JPH10512647A - 排気ガス中の有害物質を触媒において変換する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、排気ガス中の有害物質を触媒（２）において反応剤を使用して変換する方法及び装置に関する。この反応剤は先ず排気ガスの運転に関連するパラメータ及び触媒（２）の温度に関係して適量配分され、排気ガスに付加されて混合ガスを形成し、この混合ガスが触媒（２）に導かれる。触媒（２）の温度は排気ガスの運転に関連するパラメータ及び触媒（２）の構造に関連するパラメータから触媒（２）における場所及び時間に関係する関数として帰納的に決定され、この温度から触媒（２）における活性が決定され、この活性に関係して反応剤が適量配分される。

Description

【発明の詳細な説明】 排気ガス中の有害物質を触媒において変換する方法及び装置 この発明は、排気ガスの運転に関連するパラメータ並びに触媒の温度に関係し て適量配分され、排気ガスに付加されて混合ガスを形成し、この混合ガスが触媒 に導かれる反応剤を使用して、排気ガス中の有害物質を触媒において変換する方 法及び装置に関する。この装置は、反応剤を適量配分、付加して混合ガスを形成 する付加装置、この混合ガスが導かれる触媒並びに排気ガスの運転に関連するパ ラメータを測定するためのセンサ素子及びこの触媒の運転に関連するパラメータ 及び温度に関係して反応剤の配分量を制御する制御ユニットを含む。 このような方法及びこのような装置は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３ １５２７８号明細書及びドイツ連邦共和国特許第３３３７７９３号明細書から公 知である。これらの文献の各々によれば対応する方法において或いは対応する装 置において触媒における温度測定が行われ、付加的に排気ガスの運転に関連する パラメータ、特に温度、質量流量率、化学組成等が検出され、その都度必要な反 応剤の付加がこれらのパラメータに関係して制御される。 内燃機関において燃料を燃焼する際に発生する窒素酸化物を、排気ガス流に還 元剤の形の反応剤を添加した後に後置された触媒において分解することは公知で ある。例えば、窒素酸化物は還元剤としてアンモニアを付加することによって還 元処理装置において窒素と水蒸気に還元される。反応剤の付加量は余剰及び不足 がないようにするために処理装置の触媒活性に正確に適合されねばならない。 触媒の加熱相において還元剤の付加されるべき量を適合させるために、ドイツ 連邦共和国特許第４３１０９６１号明細書によれば、触媒の内部に温度測定のた めの複数のセンサを配置し、触媒の内部で測定された温度を考慮して、センサの 前、中間及び後ろの触媒部分の触媒活性に合わせて還元剤を適量付加することを 行うことが公知である。これにより例えば触媒の加熱相において既存の部分活性 が検出され、従って加熱相において既に適量の還元剤を付加することができる。 この発明の課題は、冒頭に記載した種類の方法並びにこれに対応する装置にお いて、触媒の内部の温度センサの使用を止めることができ、それにも係わらずそ の都度温度に関係した、そして低い温度においては概して存在しない触媒の触媒 活性が考慮されるものを提示することにある。 上記の方法に関する課題は、先ず排気ガスの運転に関連するパラメータ並びに 触媒の温度に関係して適量配分され、排気ガスに付加されて混合ガスを形成し、 この混合ガスが触媒に導かれる反応剤を有する触媒において排気ガス中の有害物 質を変換する方法において、触媒における温度が場所及び時間に関係する関数と して排気ガスの運転に関連するパラメータ並びに触媒の構造に関連するパラメー タから帰納的に決定され、触媒における活性が場所及び時間に関係する関数とし てこの温度から決定され、反応剤がこの活性に関係して適量配分されることによ り解決される。 この発明による方法は触媒の内部における温度測定を必要としない。これに対 して触媒の触媒活性を判断するために重要である触媒の内部における温度は、た だ排気ガスの運転に関連するパラメータ及び触媒の構造に関連する、特にそれ故 時間的に変化しないパラメータを必要とする帰納モデルの範囲で求められる。こ のモデルの範囲で実行されるべき計算は本質的に触媒と排気ガスとの間に並びに 触媒の内部の熱流量を再現せねばならない。これらの熱流量に対しては、排気ガ スを通る熱の供給を表す排気ガスの運転に関連するパラメータ並びに触媒の構造 に関連するパラメータ、特にその形状と質量とを決定するパラメータ並びに熱容 量及び熱伝導度のような固有のパラメータが基準となる。モデル計算は、特に排 気ガスを放出する装置が運転されるときに、一定にかつ触媒の周囲の温度に等し く設定され得る、触媒の内部における所定の温度分布から出発する。このモデル は次に運転に関連するパラメータに関係して温度の分布の時間的展開を求める。 触媒の内部における温度が知られていれば、この温度から、個々のケースでは必 要に応じて実験的に立証され得るそれ自体公知の関係により触媒の触媒活性が場 所及び時間に関係する関数として求めることができる。この関数から次に排気ガ スへの反応剤の適量配分に適合した値が算出される。この適合値は、例えば、有 害物質のできるだけ完全な変換が、排気ガスに供給された反応剤が完全に触媒に おいて変換されるという条件で得られるように選ばれる。 この発明による方法は、特に、排気ガスの運転に関連するパラメータをセンサ 素子を介して検出し、制御ユニットに導くことを含む。検出されたパラメータ並 びに、例えば触媒の質量、触媒及び排気ガスもしくは空気の固有の熱容量のよう な、触媒の構造に関連するパラメータの形の付加的一定量が次に制御ユニットに おいて触媒のその都度の瞬時触媒活性の計算のために使用される。 特にこの方法の範囲において唯一の運転に関連するパラメータとして触媒に流 入する排気ガスの質量流量並びにこの排気ガスが触媒に流入するときの流入温度 が決定される。 さらに、この方法は触媒に排気ガスが流入する始めにおいて始められるのがよ く、この場合触媒の温度は始めは一定で触媒の周囲温度と等しいものと設定され る。 触媒内の温度の場所との関係は、特に、モデルのための触媒が順次排気ガスの 流入する部分領域に分割され、その際各部分領域に対する温度は別々に定められ るように決定される。第一の部分領域の温度の決定及び次に続く部分領域の温度 の決定は、特に、実施例を参照して詳しく説明する特定の式に従って行われる。 各部分領域の温度を基にその部分領域の触媒活性が決定され、触媒の総触媒活性 が部分領域の触媒活性の算術平均として決定されるのが有利である。 求められたそれぞれの、触媒の触媒活性に関係して反応剤の適量配分の制御が 付加装置を介して行われ、常に正確に、その時点で触媒において変換可能な反応 剤の量を付加することができる。 従来技術と異なり、触媒の内部に１つ或いは複数の温度センサを配置する必要 はない。運転に関連するパラメータとしては特に排気ガスの質量流量並びに排気 ガスの触媒への流入温度だけを確定することができる。このことは、正に比較的 大形の触媒において明らかな簡単化と擾乱しやすさの著しい低減を意味する。 このプロセス工程、即ち運転に関連するパラメータの測定、触媒活性の決定、 規則的な時間間隔で配分量の制御を行うことにより、その都度供給される反応剤 の量が正確にその瞬間の触媒の触媒活性に適合させることができる。 好ましいことに、極めて僅かな装置コストで実施可能なこの方法は、反応剤の 最適供給のために触媒の加熱相においても、また冷却相においても、また正及び 負の負荷変動に際しても使用される。このような負荷変動の際に生ずる排気ガス の質量流量の変動並びに排気ガスが触媒に流入するときの流入温度の変化がまた 触媒の瞬時の触媒活性を計算するためにも使用され、これにより瞬間的に上昇し た或いは低下した負荷レベルに合わせた反応剤の配分量を確実に望ましく適合さ せることができる。 この方法を実施するための装置に関する課題は、この発明によれば、反応剤を 適量配分、付加して混合ガスを形成する反応剤付加装置と、この混合ガスが通さ れる触媒と、排気ガスの運転に関連するパラメータを測定するセンサ素子と、こ の運転に関連するパラメータ及び触媒の温度に関係して反応剤の配分量を制御す る制御ユニットとを備え、制御ユニットはその中に触媒の構造に関連するパラメ ータを記憶する記憶装置を備え、かつ運転に関連するパラメータ及び構造に関連 するパラメータに関係して触媒において場所及び時間に関係する関数として温度 を帰納的に決定し、触媒における触媒活性を場所及び時間に関係する関数として 決定し、そしてこの活性に関係して反応剤の適量配分を行うように構成されてい る排気ガス中の有害物質を変換する装置によって解決される。 この装置の本質的な利点を、この発明による方法の実施例を参照して明らかに する。 この発明による装置は、装置的コストが僅かであるという点で優れており、触 媒の内部に配置される温度決定のためのセンサ素子を完全になくすることができ る。 この装置はただ排気ガスの質量流量及び排気ガスの触媒への流入温度を検出す るためのセンサ素子を必要とするだけである。特に質量流量及び流入温度を測定 するためのセンサ素子だけが設けられる。測定結果を誤らせないために排気ガス の質量流量を測定するためのセンサ素子は、好ましくは、反応剤の付加装置に対 して（排気ガスの流れ方向に関して）上流側に配置される。 この発明の説明の範囲では常に「排気ガス」が引き合いに出された。しかし、 この概念は必ずしも燃焼プロセスから生ずる排気ガスに限定されるものと解釈さ れてはならない。この概念はどのような有害物質を含み、処理されるべきガス、 即ち産業設備の不純物を除去してない排気にも関連するものとする。 この発明の実施例を図面を参照して詳しく説明する。図面において、 図１は３つの部分領域に分割された触媒の個々の温度を決定するための計算例を 、 図２は触媒の触媒活性を、部分領域のそれぞれの温度から決定するための図表を 、そして 図３は内燃機関システムの概略図を示す。 先ず図１に示された計算例を参照する。３つの部分領域Ｂ₁、Ｂ₂及びＢ₃に分 割された触媒２（図３参照）に基き、先ず第一の部分領域の時間ｔ後の温度Ｔ_1t が式（１）により計算される。この場合第一の部分領域Ｂ₁の初期温度Ｔ₁₀（例 えば周囲温度に相当する）並びに対応のセンサによって検出された排気ガス流入 温度Ｔ_ein及び対応のセンサによって検出された排気ガス質量流量ｍ_Abgasが関係 する。その他の量としては排気ガスの固有熱容量Ｃ_Abgas、触媒の固有熱容量Ｃ_k 、触媒の部分領域Ｂ₁の質量ｍ_k1並びに測定が行われる間の時間ｔが関係する。 求められた温度Ｔ_1tは次に式（２）により触媒の部分領域Ｂ₂の温度Ｔ_2tを決定 するために使われる。この計算は式（１）と同様に行われるが、ただその違いは 触媒における流入温度Ｔ_einの代わりに触媒の部分領域Ｂ₁の温度Ｔ_1tが使用され ることである。この場合に、触媒部分Ｂ_i-1から流出し、次の触媒部分Ｂ_iに流入 する空気は丁度貫流した触媒部分Ｂ_i-1の温度を持っていることを基礎にしてい る。 式（３）により部分領域Ｂ₃の温度を同様に計算することにより、時間ｔ後の 触媒の個々の部分領域の温度Ｔ_1t、Ｔ_2t及びＴ_3tが求められ、図２により３つの 部分領域Ｂ₁、Ｂ₂及びＢ₃の各々に対するそれぞれの触媒活性ｋ_itの決定が行わ れる。 触媒の個々の部分領域の個々の触媒活性ｋ_1t、ｋ_2t及びｋ_3tをこの発明により 算術的に求めることにより時間ｔ後の触媒の総触媒活性Ｋ_tが計算され、排気ガ スに供給すべき反応剤の量の適合が行われる。 時間Ｔ（ただし、Ｔ＞ｔ）の後もう一度温度Ｔ_1T、Ｔ_2T及びＴ_3Tが式（４）乃 至（６）により計算され、個々の触媒活性ｋ_1T、ｋ_2T及びｋ_3Tに関して時間Ｔ後 の触媒の総触媒活性ｋ_Tが生ずる。 この計算サイクルは任意の回数繰り返すことができる。各計算サイクルの終了 後反応剤の供給すべき量がそれぞれの総触媒活性（この場合、Ｋ_tもしくはＫ_T） に適合される。 この方法をさらに説明するために図３に対応する装置をテーマに沿った形で示 す。排気ガス源１及び触媒２に基づいて、排気ガスの質量流量がセンサ素子Ｓ１ によって、触媒への排気ガスの流入温度がセンサ素子Ｓ２によって求められる。 この求められたデータは制御ユニット４に与えられ、前述の方法でそれぞれの時 点における触媒２の総触媒活性の計算に使用される。次にこの制御ユニット４か ら付加装置３を介してその時点の総触媒活性Ｋ_tに適合した反応剤の適量が付加 される。 排気ガスの質量流量を求めるためのセンサ素子Ｓ１は、付加装置３を介する反 応剤の付加位置５に対して排気ガスの流れ方向に関して上流側に置かれた位置に あるので、反応剤の付加量による測定結果の誤認は回避される。 以下に、図面に使用された符号及び式の符号のリストを説明のために挙げる。 １ 排気ガス源 ２ 触媒 ３ 反応剤の付加装置 ４ 計算制御ユニット ５ 反応剤の付加位置 Ｂ_i 触媒の部分領域ｉ（ｉ＝１，２，３） Ｃ_Abgas 排気ガスの固有熱容量 Ｃ_k 触媒の固有熱容量 ｋ_i 部分領域Ｂ_iの触媒活性 Ｋ_t 触媒の総触媒活性 ｍ_Abgas 排気ガスの質量流量 ｍ_ki 部分領域Ｂ_iの質量 ｔ 時間 Ｔ 時間 Ｔ_ein 触媒への排気ガスの流入温度 Ｔ_i0 初期時点での部分領域Ｂ_iの温度 Ｔ_it 時間ｔ後の部分領域Ｂ_iの温度 Ｔ_iT 時間Ｔ後の部分領域Ｂ_iの温度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．排気ガスの運転に関連するパラメータ及び触媒（２）の温度に関係して適量 配分され、排気ガスに付加されて混合ガスを形成し、この混合ガスが触媒（２） に導かれる反応剤を含む触媒（２）において、排気ガス中の有害物質を変換する 方法において、温度が排気ガスの運転に関連するパラメータ及び触媒（２）の構 造に関連するパラメータから触媒（２）における場所及び時間に関係する関数と して帰納的に決定され、触媒（２）における活性が場所及び時間に関係する関数 としてこの温度から決定され、反応剤がこの活性に関係して適量配分されること を特徴とする排気ガス中の有害物質を触媒において変換する方法。 ２．唯一の運転に関連するパラメータとして排気ガスの質量流量ｍ_Abgas及び流 入温度Ｔ_einが決定される請求項１記載の方法。 ３．触媒（２）に排気ガスを加える初期において始められ、その際触媒（２）の 温度が始めは一定でかつ触媒（２）の周囲温度に等しく設定される請求項１又は ２記載の方法。 ４．触媒（２）が順次排気ガスを受ける部分領域（Ｂ₁、Ｂ₂等）に分割され、各 部分領域（Ｂ₁、Ｂ₂等）に対する温度が別々に定められる請求項１ないし３のい ずれか１つに記載の方法。 ５．時間ｔ後の触媒（２）の第一の部分領域（Ｂ₁）の温度（Ｔ_1t）の決定が次 の式 Ｔ_1t＝Ｔ₁₀＋〔ｍ_Abgasｔｃ_Abgas（Ｔ_ein−Ｔ₁₀）／（ｍ_k1ｃ_K）〕 により行われる請求項４記載の方法。 ６．第一の部分領域（Ｂ₁）の後で排気ガスの貫流する各部分領域（Ｂ₂等）の時 間ｔ後の温度Ｔ_itの決定が次の式 Ｔ_it＝Ｔ_i0＋〔ｍ_Abgasｔｃ_Abgas/Luft（Ｔ_i-1t−Ｔ_iO）／（ｍ_kiｃ_K）〕 により行われる請求項５記載の方法。 ７．部分領域（Ｂ_i）の温度（Ｔ_it）に基づいて部分領域（Ｂ_i）の触媒活性ｋ_it が決定される請求項４乃至６のいずれか１つに記載の方法。 ８．触媒（２）の総触媒活性ｋ_tが部分領域（Ｂ_i）の触媒活性ｋ_itの算術平均と して決定される請求項７記載の方法。 ９．反応剤を適量配分付加して混合ガスを形成する付加装置（３）と、この混合 ガスが通される触媒（２）と、排気ガスの運転に関連するパラメータを測定する ためのセンサ素子（Ｓ１、Ｓ２）と、この運転に関連するパラメータと触媒（２ ）の温度とに関係して配分量を制御する制御ユニット（４）とを備え、この制御 ユニット（４）が触媒（２）の構造に関連するパラメータを記憶する記憶装置を 備え、かつ運転に関連するパラメータ及び構造に関連するパラメータに関係して 触媒（２）における場所及び時間に関係する関数として温度を帰納的に決定し、 触媒（２）における活性を場所及び時間に関係する関数として決定し、さらにこ の活性に関係して反応剤を適量配分を行うように構成されていることを特徴とす る排気ガス中の有害物質の変換装置。 １０．排気ガスの質量流量ｍ_Abgas及び触媒（２）への排気ガスの流入温度Ｔ_ein を測定するためのセンサ素子（Ｓ１、Ｓ２）のみが設けられている請求項９記載 の装置。 １１．質量流量ｍ_Abgasを測定するためのセンサ素子（Ｓ１）が排気ガスの流れ 方向に関して反応剤の付加装置（３）の上流側に配置されている請求項９又は１ ０記載の装置。