待される一層厳しい欧州の排出閾値の状況内で窒素酸化物（NOx）の削減は従って複雑な問題のままである。全ての運転条件下で高い効率で除染する技術を使用可能にすることは、運送業にとって重要な努力目標のままである。

次に、CO₂排出に直接結びついた燃料消費が重要な関心事となってきた。例えば、旅客車両CO₂排出に関し２０１２年から欧州レベルで規制が導入されることになる。今からすでにこの限界値が来るべき数十年にわたってきちんと低減されるであろうことは確実とみなされている。したがってCO₂削減は運送業全体にとって明らかに不可欠となってきている。
局所的汚染（NOx）の低減及び燃料消費(CO₂)の低減というこの二重の問題は、ディーゼルエンジンにとって特に難事である。ディーゼルエンジンのリーンバーン燃焼は処理が難しいNOx排出を伴うからである。

すでに存在する装置、例えば特許文献１に開示されたような装置は、容器内に構成したアルカリ土類塩化物塩型の貯蔵材料中に貯蔵されたアンモニアを介して選択的接触還元（SCR）触媒によりNOx量の低減を可能にする。アンモニアを可逆的に吸着脱着反応させる貯蔵材料を加熱するために使用される加熱装置によって、排ガスへのアンモニア注入は制御される。なぜならこの反応は貯蔵材料内の温度に直接関係するからである。

実際には、NOx還元反応の化学量論的割合でアンモニアを排ガスへ連続的に注入する。従ってアンモニアの十分量を内蔵可能にすることが望ましい。貯蔵材料を収容する容器のサイズを制限するため、自動車メーカーは定期的に例えばエンジンの保守（オイル交換）時または燃料補給時に、容器を補充あるいは取り替えることを好む。乗り物（旅客車両、大型トラック等々）によっては、容器の寿命期間中１０回から１００回の容器補充または容器取り替え作業を予想することが必要になる。

車両の耐用期間中ずっとNOxの効果的除染を保証するために必要とされるこの定期的な保守サービスは、SCR技術が使用されている様々な国における特定規制の対象である。これらすべての規制に共通する一点は、燃料補給が必要な時をドライバーに知らせることができるように容器に残留するアンモニア量を決定可能であることの義務である。例えば、旅客車両についての欧州法において、２４００ｋｍ及び８００ｋｍ（これらは燃料満タンの約３回及び満タン１回にそれぞれ対応する）において残存範囲の少なくとも２つの閾値を測定可能であることが必要である。

さらに、もし車両内のアンモニア貯蔵システムの統合を単純化するため、あるいはその操作（冷却ユニットの導入）を改善するためにそれぞれアンモニア貯蔵材料を有する複数の容器が車両に搭載されるならば、コンピューターがこれら様々な容器内に収容されるアンモニアの注入を最適に制御できるように、各容器内に残留するアンモニア量を知ることが必要である。

特許文献２はその文献に関する限り、コンデンサーの静電容量の変化に基づきアンモニア量を測定する装置を開示する。

特許文献３は、平均消費量および閾値を比較し、もし必要ならばこの消費を制限することにより還元剤の注入を制御する方法を開示する。

欧州特許出願公開第１９７７８１７号 ドイツ特許出願公開第１０ ２００９ ０２２８８４Ａ１号 米国特許出願公開第２００６／１８４３０７Ａ１号

本発明の目的は容器内に収容される還元剤、好ましくはアンモニアのレベルを測定する装置を提案することである。

本発明によると、この目的は、中に還元剤が貯蔵される結晶格子（以下貯蔵材料と称する）を収容する容器に含まれる還元剤、好ましくはNH₃の量を測定する装置により達成される。貯蔵材料の体積は材料が収容する還元剤の量によって変化する。測定装置は容器と関連した手段を有しており、前記手段は、貯蔵材料の体積変化に応じて、貯蔵材料中に貯蔵された還元剤の量を測定するのに適当なものである。前記手段は、一方で貯蔵材料の膨張によって生じる機械的ストレスを測定し、他方ではストレス測定情報を貯蔵材料中に貯蔵される還元剤の量に変換するように構成される。

本発明の別の態様は、以下のステップ：
上で定義した測定装置で、エンジンに供給する容器中の還元剤の量を測定するステップと；
最後の容器保守サービス以来の還元剤の平均消費量を決定するステップと；
次回の容器保守サービスの理論段階に到達するために十分な還元剤量を有するよう、必要ならばこの消費量を制限するため、前記平均消費量を少なくとも１つの閾値と比較するステップとを
少なくとも有する自動車の排ガス中への還元剤の注入を制御する方法に関する。

決して限定目的ではなく単に例として提示した図面に関して、いくつかの実施形態のバリエーションの記載を読み取れば本発明の特徴がより明瞭になる。

貯蔵材料の調製の必須ステップを示す。 第１の構成によるそれぞれアンモニアを充填した及びアンモニアがない状態の貯蔵材料を有する容器を表す。 第２の構成によるそれぞれアンモニアを充填した及びアンモニアがない状態の貯蔵材料を有する容器を表す。 第３の構成によるそれぞれアンモニアを充填した及びアンモニアがない状態の貯蔵材料を有する容器を表す。 容器中のアンモニアレベルの関数としての機械的ストレスを測定する手段によって測定されたストレスの変化を表す。 アンモニア消費限度を決定するためのマップである。 注入すべきアンモニア量に関する補正マップである。 平均的とされる運転条件下での自動車によって走行された距離の関数としてアンモニア消費量の変化を表す。 過酷とされる運転条件下で制限されたアンモニア消費量の変化を表す。

以下に開示された本発明による様々な実施形態は、吸着反応中に金属塩化物型の塩中でのアンモニア固定は体積の増加を伴い、アンモニア化合物は純粋な塩の体積よりもはるかに大きな体積を占めるようになる（４ないし５倍の比率まで）という事実に基づく。塩の体積増加は、その結晶格子の膨張によるものだけでなく、その分裂によるものであり、従ってアンモニア化合物錯体の微結晶同士の間に自由空間を残している。
本発明によれば、貯蔵材料が一方でより優れた熱伝導率を有し、もう一方でより堅牢であるためには、貯蔵材料は好ましくは膨張天然グラファイトからなる。図１に記載のこの貯蔵材料の製造によれば、一定方向軸に従って圧縮される前に膨張天然グラファイトを塩に添加する。このように、材料をアンモニアで飽和することにより生じる膨張が真っ先に圧縮軸方向に起こり、また圧縮軸に対し垂直な方向でも少ない程度に起こる。その結果、圧縮軸の方向で材料の膨張を制御することが可能であり、貯蔵容器の壁面にかかるストレスを制限するのに適切である。

次にアンモニア脱着の間、再圧縮された膨張天然グラファイトによって作られたネットワークはアンモニアがない状態の塩粒子を保持する堅固な構造を形成する。実施の質によっては、圧縮軸の方向に１％から１０％および圧縮軸に対し垂直な方向におよそ0.01％から1%の膨張が観察される。

図２に説明されている第１の実施形態によれば、貯蔵材料11を収容する容器10は回転対称であり、好ましくは円筒形である。この容器10は両端が２つの半球12、12’によって閉じられている。アンモニアガス透過性の第１と第２のディスク13、13’は貯蔵材料11の両側に配置され、前記材料11の圧縮軸の方向に移動可能である。第１および第２の圧電センサ14、14’が、それぞれ第１および第２のディスク13、13’と接触するように半球12、12’のそれぞれ一方に置かれ、アンモニアの脱着中に材料の圧縮軸方向の貯蔵材料11の膨張を測定できるようになっている。

図３に説明されている本発明の第２の実施形態によれば、アンモニアガス透過性の第１および第２のディスク113、113’が容器110内の貯蔵材料111の両側に配置される。第１のディスク113は材料111の圧縮軸方向に移動可能であるのに対して、第２のディスク113’は固定されている。圧電センサ114は第１のディスク113と接触するように配置され、アンモニアの脱着中に材料の圧縮軸方向に貯蔵材料111の膨張を測定できるようになっている。

図４に説明されている本発明の第３の実施形態によれば、貯蔵材料211の圧縮軸に対し垂直に生じる膨張が測定される。この場合、貯蔵材料211の外側表面全体を覆う圧電材料214が容器210と貯蔵材料211の間に配置されている。貯蔵材料211からアンモニアがなくなると、圧電材料214にかかる機械的ストレスが減少する。
一個以上の圧電センサの代わりに貯蔵材料の膨張の測定に適当な他の何らかの手段が使用可能であることを明記させてほしい。

本発明のこれら３つの実施形態に関して、完全な脱着サイクルの間の貯蔵材料の膨張によって引き起こされる機械的ストレスの変化は、容器中に存在するアンモニアと直接相互に関係しうる。例えば、図５で図式的に表したように、検討された容器について圧電物質の端子における電圧測定によって残存するアンモニアレベルを校正によって規定することが可能である。

本発明の貯蔵材料を有する容器をアンモニアで満たすには、エンジン保守（オイル交換）または燃料補給を優先的にスケジュールした定期的な保守サービスを実施する。アンモニアがなくなった容器はアンモニアで飽和した貯蔵材料を有する新しい容器と取り替えることも可能である。保守サービスの取得と組み合わせた上記のような残留アンモニアの測定は、本発明によると最後の保守サービス以来の平均アンモニア消費量を計算により決定可能にする。本発明において、消費戦略を変更させる目的でこの測定平均消費量を様々な閾値と比較し、必要ならばこの消費を制限し、容器の理論保守ステップに達するようにアンモニアの十分な蓄えを確保する。実際には、１個以上の電圧センサを使用して測定した最後の保守サービス以降の消費アンモニア量が、図６で定義したマップを用いて制限レベルを決定する。

典型的には、アンモニア消費量が閾値レベル１より下である限り、制限レベルゼロが有効である（すなわち注入アンモニアの量の補正なし）。ある程度の距離を走行後、もしアンモニア消費量がレベル１閾値曲線を超過するようになると、制限レベル１が有効化され、そして該当する補正が適用される。

各制限レベルについて、SCR後処理装置のNOx変換条件用に計算したアンモニア注入量に補正が加えられる。１未満の乗算係数の形で適用されたこの補正係数は、図７で表されたパターン/負荷マップを使用して各制限レベルについて決定される。図中の新欧州ドライビングサイクル(NEDC)ゾーンは、ホモロゲーションサイクルの間カバーされるゾーンである。この図によると、エンジンがゾーン１でまず作動し、次いでゾーン２で、最後にゾーン３でそれぞれ作動すると、３つの補正係数によってアンモニア消費は次第に制限される。補正係数の値を決定するには、いろいろな要因、周囲温度、標高およびエンジン水温をも考慮可能である。

これら連続する制限レベルを確立することにより、顧客それぞれの運転条件に合わせたやり方でアンモニア消費を制御可能になる。大多数の顧客は平均的な運転条件を経験することから考えて、アンモニア注入は補正されず、システムの最大効率が得られる（図８）。過酷な運転条件を有する１０％の顧客については、修正しないでアンモニア注入するとオイル交換時期前に容器に貯蔵されたアンモニア全部が消費されてしまう。制限レベルの確立は、システム効率の減少と引き換えにアンモニア消費を段階的に制限することを可能にし、オイル交換時期までのシステムの運行を保証する（図９）。

言うまでもなく、本発明は実施例として上に記載された実施形態に限定されるものではなく、それとは反対に、実施形態のあらゆる別形態を包含する。例えば測定装置は、水素貯蔵システムの燃料電池の水素化合物量を見積もるためにも使用可能である。

Claims (9)

1. 容器内に収容された貯蔵材料中に貯蔵された還元剤、好ましくはNH_３、の量を測定する装置であって、
   貯蔵材料の体積は、貯蔵材料が含有する還元剤の量によって変化し、
   当該測定装置は容器と関連した手段を有し、
   前記手段は貯蔵材料の体積に応じて、貯蔵材料中に貯蔵された還元剤の量を測定するのに適しており、
   前記手段は一方では貯蔵材料の膨張によって生ずる機械的ストレスを測定するように、そして他方ではストレス測定結果を貯蔵材料中に貯蔵された還元剤の量に変換するように構成されている、測定装置。
2. 前記手段は少なくとも圧電センサを有する、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記手段はさらに貯蔵材料と接触している少なくとも1つの可動壁を有し、前記圧電センサは可動壁の動きに関連する機械的ストレスを測定するように構成されている、請求項２に記載の測定装置。
4. 前記手段は2つの圧電センサおよび2つの可動壁を有し、各圧電センサは、可動壁の動きに関連する機械的ストレスを測定するように各可動壁と結合している、請求項１から３のいずれかに記載の測定装置。
5. 少なくとも１つの可動壁は還元剤に対して透過的である、請求項３又は４に記載の測定装置。
6. 各可動壁は容器の縦軸に対して垂直に配置される、請求項３から５のいずれかに記載の測定装置。
7. 前記手段は貯蔵材料の外側面周辺に構成されている、請求項1に記載の測定装置。
8. 自動車の排気ガスへの還元剤注入を制御する方法であって、
   請求項１から７のいずれかに記載の測定装置で、エンジンに供給する容器中の還元剤量を測定するステップと、
   最後の容器保守サービス以来の還元剤の平均消費量を決定するステップと、
   次回の容器保守サービスの理論段階に到達するのに十分な還元剤量を有するよう、必要ならば前記消費を制限するため、前記平均消費量を少なくとも1つの閾値と比較するステップとを
   少なくとも有する方法。
9. エンジン回転速度、エンジン負荷及び/又はエンジン水温；
   最後の容器保守サービス以来の自動車の走行距離；及び/又は
   外部要因特に周囲温度及び/又は標高
   に応じて還元剤の消費を制限する、請求項８に記載の方法。

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